JP5794237B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号光をファイバ光増幅器により増幅して出力するレーザ装置に関する。

信号光をファイバ光増幅器により増幅して出力するレーザ装置は、例えば顕微鏡や形状測定装置、露光装置などの光源として広く用いられている。レーザ装置の出力波長は、組み込まれる装置の用途及び機能に応じて設定され、当該出力波長に応じた励起媒質がドープされたファイバ光増幅器が用いられる。ファイバ光増幅器として、例えば、石英系の光ファイバに、エルビウム（Ｅｒ）がドープされたエルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＥＤＦＡ）、イッテルビウム（Ｙｂ）がドープされたイッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）などが知られている（特許文献１、特許文献２を参照）。

日本国特開２０００−２００７４７号公報 日本国特開２００２−０５０８１５号公報

ファイバ光増幅器は、コアにドープされたレーザ媒質に応じた増幅特性を有している。例えば、ＹＤＦＡ（イッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器）の増幅帯域は、主に１０３０〜１１００ｎｍである。ＹＤＦＡによりＮｄ−ＹＡＧレーザの発振波長と同じ１０６４ｎｍの増幅光を出力させようとした場合に、波長１０３０ｎｍ付近の寄生発振が発生しやすい。これは、ＹＤＦＡの利得分布は、短波長側で利得が高く、長波長側で利得が低くなっており、波長λ＝１０６４ｎｍよりもλ＝１０３０ｎｍの方が利得が顕著に高いためである。

この結果、例えばレーザ光源の損傷等があった場合、ＹＤＦＡが励起された状態においてファイバ光増幅器に入射する信号光の強度が大きく低下し、あるいは信号光の強度が０になると、イッテルビウムの反転分布密度が急激に上昇して増幅器の利得が異常に増大し、波長１０３０ｎｍ付近で発振するようになる。この結果、ファイバ光増幅器自体や周辺の光学素子に損傷を与えるおそれがあるという課題があった。

また、例えば、ファイバの入出射面や、ファイバ光増幅器から出射された光を波長変換する波長変換光学素子等の入出射面等に汚れ等により、励起状態にあるＹＤＦＡの増幅部以外の場所に何らかの反射体があった場合、自然放出により発生した１０３０ｎｍ付近の自然放出光（ＡＳＥ光：Amplified Spontaneous Emission）が反射してファイバ光増幅器の内部に戻り、これが発振することもある。この場合にも、上記と同様にファイバ内を伝播する増幅光及び出射される出力光が高出力となり、ファイバ光増幅器自身や周辺の光学素子に損傷を与えるおそれがあるという課題があった。

また、例えば、ファイバ光増幅器の入出射面や、ファイバ光増幅器から出射された光を波長変換する波長変換光学素子等の入出射面等に汚れ等により、ファイバ光増幅器の増幅部外に何らかの反射体がある状態でＹＤＦＡが励起された場合、ＡＳＥ光が反射してファイバ内に戻り、これが発振することがある。この結果、ファイバ光増幅器自体や周辺の光学素子に損傷を与えるおそれがあるという課題があった。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ファイバ光増幅器における意図しない発振を未然に防止しうるレーザ装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明によるレーザ装置は、信号光を含む波長帯域で利得を有し、入射した信号光を増幅して出射すると共に、自然放出光を発生するファイバ光増幅器と、信号光をファイバ光増幅器に導く入力光路と、ファイバ光増幅器に導入される励起光を発生する励起光源と、励起光源に供給される励起電力を制御する制御部と、入力光路中に配置され、ファイバ光増幅器で発生され入力光路中を信号光とは反対方向に進む自然放出光を入力光路から分岐する分岐部と、分岐部によって分岐された自然放出光のうち、ファイバ光増幅器の利得分布における信号光よりも利得が高い波長の光を検出する自然放出光検出器と、を備え、制御部は、自然放出光検出器により検出された自然放出光の強度が所定の自然放出光基準値以上となったときに、励起電力を抑制し、自然放出光検出器により検出された自然放出光の強度が所定の自然放出光基準値以上となったのち励起電力が抑制されるまでの時間は、ファイバ光増幅器における信号光よりも利得が高い波長の光の利得が、発振閾値と等しくなるまでの時間に基づいて設定されることを特徴とする。
請求項２の発明によるレーザ装置は、信号光を含む波長帯域で利得を有し、入射した信号光を増幅して出射すると共に、自然放出光を発生するファイバ光増幅器と、信号光をファイバ光増幅器に導く入力光路と、ファイバ光増幅器に導入される励起光を発生する励起光源と、励起光源に供給される励起電力を制御する制御部と、入力光路中に配置され、入力光路中の信号光の一部を入力光路から分岐する分岐部と、分岐部によって分岐された信号光の一部を検出する信号光検出器と、を備え、制御部は、信号光検出器により検出された信号光の強度が所定の信号基準値以下となったとき、励起電力を抑制し、信号光検出器により検出された信号光の強度が所定の信号基準値以下となったのち励起電力が抑制されるまでの時間は、ファイバ光増幅器に入射する信号光の強度低下に伴って上昇するファイバ光増幅器の利得分布における、信号光よりも利得が高い波長の光の利得が、発振閾値と等しくなるまでの時間に基づいて設定されることを特徴とする。

本発明の第１の態様のレーザ装置によれば、ファイバ光増幅器に入射する信号光の強度が所定の信号基準値以下となったときに励起電力が抑制され、ファイバ光増幅器の利得が減殺される。このため、信号光の入射状態に起因したファイバ光増幅器の意図しない発振を未然に防止可能なレーザ装置を提供することができる。

ＡＳＥ光検出器を備えた第１の態様のレーザ装置によれば、ファイバ光増幅器で発生する自然放出光の強度が所定のＡＳＥ基準値以上となったときにも励起電力が抑制され、ファイバ光増幅器の利得が減殺される。このため、自然放出光に起因したファイバ光増幅器の意図しない発振をも未然に防止可能なレーザ装置を提供することができる。

本発明の第２の態様のレーザ装置によれば、ファイバ光増幅器で発生する自然放出光の強度が所定のＡＳＥ基準値以上となったときに励起電力が抑制され、ファイバ光増幅器の利得が減殺される。このため、自然放出光に起因したファイバ光増幅器の意図しない発振をも未然に防止可能なレーザ装置を提供することができる。

信号光検出器を備えた第２の態様のレーザ装置によれば、ファイバ光増幅器に入射する信号光の強度が所定の信号基準値以下となったときにも励起電力が抑制され、ファイバ光増幅器の利得が減殺される。このため、信号光の入射状態に起因したファイバ光増幅器の意図しない発振を未然に防止可能なレーザ装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の態様における、第１構成形態のレーザ装置を例示する概要構成図である。 図２は、本発明の第１の態様において、イッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器が励起された状態で信号光が突然途切れたときの波長１０３０ｎｍ帯の利得の時間変化を例示するシミュレーション結果である。 図３は、本発明の第１の態様において、不随意発振防止装置による励起電流の抑制状況を観察した実験結果である。 図４は、本発明の第１の態様における、第２構成形態のレーザ装置を例示する概要構成図である。 図５は、本発明の第１の態様において、光ファイバカプラの接続構成例である。 図６は、本発明の第１の態様において、部分反射鏡等を用いた接続構成例である。 図７は、本発明の第２の態様における、第３構成形態のレーザ装置を例示する概要構成図である。 図８は、本発明の第２の態様において、イッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器が励起された状態で信号光が突然途切れたときの波長１０３０ｎｍ帯の利得の時間変化を例示するシミュレーション結果である。 図９は、本発明の第２の態様における、第４構成形態のレーザ装置を例示する概要構成図である。 図１０は、本発明の第２の態様において、光ファイバカプラの接続構成例である。 図１１は、本発明の第２の態様において、部分反射鏡等を用いた接続構成例である。 図１２は、本発明の第２の態様において、不随意発振防止装置による励起電流の抑制状況を観察した実験結果である。

[第１の形態]
以下、本発明を実施するための第１の形態について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明の第１の態様における、第１構成形態のレーザ装置１の概要構成図を示す。レーザ装置１は、信号光を発生する信号光発生部１０と、信号光発生部により発生された信号光を増幅して出射する増幅部２０と、信号光発生部１０及び増幅部２０の作動を制御する制御装置４０とを備えて構成される。

信号光発生部１０は、増幅部２０で増幅される信号光を発生する部位であり、半導体レーザやバルク固体レーザ、ファイバーレーザ等のレーザ光源１１を備える。図１には、レーザ光源１１としてＤＦＢ半導体レーザを用い、併せて電気光学変調素子（ＥＯＭ）や音響光学変調素子（ＡＯＭ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）等の外部変調器１５を設けた構成を示す。ＤＦＢ半導体レーザは、ＣＷ及びパルスで発振させることができるとともに、電流波形を制御することにより出力光のパルス波形を高速で制御することができ、また温度制御することにより所定の波長範囲で狭帯域化された単一波長のパルス光を出力させることができる。

本構成形態では、レーザ光源１１から波長１０６４ｎｍで繰り返し周波数２ＭＨｚ、ＯＮ時間が１０ｎsec程度のパルス光を出射させ、外部変調器１５により１〜２ｎsecを切り出してＯＮ時間が短いパルス光を出力するようにした構成例を示す。このように外部変調器１５を使用すると、レーザ光源１１を直接パルス発振させたときに発生するチャープ（周波数変調）を抑制してフーリエ限界に近いパルス光を発生させることができる。これにより、信号光発生部１０から極めて狭帯域の単色性が高いパルスの信号光を出力することができる。信号光発生部１０で発生された信号光Ｌｓはアイソレータ１７を介して増幅部２０に入射される。

増幅部２０は、信号光Ｌｓを増幅するファイバ光増幅器２１を主体として構成される。波長１０６４ｎｍの信号光を増幅するファイバ光増幅器として、１０３０〜１１００ｎｍの波長帯域に利得を有するイッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）が好適に用いられる。ファイバ光増幅器２１は、コアにイッテルビウム（Ｙｂ）がドープされた光ファイバ２２と、Ｙｂを励起するポンプ光源２３と、ポンプ光源２３に供給する励起電力を制御する制御部２５などから構成される。

本構成形態においては、光ファイバ２２としてダブルクラッド構造のファイバを用い、ポンプコンバイナ２４を介して、レーザ光出力部１０から出力された信号光Ｌｓをコアに入射させ、ポンプ光源２３から出力された波長９７６ｎｍの励起光を第１クラッドに入射させている。制御部２５には、励起電力を発生する電流源２６と、発生された励起電力のポンプ光源２３への供給を高速遮断する電力遮断器５５とが設けられている。なお、光ファイバ２２としてシングルクラッド構造のファイバを用いても良く、また複数のファイバ光増幅器を直列または並列に接続して増幅部２０を構成しても良い。

制御装置４０は、信号光発生部１０及び増幅部２０の作動を制御し、信号光発生部１０で発生され増幅部２０において数Ｗ〜数十Ｗ程度のパワーに増幅された信号光（便宜的に増幅光という）Ｌａをレーザ装置１から出力させる。

このように構成されるレーザ装置１において、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことを未然に防止する不随意発振防止装置５０（５０Ａ）が設けられている。第１構成形態の不随意発振防止装置５０Ａは、ファイバ光増幅器２１に入射する信号光Ｌｓを検出する信号光検出器５１と、制御部２５に設けられた電力遮断器５５とを備えて構成される。

信号光検出器５１は、レーザ光源１１とファイバ光増幅器２１との間から分岐させた光路上に設けられており、例えば、信号光を１〜数％程度反射する部分反射鏡５３や、信号光の１〜数％程度を分岐する溶融延伸型の分岐カプラ等を介して、信号光発生部１０から出射された信号光Ｌｓの一部が入力される。信号光検出器５１は、MHｚオーダー、またはそれ以上の帯域を持つ高速の赤外光センサであり、例えばＩnＧaＡsフォトダイオードを利用したセンサを用いることができる。信号光検出器５１の検出信号は制御部２５に入力される。

制御部２５は、信号光検出器５１により検出された信号光Ｌｓの強度が所定の信号基準値以下となったときに、電力遮断器５５に、ポンプ光源２３への電力供給を抑制する指令信号を出力し、電流源２６からポンプ光源２３への励起電力の供給を抑制する。

上記「信号基準値」は、ファイバ光増幅器２１が励起状態で光ファイバ２２に入射する信号光Ｌｓの強度が低下したときに、これに伴って上昇する波長１０３０ｎｍ帯域の利得の大きさに基づいて設定される。

すなわち、ファイバ光増幅器２１が励起状態のときに、光ファイバ２２に入射する信号光Ｌｓの強度が低下すると、信号光強度の低下に伴ってＹｂの反転分布率が上昇し、利得分布全体が利得の高い状態に上昇する。このとき、利得分布において波長１０６４ｎｍよりも波長１０３０ｎｍ帯の方が利得が高くなり、その結果、上昇した波長１０３０ｎｍの利得が発振閾値を超える（即ち、波長１０３０ｎｍの片道利得が、ファイバ光増幅器２１の反射減衰量を超える）と、ファイバ光増幅器２１において１０３０ｎｍでレーザ発振するようになる。

「信号基準値」は、ファイバ光増幅器２１に入射する信号光Ｌｓの強度低下に伴って上昇する利得分布において、１０３０ｎｍ帯の利得が発振閾値と等しくなるときの信号光の強度に基づいて設定される。例えば、信号光Ｌｓの強度と同等または所定のマージンを加えた値以上に設定される。信号基準値は、制御部２５に設けられたメモリ（不図示）に設定記憶される。

信号光検出器５１により検出された信号光Ｌｓの強度が信号基準値以下となったのち電力遮断機５５により励起電力が実質的に遮断されるまでの時間は、ファイバ光増幅器２１に入射する信号光Ｌｓの強度低下に伴って上昇する利得分布において、１０３０ｎｍ帯の利得が発振閾値と等しくなるまでの時間に基づいて設定され、その時間と同等以下、例えばゼロ〜その時間の数十分の一以内に設定される。設定された時間は、制御部２５に設けられたメモリ（不図示）に設定記憶される。

具体例として、ファイバ光増幅器２１に入射する信号光Ｌｓのパワーが０．５Ｗ、ポンプ光源２３による励起光のパワーが１２０Ｗで作動している状態で、ファイバ光増幅器２１への信号光Ｌｓの入射が突然途切れたときの、波長１０３０ｎｍ帯の利得の時間変化についてのシミュレーション結果を図２に示す。図２における横軸は信号光Ｌｓの入射が途切れたときからの経過時間、縦軸は波長１０３０ｎｍの光の利得である。なお、ファイバ光増幅器２１は、長さ３ｍ、コア径２５μｍ、 クラッド径２５０μｍ、コアに添加されたＹbの濃度は６．９×１０²⁵ ／ｍ³とした。

信号光Ｌｓが途切れた後もファイバ光増幅器２１に励起光が入射され続けると、Ｙｂの反転分布率が急激に高まり、波長１０３０ｎｍの利得ｇが時間の経過とともに指数関数的に増大する。発振閾値はファイバ光増幅器２１に残存する反射光量等に依存し、ファイバ光増幅器の構成により異なった値となる。ファイバ光増幅器２１の反射減衰量を−５０ｄＢとすると、片道利得が５０ｄＢを超えたときに１０３０ｎｍで発振する。図２から、信号光Ｌｓが途切れた時点から約１０μsecで発振に至ることが分かる。

ファイバ光増幅器２１の片道利得が反射減衰量を超えるまでの時間は、励起光のパワーにほぼ反比例するため、励起光のパワーがより大きい場合には、より短い時間で発振に至り、励起光のパワーがより小さい場合には、より長い時間をかけて発振に至ることになる。信号光Ｌｓの入射パワーが大きく減少したときから６〜８μsec程度以内に励起電力を実質的に遮断すれば、反転分布の増大が抑えられ、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことを抑止することができる。

不随意発振防止装置５０Ａにおいては、信号光検出器５１から入力される検出信号が信号基準値以下となったときに、制御部２５が電力遮断器５５に電力供給を遮断する指令信号を出力し、電流源２６からポンプ光源２３への励起電力の供給を数μsec以内に遮断させる。具体例として、信号光検出器５１から入力される検出信号において、光パルス２〜６パルス分に相当する１〜３μseの時間（例えば、４パルス分に相当する２μseの時間）、信号光Ｌｓが検出されなかったときに、ポンプ光源２３への励起電力の供給を即時遮断する構成が例示される。

図３に、不随意発振防止装置による励起電流の遮断状況を観察した実験結果を示す。図３における横軸は時間（１μsec／div）、縦軸は励起電力及び信号光Ｌｓの光強度である。本実施例では、光パルス４パルス分に相当する２μseの間途切れたのを確認後にポンプ光源２３への励起電力を遮断しており、電力遮断器５５が励起電力を遮断するのに要した時間は１μsec未満である。

不随意発振防止装置５０Ａを備えたレーザ装置１では、ファイバ光増幅器２１が励起状態のまま信号光Ｌｓの入射パワーが大きく減少したときに、波長１０３０ｎｍの利得が発振閾値まで上昇する以前に励起電力が実質的に遮断され、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことを抑止できる。本構成形態によれば、ファイバ光増幅器２１が励起状態においてレーザ光源１１がオフになった場合に加えて、例えば、レーザ光源１１や外部変調器１５の破損や断線、レーザ光源１１とファイバ光増幅部２１との間の光路上への異物の進入や光ファイバ２２の導入部の断線などにより、信号光Ｌｓの遮断が生じた場合でも、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことを防止し、その結果、構成部材が損傷すること等を未然に防止することができる。

次に、第２構成形態の不随意発振防止装置５０（５０Ｂ）について図４を参照して説明する。図４は不随意発振防止装置５０Ｂを含むレーザ装置２全体の概要構成を示している。レーザ装置１と同様の構成部分には同一番号を付して重複説明を省略する。第２構成形態の不随意発振防止装置５０Ｂは、第１構成形態の不随意発振防止装置５０Ａに加えて、ファイバ光増幅器２１から出射する波長１０３０ｎｍ帯の光を検出するＡＳＥ光検出器５２を備えて構成される。

図４に示すレーザ装置２においては、レーザ光源１１とファイバ光増幅器２１との間に、図５に示すような４ポートの２×２溶融延伸型の光ファイバカプラ５４が設けられ、各ポートに信号光Ｌｓ、ファイバ光増幅器２１、前述の信号光検出器５１、及びＡＳＥ光検出器５２が結合されている。光ファイバカプラ５４は、例えば分岐比を９９：１とし、信号光発生部１０側から入射する信号光Ｌｓの１％を信号光検出器５１に分岐し、ファイバ光増幅器２１で発生して入射側に進行する後方伝播自然放出光（Backward ＡＳＥ光）の１％をＡＳＥ光検出器５２に分岐するように構成することができる。図５には波長１０３０ｎｍ帯の後方伝播自然放出光のみを透過するバンドパスフィルタＢＰＦを設けた構成を例示する。

なお、上記光ファイバカプラ５４に代えて、波長１０６４ｎｍの光について９９％透過（１％反射）する一方、波長１０３０ｎｍ帯の光については全反射する波長選択性の部分反射鏡を用い、信号光発生部１０側から入射して反射された波長１０６４ｎｍの反射光を信号光検出器５１に入射させ、増幅部２０側から入射して反射された波長１０３０ｎｍ帯のＡＳＥ光をＡＳＥ光検出器５２に入射させるように構成しても良い。あるいは、図６に示すように、波長１０６４ｎｍの光について９９％透過（１％反射）する部分反射鏡５４１と、波長１０６４ｎｍの光を透過し波長１０３０ｎｍ帯の光を反射するダイクロイックミラー５４２とを組み合わせて構成し、両者の間に波長１０３０ｎｍ帯の光を遮断するアイソレータ５４５を設けて構成しても良い。

ＡＳＥ光検出器５２は、MHｚオーダー、またはそれ以上の帯域を持つ高速の赤外光検出器であり、例えばＩnＧaＡsフォトダイオードを利用したセンサを用いることができる。信号光検出器５１の検出信号、及びＡＳＥ光検出器５２の検出信号は制御部２５に入力されている。なお、信号光検出器５１の検出信号に基づく制御部２５の作用は、第１構成形態の不随意発振防止装置５０Ａの説明において詳述したとおりであるため重複説明を省略する。以降、ＡＳＥ光検出器５２の検出信号に基づく制御部２５の作用について説明する。

制御部２５は、ＡＳＥ光検出器５２により検出されたＡＳＥ光の強度が所定のＡＳＥ基準値以上となったときに、電力遮断器５５に電力供給を抑制する指令信号を出力し、電流源２６からポンプ光源２３への励起電力の供給を遮断する。

「ＡＳＥ基準値」は、ファイバ光増幅器２１における１０３０ｎｍ帯の光の利得が、発振閾値と等しくなるときの後方伝播ＡＳＥ光の強度に基づいて設定される。前述したように、Ｙｂの利得分布では波長１０６４ｎｍよりも波長１０３０ｎｍ帯の方が利得が高いため、ファイバ光増幅器２１が励起状態において、信号光Ｌｓの入射が途絶えたり、ファイバ光増幅器２１の外部に何らかの反射体があった場合、自然放出により放射された１０３０ｎｍ付近のＡＳＥ光がこれらの反射体で反射されて増幅器へのフィードバックレベルが高くなる。その結果、ＡＳＥ光のパワーレベルが増大する。ファイバ光増幅器２１の外部の反射体としては、例えば、光ファイバ２２の入出射面や、ファイバ光増幅器２１から出射された増幅光を波長変換する波長変換光学素子等の入出射面等の汚れ等が挙げられる。このような場合、実効的にファイバ増幅器の反射減衰量が増加し発振閾値が下がることになる。そして、波長１０３０ｎｍの利得が発振閾値を超えるとファイバ光増幅器２１において１０３０ｎｍでレーザ発振するようになる。

「ＡＳＥ基準値」は、ファイバ光増幅器２１における１０３０ｎｍ帯の光の利得が、発振閾値と等しくなるときの後方伝播ＡＳＥ光の強度に基づいて設定され、そのときの後方伝播ＡＳＥ光の強度と同等以下、例えば１／１０〜１／１００程度に設定される。

ＡＳＥ光検出器５２により検出された後方伝播ＡＳＥ光の強度がＡＳＥ基準値以上となったのち電力遮断機５５により励起電力が実質的に遮断されるまでの時間は、波長１０３０ｎｍ帯の利得が発振閾値と等しくなるまでの時間に基づいて設定され、その時間と同等以下、例えば数分の一程度に設定される。ＡＳＥ基準値は、制御部２５に設けられたメモリ（不図示）に設定記憶される。

図２に、ファイバ光増幅器２１が励起状態において、信号光Ｌｓの入射が突然途絶えたときの波長１０３０ｎｍ帯の利得の時間変化についてのシミュレーション結果を示した。図２に示したように、信号光Ｌｓが途切れるとＹｂの反転分布率が急激に高まり、波長１０３０ｎｍの利得ｇが時間の経過とともに指数関数的に増大する。信号光Ｌｓが途切れたのち発振に至るまでの時間は、ファイバ光増幅器２１の反射減衰量を−５０ｄＢとしたときに約１０μsecであった。

ＡＳＥ基準値を、波長１０３０ｎｍ帯の光の利得が発振閾値と等しくなるときの後方伝播ＡＳＥ光の強度の１／５０程度としたとき、当該ＡＳＥ強度を超えたのち発振に至るまでの時間は、概ね５μsec程度である。そのため、後方伝播ＡＳＥ光の強度がＡＳＥ基準値以上となったときから２〜４μsec程度以内に励起電力を実質的に遮断すれば、反転分布の増大が抑えられ、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことを抑止できる。励起電力を遮断するまでの時間は、制御部２５に設けられたメモリ（不図示）に設定記憶される。

レーザ装置２においては、ＡＳＥ光検出器５２から入力される検出信号がＡＳＥ基準値以上となったときに、制御部２５が電力遮断器５５に電力供給を抑制する指令信号を出力し、電流源２６からポンプ光源２３への励起電力の供給を即時遮断させる。指令信号に基づいて電力遮断器５５が励起電力を抑制するまでに要する時間は１μsec未満である。これにより、波長１０３０ｎｍの利得が発振閾値まで上昇する以前に励起電力が実質的に遮断され、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振をすることを抑止できる。

不随意発振防止装置５０Ｂを備えたレーザ装置２によれば、前述した不随意発振防止装置５０Ａを備えた場合の効果に加えて、光ファイバ２２の入出射面や後段の波長変換光学素子の入出射面の汚れやゴミの付着がある場合や、加工対象物などから反射した自然放出の戻り光がある場合でも、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことによりそ構成部材が損傷すること等を未然に防止することができる。更に、ファイバ光増幅器２１の入射側にファイバカプラ５４と信号光検出器５１とＡＳＥ光検出器とを設けた簡明な構成で、安全性及び長期信頼性の高いレーザ装置を提供することができる。

以上の説明では、ポンプ光源２３と電流源２６との間に設けた電力遮断器５５によりポンプ光源２３への供給電力を抑制する構成を例示したが、電流源２６そのものをオフにするように構成しても良い。また、信号光Ｌｓの波長を１０６０ｎｍ帯とし、ファイバ光増幅器２１としてイッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）を用いた構成を例示したが、信号光の波長は他の帯域であっても良く、ファイバ光増幅器は他のレーザ媒質がドープされたもの、例えば、エルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＥＤＦＡ）などであっても良い。

[第２の形態]
次に、本発明を実施するための第２の形態について、図７を参照しながら説明する。図７に本発明を適用した第３構成形態のレーザ装置３の概要構成図を示す。レーザ装置３は、信号光を発生する信号光発生部１０と、信号光発生部により発生された信号光を増幅して出射する増幅部２０と、信号光発生部１０及び増幅部２０の作動を制御する制御装置４０とを備えて構成される。

信号光発生部１０は、増幅部２０で増幅される信号光を発生する部位であり、半導体レーザやバルク固体レーザ、ファイバーレーザ等のレーザ光源１１を備える。図７には、レーザ光源１１としてＤＦＢ半導体レーザを用い、併せて電気光学変調素子（ＥＯＭ）や音響光学変調素子（ＡＯＭ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）等の外部変調器１５を設けた構成を示す。ＤＦＢ半導体レーザは、ＣＷ及びパルスで発振させることができるとともに、電流波形を制御することにより出力光のパルス波形を高速で制御することができ、また温度制御することにより所定の波長範囲で狭帯域化された単一波長のパルス光を出力させることができる。

本構成形態では、レーザ光源１１から波長１０６４ｎｍで繰り返し周波数２ＭＨｚ、ＯＮ時間が１０ｎsec程度のパルス光を出射させ、外部変調器１５により１〜２ｎsecを切り出してＯＮ時間が短いパルス光を出力するようにした構成例を示す。このように外部変調器１５を使用すると、レーザ光源１１を直接パルス発振させたときに発生するチャープ（周波数変調）を抑制してフーリエ限界に近いパルス光を発生させることができる。これにより、信号光発生部１０から極めて狭帯域の単色性が高いパルスの信号光を出力することができる。信号光発生部１０で発生された信号光Ｌｓはアイソレータ１７を介して増幅部２０に入射される。

増幅部２０は、信号光Ｌｓを増幅するファイバ光増幅器２１を主体として構成される。波長１０６４ｎｍの信号光を増幅するファイバ光増幅器として、１０３０〜１１００ｎｍの波長帯域に利得を有するイッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）が好適に用いられる。ファイバ光増幅器２１は、コアにイッテルビウム（Ｙｂ）がドープされた光ファイバ２２と、Ｙｂを励起するポンプ光源２３と、ポンプ光源２３に供給する励起電力を制御する制御部２５などから構成される。

本構成形態においては、光ファイバ２２としてダブルクラッド構造のファイバを用い、ポンプコンバイナ２４を介して、レーザ光出力部１０から出力された信号光Ｌｓをコアに入射させ、ポンプ光源２３から出力された波長９７６ｎｍの励起光を第１クラッドに入射させている。制御部２５には、励起電力を発生する電流源２６と、発生された励起電力のポンプ光源２３への供給を高速遮断する電力遮断器５５とが設けられている。なお、光ファイバ２２としてシングルクラッド構造のファイバを用いても良く、また複数のファイバ光増幅器を直列または並列に接続して増幅部２０を構成しても良い。

制御装置４０は、信号光発生部１０及び増幅部２０の作動を制御し、信号光発生部１０で発生され増幅部２０において数Ｗ〜数十Ｗ程度のパワーに増幅された信号光（便宜的に増幅光という）Ｌａをレーザ装置３から出力させる。

このように構成されるレーザ装置３に、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことを未然に防止する不随意発振防止装置６０（６０Ａ）が設けられている。第３構成形態の不随意発振防止装置６０Ａは、ファイバ光増幅器２１から出射する波長１０３０ｎｍ帯の光を検出するＡＳＥ光検出器５２と、制御部２５に設けられた電力遮断器５５とを備えて構成される。

ここで、ファイバ光増幅器２１において自然放出により発生するＡＳＥ光には、光ファイバ２２を増幅光の出射側に進行する前方伝播自然放出光（Forward ＡＳＥ光）と、信号光の入射側に進行する後方伝播自然放出光（Backward ＡＳＥ光）とがある。光ファイバ２２の出射側から分岐させた光路上にＡＳＥ光検出器を設けた場合には前方伝播自然放出光を検出し、光ファイバ２２の入射側から分岐させた光路上にＡＳＥ光検出器を設けた場合には後方伝播自然放出光を検出することができる。

本構成形態では、後方伝播自然放出光を検出する場合を例示する。図７には、レーザ光源１１とファイバ光増幅器２１との間に、波長１０６４ｎｍの光を透過し、波長１０３０ｎｍ帯の光を反射するダイクロイックミラー５６を設け、このダイクロイックミラー５６により反射された後方伝播自然放出光をＡＳＥ光検出器５２で検出するようにした構成を示す。なお、ダイクロイックミラー５６に代えてＷＤＭカプラを用いても良い。

ＡＳＥ光検出器５２は、MHｚオーダー、またはそれ以上の帯域を持つ高速の赤外光検出器であり、例えばＩnＧaＡsフォトダイオードを利用したセンサを用いることができる。ＡＳＥ光検出器５２の検出信号は制御部２５に入力されている。

制御部２５は、ＡＳＥ光検出器５２により検出されたＡＳＥ光の強度が所定のＡＳＥ基準値以上となったときに、電力遮断器５５に電力供給を抑制する指令信号を出力し、電流源２６からポンプ光源２３への励起電力の供給を実質的に遮断する。

「ＡＳＥ基準値」は、ファイバ光増幅器２１における１０３０ｎｍ帯の光の利得が、発振閾値と等しくなるときの後方伝播ＡＳＥ光の強度に基づいて設定される。前述したように、Ｙｂの利得分布では波長１０６４ｎｍよりも波長１０３０ｎｍ帯の方が利得が高いため、ファイバ光増幅器２１が励起状態において、信号光Ｌｓの入射が途絶えた場合や、ファイバ光増幅器２１の外部に何らかの反射体があった場合、自然放出により放射された１０３０ｎｍ付近のＡＳＥ光がこれらの反射体で反射されて増幅器へのフィードバックレベルが高くなる。その結果、ＡＳＥ光のパワーレベルが増大する。ファイバ光増幅器２１の外部の反射体としては、例えば、光ファイバ２２の入出射面や、ファイバ光増幅器２１から出射された増幅光を波長変換する波長変換光学素子等の入出射面等の汚れ等が挙げられる。このような場合、実効的にファイバ増幅器の反射減衰量が増加し、発振閾値が下がることになる。そして、波長１０３０ｎｍの利得が発振閾値を超えると（波長１０３０ｎｍの片道利得が、ファイバ光増幅器２１の反射減衰量を超えると）ファイバ光増幅器２１において１０３０ｎｍでレーザ発振するようになる。

「ＡＳＥ基準値」は、ファイバ光増幅器２１における１０３０ｎｍ帯の光の利得が、発振閾値と等しくなるときの後方伝播ＡＳＥ光の強度に基づいて設定され、そのときの後方伝播ＡＳＥ光の強度と同等以下、例えば１／１０〜１／１００程度に設定される。

ＡＳＥ光検出器５２により検出された後方伝播ＡＳＥ光の強度がＡＳＥ基準値以上となったのち電力遮断機５５により励起電力が実質的に遮断されるまでの時間は、波長１０３０ｎｍ帯の利得が発振閾値と等しくなるまでの時間に基づいて設定され、その時間と同等以下、例えば即時〜数十分の一以内に設定される。ＡＳＥ基準値は、制御部２５に設けられたメモリ（不図示）に設定記憶される。

具体例として、ファイバ光増幅器２１に入射する信号光Ｌｓのパワーが０．５Ｗ、ポンプ光源２３による励起光のパワーが１２０Ｗで作動している状態で、ファイバ光増幅器２１への信号光Ｌｓの入射が突然途切れたときの、波長１０３０ｎｍ帯の利得の時間変化についてのシミュレーション結果を図８に示す。図８における横軸は信号光Ｌｓの入射が途切れたときからの経過時間、縦軸は波長１０３０ｎｍの光の利得である。なお、ファイバ光増幅器２１は、長さ３ｍ、コア径２５μｍ、 クラッド径２５０μｍ、コアに添加されたＹbの濃度は６．９×１０²⁵ ／ｍ³とした。

信号光Ｌｓが途切れた後もファイバ光増幅器２１に励起光が入射され続けると、Ｙｂの反転分布率が急激に高まり、波長１０３０ｎｍの利得ｇが時間の経過とともに指数関数的に増大する。発振閾値はファイバ光増幅器２１に残存する反射光量等に依存し、ファイバ光増幅器の構成により異なった値となる。ファイバ光増幅器２１の反射減衰量を−５０ｄＢとすると、片道利得が５０ｄＢを超えたときに１０３０ｎｍで発振する。図８から、信号光Ｌｓが途切れた時点から約１０μsecで発振に至ることが分かる。ファイバ光増幅器２１の片道利得が反射減衰量を超えるまでの時間は、励起光のパワーにほぼ反比例するため、励起光のポンプパワーが大きければ上記よりも短い時間で発振に至り、ポンプパワーが小さければより長い時間をかけて発振に至ることになる。

ＡＳＥ基準値を、波長１０３０ｎｍ帯の光の利得が発振閾値と等しくなるときの後方伝播ＡＳＥ光の強度の１／５０程度としたとき、当該ＡＳＥ強度を超えたのち発振に至るまでの時間は、概ね５μsec程度である。そのため、後方伝播ＡＳＥ光の強度がＡＳＥ基準値以上となったときから２〜４μsec程度以内に励起電力を実質的に遮断すれば、反転分布の増大が抑えられ、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことを抑止できる。

レーザ装置３においては、ＡＳＥ光検出器５２から入力される検出信号がＡＳＥ基準値以上となったときに、制御部２５が電力遮断器５５に電力供給を抑制する指令信号を出力し、電流源２６からポンプ光源２３への励起電力の供給を即時抑制させる。指令信号に基づいて電力遮断器５５が励起電力を抑制する時間は１μsec未満である（励起電力の抑制時間については後述する）。これにより、波長１０３０ｎｍの利得が発振閾値まで上昇する以前に励起電力が抑制され、意図しない発振を抑止することができる。励起電力を遮断するまでの時間は、制御部２５に設けられたメモリ（不図示）に設定記憶される。

不随意発振防止装置６０Ａを備えたレーザ装置３によれば、光ファイバ２２の入出射面や後段の波長変換光学素子の入出射面の汚れやゴミの付着がある場合や、加工対象物などから反射した自然放出の戻り光がある場合でも、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことより構成部材が損傷すること等を未然に防止することができる。

次に、第４構成形態の不随意発振防止装置６０（６０Ｂ）について図９を参照して説明する。図９は不随意発振防止装置６０Ｂを含むレーザ装置４全体の概要構成を示している。レーザ装置３と同様の構成部分には同一番号を付して重複説明を省略する。第４構成形態の不随意発振防止装置６０Ｂは、第３構成形態の不随意発振防止装置６０Ａに加えて、ファイバ光増幅器２１に伝播する信号光Ｌｓを検出する信号光検出器５１を備えて構成される。

図９に示すレーザ装置４においては、レーザ光源１１とファイバ光増幅器２１との間に、図１０に示すような４ポートの２×２溶融延伸型の光ファイバカプラ５４が設けられ、各ポートに信号光Ｌｓ、ファイバ光増幅器２１、信号光検出器５１、及び前述したＡＳＥ光検出器５２が結合されている。光ファイバカプラ５４は、例えば分岐比を９９：１とし、信号光発生部１０側から入射する信号光Ｌｓの１％を信号光検出器５１に分岐し、ファイバ光増幅器２１で発生して入射側に進行する後方伝播自然放出光の１％をＡＳＥ光検出器５２に分岐するように構成することができる。図１０には波長１０３０ｎｍ帯の後方伝播自然放出光のみを透過するバンドパスフィルタＢＰＦを設けた構成を例示する。

なお、上記光ファイバカプラ５４に代えて、波長１０３０ｎｍ帯の光については全反射する一方、波長１０６４ｎｍの光については９９％透過し１％反射するような波長選択性の部分反射鏡を用い、信号光発生部１０側から入射して反射された波長１０６４ｎｍの反射光を信号光検出器５１に入射させ、増幅部２０側から入射して反射された波長１０３０ｎｍ帯のＡＳＥ光をＡＳＥ光検出器５２に入射させるように構成しても良い。あるいは、図１１に示すように、波長１０６４ｎｍの光について９９％透過（１％反射）する部分反射鏡５４１と、波長１０６４ｎｍの光を透過し波長１０３０ｎｍ帯の光を反射するダイクロイックミラー５４２とを組み合わせて構成し、両者の間に波長１０３０ｎｍ帯の光を抑制するアイソレータ５４５を設けて構成しても良い。

信号光検出器５１は、MHｚオーダー、またはそれ以上の帯域を持つ高速の赤外光センサであり、例えばＩnＧaＡsフォトダイオードを利用したセンサを用いることができる。信号光検出器５１の検出信号、及びＡＳＥ光検出器５２の検出信号は制御部２５に入力されている。なお、ＡＳＥ光検出器５２の検出信号に基づく制御部２５の作用は、第１構成形態の不随意発振防止装置５０Ａの説明において詳述したとおりであるため重複説明を省略する。以降、信号光検出器５１の検出信号に基づく制御部２５の作用について説明する。

制御部２５は、信号光検出器５１により検出された信号光Ｌｓの強度が所定の信号基準値以下となったときに、電力遮断器５５に電力供給を抑制する指令信号を出力し、電流源２６からポンプ光源２３への励起電力の供給を遮断する。

「信号基準値」は、ファイバ光増幅器２１が励起状態で光ファイバ２２に入射する信号光Ｌｓの強度が低下したときに、これに伴って上昇する波長１０３０ｎｍ帯域の利得の大きさに基づいて設定される。

すなわち、ファイバ光増幅器２１が励起状態のときに、光ファイバ２２に入射する信号光Ｌｓの強度が低下すると、信号光強度の低下に伴ってＹｂの反転分布率が上昇し、利得分布全体が利得の高い状態に上昇する。このとき、利得分布において波長１０６４ｎｍよりも波長１０３０ｎｍ帯の方が利得が高くなり、その結果、上昇した波長１０３０ｎｍの利得が発振閾値を超えると、ファイバ光増幅器２１において１０３０ｎｍでレーザ発振するようになる。

「信号基準値」は、ファイバ光増幅器２１に入射する信号光Ｌｓの強度低下に伴って上昇する利得分布において、１０３０ｎｍ帯の利得が発振閾値と等しくなるときの信号光の強度に基づいて設定される。例えば、信号光Ｌｓの強度と同等または所定のマージンを加えた値以上に設定される。信号基準値は、制御部２５に設けられたメモリ（不図示）に設定記憶される。

信号光検出器５１により検出された信号光Ｌｓの強度が信号基準値以下となったのち電力遮断機５５により励起電力が実質的に遮断されるまでの時間は、ファイバ光増幅器２１に入射する信号光Ｌｓの強度低下に伴って上昇する利得分布において、１０３０ｎｍ帯の利得が発振閾値と等しくなるまでの時間に基づいて設定され、その時間と同等以下、例えばその時間の数分の一程度に設定される。設定された時間は、制御部２５に設けられたメモリ（不図示）に設定記憶される。

図８にファイバ光増幅器２１が励起状態において、信号光Ｌｓの入射が突然途絶えたときの波長１０３０ｎｍ帯の利得の時間変化についてのシミュレーション結果を示した。図８に示したように、信号光Ｌｓが途切れるとＹｂの反転分布率が急激に高まり、波長１０３０ｎｍの利得ｇが時間の経過とともに指数関数的に増大する。信号光Ｌｓが途切れたのち発振に至るまでの時間は、ファイバ光増幅器２１の反射減衰量を−５０ｄＢとしたときに約１０μsecであった。

ファイバ光増幅器２１の片道利得が反射減衰量を超えるまでの時間は、励起光のパワーにほぼ反比例するため、励起光のパワーがより大きい場合には、より短い時間で発振に至り、励起光のパワーがより小さい場合には、より長い時間をかけて発振に至ることになる。信号光Ｌｓの入射パワーが大きく減少したときから６〜８μsec程度以内に励起電力を実質的に遮断すれば、反転分布の増大が抑えられ、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことを抑止できる。

不随意発振防止装置６０Ｂにおいては、信号光検出器５１から入力される検出信号が信号基準値以下となった場合に、制御部２５が電力遮断器５５に電力供給を抑制する指令信号を出力し、電流源２６からポンプ光源２３への励起電力の供給を数μsec以内に抑制させる。具体例として、信号光検出器５１から入力される検出信号において、光パルス２〜６パルス分に相当する１〜３μseの時間（例えば、４パルス分に相当する２μseの時間）、信号光Ｌｓが検出されなかったときに、ポンプ光源２３への励起電力の供給を即時抑制する構成が例示される。

図１２に、不随意発振防止装置による励起電流の遮断状況を観察した実験結果を示す。図１２における横軸は時間（１μsec／div）、縦軸は励起電力及び信号光Ｌｓの光強度である。本実施例では、光パルス４パルス分に相当する２μseの間途切れたのを確認後にポンプ光源２３への励起電力を遮断しており、電力遮断器５５が励起電力を遮断するのに要した時間は１μsec未満である。

不随意発振防止装置６０Ｂを備えたレーザ装置４では、ファイバ光増幅器２１が励起状態のまま信号光Ｌｓの入射パワーが大きく減少したときに、波長１０３０ｎｍの利得が発振閾値まで上昇する以前に励起電力が実質的に遮断され、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことを抑止できる。本構成形態によれば、前述した不随意発振防止装置６０Ａを備えた場合の効果に加え、ファイバ光増幅器２１が励起状態でレーザ光源１１がオフになった場合に加えて、例えば、レーザ光源１１や外部変調器１５の破損や断線、レーザ光源１１とファイバ光増幅部２１との間の光路上への異物の進入や光ファイバ２２の導入部の断線などにより、信号光Ｌｓの遮断が生じた場合でも、ファイバ光増幅器２１が意図しない発振を起こすことを防止し、その結果、構成部材が損傷すること等を未然に防止することができる。更に、ファイバ光増幅器２１の入射側にファイバカプラ５４と信号光検出器５１とＡＳＥ光検出器とを設けた簡明な構成で、安全性及び長期信頼性の高いレーザ装置を提供することができる。

以上の説明では、ポンプ光源２３と電流源２６との間に設けた電力遮断器５５によりポンプ光源２３への供給電力を抑制する構成を例示したが、電流源２６そのものをオフにするように構成しても良い。また、信号光Ｌｓの波長を１０６０ｎｍ帯とし、ファイバ光増幅器２１としてイッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）を用いた構成を例示したが、信号光の波長は他の帯域であっても良く、ファイバ光増幅器は他のレーザ媒質がドープされたもの、例えば、エルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＥＤＦＡ）などであっても良い。

上記の通り、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国出願２０１１年第００９１２２号（２０１１年１月１９日）
日本国出願２０１１年第００９１２６号（２０１１年１月１９日）

Claims (3)

1. 信号光を含む波長帯域で利得を有し、入射した信号光を増幅して出射すると共に、自然放出光を発生するファイバ光増幅器と、
   前記信号光を前記ファイバ光増幅器に導く入力光路と、
   前記ファイバ光増幅器に導入される励起光を発生する励起光源と、
   前記励起光源に供給される励起電力を制御する制御部と、
   前記入力光路中に配置され、前記ファイバ光増幅器で発生され前記入力光路中を前記信号光とは反対方向に進む前記自然放出光を前記入力光路から分岐する分岐部と、
   前記分岐部によって分岐された前記自然放出光のうち、前記ファイバ光増幅器の利得分布における前記信号光よりも利得が高い波長の光を検出する自然放出光検出器と、を備え、
   前記制御部は、前記自然放出光検出器により検出された自然放出光の強度が所定の自然放出光基準値以上となったときに、前記励起電力を抑制し、
   前記自然放出光検出器により検出された自然放出光の強度が前記所定の自然放出光基準値以上となったのち前記励起電力が抑制されるまでの時間は、前記ファイバ光増幅器における前記信号光よりも利得が高い波長の光の利得が、発振閾値と等しくなるまでの時間に基づいて設定されることを特徴とするレーザ装置。
2. 信号光を含む波長帯域で利得を有し、入射した信号光を増幅して出射すると共に、自然放出光を発生するファイバ光増幅器と、
   前記信号光を前記ファイバ光増幅器に導く入力光路と、
   前記ファイバ光増幅器に導入される励起光を発生する励起光源と、
   前記励起光源に供給される励起電力を制御する制御部と、
   前記入力光路中に配置され、前記入力光路中の前記信号光の一部を前記入力光路から分岐する分岐部と、
   前記分岐部によって分岐された前記信号光の一部を検出する信号光検出器と、を備え、
   前記制御部は、前記信号光検出器により検出された信号光の強度が所定の信号基準値以下となったとき、前記励起電力を抑制し、
   前記信号光検出器により検出された信号光の強度が前記所定の信号基準値以下となったのち前記励起電力が抑制されるまでの時間は、前記ファイバ光増幅器に入射する信号光の強度低下に伴って上昇する前記ファイバ光増幅器の利得分布における、前記信号光よりも利得が高い波長の光の利得が、発振閾値と等しくなるまでの時間に基づいて設定されることを特徴とするレーザ装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザ装置において、
   前記ファイバ光増幅器はイットリビウムをレーザ媒質とするイットリビウム・ドープ・ファイバ光増幅器であり、前記信号光の波長は１．０６μｍ帯であるレーザ装置。

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