JP2011044617A

JP2011044617A - レーザ装置

Info

Publication number: JP2011044617A
Application number: JP2009192606A
Authority: JP
Inventors: Hironori Tanaka; 弘範田中
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: JP5335613B2

Abstract

【課題】レーザ光の強度をモニタリングできると共に、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。
【解決手段】ファイバレーザ装置１００は、増幅用光ファイバ３０と、増幅用光ファイバ３０から出力するレーザ光が入力する第１光ファイバ４０と、第１光ファイバ４０から出力するレーザ光が入力するロッド状のＧＲＩＮレンズ５０と、ＧＲＩＮレンズ５０に設けられる光フィルタ５５と、光フィルタ５５で反射されるレーザ光が入力する第２光ファイバ６０と、第２光ファイバ６０に入力する励起光を熱に変換する熱変換素子６７と、第２光ファイバ６０から出力するレーザ光の強度に応じた電気信号を発生する受光素子７０とを備え、第２光ファイバ６０のクラッド６２の外径は、第１光ファイバ４０のクラッド４１の外径以上とされることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置に関する。

光通信システムやレーザ加工装置に用いられ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。このようなファイバレーザ装置の一部では、この出力されるレーザ光の強度をモニタリングすることでファイバレーザ装置にフィードバックさせているものがある。

下記特許文献１には、タップを用いることでレーザ光が２つに分岐されて、一方の光が出力され、他方のレーザ光がモニタリング用として利用される光学部品が記載されている。具体的には、円柱状のＧＲＩＮレンズの一方の面に、レーザ光を出力する第１の光ファイバと、ＧＲＩＮレンズからレーザ光が入力する第２の光ファイバとが接続されて、ＧＲＩＮレンズの他方の面に所定の反射率でレーザ光を反射するフィルタ膜が設けられている。そして、ＧＲＩＮレンズに第１の光ファイバからレーザ光が入力されると、一部のレーザ光は、フィルタ膜を透過してタップから出力され、他の一部のレーザ光は、フィルタ膜で反射して第２の光ファイバに入力される。そして、第２の光ファイバに入力されるレーザ光がモニタリング用のレーザ光として用いられる（特許文献１）。

特開２００３−１３９９９２号公報

しかし、上記特許文献１に記載の光学部品においては、レーザ光のみを出力する光ファイバが、所定の反射率を有するフィルタ膜が設けられているＧＲＩＮレンズに接続されている。このような光学部品をレーザ光が励起光により増幅されるファイバレーザ装置に用いると、レーザ光の増幅に用いられなかった余剰励起光が光ファイバから出力される場合があり、この余剰励起光がレーザ光と同様にフィルタ膜を透過して、レーザ光と共に出力されたり、フィルタ膜で反射する余剰励起光が、ＧＲＩＮレンズの側面で乱反射してＧＲＩＮレンズの側面や光ファイバが接続される端面から出力されたりする場合がある。このようにレーザ光と共に出力される余剰励起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。また、余剰励起光が側面や光ファイバが接続される端面から出力されてしまうと、他の部品等に余剰励起光が照射されることがあり、余剰励起光が照射される部品等が発熱等を起こして、この部品等に損傷を与える場合がある。

そこで、本発明は、レーザ光の強度をモニタリングするための信号を出力できると共に、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。

本発明のファイバレーザ装置は、希土類が添加されるコア及びクラッドを有し、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と、コア及びクラッドを有し、前記増幅用光ファイバから出力されるレーザ光が入力され、前記レーザ光を出力する第１光ファイバと、一対の端面を有し、前記励起光に対する０．２５ピッチの奇数倍の長さであり、前記第１光ファイバから出力される前記レーザ光が一方の端面から入力されるロッド状のＧＲＩＮレンズと、前記ＧＲＩＮレンズの他方の端面上に設けられ、前記レーザ光と同じ波長帯域の光の一部を透過し他の一部を反射すると共に、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、コア及びクラッドを有し、前記光フィルタで反射される前記レーザ光が入力される第２光ファイバと、前記第２光ファイバに設けられ、前記励起光を熱に変換する熱変換素子と、前記第２光ファイバから出力されるレーザ光を受光し、受光するレーザ光の強度に応じた電気信号を発生する受光素子と、を備え、前記第２光ファイバの前記クラッドの外径は、前記第１光ファイバの前記クラッドの外径以上と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、増幅用光ファイバのコアを伝播するレーザ光がコアとクラッドとを伝播する励起光により増幅され、増幅されたレーザ光が増幅用光ファイバから出力される。増幅用光ファイバから出力されたレーザ光は、第１光ファイバに入力され、第１光ファイバのコアを伝播する。そして、第１光ファイバを伝播するレーザ光は、第１光ファイバから出力され、ＧＲＩＮレンズの一方の端面からＧＲＩＮレンズに入力する。ＧＲＩＮレンズに入力したレーザ光は、ＧＲＩＮレンズの他方の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の一部を透過し、他の一部を反射するため、レーザ光の一部は、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、光フィルタにより反射されるレーザ光は、レーザ光が入力されたＧＲＩＮレンズの一方の端面に戻り出力されて、第２光ファイバに入力され、第２光ファイバのコアを伝播して受光素子に入力される。そして、受光素子がレーザ光の強度を電気信号として出力することでレーザ光の強度がモニタリングできる。

ところで、励起光によりレーザ光を増幅する増幅用光ファイバからは、レーザ光の増幅に用いられなかった励起光が出力される場合がある。この励起光が増幅用光ファイバから出力されると、励起光は、第１光ファイバのコアとクラッドとを伝播して、レーザ光と共に第１光ファイバから出力される。第１光ファイバから出力される励起光は、レーザ光と共にＧＲＩＮレンズに入力される。そして、ＧＲＩＮレンズに入力された励起光は、ＧＲＩＮレンズの他方の端面において直径が広げられて、ＧＲＩＮレンズの他方の端面上に設けられる光フィルタに入力される。しかし、この光フィルタは、励起光と同じ波長帯域の光を反射するため、励起光は、光フィルタにより反射され、再びＧＲＩＮレンズ内を伝播して、ＧＲＩＮレンズの一方の端面に戻り出力される。そして、ＧＲＩＮレンズから出力された励起光は、光フィルタで反射したレーザ光と共に第２光ファイバに入力される。このとき、ＧＲＩＮレンズの長さが励起光の波長に対する０．２５ピッチの奇数倍であるため、反射された励起光の直径は、ＧＲＩＮレンズの一方の端面において、励起光がＧＲＩＮレンズに入力されたときの直径とされる。この直径は、第１光ファイバのクラッドの外径と等しい。そして、第２光ファイバのクラッドの外径は、第１光ファイバのクラッドの外径以上とされるため、ＧＲＩＮレンズから出力する励起光は、適切に第２光ファイバに入力される。第２光ファイバに入力された励起光は、コアとクラッドとを伝播して、第２光ファイバに設けられる熱変換素子により熱とされ消滅する。従って、本発明にかかる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。

また、上記ファイバレーザ装置において、前記第１光ファイバの前記コアには希土類元素が添加され、前記増幅用光ファイバと前記第１光ファイバとが同じ構成とされて、前記第１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、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバの少なくとも一方は、前記ＧＲＩＮレンズの前記一方の端面に融着されることが好ましい。

このように構成することで、第１光ファイバからＧＲＩＮレンズにレーザ光が入力する際、第１光ファイバとＧＲＩＮレンズ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、また、ＧＲＩＮレンズから第２光ファイバにレーザ光が入力される際、第２光ファイバとＧＲＩＮレンズ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、レーザ光の強度をモニタリングするための信号を出力できると共に、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ＧＲＩＮレンズの拡大図である。図１に示す光フィルタの光の透過特性を示す図である。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。

図１は、本発明の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入力用ダブルクラッドファイバ２０と、励起光を入力用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、入力用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の入力用ダブルクラッドファイバ２０側とは反対側に接続される第１光ファイバとしての第１ダブルクラッドファイバ４０と、第１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の第１ダブルクラッドファイバ４０が接続される端面と反対側の端面上に設けられる光フィルタ５５と、ＧＲＩＮレンズ５０の第１ダブルクラッドファイバ４０が接続される端面と同じ端面に接続される第２光ファイバとしての第２ダブルクラッドファイバ６０と、第２ダブルクラッドファイバ６０の途中に設けられる熱変換素子６７と、第２ダブルクラッドファイバ６０のＧＲＩＮレンズ５０が接続される側と反対側の端部に接続される受光素子７０とを主な構成として備える。

励起光源１０は、複数の励起光出力用のダイオードレーザ（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１０５μｍとされ、クラッドの外径が１２５μｍとされる。

図２は、入力用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、入力用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、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、入力用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。このような入力用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１０５μｍ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、例えば、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。

入力用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のコアの端面が入力用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と接続される入力用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、入力用ダブルクラッドファイバ２０のコア２１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、入力用ダブルクラッドファイバ２０のコア２１とが同軸上に並ぶように配置され、入力用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、入力用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は入力用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コア３１と、コア３１を被覆するクラッド３２と、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、クラッド３２の屈折率は、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、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、コア３１の直径が入力用ダブルクラッドファイバ２０のコア２１と同じ直径とされ、クラッド３２の外径が入力用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の外径が入力用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、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、クラッド３２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の入力用ダブルクラッドファイバ２０側の端部に第１ＦＢＧ３５が形成されており、増幅用光ファイバ３０の入力用ダブルクラッドファイバ２０側とは反対側の端部に第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と接続される第１ダブルクラッドファイバ４０は、図２に示す入力用ダブルクラッドファイバ２０と同様の構成とされ、コア４１と、コア４１を被覆するクラッド４２と、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。第１ダブルクラッドファイバ４０は、コア４１の直径が入力用ダブルクラッドファイバ２０のコア２１と同じ直径とされ、クラッド４２の外径が入力用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の外径が入力用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。

第１ダブルクラッドファイバ４０と共にＧＲＩＮレンズ５０に接続される第２ダブルクラッドファイバ６０は、第１ダブルクラッドファイバ４０と同様に、図２に示す入力用ダブルクラッドファイバ２０と同様の構成とされ、コア６１と、コア６１を被覆するクラッド６２と、クラッド６２を被覆する樹脂クラッド６３とから構成される。第２ダブルクラッドファイバ６０は、コア６１の直径が入力用ダブルクラッドファイバ２０のコア２１と同じ直径とされ、クラッド６２の外径が入力用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６３の外径が入力用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。ＧＲＩＮレンズ５０は、円柱状の形状をしており一方の端面が入力端面５１とされ、他方の端面が出力端面５２とされる。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に入力される光は、ＧＲＩＮレンズ５０の内部において屈折する。なお、ＧＲＩＮレンズ５０の軸から垂直にＧＲＩＮレンズ５０の側面に向う屈折率の変化率は、ＧＲＩＮレンズ５０の長さ方向に沿ったどの場所おいても同様の変化率とされ、また、ＧＲＩＮレンズ５０の軸から垂直にＧＲＩＮレンズ５０の側面に向うどの方向においても同様の変化率とされる。つまり、ＧＲＩＮレンズ５０の屈折率は、ＧＲＩＮレンズ５０の軸を基準として、径方向に対称となっている。また、ＧＲＩＮレンズ５０の直径は、第１ダブルクラッドファイバ４０のクラッド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ピッチの奇数倍とされる。

そして、図４に示すように、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１には、第１ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５が融着されている。具体的には、第１ダブルクラッドファイバ４０は、出力端４５付近の樹脂クラッド４３が剥離される。このように端部が樹脂クラッドで被覆されていない第１ダブルクラッドファイバ４０の中心軸とＧＲＩＮレンズ５０の中心軸とが平行となるように方向が合わされ、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１における中心よりも側面側において、第１ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５が融着されている。

また、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１には、第２ダブルクラッドファイバ６０の入力端６５が融着されている。具体的には、第２ダブルクラッドファイバ６０は、入力端６５付近の樹脂クラッド６３が剥離される。そして、ＧＲＩＮレンズ５０の中心軸と第２ダブルクラッドファイバ６０の中心軸とが平行となるように方向が合わされ、第２ダブルクラッドファイバ６０の入力端６１がＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１に融着される。このとき、第２ダブルクラッドファイバ６０は、入力端面５１の中心に対して第１ダブルクラッドファイバ４０のコア４１と対称となる位置に、第２ダブルクラッドファイバ６０のコア６１が位置するように融着されている。

なお、ＧＲＩＮレンズ５０は、例えば、径方向における中心部分と側面部分との屈折率差が０．０６であり、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、第１、第２ダブルクラッドファイバ４０、６０のクラッド４２、６２の外径が共に４００μｍであれば、直径が６ｍｍ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５５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５５の光の透過特性を示す図である。図５に示すように、光フィルタは、励起光の波長帯域の光を反射すると共に、増幅用光ファイバ３０から出力されるレーザ光の波長の光を９８％以上透過させ、残りの２％未満の光を反射する。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９８％以上透過させる。このような光フィルタ５５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より構成される。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。

ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１に接続される第２ダブルクラッドファイバ６０の途中には、クラッド６２とコア６１とを伝播する励起光を熱に変換する熱変換素子６７が設けられている。熱変換素子６７は、第２ダブルクラッドファイバ６０の樹脂クラッド６３が剥離されており、樹脂クラッド６３が剥離された部分におけるクラッド６２が、クラッド６２よりも屈折率の高い樹脂で被覆されている。そして、この樹脂が図示しない金属製のヒートシンクに接続されている。

第２ダブルクラッドファイバ６０の反対側の端部には受光素子７０が接続されている。受光素子７０は、例えばフォトダイオードにより構成され、図示しない外部のモニターに受光する光の強度に応じた電圧の電気信号を出力する。

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において入力用ダブルクラッドファイバ２０に入力される。入力用ダブルクラッドファイバ２０に入力される励起光は、入力用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のコア３１及びクラッド３２により伝播され、励起光の一部は、増幅用光ファイバ３０のコア３１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。このときの自然放出光は、例えば、中心波長が１０７０ｎｍの光である。

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、第１ダブルクラッドファイバ４０のコア４１に入力され、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、入力用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のコア３１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、第１ダブルクラッドファイバ４０に入力され、第１ダブルクラッドファイバ４０のコア４１とクラッド４２とによりマルチモード光として伝播される。

第１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に示すように第１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。

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、余剰励起光は直径が最大限に広げられて、出力端面５２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５５に入力される。図５に示すように、光フィルタ５５は、増幅用光ファイバ３０で発生するレーザ光を殆ど透過させるため、光フィルタ５５に入力されるレーザ光の殆どは、光フィルタ５５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から出力される。また、光フィルタ５５を透過しないレーザ光は、光フィルタ５５で反射され、図４の破線で示すようにＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１に向かい伝播して、入力端面５１から出力される。

ここで、上述のように、ＧＲＩＮレンズ５０の長さは、励起光の波長に対する０．２５ピッチの奇数倍の長さである。従って、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１から出力されるレーザ光は、入力端面５１におけるレーザ光がＧＲＩＮレンズ５０に入力されるときの直径と同じ直径に戻される。このレーザ光がＧＲＩＮレンズ５０に入力されるときの直径は、第１ダブルクラッドファイバ４０のコア４１の直径と等しい。また、この反射されるレーザ光は、ＧＲＩＮレンズ５０の屈折率の径方向に対する対称性より、入力端面５１の中心に対して、レーザ光がＧＲＩＮレンズ５０に入力する際の入力端面５１における位置と対称となる位置から出力される。

そして、上述のように、第２ダブルクラッドファイバ６０のコア６１の直径は、第１ダブルクラッドファイバ４０のコア４１の直径と等しい。さらに、第１ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５と、第２ダブルクラッドファイバ６０の入力端６５とは、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１の中心に対して互いに対称となるように、入力端面５１に融着されている。従って、反射されたレーザ光は、第２ダブルクラッドファイバ６０のコア６１に入力される。

一方、余剰励起光は、出力端面５２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５５に入力される。光フィルタ５５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、余剰励起光は反射される。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、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面５２から入力端面５１に向い伝播する。

ここで、上述のように、ＧＲＩＮレンズ５０の長さが、励起光の波長に対する０．２５ピッチの奇数倍の長さである。従って、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１から出力される余剰励起光は、入力端面５１において、余剰励起光がＧＲＩＮレンズ５０に入力されるときの直径と同じ直径に戻される。この余剰励起光がＧＲＩＮレンズ５０に入力されるときの直径は、第１ダブルクラッドファイバ４０のクラッド４２の外径と等しい。また、この反射される余剰励起光は、ＧＲＩＮレンズ５０の径方向に対する屈折率の対称性より、入力端面５１の中心に対して、余剰励起光がＧＲＩＮレンズ５０に入力する際の入力端面５１における位置と対称となる位置から出力される。

そして、上述のように、第２ダブルクラッドファイバ６０のクラッド６２の外径は、第１ダブルクラッドファイバ４０のクラッド４２の外径と等しい。さらに、第１ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５と、第２ダブルクラッドファイバ６０の入力端６５とは、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１の中心に対して互いに対称となるように、入力端面５１に融着されている。従って、反射された余剰励起光は、第２ダブルクラッドファイバ６０に入力される。

第２ダブルクラッドファイバ６０のコア６１に入力されるレーザ光は、第２ダブルクラッドファイバ６０のコア６１をシングルモード光として伝播して、受光素子７０に入力される。受光素子７０は受光する光の強度に対応する電圧を生じるため、レーザ光の強度に応じた電圧を電気信号として出力する。こうして、図示しない機器により受光素子で生じる電気信号を検知して、その検知結果、及び、光フィルタ５０で透過するレーザ光と反射するレーザ光との比から出力するレーザ光の強度をモニタリングする。

一方、第２ダブルクラッドファイバ６０に入力される余剰励起光は、第２ダブルクラッドファイバ６０のコア６１とクラッド６２とをマルチモード光として伝播する。そして、第２ダブルクラッドファイバ６０の途中に設けられる熱変換素子６７において、クラッド６２よりも屈折率の高い樹脂に入力されて、図示しない金属性のヒートシンクにより熱にされ、消滅する。

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において励起光によりレーザ光が増幅され、増幅されたレーザ光が出力されて、第１ダブルクラッドファイバ４０に入力される。第１ダブルクラッドファイバ４０に入力されたレーザ光は、第１ダブルクラッドファイバ４０のコア４１を伝播する。第１ダブルクラッドファイバ４０を伝播するレーザ光は、第１ダブルクラッドファイバ４０から出力され、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５５に入力される。この光フィルタ５５は、レーザ光と同じ波長帯域の光の一部を透過し他の一部を反射するため、レーザ光の一部は、光フィルタ５５を透過してファイバレーザ装置１００から出力される。一方、光フィルタ５５により反射されるレーザ光は、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１に戻り出力されて、第２ダブルクラッドファイバ６０のコア６１に入力され、第２ダブルクラッドファイバ６０を伝播して受光素子７０に入力される。そして、受光素子７０がレーザ光の強度を電気信号として出力することでレーザ光の強度がモニタリングできる。

また、レーザ光の増幅に用いられなかった余剰励起光は、増幅用光ファイバ３０から出力されて、第１ダブルクラッドファイバ４０にレーザ光と共に入力され、第１ダブルクラッドファイバ４０のコア４１とクラッド４２とを伝播する。そして、余剰励起光は、第１ダブルクラッドファイバ４０からレーザ光と共に出力されて、ＧＲＩＮレンズ５０に入力される。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において直径が広げられて、ＧＲＩＮレンズ５０の出力端面５２上に設けられる光フィルタ５５に入力される。しかし、この光フィルタ５５は、励起光と同じ波長帯域の光を反射するため、余剰励起光は、光フィルタ５５により反射され、再びＧＲＩＮ５０レンズ内を伝播して、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１に戻って、光フィルタ５５で反射されるレーザ光と共に出力される。そして、ＧＲＩＮレンズ５０から出力される余剰励起光は、レーザ光と共に第２ダブルクラッドファイバ６０に入力される。このとき、ＧＲＩＮレンズ５０の長さが励起光の波長に対する０．２５ピッチの奇数倍であるため、反射された余剰励起光の直径は、ＧＲＩＮレンズ５０の入力端面５１において余剰励起光がＧＲＩＮレンズ５０に入力されるときの直径とされる。この直径は、第１ダブルクラッドファイバ４０のクラッド４２の外径と等しい。そして、第２ダブルクラッドファイバ６０のクラッド６２の外径は、第１ダブルクラッドファイバ４０のクラッド４２の外径と同じ大きさとされるため、ＧＲＩＮレンズ５０から出力される余剰励起光は、適切に第２ダブルクラッドファイバ６０に入力される。第２ダブルクラッドファイバ６０に入力された余剰励起光は、第２ダブルクラッドファイバ６０に設けられる熱変換素子６７において、熱に変換されて消滅する。従って、本発明にかかるファイバレーザ装置１００は、励起光が出力されることを抑制できる。

なお、ＧＲＩＮレンズ５０に入力する余剰励起光は、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構成であるため、直径が広げられて光フィルタ５５に入力する。従って、光フィルタ５５に入力する余剰励起光のエネルギー密度は、第１ダブルクラッドファイバ４０の出力端における余剰励起光のエネルギー密度よりも低くなる。よって、余剰励起光による光フィルタ５５の損傷を抑制することができる。

以上、本発明について、上述の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、上述の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６を用いて詳細に説明する。図６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り、ファイバリング型のファイバレーザ装置を示す図である。なお、本変形例を説明するに当たり、上述の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に示すように、本変形例にかかるファイバレーザ装置１１０は、ファイバリング型のファイバレーザ装置である。ファイバレーザ装置１１０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に接続される第１ダブルクラッドファイバ４０と、第１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５５と、ＧＲＩＮレンズ５０の第１ダブルクラッドファイバ４０が接続される端面と同じ端面に接続される第２ダブルクラッドファイバ６０と、第２ダブルクラッドファイバ６０の途中に設けられる熱変換素子６７と、第２ダブルクラッドファイバ６０のＧＲＩＮレンズ５０が接続される側と反対側の端部に接続される受光素子７０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、第１ダブルクラッドファイバ４０のコア４１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を介して第１ダブルクラッドファイバ４０に入力される。

また、上述の実施形態、及び、上述の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に励起光と種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他の変形例を示す図である。なお、上述の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、励起光を出力する励起光源１０と、種レーザ光を出力する種レーザ光源８０と、種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と接続され入力用ダブルクラッドファイバ２０と、入力用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と接続される第１ダブルクラッドファイバ４０と、第１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５５と、ＧＲＩＮレンズ５０の第１ダブルクラッドファイバ４０が接続される端面と同じ端面に接続される第２ダブルクラッドファイバ６０と、第２ダブルクラッドファイバ６０の途中に設けられる熱変換素子６７と、第２ダブルクラッドファイバ６０のＧＲＩＮレンズ５０が接続される側と反対側の端部に接続される受光素子７０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、種レーザ光源８０から出力される種レーザ光はポンプコンバイナ１５を介して入力用ダブルクラッドファイバ２０に入力される。入力用ダブルクラッドファイバ２０に入力された種レーザ光は、入力用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、種レーザ光及び励起光は、入力用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、種レーザ光は増幅用光ファイバのコアをシングルモードとして伝播する。励起光は、コア３１とクラッド３２とをマルチモード光として伝播し、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種レーザ光により誘導放出光を放出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、第１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、第１ダブルクラッドファイバ４０に入力される。

また、例えば、上述の実施形態、及び、上述の変形例において、第２ダブルクラッドファイバ６０のクラッド６２の外径は、第１ダブルクラッドファイバ４０のクラッド４２の外径と等しい構成とされたが、本発明はこれに限らなない。第２ダブルクラッドファイバ６０のクラッド６２の外径は、第１ダブルクラッドファイバ４０のクラッド４２の外径より大きい構成としても良い。このように構成することにより、第２ダブルクラッドファイバ６０により適切に余剰励起光を入力することができる。

また、例えば、上述の実施形態、及び、上述の変形例において、第１ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５は、ＧＲＩＮレンズ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入力端６５から第２ダブルクラッドファイバ６０に入力される範囲において、第１ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５、第２ダブルクラッドファイバ６０の入力端６５をＧＲＩＮレンズから離す構成としてもよい。この場合においても、第１ダブルクラッドファイバ４０の出力端４５、及び、第２ダブルクラッドファイバ６０の入力端６５、及び、ＧＲＩＮレンズの入力端面５１には、無反射コーティングがされることが好ましい。

また、上述の実施形態、及び、上述の変形例において、第１ダブルクラッドファイバ４０のコア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、第１ダブルクラッドファイバ４０のコア４１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のコア３１と第１ダブルクラッドファイバ４０のコア４１とが同じ構成とされると共に、増幅用光ファイバ３０のクラッド３２と第１ダブルクラッドファイバ４０のクラッド４２とが同じ構成とされ、第１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ることが好ましい。このように増幅用光ファイバ３０が第１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、上述の実施形態、及び、上述の変形例において、入力用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のコア３１と入力用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のクラッド３２と入力用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、入力用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が入力用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、上述の実施形態、及び、上述の変形例において、第１光ファイバとして、第１ダブルクラッドファイバ４０を用い、第２光ファイバとして、第２ダブルクラッドファイバ６０を用いたが、本発明はこれに限らない。たとえば、第１、第２ダブルクラッドファイバ４０、６０の代わりにクラッド４２、６２が、それぞれ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。

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・・・コア
３２・・・クラッド
３３・・・樹脂クラッド
３５・・・第１ＦＢＧ
３６・・・第２ＦＢＧ
３８・・・出力カプラ
４０・・・第１ダブルクラッドファイバ（第１光ファイバ）
４１・・・コア
４２・・・クラッド
４３・・・樹脂クラッド
４５・・・出力端
５０・・・ＧＲＩＮレンズ
５５・・・光フィルタ
６０・・・第２ダブルクラッドファイバ（第２光ファイバ）
６１・・・コア
６２・・・クラッド
６３・・・樹脂クラッド
６５・・・熱変換素子
７０・・・受光素子
８０・・・種レーザ光源
１００、１１０、１２０・・・ファイバレーザ装置

Claims

希土類が添加されるコア及びクラッドを有し、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と、
コア及びクラッドを有し、前記増幅用光ファイバから出力されるレーザ光が入力され、前記レーザ光を出力する第１光ファイバと、
一対の端面を有し、前記励起光に対する０．２５ピッチの奇数倍の長さであり、前記第１光ファイバから出力される前記レーザ光が一方の端面から入力されるロッド状のＧＲＩＮレンズと、
前記ＧＲＩＮレンズの他方の端面上に設けられ、前記レーザ光と同じ波長帯域の光の一部を透過し他の一部を反射すると共に、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、
コア及びクラッドを有し、前記光フィルタで反射される前記レーザ光が入力される第２光ファイバと、
前記第２光ファイバに設けられ、前記励起光を熱に変換する熱変換素子と、
前記第２光ファイバから出力されるレーザ光を受光し、受光するレーザ光の強度に応じた電気信号を発生する受光素子と、
を備え、
前記第２光ファイバの前記クラッドの外径は、前記第１光ファイバの前記クラッドの外径以上とされる
ことを特徴とするファイバレーザ装置。
前記第１光ファイバの前記コアには希土類元素が添加され、前記増幅用光ファイバと前記第１光ファイバとが同じ構成とされて、前記第１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に記載のファイバレーザ装置。
前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバの少なくとも一方は、前記ＧＲＩＮレンズの前記一方の端面に融着され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装置。