JP7300512B2 - 光増幅装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光増幅装置に係り、特にレーザ光を増幅して出力する光増幅装置に関するものである。
光増幅装置としてのファイバレーザ装置は、従来のレーザ装置と比較すると集光性が高く、取り回しのよい光ファイバを利用できることから、マーキングや材料加工など様々な分野で急速に普及してきている。例えば、ファイバレーザ装置を用いて金属加工を行う場合には、加工対象物に高パワーのレーザ光を照射して加工対象物を加熱及び溶融し、溶接や切断などの加工が行われる。このようなレーザ加工においては、加工速度や加工品質などの加工性能を向上する上で、照射するレーザ光のビームプロファイルを加工対象物の材料に合わせて変更することが重要である。
レーザ光のビームプロファイルを変更する方法としては、複数のビームプロファイルに対応する複数のレンズから所望のレンズを選択し、選択されたレンズを含むレンズ光学系によりレーザ光のビーム形状を変更するもの（例えば、特許文献１参照）や、マルチクラッドファイバの端面においてレーザ光を異なる点に入射させることによりレーザ光のビームプロファイルを変更するもの（例えば、特許文献２参照）などが知られている。
これらの方法を用いてファイバレーザ装置から出力されるレーザ光のビームプロファイルを変更する場合には、ファイバレーザ装置内の光増幅器から出力された後のレーザ光に対してビームプロファイルを変更する処理が行われることになる。このため、光増幅器とは別にビームプロファイルを変更するための機構が必要となる。また、ビームプロファイルを変更する処理によって、光増幅器から出力されたレーザ光に光損失が生じるとともに、光増幅器から出力されたレーザ光のビーム品質も劣化し得る。
特許第６４１９９０１号明細書 米国特許第９４８２８２１号明細書
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、ビームプロファイルを変更するための機構を特に必要とせずに、所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することができる光増幅装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、ビームプロファイルを変更するための機構を特に必要とせずに、所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することができる光増幅装置が提供される。この光増幅装置は、第１の増幅用光ファイバと、上記第１の増幅用光ファイバの長手方向において上記第１の増幅用光ファイバに接続される第２の増幅用光ファイバと、第１の励起光を生成可能な第１の励起光源と、第２の励起光を生成可能な第２の励起光源とを備える。上記第１の増幅用光ファイバは、活性元素が第１の活性元素添加濃度分布で添加された第１のコアと、上記第１のコアの外側に位置し、上記第１のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第１のクラッド層とを有する。上記第２の増幅用光ファイバは、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のコアに光学的に接続される第２のコアと、上記第２のコアの外側に位置し、上記第２のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第２のクラッド層とを有する。上記第２のコアにおいては、上記活性元素が上記第１の活性元素添加濃度分布とは異なる第２の活性元素添加濃度分布で添加されている。上記第１の励起光源は、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のクラッド層に、上記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第１の励起光を導入できるように構成される。上記第２の励起光源は、上記第２の増幅用光ファイバの上記第２のクラッド層に、上記第１の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第２の励起光を導入できるように構成される。上記光増幅装置は、上記第１の励起光源と上記第１の増幅用光ファイバとの間に配置された高反射ファイバブラッググレーティング部と、上記第２の励起光源と上記第２の増幅用光ファイバとの間に配置された低反射ファイバブラッググレーティング部とをさらに備える。
本発明の他の態様によれば、ビームプロファイルを変更するための機構を特に必要とせずに、所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することができる光増幅装置が提供される。この光増幅装置は、第１の増幅用光ファイバと、上記第１の増幅用光ファイバの長手方向において上記第１の増幅用光ファイバに接続される第２の増幅用光ファイバと、第１の励起光を生成可能な第１の励起光源と、第２の励起光を生成可能な第２の励起光源とを備える。上記第１の増幅用光ファイバは、活性元素が第１の活性元素添加濃度分布で添加された第１のコアと、上記第１のコアの外側に位置し、上記第１のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第１のクラッド層とを有する。上記第２の増幅用光ファイバは、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のコアに光学的に接続される第２のコアと、上記第２のコアの外側に位置し、上記第２のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第２のクラッド層とを有する。上記第２のコアにおいては、上記活性元素が上記第１の活性元素添加濃度分布とは異なる第２の活性元素添加濃度分布で添加されている。上記第１の励起光源は、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のクラッド層に上記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第１の励起光を導入できるように構成される。上記第２の励起光源は、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のクラッド層に上記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第２の励起光を導入できるように構成される。上記第１の励起光は、第１の波長を有し、上記第２の励起光は、上記活性元素に対する吸収率が上記第１の波長よりも低い第２の波長を有する。上記第１の増幅用光ファイバは、上記第２の励起光の一部が透過するような長さを有する。
図１は、本発明の第１の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステムを模式的に示す図である。 図２は、図１に示すファイバレーザシステムにおける第１の増幅用光ファイバの構造を模式的に示す断面図である。 図３は、図１に示すファイバレーザシステムにおける第２の増幅用光ファイバの構造を模式的に示す断面図である。 図４は、図２に示す第１の増幅用光ファイバのコアを伝搬するＬＰ０１モードとＬＰ０２モードの強度をパワーで正規化した強度分布を示している。 図５は、図２に示す第１の増幅用光ファイバのコアに添加されたＹｂの半径方向における濃度分布を示す図である。 図６は、図３に示す第２の増幅用光ファイバのコアに添加されたＹｂの半径方向における濃度分布を示す図である。 図７は、図３に示す第２の増幅用光ファイバのコアに添加されたＹｂの半径方向における濃度分布の他の例を示す図である。 図８は、本発明の他の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステムを模式的に示す図である。 図９は、本発明の第２の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステムを模式的に示す図である。 図１０は、Ｙｂ添加ファイバの吸収スペクトルを示す図である。 図１１は、本発明の第３の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステムを模式的に示す図である。 図１２は、図１１に示すファイバレーザシステムにおける第３の増幅用光ファイバの構造を模式的に示す断面図である。 図１３は、本発明の第４の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステムを模式的に示す図である。 図１４は、図１３に示すファイバレーザシステムにおける第４の増幅用光ファイバの構造を模式的に示す断面図である。 図１５は、本発明の第５の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステムを模式的に示す図である。 図１６は、本発明の第６の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステムを模式的に示す図である。 図１７は、本発明の第７の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステムを模式的に示す図である。
以下、本発明に係る光増幅装置の実施形態について図１から図１７を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１７において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図１７においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。
図１は、本発明の第１の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステム１を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態におけるファイバレーザシステム１は、増幅用光ファイバ部材３を含む光共振器２と、光共振器２の上流側から光共振器２に励起光Ｐ1を導入可能な複数の第１の励起光源３１と、これらの第１の励起光源３１からの励起光Ｐ1を結合して光共振器２に出力可能な上流側光コンバイナ４１と、光共振器２の下流側から光共振器２に励起光Ｐ2を導入可能な複数の第２の励起光源３２と、これらの第２の励起光源３２からの励起光Ｐ2を結合して光共振器２に出力可能な下流側光コンバイナ４２と、下流側光コンバイナ４２から延びるデリバリファイバ５０と、デリバリファイバ５０の下流側の端部に設けられたレーザ出射部５１と、第１の励起光源３１及び第２の励起光源３２（例えば第１の励起光源３１及び第２の励起光源３２に供給する電流）を制御する制御部６０とを備えている。なお、本明細書では、特に言及がない場合には、光共振器２からレーザ光Ｌが出射される方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。
増幅用光ファイバ部材３は、上流側に位置する第１の増幅用光ファイバ１０と、第１の増幅用光ファイバ１０の長手方向において第１の増幅用光ファイバ１０の下流側に接続される第２の増幅用光ファイバ２０とを含んでいる。第１の増幅用光ファイバ１０と第２の増幅用光ファイバ２０とは融着接続部５２にて互いに融着接続されている。
図２は、第１の増幅用光ファイバ１０の構造を模式的に示す断面図である。図２に示すように、第１の増幅用光ファイバ１０は、コア１１（第１のコア）と、コア１１の周囲を覆う内側クラッド層１２（第１のクラッド層）と、内側クラッド層１２の周囲を覆う外側クラッド層１３とを有している。
コア１１は、例えば、石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加し、さらにその少なくとも一部に活性元素を添加することにより形成される。内側クラッド層１２は、例えばドーパントが添加されない石英から形成される。内側クラッド層１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低くなっており、コア１１の内側には光導波路が形成される。例えば、コア１１と内側クラッド層１２との比屈折率差は０．３２％である。外側クラッド層１３は、例えば紫外線硬化樹脂から形成される。外側クラッド層１３の屈折率は内側クラッド層１２の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層１２の内側にも光導波路が形成される。例えば、コア１１の直径は３０μｍ、内側クラッド層１２の外径は４２０μｍ、外側クラッド層１３の外径は４４０μｍである。
コア１１に添加される活性元素としては、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素、ビスマス（Ｂｉ）やクロム（Ｃｒ）などが挙げられる。本実施形態では、Ｙｂを第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加する例について説明するが、これに限られるものではない。
図３は、第２の増幅用光ファイバ２０の構造を模式的に示す断面図である。図３に示すように、第２の増幅用光ファイバ２０は、コア２１（第２のコア）と、コア２１の周囲を覆う内側クラッド層２２（第２のクラッド層）と、内側クラッド層２２の周囲を覆う外側クラッド層２３とを有している。
コア２１は、例えば、石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加し、さらにその少なくとも一部に活性元素を添加することにより形成される。内側クラッド層２２は、例えばドーパントが添加されない石英から形成される。内側クラッド層２２の屈折率はコア２１の屈折率よりも低くなっており、コア２１の内側には光導波路が形成される。例えば、コア２１と内側クラッド層２２との比屈折率差は０．３２％である。外側クラッド層２３は、例えば紫外線硬化樹脂から形成される。外側クラッド層２３の屈折率は内側クラッド層２２の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層２２の内側にも光導波路が形成される。例えば、コア２１の直径は３０μｍ、内側クラッド層２２の外径は４２０μｍ、外側クラッド層２３の外径は４４０μｍである。
コア２１に添加される活性元素としては、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素、ビスマス（Ｂｉ）やクロム（Ｃｒ）などが挙げられる。本実施形態では、Ｙｂを第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１に添加する例について説明するが、これに限られるものではない。なお、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加される活性元素と第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１に添加される活性元素とは同一であることが好ましい。
ここで、融着接続部５２での光損失を低減するために、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１と第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１とは、同一の外径を有していることが好ましい。また、同様に、第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２と第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２とは、同一の外径を有していることが好ましい。
図１に示すように、光共振器２は、第１の増幅用光ファイバ１０と上流側光コンバイナ４１との間に配置された高反射ファイバブラッググレーティング部（高反射ＦＢＧ部）５４と、第２の増幅用光ファイバ２０と下流側光コンバイナ４２との間に配置された低反射ファイバブラッググレーティング部（低反射ＦＢＧ部）５６とを含んでいる。高反射ＦＢＧ部５４は、第１の増幅用光ファイバ１０と融着接続部５３にて融着接続されており、低反射ＦＢＧ部５６は、第２の増幅用光ファイバ２０と融着接続部５５にて融着接続されている。
高反射ＦＢＧ部５４は、光軸方向に沿ってコアの屈折率を周期的に変化させて形成されるもので、所定の波長帯の光を１００％に近い反射率で反射するものである。低反射ＦＢＧ部５６は、高反射ＦＢＧ部５４と同様に、光軸方向に沿ってコアの屈折率を周期的に変化させて形成されるもので、高反射ＦＢＧ部５４で反射される波長帯の光の一部（例えば９０％）を通過させ、残りを反射するものである。
それぞれの第１の励起光源３１は、例えばＧａＡｓ系半導体を材料とするファブリペロー型の半導体レーザ素子を含むものであり、例えば中心波長９１５ｎｍの励起光Ｐ1（第１の励起光）を生成するものである。同様に、それぞれの第２の励起光源３２は、例えばＧａＡｓ系半導体を材料とするファブリペロー型の半導体レーザ素子を含むものであり、例えば中心波長９１５ｎｍの励起光Ｐ2（第２の励起光）を生成するものである。第１の励起光源３１により生成される励起光Ｐ1のパワー及び第２の励起光源３２により生成される励起光Ｐ2のパワーは、例えば第１の励起光源３１及び第２の励起光源３２に供給される電流を制御部６０が制御することによって調整される。
本実施形態では、第１の励起光源３１により生成される励起光Ｐ1の波長及び第２の励起光源３２により生成される励起光Ｐ2の波長が９１５ｎｍである例を説明するが、励起光Ｐ1の波長及び励起光Ｐ2の波長はこれに限られるものではない。また、励起光Ｐ1の波長及び励起光Ｐ2の波長が同一である必要はなく、異なっていてもよい。例えば、吸収率の異なる波長の励起光を励起光Ｐ1及び励起光Ｐ2として用いることもできる。
上流側光コンバイナ４１は、複数の第１の励起光源３１から出力される励起光Ｐ1を結合して第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入するように構成されている。すなわち、第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２には、第２の増幅用光ファイバ２０が接続されている側とは反対側から励起光Ｐ1が導入される。また、下流側光コンバイナ４２は、複数の第２の励起光源３２から出力される励起光Ｐ2を結合してこの励起光Ｐ2を第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２に導入するように構成されている。すなわち、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２には、第１の増幅用光ファイバ１０が接続されている側とは反対側から励起光Ｐ2が導入される。
光共振器２において、第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２を伝搬する励起光Ｐ1は、コア１１を通過する際にＹｂに吸収され、このＹｂが励起されて自然放出光が生じる。また、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２を伝搬する励起光Ｐ2は、コア２１を通過する際にＹｂに吸収され、このＹｂが励起されて自然放出光が生じる。Ｙｂの励起により生じた自然放出光は、高反射ＦＢＧ部５４と低反射ＦＢＧ部５６との間で再帰的に反射され、特定の波長（例えば１０６４ｎｍ）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。光共振器２で増幅されたレーザ光Ｌは、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１内を伝搬し、その一部が低反射ＦＢＧ部５６を透過して下流側に伝搬する。低反射ＦＢＧ部５６を透過したレーザ光Ｌは、デリバリファイバ５０を通ってレーザ出射部５１から例えば被加工物に向けて出射される。
このように、本実施形態においては、第１の励起光源３１、上流側光コンバイナ４１、光共振器２、下流側光コンバイナ４２、第２の励起光源３２、及び制御部６０により、レーザ光を増幅して出力する光増幅装置が構成されている。
ここで、第１の増幅用光ファイバ１０は、第１の励起光源３１から第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入される励起光Ｐ1の９０％以上が第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１で吸収される程度に十分に長いことが好ましい。例えば、第１の増幅用光ファイバ１０の長さは２０ｍ以上であってもよい。また、第２の増幅用光ファイバ２０は、第２の励起光源３２から第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２に導入される励起光Ｐ2の９０％以上が第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１で吸収される程度に十分に長いことが好ましい。例えば、第２の増幅用光ファイバ２０の長さは２０ｍ以上であってもよい。
ところで、光増幅装置で用いられる増幅用光ファイバにおいては、例えば特許第５１５９９５６号明細書に開示されているように、コアに添加される活性元素の半径方向における濃度分布を変化させることにより、増幅用光ファイバを伝搬する光の伝搬モードを選択的に増幅できることが知られている。本実施形態では、以下に述べるように、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加されるＹｂの半径方向における濃度分布（第１の活性元素添加濃度分布）と第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１に添加されるＹｂの半径方向における濃度分布（第２の活性元素添加濃度分布）とが異なっており、第１の増幅用光ファイバ１０において選択的に増幅される光の伝搬モードと第２の増幅用光ファイバ２０において選択的に増幅される光の伝搬モードとが異なっている。
図４は、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝搬するＬＰ０１モード（基本伝搬モード）とＬＰ０２モードの強度をそれぞれパワーで正規化した強度分布を示している。図４に示すように、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードのいずれもコア１１の中心において最も強い強度となっているが、ＬＰ０２モードは、ＬＰ０１モードに比べてコア１１の中心近傍でより急激に強くなる傾向がある。そして、ＬＰ０２モードの強度は、コア１１の中心付近の領域でＬＰ０１モードの強度よりも強くなっている。このＬＰ０２モードよりも高次のＬＰ０３モードもＬＰ０２モードと同様の傾向を有している。
図５は、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加されたＹｂの半径方向における濃度分布を示す図である。図５に示すように、Ｙｂは、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の全体に添加されているが、コア１１の中心領域Ｒ1（例えば中心から半径４μｍの領域）に添加されるＹｂの濃度は、中心領域Ｒ1の半径方向外側の領域Ｒ2に添加されるＹｂの濃度よりも低くなっている。例えば、コア１１の中心領域Ｒ1には石英に対して１．０ｗｔ％のＹｂが添加され、外側領域Ｒ2には石英に対して２．０ｗｔ％のＹｂが添加される。
上述したように、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の中心付近の領域ではＬＰ０２モードやＬＰ０３モードが相対的に強くなるが、図５に示すように、コア１１の中心領域Ｒ1内のＹｂの添加濃度は、外側領域Ｒ2におけるＹｂの添加濃度に比べて低くなっている。このため、ＬＰ０２モードやＬＰ０３モードの強度がＬＰ０１モードの強度よりも強い中心領域Ｒ1において、ＬＰ０２モードやＬＰ０３モードによるＹｂの誘導放出が抑制される。この結果、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１においては、高次伝搬モードであるＬＰ０２モードやＬＰ０３モードに比べて基本伝搬モードであるＬＰ０１モードがより強く増幅されることとなる。
図６は、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１に添加されたＹｂの半径方向における濃度分布を示す図である。図６に示すように、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の全体にＹｂが添加されており、コア２１の中心から外周に至るまでの全領域Ｒ3において添加されるＹｂの濃度が同一となっている。例えば、コア２１の全領域Ｒ 3 に石英に対して２．０ｗｔ％のＹｂが添加される。このように、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１へのＹｂの添加濃度は全領域Ｒ3で同一であるため、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１では、基本伝搬モードであるＬＰ０１モードだけではなく、ＬＰ０２モードやＬＰ０３モードなど多数の高次伝搬モードも増幅されることとなる。
このような構成のファイバレーザシステム１において、第１の励起光源３１からの励起光Ｐ1は、まず第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入され、コア１１に添加されたＹｂを励起する。これにより、第１の増幅用光ファイバ１０では、コア１１に添加されたＹｂの濃度分布（図５）に基づいて基本伝搬モードであるＬＰ０１モードがより強く増幅される。このとき、励起光Ｐ1のほとんどが第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に吸収されるため、励起光Ｐ1が第２の増幅用光ファイバ２０における増幅に与える影響は小さい。励起光Ｐ1が第２の増幅用光ファイバ２０における増幅に与える影響をより小さくするために、上述したように、第１の増幅用光ファイバ１０は、第１の励起光源３１から第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入される励起光Ｐ1の９０％以上が第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１で吸収される程度に十分に長いことが好ましい。
また、第２の励起光源３２からの励起光Ｐ2は、まず第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２に導入され、コア２１に添加されたＹｂを励起する。これにより、第２の増幅用光ファイバ２０では、コア２１に添加されたＹｂの濃度分布（図６）に基づいて高次伝搬モードがより強く増幅される。このとき、励起光Ｐ2のほとんどが第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１に吸収されるため、励起光Ｐ2が第１の増幅用光ファイバ１０における増幅に与える影響は小さい。励起光Ｐ2が第１の増幅用光ファイバ１０における増幅に与える影響をより小さくするために、上述したように、第２の増幅用光ファイバ２０は、第２の励起光源３２から第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２に導入される励起光Ｐ2の９０％以上が第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１で吸収される程度に十分に長いことが好ましい。
このように、本実施形態においては、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第１の励起光源３１からの励起光Ｐ1によって制御し、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第２の励起光源３２からの励起光Ｐ2によって制御することが可能である。したがって、制御部６０によって第１の励起光源３１及び第２の励起光源３２（例えば、第１の励起光源３１に供給する電流及び第２の励起光源３２に供給する電流）を制御して励起光Ｐ1の強度と励起光Ｐ2の強度の割合を変化させることにより、第１の増幅用光ファイバ１０により選択的に増幅させる伝搬モードと第２の増幅用光ファイバ２０により選択的増幅させる伝搬モードとの割合を調整することができ、光共振器２から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。このため、ビームプロファイルを所望の形状に変換するためのビーム変換器を光共振器２の下流側に設ける必要がなく、光共振器２の下流側における光損失やビーム品質の劣化を低減することができる。
本実施形態において、第１の増幅用光ファイバ１０の活性元素添加濃度分布と第２の増幅用光ファイバ２０の活性元素分布とを入れ替えることも可能である。また、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の活性元素添加濃度分布及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の活性元素添加濃度分布は、図示のものに限られるものではなく、必要とされるビームプロファイルに応じて任意の濃度分布を組み合わせて用いることができる。例えば、第２の増幅用光ファイバ２０の活性元素分布として図７に示すような分布を用いることもできる。図７に示す例では、Ｙｂは、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の全体に添加されているが、コア２１の中心領域Ｒ4（例えば中心から半径４μｍの領域）に添加されるＹｂの濃度は、中心領域Ｒ4の半径方向外側の領域Ｒ5に添加されるＹｂの濃度よりも高くなっている。このような活性元素分布の第２の増幅用光ファイバ２０では、高次伝搬モードがより強く増幅されることになるため、上述した第１の増幅用光ファイバ１０と組み合わせることにより、光共振器２から出力されるレーザ光のビームプロファイルをより柔軟に制御することが可能となる。
また、図１に示すように、第１の増幅用光ファイバ１０と第２の増幅用光ファイバ２０との融着接続部５２に、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１で吸収されなかった励起光Ｐ1及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１で吸収されなかった励起光Ｐ2のうち少なくとも一方を除去する励起光除去部７０を設けてもよい。例えば、第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２及び第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２のうち少なくとも一方の屈折率以上の屈折率を有する樹脂を、内側クラッド層１２及び内側クラッド層２２のうち少なくとも一方を覆うように形成することで、このような励起光除去部７０を構成することができる。この場合には、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１で吸収されなかった励起光Ｐ1及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１で吸収されなかった励起光Ｐ2を、内側クラッド層１２，２２から励起光除去部７０の樹脂に漏らして熱に変換して除去することができる。したがって、励起光Ｐ1が第２の増幅用光ファイバ２０における増幅に与える影響を小さくするとともに、励起光Ｐ2が第１の増幅用光ファイバ１０における増幅に与える影響を小さくすることができる。これにより、第１の増幅用光ファイバ１０及び第２の増幅用光ファイバ２０のそれぞれにおいて増幅されるレーザ光のパワーが増大する。この結果、出力されるレーザ光のビームプロファイルを所望のビームプロファイルとしつつ、そのパワーを高めることができる。
図１に示す例では、第１の増幅用光ファイバ１０と第２の増幅用光ファイバ２０とが融着接続部５２にて互いに融着接続されているが、図８に示すように、活性元素が添加されていないコアを有する中継光ファイバ３５０を用いて第１の増幅用光ファイバ１０と第２の増幅用光ファイバ２０とを接続することも可能である。この中継光ファイバ３５０のコアの屈折率は、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の屈折率及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の屈折率と等しいことが好ましく、中継光ファイバ３５０の内側クラッドの屈折率は、第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２の屈折率及び第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２の屈折率と等しいことが好ましい。
図８に示す例では、中継光ファイバ３５０は、第１の増幅用光ファイバ１０と融着接続部３５３にて融着接続され、第２の増幅用光ファイバ２０と融着接続部３５５にて融着接続されている。この構成においては、上述した励起光除去部７０を図８に示すように中継光ファイバ３５０の途中に設けてもよいし、あるいは第１の増幅用光ファイバ１０の第２の増幅用光ファイバ２０に近い端部（融着接続部３５３）に設けてもよいし、あるいは第２の増幅用光ファイバ２０の第１の増幅用光ファイバ１０に近い側の端部（融着接続部３５５）に設けてもよい。
上述した実施形態におけるファイバレーザシステム１は、複数の第１の励起光源３１を含んでいるが、第１の励起光源３１の数は１つであってもよい。この場合には、上流側光コンバイナ４１を設けてもよいし、設けなくてもよい。同様に、上述した実施形態におけるファイバレーザシステム１は、複数の第２の励起光源３２を含んでいるが、第２の励起光源３２の数は１つであってもよい。この場合には、下流側光コンバイナ４２を設けてもよいし、設けなくてもよい。
上述した実施形態においては、上流側に第１の増幅用光ファイバ１０を配置し、下流側に第２の増幅用光ファイバ２０を配置した例を説明したが、上流側に第２の増幅用光ファイバ２０を配置し、下流側に第１の増幅用光ファイバ１０を配置してもよいことは言うまでもない。
図９は、本発明の第２の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステム１’を模式的に示す図である。図９に示すように、本実施形態におけるファイバレーザシステム１’は、光共振器２と、光共振器２の上流側から光共振器２に第１の励起光Ｐ1を導入可能な複数の第１の励起光源３１と、光共振器２の上流側から光共振器２に第２の励起光Ｐ2を導入可能な複数の第２の励起光源３２と、これらの励起光源３１，３２からの励起光Ｐ1，Ｐ2を結合して光共振器２に出力可能な上流側光コンバイナ４１と、光共振器２から延びるデリバリファイバ５０と、デリバリファイバ５０の下流側の端部に設けられたレーザ出射部５１と、第１の励起光源３１及び第２の励起光源３２（例えば第１の励起光源３１及び第２の励起光源３２に供給する電流）を制御する制御部６０とを備えている。
光共振器２は、上流側に位置する第１の増幅用光ファイバ１０と、第１の増幅用光ファイバ１０の長手方向において第１の増幅用光ファイバ１０の下流側に接続される第２の増幅用光ファイバ２０とを含んでいる。第１の増幅用光ファイバ１０と第２の増幅用光ファイバ２０とは融着接続部５２にて互いに融着接続されている。
上述した第１の実施形態では、第２の励起光源３２が第２の増幅用光ファイバ２０の下流側に設けられていたが、本実施形態における第２の励起光源３２は、第１の励起光源３１と同様に第１の増幅用光ファイバ１０の上流側に設けられている。このため、本実施形態においては下流側光コンバイナ４２が設けられていない。
本実施形態における第１の励起光源３１は、例えば中心波長９７６ｎｍの励起光Ｐ1（第１の励起光）を生成するものであり、第２の励起光源３２は、例えば中心波長９１５ｎｍの励起光Ｐ2（第２の励起光）を生成するものである。
図１０に示すように、Ｙｂを添加した光ファイバの吸収スペクトルは、９７６ｎｍと９１５ｎｍの２つの波長でピーク値を有しているが、９７６ｎｍの波長の励起光は９１５ｎｍの波長の励起光に対して吸収率が３倍高い。したがって、本実施形態においては、第１の励起光源３１から出力される波長９７６ｎｍの励起光Ｐ1は、第２の励起光源３２から出力される波長９１５ｎｍの励起光Ｐ2よりも増幅用光ファイバ１０，２０のコア１１，２１に吸収されやすい。本実施形態では、第１の励起光源３１により生成される励起光Ｐ1の波長が９７６ｎｍであり、第２の励起光源３２により生成される励起光Ｐ2の波長が９１５ｎｍである例を説明するが、励起光Ｐ1の波長及び励起光Ｐ2の波長はこれらの値に限られるものではない。
上流側光コンバイナ４１は、励起光源３１，３２から出力される励起光Ｐ1，Ｐ2を結合して第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入するように構成されている。すなわち、第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２には、第２の増幅用光ファイバ２０が接続されている側とは反対側から励起光Ｐ1，Ｐ2が導入される。
光共振器２において、第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２及び第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２を伝搬する励起光は、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１を通過する際にＹｂに吸収され、このＹｂが励起されて自然放出光が生じる。Ｙｂの励起により生じた自然放出光は、高反射ＦＢＧ部５４と低反射ＦＢＧ部５６との間で再帰的に反射され、特定の波長（例えば１０６４ｎｍ）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。光共振器２で増幅されたレーザ光Ｌは、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１内を伝搬し、その一部が低反射ＦＢＧ部５６を透過して下流側に伝搬する。低反射ＦＢＧ部５６を透過したレーザ光Ｌは、デリバリファイバ５０を通ってレーザ出射部５１から例えば被加工物に向けて出射される。このように、本実施形態においては、第１の励起光源３１、第２の励起光源３２、上流側光コンバイナ４１、光共振器２、及び制御部６０により、レーザ光を増幅して出力する光増幅装置が構成されている。
このような構成のファイバレーザシステム１’において、第１の励起光源３１からの励起光Ｐ1及び第２の励起光源３２からの励起光Ｐ2は、まず第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入され、コア１１に添加されたＹｂを励起する。これにより、第１の増幅用光ファイバ１０では、コア１１に添加されたＹｂの濃度分布（図５）に基づいて基本伝搬モードであるＬＰ０１モードがより強く増幅される。また、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に吸収されなかった励起光は、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２を伝搬し、コア２１に添加されたＹｂを励起する。これにより、第２の増幅用光ファイバ２０では、コア２１に添加されたＹｂの濃度分布（図６）に基づいて高次伝搬モードがより強く増幅される。
ここで、上述したように、波長９７６ｎｍの励起光Ｐ1は、波長９１５ｎｍの励起光Ｐ2よりもコア１１に吸収されやすいため、励起光Ｐ1のほとんどが第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１で吸収される。したがって、励起光Ｐ1が第２の増幅用光ファイバ２０における増幅に与える影響は小さい。これに対して、励起光Ｐ2の多くは、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１では吸収されず、第１の増幅用光ファイバ１０を透過する。吸収されなかった残りの励起光Ｐ2は第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２に入射し、この内側クラッド層２２を伝搬する間にコア２１に添加されたＹｂを励起する。したがって、励起光Ｐ2が第１の増幅用光ファイバ１０における増幅に与える影響は小さい。このとき、励起光Ｐ2が第１の増幅用光ファイバ１０における増幅に与える影響をより小さくし、励起光Ｐ2が第２の増幅用光ファイバ２０における増幅に与える影響をより大きくするために、第１の増幅用光ファイバ１０は、励起光Ｐ2のうちコア１１に吸収されるものが５０％未満となるような長さを有することが好ましい。また、吸収率が低い波長９１５ｎｍの励起光Ｐ2がコア２１に十分に吸収されるように、第２の増幅用光ファイバ２０が第１の増幅用光ファイバ１０よりも長いことが好ましい。例えば、第１の増幅用光ファイバ１０の長さは５ｍ以上、第２の増幅用光ファイバ２０の長さは１０ｍ以上であることが好ましい。
このように、本実施形態においては、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第１の励起光源３１からの波長９７６ｎｍの励起光Ｐ1によって制御し、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第２の励起光源３２からの波長９１５ｎｍの励起光Ｐ2によって制御することが可能である。
したがって、制御部６０によって第１の励起光源３１及び第２の励起光源３２（例えば、第１の励起光源３１に供給する電流及び第２の励起光源３２に供給する電流）を制御して励起光Ｐ1の強度と励起光Ｐ2の強度の割合を変化させることにより、第１の増幅用光ファイバ１０により選択的に増幅させる伝搬モードと第２の増幅用光ファイバ２０により選択的に増幅させる伝搬モードとの割合を調整することができ、光共振器２から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。このため、ビームプロファイルを所望の形状に変換するためのビーム変換器を光共振器２の下流側に設ける必要がなく、光共振器２の下流側における光損失やビーム品質の劣化を低減することができる。
本実施形態においても、第１の増幅用光ファイバ１０の活性元素添加濃度分布と第２の増幅用光ファイバ２０の活性元素分布とを入れ替えることも可能である。また、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の活性元素添加濃度分布及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の活性元素添加濃度分布は、図示のものに限られるものではなく、必要とされるビームプロファイルに応じて任意の濃度分布を組み合わせて用いることができる。例えば、第２の増幅用光ファイバ２０の活性元素分布として図７に示すような分布を用いることもできる。図７に示す例では、Ｙｂは、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の全体に添加されているが、コア２１の中心領域Ｒ4（例えば中心から半径４μｍの領域）に添加されるＹｂの濃度は、中心領域Ｒ4の半径方向外側の領域Ｒ5に添加されるＹｂの濃度よりも高くなっている。このような活性元素分布の第２の増幅用光ファイバ２０では、高次伝搬モードがより強く増幅されることになるため、上述した第１の増幅用光ファイバ１０と組み合わせることにより、光共振器２から出力されるレーザ光のビームプロファイルをより柔軟に制御することが可能となる。
図１１は、本発明の第３の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステム１０１を模式的に示す図である。図１１に示すように、本実施形態におけるファイバレーザシステム１０１は、第１の実施形態の第１の増幅用光ファイバ１０及び第２の増幅用光ファイバ２０に加えて、第３の増幅用光ファイバ１３０を備えている。この第３の増幅用光ファイバ１３０は、第２の増幅用光ファイバ２０の長手方向において第１の増幅用光ファイバ１０が接続されている側とは反対側で第２の増幅用光ファイバ２０に接続されている。第３の増幅用光ファイバ１３０は、第２の増幅用光ファイバ２０と融着接続部１５２にて融着接続されている。また、本実施形態における低反射ＦＢＧ部５６は、第３の増幅用光ファイバ１３０と融着接続部１５５にて融着接続されている。このように、本実施形態における光共振器１０２は、高反射ＦＢＧ部５４、第１の増幅用光ファイバ１０、第２の増幅用光ファイバ２０、第３の増幅用光ファイバ１３０、及び低反射ＦＢＧ部５６により構成される。
図１２は、第３の増幅用光ファイバ１３０の構造を模式的に示す断面図である。図１２に示すように、第３の増幅用光ファイバ１３０は、コア１３１（第３のコア）と、コア１３１の周囲を覆う内側クラッド層１３２（第３のクラッド層）と、内側クラッド層１３２の周囲を覆う外側クラッド層１３５とを有している。
コア１３１は、例えば、石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加し、さらにその少なくとも一部に活性元素を添加することにより形成される。内側クラッド層１３２は、例えばドーパントが添加されない石英から形成される。内側クラッド層１３２の屈折率はコア１３１の屈折率よりも低くなっており、コア１３１の内側には光導波路が形成される。例えば、コア１３１と内側クラッド層１３２との比屈折率差は０．３２％である。外側クラッド層１３５は、例えば紫外線硬化樹脂から形成される。外側クラッド層１３５の屈折率は内側クラッド層１３２の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層１３２の内側にも光導波路が形成される。例えば、コア１３１の直径は３０μｍ、内側クラッド層１３２の外径は４２０μｍ、外側クラッド層１３５の外径は４４０μｍである。
コア１３１に添加される活性元素としては、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素、ビスマス（Ｂｉ）やクロム（Ｃｒ）などが挙げられる。本実施形態では、Ｙｂを第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１に添加する例について説明するが、これに限られるものではない。なお、第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１に添加される活性元素と第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１に添加される活性元素とは同一であることが好ましい。
第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１の全体にＹｂが添加されているが、コア１３１に添加されたＹｂの半径方向における濃度分布（第３の活性元素添加濃度分布）は、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１に添加されたＹｂの濃度分布（第２の活性元素添加濃度分布）と異なっており、第３の増幅用光ファイバ１３０において選択的に増幅される光の伝搬モードと第２の増幅用光ファイバ２０において選択的に増幅される光の伝搬モードとが異なっている。例えば、第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１に添加されたＹｂの添加濃度分布を図５に示すような分布（第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加されたＹｂの添加濃度分布と同一の分布）とすることができる。
ここで、融着接続部１５２での光損失を低減するために、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１と第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１とは、同一の外径を有していることが好ましい。また、同様に、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２と第３の増幅用光ファイバ１３０の内側クラッド層１３２とは、同一の外径を有していることが好ましい。
また、本実施形態におけるファイバレーザシステム１０１は、双方励起型のファイバレーザとなっており、上述した第１の励起光源３１及び第２の励起光源３２に加えて、光共振器１０２の下流側から光共振器１０２に第３の励起光Ｐ3を導入可能な複数の第３の励起光源１３３と、光共振器１０２の下流側から光共振器１０２に第４の励起光Ｐ4を導入可能な複数の第４の励起光源１３４とを備えている。また、ファイバレーザシステム１０１は、これらの励起光源１３３，１３４からの励起光Ｐ3，Ｐ4を結合して光共振器１０２に出力可能な下流側光コンバイナ１４２を備えている。本実施形態におけるデリバリファイバ５０は、この下流側光コンバイナ１４２に接続されている。本実施形態における制御部６０は、例えば第１の励起光源３１、第２の励起光源３２、第３の励起光源１３３、及び第４の励起光源１３４に供給する電流を制御するように構成される。
第３の励起光源１３３は、例えばＧａＡｓ系半導体を材料とするファブリペロー型の半導体レーザ素子を含むものであり、例えば中心波長９７６ｎｍの励起光Ｐ3（第３の励起光）を生成するものである。同様に、第４の励起光源１３４は、例えばＧａＡｓ系半導体を材料とするファブリペロー型の半導体レーザ素子を含むものであり、例えば中心波長９１５ｎｍの励起光Ｐ4（第４の励起光）を生成するものである。図１０に示すように、第３の励起光源１３３から出力される波長９７６ｎｍの励起光Ｐ3は、第４の励起光源１３４から出力される波長９１５ｎｍの励起光Ｐ4よりも増幅用光ファイバ１０，２０，１３０のコア１１，２１，１３１に吸収されやすい。
下流側光コンバイナ１４２は、励起光源１３３，１３４から出力される励起光Ｐ3，Ｐ4を結合して第３の増幅用光ファイバ１３０の内側クラッド層１３２に導入するように構成されている。すなわち、第３の増幅用光ファイバ１３０の内側クラッド層１３２には、第２の増幅用光ファイバ２０が接続されている側とは反対側から励起光Ｐ3，Ｐ4が導入される。
本実施形態においては、第１の励起光源３１、第２の励起光源３２、上流側光コンバイナ４１、光共振器１０２、下流側光コンバイナ１４２、第３の励起光源１３３、第４の励起光源１３４、及び制御部６０により、レーザ光を増幅して出力する光増幅装置が構成されている。
このような構成のファイバレーザシステム１０１において、第１の励起光源３１からの励起光Ｐ1及び第２の励起光源３２からの励起光Ｐ2は、まず第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入される。これにより、第１の増幅用光ファイバ１０では、コア１１に添加されたＹｂが励起され、コア１１に添加されたＹｂの濃度分布に基づいて所定の伝搬モード（例えば基本伝搬モード）が選択的に増幅される。このとき、吸収率の高い波長９７６ｎｍの励起光Ｐ1のほとんどが第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１で吸収され、吸収率の低い波長９１５ｎｍの励起光Ｐ2の多くは、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１では吸収されない。
また、第３の励起光源１３３からの励起光Ｐ3及び第４の励起光源１３４からの励起光Ｐ4は、まず第３の増幅用光ファイバ１３０の内側クラッド層１３２に導入される。これにより、コア１３１に添加されたＹｂが励起され、第３の増幅用光ファイバ１３０では、コア１３１に添加されたＹｂの濃度分布に基づいて所定の伝搬モード（例えば基本伝搬モード）が選択的に増幅される。このとき、吸収率の高い波長９７６ｎｍの励起光Ｐ3のほとんどが第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１で吸収され、吸収率の低い波長９１５ｎｍの励起光Ｐ4の多くは、第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１では吸収されない。
第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に吸収されなかった励起光は、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２を伝搬し、コア２１に添加されたＹｂを励起する。また、第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１に吸収されなかった励起光は、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２を伝搬し、コア２１に添加されたＹｂを励起する。上述したように、励起光Ｐ1のほとんどが第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に吸収され、励起光Ｐ3のほとんどが第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１に吸収されるため、第２の増幅用光ファイバ２０に導入される励起光は主として励起光Ｐ2及び励起光Ｐ4となる。これにより、第２の増幅用光ファイバ２０では、コア２１に添加されたＹｂの濃度分布に基づいて所定の伝搬モード（例えば高次伝搬モード）がより強く増幅される。
このように、本実施形態においては、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第１の励起光源３１からの励起光Ｐ1によって制御し、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第２の励起光源３２からの励起光Ｐ2及び第４の励起光源１３４からの励起光Ｐ4によって制御し、第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第３の励起光源１３３からの励起光Ｐ 3 により制御することが可能である。
したがって、制御部６０によって第１の励起光源３１、第２の励起光源３２、第３の励起光源３３、及び第４の励起光源３４（例えば、第１の励起光源３１に供給する電流、第２の励起光源３２に供給する電流、第３の励起光源１３３に供給する電流、及び第４の励起光源１３４に供給する電流）を制御して励起光Ｐ1の強度、励起光Ｐ2の強度、励起光Ｐ3の強度、励起光Ｐ4の強度の割合を変化させることにより、第１の増幅用光ファイバ１０により選択的に増幅させる伝搬モードと第２の増幅用光ファイバ２０により選択的に増幅させる伝搬モードと第３の増幅用光ファイバ１３０により選択的に増幅させる伝搬モードとの割合を調整することができ、光共振器１０２から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。このため、ビームプロファイルを所望の形状に変換するためのビーム変換器を光共振器１０２の下流側に設ける必要がなく、光共振器１０２の下流側における光損失やビーム品質の劣化を低減することができる。
なお、本実施形態において第４の励起光源１３４を省略することも可能である。その場合には、第２の増幅用光ファイバ２０により選択的に増幅させる伝搬モードを主として第２の励起光源３２からの励起光Ｐ2のみによって制御することが可能である。
図１３は、本発明の第４の実施形態における光増幅装置を含むファイバレーザシステム２０１を模式的に示す図である。図１３に示すように、本実施形態におけるファイバレーザシステム２０１は、第３の実施形態の第１の増幅用光ファイバ１０、第２の増幅用光ファイバ２０、及び第３の増幅用光ファイバ１３０に加えて、第４の増幅用光ファイバ２４０を備えている。この第４の増幅用光ファイバ２４０は、第２の増幅用光ファイバ２０及び第３の増幅用光ファイバ１３０の長手方向において第２の増幅用光ファイバ２０と第３の増幅用光ファイバ１３０との間に接続されている。第４の増幅用光ファイバ２４０は、第２の増幅用光ファイバ２０と融着接続部２５２にて融着接続され、第３の増幅用光ファイバ１３０と融着接続部２５３にて融着接続されている。このように、本実施形態における光共振器２０２は、高反射ＦＢＧ部５４、第１の増幅用光ファイバ１０、第２の増幅用光ファイバ２０、第３の増幅用光ファイバ１３０、第４の増幅用光ファイバ２４０、及び低反射ＦＢＧ部５６により構成される。
図１４は、第４の増幅用光ファイバ２４０の構造を模式的に示す断面図である。図１４に示すように、第４の増幅用光ファイバ２４０は、コア２４１（第４のコア）と、コア２４１の周囲を覆う内側クラッド層２４２（第４のクラッド層）と、内側クラッド層２４２の周囲を覆う外側クラッド層２４３とを有している。
コア２４１は、例えば、石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加し、さらにその少なくとも一部に活性元素を添加することにより形成される。内側クラッド層２４２は、例えばドーパントが添加されない石英から形成される。内側クラッド層２４２の屈折率はコア２４１の屈折率よりも低くなっており、コア２４１の内側には光導波路が形成される。例えば、コア２４１と内側クラッド層２４２との比屈折率差は０．３２％である。外側クラッド層２４３は、例えば紫外線硬化樹脂から形成される。外側クラッド層２４３の屈折率は内側クラッド層２４２の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層２４２の内側にも光導波路が形成される。例えば、コア２４１の直径は３０μｍ、内側クラッド層２４２の外径は４２０μｍ、外側クラッド層２４３の外径は４４０μｍである。
コア２４１に添加される活性元素としては、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素、ビスマス（Ｂｉ）やクロム（Ｃｒ）などが挙げられる。本実施形態では、Ｙｂを第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１に添加する例について説明するが、これに限られるものではない。なお、第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１に添加される活性元素と第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１、及び第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１に添加される活性元素とは同一であることが好ましい。
第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１の全体にＹｂが添加されているが、コア２４１に添加されたＹｂの半径方向における濃度分布（第４の活性元素添加濃度分布）は、第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１に添加されたＹｂの濃度分布（第３の活性元素添加濃度分布）と異なっており、第４の増幅用光ファイバ２４０において選択的に増幅される光の伝搬モードと第３の増幅用光ファイバ１３０において選択的に増幅される光の伝搬モードとが異なっている。例えば、第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１に添加されたＹｂの添加濃度分布を図６や図７に示すような分布（第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１に添加されたＹｂの添加濃度分布と同一の分布）とすることができる。
ここで、融着接続部２５２での光損失を低減するために、第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１と第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１とは、同一の外径を有していることが好ましい。また、第４の増幅用光ファイバ２４０の内側クラッド層２４２と第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２とは、同一の外径を有していることが好ましい。さらに、融着接続部２５３での光損失を低減するために、第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１と第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１とは、同一の外径を有していることが好ましい。また、第４の増幅用光ファイバ２４０の内側クラッド層２４２と第３の増幅用光ファイバ１３０の内側クラッド層１３２とは、同一の外径を有していることが好ましい。
このような構成のファイバレーザシステム２０１において、第１の励起光源３１からの励起光Ｐ1及び第２の励起光源３２からの励起光Ｐ2は、まず第１の増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入される。これにより、第１の増幅用光ファイバ１０では、コア１１に添加されたＹｂが励起され、コア１１に添加されたＹｂの濃度分布に基づいて所定の伝搬モード（例えば基本伝搬モード）が選択的に増幅される。このとき、吸収率の高い波長９７６ｎｍの励起光Ｐ1のほとんどが第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１で吸収され、吸収率の低い波長９１５ｎｍの励起光Ｐ2の多くは、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１では吸収されない。
また、第３の励起光源１３３からの励起光Ｐ3及び第４の励起光源１３４からの励起光Ｐ4は、まず第３の増幅用光ファイバ１３０の内側クラッド層１３２に導入される。これにより、コア１３１に添加されたＹｂが励起され、第３の増幅用光ファイバ１３０では、コア１３１に添加されたＹｂの濃度分布に基づいて所定の伝搬モード（例えば基本伝搬モード）が選択的に増幅される。このとき、吸収率の高い波長９７６ｎｍの励起光Ｐ3のほとんどが第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１で吸収され、吸収率の低い波長９１５ｎｍの励起光Ｐ4の多くは、第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１では吸収されない。
第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に吸収されなかった励起光は、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２を伝搬し、コア２１に添加されたＹｂを励起する。上述したように、励起光Ｐ1のほとんどが第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に吸収されるため、第２の増幅用光ファイバ２０に導入される励起光は主として励起光Ｐ2となる。これにより、第２の増幅用光ファイバ２０では、コア２１に添加されたＹｂの濃度分布に基づいて所定の伝搬モード（例えば高次伝搬モード）がより強く増幅される。
また、第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１に吸収されなかった励起光は、第４の増幅用光ファイバ２４０の内側クラッド層２４２を伝搬し、コア２４１に添加されたＹｂを励起する。上述したように、励起光Ｐ3のほとんどが第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１に吸収されるため、第４の増幅用光ファイバ２４０に導入される励起光は主として励起光Ｐ4となる。これにより、第４の増幅用光ファイバ２４０では、コア２４１に添加されたＹｂの濃度分布に基づいて所定の伝搬モード（例えば高次伝搬モード）がより強く増幅される。
このように、本実施形態においては、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第１の励起光源３１からの励起光Ｐ1によって制御し、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第２の励起光源３２からの励起光Ｐ2によって制御し、第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第３の励起光源１３３からの励起光Ｐ 3 により制御し、第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第４の励起光源１３４からの励起光Ｐ4により制御することが可能である。
したがって、制御部６０によって第１の励起光源３１、第２の励起光源３２、第３の励起光源３３、及び第４の励起光源３４（例えば、第１の励起光源３１に供給する電流、第２の励起光源３２に供給する電流、第３の励起光源１３３に供給する電流、及び第４の励起光源１３４に供給する電流）を制御して励起光Ｐ1の強度、励起光Ｐ2の強度、励起光Ｐ3の強度、励起光Ｐ4の強度の割合を変化させることにより、第１の増幅用光ファイバ１０により選択的に増幅させる伝搬モードと第２の増幅用光ファイバ２０により選択的に増幅させる伝搬モードと第３の増幅用光ファイバ１３０により選択的に増幅させる伝搬モードと第４の増幅用光ファイバ２４０により選択的に増幅させる伝搬モードとの割合を調整することができ、光共振器２０２から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。このため、ビームプロファイルを所望の形状に変換するためのビーム変換器を光共振器２０２の下流側に設ける必要がなく、光共振器２０２の下流側における光損失やビーム品質の劣化を低減することができる。
また、図１３に示すように、第２の増幅用光ファイバ２０と第４の増幅用光ファイバ２４０との融着接続部２５２に、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１で吸収されなかった励起光及び第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１で吸収されなかった励起光のうち少なくとも一方を除去する励起光除去部２７０を設けてもよい。例えば、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２及び第４の増幅用光ファイバ２４０の内側クラッド層２４２のうち少なくとも一方の屈折率以上の屈折率を有する樹脂を、内側クラッド層２２及び内側クラッド層２４２のうち少なくとも一方を覆うように形成することで、このような励起光除去部２７０を構成することができる。この場合には、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１で吸収されなかった励起光及び第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１で吸収されなかった励起光を、内側クラッド層２２，２４２から励起光除去部２７０の樹脂に漏らして熱に変換して除去することができる。したがって、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１で吸収されなかった励起光が第３の増幅用光ファイバ１３０及び第４の増幅用光ファイバ２４０における増幅に与える影響を小さくするとともに、第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１で吸収されなかった励起光が第２の増幅用光ファイバ２０及び第１の増幅用光ファイバ１０における増幅に与える影響を小さくすることができる。これにより、それぞれの増幅用光ファイバ１０，２０，１３０，２４０において増幅されるレーザ光のパワーが増大する。この結果、出力されるレーザ光のビームプロファイルを所望のビームプロファイルとしつつ、そのパワーを高めることができる。
図１３に示す例では、第２の増幅用光ファイバ２０と第４の増幅用光ファイバ２４０とが融着接続部２５２にて互いに融着接続されているが、図１５に示すように、活性元素が添加されていないコアを有する中継光ファイバ３５０を用いて第２の増幅用光ファイバ２０と第４の増幅用光ファイバ２４０とを接続することも可能である。この中継光ファイバ３５０のコアの屈折率は、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の屈折率及び第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１の屈折率と等しいことが好ましく、中継光ファイバ３５０の内側クラッドの屈折率は、第２の増幅用光ファイバ２０の内側クラッド層２２の屈折率及び第４の増幅用光ファイバ２４０の内側クラッド層２４２の屈折率と等しいことが好ましい。
図１５に示す例では、中継光ファイバ３５０は、第２の増幅用光ファイバ２０と融着接続部３５３にて融着接続され、第４の増幅用光ファイバ２４０と融着接続部３５５にて融着接続されている。この構成においては、上述した励起光除去部２７０を図１５に示すように中継光ファイバ３５０の途中に設けてもよいし、あるいは第２の増幅用光ファイバ２０の第３の増幅用光ファイバ１３０に近い側の端部（融着接続部３５３）に設けてもよいし、あるいは第４の増幅用光ファイバ２４０の第１の増幅用光ファイバ１０に近い側の端部（融着接続部３５５）に設けてもよい。
上述した実施形態において、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の活性元素添加濃度分布、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の活性元素添加濃度分布、第３の増幅用光ファイバ１３０のコア１３１の活性元素添加濃度分布、及び第４の増幅用光ファイバ２４０のコア２４１の活性元素添加濃度分布は、上述のものに限られるものではなく、必要とされるビームプロファイルに応じて任意の濃度分布を組み合わせて用いることができる。
上述した実施形態においては、複数の第１の励起光源３１、複数の第２の励起光源３２、複数の第３の励起光源１３３、及び複数の第４の励起光源１３４が設けられているが、第１の励起光源３１、第２の励起光源３２、第３の励起光源１３３、及び第４の励起光源１３４の数はそれぞれ１つであってもよい。また、第１の励起光源３１が生成する励起光Ｐ1の波長、第２の励起光源３２が生成する励起光Ｐ2の波長、第３の励起光源１３３が生成する励起光Ｐ3の波長、及び第４の励起光源１３４が生成する励起光Ｐ4の波長は、上述した例に限られるものではない。励起光Ｐ1の波長の吸収率が励起光Ｐ2の波長の吸収率よりも高ければ、励起光Ｐ1の波長及び励起光Ｐ2の波長を任意の組み合わせとすることができる。また、励起光Ｐ3の波長の吸収率が励起光Ｐ4の波長の吸収率よりも高ければ、励起光Ｐ3の波長及び励起光Ｐ4の波長を任意の組み合わせとすることができる。また、励起光Ｐ1の波長と励起光Ｐ3の波長とを同一にする必要はなく、励起光Ｐ2の波長と励起光Ｐ4の波長とを同一にする必要もない。
上述した実施形態においては、光共振器２を含む光増幅装置を有するファイバレーザシステム１を例として説明したが、本発明は他の種類の光増幅装置にも適用可能なものである。例えば、図１６及び図１７に示すように、本発明に係る光増幅装置をＭＯＰＡファイバレーザシステム４０１，５０１に適用することも可能である。
図１６に示すＭＯＰＡファイバレーザシステム４０１は、シード光を生成するシード光源４３０と、上述した第１の実施形態において説明した光増幅装置とを備えるものである。シード光源４３０は、上流側光コンバイナ４１に接続されており、この上流側光コンバイナ４１を介してシード光を第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に導入するように構成されている。シード光源４３０からのシード光は、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の内部を伝搬し、励起光Ｐ1，Ｐ2がそれぞれのコア１１，２１を伝搬する際に、コア１１，２１に添加された希土類元素イオンが励起光Ｐ1，Ｐ2を吸収して励起され、誘導放出によってコア１１，２１中を伝搬するシード光が増幅される。このような構成においても、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第１の励起光源３１からの励起光Ｐ1によって制御し、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第２の励起光源３２からの励起光Ｐ2によって制御することが可能である。したがって、制御部６０によって第１の励起光源３１及び第２の励起光源３２を制御して励起光Ｐ1の強度と励起光Ｐ2の強度の割合を変化させることにより、第１の増幅用光ファイバ１０により選択的に増幅させる伝搬モードと第２の増幅用光ファイバ２０により選択的増幅させる伝搬モードとの割合を調整することができ、ＭＯＰＡファイバレーザシステム４０１から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。
図１７に示すＭＯＰＡファイバレーザシステム５０１は、シード光を生成するシード光源４３０と、上述した第２の実施形態において説明した光増幅装置とを備えるものである。シード光源４３０は、上流側光コンバイナ４１に接続されており、この上流側光コンバイナ４１を介してシード光を第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１に導入するように構成されている。シード光源４３０からのシード光は、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１及び第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の内部を伝搬し、励起光Ｐ1，Ｐ2がそれぞれのコア１１，２１を伝搬する際に、コア１１，２１に添加された希土類元素イオンが励起光Ｐ1，Ｐ2を吸収して励起され、誘導放出によってコア１１，２１中を伝搬するシード光が増幅される。このような構成においても、第１の増幅用光ファイバ１０のコア１１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第１の励起光源３１からの波長９７６ｎｍの励起光Ｐ1によって制御し、第２の増幅用光ファイバ２０のコア２１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第２の励起光源３２からの波長９１５ｎｍの励起光Ｐ2によって制御することが可能である。したがって、制御部６０によって第１の励起光源３１及び第２の励起光源３２を制御して励起光Ｐ1の強度と励起光Ｐ2の強度の割合を変化させることにより、第１の増幅用光ファイバ１０により選択的に増幅させる伝搬モードと第２の増幅用光ファイバ２０により選択的増幅させる伝搬モードとの割合を調整することができ、ＭＯＰＡファイバレーザシステム５０１から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。なお、上述した第３ないし第５の実施形態の光増幅装置にもこのようなシード光源４３０を適用できることは言うまでもない。
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
本発明の第１の態様によれば、所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力する光増幅装置を構成することができる増幅用光ファイバ部材が提供される。この増幅用光ファイバ部材は、第１の増幅用光ファイバと、上記第１の増幅用光ファイバの長手方向において上記第１の増幅用光ファイバに接続される第２の増幅用光ファイバとを備えている。上記第１の増幅用光ファイバは、活性元素が第１の活性元素添加濃度分布で添加された第１のコアと、上記第１のコアの外側に位置し、上記第１のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第１のクラッド層とを有している。上記第２の増幅用光ファイバは、上記活性元素が上記第１の活性元素添加濃度分布とは異なる第２の活性元素添加濃度分布で添加された第２のコアと、上記第２のコアの外側に位置し、上記第２のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第２のクラッド層とを有している。上記第２のコアは、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のコアに光学的に接続される。
このような増幅用光ファイバ部材を光増幅装置に組み込むことにより、後述するように、ビームプロファイルを変更するための機構を特に必要とせずに、所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することが可能となる。
上記第１の増幅用光ファイバは、高次伝搬モードの光に比べて基本伝搬モードの光をより強く増幅する傾向が上記第２の増幅用光ファイバよりも強くてもよい。また、上記第１の活性元素添加濃度分布は、上記第１のコアの中心の領域における上記活性元素の添加濃度が、上記中心の領域よりも外側の領域における上記活性元素の添加濃度よりも低くなるような分布であってもよい。
上記第２の増幅用光ファイバは、基本伝搬モードの光に比べて高次伝搬モードの光をより強く増幅する傾向が上記第１の増幅用光ファイバよりも強くてもよい。また、上記第２の活性元素添加濃度分布は、上記第２のコアの中心から外周までの全領域における上記活性元素の添加濃度が同一であるような分布であってもよい。さらに、上記第２の活性元素添加濃度分布は、上記第２のコアの中心の領域における上記活性元素の添加濃度が、上記中心の領域よりも外側の領域における上記活性元素の添加濃度よりも高くなるような分布であってもよい。
本発明の第２の態様によれば、ビームプロファイルを変更するための機構を特に必要とせずに、所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することができる光増幅装置が提供される。この光増幅装置は、上述した増幅用光ファイバ部材と、第１の励起光を生成し、上記増幅用光ファイバ部材の上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のクラッド層に上記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第１の励起光を導入可能な第１の励起光源と、第２の励起光を生成し、上記増幅用光ファイバ部材の上記第２の増幅用光ファイバの上記第２のクラッド層に上記第１の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第２の励起光を導入可能な第２の励起光源とを備える。
このような構成によれば、第１の増幅用光ファイバの第１のコアの第１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第１の励起光源からの第１の励起光によって制御し、第２の増幅用光ファイバの第２のコアの第２の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第２の励起光源からの第２の励起光によって制御することができる。したがって、第１の励起光源から出力される第１の励起光の強度と第２の励起光源から出力される第２の励起光の強度の割合を変化させることにより、第１の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードと第２の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードとの割合を調整することができ、光増幅装置から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。このため、ビームプロファイルを所望の形状に変換するためのビーム変換器を光増幅装置の下流側に設ける必要がなく、光増幅装置の下流側における光損失やビーム品質の劣化を低減することができる。
第１の励起光が第２の増幅用光ファイバにおける増幅に与える影響をより少なくするために、上記第１の増幅用光ファイバは、上記第１の励起光の９０％以上が上記第１のコアに吸収されるような長さを有することが好ましい。また、第２の励起光が第１の増幅用光ファイバにおける増幅に与える影響をより少なくするために、上記第２の増幅用光ファイバは、上記第２の励起光の９０％以上が上記第２のコアに吸収されるような長さを有することが好ましい。
上記光増幅装置は、所望のビームプロファイルを有するレーザ光が出力されるように上記第１の励起光源に供給する電流及び上記第２の励起光源に供給する電流を制御する制御部をさらに備えていてもよい。
上記光増幅装置は、上記第１の増幅用光ファイバの上記第２の増幅用光ファイバに近い側の端部、上記第２の増幅用光ファイバの上記第１の増幅用光ファイバに近い側の端部、又は上記第１の増幅用光ファイバと上記第２の増幅用光ファイバとの間に配置された励起光除去部をさらに備えていてもよい。この励起光除去部は、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のコアで吸収されなかった上記第１の励起光及び上記第２の増幅用光ファイバの上記第２のコアで吸収されなかった上記第２の励起光を除去できるように構成される。この場合において、上記第１の増幅用光ファイバと上記第２の増幅用光ファイバとの接続部において上記第１のクラッド層及び上記第２のクラッド層のうち少なくとも一方を覆い、上記第１のクラッド層及び上記第２のクラッド層のうち少なくとも一方の屈折率以上の屈折率を有する樹脂により上記励起光除去部を構成することができる。この場合には、第１の増幅用光ファイバの第１のコアで吸収されなかった第１の励起光及び第２の増幅用光ファイバの第２のコアで吸収されなかった第２の励起光を、第１のクラッド層及び第２のクラッド層から励起光除去部の樹脂に漏らして熱に変換して除去することができる。
また、上記光増幅装置は、シード光を生成し、上記光増幅装置の上記増幅用光ファイバ部材の上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のコア又は上記第２の増幅用光ファイバの上記第２のコアに上記シード光を導入可能なシード光源をさらに備えていてもよい。
本発明の第３の態様によれば、所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することができる光増幅装置が提供される。この光増幅装置は、第１の増幅用光ファイバと、上記第１の増幅用光ファイバの長手方向において上記第１の増幅用光ファイバに接続される第２の増幅用光ファイバとを備える。上記第１の増幅用光ファイバは、活性元素が第１の活性元素添加濃度分布で添加された第１のコアと、上記第１のコアの外側に位置し、上記第１のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第１のクラッド層とを有する。上記第２の増幅用光ファイバは、上記活性元素が上記第１の活性元素添加濃度分布とは異なる第２の活性元素添加濃度分布で添加された第２のコアと、上記第２のコアの外側に位置し、上記第２のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第２のクラッド層とを有する。上記光増幅装置は、第１の波長を有する第１の励起光を生成し、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のクラッド層に上記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第１の励起光を導入可能な第１の励起光源と、上記活性元素に対する吸収率が上記第１の波長よりも低い第２の波長を有する第２の励起光を生成し、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のクラッド層に上記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第２の励起光を導入可能な第２の励起光源とを備える。上記第１の増幅用光ファイバは、上記第２の励起光の一部が透過するような長さを有する。
このような構成によれば、第１の増幅用光ファイバの第１のコアの第１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第１の励起光源からの第１の励起光によって制御し、第２の増幅用光ファイバの第２のコアの第２の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第２の励起光源からの第２の励起光によって制御することができる。したがって、第１の励起光源から出力される第１の励起光の強度と第２の励起光源から出力される第２の励起光の強度の割合を変化させることにより、第１の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードと第２の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードとの割合を調整することができ、光増幅装置から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。このため、ビームプロファイルを所望の形状に変換するためのビーム変換器を光増幅装置の下流側に設ける必要がなく、光増幅装置の下流側における光損失やビーム品質の劣化を低減することができる。
第２の励起光が第１の増幅用光ファイバにおける増幅に与える影響をより小さくし、第２の励起光が第２の増幅用光ファイバにおける増幅に与える影響をより大きくするために、上記第１の増幅用光ファイバは、上記第２の励起光のうち上記第１のコアに吸収されるものが５０％未満となるような長さを有することが好ましい。また、吸収率が低い第２の波長を有する第２の励起光が第２の増幅用光ファイバの第２のコアに十分に吸収されるように、上記第２の増幅用光ファイバは上記第１の増幅用光ファイバよりも長いことが好ましい。
上記光増幅装置は、所望のビームプロファイルを有するレーザ光が出力されるように上記第１の励起光源に供給する電流及び上記第２の励起光源に供給する電流を制御する制御部をさらに備えていてもよい。
上記光増幅装置は、上記第２の増幅用光ファイバの長手方向において上記第１の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側で上記第２の増幅用光ファイバに接続される第３の増幅用光ファイバをさらに備えていてもよい。上記第３の増幅用光ファイバは、上記第２の増幅用光ファイバの上記第２のコアに光学的に接続される第３のコアと、上記第３のコアの外側に位置し、上記第３のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第３のクラッド層とを有する。上記第３のコアには、上記活性元素が上記第２の活性元素添加濃度分布とは異なる第３の活性元素添加濃度分布で添加される。上記光増幅装置は、上記活性元素に対する吸収率が上記第２の波長よりも高い第３の波長を有する第３の励起光を生成し、上記第３の増幅用光ファイバの上記第３のクラッド層に上記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第３の励起光を導入可能な第３の励起光源をさらに備えていてもよい。
このような構成によれば、第１の増幅用光ファイバの第１のコアの第１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第１の励起光源からの第１の励起光によって制御し、第２の増幅用光ファイバの第２のコアの第２の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第２の励起光源からの第２の励起光によって制御し、第３の増幅用光ファイバの第３のコアの第３の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第３の励起光源からの第３の励起光によって制御することができる。したがって、第１の励起光源から出力される第１の励起光の強度と第２の励起光源から出力される第２の励起光の強度と第３の励起光源から出力される第３の励起光の強度との割合を変化させることにより、第１の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードと第２の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードと第３の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードの割合を調整することができ、光増幅装置から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。このため、ビームプロファイルを所望の形状に変換するためのビーム変換器を光増幅装置の下流側に設ける必要がなく、光増幅装置の下流側における光損失やビーム品質の劣化を低減することができる。
この場合において、上記光増幅装置が、所望のビームプロファイルを有するレーザ光が出力されるように上記第１の励起光源に供給する電流、上記第２の励起光源に供給する電流、及び上記第３の励起光源に供給する電流を制御する制御部をさらに備えていてもよい。また、上記光増幅装置が、上記活性元素に対する吸収率が上記第３の波長よりも低い第４の波長を有する第４の励起光を生成し、上記第３の増幅用光ファイバの上記第３のクラッド層に上記第２の増幅用光ファイバは接続されている側とは反対側から上記第４の励起光を導入可能な第４の励起光源をさらに備えていてもよい。
上記光増幅装置は、第３の増幅用光ファイバと、上記第２の増幅用光ファイバ及び上記第３の増幅用光ファイバの長手方向において上記第２の増幅用光ファイバと上記第３の増幅用光ファイバとの間に接続される第４の増幅用光ファイバとをさらに備えていてもよい。上記第３の増幅用光ファイバは、上記活性元素が第３の活性元素添加濃度分布で添加された第３のコアと、上記第３のコアの外側に位置し、上記第３のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第３のクラッド層とを有する。上記第４の増幅用光ファイバは、上記第２の増幅用光ファイバの上記第２のコア及び上記第３の増幅用光ファイバの上記第３のコアに光学的に接続される第４のコアと、上記第４のコアの外側に位置し、上記第４のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第４のクラッド層とを有する。上記第４のコアには、上記活性元素が上記第３の活性元素添加濃度分布とは異なる第４の活性元素添加濃度分布で添加される。上記光増幅装置は、第３の波長を有する第３の励起光を生成し、上記第３の増幅用光ファイバの上記第３のクラッド層に上記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第３の励起光を導入可能な第３の励起光源と、上記活性元素に対する吸収率が上記第３の波長よりも低い第４の波長を有する第４の励起光を生成し、上記第３の増幅用光ファイバの上記第３のクラッド層に上記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から上記第４の励起光を導入可能な第４の励起光源とをさらに備えていてもよい。上記第３の増幅用光ファイバは、上記第４の励起光の一部が透過するような長さを有していてもよい。
このような構成によれば、第１の増幅用光ファイバの第１のコアの第１の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第１の励起光源からの第１の励起光によって制御し、第２の増幅用光ファイバの第２のコアの第２の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第２の励起光源からの第２の励起光によって制御し、第３の増幅用光ファイバの第３のコアの第３の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第３の励起光源からの第３の励起光によって制御し、第４の増幅用光ファイバの第４のコアの第４の活性元素添加濃度分布に基づいて選択的に増幅される伝搬モードを主として第４の励起光源からの第４の励起光によって制御することができる。したがって、第１の励起光源から出力される第１の励起光の強度と第２の励起光源から出力される第２の励起光の強度と第３の励起光源から出力される第３の励起光の強度と第４の励起光源から出力される第４の励起光の強度との割合を変化させることにより、第１の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードと第２の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードと第３の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードの割合と第４の増幅用光ファイバにより選択的に増幅させる伝搬モードの割合を調整することができ、光増幅装置から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。このため、ビームプロファイルを所望の形状に変換するためのビーム変換器を光増幅装置の下流側に設ける必要がなく、光増幅装置の下流側における光損失やビーム品質の劣化を低減することができる。
第４の励起光が第３の増幅用光ファイバにおける増幅に与える影響をより小さくし、第４の励起光が第４の増幅用光ファイバにおける増幅に与える影響をより大きくするために、上記第３の増幅用光ファイバは、上記第４の励起光のうち上記第３のコアに吸収されるものが５０％未満となるような長さを有することが好ましい。また、吸収率が低い第４の波長を有する第４の励起光が第４の増幅用光ファイバの第４のコアに十分に吸収されるように、上記第４の増幅用光ファイバは上記第３の増幅用光ファイバよりも長いことが好ましい。
上記光増幅装置は、所望のビームプロファイルを有するレーザ光が出力されるように上記第１の励起光源、上記第２の励起光源、上記第３の励起光源、及び上記第４の励起光源を制御する制御部をさらに備えていてもよい。
上記光増幅装置は、上記第２の増幅用光ファイバの上記第４の増幅用光ファイバに近い側の端部、上記第４の増幅用光ファイバの上記第２の増幅用光ファイバに近い側の端部、又は上記第２の増幅用光ファイバと上記第４の増幅用光ファイバとの間に配置された励起光除去部をさらに備えていてもよい。この励起除去部は、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のコア及び上記第２の増幅用光ファイバの上記第２のコアで吸収されなかった上記第１の励起光及び上記第２の励起光と、上記第３の増幅用光ファイバの上記第３のコア及び上記第４の増幅用光ファイバの上記第４のコアで吸収されなかった上記第３の励起光及び上記第４の励起光とを除去できるように構成される。この場合において、上記第２の増幅用光ファイバと上記第４の増幅用光ファイバとの接続部において上記第２のクラッド層及び上記第４のクラッド層のうち少なくとも一方を覆い、上記第２のクラッド層及び上記第４のクラッド層のうち少なくとも一方の屈折率以上の屈折率を有する樹脂により上記励起光除去部を構成することができる。この場合には、上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のコア及び上記第２の増幅用光ファイバの上記第２のコアで吸収されなかった上記第１の励起光及び上記第２の励起光と、上記第３の増幅用光ファイバの上記第３のコア及び上記第４の増幅用光ファイバの上記第４のコアで吸収されなかった上記第３の励起光及び上記第４の励起光とを、第２のクラッド層及び第４のクラッド層から励起光除去部の樹脂に漏らして熱に変換して除去することができる。
また、上記光増幅装置は、シード光を生成し、上記光増幅装置の上記第１の増幅用光ファイバの上記第１のコアに上記シード光を導入可能なシード光源をさらに備えていてもよい。
本出願は、２０１９年９月３日に提出された日本国特許出願特願２０１９－１６０５７５号及び２０１９年９月３日に提出された日本国特許出願特願２０１９－１６０６４５号に基づくものであり、当該出願の優先権を主張するものである。当該出願の開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、レーザ光を増幅して出力する光増幅装置に好適に利用できる。
１ ファイバレーザシステム
２ 光共振器
３ 増幅用光ファイバ部材
１０ 第１の増幅用光ファイバ
１１ （第１の）コア
１２ 内側クラッド層（第１のクラッド層）
１３ 外側クラッド層
２０ 第２の増幅用光ファイバ
２１ （第２の）コア
２２ 内側クラッド層（第２のクラッド層）
２３ 外側クラッド層
３１ 第１の励起光源
３２ 第２の励起光源
４１ 上流側光コンバイナ
４２ 下流側光コンバイナ
５０ デリバリファイバ
５１ レーザ出射部
５２，５３，５５ 融着接続部
５４ 高反射ＦＢＧ部
５６ 低反射ＦＢＧ部
６０ 制御部
７０ 励起光除去部
１０１ ファイバレーザシステム
１０２ 光共振器
１３０ 第３の増幅用光ファイバ
１３１ （第３の）コア
１３２ 内側クラッド層（第３のクラッド層）
１３３ 第３の励起光源
１３４ 第４の励起光源
１３５ 外側クラッド層
１４２ 下流側光コンバイナ
１５２，１５５ 融着接続部
２０１ ファイバレーザシステム
２０２ 光共振器
２４０ 第４の増幅用光ファイバ
２４１ （第４の）コア
２４２ 内側クラッド層（第４のクラッド層）
２４３ 外側クラッド層
２５２，１５３ 融着接続部
２７０ 励起光除去部
３５０ 中継光ファイバ
３５３，３５５ 融着接続部
４３０ シード光源
Ｐ1 （第１の）励起光
Ｐ2 （第２の）励起光
Ｐ3 （第３の）励起光
Ｐ4 （第４の）励起光

Claims (14)

  1. 第１の増幅用光ファイバであって、
    活性元素が第１の活性元素添加濃度分布で添加された第１のコアと、
    前記第１のコアの外側に位置し、前記第１のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第１のクラッド層と
    を有する第１の増幅用光ファイバと、
    前記第１の増幅用光ファイバの長手方向において前記第１の増幅用光ファイバに接続される第２の増幅用光ファイバであって、
    前記第１の増幅用光ファイバの前記第１のコアに光学的に接続される第２のコアであって、前記活性元素が前記第１の活性元素添加濃度分布とは異なる第２の活性元素添加濃度分布で添加された第２のコアと、
    前記第２のコアの外側に位置し、前記第２のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第２のクラッド層と
    を有する第２の増幅用光ファイバと、
    第１の励起光を生成し、前記第１の増幅用光ファイバの前記第１のクラッド層に、前記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から前記第１の励起光を導入可能な第１の励起光源と、
    第２の励起光を生成し、前記第２の増幅用光ファイバの前記第２のクラッド層に、前記第１の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から前記第２の励起光を導入可能な第２の励起光源と、
    前記第１の励起光源と前記第１の増幅用光ファイバとの間に配置された高反射ファイバブラッググレーティング部と、
    前記第２の励起光源と前記第２の増幅用光ファイバとの間に配置された低反射ファイバブラッググレーティング部と
    を備える、光増幅装置。
  2. 第１の増幅用光ファイバであって、
    活性元素が第１の活性元素添加濃度分布で添加された第１のコアと、
    前記第１のコアの外側に位置し、前記第１のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第１のクラッド層と
    を有する第１の増幅用光ファイバと、
    前記第１の増幅用光ファイバの長手方向において前記第１の増幅用光ファイバに接続される第２の増幅用光ファイバであって、
    前記第１の増幅用光ファイバの前記第１のコアに光学的に接続される第２のコアであって、前記活性元素が前記第１の活性元素添加濃度分布とは異なる第２の活性元素添加濃度分布で添加された第２のコアと、
    前記第２のコアの外側に位置し、前記第２のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第２のクラッド層と
    を有する第２の増幅用光ファイバと、
    第１の励起光を生成し、前記第１の増幅用光ファイバの前記第１のクラッド層に前記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から前記第１の励起光を導入可能な第１の励起光源と、
    第２の励起光を生成し、前記第１の増幅用光ファイバの前記第１のクラッド層に前記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から前記第２の励起光を導入可能な第２の励起光源と
    を備え、
    前記第１の励起光は、第１の波長を有し、
    前記第２の励起光は、前記活性元素に対する吸収率が前記第１の波長よりも低い第２の波長を有し、
    前記第１の増幅用光ファイバは、前記第２の励起光の一部が透過するような長さを有する、
    光増幅装置。
  3. 前記第１の増幅用光ファイバは、前記第２の励起光のうち前記第１のコアに吸収されるものが５０％未満となるような長さを有する、請求項２に記載の光増幅装置。
  4. 前記第２の増幅用光ファイバは前記第１の増幅用光ファイバよりも長い、請求項２又は３に記載の光増幅装置。
  5. 所望のビームプロファイルを有するレーザ光が出力されるように前記第１の励起光源及び前記第２の励起光源を制御する制御部をさらに備える、請求項２から４のいずれか一項に記載の光増幅装置。
  6. 前記第２の増幅用光ファイバの長手方向において前記第１の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側で前記第２の増幅用光ファイバに接続される第３の増幅用光ファイバであって、
    前記第２の増幅用光ファイバの前記第２のコアに光学的に接続される第３のコアであって、前記活性元素が前記第２の活性元素添加濃度分布とは異なる第３の活性元素添加濃度分布で添加された第３のコアと、
    前記第３のコアの外側に位置し、前記第３のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第３のクラッド層と
    を有する第３の増幅用光ファイバと、
    前記活性元素に対する吸収率が前記第２の波長よりも高い第３の波長を有する第３の励起光を生成し、前記第３の増幅用光ファイバの前記第３のクラッド層に前記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から前記第３の励起光を導入可能な第３の励起光源と
    をさらに備える、請求項２から４のいずれか一項に記載の光増幅装置。
  7. 所望のビームプロファイルを有するレーザ光が出力されるように前記第１の励起光源、前記第２の励起光源、及び前記第３の励起光源を制御する制御部をさらに備える、請求項６に記載の光増幅装置。
  8. 前記活性元素に対する吸収率が前記第３の波長よりも低い第４の波長を有する第４の励起光を生成し、前記第３の増幅用光ファイバの前記第３のクラッド層に前記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から前記第４の励起光を導入可能な第４の励起光源をさらに備える、請求項６又は７に記載の光増幅装置。
  9. 第３の増幅用光ファイバであって、
    前記活性元素が第３の活性元素添加濃度分布で添加された第３のコアと、
    前記第３のコアの外側に位置し、前記第３のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第３のクラッド層と
    を有する第３の増幅用光ファイバと、
    前記第２の増幅用光ファイバ及び前記第３の増幅用光ファイバの長手方向において前記第２の増幅用光ファイバと前記第３の増幅用光ファイバとの間に接続される第４の増幅用光ファイバであって、
    前記第２の増幅用光ファイバの前記第２のコア及び前記第３の増幅用光ファイバの前記第３のコアに光学的に接続される第４のコアであって、前記活性元素が前記第３の活性元素添加濃度分布とは異なる第４の活性元素添加濃度分布で添加された第４のコアと、
    前記第４のコアの外側に位置し、前記第４のコアの屈折率よりも低い屈折率を有する第４のクラッド層と
    を有する第４の増幅用光ファイバと、
    第３の波長を有する第３の励起光を生成し、前記第３の増幅用光ファイバの前記第３のクラッド層に前記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から前記第３の励起光を導入可能な第３の励起光源と、
    前記活性元素に対する吸収率が前記第３の波長よりも低い第４の波長を有する第４の励起光を生成し、前記第３の増幅用光ファイバの前記第３のクラッド層に前記第２の増幅用光ファイバが接続されている側とは反対側から前記第４の励起光を導入可能な第４の励起光源と
    をさらに備え、
    前記第３の増幅用光ファイバは、前記第４の励起光の一部が透過するような長さを有する、
    請求項２から４のいずれか一項に記載の光増幅装置。
  10. 前記第３の増幅用光ファイバは、前記第４の励起光のうち前記第３のコアに吸収されるものが５０％未満となるような長さを有する、請求項９に記載の光増幅装置。
  11. 前記第４の増幅用光ファイバは前記第３の増幅用光ファイバよりも長い、請求項９又は１０に記載の光増幅装置。
  12. 所望のビームプロファイルを有するレーザ光が出力されるように前記第１の励起光源、前記第２の励起光源、前記第３の励起光源、及び前記第４の励起光源を制御する制御部をさらに備える、請求項９から１１のいずれか一項に記載の光増幅装置。
  13. 前記第２の増幅用光ファイバの前記第４の増幅用光ファイバに近い側の端部、前記第４の増幅用光ファイバの前記第２の増幅用光ファイバに近い側の端部、又は前記第２の増幅用光ファイバと前記第４の増幅用光ファイバとの間に配置された励起光除去部であって、前記第１の増幅用光ファイバの前記第１のコア及び前記第２の増幅用光ファイバの前記第２のコアで吸収されなかった前記第１の励起光及び前記第２の励起光と、前記第３の増幅用光ファイバの前記第３のコア及び前記第４の増幅用光ファイバの前記第４のコアで吸収されなかった前記第３の励起光及び前記第４の励起光とを除去可能な励起光除去部をさらに備える、請求項９から１２のいずれか一項に記載の光増幅装置。
  14. 前記励起光除去部は、前記第２の増幅用光ファイバと前記第４の増幅用光ファイバとの接続部において前記第２のクラッド層及び前記第４のクラッド層のうち少なくとも一方を覆い、前記第２のクラッド層及び前記第４のクラッド層のうち少なくとも一方の屈折率以上の屈折率を有する樹脂を含む、請求項１３に記載の光増幅装置。
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