JPWO2002095885A1 - ファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

この発明は、誘導放出効果と非線形効果とを共に利用し、誘導放出効果によって共振器の内部で発振するレーザ光を非線形効果を生じさせる励起光として直接利用し、非線形効果によるレーザ発振（波長変換）を高効率で行わせることができるファイバレーザ装置を得ることを目的とする。このファイバレーザ装置では、誘導放出用光ファイバと非線形用光ファイバとが融着接続法により直列に接続され、ファイバグレーティングが誘導放出用光ファイバと非線形用光ファイバとにそれぞれ形成されて離間して配置された一対の誘導放出効果用反射手段を構成し、ファイバグレーティングが非線形用光ファイバに離間して形成されて一対の非線形効果用反射手段を構成している。そして、一対の非線形効果用反射手段により構成される非線形効果によるレーザ発振領域の少なくとも一部が一対の誘導放出効果用反射手段により構成される誘導放出効果によるレーザ発振領域の内部に構成されている。

Description

技術分野
この発明は、誘導放出効果と非線形効果とを共に利用したファイバレーザ装置に関し、特に非線形効果（誘導ラマン散乱、誘導ブリルアン散乱）における波長変換を高効率化することが可能なファイバレーザ装置に関するものである。
背景技術
一般に、任意の波長の励起光を入力し、励起光と異なる波長のレーザ光を出力するファイバレーザ装置には、誘導放出効果を利用した希土類ドープファイバレーザと、非線形効果を利用したラマンファイバレーザと称されるものがある。
希土類ドープファイバレーザは、希土類ドープファイバと、希土類ドープファイバを挟んで配置される一対の反射手段とを備えている。そして、反射手段には、希土類ドープファイバ中で発振する光を反射するミラーやファイバグレーティングが用いられ、希土類ドープファイバを挟んで配置されて、いわゆるファブリー・ペロー共振器を構成している。また、希土類ドープファイバは、Ｎｄ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ等の希土類元素が石英系、フッ化物系、リン酸系等の光ファイバの中心をなすコアにドープされて構成されている。
この希土類ドープファイバレーザにおいては、励起光が反射手段やＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）のファイバカプラを介して希土類ドープファイバに入力される。そして、この励起光が希土類ドープファイバのコアを通過する際に、コアにドープされた希土類元素の最外殻電子を励起して反転分布の状態とし、自然放出光が放出される。そして、誘導放出効果によって、自然放出光が一対の反射手段の間を往復しながら増幅され、ついには発振状態となる。そして、発振状態の光（レーザ光）の一部が反射手段を透過して、所望の波長のレーザ光として出力される。
ここで、誘導放出効果によって放出される光の波長は光ファイバにドープされた希土類元素の固有の遷移エネルギーにより決定される。例えば、希土類元素がＮｄの場合には波長１．０６μｍの光が、Ｅｒの場合には波長１．５５μｍの光がそれぞれ放出される。
また、ファイバグレーティングは、光に対し任意の反射率の回折格子（グレーティング）を光ファイバ中に形成して構成される。そこで、反射手段としてファイバグレーティングを用いることは、希土類ドープファイバ自体にファイバグレーティングを形成することになり、単純に光ファイバのみで共振器を構成することができ、発振するレーザ光における損失は少ないという利点が得られる。
一般に、希土類ドープファイバレーザの高出力化は、入力する励起光のパワーを増加させることにより実現されるが、高パワーの励起光を光ファイバの小さなコアに結合させることは極めて困難なものである。そこで、希土類ドープファイバレーザの高出力化を図るために、希土類元素がドープされたコアと、そのコアを被覆するように設けられた第１クラッドと、その第１クラッドを被覆するように設けられた第２クラッドとを備えた２重クラッド構造の希土類ドープファイバが用いられる。このように構成された２重クラッド構造の希土類ドープファイバにおいては、第１クラッドに入射された励起光が第１クラッドと第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら第２クラッドで囲まれた領域内を伝搬するので、第１クラッドにより励起光の受光面積が増加される。そこで、単一活性層のＬＤ（Ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）に比べ発光面積が大きく高パワー特性を有するアレイのＬＤを励起光源として適用することが可能となる。これにより、高パワーの励起光がコアを励起するため、希土類ドープファイバレーザとしてマルチワットクラスの高出力化が実現されている。
一方、ラマンファイバレーザは、石英系の光ファイバと、この光ファイバを挟んで配置される一対の反射手段とを備えている。このラマンファイバレーザにおいても、上述の希土類ドープファイバと同様に、一対の反射手段で光ファイバを挟んでファブリー・ペロー共振器を構成している。
このラマンファイバレーザにおいては、高パワーの励起光が反射手段やＷＤＭのファイバカプラを介して石英系の光ファイバに入力される。そして、この励起光が光ファイバを通過する際に、光と光学フォノン（格子振動）との相互作用において励起光の一部は長波長側にシフトし、自然ラマン散乱光が得られる。そして、誘導ラマン散乱（非線形効果）によって、自然ラマン散乱光が一対の反射手段の間を往復しながら増幅され、ついには発振状態となる。そして、発振状態の光（レーザ光）の一部が反射手段を透過し、所望の波長のレーザ光として出力される。
ここで、誘導ラマン散乱によって得られる波長差はラマンシフト量と呼ばれ、光ファイバとして溶融石英を用いた場合にはラマンシフト量の１３．２ＴＨｚで最大の広帯域な利得を持つ。このラマンファイバレーザにおいては、希土類ドープファイバレーザの場合とは異なり、励起光の波長を選択することによりラマンシフト量だけシフトした所望の波長のレーザ光を発振できるという特徴がある。例えば、石英系光ファイバの場合には、波長１．０６μｍ、１．５５μｍの励起光により、それぞれ波長１．１２μｍ、１．６６μｍのレーザ光が得られる。また、石英系光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＧｅが多くドープされると、誘導ラマン散乱における利得は大きくなり、活性物質としてのＰもしくはＢがコアに多くドープされると、ラマンシフト量が変化すると共に利得は大きくなる。
また、励起光が高パワーであれば、ｍ（ここでｍは２以上の整数）回の誘導ラマン散乱をカスケードに発生させることが可能であり、ｍ回のラマンシフト量だけシフトした所望の波長のレーザ光を得られるものが、例えば米国特許第５，３２３，４０４号などに提案されている。
図１０は例えば米国特許５，３２３，４０４号に記載された従来のカスケードラマンファイバレーザを模式的に示す構成図である。
この従来のカスケードラマンファイバレーザ９００は、図１０に示されるように、石英系光ファイバ９２０と、石英系光ファイバ９２０に形成された４対のファイバグレーティング９２１、９２２、９３１、９３２、９４１、９４２、９５１、９５２により構成される４つの共振器とから構成されている。そして、ファイバグレーティング９２１、９２２は中心波長１１１７ｎｍの光を反射し、ファイバグレーティング９３１、９３２は中心波長１１７５ｎｍの光を反射し、ファイバグレーティング９４１、９４２は中心波長１２４０ｎｍの光を反射し、ファイバグレーティング９５１、９５２は中心波長１３１５ｎｍの光を反射するように構成されている。また、ファイバグレーティング９１３は中心波長１０６４ｎｍの光を反射するように構成されている。なお、ファイバグレーティング９１３、９２１、９２２、９３１、９３２、９４１、９４２、９５１は対象とする波長の光に対して高反射率（９８％以上）を有し、ファイバグレーティング９５２は対象とする波長の光に対して低反射率（例えば１５％）を有している。また、波長１１１７ｎｍ、１１７５ｎｍ、１２４０ｎｍ、１３１５ｎｍは誘導ラマン散乱によってカスケードに発生される光の波長である。
この従来のカスケードラマンファイバレーザでは、まず波長１０６４ｎｍのレーザ光が励起光として光ファイバ９２０に入力され、この波長１０６４ｎｍの励起光によりラマンシフト量に対応した波長１１１７ｎｍのレーザ光がファイバグレーティング９２１、９２２の間を往復して発振される。ついで、波長１１１７ｎｍのレーザ光が励起光として作用し、ラマンシフト量に対応した波長１１７５ｎｍのレーザ光がファイバグレーティング９３１、９３２の間を往復して発振される。ついで、波長１１７５ｎｍのレーザ光が励起光として作用し、ラマンシフト量に対応した波長１２４０ｎｍのレーザ光がファイバグレーティング９４１、９４２の間を往復して発振される。さらに、波長１２４０ｎｍのレーザ光が励起光として作用し、波長１３１５ｎｍのレーザ光がファイバグレーティング９５１、９５２の間を往復して発振される。そして、発振された波長１３１５ｎｍのレーザ光の一部が低反射率のファイバグレーティング９５２を透過して、波長１３１５ｎｍのレーザ光として外部に出力される。なお、ファイバグレーティング９１３は波長１０６４ｎｍの励起光を反射するように作用し、共振器を構成していない。
一般に、従来のカスケードラマンファイバレーザの励起光源には、高出力化された希土類ドープファイバレーザの出力を外部から入力する方法が用いられている。これにより、希土類ドープファイバレーザの場合に困難な任意の波長のレーザ光を得ることが可能である。
また、非線形効果としての誘導ブリルアン散乱によっても、上述の誘導ラマン散乱と同様に、任意の波長のレーザ光を得ることが可能である。つまり、高パワーの励起光が石英系の光ファイバに入力されると、光と音響フォノン（格子振動）との相互作用において励起光の一部はブリルアンシフト量の１０ＧＨｚ程度の低い周波数にシフトし、自然ブリルアン散乱光が得られる。そして、誘導ブリルアン散乱（非線形効果）によって、自然ブリルアン散乱光が一対の反射手段の間を往復しながら増幅され、ついには発振状態となる。そして、発振状態の光（レーザ光）の一部が反射手段を透過して、所望の波長のレーザ光として出力される。ここで、誘導ブリルアン散乱の場合には後方散乱であるため、励起光に対して反対方向にのみ狭帯域な利得を持つ。また、誘導ブリルアン散乱をカスケードに発生させることにより１０ＧＨｚ程度の間隔で多波長発振が実現されている。
このような非線形効果（誘導ラマン散乱、誘導ブリルアン散乱）を利用した石英系の光ファイバにおける利得は、励起光のパワーＰを光ファイバの実効コア断面積Ａで割った励起光のパワー密度Ｉｐ（＝Ｐ／Ａ）、相互作用するファイバ長および利得係数に比例して与えられる。ここで、石英系の光ファイバにおける利得係数は小さいため、非線形効果を利用するレーザにおいては、高いパワー密度が必要であり、光ファイバを伝搬する励起光のパワーが高くなるほど高効率でレーザ光を発振させることが可能となる。特に、図１０に示される従来のカスケードラマンファイバレーザでは、複数回の誘導ラマン散乱によって共振器の内部で順次レーザ光を発振させて波長変換が行われているため、最初のレーザ発振の効率が改善されると全体における波長変換の効率は大幅に向上することになる。なお、ファイバ長が長くなるほど発振するレーザ光の損失は多くなるため、ラマンファイバレーザにおける石英系ファイバは最適なファイバ長（共振器長）を有している。
従来のラマンファイバレーザにおいては、全体における波長変換の効率を大幅に向上するために、高出力化された希土類ドープファイバレーザが励起光源として使用されている。この従来のラマンファイバレーザは、図１１に示されるように、希土類ドープファイバ１０１０と、石英系光ファイバ１０２０と、希土類ドープファイバ１０１０に形成された一対のファイバグレーティング１０１１、１０１２により構成される共振器と、石英系光ファイバ１０２０に形成された一対のファイバグレーティング１０２１、１０２２により構成される共振器とを備えている。そして、ファイバグレーティング１０１１、１０１２は中心波長λ_１の光を反射し、ファイバグレーティング１０２１、１０２２は中心波長λ_２の光を反射し、ファイバグレーティング９４１、９４２は中心波長１２４０ｎｍの光を反射し、さらにファイバグレーティング１０１３は中心波長λ_１の光を反射するように構成されている。なお、ファイバグレーティング１０１１、１０１３、１０２１は対象とする波長の光に対して高反射率（９８％以上）を有し、ファイバグレーティング１０１２、１０２２は対象とする波長の光に対して低反射率（例えば１５％）を有している。
この従来のラマンファイバレーザでは、図１２に示されるように、まず波長λ_０の励起光が希土類ドープファイバ１０１０に入力され、自然放出光が放出される。そして、中心波長λ_１の自然放出光が一対のファイバグレーティング１０１１、１０１２により構成される共振器内で増幅され、ついには発振状態となる。そして、発振状態の光の一部がファイバグレーティング１０１２を透過して、波長λ_１のレーザ光として出力される。ついで、この波長λ_１のレーザ光が石英系光ファイバ１０２０に入力され、この波長λ_１のレーザ光（励起光）によりラマンシフト量に対応した波長λ_２のレーザ光がファイバグレーティング１０２１、１０２２の間を往復して発振される。そして、発振された波長λ_２のレーザ光の一部が低反射率のファイバグレーティング１０２２を透過して、波長λ_２のレーザ光として外部に出力される。なお、ファイバグレーティング１０１３は波長λ_１の光を反射するように作用し、共振器を構成していない。
この従来のラマンファイバレーザにおいては、励起光源としての希土類ドープファイバ１０１０と石英系光ファイバ１０２０の誘導ラマン散乱を生じさせる共振器とが別々に設置されている。そこで、希土類ドープファイバ１０１０の誘導放出効果によって共振器の内部で発振されたレーザ光の一部が出力されているので、外部に出力した直後のレーザ光は共振器の内部で出力する直前のレーザ光に比べ低パワーとなってしまう。すなわち、誘導放出効果によって共振器の内部で発振する高パワーのレーザ光が誘導ラマン散乱を生じさせる励起光として直接利用されていない。これにより、誘導ラマン散乱におけるレーザ発振（波長変換）は高効率とならない。なお、励起光のパワーが低いほど誘導ラマン散乱による利得は小さく最適なファイバ長は長くなるため、発振する散乱光の損失は多くなるという欠点がある。
発明の開示
この発明は、誘導放出効果と非線形効果とを共に利用し、誘導放出効果によって共振器の内部で発振するレーザ光を非線形効果を生じさせる励起光として直接利用し、非線形効果によるレーザ発振（波長変換）を高効率で行わせることができるファイバレーザ装置を得ることを目的とする。
この発明によるファイバレーザ装置は、波長λ_０の励起光を入力し、励起光と異なる波長のレーザ光を出力するファイバレーザ装置において、上記波長λ_０の励起光により誘導放出効果を活性化させる活性媒質がドープされた誘導放出用光ファイバと、上記誘導放出用光ファイバの少なくとも一部を含み、上記波長λ_０の励起光として上記誘導放出効果により波長λ_１（λ_１≠λ_０）のレーザ光を発振させる誘導放出効果用光共振器を構成するように、離間して配置された一対の誘導放出効果用反射手段と、上記波長λ_１のレーザ光を励起光として非線形効果を生じる非線形用効果光ファイバと、上記非線形用光ファイバの少なくとも一部を含み、上記波長λ_１のレーザ光を励起光として上記非線形効果により波長λ_ｉ（λ_ｉ≠λ_０かつλ_ｉ≠λ_１）のレーザ光を発振させる非線形効果用光共振器を構成するように、離間して配置された非線形効果用反射手段とを有し、上記誘導放出用光ファイバの少なくとも一部と上記非線形用光ファイバの少なくとも一部とが上記一対の誘導放出効果用反射手段の間に配置され、上記非線形効果用光共振器の少なくとも一部が上記誘導放出効果用光共振器の内部に構成されているものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
図１はこの発明によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図、図２は図１に示すファイバレーザ装置における誘導放出用光ファイバと非線形用光ファイバとを伝播するパワー分布を示す図である。
図１において、ファイバレーザ装置１００は、誘導放出効果を活性化させる活性物質を含む誘導放出用光ファイバ１１０と、誘導放出用光ファイバ１１０に直列に接続され、非線形効果を活性化させる活性物質を含む非線形用光ファイバ１２０と、誘導放出用光ファイバ１１０と非線形用光ファイバ１２０とに形成された誘導放出効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング１１１、１１２により構成される共振器と、非線形用光ファイバ１２０に形成された非線形効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング１２１、１２２により構成される共振器とを備えている。そして、一対のファイバグレーティング１１１、１１２は入射された中心波長λ_０の励起光により反転分布の状態にされた活性物質から誘導放出効果によって放出される中心波長λ_１の光を反射するように構成され、一対のファイバグレーティング１２１、１２２は中心波長λ_１の励起光の通過により得られるラマンシフト量（Δλ_２）に対応した中心波長λ_２（λ_２＝λ_１＋Δλ_２）の光を反射するように構成されている。また、ファイバグレーティング１１１、１１２、１２１は対象とする中心波長の光に対して高反射率を有し、ファイバグレーティング１２２は対象とする中心波長の光に対して低反射率を有するように構成されている。
ここで、一対のファイバグレーティング１１１、１１２により構成される共振器は、誘導放出効果によるレーザ発振領域を構成し、一対のファイバグレーティング１２１、１２２により構成される共振器は、非線形効果によるレーザ発振領域を構成している。そして、非線形効果によるレーザ発振領域が、誘導放出効果によるレーザ発振領域の内部に構成されている。また、誘導放出用光ファイバ１１０には、例えば石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としての希土類元素がドープされた希土類ドープファイバを用いることができ、非線形用光ファイバ１２０には、例えば石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＰが多くドープされたＰドープファイバを用いることができる。
ついで、このように構成されたファイバレーザ装置１００によるレーザ光の出力動作について図１および図２を参照しつつ説明する。
まず、中心波長λ_０の励起光がファイバグレーティング１１１を介して誘導放出用光ファイバ１１０に入射される。これにより、誘導放出用光ファイバ１１０内の活性物質が反転分布の状態にされ、自然放出光が放出される。そして、誘導放出効果によって、中心波長λ_１の自然放出光が直列に接続された誘導放出用光ファイバ１１０と非線形用光ファイバ１２０とを挟んで配置された一対のファイバグレーティング１１１、１１２の間を往復しながら増幅され、ついには発振状態となる。
この発振状態の中心波長λ_１の光（レーザ光）が一対のファイバグレーティング１２１、１２２により構成される共振器内を通過する際に励起光として作用し、非線形効果により波長λ_１から所定量（Δλ_２）シフトした自然ラマン散乱光が放出される。中心波長λ_２の自然ラマン散乱光が一対のファイバグレーティング１２１、１２２の間を往復しながら増幅され、ついには発振状態となる。そして、発振状態の光（レーザ光）の一部がファイバグレーティング１２２を透過して中心波長λ_２のレーザ光として出力される。
このファイバレーザ装置１００においては、非線形効果によるレーザ発振領域が誘導放出効果によるレーザ発振領域の内部に構成されている。
そこで、誘導放出効果によるレーザ発振のための共振器内部で発振されたレーザ光の一部を非線形効果によるレーザ発振の励起光として外部に取り出す必要がない。このため、誘導放出効果によるレーザ発振のための共振器を構成する一対のファイバグレーティング１１１、１１２を共に高反射率にすることができ、該共振器内部で発振するレーザ光のパワーを高めることができる。
また、誘導放出効果によるレーザ発振のための共振器内部で発振された高パワーのレーザ光を非線形効果によるレーザ発振の励起光として直接利用できるので、非線形効果によるレーザ発振（波長変換）を高効率で行わせることができるとともに、利得を大きくすることができる。さらに、最適なファイバ長（共振器長）が短くなるので、発振するレーザ光の損失が少なくなる。
なお、このファイバレーザ装置１００においては、非線形用光ファイバ１２０が非線形効果を活性化させる活性物質を含むものとして説明しているが、活性物質を必ずしも含むようにする必要はなく、後述するように石英系光ファイバ単独でも非線形用光ファイバとして用いることができる。
また、このファイバレーザ装置１００においては、一対のファイバグレーティング１２１、１２２を非線形用光ファイバ１２０に形成して１組の共振器を構成し、１回の非線形効果によるレーザ発振を行わせるものとして説明しているが、ファイバグレーティングを非線形用光ファイバ１２０に複数対形成して複数組の共振器を構成し、非線形効果によるレーザ発振を複数回行わせるようにしても良い。この場合、各対のファイバグレーティングは、中心波長λ_ｉのレーザ光（λ_ｉ＝λ_ｉ−１＋Δλ_ｉ：Δλ_ｉは中心波長λ_ｉ−１のレーザ光を励起光としたときに非線形効果によって得られる波長λ_ｉ−１からのシフト量、ｉ＝２，・・・、ｎ＋１：ｎは２以上の整数）を反射するように構成される。そして、各対のファイバグレーティングは、中心波長λ_ｉのレーザ光を反射するファイバグレーティング間に位置する非線形用光ファイバの少なくとも一部が中心波長λ_ｉ＋１のレーザ光を反射するファイバグレーティング間に位置するように配置され、かつ、中心波長λ_２のレーザ光を反射するファイバグレーティング間に位置する非線形用光ファイバの少なくとも一部が中心波長λ_１のレーザ光を反射する一対の誘導放出効果用反射手段としてのファイバグレーティング１１１、１１２間に位置するように配置される。これにより、非線形効果における最初のレーザ発振の効率が改善されるので、複数組の共振器内部で発振するレーザ光は高パワーとなる。そこで、希土類ドープファイバレーザとカスケードラマンファイバレーザとを別々に構成する従来例に比べて、複数回の非線形効果によるレーザ発振（波長変換）の効率を大幅に向上させることができる。
また、このファイバレーザ装置１００においては、一対のファイバグレーティング１２１、１２２を非線形用光ファイバ１２０に形成して１組の共振器を構成し、１回の非線形効果によるレーザ発振を行わせるものとして説明しているが、ファイバグレーティングを複数本の非線形用光ファイバに複数対形成して複数組の共振器を構成し、非線形効果によるレーザ発振を複数回行わせるようにしても良い。この場合、非線形用光ファイバは、それぞれ中心波長λ_ｉのレーザ光（λ_ｉ＝λ_ｉ−１＋Δλ_ｉ：Δλ_ｉは中心波長λ_ｉ−１のレーザ光を励起光としたときに非線形効果によって得られる波長λ_ｉ−１からのシフト量、ｉ＝２，・・・、ｎ＋１：ｎは２以上の整数）を励起光として非線形効果を生じる複数本の光ファイバで構成され、各対のファイバグレーティングは、それぞれ中心波長λ_ｉのレーザ光を励起光として非線形効果を生じる光ファイバの少なくとも一部を含むように、かつ、中心波長λ_ｉのレーザ光を反射するように構成される。そして、複数対のファイバグレーティングは、中心波長λ_ｉのレーザ光を反射するファイバグレーティング間に位置する光ファイバの少なくとも一部が中心波長λ_ｉ＋１のレーザ光を反射するファイバグレーティング間に位置するように配置され、かつ、中心波長λ_２のレーザ光を反射するファイバグレーティング間に位置する光ファイバの少なくとも一部が中心波長λ_１のレーザ光を反射する一対の誘導放出効果用反射手段としてのファイバグレーティング１１１、１１２間に位置するように配置される。これにより、非線形効果における最初のレーザ発振の効率が改善されるので、複数組の共振器内部で発振するレーザ光は高パワーとなる。そこで、希土類ドープファイバレーザとカスケードラマンファイバレーザとを別々に構成する従来例に比べて、複数回の非線形効果によるレーザ発振（波長変換）の効率を大幅に向上させることができる。
また、このファイバレーザ装置１００においては、反射手段としてファイバグレーティングを用いるものとしているが、反射手段はファイバグレーティングに限定されるものではなく、レーザ発振させる光を反射できるものであればよく、例えばミラーを用いることができる。
以下に、本発明によるファイバレーザ装置の各実施例について説明する。
実施例１．
図３はこの発明の実施例１によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図３において、ファイバレーザ装置２００は、石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＮｄがドープされた２重のクラッド構造の希土類ドープファイバ２１０（誘導放出用光ファイバ）と、石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＰが多くドープされたＰドープファイバ２２０（非線形用光ファイバ）と、希土類ドープファイバ２１０とＰドープファイバ２２０とに形成された誘導放出効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング２１１、２１２により構成される第１の共振器と、Ｐドープファイバ２２０に形成された非線形効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング２２１、２２２により構成される第２の共振器と、Ｐドープファイバ２２０に形成された非線形効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング２３１、２３２により構成される第３の共振器とを備えている。そして、一対のファイバグレーティング２１１、２１２は入射された波長λ_０の励起光により反転分布の状態にされたＮｄから誘導放出効果によって放出される波長λ_１（＝１０６４ｎｍ）の光を反射するように構成され、一対のファイバグレーティング２２１、２２２は波長λ_１の励起光の通過により得られるラマンシフト量に対応した波長λ_２（＝１２４０ｎｍ）の光を反射するように構成され、一対のファイバグレーティング２３１、２３２は波長λ_２の励起光の通過により得られるラマンシフト量に対応した波長λ_３（＝１４８０ｎｍ）の光を反射するように構成されている。また、ファイバグレーティング２１１、２１２、２２１、２２２、２３１は対象とする波長の光に対して高反射率（９９％以上）を有し、ファイバグレーティング２３２は対象とする波長の光に対して低反射率（約５０％）を有するように構成されている。
ここで、希土類ドープファイバ２１０とＰドープファイバ２２０とはほぼ等しいモードフィールド径を有し、融着接続法を用いて直列に接続されている。また、一対のファイバグレーティング２１１、２１２により構成される第１の共振器が、誘導放出効果による波長λ_１のレーザ発振領域（希土類ドープファイバレーザ発振領域）を構成し、一対のファイバグレーティング２２１、２２２により構成される第２の共振器が、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域（ラマンファイバレーザ発振領域）を構成し、一対のファイバグレーティング２３１、２３２により構成される第３の共振器が、誘導ラマン散乱による波長λ_３のレーザ発振領域（ラマンファイバレーザ発振領域）を構成している。そして、誘導ラマン散乱による波長λ_２、λ_３のレーザ発振領域が、誘導放出効果によるレーザ発振領域の内部に構成され、誘導ラマン散乱による波長λ_３のレーザ発振領域が、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域の一部と重複するように構成されている。
つぎに、この実施例１によるファイバレーザ装置２００の動作について説明する。
まず、波長λ_０（＝８０８ｎｍ）の励起光が希土類ドープファイバ２１０の第１クラッドに入力される。このとき、励起光源としては高パワー特性を有するＬＤが用いられ、Ｐドープファイバ２２０の入力端における励起光の直径およびＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、Ｐドープファイバ２２０および希土類ドープファイバ２１０の第１クラッドと同程度である。これにより、２重のクラッド構造である希土類ドープファイバ２１０は高パワーの励起光を入力することが可能であり、高パワーで誘導放出効果によるレーザ発振を行うことができる。
希土類ドープファイバ２１０に入力された励起光は、希土類ドープファイバ２１０の第１クラッドを伝搬しコアを通過する際にＮｄを励起している。その結果、誘導放出効果により一対のファイバグレーティング２１１、２１２の間で波長λ_１（＝１０６４ｎｍ）のレーザ光が発振される。そして、波長λ_１の希土類ドープファイバレーザ発振領域の内部にはＰドープファイバ２２０があるため、波長λ_１のレーザ光が誘導ラマン散乱の励起光としてＰドープファイバ２２０を伝搬する際に波長λ_２（＝１２４０ｎｍ）付近に利得を持たせる。その結果、誘導ラマン散乱により一対のファイバグレーティング２２１、２２２の間で波長λ_２のレーザ光が発振される。このとき、誘導ラマン散乱の波長λ_１の励起光がＰドープファイバ２２０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ラマン散乱によるレーザ発振が高効率で行われる。
また、波長λ_２のラマンファイバレーザ発振領域の内部にはＰドープファイバ２２０があるため、波長λ_２のレーザ光は誘導ラマン散乱の励起光としてＰドープファイバ２２０を伝搬する際に波長λ_３（＝１４８０ｎｍ）付近に利得を持たせる。その結果、誘導ラマン散乱により一対のファイバグレーティング２３２、２３２の間で波長λ_３のレーザ光が発振される。このとき、誘導ラマン散乱の波長λ_２の励起光はＰドープファイバ２２０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ラマン散乱によるレーザ発振が高効率で行われる。
そして、波長λ_３のレーザ光の一部が、ファイバグレーティング２３２を透過しＰドープファイバ２２０から出力される。
また、希土類ドープファイバ２１０およびＰドープファイバ２２０はほぼ等しいモードフィールド径であるため、希土類ドープファイバ２１０とＰドープファイバ２２０との融着接続部２５１における誘導放出効果により発振するレーザ光の界分布不整合損失が少ない。そこで、高パワーのレーザ発振が一対のファイバグレーティング２１１、２１２で構成される第１の共振器内部で行われ、誘導ラマン散乱によるレーザ発振が高効率で行われる。
以上のように、実施例１によるファイバレーザ装置２００では、波長λ_０の励起光から所望の波長λ_３のレーザ光への波長変換において高効率化を実現している。
実施例２．
図４はこの発明の実施例２によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図４において、ファイバレーザ装置３００は、石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＹｂがドープされた２重のクラッド構造である希土類ドープファイバ３１０（誘導放出用光ファイバ）と、石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質Ｐが多くドープされたＰドープファイバ３２０（非線形用光ファイバ）と、石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＧｅが多くドープされたＧｅドープファイバ３３０（非線形用光ファイバ）と、希土類ドープファイバ３１０とＰドープファイバ３２０とに形成された誘導放出効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング３１１、３１２により構成される第１の共振器と、Ｐドープファイバ３２０とＧｅドープファイバ３３０とに形成された非線形効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング３２１、３２２により構成される第２の共振器と、Ｇｅドープファイバ３３０に形成された非線形効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング３３１、３３２により構成される第３の共振器とを備えている。そして、一対のファイバグレーティング３１１、３１２は入射された波長λ_０の励起光により反転分布の状態にされたＹｂから誘導放出効果によって放出される波長λ_１（＝１０６４ｎｍ）の光を反射するように構成され、一対のファイバグレーティング３２１、３２２は波長λ_１の励起光の通過により得られるラマンシフト量に対応した波長λ_２（＝１２４０ｎｍ）の光を反射するように構成され、一対のファイバグレーティング３３１、３３２は波長λ_２の励起光の通過により得られるラマンシフト量に対応した波長λ_３（＝１３１５ｎｍ）の光を反射するように構成されている。また、ファイバグレーティング３１１、３１２、３２１、３２２、３３１は対象とする波長の光に対して高反射率（９９％以上）を有し、ファイバグレーティング３３２は対象とする波長の光に対して低反射率（約２０％）を有するように構成されている。
ここで、希土類ドープファイバ３１０とＰドープファイバ３２０とＧｅドープファイバ３３０とはほぼ等しいモードフィールド径を有し、融着接続法を用いて直列に接続されている。また、一対のファイバグレーティング３１１、３１２により構成される第１の共振器が、誘導放出効果によるレーザ発振領域（希土類ドープファイバレーザ発振領域）を構成し、一対のファイバグレーティング３２１、３２２により構成される第２の共振器が、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域（ラマンファイバレーザ発振領域）を構成し、一対のファイバグレーティング３３１、３３２により構成される第３の共振器が、誘導ラマン散乱による波長λ_３のレーザ発振領域（ラマンファイバレーザ発振領域）を構成している。そして、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域が、誘導放出効果による波長λ_１のレーザ発振領域の一部と重複するように構成され、誘導ラマン散乱による波長λ_３のレーザ発振領域が、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域の一部と重複するように構成されている。
つぎに、この実施例２によるファイバレーザ装置３００の動作について説明する。
まず、波長λ_０（＝９７５ｎｍ）の励起光が希土類ドープファイバ３１０の第１クラッドに入力される。このとき、上記実施例１の場合と同様に、２重のクラッド構造である希土類ドープファイバ３１０は高パワーの励起光を入力することが可能であり、高パワーで誘導放出効果によるレーザ発振を行うことができる。
希土類ドープファイバ３１０に入力された励起光は、希土類ドープファイバ３１０の第１クラッドを伝搬しコアを通過する際にＹｂを励起している。その結果、誘導放出効果により一対のファイバグレーティング３１１、３１２の間で波長λ_１（＝１０６４ｎｍ）のレーザ光が発振される。そして、上記実施例１の場合と同様に、誘導ラマン散乱により一対のファイバグレーティング３２１、３２２の間で波長λ_２（＝１２４０ｎｍ）のレーザ光が発振される。このとき、誘導ラマン散乱の波長λ_１の励起光がＰドープファイバ３２０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ光の発振が高効率で行われる。
また、波長λ_２のラマンファイバレーザ発振領域の内部にはＧｅドープファイバ３３０があるため、波長λ_２のレーザ光が誘導ラマン散乱の励起光としてＧｅドープファイバ３３０を伝搬する際に波長λ_３（＝１３１５ｎｍ）付近に利得を持たせる。その結果、誘導ラマン散乱により一対のファイバグレーティング３３１、３３２の間で波長λ_３のレーザ光が発振される。このとき、誘導ラマン散乱の波長λ_２の励起光はＧｅドープファイバ３３０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ラマン散乱による波長λ_３のレーザ光の発振が高効率で行われる。
この波長λ_３のレーザ光の一部が、ファイバグレーティング３３２を透過しＧｅドープファイバ３３０から出力される。
また、希土類ドープファイバ３１０、Ｐドープファイバ３２０およびＧｅドープファイバ３３０はほぼ等しいモードフィールド径であるため、ファイバの融着接続部３５１、３５２における誘導放出効果および誘導ラマン散乱により発振するレーザ光の界分布不整合損失が少ない。そこで、高パワーのレーザ発振が一対のファイバグレーティング３１１、３１２で構成される第１の共振器内部で行われ、誘導ラマン散乱によるレーザ発振が高効率で行われる。
以上のように、実施例２によるファイバレーザ装置３００では、波長λ_０の励起光から所望の波長λ_３のレーザ光への波長変換において高効率化を実現している。
実施例３．
図５はこの発明の実施例３によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図５において、ファイバレーザ装置４００は、石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＥｒがドープされた２重のクラッド構造である希土類ドープファイバ４１０（誘導放出用光ファイバおよび非線形用光ファイバ）と、希土類ドープファイバ４１０に形成された誘導放出効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング４１１、４１２により構成される第１の共振器と、希土類ドープファイバ４１０に形成された非線形効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング４２１、４２２により構成される第２の共振器と、波長λ_０（＝９８０ｎｍ）の励起光を反射する励起光反射手段としてのミラー４０３とを備えている。そして、一対のファイバグレーティング４１１、４１２は入射された波長λ_０の励起光により反転分布の状態にされたＥｒから誘導放出効果によって放出される波長λ_１（＝１５５０ｎｍ）の光を反射するように構成され、一対のファイバグレーティング４２１、４２２は波長λ_１の励起光の通過により得られるラマンシフト量に対応した波長λ_２（＝１６６０ｎｍ）の光を反射するように構成されている。また、ファイバグレーティング４１１、４１２、４２１、４０３は対象とする波長の光に対して高反射率（９９％以上）を有し、ファイバグレーティング４２２は対象とする波長の光に対して低反射率（約３０％）を有するように構成されている。
ここで、一対のファイバグレーティング４１１、４１２により構成される第１の共振器が、誘導放出効果によるレーザ発振領域（希土類ドープファイバレーザ発振領域）を構成し、一対のファイバグレーティング４２１、４２２により構成される第２の共振器が、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域（ラマンファイバレーザ発振領域）を構成している。そして、誘導放出効果による波長λ_１のレーザ発振領域が、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域の内部に構成されている。
つぎに、この実施例３によるファイバレーザ装置４００の動作について説明する。
まず、波長λ_０（＝９８０ｎｍ）の励起光が希土類ドープファイバ４１０の第１クラッドに入力される。このとき、上記実施例１の場合と同様に、２重のクラッド構造である希土類ドープファイバ３１０は高パワーの励起光を入力することが可能であり、高パワーで誘導放出効果によるレーザ発振を行うことができる。また、ミラー４０３を設けることで、波長λ_０の励起光が希土類ドープファイバ４１０を高いパワーで折り返し伝搬しているので、誘導放出効果によるレーザ発振が高効率で行われる。
希土類ドープファイバ４１０に入力された励起光は、希土類ドープファイバ４１０の第１クラッドを伝搬しコアを通過する際にＥｒを励起している。その結果、誘導放出効果により一対のファイバグレーティング４１１、４１２の間で波長λ_１（＝１５５０ｎｍ）のレーザ光が発振される。このとき、石英系の希土類ドープファイバ４１０が波長λ_１の希土類ドープファイバレーザ発振領域の内部にあるので、波長λ_１のレーザ光が誘導ラマン散乱の励起光として希土類ドープファイバ４１０を伝搬する際に波長λ_２（＝１６６０ｎｍ）付近に利得を持たせる。その結果、誘導ラマン散乱により一対のファイバグレーティング４２１、４２２の間で波長λ_２のレーザ光が発振される。そして、誘導ラマン散乱の波長λ_１の励起光が非線形用光ファイバとして作用する希土類ドープファイバ４１０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ光の発振が高効率で行われる。
この波長λ_２のレーザ光の一部が、ファイバグレーティング４２２を透過し出力される。
以上のように、実施例３によるファイバレーザ装置４００では、波長λ_０の励起光から所望の波長λ_２のレーザ光への波長変換において高効率化を実現している。
実施例４．
図６はこの発明の実施例４によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図６において、ファイバレーザ装置５００は、石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＹｂがドープされた希土類ドープファイバ５１０（誘導放出用光ファイバ）と、希土類ドープファイバ５１０に比べて小さなモードフィールド径を有する石英系の光ファイバ５２０（非線形用光ファイバ）と、希土類ドープファイバ５１０と光ファイバ５２０とを直列に接続するＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｃｏｒｅ）ファイバ５３０と、希土類ドープファイバ５１０と光ファイバ５２０とに形成された誘導放出効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング５１１、５１２により構成される第１の共振器と、光ファイバ５２０に形成された非線形効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング５２１、５２２により構成される第２の共振器と、希土類ドープファイバ５１０に形成され、波長λ_０（＝９７５ｎｍ）の励起光を反射する励起光反射手段としてのファイバグレーティング５０３とを備えている。そして、一対のファイバグレーティング５１１、５１２は入射された波長λ_０の励起光により反転分布の状態にされたＹｂから誘導放出効果によって放出される波長λ_１（＝１０６４ｎｍ）の光を反射するように構成され、一対のファイバグレーティング５２１、５２２は波長λ_１の励起光の通過により得られるラマンシフト量に対応した波長λ_２（＝１１１６ｎｍ）の光を反射するように構成されている。また、ファイバグレーティング５１１、５１２、５２１、５０３は対象とする波長の光に対して高反射率（９９％以上）を有し、ファイバグレーティング５２２は対象とする波長の光に対して低反射率（約５０％）を有するように構成されている。
ここで、ＴＥＣファイバ５３０は、希土類ドープファイバ５１０と光ファイバ５２０との間に配置され、希土類ドープファイバ５１０のモードフィールド径と光ファイバ５２０のモードフィールド径とが相互に変換される界分布変換手段である。このＴＥＣファイバ５３０は、図７に示されるように、熱処理によりコアの屈折率分布を一部拡大することにより界分布を拡大することができる光ファイバであり、希土類ドープファイバ５１０および光ファイバ５２０に融着接続されている。また、一対のファイバグレーティング５１１、５１２により構成される第１の共振器が、誘導放出効果によるレーザ発振領域（希土類ドープファイバレーザ発振領域）を構成し、一対のファイバグレーティング５２１、５２２により構成される第２の共振器が、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域（ラマンファイバレーザ発振領域）を構成している。そして、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域が、誘導放出効果による波長λ_１のレーザ発振領域の内部に構成されている。
つぎに、この実施例４によるファイバレーザ装置５００の動作について説明する。
まず、波長λ_０（＝９７５ｎｍ）の励起光が希土類ドープファイバ５１０のコアに入力される。このとき、励起光がファイバグレーティング５０３により反射されて希土類ドープファイバ５１０を高いパワーで折り返し伝搬するので、誘導放出効果によるレーザ発振が高効率で行われる。
希土類ドープファイバ５１０に入力された励起光は、希土類ドープファイバ５１０のコアを伝搬しコアを通過する際にＹｂを励起している。その結果、誘導放出効果により一対のファイバグレーティング５１１、５１２の間で波長λ_１（＝１０６４ｎｍ）のレーザ光が発振される。そして、光ファイバ５２０が波長λ_１の希土類ドープファイバレーザ発振領域の内部にあるので、波長λ_１のレーザ光が誘導ラマン散乱の励起光として光ファイバ５２０を伝搬する際に波長λ_２（＝１１１６ｎｍ）付近に利得を持たせる。その結果、誘導ラマン散乱により一対のファイバグレーティング５２１、５２２の間で波長λ_２のレーザ光が発振される。このとき、誘導ラマン散乱の波長λ_１の励起光が光ファイバ５２０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ光の発振が高効率で行われる。
この波長λ_２のレーザ光の一部が、ファイバグレーティング５２２を透過し光ファイバ５２０から出力される。
また、希土類ドープファイバ５１０のモードフィールド径と光ファイバ５２０のモードフィールド径とがＴＥＣファイバ５３０により相互に変換されているので、誘導放出効果によるレーザ光の融着接続部５５１、５５２における界分布不整合損失が少なく、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振が高効率で行われる。さらに、光ファイバ５２０のモードフィールド径が小さく、誘導ラマン散乱の励起光は光ファイバ５２０を高いパワー密度で折り返し伝搬しているので、誘導ラマン散乱によるレーザ発振が高効率で行われる。
以上のように、実施例４によるファイバレーザ装置５００では、波長λ_０の励起光から所望の波長λ_２のレーザ光への波長変換において高効率化を実現している。
実施例５．
図８はこの発明の実施例５によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図８において、ファイバレーザ装置６００は、石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＹｂ／Ｅｒがドープされた希土類ドープファイバ６１０（誘導放出用光ファイバ）と、石英系の光ファイバ６２０（非線形用光ファイバ）と、希土類ドープファイバ６１０と光ファイバ６２０とに形成された誘導放出効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング６１１、６１２により構成される第１の共振器と、光ファイバ６２０に形成された非線形効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング６２１、６２２により構成される第２の共振器と、希土類ドープファイバ６１０に形成され、波長λ_０（＝９７５ｎｍ）の励起光を反射する励起光反射手段としてのファイバグレーティング６０３とを備えている。そして、一対のファイバグレーティング６１１、６１２は入射された波長λ_０の励起光により反転分布の状態にされたＹｂ／Ｅｒから誘導放出効果によって放出される波長λ_１（＝１５５０ｎｍ）の光を反射するように構成され、一対のファイバグレーティング６２１、６２２は波長λ_１の励起光の通過により得られる波長λ_２（＞１５５０ｎｍ）の光を反射するように構成されている。また、ファイバグレーティング６１１、６１２、６２１、６０３は対象とする波長の光に対して高反射率（９９％以上）を有し、ファイバグレーティング６２２は対象とする波長の光に対して低反射率（約５０％）を有するように構成されている。
ここで、希土類ドープファイバ６１０と光ファイバ６２０とはほぼ等しいモードフィールド径を有し、融着接続法を用いて直列に接続されている。また、一対のファイバグレーティング６１１、６１２により構成される第１の共振器が、誘導放出効果によるレーザ発振領域（希土類ドープファイバレーザ発振領域）を構成し、一対のファイバグレーティング６２１、６２２により構成される第２の共振器が、誘導ブリルアン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域（ブリルアンファイバレーザ発振領域）を構成している。そして、誘導ブリルアン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域が、誘導放出効果による波長λ_１のレーザ発振領域の内部に構成されている。
つぎに、この実施例５によるファイバレーザ装置６００の動作について説明する。
まず、波長λ_０（＝９７５ｎｍ）の励起光が希土類ドープファイバ６１０のコアに入力される。このとき、励起光がファイバグレーティング６０３により反射されて希土類ドープファイバ６１０を高いパワーで折り返し伝搬するので、高効率で誘導放出効果によるレーザ発振を行うことができる。
希土類ドープファイバ６１０に入力された励起光は、希土類ドープファイバ６１０のコアを伝搬しコアを通過する際にＹｂを励起し、ＹｂからＥｒへのエネルギー移動によりＥｒが励起される。その結果、誘導放出効果により一対のファイバグレーティング６１１、６１２の間で波長λ_１（＝１５５０ｎｍ）のレーザ光が発振される。そして、光ファイバ６２０が波長λ_１の希土類ドープファイバレーザ発振領域の内部にあるので、波長λ_１のレーザ光が誘導ブリルアン散乱の励起光として光ファイバ６２０を伝搬する際に波長λ_１より１０ＧＨｚ程度低い周波数（波長λ_２＞１５５０ｎｍ）に利得を持たせる。その結果、誘導ブリルアン散乱により一対のファイバグレーティング６２１、６２２の間で波長λ_２（＞１５５０ｎｍ）のレーザ光が発振される。このとき、誘導ブリルアン散乱の波長λ_１の励起光が光ファイバ６２０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ブリルアン散乱による波長λ_２のレーザ光の発振が高効率で行われる。
この波長λ_２のレーザ光の一部が、ファイバグレーティング６２２を透過し光ファイバ６２０から出力される。
また、波長λ_２のブリルアンファイバレーザ発振領域の内部には石英系ファイバ６２０があるため、波長λ_２のレーザ光は誘導ブリルアン散乱の励起光として石英系ファイバ６２０を伝搬する際に波長λ_２より１０ＧＨｚ程度の低い周波数に利得を持たせる。その結果、誘導ブリルアン散乱により一対のファイバグレーティング６２１、６２２の間で波長λ_２から１０ＧＨｚ程度の間隔で多波長のレーザ光が次々と発振される。これにより、誘導ブリルアン散乱の励起光は光ファイバ６２０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ブリルアン散乱による多波長のレーザ発振が高効率で行われる。
そして、多波長の発振するレーザ光の一部が、ファイバグレーティング６２２を透過し光ファイバ６２０から出力される。
ここで、希土類ドープファイバ６１０と光ファイバ６２０はほぼ等しいモードフィールド径であるため、ファイバの融着接続部６５１における誘導放出効果により発振するレーザ光の界分布不整合損失が少ない。そこで、高パワーのレーザ発振が一対のファイバグレーティング６１１、６１２で構成される第１の共振器内部で行われ、誘導ブリルアン散乱によるレーザ発振が高効率で行われる。
以上のように、実施例５によるファイバレーザ装置６００では、波長λ_０の励起光から所望の波長λ_２以上で多波長のレーザ光への波長変換において高効率化を実現している。
実施の形態６．
図９はこの発明の実施例６によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図９において、ファイバレーザ装置７００は、石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＥｒがドープされた２重のクラッド構造の希土類ドープファイバ７１０（誘導放出用光ファイバ）と、石英系の光ファイバの中心をなすコアに活性物質としてのＧｅが多くドープされたＧｅドープファイバ７２０（非線形用光ファイバ）と、希土類ドープファイバ７１０とＧｅドープファイバ７２０とに形成された誘導放出効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング７１１、７１２により構成される第１の共振器と、Ｇｅドープファイバ７２０に形成された非線形効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング７２１、７２２により構成される第２の共振器と、Ｇｅドープファイバ７２０に形成された非線形効果用反射手段としての一対のファイバグレーティング７３１、７３２により構成される第３の共振器とを備えている。そして、一対のファイバグレーティング７１１、７１２は入射された波長λ_０の励起光により反転分布の状態にされたＥｒから誘導放出効果によって放出される波長λ_１（＝１５５０ｎｍ）の光を反射するように構成され、一対のファイバグレーティング７２１、７２２は波長λ_１の励起光の通過により得られる波長λ_２（＝１６６０ｎｍ）の光を反射するように構成され、一対のファイバグレーティング７３１、７３２は波長λ_２の励起光の通過により得られる波長λ_３（＞１６６０ｎｍ）の光を反射するように構成されている。また、ファイバグレーティング７１１、７１２、７２１、７２２、７３１は対象とする波長の光に対して高反射率（９９％以上）を有し、ファイバグレーティング７３２は対象とする波長の光に対して低反射率（約５０％）を有するように構成されている。
ここで、希土類ドープファイバ７１０とＧｅドープファイバ７２０とはほぼ等しいモードフィールド径を有し、融着接続法を用いて直列に接続されている。また、一対のファイバグレーティング７１１、７１２により構成される第１の共振器が、誘導放出効果によるレーザ発振領域（希土類ドープファイバレーザ発振領域）を構成し、一対のファイバグレーティング７２１、７２２により構成される第２の共振器が、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域（ラマンファイバレーザ発振領域）を構成し、一対のファイバグレーティング７３１、７３２により構成される第３の共振器が、誘導ブリルアン散乱による波長λ_３のレーザ発振領域（ブリルアンファイバレーザ発振領域）を構成している。そして、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ発振領域および誘導ブリルアン散乱による波長λ_３のレーザ発振領域が、その一部を重複して、誘導放出効果による波長λ_１のレーザ発振領域の内部に構成されている。
つぎに、この実施例６によるファイバレーザ装置７００の動作について説明する。
まず、波長λ_０（＝９８０ｎｍ）の励起光が希土類ドープファイバ７１０の第１クラッドに入力される。このとき、上記実施例１の場合と同様に、２重のクラッド構造である希土類ドープファイバ７１０は高パワーの励起光を入力することが可能であり、高効率で誘導放出効果によるレーザ発振を行うことができる。
希土類ドープファイバ７１０に入力された励起光は、希土類ドープファイバ７１０の第１クラッドを伝搬しコアを通過する際にＥｒを励起している。その結果、誘導放出効果により一対のファイバグレーティング７１１、７１２の間で波長λ_１（＝１５５０ｎｍ）のレーザ光が発振される。そして、Ｇｅドープファイバ７２０が波長λ_１の希土類ドープファイバレーザ発振領域の内部にあるので、波長λ_１のレーザ光が誘導ラマン散乱の励起光としてＧｅドープファイバ７２０を伝搬する際に波長λ_２（＝１６６０ｎｍ）付近に利得を持たせる。その結果、誘導ラマン散乱により一対のファイバグレーティング７２１、７２２の間で波長λ_２のレーザ光が発振される。このとき、誘導ラマン散乱の波長λ_１の励起光がＧｅドープファイバ７２０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ラマン散乱による波長λ_２のレーザ光の発振が高効率で行われる。
そして、Ｇｅドープファイバ７２０が波長λ_２のラマンファイバレーザ発振領域の内部にあるので、波長λ_２のレーザ光が誘導ブリルアン散乱の励起光としてＧｅドープファイバ７２０を伝搬する際に波長λ_２より１０ＧＨｚ程度低い周波数に利得を持たせる。その結果、誘導ブリルアン散乱により一対のファイバグレーティング７３１、７３２の間で波長λ_３（＞１６６０ｎｍ）のレーザ光が発振される。このとき、誘導ブリルアン散乱の波長λ_２の励起光がＧｅドープファイバ７２０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ブリルアン散乱による波長λ_３のレーザ光の発振が高効率で行われる。
この波長λ_３のレーザ光の一部が、ファイバグレーティング７３２を透過しＧｅドープファイバ７２０から出力される。
また、波長λ_３のブリルアンファイバレーザ発振領域の内部にはＧｅドープファイバ７２０があるため、波長λ_３のレーザ光は誘導ブリルアン散乱の励起光としてＧｅドープファイバ７２０を伝搬する際に波長λ_３より１０ＧＨｚ程度の低い周波数に利得を持たせる。その結果、誘導ブリルアン散乱により一対のファイバグレーティング７３１、７３２の間で波長λ_２から１０ＧＨｚ程度の間隔で多波長のレーザ光が次々と発振される。これにより、誘導ブリルアン散乱の励起光はＧｅドープファイバ７２０を高いパワーで折り返し伝搬しているため、誘導ブリルアン散乱による多波長のレーザ発振が高効率で行われる。
そして、多波長の発振するレーザ光の一部が、ファイバグレーティング７３２を透過しＧｅドープファイバ７２０から出力される。
ここで、希土類ドープファイバ７１０とＧｅドープファイバ７２０はほぼ等しいモードフィールド径であるため、ファイバの融着接続部７５１における誘導放出効果により発振するレーザ光の界分布不整合損失が少ない。そこで、高パワーのレーザ発振が一対のファイバグレーティング７１１、７１２で構成される第１の共振器内部で行われ、誘導ブリルアン散乱によるレーザ発振が高効率で行われる。
以上のように、実施例６によるファイバレーザ装置７００では、波長λ_０の励起光から所望の波長λ_３以上で多波長のレーザ光への波長変換において高効率化を実現している。
なお、上記各実施例では、誘導放出用光ファイバおよび非線形用光ファイバとして石英系の光ファイバを用いている。これにより、石英系光ファイバを伝搬するレーザ光の損失は少なく、誘導ラマン散乱および誘導ブリルアン散乱によるレーザ発振が高効率で行われる。さらに、ファイバ同士を融着接続法で接続すること、各反射手段としてファイバグレーティングをファイバに形成することが容易となり、単純に光ファイバのみで共振器を簡易に構成することができるようになる。そこで、発振するレーザ光における損失が少なくなり、誘導ラマン散乱および誘導ブリルアン散乱によるレーザ発振が高効率で行われるようになる。
また、上記各実施例では、非線形用光ファイバとして石英系の光ファイバを用いているが、非線形用光ファイバは石英系の光ファイバに限定されるものではなく、励起光を入力して非線形効果を生じるものであれば良く、例えばリン酸系の光ファイバに活性物質をドープしたものでも良い。この場合、反射手段としてのファイバグレーティングが形成しにくくなるので、リン酸系の光ファイバのモードフィールド径とほぼ等しいモードフィールド径の石英系の光ファイバをリン酸系の光ファイバの両端に融着接続し、両石英系の光ファイバにファイバグレーティングを形成すれば、単純に光ファイバのみで共振器を簡易に構成することができるようになる。この時、直列に接続された石英系の光ファイバとリン酸系の光ファイバとが非線形用光ファイバを構成している。
以上述べたように、この発明によれば、波長λ_０の励起光を入力し、励起光と異なる波長のレーザ光を出力するファイバレーザ装置において、上記波長λ_０の励起光により誘導放出効果を活性化させる活性媒質がドープされた誘導放出用光ファイバと、上記誘導放出用光ファイバの少なくとも一部を含み、上記波長λ_０の励起光として上記誘導放出効果により波長λ_１（λ_１≠λ_０）のレーザ光を発振させる誘導放出効果用光共振器を構成するように、離間して配置された一対の誘導放出効果用反射手段と、上記波長λ_１のレーザ光を励起光として非線形効果を生じる非線形用効果光ファイバと、上記非線形用光ファイバの少なくとも一部を含み、上記波長λ_１のレーザ光を励起光として上記非線形効果により波長λ_ｉ（λ_ｉ≠λ_０かつλ_ｉ≠λ_１）のレーザ光を発振させる非線形効果用光共振器を構成するように、離間して配置された非線形効果用反射手段とを有し、上記誘導放出用光ファイバの少なくとも一部と上記非線形用光ファイバの少なくとも一部とが上記一対の誘導放出効果用反射手段の間に配置され、上記非線形効果用光共振器の少なくとも一部が上記誘導放出効果用光共振器の内部に構成されている。これにより、誘導放出効果用共振器の内部で発振された高パワーのレーザ光を非線形効果用共振器の励起光として直接利用できるので、非線形効果によるレーザ発振を高効率で行わせることができるファイバレーザ装置が得られる。
また、上記非線形効果用反射手段は、それぞれ上記波長λ_ｉのレーザ光（λ_ｉ＝λ_ｉ−１＋Δλ_ｉ：Δλ_ｉは波長λ_ｉ−１のレーザ光を励起光としたときに上記非線形効果によって得られる波長λ_ｉ−１からのシフト量、ｉ＝２，・・・、ｎ＋１：ｎは２以上の整数）を反射するように規定された複数対の反射手段で構成され、上記複数対の反射手段は、上記波長λ_ｉのレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置する上記非線形用光ファイバの少なくとも一部が上記波長λ_ｉ＋１のレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置するように配置され、かつ、上記波長λ_２のレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置する上記非線形用光ファイバの少なくとも一部が上記波長λ_１のレーザ光を反射する上記一対の誘導放出効果用反射手段間に位置するように配置されているので、複数回の非線形効果によるレーザ発振を高効率で行わせることができる。
また、上記非線形用光ファイバは、それぞれ上記波長λ_ｉのレーザ光（λ_ｉ＝λ_ｉ−１＋Δλ_ｉ：Δλ_ｉは波長λ_ｉ−１のレーザ光を励起光としたときに上記非線形効果によって得られる波長λ_ｉ−１からのシフト量、ｉ＝２，・・・、ｎ＋１：ｎは２以上の整数）を励起光として上記非線形効果を生じる複数本の光ファイバで構成され、上記非線形効果用反射手段は、それぞれ上記波長λ_ｉのレーザ光を励起光として上記非線形効果を生じる上記光ファイバの少なくとも一部を含むように、かつ、上記波長λ_ｉのレーザ光を反射するように規定された複数対の反射手段で構成され、上記複数対の反射手段は、上記波長λ_ｉのレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置する上記光ファイバの少なくとも一部が上記波長λ_ｉ＋１のレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置するように配置され、かつ、上記波長λ_２のレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置する上記光ファイバの少なくとも一部が上記波長λ_１のレーザ光を反射する上記一対の誘導放出効果用反射手段間に位置するように配置されているので、複数回の非線形効果によるレーザ発振を高効率で行わせることができる。
また、上記誘導放出用光ファイバおよび上記非線形用光ファイバが、石英系光ファイバであるので、光ファイバを伝搬するレーザ光の損失が少なくなり、非線形効果によるレーザ発振が高効率で行われる。
また、上記誘導放出用光ファイバは、コアの外周に少なくとも２重のクラッド構造が形成されているので、誘導放出用光ファイバに高パワーの励起光を入力することが可能となり、誘導放出効果によるレーザ発振が高効率で行われ、高パワーのレーザ光が得られる。
また、上記誘導放出用光ファイバが、上記非線形用光ファイバを兼用しているので、ファイバレーザ装置の構成の簡素化が図られる。
また、上記非線形用光ファイバのモードフィールド径が、上記誘導放出用光ファイバのモードフィールド径と同等に形成されているので、誘導放出用光ファイバと非線形用光ファイバとの接続部におけるレーザ光の界分布不整合損失が低減される。
また、界分布変換手段が上記誘導放出用光ファイバと上記非線形用光ファイバとの間に配置され、上記誘導放出用光ファイバのモードフィールド径と上記非線形用光ファイバのモードフィールド径とが上記界分布変換手段により相互に変換されるように構成されているので、誘導放出用光ファイバと非線形用光ファイバとの接続部におけるレーザ光の界分布不整合損失が低減される。
また、上記波長λ_０の励起光を反射する励起光反射手段が、上記誘導放出用光ファイバの少なくとも一部に配置され、上記波長λ_０の励起光が上記一対の誘導放出効果用反射手段間に位置する上記誘導放出用光ファイバを折り返し伝搬するように構成されているので、誘導放出効果によるレーザ発振が高パワーで行われる。
また、上記誘導放出効果用反射手段および上記非線形効果用反射手段は、上記誘導放出用光ファイバおよび上記非線形用光ファイバに形成されたファイバグレーティングで構成されているので、各共振器を光ファイバのみで構成でき、発振するレーザ光における損失が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
図１はこの発明によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図２は図１に示すファイバレーザ装置における誘導放出用光ファイバと非線形用光ファイバとを伝播するパワー分布を示す図である。
図３はこの発明の実施例１によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図４はこの発明の実施例２によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図５はこの発明の実施例３によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図６はこの発明の実施例４によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図７はこの発明の実施例４によるファイバレーザ装置におけるＴＥＣファイバの界分布変換効果を説明する図である。
図８はこの発明の実施例５によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図９はこの発明の実施例６によるファイバレーザ装置を模式的に示す構成図である。
図１０は従来のカスケードラマンファイバレーザ装置を示す模式的に構成図である。
図１１は従来のラマンファイバレーザ装置を示す模式的に構成図である。
図１２は図１１に示す従来のラマンファイバレーザ装置における誘導放出用光ファイバと非線形用光ファイバとを伝播するパワー分布を示す図である。

Claims (10)

1. 波長λ_０の励起光を入力し、励起光と異なる波長のレーザ光を出力するファイバレーザ装置において、
   上記波長λ_０の励起光により誘導放出効果を活性化させる活性媒質がドープされた誘導放出用光ファイバと、
   上記誘導放出用光ファイバの少なくとも一部を含み、上記波長λ_０の励起光として上記誘導放出効果により波長λ_１（λ_１≠λ_０）のレーザ光を発振させる誘導放出効果用光共振器を構成するように、離間して配置された一対の誘導放出効果用反射手段と、
   上記波長λ_１のレーザ光を励起光として非線形効果を生じる非線形用効果光ファイバと、
   上記非線形用光ファイバの少なくとも一部を含み、上記波長λ_１のレーザ光を励起光として上記非線形効果により波長λ_ｉ（λ_ｉ≠λ_０かつλ_ｉ≠λ_１）のレーザ光を発振させる非線形効果用光共振器を構成するように、離間して配置された非線形効果用反射手段とを有し、
   上記誘導放出用光ファイバの少なくとも一部と上記非線形用光ファイバの少なくとも一部とが上記一対の誘導放出効果用反射手段の間に配置され、上記非線形効果用光共振器の少なくとも一部が上記誘導放出効果用光共振器の内部に構成されていることを特徴とするファイバレーザ装置。
2. 上記非線形効果用反射手段は、それぞれ上記波長λ_ｉのレーザ光（λ_ｉ＝λ_ｉ−１＋Δλ_ｉ：Δλ_ｉは波長λ_ｉ−１のレーザ光を励起光としたときに上記非線形効果によって得られる波長λ_ｉ−１からのシフト量、ｉ＝２，・・・、ｎ＋１：ｎは２以上の整数）を反射するように規定された複数対の反射手段で構成され、
   上記複数対の反射手段は、上記波長λ_ｉのレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置する上記非線形用光ファイバの少なくとも一部が上記波長λ_ｉ＋１のレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置するように配置され、かつ、上記波長λ_２のレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置する上記非線形用光ファイバの少なくとも一部が上記波長λ_１のレーザ光を反射する上記一対の誘導放出効果用反射手段間に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
3. 上記非線形用光ファイバは、それぞれ上記波長λ_ｉのレーザ光（λ_ｉ＝λ_ｉ−１＋Δλ_ｉ：Δλ_ｉは波長λ_ｉ−１のレーザ光を励起光としたときに上記非線形効果によって得られる波長λ_ｉ−１からのシフト量、ｉ＝２，・・・、ｎ＋１：ｎは２以上の整数）を励起光として上記非線形効果を生じる複数本の光ファイバで構成され、
   上記非線形効果用反射手段は、それぞれ上記波長λ_ｉのレーザ光を励起光として上記非線形効果を生じる上記光ファイバの少なくとも一部を含むように、かつ、上記波長λ_ｉのレーザ光を反射するように規定された複数対の反射手段で構成され、
   上記複数対の反射手段は、上記波長λ_ｉのレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置する上記光ファイバの少なくとも一部が上記波長λ_ｉ＋１のレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置するように配置され、かつ、上記波長λ_２のレーザ光を反射する上記対をなす反射手段間に位置する上記光ファイバの少なくとも一部が上記波長λ_１のレーザ光を反射する上記一対の誘導放出効果用反射手段間に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
4. 上記誘導放出用光ファイバおよび上記非線形用光ファイバが、石英系光ファイバであることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
5. 上記誘導放出用光ファイバは、コアの外周に少なくとも２重のクラッド構造が形成されていることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
6. 上記誘導放出用光ファイバが、上記非線形用光ファイバを兼用していることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
7. 上記非線形用光ファイバのモードフィールド径が、上記誘導放出用光ファイバのモードフィールド径と同等に形成されていることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
8. 界分布変換手段が上記誘導放出用光ファイバと上記非線形用光ファイバとの間に配置され、上記誘導放出用光ファイバのモードフィールド径と上記非線形用光ファイバのモードフィールド径とが上記界分布変換手段により相互に変換されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
9. 上記波長λ_０の励起光を反射する励起光反射手段が、上記誘導放出用光ファイバの少なくとも一部に配置され、上記波長λ_０の励起光が上記一対の誘導放出効果用反射手段間に位置する上記誘導放出用光ファイバを折り返し伝搬するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
10. 上記誘導放出効果用反射手段および上記非線形効果用反射手段は、上記誘導放出用光ファイバおよび上記非線形用光ファイバに形成されたファイバグレーティングで構成されていることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。

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