JP2005183853A - 光ファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 励起光のエネルギーロスを防いで高出力のパルスレーザ光を出力し得る光ファイバレーザ装置の提供。
【解決手段】 希土類添加光ファイバ１１をレーザ媒質として形成された共振器にＱスイッチ１５が介在されてなる光ファイバレーザ装置であって、前記ＱスイッチのＯＦＦ時に発生する自然放出光が希土類添加光ファイバに再入射されるのを防ぐ光スイッチング手段が前記希土類添加光ファイバの一端側に設けられており、該光スイッチング手段と前記希土類添加光ファイバの他端側に設けられた前記ＱスイッチとのＯＮ／ＯＦＦを同期させる構成としたことを特徴とする光ファイバレーザ装置１０。
【選択図】 図２

Description

本発明は、希土類添加光ファイバをレーザ媒質とし、Ｑスイッチによるパルス発振を行う光ファイバレーザ装置に関する。本発明のファイバレーザは、パルスレーザ光を用いる医療分野、加工分野などに適用される。

従来、レーザ共振器内にＱスイッチを備え、高出力のパルスレーザ光を得るためのレーザ装置については種々提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
また、レーザ媒質として、エルビウムなどの希土類を、コアを構成するガラス中に又はコアとクラッドとのガラス中に添加してなる希土類添加光ファイバを用いた光ファイバレーザ装置も開発されている。

図１は、従来の光ファイバレーザ装置の一例を示す構成図であり、この図中符号１は希土類添加光ファイバ、２は励起光源、３は励起光を透過するミラー、４はハーフミラー、５はＱスイッチである。励起光源２から出力された励起光は、ミラー３を透過して、レーザ媒質である希土類添加光ファイバ１の一端側から光ファイバ内に入射される。励起された希土類添加光ファイバ１の入射端側には、励起光は透過するが誘導放出レーザ光は反射するミラー３が設けられ、出射端側にはハーフミラー４が設けられている。ハーフミラー４と組み合わされたＱスイッチ５としては、高速でＯＮ／ＯＦＦの動作が可能な電気光学素子（Ｅ／Ｏ素子）や音響光学素子（Ａ／Ｏ素子）などが用いられる。
この装置では、希土類添加光ファイバ１の励起が十分に進み反転分布が最高域に達した時点で、ＱスイッチをＯＮにして共振器を形成すると、誘導放出が発生し、Ｑスイッチ５とハーフミラー４とを通してパルスレーザ光が出射される。
特開２０００−２６１０８１号公報 特開２００３−１７７８７号公報

従来の光ファイバレーザ装置では、ＱスイッチのＯＦＦ時に発生する自然放出光が、希土類添加光ファイバ１の端面や共振器のミラー３，４で反射され、希土類添加光ファイバ１内を往復する。そして従来装置にあっては、この自然放出光の増幅に励起光が消費されるため、レーザ発振により出力されるパルスレーザ光のエネルギーが低下するという問題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、励起光のエネルギーロスを防いで高出力のパルスレーザ光を出力し得る光ファイバレーザ装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、希土類添加光ファイバをレーザ媒質として形成された共振器にＱスイッチが介在されてなる光ファイバレーザ装置であって、前記ＱスイッチのＯＦＦ時に発生する自然放出光が希土類添加光ファイバに再入射されるのを防ぐ光スイッチング手段が前記希土類添加光ファイバの一端側に設けられており、該光スイッチング手段と前記希土類添加光ファイバの他端側に設けられた前記ＱスイッチとのＯＮ／ＯＦＦを同期させる構成としたことを特徴とする光ファイバレーザ装置を提供する。

本発明の光ファイバレーザ装置において、前記光スイッチング手段が、前記希土類添加光ファイバの一端側に設けられたシャッタであることが好ましい。

本発明の光ファイバレーザ装置において、前記光スイッチング手段が、Ｑスイッチを兼ねた光透過孔付き回転ミラーであることが好ましい。

本発明の光ファイバレーザ装置において、前記希土類添加光ファイバの両端が無反射処理されていることが好ましい。

本発明によれば、ＱスイッチＯＦＦ時に発生する自然放出光の希土類添加光ファイバへの再入射を防ぐことができ、余分な自然放出光の増幅が抑制され、これによりパルスレーザ光の高出力化が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２は、本発明による光ファイバレーザ装置の第１実施形態を示す図であり、この図中符号１０は光ファイバレーザ装置、１１は希土類添加光ファイバ、１２は励起光源、１３はミラー、１４はハーフミラー、１５はＱスイッチ、１６は合波フィルタ、１７は光スイッチング手段としてのシャッタ、１８はＱスイッチ１５とシャッタ１７のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御装置である。

この光ファイバレーザ装置１０は、希土類添加光ファイバ１１の一端側（出射端１１ｂ）にハーフミラー１４を、他端側（入射端１１ａ）にミラー１３をそれぞれ配置し形成される共振器内に、Ｑスイッチ１５とシャッタ１７とを設けた構成になっている。このＱスイッチ１５は、ミラー１３と希土類添加光ファイバ１１の入射端１１ａとの間に設けられ、またシャッタ１７は、ハーフミラー１４と希土類添加光ファイバ１１の出射端１１ｂとの間に設けられている。またＱスイッチ１５と希土類添加光ファイバ１１の入射端１１ａとの間に合波フィルタ１６を設け、励起光源１２からの励起光が希土類添加光ファイバ１１の入射端１１ａから該光ファイバ内に入射可能になっている。また前記Ｑスイッチ１５とシャッタ１７は、制御装置１８に接続されており、この制御装置１８から出力される信号によってＯＮ／ＯＦＦ同期制御がなされるようになっている。

希土類添加光ファイバ１１は、コアに希土類元素が添加された光ファイバである。添加される希土類元素としては、希土類元素、特に３価の希土類元素の中から選択される１種又は２種以上を用いることができ、それらの中でもエルビウム、ネオジム、プラセオジム、イッテルビウムなどが好ましく、目的とするパルスレーザ光の波長に応じてこれらを適宜選択することが好ましい。

励起光源１２としては、半導体レーザ（ＬＤ）、ファイバレーザなどが用いられる。合波フィルタ１６は、本例示では励起光を反射し、希土類添加光ファイバ１１からのレーザ光は透過するものが用いられ、例えば誘電体多層膜フィルタなどが用いられる。
希土類添加光ファイバ１１としてエルビウム添加フッ化物ファイバを、励起光源として波長０．９８μｍのＬＤを用いることで、２．８μｍのレーザ光を得ることができる。

前記Ｑスイッチ１５は、非常に高速のＯＮ／ＯＦＦ動作、例えば１マイクロ秒以下、好ましくは５００ナノ秒以下の動作速度を有する光スイッチング素子が用いられ、例えば電気光学素子（Ｅ／Ｏ素子）や音響光学素子（Ａ／Ｏ素子）などが用いられる。
前記シャッタ１７は、Ｑスイッチ１５よりも光スイッチング動作が遅い機械式シャッタなどを用いることができる。このシャッタ１７の動作速度は１ミリ秒以下であればよく、数百マイクロ秒以下が好ましい。なお、シャッタ１７として前記Ｑスイッチ１５と同等のものを使用することもできる。

この希土類添加光ファイバ１１の両端は、ファイバ長手方向に対し、端面が斜めになるように研磨して無反射処理が施されている。このように希土類添加光ファイバ１１の両端に斜め研磨を施して無反射処理することで、自然放出光が希土類添加光ファイバ１１に再入射される可能性を低減することができる。

次に、このように構成された光ファイバレーザ装置１０によるパルスレーザ光の出力及び自然放射光の遮断方法について説明する。励起光源１２から励起光を合波フィルタ１６を介して入射すると、希土類添加光ファイバ１１のレーザ媒質が励起される。
希土類添加光ファイバ１１の励起が十分に進み反転分布が最高域に達した時点で、Ｑスイッチ１５とシャッタ１７を共にＯＮにすると、誘導放出が発生し、シャッタ１７とハーフミラー１４とを通してパルスレーザ光が出射される。

パルスレーザ光の出射後、Ｑスイッチ１５とシャッタ１７は共にＯＦＦとなる。このＯＦＦ時、自然放出光が出射されても、シャッタ１７によって遮蔽され、希土類添加光ファイバ１１に再入射されないようになっている。従って、Ｑスイッチ１５とシャッタ１７とのＯＦＦ時、自然放出光の増幅に励起光が消費され、レーザ発振により出力されるパルスレーザ光のエネルギーが低下するのを防ぐことができる。

この光ファイバレーザ装置１０は、Ｑスイッチ１５のＯＦＦ時に発生する自然放出光の希土類添加光ファイバ１１への再入射を防ぐためのシャッタ１７を設けた構成としたので、余分な自然放出光の増幅が抑制され、これによりパルスレーザ光の高出力化が可能となる。

図３は、本発明による光ファイバレーザ装置の第２実施形態を示す図であり、この図中符号２０は光ファイバレーザ装置、２１は希土類添加光ファイバ、２２は励起光源、２３は回転ミラー、２４はミラー部、２５は光透過孔、２６はハーフミラー、２７は合波フィルタ、２８，２９はレンズである。

この光ファイバレーザ装置２０において、希土類添加光ファイバ２１、励起光源２２、ハーフミラー２６及び合波フィルタ２７は、前記第１実施形態における希土類添加光ファイバ１１、励起光源１２、ハーフミラー１４及び合波フィルタ１６と同様のものを用いることができる。この光ファイバレーザ装置２０では、希土類添加光ファイバ２１の出力端２１ｂとハーフミラー２６との間の光路上に、Ｑスイッチと光スイッチング手段とを兼用する光透過光２５付きの回転ミラー２３を設けたことを特徴としている。

この回転ミラー２３は、レーザ光を反射可能なミラー部２４と、出射端２１ｂから出射されるパルスレーザ光が透過し得る光透過孔２５とを備え、図３中の矢印で示す方向に（逆方向でもよい）高速で回転する図示しない回転軸に取り付けられている。この回転ミラー２３は、その向きによってパルスレーザ光の出力をＯＮ／ＯＦＦするＱスイッチとして機能する。

次に、このように構成された光ファイバレーザ装置２０によるパルスレーザ光の出力及び自然放射光の遮断方法について説明する。
励起光源２２から励起光を合波フィルタ２７を介して入射すると、希土類添加光ファイバ２１のレーザ媒質が励起される。
希土類添加光ファイバ２１の励起が十分に進み反転分布が最高域に達した時点で、回転ミラー２３が図３中に示す通り、回転ミラー２３の入力端２１ａと回転ミラー２３のミラー部２４との光軸が一致するとともに、出射端２１ｂの光軸が光透過孔２５を通過し、ハーフミラー２６に達する向きになるとＯＮ状態となり、誘導放出が発生し、ハーフミラー２６を通してパルスレーザ光が出射される。

パルスレーザ光の出射後、回転ミラー２３は回転し、光軸がずれることから、レーザ発振はＯＦＦ状態となる。このＯＦＦ時、自然放出光が出射されても回転ミラー２３により遮蔽され、希土類添加光ファイバ２１に再入射されない。従って、このＯＦＦ時、自然放出光の増幅に励起光が消費され、レーザ発振により出力されるパルスレーザ光のエネルギーが低下するのを防ぐことができる。

この光ファイバレーザ装置２０は、ＯＦＦ時に発生する自然放出光の希土類添加光ファイバ２１への再入射を防ぐことができる、Ｑスイッチを兼ねる回転ミラー２３を設けた構成としたので、余分な自然放出光の増幅が抑制され、これによりパルスレーザ光の高出力化が可能となる。

図４は、図２に示す光ファイバレーザ装置における入力側のＱスイッチ１５と出力側のシャッタ１７の光のＯＮ／ＯＦＦタイミングチャートである。Ｑスイッチ１５のＯＮ／ＯＦＦは極めて高速度で行われており、シャッタ１７のＯＮ／ＯＦＦはそれより遅い。Ｑスイッチ１５とシャッタ１７のＯＮ／ＯＦＦは同期させて行っている。
前記第１実施形態では、２つのスイッチング素子（Ｑスイッチ１５とシャッタ１７）が必要であり、またこれらの同期制御のための制御装置１８が必要である。一方、第２実施形態では光スイッチング手段として、Ｑスイッチを兼ねる回転ミラー２３だけで希土類添加光ファイバ２１の入出力のスイッチングが可能であり、同期制御の必要がない。

図２に示す構成を有する医療用光ファイバレーザ装置を作製した。
希土類添加光ファイバとして、コア径１０μｍ、クラッド径２００μｍ、エルビウム添加濃度４００００ｐｐｍ（モル濃度）のエルビウム添加フッ化物ファイバ（長さ６ｍ）を用いた。
励起光源であるＬＤから波長０．９８μｍの励起光をエルビウム添加フッ化物ファイバに入射し、その一端側に設けたシャッタと他端側に設けたＱスイッチとを、図４に示す通り動作させた。その結果、医療用として実用性のある発振波長２．８μｍのパルスレーザ光が放出された。

従来の光ファイバレーザ装置を例示する構成図である。 本発明の光ファイバレーザ装置の第１実施形態を示す構成図である。 本発明の光ファイバレーザ装置の第１実施形態を示す構成図である。 第１実施形態の光ファイバレーザ装置における入力側と出力側の光のＯＮ／ＯＦＦタイミングチャートである。

符号の説明

１，１１，２１…希土類添加光ファイバ、２，１２，２２…励起光源、３，１３…ミラー、４，１４，２６…ハーフミラー、５，１５…Ｑスイッチ、１６，２７…合波フィルター、１７…シャッタ、１８…制御装置、２３…回転ミラー、２４…ミラー部、２５…光透過孔、２８，２９…レンズ。

Claims (4)

1. 希土類添加光ファイバをレーザ媒質として形成された共振器にＱスイッチが介在されてなる光ファイバレーザ装置であって、
   前記ＱスイッチのＯＦＦ時に発生する自然放出光が希土類添加光ファイバに再入射されるのを防ぐ光スイッチング手段が前記希土類添加光ファイバの一端側に設けられており、該光スイッチング手段と前記希土類添加光ファイバの他端側に設けられた前記ＱスイッチとのＯＮ／ＯＦＦを同期させる構成としたことを特徴とする光ファイバレーザ装置。
2. 前記光スイッチング手段が、前記希土類添加光ファイバの一端側に設けられたシャッタであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ装置。
3. 前記光スイッチング手段が、Ｑスイッチを兼ねた光透過孔付き回転ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ装置。
4. 前記希土類添加光ファイバの両端が無反射処理されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置。
   

Images