JP2015170794A - ファイバーレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長６１６ｎｍまたはその近傍のレーザ光を高い強度で選択的に発振することができるファイバーレーザ装置を提供する。【解決手段】蛍光を発する発光物質としてプラセオジムイオンが含有されたコアを有する光ファイバーと、光ファイバーの一端面に配置された入射側ミラーおよび光ファイバーの他端面に配置された出射側ミラーよりなる共振器とを備え、励起光を入射側ミラーを介して光ファイバーの一端面に入射することにより、出射側ミラーからレーザ光を発振するファイバーレーザ装置において、入射側ミラーおよび出射側ミラーは誘電体多層膜よりなり、出射側ミラーは、６１６ｎｍ?３ｎｍの波長域のいずれかの波長において反射率が９５％?１％、６０５ｎｍの波長において反射率が９０％以下または９７％以上で、６３５ｎｍの波長において反射率が９０％以下である分光反射率特性を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバーの両端面に共振器が配置されてなるファイバーレーザ装置に関する。

分光方式の３Ｄシネマプロジェクタにおいては、赤色、緑色および青色の各色の光源として、互いに波長が１５ｎｍ以上異なる２種類の光源が必要とされる。このような３Ｄシネマプロジェクタに用いられる光源としては、色再現性および寿命特性の観点から、レーザ光源を採用することが計画されている。
この３Ｄシネマプロジェクタにおいて、２種類の赤色レーザ光源のうち、一方の赤色レーザ光源としては、高い出力が得られることから、発振波長が６４０ｎｍのレーザダイオードが採用されている。このため、他方の赤色レーザ光源には、波長６２５ｎｍ（６４０ｎｍ−１５ｎｍ）以下または波長６５５ｎｍ（６４０ｎｍ＋１５ｎｍ）以上のレーザ光を発振するものであることが必要とされる。然るに、現在、発振波長が６２５ｎｍの高出力レーザダイオードを得ることが困難である。従って、他方の赤色レーザ光源としては、発振波長が６５５ｎｍのレーザダイオードを用いることが検討されている。
しかしながら、波長６５５ｎｍの光の視感度（０．０８１６）は、例えば波長６１３ｎｍの光の視感度（０．４６５６）に比べて極めて低い。そのため、他方の赤色レーザ光源として、発振波長が６５５ｎｍのレーザダイオードを使用した場合には、十分な明るさを確保するために、大きいエネルギーが必要である、という問題がある。

ところで、レーザダイオード以外のレーザ光源としては、フッ化物ガラス中に希土類元素イオンがドープされたコアを有する光ファイバーを、レーザダイオードによって励起するファイバーレーザ装置が知られている（特許文献１乃至特許文献４参照。）。

図１２は、フッ化アルミニウムを主成分としたフッ化物ガラス中にプラセオジムイオン（Ｐｒ³⁺）がドープされた材料の蛍光スペクトルを示す図である。この図に示すように、プラセオジムイオン（Ｐｒ³⁺）がドープされた材料においては、波長６０５ｎｍおよび波長６３５ｎｍにピークを有する蛍光スペクトルが得られる。従って、光ファイバーにドープされる希土類元素イオンとして、プラセオジムイオンを用いた場合には、発振波長が６０５ｎｍまたは６３５ｎｍのファイバーレーザ装置を得ることが可能である。

しかしながら、３Ｄシネマプロジェクタにおける他方の赤色レーザ光源としては、発振波長が６２５ｎｍであることが必要であるため、発振波長が６３５ｎｍのファイバーレーザ装置を使用することはできない。
また、ＤＣＩ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｉｎｅｍａ Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅｓ）規格においては、赤色光の色再現限界値が６１３ｎｍである。このため、３Ｄシネマプロジェクタにおける他方の赤色レーザ光源として、発振波長が６０５ｎｍのファイバーレーザ装置を使用することはできない。
このように、３Ｄシネマプロジェクタにおける他方の赤色レーザ光源として使用可能な波長６１３〜６２５ｎｍのレーザ光を発振するファイバーレーザ装置は製品化されておらず、その製品開発が望まれている。

特開平１１−０１７２６６号公報 特開平１１−２０４８６２号公報 特開２０１０−０８０９２７号公報 特開平０４−１２７５９１号公報

本発明の目的は、波長６１６ｎｍまたはその近傍のレーザ光を高い強度で選択的に発振することができるファイバーレーザ装置を提供することにある。

本発明のファイバーレーザ装置は、蛍光を発する発光物質としてプラセオジムイオンが含有されたコアを有する光ファイバーと、この光ファイバーの一端面に配置された入射側ミラーおよび当該光ファイバーの他端面に配置された出射側ミラーよりなる共振器とを備えてなり、励起光を前記入射側ミラーを介して前記光ファイバーの一端面に入射することにより、前記出射側ミラーからレーザ光を発振するファイバーレーザ装置において、
前記入射側ミラーおよび前記出射側ミラーの各々は、誘電体多層膜によって構成されており、
前記出射側ミラーは、６１６ｎｍ±３ｎｍの波長域のいずれかの波長において反射率が９５％±１％で、６０５ｎｍの波長において反射率が９０％以下または９７％以上であり、かつ、６３５ｎｍの波長において反射率が９０％以下である分光反射率特性を有することを特徴とする。

本発明のファイバーレーザ装置によれば、共振器を構成する出射側ミラーが、特定の分光反射率特性を有するため、波長６１６ｎｍまたはその近傍のレーザ光を高い強度で選択的に発振することができる。

本発明のファイバーレーザ装置の一例における構成を示す説明用断面図である。 入射側ミラーの一例における分光反射率曲線図である。 出射側ミラーの一例における分光反射率曲線図である。 図３に示す分光反射率曲線の部分拡大図である。 出射側ミラーの他の例における分光反射率曲線図である。 図５に示す分光反射率曲線の部分拡大図である。 比較例１における出射側ミラーの分光反射率曲線図である。 図７に示す分光反射率曲線の部分拡大図である。 実施例１に係るファイバーレーザ装置から発振されるレーザ光の分光スペクトルを示す図である。 実施例２に係るファイバーレーザ装置から発振されるレーザ光の分光スペクトルを示す図である。 比較例１に係るファイバーレーザ装置から発振されるレーザ光の分光スペクトルを示す図である。 フッ化アルミニウムを主成分としたフッ化物ガラス中にプラセオジムイオン（Ｐｒ³⁺）がドープされた材料の蛍光スペクトルを示す図である。

以下、本発明のファイバーレーザ装置の実施の形態について説明する。
［ファイバーレーザ装置の構成］
図１は、本発明のファイバーレーザ装置の一例における構成を示す説明用断面図である。このファイバーレーザ装置は、励起光を受けて蛍光を発する光ファイバー１０と、光ファイバー１０内に発生した蛍光を共振する共振器２０と、光ファイバー１０に入射される励起光を出射する励起用レーザ素子３０と、光ファイバー１０および励起用レーザ素子３０を結合するための結合用レンズユニット３５とを備えてなる。

［光ファイバー］
光ファイバー１０は、レーザ媒質となる断面円形の線状のコア１５と、このコア１５の外周面を覆うよう一体的に設けられた円筒状のクラッド１６とにより構成されている。この光ファイバー１０は、例えばジルコニアよりなる円筒状のファイバーチューブ１７内に挿入されている。光ファイバー１０におけるクラッド１６とファイバーチューブ１７とは、例えば耐熱性接着剤によって接着されている。
また、光ファイバー１０の両端面は、発振波長（例えば６１６ｎｍ）の波長λに対して、１／５λの精度で鏡面仕上げが施されている。これにより、光ファイバー１０の一端面（図において左端面）は、励起光が入射される入射側端面１１とされ、光ファイバー１０の他端面が、レーザ光が出射される出射側端面１２とされている。

光ファイバー１０におけるコア１５を構成する材料としては、母材中に、励起光を受けて蛍光を発する発光物質としてプラセオジムイオン（Ｐｒ³⁺）が含有されてなるものが用いられる。
コア１５の母材としては、ＡｌＦ₃ −ＢａＦ₂ −ＳｒＦ２ −ＣａＦ₂ −ＭｇＦ₂ −ＹＦ₃ 等のフッ化アルミニウムを主成分としたフッ化物ガラス、ＺＢＬＡＮＰ（ＺｒＦ₄ −ＢａＦ₂ −ＬａＦ₃ −ＡｌＦ₃ −ＮａＦ−ＰｂＦ₂ ）等のＺｒ系フッ化物ガラスなどを用いることができる。
コア１５中におけるプラセオジムイオンの割合は、例えば５００〜６０００ｐｐｍである。

光ファイバー１０におけるクラッド１６を構成する材料としては、Ａｌ系フッ化物ガラス、Ｚｒ系フッ化物ガラスなどを用いることができる。

光ファイバー１０の全長は、例えば３０〜１００ｍｍである。
また、光ファイバー１０におけるコア１５の外径は、例えば７〜４０μｍである。

［共振器］
共振器２０は、光ファイバー１０の入射側端面１１に配置された入射側ミラー２１と、光ファイバー１０の出射側端面１２に配置された出射側ミラー２２とにより構成されている。

共振器２０における入射側ミラー２１および出射側ミラー２２の各々は、例えばＳｉＯ₂ よりなる低屈折率層と例えばＴａ₂ Ｏ₅ よりなる高屈折率層とが交互に積層されてなる誘電体多層膜により構成されている。入射側ミラー２１および出射側ミラー２２を構成する誘電体多層膜の厚みは、２〜５μｍであることが好ましい。この厚みが過小である場合には、所望の分光反射率特性を実現することが困難である。一方、この厚みが過大である場合には、ファイバー軸に対して角度を持った光が入射側ミラー２１または出射側ミラー２２で反射される際に、コア１５中に戻らない光（損失）が増加し、レーザの効率が悪くなる。
入射側ミラー２１を構成する誘電体多層膜における低屈折率層および高屈折率層の層数は、それぞれ１０〜２５層（合計で２０〜５０層）である。
また、出射側ミラー２２を構成する誘電体多層膜における低屈折率層および高屈折率層の層数は、それぞれ１０〜２５層（合計で２０〜５０層）である。

入射側ミラー２１としては、励起用レーザ素子３０からの励起光の透過率が大きく、発振されるレーザ光の波長域の光の反射率が大きいものが用いられる。
出射側ミラー２２としては、６１６ｎｍ±３ｎｍの波長域のいずれかの波長において反射率が９５％±１％である分光反射率特性を有するものが用いられる。出射側ミラー２２における６１６ｎｍ±３ｎｍの波長域の光の反射率が過小である場合には、コア１５の内部での蓄積エネルギーが十分でないため、励起光の入射エネルギーの閾値（レーザ発振の閾値）が大きくなり、効率が悪くなる。一方、出射側ミラー２２における６１６ｎｍ±３ｎｍの波長域の光の反射率が過大である場合には、コア１５内でのわずかな吸収や拡散等により取り出し出力が減少する。実験的には、９５％が最適であることが判明している。

また、共振器２０は、下記の条件（１）および条件（２）の少なくとも一つを満足するものである。
条件（１）：
出射側ミラー２２が、６０５ｎｍの波長において反射率が９０％以下であり、かつ、６３５ｎｍの波長において反射率が９０％以下である分光反射率特性を有する。
条件（２）：
出射側ミラー２２が、６０５ｎｍの波長において反射率が９７％以上であり、かつ、６３５ｎｍの波長において反射率が９０％以下である分光反射率特性を有する。

上記の条件（１）を満足することにより、光ファイバー１０のコア１５中において、波長６０５ｎｍまたはその近傍の光が、その増幅が不十分で反転分布状態にならないため、レーザ発振することを防止することができる。
同様に、上記の条件（１）および条件（２）のいずれかを満足することにより、光ファイバー１０のコア１５中において、波長６３５ｎｍまたはその近傍の光が、レーザ発振することを防止することができる。
また、上記の条件（２）を満足することにより、波長６０５ｎｍまたはその近傍の光は、吸収損失が大きくなるため、レーザ発振した光を出射側ミラー２２から放射することを防止することができる。
上記の条件（１）および条件（２）のいずれも満足しない場合には、波長６０５ｎｍ若しくはその近傍のレーザ光、または６３５ｎｍ若しくはその近傍のレーザ光が発振されるおそれがある。

尚、入射側ミラー２１または出射側ミラー２２に半値幅１０ｎｍ程度の狭帯域ミラーを使用して発振波長を制限することも可能であるが、誘電体多層膜の層数が８０層（８μｍ）以上必要であり、このようなミラーを用いた場合には、前述したようにレーザの効率が極端に悪くなってしまう。

入射側ミラー２１の一例を挙げると、２３層のＳｉＯ₂ よりなる低屈折率層と２３層のＴａ₂ Ｏ₅ よりなる高屈折率層とが交互に積層された誘電体多層膜によって構成され、低屈折率層の厚みの合計が１．６μｍ、高屈折率層の厚みの合計が２．３μｍである。この例の入射側ミラー２１の分光反射率曲線図を図２に示す。この入射側ミラー２１は、波長５６０〜６２０ｎｍの波長域の光の反射率が９９％以上で、波長４３０〜４８０ｎｍの光の透過率が９５％以上である。

出射側ミラー２２の一例を挙げると、１４層のＳｉＯ₂ よりなる低屈折率層と１４層のＴａ₂ Ｏ₅ よりなる高屈折率層とが交互に積層された誘電体多層膜によって構成され、低屈折率層の厚みの合計が１．８μｍ、高屈折率層の厚みの合計が１．１μｍである。この例の出射側ミラー２２の分光反射率曲線図を図３に示し、この図３に示す分光反射率曲線の部分拡大図を図４に示す。この出射側ミラー２２は、上記の条件（１）を満足するものであり、波長６１６ｎｍの光の反射率が９５％、波長６０５ｎｍの光の反射率が８６％、波長６３５ｎｍの光の反射率が９０％である。

出射側ミラー２２の他の例を挙げると、２１層のＳｉＯ₂ よりなる低屈折率層と２１層のＴａ₂ Ｏ₅ よりなる高屈折率層とが交互に積層された誘電体多層膜によって構成され、低屈折率層の厚みの合計が２．１μｍ、高屈折率層の厚みの合計が１．５μｍである。この例の出射側ミラー２２の分光反射率曲線図を図５に示し、この図５に示す分光反射率曲線の部分拡大図を図６に示す。この出射側ミラー２２は、上記の条件（２）を満足するものであり、波長６１９ｎｍの光の反射率が９５．８％、波長６０５ｎｍの光の反射率が９８．８％、波長６３５ｎｍの光の反射率が８１％である。

［励起用レーザ素子および結合用レンズユニット］
励起用レーザ素子３０は、結合用レンズユニット３５を介して、共振器２０における入射側ミラー２１に対向するよう配置されている。
励起用レーザ素子３０としては、光ファイバー１０のコア１５中のプラセオジムイオンを励起し得る波長の光、例えば４３０〜４８０ｎｍの波長域の青色光を出射するものが用いられる。このような励起用レーザ素子３０の具体例としては、ＧａＮ系レーザダイオードなどが挙げられる。
結合用レンズユニット３５は、２つのレンズ３６，３７が励起用レーザ素子３０から出射される励起光の光路に沿って並ぶよう配置されて構成されている。

本発明のファイバーレーザ装置によれば、共振器２０を構成する出射側ミラー２２が、特定の分光反射率特性を有するため、波長６１６ｎｍまたはその近傍のレーザ光を高い強度で選択的に発振することができる。

〈実施例１〉
図１に示す構成に従い、下記の仕様のファイバーレーザ装置を作製した。このファイバーレーザ装置を作動させ、発振されるレーザ光の分光スペクトルを分解能が約１ｎｍの分光器で測定した。結果を図９に示す。

［光ファイバー］
光ファイバーの全長：４０ｍｍ
コアの材質：フッ化アルミニウムを主成分としたフッ化物ガラス中に３０００ｐｐｍのプラセオジムイオンがドープされてなるもの
コアの外径：１５μｍ
［共振器］
入射側ミラーの構成：ＳｉＯ₂ （波長５００ｎｍの光による屈折率＝１．４６）よりなる低屈折率層（層数＝２３、合計の厚み＝１．６μｍ）とＴａ₂ Ｏ₅ （波長５００ｎｍの光による屈折率＝２．０３）よりなる高屈折率層（層数＝２３、合計の厚み＝２．３μｍ）とが交互に積層されてなる誘電体多層膜（全体の厚み＝３．９μｍ）によって構成した。
入射側ミラーの分光反射率特性：図２に示す通り（波長４３０〜４８０ｎｍの光の透過率＞９５％、波長５６０〜６２０ｎｍの光の反射率＞９９％）。
出射側ミラーの構成：ＳｉＯ₂ （波長５００ｎｍの光による屈折率＝１．４６）よりなる低屈折率層（層数＝１４、合計の厚み＝１．８μｍ）とＴａ₂ Ｏ₅ （波長５００ｎｍの光による屈折率＝２．０３）よりなる高屈折率層（層数＝１４、合計の厚み＝１．１μｍ）とが交互に積層されてなる誘電体多層膜（全体の厚み＝２．９μｍ）によって構成した。
出射側ミラーの分光反射率特性：図３に示す通り（波長６１６ｎｍの光の反射率＝９５％、波長６０５ｎｍの光の反射率＝８６％、波長６３５ｎｍの光の反射率＝９０％）。
［励起用レーザ素子］
ＧａＮ系レーザダイオード（励起光のピーク波長＝４４５ｎｍ）を使用した。

〈実施例２〉
出射側ミラーを下記の仕様のものに変更したこと以外は、実施例１と同様の構成のファイバーレーザ装置を作製した。このファイバーレーザ装置を作動させ、発振されるレーザ光の分光スペクトルを測定した。結果を図１０に示す。

出射側ミラーの構成：ＳｉＯ₂ よりなる低屈折率層（層数＝２１、合計の厚み＝２．１μｍ）とＴａ₂ Ｏ₅ よりなる高屈折率層（層数＝２１、合計の厚み＝１．５μｍ）とが交互に積層されてなる誘電体多層膜（全体の厚み＝３．６μｍ）によって構成した。
出射側ミラーの分光反射率特性：図５に示す通り（波長６１９ｎｍの光の反射率＝９５．８％、波長６０５ｎｍの光の反射率＝９８．８％、波長６３５ｎｍの光の反射率＝８１％）。

〈比較例１〉
出射側ミラーを下記の仕様のものに変更したこと以外は、実施例１と同様の構成のファイバーレーザ装置を作製した。このファイバーレーザ装置を作動させ、発振されるレーザ光の分光スペクトルを測定した。結果を図１１に示す。
出射側ミラーの構成：ＳｉＯ₂ よりなる低屈折率層（層数＝１０、合計の厚み＝１．５μｍ）とＴａ₂ Ｏ₅ よりなる高屈折率層（層数＝９、合計の厚み＝０．５μｍ）とが交互に積層されてなる誘電体多層膜（全体の厚み＝２．０μｍ）によって構成した。
出射側ミラーの分光反射率特性：図７および図８に示す通り（波長６１６ｎｍの光の反射率が９５％、波長６０５ｎｍの光の反射率が９５．３％、波長６３５ｎｍの光の反射率が９２％）。

図９および図１０に示す結果から、実施例１および実施例２に係るファイバーレーザ装置によれば、波長６１６ｎｍまたはその近傍のレーザ光を高い強度で選択的に発振することができることが確認された。

１０ 光ファイバー
１１ 入射側端面
１２ 出射側端面
１５ コア
１６ クラッド
１７ ファイバーチューブ
２０ 共振器
２１ 入射側ミラー
２２ 出射側ミラー
３０ 励起用レーザ素子
３５ 結合用レンズユニット
３６，３７ レンズ

Claims (1)

1. 蛍光を発する発光物質としてプラセオジムイオンが含有されたコアを有する光ファイバーと、この光ファイバーの一端面に配置された入射側ミラーおよび当該光ファイバーの他端面に配置された出射側ミラーよりなる共振器とを備えてなり、励起光を前記入射側ミラーを介して前記光ファイバーの一端面に入射することにより、前記出射側ミラーからレーザ光を発振するファイバーレーザ装置において、
   前記入射側ミラーおよび前記出射側ミラーの各々は、誘電体多層膜によって構成されており、
   前記出射側ミラーは、６１６ｎｍ±３ｎｍの波長域のいずれかの波長において反射率が９５％±１％で、６０５ｎｍの波長において反射率が９０％以下または９７％以上であり、かつ、６３５ｎｍの波長において反射率が９０％以下である分光反射率特性を有することを特徴とするファイバーレーザ装置。

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