JP2006222352A - 光ファイバレーザ及び光ファイバ増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 励起光源がダメージを受けることのない光ファイバレーザ及び光ファイバ増幅器の提供。
【解決手段】 少なくとも利得媒質である希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを光励起する励起光源と、光カプラとを備え、励起光源から発せられる励起光を光カプラを介して希土類添加光ファイバに入射してレーザ発振を行う光ファイバレーザにおいて、励起光源の出射端に希土類添加光ファイバから光カプラを介して励起光源に入射される光を遮断するための光遮断手段を少なくとも一つ設けたことを特徴とする光ファイバレーザ。
【選択図】 図３

Description

本発明は、励起光源へのレーザ光の入射を防止して励起光源のダメージを減らした光ファイバレーザ及び光ファイバ増幅器に関する。

レーザ光は、加工機や医療機器、測定器など様々な分野で利用されている。加工機の分野では、レーザ光が集光性に優れ、パワー密度の高い非常に小さなビームスポットが得られるため精密加工が可能なこと、また、レーザ加工が非接触加工であること、さらにレーザ光の吸収可能な高硬度の物質の加工も可能であることなどから、急速に用途が拡大している。
このような分野において、連続光レーザは出力パワーが数ｋＷ以上のものがあり、またパルスレーザも尖頭値が数ｋＷ以上のものがあり、加工性能のよさなどからパルスレーザが利用されることが多い。使用レーザ光としては、従来より、炭酸ガスレーザや固体レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザなど）が使用されており、加工の種類（溶接、切断、マーキング、穴あけなど）や加工対象の材質などによって適当な出力を有するレーザが選択されている。

近年、特に性能の向上が著しいのが固体レーザである。図１に代表的な固体レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）の構成を示す。
図１において、符号１はレーザ発振器であり、このレーザ発振器１は、励起用レーザダイオード（以下、ＬＤと略記する）２、集光レンズ３、リヤミラー４、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶５、Ｑスイッチ（ＡＯ）素子６及び出力ミラー７の基本部品から構成されている。このレーザ発振器１は、励起用ＬＤ２からの励起光８が集光レンズ３によってＮｄ：ＹＡＧ結晶５の端面に集光される端面励起方式の場合の構成を示しており、出力ミラー７とリヤミラー４間で共振器が形成される。

前記構成において、ＬＤ２によってＮｄ：ＹＡＧ結晶５を励起すると、結晶内のＮｄ^３＋イオンは励起状態となり、自然放出光を発生する。
このとき、Ｑスイッチ素子６が低損失状態であればＮｄ：ＹＡＧ結晶５から放出された自然放出光はＮｄ：ＹＡＧ結晶５内で増幅されながらリヤミラー４と出力ミラー７間を往復することでレーザ発振し、その一部が連続光のレーザ光９として外部に取り出されることになる。
一方、Ｑスイッチ素子６が周期的に低損失状態と高損失状態を繰り返すように駆動させた場合、Ｑスイッチ素子６が高損失状態の時には自然放出光を発生するのみでレーザ発振はせず、励起エネルギーがＮｄ：ＹＡＧ結晶５内に蓄積された状態となる。この状態でＱスイッチ素子６を低損失状態にすると、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶５内に蓄積されたエネルギーが一気にレーザ出力として放出される。すなわちＱスイッチ素子６が高損失状態の時にはレーザ光９が出力されず、Ｑスイッチ素子６が低損失状態の時にレーザ光が出力され、パルス状の出力が得られる。このパルス出力によって加工などが行われる。

前述した固体レーザは、レーザ媒質として結晶を用いるが、レーザ出力を大きくするためには、結晶の両側にミラーを配置し、ミラー間に光を往復させなければならない。また、パルス発振のためにはＱスイッチ素子６も必要となる。結晶の両側にこのような光学部品が必要となることは、レーザ発振器が大型化することを意味する。また、安定したパルス出力を得るためには、光学部品の位置及び角度を非常に高精度に調整する必要があるうえ、調整を行ったとしても動作中には結晶内で発生する熱などの影響で微妙に調整が狂ったり、長期間の使用や、装置の移動などによっても調整が狂うため、頻繁にメンテナンスを行わなければならない。

このような固体レーザの問題を解決するものとして、共振器を全て光ファイバで構成した光ファイバリングレーザが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
図２は、代表的な光ファイバリングレーザの構成を例示する構成図である。この光ファイバリングレーザ１０は、励起光源１１と、励起光とレーザ光を合波するＷＤＭカプラ１２と、利得媒質である希土類添加光ファイバ１３と、アイソレータ１４と、光スイッチ素子１７と、出力カプラ１５とから構成されている。励起光源１１から出射された励起光は、ＷＤＭカプラ１２を介して希土類添加光ファイバ１３へと入射される。希土類添加光ファイバ１３に入射した励起光は、希土類添加光ファイバ１３のコアに添加された希土類イオンに吸収され、希土類イオンは励起状態となる。励起状態となった希土類イオンは特定の波長の自然放出光を放出し、この自然放出光は増幅されながら希土類添加光ファイバ内を伝搬し、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）として出力される。一方でＷＤＭカプラ１２，希土類添加光ファイバ１３、アイソレータ１４、出力カプラ１５及び光スイッチ素子１７は、光ファイバ等の導波路によってリング状に接続されてリング共振器が構成され、ＡＳＥはこれらの部材を通過してリング共振器内を周回し、再び希土類添加光ファイバ１３で増幅され、やがてはレーザ発振し、その一部が出力カプラ１５を介してレーザ光として出力される。また光スイッチ素子１７は、常に低損失な状態としておけばＣＷ発振し、レーザ光は連続光として出力される。光スイッチ素子１７を低損失な状態と高損失な状態とが周期的に繰り返されるように動作させればパルス発振し、パルス状のレーザ出力が得られる。
特許第２９７７０５３号公報

前述した従来の光ファイバリングレーザにおいて、パルス発振を行う際には、希土類添加光ファイバからパルス状のＡＳＥが両方向（希土類添加光ファイバ１３からアイソレータ１４に向かうＡＳＥと、希土類添加光ファイバ１３からＷＤＭカプラ１２に向かうＡＳＥ）に出射される。このうち希土類添加光ファイバ１３からアイソレータ１４に向かって出射されるＡＳＥは、リング共振器内を周回して非常に高い尖頭値を有するレーザ光となる。一方、希土類添加光ファイバ１３からＷＤＭカプラ１２に向かって出射されるＡＳＥは、殆どがリング共振器内を伝播し、アイソレータ１４で損失を受けることになるが、一部はＷＤＭカプラ１２を介して励起光源１１に入射し、それによって励起光源１１がダメージを受ける問題があった。

さらに、高出力化を図る際には、図２に示したような前方励起の構成に加えて、後方からも励起を行うことが有効である。すなわち希土類添加光ファイバ１３とアイソレータ１４の間に新たにＷＤＭカプラを設け、このＷＤＭカプラに励起レーザを接続するものである。このような構成ではリング共振器内を周回するレーザ光の一部がＷＤＭカプラを介して入射することになる。レーザ光は非常に高いパワーを有しており、尖頭値は数１００Ｗに及ぶこともある。従ってその一部のパワーでも励起光源に入射すると、瞬時に励起光源がダメージを受けるため、高出力化の妨げとなっていた。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、励起光源がダメージを受けることのない光ファイバレーザ及び光ファイバ増幅器の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、少なくとも利得媒質である希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを光励起する励起光源と、光カプラとを備え、励起光源から発せられる励起光を光カプラを介して希土類添加光ファイバに入射してレーザ発振を行う光ファイバレーザにおいて、励起光源の出射端に希土類添加光ファイバから光カプラを介して励起光源に入射される光を遮断するための光遮断手段を少なくとも一つ設けたことを特徴とする光ファイバレーザを提供する。

本発明において、光ファイバレーザの共振器がリング共振器であることが好ましい。

本発明において、光ファイバレーザの共振器ミラーがファイバグレーティングであることが好ましい。

本発明の光ファイバレーザにおいて、光遮断手段が励起光波長とレーザ光波長とを合波する合波器であることが好ましい。

本発明の光ファイバレーザにおいて、光遮断手段に用いる合波器が光ファイバ型合波器であることが好ましい。

本発明の光ファイバレーザにおいて、光遮断手段に用いる合波器が前記光カプラと同じ光カプラであることが好ましい。

本発明の光ファイバレーザにおいて、光遮断手段が誘電体多層膜であることが好ましい。

本発明の光ファイバレーザにおいて、光遮断手段としての誘電体多層膜が光コネクタ端面上に設けられていることが好ましい。

本発明の光ファイバレーザにおいて、希土類添加光ファイバのコアに添加されている希土類元素がＥｒ，Ｙｂ，Ｈｏ，Ｔｍからなる群から選択される１種であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る光ファイバレーザを備えていることを特徴とする光ファイバ増幅器を提供する。

本発明の光ファイバレーザは、励起光源の出射端に希土類添加光ファイバから光カプラを介して励起光源に入射される光を遮断するための光遮断手段を設けたものなので、希土類添加光ファイバから出射したＡＳＥおよびレーザ光が励起光源に入射されることが無くなり、このＡＳＥによって励起光源がダメージを受けることが無くなり、励起光源の長寿命化を図ることができる。
また、励起光源へのＡＳＥおよびレーザ光の入射を遮断することで、高出力化を図ることができ、高出力の光ファイバレーザ及びそれを用いた光ファイバ増幅器を提供することができる。

［第１実施形態］
図３は、本発明の第１実施形態である全光ファイバ型の光ファイバリングレーザを示す構成図である。本実施形態の光ファイバリングレーザ２０は、半導体レーザなどの励起光源１１と、励起光源１１からの励起光をリング共振器に入射させるＷＤＭカプラ１２（光カプラ）と、リング共振器に接続された希土類添加光ファイバ１３と、リング共振器に介在されたアイソレータ１４と、リング共振器からレーザ光（ＡＳＥ）を取り出す出力カプラ１５と、リング共振器に介在されたバンドパスフィルタ１６及び光スイッチ素子１７と、励起光源１１とＷＤＭカプラ１２の間に設けられた光遮断手段としてのレーザ光遮断カプラ２１とを備えて構成されている。前記各構成部材は、光ファイバによってリング状に接続されてリング共振器を構成している。前記レーザ光遮断カプラ２１のレーザ光遮断ポート２２終端は、無反射終端処理２３が施されている。

本発明において、使用する励起光源１１の種類や波長、希土類添加光ファイバ１３の添加元素は、適宜選択でき、特に限定されない。一例として本実施形態においては、励起光源１１として波長９７６ｎｍの半導体レーザを使用し、希土類添加光ファイバ１３としてＹｂ添加光ファイバを使用している。バンドパスフィルタ１６は透過波長が１０６４ｎｍであり、レーザ発振波長は１０６４ｎｍに固定した。

前記レーザ光遮断カプラ２１は、励起光源１１から入射された励起光は低損失で透過してＷＤＭカプラ１２へと伝播し、一方、ＷＤＭカプラ１２を介して励起光源１１に入射しようとするレーザ光は低損失でレーザ光遮断ポート２２に伝播するような特性を有するカプラである。本実施形態では、波長９７６ｎｍで励起光の透過損失が最低となり、かつ、波長１０６４ｎｍで透過損失が最大となるようになっている。

レーザ光遮断ポート２２に伝播したレーザ光は、レーザ光遮断ポート２２での端面反射などにより、再びリング共振器内へと戻り、レーザ出力を不安定にする可能性がある。このような可能性を無くすために、レーザ光遮断ポート２２は無反射終端処理２３が施される。無反射終端処理２３は、例えば、レーザ光遮断ポート２２の終端にコアレスファイバを融着接続することや、コアにレーザ光を吸収する物質を添加した高減衰ファイバを融着することで行うことができる。

レーザ光遮断カプラ２１は、挿入損失がほとんど無く、安価なファイバ型のカプラを使用するのが好ましい。また、ＷＤＭカプラ１２は、逆向きに使用すればレーザ光遮断カプラ２１と同様の機能を発揮する。従ってＷＤＭカプラ１２と同じカプラをレーザ光遮断カプラ２１として用いてもよい。このように構成することで、同じカプラの使用数量が増えるのでコストを削減することができる。

光遮断手段として、励起光のみを透過するようなバンドパスフィルタやレーザ発振波長に対してアイソレーション能力を有するアイソレータなどを使用してもよいが、バルク型の光部品は挿入損失が大きいため、励起光からレーザ光への変換効率が低下してしまう上に、コストも上昇してしまうため好ましくない。

本実施形態の光ファイバリングレーザ２０は、励起光源１１に通電して励起光を出射させると、この励起光がＷＤＭカプラ１２からリング共振器へと入射される。リング共振器に入射された励起光は、希土類添加光ファイバ１３に入射され、該ファイバのコアに添加されたＹｂイオンに吸収され、Ｙｂイオンが励起状態となる。励起されたＹｂイオンは、波長がおよそ１０００ｎｍから１１００ｎｍの自然放出光を放出し、この自然放出光は増幅されながら希土類添加光ファイバ１３内を伝播し、ＡＳＥとして出力される。出力されたＡＳＥは、バンドパスフィルタ１６において波長１０６４ｎｍ以外の光がカットされる。すなわち、波長１０６４ｎｍのＡＳＥのみがリング共振器内を周回して再び希土類添加光ファイバ１３で増幅され、レーザ発振し、その一部が出力カプラ１５を介して出力される。

このレーザ発振において、光スイッチ素子１７は常に低損失な状態としておけばＣＷ発振し、レーザ光は連続光として出力される。光スイッチ素子１７を低損失な状態と高損失な状態とが周期的に繰り返されるように動作させればパルス発振し、パルス状のレーザ出力が得られる。

本実施形態の光ファイバリングレーザ２０は、励起光源１１の出射端に希土類添加光ファイバ１３からＷＤＭカプラ１２を介して励起光源１１に入射されるＡＳＥを遮断するレーザ光遮断カプラ２１を設けたものなので、希土類添加光ファイバ１３から出射したＡＳＥが励起光源１１に入射されることが無くなり、このＡＳＥによって励起光源１１がダメージを受けることが無くなり、励起光源１１の長寿命化を図ることができる。
また、励起光源１１へのＡＳＥの入射を遮断することで、高出力化を図ることができ、高出力の光ファイバレーザ及びそれを用いた光ファイバ増幅器を提供することができる。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態である全光ファイバ型の光ファイバリングレーザを示す構成図である。本実施形態の光ファイバリングレーザ３０は、双方向励起を行うために、図３に示す第１実施形態の光ファイバリングレーザ２０の構成に加えて、希土類添加光ファイバ１３とアイソレータ１４の間に第２のＷＤＭカプラ３１を設け、第２の励起光源３８から出射される励起光がこの第２のＷＤＭカプラ３１を介して希土類添加光ファイバ１３に入射される構成としている。

第２の励起光源３８と第２のＷＤＭカプラ３１との間には、第２，第３のレーザ光遮断カプラ３２，３５を設け、それぞれのレーザ光遮断カプラ３２，３５のレーザ光遮断ポート３３，３６終端には、無反射終端処理３４，３５が施されている。第２の励起光源３８は励起光源１１と同じ波長９７６ｎｍの半導体レーザを使用することが望ましく、第２のＷＤＭカプラ３１はＷＤＭカプラ１２と同じものを使用することが望ましい。また、第２，第３のレーザ光遮断カプラ３２，３５は、レーザ光遮断カプラ２１と同じカプラを使用することが望ましい。

本実施形態の光ファイバリングレーザ３０は、２つの励起光源１１，３８にそれぞれ通電して励起光を出射させると、これらの励起光がＷＤＭカプラ１２，３１からリング共振器に入射される。リング共振器に入射された励起光は、希土類添加光ファイバ１３に入射され、該ファイバのコアに添加されたＹｂイオンに吸収され、Ｙｂイオンが励起状態となる。励起されたＹｂイオンは、波長１０６４ｎｍの自然放出光を放出し、この自然放出光は増幅されながら希土類添加光ファイバ１３内を伝播し、ＡＳＥとして出力される。出力されたＡＳＥは、リング共振器内を周回して再び希土類添加光ファイバ１３で増幅され、レーザ発振し、その一部が出力カプラ１５を介してレーザ光として出力される。

リング共振器内を周回しているレーザ光の一部は、第２の励起光源３８に入射する。本実施形態において、リング共振器内を周回するレーザ光は、非常にパワーが大きい。仮に図３に示す前方励起と同様の構成で後方励起部分を構成したとすると、第２の励起光源３８では遮断能力が不足するおそれがある。そこで、本実施形態では、図４に示すように、レーザ光遮断カプラ３２、３５をカスケード接続し、第２の励起光源３８に入射するレーザ光を遮断している。

本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができ、さらに、希土類添加光ファイバ１３を複数の励起光源１１，３８からの励起光で励起して高パワーのレーザ光を出力させることができる。

［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態である全光ファイバ型の光ファイバリングレーザを示す構成図である。本実施形態の光ファイバリングレーザ４０は、光遮断手段として２つの光コネクタ４１，４２の一方に誘電体多層膜４３を設けたこと以外は、図３に示す第１実施形態の光ファイバリングレーザ２０とほぼ同様の構成要素を備えて構成されている。

一方の光コネクタ４１のファイバ端面に設けた誘電体多層膜４３は、波長９７６ｎｍの励起光は透過するが、ＡＳＥ光は反射する特性を有している。このような構成とすることで、励起光源１１から出射した励起光は、誘電体多層膜４３を透過してＷＤＭカプラ１２からリング共振器に入射される。一方、ＷＤＭカプラ１２から励起光源１１に向かうＡＳＥは、誘電体多層膜４３を透過できずに反射され、リング共振器に戻される。

本実施形態では、励起光源１１とＷＤＭカプラ１２との間を光コネクタ４１，４２で接続するとともに、一方の光コネクタ４１の光ファイバ端面に、励起光は透過するがＡＳＥは反射する誘電体多層膜４３を設けた構成としたので、第１実施形態においてレーザ光遮断カプラ２１を使用した場合と同等の効果を得ることができる。
さらに本実施形態では励起光源１１とＷＤＭカプラ１２の接続を光コネクタ４１，４２の着脱により行うので、励起光源１１を容易に交換できる利点がある。

なお、誘電体多層膜４３は他方の光コネクタ４２側に設けてもよいし、より大きな遮断能が必要な場合には両方の光コネクタ４１，４２に設けてもよい。

本発明の光ファイバレーザにおいて用いている光遮断手段は、光ファイバレーザのみならず、光ファイバ増幅器の励起光源のダメージを回避する際にも利用することができる。

［実施例１］
図２及び図３に示した光ファイバリングレーザ１０，２０を作製し、励起光源１１に入射するＡＳＥの平均パワー及びピークパワーを調べた。
両者とも、励起光源１１として、波長９７６ｎｍの半導体レーザを使用し、希土類添加光ファイバ１３としてＹｂ添加光ファイバを使用した。レーザ発振波長は１０６４ｎｍに固定した。
図３の光ファイバリングレーザ３０において、レーザ光遮断カプラ２１として、ＷＤＭカプラ１２と同じカプラを逆向きに接続して使用し、そのレーザ光遮断ポート２２の終端にコアレスファイバを融着接続して無反射終端処理２３を施した。
励起光源１１の出力パワーを４００ｍＷとし、光スイッチ素子１７は０．０１秒ごとに３μｓの間低損失状態になるように制御した。
図２の光ファイバリングレーザ２０の場合には、ＡＳＥ平均パワーが０．３６ｍＷ、ピークパワーが４２ｍＷであった。
一方、図３の光ファイバリングレーザ３０では、ＡＳＥ平均パワーが４．５μＷ、ピークパワーが０．５３ｍＷであり、図２に示す従来の光ファイバリングレーザに比べ、励起光源１１に入射するＡＳＥをおよそ１００分の１に減らすことができた。

［実施例２］
図４に示す光ファイバリングレーザ３０を作製し、第２の励起光源３８に入射するＡＳＥの平均パワー及びピークパワーを調べた。
励起光源１１及び第２の励起光源３８の出力をそれぞれ２００ｍＷずつとし、光スイッチ素子１７は０．０１秒ごとに３μｓの間低損失状態になるように制御すると、レーザ出力として平均パワー１４０ｍＷ、ピークパワー９６Ｗのパルス出力が得られる。出力カプラ１５はリング内に周回しているレーザ光のうち７０％を取り出すようなカプラを使用していること、アイソレータ１４の損失が１．５ｄＢであったことを考慮すると、希土類添加光ファイバ１３の出射端でのレーザ光のパワーは平均パワーで２８０ｍＷ、ピークパワーで２００Ｗとなる。仮に前方励起と同様の構成で後方励起部分を構成したとすると、第２の励起光源３８には平均で約３０μＷ、ピークパワーで２０ｍＷのレーザ光が入射することとなり、遮断能力が十分ではない。従って、図４に示すようにレーザ光遮断カプラ３２，３５をカスケード接続した。
このような構成とすることで、第２の励起光源３８に入射するレーザ光は、平均パワー０．３μＷ、ピークパワー０．２ｍＷまで低下させることができた。

従来の固体レーザの一例を示す構成図である。 従来の光ファイバリングレーザを示す構成図である。 本発明の光ファイバレーザの第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の第２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の第３実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１…レーザ発振器、２…ＬＤ、３…集光レンズ、４…リヤミラー、５…Ｎｄ：ＹＡＧ結晶５、６…Ｑスイッチ素子、７…出力ミラー、８…励起光、９…レーザ光、１０，２０，３０，４０…光ファイバリングレーザ、１１…励起光源、１２…ＷＤＭカプラ、１３…希土類添加光ファイバ、１４…アイソレータ、１５…出力カプラ、１６…バンドパスフィルタ、１７…光スイッチ素子、２１，３２，３５…レーザ光遮断カプラ、２２，３３，３６…レーザ光遮断ポート、２３，３４，３７…無反射終端処理、３１…第２のＷＤＭカプラ、３８…第２の励起光源、４１，４２…光コネクタ、４３…誘電体多層膜。

Claims (10)

1. 少なくとも利得媒質である希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを光励起する励起光源と、光カプラとを備え、励起光源から発せられる励起光を光カプラを介して希土類添加光ファイバに入射してレーザ発振を行う光ファイバレーザにおいて、
   励起光源の出射端に希土類添加光ファイバから光カプラを介して励起光源に入射される光を遮断するための光遮断手段を少なくとも一つ設けたことを特徴とする光ファイバレーザ。
2. 光ファイバレーザの共振器がリング共振器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。
3. 光ファイバレーザの共振器ミラーがファイバグレーティング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。
4. 光遮断手段が励起光波長とレーザ光波長とを合波する合波器であ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。
5. 光遮断手段に用いる合波器が光ファイバ型合波器であることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバレーザ。
6. 光遮断手段に用いる合波器が前記光カプラと同じ光カプラであることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバレーザ。
7. 光遮断手段が誘電体多層膜であ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。
8. 光遮断手段としての誘電体多層膜が光コネクタ端面上に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバレーザ。
9. 希土類添加光ファイバのコアに添加されている希土類元素がＥｒ，Ｙｂ，Ｈｏ，Ｔｍからなる群から選択される１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光ファイバレーザ。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の光ファイバレーザを備えていることを特徴とする光ファイバ増幅器。
    

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