JP2010177315A - 光増幅器、及び、ファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大出力ファイバレーザでは、レーザ光がコアから漏れやすく、加えて、増幅されない光サージの出力も大きい。このため、コアに直列に接続していない励起光光源に対しても、コアから漏れた光サージが励起光光源に向かって伝播、つまり、遡上し、励起光光源に入射して励起光光源を破損するという問題があった。
【解決手段】コアにツリウムをドープした光サージ遡上抑制ファイバ２５介して、励起光伝送ファイバ１２３を、ダブルクラッドファイバ１００内インナークラッド１１２に融着して接続して励起光を注入する。
【選択図】図１

Description

本発明はファイバレーザにおける、光サージの遡上による励起光源破損を抑制する方法、及び、装置に関するものである。

従来、小出力（１Ｗ以下程度）である通信用ファイバレーザでは、コネクタの挿脱等の外乱による光サージが問題になっている。従来技術に係る一例として、図５に示すように、この問題に対応するため、増幅特性を有しない希土類をドープした光サージ低減ファイバを光増幅器に直列に接続しているものがある（例えば特許文献１参照）。

また、光サージが発生した場合に、光サージを検出して励起光源を制御することもある（例えば特許文献２参照）。さらに、光サージが発生した場合に、光学素子等の破損を防止するため、光ヒューズを装着しているものもある（例えば特許文献３参照）。
特開平１１−２８９３０２号公報 特開平１０−０２２５５６号公報 特開平１１−２７４５４７号公報

小出力の通信用ファイバレーザ等では、シングルモードのレーザ光を出射するため、コアの閉じ込め力が強く、大部分の出力がコアに閉じ込められる。このため、増幅された、コア内の光サージを取り除くことが必要であるので、従来技術のように、光サージ抑制機構を、増幅回路と直列に、すなわち、光増幅回路上に設けている。

しかしながら、近年、ファイバレーザ加工機が普及し始め、これに伴い、高出力ファイバレーザ（発振器）が要望されている。大出力ファイバレーザでは、シングルモードではなく、大口径コアを用いてマルチモードのレーザ光を出射するため、コアの閉じ込め力が弱く、レーザ光がコアから漏れやすい。加えて、加工に用いるファイバレーザは、レーザ光出力が大きいため、増幅されなくとも光サージ出力が大きい。

このため、コアに直列に接続していない、つまり、光増幅回路上にない励起光光源に対しても、コアから漏れた光サージが励起光光源に向かって伝播、つまり、遡上し、励起光光源に入射して励起光光源を破損するという問題があった。

本発明は、光サージの遡上による励起光源破損を抑制する高出力ファイバレーザを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のファイバレーザ装置は、ポンピングクラッドであるインナークラッドに、レーザ光を吸収する物質をドープしたファイバを介して励起光を導いている。そして、この構成により光サージが発生した場合に光サージを減衰することとなる。

また、本発明のダブルクラッドファイバは、インナークラッド内に、励起光を透過し、レーザ光を吸収する物質をドープした導波路を設けている。そして、この構成によって光サージが発生した場合に光サージを減衰することとなる。

以上のように、本発明は、ポンピングクラッドであるインナークラッドに、レーザ光を吸収する物質をドープしたファイバを介して励起光を導くことにより、光サージが励起光源へと伝播するのを抑制することができる。

（実施の形態１）
本実施の形態において前記背景技術と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態１におけるファイバレーザ増幅器の概念説明図、及び、ダブルクラッドファイバの断面図である。レーザファイバ１００はダブルクラッドファイバであり、レーザ媒質であるイッテルビウムを含む直径２０マイクロメートルのコア１１１、直径２２０マイクロメートルの円２個の一部を重ねて接続した断面形状のインナークラッド１１２、長辺５００マイクロメートル、短辺３００マイクロメートルの楕円断面形状のアウタークラッド１１４から成る。

インナークラッド１１２には励起光源である半導体レーザ１２１の出射する励起光を伝送するコア直径２００マイクロメートル、クラッド直径２２０マイクロメートル、被覆直径２５０マイクロメートルのコアクラッド構造の励起光伝送ファイバ１２３が接続している。

励起光伝送ファイバ１２３の中ごろにはコア直径２００マイクロメートル、クラッド直径２２０マイクロメートル、被覆直径２５０マイクロメートルのコアクラッド構造でコアにツリウムをドープした光サージ遡上抑制ファイバ２５を設けている。

コア１１１の一端は、レーザ光伝送ファイバ１２４により、シード光を発生するシード光光源１４０に接続しており、コア１１１の他端は、レーザ光伝送ファイバ１２４が接続している。

以上のように構成されたファイバレーザ増幅器について、その動作、作用を説明する。半導体レーザ１２１から出射する励起光（波長９７６ナノメートル）は、励起光伝送ファイバ１２３、光サージ遡上抑制ファイバ２５を伝播してダブルクラッドファイバ１００のインナークラッド１１２に導かれ、インナークラッド１１２内を伝播する。ツリウムは波長９７６ナノメートルの励起光を吸収しないので、前記励起光は効率よくインナークラッド１１２に入射する。

インナークラッド１１２を伝播する励起光はその伝播中にコア１１１を横切るとイッテルビウムを励起する。この励起状態下で、シード光光源１４０から出射する波長１０９０ナノメートルのシード光がコア１１１中を伝播するとシード光が増幅され、レーザ光（波長１０９０ナノメートル）が、レーザ光伝送ファイバ１２４から出射する。

ここで、高出力を得るため、励起光の出力を増加すると、損失を発生する個所（特に、融着部分）の温度上昇、高反射率ＦＢＧの熱伸び等、何らかの外乱によって、レーザ発振が不安定になる場合がある。特定の条件下においては、この不安定なレーザ発振は間欠的なレーザ発振へ移行し、レーザ光は高いピーク出力を持つパルス状の出力、すなわち、光サージ（波長１０９０ナノメートル）となる。

光サージの一部はコア１１１に閉じ込められず、インナークラッド１１２に漏れ出す。インナークラッド１１２に漏れ出した光サージの一部は、励起光伝送ファイバ１２３に入射し、光サージ遡上抑制ファイバ２５に達する。光サージはコアにドープしたツリウムに吸収されて減衰し、ツリウムを励起する。励起したツリウムは、発振閾値より小さな励起であり、増幅されず、主に波長２マイクロメートル付近の自然放出光を放出しながら基底準位に戻る。

以上のように、励起光を伝送するファイバと、レーザ光を発生するレーザファイバの間に、励起光を透過し、レーザ光を吸収する物質をドープしたファイバで接続することにより、光サージが発生した場合においても、光サージが励起光源に向かって遡上し、励起光源に入射することを抑制できる。また、前記物質の自然放出光を検出することにより、励起光源を制御し、光サージが光学部品等を破損することを防ぐことができるファイバレーザ増幅器が供給できる。

なお、実施の形態１では、光サージ吸収物質をツリウムとしたが、他の希土類をドープしてもよい。そして、実施の形態１ではレーザ媒質をイッテルビウムとし、光サージ吸収物質をツリウムとしたが、他のレーザ媒質と光サージ吸収物質の組み合わせでもよい。

また、実施の形態１では、第１クラッドを構成する２つの円断面形状の一部が重なり合う構成としたが、光学的に接続していれば各円断面が近接するように配してもよい。さらに、光サージ抑制ファイバ長に関する言及はないが、発生すると予測される光サージに応じて選定すればよい。

（実施の形態２）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、光抑制ファイバを取り除いた点と、ダブルクラッドファイバの構造である。

図２は、本発明の実施の形態２におけるファイバレーザ増幅器の概念説明図、及び、ダブルクラッドファイバの断面図である。ダブルクラッドファイバであるレーザファイバ１０は、レーザ光を発生するレーザ媒質のイッテルビウムをドープした石英ガラスの直径２０マイクロメートルの円形断面形状であるレーザファイバコア１１と、励起光を伝送する石英ガラスのインナークラッドで直径２２０マイクロメートルの円２個の一部を重ね合わせた断面形状で、前記円の１つの円中心部にレーザファイバコア１１を包含し、前記円の残りの円内に直径２００マイクロメートルの円形断面形状で、望ましくは、その屈折率が、第１クラッド１２の屈折率と同等、あるいは、低くするホスト母材にツリウムをドープした励起光導波路１３を包含する第１クラッド１２と、第１クラッド１２を包含し、励起光を閉じ込めるアウタークラッドで、長辺５００マイクロメートル、短辺３００マイクロメートルの楕円断面形状の第２クラッド１４から成る。

励起光導波路１３には励起光伝送ファイバ１２３が接続している。コア１１１の一端は、レーザ光伝送ファイバ１２４により、シード光を発生するシード光光源１４０に接続しており、コア１１１の他端は、レーザ光伝送ファイバ１２４が接続している。

以上のように構成されたファイバレーザ増幅器について、その動作、作用を説明する。半導体レーザ１２１から出射する励起光（波長９７６ナノメートル）は、励起光伝送ファイバ１２３を伝播し励起光導波路１３に導かれる。励起光導波路１３の屈折率は、第１クラッド１２の屈折率と同等、あるいは、低くいため、励起光は第１クラッド１２内を伝播する。

第１クラッド１２を伝播中にコア１１を横切るとイッテルビウムを励起する。この励起状態下で、シード光光源１４０から出射する波長１０９０ナノメートルのシード光がコア１１中を伝播するとシード光が増幅され、レーザ光（波長１０９０ナノメートル）が、レーザ光伝送ファイバ１２４から出射する。

このとき、何らかの外乱により光サージ（波長１０９０ナノメートル）が発生した場合、光サージの一部はコア１１に閉じ込められず、第１クラッド１２に漏れ出す。第１クラッド１２に漏れ出した光サージは励起光導波路１３にドープしたツリウムに吸収されて減衰し、ツリウムを励起する。励起したツリウムは、主に波長２マイクロメートル付近の自然放出光を放出しながら基底準位に戻る。

以上のように、ダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザにおいて、インナークラッド内に、励起光を透過し、レーザ光を吸収する物質をドープした導波路を設けることにより、光サージが発生した場合においても、光サージが励起光源に入射することを抑制できるファイバレーザ増幅器が供給できる。

なお、実施の形態２では、励起光を励起光導波路に導いたが、励起光導波路を小径化し、インナークラッドである第１クラッドに導いてもよい。また、実施の形態２では、励起光導波路を、インナークラッドを構成する１つの円の中心付近に配したが、励起光導波路を小径化してレーザファイバコアに近い方の周辺部に配してもよい。

（実施の形態３）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、光サージ抑制ファイバをファイバレーザ増幅器ではなく、ファイバレーザに適用した点である。

図３は、本発明の実施の形態３におけるファイバレーザの概念説明図、及び、ダブルクラッドファイバの断面図である。レーザファイバ１００はダブルクラッドファイバであり、レーザ媒質であるイッテルビウムを含む直径２０マイクロメートルのコア１１１、直径２２０マイクロメートルの円２個の一部を重ねて接続した断面形状のインナークラッド１１２、長辺５００マイクロメートル、短辺３００マイクロメートルの楕円断面形状のアウタークラッド１１４から成る。

インナークラッド１１２には励起光源である半導体レーザ１２１の出射する励起光を伝送するコア直径２００マイクロメートル、クラッド直径２２０マイクロメートル、被覆直径２５０マイクロメートルのコアクラッド構造の励起光伝送ファイバ１２３が接続している。

励起光伝送ファイバ１２３の中ごろにはコア直径２００マイクロメートル、クラッド直径２２０マイクロメートル、被覆直径２５０マイクロメートルのコアクラッド構造でコアにツリウムをドープした光サージ遡上抑制ファイバ２５を設けている。

コア１１１の一端は、レーザ光の帰還手段であるＦＢＧをそのコアの一部に備えた、コア直径２０マイクロメートル、クラッド直径２２０マイクロメートル、被覆直径２５０マイクロメートル、反射率９９％の円形断面形状コアクラッド構造ファイバである高反射率ＦＢＧ付きファイバ３０を融着している。コア１１１の他端はレーザ光の帰還手段であるＦＢＧをそのコアの一部に備えた、コア直径２０マイクロメートル、クラッド直径２２０マイクロメートル、被覆直径２５０マイクロメートル、反射率１０％の円形断面形状コアクラッド構造ファイバである低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１を融着している。

以上のように構成されたファイバレーザについて、その動作、作用を説明する。半導体レーザ１２１から出射する励起光（波長９７６ナノメートル）は、励起光伝送ファイバ１２３、光サージ遡上抑制ファイバ２５を伝播してダブルクラッドファイバ１００のインナークラッド１１２に導かれ、インナークラッド１１２内を伝播する。ツリウムは波長９７６ナノメートルの励起光を吸収しないので、前記励起光は効率よくインナークラッド１１２に入射する。

インナークラッド１１２を伝播する励起光はその伝播中にコア１１１を横切るとイッテルビウムを励起する。この励起により発生した光はレーザファイバコア１１１両端に融着して設けたＦＢＧにより構成する光共振器内で多重増幅帰還され、低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１の一端から、高反射率ＦＢＧ付きファイバ３０、及び、低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１で定める波長、例えば１０９０ナノメートル、のレーザ光として出射する。

このとき、何らかの外乱で光サージが発生する場合がある。光サージの一部はコア１１１に閉じ込められず、インナークラッド１１２に漏れ出す。インナークラッド１１２に漏れ出した光サージの一部は、励起光伝送ファイバ１２３に入射し、光サージ遡上抑制ファイバ２５に達する。光サージはコアにドープしたツリウムに吸収されて減衰し、ツリウムを励起する。励起したツリウムは、発振閾値より小さな励起であり、増幅されず、主に波長２マイクロメートル付近の自然放出光を放出しながら基底準位に戻る。

以上のように、励起光を伝送するファイバと、レーザ光を発生するレーザファイバの間に、励起光を透過し、レーザ光を吸収する物質をドープしたファイバで接続することにより、光サージが発生した場合においても、光サージが励起光源に入射することを抑制できるファイバレーザを提供することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態において実施の形態２と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態２と異なるのは、励起光伝送ファイバと、光サージ抑制ファイバをファイバレーザ増幅器ではなく、ファイバレーザに適用した点と、ダブルクラッドファイバの構造である。

図４は、本発明の実施の形態４におけるファイバレーザ増幅器の概念説明図、及び、ダブルクラッドファイバの断面図である。ダブルクラッドファイバであるレーザファイバ５０は、レーザ光を発生するレーザ媒質のイッテルビウムをドープした石英ガラスの直径２０マイクロメートルの円形断面形状であるレーザファイバコア１１と、励起光を伝送する石英ガラスのインナークラッドで直径２２０マイクロメートルの円２個の一部を重ね合わせた断面形状で、前記円の１つの円中心部にレーザファイバコア１１を包含し、前記円の残りの円内に直径２００マイクロメートルの円形断面形状で、ツリウムをドープしたＮＡ（開口数）＝０．０６なる低ＮＡ導波路１５を包含する第１クラッド１２と、第１クラッド１２を包含し、励起光を閉じ込めるアウタークラッドで、長辺５００マイクロメートル、短辺３００マイクロメートルの楕円断面形状の第２クラッド１４から成る。

低ＮＡ導波路１５にはＮＡ＝０．２２なる励起光伝送ファイバ１２６が融着して接続している。コア１１の一端は、高反射率ＦＢＧ付きファイバ３０を融着し、コア１１１の他端は、反射率１０％の円形断面形状コアクラッド構造ファイバである低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１を融着している。

以上のように構成されたファイバレーザについて、その動作、作用を説明する。半導体レーザ１２１から出射する励起光（波長９７６ナノメートル）は、励起光伝送ファイバ１２６（ＮＡ＝０．２２）を伝播し低ＮＡ導波路１５（ＮＡ＝０．０６）に導かれる。励起光ＮＡが低ＮＡ導波路１５のＮＡに比較して大きいため、励起光が低ＮＡ導波路１５から第１クラッド１２に漏れ出し、第１クラッド１２内を伝播し、イッテルビウムを励起する。この励起により発生した光はレーザファイバコア１１１両端に融着して設けたＦＢＧにより構成する光共振器内で多重増幅帰還され、低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１の一端から、高反射率ＦＢＧ付きファイバ３０、及び、低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１で定める波長、例えば１０９０ナノメートル、のレーザ光として出射する。

このとき、何らかの外乱により光サージ（波長１０９０ナノメートル）が発生した場合、光サージの一部はコア１１に閉じ込められず、第１クラッド１２に漏れ出す。第１クラッド１２に漏れ出した光サージは低ＮＡ導波路１５にドープしたツリウムに吸収されて減衰し、ツリウムを励起する。励起したツリウムは、主に波長２マイクロメートル付近の自然放出光を放出しながら基底準位に戻る。

以上のように、ダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザにおいて、インナークラッド内に、励起光を透過し、レーザ光を吸収する物質をドープした導波路を設けることにより、光サージが発生した場合においても、光サージが励起光源に入射することを抑制できるファイバレーザが供給できる。また、励起光を伝送ファイバと励起光を入射する導波路を融着して接続しているので、導波路端面での反射、例えばフレネル反射、が低減でき、ツリウムによる、導波路でのレーザ発振の可能性を軽減できる。

本発明の方法、及び、装置は、光サージが励起光源へと伝播し励起光源を破損することを抑制でき、ファイバレーザ装置などに有用である。

本発明の実施の形態１におけるファイバレーザ増幅器の概念説明図、及び、ダブルクラッドファイバの断面図 本発明の実施の形態２におけるファイバレーザ増幅器の概念説明図、及び、ダブルクラッドファイバの断面図 本発明の実施の形態３におけるファイバレーザの概念説明図、及び、ダブルクラッドファイバの断面図 本発明の実施の形態４におけるファイバレーザの概念説明図、及び、ダブルクラッドファイバの断面図 従来技術に係るファイバレーザ増幅器概念図

１０ レーザファイバ
１１ レーザファイバコア
１２ 第１クラッド
１３ 励起光導波路
１４ 第２クラッド
１５ 低ＮＡ導波路
２５ 光サージ遡上抑制ファイバ
３０ 高反射率ＦＢＧ付きファイバ
３１ 低反射率ＦＢＧ付きファイバ
５０ レーザファイバ
１００ ダブルクラッドファイバ
１１１ コア
１１２ インナークラッド
１１４ アウタークラッド
１２１ 半導体レーザ
１２３ 励起光伝送ファイバ
１２４ レーザ光伝送ファイバ
１２５ 光サージ抑制ファイバ
１２６ 励起光伝送ファイバ
１４０ シード光光源

Claims (8)

1. レーザ光を発生するレーザ媒質を含むコアと、ポンピングクラッドであるインナークラッドと、励起光を閉じ込めるアウタークラッドから成るダブルクラッドファイバと、励起光を透過しレーザ光を吸収する物質をドープした抑制ファイバとを備えた光増幅器であって、
   前記レーザ媒質を励起する励起光を、前記抑制ファイバを介して前記インナークラッドに導くことを特徴とする光増幅器。
2. レーザ光を発生するレーザ媒質を含むコアと、ポンピングクラッドであるインナークラッドと、励起光を閉じ込めるアウタークラッドから成るダブルクラッドファイバとを備えた光増幅器であって、
   前記インナークラッド内に、励起光を透過しレーザ光を吸収する物質をドープした導波路を設けることを特徴とする光増幅器。
3. 前記励起光を透過しレーザ光を吸収する物質が希土類である請求項１または２に記載の光増幅器。
4. 前記レーザ光を発生するレーザ媒質がイッテルビウムであり、前記励起光を透過しレーザ光を吸収する希土類がツリウムである請求項３に記載の光増幅器。
5. レーザ光を発生するレーザ媒質を含むコアと、ポンピングクラッドであるインナークラッドと、励起光を閉じ込めるアウタークラッドから成るダブルクラッドファイバと、励起光を透過しレーザ光を吸収する物質をドープした抑制ファイバとを備えたファイバレーザ装置であって、
   前記レーザ媒質を励起する励起光を、前記抑制ファイバを介して前記インナークラッドに導くことを特徴とするファイバレーザ装置。
6. レーザ光を発生するレーザ媒質を含むコアと、ポンピングクラッドであるインナークラッドと、励起光を閉じ込めるアウタークラッドから成るダブルクラッドファイバとを備えたファイバレーザ装置であって、
   前記インナークラッド内に、励起光を透過しレーザ光を吸収する物質をドープした導波路を設けることを特徴とするファイバレーザ装置。
7. 前記励起光を透過しレーザ光を吸収する物質が希土類である請求項５または６に記載のファイバレーザ装置。
8. 前記レーザ光を発生するレーザ媒質がイッテルビウムであり、前記励起光を透過しレーザ光を吸収する希土類がツリウムである請求項７に記載のファイバレーザ装置。

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