JP5211062B2 - ファイバレーザ光源 - Google Patents

Description

本発明は、自励発振可能なパルスファイバレーザを得るファイバレーザ光源に関する。

これまで、１μｍ帯の光を発生するレーザ光源としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ等の固体レーザが主流となっている。これら固体レーザを用いたレーザ加工機や、これらの固体レーザの光を基本波とした可視光源などが実現されている。しかし、固体レーザを用いた場合、大出力になるほどレーザ媒質の冷却が必要となり、装置が大型化するという課題があった。そこで、簡単な冷却でＷ級の高出力が出力できるファイバレーザ光源は、溶接用途や、波長変換光源の基本波を得るためのものとして注目とされている。

このファイバレーザ光源の基本のレーザ動作について説明する。まず、励起用レーザ光源からの励起光がファイバの一端から入射する。入射した励起光は、ファイバに含まれるレーザ活性物質で吸収され、これにより、ファイバの内部では、基本波の種光が発生する。この基本波の種光は、ファイバに形成されたファイバグレーティングと、別のファイバのファイバグレーティングとを一対の反射ミラーとする共振器の中を何度も反射して往復する。それと同時に、種光はファイバに含まれるレーザ活性物質によるゲインで増幅されて、光強度が増大し、波長選択もされてレーザ発振に到る。なお、ファイバとファイバとは、接続部で接続されており、励起用レーザ光源は、励起用レーザ電流源により電流駆動される。

なお、出力光の一部は、ビームスプリッタで分離され、出力光をモニターするための受光素子で受光されたのち、電気信号に変換されて利用される。この変換された信号の強度に基づいて、所望の出力が得られる強度になるように、出力制御部は、励起用レーザ電流源を用いて励起用レーザ光源の駆動電流を調整する。そうすると、励起用レーザ光源からの励起光の強度が調整され、ファイバレーザの基本波の出力強度が調整される。これにより波長変換装置の出力の強度は一定に保たれる、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）が動作することとなる。

ところで、レーザ光源としては、高いピークパワーを持つパルス光源であれば、穴あけなどのレーザ加工、高効率波長変換などさらに用途が広がる。しかし、高いピークパワーを持つ光源として実用段階となっているのは連続発振のタイプであるため、レーザ溶接などに用途が限られている。ファイバを用いた光源でパルス発振させるための構成としては、変調された種光源をファイバアンプで増幅する構成が主流となっている。

加えて、ファイバレーザで発生した基本波から、波長変換装置で高調波を発生させる場合でも、同じ平均出力においては、連続光を波長変換するより高いピークパワーを持つパルス状の基本波光を発生させる方が、基本波から高調波への変換効率を向上させることができる。つまり、ファイバレーザのパルス発振は、波長変換効率の向上に大きく貢献する。

ファイバレーザのパルス化についても通信応用等で検討されている。具体的に、主共振器と副共振器とを設けて共振器内に光変調器を挿入し、光変調器により主共振器と副共振器のビート位相を整合させてパルスを発生させる方法が特許文献１に記述されている。また、異常分散特性を持つ光ファイバに高い強度のパルス光を入力し、周波数シフト効果により、狭帯域パルス光を発生させる方法（特許文献２）、ファイバレーザ共振器のファイバグレーティング部に過飽和吸収効果を持たせる方法（特許文献３）が示されている。

特許２５７７７８５号 特開平８−１４６４７４号公報 特開２００５−１７４９９３号公報

しかしながら、従来例の特許文献１及び２に示されたような方法は、超狭帯域のパルス光を発生させることは可能であるが、共振器内に変調器を挿入する必要があったり、励起効率が低かったりするため、光源としての効率が低下するという課題があった。また、特許文献３のように、過飽和吸収帯を共振器内に設けた場合においても、共振器内損失が大きくなるため、効率低下の要因となっていた。さらに、特許文献１〜３のいずれの場合も、連続光を発生させるファイバレーザ共振器の構成に加えて、新たな部材が必要となるため、コストアップの要因となるという課題もあった。

本発明は、新たな部品を追加することなくパルス発振を実現することができるファイバレーザ光源を提供することを目的としている。

本発明の一局面に係るファイバレーザ光源は、レーザ活性物質を含むファイバと、前記ファイバに励起光を入射する励起用レーザ光源と、前記レーザ活性物質を含むファイバを挟むように前記ファイバに光学的に接続されている一組のファイバグレーティングからなるレーザ共振器とを具備し、上記レーザ共振器は、偏波保持ファイバおよび単一偏光化機構で単一偏光化されており、レーザが出射される側の前記ファイバグレーティングの反射中心波長は、前記励起用レーザ光源に近い前記ファイバグレーティングにおける反射率が８０％以上９８％以下となる波長範囲内に存在する。

本発明によれば、ファイバグレーティングの屈折率を変化させて、各ファイバグレーティングの反射帯域の重なり部分を変化させることにより、レーザの自励発振を実現することができる。

本発明によれば、ファイバグレーティングの屈折率を変化させて、各ファイバグレーティングの反射帯域の重なり部分を変化させることにより、レーザの自励発振を実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るファイバレーザ光源の構成図である。 図２は、図１に示すファイバグレーティングの反射帯域を示すプロット図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る励起光の出力の波形とそれに対応する基本波の出力の波形との関係を示すプロット図である。 図４は、本発明の第３の実施形態に係るファイバグレーティングの反射帯域を示すプロット図である。 図５は、本発明の第４の実施形態に係る共振器延長ファイバを示した構成図である。 図６は、図５に示す共振器延長ファイバを用いることでパルスピークが大きくなることを示すプロット図である。 図７は、本発明の第５の実施形態に係る励起用レーザ光源に近い広帯域ファイバグレーティングを構成するファイバを通過する光のモードフィールド径が大きいことを示すプロット図である。 図８は、本発明の第５の実施形態に係る広帯域ファイバグレーティングとしてサンプルドファイバグレーティング構造を採用した構成を示す模式図である。 図９は、ファイバ長をパラメータとした励起波長の吸収率を示したプロット図である。 図１０は、ファイバレーザの温度特性を測定した際の構成を示す模式図である。 図１１は、励起光の波長を９７３ｎｍとした場合のファイバレーザ出力の温度特性を示したプロット図である。 図１２は、励起光の波長を９７７ｎｍとした場合のファイバレーザ出力の温度特性を示したプロット図である。 図１３は、本発明の実施形態に係るファイバレーザ出力の温度特性を示したプロット図である。 図１４は、本発明の第１〜第５の実施形態に係るファイバレーザ光源を画像表示装置に使用した場合の一例を示した模式図である。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。なお、図面で同じ符号を付したものは、説明を省略する場合もある。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の一例について図１に示している。ファイバレーザ光源１００は、コア部分に希土類としてＹｂをドープしたダブルクラッド偏波保持ファイバ１０３（本実施の形態の場合、ファイバ長１０ｍ）と、ファイバ１０３に励起光を入射するポンプ用ＬＤ１０１と、ファイバ１０３を挟むようにファイバ１０３に光学的に接続されている一組のファイバグレーティング１０２、１０４からなるレーザ共振器とを備えている。

ファイバレーザ光源１００は、ポンプ用ＬＤ１０１によりファイバ１０３を励起し、一組のファイバグレーティング１０２、１０４で構成された共振器内でレーザ光（基本波）を発振させる。ファイバ１０３としてＹｂをドープしたダブルクラッド偏波保持ファイバを採用しているため、ファイバグレーティングの特性を操作することにより、１０５０ｎｍ以上１１７０ｎｍ以下の光を任意に発振でき、ファイバレーザ光源１００は、加工用途や波長変換光源等に応用できる。したがって、ファイバ１０３のレーザ活性物質としてＹｂを選択した。

本実施の形態では、ポンプ用ＬＤ１０１として、発振波長９７５nmのシングルエミッターレーザダイオード（最大出力８Wを３個）を使用している。ファイバグレーティング１０２は、ゲルマニウムを添加することにより紫外線に対する感度を向上させたダブルクラッド偏波保持ファイバ１０６のコア部分に形成されており、中心波長１０６４ｎｍ、反射スペクトル半値幅１ｎｍ、反射率９８％という特性を持っている。また、ファイバグレーティング１０４は、一般的なシングルモード偏波保持ファイバ１０７（コア径６μｍ、クラッド外形１２５μｍ）のコア部分であってゲルマニウムが添加された部分に形成されており、中心波長１０６４ｎｍ、反射スペクトル半値幅０．０５ｎｍ、反射率１０％以上１５％以下という特性を持っている。反射スペクトル半値幅については、波長変換光源の基本波として使用する際、波長変換モジュール内での可視光への変換効率を考慮すると、０．１ｎｍ以下、具体的には０．０１ｎｍ以上０．０６ｎｍ以下の範囲内にあることがより望ましいが、この検討においてファイバグレーティング１０４の反射帯域が０．０５ｎｍ以下である場合、より安定して自励発振することを確認している。特に、ファイバグレーティング１０２の反射帯域が１ｎｍ以上であり、かつ、ファイバグレーティング１０４の反射帯域が０．０５ｎｍ以下である場合には、さらに安定してレーザの自励発振を行うことが確認されている。

また、希土類添加ダブルクラッドファイバの発振したレーザ光に対するモードフィールド径が８μｍ以上１３μｍ以下である場合、より安定してレーザの自励発振を行うことができることも確認されている。この理由として、モードフィールド径が増加する分だけ、レーザ活性物質である希土類イオンの密度を同一にした場合においても、レーザ活性物質の添加量を増やすことができることが挙げられる。

なお、ファイバレーザ光源１００を波長変換光源の基本波として使用する場合、ファイバレーザ光源１００における偏光方向を単一偏光（直線偏光）に調整することが望ましい。直線偏光に調整する理由としては、ＳＨＧモジュール内の波長変換結晶が一方の偏光成分しか波長変換しないからである。その後、発振した１０６４ｎｍ付近の基本波光を伝搬させる光偏波保持ファイバにより、基本波光をＳＨＧモジュールに導入し、第２高調波発生により５３２ｎｍの光を発生させる。

本実施の形態では、出力側のファイバグレーティング１０４に高強度の光が入射されることにより（例えば、コア径５μｍ以上１０μｍ以下のファイバに１Ｗの光を入射することにより）、ファイバグレーティング１０４の屈折率の変化に応じて反射中心波長が短波長側又は長波長側に変化する。

図２は、本実施の形態における一組のファイバグレーティングの反射中心波長の変化を示す。図２は、ファイバグレーティング１０２における反射スペクトル２０３と、ファイバグレーティング１０４の反射スペクトル２０１とを示している。例えば、反射スペクトル２０１は、前記高強度の光の入射に応じて矢印Ｙ１に示すように短波長側の反射スペクトル２０２にシフトする。

このように、反射スペクトル２０１の反射中心波長が反射スペクトル２０２の反射中心波長に変化することにより、ファイバグレーティング１０４の反射帯域と励起側のファイバグレーティング１０２の反射帯域との重なり積分（重なり部分）を小さくすることができる。例えば、図２に示すように、ファイバグレーティング１０４の変化前の反射スペクトル２０１をファイバグレーティング１０２の反射スペクトルに短波長側で重なるように設定し、この状態から反射スペクトル２０１を矢印Ｙ１に示す短波長側に変化して反射スペクトル２０２となることにより、ファイバグレーティング１０２の反射帯域とファイバグレーティング１０４の反射帯域との重なり積分を小さくすることができる。

そして、前記重なり積分が小さくなると、ファイバレーザ共振器内への閉じこめエネルギーが小さくなり、基本波のピーク出力は、低下する。そして、前記閉じこめエネルギーが小さくなると、ファイバグレーティング１０４の反射中心波長（反射スペクトル２０２）が矢印Ｙ２に示すように変化前の状態（反射スペクトル２０１）に戻るため、基本波のピーク出力は、再び増大する。このように反射中心波長の変化の繰り返しにより、自励パルス発振が実現される。パルス発振の周期は、共振器長すなわち励起側のファイバグレーティング１０２の中央位置から出射側のファイバグレーティング１０４の中央位置までのファイバ長（つまり、レーザ共振器の共振器長）で決定される。本実施の形態の場合、ファイバ長は、１０ｍ程度であるため、パルス発振の周期は、１００ｎｓ程度となる。

このような反射中心波長が光強度によって変化するという特性（光屈折率が変化するという特性）を得るためには、ファイバグレーティング１０４を構成するファイバのコア部に、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の元素を添加することを要する。

さらに、ファイバレーザ共振器内への閉じこめエネルギーの変化量を大きくするために、広帯域側のファイバグレーティング１０２において反射率が８０％以上で、かつ、９８％以下となる反射スペクトルの反射帯域端で、狭帯域側のファイバグレーティング１０４の反射スペクトルが重なっていることが必要である。

つまり、ファイバグレーティング１０２において反射率が８０％以上で、かつ、９８％以下となる波長範囲Ｅ１内に、ファイバグレーティング１０４の反射中心波長が存在するように設定されていることを要する。

より好ましくは、図２に示す波形の右上がりの傾斜線において反射率が８０％以上で、かつ、９８％以下となる波長範囲Ｅ２内、又は図２に示す波形の右下がりの傾斜線において反射率が８０％以上で、かつ、９８％以下となる波長範囲Ｅ３内に、ファイバグレーティング１０４の反射中心波長が存在するように調整されているようにすることができる。

このようにすれば、反射スペクトル２０１の反射中心波長が少しでも変化（屈折率変化）することにより、反射スペクトル２０１の反射中心波長がファイバグレーティング１０４の反射率の大きな範囲から外れることになるため、前記閉じこめエネルギーの変化が生じやすくなる。具体的に、波長範囲Ｅ２内にファイバグレーティング１０２の反射中心波長が存在する場合には、矢印Ｙ１に示すように短波長側に反射中心波長を変化させることにより、前記閉じこめエネルギーの変化を生じさせることができる。一方、波長範囲Ｅ３内にファイバグレーティング１０２の反射中心波長が存在する場合には、矢印Ｙ２に示すように長波長側に反射中心波長を変化させることにより、前記閉じこめエネルギーの変化を生じさせることができる。反射スペクトル２０１が短波長側へシフトするか長波長側へシフトするかは、各種の条件に応じて設定することが可能である。

なお、前記の説明では、反射率が８０％以上９８％以下の範囲として波長範囲Ｅ１〜Ｅ３を規定しているが、これら波長範囲Ｅ１〜Ｅ３の上限値は、ファイバグレーティング１０２が有する反射率の上限によって定まるものである。換言すると、ファイバグレーティング１０２として反射率９９％のものを採用した場合には、前記波長範囲Ｅ１〜Ｅ３は、反射率が８０％以上９９％以下の範囲として規定されることになる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に記載した構成では、光出力波形に直流成分が含まれてしまうことがある。本実施形態では、基本波のパルス発振の周期に合わせて励起光を変調させることにより、直流成分を低減する方法について説明する。励起光の光出力と発振した基本波光の出力波形とを比較したプロット図を図３に示す。図３（Ａ）は、連続発振させた励起光の出力と、この励起光の出力に応じて出力側のファイバグレーティング１０４の反射中心波長変化（屈折率変化）のみで自励発振を行った場合の基本波の出力との関係を示している。

図３（Ａ）に示すように、励起光を連続発振させた場合、ファイバグレーティング１０４の屈折率変化により周期Ｐ１（例えば、１００ｎｓ）で基本波のパルス発振が行われる。このとき、基本波の光出力には直流成分（図３（Ａ）のピーク以外（基底値）の値）が含まれている。図３（Ｂ）に示すように、ポンプ用ＬＤ１０１による励起光の出力を前期周期Ｐ１に対応して１０ＭＨｚで変調した出力とすることにより、前記基本波の周期Ｐ１と励起光の周期Ｐ２とを一致させることができる。このように基本波の自励発振周期Ｐ１と励起光の周期Ｐ２とを一致させると、図３（Ｂ）に示すように、図３（Ａ）に示すものと比較して、基本波の出力における直流成分を低減することができる。なお、図３（Ｂ）における基本波の周期Ｐ３は、図３（Ａ）における基本波の周期Ｐ１と同一である。

また、図３（Ｃ）に示すように、前記周期Ｐ２でファイバレーザの発振閾値以下の光量の励起光を発振させるとともに、前記周期Ｐ２の整数倍の周期Ｐ４で前記発振閾値を超える光量を持つパルス状の励起光を発生させるという方法によっても、基本波の出力における直流成分を低減することができる。具体的に、例えば、１００ｎｓの周期Ｐ２でファイバレーザの発振閾値以下の光量の励起光を発振させるとともに、３００ｎｓの周期Ｐ４で前記発振閾値を超える光量を持つ励起光を発生させることができる。このようにすれば、１００ｎｓの周期Ｐ３で小さなピークが現れるとともに、周期Ｐ４と同一の周期Ｐ５で最大ピークが現れるような基本波をパルス発振させることができる。

ところで、このファイバレーザ光源を用いた波長変換光源をディスプレイ用光源として使用し、空間変調素子としてＤＭＤ（デジタル変調の微小ミラーデバイス）と一枚の変調素子とを用いてフルカラーの映像を表示させる場合、６０Ｈｚの周期で赤・緑・青色の光を順次点灯させると、ヒトの目にとって色が分かれて見える現象（カラーブレーキング）が発生し、画質が低下する原因となる。そのため、通常倍速駆動することが一般的である。データ表示用プロジェクタで６倍速（３６０Ｈｚ）から１２倍速（７２０Ｈｚ）、リアプロジェクションテレビで３６（２１６０Ｈｚ）から４８倍速（２８８０Ｈｚ）駆動するのが一般的である。ディスプレイでの応用として、前記倍速駆動に合わせてコントラストを向上させるためにライトコントロール機能を追加した場合を検討すると、８段階（８ビット）に明るさを変化させるためには、さらに８倍の早さ、つまり６倍速の場合で３ｋＨｚ程度、４８倍速の場合で２５ｋＨｚ程度以上の早さで点灯できることが必要となる。このビット数を大きくすると、よりなめらかな光量制御を実現することができるため、８ビット以上の分解能を確保するのが好ましい。以上の点から考えると、本願のファイバレーザをディスプレイに応用する際は、パルス周期を２０ｋＨｚ以上、１０ＭＨｚ以下とすることが望ましい。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、ファイバグレーティングの反射帯域にリップルを持たせることで、ファイバグレーティング部がわずかに屈折率変化してもパルス発振可能となる構成について説明している。本実施の形態に係る構成は、基本的には図１と同様である。つまり、ファイバレーザ光源１００は、コア部分に希土類としてＹｂをドープしたダブルクラッド偏波保持ファイバ１０３（本実施の形態の場合、ファイバ長２０ｍ）と、ファイバ１０３に励起光を入射するポンプ用ＬＤ１０１と、ファイバ１０３を挟むようにファイバ１０３に光学的に接続されている一組のファイバグレーティング１０２、１０４からなるレーザ共振器とを備えている。

ファイバレーザ光源１００は、ポンプ用ＬＤ１０１によりファイバ１０３を励起し、一組のファイバグレーティング１０２、１０４で構成された共振器内でレーザ光（基本波）を発振させる。ポンプ用ＬＤとして、発振波長９７５ｎｍのシングルエミッターレーザダイオード（最大出力２０Wを１個）を使用している。また、ファイバ１０３としては、Ｙｂをドープしたダブルクラッド偏波保持ファイバを用いている。ファイバグレーティング１０２、１０４の反射波長を決めることにより、１０６４ｎｍのレーザ発振が実現されている。ファイバグレーティング１０２は、ゲルマニウムが添加されたダブルクラッド偏波保持ファイバのコア部分に形成されている。ファイバグレーティング１０２は、中心波長１０６４ｎｍ、反射スペクトル半値幅１．５ｎｍ、ピーク反射率９８％という特性を持っている。

図４は、第３の実施の形態に係るファイバグレーティングの反射スペクトルを示す。図４では、ファイバグレーティング１０２の反射スペクトルを４０１で示し、ファイバグレーティング１０４の反射スペクトルを４０２で示す。ファイバグレーティング１０２のリップルの深さは、１５％であり、リップルの間隔は、約０．０４ｎｍである。また、ファイバグレーティング１０４は、ゲルマニウムを添加した一般的なシングルモード偏波保持ファイバ（コア径６μｍ、クラッド外形１２５μｍ）のコア部分に形成されており、中心波長１０６４ｎｍ、反射スペクトル半値幅０．０４ｎｍ、反射率１５％という特性を持っている。

本第３の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なり、ファイバグレーティング１０２に高強度の光が入射されることにより、ファイバグレーティング１０２の反射中心波長が変化する。ファイバグレーティング１０２の反射中心波長が変化することにより、出射側のファイバグレーティング１０４の反射帯域との重なり積分が小さくなる。すなわち、ファイバレーザ共振器内への閉じこめエネルギーが小さくなり、基本波のピーク出力は低下する。そして、前記閉じこめエネルギーが小さくなると、ファイバグレーティング１０２の反射中心波長が変化前の状態に戻るため、基本波のピーク出力は、再び増大する。このように反射中心波長の変化の繰り返しにより、自励パルス発振が実現される。パルス発振の周期は、共振器長すなわち励起側のファイバグレーティング１０２の中央位置から出射側のファイバグレーティング１０４の中央位置までのファイバ長で決定される。本実施の形態の場合、ファイバ長は、２０ｍ程度のため、パルス発振の周期は、２００ｎｓ程度となる。以上の構成とすることにより、ＣＷ（連続発振）の場合の１０倍となる基本波のピーク出力を得ることができる自励発振パルスファイバレーザを得ることができた。

なお、本実施の形態では、ファイバグレーティング１０２のリップルを１５％としたがこれに限ることはない。例えば、ファイバグレーティング１０２のリップルを２０％とすることにより、ＣＷの場合の１５倍となる基本波のピーク出力を得ることできた。

本実施の形態のように励起側のファイバグレーティング１０２にリップルを持たせることで、出射側のファイバグレーティング１０４との波長を厳密に合わせる必要がなく簡便であり、その工業的価値は高い。

（第４の実施の形態）
第４の実施形態では、共振器を長くすることで、よりピーク出力の大きいパルスを得ることが可能な構成について説明する。本実施の形態に係る構成は、図１と概ね同様である。第１の実施の形態に記載した構成（図５（Ａ）参照）では、パルス発振の周期は、共振器長により決まる。つまり、共振器を構成する励起側のファイバグレーティング１０２の中央位置から出射側のファイバグレーティング１０４の中央位置までのファイバ１０３の長さ（共振器長）を長くすることにより、パルス発振の周期を長くすることができる。パルス発振の周期が長くなると、ファイバレーザ共振器内への閉じ込めエネルギーが大きくなり、出射されるパルスのピーク出力が大きくなる。

そこで、本実施の形態では、図５（Ｂ）に示すように、ファイバグレーティング１０２、１０４の間に、前記ファイバ１０３に加えて共振器延長ファイバ５０１を挿入することとしている。これにより、共振器延長ファイバ５０１を有しない図６（Ａ）の比較例と比べて、図６（Ｂ）に示すように、パルスの周期を長くし、パルスのピーク出力を大きくしている。本実施の形態では、ポンプ用ＬＤ１０１として発振波長９１５ｎｍのシングルエミッターレーザダイオード（最大出力６．５Ｗを３個）を使用している。ファイバグレーティング１０２は、ダブルクラッド偏波保持ファイバのコア部分に形成されており、中心波長１０６４ｎｍ、反射スペクトル半値幅０．５ｎｍ、反射率９９％という特性を持っている。ファイバグレーティング１０４は、一般的なシングルモード偏波保持ファイバ（コア径１０μｍ、ファイバ外径１２５μｍ）のコア部分に形成されており、中心波長１０６４ｎｍ、反射スペクトル半値幅０．０５ｎｍ、反射率１０％という特性を持っている。コア部分に希土類としてＹｂがドープされたダブルクラッド偏波保持ファイバ１０３のコア径は、６μｍである（例えば、NUFERN PM-YDF130/5）。ポンプ用ＬＤ１０１のポンプパワーを１９Ｗとして励起した条件下で、ＣＷ動作での平均出力が最大となるように、ファイバ１０３のファイバ長は、２０ｍとなっている。前記条件下での出力は、９．５Ｗであった。これをパルス動作させた場合、ピーク出力は、ＣＷ動作時の平均出力の約１０倍に当たる９４Ｗになった。さらに、共振器延長ファイバ５０１を２０ｍ挿入した場合、ピーク出力は、ＣＷ動作時の平均出力の約２０倍に当たる１９０Ｗになり、パルスの高ピーク化に成功した。共振器延長ファイバ５０１としてはレーザ活性物質を含まない偏波保持ファイバが望ましい。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では、ファイバレーザ共振器の構成部品であるファイバグレーティングが光のパワーにより破壊されることを抑制することが可能な構成について説明する。本実施の形態に係る構成は、図１と同様である。本実施の形態のファイバレーザ光源１００は、パルス動作をすることから、ＣＷ動作の場合と比較して時間的にも空間的にも光のパワー密度が高くなる。特に励起側のファイバグレーティング１０２では、１００％に近い反射率を持つことに起因して、入射光と反射光とが重なり、光のパワー密度が高くなりやすい。そのために、高出力で動作させた場合には、ファイバレーザ共振器の構成部品であるファイバグレーティングが光のパワーにより破壊されることがある。

そこで、本実施の形態では、前記破壊を抑制するために、ファイバグレーティングを構成するファイバとして、図７のようにモードフィールド径（直径）７０３の大きいファイバを用いている。具体的には、モードフィールド径７０３を８μｍ（図７（Ａ））以上１３μｍ（図７（Ｂ））以下にすることにより、空間的に光パワー密度を約４分の１に低減することができる。レーザ活性物質を含むファイバのモードフィールド径が８μｍ以上１３μｍ以下であるとした場合、融着損失を考慮すると、ファイバグレーティングを構成するファイバのモードフィールド径は、９μｍ以上１５μｍ以下が最適となる。さらに、励起側のファイバグレーティング１０２として、図８のように複数のファイバグレーティング８０１からなるサンプルドファイバグレーティング構造を採用することもできる。これにより、複数箇所で反射が起こるようになることから、ファイバグレーティング１つ当たりの光パワー密度が低減できる。

なお、第１から第４の実施の形態において、ファイバレーザの励起用レーザ光源には、波長９１５ｎｍおよび波長９７６ｎｍのレーザを用いたが、ファイバレーザを効率よく励起するためには、波長９７６ｎｍのレーザであることが望ましい。しかし、Ｙｂがドープされたファイバは、波長９７６ｎｍについての吸収スペクトルの帯域が狭く、かつ半導体レーザの発振波長は、環境温度や供給電流により変化するため、温度特性が劣化するという課題があることがわかった。この課題を回避するため、本実施の形態に係るファイバレーザ光源は、レーザ活性物質を含むファイバと、ファイバに励起光を入射する励起用レーザ光源と、前記ファイバを挟む形で前記ファイバに光学的に接続されている一組のファイバグレーティングからなるレーザ共振器とを具備し、温度が上昇するに従い、その発振中心波長が長波長側にシフトするとともに、出力が低下することを特徴とし、前記レーザ活性物質を含むファイバの長さは、前記レーザ活性物質を含むファイバの吸収ピーク波長の光を９５％以上吸収するファイバ長の１．５倍以上２倍以下であることが望ましい。

図９は、ファイバ長をパラメータとした励起光波長に対する吸収率の関係を表したプロット図を示す。図９は、ファイバとして、モードフィールド径6μｍのＹｂ添加ダブルクラッド偏波保持ファイバ（例えば、ＮＵＦＥＲＮ ＰＭ−ＹＤＦ１３０／５）を用いた場合について示している。以下の説明では、吸収率がピーク値の９０％となる波長幅（以後、励起光波長許容幅と定義する）を各ファイバ長について比較する。このプロット図より、励起光波長を９７６ｎｍで固定し、かつ、環境温度２５℃とした場合においてＹｂファイバの吸収ピーク波長の光を９５％以上吸収するＹｂファイバの最適長（以後、最適長と定義する）である９ｍのＹｂドープファイバを用いた場合、励起光波長許容幅は６ｎｍ程度であるのに対し、Ｙｂファイバの長さをほぼ１．５倍とした１５ｍの励起光波長許容幅は、９ｍのＹｂファイバの倍に当たる１２ｎｍ程度となることが分かった。さらに、Ｙｂファイバの長さを２倍の１８ｍとした場合の励起光波長許容幅は、Ｙｂファイバの長さを１．５倍とした場合とあまり変わらず１４ｎｍ程度となっている。この結果から、励起光波長許容幅は、最適長の１．５倍以上で、かつ、２倍以下とすることが望ましい。

Ｙｂドープファイバのファイバ長を最適長あるいは最適長の１．５倍とした場合のファイバレーザ共振器を構成して、それぞれ環境温度を変化させた場合の温度特性を測定した。

図１０は、ファイバレーザの温度特性を測定した際の構成を示す模式図である。ポンプ用ＬＤ１０１は、ヒートシンク１００１に固定されており、冷却ファン１００２で強制空冷されている。ファイバレーザ共振器は、先に説明したように、ファイバグレーティング１０２、１０４およびＹｂドープファイバから構成されている。これら全てを恒温槽内に配置し、環境温度を自在に変化できるような状態で、温度特性の測定を行った。

図１１および図１２は、ファイバレーザの長さを最適長とし、異なる環境温度条件下で測定されたポンプ用ＬＤへの供給電流値に対するファイバレーザの出力を示している。図１１は、ファイバレーザの長さを最適長とし、励起用レーザ（ポンプ用ＬＤ）の発振波長が９７３ｎｍ（環境温度２５℃ 供給電流９Ａ ７Ｗ出力時）の場合における、ポンプ用ＬＤへの供給電流値に対するファイバレーザ出力の値を示している。Ｙｂドープファイバの吸収ピークである９７６ｎｍに対し、短波長側である発振波長９７３ｎｍのレーザを励起に使用した場合、環境温度が上昇するに従い励起用レーザの発振波長が長くなるため、ファイバレーザ出力の値が上昇する傾向となる。環境温度２５℃の時に最高出力で３．２Ｗの出力を得ることができるのに対し、環境温度３５℃の時で３．６Ｗの出力を得ることができる。つまり、環境温度によって最大出力値が変動していることが分かる。逆に、長波長側である９７７ｎｍ（環境温度２５℃ 供給電流９Ａ ７Ｗ出力時）の場合における、ポンプ用ＬＤへの供給電流値に対するファイバレーザ出力の値を示しているのが図１２である。図１２に示すように、環境温度が２５℃の時には３．８Ｗの出力を得ることができるものの、環境温度が３５℃となったとき３Ｗ以下に低下してしまい、温度特性の改善は見られないことが分かる。つまり、最適長のＹｂファイバでは、ポンプ用ＬＤの発振波長がいかなる場合においても９７６ｎｍでなければ、温度特性の改善を図ることはできないといえる。

一方、図１３は、Ｙｂファイバ長を最適長の１．５倍である１５ｍとしたときのポンプ用ＬＤへの供給電流値に対するファイバレーザ出力の値を示している。図１３では、励起用レーザの発振波長を９７７ｎｍとした場合を示している。図１３に示すように、環境温度２５℃のとき出力３．８Ｗ、環境温度３５℃のとき出力３．７５Ｗが得られており、温度変化による出力変動を２％以下に低減できた。このような検討を発振波長が９７０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である半導体レーザを用いた励起により行ったが、いずれの場合においても、出力変動を５％以下とすることが可能であり、温度特性改善効果が得られることを確認している。なお、励起に使用する半導体レーザ光源の発振波長が特に９７０以上９７６ｎｍ以下の場合、レーザダイオードへの供給電流値を一定とした場合の環境温度による出力低下をＹｂファイバへの励起光吸収率向上によりカバーすることが可能となるため、温度による出力変動をより小さくすることが可能となる。

以上のような構成を取ることにより、９７６ｎｍ帯半導体レーザを使用する際に必須であった、ペルチェ素子等の冷却機構を必要とせず、ヒートシンクと冷却ファンによる強制空冷のみで、室温（例えば、２０℃又は２５℃）〜４０℃又は５０℃程度の環境で使用できるパルス光源を実現することが可能となる。

なお、第１から第５の実施の形態においてファイバ１０３として、希土類元素としてＹｂをドープしたものを用いたが、他の希土類元素、例えば、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｅｕ、等から選択された少なくとも１つの希土類元素を用いてもよい。また、発振波長や出力に応じて希土類元素のドープ量を変えたり、複数の希土類元素をドープしたりしてもよい。

また、図１４に本願で提案しているファイバレーザ光源を用いたプロジェクタシステムの光学エンジンの模式図を示している。

本実施の形態に係る２次元画像表示装置１４００は、液晶３板式プロジェクターの光学エンジンに前記ファイバレーザ光源を適用させた一例である。具体的に、２次元画像表示装置１４００は、画像処理部１４０２と、レーザ出力コントローラー（コントローラー）１４０３と、ＬＤ電源１４０４と、赤色、緑色、青色レーザ光源１４０５Ｒ、１４０５Ｇ、１４０５Ｂと、ビーム形成ロッドレンズ１４０６Ｒ、１４０６Ｇ、１４０６Ｂと、リレーレンズ１４０７Ｒ、１４０７Ｇ、１４０７Ｂと、折り返しミラー１４０８Ｇ、１４０８Ｂと、画像を表示させるための２次元変調素子１４０９Ｒ、１４０９Ｇ、１４０９Ｂと、偏光子１４１０Ｒ、１４１０Ｇ、１４１０Ｂと、合波プリズム１４１１と、投影レンズ１４１２とを備えている。

緑色レーザ光源１４０５Ｇは、グリーン光源の出力をコントロールするコントローラー１４０３およびＬＤ電源１４０４によって制御される。具体的に、緑色レーザ光源１４０５Ｇは、前記パルスファイバレーザ光源１００（図１参照）と、パルスファイバレーザ光源１００から出射された基本波を高調波に変換するための波長変換素子（図示せず）とを備えている。

各光源１４０５Ｒ、１４０５Ｇ、１４０５Ｂからのレーザ光は、ロッドレンズ１４０６Ｒ、１４０６Ｇ、１４０６Ｂにより矩形に整形され、リレーレンズ１４０７Ｒ、１４０７Ｇ、１４０７Ｂにより２次元変調素子１４０９Ｒ、１４０９Ｇ、１４０９Ｂにそれぞれ導かれる。各色の２次元変調素子１４０９Ｒ、１４０９Ｇ、１４０９Ｂは、リレーレンズ１４０７Ｒ、１４０７Ｇ、１４０７Ｂから導かれたレーザ光によって照明される。２次元変調素子１４０９Ｒ、１４０９Ｇ、１４０９Ｂにより２次元に変調された各色の画像は、合波プリズム１４１１によって合成され、投影レンズ１４１２よりスクリーン上に投影される。これにより、スクリーン上に映像が表示される。

また、緑色レーザ光源１４０５Ｇは、レーザ共振器をファイバ内に閉じた系とすることにより、外部からの塵の侵入あるいは反射面のミスアライメントの発生などで共振器の損失が増加するのを抑制することができる。したがって、出力の経時低下・出力変動を抑制することができる。

一方、画像処理部１４０２では、入力される映像信号１４１３の輝度情報に応じてレーザ光の出力を変動させる光量制御信号を発生し、レーザ出力コントローラー１４０３に送出する役割を果たしている。輝度情報に応じて光量を制御することにより、コントラストを向上することが可能となる。

この際、レーザをパルス駆動し、レーザの点灯時間のデューティー比（点灯時間／（点灯時間＋非点灯時間）の値）を変化させることにより平均的な光量を変化させるような制御方法（ＰＷＭ制御）を取ることもできる。

また、このプロジェクタシステムに用いられる緑光源の波長は、５１０ｎｍから５５０ｎｍの緑色レーザ光を出射する構成としてもよい。この構成により、視感度の高い緑色のレーザ出力光を得ることができ、色再現性の良いディスプレイとして、さらに原色に近い色表現をすることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の２次元画像表示装置は、スクリーンと、複数のレーザ光源と、レーザ光源を走査する走査部とを備え、レーザ光源は、少なくとも赤色、緑色および青色をそれぞれ出射する光源を用いた構成からなり、レーザ光源のうち、少なくとも緑色の光源は上記のいずれかの波長変換装置を用いた構成としてもよい。

この構成により、視感度の高い緑色のレーザ出力光を得ることができるので、色再現性の良いディスプレイ等に使用して、さらに原色に近い色表現をすることができる。

以上のように本発明では、レーザをパルス発振させる手段として、光強度による共振器内ロスの変化に代えて、共振器を構成する反射鏡（ファイバグレーティング）の反射特性を変化させることにより共振器内のＱ値を制御する方法が採用されている。

具体的に、光屈折率を変化させて反射中心周波数をシフトさせることによって、ファイバグレーティングの反射特性を変化させる。

なお、光出力波形における直流成分の低減のため、自励発振する周波数に合わせて、励起光を注入する制御方法を採ることもできる。

また、ファイバレーザ共振器の構成部品であるファイバグレーティングの破壊を防止するために、ファイバのモードフィールド径を大きくすること、又はファイバグレーティングをサンプルドファイバグレーティング構造にすることによって、光のパワー密度を下げることもできる。

また、上述のファイバレーザ光源では、新たな部品を追加することなく、パルス発振が可能であるため、高効率なレーザ加工機や波長変換光源などを実現することができる。

加えて、パルス発振ファイバレーザ光源の実現の課題となっていた構成部品の破壊も防止することができ、より信頼性の高いファイバレーザ光源を実現できる。

なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。

本発明の一局面に係るファイバレーザ光源は、レーザ活性物質を含むファイバと、前記ファイバに励起光を入射する励起用レーザ光源と、前記レーザ活性物質を含むファイバを挟むように前記ファイバに光学的に接続されている一組のファイバグレーティングからなるレーザ共振器とを具備し、上記レーザ共振器は、偏波保持ファイバおよび単一偏光化機構で単一偏光化されており、レーザが出射される側の前記ファイバグレーティングの反射中心波長が、前記励起用レーザ光源に近い前記ファイバグレーティングにおける反射率が８０％以上９８％以下となる波長範囲内に設定された波長特性を有する。

本発明によれば、ファイバグレーティングの屈折率を変化させて、各ファイバグレーティングの反射帯域の重なり積分を変化させることにより、レーザの自励発振を実現することができる。その理由は以下の通りである。

ファイバグレーティングに光強度の光が入射されることにより、当該ファイバグレーティングの屈折率が変化し、この屈折率変化に応じてファイバグレーティングの反射中心波長が変化する。このように反射中心波長が変化することにより、両ファイバグレーティングの反射帯域の重なり部分が小さくなり、レーザ共振器内の閉じこめエネルギーが小さくなってレーザのピーク出力が低下する。そして、前期閉じこめエネルギーが小さくなると、ファイバグレーティングの反射中心波長が変化前の状態に戻るため、レーザのピーク出力が再び増大する。このように反射中心波長の変化の繰り返しにより、自励パルス発振を実現することができる。

前記ファイバレーザ光源において、前記励起用レーザ光源に近いファイバグレーティングの帯域が１ｎｍ以上であり、前記レーザが出射される側のファイバグレーティングの帯域が０．０５ｎｍ以下であり、前記レーザ共振器からレーザをパルス発振させることが好ましい。

前記ファイバレーザ光源において、前記レーザ共振器により発生した光が前記レーザ活性物質を含むファイバを通過する際のモードフィールド径が８μｍ以上１３μｍ以下であることが好ましい。

これらの構成によれば、より安定したレーザの自励発振を行うことができる。

前記ファイバレーザ光源において、前記レーザが出射される側のファイバグレーティングを形成するファイバに、鉛、錫、アンチモン、ビスマス、ゲルマニウムのうちの１種類以上の金属あるいは金属化合物が添加されていることが好ましい。

ファイバグレーティングを形成するファイバとして、このようなファイバを採用することにより、光強度によって反射中心波長が変化するような特性（屈折率が変化するという特性）を有するファイバグレーティングを得ることができる。

前記ファイバレーザ光源において、前記レーザ共振器の共振器長で決定される自励発振周期と、前記励起用レーザ光源の発光周期とが一致していることが好ましい。

この構成によれば、レーザ共振器から出射されるレーザの直流成分を低減することができる。

前記ファイバレーザ光源において、前記励起用レーザ光源に近い広帯域ファイバグレーティングの反射帯域のリップルが１５％以上であることが好ましい。

この構成によれば、ファイバグレーティングの屈折率変化が微小の場合であっても、両ファイバグレーティングの反射帯域の重なり部分に変化を生じさせることができるので、パルス発振をさせ易くなる。また、複数存在するリップルとの関係で反射帯域の重なり部分の変化を生じさせることができるので、両ファイバグレーティングの反射帯域の初期設定が行い易くなる。

前記ファイバレーザ光源において、前記レーザ共振器内に挿入された共振器延長ファイバを備えることが好ましい。

この構成によれば、パルス発振の周期を長くすることができるとともに、パルスのピーク出力を大きくすることができる。

前記ファイバレーザ光源において、前記励起用レーザ光源に近い広帯域ファイバグレーティングを構成するファイバの、グレーティングの反射波長におけるモードフィールド径が９μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。

この構成によれば、ファイバグレーティングを構成するファイバ内の光パワー密度を低減することにより、ファイバの劣化を抑制することができる。特に、レーザ共振器間のファイバとしてモードフィールド径８μｍ以上１３μｍ以下のファイバを用いた場合には、このファイバとの間の融着接続損失を考慮しても、十分なモードフィールド径を確保することが可能となる。

前記ファイバレーザ光源において、前記励起用レーザ光源に近い広帯域ファイバグレーティングは、サンプルドファイバグレーティング構造を有することが好ましい。

この構成によれば、複数のファイバグレーティングからなるサンプルドファイバグレーティング構造が採用されているため、複数個所で反射が起こるようになり、ファイバグレーティング１つ当たりの光パワー密度を低減できる。

前記ファイバレーザ光源において、前記励起用レーザ光源は、温度が上昇するに従い、その発振中心波長が長波長側にシフトするとともに、出力が低下し、前記レーザ活性物質を含むファイバの長さは、前記レーザ活性物質を含むファイバの吸収ピーク波長の光を９５％以上吸収するファイバ長の１．５以上２倍以下であることが好ましい。

この構成によれば、レーザ活性物質を含むファイバが吸収ピーク波長の光を９５％以上吸収するファイバ長の１．５倍以上２倍以下の長さとされていることにより、レーザ活性物質を含むファイバが所定の吸収率以上で励起光を吸収するための条件となる励起光の波長の範囲を広げることができる。したがって、前記構成によれば、環境温度の変化に応じて励起用レーザ光源から出射する励起光の波長が変化した場合であっても、ファイバによる励起光の吸収率の低下を抑制することができる。

前記ファイバレーザ光源において、環境温度２５℃における前記励起用レーザ光源の発振波長が９７０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下であることが好ましい。

この構成によれば、レーザの出力を向上することができる。特に、レーザ活性物質を含むファイバの吸収ピーク波長の光を９５％以上吸収するファイバ長の１．５倍の長さとされたファイバを利用とした場合、温度変化による出力変動を有効に抑えることができる。

前記ファイバレーザ光源において、前記励起用レーザ光源を冷却するためのヒートシンク及び冷却ファンをさらに備えていることが好ましい。

この構成によれば、ヒートシンクと冷却ファンによる強制空冷のみで、室温（例えば、２０℃又は２５℃）〜４０℃又は５０℃程度の環境で使用できるファイバレーザ光源を実現することができる。

本発明に係るファイバレーザ光源によれば、高効率かつ高ピークパワーのパルス光源を得ることができるため、ファイバレーザ光源を加工用途あるいは波長変換光源の基本波として使用することにより、レーザ応用装置そのものの効率を向上することが可能になる。

また、ファイバレーザ光源の温度特性も合わせて改善されるため、ファイバレーザ光源は、外気温等が変化した場合においても安定して高効率なパルス光源として使用することが可能となる。特に、ポンプ用ＬＤの冷却にペルチェ素子等の冷却機構を必要とせず、ヒートシンクと冷却ファンによる強制空冷のみで、室温（例えば、２０℃又は２５℃）〜４０℃又は５０℃程度の環境で使用できるパルス光源を実現することが可能となるため、トータルの投入電力から光出力への変換効率を向上させることが可能となる。

Claims (11)

1. レーザ活性物質を含むファイバと、
   前記ファイバに励起光を入射する励起用レーザ光源と、
   前記レーザ活性物質を含むファイバを挟むように前記ファイバに光学的に接続されている一組のファイバグレーティングからなるレーザ共振器とを具備し、
   上記レーザ共振器は、偏波保持ファイバおよび単一偏光化機構で単一偏光化されており、
   レーザが出射される側の前記ファイバグレーティングの反射中心波長が、前記励起用レーザ光源に近い前記ファイバグレーティングにおける反射率が８０％以上９８％以下となる波長範囲内に設定された波長特性を有し、
   前記励起用レーザ光源に近いファイバグレーティングの帯域が１ｎｍ以上であり、
   前記レーザが出射される側のファイバグレーティングの帯域が０．０５ｎｍ以下であり、
   前記レーザが出射される側のファイバグレーティングに光が入射されることにより前記レーザが出射される側のファイバグレーティングの屈折率が変化することに応じて、前記レーザが出射される側のファイバグレーティングの反射中心波長がシフトすることにより、前記レーザ共振器からレーザを自励パルス発振させることを特徴とするファイバレーザ光源。
2. 請求項１に記載のファイバレーザ光源において、
   前記レーザ共振器により発生した光が前記レーザ活性物質を含むファイバを通過する際のモードフィールド径が８μｍ以上１３μｍ以下であることを特徴とするファイバレーザ光源。
3. 請求項１又は請求項２に記載のファイバレーザ光源において、
   前記レーザが出射される側のファイバグレーティングを形成するファイバに、鉛、錫、アンチモン、ビスマス、ゲルマニウムのうちの１種類以上の金属あるいは金属化合物が添加されていることを特徴とするファイバレーザ光源。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のファイバレーザ光源において、
   前記レーザ共振器の共振器長で決定される自励発振周期と、前記励起用レーザ光源の発光周期とが一致していることを特徴とするファイバレーザ光源。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のファイバレーザ光源において、
   前記励起用レーザ光源に近い広帯域ファイバグレーティングの反射帯域のリップルが１５％以上であることを特徴とするファイバレーザ光源。
6. 請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のファイバレーザ光源において、
   前記レーザ共振器内に挿入された共振器延長ファイバを備えることを特徴とするファイバレーザ光源。
7. 請求項１〜請求項６の何れか１項に記載のファイバレーザ光源において、
   前記励起用レーザ光源に近い広帯域ファイバグレーティングを構成するファイバの、グレーティングの反射波長におけるモードフィールド径が９μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とするファイバレーザ光源。
8. 請求項１〜請求項７の何れか１項に記載のファイバレーザ光源において、
   前記励起用レーザ光源に近い広帯域ファイバグレーティングは、サンプルドファイバグレーティング構造を有することを特徴とするファイバレーザ光源。
9. 請求項１〜請求項８の何れか１項に記載のファイバレーザ光源において、
   前記レーザ活性物質は、Ｙｂであり、
   前記励起用レーザ光源は、温度が上昇するに従い、その発振中心波長が長波長側にシフトするとともに、出力が低下し、
   前記Ｙｂを含むファイバの長さは、前記Ｙｂを含むファイバの吸収ピーク波長の光を９５％以上吸収するファイバ長の１．５以上２倍以下であることを特徴とするファイバレーザ光源。
10. 請求項１〜請求項９の何れか１項に記載のファイバレーザ光源において、
    環境温度２５℃における前記励起用レーザ光源の発振波長が９７０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下であることを特徴とするファイバレーザ光源。
11. 請求項１〜請求項１０の何れか１項に記載のファイバレーザ光源において、
    前記励起用レーザ光源を冷却するためのヒートシンク及び冷却ファンをさらに備えていることを特徴とするファイバレーザ光源。
    

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