JP5390907B2

JP5390907B2 - カスケードラマン共振器および光ファイバレーザ

Info

Publication number: JP5390907B2
Application number: JP2009087357A
Authority: JP
Inventors: 芳博江森; 達也畑野; 晃藤崎
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010239036A

Description

本発明は、カスケードラマン共振器およびこれを用いた光ファイバレーザに関する。

従来、カスケードラマン共振器を用いた高出力の光ファイバレーザが開示されている。たとえば、非特許文献１に開示される光ファイバレーザは、イッテルビウム（Ｙｂ）イオン添加型光ファイバレーザ（ＹＤＦＬ）からなる励起用光ファイバレーザと、カスケードラマン共振器とから構成される。そして、この光ファイバレーザにおいては、励起用光ファイバレーザは波長約１１１７ｎｍの励起用レーザ光を出力し、カスケードラマン共振器は、この励起用レーザ光を受付け、カスケードラマン共振器内における誘導ラマン散乱現象によって、波長が長波長側にシフトした光を次々と発生させ、最終的に波長約１４８０ｎｍの高強度のレーザ光を発生させて、出力する。

S. G. Grubb, et al., "High-Power 1.48 μm Cascaded Raman Laser in Germanosilicate Fibers," in Optical Amplifiers and Their Applications(1995), paper SaA4.

ところで、従来のカスケードラマン共振器は、その内部においてたとえば約１２３９ｎｍ、１３１０ｎｍ、１３９１ｎｍの光を発生させる。これらの波長の光は、最終的に波長約１４８０ｎｍの高出力のレーザ光を発生させるための励起光として、カスケードラマン共振器の内部で消費される。

しかしながら、カスケードラマン共振器から出力する波長約１４８０ｎｍのレーザ光を高出力にするにつれて、上記の励起光が、不要光成分として波長約１４８０ｎｍのレーザ光とともにカスケードラマン共振器から出力するようになる。このため、これらの不要光成分を除去するために光学フィルタ装置等の除去手段が必要となるので、カスケードラマン共振器の部品点数が増加し、構成が複雑化するという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡略な構成で、不要光成分の出力を抑制することができるカスケードラマン共振器および光ファイバレーザを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るカスケードラマン共振器は、励起光を受け付け、前記励起光に対するラマン散乱の第１〜第ｎストークス光（ｎは２以上の整数）に対応する各波長の光を選択的に反射する第１〜第ｎ入力側光反射器を有する入力側光反射装置と、前記入力側光反射装置に接続し、少なくとも前記励起光によってラマン散乱光を発生させるラマンファイバと、前記ラマンファイバに接続し、前記第１〜第ｎストークス光に対応する各波長の光を選択的に反射する第１〜第ｎ出力側光反射器を有する出力側光反射装置と、を備え、前記第１〜第ｎ出力側光反射器のうち第ｎ出力側光反射器以外の少なくとも一つの出力側光反射器の反射波長帯域の半値全幅が２．４ｎｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係るカスケードラマン共振器は、上記の発明において、前記少なくとも一つの出力側光反射器に対応する反射波長を有する前記入力側光反射器の反射波長帯域の半値全幅が、前記少なくとも一つの出力側光反射器の反射波長帯域の半値全幅よりも狭いことを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバレーザは、前記励起光を出力する励起用光ファイバレーザと、前記励起用光ファイバレーザに接続した本発明に係るカスケードラマン共振器と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡略な構成で、不要光成分の出力を抑制することができるカスケードラマン共振器および光ファイバレーザを実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光ファイバレーザの模式図である。図２は、図１に示すカスケードラマン共振器の模式図である。図３は、光ファイバグレーティングの透過スペクトルの一例を示す図である。図４は、カスケードラマン共振器の動作について説明する図である。図５は、実施の形態１に係る光ファイバレーザの出力光スペクトルの一例を示す図である。図６は、出力側の第３光ファイバグレーティングの半値全幅を変化させたときの、出力される不要光成分の光スペクトルを模式的に示す図である。図７は、実施例および比較例に係る光ファイバレーザにおける、半導体レーザ素子の駆動電流と、出力される不要光成分の光強度との関係を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係るカスケードラマン共振器および光ファイバレーザの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下では、光の波長や反射波長については、代表的な値を示しており、その値の近傍で適宜調整されるものである。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバレーザの模式図である。この光ファイバレーザ１００は、石英ガラス系の光ファイバからなる励起用の光ファイバレーザＦＬと、光ファイバレーザＦＬに接続した、石英ガラス系の光ファイバからなるカスケードラマン共振器ＣＲＲとを備えている。

光ファイバレーザＦＬは、ｍを２以上の整数として、励起光源である半導体レーザ素子１₁〜１_ｍと、半導体レーザ素子１₁〜１_ｍが出力する励起光を導波するマルチモード光ファイバ２₁〜２_ｍと、マルチモード光ファイバ２₁〜２_ｍが導波した励起光を結合し、ダブルクラッド光ファイバ５から出力させるＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）３、４と、各ダブルクラッド光ファイバ５と接続点Ｃ１、Ｃ４において接続するダブルクラッド型の光ファイバグレーティング６、７と、光ファイバグレーティング６、７と接続点Ｃ２、Ｃ３において接続するダブルクラッド型の希土類元素添加光ファイバ８と、ＴＦＢ４に接続した出力光ファイバ９とを備える。

半導体レーザ素子１₁〜１_ｍが出力する励起光の波長は９１５ｎｍ近傍である。また、光ファイバグレーティング６は、反射中心波長が１１１７ｎｍであり、中心波長およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。また、光ファイバグレーティング７は、中心波長が１１１７ｎｍであり、中心波長における反射率が１０〜３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約０．１ｎｍであり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。したがって、光ファイバグレーティング６、７は、波長１１１７ｎｍの光に対して光共振器を構成する。また、希土類元素添加光ファイバ８は、コア部に増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加された増幅光ファイバである。

一方、カスケードラマン共振器ＣＲＲは、出力光ファイバ９と接続点Ｃ５において接続する入力側光反射装置１０と、入力側光反射装置１０と接続点Ｃ６において接続するラマンファイバ１１と、ラマンファイバ１１と接続点Ｃ７において接続する出力側光反射装置１２とを備えている。なお、上記接続点Ｃ１〜Ｃ７は、いずれも融着接続されているものである。

図２は、図１に示すカスケードラマン共振器ＣＲＲの模式図である。ラマンファイバ１１は、誘導ラマン散乱を効率よく発生させるために、波長１４５０ｎｍにおけるモードフィールド径を約４．５μｍと小さくして、光学非線形性を高めている。また、入力側光反射装置１０は、互いに異なる波長の光を選択的に反射する入力側光反射器としての第１〜第５光ファイバグレーティング１０ａ〜１０ｅを有する。また、出力側光反射装置１２は、互いに異なる波長の光を選択的に反射する出力側光反射器としての第１〜第５光ファイバグレーティング１２ａ〜１２ｅ、および光ファイバグレーティング１２ｆを有する。各光ファイバグレーティングの反射中心波長については、第１光ファイバグレーティング１０ａ、１２ａが１１７５ｎｍ、第２光ファイバグレーティング１０ｂ、１２ｂが１２３９ｎｍ、第３光ファイバグレーティング１０ｃ、１２ｃが１３１０ｎｍ、第４光ファイバグレーティング１０ｄ、１２ｄが１３９１ｎｍ、第５光ファイバグレーティング１０ｅ、１２ｅが１４８０ｎｍ、光ファイバグレーティング１２ｆが１１１７ｎｍになっている。

ここで、入力側光反射装置１０を構成する第１〜第５光ファイバグレーティング１０ａ〜１０ｅはいずれも、反射波長帯域の半値全幅が２ｎｍであり、反射中心波長における反射率が９９％以上である。一方、出力側光反射装置１２については、第５光ファイバグレーティング１２ｅは、反射波長帯域の半値全幅が約０．１ｎｍであり、反射中心波長における反射率が１０％程度である。また、その他の第１〜第４光ファイバグレーティング１２ａ〜１２ｄ、および光ファイバグレーティング１２ｆはいずれも、反射波長帯域の半値全幅が２．４ｎｍであり、反射中心波長における反射率が９９％以上である。

図３は、光ファイバグレーティングの透過スペクトルの一例として、第３光ファイバグレーティング１０ｃの透過スペクトルを示す図である。なお、縦軸は規格化透過率である。図３に示すように、第３光ファイバグレーティング１０ｃは、反射中心波長が約１３１０ｎｍであり、反射波長帯域の半値全幅Ｗが２ｎｍである。

つぎに、この光ファイバレーザ１００の動作について説明する。まず、光ファイバレーザＦＬにおいて、半導体レーザ素子１₁〜１_ｍが波長９１５ｎｍ近傍の励起光を出力すると、マルチモード光ファイバ２₁〜２_ｍが各励起光を導波し、ＴＦＢ３、４が、導波した各励起光を結合してダブルクラッド光ファイバ５に出力する。ダブルクラッド光ファイバ５は結合した励起光をマルチモードで伝搬する。その後、光ファイバグレーティング６、７がダブルクラッド光ファイバ５を伝搬した励起光を透過して、希土類元素添加光ファイバ８に到達させる。

希土類元素添加光ファイバ８に到達した励起光は、希土類元素添加光ファイバ８の内側クラッド内をマルチモードで伝搬しながら、希土類元素添加光ファイバ８のコア部に添加したＹｂイオンを光励起し、波長１１１７ｎｍを含む波長帯域を有する蛍光を発光させる。この蛍光は、光ファイバグレーティング６、７が構成する光共振器内をシングルモードで往復しながら、Ｙｂイオンの誘導放出作用により増幅され、発振波長１１１７ｎｍにおいてレーザ発振する。そして、光ファイバレーザＦＬは、出力光ファイバ９から励起用のレーザ光を出力する。

出力光ファイバ９から出力したレーザ光は、接続点Ｃ５を通過し、入力側光反射装置１０からカスケードラマン共振器ＣＲＲに入力する。

つぎに、カスケードラマン共振器ＣＲＲの動作について説明する。図４は、カスケードラマン共振器ＣＲＲの動作について説明する図である。カスケードラマン共振器ＣＲＲにおいて、入力側光反射装置１０が光ファイバレーザＦＬからの波長１１１７ｎｍの励起用のレーザ光Ｌ１を受け付け、ラマンファイバ１１に入力する。すると、ラマンファイバ１１は、レーザ光Ｌ１を励起光として、ラマン散乱の第１ストークス波長に対応する波長１１７５ｎｍのラマン散乱光（以下、第１ストークス光と称する）を発生させるとともに、これをラマン増幅する。増幅した第１ストークス光は、対応する波長を選択的に反射する第１光ファイバグレーティング１０ａ、１２ａが構成する光共振器によって多重反射してその強度が高められ、やがて励起光として機能して波長１２３９ｎｍの第２ストークス光を発生させる。以下、同様の作用によって、第２光ファイバグレーティング１０ｂ、１２ｂ、第３光ファイバグレーティング１０ｃ、１２ｃ、第４光ファイバグレーティング１０ｄ、１２ｄが構成する各光共振器とラマンファイバ１１のラマン増幅作用によって、それぞれ波長１３１０ｎｍ、１３９１ｎｍ、１４８０ｎｍの第３ストークス光〜第５ストークス光が発生する。第５ストークス光は、第５光ファイバグレーティング１０ｅ、１２ｅが構成する光共振器によって多重反射してその強度が高められ、レーザ発振する。

ここで、出力側光反射装置１２において、第５光ファイバグレーティング１２ｅの反射率が低いので、この波長１４８０ｎｍの光がレーザ光Ｌ２として光ファイバグレーティング１２ｆから外部に出力する。なお、出力側光反射装置１２は反射波長が１１１７ｎｍの光ファイバグレーティング１２ｆを有しているため、光ファイバレーザＦＬが出力する波長１１１７ｎｍのレーザ光Ｌ１は光ファイバグレーティング１２ｆによって反射され、ラマンファイバ１１内部で効率的に利用される。

図５は、実施の形態１に係る光ファイバレーザ１００の出力光スペクトルの一例を示す図である。なお、図５において、縦軸はピーク光強度を基準とした相対光強度を示している。図５に示すように、この出力光スペクトルは、波長１４８０ｎｍのレーザ光Ｌ２の成分Ｓ１と、波長１１７５ｎｍ、１２３９ｎｍ、１３１０ｎｍ、１３９１ｎｍの不要光成分Ｓ２とを含んでいる。

ここで、このカスケードラマン共振器ＣＲＲにおいては、第１〜第５の各ストークス光に対して光共振器を構成する１対の光ファイバグレーティングについて、出力側の光ファイバグレーティングの反射波長帯域の半値全幅が広くなっている。たとえば、波長１３１０ｎｍの第３ストークス光に対する光共振器を構成する第３光ファイバグレーティング１０ｃ、１２ｃについて、反射波長帯域の半値全幅は、入力側の第３光ファイバグレーティング１０ｃが２ｎｍであり、出力側の第３光ファイバグレーティング１２ｃが２．４ｎｍである。このように、このカスケードラマン共振器ＣＲＲにおいては、出力側の光ファイバグレーティングの反射波長帯域の半値全幅が広くなっていることによって、出力される不要光成分を抑制することができる。

図６は、出力側の第３光ファイバグレーティング１２ｃの半値全幅を変化させたときの、出力される不要光成分の光スペクトルを模式的に示す図である。図６において、縦軸は相対光強度を示し、線Ｌ３は半値全幅が２ｎｍの場合、線Ｌ４は半値全幅が２．４ｎｍの場合を示している。また、横軸のスケールは図５と比較して大きく拡大している。

図６に示すように、不要光成分の光スペクトルには、出力側の光ファイバグレーティングの反射スペクトル形状が反映された窪みが形成されている。また、半値全幅が２ｎｍの場合、その窪みの短波長側の端部にピークＰが形成されており、このピークＰにおいて光強度が最大となっている。一方、半値全幅が２．４ｎｍの場合、このピークＰのようなピークは発生せず、光強度が低くなる。

すなわち、カスケードラマン共振器においては、多段のラマン増幅を利用しており、またラマン増幅の増幅帯域が約２０ｎｍと広い。したがって、所望の波長のレーザ光出力を安定した強度で得るためには、光共振器を構成する各光ファイバグレーティングの反射中心波長は精度良く設定する必要があり、またその反射波長帯域幅も狭い方が好ましい。しかしながら、反射波長帯域幅が狭い場合、出力される不要光成分において、図６に示すピークが発生する場合がある。

これに対して、この光ファイバレーザ１００では、出力側の第３光ファイバグレーティング１２ｃの反射波長帯域の半値全幅を２．４ｎｍと広くしているので、不要光成分においてピークの発生が抑制され、その光強度が抑制される。また、第５光ファイバグレーティング１２ｅ以外の出力側の第１、第２、第４光ファイバグレーティング１２ａ、１２ｂ、１２ｄについても、その反射波長帯域の半値全幅を２．４ｎｍと広くしているので、各波長の不要光成分の光強度も抑制される。

また、このように出力する不要光成分の光強度が抑制されるので、各波長の光は励起光としてラマンファイバ１１の内部で効果的に消費される。その結果、励起用のレーザ光Ｌ１から波長１４８０ｎｍのレーザ光Ｌ２へのエネルギー変換効率も向上する。

なお、カスケードラマン共振器においては、そのレーザ光出力の波長および強度の安定性のために、光共振器を構成する光ファイバグレーティングの半値全幅は、たとえば２ｎｍとされる。したがって、出力側の第１〜第４光ファイバグレーティング１２ａ〜１２ｄの反射波長帯域の半値全幅としては、２ｎｍより大きいことが好ましく、２．４ｎｍ以上であることがより好ましい。

また、この光ファイバレーザ１００では、入力側の第１〜第５光ファイバグレーティング１０ａ〜１０ｄについては、その反射波長帯域の半値全幅が、それぞれ対応する出力側の第１〜第５光ファイバグレーティング１２ａ〜１２ｄの反射波長帯域の半値全幅よりも狭く、２ｎｍとされている。その結果、第１〜第５光ファイバグレーティング１２ａ〜１２ｄの反射波長帯域の半値全幅を広くしたにもかかわらず、レーザ光出力の波長および強度の安定性が確保されている。なお、第１〜第５光ファイバグレーティング１０ａ〜１０ｄの反射波長帯域の半値全幅は、２ｎｍに限られず、２ｎｍ以下であればよい。

（実施例、比較例）
つぎに、本発明の実施例として、図１に示す実施の形態１に係る光ファイバレーザ１００と同様の構造の光ファイバレーザを作製した。なお、励起用の光ファイバレーザについては、半導体レーザ素子に１Ａ、９Ａの駆動電流を印加した場合に、波長１１１７ｎｍで強度がそれぞれ６Ｗ、９７Ｗのレーザ光を出力するように構成した。また、カスケードラマン共振器については、上記強度６Ｗ、９７Ｗ程度のレーザ光を入力させた場合に、波長１４８０ｎｍで強度がそれぞれ２Ｗ、４８Ｗのレーザ光を出力するように構成した。

一方、比較例として、実施例に係る光ファイバレーザにおいて、カスケードラマン共振器の出力側における第１〜第４光ファイバグレーティングを、反射波長帯域の半値全幅が２ｎｍのものに置き換えた光ファイバレーザを作製した。

図７は、実施例および比較例に係る光ファイバレーザにおける、半導体レーザ素子の駆動電流と、出力される不要光成分の光強度との関係を示す図である。なお、図７においては、不要光成分の波長は１３１０ｎｍであり、その光強度は、波長１４８０ｎｍのレーザ光とのレベル差で示している。

図７に示すように、実施例に係る光ファイバレーザでは、いずれの駆動電流においても、比較例よりも上記レベル差が大きくなっており、出力される不要光成分が抑制されていることが確認された。

なお、上記実施の形態では、励起用レーザ光の波長を１１１７ｎｍとし、カスケードラマン共振器からは第５ストークス光をレーザ光出力として出力させているが、特に限定はされず、たとえば、出力させたいレーザ光の波長に応じて、適宜に励起用レーザ光の波長やストークス光の次数を設定できる。

また、上記実施の形態では、出力側の第１〜第４光ファイバグレーティングの全ての反値全幅を広くしているが、少なくとも１つの半値全幅を広げるようにすれば、本発明の効果を奏するものとなる。たとえば、光強度が最も高い、または最も不要な波長の不要光成分に対する光ファイバグレーティングの半値全幅のみを広げるようにしてもよい。

１₁〜１_ｍ半導体レーザ素子
２₁〜２_ｍマルチモード光ファイバ
３、４ＴＦＢ
５ダブルクラッド光ファイバ
６、７、１２ｆ光ファイバグレーティング
８希土類元素添加光ファイバ
９出力光ファイバ
１０入力側光反射装置
１０ａ、１２ａ第１光ファイバグレーティング
１０ｂ、１２ｂ第２光ファイバグレーティング
１０ｃ、１２ｃ第３光ファイバグレーティング
１０ｄ、１２ｄ第４光ファイバグレーティング
１０ｅ、１２ｅ第５光ファイバグレーティング
１１ラマンファイバ
１２出力側光反射装置
１００光ファイバレーザ
Ｃ１〜Ｃ７接続点
ＣＲＲカスケードラマン共振器
ＦＬ光ファイバレーザ
Ｌ１、Ｌ２レーザ光
Ｌ３、Ｌ４線
Ｐピーク
Ｓ１成分
Ｓ２不要光成分
Ｗ半値全幅

Claims

励起光を受け付け、前記励起光に対するラマン散乱の第１〜第ｎストークス光（ｎは２以上の整数）に対応する各波長の光を選択的に反射する第１〜第ｎの入力側光反射器を有する入力側光反射装置と、
前記入力側光反射装置に接続し、少なくとも前記励起光によってラマン散乱光を発生させるラマンファイバと、
前記ラマンファイバに接続し、前記第１〜第ｎストークス光に対応する各波長の光を選択的に反射する第１〜第ｎの出力側光反射器を有する出力側光反射装置と、
を備え、所定の前記出力側光反射器の反射波長帯域の半値全幅が２ｎｍより大きく、前記所定の出力側光反射器に対応する反射波長を有する所定の前記入力側光反射器の反射波長帯域の半値全幅が、前記所定の出力側光反射器の反射波長帯域の半値全幅より狭いことを特徴とするカスケードラマン共振器。
前記所定の出力側光反射器の反射波長帯域の半値全幅が２．４ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のカスケードラマン共振器。
前記励起光を出力する励起用光ファイバレーザと、
前記励起用光ファイバレーザに接続した請求項１または２に記載のカスケードラマン共振器と、
を備えることを特徴とする光ファイバレーザ。