JP2020166128A - レーザモジュール及びファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】増幅用光ファイバよりも後流側での残留励起光を低減することができるレーザモジュールを提供する。【解決手段】レーザモジュール１は、希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバに接続される光ファイバ５２１と、レーザ光Ｂ１〜Ｂ８を出射するレーザ素子と、レーザ光を集光して光ファイバに結合させる集光レンズ１６とを備える。レーザ素子は、増幅用光ファイバの希土類元素イオンに対する吸収率が相対的に低い波長のレーザ光が、相対的に大きい入射角度で光ファイバに入射するように構成される。増幅用光ファイバの希土類元素イオンの吸収スペクトルのピーク波長帯域の波長を有するレーザ光がレーザ素子から出射され、レーザ光の中で最も小さな入射角度で光ファイバに入射する。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザモジュール及びファイバレーザ装置に係り、特に複数のレーザ素子から出射されたレーザ光を集光して出力するレーザモジュールに関するものである。

従来から、高パワーの励起光をファイバレーザ装置の増幅用光ファイバに出力するために、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を集光して光ファイバに結合するように構成したレーザモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような高パワーのレーザモジュールを励起光源として用いた場合には、増幅用光ファイバで吸収されなかった励起光（残留励起光）が、後流側に接続されている光デバイス（コンバイナやクラッドモードストリッパなど）に到達して吸収され、これらの光デバイスが発熱して信頼性が低下し、最悪の場合には焼損してしまうおそれがある。また、双方向励起型のファイバレーザ装置の場合には、一方の励起光源からの励起光が他方の励起光源に到達して半導体レーザ素子を故障させるおそれがあり、例えば、残留励起光が半導体レーザ素子の活性層に入射すると素子故障が生じることも考えられる。

特許第５７６７６８４号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、増幅用光ファイバよりも後流側での残留励起光を低減することができるレーザモジュールを提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、励起光源からのレーザ光を増幅用光ファイバで効率的に吸収させて残留励起光を低減することができる信頼性の高いファイバレーザ装置を提供することを第２の目的とする。

本発明の第１の態様によれば、増幅用光ファイバよりも後流側での残留励起光を低減することができるレーザモジュールが提供される。このレーザモジュールは、希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバに接続される光ファイバと、レーザ光を出射するレーザ素子を含む複数のレーザ出射部と、上記複数のレーザ出射部から出射される上記レーザ光を集光して上記光ファイバに結合させる集光レンズとを備える。上記複数のレーザ出射部は、第１のレーザ光を出射する第１のレーザ出射部と、上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンに対する吸収率が上記第１のレーザ光の波長よりも低い波長の第２のレーザ光を出射する第２のレーザ出射部とを含む。上記第１のレーザ出射部は、上記第１のレーザ光が上記光ファイバに第１の入射角度で入射するように配置され、上記第２のレーザ出射部は、上記第２のレーザ光が上記光ファイバに上記第１の入射角度よりも大きい第２の入射角度で入射するように配置される。上記希土類元素は、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム、又はネオジムであってもよい。

このような構成によれば、増幅用光ファイバの希土類元素イオンに対する吸収率が第１のレーザ光の波長よりも低い波長の第２のレーザ光が、第１のレーザ光の入射角度よりも大きい第２の入射角度で光ファイバに入射する。このため、第２のレーザ光が増幅用光ファイバの希土類元素イオンが添加されたコア領域を通過する回数が増えるので、増幅用光ファイバにおける第２のレーザ光の吸収量を増やすことができる。したがって、増幅用光ファイバに対する第１のレーザ光と第２のレーザ光の吸収量を高いレベルで均一化することが可能となるので、希土類元素イオンの添加濃度を増加したり、増幅用光ファイバを長くしたりすることなく、増幅用光ファイバよりも後流側での残留励起光を効果的に低減することができる。

上記複数のレーザ出射部は、上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンに対する吸収率が上記第２のレーザ光の波長よりも低い波長の第３のレーザ光を出射する第３のレーザ出射部をさらに含んでいてもよい。この場合に、上記第３のレーザ出射部は、上記第３のレーザ光が上記光ファイバに上記第２の入射角度よりも大きい第３の入射角度で入射するように配置されることが好ましい。これにより、増幅用光ファイバに対する第１のレーザ光、第２のレーザ光、及び第３のレーザ光の吸収量を高いレベルで均一化することが可能となるので、増幅用光ファイバよりも後流側での残留励起光をより効果的に低減することができる。

上記複数のレーザ出射部が、上記複数のレーザ出射部から出射される全レーザ光の中で上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンに対する吸収率が最も低い波長のレーザ光が、上記全レーザ光の中で最も大きな入射角度で上記光ファイバに入射するように配置されることが好ましい。また、上記複数のレーザ出射部が、上記複数のレーザ出射部から出射される全レーザ光の中で上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンに対する吸収率が最も高い波長のレーザ光が、上記全レーザ光の中で最も小さな入射角度で上記光ファイバに入射するように配置されることが好ましい。

増幅用光ファイバにおいてより効果的にレーザ光を吸収させるために、上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンに対する吸収率が相対的に低い波長のレーザ光が、相対的に大きい入射角度で上記光ファイバに入射するように、上記複数のレーザ出射部のすべてのレーザ出射部が配置されていることが好ましい。また、上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンに対する吸収率が相対的に高い波長のレーザ光が、相対的に小さい入射角度で上記光ファイバに入射するように、上記複数のレーザ出射部のすべてのレーザ出射部が配置されていることが好ましい。

また、レーザ光の光路長が長くなればレーザ光の集光角度が広がるので、上記複数のレーザ出射部から出射される全レーザ光の中で上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンに対する吸収率が最も低い波長のレーザ光を出射するレーザ出射部のレーザ出射面から上記集光レンズの入射面までの光路長が上記複数のレーザ出射部の中で最も長いことが好ましい。また、上記複数のレーザ出射部から出射される全レーザ光の中で上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンに対する吸収率が最も高い波長のレーザ光を出射するレーザ出射部のレーザ出射面から上記集光レンズの入射面までの光路長が上記複数のレーザ出射部の中で最も短いことが好ましい。

上記複数のレーザ出射部から出射されるレーザ光の波長及び上記光ファイバに対する入射角度は、上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンに対する単位長さ当たりの吸収量が上記複数のレーザ出射部から出射される全レーザ光で同一になるように設定されていてもよい。この場合には、増幅用光ファイバに対する全レーザ光の吸収量を高いレベルで均一化することが可能となるので、増幅用光ファイバの後流側での残留励起光をより効果的に低減することができる。

上記複数のレーザ出射部のうち少なくとも１つのレーザ出射部は、上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンの吸収スペクトルのピーク波長帯域の波長を有するレーザ光を出射するものであってもよい。この場合において、上記少なくとも１つのレーザ出射部から出射されるレーザ光の中で、上記増幅用光ファイバの上記希土類元素イオンに対する吸収率が最も大きいレーザ光は、上記複数のレーザ出射部から出射されるレーザ光の中で最も小さな入射角度で上記光ファイバに入射するように配置されることが好ましい。

上記第１のレーザ光の波長と上記第２のレーザ光の波長との差は５ｎｍよりも大きくてもよい。また、上記複数のレーザ出射部のそれぞれは、上記レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化する波長安定化素子をさらに含んでいてもよい。

本発明の第２の態様によれば、励起光源からのレーザ光を増幅用光ファイバで効率的に吸収させて残留励起光を低減することができる信頼性の高いファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、上述したレーザモジュールを含む励起光源と、上記レーザモジュールの上記光ファイバに接続され、上記希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバとを備える。

本発明によれば、増幅用光ファイバの希土類元素イオンに対する吸収率が第１のレーザ光の波長よりも低い波長の第２のレーザ光が、第１のレーザ光の入射角度よりも大きい第２の入射角度で光ファイバに入射する。このため、第２のレーザ光が増幅用光ファイバの希土類元素イオンが添加されたコア領域を通過する回数が増えるので、増幅用光ファイバにおける第２のレーザ光の吸収量を増やすことができる。したがって、増幅用光ファイバに対する第１のレーザ光と第２のレーザ光の吸収量を高いレベルで均一化することが可能となるので、希土類元素イオンの添加濃度を増加したり、増幅用光ファイバを長くしたりすることなく、増幅用光ファイバよりも後流側での残留励起光を効果的に低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態におけるファイバレーザ装置の構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すファイバレーザ装置の励起光源として用いられるレーザモジュールを示す部分断面平面図である。 図３は、図２に示すレーザモジュールを模式的に示す部分断面正面図である。 図４は、図２に示すレーザモジュールにおける光ファイバの入射端面における各レーザ素子からのレーザ光の集光角度プロファイルを模式的に示す図である。 図５は、Ｙｂ添加ファイバの吸収スペクトルを示す図である。 図６は、増幅用光ファイバを伝搬する励起光を模式的に示す図である。 図７は、本発明の他の実施形態におけるファイバレーザ装置の励起光源として用いられるレーザモジュールを示す部分断面平面図である。

以下、本発明に係るファイバレーザ装置及びレーザモジュールの実施形態について図１から図６を参照して詳細に説明する。なお、図１から図６において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図６においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。

図１は、本発明の一実施形態におけるファイバレーザ装置５０１の構成を示す模式図である。本実施形態におけるファイバレーザ装置５０１は、光共振器５１０と、光共振器５１０の前方から光共振器５１０に励起光を導入する複数の前方励起光源５２０Ａと、光ファイバ５２１Ａを介してこれらの前方励起光源５２０Ａが接続される前方インラインコンバイナ５２２Ａと、光共振器５１０の後方から光共振器５１０に励起光を導入する複数の後方励起光源５２０Ｂと、光ファイバ５２１Ｂを介してこれらの後方励起光源５２０Ｂが接続される後方インラインコンバイナ５２２Ｂとを備えている。

光共振器５１０は、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｒ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバ５１２と、増幅用光ファイバ５１２及び前方インラインコンバイナ５２２Ａと接続される高反射ファイバブラッググレーディング（High Reflectivity Fiber Bragg Grating（ＨＲ−ＦＢＧ））５１４と、増幅用光ファイバ５１２及び後方インラインコンバイナ５２２Ｂと接続される低反射ファイバブラッググレーディング（Output Coupler Fiber Bragg Grating（ＯＣ−ＦＢＧ））５１６とから構成されている。例えば、増幅用光ファイバ５１２は、コアの周囲に形成された内側クラッドと、内側クラッドの周囲に形成された外側クラッドとを有するダブルクラッドファイバによって構成される。

また、ファイバレーザ装置５０１は、後方インラインコンバイナ５２２Ｂから延びるデリバリファイバ５３０をさらに有しており、このデリバリファイバ５３０の後流側の端部には増幅用光ファイバ５１２からのレーザ発振光を例えば被処理物に向けて出射するレーザ出力部５６０が設けられている。

前方励起光源５２０Ａ及び後方励起光源５２０Ｂとしては、後述するレーザモジュールが用いられる。前方インラインコンバイナ５２２Ａ及び後方インラインコンバイナ５２２Ｂは、それぞれ前方励起光源５２０Ａ及び後方励起光源５２０Ｂから出力される励起光を結合して上述した増幅用光ファイバ５１２の内側クラッドに導入するものである。これにより、増幅用光ファイバ５１２の内側クラッドの内部を励起光が伝搬する。

ＨＲ−ＦＢＧ５１４は、周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成されるもので、所定の波長帯の光を１００％に近い反射率で反射するものである。ＯＣ−ＦＢＧ５１６は、ＨＲ−ＦＢＧ５１４と同様に、周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成されるもので、ＨＲ−ＦＢＧ５１４で反射される波長帯の光の一部（例えば１０％）を通過させ、残りを反射するものである。このように、ＨＲ−ＦＢＧ５１４と増幅用光ファイバ５１２とＯＣ−ＦＢＧ５１６とによって、ＨＲ−ＦＢＧ５１４とＯＣ−ＦＢＧ５１６との間で特定の波長帯の光を再帰的に増幅してレーザ発振を生じさせる光共振器５１０が構成される。

図１に示す例では、ＨＲ−ＦＢＧ５１４側とＯＣ−ＦＢＧ５１６側の双方に励起光源５２０Ａ，５２０Ｂとコンバイナ５２２Ａ，５２２Ｂが設けられており、双方向励起型のファイバレーザ装置となっているが、ＨＲ−ＦＢＧ５１４側とＯＣ−ＦＢＧ５１６側のいずれか一方にのみ励起光源とコンバイナを設置することとしてもよい。また、光共振器５１０内でレーザ発振させるための反射手段としてＦＢＧに代えてミラーを用いることもできる。

図２は、上述した励起光源５２０Ａ，５２０Ｂとして用いられるレーザモジュール１を示す部分断面平面図、図３は、部分断面正面図である。図２及び図３に示すように、本実施形態におけるレーザモジュール１は、直方体状の筐体１０と、筐体１０の内部に配置された階段状の台座１２と、台座１２の段部１２１〜１２８に配置された複数のサブマウント１３と、サブマウント１３上に載置されたレーザ出射部としての半導体レーザ素子１４１〜１４８と、ファイバレーザ装置５０１のインラインコンバイナ５２２Ａ又は５２２Ｂ（図１参照）に接続される光ファイバ５２１（５２１Ａ又は５２１Ｂ）と、レーザ素子１４１〜１４８から出射されるレーザ光Ｂ１〜Ｂ８を集光して光ファイバ５２１に結合させる集光レンズ１６とを備えている。

また、レーザモジュール１は、光ファイバ５２１を固定するためのファイバマウント１７と、光ファイバ５２１を保持するとともに筐体１０の内部に導入するための円筒状のファイバ保持部１８とを含んでいる。光ファイバ５２１は接着材１９などによりファイバマウント１７上に固定されている。なお、筐体１０の上部には図示しない蓋体が配置されており、この蓋体により筐体の内部空間が封止される。

台座１２のそれぞれの段部１２１〜１２８には、レーザ素子１４１〜１４８に対応して、レーザ素子１４１〜１４８から出射されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ８をファースト軸方向に関して平行光にするファースト軸コリメートレンズ２０と、ファースト軸コリメートレンズ２０を透過したレーザ光をスロー軸方向に関して平行光にするスロー軸コリメートレンズ２２と、スロー軸コリメートレンズ２２を透過した光の伝搬方向を９０度転換するミラー２４とが配置されている。上述した集光レンズ１６は、光ファイバ５２１とミラー２４との間に配置されており、図３に示すように、この集光レンズ１６によりそれぞれのミラー２４からのレーザ光Ｂ１〜Ｂ８が集光され、光ファイバ５２１の端面に結合される。

レーザモジュール１には、レーザ素子１４１〜１４８に駆動電流を供給するための１対のリード端子３０が、筐体１０の側壁を貫通するように設けられている。１対のリード端子３０の間には、金属ワイヤ３２によりレーザ素子１４１〜１４８が直列に接続されている。これらのリード端子３０は電流供給ドライバ（図示せず）に接続され、この電流供給ドライバがリード端子３０に駆動電流を供給してレーザ素子１４１〜１４８を駆動するようになっている。

このような構成において、レーザ素子１４１〜１４８に駆動電流を供給すると、レーザ素子１４１〜１４８から＋Ｙ方向に向かってレーザ光Ｂ１〜Ｂ８が出射される。このレーザ光Ｂ１〜Ｂ８は、ファースト軸コリメートレンズ２０及びスロー軸コリメートレンズ２２を透過して略平行光となった後、ミラー２４で＋Ｘ方向に９０度方向転換される。このとき、図３に示すように、台座１２の段部１２１〜１２８の（Ｚ方向の）高さが異なるため、ミラー２４で方向転換されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ８は異なる高さで互いに平行に＋Ｘ方向に伝搬する。そして、これらのレーザ光Ｂ１〜Ｂ８は、集光レンズ１６によって集光されて光ファイバ５２１の端面に結合される。

本実施形態では、レーザ素子１４１〜１４８が配置されている台座１２の段部１２１〜１２８のＸ方向の位置が異なっているため、それぞれのレーザ素子１４１〜１４８のレーザ出射面から集光レンズ１６の入射面１６Ａに至るまでの光路長は、レーザ素子１４１〜１４８の間で異なっている。図３に示す例では、レーザ素子１４１のレーザ出射面から集光レンズ１６の入射面１６Ａに至るレーザ光Ｂ１の光路長が最も長く、レーザ素子１４８のレーザ出射面から集光レンズ１６の入射面１６Ａに至るレーザ光Ｂ８の光路長が最も短い。

図４は、光ファイバ５２１の入射端面における各レーザ素子１４１〜１４８からのレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の集光角度プロファイルを模式的に示す図である。図４の横方向はスロー軸方向に対応し、縦方向はファースト軸方向に対応している。図４において、点Ｏは、光ファイバ５２１の光軸に対する集光角度がゼロの点を表しており、点Ｏから離れれば離れるほど、レーザ光の集光角度が大きくなる。Ｓ１〜Ｓ８は、それぞれレーザ素子１４１〜１４８からのレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の集光角度を表している。また、Ｒ１は、レーザ素子１４５からのレーザ光Ｂ５の最大角度、Ｒ２は、レーザ素子１４１からのレーザ光Ｂ１の最大角度を表している。なお、図４は、集光レンズ１６により集光された後のレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の集光角度プロファイルを示すものであるため、図３において最も高い位置で集光レンズ１６に入射するレーザ素子１４１からのレーザ光Ｂ１のプロファイルＳ１が図４では最も下方に位置し、図３において最も低い位置で集光レンズ１６に入射するレーザ素子１４８からのレーザ光Ｂ８のプロファイルＳ８が図４では最も上方に位置している。

図４において、レーザ光Ｂ１〜Ｂ８のうち、光ファイバ５２１の光軸により近い位置で伝搬するレーザ光ほど集光角度が小さくなる。すなわち、図３に示すように、中央の段部１２４，１２５に配置されたレーザ素子１４４，１４５からのレーザ光Ｂ４，Ｂ５は、光ファイバ５２１の光軸に近い位置を伝搬するため、光ファイバ５２１に対する集光角度が小さい。一方、両端の段部１２１，１２８に配置されたレーザ素子１４１，１４８からのレーザ光Ｂ１，Ｂ８は、光ファイバ５２１の光軸からＺ方向に離れた位置を伝搬するため、光ファイバ５２１に対する集光角度が大きい。

また、レーザ素子１４１〜１４８から出射されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ８はコリメートレンズ２０，２２により略平行光にされるが、コリメートレンズ２０，２２を透過したレーザ光は完全な平行光にはなっておらず、収差などにより若干の広がり角を有する。したがって、集光レンズ１６の入射面１６Ａまでのレーザ光の光路長が長くなればなるほど、伝搬する間にレーザ光の幅が広がり、集光レンズ１６によって光ファイバ５２１の入射端面に集光する際の集光角度が大きくなる。例えば、図４において、両端の段部１２１，１２８に配置されたレーザ素子１４１，１４８からのレーザ光Ｂ１，Ｂ８を比較すると、より長い光路長を有するレーザ光Ｂ１の集光角度の方が、レーザ光Ｂ８の集光角度よりも広がっている。

図４に示す例では、レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の集光角度（入射角度）をそれぞれα₁〜α₈とすると、以下の関係（１）が成立している。
α₅＜α₄＜α₆＜α₃＜α₇＜α₂＜α₈＜α₁ ・・・（１）

ところで、希土類元素イオンが添加された増幅用光ファイバの励起光吸収率をＡ（ｄＢ／ｍ）、増幅用光ファイバの長さをＢ（ｍ）、励起光のパワーをＰ_In（Ｗ）とすると、増幅用光ファイバを透過する残留励起光のパワーは、以下の式（２）で表される。

この式（２）から、励起光吸収率Ａを高めるか、増幅用光ファイバの長さＢを長くすると残留励起光のパワーを低減できることがわかる。

励起光吸収率Ａを高めるためには、添加する希土類元素イオンの濃度を高める、あるいは励起光の波長を希土類元素イオンの吸収スペクトルのピーク波長に合わせることが考えられるが、添加する希土類元素イオンの濃度を高め過ぎると、光ファイバの導波損失が上昇してファイバレーザ装置の出力が低下するため、希土類元素イオンの添加濃度を高めるのには限界がある。また、半導体レーザ素子の製造上のバラツキにより、すべての半導体レーザ素子の励起光の波長を希土類元素イオンの吸収スペクトルのピーク波長に合わせることは困難である。例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）を添加した光ファイバの場合には、図５に示すように、Ｙｂ添加ファイバの場合、Ｙｂの吸収スペクトルのピーク波長（９７６ｎｍ）の帯域が狭く、すべてのレーザ素子の励起光の波長をこの帯域に合わせるためには、半導体レーザ素子の選別が必要となり、歩留まりが悪化してコストが上昇する。また、増幅用光ファイバの長さＢを長くすると、非線形光学効果による誘導ラマン光が増大してファイバレーザ装置の出力の安定性が損なわれてしまう。

本発明者は、より効率的に増幅用光ファイバに励起光を吸収させて残留励起光を低減するために、光ファイバに対する励起光の入射角度と吸収量との関係及び励起光の波長と吸収率との関係に着目した。すなわち、上述したファイバレーザ装置５０１の増幅用光ファイバ５１２におけるレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の吸収量は、レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の入射角度にも依存している。図６に示すように、励起光６０１，６０２は、増幅用光ファイバ５１２の内側クラッド６１０と外側クラッド６２０との界面で全反射して伝搬するが、入射角度の小さい励起光６０１よりも入射角度の大きな励起光６０２の方が、希土類元素イオンが添加されたコア６３０を通過する回数が多くなるため、励起光６０１よりも単位長さ当たりの吸収量が増える。

レーザ素子１４１〜１４８から出射されるレーザ光の波長が、増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンの吸収スペクトルのピーク波長からずれると、増幅用光ファイバ５１２におけるレーザ光の吸収量が少なくなるが、そのようなレーザ光の光ファイバ５２１への入射角度を大きくすれば、波長のずれにより低下した吸収量を増やすことが可能である。本実施形態では、増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンの吸収スペクトルのピーク波長からずれた波長のレーザ光を出射するレーザ素子を、光ファイバ５２１への入射角度が大きいレーザ光（例えばレーザ光Ｂ１やＢ８）を出射するレーザ素子（例えばレーザ素子１４１や１４８）として用い、吸収スペクトルのピーク波長に一致する又はこれに近い波長のレーザ光を出射するレーザ素子を、入射角度が小さいレーザ光（例えばレーザ光Ｂ４やＢ５）を出射するレーザ素子（例えばレーザ素子１４４や１４５）として用いている。

例えば、増幅用光ファイバ５１２として図５に示すような吸収スペクトルを有するＹｂ添加ファイバを用いた場合、レーザ素子１４１〜１４８から出射されるレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の波長λ₁〜λ₈が、
λ₁＝９１６ｎｍ
λ₂＝９７１ｎｍ
λ₃＝９７３ｎｍ
λ₄＝９７５ｎｍ
λ₅＝９７６ｎｍ
λ₆＝９７４ｎｍ
λ₇＝９７２ｎｍ
λ₈＝９１５ｎｍ
となるように、レーザ素子１４１〜１４８を構成する。図５に示す吸収スペクトルのピーク波長は９７６ｎｍと９１５ｎｍであり、９１５ｎｍよりも９７６ｎｍの波長の方が高い吸収率を示している。上記波長λ₁〜λ₈における増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率をそれぞれμ₁〜μ₈とすると、以下の関係（３）が成立している。
μ₅＞μ₄＞μ₆＞μ₃＞μ₇＞μ₂＞μ₈＞μ₁ ・・・（３）

上記の例では、最も吸収率が高い９７６ｎｍの波長のレーザ光を出射するレーザ素子をレーザ素子１４５として用いることで、レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の中で最も高い吸収率（μ₅）の波長λ₅（＝９７６ｎｍ）を有するレーザ光Ｂ５が最も小さな入射角度α₅で光ファイバ５２１に入射するように構成している。また、吸収スペクトルのピーク波長から少しずれ、波長λ₅のレーザ光よりも低い吸収率（μ₄）の波長λ₄（＝９７５ｎｍ）を有するレーザ光Ｂ４が入射角度α₅よりも大きな入射角度α₄で入射するように構成している。さらに、波長λ₄のレーザ光よりも低い吸収率（μ₆）の波長λ₆（＝９７４ｎｍ）を有するレーザ光Ｂ６が入射角度α₄よりも大きな入射角度α₆で入射するように構成している。また、波長λ₆のレーザ光よりも低い吸収率（μ₃）の波長λ₃（＝９７３ｎｍ）を有するレーザ光Ｂ３が入射角度α₆よりも大きな入射角度α₃で入射するように構成している。

また、波長λ₃のレーザ光よりも低い吸収率（μ₇）の波長λ₇（＝９７２ｎｍ）を有するレーザ光Ｂ７が入射角度α₃よりも大きな入射角度α₇で入射するように構成している。さらに、波長λ₇のレーザ光よりも低い吸収率（μ₂）の波長λ₂（＝９７１ｎｍ）を有するレーザ光Ｂ２が入射角度α₇よりも大きな入射角度α₂で入射するように構成している。また、波長λ₂のレーザ光よりも低い吸収率（μ₈）の波長λ₈（＝９１５ｎｍ）を有するレーザ光Ｂ８が入射角度α₂よりも大きな入射角度α₈で入射するように構成している。さらに、波長λ₈のレーザ光よりも低い吸収率（μ₁）の波長λ₁（＝９１６ｎｍ）を有するレーザ光Ｂ１が入射角度α₈よりも大きな入射角度α₁で入射するように構成している。

このように、本実施形態では、増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率が相対的に低いレーザ光が相対的に大きい入射角度で光ファイバ５２１に入射するように（増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率が相対的に高いレーザ光が相対的に小さい入射角度で光ファイバ５２１に入射するように）レーザ素子１４１〜１４８が構成されている。したがって、増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率が相対的に低い波長のレーザ光が、増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンが添加されたコア６３０（図６参照）を通過する回数が増えるため、増幅用光ファイバ５１２におけるこのレーザ光の吸収量を増やすことができる。この結果、レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の波長が異なっていても、増幅用光ファイバ５１２に対するレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の吸収量を高いレベルで均一化することが可能となり、増幅用光ファイバ５１２におけるレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の吸収を効率的に行うことができる。このため、希土類元素イオンの添加濃度を増加したり、増幅用光ファイバ５１２を長くしたりすることなく、残留励起光を低減することができ、増幅用光ファイバ５１２における導波損失の増加や誘導ラマン散乱光の増大という問題が生じない。さらに、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光が、レーザ素子の製造上のバラツキによって希土類元素イオンの吸収スペクトルのピーク波長からずれた波長を有していても、そのようなレーザ素子を有効に利用して残留励起光を低減することができるので、レーザモジュール１及びファイバレーザ装置５０１の製造コストを低減することもできる。

また、増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率が相対的に低い波長
のレーザ光が相対的に大きい入射角度で光ファイバ５２１に入射するようにレーザ素子１４１〜１４８を構成することで、増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する単位長さ当たりの吸収量がすべてのレーザ光Ｂ１〜Ｂ８で同一になるようにしてもよい。この場合には、増幅用光ファイバ５１２に対するレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の吸収量をより高いレベルで均一化することが可能となるので、増幅用光ファイバ５１２におけるレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の吸収をより効率的に行うことができ、増幅用光ファイバ５１２よりも後流側での残留励起光を効果的に低減することができる。これによって、ファイバレーザ装置５０１の信頼性が高まる。

また、レーザ素子１４１〜１４８から出射される全レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の中で増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率が最も低い波長のレーザ光（上記の例では波長λ₁のレーザ光）が、全レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の中で最も大きな入射角度（上記の例ではα₁）で光ファイバ５２１に入射するように構成することが好ましい。また、レーザ素子１４１〜１４８から出射される全レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の中で増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率が最も高い波長のレーザ光（上記の例では波長λ₅のレーザ光）が、全レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の中で最も小さい入射角度（上記の例ではα₅）で光ファイバ５２１に入射するように構成することが好ましい。

さらに、上述したように、レーザ光の光路長が長くなればレーザ光の集光角度が広がるので、全レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の中で増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率が最も低い波長のレーザ光（上記の例では波長λ₁のレーザ光）を出射するレーザ素子のレーザ出射面から集光レンズ１６の入射面１６Ａまでの光路長がレーザ素子１４１〜１４８の中で最も長くなるようにすることが好ましい。また、全レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の中で増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率が最も高い波長のレーザ光（上記の例では波長λ₅のレーザ光）を出射するレーザ素子のレーザ出射面から集光レンズ１６の入射面１６Ａまでの光路長がレーザ素子１４１〜１４８の中で最も短くなるようにすることが好ましい。

また、上述したレーザ素子１４１〜１４８に加えて、透過する光の波長を狭帯域化可能な波長安定化素子を用いてレーザ出射部を構成してもよい。例えば、図７に示すように、波長安定化素子２１１〜２１８をそれぞれのレーザ素子１４１〜１４８から出射されるレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の光路上に配置してもよい。波長安定化素子２１１〜２１８は、所定の格子間隔で屈折率が周期的に変化するもので、Volume Bragg Gating（ＶＢＧ）と呼ばれるものである。このような波長安定化素子２１１〜２１８を用いることにより、それぞれのレーザ素子１４１〜１４８から出射されるレーザ光の波長を調整することができる。すなわち、波長安定化素子２１１〜２１８によって、それぞれのレーザ素子１４１〜１４８の出射端面と波長安定化素子２１１〜２１８との間に外部共振器が形成され、それぞれの波長安定化素子２１１〜２１８の格子間隔に応じた波長帯域に狭帯域化されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ８が波長安定化素子２１１〜２１８から出射される。

したがって、例えば、波長安定化素子２１１〜２１８から出射されるレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の波長λ₁〜λ₈が、上述した例と同様に、
λ₁＝９１６ｎｍ
λ₂＝９７１ｎｍ
λ₃＝９７３ｎｍ
λ₄＝９７５ｎｍ
λ₅＝９７６ｎｍ
λ₆＝９７４ｎｍ
λ₇＝９７２ｎｍ
λ₈＝９１５ｎｍ
となるように、それぞれの波長安定化素子２１１〜２１８の格子間隔を調整することで、上述の例と同様に残留励起光を低減することができる。

上述した実施形態では、すべてのレーザ素子１４１〜１４８について、増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率が相対的に低い波長のレーザ光が相対的に大きい入射角度で光ファイバ５２１に入射するように構成されているが、レーザ素子１４１〜１４８の一部についてのみ、増幅用光ファイバ５１２の希土類元素イオンに対する吸収率が相対的に低い波長のレーザ光が相対的に大きい入射角度で光ファイバ５２１に入射するように構成されていてもよい。

また、上述の実施形態では、レーザ素子１４１〜１４８から出射されるレーザ光Ｂ１〜Ｂ８の波長λ₁〜λ₈のすべてが、Ｙｂ添加ファイバの吸収スペクトルのピーク波長の９７６ｎｍ以下である例を説明したが、レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の波長λ₁〜λ₈がＹｂ添加ファイバのピーク波長以上（例えば９７７ｎｍなど）であってもよい。さらに、レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の波長λ₁〜λ₈の一部がピーク波長以下であって、他の波長がピーク波長以上であってもよい。また、上述の実施形態では、Ｙｂ添加ファイバの吸収スペクトルのピーク波長として９７６ｎｍを用いた例を説明したが、９７６ｎｍのピーク波長に代えて９１５ｎｍのピーク波長を用いることもできる。また、これら２つのピーク波長を組み合わせて用いることもできる。この場合において、２つのピーク波長のうちＹｂに対する吸収率がより大きい９７６ｎｍのレーザ光が、レーザ光Ｂ１〜Ｂ８の中で最も小さな入射角度で光ファイバに入射するように構成されることが好ましい。また、これらのレーザ素子１４１〜１４８から出射されるレーザ光の波長の差を５ｎｍ以上設けてもよい。ここで、本明細書における「ピーク波長帯域」は、最も高い吸収率を示す波長から±３ｎｍの幅を有する波長帯域を意味するものである。なお、複数のレーザ素子から出射されるレーザ光の波長が１つのピーク波長帯域に入っていてもよい。

上述の実施形態では、８個のレーザ素子１４１〜１４８を用いた例を説明したが、レーザ素子の数はこれに限られるものではなく、２個以上であればいくつであってもよい。

また、上述した実施形態では、階段状の台座１２を用いることによって、複数のレーザ素子からのレーザ光を複数の経路で伝搬させているが、複数のレーザ素子からのレーザ光の伝搬形態はこれに限られるものではない。例えば、上述した特許文献１に開示されているような種々の伝搬形態を採用するレーザモジュールにも本発明を適用できることは言うまでもない。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々の異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ レーザモジュール
１０ 筐体
１２ 台座
１３ サブマウント
１６ 集光レンズ
１６Ａ 入射面
２０ ファースト軸コリメートレンズ
２２ スロー軸コリメートレンズ
２４ ミラー
３０ リード端子
３２ 金属ワイヤ
１２１〜１２８ 段部
１４１〜１４８ 半導体レーザ素子
２１１〜２１８ 波長安定化素子
５０１ ファイバレーザ装置
５１０ 光共振器
５１２ 増幅用光ファイバ
５２０Ａ，５２０Ｂ 励起光源
５２１（５２１Ａ，５２１Ｂ） 光ファイバ
５２２Ａ，５２２Ｂ インラインコンバイナ
５３０ デリバリファイバ
５６０ レーザ出力部
６０１，６０２ 励起光
６１０ 内側クラッド
６２０ 外側クラッド
６３０ コア
Ｂ１〜Ｂ８ レーザ光

Claims (13)

1. 希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバに接続される光ファイバと、
   レーザ光を出射するレーザ素子を含む複数のレーザ出射部と、
   前記複数のレーザ出射部から出射される前記レーザ光を集光して前記光ファイバに結合させる集光レンズと
   を備え、
   前記複数のレーザ出射部は、
   第１のレーザ光を出射する第１のレーザ出射部と、
   前記増幅用光ファイバの前記希土類元素イオンに対する吸収率が前記第１のレーザ光の波長よりも低い波長の第２のレーザ光を出射する第２のレーザ出射部と
   を含み、
   前記第１のレーザ出射部は、前記第１のレーザ光が前記光ファイバに第１の入射角度で入射するように配置され、
   前記第２のレーザ出射部は、前記第２のレーザ光が前記光ファイバに前記第１の入射角度よりも大きい第２の入射角度で入射するように配置される、
   レーザモジュール。
2. 前記複数のレーザ出射部は、前記増幅用光ファイバの前記希土類元素イオンに対する吸収率が前記第２のレーザ光の波長よりも低い波長の第３のレーザ光を出射する第３のレーザ出射部をさらに含み、
   前記第３のレーザ出射部は、前記第３のレーザ光が前記光ファイバに前記第２の入射角度よりも大きい第３の入射角度で入射するように配置される、
   請求項１に記載のレーザモジュール。
3. 前記複数のレーザ出射部から出射される全レーザ光の中で前記増幅用光ファイバの前記希土類元素イオンに対する吸収率が最も低い波長のレーザ光が、前記全レーザ光の中で最も大きな入射角度で前記光ファイバに入射するように、前記複数のレーザ出射部が配置される、請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
4. 前記複数のレーザ出射部から出射される全レーザ光の中で前記増幅用光ファイバの前記希土類元素イオンに対する吸収率が最も高い波長のレーザ光が、前記全レーザ光の中で最も小さい入射角度で前記光ファイバに入射するように、前記複数のレーザ出射部が配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
5. 前記複数のレーザ出射部から出射される全レーザ光の中で前記増幅用光ファイバの前記希土類元素イオンに対する吸収率が最も低い波長のレーザ光を出射するレーザ出射部のレーザ出射面から前記集光レンズの入射面までの光路長が前記複数のレーザ出射部の中で最も長い、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
6. 前記複数のレーザ出射部から出射される全レーザ光の中で前記増幅用光ファイバの前記希土類元素イオンに対する吸収率が最も高い波長のレーザ光を出射するレーザ出射部のレーザ出射面から前記集光レンズの入射面までの光路長が前記複数のレーザ出射部の中で最も短い、請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
7. 前記複数のレーザ出射部のすべてのレーザ出射部は、前記増幅用光ファイバの前記希土類元素イオンに対する吸収率が相対的に低い波長のレーザ光が、相対的に大きい入射角度で前記光ファイバに入射するように配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
8. 前記複数のレーザ出射部から出射されるレーザ光の波長及び前記光ファイバに対する入射角度は、前記増幅用光ファイバの前記希土類元素イオンに対する単位長さ当たりの吸収量が前記複数のレーザ出射部から出射される全レーザ光で同一になるように設定される、請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
9. 前記複数のレーザ出射部のうち少なくとも１つのレーザ出射部は、前記増幅用光ファイバの前記希土類元素イオンの吸収スペクトルのピーク波長帯域の波長を有するレーザ光を出射し、
   前記少なくとも１つのレーザ出射部から出射される前記ピーク波長帯域の波長を有するレーザ光の中で、前記増幅用光ファイバの前記希土類元素イオンに対する吸収率が最も大きいレーザ光は、前記複数のレーザ出射部から出射されるレーザ光の中で最も小さな入射角度で前記光ファイバに入射するように構成される、
   請求項１から８のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
10. 前記第１のレーザ光の波長と前記第２のレーザ光の波長との差は５ｎｍよりも大きい、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
11. 前記複数のレーザ出射部のそれぞれは、前記レーザ素子から出射されるレーザ光の波長を狭帯域化可能な波長安定化素子をさらに含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
12. 前記希土類元素はイッテルビウムである、請求項１から１１のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のレーザモジュールを含む励起光源と、
    前記レーザモジュールの前記光ファイバに接続され、前記希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバと
    を備える、ファイバレーザ装置。

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