JP5281952B2

JP5281952B2 - レーザ装置

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Publication number: JP5281952B2
Application number: JP2009108751A
Authority: JP
Inventors: 道弘中居
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: US8442089B2; US20140153595A1; US20100272128A1; US9020007B2; JP2010258323A

Description

本発明は、レーザ装置に関する。

レーザ装置の一つとして、ファイバレーザ装置が知られている。ファイバレーザ装置においては、希土類元素が添加された増幅用光ファイバによりレーザ光が増幅されて、増幅されたレーザ光が増幅用光ファイバの端部から出力される。このようなファイバレーザ装置においては、大きなレーザ光出力を得るために、増幅用光ファイバを長くすることが行われている。

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、増幅用光ファイバの端部にガラスロッドにより構成されるエンドキャップが設けられる。そして、増幅用光ファイバで増幅されたレーザ光は、増幅用光ファイバからエンドキャップに入力されて、エンドキャップにおいて径が拡大され、エンドキャップの増幅用光ファイバとは反対側から出力される（特許文献１）。

米国特許第７，１９０，５１１号公報

しかし、ファイバレーザ装置において、大きなレーザ光出力を得るために、増幅用光ファイバを長くすると、非線形光学効果の影響を受ける場合があり、この影響によりレーザ光の増幅効率が悪くなることがある。上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置においても、増幅用光ファイバによりレーザ光が増幅されるため、非線形光学効果の影響を受け、レーザ光の増幅効率が悪くなる場合がある。

そこで、本発明は、レーザ光の増幅効率の良いレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ装置は、レーザ光を出力するレーザ光源と、励起光を出力する励起光源と、コア部及びクラッド部を有し、前記レーザ光及び前記励起光が入力され、前記コア部により前記レーザ光を伝播し、前記コア部と前記クラッド部とにより前記励起光を伝播する光ファイバと、希土類元素が添加され、入力端面及び出力端面を有して、前記コア部の直径よりも直径が太く、前記光ファイバから出力される前記レーザ光及び前記励起光が前記入力端面から入力され、少なくとも前記レーザ光が前記出力端面から出力されるガラスロッドと、を備え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、レーザ光源から出力されるレーザ光が光ファイバのコア部により伝播され、励起光源から出力される励起光が光ファイバのコア部とクラッド部により伝播される。そして、光ファイバから出力されるレーザ光及び励起光は、希土類が添加されたガラスロッドの入力端面からガラスロッドに入力される。

このとき、ガラスロッドの屈折率が一様であるため光ファイバのコアからガラスロッドに入力されるレーザ光及び励起光の直径は回折により広がる。そして、ガラスロッドにおいて、励起光は希土類元素を励起する。入力されたレーザ光は、励起された希土類元素による誘導放出現象により増幅される。そして、増幅されたレーザ光は、ガラスロッドの出力端面から出力される。このように励起光及びレーザ光は、ガラスロッドにおいて径が拡大されながら、希土類元素を励起して誘導放出光を放出するので、レーザ光及び励起光が通過する希土類元素の数が多く、より多くの誘導放出光を得ることができる。このため、短い長さにおいても大きな利得を得ることが可能となる。

また、レーザ光の径は、ガラスロッドにおいて拡大されるため、ガラスロッド内において、レーザ光の進行方向に垂直な断面における単位面積当たりのレーザ光の強度は、光ファイバ内のレーザ光の強度よりも弱くなる。このため光ファイバから強い強度のレーザ光を入力してもガラスロッド内において非線形光学効果による影響を受けることが抑制される。つまり、レーザ光のエネルギーが非線形光学効果により、出力したいレーザ光と異なる波長の光に変換されてしまうことにより、増幅された所望のレーザ光が失われてしまうことが抑制される。

このように、ガラスロッド内において、より多くの誘導放出光を得ることができ、非線形光学効果による影響が抑制されるため、レーザ光を効率良く増幅して出力することができる。

さらに前記レーザ装置において、前記ガラスロッドの前記入力端面と前記光ファイバとの間にレンズを更に備え、前記レンズは、前記光ファイバから前記レーザ光が入力され、前記レーザ光の径を拡大した後、前記レーザ光が平行光となるように前記レーザ光を前記ガラスロッドの長手方向と平行に前記ガラスロッドに出力することが好適である。

このようにレンズに入力されるレーザ光は、レンズにおいて径が拡大されてレンズからガラスロッドに出力される。このときレーザ光は、平行光となるようにガラスロッドの長手方向と平行に出力される。従って、ガラスロッドの長さに関わらず、ガラスロッドの入力端面から入力されるレーザ光の一部が、ガラスロッドの側面で反射したり、側面から漏れたりすることが抑制され、レーザ光が損失することが抑制される。従って、レーザ装置の製造の際にガラスロッドの長さにばらつきが生じる場合においても、ばらつきの許容範囲が向上するため、レーザ光が平行光とならないレーザ装置よりも生産性が向上する。

また前記レーザ装置において、前記レンズは、ＧＲＩＮレンズであり、前記レンズは、前記ガラスロッド及び前記光ファイバの少なくとも一方と融着されていることが好適である。

このような構成とすることで、光ファイバ及びガラスロッドがレンズと隙間を空けている場合よりも、レンズと光ファイバの間、或いは、レンズとガラスロッドとの間における、光の損失が抑制され、より効率良くレーザ光を増幅することができる。

また前記レーザ装置において、前記励起光を反射し、前記レーザ光を透過させる光フィルタが、前記ガラスロッドの前記出力端面上に形成されていることが好適である。

このように構成することで、ガラスロッドの出力端面から出力されるレーザ光は、光フィルタを透過して出力される。一方励起光は、光フィルタにより反射されて、再びガラスロッド内を伝播する。このため、レーザ光は、レーザ光と共に入力端面から入力する励起光と、光フィルタにより反射する励起光とにより増幅されるため、より効率良くレーザ光を増幅することができる。

本発明によれば、レーザ光の増幅効率の良いレーザ装置が提供される。

本発明の第１実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図１に示す第１光ファイバ２０の断面図である。本発明の第２実施形態に係るレーザ装置を示す図である。本発明の第３実施形態に係るレーザ装置を示す図である。本発明の第２実施形態に係るレーザ装置の変形例を示す図である。

以下、本発明に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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ装置を示す図である。

図１に示すように、レーザ装置１００は、レーザ光を出力するレーザ光源１０と、レーザ光が入力される光ファイバ２０と、励起光を出力する励起光源３０と、励起光を光ファイバ２０に入力する光カプラ４０と、ガラスロッド５０とを備える。

レーザ光源１０は、例えば、波長が１０６４ｎｍのパルス状のレーザ光を出力する。

図２は、光ファイバ２０の断面図である。図２に示すように、光ファイバ２０は、ダブルクラッドファイバにより構成される。具体的には、光ファイバ２０の中心に設けられるコア部２１と、コア部２１を被覆するクラッド部２２と、クラッド部２２を被覆する樹脂クラッド部２３とを有する。コア部２１の屈折率は、クラッド部２２の屈折率よりも高くされる。樹脂クラッド部２３の屈折率は、クラッド部２２の屈折率よりも、大幅に低くされる。また、コア部２１の直径は、特に制限されないが、例えば１０μｍであり、クラッド部２２の外径は、特に制限されないが、例えば１２５μｍであり、樹脂クラッド部２３の外径は、特に制限されないが、例えば１５０μｍである。第１光ファイバは、コア部２１により、例えば波長が１０６４ｎｍのレーザ光をシングルモード光として伝播が可能とされ、コア部２１とクラッド部２２とにより、上記励起光をマルチモード光として伝播が可能とされる。なお、図１においては、樹脂クラッド部２３は省略している。

励起光源３０は、例えば、レーザ光源から出力されるレーザ光が上述のように１０６４ｎｍである場合、波長が９７６ｎｍの励起光を出力する。励起光源から出力される励起光は、励起光をマルチモード光として伝播するマルチモードファイバ３１により伝播される。

光カプラ４０は、光ファイバ２０の途中に設けられ、マルチモードファイバ３１により伝播される励起光源３０からの励起光を第１光ファイバ２０に入力する。

ガラスロッド５０は、全体に均一に希土類元素が添加される石英ガラスから構成される。また、ガラスロッド５０は、入力端面５１と出力端面５２とを有する円柱状の形状をしており、光ファイバ２０のコア部２１の直径よりも大きな直径を有する。光ファイバ２０の端面２４は、ガラスロッド５０の中心軸と光ファイバ２０の中心軸とが一致するように、ガラスロッド５０の入力端面５１に融着される。なお、本実施形態においては、ガラスロッド５０は、例えば、直径が４００μｍであり、長さが３ｍｍとされる。

次に、レーザ装置１００における、レーザ光及び励起光の光路、及び、レーザ光の増幅について説明する。

レーザ光源１０から出力されるレーザ光は、光ファイバ２０に入力され、光ファイバ２０のコア部２１をシングルモード光として伝播する。また、励起光源３０から出力される励起光は、マルチモードファイバ３１と光カプラ４０とを介して光ファイバ２０に入力され、光ファイバ２０のコア部２１とクラッド部２２とをマルチモード光として伝播する。

光ファイバ２０を伝播するレーザ光及び励起光は、光ファイバ２０の端面２４から出力されて、入力端面５１からガラスロッド５０に入力される。このとき、ガラスロッド５０の直径は、光ファイバ２０のコア部２１の直径より大きくされているため、ガラスロッド５０に入力されるレーザ光及び励起光の径は、拡大される。

ガラスロッド５０においては、励起光によりガラスロッド５０内の希土類元素が励起される。励起される希土類元素は、入力されるレーザ光により誘導放出光を放出し、誘導放出光によりレーザ光は増幅される。こうして径が拡大されながら増幅されたレーザ光は、ガラスロッド５０の出力端面５２から出力される。

なお、光ファイバ２０のコア部２１の屈折率Ｎｃとガラスロッド５０の屈折率Ｎｒと、ガラスロッド５０の利得Ｇｒの関係が、
（Ｎｃ−Ｎｒ）／（Ｎｃ＋Ｎｒ）＜１／Ｇｒ
を満たすことが好ましい。このような関係を満たしていれば、ガラスロッド５０内の希土類元素が放出する自然放出光が光ファイバ２０の端面２４で反射され、ガラスロッド内で増幅されることによる不要な発振を抑制することができる。

このようなレーザ装置１００によれば、ガラスロッド５０に入力される励起光は、ガラスロッド５０において径が拡大されながら、希土類元素を励起する。また、ガラスロッド５０に入力されるレーザ光は、径が拡大されながら、伝播される。励起される希土類元素は、入力されるレーザ光により誘導放出を起こし、レーザ光が増幅される。こうして増幅されるレーザ光はガラスロッド５０の出力端面５２から出力される。このように励起光は、ガラスロッド５０において径が拡大されながら伝播するので、多くの希土類元素を励起でき、より多くの誘導放出光を得ることができる。

なお、ガラスロッド５０の直径は、光ファイバ２０のコア部２１の直径より大きいとしたが、ガラスロッド５０の直径は、光ファイバ２０のクラッド部２２の外径より、大きいことが好ましい。ガラスロッド５０の直径が、光ファイバ２０のクラッド部２２の外径より、大きいことにより、光ファイバ２０のコア部２１とクラッド部２２とを伝播する励起光を効率よくガラスロッド５０に伝播させることができる。

また、レーザ光の径は、ガラスロッド５０において拡大されるため、ガラスロッド５０において、レーザ光の進行方向に垂直な断面における単位面積当たりのレーザ光の強度は、光ファイバ２０内のレーザ光の強度よりも弱くなる。このため光ファイバ２０から強い強度のレーザ光を入力してもガラスロッド５０において非線形光学効果による影響を受けることが抑制される。つまり、レーザ光のエネルギーが非線形光学効果により、出力したいレーザ光と異なる波長の光に変換されてしまうことにより、増幅された所望のレーザ光が失われてしまうことが抑制される。

このように、ガラスロッド５０において、より多くの誘導放出光を得ることができ、非線形光学効果による影響が抑制されるため、レーザ光を効率良く増幅して、レーザ光を出力端面５２から出力することができる。

また、レーザ装置１００においては、レーザ光は、光ファイバ２０から出力された後に増幅される。従って、光ファイバ２０の端面２４におけるレーザーパワーの密度が低い。このため、仮にレーザ光が光ファイバ２０の端面２４から出力される際において、レーザ光による光ファイバ２０の端面２４の損傷（例えば、レーザ光のピークパワーによる瞬間的な損傷）を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。

図３は、本発明の第２実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図３に示すように、レーザ装置１１０は、光ファイバ２０とガラスロッド５０との間にレンズ６０が設けられる点で、第１実施形態のレーザ装置１００と異なる。

レンズ６０は、円柱状の形状をしており、ＧＲＩＮレンズにより構成される。具体的には、レンズ６０は、径方向に屈折率分布を有し、長さ方向において屈折率分布を有さない構成とされ、径方向の中心側ほど屈折率が高く、側面に近い部分ほど屈折率が低い構成とされ、屈折率が径の中心側から側面側にかけてなだらかに変化している。従って、レンズ６０に入力される光は、レンズ６０の内部において屈折する。

また、レンズ６０の光ファイバ２０側の端面６１は、レンズ６０の中心軸と光ファイバ２０の中心軸とが一致するように、あるいは、レンズ６０の直径の５％以内でレンズ６０の中心と光ファイバ２０の中心とを偏芯させて、光ファイバ２０の端面２４と融着される。さらにレンズ６０のガラスロッド５０側の端面６２は、レンズ６０の中心軸とガラスロッド５０の中心軸とが一致あるいは平行となるように、ガラスロッド５０の入力端面５１と融着される。なお、本実施形態においては、レンズ６０は、例えば、直径が５００μｍであり、長さが１．７ｍｍとされ、ガラスロッド５０は、直径が８００μｍであり、長さが１０ｍｍとされる。

光ファイバ２０から出力されるレーザ光及び励起光は、レンズ６０に入力されると、径が拡大され、レンズ６０の端面６２から出力される。このとき、レーザ光は、レンズ６０から平行光となるように出力される。さらにレーザ光は、ガラスロッド５０の長手方向と平行に出力される。そして、レーザ光は、ガラスロッド５０内を伝播し、出力端面５２から出力される。

なお、レンズ６０の屈折率Ｎｇ（中心側の最も屈折率が高い部分の屈折率をＮ１、側面側の最も屈折率が低い部分の屈折率をＮ２としたときに、Ｎｒとの差が大きくなる方の屈折率をＮｇとする）とガラスロッド５０の屈折率Ｎｒと、ガラスロッド５０の利得Ｇｒの関係が、
（Ｎｇ−Ｎｒ）／（Ｎｇ＋Ｎｒ）＜１／Ｇｒ
を満たすことが好ましい。このような関係を満たしていれば、ガラスロッド５０内の希土類元素が放出する自然放出光がレンズ６０の端面６２で反射され、ガラスロッド内で増幅されることによる不要な発振を抑制することができる。

本実施形態のレーザ装置１１０によれば、レーザ光は、平行光となるようにガラスロッド５０の長手方向と平行にレンズから出力される。このため、ガラスロッド５０の長さに関わらず、レーザ光がガラスロッドの側面で反射したり、側面から漏れたりすることが抑制でき、ガラスロッド５０におけるレーザ光の損失が抑制できる。また、励起光もレンズ６０で径が拡大され、ガラスロッド５０を伝播する断面積が広がるため、多くの希土類元素が励起され、より多くの誘導放出光を得ることができる。

また、レンズ６０はＧＲＩＮレンズであり、レンズ６０は光ファイバ２０の端面２４、及び、ガラスロッドの入力端面５１と融着されている。このため、光ファイバ２０及びガラスロッド５０がレンズ６０と隙間を空けている場合よりも、レンズ６０と光ファイバ２０の間、或いは、レンズ６０とガラスロッド５０との間における光の損失が抑制される。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。

図４は、本発明の第３実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図４に示すように、レーザ装置１２０は、ガラスロッド５０の出力端面５２上に光フィルタ７０が設けられている点で、第１実施形態のレーザ装置１００と異なる。

光フィルタ７０は、レーザ光の波長の光を透過して、励起光の波長の光を反射する。このような、光フィルタは、屈折率の異なる材料を交互に積層することで形成される誘電体多層膜フィルタにより構成すれば良い。誘電体多層膜フィルタに用いる材料としては、シリカ（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）。ジルコニア（ＺｒＯ_２）等が挙げられる。

本実施形態のレーザ装置１２０によれば、ガラスロッド５０の出力端面５２において、レーザ光は光フィルタ７０を透過して出力され、励起光は光フィルタ７０により反射されて、再びガラスロッド５０内を伝播する。従って、レーザ光は、入力端面５１からレーザ光と共に入力する励起光と、光フィルタ７０により反射する励起光とにより増幅される。このため、レーザ光をより効率良く増幅して出力することができる。

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、第２、第３実施形態のレーザ装置１００、１１０、１２０において、ガラスロッド５０は、全体に均一に希土類元素が添加される石英ガラスから構成されるとしたが、ガラスロッドの中心軸に近いほど希土類元素の濃度を高くしても良い。径が拡大される光は、光軸に近いほど強度が強くなる傾向にある。このため、ガラスロッド５０内におけるレーザ光も光軸に近いほど強度が強くなる傾向にある。従って、強度の強いレーザ光が入力されるガラスロッドの中心軸に近い部分ほど希土類元素の濃度を高くすれば、より効率よくレーザ光の増幅を行うことができる。

また、第２実施形態においては、レーザ光と励起光とが平行光となるよう出力されるとしたが、励起光は、図５に示すようにレンズ６０から出力後、ガラスロッド５０において、徐々に径が狭くなるようにしても良い。上記のように径が拡大されたレーザ光は、光軸に近いほど強度が強い傾向にある。このため、強度の強いレーザ光が通過する部分に励起光を集めることにより、より効率良くレーザ光の増幅を行うことができる。

また、第３実施形態において、レーザ装置１２０は、光ファイバ２０が融着されたガラスロッド５０の出力端面５２上に光フィルタ７０が設ける構成としたが、本発明はこれに限らない。例えば、第２実施形態におけるレンズ６０が融着されたガラスロッド５０の出力端面５２上に光フィルタ７０を設ける構成としてもよい。

また、第２実施形態のレーザ装置１１０において、出力端面５２上にレーザ光を透過して励起光を反射する光フィルタを設けても良い。この場合、光フィルタの具体的構成は、第３実施形態のレーザ装置１２０における光フィルタ７０と同様である。

また、第１、第３実施形態において、光ファイバ２０の端面２４は、ガラスロッド５０と融着されるとしたが、本発明はこれに限らず、光ファイバ２０とガラスロッド５０との間に隙間が設けられていてもよい。この場合、光ファイバ２０の端面２４とガラスロッド５０入力端面５１とは、無反射コーティングがされることが好ましい。

同様に第２実施形態において、光ファイバ２０とレンズ６０との間、および、レンズ６０とガラスロッド５０との間に隙間が設けられていても良い。この場合においても、光ファイバ２０の端面２４、ガラスロッド５０の入力端面５１、レンズ６０の端面６１、６２には、無反射コーティングがされることが好ましい。

１０・・・レーザ光源
２０・・・光ファイバ
２１・・・コア部
２２・・・クラッド部
２３・・・樹脂クラッド部
３０・・・励起光源
４０・・・光カプラ
５０・・・ガラスロッド
６０・・・レンズ
７０・・・光フィルタ

Claims

レーザ光を出力するレーザ光源と、
励起光を出力する励起光源と、
コア部及びクラッド部を有し、前記レーザ光及び前記励起光が入力され、前記コア部により前記レーザ光を伝播し、前記コア部と前記クラッド部とにより前記励起光を伝播する光ファイバと、
希土類元素が全体に添加され、入力端面及び出力端面を有して、前記コア部の直径よりも直径が太く、前記光ファイバから出力される前記レーザ光及び前記励起光が前記入力端面から入力され、少なくとも前記レーザ光が前記出力端面から出力されるガラスロッドと、
を備え、
前記ガラスロッド内において、励起光の直径は前記レーザ光の直径よりも大きく前記レーザ光は前記励起光内に位置する
ことを特徴とするレーザ装置。
前記ガラスロッドの前記入力端面と前記光ファイバとの間にレンズを更に備え、
前記レンズは、前記光ファイバから前記レーザ光が入力され、前記レーザ光の径を拡大した後、前記レーザ光が平行光となるように前記レーザ光を前記ガラスロッドの長手方向と平行に前記ガラスロッドに出力することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記レンズは、ＧＲＩＮレンズであり、前記レンズは、前記ガラスロッド及び前記光ファイバの少なくとも一方と融着されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
前記励起光を反射し、前記レーザ光を透過させる光フィルタが、前記ガラスロッドの前記出力端面上に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ装置。