JP2017090538A

JP2017090538A - 光アイソレータ及びレーザ装置

Info

Publication number: JP2017090538A
Application number: JP2015216798A
Authority: JP
Inventors: 行彦高橋; Yukihiko Takahashi
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2017-05-25

Abstract

【課題】光源の破損を低減させ得る光アイソレータを提供する。【解決手段】本発明の一実施形態の光アイソレータ１は、複屈折結晶でなるビームディスプレーサ６と、楔型複屈折結晶でなり、光路上に配置される一対の偏光子のうち順方向の光路の入射側に配置される入射側偏光子２と楔型複屈折結晶でなり、光路上に配置される一対の偏光子のうち順方向の光路の出射側に配置される出射側偏光子３と、入射側偏光子２と出射側偏光子３との間に配置されるファラデー結晶４及び水晶旋光子５と、を備える。ビームディスプレーサ６は、入射側偏光子２よりも順方向の光路の入射側に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、光アイソレータ及びレーザ装置に関し、加工対象物に対してレーザを用いる場合などに好適なものである。

レーザ装置には、加工対象物で反射した光が戻り光として再び入射することがある。この戻り光によってレーザ装置が破壊されることを防止するため、光アイソレータが用いられる場合がある。光アイソレータは、光が順方向に進む場合と逆方向に進む場合とで光の損失が大きく異なる光デバイスである。

このような光アイソレータとして下記特許文献１の光アイソレータが提案されている。下記特許文献１の光アイソレータでは、光路上に一対の楔型複屈折結晶板が設けられ、当該一対の楔型複屈折結晶板の間の光路上にファラデー素子が設けられている。

また、一対の楔型複屈折結晶板のうち順方向の光路の出射側に設けられる楔型複屈折結晶板の後方には、当該楔型複屈折結晶板を通過した常光と異常光とを一つにするため水晶製半波長板とＹＶＯ４結晶が順次設けられている。

特開２０１５−１８０９０号公報

ところで、上記特許文献１の光アイソレータでは、一対の楔型複屈折結晶板における非傾斜光透過面に対し光入出射面が非平行となる断面平行四辺形状を有する常磁性体によりファラデー素子が構成されている。また、光路中心軸を基準にして各楔型複屈折結晶板の直角部とファラデー素子の鈍角部が同じ側に配置されている。このため、上記特許文献１の光アイソレータでは、楔型複屈折結晶板を通過して光路中心軸から離れる方向へ向かって進行するレーザ光がファラデー素子に入射される際に屈折し、当該光路中心軸側へ戻る方向へ向け進行する。この結果、断面長方形状を有する従来のファラデー素子を適用した場合と較べてファラデー素子の径を小さくできることが記載されている。

しかしながら、上記特許文献１の光アイソレータでは、順方向の光路から出射した光の一部が戻り光として順方向の光路を伝搬し、当該順方向の光路上に光を入射させる光源に至ることが懸念される。したがって、順方向の光路から戻り光をより一段と離すことが可能となる光アイソレータが要望されている。

そこで、本発明は、順方向の光路から戻り光をより一段と離し得る光アイソレータ及びレーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の光アイソレータは、複屈折結晶でなるビームディスプレーサと、楔型複屈折結晶でなり、光路上に配置される一対の偏光子のうち順方向の光路の入射側に配置される入射側偏光子と、楔型複屈折結晶でなり、前記光路上に配置される一対の偏光子のうち順方向の光路の出射側に配置される出射側偏光子と、前記入射側偏光子と前記出射側偏光子との間に配置されるファラデー結晶及び旋光子と、を備え、前記ビームディスプレーサは、前記入射側偏光子よりも前記順方向の光路の入射側に配置されることを特徴とするものである。

また、本発明のレーザ装置は、上述の光アイソレータと、当該光アイソレータに対して順方向の光路の入射側から光を入射させるレーザ出射部と、を備えることを特徴とする。

上記光アイソレータでは、出射側偏光子から出射した光が出射側偏光子に戻る場合、その戻り光は出射側偏光子で常光及び異常光に分離し、当該常光及び異常光は順方向の光路と同じ光路に沿って旋光子及びファラデー結晶を介して入射側偏光子に入射する。
本発明の光アイソレータでは、入射側偏光子は楔型複屈折結晶でなり、その入射側偏光子よりも順方向の光路の入射側にビームディスプレーサが設けられている。このため本発明の光アイソレータは、入射側偏光子からビームディスプレーサに入射する戻り光の常光及び異常光の入射点を順方向の光路よりも外側に位置させることができる。また、ビームディスプレーサにおいて戻り光の常光と異常光とが離れて進行するような入射角で戻り光の常光と異常光とを入射側偏光子からビームディスプレーサに入射させることができる。
したがって、本発明の光アイソレータ及びそれを用いたレーザ装置によれば、ビームディスプレーサにおいて戻り光の常光と異常光とを互いに離れる方向に進行させて出射させることができる。こうして、順方向の光路から戻り光をより一段と離し得る光アイソレータ及びレーザ装置が提供される。

また、前記ビームディスプレーサの偏光軸と前記入射側偏光子の偏光軸との方向が直交する関係にあり、前記ビームディスプレーサで分離され前記入射側偏光子に進む常光の進行方向が前記入射側偏光子における前記楔型複屈折結晶の楔頂角側となり、前記ビームディスプレーサで分離され前記入射側偏光子に進む異常光の進行方向が前記入射側偏光子における前記楔型複屈折結晶の非楔頂角側となるように、前記ビームディスプレーサの光学軸が設定されることが好ましい。

このようにした場合、ビームディスプレーサの偏光軸と入射側偏光子の偏光軸との方向が一致する関係にある場合に比べて、順方向の光路側から入射する入射光に対して戻り光の常光と異常光とをより一段と離すことができる。

また、前記ビームディスプレーサの偏光軸と前記入射側偏光子の偏光軸との方向が一致する関係にあり、前記ビームディスプレーサで分離され前記入射側偏光子に進む常光の進行方向が前記入射側偏光子における前記楔型複屈折結晶の非楔頂角側となり、前記ビームディスプレーサで分離され前記入射側偏光子に進む異常光の進行方向が前記入射側偏光子における前記楔型複屈折結晶の楔頂角側となるように、前記ビームディスプレーサの光学軸が設定されることが好ましい。

このようにした場合、ビームディスプレーサの偏光軸と入射側偏光子の偏光軸との方向が直交する関係にある場合に比べて、順方向の光路において入射側偏光子に入射する入射光の光路と、その入射光が出射側偏光子から出射する出射光の光路とのずれ幅を小さくすることができる。このため、例えば、光アイソレータの入射側に配置されるコリメーターや、光アイソレータの出射側に配置されるビームエキスパンダー、あるいは、インライン型光アイソレータとして使用する場合には入出射側に配置されるコリメーターなどの光学素子を配置し易くできる。

以上のように、本発明によれば、順方向の光路から戻り光をより一段と離し得る光アイソレータ及びレーザ装置が提供される。

第１実施形態の光アイソレータにおける光学素子の配置を示す図である。第１実施形態の光アイソレータにおいて順方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。第１実施形態の光アイソレータにおいて逆方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。第２実施形態の光アイソレータにおける光学素子の配置を示す図である。第２実施形態の光アイソレータにおいて順方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。第２実施形態の光アイソレータにおいて逆方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。レーザ装置の構成の一例を示す図である。比較例１の光アイソレータにおいて順方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。比較例１の光アイソレータにおいて逆方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。比較例２の光アイソレータにおいて順方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。比較例２の光アイソレータにおいて逆方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。実施例及び比較例における常光と異常光の分離距離を示すグラフである。実施例及び比較例における入射光と出射光のずれ幅を示すグラフである。

（１）第１実施形態の光アイソレータ
まず、第１実施形態の光アイソレータについて図面を用いながら詳細に説明する。図１は、第１実施形態の光アイソレータにおける光学素子の配置を示す図である。図１に示すように、本実施形態の光アイソレータ１は、入射側偏光子２、出射側偏光子３、ファラデー結晶４、水晶旋光子５及びビームディスプレーサ６を主な構成要素として備える。

入射側偏光子２は、順方向の光路の入射側に設けられる偏光子であり、楔型複屈折結晶でなる。楔型複屈折結晶は、複屈折結晶をウェッジ状に加工したものであり、一方の面が他方の面に対して傾斜する傾斜面とされており、対向するそれぞれの面の間隔が狭くなる側が楔頂角側とされ、それぞれの面の間隔が広くなる側が非楔頂角側とされる。従って、楔頂角は鋭角となる。本実施形態では、入射側偏光子２の傾斜面は順方向の光路の入射側に向けられる。また、入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１は、楔頂角側と非楔頂角側とを結ぶ方向に垂直とされる。つまり、偏光軸ＰＡ１は、入射側偏光子２の厚みが変わらぬ方向に平行とされる。また、入射側偏光子２の光学軸ＯＡ１は、常光と異常光はスネルの法則に従い屈折する角度に設定され、順方向の光路に沿ってビームディスプレーサ６に入射する入射光に対し概ね垂直で偏光軸ＰＡ１の方向に対して概ね直交するよう設定される。なお、本実施形態では、入射側偏光子２の楔頂角側が所定の設置面に設置され、入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１は、当該設置面に対し水平方向の偏光が常光となり、当該設置面に対し垂直方向の偏光が異常光となるよう設定される。

出射側偏光子３は、順方向の光路の出射側に設けられる偏光子であり、入射側偏光子２における楔型複屈折結晶と同じ楔型複屈折結晶でなる。本実施形態では、出射側偏光子３の傾斜面は順方向の光路の出射側に向けられており、当該出射側偏光子３の上下左右が入射側偏光子２の上下左右と逆になっている。また、出射側偏光子３の偏光軸ＰＡ３は、楔頂角側と非楔頂角側とを結ぶ方向に平行とされる。つまり、偏光軸ＰＡ３は、出射側偏光子３の厚みが変わらぬ方向に垂直とされる。従って、出射側偏光子３の偏光軸ＰＡ３は、上記設置面に対し垂直方向の偏光が常光となり、当該設置面に対し水平方向の偏光が異常光となるよう設定される。また、出射側偏光子３の光学軸ＯＡ３は、常光と異常光はスネルの法則に従い屈折する角度に設定され、入射側偏光子２の光学軸ＯＡ１と同じ方向に設定される。

入射側偏光子２及び出射側偏光子３における楔型複屈折結晶を構成する材料としては、イットリウム・オルトバナデート（ＹＶＯ４）、カルサイト（ＣａＣＯ３）、ルチル（ＴＩＯ２）などが挙げられる。

ファラデー結晶４は、入射側偏光子２及び出射側偏光子３の間に配置されており、入射する光の偏光方向を反時計回りに４５度回転させて出射する。

ファラデー結晶４を構成する材料としては、テルビウム・ガリウム・ガーネット型単結晶（ＴＧＧ：Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２）、テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶（ＴＡＧ：Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２）、テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶（ＴＳＡＧ：Ｔｂ３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ１２）、テルビウム・スカンジウム・ルテチウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶（ＴＳＬＡＧ：Ｔｂ３(Ｓｃ，Ｌｕ)２Ａｌ３Ｏ１２）などが挙げられる。

なお、ファラデー結晶４の周囲には不図示の磁気印加部が設けられており、ファラデー結晶４の入射側をＮ極、出射側をＳ極とした磁界が与えられる。当該磁気印加部によって形成される磁界に基づいてファラデー結晶４が光の偏光方向を回転させる。磁気印加部としては、例えば、ネオジム磁石などの磁石が挙げられる。

水晶旋光子５は、ファラデー結晶４及び出射側偏光子３の間に配置される。この水晶旋光子５は、順方向の光路側から入射する光の偏光方向を、ファラデー結晶４における光の回転方向と同一方向に４５度回転させて出射する。また、水晶旋光子５は、逆方向の光路側から入射する光の偏光方向を、ファラデー結晶４における光の回転方向と逆方向に４５度回転させて出射する。

ビームディスプレーサ６は、入射側偏光子２よりも順方向の光路の入射側に設けられており、平行平板型の複屈折結晶でなる。このビームディスプレーサ６では、入射した光と出射する光とが平行になる。

本実施形態では、ビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２は、入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１の方向に対して直交するよう設定される。すなわち、ビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２は、設置面に対し水平方向の偏光が異常光となり、当該設置面に対し垂直方向の偏光が常光となるよう設定される。ビームディスプレーサ６の光学軸ＯＡ２は、常光がスネルの法則に従うが異常光がスネルの法則に依らず最大限に分離する角度に設定される。また、ビームディスプレーサ６の光学軸ＯＡ２は、ビームディスプレーサ６で分離され入射側偏光子２に進む常光の進行方向が入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の楔頂角側となり、ビームディスプレーサ６で分離され入射側偏光子２に進む異常光の進行方向が入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の非楔頂角側となるよう設定される。

次に、光アイソレータ１の光学的な動作について説明する。

図２は、第１実施形態の光アイソレータ１において順方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。なお、以下の図において、常光は実線で示され、異常光は破線で示される。図２に示すように、順方向の光路側からビームディスプレーサ６に光が入射した場合、当該光はビームディスプレーサ６で常光と異常光とに分離する。ビームディスプレーサ６の端面の角度が、入射光の入射方向に垂直の場合、常光はビームディスプレーサ６内を直進し、入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の傾斜面のうち楔頂角側に入射する。一方、異常光はビームディスプレーサ６の高さ方向の上端側（上記設置面から離れる側）に進み、入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の傾斜面のうち非楔頂角側に入射する。

上記のようにビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２の方向と入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１の方向とが直交するため、入射側偏光子２では、常光と異常光との関係が入れ替わった状態で、常光及び異常光が進んでファラデー結晶４に入射する。ファラデー結晶４では、順方向光路の入射側からファラデー結晶４を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は水晶旋光子５に入射する。水晶旋光子５では、順方向光路の入射側から水晶旋光子５を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りにさらに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は出射側偏光子３に入射する。上記のように入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１の方向と出射側偏光子３の偏光軸ＰＡ３の方向とは互いに垂直であるが、ファラデー結晶４および水晶旋光子５において９０度偏光方向が回転するため、出射側偏光子３に入射する際に常光と異常光との関係は入れ替らない。出射側偏光子３では常光と異常光とが統合し、当該統合した光が出射側偏光子３から出射する。

ところで、出射側偏光子３から出射した光は戻り光として逆方向の光路側から出射側偏光子３に入射する場合がある。このような場合としては、例えば、光アイソレータ１がファイバレーザ装置に配置され、ファイバレーザ装置から出射する光が被加工体等で反射して、再びファイバレーザ装置に入射する例が挙げられる。

図３は、第１実施形態の光アイソレータ１において逆方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。図３に示すように、逆方向の光路側から出射側偏光子３に戻り光が入射した場合、当該戻り光は出射側偏光子３で常光と異常光とに分離し、当該分離した常光及び異常光は水晶旋光子５に入射する。

水晶旋光子５では、順方向光路の入射側から水晶旋光子５を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光はファラデー結晶４に入射する。ファラデー結晶４では順方向光路の入射側からファラデー結晶４を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は入射側偏光子２に入射する。この入射側偏光子２に入射する戻り光の入射位置は、当該入射側偏光子２から出射する順方向の光の出射位置と一致している。

上記のように入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１の方向と出射側偏光子３の偏光軸ＰＡ３の方向とは互いに垂直であり、水晶旋光子５とファラデー結晶４とにより偏光回転角が互いに相殺される方向に回転する。このため、入射側偏光子２では、常光と異常光との関係が入れ替わり、順方向の常光が出射する入射側偏光子２上の点から入射する戻り光は異常光として、順方向の異常光が出射する入射側偏光子２上の点から入射する戻り光は常光となる。入射側偏光子２を進む常光及び異常光は、ビームディスプレーサ６に入射する。

上記のようにビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２の方向と入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１の方向とが直交するため、ビームディスプレーサ６では、再び常光と異常光との関係が入れ替わる。ビームディスプレーサ６は、常光の屈折率よりも異常光の屈折率が高く、かつ、上記のようにビームディスプレーサ６の光学軸ＯＡ２は異常光がスネルの法則に依らず最大限に分離する角度に設定される。このため、入射側偏光子２では常光よりも異常光の方が大きく屈折することから、戻り光の常光と異常光とは互いに離れる方向に入射側偏光子２内を進む。このため、ビームディスプレーサ６に入射する戻り光の異常光は、当該ビームディスプレーサ６から出射する順方向の常光の出射位置よりも外側へ遠ざかった位置となる。同様に、ビームディスプレーサ６に入射する戻り光の常光は、当該ビームディスプレーサ６から出射する順方向の異常光の出射位置よりも外側へ遠ざかった位置となる。また、上述したように、戻り光の常光と異常光とは入射側偏光子２内で互いに離れて進んで、互いに離れる方向に角度をもってビームディスプレーサ６に入射する。このため、戻り光の常光と異常光とがビームディスプレーサ６を出射するときには、当該常光と異常光とは平行ではなく、互いに離れる方向に出射することになる。

このように逆方向の光路側から光アイソレータ１に光が入射した場合、当該光は出射側偏光子３から入射側偏光子２までは、順方向の光路側から光が入射した場合の光路と同じ光路を戻る。一方、入射側偏光子２では常光と異常光との関係が入れ替わることで常光と異常光との間の分離距離が順方向の光路よりも広がり、当該距離は入射側偏光子２の後段のビームディスプレーサ６でさらに広がることになる。

以上説明したように本実施形態の光アイソレータ１は、入射側偏光子２、出射側偏光子３、ファラデー結晶４、水晶旋光子５及びビームディスプレーサ６を備える。楔型複屈折結晶でなる入射側偏光子２は順方向の光路の入射側に設けられ、楔型複屈折結晶でなる出射側偏光子３は順方向の光路の出射側に設けられる。また、ファラデー結晶４は入射側偏光子２及び出射側偏光子３の間に配置され、水晶旋光子５はファラデー結晶４及び出射側偏光子３の間に配置される。さらに、複屈折結晶でなるビームディスプレーサ６は、入射側偏光子２よりも順方向の光路の入射側に設けられている。なお、入射側偏光子２及び出射側偏光子３の間に水晶旋光子５が配置され、当該水晶旋光子５及び出射側偏光子３の間にファラデー結晶４が配置されていても良い。

このような光アイソレータ１では、出射側偏光子３から出射した光が出射側偏光子３に戻る場合、その戻り光は出射側偏光子３で常光及び異常光に分離し、当該常光及び異常光は順方向の光路と同じ光路に沿って水晶旋光子５及びファラデー結晶４を介して入射側偏光子２に入射する。

本実施形態の光アイソレータ１では、入射側偏光子２は楔型複屈折結晶でなり、その入射側偏光子２よりも順方向の光路の入射側にビームディスプレーサ６が設けられている。このため光アイソレータ１は、入射側偏光子２からビームディスプレーサ６に入射する戻り光の常光及び異常光の入射点を順方向の光路よりも外側に位置させることができる。また、入射側偏光子２からビームディスプレーサ６において戻り光の常光と異常光とが離れて進行するような入射角で戻り光の常光と異常光とをビームディスプレーサ６に入射させることができる。

したがって、本実施形態の光アイソレータ１によれば、ビームディスプレーサ６において戻り光の常光と異常光とを互いに離れる方向に進行させて出射させることができる。こうして、順方向の光路から戻り光をより一段と離し得る光アイソレータ１が提供される。

また、本実施形態の場合、ビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２と入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１との方向は直交する関係にある。そして、ビームディスプレーサ６で分離され入射側偏光子２に進む常光の進行方向が入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の楔頂角側となり、当該ビームディスプレーサ６で分離され入射側偏光子２に進む異常光の進行方向が入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の非楔頂角側となるように、ビームディスプレーサ６の光学軸ＯＡ２が設定される。

このようにした場合、ビームディスプレーサ６の偏光軸と入射側偏光子２の偏光軸との方向が一致する関係にある場合に比べて、順方向の光路側から入射する入射光に対して戻り光の常光と異常光とをより一段と離すことができることが確認されている。

（２）第２実施形態の光アイソレータ
次に、第２実施形態の光アイソレータについて図面を用いながら詳細に説明する。ただし、第２実施形態における光アイソレータの構成要素のうち第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の参照符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図４は、第２実施形態の光アイソレータにおける光学素子の配置を示す図である。図４に示すように、本実施形態の光アイソレータ５０では、ビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２０及び光学軸ＯＡ２０の方向が第１実施形態と相違している。なお、本実施形態においても、ファラデー結晶４の周囲には第１実施形態と同様の不図示の磁気印加部が設けられている。

第１実施形態では、ビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２と入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１との方向は直交する関係にあった。これに対し、本実施形態では、ビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２０と入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１との方向は一致する関係にある。なお、ビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２０は、第１実施形態とは異なり、入射側偏光子２の楔頂角側が設置される所定の設置面に対し水平方向の偏光が常光となり、当該設置面に対し垂直方向の偏光が異常光となるよう設定される。

また、第１実施形態では、ビームディスプレーサ６で分離され入射側偏光子２に進む常光の進行方向が入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の楔頂角側となり、当該ビームディスプレーサ６で分離され入射側偏光子２に進む異常光の進行方向が入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の非楔頂角側となるように、ビームディスプレーサ６の光学軸ＯＡ２が設定された。これに対し、本実施形態では、ビームディスプレーサ６で分離され入射側偏光子２に進む常光の進行方向が入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の非楔頂角側となり、当該ビームディスプレーサ６で分離され入射側偏光子２に進む異常光の進行方向が入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の楔頂角側となるように、ビームディスプレーサ６の光学軸ＯＡ２０が設定される。

図５は、第２実施形態の光アイソレータ５０において順方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。図５に示すように、順方向の光路側からビームディスプレーサ６に光が入射した場合、当該光はビームディスプレーサ６で常光と異常光とに分離する。ビームディスプレーサ６の端面の角度が、入射光の入射方向に垂直の場合、常光はビームディスプレーサ６内を直進し、入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の傾斜面のうち非楔頂角側に入射する。一方、異常光はビームディスプレーサ６の高さ方向の下端側に進み、入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の傾斜面のうち楔頂角側に入射する。

上記のようにビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２０の方向と入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１の方向とが平行であるため、入射側偏光子２では、常光と異常光との関係が入れ替わらず、常光は設置面に対し水平偏光として透過してファラデー結晶４に入射する一方、異常光は設置面に対し垂直偏光として透過してファラデー結晶４に入射する。ファラデー結晶４では、順方向光路の入射側からファラデー結晶４を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は水晶旋光子５に入射する。水晶旋光子５では、順方向光路の入射側から水晶旋光子５を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りにさらに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は出射側偏光子３に入射する。出射側偏光子３では、第１実施形態と同様に常光と異常光との関係が入れ替わらず、常光は設置面に対し垂直偏光として透過し、異常光は設置面に対し水平偏光として透過しながら常光と異常光とが統合し、当該統合した光が出射側偏光子３から出射する。

図６は、第２実施形態の光アイソレータ５０において逆方向の光路を伝搬する光の様子を示す図である。図６に示すように、逆方向の光路側から出射側偏光子３に光が入射した場合、当該光は出射側偏光子３で常光と異常光とに分離し、当該分離した常光及び異常光は水晶旋光子５に入射する。

水晶旋光子５では、順方向光路の入射側から水晶旋光子５を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光はファラデー結晶４に入射する。ファラデー結晶４では、順方向光路の入射側からファラデー結晶４を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は入射側偏光子２に入射する。入射側偏光子２では、常光と異常光との関係が入れ替わり、当該入れ替わった常光と異常光とが離れながら進んでビームディスプレーサ６に入射する。ビームディスプレーサ６では、常光と異常光との関係は入射側偏光子２における関係のままとされ、常光と異常光とがさらに離れながら進み、当該ビームディスプレーサ６から出射する。

本実施形態の光アイソレータ５０では、ビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２０と入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１との方向は一致する関係にある。そして、順方向光路では、ビームディスプレーサ６で分離され入射側偏光子２に進む常光の進行方向が入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の非楔頂角側となり、当該ビームディスプレーサ６で分離され入射側偏光子２に進む異常光の進行方向が入射側偏光子２における楔型複屈折結晶の楔頂角側となるように、ビームディスプレーサ６の光学軸ＯＡ２０が設定される。

このような光アイソレータ５０では、ビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２０と入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１との方向が直交する関係にある第１の実施形態の場合に比べて、順方向の光路において入射側偏光子２に入射する入射光の光軸と、その入射光が出射側偏光子から出射する出射光の光軸とのずれ幅Ｗを小さくすることができることが確認されている。このため、例えば、光アイソレータの入射側に配置されるコリメーターや、光アイソレータの出射側に配置されるビームエキスパンダー、あるいは、インライン型光アイソレータとして使用する場合には入出射側に配置されるコリメーターなどの光学素子を配置し易くできる。

（３）レーザ装置
次に、上記第１実施形態の光アイソレータ１又は上記第２実施形態の光アイソレータ５０を用いたレーザ装置１００について説明する。

図７は、レーザ装置の構成の一例を示す図である。図７に示すように、レーザ装置１００は、レーザ出射部６０と、第１実施形態の光アイソレータ１又は第２実施形態の光アイソレータ５０とを主な構成要素として備える。なお、図示はしていないが、レーザ装置１００では、光アイソレータ１又は５０の入射側には光アイソレータ１又は５０にコリメート光を入射する為のコリメーターが備えられる。また、光アイソレータ１又は５０の出射側には、コリメート光のビーム径を拡大する為のビームエキスパンダー、当該ビームエキスパンダーから出射された光を被加工物の正確な位置に照射する為のガルバノミラー、及び、被加工物に光を集光する為のレンズ等が備えられる。

レーザ出射部６０は、増幅用光ファイバ６１、種光源６２、第１励起光源６３、第２励起光源６４、入力側光カプラ６５及び出力側光カプラ６６を主な構成として備える。

増幅用光ファイバ６１は、１種類又は２種類以上の活性元素が添加されるコアと、コアの外周面を被覆する第１クラッドと、第１クラッドの外周面を被覆する第２クラッドと、第２クラッドを囲む被覆層とを有する。

コアの屈折率は第１クラッドの屈折率よりも高くされ、第１クラッドの屈折率は第２クラッドの屈折率よりも高くされ、第２クラッドの屈折率は被覆層の屈折率よりも低くされる。なお、活性元素としては、例えば、エルビウム(Ｅｒ)、イッテルビウム（Ｙｂ）あるいはネオジウム（Ｎｄ）等の希土類元素があり、希土類元素以外の活性元素としては、例えば、ビスマスがある。

種光源６２は、種光を出射するものであり、例えば、レーザダイオード（Laser Diode）から成るレーザ光源や、ファブリペロー型やファイバリング型のレーザ光源などとされる。

第１励起光源６３及び第２励起光源６４は、励起光を出射するものであり、例えばレーザダイオードなどとされる。

入力側光カプラ６５は、種光源６２から出射される種光を増幅用光ファイバ６１におけるコアの一端に入力するとともに、第１励起光源６３から出射される励起光を増幅用光ファイバ６１における第１クラッドの一端に入力する。

なお、本実施形態の場合、種光源６２から出射される種光は、入力用光ファイバ７０を介して入力側光カプラ６５に入射される。入力用光ファイバ７０は、例えばシングルモードファイバとされ、当該入力用光ファイバ７０の一端側のコアと種光源６２とは光学的に結合されるとともに、入力用光ファイバ７０の他端側のコアと増幅用光ファイバ６１のコアとは入力側光カプラ６５を介して光学的に結合される。

また、第１励起光源６３から出射される励起光は、励起光入力用ファイバ８１を介して入力側光カプラ６５に入射される。この励起光入力用ファイバ８１は、例えばマルチモードファイバとされ、当該励起光入力用ファイバ８１の本数は、第１励起光源６３の数と同じとされる。各励起光入力用ファイバ８１の一端側のコアにつき１つの第１励起光源６３が光学的に結合されるとともに、当該励起光入力用ファイバ８１の他端側のコアと増幅用光ファイバ６１の第１クラッドとは入力側光カプラ６５を介して光学的に結合される。

出力側光カプラ６６は、第２励起光源６４から出射される励起光を増幅用光ファイバ６１における第１クラッドの他端に入力するとともに、当該増幅用光ファイバ６１のコアを伝搬する種光を他端から外部に出力する。

なお、本実施形態の場合、第２励起光源６４から出射される励起光は、励起光入力用ファイバ８２を介して出力側光カプラ６６に入射される。この励起光入力用ファイバ８２は、例えばマルチモードファイバとされ、当該励起光入力用ファイバ８２の本数は、第２励起光源６４の数と同じとされる。各励起光入力用ファイバ８２の一端側のコアにつき１つの第２励起光源６４が光学的に結合されるとともに、当該励起光入力用ファイバ８２の他端側のコアと増幅用光ファイバ６１の第１クラッドとは出力側光カプラ６６を介して光学的に結合される。

また、出力側光カプラ６６には出力用光ファイバ９０が接続されており、当該出力用光ファイバ９０は、例えばシングルモードファイバとされ、上記第１実施形態の光アイソレータ１又は上記第２実施形態の光アイソレータ５０と光学的に結合される。

このようなレーザ装置１００では、増幅用光ファイバ６１のコアの一端に種光が入力された場合、当該種光は増幅用光ファイバ６１の一端から他端に向けてコアを伝搬する。一方、増幅用光ファイバ６１の第１クラッドの一端に励起光が入力された場合、当該励起光は増幅用光ファイバ６１の一端から他端に向けて第１クラッド及びコアを伝搬する。他方、増幅用光ファイバ６１の第１クラッドの他端に励起光が入力された場合、当該励起光は増幅用光ファイバ６１の他端から一端に向けて第１クラッド及びコアを伝搬する。

第１クラッド及びコアを伝搬する励起光によってコアに添加される活性元素が励起され、当該励起状態にある活性元素は、コアを伝搬する種光によって誘導放出を引き起こす。この誘導放出に起因して種光が増幅され、当該増幅された種光は出力側光カプラ６６及び出力用光ファイバ９０を順次介して上記第１実施形態の光アイソレータ１又は上記第２実施形態の光アイソレータ５０に出力される。

上記第１実施形態の光アイソレータ１又は上記第２実施形態の光アイソレータ５０は、上述したように、戻り光の常光と異常光の分離角度、分離距離を大きくすることにより順方向の光路から戻り光を離すことができる。

したがって、レーザ装置１００は、当該光アイソレータ１又は５０から出射する光が戻り光として光アイソレータ１又は５０に入射した場合であっても、光源としてのレーザ出射部６０に対する破損を低減させることができる。

（４）変形例
上記実施形態では、ファラデー結晶４が１つ用いられ、当該１つのファラデー結晶４によってファラデー回転角が４５°に設定された。しかしながら、例えば、ファラデー結晶４を２つ用い、当該２つのファラデー結晶４によってファラデー回転角が２２．５°×２の計４５°に設定されても良い。

上記実施形態では、水晶旋光子５が用いられた。しかしながらＴｅＯ２でなる旋光子が用いられても良い。また、旋光子として、１／２波長板が用いられても良い。

上記実施形態では、ビームディスプレーサの断面形状が長方形状とされたが、当該断面形状平行四辺形状とされても良い。

上記レーザ装置１００におけるレーザ出射部６０として、ＭＯ−ＰＡ型のファイバレーザが適用された。しかしながら、共振型のファイバレーザや、固体レーザが適用されても良く、その他のレーザが適用されても良い。

次に、実施例及び比較例を挙げて上記実施形態をより具体的に説明するが、本発明は以下の内容に限定されるものではない。

（比較例１）
比較例１として、図８及び図９に示す光アイソレータを試作した。比較例１の光アイソレータでは、入射側ビームディスプレーサ６Ａ及び出射側ビームディスプレーサ６Ｂの間にファラデー結晶４が配置され、当該ファラデー結晶４及び出射側ビームディスプレーサ６Ｂの間に水晶旋光子５が配置される。
なお、図示はしていないが、比較例１の光アイソレータでは、ファラデー結晶４に磁界を印加する為の入射側をＮ極、出射側をＳ極とした磁石が備えられている。また、比較例１における入射光の中心波長は１０８０ｎｍとし、ファラデー結晶４はＴＳＬＡＧとし、入射側ビームディスプレーサ６Ａ及び出射側ビームディスプレーサ６ＢはＹＶＯ４とした。また、比較例１における各結晶の高さは５．５ｍｍとし、当該結晶の長さは下記の表１とした。

この比較例１の光アイソレータに順方向の光路側から光が入射された場合、図８に示すように、当該光は入射側ビームディスプレーサ６Ａで常光及び異常光に分離し、当該分離した常光及び異常光はファラデー結晶４に入射する。ファラデー結晶４では、順方向光路の入射側からファラデー結晶４を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は水晶旋光子５に入射する。水晶旋光子５では、順方向光路の入射側から水晶旋光子５を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りにさらに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は出射側ビームディスプレーサ６Ｂに入射する。出射側ビームディスプレーサ６Ｂでは、常光と異常光とが反転し、当該出射側ビームディスプレーサ６Ｂを伝搬しながら統合し、当該統合した光が出射側ビームディスプレーサ６Ｂから出射する。
一方、比較例１の光アイソレータに逆方向の光路側から光が入射された場合、図９に示すように、当該光は出射側ビームディスプレーサ６Ｂで常光及び異常光に分離し、当該分離した常光及び異常光は水晶旋光子５に入射する。水晶旋光子５では、順方向光路の入射側から水晶旋光子５を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光はファラデー結晶４に入射する。ファラデー結晶４では、順方向光路の入射側からファラデー結晶４を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は入射側ビームディスプレーサ６Ａに入射する。入射側ビームディスプレーサ６Ａでは常光と異常光とが離れながら進み、当該入射用ビームディスプレーサ６Ａから逆方向の光路側から入射した光と平行で、且つ常光と異常光同士は平行に出射する。

（比較例２）
比較例２として、図１０及び図１１に示す光アイソレータを試作した。比較例２の光アイソレータでは、入射側偏光子２及び出射側偏光子３の間にファラデー結晶４が配置され、当該ファラデー結晶４及び出射側偏光子３の間に水晶旋光子５が配置される。また、出射側偏光子３よりも順方向の光路の出射側にビームディスプレーサ６が配置される。
なお、図示はしていないが、比較例２の光アイソレータでは、ファラデー結晶４に磁界を印加する為の入射側をＮ極、出射側をＳ極とした磁石が備えられている。また、比較例２における入射光の中心波長は１０８０ｎｍとし、ファラデー結晶４はＴＳＬＡＧとし、入射側偏光子２、出射側偏光子３及びビームディスプレーサ６はＹＶＯ４とした。また、比較例２における各結晶の高さは３ｍｍとし、当該結晶の長さは下記の表２とした。上記比較例１における各結晶の体積の総和を１００％とした場合、比較例２における各結晶の体積の総和は２９％である。

この比較例２の光アイソレータに順方向の光路側から光が入射された場合、図１０に示すように、当該光は入射側偏光子２で常光及び異常光に分離し、当該分離した常光及び異常光はファラデー結晶４に入射する。ファラデー結晶４では、順方向光路の入射側からファラデー結晶４を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は水晶旋光子５に入射する。水晶旋光子５では、順方向光路の入射側から水晶旋光子５を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りにさらに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は出射側偏光子３に入射する。出射側偏光子３では、常光と異常光とが光軸に水平で互いに平行に出射し、ビームディスプレーサ６に入射する。ビームディスプレーサ６では、常光と異常光とは統合し、当該統合した光がビームディスプレーサ６から出射する。
一方、比較例２の光アイソレータに逆方向の光路側から光が入射された場合、図１１に示すように、当該光はビームディスプレーサ６で常光及び異常光に分離し、当該分離した常光及び異常光は出射側偏光子３を透過して水晶旋光子５に入射する。水晶旋光子５では、順方向光路の入射側から水晶旋光子５を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光はファラデー結晶４に入射する。ファラデー結晶４では、順方向光路の入射側からファラデー結晶４を見た場合に常光及び異常光の偏光方向が反時計回りに４５°回転し、当該回転した常光及び異常光は入射側偏光子２に入射する。入射側偏光子２では、常光と異常光とが反転し、当該常光及び異常光が離れながら進んで出射する。

（実施例１，２）
実施例１として上記第１実施形態の光アイソレータ１を試作し、実施例２として上記第２実施形態の光アイソレータ５０を試作した。
なお、実施例１及び実施例２における入射光の中心波長は１０８０ｎｍとし、ファラデー結晶４はＴＳＬＡＧとし、入射側偏光子２、出射側偏光子３及びビームディスプレーサ６はＹＶＯ４とした。また、実施例１及び実施例２における各結晶の高さは３ｍｍとし、当該結晶の長さは下記の表３とした。上記比較例１における各結晶の体積の総和を１００％とした場合、実施例１及び実施例２における各結晶の体積の総和は２９％である。

（実施例及び比較例における分離距離）
上述した実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の光アイソレータにおいて逆方向の光路側から光が入射した場合に、当該光アイソレータから出射する常光と異常光との間の分離距離ＳＤ（図３、図６、図９、図１１）を測定した。
比較例１の分離距離ＳＤは、逆方向の光路において最も出射側に配置される結晶（入射側ビームディスプレーサ６Ａ）の出射面で測定している。一方、実施例１、実施例２及び比較例２の光アイソレータの各結晶の合計長は比較例１の各結晶の合計長よりも短い。このため、実施例１、実施例２及び比較例２の光アイソレータにおける分離距離ＳＤは、戻り光を入射する結晶の入射面から、比較例１における入射側ビームディスプレーサ６Ａの入射面と出射側ビームディスプレーサ６Ｂの出射面との間の距離を隔てた地点で測定している。
なお、複屈折結晶でなるビームディスプレーサにおいて逆方向に進む光（戻り光）が出射する出射面での常光と異常光との分離距離は、当該ビームディスプレーサにおいて順方向に進む光（入射光）が出射する出射面での常光と異常光との分離距離よりも大きくなり、当該分離距離の差は複屈折結晶の長さが長いほど大きくなる。
この分離距離ＳＤの測定結果を図１２に示す。図１２に示すように、実施例１及び実施例２の光アイソレータにおける分離距離は、比較例１及び比較例２の光アイソレータにおける分離距離よりも大きくなることが確認できた。このことは、実施例１及び実施例２の光アイソレータでは、比較例１及び比較例２の光アイソレータに比べて、順方向の光路側から入射する入射光の光路に対して戻り光の常光と異常光とが離れていることと同義である。

（実施例及び比較例における入射光と出射光のずれ幅）
次に、実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の光アイソレータにおいて、順方向の光路側から入射する入射光の光路と、その入射光の出射光の光路とのずれ幅Ｗ（図２、図５、図８、図１０）を測定した。
このずれ幅Ｗは、順方向の光路において最も入射側に配置される結晶の入射面とその入射面に入射する入射光の光路との交点での結晶の高さ位置から、順方向の光路において最も出射側に配置される結晶の出射面とその出射面を出射する出射光の光路との交点での結晶の高さ位置までの距離である。
このずれ幅Ｗの測定結果を図１３に示す。図１３に示すように、実施例２の光アイソレータでは、実施例１の光アイソレータに比べて、入射光の光路と出射光の光路とのずれ幅Ｗを小さくすることができることが確認できた。
なお、実施例２の光アイソレータはビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２０と入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１との方向は一致する関係にある場合に相当し、実施例１の光アイソレータはビームディスプレーサ６の偏光軸ＰＡ２と入射側偏光子２の偏光軸ＰＡ１との方向が直交する関係にある場合に相当する。

本発明の光アイソレータ及びそれを用いたレーザ装置は、加工業や医療業において利用可能性を有する。

１，５０・・・光アイソレータ
２・・・入射側偏光子
３・・・出射側偏光子
４・・・ファラデー結晶
５・・・水晶旋光子
６・・・ビームディスプレーサ

Claims

複屈折結晶でなるビームディスプレーサと、
楔型複屈折結晶でなり、光路上に配置される一対の偏光子のうち順方向の光路の入射側に配置される入射側偏光子と、
楔型複屈折結晶でなり、前記光路上に配置される一対の偏光子のうち順方向の光路の出射側に配置される出射側偏光子と、
前記入射側偏光子と前記出射側偏光子との間に配置されるファラデー結晶及び旋光子と、
を備え、
前記ビームディスプレーサは、前記入射側偏光子よりも前記順方向の光路の入射側に配置される
ことを特徴とする光アイソレータ。
前記ビームディスプレーサの偏光軸と前記入射側偏光子の偏光軸との方向が直交する関係にあり、
前記ビームディスプレーサで分離され前記入射側偏光子に進む常光の進行方向が前記入射側偏光子における前記楔型複屈折結晶の楔頂角側となり、前記ビームディスプレーサで分離され前記入射側偏光子に進む異常光の進行方向が前記入射側偏光子における前記楔型複屈折結晶の非楔頂角側となるように、前記ビームディスプレーサの光学軸が設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
前記ビームディスプレーサの偏光軸と前記入射側偏光子の偏光軸との方向が一致する関係にあり、
前記ビームディスプレーサで分離され前記入射側偏光子に進む常光の進行方向が前記入射側偏光子における前記楔型複屈折結晶の非楔頂角側となり、前記ビームディスプレーサで分離され前記入射側偏光子に進む異常光の進行方向が前記入射側偏光子における前記楔型複屈折結晶の楔頂角側となるように、前記ビームディスプレーサの光学軸が設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光アイソレータと、
前記光アイソレータに対して順方向の光路の入射側から光を入射させるレーザ出射部と、
を備えることを特徴とするレーザ装置。