JP2016181604A - 波長多重ファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光源の発振波長にかかわらず、接続ロスを低減し、高出力化を実現することができる波長多重ファイバレーザ装置を得る。【解決手段】複数のファイバレーザ装置からの互いに異なる波長を有する出力を、多重化して出力する波長多重ファイバレーザ装置であって、複数のファイバレーザ装置の各々は、ファイバレーザ装置毎に異なる波長の光を発振するレーザ光源と、レーザ光源からの光を増幅する増幅用ファイバと、ファイバレーザ装置の両端部に設けられ、ファブリペロー型共振器を構成する高反射率ミラーおよび低反射率ミラーと、を備え、複数のファイバレーザ装置の増幅用ファイバと低反射用ミラーとの間に跨がって設けられ、複数波長の光を１つの光に合波する波長合波器をさらに備えたものである。【選択図】図１

Description

この発明は、複数のファイバレーザ装置からの互いに異なる波長を有する出力を、多重化して出力する波長多重ファイバレーザ装置に関する。

ファイバレーザは、例えば加工分野等で利用されていることから、高出力化が求められている。なお、高出力化を実現する方法として、ファイバレーザ単体の高出力化が挙げられるが、レーザ単体の高出力化は、非線形現象等により限界がある。そこで、複数のファイバレーザの出力を１本のファイバに多重化することが検討されている。

ここで、複数のファイバレーザの出力を１本のファイバに多重化する方法として、空間放出による結合（例えば、特許文献１参照）や、リング型共振器による結合（例えば、特許文献２参照）が提案されているが、これらは、高精度なアライメントが必要であったり、装置が大型化したりするという問題がある。

そこで、波長ごとに異なる入力部から入力された複数波長の光を１つの合波光に波長合波する波長合波部と、波長合波部からの合波光に含まれる波長のうちの少なくとも１波長でラマン光を発生し、波長合波部からの合波光を、当該ラマン光の波長帯域に含まれる単一波長の光に変換する合波光変換部とを備えた光合波器を、出力波長の異なる複数のレーザ光源と組み合わせたファイバレーザが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特許文献３に記載されたファイバレーザでは、光をファイバ内に閉じ込めるため、アライメントの必要がなく、また、装置の構成も簡素化することができるので、特許文献１および特許文献２における問題点を解決することができる。

特開２００４−２５８６２４号公報 特開２００１−５７４５３号公報 国際公開第２０１０／０８４７９６号

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
すなわち、特許文献３に記載されたファイバレーザでは、各レーザ光源から入力部に入力される光の発振波長と、波長合波部の透過波長とを完全に一致させないと、波長合波部での接続ロスが増大し、高出力なファイバレーザを構成することができないという問題がある。

また、ファイバレーザの運用中において、気温変動や振動等の外的環境要因により、各レーザ光源から入力部に入力される光の発振波長が変動すると、波長合波部での接続ロスが増大するため、発振波長を再調整する必要が生じるという問題もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、レーザ光源の発振波長にかかわらず、接続ロスを低減し、高出力化を実現することができる波長多重ファイバレーザ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る波長多重ファイバレーザ装置は、複数のファイバレーザ装置からの互いに異なる波長を有する出力を、多重化して出力する波長多重ファイバレーザ装置であって、複数のファイバレーザ装置の各々は、ファイバレーザ装置毎に異なる波長の光を発振するレーザ光源と、レーザ光源からの光を増幅する増幅用ファイバと、ファイバレーザ装置の両端部に設けられ、ファブリペロー型共振器を構成する高反射率ミラーおよび低反射率ミラーと、を備え、複数のファイバレーザ装置の増幅用ファイバと低反射用ミラーとの間に跨がって設けられ、複数波長の光を１つの光に合波する波長合波器をさらに備えたものである。

この発明に係る波長多重ファイバレーザ装置によれば、複数のファイバレーザ装置の各々は、ファイバレーザ装置毎に異なる波長の光を発振するレーザ光源と、レーザ光源からの光を増幅する増幅用ファイバと、ファイバレーザ装置の両端部に設けられ、ファブリペロー型共振器を構成する高反射率ミラーおよび低反射率ミラーと、を備え、複数のファイバレーザ装置の増幅用ファイバと低反射用ミラーとの間に跨がって、複数波長の光を１つの光に合波する波長合波器が設けられている。
そのため、レーザ光源の発振波長にかかわらず、接続ロスを低減し、高出力化を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る波長多重ファイバレーザ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る波長多重ファイバレーザ装置から出力される光スペクトルを示す説明図である。

以下、この発明に係る波長多重ファイバレーザ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。この発明に係る波長多重ファイバレーザ装置は、複数のファイバレーザ装置からの互いに異なる波長を有する出力を、多重化して出力するものである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る波長多重ファイバレーザ装置を示す構成図である。図１において、この波長多重ファイバレーザ装置は、発振波長がλ１である第１ファイバレーザ装置１Ａから発振波長がλｎである第ｎ（ｎは２以上の整数）ファイバレーザ装置１Ｎまでのｎ台のファイバレーザ装置１と、波長合波器２とから構成されている。

続いて、第１ファイバレーザ装置１Ａを例に挙げて、ファイバレーザ装置単体の構成について説明する。第１ファイバレーザ装置１Ａは、レーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）１１、波長合分波器１２、増幅用ファイバ１３、高反射率ミラー１４および低反射率ミラー１５を備えている。

ＬＤ１１は、増幅媒質添加型の増幅用ファイバ１３を励起するための光を発生する。波長合分波器１２は、ＬＤ１１からの励起光と信号光とを合分波する。また、高反射率ミラー１４および低反射率ミラー１５は、第１ファイバレーザ装置１Ａの両端部に設けられ、ファブリペロー型共振器（以下、単に「共振器」とも称する）を構成している。以上がファイバレーザ装置単体の構成であり、波長多重ファイバレーザ装置には、このファイバレーザ装置がｎ台分備え付けられている。

また、複数波長の光を１つの光に合波する波長合波器２は、第１ファイバレーザ装置１Ａから第ｎファイバレーザ装置１Ｎの増幅用ファイバ１３と低反射率ミラー１５との間に跨がって設けられている。なお、この波長多重ファイバレーザ装置におけるファイバレーザ装置１の台数ｎは、波長合波器２の入力ポート数によって決定される。

以下、上記構成の波長多重ファイバレーザ装置の機能について説明する。ＬＤ１１の役割は、増幅用ファイバ１３の添加物イオンをポンピングするための励起光を発生することにある。そのため、ＬＤ１１の発振波長は、増幅用ファイバ１３の添加物イオンによって決定される。

ここで、この実施の形態１では、増幅用ファイバ１３として、エルビウム（Ｅｒ）を添加したエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ：Ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ）を使用することを想定している。そのため、ＬＤ１１の発振波長として、１４８０ｎｍを選択すれば、高効率な増幅を期待することができる。

次に、ＬＤ１１からの励起光は、波長合分波器１２を介して増幅用ファイバ１３に入射される。波長合分波器１２は、励起光と信号光とを合分波する役割を有している。ここで、この実施の形態１では、励起光の波長が１４８０ｎｍであり、信号光の波長は、ＥＤＦを使用していることから、蛍光特性が最も強い１５５０ｎｍ近辺となる。

そこで、波長合分波器１２として、１４８０／１５５０ｎｍの光を合分波できるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）カプラ等を使用することが望ましい。

また、増幅用ファイバ１３として、高効率かつ取扱いが容易なＥＤＦを使用しているが、これに限定されず、イッテルビウム（Ｙｂ）を使用した増幅媒質用ファイバ等を用いてもよい。この場合には、ＬＤ１１や波長合分波器１２の波長を、Ｙｂの波長と一致させる必要がある。また、増幅用ファイバ１３のファイバ長については、励起光の出力パワーと密接な関係があるため、必要な利得から励起光の出力パワーとファイバ長との関係をシミュレーションし、最適なファイバ長を導くことが望ましい。

高反射率ミラー１４および低反射率ミラー１５は、ファブリペロー型共振器を構成する。この２つのミラーにより、信号光を閉じ込めることが可能となる。また、高反射率ミラー１４の反射率として、９９％を選択することにより、信号光をほぼロスなく全反射し、信号光を増幅用ファイバ１３に入射することができる。

また、低反射率ミラー１５の役割は、信号光の取り出し、すなわちレーザ発振であり、例えば、反射率２０％のミラーを選択すると、８０％の信号光が透過することになり、これがレーザ光となる。一方、残りの２０％の信号光は、反射して増幅用ファイバ１３を通過し、高反射率ミラー１４で全反射して、増幅用ファイバ１３に入射されることにより、共振器内に留まる信号光となる。

なお、低反射率ミラー１５の反射率については、反射率が低ければ低いほど取り出せるレーザ光が高出力になるが、共振器内に留まる信号光が小さすぎると、レーザ発振が起きないという問題がある。したがって、反射率の目安は１０〜２０％であるが、共振器内のロスや増幅率を考慮して、スペクトルを確認しながらレーザ発振が起きる最適な反射率を検討する必要がある。

ここで、従来であれば、ファブリペロー型共振器内には、発振波長を選択する、すなわち所望の波長の光のみを除去させ、それ以外の波長の光を反射させる波長選択素子が必要になるが、この発明の実施の形態１に係る波長多重ファイバレーザ装置では、波長選択素子を組み込まずに波長合波器２を使用している。

なお、波長選択素子を使用しない場合には、ＥＤＦの蛍光特性により、１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍ付近で一番発振しやすい波長にて発振するが、波長選択素子に代えて波長合波器２を組み込むことにより、共振器内で波長を決定する役割を担っている素子が波長合波器２のみとなる。

そのため、波長合波器２が波長選択素子の役割も担うことができるので、各ファイバレーザ装置１の発振波長を、自動的に波長合波器２の透過波長と一致させることができる。また、運用中における外的環境要因に対して発振波長が変動しようとしても、共振器内で波長を決定する役割を担っている素子が波長合波器２のみであることから、発振波長が波長合波器２の透過波長以外の波長になることがなく、発振波長の再調整が不要となる。

また、波長多重ファイバレーザ装置を上記の構成とすることにより、部品点数を削減することができる。すなわち、従来であれば、上述したように波長選択素子が必要になるが、波長合波器２が波長選択素子の役割も担うことができるので、波長選択素子を不要とすることができる。これにより、波長多重ファイバレーザ装置を小型化することができる。

さらに、低反射率ミラー１５についても、波長合波器２を共振器内に備え付けることにより、波長合波器２の出力ポートが１ポートのみであることから、低反射率ミラー１５を各ファイバレーザ装置１で共通化することができ、低反射率ミラー１５を１枚に削減することができる。これにより、波長多重ファイバレーザ装置を小型化することができる。ただし、低反射率ミラー１５を各ファイバレーザ装置１で共通化するには、反射された光がｎ分割されるため、低反射率ミラー１５の反射率を高めに設定する必要がある。

続いて、図２を参照しながら、この波長多重ファイバレーザ装置から出力される光スペクトルについて説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る波長多重ファイバレーザ装置から出力される光スペクトルを示す説明図である。

ここで、この発明の実施の形態１に係る波長多重ファイバレーザ装置から出力される光スペクトルとしては、波長合波器２の透過波長に自動的に調整されて発振されるので、光スペクトルは、波長合波器２の透過波長に依存する。

図２の上段は、各ファイバレーザ装置１の光スペクトルを示しており、第１ファイバレーザ装置１Ａは、波長合波器２の透過波長がλ１のポートと接続されているため、発振波長はλ１となる。以下、第２ファイバレーザ装置１Ｂの発振波長はλ２となり、第３ファイバレーザ装置１Ｃの発振波長はλ３となり、第ｎファイバレーザ装置１Ｎの発振波長はλｎとなる。

また、図２の下段は、波長合波器２で合波された後の光スペクトルを示しており、λ１、λ２・・・λｎと各スペクトルが１つのファイバに多重化されている。また、光出力についても、１台のファイバレーザ出力×ｎ台分の高出力を実現することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、複数のファイバレーザ装置の各々は、ファイバレーザ装置毎に異なる波長の光を発振するレーザ光源と、レーザ光源からの光を増幅する増幅用ファイバと、ファイバレーザ装置の両端部に設けられ、ファブリペロー型共振器を構成する高反射率ミラーおよび低反射率ミラーと、を備え、複数のファイバレーザ装置の増幅用ファイバと低反射用ミラーとの間に跨がって、複数波長の光を１つの光に合波する波長合波器が設けられている。
これにより、ファブリペロー型共振器内で波長を決定する役割を担っている素子が波長合波器のみとなり、各ファイバレーザ装置の発振波長が、自動的に波長合波器の透過波長と一致することになる。
そのため、レーザ光源の発振波長にかかわらず、接続ロスを低減し、高出力化を実現することができる。

１、１Ａ〜１Ｎ ファイバレーザ装置、２ 波長合波器、１１ レーザダイオード（ＬＤ）、１２ 波長合分波器、１３ 増幅用ファイバ、１４ 高反射率側ミラー、１５ 低反射率ミラー。

Claims (3)

1. 複数のファイバレーザ装置からの互いに異なる波長を有する出力を、多重化して出力する波長多重ファイバレーザ装置であって、
   前記複数のファイバレーザ装置の各々は、
   ファイバレーザ装置毎に異なる波長の光を発振するレーザ光源と、
   前記レーザ光源からの光を増幅する増幅用ファイバと、
   ファイバレーザ装置の両端部に設けられ、ファブリペロー型共振器を構成する高反射率ミラーおよび低反射率ミラーと、を備え、
   前記複数のファイバレーザ装置の前記増幅用ファイバと前記低反射用ミラーとの間に跨がって設けられ、複数波長の光を１つの光に合波する波長合波器をさらに備えた
   波長多重ファイバレーザ装置。
2. 前記波長合分波器は、前記複数のファイバレーザ装置の各々の発振波長を選択する機能を有する
   請求項１に記載の波長多重ファイバレーザ装置。
3. 前記低反射率ミラーが、前記複数のファイバレーザ装置の各々で共通化されている
   請求項１または請求項２に記載の波長多重ファイバレーザ装置。

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