JP4823633B2

JP4823633B2 - ファイバレーザ

Info

Publication number: JP4823633B2
Application number: JP2005293171A
Authority: JP
Inventors: 学齋藤; 道弘中居; 哲弥酒井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2025-10-06
Also published as: JP2007103751A

Description

本発明は、コアに希土類元素が添加され、それを囲む内外２層のクラッドを有するダブルクラッドファイバを励起用ファイバとして備えたファイバレーザに関し、特に高いパワーの光を伝送するのに好適なファイバレーザに関する。

近年、希土類添加光ファイバを用いたファイバレーザが注目されている。
この種のファイバレーザに関しては、既に多くの提案がなされている（例えば、特許文献１参照。）。
また、複数の励起光源からの出力を効率よくクラッドポンピングファイバに接続する方法としては、例えば、特許文献２などにその方法が開示されている。
特開平５−２７５７９２号公報特開平１１−７２６２９号公報

しかしながら、光出力を得るために高いパワーの光を光ファイバに入射する場合、入射された高いパワーの光が熱に変わり、光ファイバが発熱する問題があった。特に、希土類を添加したダブルクラッドファイバをコイル状に巻回して用いた場合、発熱が大きくなり、周辺機器にダメージを与えたり、ダブルクラッドファイバ自体のレーザ出力特性に悪影響を及ぼしたりすることがあった。

この発熱は、ファイバの伝播モードと曲げ損失に関係するものと考えられている。
すなわち、ダブルクラッドファイバと他のファイバを接続すると、接続点において、信号光波長の高次モードの光が発生しやすくなる。ダブルクラッドファイバの全体を大きな巻き直径で巻くと、高次モードの光が励起光によって増幅され、ダブルクラッドファイバ内を伝播することになるため、最終的にレーザ出力が低下するか、若しくはビームプロファイルの形状が悪化する。あるいは、増幅された高次モードの光がダブルクラッドファイバを通過している間に、曲げ損失により熱に変わってしまい、全体として発熱が大きくなる。

また、ダブルクラッドファイバの全体を小さな巻き直径で巻いた場合、ダブルクラッドファイバの曲げによる損失が大きくなるため、基本モードが増幅された信号光が曲げ損失により熱に変わり、発熱が大きくなる。

近年、ファイバレーザの出力を高めるために、大きなコア径を有するダブルクラッドファイバが用いられている。これは、ファイバのコア径を大きくし、ファイバ内を通る光のパワーの密度を小さくすることが、耐パワー性の観点から有利であり、結果として高いパワーの出力を達成できるためである。しかしながら、光ファイバのコア径を拡大すると、カットオフ波長が長くなるため、高次モードの光が発生した場合、その光は消失し難くなる。コア径を拡げ、かつ高次モードを抑制するためには、コアの屈折率を下げる方法があるが、その場合、曲げ損失が大きくなるため、基本モードの光が消失してしまう。すなわち、カットオフ波長と曲げ損失はトレードオフの関係にあり、光ファイバのコア径を大きくした場合、特にダブルクラッドファイバのコア径を１５μｍ以上にすると、ダブルクラッドファイバの巻き直径により発熱、あるいは曲げによる損失の問題が顕著になる。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、ダブルクラッドファイバからの発熱を抑え、かつ効率的にレーザ出力を得ることができるファイバレーザの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、希土類元素が添加されたコアと、前記コアの外周を囲む内側クラッドと、該内側クラッドの外周を囲む外側クラッドとからなり、前記コアの屈折率は内側クラッドより高く、前記内側クラッドの屈折率は前記外側クラッドより高いダブルクラッドファイバと、前記ダブルクラッドファイバのコアに信号光を入射する手段と、前記ダブルクラッドファイバのコア又は内側クラッドに前記信号光と波長の異なる励起光を入射する手段とを有し、前記ダブルクラッドファイバの一端側から信号光及び励起光を入射し、他端から信号光の波長のレーザ発振された光を出力するように構成されたファイバレーザにおいて、前記ダブルクラッドファイバは、励起光が入射される一端側からの距離ｌで高次モードの曲げ損失が十分に大きくなるが基本モードの曲げ損失があまり大きくならない大きさの直径Ｒ１で１周以上巻かれ、その他端側でＲ１より大きく、基本モードの曲げ損失が十分小さくなる大きさの直径Ｒ２で１周以上巻かれており、前記一端側からの距離ｌは、高次モードの光の抑制効果が小さくならない位置であり、前記ダブルクラッドファイバのコア直径が１５μｍ以上、前記直径Ｒ２は、前記直径Ｒ１の１．３倍以上３．５倍以下、前記直径Ｒ２は、１３０ｍｍ〜２５０ｍｍ、前記距離ｌは、前記ダブルクラッドファイバにおける励起光が入射される側の端から８００ｍｍ以下であることを特徴とするファイバレーザを提供する。

本発明のファイバレーザにおいて、前記ダブルクラッドファイバのコア直径が１５μｍ以上であることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、前記ダブルクラッドファイバは、前記直径Ｒ１で巻かれる巻き数が１５周以下であることが好ましい。

本発明によれば、ダブルクラッドファイバからの発熱を抑え、かつ効率的にレーザ出力を得ることができるファイバレーザを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係るファイバレーザの第１実施形態を示す構成図である。本実施形態のファイバレーザは、希土類元素が添加されたコアと、前記コアの外周を囲む内側クラッドと、該内側クラッドの外周を囲む外側クラッドとからなり、前記コアの屈折率は内側クラッドより高く、前記内側クラッドの屈折率は前記外側クラッドより高いダブルクラッドファイバ１３と、ダブルクラッドファイバ１３のコアに信号光を入射する手段（図示せず）と、この信号光と波長の異なる励起光を発する複数の励起光源１１と、これらの励起光源１１から発した励起光をダブルクラッドファイバ１３の内側クラッドに入射するように設けられたマルチポートカプラ１２とを有し、このダブルクラッドファイバ１３の一端側から信号光及び励起光を入射し、他端から信号光の波長のレーザ発振された光を出力するように構成されている。このダブルクラッドファイバ１３は、励起光が入射される一端側の直後で小さな巻き直径Ｒ１で１周以上巻かれた第１の巻回部分１３Ａと、その他端側でＲ１より大きな巻き直径Ｒ２で１周以上巻かれた第２の巻回部分１３Ｂとを有している。

前記ダブルクラッドファイバ１３のコアに添加される希土類元素は、使用する信号光・出射光の波長と励起光の波長に応じて適宜選択可能であり、例えば、イッテルビウム、エルビウム、ホルミウム、ツリウム、ジスプロシウム、プラセオジムなどが挙げられるが、これらに限定されない。

本実施形態では、波長１０６４ｎｍの信号光、波長９７６ｎｍの励起光を用いて、コアにイッテルビウム（Ｙｂ）がドープされたダブルクラッドファイバ１３を用い、信号光が前方励起方式によって増幅されるファイバレーザを例としている。

図１に示すファイバレーザにおいて、光源（図示せず）より出射された信号光は、Ｙｂがドープされたダブルクラッドファイバ１３のコアに入射され、励起光源１１から出射された励起光は、マルチポートカプラ１２を介しダブルクラッドファイバ１３の内側クラッドから入射され、コアに送られることで、信号光が増幅される。増幅された信号光は、図示しないコリメータ等を介してレーザ光として出射される。

このダブルクラッドファイバ１３は、マルチポートカプラ１２の出射端と融着により接続されており、この融着点が信号光、及び励起光が入射される側の端となっている。この接続点の直後からダブルクラッドファイバ１３は、小さな巻き直径Ｒ１で１周以上巻かれ、それよりも他端側において大きな巻き直径Ｒ２で巻かれている。

一般に、光ファイバの基本モードの曲げ損失と、高次モードの曲げ損失は、光ファイバの曲げ直径に依らず、高次モードの曲げ損失のほうが大きくなる。よって、ここで小さな巻き直径Ｒ１は、高次モードの曲げ損失が十分に大きくなるが基本モードの曲げ損失があまり大きくならない大きさとし、大きな曲げ直径Ｒ２は、基本モードの曲げ損失は十分小さくなる大きさに設定する必要がある。それによって、小さな曲げ直径Ｒ１の第１の巻回部分１３Ａで高次モードの光を消失させ、その後大きな曲げ直径Ｒ２の第２の巻回部分１３Ｂで基本モードを効率よく増幅することが可能となる。

ここでダブルクラッドファイバ１３の励起光が入射される側の端の「直後」とは、入射される側の端から８００ｍｍ以下、好ましくは５００ｍｍ以下、更に好ましくは３００ｍｍ以下の位置である。巻き始めが入射側の端から「直後」でなければ、巻き始めまでの点で高次モードの光が増幅されてしまうため、高次モードの光の抑制の効果は小さくなる。

第１の巻回部分１３Ａにおける小さな巻き直径Ｒ１は、ファイバの構造により異なるが、概ね７０ｍｍ〜１２ｍｍの間とすることが好ましい。小さな巻き直径Ｒ１でダブルクラッドファイバ１３が巻かれる巻き数は、１５周以下、好ましくは１０周以下、更に好ましくは７周以下である。この巻き数が多すぎると、基本モードの光にも損失を生じるために好ましくない。

また、入射される側の端から巻き始めの点までのファイバの形状は特に限定されず、直線状であっても、小さな巻き直径Ｒ１よりは大きな直径で曲げられている状態でも、或いは小さな巻き直径よりさらに小さな曲率の曲げが一部に加えられていてもかまわない。

小さな巻き直径Ｒ１で巻かれた第１の巻回部分１３Ａより光伝播方向下流側で、ダブルクラッドファイバ１３は、大きな巻き直径Ｒ２で巻かれている。ここで、大きな巻き直径Ｒ２は、概ね１３０ｍｍ〜２５０ｍｍの範囲とすることが好ましい。

また、この巻き構造の効果を適切に得るためには、大きな巻き直径Ｒ２は、小さい巻き直径Ｒ１の１．３倍以上３．５倍以下、好ましくは１．４倍以上３．０倍以下、更に好ましくは１．５倍以上２．５倍以下の範囲とするのが好ましい。１．３倍未満の場合、それぞれの巻き直径で曲げ損失に大きな差が生じないため、得られる本発明の効果が低くなり、３．５倍を超える場合、小さな巻き直径の部分で基本モードに曲げ損失を生じてしまうか、又は大きな巻き直径の部分が大きくなりすぎて、ファイバレーザ装置全体の大きさを小型化できないために好ましくない。さらに、巻き直径をある値以上大きくしても、基本モードの曲げ損失は殆ど変化しない。この点から考えても、大きな巻き直径Ｒ２は、小さな巻き直径の３．５倍は超えない範囲で設定することが好ましい。

小さな巻き直径Ｒ１で巻かれた第１の巻回部分１３Ａが終了した位置から、大きな巻き直径Ｒ２で巻かれた第２の巻回部分１３Ｂが始まる位置までのファイバの長さは特に規定しないが、ファイバレーザ装置全体の大きさを考えると短い方が有利である。

本実施形態において、ファイバレーザの出力を高くするために、ダブルクラッドファイバ１３のコア径は、１５μｍ以上、さらに好ましくは２０μｍ以上とすることが望ましい。コア径が１５μｍ未満であると、ファイバ内を通る光のパワーの密度が大きくなるので、耐パワー性の観点から不利であり、高いパワーの出力を達成することができなくなる。

以上説明したように、本実施形態のファイバレーザは、ダブルクラッドファイバ１３が、入射側の端の直後から小さな巻き直径Ｒ１で巻かれた第１の巻回部分１３Ａを有しているので、高次モードの光はすぐに消失し、増幅されることが無く、さらに高次モードの光が消失した後、第２の巻回部分１３Ｂにおいて大きな巻き直径Ｒ２で巻かれているため、基本モードの光が曲げ損失により失われ、発熱することも無い。

図３は、本発明に係るファイバレーザの第２実施形態を示す構成図である。本実施形態のファイバレーザは、前述した第１実施形態のファイバレーザと同様の構成要素を備えて構成され、ダブルクラッドファイバ１３に小さな巻き直径Ｒ１で巻かれた第１の巻回部分１３Ａと、大きな巻き直径Ｒ２で巻かれた第２の巻回部分１３Ｂとを有しているが、第１の巻回部分１３Ａの外側に第２の巻回部分１３Ｂを配置した構成になっている。

本実施形態のファイバレーザは、前述した第１実施形態のファイバレーザと同様の効果を得ることができ、第１の巻回部分１３Ａの外側に第２の巻回部分１３Ｂを配置した構成としたので、巻回部分の設置スペースを少なくすることができ、ファイバレーザの小型化を図ることができる。

なお、本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、信号光、励起光の波長、ダブルクラッドファイバのドーパントの種類等がここに示した例以外の場合でも、当業者が調整可能な範囲で同様の効果を得ることができる。

［実施例１］
信号光の波長を１０６４ｎｍ、励起光の波長を９７６ｎｍとし、ダブルクラッドファイバ１３としてコア径２０μｍのＹｂドープファイバを使用し、図１に示す構成のファイバレーザを作製した。
ダブルクラッドファイバ１３は、入射側の端から２５０ｍｍの位置から、巻き直径Ｒ１＝１００ｍｍで８回巻き、それよりも他端側において巻き直径Ｒ２＝１５０ｍｍで巻いた。ダブルクラッドファイバの長さは１０ｍとした。励起光源１１として複数のＬＤ光源を用い、合計で２５Ｗの励起光を入射し、１０Ｗのレーザ出力を得た。
１時間の運転の後、巻き直径１００ｍｍに巻かれた第１の巻回部分１３Ａと、巻き直径１５０ｍｍに巻かれた第２の巻回部分１３Ｂのそれぞれの外表面の温度を測定したところ、３２〜３７℃であった。

［比較例１］
信号光の波長を１０６４ｎｍ、励起光の波長を９７６ｎｍとし、ダブルクラッドファイバ２３としてコア径２０μｍのＹｂドープファイバを使用し、図２に示すファイバレーザを作製した。
ダブルクラッドファイバ２３は、入射側の端から２５０ｍｍの位置から、巻き直径１５０ｍｍで巻いた。ダブルクラッドファイバ２３の長さは１０ｍとした。励起光源２１として複数のＬＤ光源を用い、合計で２５Ｗの励起光を入射し、８．５Ｗのレーザ出力を得た。
１時間の運転の後、巻き直径１５０ｍｍに巻かれたファイバの外表面の温度を測定したところ、７０〜８０℃程度であった。

［比較例２］
信号光の波長を１０６４ｎｍ、励起光の波長を９７６ｎｍとし、ダブルクラッドファイバ２３としてコア径２０μｍのＹｂドープファイバを使用し、図２に示すファイバレーザをファイバレーザを作製した。
ダブルクラッドファイバ２３は、入射側の端から２５０ｍｍの位置から、巻き直径１００ｍｍで巻いた。ダブルクラッドファイバ２３の長さは１０ｍとした。励起光源２１として複数のＬＤ光源を用い、合計で２５Ｗの励起光を入射し、９Ｗのレーザ出力を得た。
１時間の運転の後、巻き直径１００ｍｍに巻かれたファイバの外表面の温度を測定したところ、４６〜５１℃程度であった。

前記実施例１、比較例１，２の結果を表１にまとめて記す。

表１に記した結果より、本発明に係る実施例１のファイバレーザは、巻き直径を単一とした比較例１、２と比べて、出力パワーを大きくすることができ、また損失に起因するファイバ温度上昇を低く抑えることが実証された。

本発明に係るファイバレーザの第１実施形態を示す構成図である。比較例１，２で作製したファイバレーザを示す構成図である。本発明に係るファイバレーザの第２実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１１，２１…励起光源、１２，２２…マルチポートカプラ、１３，２３…ダブルクラッドファイバ、１３Ａ…第１の巻回部分、１３Ｂ…第２の巻回部分。

Claims

希土類元素が添加されたコアと、前記コアの外周を囲む内側クラッドと、該内側クラッドの外周を囲む外側クラッドとからなり、前記コアの屈折率は内側クラッドより高く、前記内側クラッドの屈折率は前記外側クラッドより高いダブルクラッドファイバと、前記ダブルクラッドファイバのコアに信号光を入射する手段と、前記ダブルクラッドファイバのコア又は内側クラッドに前記信号光と波長の異なる励起光を入射する手段とを有し、前記ダブルクラッドファイバの一端側から信号光及び励起光を入射し、他端から信号光の波長のレーザ発振された光を出力するように構成されたファイバレーザにおいて、
前記ダブルクラッドファイバは、励起光が入射される一端側からの距離ｌで高次モードの曲げ損失が十分に大きくなるが基本モードの曲げ損失があまり大きくならない大きさの直径Ｒ１で１周以上巻かれ、その他端側でＲ１より大きく、基本モードの曲げ損失が十分小さくなる大きさの直径Ｒ２で１周以上巻かれており、前記一端側からの距離ｌは、高次モードの光の抑制効果が小さくならない位置であり、
前記ダブルクラッドファイバのコア直径が１５μｍ以上、前記直径Ｒ２は、前記直径Ｒ１の１．３倍以上３．５倍以下、前記直径Ｒ２は、１３０ｍｍ〜２５０ｍｍ、前記距離ｌは、前記ダブルクラッドファイバにおける励起光が入射される側の端から８００ｍｍ以下であることを特徴とするファイバレーザ。
前記ダブルクラッドファイバは、前記直径Ｒ１で巻かれる巻き数が１５周以下であることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ。