JP4561314B2 - ファイバレーザ用光ファイバ、ファイバレーザ及びレーザ発振方法 - Google Patents

ファイバレーザ用光ファイバ、ファイバレーザ及びレーザ発振方法 Download PDF

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Description

本発明は、レーザ加工や医療などに有用な高出力のレーザ光を発振するファイバレーザ用光ファイバ及びそれを用いたファイバレーザならびにレーザ発振方法に関するものである。
現在のファイバレーザは、主に、図３に示すような２重クラッド構造の光ファイバ４１を使用している。
コア領域４２には、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、トリウム（Ｔｈ）等の希土類元素が添加されている。そのコア領域４２は、内側クラッド領域４４により包囲され、さらに、その内側クラッド領域４４は外側クラッド領域４５により包囲される。
光ファイバ４１に入射した励起光４６は、内側クラッド領域４４内をマルチモードで伝搬し、次第にコア領域４２に吸収されて減衰する。その励起光４６が吸収されるときに、希土類元素が励起されてレーザ光４８が発振される（例えば、特許文献１参照）。
このような２重クラッド構造の光ファイバ４１を用いたファイバレーザは、年々出力を増大させ数百Ｗの発振も実現している。
特開２００２−０５５２３９号公報 特開２００２−０５５２４０号公報 特開２００２−２７７６６９号公報 特開２００２−３５９４２０号公報 特表２００２−５４１５０７号公報
しかしながら、さらに高出力発振を実現しようとすると、コア領域４２内でパワー密度が非常に高くなり、コア領域４２が破壊する可能性がある。これは、非線形光学効果によりレーザエネルギーの増加に伴ってコア領域４２の屈折率が上昇し、レーザエネルギーの自己集束作用が働くためである。
このように、現在のファイバレーザは数百Ｗ程度の発振が限界で、さらに高出力の発振を目指すためには、コア領域を拡大しなければならない。しかし、コア領域を拡大すると、シングルモード発振でなくなりマルチモードとなってしまい、高品質のレーザビームを得ることができなくなってしまう。
コア領域を拡大しレーザのエネルギー密度（パワー密度）を下げるとともに、高次モードでの発振を抑制するためにファイバレーザ用光ファイバを丸め、高次モードの曲げ損失が最低次モードの曲げ損失よりも大きいことを利用すると、コアがある程度大きくてもシングルモード発振を実現することができる。しかし、シングルモード発振を維持できるコア領域の大きさには限界がある。またファイバレーザ用光ファイバを丸めなければならず、レーザ加工や医療用として用いるためには、光源となるファイバレーザとは別に光源から被照射物までレーザ光を導く伝送路が必要となり、光学系が複雑になるだけでなく、接続部における端面破壊や発振レーザのビームの質の悪化を招く。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高出力なファイバレーザを実現することが可能で、かつ光源と同時にレーザ光を導く伝送路としての役割も兼ねた新規なファイバレーザ用光ファイバを提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、中空コア領域と、ファイバの長手方向に延び上記中空コア領域を包囲する複数の空孔と該複数の空孔を包囲する円環状の充実部とを有する内側クラッド領域と、該内側クラッド領域を包囲する外側クラッド領域とを備えたファイバレーザ用光ファイバであって、上記内側クラッド領域の上記充実部は希土類元素が部分的あるいは全域に添加された石英材料からなり、上記外側クラッド領域の屈折率を、上記内側クラッド領域の上記充実部の屈折率よりも低く、上記複数の空孔における各空孔の孔径、および各空孔間の距離は、発振するレーザ光の発振波長帯に対して高次モードの伝送損失が最低次モードの伝送損失よりも大きくなるバンドギャップが形成されるように設定されているものである。
好ましくは、上記外側クラッド領域がフッ素を含有する石英材料あるいは高分子樹脂からなるものである。
上記目的を達成するために本発明は、請求項１または２記載のファイバレーザ用光ファイバの片端または両端に、レーザ光の発振波長帯の光を反射するための反射器を設けたものである。
上記目的を達成するために本発明は、請求項１または２記載のファイバレーザ用光ファイバの片端または両端に、ゲルマニウム添加の石英材料からなるコア領域が形成された充実型光ファイバを接続したものである。
好ましくは、上記充実型光ファイバのコア領域に、レーザ光の発振波長帯の光を反射するためのファイバグレーティングが形成されたものである。
好ましくは、上記充実型光ファイバのコア領域の直径が上記内側クラッド領域の外径と略等しいものである。
上記目的を達成するために本発明のレーザ発振方法は、請求項１から６いずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバを使用し、該ファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射し、該励起光を上記ファイバレーザ用光ファイバの中空コア領域および内側クラッド領域に閉じ込めて伝搬させ、上記内側クラッド領域の充実部の希土類元素で発光したレーザ光を上記中空コア領域に閉じ込めて発振・伝搬させるものである。
上記目的を達成するために本発明のレーザ発振方法は、請求項１または２記載のファイバレーザ用光ファイバを使用し、該ファイバレーザ用光ファイバの両端にレーザ光の発振波長帯の光を反射するための反射器を各々設け、それら反射器により共振器を構成し、上記ファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射し、該励起光を上記ファイバレーザ用光ファイバの中空コア領域および内側クラッド領域に閉じ込めて伝搬させ、上記内側クラッド領域の充実部の希土類元素で発光したレーザ光を上記中空コア領域に閉じ込めて発振・伝搬させるものである。
好ましくは、上記反射器として、ゲルマニウム添加の石英材料からなるコア領域が形成されると共に該コア領域に上記レーザ光の発振波長帯の光を反射するためのファイバグレーティングが形成された充実型光ファイバを用いたものである。
上記目的を達成するために本発明のファイバレーザは、請求項１から６いずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバと、励起光源とを備えたものである。
本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮するものである。
（１）発振レーザエネルギーのほとんどが中空コア領域を伝搬するために、損傷閾値が高くなり、ｋＷ級の高出力ファイバレーザを実現することができる。
（２）丸めて高次モードを抑制しなくても、最低次モードのみを選択的に発振させることができるので、高品質のレーザビームが得られると共に光源と伝送路とを兼ねることができる。
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１（ａ）は、本発明の第一の実施形態であるファイバレーザ用光ファイバの横断面図を示したものである。
本実施形態のファイバレーザ用光ファイバは、中空コア領域を有する中空コア光ファイバを用いたものである。
図１（ａ）に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１は、中空コア領域１１と、その中空コア領域１１を包囲する内側クラッド領域１５と、その内側クラッド領域１５を包囲する外側クラッド領域１４とを備える。さらに、内側クラッド領域１５は、ファイバレーザ用光ファイバ１（ファイバ）１の長手方向に延び中空コア領域１１を包囲する複数の空孔１２と、充実部１３とを有する。
図１（ａ）において、空孔１２は、中空コア領域１１の周囲に、略最密となるように配置される。中空コア領域１１の径は、レーザ光の波長よりも大きければよく、レーザ光のパワー、レーザ光径に応じて適宜設定される。それら空孔１２の孔径及び各空孔１２間の間隔は、発振するレーザ光の波長（発振波長帯）に対してバンドギャップが形成されるように設定される。これにより、レーザ光の発振波長帯の光を低損失で中空領域を伝搬できる。なお、空孔１２は、図１（ｂ）に示すように、コア中心を中心とする複数の同心円上に並べて配置しても良い。これに限らず、空孔１２の形状、配置は、レーザ光の波長に対してバンドギャップを形成するように設定されているものであれば良い。
励起光は特に限定されないが、例えば、波長０．８μｍから０．９８μｍの高出力マルチモード半導体レーザ光を使用する。レーザ光の波長（発振波長帯）は特に限定されないが、例えば、１．０６μｍあるいは１．０μｍ帯のレーザ光が発振するように、空孔１２の孔径及び空孔１２間の間隔を設定する。
ファイバレーザ用光ファイバ１において、中空コア領域１１及びその外側の複数の空孔１２を包囲する充実部１３は、希土類元素が部分的あるいは全域に添加された石英材料で構成される。希土類元素として例えば、ＮｄおよびＹｂを用いることができる。発振させるレーザの波長によっては、Ｅｒ、Ｔｈなどの希土類元素も有効である。
内側クラッド領域１５よりも径方向外側の外側クラッド領域１４は、充実であり、フッ素添加の石英材料から形成される。外側クラッド領域１４は、内側クラッド領域１５の充実部１３よりも屈折率が低くなっている。なお、外側クラッド領域としてフッ素添加の高分子樹脂を用いても良い。
次に本実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１の作用を説明する。
ファイバレーザ用光ファイバ１に励起光を入射すると、その励起光は中空コア領域１１および内側クラッド領域１５を伝搬する。励起光は、中空コア領域１１も伝搬するが、次第に内側クラッド領域１５の充実部１３内で吸収され減衰する。そのとき、内側クラッド領域１５の希土類元素が励起光を吸収することで、レーザ光が発振する。
発振したレーザ光は、中空コア領域１１に閉じ込められ中空コア領域１１を伝搬する。上述したように、本実施形態では、中空コア領域１１とこれを囲む複数の空孔１２を有する中空コア光ファイバをファイバレーザ用光ファイバ１として用い、レーザ光の発振波長に対し低損失になるようにバンドギャップを形成している。そのため、レーザの発振波長帯の光は、高次モードも比較的低損失で伝送されるが、高次モードの伝送損失は最低次モードの伝送損失よりも大きいので、最低次モードのみが選択的に発振し、シングルモード発振に近い高いビームの質が維持される。
一方、励起光は、中空コア領域１１および内側クラッド領域１５に閉じ込められて伝搬する。外側クラッド領域１４は、フッ素添加の石英材料を用い、内側クラッド領域１５の充実部１３よりも屈折率を相対的に低くしているので、励起光は外側クラッド領域１４へ漏洩することなく伝搬する。ここで屈折率は、励起光の波長における屈折率であり、励起光の波長における屈折率において、外側クラッド領域１４の屈折率を内側クラッド領域１５の充実部１３よりも相対的に低くする。
このように、本実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１は、発振レーザエネルギーのほとんどが中空コア領域１１を伝搬するために、損傷閾値が高くレーザエネルギー密度を非常に高くしても損傷し難い。そのため、ｋＷ級の高出力ファイバレーザを実現することができる。
また、丸めて高次モードを抑制しなくても、最低次モードのみを選択的に発振させることができるので、高品質のレーザビームを得ることができると共に光源と伝送路とを兼ねることができる。
図２は、レーザ発振を得るための本発明による第二の実施形態を説明するためのものである。
図２に示すように、第二の実施形態のファイバレーザ用光ファイバ２は、第一の実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１と同様の構造を有する中空コア光ファイバ２１の両端部に、充実型光ファイバ２２ａ、２２ｂを各々設けたものである。
中空コア光ファイバ２１には、第一の実施形態と同様に中空コア領域１１とそれを囲んで複数の空孔１２が形成される。この中空コア光ファイバ２１は、レーザ発振の波長に従い空孔１２の孔径及び空孔１２間の間隔を調整することで、バンドギャップが形成される。
中空コア光ファイバ２１の両端には、短尺で石英系の充実型光ファイバ２２ａ、２２ｂが各々融着接続される。この短尺の充実型石英系光ファイバ２２は、ゲルマニウムが添加された石英材料から形成されるコア領域２５と、そのコア領域２５よりも屈折率が低いクラッド領域２６とを備える。
コア領域２５内には、エキシマレーザ照射によって周期的にコア領域２５の屈折率を変化させたファイバグレーティング２７が形成されている。そのファイバグレーティング２７が、レーザの発振波長帯の光を反射するための反射器（フィルタ）をなす。両端のファイバグレーティング２７ａ、２７ｂの反射中心波長はレーザの発振波長に一致する。但し、一端（図２中左端）のファイバグレーティング２７ａの反射率は約９９％以上とし、他端（図２中右端）のファイバグレーティング２７ｂの反射率は約９６％とする。
ファイバレーザ用光ファイバ２では、これらレーザ発振波長の光を反射するファイバグレーティング２７ａ、２７ｂによって共振器が構成され、レーザ発振した出力光２９は、反射率の低いファイバグレーティング２７ｂが形成された側のファイバレーザ用光ファイバ２の端面２ｂから取り出される。
励起光２８は、反射率の高いファイバグレーティング２７ａが形成された側の端面２ａから入射される。励起光２８はファイバグレーティング２７ａによる反射を受けないので、ファイバレーザ用光ファイバ２の端面２ａより効率よく入射されて中空コア光ファイバ２１を減衰しながら伝搬する。
ファイバグレーティング２７が形成された充実型光ファイバ２１のコア領域２５の直径は、内側クラッド領域１５の外径（直径）と略等しくなるようにする。これにより励起光２８は、短尺充実型光ファイバ２２を介して中空コア光ファイバ２１へ効率よく入射することができ、励起光２８から発振光への変換効率を高めることができる。
本実施形態では、第一の実施形態と同様の効果が得られ、さらに、中空コア光ファイバ２１とファイバグレーティング２７を有する短尺の充実型光ファイバ２２を接続することによって、共振器構造を容易に形成することができる。その結果レーザ加工や医療用レーザ治療器のシステムを簡略化することができる。
本実施形態では、中空コア光ファイバ２１の両端に短尺の充実型光ファイバ２２ａ、２２ｂを各々接続し、それら両端の充実型光ファイバ２２ａ、２２ｂにファイバグレーティング２７ａ、２７ｂを各々形成して、この二つのファイバグレーティング２７ａ、２７ｂ間で共振器を構成しレーザ発振を行っているが、一方のファイバグレーティングを形成せず、一つのファイバグレーティングとフレネル反射面との間で共振器を形成することもできる。
さらに共振器を構成するレーザの発振波長帯の光を反射する反射器は、ファイバグレーティングだけでなく多層膜反射フィルタを用いてもよい。
また、充実型ファイバを中空コア光ファイバの片端にのみ接続するようにしてもよい。
また、本実施形態では、励起光２８を、レーザ発振の波長において反射率のより大きなファイバグレーティング２７ａを形成した側の端面２ａから入射したが、双方の端面２ａ、２ｂから入射してもよい。
また、励起光を、片側の端面２ａや両端面２ａ、２ｂから入射させる以外にも、中空コア光ファイバの側面から入射させるようにしてもよい。
また、図１（ａ）のファイバレーザ用光ファイバ１や、図１（ｂ）のファイバレーザ用光ファイバ３や、図２（ａ）のファイバレーザ用光ファイバ２に励起光源を接続し、ファイバレーザを構成できる。
図１（ａ）は、本発明に係る一実施形態によるファイバレーザ用光ファイバ の断面図を示す。図１（ｂ）は、他の実施形態のファイバレーザ用光ファイバの断面図を示す。 図２（ａ）は、第二の実施形態のファイバレーザ用光ファイバの側面図を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図を示す。 従来の二重クラッド構造の光ファイバの側面図を示す。
１、２、３ ファイバレーザ用光ファイバ
１１ 中空コア領域
１２ 空孔
１３ 充実部
１４ 外側クラッド領域
１５ 内側クラッド領域
２１ 中空コア光ファイバ
２２ａ、２２ｂ 充実型光ファイバ
２５ コア領域
２６ クラッド領域
２７ａ、２７ｂ ファイバグレーティング

Claims (10)

  1. 中空コア領域と、ファイバの長手方向に延び上記中空コア領域を包囲する複数の空孔と該複数の空孔を包囲する円環状の充実部とを有する内側クラッド領域と、該内側クラッド領域を包囲する外側クラッド領域とを備えたファイバレーザ用光ファイバであって、
    上記内側クラッド領域の上記充実部は希土類元素が部分的あるいは全域に添加された石英材料からなり、
    上記外側クラッド領域の屈折率は上記内側クラッド領域の上記充実部の屈折率よりも低く、
    上記複数の空孔における各空孔の孔径、および各空孔間の距離は、発振するレーザ光の発振波長帯に対して高次モードの伝送損失が最低次モードの伝送損失よりも大きくなるバンドギャップが形成されるように設定されていることを特徴とするファイバレーザ用光ファイバ。
  2. 上記外側クラッド領域がフッ素を含有する石英材料あるいは高分子樹脂からなる請求項１記載のファイバレーザ用光ファイバ。
  3. 請求項１または２記載のファイバレーザ用光ファイバの片端または両端に、レーザ光の発振波長帯の光を反射するための反射器を設けたことを特徴とするファイバレーザ用光ファイバ。
  4. 請求項１または２記載のファイバレーザ用光ファイバの片端または両端に、ゲルマニウム添加の石英材料からなるコア領域が形成された充実型光ファイバを接続したことを特徴とするファイバレーザ用光ファイバ。
  5. 上記充実型光ファイバのコア領域に、レーザ光の発振波長帯の光を反射するためのファイバグレーティングが形成された請求項４記載のファイバレーザ用光ファイバ。
  6. 上記充実型光ファイバのコア領域の直径が上記内側クラッド領域の外径と略等しい請求項４または５記載のファイバレーザ用光ファイバ。
  7. 請求項１から６いずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバを使用し、該ファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射し、該励起光を上記ファイバレーザ用光ファイバの中空コア領域および内側クラッド領域に閉じ込めて伝搬させ、上記内側クラッド領域の充実部の希土類元素で発光したレーザ光を上記中空コア領域に閉じ込めて発振・伝搬させることを特徴とするレーザ発振方法。
  8. 請求項１または２記載のファイバレーザ用光ファイバを使用し、該ファイバレーザ用光ファイバの両端にレーザ光の発振波長帯の光を反射するための反射器を各々設け、それら反射器により共振器を構成し、上記ファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射し、該励起光を上記ファイバレーザ用光ファイバの中空コア領域および内側クラッド領域に閉じ込めて伝搬させ、上記内側クラッド領域の充実部の希土類元素で発光したレーザ光を上記中空コア領域に閉じ込めて発振・伝搬させることを特徴とするレーザ発振方法。
  9. 上記反射器として、ゲルマニウム添加の石英材料からなるコア領域が形成されると共に該コア領域に上記レーザ光の発振波長帯の光を反射するためのファイバグレーティングが形成された充実型光ファイバを用いた請求項８記載のレーザ発振方法。
  10. 請求項１から６いずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバと、励起光源とを備えたことを特徴とするファイバレーザ。
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