JP2008258422A - ファイバレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス幅を任意に決めることができ、装置構成の簡単なファイバレーザ発振器を提供する。
【解決手段】
出射ミラー１２とリアミラー２とからなる共振器内部に、希土類元素を添加したファイバ６と、Ｑスイッチ素子３と、波長変換を行う波長変換素子１１と、波長変換素子１１へ入射するレーザ径を変換するレーザ径変換機構９を設置する。出射ミラー１２は、ファイバレーザ基本波Ｌ１を全反射し、変換光Ｌ３を透過するコーティングが施されており、波長変換素子１１で波長変換が始まると光エネルギーを共振器外へ出射する。波長変換素子１１への入射するレーザ径を変換することでパルス幅を調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光をパルス発振するファイバレーザ発振器に関する。

レーザ光をパルス発振して外部に出射するファイバレーザ発振器は、測距器やレーザ加工機等様々な用途で用いられている。それに伴い、それぞれの用途に適した波長の光を得ることが求められている。

従来、ファイバレーザ発振器は、パルス発振するシード光源の光をファイバで増幅し、増幅後の光を波長変換器で波長変換することで、複数の波長のレーザ光を出射していた（例えば特許文献１参照）。具体的には、図６に示すように、従来のファイバレーザ発振器１０１は、レーザ光をパルス発振するシード光源１０２と、半導体レーザである励起光源１０３、１０４と、コア部材に希土類元素を添加したファイバ１０５と、ファイバ１０５からのレーザ光を波長変換する波長変換器１０６と、シード光源１０２及び励起光源１０３とファイバ１０５との間に設置された第１接続部１０７と、ファイバ１０５と波長変換器１０６及び励起光源１０４との間に設置された第２接続部１０８とから構成されていた。第１接続部１０７は、シード光源１０２の光をファイバ６側へ全反射するミラー１０８と、ミラー１０８で反射したシード光を全反射し励起光源１０３からの励起光を透過するダイクロイックミラー１０９と、シード光及び励起光をファイバ６へ入力するレンズ１１０とから構成されている。第２接続部１０８は、ファイバ６からの光を波長変換器１０６へ全反射し励起光源１０４からの励起光を透過するダイクロイックミラー１１１と、励起光をファイバ１０５へ入力するレンズ１１２とから構成されている。
特開２００６−９３２３５号公報

従来のファイバレーザ発振器では、シード光源、ファイバ、波長変換素子等、装置の構成が多いため装置が大型化していた。また、シード光源からファイバへの入射調整が厳密なものとなり、わずかなずれで出力低減、ファイバの端子損傷といった装置を不安定にする問題を発生する可能性を有していた。

この問題を解決するために、シード光源を用いず、共振器内にファイバ及びＱスイッチ素子を配置することでレーザ光をパルス発振する方法がある。これにより、シード光源、が不要となり、装置がコンパクトになる。また、シード光源がないため、ファイバへのシード光源の入射調整の問題がない。

しかし、共振器内にファイバを配置する構成にすることにより、光がファイバ内を通って共振するため、ファイバの長さに依存して光の往復に時間がかかりパルス幅が長くなるという問題が生じる。ファイバレーザ発振器を例えば測距器として使用する場合、出射するレーザ光は、その計測にあったパルス幅とピークパワーを有する必要がある。

そこで本発明では、パルス幅を任意に決めることができ、装置構成の簡単なファイバレーザ発振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるファイバレーザ発振器は、レーザ光を出射するファイバと、前記ファイバの一端からのレーザ光の光軸上に設置され、前記レーザ光を反射するリアミラーと、前記ファイバの他端からのレーザ光の光軸上に設置され、前記レーザ光の波長変換をする波長変換素子と、前記ファイバの他端からのレーザ光の光軸上で波長変換素子より下流に設置され、前記レーザ光を反射し前記波長変換素子で波長変換された変換光を透過する出射ミラーと、前記レーザ媒質の他端と前記波長変換素子との間に設置され、前記レーザ光を透過し前記変換光を全反射す中間ミラーと、前記ファイバの他端と前記中間ミラーとの間に設置され、焦点を出射ミラーの位置として配置されたレーザ径変換機構と、前記リアミラーと前記出射ミラーとの間に設置されたＱスイッチ素子とを有することを特徴としている。

本発明によれば、ファイバの長さに依存せずにパルス幅を任意に決めることができ、装置構成の簡単なファイバレーザ発振器を提供することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例にかかるファイバレーザ発振器１の概略構成図である。ファイバレーザ発振器１は、リアミラー２と、Ｑスイッチ素子３と、第１のダイクロイックミラー４と、第１のレンズ５と、ファイバ６と、第２のレンズ７と、第２のダイクロイックミラー８と、レーザ径変換機構９と、中間ミラー１０と、波長変換素子１１と、出射ミラー１２と、第１の励起光源１３と、第２の励起光源１４とから構成される。

ファイバ６は、長さ１ｍ、直径２００μｍの偏光保持ファイバである。図２は、ファイバ６の断面図である。このファイバ６は、ネオジウム（Ｎｄ）を添加した石英ガラスからなる直径２０μｍのコア部材６ａを有している。そして、コア部材６ａの周囲に、コア部材６ａより屈折率の低い内側クラッド６ｂを有する。内側クラッド６ｂをなす材料としては、例えばフッ素添加石英ガラスが挙げられる。また、内側クラッド６ｂには、コア部材６ａの両脇に酸化ボロンなどの熱膨脹係数の大きい添加剤を混入した２つの応力付与部６ｃ、６ｄが配置されている。この内側クラッド６ｂの周囲に、内側クラッド６ｂより屈折率の低い外側クラッド６ｅを有する。外側クラッド６ｅをなす材料としては、例えばフッ素系樹脂が挙げられる。以下の記述において、このファイバ６から出射する光をレーザ光Ｌ１と称する。

第１の励起光源１３は、ファイバ６の一端６ｆ側に配置されており、第２の励起光源１４は、ファイバ６の他端６ｇ側に配置されている。それぞれの励起光源１３、１４には、８００ｎｍの波長の励起光Ｌ２を出射する半導体レーザを用いる。

第１の励起光源１３からの励起光Ｌ２の光軸上には、第１の励起光源１３からファイバ６の一端６ｆへ順に第１のダイクロイックミラー４と、第１のレンズ５が配置されている。また、第２の励起光源１４からの励起光Ｌ２の光軸上には、第２の励起光源１４からファイバ６の他端６ｇへ順に第２のダイクロイックミラー８と、第２のレンズ７が配置されている。

第１のダイクロイックミラー４及び第２のダイクロイックミラー８は、励起光Ｌ２を透過し、レーザ光Ｌ１を全反射するコーティングが施されている。なお、第１のダイクロイックミラー４及び第２のダイクロイックミラー８は、レーザ光Ｌ１の光軸を９０度傾ける向きに配置されている。

第１のレンズ５は、焦点をファイバ６の一端６ｆに合わせて配置されている。また、第２のレンズ７は、焦点をファイバ６の他端６ｇに合わせて配置されている。

ファイバ６の一端６ｆから出射されるレーザ光Ｌ１の光軸上には、前記第１のレンズ５と、前記第１のダイクロイックミラー４と、Ｑスイッチ素子３と、リアミラー２とが配置されている。一方、ファイバ６の他端６ｇから出射されるレーザ光Ｌ１の光軸上には、前記第２のレンズ７と、前記第２のダイクロイックミラー８と、レーザ径変換機構９と、中間ミラー１０と、波長変換素子１１と、出射ミラー１２とが配置されている。

Ｑスイッチ素子３は、音響光学素子の１つであるブラッグ回折を利用して共振器内の光を偏光させるＡＯ(acousto-optic）−Ｑスイッチ素子である。Ｑスイッチ素子３は、共振器の光軸とＱスイッチの回折光の方向とが一致するように、ブラッグ角を満足するように配置されている。

リアミラー２は、レーザ光Ｌ１を全反射するコーティングが施されており、その反射面をレーザ光Ｌ１の光軸に対して垂直として配置されている。

レーザ径変換機構９は、図３で示すように、入射したレーザ光Ｌ１を集光するレンズ９ａで構成されている。レンズ９ａは、その焦点が出射ミラー１２の位置となるように配置されている。

中間ミラー１０は、波長変換素子１１側に凹部を有する凹面ミラーであり、レーザ光Ｌ１を透過し、波長変換素子１１により波長変換された変換光Ｌ３を全反射するコーティングが施されている。凹部の曲率半径は、中間ミラー１０と出射ミラー１２との間の距離に等しく、変換光Ｌ３の半波長の整数倍の距離で決められている。

波長変換素子１１は、非線形結晶であり例えばＫＴＰを用いる。

出射ミラー１２は、レーザ光Ｌ１を全反射し、波長変換された変換光Ｌ３を透過するコーティングが施されている。

次に、本実施例のファイバレーザ発振器１の動作について説明する。

第１の励起光源１３から出射された励起光Ｌ２は、第１のダイクロイックミラー４を透過し、第１のレンズ５で集光し、ファイバ６の一端６ｆからファイバ６内に入射する。同様に、第２の励起光源１４から出射された励起光Ｌ２は、第２のダイクロイックミラー８を透過し、第２のレンズ７で集光し、ファイバ６の他端６ｇからファイバ６内に入射する。ファイバ６内に入射したそれぞれの励起光Ｌ２は、内側クラッドと外側クラッドの屈折率の違いによる全反射によりファイバ６内に閉じ込められた状態を保ちながら伝搬する。励起光Ｌ２は、伝搬しながらコア部材に照射され、コア部材に添加されたネオジウムに衝突し、ネオジウムを励起する。その後、励起したネオジウムが低いエネルギー準位にエネルギー遷移することで光を放出する（自然放出）。自然放出された光は、コア部材と内側クラッドとの屈折率の違いによる全反射によりコア部材に閉じ込められた状態で伝搬する。コア部材を伝搬する光が他の励起状態にあるネオジウムに衝突すると、そこからも同じ性質の光が放出され、光が増幅する（誘導放出）。この光がレーザ光Ｌ１であり、波長は１μｍである。なお、ファイバの内側クラッドに応力付与部を有する偏光保持ファイバを用いているため、出射するレーザ光Ｌ１は直線偏光の光となる。

ファイバ６の一端６ｆから出射したレーザ光Ｌ１は、第１のレンズ５により平行な光になり、第１のダイクロイックミラー４で全反射して光軸を９０度曲げられて、Ｑスイッチ素子３を介してリアミラー２に到達する。リアミラー２に到達したレーザ光Ｌ１は、リアミラー２で全反射し、入射した向きと逆向きへ進む。その後、レーザ光Ｌ１は、Ｑスイッチ素子３、第１のダイクロイックミラー４、第１のレンズ５を介してファイバ６の一端６ｆからファイバ６内に入射する。

一方、ファイバ６の他端６ｇから出射したレーザ光Ｌ１は、第２のレンズ７により平行な光になり、第２のダイクロイックミラー８で全反射して光軸を９０度曲げられて、レーザ径変換機構９に入射する。レーザ径変換機構９に入射したレーザ光Ｌ１は、レーザ径変換機構４で集光されて、中間ミラー１０を透過し、波長変換素子１１へ入射する。波長変換素子１１は、入射されたレーザ光Ｌ１の光密度が一定の閾値を超えたときのみ、第１の中間ミラー１０と第１の出射ミラー１２との間で波長変換を起こし共振して、第１の出射ミラー１２から変換光Ｌ３を発生させる。

ここで、光密度が閾値を超えていない場合と、超えた場合とを分けて動作を説明する。

光密度が一定の閾値を超えていないとき、レーザ光Ｌ１は、波長変換を起こさずに波長変換素子１１を透過した後、レーザ光Ｌ１を全反射するコーティングが施された出射ミラー１２で反射する。反射したレーザ光Ｌ１は、再び波長変換素子１１、中間ミラー１０、レーザ径変換機構９、第２のダイクロイックミラー８、第２のレンズ７を介してファイバ６の他端６ｇからファイバ６内へ入射する。そして、ファイバ６内で光エネルギーを増幅し、第１のダイクロイックミラー４、Ｑスイッチ素子３を介してリアミラー１で全反射する。このように、波長変換素子１１へ入射されるレーザ光Ｌ１の光密度が一定の閾値を超えていないとき、レーザ光Ｌ１は、リアミラー２と出射ミラー１２との間を共振し、エネルギーを増幅する。

一方、波長変換素子１１へ入射するレーザ光Ｌ１の光密度が一定の閾値を超えたとき、レーザ光Ｌ１は、波長変換されて２μｍ帯の波長を有する変換光Ｌ３となり、中間ミラー１０と出射ミラー１２との間で共振して出射ミラー１２から出射する。

次に、レーザ光Ｌ１の共振の際に通過するＱスイッチ素子３の動作について説明をする。Ｑスイッチ素子３へＲＦパワーを印加すると、Ｑスイッチ素子３の媒質に周期的な屈折率変化をもたらす。Ｑスイッチ素子３を通るレーザ光は、この屈折率変化に伴う位相格子によって特定の方向に回折される。そのため、Ｑスイッチ素子３へＲＦパワーを印加している最中は、共振器内の光エネルギーの損失が増えてレーザ光の発振を抑えることができる。この間に、ファイバ６内のネオジウムは励起光Ｌ３により励起が進み多数のネオジウムが励起状態となる。そして、Ｑスイッチ素子３にＲＦパワーの印加を停止すると、レーザ発振が急速に立ち上がり、レーザ発振が行われる。このＱスイッチ素子３へのＲＦパワー印加のオンオフによりパルスレーザが発生する。

次に、レーザ径変換機構９に入射したレーザ光Ｌ１のレーザ径変換について説明する。図３は、ファイバ６からのレーザ光Ｌ１が第２のレンズ７、第２のダイクロイックミラー（図示せず）、レーザ径変換機構９、中間ミラー１０、波長変換素子１１、出射ミラー１２を通る光路を示した概略構成図である。一般に、ｄを焦点でのレーザ径、ｆを焦点距離、λを波長、Ｄをレンズ９ａに入射するレーザ径とすると、レーザ光を集光したときの焦点でのレーザ径ｄは、ｄ＝２．４４ｆλ／Ｄとみなすことができる。つまり、焦点距離ｆが大きいほど焦点でのレーザ径ｄは大きくなる。図３（ａ）は、焦点距離ｆを小さくとり、レーザ径ｄを小さく変換した図である。一方、図３（ｂ）は、焦点距離ｆを大きくとり、レーザ径ｄを大きく変換した図である。

次に、レーザ径変換機構９によってレーザ径が変更された後の波長変換について説明する。レーザ径変換機構９は、レーザ光Ｌ１のレーザ径を変換することで、波長変換素子１２に入射するレーザ光Ｌ１の光密度を変換することができる。レーザ径を小さくし光密度を上げると、波長変換素子１１を通過するレーザ光Ｌ１は、波長変換に必要な光密度の閾値を超えるまで共振する回数が少なく、早いタイミングで波長変換される。逆に、レーザ径を大きくして光密度を下げると、波長変換に必要な光密度の閾値を超えるまで共振する回数が多くなり、波長変換が行われるタイミングが遅くなる。

これらの動作を組み合わせることによる作用について説明する。Ｑスイッチ素子３へのＲＦパワーの印加を停止すると、リアミラー２と出射ミラー１２との間で共振が行われ共振器内に光エネルギーがたまっていく。レーザ径を小さくすると、共振器内にたまった光エネルギーが早いタイミングで波長変換され変換光を出射ミラーから出射する。レーザ径が小さく早いタイミングで出射するため、単位時間当たりに出射する光エネルギーが少ない。そのため、たまった光エネルギーを出射するのに時間がかかりパルス幅が長くなる。一方、レーザ径を大きくすると、共振器内にたまった光エネルギーが遅いタイミングで（所定の閾値を超えるまで共振を続けた後）波長変換され変換光を出射ミラーから出射する。レーザ径が大きく遅いタイミングで出射されるため、単位時間当たりに出射する光エネルギーが多い。そのため、レーザ径が小さい場合と比較して、共振器内にたまった光エネルギーを出射するのに時間がかからずパルス幅が短くなる。

本実施例のファイバレーザ発振器１によれば、Ｑスイッチ素子３を共振器内に設けることによりパルスレーザを得ることができ、また光を波長変換素子１１に通すため変換光Ｌ３を得ることができる。そして、波長変換素子１１へ入射するレーザ径を変換することで、パルス幅を変えることができる。具体的には、小さいレーザ径にすると出射レーザのパルス幅が長くなり、大きいレーザ径にするとパルス幅が短くなる。そして、パルス幅を変えることにより、レーザのピークパワーを変えることができる。

また、レーザ径の変換により出射するレーザ光の出射タイミングを変えることができる。具体的には、ビーム径を小さくすると出射ビームはＱスイッチ素子３へのＲＦパワーの印加を停止したあとの出射タイミングを早くすることができる。一方、ビーム径を大きくすると出射ビームはＱスイッチ素子３へのＲＦパワーの印加を停止したあとの出射タイミングを遅くすることができる。

また、ファイバ６を偏光保持ファイバとすることで、波長変換素子１１の偏光方向に合わせた直線偏光のレーザ光Ｌ１を得ることができる。これにより、ファイバ６からのレーザ光を偏光に応じて分岐してそれぞれ波長変換を行いその後合成していたのと比較して、装置構成を少なくすることができる。

本発明の実施例２について図５を参照して説明する。なお、この実施例２の各部について、実施例１のファイバレーザ発振器１の各部と同一部分は同一符号で示す。

図５は、本発明の実施例２にかかるファイバレーザ発振器１ａの概略構成図である。ファイバレーザ発振器１ａは、リアミラー２と、Ｑスイッチ素子３と、第１のダイクロイックミラー４と、第１のレンズ５と、第２のレンズ７と、第２のダイクロイックミラー８と、第１の励起光源１３と、第２の励起光源１４との構成については図１に示した実施例１のファイバレーザ発振器１と同じ構成であり、ファイバ６ｈと、ファイバ６ｈの他端６ｇから出射するレーザ光の光路上で第２のダイクロイックミラーより下流の部分の構成とが異なるものとなっている。

ファイバ６ｈは、長さ１ｍ、直径２００μｍのファイバである。このファイバ６ｈは、ネオジウム（Ｎｄ）を添加した石英ガラスからなる直径２０μｍのコア部材を有している。そして、コア部材の周囲に、コア部材より屈折率の低い内側クラッドを有する。内側クラッドをなす材料としては、例えばフッ素添加石英ガラスが挙げられる。さらに内側クラッドの周囲に、内側クラッドより屈折率の低い外側クラッドを有する。外側クラッドをなす材料としては、例えばフッ素系樹脂が挙げられる。以下の記述において、このファイバから出射する光をレーザ光Ｌ４と称する。

ファイバ６ｈの他端６ｇから出射したレーザ光Ｌ４の光路上で第２のダイクロイックミラー８より下流に第１の偏光ビームスプリッタ１５が配置されている。第１の偏光ビームスプリッタ１５は、１μｍ波長の光に対してｓ偏光の光Ｌ５を透過しｐ偏光の光Ｌ６を反射するコーティングが施されており、ｐ偏光の光Ｌ６の光軸を９０度傾ける向きに配置されている。

ｓ偏光のレーザ光Ｌ５の光路上に、第１のレーザ径変換機構９ｄと、第１の中間ミラー１０ａと、第１の波長変換素子１１ａと、第１の出射ミラー１２ａと、第１の反射ミラー１６が配置されている。一方、ｐ偏光のレーザ光Ｌ６の光路上に、第２の反射ミラー１７と、第２のレーザ径変換機構９ｅと、第２の中間ミラー１０ｂと、第２の波長変換素子１１ｂと、第２の出射ミラー１２ｂと、第２の偏光ビームスプリッタ１８が配置されている。ここで、第１の偏光ビームスプリッタ１５から第１のレーザ径変換機構９ｄまでの距離と、第１の偏光ビームスプリッタ１５から第２の反射ミラー１７を介して第２のレーザ径変換機構９ｅまでの距離とを等しく配置する。また、第１の出射ミラー１２ａから第１の反射ミラー１６を介して第２の偏光ビームスプリッタ１８までの距離と、第２の出射ミラー１２ｂから第２の偏光ビームスプリッタ１８までの距離とを等しく配置する。

第１の偏光ビームスプリッタ１５は、１μｍ波長の光に対してｐ偏光のレーザ光Ｌ６を反射し、ｓ偏光のレーザ光Ｌ５を透過するコーティングが施されており、ｐ偏光のレーザ光Ｌ６の光軸を９０度傾ける向きに配置されている。

第１の反射ミラーは、ｓ偏光のレーザ光Ｌ５を全反射するコーティングが施されており、その光軸を９０度傾ける向きに配置されている。

第１の波長変換素子９ｄ及び第２の波長変換素子９ｅは、非線形光学素子であるＫＴＰであり、それぞれの偏光方向を９０度傾けて配置されている。

第２の偏光ビームスプリッタ１８は、ｓ偏光のレーザ光Ｌ５を反射し、ｐ偏光のレーザ光Ｌ６を透過するコーティングが施されており、ｓ偏光のレーザ光Ｌ５の光軸を９０度傾ける向きに配置されている。

次に、この構成のファイバレーザ発振器１ａの動作について説明する。

ファイバ６ｈの一端６ｆから出射したレーザ光Ｌ４は、第１のレンズ５により平行な光になり、第１のダイクロイックミラー４で全反射して光軸を９０度曲げられて、Ｑスイッチ素子３を介してリアミラー２に到達する。リアミラー２に到達したレーザ光Ｌ１は、リアミラー２で全反射し、入射した向きと逆向きへ進む。その後、レーザ光Ｌ１は、Ｑスイッチ素子３、第１のダイクロイックミラー４、第１のレンズ５を介してファイバ６の一端６ｆからファイバ６内に入射する。

一方、ファイバ６ｈの他端６ｇから出射したレーザ光Ｌ４は、第２のレンズ７により平行な光になり、第２のダイクロイックミラー８で全反射して光軸を９０度曲げられて、第１の偏光ビームスプリッタ１５に入射する。第１の偏光ビームスプリッタ１５に入射したレーザ光Ｌ４は、ｓ偏光のレーザ光Ｌ５とｐ偏光のレーザ光Ｌ６とに分岐する。ｓ偏光のレーザ光Ｌ５は、第１の偏光ビームスプリッタ１５を透過し、第１のレーザ径変換機構９ｄに入射する。一方、ｐ偏光のレーザ光Ｌ６は、第１の偏光ビームスプリッタ１５及び第２の反射ミラー１７で反射した後、第２のレーザ径変換機構９ｅに入射する。

第１のレーザ径変換機構９ｄに入射したｓ偏光のレーザ光Ｌ５は、第１の中間ミラー１０ａを透過し、第１の波長変換素子１１ａへ入射する。第１の波長変換素子１１ａに入射したｓ偏光のレーザ光Ｌ５は、レーザ光の光密度が一定の閾値を超えたときのみ波長変換を起こし変換光を発生させる。一方、第２のレーザ径変換機構９ｅに入射したｐ偏光のレーザ光Ｌ６は、第２の中間ミラー１０ｂを透過し、第２の波長変換素子１１ｂへ入射する。第２の波長変換素子１１ｂに入射したｐ偏光のレーザ光Ｌ６は、レーザ光の光密度が一定の閾値を超えたときのみ波長変換を起こし変換光を発生させる。

ここで、光密度が閾値を超えていない場合と、超えた場合とを分けて動作を説明する。

光密度が一定の閾値を超えていないとき、ｓ偏光のレーザ光Ｌ５は、波長変換を起こさずに第１の波長変換素子１１ａを透過した後、第１の出射ミラー１２ａで反射する。反射したｓ偏光のレーザ光Ｌ５は、再び第１の波長変換素子１１ａ、第１の中間ミラー１０ａ、第１のレーザ径変換機構９ｄを介して第１の偏光ビームスプリッタ１５に入射する。同様に、ｐ偏光のレーザ光Ｌ６は、波長変換を起こさずに第２の波長変換素子１１ｂを透過した後、第２の出射ミラー１２ｂで反射する。反射したｐ偏光のレーザ光Ｌ６は、再び第２の波長変換素子１１ｂ、第２の中間ミラー１０ｂ、第２のレーザ径変換機構９ｅ、第２の反射ミラー１７を介して第１の偏光ビームスプリッタ１５に入射する。このとき、第１の偏光ビームスプリッタ１５から第１の波長変換機構９ｄまでの距離と、第１の偏光ビームスプリッタ１５から第２の波長変換機構９ｅまでの距離とを等しくしていることにより、ｓ偏光のレーザ光Ｌ５の光路長とｐ偏光のレーザ光Ｌ６の光路長とが等しくなり、２つのレーザ光が同じタイミングで第１の偏光ビームスプリッタ１５に入射し合成されることとなる。第１の偏光ビームスプリッタ１５で合成されたレーザ光は、第２のダイクロイックミラー８、第２のレンズ７を介してファイバ６ｈの他端６ｇからファイバ６ｈ内に入射する。そして、ファイバ６ｈ内で光エネルギーを増幅し、第１のダイクロイックミラー４、Ｑスイッチ素子３を介してリアミラー１で全反射する。このように、第１の波長変換素子１１ａ及び第２の波長変換素子１１ｂへ入射されるレーザ光の光密度が一定の閾値を超えていないとき、レーザ光Ｌ４は、リアミラー２と出射ミラー１２との間を共振し、エネルギーを増幅する。

一方、第１の波長変換素子１１ａ、第２の波長変換素子１１ｂへ入射するｓ偏光のレーザ光Ｌ５及びｐ偏光のレーザ光Ｌ６の光密度が一定の閾値を超えたとき、それぞれのレーザ光Ｌ５、Ｌ６は、波長変換されて２μｍ帯の波長を有する変換光となり、第１の出射ミラー１２ａ、第２の出射ミラー１２ｂから出射する。

第１の出射ミラー１２ａから出射されたｓ偏光のレーザ光Ｌ５は、第１の反射ミラー１６で反射し、第２の偏光ビームスプリッタ１８に入射する。第２の出射ミラー１２ｂから出射されたｐ偏光のレーザ光Ｌ６は、第２の偏光ビームスプリッタ１８に入射する。ここで、第１の出射ミラー１２ａから第２の偏光ビームスプリッタ１８までの距離と、第２の出射ミラー１２ｂから第２の偏光ビームスプリッタ１８までの距離とを等しくしているため、同じタイミングで第２の偏光ビームスプリッタ１８に入射し合成されることとなる。そして、合成されたレーザ光が出射光Ｌ３として取り出される。

次に、それぞれのレーザ径変換機構９ｄ、９ｅによってレーザ径が変更された後の波長変換について説明する。レーザ径変換機構９ｄ、９ｅは、ｓ偏光のレーザ光Ｌ５及びｐ偏光のレーザ光Ｌ６のレーザ径を変換することで、第１の波長変換素子１１ａに入射するｓ偏光のレーザ光Ｌ５及び第２の波長変換素子１１ｂに入射するｐ偏光のレーザ光Ｌ６の光密度を変換することができる。レーザ径を小さくし光密度を上げると、それぞれの波長変換素子１１ａ、１１ｂを通過するレーザ光Ｌ５、Ｌ６は、波長変換に必要な光密度の閾値を超えるまで共振する回数が少なく、早いタイミングで波長変換される。逆に、レーザ径を大きくして光密度を下げると、波長変換に必要な光密度の閾値を超えるまで共振する回数が多くなり、波長変換が行われるタイミングが遅くなる。

この構成による作用について説明する。Ｑスイッチ素子３へのＲＦパワーの印加を停止すると、ｓ偏光のレーザ光Ｌ５は、リアミラー２と第１の出射ミラー１２ａとの間で共振が行われ共振器内に光エネルギーがたまっていく。ｐ偏光のレーザ光Ｌ６は、リアミラー２と第２の出射ミラー１２ｂとの間で共振が行われ共振器内に光エネルギーがたまっていく。それぞれのレーザ光Ｌ５、Ｌ６のレーザ径を小さくすると、共振器内にたまった光エネルギーが早いタイミングで波長変換され変換光をそれぞれの出射ミラー１２ａ、１２ｂから出射する。レーザ径が小さく早いタイミングで出射するため、単位時間当たりに出射する光エネルギーが少ない。そのため、たまった光エネルギーを出射するのに時間がかかりパルス幅が長くなる。一方、レーザ径を大きくすると、共振器内にたまった光エネルギーが遅いタイミングで（所定の閾値を超えるまで共振を続けた後）波長変換され変換光をそれぞれの出射ミラー１２ａ、１２ｂから出射する。レーザ径が大きく遅いタイミングで出射されるため、単位時間当たりに出射する光エネルギーが多い。そのため、レーザ径が大きい場合と比較して、たまった光エネルギーを出射するのに時間がかからずパルス幅が短くなる。

実施例２のファイバレーザ発振器によれば、Ｑスイッチ素子３を共振器内に設けることによりパルスレーザを得ることができ、また光を第１の波長変換素子１１ａ及び第２の波長変換素子１１ｂに通すため変換光を得ることができる。そして、それぞれの波長変換素子１１ａ、１１ｂへ入射するレーザ径を変換することで、パルス幅を変えることができる。具体的には、小さいレーザ径にすると出射レーザのパルス幅が長くなり、大きいレーザ径にするとパルス幅が短くなる。そして、パルス幅を変えることにより、レーザのピークパワーを変えることができる。

また、レーザ径の変換により出射するレーザ光の出射タイミングを変えることができる。具体的には、ビーム径を小さくすると出射ビームはＱスイッチ素子３へのＲＦパワーの印加を停止したあとの出射タイミングを早くすることができる。一方、ビーム径を大きくすると出射ビームはＱスイッチ素子３へのＲＦパワーの印加を停止したあとの出射タイミングを遅くすることができる。

また、第１の偏光ビームスプリッタ１５を配置し、偏光に応じた波長変換を行った後に合成することで、ファイバを偏光保持ファイバとする必要がなく、多種のファイバを利用することができる。

なお、本発明は前述の実施例に限るものではない。

ファイバ６は、コア部材に添加した物質をネオジウムとしたが、これに限るものではない。添加する元素が希土類元素であればよく、例えばイットリウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）などであってもよい。

また、レーザ光を出射するレーザ媒体としてファイバを用いたが、これに限るものではなく、ネオジウム等の希土類元素を添加したロッドを用いてもよい。この場合でも、ロッドの長さによらずパルス幅を設定することができる効果を得ることができる。

また、レーザ径変換機構９は、図４に示すように、レンズ９ａよりファイバ側に２枚のレンズ９ｂ、９ｃを、２枚のレンズ９ｂ、９ｃの焦点が一致する位置に平行に並べて配置するものであってもよい。このとき、ｄ＝２．４４ｆλ／Ｄより、２枚のレンズ９ｂ、９ｃを透過した後のレーザ径Ｄ（レンズ９ａに入射する前のレーザ径Ｄ）が大きい程、焦点でのレーザ径ｄは小さくなる。図４（ａ）は、２枚のレンズ９ｂ、９ｃを透過した後のレーザ径Ｄを小さくし、焦点でのレーザ径ｄを大きく変換した図である。一方、図４（ｂ）は、２枚のレンズ９ｂ、９ｃを透過した後のレーザ径Ｄを大きくし、焦点でのレーザ径ｄを小さく変換した図である。このように２枚のレンズ９ｂ、９ｃを配置することにより、レンズ９ａの焦点距離を変える必要がなく、レーザ径変換機構９を交換するだけでレーザ径を変換することができる。

また、パルスレーザにするための手段として、音響光学的Ｑスイッチを用いたが、これに限るものではなく、回転鏡によるＱスイッチや電気工学的Ｑスイッチであってもよい。

また、波長変換素子１１は、ＫＴＰを用いるとしたが、光を透過する際に波長変換を行う非線形結晶であればよく、例えばＢａＢ_２Ｏ_４、ＬｉＢ_３Ｏ_５、ＬｉＮｂＯ_３、ＺｎＧｅＰ_２などであってもよい。

また、励起光Ｌ２をファイバ６の両端部から入射するとしたがこれに限るものではなく、片方の端部からのみ入射するものであってもよい。ファイバ６へ入射する励起光Ｌ２の強度を大きくするなら両端から励起光Ｌ２を入射する方が好ましい。

また、ファイバレーザ発振器１は、実施例では励起光Ｌ２の光軸を傾けずにファイバレーザ基本波Ｌ１の光軸を９０度傾けるように配置したが、励起光Ｌ２の光軸を９０度傾けてファイバレーザ基本波Ｌ１の光軸を傾けないように配置してもよい。このとき、第１のダイクロイックミラー４及び第２のダイクロイックミラー７は、励起光Ｌ２を全反射し、ファイバレーザ基本波Ｌ１、Ｌ４を透過するコーティングが施されている必要がある。

本発明によるファイバレーザ発振器の実施例１の概略構成図。 図１の示すファイバレーザ発振器の偏光保持ファイバの断面図。 図１に示すファイバレーザ発振器のレーザ径変換機構、波長変換素子、中間ミラー、出射ミラーを示す概略構成図。 レーザ径変換機構の変形例を示す概略構成図。 本発明によるファイバレーザ発振器の実施例２の概略構成図。 従来のファイバレーザ発振器の概略構成図。

符号の説明

１…ファイバレーザ発振器、２…リアミラー、３…Ｑスイッチ素子、４…第１のダイクロイックミラー、５…第１のレンズ、６…ファイバ、７…第２のレンズ、８…第２のダイクロイックミラー、９…レーザ径変換機構、１０…中間ミラー、１１…波長変換素子、１２…出射ミラー、１３…第１の励起光源、１４…第２の励起光源、１５…第１の偏光ビームスプリッタ、１６…第１の反射ミラー、１７…第２の反射ミラー、１８…第２の偏光ビームスプリッタ、Ｌ１、Ｌ４…レーザ光、Ｌ２…励起光、Ｌ３…変換光、Ｌ５…ｓ偏光のレーザ光、Ｌ６…ｐ偏光のレーザ光

Claims (3)

1. レーザ光を出射するファイバと、
   前記ファイバの一端からのレーザ光の光軸上に設置され、前記レーザ光を反射するリアミラーと、
   前記ファイバの他端からのレーザ光の光軸上に設置され、前記レーザ光の波長変換をする波長変換素子と、
   前記ファイバの他端からのレーザ光の光軸上で波長変換素子より下流に設置され、前記レーザ光を反射し前記波長変換素子で波長変換された変換光を透過する出射ミラーと、
   前記レーザ媒質の他端と前記波長変換素子との間に設置され、前記レーザ光を透過し前記変換光を全反射する中間ミラーと、
   前記ファイバの他端と前記中間ミラーとの間に設置され、焦点を出射ミラーの位置として配置されたレーザ径変換機構と、
   前記リアミラーと前記出射ミラーとの間に設置されたＱスイッチ素子と、
   を有することを特徴とするファイバレーザ発振器。
2. 前記ファイバの他端と前記レーザ径変換機構との間に設置され、互いの焦点位置を一致させて配置された２枚のレンズをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ発振器。
3. 前記ファイバは、直線偏光の光を出射する偏光保持ファイバであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のファイバレーザ発振器。

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