JP2007173649A - ファイバレーザ装置、光学機構及び入射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光の強度を高めた場合であってもダブルクラッドファイバの入力端面での熱損傷を防止すること。
【解決手段】励起光を発するレーザダイオード２０と、コア４１と、コア４１の外周に形成された第１クラッド４２と、第１クラッド４２の外周に形成された第２クラッド４３とを有するダブルクラッドファイバ４０と、レーザダイオード２０とダブルクラッドファイバ４０の入力端との間に配置され、ダブルクラッドファイバ４０の入力端において、コア４１よりも第１クラッド４２において励起光のパワー密度が高くなるように光学プロファイルを整形して入射させる集光レンズ系３０とを備えるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダブルクラッドファイバ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｌａｄ Ｆｉｂｅｒ：ＤＣＦ）を用いたファイバレーザ装置、光学機構及びファイバレーザ発振方法に関し、特に高出力を得られる技術に関する。

ファイバレーザ装置においては、通信時において伝送距離を長くしたり、加工時において加工時間を短縮する等のために、高出力化が望まれている。通常のシングルモード光ファイバを用いた光源装置では、コアに励起光を直接入射するために、高出力化が困難であったが、ダブルクラッドファイバでは、コアに比べて遥かに大きな面積を有する第１クラッドから励起光を入射することで高出力化を図ることができる。このため、ダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザ装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

図４及び図５は、このようなファイバレーザ装置の一例を示す図である。図４に示すファイバレーザ装置１００は、レーザダイオード（励起光源）１０１と、集光レンズ系１０２と、ダブルクラッドファイバ１０３とを備えている。ダブルクラッドファイバ１０３は、励起光活性物質として希土類元素がドープされたコア１０３ａと、このコア１０３ａの外周を覆うとともに励起光を導入する第１クラッド１０３ｂと、この第１クラッド１０３ｂの外周を覆うとともに励起光を第１クラッド１０３ｂに閉じ込める第２クラッド１０３ｃとを備えている。

このファイバレーザ装置１００では、レーザーダイオード１０１からの励起光を集光レンズ系１０２を介してダブルクラッドファイバ１０３に入射すると、励起光によってダブルクラッドファイバ１０３内で発振されて出力端から出力される。

このときの励起光の強度分布は、レーザダイオード１０１から出力されたとき（α１）と、集光レンズ系１０２から出力されたとき（α２）とは、図４に示すように、中心部、すなわちコア１０３ａに入射される部分が最も強度が高いガウシアンあるいは類似した形状となる。

図５に示すファイバレーザ装置１１０は、レーザダイオード（励起光源）１０１と、伝送用ファイバ１１１と、結像レンズ系１１２と、ダブルクラッドファイバ１０３とを備えている。

このファイバレーザ装置１１０では、レーザーダイオード１０１からの励起光を伝送用ファイバ１１１及び結像レンズ系１１２を介してダブルクラッドファイバ１０３に入射する。

このときの励起光の強度分布は、伝送用ファイバ１１１内の多重反射により、伝送用ファイバ１１１から出力されたとき（β１）と、結像レンズ系１０２から出力されたとき（β２）とは、図５に示すように、中心部から外周部までほぼ均一となる。
特開２００２−２７０９２８号公報 特開２００４−１９３１５２号公報

上述したダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザ装置では、次のような問題があった。すなわち、図４及び図５に示すように、ダブルクラッドファイバ１０３の入力端に入射される励起光の強度分布は、中央部が高いか、均一なものとなっている。

一方、コア１０３ａの吸収係数は均一であるため、コア１０３ａが励起光を吸収する吸収パワーは、励起光強度と相関がある。励起光強度はコア１０３ａに吸収されながら減衰するため、励起光の強度を高めるとコア１０３ａが高温となり、ダブルクラッドファイバ１０３の入力端面が熱損傷する虞がある。このため、高出力化には限度があった。

そこで本発明は、励起光の強度を高めた場合であってもダブルクラッドファイバの入力端面での熱損傷を防止することができるファイバレーザ装置、光学機構及びファイバレーザ発振方法を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明のファイバレーザ装置、光学機構及び入射方法は次のように構成されている。

（１）励起光を発する励起光源と、コアと、このコアの外周に形成された第１のクラッドと、この第１のクラッドの外周に形成された第２のクラッドとを有するダブルクラッドファイバと、上記励起光源と上記ダブルクラッドファイバの入力端との間に配置され、上記ダブルクラッドファイバの入力端において、上記コアよりも上記第１のクラッドにおいて上記励起光のパワー密度が高くなるように光学プロファイルを整形して入射させる光学機構とを備えていることを特徴とする。

（２）励起光源からの励起光を入射させる入射用光学部材と、コアと、このコアの外周に形成された第１のクラッドと、この第１のクラッドの外周に形成された第２のクラッドとを有するダブルクラッドファイバの入力端に励起光を出射する出射用光学部材と、上記入射用光学部材と上記出射用光学部材との間に配置され、上記コアよりも上記第１のクラッドに上記励起光のパワー密度が高くなるように光学プロファイルを整形する整形光学部材とを備えていることを特徴とする。

（３）励起光源から発せられた励起光の光学プロファイルを整形する整形工程と、コアと、このコアの外周に形成された第１のクラッドと、この第１のクラッドの外周に形成された第２のクラッドとを有するダブルクラッドファイバ中において入射された上記励起光を発振させてレーザ光を出射する発振工程とを備え、上記整形工程では、上記ダブルクラッドファイバの入力端において、上記コアよりも上記第１のクラッドにおいて上記励起光のパワー密度が高くなるように光学プロファイルを整形させることを特徴とする。

本発明によれば、励起光の強度を高めた場合であってもダブルクラッドファイバの入力端面での熱損傷を防止することが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係るファイバレーザ装置１０の構成を示す図である。ファイバレーザ装置１０は、励起光を発するレーザダイオード（励起光源）２０と、このレーザダイオード２０から出力された励起光を集光する集光レンズ系（光学機構）３０と、集光された励起光によりレーザ発振を行うダブルクラッドファイバ４０とを備えている。

集光レンズ系３０は、入射側のレンズ群（入射用光学部材）３１と、励起光を整形しパワー密度を調整する円錐状のプリズム（整形光学部材）３２と、出射側のレンズ群（出射用光学部材）３３とを備えている。プリズム３２は、コリメートされた励起光を中心軸を点対称となるようにビーム方向を変化させる機能を有している。なお、プリズム３２の形状はダブルクラッドファイバ４０の形状・大きさによって適宜変更し、最適なものを選択することが好ましい。

ダブルクラッドファイバ４０は、励起光活性物質として希土類元素がドープされたコア４１と、このコア４１の外周を覆うとともに励起光を導入する第１クラッド４２と、この第１クラッド４２の外周を覆うとともに励起光を第１クラッド４２に閉じ込める第２クラッド４３とを備えている。

このように構成されたファイバレーザ装置１０では、レーザーダイオード２０からの励起光を集光レンズ系３０を介してダブルクラッドファイバ４０に入射すると、励起光によってダブルクラッドファイバ４０内で発振されて出力端からレーザ光が出力される。

このときの励起光の強度分布は、レーザダイオード２０から出力されたとき（Ａ１）は中央部が高くなっているが、プリズム３２により整形されるため、集光レンズ系３０から出力されたとき（Ａ２）は、中央部より外周側が高くなる光学プロファイルを有している。すなわちコア４１よりも第１クラッド４２に入射される部分の励起光の強度が高くなる。

したがって、コア４１によって励起光が吸収される量を減らすことができ、レーザダイオード２０から出力される励起光の強度を高めて高出力を得る場合であっても、ダブルクラッドファイバ４０の入力端面が熱破損することはない。

図２は本発明の第２の実施の形態に係るファイバレーザ装置１０Ａの構成を示す図である。なお、図２において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

ファイバレーザ装置１０Ａは、励起光を発するレーザダイオード２０と、このレーザダイオード２０から出力された励起光を伝送する伝送ファイバ５０と、伝送ファイバ５０から出力された励起光を結像させる結像レンズ系（光学機構）６０と、結像された励起光によりレーザ発振を行うダブルクラッドファイバ４０とを備えている。

結像レンズ系６０は、入射側のレンズ群（入射用光学部材）６１と、励起光を整形しパワー密度を調整する円錐状のプリズム（整形光学部材）６２と、出射側のレンズ群（出射用光学部材）６３とを備えている。プリズム６２は、コリメートされた励起光を中心軸を点対称となるようにビーム方向を変化させる機能を有している。なお、プリズム６２の形状はダブルクラッドファイバ４０の形状・大きさによって適宜変更し、最適なものを選択することが好ましい。

このように構成されたファイバレーザ装置１０Ａでは、レーザダイオード２０からの励起光が伝送ファイバ５０内で均一化され、さらに結像レンズ系６０を介してダブルクラッドファイバ４０に入射すると、励起光によってダブルクラッドファイバ４０内で発振されて出力端からレーザ光が出力される。

このときの励起光の強度分布は、伝送ファイバ５０から出力されたとき（Ｂ１）は均一化されているが、プリズム６２により整形されるため、結像レンズ系６０から出力されたとき（Ｂ２）は、中央部より外周側が高くなる光学プロファイルを有している。すなわちコア４１よりも第１クラッド４２に入射される部分の励起光の強度が高くなる。

したがって、コア４１によって励起光が吸収される量を減らすことができ、レーザダイオード２０から出力される励起光の強度を高めて高出力を得る場合であっても、ダブルクラッドファイバ４０の入力端面が熱破損することはない。

図３は本発明の第３の実施の形態に係るファイバレーザ装置１０Ｂの構成を示す図である。なお、図３において図１，２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

ファイバレーザ装置１０Ｂは、励起光を発するレーザダイオード２０と、このレーザダイオード２０から出力された励起光を伝送する伝送ファイバ５０と、伝送ファイバ５０から出力された励起光を集光する集光レンズ７０と、この集光レンズ７０により集光された励起光を整形する円筒状の光導波管（光学機構）８０と、光導波管８０から出力された励起光を結像させる結像レンズ系９０と、結像された励起光によりレーザ発振を行うダブルクラッドファイバ４０とを備えている。

光導波管８０は、入力された励起光が内部を反射しながら伝播することで、リング状のプロファイルを有するビーム形状に整形する機能を有している。結像レンズ系９０は、入射側のレンズ群（入射用光学部材）９１と、出射側のレンズ群（出射用光学部材）９２とを備えている。

このように構成されたファイバレーザ装置１０Ｂでは、レーザダイオード２０からの励起光が伝送ファイバ５０内で均一化された後、集光レンズ７０により光導波管８０に入射され、この光導波管８０の内部で整形される。そして、結像レンズ系９０を介してダブルクラッドファイバ４０に入射すると、励起光によってダブルクラッドファイバ４０内で発振されて出力端からレーザ光が出力される。

このときの励起光の強度分布は、伝送ファイバ５０から出力されたとき（Ｃ１）は均一化されているが、光導波管８０内部で整形されたとき（Ｃ２）はリング状の光学プロファイルを有する。さらに、結像レンズ系９０から出力されたとき（Ｃ３）は、リング状の光学プロファイルが維持され、中央部より外周側が高くなっている。すなわちコア４１よりも第１クラッド４２に入射される部分の励起光の強度が高くなる。

したがって、コア４１によって励起光が吸収される量を減らすことができ、レーザダイオード２０から出力される励起光の強度を高めて高出力を得る場合であっても、ダブルクラッドファイバ４０の入力端面が熱破損することはない。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るファイバレーザ装置の構成を示す説明図。 本発明の第２の実施の形態に係るファイバレーザ装置の構成を示す説明図。 本発明の第３の実施の形態に係るファイバレーザ装置の構成を示す説明図。 従来のファイバレーザ装置の構成の一例を示す説明図。 従来のファイバレーザ装置の構成の別の例を示す説明図。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ…ファイバレーザ装置、２０…レーザダイオード（励起光源）、３０…集光レンズ系、３１，６１…レンズ群（入射用光学部材）、３２，６２…プリズム（整形光学部材）、３３，６３…レンズ群（入射用光学部材）、４０…ダブルクラッドファイバ、６０…結像レンズ系、８０…光導波管（整形光学部材）。

Claims (5)

1. 励起光を発する励起光源と、
   コアと、このコアの外周に形成された第１のクラッドと、この第１のクラッドの外周に形成された第２のクラッドとを有するダブルクラッドファイバと、
   上記励起光源と上記ダブルクラッドファイバの入力端との間に配置され、上記ダブルクラッドファイバの入力端において、上記コアよりも上記第１のクラッドにおいて上記励起光のパワー密度が高くなるように光学プロファイルを整形して入射させる光学機構とを備えていることを特徴とするファイバレーザ装置。
2. 上記光学機構は、円錐状のプリズムを備えていることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
3. 上記光学機構は、円筒状の光導波管を備えていることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
4. 励起光源からの励起光を入射させる入射用光学部材と、
   コアと、このコアの外周に形成された第１のクラッドと、この第１のクラッドの外周に形成された第２のクラッドとを有するダブルクラッドファイバの入力端に励起光を出射する出射用光学部材と、
   上記入射用光学部材と上記出射用光学部材との間に配置され、
   上記コアよりも上記第１のクラッドに上記励起光のパワー密度が高くなるように光学プロファイルを整形する整形光学部材とを備えていることを特徴とする光学機構。
5. 励起光源から発せられた励起光の光学プロファイルを整形する整形工程と、
   コアと、このコアの外周に形成された第１のクラッドと、この第１のクラッドの外周に形成された第２のクラッドとを有するダブルクラッドファイバ中において入射された上記励起光を発振させてレーザ光を出射する発振工程とを備え、
   上記整形工程では、上記ダブルクラッドファイバの入力端において、上記コアよりも上記第１のクラッドにおいて上記励起光のパワー密度が高くなるように光学プロファイルを整形させることを特徴とするファイバレーザ発振方法。

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