JP2012164860A - Ｑスイッチ式ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｑスイッチ式ファイバレーザから、パルスエネルギーが高く、かつパルス幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓ程度と広い光パルスを得るために、共振器内を伝搬する光パルスの周回時間を長くした場合に生じる出力光パルスのうねりをなくし、うねりのない出力光パルスを生成するＱスイッチ式ファイバレーザを提供する。
【解決手段】Ｑスイッチ式ファイバレーザの共振器内に、分岐手段と伝搬距離延長手段とを有する部分的フィードバック光路を設け、前記分岐手段は、前記部分的フィードバック光路に入射した光パルスを一定の光パワー比で、部分的フィードバック光路から出射して、前記共振器内に戻る光パルスと前記伝搬距離延長手段に出射する光パルスとに分岐させるように構成され、また伝搬距離延長手段は、入射してきた光パルスを一定の光路長内で伝搬させることにより伝搬距離を延長して、再び前記分岐手段に入射させるように構成されていることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置の光源などに使用される光パルスとして、パルスエネルギーが高く、しかも広いパルス幅（例えば１００ｎｓ〜５００ｎｓ程度）である光パルスを生成するＱスイッチ式ファイバレーザに関するものである。

固体レーザからパルスエネルギーの高い出力光パルスを得る方法として、Ｑスイッチ法がある。Ｑスイッチ法においては、利得媒体内でポンピングの行われている間は、共振器の品質因子Ｑを低い値にすることにより、発振しない状態で高い利得が得られるが、前記共振器の品質因子Ｑを高い値に戻すことにより、上位準位に励起されていた原子に蓄えられていたエネルギーが急激に共振器内の光子に変換され、高パルスエネルギーの出力光パルスを得ることができる。このようなＱスイッチ法に基づいたＱスイッチ式ファイバレーザは、工業用材料の溶接、切断、穴あけなどの加工、すなわちレーザ加工に広く使われている。このようなレーザ加工装置の光源として使用される光パルスとしては、パルスエネルギーが高く、かつパルス幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓ程度に広いものが望まれる。

高パルスエネルギーの光パルスを出力するＱスイッチ式ファイバレーザにより、出力光パルスのパルス幅を広くする方法としては、共振器長を長くすることにより、共振器内を伝搬する光パルスの周回時間を長くする方法が公知である。例えば、非特許文献１には、『レーザロッドが同じであり、共振器両端のミラーの反射率および励起光のパワーが等しく、共振器長が異なる２つのＱスイッチ式レーザにおいては、共振器長が長いＱスイッチ式レーザの方が、共振器の寿命時間が長くなり、パルス幅が広くなる』ことが記載されている（非特許文献１の図２６．９参照）。

Ｑスイッチ式ファイバレーザの共振器長を長くすることにより、共振器内を伝搬する光パルスの周回時間を長くする方法では、共振器出力パルス形状のパルス幅は比較的広くなるが、周回時間に対応した小信号光パルスが複数重ねあわされた形状となるため、周回時間が長い場合、周回時間に相当した周期で発生する小信号光パルスの足し合わせにより、パルス形状全体に山と谷の部分ができ、共振器出力パルス形状に比較的大きな変動（以下、“うねり”と記載する）が発生する（図１１）。この小信号光パルスの発生周期は、共振器内を光が周回する時間に相当する。

前述のような、Ｑスイッチ式ファイバレーザからの出力光パルスに生じるうねりは、製品製造時における各製品ごとの出力光パルスの特性のばらつきを大きくする。その結果、Ｑスイッチ式ファイバレーザ内に装着されている半導体レーザの励起光パワーの調節に長時間を要するようになり、また製品の規格内に出力光パルスのパルス幅や出力パワーを調整できない場合もある。

ところで、ファイバレーザの出力光パルスの安定化を図った公知文献に示される従来技術としては、光ソリトン効果により、パルス幅や繰り返し周波数が変わらない超短光パルスを得る方法（例えば、特許文献１参照。）や、光カプラで光パルスを分岐した後にファイバ長を変化させることによりパルス出力を得る方法（例えば、特許文献２参照。）、音響光学素子をＱスイッチ装置として用いたファイバレーザにおいて、種光パルスが発生してから、パルス増幅までのタイミングを調整し、光パルスの安定化を図る方法（例えば、特許文献３参照。）、ポンプコンバイナを用いて励起光をパワー増幅部に効率的に導入することにより１０Ｗ級の出力光パルスを得る方法（例えば、非特許文献２参照。）がある。

しかしながら、上述の各文献に示されるいずれの従来技術においても、Ｑスイッチ式ファイバレーザで生成された出力光パルスに表れるうねりの発生を防止することは考慮されていなかったのが実情である。

特開平５−１０２５８２号公報 特開平１０−１２５９８３号公報 特開２００７−２３４９４３号公報

「ＬＡＳＥＲＳ」、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｏｏｋｓ、１９８６年、Ｐ１０１６ 「フジクラ技報」、株式会社フジクラ、２００６年、Ｐ５

前述のように、従来のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、出力光パルスのパルスエネルギーを高い状態に保ったうえで、Ｑスイッチ式ファイバレーザの共振器長を長くすることにより、共振器内を伝搬する光パルスの周回時間を長くして、パルス幅を１００ｎｓ〜５００ｎｓ程度まで広げようとした場合、出力光パルスにうねりが生じるという問題があった。

本発明は、上述の事情を背景としてなされたもので、パルスパワーが高く、パルス幅が広い（例えば１００ｎｓ〜５００ｎｓ）光パルスを対象として、パルス形状に現れるうねりをなくすことを課題とするものである。また本発明は、このような光パルスを出力するＱスイッチ式ファイバレーザを提供するものである。

本発明者らは、出力光パルスにうねりが発生することを防ぐことができる部分的フィードバック光路を、Ｑスイッチ式ファイバレーザの共振器内に設けることによって、前記課題を解決することとした。

次に、本発明における第１〜第８の態様のＱスイッチ式ファイバレーザについて説明する。

本発明の第１の態様のＱスイッチ式ファイバレーザは、光パルス増幅用の希土類添加光ファイバと、Ｑスイッチ装置とを備え、自然放出光または誘導放出光を共振させるための共振器を有するＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、分岐手段と伝搬距離延長手段とを有する部分的フィードバック光路が前記共振器内に設けられており、前記分岐手段は、前記部分的フィードバック光路に入射した光を一定の光パワー比で、共振器用光ファイバに出射する光と、前記伝搬距離延長手段に出射する光とに分離するように構成され、また前記伝搬距離延長手段は、入射してきた光を一定の光路長内で伝搬させることにより、前記光の伝搬距離を延長して、再び前記分岐手段に入射させるように構成されていることを特徴とするものである。

上述の第１の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、共振器内部に分岐手段と伝搬距離延長手段を有する部分的フィードバック光路を設けることにより、部分的フィードバック光路に設けられた伝搬距離延長手段にて、分岐手段において伝搬距離延長手段の方向に分岐された光の伝搬距離が延長される。これは、実質的に光路長の異なる共振器を多重に構成することと等価になり、その結果として、共振器内での周回時間に応じた周期で発生する複数の小信号光パルスが出力光パルスに重ね合わされ、出力光パルスのうねりの谷の部分がなくなり、Ｑスイッチ式ファイバレーザからうねりのないパルス形状の光パルスを得ることができる。

本発明の第２の態様によるＱスイッチ式ファイバレーザは、前記第１の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおける部分的フィードバック光路の分岐手段および伝搬距離延長手段として、それぞれ光ファイバカプラおよび光ファイバを設け、前記光ファイバの両端が前記光ファイバカプラの入射導波路と出射導波路に接続されていることを特徴とするものである。

第２の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、部分的フィードバック光路の分岐手段および伝搬距離延長手段として光ファイバカプラおよび光ファイバを設けることにより、構成が単純で、比較的安価に共振器を構成することができる。

本発明の第３の態様によるＱスイッチ式ファイバレーザは、前記第２の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、光ファイバカプラから光ファイバに分岐される光のパワー比率が６０％±２０％の範囲内にあるように構成したことを特徴とするものである。

第３の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、部分的フィードバック光路の光ファイバカプラから、伝搬距離延長手段用の光ファイバに分岐される光パルスの光パワー比率を６０％±２０％の範囲内とすることにより、Ｑスイッチ式ファイバレーザから出力される光パルスの形状を、うねりのない滑らかなパルス形状にすることができる。

本発明の第４の態様によるＱスイッチ式ファイバレーザは、前記第１の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、部分的フィードバック光路の分岐手段として、ファイバブラッググレーティングを設け、ファイバブラッググレーティングで反射され、前記共振器内を伝搬し、再びファイバブラッググレーティングに入射するまで光の伝搬経路を、伝搬距離延長手段として機能させるように構成したことを特徴とするものである。

第４の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、部分的フィードバック光路の分岐手段として、ファイバブラッググレーティングを設け、ファイバブラッググレーティングで反射され、前記共振器内を伝搬し、再びファイバブラッググレーティングに入射するまで光の伝搬経路を、伝搬距離延長手段として機能させることにより、部分的フィードバック光路設置に必要なスペースが縮小され、Ｑスイッチ式ファイバレーザの共振器全体の小型化が実現できる。

本発明の第５の態様によるＱスイッチ式ファイバレーザは、前記第４の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、ファイバブラッググレーティングの反射率が１％〜１０％の範囲内にあるように構成したことを特徴とするものである。

第５の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、部分的フィードバック光路のファイバブラッググレーティングの反射率を１％〜１０％の範囲内とすることにより、Ｑスイッチ式ファイバレーザから出力される光パルスの形状を、うねりのない滑らかなパルス形状にすることができる。

本発明の第６の態様によるＱスイッチ式ファイバレーザは、前記第１の態様〜第５の態様のいずれかのＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、Ｑスイッチ装置として音響光学素子を設けたことを特徴とするものである。

第６の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、Ｑスイッチ装置として音響光学素子を設けることにより、Ｑスイッチの損失を精密に制御することができ、さらに駆動時間を短くすることができるため、Ｑスイッチ式ファイバレーザからの出力光パルスの応答を高速にすることができる。

本発明の第７の態様によるＱスイッチ式ファイバレーザは、前記第１の態様〜第６の態様のいずれかのＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、共振器としてファブリーペロー型共振器を設けたことを特徴とするものである。

第７の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、Ｑスイッチ式ファイバレーザにファブリーペロー型共振器を設けることにより、共振器のファイバ長を短くし、構成部品の数を減らすことができる。

本発明の第８の態様によるＱスイッチ式ファイバレーザは、第１の態様〜第３の態様のいずれかのＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、共振器としてリング型共振器を設けたことを特徴とするものである。

第８の態様のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、Ｑスイッチ式ファイバレーザにおいて、リング型共振器を設けることにより、共振器内の損失を低くすることができる。

本発明のＱスイッチ式ファイバレーザによれば、パルス形状にうねりのない光パルスを発生させることができ、特にパルスエネルギーも高く、かつパルス幅が広い光パルスを得る場合でも、うねりのない光パルスを発生させることができ、そのためＱスイッチ式ファイバレーザ製品を実際に製造した場合の製品ごとの調節に時間がかかるという問題や、調節が不可能になるという問題も解決する。

本発明の第１の実施形態によるＱスイッチ式ファイバレーザの全体構成を示す略解図である。 本発明の第２の実施形態によるＱスイッチ式ファイバレーザの全体構成を示す略解図である。 本発明の第３の実施形態によるＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、部分的フィードバック光路の分岐手段として光ファイバカプラを設け、前記部分的フィードバック光路の伝搬距離延長手段として光ファイバを設けたものの全体構成を示す略解図である。 本発明の第３の実施形態によるＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、部分的フィードバック光路の分岐手段としてファイバブラッググレーティングを設け、前記部分的フィードバック光路の伝搬距離延長手段として前記ファイバブラッググレーティングで反射され、前記共振器内を伝搬し、再びファイバブラッググレーティングに入射するまで光の伝搬経路を機能させたものの全体構成を示す略解図である。 本発明の第４の実施形態によるＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、部分的フィードバック光路の分岐手段として光ファイバカプラを設け、前記部分的フィードバック光路の伝搬距離延長手段として光ファイバを設けたものの全体構成を示す略解図である。 実施例１で使用したＱスイッチ式ファイバレーザの全体構成を示す略解図である。 実施例１におけるＱスイッチ式ファイバレーザからの出力光パルスの時間に対する光パワーの関係を示したグラフである。 実施例２におけるＱスイッチ式ファイバレーザにおける出力光パルスの時間に対する光パワーの関係を示したグラフである。 実施例３におけるＱスイッチ式ファイバレーザにおける出力光パルスの時間に対する光パワーの関係を示したグラフである。 実施例４におけるＱスイッチ式ファイバレーザにおける出力光パルスの時間に対する光パワーの関係を示したグラフである。 従来のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、共振器長を長くすることで、共振器内を伝搬する光パルスの周回時間を長くした場合の、出力光パルスの時間に対する光パワーの関係を示したグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について、図１〜図５を参照して以下で説明する。

図１には、本発明の第１の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザを示す。このＱスイッチ式ファイバレーザは、自然放出光または誘導放出光を共振させるための共振器として、共振器用光ファイバ８に配置した高反射率構造１と低反射率構造２から成るファブリーペロー型共振器を有し、高反射率構造１と低反射率構造２との間に、希土類添加光ファイバ３と、部分的フィードバック光路５と、共振器内のエネルギーを十分に蓄えてから、瞬間的に光パルスを放出させるためのＱスイッチ装置４とを設けている。また、部分的フィードバック光路５の分岐手段５Ａとしては、光ファイバカプラ５ａが配置され、伝搬距離延長手段５Ｂとしては光ファイバ５ｂが配置されている。光ファイバカプラ５ａの入射導波路には、共振器用光ファイバ８と、伝搬距離延長手段５Ｂの機能を有する光ファイバ５ｂの片端が接続されており、光ファイバカプラ５ａの出射導波路には、共振器用光ファイバ８と、伝搬距離延長手段５Ｂの機能を有する光ファイバ５ｂのもう一方の端が接続されており、出射導波路と接続されている光ファイバ５ｂの端は、光ファイバカプラ５ａの入射導波路に通じる構造となっている。
なお、実際のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、励起光源やＱスイッチ装置に図示しないドライバ（駆動手段）が設けられるが、そのドライバ自体の構成は、従来と同様であればよい。
光ファイバカプラ５ａおよび光ファイバ５ｂの挿入位置は、希土類添加光ファイバ３とＱスイッチ装置４との間、あるいはＱスイッチ装置４と低反射率構造２との間であれば、いずれでも良い。また、光ファイバカプラ５ａおよび光ファイバ５ｂを、高反射率構造１と希土類添加光ファイバ３との間に挿入することもでき、その場合は分岐手段における励起光の透過率が１００％に近いことが望ましい。

次に、図１に示した第１の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザの動作および機能を説明する。Ｑスイッチ式ファイバレーザのファブリーペロー型共振器に入射した励起光は、共振器用光ファイバ８内を伝搬し、高反射率構造１を通り、Ｑスイッチ装置４により共振器のＱ値は低く設定された状態で、希土類添加光ファイバ３に入射し、希土類添加光ファイバ３の希土類元素を励起する。希土類添加光ファイバの反転分布率が高くなった状態で、Ｑスイッチ装置４により共振器のＱ値を高くすることにより、励起状態の希土類添加光ファイバ３で発生した自然放出光が、高反射率構造１または低反射率構造２により共振器内部へ反射され、その反射光が励起状態の希土類添加光ファイバ３へ入射することで誘導放出が発生し、光増幅され、部分的フィードバック光路５に入射する。部分的フィードバック光路５に入射した光パルスは、光ファイバカプラ５ａにて、一定の光パワー比で光Ａと光Ｂに分岐され、光Ａは共振器用光ファイバ８を介して、Ｑスイッチ装置４を通り、低反射率構造２で反射される。一方、光Ｂは部分的フィードバック光路５の光ファイバ５ｂに入射し、伝搬することにより光ファイバ５ｂ一周分の伝搬距離を延長され、再び光ファイバカプラ５ａに戻る。光ファイバカプラ５ａに戻された光Ｂは一定のパワー比で光Ｃと光Ｄに分岐され、光ＣはＱスイッチ装置４に伝搬する。もう一方の光Ｄは再度、光ファイバ５ｂに入射し、光ファイバ５ｂ一周分の伝搬距離を延長され、再び光ファイバカプラ５ａに戻る。この部分的フィードバック動作が繰り返され、フィードバック回数に応じて光の伝搬距離が延長される。そして、共振器内での周回時間に応じた周期で発生する複数の小信号光パルスが出力光パルスに重ね合わされた結果、共振器用光ファイバ８を介して、低反射率構造２からパルス形状にうねりのない光パルスが出力される。

なお図１の実施形態において、光ファイバカプラ５ａにおける、光ファイバ５ｂへ分岐する光のパワー比率（光ファイバカプラ５ａに入射する光のパワーに対する分岐光のパワー比率）は、６０％±２０％の範囲内であることが望ましい。前記パワー比率が６０％±２０％の範囲内であれば、Ｑスイッチ式ファイバレーザからの光パルスの形状が極めて滑らかになる。前記パワー比率が４０％未満では、パルス形状のうねりが改善しない状態となり、８０％を超えてもパルス形状のうねりが改善しない状態となる。
また、希土類添加光ファイバ３における反転分布率を高めることにより、光パルスの増幅が促進され、前記光パルスのパルスエネルギーが高まる。実施可能性から考えると、希土類元素の添加密度は２．０×１０^２５〜４．０×１０^２５［／ｍ^３］の範囲内とすることが望ましい。前記添加密度が低くなると、出力光パルスのパルスパワーが低下してしまう。

図２には、本発明の第２の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザを示す。なお、図２において、図１に示したＱスイッチ式ファイバレーザと同一の構成の部分については同一の符号を付し、その説明は省略し、以下の各図においても同様とする。
図２に示す第２の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、部分的フィードバック光路５の分岐手段５Ａとしてファイバブラッググレーティング５ｃを設けており、ファイバブラッググレーティング５ｃで反射され、共振器内を伝搬して高反射率構造１で反射されて、再びファイバブラッググレーティング５ｃに入射するまで光の伝搬経路を、伝搬距離延長手段５Ｂとして機能させた構造となっている。なお、光ファイバブラッググレーティング５ｃの挿入位置は、Ｑスイッチ装置４と低反射率構造２との間でなければならない。

次に、図２に示した第２の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザにおける部分的フィードバック光路の動作および機能を説明する。部分的フィードバック光路５に入射した光は、ファイバブラッググレーティング５ｃの反射率に応じて、光Ｅと光Ｆに分岐され、光Ｅはファイバブラッググレーティング５ｃを透過し、低反射率構造２で反射される。光Ｆはファイバブラッググレーティング５ｃで反射され、共振器用光ファイバ８中を伝搬し、Ｑスイッチ装置４および希土類添加光ファイバ３を通って高反射率構造１で反射され、再び希土類添加光ファイバ３に入射する。そして、光Ｆは希土類添加光ファイバ３で誘導放出光を発生させ、Ｑスイッチ装置４を通り、ファイバブラッググレーティング５ｃに再び入射する。したがって、図２の実施形態の部分的フィードバック光路５における伝搬距離延長手段５Ｂは、高反射率構造１の出射端面から、共振器用光ファイバ８を介して希土類添加光ファイバ３およびＱスイッチ装置を通り、ファイバブラッググレーティング５ｃで反射される位置までの光の伝搬経路となり、延長される伝搬距離は前記伝搬経路の往復距離となる。部分的フィードバック光路５としての前述の動作により、フィードバック回数に応じて光の伝搬距離が延長される。そして、共振器内での周回時間に応じた周期で発生する複数の小信号光パルスが出力光パルスに重ね合わされた結果、共振器用光ファイバ８を介して、低反射率構造２からパルス形状にうねりのない光パルスが出力される。

なお図２の実施形態において、ファイバブラッググレーティング５ｃの反射率（ファイバブラッググレーティング５ｃに入射する光のパワーに対する、ファイバブラッググレーティング５ｃで反射する光のパワーの比率）は、１％〜１０％の範囲内であることが望ましい。前記反射率が１％〜１０％の範囲内であれば、Ｑスイッチ式ファイバレーザからの光パルスの形状のうねりがなくなる。前記反射率が１％未満では、フィードバックの回数が少ないため、パルス形状のうねりが改善されない結果となり、一方１０％を超えれば共振器出力パワーが低くなることによりパルスエネルギーの低下が生じることがある。

図３には、本発明の第３の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザを示す。
図３に示す第３の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザは、Ｑスイッチ装置４として音響光学素子４ａを配置した構成となっている。

図３において、音響光学素子４ａの材料にあった高周波信号の振幅を変化させることによって、音響光学素子４ａの回折効率が変化し、音響光学素子４ａが含まれるモジュールの損失が変化する。音響光学素子４ａに入射した光パルスのパワーは、前記モジュールの損失の制御状態に応じて変化し、出射する。音響光学素子４ａにより共振器損失が高い状態になっているときに、希土類添加光ファイバ３が励起され、反転分布率が所定のレベルよりも高くなったときに、音響光学素子４ａにより共振器損失を低くすることで、パルスパワーが高い光パルスが出射される。

図４には、図３に示す第３の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、部分的フィードバック光路５の分岐手段５Ａとしてファイバブラッググレーティング５ｃを設け、ファイバブラッググレーティング５ｃで反射され、前記共振器内を伝搬し高反射率構造１で反射されて、再びファイバブラッググレーティングに入射するまで光の伝搬経路を、伝搬距離延長手段５Ｂとして機能させた、本発明の第３の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザを示す。なお、ファイバブラッググレーティング５ｃの挿入位置は、図４に示すように音響光学素子４ａと低反射率構造２との間でなければならない。

図５には、本発明の第４の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザを示す。このＱスイッチ式ファイバレーザは自然放出光または誘導放出光を共振させるための共振器として、共振器用光ファイバ８に配置した励起カプラ１ａと出力カプラ２ａから成るリング型共振器を有し、励起カプラ１ａに近い側から希土類添加光ファイバ３と、バンドパスフィルタ６と、Ｑスイッチ装置４と、分岐手段５Ａとしての光ファイバカプラ５ａおよび伝搬距離延長手段５Ｂとしての光ファイバ５ｂを有する部分的フィードバック光路５とを配置した構成になっている。

なお、この部分的フィードバック光路５の挿入位置は、希土類添加光ファイバ３とバンドパスフィルタ６との間、またはバンドパスフィルタ６とＱスイッチ装置４との間か、またはＱスイッチ装置４と出力カプラ２ａとの間、あるいは出力カプラ２ａと励起カプラ１ａとの間であれば、いずれでも良い。
この実施形態において、バンドパスフィルタ６とＱスイッチ装置４の配置を入れ替えても、本発明の効果が得られ、Ｑスイッチ装置４と出力カプラ２ａの配置を入れ替えても、本発明の効果が得られる。

次に、図５に示した第４の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザの動作および機能を説明する。このリング型共振器に入射した励起光は、励起カプラ１ａを通り、希土類添加光ファイバ３に入射し、希土類元素を励起する。励起状態の希土類添加光ファイバ３で発生した光は、バンドパスフィルタ６およびＱスイッチ装置４を通り、部分的フィードバック光路５に入射する。入射した光は、部分的フィードバック光路５の分岐手段５Ａである光ファイバカプラ５ａにて一定の光パワー比で光Ａと光Ｂに分岐され、光Ａは出力カプラ２ａに伝搬する。一方、光Ｂは伝搬距離延長手段５Ｂである光ファイバ５ｂに入射し、一定の光路長を伝搬することにより、伝搬距離を延長され、再び光ファイバカプラ５ａに戻る。光ファイバカプラ５ａに戻された光Ｂは一定の光パワー比で光Ｃと光Ｄに分岐され、光Ｃは出力カプラ２ａに伝搬し、もう一方の光パルスＤは再度、光ファイバ５ｂに入射し、一定の光路長を伝搬することにより、伝搬距離を延長され、再び光ファイバカプラ５ａに戻る。また、出力カプラ２ａに入射した光パルスは一定の光パワー比で分岐され、一方の光パルスは共振器からの出力光パルスとして出射し、もう一方の光パルスは再び励起カプラ１ａを通り、希土類添加光ファイバ３に入射する。このとき、希土類添加光ファイバ３内で誘導放出光が発生し、誘導放出光がリング状の共振器用光ファイバ８内を励振する。共振器用光ファイバ８を伝搬する光が再び励起状態の希土類添加光ファイバ３へ入射することで光パルスが発生し、共振器内での周回時間に応じた周期で発生する複数の小信号光パルスが出力光パルスに重ね合わされた結果、パルス形状にうねりのない光パルスが出力される。

実施例１
この実施例１で使用したＱスイッチ式ファイバレーザの全体構成を図６に示す。このＱスイッチ式ファイバレーザは、第１の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザの構成に基づき、高反射率構造１としての高反射ファイバブラッググレーティング１ｂと、低反射率構造２としての低反射ファイバブラッググレーティング２ｂと、希土類添加光ファイバ３としてのＹｂ添加光ファイバ３ａと、Ｑスイッチ装置４としての音響光学素子４ａと、部分的フィードバック光路５の分岐手段５Ａとしての光ファイバカプラ５ａと、部分的フィードバック光路５の伝搬距離延長手段５Ｂとしての光ファイバ５ｂとを同一の共振器用光ファイバ８上に配置し、励起光用光源として半導体レーザ７を設けたものである。なお、半導体レーザ７および音響光学素子４ａは図示しないドライバを装備している。

図６に示すＱスイッチ式ファイバレーザにおいては、半導体レーザ７から出射した励起光は、高反射ファイバブラッググレーティング１ｂを通り、音響光学素子４ａでＱ値を低く設定した状態で、Ｙｂ添加光ファイバ３ａに入射し、Ｙｂ元素を励起する。これにより、Ｙｂ添加光ファイバ３ａの反転分布が高くなり、この状態で音響光学素子４ａにより共振器のＱ値を高くすると、Ｙｂ添加光ファイバ３ａで発生した自然放出光が、高反射ファイバブラッググレーティング１ｂと低反射ファイバブラッググレーティング２ｂにより、共振器内に反射される。前記反射光が励起状態のＹｂ添加光ファイバ３ａへ入射することで誘導放出光が発生し、前記誘導放出光が高反射ファイバブラッググレーティング１ｂと低反射ファイバブラッググレーティング２ｂにより、共振器内に反射される。前記反射光が再び励起状態のＹｂ添加光ファイバ３ａへ入射することで、光パルスが発生する。光パルスの発生途中で部分的フィードバック光路５に入射した光は、部分的フィードバック光路５の光ファイバカプラ５ａにて一定の光パワー比で光Ａと光Ｂに分岐され、光Ａは音響光学素子４ａに伝搬する。一方、光Ｂは部分的フィードバック光路５の光ファイバ５ｂに伝搬し、一定の光路長を伝搬することにより、伝搬距離を延長され、再び光ファイバカプラ５ａに戻る。光ファイバカプラ５ａに戻された光Ｂは一定の光パワー比で光Ｃと光Ｄに分岐され、光Ｃは音響光学素子４ａに伝搬する。もう一方の光Ｄは再度、光ファイバ５ｂに伝搬され、一定の光路長を伝搬することにより、伝搬距離を延長され、再び光ファイバカプラ５ａに戻る。この部分的フィードバック動作が繰り返され、フィードバック回数に応じて光の伝搬距離が延長される。前述のＱスイッチ式ファイバレーザの動作により、共振器内での周回時間に応じた周期で発生する複数の小信号光パルスが出力光パルスに重ね合わされた結果、低反射ファイバブラッググレーティング２ｂから、パルス形状にうねりのない光パルスが出力される。

図６に示すＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、表１に示す光学特性の光部品を配置して構成したときに得られた出力光パルスを図７に示す。

以上のように実施例１の部分的フィードバック光路を設けたＱスイッチ式ファイバレーザによれば、パルスパワーが高く、パルス幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓであり、かつ小信号パルスやうねりのない滑らかなパルス形状を有する光パルスが生成されることが確認された。

実施例２
実施例１と同様の構成のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、部分的フィードバック光路５の光ファイバカプラ５ａにおいて、伝搬距離延長手段５Ｂである光ファイバ５ｂに分岐される光パワーを、部分的フィードバック光路５に入射する光パルスの３０％、７０％、９０％と変化させたときの、出力光パルス波形を図８に示す。また、共振器用光ファイバ８に側圧を加えたときの出力光パルスのパルス幅の変動、および平均パワーの変動の測定結果を表２に示す。

以上の実施例２に示すように、Ｑスイッチ式ファイバレーザの部分的フィードバック光路における部分的フィードバック光路への入射光に対する伝搬距離延長手段への光のパワー分岐量を７０％とすることにより、出力光パルスのパルス幅のうねり、および平均パワーの側圧に対する変動を著しく小さくし得ることが確認された。

実施例３
実施例１と同様の構成のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、部分的フィードバック光路５の光ファイバカプラ５ａにおいて、伝搬距離延長手段５Ｂである光ファイバ５ｂに分岐される光パワーを部分的フィードバック光路５に入射する光パルスの７０％に固定し、光ファイバ５ｂの長さ（フィードバック長）を１０００ｍｍ、２０００ｍｍ、３０００ｍｍと変化させたときの、出力光パルス波形を図９に示す。Ｑスイッチ式ファイバレーザの部分的フィードバック光路の光ファイバ５ｂの長さを１０００ｍｍ、２０００ｍｍ、３０００ｍｍと変化させたときのいずれの出力光パルス波形においても、中心のパワーのピークが崩れることなく、大きなうねりも発生していない。
さらに、共振器用光ファイバ８に側圧を加えたときの出力光パルスのパルス幅の変動、および平均パワーの変動の測定結果を表３に示す。出力光パルスの平均パワーの変動は、Ｑスイッチ式ファイバレーザの共振器長２０００ｍｍに対して、部分的フィードバック光路の光ファイバ５ｂの長さを１０００ｍｍとしたときに著しく低くなっている。

以上の実施例３に示すように、Ｑスイッチ式ファイバレーザの部分的フィードバック光路において、伝搬距離延長手段５Ｂである光ファイバ５ｂに分岐される光パワーが部分的フィードバック光路５に入射する光パルスの７０％である場合には、フィードバック長によらず、うねりのない出力光パルスが得られた。特に、共振器長２０００ｍｍに対して部分的フィードバック光路のフィードバック長を１０００ｍｍとすることにより、出力光パルス形状を極めて滑らかにし、出力光パルスの平均パワーの側圧に対する変動を著しく小さくし得ることが確認された。なお、共振器長２０００ｍｍに対して部分的フィードバック光路のフィードバック長は５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲内が好適であることが確認されているが、共振器長が異なる場合には、フィードバック長はその共振器長に応じて適切に選択する必要がある。

実施例４
実施例４で使用したＱスイッチ式ファイバレーザは、第２の実施形態のＱスイッチ式ファイバレーザの構成に基づき、部分的フィードバック光路の分岐手段として反射率４％のファイバブラッググレーティングを設け、ファイバブラッググレーティング５ｃで反射され、共振器内を伝搬して高反射率構造１で反射されて、再びファイバブラッググレーティング５ｃに入射するまで光の伝搬経路を、伝搬距離延長手段５Ｂとして機能させたものである。このＱスイッチ式ファイバレーザから得られた出力光パルス波形を図１０に示す。

図１０に示すように、実施例４の場合も出力光パルス形状のうねりがなくなることが確認された。

１ 高反射率構造
１ａ 励起カプラ
１ｂ 高反射ファイバブラッググレーティング
２ 低反射率構造
２ａ 出力カプラ
２ｂ 低反射ファイバブラッググレーティング
３ 希土類添加光ファイバ
３ａ Ｙｂ添加光ファイバ
４ Ｑスイッチ装置
４ａ 音響光学素子
５ 部分的フィードバック光路
５Ａ 分岐手段
５Ｂ 伝搬距離延長手段
５ａ 光ファイバカプラ
５ｂ 光ファイバ
５ｃ ファイバブラッググレーティング
６ バンドパスフィルタ
７ 半導体レーザ
８ 共振器用光ファイバ

Claims (8)

1. 光パルス増幅用の希土類添加光ファイバとＱスイッチ装置とを備え、自然放出光または誘導放出光を共振させるための共振器を有するＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、
   分岐手段と伝搬距離延長手段とを有する部分的フィードバック光路が前記共振器内に設けられており、前記分岐手段は前記部分的フィードバック光路に入射した光を一定の光パワー比で、共振器用光ファイバに出射する光と、前記伝搬距離延長手段に出射する光とに分離するように構成され、また前記伝搬距離延長手段は、入射してきた光を一定の光路長内で伝搬させることにより前記光の伝搬距離を延長して、再び前記分岐手段に入射させるように構成されていることを特徴とするＱスイッチ式ファイバレーザ。
2. 請求項１に記載のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、
   前記部分的フィードバック光路の分岐手段および伝搬距離延長手段として、それぞれ光ファイバカプラおよび光ファイバを設け、前記光ファイバの両端が前記光ファイバカプラの入射導波路と出射導波路に接続されていることを特徴とするＱスイッチ式ファイバレーザ。
3. 請求項２に記載のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、
   前記光ファイバカプラから前記光ファイバに分岐される光のパワー比率が６０％±２０％の範囲内にあるように構成したことを特徴とするＱスイッチ式ファイバレーザ。
4. 請求項１に記載のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、
   前記部分的フィードバック光路の分岐手段として、ファイバブラッググレーティングを設け、ファイバブラッググレーティングで反射され、前記共振器内を伝搬し、再びファイバブラッググレーティングに入射するまで光の伝搬経路を、伝搬距離延長手段として機能させることを特徴とする光Ｑスイッチ式ファイバレーザ。
5. 請求項４に記載のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、
   前記ファイバブラッググレーティングの反射率が１％〜１０％の範囲内にあるように構成したことを特徴とするＱスイッチ式ファイバレーザ。
6. 請求項１〜請求項５のうちのいずれかの請求項に記載のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、
   前記Ｑスイッチ装置として、音響光学素子を設けたことを特徴とするＱスイッチ式ファイバレーザ。
7. 請求項１〜請求項６のうちのいずれかの請求項に記載のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、
   前記共振器として、ファブリーペロー型共振器を設けたことを特徴とするＱスイッチ式ファイバレーザ。
8. 請求項１〜請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のＱスイッチ式ファイバレーザにおいて、
   前記共振器として、リング型共振器を設けたことを特徴とするＱスイッチ式ファイバレーザ。

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