JP2007208107A

JP2007208107A - 光ファイバレーザ

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Publication number: JP2007208107A
Application number: JP2006026861A
Authority: JP
Inventors: Akishi Hongo; 晃史本郷
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-02-03
Also published as: JP4978016B2

Abstract

【課題】励起光波長帯あるいはその近傍の波長帯で発振できる光ファイバレーザを提供する。
【解決手段】中空コア領域２とその中空コア領域２を囲み複数の空孔３を有すると共に希土類元素が添加された内側クラッド領域４とその内側クラッド領域４を囲み屈折率が内側クラッド領域４の充実部の屈折率より低い外側クラッド領域５とを有する光ファイバ１と、励起光を光ファイバ１に照射する光源３２と、希土類元素から放出されて光ファイバ１を伝搬する光を光ファイバ１の端部より光ファイバ１内に反射させることにより、光ファイバ１内でレーザ光を発振させる反射器２３とを備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、励起光波長帯で発振できる光ファイバレーザに関する。

医療、レーザ加工分野などで様々な大出力レーザが使用されている。最近では、大出力で高品質のビームが得られる光ファイバレーザが注目されている。従来の光ファイバレーザは、図４（ａ）に示す二重クラッド構造の光ファイバ４１を使用している。この光ファイバ４１は、コア領域４２にはＮｄ，Ｙｂ等の希土類元素が添加されている。コア領域４２の周りにはコア領域４２より屈折率が低い内側クラッド領域４３があり、その内側クラッド領域４３の周りにはさらに屈折率が低い外側クラッド領域４４がある。励起光４５は外側クラッド領域４４で反射され、内側クラッド領域４３内をマルチモードで伝搬し、コア領域４２を横切って徐々に吸収されて減衰する。

図４（ｂ）に示すように二重クラッド構造の光ファイバ４１を用いた光ファイバレーザは、光ファイバ４１の両端に、光ファイバ４１の軸方向に対し屈折率変調を与えられ特定の波長のみを反射するファイバグレーティング４６が接続され、一方のファイバグレーティング４６は反射率が高く反射鏡として作用し、他方のファイバグレーティング４６はそれよりも反射率が低く出力鏡として作用する。複数の光源から発せられる励起光４５は励起光結合器４７を介して端面励起方式により光ファイバ４１に入射し、内側クラッド領域４３をマルチモードで伝搬する。レーザ出力光４８は、コア領域４２を伝搬し反射率の低いファイバグレーティング４６より出力される。

図５（ａ）に示されるように、Ｎｄ³⁺添加ファイバレーザは、４準位系レーザで、⁴Ｉ_9/2準位から⁴Ｆ_5/2準位への遷移（図中は励起遷移；以下同）による０．８１μｍ、あるいは⁴Ｉ_9/2準位から⁴Ｆ_3/2準位への遷移による０．８７μｍ〜０．８８５μｍ帯で吸収が起こり、主にこれらの波長帯の半導体レーザ光を励起光として使用している。一方、レーザ発振をもたらす蛍光特性は⁴Ｆ_3/2準位から⁴Ｉ_9/2準位への遷移（図中はレーザ遷移；以下同）による０．９μｍ帯、⁴Ｆ_3/2準位から⁴Ｉ_11/2準位への遷移による１．０６μｍ帯、⁴Ｆ_3/2準位から⁴Ｉ_13/2準位への遷移による１．３３μｍ帯、⁴Ｆ_3/2準位から⁴Ｉ１_5/2準位への遷移による１．８μｍ帯に見られる。吸収特性、蛍光特性は、図５（ｂ）、（ｃ）に示すとおりである。

しかしながら、⁴Ｆ_3/2準位から⁴Ｉ_9/2準位への遷移による０．９μｍ帯のレーザ発振は、レーザ光が同時に⁴Ｉ_9/2準位から⁴Ｆ_3/2準位への遷移による吸収を受けるので、実用化されておらず、従来のＮｄ³⁺添加ファイバレーザでは、吸収が小さく大きな蛍光が得られる１．０６μｍで発振させるのが一般的である。

図６（ａ）に示されるように、Ｙｂ³⁺添加ファイバレーザは、室温で３準位に類似した動作をする準４準位系レーザで、²Ｆ_7/2準位から²Ｆ_5/2準位への遷移により、０．９〜０．９８μｍ帯で吸収が起こり、特に０．９１５μｍ及び０．９７６μｍに急峻な吸収ピークを持ち、これらの波長の半導体レーザ光を励起光として使用している。一方、レーザ発振をもたらす蛍光特性は²Ｆ_5/2準位から²Ｆ_7/2準位への遷移によるもので、特に０．９７６μｍに急峻な蛍光ピーク、１．０３μｍにブロードな蛍光ピークを持つ。

０．９７６μｍに急峻で大きな蛍光ピークが有るにもかかわらず、この波長は吸収ピークと一致するため、図４のような従来の光ファイバレーザではレーザ光の発振波長とすることができない。そこで、従来のＹｂ³⁺添加ファイバレーザでは、吸収が小さく、かつ蛍光が大きく現れる波長１．０３〜１．１μｍ帯をレーザ光の発振波長帯としている。

なお、Ｙｂ添加ファイバレーザは、シンプルな［Ｘｅ］⁴ｆ₁₁ ⁶ｓ₂電子構造であるため、アップコンバージョンが起きず、高密度励起に適する。励起波長と発振波長とのエネルギ差が小さいため、励起量子効率が高く、発熱が少ない。また、濃度消光が起きにくく、Ｙｂ³⁺を高濃度に添加できる。さらに、上準位の寿命が長く、高いエネルギ蓄積効果も期待できるなどの優位性があり、Ｙｂ添加ファイバレーザは近年盛んに研究開発されている。

光ファイバレーザは、シングルモード発振も可能で、高品質のレーザビームを得ることが容易である。また、発振部そのものが光ファイバであるため、伝送路として使用する光ファイバとも容易に接続でき、小型、高出力加工用光源として極めて有望なものである。

一方、光ファイバレーザとは別に、励起用光源として使用されるような高出力半導体レーザを直接、レーザ加工用の光源として使用することも検討されている。励起光のエネルギをレーザ光のエネルギに変換する光ファイバレーザとは異なり、直接、半導体レーザを加工用の光源として使用するため、エネルギ効率が優れ、高出力である。半導体レーザは、０．８μｍ〜０．９８μｍ帯で発振し、一般には光ファイバレーザよりも短波長である。このような半導体レーザも年々高出力化し、長期信頼性も向上してきた。

図７に示されるように、加工される金属はさまざまな吸収特性を有する。一方、加工用のレーザ光源には、ＣＯ₂レーザ（１０．６μｍ帯）、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ（１．０６μｍ帯）、光ファイバレーザ（１．０３〜１．１μｍ帯）、半導体レーザ（０．８〜０．９８μｍ帯）などがある。図７から分かるように、一般には波長が短いほど、金属は大きな吸収率を示すので、加工には有利である。

最近では自動車軽量化のため、ボディー等の材料として従来のスチールから替えてアルミニウムを採用する要求がある。しかし、アルミニウムはスチールと比べて光を反射しやすく、熱伝導率も高いため、加工しにくい材料とされている。図７で見ると、アルミニウムは０．８〜１．０μｍ帯において光の反射率が低下し、光の吸収率が増大する。光の吸収率という点で、半導体レーザの発振波長は他のレーザ光源の波長よりも有利である。

特開平１０−１９００９７号公報

図４に示した従来の光ファイバレーザは、発振するレーザ光がコア領域４２内を伝搬し、このコア領域４２には励起光４５を吸収する希土類元素が添加されている。励起光４５の波長は希土類元素に効率よく吸収される波長帯が選ばれるが、レーザ光の発振波長帯としては、蛍光が大きく、かつ吸収の小さい波長帯が選ばれなければならない。通常、レーザ光の発振波長は励起光４５の波長帯よりも長波長であり、上述のように、Ｎｄ添加ファイバレーザでは励起光の波長帯が０．８〜０．９μｍ帯、レーザ光の波長帯が１．０６μｍであり、Ｙｂ添加ファイバレーザでは励起光の波長帯が０．９１５μｍあるいは０．９７６μｍ、レーザ光の波長帯が１．０３〜１．１μｍ付近である。いずれにせよ、レーザ光の波長は１μｍ以上である。すなわち、図４の光ファイバレーザでは、励起光が吸収される領域とレーザ光が発振する領域とが、共に希土類元素が添加されているコア領域４２であるために、レーザ光の発振波長を励起光波長と同一あるいは近接させることはできず、その結果、１．０μｍ以下の波長でレーザ発振を実現することができない。

上述のように、光ファイバレーザは、高品質のレーザビームが容易に得られ、集光特性も優れている。しかし、従来の光ファイバレーザは、発振波長が希土類元素による吸収の小さい１．０μｍ以上なので、アルミニウムによる吸収に関しては発振波長１．０μｍ未満の半導体レーザより劣る。

一方、半導体レーザは、代表的な発振波長が０．８〜０．９８μｍ帯にあり、アルミニウムが高い吸収特性を示す。しかしながら、半導体レーザは、ビームの集光特性に関しては光ファイバレーザよりもかなり劣る。大出力の半導体レーザの構成は、独立した小さなエミッタの集まりであるレーザバーをスタック状に積層し、このスタックから出力されるレーザ光を空間的に重畳しており、集光してもパワー密度は１００ｋＷ／ｃｍ²程度で、ＣＯ₂レーザやＹＡＧレーザあるいは光ファイバレーザに比べて１桁程度低い。このようなビーム品質を有する半導体レーザは、高エネルギ密度を必要としない加工に用途が限定されている。半導体レーザによる金属切断加工は困難であり、半導体レーザによる溶接は深溶け込み溶接（キーホール溶接）ではなく、熱伝導溶接である。

以上、発明が解決しようとする課題をまとめると、従来の光ファイバレーザは励起光波長帯近傍の吸収の大きな波長帯で発振させることができなかった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、励起光波長帯近傍で希土類元素により大きな吸収が生じる波長帯においても発振できる光ファイバレーザ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は、中空コア領域とその中空コア領域を囲み複数の空孔を有すると共に希土類元素が添加された内側クラッド領域とその内側クラッド領域を囲み屈折率が内側クラッド領域の充実部の屈折率より低い外側クラッド領域とを有する光ファイバと、
上記希土類元素を励起する励起光を上記光ファイバに照射する光源と、
上記希土類元素から放出されて上記光ファイバを伝搬する光を上記光ファイバの端部より上記光ファイバ内に反射させることにより、上記光ファイバ内でレーザ光を発振させる反射器とを備えたものである。

上記発振波長帯が励起光波長帯と近接するか重なる波長帯であってもよい。

上記希土類元素がＮｄであり、励起光波長が０．７５〜０．９μｍ帯であり、発振レーザ波長が１．０μｍ以下であってもよい。

上記希土類元素がＹｂであり、励起光波長が０．９〜０．９８μｍ帯であり、発振レーザ波長が１．０μｍ以下であってもよい。

上記光ファイバの材料が石英系のガラス材料であってもよい。

上記光ファイバの材料がリン酸系のガラス材料であってもよい。

上記反射器が誘電体多層膜ミラーであってもよい。

上記反射器がファイバグレーティングであってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）励起光の波長あるいは励起光波長のごく近傍で発振できるので、従来より短波長のレーザ光が得られる。

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に示されるように、本発明の光ファイバレーザに用いる光ファイバ１は、中空コア領域２と、その中空コア領域２を囲み複数の空孔３を有すると共に希土類元素が添加された内側クラッド領域４と、その内側クラッド領域４を囲み屈折率が内側クラッド領域４の充実部の屈折率より低い外側クラッド領域５とを有する。

内側クラッド領域４の充実部には希土類元素が部分的または全域に添加される。個々の空孔３の径及び空孔３相互間の間隔は、発振させるレーザ光の波長に対してバンドギャップが形成されるように設定されている。これは発振するレーザ光を中空コア領域２に閉じ込めるためである。

外側クラッド領域５は希土類元素が添加されず、内側クラッド領域４の充実部より屈折率が低い。

中空コア領域２の径は、シングルモード伝送が維持できる数μｍから、ビーム品質を極端に劣化させない低次のマルチモード伝送となる数十μｍとされている。

本実施形態では、希土類元素としてＮｄが使用されるものとする。光ファイバ１の材料に石英系ガラス材料を用いても良いが、Ｎｄを添加する場合、高濃度に添加すると濃度消光が起きやすいので、これを抑えるためにリン酸系ガラス材料を用いても良い。

図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、本発明に係る光ファイバレーザは、光ファイバ１に添加されている希土類元素から蛍光放出されて光ファイバ１を伝搬する光を光ファイバ１の端部より光ファイバ１内に反射させることにより、光ファイバ１内でレーザ光を発振させる反射器を備える。反射器を配置するために、中空型の光ファイバ１の両端部には、短尺の充実型の光ファイバ６が融着接続される。光ファイバ６は、石英にゲルマニウムが添加されたコア領域２１とそれよりも屈折率が低いクラッド領域２２とからなる。各光ファイバ６のコア領域２１内には、エキシマレーザ照射によって周期的に屈折率を変化させたファイバグレーティング２３が反射器として形成されている。ファイバグレーティング２３の反射中心波長（ブラッグ波長）はレーザの発振波長（＝希土類元素の蛍光波長）に一致させてあり、これにより、両ファイバグレーティング２３間に共振器が構成されている。一方のファイバグレーティング２３の反射率は９９％以上であり、他方のファイバグレーティング２３の反射率は９０％である。この実施形態ではレーザ発振波長は０．９μｍである。

なお、このように光ファイバ１の両端部にそれぞれファイバグレーティング２３を設ける構成に限らず、一端部にはファイバグレーティングを形成しない通常の光ファイバを接続し、そのフレネル反射面と他端部のファイバグレーティング２３との間で共振器を構成するようにしてもよい。反射器として、誘電体多層膜ミラーを用いても良い。

図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、本発明に係る光ファイバレーザ３１は、光ファイバ１に添加されている希土類元素を励起する励起光を光ファイバ１の側面から照射する光源３２を備える。具体的には、外面が反射面である金属製の円筒３３の外周に光ファイバ１が巻き回され、その光ファイバ１の外側を覆うように円筒３３と同心に形成され内面が反射面である反射筒３４が設けられ、その反射筒３４の一部に反射筒３４の軸方向に延びたスリット３５が形成され、スリット３５の外から光ファイバ１に臨ませて光源３２が設置されている。光ファイバ１が円筒３３の外周に沿って巻き回されているので、光源３２は光ファイバ１の側面に臨むことになる。

光源３２は、スタック状の半導体レーザである。ここでは、希土類元素がＮｄであるので、励起光は０．８０８μｍ帯としてある。

次に、光ファイバレーザ３１の動作を説明する。

光源３２から出射された励起光３６は、スリット３５を通り光ファイバ１に側面から照射される。励起光３６は、光ファイバ１に対して深い角度（光ファイバ軸と大きな角度をなす角度）で入射する。内側クラッド領域４を貫通して光ファイバ１の外に抜けるか、あるいは内側クラッド領域４の充実部を長手方向に伝搬するモードと結合して内側クラッド領域４の充実部を長手方向に伝搬する。この長手方向に伝搬する励起光３６は、希土類元素によって次第に吸収されていく。貫通した励起光３６は、円筒３３の外面で反射されて光ファイバ１に入射し、長手方向に伝搬するか貫通する。貫通した励起光３６は、反射筒３４の内面で反射されるので、円筒３３と反射筒３４の間で励起光３６が光ファイバ１に側面から繰り返し入射し、希土類元素によって励起光３６が吸収される。

希土類元素から放出された光は、中空コア領域２を長手方向に伝搬する。光ファイバ１の両端部にファイバグレーティング２３が接続されて共振器が構成されているので、レーザ発振が起き、反射率の低いファイバグレーティング２３からレーザ発振光が出力される。

この実施形態では、励起として⁴Ｉ_9/2準位から⁴Ｆ_5/2準位への遷移を利用し、蛍光としては⁴Ｆ_3/2準位から⁴Ｉ_9/2準位への遷移を利用している。つまり、励起光として波長０．８０８μｍのレーザ光を用い、波長０．９μｍのレーザ発振光を発振している。励起と蛍光における準位間のエネルギ差が小さいため、従来技術では放出された光が再度吸収されるが、本発明では、レーザ発振光の波長が内側クラッド領域４のバンドギャップの帯域内にあり、レーザ発振光は中空コア領域２に集中し、吸収されることがない。励起光の波長はバンドギャップの帯域内にある必要はない。

レーザ発振光の波長が励起光の波長近傍で、幾分長波長であれば、空孔３の空孔率を変えることにより、内側クラッド領域４のバンドギャップの帯域を狭帯域にして、レーザ発振光波長はこのバンドギャップの帯域内で、励起光波長はバンドギャップの帯域外とすることもできる。この場合、励起光は、内側クラッド領域４を伝搬することができるので、効率よく希土類元素に吸収される。また、励起光波長がバンドギャップの帯域内にあったとしても、励起光は光ファイバ１の側面から深い角度で入射され、内側クラッド領域４を通過するときに吸収される。

以上のように、従来は励起光が吸収される領域とレーザ光が発振する領域が共にコア領域であったために、励起光よりも長波長で吸収のない波長で発振させるしかなかったが、本発明は励起光が吸収される領域を内側クラッド領域４に、レーザ光が発振する領域を中空コア領域２に分離したため、励起光と同一あるいは近傍の波長帯で発振させることができる。

この結果、従来の光ファイバレーザでは困難であった波長１．０μｍ以下のレーザ発振が可能となる。波長１．０μｍ以下のレーザ光は金属、特にアルミニウムによく吸収されるので、レーザ加工に有効である。

例えば、本実施形態の光ファイバレーザ３１は、波長０．９μｍのレーザ発振光を出力することができる。波長０．９μｍの光はアルミニウムにおいて吸収効率が高い。しかも、光ファイバレーザ３１のレーザ発振光は、シングルモードあるいは準シングルモードで発振できる高品質ビームであるため、集光特性に優れ、加工効率が高い。

また、本発明によれば、励起光とレーザ発振光とのエネルギ差がごく小さいため、励起量子効率が高く、発熱が少ない。

また、本発明では、レーザ発振光が中空コア領域２を伝搬するので、レーザエネルギ密度を非常に高くしても損傷閾値が高く、ｋＷ級の大出力ファイバレーザを実現できる。

また、中空型の光ファイバ１とグレーティングを有する短尺の充実型の光ファイバ６とを接続することによって、共振器を容易に構成することができ、光ファイバレーザの構成が簡素化される。

次に、他の実施形態を説明する。

図１〜図３の構成において、希土類元素としてＹｂが使用されるものとする。励起光は０．９７６μｍの半導体レーザ光とし、反射器の反射中心波長帯を０．９７６μｍとすることにより、励起光と同じ波長で発振する光ファイバレーザが実現できる。０．９７６μｍの波長帯は、図６に示されるように、最も吸収及び蛍光が大きな波長帯である。

この実施形態では、励起光波長とレーザ光発振波長が同じでエネルギ差が生じないため、励起量子効率が高く、発熱がほとんどない。

また、レーザ光発振波長として蛍光強度が最も大きな０．９７６μｍが選ばれており、この波長はＹｂにおける吸収が最も大きい波長であるが、発振するレーザ光の伝搬領域は希土類元素が存在しない中空コア領域２であるため、吸収されることがない。

蛍光は希土類元素が存在する内側クラッド領域４で発現する。しかし、中空コア領域２は、この蛍光波長帯でフォトニックバンドギャップによる透過の窓を有し、かつ、共振器を構成している。よって、蛍光は中空コア領域２の伝搬光に容易に結合してレーザ光の光エネルギに変換される。

Ｙｂ添加ファイバレーザは、濃度消光が起きにくく、Ｙｂ³⁺を高濃度に添加できる。Ｙｂ³⁺を高濃度に添加できることは、短距離で励起光が減衰することであり、本発明のように側面励起の光ファイバレーザには好適である。

本発明に用いる光ファイバの断面構造図である。本発明における光ファイバの長手方向構造図であり、（ａ）は光ファイバの軸に沿った断面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’線における光ファイバの軸に直角な断面図、（ｃ）は（ａ）のＢＢ’線における光ファイバの軸に直角な断面図である。本発明の一実施形態を示す光ファイバレーザの構成図であり、（ａ）は円筒の軸に直角な断面図、（ｂ）は（ａ）のＣＣ’線における円筒の軸に沿った断面図である。（ａ）は従来の二重クラッド光ファイバの構造図、（ｂ）は従来の光ファイバレーザの構成図である。（ａ）はＮｄ³⁺添加ファイバレーザのエネルギ準位と遷移を示す図、（ｂ）は波長に対する吸収係数を示す吸収特性図、（ｃ）は波長に対する蛍光強度を示す蛍光特性特性図である。（ａ）はＹｂ³⁺添加ファイバレーザのエネルギ準位と遷移を示す図、（ｂ）は波長に対する吸収係数を示す吸収特性図、（ｃ）は波長に対する蛍光強度を示す蛍光特性特性図である。レーザ加工に供される各種金属素材の波長に対する吸収係数を示す吸収特性図である。

符号の説明

１光ファイバ
２中空コア領域
３空孔
４内側クラッド領域
５外側クラッド領域
２３ファイバグレーティング（反射器）

Claims

中空コア領域とその中空コア領域を囲み複数の空孔を有すると共に希土類元素が添加された内側クラッド領域とその内側クラッド領域を囲み屈折率が内側クラッド領域の充実部の屈折率より低い外側クラッド領域とを有する光ファイバと、
上記希土類元素を励起する励起光を上記光ファイバに照射する光源と、
上記希土類元素から放出されて上記光ファイバを伝搬する光を上記光ファイバの端部より上記光ファイバ内に反射させることにより、上記光ファイバ内でレーザ光を発振させる反射器とを備えたことを特徴とする光ファイバレーザ。
発振波長帯が励起光波長帯と近接するか重なる波長帯であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバレーザ。
上記希土類元素がＮｄであり、励起光波長が０．７５〜０．９μｍ帯であり、発振レーザ波長が１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバレーザ。
上記希土類元素がＹｂであり、励起光波長が０．９〜０．９８μｍ帯であり、発振レーザ波長が１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバレーザ。
上記光ファイバの材料が石英系のガラス材料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レーザ。
上記光ファイバの材料がリン酸系のガラス材料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レーザ。
上記反射器が誘電体多層膜ミラーである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レーザ。
上記反射器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１〜６いずれか記載の光ファイバレーザ。