JP2007123594A - 光ファイバ型光増幅装置及びこれを用いた光ファイバ型レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で信頼性が高く高出力動作が可能な側面励起方式の光ファイバ型光増幅装置及びこれを用いた光ファイバ型レーザ装置を提供する。
【解決手段】外周面で光を反射する内部円筒部材１１の外周に、希土類元素が部分的に添加された光ファイバ１２が少なくとも一回巻かれており、その内部円筒部材１１に巻かれた光ファイバ１２よりも外周に、内面で光を反射する外部部材１３が設けられ、この外部部材１３に一部が開放された開放部が形成され、上記外部部材１３の外側に、上記開放部を通して上記光ファイバ１２に励起光を照射する励起光源が設けられた。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工あるいは医療用に有用な高出力のレーザ光を発生する光ファイバ型レーザ装置及びそれに用いる光ファイバ型光増幅装置に関する。なお、以下においては、光ファイバ型レーザ装置の上位概念として光ファイバ型光増幅装置という用語を用いる。

レーザ加工や医療用途への適用を目的として、より高出力で安価な光源の開発が求められている。これらの要求に対し、光ファイバ型レーザ装置及び光ファイバ型光増幅装置は、高効率でしかもシングルモードのレーザ光を容易に取り出すことができるという理由で注目を集めている。

現在開発されている光ファイバ型レーザ装置の一般的な構成を図６に示す。

半導体レーザ５１からの励起光は、励起光コンバイナ５２を介して希土類元素が添加された光ファイバ５３へ入射される。高出力を得るために、半導体レーザ５１は図示のように複数個接続することができる。希土類元素が添加された光ファイバ５３の励起光が入射される側には、波長に依存して透過と反射の性質を有することにより、励起光を透過し、発振光は高い反射率で反射するファイバグレーティング５４が形成されている。また、励起光入射側とは反対側には、部分的に発振光を反射する別のファイバグレーティング５５が形成されている。この２つのファイバグレーティング５４，５５は、レーザ共振器の全反射鏡および出力鏡として働き、ファイバグレーティング５５からレーザ発振光５６が出力される。図６のようにグレーティングによる共振器構造を形成せず、誘導放出光の波長に一致する信号光を励起光と重畳させて伝搬させれば、光ファイバ型光増幅装置となる。

希土類元素が添加された光ファイバ５３としては、図７に示すようなダブルクラッド型光ファイバを一般に使用している。ダブルクラッド型光ファイバのコア領域６１にはＮｄ、Ｙｂ、Ｅｒ，Ｔｈ等の希土類元素が添加されている。クラッドはコア領域６１により屈折率が低い第一クラッド領域６２とこれよりもさらに屈折率が低い第二クラッド領域６３からなる。励起光６４は第一クラッド領域６２内をマルチモードで伝搬し、次第に中心のコア領域６１に吸収されて減衰する。このようなダブルクラッド構造の光ファイバを用いた端面励起方式の光ファイバ型レーザ装置は、励起光から発振光への変換効率が高く、年々出力を増大させ数百Ｗの発振も実現されている。

特開平１０−１９００９７号公報

しかしながら、端面励起方式の光ファイバ型レーザ装置あるいは光ファイバ型光増幅装置は、光ファイバと結合されたシングルエミッションの半導体レーザおよび励起コンバイナを必要とする。接続できる励起用半導体レーザの数には限界があり、あまり多くは接続できない。そのため高出力を得るには、一個当たりの励起用半導体レーザの出力を大きくしなければならない。そのため寿命が短く価格も高い。したがって励起光から発振光への変換効率は優れているものの、入力できる励起光の総光パワー量には限界がある。また一つの励起用半導体レーザの故障がレーザ装置全体の出力に大きく影響を与える。

さらに高出力発振を実現させようとすると、光の伝搬領域内でのパワー密度が非常に高くなる。特に励起光入射端付近では励起光のパワー密度は非常に高くなり、光ファイバが破壊する可能性がある。これは非線形光学効果によるものでレーザエネルギーの増加に伴って屈折率が上昇し、レーザエネルギーの自己集束作用が働くためである。さらにレーザ発振や光増幅によりコア内の光パワー密度が高くなると光ファイバの破壊だけでなく、誘導ブリルアン散乱や誘導ラマン散乱などの非線形誘導散乱が発生し、光増幅やレーザ光出力を飽和させ高出力動作限界を与える。このような理由により、現在の光ファイバ型レーザ装置は数百Ｗ程度の発振が限界で、さらに高出力発振を目指すには、コア断面積を拡大しなければならない。コア断面積を拡大するとシングルモード発振が維持できなくなりマルチモード発振となり、高品質なビームを得ることが難しい。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、安価で信頼性が高く高出力動作が可能な側面励起方式の光ファイバ型光増幅装置及びこれを用いた光ファイバ型レーザ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の光ファイバ型光増幅装置は、外周面で光を反射する内部円筒部材の外周に、希土類元素が部分的に添加された光ファイバが少なくとも一回巻かれており、その内部円筒部材に巻かれた光ファイバよりも外周に、内面で光を反射する外部部材が設けられ、この外部部材に一部が開放された開放部が形成され、上記外部部材の外側に、上記開放部を通して上記光ファイバに励起光を照射する励起光源が設けられたものである。

上記内部円筒部材の外周面は、鏡面状態に加工されていてもよい。

上記内部円筒部材の外周面に、上記光ファイバが保持される溝が形成されていてもよい。

上記内部円筒部材の内側が冷媒の通路であってもよい。

上記励起光源は、リニアアレイ状に発光素子部が配置しているバー構造あるいはこれをさらに積層させたスタック構造であってもよい。

上記励起光源は、上記内部円筒部材の横断面に沿った励起光の拡がりが上記光ファイバが巻かれた内部円筒部材の直径を見込む角度より大きくならなくてもよい。

上記励起光源は、上記内部円筒部材の長手方向への励起光の拡がりが上記光ファイバが巻かれている内部円筒部材の長さより拡がらなくてもよい。

上記励起光源から照射される励起光の光軸は、上記内部円筒部材の外周面に対し垂直でなくてもよい。

上記光ファイバは、フォトニッククリスタルファイバであって、希土類元素がコア領域に添加されていてもよい。

上記光ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバであって、希土類元素がクラッド領域の空孔以外の充実部に添加されていてもよい。

上記内部円筒部材の径は、該光ファイバ型光増幅装置において発振するレーザ光、あるいは増幅されるレーザ光の高次モード発生を抑制し、シングルモード動作するような径であってもよい。

上記光ファイバは、励起光に対して高い透明性を有するポリイミド樹脂で被覆されていてもよい。

上記内部円筒部材は、励起光の反射率が高い部材で構成されていてもよい。

上記開放部が複数形成され、それぞれの開放部に上記励起光源が設けられていてもよい。

上記励起光源は、励起光の光軸を蛍光寿命の時間内の繰り返し周期でスキャン可能に構成されていてもよい。

また、本発明の光ファイバ型レーザ装置は、上記光ファイバ型光増幅装置の上記光ファイバの少なくとも一方の端に、反射鏡が形成されているものである。

上記反射鏡は、ファイバグレーティングが形成されている別の光ファイバからなり、該ファイバグレーティングが上記光ファイバの端に融着接続されていてもよい。

上記光ファイバの一方の端には、透過遮断率が所定値以上のファイバグレーティングが形成されている別の光ファイバが上記反射鏡のひとつとして融着接続され、上記光ファイバの他方の端には、透過遮断率が所定値未満のファイバグレーティングが形成されている別の光ファイバが上記反射鏡のもうひとつとして融着接続されていてもよい。

上記別の光ファイバは、内部円筒部材の外周に巻かれていてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）安価で信頼性が高く高出力動作が可能である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）は本発明の一実施の形態である光ファイバ型光増幅装置（光ファイバ型レーザ装置にも用いることができる）の横断面を示したものである。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線における縦断面を示したものである。

図１に示すように、本発明に係る光ファイバ型光増幅装置は、外周面で光を反射する内部円筒部材１１の外周に、希土類元素が部分的に添加された光ファイバ１２が少なくとも一回巻かれており、その内部円筒部材１１に巻かれた光ファイバ１２よりも外周に、内周面で光を反射する外部部材１３が設けられ、この外部部材１３に一部が開放された開放部が形成され、上記外部部材１３の外側に、上記開放部を通して上記光ファイバ１２に励起光を照射する励起光源１４が設けられたものである。

図示の形態では、内部円筒部材１１の外面に光ファイバ１２が一重で内部円筒部材１１の長手方向にずれながら複数回巻かれており、内部円筒部材１１は、開放部を有する外部部材１３によって覆われ、この開放部から半導体レーザ１４による励起光１５が光ファイバ１２に側面方向から照射される。光ファイバ１２を透過し内部円筒部材１１の外面で反射して、再び光ファイバ１２内を通過する励起光１５は、一部はコア内で吸収されるが一部は光ファイバ１２を透過し外部部材１３に照射される。外部部材１３は内面で光を反射するので、外部への光の放射を防止すると共に、再度光ファイバ１２へ励起光１５を戻す。何度も励起光が光ファイバ１２内を通過することによって励起効率が高められる。

本実施例では光ファイバ１２に添加する希土類元素としてＹｂを用いた。Ｙｂを添加した石英ガラスは、９００ｎｍから１０００ｎｍ付近の波長帯に吸収波長を持ち、特に９１５ｎｍと９７５ｎｍ付近に大きな吸収のピークが存在する。そこで励起用半導体レーザ１４として中心波長が９７５ｎｍで発振するものを選び、側面励起でも十分コア領域に効率よく励起光が吸収されるようにした。

図１の実施例では、開放部が適宜円周角を隔てて３箇所設けられ、それぞれの開放部に半導体レーザ１４が設けられることにより、励起光１５は３方より光ファイバ１２の側面に照射されているが、これに限らず複数方向からの照射が可能である。また、励起光１５が照射される場所は固定しているが、これに限らず、光ファイバ１２の側面上であれば、半導体レーザ１４をスキャンさせてより広い範囲に励起光１５を照射させてもよい。この場合、Ｙｂ添加石英ガラスの蛍光寿命の時間内の繰り返し周期でスキャンさせ、より広範囲の面積を照射すればさらにレーザ発振の効率が向上する。なお、Ｙｂ添加石英ガラスの蛍光寿命は約２ｍｓである。

内部円筒部材１１の外周面は鏡面状態に加工されている。図１の実施例では内部円筒部材１１の外周面は平滑曲面であるが、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、内部円筒部材１１の外面に、断面が光ファイバ１２とほぼ径の等しい半円形の溝を形成し、その溝内に光ファイバ１２を保持させることも有効である。この場合も溝の内壁は鏡面状態に加工されているとよい。なお、溝の断面形状は半円形に限らず、Ｖ字形状あるいはパラボリック形状でも有効である。

図２（ａ）は一重に光ファイバ１２を内部円筒部材１１に巻いた場合、また図２（ｂ）は二重に光ファイバ１２を巻いた場合である。このような構造においては、光ファイバ１２を透過し、内部円筒部材１１の外周面に達した励起光は、そこで反射され、再び集光されながらコア領域に戻りさらに吸収される。

図１の実施形態では、内部円筒部材１１の内側を水などの冷媒の通路とし、冷媒を流して光ファイバの温度上昇を抑制するための冷却機構を持たせている。そのため内部円筒部材１１の材料としては、励起光１５の波長帯で反射率が大きく、また熱伝導率が良好な銅あるいはさらにこの外面に金めっきしたものを用いた。

半導体レーザ１４は、リニアアレイ状に発光素子部が配置しているバー構造あるいは、これをさらに積層させたスタック構造のものである。

半導体レーザ１４は、内部円筒部材１１に巻かれた光ファイバ１２上に全ての励起光１５が照射されるように、内部円筒部材１１の横断面に沿った励起光１５の拡がりが光ファイバ１２が巻かれた内部円筒部材１１の直径を見込む角度より大きくならないようにした。

また、半導体レーザ１４は、内部円筒部材１１の長手方向への励起光１５の拡がりが光ファイバ１２が巻かれている内部円筒部材１１の長さより拡がらないようにした。

なお、本実施形態で使用したリニアアレイ状の半導体レーザ１４のビーム拡がり角は、内部円筒部材１１の横断面に沿っては約３５°、内部円筒部材１１の長手方向には約１０°である。

また、さらに効率よく側方より励起するために、半導体レーザ１４による励起光１５の内部円筒部材１１の横断面に沿った拡がりの中心線は、内部円筒部材１１の外周面に対し垂直でないようにした。つまり、半導体レーザ１４から出る光の中心線が内部円筒部材１１の直径に対して傾斜している。これにより、内部円筒部材１１の外周面で反射した戻り光が半導体レーザ１４に戻らないので、戻り光により半導体レーザ１４を損傷してしまうことを防いでいる。さらに、側面方向から照射された励起光１５の一部は光ファイバ１２の長手方向へ伝搬する導波モードへ結合し、光ファイバ１２の長手方向に伝搬しながらコア領域内で徐々に吸収される。

本実施形態では、希土類元素が部分的に添加された光ファイバ１２として、図３に示すようなフォトニッククリスタルファイバを使用した。この光ファイバは、長手方向に延びる多数の空孔３１を有する多孔部からなるクラッド領域と、多孔部の中心に形成された充実のコア領域３２からなり、希土類元素が充実のコア領域３２に添加されている。このようなフォトニッククリスタルファイバの特徴として、コア領域がある程度大きくてもシングルモード動作を維持し、発振レーザ光のパワー密度を下げて非線形効果を抑制することができる。

また、このフォトニッククリスタルファイバはポリイミド樹脂の被覆層３３によって被覆されている。希土類元素が部分的に添加された光ファイバ１２は、高出力な励起光の照射を受ける。そのため、光ファイバ１２の被覆層が熱的に損傷する可能性があり、本実施例の光ファイバ１２は励起光の波長帯で高い透明性を有するポリイミド樹脂を被覆層３３として使用した。ポリイミド樹脂は、励起光の波長帯において透明なものが存在し、かつ３００℃近くの耐熱性を有するものが存在するので、側面励起方式の光ファイバ型レーザ装置用光ファイバの被覆層の材料として好適である。

また、別の実施形態では、希土類元素が部分的に添加された光ファイバ１２として、図４に示すようなフォトニックバンドギャップファイバを使用することもできる。この光ファイバは、長手方向に延びる多数の空孔４１を有する多孔部からなるクラッド領域と、多孔部の中心に形成された中空のコア領域４２からなり、希土類元素がクラッド領域の空孔以外の充実部４３に添加されている。この場合も図３と同様、フォトニックバンドギャップファイバには透明ポリイミド樹脂からなる被覆層４４が被覆されている。このフォトニックバンドギャップファイバは、コア領域が中空なので、非常にパワー密度が高いレーザ発振光に対しても、コア領域の破壊が生じない。そのため特に高出力発振用の光ファイバ型レーザ装置に適している。フォトニックバンドギャップファイバの空孔径および空孔間距離は、レーザ発振光の波長領域で透過の窓が形成されるように設定されている。

図３に示すフォトニッククリスタルファイバでは、ある程度コア断面積が大きくてもシングルモード動作が可能である。しかしながら従来の光ファイバ型レーザ装置用のダブルクラッド型光ファイバに限らず、フォトニッククリスタルファイバにおいてもシングルモード発振を維持できるコア断面積拡大には限界があり、コア断面積を大きくするとマルチモードで発振してしまう。このようなマルチモード発振のレーザ光は、集光特性を悪化させ、またビーム強度分布の時間的あるいは空間的不安定さを生じ、高精度のレーザ加工を行なう場合には障害となる。そこで高次モード発振を抑制するため、基本モードよりも高次モードの曲げ損失が大きいことを利用して、光ファイバ１２が巻かれた内部円筒部材１１の径は、高次モード発生を抑制し、シングルモード動作するような径に設定されていることが望ましい。

光ファイバ型レーザ装置を構成してレーザ発振をさせるためには、共振器構造を形成する必要がある。そこで、本実施形態では、図１（ｂ）に示されるように、内部円筒部材１１上に巻かれた光ファイバ１２の片端には、レーザ発振の波長帯において透過遮断率が２０ｄＢ以上のファイバグレーティング１６が形成されている別の光ファイバを融着接続した。また、他端には、出力鏡として透過遮断率が１０dB以下のファイバグレーティング１７が形成されている光ファイバを融着接続した。それぞれのファイバグレーティング１６、１７のブラッグ波長は、ともに１０８０ｎｍとした。これにより光ファイバの片端よりレーザ発振光１８が出射される。なお、光ファイバ型レーザ装置は利得長が長いため、出力鏡として透過遮断率１０ｄＢ以下のファイバグレーティング１７を形成しなくとも、光ファイバ切断面のフレネル反射のみのだけでもレーザ発振を実現することができる。

ファイバグレーティングを形成した光ファイバもまた内部円筒部材１１に巻き取ることにより、コンパクトな構造のレーザ装置を実現することができる。

また、ファイバグレーティングの代わりに誘電体多層膜を形成しても、ファイバグレーティングを形成した場合と同様な効果が得られる。

図１の実施形態は、光ファイバ型光増幅装置にファイバグレーティングを付加して共振器構造を形成し、光ファイバ型レーザ装置を実現したものである。しかし、共振器構造を形成せず、光ファイバ１２の片端より波長１０８０ｎｍ付近の光（種光）を入射すれば、この種光は増幅され他端より出射させることができ、これにより光ファイバ型光増幅装置が実現できる。図５に光ファイバ型光増幅装置のみの構成を示した。

本実施例では、Ｙｂを添加した光ファイバを使用し１０８０ｎｍ帯のレーザおよび光増幅を実現したが、これに限らず、希土類元素としてＮｄ、Ｅｒ，Ｔｈ等を添加しても同様な効果が得られ、例えばＮｄを添加したものは１０６０nm帯、Ｅｒを添加したものは１５３０nm帯のレーザ発振および光増幅を実現することができる。

また、本実施形態では、外部部材１３として円筒状のものを用いたが、本発明はこれに限られず、外部部材１３は内面で光を反射する機能を有するものであればどのような形状でも良い。

以上述べたように、本発明によれば、非常にコンパクトな構造で大出力のレーザ光を得ることができる。しかも得られるレーザ光はシングルモードであるため、集光特性に優れ、レーザビームの強度分布が安定に保持される。さらにリニアアレイ型の半導体レーザ光により光ファイバの側面方向より励起光を照射するので、大出力で信頼性の高いレーザ装置が安価に構成できる。

本発明の一実施形態による光ファイバ型光増幅装置（光ファイバ型レーザ装置）の図であり、（ａ）は横断面が、（ｂ）は縦断面図である。 本発明に用いる内部円筒部材の拡大縦断面図であり、（ａ）は一重巻き、（ｂ）は二重巻きの形態を示す。 本発明に用いるフォトニッククリスタルファイバの断面図である。 本発明に用いるフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 本発明の一実施形態による光ファイバ型光増幅装置の図であり、（ａ）は横断面が、（ｂ）は縦断面図である。 従来の光ファイバ型光増幅装置（光ファイバ型レーザ装置）の構成を示す概略図である。 従来の光ファイバ型光増幅装置（光ファイバ型レーザ装置）に使用されている二重クラッド光ファイバの構造図である。

符号の説明

１１ 内部円筒部材
１２ 光ファイバ
１３ 外部部材
１４ 半導体レーザ
１５ 励起光
１６、１７ ファイバグレーティング
１８ レーザ発振光

Claims (19)

1. 外周面で光を反射する内部円筒部材の外周に、希土類元素が部分的に添加された光ファイバが少なくとも一回巻かれており、その内部円筒部材に巻かれた光ファイバよりも外周に、内面で光を反射する外部部材が設けられ、この外部部材に一部が開放された開放部が形成され、上記外部部材の外側に、上記開放部を通して上記光ファイバに励起光を照射する励起光源が設けられたことを特徴とする光ファイバ型光増幅装置。
2. 上記内部円筒部材の外周面は、鏡面状態に加工されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ型光増幅装置。
3. 上記内部円筒部材の外周面に、上記光ファイバが保持される溝が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ型光増幅装置。
4. 上記内部円筒部材の内側が冷媒の通路であることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
5. 上記励起光源は、リニアアレイ状に発光素子部が配置しているバー構造あるいはこれをさらに積層させたスタック構造であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
6. 上記励起光源は、上記内部円筒部材の横断面に沿った励起光の拡がりが上記光ファイバが巻かれた内部円筒部材の直径を見込む角度より大きくならないことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
7. 上記励起光源は、上記内部円筒部材の長手方向への励起光の拡がりが上記光ファイバが巻かれている内部円筒部材の長さより拡がらないことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
8. 上記励起光源から照射される励起光の光軸は、上記内部円筒部材の外周面に対し垂直でないことを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
9. 上記光ファイバは、フォトニッククリスタルファイバであって、希土類元素がコア領域に添加されていることを特徴とする請求項１〜８いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
10. 上記光ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバであって、希土類元素がクラッド領域の空孔以外の充実部に添加されていることを特徴とする請求項１〜８いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
11. 上記内部円筒部材の径は、該光ファイバ型光増幅装置において発振するレーザ光、あるいは増幅されるレーザ光の高次モード発生を抑制し、シングルモード動作するような径であることを特徴とする請求項１〜１０いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
12. 上記光ファイバは、励起光に対して高い透明性を有するポリイミド樹脂で被覆されていることを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
13. 上記内部円筒部材は、励起光の反射率が高い部材で構成されていることを特徴とする請求項１〜１２いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
14. 上記開放部が複数形成され、それぞれの開放部に上記励起光源が設けられていることを特徴とする請求項１〜１３いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
15. 上記励起光源は、励起光の光軸を蛍光寿命の時間内の繰り返し周期でスキャン可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜１４いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置。
16. 請求項１〜１５いずれか記載の光ファイバ型光増幅装置の上記光ファイバの少なくとも一方の端に、反射鏡が形成されていることを特徴とする光ファイバ型レーザ装置。
17. 上記反射鏡は、ファイバグレーティングが形成されている別の光ファイバからなり、該ファイバグレーティングが上記光ファイバの端に融着接続されていることを特徴とする請求項１６記載の光ファイバ型レーザ装置。
18. 上記光ファイバの一方の端には、透過遮断率が所定値以上のファイバグレーティングが形成されている別の光ファイバが上記反射鏡のひとつとして融着接続され、上記光ファイバの他方の端には、透過遮断率が所定値未満のファイバグレーティングが形成されている別の光ファイバが上記反射鏡のもうひとつとして融着接続されていることを特徴とする請求項１６記載の光ファイバ型レーザ装置。
19. 上記別の光ファイバは、内部円筒部材の外周に巻かれていることを特徴とする請求項１７又は１８記載の光ファイバ型レーザ装置。

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