JP2020134758A - フィルタ装置、レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 局所的な発熱を抑制し得るフィルタ装置及びレーザ装置を提供することを目的とする。【解決手段】 フィルタ装置ＦＬは、所定波長の光をマルチモードで伝搬する光ファイバ４０と、光ファイバ４０を伝搬するマルチモードの光のうち所定のモードより高次のモードの光の少なくとも一部を除去する第１高次モードフィルタ４１と、所定波長の光を透過させ、所定波長より長波長である特定波長の光を反射するファイバブラッググレーティング４５と、を備える【選択図】 図１

Description

本発明は、局所的な発熱を抑制し得るフィルタ装置、レーザ装置に関する。
ファイバレーザ装置は、集光性に優れ、パワー密度が高く、小さなビームスポットとなる光が得られることから、レーザ加工分野、医療分野等の様々な分野において用いられている。
近年、ファイバレーザ装置から出射する光のパワーは大きくなり、光ファイバを伝搬する光のパワー密度が上がることで誘導ラマン散乱によるストークス光が発生する場合がある。ストークス光が発生すると、ファイバレーザ装置から本来出射する光からストークス光にエネルギーが遷移し易くなり、光を増幅する機能を有しない光ファイバにおいてもストークス光のパワーが大きくなる傾向がある。従って、ストークス光が発生する場合、ストークス光のパワーが小さい状態でストークス光を除去することが好ましい。
下記特許文献１には、複数のスラント型のＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）が設けられたファイバレーザ装置が記載されている。このファイバレーザ装置では、それぞれのＦＢＧにより、ストークス光がコアの外に反射される。
米国特許出願公開第２０１６／０１１１８５１号明細書
ＦＢＧは、ＦＢＧが設けられる部位以外におけるコアよりも屈折率の高い複数の高屈折率部と、当該コアと同等の屈折率である複数の低屈折率部が交互に形成される構成を有する。一般的なＦＢＧでは、それぞれの高屈折率部と低屈折率部との境界面がコアの長手方向に対して直交するように設けられる。この場合、コアの実効屈折率をｎeffとし、コアの長手方向に沿ったＦＢＧの周期をΛとし、コアを伝搬する光の波長をλとすると、ＦＢＧに入射するλ＝２ｎeffΛの波長の光の少なくとも一部は、ＦＢＧに入射する方向と正反対の方向に反射される。高屈折率部の屈折率や数によっては、殆ど全てのλ＝２ｎeffΛの波長の光をＦＢＧに入射する方向と正反対の方向に反射することが可能である。また、ＦＢＧに入射するλ＜２ｎeffΛの波長の光の一部は、ＦＢＧに入射する方向と正反対の方向に対し所定の角度の方向に反射される。この角度は、λと２ｎeffΛとの差が大きい程大きくなる。
ファイバレーザ装置において、信号光が透過し、この信号光から発生する誘導ラマン散乱のストークス光がＦＢＧに入射する方向と正反対の方向に反射されるＦＢＧを設けて、ＦＢＧよりも信号光の伝搬方向における下流側にストークス光が伝搬することを抑制しようとする場合がある。この場合に、信号光の波長がストークス光の波長より短いため、信号光の一部は、ＦＢＧに入射する方向と正反対の方向に対し所定の角度の方向に反射されるということが見出された。このように信号光の一部がＦＢＧに入射する方向と正反対の方向に対し所定の角度の方向に反射される現象は、ストークス光が光ファイバの長手方向に対して所定の角度で反射されるスラント型のＦＢＧでも生じる。このように所定の角度の方向に反射される信号光がコアのＮＡを超える場合、反射される信号光はクラッドに伝搬してクラッドモード光となる。通常の光ファイバのクラッドは樹脂から成る被覆層で被覆されているため、クラッドモード光は、クラッドの被覆層に吸収され熱になる。高出力ファイバレーザ装置等のように信号光のパワーが大きい場合、ＦＢＧで上記のように反射してクラッドモード光になる信号光の比率が小さくても、そのエネルギーは大きく、被覆層を損傷させる懸念がある。
そこで、本発明は局所的な発熱を抑制し得るフィルタ装置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、本発明のフィルタ装置は、所定波長の光をマルチモードで伝搬させる光ファイバと、前記光ファイバを伝搬する前記マルチモードの光のうち所定のモードより高次のモードの光の少なくとも一部を除去する高次モードフィルタと、前記所定波長の光を透過させ、前記所定波長より長波長である特定波長の光を反射するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）と、を備えることを特徴とするものである。
このようなフィルタ装置によれば、所定波長の光を透過させ、所定波長の光より長波長の特定波長の光の透過を抑制するため、特定波長の光がフィルタ装置より先に伝搬することを抑制し得る。ところで、上記のように所定波長より長波長の特定波長の光を反射するＦＢＧであっても、特定波長よりも短波長である所定波長の光の一部は、ＦＢＧに入射する方向と正反対の方向に対し所定の角度の方向に反射される。また、コアの光の閉じ込め力は、高次モードの光ほど弱い。従って、このように所定の角度の方向に反射された光のうち、高次モードの光ほどクラッドモード光になりやすい。そこで、上記フィルタ装置では、所定波長の光を高次モードフィルタからＦＢＧに伝搬させることで、ＦＢＧに所定波長の光が入射する前に、高次モードフィルタにおいて所定波長の光のうち所定のモードより高次のモードの光の少なくとも一部を予め除去することができる。このため、ＦＢＧに入射する光のうち高次モードの光のパワーが抑えられる。従って、ＦＢＧに入射する方向と正反対の方向に対し所定の角度の方向に反射される所定波長の光においても、クラッドモード光になりやすい高次モードの光のパワーが抑えられる。
従って、本発明のフィルタ装置によれば、ＦＢＧで反射する光がクラッドモード光になる場合であっても、そのパワーを抑えることができ、局所的な発熱を抑制し得る。
また、前記ＦＢＧはスラント型であることとしてもよい。
この場合、ＦＢＧで反射した特定波長の光を、ＦＢＧの傾きに基づいた特定の方向に出射することができる。従って、不要な光がコアを戻ることを抑制し得る。
また、前記高次モードフィルタは、前記光ファイバが所定の直径で曲げられた区間からなることが好ましい。
この場合、高次モードフィルタを簡易な構成で形成することができる。
また、前記高次モードフィルタは、ＬＰ１１モードより高次のモードの光を除去することとしてもよい。
このような構成とすることで、ＬＰ０２モードの光、ＬＰ２１モードの光、及びそれ以上のモードの光のパワーを抑えることができ、ビーム品質を向上させることができる。
この場合、前記高次モードフィルタは、ＬＰ０１モードより高次のモードの光を除去することとしてもよい。
このような構成とすることで、ＬＰ１１モード以上の光のパワーを抑えることができ、ビーム品質をより向上させることができる。
また、前記特定波長の光は、前記所定波長の光のストークス光であることが好ましい。
この場合、パワーの大きな所定波長の光を光ファイバに伝搬させる場合に、所定波長の光から生じるストークス光がフィルタ装置から先に伝搬することを抑制することができる。従って、例えば、レーザ装置の信号光のパワーが大きく、この信号光からストークス光が生じる場合等に有用である。
また、フィルタ装置は、一対の前記高次モードフィルタを備え、前記ＦＢＧは、一対の前記高次モードフィルタで挟まれることが好ましい。
この場合、ＦＢＧの一方側からＦＢＧに伝搬する所定波長の光における所定のモードより高次のモードの光のパワー、及び、ＦＢＧの他方側からＦＢＧに伝搬する所定波長の光における所定のモードより高次のモードの光のパワーを抑えることができる。従って、ＦＢＧの一方側及び他方側のどちら側からＦＢＧに所定波長の光が伝搬する場合であっても、所定波長の光の一部がＦＢＧで反射されることによるクラッドモード光のパワーを抑えることができ、局所的な発熱を抑制し得る。
また、上記課題を解決するため、本発明のレーザ装置は、上記のいずれかに記載のフィルタ装置と、前記所定波長の光を出射する光源と、を備え、前記光ファイバは前記光源から出射する光を伝搬し、前記ＦＢＧは、前記光源から出射し前記高次モードフィルタを透過する前記所定波長の光を透過させ、前記特定波長の光を反射することを特徴とするものである。
このようなレーザ装置では、光源から出射する所定波長の光が光ファイバをマルチモードで伝搬するが、高次モードフィルタにおいて、所定のモードより高次のモードの光のパワーが抑えられる。このように所定のモードより高次のモードの光のパワーが抑えられた光がＦＢＧを透過する。このときに所定波長の光の一部が、ＦＢＧに入射する方向と正反対の方向に対し所定の角度の方向に反射される場合があるが、反射される光のうちクラッドモード光になりやすい高次モードの光のパワーが抑えられる。従って、本発明のレーザ装置によれば、局所的な発熱を抑制し得る。
以上説明したように、本発明によれば、本発明は局所的な発熱を抑制し得るフィルタ装置及びレーザ装置が提供される。
本発明の実施形態におけるレーザ装置を示す図である。 ＦＢＧを示す概念図である。 ＦＢＧの他の例を示す概念図である。
以下、本発明に係るフィルタ装置及びレーザ装置の好適な実施形態について、図面を参照しながらそれぞれ詳細に説明する。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができる。なお、以下で参照する図面では、理解を容易にするために、各部材の寸法を変えて示す場合がある。
図１は、本実施形態にかかるレーザ装置を示す図である。図１に示すように、本実施形態のレーザ装置１は、光源ＬＳと、フィルタ装置ＦＬとを備える。
光源ＬＳは、励起光を出射する励起光源２０と、励起光源２０から出射する励起光が入射し、励起光により励起される活性元素が添加される増幅用光ファイバ１３と、増幅用光ファイバ１３の一端に接続される光ファイバ１２と、光ファイバ１２に設けられる高反射率ＦＢＧ３１と、光ファイバ１２に励起光を入射するためのコンバイナ１０と、増幅用光ファイバ１３の他端に接続される光ファイバ１４と、光ファイバ１４に設けられる低反射率ＦＢＧ３２と、を主な構成として備える。増幅用光ファイバ１３と高反射率ＦＢＧ３１と低反射率ＦＢＧ３２とで共振器が形成され、本実施形態の光源ＬＳは共振器型のファイバレーザ装置とされる。
励起光源２０は、複数のレーザダイオード２１から構成され、増幅用光ファイバ１３に添加される活性元素を励起する波長の励起光を出射する。励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１は、励起光用光ファイバ２５に接続されており、レーザダイオード２１から出射する光は、それぞれのレーザダイオード２１に光学的に接続される励起光用光ファイバ２５を伝搬する。励起光用光ファイバ２５としては、例えば、マルチモードファイバを挙げることができ、この場合、励起光は励起光用光ファイバ２５をマルチモード光として伝搬する。なお、後述のように増幅用光ファイバ１３に添加される活性元素がイッテルビウムである場合、励起光の波長は、例えば９１５ｎｍとされる。
増幅用光ファイバ１３は、コアと、コアの外周面を隙間なく囲む内側クラッドと、内側クラッドの外周面を被覆する外側クラッドと、外側クラッドの外周面を被覆する被覆層とから構成されている。増幅用光ファイバ１３のコアを構成する材料としては、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム等の元素、及び、励起光源２０から出射する光により励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）等の活性元素が添加された石英が挙げられる。このような活性元素としては、希土類元素が挙げられ、希土類元素としては、上記イッテルビウムの他にツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）等が挙げられる。さらに活性元素として、希土類元素の他に、ビスマス（Ｂｉ）等が挙げられる。また、増幅用光ファイバ１３の内側クラッドを構成する材料としては、例えば、何らドーパントが添加されていない純粋石英やフッ素等の屈折率を低下させる元素が添加された石英から成る。また、増幅用光ファイバ１３の外側クラッドを構成する材料としては、例えば、内側クラッドより屈折率の低い樹脂やフッ素等の屈折率を低下させる元素が添加された石英が挙げられ、増幅用光ファイバ１３の被覆層を構成する材料としては、例えば、外側クラッドを構成する樹脂とは異なる紫外線硬化樹脂が挙げられる。
本実施形態では、増幅用光ファイバは、マルチモードファイバとされ、例えば、２以上１０以下のＬＰモードの光を伝搬する。
増幅用光ファイバ１３の一端には、光ファイバ１２が接続されており、増幅用光ファイバ１３のコアと光ファイバ１２のコアとが光学的に結合し、増幅用光ファイバ１３の内側クラッドと光ファイバ１２の内側クラッドとが光学的に結合している。光ファイバ１２は、コアに活性元素が添加されていない点を除き増幅用光ファイバ１３と同じ構成とされる。従って、光ファイバ１２は、マルチモードファイバとされる。
高反射率ＦＢＧ３１は、光ファイバ１２のコアに設けられている。こうして高反射率ＦＢＧ３１は、増幅用光ファイバ１３の一端側に設けられている。高反射率ＦＢＧ３１は、光ファイバ１２の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されることで構成されている。この周期が調整されることにより、高反射率ＦＢＧ３１は、励起状態とされた増幅用光ファイバ１３の活性元素が放出する光のうち特定波長の光を反射する。高反射率ＦＢＧ３１は、上述のように増幅用光ファイバ１３に添加される活性元素がイッテルビウムである場合、例えば波長が１０７０ｎｍの光を例えば９９％以上の反射率で反射する。
コンバイナ１０において、光ファイバ１２の内側クラッドに励起光用光ファイバ２５のコアが接続されている。こうして、励起光源２０と接続される励起光用光ファイバ２５と増幅用光ファイバ１３の内側クラッドとは、光ファイバ１２の内側クラッドを介して、光学的に結合される。
また、コンバイナ１０において、光ファイバ１２に光ファイバ１１が接続されている。光ファイバ１１は、例えば、光ファイバ１２のコアと同じ直径のコアを有する光ファイバとされる。光ファイバ１１の一端は光ファイバ１２に接続されており、光ファイバ１１のコアと光ファイバ１２のコアとが光学的に結合している。また、光ファイバ１１のコンバイナ１０側と反対側には熱変換部Ｅが接続されている。
増幅用光ファイバ１３の他端には、光ファイバ１４が接続されており、増幅用光ファイバ１３のコアと光ファイバ１４のコアとが光学的に結合している。光ファイバ１４は、活性元素が添加されていないことを除いて増幅用光ファイバ１３のコアと同様のコアと、当該コアの外周面を隙間なく囲み増幅用光ファイバ１３の内側クラッドと同様の構成のクラッドと、クラッドの外周面を被覆する被覆層とから構成されている。従って、光ファイバ１４は、マルチモードファイバとされる。
また、低反射率ＦＢＧ３２は光ファイバ１４のコアに設けられている。こうして低反射率ＦＢＧ３２は、増幅用光ファイバ１３の他端側に設けられている。低反射率ＦＢＧ３２は、光ファイバ１４の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、高反射率ＦＢＧ３１が反射する光の少なくとも一部の波長の光を高反射率ＦＢＧ３１よりも低い反射率で反射するように構成されている。低反射率ＦＢＧ３２は、例えば、高反射率ＦＢＧ３１が反射する光と同じ波長の光を５０％の反射率で反射するように構成されている。従って、上記のように高反射率ＦＢＧ３１が波長１０７０ｎｍの光を反射する場合、低反射率ＦＢＧ３２を当該波長の光の一部が透過して、透過した光は光ファイバ１４から出射する。この光はマルチモード光であり、この光の波長は、増幅用光ファイバ１３と高反射率ＦＢＧ３１と低反射率ＦＢＧ３２とで形成される共振器で共振する光の波長に等しい。以下、この光を信号光と呼ぶ場合がある。
また、光ファイバ１４の増幅用光ファイバ１３側と反対側には、光ファイバ４０が接続されている。光ファイバ４０は、光源ＬＳから出射する信号光を伝搬するデリバリファイバである。つまり、本実施形態では、光ファイバ１４の少なくとも低反射率ＦＢＧ３２を含む部位までが光源ＬＳとされる。
光源ＬＳに接続される光ファイバ４０の構成は、光ファイバ１４と同様とされる。従って、光ファイバ４０は、マルチモードファイバとされ、活性元素が添加されていないことを除いて増幅用光ファイバ１３のコアと同様のコアと、当該コアの外周面を隙間なく囲み増幅用光ファイバ１３の内側クラッドと同様の構成のクラッドと、クラッドの外周面を被覆する被覆層とから構成されている。なお、光ファイバ１４が延長されることにより、光ファイバ１４の一部が光ファイバ４０とされても良い。
光ファイバ４０の光源ＬＳ側には、第１高次モードフィルタ４１が設けられている。第１高次モードフィルタ４１は、光ファイバ４０を伝搬するマルチモードの信号光のうち所定のモードより高次のモードの光の少なくとも一部を除去する。第１高次モードフィルタ４１は、例えば、光ファイバ４０を伝搬するマルチモードの信号光のうちＬＰ１１モードより高次のモードの光を除去する。この場合、第１高次モードフィルタ４１よりも光源ＬＳ側と反対側において、光ファイバ４０をＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光が伝搬し、ＬＰ２１モードの光、ＬＰ０２モードの光、及びそれより高次のモードの光の伝搬が抑制される。或いは、第１高次モードフィルタ４１は、例えば、光ファイバ４０を伝搬するマルチモードの信号光のうちＬＰ０１モードより高次のモードの光を除去する。この場合、第１高次モードフィルタ４１よりも光源ＬＳ側と反対側では、光ファイバ４０をＬＰ０１モードの光が伝搬し、ＬＰ１１モードの光及びそれより高次のモードの光の伝搬が抑制される。なお、第１高次モードフィルタが除去する高次モードの光は上記例に限らない。
第１高次モードフィルタ４１は、本実施形態では、光ファイバ４０が所定の直径で曲げられた区間から成る。上記のように光源ＬＳから出射する信号光の波長が１０７０ｎｍである場合、例えば、光ファイバ４０のコアの直径が２８μｍであり、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．１２％であり、コアを伝搬するマルチモードの信号光のうちＬＰ１１モードより高次のモードの光を除去するのであれば、第１高次モードフィルタ４１は、光ファイバ４０が直径１００ｍｍで曲げられた区間から成る。また、光ファイバ４０のコアの直径、コアのクラッドに対する比屈折率差が、上記例の通りである場合に、コアを伝搬するマルチモードの信号光のうちＬＰ０１モードより高次のモードの光を除去するのであれば、第１高次モードフィルタ４１は、光ファイバ４０が直径８０ｍｍで曲げられた区間から成る。
光ファイバ４０における第１高次モードフィルタ４１の光源ＬＳ側と反対側には、ＦＢＧ４５が設けられている。図２は、ＦＢＧ４５を示す概念図である。ＦＢＧ４５は、光ファイバ４０のクラッド４７で囲まれるコア４６の屈折率よりも高い屈折率の高屈折率部４５Ｈとコア４６の屈折率と同等の屈折率の低屈折率部４５Ｌとが交互に繰り返される構成である。なお、図２においては、図が煩雑化することを避けるため、高屈折率部４５Ｈ及び低屈折率部４５Ｌの数を実際のＦＢＧより少なく記載している。本例のＦＢＧ４５は、それぞれの高屈折率部４５Ｈと低屈折率部４５Ｌとの境界面がコア４６の長手方向に対して直交するように設けられる。ＦＢＧ４５は、光源ＬＳから出射され光ファイバ４０を伝搬する所定波長の光を透過させ、所定波長よりも長波長である特定波長の光を光源ＬＳに向かって反射する。本実施形態では、ＦＢＧ４５は、光源ＬＳから出射する信号光が上記所定波長の光であり、信号光の誘導ラマン散乱によるストークス光が上記特定波長の光である。従って、ＦＢＧ４５は、信号光を透過させ、信号光から発生するストークス光を光源ＬＳに向かって反射する。
本実施形態のＦＢＧ４５では、高屈折率部４５Ｈと低屈折率部４５Ｌとの境界面は、コアの長手方向に対して垂直である。また、コア４６の実効屈折率をｎeffとし、ＦＢＧ４５のピッチをΛとし、ＦＢＧ４５が反射する光の波長をλ１とする場合、ピッチΛは、λ１＝２ｎeffΛが成り立つ大きさとされる。そこで、例えば、光源ＬＳから出射する信号光の波長をλ２とし、信号光から発生するストークス光の波長をλ１とする場合、上記のようにλ２＝１０７０ｎｍであればλ１＝１１２５ｎｍとなる。この場合、例えば、ｎeff＝１．４５０であれば、Λ＝３８８ｎｍとなる。
光ファイバ４０におけるＦＢＧ４５の第１高次モードフィルタ４１側と反対側には、第２高次モードフィルタ４２が設けられている。従って、本実施形態のＦＢＧ４５は、一対の高次モードフィルタで挟まれている。本実施形態では、第２高次モードフィルタ４２の構成は、第１高次モードフィルタ４１と同様とされる。
光ファイバ４０の先端には、コア４６の直径より太いガラスロッド４８が接続されている。従って、コア４６から出射する光は、ガラスロッド４８で直径が広げられて出射する。
次にレーザ装置１の動作について説明する。
まず、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から励起光が出射する。励起光源２０から出射した励起光は、励起光用光ファイバ２５から光ファイバ１２の内側クラッドを介して、増幅用光ファイバ１３の内側クラッドに入射する。増幅用光ファイバ１３の内側クラッドに入射した励起光は主に内側クラッドを伝搬して、増幅用光ファイバ１３のコアを通過する際にコアに添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、基底状態に戻る際に自然放出光を放出する。この自然放出光は、増幅用光ファイバ１３のコアを伝搬して、一部の波長の光が高反射率ＦＢＧ３１により反射され、反射された光のうち低反射率ＦＢＧ３２が反射する波長の光が低反射率ＦＢＧ３２で反射されて、高反射率ＦＢＧ３１と低反射率ＦＢＧ３２との間、すなわち共振器内を往復する。この光は、増幅用光ファイバ１３のコアを伝搬するときに誘導放出により増幅され、レーザ発振状態となる。そして、増幅された光のうち一部の光は、低反射率ＦＢＧ３２を透過して光ファイバ１４から出射する。上記のように光ファイバ１４はマルチモードファイバであり、光源ＬＳからはマルチモードの信号光が出射する。
光源ＬＳから出射する信号光は、光ファイバ４０に入射する。上記のように光ファイバ４０はマルチモードファイバであるため、信号光は、光ファイバ４０をマルチモードで伝搬する。信号光が第１高次モードフィルタ４１を伝搬すると、所定のモードより高次のモードの光がコア４６から漏洩して除去される。上記のように、第１高次モードフィルタ４１が光ファイバ４０を伝搬するマルチモードの信号光のうちＬＰ１１モードより高次のモードの光を除去するのであれば、光ファイバ４０を第１高次モードフィルタ４１からＦＢＧ４５に向かって、ＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光が伝搬し、ＬＰ２１モードの光、ＬＰ０２モードの光、及びそれより高次のモードの光の伝搬が抑制される。また、上記のように、第１高次モードフィルタ４１が光ファイバ４０を伝搬するマルチモードの信号光のうちＬＰ０１モードより高次のモードの光を除去するのであれば、光ファイバ４０を第１高次モードフィルタ４１からＦＢＧ４５に向かって、光ファイバ４０をＬＰ０１モードの光が伝搬し、ＬＰ１１モードの光及びそれより高次のモードの光の伝搬が抑制される。
ＦＢＧ４５に信号光が入射すると、信号光はＦＢＧ４５を透過する。ＦＢＧ４５を透過する信号光は、第２高次モードフィルタ４２を伝搬する。この信号光のうち所定のモードより高次のモードの光は第１高次モードフィルタ４１において除去されている。従って、第２高次モードフィルタ４２では、第１高次モードフィルタ４１で除去しきれなかった所定のモードより高次のモードの光や、第１高次モードフィルタ４１を透過後に励振された所定のモードより高次のモードの光が除去される。従って、第２高次モードフィルタ４２を透過する信号光のビーム品質はさらに向上する。
第２高次モードフィルタ４２を透過した光は、ガラスロッド４８に入射し、直径が広げられて出射光として出射する。この出射光は、加工体等に照射される。
ところで、加工体等に照射された出射光の一部が加工体で反射して、ガラスロッド４８に入射し、入射した光の一部が光ファイバ４０のコア４６に入射する場合がある。この光は、戻り光として光ファイバ４０を光源ＬＳに向かう方向すなわち逆方向に伝搬する。上記のように、光ファイバ４０には、光源ＬＳから出射した信号光がガラスロッド４８に向かう方向すなわち順方向に伝搬している。このため、順方向に向かう光のエネルギーと逆方向に向かう光のエネルギーとが合わさると高いエネルギー密度となる。この様に光ファイバ４０のコア４６の光のエネルギー密度が高くなると、光源ＬＳから伝搬する光の一部や上記戻り光の一部が誘導ラマン散乱を起こしてストークス光に遷移する場合がある。このストークス光は順方向、逆方向のそれぞれに伝搬し得る。なお、信号光のパワーが大きい場合には、逆方向伝搬する戻り光がない場合であっても、ストークス光が発生し得る。
上記のようにＦＢＧ４５はストークス光をＦＢＧ４５に入射するストークス光の伝搬方向と正反対の方向に反射する。従って、光源ＬＳとＦＢＧ４５との間で発生するストークス光がＦＢＧ４５に入射する場合、ＦＢＧ４５で反射されたストークス光はコア４６を光源ＬＳに向かって伝搬する。また、ＦＢＧ４５とガラスロッド４８との間で発生するストークス光がＦＢＧ４５に入射する場合、ＦＢＧ４５で反射されたストークス光はコア４６をガラスロッド４８に向かって伝搬する。
上記のように所定波長より長波長の特定波長の光を反射するＦＢＧであっても、特定波長よりも短波長である所定波長の光の一部は、ＦＢＧに入射する方向と正反対の方向に対し所定の角度の方向に反射される。従って、ストークス光を上記のように反射するＦＢＧ４５は、ストークス光より短波長の信号光の一部をコア４６の長手方向に対して斜めの方向に反射する。また、加工体等に照射された出射光の一部が加工体で反射して、戻り光として光ファイバ４０を光源ＬＳに向かう場合、戻り光は信号光と同じ波長であるため、ＦＢＧ４５は、この戻り光の一部をコア４６の長手方向に対して斜めの方向に反射する。
ところで、コアの光の閉じ込め力は、高次モードの光ほど弱い。ここで、Ｖ値が６．０のステップインデックス型の光ファイバを想定する。Ｖ値は正規化周波数と呼ばれ、以下の式で示される。ただし、以下の式において、ａは光ファイバのコアの半径であり、λは光ファイバを伝搬する光の波長であり、ｎ１は光ファイバのコアの屈折率であり、ｎ０は光ファイバのクラッドの屈折率である。
Figure 2020134758
Ｖ値が６．０のステップインデックス型の光ファイバでは、コアを伝搬可能な光のモードは、モードの次数の低い方から順に、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モード、ＬＰ３１モード、ＬＰ１２モードの６モードである。それぞれのモードの光のコアへの閉じ込め率は、ＬＰ０１モードで９８％であり、ＬＰ１１モードで９５％であり、ＬＰ２１モードで９０％であり、ＬＰ０２モードで８８％であり、ＬＰ３１モードで８３％であり、ＬＰ１２モードで６７％である。このように高次のモードの光ほどコアの閉じ込め力が小さく、コアから漏洩し易い。
従って、ＦＢＧ４５でコア４６の長手方向に対して斜めの方向に反射される信号光のうち、高次モードの光ほどクラッドに伝搬してクラッドモード光になり易い。しかし、本実施形態の信号光は、第１高次モードフィルタ４１において、所定のモードより高次のモードの光が除去されている。このため、第１高次モードフィルタ４１において所定のモードより高次のモードの光が除去されない場合と比べて、ＦＢＧ４５でコア４６の長手方向に対して斜めの方向に反射される信号光がクラッドモード光になることは抑制される。
また、上記のように、信号光と同じ波長の戻り光が第２高次モードフィルタ４２を透過する際に、所定のモードより高次のモードの光が除去される。第２高次モードフィルタ４２を透過した戻り光は、ＦＢＧ４５を透過する。しかし、上記のように戻り光の一部は、ＦＢＧ４５でコア４６の長手方向に対して斜めの方向に反射される。しかし、本実施形態の戻り光は、第２高次モードフィルタ４２において、所定のモードより高次のモードの光が除去されている。このため、第２高次モードフィルタ４２において所定のモードより高次のモードの光が除去されない場合と比べて、ＦＢＧ４５でコア４６の長手方向に対して斜めの方向に反射される信号光がクラッドモード光になることは抑制される。
以上説明したように、本実施形態によれば、信号光を第１高次モードフィルタからＦＢＧ４５に伝搬させることで、ＦＢＧ４５に入射する信号光のうち高次モードの光のパワーが抑えられる。従って、ＦＢＧ４５に入射する信号光の伝搬方向と正反対の方向に対し所定の角度の方向に反射される信号光の成分においても、クラッドモード光になりやすい高次モードの光のパワーが抑えられる。従って、本実施形態のフィルタ装置ＦＬによれば、ＦＢＧ４５で反射する光がクラッドモード光になる場合であっても、そのパワーを抑えることができ、局所的な発熱を抑制し得る。
また、本実施形態の第１高次モードフィルタ４１及び第２高次モードフィルタ４２は、光ファイバ４０が所定の直径で曲げられた区間からなる。従って、第１高次モードフィルタ４１及び第２高次モードフィルタ４２を簡易な構成で形成することができる。
また、本実施形態では、ＦＢＧ４５は、第１高次モードフィルタ４１と第２高次モードフィルタ４２とからなる一対の高次モードフィルタで挟まれている。従って、ＦＢＧ４５に伝搬する信号光の所定のモードより高次のモードの光のパワー、及び、ＦＢＧ４５に伝搬する戻り光における所定のモードより高次のモードの光のパワーを抑えることができる。従って、ＦＢＧ４５に入射する信号光及び戻り光の一部がＦＢＧ４５で反射されることによるクラッドモード光のパワーを抑えることができ、局所的な発熱を抑制し得る。
従って、このようなフィルタ装置ＦＬを備えるレーザ装置１においても局所的な発熱を抑制し得る。
以上、本発明について、上記実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施形態の説明では、ＦＢＧ４５は、それぞれの高屈折率部４５Ｈと低屈折率部４５Ｌとの境界面がコア４６の長手方向に対して直交するように設けられた。しかし、本実施形態のＦＢＧ４５はこれに限らない。図３は、ＦＢＧ４５の他の例を示す概念図である。なお、図３を説明するにあたり、上記実施形態と同一又は同等の構成については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。図３に示すように、ＦＢＧ４５がスラントＦＢＧであってもよい。スラントＦＢＧは、それぞれの高屈折率部４５Ｈと低屈折率部４５Ｌとの境界面がコア４６の長手方向に対して垂直以外の所定の角度で形成されるＦＢＧである。例えば、この境界面は、コア４６の長手方向に対して２．５度で設けられる。このようなスラントＦＢＧであっても、ＦＢＧ４５に入射する信号光の一部は、ＦＢＧ４５に入射する方向と正反対の方向に対し所定の角度の方向に反射される。従って、上記説明のように、第１高次モードフィルタ４１において信号光における所定のモードより高次のモードの光が除去されることで、ＦＢＧ４５でコア４６の長手方向に対して斜めの方向に反射される信号光がクラッドモード光になることが抑制される。また、上記説明のように、第２高次モードフィルタ４２において戻り光における所定のモードより高次のモードの光が除去されることで、ＦＢＧ４５でコア４６の長手方向に対して斜めの方向に反射される信号光がクラッドモード光になることが抑制される。
また、上記実施形態では、光源ＬＳが共振器型のファイバレーザ装置から成る例で説明したが、本発明はこれに限らず、光源ＬＳは、光ファイバ４０に所定波長の光を入射する限りにおいて限定されない。例えば、光源ＬＳは、ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型のファイバレーザ装置であってもよく、半導体レーザ装置等の固体レーザ装置や気体レーザ装置であってもよい。
また、上記実施形態のフィルタ装置ＦＬには、第２高次モードフィルタ４２が備えられたが、第２高次モードフィルタ４２は必須ではない。また、第２高次モードフィルタ４２が備えられる場合であっても、第２高次モードフィルタ４２の構成が第１高次モードフィルタ４１と同様でなくてもよい。例えば、第１高次モードフィルタ４１がＬＰ１１モードより高次のモードの光を除去し、第２高次モードフィルタ４２がＬＰ０１モードより高次のモードの光を除去する構成であってもよい。
また、第１高次モードフィルタ４１及び第２高次モードフィルタ４２の構成は、光ファイバ４０を伝搬するマルチモードの光のうち所定のモードより高次のモードの光の少なくとも一部を除去する物であれば、光ファイバが所定の直径で曲げられた区間から成らずに、上記実施形態と異なる形態であってもよい。
本発明によれば、局所的な発熱を抑制し得るフィルタ装置及びレーザ装置が提供され、レーザ加工分野、医療分野等の様々な産業において利用可能である。
１・・・レーザ装置
１３・・・増幅用光ファイバ
２０・・・励起光源
４０・・・光ファイバ
４１・・・第１高次モードフィルタ
４２・・・第２高次モードフィルタ
４５・・・ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
ＦＬ・・・フィルタ装置
ＬＳ・・・光源

Claims (8)

  1. 所定波長の光をマルチモードで伝搬させる光ファイバと、
    前記光ファイバを伝搬する前記マルチモードの光のうち所定のモードより高次のモードの光の少なくとも一部を除去する高次モードフィルタと、
    前記所定波長の光を透過させ、前記所定波長より長波長である特定波長の光を反射するファイバブラッググレーティングと、
    を備える
    ことを特徴とするフィルタ装置。
  2. 前記ファイバブラッググレーティングはスラント型である
    ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ装置。
  3. 前記高次モードフィルタは、前記光ファイバが所定の直径で曲げられた区間からなる
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のフィルタ装置。
  4. 前記高次モードフィルタは、ＬＰ１１モードより高次のモードの光を除去する
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のフィルタ装置。
  5. 前記高次モードフィルタは、ＬＰ０１モードより高次のモードの光を除去する
    ことを特徴とする請求項４に記載のフィルタ装置。
  6. 前記特定波長の光は、前記所定波長の光のストークス光である
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のフィルタ装置。
  7. 一対の前記高次モードフィルタを備え、
    前記ファイバブラッググレーティングは、一対の前記高次モードフィルタで挟まれる
    ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のフィルタ装置。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のフィルタ装置と、
    前記所定波長の光を出射する光源と、
    を備え、
    前記光ファイバは前記光源から出射する光を伝搬し、
    前記ファイバブラッググレーティングは、前記光源から出射し前記高次モードフィルタを透過する前記所定波長の光を透過させ、前記特定波長の光を反射する
    ことを特徴とするレーザ装置。
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