JP5588534B1 - 光ファイバ、及びこれを用いたレーザ発振器 - Google Patents

光ファイバ、及びこれを用いたレーザ発振器

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Abstract

【課題】光ファイバの端部における損傷を抑制することにある。
【解決手段】光ファイバ６は、第１光ファイバ本体６１、第２光ファイバ本体６２、及び第１エンドキャップ６３を備えている。第１光ファイバ本体６１は、第１コア６１１及び第１クラッド６１２を有する。第２光ファイバ本体６２は、第２コア６２１及び第２クラッド６２２を有し、第１端面６２３が第１光ファイバ本体６１の第１端面６１３に接合されている。第１エンドキャップ６３は、光透過性であって、第２光ファイバ本体６２の第２端面６２４に接合されている。第１コアはレーザ媒質がドープされている。第２コアにおけるレーザ媒質の質量含有率は、第１コアにおけるレーザ媒質の質量含有率よりも低い。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ、及びこれを用いたレーザ発振器に関するものである。
光ファイバを利用したレーザ発振器が広く用いられている。このレーザ発振器は、光源から発振される励起光を利用して、光ファイバによってレーザ光を発振する。このレーザ発振器に用いられる光ファイバは、例えば、エルビウムなどのレーザ媒質がドープされたＺＢＬＡＮガラスなどのフッ化物ガラスによって形成される。しかしながら、このようなフッ化物ガラス、特にＺＢＬＡＮガラスは、光ファイバからのレーザ光を吸収した大気中の水分によって潮解するという問題がある。すなわち、光ファイバの端面が損傷するという問題がある。
この問題を解消するため、例えば特許文献１には、光ファイバの端面にエンドキャップを接合している。これにより、光ファイバの端面が大気に露出しないため、大気中の水分によって光ファイバの端面が潮解することを防ぐことができる。
また、光ファイバに含まれるレーザ媒質が励起光を吸収することによって発熱するため、この発熱によって光ファイバが焼かれて損傷してしまうことを防止する必要がある。例えば特許文献２には、光ファイバを２つの金属板で挟むことによって光ファイバからの熱を放熱することにより、光ファイバの発熱による損傷を防止している。
特開２００７−２７３８４２号公報 特開２００１−２７４４８９号公報
上述したように２つの金属板で光ファイバを挟む場合、光ファイバの両端部まで完全に金属板で挟むことは難しく、光ファイバの両端部が金属板から露出することがある。そうすると、励起光が入射される光ファイバの第１端部において、光ファイバが発熱して損傷してしまうという問題が生じる。
本発明の課題は、光ファイバの端部における損傷を抑制することにある。
（１）本発明の第１側面に係る光ファイバは、励起光を利用してレーザ光を生成または増幅するための光ファイバである。この光ファイバは、第１光ファイバ本体、第２光ファイバ本体、及び第１エンドキャップを備えている。第１光ファイバ本体は、第１コア及び第１クラッドを有する。第２光ファイバ本体は、第２コア及び第２クラッドを有し、第１端面が第１光ファイバ本体の第１端面に接合されている。第１エンドキャップは、光透過性であって、第２光ファイバ本体の第２端面に接合されている。第１コアは、レーザ媒質がドープされている。第２コアにおけるレーザ媒質の質量含有率は、第１コアにおけるレーザ媒質の質量含有率よりも低い。
この構成によれば、まず、第１光ファイバ本体の第１端面は、第２光ファイバ本体が接合されており大気に露出していないため、レーザ光を吸収した大気中の水分によって潮解することを防ぐことができる。また、第２光ファイバ本体の第２端面は、第１エンドキャップが接合されており大気に露出していないため、同様に潮解を防ぐことができる。
さらには、第１光ファイバ本体の第１端面に第２光ファイバ本体が接合されているため、第１光ファイバ本体を金属板などの冷却部材で挟む等しても、第１光ファイバ本体の第１端部が冷却部材から露出することを防止することができる。この結果、第１端部も含めて第１光ファイバ本体を十分に冷却することができ、ひいては第１コアが発熱によって損傷してしまうことを防止することができる。なお、第２光ファイバ本体は一部が冷却部材から露出する可能性があるが、第２光ファイバ本体の第２コアは、レーザ媒質の質量含有率が第１コアのそれよりも低くされており、第１光ファイバ本体の第１コアよりも励起光に対する吸光度が低い。このため、第２コアの発熱を抑制することができ、第２コアが発熱によって損傷してしまうことを抑制することができる。なお、第１光ファイバ本体の第１端部とは、第２光ファイバ本体が接続される側の端部を意味する。また、この光ファイバは、第１エンドキャップ側から励起光を入射するように用いることが好ましい。
（２）好ましくは、第１コアはレーザ媒質がドープされ、第２コアはレーザ媒質がドープされていない。この構成によれば、第２コアは、レーザ媒質がドープされていないため、励起光の吸収による発熱が防止される。この結果、第２光ファイバ本体の一部が冷却部材から露出している場合であっても、第２コアの損傷を防止することができる。
（３）好ましくは、第１及び第２光ファイバ本体はフッ化物ガラスにより形成され、レーザ媒質は希土類元素である。具体的には、第１及び第２光ファイバ本体はＺＢＬＡＮガラスにより形成され、レーザ媒質はエルビウムであることが好ましい。
この構成によれば、発光特性などを向上させることができる。また、フッ化物ガラス、特にＺＢＬＡＮガラスは潮解性を有するため、本発明の適用が特に有効である。
（４）好ましくは、エンドキャップは、フッ化カルシウムによって形成される。
（５）好ましくは、第２コアは、直径が第１コアの直径よりも大きく、第１コアからの出力光が第２コア内において反射されないような長さに設計される。この構成によれば、第１コアからの出力光のモードを変更することなく、出力光を出力することができる。
（６）好ましくは、光ファイバは、第１光ファイバ本体の第２端面に接合された光透過性の第２エンドキャップをさらに備える。この構成によれば、第１光ファイバ本体の第２端面の損傷も防ぐことができる。
（７）好ましくは、光ファイバは、第１光ファイバ本体及び第２光ファイバ本体を冷却するための冷却部材をさらに備える。この構成によれば、発熱によって第１光ファイバ本体の第１コアが損傷することを防止することができる。
（８）本発明の第２側面に係るレーザ発振器は、上述したいずれかの光ファイバと、光ファイバを収容する筐体と、励起光を発振する光源とを備える。
本発明によれば、光ファイバの端部における損傷を抑制することができる。
レーザ発振器の構成を示す概略図。 光ファイバの第１端部側を示す断面図。 光ファイバの第２端部側を示す断面図。 光ファイバの第１端部側における第１及び第２光ファイバ本体の詳細断面図。 変形例１に係る光ファイバの第２端部側を示す断面図。
以下、本発明に係る光ファイバ及びこれを用いたレーザ発振器の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、レーザ発振器の構成を示す概略図である。
図１に示すように、レーザ発振器１は、光源２、第１〜第３レンズ３ａ、３ｂ、３ｃ、第１及び第２ダイクロイックミラー４ａ、４ｂ、ダンパ５、光ファイバ６、筐体７、並びにチラー装置８を備えている。
光源２は、励起光を発振するものであり、例えばランプ又は半導体レーザなどによって構成することができる。光源２にて発振された励起光は、励起光伝送ファイバ２ａを介して出力される。
第１レンズ３ａは、コリメートレンズとして機能するレンズであり、励起光伝送ファイバ２ａと、後述する筐体７の第１窓部７ａとの間に配置されている。第１レンズ３ａは、光源２からの励起光を発散光の状態から平行光の状態に変換する。
第２レンズ３ｂは、集光レンズ及びコリメートレンズとして機能するレンズであり、第１ダイクロイックミラー４ａと光ファイバ６の第１端部６７との間に配置されている。第２レンズ３ｂは、第１レンズ３ａによって平行光の状態とされた励起光を集光して光ファイバ６に放射するとともに、光ファイバ６から放射されたレーザ光を平行光の状態に変換する。
第３レンズ３ｃは、集光レンズ及びコリメートレンズとして機能するレンズであり、第２ダイクロイックミラー４ｂと光ファイバ６の第２端部６８との間に配置されている。第３レンズ３ｃは、光ファイバ６からの励起光及びレーザ光を平行光の状態に変換するとともに、第２ダイクロイックミラー４ｂからのレーザ光を集光して光ファイバ６に放射する。
第１ダイクロイックミラー４ａは、第１レンズ３ａと第２レンズ３ｂとの間に配置されている。第１ダイクロイックミラー４ａは、光源２からの励起光を透過するとともに、光ファイバ６からのレーザ光の進行方向を変更するように反射する。
第２ダイクロイックミラー４ｂは、第３レンズ３ｃとダンパ５との間に配置されている。第２ダイクロイックミラー４ｂは、光ファイバ６からの励起光を透過するとともに、光ファイバ６からのレーザ光を反射するように構成されている。
ダンパ５は、第２ダイクロイックミラー４ｂの下流側に配置されており、第２ダイクロイックミラー４ｂが透過した励起光を吸収する部材である。
図２は光ファイバ６の第１端部６７側の側面断面図であり、図３は光ファイバ６の第２端部６８側の側面断面図である。図２及び図３に示すように、光ファイバ６は、第１光ファイバ本体６１、第２光ファイバ本体６２、第１エンドキャップ６３、第２エンドキャップ６４、及び冷却部材６５を有している。
第１光ファイバ本体６１が光ファイバ６のメインとなる部分であって、この第１光ファイバ本体６１においてレーザ光が生成される。図４は、光ファイバ６の第１端部６７側における第１光ファイバ本体６１及び第２光ファイバ本体６２の詳細を示す側面断面図である。図４に示すように、第１光ファイバ本体６１は、第１コア６１１と、第１コア６１１を覆うように形成された第１クラッド６１２とを有している。
第１コア６１１は、希土類元素がレーザ媒質としてドープされたフッ化物ガラスから形成されており、好ましくはエルビウムがドープされたＺＢＬＡＮ（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF）ガラスによって形成されている。第１クラッド６１２は、フッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮガラスによって形成されている。なお、第１クラッド６１２は、第１コア６１１よりも屈折率が低く、また、レーザ媒質がドープされていない。
第２光ファイバ本体６２は、第１端面６２３が第１光ファイバ本体６１の第１端面６１３に接合されている。第２光ファイバ本体６２は、第２コア６２１と、第２コア６２１を覆うように形成された第２クラッド６２２とを有している。第２光ファイバ本体６２は、第１光ファイバ本体６１と同軸上に延びており、第１光ファイバ本体６１の直径とほぼ同じ直径を有している。すなわち、第２クラッド６２２の外径は、第１クラッド６１２の外径とほぼ同じである。なお、この第２光ファイバ本体６２は、熱融着によって第１光ファイバ本体６１に接合されている。
第２光ファイバ本体６２の第２コア６２１は、第１光ファイバ本体６１の第１コア６１１よりも直径が大きい。また、第２光ファイバ本体６２は、第１光ファイバ本体６１からのレーザ光が第２コア６２１内において反射しないような長さに設計されている。すなわち、第１コア６１１から第２コア６２１に入射したレーザ光は、第２コア６２１内で反射する前に第２コア６２１から放射される。また、第２コア６２２は、レーザ媒質であるエルビウムなどの希土類元素がドープされていないため、励起光が入射されても発熱しない。すなわち、第２ファイバ本体６２ではレーザ光が生成されない。
図２に示すように、第１エンドキャップ６３は、第２光ファイバ本体６２の第２端面６２４に接合されている。具体的には、第１エンドキャップ６３は、熱融着によって第２光ファイバ本体６２に接合されている。第１エンドキャップ６３は、励起光及びレーザ光を透過する光透過性であり、且つ潮解性を有さない。また、第１エンドキャップ３６は、融点が第２光ファイバ本体６２の融点以上とすることが好ましく、第２光ファイバ本体６２の第２端面６２４の冷却のために熱伝導率は第２ファイバ本体６２の熱伝導率よりも高いことが好ましい。また、第１エンドキャップ６３は、第２光ファイバ本体６２との接合を強固にするために、線膨張係数が第２光ファイバ本体６２と同程度のものが好ましい。具体的には、第１エンドキャップ６３は、フッ化カルシウムなどの結晶とすることができる。第１エンドキャップ６３は、他にも石英などの結晶であってもよい。
図３に示すように、第２エンドキャップ６４は、第１光ファイバ本体６１の第２端面６１４に接合されている。具体的には、第２エンドキャップ６４は、熱融着によって第１光ファイバ本体６１に接合されている。第２エンドキャップ６４は、上述した第１エンドキャップ６３と同じ構成であるため、その詳細な説明を省略する。
図２及び図３に示すように、冷却部材６５は、２つの金属板６５１ａ、６５１ｂによって構成されている。金属板６５１ａ、６５１ｂは、例えば銅製である。冷却部材６５は、２つの金属板６５１ａ、６５１ｂによって、第１及び第２光ファイバ本体６１、６２を挟んだ状態で、第１及び第２光ファイバ本体６１、６２を保持するように構成されている。なお、冷却部材６５は、第１光ファイバ本体６１の全体を挟んでいる。すなわち、第１光ファイバ本体６１は、長さ方向において各金属板６５１ａ、６５１ｂから露出していない。
より詳細には、各金属板６５１ａ、６５１ｂの対向する面に、第１及び第２光ファイバ本体６１、６２を保持するための凹部が形成されている。第１及び第２光ファイバ本体６１，６２は、この各凹部によって画定される収容部内に収容されており、この収容部内において各金属板６５１ａ、６５１ｂと接触している。このため、第１及び第２光ファイバ本体６１、６２において熱が発生すると、その熱は金属板６５１ａ、６５１ｂを介して放熱される。なお、各金属板６５１ａ、６５１ｂは、凹部以外の部分では互いに接触している。下側に配置される金属板６５１ｂは、後述する筐体７のベース部と接触している。
図１に示すように、筐体７は、直方体状の箱体であって、第２及び第３レンズ３ｂ、３ｃ、第１及び第２ダイクロイックミラー４ａ、４ｂ、ダンパ５、並びに光ファイバ６を収容している。筐体７は、光透過性を有する第１窓部７１ａ及び第２窓部７１ｂを有する。光源２からの励起光は、第１窓部７ａを介して筐体７内に進入し、光ファイバ６へと送られる。また、光ファイバ６からのレーザ光は、第２窓部７ｂを介して、筐体７の外部に出力される。
また、筐体７は、底面にベース部（図示省略）を有する。ベース部は内部に冷媒が流れる流路が形成されている。このベース部上に、上述した金属板６５１ｂが設置されているため、金属板６５１ｂが冷却される。また、金属板６５１ａは、金属板６５１ｂに接触しているために熱伝導によって冷却される。
筐体７の内部は、窒素によって充填されている。また、筐体７内の水分を除去するために、筐体７内に乾燥剤が入れられている。
筐体７には、チラー８が配管８ａを介して接続されている。チラー８は、筐体７のベース部内を流れる冷媒の温度を調整する。具体的には、筐体７のベース部から配管８ａを介して送られてきた冷媒をチラー８が冷却する。チラー８において冷却された冷媒は配管８ａを介して筐体７のベース部に戻される。
次に、上述したように構成されたレーザ発振器１の動作について説明する。
光源２において発振された励起光は、励起光伝送ファイバ２ａから出力され、第１レンズ３ａにおいて平行光の状態となり、第１窓部７ａを介して筐体７内に進入する。筐体７内に進入した励起光は、第１ダイクロイックミラー４ａを透過し、第２レンズ３ｂにて集光されて光ファイバ６の第１端部６７から光ファイバ６に入射する。より詳細には、光ファイバ６の第１エンドキャップ６３から励起光が入射する。
光ファイバ６に入射した励起光は、第１光ファイバ本体６１の第１コア６１１内を伝播する。これによって、第１コア６１１にドープされたエルビウムが励起してレーザ光を出力する。なお、励起光は、第２光ファイバ本体６２の第２コア６２１内も伝播するが、第２コア６２１内にはエルビウムがドープされていないため、第２コア６２１ではレーザ光は出力されない。励起光は、第１コア６１１内を伝播する間に徐々に強度が低くなる。そして、光ファイバ６の第２端部６８から放射された励起光は、第３レンズ３ｃ、第２ダイクロイックミラー４ｂを透過し、ダンパ５に吸収される。
一方、第１光ファイバ本体６１の第１コア６１１内で生成されたレーザ光は、光ファイバ６の第２端部６８から放射され、第３レンズ３ｃで平行光の状態に変換される。そして、レーザ光は、第２ダイクロイックミラー４ｂで反射され、第３レンズ３ｃで集光されて、第２端部６８側から光ファイバ６に入射する。光ファイバ６内に入射したレーザ光は、第１光ファイバ本体６１の第１コア６１１内を伝播し、光ファイバ６の第１端部６７から放射される。そして、レーザ光は、第２レンズ３ｂによって平行光の状態に変換され、第１ダイクロイックミラー４ａに反射されて第２窓部７ｂに向かうように進行方向が変更され、第２窓部７ｂを介して筐体７の外部へ放射される。
［特徴］
本実施形態に係る光ファイバ６は、次の特徴を有する。
（１）まず、第１光ファイバ本体６１の第１端面６１３は、第２光ファイバ本体６２が接合されており大気に露出していないため、出力光を吸収した大気中の水分による第１端面６１３の潮解を防ぐことができる。また、第２光ファイバ本体の第２端面は、エンドキャップが接合されており大気に露出していないため、同様に潮解を防ぐことができる。
さらには、第１光ファイバ本体６１の第１端面６１３に第２光ファイバ本体６２が接合されているため、第１光ファイバ本体６１を金属板６５１ａ、６５１ｂで挟む場合に、第１光ファイバ本体６１の第１端部が金属板６５１ａ、６５１ｂから露出することを防止することができる。この結果、第１光ファイバ本体６１の第１端部も十分に冷却することができ。ひいては第１コア６１１が発熱によって損傷してしまうことを防止することができる。なお、第２光ファイバ本体６２は金属板６５１ａ、６５１ｂから露出する可能性があるが、第２コア６２１はレーザ媒質がドープされていないため、第２コア６２１は励起光の吸収による発熱が防止される。この結果、第２光ファイバ本体６２が金属板６５１ａ、６５１ｂから露出している場合であっても、第２コア６２１の損傷を防止することができる。
（２）第２コア６２２は、直径が第１コア６２１の直径よりも大きく、第１コア６２１からの出力光が第２コア６２２内において反射されないような長さに設計されている。このため、第１コア６２１で生成されたレーザ光のモードを変更することなく、レーザ光を出力することができる。
（３）第１光ファイバ本体６１の第２端面６１４には、第２エンドキャップ６４が接合されているため、第１光ファイバ本体６１の第２端面６１４の損傷も防ぐことができる。
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
変形例１
上記実施形態では、第１光ファイバ本体６１の第２端面６１４には第２エンドキャップ６４が接合されているが、特にこれに限定されない。例えば、図５に示すように、第１光ファイバ本体６１と第２エンドキャップ６４との間に第３光ファイバ本体６６が介在していてもよい。具体的には、第３光ファイバ本体６６は、第１端面６６３が第１光ファイバ本体６１の第２端面６１４に接合しており、第２端面６６４が第２エンドキャップ６４に接合している。この第３光ファイバ本体６６は、第２光ファイバ本体６２と同じ構成とすることができる。
変形例２
上記実施形態では第２光ファイバ本体６２の第２コア６２１にはレーザ媒質は含まれていないが、特にこれに限定されない。例えば、第２光ファイバ本体６２の第２コア６２１は、第１光ファイバ本体６１の第１コア６１１よりも低い質量含有率でレーザ媒質を含んでいてもよい。なお、第２コア６２１に含まれるレーザ媒質の質量含有率は、励起光の強度、及びレーザ媒質の種類などによっても変わってくるが、第２コア６２１が発熱によって損傷しない程度であることが好ましい。
変形例３
上記実施形態では、第１光ファイバ本体６１は、第１コア６１１と、第１コア６１１を覆うように形成された第１クラッド６１２とを有している構成としたが、特にこれに限定されない。例えば、第１光ファイバ本体６１は、いわゆるダブルクラッドファイバとすることができる。具体的には、第１クラッド６１２を、内部クラッドと内部クラッドを覆う外部クラッドとによって構成としてもよい。
１ レーザ発振器
２ 光源
６ 光ファイバ
６１ 第１光ファイバ本体
６１１ 第１コア
６１２ 第１クラッド
６１３ 第１端面
６１４ 第２端面
６２ 第２光ファイバ本体
６２１ 第２コア
６２２ 第２クラッド
６２３ 第１端面
６２４ 第２端面
６３ 第１エンドキャップ
６４ 第２エンドキャップ
６５ 冷却部材

Claims (10)

  1. 励起光を利用してレーザ光を生成または増幅するための光ファイバであって、
    第１コア及び第１クラッドを有する第１光ファイバ本体と、
    第２コア及び第２クラッドを有し、第１端面が前記第１光ファイバ本体の第１端面に接合された第２光ファイバ本体と、
    前記第２光ファイバ本体の第２端面に接合された光透過性の第１エンドキャップと、
    を備え、
    前記第１光ファイバ本体は、フッ化物ガラスにより形成され、
    前記第１コアは、レーザ媒質がドープされ、
    前記第２コアにおける前記レーザ媒質の質量含有率は、前記第１コアにおける前記レーザ媒質の質量含有率よりも低い、
    光ファイバ。
  2. 前記第１コアは、レーザ媒質がドープされ、
    前記第２コアは、前記レーザ媒質がドープされていない、
    請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 前記第１及び第２光ファイバ本体は、フッ化物ガラスにより形成され、
    前記レーザ媒質は、希土類元素である、請求項１又は２に記載の光ファイバ。
  4. 前記第１及び第２光ファイバ本体は、ＺＢＬＡＮガラスにより形成されている、請求項３に記載の光ファイバ。
  5. 前記レーザ媒質は、エルビウムである、請求項３又は４に記載の光ファイバ。
  6. 前記第１エンドキャップは、フッ化カルシウムによって形成される、請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバ。
  7. 前記第２コアは、直径が前記第１コアの直径よりも大きく、前記第１コアからの出力光が前記第２コア内において反射しないような長さに設計される、請求項１から６のいずれかに記載の光ファイバ。
  8. 前記第１光ファイバ本体の第２端面に接合された光透過性の第２エンドキャップをさらに備える、請求項１から７のいずれかに記載の光ファイバ。
  9. 前記第１光ファイバ本体及び前記第２光ファイバ本体を冷却するための冷却部材をさらに備える、請求項１から８のいずれかに記載の光ファイバ。
  10. 請求項１から９のいずれかに記載の光ファイバと、
    前記光ファイバを収容する筐体と、
    前記励起光を発振する光源と、
    を備える、レーザ発振器。
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