JP4011175B2 - 光ファイバレーザ装置及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバのコア中のレーザ活性物質に励起光を供給することによってレーザ発振を行う光ファイバレーザ装置及びレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信またはレーザ加工の分野において、より高出力で、より安価なレーザ装置の開発が望まれているが、従来よりこの要請を満たせる可能性の高いものとして、光ファイバレーザ装置が知られている。
【0003】
光ファイバレーザ装置は、コア径並びにコアとクラッドの屈折率差等を適切に選定することで比較的簡単にレーザ発振の横モードを単一にすることができる。また、光を高密度に閉じこめることでレーザ活性物質と光との相互作用を高められる。且つ、光ファイバの長さを長くすることで相互作用長を大きくとれるので高い効率で空間的に高品質のレーザ光を発生することができる。従って、質の良いレーザ光を比較的安価に得ることができる。
【0004】
ここで、レーザ光のさらなる高出力化または高効率化を実現するには、光ファイバのレーザ活性イオンまたは色素、その他の発光中心(以下、レーザ活性物質という)の添加領域(通常はコア部)に効率よく励起光を導入する必要がある。ところが、通常、単一モードの導波条件を満たすようにコア径を設定すると、その径は十数μm以下に限定されるので、この径に効率よく励起光を導入するのは一般的に困難である。これを克服する手段として、いわゆる2重クラッド型ファイバレーザが提案されている(参考文献、例えば:H.Zellmer,U.Willamowski,A.Tunnermann,and H.Welling,Optics Letters.Vol.20,No.6.pp.578-580,March,1995.)。
【0005】
2重クラッド型ファイバレーザは、コア部の周りに、コア部より屈折率の低い第1のクラッド部を設け、その外側にさらに屈折率に低い第2のクラッド部を設けたものである。これにより、第1のクラッド部に導入された励起光は、第1のクラッド部と第2のクラッド部の屈折率差による全反射により、第1のクラッド部内に閉じこめられた状態を保ちながら伝搬する。この伝搬の際に、励起光はコア部を繰り返し通過し、コア部のレーザ活性物質を励起することになる。第1のクラッド部はコア部よりも数百から千倍程度大きな面積を持つため、より多くの励起光を導入することが可能になり、高出力化が可能になる。上記の2重クラッド型ファイバレーザは、発振効率が高く、また、発振横モードが単一で、しかも安定であるという利点を持ち、レーザダイオード(以下LD)を使って、数ワットから10ワット程度の出力が得られるので、それ以前のコア励起型のファイバレーザに比べると、はるかに高出力化を実現できるものであると言える。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の2重クラッド型ファイバレーザは、結局のところ、ファイバの一端または両端部からの端面励起であったので、励起用のLDの数を増やせないという問題点がある。
【0007】
この欠点を克服する直感的に発想される手段として、2重クラッド型ファイバレーザを複数本束ねて高出力化を図る方法が考えられる。しかしこの場合、平均出力は束ねた本数分だけ増やすことができるものの、コア部に比べて遥かに大きいクラッド部(直径で約100倍)が各コア部に付いているため、発光点であるコア部が広く空間内に点在する形となって、輝度が低下してしまうという問題点がある。つまり、ファイバレーザを複数本束ねるだけでは、集光性の必要な切断や溶接等のレーザ加工には使用できない。
【0008】
さらに、これらのファイバレーザではクラッド部の屈折率分布がステップ型(屈折率が一定の値)であるため、クラッド部とその外側部分での段階的な屈折率差が存在する。このため、励起光がファイバレーザに照射され、ファイバ内を導光する際にクラッド部とクラッド外側との界面での光の散乱が生じやすく、損失の大きなファイバになってしまう。
【0009】
この界面での散乱損失を低減するために、クラッド部の屈折率を、外側になるに従い連続的に減少するようにしたグレーデッド型ファイバレーザの利用が容易に想像される。例えば、T.Uchida,S.Yoshikawa,K.Washio,R.Tatsumi,K.Tsushima,I.Kitano,K.Koizumi and Y.Ikeda,Jpn,J.Appl.Phys.,vol.21,No.1(1973)126 の文献は、リフレクタ(反射板)の中にレーザファイバを配置し、周囲からフラッシュランプによる励起を行ってレーザ光を得る方法が示されているが、この方法はレーザ装置が大型であること、レーザ効率が悪い等の欠点をもっている。
【0010】
本発明は、上述の背景のもとでなされたもので、集光性に優れ、熱的に出力や横モードが安定であるといった光ファイバレーザ装置の長所を維持しつつ、装置の小型化を図り、励起光量に対する出射光量の効率を向上することができて、レーザ出力を格段に向上させることの可能な光ファイバレーザ装置並びにそれを使用したレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明の光ファイバレーザ装置は、光ファイバがレーザ活性物質を含むコアと該コアを取り囲む外層を有し、前記コアに励起光を供給することによって前記光ファイバ端部よりレーザ光を出力する光ファイバレーザ装置において、前記光ファイバの少なくとも一部が光学媒体に取り囲まれ、該光学媒体を前記光ファイバの光軸に対する断面で見たとき、光学媒体中に光ファイバの光軸が複数本含まれ、しかも、前記光学媒体により取り囲まれた部分のうち、少なくとも一部における光ファイバの外層の励起光に対する屈折率が、前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かうに従い増加しており、前記光学媒体に導入した励起光が、光学媒体を通じて光学媒体中の光ファイバのコアに含まれる活性物質を励起することで、レーザ光が発生することを特徴とする。この場合、光学媒体により取り囲まれた部分において、光ファイバの全部が上記屈折率分布を有していてもよいし、あるいは、光ファイバの一部に上記屈折率分布を有さない部分を含んでいてもよい。しかし、励起光を効率よく利用する上では、光学媒体中の光ファイバの全体が上記のような屈折率分布となっていることが好ましい。
【0012】
請求項2の発明の光ファイバレーザ装置は、光ファイバがレーザ活性物質を含むコアと該コアを取り囲む外層を有し、前記コアに励起光を供給することによって前記光ファイバ端部よりレーザ光を出力する光ファイバレーザ装置において、前記光ファイバが繰り返し折り返されもしくは巻回されて塊状に形成されると共に、繰り返し折り返されもしくは巻回された光ファイバ同士が互いに密着または光学媒体を介して接触し、少なくとも前記光ファイバの互いに密着または光学媒体を介して接触している部分の外層の励起光に対する屈折率が、前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かうに従い増加しており、前記塊状に形成された光ファイバに前記励起光が照射され、該励起光が前記光ファイバの外層を通じて前記レーザ活性物質を励起することで、レーザ光が発生することを特徴とする。
【0013】
請求項3の発明の光ファイバレーザ装置は、請求項1または2において、前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かって増加する屈折率の変化が連続的なものであることを特徴とする。
【0014】
請求項4の発明の光ファイバレーザ装置は、請求項1〜3のいずれかにおいて、前記コアの中心部の屈折率が、前記コアの外周部の屈折率よりも小さいか、または同等であることを特徴とする。
【0015】
請求項5の発明の光ファイバレーザ装置は、請求項1〜4のいずれかにおいて、前記光学媒体がその外周面において励起光を全反射するようなものであることを特徴とする。
【0016】
請求項6の発明の光ファイバレーザ装置は、請求項1〜5のいずれかにおいて、前記励起光に対する屈折率が、光ファイバの外層の最外部よりも小さいか、または同等である材料からなる前記光学媒体を有することを特徴とする。
【0017】
請求項7の発明のレーザ加工装置は、請求項1〜6のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置と、前記光ファイバレーザ装置の出力を被加工対象に集光する集光光学系とを備えることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置の概要を示し、図2はその一部断面を示す。本発明の光ファイバレーザ装置Mは、レーザ活性物質を含むコア2と、該コア2を取り囲むクラッド(外層)3とを有する光ファイバ1を用いて構成されている。この場合の光ファイバ1は、断面方向の屈折率分布が、レーザ活性物質を添加したコア2部で最も高く、その周囲のクラッド3部で外周になるに従い連続的に減少するように設定されている。
【0019】
この光ファイバ1は次のように作製することができる。第1の方法は、まず、内付け気相成長法(MCVD)や外付け気相成長法(OVD,VAD)等の気相成長方法によってファイバプリフォームを作製する工程において、そのクラッド堆積時に、たとえばフッ素、ゲルマニウム、リンなど一般的に屈折率変化をもたらすような気相成長可能な化合物の添加量を連続的に変化させることにより、所定の屈折率分布を持ったクラッド構造を作製する。次に、クラッド部の内側に、レーザ活性物質となる希土類元素を添加したコア1を作製する。そして、このように作製したファイバプリフォームを加熱、線引きすることによって、コア部の屈析率が高く、周囲のクラッド部の屈折率がクラッド部外側になるに従って連続的に減少するような屈折率分布を持った光ファイバ1を得る。
【0020】
第2の方法は、ロッドインチューブの方法によってファイバプリフォームを作製する工程において、まず、コア層となるレーザ活性物質を添加した母材ガラスを作製し、所望のコア径が得られるようなコアロッドを切り出す。一方、前記レーザ活性物質を添加した母材ガラスよりも屈析率が低いクラッド母材を作製し、コアロッドが挿入できるようにチューブ状に加工する。このチューブ状のクラッドガラスの内壁に、クラッド内壁の屈折率が最も高く、なおかつクラッド内壁の屈折率がコアの屈折率よりも低くなるように、屈折率に変化をもたらすことが可能な添加物をイオン交換法などを用いて添加し、クラッド内の屈折率が、外側になるに従い連続的に減少するようなクラッド材を作製する。次に、このクラッドチューブ内に前記コアロッドを挿入し、加熱、線引きすることによって、コア部の屈折率が高く、周囲のクラッド部の屈折率がクラッド部外側になるに従って連続的に減少するような屈折率分布を持った光ファイバ1を得る。
【0021】
次に、以上のように作製した光ファイバ1を、図1のような円板状の領域内の光学媒体4中で塊状に形成して固定化することにより、光ファイバレーザ装置を完成する。即ち、光ファイバ1の周囲にクラッド3の屈折率よりも低い樹脂やガラス等の光学媒体4を満たし、該媒体4中で、光ファイバ1を繰り返し析り返したり巻回したりすることで円板塊状に形成し、その上で光ファイバ1及び光学媒体4を固定化して、目的の構造の光ファイバレーザ装置を完成する。
【0022】
そして、この円板状の構造の光ファイバレーザ装置の周囲から、複数のLD光源より励起光を照射する。そうすることにより、目的とする高出カ、高効率のレーザ光を得ることができる。なお、前記光ファイバ1の作製方法は、上述の2方法に限定されるものではない。
【0023】
(実施例)
図2〜図4を用いて具体的な実施例を説明する。図2に示す光ファイバ1では、径10μmのコア2の周囲に、前述の屈折率部分を持った800μmのクラッド3が設けられている。この光ファイバ1は円板状に巻回されることで、隣接するもののクラッド3同士が直接接触している。また、クラッド3の周囲は低屈折率の光学媒体4で覆われ、光学媒体4を光ファイバ1の光軸に対する断面で見たとき、光学媒体4中に光ファイバ1の光軸が複数本含まれている。
【0024】
光ファイバ1のコア2には、レーザ活性物質としてNd+3イオンが0.5at%の濃度で添加されている。図2において、クラッド3の周囲が点線で表されているのは、一般の光ファイバと異なり、クラッド3と、その外側の光学媒体4の界面が明瞭でないことを示している。図3はこの光ファイバ1の中心部分の屈折率分布を示す。この図は、中心軸X上での屈折率変化を示している。コア2部での屈折率が高く、クラッド3部は、外側に向かうに従って連続的に屈折率が低下している。
【0025】
この光ファイバレーザ装置に発振波長0.8μm、出力20Wの半導体レーザを16個用いて励起したときの励起光の導波状態を図4に示す。励起光はクラッド3の界面で不連続な全反射を繰り返すことがなくなるので、従来のようなファイバレーザでの界面での散乱は生じなくなる。従って、このレーザ装置によって波長1.06μmでレーザ出力120Wという良好な結果が得られた。
【0026】
なお、この出力値はこのレーザ装置の限界ではなく、励起用に用意した半導体レーザが少なかったために120Wしか出ていないが、レーザ装置としての上限は2kW以上あるものと予想される。
【0027】
このレーザ装置の出力を焦点距離50mmのレンズ系で集光したところ、直径50μm以内に出力90%以上のエネルギを集光できた。一般的なYAGレーザの集光径が、同様の条件では少なくとも500μm以上であるから、それと比べて集光径は1/10以下である。集光点でのエネルギ密度は集光点の面積に反比例するので、一般的な大出力YAGレーザに比べて100倍以上のエネルギ密度を発生させることができる。しかもこのレーザ装置の集光径は、レーザ出力や熱の状態によらず常に一定なので、安定なレーザ加工が可能となる。
【0028】
(実施例2)
図5は別の実施例の光ファイバレーザ装置を示す。この実施例では、前の実施例と同様な屈折率分布、コア径、クラッド径を持つ連続した1本の光ファイバ1を用意し、この光ファイバ1を円筒形状の塊を形成するように多数回巻回して低屈折率ガラス等の光学媒体4中に埋設し、円柱構造の光ファイバレーザ装置を作製している。
【0029】
このレーザ装置に対し、発振波長0.8μm、出力20Wの半導体レーザを18個用いて実施例1と同様に周囲から励起した。そうしたら、光ファイバ1の端部より波長1.06μmで出力140Wのレーザ光が得られた。この出力特性の傾向は実施例1と同様であり、励起用の半導体レーザを増やせば、さらに高出力が予想され、また集光径についても高集光となり、熱などの状態によらず安定した集光径になっていることが確認された。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の発明によれば、光ファイバのクラッドに所定の屈折率変化を持たせ、クラッドの外側に配した光学媒体を通して励起光をコアに供給するようにしたので、光ファイバの側面から多量の励起光をクラッド内に導入することができる。そして、一旦光ファイバ内に導入した励起光は、導波の際にクラッドとその外側の光学媒体との界面で不連続な全反射を起こさずに伝搬することになるので、界面での散乱損失を減少することができる。また、複数本の光ファイバに励起光を入射するので、出射光強度を光ファイバの本数に比例して増やすことができる。その結果、高出力レーザを得ることができる。
【0031】
また、従来品は、励起光源と光ファイバが反射板の中で空間を持った構造をなしているか、あるいは、光ファイバの一端面から励起光を入射する構造となっていたため、効率の悪い大型のレーザ装置になってしまっていたが、本発明のレーザ装置は、光ファイバを密着した状態で光学媒体中に閉じこめた構造にしているので、構造体の周囲に励起光源を接続することができ、小型で効率のよいレーザ装置とすることができる。しかも、端面励起をする必要がないので、励起光源に反射戻り光による損傷を与えることがなく、また、複雑な光学系を導入することなく、効率よく光ファイバ中のレーザ活性物質を一様に励起することができる。従って、作製が極めて容易であり、小型化も図れ、光ファイバレーザ装置の利点を全く損なうことなく、高出力のレーザ装置の量産が可能になる。
【0032】
また、請求項2の発明によれば、光ファイバが繰り返し折り返されもしくは巻回されて塊状に形成されると共に、繰り返し折り返されもしくは巻回された光ファイバ同士が互いに密着または光学媒体を介して接触した構造になっているため、高出力化を図りながら、小型のレーザ装置とすることができる。また、請求項3の発明によれば、連続的な屈折率変化としているため、界面が存在せず、散乱損失が抑えられ、一層の高効率化が図れる。また、コア中心部の高屈折率化によってレーザ光がコア中心部に全て集光されると、中心部での吸収が大きくなり、損失が大きくなってしまうが、請求項4の発明にような屈折率分布にすれば、吸収損失が抑えられる。また、請求項5の発明によれば、励起光が光学媒体中に閉じこめられるため、変換効率が高まる。また、請求項6の発明によれば、励起光が必ず光ファイバ中に入射される構造となるため、出力向上が図れる。また、請求項7の発明によれば、小型、高出力の加工装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置の概念図である。
【図2】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置における一部拡大断面図である。
【図3】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置における屈折率分布を示す図である。
【図4】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置内を励起光が導波する様子の概念図である。
【図5】本発明の他の実施形態の光ファイバレーザ装置の概念図である。
【符号の説明】
1 光ファイバ
2 コア
3 クラッド(外層)
4 光学媒体
Claims (6)
- 光ファイバがレーザ活性物質を含むコアと該コアを取り囲む外層を有し、
前記コアに励起光を供給することによって前記光ファイバ端部よりレーザ光を出力する光ファイバレーザ装置において、前記光ファイバが繰り返し折り返されもしくは巻回されて塊状に形成されると共に、繰り返し折り返されもしくは巻回された光ファイバ同士が互いに密着または光学媒体を介して接触し、少なくとも前記光ファイバの互いに密着または光学媒体を介して接触している部分の外層の励起光に対する屈折率が、前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かうに従い増加しており、前記塊状に形成された光ファイバに前記励起光が照射され、該励起光が前記光ファイバの外層を通じて前記レーザ活性物質を励起することで、レーザ光が発生することを特徴とする光ファイバレーザ装置。 - 前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かって増加する屈折率の変化が連続的なものであることを特徴とする請求項1記載の光ファイバレーザ装置。
- 前記コアの中心部の屈折率が、前記コアの外周部の屈折率よりも小さいか、または同等であることを特徴とする請求項1又は2記載の光ファイバレーザ装置。
- 前記光学媒体がその外周面において励起光を全反射するようなものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置。
- 前記励起光に対する屈折率が、光ファイバの外層の最外部よりも小さいか、または同等である材料からなる前記光学媒体を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置と、前記光ファイバレーザ装置の出力を被加工対象に集光する集光光学系とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
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