JP7437858B2 - 誘導ブリルアン散乱抑制方法、及び光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導ブリルアン散乱を抑制する方法と、この方法を使用した光源装置に関するものであり、特に高出力の光エネルギーが要求されるレーザ装置に好適な方法、光源装置である。

種々の産業分野においてレーザ装置が使用されており、レーザによる加工、処理の高速化、高精細化のために、レーザ装置に高出力化、出力光のスペクトル幅の狭線化が要求される場面が存在する。

レーザ装置に使用されるレーザ光源の態様の１つとして、図１に示した基本構成を有するファイバレーザが存在する。ファイバレーザは、信号光源１から発生した信号光２と、励起光源３から発生する励起光４を、光カプラ５を介して希土類元素を添加したコアを有する増幅用光ファイバ６へ入力し、励起光４がコアに添加された希土類元素に作用することで、増幅用光ファイバ６のコアを伝搬する信号光２を増幅し、高エネルギーを有するレーザ光８を得る。

ファイバレーザは図１に示した基本構成を基に、信号光源１、励起光源３の制御や、増幅用光ファイバ６の選択などによって、高出力化や狭線化が実施される。

一方で、ファイバレーザの高出力化、狭線化を行う際には、ファイバレーザを構成する光ファイバ内で発生する、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ：Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）と呼ばれる現象が障害となる。ＳＢＳは光ファイバ（光伝送媒質）に出力が高い光が入力された際に発生する現象であり、光が有する電場振動によって、光伝送媒質に音響振動が発生し、この振動によって所望する光の伝送方向の逆方向に光が散乱してしまう現象である。

光ファイバがファイバレーザの増幅用光ファイバの場合や、他の光ファイバで発生したＳＢＳが増幅用光ファイバに入力された場合、本来の増幅対象である信号光に加え、ＳＢＳによって発生した散乱光も増幅してしまう。このため、信号光由来の増幅光と、散乱光由来の増幅光が増幅用光ファイバに存在することになり、２つ増幅光が有するエネルギーの和に増幅用光ファイバが耐えられなくなり、増幅用光ファイバが焼損する可能性がある。

増幅用光ファイバが焼損する可能性がある場合、ファイバレーザを構成する他のファイバにも焼損の可能性が発生する。このため、ＳＢＳが発生する環境下においては、光ファイバの焼損を防ぐためにＳＢＳに起因する光ファイバへの負荷も考慮して出力光の出力を設定する必要があり、高出力化の妨げになる。

加えて、ＳＢＳは光ファイバに入力される光のスペクトル幅が狭い場合、及び光ファイバが長い場合にも発生しやすいため、狭線化や、所望する場所への導光の妨げにもなる。

ＳＢＳを抑制する方法としては、特許文献１、２の方法などが挙げられる。特許文献１では、光励起ファイバ増幅器の構成として、異なるブリルアン中心周波数を示すファイバセグメントを直列に配した構成を用いることで、ＳＢＳを抑制する方法が提案されている。しかしながら、特許文献１の方法では、ブリルアン中心周波数を考慮して使用する光ファイバを選定する必要があるため、光励起ファイバ増幅器の設計の自由度が損なわれる場面も存在する。

特許文献２では、レーザ源で生成された光信号を二つの偏波成分に分割し、一方には時間遅延、他方には周波数シフトを導入した後に結合、出力させることで、ＳＢＳを抑制する方法が提案されている。しかしながら、特許文献２の方法は、長距離光ファイバ伝送システムへの適用を意図したものであり、より高エネルギーのレーザ光が求められるレーザ加工用途への適用については不十分な面も存在する。

特許第４４６９３５７号 特許第３７５１５４２号

本発明の課題は、レーザ光に代表される高エネルギーの光が光ファイバに入力された際に発生する誘導ブリルアン散乱を抑制する方法を提供するとともに、この方法を使用することで安定して高エネルギー、狭スペクトル幅の光を出力することができる光源装置を提供することにある。

本発明者は、光ファイバに入力される光として複数の波束を入力する際、各波束の周波数が互いに異なるように入力し、隣り合う波束の周波数の差、及び光ファイバに入力される波束列の持続時間を特定の範囲に設定することで、従来の問題を解消できることを究明した。

本発明によって提供される誘導ブリルアン散乱抑制方法は、光ファイバに第１波束、第２波束、・・・の順に、第Ｎ波束（Ｎは２以上の自然数）まで、複数の波束を入力する際、各波束の周波数を互いに異ならせることを特徴とする。

本発明によって提供される光源装置は、波束列を発生させる波束列発生手段と、波束列発生手段で発生した波束列が入力される光ファイバとを有し、波束列発生手段は、該波束列を構成する波束ごとに異なる周波数を付与する周波数調整手段を有することを特徴とする。

本発明の誘導ブリルアン散乱抑制方法にあっては、以下に記載した優れた効果が期待できる。

（１） 波束が入力される光ファイバの種類に依らず採用可能な方法であるため、本方法を用いた光源装置の設計の自由度が向上する。

（２） 入力される波束が高エネルギー、狭スペクトル幅の場合でも安定したＳＢＳ抑制が可能なため、レーザ加工機用途に用いられる光源装置にも好適に利用できる。

ファイバレーザ装置の基本的構成である。 波束と波束列の説明図である 本発明の基本的概念、及び本発明を実施するための光源装置の概要を示す図である。 本発明に係る光源装置の参考例である。 本発明を実施するための光源装置の具体的態様である。 本発明の実施例の一例である。

本発明における波束と波束列について、図２を用いて説明する。

波束Ｗは、図２（ａ）に示した一定の周波数で振動する光であるが、その持続時間t_Ｗが調整できることを特徴とする。

波束列ＷＲは、図２（ｂ）に示した、間欠的に発生する複数の波束Ｗで構成された信号光であり、第１波束Ｗ_１、第２波束Ｗ_２、・・・、第ｉ波束Ｗ_ｉ、・・・、第Ｎ波束Ｗ_Ｎの順に、Ｎ個の波束で構成される。Ｎは２以上の自然数であり、図２（ｂ）はＮ＝５の場合である。また、図２（ｂ）中のＴ_ＷＲは波束列ＷＲの持続時間である。

本発明は、光ファイバに第１波束Ｗ_１、第２波束Ｗ_２、・・・の順に、第Ｎ波束Ｗ_Ｎ（Ｎは２以上の自然数）まで複数の波束を入力する際、各波束の周波数を互いに異なるものとすることが特徴である。すなわち、第１波束Ｗ_１が有する周波数をν_１、第２波束Ｗ_２が有する周波数をν_２、・・・、第Ｎ波束Ｗ_Ｎが有する周波数をν_Ｎとした場合、ν_１～ν_Ｎが全て異なることを特徴とする。

周波数の異なるＮ個の波束で構成された波束列ＷＲは、図２（ｃ）に示すように、繰り返し発生される。図２（ｃ）はＮ＝５の場合である。

誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）は、光ファイバ、及び光ファイバに入力される光のパラメータ等によって決定されるＳＢＳ閾値を上回る条件の際に発生するが、ＳＢＳ閾値は波束の持続時間に反比例する。

光ファイバに互いに周波数が異なる波束が間欠的に入力された場合、各波束内で発生した逆方向へ伝搬する散乱光はそれぞれ異なる周波数を有するため、他の波束内でブリルアン増幅されることはない。このため、各波束の条件をＳＢＳ閾値を下回る条件、あるいはＳＢＳ閾値を上回っても許容できる範囲のＳＢＳ発生に留めている条件に設定した場合、過度なＳＢＳを抑制しつつ、波束列を入力することができる。

通常、周波数ν_ｉの光が光ファイバに入力された際に発生する散乱光の周波数ν_ｓは、ν_ｉと比較して低周波数側にシフトしており、シフト量ν_Ｂは式１で表される。

式１において、ｎは光ファイバの屈折率、Ｖ_Ａは音速、λ_ｉは光ファイバに入力する光の波長である。

散乱光がブリルアン増幅されるためには、散乱光が式１のν_ｓを中心としたブリルアン利得幅内の周波数を有する必要がある。

したがって、本発明において光ファイバに入力する波束Ｗの周波数は、波束列ＷＲを構成する複数の波束から任意に選択された第ｉ波束Ｗ_ｉ（ｉはＮより小さい自然数）の周波数ν_ｉと、第ｉ波束Ｗ_ｉの次に光ファイバへ入力される第ｉ＋１波束Ｗ_ｉ＋１の周波数ν_ｉ＋１の差が、光ファイバのブリルアン利得幅よりも大きいことが好ましい。

ブリルアン利得幅は、様々な条件により変化しえるが、石英製の光ファイバでは概ね３０～１００ＭＨｚ程度である。

周波数ν_ｉと周波数ν_ｉ＋１の差をΔνとした際、Δνがブリルアン利得幅よりも大きいことで、散乱光のブリルアン増幅は各波束内に限定され、ＳＢＳの抑制効果の向上に寄与する。

Δνは波束によって異なっても構わないが、ＳＢＳの抑制を安定して行う観点では、
１≦ｉ＜Ｎの範囲において、Δνは略一定であることが好ましい。Δνが略一定であることで、隣り合う波束に一定の周波数差が常に発生し、より確実なＳＢＳの抑制が可能である。

加えて、ＳＢＳを抑制しつつ光ファイバから出射される光の出力を高める観点では、光ファイバの長さをＬ、光ファイバにおける波束Ｗの伝搬速度をＶ、波束列ＷＲの持続時間をＴ_ＷＲとした際、Ｎの値がＴ_ＷＲ≧２Ｌ／Ｖを満たすよう設定されていることが好ましい。

言い換えると、光ファイバに入力された波束Ｗが、光ファイバから出射されるのに要する時間の２倍以上波束列ＷＲを持続させるのが良い。
光ファイバに入力された波束Ｗが光ファイバから出射されるのに要する時間がt_Ｆである場合、周波数ν_１を有する第１波束Ｗ_１の先端が光ファイバの出射端に到達したとき、出射端で発生した周波数ν１を有する第１波束Ｗ_１に由来する散乱光は時間t_Ｆを要して光ファイバの入射端に到達する。

周波数ν_１を有する第１波束Ｗ_１に由来する散乱光は、周波数ν_２～ν_Ｎを有する第２波束Ｗ_２～第Ｎ波束Ｗ_Ｎ内ではブリルアン増幅されないが、周波数ν_１を有する第１波束Ｗ_１内ではブリルアン増幅される。

このため、周波数ν_１を有する第１波束Ｗ_１に由来する散乱光が光ファイバに残っている状態で新たな波束列ＷＲを入力すると、新たに入力された第１波束Ｗ_１内で散乱光がブリルアン増幅されることになり、ＳＢＳが発生する要因の１つとなりえる。

光ファイバに入力された波束Ｗが、光ファイバから出射されるのに要する時間の２倍以上波束列ＷＲを持続させることで、第１波束Ｗ_１に由来する散乱光が光ファイバから出射された後に、新たな第１波束Ｗ_１が入力される状態になるため、ＳＢＳの抑制に寄与する。

加えて、より多くの波束Ｗが入力されることで、光ファイバから出射される光の出力向上に寄与する。

上記の通り、本発明は光ファイバで発生するＳＢＳの抑制効果を有するため、より強いＳＢＳが発生しやすい、光ファイバがファイバレーザの増幅ファイバとして用いられる、所定の希土類元素を添加したコアを有する光ファイバのコアに波束Ｗを入力する場合であっても、過度なＳＢＳの発生を抑制できるため、ファイバレーザ装置に好適に用いられる方法である。

本発明の方法は、光源装置の態様で実施可能であり、図３は本発明の方法を実施するための光源装置Ａの概略図である。光源装置Ａは波束列ＷＲを発生させる波束列発生手段２１と、波束列発生手段２１で発生した波束列ＷＲが入力される光ファイバ４１とを有し、波束列発生手段２１には、波束列ＷＲを構成する波束ごとに異なる周波数を付与する周波数調整手段３１が備えられている。
光ファイバ４１は、ファイバレーザの増幅ファイバとして用いられる希土類元素を添加したコアを有する光ファイバであっても、光増幅機能を有しない通常の光ファイバであっても良い。

光源装置Ａの参考例として、図４（ａ）、（ｂ）に示した、波束列発生手段２１として所定の周波数を有する波束を発生させる光源２１１を複数有し、複数の光源２１１が発生させた波束Ｗが光ファイバ４ １ に入力されるタイミングが光源２１１ごとに異なるよう構成された光源装置が挙げられる。

この態様の場合に採用される周波数調整手段３１の一例として、図４（ａ）に示した、複数の光源２１１を互いに異なる周波数を有する波束を発生させるものとした態様が挙げられる。すなわち、図４（ａ）に示した光源装置Ａでは、互いに異なる周波数を有する波束を発生させる複数の光源２１１を使用することが周波数調整手段３１となる。複数の光源２１１が発生させる波束Ｗの周波数が互いに異なることで、光ファイバ４１に入力される波束ごとに異なる周波数を付与することができる。

他の例として、図４（ｂ）に示した、複数の光源２１１のうち、少なくとも２つの光源は同じ周波数を有する波束を発生させるものとし、同じ周波数を発生させる光源のうち、少なくとも１つの光源から発生した波束Ｗは、光ファイバ４１に入力される前に周波数調整手段３１によって周波数変換させる態様が挙げられる。この態様の場合、複数の光源２１１の周波数が同じものであっても、光ファイバ４１に入力される周波数を光源毎に変化させることができるので、準備する複数の光源２１１を同一のものとできる利点が存在する。

図４（ｂ）の光源装置Ａに使用される、周波数調整手段３１としては、音響光学素子（ＡＯＭ）や、電気光学位相変調器（ＥＯＰＭ）などが挙げられる。

複数の光源２１１が発生させた波束が光ファイバ４１に入力されるタイミングが光源２１１ごとに異なることで、光ファイバ４１に波束列ＷＲが入力されることになる。

波束Ｗが入力されるタイミングを光源２１１ごとに異ならせる具体的方法の一例として、図４（ａ）に示した、光源２１１から光ファイバ４１までの光路長を光源ごとに変化させた光学系を構成し、複数の光源２１１から同時に波束Ｗを発生させ、光路長の差によって各光源２１１から光ファイバ４１に到達するまでの時間に差を与える方法が挙げられる。すなわち、図４（ａ）に示した光源装置Ａでは、光源２１１から光ファイバ４１までの光路長を光源２１１ごとに変化させていることが波束列発生手段２１の要部となる。

波束Ｗが入力されるタイミングを光源２１１ごとに異ならせる他の例として、図４（ｂ）に示した、光源２１１から光ファイバ４１までの光路長を全ての光源で等しくし、光源２１１から波束Ｗを発生させるタイミングを光源２１１ごとに個別に制御する方法が挙げられる。すなわち、図４（ｂ）に示した光源装置Ａでは、光源２１１の制御装置が波束列発生手段２１の要部となる。

図４（ａ）、（ｂ）に示した光源装置Ａは、波束列発生手段２１として所定の周波数を有する波束を発生させる光源２１１を複数有し、複数の光源２１１が発生させた波束Ｗが光ファイバ４１に入力されるタイミングが光源２１１ごとに異なるよう構成された光源装置の一例であり、波束Ｗが光ファイバ４１に入力されるタイミングを光源２１１ごとに異ならせるための具体的構成や、複数の波束Ｗの周波数を互いに異ならせるための周波数調整手段３１の具体的構成は適宜選択、組み合わせて利用することができる。

光源装置Ａの具体的態様としては、図５に示した、所定の周波数を有する波束Ｗを発生させる少なくとも１つの光源２１１と、光源２１１から光ファイバ４１へと至る光学系内に設けられた光分岐手段２１２と、光分岐手段２１２に対して光学的に結合された伝搬距離延長手段２１３とを有した構成が挙げられる。

この構成において、光分岐手段２１２は光源２１１で発生した波束Ｗを所定のパワー比で、光ファイバ４１に入力される波束と、伝搬距離延長手段２１３に入力される波束に分岐させる。光分岐手段２１２によって伝搬距離延長手段２１３に入力された波束は、伝搬距離延長手段２１３を伝搬したのち再び光分岐手段２１２に入力され、改めて所定のパワー比で、光ファイバ４１に入力される波束と、伝搬距離延長手段２１３に入力される波束に分岐される。

光ファイバ４１には、伝搬距離延長手段２１３を経由することなく光分岐手段２１２から直接入力された波束と、伝搬距離延長手段２１３を経由した波束が入力されることになり、伝搬距離延長手段２１３を経由した波束は、伝搬距離延長手段２１３の経由に要した時間分、光分岐手段２１２から直接入力された波束に遅れて光ファイバ４１に入力されるため、結果として光ファイバ４１に波束列ＷＲが入力されることになる。

すなわち、この態様においては、光分岐手段２１２と伝搬距離延長手段２１３が波束列発生手段２１の要部となる。

光分岐手段２１２と伝搬距離延長手段２１３とで波束列発生手段２１を構成する場合、伝搬距離延長手段２１３内に周波数調整手段３１が設けた構成が好ましく利用できる。

この構成では、光分岐手段２１２から光ファイバ４１に直接入力された波束の周波数と、伝搬距離延長手段２１３に入力された波束の周波数との間に差を設けることができるため、光ファイバ４１に入力された隣り合う波束の周波数を互いに異ならせることができる。

さらに、伝搬距離延長手段２１３を経由することで周波数が変化した波束は、光分岐手段２１２によって所定のパワー比によって再度伝搬距離延長手段２１３に入力される。その際に周波数調整手段３１によって再度周波数の変換が行われた後、光分岐手段２１２に戻る。
このように、光分岐手段２１２への入力 → 光分岐手段２１２による分岐 → 周波数調整手段３１による周波数変換 → 伝搬距離延長手段２１３による時間調整 → 光分岐手段２１２への入力 → ・・・、を繰り返した結果、光ファイバ４１に複数の波束を入力できると共に、入力された複数の波束の周波数を互いに異ならせることができる。

光分岐手段２１２としては、公知の光カプラやビームスプリッタ、サーキュレーターなどを適宜選択して使用することができる。

伝搬距離延長手段２１３としては、光ファイバＦ（光ファイバ４１とは別の光ファイバ）をループ状に光分岐手段２１２に接続したものや、複数の反射部材を組み合わせ、光分岐手段２１２によって分岐された光を、光分岐手段２１２の入力端へと導光させる光学系などを適宜選択して利用することができる。

伝搬距離延長手段２１３内に設ける周波数調整手段３１としては、音響光学素子（ＡＯＭ）や、電気光学位相変調器（ＥＯＰＭ）などが挙げられる。

Δνを略一定とする観点では、周波数調整手段３１としてＡＯＭが好ましく利用できる。ＡＯＭを所定の音響周波数で動作させることで、伝搬距離延長手段２１３を通過する波束に対して常に一定の周波数変動を与え、Δνを安定して略一定にすることができるとともに、音響周波数を調整することで所望するΔνを容易に与えることができる。

また、伝搬距離延長手段２１３内を波束が伝送する際に減衰されてしまうことを考慮して、伝搬距離延長手段２１３内に光増幅手段２１４を設けてもよい。伝搬距離延長手段２１３として光ファイバＦが使用されている場合は、希土類元素添加ファイバと励起光源によって構成された、ファイバレーザで用いられる光増幅器と同等の光増幅手段が好適に用いられる。

光ファイバＦが使用されない伝搬距離延長手段２１３の場合は、ＹＡＧ結晶などのレーザ媒質を、伝搬距離延長手段２１３を構成する光学系内に設け、増幅対象の波束とともに励起光をレーザ媒質に導入する構成の光増幅手段が利用できる。

本発明によるＳＢＳ抑制方法を実施できる光源装置Ａを作成して実験を行い、本発明による効果を確認した。

光源装置Ａとしては、図５に示した、光分岐手段２１２と伝搬距離延長手段２１３とで構成された波束列発生手段２１を有し、伝搬距離延長手段２１３内に周波数調整手段３１を設けた構成の光源装置を基本に作成した。実施例の光源装置Ａは図６に示したものであり、以下に詳細を述べる。

光源装置Ａを構成する光源２１１として、分布帰還型のレーザダイオード（ＤＦＢ－ＬＤ）を使用し、ＤＦＢ－ＬＤで発生したレーザ光を光ファイバＦ１に結合させる。
光源２１１の発振波長は１０３０ｎｍとし、周波数は約２９１ＴＨｚである。また光源２１１が発するレーザ光のスペクトル幅は、連続光を発振する際に１ＭＨｚであり、ＳＢＳが発生しやすい狭線幅の条件にあたる。

光源２１１で発生したレーザ光が伝搬される光路の下流側に、光源２１１が発する波長のみを透過させ、他の波長を遮断する光学フィルタ２１５を設けた。特段の説明がない限り、実施例において光源装置Ａに使用する光学フィルタ２１５は同一仕様のものである。

光学フィルタ２１５の下流側に第１ＡＯＭ２１６を設けた。第１ＡＯＭ２１６は駆動中の間に入力されたレーザ光を光分岐手段側へ出力し、駆動停止中に入力されたレーザ光を遮断する機能を有する。第１ＡＯＭ２１６の駆動／停止を連続的に繰り返すことで、光分岐手段２１２側に出力されるレーザ光をパルス状になり、光分岐手段２１２に波束Ｗが入力されることになる。

第１ＡＯＭ２１６の下流側には、上流側へ逆行する光を遮断する光アイソレーター２１７Ａを設け、次いで光分岐手段２１２を設けた。

光分岐手段２１２として、入力ポートと出力ポートをそれぞれ２つずつ有する、光ファイバで構成された第１光カプラＣ１を使用した。一方の入力ポートに第１ＡＯＭ２１６で生成した波束Ｗが結合される。また、第１光カプラＣ１は、入力された波束Ｗが有するエネルギーの半分以上を第１出力ポートへ導き、残りを第２出力ポートへ導くものを使用した。

第２出力ポートの先に、伝搬距離延長手段２１３を構成する光学系を設け、伝搬距離延長手段２１３を経由した波束が、第１光カプラＣ１の他方の入力ポートに結合されるよう構成する。

伝搬距離延長手段２１３内には、図６に示すように、第２ＡＯＭ２１８、第２光カプラＣ２、第１増幅ファイバＤＦ１、クラッドポンプストリッパー（ＣＰＳ）２１９、光学フィルタ２１５を設けた。特段の説明がない限り、実施例において光源装置Ａに使用するＣＰＳ２１９は同一仕様のものである。

第２ＡＯＭ２１８は所定の音響周波数で駆動され、伝搬距離延長手段２１３に入力された波束に対し所定の周波数シフトを与える。

第２光カプラＣ２は２つの入力ポートと１つの出力ポートを有するものを使用し、一方の入力ポートには第２ＡＯＭ２１８を経由した波束が結合され、他方の入力ポートには後段の第１増幅ファイバＤＦ１での光増幅に使用される励起光を出射する励起光源Ｐ１が接続される。

励起光源Ｐ１としては、出力調整が容易なバタフライ型パッケージのレーザダイオード（ＢＴＦ－ＬＤ）を使用し、発振波長は９７６ｎｍとした。

第１増幅ファイバＤＦ１として、コアにイッテルビウムが添加された、コア径６μｍ、第１クラッド径１２５μｍ、第２クラッド径２５０μｍのダブルクラッドファイバを使用した。

第１増幅ファイバＤＦ１を経由した波束は、余剰のクラッドモード光を除去するＣＰＳ２１９、所定の波長のみを透過させる光学フィルタ２１５を経由したのち、出射端が第１光カプラＣ１の他方の入力ポートに接続された一定長さの光ファイバＦ２に入力される。

光ファイバＦ２の長さは、伝搬距離延長手段２１３を経由した波束が、伝搬距離延長手段２１３を経由することなく第１光カプラＣ１の第１出力ポートへ出力された波束に対し、２０ｎｓだけ遅延して第１出力ポートへ出力される長さに設定した。

第１光カプラＣ１の第１出力ポートの下流に光アイソレーター２１７Ｂと、入力ポートが１つ、出力ポートが２つの第３光カプラＣ３を設け、一方の出力ポートには後述の光学系、他方の出力ポートには出力光の検出用のフォトダイオード（ＰＤ）を設けた。

なお、光アイソレーター２１７は、設けられる場所に入力される光の出力に応じたものが選択される。
また、第３光カプラＣ３は、入力された波束Ｗが有するエネルギーのほぼ全てを一方の出力ポートへ導き、ＰＤでの検出に必要な微少量を他方の出力ポートへ導くものを使用した。

以上が、実施例における波束列発生手段２１である。

第３光カプラＣ３の一方のポートの先に、波束列ＷＲが入力される第１増幅光学系が設けられる。第１増幅光学系には図６に示すように、第４光カプラＣ４、第２増幅ファイバＤＦ２、ＣＰＳ２１９、光アイソレーター２１７Ｃ、光学フィルタ２１５、第５光カプラＣ５、ＰＤを設けた。

第４光カプラＣ４は２つの入力ポートと１つの出力ポートを有するものを使用し、一方の入力ポートには波束列発生手段２１で発生した波束列ＷＲが結合され、他方の入力ポートには第２増幅ファイバＤＦ２での光増幅に使用される励起光を出射する励起光源Ｐ２が接続される。

励起光源Ｐ２には発振波長が９７６ｎｍのＬＤを使用した。

第２増幅ファイバＤＦ２は、第１増幅ファイバＤＦ１と同様のものを使用した。

第２増幅ファイバＤＦ２を経由した波束列ＷＲは、ＣＰＳ２１９、光アイソレーター２１７Ｃ、光学フィルタ２１５を経由したのち、入力ポートが１つ、出力ポートが２つの第５光カプラＣ５を設け、一方のポートには後述の第２増幅光学系、他方のポートには出力光の検出用のＰＤを設けた。

第２増幅光学系は、第６光カプラＣ６～光アイソレーター２１７Ｄまでの構造は、第１増幅光学系と同等のものを使用した。異なる点は励起光源Ｐ２とＰ３の出力である。

光アイソレーター２１７Ｄの下流には、入力ポートと出力ポートをそれぞれ２つずつ有する、光ファイバで構成された第７光カプラＣ７を使用した。一方の入力ポートには各光学系を経由してきた波束列ＷＲが入力され、他方の入力ポートには後述する出射光学系を逆行する光を検出するためのＰＤを設けた。一方の出力ポートには後述する出射光学系が接続され、他方の出力ポートには各光学系を経由してきた波束列ＷＲを検出・分析するためのオシロスコープを設けた。また、第７光カプラＣ７は入力された波束Ｗが有するエネルギーのほぼ全てを一方の出力ポートへ導き、オシロスコープでの検出に必要な微少量を他方の出力ポートへ導くものを使用するとともに、一方の出力ポートに入力された戻り光が有するエネルギーのほぼ全てを一方の入力ポートへ導き、ＰＤでの検出に必要な微少量を他方の入力ポートへ導くものを使用した。

第７光カプラＣ７の一方の出力ポートに接続された出射光学系は、第２増幅光学系で増幅された波束列ＷＲを所定の場所へ導光するのに十分な長さを有した、光増幅機能を有しない光ファイバ４１で構成される。

以上、述べた波束列発生手段２１、第１増幅光学系、第２増幅光学系、出射光学系により、本発明を実施するための光源装置Ａが構成される。

以下の条件で光源装置Ａを動作させ、ＳＢＳの抑制効果を確認した。

光源２１１を駆動させ、出力１０ｍＷの連続光を発生させた。

第１ＡＯＭ２１６を繰り返し周波数５００ｋＨｚ、デューティー比５％で駆動させ、連続光を平均パルス幅８５ｎsのパルス光に変換した。光源２１１から出射された直後は１ＭＨｚであったスペクトル幅は、パルス光に変換する際に１０ＭＨｚに広がるが、依然としてＳＢＳが発生しやすい狭線幅の条件にあたる。

第２ＡＯＭ２１８を音響周波数２００ＭＨｚ、ゲート開放間隔を１８６０ｎsで駆動させ、伝搬距離延長手段２１３に入力された光に対して２００ＭＨｚの周波数シフトを与える。なお、周波数シフトによって第２ＡＯＭ２１８を通過した光の波長も変化するが、微々たる変化であり、実質的に１０３０ｎｍの光とみなすことができる。

第１増幅ファイバＤＦ１による増幅量は、伝搬距離延長手段２１３を経由して第１光カプラＣ１の他方の入力ポートに結合された時点の波束の平均出力が０．４ｍＷになるよう設定した。

伝搬距離延長手段２１３により、第１ＡＯＭ２１６によって生成されたパルス１波が、平均パルス幅８５ｎｓ、平均パルス間隔２０ｎｓ、パルス本数１７本のパルス列（波束列ＷＲ）に変換されて、第１増幅光学系へ入力される。

第１増幅光学系に入力された波束列ＷＲは、第１増幅光学系内に設けられた第２増幅ファイバＤＦ２によって平均出力が３０ｍＷまで増幅された後、第２増幅光学系に入力される。

第２増幅光学系に入力された波束列ＷＲは、第２増幅光学系内に設けられた第３増幅ファイバＤＦ３によって平均出力が３．５Ｗまで増幅された後、光ファイバ４１で構成された出射光学系に入力される。光ファイバ４１の長さは２００ｍとし、第２増幅ファイバＤＦ２、第３増幅ファイバＤＦ３よりも長く、ＳＢＳが発生するのに十分な長さである。

出射光学系から出射されたレーザ光の出力と、第７光カプラＣ７に接続されたＰＤで検出した戻り光の出力に基づいて、光ファイバ４１内部でのＳＢＳの発生状態を評価した。ＳＢＳが発生するとＰＤで検出される戻り光（後方散乱出力）が増加することから、式２で定義される後方反射率を用いてＳＢＳの発生状態を評価した。

後方反射率が１％となるように、光源装置Ａを駆動させたところ、出射光学系から出力されるレーザ光の平均出力は１９００ｍＷであった。さらにレーザ光の平均出力を上昇させたところ、平均出力が２１１０ｍＷの時点で、後方反射率が５％に至った。

比較例として、光源２１１、光ファイバＦ１、光学フィルタ２１５、光アイソレーター２１７Ａの順に各光学部品を結合させた下流側に、直接第１増幅光学系を接続し、第１増幅光学系以降は実施例の光源装置Ａと同様に構成した光源装置を準備した。すなわち、比較例の光源装置は実施例の光源装置Ａから第１ＡＯＭ２１６、波束列発生手段２１、周波数調整手段３１を割愛し、一定の周波数を有する連続光を第１増幅光学系以降に入力するよう構成された光源装置と言える。

比較例の光源装置を動作させ、一定の周波数を有する連続光を第１増幅光学系及び第２増幅光学系で増幅し、光ファイバ４１に入力した際における、光ファイバ４１内部でのＳＢＳの発生状態を評価した。

比較例では、レーザ光の平均出力が１２８ｍＷの際に１％の後方反射率、平均出力が１５２ｍＷの際に５％の後方反射率を示した。

実施例の光源装置Ａは、比較例と比べて、同等の後方反射率を示す平均出力が高く、平均出力の増加に伴う後方反射率の上昇も緩やかである。このことから、第１増幅光学系以降に入力される波束列ＷＲを構成する波束の周波数が、波束ごとに異なる本発明の方法によって、光ファイバ４１で発生するＳＢＳが抑制されることが確認できた。

また、直接的な確認は取れていないものの、実施例の光源装置Aを構成する光ファイバ類の中で最も長い光ファイバ４１で発生するＳＢＳが抑制された結果から、比較例の光源装置において第１増幅光学系内の第２増幅ファイバＤＦ２、第２増幅光学系内の第３増幅ファイバＤＦ３で仮にＳＢＳが発生していたとしても、実施例の光源装置Ａでは抑制されていると推測される。

以上の例は、本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、種々の変更および応用が可能であることは言うまでもない。特に、実施例に記載した光源装置Ａは本発明を実施するための一態様に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内であれば、他の態様の光源装置を使用できることは言うまでもなく、所望する目的・効果を達成するために、具体的な光学系や構成部品を適宜変更しても良い。

本発明の誘導ブリルアン散乱抑制方法及び光源装置はレーザ加工機を筆頭に、各種のレーザ装置に好適に利用できる。

１ 信号光源
２ 信号光
３ 励起光源
４ 励起光
５ 光カプラ
６ 光カプラと増幅用光ファイバの接続部
７ 増幅用光ファイバ
８ 増幅用光ファイバとレーザ出射用光ファイバの接続部
９ レーザ出射用光ファイバ
１０ レーザ光
Ｗ 波束
ｔ_Ｗ 波束の持続時間
ＷＲ 波束列
Ｔ_ＷＲ 波束列の持続時間
Ａ 光源装置
２１ 波束列発生手段
２１１ 光源
２１２ 光分岐手段
２１３ 伝搬距離延長手段
２１４ 光増幅手段
２１５ 光学フィルタ
２１６ 第１ＡＯＭ
２１７ 光アイソレーター
２１８ 第２ＡＯＭ
２１９ クラッドポンプストリッパー（ＣＰＳ）
３１ 周波数調整手段
４１ 光ファイバ
Ｃ１～Ｃ７ 光カプラ
Ｆ、Ｆ１～Ｆ２ 光ファイバ
ＤＦ、ＤＦ１～ＤＦ３ 増幅ファイバ
Ｓ 励起光源

Claims (7)

1. 光ファイバに第１波束、第２波束、・・・の順に、第Ｎ波束（Ｎは２以上の自然数） まで、複数の波束を入力することで、該光ファイバによって波束列を伝搬させる際に使用される誘導ブリルアン散乱抑制方法であって、
   所定の周波数を有する波束を発生させる光源と、
   該光源から該光ファイバへと至る光学系内に設けられ、入力された波束を該光ファイバと伝搬距離延長手段とへ分岐して入力する光分岐手段と、
   該伝搬距離延長手段内に設けられた周波数調整手段とを使用し、
   該光源に発生させた該第１波束を、該光分岐手段によって該光ファイバと該伝搬距離延長手段とに分岐して入力させるとともに、
   該伝搬距離延長手段に入力された該第１波束を該周波数調整手段によって該所定の周波数とは異なる周波数に変換し、
   周波数変換された該第１波束を該光分岐手段に入力し、周波数変換された該第１波束の少なくとも一部を該第２波束として該光分岐手段から該光ファイバに入力させることを特徴とする、誘導ブリルアン散乱抑制方法。
2. 該波束列を構成する複数の波束から任意に選択された第ｉ波束（ｉはＮより小さい自然数）の周波数ν_ｉと、該第ｉ波束の次に該光ファイバへ入力される第ｉ＋１波束の周波数ν_ｉ＋１の差は、該光ファイバのブリルアン利得幅よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の誘導ブリルアン散乱抑制方法。
3. 周波数ν_ｉと周波数ν_ｉ＋１の差をΔνとした時、Δνは１≦ｉ＜Ｎの範囲において略一定であることを特徴とする、請求項２に記載の誘導ブリルアン散乱抑制方法。
4. 該光ファイバの長さをＬ、該光ファイバにおける波束の伝搬速度をＶ、波束列の持続時間をＴとした際、Ｎの値がＴ≧２Ｌ／Ｖを満たすよう設定されていることを特徴とする、請求項１～３の何れか一項に記載の誘導ブリルアン散乱抑制方法。
5. 該光ファイバは、所定の希土類元素が添加されたコアを有し、一端より該コアに入力された波束を増幅して他端より出力する増幅ファイバであることを特徴とする、請求項１～４の何れか一項に記載の誘導ブリルアン散乱抑制方法。
6. 波束列を発生させる波束列発生手段と、該波束列発生手段で発生した波束列が入力される光ファイバとを有する光源装置であって、
   該波束列発生手段は、所定の周波数を有する波束を発生させる光源と、該光源から該光ファイバへと至る光学系内に設けられた光分岐手段と、該光分岐手段に対して光学的に結合されるとともに入力された波束が再び該光分岐手段へと入力されるように構成された伝搬距離延長手段とを有し、
   該光分岐手段は入力された波束を該光ファイバと該伝搬距離延長手段とへ分岐して入力するように設けられているとともに、
   該波束列は少なくとも、該光源で発生した後に該光分岐手段から該光ファイバに直接入力される波束と、該伝搬距離延長手段を経由した後に該光分岐手段から該光ファイバに入力される波束とで構成され、
   該波束列を構成する波束ごとに異なる周波数を付与する周波数調整手段が該伝搬距離延長手段内に備えられていることを特徴とする光源装置。
7. 該光ファイバは、所定の希土類元素が添加されたコアを有し、一端より該コアに入力された波束を増幅して他端より出力する増幅ファイバであることを特徴とする、請求項６に記載の光源装置。

Images