JP2007042981A - 光ファイバレーザ、光ファイバ増幅器、ｍｏｐａ方式光ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 増幅された戻り光（ＡＳＥ）発生を防ぎ、安全性及び寿命を向上させた光ファイバレーザ、光ファイバ増幅器及びＭＯＰＡ方式光ファイバレーザの提供。
【解決手段】 少なくともレーザ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複数の励起光源と、各励起光源からの励起光を合わせて希土類添加光ファイバに入射する光結合器とを有し、希土類添加光ファイバに励起光を入射してレーザ発振を行う光ファイバレーザにおいて、前記光結合器に、希土類添加光ファイバから励起光源側に向かう戻り光の一部が伝播されるモニタポートが設けられ、且つ該モニタポートを伝播する戻り光の強度を測定し、該光強度が所定値を超えた場合に前記励起光源の出力を減じて戻り光の増幅を防止する励起光源制御手段が設けられた光ファイバレーザ。
【選択図】 図４

Description

本発明は、希土類添加光ファイバを用いた光ファイバレーザ及び光ファイバ増幅器に関し、特に、一旦出射したレーザ光が希土類添加光ファイバに戻り増幅された光（ＡＳＥ）によって励起光源などの構成部材がダメージを受けることを防止でき、安全性及び寿命を向上させた光ファイバレーザ、光ファイバ増幅器及びＭＯＰＡ方式光ファイバレーザに関する。

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。特に、希土類添加光ファイバをレーザ媒質とした光ファイバレーザは、従来の固体レーザに比べて高効率化でき、装置がコンパクトにでき、さらにレーザ発振媒質と伝播媒質が同じにできるといった特徴を有しており、非常に高出力なｋＷ級の光ファイバレーザが開発されている。

光ファイバレーザにおいて、前述したような高出力を実現するためには、希土類添加光ファイバに如何に多くの励起光を導入できるかが重要である。通常の希土類添加光ファイバの場合は、コアに励起光を導入するコア励起を行うことになるが、コア直径は数μｍ〜１０μｍと極小であるため、多くの励起光を導入するのは難しい。そこで、光ファイバレーザを構成する際にはダブルクラッド構造の光ファイバ（希土類添加ダブルクラッド光ファイバ）を用いたクラッド励起がよく用いられる。ダブルクラッド構造の光ファイバは、コアを囲むクラッドが第１クラッドとその外周を覆う第２クラッドとの２層構造になっており、第１クラッドはコアに対するクラッドとして機能するだけでなく、第１クラッド自身も第２クラッドをクラッドとしてコアの働きもする。また、第１クラッドは通常１００μｍ以上の直径を有するので、比較的容易に多くの励起光を投入することが可能となる。

第１クラッドに励起光を導入する手段としては、（１）主に希土類添加ダブルクラッドファイバの端面から励起光を入射する方法と、（２）希土類添加ダブルクラッドファイバの側面から励起光を入射する方法に大別される。

（１）希土類添加ダブルクラッドファイバの端面から励起光を入射する方法としては、例えば特許文献１に記載されているような光結合器を用いる方法がある。ここに開示されている光結合器を使用した光ファイバレーザ１００の構成例を図１に示す。この光ファイバレーザ１００において、光結合器１０３は、マルチモード光ファイバからなる７つの励起ポート１０２とこれらを溶融延伸して一体化することにより形成された１つの出射ポート１０４を有している。各励起ポート１０２には、励起光源１０１が接続されており、励起光源１０１から出射された励起光は出射ポート１０４から出射される。例えば、各励起光源１０１の出力が３Ｗであれば、合計２１Ｗの励起パワーが得られることになる。この励起光は希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５に入射される。この光結合器１０３の出射ポート１０４の直径が希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の第１クラッドの直径と同じかそれ以下であり、かつ、出射ポート１０４の開口数が希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の第１クラッドの開口数より小さければ、出射ポート１０４から出射される励起光を低損失で希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の第１クラッドへと入射することが可能となる。

また、（２）希土類添加ダブルクラッドファイバの側面から励起光を入射する方法としては、例えば特許文献２に開示されている。ここに開示されている光結合器を使用した光ファイバレーザ１１０の構成例を図２に示す。この光ファイバレーザ１１０において、光結合器１１１の部分は、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の一部の側面を加工することにより、第１クラッドが露出されており、その部分に端面が斜めに研磨された複数の励起ポート１０２が適当な角度をもって接合されて構成されている。接合の角度は、励起ポート１０２から出射され、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の第１クラッドに入射される光が第１クラッドと第２クラッドの境界面で全反射しうる角度とすることで励起ポート１０２に接続された励起光源から出射される励起光を希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の第１クラッドに入射することが可能となる。また、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の長手方向に複数の光結合器１１１を設けることで、多くの励起光を希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５に入射可能となる。

前記（１）又は（２）の方法によって、希土類添加ダブルクラッドファイバの第１クラッドに導入された励起光は、第１クラッド内を伝播しながらコアを横切ることになるが、の際にコアに添加された希土類イオンに吸収される。励起光を吸収した希土類イオンは、励起光とは異なる波長の自然放出光を放出し、この自然放出光のうちコアを伝播するものは、伝播しながら増幅され、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）として出力される。

一方、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の両端には、ファイバグレーディングが設けられている。レーザ出射側に設けられているファイバグレーディングは、出力カプラ１０７であり、これは希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５から放出される自然放出光のうちの一部の波長の光を反射する特性を有するが、その反射率は１００％ではなく、所望の出力が得られるように適当な反射率を有するものである。また、その他端に設けられているファイバグレーディングは、高反射ミラー１０６であり、出力カプラ１０７と同じ反射波長を有するが、その反射率はほぼ１００％であり、かつ励起光波長に対しては何の作用もしないものである。これら高反射ミラー１０６と出力カプラ１０７とで共振器が構成されており、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５から出射されたＡＳＥは、このミラーで反射されて共振器内を往復し、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５を通過するたびに増幅され、やがてはレーザ発振し、レーザ光の一部は出力カプラ１０７を通過し、アイソレータ１０８を介してレーザ光として出力される。

ただし、図１の構成では、励起ポートの数に限りがあるため、得られるレーザ出力パワーには限界がある。そこで図３に示すように、光ファイバレーザ１００から出力されたレーザ光をさらに光ファイバ増幅器２００に導入し、増幅することで高出力化を行う場合もある。このような方式は、一般にＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）方式と呼ばれ、図３ではＭＯ（Master Oscillator）として光ファイバレーザ１００を使用し、ＰＡ（Power Amplifier）として光ファイバ増幅器２００を使用している。この光ファイバ増幅器２００は、複数の励起光源２０１と、これらの励起光源２０１の励起ポート１０２を束ねて希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５の一端側に入射する光結合器２０３と、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５と、その他端側に接続されたアイソレータ２０８とから構成されている。この励起光源２０１、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５、アイソレータ２０８は、光ファイバレーザ１００に使用したものと同様のものが使用できる。光結合器２０３は、光ファイバレーザ１００に使用した光結合器１０３の励起ポート１０２の一つが信号ポート２０２に置き換えられたもので、この信号ポート２０２にはシングルモードファイバが使用されている。光ファイバレーザ１００から出射されたレーザ光は、信号ポート２０２から入射され、光結合器２０３を介して希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５のコアへと入射される。一方で各励起ポート１０２には励起光源２０１が接続されており、励起光が光結合器２０３を介して希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５の第１クラッドへと入射される。希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５の第１クラッドへと入射された励起光は、コアに添加された希土類イオンに吸収され、誘導放出が生じることでコア内を伝播するレーザ光が増幅されて出力される。

このようなＭＯＰＡ方式は、図２に示す構成においても有効であるが、図２の構成の場合は光ファイバレーザ１１０を複数段接続することでも高出力化を行うことができる。
米国特許第５８６４６４４号明細書 米国特許出願公開第２００４００４７５５３号明細書

図１から図３に示した従来の光ファイバレーザでは、一旦出射されたレーザ光が何らかの原因で反射光（例えば、加工用に用いるレーザでは加工時の加工対象物からの反射光）として戻ってきた場合、その戻り光はアイソレータ１０８，２０８で一旦強度が落ちるものの、透過した一部のレーザ光が希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５，２０５を通過することで増幅される。この増幅された反射光の強度は、出力されるレーザ光と同等の強度になる可能性があり、また、レイリー散乱やブリルアン散乱などの散乱により戻り光が発生した場合も、戻り光が希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５，２０５を通過しながら増幅され、レーザ光と同等の強度になる可能性があり、そのような高強度のレーザ光が光結合器１０３，２０３に入射する。

図１に示した光ファイバレーザ１００の場合、増幅されて光結合器１０３に入射した反射光は、各励起ポート１０２にほぼ均等に分配されてそれぞれ励起光源１０１に到達し、励起光源１０１に致命的なダメージを与える。一方、図３に示した光ファイバレーザの場合は、光結合器２０３に入射した反射光のほとんどが信号ポートを伝播し、光ファイバレーザ１００に入射するため、光ファイバレーザ１００内の光学部品や励起光源にダメージを与える。また、反射光の一部は、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５と光結合器２０３の接続損失によってコアから漏れ出して励起光源２０１にも到達するため、励起光源２０１に致命的なダメージを与える。特にパルス発振させる場合には、平均パワーは低くてもパルスの尖頭値は極めて高いパワーを有するので、励起光源１０１、２０１にダメージを与える可能性が非常に高い。

一般に、励起光源１０１，２０１は、それから出射する光の波長とは異なる波長の光が入射する場合、出射パワーのわずか数％程度の光が入射しただけでもダメージを受ける場合がある。

図１に示した光ファイバレーザ１００では、レーザ光は高反射ミラー１０６でほとんど反射されるが、それ以外の波長の光はまったく反射されない。従って、レーザ光とは別に発生しているＡＳＥ光は、高反射ミラー１０６では反射されずに、光結合器１０３を介して励起光源１０１に入射され、励起光源１０１にダメージを与えてしまう場合があった。

さらに、図３に示したＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザの場合には、動作上、光ファイバレーザ１００がレーザ光を出力していない状態あるいは出力が低下している状態で光ファイバ増幅器２００だけが動作している状態になる場合があった。このような状況では、光ファイバ増幅器２００中の希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５から高強度のＡＳＥが光ファイバの両方向に向かって放出されており、やはり光結合器２０３を介して励起光源２０１にダメージを与えてしまう場合があった。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、一旦出射したレーザ光が希土類添加光ファイバに戻り増幅されたＡＳＥによって励起光源などの構成部材がダメージを受けることを防止でき、安全性及び寿命を向上させた光ファイバレーザ、光ファイバ増幅器及びＭＯＰＡ方式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、少なくともレーザ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複数の励起光源と、各励起光源からの励起光を合わせて希土類添加光ファイバに入射する光結合器とを有し、希土類添加光ファイバに励起光を入射してレーザ発振を行う光ファイバレーザにおいて、前記光結合器に、希土類添加光ファイバから励起光源側に向かう戻り光の一部が伝播されるモニタポートが設けられ、且つ該モニタポートを伝播する戻り光の強度を測定し、該光強度が所定値を超えた場合に前記励起光源の出力を減じて戻り光の増幅を防止する励起光源制御手段が設けら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、前記励起光源制御手段は、前記モニタポートに接続され前記戻り光の強度を測定する光検出器と、該光検出器からの光強度信号を入力し、光検出器で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号を発する判定回路と、該判定回路に接続され、異常信号を受けない状態では前記励起光源に駆動信号を発して発光させ、異常信号を受けた時点で駆動信号をシャットダウンする励起光源駆動回路とを有することが好ましい。

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は、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｔｍからなる群から選択される１種又は２種以上が添加されたコアと該コアを囲む第１クラッドと該第１クラッドの外側に設けられた第２クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバ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、前記希土類添加光ファイバの励起光入射側に、励起光は透過するがレーザ発振により生じたレーザ光は反射する高反射ミラーが設けられるとともに、希土類添加光ファイバのレーザ出力側に、レーザ発振により生じたレーザ光を大部分反射し一部透過する出力カプラが設けられ、前記高反射ミラーと出力カプラ間で共振器が構成されることが好ましい。

また本発明は、少なくとも光増幅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複数の励起光源と、各励起光源からの励起光及び信号光を合わせて希土類添加光ファイバに入射する光結合器とを有し、前記信号光を希土類添加光ファイバ内で光増幅して出力する光ファイバ増幅器において、前記光結合器に、希土類添加光ファイバから励起光源側に向かう戻り光の一部が伝播されるモニタポートが設けられ、且つ該モニタポートを伝播する戻り光の強度を測定し、該光強度が所定値を超えた場合に前記励起光源の出力を減じて戻り光の増幅を防止する励起光源制御手段が設けられた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増幅器において、前記励起光源制御手段は、前記モニタポートに接続され前記戻り光の強度を測定する光検出器と、該光検出器からの光強度信号を入力し、光検出器で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号を発する判定回路と、該判定回路に接続され、異常信号を受けない状態では前記励起光源に駆動信号を発して発光させ、異常信号を受けた時点で駆動信号をシャットダウンする励起光源駆動回路とを有することが好ましい。

本発明の光ファイバ増幅器において、前記希土類添加光ファイバは、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｔｍからなる群から選択される１種又は２種以上が添加されたコアと該コアを囲む第１クラッドと該第１クラッドの外側に設けられた第２クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバであることが好ましい。

また本発明は、希土類添加光ファイバに励起光を入射してレーザ発振を行う光ファイバレーザと、少なくともレーザ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複数の励起光源と、各励起光源からの励起光及び前記光ファイバレーザから発したレーザ光を合わせて希土類添加光ファイバに入射する光結合器とを有し、前記光ファイバレーザから発したレーザ光を増幅して出力するＭＯＰＡ方式光ファイバレーザにおいて、前記光結合器に、希土類添加光ファイバから励起光源側に向かう戻り光の一部が伝播されるモニタポートが設けられ、且つ該モニタポートを伝播する戻り光の強度を測定し、該光強度が所定値を超えた場合に前記励起光源の出力を減じて戻り光の増幅を防止する励起光源制御手段が設けられたことを特徴とするＭＯＰＡ方式光ファイバレーザを提供する。

本発明のＭＯＰＡ方式光ファイバレーザにおいて、前記励起光源制御手段は、前記モニタポートに接続され前記戻り光の強度を測定する光検出器と、該光検出器からの光強度信号を入力し、光検出器で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号を発する判定回路と、該判定回路に接続され、異常信号を受けない状態では前記励起光源に駆動信号を発して発光させ、異常信号を受けた時点で駆動信号をシャットダウンする励起光源駆動回路とを有することが好ましい。

本発明のＭＯＰＡ方式光ファイバレーザにおいて、前記希土類添加光ファイバは、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｔｍからなる群から選択される１種又は２種以上が添加されたコアと該コアを囲む第１クラッドと該第１クラッドの外側に設けられた第２クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバであることが好ましい。

本発明のＭＯＰＡ方式光ファイバレーザにおいて、前記光ファイバレーザの出力側と前記光結合器とを結ぶ信号ポートに設けられ光ファイバレーザから出力されるレーザ光の一部を分岐する光カプラと、該光カプラの分岐ポートに接続された第２の光検出器と、第２の光検出器からの光強度信号を入力し、第２の光検出器で受光する光強度が一定の強度より低くなると前記励起光源駆動回路に対して異常信号を発する第２の判定回路とが設けられた構成としてもよい。

本発明のＭＯＰＡ方式光ファイバレーザにおいて、前記光ファイバレーザの出力側と前記光結合器とを結ぶ信号ポートに設けられ光ファイバレーザから出力されるレーザ光の一部を第１の分岐ポートに分岐するとともに、前記光結合器から前記光ファイバレーザに向かう戻り光を第２の分岐ポートに分岐する光カプラと、前記第１の分岐ポートに接続された第２の光検出器と、第２の光検出器からの光強度信号を入力し、第２の光検出器で受光する光強度が一定の強度より低くなると前記励起光源駆動回路に対して異常信号を発する第２の判定回路と、前記第２の分岐ポートに接続された第３の光検出器と、第３の光検出器で受光する光強度が一定の強度より大きくなると前記励起光源駆動回路に対して異常信号を発する第３の判定回路とが設けられた構成としてもよい。

本発明のＭＯＰＡ方式光ファイバレーザにおいて、前記励起光源駆動回路は、前記光ファイバレーザが出力されていない場合は、駆動信号を発することができないように構成されていることが好ましい。

本発明によれば、一旦出射したレーザ光が希土類添加光ファイバに戻り増幅されたＡＳＥによって励起光源などの構成部材がダメージを受けることを防止でき、安全性及び寿命を向上させた光ファイバレーザ、光ファイバ増幅器及びＭＯＰＡ方式光ファイバレーザを提供することができる。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を図４に示す。
本実施形態の光ファイバレーザ３００は、レーザ媒質である希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５と、該ファイバを光励起する複数の励起光源１０１と、各励起光源１０１からの励起ポート１０２を希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５に結合して励起光を入射する光結合器１０３と、この光結合器１０３に設けられ希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５から励起光源１０１側に向かう戻り光の一部が伝播されるモニタポート３０２と、このモニタポート３０２に接続されて戻り光の強度を測定する光検出器３０１と、該光検出器３０１からの光強度信号３５１を入力し、光検出器３０１で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号３５２を発する判定回路３１０と、該判定回路３１０に接続され、異常信号３５２を受けない状態では励起光源１０１に駆動信号３５０を発して発光させ、異常信号３５２を受けた時点で駆動信号３５０をシャットダウンする機能を有する励起光源駆動回路３１１とを備えて構成されている。

この希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５は、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｔｍからなる群から選択される１種又は２種以上が添加されたコアと、該コアを囲む第１クラッドと、該第１クラッドの外側に設けられた第２クラッドとを有している。

この希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の励起光入射側には、励起光は透過するがレーザ発振により生じたレーザ光は反射する高反射ミラー１０６が設けられるとともに、レーザ出力側には、レーザ発振により生じたレーザ光を大部分反射し一部透過する出力カプラ１０７が設けられ、前記高反射ミラー１０６と出力カプラ１０７間で共振器が構成されている。
また、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の出力側には、アイソレータ１０８が設けられている。

光結合器１０３による励起ポート１０２と希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の結合方式は、端面入射方式あるいは側面入射方式のいずれであってもよいし、これらを併用してもよい。
励起光源１０１としては、レーザダイオード（ＬＤ）などが好適に用いられるが、これに限定されない。

光検出器３０１は、例えば、モニタポート３０２を伝播してくるＡＳＥを受光して、受光した光強度が大きいほど高い電圧の電気信号を出力する機能を有するものが使用され、光通信分野等で従来公知の光検出器の中から適宜選択して使用し得る。この光検出器３０１は、モニタポート３０２を伝播してくるＡＳＥを受光すると、受光した光強度に応じた光強度信号３５１を出力し、その光強度信号は判定回路３１０へと送られる。

励起光源駆動回路３１１は、励起光源１０１の駆動電流を決定する駆動信号３５０を出力しており、励起光源１０１は、この駆動信号３５０を受けて所定のパワーの励起光を出力する。レーザ発振時には、所望の強度のレーザ出力が得られるように駆動信号３５０が励起光源に送られる。

励起光源１０１が駆動信号３５０を受けて励起光を出力すると、レーザ発信が開始され、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５から出射されるＡＳＥが高反射ミラー１０６を通過し、光結合器１０３、励起ポート１０２を通過して励起光源１０１へと到達する。

本実施形態では、このような励起光源１０１に入射する光強度をモニタするため、モニタポート３０２及び光検出器３０１を設けてある。モニタポート３０２には、励起ポート１０２と同等の強度の光（ＡＳＥ）が伝搬するので、モニタポート３０２に接続された光検出器３０１に入射する光強度を観測することで、励起光源１０１に入射する光強度を知ることができる。

前述したように、励起光源１０１にある強度以上のレーザ光やＡＳＥが入射すると、励起光源１０１がダメージを受けるため、そのような強度の光が励起光源１０１に入射する場合、あるいはそのような強度に達する前に、直ちにレーザ発振を停止させることが必要である。

従って、判定回路３１０では、光検出器３０１から送られてくる光強度信号３５１が予め設定された判定レベルと比較されており、光強度信号３５１のレベルが判定レベルに達した時点で、異常信号３５２を出力する。判定レベルは、例えば、励起光源１０１がダメージを受ける光強度を光検出器が受光した際に出力する電気信号のレベルよりも僅かに低いレベルに設定される。すなわち光検出器３０１で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号３５２が出力される。

判定回路３１０から出力された異常信号３５２は、励起光源駆動回路３１１へと送られ、励起光源駆動回路３１１は異常信号３５２を受けると直ちに駆動信号３５０をシャットダウンする。駆動信号３５０がシャットダウンされると、励起光源１０１から出射される励起光はなくなり、レーザ発振も停止するので、励起光源１０１に入射するＡＳＥもなくなり、励起光源１０１がダメージを受けるのを回避することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態を図５に示す。
本実施形態は、ＭＯＰＡ方式光ファイバレーザを構成した場合であり、ＭＯである光ファイバレーザ１００と、ＰＡである光ファイバ増幅器４００と、判定回路４１０と、励起光源駆動回路４１１とから構成されている。この光ファイバ増幅器４００は、レーザ媒質である希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５と、該ファイバを光励起する複数の励起光源２０１と、各励起光源２０１からの励起ポート１０２及び光ファイバレーザ１００から発したレーザ光を伝播する信号ポート２０２を希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５に結合する光結合器２０３とを有し、光ファイバレーザ１００から出力されたレーザ光を増幅して出力するようになっている。さらに、この光ファイバ増幅器４００は、励起ポート１０２のうちの一つのポートをモニタポート４０２とし、このモニタポート４０２には光検出器４０１が接続されている。光検出器４０１で測定される光強度信号４５１は、判定回路４１０に入力され、判定回路４１０は異常信号４５２を励起光源駆動回路４１１に対して出力できるように接続されている。

この希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５は、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｔｍからなる群から選択される１種又は２種以上が添加されたコアと、該コアを囲む第１クラッドと、該第１クラッドの外側に設けられた第２クラッドとを有している。
この希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５の出力側には、アイソレータ２０８が設けられている。

光結合器２０３による励起ポート１０２及び信号ポート２０２と希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５との結合方式は、端面入射方式あるいは側面入射方式のいずれであってもよいし、これらを併用してもよい。
励起光源２０１としては、レーザダイオード（ＬＤ）などが好適に用いられるが、これに限定されない。

励起光源駆動回路４１１は、光ファイバレーザ１００の励起光源の駆動電流を決定する第１の駆動信号３５０を出力しており、光ファイバレーザ１００の励起光源１０１は、この第１の駆動信号３５０を受けて所定のパワーの励起光を出力すると共に、励起光源２０１の駆動電流を決定する第２の駆動信号４５０を出力し、光ファイバ増幅器４００の励起光源２０１はこの第２の駆動信号４５０を受けて所定のパワーの励起光を出力するようになっている。

光ファイバレーザ１００は、第１の駆動信号３５０を受けてレーザ発振を開始し、レーザ光が信号ポート２０２、光結合器２０３を介して光ファイバ増幅器４００の希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５に入射される。一方、光ファイバ増幅器４００は、第２の駆動信号４５０を受けて励起光源２０１から励起光が出力されており、この励起光は光結合器２０３を介して希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５へと入射され、この希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５のコアに添加された希土類イオンを励起している。従って、光ファイバレーザ１００から出力され、光ファイバ増幅器４００に入射されたレーザ光は、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５によって増幅され、高強度のレーザ光となって出力される。

しかし、前述したように、一旦出力されたレーザ光が何らかの原因で反射して戻ってきた場合には、アイソレータ２０８を通過する際に一旦強度が落ちるものの、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５を通過することで再度増幅される。この増幅された反射光の強度は、出力されるレーザ光の強度と同等の強度になる可能性があり、そのような高強度のレーザ光が光結合器２０３に入射する。光結合器２０３に入射したレーザ光は、殆どが信号ポート２０２を介して光ファイバレーザ１００に入射し、残りのレーザ光は各励起ポート１０２にほぼ均等に分配されて励起光源２０１に到達し、励起光源２０１に致命的なダメージを与える場合がある。

本実施形態のＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザは、このような励起光源２０１に入射する光強度をモニタするため、モニタポート４０２及び光検出器４０１を設けている。モニタポート４０２には、励起ポート１０２と同等の強度の光が伝播するので、モニタポート４０２に接続された光検出器４０１に入射する光強度を観測することで、励起光源２０１に入射する光強度を知ることができる。

光検出器４０１は、例えば、モニタポート４０２を伝播してくるＡＳＥを受光して、受光した光強度が大きいほど高い電圧の電気信号を出力する機能を有するものが使用され、光通信分野等で従来公知の光検出器の中から適宜選択して使用し得る。この光検出器４０１は、モニタポート４０２を伝播してくるＡＳＥを受光すると、受光した光強度に応じた光強度信号４５１を出力し、その光強度信号４５１は判定回路４１０へと送られる。

判定回路４１０は、図４に示した判定回路３１０と同じく、光検出器４０１から出力された光強度に応じた光強度信号４５１が判定レベルに達した時点で異常信号４５２を出力する。すなわち光検出器４０１で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号４５２が出力される。

励起光源駆動回路４０４は異常信号４５２を受けると直ちに第２の駆動信号４５０をシャットダウンする。第２の駆動信号４５０がシャットダウンされると、励起光源２０１から出射される励起光はなくなり、光ファイバ増幅器４００は、光ファイバレーザ１００から出力されるレーザ光を増幅しなくなる。従って、光ファイバレーザ１００から出力されたレーザ光は、光ファイバ増幅器４００内で各構成部品の損失によってその強度を低下させながら伝播し、レーザ光として出力される。もしこのレーザ光の全てが反射光として光ファイバ増幅器４００に戻ってきたとしても、アイソレータ２０８でそのほとんどが遮断される。わずかに透過した反射光も、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５で増幅されることは無いので、励起光源２０１がダメージを受けることは無くなる。

なお、第２の駆動信号４５０をシャットダウンしても、光ファイバレーザ１００はレーザ発振を続けているため、レーザは出力される。このレーザ出力が危険な強度である場合には、光ファイバレーザ１００の励起光源の出力を停止する手段を別途設けてもよい。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態を図６に示す。
本実施形態は、ＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザを構成した場合であり、基本的な構成は図５に示した第２実施形態の光ファイバレーザと同じく、ＭＯである光ファイバレーザ１００と、ＰＡである光ファイバ増幅器４００と、判定回路４１０と、励起光源駆動回路５１１とを備えて構成されている。

前述した通り、ＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザの場合には、光ファイバレーザ１００の故障や制御上、光ファイバレーザ１００がレーザ光を出力していない状態、あるいは出力が低下している状態で、光ファイバ増幅器２００，４００だけが動作している状態になる場合があった。このような状況では、光ファイバ増幅器２００，４００中の希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５から高強度のＡＳＥが光ファイバの両方向に向かって放出されており、やはり光結合器２０３を介して励起ポート１０２を通過し、励起光源２０１にダメージを与えてしまう場合がある。

これを回避するため、本実施形態では、図５に示したＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザの構成に加えて、光ファイバレーザ１００と光ファイバ増幅器４００の間に、光ファイバレーザ１００から出力されるレーザ光の一部を分岐するための光カプラ５２０が設けられ、さらに分岐されたレーザ光を受光する第２の光検出器５０１および第２の判定回路５１０が新たに設けられている。

光ファイバレーザ１００からのレーザ光の出力は、その一部が光カプラ５２０で分岐されており、その分岐された光が第２の光検出器５０１に入力される。第２の光検出器５０１は、例えば、受光した光強度が大きいほど高い電圧の電気信号を出力する機能を有するものが使用され、光通信分野等で従来公知の光検出器の中から適宜選択して使用し得る。この第２の光検出器５０１は、光カプラ５２０で分岐されたレーザ光を受光すると、受光した光強度に応じた光強度信号５５１を出力し、その光強度信号５５１は第２の判定回路５１０へと送られる。

第２の判定回路５１０では、第２の光検出器５０１から送られてくる光強度信号５５１を、あらかじめ設定された判定レベルと比較し、光強度信号５５１のレベルが判定レベルに達した時点で、励起光源駆動回路５１１に対して異常信号５５２を出力する。

判定レベルは、例えば、光ファイバレーザ１００のレーザ出力が励起光源２０１にダメージを与えるような光強度まで低下した場合に、第２の光検出器５０１が受光した際に出力する電気信号のレベルよりもわずかに高いレベルに設定される。すなわち、光ファイバレーザ１００のレーザ出力がある一定の光強度まで低下した際に、第２の判定回路５１０から異常信号５５２が出力される。励起光源駆動回路５１１は、この異常信号５５２を受けると、直ちに駆動信号５５０をシャットダウンする。駆動信号５５０がシャットダウンされると、励起光源２０１から出射される励起光はなくなるため、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５から発生するＡＳＥもなくなり、励起光源２０１がダメージを受けるのを回避することができる。

一方で、光ファイバレーザ１００の出力が無い場合あるいは低下している場合には、正常に動作している時と比べ、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５から出射されるＡＳＥの強度が大きくなる。ＡＳＥの強度が大きくなると、光結合器２０３を介して励起光源２０１に入射する光強度が大きくなり、励起光源２０１にダメージを与える。従って、モニタポート４０２を伝播する光強度をモニタし、第２の実施形態と同様の動作原理をもって励起光源２０１がダメージを受けるのを回避することができる。すなわち、光検出器４０１で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号４５２が出力され、励起光源駆動回路５１１はこの異常信号４５２を受けると、直ちに駆動信号５５０をシャットダウンする。レーザ駆動信号５５０がシャットダウンされると、励起光源２０１から出射される励起光はなくなるため、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５から発生するＡＳＥもなくなり、励起光源２０１がダメージを受けるのを回避することができる。

ここで、励起光源駆動回路５１１は、異常信号４５２あるいは異常信号５５２のいずれか一方でも受けた場合に駆動信号５５０をシャットダウンするようになっている。

また、動作上、光ファイバレーザ１００がレーザ光を出力する（すなわち光ファイバレーザ１００の励起光源が励起光を出力する）よりも先に光ファイバ増幅器４００の励起光源２０１が励起光を出力すると、やはり希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５から高強度のＡＳＥが発生するため励起光源２０１がダメージを受ける可能性がある。従って、図示しない制御回路によって、駆動信号３５０が出力された後に、駆動信号５５０が出力されるように、もしくは駆動信号３５０がない場合は駆動信号５５０が出力されないように制御することが好ましい。

［第４実施形態］
本発明の第３実施形態を図６に示す。
本実施形態は、ＭＯＰＡ方式光ファイバレーザを構成した場合であり、基本的な構成は図６に示した第３実施形態の光ファイバレーザと同様であるが、図６において光ファイバレーザ１００から出力されるレーザ光の一部を分岐するための光カプラ５２０を、光ファイバレーザ１００から出力されるレーザ光の一部を分岐するための第１の分岐ポート６２１と光ファイバ増幅器４００から光ファイバレーザ１００へと入射される光の一部も分岐するための第２の分岐ポート６２２を有する光カプラ６２０に置き換えている。さらに、第２の分岐ポートには、第３の光検出器６０１が接続され、この第３の光検出器６０１からの光強度信号６５１は第３の判定回路６１０に入力され、異常がある場合にはこの第３の判定回路６１０から励起光源駆動回路５１１に対して異常信号６５２が出力されるようになっている。

前述した通り、図７に示したようなＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザにおいては、一旦出射されたレーザ光が何らかの原因で反射した光が戻ってきた場合、この戻り光はアイソレータ２０８を通過する際に、一旦強度が落ちるものの、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５を通過することで再度増幅される。この増幅された反射光の強度は、出力されるレーザ光の強度と同等の強度になる可能性がある。そして増幅された反射光のほとんどは信号ポート２０２を介して光ファイバレーザ１００へと入射され、光ファイバレーザ１００の光学部品や励起光源にダメージを与える。

これを回避するために、本実施形態では、光ファイバレーザ１００と光ファイバ増幅器４００の間に前記光カプラ６２０を設け、その第２の分岐ポート６２２に光ファイバ増幅器４００から光ファイバレーザ１００へと入射される光の一部が出力されるようにし、さらにこの第２の分岐ポート６２２に第３の光検出器６０１を接続することで、光ファイバ増幅器４００から光ファイバレーザ１００へと入射される光強度をモニタすることができる構成としている。

第３の光検出器６０１は、例えば、受光した光強度が大きいほど高い電圧の電気信号を出力する機能を有するものが使用され、光通信分野等で従来公知の光検出器の中から適宜選択して使用し得る。この第３の光検出器６０１は、光カプラ６２０で分岐されたレーザ光を受光すると、受光した光強度に応じた光強度信号６５１を出力し、その光強度信号６５１は第３の判定回路６１０へと送られる。

第３の判定回路６１０では、第３の光検出器６０１から送られてくる光強度信号６５１を、あらかじめ設定された判定レベルと比較し、光強度信号６５１のレベルが判定レベルに達した時点で、励起光源駆動回路５１１に対して異常信号６５２を出力する。

判定レベルは、例えば、光ファイバレーザ１００の光学部品や励起光源がダメージを受ける光強度を光検出器が受光した際に出力する電気信号のレベルよりもわずかに低いレベルに設定される。すなわち第３の光検出器６０１で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号６５２が出力される。

第３の判定回路６１０から出力された異常信号６５２は、励起光源駆動回路５１１へと送られ、励起光源駆動回路５１１は異常信号６５２を受けると、直ちに駆動信号５５０をシャットダウンする。駆動信号５５０がシャットダウンされると、希土類添加光ファイバ２０５による増幅が行われないので、例え反射光が戻ってきたとしても、光結合器２０３に到達する反射光の強度は非常に低くなる。したがって、光ファイバレーザ１００の光学部品や励起光源がダメージを受けるのを回避することができる。

また、励起光源駆動回路５１１は、異常信号４５２、５５２、６５２のいずれか一つでも入力されれば駆動信号５５０をシャットダウンするようになっている。

従来の光ファイバレーザを示す構成図である。 従来の別な光ファイバレーザを示す構成図である。 従来のＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザを示す構成図である。 本発明の第１実施形態を示す構成図である。 本発明の第２実施形態を示す構成図である。 本発明の第３実施形態を示す構成図である。 本発明の第４実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１００，１１０，３００…光ファイバレーザ、１０１，２０１…励起光源、１０２…励起ポート、１０３，１１１，２０３…光結合器、１０４…出射ポート、１０５，２０５…希土類添加ダブルクラッドファイバ（希土類添加光ファイバ）、１０６…高反射ミラー、１０７…出力カプラ、１０８，２０８…アイソレータ、２０２…信号ポート、３０１，４０１，５０１，６０１…光検出器、３０２…モニタポート、３１０，４１０，５１０，６１０…判定回路、３１１，４１１，５１１…励起光源駆動回路、３５０，４５０，５５０…駆動信号、３５１，４５１，５５１，６５１…光強度信号、３５２，４５２，５５２，６５２…異常信号、５２０，６２０…光カプラ。

Claims (13)

1. 少なくともレーザ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複数の励起光源と、各励起光源からの励起光を合わせて希土類添加光ファイバに入射する光結合器とを有し、希土類添加光ファイバに励起光を入射してレーザ発振を行う光ファイバレーザにおいて、
   前記光結合器に、希土類添加光ファイバから励起光源側に向かう戻り光の一部が伝播されるモニタポートが設けられ、且つ該モニタポートを伝播する戻り光の強度を測定し、該光強度が所定値を超えた場合に前記励起光源の出力を減じて戻り光の増幅を防止する励起光源制御手段が設けられたことを特徴とする光ファイバレーザ。
2. 前記励起光源制御手段が、前記モニタポートに接続され前記戻り光の強度を測定する光検出器と、該光検出器からの光強度信号を入力し、光検出器で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号を発する判定回路と、該判定回路に接続され、異常信号を受けない状態では前記励起光源に駆動信号を発して発光させ、異常信号を受けた時点で駆動信号をシャットダウンする励起光源駆動回路とを有す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. 前記希土類添加光ファイバが、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｔｍからなる群から選択される１種又は２種以上が添加されたコアと該コアを囲む第１クラッドと該第１クラッドの外側に設けられた第２クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッ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。
4. 前記希土類添加光ファイバの励起光入射側に、励起光は透過するがレーザ発振により生じたレーザ光は反射する高反射ミラーが設けられるとともに、希土類添加光ファイバのレーザ出力側に、レーザ発振により生じたレーザ光を大部分反射し一部透過する出力カプラが設けられ、前記高反射ミラーと出力カプラ間で共振器が構成され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. 少なくとも光増幅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複数の励起光源と、各励起光源からの励起光及び信号光を合わせて希土類添加光ファイバに入射する光結合器とを有し、前記信号光を希土類添加光ファイバ内で光増幅して出力する光ファイバ増幅器において、
   前記光結合器に、希土類添加光ファイバから励起光源側に向かう戻り光の一部が伝播されるモニタポートが設けられ、且つ該モニタポートを伝播する戻り光の強度を測定し、該光強度が所定値を超えた場合に前記励起光源の出力を減じて戻り光の増幅を防止する励起光源制御手段が設けられたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
6. 前記励起光源制御手段が、前記モニタポートに接続され前記戻り光の強度を測定する光検出器と、該光検出器からの光強度信号を入力し、光検出器で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号を発する判定回路と、該判定回路に接続され、異常信号を受けない状態では前記励起光源に駆動信号を発して発光させ、異常信号を受けた時点で駆動信号をシャットダウンする励起光源駆動回路とを有することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ増幅器。
7. 前記希土類添加光ファイバが、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｔｍからなる群から選択される１種又は２種以上が添加されたコアと該コアを囲む第１クラッドと該第１クラッドの外側に設けられた第２クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバであることを特徴とする請求項５又は６に記載の光ファイバ増幅器。
8. 希土類添加光ファイバに励起光を入射してレーザ発振を行う光ファイバレーザと、
   少なくともレーザ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複数の励起光源と、各励起光源からの励起光及び前記光ファイバレーザから発したレーザ光を合わせて希土類添加光ファイバに入射する光結合器とを有し、前記光ファイバレーザから発したレーザ光を増幅して出力するＭＯＰＡ方式光ファイバレーザにおいて、
   前記光結合器に、希土類添加光ファイバから励起光源側に向かう戻り光の一部が伝播されるモニタポートが設けられ、且つ該モニタポートを伝播する戻り光の強度を測定し、該光強度が所定値を超えた場合に前記励起光源の出力を減じて戻り光の増幅を防止する励起光源制御手段が設けられたことを特徴とするＭＯＰＡ方式光ファイバレーザ。
9. 前記励起光源制御手段が、前記モニタポートに接続され前記戻り光の強度を測定する光検出器と、該光検出器からの光強度信号を入力し、光検出器で受光する光強度がある強度より大きくなると異常信号を発する判定回路と、該判定回路に接続され、異常信号を受けない状態では前記励起光源に駆動信号を発して発光させ、異常信号を受けた時点で駆動信号をシャットダウンする励起光源駆動回路とを有することを特徴とする請求項８に記載のＭＯＰＡ方式光ファイバレーザ。
10. 前記希土類添加光ファイバが、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｔｍからなる群から選択される１種又は２種以上が添加されたコアと該コアを囲む第１クラッドと該第１クラッドの外側に設けられた第２クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバであることを特徴とする請求項８又は９に記載のＭＯＰＡ方式光ファイバレーザ。
11. 前記光ファイバレーザの出力側と前記光結合器とを結ぶ信号ポートに設けられ光ファイバレーザから出力されるレーザ光の一部を分岐する光カプラと、該光カプラの分岐ポートに接続された第２の光検出器と、第２の光検出器からの光強度信号を入力し、第２の光検出器で受光する光強度が一定の強度より低くなると前記励起光源駆動回路に対して異常信号を発する第２の判定回路とが設けられたことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載のＭＯＰＡ方式光ファイバレーザ。
12. 前記光ファイバレーザの出力側と前記光結合器とを結ぶ信号ポートに設けられ光ファイバレーザから出力されるレーザ光の一部を第１の分岐ポートに分岐するとともに、前記光結合器から前記光ファイバレーザに向かう戻り光を第２の分岐ポートに分岐する光カプラと、前記第１の分岐ポートに接続された第２の光検出器と、第２の光検出器からの光強度信号を入力し、第２の光検出器で受光する光強度が一定の強度より低くなると前記励起光源駆動回路に対して異常信号を発する第２の判定回路と、前記第２の分岐ポートに接続された第３の光検出器と、第３の光検出器で受光する光強度が一定の強度より大きくなると前記励起光源駆動回路に対して異常信号を発する第３の判定回路とが設けられたことを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載のＭＯＰＡ方式光ファイバレーザ。
13. 前記励起光源駆動回路は、前記光ファイバレーザが出力されていない場合は、駆動信号を発することができないように構成されていることを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載のＭＯＰＡ方式光ファイバレーザ。
    

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