JP2009253075A - ファイバレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】ラージモードエリアのアクティブファイバを用いることができるとともに単一の発振器により高出力のレーザ光を発振することができ、また耐熱性が高く、励起しやすく、品質の良いレーザビームを発振することのできる高出力ファイバレーザ発振器を提供すること。
【解決手段】長手方向の両端面３、４の間において入射された励起光を用いてレーザ光を発振するアクティブファイバ２を有しており、アクティブファイバ２の一方の端面である第１端面３はアクティブファイバ２の内部で発振された発振光ＦＢに対して高反射性を有し、アクティブファイバ２の他方の端面である第２端面４は発振光ＦＢに対して部分透過性を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバレーザ発振器に係り、アクティブファイバを用いて高出力のレーザを発振するファイバレーザ発振器に関する。

従来のファイバレーザ発振器は、例えば図３に示すように形成されている。

即ち、レーザ共振器１０１の主要構成要素として長尺なアクティブファイバ１０２を設け、そのアクティブファイバ１０２の片側端面（図３において左端側）にファイバ・ブラッグ・グレーティング（共振器ミラー）１０３を融着等によって固着し、他端側のレーザ発振光ＦＢの出力側の端面１０４にファイバ・ブラッグ・グレーティングを固着して形成するかまたはフラットカットに加工して反射可能な端面を形成し、アクティブファイバ１０２の側面から多数のレーザダイオードからなる励起光源１０５から光ファイバ１０６を通して励起光を導入させ、その励起光をアクティブファイバ１０２の左側のファイバ・ブラッグ・グレーティング１０３と右側の端面１０４との間で往復共振させ、所定の強度に励起されたレーザ発振光ＦＢを出力側の端面１０４より出光させている。

特開平５−２９９７５８号公報

図３に示す従来のファイバレーザ発振器１０１には次のような問題点があった。

従来方式のファイバレーザ発振器１０１により高出力のレーザ光を得るためには、ラージモードエリアのアクティブファイバ１０２を使用しなければならない。しかしながら、ラージモードエリアのアクティブファイバ１０２にファイバ・ブラッグ・グレーティング１０３を形成するのが技術的に非常に困難であった。そのため、ファイバ・ブラッグ・グレーティング１０３を用いた単一のファイバレーザ発振器で１０１においては、高出力化が困難であった。

また、ファイバ・ブラッグ・グレーティング１０３は、図４に示すような一般的なダブルクラッドファイバ１０７を用いたアクティブファイバ１０３にしか固着することができないものであった。このダブルクラッドファイバ１０７は、中心軸部のコア１０８およびインナークラッド１０９の材質は石英であるが、アウタークラッド１１０の材質は樹脂のため、耐熱が低いものである。

一般的に、ファイバ・ブラッグ・グレーティング１０３はアクティブファイバ１０２に融着されるため、融着部分で光学的なロスが発生し、励起時に当該融着部分が発熱するため、高出力のレーザ発振には不向きであった。また、融着精度を上げることによりロスを低減することができるが、コストが高くなってしまうという不都合があった。

更に、モノリシック構造のため、どこか一箇所にトラブルが発生した場合に、ファイバレーザ発振器１０１ごと全体を交換しなければならないという不都合があった。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ラージモードエリアのアクティブファイバを用いることができるとともに単一の発振器により高出力のレーザ光を発振することができ、また耐熱性が高く、励起しやすく、品質の良いレーザビームを発振することのできるファイバレーザ発振器を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、本発明の高出力ファイバレーザ発振器の第１の態様は、長手方向の両端面の間において入射された励起光を用いてレーザ光を発振するアクティブファイバを有しており、前記アクティブファイバの一方の端面である第１端面は当該アクティブファイバ内で発振された発振光に対して高反射性を有し、前記アクティブファイバの他方の端面である第２端面は前記発振光に対して部分透過性を有していることを特徴としている。

本発明の第１の態様によれば、アクティブファイバに入射された励起光によってアクティブファイバのコアを光学的に励起することにより、励起光と異なる波長の光が発振されるので、その光をアクティブファイバの両端面間で反射・増幅して出射端面からレーザ光として取り出すことができる。これにより、本発明のファイバレーザ発振器は、例えば３００Ｗ以上の高出力レーザを出力するレーザ装置に、特に好適に用いることができる。また、ラージモードエリアのアクティブファイバを用いることができるとともに単一の発振器により高出力のレーザ光を発振することができる。

なお、本発明の第２の態様として、前記第１端面は、当該第１端面から出射する発振光の光軸に対して垂直に形成されていることが好ましい。また、本発明の第３の態様として、前記第１端面にはＰＲコートが施されていることが好ましい。また、本発明の第４の態様として、前記第２端面にはＨＲコートが施されていることが好ましい。

本発明の高出力ファイバレーザ発振器の第５の態様は、前記アクティブファイバが、ＰＣＦ型ダブルクラッドファイバにより形成されていることを特徴とする。

本発明の第５の態様によれば、耐熱性が高く、励起しやすく、品質の良いレーザビームを発振することができる。

本発明のレーザ光出射装置の第６の態様は、前記励起光は、前記アクティブファイバの前記両端面からそれぞれ入射され、前記第１端面から入射される励起光と前記第２端面から入射される励起光とは互いに波長が異なっていることを特徴とする。

本発明の第６の態様によれば、より光出力の高いファイバレーザ発振器を得ることができる。

また、本発明のレーザ光出射装置の第７の態様は、第１から第６のいずれか１の態様のレーザ光出射装置において、前記第１端面の外側および前記第２端面の外側には、前記励起光を平行にするコリメートレンズと、平行にされた励起光を各端面に集光させる集光レンズとが配置されており、前記第１端面の手前に設けられている前記コリメートレンズと集光レンズとの間には、当該第１端面から出射されるレーザ発振光を取り出す発振光取り出しミラーが設けられ、前記第２端面の手前に設けられている前記コリメートレンズと集光レンズとの間には、前記第２端面から漏れる漏れ光を取り出す漏れ光取り出しミラーが設けられ、当該漏れ光取り出しミラーによって取り出された漏れ光を検出するセンサが設けられていることを特徴とする。

本発明の第７の態様によれば、出力されるレーザ発振光の強度を常時フィードバックさせながら常に適正なレーザ発振光を出力することができる。

また、本発明のレーザ光出射装置の第８の態様は、第１から第６の態様のいずれか１の態様のレーザ光出射装置において、前記第１端面の外側および前記第２端面の外側には、前記励起光を平行にするコリメートレンズと、平行にされた励起光を各端面に集光させる集光レンズとが配置されており、前記第１端面の手前に設けられている前記コリメートレンズと集光レンズとの間には、当該第１端面から出射されるレーザ発振光を取り出す発振光取り出しミラーが設けられ、該発振光取り出しミラーで反射されたレーザ発振光の光路上には、該レーザ発振光の一部を反射する部分反射ミラーが設けられ、当該部分反射ミラーによって反射されたレーザ発振光を検出するセンサが設けられていることを特徴とする。

本発明の第８の態様によれば、出力されるレーザ発振光の強度を常時フィードバックさせながら常に適正なレーザ発振光を出力することができる。

本発明の高出力ファイバレーザ発振器は前記のように構成され作用するものであるから、ラージモードエリアのアクティブファイバを用いることができるとともに単一の発振器により高出力のレーザ光を発振することができ、また耐熱性が高く、励起しやすく、品質の良いレーザビームを発振することができる等の優れた効果を奏する。

以下、本発明を図１および図２ににより説明する。

図１は本発明のファイバレーザ発振器の１実施形態を示す。

第１実施形態のファイバレーザ発振器１は長尺なアクティブファイバ２を有しており、アクティブファイバ２の両端面に励起光Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ入射させるように形成されている。励起光Ｌ１と励起光Ｌ２は、互いに異なる波長の光である。励起光Ｌ１と励起光Ｌ２の波長は、例えば、９００ｎｍ〜９９０ｎｍに設定される。

このアクティブファイバ２としては、例えば、図２に示す断面構造を有したＰＣＦ型ダブルクラッドファイバ２１からなるラージモードエリアのクティブファイバが用いられている。このＰＣＦ型ダブルクラッドファイバ２１は、中心軸部のコア（active core）２２の外側をインナークラッド（multimode pump core）２３、アウタークラッド（air cladding）２４およびサポート層２５によって順に覆って形成されている。アクティブファイバ２としては、コア２２に希土類元素をドープした発振用の光ファイバであることが望ましい。

アクティブファイバ２の一端側、即ち励起光Ｌ１が入射する側の第１端面３（ＰＣＦ型ダブルクラッドファイバ２１の端面）には、高反射コート（ＨＲコート）が付されている。アクティブファイバ２の他端側、即ち励起光Ｌ２が入射する側の第２端面４（ＰＣＦ型ダブルクラッドファイバ２１の端面）は、後述する発振光ＦＢの光軸に対して直角に形成（いわゆる、フラットカット）されている。このように形成された第２端面４では、当該端面４に到達した光がフレネル反射する。以上の構成により、レーザ共振器を形成し、励起光によってコアが励起されることにより発する異なる波長の光を両端面３および４の間で反射・増幅させることにより出射端面である端面４からレーザ発振光ＦＢが出射される。

第１端面３の外側（光入射側）には、励起光Ｌ１を平行にするコリメートレンズ５と、平行にされた励起光Ｌ１を第１端面３に集光させる集光レンズ６とが光軸上に配置されている。高反射コート（ＨＲコート）が付されている第１端面３の外側に設けられているコリメートレンズ５と集光レンズ６との間にはカットミラー１０と漏れ光取り出しミラー１２が設けられている。

カットミラー１０は、アクティブファイバ２内で励起に寄与せずに第１端面３を抜けて進む励起光Ｌ２ａが更に先に進むことを防止するために、当該励起光Ｌ２ａを系外に反射させて取り除く機能を有する。漏れ光取り出しミラー１２は、高反射コートが付されている第１端面３からわずかに漏れる漏れ光Ｌ３を系外に取り出すことができる。系外に取り出された漏れ光Ｌ３の光路上にはセンサ１３が設けられており、そのセンサ１３によって漏れ光Ｌ３が検出される。

一方、第２端面４の外側（光入射側）には、励起光Ｌ２を平行にするコリメートレンズ７と、平行にされた励起光Ｌ２を第２端面４に集光させる集光レンズ８とが光軸上に配置されている。第２端面４の外側に設けられているコリメートレンズ７と集光レンズ８との間には、カットミラー９と発振光取り出しミラー１１が設けられている。

カットミラー９は、アクティブファイバ２内で励起に寄与せずに第２端面４を抜けて進む励起光Ｌ１ａが更に先に進むことを防止するために、当該励起光Ｌ１ａを系外に反射させて取り除く機能を有する。発振光取り出しミラー１１は、第２端面４から出射されるレーザ発振光ＦＢを系外に反射させて取り出すことができる。このように取り出されたレーザ発振光ＦＢは、図示しないレーザ出射部に導入され、レーザ装置において加工用レーザ光として利用される。

次に、第１実施形態の作用を説明する。

レーザダイオード等といった励起光出力手段（図示せず）によって発光されたパルス状の励起光Ｌ１は、コリメートレンズ５により平行化され、続いて集光レンズ６により第１端面３に集光させられてアクティブファイバ２内に入射する。アクティブファイバ２内に入射した励起光Ｌ１は、当該アクティブファイバ２内のコアを励起する。それにより発せられた光が各端面３、４を反射面としてアクティブファイバ２内を往復して次第に増幅される。一方、励起光Ｌ２は、コリメートレンズ７により平行化され、続いて集光レンズ８により第２端面４に集光させられてアクティブファイバ２内に入射する。アクティブファイバ２内に入射した励起光Ｌ２は、当該アクティブファイバ２内のコアを励起する。それにより発せられた光が各端面３，４を反射面としてアクティブファイバ２内を往復して次第に増幅される。

アクティブファイバ２内で増幅された光はレーザ発振光ＦＢとしてフラットカットされた第２端面４より出力される。そして、発振光取り出しミラー１１により反射して系外に取り出される。この時、レーザ発振光ＦＢの一部は高反射コートが付されている端面３から漏れ光Ｌ３として漏れるので、その漏れ光Ｌ３を漏れ光取り出しミラー１２によって取り出すとともにセンサ１３によって取り出された漏れ光Ｌ３の強度を検出して、励起光を発光するレーザダイオードの駆動部（図示せず）にフィードバックする。当該駆動部は、出力されるレーザ発振光ＦＢの強度を常時フィードバックさせながら常に適正なレーザ発振光ＦＢを出力させるように発光部を制御する。これにより常に適正なレーザ発振光ＦＢが出力されることとなる。

また、アクティブファイバ２において励起に寄与せず各端面３、４を通過して抜けてきた励起光Ｌ２ａ、Ｌ１ａはそれぞれカットミラー１０、９により反射されて系外に取り出される。これにより励起光Ｌ２ａ、Ｌ１ａが更に先に進んで、それぞれの励起側に設けられたレーザダイオード（ＬＤ）等といった励起光源に導入することを防止できる。

このように第１実施形態においては、第１端面３に付したＨＲコートは、図１に示すＰＣＦ型ダブルクラッドファイバ２１を含む全てのファイバ端面にに施すことが可能であるから、ラージモードエリアのアクティブファイバ２を使用することができ、単一の発振器で高出力化することが容易である。

更に、ＰＣＦ型ダブルクラッドファイバ２１は、アウタークラッド２４がエアクラッドと呼ばれる空気の層になっているため、インナークラッド２３との屈折率差が一般的なダブルクラッドファイバと比べて大きくなり、この屈折率差が大きいことにより、励起光Ｌ１、Ｌ２をアクティブファイバ２に導入することが容易になる。

更に、ＰＣＦ型ダブルクラッドファイバ２１は、全て石英で製作されているため、図４に示すような一般的なダブルクラッドファイバ１０７に比べて耐熱性が高いので、第１実施形態の高出力ファイバレーザ発振器１の耐熱性を大きく向上させることができ、レーザ出力の増大化を図ることができる。

更に、ＰＣＦ型ダブルクラッドファイバ２１は、その構造からコア２２のＮＡを小さくできるため、コア２２の径が大きい場合でも、一般的なダブルクラッドファイバに比べて、発振されるレーザ発振光ＦＢのビーム品質をよくすることができる。

また、両端面３、４による励起方式によって、発熱源が分散されるため、片端面による励起と比べて冷却を簡素化することができる。

次に、本発明に係るレーザ発振器の第２実施形態を説明する。図５は、第２実施形態のレーザ発振器の構成を示す図である。第２実施形態のレーザ発振器２１が図１のレーザ発振器１と異なる点は、パワーフィードバック用の出力検出を漏れ光Ｌ３ではなく発振光ＦＢを用いて行うことである。

図５のレーザ発振器では、第１端面３側に、図１に示す漏れ光折り返しミラー１２と漏れ光を検出するセンサ１３は設けられていない。図５において、第２端面４側に設けられた発振光取り出しミラー１１によって取り出された発振光ＦＢの光路上には、部分反射ミラー２２が配設されている。この部分反射ミラー２２は、発振光ＦＢの大部分を透過し、一部を反射して折り返す機能を有する。

反射した発振光ＦＢ´の光路上には光センサ２３が配設されている。この光センサ２３によって、発振光ＦＢ´の強度を検出して、励起光を発光するレーザダイオードの駆動部（図示せず）にフィードバックする。当該駆動部は、出力されるレーザ発振光ＦＢの強度を常時フィードバックさせながら常に適正なレーザ発振光ＦＢを出力させるように発光部を制御する。これにより常に適正なレーザ発振光ＦＢが出力されることとなる。

本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

例えば、上記の各実施形態では、図１のアクティブファイバ２の第２端面４をフラットカットすることにより、部分透過の機能を実現している。これに代えて、第２端面４の表面にＰＲコートを施してもよい。

また、上記の各実施形態において、励起光Ｌ１と励起光Ｌ２は、パルス状の励起光を用いているが、これに代えて、連続発振（ＣＷ）の励起光を用いることもできる。

本発明のファイバレーザ発振器の１実施形態を示す平面図 本発明のファイバレーザ発振器に用いるアクティブファイバの１例を示す断面図 従来のファイバレーザ発振器の１例を示す平面図 従来のアクティブファイバの１例を示す断面図 本発明のファイバレーザ発振器の第２実施形態を示す平面図

符号の説明

１ ファイバレーザ発振器
２ アクティブファイバ
３、４ 端面
５、７ コリメートレンズ
６、８ 集光レンズ
９、１０ 折り返しミラー
１１ 発振光取り出しミラー
１２ 漏れ光取り出しミラー

Claims (8)

1. 長手方向の両端面の間において入射された励起光を用いてレーザ光を発振するアクティブファイバを有しており、
   前記アクティブファイバの一方の端面である第１端面は当該アクティブファイバ内で発振された発振光に対して高反射性を有し、
   前記アクティブファイバの他方の端面である第２端面は前記発振光に対して部分透過性を有している
   ことを特徴とするファイバレーザ発振器。
2. 前記第１端面は、当該第１端面から出射する発振光の光軸に対して垂直に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ発振器。
3. 前記第１端面にはＰＲコートが施されている
   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。
4. 前記第２端面にはＨＲコートが施されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のファイバレーザ発振器。
5. 前記アクティブファイバは、ＰＣＦ型ダブルクラッドファイバにより形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のファイバレーザ発振器。
6. 前記励起光は、前記アクティブファイバの前記両端面からそれぞれ入射され、
   前記第１端面から入射される励起光と前記第２端面から入射される励起光とは互いに波長が異なっている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のファイバレーザ発振器。
7. 前記第１端面の外側および前記第２端面の外側には、前記励起光を平行にするコリメートレンズと、平行にされた励起光を各端面に集光させる集光レンズとが配置されており、
   前記第１端面の手前に設けられている前記コリメートレンズと集光レンズとの間には、当該第１端面から出射されるレーザ発振光を取り出す発振光取り出しミラーが設けられ、
   前記第２端面の手前に設けられている前記コリメートレンズと集光レンズとの間には、前記第２端面から漏れる漏れ光を取り出す漏れ光取り出しミラーが設けられ、
   当該漏れ光取り出しミラーによって取り出された漏れ光を検出するセンサが設けられている
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のファイバレーザ発振器。
8. 前記第１端面の外側および前記第２端面の外側には、前記励起光を平行にするコリメートレンズと、平行にされた励起光を各端面に集光させる集光レンズとが配置されており、
   前記第１端面の手前に設けられている前記コリメートレンズと集光レンズとの間には、当該第１端面から出射されるレーザ発振光を取り出す発振光取り出しミラーが設けられ、
   該発振光取り出しミラーで反射されたレーザ発振光の光路上には、該レーザ発振光の一部を反射する部分反射ミラーが設けられ、
   当該部分反射ミラーによって反射されたレーザ発振光を検出するセンサが設けられている
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のファイバレーザ発振器。

Images