JP2005175171A

JP2005175171A - Ｑスイッチ光ファイバレーザ

Info

Publication number: JP2005175171A
Application number: JP2003412442A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Shima; 研介島; Tetsuya Sakai; 哲弥酒井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】希土類元素添加ファイバ自体やこれに接続されている光学素子が損傷を受けることがなく、安定して動作する高出力のＱスイッチ光ファイバレーザを提供する。
【解決手段】希土類元素が添加された石英ガラスからなる複数のコアを有する希土類元素添加ファイバ１０３と、希土類元素添加ファイバ１０３の両端部近傍にそれぞれ設けられたＱスイッチ素子とを少なくとも備えたＱスイッチ光ファイバレーザにおいて、希土類元素添加ファイバ１０３は各コアを導波する光がシングルモード動作するように各コアの屈折率が設定されており、第一の光ファイバグレーティング１０４および第二の光ファイバグレーティング１０５を、希土類元素添加ファイバ１０３の長手方向に沿って各コアに周期的に屈折率分布を形成してなり、かつ、各コア同士の屈折率分布が同期するように形成してなるものとし、第二の光ファイバグレーティング１０５には圧電素子１０６を付設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ医療、レーザ加工の分野で利用されるＱスイッチ光ファイバレーザに関するものである。

高ピークパルスを得る方法としては、連続波レーザとしてＱスイッチを用いる方法が挙げられる。Ｑスイッチとは、レーザ共振器内に置かれた変調可能な素子により、レーザ発振のＯＮとＯＦＦを周期的に行う機構をいう。この機構は、レーザ発振がＯＦＦの間は、ポンプ光源からレーザ媒質中に励起エネルギーを蓄えさせ、レーザ媒質中の反転分布が十分に大きくなったところでレーザ発振をＯＮにすると、レーザ媒質の誘導放出が起こり、数十ナノ秒レベルの短いパルス幅で、高ピークのパルス発振を行うことができる。Ｑスイッチ素子としては、電気光学（ＥＯ）素子や音響光学（ＡＯ）素子を用いたもの、あるいは、機械式チョッパディスクを用いたものがある。

図４は、従来のＱスイッチ光ファイバレーザの概略構成を示す模式図であり、例えば非特許文献１などに開示されている。
図４中、符号４０１は励起用レーザダイオード、４０２は第一の波長合波素子、４０３は第一の光ファイバグレーティング、４０４は圧電素子、４０５は希土類元素添加ファイバ、４０６は第二の光ファイバグレーティング、４０７は第二の波長合波素子を示している。

希土類元素添加ファイバ４０５は、励起用レーザダイオード４０１からの励起光により励起され、レーザ光を発する光ファイバである。
第一の光ファイバグレーティング４０３は、希土類元素添加ファイバ４０５の発したレーザ光を反射する素子（Ｑスイッチ素子）である。

第一の波長合波素子４０２は、励起用レーザダイオード４０１からの励起光を希土類元素添加ファイバ４０５に導入し、希土類元素添加ファイバ４０５からのレーザ光を第一の光ファイバグレーティング４０３へ導入し、第一の光ファイバグレーティング４０３で反射したレーザ光を再び希土類元素添加ファイバ４０５に戻す機能を有する素子である。
圧電素子４０４は、電圧発生装置（図示略）からの電気信号を入力することにより第一の光ファイバグレーティング４０３を伸縮させ、反射波長を制御する素子である。

第二の光ファイバグレーティング４０６は、希土類元素添加ファイバ４０５からのレーザ光の一部を反射し、一部を透過するように反射率が調整され、通常状態において、第一の光ファイバグレーティング４０３と反射波長が同一となっている素子である。
第二の波長合波素子４０７は、希土類元素添加ファイバ４０５を伝搬してきたレーザ光と、励起用レーザダイオード４０１からの励起光を分波する素子である。

また、このような構成のＱスイッチ光ファイバレーザでは、希土類元素添加ファイバ４０５、第一の光ファイバグレーティング４０３および第二の光ファイバグレーティング４０６は、レーザ共振器として機能する。

この構成のＱスイッチ光ファイバレーザの動作を以下に示す。
まず、励起用レーザダイオード４０１からの励起光を希土類元素添加ファイバ４０５に導入し、圧電素子４０４によって、第一の光ファイバグレーティング４０３における反射波長を、第二の光ファイバグレーティング４０６における反射波長とは異なる波長とすることにより、第一の光ファイバグレーティング４０３と第二の光ファイバグレーティング４０６の間でレーザ発振が生じない状態を所定時間保つ。この間に、希土類元素添加ファイバ４０５を励起光により励起させて、希土類元素添加ファイバ４０５内に光エネルギーを蓄える。

希土類元素添加ファイバ４０５内に光エネルギーが蓄えられた後、圧電素子４０４によって、第一の光ファイバグレーティング４０３における反射波長を、第二の光ファイバグレーティング４０６における反射波長と同一とすることにより、レーザ発振が生じる。これにより、希土類元素添加ファイバ４０５からの誘導放出が起こり、レーザ光のパルス発振を行うことができる。

ところで、このような構成のＱスイッチ光ファイバレーザは、シングルモード動作する必要がある。なぜならば、上述のように、レーザ共振器を構成するＱスイッチ素子は、第一の光ファイバグレーティング４０３および第二の光ファイバグレーティング４０６であるから、光ファイバグレーティングが設けられている希土類元素添加ファイバがマルチモードであると、光ファイバグレーティングにおける反射波長が一意に決まらず、様々な波長の光が反射するため、安定したレーザ発振が得られないからである。

以上述べたように、光ファイバグレーティングを用いてＱスイッチ光ファイバレーザを構成するためには、シングルモードの希土類元素添加ファイバに設けられた光ファイバグレーティングを用いる必要がある。

しかしながら、シングルモード動作するＱスイッチ光ファイバレーザは、高出力化が難しいという欠点がある。Ｑスイッチ光ファイバレーザを、シングルモード動作させるためには、Ｑスイッチ光ファイバレーザを構成する希土類元素添加ファイバのコアの直径を小さくする必要がある。なぜならば、希土類元素添加ファイバのコアの直径が大きい場合、希土類元素添加ファイバを用いたＱスイッチ光ファイバレーザはマルチモード動作をして、動作が不安定になるからである。さらに、直径の小さなコア内に高出力のレーザ光を閉じ込めると、光エネルギーの密度が高くなり過ぎて、希土類元素添加ファイバから発せられたレーザ光により、希土類元素添加ファイバ自体やこれに接続されている光学素子が損傷を受けるという問題がある。
Ｎ．Ａ．Ｒｕｓｓｏ，Ｒ．Ｄｕｃｈｏｗｉｃｚ，Ｊ．Ｍｏｒａ，Ｊ．Ｌ．Ｃｒｕｚ，Ｍ．Ｖ．Ａｎｄｒｅｓ，Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＱ−ＳｗｉｔｃｈｅｄｅｒｂｉｕｍｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｕｓｉｎｇａＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ−ｂａｓｅｄｍｏｄｕｌａｔｏｒ，ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、ｔｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ、ＥｌｓｅｖｉｅｒＢ．Ｖ．，２００２．９．１５，Ｖｏｌ．２１０，３−６，ｐｐ．３６１−３６６

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、希土類元素添加ファイバ自体やこれに接続されている光学素子が損傷を受けることがなく、安定して動作する高出力のＱスイッチ光ファイバレーザを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、希土類元素が添加された石英ガラスからなる複数のコアを有する希土類元素添加ファイバと、該希土類元素添加ファイバの両端部近傍にそれぞれ設けられた光ファイバグレーティングとを少なくとも備えたＱスイッチ光ファイバレーザであって、前記希土類元素添加ファイバは各コアを導波する光がシングルモード動作するように各コアの屈折率が設定されており、前記光ファイバグレーティングは、前記希土類元素添加ファイバの長手方向に沿って各コアに周期的に屈折率分布が形成されてなり、かつ、各コア同士の屈折率分布が同期するように形成されてなり、一方の光ファイバグレーティングには複数のコアにおける反射波長を同時に制御する手段が設けられているＱスイッチ光ファイバレーザを提供する。

本発明のＱスイッチ光ファイバレーザは、１つの反射波長を制御する手段により、希土類元素添加ファイバの長手方向に沿って周期的に屈折率分布が形成され、かつ、複数のコアにおける屈折率分布が同期するように形成された光ファイバグレーティングにおける反射波長を同時に変化させることができるため、複数のコアから同時にレーザ光のパルス発振を行うことができる。したがって、大出力のレーザ光のパルス発振を行うことができる。

また、本発明のＱスイッチ光ファイバレーザは、希土類元素添加ファイバが各コア内を導波する光がシングルモード動作するように形成されているため、安定してレーザ光のパルス発振を行うことができる。

以下、本発明を実施したＱスイッチ光ファイバレーザについて、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係るＱスイッチ光ファイバレーザの一実施形態の概略構成を示す模式図である。
図１中、符号１０１は励起光源、１０２は光ファイバ、１０３は希土類元素添加ファイバ、１０４はＱスイッチ素子の第一の光ファイバグレーティング、１０５はＱスイッチ素子の第二の光ファイバグレーティング、１０６は圧電素子、１０７はレーザ光を示している。

この実施形態のＱスイッチ光ファイバレーザは、励起光源１０１と、光ファイバ１０２と、希土類元素添加ファイバ１０３と、第一の光ファイバグレーティング１０４と、第二の光ファイバグレーティング１０５と、圧電素子１０６とから概略構成されている。

この実施形態のＱスイッチ光ファイバレーザにおいて、希土類元素添加ファイバ１０３の両端部近傍にはそれぞれ、第一の光ファイバグレーティング１０４、第二の光ファイバグレーティング１０５が設けられている。また、希土類元素添加ファイバ１０３の第一の光ファイバグレーティングが設けられている側の端部（以下、「一方の端部」と言う。）１０３ａには、光ファイバ１０２を介して励起光源１０１が接続されている。さらに、第二の光ファイバグレーティグ１０５は圧電素子１０６の上に接着剤などを介して固定されている。

励起光源１０１としては、希土類元素添加ファイバ１０３において、基底準位吸収を生じさせて、基底状態の希土類元素をレーザ上準位に励起し、レーザ光１０７を発振できる波長帯域の励起光を出力できるものであればいかなるものでも用いることができる。例えば、希土類元素をイッテルビウム（Ｙｂ）とした場合、波長０．９８μｍ〜１．１０μｍのレーザ光を発振させることのできる波長０．９１５μｍのレーザダイオード、希土類元素をエルビウム（Ｅｒ）とした場合、波長１．５３μｍ〜１．６１μｍのレーザ光を発振させることのできる波長０．９８μｍのレーザダイオードなどが用いられる。

光ファイバ１０２としては、希土類元素添加ファイバの内側クラッド径以下のコア径を有するマルチモードファイバが用いられる。

希土類元素添加ファイバ１０３としては、希土類元素が添加された石英ガラスからなる複数のコアと、このコアの周囲に設けられ、コアよりも屈折率の低い材料からなるクラッドと、このクラッドの周囲に設けられ、内側クラッドよりも屈折率の低い材料からなる外側クラッドとから構成されるシングルモードファイバが用いられる。

希土類元素添加ファイバ１０３のコアの外径は、信号光がコア内をシングルモード伝搬するためには、２μｍ〜１２μｍ程度であることが望ましい。
このコアは、希土類元素が１，０００〜４０，０００ｐｐｍ（質量比）程度添加された石英ガラスで形成されている。希土類元素としては、例えば、エルビウム、イットリウム、イッテルビウム、ネオジウム、ホルミウム、プラセオジムなどが用いられる。コアは、これらの希土類元素が添加されていることにより、希土類イオンが励起光を吸収して、高エネルギー状態となり、励起光とは別の波長の光を放出できるようになる。

希土類元素添加ファイバ１０３の内側クラッドの外径は１００μｍ〜６００μｍ程度であり、内側クラッド内に設けられるコアの数に応じて、適宜設定される。
この内側クラッドは、コアをなす希土類元素が添加された石英ガラスよりも屈折率の低い材料で形成されている。内側クラッドをなす材料としては、例えば、フッ素添加石英ガラス、純粋石英ガラスなどが挙げられる。

希土類元素添加ファイバ１０３の外側クラッドの外径は２００μｍ〜１０００μｍ程度であり、内側クラッド内に設けられるコアの数に応じて、適宜設定される。
この外側クラッドは、内側クラッドをなす材料よりも屈折率の低い材料で形成されている。外側クラッドをなす材料としては、例えば、フッ素系樹脂が挙げられる。

このような構成の希土類元素添加ファイバとしては、例えば、図２に示すような構造のものが挙げられる。
図２は、この実施形態のＱスイッチ光ファイバレーザに用いられる希土類添加ファイバの一例を示す概略断面図である。

この実施形態の希土類元素添加ファイバ２００は、中心設けられた中心コア２０１と、この中心コア２０１の周囲に、中心コア２０１と中心軸を同じくして等間隔に配置された３個の外側コア２０２、２０２、２０２と、中心コア２０１および外側コア２０２、２０２、２０２の周囲、かつ、中心コア２０１と同心円状に設けられた内側クラッド２０３と、内側クラッド２０３の周囲に設けられた外側クラッド２０４とから概略構成されている。

ここで、例えば、中心コア２０１および外側コア２０２の屈折率をｎ_１、波長１０７０ｎｍにおけるｎ_１を１．４２０、内側クラッド２０３の屈折率をｎ_２、波長１０７０ｎｍにおけるｎ_２を１．４５５、外側クラッド２０４の屈折率をｎ_３、波長１０７０ｎｍにおけるｎ_３を１．４６４とする。このようにすると、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３であるため、励起光源から希土類元素添加ファイバ２００に入射した励起光は、内側クラッド２０３内を導波しながら中心コア２０１および外側コア２０２に添加された希土類元素を励起することができる。

なお、この実施形態では、内側クラッド２０３内に、中心コア２０１と、この中心コア２０１の周囲に、中心コア２０１と中心軸を同じくして等間隔に配置された３つの外側コア２０２、２０２、２０２とが設けられた希土類元素添加ファイバ２００を示したが、本発明はこれに限定されず、希土類元素添加ファイバの中心にコアが配置されていなくてもよい。本発明で用いられる希土類元素添加ファイバは、内側クラッド内に、２つ以上のコアが任意の配置で設けられていればよい。

また、この実施形態では、希土類元素添加ファイバ２００として、被覆層が設けられていない裸線ファイバを示したが、本発明はこれに限定されない。本発明で用いられる希土類元素添加ファイバは、外側クラッドの周囲に被覆層が設けられた光ファイバ素線または光ファイバ心線であってもよい。

第一の光ファイバグレーティング１０４は、希土類元素添加ファイバ１０３の一方の端部１０３ａの近傍に、希土類元素添加ファイバ１０３の長手方向に沿って各コア（図示略）に周期的に屈折率分布が形成されてなり、かつ、コア同士の屈折率分布が同期するように形成されてなるものであり、通常の状態で、１０７０ｎｍ近傍の光を反射するようになっている。また、第一の光ファイバグレーティング１０４の反射帯域幅は０．５ｎｍである。

第二の光ファイバグレーティング１０５は、希土類元素添加ファイバ１０３の他方の端部１０３ｂの近傍に、希土類元素添加ファイバ１０３の長手方向に沿って各コア（図示略）に周期的に屈折率分布が形成されてなり、かつ、コア同士の屈折率分布が同期するように形成されてなるものであり、第一の光ファイバグレーティング１０４と同様に、通常の状態で、１０７０ｎｍ近傍の光を反射するようになっている。また、第二の光ファイバグレーティング１０５の反射帯域幅は０．５ｎｍである。

第一の光ファイバグレーティング１０４および第二の光ファイバグレーティング１０５は、同一の格子間隔を有する位相マスクを用いて、希土類元素添加ファイバ１０３の両端部近傍における複数のコア上に、同時に形成されてなるものである。したがって、同一のコア上に設けられている第一の光ファイバグレーティング１０４および第二の光ファイバグレーティング１０５は同一の波長を反射する。また、第一の光ファイバグレーティング１０４および第二の光ファイバグレーティング１０５は、信号光がシングルモード伝搬する外径のコアに形成されているから、特定の波長の光のみを反射するようになっている。

圧電素子１０６は、電圧発生装置（図示略）からの電気信号を入力することにより第二の光ファイバグレーティグ１０５を伸縮させ、第二の光ファイバグレーティグ１０５における反射波長を制御する素子である。

圧電素子１０６に電圧を加えると、第二の光ファイバグレーティグ１０５は、希土類元素添加ファイバ１０３の長手方向に引っ張られ、第二の光ファイバグレーティグ１０５における反射波長は長波長側にずれる。本発明にあっては、例えば、圧電素子１０６に所定の電圧を加えることにより、第二の光ファイバグレーティグ１０５における反射波長を１．０ｎｍ程度ずらすことができる。

次に、この実施形態のＱスイッチ光ファイバレーザの動作について説明する。
まず、圧電素子１０６に所定の電圧を加え、第二の光ファイバグレーティグ１０５における反射波長を、第一の光ファイバグレーティング１０４における反射波長とは異なる波長とする。この状態で、励起光源１０１から出力した励起光を、光ファイバ１０２を介して一方の端部１０３ａから希土類元素添加ファイバ１０３に導入する。この状態を所定時間保つことにより、希土類元素添加ファイバ１０３が励起光により励起されて、希土類元素添加ファイバ１０３内に光エネルギーが蓄えられる。

希土類元素添加ファイバ１０３内に所定量の光エネルギーが蓄えられた後、圧電素子１０６に電圧を加えるのを止め、第二の光ファイバグレーティグ１０５における反射波長を、第一の光ファイバグレーティング１０４における反射波長と同一とすることにより、レーザ発振が生じる。これにより、希土類元素添加ファイバ１０３からの誘導放出が起こり、レーザ光１０７のパルス発振を行うことができる。

この際、希土類元素添加ファイバ１０３を構成する複数のコアからは、ほぼ同時にレーザ光のパルス発振を行うことができる。したがって、この実施形態のＱスイッチ光ファイバレーザは、従来の１つのコアを有する希土類元素添加ファイバを用いたＱスイッチ光ファイバレーザから発振可能なレーザ光よりも、光エネルギーの大きなレーザ光を発振することができる。例えば、希土類元素添加ファイバ１０３が、図２に示すような４つのコアを有するものである場合、従来の１つのコアを有する希土類元素添加ファイバを用いたＱスイッチ光ファイバレーザから発振可能なレーザ光の４倍の光エネルギーを有するレーザ光を発振することができる。

なお、この実施形態のＱスイッチ光ファイバレーザでは、第二の光ファイバグレーティング１０５における反射波長を、圧電素子１０６により変化させたが、本発明はこれに限定されない。本発明では、機械的に第二の光ファイバグレーティングにおける反射波長を変化させてもよい。

このように、機械的に第二の光ファイバグレーティングにおける反射波長を変化させる方法としては、例えば、図３に示すような方法が挙げられる。
図３は、この実施形態のＱスイッチ光ファイバレーザに用いられる第二の光ファイバグレーティングにおける反射波長を機械的に変化させる方法の一例を示す概略平面図である。

図３中、符号３０１は光ファイバ固定用の第一の台座、３０２は光ファイバ固定用の第二の台座、３０３は希土類元素添加ファイバ、３０４は接着剤、３０５は希土類元素添加ファイバ３０３の一方の端部に設けられた光ファイバグレーティング、３０６は一対のローラ３０６ａ、３０６ａからなるカムを示している。

この例において、第一の台座３０１と第二の台座３０２とは、これらの対向する一辺が平行となるように所定の間隔をおいて配置されている。また、希土類元素添加ファイバ３０３は、その長手方向が第一の台座３０１と第二の台座３０２の対向する一辺と垂直となるように、光ファイバグレーティング３０５の両端部近傍が、接着剤３０４を介して第一の台座３０１および第二の台座３０２に固定されている。また、第二の台座３０２は、希土類元素添加ファイバ３０３の長手方向に沿って移動可能となっている。さらに、第二の台座３０２には、カム３０６が一体に設けられている。

また、カム３０６を構成する一対のローラ３０６ａ、３０６ａは、希土類元素添加ファイバ３０３の長手方向に沿って転動可能となっている。この例では、カム３０６を希土類元素添加ファイバ３０３の長手方向に沿って転動させることにより、第一の台座３０１と第二の台座３０２との間の距離を変動させることができる。したがって、カム３０６を希土類元素添加ファイバ３０３の長手方向に沿って転動させることにより、光ファイバグレーティング３０５を伸縮させ、光ファイバグレーティング３０５における反射波長を制御することができる。

例えば、カム３０６を回転させて、第二の台座３０２を第一の台座３０１に近付けて両者の間の距離を短くし、光ファイバグレーティング３０５における反射波長を、希土類元素添加ファイバ３０３の他方の端部に設けられた光ファイバグレーティング（図示略）における反射波長とは異なる波長とする。この状態で、希土類元素添加ファイバ３０３内に光エネルギーを蓄えた後、カム３０６を回転させて、第二の台座３０２を第一の台座３０１から遠ざけて両者の間の距離を長くし、光ファイバグレーティング３０５における反射波長を、希土類元素添加ファイバ３０３の他方の端部に設けられた光ファイバグレーティング（図示略）における反射波長と同一とする。これにより、希土類元素添加ファイバ３０３においてレーザ発振が生じ、希土類元素添加ファイバ３０３からの誘導放出が起こり、レーザ光のパルス発振を行うことができる。

本発明のＱスイッチ光ファイバレーザは、医療分野においてレーザ治療、計測分野での短パルス光源としても適用可能である。

本発明に係るＱスイッチ光ファイバレーザの一例の概略構成を示す模式図である。本発明に係るＱスイッチ光ファイバレーザに用いられる希土類添加ファイバの一例を示す概略断面図である。本発明に係るＱスイッチ光ファイバレーザに用いられる光ファイバグレーティングにおける反射波長を機械的に変化させる方法の一例を示す概略平面図である。従来のＱスイッチ光ファイバレーザの概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１０１・・・励起光源、１０２・・・光ファイバ、１０３，２００，３０３・・・希土類元素添加ファイバ、１０４・・・第一の光ファイバグレーティング、１０５・・・第二の光ファイバグレーティング、１０６・・・圧電素子、１０７・・・レーザ光、２０１・・・中心コア、２０２・・・外側コア、２０３・・・内側クラッド、２０４・・・外側クラッド、３０１・・・第一の台座、３０２・・・第二の台座、３０４・・・接着剤、３０５・・・光ファイバグレーティング、３０６・・・カム、３０６ａ・・・ローラ。

Claims

希土類元素が添加された石英ガラスからなる複数のコアを有する希土類元素添加ファイバと、該希土類元素添加ファイバの両端部近傍にそれぞれ設けられた光ファイバグレーティングとを少なくとも備えたＱスイッチ光ファイバレーザであって、
前記希土類元素添加ファイバは各コアを導波する光がシングルモード動作するように各コアの屈折率が設定されており、前記光ファイバグレーティングは、前記希土類元素添加ファイバの長手方向に沿って各コアに周期的に屈折率分布が形成されてなり、かつ、各コア同士の屈折率分布が同期するように形成されてなり、一方の光ファイバグレーティングには複数のコアにおける反射波長を同時に制御する手段が設けられていることを特徴とするＱスイッチ光ファイバレーザ。