JP4138979B2

JP4138979B2 - ファイバーレーザー装置及びレーザー加工装置

Info

Publication number: JP4138979B2
Application number: JP35030698A
Authority: JP
Inventors: 宏関口
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: JPH11284255A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバー内部に有するレーザー活性物質に励起光を供給することによってレーザー発振を行うレーザー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信又はレーザー加工の分野では、より高出力でより安価なレーザー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ーレーザ一装置が知られている。光ファイバーレーザー装置は、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ー発振の横モードを単一にすることが出来る。また、光を高密度に閉じこめることでレーザー活性物質と光との相互作用を高められる。かつ、光ファイバー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ー光を発生することが出来る。従って質の良いレーザ一光を比較的安価に得ることが出来る。
【０００３】
ここで、レーザー光のさらなる高出力化又は高効率化を実現するには、光ファイバーのレーザー活性イオン又は色素、その他の発光中心（以下、レーザー活性物質という）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ーレーザーが提案されている（参考文献：例えば、Ｈ．Ｚｅｎｍｅｒ，Ｕ．Ｗｉｌｌａｍｏｗｓｋｉ，Ａ．Ｔｕｎｎｅｒｍａｎｎ，ａｎｄＨ．Ｗｅｌｌｉｎｇ，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ．Ｖｏ１．２０，Ｎｏ．６，ｐｐ，５７８ー５８０，Ｍａｒｃｈ，１９９５．参照）。
【０００４】
２重クラッド型ファイバーレーザーでは、コア部の周りに、コア部より屈折率の低い第一のクラッド部があり、その外側にさらに屈折率の低い第二のクラッド部を設けたものである。これにより、第一のクラッド部に導入された励起光は、第一のクラッド部と第二のクラッド部の屈折率差による全反射により、第一のクラッド部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、コア部のレーザー活性物質を励起することになる。第一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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
２重クラッド型ファイバーレーザーは、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、レーザーダイオ一ド（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ーレーザーに比べると遥かに高出力化が為されたと言える。
【０００６】
しかしながら、上述の２重クラッド型ファイバーレーザーは、結局のところファイバーの一端又は両端部からの端面励起であるので、励起用ＬＤの数を増やせないという問題点がある。つまり、ＬＤの高輝度・高出力化以外に、高出力化の方法は無いといえる。この欠点を克服する方法として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ーレーザーを複数本束ねて高出力化を図る方法が挙げられる。この場合、平均出力は束ねた本数分だけ増やすことが出来るが、コアに比べて遥かに大きいクラッド部（直径で約１００倍）が、それぞれの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に点在する形となって輝度は低下してしまうという問題点がある。
【０００７】
本発明は、上述の背景のもとでなされたものであり、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ファイバーレーザーの長所を維持しつつ、そのレーザー出力を格段に向上させることを可能にするレーザー装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決する手段として、請求項１の発明は、
レーザー活性物質を含むコアを有し、前記活性物質が励起されることにより端部よりレーザー光を出力する光ファイバーと、
前記活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、
前記励起光を閉じ込める得る構造体とを備え、
前記光ファイバー側面の少なくとも一部と前記構造体とが直接または光学媒質を介して間接的に接触しており、その接触した部分を通じて入射する励起光により前記活性物質が励起されることを特徴とするファイバーレーザー装置である。
【０００９】
請求項２の発明は、
前記構造体が周囲に光ファイバーを巻回可能な形状を有するとともに、前記構造体の表面及び／又は前記構造体に接する光学媒質の表面において励起光が全反射を繰返し、前記光ファイバー側面に接触した部分より前記励起光が前記構造体から前記光ファイバーヘと取り出されるものであることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザー装置である。
【００１０】
請求項３の発明は
柱状形状の構造体の側面に光ファイバーが巻回され、前記構造体中に入射した励起光が前記構造体側面及び／又は前記側面に接する光学媒質の表面で全反射を繰返し前記構造体の軸の周りに螺旋形状の光路を描きながら前記コアに含まれる活性物質により吸収される構造を有する請求項２に記載のファイバーレーザー装置である。
【００１１】
請求項４の発明は、
励起光が前記柱状形状の構造体の底面より入射することを特徴とする請求項３に記載のファイバーレーザー装置である。
【００１２】
請求項５の発明は、
前記柱状形状の構造体の少なくとも一部が、前記構造体の軸に垂直な断面の面積が前記軸方向に沿って連続的に変化する形状であることを特徴とする請求項３又は４に記載のファイバーレーザー装置である。
【００１３】
請求項６の発明は、
前記構造体の表面に密着されたプリズム、前記構造体の表面に光学媒質を介して密着されたプリズム、前記構造体の表面に直接設けられた溝、構造体表面に密着した光学媒質に設けられた溝、前記構造体の表面に設けられた回折格子、又は、前記構造体表面に密着した光学媒質に設けられた回折格子の中から選ばれた部分より前記構造体中に励起光が入射するものであることを特徴する請求項１ないし５のいずれかに記載のファイバーレーザー装置である。
【００１４】
請求項７の発明は、
前記構造体の周囲に光ファイバーが巻回され、巻回された光ファイバーの少なくとも一部が前記構造体とその屈折率が同じか又はそれより大きい屈折率を有する光学媒質で覆われていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のファイバーレーザー装置である。
【００１５】
請求項８の発明は、
前記構造体の周囲に光ファイバーが巻回され、巻回された光ファイバーの少なくとも一部が、前記光ファイバーの最外周よりも屈折率の小さい光学媒質で覆われていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のファイバーレーザー装置である。
【００１６】
請求項９の発明は、
ファイバーレーザー装置と、このファイバーレーザー装置から出射されたレーザー光を被加工対象に集光する集光光学系とを有するレーザー加工装置において、
前記ファイバーレーザー装置として、請求項１ないし８のいずれかに記載されたファイバーレーザー装置を用いることを特徴とするレーザー加工装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１にかかるファイバーレーザー装置の概略構成を示す斜視図である。図１に示されるように、この実施例のファイバーレーザー装置は、レーザーファイバー１がガラス円柱体２の円周面２ａに巻回され、ガラス円柱体２の軸方向の一端面（図中上端面）２ｂの外周よりの端部には２つの励起光導入用のプリズム３１，３２が取り付けられており、また、これらプリズム３１，３２を通じてガラス円柱体２内に導入される励起光Ｌ_１及びＬ_２をそれぞれ発生する２台の半導体レーザー装置４１，４２が設けられている。励起光Ｌ_１，Ｌ_２は半導体レーザー装置４１，４２にそれぞれカップリングされた光ファイバ４１ａ，４２ａを通じてプリズム３１，３２の入射面の近傍まで導かれ、コリメータレンズ４１ｂ，４２ｂを通じてほぼ平行光にされてからプリズム３１，３２に入射されるようになっている。
【００１８】
レーザーファイバー１は、コア径９０μｍ、クラッド径１００μｍ、長さ５０ｍのレーザーファイバーである。このレーザーファイバー１のコア部には０．５ａｔ％の濃度でＮｄ^３＋イオンがドープされている。ファイバーの母材には、リン酸塩系ガラス（例えば、ＨＯＹＡ株式会社製の商品名ＬＨＧー８を適用できる）を用いられている。ファイバーの一端は平面研磨後に、レーザー発振波長１．０６μｍにおいて反射率９８％以上の多層膜コートが施され、また、もう一端にはレーザー発振波長１．０６μｍにおいて反射率約１０％の多層膜コートが施されている。
【００１９】
ガラス円柱体２は、直径１０ｃｍ、長さ５ｃｍのパイレックスガラス製円柱体である。両端面及び外周面には光学研磨が施されている。
【００２０】
半導体レーザ装置４１，４２は、発振波長０．８μｍ、出力１５Ｗのファイバーカップル型半導体レーザー装置であり、光ファイバー４１ａ，４２ａを通じて発振レーザー光を外部に出力するものである。
【００２１】
コリメートレンズ４１ｂ，４２ｂは、焦点距離約７ｍｍの非球面レンズ（例えば、ＨＯＹＡオプティクス株式会社製の商品名ＬＭーＡ１２９を適用できる）を用いた。
【００２２】
図２は図１におけるプリズム３１の近傍の拡大側面図であり、図３は図１におけるプリズム３１の近傍の拡大平面図である。なお、プリズム３２の近傍の構成もこのプリズム３１の近傍の構成と同じである。図２，３に示されるように、プリズム３１はいわゆる三角柱型のプリズムであり、その互いに平行な面である両側面を除く３面のうちの１面を入射面３１ａとし、他の１面（底面）をガラス円柱体２の端面２ｂに密接して固定したものである。
【００２３】
光ファイバー４１ａから出射した励起光Ｌ_１は、コリメートレンズ４１ｂによってほぼ平行光にされてプリズム３１の入射面３１ａから入射した後、ガラス円柱体２の端面２ｂの１点Ｉ_０からガラス円柱体２内に導入される。ガラス円柱体１に入射した励起光Ｌ_１とガラス円柱体２の端面２ｂとのなす角度θは約５°になるように設定した。また、図３に示されるように、励起光Ｌ_１の平面視の方向は、ガラス円柱体２の端面２ｂの輪郭円の点Ｉにおける接線Ｓと平行な方向である。なお、点Ｉは、ガラス円柱体２の中心と点Ｉ_０とを結ぶ線が輪郭円と交わる点である。励起光Ｌ_１と接線Ｓとのなす距離ｄは１ｍｍ程度に設定した。
【００２４】
ガラス円柱体２に入射した励起光Ｌ_１は、円周面２ａの内側面に到達し、ここでガラスと空気との屈折率差によって全反射される。全反射された励起光Ｌ_１は、また直進し、円周面２ａの内側面で次々と全反射を繰り返して円周面２ａの内側面の近傍を螺旋状の軌跡を描きながらガラス円柱体２内を図中下方に進行し、端面２ｂの反対側の端面（底面）に至って全反射され、端面２ｂのほうに進行するというようにしてガラス円柱体２の内部で全反射を繰り返しながら該ガラス円柱体２内に閉じこめられたような状態になる。この点は励起光Ｌ_２についても全く同じである。
【００２５】
図４は上記励起光Ｌ_１の軌跡をコンピューターシミュレーションによって求めて三次元（ｘ，ｙ，ｚ）的に表示した図、図５は図４の軌跡をｚ軸方向（ガラス円柱体２の軸方向）からみた図、図６は図４の軌跡を側面方向（ｙ軸方向）からみた図、図７は図４の軌跡を側面（ｘ軸方向）からみた図である。
【００２６】
ここで、ガラス円柱体２の外周面２ａにはレーザーファイバー１が巻回されている。すなわち、外周面２ａにはレーザーファイバー１のクラッド部が密接して接触された状態、つまり、部分的に光結合された状態にある。ガラス円柱体２の屈折率とレーザーファイバー１のクラッド部の屈折率はほぼ等しい。それゆえ、もしその接触部分に励起光Ｌ_１が至ると全反射されずにレーザーファイバー１内に励起光が導入される。したがって、ガラス円柱体２内に閉じこめられた励起光Ｌ_１は、ガラス円柱体２内を巡回するうちにレーザーファイバー１内に高い効率で導入されることになる。
【００２７】
この実施例では、レーザーファイバー１の出力端から、波長１．０６μｍでレーザー出力８Ｗという良好な出力レーザー光Ｌ_０を得ることができた。
【００２８】
そこで、このファイバーレーザー装置の出力レーザー光を集光する集光レンズ系（焦点距離１０ｍｍ）を設けてレーザー加工装置を構成したところ、直径２００μｍ以内に出力の９０％以上のエネルギーを集光出来た。その場合、出力レーザー光の集光径はレーザー出力や熱の状態によらず常に安定であった。
【００２９】
上記実施例のファイバーレーザー装置にあっては、ガラス円柱体２の外周面にレーザーファイバー１を多数回巻回し、主として外周面の内側面で全反射を繰り返しながら該ガラス円柱体２内に閉じこめられた状態になるようにガラス円柱体２の内部に励起光を導入するようにしてレーザファイバー１に励起光を導入するようにしたので、極めて効率の高い励起が可能である。
【００３０】
また、ガラス円柱体２の円周面２ａの内側面の近傍を螺旋状の軌跡を描きながら進行するようにしたので、閉じこめられた光線が光源や光線の入射口等と干渉することがなく、したがって、多数の光源の使用が可能になり、レーザーのさらなる高出力化が可能ということになる。
【００３１】
なお、上記実施例の出力値はこのファイバーレーザー装置の限界ではなく、励起用に用意した半導体レーザーアレイが少なかったために８Ｗしか出ていないが、レーザー装置としての上限は１ｋＷ以上あるものと予想される。
【００３２】
また、上記実施例では、入射光Ｌ_１，Ｌ_２の端面２ｂに対する角度θを５°にした例を掲げたがこれは他の角度でもよい。例えば、θを小さい値に設定すれば螺旋のピッチが小さくなり、θを大きくすれば螺旋のピッチが大きくなる。図８，９，１０は、θを１°にした場合のガラス円柱体２内における励起光の軌跡を示す図であり、図１１，１２，１３は、θを１０°にした場合のガラス円柱体内における励起光の軌跡を示す図である。θはレーザーファイバー１の特性、ガラス円柱体２の寸法、目標とする出力等の条件に応じて適切な値を選ぶことができる。
【００３３】
さらに、上記実施例では、励起光の導入をプリズム３１，３２を介してガラス円柱体２内に導入するようにして、導入の際における表面反射による損失を軽減するようにしたが、図１４に示されるように、このプリズム３１，３２の代わり回折格子５を用いたり、溝部６を形成するようにしてもよい。
【００３４】
また、上記実施例では、レーザーファイバー１をガラス円柱体２に単層に巻回した例を掲げたが、これは複数層に巻回してもよい。
【００３５】
さらに、上記実施例では、ガラス円柱体を用いた例を掲げたが、これは必ずしもガラスでなくてもよく、励起光に対して透明な材料であれば何でもよく、例えば、プラスチック等を用いることもできる。
【００３６】
（実施例２）
図１５は本発明の実施例２にかかるファイバーレーザー装置の概要を示す部分断面図である。図１５に示されるように、この実施例は、ガラス円柱体２の外周面２ａにピッチ０．２ｍｍの螺旋状（ネジ状）の溝切り加工を施して螺旋溝２ｃを形成し、この螺旋溝２ｃに嵌め込むようにしてレーザーファイバー１を巻回し、さらに、巻回したレーザーファイバー１を覆うようにして透明接着剤層７を外周面２ａに形成したものである。その外の構成は実施例１と同じであるのでその詳細説明は省略する。
【００３７】
この実施例では、波長１．０６μｍでレーザー出力９Ｗというより良好な結果が得られた。なお、透明接着剤層７の代わりにガラス又は他の樹脂の層を設けてもよい。これら光学媒質である透明接着剤層、ガラス又は他の樹脂の層の屈折率が構造体であるガラス円柱体の屈折率と等しいか、近い値を有するものであることが好ましい。また、螺旋溝がない構造体についても上記光学媒質を用いることができる。このような光学媒質としての役割の他、ファイバーの固定を強固にする役割も果たす。また、この実施例にあっても実施例１と同様の変形例が考えられる。
【００３８】
（実施例３）
図１６は本発明の実施例３にがかるファイバーレーザー装置の概略構成を示す斜視図である。実施例１におけるガラス円柱体２として、図中上端部の直径が１０ｃｍ、下端部の直径が９．８ｃｍ、長さ１０ｃｍの先細りのテーパ状のガラス円柱体を用い、また、ガラス円柱体２の図中下方寄りにレーザーファイバー１を巻回し、さらに、巻回したレーザーファイバー１を覆うようにして透明接着剤層７を外周面２ａに形成したものである。その外の構成は実施例１と同じであるのでその詳細説明は省略する。
【００３９】
この実施例では、ガラス円柱体２を先細りのテーパ状のガラス円柱体としたことから、励起光は、螺旋のピッチがレーザーファイバー１の巻回されている下方に行くにしたがって密になるような軌跡を描く。
【００４０】
図１７は実施例３にかかるファイバーレーザー装置においてθを１０°に設定した場合についてコンピューターシミュレーションによって求めた励起光Ｌ_１の軌跡を三次元（ｘ，ｙ，ｚ）的に表示した図、図１８は図１７に示される軌跡をｚ軸（ガラス円柱体２の軸方向）からみた図、図１９は図１７に示される軌跡を側面方向（ｙ軸方向）からみた図、図２０は図１７に示される軌跡をを側面（ｘ軸方向）からみた図である。
【００４１】
ガラス円柱体２をテーパ状の円柱体で構成した場合には、励起光の軌跡は、θを変えることによって螺旋のピッチの変化状態等が変わるが、基本的に図１７に示されるような軌跡を描く。
【００４２】
この実施例ではθを１０°に設定した。その結果、入射面（端面２ｂ）から下方に８ｃｍの付近で一度停滞し、今度は入射面に向かって戻ってくるような軌跡を描いた。それゆえ、この実施例では、励起光が一度停滞する付近での励起効率がより高くなる効果が得られ、波長１．０６μｍでレーザー出力１１Ｗという非常に良好な結果が得られた。
【００４３】
そこで、このファイバーレーザー装置の出力レーザー光を集光する集光レンズ系（焦点距離１０ｍｍ）を設けてレーザー加工装置を構成したところ、直径２００μｍ以内に出力の９０％以上のエネルギーを集光出来た。その場合、出力レーザー光の集光径はレーザー出力や熱の状態によらず常に安定であった。
【００４４】
なお、上記実施例では、ガラス円柱体２のテーパの形態として、径が直線的に減少する単純なテーパ形態の例を掲げたが、高次関数曲線を描いて減少していくようなテーパ形態、あるいは、途中までは径が一定で途中からテーパ状になるような形態であってもよい。
【００４５】
（実施例４）
図２１は本発明の実施例４にかかるファイバーレーザー装置の概略構成を示す図である。この実施例は、ガラス円柱体２内への励起光の入射を、端面２ｂからではなく、外周面２ａに設けた入射溝部３００を通じて行なうことにした外は実施例３と同じであるので、以下ではその相違点のみを説明し、同一の部分の説明は省略する。
【００４６】
入射溝３００は、ガラス円柱体２のレーザーファイバー１を巻いていない外周面２ａの部分に形成された長さ約１０ｍｍ、幅約１ｍｍ、深さ約０．７ｍｍのＶ字形の溝である。また、入射溝３００から入射する励起光の発生装置としては、発振波長０．８μｍ、出力２０Ｗのシリンドリカルレンズ４００ｂ付きの半導体レーザーアレイ４００を用いた。図示しないがこの実施例では、入射溝３００を２つ設け、上記半導体レーザーアレイ４００を２台用いて励起光をガラス円柱体２内に導入した。
【００４７】
その結果、波長１．０６μｍでレーザー出力６Ｗという比較的良好な結果が得られた。そこで、このファイバーレーザー装置の出力レーザー光を集光する集光レンズ系（焦点距離１０ｍｍ）を設けてレーザー加工装置を構成したところ、直径２００μｍ以内に出力の９０％以上のエネルギーを集光出来た。その場合、出力レーザー光の集光径はレーザー出力や熱の状態によらず常に安定であった。
【００４８】
（実施例５）
図２２は本発明の実施例５にかかるファイバーレーザー装置の概略を示す図であり、図２３は図２２のファイバーレーザー装置の部分断面図である。これらの図に示されるように、この実施例のファイバーレーザー装置は、ガラス円管２０の外周面２０ａに、レーザーファイバー１０を巻回し、このレーザーファイバー１０を覆うようにして樹脂層７０を外周面２０ａに形成して固定したものである。また、ガラス円管２０の一端面、すなわち、図中上端面２０ｂに３つの励起光導入用のプリズム３３１，３３２，３３３を光学的に密接して設けてある。なお、この実施例が上述の各実施例と異なる主たる点は、ガラス円柱体２に代えてガラス円管２０を用いた点である。
【００４９】
ガラス円管２０は、外径１０ｃｍ、長さ１０ｃｍ、厚さｔが１．５ｍｍの石英ガラス製の円管である。このガラス円管２０の上下端面は円管の中心軸に直交する面と平行に形成されて鏡面研磨されている。また、外周面も鏡面研磨されている。
【００５０】
このガラス円管２０の外周面２０ａに巻回されたレーザーファイバー１０は、コア部１０ａの径が９０μｍ、クラッド部１０ｂの径が１２５μｍ、長さ１５０ｍのレーザーファイバーである。このレーザファイバーのコア部１０ａには０．２ａｔ％の濃度でＮｄ³⁺イオンがドープされている。また、ファイバーの母材は石英ガラスである。このレーザーファイバーの長手方向の一端面には、該面を平面研磨した後に多層膜コートが施されている。この一端面の反射率は、レーザー発振波長１．０６μｍに対して９８％以上である。また、上記レーザーファイバーの他端面は、ファイバーを垂直破断しただけの面であり、コート処理等もなされていない。この他端面の反射率は、レーザー発振波長１．０６μｍに対して４％程度である。
【００５１】
樹脂層７０としては、石英ガラスの屈折率１．４７に近い屈折率をもつ紫外線硬化樹脂（例えば、米国、ＥＰＯＸＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ社のＯＧｌ２５）を用いたが、ガラス円管に近い屈折率を有するガラスを用いてもよい。
【００５２】
このファイバーレーザー装置の励起を行う励起光発生源としては、図示しないが、発振波長０．８μｍ、出力１５Ｗのファイバーカップル型半導体レーザー装置３台を用いる。各ファイバーカップル型半導体レーザー装置の光出射部にはレンズが取り付けてあり、励起用の出射光を直径６００μｍのビームに集光してそれぞれ上述の励起光入射用の３つのプリズム３３１，３３２，３３３を通じてガラス円管２０内に導入するようになっている。
【００５３】
この場合、各励起光がガラス円管２０の上端面２０ｂに入射する際の入射角度は約５°である。また、各励起光を円管の中心軸方向から投影視した場合の方向は、上端面を含む面上において円管の中心と励起光の入射点とを結ぶ直線が外周面２０ａと交わる点における外周面の接線とほぼ平行な方向である。
【００５４】
この結果、波長１．０６μｍでレーザー出力１７Ｗという非常に良好な結果が得られた。尚、この出力値はこのファイバーレーザー装置の限界ではなく、励起用に用意した半導体レーザー装置の数が少なかったために１７Ｗしが出ていないが、半導体レーザー装置をより多数用いればより高出力が得られる。本実施例のファイバーレーザー装置の出力の上限は、少なくとも１ｋＷ以上はあるものと予想される。
【００５５】
このファイバーレーザー装置の出力を焦点距離１０ｍｍのレンズ系で集光したところ、直径２００μｍ以内に出力の９０％以上のエネルギーを集光できた。また、このファイバーレーザー装置の集光径はレーザー出力や熱の状態によらず常に安定であった。
【００５６】
この実施例では、励起光を閉じこめる構造体として、ガラス円管を用いたことで放熱性が向上し、高平均出力動作に有利である。このガラス円管の厚さは薄いほど放熱性が良い。また、ガラス円管の厚さが薄いほどレーザーファイバーの励起効率が増す効果もある。このように、励起光を閉じこめる構造体の形状が開口部を有する中空形状であることが望ましく、このような形状の構造体を用いることによって、放熱性が向上し、高平均出力動作を行うに有利である。この場合、中空の形状は原理的にはどの様な形状であってもよい。
【００５７】
また、レーザーファイバー１０の母材として、リン酸塩系レーザーガラスでなく、石英ガラスを用いたことでレーザー光耐性が向上しているので、高輝度動作にも有利である。なお、勿論、実施例１〜４においても本実施例のような石英ガラスレーザーファイバーを用いることができる。
【００５８】
この実施例では、励起光の入射口として、ガラス円管端面にプリズムを接着して用いる方式を採用したが、ガラス円管端面にＶ溝加工を施したり、回折格子を形成しても良い。要するに、励起光を入射可能であれば、どの様な入射口でもよい。
【００５９】
また、励起光を閉じ込め得る構造体に接する光学媒質（上記実施例５では樹脂層であるがガラスである場合でも同じ）屈折率は、上記構造体（上記実施例５では石英ガラス管であるが他の材質もしくは形状の構造体でも同じ）と同じであることが好ましいが、上記構造体よりも高い屈折率であってもよい。しかし、構造体よりも屈折率が低いと、構造体内に入った励起光が光学媒質との境界面でほとんど全反射されてレーザファイバーに入射することができず、レーザファイバーがほとんど励起されないことになる。また、光学媒質の屈折率は、光ファイバーのコアの屈折率以下とすることが、励起光を効率よくコアに導く上で好ましい。
【００６０】
また、励起光発生源としての半導体レーザー装置として、ファイバーカップルされたものを使用したが、ＬＤチップまたはＬＤアレイにコリメートレンズを付けたものを使用してもよい。
【００６１】
以上の実施例では、励起光を閉じ込め得る構造体としてガラス円柱体及び円管体を用いた例を掲げたが、同様の機能を有するものであれば他の構造体でもよい。また、励起光の発生源として半導体レーザー装置を用いたが、他のレーザー装置若しくはレーザー装置以外の光発生装置を用いてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、レーザーファイバーの側面の一部を、該レーザーファイバーを励起する励起光を閉じ込め得る構造体に直接若しくは間接的に接触させ、その接触した部分を通じて励起光をレーザーファイバーに導入して励起するようにしたもので、これにより、複数の励起光源からの励起光を上記構造体に閉じ込めてレーザーファイバーに吸収させることを可能にし、これまで困難だったファイバーレーザー装置の高出力化を可能にしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１にかかるファイバーレーザー装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１におけるプリズム３１の近傍の拡大側面図である。
【図３】図１におけるプリズム３１の近傍の拡大平面図である。
【図４】実施例１にかかるファイバーレーザー装置における励起光Ｌ_１の軌跡をコンピューターシミュレーションによって求めて三次元（ｘ，ｙ，ｚ）的に表示した図である。
【図５】図４の軌跡をｚ軸方向（ガラス円柱体２の軸方向）からみた図である。
【図６】図４の軌跡を側面方向（ｙ軸方向）からみた図である。
【図７】図４の軌跡を側面（ｘ軸方向）からみた図である。
【図８】実施例１にかかるファイバーレーザー装置においてθを１°にした場合における励起光Ｌ_１の軌跡をコンピューターシミュレーションによって求めて三次元（ｘ，ｙ，ｚ）的に表示した図である。
【図９】図８の軌跡をｚ軸方向（ガラス円柱体２の軸方向）からみた図である。
【図１０】図８の軌跡を側面方向（ｙ軸方向）からみた図である。
【図１１】実施例１にかかるファイバーレーザー装置においてθを１０°にした場合における励起光Ｌ_１の軌跡をコンピューターシミュレーションによって求めて三次元（ｘ，ｙ，ｚ）的に表示した図である。
【図１２】図１１の軌跡をｚ軸方向（ガラス円柱体２の軸方向）からみた図である。
【図１３】図１１の軌跡を側面方向（ｙ軸方向）からみた図である。
【図１４】実施例１の変形例を示す図である。
【図１５】本発明の実施例２にかかるファイバーレーザー装置の概要を示す部分断面図である。
【図１６】本発明の実施例３にかかるファイバーレーザー装置の概要を示す部分断面図である。
【図１７】実施例３にかかるファイバーレーザー装置においてθを１０°にした場合における励起光Ｌ_１の軌跡をコンピューターシミュレーションによって求めて三次元（ｘ，ｙ，ｚ）的に表示した図である。
【図１８】図１７の軌跡をｚ軸方向（ガラス円柱体２の軸方向）からみた図である。
【図１９】図１７の軌跡を側面方向（ｙ軸方向）からみた図である。
【図２０】図１７の軌跡を側面方向（ｘ軸方向）からみた図である。
【図２１】本発明の実施例４にかかるファイバーレーザー装置の概要を示す部分断面図である。
【図２２】本発明の実施例５にかかるファイバーレーザー装置の概略を示す図である。
【図２３】図２２のファイバーレーザー装置の部分断面図である。
【符号の説明】
１…レーザーファイバー、２…ガラス円柱体、３１，３２…プリズム、４１，４１…レーザーダイオード、４１ｂ，４２ｂ…コリメートレンズ。

Claims

レーザー活性物質を含むコアを有し、前記活性物質が励起されることにより端部よりレーザー光を出力する光ファイバーと、前記活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、前記励起光を閉じ込め得る柱状形状の構造体とを備え、
前記柱状形状の構造体の側面に前記光ファイバーが巻回され、
前記光ファイバー側面の少なくとも一部と前記構造体とが直接または光学媒質を介して間接的に接触しており、
前記柱状形状の構造体中に入射し、前記構造体側面及び／又は前記側面に接する光学媒質の表面で全反射を繰返し、前記構造体の軸の周りに螺旋形状の光路を描きながら前記構造体に閉じ込められた励起光のうち、前記光ファイバ側面と前記構造体とが直接または光学媒質を挟んで間接的に接触した部分を通じて前記構造体から前記光ファイバーヘ入射する励起光により前記レーザー活性物質が励起されることを特徴とするファイバーレーザー装置。
前記励起光が前記柱状形状の構造体の底面より入射することを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザー装置。
前記柱状形状の構造体の少なくとも一部が、前記構造体の軸に垂直な断面の面積が前記軸方向に沿って連続的に変化する形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のファイバーレーザー装置。
前記構造体の表面に密着されたプリズム、前記構造体の表面に光学媒質を介して密着されたプリズム、前記構造体の表面に直接設けられた溝、構造体表面に密着した光学媒質に設けられた溝、前記構造体の表面に設けられた回折格子、又は、前記構造体表面に密着した光学媒質に設けられた回折格子の中から選ばれた部分より前記構造体中に励起光が入射するものであることを特徴する請求項１ないし３のいずれかに記載のファイバーレーザー装置。
前記構造体の周囲に光ファイバーが巻回され、巻回された光ファイバーの少なくとも一部が前記構造体とその屈折率が同じか又はそれより大きい屈折率を有する光学媒質で覆われていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のファイバーレーザー装置。
前記構造体の周囲に光ファイバーが巻回され、巻回された光ファイバーの少なくとも一部が、前記光ファイバーの最外周よりも屈折率の小さい光学媒質で覆われていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のファイバーレーザー装置。
ファイバーレーザー装置と、このファイバーレーザー装置から出射されたレーザー光を被加工対象に集光する集光光学系とを有するレーザー加工装置において、前記ファイバーレーザー装置として、請求項１ないし６のいずれかに記載されたファイバーレーザー装置を用いることを特徴とするレーザー加工装置。