JP2007317717A

JP2007317717A - レーザ出力装置

Info

Publication number: JP2007317717A
Application number: JP2006142864A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ogawa; 洋小川; Daisuke Ogawa; 大介小川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】小径の光ファイバーを使用して小曲率で巻回してダブルクラッド構造のファイバーレーザとして装置自体を小型化することができる。
【解決手段】コアにレーザ媒質がドープされると共に該コアの外周に、該コアより光屈折率が低く、コア断面に対して所要倍数（所要倍数は、１以上〜１０以下とする。）の面積比からなるクラッドが被覆形成され、ほぼ円筒状で一重に巻回された光ファイバーの外側に、第１クラッド部及び該第１クラッド部の外面に第２クラッド部を設けてダブルクラッド構造とする。第１クラッドに対し、一端部に励起光源が光結合されると共に他端部に、第１クラッド部の外面に対し、光ファイバー軸線に対する入射角が鋭角になる傾斜面を有した励起光導波手段を光結合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ほぼ円筒状で一重に巻回されたダブルファイバーレーザ構造のレーザ出力装置に関する。

例えば特許文献１に示すように、光ファイバーが、レーザ活性物質を含むコアと、該コアの周囲に設けられ且つレーザ活性物質を励起するための励起光を導光する励起光導光層とを有し、励起光導光層により導光された励起光をコア中のレーザ活性物質が吸収することによって光ファイバー端部よりレーザ光を出射する光ファイバーレーザ装置において、光ファイバーの側面に、レーザ光が漏れ出さないように励起光導光層に励起光を入射する励起光入射口を少なくとも１つ設け、励起光入射口から励起光をプリズムやレンズを介して入射してレーザ活性物質の励起を行う光ファイバーレーザ装置が記載されている。

上記した特許文献１の光ファイバーレーザ装置にあっては、ボビンの外周に、レーザ媒質がドープされたコアの外周に、該コアより屈折率が低い第１クラッド及び第１クラッドの外周に、該第１クラッドより屈折率が低い第２クラッドを被覆形成したダブルクラッドファイバーを巻回し、第１クラッド内部に導入されて伝播されるレーザ光によりレーザ媒質を励起してレーザ光を出力する構造である。

しかし、第１クラッド内に対して励起レーザ光を効率的に導入させるには、第１クラッド断面を、コア断面に対して面積比で数１００倍にする必要があり、ダブルクラッドファイバー自体が大径化するのが避けられなかった。このため、ダブルクラッドファイバーを巻回する際に、大曲率でしか巻回することができず、コイル状のダブルクラッドファイバー自体が大型化し、レーザ出力装置を小型化することができなかった。

特に、ダブルクラッドファイバーにあっては、その端面の第１クラッドに励起レーザを入射してレーザ媒質を励起する必要から、第１クラッドの光軸直交方向断面をコアの同方向断面に対して面積比で数１００倍に大径化する必要があり、その結果、ダブルクラッドファイバー自体が大径化するため、ダブルクラッドファイバーを小曲率で巻回することが極めて困難になり、装置自体を小型化できなかった。
特開平１１−２３８９２８号公報

解決しようとする問題点は、ダブルクラッドファイバーレーザが大径化することにより小曲率で巻回することができず、装置自体が大型化する点にある。また、励起レーザ光を効率的に導入させることが困難な点にある。

本発明は、コアにレーザ媒質がドープされると共に該コアの外周に、該コアより光屈折率が低く、コア断面に対して所要倍数（所要倍数は、１以上〜１０以下とする。）の面積比からなるクラッドが被覆形成され、ほぼ円筒状で一重に巻回された光ファイバーと、該光ファイバーの外側に被覆形成され、クラッドと一致する屈折率の第１クラッド部と、該第１クラッド部の外面に設けられる第２クラッド部と、一端部に励起光源が光結合されると共に他端部に、第１クラッド部の外面に対し、光ファイバー軸線に対する入射角が鋭角になる傾斜面を有して光結合される励起光導波手段からなることを特徴とする。

本発明は、小径の光ファイバーを使用して小曲率で巻回してダブルクラッド構造のファイバーレーザを構成して装置自体を小型化することができる。

本発明は、コア断面に対して所要倍数（所要倍数は、１以上〜１０以下とする。）の面積比からなるクラッドが被覆形成された光ファイバーをほぼ円筒状で一重に巻回し、外側に第１クラッド部及び第２クラッド部を被覆形成すると共に第１クラッド部に対し、光ファイバー軸線に対する入射角が鋭角になる傾斜面を有した励起光導波手段を光結合することを最良の形態とする。

以下に実施形態を示す図に従って本発明を説明する。
図１〜図３において、レーザ出力装置１を構成する光ファイバー３は、Er、Yb、Nd、Bi、Pr等の希土類レーザ媒質がドープされたコア３ａの外周に、該コア３ａより光屈折率が低いクラッド３ｂが被覆形成され、例えば１５m〜３０m位の所要の長さからなる。該コア３ａは石英ガラス材、またクラッド３ｂは合成樹脂材からなり、コア３ａの断面に対してクラッド３ｂの断面が、望ましくは１〜１０倍の所要倍数の面積比からなる微細径に製造される。

上記光ファイバー３は、外周面に後述する第２クラッド部５の一部及び第１クラッド部１１の一部が被覆された金属パイプ等のボビン７の外周面に対し、軸線方向へ微小間隙を設けた状態で、ほぼ円筒状で一重に巻回される。そして光ファイバー３の一方端部にはFBG（Fiber Bragg Grating）や全反射ミラー等の全反射手段（図示せず）が、また他方端部にはFBGや半透過ミラー等の透過反射手段（図示せず）がそれぞれ設けられ、その内の一方端部側に位置する全反射手段は後述する光ファイバー３内部の励起レーザ光や励起レーザ光によりレーザ媒質から自然放出される自然放出光を内部に向って全反射する全反射機能を、また他方端部側に位置する透過反射手段は光ファイバー３内部の励起レーザ光や上記自然放出光を内部に向って全反射する一方、レーザ媒質から誘導放出されたレーザ光を出力レーザ光として透過する半透過機能を有している。

ボビン７の外周にほぼ円筒状で一重に巻回された光ファイバー３の外側には、第１クラッド部１１が所要の厚さで被覆形成されている。該第１クラッド部１１はクラッド３ｂと一致する光屈折率を有した熱硬化性樹脂または光（紫外線）硬化性樹脂からなり、光ファイバー３が巻回されたボビン７外周面に被覆形成した際に、ボビン７の外周面に予め被覆形成された第１クラッド部１１と一体化されると共に巻回された光ファイバー３相互の間隙内に充填される。

巻回された光ファイバー３の一部には励起光源１３が光結合されている。該励起光源１３はレーザ媒質を励起する所要波長の励起レーザ光を出力するレーザダイオード（以下、LDと称する。）１５と、一方端部がLD１５に光結合されると共に他方端部が第１クラッド部１１に光結合され、LD１５から出力された励起レーザ光を第１クラッド部１１内に導入させる励起光導波手段としての励起光導入光ファイバー１７から構成される。

励起光導入ファイバー１７の他方端部は、第１クラッド部１１に対する光結合端面が、光ファイバー３の光軸に対して第１クラッド部１１の光軸がほぼ平行に近い鋭角になる傾斜面１７ａに形成されている。また、傾斜面１７ａの先端部には切欠き部としての面取り部１７ｂが形成され、該先端部を所要の厚さにしている。

そして励起光導入光ファイバー１７は、第１クラッド部１１に対してその傾斜面１７ａが第１クラッド部１１の外面に対して密着するように接着固定される。尚、第１クラッド部１１に対して励起光導入光ファイバー１７を接着固定する際に、第１クラッド部１１の被接着面と傾斜面１７ａの間にマッチングオイルを塗布して両者間に空気が介在するのを回避すればよい。

励起光導入光ファイバー１７が接着固定された第１クラッド部１１には、該第１クラッド部１１より光屈折率が低い第２クラッド部５が、外面全体を囲むように被覆形成され、これら光ファイバー３、第１クラッド部１１及び第２クラッド部５によりダブルクラッドファイバーを構成している。該第２クラッド部５としては、第１クラッド部１１の光屈折率より低い光屈折率からなる熱硬化性樹脂または光（紫外線）硬化性樹脂により形成される。

また、第２クラッド部５としては、空気層、即ち第１クラッド部１１の外面を空気中に直接露出させる構成であってもよいが、その場合にあっては、第１クラッド部１１の外周面に埃等が付着した場合には、第１クラッド部１１内部を伝播する励起レーザ光が埃等の付着箇所にて全反射せずに外部に漏れ出してレーザ媒質の励起効率が悪くなる恐れがある。これを防止するため、第２クラッド部５を空気層とする場合には、レーザ出力装置１の設置環境をクリーンルーム等のように埃等が付着するおそれのない環境にすることが必要である。また、第２クラッド部５としては第１クラッド部１１の外周に金属薄膜等の反射被膜を直接成膜したり、コーティングしたものであってもよい。

次に、上記のように構成されたレーザ出力装置１によるレーザ光出力作用を説明する。
LD１５を発振駆動して励起レーザ光を第１クラッド部１１内に出力すると、入射した励起レーザ光は、第１クラッド部１１内を、第２クラッド部５との境界にて全反射を繰り返すことにより光ファイバー３の長手方向全体へ伝播しながらクラッド３ｂ及びコア３ａを通過してレーザ媒質に吸収されることにより励起して高準位化しながら光を自然放出させる。このとき、第１クラッド部１１に導入される励起レーザ光は、励起光導入光ファイバー１７の出力端面に形成された傾斜面１７ａにより光ファイバー３の光軸に対して励起レーザ光の入射光軸が平行に近い状態に導入されるため、第１クラッド部１１内部にて励起レーザ光が臨界角以下の角度で全反射させ一重円筒状に巻回された光ファイバー３の長手方向全体に亘って伝播させることができる。

また、傾斜面１７ａの先端部に面取り部１７ｂが形成されて肉厚状になっているため、励起光導入光ファイバー１７に対して外部の力が作用して湾曲させられた場合であっても、傾斜面１７ａの先端部が欠損するのを回避し、第１クラッド部１１に対して励起レーザ光を確実に導入させることができる。（図４参照）

そして第１クラッド部１１内を伝播する励起レーザ光がコア３ａを通過することによりドープされたレーザ媒質を励起して自然放出される光と共に励起レーザ光は、前反射半手段及び透過反射手段により反射させられることにより光ファイバー３内にて共振してレーザ媒質を励起して高準位化させる。

そして励起レーザ光や光がレーザ媒質に吸収されて所要の高準位に励起されると、レーザ媒質から放出される特定波長の光子が他のレーザ媒質に入射されることにより特定波長のレーザ光を誘導放出させることにより増幅されたレーザ光を出力させる。

上記したように透過反射手段は、レーザ媒質から誘導放出されるレーザ光に対して透過機能を有しているため、増幅されたレーザ光は、光ファイバー３の出力端から出力レーザ光として出力させる。

本実施例は、光ファイバー３の外周に第１クラッド部１１、該第１クラッド部１１の外側に第２クラッド部５を設けることによりダブルクラッド構造のファイバーレーザを構成し、しかも光ファイバー３自体を細径化することができるため、小径のボビン７外周に対して巻回することができ、レーザ出力装置１を小型化することができる。

また、小径の光ファイバー３を使用するにも拘らず、第１クラッド部１１に導入される励起レーザ光によりレーザ媒質を効率的に励起して特定波長のレーザ光を出力させることができる。

更に、第１クラッド部１１に対して励起レーザ光を、光ファイバー３の光軸に対してほぼ平行に近い鋭角で導入させることにより、導入された励起レーザ光を第１クラッド部１１内で確実に全反射させることができ、レーザ媒質を効率的に励起して特定波長のレーザ光を出力させることができる。その際、第１クラッド部１１に対して励起レーザ光を上記した角度で入射させるために、励起光導入ファイバー１７の先端部に傾斜面１７ａを形成することにより傾斜面１７ａの先端が鋭利になって欠損し易くなって第１クラッド部１１に対して励起レーザ光を確実に導入させることが困難になる恐れがあるが、本実施例においては、傾斜面１７ａの先端部に面取り部１７ｂを形成して肉厚状にすることにより先端部が欠損し易くなるのを回避することができる。これにより第１クラッド部１１に対して励起レーザ光を効率的に導入させることができる。

図５において、レーザ出力装置７１を構成する光ファイバー３が巻回されるボビン７３は軸腺直交方向断面が小判形からなり、その外周面には第２クラッド部５及び第１クラッド部１１の一部が全体に亘って被覆形成されている。そして第１クラッド部５の外周面には所要長さの光ファイバー３が、軸線方向に対して微小間隔を設けた状態で、一重に巻回されている。従って、ボビン７３に巻回された光ファイバー３は、直線部３ｃと曲線部３ｄを有した状態で巻回される。

ボビン７３の外周に一重巻回された光ファイバー３の外面には第１クラッド部１１が、実施例１と同様の所要の関係で被覆形成されている。そして光ファイバー３の直線部３ｃ又は適宜本数おきの直線部３ｃ（図５においては、巻回された光ファイバーの２本おきとする。）に応じた第１クラッド部１１の外面には励起光導入光ファイバー１７の他端部に形成された傾斜面１７ａが、光ファイバー３の光軸に対して各励起光導入光ファイバー１７の光軸が平行に近い鋭角になるようにそれぞれ光結合される。

各直線部３ｃに応じた第１クラッド部１１に励起光導入光ファイバー１７がそれぞれ光結合された第１クラッド部１１の外面には第２クラッド部５が第１クラッド１１の外面全体を覆うように形成されている。

一方、各励起光導入光ファイバー１７の一方端部には基板７５に取付けられた複数のLD１５が、対応するそれぞれの励起光導入光ファイバー１７に対して励起レーザ光を導入するように取付けられている。

本実施例は、一重でほぼ小判状に巻回された光ファイバー３の各直線部３ｃ又は適宜本数おきの直線部３ｃに応じた第１クラッド部１１に複数本の励起光導入光ファイバー１７を光結合することにより第１クラッド部１１の内部に大容量の励起レーザ光を導入させてレーザ媒質を励起させることにより大出力のレーザ光を出力させることができることを特徴とする。

このように直線部３ｃに応じた箇所の第１クラッド部１１がほぼ平面状になっているため、第１クラッド部１１に対して各励起光導入光ファイバー１７の傾斜面１７ａを平面状態で密着させた状態で光結合することかでき、実施例１のように光ファイバー３の湾曲箇所に応じた第１クラッド部１１に対して励起光導入ファイバー１７の傾斜面１７ａを光結合する場合に比べ、第１クラッド部１１内に導入される励起レーザ光が光結合箇所から外部へ漏れ出すのを低減し、LD１５からの励起レーザ光を第１クラッド部１１内へ効率的に導入させてレーザ媒質を励起させることができる。

尚、実施例２における他の構成及び作用に付いては、実施例１と同様であるため、実施例１と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

レーザ出力装置の概略を示す斜視図である。図１におけるＡ−Ａ線縦断面図である。第１クラッド部による励起用光ファイバーの光結合状態を示す説明図である。第１クラッド部に対する励起レーザ光の導入状態を示す説明図である。実施例２に係るレーザ出力装置の概略を示す斜視図である。

符号の説明

１レーザ出力装置
３光ファイバー
３ａコア
３ｂクラッド
５第２クラッド部
１１第１クラッド部
１３励起光源
１５ LD
１７励起光導波手段としての励起光導入光ファイバー
１７ａ傾斜面
１７ｂ切欠き部としての面取り部

Claims

コアにレーザ媒質がドープされると共に該コアの外周に、該コアより光屈折率が低く、コア断面に対して所要倍数（所要倍数は、１以上〜１０以下とする。）の面積比からなるクラッドが被覆形成され、ほぼ円筒状で一重に巻回された光ファイバーと、該光ファイバーの外側に被覆形成され、クラッドと一致する屈折率の第１クラッド部と、該第１クラッド部の外面に設けられる第２クラッド部と、一端部に励起光源が光結合されると共に他端部に、第１クラッド部の外面に対し、光ファイバー軸線に対する入射角が鋭角になる傾斜面を有して光結合される励起光導波手段とからなるレーザ出力装置。
請求項１において、励起光導波手段の他端部に形成された傾斜面は、先端部に切欠き部が形成されて肉厚状としたレーザ出力装置。
請求項１において、第１クラッド部に対する励起光導波手段の光結合箇所は、ほぼ直線部としたレーザ出力装置。
請求項１の第１クラッド部は、ほぼ円筒状で一重に巻回された光ファイバーの外周に、クラッドと光屈折率が一致する合成樹脂により被覆形成したレーザ出力装置。
請求項１において、ほぼ円筒状で一重に巻回された光ファイバーの外周に、クラッドと一致する光屈折率の合成樹脂により第１クラッド部及び該第１クラッド部の外面に、第１クラッド部より光屈折率が低い合成樹脂の第２クラッド部を被覆形成したレーザ出力装置。
請求項１の第２クラッドは、第１クラッド部の外面に光反射層を被覆形成したレーザ出力装置。
請求項１は、第１クラッド外面の複数個所に複数本の励起光導波手段を光結合して励起レーザ光を入射可能にしたレーザ出力装置。
請求項１において、光ファイバーの一方端部に全反射手段及び他方端部に透過反射手段を設け、光ファイバー内部にてレーザ媒質から放出される光を共振可能にしたレーザ出力装置。
請求項１において、光ファイバーは一部に直線部を有した小判状に一重巻回され、直線部に励起光導波手段を光結合したレーザ出力装置。