JP2012059746A - ファイバレーザ及びレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】増幅された出力光又は入力される信号光の損失を可能な限り排除しつつ、利得を監視する。
【解決手段】入射されるパルス光の導波方向に延在し、Ｙｂが添加されたコア部３ａ、導波方向に延在してコア部３ａの周囲を取り囲む第１クラッド部３ｂ、及び導波方向に延在して第１クラッド部３ｂの周囲を取り囲む第２クラッド部３ｃを有するＰＡ‐Ｙｂ３と、ＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａから第１クラッド部３ｂに漏れ出したＹｂの自然放出光を取り出す検出用ファイバ６と、検出用ファイバ６に光学的に接続され、導波された自然放出光の強度を検出するＰＤ１１と、を備え、ＰＡ‐Ｙｂ３の第１クラッド部３ｂと検出用ファイバ６のコア部６ａとが、光学的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、利得を監視することが可能なファイバ型光増幅器（以下、単にファイバレーザと称する）及び当該ファイバレーザを備えたレーザ加工機に関するものである。

近年、コア部に希土類元素を添加した希土類添加光ファイバを増幅媒体としたファイバレーザの開発が積極的に進められている。このファイバレーザは、光の誘導放出を利用して光を増幅する光増幅器の１つである。

ここで、基底準位Ｅ１と励起準位Ｅ２とからなる２準位系（Ｅ１＜Ｅ２であり、これらの準位の縮退度は等しいものとする）について考える。

このような２準位系では、共鳴吸収の強さは、基底準位Ｅ１に存在する電子の電子数（ｎ１）に比例し、自然放出又は誘導放出の強さは、励起準位Ｅ２に存在する電子の電子数（ｎ２）に比例する。

したがって、自然放出光の強度を検出することにより、増幅媒体における電子のエネルギーの分布状態（例えば、熱平衡状態や反転分布状態など）の様子を検知することができる。

反転分布状態では、誘導放出による光の増幅が可能となる。例えば、単位長さ当たりの利得をｇ、増幅媒体の長さがｌの場合、光がこの増幅媒体を通過するとき、光の強度はｅｘｐ（ｇｌ）倍とされる。すなわち、この増幅媒体の利得は、Ｇ＝ｅｘｐ（ｇｌ）で与えられる。

この増幅媒体の単位長さ当たりの利得ｇは、利得飽和していない場合、励起準位Ｅ２に存在する電子の電子数ｎ２に比例するため、自然放出光の強度と利得ｇとの間には、正の相関関係があり、自然放出光の強度を検出することにより、増幅媒体の利得ｇを監視することが可能であることがわかる。

このような光の誘導放出を利用した装置として光増幅器がある。励起準位Ｅ２に存在する電子数ｎ２は、励起光の強度と外部から入力される信号光の強度により変動する。励起光の強度が高いと、電子は基底準位Ｅ１から励起準位Ｅ２に励起され、信号光強度が高くなると励起準位Ｅ２の電子は誘導放出により基底準位Ｅ１に遷移する。すなわち、励起光強度が一定の場合でも、信号光強度が高くなると、励起される電子数に対し、誘導放出によって消費される電子数が大きくなり、励起準位Ｅ２に存在する電子数ｎ２が減少し利得が減少する。逆に、信号光強度が一定の場合でも、励起光強度が高くなると、誘導放出によって消費される電子数より、励起される電子数が大きくなり、励起準位Ｅ２に存在する電子数ｎ２が増大し利得が増大する。したがって、利得は、励起光の強度、及び入力される信号光強度によって変動してしまう。

次に、ファイバレーザの場合を説明する。ファイバレーザは、増幅媒体である増幅用光ファイバの一端に高反射ファイバグレーティング（以下、単にＦＧと称する）を形成し、他端に低反射ＦＧを形成して帰還回路としたファブリ・ペロー型共振器の一種であると考えられる。

ファブリ・ペロー型共振器の帰還率をβ（０＜β＜１）とすれば、その利得は、Ｇ／（１−Ｇβ）で与えられる。このとき、増幅媒体が反転分布状態でないときは、ｇ＜０、すなわち、光が吸収されてＧ＜１となり、一方、増幅媒体が反転分布状態となり、光が増幅されるようになると、Ｇ≧１となる。さらに、Ｇ≧１／βのときレーザ発振が起こる。

過渡的にＧ≧１／βになったレーザ発振器において、励起準位Ｅ２に励起された電子のエネルギーは、Ｇ＝１／βになるようにレーザ光に変換されるため、励起状態（励起準位Ｅ２に存在する電子数ｎ２）が変動すると利得が変化して出力されるレーザ光の強度が変動する。

一般に、出力されるレーザ光の出力パワーを安定化させるために、出力されたレーザ光の出力パワーを監視し、励起光強度にフィードバックをかけて出力パワーを安定化させる方法が知られている。このような方法では、レーザ光が出力していない励起開始直後（過渡状態）の出力パワーを制御することができない。

このような過渡状態にある利得を監視するために、増幅媒体の反転分布状態と相関のある自然放出光の強度を検出し、検出された自然放出光の強度に応じて励起光源に供給する電流を制御するフィードバック回路を形成する構成が知られている。この構成によれば、励起開始直後の出力パワーも制御することが可能となる。

このようなフィードバック回路に関する従来技術として特許文献１及び２に開示された光増幅器がある。

特許文献１に開示された光増幅器では、希土類添加光ファイバの出力側に出力された増幅光から自然放出光を分離して検出し、その検出結果に応じて励起光源に供給する電流をフィードバック制御することにより、利得を安定化している。

一方、特許文献２に開示された光増幅器では、希土類添加光ファイバの入力側に戻ってきた反射光から自然放出光を分離して検出し、この検出結果に応じて励起光源に供給する電流をフィードバック制御することにより、利得を安定化している。

特開平５−２２６７５４号公報（１９９３年９月３日公開） 特開平５−２８３７８７号公報（１９９３年１０月２９日公開）

しかしながら、上記の特許文献１に開示された光増幅器では、出力光から自然放出光を分離しているので、増幅された出力光の分離損失が大きいという問題点がある。

また、特許文献２に開示された光増幅器では、信号光と励起光とを合波してから希土類添加光ファイバに入力し、入力側に戻ってきた反射光から自然放出光を分離する構成なので、自然放出光を検出するラインを必ず信号光が入力されるラインに接続する必要があり、入力される信号光の接続損失が大きくなってしまうという問題点がある。

すなわち、以上の特許文献１及び２に開示された光増幅器における利得の監視方法では、増幅された出力光又は入力される信号光のいずれかの損失が大きくなってしまうという問題点がある。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、増幅された出力光又は入力される信号光の損失を可能な限り排除しつつ、利得を監視することが可能なファイバレーザ及び該ファイバレーザを備えたレーザ加工機を提供することにある。

本発明のファイバレーザは、前記課題を解決するために、入射される光の導波方向に延在し、希土類元素が添加されたコア部、前記導波方向に延在して前記コア部の周囲を取り囲むクラッド部、及び前記導波方向に延在して前記クラッド部の周囲を取り囲む、少なくとも１層の他のクラッド部を有する増幅用ファイバと、前記増幅用ファイバの前記コア部に添加された前記希土類元素を励起する励起光を発する励起光源と、前記増幅用ファイバの前記コア部から前記クラッド部に漏れ出した前記希土類元素の自然放出光を取り出す検出用ファイバと、前記検出用ファイバに光学的に接続され、導波された前記自然放出光の強度を検出する検出部と、を備えたファイバレーザであって、前記増幅用ファイバの前記クラッド部と前記検出用ファイバのコア部とが、光学的に接続されていることを特徴とする。

前記構成によれば、本発明のファイバレーザは、増幅用ファイバ、励起光源、検出用ファイバ、及び検出部を備える。

増幅用ファイバは、入射される光の導波方向に延在し、希土類元素が添加されたコア部、導波方向に延在してコア部の周囲を取り囲むクラッド部、及び導波方向に延在してクラッド部の周囲を取り囲む、少なくとも１層の他のクラッド部を有する。

これにより、コア部とクラッド部との界面に適切な屈折率差（又は実効屈折率差）を設けることにより、増幅光をコア部に閉じ込めることができる。また、クラッド部と他のクラッド部との界面に適切な屈折率差（又は実効屈折率差）を設けることにより、励起光をクラッド部に閉じ込めることができる。

励起光源は、増幅用ファイバのコア部に添加された希土類元素を励起する励起光を発生する。

検出用ファイバは、増幅用ファイバのコア部からクラッド部に漏れ出した希土類元素の自然放出光を取り出すものである。

検出部は、検出用ファイバに光学的に接続され、導波された自然放出光の強度を検出するものである。

これにより、増幅用ファイバのコア部からクラッド部に漏れ出した自然放出光を、検出用ファイバを介して検出できる。

また、増幅用ファイバのクラッド部と検出用ファイバのコア部とは、光学的に接続されている。

これにより、励起光源から発生する励起光を増幅用ファイバのクラッド部から入射させて、増幅用ファイバのコア部に添加された希土類元素を励起し、反転分布状態を形成させることができる。さらに、増幅用ファイバのクラッド部には、コア部に添加された希土類元素からの自然放出光が漏れ出すが、この漏れ出した光は、光学的に接続された検出用ファイバのコア部に入力され、この検出用ファイバを導波させることができる。

ここで、前記構成によれば、特許文献１に記載された光増幅器のように、増幅用ファイバの出力光（増幅光と自然放出光との合波）から自然放出光を分離する必要がないので、増幅された出力光が損失することはない。

また、増幅用ファイバのコア部から信号光を入力するような場合でも、特許文献２に記載された光増幅器のように、自然放出光を検出するラインを、信号光が入力されるラインに接続する必要はないので、入力される信号光の接続損失が大きくなってしまうこともない。

さらに、自然放出光の強度は、増幅用ファイバのコア部に添加された希土類元素の電子の励起状態を反映しているので、自然放出光の強度を検出することにより増幅用ファイバの利得を監視することができる。

以上より、増幅された出力光又は入力される信号光の損失を可能な限り排除しつつ、利得を監視することができる。

また、本発明のファイバレーザは、前記構成に加えて、前記励起光源が発する励起光の強度を制御する光強度制御部を備え、前記光強度制御部は、前記検出部の検出結果に基づいて、前記励起光源が発する励起光の強度を制御することが好ましい。

前記構成によれば、増幅用ファイバのコア部からクラッド部へ漏れ出した光には、自然放出光が含まれており、増幅用ファイバの自然放出光の強度は、利得を一定としたときにほぼ一定となる。

よって、この自然放出光を検出し、その検出結果に応じて励起光源が発する励起光の強度を制御する光強度制御部によりフィードバック回路を形成し、自然放出光の強度が一定となるように制御することによって、利得を安定化することができる。

ところで、増幅用ファイバにおいて反転分布状態が形成された場合、利得は、最初は、経過時間に応じて上昇するが、ある程度時間が経過すると、一定となる（利得飽和）。

上述したように、一般に、出力されるレーザ光の出力パワーを安定化させるために、出力されたレーザ光の出力パワーを監視し、フィードバックをかけて出力パワーを安定化させる手法が採用されることが多いが、このような手法では、励起開始直後から利得飽和まで（過渡状態）の出力パワーを制御することができない。

しかしながら、前記構成によれば、自然放出光の強度に応じて励起光源から発生する励起光の強度をフィードバック制御できるので、励起開始直後から利得飽和までの任意の大きさで利得を安定化することができ、過渡状態の出力パワーを制御することも可能となる。

また、本発明のファイバレーザは、前記構成に加えて、前記励起光源から発した励起光を導波する励起用ファイバと、前記励起用ファイバにおける励起光の出力側の端面を、前記増幅用ファイバの前記クラッド部における励起光の入力側の端面の一部に光学的に接続する光結合部と、を備え、前記光結合部において、前記検出用ファイバの自然放出光の入力側の端面が、前記増幅用ファイバの前記励起光の入力側の端面の他の部分に光学的に接続されていることが好ましい。

前記構成において、光結合部としては、例えば、信号用ファイバを増幅用ファイバのコア部に接続し、かつ、励起用ファイバを増幅用ファイバのクラッド部に接続するために用いられている従来のポンプコンバイナを利用することができる。この際、検出用ファイバは、ポンプコンバイナに設けられている励起用ファイバの接続用ポートに接続すればよい。これにより、新たな光学素子を付加することなく増幅用ファイバのクラッド部と検出部とを、検出用ファイバを介して光学的に接続することができる。すなわち、増幅用ファイバのコア部からクラッド部に漏れ出した自然放出光を極めて簡潔な構成で検出することができる。

また、その他、光結合部は、例えば、増幅用ファイバのクラッド部の光を選択的に取り出すカプラ構造であっても良い。なお、光結合部は、増幅用ファイバの一端に設けられていても良いし、増幅用ファイバの一端から他端までのいずれの位置に設けられていても良い。

また、本発明のファイバレーザは、前記構成に加えて、前記検出用ファイバがシングルモードファイバであることが好ましい。

上述した光結合部を、例えば、ポンプコンバイナとした場合、（接続用）ポートには、励起光源の光を高効率で増幅用ファイバのクラッド部に接続するために、マルチモードの大口径コアを有するファイバが用いられる。しかしながら、検出用ファイバが接続されるポートには、以下で説明するファイバカプラや、ファイバブラッグレーティング等の波長分離素子を効率的に用いるために、シングルモードファイバを検出用ファイバとして接続することが好ましい。これにより、検出部による自然放出光の検出精度をさらに高めることができる。

また、本発明のファイバレーザは、前記構成に加えて、前記検出用ファイバの一部に、前記自然放出光の長波長側の光の前記検出部への導波を抑制する波長選択素子が設けられていても良いし、前記検出部と前記検出用ファイバとの間に、前記自然放出光の長波長側の光の前記検出部への導波を抑制する波長選択素子が設けられていても良い。

前記構成によれば、自然放出光を長波長側と短波長側とで選択的に分離することができるので、検出部による自然放出光の検出精度をより高めることができる。

また、本発明のファイバレーザは、前記構成に加えて、前記波長選択素子は、前記自然放出光の長波長側の光の前記検出部への導波を抑制するポートを備えたファイバカプラであっても良い。

前記構成によれば、自然放出光の波長帯域における光を、ファイバレーザの発振波長の短波側と長波側とに分離することができる。

なお、電子は、フェルミ‐ディラック分布に従い、エネルギーの低い所、すなわち長波長側の準位から電子の存在確率が高くなっていくことが知られている。すなわち、長波長側から飽和し、短波長側は飽和しにくい傾向にある。したがって、ファイバレーザの発振波長に対応する励起準位の利得状態の検出精度を高めるためには、ファイバレーザの発振波長よりも短波長側の光を検出することが好ましい。

また、本発明のファイバレーザは、前記構成に加えて、前記検出用ファイバの一部に、前記自然放出光の長波長側の光を反射するファイバブラッググレーティングが形成されていても良いし、前記検出部と前記検出用ファイバとが、前記自然放出光の長波長側の光を反射するファイバブラッググレーティングが形成された光ファイバを介して光学的に接続されていても良い。

前記構成によれば、自然放出光の波長帯域における光のうち、ファイバレーザの発振波長の短波側の光をより多く検出部で検出することができる。

また、本発明のファイバレーザは、前記構成に加えて、前記増幅用ファイバにおいて増幅されるパルス信号光を発する信号光光源を備え、前記光強度制御部は、前記パルス信号光を構成する各パルスのピークパワーが一定となるように前記励起光の強度の制御を行っても良い。

前記構成によれば、信号光光源から発生する信号光の強度及び周期などを適宜調整することにより、増幅用ファイバの出力光の振幅及び振動数などを調整することができるので、増幅用ファイバからの出力光がパルス信号光である場合に、各パルス光のピークパワーを一定に保つことが可能となる。

また、信号光光源から発生した信号光を増幅用ファイバのコア部に結合させる構成では、信号光光源からの信号光が増幅用ファイバに入ってこない場合、増幅用ファイバで大量のエネルギーが蓄積された後に自己発振してしまい、光路上に設けられた光学素子を破壊してしまう可能性があるが、前記構成によれば、フィードバック制御により、励起光の強度を調整することが可能であるため、上述した自己発振を抑制することも可能である。

なお、必要に応じて、信号光光源を、連続発振可能な光源とし、増幅用ファイバの出力光を連続波（ＣＷ：Continuous Wave）としても良い。

また、本発明のファイバレーザは、前記構成に加えて、前記信号光光源は、光共振器を含んでおり、前記光共振器から一周期間に散逸する光エネルギーに対する、前記光共振器に蓄えられる光エネルギーの比である振幅増大係数の高低を切り替える光スイッチ素子が設けられていても良い。

光共振器及び増幅用ファイバの振幅増大係数（Ｑ値：Quality factor）が低いと、強い反転分布状態が形成されるまでレーザ発振しない。

よって、前記構成によれば、光スイッチ素子のＱ値を低くして強い反転分布状態を形成しておき（励起エネルギーを蓄積しておき）、光スイッチ素子を高いＱ値に切り替えることで、一気に光を放出させて大きな出力パワーの出力光を発生させることができる。

なお、Ｑスイッチ動作を任意のタイミングで行う場合、利得のばらつきが生じ、光出力がばらつく可能性があるが、前記構成によれば、利得を一定に保つことが可能であるので、安定な光出力を得ることが可能である。

また、信号光光源から発生した信号光を増幅用ファイバのコア部に結合させる構成では、増幅用ファイバにおける励起開始直後の利得上昇に過渡状態が存在し、信号光が増幅されない時間（タイムラグ）が存在するため、信号光光源のみならず、増幅用ファイバにおいても光スイッチ素子を設けるなどにより反転蓄積時間を調整して安定状態にすることが好ましい。

また、本発明のレーザ加工機は、前記構成に加えて、前記ファイバレーザを光源としていることが好ましい。

ここで、コア部に希土類元素が添加された増幅用ファイバは、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザと比較して、微細加工化、小型化、及び高効率化に優れる。よって、前記構成によれば、ＹＡＧレーザを備えたレーザ加工機よりも微細加工化、小型化、高効率、及び安定性に優れるレーザ加工機を提供することができる。

本発明のファイバレーザは、以上のように、入射される光の導波方向に延在し、希土類元素が添加されたコア部、前記導波方向に延在して前記コア部の周囲を取り囲むクラッド部、及び前記導波方向に延在して前記クラッド部の周囲を取り囲む、少なくとも１層の他のクラッド部を有する増幅用ファイバと、前記増幅用ファイバの前記コア部に添加された前記希土類元素を励起する励起光を発する励起光源と、前記増幅用ファイバの前記コア部から前記クラッド部に漏れ出した前記希土類元素の自然放出光を取り出す検出用ファイバと、前記検出用ファイバに光学的に接続され、導波された前記自然放出光の強度を検出する検出部と、を備えたファイバレーザであって、前記増幅用ファイバの前記クラッド部と前記検出用ファイバのコア部とが、光学的に接続されているものである。

それゆえ、増幅された出力光又は入力される信号光の損失を可能な限り排除しつつ、利得を監視することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態であるファイバレーザ（レーザ加工機）の構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態であるファイバレーザ（レーザ加工機）の構成を示すブロック図である。 前記ファイバレーザに関し、光結合部の一実施形態であるポンプコンバイナの一例の構造の詳細を示す斜視図である。 図３に示す前記ポンプコンバイナのＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は、前記ポンプコンバイナに関し、接続用ポートで測定した光スペクトラムを示すグラフであり、（ｂ）は、検出用ポートで測定した光スペクトラムを示すグラフである。

本発明の一実施形態について図１〜図５に基づいて説明すれば、次の通りである。

〔１．ファイバレーザ１ａについて〕
まず、図１及び３に基づき、本発明の一実施形態であるファイバレーザ１ａ（レーザ加工機１０１ａ）の構成について説明する。図１は、ファイバレーザ１ａの構成を示すブロック図である。また、図３は、図１に示すファイバレーザ１ａにおけるポンプコンバイナ２の構造の詳細を示す斜視図である。

図１に示すように、ファイバレーザ１ａは、光結合部の一実施形態であるポンプコンバイナ（光結合部）２、ＰＡ‐Ｙｂ（増幅用ファイバ）３、励起用ファイバ４、信号用ファイバ５Ａ、検出用ファイバ６、ＭＯ（信号光光源）７、アイソレータ８、ＢＰＦ（波長選択素子）９、合計７台のＬＤ（励起光源）１０、ＰＤ（検出部）１１、Ａ／Ｄ変換器１２、電源１３、制御部（光強度制御部）１４、記憶部１５、及び接続配線１６〜１８を備える。

なお、図１では、ＬＤ１０については、煩雑さを避けるため、４台のＬＤ１０のみを記載し、残りの３台のＬＤ１０は省略している。

また、本実施形態のファイバレーザ１ａでは、パルス光源（信号光光源）としてのＭＯ（Master Oscillator）部としてＭＯ７、及びＰＡ（Power Amplifier）部としてＰＡ‐Ｙｂ３を含むいわゆるＭＯＰＡ構造を採用している。

ＭＯ７は、出力パワー１Ｗ以下のパルス光（信号光）を発生する。パルス光の繰返し周期は、５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲で可変となっている。なお、パルス光のパルス幅は、本実施形態では、２０ｎｓであるが、これに限られない。例えば、繰返し周期が２０ｋＨｚのときパルス幅は、５７ｎｓである。

すなわち、ＭＯ７から発生する信号光の振幅及び振動数などを適宜調整することにより、ＰＡ‐Ｙｂ３の出力光の振幅及び振動数などを調整することができる。

また、ＭＯ７は、図示しない励起光源と光共振器とを含む構成となっており、光共振器の共振方向の一端側には、光共振器の振幅増大係数（Ｑ値：Quality factor）の高低を切り替えるＱスイッチ素子（光スイッチ素子）が設けられている。

ここで、Ｑ値は、光共振器から一周期間に散逸する光エネルギーに対する、光共振器に蓄えられる光エネルギーの比である。より具体的には、発振ピークでの発振周波数をω０、光エネルギーが、低周波数側で発振ピークの半値となる周波数をω１、高周波数側で半値となる周波数をω２とすると、Ｑ≒ω０／（ω２−ω１）で与えられる。

光共振器のＱ値が低いと、光共振器の増幅媒体に強い反転分布状態が形成されるまでレーザ発振しない。よって、Ｑ値を低くして強い反転分布状態を形成しておき（励起エネルギーを蓄積しておき）、Ｑスイッチ素子（光スイッチ素子）を高いＱ値に切り替えることで、一気に光を放出させて大きな出力パワーのパルス光を発生させることができる。

このようなＱスイッチ動作により、ＰＡ‐Ｙｂ３に入力されるパルス光の出力を大きくすることができる。

なお、Ｑスイッチ素子としては、光共振器の共振方向の一端側に可飽和吸収体や光変調器を設ける場合を例示することができるが、Ｑスイッチ素子は、このような構成に限られない。

アイソレータ８は、共振器外部の反射点からのＰＡ‐Ｙｂ３を導波するパルス光（又は増幅されたパルス光）の反射光が、戻り光となり信号用ファイバ５Ａを介してＭＯ７に到達し、ＭＯ７を破損することを防止するものである。

次に、ＰＡ‐Ｙｂ３は、入射されるパルス光の導波方向に延在するコア部３ａ、導波方向に延在してコア部３ａの周囲を取り囲む第１クラッド部（クラッド部）３ｂ、及び第１クラッド部３ｂの周囲を取り囲む第２クラッド部（他のクラッド部）３ｃを有するダブルクラッドファイバである。なお、ＰＡ‐Ｙｂ３は、本実施形態では、２層のクラッド部を有するダブルクラッドファイバを採用したが、クラッド部は、少なくとも１層であれば良く、３層以上であっても良い。また、本実施形態のＰＡ‐Ｙｂ３の長さは、約１５ｍである。

ＰＡ‐Ｙｂ３によれば、コア部３ａと第１クラッド部３ｂとの界面に適切な屈折率差（又は実効屈折率差）を設けることにより、パルス光をコア部３ａに閉じ込めることができる。また、第１クラッド部３ｂと第２クラッド部３ｃとの界面に適切な屈折率差（又は実効屈折率差）を設けることにより、ＬＤ１０からの励起光を第１クラッド部３ｂに閉じ込めることができる。また、本構成によれば、コア部３ａに添加されているＹｂの自然放出光（波長１０００ｎｍ〜１１００ｎｍ程度）の一部は、コア部３ａから第１クラッド部３ｂに漏れ、その一部は、第１クラッド部３ｂを長さ方向に導波する。

ＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａは、コア径２０μｍであり、石英（ＳiＯ_２；二酸化珪素）にイットリビウムＹｂ（希土類元素）を添加している。また、第１クラッド部３ｂのクラッド径は、４００μｍ程度であり、コア部３ａ−第１クラッド部３ｂの比屈折率差は、０．１％程度である。また、第２クラッド部３ｃのクラッド径は、１２００μｍ程度であり、第２クラッド部３ｃの屈折率は、第１クラッド部３ｂよりも低ければ良く、その値は、任意である。

なお、コア部３ａに添加する希土類元素は、１０６０ｎｍ帯のレーザ出力を得る場合にはＹｂが好ましいが、コア部３ａに添加する希土類元素は、Ｙｂに限られず、反転分布を形成するものであれば、レーザ出力波長等に応じてＥｒ（エルビウム）、Ｎｄ（ネオジウム）及びＰｒ（プラセオジウム）等であっても良い。

特に、Ｙｂは、ホストである石英に高濃度で添加でき、アップコンバージョン等の発光阻害要因も少ないため、様々な希土類元素のなかでも最も高出力化が可能な元素である。このため、ＰＡ‐Ｙｂ３は、様々な増幅用ファイバの中でも切断や溶接等の高出力を必要とする材料加工用途のレーザ加工機（例えば、レーザ加工機１０１ａ）用のレーザ光源に最も適している。

イットリビウムイオンＹｂ^３＋は、１０００ｎｍ帯に励起準位^４Ｆ_５／２→基底準位^４Ｆ_７／２遷移を有し、Ｙｂ^３＋の増幅過程は、基底準位^４Ｆ_７／２及び励起準位^４Ｆ_５／２の２準位のみが関わる３準位系である。

したがって、ＰＡ‐Ｙｂ３のイットリビウムイオンＹｂ^３＋は、吸収面積の大きい波長９００ｎｍ〜９８０ｎｍ程度の励起光で励起準位^４Ｆ_５／２を励起され、誘導放出により放出断面積の大きい波長１０００ｎｍ〜１１００ｎｍで励起電子を基底準位^４Ｆ_７／２にエネルギーを放出させることでパルス光を増幅又は発振させる。なお、本実施形態では、ＰＡ‐Ｙｂ３の発振波長は、１０６４ｎｍ程度である。

このため、ＰＡ‐Ｙｂ３を増幅媒体としたファイバレーザは、発振波長をＹＡＧレーザ（発振波長：１０６４ｎｍ）と等しくできるため、広く利用されているＹＡＧレーザでの知見や技術、部品等をそのまま応用できるという利点がある。

光結合部の一実施形態であるポンプコンバイナ２は、図３に示すように、励起用ファイバ４、信号用ファイバ５Ａ、及び検出用ファイバ６のそれぞれが、ＰＡ‐Ｙｂ３へのブリッジファイバ（接続部）２２で部分的に一体化された構造となっている。本実施形態において、励起光を導入する励起用ファイバ４と増幅用ファイバであるＰＡ‐Ｙｂ３との光学的な接続箇所を光結合部としている。なお、ポンプコンバイナ２の構造の詳細については、後述する。

励起用ファイバ４は、ＬＤ１０の出力光（励起光）の、出力側の端面を、ＰＡ‐Ｙｂ３の第１クラッド部３ｂにおける、ＬＤ１０の出力光の、入力側の端面の一部に光学的に接続し、ＬＤ１０の出力光を第１クラッド部３ｂに導入させる。励起用ファイバ４のコア部４ａのコア径は、１０５μｍ程度であり、クラッド部４ｂのクラッド径は、１２５μｍ程度であり、コア部４ａ‐クラッド部４ｂ間の比屈折率差は、０．５５％程度である。

一方、信号用ファイバ５Ａは、ＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａとＭＯ７とを光学的に接続し、ＭＯ７の出力光（信号光）をコア部３ａに導入させる。信号用ファイバ５Ａのコア部５ａのコア径は、２０μｍ程度であり、クラッド部５ｂクラッド径は、４００μｍ程度であり、コア部５ａ−クラッド部５ｂ間の比屈折率差は、０．１％である。

ＬＤ１０は、ＰＡ‐Ｙｂのコア部３ａに添加されたＹｂを励起する波長９１５ｎｍの励起光を発生する。ＬＤ１０は、例えば、半導体レーザである。ＰＡ‐Ｙｂ３へ入力させる励起光パワーを３５Ｗとするため、出力パワー５ＷのＬＤ１０を７台使用している。なお、ＬＤ１０の台数は、本実施形態のポンプコンバイナ２のポート数が８であるため７台としたが、ファイバレーザ１ａに要求されるパワーの仕様に応じて、ＬＤ１０は、６台以下であっても良い。また、ポンプコンバイナ２のポート数が、８より多い場合には、ＬＤ１０をポンプコンバイナ２のポート数−１台設ける構成としても良い。

これにより、ＬＤ１０が出力する励起光は、ＰＡ‐Ｙｂ３の第１クラッド部３ｂから入射されてＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａに添加されたＹｂを励起させる。Ｙｂは、励起により反転分布状態となり、ＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａに入射されるパルス光（信号光）を誘導放出により増幅してパルス光（パルス信号光）Ｌとして出力する。

検出用ファイバ６は、自然放出光の入力側である一方の端面をポンプコンバイナ２の空きポートに接続させる。検出用ファイバ６の他方の端面は、ＰＤ１１に光学的に接続される。このポンプコンバイナ２の空きポート（励起光源が接続されていないポート）は、ＰＡ‐Ｙｂ３の第１クラッド部３ｂに光学的に接続されているので、ＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａから第１クラッド部３ｂに漏れ出した自然放出光は、ＰＤ１１に導かれる。すなわち、ＰＡ‐Ｙｂ３の第１クラッド部３ｂには、コア部３ａに添加されたＹｂからの自然放出光が漏れ出すが、この漏れ出した光は、光学的に接続された検出用ファイバ６のコア部６ａに入力され、この検出用ファイバ６を導波させることができる。

ＰＤ１１は、この自然放出光を受光して、強度に応じた検出電圧（又は検出電流）を出力する。ＰＤ１１は、例えば、フォトダイオードであるが、自然放出光を受けて、その強度に応じた電流もしくは電圧信号を出力する素子であれば、フォトダイオード以外の光電素子であってもよい。

なお、検出用ファイバ６のコア部６ａのコア径は、１０μｍ程度であり、クラッド部６ｂのクラッド径は、１２５μｍ程度であり、コア部６ａ−クラッド部６ｂ間の比屈折率差は、０．１％程度である。これにより、ＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａから第１クラッド部３ｂに漏れ出した自然放出光を、検出用ファイバ６を介して検出できる。

また、検出用ファイバ６は、シングルモードファイバであることが好ましい。

例えば、ポンプコンバイナ２の（接続用）ポートには、ＬＤ１０の光を高効率でＰＡ‐Ｙｂ３の第１クラッド部３ｂに接続するために、マルチモードの大口径コアを有するファイバが用いられる。しかしながら、検出用ファイバ６が接続されるポートには、以下で説明するＷＤＭカプラや、ファイバブラッグレーティング等の波長分離素子を効率的に用いるために、シングルモードファイバを検出用ファイバ６として接続することが好ましい。これにより、ＰＤ１１による自然放出光の検出精度をさらに高めることができる。

なお、図１に示すように、検出用ファイバ６と、ＰＤ１１との間に所定の波長のみ選択的に通過させる波長分離素子であるＢＰＦ９を設けることが好ましい。

本実施形態では、ＢＰＦ９としてファイバカプラ方式のＷＤＭカプラを用いている。本実施形態のＷＤＭカプラは、自然放出光の波長帯域（１０００ｎｍ〜１１００ｎｍ）における波長１０３０ｎｍ（第１波長）の光に対する透過率が高く、自然放出光の波長帯域における第１波長より長波長の波長１０６０ｎｍ（第２波長）の光に対する透過率が低い第１導波路（１０３０ｎｍポート）と、波長１０６０ｎｍの光に対する透過率が高く、波長１０３０ｎｍの光に対する透過率が低い第２導波路（１０６０ｎｍポート）とを有する。このＷＤＭカプラの波長１０６０ｎｍの光と、波長１０３０ｎｍの光との分岐比は、２０ｄＢ程度である。

これにより、自然放出光（波長帯域：１０００ｎｍ〜１１００ｎｍ）のうち、ファイバレーザ１ａの発振波長（信号光：波長１０６０ｎｍ近傍の光）より長波長側の光を抑制して、ファイバレーザ１ａの発振波長より、短波長の波長１０３０ｎｍ近傍の光のみ選択的にＰＤ１１に受光させることができる。

ここで、自然放出光のうち、ファイバレーザ１ａの発振波長より短波長の自然放出光のみをＰＤ１１で受光することの、メリットについて説明する。電子の存在確率はフェルミ‐ディラック分布に従うため、励起エネルギー準位のうち、エネルギーの低い所、すなわち長波長側の準位（低エネルギー側）から占められることが知られている。すなわち、励起によって、長波長側の励起準位は飽和（準位が占められる）しやすいため、自然放出光のうち、この飽和しやすい準位に対応する長波長側の自然放出光の強度は、所定の励起レベルを越えると飽和してしまう。一方、短波長側の励起準位（高エネルギー側の準位）は飽和（準位が占められる）しにくい。このため、増幅媒体の発振波長に対応する利得は、自然放出光の長波長側の強度より短波長側の強度に強く相関がある。したがって、利得状態の検出感度を高めるためには、ファイバレーザ１ａの発振波長よりも短波長側の光を検出することが好ましい。なお、ＢＰＦ９は、自然放出光をのうち、短波長側の波長帯域の光を選択的に分離できる波長分離素子であれば、どのような素子であっても良い。

本実施形態では、ファイバレーザ１ａの発振波長は、１０６４ｎｍであるから、ＷＤＭカプラの第１導波路（１０３０ｎｍポート）側をＰＤ１１に接続する。

ところで、ＷＤＭカプラは、割合は小さいものの、第１導波路から検出される光には、第１波長近傍の光だけでなく、第２波長近傍の光も含まれ、第２導波路から検出される光には、第２波長近傍の光だけでなく、第１波長近傍の光も含まれる。

そこで、本実施形態のファイバレーザ１ａでは、さらにファイバカプラの第１導波路に波長１０６０ｎｍの光を反射するファイバブラッググレーティング（以下、単に「ブラックグレーティング」という）が接続されていることが好ましい。

なお、ブラッググレーティングは、波長１０６０ｎｍの光を−２０ｄＢ程度反射するように形成される。

これにより、第１導波路から出力される波長１０６０ｎｍ帯の光の割合をより小さくすることができる。自然放出光のうち、利得に相関が高い帯域の自然放出光のみを選択的に検出できるので利得の検出感度をさらに高めることができる。具体的には、波長１０６０ｎｍ帯の光と、波長１０３０ｎｍ帯の光との分岐比は、４０ｄＢ程度となる。

Ａ／Ｄ変換器１２は、検出電圧（又は検出電流）のようなアナログ信号をデジタルデータ（以下、検出データと称する）に変換して、制御部１４に入力する。

電源１３は、制御部１４から出力される制御信号に基づいて、７台のＬＤ１０に電流を供給し、ＬＤ１０の光出力を制御する。

接続配線１６は、ＬＤ１０と電源１３とを接続する配線であり、接続配線１７は、電源１３と制御部１４とを接続する配線である。また、接続配線１８は、ＰＤ１１と制御部１４と接続する配線であり、ＰＤ１１は、Ａ／Ｄ変換器１２を介して制御部１４に接続されている。

制御部１４は、電源制御部（光強度制御部）１４ａ、及び比較部１４ｂから構成される。比較部１４ｂは、ＰＤ１１から取得した検出データと記憶部１５に記録されている基準値データとを比較し、比較結果に応じた信号を電源制御部１４ａに出力する。電源制御部１４ａは、比較部１４ｂから取得した信号に基づき、電源１３に制御信号を出力する。

記憶部１５は、ＰＡ‐Ｙｂ３の利得とＰＤ１１が受光する自然放出光強度との関係を記憶する。ここで、ＰＡ‐Ｙｂ３の利得は、ＬＤ１０の出力光パワーの関数であり、ＬＤ１０の出力光パワーは、電源１３の出力電流の関数である。基準値は、所定の信号光入力の場合に所定の光出力パワーが得られる励起状態とさせるためのＬＤ１０の駆動電流を基準電流とし、その励起状態においてＰＤ１１が受光する自然放出光強度を基準光量として予め定められる。

次に、ファイバレーザ１ａの動作について説明する。ＰＤ１１は、ＰＡ‐Ｙｂ３の自然放出光強度を観測して、その強度に応じた信号をＡ／Ｄ変換器１２に出力する。Ａ／Ｄ１２は、入力信号を検出データに変換して、制御部１４に出力する。制御部１４は、検出データが、記憶部１５が記憶している基準光量よりも小さい場合には、電源１３に基準電流よりも大きい電流を７台のＬＤ１０に供給するように指示し、検出データが基準光量に近づくようにフィードバック制御する。

一方、制御部１４は、検出データが、記憶部１５が記憶している基準光量よりも大きい場合には、電源１３に基準電流よりも小さい電流を７台のＬＤ１０に供給するように指示し、検出データが基準光量に近づくようにフィードバック制御する。

これにより、制御部１４は、ＰＤ１１が検出する自然放出光強度が所定の強度となるようにフィードバック制御するので、ＰＡ‐Ｙｂ３の利得を所定の値に制御することができる。

例えば、ＭＯ７から発生する信号光の強度及び周期などを適宜調整することにより、ＰＡ‐Ｙｂ３の出力光の振幅及び振動数などを調整することができるので、ＰＡ‐Ｙｂ３からの出力光がパルス信号光である場合に、各パルス光の強度（積分エネルギー）を一定に保つことが可能となる。

以上より、ＰＡ‐Ｙｂ３の利得（出力パワー）が安定化した各パルス光のレーザ発振が可能となる。すなわち、ファイバレーザ１ａから出力される各パルス光の強度、及びピークパワーを一定に保つことが可能となる。

また、ＭＯ７から発生した信号光をＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａに結合させる構成では、ＭＯ７からの信号光がＰＡ‐Ｙｂ３に入ってこない場合、ＰＡ‐Ｙｂ３で大量のエネルギーが蓄積された後に自己発振してしまい、光路上に設けられた光学素子を破壊してしまう可能性があるが、上述したフィードバック制御により、ＬＤ１０の強度を調整することが可能であるため、上述した自己発振を抑制することも可能である。

なお、必要に応じて、ＭＯ７を、連続発振可能な光源とし、ＰＡ‐Ｙｂ３の出力光を連続波（ＣＷ：Continuous Wave）としても良い。

以上のような、ファイバレーザ１ａによれば、特許文献１に記載された光増幅器のように、ＰＡ‐Ｙｂ３の出力光（増幅されたパルス光と自然放出光との合波）から自然放出光を分離する必要がなく、自然放出光を検知できるので、増幅されたパルス光が損失することはない。

また、特許文献２に記載された光増幅器のように、自然放出光を検出する検出用ファイバ６を、パルス光が入力される信号用ファイバ５Ａに接続する必要はないので、入力されるパルス光の接続損失が大きくなってしまうこともない。

以上より、増幅されたパルス光の損失を可能な限り排除しつつ、利得を制御することができる。

また、ＭＯＰＡ構造のファイバレーザでは、ＭＯからのパルス光がＰＡ‐Ｙｂ３に入ってこない場合に、励起を継続してしまうと、ＰＡ‐Ｙｂ３の利得が大きくなりすぎて自己発振してしまい、光路上に設けられた光学素子を破壊してしまう可能性がある。しかしながら、本実施形態のファイバレーザ１ａによれば、フィードバック制御により、ＰＡ‐Ｙｂ３の利得を所定のレベルに制御できるので、上述した自己発振を抑制することも可能である。

また、以上のように、本実施形態のファイバレーザ１ａは、ＰＡ‐Ｙｂ３を用いているので、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザと比較して光軸調整が原理的に不要であり、耐候及び耐埃性が高い。

さらに、ＰＡ‐Ｙｂ３は、直径が最大でも数百μｍであり、所望の出力まで増幅するには数ｍの長さを使用するため、ＹＡＧレーザの増幅媒体である結晶ロッド（数ｍｍφ×数ｃｍ長）に比べて増幅媒体の比表面積が非常に大きい。このため、冷却効率が高く、冷却機構を簡素化できるので、装置を小型化でき可搬性が高いほか、レーザ出力パワーの制限要因である熱レンズ効果の影響を実用上無視できるという利点もある。

また、ファイバレーザ１ａでは、ＰＡ‐Ｙｂ３、励起用ファイバ４、及び信号用ファイバ５Ａをすべてシングルモードタイプとすることで、完全単一横モード（ＬＰ_０１）でのレーザ発振が可能である。また、発振モードと、出力光をレンズでどこまで集光できるかを表すビーム品質（Ｍ^２）とは密接な関係があり、完全なＬＰ_０１単一横モード発振のＰＡ‐Ｙｂ３では、ビーム品質の理論的限界であるＭ^２＝１の出力光を得ることができる。したがって、ファイバレーザ１ａは、究極の微細レーザ光源といえ、この点からも微細化の要求の高いレーザマーキング等に最適である。

また、本実施形態のファイバレーザ１ａは、後で説明するようにポンプコンバイナ２の励起用ポート（Ｐ１〜Ｐ８）の空きポートを検出用ポートＰ８としているので、特許文献１及び２に記載された光増幅器と比較して回路構成が簡単になる。

以上より、ファイバレーザ１ａは、各パルスや過渡状態での安定性に優れるので、ファイバレーザ１ａをレーザ加工機１０１ａとして用いれば、過渡状態での安定性に優れるレーザ加工機１０１ａとなる。

以上、本発明の実施形態に係るファイバレーザ１ａの動作について、励起光強度が変化して利得が変動する場合について説明したが、励起光強度が一定であっても、信号光によっても励起状態が変化して利得が変わる場合がある。例えば、励起が一定の状態で強い信号光が入射されると、強い誘導放出が起こり、一時的に励起準位にある電子の数が減少して、利得も一時的に減少する。このような場合であっても、本発明の実施形態に係るファイバレーザ１ａでは、過渡的な励起準位にある電子の数が減少、すなわち、自然放出光の減少を検知して、一時的に励起光強度を増やし、利得を所定レベルに保つように制御することができる。

このような信号光（共振器内のレーザ光）の強度変動による利得の変動の補償をする機能は、ＭＯＰＡ方式のファイバレーザにおいて、ＭＯ部７が連続光出力をし、ＰＡ部がＱスイッチ素子を備えるＱスイッチレーザにおいて、パルス間のピーク強度を安定化する構成において特に有用である。
また、Ｑスイッチ素子のスイッチングを制御するスイッチング制御部が、制御部１４における制御信号に基づいてスイッチングを制御する構成も好ましい。この場合、Ｑスイッチ発振は、ＰＡ‐Ｙｂ３の利得が所定の値となった場合のみ起こすことができるので、出力光パルス強度のばらつきを抑制することができる。

〔２．ファイバレーザ１ｂについて〕
まず、図２及び３に基づき、本発明の他の実施形態であるファイバレーザ１ｂ（レーザ加工機１０１ｂ）の構成について説明する。図２は、ファイバレーザ１ｂの構成を示すブロック図である。また、図３は、図２に示すファイバレーザ１ｂにおけるポンプコンバイナ２の構造の詳細を示す斜視図である。

なお、本実施形態のファイバレーザ１ｂは、以下で説明する構成以外は、上述したファイバレーザ１ａと同じである。

本実施形態のファイバレーザ１ｂは、ＭＯＰＡ構造ではなく、ＰＡ部のみのファイバレーザとなっている点が異なっている。すなわち、ＭＯ７、信号用ファイバ５Ａ、及びアイソレータ８が存在していない。代わりとして、ＯＮ−ＯＦＦ状態を制御するＳＷ（光スイッチ素子）１９を有している。

なお、ＳＷ１９は、ＰＡ‐Ｙｂ３の出射端側に、ＰＡ‐Ｙｂ３から一周期間に散逸する光エネルギーに対する、ＰＡ‐Ｙｂ３に蓄えられる光エネルギーの比である振幅増大係数の高低を切り替える光スイッチ素子（Ｑスイッチ素子）である。

本実施形態のファイバレーザ１ｂは、上述したファイバレーザ１ａにおいて信号用ファイバ５Ａが、ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ（増幅用ファイバ）５Ｂで置換された構造となっている。なお、ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂは、上述した信号用ファイバ５Ａと同一構成の光ファイバであっても良く、ＰＡ‐Ｙｂ３を構成する光ファイバの励起光の入力側が延長された増幅用ファイバの一部であっても良く、その場合は、ＰＡ‐Ｙｂ３と同一構成の光ファイバとなる。

また、ファイバレーザ１ｂのＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂの一端側（図２の左側）には、高反射ファイバグレーティング（ＦＧ‐ａ）が形成されており、ファイバレーザ１ｂのＰＡ‐Ｙｂ３の出力端部側（図２の右側）には、低反射ファイバグレーティング（ＦＧ‐ｂ）が形成されており、ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ及びＰＡ‐Ｙｂ３で単一のファイバレーザ共振器を構成している。

なお、ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂと、ＰＡ‐Ｙｂ３との接続状態は、図３及び４に示すとおりであり、ファイバレーザ１ａの信号用ファイバ５Ａと、ＰＡ‐Ｙｂ３との接続状態と同様である。

ところで、ファイバレーザ１ｂの立ち上げ時、すなわち、ＬＤ１０の立ち上げ時には、ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ及びＰＡ‐Ｙｂ３（増幅用ファイバ）において反転分布状態が形成され始めると、経過時間に応じて利得が上昇するが、ある程度時間が経過すると、一般に一定となる（利得飽和）ため、ファイバレーザ１ｂの定常状態での利得は、利得飽和以下である。

上述したように、出力されるレーザ光の出力パワーを安定化させるために、出力されたレーザ光の出力パワーを監視し、フィードバックをかけて出力パワーを安定化させる方法が知られているが、このような方法では、レーザ光が出力されていない励起開始直後の利得状態が制御されておらず、過渡状態では出力パワーが弱くなってしまう。

しかしながら、本実施形態のファイバレーザ１ｂによれば、自然放出光の強度に応じて励起光の強度をフィードバック制御できるので、利得飽和までの任意の利得状態とすることができる。これにより、出力光パワーのばらつきを抑制したパルス光Ｌのレーザ発振が可能となる。すなわち、ファイバレーザ１ｂから出力される各パルス光Ｌの強度を一定に保つことが可能となる。

また、本実施形態のファイバレーザ１ｂによれば、パルス発振光出力直後等、何らかの原因により励起状態（励起準位にある電子数）が過渡的に変化した場合であっても、自然放出光の強度が所定の強度になるように励起光強度を制御するので、パルス発振間の強度のばらつきを抑制することができる。

また、本実施形態のファイバレーザ１ｂにおいても、Ｑスイッチ素子のスイッチングを制御するスイッチング制御部が、制御部１４における制御信号に基づいてスイッチングを制御する構成も好ましい。この場合、Ｑスイッチ発振は、ＰＡ‐Ｙｂ３の利得が所定の値となった場合のみ起こすことができるので、出力光パルス強度のばらつきを抑制することができる。

また、本実施形態のファイバレーザ１ｂは、ポンプコンバイナ２の励起用ポート（Ｐ１〜Ｐ８）の空きポートを検出用ポートＰ８としているので、特許文献１及び２に記載された光増幅器と比較して回路構成が簡単になる。

さらに、ファイバレーザ１ｂは、微細加工化、小型化、及び高効率化に優れるので、ファイバレーザ１ｂをレーザ加工機１０１ｂとして用いれば、ＹＡＧレーザを備えたレーザ加工機よりも微細加工化、小型化、及び高効率化に優れるレーザ加工機１０１ｂとなる。なお、その他の作用効果などについては、ファイバレーザ１ａと同様である。

〔３．光結合部の構成〕
次に、図３及び４に基づき、ファイバレーザ１ａ及びファイバレーザ１ｂにおける光結合部の一例であるポンプコンバイナ２について説明する。図４は、図３に示すポンプコンバイナ２のキャピラリ２１におけるＡ−Ａ断面図である。

図３に示すように、ポンプコンバイナ２は、パルス光（光）の導波方向に延在する中心の信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）、パルス光の導波方向に延在し、信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）を取り囲む、複数の励起用ファイバ４、及び１本の検出用ファイバ６、並びに、キャピラリ２１及びブリッジファイバ２２を備える。

キャピラリ２１は、励起用ファイバ４、信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）、及び検出用ファイバ６が挿入される複数の貫通孔（細孔）を有する多孔石英管であり、図４に示すように、キャピラリ２１の中心に設けた１個の空孔を取り囲む配置で８個の空孔が設けられている断面構造を有する。また、キャピラリ２１は、石英やドーパントが添加された石英などから構成される。

キャピラリ２１の中心の空孔には、信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）が嵌挿され、これをＭＯ７からのパルス光を導光する接続用ポートＰ０としている。

また、接続用ポートＰ０の周囲に配置された８個の空孔のうち、７つの空孔には、励起用ファイバ４が嵌挿され、パルス光を増幅するための励起光を導波する励起用ポートＰ１〜Ｐ７としている。また、接続用ポートＰ０の周囲に配置された８個の空孔のうち、１つの空孔には、検出用ファイバ６が嵌挿され、自然放出光を検出する検出用ポートＰ８としている。

上述した１本の信号用ファイバ５Ａを接続用ポートＰ０に、７本の励起用ファイバ４を励起用ポートＰ１〜Ｐ７に、１本の検出用ファイバ６を検出用ポートＰ８に嵌挿し、キャピラリ２１を加熱することで、キャピラリ２１と各ファイバ間の空隙を収縮及び溶融一体化している。

このような、キャピラリ２１を用いることにより、励起用ポートＰ１〜Ｐ７の変形を抑制し、励起光の損失の低減を図ることができる。

ブリッジファイバ２２は、断面の中心軸に沿って、コア部２２ａが延在しており、中心軸に沿う方向に延在し、コア部２２ａの周囲を取り囲む光閉じ込め導波路部２３、中心軸に沿う方向に延在し、光閉じ込め導波路部２３の周囲を取り囲む第１クラッド部２２ｂ、中心軸に沿う方向に延在し、第１クラッド部２２ｂの周囲を取り囲む第２クラッド部２２ｃを備える。

ブリッジファイバ２２の断面の外径は、手前側から奥側（図３の左下側から右上側）に進むにつれてテーパ状に縮径されており、コア部２２ａのコア径、第１クラッド部２２ｂのクラッド径、及び第２クラッド部２２ｃのクラッド径は、ファイバ融着端部２４の奥側の端面で、それぞれコア部３ａのコア径、第１クラッド部３ｂのクラッド径、及び第２クラッド部３ｃのクラッド径と同一となり、コア部２２ａとコア部３ａとが一致するようにファイバ融着端部２４とＰＡ‐Ｙｂ３とが融着されている。

また、光閉じ込め導波路部２３は、手前側の端面からファイバ融着端部２４の奥側の端面まで、テーパ状に縮径されてコア部２２ａの周囲を取り囲むように形成されている。

光閉じ込め導波路部２３の屈折率は、第１クラッド部２２ｂの屈折率よりも高く、コア部２２ａの屈折率よりも低くなっていれば良い。

次に、キャピラリ２１は、信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）のコア部５ａとブリッジファイバ２２のコア部２２ａとが一致するように接続され、励起用ファイバ４及び検出用ファイバ６は、それぞれ、ブリッジファイバ２２の第１クラッド部２２ｂに接続されて、キャピラリ融着端部２５にてブリッジファイバ２２と融着されている。

以上のポンプコンバイナ２によれば、キャピラリ２１を介してブリッジファイバ２２に入射されたパルス光は、ファイバ外径が縮径されるにつれてシングルモードを維持しつつモードフィールド径（ＭＦＤ）を拡大しながら導波する。また、最終的にブリッジファイバ２２を導波するパルス光のＭＦＤが、ＰＡ‐Ｙｂ３のＭＦＤとほぼ同程度となったところでＰＡ‐Ｙｂ３と溶融接続される。このように、ＭＦＤが、導波方向に徐々にマッチングされることにより、ポンプコンバイナ２でのパルス光及び励起光の挿入損失の低減を図っている。より具体的には、上述したファイバレーザ１ａでは、パルス光の挿入損失が２．１ｄＢ、励起光の挿入損失が、０．１８ｄＢである。

本実施形態のポンプコンバイナ２では、反射光が励起用ファイバ４又は検出用ファイバ６に入射することを回避する構成としてブリッジファイバ２２に光閉じ込め導波路部２３を設けている。

なお、ブリッジファイバ２２において、反射光が励起用ファイバ４又は検出用ファイバ６に入射することを回避する構成としては、次の形態ａ及びｂがある。

形態ａ：キャピラリ２１の屈折率が信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）のクラッド部５ｂ（又は検出用ファイバ６のクラッド部６ｂ）の屈折率よりも低い形態。

この場合、キャピラリ２１が信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）に対して光の閉じ込め効果を有することになる。このため、キャピラリ２１の屈折率と、励起用ファイバ４のクラッド部４ｂ（又は検出用ファイバ６のクラッド部６ｂ）の屈折率との大小関係は任意であり、キャピラリ２１が励起用ファイバ４のクラッド部４ｂ（又は検出用ファイバ６のクラッド部６ｂ）より屈折率が高くても、低くても、あるいは同じでも良い。

この形態では、キャピラリ２１が光閉じ込め導波路の機能を果たすため、ブリッジファイバ２２の光閉じ込め導波路部２３と合わせると、光閉じ込め導波路がＰＡ‐Ｙｂ３との接続部から、励起用ファイバ４、信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）、及び検出用ファイバ６のそれぞれが分離するキャピラリ融着端部２５まで連続的に形成されたものとなる。

形態ｂ：キャピラリ２１の屈折率が信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）のクラッド部５ｂの屈折率と同じであり、励起用ファイバ４のクラッド部４ｂ（又は検出用ファイバ６のクラッド部６ｂ）がキャピラリ２１の屈折率よりも低い形態。

この場合、励起用ファイバ４のクラッド部４ｂ（又は検出用ファイバ６のクラッド部６ｂ）が信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）及びキャピラリ２１に対して光の閉じ込め効果を有することになる。

この形態では、キャピラリ２１とブリッジファイバ２２との間で接続損失が発生すると、反射光がキャピラリ２１に結合する可能性があるが、励起用ファイバ４のクラッド部４ｂ（又は検出用ファイバ６のクラッド部６ｂ）がキャピラリ２１に対して光の閉じ込め効果を有するので、光が励起用ファイバ４（又は検出用ファイバ６）に結合することを抑制することができる。

前記形態ａ、及びｂのいずれの構成においても、ブリッジファイバ２２に設けた光閉じ込め導波路部２３の直径（外径）は、信号用ファイバ５Ａ（ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５Ｂ）の外径（クラッド径）よりも小さいことが望ましい。仮に、光閉じ込め導波路部２３の直径の方が大きいと、光閉じ込め導波路部２３内に閉じこめられた反射光（不要光）がキャピラリ融着端部２５で励起用ファイバ４又は検出用ファイバ６に結合するからである。

なお、本実施形態のポンプコンバイナ２では、光閉じ込め導波路部２３の直径は、３０μｍ程度である。

本実施形態のポンプコンバイナ２において、ブリッジファイバ２２のコア部２２ａの周囲に光閉じ込め導波路部２３を設けたことによって、励起用ファイバ４からの励起光を効率的にＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａに集めることが可能となる。ＰＡ‐Ｙｂ３による光増幅の場合、第１クラッド部３ｂに均一に分布する励起光を効率的にコア部３ａで吸収するのは、非常に重要である。この励起光をコア部３ａに集めることが可能であれば（吸収はコア部３ａでしか起こらないので）効率的に励起光を吸収することが可能となる。

なお、以上の構成では、光閉じ込め導波路部２３は、ブリッジファイバ２２のみに設けられている。よって、ＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａから第１クラッド部３ｂに漏れた自然放出光は、ブリッジファイバ２２の第１クラッド部２２ｂを介して、検出用ファイバ６に入射する。

よって、本実施形態のポンプコンバイナ２によれば、外部の反射点からの反射光がＰＡ‐Ｙｂ３を介して、励起用ファイバ４又は検出用ファイバ６に到達することを回避しつつ、検出用ファイバ６から自然放出光を精度良く検出することができる。

なお、ポンプコンバイナは、本実施形態のポンプコンバイナ２のような構造のものに限られない。例えば、信号用ファイバ５Ａ又はＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ５ＢをＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａに接続し、かつ、励起用ファイバ４をＰＡ‐Ｙｂ３の第１クラッド部３ｂに接続するために用いられている従来のポンプコンバイナを利用することができる。この際、検出用ファイバ６は、ポンプコンバイナに設けられている励起用ファイバ４の接続用ポート（励起用ポート）に接続すれば良い。

更に光結合部としてはポンプコンバイナに限られるものではなく、ＰＡ−Ｙｂ３の第1クラッド部３ｂの光を選択的に取り出す機能を有するカプラ構造であっても良い。これにより、新たな光学素子を付加することなく第１クラッド部３ｂとＰＤ１１とを光学的に接続することができる。すなわち、ＰＡ‐Ｙｂ３のコア部３ａから第１クラッド部３ｂに漏れ出した自然放出光を極めて簡潔な構成で検出することができる。

〔４．検出部からの検出結果について〕
次に、図５に基づき、上述したファイバレーザ１ａのポンプコンバイナ２の接続用ポートＰ０、及び検出用ポートＰ８（又は励起用ポートＰ１〜Ｐ７）における光スペクトラムの測定結果について説明する。

図５（ａ）は、接続用ポートＰ０で測定した光スペクトラムを示すグラフであり、図５（ｂ）は、検出用ポートＰ８（又は励起用ポートＰ１〜Ｐ７）で測定した光スペクトラムを示すグラフである。

図５（ａ）に示すグラフでは、自然放出光の波長帯域の１０００ｎｍ〜１１００ｎｍのうち、約１０００ｎｍ〜１０３０ｎｍの範囲では、雑音がひどく、ほとんど自然放出光が検出されていないのに対し、図５（ｂ）に示すように本実施形態に係るファイバレーザでは、約１０００ｎｍ〜１０３０ｎｍの範囲で必要な強度の自然放出光を検出して、制御に用いることができる。

自然放出光強度は前述のように、励起準位にある電子数に比例する。フェルミ-ディラック分布より、長波側のエネルギー準位から占有されるため、図５(a)及び（ｂ）の場合、１０３０ｎｍ付近のエネルギー準位には電子が十分存在しておらず、誘導放出される割合よりも吸収される割合が大きい状態であると考えられる。そして、接続用ポート、検出用ポート(又は接続用ポート)共に自然放出光が出力される。

ポンプコンバイナ２の接続用ポートＰ０を導波する自然放出光はコアの希土類添加領域を導波するため、１０３０ｎｍ付近の自然放出光は再吸収される確率が高いが、ポンプコンバイナ２の検出用ポートＰ８(又は接続用ポートＰ１〜Ｐ７)を導波する自然放出光は希土類添加領域を導波する割合が低いため、１０３０ｎｍ付近の自然放出光は再吸収されにくく、発振波長の短波側の自然放出光の検出強度が高くなる。

以上の結果は、上記特許文献１及び２のように、ファイバ型光増幅器のコア部から自然放出光を検出する構成よりも、本実施形態のファイバレーザ１ａの検出用ポートＰ８から自然放出光を検出する構成の方が、検出感度が高い（より弱い励起状態であっても自然放出光を検知することができる）ことを示している。

最後に、ファイバレーザ１ａ及びファイバレーザ１ｂの各ブロック、特に、制御部１４（電源制御部１４ａ及び比較部１４ｂ）は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。

すなわち、ファイバレーザ１ａ及びファイバレーザ１ｂは、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ（central processing unit）、前記プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）、前記プログラムを展開するＲＡＭ（random access memory）、前記プログラム及び各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。

そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアであるファイバレーザ１ａ及びファイバレーザ１ｂの制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、前記ファイバレーザ１ａに供給し、そのコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ＜micro processing unit＞）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。

前記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやコンパクトディスク−ＲＯＭ／ＭＯ(magneto-optic)／ＭＤ（magnetic disk）／デジタルビデオデイスク／コンパクトディスク−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）／ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組合せて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、利得の安定性が要求される光増幅器に適用することができる。例えば、光通信システムにおけるブースタアンプ、インラインアンプ及びプリアンプ等の各種増幅器や、表面改質加工、溶接加工、及び除去加工機能を有するレーザ加工機用のレーザ光源等に広く適用することができる。

１ａ，１ｂ ファイバレーザ
２ ポンプコンバイナ（光結合部）
３ ＰＡ‐Ｙｂ（増幅用ファイバ）
３ａ コア部
３ｂ 第１クラッド部（クラッド部）
３ｃ 第２クラッド部（他のクラッド部）
４ 励起用ファイバ
４ａ コア部
４ｂ クラッド部
５Ａ 信号用ファイバ
５Ｂ ＦＢＧ‐ＰＡ‐Ｙｂ（増幅用ファイバ）
５ａ コア部
５ｂ クラッド部
６ 検出用ファイバ
６ａ コア部
６ｂ クラッド部
７ ＭＯ（信号光光源）
８ アイソレータ
９ ＢＰＦ（波長選択素子）
１０ ＬＤ（励起光源）
１１ ＰＤ（検出部）
１２ Ａ／Ｄ変換器
１３ 電源
１４ 制御部（光強度制御部）
１４ａ 電源制御部（光強度制御部）
１４ｂ 比較部
１５ 記憶部
１６〜１８ 接続配線
２１ キャピラリ
２２ ブリッジファイバ
２２ａ コア部
２２ｂ 第１クラッド部
２２ｃ 第２クラッド部
２３ 光閉じ込め導波路部
２４ ファイバ融着端部
２５ キャピラリ融着端部
１０１ａ，１０１ｂ レーザ加工機
Ｌ パルス光（パルス信号光）
Ｐ０ 接続用ポート
Ｐ１〜Ｐ７ 励起用ポート
Ｐ８ 検出用ポート

Claims (12)

1. 入射される光の導波方向に延在し、希土類元素が添加されたコア部、前記導波方向に延在して前記コア部の周囲を取り囲むクラッド部、及び前記導波方向に延在して前記クラッド部の周囲を取り囲む、少なくとも１層の他のクラッド部を有する増幅用ファイバと、
   前記増幅用ファイバの前記コア部に添加された前記希土類元素を励起する励起光を発する励起光源と、
   前記増幅用ファイバの前記コア部から前記クラッド部に漏れ出した前記希土類元素の自然放出光を取り出す検出用ファイバと、
   前記検出用ファイバに光学的に接続され、導波された前記自然放出光の強度を検出する検出部と、
   を備えたファイバレーザであって、
   前記増幅用ファイバの前記クラッド部と前記検出用ファイバのコア部とが、光学的に接続されていることを特徴とするファイバレーザ。
2. 請求項１に記載のファイバレーザであって、
   前記励起光源が発する励起光の強度を制御する光強度制御部を備え、
   前記光強度制御部は、前記検出部の検出結果に基づいて、前記励起光源が発する励起光の強度を制御することを特徴とするファイバレーザ。
3. 請求項１又は２に記載のファイバレーザであって、
   前記励起光源から発した励起光を導波する励起用ファイバと、
   前記励起用ファイバにおける励起光の出力側の端面を、前記増幅用ファイバの前記クラッド部における励起光の入力側の端面の一部に光学的に接続する光結合部と、
   を備え、
   前記光結合部において、前記検出用ファイバの自然放出光の入力側の端面が、前記増幅用ファイバの前記励起光の入力側の端面の他の部分に光学的に接続されていることを特徴とするファイバレーザ。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載のファイバレーザであって、
   前記検出用ファイバがシングルモードファイバであることを特徴とするファイバレーザ。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のファイバレーザであって、
   前記検出用ファイバの一部に、前記自然放出光の長波長側の光の前記検出部への導波を抑制する波長選択素子が設けられていることを特徴とするファイバレーザ。
6. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のファイバレーザであって、
   前記検出部と前記検出用ファイバとの間に、前記自然放出光の長波長側の光の前記検出部への導波を抑制する波長選択素子が設けられていることを特徴とするファイバレーザ。
7. 請求項５又は６に記載のファイバレーザであって、
   前記波長選択素子は、前記自然放出光の長波長側の光の前記検出部への導波を抑制するポートを備えたファイバカプラであることを特徴とするファイバレーザ。
8. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のファイバレーザであって、
   前記検出用ファイバの一部に、前記自然放出光の長波長側の光を反射するファイバブラッググレーティングが形成されていることを特徴とするファイバレーザ。
9. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のファイバレーザであって、
   前記検出部と前記検出用ファイバとが、前記自然放出光の長波長側の光を反射するファイバブラッググレーティングが形成された光ファイバを介して光学的に接続されていることを特徴とするファイバレーザ。
10. 請求項２に記載のファイバレーザであって、
    前記増幅用ファイバにおいて増幅されるパルス信号光を発する信号光光源を備え、
    前記光強度制御部は、前記パルス信号光を構成する各パルスのピークパワーが一定となるように前記励起光の強度の制御を行うことを特徴とするファイバレーザ。
11. 請求項１０に記載のファイバレーザであって、
    前記信号光光源は、光共振器を含んでおり、前記光共振器から一周期間に散逸する光エネルギーに対する、前記光共振器に蓄えられる光エネルギーの比である振幅増大係数の高低を切り替える光スイッチ素子が設けられていることを特徴とするファイバレーザ。
12. 請求項１から１１までのいずれかに記載のファイバレーザを光源としていることを特徴とするレーザ加工機。

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