JP2005157127A - ファイバーレーザー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー光パワーを変えることができ、変えられたレーザー光パワーが変動しないファイバーレーザー装置を提供すること。
【解決手段】レーザー光を発生するファイバーレーザー１と、該ファイバーレーザー１からの該レーザー光が伝搬する光ファイバー２と、該光ファイバー２を曲げる曲げ手段３と、を有するファイバーレーザー装置。曲げ手段で光ファイバーを許容曲げ半径（伝搬する光が漏れ出さない最小曲げ半径）以下の曲げ半径になるように曲げることで出射するレーザー光パワーを変えることができる。また、ファイバーレーザーの出射端と光ファイバーの入射端を融着するかあるいはコネクタで接続することができ、レーザー光を空中伝搬させないようにして、レーザー光パワーを安定化することができる。
【選択図】図１

Description

レーザーは、情報通信、計測、医療、加工など幅広い技術分野で応用されているが、その場合、レーザーから発生されるレーザー光パワーや、波長を変えることができると、益々応用範囲が広がることが期待されている。波長を変えるためには一般的に非線形光学効果が利用されるが、非線形性は光強度に依存するので、非線形性を制御するために光パワーを変えることができるファイバーレーザー装置が知られている。本発明は、パワーを変えることができるファイバーレーザー装置及び可変パワーで非線形性を制御するファイバーレーザー装置に関する。

レーザー光パワーを変えることができ、その可変レーザー光パワーで非線形性を制御するファイバーレーザー装置として、ファイバーレーザーから発生されたレーザー光パワーを音響光学変調器等の強度調整器で変えて非線形性を制御する短パルス光生成装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、レーザー光パワーを可変する手段がバルクの強度調整器であるため、ファイバーレーザーから発生されたレーザー光を空中伝搬させてレンズ等のバルクの光学系で集光する必要がある。レーザー光を空中伝搬させると、空気の揺らぎや温度の影響を受けてレーザー光パワーが変動してしまう。さらに、バルクの光学系を使用すると光学系の傾きや位置の調整が必要であるばかりでなく、折角調整した光学系が振動や熱膨張等で変動してしまう。そのため、安定してレーザー光パワーを制御するには、耐環境性を向上させるための構造が別途必要となる。
特開２００２−３７２６９１号公報

本発明は、かかる問題を解決するために創出されたものである。すなわち、本発明の目的は、レーザー光パワーを変えることができ、変えられたレーザー光パワーが変動しないファイバーレーザー装置を提供することである。また、別の目的は、レーザー光を空中伝搬させずに、レーザー光パワーを変化させることができるファイバーレーザー装置を提供することである。さらに、本発明の別の目的は、可変されたレーザー光パワーで非線形性を制御することができ、非線形制御された非線形応答光が変動しないファイバーレーザー装置を提供することである。

この課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、レーザー光を発生するファイバーレーザーと、該ファイバーレーザーからの該レーザー光が伝搬する光ファイバーと、該光ファイバーを曲げる曲げ手段とを有し、該曲げ手段で該光ファイバーを曲げることで該伝搬するレーザー光のパワーを変えることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明のファイバーレーザー装置では、曲げ手段で光ファイバーを許容曲げ半径（伝搬する光が漏れ出さない最小曲げ半径）以下の曲げ半径になるように曲げることで、光ファイバー中を伝搬するレーザー光の一部が曲げ部分から漏れ出し、光ファイバーから出射するレーザー光パワーが変化する。曲げ半径を変えるかあるいは曲げ半径を一定にして曲げる光ファイバーの長さを変えることで、出射するレーザー光パワーを変えることができる。また、ファイバーレーザーの出射端と光ファイバーの入射端を融着するかあるいはコネクタで接続することで、レーザー光を空中伝搬させないようにして、レーザー光パワーを安定化することができる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載するファイバーレーザー装置であって、前記レーザー光は超短パルス光であり、前記光ファイバーは光学非線形性を示す非線形性光ファイバーであり、前記パワーが変えられた該超短パルス光で該光学非線形性を制御して非線形応答光を出力することを特徴としている。

超短パルス光を発生するファイバーレーザーを用いることで、レーザ光のピークパワーを桁違いに高くすることができる。また、曲げ手段で光ファイバーの前段を許容曲げ半径以下の曲げ半径になるように曲げることで、光ファイバーの後段にはパワーの変化したレーザー光が伝搬し、変化したレーザー光パワーに応じて非線形性が制御され非線形応答光（例えば、波長がシフトしたレーザー光）を出力することができる。曲げ半径を変えるか曲げる光ファイバーの長さを変えることで、光ファイバーの後段に伝搬するレーザー光パワーを変えることができ、それによって、例えば波長可変すなわち、波長シフト量を変えることができる。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載するファイバーレーザー装置であって、前記レーザー光は超短パルス光であり、前記パワーが変えられた該超短パルス光が伝搬する光学非線形性を示す非線形性光ファイバーをさらに有し、該パワーが変えられた該超短パルス光で該光学非線形性を制御して非線形応答光を出力することを特徴としている。

曲げ手段で光ファイバーを許容曲げ半径以下の曲げ半径になるように曲げることで、非線形性光ファイバーにパワーの変化したレーザー光を入射させ、変化したレーザー光パワーに応じて非線形性を制御し例えば波長をシフトさせることができる。レーザー光パワーを可変にする光ファイバーの出射端と非線形性光ファイバーの入射端を融着するかあるいはコネクタで接続することで、レーザー光を空中伝搬させないようにして、非線形応答光を安定化することができる。

また、請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３に記載の発明であって、前記パワーが変えられた前記超短パルス光を検出するパワー検出手段を有し、該パワー検出手段からの検出パワーに基づいて前記曲げ手段を制御することを特徴としている。

光ファイバーから出射されるレーザ光パワーを所定の値に高精度に調節することができる。さらに、レーザ光パワーに応じて出力される非線形応答光、例えば波長シフト量を所定の量に高精度に調節することができる。

請求項５に係る発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明であって、前記非線形応答光を検出する応答光検出手段を有し、該応答光検出手段からの応答光に基づいて前記曲げ手段を制御することを特徴としている。

非線形応答光、例えば波長シフト量を所定の量に高精度に調節することができる。

また、請求項６に係る発明は、請求項１ないし請求項５に記載の発明であって、前記レーザー光は、１．５μｍ帯の波長を有することを特徴としている。

レーザー光が１．５μｍ帯の波長を有するので、通信用の量産された光ファイバーを用いることができ、ファイバーレーザー装置を低コスト化できる。

請求項７に係る発明は、請求項１ないし請求項６に記載の発明であって、前記光ファイバーは、偏波面保存ファイバーを有することを特徴としている。

出射光の偏光が光ファイバーの屈曲によって変わらないので、曲げ手段による曲げや環境の影響を受けにくくなり、レーザー光パワーを安定化することができる。

請求項８に係る発明は、請求項１ないし請求項７に記載の発明であって、前記光ファイバーは、希土類元素添加のファイバー増幅器を有することを特徴としている。

ファイバーレーザーからのレーザー光パワーを増幅することで、レーザ光パワーの（可変）範囲が広がり、非線形性光ファイバーの非線形性をその範囲の広いパワーで制御することで、例えば波長可変範囲を広げることができる。

請求項９に係る発明は、請求項１ないし請求項８に記載の発明であって、前記曲げ手段は、リニアステージを有することを特徴としている。

例えば、ループ状の光ファイバーの所定部位をリニアステージに固定してステージを移動させることでループの曲率半径を連続して変えることができ、出射するレーザー光パワーを連続して変えることができる。

請求項１０に係る発明は、請求項１ないし請求項９に記載の発明であって、前記曲げ手段は、曲げガイドを有することを特徴としている。

光ファイバーのループ形状が曲げガイドに倣って変わるので、レーザー光パワーを精度良く連続して変えることができる。

本発明のファイバーレーザー装置では、曲げ手段で光ファイバーを許容曲げ半径以下の曲げ半径になるように曲げることで、光ファイバー中を伝搬するレーザー光の一部を曲げ部分から漏れ出させ、光ファイバーから出射するレーザー光パワーを変えることができる。また、ファイバーレーザーの出射端と光ファイバーの入射端を融着するかあるいはコネクタで接続することができ、レーザー光を空中伝搬させないようにして、レーザー光パワーを安定化させることができる。

また、本発明のファイバーレーザー装置では、超短パルス光を発生するファイバーレーザーを用い、光ファイバーが非線形性光ファイバーを有するようにすることで、レーザ光のピークパワーを桁違いに高くすることができ、曲げ手段で光ファイバーの前段を許容曲げ半径以下の曲げ半径になるように曲げることで、光ファイバーの後段にはその桁違いに高いパワーの変化したレーザー光が伝搬し、変化したレーザー光パワーに応じて非線形性が制御され、例えば、波長がシフトしたレーザー光を出射することができる。曲げ半径を変えるか曲げる光ファイバーの長さを変えることで、光ファイバーの後段に伝搬するレーザー光パワーを変えることができ、それによって、波長可変、すなわち波長シフト量を変えることができる。

本発明のファイバーレーザー装置では、パワー検出手段を有するようにすることで、光ファイバーから出射されるレーザ光パワーを所定の値に高精度に調節することができる。さらに、レーザ光パワーに応じて出力される非線形応答光、例えば波長シフト量を所定の量に高精度に調節することができる。

また、本発明のファイバーレーザー装置では、非線形応答光を検出する応答光検出手段を有するようにすることで、非線形応答光、例えば波長シフト量を所定の量に高精度に調節することができる。

さらに、本発明のファイバーレーザー装置では、レーザー光が１．５μｍ帯の波長を有するようにすることで、通信用の量産された光ファイバーを用いることができ、低コスト化できる。

また、本発明のファイバーレーザー装置では、光ファイバーが偏波面保存ファイバーを有するようにすることで、曲げによって生じる偏波面の回転を防ぐことができる。

さらに、本発明のファイバーレーザー装置では、曲げ手段がリニアステージを有しており、光ファイバーの曲率半径を連続して変えることができ、出射するレーザー光パワーを連続して変えることができる。

以下に本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態を示すファイバーレーザー装置Aの概略図である。この図に示すように、ファイバーレーザー装置Aは、ファイバーレーザー１、光ファイバー２、曲げ手段３、及びパワー検出手段４を備えている。

ファイバーレーザー１は、レーザー発振器を含むレーザー本体１１とレーザー光を出射する出射ファイバー１２を有している。レーザー本体１１がモードロックファイバーレーザー発振器やファイバー増幅器及びファイバー圧縮器などを含むようにすることが望ましい。そうすれば、出射ファイバー１２から出射されるレーザー光は高ピークパワーの超短パルス光になり、非線形光学効果による非線形応答光を発生させることができる。出射ファイバー１２から出射されるレーザー光の波長は限定されないが、１．５μｍ帯の波長を有することが望ましい。レーザー本体１１、出射ファイバー１２、光ファイバー２に通信用の量産された光ファイバーを用いることができ、ファイバーレーザー装置を低コスト化することができる。出射ファイバー１２の途中にアイソレータを挿入することが望ましい。レーザー本体１１の中のレーザー発振器に悪影響を与える戻り光をなくすることができる。

光ファイバー２は許容曲げ半径をもつ曲げ部２１を有している。光ファイバー２は偏波面保存ファイバーが望ましい。光ファイバー２から出射されるレーザー光の偏光が光ファイバー２の屈曲によって変わらないので、曲げ手段３による曲げや環境の変化による屈曲の影響を受けにくくなり、レーザー光パワーを安定化することができる。

光ファイバー２は非線形性光ファイバーとすることもできる。光ファイバー２自身を非線形性の大きな光ファイバーにするか、非線形性が小さいファイバーの場合はファイバーの長さを長くすることで、レーザー光がピークパワーの高い超短パルス光の場合、非線形応答光を発生させることができる。非線形応答光として、例えば、非線形性ファイバー内を伝搬するレーザー光（信号光パルス）のパワーが十分に大きいとき誘導ラマン散乱によって信号光パルスより長波長側に新たな光パルスが生成され、この生成した光パルスがファイバー中を伝播するのに伴いラマン散乱効果によってスペクトルの中心が長波長側にシフトしていくことが知られている。その波長シフト量は、信号光パルスのパワーに依存するため、後述のように曲げ手段３で信号光パルスのパワーを変えることで、波長シフト量を変えることができる。すなわち、波長の異なる光パルスを発生することができる。非線形性光ファイバーはシングルモードファイバーが望ましい。シングルモードファイバーの場合、コア径が小さく、中を伝搬するレーザー光のパワー密度が必然的に増大し、非線形光学効果を発生させやすい。

光ファイバー２は、希土類元素添加のファイバー増幅器を有するようにすることもできる。光ファイバー２自身を希土類元素添加ファイバーにし、例えば励起（ポンプ）手段として図示しない波長分割多重合波器と半導体レーザー等を用いて増幅器を構成することができる。そうすれば、ファイバーレーザー１からのレーザー光が光ファイバー２を伝搬する間に増幅され、光ファイバー２からは増幅されてパワーの増大したレーザー光が出射される。光ファイバー２の入射端と出射ファイバー１２の出射端は融着（図１に斜線で示す）で結合されている。結合損失を最小化するためには融着することが望ましい。しかし、融着すると着脱ができないため、市販のコネクターで結合してもよい。

曲げ手段３は固定ステージ３１と移動ステージ３２を有するリニアステージが望ましい。移動ステージ３２は図示しない電磁駆動手段で矢印（図１の←→）方向に１軸移動されるので、光ファイバー２の曲げ部２１の一端を固定ステージ３１に接着剤等で固定し、他端を移動ステージ３２に固定することで、移動ステージ３２を移動させて曲げ部２１の曲率半径を連続的に変えることができる。曲げ部２１の曲率半径が許容曲率半径以下になると、中を伝搬するレーザー光の一部がコアからクラッドに漏れ出し、曲げ部２１の前後でレーザー光パワーが変化する。

曲げ手段３は図２或いは図３に示すような曲げガイド３３を有することが望ましい。図２の曲げガイド３３は、ブックカバー状のガイドで、曲げ部２１をガイド３３でカバーすることで、一面内で曲げることができ、安定して曲げ部２１の曲率半径を変えることができる。

図３の曲げガイド３３は十字状ローラ式曲げガイドで、十字状のばねガイド３３１、４個のばね３３２、及び４個のガイドローラ３３３からなる。各ガイドローラ３３３は、ばね３３２を介してばねガイド３３１に沿って移動できるように付勢支持されているので、ガイドローラ３３２に内向きの力がかかるとガイドローラ３３３は中心に向かって移動する。従って、光ファイバー２の曲げ部２１は、曲げガイド３３に倣って変わるので、レーザー光パワーを精度良く連続して変えることができる。

パワー検出手段４は、ファイバーカップラー４１とInGaAsやGeのようなフォトダイオード等の光センサーを備えた検出ユニット４２を有し、カップラー４１で光ファイバー２を伝搬するレーザー光を一部取り出して、パワー或いは波長を測定する。測定されたパワー或いは波長が所定の値と異なる場合は、検出ユニット４２にからの信号に基づいて曲げ手段３を制御する。ファイバーカップラー４１を光ファイバー２の出射端近傍に設ける代わりに、出射端の後にビームスプリッタを挿入してレーザ光の一部を取り出すようにしてもよい。

図１のファイバーレーザー装置Aの光ファイバー２の出射端に非線形性光ファイバーを接続（融着或いはコネクタを使用して）することで、非線形応答光を出力することもできる。曲げ部２１の曲率半径を曲げ手段３で変えることで、非線形性光ファイバーに入射する超短パルス光のパワーを変化させ、非線形応答光の波長を変化させることができる。

上述した図１は、本発明の実施例１のファイバーレーザー装置Aの構成例である。すなわち、ファイバーレーザー１からのレーザー光が伝播する光ファイバー２の曲げ部２１を曲げ手段３で曲げることで、光ファイバー２から出射されるレーザー光パワーを変えることができる。光ファイバー２の出射端近傍にパワー検出手段４を備えており、パワー検出手段４で光ファイバー２から出射されるレーザー光パワーを測定し、測定されたパワーが所定の値と異なる場合は、検出手段４からの信号に基づいて曲げ手段３を制御するようになっている。

ファイバーレーザー１は、シングルモードで波長が１．５６μｍ帯、パルス幅３００ｆｓ、繰返し５０MHz、平均パワー５ｍWのレーザー光を出力するフェムト秒ファイバーレーザーであり、１パルスのピークパワーは０．３KWである。

光ファイバー２は、１．５６μｍの波長に対してモードフィールド径が９．８μｍのシングルモードファイバーで、一端がファイバーレーザー１の出射ファイバー１２に融着されている。光ファイバー２の一部に許容曲げ半径Ｒｃ＝２０ｍｍの曲げ部２１をもち、曲げ部２１の一端が後述の固定ステージ３１に固定され、他端が移動ステージ３２に固定されている。

曲げ手段３はリニアステージで、固定ステージ３１と移動ステージ３２とからなる。

パワー検出手段４は、光ファイバー２の出射端近傍に取り付けられたファイバーカップラー４１とシリコンフォトダイオードを備えた検出ユニット４２からなり、検出ユニット４２は図示しないパソコンで制御されるようになっている。

図４が実施例１のファイバーレーザー装置Ａの平均パワースペクトルと曲げ半径の関係を示すグラフで、光ファイバー２の出射端から出射されるレーザー光をスペクトルアナライザーで測定したものである。曲げ半径Ｒを１１ｍｍ、８ｍｍ、７ｍｍと小さくすると平均パワーが小さくなることがわかる。

図４の関係を予めパソコンに入力しておくことで、検出ユニット４２でレーザー光パワーを測定しリニアステージ３を制御して所定のレーザ光パワーを得る事ができる。

また、ファイバーレーザー１として、シングルモードで波長が１．５６μｍ帯、パルス幅１００ｆｓ、繰返し５０MHz、平均パワー５０ｍWの高出力のレーザー光を出力するフェムト秒ファイバーレーザーを使用し、光ファイバー２として非線形性光ファイバーを採用することができる。なお、上記のような高出力のレーザー光を出力するファイバーレーザー１は、レーザー発振器、レーザー増幅器、及びレーザー圧縮器を含むものとすることで実現することができる。このような構成によれば、ファイバーレーザー１から高出力の超短パルス光を出射することができ、光ファイバー２内を伝搬する超短パルス光による非線形光学効果により、光ファイバー２から出射される当該超短パルス光の波長を変えることができる。

この場合、パワー検出手段４を光ファイバー２の出射端から出射される超短パルス光の波長を検出するものとすることで、検出される波長が所定の値と異なる場合には、検出手段４からの信号に基づいて曲げ手段３を制御することができる。

図５は、実施例２のファイバーレーザー装置Ｂの構成例である。実施例２のファイバーレーザー装置Ｂは、大きくファイバーレーザー１、光ファイバー２０、曲げ手段３、及び応答光検出手段５からなる。ファイバーレーザー１と光ファイバー２０の間にはアイソレータ６が装着されており、戻り光がレーザー本体１１に戻らないようになっている。なお、ファイバーレーザー１と曲げ手段３とは実施例１と同じである。

光ファイバー２０は曲げ部２１をもつ光ファイバー２、希土類元素添加のファイバー増幅器２２、及び非線形性光ファイバー２３からなり、それぞれは互いに融着（図５に斜線で示す）されている。ファイバー増幅器２２はエルビウム添加ファイバー２２１が、上流部に装着された波長分割多重合波器２２３を介して、半導体レーザー２２２からのポンプ光でポンプされるようになっている。半導体レーザー２２２は、波長１．４８μｍ、ｃｗ出力２００ｍＷのピッグテール型である。非線形性光ファイバー２３は、１．５６μｍの波長に対してモードフィールド径６μｍ、長さ１１０ｍのシングルモード偏波面保存ファイバーである。

応答光検出手段５は、非線形性光ファイバー２３から出射されるレーザー光をコリメートするためのレンズ５１とビームスプリッタ５２とスペクトルアナライザーを備えた検出ユニット５３からなり、検出ユニット５３は図示しないパソコンで制御されるようになっている。

図６が実施例２のファイバーレーザー装置Ｂの非線形応答光スペクトルと曲げ半径の関係を示すグラフである。曲げ半径Ｒを１１ｍｍ、８ｍｍ、７ｍｍと小さすると波長シフト量が小さくなることがわかる。

図６の関係を予めパソコンに入力しておくことで、検出ユニット５３で応答光スペクトルを測定しリニアステージ３を制御して所定の量シフトしたレーザ光を得る事ができる。

本発明の一実施形態を示すファイバーレーザー装置Aの概略図である。 ブックカバー状曲げガイドの斜視図である。 十字状ローラ式曲げガイドの構成図である。 実施例１のファイバーレーザー装置Aの平均パワースペクトルと曲げ半径の関係を示すグラフである。 実施例２のファイバーレーザー装置Ｂの概略図である。 実施例２のファイバーレーザー装置Ｂの非線形応答光スペクトルと曲げ半径の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ファイバーレーザー
２、２０ 光ファイバー
３ 曲げ手段
４ パワー検出手段
５ 応答光検出手段
２２ ファイバー増幅器
２３ 非線形性光ファイバー
３３ 曲げガイド

Claims (10)

1. レーザー光を発生するファイバーレーザーと、
   該ファイバーレーザーからの該レーザー光が伝搬する光ファイバーと、
   該光ファイバーを曲げる曲げ手段と、
   を有し、
   該曲げ手段で該光ファイバーを曲げることで該伝搬するレーザー光のパワーを変えることを特徴とするファイバーレーザー装置。
2. 前記レーザー光は超短パルス光であり、前記光ファイバーは光学非線形性を示す非線形性光ファイバーであり、
   前記パワーが変えられた該超短パルス光で該光学非線形性を制御して非線形応答光を出力することを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザー装置。
3. 前記レーザー光は超短パルス光であり、前記パワーが変えられた該超短パルス光が伝搬する光学非線形性を示す非線形性光ファイバーをさらに有し、
   該パワーが変えられた該超短パルス光で該光学非線形性を制御して非線形応答光を出力することを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザー装置。
4. 前記パワーが変えられた前記レーザー光を検出するパワー検出手段を有し、該パワー検出手段からの検出パワーに基づいて該曲げ手段を制御することを特徴とする請求項１ないし３に記載のファイバーレーザー装置。
5. 前記非線形応答光を検出する応答光検出手段を有し、該応答光検出手段からの応答光に基づいて前記曲げ手段を制御することを特徴とする請求項２又は３に記載のファイバーレーザー装置。
6. 前記レーザー光は、１．５μｍ帯の波長を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５に記載のファイバーレーザー装置。
7. 前記光ファイバーは、偏波面保存ファイバーを有することを特徴とする請求項１ないし請求項６に記載のファイバーレーザー装置。
8. 前記光ファイバーは、希土類元素添加のファイバー増幅器を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７に記載のファイバーレーザー装置。
9. 前記曲げ手段は、リニアステージを有することを特徴とする請求項１ないし請求項８に記載のファイバーレーザー装置。
10. 前記曲げ手段は、曲げガイドを有することを特徴とする請求項１ないし請求項９に記載のファイバーレーザー装置。

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