JP3952033B2 - 光増幅ファイバと光増幅方法とレーザ発振方法とレーザ増幅装置とレーザ発振装置とレーザ装置とレーザ加工機 - Google Patents

光増幅ファイバと光増幅方法とレーザ発振方法とレーザ増幅装置とレーザ発振装置とレーザ装置とレーザ加工機 Download PDF

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Description

本発明はレーザ媒質を添加した光増幅ファイバを用いた光増幅方法と光発振方法とレーザ装置とレーザ加工機に関するものである。
近年、材料加工分野においてレーザ加工が加工工法の一つとして一般に広まってきている。例えば、レーザ溶接やレーザ切断は、他工法に比較して加工品質が高いことが認知されてきた。市場は更なる高品質、高速加工を求めており、高出力、高効率で、なお且つ、より集光性のよい、すなわちビーム品質のよい（＝高ビーム品質）シングルモードレーザ光を発生し、出射するレーザ発振装置やレーザ増幅装置を求めている。
従来のレーザ発振装置は、高出力を実現するためにレーザ媒質を添加したファイバと励起光を伝送するファイバを近接して配し、その間を所定の屈折率を持つ物質で充填している（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
図８（ａ）は上記従来のレーザ発振装置を示しており、１０１は励起光を伝送する励起光増幅ファイバ、１０２はレーザ媒質を添加したレーザ光増幅ファイバであり、励起光増幅ファイバ１０１とレーザ光増幅ファイバ１０２は近接して設置されている。１０３は結合チャンバで、励起光増幅ファイバ１０１とレーザ光増幅ファイバ１０２を包含し、所定の屈折率を持つ物質で満たされている。
図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図である。
レーザ光増幅ファイバの両端には、レーザ光を反射する図示しない終段鏡、レーザ光の一部を取り出し、残りを反射する図示しない出力鏡が配されており、これらによりレーザ光が多重帰還増幅される。
以上のように構成されたレーザ発振装置について、その動作を説明する。励起光増幅ファイバ１０１を伝播する励起光は、結合チャンバ１０３においてレーザ光増幅ファイバ１０２に入射し、レーザ媒質を励起する。その励起と多重帰還増幅によりレーザ光が発生、出射する。
特開昭５９−１１４８８３号公報（第１図） 米国特許第４９３８５６１号公報（第１図）
しかしながら、従来のレーザ発振装置において、高出力を得ようとすると、励起源は高出力半導体レーザとなり、その励起光増幅ファイバ１０１の径は大径化し、約１００マイクロメータとなる。従って、高出力化のために、効率よく励起光をレーザ媒質に入射させるためには、レーザ光増幅ファイバ１０２の径は、励起光増幅ファイバ１０１の径と同等か、もしくはそれより大きい方が望ましくなる。その場合、ビーム品質が悪くなる。一方、ビーム品質のよい（＝高ビーム品質）レーザ光を得ようとする場合、レーザ光増幅ファイバ１０２の径を小さくしなければならない。一般的にレーザ加工に用いられる近赤外レーザ光の場合、ビーム品質のよいシングルモードのレーザ光を得ようとすると、レーザ光
増幅ファイバの径は６マイクロメータから１０マイクロメータ程度となる。従って、従来のレーザ発振装置においては、高出力・高ビーム品質のレーザ光が得られないという課題を有していた。
本発明は、高出力・高ビーム品質のレーザ光が得られる、小型、高効率レーザ発振装置を提供することを目的とする。
本発明のレーザ発振装置は、上記課題を解決するために、励起光を伝送する第１導波路と、レーザ光を発生、伝送する第２導波路と、励起光を第２導波路に導光する第３導波路備える光増幅ファイバ構造を備えている。そして、この光増幅ファイバと、励起源と帰還手段との組み合わせにより、励起光が効率よく小径の励起媒質に入射し、効率のよい、高出力・高ビーム品質レーザ光を出射するレーザ装置を提供することができる。
以上のように、本発明は、励起光を伝送する第１導波路と、レーザ媒質を添加されレーザ光を発生するコアと前記励起光を伝送するクラッドから成る第２導波路と、前記第１導波路と前記第２導波路を包含する第３導波路とから成り、前記第１導波路の屈折率をｎ１、前記第２導波路クラッドの屈折率をｎ２、前記第２導波路コアの屈折率をｎ３、前記第３導波路の屈折率をｎ４とすると、ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３である光増幅ファイバであり、加えて励起源と帰還手段を用いることにより、高出力，高ビーム品質なレーザ光を出射するレーザ装置を提供することができる。
（実施の形態１）
図１（ａ）は本実施の形態１における光増幅ファイバを用いたレーザ発振方法とレーザ発振装置の説明図で、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図である。
図１において、１０ａ，１０ｂはそれぞれ励起光を発生する励起源である半導体レーザ、１１ａ，１１ｂはそれぞれ励起光を励起光導波路に導光する光学素子であるレンズである。２０は、その一部にレーザ媒質を含む光増幅ファイバであり、その断面形状は、レーザ光出射方向、すなわち光軸方向に関して同一である。
光増幅ファイバ２０の構成は、励起光を伝送するガラスで、直径１２５マイクロメートルの励起光導波路である第１導波路２１と励起光を吸収してレーザ光を発生するＤ型をした第２導波路２２と、励起光を閉じ込めるシリコンを主成分とする屈折率マッチングジェルの第３導波路２５と、前記屈折率マッチングジェルを封入して励起光の閉じ込め効率を高めるガラスの外層２６とから成る。
光増幅ファイバ２０の長さは、コア２３に添加したレーザ媒質濃度等により定まる前記レーザ光の吸収係数や第２導波路２２の断面形状等に依存し、通常約２０メートルである。
また、第２導波路２２は、その内部にレーザ媒質であるネオジウムを添加され、シングルモードを伝送する直径６マイクロメートルのコア２３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込める、ガラス母材である直径１２５マイクロメートルのクラッド２４とから成る。
第１導波路２１の屈折率をｎ１、第２導波路２２のクラッド２４の屈折率をｎ２、コア２３の屈折率をｎ３、第３導波路２５の屈折率をｎ４、外層２６の屈折率をｎ５とすると
、ｎ５＜ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３である。
第１導波路２１の両端にレンズ１１ａ，１１ｂと半導体レーザ１０ａ，１０ｂをそれぞれ配し、励起光をそれぞれ第１導波路２１に入射する。
一方、コア２３の両端には、コア２３で発生するレーザ光を帰還させる終段鏡１２と一部のレーザ光を透過する出力鏡１３を相対向させて設ける。
以上のように構成されたレーザ発振装置について動作を説明する。励起源である半導体レーザ１０は、図示しない電源、冷却装置、制御装置によりネオジウムの励起光である８０８ナノメートルのレーザ光を出射する。この励起光は光学素子であるレンズ１１ａ，１１ｂによりそれぞれ所定の開口数（ＮＡ）に集光し、励起光を伝送する励起光導波路である第１導波路２１の両端から入射され、伝播する。
第１導波路２１の屈折率ｎ１と、第１導波路２１を取り囲む第３導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ１＜ｎ４であるため、励起光は第１導波路２１を伝播するに従い、第３導波路２５に入射する。
第３導波路２５に入射した励起光は、外層２６の屈折率ｎ５と第３導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ５＜ｎ４であるため、第３導波路２５に閉じ込められ、第３導波路２５中で多重反射しながら伝播する。
第３導波路２５中を伝播する励起光の一部は、第２導波路２２のクラッド２４の屈折率ｎ２と第３導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ２＞ｎ４であるため、クラッド２４に入射し、第２導波路２２に閉じ込められ、第２導波路２２中を多重反射しながら伝播する。
第２導波路中を伝播する励起光の一部はコア２３の屈折率ｎ３と第２導波路２２のクラッド２４の屈折率ｎ２を比較すると、ｎ３＞ｎ２であるので、コア２３に入射する。その際、第２導波路２２のクラッド２４の断面はＤ型形状であるので、クラッド２４内で多重反射を繰り返すうちに全てコア２３に吸収され、レーザ媒質であるネオジウムを励起する。
すなわち、第１導波路２１の両端から入射した励起光は、この吸収過程により第２導波路２２中を減衰しながら伝播し、やがてコア２３中のネオジウムに吸収され、ネオジウムを励起する。励起により発生する光は、コア２３の両端に設けた終段鏡１２と出力鏡１３とシングルモードを伝送するコア２３により多重増幅帰還とモード選択が行われ、波長１０６４ナノメートルのシングルモードレーザ光となり出力鏡１３より出射する。
なお、本実施の形態１においては、レーザ光を帰還させる終段鏡１２と出力鏡１３は、当該波長において反射率を選択できるＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）やファイバ端面のフレネル反射としてもよい。
また、本実施の形態１においては、屈折率マッチングジェルのかわりにグリセリンを主成分とする屈折率マッチング液であってもよい。
また、本実施の形態１においては、第１導波路２１の両端から励起光を入射したが、一端からのみ励起光を入射してもよい。
また、本実施の形態１においては、光増幅ファイバ２０を構成し、励起光を伝送する第
１導波路は１本であるが、これを複数本としてもよい。
以上のように、シングルモードを伝送するコアを備える第２導波路２２と励起光を伝送する第１導波路２１を、励起光がコア２３に入射できるように包含する光増幅ファイバ２０を用いることにより高出力・高ビーム品質のレーザ光を出射するレーザ発振装置を提供することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態２において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図２（ａ）は本実施の形態２である光増幅ファイバを用いたレーザ発振方法とレーザ発振装置の説明図で、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図である。
実施の形態１と異なるのは、外層２９の形状が馬蹄形のフッ素樹脂である点、励起源である半導体レーザ１５が、ファイバ１６によって
一端を半導体レーザに接続され、他端は励起光を伝送する第１導波路に接続された点、それに伴ってレンズ１１ａ，１１ｂが不要となる点、光増幅ファイバ２８の第３導波路２７の光軸に直角な方向の断面形状がＤ型紫外線硬化樹脂であり、その一部分は外層２９から突出しており、加えて、第２導波路２２の曲率部と向き合う第３導波路２７は直線状に形成される点である。
以上のように構成されたレーザ発振装置について動作を説明する。図２において、ファイバつきの半導体レーザ１５で出射する波長８０８ナノメートルの励起光はファイバ１６を伝播し、第１導波路２１に入射する。第１導波路２１を伝播するに従い、第３導波路２７に入射する。第３導波路２７の曲線部分が接する第３導波路２７の屈折率ｎ４はフッ素樹脂の外層２９の屈折率より大きく、かつ、第３導波路２７の直線部分で外層２９より突出している部分が接する周囲環境の屈折率より大きい。
従って、励起光は第３導波路２７に閉じ込められ、伝播する。その際、第３導波路２７の断面はＤ型形状であるので第３導波路２７内で多重反射を繰り返すうちに全て第２導波路２２に吸収されネオジウムを励起する。
励起により発生する光は、コア２３の両端に設けた終段鏡１２と出力鏡１３とシングルモードを伝送するコア２３により多重増幅帰還とモード選択が行われ、シングルモードレーザ光となり出力鏡１３より出射する。
なお、本実施の形態２では、第２導波路２２の曲線部分と向き合った第３導波路２７の部分を直線部分としたが、これらの配置を変えてもよい。
また、本実施の形態２では、第２導波路２２の両端に終段鏡１２と出力鏡１３を設けてレーザ発振装置としたが、終段鏡１２と出力鏡１３を除し、レーザ増幅の種となる種光を第２導波路２２の端面から入射し、上記励起により増幅して、第２導波路３２の他端から出射するレーザ増幅装置としてもよい。
以上のように、シングルモードを伝送するコアを備える第２導波路２２と励起光を伝送する第１導波路２１を、励起光がコアに入射できるように包含する光増幅ファイバ２８を用いることにより効率よく、高出力・高ビーム品質のレーザ光を出射するレーザ発振装置を提供することができる。
（実施の形態３）
図３（ａ）は本実施の形態３である光増幅ファイバを用いた光増幅方法とレーザ増幅装置の説明図で、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図で、図３（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図である。
図３において、１４は、出射するレーザ光波長が９１５ナノメートルである励起源の半導体レーザ、１１は励起光を励起光導波路に導光する光学素子であるレンズである。３０は、その一部にレーザ媒質を含む光増幅ファイバであり、励起光を伝送するガラスで、直径１２５マイクロメートルの励起光導波路である第１導波路３１、励起光を吸収してレーザ光を発生する光軸に直角の方向の断面形状がＤ型をした第２導波路３２、励起光を閉じ込める、屈折率マッチングジェルの第３導波路３５、前記屈折率マッチングジェルを封入し励起光の閉じ込め効率を高めるガラスの外層３６から成る。
また、第１導波路３１は光軸方向に従って断面積が漸減するテーパ形状である。第２導波路３２は、その内部にレーザ媒質であるイットリビウムを添加し、シングルモードを伝送する直径６マイクロメートルのコア３３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込める、ガラス母材である直径１２５マイクロメートルのクラッド３４から成る。
第１導波路３１の屈折率をｎ３１、第２導波路３２のクラッド３４の屈折率をｎ３２、コア３３の屈折率をｎ３３、第３導波路３５の屈折率をｎ３４、外層３６の屈折率をｎ３５とすると、ｎ３５＜ｎ３１＜ｎ３４＜ｎ３２＜ｎ３３である。
以上のように構成されたレーザ増幅装置について動作を説明する。励起源である半導体レーザ１４は、図示しない電源、冷却装置、制御装置によりイットリビウムの励起光である９１５ナノメートルのレーザ光を出射する。この励起光は光学素子であるレンズ１１により所定の開口数（ＮＡ）に集光し、励起光を伝送する励起光導波路である第１導波路３１の両端から入射され、伝播する。
この時、第１導波路３１は光軸に直角方向の断面積が光軸方向に漸減するテーパ形状であるため、レーザ光軸に関して同一断面をもつ円柱状導波路に比較して、大きな開口数（ＮＡ）を見込める。
第１導波路３１の屈折率をｎ３１とし、第１導波路３１を取り囲む第３導波路３５の屈折率ｎ３４とを比較すると、ｎ３１＜ｎ３４であるため、励起光は第１導波路３１を伝播するに従い、第３導波路３５に入射する。その際励起光は、第１導波路３１が漸減テーパ形状であるため、第１導波路３１を伝播するに従い、徐々に第３導波路３５への入射角を増していく。
これにより励起光は、レーザ光軸方向に関して、レーザ光軸に関して同一断面をもつ円柱状導波路に比較して短い距離で第３導波路３５に入射し、そして、外層３６の屈折率ｎ３５と第３導波路３５の屈折率ｎ３４とを比較すると、ｎ３５＜ｎ３４であるため第３導波路３５中に閉じ込められ、第３導波路中で多重反射しながら伝播する。
第３導波路３５中を伝播する励起光の一部は、第２導波路３２のクラッド３４の屈折率ｎ３２と第３導波路３５の屈折率ｎ３４とを比較すると、ｎ３２＞ｎ３４であるので、クラッド３４に入射し、第２導波路３２に閉じ込められ、第２導波路３２中を多重反射しながら伝播する。
第２導波路３２中を伝播する励起光の一部はコア３３の屈折率ｎ３３と第２導波路３２のクラッド３４の屈折率ｎ３２とを比較すると、ｎ３３＞ｎ３２であるので、コア３３に
入射する。その際、第２導波路３２のクラッド３４内で多重反射を繰り返すうちに全てコア３３に吸収され、レーザ媒質であるイットリビウムを励起する。すなわち、第１導波路３１に入射した励起光は、この吸収過程により第２導波路３２中を減衰しながら伝播し、やがてコア３３中のイットリビウムに吸収され、イットリビウムを励起する。一方、レーザ増幅の種となる種光は、第２導波路３２の端面から入射する。入射した種光は、上記励起により増幅され、第２導波路３２の他端から出射する。
なお、本実施の形態３においては、第２導波路の断面形状をＤ型としたが、長方形にしてもよい。
また、本実施の形態１と同様に、屈折率マッチングジェルのかわりに屈折率マッチング液であってもよい。
以上のように、シングルモードを伝送するコアを備える第２導波路３２と励起光を伝送する光軸方向における漸減テーパ形状の第１導波路３１を、励起光がコアに入射できるように包含する光増幅ファイバ３０を用いるにより高出力・高ビーム品質のレーザ光を出射するレーザ増幅装置を提供することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態４において、実施の形態３と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図４（ａ）は本実施の形態４である光増幅ファイバを用いた光増幅方法とレーザ増幅装置の説明図で、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図で、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図である。
実施の形態３と異なるのは、第１導波路３１をレーザ光軸方向に傾ける点と、それに付随して第３導波路４５の形状が変化する点と、同様に、半導体レーザ１４、及びレンズ１１を、励起光が第１導波路３１の正面から入射するように、レーザ光軸方向に関して傾ける点である。
図４において、第１導波路３１と第２導波路３２の最小間隔ｈが、レーザ光軸方向に光増幅ファイバ４０中で一定となるように第１導波路３１をレーザ光軸方向に傾け配する。同様に、半導体レーザ１４、及びレンズ１１を、励起光が第１導波路３１の正面から入射するように、レーザ光軸方向に傾ける。
以上のように構成されたレーザ発振装置について動作を説明する。励起源である半導体レーザ１４から出射した励起光は第１導波路３１を伝播するに従い、第３導波路４５に入射する。その際励起光は、第１導波路３１の光軸に直角な方向の断面積が光軸方向に漸減テーパ形状であり、第２導波路３２との最小間隔が固定されているので、第１導波路３１から第２導波路３２を見込む角度が、励起光の第１導波路３１伝播につれて小さくならず、効率よく第２導波路３２に閉じ込められ、イットリビウムを励起する。一方、レーザ増幅の種となる種光は、第２導波路３２の端面から入射する。入射した種光は、上記励起により増幅され、第２導波路３２の他端から出射する。
なお、本実施の形態では、外層３６の周囲の環境、すなわち空気、としたが、さらに外層３６の屈折率ｎ３５より小さい屈折率をもつ層、望ましくは樹脂層を設けてもよい。
以上のように、シングルモードを伝送するコアを備える導波路と励起光を伝送する漸減テーパ形状導波路を、励起光がコアに入射できるように包含するファイバにより高出力・
高ビーム品質のレーザ光を出射するレーザ増幅装置を提供することができる。
（実施の形態５）
本実施の形態５において、実施の形態２と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図５は本実施の形態５である光増幅ファイバを用いたレーザ発振方法および光増幅方法とレーザ装置の説明図である。
実施の形態２と異なるのは、実施の形態２のレーザ発振装置５１と、レーザ発振装置５１から終段鏡１２と出力鏡１３を除したレーザ増幅装置５２，５３を直列に多段化している点である。
以上のように構成されたレーザ発振装置について、図５を用いて、動作を説明する。励起源である半導体レーザ１５から出射する波長８０８ナノメートルの励起光は、ファイバ１６により、光増幅ファイバ２８に入射され、帰還手段である終段鏡１２と出力鏡１３と共に、波長１０６４ナノメートルのレーザ光を出射する。次にこのレーザ光は、次段の光増幅ファイバ２８ｂ中の図示しない第２導波路に入射する。この入射したレーザ光は半導体レーザ１５ｂにより増幅され、次段の光増幅ファイバ２８ｃ中の図示しない第２導波路に入射する。この入射したレーザ光は半導体レーザ１５ｃにより増幅され出射する。
なお、本実施の形態５では、レーザ発振装置５１より出射したレーザ光を次段のレーザ増幅装置５２の光増幅ファイバ２８ｂの第２導波路に入射する方法や、さらに次段のレーザ増幅装置５３の光増幅ファイバ２８ｃの第２導波路に入射する方法について言及していないが、レンズを用いた空間伝送やファイバ伝送を用いてもよい。そのとき、ファイバ１６ｂの一端をレーザ発振装置５１と、他端をレーザ増幅装置５２に接続、望ましくは融着し、ファイバ１６ｃの一端をレーザ増幅装置５２と、他端をレーザ増幅装置５３に接続してもよい。
また、レーザ発振装置５１とレーザ増幅器５２，５３を構成する第２導波管を共通としてレーザ発振装置を構成してもよい。加えて、本実施の形態５のレーザ装置をレーザ加工装置に搭載して出射光を集光すれば、溶接や切断などの加工ができ、加工装置となり、生産設備として生産に用いることもできる。
以上のように、シングルモードを伝送するコアを備える第２導波路と励起光を伝送する第１導波路を、励起光がコアに入射できるように包含するファイバ１６，１６ｂ，１６ｃを用いるレーザ発振装置５１とレーザ増幅装置５２，５３とを直列に結合することにより高出力・高ビーム品質のレーザ光を出射するレーザ装置を提供することができる。
（実施の形態６）
本実施の形態６において実施の形態１、実施の形態２と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図６（ａ）は本実施の形態６である光増幅ファイバを用いたレーザ発振方法とレーザ発振装置の説明図で、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図である。
実施の形態１，実施の形態２と異なるのは、光増幅ファイバ６０が、励起光を伝送する第１導波路２１を４本備え、それらを、第２導波路６２を取り囲むように配する点、レーザ光を発生するレーザ媒質であるネオジウムを添加したコア６３の一端には、レーザ光を反射するＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）と、他端には、一部のレーザ光を透
過するＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）を設けている点である。
以上のように構成されたレーザ発振装置について動を説明する。図６において、ファイバつき半導体レーザ１５で出射する各励起光はファイバ１６を伝播し、第１導波路２１に入射する。第１導波路２１を伝播するに従い、第３導波路６５に入射する。入射光は第３導波路６５内で多重反射を繰り返すうちに第２導波路６２に吸収されネオジウムを励起する。励起により発生する光は、コア６３の両端に設けたＦＢＧとシングルモードを伝送するコア６３により多重増幅帰還とモード選択が行われ、シングルモードレーザ光となり光増幅ファイバ６０の端面より出射する。
なお、本実施の形態６では、４本の第１導波路２１の形状、屈折率を同一としたが、互いに異なってもよい。ただし、いずれの４本の第１導波路２１の屈折率も、第３導波路６５の屈折率ｎ４より小さくなくてはならない。また、その配置も、コア６３に対して等距離でなくてもよい。
以上のように、シングルモードを伝送するコア６３を備える第２導波路６２と励起光を伝送する複数の第１導波路２１を、各々の励起光が同時にコア６３に入射できるように包含する光増幅ファイバ６０により効率よく、高出力・高ビーム品質のレーザ光を出射するレーザ発振装置を提供することができる。
（実施の形態７）
図７（ａ）は本実施の形態７である光増幅ファイバを用いたレーザ発振方法とレーザ発振装置の説明図で、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図で、図７（ｃ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図である。
図７において、９５ａ、９５ｂ、９５ｃは各々波長８０８ナノメートルの励起光を発生する励起源である半導体レーザ７７ａ，７７ｂ，７７ｃは励起光を伝送する励起光伝送ファイバ７７ｄ，７７ｅ，７７ｆは励起光伝送ファイバコアである。
７０はその一部にレーザ媒質であるネオジウムを含む本実施の形態７の光増幅ファイバであり、長手方向に関して励起光を伝送する空走領域８１ａ，８１ｂ，８１ｃと、励起光を、レーザ媒質を含む導波路に注入する注入領域８２ａ，８２ｂで構成される。
空走領域８１ａ，８１ｂ，８１ｃは、励起光を伝送する励起光導波路で、石英ガラスの励起光伝送ファイバコア７１からなる第１導波路、励起光を吸収してレーザ光を発生するガラス母材の第２導波路７２、励起光を閉じ込める紫外線硬化樹脂の第３導波路７５、そして、その周囲には励起光の閉じ込め効率を高めるガラスの外層７６から成る。
注入領域８２ａ、８２ｂは励起光を吸収してレーザ光を発生する第２導波路７２、励起光を閉じ込める第３導波路７５、その閉じ込め効率を高める外層７６から成る。
また、第２導波路７２は、その内部にレーザ媒質であるネオジウムを添加し、シングルモードを伝送するコア７３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込めるガラス母材のクラッド７４から成る。
第１導波路７１の屈折率をｎ７１、第２導波路７２のクラッド７４の屈折率をｎ７２、コア７３の屈折率をｎ７３、第３導波路７５の屈折率をｎ７４、外層７６の屈折率をｎ７５とすると、ｎ７５＜ｎ７１＜ｎ７４＜ｎ７２＜ｎ７３である。
一方、コア７３の両端には、コア７３で発生するレーザ光を帰還させる高反射ＦＢＧ７
８と一部のレーザ光を透過ＦＢＧ７９を有する。
励起光伝送ファイバ７７ａ，７７ｂ，７７ｃは、外層７６を貫通し、励起光伝送ファイバコア７７ｄ，７７ｅ，７７ｆが第３導波路７５に接続している。
さらに、励起光伝送ファイバコア７７ｄ，７７ｅ，７７ｆは所定の間隔をおいて配されており、そのうち、励起光伝送ファイバコア７７ｅと励起光伝送ファイバコア７７ｆは相対向している。
以上のように構成されたレーザ発振装置について動作を説明する。半導体レーザ９５ａから出射した波長８０８ナノメートルのレーザ光は、励起光伝送ファイバコア７７ａおよび励起光伝送ファイバコア７７ｄを伝送し、光増幅ファイバ７０の空走領域８１ａにおいて第３導波路７５に入射する。
第３導波路７５に入射した励起光は、光増幅ファイバ７０の注入領域８２ａに入射し、そこで外層７６の屈折率ｎ７５と第３導波路７５の屈折率ｎ７４とを比較すると、ｎ７５＜ｎ７４であるので、第３導波路７５に閉じ込められ、第３導波路７５中で多重反射しながら伝播する。
第３導波路７５中を伝播する励起光の一部は、第２導波路７２のクラッド７４の屈折率ｎ７２と第３導波路７５の屈折率ｎ７４とを比較すると、ｎ７２＞ｎ７４であるので、クラッド７４に入射し、第２導波路７２に閉じ込められ、第２導波路７２中を多重反射しながら伝播する。
第２導波路７２中を伝播する励起光の一部はコア７３の屈折率ｎ７３と第２導波路７２のクラッド７４の屈折率をｎ７２とを比較すると、ｎ７３＞ｎ７２であるので、コア７３に入射する。
すなわち、励起光は、空走領域８１ａにおいては、全て第３導波路７５に存在し、一方、注入領域８２ａにおいては、第３導波路７５と第２導波路７２に存在する。
同様に、半導体レーザ９５ｂから出射した波長９１５ナノメートルのレーザ光は、励起光伝送ファイバコア７７ｂおよび励起光伝送ファイバコア７７ｅを伝送し、光増幅ファイバ７０の空走領域８１ｂにおいて第３導波路７５に入射する。
第３導波路７５に入射した励起光は、光増幅ファイバ７０の注入領域８２ｂに入射し、そこで外層７６の屈折率ｎ７５と第２導波路７２のクラッド７４の屈折率をｎ７２とを比較すると、ｎ７５＜ｎ７４であるので第３導波路７５に閉じ込められ、第３導波路７５中で多重反射しながら伝播する。
第３導波路７５中を伝播する励起光の一部は、第２導波路７２のクラッド７４の屈折率ｎ７２と第３導波路７５の屈折率ｎ７４とを比較すると、ｎ７２＞ｎ７４であるので、クラッド７４に入射し、第２導波路７２に閉じ込められ、第２導波路７２中を多重反射しながら伝播する。
第２導波路７２中を伝播する励起光の一部はコア７３の屈折率ｎ７３と第２導波路７２のクラッド７４の屈折率をｎ７２とを比較すると、ｎ７３＞ｎ７２であるので、コア７３に入射する。
すなわち、励起光は、空走領域８１ｂにおいては、全て第３導波路７５に存在し、一方
、注入領域８２ｂにおいては、第３導波路７５と第２導波路７２に存在する。
また、半導体レーザ９５ｃから出射した波長８０８ナノメートルのレーザ光は、励起光伝送ファイバコア７７ｃおよび励起光伝送ファイバコア７７ｆを伝送し、光増幅ファイバ７０の空走領域８１ｃにおいて第３導波路７５に入射する。
第３導波路７５に入射した励起光は、光増幅ファイバ７０の注入領域８２ｂに入射し、そこで外層７６の屈折率ｎ７５と第３導波路７５の屈折率ｎ７４とを比較すると、ｎ７５＜ｎ７４であるので第３導波路７５に閉じ込められ、第３導波路７５中で多重反射しながら伝播する。
第３導波路７５中を伝播する励起光の一部は、第２導波路７２のクラッド７４の屈折率ｎ７２と第３導波路７５の屈折率ｎ７４とを比較すると、ｎ７２＞ｎ７４であるので、クラッド７４に入射し、第２導波路７２に閉じ込められ、第２導波路７２中を多重反射しながら伝播する。
第２導波路７２中を伝播する励起光の一部はコア７３の屈折率ｎ７３と第２導波路７２のクラッド７４の屈折率をｎ７２とを比較すると、ｎ７３＞ｎ７２であるので、コア７３に入射する。
すなわち、励起光は、空走領域８１ｃにおいては、全て第３導波路７５に存在し、一方、注入領域８２ｂにおいては、第３導波路７５と第２導波路７２に存在する。
以上より、半導体レーザ９５ａ、９５ｂ、９５ｃより出射した各励起光は、コア７３に入射し、コア７３に添加したイットリビウムを励起する。励起により発生する光は、コア７３の両端に設けた、レーザ光を帰還させる高反射ＦＢＧ７８と一部のレーザ光を透過ＦＢＧ７９とシングルモードを伝送するコア７３により多重増幅帰還とモード選択が行われ、波長１０６４ナノメートルのシングルモードレーザ光となり光増幅ファイバ７０より出射する。
なお、本実施の形態７においては、光増幅ファイバ７０の一端からレーザ光が出射するとしたが、高反射ＦＢＧ７８を一部透過型とする事で、両端からレーザ光が出射する方式とし、一端の出力を出力や波長モニタとして用いてもよい。
なお、本実施の形態７では、ＦＢＧを光増幅ファイバの端部に設けたが、ＦＢＧを注入領域中に設け、その注入領域を新たに注入領域、空走領域、注入領域の３領域に分けて、対となる高反射ＦＢＧと透過ＦＢＧで構成するレーザ発振領域と、その他のレーザ増幅領域で形成するレーザ装置としてもよい。
以上のように、シングルモードを伝送するコアを備える第２導波路７２と励起光を伝送する第１導波路７１を、空走領域と注入領域を設けて励起光をコアに入射できるように包含する光増幅ファイバ７０により高出力・高ビーム品質のレーザ光を出射するレーザ発振装置を提供することができる。
本発明の光増幅ファイバと光増幅方法と光発振方法とレーザ装置とレーザ加工機は、高出力，高ビーム品質なレーザ光を出射するレーザ装置などとして産業上有用である。
（ａ）本発明の実施の形態１における光増幅ファイバを用いたレーザ発振方法とレーザ発振装置の説明図（ｂ）図１（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図 （ａ）同実施の形態２における光増幅ファイバを用いたレーザ発振方法とレーザ発振装置の説明図（ｂ）図２（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図 （ａ）同実施の形態３における光増幅ファイバを用いた光増幅方法とレーザ増幅装置の説明図（ｂ）図３（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図（ｃ）図３（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図 （ａ）同実施の形態４である光増幅ファイバを用いた光増幅方法とレーザ増幅装置の説明図（ｂ）図４（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図（ｃ）図４（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図 同実施の形態５における光増幅ファイバを用いたレーザ発振方法および光増幅方法とレーザ装置の説明図 （ａ）同実施の形態６における光増幅ファイバを用いたレーザ発振方法とレーザ発振装置の説明図（ｂ）図４（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図 （ａ）同実施の形態における光増幅ファイバを用いたレーザ発振方法とレーザ発振装置の説明図（ｂ）図７（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図（ｃ）図７（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図 （ａ）従来におけるレーザ装置の説明図（ｂ）図８（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図
符号の説明
１０ａ、１０ｂ 半導体レーザ
１１、１１ａ、１１ｂ レンズ
１２ 終段鏡
１３ 出力鏡
１４、１５、１５ｂ、１５ｃ 半導体レーザ
１６、１６ｂ、１６ｃ ファイバ
２１、３１、７１ 第１導波路
２２、３２、６２、７２ 第２導波路
２３、３３、６３、７３ コア
２４、３４、６４、７４ クラッド
２５、２７、３５、４５、６５、７５ 第３導波路
２８、２８ｂ、２８ｃ、３０、４０、６０、７０ 光増幅ファイバ
５１ レーザ発振装置
５２、５３ レーザ増幅装置
７７ａ、７７ｂ、７７ｃ 励起光伝送ファイバ
７７ｄ、７７ｅ、７７ｆ 励起光伝送ファイバコア
７８ 高反射ＦＢＧ
７９ 透過ＦＢＧ
８１ａ、８１ｂ、８１ｃ 空送領域
８２ａ、８２ｂ 注入領域

Claims (26)

  1. 励起光を伝送する第１導波路と、レーザ媒質が添加されレーザ光を発生するコアと前記励起光を伝送するクラッドから成る第２導波路と、前記第１導波路と前記第２導波路を包含する第３導波路とから成り、前記第１導波路の屈折率をｎ１、前記第２導波路クラッドの屈折率をｎ２、前記第２導波路コアの屈折率をｎ３、前記第３導波路の屈折率をｎ４とすると、ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３である光増幅ファイバ。
  2. 第１導波路は、長手方向に直角な方向の断面積が長手方向に関して漸減する形状である請求項１記載の光増幅ファイバ。
  3. 第１導波路と第２導波路の間隔は、前記第１導波路の長手方向に関して一定である請求項２記載の光増幅ファイバ。
  4. 長手方向に少なくとも１つの励起光を伝送する空走領域と、少なくとも１つの前記励起光をレーザ媒質を含む導波路に注入する注入領域とを有し、前記空走領域は前記励起光を伝送する第１導波路と、レーザ光を発生するコアと前記励起光を伝送するクラッドから成る第２導波路と、前記第１導波路と前記第２導波路を包含する第３導波路とから成り、前記第１導波路の屈折率をｎ１、前記第２導波路クラッドの屈折率をｎ２、前記第２導波路コアの屈折率をｎ３、前記第３導波路の屈折率をｎ４とする場合、ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３であり、前記注入領域は前記第２導波路と前記第３導波路より成る光増幅ファイバ。
  5. 第３導波路中に励起光が存在しないように空走領域を定めた請求項４に記載の光増幅ファイバ。
  6. 空走領域と注入領域は重複しない請求項４に記載の光増幅ファイバ。
  7. 第３導波路の外周は、励起光を前記第３導波路に閉じ込める外層が設けられ、前記外層の屈折率をｎ５とすると、ｎ５＜ｎ４である請求項１から請求項６のいずれかに記載の光増幅ファイバ。
  8. 外層はガラスで構成された請求項７に記載の光増幅ファイバ。
  9. 外層はフッ素樹脂で構成された請求項７に記載の光増幅ファイバ。
  10. 第１導波路を複数有した請求項１から請求項９のいずれかに記載の光増幅ファイバ。
  11. 第３導波路が紫外線硬化樹脂で構成された請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光増幅ファイバ。
  12. 第３導波路が屈折率マッチング液もしくは屈折率マッチングジェルである請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光増幅ファイバ。
  13. 第２導波路と第３導波路の断面形状のうち少なくとも一部が直線で形成された請求項１から請求項１２のいずれかに記載の光増幅ファイバ。
  14. コア径は、シングルモードを伝送する径である請求項１から請求項１３のいずれかに記載の光増幅ファイバ。
  15. レーザ媒質は、稀土類で構成された請求項１から請求項１４のいずれかに記載の光増幅フ
    ァイバ。
  16. 光増幅ファイバは、前記光増幅ファイバから照射される光を帰還する手段を有した請求項１から請求項１５のいずれかに記載の光増幅ファイバ。
  17. 帰還手段がＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）である請求項１６記載の光増幅ファイバ。
  18. 励起光を出射する励起源と、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の光増幅ファイバとを有し、前記励起光を前記光増幅ファイバの第１導波路に入射して光を増幅する光増幅方法。
  19. 励起光を出射する励起源と、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の光増幅ファイバと、前記光増幅ファイバにて発生する光を帰還する手段とを有し、前記励起光を前記光増幅ファイバの第１導波路に入射してレーザ光を発振するレーザ発振方法。
  20. 励起光を出射する励起源と、請求項１から請求項１５のいずれかに記載
    の光増幅ファイバとを有し、前記励起光を前記光増幅ファイバの第１導波路に入射するレーザ増幅装置。
  21. 励起光を出射する励起源と、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の光増幅ファイバと、前記光増幅ファイバにて発生する光を帰還する手段とを有し、前記励起光を前記光増幅ファイバの第１導波路に入射してレーザ光を発振するレーザ発振装置。
  22. 請求項２１記載のレーザ発振装置の出射光を、請求項２０記載のレーザ増幅装置に導光する手段を有したレーザ装置。
  23. 前記導光する手段がファイバであり、前記ファイバの一端を請求項２１記載のレーザ発振装置に、他端を請求項２０記載のレーザ増幅装置に融着した請求項２２に記載のレーザ装置。
  24. 励起源が半導体レーザである請求項２２または請求項２３記載のレーザ装置。
  25. 半導体レーザの励起光をファイバで伝送し、前記ファイバが第１導波路に接続された請求項２２から請求項２４のいずれかに記載のレーザ装置。
  26. 請求項２２から請求項２５のいずれかに記載のレーザ装置を用いたレーザ加工機。
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