JP2013239672A

JP2013239672A - ファイバレーザ発振器

Info

Publication number: JP2013239672A
Application number: JP2012113249A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Nagayasu; 同慶長安
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: JP5671706B2

Abstract

【課題】励起光源に逆流して入射する戻り光を全励起光源に分配し、各半導体レーザモジュール当たりの入射戻り光を下げて、励起光源の破損を防止できるファイバレーザ発振器を提供することを目的とする。
【解決手段】高反射ＦＢＧ１３とカプラ１２の接続部に、カプラ１２に向かって漸減するコア径をもつファイバを備えている。この構成により戻り光はコアから漏洩し、カプラにより均等に分配されて特定の励起光源に集中して入射すことがなくなり、破損を抑制することとなる。
【選択図】図１

Description

本発明はファイバレーザ発振器に関し、特に、戻り光による励起光源破損抑制の技術に関するものである。

近年、ファイバレーザ発振器は高出力化し、材料加工に用いられている。被加工材の中にはレーザ光を反射する材料もあり、加工時に生じる反射光がファイバレーザ発振器に戻り、戻り光となってファイバレーザ発振器の励起光源を破損することがある。

更に、この高出力化に伴い、ファイバレーザ発振器内で発生する自然放出光によるＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光も高出力化しており、このＡＳＥ光も、戻り光として励起光源を破損する可能性がある。これらを防ぐ策が求められている。

従来技術のファイバレーザ発振器としては、アイソレータを具備しているものがある（例えば、特許文献１を参照）。

図４は上記従来技術に係るファイバレーザ発振器の概念構成図を示している。本図において、半導体レーザモジュール１０１を励起光光源とし、カプラ１０２は励起光注入手段である（カプラに関しては、例えば、特許文献２、３参照）。

レーザファイバ１０５はレーザ媒質をドープした希土類添加ダブルクラッドファイバで、高反射ＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング、ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）１０３、低反射ＦＢＧ１０４、と共に光共振器を形成する。レーザ光が出射する出力端には、アイソレータ１０６を備える。

以上のように構成されたファイバレーザ発振器について、その動作を説明する。半導体レーザモジュール１０１の出射する励起光は、カプラ１０２を介しレーザファイバ１０５に入射し、レーザファイバ１０５中の励起媒質を励起する。この励起により発生する光は、レーザファイバ１０５の両端に設ける高反射ＦＢＧ１０３と低反射ＦＢＧ１０４で形成する光共振器内で多重帰還増幅され、レーザ光として、アイソレータ１０６を通り出射し、加工に用いられる。

特開２００７−０４２９８１号公報米国特許第４７６３９７５号明細書特表２００７―５０６１１９号公報

しかし、従来のファイバレーザ発振器は、高反射ＦＢＧ１０３のコアからカプラ１０２を介して半導体レーザモジュール１０１向かって逆流する戻り光を、カプラ１０２で均等に分配できず、戻り光の大部分が偏って、特定の（通常は、カプラ中央に接続している）半導体レーザモジュール１０１に入射し、特定の半導体レーザモジュール１０１を破損するという課題があった。

本発明は、励起光源に逆流して入射する戻り光を全励起光源に分配し、各半導体レーザモジュール当たりの入射戻り光を下げて、励起光源の破損を防止できるファイバレーザ発振器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発振器は、カプラに向かって漸減するコア径をもつ高反射ＦＢＧを備えている。そして、この構成により戻り光はコアから漏洩し、カプラにより均等に分配されて特定の励起光源に集中して入射すことがなくなり、破損を抑制することとなる。

以上のように、本発明は、カプラに向かって漸減するコア径をもつ高反射ＦＢＧを備えることにより励起光源破損を抑制することができる。

本発明の実施の形態１における概念図本発明の実施の形態２における製作前の概念図本発明の実施の形態２における製作後の概念図従来のファイバレーザ発振器の概念図

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１におけるファイバレーザ全体の構成を示す概念図である。以下、図１を用いて構成を説明する。

半導体レーザモジュール１１は励起光光源であり、励起光波長９４０ナノメートルのレーザ光を出力する。

カプラ１２は励起光注入手段であり、７本で構成し、各ファイバは合成石英のコア径φ１０５マイクロメートル、フッ素をドープした合成石英のクラッド径φ１２５マイクロメートルのシングルクラッド構造のファイバを稠密に束ねて一体化縮小したカプラ入力側と、１本の合成石英であるコア径φ２００マイクロメートル、樹脂のクラッド径φ２５０マイクロメートルのシングルクラッド構造ファイバのカプラ出力側を融着接続して成る。前記カプラ入力側ファイバの各１本は、前記各１個の半導体レーザモジュール１１に接続している。

レーザファイバ１５はそのコアにレーザ媒質であるイッテルビウムをドープした希土類添加合成石英コア径φ７マイクロメートル、合成石英であるインナークラッド径φ２００マイクロメートル、樹脂のアウタークラッド径φ２５０マイクロメートルのダブルクラッドファイバ構造である。

シングルモードのレーザ光波長１０９０ナノメートルを９９．９％反射する高反射ＦＢＧ１３は、ゲルマニウムをドープした合成石英のコア径φ７マイクロメートル、合成石英のインナークラッド径φ２００マイクロメートル、樹脂のアウタークラッド径φ２５０マイクロメートルのダブルクラッドファイバのコアに、そのコアの周期的な屈折率の差として描きこまれている。

同様に、シングルモードのレーザ光波長１０９０ナノメートルを７％反射する低反射ＦＢＧ（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）１４は、ゲルマニウムをドープした合成石英のコア径φ７マイクロメートル、合成石英のインナークラッド径φ２００マイクロメートル、樹脂アウタークラッド径φ２５０マイクロメートルのダブルクラッドファイバのコアに、そのコアの周期的な屈折率の差として描きこまれている。

そして、前記レーザファイバ１５の両端に、前記高反射ＦＢＧ１３の一端と、低反射ＦＢＧ１４の一端を融着接続し、光共振器を形成している。低反射ＦＢＧ１４の他端からは、低反射ＦＢＧ１４を描きこむファイバのインナークラッドに残存する前記励起光波長、および、前記レーザ光波長の光を、低反射ＦＢＧ１４を描きこむファイバ外に漏洩させるクラッドモード除去装置１８を介して、レーザ光を出射する。

戻り光分散器１９は、その中央部がくびれているキャピラリ（細管）５１から成る。くびれ部製作前の前記キャピラリ５１の形状は、長さ５０ミリメートル、内径φ４００マイクロメートル、外径φ８００マイクロメートルであり、その材質は、前記高反射ＦＢＧ１３を描きこんだファイバのインナークラッド、および、前記カプラ出力側ファイバのコアと同じ屈折率を持つ合成石英である。くびれ部製作後の、そのくびれ部の形状は、長さ１５ミリメートル、内径φ１００マイクロメートル、外径φ２００マイクロメートルである。

そして、前記高反射ＦＢＧ１３を描きこんだファイバの他端と前記カプラ出力側ファイバはテーパ形状で融着接続しており、その外周を、キャピラリ５１の前記テーパ部が覆っている。前記高反射ＦＢＧ１３を描きこんだファイバのインナークラッドと、前記カプラ出力側ファイバのコアは共にφ１００マイクロメートルまでテーパ化しており、前記テーパ部の外周は、前記キャピラリ５１くびれ部の内壁と溶融一体化している。

このとき、前記高反射ＦＢＧ１３を描きこんだファイバのテーパ部におけるそのコア径はφ３．５マイクロメートルとなる。さらに、キャピラリ５１は、その周囲を、前記合成石英の屈折率より低い屈折率をもつ図示略の樹脂によって覆われている。

以上のように構成されたファイバレーザ発振器装置について、その動作を説明する。

被加工物からの反射光の一部は、戻り光としてファイバレーザ発振器装置に入射し、ファイバを逆流する。その大部分は前記クラッドモード除去装置１８で取り除かれるが、一部は低反射ＦＢＧ１４、あるいは、レーザファイバ１５、あるいは、高反射ＦＢＧ１３のコアに入る。

このコアに閉じ込められた戻り光は、前記光共振器で増幅され、前記戻り光の一部、あるいは、前記戻り光のマルチモード成分が高反射ＦＢＧ１３で反射されず、戻り光分散器１９に入射する。

前記戻り光は、戻り光分散器１９のくびれ部の高反射ＦＢＧ１３を描きこんだファイバのテーパ部のコア内を伝送しようとするが、そのコア径はφ３．５マイクロメートルであり、前記戻り光波長１０９０ナノメートルの光に対して閉じ込めが弱く、前記戻り光をコアから漏洩する。

前記漏洩した戻り光は、戻り光分散器１９のくびれ部に充満して伝播し、カプラ１２の７本の入力側ファイバに均等に分配されて、半導体レーザモジュール１１に入射する。

なお、カプラ１２出力側のファイバはシングルクラッド構造としたが、ダブルクラッド構造であってもよい。また、本実施の形態では、キャピラリ５１のくびれ部を、カプラ１２出力側のファイバと高反射ＦＢＧ１３との接続部に設けたが、光共振器外の高反射ＦＢＧ１３を描きこんだファイバに設けても良い。

以上のように、光共振器外のカプラ側の高反射ＦＢＧのコア径を漸減することにより戻り光を均等に分配して励起光源に入射させ、破損を抑制することができる。

また、光共振器外のカプラ側の高反射ＦＢＧのコア径を漸減することにより、カプラ出力側ファイバコアと高反射ＦＢＧコアとの屈折率差に起因するフレネル反射率は不変であるが、反射量が小さくなり、出力の不安定性抑制や、寄生発振抑制の効果がある。

（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。図２に、本実施の形態２製作前の概念図、図３に、本実施の形態２製作後の概念図を示す。

図２、および、図３において、コア２２、クラッド３２は、おのおの、実施の形態１記載のカプラ出力側ファイバの、径φ２００マイクロメートルの合成石英のコア、径φ２５０マイクロメートルの樹脂のクラッドである。

また、コア２３、インナークラッド３３、アウタークラッド４３は、おのおの、実施の形態１記載の高反射ＦＢＧ１３を描きこんでいるファイバの、径φ７マイクロメートルの、ゲルマニウムをドープした合成石英のコア、径φ２００マイクロメートルの合成石英のインナークラッド、径φ２５０マイクロメートルの樹脂のアウタークラッドである。キャピラリ５１は、合成石英の細管であり、形状は、長さ５０ミリメートル、内径φ４００マイクロメートル、外径φ８００マイクロメートルである。実施の形態１と異なるのは、各ファイバの断面を記述した点である。

以上のように構成された戻り光分散器１９について、その製造方法を説明する。

先ず、実施の形態１記載の高反射ＦＢＧ１３を描きこんでいるファイバにキャピラリ５１を通し、キャピラリ５１を融着部から離した状態で、実施の形態１記載のカプラ出力側ファイバと融着接続する。

その後、キャピラリ５１を融着部に移動する。キャピラリ５１の両端を把持し、融着機に装着する。このとき、キャピラリ５１内の前記融着部は、径φ２００マイクロメートルであり、前記両ファイバの最外径はともにφ２５０マイクロメートルであるので、キャピラリ５１内径φ４００マイクロメートルより十分細く、融着した前記ファイバを移動させることが出来る。

その後、前記融着機を用いて延伸する。延伸は、キャピラリ５１の中央部に前記融着部を内包したまま、キャピラリ５１くびれ部外径がφ２００マイクロメータ、くびれ部長が１５ミリメートルになるまで行う。

この延伸により、キャピラリ５１くびれ部外径はφ２００マイクロメートル、内径はφ１００マイクロメートルとなり、前記融着部の両ファイバの外径もφ１００マイクロメートルに縮小され、実施の形態１記載のカプラ出力側ファイバのコアと、実施の形態１記載の高反射ＦＢＧ１３を描きこんでいるファイバのインナークラッドと、キャピラリ５１内壁とが溶融して一体化する。

その後、両ファイバと溶融一体化したキャピラリ５１を融着機から取り出し、その周囲を、図示略のアウタークラッド４３と同じ屈折率を持つ樹脂で充填して硬化する。

以上のように製作された戻り光分散器１９について、その動作を説明する。

レーザファイバ１５コアのイッテルビウムは、励起光を吸収して励起する。その後、レーザ光波長に比較して幅の広い波長を持つ自然放出光を放出し、このうちコアを伝播するものは、伝播しながら増幅され、ＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光となり、戻り光として、そのままコアを伝播、逆流し、高反射ＦＢＧ１３のコアに入る。

このとき、高反射ＦＢＧ１３の反射波長１０９０ナノメートル近傍以外のＡＳＥ光は、反射されず、戻り光分散器１９に入射する。前記戻り光は、戻り光分散器１９のくびれ部の高反射ＦＢＧ１３のテーパ部のコア内を伝送しようとするが、そのコア径はφ３．５マイクロメートルであり、前記戻り光波長１０９０ナノメートル近傍の光に対して閉じ込めが弱く、前記戻り光をコアから漏洩する。

なお、延伸には融着機ではなく、ヒータを用いた加熱装置であってもよい。

以上のように、キャピラリと、高反射ＦＢＧファイバのインナークラッドと、カプラ出口側ファイバコアの屈折率を等しくし、キャピラリくびれ部外径をレーザファイバのインナークラッド径と同一となるまで延伸することにより、実効的な励起光伝送断面を減じて伝送損失を増加することなく、効率よく励起でき、レーザ光が取り出せる。

本発明のファイバレーザ発振器は、戻り光が特定の励起光源に集中して破損することを防ぐことができ、材料加工などに有用である。

１１半導体レーザモジュール
１２カプラ
１３高反射ＦＢＧ
１４低反射ＦＢＧ
１５レーザファイバ
１８クラッドモード除去装置
１９戻り光分散器
２２コア
２３コア
３２クラッド
３３インナークラッド
４３アウタークラッド
５１キャピラリ

Claims

レーザ媒質をドープしたレーザファイバと、前記レーザファイバの両端にレーザ光帰還手段である、高反射ＦＢＧを描きこんだファイバと低反射ＦＢＧを描きこんだファイバを接続してファイバ型光共振器とし、前記レーザ媒質を励起する光を出射する複数の励起光源とを、励起光注入手段であるカプラを介して前記高反射ＦＢＧ側の高反射ＦＢＧを描きこんだファイバに接続して成るファイバレーザ発振器において、
前記高反射ＦＢＧを描きこんだファイバにおいてレーザ光を閉じ込めるコア径が、前記高反射ＦＢＧを描きこんだ部分以外の、前記カプラに接続した側において、前記カプラに向かって漸減する部分を有するファイバレーザ発振器。
レーザ媒質をドープしたダブルクラッド構造のレーザファイバと、前記レーザファイバの両端にレーザ光帰還手段である、高反射ＦＢＧを描きこんだダブルクラッド構造のファイバと低反射ＦＢＧを描きこんだファイバを接続してファイバ型光共振器とし、前記レーザ媒質を励起する光を出射する複数の励起光源とを、励起光注入手段であるカプラを介して前記高反射ＦＢＧ側の高反射ＦＢＧを描きこんだファイバに接続して成るファイバレーザ発振器において、
前記高反射ＦＢＧを描きこんだファイバにおいてレーザ光を閉じ込めるコア径が、前記高反射ＦＢＧを描きこんだ部分以外の、前記カプラに接続した側において、前記カプラに向かって漸減し、かつ、前記漸減する高反射ＦＢＧを描きこんだファイバ部分において、励起光を閉じ込めるインナークラッド部の径が、縮小しないファイバレーザ発振器。
前記高反射ＦＢＧを描きこんだファイバにおいて励起光を閉じ込めるインナークラッドの屈折率と等しい屈折率を持つキャピラリ（細管）を、上記カプラと上記高反射ＦＢＧを描きこんだファイバとの接続部に設け、前記キャピラリの外径が、上記レーザファイバのインナークラッド径と等しいことを特徴とする請求項２記載のファイバレーザ発振器。
上記キャピラリの周囲を、上記レーザファイバのアウタークラッドと等しい屈折率を持つ樹脂で充填した請求項３記載のファイバレーザ発振器。