JP2020126935A - 光ファイバレーザおよび合波型光ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ラマン散乱光のパワーの増大を抑制できる光ファイバレーザおよび合波型光ファイバレーザを提供する。【解決手段】光ファイバレーザは、増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバの両端のそれぞれに対して配置された後端側反射手段と出力側反射手段とにより構成された光共振器と、前記増幅用光ファイバに供給する励起光を出力する励起光源と、前記光共振器によって発振するレーザ光によって発生するラマン散乱光のパワーを選択的に低下させるフィルタ手段と、を備え、前記後端側反射手段よりも前記フィルタ手段側の光ファイバは、レーザ発振波長におけるモードフィールド径が１５μｍ以下であり、前記光共振器の前記出力側反射手段から出力される前記レーザ光のパワーは１５００Ｗ以上であり、前記フィルタ手段は、前記フィルタ手段の直後における前記ラマン散乱光に対する前記レーザ光のパワー比が、許容値以上となるように構成され、かつ配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバレーザおよび合波型光ファイバレーザに関する。

たとえば、特許文献１や非特許文献１には、ハイパワーのレーザ光を出力する高出力光ファイバレーザが開示されている。このような高出力光ファイバレーザは、光通信の用途だけでなく、たとえばレーザ加工用のレーザ装置へも適用されている。近年、加工速度や加工性能の向上のため、さらに高出力のレーザ装置が要求されている。

米国特許第５８９２６１５号明細書

A.Fujisaki et al., "Linewidth Controlled 50-W Output Polarization Maintaining Fiber Laser", Furukawa Review, No.35 March 2009.

光ファイバレーザの高出力化に伴い、光ファイバレーザを構成する光ファイバ内で、レーザ光によって発生したラマン（Ｒａｍａｎ）散乱光が誘導散乱され、そのパワーが急激に増大する場合があるという問題がある。ラマン散乱光が誘導散乱される現象はＳＲＳ（Stimulated Raman Scattering）と呼ばれる。ラマン散乱光のパワーが増大すると、本来の用途に使用されるべきレーザ光のエネルギーが、ラマン散乱光のパワーの増大に消費されて低下するため、好ましくない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、ラマン散乱光のパワーの増大を抑制できる光ファイバレーザを提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光ファイバレーザは、増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバの両端のそれぞれに対して配置された後端側反射手段と出力側反射手段とにより構成された光共振器と、前記増幅用光ファイバに供給する励起光を出力する励起光源と、前記光共振器によって発振するレーザ光によって発生するラマン散乱光のパワーを選択的に低下させるフィルタ手段と、を備え、前記後端側反射手段よりも前記出力側反射手段側の光ファイバは、レーザ発振波長におけるモードフィールド径が１５μｍ以下であり、前記光共振器の前記出力側反射手段から出力される前記レーザ光のパワーは１５００Ｗ以上であり、前記フィルタ手段は、前記フィルタ手段の直後における前記ラマン散乱光に対する前記レーザ光のパワー比が、許容値以上となるように構成され、かつ配置されることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光ファイバレーザは、前記許容値は４０ｄＢ以上であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光ファイバレーザは、前記出力側反射手段における前記ラマン散乱光のパワーが０．１５Ｗ以下であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光ファイバレーザは、前記フィルタ手段は、前記ラマン散乱光のパワーを−１５ｄＢ以下だけ低下させることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光ファイバレーザは、前記フィルタ手段は、前記増幅用光ファイバと前記出力側反射手段との間に配置されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光ファイバレーザは、前記フィルタ手段は、２本の前記増幅用光ファイバの間に配置されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光ファイバレーザは、前記出力側反射手段を挟んで前記増幅用光ファイバとは反対側に配置された出力光ファイバを備え、前記フィルタ手段は、前記出力側反射手段と前記出力光ファイバとの間に配置されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光ファイバレーザは、２本の前記出力光ファイバを備え、前記フィルタ手段は、前記２本の出力光ファイバの間に配置されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る合波型光ファイバレーザは、複数の前記光ファイバレーザと、前記複数の光ファイバレーザの前記出力光ファイバから出力されるレーザ光を合波して出力する光合波器と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ラマン散乱光のパワーの増大を抑制できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る光ファイバレーザの概略構成および光ファイバ内での光パワーを示す模式図である。 図２は、ラマン光低減フィルタの透過スペクトルを示す図である。 図３は、実施形態２に係る光ファイバレーザの概略構成および光ファイバ内での光パワーを示す模式図である。 図４は、参考計算例１における光ファイバ内での光パワーを示す図である。 図５は、比較計算例１における光ファイバ内での光パワーを示す図である。 図６は、計算例１および比較計算例１における光ファイバ内での光パワーを示す図である。 図７は、実施形態３に係る光ファイバレーザの概略構成および光ファイバ内での光パワーを示す模式図である。 図８は、参考計算例２における光ファイバ内での光パワーを示す図である。 図９は、比較計算例２における光ファイバ内での光パワーを示す図である。 図１０は、計算例２および比較計算例２における光ファイバ内での光パワーを示す図である。 図１１は、実施形態４に係る合波型光ファイバレーザの概略構成および光ファイバ内での光パワーを示す模式図である。 図１２は、比較形態に係る光ファイバレーザの概略構成および光ファイバ内での光パワーを示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。また、図中「×」の記号は主要な光ファイバ同士の融着接続部を示している。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光ファイバレーザの概略構成および光ファイバ内での光パワーを示す模式図である。光ファイバレーザ１００は、複数の半導体励起光源１と、複数の光ファイバ２と、光合波器３と、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）４と、増幅用光ファイバ５と、ラマン光低減フィルタ６と、ＦＢＧ７と、光合波器８と、複数の光ファイバ９と、複数の半導体励起光源１０と、出力光ファイバ１１とを備えている。各要素は適宜光ファイバで接続されている。

励起光源である複数の半導体励起光源１は、それぞれ、増幅用光ファイバ５に供給する励起光を出力する。励起光は、増幅用光ファイバ５を光励起できる波長、たとえば９１５ｎｍの波長を有している。複数の光ファイバ２は、それぞれ、各半導体励起光源１から出力された励起光を伝搬し、光合波器３に出力する。

光合波器３は、本実施形態ではＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）で構成されている。光合波器３は、各光ファイバ２から入力された励起光を、信号光ポートの光ファイバに合波し、増幅用光ファイバ５へ出力する。

増幅用光ファイバ５は、石英系ガラスからなるコア部に増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加されたＹＤＦ（Ytterbium Doped Fiber）であり、コア部の外周には石英系ガラスからなる内側クラッド層と樹脂等からなる外側クラッド層とが順次形成されたダブルクラッド型の光ファイバである。なお、増幅用光ファイバ５のコア部はＮＡがたとえば０．０８であり、Ｙｂイオンの発光、たとえば波長１０７０ｎｍの光をシングルモードで伝搬するように構成されている。増幅用光ファイバ５のコア部の吸収係数は、たとえば波長９１５ｎｍにおいて２００ｄＢ／ｍである。また、コア部に入力された励起光からレーザ発振光へのパワー変換効率はたとえば７０％である。

後端側反射手段であるＦＢＧ４は、光合波器３の信号光ポートの光ファイバと増幅用光ファイバ５との間に接続されている。ＦＢＧ４は、中心波長が例えば１０７０ｎｍであり、中心波長およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。また、出力側反射手段であるＦＢＧ７は、光合波器８の信号光ポートの光ファイバと増幅用光ファイバ５との間に接続されている。ＦＢＧ７は、中心波長がＦＢＧ４と略同じである例えば１０７０ｎｍであり、中心波長における反射率が１０％〜３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約１ｎｍであり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。

ＦＢＧ４、７は、増幅用光ファイバ５の両端のそれぞれに対して配置され、波長１０７０ｎｍの光に対して光ファイバ共振器を構成する。

励起光源である複数の半導体励起光源１０は、それぞれ、増幅用光ファイバ５に供給する励起光を出力する。励起光は、増幅用光ファイバ５を光励起できる波長、たとえば９１５ｎｍの波長を有している。複数の光ファイバ９は、それぞれ、各半導体励起光源１０から出力された励起光を伝搬し、光合波器８に出力する。

光合波器８は、光合波器３と同様に、本実施形態ではＴＦＢで構成されている。光合波器８は、各光ファイバ９から入力された励起光を信号光ポートの光ファイバに合波し、増幅用光ファイバ５へ出力する。

増幅用光ファイバ５では、励起光によってコア部のＹｂイオンが光励起され、波長１０７０ｎｍを含む帯域の光を発光する。波長１０７０ｎｍの発光は、増幅用光ファイバ５の光増幅作用とＦＢＧ４、７によって構成される光共振器の作用とによってレーザ発振する。

出力光ファイバ１１は、ＦＢＧ７とは反対側に配置され、光合波器８の信号光ポートの光ファイバに接続されている。発振したレーザ光（レーザ発振光）は出力光ファイバ１１から出力される。出力光ファイバ１１は、たとえばデリバリ光ファイバに接続されている。レーザ発振光はデリバリ光ファイバによって所定の用途のために伝搬される。

フィルタ手段であるラマン光低減フィルタ６は、増幅用光ファイバ５とＦＢＧ７との間に配置されている。ここで、レーザ発振光によって、光ファイバレーザを構成する光ファイバのうち、レーザ発振光が伝搬する光ファイバ内でラマン散乱光が発生する。レーザ発振光が伝搬する光ファイバとは、主に増幅用光ファイバ５、ＦＢＧ７、光合波器８の信号光ポートを構成する光ファイバ、出力光ファイバ１１およびこれらを接続する光ファイバである。ラマン光低減フィルタ６は、発生したラマン散乱光のパワーを選択的に低下させる機能を有する。

本実施形態では、レーザ発振光の波長は１０７０ｎｍであるので、ラマン散乱光の波長は１１２０ｎｍ程度である。ラマン光低減フィルタ６は、図２に透過スペクトルを例示すように、透過率が１１２０ｎｍ付近で−３０ｄＢ以下である。したがって、ラマン散乱光は、ラマン光低減フィルタ６に入力されるとそのパワーが選択的かつ大幅に低下する。

ラマン光低減フィルタ６は、たとえばスラント型のＦＢＧによって構成することができる。スラント型ＦＢＧでは、ラマン散乱光を選択的に反射等してＦＢＧのコアの外部に漏洩させることによって、ラマン散乱光のパワーを低下させる。なお、ラマン光低減フィルタ６をスラント型ＦＢＧによって構成する場合、以下のようにしてもよい。たとえばＦＢＧ７を作製する際に、ＦＢＧ作製用光ファイバの被覆を除去し、そこにパターン状の紫外線を照射して、ＦＢＧ７のグレーティングとスラント型ＦＢＧのグレーティングを書き込んでもよい。これにより、被覆の除去工程を一度として、一体的な部品としてのラマン光低減フィルタ６およびＦＢＧ７を作製することができる。また、これにより、ラマン光低減フィルタ６とＦＢＧ７とを個別部品として作製した場合に必要な融着接続の作業が不要となるので、全体的な光ファイバ長が短くなり、かつ作業工程も簡略化できる。

また、ラマン光低減フィルタ６は、たとえばラマン散乱光を吸収可能な物質を含むバルク型のフィルタや光ファイバ型のフィルタによっても構成することができる。こられの光吸収型のフィルタでは、ラマン散乱光を選択的に吸収することによって、ラマン散乱光のパワーを低下させる。また、光吸収型のフィルタでは、吸収した光のエネルギーが熱に変換され、発熱する場合があるので、ヒートシンクなどの放熱機構を設けることが好ましい。

また、ラマン光低減フィルタ６は、ラマン散乱光を含む波長帯が禁止帯になるように構成されたフォトニックバンドギャップファイバ（Photonic BandGap Fiber：ＰＢＧＦ）によって構成することもできる。

ラマン光低減フィルタ６は、ラマン散乱光のパワーを−１５ｄＢ以下だけ低下させるように、透過率が−１５ｄＢ以下であることが好ましく、−３０ｄＢ以下だけ低下させるように、透過率が−３０ｄＢ以下であることがさらに好ましい。

図１に戻って、破線Ｌ１は、レーザ発振光が伝搬する光ファイバの長手方向（以下、単に長手方向と記載する場合がある）における位置と、その位置におけるレーザ発振光のパワーとの関係を模式的に示している。破線Ｌ１が示すように、レーザ発振光のパワーはＦＢＧ４からＦＢＧ７に向かって増幅用光ファイバ５において増加し、ＦＢＧ７より出力光ファイバ１１側では略一定である。

一方、実線Ｌ２は、長手方向における位置と、その位置におけるラマン散乱のパワーとの関係を模式的に示している。実線Ｌ２が示すように、ラマン散乱光のパワーはＦＢＧ４からＦＢＧ７に向かって増幅用光ファイバ５において増加するが、ラマン光低減フィルタ６によって大幅に低下する。その後、ラマン散乱光のパワーは出力光ファイバ１１にわたって増加するが、ラマン光低減フィルタ６によってパワーを大幅に低下された後なので、その後のパワーの増加は抑制されている。

その結果、レーザ発振光のエネルギーが、ラマン散乱光のパワーの増加に消費される程度も低減されるので、レーザ発振光のパワーの低下を抑制でき、レーザ発振のエネルギー効率の低下も抑制できる。さらには、ラマン散乱光に対するレーザ発振光のパワー比も比較的高くできる。ここで、レーザ発振光を信号光とすると、ラマン散乱光は信号光に対するノイズ光と考えられるので、ラマン散乱光に対するレーザ発振光のパワー比をＯＳＮＲ（Optical Signal Noise Ratio）と記載する場合ある。ＯＳＮＲが高い方が、レーザ発振光のエネルギーがラマン散乱光のパワーの増加に消費される程度が小さく、出力光ファイバ１１から出力される光の品質も高いといえる。したがって、ＯＳＮＲが許容値以上となるようにラマン光低減フィルタ６の構成や配置を行うことが好ましい。ＯＳＮＲの許容値は、レーザ発振光の使用用途や要求パワー等によって異なるが、たとえば４０ｄＢである。また、ＯＳＮＲが許容値以上である位置は、フィルタ手段であるラマン光低減フィルタ６の直後であることが好ましい。ここで、直後とは、ラマン散乱光のパワーが増加する方向における直後である。

特に、本実施形態では、ＦＢＧ４よりもＦＢＧ７側の光ファイバは、レーザ発振波長におけるモードフィールド径が１５μｍ以下であり、ＦＧＢ７から出力されるレーザ光のパワーは１５００Ｗ以上である。したがって、レーザ加工に用いる際のビーム品質は良好であるが、ＦＢＧ４よりもＦＢＧ７側の光ファイバにおける光のパワー密度が高い。したがって、発生するラマン散乱光のパワーも顕著に大きくなるおそれがあるが、ラマン光低減フィルタ６によってパワーを大幅に低下させるので、ＯＳＮＲが許容値以上の状態を実現することができる。なお、ＦＢＧ４よりもＦＢＧ７側の光ファイバとは、ＦＢＧ４よりもＦＢＧ７側でレーザ発振光が伝搬する光ファイバである。すなわち、主に増幅用光ファイバ５、ＦＢＧ４、７、出力光ファイバ１１、光合波器８の信号光ポートの光ファイバ、ラマン光低減フィルタ６においてレーザ発振光が伝搬する光ファイバである。

つぎに、比較として、図１２に示すような比較形態に係る光ファイバレーザにおける光ファイバ内での光パワーについて説明する。この比較形態に係る光ファイバレーザ１０００は、実施形態１に係る光ファイバレーザ１００の構成からラマン光低減フィルタ６を削除した構成を有するので、光ファイバレーザ１０００の構成に関する詳細な説明は省略する。

図１２における破線Ｌ１００１は、長手方向における位置と、その位置におけるレーザ発振光のパワーとの関係を模式的に示している。一方、実線Ｌ１００２は、長手方向における位置と、その位置におけるラマン散乱のパワーとの関係を模式的に示している。この光ファイバレーザ１０００の場合は、ＦＢＧ４から出力光ファイバ１１にわたって、ラマン散乱光のパワーは連続的に増加するので、出力光ファイバ１１におけるパワーはきわめて大きくなる。これに伴い、破線Ｌ１００１が示すように、レーザ発振光のエネルギーは、ＦＢＧ７より出力光ファイバ１１側では、ラマン散乱光のパワーの増加に消費されるため、パワーがより低下する。さらには、ＯＳＮＲも低下する。

ここで、レーザ発振光とラマン散乱光のパワーについての伝搬方程式は以下の式（１）、（２）で表される。

式（１）、（２）において、Ｐｓはラマン散乱光のパワー、Ｐｐはレーザ発振光のパワー、ｇＲはラマン利得係数、Ａｅｆｆは有効コア断面積、αｓはラマン散乱光の波長における伝送損失、αｐはレーザ発振光の波長における伝送損失を示しており、いずれも長手方向における位置ｚの関数である。また、λｓはラマン散乱光の波長、λｐはレーザ発振光の波長である。

式（１）が示すように、［ｇＲ／（λｓ・Ａｅｆｆ）］・Ｐｐが大きく、つまりレーザ発振光のパワーが大きいと、ラマン散乱光の増加効率が大きくなる。また、式（２）が示すように、−［ｇＲ／（λｐ・Ａｅｆｆ）］・Ｐｓが大きく、つまりラマン散乱光のパワーＰｓが大きいと、レーザ発振光のパワーの低下率が大きくなる。したがって、実施形態１のように、Ｐｓが大きくなる前にラマン光低減フィルタ６によって低下させることが、ラマン散乱光のパワーの増大を抑制する観点から効果的である。

以上説明したように、実施形態１に係る光ファイバレーザ１００によれば、ラマン散乱光のパワーの増大を抑制できる。

（実施形態２）
図３は、実施形態２に係る光ファイバレーザの概略構成および光ファイバ内での光パワーを示す模式図である。この光ファイバレーザ１００Ａは、実施形態１に係る光ファイバレーザ１００の構成において、増幅用光ファイバ５を増幅用光ファイバ５ａ、５ｂに分割し、増幅用光ファイバ５ａ、５ｂの間にラマン光低減フィルタ６を移動した構成を有するので、光ファイバレーザ１００Ａの構成に関する詳細な説明は省略する。なお、本実施形態においてもＦＢＧ４よりもＦＢＧ７側の光ファイバは、レーザ発振波長におけるモードフィールド径が１５μｍ以下であり、ＦＧＢ７から出力されるレーザ光のパワーは１５００Ｗ以上である。

図３において、破線Ｌ１Ａは、長手方向における位置と、その位置におけるレーザ発振光のパワーとの関係を模式的に示している。破線Ｌ１Ａが示すように、レーザ発振光のパワーはＦＢＧ４からＦＢＧ７に向かって増幅用光ファイバ５において増加し、ＦＢＧ７より出力光ファイバ１１側では略一定である。

実線Ｌ２Ａは、長手方向における位置と、その位置におけるラマン散乱のパワーとの関係を模式的に示している。実線Ｌ２Ａが示すように、ラマン散乱光のパワーはＦＢＧ４からＦＢＧ７に向かって増加するが、増幅用光ファイバ５ａ、５ｂの間に配置されたラマン光低減フィルタ６によって大幅に低下する。その後、ラマン散乱光のパワーは出力光ファイバ１１にわたって増加するが、ラマン光低減フィルタ６によってパワーを大幅に低下された後なので、その後のパワーの増加は抑制されている。

その結果、光ファイバレーザ１００Ａにおいては、レーザ発振光のエネルギーが、ラマン散乱光のパワーの増加に消費される程度も低減されるので、レーザ発振光のパワーの低下を抑制でき、レーザ発振のエネルギー効率の低下も抑制できる。さらには、ＯＳＮＲも許容値以上に高くできる。

以上説明したように、実施形態２に係る光ファイバレーザ１００Ａによれば、ラマン散乱光のパワーの増大を抑制できる。

つぎに、光ファイバレーザの長手方向における光パワーの分布を計算によって検討した結果を説明する。

まず、参考計算例１として、図１２に示す光ファイバレーザ１０００の構成について計算を行った。図４は、参考計算例１における光ファイバ内での光パワーを示す図である。図４において横軸はＹＤＦである増幅用光ファイバの長手方向における位置を示しており、縦軸はレーザ発振光のパワー（レーザ光パワー）およびラマン散乱光のパワー（Ｒａｍａｎ光パワー）を示している。増幅用光ファイバの長さは２０ｍである。破線Ｌ１１はレーザ光パワーであり、実線Ｌ１２がＲａｍａｎ光パワーである。また、Ｒａｍａｎ光パワーについては、図４（ａ）ではワット単位で表示しており、図４（ｂ）ではｄＢｍ単位で表示している。なお、Ｒａｍａｎ光パワーについては、位置が０ｍの位置で光子１個の自然ラマン散乱が起こった後に、当該光子が２０ｍにわたってラマン増幅されると仮定して計算したものである。また、本参考計算例１や下記の計算例では、レーザ発振光のエネルギーがラマン散乱光の増大に消費される現象は考慮しないで計算を行っている。なお、ＦＢＧ４よりもＦＢＧ７側の光ファイバの、レーザ発振波長におけるモードフィールド径は、１４μｍに相当する。

この参考計算例１では、増幅用光ファイバの出力側におけるレーザ光パワーは１１００Ｗ、すなわち約６０．４ｄＢｍである。一方、Ｒａｍａｎ光パワーは０．１Ｗ、すなわち２０ｄＢｍである。したがってＯＳＮＲは、許容量を４０ｄＢとすると、許容量以上の約４０．４ｄＢである。すなわち、レーザ光パワーが１１００Ｗであれば、０．１ＷのＲａｍａｎ光パワーは許容量である。

つづいて、比較計算例１として、図１２に示す光ファイバレーザ１０００の構成において、よりレーザ光パワーを高めた設計として計算を行った。図５は、比較計算例における光ファイバ内での光パワーを示す図である。破線Ｌ２１はレーザ光パワーであり、実線Ｌ２２がＲａｍａｎ光パワーである。また、Ｒａｍａｎ光パワーについては、図５（ａ）ではワット単位で表示しており、図５（ｂ）ではｄＢｍ単位で表示している。

この比較計算例１では、増幅用光ファイバの出力側におけるレーザ光パワーは１５００Ｗ、すなわち約６１．８ｄＢｍである。このとき、ＯＳＮＲの許容量を４０ｄＢであるとすると、Ｒａｍａｎ光パワーは０．１５Ｗ以下、すなわち約２１．８ｄＢｍである。しかしながら、本比較計算例ではＲａｍａｎ光パワーは約４２ｄＢｍとなり、ＯＳＮＲは２０ｄＢよりも小さく、許容量を大幅に下回ってしまった。

つづいて、計算例１として、図３に示す光ファイバレーザ１００Ａの構成において、比較計算例１と同程度にレーザ光パワーを高めた設計として計算を行った。なお、増幅光ファイバは２０ｍのものを１５ｍと５ｍに分割し、位置０ｍから１５ｍの位置に、透過率が約−１８ｄＢのラマン光低減フィルタを配置した。

図６は、計算例１における光ファイバ内での光パワーを示す図である。破線Ｌ２１は本計算例におけるレーザ光パワーであるが、図５に示す比較計算例におけるレーザ光パワーと同じ曲線となったので、同じ符号で示している。実線Ｌ２２は比較計算例におけるＲａｍａｎ光パワーであり、比較のために示している。実線Ｌ２３は本計算例１におけるＲａｍａｎ光パワーである。また、図６（ｂ）は図６（ａ）の一部を拡大したものである。また、Ｒａｍａｎ光パワーについては、図６（ａ）、６（ｂ）ではワット単位で表示しており、図６（ｃ）ではｄＢｍ単位で表示している。

この計算例１では、増幅用光ファイバの出力側におけるレーザ光パワーは１５００Ｗ、すなわち約６１．８ｄＢｍである。このとき、ＯＳＮＲの許容量を４０ｄＢであるとすると、Ｒａｍａｎ光パワーは０．１５Ｗ以下、すなわち約２１．８ｄＢｍ以下である。本計算例では、適正な構成（透過率）のラマン光低減フィルタを適正な位置に配置したので、Ｒａｍａｎ光パワーは約２１．７ｄＢｍとなり、ＯＳＮＲは約４０．１ｄＢと許容量以上であった。

（実施形態３）
図７は、実施形態３に係る光ファイバレーザの概略構成および光ファイバ内での光パワーを示す模式図である。この光ファイバレーザ１００Ｂは、実施形態１に係る光ファイバレーザ１００の構成において、出力光ファイバ１１を２本の出力光ファイバ１１ａ、１１ｂに分割し、出力光ファイバ１１ａ、１１ｂの間にラマン光低減フィルタ６を移動した構成を有するので、光ファイバレーザ１００Ｂの構成に関する詳細な説明は省略する。なお、本実施形態においても、ＦＢＧ４よりもＦＢＧ７側の光ファイバは、レーザ発振波長におけるモードフィールド径が１５μｍ以下であり、ＦＧＢ７から出力されるレーザ光のパワーは１５００Ｗ以上である。

図７において、破線Ｌ１Ｂは、長手方向における位置と、その位置におけるレーザ発振光のパワーとの関係を模式的に示している。破線Ｌ１Ｂが示すように、レーザ発振光のパワーはＦＢＧ４からＦＢＧ７に向かって増幅用光ファイバ５において増加し、ＦＢＧ７より出力光ファイバ１１側では略一定である。

実線Ｌ２Ｂは、長手方向における位置と、その位置におけるラマン散乱のパワーとの関係を模式的に示している。実線Ｌ２Ｂが示すように、ラマン散乱光のパワーはＦＢＧ４から出力光ファイバ１１ａまで増加するが、ラマン光低減フィルタ６によって大幅に低下する。その後、ラマン散乱光のパワーは出力光ファイバ１１ｂにおいて増加するが、ラマン光低減フィルタ６によってパワーを大幅に低下された後なので、その後のパワーの増加は抑制されている。

その結果、光ファイバレーザ１００Ｂにおいては、レーザ発振光のエネルギーが、ラマン散乱光のパワーの増加に消費される程度も低減されるので、レーザ発振光のパワーの低下を抑制できる。さらには、ＯＳＮＲも許容値以上に高くできる。

以上説明したように、実施形態３に係る光ファイバレーザ１００Ｂによれば、ラマン散乱光のパワーの増大を抑制できる。

なお、光ファイバレーザ１００Ｂでは、出力光ファイバ１１ａ、１１ｂの間にラマン光低減フィルタ６を配置しているが、出力光ファイバ１１を２本の出力光ファイバ１１ａ、１１ｂに分割せずに、ラマン光低減フィルタ６をＦＢＧ７と出力光ファイバ１１との間に配置した構成としてもよい。

つぎに、光ファイバレーザの長手方向における光パワーの分布を計算によって検討した結果を説明する。

まず、参考計算例２として、図１２に示す光ファイバレーザ１０００の構成について計算を行った。図８は、参考計算例２における光ファイバ内での光パワーを示す図である。図８において横軸は出力光ファイバの長手方向における位置を示しており、縦軸はレーザ光パワーおよびＲａｍａｎ光パワーを示している。出力光ファイバの長さは１０ｍである。破線Ｌ３１はレーザ光パワーであり、実線Ｌ３２がＲａｍａｎ光パワーである。また、Ｒａｍａｎ光パワーについては、図８（ａ）ではワット単位で表示しており、図８（ｂ）ではｄＢｍ単位で表示している。なお、ＦＢＧ４よりもＦＢＧ７側の光ファイバの、レーザ発振波長におけるモードフィールド径は、１４μｍに相当する。

この参考計算例２では、光ファイバ共振器から出力され、出力光ファイバに入力される位置０ｍでのレーザ光パワーは１０００Ｗ、すなわち６０ｄＢｍである。一方、Ｒａｍａｎ光パワーは約０．１Ｗである。また、出力光ファイバの位置１０ｍでのレーザ光パワーは約９９９．１Ｗに低下し、Ｒａｍａｎ光パワーは約１Ｗに増加する。したがってＯＳＮＲは約３０ｄＢであり、４０ｄＢより小さいが、一般的な用途では使用可能なレベルである。

つづいて、比較計算例２として、図１２に示す光ファイバレーザ１０００の構成において、よりレーザ光パワーを高めた設計として計算を行った。図９は、比較計算例２における光ファイバ内での光パワーを示す図である。破線Ｌ４１はレーザ光パワーであり、実線Ｌ４２がＲａｍａｎ光パワーである。また、Ｒａｍａｎ光パワーについては、図９（ａ）ではワット単位で表示しており、図９（ｂ）ではｄＢｍ単位で表示している。

この比較計算例２では、光ファイバ共振器から出力され、出力光ファイバに入力される位置０ｍでのレーザ光パワーは１５００Ｗ、すなわち約６１．８ｄＢｍである。このとき、ＯＳＮＲの許容量を４０ｄＢであるとすると、Ｒａｍａｎ光パワーは０．１５Ｗ以下、すなわち約２１．８ｄＢｍである。しかしながら、本比較計算例２では、出力光ファイバの位置１０ｍでのＲａｍａｎ光パワーは２１．８ｄＢｍを大幅に超え、ＯＳＮＲは約２０ｄＢとなり、許容量を大幅に下回ってしまった。

つづいて、計算例２として、図７に示す光ファイバレーザ１００Ｂの構成において、出力光ファイバ１１ａの長さを０ｍ、出力光ファイバ１１ｂの長さを１０ｍとし、比較計算例２と同程度にレーザ光パワーを高めた設計として計算を行った。なお、ラマン光低減フィルタの透過率は約−２０ｄＢとした。

図１０は、計算例２における光ファイバ内での光パワーを示す図である。破線Ｌ５１は本計算例２におけるレーザ光パワーである。破線Ｌ４１は比較計算例２におけるレーザ光パワーであり、比較のために示している。実線Ｌ４２は比較計算例２におけるＲａｍａｎ光パワーであり、比較のために示している。実線Ｌ５２は本計算例２におけるＲａｍａｎ光パワーである。また、Ｒａｍａｎ光パワーについては、図１０（ａ）ではワット単位で表示しており、図１０（ｂ）ではｄＢｍ単位で表示している。

この計算例２では、出力光ファイバの位置１０ｍでのレーザ光パワーは１５００Ｗ、すなわち約６１．８ｄＢｍである。このとき、ＯＳＮＲの許容量を４０ｄＢであるとすると、Ｒａｍａｎ光パワーは０．１５Ｗ以下、すなわち約２１．８ｄＢｍである。本計算例２では、適正な構成（透過率）のラマン光低減フィルタを適正な位置に配置したので、出力光ファイバの位置１０ｍでのＲａｍａｎ光パワーは約２１．７ｄＢｍとなり、ＯＳＮＲは約４０．１ｄＢと許容量以上であった。

（実施形態４）
図１１は、実施形態４に係る合波型光ファイバレーザの概略構成および光ファイバ内での光パワーを示す模式図である。この合波型光ファイバレーザ２００は、図７に示した４つの光ファイバレーザ１００Ｂと、光合波器２１と、出力光ファイバ２２と、デリバリ光ファイバ２３とを備えている。

図１１では、各光ファイバレーザ１００Ｂにおける出力光ファイバ１１およびラマン光低減フィルタ６以外の構成はブロックとして図示している。各出力光ファイバ１１は、各光ファイバレーザ１００Ｂが出力したレーザ発振光を伝搬し、光合波器２１に出力する。

光合波器２１は、各出力光ファイバ１１から入力されたレーザ発振光を合波し、出力光ファイバ２２へ出力するように構成されている。なお、出力光ファイバ２２はコア径がたとえば５０−１００μｍのマルチモードファイバであり、モードフィールド径は１５μｍよりもはるかに大きいため、発生するラマン散乱光のパワーは小さいので考慮しない。

出力光ファイバ２２は、合波されたレーザ発振光をデリバリ光ファイバ２３へ伝搬する。なお、デリバリ光ファイバ２３はコア径がたとえば５０−１００μｍのマルチモードファイバであり、モードフィールド径は１５μｍよりもはるかに大きいため、発生するラマン散乱光のパワーは小さいので考慮しない。

図１１において、実線Ｌは、長手方向における位置と、その位置におけるラマン散乱光のパワーとの関係を模式的に示している。実線Ｌが示すように、この合波型光ファイバレーザ２００では、光合波器２１の内部まで延びている出力光ファイバ１１で発生し、出力光ファイバ１１側から各光ファイバレーザ１００Ｂ側へ伝搬するラマン散乱光のパワーが、各ラマン光低減フィルタ６によって大幅に低下する。その後、ラマン散乱光のパワーは各光ファイバレーザ１００Ｂにおいて増加するが、ラマン光低減フィルタ６によってパワーを大幅に低下された後なので、その後のパワーの増加は抑制されている。

また、合波型光ファイバレーザ２００では、図７に示した光ファイバレーザ１００Ｂにおける場合と同様に、ラマン散乱光のパワーはＦＢＧ４から出力光ファイバ１１ａまで増加するが、ラマン光低減フィルタ６によって大幅に低下する。その後、ラマン散乱光のパワーは出力光ファイバ１１ｂにおいて増加するが、ラマン光低減フィルタ６によってパワーを大幅に低下された後なので、その後のパワーの増加は抑制されている。

その結果、合波型光ファイバレーザ２００においては、レーザ発振光のエネルギーが、ラマン散乱光のパワーの増加に消費される程度も低減されるので、レーザ発振光のパワーの低下を抑制できる。さらには、ＯＳＮＲも許容値以上に高くできる。

以上説明したように、実施形態４に係る合波型光ファイバレーザ２００によれば、ラマン散乱光のパワーの増大を抑制できる。

なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１、１０ 半導体励起光源
２、９ 光ファイバ
３、８、２１ 光合波器
５、５ａ、５ｂ 増幅用光ファイバ
６ ラマン光低減フィルタ
１１、１１ａ、１１ｂ、２２ 出力光ファイバ
２３ デリバリ光ファイバ
１００、１００Ａ、１００Ｂ 光ファイバレーザ
２００ 合波型光ファイバレーザ
Ｌ、Ｌ１２、Ｌ２、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２Ａ、Ｌ２Ｂ 実線
Ｌ１、Ｌ１１、Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂ、Ｌ２１ 破線

Claims (9)

1. 増幅用光ファイバと、
   前記増幅用光ファイバの両端のそれぞれに対して配置された後端側反射手段と出力側反射手段とにより構成された光共振器と、
   前記増幅用光ファイバに供給する励起光を出力する励起光源と、
   前記光共振器によって発振するレーザ光によって発生するラマン散乱光のパワーを選択的に低下させるフィルタ手段と、
   を備え、
   前記後端側反射手段よりも前記出力側反射手段側の光ファイバは、レーザ発振波長におけるモードフィールド径が１５μｍ以下であり、
   前記光共振器の前記出力側反射手段から出力される前記レーザ光のパワーは１５００Ｗ以上であり、
   前記フィルタ手段は、前記フィルタ手段の直後における前記ラマン散乱光に対する前記レーザ光のパワー比が、許容値以上となるように構成され、かつ配置されることを特徴とする光ファイバレーザ。
2. 前記許容値は４０ｄＢ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ。
3. 前記出力側反射手段における前記ラマン散乱光のパワーが０．１５Ｗ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバレーザ。
4. 前記フィルタ手段は、前記ラマン散乱光のパワーを−１５ｄＢ以下だけ低下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバレーザ。
5. 前記フィルタ手段は、前記増幅用光ファイバと前記出力側反射手段との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバレーザ。
6. 前記フィルタ手段は、２本の前記増幅用光ファイバの間に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光ファイバレーザ。
7. 前記出力側反射手段を挟んで前記増幅用光ファイバとは反対側に配置された出力光ファイバを備え、
   前記フィルタ手段は、前記出力側反射手段と前記出力光ファイバとの間に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光ファイバレーザ。
8. ２本の前記出力光ファイバを備え、前記フィルタ手段は、前記２本の出力光ファイバの間に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバレーザ。
9. 請求項７または８に記載の複数の光ファイバレーザと、
   前記複数の光ファイバレーザの前記出力光ファイバから出力されるレーザ光を合波して出力する光合波器と、
   を備えることを特徴とする合波型光ファイバレーザ。
   
   
   
   
   

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