JP2005251992A

JP2005251992A - 光ファイバレーザ

Info

Publication number: JP2005251992A
Application number: JP2004060595A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Shima; 研介島; Tetsuya Sakai; 哲弥酒井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】小型で高出力、高品質のレーザビームを得ることが可能な光ファイバレーザの提供。
【解決手段】希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバの一端から励起光を入射する励起光源とを備えた光ファイバレーザにおいて、前記希土類添加光ファイバがレーザ発振波長でマルチモード動作し、かつ希土類添加光ファイバのレーザ出力側にレーザ発振波長でシングルモード動作する光ファイバが接続されたことを特徴とする光ファイバレーザ。
【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光ファイバレーザに関し、特に、小型で高出力、高品質のレーザビームを得るための技術に関する。

光ファイバレーザの特徴の一つとして、ビーム品質の高さがある。特に、シングルモードファイバレーザを構成した場合、Ｍ^２ファクタが、例えばＭ^２＝１．０５といったように、１に非常に近い値となる。Ｍ^２ファクタはビーム品質を表す数値で、理想的なガウシアンビームのＭ^２ファクタは１．０である。Ｍ^２ファクタが１．０に近いレーザビームは、レンズによる集光性に優れているため、微細加工やスポット溶接などの応用に適している。

均一コアの光ファイバを考えた場合、その光ファイバがシングルモードとなる条件は、正規化周波数ｖが、次式（１）

の関係を満たす必要がある。式（１）中、λは光の波長、ｎ_ｃｌａｄは光ファイバのクラッドの屈折率、ａはコアの半径、Δはコアとクラッドの比屈折率差（コアの屈折率をクラッドの屈折率で除して、１を引いた値）をそれぞれ表している。この式（１）から、ある波長でその光ファイバをシングルモード動作させたい場合は、コア径を小さくするか、比屈折率差を小さくする必要がある。

希土類添加ファイバにおいて希土類元素が添加されるのは、コアまたはその近傍であるので、コア径の小さなシングルモード希土類添加光ファイバでは、希土類元素が添加される領域が小さいため、少量の希土類元素しか添加することができず、ひいては高出力の光ファイバレーザを構成することができなかった。

したがって、従来は、コア径が大きく、コアとクラッドの比屈折率差の小さい希土類添加光ファイバを用いてシングルモードの光ファイバレーザを構成していた（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１に記載された技術を用いれば、コア径が大きいため大量の希土類元素を添加できるのみならず、コア単位断面積当たりのレーザ光のエネルギー密度も小さくできるため、レーザ光のブリルアン散乱などの好ましくない非線形現象や、高い光エネルギー密度に起因する光ファイバの損傷なども回避できるという利点がある。
米国特許第６６１４９７５号明細書

しかしながら、前述した従来技術では、コアとクラッドの比屈折率差が小さいため、光のコアへの閉じ込めが弱く、光が光ファイバの曲げにより損失を被りやすく、光ファイバを小さな径に巻くことができず、光ファイバレーザの小型化が困難であった。また、光の閉じ込めが弱いために、外乱によっても光が損失されるという欠点もあった。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、小型で高出力、高品質のレーザビームを得ることが可能な光ファイバレーザ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と、該希土類添加光ファイバの一端から励起光を入射する励起光源とを備えた光ファイバレーザにおいて、前記希土類添加光ファイバがレーザ発振波長でマルチモード動作し、かつ希土類添加光ファイバのレーザ出力側にレーザ発振波長でシングルモード動作する光ファイバが接続されたことを特徴とする光ファイバレーザを提供する。
本発明の光ファイバレーザにおいて、前記希土類添加光ファイバの励起光入射側に、励起光は透過し、レーザ発振波長帯の光を反射するフィルタが設けられるとともに、前記シングルモード動作する光ファイバのレーザ出力側にレーザ発振波長帯の光を一部反射し、残部を透過するミラーが設けられたことが好ましい。
本発明の光ファイバレーザにおいて、前記希土類添加光ファイバが希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバであることが望ましい。

本発明によれば、出力側にレーザ発振波長においてシングルモード動作をする光ファイバが接続されているため、高ビーム品質のレーザ光が得られる。
また、希土類添加光ファイバは、動作波長においてマルチモード動作をするので、接続したシングルモードファイバと低損失で接続が可能な波長が存在し、その波長において効率よくレーザ発信が可能である。
また、希土類添加光ファイバをシングルモード動作させる必要がないため、コアとクラッドの比屈折率差及びコア径を大きくすることが可能になり、光ファイバの曲げにより光の損失が小さくなり、光ファイバを小さく曲げることが可能になり、光ファイバレーザを小型化することができる。
希土類添加光ファイバのコア径を大きくできるので、コア中に多くの希土類添加元素を添加可能なため、高出力の光ファイバを構成できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る光ファイバレーザの一実施形態を示す構成図であり、この光ファイバレーザは、励起光源である励起レーザダイオードモジュール１１と、励起光を導光する接続用に光ファイバ１２と、励起光の入射端に誘電体多層膜フィルタ１３が設けられた希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４（希土類添加光ファイバ）と、この希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４の出力側の接続点１５で融着接続されたシングルモードファイバ１６と、このシングルモードファイバ１６のレーザ出力端に設けられた誘電体多層膜ミラー１７とを備えて構成されている。

励起レーザダイオードモジュール１１は、希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４に添加された希土類元素を励起させる波長帯の光を発生するものであり、希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４の種類（希土類の種類や添加濃度等）などに応じて、適切な発光波長や励起光強度を有するものを適宜選択して使用することが望ましい。例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）を添加したダブルクラッドマルチモードファイバを用いる場合には、波長９１５ｎｍ帯で発光するレーザダイオードモジュールを用いることが望ましい。

図２は、希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４の構造を例示する断面図である。この希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４は、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）のような希土類元素を添加したコア２１と、その外周を覆うクラッド２２と、クラッド２２の外周を覆う樹脂２３とを備えて構成されている。コア２１のクラッド２２に対する比屈折率差は０．８〜１．２％、好ましくは１．０％程度であり、コア２１の直径は３０〜５０ｎｍ、好ましくは３５〜４５ｎｍ程度である。このコア２１には、質量比で３０００〜５０００ｐｐｍ、好ましくは４０００ｐｐｍ程度の希土類元素、例えばイッテルビウムが添加されている。クラッド２２の直径は３００〜５００μｍ、好ましくは３５０〜４５０μｍ程度であり、クラッド２２の外側はクラッド２２よりも屈折率の低い樹脂層２３で被覆されている。

誘電体多層膜フィルタ１３は、励起光を透過し、希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４で発生したレーザ光は反射する特性を有している。一例を挙げれば、波長９１５ｎｍ付近の励起光を反射し、９８０〜１１００ｎｍの波長帯の光を反射するようなフィルタを選択使用することができる。

希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４の出力側に接続されたシングルモードファイバ１６は、発生するレーザ光の波長帯においてシングルモード動作する光ファイバであり、希土類添加光ファイバ１４の励起光入射側と反対の端面に融着接続されている。図１中の符号１５はその接続点を示す。

このシングルモードファイバ１６の前記接続点１５と反対側の端面には、希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４で発生するレーザ光の波長帯において、一部の光を反射し、残りの光を透過させる誘電体多層膜ミラー１７が設けられている。

この光ファイバレーザにおいて、希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４のコア部分はマルチモード導波路であり、コア径及び比屈折率差がシングルモードファイバよりも大きいため、該ファイバを直径１０ｃｍ程度に巻いても、導波する光は殆ど損失を受けない。従って、光ファイバレーザの全体構成を小さくすることが可能である。
また、コア径が太いため、その中に多くのイッテルビウムなどの希土類元素を添加できるので高出力の光ファイバレーザを構成することが可能である。また、レーザ出力側にはシングルモードファイバ１６が接続されているため、構成された光ファイバレーザはシングルモード出力となり、すなわちＭ^２ファクタが１．０に近いレーザ光を出力できる。従って、高ビーム品質で集光性のよいレーザ光が得られる。

この光ファイバレーザでは、前述した通り、希土類添加光ファイバとしてマルチモードファイバを用いている。一般にマルチモードファイバとシングルモードファイバとの接続では、その接続点において接続損失が大きいという欠点があるが、希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４中の様々なモードの重ね合わせの結果、シングルモードファイバ１６と低損失で接続されるようなモード間の位相関係が存在する。モード間の位相関係は波長により変わるが、イッテルビウム添加ファイバなどの希土類添加光ファイバにおいては、発光の波長帯域が広いため、前述した位相関係を満たす波長が、希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４の発光可能波長内に存在可能であり、その波長においてレーザ発振をすることで、シングルモードファイバ１６と低損失で接続させることが可能となる。

前述した例では、希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４に添加する希土類元素として、イッテルビウムを例示しているが、このファイバに添加する希土類元素は、イッテルビウムに限定されず、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）、プラセオジム（Ｐｒ）などが挙げられ、これらの元素を励起する励起レーザダイオードの発振波長は、添加する元素により適宜選ばれる。また、使用するフィルタやミラーの動作波長も励起レーザダイオードの発振波長及び光ファイバレーザの発振波長により適宜選ばれる。
また、誘電体多層膜ミラー１７の反射率は、レーザの発振効率が高くなるように適宜選ばれる。
また、使用する各光ファイバの外径、クラッド径、コア径、コアとクラッドの比屈折率差も適宜選ばれるが、希土類添加光ファイバはレーザの発振波長帯においてマルチモード動作する必要がある。
前述した例では、誘電体多層膜のフィルタとミラーを用いレーザキャビティを構成したが、この構成に限定されず、例えば、希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ１４上の励起光入射部近辺および接続したシングルモード光ファイバ１６の適当な位置に、光ファイバグレーティングを形成し、これによってレーザキャビティを構成してもよい。

本発明の光ファイバレーザの一実施形態を示す構成図である。光ファイバレーザに用いる希土類添加光ファイバの構造を示す断面図である。

符号の説明

１１…励起レーザダイオードモジュール（励起光源）、１２…導光用光ファイバ、１３…誘電体多層膜フィルタ、１４…希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバ（希土類添加光ファイバ）、１５…接続点、１６…シングルモードファイバ、１７…誘電体多層膜ミラー、２１…コア、２２…クラッド、２３…樹脂。

Claims

希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバの一端から励起光を入射する励起光源とを備えた光ファイバレーザにおいて、前記希土類添加光ファイバがレーザ発振波長でマルチモード動作し、かつ希土類添加光ファイバのレーザ出力側にレーザ発振波長でシングルモード動作する光ファイバが接続されたことを特徴とする光ファイバレーザ。
前記希土類添加光ファイバの励起光入射側に、励起光は透過し、レーザ発振波長帯の光を反射するフィルタが設けられるとともに、前記シングルモード動作する光ファイバのレーザ出力側にレーザ発振波長帯の光を一部反射し、残部を透過するミラーが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ。
前記希土類添加光ファイバが希土類添加ダブルクラッドマルチモードファイバであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバレーザ。