JP5269910B2 - ファイバレーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ファイバレーザ装置に関する。
近年、レーザ光を用いて加工を行う加工機や、レーザ光を使ったメス等の医療機器において、ファイバレーザ装置が用いられている。ファイバレーザ装置は、レーザ発振器（ＭＯ：Master Oscillator）によって発生されるパルス状のレーザ光が、光ファイバ増幅器（ＰＡ：Power Amp）により増幅され、この増幅されたレーザ光が出力端から出力されるものである。
しかし、このような構成のファイバレーザ装置においては、照射物に向けて出力されるレーザ光の一部が、照射物で反射して、ファイバレーザ装置の出力端からファイバレーザ装置内に入射する場合や、出力端でレーザ光が反射する場合がある。このような場合、反射レーザ光は、光ファイバ増幅器で再び増幅され、レーザ発振器に入力されてレーザ発振器に損傷を与えることがある。
このような反射レーザ光による損傷等を防止するため、下記特許文献１に記載のファイバレーザ装置においては、レーザ発振器と光ファイバ増幅器との間に波長変換用ファイバが設けられ、さらに、レーザ発振器と波長変換用ファイバとの間にフィルタが設けられている。波長変換用ファイバは、誘導ラマン散乱によって強度の強いレーザ光の波長変換を行うものである。また、フィルタは、レーザ発振器によって発生された波長のレーザ光を透過させるが、レーザ発振器により発生された波長のレーザ光が波長変換用ファイバで波長変換されたレーザ光の透過を遮断するものである。
このような構成のファイバレーザ装置においては、レーザ発振器から出力されるパルス状のレーザ光は、フィルタを透過して波長変換用ファイバに入力されるが、レーザ光の強度が弱いため波長変換がされない。従って、レーザ発振器から出力された波長のレーザ光が、波長変換用ファイバから光ファイバ増幅器に入力され、増幅されて出力される。そして、レーザ光は、照射物に照射される。
ところが照射されるレーザ光の一部が、照射物で反射して、出力端からファイバレーザ装置に入射する場合や、出力端でレーザ光が反射する場合がある。このような場合、反射レーザ光は、出力端から光ファイバ増幅器に入力されて、光ファイバ増幅器により増幅される。増幅された反射レーザ光は、波長変換用ファイバに入力される。このとき反射レーザ光は、増幅され強度が強いため波長変換される。そして、波長変換された反射レーザ光は、波長変換用ファイバからレーザ発振器に向かうが、レーザ発振器に入力する前にフィルタにより遮断される。こうして、出力端から入射する反射レーザ光がレーザ発振器に入射し、レーザ発振器へ損傷を与えることが防止できるものとしている。
特開２００７−２２１０３７号公報
しかし、上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置においては、波長変換用ファイバにおいて、誘導ラマン散乱によって波長変換がされている。このような誘導ラマン散乱では、入力されるレーザ光がその波長よりも長波長のレーザ光に変換される。しかし、このような誘導ラマン散乱による波長変換では、入力される波長のレーザ光が全て波長変換されず、入力される波長のレーザ光が残存する場合がある。
従って、照射物や出射端で反射して光ファイバ増幅器により増幅される反射レーザ光が波長変換用ファイバで波長変換される場合、波長変換用ファイバから出力されるレーザ光は、波長変換される前の波長のレーザ光を含む場合がある。この波長変換される前の波長のレーザ光は、フィルタを透過するため、反射レーザ光の一部がレーザ発振器に入力して、レーザ発振器に損傷を与える場合がある。
そこで、本発明は、レーザ光が、照射物や出射端で反射する場合においても、レーザ発振器に損傷を与えることが防止できるファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
本発明のファイバレーザ装置は、第１波長のレーザ光を発生するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力される前記第１波長のレーザ光が入力され、前記第１波長のレーザ光を透過させる第１光フィルタと、前記第１光フィルタを透過する前記第１波長のレーザ光が入力され、前記第１波長のレーザ光による誘導ラマン散乱により、前記第１波長のレーザ光よりも長波長の第２波長のレーザ光を発生させ、前記第１波長のレーザ光と前記第２波長のレーザ光とを透過させる波長変換器と、前記波長変換器から出力される前記第２波長のレーザ光が入力され、前記第２波長のレーザ光を透過させ、前記第１波長のレーザ光の透過が抑制される第２光フィルタと、前記第２光フィルタを透過する前記第２波長のレーザ光が入力され、前記第２波長のレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器で増幅される前記第２波長のレーザ光を出力する出力端と、備え、前記第１光フィルタは、前記第２波長のレーザ光及び前記第２波長のレーザ光による誘導ラマン散乱により発生する前記第２波長のレーザ光よりも長波長の第３波長のレーザ光の透過が抑制され、前記第１光フィルタ、前記波長変換器、前記第２光フィルタは、フォトニック・バンド・ギャップ・ファイバを含み構成されていることを特徴とするものである。
このようなファイバレーザ装置においては、レーザ発振器から出力される第１波長のレーザ光は、第１フィルタを透過して波長変換器に入力される。波長変換器は第１波長のレーザ光を透過させるため、レーザ発振器から波長変換器に入力される第１波長のレーザ光は、波長変換器内を伝播する。そして、波長変換器においては、第１波長のレーザ光による誘導ラマン散乱により、第１波長よりも長波長の第２波長のレーザ光を発生させる。そして、波長変換器から発生される第２波長のレーザ光は、波長変換器を伝播して出力される。出力される第２波長のレーザ光は、第２フィルタに入力される。このとき、第２フィルタは、第２波長のレーザ光を透過させるが、第１波長のレーザ光の透過を抑制するため、波長変換器から出力されるレーザ光に第１波長のレーザ光が含まれている場合であっても、第２光フィルタにおいては、第１波長のレーザ光の出力が抑制され第２波長のレーザ光が出力される。第２光フィルタを透過する第２波長のレーザ光は、光ファイバ増幅器により増幅され、出力端から出力される。
また、出力端から出力されるレーザ光の一部が、照射物で反射して、出力端から光ファイバ増幅器に入射する場合や、出力端で反射する場合がある。これらの場合、反射レーザ光は、光ファイバ増幅器に入力されて増幅される。そして、反射レーザ光は第２光フィルタに入力されるが、第２光フィルタは第２波長のレーザ光を透過させるため、反射レーザ光は第２フィルタを透過する。第２フィルタを透過する反射レーザ光は、波長変換器に入力されるが、波長変換器は第２波長のレーザ光を透過させるため、反射レーザ光は波長変換器から出力される。波長変換器から出力される反射レーザ光は、第１光フィルタに入力されるが、第１光フィルタは第２波長のレーザ光の透過を抑制するため、反射レーザ光がレーザ発振器に入力されることなく、レーザ発振器が破損等することが防止できる。
さらに、仮に、第２波長のレーザ光が反射レーザ光として波長変換器に入力されると、第２波長の反射レーザ光のラマン散乱により、上記波長変換器にて、第３波長のレーザ光が発生する場合がある。この場合、第３波長のレーザ光が第１光フィルタに入力されるとしても、前記第１光フィルタは、第３波長のレーザ光の透過を抑制する。従って、このような構成によれば、第３波長のレーザ光は、第１光フィルタを透過することが抑制されるため、レーザ発振器等に入力することが抑制され、第３波長の反射レーザ光によるレーザ発振器の破損等を効果的に防止できる。
さらに、第１光フィルタ、波長変換器、第２光フィルタは、フォトニック・バンド・ギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ：Photonic Band Gap Fiber）を含み構成されているため、第１光フィルタを透過する第１波長のレーザ光、及び、波長変換器と第２光フィルタとを透過する第２波長のレーザ光は、第１光フィルタ、波長変換器、第２光フィルタにおいて、損失が非常に小さい。さらに、第１光フィルタ及び第２光フィルタは、上記のようにＰＢＧＦにより構成されるため、第１光フィルタは第２波長のレーザ光の透過の抑制に優れ、第２光フィルタは第１波長のレーザ光の透過の抑制に優れる。従って、ファイバレーザ装置は、強い強度のレーザ光を出力することができると共に、反射レーザ光によるレーザ発振器の破損等を効果的に防止できる。
更に、上記ファイバレーザ装置において、前記波長変換器は、前記第２波長のレーザ光による誘導ラマン散乱により発生する、前記第２波長のレーザ光よりも長波長の第３波長のレーザ光の透過が抑制されることが好適である。このように波長変換器を構成することで、２次ラマン散乱光である第３波長のレーザ光の発生が抑制されため、第２波長のレーザ光のエネルギーが第３波長のレーザ光の発生に使われることが抑制される。このため、波長変換器から出力される第２波長のレーザ光の強度をより強くすることができる。
また、上記ファイバレーザ装置において、前記第１光フィルタの断面形状と前記第２光フィルタの断面形状とが相似形であるようにしても良い。
さらに、上記ファイバレーザ装置において、前記第１光フィルタ、前記波長変換器、前記第２光フィルタは、同一の光ファイバ母材から連続して製造されることとすれば、より好適である。このように構成することで、第１光フィルタと波長変換器と第２光フィルタとの間に融着部が存在しない１本のＰＢＧＦにより、第１光フィルタ、波長変換器、第２光フィルタを構成することができる。従って、ファイバレーザ装置を簡易に構成でき製造コストを安価に抑えることができる。さらに、第１光フィルタ、波長変換器、第２光フィルタの間における、レーザ光の損失を抑制することができ、ファイバレーザ装置は、より強度の強いレーザ光を出力することができる。
本発明によれば、レーザ光が、照射物や出力端で反射する場合においても、レーザ発振器に損傷を与えることが防止できるファイバレーザ装置が提供される。
本発明に係るファイバレーザ装置を示す図である。 図１に記載のレーザ発振器を示す図である。 第１光フィルタの断面図、及び、第１光フィルタの屈折率分布を示す図である。 第１光フィルタにおける波長に対する光の透過特性を示す図である。 波長変換器の断面図、及び、波長変換器の屈折率分布を示す図である。 波長変換器における波長に対する光の透過特性を示す図である。 波長変換器から出力されるレーザ光の強度の一例を示す図である。 第２光フィルタにおける波長に対する光の透過特性を示す図である。 光ファイバ増幅器の構成を示す図である。 第１光フィルタ、波長変換器、第２光フィルタを連続して形成したＰＢＧＦを示す図である。
以下、本発明に係るファイバレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係るファイバレーザ装置を示す図である。
図１に示すように、ファイバレーザ装置１００は、第１波長λ１のレーザ光を出力するレーザ発振器１０と、レーザ発振器１０からのレーザ光が入力されるようにレーザ発振器１０と接続される第１光フィルタ２０と、第１光フィルタ２０からの第１波長λ１のレーザ光が入力されるように第１光フィルタ２０と接続され、第２波長λ２の波長のレーザ光を発生する波長変換器３０と、波長変換器３０からのレーザ光が入力されるように前記波長変換器３０と接続される第２光フィルタ４０と、第２光フィルタ４０からのレーザ光が入力されるように第２光フィルタ４０と接続される光ファイバ増幅器５０と、光ファイバ増幅器５０で増幅されるレーザ光を出力する出力端６０とを備える。
（レーザ発振器） 図２は、レーザ発振器１０の一例を示す図である。本実施形態においては、レーザ発振器１０として、ファイバリングレーザが用いられる。図２に示すようにレーザ発振器１０は、励起光源１１と、励起光源１１と接続されるＷＤＭカプラ１２と、ＷＤＭカプラ１２と接続される希土類添加ファイバ１３と、希土類添加ファイバ１３と接続される出力カプラ１５と、出力カプラ１５と接続される光アイソレータ１４と、光アイソレータ１４と接続されるバンドパスフィルタ１７と、バンドパスフィルタ１７と接続されＷＤＭカプラ１２へと接続される光スイッチ１８とを備える。
励起光源１１から出力される励起光は、ＷＤＭカプラ１２を介して希土類添加ファイバ１３に入力される。希土類添加ファイバ１３において、励起光は、希土類添加ファイバ１３に添加された希土類イオンに吸収される。このため、希土類イオンは励起状態となる。そして、励起状態となった希土類イオンは、特定の波長の光を放出する。この光は、希土類添加ファイバ１３を伝播しながら増幅される。増幅された光は、出力カプラ１５、光アイソレータ１４を介してバンドパスフィルタ１７に入力され、バンドパスフィルタ１７において、波長の帯域制限がされる。なお、光アイソレータ１４では、余分な反射光等が遮断される。帯域制限された光は、光スイッチ１８及びＷＤＭカプラ１２を介して、再び希土類添加ファイバ１３に入力されて増幅される。このとき、光スイッチ１８は、低損失な状態と高損失な状態とを周期的に繰り返す。従って、周期的に強度の弱い光と強度の強い光とが希土類添加ファイバ１３に入力される。このため、レーザ発振器１０においては、パルス状の光が増幅され、この増幅されたパルス状の光がレーザ光として出力カプラ１５から出力される。
なお、レーザ発振器１０は、第１波長λ１のレーザ光を出力する。第１波長λ１は、例えば、１０４０ｎｍである。
（第１光フィルタ） 図３は、第１光フィルタ２０を構成する光ファイバの長軸方向に垂直な断面構造を示す断面図、及び、第１光フィルタ２０を構成する光ファイバの屈折率分布を示す図である。なお、図３の（Ｂ）は、具体的には図３の（Ａ）のIII-III線における屈折率を示す図である。
図３の（Ａ）に示すように、第１光フィルタ２０は、第１コア２１と、第１コア２１を被覆する第２コア２２と、第２コア２２を取り囲む領域に設けられる多数の円柱状の高屈折率部２６を有する周期構造領域２５と、周期構造領域２５を取り囲むクラッド領域２７とを備えるＰＢＧＦにより構成される。具体的には、一部の高屈折率部２６が第２コア２２を取り囲むように六角形状に並んでいる。そして、六角形状に並んだ高屈折率部２６を基準として、他の高屈折率部２６が、三角格子状に配列され、さらに、それぞれの高屈折率部２６の間は、クラッド領域２７と同じ材料で埋められる。この高屈折率部２６が、配列する領域が周期構造領域２５となる。なお、本実施形態においては、図３の（Ａ）に示すように周期構造領域２５における高屈折率部２６の周期構造を４層としているが、周期構造は４層以外であっても良い。
図３の（Ｂ）に示すように、第２コア２２は、第１コア２１よりも低い屈折率とされる。高屈折率部２６は、第１コア２１よりも高い屈折率とされる。このような、屈折率を構成するため、例えば、第１コア２１は、ドーパントが添加されない石英から構成される。また、第２コア２２は、例えば、フッ素やホウ素等の屈折率を低くするドーパントが添加される石英から構成される。さらに、高屈折率部２６は、例えば、ゲルマニウム等の屈折率を高くするドーパントが添加される石英から構成される。また、クラッド領域２７は、ドーパントが添加されない石英から構成される。なお、第１コア２１には、ゲルマニウムやリンが添加されても良いが、その場合においても、第１コア２１の屈折率は、高屈折率部２６の屈折率よりも低くされる。さらに、第１コア２１にドーパントとしてゲルマニウムやリンが添加されない場合や添加量が少ない場合は、非線形定数が小さい。このため、第１コア２１においては、ドーパントの添加量を少なくしたり、ドーパントを添加しないことが、非線形光学効果によるレーザ光の波長の広がりを抑制し、波長スペクトルの狭い出力を得る観点から好ましい。
図４は、図３に示した第１光フィルタ２０における、波長に対する光の透過特性を示す図である。上記のように第１光フィルタ２０はＰＢＧＦを用いている。図４に示すように、第１光フィルタ２０の波長に対する光の透過特性は、ＰＢＧＦの性質により、一定の波長ごとに、光が透過する波長領域と、光の透過が抑制される波長領域とが繰り返される特性を示す。
第１光フィルタ２０は、レーザ発振器１０から出力される第１波長λ１のレーザ光を透過させるが、波長変換器３０において第１波長λ１の光が変換される第２波長λ２のレーザ光の透過が抑制されるように構成される。さらに、本実施形態においては、第１光フィルタ２０は、第１波長λ１の２次ラマン光である第３波長λ３の透過が抑制されるように構成される。なお、第１光フィルタ２０において光が透過する波長領域、及び、光の透過が抑制される波長領域は、第１光フィルタ２０を構成するＰＢＧＦのコア領域の大きさや比屈折率差、高屈折率部２６の間隔や比屈折率差を調整することで設定することができる。例えば、図３で示す第１光フィルタ２０の具体的構成は、ＰＢＧＦの直径を１９０μｍとし、第１コア２１の直径を４．２μｍとし、石英に対する第１コア２１の比屈折率差を０．０％とし、高屈折率部２６の中心間距離を８．２μｍとし、高屈折率部２６の石英に対する比屈折率差を２．７５％とし、高屈折率部２６の直径を５．１μｍとし、第２コア２２の石英に対する比屈折率差を−０．７％とすればよい。この場合、第１光フィルタ２０は、波長λ１が１０４０ｎｍの光を透過させ、波長λ２が１０９０ｎｍの光の透過を抑制し、波長λ３が１１４０ｎｍの光の透過を抑制する。
（波長変換器） 図５は、波長変換器３０を構成する光ファイバの長軸方向に垂直な断面構造を示す断面図、及び、波長変換器３０を構成する光ファイバの屈折率分布を示す図である。なお、図５の（Ｂ）は、具体的には図５の（Ａ）のV-V線における屈折率を示す図である。
図５の（Ａ）に示すように、波長変換器３０は、コア３１と、コア３１を被覆するコア領域３２と、コア領域３２を取り囲む領域に設けられる多数の円柱状の高屈折率部３６を有する周期構造領域３５と、周期構造領域３５を取り囲むクラッド領域３７とを備えるＰＢＧＦにより構成される。具体的には、一部の高屈折率部３６がコア領域３２を取り囲むように六角形状に並んでいる。そして、六角形状に並んだ高屈折率部３６を基準として、他の高屈折率部３６が、三角格子状に配列され、さらに、それぞれの高屈折率部３６の間は、クラッド領域３７と同じ材料で埋められる。この高屈折率部３６が、配列する領域が周期構造領域３５となる。なお、本実施形態においては、図５の（Ａ）に示すように周期構造領域３５における高屈折率部３６の周期構造を４層としているが、４層以外であっても良い。
図５の（Ｂ）に示すように、コア領域３２とクラッド領域３７とは、同じ屈折率とされる。また、コア３１は、コア領域３２よりも高い屈折率とされる。さらに高屈折率部３６は、コア３１よりも高い屈折率とされる。このような、屈折率を構成するため、例えば、コア領域３２及びクラッド領域３７は、ドーパントが添加されない石英から構成される。また、コア３１及び高屈折率部３６は、例えば、ゲルマニウム等の屈折率を高くするドーパントが添加される石英から構成される。ただし、コア３１及び高屈折率部３６は、ドーパントの添加量等が調整され、上記のような屈折率の関係とされる。また、コア３１のドーパントは、非線形定数を上昇させるゲルマニウムまたはリンであることが誘導ラマン散乱を効率的に発生させる観点から好ましい。
図６は、波長変換器３０における波長に対する光の透過特性を示す図である。上記のように波長変換器３０は、ＰＢＧＦにより構成されるため、波長変換器３０の波長に対する光の透過特性は、一定の波長ごとに、光が透過する波長領域と、光の透過が抑制される波長領域とが繰り返される特性を示す。波長変換器３０は、レーザ発振器１０から出力される第１波長λ１のレーザ光と、第２波長λ２のレーザ光とを透過させるように構成される。また、波長変換器３０は、第２波長λ２のレーザ光による誘導ラマン散乱により発生する第２波長λ２よりも長波長である第３波長λ３のレーザ光（２次ラマン散乱光）の透過を抑制する構成とされる。
なお、波長変換器３０において光が透過する波長領域、及び、光の透過が抑制される波長領域は、波長変換器３０を構成するＰＢＧＦのコア領域３２の大きさや比屈折率差、高屈折率部３６の間隔や比屈折率差を調整することで、設定することができる。例えば、図５で示す波長変換器３０の具体的構成は、ＰＢＧＦの直径を１３６μｍとし、コア３１の直径を４．４μｍとし、石英に対するコア３１の比屈折率差を０．７％とし、高屈折率部３６の中心間距離を５．９μｍとし、高屈折率部３６の石英に対する比屈折率差を２．７％とし、高屈折率部３６の直径を３．７μｍとすればよい。この場合、波長変換器３０は、波長λ１が１０４０ｎｍの光を透過させ、波長λ２が１０９０ｎｍの光を透過させ、波長λ３が１１４０ｎｍの光の透過を抑制する。
波長変換器３０に第１波長λ１のレーザ光が入力されると、第１波長λ１のレーザ光による誘導ラマン散乱により、第１波長λ１よりも長波長である第２波長λ２のレーザ光が発生する。このため波長変換器３０からは、第２波長λ２のレーザ光が出力される。例えば、第１波長λ１として１０４０ｎｍのレーザ光が入力されると、第２波長λ２として１０９０ｎｍのレーザ光が発生する。ただし、第１波長λ１のレーザ光の一部が誘導ラマン散乱により第２波長λ２のレーザ光に変換されない場合、波長変換器３０からは第２波長λ２のレーザ光と共に、第１波長λ１のレーザ光が出力される。
また、上記の様に本実施形態においては、波長変換器３０は、第２波長λ２のレーザ光による誘導ラマン散乱光である第３波長λ３のレーザ光の透過を抑制する構成とされる。例えば、第２波長λ２のレーザ光として１０９０ｎｍの誘導ラマン散乱光が発生する場合、２次ラマン散乱光として、波長が１１４０ｎｍのレーザ光が僅かに発生するが、波長が１１４０ｎｍのレーザ光の透過が抑制される。このように２次ラマン散乱光である第３波長のレーザ光の透過が抑制されるため、波長変換器３０において２次ラマン散乱光である第３波長のレーザ光の発生が抑制される。このため、第２波長のレーザ光のエネルギーが第３波長のレーザ光の発生に使われることが抑制され、波長変換器３０から出力される第２波長λ２のレーザ光の強度をより強くすることができる。
図７は、このような第３波長λ３のレーザ光の発生が抑制されるＰＢＧＦを用いた波長変換器３０から出力されるレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。図７においては、第１波長λ１として１０４０ｎｍのレーザ光が入力され、第２波長λ２として１０９０ｎｍのレーザ光が発生する場合の出力光のスペクトルが示されている。図７に示すように、波長変換器３０から出力される光は、第３波長のレーザ光の発生が抑制され、第２波長λ２のレーザ光の強度が強い。なお、波長変換器として、ＰＢＧＦではなく、第３波長λ３のレーザ光の発生が抑制されない波長変換用の光ファイバを用いた場合の波長変換器から出力される光のスペクトルを波線で示す。なお、第３波長λ３のレーザ光の発生を抑制しないこと以外の条件は、同一とした。波線で示されるように、波長変換器としてＰＢＧＦではない波長変換用の光ファイバを用いた場合には、第２波長λ２のレーザ光の一部が第３波長λ３のレーザ光に変換されるため、第１波長λ１のスペクトル強度と比較した第２波長λ２のレーザ光のスペクトル強度が、第３波長λ３のレーザ光の発生が抑制されるＰＢＧＦを用いた場合より小さくなる。
（第２フィルタ） 第２光フィルタ４０は、ＰＢＧＦにより構成されている。第２光フィルタ４０を構成するＰＢＧＦは、第１光フィルタ２０を構成するＰＢＧＦと材料が同じで、断面における構造が相似形となっている。
図８は、第２光フィルタ４０における波長に対する光の透過特性を示す図である。上記のように第２光フィルタ４０はＰＢＧＦを用いているため、一定の波長ごとに、光が透過する波長領域と、光の透過が抑制される波長領域とが交互に繰り返される透過特性を有する。第２光フィルタ４０は、この波長領域と、第２波長λ２及び第１波長λ１との関係を、第２波長λ２の光は透過するが、第１波長λ１の光の透過は抑制されるように構成される。このため、波長変換器３０から第２波長λ２のレーザ光と共に第１波長λ１のレーザ光が出力される場合においても、第２光フィルタ４０からは、第１波長λ１の光は出力されず、第２波長λ２の光のみが出力される。
なお、第２光フィルタ４０において光が透過する波長領域、及び、光の透過が抑制される波長領域は、第２光フィルタ４０を構成するＰＢＧＦのコア領域の大きさや比屈折率差、高屈折率部の間隔や比屈折率差を調整することで設定することができる。従って、第１光フィルタ２０とＰＢＧＦの断面における形状が相似形となる様に、第２光フィルタ４０のＰＢＧＦの直径を変化させることで、光が透過する波長領域と、光の透過が抑制される波長領域を設定することができる。例えば、光フィルタ４０の具体的構成は、ＰＢＧＦの直径を１６０μｍとし、コアの直径を３．５μｍとし、石英に対するコアの比屈折率差を０．０％とし、高屈折率部の中心間距離を６．９μｍとし、高屈折率部の石英に対する比屈折率差を２．７５％とし、高屈折率部の直径を４．３μｍとし、第２コアの石英に対する比屈折率差を−０．７％とすればよい。この場合、第２光フィルタ４０は、波長λ１が１０４０ｎｍの光の透過を抑制し、波長λ２が１０９０ｎｍの光を透過させる。
（光ファイバ増幅器） 図９は、光ファイバ増幅器５０の構成を示す図である。光ファイバ増幅器５０は、励起光源部５３と、励起光源部５３からの励起光と第２光フィルタ４０からの第２波長のレーザ光とが入力され、励起光と第２波長のレーザ光とを出力する光結合器５１と、光結合器５１から出力される励起光と第２波長のレーザ光とが入力され、第２波長のレーザ光を増幅する増幅用光ファイバ５５とを備える。
励起光源部５３は、増幅用光ファイバ５５に添加された希土類元素を励起するための励起光を出力する。
光結合器５１は、第２光フィルタ４０からのレーザ光が入力される入力ポート５１ａと、励起光源部５３からの励起光が入力される励起光入力ポート５１ｂと、第２光フィルタ４０からのレーザ光及び励起光を出力する出力ポート５１ｃとを有する。入力ポート５１ａは、第２波長λ２のレーザ光をシングルモードとして伝播するシングルモードファイバから構成される。励起光入力ポート５１ｂは、励起光源部５３から出力される励起光をマルチモードとして伝播するマルチモードファイバから構成される。出力ポート５１ｃは、コア部とクラッド部とを有し、コア部により第２波長λ２のレーザ光をシングルモードとして伝播し、コア部及びクラッド部により励起光をマルチモードとして伝播する構成となっている。
増幅用光ファイバ５５は、希土類元素が添加されるコア部と、コア部を被覆するクラッド部とを有し、コア部は、光ファイバカプラから出力される第２波長λ２のレーザ光をシングルモード光として伝播し、コア部及びクラッド部により励起光をマルチモード光として伝播する。そして、励起光がコア部を透過する際、コア部に添加された希土類元素を励起し、ここを伝播する第２波長λ２のレーザ光が誘導放出現象により増幅される。なお、増幅用光ファイバ５５は、第２波長λ２のレーザ光をマルチモード光として伝播するものであっても良い。
（出力端） 出力端６０は、光ファイバ増幅器５０で増幅されるレーザ光をファイバレーザ装置１００の外に出力する。なお、上記のとおりレーザ発振器１０からは、パルス状のレーザ光が出力されるため、出力端６０からは、パルス状のレーザ光が出力される。
次に、上記のような構成のファイバレーザ装置１００の動作について説明する。
図１に示すように、レーザ発振器１０から出力される第１波長λ１のレーザ光は、第１光フィルタ２０に入力されるが、第１光フィルタ２０は、第１波長λ１のレーザ光を透過させるため、レーザ光は第１光フィルタ２０を透過する。第１光フィルタ２０を透過したレーザ光は、波長変換器３０において、第２波長λ２のレーザ光に波長変換される。波長変換された第２波長λ２のレーザ光は、第２光フィルタ４０に入力される。このとき波長変換器３０から出力されるレーザ光に第１波長λ１のレーザ光が残存する場合、第２光フィルタ４０に第１波長λ１のレーザ光も入力される。しかし、第２光フィルタ４０は、第２波長λ２のレーザ光を透過させ、第１波長λ１のレーザ光の透過を抑制するため、第２光フィルタ４０からは、第２波長λ２のレーザ光のみが出力される。第２光フィルタ４０から出力される波長λ２のレーザ光は、光ファイバ増幅器５０に入力されて増幅され、出力端６０から出力される。こうして、ファイバレーザ装置１００から第２波長λ２のレーザ光が出力される。
ファイバレーザ装置１００から出力されるレーザ光は、照射物に照射される。このとき、照射物に照射されるレーザ光の一部が照射物で反射して、反射レーザ光として出力端６０から入射される場合や、出力端で反射する場合がある。これらの反射レーザ光は、第２波長λ２のレーザ光である。反射レーザ光は、光ファイバ増幅器５０に入力される。光ファイバ増幅器５０は第２波長λ２のレーザ光を増幅するため、反射レーザ光は増幅される。増幅された反射レーザ光は、光ファイバ増幅器５０から第２光フィルタ４０に入力される。第２光フィルタ４０は、第２波長λ２のレーザ光を透過させるため、反射レーザ光は第２光フィルタ４０を透過する。第２光フィルタ４０を透過する反射レーザ光は、波長変換器３０に入力される。波長変換器３０は第２波長λ２のレーザ光を透過させるため、反射レーザ光は波長変換器３０を透過する。波長変換器３０を透過する反射レーザ光は、第１光フィルタ２０に入力される。しかし、第１光フィルタ２０は、第２波長λ２のレーザ光の透過を抑制する。従って、反射レーザ光が、第１光フィルタ２０からレーザ発振器１０に入力されることが抑制され、レーザ発振器１０を損傷することが防止される。
なお、上記ファイバレーザ装置１００においては、仮に、第２波長λ２の反射レーザ光が波長変換器３０に入力され、第２波長λ２の反射レーザ光の誘導ラマン散乱により、上記波長変換器にて、第３波長のレーザ光が発生して、第１光フィルタ２０に入力されるとしても、第３波長のレーザ光は、第１光フィルタ２０を透過することが抑制されるため、レーザ発振器１０に入力することを抑制され、第３波長の反射レーザ光によるレーザ発振器１０の破損等を効果的に防止することができる。
次に、第１光フィルタ２０を構成するＰＢＧＦを製造する方法について説明する。
まず、第１コア２１となる石英ガラスからなる石英ガラスロッドと、第２コア２２となるフッ素やボロン等のドーパントが添加される石英管と、高屈折率部２６となるゲルマニウム等のドーパントが添加され石英ガラスよりも屈折率の高い石英ガラスからなる中心部と中心部の周りに設けられる石英ガラスからなる外層部とを有する２層石英ガラスロッドと、クラッド領域２７となる石英ガラスからなる断面が円形の貫通孔が空けられた石英管とを準備する。２層石英ガラスロッドは、高屈折率部２６と同じ数準備する。
次に、第１コア２１となる石英ガラスロッドを第２コア２２となる石英管に挿入する。次にクラッド領域２７となる石英管に設けられる貫通孔の中心に、第１コア２１となる石英ガラスロッドが挿入された第２コア２２となる石英管を配置する。次に第２コア２２となる石英管の周囲に２層石英ガラスロッドを最密充填されるように配置する。このときクラッド領域２７となる石英管の貫通孔にちょうど全ての２層石英ガラスロッドが配置されるように、石英管の貫通孔の大きさは予め調整される。なお、第１コア２１にゲルマニウム等のドーパントが添加される場合は、第１コア２１となる石英ガラスロッドにゲルマニウム等のドーパントが添加される。
次に、第１コア２１となる石英ガラスロッドと、第２コア２２となる石英管と、２層石英ガラスロッドとが配置された石英管の下端を封止し、上端にキャップを装着して密封して、光ファイバ母材とする。そして、キャップを通して石英管内を真空排気しながら、光ファイバ母材を線引き装置の加熱炉で加熱して線引きする。その後、線引きされたガラスが冷却固化することで、図３に示すＰＢＧＦを得る。なお、必要に応じて、ＰＢＧＦを樹脂層で被覆しても良い。
次に得られたＰＢＧＦを所定の長さに切断して、第１光フィルタ２０が製造される。
また、第２光フィルタ４０も第１光フィルタ２０と断面形状が相似形で外径が僅かに異なるＰＢＧＦにより構成されるため、同様の製造方法で製造することができる。ただし、第２光フィルタ４０を構成するＰＢＧＦを製造する際は、第１光フィルタ２０を構成するＰＢＧＦを線引きする場合と、線引きする速度を同じにして、光ファイバ母材の送り速度を変える。こうして、第１光フィルタ２０と断面形状が相似形のＰＢＧＦとすることができる。或いは、第１光フィルタ２０を構成するＰＢＧＦを線引きする場合と、光ファイバ母材の送り速度を同じにして、線引きする速度を変えてもよい。
次に、波長変換器３０を構成するＰＢＧＦを製造する方法について説明する。
まず、コア３１となるゲルマニウムが添加され石英ガラスよりも屈折率の高いガラスロッドと、コア領域３２となるドーパントが添加されない石英管と、高屈折率部３６となるゲルマニウム等のドーパントが添加され石英ガラスよりも屈折率の高い石英ガラスからなる中心部と中心部の周りに設けられる石英ガラスからなる外層部とを有する２層石英ガラスロッドと、クラッド領域３７となる石英ガラスからなる断面が円形の貫通孔が空けられた石英管とを準備する。２層石英ガラスロッドは、高屈折率部３６と同じ数準備する。
次に、コア３１となるガラスロッドをコア領域３２となる石英管に挿入する。次にクラッド領域３７となる石英管に設けられる貫通孔の中心に、コア３１となる石英ガラスロッドが挿入されたコア領域３２となる石英管を配置する。次にコア領域３２となる石英管の周囲に２層石英ガラスロッドが最密充填されるように配置する。このとき石英管の貫通孔にちょうど全ての２層石英ガラスロッドが配置されるように、石英管の貫通孔の大きさは予め調整される
次に、コア３１となる石英ガラスロッドと、コア領域３２となる石英管と、２層石英ガラスロッドとが配置された石英管の下端を封止し、上端にキャップを装着して密封して、光ファイバ母材とする。そして、キャップを通して石英管内を真空排気しながら、光ファイバ母材を線引き装置の加熱炉で加熱して線引きする。その後、線引きされたガラスが冷却固化することで、図５に示すＰＢＧＦを得る。なお、必要に応じて、ＰＢＧＦを樹脂層で被覆しても良い。
次に得られたＰＢＧＦを所定の長さに切断して、波長変換器３０が製造される。
以上、本発明について実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、第１光フィルタ２０、第２光フィルタ４０の構成するＰＢＧＦは、断面における構造が相似形であるとしたが、必ずしも相似形である必要はなく、例えば、第１光フィルタ２０、第２光フィルタ４０の構成するＰＢＧＦの高屈折率部２６の数が互いに異なっていても良い。
また、第１光フィルタ２０、第２光フィルタ４０を製造する際、第１光フィルタ２０と第２光フィルタ４０が、同一の光ファイバ母材から製造されてもよい。
また、第１光フィルタ２０、波長変換器３０、第２光フィルタ４０の断面形状を相似形とすることもできる。この場合、第１光フィルタ２０、波長変換器３０、第２光フィルタ４０は、同一の光ファイバ母材から連続して製造されるようにしても良い。このようにすることで、図１０に示すように第１光フィルタ２０と波長変換器３０と第２光フィルタ４０との間に融着部が存在しない１本のＰＢＧＦにより、第１光フィルタ２０、波長変換器３０、第２光フィルタ４０を構成することができる。
具体的には、図５で示したＰＢＧＦと断面の形状が相似形のＰＢＧＦを用いて構成することができる。このとき、第１光フィルタ２０の具体的構成は、例えば、ＰＢＧＦの直径を１３０μｍとし、コアの直径を４．２μｍとし、石英に対するコアの比屈折率差を０．７％とし、高屈折率部の中心間距離を５．６μｍとし、高屈折率部の石英に対する比屈折率差を２．７％とし、高屈折率部の直径を３．５μｍとする。この場合、第１光フィルタ２０は、波長λ１が１０４０ｎｍの光を透過させ、波長λ２が１０９０ｎｍの光の透過を抑制し、波長λ３が１１４０ｎｍの光の透過を抑制する。
また、波長変換器３０の具体的構成は、例えば、ＰＢＧＦの直径を１３６μｍとし、コアの直径を４．４μｍとし、石英に対するコアの比屈折率差を０．７％とし、高屈折率部の中心間距離を５．９μｍとし、高屈折率部の石英に対する比屈折率差を２．７％とし、高屈折率部の直径を３．７μｍとする。この場合、波長変換器３０は、波長λ１が１０４０ｎｍの光を透過させ、波長λ２が１０９０ｎｍの光を透過させ、波長λ３が１１４０ｎｍの光の透過を抑制する。
また、第２光フィルタ４０の具体的構成は、例えば、ＰＢＧＦの直径を１０５μｍとし、コアの直径を３．４μｍとし、石英に対するコアの比屈折率差を０．７％とし、高屈折率部の中心間距離を４．５μｍとし、高屈折率部の石英に対する比屈折率差を２．７％とし、高屈折率部の直径を２．８μｍとする。この場合、第２光フィルタ４０は、波長λ１が１０４０ｎｍの光の透過を抑制し、波長λ２が１０９０ｎｍの光を透過させる。
このように構成することで、ファイバレーザ装置１００を簡易に構成でき製造コストを安価に抑えることができる。さらに、第１光フィルタ２０、波長変換器３０、第２光フィルタ４０の各境界における、レーザ光の損失を抑制することができ、ファイバレーザ装置１００は、より強度の強いレーザ光を出力することができる。
第１光フィルタ２０、波長変換器３０、第２光フィルタ４０の断面における形状を相似形にするには、第１光フィルタ２０、波長変換器３０、第２光フィルタ４０を線引きする際、光ファイバ母材の送り速度を一定として、第１光フィルタ２０となるように線引速度を調整してＰＢＧＦを線引し、続けて波長変換器３０となるように線引速度を調整してＰＢＧＦを線引し、さらに続けて、第２光フィルタ４０となるように線引速度を調整してＰＢＧＦを線引すればよい。或いは、第１光フィルタ２０、波長変換器３０、第２光フィルタ４０を線引きする際、線引の速度を一定として、第１光フィルタ２０となるように光ファイバ母材の送り速度を調整してＰＢＧＦを線引し、続けて波長変換器３０となるように光ファイバ母材の送り速度を調整してＰＢＧＦを線引し、さらに続けて、第２光フィルタ４０となるように光ファイバ母材の送り速度を調整してＰＢＧＦを線引すればよい。
また、上記実施形態においては、レーザ発振器１０として、パルス状のレーザ光を出力するレーザ発振器を用いることで、パルス状のレーザ光が出力されるファイバレーザ装置としたが、必ずしもパルス状のレーザ光が出力される必要はなく、連続状のレーザ光が出力されるレーザ発振器であっても良い。
また、上記実施形態においては、レーザ発振器１０は、ファイバリングレーザにより構成されたが、必ずしもファイバリングレーザである必要はない。例えば、希土類添加光ファイバの両端に共振器ミラーが設けられたファブリペロー型のファイバレーザや、連続光を出力している半導体レーザと外部変調器を組み合わせたものでも良い。
また、光ファイバ増幅器５０において、励起光源部５３を複数の構成としても良い。
本発明によれば、レーザ光が、照射物や出力端で反射する場合においても、レーザ発振器に損傷を与えることが防止できるファイバレーザ装置が提供される。
１０・・・レーザ発振器
１１・・・励起光源
１２・・・ＷＤＭカプラ
１３・・・希土類添加ファイバ
１４・・・光アイソレータ
１５・・・出力カプラ
１７・・・バンドパスフィルタ
１８・・・光スイッチ
２０・・・第１光フィルタ
２１・・・第１コア
２２・・・第２コア
２５・・・周期構造領域
２６・・・高屈折率部
２７・・・クラッド領域
３０・・・波長変換器
３１・・・コア
３２・・・コア領域
３５・・・周期構造領域
３６・・・高屈折率部
３７・・・クラッド領域
４０・・・第２光フィルタ
５０・・・光ファイバ増幅器
５１・・・光結合器
５３・・・励起光源部
５５・・・増幅用光ファイバ
６０・・・出力端
１００・・・ファイバレーザ装置

Claims (4)

  1. 第１波長のレーザ光を発生するレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から出力される前記第１波長のレーザ光が入力され、前記第１波長のレーザ光を透過させる第１光フィルタと、
    前記第１光フィルタを透過する前記第１波長のレーザ光が入力され、前記第１波長のレーザ光による誘導ラマン散乱により、前記第１波長のレーザ光よりも長波長の第２波長のレーザ光を発生させ、前記第１波長のレーザ光と前記第２波長のレーザ光とを透過させる波長変換器と、
    前記波長変換器から出力される前記第２波長のレーザ光が入力され、前記第２波長のレーザ光を透過させ、前記第１波長のレーザ光の透過が抑制される第２光フィルタと、
    前記第２光フィルタを透過する前記第２波長のレーザ光が入力され、前記第２波長のレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器と、
    前記光ファイバ増幅器で増幅される前記第２波長のレーザ光を出力する出力端と、
    を備え、
    前記第１光フィルタは、前記第２波長のレーザ光及び前記第２波長のレーザ光による誘導ラマン散乱により発生する前記第２波長のレーザ光よりも長波長の第３波長のレーザ光の透過が抑制され、
    前記第１光フィルタ、前記波長変換器、前記第２光フィルタは、フォトニック・バンド・ギャップ・ファイバを含み構成されている
    ことを特徴とするファイバレーザ装置。
  2. 前記波長変換器は、前記第３波長のレーザ光の透過が抑制されることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
  3. 前記第１光フィルタの断面形状と前記第２光フィルタの断面形状とが相似形であることを特徴とする請求項１または２に記載のファイバレーザ装置。
  4. 前記第１光フィルタ、前記波長変換器、前記第２光フィルタは、同一の光ファイバ母材から連続して製造されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。
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