JP2011035012A

JP2011035012A - ファイバレーザ装置

Info

Publication number: JP2011035012A
Application number: JP2009177087A
Authority: JP
Inventors: Hironori Tanaka; 弘範田中
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】励起光が出力されることが抑制できるファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ファイバレーザ装置１００は、励起光が入力され、励起光により励起される希土類元素が添加され、励起光と、励起光により増幅されるレーザ光を出力する増幅用光ファイバ３０と、増幅用光ファイバ３０から出力されるレーザ光と励起光とが入力され、出力端４５からレーザ光と励起光とを出力する光ファイバ４０と、光ファイバ４０の出力端４５から出力されるレーザ光と励起光とが、入力されるガラスロッド５０と、ガラスロッド５０の出力端面５２上に設けられ、レーザ光と同じ波長帯域の光を透過し、励起光と同じ波長帯域の光を反射する光フィルタ６０と、を備え、ガラスロッド５０に入力される励起光は、出力端面５２に垂直な方向から光フィルタ６０に入力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバレーザ装置に関する。

レーザ装置の一つとして、ファイバレーザ装置が知られている。ファイバレーザ装置は、希土類元素が添加された増幅用光ファイバを備え、この増幅用光ファイバによりレーザ光が増幅されて、増幅されたレーザ光が増幅用光ファイバの端部から出力されるものである。

下記特許文献１には、このようなファイバレーザ装置が記載されている。特許文献１に記載のファイバレーザ装置においては、希土類元素が添加されるコアが、クラッドに被覆されて、コアにより信号光が伝播され、コアとクラッドとにより励起光が伝播される増幅用光ファイバが用いられている。そして、この増幅用光ファイバの端部にガラスロッドが接続され、増幅用光ファイバで増幅されたレーザ光は、増幅用光ファイバからガラスロッドに入力される。ガラスロッドに入力されたレーザ光は、ガラスロッドにおいて径が拡大された後、ガラスロッドの増幅用光ファイバ側とは反対側の端面から出力される（特許文献１）。

米国特許第７，１９０，５１１号公報

しかし、上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置においては、増幅用光ファイバにおいて信号光の増幅に用いられなかった余剰励起光が信号光と共に出力される場合がある。この増幅用光ファイバから信号光と共に出力される余剰励起光は、ガラスロッドから信号光と共に出力され、信号光が照射される被照射物に対して信号光と共に照射される。このように信号光以外のレーザ光が被照射物に照射されると、被照射物が被加工体である場合は加工精度の低下につながる場合があり、被照射物がアイソレータ等の光学部品である場合には、不要な発熱等が生じて光学部品の損傷につながる場合がある。

そこで、本発明は、励起光が出力されることが抑制できるファイバレーザ装置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者は、上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置において、余剰励起光が出力されない構成について鋭意検討を行った。そして、上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置において、信号光と同じ波長帯域の光を透過させると共に、励起光と同じ波長帯域の光の透過を抑制する光フィルタをガラスロッドの信号光の出射面に設けることを試みた。これにより、上記課題を解決することができると考えた。しかし、一般にこのような光フィルタは、励起光と同じ波長帯域の光を反射する。したがって、このように構成する場合、光フィルタで反射する余剰励起光がガラスロッドの側面等で乱反射や散乱等をしてしまい、ガラスロッドの側面等から不要な余剰励起光が出射されてしまう場合があることが分かった。

そこで、本発明者らは、さらに鋭意研究を重ねて、本発明をするに至った。

すなわち、本発明のファイバレーザ装置は、励起光が入力され、前記励起光により励起される希土類元素が添加される第１コアと、前記第１コアを被覆する第１クラッドとを有し、前記励起光と、前記励起光により増幅されるレーザ光とを出力する増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバから出力される前記レーザ光と前記励起光とが入力され、第２コアと、前記第２コアを被覆する第２クラッドとを有し、出力端から前記レーザ光と励起光とを出力する光ファイバと、入力端面と出力端面とを有し、前記第２クラッドの外径よりも大きな直径であり、前記光ファイバの前記出力端から出力される前記レーザ光と前記励起光とが、前記入力端面から入力されるガラスロッドと、前記ガラスロッドの前記出力端面上に設けられ、前記レーザ光と同じ波長帯域の光を透過し、前記励起光と同じ波長帯域の光を反射する光フィルタと、を備え、前記ガラスロッドに入力される前記励起光は、前記出力端面に垂直な方向から前記光フィルタに入力されることを特徴とするものである。

このようなファイバレーザ装置によれば、増幅用光ファイバにおいて増幅されるレーザ光と、レーザ光の増幅に用いられなかった励起光とが、増幅用光ファイバから出力されて光ファイバを介して、ガラスロッドの入力端面からガラスロッドに入力される。

ガラスロッドに入力されるレーザ光は、ガラスロッドの出力端面上に設けられる光フィルタに入力される。この光フィルタはレーザ光と同じ波長帯域の光を透過させるため、レーザ光は、光フィルタを透過してファイバレーザ装置から出力される。

一方、ガラスロッドに入力される励起光は、ガラスロッドの出力端面に垂直な方向から光フィルタに入力される。しかし、出力端面上に設けられる光フィルタは、励起光と同じ波長帯域の光を反射するため、ガラスロッドの出力端面に垂直な方向から光フィルタに入力される励起光は、ガラスロッドの出力端面に垂直な方向に反射され、再びガラスロッドに入力される。このように励起光は、光フィルタに入力する方向と、光フィルタにより反射される方向とが、共に出力端面対して垂直な方向であるため、光フィルタにより反射される励起光は、励起光が光ファイバの出力端から光フィルタまで進む経路と同じ経路を戻るようにガラスロッド内を伝播する。そして、光ファイバの出力端に集光され、再び光ファイバに入力される。

このようにして、本発明のファイバレーザ装置は、励起光が出力されることを抑制できる。

さらに、上記ファイバレーザ装置において、前記ガラスロッドに入力される前記励起光は、前記ガラスロッドの前記出力端面において前記第２クラッドの外径より大きな直径とされることが好ましい。

このように構成されることで、ガラスロッドの出力端面上に設けられる光フィルタに入力される励起光のエネルギー密度は、光ファイバの出力端における励起光のエネルギー密度よりも低くなる。従って、励起光による光フィルタの損傷を抑制することができる。

また、上記ファイバレーザ装置において、前記第２コアは希土類元素が添加され、前記第１コアと前記第２コアとが同じ構成とされると共に、前記第１クラッドと前記第２クラッドとが同じ構成とされ、前記光ファイバは前記増幅用光ファイバを延在させてなる部分により構成されることが好ましい。

このように光ファイバと増幅用光ファイバとを同じ構成にすることで、安価にファイバレーザ装置を構成することができる。

また、上記ファイバレーザ装置において、前記ガラスロッドは、前記励起光に対する０．２５ピッチの奇数倍の長さを有するＧＲＩＮレンズにより構成されることが好ましい。

このように構成することにより、増幅用光ファイバの出力端から出力される励起光は、ＧＲＩＮレンズにより屈折されて、ガラスロッドの出力端でコリメート光とされる。上述のようにレーザ光は、増幅用光ファイバの励起光により励起状態とされる希土類元素の誘導放出により増幅される。従って、励起光とレーザ光との波長の差は然程大きくなく、励起光が出力端でコリメート光とされる場合、レーザ光も出力端面において、殆どコリメート光と同じ状態とされる。こうして、殆どコリメート光と同じ状態のレーザ光を出力することができる。

また、上記ファイバレーザ装置において、前記ガラスロッドの前記出力端面は、非球面凸レンズ形状とされることが好ましい。

このように、ガラスロッドの出力端面の形状を非球面の凸レンズ形状に構成すれば良いため、安価にガラスロッドを構成することができ、よって、安価にファイバレーザ装置を構成することができる。

また、上記ファイバレーザ装置において、前記光ファイバの出力端は、前記ガラスロッドの入力端面に融着されていることが好ましい。

このように構成することで、光ファイバからガラスロッドにレーザ光が入力する際、光ファイバとガラスロッドとの間に隙間が空いている場合よりも、レーザ光の損失を抑制することができる。

本発明によれば、励起光が出力されることが抑制できるファイバレーザ装置が提供される。

本発明の第１実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。図１に示すダブルクラッドファイバの長手方向に垂直な方向の断面の様子を示す断面図である。図１に示す増幅用光ファイバの長手方向に垂直な方向の断面の様子を示す断面図である。図１に示すガラスロッドの拡大図である。図１に示す光フィルタの光の透過特性を示す図である。本発明の第２実施形態に係るファイバレーザ装置におけるガラスロッドの拡大図である。図１に示すファイバレーザ装置の変形例を示す図である。図１に示すファイバレーザ装置の他の変形例を示す図である。

以下、本発明に係るファイバレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。

図１に示すように、ファイバレーザ装置１００は、ファブリペロー型のファイバレーザ装置である。ファイバレーザ装置１００は、励起光を出力する励起光源１０と、励起光が入力されるダブルクラッドファイバ２０と、励起光をダブルクラッドファイバ２０に入力するためのポンプコンバイナ１５と、ダブルクラッドファイバ２０と接続される増幅用光ファイバ３０と、増幅用光ファイバ３０の両端に設けられる第１ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）３５、第２ＦＢＧ３６と、増幅用光ファイバ３０のダブルクラッドファイバ２０側とは反対側に接続されるダブルクラッドファイバ４０と、ダブルクラッドファイバ４０に接続されるガラスロッドとしてのＧＲＩＮレンズ５０と、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面上に設けられる光フィルタ６０とを主な構成として備える。なお、本実施形態においては、光ファイバとしてダブルクラッドファイバを用いている。

励起光源１０は、複数の励起光出力用のレーザダイオード（ＬＤ）１０ａ〜１０ｄから構成され、それぞれのＬＤ１０ａ〜１０ｄは、例えば９１５ｎｍの励起光を出力する。これら複数のＬＤ１０ａ〜１０ｄは、それぞれマルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄと接続されている。複数のＬＤ１０ａ〜１０ｄと接続されるマルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄは、それぞれコアがクラッドで被覆される構成とされ、ＬＤ１０ａ〜１０ｄから出力される励起光をマルチモード光として伝播する。マルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄは、例えば、コアの直径が１２５μｍとされ、クラッドの外径が１５０μｍとされる。

図２は、ダブルクラッドファイバ２０の長手方向に垂直な方向の断面の様子を示す断面図である。図２に示すように、ダブルクラッドファイバ２０は、コア２１がクラッド２２で被覆され、クラッド２２が樹脂クラッド２３で被覆される構成とされる。そして、クラッド２２の屈折率はコア２１の屈折率よりも低く、樹脂クラッド２３の屈折率はクラッド２２の屈折率よりも大幅に低くされる。また、ダブルクラッドファイバ２０のクラッド２２の外径と内径の差は、マルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄのコアの直径よりも大きくされている。このような、ダブルクラッドファイバ２０は、例えば、上述のようにマルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄのコアの直径が１２５μｍとされる場合、コアの直径が１０μｍとされ、クラッドの外径が４００μｍとされ、樹脂クラッドの外径が５５０μｍとされる。また、コア２１を構成する材料としては、例えば、ゲルマニウムが添加された石英が挙げられ、クラッド２２を構成する材料としては、例えば、フッ素が添加された石英が挙げられ、樹脂クラッドを構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂が挙げられる。

このダブルクラッドファイバ２０の一端は、ポンプコンバイナ１５において、複数のマルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄの端部と接続されている。具体的には、マルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄの端部は、ポンプコンバイナ１５においてクラッドが剥離され、マルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄのコアの端面がダブルクラッドファイバ２０のクラッド２２の端面と接続されている。さらに、マルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄと接続されるダブルクラッドファイバ２０の端部は、シングルモードファイバ１３の端部と接続されている。このシングルモードファイバ１３は、ダブルクラッドファイバ２０のコアと同じ直径のコアが、クラッドで被覆される構成とされている。そして、シングルモードファイバ１３のコアと、ダブルクラッドファイバ２０のコアとが同軸上に並ぶように配置され、ダブルクラッドファイバ２０の端面とシングルモードファイバ１３の端面とが接続されている。つまり、シングルモードファイバ１３及びマルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄは、シングルモードファイバ１３がマルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄにより囲まれるようにして、ダブルクラッドファイバ２０と端面接続されている。

なお、シングルモードファイバ１３のポンプコンバイナ１５側とは反対側の端部には、無反射終端１２が形成されている。

図３はダブルクラッドファイバ２０と接続される増幅用光ファイバ３０の長手方向に垂直な方向の断面の様子を示す断面図である。図３に示すように、増幅用光ファイバ３０は、希土類元素が添加される第１コア３１と、第１コア３１を被覆する第１クラッド３２と、第１クラッド３２を被覆する樹脂クラッド３３とから構成される。そして、第１クラッド３２の屈折率は、第１コア３１の屈折率よりも低くされ、樹脂クラッド３３の屈折率は、第１クラッド３２の屈折率よりも大幅に低くされる。また、増幅用光ファイバ３０は、第１コア３１の直径がダブルクラッドファイバ２０のコア２１と同じ直径とされ、第１クラッド３２の外径がダブルクラッドファイバ２０のクラッド２２と同じ外径とされ、樹脂クラッド３３の外径がダブルクラッドファイバ２０の樹脂クラッド２３と同じ外径とされる。また、第１コア３１を構成する材料としては、例えば、ゲルマニウムとイッテルビウムが添加された石英が挙げられ、第１クラッドを構成する材料としては、例えば、フッ素が添加された石英が挙げられ、樹脂クラッドを構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂が挙げられる。

また、増幅用光ファイバ３０のダブルクラッドファイバ２０側の端部には、第１ＦＢＧ３５が形成されており、増幅用光ファイバ３０のダブルクラッドファイバ２０側とは反対側の端部には、第２ＦＢＧ３６が形成されている。第１ＦＢＧ３５は、増幅用光ファイバ３０に励起光が入力される場合に、第１コア３１に添加される希土類元素から放出される自然放出光のうち一部の波長帯域の光を９９％以上の反射率で反射し、第２ＦＢＧ３６は、この波長帯域の光を５０％以下の反射率で反射する。

増幅用光ファイバ３０と接続されるダブルクラッドファイバ４０は、図２に示すダブルクラッドファイバ２０と同様の構成とされ、第２コア４１と、第２コア４１を被覆する第２クラッド４２と、第２クラッド４２を被覆する樹脂クラッド４３とから構成される。ダブルクラッドファイバ４０は、第２コア４１の直径がダブルクラッドファイバ２０のコア２１と同じ直径とされ、第２クラッド４２の外径がダブルクラッドファイバ２０のクラッド２２と同じ外径とされ、樹脂クラッド４３の外径がダブルクラッドファイバ２０の樹脂クラッド２３と同じ外径とされる。

図４は、図１に示すＧＲＩＮレンズ５０の拡大図である。このＧＲＩＮレンズ５０は、円柱状の形状をしており入力端面５１と出力端面５２とを有する。さらにＧＲＩＮレンズ５０は、径方向において屈折率分布を有し、長さ方向において屈折率分布を有さない構成とされる。径方向の屈折率分布は、屈折率が径の中心側から側面側にかけてなだらかに変化し、径方向の中心側ほど屈折率が高く、側面に近い部分ほど屈折率が低い構成とされる。従って、ＧＲＩＮレンズ５０に入力する光は、ＧＲＩＮレンズ５０の内部において屈折する。また、ＧＲＩＮレンズ５０の直径は、ダブルクラッドファイバ４０の第２クラッド４２の外径よりも大きな径とされ、長さが、励起光に対する０．２５ピッチの奇数倍の値とされる。

そして、図４に示すように、ダブルクラッドファイバ４０における出力端４５付近の樹脂クラッド４３が剥離されて、出力端４５がＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１に融着されている。このとき、ＧＲＩＮレンズ５０の中心軸とダブルクラッドファイバ４０の中心軸とが一致するように位置が合わされている。このように構成することで、ダブルクラッドファイバ４０からＧＲＩＮレンズ５０に光が入力する際、ダブルクラッドファイバ４０とＧＲＩＮレンズ５０との間に隙間が空いている場合よりも、光の損失を抑制することができる。

なお、ＧＲＩＮレンズ５０は、例えば、中心部分と側面部分との屈折率差が０．０６とされる。さらに、長さが励起光に対する０．２５ピッチである場合、上述のように、励起光の波長が９１５ｎｍであり、ダブルクラッドファイバ４０の第２クラッド４２の外径が４００μｍであれば、直径が５ｍｍ以上とされ、長さが１０ｍｍとされる。

ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面５２上に設けられる光フィルタ６０は、誘電体多層膜から構成される。図５は、図４に示す光フィルタ６０の光の透過特性を示す図である。図５に示すように、光フィルタ６０は、励起光の波長帯域の光を反射する。さらに、増幅用光ファイバ３０の光放出特性及び第１、第２ＦＢＧ３５、３６の反射特性によって決まるレーザ発振波長の光を９８％以上透過させる。図５は、上述のように励起光の波長が９１５ｎｍであり、自然放出光の波長が１０７０ｎｍである場合に用いられる光フィルタの透過特性を表わしており、図５に示す光フィルタは、９９０ｎｍ以下の波長の光を反射し、１０４０ｎｍ以上の波長の光を透過させる。このような誘電体多層膜フィルタは、屈折率の異なる材料を交互に積層することで形成される。誘電体多層膜フィルタに用いる材料としては、シリカ（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等が挙げられる。

次に、ファイバレーザ装置のレーザ光の出力について説明する。

まず、励起光源１０のＬＤ１０ａ〜１０ｄから励起光が出力される。出力される励起光は、例えば、９１５ｎｍの波長である。励起光源１０から出力される励起光は、マルチモードファイバ１１ａ〜１１ｄによりマルチモード光として伝播され、ポンプコンバイナ１５においてダブルクラッドファイバ２０に入力される。ダブルクラッドファイバ２０に入力される励起光は、ダブルクラッドファイバ２０のコア２１とクラッド２２とによりマルチモード光として伝播され、第１ＦＢＧ３５を介して増幅用光ファイバ３０に入力される。増幅用光ファイバ３０に入力される励起光は、増幅用光ファイバ３０の第１コア３１及び第１クラッド３２により伝播され、励起光の一部は、増幅用光ファイバ３０の第１コアに添加された希土類元素に吸収される。このため、希土類元素は励起状態となる。そして、励起状態となった希土類元素は、特定の波長の自然放出光を放出する。

この自然放出光を元に、第１ＦＢＧ３５と第２ＦＢＧ３６で構成される共振器でレーザ発振が起こる。発生したレーザ光は、第２ＦＢＧ３６を透過して、ダブルクラッドファイバ４０の第２コア４１に入力され、第２コア４１によりシングルモード光として伝播される。

なお、第１ＦＢＧ３５を透過する僅かな光は、ダブルクラッドファイバ２０のコア２１、及び、シングルモードファイバ１３のコアを伝播して無反射終端１２で熱に変換される。

このとき、増幅用光ファイバ３０の第１コアに添加された希土類元素に吸収されない励起光は、余剰励起光として第２ＦＢＧ３６を透過して増幅用光ファイバ３０から出力される。そして、増幅用光ファイバ３０から出力された余剰励起光は、ダブルクラッドファイバ４０に入力され、ダブルクラッドファイバ４０の第２コア４１と第２クラッド４２とによりマルチモード光として伝播される。

ダブルクラッドファイバ４０を伝播するレーザ光及び励起光は、図４に示すようにダブルクラッドファイバ４０の出力端４５から出力されて、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１からＧＲＩＮレンズ５０に入力される。

なお、上述のようにＧＲＩＮレンズ５０の中心軸とダブルクラッドファイバ４０の中心軸とが一致するように位置が合わされているため、レーザ光及び励起光は、ＧＲＩＮレンズ５０の中心軸の方向に沿って入力される。

ＧＲＩＮレンズ５０に入力されたレーザ光及び余剰励起光は、上述のようにＧＲＩＮレンズ５０が中心軸側ほど屈折率が高く側面側ほど屈折率が低いため、図４に示すように直径が広げられる。このとき上述のようにＧＲＩＮレンズ５０の長さが、励起光に対して０．２５ピッチの奇数倍であるため、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面５２において、余剰励起光はコリメート光とされ、出力端面５２の全域において、出力端面５２に対して垂直な方向に沿って、出力端面から出力される。なお、図４においては、ＧＲＩＮレンズ５０の長さが、励起光の０．２５ピッチの状態を示している。

出力端面５２から出力されるレーザ光は、光フィルタ６０に入力される。図５に示すように、光フィルタ６０は、増幅用光ファイバ３０で発生する自然放出光と同じ波長帯域の光を殆ど透過させるため、光フィルタ６０に入力されるレーザ光は、光フィルタ６０から出力する。こうして、レーザ光がファイバレーザ装置１００から出力する。

なお、上述のようにレーザ光は、増幅用光ファイバ３０の励起光により励起状態とされる希土類元素の誘導放出により増幅される波長の光であるため、励起光とレーザ光との波長の差は然程大きくない。従って、励起光が出力端でコリメート光とされる場合、レーザ光も出力端面において、殆どコリメート光と同じ状態とされる。こうして、ファイバレーザ装置１００から出力されるレーザ光は、殆どコリメート光と同じ状態とされる。

一方、余剰励起光は、上述のように出力端面５２においてコリメート光とされるため、出力端面５２に対して垂直な方向から出力される。そして、余剰励起光は、出力端面５２上に設けられる光フィルタ６０に垂直な方向から入力される。光フィルタ６０は、上述のように励起光と同じ波長帯域の光を反射するため、光フィルタ６０に対して垂直に入力する余剰励起光は、光フィルタ６０に対して垂直な方向に反射される。したがって、出力端面５２からコリメート光として出力する余剰励起光は、コリメート光として出力端面５２に入力される。そして、図４の破線で示すように、反射された余剰励起光は、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５から光フィルタ６０に進む経路と同じ経路を戻るように、光フィルタ６０からダブルクラッドファイバ４０に向って進む。従って、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５に戻る際には、余剰励起光の直径がダブルクラッドファイバ４０の第２クラッド４２の外径と同じ大きさに集光される。

こうして、直径が第２クラッド４２の外径と同じ大きさに集光された余剰励起光は、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５からダブルクラッドファイバ４０に入力される。

ダブルクラッドファイバ４０に入力される余剰励起光は、ダブルクラッドファイバ４０の第２コア４１と第２クラッド４２とをマルチモード光として伝播し、増幅用光ファイバ３０に入力される。

本実施形態のファイバレーザ装置１００によれば、増幅用光ファイバ３０において増幅されるレーザ光と、レーザ光の増幅に用いられなかった余剰励起光とが、増幅用光ファイバ３０から出力されてダブルクラッドファイバ４０を介して、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１からＧＲＩＮレンズ５０に入力される。

ＧＲＩＮレンズ５０に入力されるレーザ光は、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面５２上に設けられる光フィルタ６０に入力される。この光フィルタ６０はレーザ光と同じ波長帯域の光を透過させるため、レーザ光は、光フィルタ６０を透過してファイバレーザ装置から出力される。

一方、ＧＲＩＮレンズ５０に入力される余剰励起光は、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面５２に垂直な方向から光フィルタ６０に入力される。しかし、出力端面５２上に設けられる光フィルタ６０は、励起光と同じ波長帯域の光を反射するため、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面５２に垂直な方向から光フィルタ６０に入力される余剰励起光は、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面５２に垂直な方向に反射され、再びＧＲＩＮレンズ５０に入力される。このように余剰励起光は、光フィルタ６０に入力する方向と、光フィルタ６０により反射される方向が、共に出力端面５２対して垂直な方向であるため、光フィルタ６０により反射される余剰励起光は、余剰励起光がダブルクラッドファイバ４０の出力端４５から光フィルタ６０まで進む経路と同じ経路を戻るようにＧＲＩＮレンズ５０内を伝播する。そして、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５に集光され、再びダブルクラッドファイバ４０に入力される。

このようにして、本実施形態のファイバレーザ装置１００は、余剰励起光が出力されることを抑制できる。

また、上述のように余剰励起光が増幅用光ファイバ３０に再び入力されるため、増幅用光ファイバ３０においてレーザ光は、励起光源１０から出力される励起光と、余剰励起光とにより増幅される。従って、本実施形態のファイバレーザ装置１００は、より出力の高いレーザ光を出力することができる。

さらに、ＧＲＩＮレンズ５０に入力される励起光は、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面５２において、ダブルクラッドファイバ４０の第２クラッド４２の外径よりも大きな直径とされて、出力端面５２から光フィルタ６０に入力される。従って、光フィルタ６０に入力される励起光のエネルギー密度は、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５における励起光のエネルギー密度よりも低くなる。こうして励起光による光フィルタ６０への損傷を抑制することができる。

また、ＧＲＩＮレンズ５０は、前記励起光に対する０．２５ピッチの奇数倍の長さとされるため、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５から出力される余剰励起光は、ＧＲＩＮレンズ５０により屈折されて、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面５２においてコリメート光とされる。上述のようにレーザ光は、増幅用光ファイバ３０の励起光により励起状態とされる希土類元素の誘導放出により増幅される波長の光である。従って、励起光とレーザ光との波長の差は然程大きくない。従って、余剰励起光が出力端５２でコリメート光とされる場合、レーザ光も出力端面５２において、殆どコリメート光と同じ状態とされる。こうして、殆どコリメート光と同じ状態のレーザ光を出力することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。図６は、本発明の第２実施形態に係るファイバレーザ装置におけるガラスロッドの拡大図である。

図６に示すように、第１実施形態においては、ガラスロッドとしてＧＲＩＮレンズ５０が用いられているのに対し、本実施形態のファイバレーザ装置は、ガラスロッドとして、屈折率が均一で出力端面５２ａが曲面であるガラスロッド５０ａが用いられ、光フィルタ６０ａが出力端面５２ａ上に設けられる点で、第１実施形態のファイバレーザ装置１００と異なる。

このガラスロッド５０ａの出力端面５２ａの形状は、非球面の凸レンズとされる。このような非球面の凸レンズ形状としては、楕円面や四次曲面等の形状が挙げられる。

このようなファイバレーザ装置において、増幅用光ファイバ３０からガラスロッド５０ａに入力される余剰励起光は、ガラスロッド５０ａを伝播するにつれて、直径が広げられて出力端面５２ａに到達する。そして、出力端面５２ａの形状が、非球面凸レンズ形状であるため、余剰励起光は、出力端面５２ａの全域において、出力端面５２ａに対して垂直な方向から光フィルタ６０ａに入力され、光フィルタ６０ａにより反射される。光フィルタ６０ａは、出力端面５２ａ上に設けられるため、反射される余剰励起光は、出力端面５２ａに対して垂直な方向からガラスロッド５０ａに入力される。

こうして第１実施形態と同様にして、反射された余剰励起光は、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５から光フィルタ６０ａに進む経路と同じ経路を戻る。そして、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５に戻る際には、余剰励起光の直径がダブルクラッドファイバ４０の第２クラッド４２の外径と同じ大きさに集光される。こうして、直径が第２クラッド４２の外径と同じ大きさに集光された余剰励起光は、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５からダブルクラッドファイバ４０に入力される。

本実施形態におけるファイバレーザ装置によれば、ガラスロッド５０ａの出力端面５２ａの形状を非球面凸レンズ形状とすれば良いため、安価にガラスロッドを構成することができ、よって、安価にファイバレーザ装置を構成することができる。

以上、本発明について、第１、第２実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、第１、第２実施形態においては、ファブリペロー型のファイバレーザ装置が用いられたが、本発明は、これに限らない。例えば、ファブリペロー型のファイバレーザ装置に代えて、ファイバリング型のファイバレーザ装置を用いてもよい。このようなファイバレーザ装置について、図７を用いて詳細に説明する。図７は、図１に示すファイバレーザ装置の変形例を示す図である。なお、本変形例を説明するに当たり、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。

図７に示すように、本変形例にかかるファイバレーザ装置１２０は、励起光源１０と、励起光源１０と接続されるポンプコンバイナ１５と、ポンプコンバイナ１５と接続される増幅用光ファイバ３０と、増幅用光ファイバ３０と接続される出力カプラ３８と、出力カプラ３８と接続される光アイソレータ１７と、光アイソレータ１７と接続されてポンプコンバイナ１５へと接続されるバンドパスフィルタ１８と、出力カプラ３８に接続されるダブルクラッドファイバ４０と、ダブルクラッドファイバ４０に接続されるＧＲＩＮレンズ５０と、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面上に設けられる光フィルタ６０とを主な構成として備える。

励起光源１０から出力される励起光は、ポンプコンバイナ１５を介して増幅用光ファイバ３０に入力される。増幅用光ファイバ３０において、励起光は、増幅用光ファイバ３０の第１コア３１に添加される希土類元素に吸収される。このため、希土類元素は励起状態となる。そして、励起状態となった希土類元素は、自然放出光を放出する。この自然放出光は、増幅用光ファイバ３０を伝播しながら増幅される。増幅された自然放出光は、出力カプラ３８、光アイソレータ１７を介してバンドパスフィルタ１８に入力され、バンドパスフィルタ１８において、波長の帯域制限がされる。なお、光アイソレータ１７では、余分な反射光等が遮断される。帯域制限された自然放出光は、ポンプコンバイナ１５を介して、再び増幅用光ファイバ３０に入力されてレーザ光として増幅される。この増幅されたレーザ光の一部が出力カプラ３８から出力され、ダブルクラッドファイバ４０の第２コアに入力される。一方、増幅用光ファイバ３０において、レーザ光の増幅に用いられなかった余剰励起光の一部が、出力カプラ３８を介してダブルクラッドファイバ４０に入力され、ダブルクラッドファイバ４０からＧＲＩＮレンズ５０に入力される。

また、第１、第２実施形態、及び、上述の第１実施形態の変形例では、増幅用光ファイバ３０には、励起光のみが入力されたが、本発明はこれに限らない。例えば、増幅用光ファイバ３０に励起光とレーザ光とを入力するファイバレーザ装置であってもよい。このようなファイバレーザ装置について、図８を用いて詳細に説明する。図８は、図１に示すファイバレーザ装置の他の変形例を示す図である。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。

図８に示すように、本実施形態にかかるファイバレーザ装置１３０は、励起光を出力する励起光源１０と、レーザ光を出力するレーザ光源７０と、励起光とレーザ光とが入力されるポンプコンバイナ１５と、ポンプコンバイナ１５と接続されるダブルクラッドファイバ２０と、ダブルクラッドファイバ２０と接続される増幅用光ファイバ３０と、増幅用光ファイバ３０と接続されるダブルクラッドファイバ４０と、ダブルクラッドファイバ４０に接続されるＧＲＩＮレンズ５０と、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面上に設けられる光フィルタ６０とを主な構成として備える。

励起光源１０から出力される励起光、及び、レーザ光源７０から出力されるレーザ光はポンプコンバイナ１５を介してダブルクラッドファイバ２０に入力される。ダブルクラッドファイバ２０に入力されるレーザ光は、ダブルクラッドファイバ２０のコア２１をシングルモード光として伝播し、励起光はコア２１とクラッド２２とをマルチモード光として伝播する。そして、レーザ光及び励起光は、ダブルクラッドファイバ２０から増幅用光ファイバ３０に入力されて、レーザ光は増幅用光ファイバの第１コアをシングルモードとして伝播する。励起光は、第１コア３１と第１クラッド３２とをマルチモード光として伝播し、第１コア３１に添加される希土類元素を励起状態とする。励起状態とされる希土類元素はレーザ光により誘導放出を起こしてレーザ光を増幅する。こうして増幅されたレーザ光は、ダブルクラッドファイバ４０に入力される。一方、増幅用光ファイバ３０において、レーザ光の増幅に用いられなかった余剰励起光は、ダブルクラッドファイバ４０に入力され、ダブルクラッドファイバ４０からＧＲＩＮレンズ５０に入力される。

また、例えば、第１、第２実施形態、及び、上記変形例において、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５は、ガラスロッドに融着されるものとしたが、本発明はこれに限らない。たとえば、光フィルタで反射される余剰励起光が出力端４５からダブルクラッドファイバ４０に入力される範囲において、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５をガラスロッドから離す構成としてもよい。この場合においても、ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５、ガラスロッドの入力端面には、無反射コーティングが施されることが好ましい。

また、第１、第２実施形態、及び、上記変形例において、ダブルクラッドファイバ４０の第２コア４１には、希土類元素が添加されない構成としてが、本発明はこれに限らず、ダブルクラッドファイバ４０の第２コアに希土類元素を添加してもよい。この場合、増幅用光ファイバ３０の第１コア３１とダブルクラッドファイバ４０の第２コア４１とが同じ構成とされると共に、増幅用光ファイバ３０の第１クラッド３２とダブルクラッドファイバ４０の第２クラッド４２とが同じ構成とされ、ダブルクラッドファイバ４０は増幅用光ファイバ３０を延在させてなる部分により構成されてることが好ましい。このように増幅用光ファイバ３０がダブルクラッドファイバ４０を兼ねることにより、安価にファイバレーザ装置を構成することができる。

同様に、第１、第２実施形態、及び、上記変形例において、ダブルクラッドファイバ２０のコア２１に希土類元素を添加してもよい。この場合、増幅用光ファイバ３０の第１コア３１とダブルクラッドファイバ２０のコア２１とが同じ構成とされると共に、増幅用光ファイバ３０の第１クラッド３２とダブルクラッドファイバ２０のクラッド２２とが同じ構成とされ、ダブルクラッドファイバ２０は増幅用光ファイバ３０を延在させてなる部分により構成されることが好ましい。この場合も増幅用光ファイバ３０がダブルクラッドファイバ２０を兼ねることにより、安価にファイバレーザ装置を構成することができる。

さらに、第１、第２実施形態、及び、上記変形例において、光ファイバとして、ダブルクラッドファイバ４０を用いたが、本発明はこれに限らない。たとえば、ダブルクラッドファイバ４０の代わりに第２クラッド４２が２つのクラッドからなるトリプルクラッドファイバを用いてもよい。

（実施例１）
第１実施形態のファイバレーザ装置を作成した。出力される励起光の波長が９１５ｎｍの励起光源を用いた。励起光源から励起光が入力されるダブルクラッドファイバは、コアが、直径が２０μｍで、ゲルマニウムが添加された石英からなり、クラッドが、外径が４００μｍで、添加物のない石英からなり、樹脂クラッドが、外径が５５０μｍで、紫外線硬化樹脂からなるものを用いた。

また、増幅用光ファイバは、第１コアが、直径が２０μｍで、イッテルビウムとゲルマニウムが添加された石英からなり、第１クラッドが、外径が４００μｍで、添加物のない石英からなり、樹脂クラッドが、外径が５５０μｍで、紫外線硬化樹脂からなるものを用いた。

また、増幅用光ファイバからレーザ光と励起光とが入力されるダブルクラッドファイバは、上記ダブルクラッドファイバと同様のものを用いた。

また、ＧＲＩＮレンズは、材料が石英からなり、有効径が５ｍｍであり、波長が９１５ｎｍの光に対して０．２５ピッチの長さとし、増幅用光ファイバからレーザ光と励起光とが入力されるダブルクラッドファイバとＧＲＩＮレンズとをＣＯ_２レーザを用いて融着した。

また、ＧＲＩＮレンズの出力端面上に設けられる光フィルタは、誘電体フィルタから構成され、波長が９９０ｎｍより短波長の光の透過率を０．１％透過させ、波長が１０４０ｎｍより長波長の光を９８％以上透過させるものを用いた。

（比較例１）
光フィルタを設けないこと以外は、ファイバレーザ装置の構成を実施例１と同じ構成とした。

次に、実施例１のファイバレーザ装置において、励起光源から励起光を出力して、ダブルクラッドファイバの出力端から出力されるレーザ光の強度が７５ｋＷ／ｍｍ^２となるように調整した。このときダブルクラッドファイバの出力端における余剰励起光の強度は、６０Ｗ／ｍｍ^２であった。また、ＧＲＩＮレンズの出力端面における余剰励起光の強度は、０．４Ｗ／ｍｍ^２であった。さらに、ファイバレーザ装置からの余剰励起光の出力は、測定限界以下となった。また、このときのＧＲＩＮレンズの出力端面における温度は、最も高い部分で６０℃であった。

次に、比較例１のファイバレーザ装置において、同様の励起光を出力した。このときダブルクラッドファイバの出力端における余剰励起光の強度は、６０ｋＷ／ｍｍ^２であった。また、ＧＲＩＮレンズの出力端面における余剰励起光の強度は、０．４Ｗ／ｍｍ^２であり、３０Ｗ余剰励起光の出力が計測された。さらに、ＧＲＩＮレンズの出力端面における温度は、最も高い部分で１５０℃以上となった。

以上より、本発明にかかるファイバレーザ装置によれば余剰励起光が出力されないことが確認された。

本発明によれば、励起光が出力することが抑制できるファイバレーザ装置が提供される。

１０・・・励起光源
１５・・・ポンプコンバイナ
２０・・・ダブルクラッドファイバ
３０・・・増幅用光ファイバ
３１・・・第１コア
３２・・・第１クラッド
３３・・・樹脂クラッド
３５・・・第１ＦＢＧ
３６・・・第２ＦＢＧ
３８・・・出力カプラ
４０・・・ダブルクラッドファイバ
４１・・・第２コア
４２・・・第２クラッド
４３・・・樹脂クラッド
４５・・・出力端
５０・・・ＧＲＩＮレンズ（ガラスロッド）
５０ａ・・・ガラスロッド
６０、６０ａ・・・光フィルタ
７０・・・レーザ光源
１００、１２０、１３０・・・ファイバレーザ装置

Claims

励起光が入力され、前記励起光により励起される希土類元素が添加される第１コアと、前記第１コアを被覆する第１クラッドとを有し、前記励起光と、前記励起光により増幅されるレーザ光とを出力する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバから出力される前記レーザ光と前記励起光とが入力され、第２コアと、前記第２コアを被覆する第２クラッドとを有し、出力端から前記レーザ光と励起光とを出力する光ファイバと、
入力端面と出力端面とを有し、前記第２クラッドの外径よりも大きな直径であり、前記光ファイバの前記出力端から出力される前記レーザ光と前記励起光とが、前記入力端面から入力されるガラスロッドと、
前記ガラスロッドの前記出力端面上に設けられ、前記レーザ光と同じ波長帯域の光を透過し、前記励起光と同じ波長帯域の光を反射する光フィルタと、
を備え、
前記ガラスロッドに入力される前記励起光は、前記出力端面に垂直な方向から前記光フィルタに入力される
ことを特徴とするファイバレーザ装置。
前記ガラスロッドに入力される前記励起光は、前記ガラスロッドの前記出力端面において前記第２クラッドの外径より大きな直径とされることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
前記第２コアは希土類元素が添加され、前記第１コアと前記第２コアとが同じ構成とされると共に、前記第１クラッドと前記第２クラッドとが同じ構成とされ、前記光ファイバは前記増幅用光ファイバを延在させてなる部分により構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のファイバレーザ装置。
前記ガラスロッドは、前記励起光に対する０．２５ピッチの奇数倍の長さを有するＧＲＩＮレンズにより構成される請求項１から３のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。
前記ガラスロッドの前記出力端面は、非球面凸レンズの形状とされることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。
前記光ファイバの前記出力端は、前記ガラスロッドの入力端面に融着されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。