JP4246772B2 - 光ファイバレーザ、レーザ加工装置、レーザプリンタ、及び光ファイバアンプ - Google Patents

Description

本発明は、ファイバ中に含有させた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ファイバレーザ、レーザ加工装置、レーザプリンタ、及び光ファイバアンプに関する。

レーザ加工またはレーザプリントなどレーザエネルギーを利用する分野において、レーザダイオードの使用範囲が広がっているが、レーザビームの形状の問題や出力が比較的小さいという問題があってまだまだ使用できる対象が限られているため、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。この要請に応じ得るものとして光ファイバレーザが知られている。光ファイバレーザはある種の稀土類金属イオンを注入した光ファイバにより構成されるが、特にシリカをベースとしたクラッド励起ファイバは高度な光増幅能力を有し、しかも１００ＭＷ／ｃｍ2水準の光強度でも損傷を受けない。

現在でも数ｋＷ級の出力を得ることが可能であるが、このレベルを超える高出力光ファイバレーザを得るためには、ダイオードレーザの光を活性ファイバに効率良く注入するカップリング法が必要である。従来は、カップリング法としてファイバの一端または両端部から励起光を導入する端面励起方式が用いられることが多かった。端面励起方式では、光ファイバの断面積が小さいため、クラッド励起ファイバ自体よりむしろ励起光の形状が問題となる。また、励起光を導入する場所が最大２カ所しかなく、励起用レーザダイオード（以下、ＬＤと記す）の数を増やすことができないので、ＬＤの輝度を増し出力を上げる他にレーザ装置の高出力化をする方法がなかった。

これに対し、ファイバ側面から励起光を導入する方式を用いて、端面励起方式より励起光の導入場所を多くすることにより、光ファイバレーザの高出力化が図られている。レーザファイバの側面から励起光を導入する方法として、レーザファイバ側面にプリズムを融着する方法があるが、この方法は光学的アライメントの精度要求が高く実用的でない。また、レーザファイバのクラッドにＶ形の溝を設けてここから励起光を導入する方法もあるが、この方法も工作精度の要求が高くまたレーザファイバが折れやすくなる問題があった。

これらの障害を克服する方法として、下記特許文献１に、励起光を導入すべき１本のレーザファイバの側面にフィーディングファイバと呼ばれるファイバを融着しこのフィーディングファイバから励起光の導入を行う方法が開示されている。特許文献１に記載の方法で形成される結合部は、レーザファイバとフィーディングファイバが出合う位置で径が太くなり先に進むにつれて元の径に戻るようなテーパが付いている。このテーパ形状は励起光がレーザファイバの側面で反射を繰り返す間における損失をできるだけ小さくするためのものである。テーパ形状をしたフィーディングファイバにより励起光を導入する部分を本明細書ではアングルドカプラと呼ぶことにする。

図１５は、特許文献１に開示されたアングルドカプラを模式的に表した図面である。アングルドカプラは直行するレーザファイバに所定の角度でフィーディングファイバを融着したものであり、図から分かるように、フィーディングファイバから供給された励起光がテーパ形状の部分で反射する度にテーパ角αだけ反射面に対する入射角（法線から見た入射方向の角度）が小さくなる。したがって、全反射を重ねて入射角が臨界角より小さくなると全反射が起こらず励起光が漏れ出すようになる。

このため、励起光の全反射条件が破れる前に励起光がテーパ形状の部分、すなわちアングルドカプラ部分を通過して、レーザファイバの励起光導波部分に取り込まれるようにすることが好ましい。フィーディングファイバとレーザファイバのなす角度を一定にした場合、アングルドカプラにおける励起光の反射回数を少なくするためには、レーザファイバの径を基準としたフィーディングファイバの径をより小さくして、カプラ部分の長さを短くする必要がある。

励起光の光源には半導体レーザあるいは半導体レーザアレイが用いられる場合が多いが、通常これらの出力はビーム広がり角が大きく、特に半導体レーザアレイの出力光では集光性が悪い。したがって、フィーディングファイバの径を小さくすると、励起光源として半導体レーザアレイを使用した場合、半導体レーザアレイからフィーディングファイバへの入射光率が低下するので、ファイバレーザを高出力化することができないという問題があった。

また、広がり角の大きい励起光を小径のフィーディングファイバで伝送すると、フィーディングファイバから出射するときにはビーム広がり角はさらに大きくなるため、カプラからレーザファイバに導入された励起光は全反射条件が破れ易いという問題がある。一方、カプラ部分での損失を低減させるためレーザファイバの径を太くすると、光ファイバが有する可撓性という特長が失われることになる。

なお、励起光を供給するアングルドカプラを多数配設することにより光ファイバレーザの高出力化をすることができる。この場合にレーザの出力をより強化するには、アングルドカプラの間隔をできるだけ短くしてより多くのアングルドカプラを設けるようにすることが好ましい。しかし、アングルドカプラからレーザファイバに導入された励起光が次のアングルドカプラ位置に到達すると、その部分で全反射条件が破れある割合でファイバ外部に漏れ出てしまう。したがって、複数のアングルドカプラを短い間隔でカスケード状に配設した場合には、アングルドカプラ部分における励起光の漏れのため励起効率が低下する。

なお、励起光が漏れる割合は、アングルドカプラの終端位置におけるレーザファイバの断面積とフィーディングファイバが融着された部分におけるレーザファイバの断面積の比が大きいほど大きくなる。上述したように、アングルドカプラによりレーザファイバに励起光を導入するファイバレーザ装置でも、目的の性能を持った装置を製造する場合の条件が厳しく、高出力化しようとすると励起光の導入効率が低下してレーザ効率が劣化するという問題があった。
国際公開第９６／２０５１９号パンフレット

そこで、本発明が解決しようとする課題は、励起光を効率よく導入でき、レーザ効率が高く、しかもカスケード接続による漏れ出しが少なく容易に高出力化でき、かつより容易に設計製造できる光ファイバレーザとこれを用いたレーザ装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光ファイバレーザは、ファイバ中にレーザ活性物質を含み、該レーザ活性物質を励起する励起光とレーザ活性物質に起因するレーザ光とを伝搬し、端部よりレーザ光を出力するレーザファイバを備えた光ファイバレーザにおいて、レーザファイバは、コイル状に巻かれていて少なくとも１カ所でクラッド部分同士が会合して接合され励起光を注入するための接合部が形成され、接合部以外の部分ではクラッド部分同士が相互に分離していることを特徴とする。

本発明の光ファイバレーザは、注入される励起光の損失が少なく、レーザ効率が高い。また従来のサイドカプリング構造を用いた場合と比較して製作精度の要求が低く、構造的にも強度が高い。また、多数の光学カプラをカスケード状に配設することが容易に可能で、個々の光学カプラにおける励起光の光源が小さいものでも、簡単にレーザ出力を強化することができる。特に、レーザファイバをループ状に巻回して適所で会合させて接合しそこに光学カプラを設けたものは、比較的少数の光学カプラで多数回励起光注入をして容易にファイバレーザの高出力化を図ることができる。なお、接合部において、複数のレーザファイバが接合面に対して垂直な方向に層状に接合されていてもよい。このような構造では、長いレーザファイバの多重ループでも接合部で重層化することにより簡単に励起光注入を行うことができ、効率の高いファイバレーザを容易に得ることができる。

また、光注入導波路から注入する励起光がレーザ光であって、接合部がレーザ光の広がり角が大きい方向にレーザファイバを重ねた状態になっていてもよい。このような光学カプラではレーザファイバの実質的な幅が大きくなって、励起光の広がり角が大きくてもレーザファイバ内壁における反射角が大きくならないので、効率の良いファイバレーザを得ることができる。さらに、複数のレーザファイバを層状に接合して形成した複数の接合面において、複数の光注入導波路の各々をその軸がその接合面上に来るように接合部分上流側からくさび状に介装して光学的接合してあるものであってもよい。このような構造を採用することにより、少ない接合部で強力な励起光導入を行うことができる。

また、上記課題を解決するため、本発明のレーザ加工装置は、上記の光ファイバレーザと、該光ファイバレーザの一端に設けた反射鏡と、該光ファイバレーザのレーザファイバに形成された接合部に励起光を供給する励起光光源と、該光ファイバレーザより出力されるレーザ光を集光する集光手段とを備えることを特徴とする。本発明のレーザ加工装置は、レーザファイバの可撓性を生かしながら出力強化を行うことができるので、加工端を容易に加工位置に合わせることができる操作性の良い強力なレーザ加工が可能となる。

さらにまた、本発明のレーザプリンタは、一端から他端まで連続する複数のレーザファイバを含む上記光ファイバレーザと、該光ファイバレーザの一端に設けて複数のレーザファイバに光信号を与える信号光源と、該光ファイバレーザの複数のレーザファイバに形成された接合部に励起光を供給する励起光光源と、該光ファイバレーザより出力されるレーザ光を集光する集光手段とを備えることを特徴とする。これは、レーザファイバの光信号増幅機能を利用したレーザプリンタである。レーザファイバの可撓性が保全されるため印刷ヘッドの駆動が容易で、高出力のため高速印刷が可能である。また、光信号供給部や光学カプラなどの配置における自由度が大きいため装置設計や製作が容易になる利点もある。

なお、本発明の光ファイバアンプは、ファイバ中に含んだ活性物質を励起する励起光と一端から入力された信号光とを伝搬し、他端より増幅された信号光を出力するファイバを備えた光ファイバアンプであって、レーザファイバは、コイル状に巻かれていて少なくとも１カ所でクラッド部分同士が会合して接合され励起光を注入するための接合部が形成され、接合部以外の部分ではクラッド部分同士が相互に分離していることを特徴とする。本発明の光ファイバアンプは、小さな励起光を集積して信号光に対して大きな増幅度を得ることができ、また長距離信号伝送が可能になる。

以上説明した通り、本発明の光ファイバレーザは、接合部において導入する励起光に対するレーザ効率が高く、しかもカスケード接続により励起光を加算的に注入することができ、また励起光を導入する部分における漏れ出しが少ないため、出力の小さいダイオードアレイを用いても容易に高出力化でき、しかも構造上精密なアライメントを必要としないからより容易に設計製造できる。したがって、本発明の光ファイバレーザを用いたレーザ加工装置やレーザプリンタなどのレーザ装置及び光ファイバアンプはより簡単に設計および製造ができ、かつ容易に必要な出力を備えることができる。

以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の光ファイバレーザの１実施例の概略構成図、図２は本実施例における光学カプラ部分の構成を表す平面断面図、図３は図２の光学カプラの動作原理を示す線図、図４と図５は図２の光学カプラの異なる態様の一部断面斜視図、図６は本発明に用いる別の光学カプラの断面図、図７は本実施例における励起光の供給方法の１例を示す構成図、図８は図７における実施例に用いた光注入導波路部分の側面図、図９はその平面図、図１０は図７の実施例に用いたレーザファイバの断面を表す斜視図、図１１は本実施例に用いる光学カプラをカスケード接続した状態を示す構成図、図１２は本発明の光ファイバレーザの別の態様を説明する構成図、図１３は本発明のレーザ装置をレーザ加工装置として実施したときの概念図、図１４は本発明のレーザ装置をレーザプリンタに適用した実施例の斜視図である。

（実施例１）
本実施例の光ファイバレーザは、図１に示すように、何重かのコイル状に巻いた１本のレーザファイバ２から形成されている。レーザファイバ２は会合する適当な位置で保護膜を剥いでクラッド部分同士が接合され接合部４を形成する。接合部４には、光注入導波路１が上流側の股の部分に挿入され固定されて光学カプラが形成されていて、図外の光源で発生する励起光をレーザファイバ２の中に導入する。

レーザファイバ２はマルチモードでもシングルモードでも良く、例えばシリカを主成分とし外周を屈折率の低いポリマーでコーティングしてある。レーザファイバ２のコア３にはレーザ活性物質が含まれていて、光注入導波路１から注入されてレーザファイバ２中を伝搬する励起光によりレーザ光が励起される。レーザファイバ２中に発生したレーザ光は、レーザファイバ２の１端に設けられた反射鏡５で反射し、他端に設けられた放射口６から放出される。光学カプラはレーザファイバ２が形成するコイルの随所に配設され、１カ所当たりでは比較的小さな励起光光源でも、総合すると十分大きな励起光エネルギーがレーザファイバ２中に導入できるようになっている。

本実施例の光ファイバレーザに用いられる光学カプラは２本のレーザファイバ２，２’が一旦接合してその後再び分離していて、図２に拡大して示すように、２本のレーザファイバ２，２’はクラッド部分で融着して接合部４を形成しているがコア部分３，３’は交差することなくそれぞれ独立に上流から下流に連続して光を伝搬するようになっている。励起光すなわちポンピングレーザを注入する光注入導波路１は、接合部４の上流側に光注入導波路１の中心軸がレーザファイバ２，２’の接合面に含まれるように配置され、それぞれレーザファイバ２，２’に接する部分で光学的に接合されている。なお、レーザファイバ２，２’はポリマーコーティングを剥がして露出させたクラッド部分同士を接触させて、例えば融着することで接合される。接合後の境界は融合して明瞭でなくなる場合が多い。

レーザファイバ２，２’には既に存在するレーザ光がコア３，３’の中を上流方向２、２’から下流方向に向かって流れている。光注入導波路１から注入されたポンピングレーザはレーザファイバ毎にほぼ半割されてそれぞれのレーザファイバ２，２’に導入され、主にクラッド部分を下流方向に流れ下る間にレーザ活性物質を励起してレーザ発光させ、レーザファイバ中のレーザ光を増幅させる。なお、この光学カプラにおけるレーザファイバ２，２’は、１本のレーザファイバが同じ位置に戻ってきて接合されたものである。図１では２重に巻いた状態を示しているが、レーザファイバ２の必要長や励起光注入の必要回数などに基づいてコイルターン数を適当に選択することができる。

また、本実施例における光学カプラでは、光注入導波路１はマルチモードの光導波路が好ましい。レーザファイバ２，２’に含ませるレーザ活性物質には、イッテルビウムイオンＹｂ³⁺、ネオジムイオンＮｄ³⁺、エルビウムイオンＥｒ³⁺を加えたイッテルビウムイオンＹｂ³⁺／Ｅｒ³⁺、あるいはツリウムイオンＴｍ³⁺、ホルミウムイオンＨｏ³⁺を加えたツリウムイオンＴｍ³⁺／Ｈｏ³⁺、その他遷移金属類のイオンがよく用いられる。レーザ活性物質の濃度は普通１０分の数mol％から数mol％である。レーザ活性イオンはコア３に含有させても良いが、コア３を囲む鞘を形成し、その鞘部分に含有させてもよい。

このようなレーザ活性イオンは光学カプラから注入されてレーザファイバ中を伝搬されている励起光によって励起されるとレーザを発生し、発生したレーザ光はコア中を伝搬し一方に進行したレーザ光は放射口６から射出し、他方に進行したレーザ光も終端に設置された反射鏡５で反射して再びコア３中を伝搬し同じ放射口６から射出される。

光学カプラで注入するポンピングレーザの光強度が小さいときは、光ファイバコーティングの熱的安定性に対する要求が緩和される。ファイバレーザでは励起光強度は１００ｋＷ／ｃｍ²程度あれば十分であるから、ソフトガラスあるいは場合によっては高分子材料を使用して光ファイバを接合部に固定するようにしてもよい。たとえば、シリカ製の光ファイバ２，２’の接合部分に、同じくシリカ製の励起光注入用光ファイバ１を紫外線硬化性接着剤を介してくさび状に差し込んで融着する。なお、光ファイバ１，２，２’を紫外線硬化型アクリル樹脂でコーティングしておいて、会合させて融着させることもできる。

また、上記接着剤の代わりにシリカの屈折率に近い屈折率を持つフルオロフォスフェートやＢＫ７などのソフトガラスを用いてシリカ製光ファイバ１，２，２’同士を融着させることもできる。なお、レーザファイバ２，２’はコアとクラッドの間に、シリカにフッ素、ゲルマニウムあるいはリンなどを加えて形成したソフトな環状緩衝層を設けておいて、溶融時にコアが変形しないようにしても良い。緩衝層があると光受入ファイバ２，２’を融着して接合部を形成するときや、接合部に光注入ファイバ１を直接的に溶融接続させるときにコア形状が保全できるので安全である。

光学カプラにおける別の接合方法では、励起光を導入する光注入ファイバ１をソフトガラスで形成し、シリカを主成分とする光受入ファイバ２，２’の接合部分に挿入し、挿入部分先端を溶融して固定する。この方法は使用する材料の種類が少なくまた工法が簡単になる利点がある。

レーザファイバ３２の全長は数ｍから数１００ｍにおよぶ。従って、個々のレーザダイオードアレイの出力が小さくても光学カプラの数が多ければ十分強いレーザ光を得ることができる。なお、同じ構成を伝搬中に信号光を増幅する光ファイバに適用することもできることは言うまでもない。

次に、図３を用いて本実施例の光学カプラにおいて高い光導入効率が得られる条件を説明する。図３において、図面上側のレーザファイバ２と図面下側のレーザファイバ２’が接合している接合部分に光注入導波路１がくさび状に介装されている。レーザファイバ２と光注入導波路１がなす交差角をαとすると、レーザファイバ２は上流側で光注入導波路１と接する位置から緩やかな円弧を描いて接合面に達する。このときこの円弧を見込む角はαになる。

注入された光の全てがレーザファイバ２の下流側直線部分に達するようにすれば、最も有効にレーザファイバ２に供給することができる。すなわち、光注入導波路１からレーザファイバ２に入射する注入光が光学カップル部分が始まる位置Ｃ₀から接合部が終わる位置Ｃ₁まで走行する間に注入光の縁部がレーザファイバ２の壁に達しなければよい。

そこで、レーザファイバ２への注入光の広がり角（半分角）をβ、光注入導波路１の幅をＴfeed、レーザファイバ２の幅をＴfiberとすると、
Ｃ₀Ｃ₁tanβ＜Ｔfiber−Ｔfeed／２
であればよい。ところで、レーザファイバ２の曲率半径をｒとすれば、
Ｃ₀Ｃ₁＝ｒsinα。
また、
Ｔfeed／２＝ｒ（１−cosα）
であるから、
Ｃ₀Ｃ₁＝Ｔfeed（sinα／２（１−cosα））
＝（Ｔfeed／２）×tan（α／２）。
従って、Ｒ＝Ｔfeed／Ｔfiberとおくと、
tanβ＜tan（α／２）×（２／Ｒ−１）
であることが、注入された光を無駄なく利用するための十分条件であることが分かる。また、下側のレーザファイバ２’は接合面を挟んで対称であるから、全く同じ条件が成立する。

上記の関係式から、交差角αが大きくなるほど、また幅比Ｒが小さいほど最大広がり角βが大きくなり、かなり大きな広がり角βを有する光でも、光導波路の幅や交差角を選択することにより効率よく光注入できることが分かる。このように、本発明の光学カプラは個々の光導波路形状を問題とせず接合部の形状が重要になる。従って光学カプラにおけるレーザファイバや光導波路の設計が自由になる利点も有する。

なお、上式における交差角αは、最終的にはレーザファイバ２が描く円弧に拘束されず、光注入導波路１の先端の角度を代表する指標になっている。したがってレーザファイバ２は円弧を描いて接合する必要はなく、光注入導波路１と平面で接触し接合していても良い。この場合は、光注入導波路１の幅Ｔfeedとして、レーザファイバ２との接合が始まる位置Ｃ₀における幅を採用すればよい。

本実施例における最も簡単な光学カプラは、上下各１本のレーザファイバ２，２’の接合部４に光を供給する注入光ファイバ１を嵌入させたものである。受入光ファイバ２，２’は矩形断面を有し、中心にレーザ活性物質を含有するコア３，３’が配置され、２本の光ファイバ２，２’が接合する部分の上流にくさび状に注入光ファイバ１が嵌装されている。

図４と図５は、本実施例で用いられる各種態様の光学カプラの一部断面斜視図である。図は、光学カプラの受入導波路と注入導波路が接合されている部分で切断した状態を示す。図４に示すものは、上下１層の受入導波路にそれぞれ複数のレーザファイバが並列に接合されていて、それぞれのレーザファイバが１本の注入導波路に直接接触するようになっている光学カプラである。この態様の光学カプラでは１本の注入導波路１から各レーザファイバ２，２’に直接的に励起光が注入されるようになっている。

各レーザファイバはレーザプリンタに用いる場合のようにそれぞれ独立したものであってもよいが、１本の光ファイバが多重のループを形成しているときに光学カプラの位置で会合して接合部を形成するようにしても良い。後者のような使用方法は、ファイバレーザなどで必要な量の励起光を分割して注入するようにして、１カ所で注入する励起光エネルギーを小さくしながら積算した光量を大きくすることにより全体として大出力化する場合などに効果が大きい。

図５に示した光学カプラは、上下の光受入導波路２，２’にそれぞれ複数のレーザファイバが垂直方向に層状に接合されていて、１本の光注入ファイバ１から供給される励起光が内層から外層のレーザファイバに適当に配分されるようになっている。なお、通常はクラッド同士の接合面は融合して光学的な障壁にならないので、励起光は外層のレーザファイバまで容易に到達し、実質的に光受入導波路の幅が大きくなったと同じことになる。

励起光として半導体レーザから放射されるレーザ光を用いる場合は、レーザ光の広がり角βが光軸に対して対称でないので、広がり角の大きくなる方向にレーザファイバを積層すると受光効率が良くなりレーザ効率も向上する。また、複数のレーザファイバ２を層状に接合し、各層間に光注入ファイバ１をくさび状に嵌入したものも使用できる。このような態様のものは励起光レーザの出力が小さい場合にも、総合した注入エネルギーが大きくなるのでレーザ効率が向上する。

図６はより多数のレーザファイバを会合させて形成した光学カプラの１例における断面を表す図面である。レーザファイバ層２が多層に形成されていて、各層のレーザファイバ層にそれぞれ複数のレーザファイバが並列に接合されている。各層のレーザファイバ層２に挟まれてくさび形の光注入ファイバが設けられる。レーザファイバ同士の境界面７およびレーザファイバ層と光注入ファイバの境界面８は融合している。このような構造により、多数のレーザファイバを会合させて１カ所で光導入することができる。

図７から図１０は、本実施例のレーザファイバに光学カプラを用いて励起レーザ光を供給するようにした１構成例におけるレーザ光供給部分を表した図面である。図７は、レーザ光供給部分を表した斜視図である。光注入導波路１１は、後端が集光レンズの機能を有する曲面１５をなし、先端が先鋭なくさび状になったレンズダクトである。複数のレーザファイバ１２が上下の層に分かれて集合し、層毎にそれぞれ並列に接合され、さらに上下層が接合されて接合部１３を形成している。レンズダクト１１のくさび状先端部は接合部１３に嵌入して、先端から所定の領域部分１４がレーザファイバ表面と融着している。

レンズダクト１１の後端部レンズ１５の後ろには、レーザダイオードを縦横に重層したダイオードアレイ１６が配設されている。ダイオードアレイ１６は横Ｌ₁’縦Ｌ₂’の方形発光面を有し、面積で１ｃｍ²から数ｃｍ²程度の大きさがある。発光面に行列したレーザダイオードは幅１μｍ程度、長さ１００から２００μｍ程度の細長い発光領域を持っていて、レーザダイオードから放射されるレーザ光は発光領域に対して垂直方向に広がり角が大きい。発光面の前面に装着された円柱形や非球面形の収束用マイクロレンズ１７がレーザダイオードの発光領域からのレーザ光をそれぞれ垂直方向に収束する。

マイクロレンズ１７を通過して適当な広がり角を持つようになったレーザ光は、さらに水平長さＬ₁垂直長さＬ₂のレンズ曲面１５で収束してレンズダクト１１内に取り込まれる。ポンピングレーザがダイオードアレイ１６からレンズ曲面１５まで伝搬する間のパワー密度増幅率は、
Ｍlaunch＝ηlaunchＬ₁'Ｌ₂'／Ｌ₁Ｌ₂ ・・・（１−ａ）
となる。ここで、ηlaunchは伝達効率で、通常０．９５程度が見込める。

図８はレンズダクト１１部分の側面図である。垂直長さＬ₂の曲面レンズ１５に入射する垂直方向に広がったポンピングレーザをレンズダクト１１に取り込んで、直接にあるいはレンズダクト１１の壁で反射して、くさび状になった先端部に集光する。図９はレンズダクト１１部分の平面図である。水平長さＬ₁の曲面レンズ１５に入射する水平方向に広がったポンピングレーザをレンズダクト１１に取り込んで、水平方向に収縮し先端部に集光する。

レンズダクト１１の先端部に到達したレーザ光は、光ファイバ表面と融着している領域部分１４から光ファイバ１２に注入される。レンズダクト１１からポンピングレーザは水平長さｌ₁垂直長さｌ₂の接合部１３に注入されるから、レンズダクト１１におけるパワー密度増幅率は、
Ｍduct＝ηductＬ₁Ｌ₂／ｌ₁ｌ₂ ・・・（１−ｂ）
となる。ここで、ηductはレンズダクトの伝達効率で、特殊な表面コーティングがなくても通常０．８０以上が見込める。

また、図１０はレーザファイバ１２を切断して斜め上方から見た斜視図である。幅ａ₁高さａ₂のクラッド部分の中心に直径２ｒのコアが通っている。接合部に注入されたポンピングレーザは半径ｒのコアに吸収されてレーザ活性物質を励起するので、この間のパワー密度増幅率は、
Ｍcp＝ηcp ｌ₁ｌ₂／πｒ² ・・・（１−ｃ）
となる。ここで、ηcpはクラッドポンプ型結合部における伝達効率で、０．５０程度の値が見込める。

結局、全体としてのパワー密度増幅率は、
Ｍ＝Ｍlaunch×Ｍduct×Ｍcp＝ηlaunch×ηduct×ηcp×Ｌ₁'Ｌ₂'／πｒ² ・・・（２）
と表すことができる。各効率の積だけ増幅率が小さくなるが、典型的な例では約４０％の総合効率があり、面積１ｃｍ²出力密度１ｋＷ／ｃｍ²のダイオードアレイを用いたときに、半径２５μｍ、面積約２×１０^-3ｍｍ²のコアの出力密度は約２０ＭＷ／ｃｍ²となる。

上記のような光学カプラは、接合部にポンピングレーザを注入するので、従来の端面注入型カップリングのようにレーザファイバ自体の断面形状によらない利点がある。また、ポンピングレーザ注入位置におけるパワー密度が小さいため熱因的欠損が生じにくい。これら利点により、レーザファイバや光注入ファイバの設計や製造が容易である。

なお、接合部の最小寸法は開口数などから下記のようにして決められる。
ｌ_1,min＝Ｌ₁ＮＡ_s／ＮＡ ・・・（３−ａ）
ｌ_2,min＝Ｌ₂ＮＡ_f／ＮＡ ・・・（３−ｂ）
ここで、ＮＡ_fは水平方向の入射光開口数で典型的には１程度、ＮＡ_sは垂直方向の入射光開口数で約１０、ＮＡはレーザファイバ１２の開口数で屈折率１．４５のシリカ製クラッドと屈折率１．３８のコーティングを使用した普通の光ファイバで０．４５程度である。上式に従えば、マイクロレンズ１７で垂直方向のコリメーションを行うことにより、大きなテーパを取れるようになる。

上記光学カプラはカスケード状に配設することができる。光学カプラをカスケード状に配設して、１本の光ファイバに必要とされる導入光を分割して供給することにより、供給部１カ所当たりの注入エネルギーを小さくすることができる。注入エネルギーが小さければ励起光を発生するレーザダイオードアレイは小型でよく、また注入箇所におけるエネルギーの集中も緩和されるため構造上の条件も緩くなって製造が容易になる利点がある。

図１１は、レーザファイバに励起光を加算的に注入するために、光学カプラを直列に配設した状態を示す模式図である。第１のレーザファイバ２２は第２のレーザファイバ２３と融着して第１の接合部２４を形成した後に分離して、再び下流で第２の接合部２４’を形成する。マルチモードの光注入ファイバ２１，２１’は第１接合部２４と第２接合部２４’にそれぞれ上流側から介装され融着等で固定されている。接合部２４，２４’では第１のレーザファイバ２２と第２のレーザファイバ２３のクラッド同士は互いに融着しているが、第１レーザファイバ２２のコア２５と第２レーザファイバ２３のコア２６は互いに融合することなくそれぞれのレーザファイバの中に把持されている。

第１の光注入ファイバ２１から注入された光は第１レーザファイバ２２と第２レーザファイバ２３とに分割されて伝搬し、さらに第２の光注入ファイバ２１’から注入される光を合体して増強されて下流に伝搬していく。第１レーザファイバ２２と第２レーザファイバ２３は１本の連続したレーザファイバであって、レーザファイバをループ状に巻回して会合したところに光学カプラを設けることにより、１カ所毎の励起光注入量は小さくてもレーザファイバ全長に亘って集積された励起光注入量が大きくなる。

レーザファイバでレーザ発振をさせるためには所定の閾値を超える光エネルギーを注入する必要がある。このエネルギーを１カ所で供給しようとすると出力の拡張性が得られないので高出力化が困難である。

図１２に表したファイバレーザ装置は、１本のレーザファイバを多重のループに組んで形成したものである。レーザファイバ３２の一方の端点に反射鏡３４が取り付けられ、他方の端点はレーザが放射されるレーザ放出口３５となっている。レーザファイバ３２は適当箇所で会合して融着し接合部３３を形成するが、コア部分は接合部３３において融合することなく形状を保全した状態で連続していて、反射鏡３４からレーザ放出口３５まで光を伝搬できるようになっている。通常、レーザファイバ３２の全長は通常数ｍから数１００ｍの範囲で使用される。

図示しないレーザダイオードアレイから放射される励起光を光学カプラ３１からレーザファイバ３２に注入し、この励起光がレーザファイバ３２の中を伝搬する間にコア中のレーザ活性物質を活性化して放出される光を集積してレーザ放出口３５から放射する。従って、個々のレーザダイオードアレイの出力が小さくても光学カプラの数が多ければ十分強いレーザ光を得ることができる。なお、同じ構成は、伝搬する信号光を増幅する光ファイバアンプに適用することもできることは言うまでもない。

ポンピングレーザの吸収をαにするために必要なファイバの全長Ｌはコア面積に対する接合部断面積の割合で決まり、
Ｌ＝αｌ₁ｌ₂／σ₁₂Ｎ_Tπｒ² ・・・（４−ａ）
から求められる。ここで、σ₁₂は吸収断面積、Ｎ_Tはレーザ活性イオンの濃度である。一方、レーザファイバがループを形成している場合、αのポンピングレーザ吸収を行わせるために必要なレーザファイバのループ長Ｌloopは、コア面積に対するダブルクラッドファイバの断面積の比に基づいて、
Ｌloop＝αａ₁ａ₂／σ₁₂Ｎ_Tπｒ² ・・・（４−ｂ）
なる関係式から求めることができる。

上記のクラッドポンプ型結合部におけるパワー密度増幅率Ｍcpは１個の端面注入型ダブルクラッドファイバの値より大きいためファイバ長が長くなるが、本実施例のファイバレーザ装置ではファイバレーザの出力を桁違いに大きくすることができる。

以下に、レーザファイバをループ状に巻回したファイバレーザ装置の１例における諸元を示す。レンズダクトの入力側レンズ面の寸法は、ダイオードアレイの発光面の寸法（１０ｍｍ×１０ｍｍ）より若干大きく１１ｍｍ×１１ｍｍとして、効率よく光ビームを入力させると共にアライメントを容易にする。ｌ_1,minとｌ_2,minは、式（３）に基づいてそれぞれ２．１３ｍｍと０．２１３ｍｍになる。これらの限界値に近付くほど効率が低下することを考慮して、接合部の寸法ｌ₁とｌ₂をそれぞれ４．０ｍｍと０．４０ｍｍにすると、レンズダクトの伝達効率ηductは約０．８５の値となる。

また、ポンピングレーザの吸収係数αが２０ｄＢ値で４．６１ｍ^-1、吸収断面積σ₁₂が２×１０^-24ｍ²、レーザ活性イオンの濃度Ｎ_Tが４．４×１０²⁵ｍ^-3すなわち２０００ｐｐｍとすると、式（４−ａ）からファイバ全長Ｌは４３ｍとなる。レーザファイバの形状は比較的自由に選択でき、たとえば０．２ｍｍ×０．４ｍｍの矩形断面を選択すれば式（４−ｂ）から各ループの長さＬloopは２．１５ｍとなる。なお、ループに複数の光学カプラが配設されている場合は、上記ループ長Ｌloopはカプラ間の間隔を表す。このようなファイバレーザ装置において１０００Ｗ出力のダイオードアレイを用いることにより、出力４０４Ｗ、出力密度２０．６ＭＷ／ｃｍ²のレーザビームを得ることができる。

コア径を２５μｍから５μｍに変えるとファイバの必要長は１．０７ｋｍになり、製作費用が大きくなるばかりでなく、バックグランド損失が大きくなって結合部における伝達効率ηcpが小さくなるので、装置の実用性がなくなる。このような場合は、接合部のテーパ部形状を適当に選ぶことで、実用的な装置にできる場合がある。たとえば、接合部のサイズを０．２５ｍｍ×２．５ｍｍにすると必要なファイバ長は４１８ｍに減少する。ただ、接合部の寸法はηductに影響を与えるので、大きな出力密度を必要とする場合はファイバ長とテーパ部サイズの間で勘案して妥当な値を決めなければならない。

（実施例２）
図１３は、本発明のファイバレーザ装置をレーザ加工装置に適用したときの構成例を表したものである。レーザファイバ４２の一方の端点に反射鏡４４が取り付けられ、他方の端点はレーザ放出口４５となっていて、レーザ放出口４５の先端には集束レンズ４７が設けられている。レーザファイバ４２は多重ループを形成し適当箇所に接合部を有し、接合部の上流から光学カプラ４１が挿入固定されている。

光学カプラ４１にはレーザダイオードアレイ４６から放射される励起光が供給され、光学カプラ４１を介してレーザファイバ４２に注入される。この励起光がレーザファイバ４２の中を伝搬する間にコア中のレーザ活性物質を活性化して放出される光を集積してレーザ放出口４５から放射する。集束レンズ４７はレーザビームを集光して加工対象物４８に照射し、必要なレーザ加工を行う。レーザ加工装置はファイバレーザ装置で高出力化されたレーザビームを用いて溶接や切断などを効率よく実施する。

（実施例３）
図１４は、本発明のファイバレーザ装置をレーザプリンタに適用したときの構成例を表したものである。レーザファイバ帯５２は複数のレーザファイバを集束して帯状にしたもので、レーザファイバの１本ずつが独立していて末端に設けられた発光ダイオードアレイ５４の素子毎に接続されている。レーザファイバ帯５２はループを形成していてループが交差する位置で接合されている。接合部には光学カプラ５１が融着されていて、光学カプラ５１にはレーザダイオードアレイ５６からの励起光が供給される。レーザファイバ帯５２のもう一方の端にはプリンタヘッド５７が設備されている。プリンタヘッド５７はレーザファイバ毎に対応した集光レンズを集積したもので、レーザビームの焦点が印刷用紙５８の表面にくるように調整されている。

印刷するパターンに対応した駆動信号が発光ダイオードアレイ５４に与えられると、発光素子毎に点滅しレーザファイバに光信号が注入される。レーザダイオードアレイ５６から注入された励起光によりレーザファイバ中のレーザ活性物質が活性化されているので、レーザファイバに注入された光信号はコアを伝搬する間に増幅作用を受けて光強度を増し、プリンタヘッド５７でさらに集束されて印刷用紙５８上に与えられたパターンを印刷する。このように構成されたレーザプリンタは、プリンタヘッド５７に繋がるレーザファイバ帯５２の可撓性が大きいためプリンタヘッド５７が大きな印刷用紙５８上の端から端までスムーズに移動することができることから、小型から大型まで各種のプリンタとして高速印刷が可能であり、また印刷面が大きい新聞などに用いることができる。

本発明の光ファイバレーザの１実施例の概略構成図である。 本実施例における光学カプラ部分の構成を表す平面断面図である。 図２の光学カプラの動作原理を示す線図である。 図２の光学カプラの態様を表す一部断面斜視図である。 図２の光学カプラの別の態様を表す一部断面斜視図である。 図２の光学カプラのさらに別の態様を表す断面図である。 本実施例における励起光の供給方法の１例を示す構成図である。 図７における光注入導波路部分の側面図である。 図７における光注入導波路部分の平面図である。 図７のレーザファイバの断面を表す斜視図である。 本実施例に用いる光学カプラをカスケード接続した状態を示す構成図である。 本発明の光ファイバレーザの別の態様を説明する構成図である。 本発明のレーザ装置をレーザ加工装置として実施したときの概念図である。 本発明のレーザ装置をレーザプリンタに適用した実施例の斜視図である。 従来の光学カプラの作用を説明する概念図である。

符号の説明

１…光注入導波路、２，２’…レーザファイバ、３，３’…コア、４…接合部、５…反射鏡、６…放射口、７…レーザファイバ同士の境界面、８…レーザファイバ層と光注入ファイバの境界面、１１…光注入導波路（レンズダクト）、１２…レーザファイバ、１３…接合部、１４…融着領域、１５…レンズ曲面、１６…ダイオードアレイ、１７…収束用マイクロレンズ、２１，２１’…光注入ファイバ、２２，２３…レーザファイバ、２４，２４’…接合部、２５，２６…コア、３１…光学カプラ、３２…レーザファイバ、３３…接合部、３４…反射鏡、３５…レーザ放出口、４１…光学カプラ、４２…レーザファイバ、４４…反射鏡、４５…レーザ放出口、４６…レーザダイオードアレイ、４７…集束レンズ、４８…加工対象物、５１…光学カプラ、５２…レーザファイバ帯、５４…発光ダイオードアレイ、５６…レーザダイオードアレイ、５７…プリンタヘッド、５８…印刷用紙。

Claims (4)

1. ファイバ中にレーザ活性物質を含み、該レーザ活性物質を励起する励起光と前記レーザ活性物質に起因するレーザ光とを伝搬し、端部より前記レーザ光を出力するレーザファイバを備えた光ファイバレーザにおいて、
   前記レーザファイバは、コイル状に巻かれていて少なくとも１カ所でクラッド部分同士が会合して接合され励起光を注入するための接合部が形成され、前記接合部以外の部分ではクラッド部分同士が相互に分離していることを特徴とする光ファイバレーザ。
2. 請求項１記載の光ファイバレーザと、該光ファイバレーザの一端に設けた反射鏡と、該光ファイバレーザのレーザファイバに形成された前記接合部に励起光を供給する励起光光源と、該光ファイバレーザより出力されるレーザ光を集光する集光手段とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 一端から他端まで連続する複数のレーザファイバを含む請求項１記載の光ファイバレーザと、該光ファイバレーザの一端に設けて前記複数のレーザファイバに光信号を与える信号光源と、該光ファイバレーザの複数のレーザファイバに形成された前記接合部に励起光を供給する励起光光源と、該光ファイバレーザより出力されるレーザ光を集光する集光手段とを備えることを特徴とするレーザプリンタ。
4. ファイバ中に活性物質を含み、該活性物質を励起する励起光と信号光とを伝搬し、端部より増幅された前記信号光を出力するファイバを備えた光ファイバアンプにおいて、
   前記ファイバがコイル状に巻かれていて少なくとも１カ所でクラッド部分同士が会合して接合され励起光を注入するための接合部が形成され、前記接合部以外の部分ではクラッド部分同士が相互に分離していることを特徴とする光ファイバアンプ。

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