JP2014167989A - ロッド型ファイバレーザ増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】ロッド型ファイバレーザ媒質の短縮化が図られ、小型で低コストのロッド型ファイバレーザ増幅器を提供する。
【解決手段】ロッド型ファイバレーザ増幅器は、クラッド内の応力分布が均等であるロッド型ファイバレーザ媒質と、ロッド型ファイバレーザ媒質の光入射側に設置された偏光選択素子２０６ａと、光出射側に設置された偏光選択素子２０６ｂと、偏光選択素子２０６ａからロッド型ファイバレーザ媒質を経由して偏光選択素子２０６ｂに至る第１光路と、偏光選択素子２０６ｂから偏光選択素子２０６ａに至る第２光路と、第１光路の途中に設置された偏光回転素子２１２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、低屈曲性のロッド型ファイバレーザ媒質を用いた増幅器に関する。

屈曲性のある光ファイバをレーザ媒質として使用する一般的なファイバレーザでは、コア径と、コアとクラッドとの屈折率差で決まる許容開口数により集光性が選択される。集光性は、コア径と許容屈折率との積で決まり、この値が小さくなるほど集光性は高くなる。集光性が理論限界となる所謂シングルモードレーザの場合、コア径は最大でも２０μｍ程度が限界となる。この場合、許容開口数は０．０６であり、コアとクラッドとの屈折率差は約０．００１と極めて小さい。理論的には更に許容開口数を小さくすることで、シングルモードを維持しながらコア径を拡大することも可能であるが、現在の技術レベルでは０．００１レベル以下で屈折率差を精確に制御することは困難である。このため、ファイバ材料自体の屈折率差によってシングルモードを選択する構成では、コア径は最大でも２０μｍ程度が上限となる。

また、光ファイバ中を安定して伝播させることが可能な光強度は、誘起される非線形効果によって制限される。即ち、ファイバレーザによって発生することが可能なレーザ出力の上限は、光ファイバの材料とコア径によって制限される。このため、特に尖頭出力の高いパルスレーザ光の発生は通常のファイバレーザでは困難である。

コア径に起因するこれらの課題に対する解決策として、フォトニック結晶ファイバが提案されている。フォトニック結晶ファイバは、コアの周囲に規則的に空孔を設けることによって、クラッド部の等価屈折率を制御する光ファイバであり、空孔の大きさ、配列によりクラッド部の等価的な屈折率を任意に設計することができる。フォトニック結晶ファイバの採用によって、コアとクラッド間の屈折率差を精密に制御することが可能になり、コア径５０μｍを越えるシングルモードファイバが実現している。

一方、フォトニック結晶ファイバは屈曲の状態によってクラッド部の等価屈折率が容易に変化するため、一定の形状を維持することが望ましい。このため、外径を１ｍｍ以上とすることによって故意に屈曲性を低下させたロッド型ファイバレーザ媒質が提案されている。

このようなフォトニックファイバを使用した高出力光ファイバパルスレーザ装置の構成が既に開示されている（例えば、特許文献１）。また、ロッド型ファイバレーザ媒質の高耐光強度性および高非線形性という特長を生かし、パルス幅１ｎｓ、パルスエネルギー４．３ｍＪ、尖頭出力４．５ＭＷという、ファイバレーザにおいてはほぼ理論限界のパルスエネルギー出力が達成されている（例えば、非特許文献１）。

通常、ロッド型ファイバレーザ増幅器において１００Ｗ以上の高出力を得るためには、光軸方向の長さが８００ｍｍ以上のロッド型ファイバレーザ媒質が必要とされる（例えば非特許文献１）。ただし、ロッド型ファイバレーザ媒質は故意に屈曲性を低下させているため、従来の光ファイバとは異なり曲げることができない。そのため、ロッド型ファイバレーザ増幅器を構成した場合には非常に大型なものとなる。また、母材には脆性材料であるシリカガラスが使用されているため保持方法には工夫が必要となる。さらに、ロッド型ファイバ媒質は、通常のファイバと比較すると非常に高価なものである。なお、価格は、ロッド型ファイバ媒質の光軸方向の長さにほぼ比例する。

特表２００９−５３７９７９号公報（［００２２］、図１）

Proc. of SPIE, Vol.6453, 645318, p.1-5, Fig.2, Fig.3, (2007)

このようにロッド型ファイバレーザ媒質を用いてロッド型ファイバレーザ増幅器を構成した場合、ロッド型ファイバレーザ媒質の光軸方向の長さが８００ｍｍ以上もあり、さらには屈曲性に乏しいため曲げることができず、非常に大型な増幅器になる。また、母材には脆性材料であるシリカガラスを使用しているため、保持方法を工夫しなければロッド型ファイバレーザ媒質が容易に破損してしまうという課題がある。

また、光軸方向の長さが８００ｍｍ以上もあるロッド型ファイバレーザ媒質は非常に高価であるため、増幅器の低コスト化が非常に困難である。

本発明の目的は、ロッド型ファイバレーザ媒質の短縮化が図られ、小型で低コストのロッド型ファイバレーザ増幅器を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るロッド型ファイバレーザ増幅器は、活性媒質がドープされたコアおよび、該コアの周囲に配置されたクラッドを有し、クラッド内の応力分布が均等であるロッド型ファイバレーザ媒質と、
ロッド型ファイバレーザ媒質の光入射側に設置された第１偏光選択素子と、
ロッド型ファイバレーザ媒質の光出射側に設置された第２偏光選択素子と、
第１偏光選択素子からロッド型ファイバレーザ媒質を経由して第２偏光選択素子に至る第１光路と、
第２偏光選択素子から第１偏光選択素子に至る第２光路と、
第１光路の途中に設置された偏光回転素子とを備え、
レーザビームが、第１光路に沿って進行しながらロッド型ファイバレーザ媒質による第１の増幅作用を受け、かつ偏光回転素子によって偏光方向が回転し、続いて、第２偏光選択素子から第２光路に沿って進行して第１偏光選択素子を介して第１光路に再び入射し、第１光路に沿って進行しながらロッド型ファイバレーザ媒質による第２の増幅作用を受けるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、偏光を利用した光学素子を使用することによって、レーザビームをロッド型ファイバレーザ媒質に２回通過させることが可能になり、こうした２回の増幅作用によってレーザビームの出力が大幅に向上する。その結果、ロッド型ファイバレーザ媒質の短縮化が可能になり、装置全体の小型化、低コスト化が図られる。

本発明に係るロッド型ファイバレーザ媒質の一例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１によるロッド型ファイバレーザ増幅器を示す構成図である。 一般的なロッド型ファイバレーザ媒質の概略断面図である。 本発明の実施の形態２によるロッド型ファイバレーザ増幅器を示す構成図である。 本発明に係るロッド型ファイバレーザ媒質の他の例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３によるロッド型ファイバレーザ増幅器を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係るロッド型ファイバレーザ媒質の一例を示す斜視図である。ロッド型ファイバレーザ媒質１００は、イッテルビウム（Ｙｂ: ytterbium）などの活性媒質がドープされたコアおよび該コアの周囲に配置されたクラッドを有する活性ファイバ１０１と、活性ファイバ１０１の両端に接合されたエンドキャップ１０２ａ，１０２ｂなどで構成される。

本実施形態では、活性ファイバ１０１として、コア直径１００μｍ、クラッド直径２８５μｍのフォトニック結晶ファイバを使用している。活性ファイバ１０１の母材にはシリカガラスを使用しており、長さは４００ｍｍ、外直径は１．７ｍｍである。なお図示してはいないが、コアの周囲に規則的に配した空孔によるフォトニック結晶効果により、コアの許容開口数は０．０２に設定されている。

また、一般のロッド型ファイバレーザ媒質にはクラッドに応力付与部が形成されているが、本実施形態で用いたロッド型ファイバレーザ媒質１００においては、クラッドに応力付与部は形成されておらず、クラッド内の応力分布が均等であるものを使用している。

エンドキャップ１０２ａ，１０２ｂには、外直径８ｍｍ、長さ８ｍｍの石英ブロックを使用しており、それぞれ活性ファイバ１０１の両端に溶着されている。また、エンドキャップ１０２ａ，１０２ｂの活性ファイバ１０１と対向する端面には、励起光の波長である９７５ｎｍと、増幅されるレーザビームの波長である１０６４ｎｍの両者に対して低反射となる反射防止コーティングが施されている。

図２は、本発明の実施の形態１によるロッド型ファイバレーザ増幅器を示す構成図である。このロッド型ファイバレーザ増幅器は、図１に示したロッド型ファイバレーザ媒質１００を使用しており、さらに偏光選択素子２０６ａ、９０度偏光方向回転素子２１２、偏光選択素子２０６ｂなどを備える。

偏光選択素子２０６ａ，２０６ｂは、例えば、偏光ビームスプリッタなどで構成され、誘電体多層膜に入射するＰ偏光を通過し、Ｓ偏光を反射することにより、光軸に対して直交する２つの直線偏光を分離／合成する機能を有する。偏光選択素子２０６ａは、ロッド型ファイバレーザ媒質１００の光入射側に設置され、偏光選択素子２０６ｂは、ロッド型ファイバレーザ媒質１００の光出射側に設置される。

２つの偏光選択素子２０６ａ，２０６ｂを使用することによって、偏光選択素子２０６ａからロッド型ファイバレーザ媒質１００を経由して偏光選択素子２０６ｂに至る第１光路および、偏光選択素子２０６ｂから偏光選択素子２０６ａに至る第２光路が設定される。

９０度偏光方向回転素子２１２は、例えば、１／２波長板、ファラデー素子などで構成され、レーザビームの直線偏光を光軸回りに９０°回転させる機能を有する。９０度偏光方向回転素子２１２は、第１光路の途中に設置することができ、図２では偏光選択素子２０６ｂの前方に設置した例を示している。

ロッド型ファイバレーザ媒質１００を励起するための励起ビーム２１０ａは、励起ビーム発生装置２０８から供給される。波長９７５ｎｍの励起ビーム２１０ａは、光ファイバ等で伝送され、レンズ２０９によりコリメートされ、４５度入射用の波長選択ミラー２１１に入射する。波長選択ミラー２１１は、波長９７５ｎｍ以下の波長の励起ビームのみを全反射し、波長９７５ｎｍ以上の波長のレーザビームを全透過させる機能を有する。従って、励起ビーム２１０ａは、波長選択ミラー２１１によって反射され、ロッド型ファイバレーザ媒質１００の光入射側に設置されたレンズ２０７ａによって集光され、ロッド型ファイバレーザ媒質１００のクラッドに結合することにより、ロッド型ファイバレーザ媒質１００のコアに含まれる活性媒質が励起状態となる。

一方、ロッド型ファイバレーザ増幅器で増幅されるレーザビームは、レーザビーム発生装置２０１から供給される。レーザビーム発生装置２０１は、例えば、紙面に平行でレーザビーム進行方向に対して垂直な偏光方向２０３ａを有する、波長１０６４ｎｍの直線偏光レーザビーム２０２ａを発生する。レーザビーム２０２ａは、ロッド型ファイバレーザ増幅器に効率よく導入できるように、全反射ミラー２０４ａ，２０４ｂなどを用いて進行方向が調整される。

レーザビーム発生装置２０１とロッド型ファイバレーザ増幅器との間には、戻り光抑制素子２０５を設置することが好ましい。戻り光抑制素子２０５は、偏光素子、ファラデー素子等を利用した光アイソレータなどで構成され、ロッド型レーザ媒質１００から放出される自然放出増幅光または端面からの反射光がレーザビーム発生装置２０１へ戻ることを抑制し、直線偏光レーザビーム２０２ａの出力安定性、パルス安定性などが悪化することを防止する。

戻り光抑制素子２０５を通過したレーザビーム２０２ａは、偏光選択素子２０６ａへ入射する。偏光選択素子２０６ａは、紙面に垂直な偏光方向を有するレーザビームに対しては全透過し、紙面に平行な偏光方向を有するレーザビームに対しては全反射となるように設定される。レーザビーム２０２ａは、紙面に平行な偏光方向２０３ａを有することから、偏光選択素子２０６ａを通過して第１光路に沿って進行し、続いて波長選択ミラー２１１を通過してレンズ２０７ａによって集光され、ロッド型ファイバレーザ媒質１００に入射し、例えば、入射開口数０．０２以下でコアと結合する。

コアと結合したレーザビーム２０２ａは、ロッド型ファイバレーザ媒質１００を通過する際に増幅される。増幅されたレーザビーム２０２ａは、レンズ２０７ｂによりコリメートされ、さらに９０度偏光方向回転素子２１２によって紙面に垂直な偏光方向２０３ｂへ変換され、続いて偏光選択素子２０６ｂへ入射する。

偏光選択素子２０６ｂは、紙面に垂直な偏光方向を有するレーザビームに対しては全反射し、紙面に平行な偏光方向を有するレーザビームに対しては全透過となるように設定される。９０度偏光方向回転素子２１２を通過したレーザビームは、紙面に垂直な偏光方向２０３ｂを有することから、偏光選択素子２０６ｂによって９０度反射して、レーザビーム２０２ｂとなって第２光路に沿って進行する。第２光路では、全反射ミラー２１３ａ，２１３ｂおよびレンズ２０７ｃなどを用いてレーザビーム２０２ｂの進行方向が調整され、再び偏光選択素子２０６ａに入射する。

レーザビーム２０２ｂは、紙面に垂直な偏光方向を有することから、偏光選択素子２０６ａによって９０度反射して、再び第１光路に沿って進行し、続いて波長選択ミラー２１１を通過してレンズ２０７ａによって集光され、ロッド型ファイバレーザ媒質１００に入射し、例えば、入射開口数０．０２以下でコアと結合する。このとき第２光路に設置された全反射ミラー２１３ａ，２１３ｂは、レーザビーム２０２ｂの光軸方向を調整するために用いられ、レンズ２０７ｃは、レーザビーム２０２ｂの入射開口数を調整するために用いられる。

コアと結合したレーザビーム２０２ｂは、ロッド型ファイバレーザ媒質１００を通過する際に２回目の増幅作用を受ける。増幅されたレーザビーム２０２ｂは、レンズ２０７ｂによりコリメートされ、さらに９０度偏光方向回転素子２１２によって紙面に平行な偏光方向２０３ｃへ変換され、レーザビーム２０２ｃとなって再び偏光選択素子２０６ｂへ入射する。

レーザビーム２０２ｃは、紙面に平行な偏光方向２０３ｃを有することから、偏光選択素子２０６ｂを通過して外部に出力される。

図３は、一般的なロッド型ファイバレーザ媒質の概略断面図である。一般的なロッド型ファイバレーザ媒質は、クラッド３０１とコア３０２がフォトニック結晶効果を用いて形成されており、クラッド３０１には応力付与部３０３（斜線部）が具備されている。

応力付与部３０３は、コア３０２に対して非軸対称な応力を加えるために形成されており、意図的に大きな複屈折を持つように設計されている。図３に示すように、応力が付与されている方向を低速軸と呼び、低速軸に対して垂直な方向を高速軸と呼ぶ。一般的なロッド型ファイバレーザ媒質においては、レーザビームの偏光方向を低速軸に一致させてロッド型ファイバレーザ媒質にレーザビームを入射させると、直線偏光を維持したままロッド型ファイバレーザ媒質よりレーザビームが出射される。

しかし、入射するレーザビームの偏光方向と低速軸がずれていると、出射するレーザビームは直線偏光ではなくなる。これは、レーザビームの偏光方向を高速軸と一致させてレーザビームを入射した場合においても同様であることを実験により確認した。このような状況では、図２に示すファイバレーザ増幅器を構成することは困難である。

しかしながら、本発明者らは、レーザビームの進行方向の長さが４００ｍｍ以下であるような短いロッド型ファイバレーザ媒質を用いた場合には、応力付与部３０３を形成しなかったとしても偏光方向が維持されるという驚くべき事実を見出した。

本実施形態によれば、１つのロッド型ファイバレーザ媒質１００で２回の増幅作用を実現できるため、レーザビームの進行方向に対する長さが４００ｍｍ以下のロッド型ファイバレーザ媒質１００を使用することができる。その結果、ロッド型ファイバレーザ増幅器の小型化および低コスト化を実現でき、さらにはロッド型ファイバレーザ媒質の保持方法も格段に容易になるという、従来にない顕著な効果を奏するものである。

なお本実施形態では、レーザビーム発生装置１から発生するレーザビーム２０２ａは、連続波（ＣＷ）ビームでもパルスビームでもよい。

また本実施形態では、偏光選択素子２０６ａ，２０６ｂおよび波長選択ミラー２１１として４５度入射方式の光学素子を使用した場合を例示したが、任意の入射角度の偏光選択素子、波長選択ミラーを用いても同様の効果が得られる。

また本実施形態では、ロッド型ファイバレーザ媒質１００として、活性ファイバ１０１の両端にエンドキャップ１０２ａ，１０２ｂが接合された構成を示したが、ロッド型ファイバレーザ媒質の構成はこれに限るものではなく、例えば、寄生発振を防止するために、活性ファイバ１０１の両端を斜めにカットした構成であっても同様な効果が得られる。

また本実施形態では、ロッド型ファイバレーザ媒質１００の活性媒質としてＹｂをドープした構成を示したが、活性媒質の種類はこれに限るものではなく、所望する波長に応じて適切な活性媒質、例えば、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｅｒ：Ｙｂ，Ｔｍ，Ｎｄ等も使用できる。

また本実施形態では、ロッド型ファイバレーザ媒質１００の母材としてシリカガラスを使用した構成を示したが、母材の種類はこれに限るものではなく、各種のガラス、光学材料も使用できる。

また本実施形態では、活性ファイバ１０１として、長さ４００ｍｍのフォトニック結晶ファイバを用いた構成を示したが、例えば、長さ１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍなどのフォトニック結晶ファイバも使用できる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２によるロッド型ファイバレーザ増幅器を示す構成図である。図４中、図１および図２と同一符号は、同一部分もしくは相当部分を示している。

本実施形態は、実施の形態１と同様な構成を有するが、レンズ２０７ｂの後方かつ９０度偏光方向回転素子２１２の前方に、０度入射用の波長選択ミラー２１４を追加している点で相違する。

この波長選択ミラー２１４は、波長９７５ｎｍ以下の波長の励起ビームのみを全反射し、波長９７５ｎｍ以上の波長のレーザビームを全透過させる機能を有する。こうした構成によりロッド型ファイバレーザ媒質１００に入射した励起ビーム２１０ａのうち、完全には吸収されずに通過してきた励起ビームの透過成分２１０ｂが波長選択ミラー２１４により反射され、再びロッド型ファイバレーザ媒質１００のクラッドへ結合することが可能になる。これにより励起ビーム２１０ａの吸収率を向上させることができるため、ロッド型ファイバレーザ増幅器のさらなる高効率化が可能となる。

実施の形態３．
図５は、本発明に係るロッド型ファイバレーザ媒質の他の例を示す斜視図である。図６は、本発明の実施の形態３によるロッド型ファイバレーザ増幅器を示す構成図である。図５および図６中、図１および図２と同一符号は、同一部分もしくは相当部分を示している。

本実施形態のロッド型ファイバレーザ媒質１５０は、イッテルビウム（Ｙｂ）などの活性媒質がドープされたコアおよび該コアの周囲に配置されたクラッドを有する活性ファイバ１０１と、活性ファイバ１０１の一端に接合されたエンドキャップ１０２ａなどで構成される。活性ファイバ１０１の他端は、出射端面１５１として垂直にカットされ、さらに波長９７５ｎｍ以下の波長の励起ビームのみを全反射し、波長９７５ｎｍ以上の波長のレーザビームを全透過させる波長選択コーティングが施される。

従って、本実施形態のロッド型ファイバレーザ増幅器は、実施の形態１と同様な構成を有するが、活性ファイバ１０１の出射端面１５１に、上記の波長選択コーティングが施されている点で相違する。

こうした構成によりロッド型ファイバレーザ媒質１００に入射した励起ビーム２１０ａのうち、完全には吸収されずに通過してきた励起ビームの透過成分２１０ｂが波長選択コーティングにより反射され、再びロッド型ファイバレーザ媒質１００のクラッドへ結合することが可能になる。これにより励起ビーム２１０ａの吸収率を向上させることができるため、ロッド型ファイバレーザ増幅器のさらなる高効率化が可能となる。また、実施の形態２と比較して波長選択ミラー２１４を必要としないので低コスト化につながり、また励起ビーム２１０のロッド型ファイバレーザ媒質１００への再結合が格段に容易になるという効果を奏する。

１００ ロッド型ファイバレーザ媒質、 １０１ 活性ファイバ、
１０２ａ〜ｂ エンドキャップ、 １５０ ロッド型ファイバレーザ媒質、
１５１ 出射端面、 ２０２ａ〜ｃ レーザビーム、 ２０３ａ〜ｃ 偏光方向、
２０６ａ〜ｂ 偏光選択素子、 ２０７ａ〜ｃ レンズ、 ２１０ 励起ビーム、
２１２ 偏光回転素子、 ２１３ａ〜ｂ 全反射ミラー、
２１４ ０度入射用波長選択ミラー、
３０１ クラッド、 ３０２ コア、 ３０３ 応力付与部。

Claims (5)

1. 活性媒質がドープされたコアおよび、該コアの周囲に配置されたクラッドを有し、クラッド内の応力分布が均等であるロッド型ファイバレーザ媒質と、
   ロッド型ファイバレーザ媒質の光入射側に設置された第１偏光選択素子と、
   ロッド型ファイバレーザ媒質の光出射側に設置された第２偏光選択素子と、
   第１偏光選択素子からロッド型ファイバレーザ媒質を経由して第２偏光選択素子に至る第１光路と、
   第２偏光選択素子から第１偏光選択素子に至る第２光路と、
   第１光路の途中に設置された偏光回転素子とを備え、
   レーザビームが、第１光路に沿って進行しながらロッド型ファイバレーザ媒質による第１の増幅作用を受け、かつ偏光回転素子によって偏光方向が回転し、続いて、第２偏光選択素子から第２光路に沿って進行して第１偏光選択素子を介して第１光路に再び入射し、第１光路に沿って進行しながらロッド型ファイバレーザ媒質による第２の増幅作用を受けるようにしたことを特徴とするロッド型ファイバレーザ増幅器。
2. ロッド型ファイバレーザ媒質は、レーザビームの進行方向に沿った長さが４００ｍｍ以下であり、コアの周囲に規則的に配した空孔を有するフォトニック結晶ファイバであることを特徴とする請求項１記載のロッド型ファイバレーザ増幅器。
3. ロッド型ファイバレーザ媒質の光入射側および光出射側、ならびに第２光路の途中に、レンズがそれぞれ設置されていることを特徴とする請求項１記載のロッド型ファイバレーザ増幅器。
4. ロッド型ファイバレーザ媒質の光入射側から励起光を供給するための励起光光学系と、
   ロッド型ファイバレーザ媒質の光出射側に設置され、ロッド型ファイバレーザ媒質によって増幅されたレーザビームを透過し、かつ、ロッド型ファイバレーザ媒質を出射した励起光をロッド型ファイバレーザ媒質に向けて反射するための０度入射用波長選択ミラーと、をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のロッド型ファイバレーザ増幅器。
5. 前記０度入射用波長選択ミラーは、ロッド型ファイバレーザ媒質の光出射側の垂直端面に施された波長選択コーティングで構成されることを特徴とする請求項４記載のロッド型ファイバレーザ増幅器。

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