JP2015072955A - スペクトルビーム結合ファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム品質の劣化が無く、光学系の調節が容易なスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置を提供する。【解決手段】複数のレーザ発振用光ファイバ１０と、高反射率反射光学素子１５と、励起光源２０と、コリメートレンズ３１と、屈折光学部材３２と、反射型回折格子３３と、回折光が入射する低反射率反射光学素子３４と、低反射率反射光学素子３４を透過した光を集光する１つの集光レンズ３５を備え、コリメートレンズ３１の焦点面にレーザ光の出力端面１８ａが一次元的に配列され、高反射率反射光学素子１５と、レーザ発振用光ファイバ１０と、コリメートレンズ３１及び屈折光学部材３２による入射角設定手段と、反射型回折格子３３と、低反射率反射光学素子３４でレーザ共振器を構成し、レーザ発振用光ファイバ１０では、低反射率反射光学素子３４に入射し反射される特定の波長の光のみが増幅され、それによって波長の異なる複数の光が結合される。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばレーザ切断やレーザ溶接などに使用される高出力のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置に関する。

近年、コア内部にＹｂ（イッテルビウム）などの希土類元素がドープされたレーザ発振用光ファイバ（ドープトファイバ）を光増幅媒体として用いたレーザ装置が急速に普及している。例えば特許文献１に記載されたレーザ発振用光ファイバを用いた従来のレーザ装置１００の概略構成を図９に示す。このレーザ装置１００は、１つのレーザ発振用光ファイバ１０１に対して複数の励起光源１０２が用意されており、各励起光源１０２に対して１つの励起光入力用光ファイバ１０３が結合されている。複数の励起光入力用光ファイバ１０３は束ねられて、光ファイバ結合器１０４を介してレーザ発振用光ファイバ１０１の入力端に結合されている。また、レーザ発振用光ファイバ１０１の出力端にも、光ファイバ結合器１０５を介して励起光入力用光ファイバ１０３及び励起光源１０２が結合されている。さらに、レーザ発振用光ファイバ１０１の出力端に結合された光ファイバ結合器１０５には、レーザ発振用光ファイバ１０１内で発振されたレーザ光を出力するための出力光ファイバ１０６が結合されている。なお、レーザ発振用光ファイバ１０１の入力端及び出力端には、それぞれ反射グレーティングが形成又は結合されており、レーザ発振用光ファイバ１０１内に入力された励起光及びレーザ発振用光ファイバ１０１内で誘導放出されたレーザ光が、これら反射グレーティングによって反射されることにより、新たなレーザ光が誘導放出され、またレーザ光が増幅される。

励起光源としては、複数（例えば７つ）の発光部を一次元状に配置した半導体レーザバーが商品化されており、これを用いることができる。１つの発光部を１つの励起光源１０２とし、複数（例えば７本）の励起光入力用光ファイバ１０３の入力側端部を一次元状に配列し、励起光入力用光ファイバ１０３の出力側端部を稠密充填状に束ねる。励起光入力用光ファイバ１０３の外径を例えば１００μｍとすると、稠密充填状に束ねた出力側端部の外径は約３００μｍとなる。光ファイバ結合器１０４及び１０５は、束ねた光ファイバを、その外径が、レーザ発振用光ファイバ１０１のコアの直径（例えば２００μｍ）と同等になるように加熱しながら引き延ばしたものである。

一例として、半導体レーザバーの１つの発光部からの出力を１０Ｗ、発光部の数を７つとすると、１つの半導体レーザバーから出力される励起光は７０Ｗである。説明を簡単にするため、エネルギーロスはないものとすると、上記レーザ装置１００からは、７０Ｗのレーザ光が出力される。レーザ溶接などに使用されるレーザ装置ではキロワット級の出力が要求されるので、例えば出力が２ｋＷのレーザ装置を得るには、上記レーザ装置１００を例えば３０台用意し、出力光ファイバ１０６を３０本束ねて、且つ、所望するスポット径が得られるように光ファイバ束の外径を細くしなければならない。

ところで、レーザ光のスポット径φと振れ角θとの間には、スポット径φ×振れ角θ＝一定という法則が存在する。例えば、直径１００μｍの光ファイバを稠密充填的に３０本束ねたとすると、最大６列となるので、光ファイバ束の最大径は６００μｍとなる。直径６００μｍの光ファイバ束を、例えば直径１００μｍに絞ったとすると、出力されるレーザ光の振れ角は、入力されるレーザ光の振れ角の６倍になる。この現象は、ファイバレーザの分野ではビーム品質の劣化として一般的に知られている。レーザ光の振れ角が大きくなり、ビーム品質が劣化すると、例えばレーザ切断の場合であれば、いわゆる切れ味が悪くなる。

そこで、波長の異なる複数のレーザ光を、回折格子を用いて一箇所に集中させるスペクトルビーム結合方式が提案されている。例えば特許文献２に記載された従来のスペクトルビーム結合方式のレーザ装置では、複数の発光部が二次元的に配列されたレーザスタックを用い、稜線が互いに直交する２つのシリンドリカルレンズを用いてレーザスタックから出力されたレーザ光をコリメートすると共に、さらに１つのシリンドリカルレンズを用いてレーザ光を一次元化し、波長の異なる複数のレーザ光を回折格子によって同一線上に集光している。

このスペクトルビーム結合方式のレーザ装置は、上記のように光ファイバの外径を物理的に絞っているわけではないので、ビーム品質の劣化は生じないというメリットを有している。その一方で、３つのシリンドリカルレンズをそれぞれ三次元的に調整しなければならず、１つのシリンドリカルレンズが６自由度（Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の位置と、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の回転）を有しているため、光学系の調節が非常に困難であり、光学系の調節誤差により、所望する性能が得られない可能性が高い。

特開２０１１−２４３６７２号公報 特表２０１２−５０８４５３号公報

本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、ビーム品質の劣化が無く、光学系の調節が容易であり、所望する出力が容易に得られるスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置は、
レーザ活性物質がドープされた複数のレーザ発振用光ファイバと、
前記複数のレーザ発振用光ファイバの励起光入力側端にそれぞれ結合された複数の高反射率反射光学素子と、
前記レーザ発振用光ファイバにそれぞれ励起光を入力するための複数の励起光源と、
前記複数のレーザ発振用光ファイバの前記高反射率反射光学素子とは反対側に位置し、前記複数のレーザ発振用光ファイバにより誘導放出され、前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光を回折させる単一の反射型回折格子と、
前記複数のレーザ発振用光ファイバの前記出力端面からそれぞれ出力されるレーザ光をそれぞれそのレーザ光の波長に応じた固有の入射角で前記反射型回折格子に入射させる入射角設定手段と、
前記反射型回折格子により回折された光が入射する１つの低反射率反射光学素子と、
前記低反射率反射光学素子を透過した光を集光する１つの集光レンズを備え、
少なくとも前記複数の高反射率反射光学素子と、前記複数のレーザ発振用光ファイバと、前記入射角設定手段と、前記反射型回折格子と、前記低反射率反射光学素子でレーザ共振器を構成し、
前記複数のレーザ発振用光ファイバでは、それぞれ前記低反射率反射光学素子に入射し反射される特定の波長の光のみが増幅され、それによって、前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力される波長の異なる複数の光が結合されて、前記集光レンズから出力される
ことを特徴とする。

前記入射角設定手段は、前記複数のレーザ発振用光ファイバのそれぞれに対して１つずつ設けられ、一次元的に配列された複数のコリメートレンズと、前記複数のコリメートレンズにより平行光束化されたレーザ光を、その波長に応じた屈折率で屈折させる屈折光学部材で構成され、
前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されたレーザ光の出力端面が、それぞれ前記複数のコリメートレンズの焦点に位置している
ことが好ましい。

また、前記入射角設定手段は、前記複数のレーザ発振用光ファイバのそれぞれに対して１つずつ設けられ、その光軸が前記固有の入射角と一致するように配置された複数のコリメートレンズで構成され、
前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されたレーザ光の出力端面が、それぞれ前記複数のコリメートレンズの焦点に位置している
ことが好ましい。

または、前記入射角設定手段は、単一のテレセントリック型のｆθレンズであり、
前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されたレーザ光の出力端面が、それぞれ前記ｆθレンズの像面に位置している
ことが好ましい。

または、前記入射角設定手段は、単一のコリメートレンズであり、
前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されるレーザ光が前記単一のコリメートレンズによって平行光束化されるように、前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されたレーザ光の出力端面が、それぞれ前記コリメートレンズの収差を補正した位置に配置されている
ことが好ましい。

さらに、前記複数のレーザ発振用光ファイバの出力端面に、それぞれ誘導放出されたレーザ光を伝送させるためのレーザ光伝送用光ファイバが結合され、さらに前記レーザ光伝送用光ファイバの出力側端面にコアを有さないエンドキャップが結合され、前記エンドキャップの前記出力側端面が、前記レーザ光の出力端面となることが好ましい。

または、前記複数のレーザ発振用光ファイバの出力端面にコアを有さないエンドキャップが結合され、前記エンドキャップの前記出力側端面が、前記レーザ光の出力端面となることが好ましい。

また、前記複数のレーザ発振用光ファイバを配列保持するための配列手段をさらに備えたことが好ましい。

また、前記配列手段は、複数のＶ溝を有する保持台であることが好ましい。

また、前記高反射率反射光学素子は、前記レーザ発振用光ファイバの前記励起光源側端面に結合された反射グレーティングであることが好ましい。

また、前記複数の励起光源は、それぞれ一次元的に配置された複数の発光部を有する半導体レーザバーと、前記複数の発光部に結合された複数の励起光伝送用光ファイバとで構成され、前記複数の励起光入力用光ファイバの出力側端面近傍が稠密充填的に束ねられ、且つ、前記励起光入力用光ファイバの外径が前記レーザ発振用光ファイバの内部クラッドの直径と同等になるように絞られていることが好ましい。

本発明によれば、少なくとも、複数の高反射率反射光学素子と、複数のレーザ発振用光ファイバと、入射角設定手段と、１つの反射型回折格子と、１つの低反射率反射光学素子でレーザ共振器を構成しているので、このレーザ共振機から出力されるレーザ光が１つの集光レンズによって集光される。そのため、スペクトルビーム結合ファイバレーザ装置の光学系においてレーザ光のスポット径は絞られておらず、ビーム品質の劣化は生じていない。

また、平面視で、レーザ光の出力端面が同一平面上で直線的にまたは湾曲して配列されているだけであるので、各光学部品の調節もそれぞれＸ方向及びＹ方向の位置とＺ軸の回転の３自由度を調節すればよく、従来のものに比べて、光学系の調節がきわめて容易になる。

本発明の一実施形態に係るスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置の一構成例を示す概念図。 上記スペクトルビーム結合ファイバレーザ装置の具体的な構成を示す斜視図。 上記スペクトルビーム結合ファイバレーザ装置に用いられる励起光源の構成を示す斜視図。 レーザ発振用光ファイバ、ファイバーブラッググレーティング及び励起光入力用光ファイバの構成を示す断面図。 上記レーザ発振用光ファイバ、ファイバーブラッググレーティング及び励起光入力用光ファイバの他の構成を示す断面図。 本発明の一実施形態に係るスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置の他の構成例を示す概念図。 本発明の一実施形態に係るスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置のさらに他の構成例を示す概念図。 本発明の一実施形態に係るスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置のさらに他の構成例を示す概念図。 従来のレーザ装置の構成を示す概念図。

本発明の一実施形態に係るスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置について説明する。図１は、本実施形態に係るスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置１の一構成例を示す概念図であり、図２はその具体的な構成を示す斜視図である。

スペクトルビーム結合ファイバレーザ装置１は、Ｙｂ（イッテルビウム）などの希土類元素（レーザ活性物質）がドープされた複数のレーザ発振用光ファイバ（ドープトファイバ）１０と、レーザ発振用光ファイバ１０に励起光を入力するための複数の励起光源２０を備えている。各レーザ発振用光ファイバ１０の入力側端面には、ファイバーブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating: FBG)などの高反射率反射光学素子１５が結合されており、さらに高反射率反射光学素子１５に励起光源２０からの励起光入力用光ファイバ２３が結合されている。各レーザ発振用光ファイバ１０の出力側端面には、レーザ発振用光ファイバ１０内で誘導放出されたレーザ光を伝送するためのレーザ光伝送用光ファイバ１９が接続されている。さらに、レーザ光伝送用光ファイバ１９の出力側端部３０は、例えば複数のＶ溝が平行に形成された光ファイバ保持台３７上に一次元的に配列されている。レーザ光伝送用光ファイバ１９の出力側端面には、例えば石英などで形成されたコアレスのエンドキャップ１８が結合され、エンドキャップ１８の出力側端部１８ａがコリメートレンズ３１の焦点面に位置するように、コリメートレンズ３１が配置されている。コリメートレンズ３１は、多数の微小レンズが一定間隔で配列された、いわゆるレンズアレイであり、１つの微小レンズがそれぞれ１組みのレーザ光伝送用光ファイバ１９及びエンドキャップ１８に対応するように構成されている。

さらに、レンズアレイであるコリメートレンズ３１に対向するように、屈折光学部材（例えば、シリンドリカルレンズ）３２が設けられている。レーザ発振用光ファイバ１０によって発振されたレーザ光は、エンドキャップ１８の出力側端部１８ａから出力され、コリメートレンズ３１によって平行光束化され、さらに屈折光学部材３２によって所定方向に屈折される。後述するように、各レーザ発振用光ファイバ１０によって発振されるレーザ光の波長は少しずつ異なっており、また、屈折光学部材３２の光学材料の屈折率は光の波長に依存する。そのため、屈折光学部材３２の入射面上の異なる位置に入射した波長の異なるレーザ光を同じ位置に集光することが可能である。

屈折光学部材３２の光軸上には反射型回折格子３３が設けられており、屈折光学部材３２により屈折されたレーザ光は、所定の角度で反射型回折格子３３に入射する。回折格子の回折角は、光の波長と入射角に依存するので、波長の異なる複数のレーザ光を異なる角度（波長に応じた固有の入射角）で同一の回折格子に入射させることにより、同じ方向に回折させることができる。反射型回折格子３３により回折されたレーザ光の進行方向には、例えばハーフミラーなどの１つの低反射率反射光学素子３４と、低反射率反射光学素子３４を透過した光を集光する１つの集光レンズ３５が設けられている。集光レンズ３５の焦点位置にはプロセスファイバ３６が設けられており、集光レンズ３５の焦点位置に集光されたレーザ光は、プロセスファイバ３６を介してレーザ切断やレーザ溶接などに使用される。このスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置１では、少なくとも、複数の高反射率反射光学素子１５と、複数のレーザ発振用光ファイバ１０と、コリメートレンズ３１及び屈折光学部材３２（入射角設定手段）と、１つの反射型回折格子３３と、１つの低反射率反射光学素子３４でレーザ共振器を構成している。

レーザ光伝送用光ファイバ１９及びエンドキャップ１８は、例えば５００μｍピッチで配列されており、それに合わせて、コリメートレンズ３１の５００μｍピッチで配列されている。レーザ光伝送用光ファイバ１９及びエンドキャップ１８から出力されるレーザ光束は円形断面を有しており、コリメートレンズ３１により平行光束化された光の円形断面を有している。また、屈折光学部材３２は、例えばシリンドリカルレンズであるので、その円筒面の稜線に直交する方向にのみ、レーザ光の断面が変形され、反射型回折格子３３に入射するレーザ光の断面が楕円形になる。しかしながら、後述するように、各レーザ発振用光ファイバ１０によって発振されるレーザ光の波長差は、最大でも２０ｎｍ程度であり、屈折光学部材３２に入射するレーザ光の入射角の差もごく僅かである。そのため、入射角の差が小さいレーザ光を分離するには、反射型回折格子３３とコリメートレンズ３１の間の距離を長くする必要があり、屈折光学部材３２のパワーを弱くしている。その結果、反射型回折格子３３に入射するレーザ光の断面の変形は小さく、円に近い楕円形といえる。一方、集光レンズ３５は、円に近い楕円形のレーザ光束を集光させる必要があり、例えば球面レンズが使用される。

個々の励起光源２０としては、前述のように複数（例えば７つ）の発光部を一次元状に配置した半導体レーザバーを用いることができる。図３は、半導体レーザバー２１を用いた励起光源２０の一構成例を示す。半導体レーザバー２１は、例えば平面視で４ｍｍ×４ｍｍ、厚さ１ｍｍ程度の微小な素子であり、光出力端面２１ａの７箇所から所定波長のレーザ光（励起光）が出力される。半導体レーザバー２１の光出力端面２１ａに対向するように、円筒状のコリメートレンズ２２が配置され、コリメートレンズ２２の焦点面には、複数の励起光入力用光ファイバ２３の入力側端部（又は端面）が一次元的に配置されている。一方、励起光入力用光ファイバ２３の出力側端部２４は稠密充填状に束ねられ、その外径がレーザ発振用光ファイバ１０の（後述する）内部クラッドの直径と同等になるように引き延ばされている。

上記のような微小な半導体レーザバー２１に、例えば７０Ｗの大電力が供給されるため、半導体レーザバー２１からの発熱量が非常に大きい。そのため、半導体レーザバー２１は、それに比べて熱容量のはるかに大きいヒートシンク２５の上に実装されると共に、ヒートシンク２５の内側に流路が形成され、例えば水などの冷却媒体を循環されている。それによって、励起光源２０の内部温度を一定範囲内に維持すると共に、励起光源２０から出力される励起光のパワーを一定の範囲に維持している。

レーザ発振用光ファイバ１０は、ダブルクラッドファイバであって、図４に示すように、その中心に、直径が例えば１０μｍ程度で、Ｙｂ（イッテルビウム）などの希土類元素（レーザ活性物質）がドープされたコア１１と、コア１１の外側に形成され、直径が例えば２００μｍ程度で、希土類元素がドープされていない内部クラッド（第１クラッド）１２と、内部クラッド１２の外側に形成され、直径が３００〜４００μｍ程度の外部クラッド（第２クラッド）１３で構成されている。各レーザ発振用光ファイバ１０の励起光入力側端面には、それぞれ高反射率反射光学素子１５が結合されている。高反射率反射光学素子１５としては、例えばファイバーブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating: FBG)を用いることができる。ファイバーブラッググレーティングは、光ファイバのコア１６に周期的な屈折率変化が形成されている素子であり、屈折率が変化している部分は反射グレーティング(回折格子)１７として働き、反射グレーティング１７の周期が作るブラッグ反射条件を満たす波長の光のみを反射させることができる。

高反射率反射光学素子１５の励起光入力側端面には、稠密充填状に束ねられ、その外径がレーザ発振用光ファイバ１０の内部クラッド１２の直径と同等になるように引き延ばされた励起光入力用光ファイバ２３の出力側端部２４が結合されている。複数の励起光入力用光ファイバ２３から出力される励起光は、高反射率反射光学素子１５を透過して、レーザ発振用光ファイバ１０の内部クラッド１２及びコア１１に入射する。この励起光に対しては、内部クラッド１２及びコア１１がコアとして機能し、外部クラッド１３がクラッドとして機能する。すなわち、励起光は、コア１１が存在しないものとして、内部クラッド１２と外部クラッド１３の界面で反射されながら、内部クラッド１２の内部を進行する。励起光がコア１１を横切ると、コア１１中の希土類イオンが励起され、励起光とは波長の異なる光が誘導放出される。コア１１内で誘導放出された光に対しては、内部クラッド１２がクラッドとして機能し、誘導放出された光はコア１１と内部クラッド１２の界面で反射されながら、コア１１の内部を進行する。

前述のように、発振用光ファイバ１０の外径は３００〜４００μｍ程度である。それに対して、発振されたレーザ光が出力されるコア１１の直径は１０μｍ程度である。そこで、発振用光ファイバ１０の出力側端面に、外径が１０〜２０μｍ程度のレーザ光伝送用光ファイバ１９を結合し、レーザ光伝送用光ファイバ１９の出力側端部３０をコリメートレンズ３１の焦点面に一次元に配列している。レーザ光伝送用光ファイバ１９の出力側端面には、例えば石英などで形成されたコアレスのエンドキャップ１８が結合され、エンドキャップ１８の出力側端部３０には、反射防止コーティング(Anti-Reflection Coating)が施されている。発振用光ファイバ１０の長さは、入力された励起光が全て吸収され、波長の異なるレーザ光の誘導放出に費やされる長さであることが好ましい。また、発振用光ファイバ１０のループ部分の曲率を徐々に大きくして、レーザ光の誘導放出に費やされない励起光を発振用光ファイバ１０の外部に放出させるようにしてもよい。

コア１１内で誘導放出された光は、エンドキャップ１８の出力側端面１８ａから出力され、コリメートレンズ３１によりコリメートされて、屈折光学部材３２を介して、反射型回折格子３３に入射される。反射型回折格子３３により反射・回折され、例えばハーフミラーなどの低反射率反射光学素子３４に垂直に入射した光のうち、一部は垂直に反射され、反射型回折格子３３により反射・回折され、屈折光学部材３２及びコリメートレンズ３１により集光されて、エンドキャップ１８の出力側端面１８ａに入射する。そして、レーザ光伝送用光ファイバ１９及びレーザ発振用光ファイバ１０の内部を逆向きに進行し、高反射率反射光学素子１５の反射グレーティング１７により再度反射される。このように、コア１１内で誘導放出された光が、低反射率反射光学素子３４と高反射率反射光学素子１５の間で繰り返し反射されている間に、振幅が増幅され、レーザ光としてのパワーが高められる。

一例として、励起光の波長を９７０ｎｍとし、希土類元素（レーザ活性物質）をＹｂ（イッテルビウム）とすると、レーザ発振用光ファイバ１０のコア１１からは、波長１０８０ｎｍ±５〜１０ｎｍのレーザ光が誘導放出される。すなわち、レーザ発振用光ファイバ１０から出力されるレーザ光には複数の波長の光が含まれている。ところが、反射型回折格子３３による回折角は、波長依存性を有しているため、エンドキャップ１８の出力側端面１８ａと反射型回折格子３３の相対的な位置関係で決定される特定の波長以外の光は、低反射率反射光学素子３４に垂直に入射しない。仮に、低反射率反射光学素子３４により反射されたとしても、入射時の光路とは異なる光路を辿るため、エンドキャップ１８の出力側端面１８ａに入射せず、迷光となってやがて消滅する。このように、複数のレーザ発振用光ファイバ１０では、それぞれ低反射率反射光学素子３４に垂直に入射し、垂直に反射される特定の波長の光のみが増幅される。そして、複数のレーザ発振用光ファイバ１０にそれぞれ接続されたレーザ光伝送用光ファイバ１９の出力側端部３０（又はエンドキャップ１８の出力側端面１８ａ）と反射型回折格子３３の相対的な位置関係が少しずつ異なるので、各レーザ発振用光ファイバ１０内で増幅され出力されるレーザ光の波長も少しずつ異なる。また、各レーザ発振用光ファイバ１０から出力されるレーザ光は、それぞれインコヒーレントである。これらレーザ発振用光ファイバ１０から出力されるレーザ光は、それぞれ低反射率反射光学素子３４に垂直に入射するので、低反射率反射光学素子３４によって反射されずにそのまま透過した光は、集光レンズ３５によってその焦点位置に集光される。集光レンズ３５によってその焦点位置では、複数の発振用光ファイバ１０から出力される波長の異なる複数のレーザ光が結合されるので、レーザ切断やレーザ溶接などに使用される高出力のレーザ光が得られる。

上記のように、スペクトルビーム結合ファイバレーザ装置１では、各レーザ発振用光ファイバ１０の出力側端面は、レーザ光伝送用光ファイバ１９に結合されて、レーザ光伝送用光ファイバ１９の出力側端部３０又はエンドキャップ１８の出力側端面１８ａ（レーザ光の出力端面）が一次元的に配列されているので、屈折光学部材３２として、レーザ光の出力端面の一次元的配列方向に垂直な方向を稜線とするシリンドリカルレンズを用いることができる。また、屈折光学部材３２としては、光学部材の分光作用を逆利用して、波長の異なる光の屈折角を変化させることができればよく、プリズムなどを用いてもよい。屈折光学部材３２の調節は、それぞれＸ方向及びＹ方向の位置とＺ軸の回転の３自由度を調節すればよく、従来のものに比べて、光学系の調節が容易になる。

また、このスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置１では、個々の発振用光ファイバ１０から出力される波長は、レーザ光伝送用光ファイバ１９の出力側端部３０又はエンドキャップ１８の出力側端面１８ａ（レーザ光の出力端面）と反射型回折格子３３の相対的な位置関係によって決定され、組立前の部品段階では各レーザ発振用光ファイバ１０から出力される光の波長は不明である。そのため、一般的なファイバレーザ装置とは逆に、高反射率反射光学素子１５としては、比較的ラフなファイバーブラッググレーティングを用いることが好ましい。上記数値例の場合、例えば反射波長が１０８０ｎｍ±２０ｎｍ程度のファイバーブラッググレーティングを用いることができる。結果的に、部品の歩留まりが向上し、コストダウンに寄与することができる。

また、レーザ光伝送用光ファイバ１９の出力側端部３０の配列は、等間隔である必要はなく、所望するレーザ光の波長に合わせて不等間隔であってもよい。さらに、図５に示すように、レーザ光伝送用光ファイバ１９を省略して、発振用光ファイバ１０の出力側端面に直接エンドキャップ１８を結合し、発振用光ファイバ１０の出力側端部を一次元的に配列させてもよい。

本発明の一実施形態に係るスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置の他の構成例を図６に示す。図６に示す構成例では、複数のレーザ発振用光ファイバ１０に対応する複数のコリメートレンズ３１を、それぞれその光軸が上記固有の入射角と一致するように配置し、複数のレーザ発振用光ファイバ１０からそれぞれ出力されたレーザ光の出力端面、を複数のコリメートレンズの焦点に位置させている。それによって、屈折光学部材３２の省略を可能にしている。より具体的には、コリメートレンズ３１をそれぞれ球面レンズとし、レンズアレイの入射面を湾曲させ、さらに、レーザ光伝送用光ファイバ１９の出力側端部３０又はエンドキャップ１８の光軸をレーザ発振用光ファイバ１０に対応する固有の入射角に一致するように、略扇型に配置している。反射型回折格子３３には、コリメートレンズ３１によって平行光束化されたレーザ光が、その波長に応じた固有の入射角で入射される。

本発明の一実施形態に係るスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置のさらに他の構成例を図７に示す。図７に示す構成例では、複数のコリメートレンズ（レンズアレイ）３１及び屈折光学部材３２に替えて、単一のテレセントリック型のｆθレンズ３８を用いている。また、複数のレーザ発振用光ファイバ１０からそれぞれ出力されるレーザ光の出力端面は、それぞれｆθレンズ３８の像面に位置している。一般的に、テレセントリック型のｆθレンズは、レーザ光を走査させるときに使用され、出射光が像面に対してほぼ垂直に出射される。この性質を利用して、複数のレーザ発振用光ファイバ１０からそれぞれ出力される波長の異なるレーザ光をそれぞれｆθレンズ３８にほぼ垂直に入射させることにより、波長の異なるレーザ光を同じ場所に集光させることができる。

本発明の一実施形態に係るスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置のさらに他の構成例を図８に示す。図８に示す構成例では、シリンドリカルレンズを単一のコリメートレンズ３１とし、レンズの球面収差や色収差などを考慮し、複数のレーザ発振用光ファイバ１０からそれぞれ出力されるレーザ光の出力端面を変化させている。それによって、複数のレーザ発振用光ファイバ１０からそれぞれ出力されるレーザ光は、収差を有する単一のコリメートレンズ３１によっても平行光束化される。

以上説明したように、このスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置１によれば、少なくとも、複数の高反射率反射光学素子１５と、複数のレーザ発振用光ファイバ１０と、入射角設定手段（コリメートレンズ３１及び屈折光学部材３２、光軸が上記固有の入射角と一致するように配置されたコリメートレンズ３１、ｆθレンズ３８、又は収差を有する単一のコリメートレンズ３１）と、１つの反射型回折格子３３と、１つの低反射率反射光学素子３４でレーザ共振器を構成しているので、このレーザ共振機から出力されるレーザ光が１つの集光レンズ３５によって集光され、集光されたレーザ光が直接プロセスファイバ３６に入力される。そのため、スペクトルビーム結合ファイバレーザ装置１の光学系においてレーザ光のスポット径は絞られておらず、ビーム品質の劣化は生じていない。

また、仮に、外径が１０〜２０μｍ程度のレーザ光伝送用光ファイバ１９を３０本、数十μｍ間隔で一次元的に配列したとしても、その幅はせいぜい数ｍｍ程度である。そのため、コリメートレンズ（レンズアレイ）３１、反射型回折格子３３、低反射率反射光学素子３４及び集光レンズ３５などの光学部品も小型化することができる。また、前述のように、レーザ光の出力端面が同一平面上で直線的にまたは湾曲して配列されているだけであるので、各光学部品の調節もそれぞれＸ方向及びＹ方向の位置とＺ軸の回転の３自由度を調節すればよく、従来のものに比べて、光学系の調節がきわめて容易になる。

さらに、上記のように光学部品の小型化が可能であるため、要求されるレーザ光のパワーが小さい場合、励起光源２０から出力される励起光のパワーを低減させることができる。例えば、要求されるレーザ光のパワーを１ｋＷとし、励起光源２０の数を３０とすると、１つの励起光源２０から出力される励起光のパワーは３５Ｗでよい。そのため、個々の励起光源２０に供給すべき電力が小さくなり、半導体レーザバー２１からの発熱量も少なくなり、冷却媒体の循環を不要とすることができる可能性がある。還元すれば、要求されるレーザ光のパワーと励起光源２０の数を適宜選択することにより、励起光源２０の構成を簡単にすることができ、励起光源２０で発生するエネルギーロスを少なくすることができる。

１ スペクトルビーム結合ファイバレーザ装置
１０ レーザ発振用光ファイバ（ドープトファイバ）
１１ コア
１２ 内部クラッド（第１クラッド）
１３ 外部クラッド（第２クラッド）
１５ 高反射率反射光学素子（ファイバーブラッググレーティング）
１７ 反射グレーティング
１８ エンドキャップ
１８ａ エンドキャップの出力側端面（レーザ光の出力端面）
１９ レーザ光伝送用光ファイバ
２０ 励起光源
２１ 半導体レーザバー
２３ 励起光入力用光ファイバ
３０ 励起光入力用光ファイバの出力側端部
３１ コリメートレンズ
３２ 屈折光学部材
３３ 反射型回折格子
３４ 低反射率反射光学素子（ハーフミラー）
３５ 集光レンズ
３６ プロセスファイバ
３７ 光ファイバ保持台
３８ テレセントリック型のｆθレンズ

Claims (11)

1. レーザ活性物質がドープされた複数のレーザ発振用光ファイバと、
   前記複数のレーザ発振用光ファイバの励起光入力側端にそれぞれ結合された複数の高反射率反射光学素子と、
   前記レーザ発振用光ファイバにそれぞれ励起光を入力するための複数の励起光源と、
   前記複数のレーザ発振用光ファイバの前記高反射率反射光学素子とは反対側に位置し、前記複数のレーザ発振用光ファイバにより誘導放出され、前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光を回折させる単一の反射型回折格子と、
   前記複数のレーザ発振用光ファイバの前記出力端面からそれぞれ出力されるレーザ光をそれぞれそのレーザ光の波長に応じた固有の入射角で前記反射型回折格子に入射させる入射角設定手段と、
   前記反射型回折格子により回折された光が入射する１つの低反射率反射光学素子と、
   前記低反射率反射光学素子を透過した光を集光する１つの集光レンズを備え、
   少なくとも前記複数の高反射率反射光学素子と、前記複数のレーザ発振用光ファイバと、前記入射角設定手段と、前記反射型回折格子と、前記低反射率反射光学素子でレーザ共振器を構成し、
   前記複数のレーザ発振用光ファイバでは、それぞれ前記低反射率反射光学素子に入射し反射される特定の波長の光のみが増幅され、それによって、前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力される波長の異なる複数の光が結合されて、前記集光レンズから出力される
   ことを特徴とするスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。
2. 前記入射角設定手段は、前記複数のレーザ発振用光ファイバのそれぞれに対して１つずつ設けられ、一次元的に配列された複数のコリメートレンズと、前記複数のコリメートレンズにより平行光束化されたレーザ光を、その波長に応じた屈折率で屈折させる屈折光学部材で構成され、
   前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されたレーザ光の出力端面が、それぞれ前記複数のコリメートレンズの焦点に位置している
   ことを特徴とする請求項１に記載のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。
3. 前記入射角設定手段は、前記複数のレーザ発振用光ファイバのそれぞれに対して１つずつ設けられ、その光軸が前記固有の入射角と一致するように配置された複数のコリメートレンズで構成され、
   前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されたレーザ光の出力端面が、それぞれ前記複数のコリメートレンズの焦点に位置している
   ことを特徴とする請求項１に記載のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。
4. 前記入射角設定手段は、単一のテレセントリック型のｆθレンズであり、
   前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されたレーザ光の出力端面が、それぞれ前記ｆθレンズの像面に位置している
   ことを特徴とする請求項１に記載のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。
5. 前記入射角設定手段は、単一のコリメートレンズであり、
   前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されるレーザ光が前記単一のコリメートレンズによって平行光束化されるように、前記複数のレーザ発振用光ファイバからそれぞれ出力されたレーザ光の出力端面が、それぞれ前記コリメートレンズの収差を補正した位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。
6. 前記複数のレーザ発振用光ファイバの出力端面に、それぞれ誘導放出されたレーザ光を伝送させるためのレーザ光伝送用光ファイバが結合され、さらに前記レーザ光伝送用光ファイバの出力側端面にコアを有さないエンドキャップが結合され、前記エンドキャップの前記出力側端面が、前記レーザ光の出力端面となることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。
7. 前記複数のレーザ発振用光ファイバの出力端面にコアを有さないエンドキャップが結合され、前記エンドキャップの前記出力側端面が、前記レーザ光の出力端面となることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。
8. 前記複数のレーザ発振用光ファイバを配列保持するための配列手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。
9. 前記配列手段は、複数のＶ溝を有する保持台であることを特徴とする請求項８に記載のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。
10. 前記高反射率反射光学素子は、前記レーザ発振用光ファイバの前記励起光源側端面に結合された反射グレーティングであることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。
11. 前記複数の励起光源は、それぞれ一次元的に配置された複数の発光部を有する半導体レーザバーと、前記複数の発光部に結合された複数の励起光伝送用光ファイバとで構成され、前記複数の励起光入力用光ファイバの出力側端面近傍が稠密充填的に束ねられ、且つ、前記励起光入力用光ファイバの外径が前記レーザ発振用光ファイバの内部クラッドの直径と同等になるように絞られていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載のスペクトルビーム結合ファイバレーザ装置。