JP2008117890A

JP2008117890A - ファイバーレーザ

Info

Publication number: JP2008117890A
Application number: JP2006298788A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tamai; 慎一玉井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】光学部品の点数を減らし、光学部品のアライメントを容易にし、励起光と光ファイバーを結合するための光軸合わせも容易にしたファイバーレーザを提供する。
【解決手段】ファイバーレーザは、半導体レーザ１、コリメートレンズ２、集光レンズ３、光ファイバー６で構成されている。光ファイバー６は、コア８とクラッド７で構成され、光ファイバー６の両端面断面には、金属薄膜４１、５１が直接形成されている。金属薄膜４１、５１は、共振器ミラーとして機能するもので、光ファイバー６と金属薄膜４１、５１で共振器構造を構成する。また、金属薄膜４１、５１の代わりに誘電体多層膜等を用いても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバーレーザに関し、特にレーザ共振器構造に関する。

従来、ファイバーレーザは、図７のように、半導体レーザ３１、コリメートレンズ３２、集光レンズ３３、反射ミラー３４、３５、光ファイバー３６等から構成されている（例えば、特許文献１参照）。反射ミラー３４、光ファイバー３６、反射ミラー３５で共振器を構成している。ここで、反射ミラー３４、３５は、共振器ミラーとして機能している。

半導体レーザ３１は励起光源として使用され、反射ミラー３４及び３５は特定の波長の光を反射するように形成されている。光ファイバー３６の内部は、円柱形状のコア３８と、コア３８を覆うように形成されるクラッド３７とで構成されている。コア３８には、蛍光体が添加してある。

このようなファイバーレーザでは、半導体レーザ３１から出射された励起光はコリメートレンズ３２で平行光にされた後、集光レンズ３３により励起光が集光されて、光ファイバー３６の内部に入射される。入射された励起光は、光ファイバー３６内部を導波モードで伝搬するが、伝搬する間に入射した励起光によってコア３８に添加された蛍光体が励起し、遷移によって蛍光が生じる。

この蛍光が、光ファイバー３６の両端面に配置された反射ミラー３４と３５の間で共振してレーザ発振を引き起こす。そして、反射ミラー３５から特定波長のレーザ光が出射される。

特定波長のレーザ光を生成する例として、例えば、希土類Ｐｒ３＋とＹｂ３+をコア３８に添加した光ファイバ３６に励起光として赤外光８５０ｎｍを入射し、青、緑、橙、赤色のレーザ光を得ることが知られている。

例えば、赤色のレーザ光を生成したい場合には、図７の反射ミラー３４を、例えば半導体レーザ３１からの波長８５０ｎｍを透過し、全ての可視光(青色から赤色まで)を全反射するように設計し、反射ミラー３５を赤波長６３５ｎｍのみを一部反射及び一部透過し、他の波長をすべて透過するように設計する。これにより、赤波長６３５ｎｍが反射ミラー３４と反射ミラー３５との間で共振するため、反射ミラー３５からは赤波長６３５ｎｍのレーザ光が得られる。
特開２００５−１０９０３６号公報

しかし、上記従来のファイバーレーザでは、半導体レーザ３１から出力される励起光と光ファイバー３６とのカップリングのためのレンズや、共振器を構成する反射ミラー３４、３５等の多くの光学部品が必要で、アライメントが複雑になり、また、励起光と光ファイバーを結合するための光軸合わせが困難になるという問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、光学部品の点数を減らし、光学部品のアライメントを容易にし、励起光と光ファイバーを結合するための光軸合わせも容易にしたファイバーレーザを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光ファイバーを有する共振器構造を備えたファイバーレーザであって、前記光ファイバーの少なくとも一方の端面に共振器ミラーとして金属薄膜が直接形成されていることを特徴とするファイバーレーザである。

また、請求項２記載の発明は、光ファイバーを有する共振器構造を備えたファイバーレーザであって、前記光ファイバーの少なくとも一方の端面側に共振器ミラーとして屈折率が互いに異なる複数の媒質層の周期構造を形成したことを特徴とするファイバーレーザである。

また、請求項３記載の発明は、前記複数の媒質層の周期構造が、誘電体多層膜により構成されていることを特徴とする請求項２記載のファイバーレーザである。

また、請求項４記載の発明は、前記複数の媒質層の周期構造は、前記光ファイバー内部に配置されたコアの少なくとも一方の端面に形成されたコア薄膜と互いに隣接する該コア薄膜に挟まれた空気層とで形成されていることを特徴とする請求項２記載のファイバーレーザである。

本発明の第１の構造によれば、光ファイバーの少なくとも一方の端面に、金属薄膜を直接形成し、この金属薄膜を共振器ミラーとして用いており、従来のように共振器ミラーとして光学部品を使用していないので、光学部品の点数を減らすことができ、光学部品のアライメントを容易にし、励起光と光ファイバーを結合するための光軸合わせも容易にすることができる。

また、本発明の第２の構造によれば、光ファイバーの少なくとも一方の端面側に、屈折率が互いに異なる複数の媒質層の周期構造を形成し、この複数の媒質層の周期構造を共振器ミラーとして用いており、従来のように光学部品を使用していないので、光学部品の点数を減らすことができ、光学部品のアライメントを容易にし、励起光と光ファイバーを結合するための光軸合わせも容易にすることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１に、本発明のファイバーレーザの第１の構造を示す。ファイバーレーザは、半導体レーザ１、コリメートレンズ２、集光レンズ３、光ファイバー６で構成されている。

光ファイバー６は、蛍光を導波するコア８と、導波する蛍光をコア８の内部に閉じ込めるととも、励起光等を導波させるクラッド７で構成され、光ファイバー６の両端面断面には、金属薄膜４１、５１が直接形成されている。コア８には、蛍光を得るための蛍光体が添加されている。金属薄膜４１、５１は、共振器ミラーとして機能するもので、光ファイバー６と金属薄膜４１、５１で共振器構造を構成する。

金属薄膜４１、５１の形成方法は、まず、光ファイバー６の端面をへき開し、垂直な面を形成しておく。このへき開された垂直な面全体にスパッタ等で、金属薄膜４１、５１をコア８及びクラッド７の端面に接触するように蒸着して形成する。

以上のように構成されたファイバーレーザの動作を簡単に説明する。半導体レーザ１から出射された励起光はコリメートレンズ２で平行光にされた後、集光レンズ３により励起光が集光されて、光ファイバー６の内部に入射される。入射された励起光は、光ファイバー６内部を導波モードで伝搬するが、伝搬する間に入射した励起光によってコア３８に添加された蛍光体が励起し、遷移によって蛍光が生じる。この蛍光が光ファイバー６の右側端面に到達すると、金属薄膜５１で特定波長帯の光が反射されて光ファイバー６内部を逆方向に進行し、光ファイバー６の左側端面に到達すると、金属薄膜４１に反射されて、再び右方向へ導波していき反射が繰り返される。このようにして、金属薄膜４１、５１の間で共振してレーザ発振を引き起こし、特定波長のレーザ光が出力される。

一般に金属には光を反射する性質があるが、金属の種類によって反射させる光の波長領域が異なるので、その性質を利用する。具体例として金属薄膜４１、５１にＡｕ薄膜を用いた場合は、以下のように出力光が得られる。半導体レーザ１の励起光を波長４４０ｎｍとし、また、蛍光体としてＰｒがドープされたコア８を用いる。この場合、４４０ｎｍ励起光がＰｒに吸収されて蛍光を発し、この蛍光は青色光以外の光（緑色光〜赤色光まで）となる。Ａｕ薄膜は、青色光は完全に透過させ、緑色光付近を高反射させる性質がある。したがって、５２２ｎｍの波長光が共振して、レーザ発振を起こし、金属薄膜５１側から取り出される。

図２に、本発明のファイバーレーザの第２の構造を示す。図１と同じ符号を記しているのは、同じ構成を表し、その部分の説明は省略する。光ファイバー６の両端面に、屈折率が互いに異なる複数の媒質層の周期構造の一種として、誘電体多層膜４２、５２が直接形成され、これらは共振器ミラーの役割を果たす。誘電体多層膜４２、５２は、屈折率が互いに異なる第１誘電体薄膜と第２誘電体薄膜とを交互に積層した構造となっており、この第１誘電体薄膜と第２誘電体薄膜との積層構造として、例えば、ＧｄＦ_３／ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２等が用いられる。また、コア８の材料がフッ化物ガラス、酸化物ガラス等が用いられるが、その材料に応じ、格子定数と熱膨張率を考慮して誘電体多層膜に使用する誘電体材料を選択する。

ここで、誘電体多層膜４２、５２は、ブラッグ反射層（ＤＢＲ層）とも言われるもので、特定の波長に対しある入射角においてブラッグ反射の条件を満足するように反射面を一定間隔で蓄積し、反射光の干渉を利用して反射光強度を強め、高反射率の実現を目指したものである。

誘電体多層膜４２、５２は、第１誘電体薄膜と第２誘電体薄膜とで構成される複数の界面からの反射光同士の干渉現象を利用するもので、異なる界面から反射されてくる光の位相を３６０度ずらせるようにして、互いに強め合うようにし、反射光の強度をきわめて高くするものである。このように動作させるためには、第１誘電体薄膜の屈折率をｎ１、第２誘電体薄膜の屈折率をｎ２とし、レーザ共振を発生させる光の波長をλとすると、第１誘電体薄膜の膜厚は、λ／ｎ１、第２誘電体薄膜の膜厚は、λ／ｎ２で決定される。

誘電体多層４２、５２の形成方法は、図１と同様に、まず、光ファイバー６の端面をへき開し、垂直な面を形成しておく。このへき開された垂直な面にスパッタ等で、誘電体多層膜４２、５２をコア８及びクラッド７の端面に接するように蒸着して形成する。

具体例として、半導体レーザ１の励起光を波長４１０ｎｍとし、蛍光体としてＴｂがドープされたコア８を用いる。この場合、４１０ｎｍ励起光がＴｂに吸収されて蛍光を発し、その蛍光波長は５１０ｎｍとなる。誘電体多層膜４２、５２は、５１０ｎｍ付近の波長を高反射させ、他の波長は通過させるように作製しておくと、上記５１０ｎｍの波長光が共振してレーザ発振を起こし、誘電体多層膜５２側から取り出される。

図３は、本発明のファイバーレーザの第３の構造を示す。図１、２と同じ符号を記しているのは、同じ構成を表し、その部分の説明は省略する。第３の構造では、光ファイバーの一方の端面に誘電体多層膜４２を直接形成し、他方の端面に金属薄膜５１を直接形成しており、図１と図２の構造を合わせた構成となっている。

具体例として、半導体レーザ１の励起光を波長４４０ｎｍとし、金属薄膜５１にＣｕ薄膜を用い、蛍光体としてＰｒがドープされたコア８を用いる。この場合、４４０ｎｍ励起光がＰｒに吸収されて蛍光を発し、この蛍光は青色光以外の光（緑色光〜赤色光まで）となる。Ｃｕ薄膜は、可視光（赤色、緑色、青色）をすべて高反射させる性質がある。したがって、誘電体多層膜４２も、可視光をすべて高反射させるように作製しておけば、励起光とＰｒからの蛍光とがともに共振してレーザ発振を起こし、白色光が金属薄膜５１側から取り出される。

図４は、本発明のファイバーレーザの第４の構造を示す。図１〜３と同じ符号を記しているのは、同じ構成を表し、その部分の説明は省略する。図４は、図１〜３の構成とは異なり、光ファイバーの端面に金属薄膜や誘電体多層膜を積層するのではなく、光ファイバー内のコアに、互いに異なる複数の媒質層の周期構造を形成したことが特徴となっている。

光ファイバー６の内部に配置されたコア８の両端に、ＤＢＲパターン８ａ、８ｂが形成されている。ＤＢＲパターン８ａ、８ｂは、コア８の端部に形成された溝１１を有しており、溝１１の内部に存在する空気層とこの溝１１を挟んで切り分けられたコア薄膜１０とによって、屈折率が互いに異なる複数の媒質層の周期構造を構成している。

溝１１の作製については、紫外線等を用いて図４に示すようにコア８の長手方向（光の導波方向）に対して垂直方向に縦溝１１をいくつか形成する。溝１１内の空気層と屈折率が異なるコア薄膜１０とが交互に並ぶことになり、ＤＢＲパターン８ａ、８ｂが形成される。このようなＤＢＲパターンは、図２の誘電体多層膜（ＤＢＲ層）と同様の作用を有しており、溝１１内の空気層の屈折率をｎ３、コア薄膜１０の屈折率をｎ４とし、レーザ共振を発生させる光の波長をλとすると、第１誘電体薄膜の膜厚は、λ／ｎ３、第２誘電体薄膜の膜厚は、λ／ｎ４で決定される。

次に、図５は、図１〜４と基本的な構成は同じであるが、予備の励起用ＬＥＤを備えたファイバーレーザを示す。図１〜４と同じ符号を記しているのは、同じ構成を表す。また、図示はしていないが、光ファイバー６の内部は、図１〜４に示される構造と同様、蛍光を導波するコアとそれを覆うクラッドとで構成されている。共振器ミラー構造４、５は、図１〜４に示された金属薄膜、又は屈折率が互いに異なる複数の媒質層の周期構造のいずれかで構成される。

そして、図１と異なるのは、補助用の励起用ＬＥＤ９が、光ファイバー６の側面に複数配置されていることである。この励起用ＬＥＤ９からの光の波長は、半導体レーザ１からの励起光の波長と同じになるように構成されている。

図１の構成では、半導体レーザ１からのレーザ光が、励起光となるが、この励起光だけでは、コア８にドープされた蛍光体からの十分な蛍光を得られない場合に有効であり、図５の複数の励起用ＬＥＤ９によって、コア８にドープされた蛍光体からの蛍光量を増加させることができる。

図６は、光ファイバーを直線状ではなく、円形状に巻いた構造としたファイバーレーザを示す。共振器ミラー構造４、５は、図１〜４に示された金属薄膜、又は屈折率が互いに異なる複数の媒質層の周期構造のいずれかで構成される。光ファイバー２０は、円形状に巻き回されており、その外周部分に補助用の励起用ＬＥＤ２５が複数配置されている。図示はしていないが、光ファイバー２０の内部は、図１〜図４に示される構造と同様、蛍光を導波するコアとそれを覆うクラッドとで構成されている。

また、励起用ＬＥＤ２５からの光の波長は、半導体レーザ１からの励起光の波長と同じになるように構成されている。この場合、図５と同様、複数の励起用ＬＥＤ２５によって、光ファイバー２０のコアにドープされた蛍光体からの蛍光量を増加させることができるので、レーザ出力を高めることができる。また、光ファイバーを直線状ではなく、円形状に巻きつけることにより、ファイバーレーザの装置構成をコンパクトにすることができる。

なお、以上のいずれの実施例においても、コア８への蛍光体のドープ量は、コアを形成する材料に対して約１Ｗｔ％としている。また、コア８の径は、数μｍ程の大きさであり、シングルモードファイバーでは、例えば５〜６μｍ程度に形成される。クラッド７も含めた光ファイバー６、２０の全体径は、共振器ミラーとして金属薄膜や誘電体多層膜の成膜を行う場合、成膜の行いやすさを考えれば、１００μｍ以上とするのが望ましい。また、光ファイバー６、２０の長さは、レーザ発振を行わせるためには、３０ｃｍ以下に形成するのが好ましく、半導体レーザ１からの励起光の近視野像（ＮＦＰ：Near Field Pattern）が、コア８の径より小さい方が好ましい。

本発明のファイバーレーザの第１の構造を示す図である。本発明のファイバーレーザの第２の構造を示す図である。本発明のファイバーレーザの第３の構造を示す図である。本発明のファイバーレーザの第４の構造を示す図である。ファイバーレーザの変形実施例を示す図である。ファイバーレーザの変形実施例を示す図である。従来のファイバーレーザの構造を示す図である。

符号の説明

１半導体レーザ
２コリメートレンズ
３集光レンズ
４共振器ミラー構造
５共振器ミラー構造
４１金属薄膜
４２誘電体多層膜
５１金属薄膜
５２誘電体多層膜
６光ファイバー
７クラッド
８コア
８ａＤＢＲパターン
８ｂＤＢＲパターン
１０コア薄膜
１１溝

Claims

光ファイバーを有する共振器構造を備えたファイバーレーザであって、
前記光ファイバーの少なくとも一方の端面に、共振器ミラーとして金属薄膜が直接形成されていることを特徴とするファイバーレーザ。
光ファイバーを有する共振器構造を備えたファイバーレーザであって、
前記光ファイバーの少なくとも一方の端面側に、共振器ミラーとして屈折率が互いに異なる複数の媒質層の周期構造を形成したことを特徴とするファイバーレーザ。
前記複数の媒質層の周期構造は、誘電体多層膜により構成されていることを特徴とする請求項２記載のファイバーレーザ。
前記複数の媒質層の周期構造は、前記光ファイバー内部に配置されたコアの少なくとも一方の端面に形成されたコア薄膜と互いに隣接する該コア薄膜に挟まれた空気層とで形成されていることを特徴とする請求項２記載のファイバーレーザ。