JP6276969B2

JP6276969B2 - 増幅用光ファイバのストークス光検出方法、及び、これを用いたファイバレーザ装置

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Publication number: JP6276969B2
Application number: JP2013229906A
Authority: JP
Inventors: 柏木正浩
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: JP2015090910A

Description

本発明は、信号光とストークス光との波長の差が小さい場合であってもストークス光を検出することができる増幅用光ファイバのストークス光検出方法、及び、これを用いたファイバレーザ装置に関する。

ファイバレーザ装置は、集光性に優れ、パワー密度が高く、小さなビームスポットとなる光が得られることから、レーザ加工分野、医療分野等の様々な分野において用いられている。

ファイバレーザ装置を使用する際、光の出射命令から実際に光が所定の出力で出射するまでの時間をより短くしたいという要請がある。つまり、出射する光の立ち上がり時間をより短くしたいという要請がある。

共振器型のファイバレーザ装置において出射する光の立ち上がり時間を短くするには、増幅用光ファイバに入射する励起光の立ち上がり時間を短くすればよい。ところで共振器型のファイバレーザ装置は、励起光を増幅用光ファイバに入射し始めてから出射する光が立ち上がる前に、パワーの大きなパルス状の光が出射することが知られている。このファイバレーザ装置で、上記のように増幅用ファイバに入射する励起光の立ち上がり時間を短くすると、当該パルス状の光のピークパワーがより大きくなる。このパルス状の光のピークパワーが大きくなると、増幅用光ファイバ及び増幅用光ファイバよりも出力側のファイバにおいて誘導ブリルアン散乱が生じて本来出射すべき光の波長と異なる波長の光が発振してしまう場合があり、この場合、本来出射すべき波長の光の発振が不安定となる。

また、ファイバレーザ装置において、出射する光のパワーを大きくする場合、増幅用光ファイバに入射する励起光のパワーを大きくすることが行われている。ファイバレーザ装置において、出射する光のパワーを大きくする場合にも、誘導ラマン散乱や誘導ブリルアン散乱が生じることが知られている（例えば、下記特許文献１）。この場合においても、本来出射すべき光の波長と異なる波長の光が発振する場合がある。

特開２０１０−１７１２６０号公報

上記のような本来出射すべき光の波長と異なる波長の光の発振を防止するために、増幅用光ファイバ内で誘導ブリルアン散乱等により発生するストークス光を検出することが望まれる。しかし、例えば誘導ブリルアン散乱によるストークス光の波長と増幅用光ファイバで本来増幅されるべき光の波長（出射すべき光の波長）との差は０．０１ｎｍ程度であるところ、一般的にスペクトルアナライザーの分解能は０．１ｎｍ程度であるので、一般的なスペクトルアナライザーを用いて、出射すべき光と区別して、誘導ブリルアン散乱により生じたストークス光を検出することは困難である。また、仮に高性能なスペクトルアナライザーでストークス光の検出ができるとしても、スペクトルアナライザー内で高精度な積分処理が行われるため、ストークス光の検出に時間がかかってしまう。

そこで、本発明は、信号光とストークス光との波長の差が小さい場合であっても、容易にストークス光を検出することができる増幅用光ファイバのストークス光検出方法、及び、これを用いたファイバレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明は、励起光が入射し前記励起光により信号光を増幅して出射する増幅用光ファイバのストークス光検出方法であって、前記増幅用光ファイバを伝搬する光の一部を受光部で受光し、前記受光部で受光された光から、前記信号光と前記信号光から発生するストークス光とにより生じるビートを検出することを特徴とするものである。

信号光からストークス光が発生する場合、信号光と当該ストークス光との干渉による光のパワーの周期的なうねり、すなわちビートが生じる。このビートを検出することにより、信号光の波長とストークス光の波長とが近い場合であっても、信号光とストークス光とを切り分けずにストークス光を検出することができる。従って、上記のような高精度な積分処理が不要になるために短時間でビートを検出することができ、短時間でストークス光を検出することができる。また、上記のような高性能なスペクトルアナライザーを用いなくとも、容易にストークス光を検出することができる。

なお、増幅用光ファイバの途中から増幅用光ファイバを伝搬する光の一部を分離して受光部で受光しても良く、増幅用光ファイバから出射した光から増幅用光ファイバを伝搬する光の一部を分離して受光部で受光しても良い。

また、本明細書において、信号光とは、増幅用光ファイバで増幅される光を意味し、光に信号が含まれている必要はない。

また、前記増幅用光ファイバの一方側に前記信号光を反射する第１ミラーが設けられ、前記増幅用光ファイバの他方側に前記第１ミラーよりも低い反射率で前記信号光を反射する第２ミラーが設けられ、前記増幅用光ファイバを伝搬する光の一部は、前記第２ミラーよりも前記第１ミラーに近い場所において他の光から分離されて前記受光部に入射することが好ましい。

上記のような構成により共振器に用いられる増幅用光ファイバで発生するストークス光を検出することができる。また、上記構成の共振器の場合、第２ミラー側が出力光の出射側となる。この場合、信号光が第１ミラーで反射した後増幅されながら第２ミラーへと到達して、第２ミラーに到達した信号光の一部が第２ミラーを透過して出力光となる。従って、第２ミラーよりも第１ミラーに近い場所から増幅用光ファイバを伝搬する光の一部を取り出すことで、第２ミラーに近い場所から当該光の一部を取り出す場合よりも、光を早い段階で受光部に入射させることができる。従って、より早くストークス光を検出することができる。

この場合、増幅用光ファイバを伝搬する光の一部を第１ミラーと第２ミラーとの間において取り出し受光部に入射しても良く、第１ミラーを基準として第２ミラーと反対側で第１ミラーを透過した光を取り出して受光部に入射しても良い。

また、前記信号光の波長は１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であり、前記ビートの周波数は１５ＧＨｚ以上１７ＧＨｚ以下であることとしても良い。

このような波長はイッテルビウムが添加された増幅用光ファイバで、光を効率よく増幅できる波長である。また、当該波長では上記のようなビートが発生することを本発明者は見いだした。従って、上記の構成は、イッテルビウムが添加された増幅用光ファイバを用いたファイバレーザ装置に好適に用いることができる。

また、本発明は、上記の増幅用光ファイバのストークス光検出方法を用いたファイバレーザ装置である。具体的には、励起光を出射する励起光源と、前記励起光が入射し前記励起光により信号光を増幅して出射する増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバを伝搬する光の一部を受光する受光部と、前記受光部で受光された光から、前記信号光と前記信号光から発生するストークス光とにより生じるビートを検出する検出部と、を備えることを特徴とするものである。

このような構成のファイバレーザ装置によれば、増幅用光ファイバでストークス光が発生する場合に、信号光とストークス光との波長の差が小さくても、容易にストークス光を検出することができる。また、上記のように短時間でストークス光を検出することができる。従って、ストークス光による悪影響を防止或いは抑制する措置を講じることができる。

また、上記ファイバレーザ装置において、前記増幅用光ファイバの一方側に設けられ前記信号光を反射する第１ミラーと、前記増幅用光ファイバの他方側に設けられ前記信号光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーと、を更に備え、前記増幅用光ファイバを伝搬する光の一部は、前記第２ミラーよりも前記第１ミラーに近い場所において他の光から分離されて前記受光部に入射することが好ましい。

このような構成により、共振器型のファイバレーザ装置の増幅用光ファイバでストークス光が発生する場合に、容易にストークス光を検出することができる。そして、受光部に入射する光が、第２ミラーよりも第１ミラーに近い場所において他の光から分離されるため、上記のようにより早くストークス光を検出することができる。また、ファイバレーザ装置の場合においても、増幅用光ファイバを伝搬する光の一部が第１ミラーと第２ミラーとの間から取り出されて受光部に入射されても良く、第１ミラーを基準として第２ミラーと反対側で第１ミラーを透過した光が取り出されて受光部に入射しても良い。

また、上記ファイバレーザ装置においても、前記信号光の波長は１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であり、前記ビートの周波数は１５ＧＨｚ以上１７ＧＨｚ以下であることとすれば、イッテルビウムが添加された増幅用光ファイバを用いたファイバレーザ装置における誘導ブリルアン散乱によるストークス光を検出することができる。

また、上記に記載のいずれかのファイバレーザ装置において、前記励起光源を制御する制御部を更に備え、前記制御部は、前記検出部で検出される前記ビートの大きさに基づいて前記励起光のパワーを制御することが好ましい。

この場合、前記制御部は、前記ビートが所定の大きさ以上である場合に、前記励起光のパワーを小さくすることとしても良く、さらに、前記励起光のパワーをゼロとすることとしても良い。

また、上記の共振器型のファイバレーザ装置において、前記励起光源を制御する制御部を更に備え、前記制御部は、前記ビートが所定の大きさより大きくならないように前記励起光の立ち上がり時間を制御することとしても良い。

上記のように励起光を制御することにより、ストークス光による悪影響を励起光の制御で防止或いは抑制することができる。例えば、ストークス光に起因する発振を防止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、信号光とストークス光との波長の差が小さい場合であっても、容易にストークス光を検出することができる増幅用光ファイバのストークス光検出方法、及び、これを用いたファイバレーザ装置が提供される。

本発明の第１実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。励起光のパワーと出射する光のパワーとの関係を示す図である。信号光とストークス光とにより生じるビートの周波数とパワーとの関係を示す図である。本発明の第２実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。

以下、本発明に係る増幅用光ファイバのストークス光検出方法、及び、これを用いた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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態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、本実施形態のファイバレーザ装置１は、励起光を出射する励起光源１０と、励起光源１０から出射する励起光が入射し、励起光により励起される活性元素が添加される増幅用光ファイバ３０と、増幅用光ファイバ３０の一端に接続される第１光ファイバ４１と、第１光ファイバ４１に設けられる第１ミラーとしての第１ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）４５と、第１光ファイバ４１に励起光を入射するためのコンバイナ５０と、増幅用光ファイバ３０の他端に接続される第２光ファイバ４２と、第２光ファイバ４２に設けられる第２ミラーとしての第２ＦＢＧ４６と、増幅用光ファイバ３０を伝搬する光を受光する受光部６１と、受光部６１の出力が入力する検出部６２と、励起光源１０を制御する制御部６３と、を主な構成として備える。増幅用光ファイバ３０と第１ＦＢＧ４５と第２ＦＢＧ４６とで共振器が形成され、本実施形態のファイバレーザ装置１は共振器型のファイバレーザ装置とされる。

励起光源１０は、複数のレーザダイオード１１から構成され、増幅用光ファイバ３０に添加される活性元素を励起する波長の励起光を出射する。励起光源１０のそれぞれのレーザダイオード１１は、励起光用光ファイバ１５に接続されており、レーザダイオード１１から出射する光は、それぞれのレーザダイオード１１に光学的に接続される励起光用光ファイバ１５を伝搬する。励起光用光ファイバ１５としては、例えば、マルチモードファイバを挙げることができ、この場合、励起光は励起光用光ファイバ１５をマルチモード光として伝搬する。なお、後述のように増幅用光ファイバ３０に添加される活性元素がイッテルビウムである場合、励起光の波長は、例えば、９１５ｎｍとされる。

増幅用光ファイバ３０は、コアと、コアの外周面を隙間なく囲む内側クラッドと、内側クラッドの外周面を被覆する外側クラッドと、外側クラッドの外周面を被覆する被覆層とから構成されている。増幅用光ファイバ３０のコアを構成する材料としては、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム等の元素、及び、励起光源１０から出射する光により励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）等の活性元素が添加された石英が挙げられる。このような活性元素としては、希土類元素が挙げられ、希土類元素としては、上記イッテルビウムの他にツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）等が挙げられる。さらに活性元素として、希土類元素の他に、ビスマス（Ｂｉ）等が挙げられる。また、増幅用光ファイバ３０の内側クラッドを構成する材料としては、例えば、何らドーパントが添加されていない純粋石英が挙げられる。また、増幅用光ファイバ３０の外側クラッドを構成する材料としては、例えば、内側クラッドより無屈折率の低い樹脂が挙げられ、増幅用光ファイバ３０の被覆層を構成する材料としては、例えば、外側クラッドを構成する樹脂とは異なる紫外線硬化樹脂が挙げられる。増幅用光ファイバは、シングルモードファイバとされるが、パワーの大きな信号光が増幅用光ファイバのコアを伝搬可能なように、コアの直径がマルチモードファイバと同様とされつつも、シングルモードの光を伝搬する構成とされても良い。また、コアを伝搬する光のビーム品質にこだわらない場合、増幅用光ファイバ３０はマルチモードファイバとされても良い。

第１光ファイバ４１は、コアに活性元素が添加されていない点を除き増幅用光ファイバ３０と同じ構成とされる。第１光ファイバ４１は、コアの中心軸が増幅用光ファイバ３０のコアの中心軸と合わされて、増幅用光ファイバ３０の一端に接続されている。従って、増幅用光ファイバ３０のコアと第１光ファイバ４１のコアとが光学的に結合し、増幅用光ファイバ３０の内側クラッドと第１光ファイバ４１の内側クラッドとが光学的に結合している。

また、第１ＦＢＧ４５は、第１光ファイバ４１のコアに設けられている。こうして第１ＦＢＧ４５は、増幅用光ファイバ３０の一端側に設けられている。第１ＦＢＧ４５は、第１光ファイバ４１の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されることで構成されている。この周期が調整されることにより、第１ＦＢＧ４５は、励起状態とされた増幅用光ファイバ３０の活性元素が放出する光のうち特定波長の光を反射する。第１ＦＢＧ４５は、上述のように増幅用光ファイバ３０に添加される活性元素がイッテルビウムである場合、例えば波長が１０７０ｎｍの光を例えば９９％以上の反射率で反射する。

また、コンバイナ５０において、第１光ファイバ４１の内側クラッドに励起光用光ファイバ１５のコアが接続されている。こうして、励起光源１０と接続される励起光用光ファイバ１５と、増幅用光ファイバ３０とは、第１光ファイバ４１を介して、光学的に結合している。

また、コンバイナ５０において、第１光ファイバ４１には光ファイバ５１が接続されている。光ファイバ５１は、例えば、第１光ファイバ４１のコアと同じ直径のコアを有するシングルモードファイバとされる。光ファイバ５１のコアは、第１光ファイバ４１のコアと接続されている。

第２光ファイバ４２は、活性元素が添加されていないことを除いて増幅用光ファイバ３０のコアと同様のコアと、当該コアの外周面を隙間なく囲み増幅用光ファイバ３０の内側クラッドと同様の構成のクラッドと、クラッドの外周面を被覆する被覆層とから構成されている。第２光ファイバ４２は、軸が増幅用光ファイバ３０の軸と合わされて、増幅用光ファイバ３０の他端に接続されている。従って、増幅用光ファイバ３０のコアと第２光ファイバ４２のコアとが光学的に結合している。

また、第２ＦＢＧ４６は第２光ファイバ４２のコアに設けられている。こうして第２ＦＢＧ４６は、増幅用光ファイバ３０の他端側に設けられている。第２ＦＢＧ４６は、第２光ファイバ４２の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、第１ＦＢＧ４５が反射する光の少なくとも一部の波長の光を第１ＦＢＧ４５よりも低い反射率で反射するように構成されている。第２ＦＢＧ４６は、例えば、第１ＦＢＧ４５が反射する光と同じ波長の光を５０％の反射率で反射するように構成されている。

光ファイバ５１のコンバイナ５０側と反対側には、受光部６１が光学的に接続されている。受光部６１は、例えばフォトダイオードから構成されており、受光する光のパワーに応じた電圧の信号を出力する構成とされている。

受光部６１には検出部６２が電気的に接続されており、受光部６１からの信号は検出部６２に入力する。検出部６２は、例えばオシロスコープから構成され、受光部６１で受光する光にビートがある場合に、当該ビートを検出可能な構成とされている。

また、検出部６２には制御部６３が電気的に接続されており、検出部６２からの信号は制御部６３に入力する。制御部６３は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成されており、励起光源１０を制御可能とされている。

なお、受光部６１と検出部６２と制御部６３の少なくとも２つの構成が一体となっていても良い。

次にファイバレーザ装置１の動作について説明する。

まず、制御部６３が励起光源１０を制御し、励起光源１０のそれぞれのレーザダイオード１１から励起光が出射する。図２は、励起光源１０から出射する励起光のパワーとファイバレーザ装置１から出射する光のパワーとの関係を示す図である。なお図２において、励起光のパワーが上側に書かれているが励起光のパワーが出力光のパワーよりも大きいことを意味するものではない。図２に示すように、制御部６３は、励起光源１０から出射する励起光が所定の時間をかけて立ち上がるよう調整をする。

励起光源１０から出射した励起光は、励起光用光ファイバ１５から第１光ファイバ４１の内側クラッドを介して、増幅用光ファイバ３０の内側クラッドに入射する。増幅用光ファイバ３０の内側クラッドに入射した励起光は主に内側クラッドを伝搬して、増幅用光ファイバのコアを通過する際にコアに添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、特定の波長の自然放出光を放出する。この自然放出光は、増幅用光ファイバ３０のコアを伝搬して、一部の波長の光が第１ＦＢＧ４５により反射され、反射された光のうち第２ＦＢＧ４６が反射する波長の光が第２ＦＢＧ４６で反射されて、共振器内（第１ＦＢＧ４５と第２ＦＢＧ４６との間）を往復する。この往復する光が信号光とされ、当該信号光は、増幅用光ファイバ３０のコアを伝搬するときに誘導放出により増幅され、レーザ発振状態となる。そして、信号光のうち一部の光が第２ＦＢＧ４６を透過して、出力光として第２光ファイバ４２の端部から出射する。

上記において、ファイバレーザ装置１から出射する最初の出力光は、図２に示すように、励起光が増幅用光ファイバ３０に入射し始めてから所定の時間後に出射されるパワーの大きなパルス状の光となる。そして当該パルス状の光の出射後に、ファイバレーザ装置１から出射する出力光のパワーが徐々に大きくなる。その後、当該出力光が完全に立ち上がって、一定のパワーの出力光が出射する。

上記の励起光の立ち上がり時間を短くすることにより、出力光の立ち上がり時間を短くすることができる。この場合、上記パルス状の光のピークパワーも大きくなる。しかし、上記パルス状の光のピークパワーが大きくなる場合、増幅用光ファイバ３０内をパワーの大きな信号光が伝搬するため誘導ブリルアン散乱が生じ、信号光からストークス光が発生する場合がある。

信号光からストークス光が生じると、信号光とストークス光とによるビートが生じる。図３は、波長が１０７０ｎｍの信号光とストークス光とにより生じるビートの周波数とパワーとの関係を示す図である。図３に示すように、信号光の波長が１０７０ｎｍとされる場合、このビートは約１５．８ＧＨｚにおいて最も大きなパワーとなり、１５．５ＧＨｚ以上１６ＧＨｚ以下に分布している。また、増幅用光ファイバ３０のコアにイッテルビウムが添加されるファイバレーザ装置では、一般的に信号光の波長が１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下とされ、この範囲の波長で波長を変化させると周波数が１５ＧＨｚ以上１７ＧＨｚ以下のビートが生じることが見出された。また、ビートのパワーはストークス光のパワーに依存しており、ストークス光のパワーが大きくなるとビートのパワーも大きくなる。従って、周波数が１５ＧＨｚ以上１７ＧＨｚ以下のビートのパワーを検出することで、増幅用光ファイバ３０のコアにイッテルビウムが添加されるファイバレーザ装置におけるストークス光の発生を検出することができる。

次にこのビートの検出及び励起光源１０の制御について説明する。

出力光が出射する過程において、第１ＦＢＧ４５に入射する光は、第１ＦＢＧ４５の反射率に応じて反射するが、一部の光は第１ＦＢＧ４５を透過する。こうして増幅用光ファイバ３０を伝搬する光の一部が他の光から分離される。第１ＦＢＧ４５を透過した光は、光ファイバ５１のコアを伝搬して受光部６１で受光される。

なお、本実施形態では、受光部６１が第１ＦＢＧ４５を基準として第２ＦＢＧ４６側と反対側に設けられている。このため、増幅用光ファイバ３０を伝搬する光の一部は、第２ＦＢＧ４６よりも第１ＦＢＧ４５に近い場所において他の光から分離されて受光部６１に入射する。本実施形態では、第２ＦＢＧ４６側が出力光の出射側となる。この場合、信号光が第１ＦＢＧ４５で反射した後増幅されながら第２ＦＢＧ４６へと到達して、上記のように一部の光が出力光となる。従って、第２ＦＢＧ４６よりも第１ＦＢＧ４５に近い場所から増幅用光ファイバ３０を伝搬する光の一部を取り出すことで、第２ＦＢＧ４６に近い場所から当該光の一部を取り出す場合よりも、光を早い段階で受光部６１に入射させることができる。

受光部６１で光が受光されると、上記のように受光部６１は受光した光のパワーに応じた電圧の信号を出力する。従って、上記のように信号光とストークス光とによりビートが生じている場合には、受光部６１からはビートの周波数に合わせて電圧が変動する信号が出力される。この信号は検出部６２に入力する。

検出部６２では、受光部６１から入力する信号の電圧の時間的な変化を検知している。従って、検出部６２では、受光部６１が受光する光のパワーが周期的に変化する場合、どの周波数にどの程度のパワーの光が分布しているかを検出することができる。このため、周波数が１５ＧＨｚ以上１７ＧＨｚ以下のビートを検出することができる。検出部６２は、上記周波数のビートを検出した際に、例えば表示や音によってそのことを示す構成とされても良く、上記周波数のビートのパワーの大きさによって、表示や音が分かる構成とされても良い。また、検出部６２で検出されたビートに関する情報を示す信号は、検出部６２から制御部６３に入力する。

制御部６３は、検出部６２からビートに関する情報を示す信号が入力すると、ビートの大きさに基づいて励起光源１０を制御する。例えば、制御部６３は、上記周波数のビートが所定の大きさ以上であると判断する場合、励起光源１０から出射する励起光のパワーが小さくなるように励起光源１０を制御する。上記のように、ビートのパワーはストークス光のパワーに依存するため、ビートが所定の大きさ以上となることは、ストークス光のパワーが相応に大きいことを示す。従って、上記のように励起光源１０のパワーを小さくすることで、ストークス光の発生を抑制することができる。従って、信号光の不安定な発振を防止することができる。このような制御は、出力光が立ち上がる最中に行っても良く、出力光が立ち上がった後に行っても良い。この場合、制御部６３は、ビートが当該所定の大きさよりも小さいと判断するとき、励起光源１０から出射する励起光のパワーが大きくなるように励起光源１０を制御しても良い。つまり、ビートが所定の大きさより大きくならないように、制御部６３が励起光のパワーができるだけ大きくなるように励起光源１０を制御することで、ファイバレーザ装置１は、ストークス光の発生を抑制して信号光の不安定な発振を防止しつつ、出来るだけパワーの大きな出力光を出射することができる。

また、出力光が立ち上がる最中において、制御部６３は、上記周波数のビートが所定の大きさ以上であると判断する場合、励起光源１０から出射する励起光の立ち上がり時間が長くなるように励起光源１０を制御しても良い。この場合であっても、ストークス光による発振を防止することができる。この場合、制御部６３は、ビートが当該所定の大きさよりも小さいと判断するとき、励起光源１０から出射する励起光の立ち上がりが早くなるように励起光源１０を制御しても良い。つまり、ビートが所定の大きさより大きくならないように、制御部６３が励起光の立ち上がり時間を制御することで、ファイバレーザ装置１は、ストークス光の発生を抑制して信号光の不安定な発振を防止しつつ、出来るだけ早い時間で出力光を立ち上げることができる。

また、出力光が立ち上がった後の状態において、制御部６３は、上記周波数のビートが所定の大きさ以上であると判断する場合、励起光源１０からの励起光のパワーがゼロとなるように励起光源１０を制御しても良い。この場合、制御部６３は、ビートが当該所定の大きさよりも小さくなった時点以降に再び励起光源１０を制御して、励起光を出射させても良い。このとき励起光源１０から出射する励起光のパワーがゼロとなる前の励起光のパワーより小さくなるように励起光源１０を制御しても良い。こうすることでビートが所定の大きさより大きくならないようにすることができ、ファイバレーザ装置１は、ストークス光による発振を防止しつつ、出来るだけパワーの大きな出力光を出射することができる。

以上説明したように、本実施形態のファイバレーザ装置１によれば、信号光とストークス光とにより生じるビートを検出することにより、信号光の波長とストークス光の波長とが近い場合であっても、信号光とストークス光とを切り分けずにストークス光を検出することができる。特に、本実施形態では、周波数が１５ＧＨｚから１７ＧＨｚのビートを検出することにより、増幅用光ファイバ３０のコアに添加される活性元素の種類によらず誘導ブリルアン散乱によるストークス光を検出することができる。

また、上記のように、受光部６１が第１ＦＢＧ４５を基準として第２ＦＢＧ４６側と反対側に設けられ、第２ＦＢＧ４６よりも第１ＦＢＧ４５に近い場所から増幅用光ファイバ３０を伝搬する光の一部を取り出すことで、第２ＦＢＧ４６に近い場所から当該光の一部を取り出す場合よりも、光を早い段階で受光部６１に入射させることができる。従って、本実施形態のファイバレーザ装置１によれば、より早くストークス光を検出することができる。なお、第１ＦＢＧ４５と第２ＦＢＧ４６との間にカプラを設けて、増幅用光ファイバ３０を伝搬する光の一部を当該カプラから取り出して、受光部６１に入射しても良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２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、特に説明する場合を除き、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、本実施形態のファイバレーザ装置を示す図である。図４に示すようにファイバレーザ装置２は、励起光源１０と、信号光である種光を出射する種光源２０と、増幅用光ファイバ３０と、第１光ファイバ４１と、第２光ファイバ４２と、コンバイナ５０と、光分離部５５と、受光部６１と、検出部６２と、制御部６３とを主な構成として備える。このようにファイバレーザ装置２は、種光源２０がＭＯ（Master Oscillator）とされ、励起光源１０及び増幅用光ファイバ３０がＰＡ（Power
Amplifier）とされる、いわゆるＭＯ−ＰＡ型のレーザ装置である。

種光源２０は、例えば、レーザダイオードやファイバレーザ等からなる。種光源２０は、例えば、増幅用光ファイバ３０のコアに添加される活性元素がイッテルビウムである場合、例えば、波長が１０６０ｎｍの種光を出射するよう構成されている。種光源２０は、種光用光ファイバ２５に接続されており、種光源２０から出射する種光は、種光用光ファイバ２５のコアを伝搬する。種光用光ファイバ２５としては、例えば、シングルモードファイバが挙げられ、この場合、種光は種光用光ファイバ２５をシングルモード光として伝搬する。

本実施形態のコンバイナ５０では、種光用光ファイバ２５及び励起光用光ファイバ１５と、第１光ファイバ４１の増幅用光ファイバ３０と接続される側と反対側に端部とが接続されている。具体的には、コンバイナ５０において、種光用光ファイバ２５のコアが第１光ファイバ３０のコアに接続されており、励起光用光ファイバ１５のコアが第１光ファイバ３０の内側クラッドに接続されている。従って、種光源２０から出射する種光は第１光ファイバ４１のコアを介して増幅用光ファイバ３０のコアに入射し、励起光源１０から出力される励起光は第１光ファイバ４１の内側クラッドを介して増幅用光ファイバ３０の内側クラッドに入射する。

また、増幅用光ファイバ３０に接続される第２光ファイバ４２にはカプラから成る光分離部５５が設けられており、増幅用光ファイバ３０を伝搬する光の一部を分離する構成とされる。光分離部５５には光ファイバ５６が接続され、光ファイバ５６には受光部６１が接続されている。従って、光分離部５５で分離された光は、光ファイバ５６を伝搬して受光部６１で受光される。

本実施形態のファイバレーザ装置２では、まず、制御部６３からの命令により、励起光源１０のそれぞれのレーザダイオード１１から励起光が出射される。励起光源１０のそれぞれのレーザダイオード１１から出力される励起光は、上記のように増幅用光ファイバ３０の内側クラッドに入射して、増幅用光ファイバ３０を伝搬しながらコアに添加される活性元素を励起状態とする。

次に所定のタイミングで種光源２０から種光が出射され、上記のように増幅用光ファイバ３０のコアに入射して、当該コアを伝搬する。このとき励起状態とされた活性元素の誘導放出により、種光が増幅されて、増幅された種光が増幅用光ファイバ３０から出力光として出射する。なお、種光源２０からパルス状の種光が出射する場合には、パルス状の出力光が出射する。この場合、種光源２０から連続状の種光が出射する場合よりもピークパワーの大きな出力光が出射する。

増幅用光ファイバ３０で増幅された光の一部は、光分離部５５で他の光から分離される。他の光は第２光ファイバ４２から出力光として出射され、分離された光は受光部６１で受光される。

本実施形態のファイバレーザ装置２において、出力光のパワーを大きくする場合、励起光のパワーを大きくすればよい。しかし、その場合、増幅用光ファイバ３０において誘導ブリルアン散乱が生じて、ストークス光が発生する場合がある。この場合、第１実施形態のファイバレーザ装置１と同様に、増幅用光ファイバ３０を伝搬する種光（信号光）とストークス光とによりビートが生じる。このようにビートが生じると、受光部６１から出力する信号が入力する検出部６２により、第１実施形態と同様にして当該ビートが検出される。

本実施形態のファイバレーザ装置２においても、制御部６３は、検出部６２からビートに関する情報を示す信号が入力すると、ビートの大きさに基づいて励起光源１０を制御する。例えば、制御部６３は、上記周波数のビートが所定の大きさ以上であると判断する場合、励起光源１０から励起光のパワーが小さくなるように励起光源１０を制御する。こうすることで、ストークス光による発振を防止することができる。この場合、制御部６３は、第１実施形態のファイバレーザ装置１の制御と同様にして、ビートが当該所定の大きさよりも小さいと判断するとき、励起光源１０から出射する励起光のパワーが大きくなるように励起光源１０を制御しても良い。つまり、ビートが所定の大きさより大きくならないように、制御部６３が励起光のパワーができるだけ大きくなるように励起光源１０を制御することで、ファイバレーザ装置２は、ストークス光の発生を抑制して信号光の不安定な発振を防止しつつ、出来るだけパワーの大きな出力光を出射することができる。

また、本実施形態のファイバレーザ装置２においても、制御部６３は、上記周波数のビートが所定の大きさ以上であると判断する場合、第１実施形態のファイバレーザ装置１と同様にして、励起光源１０からの励起光のパワーがゼロとなるように励起光源１０を制御しても良い。この場合、第１実施形態のファイバレーザ装置１の制御と同様にして、制御部６３は、ビートが当該所定の大きさよりも小さくなった時点以降に再び励起光源１０を制御して、励起光を出射させても良い。このとき励起光源１０から出射する励起光のパワーがゼロとなる前の励起光のパワーより小さくなるように励起光源１０を制御しても良い。こうすることでビートが所定の大きさより大きくならないようにすることができ、ファイバレーザ装置２は、ストークス光による発振を防止しつつ、出来るだけパワーの大きな出力光を出射することができる。

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、上記実施形態では、増幅用光ファイバ３０から出射した光から光の一部を分離して受光部６１で受光する構成としたが、増幅用光ファイバ１０の途中から光の一部を分離して受光部６１で受光する構成としても良い。

また、第１実施形態において、増幅用光ファイバ３０を伝搬する光の一部は、第２ＦＢＧ４６よりも第１ＦＢＧ４５に近い場所において他の光から分離されて受光部６１に入射する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、増幅用光ファイバ３０を伝搬する光の一部は、第１ＦＢＧ４５よりも第２ＦＢＧ４６に近い場所において他の光から分離されて受光部６１に入射する構成としても良い。

また、第１実施形態において、第１ミラー、第２ミラーとして、第１ＦＢＧ４５、第２ＦＢＧ４６を例に説明したが、第１ミラー、第２ミラーは他の構成であっても良い。

本発明によれば、信号光とストークス光との波長の差が小さい場合であっても、容易にストークス光を検出することができる増幅用光ファイバのストークス光検出方法、及び、これを用いたファイバレーザ装置が提供され、レーザ加工分野、医療分野等の様々な産業において利用可能である。

１，２・・・ファイバレーザ装置
１０・・・励起光源
２０・・・種光源
３０・・・増幅用光ファイバ
５０・・・コンバイナ
６１・・・受光部
６２・・・検出部
６３・・・制御部

Claims

励起光を出射する励起光源と、
前記励起光が入射し前記励起光により信号光を増幅して出射する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを伝搬する光の一部を受光する受光部と、
前記受光部で受光された光から、前記信号光と前記信号光から発生するストークス光とにより生じるビートを検出する検出部と、
前記励起光源を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記検出部で検出される前記ビートの大きさに基づいて前記励起光のパワーを制御する
ことを特徴とするファイバレーザ装置。
前記増幅用光ファイバの一方側に設けられ前記信号光を反射する第１ミラーと、
前記増幅用光ファイバの他方側に設けられ前記信号光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーと、
を更に備え、
前記増幅用光ファイバを伝搬する光の一部は、前記第２ミラーよりも前記第１ミラーに近い場所において他の光から分離されて前記受光部に入射する
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。
前記信号光の波長は１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であり、
前記ビートの周波数は１５ＧＨｚ以上１７ＧＨｚ以下である
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。
前記制御部は、前記ビートが所定の大きさ以上である場合に、前記励起光のパワーを小さくする
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。
前記制御部は、前記ビートが所定の大きさ以上である場合に、前記励起光のパワーをゼロとする
ことを特徴とする請求項４に記載のファイバレーザ装置。
励起光を出射する励起光源と、
前記励起光が入射し前記励起光により信号光を増幅して出射する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを伝搬する光の一部を受光する受光部と、
前記受光部で受光された光から、前記信号光と前記信号光から発生するストークス光とにより生じるビートを検出する検出部と、
前記増幅用光ファイバの一方側に設けられ前記信号光を反射する第１ミラーと、
前記増幅用光ファイバの他方側に設けられ前記信号光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーと、
前記励起光源を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記ビートが所定の大きさより大きくならないように前記励起光の立ち上がり時間を制御する
ことを特徴とするファイバレーザ装置。