JP2005217140A

JP2005217140A - ファイバレーザ装置

Info

Publication number: JP2005217140A
Application number: JP2004021333A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Ota; 太田浩充; Tomomi Nakano; 中野ともみ; Kishin Kato; 加藤喜紳; Yasuo Shinno; 新野康生
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP4120593B2

Abstract

【課題】
より多くの励起光Ｌｅがコアを励起することができる高出力のレーザ光を安価に発振させるレーザ装置を提供する。
【解決手段】
略法線方向に受光する垂直入射面１０１が形成された入力体１０に励起光Ｌｅを入力し、入力された励起光Ｌｅを光ファイバ２０の側面を通して光ファイバ２０のレーザ活性物質を励起する。よって、プリズム等を設置しなくても入力体に励起光を導入できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ内部に含まれるレーザ活性物質に励起光を供給することによってレーザ発振を行なわせるファイバレーザ装置に関する。

光通信またはレーザ加工の分野では、高品質で高出力のレーザ光を発生させる安価なレーザ装置の開発が望まれており、この要請を満たすものとしてファイバレーザ装置が知られている。ファイバレーザ装置は、コア径（例えば、２〜１２μm）並びにコアとクラッドの屈折率差等を適切に選定することで比較的簡単にレーザ発振の横モードを単一にすることができ、高品質なレーザ光を発生する。また、ファイバの長さを長くすることで、レーザ活性物質と励起光との相互作用長を大きくとれ、高出力のレーザ光を比較的簡単に発生することができる。このように、ファイバレーザ装置では、高品質で高出力のレーザ光が比較的安価に得ることができる。

ここで、レーザ光のさらなる高出力化を実現するには、光ファイバにさらに高出力の励起光を導入する必要がある。ところが、励起光の入射面である光ファイバの端面の直径は１００〜１０００μmと小さい。励起光に使用される半導体レーザのビームは集光性が悪いので、高出力の励起光を光ファイバの端面に集めることが難しい。

これを克服するため、励起光を光ファイバの端面ではなく側面から入力する方法が考えられた。これは、ガラス円柱体の外周面に光ファイバを巻回し、ガラス円柱体の端面の円周近傍からプリズムを用いて励起光を円柱体内部に導入し、励起光をガラス円柱体の内側面で全反射させながら螺旋状に周回させるものである。励起光は、ガラス円柱体の外周面と光ファイバとの接触面を通じて光ファイバに入力されるので、より高出力の励起光が光ファイバに入力されるというものである（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２８４２５５号公報

特許文献１に記載のファイバレーザ装置では、ガラス円柱体の内部に導入された励起光が内側面を周回するように、励起光をガラス円柱体の端面の円周近傍から内部へ導入せねばならない。これは、導入される励起光がガラス円柱体の端面の中心に近い位置に近づくにしたがって、ガラス円柱体の内側面への入射角がガラス円柱体の内部で全反射するための角度を満足しなくなり、全反射されずに反対側に抜けてしまう励起光が多くなるからである。

つまり、出力を増大させるために励起光の径を大きくすると、励起光の一部は全反射されずに反対側に抜けてしまい効率が極端に悪くなる。また、励起光の径を大きくせずに、ガラス円柱体の端面の円周近傍の周方向にプリズムを増設し励起光の数を増やせばよい（例えば、特許文献１の図２２参照）が、多数のプリズムを必要とするため大変高価になるという問題がある。

本願発明はこのような、問題を解決すべく、高出力のレーザ光を発生させる安価なレーザ装置の提供を課題とする。

上記課題を解決するための手段として、請求項１の発明は、レーザ活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、前記励起光源から発生された前記励起光を前記レーザ活性物質に入力するための入力体と、前記レーザ活性物質を有し、前記入力体から入力された前記励起光により前記レーザ活性物質が励起され、端部よりレーザ光を出力する光ファイバと、を備えたファイバレーザ装置であって、前記入力体は、一端に前記励起光源からの前記励起光を受光する入射面が形成された柱体を少なくともその一部が円弧を成すように曲げた形状であり、前記光ファイバは、前記入力体の外周部に入力体の母線とほぼ平行に巻回され、前記光ファイバの側面の少なくとも一部と前記入力体とが接触しており、この接触した部分を通じて前記光ファイバに入力される前記励起光により前記レーザ活性物質が励起されることを特徴とするファイバレーザ装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載したファイバレーザ装置であって、前記入力体の前記入射面ではない他端が前記入力体よりも高い屈折率を有する高屈折部材を介して前記入力体の側面に当接するようにし、前記励起光が前記入力体を循環するようにしたことを特徴とするファイバレーザ装置である。

請求項３の発明は、レーザ活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、前記励起光源から発生した前記励起光を前記レーザ活性物質に入力するための入力体と、前記レーザ活性物質を有し、前記入力体から入力された前記励起光により前記レーザ活性物質が励起され、端部よりレーザ光を出力する光ファイバと、を備えたファイバレーザ装置であって、前記入力体は、一端に前記励起光源からの前記励起光を受光する入射面が形成された柱体であり、前記光ファイバは、前記入力体の母線にほぼ平行にトロイダル形状に巻回され、前記光ファイバの側面の少なくとも一部と前記入力体とが接触しており、この接触した部分を通じて前記光ファイバに入力される励起光により前記レーザ活性物質が励起されることを特徴とするファイバレーザ装置である。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２または請求項３に記載したファイバレーザ装置であって、前記入力体と接触している箇所の前記光ファイバを光ファイバの長手方向に垂直の断面において一体的に包む円筒透明体が形成されていることを特徴とするファイバレーザ装置である。

本発明の実施例１のファイバレーザ装置は、略法線方向に受光する垂直入射面が形成された入力体に励起光を入力し、入力された励起光を光ファイバの側面を通して光ファイバのレーザ活性物質を励起する。よって、プリズム等を設置しなくても入力体に励起光を導入でき、しかも、高出力の励起光が入力できるので、高出力のレーザ光が安価に発生できる。

図１は、本発明の実施例１にかかるファイバレーザ装置０１の概略構成を示す斜視図である。図１に示されるように、このファイバレーザ装置０１は、励起光源としての半導体レーザ０２、入力体１０、光ファイバ２０と円筒透明体３０とを備えている。

半導体レーザ０２は、発振波長０．８μｍ、出力１５Ｗの公知のファイバーカップル型半導体レーザーであり、ファイバ０３を通じて励起光Ｌｅを外部に出力するものである。ファイバ０３の励起光Ｌｅの放射部には集光レンズ１１が設置され半導体レーザ０２から出射された励起光Ｌｅは入射体１０の垂直入射面１０１に集光されるようになっている。なお、図１では、理解を容易にする為、半導体レーザ０２およびファイバ０３は、入力体１０、光ファイバ２０と円筒透明体３０に対し縮小して図示してある。

入力体１０は、直径６ｍｍの石英系ガラス製の円柱体を大円１０４の半径５０ｍｍで円環形状に曲げたもので、一方の端部には直線部１０７が形成されている。入力体１０の直線部１０７の端部には、前記垂直入射面１０１が形成され、前記集光レンズ１１により集光された励起光Ｌｅが受光可能となっている。直線部１０７との反対側の端面１０２には、全反射コーティングが施され入力体１０の内部を導光され端面１０２に到達した励起光Ｌｅは全反射されるようになっている。

光ファイバ２０は、入力体１０の円環形状の大円１０４の円周に沿って周回され、かつ、図２に断面を示すように、小円１０５の外周に側面の一部が互いに密着するように巻回し、光ファイバ２０の側面の少なくとも一部と入力体１０とが接触している。励起光Ｌｅは、この接触した部分を通じて光ファイバ２０に入力されるようになっている。

光ファイバ２０は、コア２８および、これを取巻くクラッド２９から構成されている。コア２８は直径１０μｍであり、クラッド２９は直径１０００μｍである。この光ファイバ２０のコア２８にはレーザ活性物質（希土類元素であるＮｄ、Ｅｒ等）がドープされている。光ファイバ２０の母材には、石英系ガラスが用いられている。光ファイバ２０の一端は平面研磨されており、レーザ光の出力端２０１となっている。

レーザ光の出力端２０１にはコリメートレンズ２３が出力端２０１から出射されたレーザ光Ｌｒが平行光となるように間隔をおいて配置されている。コリメートレンズ２３は、焦点距離約７０ｍｍの非球面レンズを用いてある。コリメートレンズ２３の先には平行光を所定の直径に集光させるための集光レンズ２４が間隔をおいて設置され、集光されたレーザ光Ｌｒが所望の加工に使用されるようになっている。

光ファイバ２０の他端２０２は平面研磨されており、他端２０２から出射される励起光Ｌｅを平行光にするためのレンズ２１が間隔をあけて設置されている。レンズ２１には間隔をあけて平行光を反射するための反射鏡２２が設置されている。

円筒透明体３０は、帯状の透明材を光ファイバ２０と入光体１０を共に包むように巻いて製作され円環状３０１を成している。そして、円筒透明体３０の外周部から加熱・延伸することにより、入力体１０、光ファイバ２０と円筒透明体３０を密着させ、この密着した部分を通じて光ファイバ２０に励起光Ｌｅが入力されるようになっている。

円筒透明体３０の端面３０２，３０３には、入力体１０の反射面１０３と同様に全反射コーティングが施されている。

各部材の屈折率の関係は、コア２８の屈折率（ｎ２８）＞クラッド部材２９の屈折率（ｎ２９）≧入力体１０の屈折率（ｎ１０）＞空気の屈折率（ｎ０）となるように設定し、コア２８へ励起光Ｌｅが効率良く入力されるようになっている。円筒体３０の屈折率（ｎ３０）は入力体１０の屈折率と同等である。

上記の構成の実施例の作用を以下に説明する。

半導体レーザ装置０２から励起光Ｌｅが放射され、ファイバ０３を通して集光レンズ１１に導かれた励起光Ｌｅは集光レンズ１１により垂直入射面１０１に集光される。励起光Ｌｅは、入力体１０から、光ファイバ２０のクラッド２９に入射され、クラッド２９に入力された励起光Ｌｅは一部がコア２８に入射されコア２８のレーザ活性物質に作用し励起作用を生じさせレーザ光Ｌｒを発振する。

励起に使用されなかった励起光Ｌｅは、光ファイバ２０を通過して円筒状透明体３０に入射されるが、円筒透明体３０と光ファイバ２０との界面もしくはその外周の空気との界面で全反射されて、再び光ファイバ２０に入射され励起作用を発生させる。そして、さらに励起に使用されなかった励起光Ｌｅは、入力体１０まで戻ってくる。

励起光Ｌｅは以上の動作を繰り返しながら、入力体１０の長手方向に進行していくが、入力体１０の端面１０２に到達した励起光Ｌｅは、全反射コーティングにより反射され、再び励起に使われる。このとき、入力体１０および円筒状透明体３０の長さは、励起光Ｌｅが全て励起に使用されるのに十分な長さになっているので効率良く励起に使用され、極めて効率の高い励起が可能である。

入力体１０の直径が大きいので多数の励起光源の使用が可能になり、レーザ光のさらなる高出力化が可能である。さらに、上記実施例では、ガラス製の円柱体１０を用いた例を掲げたが、これは必ずしもガラスでなくてもよく、励起光Ｌｅに対して透明な材料であれば何でもよい。例えば、プラスチック等を用いることもできる。

なお、実施例１の光ファイバ２０は、1本で構成しているが、複数本で構成してもよい。また、光ファイバ２０の他端２０２は反射して単一の出力としているが、両端２０１，２０２をバンドルして出力してもよい。

また、図３に示すように、入力体１０は高屈折率部材５１を介して、接合される形状にしてもよい。高屈折部材５１の屈折率（ｎ５８）は、入力体１０の屈折率（ｎ１０）とｎ５８＞ｎ１０の関係にあり、励起光Ｌｅは、高屈折部材５１を介して入力体１０の側面に入射される際、入力体１０の母線と励起光Ｌｅの光軸とのなす角度が小さくなるように屈折される。これにより、励起光Ｌｅは円環部１０４を循環するので、励起光Ｌｅが極めてが有効に使われて効率がよい。

また、入力体１０は、角柱等の形状でも良い。ＬＤスタックを光源として用いた場合、集光された形状は矩形になるため、入力断面が矩形になることにより、励起効率がよくなる。また、加熱・溶融によって密着接合させる代わりに、紫外線硬化樹脂などを隙間に充填しても良い。

実施例２は、図４に示すように、トロイダル状に巻回した光ファイバ７０のトロイダル中心に、入力体６０をトロイダル状の光ファイバ７０の側面に密着配置し、光ファイバ７０の入力体側の光ファイバ７０１の外周を囲むように円筒状透明体８０を配設した。他の構成は実施例１と同様であるので説明を省く。

入力体６０の受光面６０１から入力した励起光Ｌｅは実施例１と同様に入力体６０と光ファイバ７０の密着面から入力されるため、高出力の励起光Ｌｅが光ファイバ７０に入力できる。入力体６０が円柱形状であるため製作が容易である。

本発明の実施例１に係るファイバレーザ装置の概略構成を示す斜視図である。図１のＡ部を示す断面図である。実施例１の変形例である。本発明の実施例２に係るファイバレーザ装置の概略構成を斜視図である。従来のファイバレーザ装置の概略構成を示す斜視図である。図５の部分側面図である。

符号の説明

４０・・・半導体レーザ、１０・・・入力体、２０・・・光ファイバ、３９・・・円筒透明体

Claims

レーザ活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、
前記励起光源から発生された前記励起光を前記レーザ活性物質に入力するための入力体と、
前記レーザ活性物質を有し、前記入力体から入力された前記励起光により前記レーザ活性物質が励起され、端部よりレーザ光を出力する光ファイバと、
を備えたファイバレーザ装置であって、
前記入力体は、一端に前記励起光源からの前記励起光を受光する入射面が形成された柱体を少なくともその一部が円弧を成すように曲げた形状であり、
前記光ファイバは、前記入力体の外周部に入力体の母線とほぼ平行に巻回され、前記光ファイバの側面の少なくとも一部と前記入力体とが接触しており、この接触した部分を通じて前記光ファイバに入力される前記励起光により前記レーザ活性物質が励起されること
を特徴とするファイバレーザ装置。
請求項１に記載したファイバレーザ装置であって、
前記入力体の前記入射面ではない他端が前記入力体よりも高い屈折率を有する高屈折部材を介して前記入力体の側面に当接するようにし、前記励起光が前記入力体を循環するようにしたこと
を特徴とするファイバレーザ装置。
レーザ活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、
前記励起光源から発生した前記励起光を前記レーザ活性物質に入力するための入力体と、
前記レーザ活性物質を有し、前記入力体から入力された前記励起光により前記レーザ活性物質が励起され、端部よりレーザ光を出力する光ファイバと、
を備えたファイバレーザ装置であって、
前記入力体は、一端に前記励起光源からの前記励起光を受光する入射面が形成された柱体であり、
前記光ファイバは、前記入力体の母線にほぼ平行にトロイダル形状に巻回され、
前記光ファイバの側面の少なくとも一部と前記入力体とが接触しており、この接触した部分を通じて前記光ファイバに入力される励起光により前記レーザ活性物質が励起されること
を特徴とするファイバレーザ装置。
請求項１または請求項２または請求項３に記載したファイバレーザ装置であって、
前記入力体と接触している箇所の前記光ファイバを光ファイバの長手方向に垂直の断面において一体的に包む円筒透明体が形成されていることを特徴とするファイバレーザ装置。