JP2020167294A

JP2020167294A - ファイバレーザ装置

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Publication number: JP2020167294A
Application number: JP2019067227A
Authority: JP
Inventors: 洋平葛西; Yohei Kasai
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-10-08
Also published as: WO2020203136A1

Abstract

【課題】励起光源からの励起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。【解決手段】ファイバレーザ装置１は、コア６１と、励起光が伝搬可能なクラッド層６２とを有する増幅用光ファイバ１２と、励起光を生成可能な励起光源２１〜２３と、励起光源２１〜２３からの励起光を増幅用光ファイバ１２に出力する光コンバイナ４０とを備える。光コンバイナ４０は、入力光ファイバ４１〜４４と、増幅用光ファイバ１２に接続される出力光ファイバ４５と、光軸方向に次第に断面積が小さくなる絞り部４７を含むブリッジファイバ９０とを有する。吸収率が高い波長の励起光を出射する励起光源２１は、ブリッジファイバ９０の中心領域Ｒ1に接続される入力光ファイバ４１に接続され、吸収率が低い波長の励起光を出射する励起光源２３は、中心領域Ｒ1よりも外側の領域Ｒ3，Ｒ4に接続される入力光ファイバ４３，４４に接続される。【選択図】図３

Description

本発明は、ファイバレーザ装置に係り、特に複数の励起光源から出射される励起光を用いてレーザ光を出力するファイバレーザ装置に関するものである。

ファイバレーザ装置においては、増幅用光ファイバのコアに添加された希土類元素イオンを励起するために複数の励起光源から出射される励起光を用いることがある（例えば、特許文献１参照）。このような励起光のうち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）は、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ることも考えられ、そのような場合には、これらの光デバイスが発熱して信頼性が低下してしまう。また、双方向励起型のファイバレーザの場合には、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。

特開２００７−４２９８１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、励起光源からの励起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目的とする。

本発明の一態様によれば、励起光源からの励起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、希土類元素イオンが添加されたコアと、上記希土類元素イオンを励起する励起光が伝搬可能なクラッド層とを有する増幅用光ファイバと、上記励起光を生成可能な複数の励起光源と、上記複数の励起光源からの上記励起光を結合して上記増幅用光ファイバに出力する光コンバイナとを備える。上記光コンバイナは、上記複数の励起光源のそれぞれと接続される複数の入力光ファイバと、上記増幅用光ファイバに接続される出力光ファイバと、上記複数の入力光ファイバから上記出力光ファイバに向かって光軸方向に次第に断面積が小さくなる絞り部を含むブリッジファイバとを有する。上記複数の励起光源は、第１の励起光を出射する第１の励起光源と、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の励起光の波長よりも低い波長の第２の励起光を出射する第２の励起光源とを含む。上記ブリッジファイバは、上記複数の入力光ファイバが接続される入射端面を有する。上記複数の入力光ファイバは、上記ブリッジファイバの上記入射端面の第１の領域に接続される第１の入力光ファイバと、上記ブリッジファイバの上記入射端面の中心に対して上記第１の領域よりも外側に位置する第２の領域に接続される第２の入力光ファイバとを含む。上記第１の励起光源は、上記第１の入力光ファイバに接続され、上記第２の励起光源は、上記第２の入力光ファイバに接続される。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。上記複数の入力光ファイバの数は７、１０、１９、又は３１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の励起光の波長よりも低い波長の第２の励起光を出射する第２の励起光源が、ブリッジファイバの入射端面の中心に対して第１の領域よりも外側に位置する第２の領域に接続される第２の入力光ファイバに接続されるので、第２の励起光が第１の励起高の入射角度よりも大きい入射角度で増幅用光ファイバに入射することとなる。このため、第２の励起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の励起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の励起光と第２の励起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、増幅用光ファイバで吸収されずに伝搬する残留励起光を効果的に低減することができる。

上記複数の励起光源は、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の励起光の波長よりも低い波長の第３の励起光を出射する第３の励起光源をさらに含んでいてもよい。上記複数の入力光ファイバは、上記ブリッジファイバの上記入射端面の中心に対して上記第２の領域よりも外側に位置する第３の領域に接続される第３の入力光ファイバをさらに含んでいてもよい。この場合において、上記第３の励起光源は、上記第３の入力光ファイバに接続される。これにより、増幅用光ファイバに対する第１の励起光、第２の励起光、及び第３の励起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、増幅用光ファイバで吸収されずに伝搬する残留励起光を効果的に低減することができる。

増幅用光ファイバにおいてより効果的に励起光を吸収させるために、上記複数の励起光源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励起光を出射する励起光源が、上記複数の入力光ファイバの中で上記ブリッジファイバの上記入射端面の中心から最も離れた領域に接続される上記入力光ファイバに接続されることが好ましい。また、上記複数の励起光源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励起光を出射する励起光源が、上記複数の入力光ファイバの中で上記ブリッジファイバの上記入射端面の中心に最も近い領域に接続される上記入力光ファイバに接続されることが好ましい。

上記複数の励起光源のすべての励起光源に関して、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励起光を出射する励起光源が、上記複数の入力光ファイバの中で上記ブリッジファイバの上記入射端面の中心に対して相対的に外側に位置する領域に接続される上記入力光ファイバに接続されることが好ましい。また、上記複数の励起光源のすべての励起光源に関して、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励起光を出射する励起光源が、上記複数の入力光ファイバの中で上記ブリッジファイバの上記入射端面の中心に相対的に近い領域に接続される上記入力光ファイバに接続されることが好ましい。

上記複数の励起光源から出射される励起光の波長及び上記複数の励起光源が接続される上記入力光ファイバは、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励起光源から出射される全励起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励起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、増幅用光ファイバで吸収されずに伝搬する残留励起光をより効果的に低減することができる。

上記複数の励起光源のうち少なくとも１つの励起光源は、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励起光を出射するものであってもよい。この場合において、上記ピーク波長帯域の波長を有する励起光を出射する上記少なくとも１つの励起光源は、上記複数の入力光ファイバの中で上記ブリッジファイバの上記入射端面の中心に最も近い領域に接続される上記入力光ファイバに接続されることが好ましい。

上記第１の励起光の波長と上記第２の励起光の波長との差は５ｎｍよりも大きくてもよい。また、上記複数の励起光源のうち少なくとも１つの励起光源は、レーザ素子から出射される光の波長を狭帯域化可能な波長安定化素子を含んでいてもよい。

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の励起光の波長よりも低い波長の第２の励起光を出射する第２の励起光源が、ブリッジファイバの入射端面の中心から外側に位置する第２の領域に接続される第２の入力光ファイバに接続されるので、第２の励起光が第１の励起高の入射角度よりも大きい入射角度で増幅用光ファイバに入射することとなる。このため、第２の励起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の励起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の励起光と第２の励起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、増幅用光ファイバで吸収されずに伝搬する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における増幅用光ファイバを模式的に示す断面図である。図３は、図１に示すファイバレーザ装置の光コンバイナを示す斜視図である。図４は、図３に示す光コンバイナにおける入力光ファイバの配置を示す模式図である。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、本発明の他の実施形態における入力光ファイバの配置を示す模式図である。図７は、本発明のさらに他の実施形態における入力光ファイバの配置を示す模式図である。

以下、本発明に係るファイバレーザ装置の実施形態について図１から図７を参照して詳細に説明する。なお、図１から図７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７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１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１は、光共振器１０と、光共振器１０に励起光を導入する複数の励起光源２１〜２３と、光ファイバ３１〜３３を介してこれらの励起光源２１〜２３と接続される光コンバイナ４０とを備えている。

光共振器１０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１２と、融着接続部５４を介して増幅用光ファイバ１２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））１４と、融着接続部５６を介して増幅用光ファイバ１２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））１６とから構成されている。本実施形態では、増幅用光ファイバ１２のコアにＹｂが添加されているものとして説明する。

図２は、増幅用光ファイバ１２を模式的に示す断面図である。図２に示すように、本実施形態における増幅用光ファイバ１２は、上述した希土類元素イオンが添加されたコア６１と、コア６１の周囲に形成された内側クラッド６２と、内側クラッド６２の周囲に形成された外側クラッド６３とを有するダブルクラッドファイバによって構成されている。増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２の屈折率はコア６１の屈折率よりも低く、外側クラッド６３の屈折率は内側クラッド６２の屈折率よりも低くなっている。これにより、内側クラッド６２の内部には励起光源２１〜２３からの励起光が伝搬するようになっている。

また、ファイバレーザ装置１は、ＯＣ−ＦＢＧ１６から延びるデリバリファイバ５０をさらに有しており、このデリバリファイバ５０の後流側の端部には増幅用光ファイバ１２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射部５２が設けられている。

励起光源２１は、例えば発振波長９７６ｎｍの高出力マルチモード半導体レーザ素子を含んでおり、波長９７６ｎｍ（＝λ₁）の励起光Ｐ₁を生成するように構成されている。励起光源２２は、例えば発振波長９７３ｎｍの高出力マルチモード半導体レーザ素子を含んでおり、波長９７３ｎｍ（＝λ₂）の励起光Ｐ₂を生成するように構成されている。励起光源２３は、例えば発振波長９７０ｎｍの高出力マルチモード半導体レーザ素子を含んでおり、波長９７０ｎｍ（＝λ₃）の励起光Ｐ₃を生成するように構成されている。本実施形態では、励起光源２１は１個、励起光源２２は６個、励起光源２３は１３個設けられている。光コンバイナ４０は、これらの励起光源２１〜２３から出力される励起光Ｐ₁〜Ｐ₃を結合して上述した増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２に導入するものである。これにより、増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２の内部を励起光Ｐ₁〜Ｐ₃が伝搬する。

ＨＲ−ＦＢＧ１４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−ＦＢＧ１６は、ＨＲ−ＦＢＧ１４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−ＦＢＧ１４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−ＦＢＧ１４と増幅用光ファイバ１２とＯＣ−ＦＢＧ１６とによって、ＨＲ−ＦＢＧ１４とＯＣ−ＦＢＧ１６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１０が構成される。

光共振器１０において、増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２を伝搬する励起光Ｐ₁〜Ｐ₃は、コア６１を通過する際に希土類元素イオンに吸収され、この希土類元素イオンが励起されて自然放出光が生じる。この自然放出光がＨＲ−ＦＢＧ１４とＯＣ−ＦＢＧ１６との間で再帰的に反射され、特定の波長（例えば１０６４ｎｍ）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。光共振器１０で増幅された波長のレーザ光は、増幅用光ファイバ１２のコア６１内を伝搬し、その一部がＯＣ−ＦＢＧ１６を透過して後流側に伝搬する。ＯＣ−ＦＢＧ１６を透過したレーザ光は、デリバリファイバ５０を通ってレーザ出射部５２から例えば被加工物に向けて出射される。

図１に示す例では、ＨＲ−ＦＢＧ１４側にのみ励起光源２１〜２３が設けられた前方励起型のファイバレーザ装置となっているが、ＯＣ−ＦＢＧ１６側に励起光源２１〜２３を設けた後方励起型のファイバレーザ装置としてもよく、あるいはＨＲ−ＦＢＧ１４側及びＯＣ−ＦＢＧ１６側の双方に励起光源２１〜２３を設けた双方励起型のファイバレーザ装置としてもよい。また、光共振器１０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３は、光コンバイナ４０を示す斜視図である。図３においては、理解を容易にするために、光コンバイナ４０の構成要素が光軸方向に沿って互いに離間して示されているが、実際には、これらの構成要素は互いに融着接続されている。図３に示すように、光コンバイナ４０は、励起光源２１から延びる光ファイバ３１の少なくとも一部を構成する入力光ファイバ４１と、励起光源２２から延びる光ファイバ３２の少なくとも一部を構成する入力光ファイバ４２と、励起光源２３から延びる光ファイバ３３の少なくとも一部を構成する入力光ファイバ４３，４４と、これらの入力光ファイバ４１〜４４の後流側に配置されるブリッジファイバ９０と、ブリッジファイバ９０の後流側に接続される出力光ファイバ４５とを含んでいる。なお、出力光ファイバ４５は、ＨＲ−ＦＢＧ１４が形成された光ファイバと融着接続されていてもよいし、出力光ファイバ４５自体にＨＲ−ＦＢＧ１４を形成することも可能である。

それぞれの入力光ファイバ４１〜４４は、図示しないコアを有しており、励起光源２１〜２３からの励起光はこのコアを伝搬するようになっている。図４は、入力光ファイバ４１〜４４の配置を示す模式図である。図４に示すように、本実施形態では、光コンバイナ４０は、１本の入力光ファイバ４１と、６本の入力光ファイバ４２と、６本の入力光ファイバ４３と、６本の入力光ファイバ４４とを含んでおり、合計で１９本の入力光ファイバを有している。これらの入力光ファイバ４１〜４４の本数に対応して励起光源２１〜２３が設けられている。

図３に示すように、ブリッジファイバ９０は、光軸に沿って一定の外径を有する円筒部４６と、光軸に沿って次第に断面積が小さくなる絞り部４７とを含んでいる。本実施形態におけるブリッジファイバ９０は、内部にコア−クラッド構造を有しておらず、ブリッジファイバ９０全体が光導波路となっている。ブリッジファイバ９０の円筒部４６は、入力光ファイバ４１〜４４が融着接続される入射端面４６Ａを有している。

出力光ファイバ４５は、コア８１と、コア８１の周囲を覆うクラッド８２と、クラッド８２の周囲を覆う被覆８３とを有している。出力光ファイバ４５のコア８１の外径は、ブリッジファイバ９０の絞り部４７の端面の外径以上である。この出力光ファイバ４５のコア８１には、ブリッジファイバ９０の絞り部４７が融着接続されている。出力光ファイバ４５のクラッド８２の屈折率はコア８１の屈折率よりも低くなっており、コア８１の内部には、ブリッジファイバ９０から出射した光が伝搬する光導波路が形成されている。この出力光ファイバ４５のコア８１は、増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２と光学的に接続される。なお、ブリッジファイバ９０との融着接続部の近傍では、出力光ファイバ４５の被覆８３が除去されている。

このような構成の光コンバイナ４０によれば、入力光ファイバ４１〜４４のコアを伝搬する励起光は、円筒部４６の端面からブリッジファイバ９０に入射し、円筒部４６及び絞り部４７の外周面で反射しながらブリッジファイバ９０の内部を伝搬して、絞り部４７の端面から出力光ファイバ４５のコア８１に入射する。そして、出力光ファイバ４５のコア８１に入射した励起光は、光コンバイナ４０の後流側に接続された増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２を伝搬する。

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（１）で表される。

この式（１）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１の増幅用光ファイバ１２のコア６１における励起光の吸収量は、励起光の内側クラッド６２への入射角度にも依存している。図２に示す例では、励起光７１，７２は、増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２と外側クラッド６３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７１よりも入射角度の大きな励起光７２の方が、希土類元素イオンが添加されたコア６１を通過する回数が多くなるため、励起光７１よりも単位長さ当たりの吸収量が増える。

励起光源から出射される励起光の波長が、増幅用光ファイバ１２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１２における励起光の吸収量が少なくなるが、そのような励起光の増幅用光ファイバ１２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。したがって、本実施形態では、以下に述べるように、増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２に入射する励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の入射角度を上述した光コンバイナ４０により調整することで、増幅用光ファイバ１２における励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の吸収が効率的に行われるようにしている。

上述したように、光コンバイナ４０の入力光ファイバ４１〜４４からブリッジファイバ９０に入射した光は絞り部４７で反射するために、その伝搬方向が変化して出力光ファイバ４５のコア８１への入射角度が増大する。絞り部４７における入射角度の増大率は、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心から離れた領域（例えば、図３の薄い塗り潰し領域Ｒ₃，Ｒ₄）に導入される励起光ほど大きくなり、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心領域（例えば、図３の濃い塗り潰し領域Ｒ₁）に導入される励起光が最も小さい。このように入射角度が増大した励起光は、出力光ファイバ４５の後流側に接続された増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２に導入される。

本実施形態の光コンバイナ４０においては、図３及び図４に示すように、励起光源２１からの励起光Ｐ₁が伝搬する入力光ファイバ４１の周囲に、励起光源２２からの励起光Ｐ₂が伝搬する６本の入力光ファイバ４２が配置されており、これらの入力光ファイバ４２の周囲に、励起光源２３からの励起光Ｐ₃が伝搬する１２本の入力光ファイバ４３，４４が配置されている。すなわち、励起光源２１からの励起光Ｐ₁が伝搬する入力光ファイバ４１は、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心領域Ｒ₁（図３の濃い塗り潰し領域）に接続され、励起光源２２からの励起光Ｐ₂が伝搬する６本の入力光ファイバ４２は、入射端面４６Ａの中心に対して中心領域Ｒ₁よりも外側に位置する領域Ｒ₂（図３の中程度の濃さの塗り潰し領域）に接続され、励起光源２３からの励起光Ｐ₃が伝搬する１２本の入力光ファイバ４３，４４は、入射端面４６Ａの中心に対して領域Ｒ₂よりも外側に位置する領域Ｒ₃，Ｒ₄（図３の薄い塗り潰し領域）に接続されている。

上述したように、励起光源２１からの励起光Ｐ₁の波長λ₁は、Ｙｂの吸収スペクトルのピーク波長（図５参照）である９７６ｎｍであり、励起光源２２からの励起光Ｐ₂の波長λ₂は、このピーク波長から少しずれた９７３ｎｍであり、励起光源２３からの励起光Ｐ₃の波長λ₃は、さらにピーク波長からずれた９７０ｎｍとなっている。したがって、増幅用光ファイバ１２のコア６１のＹｂに対する吸収率は、励起光Ｐ₁が最も高く、その次に励起光Ｐ₂が高く、励起光Ｐ₃が最も低くなっている。

本実施形態では、最も吸収率が高い９７６ｎｍの波長λ₁を有する励起光Ｐ₁を伝搬する入力光ファイバ４１を入射端面４６Ａの中心領域Ｒ₁に接続することで、励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の中で最も吸収率が高い波長の励起光Ｐ₁が、最も小さな入射角度で出力光ファイバ４５のコア８１及びその後流側の増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２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、励起光Ｐ₁よりも低い吸収率の波長λ₂（＝９７３ｎｍ）を有する励起光Ｐ₂を伝搬する入力光ファイバ４２を中心領域Ｒ₁よりも外側の領域Ｒ₂に接続することで、励起光Ｐ₁の波長よりも吸収率が低い波長の励起光Ｐ₂が、励起光Ｐ₁の入射角度よりも大きな入射角度で出力光ファイバ４５のコア８１及びその後流側の増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２に入射するように構成している。吸収スペクトルのピーク波長からさらにずれ、励起光Ｐ₂よりも低い吸収率の波長λ₃（＝９７０ｎｍ）を有する励起光Ｐ₃を伝搬する入力光ファイバ４３，４４を領域Ｒ₂よりもさらに外側の領域Ｒ₃，Ｒ₄に接続することで、励起光Ｐ₂の波長よりも吸収率が低い波長の励起光Ｐ₃が、励起光Ｐ₂の入射角度よりも大きな入射角度で出力光ファイバ４５のコア８１及びその後流側の増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２に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１２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励起光を出射する励起光源が、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心から相対的に遠い領域に接続される入力光ファイバに接続されており、吸収率が相対的に低い波長の励起光が相対的に大きい入射角度で増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２に入射するように（増幅用光ファイバ１２の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励起光を出射する励起光源が、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心に相対的に近い領域に接続される入力光ファイバに接続されており、吸収率が相対的に高い波長の励起光が相対的に小さい入射角度で増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２に入射するように）ファイバレーザ装置１が構成されている。したがって、増幅用光ファイバ１２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励起光が、増幅用光ファイバ１２の希土類元素イオンが添加されたコア６１を通過する回数が増えるため（図２参照）、増幅用光ファイバ１２におけるこの励起光の吸収量を増やすことができる。この結果、複数の励起光源２１〜２３の励起光の波長が異なっていても、増幅用光ファイバ１２に対する励起光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１２における励起光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１２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１２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、励起光源２１〜２３に使用される半導体レーザ素子から出射される励起光が、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、ファイバレーザ装置１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１２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励起光が相対的に大きい入射角度で増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２に入射するようにファイバレーザ装置１を構成することで、増幅用光ファイバ１２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励起光Ｐ₁〜Ｐ₃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１２の希土類元素イオンに対する励起光Ｐ₁〜Ｐ₃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１２における励起光Ｐ₁〜Ｐ₃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１２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１の信頼性が高まる。

また、励起光源２１〜２３の中で増幅用光ファイバ１２の希土類元素イオンに対する吸収率が最も低い波長の励起光を出射する励起光源（本実施形態では励起光Ｐ₃を出射する励起光源２３）が、入力光ファイバ４１〜４４の中でブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心から最も離れた領域（本実施形態では領域Ｒ₄）に接続される入力光ファイバ（本実施形態では入力光ファイバ４４）に接続されることが好ましい。この場合には、全励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の中で最も吸収率の低い波長の励起光が、全励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の中で最も大きな入射角度で増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２に入射することとなる。

さらに、励起光源２１〜２３の中で増幅用光ファイバ１２の希土類元素イオンに対する吸収率が最も高い波長の励起光を出射する励起光源（本実施形態では励起光Ｐ₁を出射する励起光源２１）が、入力光ファイバ４１〜４４の中でブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心に最も近い領域（本実施形態では領域Ｒ₁）に接続される入力光ファイバ（本実施形態では入力光ファイバ４１）に接続されることが好ましい。この場合には、全励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の中で最も吸収率の高い波長の励起光が、全励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の中で最も小さな入射角度で増幅用光ファイバ１２の内側クラッド６２に入射することとなる。

上述した実施形態では、すべての励起光源２１〜２３について、増幅用光ファイバ１２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励起光を出射する励起光源が、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心から相対的に遠い領域に接続される入力光ファイバに接続されているが、励起光源２１〜２３の一部についてのみ、増幅用光ファイバ１２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励起光を出射する励起光源が、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心から相対的に遠い領域に接続される入力光ファイバに接続されていてもよい。

また、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それぞれの励起光源２１〜２３から出射される励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の波長を調整してもよい。例えば、所定の格子間隔で屈折率が周期的に変化するVolume Bragg Gating（ＶＢＧ）と呼ばれる波長安定化素子をそれぞれの励起光源２１〜２３のレーザ素子から出射されるレーザ光の光路上に配置してもよい。このような波長安定化素子を用いることにより、励起光源２１〜２３内のレーザ素子の出射端面と波長安定化素子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の格子間隔に応じた波長帯域に狭帯域化された励起光が波長安定化素子から出射され、励起光源２１〜２３から出射される励起光の波長を調整することができる。

上述した実施形態では、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心領域Ｒ₁に接続される入力光ファイバ４１には、励起光源２１から波長９７６ｎｍの励起光Ｐ₁が導入され、入射端面４６Ａの中心に対して中心領域Ｒ₁よりも外側の領域Ｒ₂に接続される入力光ファイバ４２には、励起光源２２から波長９７３ｎｍの励起光Ｐ₂が導入され、入射端面４６Ａの中心に対して領域Ｒ₂よりも外側の領域Ｒ₃，Ｒ₄に接続される入力光ファイバ４３，４４には、励起光源２３から波長９７０ｎｍの励起光Ｐ₃が導入される例を説明したが、これらの励起光の波長はこの例に限られるものではない。例えば、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心領域Ｒ₁に接続される入力光ファイバ４１に、励起光源２１から波長９７６ｎｍの励起光を導入し、中心領域Ｒ₁よりも外側の領域Ｒ₂に接続される入力光ファイバ４２に、励起光源２２から波長９７２ｎｍの励起光を導入し、領域Ｒ₂よりも外側の領域Ｒ₃，Ｒ₄に接続される入力光ファイバ４３，４４に、励起光源２３から波長９７０ｎｍの励起光を導入してもよい。あるいは、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心領域Ｒ₁に接続される入力光ファイバ４１には励起光源を接続せずに、中心領域Ｒ₁よりも外側の領域Ｒ₂に接続される入力光ファイバ４２に、励起光源２２から波長９７６ｎｍの励起光を導入し、領域Ｒ₂よりも外側の領域Ｒ₃，Ｒ₄に接続される入力光ファイバ４３，４４に、励起光源２３から波長９１５ｎｍの励起光を導入してもよい。

また、上述の実施形態では、励起光源２１〜２３から出射される励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の波長のすべてが、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、励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の波長が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、励起光Ｐ₁〜Ｐ₃の波長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。また、これらの励起光源２１〜２３から出射される励起光Ｐ₁〜Ｐ₃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、複数の励起光源２１〜２３から出射される励起光の波長が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、１９本の入力光ファイバ４１〜４４及び１９個の励起光源２１〜２３を用いた例を説明したが、入力光ファイバの個数及び励起光源の個数はこれに限られるものではない。また、複数の励起光源の波長の組み合わせも任意である。例えば３１本の入力光ファイバを用いた場合にも、同様に構成することができる。また、例えば、７本の入力光ファイバを用いる場合には、図６に示すように、ブリッジファイバ９０の円筒部４６の中心領域に接続される１本の入力光ファイバ１４１に、Ｙｂ添加ファイバの吸収スペクトルのピーク波長である９７６ｎｍの波長を有する励起光を出射する励起光源を接続し、中心領域よりも外側に位置する領域に接続される６本の入力光ファイバ１４２に、ピーク波長からずれた波長９７２ｎｍの励起光を出射する励起光源を接続してもよい。あるいは、中心領域に接続される１本の入力光ファイバ１４１に、ピーク波長である９７６ｎｍの波長を有する励起光を出射する励起光源を接続し、中心領域の外側に位置する領域に接続される６本の入力光ファイバ１４２に、別のピーク波長である波長９１５ｎｍの励起光を出射する励起光源を接続してもよい。

また、１０本の入力光ファイバを用いる場合には、図７に示すように、ブリッジファイバ９０の入射端面４６Ａの中心領域に接続される２本の入力光ファイバ２４１に、Ｙｂ添加ファイバの吸収スペクトルのピーク波長である９７６ｎｍの波長を有する励起光を出射する励起光源を接続し、入射端面４６Ａの中心に２番目に近い領域に接続される２本の入力光ファイバ２４２に、ピーク波長からずれた波長９７４ｎｍの励起光を出射する励起光源を接続し、入射端面４６Ａの中心に３番目に近い領域に接続される４本の入力光ファイバ２４３に、波長９７２ｎｍの励起光を出射する励起光源を接続し、入射端面４６Ａの中心から最も遠い領域に接続される２本の入力光ファイバ２４４に、波長９１５ｎｍの励起光を出射する励起光源を接続してもよい。この場合において、２本の入力光ファイバ２４２のうち一方を励起光源に接続しない構成としてもよい。

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ファイバレーザ装置
１０光共振器
１２増幅用光ファイバ
１４高反射ファイバブラッググレーディング
１６低反射ファイバブラッググレーディング
２１〜２３励起光源
３１〜３３光ファイバ
４０光コンバイナ
４１〜４３，１４１，１４２，２４１〜２４４入力光コンバイナ
４５出力光ファイバ
４６円筒部
４６Ａ入射端面
４７絞り部
５０デリバリファイバ
５２レーザ出射部
６１コア
６２内側クラッド
６３外側クラッド
８１コア
８２クラッド
８３被覆
９０ブリッジファイバ

Claims

希土類元素イオンが添加されたコアと、前記希土類元素イオンを励起する励起光が伝搬可能なクラッド層とを有する増幅用光ファイバと、
前記励起光を生成可能な複数の励起光源と、
前記複数の励起光源からの前記励起光を結合して前記増幅用光ファイバに出力する光コンバイナと
を備え、
前記光コンバイナは、
前記複数の励起光源のそれぞれと接続される複数の入力光ファイバと、
前記増幅用光ファイバに接続される出力光ファイバと、
前記複数の入力光ファイバから前記出力光ファイバに向かって光軸方向に次第に断面積が小さくなる絞り部を含むブリッジファイバと
を有し、
前記複数の励起光源は、
第１の励起光を出射する第１の励起光源と、
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の励起光の波長よりも低い波長の第２の励起光を出射する第２の励起光源と
を含み、
前記ブリッジファイバは、前記複数の入力光ファイバが接続される入射端面を有し、
前記複数の入力光ファイバは、
前記ブリッジファイバの前記入射端面の第１の領域に接続される第１の入力光ファイバと、
前記ブリッジファイバの前記入射端面の中心に対して前記第１の領域よりも外側に位置する第２の領域に接続される第２の入力光ファイバと
を含み、
前記第１の励起光源は、前記第１の入力光ファイバに接続され、
前記第２の励起光源は、前記第２の入力光ファイバに接続される、
ファイバレーザ装置。
前記複数の励起光源は、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の励起光の波長よりも低い波長の第３の励起光を出射する第３の励起光源をさらに含み、
前記複数の入力光ファイバは、前記ブリッジファイバの前記入射端面の中心に対して前記第２の領域よりも外側に位置する第３の領域に接続される第３の入力光ファイバをさらに含み、
前記第３の励起光源は、前記第３の入力光ファイバに接続される、
請求項１に記載のファイバレーザ装置。
前記複数の励起光源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励起光を出射する励起光源が、前記複数の入力光ファイバの中で前記ブリッジファイバの前記入射端面の中心から最も離れた領域に接続される前記入力光ファイバに接続される、請求項１又は２に記載のファイバレーザ装置。
前記複数の励起光源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励起光を出射する励起光源が、前記複数の入力光ファイバの中で前記ブリッジファイバの前記入射端面の中心に最も近い領域に接続される前記入力光ファイバに接続される、請求項１から３のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。
前記複数の励起光源のすべての励起光源に関して、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励起光を出射する励起光源が、前記複数の入力光ファイバの中で前記ブリッジファイバの前記入射端面の中心に対して相対的に外側に位置する領域に接続される前記入力光ファイバに接続される、請求項１から４のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。
前記複数の励起光源から出射される励起光の波長及び前記複数の励起光源が接続される前記入力光ファイバは、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励起光源から出射される全励起光で同一になるように設定される、請求項１から５のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。
前記複数の励起光源のうち少なくとも１つの励起光源は、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励起光を出射し、
前記ピーク波長帯域の波長を有する励起光を出射する前記少なくとも１つの励起光源は、前記複数の入力光ファイバの中で前記ブリッジファイバの前記入射端面の中心に最も近い領域に接続される前記入力光ファイバに接続される、
請求項１から６のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。
前記第１の励起光の波長と前記第２の励起光の波長との差は５ｎｍよりも大きい、請求項１から７のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。
前記複数の励起光源のうち少なくとも１つの励起光源は、レーザ素子から出射される光の波長を狭帯域化可能な波長安定化素子を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。
前記希土類元素はイッテルビウムである、請求項１から９のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。
前記複数の入力光ファイバの数は７、１０、１９、又は３１である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。