JP2008205161A - ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】増幅光の出力低下及びファイバの発熱を抑制し得るファイバレーザの提供。
【解決手段】希土類元素が添加されたコア部を有する希土類添加ダブルクラッドファイバと、該希土類添加ダブルクラッドファイバのコア部に信号光を入射する手段と、該希土類添加ダブルクラッドファイバの内側クラッド部に信号光と波長の異なる励起光を入射する手段とを有し、該希土類ダブルクラッドファイバの一端から信号光及び励起光を入射し、他端から信号光の波長のレーザ発振された光を出力する機構を有するファイバレーザにおいて、信号光及び励起光が結合した位置と、前記希土類添加ダブルクラッドファイバの入射端との間に、希土類元素が添加されていないダブルクラッドファイバを配したことを特徴とするファイバレーザ。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号光の高次モードを除去する機能を備えたファイバーレーザに関する。本発明のファイバレーザは、主として金属、半導体などのマーカ装置等に使用されるファイバレーザ装置において好適である。

近年、希土類添加光ファイバを用いたファイバレーザが注目を集めている。
ファイバレーザに関しては、すでに多くの発明が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、ファイバレーザ装置などにおいて、クラッドポンピングを行うために、励起光を信号光と結合するマルチポートカプラ等のデバイスは、特許文献２等にその例が記載されている。
特開平５−２７５７９２号公報 特許第３４１５４４９号公報

高いパワーのパルス光を出力するファイバレーザは一般に、まずパワーの低いパルスを生成し、その後、希土類添加ダブルクラッドファイバで、パワーの低いパルスを励起光と結合、増幅させ、高いパワーのパルスを得る。この時、希土類添加ダブルクラッドファイバのコア径は概ね２０μｍ以上となる。

ところで、パワーの低いパルスを生成する光回路には、使用する光部分との相性を考慮し、一般的なファイバが使用される。このファイバコア径は概ね４〜９μｍ程度である。
さらに、このファイバが励起光と結合するマルチポートカプラ等においては、特許文献２に記載された例でも分かるように、コア径が減少する方向へ変形することになる。
このとき、接続先のファイバとモードフィールド径を一致させる方法については、同文献中にも開示されている。

しかしながら、このようにコア径が極端に異なるファイバ同士を接続する場合、モードフィールド径を一致させたとしても、接続点において基本モード以外の高次モードの発生を完全に抑えることは難しい。
そして、一旦高次モードの光が発生し、希土類添加ダブルクラッドファイバ内で励起光と結合すると、高次モードの光も増幅されることになる。

ここで、高次モードの光は、基本モードの光と比べると、ファイバの曲げによる損失が大きいため、通常は出力端までは到達せず、途中でファイバの外へ漏れ、熱に変化する。
結局、発生した高次モードの増幅に励起光が使われ、かつその増幅された光は出力されないため、ファイバレーザ全体としての出力は低下し、また、増幅された高次モードの光が曲げ損失により熱に変化するため、希土類添加ファイバ周辺の発熱は大きくなる、という現象が起きる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、増幅光の出力低下及びファイバの発熱を抑制し得るファイバレーザの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、希土類元素が添加されたコア部と、前記コア部の外周を取り囲む内側クラッド部と、内側クラッド部の外周を取り囲む外側クラッド部からなり、該コア部の屈折率は内側クラッド部の屈折率よりも高く、該内側クラッド部の屈折率は外側クラッド部の屈折率より高い、希土類添加ダブルクラッドファイバと、該希土類添加ダブルクラッドファイバのコア部に信号光を入射する手段と、該希土類添加ダブルクラッドファイバの内側クラッド部に信号光と波長の異なる励起光を入射する手段とを有し、該希土類ダブルクラッドファイバの一端から信号光及び励起光を入射し、他端から信号光の波長のレーザ発振された光を出力する機構を有するファイバレーザにおいて、
信号光及び励起光が結合した位置と、前記希土類添加ダブルクラッドファイバの入射端との間に、希土類元素が添加されていないダブルクラッドファイバを配したことを特徴とするファイバレーザを提供する。

本発明のファイバレーザにおいて、前記希土類が添加されていないダブルクラッドファイバは、基本モード以外のモードの損失が１０ｄＢ／ｍ以上となる曲率で曲げられていることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、前記希土類添加ダブルクラッドファイバと、前記希土類が添加されていないダブルクラッドファイバは、コア部、内側クラッド部、外側クラッド部の直径、屈折率が略等しいことが好ましい。

本発明のファイバレーザは、信号光及び励起光が結合した位置と、前記希土類添加ダブルクラッドファイバの入射端との間に、希土類元素が添加されていないダブルクラッドファイバを配した構成としたことによって、高次モードの発生を抑えることができ、同一の励起光パワーで増幅を行った場合に効率良く信号光の増幅が行われ、効率良くレーザ出力を得ることができる。また、ファイバの発熱も抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明のファイバレーザの一実施形態を示す構成図である。図１中、符号１は信号光源、２は励起光源、３はマルチポートカプラ、４は希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ、５は接続点、６は希土類添加ダブルクラッドファイバ、７はコリメータである。

本実施形態のファイバレーザは、信号光源１と複数の励起光源２と、これらの光源が各ポートに接続されたマルチポートカプラ３と、該マルチポートカプラ３の出力側に一端（入射端）が融着接続された希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ４と、この希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ４の他端（出射端）と接続点５において一端（入射端）が接続された希土類添加ダブルクラッドファイバ６と、この希土類添加ダブルクラッドファイバ６の出力側に接続されたコリメータ７とから構成されている。本実施形態のファイバレーザは、信号光及び励起光が結合した位置、すなわちマルチポートカプラ３の出力側と、希土類添加ダブルクラッドファイバ６の入射端との間に、希土類元素が添加されていないダブルクラッドファイバ４を配したことを特徴としている。

本実施形態のファイバレーザにおいて用いる希土類添加ダブルクラッドファイバ６としては、Ｙｂ（イッテルビウム）などの適当な希土類元素が添加されたコア部と、前記コア部の外周を取り囲む内側クラッド部と、内側クラッド部の外周を取り囲む外側クラッド部とからなり、該コア部の屈折率は内側クラッド部の屈折率よりも高く、該内側クラッド部の屈折率は外側クラッド部の屈折率より高い構造を有している。希土類添加ダブルクラッドファイバ６のコア径は、２０μｍ以上であることが好ましい。

本実施形態のファイバレーザにおいて用いる希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ４としては、希土類添加ダブルクラッドファイバ６とコア部、内側クラッド部、外側クラッド部の直径、及び各部の屈折率が略等しいものであることが好ましい。

信号光と励起光は、マルチポートカプラ３を用いて結合され、その後、希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ４へと結合され、さらにその後、希土類添加ダブルクラッドファイバ６へと伝播する。

希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ４では、励起光による信号光の増幅は行われず、信号光、励起光のそれぞれがダブルクラッドファイバ４内を独立にファイバ内を進行するため、信号光と励起光の結合デバイス（マルチポートカプラ３）と、ダブルクラッドファイバの接続点において発生した高次モードの光も増幅されることはない。希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ４が、概ね２〜１０ｍ程度あれば、この高次モードの光は伝播することができず、消失する。

ここで、希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ４は、基本モード以外のモードの損失が１０ｄＢ／ｍ以上となる曲率で曲げられていると、さらに有効である。例えば、基本モード以外のモードの損失が１０ｄＢ／ｍ以上であれば、希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ４が３ｍ程度あれば、基本モード以外の光のパワーは１／１０００にまで低減されるので、その後の影響はほとんど無視できる程度になる。

高次モードが失われた後、希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ４と、希土類添加ダブルクラッドファイバ６とが接続点５において融着接続されるが、ここで、希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ４と希土類添加ダブルクラッドファイバ６の、コア部、内側クラッド部、外側クラッド部の直径、屈折率が略等しければ、接続点５における高次モードの発生はほぼ無視できる大きさとなる。ここで、直径、屈折率が略等しいというのは、通常の製法で同一の直径、屈折率のファイバを製造しようとした際に生じる、製造ばらつきによる差以下であることを意味する。

希土類添加ファイバ６内で、信号光は励起光により増幅されるが、高次モードの光が発生していないため、増幅は有効に行われ、曲げによりファイバ外部へ漏れる光も極めて小さくなるため、発熱も小さく抑えることが可能になる。

一例として、波長１０６４ｎｍの信号光、波長９１５ｎｍの励起光を用い、また希土類添加ダブルクラッドファイバ６として、コアにＹｂ（イッテルビウム）がドープされたダブルクラッドファイバであるＹｂドープファイバを用いて、信号光が励起光によって増幅されるファイバレーザの例を考える。信号光源１から出射された信号光は、Ｙｂドープファイバ６のコアに入射され、励起光源２から出射された励起光は、マルチポートカプラ３を介しダブルクラッドファイバ６の内側クラッド部から入射され、コア部に送られることで、信号光が増幅される。増幅された信号光は、コリメータ７等を介してレーザ光として出射される。ここで、信号光は繰り返し周波数１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度のパルスである。信号光を出力した後、励起光源２の出力をＯＮの状態にすることで、ファイバレーザ装置よりレーザ出力を得ることができる。例えばレーザマーカ装置に使用するファイバレーザ装置の場合、励起光源２のパワーは３０〜１００Ｗ程度、ファイバレーザ出力のパワーは１０〜３０Ｗ程度である。

以下の実施例により本発明を詳細に説明するが、以下の実施例は本発明の単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

［実施例１］
図１に示した系を用い、信号光の波長を１０６４ｎｍ、励起光の波長を９１５ｎｍとし、希土類添加ダブルクラッドファイバにコア径２０μｍのＹｂドープファイバ６を使用し、ファイバレーザを作製し、収納ケースに収納した。
マルチポートカプラ３とＹｂドープファイバ６の間には、Ｙｂがドープされていないダブルクラッドファイバであるノンドープファイバ４を挟んで接続した。
マルチポートカプラ３とノンドープファイバ４の接続点での信号光の損失は４．８ｄＢ、ノンドープファイバ４とＹｂドープファイバ６の接続点５での損失は０．３ｄＢであった。
信号光として繰り返し周波数を５０ｋＨｚ、平均出力８０ｍＷの光を用い、３０Ｗの励起光によって増幅したところ、平均出力１０．８Ｗのファイバレーザ出力を得た。室温で１時間の運転の後、Ｙｂドープファイバ６周辺の温度は約３８℃であった。

［比較例１］
図２に示した系を用い、信号光の波長を１０６４ｎｍ、励起光の波長を９１５ｎｍとし、希土類添加ダブルクラッドファイバにコア径２０μｍのＹｂドープファイバ６を使用し、ノンドープファイバを用いないでファイバレーザを作製した。収納ケースは実施例１と同様のケースを使用した。
マルチポートカプラ３とＹｂドープファイバ６は、直接融着により接続した。マルチポートカプラ３とＹｂドープファイバ６の信号光の損失は４．６ｄＢであった。
信号光として繰り返し周波数を５０ｋＨｚ、平均出力８０ｍＷの光を用い、３０Ｗの励起光によって増幅し、平均出力９．２Ｗのファイバレーザ出力を得た。室温で１時間の運転の後、Ｙｂドープファイバ６周辺の温度は約７０℃であった。

前述した実施例１又は比較例１のファイバレーザ及び運転条件を基本とし、励起光の波長、信号光の波長、ノンドープファイバの有無、及び有りの場合の長さ、Ｙｂドープファイバの長さを適宜変更し、表１の装置Ｎｏ．１〜９に示す各種ファイバレーザを作製し、実施例１と同様に運転して、各部の接続損失、レーザ出力及びファイバの温度を測定した。結果を表１に記す。なお、表１中、ノンドープファイバを用いている装置Ｎｏ．３〜６及び８〜９の装置が本発明に係る実施例であり、ノンドープファイバを用いていない装置Ｎｏ．１，２及び７が比較例である。

表１の結果から、ノンドープファイバを用いていない比較例（装置Ｎｏ．１，２及び７）と比べ、ノンドープファイバを用いている実施例（装置Ｎｏ．３〜６及び８〜９）の装置は、レーザ平均出力が高くなり、且つＹｂドープファイバ周辺の温度が低下していることがわかる。

本発明のファイバレーザの一実施形態を示す構成図である。 比較例としたファイバレーザの構成図である。

符号の説明

１…信号光源、２…励起光源、３…マルチポートカプラ、４…希土類が添加されていないダブルクラッドファイバ（ノンドープファイバ）、５…接続点、６…希土類添加ダブルクラッドファイバ（Ｙｂドープファイバ）、７…コリメータ。

Claims (3)

1. 希土類元素が添加されたコア部と、前記コア部の外周を取り囲む内側クラッド部と、内側クラッド部の外周を取り囲む外側クラッド部からなり、該コア部の屈折率は内側クラッド部の屈折率よりも高く、該内側クラッド部の屈折率は外側クラッド部の屈折率より高い、希土類添加ダブルクラッドファイバと、該希土類添加ダブルクラッドファイバのコア部に信号光を入射する手段と、該希土類添加ダブルクラッドファイバの内側クラッド部に信号光と波長の異なる励起光を入射する手段とを有し、該希土類ダブルクラッドファイバの一端から信号光及び励起光を入射し、他端から信号光の波長のレーザ発振された光を出力する機構を有するファイバレーザにおいて、
   信号光及び励起光が結合した位置と、前記希土類添加ダブルクラッドファイバの入射端との間に、希土類元素が添加されていないダブルクラッドファイバを配したことを特徴とするファイバレーザ。
2. 前記希土類が添加されていないダブルクラッドファイバは、基本モード以外のモードの損失が１０ｄＢ／ｍ以上となる曲率で曲げられ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。
3. 前記希土類添加ダブルクラッドファイバと、前記希土類が添加されていないダブルクラッドファイバは、コア部、内側クラッド部、外側クラッド部の直径、屈折率が略等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載のファイバレーザ。

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