JP5171543B2 - ファイバ光学装置及びその駆動方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ活性物質を含有するコアを有する増幅用光ファイバを用いたファイバ光学装置、及びその駆動方法に関するものである。
レーザ装置または光増幅装置などの光学装置として、Ｙｂなどのレーザ活性物質が添加された増幅用光ファイバを用いたファイバ光学装置が知られている。このような光学装置では、増幅用光ファイバに励起光（例えば波長９７５ｎｍの光）を供給して活性物質を励起した状態で、その光ファイバに種光（被増幅光）を入力すると、誘導放出によって種光が増幅されて出力光として光ファイバから出力される。また、光学装置がレーザ装置として構成されている場合、増幅用光ファイバに対して共振器が設けられ、増幅光が共振器内でレーザ発振することで出力レーザ光が生成される。
現在、Ｙｂ添加ファイバレーザ装置などのファイバ光学装置は、例えば産業用の連続動作型（連続発振型）のレーザ光源などの分野で広く用いられている。一方、パルス動作型のファイバ光学装置では、増幅用光ファイバへの励起光供給によって紫外域から近赤外域にわたる広い範囲で生じるフォトダークニング（photodarkening）と呼ばれる光ファイバの劣化現象が問題となっている（例えば、非特許文献１参照）。フォトダークニングが発生すると、増幅用光ファイバにおいて光透過損失が増加する。
I. Manek-Hoenninger et al., "Photodarkening and photobleachingof an ytterbium-doped silica double-clad LMA fiber", OPTICS EXPRESS,Vol.15, No.4, pp.1606-1611 (2007)
上記したファイバ光学装置でのフォトダークニング現象については、定性的な理解が進みつつあり、その対策として増幅用光ファイバのガラス組成、あるいはコア・クラッド構造などの改良が行われている。また、このフォトダークニングによる光透過損失の増大に対し、増幅用光ファイバに紫外レーザ光を供給することで、フォトダークニングが生じる前の光ファイバの特性が回復するという報告がなされている。このような特性の回復現象は、フォトブリーチング（photobleaching）と呼ばれている。非特許文献１では、具体的には、波長３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波を用いたフォトブリーチング現象が記載されている。
また、このようなフォトブリーチング現象については、小出力の青色ＬＤからのレーザ光（例えば波長４０７ｎｍのレーザ光）をブリーチング光として増幅用光ファイバに供給することで、フォトブリーチングによる特性回復効果が得られることが報告されている。このように、フォトダークニングが生じた光ファイバに対して、出力数１０ｍＷ程度の青色ＬＤによる特性回復が可能であることは、パルス発振型のファイバレーザ装置の実用上大きなインパクトがある。しかしながら、ファイバ光学装置に対するフォトブリーチング現象の具体的な適用方法については、これまでに充分な検討はなされていない。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、フォトブリーチングによる増幅用光ファイバの特性回復を好適に実行することが可能なファイバ光学装置、及びその駆動方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明によるファイバ光学装置は、（１）レーザ活性物質を含有するコアを有する増幅用光ファイバと、（２）増幅用光ファイバに対してパルス種光を供給する種光源と、（３）増幅用光ファイバに対してレーザ活性物質への励起光を供給する励起光源と、（４）増幅用光ファイバに対して、フォトダークニングによる光透過損失を低減するためのブリーチング光を供給するブリーチング光源と、（５）種光源から増幅用光ファイバへのパルス種光の供給、励起光源からの励起光の供給、及びブリーチング光源からのブリーチング光の供給の相互のタイミングを制御する制御手段とを備え、（６）励起光の供給によって反転分布状態となっている増幅用光ファイバに対して、パルス種光を供給することで、パルス種光が増幅された出力光パルスを生成して出力するとともに、（７）上記制御手段は、第１出力光パルスと、その次の第２出力光パルスとの間を、第１出力光パルスの出力直後を含み増幅用光ファイバでの反転分布が非飽和状態となっている第１期間と、第２出力光パルスの出力直前を含む第２期間とを少なくとも有する複数の期間に区分し、増幅用光ファイバに対して、第１期間において、ブリーチング光源からのブリーチング光を供給するとともに、第２期間において、励起光源からの励起光を供給することを特徴とする。
また、本発明によるファイバ光学装置の駆動方法は、（ａ）レーザ活性物質を含有するコアを有する増幅用光ファイバと、（ｂ）増幅用光ファイバに対してパルス種光を供給する種光源と、（ｃ）増幅用光ファイバに対してレーザ活性物質への励起光を供給する励起光源と、（ｄ）増幅用光ファイバに対して、フォトダークニングによる光透過損失を低減するためのブリーチング光を供給するブリーチング光源とを備えるファイバ光学装置に適用され、（ｅ）励起光の供給によって反転分布状態となっている増幅用光ファイバに対して、パルス種光を供給することで、パルス種光が増幅された出力光パルスを生成して出力する出力ステップと、（ｆ）第１出力光パルスの出力直後を含み増幅用光ファイバでの反転分布が非飽和状態となっている第１期間において、増幅用光ファイバに対してブリーチング光源からのブリーチング光を供給するブリーチングステップと、（ｇ）第１出力光パルスの次の第２出力光パルスの出力直前を含む第２期間において、増幅用光ファイバに対して励起光源からの励起光を供給する励起ステップとを含むことを特徴とする。
上記したファイバ光学装置及びその駆動方法においては、増幅用光ファイバ、種光源、及び励起光源によって構成されたファイバ光学装置に対し、光ファイバにブリーチング光を供給するブリーチング光源を設けている。これにより、フォトダークニングによって増幅用光ファイバに生じる光透過損失を、フォトブリーチング現象を用いて低減して、光ファイバの特性を回復させることが可能となる。
さらに、このようなブリーチング光による光ファイバの特性回復について、連続する第１、第２出力光パルスの間を第１期間と、第２期間とに区分し、それらのうちで第１出力光パルスの出力直後を含み光ファイバでの反転分布が非飽和状態となっている第１期間において、光ファイバへのブリーチング光の供給、及びそれによる光ファイバの特性回復を行っている。
ここで、本願発明者がフォトブリーチングによる光ファイバの特性回復について詳細に検討を行ったところ、増幅用光ファイバに対して励起光とブリーチング光とをともに供給し続けると、逆にフォトダークニングが急激に進行するという知見を得た。これに対し、上記のように、光ファイバでの反転分布が非飽和状態の第１期間においてブリーチング光の供給を行うことにより、フォトブリーチングによる増幅用光ファイバの特性回復を好適に実行することが可能となる。
フォトブリーチングによる特性回復のために増幅用光ファイバに供給されるブリーチング光については、ブリーチング光源から供給されるブリーチング光は、３５５ｎｍ〜５３２ｎｍの範囲内の波長を有する光であることが好ましい。このような波長の光をブリーチング光として用いることにより、光ファイバの特性回復を好適に実現することができる。
また、パルス種光の増幅に用いられる活性物質については、増幅用光ファイバのコアに含有されるレーザ活性物質は、Ｙｂ（イッテルビウム）であることが好ましい。これにより、増幅用光ファイバを好適に構成することができる。
また、増幅用光ファイバに対する励起光の供給については、第１期間及び第２期間を含む全期間において、増幅用光ファイバに対して励起光源からの励起光を供給する構成としても良い。あるいは、励起光の供給については、第１期間においては励起光の供給を行わない構成としても良い。
また、増幅用光ファイバから出力される出力光パルスによるパルス列が、第１出力光パルスを最後の出力光パルスとする複数の出力光パルスを含む第１パルス群と、第２出力光パルスを最初の出力光パルスとする複数の出力光パルスを含む第２パルス群とを含み、第１出力光パルスと第２出力光パルスとの時間間隔が、第１パルス群内及び第２パルス群内での出力光パルスの時間間隔よりも広く設定されており、第１パルス群内及び第２パルス群内においては、各出力光パルスの間でのブリーチング光の供給を行わず、第１出力光パルスと第２出力光パルスとの間に設定された第１期間において、増幅用光ファイバに対してブリーチング光源からのブリーチング光を供給する構成としても良い。このような構成は、例えば産業用のファイバレーザ装置において、レーザ装置の休止期間にブリーチング光供給による光ファイバの特性回復を実行するなどの場合に有効である。
本発明のファイバ光学装置及びその駆動方法によれば、増幅用光ファイバ、種光源、及び励起光源によって構成されたファイバ光学装置に対し、光ファイバにブリーチング光を供給するブリーチング光源を設けるとともに、連続する第１、第２出力光パルスの間を第１期間と、第２期間とに区分し、それらのうちで第１出力光パルスの出力直後を含み光ファイバでの反転分布が非飽和状態となっている第１期間において、光ファイバへのブリーチング光の供給、及びそれによる光ファイバの特性回復を行うことにより、フォトブリーチングによる増幅用光ファイバの特性回復を好適に実行することが可能となる。
以下、図面とともに本発明によるファイバ光学装置、及びファイバ光学装置の駆動方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図１は、本発明によるファイバ光学装置の一実施形態の構成を示す図である。本実施形態によるファイバ光学装置１Ａは、増幅用光ファイバ１０、種光源１５、励起光源２１〜２５、及びブリーチング光源４０を備え、種光源１５から供給されたパルス種光を増幅用光ファイバ１０において光増幅し、その増幅された光を出力光パルスとして出力する光源装置として構成されている。
増幅用光ファイバ１０は、レーザ活性物質を含有するコアと、コアの外周に設けられたクラッドとを含み、光増幅機能を有する光ファイバである。この増幅用光ファイバ１０では、添加されているレーザ活性物質を励起し得る波長の励起光が供給されることで、利得を有する波長帯域に含まれる波長の種光を光増幅することができる。このような光ファイバ１０としては、例えば、Ｙｂ、Ｅｒなどの希土類元素がレーザ活性物質として添加された、石英ガラスからなる光ファイバを用いることができる。また、光ファイバ１０の具体的な構造としては、例えば、コアの外周に内側クラッド及び外側クラッドを設けたダブルクラッド構造の光ファイバを用いることができる。
種光源１５は、増幅用光ファイバ１０に対して被増幅光となるパルス種光を供給するパルス光源である。この種光源１５としては、好ましくは所定の波長及びパルス幅を有するパルス光を供給可能なパルスレーザ光源が用いられる。また、種光源１５から出射されたパルス種光は、集光レンズなどの集光光学系を介して光ファイバ１６に入射され、光ファイバ１６によって偏波無依存型の光アイソレータ１７へと導光される。そして、このパルス種光は、光アイソレータ１７、及び光ファイバ３０を介して光コンバイナ１８へと導光される。光ファイバ１６、３０としては、それぞれ例えばシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いることができる。
増幅用光ファイバ１０に対し、光ファイバ１０のコアに含まれるレーザ活性物質に励起光を供給する１または複数個の励起光源が設けられる。図１に示す構成例では、５個の励起光源２１〜２５が設置されている。この励起光源２１〜２５としては、好ましくはレーザダイオード（ＬＤ）が用いられる。また、励起光源２１〜２５から出射された所定波長の励起光は、それぞれ光ファイバ３１〜３５によって光コンバイナ１８へと導光される。この光ファイバ３１〜３５としては、例えばマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いることができる。
また、本実施形態によるファイバ光学装置１Ａでは、上記の励起光源２１〜２５に加えて、さらにブリーチング光源４０が設けられている。この光源４０は、増幅用光ファイバ１０に対して、フォトダークニングでの特性劣化による光透過損失を低減するためのブリーチング光を供給するブリーチング光源である。このブリーチング光源４０としては、好ましくは青色レーザダイオードなどのレーザダイオード（ＬＤ）が用いられる。また、ブリーチング光としては、好ましくは３５５ｎｍ〜５３２ｎｍの範囲内の波長を有する光が用いられる。また、光源４０から出射された所定波長のブリーチング光は、光ファイバ４５によって光コンバイナ１８へと導光される。この光ファイバ４５としては、光ファイバ３１〜３５と同様に、例えばマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いることができる。
光コンバイナ１８の入力側には、好ましくはＳＭＦからなる１本の光ファイバ３０、及び好ましくはＭＭＦからなる６本の光ファイバ３１〜３５、４５の計７本の光ファイバが接続されている。また、光コンバイナ１８の出力側には、レーザ活性物質を含有するコアを有する増幅用光ファイバ１０の入力端が接続されている。これにより、種光源１５からのパルス種光、励起光源２１〜２５からの励起光、及びブリーチング光源４０からのブリーチング光は、それぞれ対応する光ファイバ３０、３１〜３５、４５、及び光コンバイナ１８を介して増幅用光ファイバ１０へと供給される。
以上の構成において、励起光源２１〜２５からの励起光の供給によって反転分布状態となっている増幅用光ファイバ１０に対して、種光源１５からのパルス種光を供給する。このとき、光ファイバ１０においてパルス種光が光増幅され、増幅光である出力光パルスが生成されて、光ファイバ１０の出力端から出力される（出力ステップ）。なお、図１に示したファイバ光学装置１Ａがファイバレーザ装置として構成される場合には、増幅用光ファイバ１０に対して共振器が設けられ、増幅光パルスが共振器内でレーザ発振することで出力光パルスであるレーザ光パルスが生成される。この場合の共振器は、例えば光ファイバ１０の端面、あるいは光ファイバ１０内に形成されたファイバグレーティングなどを用いて構成することができる。また、ファイバ光学装置１Ａがファイバ光増幅装置として構成される場合には、共振器構造は不要である。
これらの増幅用光ファイバ１０、種光源１５、励起光源２１〜２５、及びブリーチング光源４０に対し、それらの動作を制御する制御装置５０が設けられている。この制御装置５０は、種光源１５から増幅用光ファイバ１０へのパルス種光の供給、励起光源２１〜２５からの励起光の供給、及びブリーチング光源４０からのブリーチング光の供給の相互のタイミングを制御する制御手段である。
制御装置５０は、種光源駆動部５１と、励起光源駆動部５２と、ブリーチング光源駆動部５３と、タイミング制御部５５とを有している。光源駆動部５１〜５３は、例えば光源駆動回路などによって構成されており、それぞれ対応する種光源１５、励起光源２１〜２５、ブリーチング光源４０を駆動制御する。また、タイミング制御部５５は、例えばタイミング制御回路などによって構成されており、光源駆動部５１〜５３のそれぞれに対して駆動タイミングを指示することで、各光源からの光の供給タイミングを制御する。なお、種光源１５からのパルス種光の供給タイミングは、増幅用光ファイバ１０からの出力光パルスの出力タイミングに対応している。
本実施形態によるファイバ光学装置１Ａでは、制御装置５０は、増幅用光ファイバ１０から時系列に出力される出力光パルスのパルス列について、第１出力光パルスと、その次の第２出力光パルスとの間を、第１出力光パルスの出力直後を含み増幅用光ファイバ１０での反転分布が非飽和状態となっている第１期間と、第２出力光パルスの出力直前を含む第２期間とを少なくとも有する複数の期間に区分する。そして、増幅用光ファイバ１０に対して、第１期間において、ブリーチング光源４０からのブリーチング光を供給（ブリーチングステップ）して光ファイバ１０の特性回復を行うとともに、第２期間において、励起光源２１〜２５からの励起光を供給（励起ステップ）して光ファイバ１０のレーザ活性物質を励起する。
上記実施形態によるファイバ光学装置１Ａ、及びファイバ光学装置の駆動方法の効果について説明する。
図１に示したファイバ光学装置１Ａ、及びその駆動方法においては、増幅用光ファイバ１０、種光源１５、及び励起光源２１〜２５によって構成されたファイバ光学装置１Ａに対し、光ファイバ１０にブリーチング光を供給するブリーチング光源４０を設けている。これにより、フォトダークニングによって増幅用光ファイバ１０に生じる光透過損失を、フォトブリーチング現象を用いて低減して、光ファイバ１０の特性を回復させることが可能となる。
さらに、このようなブリーチング光による光ファイバ１０の特性回復について、光ファイバ１０からの出力光パルスのパルス列に対し、連続する第１、第２出力光パルスの間を第１期間と、第２期間とに区分する。そして、それらのうちで第１出力光パルスの出力直後を含み光ファイバでの反転分布が非飽和状態となっている第１期間において、増幅用光ファイバ１０へのブリーチング光の供給、及びそれによる光ファイバ１０の特性回復を行っている。
ここで、本願発明者は、ファイバレーザ装置におけるフォトブリーチングによる光ファイバの特性回復について、パルス発振型のレーザ装置を動作させながら同時にブリーチング光を供給してフォトダークニングの進行を抑える実験を行ったところ、実験結果では全く逆に、増幅用光ファイバに励起光のみを供給した場合よりもフォトダークニングの進行が急激で、増幅用光ファイバが破断してしまうことがわかった。これは、励起光の供給によって反転分布密度が高い状態になっている増幅用光ファイバに対してブリーチング光を供給したためと考えられる。また、連続発振型のファイバレーザ装置では、反転分布密度が低い状態に保たれるため、そもそもフォトダークニングによる光ファイバの特性劣化が発生しない。ここで、一般に、フォトダークニングの進行度は、反転分布の２乗に比例すると言われている。
このような知見に基づき、上記実施形態のファイバ光学装置１Ａでは、出力光パルスの出力後で、増幅用光ファイバ１０での反転分布が非飽和状態で反転分布密度が充分に低くなっている期間を第１期間に設定し、この第１期間において、光ファイバ１０に対して光源４０からのブリーチング光の供給を行っている。これにより、フォトブリーチングによる増幅用光ファイバ１０の特性回復、及びそれによる光透過損失の低減を好適に実行することが可能となる。このような増幅用光ファイバ１０に対するブリーチング光の供給期間の設定については、具体的にはさらに後述する。
ブリーチング光源４０から増幅用光ファイバ１０へと供給されるブリーチング光の波長については、具体的には例えば、３５５ｎｍ〜５３２ｎｍの範囲内の波長を有する光であることが好ましい。このような波長の光をブリーチング光として用いることにより、光ファイバの特性回復を好適に実現することができる。
上記したブリーチング光の波長範囲は、実用上、光ファイバに好適に導入可能な光源の波長域を考慮した波長範囲を示している。具体的には、波長３５５ｎｍは、ＹＡＧレーザの第３高調波の波長を示している。また、波長５３２ｎｍは、ＹＡＧレーザの第２高調波の波長を示している。さらに、上記の波長範囲内でも特に重要な波長域の光は、レーザダイオード（ＬＤ）によっても供給が可能である。そのようなブリーチング光としては、例えば青色ＬＤから供給される波長４０７ｎｍの光を例示することができる。
また、パルス種光の増幅に用いられる活性物質については、増幅用光ファイバ１０のコアに含有されるレーザ活性物質は、Ｙｂ（イッテルビウム）であることが好ましい。これにより、増幅用光ファイバ１０を好適に構成することができる。
また、増幅用光ファイバ１０に対する励起光の供給については、第１期間及び第２期間を含む全期間において、増幅用光ファイバ１０に対して励起光源２１〜２５からの励起光を供給する構成としても良い。この場合、ブリーチング光を供給する第１期間は、励起光供給による増幅用光ファイバ１０での反転分布密度の時間変化を考慮し、上記したように反転分布が非飽和状態となっている期間として設定する必要がある。あるいは、励起光の供給については、第１期間においては励起光を供給しない構成としても良い。この場合、第１期間において、増幅用光ファイバでの反転分布の非飽和状態が確実に保持される。
また、ファイバ光学装置１Ａでは、増幅用光ファイバ１０から出力される出力光パルスによるパルス列が、上記した第１出力光パルスを最後の出力光パルスとする複数の出力光パルスを含む第１パルス群と、第２出力光パルスを最初の出力光パルスとする複数の出力光パルスを含む第２パルス群とを含み、第１出力光パルスと第２出力光パルスとの時間間隔が、第１パルス群内及び第２パルス群内での出力光パルスの時間間隔よりも広く設定されている構成を用いても良い。
このような場合、第１パルス群内及び第２パルス群内においては、各出力光パルスの間でのブリーチング光の供給を行わず、第１出力光パルスと第２出力光パルスとの間（第１パルス群と第２パルス群との間）に設定された第１期間において、増幅用光ファイバ１０に対して光源４０からのブリーチング光を供給する構成とすることが好ましい。このような構成は、例えば産業用のファイバレーザ装置において、レーザ装置の休止期間にブリーチング光供給による光ファイバの特性回復を実行するなどの場合に有効である。
図１に示したファイバ光学装置１Ａの具体的な構成の一例について説明する。本構成例では、増幅用光ファイバ１０として、Ｎｕｆｅｒｎ社製のＹｂ添加光ファイバを用いた。この光ファイバ１０はダブルクラッド型であり、そのコア径は約１０μｍ、内側クラッド径は約１３０μｍである。また、Ｙｂ添加光ファイバ１０の長さは約８ｍとし、その出力端には、斜め研磨（約８度）仕上げのエンドキャップを融着して、寄生発振が起きにくい構成とした。
パルス種光源１５としては、Ｎｄ：ＹＡＧをレーザ媒体とするＬＤ励起Ｑスイッチ方式の浜松ホトニクス社製のレーザ発振器を用いた。発振器のレーザ波長は約１０６４ｎｍ、線幅は約２ｎｍである。また、パルス繰り返し周波数は、１Ｈｚから５０ｋＨｚまで可変な構成となっている。
種光源１５から供給されるパルス種光のパルス幅は、励起強度及び繰り返し周波数に依存する。後述する実施例では、その一例として、パルス幅を約２５０ｎｓ（半値全幅）に設定している。また、パルスエネルギーも、パルス幅と同様に励起強度及び繰り返し周波数に依存する。実施例では、その一例として、パルスエネルギーを約２３０ｎＪに設定している。また、パルス種光を導光する光ファイバ１６としては、コーニング社製のシングルモードファイバＨＩ１０６０を用いた。この光ファイバ１６の出力端でのパルス種光のパルスエネルギーは、約１１０ｎＪ／ｐｕｌｓｅであった。
励起光源２１〜２５としては、浜松ホトニクス社製のファイバ結合型ＬＤを用いた。このＬＤの出力波長は約９１５ｎｍ、最大出力は約５Ｗである。なお、増幅用光ファイバ１０に対する励起光源の個数については、ファイバ光学装置１Ａの具体的な構成に応じて任意に設定して良いが、ここでは上記のように５個に設定している。
ブリーチング光源４０としては、日亜化学社製の青色ＬＤを用いた。このＬＤの出力波長は４０７ｎｍである。また、この青色ＬＤと光ファイバ４５との結合は、集光レンズを用いて行った。光ファイバ４５の出力端でのブリーチング光の出力は、最大で約８０ｍＷであった。また、これらのパルス種光、励起光、及びブリーチング光については、それらの出力とタイミングを自在に制御可能な構成とした。
光コンバイナ１８としては、ＩＴＦ社製のコンバイナを用いた。このコンバイナには、その入力側に、励起光導入用の６本のマルチモードファイバ（ＭＭＦ、コア径約１０５μｍ、クラッド径約１２５μｍ）と、信号光（種光）導入用の１本のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）とが設けられており、これらの６本のＭＭＦ及び１本のＳＭＦが、出力側の１本のダブルクラッド型ＳＭＦ（コア径約６μｍ、内側クラッド径約１２５μｍ、外側クラッド径約３００μｍ）に接続された構成となっている。また、この出力側のダブルクラッド型ＳＭＦには、さらに上記した増幅用光ファイバ１０が接続される。
本構成例では、励起光源２１〜２５、及びブリーチング光源４０に接続される光ファイバ３１〜３５、４５として、上記のコンバイナの入力側の６本のＭＭＦを用いた。また、光アイソレータ１７を介して種光源１５に接続される光ファイバ３０として、コンバイナの入力側の１本のＳＭＦを用いた。
本発明によるファイバ光学装置、及びその駆動方法について、具体的な動作例とともにさらに説明する。また、以下においては、ファイバ光学装置をレーザ装置として構成した場合を例として説明するが、ファイバ光学装置を光増幅装置として構成した場合でも、その基本的な動作は同様である。
図２は、図１に示したファイバレーザ装置の動作の第１の例について示すタイミングチャートである。ここでは、増幅用光ファイバ１０に対する励起光、ブリーチング光の供給タイミング、及び増幅用光ファイバ１０からの出力光パルスの出力タイミングを示している。また、図２のタイミングチャートにおいて、横軸は時間（１００μｓ／ｄｉｖ）を示している。本動作例では、出力レーザ光パルスの繰返し周波数を２．５ｋＨｚ、パルスエネルギーを２ｍＪ、パルス幅（ＦＷＨＭ）を２５０ｎｓ、ブリーチング光の供給パルス幅を１００μｓ、励起光の供給パルス幅を３００μｓに設定している。
また、図３は、図２に示した動作例について、励起光、ブリーチング光の供給タイミング、及び出力光パルスの出力タイミングを、増幅用光ファイバ１０での反転分布密度の時間変化とともに示すタイミングチャートである。なお、この図３は、各動作期間と、反転分布密度の時間変化との関係について説明するためのものであり、励起光及びブリーチング光のパルス幅等については、図２のタイミングチャートとは条件が異なっている。
図２及び図３に示す動作例では、第１出力光パルスＰ１と、その次の第２出力光パルスＰ２との間の期間を、出力光パルスＰ１の出力直後を含み増幅用光ファイバ１０での反転分布が非飽和状態となっている第１期間Ｔ１と、出力光パルスＰ２の出力直前を含む第２期間Ｔ２とに区分している。そして、そのうちの反転分布が非飽和状態となっている第１期間Ｔ１において、増幅用光ファイバ１０にブリーチング光を供給している。また、第２期間Ｔ２において、増幅用光ファイバ１０に励起光を供給するとともに、この励起光の供給が終わるタイミングでパルス種光が光ファイバ１０に供給されて出力光パルスが生成されるように、各光の供給タイミングを設定している。
図４は、ファイバレーザ装置の平均出力の時間変化を示すグラフであり、横軸は動作時間（ｈ）を示し、縦軸は平均出力（Ｗ）を示している。ここで、図４のグラフにおいて、グラフＡ０は、増幅用光ファイバ１０にブリーチング光を供給しなかった場合の出力の時間変化を示し、グラフＡ１は、図２に示した第１の動作例における出力の時間変化を示している。また、グラフＡ２は、後述する第２の動作例における出力の時間変化を示し、グラフＡ３は、第３の動作例における出力の時間変化を示している。また、グラフＡ０は、第３の動作例においてブリーチング光の供給を行わなかった場合の出力の時間変化を示している。
図４のグラフＡ０に示すように、ブリーチング光供給による増幅用光ファイバ１０の特性回復を行わない場合、レーザ出力は時間とともに徐々に低下し、５００時間後には初期値の２０％程度まで低下している。実験終了後、光ファイバ１０として使用したＹｂ添加光ファイバを取り出して、その光透過損失を測定したところ、可視域から近赤外域にわたる広い範囲で損失の増加がみられた。これは、典型的なフォトダークニング現象である。
一方、図２の動作例によってブリーチング光供給を行った場合、グラフＡ１に示すように、５００時間の動作時間では、出力の低下は全くみられなかった。これは、出力光パルスが増幅用光ファイバ１０での反転分布をエネルギーとして取り出した直後から、次の励起光の供給が始まるまでで、反転分布密度が充分に低くなっている第１期間Ｔ１（図３参照）においてブリーチング光を供給することにより、増幅用光ファイバ１０の特性が回復していることを示すものである。なお、本動作例では、繰返し周波数が低い設定となっているため、平均出力の値が比較的低くなっている。
図５は、図１に示したファイバレーザ装置の動作の第２の例について示すタイミングチャートである。図５のタイミングチャートにおいて、横軸は時間（１０μｓ／ｄｉｖ）を示している。本実施例では、出力レーザ光パルスの繰返し周波数を５０ｋＨｚ、パルスエネルギーを２００μＪ、パルス幅（ＦＷＨＭ）を２５０ｎｓ、ブリーチング光の供給パルス幅を１０００ｎｓ（１μｓ）、励起光の供給を連続供給に設定している。
また、図６は、図５に示した動作例について、励起光、ブリーチング光の供給タイミング、及び出力光パルスの出力タイミングを、増幅用光ファイバ１０での反転分布密度の時間変化とともに示すタイミングチャートである。
図５及び図６に示す動作例では、第１出力光パルスＰ１と、その次の第２出力光パルスＰ２との間の期間を、出力光パルスＰ１の出力直後を含み増幅用光ファイバ１０での反転分布が非飽和状態となっている第１期間Ｔ１と、出力光パルスＰ２の出力直前を含む第２期間Ｔ２とに区分している。そして、そのうちの反転分布が非飽和状態となっている第１期間Ｔ１において、増幅用光ファイバ１０にブリーチング光を供給している。また、第１期間Ｔ１及び第２期間Ｔ２を含む全期間において、増幅用光ファイバ１０に連続的に励起光を供給している。
図４において、グラフＡ２は、図５に示した第２の動作例における出力の時間変化を示している。このグラフＡ２に示すように、図５の動作例によってブリーチング光供給を行った場合、図２の動作例と同様に、５００時間の動作時間では、出力の低下は全くみられなかった。これは、出力光パルスが増幅用光ファイバ１０での反転分布をエネルギーとして取り出した直後から、励起光の供給によって増加しつつある反転分布密度が充分低い値にとどまっている第１期間Ｔ１（図６参照）においてブリーチング光を供給することにより、増幅用光ファイバ１０に対して連続的に励起光が供給されているにもかかわらず、増幅用光ファイバ１０の特性が回復していることを示すものである。
図７は、図１に示したファイバレーザ装置の動作の第３の例について示すタイミングチャートである。図７のタイミングチャートにおいて、横軸は時間（１ｓ／ｄｉｖ）を示している。本実施例では、出力レーザ光パルスの繰返し周波数を５０ｋＨｚ、パルスエネルギーを２００μＪ、パルス幅（ＦＷＨＭ）を２５０ｎｓに設定している。また、光パルスの出力については、一定の時間間隔で連続的に光パルスを出力する４秒間の動作期間と、光パルスを出力せずにレーザ動作を休止する１秒間の休止期間とを交互に行う構成としている。ここで、４秒間の動作期間内で増幅用光ファイバ１０から出力される出力光パルスによるパルス列を、パルス群とする。
図７に示す動作例では、第１出力光パルスを最後の出力光パルスとする複数の出力光パルスを含むパルス群を第１パルス群Ｇ１とし、その次のパルス群であって第２出力光パルスを最初の出力光パルスとする複数の出力光パルスを含むパルス群を第２パルス群Ｇ２としている。このとき、第１出力光パルスと第２出力光パルスとの時間間隔（１ｓ、休止期間と一致）は、第１パルス群Ｇ１内及び第２パルス群Ｇ２内での出力光パルスの時間間隔（２０μｓ）よりも広く設定されている。
このような構成において、図７の動作例では、第１パルス群Ｇ１内及び第２パルス群Ｇ２内においては、各出力光パルスの間でのブリーチング光の供給を行わず、第１出力光パルスと第２出力光パルスとの間（第１、第２パルス群の間）に設定された第１期間Ｔ１において、増幅用光ファイバ１０に対してブリーチング光を供給している。
すなわち、本動作例では、第１パルス群Ｇ１の最後の出力光パルスである第１出力光パルスの出力直後を含み、レーザ光源の休止期間のほぼ全期間にわたる約１秒間を第１期間Ｔ１としている。また、第２パルス群Ｇ２の最初の出力光パルスである第２出力光パルスの出力直前の所定期間、及び第２パルス群Ｇ２の各出力光パルスが出力されるレーザ光源の動作期間を含む約４秒間を第２期間Ｔ２としている。そして、そのうちの反転分布が非飽和状態となっている第１期間Ｔ１において、増幅用光ファイバ１０にブリーチング光を供給している。また、第２期間Ｔ２において、増幅用光ファイバ１０に連続的に励起光を供給している。
図４において、グラフＡ３は、図７に示した第３の動作例における出力の時間変化を示している。このグラフＡ３に示すように、図７の動作例によってブリーチング光供給を行った場合、図２の動作例及び図５の動作例と同様に、５００時間の動作時間では、出力の低下は全くみられなかった。これは、レーザ装置の休止期間内に設定された第１期間Ｔ１においてブリーチング光を供給することにより、増幅用光ファイバ１０の特性が回復していることを示すものである。
なお、本動作例において、励起光の出力は約１５Ｗ、ブリーチング光の出力は約５０ｍＷである。また、図４のグラフＡ３に示すレーザ出力は、ファイバレーザ装置の動作時のみの出力をサンプリングしたものである。また、図４のグラフＡ０は、上記したように、この第３の動作例での動作条件においてブリーチング光の供給を行わなかった場合の出力の時間変化を示している。
ここで、ファイバレーザ装置を産業用のレーザ装置として用いた場合、生産性向上の目的でレーザ装置の２４時間稼動を要求されることが多い。しかし、そのような場合でも、レーザ加工の対象物の入替えや位置決めなどの時間は必要であり、そのような時間はレーザ装置の休止期間となる。図７に示した動作例は、このようなレーザ装置の休止期間において、ブリーチング光供給による増幅用光ファイバ１０の特性回復を実行するなどの場合に有効である。
本発明によるファイバ光学装置、及びその駆動方法は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、ファイバ光学装置の具体的な構成については、図１に示す構成はその一例を示すものであり、その他にも様々な構成を用いて良い。例えば、増幅用光ファイバに対する励起光、ブリーチング光の供給については、図１の構成ではパルス種光と同様に光ファイバに対して入力端側から供給する構成としているが、光ファイバの出力端側、もしくは入力端及び出力端の両側から励起光、ブリーチング光を供給する構成としても良い。
また、増幅用光ファイバに対してブリーチング光を供給する第１期間については、上記した第１〜第３の動作例以外にも、ファイバ光学装置の具体的な構成や動作条件等に応じて、第１出力光パルスの出力直後を含み増幅用光ファイバでの反転分布が非飽和状態となっている期間との条件を満たすように、ブリーチング光の供給期間を適宜に設定することが可能である。
本発明は、フォトブリーチングによる増幅用光ファイバの特性回復を好適に実行することが可能なファイバ光学装置、及びその駆動方法として利用可能である。
ファイバ光学装置の一実施形態の構成を示す図である。 ファイバレーザ装置の動作の第１の例を示すタイミングチャートである。 励起光、ブリーチング光の供給タイミング、及び出力光パルスの出力タイミングを、反転分布密度の時間変化とともに示すタイミングチャートである。 ファイバレーザ装置の平均出力の時間変化を示すグラフである。 ファイバレーザ装置の動作の第２の例を示すタイミングチャートである。 励起光、ブリーチング光の供給タイミング、及び出力光パルスの出力タイミングを、反転分布密度の時間変化とともに示すタイミングチャートである。 ファイバレーザ装置の動作の第３の例を示すタイミングチャートである。
符号の説明
１Ａ…ファイバ光学装置、１０…増幅用光ファイバ、１５…パルス種光源、１６…光ファイバ、１７…光アイソレータ、１８…光コンバイナ、２１〜２５…励起光源、３０…光ファイバ、３１〜３５…光ファイバ、４０…ブリーチング光源、４５…光ファイバ、５０…制御装置、５１…種光源駆動部、５２…励起光源駆動部、５３…ブリーチング光源駆動部、５５…タイミング制御部。

Claims (10)

  1. レーザ活性物質を含有するコアを有する増幅用光ファイバと、
    前記増幅用光ファイバに対してパルス種光を供給する種光源と、
    前記増幅用光ファイバに対して前記レーザ活性物質への励起光を供給する励起光源と、
    前記増幅用光ファイバに対して、フォトダークニングによる光透過損失を低減するためのブリーチング光を供給するブリーチング光源と、
    前記種光源から前記増幅用光ファイバへの前記パルス種光の供給、前記励起光源からの前記励起光の供給、及び前記ブリーチング光源からの前記ブリーチング光の供給の相互のタイミングを制御する制御手段とを備え、
    前記励起光の供給によって反転分布状態となっている前記増幅用光ファイバに対して、前記パルス種光を供給することで、前記パルス種光が増幅された出力光パルスを生成して出力するとともに、
    前記制御手段は、
    第１出力光パルスと、その次の第２出力光パルスとの間を、前記第１出力光パルスの出力直後を含み前記増幅用光ファイバでの反転分布が非飽和状態となっている第１期間と、前記第２出力光パルスの出力直前を含む第２期間とを有する複数の期間に区分し、
    前記増幅用光ファイバに対して、前記第１期間において、前記ブリーチング光源からの前記ブリーチング光を供給するとともに、前記第２期間において、前記励起光源からの前記励起光を供給することを特徴とするファイバ光学装置。
  2. 前記ブリーチング光源から供給される前記ブリーチング光は、３５５ｎｍ〜５３２ｎｍの範囲内の波長を有する光であることを特徴とする請求項１記載のファイバ光学装置。
  3. 前記増幅用光ファイバのコアに含有される前記レーザ活性物質は、Ｙｂであることを特徴とする請求項１または２記載のファイバ光学装置。
  4. 前記第１期間及び前記第２期間を含む全期間において、前記増幅用光ファイバに対して前記励起光源からの前記励起光を供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のファイバ光学装置。
  5. 前記増幅用光ファイバから出力される前記出力光パルスによるパルス列は、前記第１出力光パルスを最後の出力光パルスとする複数の出力光パルスを含む第１パルス群と、前記第２出力光パルスを最初の出力光パルスとする複数の出力光パルスを含む第２パルス群とを含み、
    前記第１出力光パルスと前記第２出力光パルスとの時間間隔が、前記第１パルス群内及び前記第２パルス群内での出力光パルスの時間間隔よりも広く設定されており、
    前記第１パルス群内及び前記第２パルス群内においては、各出力光パルスの間での前記ブリーチング光の供給を行わず、前記第１出力光パルスと前記第２出力光パルスとの間に設定された前記第１期間において、前記増幅用光ファイバに対して前記ブリーチング光源からの前記ブリーチング光を供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のファイバ光学装置。
  6. レーザ活性物質を含有するコアを有する増幅用光ファイバと、
    前記増幅用光ファイバに対してパルス種光を供給する種光源と、
    前記増幅用光ファイバに対して前記レーザ活性物質への励起光を供給する励起光源と、
    前記増幅用光ファイバに対して、フォトダークニングによる光透過損失を低減するためのブリーチング光を供給するブリーチング光源とを備えるファイバ光学装置に適用され、
    前記励起光の供給によって反転分布状態となっている前記増幅用光ファイバに対して、前記パルス種光を供給することで、前記パルス種光が増幅された出力光パルスを生成して出力する出力ステップと、
    第１出力光パルスの出力直後を含み前記増幅用光ファイバでの反転分布が非飽和状態となっている第１期間において、前記増幅用光ファイバに対して前記ブリーチング光源からの前記ブリーチング光を供給するブリーチングステップと、
    前記第１出力光パルスの次の第２出力光パルスの出力直前を含む第２期間において、前記増幅用光ファイバに対して前記励起光源からの前記励起光を供給する励起ステップと
    を含むことを特徴とするファイバ光学装置の駆動方法。
  7. 前記ブリーチング光源から供給される前記ブリーチング光は、３５５ｎｍ〜５３２ｎｍの範囲内の波長を有する光であることを特徴とする請求項６記載のファイバ光学装置の駆動方法。
  8. 前記増幅用光ファイバのコアに含有される前記レーザ活性物質は、Ｙｂであることを特徴とする請求項６または７記載のファイバ光学装置の駆動方法。
  9. 前記第１期間及び前記第２期間を含む全期間において、前記増幅用光ファイバに対して前記励起光源からの前記励起光を供給することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載のファイバ光学装置の駆動方法。
  10. 前記増幅用光ファイバから出力される前記出力光パルスによるパルス列は、前記第１出力光パルスを最後の出力光パルスとする複数の出力光パルスを含む第１パルス群と、前記第２出力光パルスを最初の出力光パルスとする複数の出力光パルスを含む第２パルス群とを含み、
    前記第１出力光パルスと前記第２出力光パルスとの時間間隔が、前記第１パルス群内及び前記第２パルス群内での出力光パルスの時間間隔よりも広く設定されており、
    前記第１パルス群内及び前記第２パルス群内においては、各出力光パルスの間での前記ブリーチング光の供給を行わず、前記第１出力光パルスと前記第２出力光パルスとの間に設定された前記第１期間において、前記増幅用光ファイバに対して前記ブリーチング光源からの前記ブリーチング光を供給することを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項記載のファイバ光学装置の駆動方法。
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