JPWO2009001852A1 - 反射光耐性の優れたファイバレーザ - Google Patents

Abstract

このファイバレーザは、パルス発振器と、前記パルス発振器の後段に接続された希土類添加光ファイバを利得媒体とした第１の光ファイバ増幅器とを有するＭＯ−ＰＡ方式のファイバレーザであって、パルス発振器と光ファイバ増幅器との間に波長変換部を有し、且つ前記波長変換部とパルス発振器との間に、パルス発振器から発せられるパルス光の波長成分のみを透過する波長フィルタを有するので、高価な光部品を使用せずに反射光によるファイバレーザの破損を防止することが可能である。

Description

本発明は、ＭＯ−ＰＡ方式のファイバレーザに関し、特に、パルス光出力で反射光耐性に優れたファイバレーザに関する。
本願は、２００７年０６月２７日に、日本に出願された特願２００７−１６９０４２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、高出力ファイバレーザの開発が進んだことで、加工機や医療機器、測定器など様々な分野でファイバレーザが利用されるようになってきた。特に、材料加工の分野においては、ファイバレーザが他のレーザに比べて集光性に優れ、パワー密度の高い大変小さなビームスポットが得られるため精密加工が可能なこと、また、非接触加工であり、かつレーザ光の吸収可能な硬い物質への加工も可能であることなどから、急速に用途が拡大している。

パルス出力のファイバレーザは、一般に、パルス発振器（ＭＯ：Master Oscillator）で比較的パワーの低いパルス光を発生させ、このパルス光を光ファイバ増幅器（ＰＡ：Power Amplifier）で所望の出力まで増幅するＭＯ−ＰＡ方式なる構成をとる。図１にＭＯ−ＰＡ方式の高出力ファイバレーザの概略図を示す。１つの光ファイバ増幅器で所望の出力まで増幅できない場合には、複数の光ファイバ増幅器をカスケード接続して使用する場合もある。

しかしながら、ＭＯ−ＰＡ方式の光ファイバレーザ、特に１０Ｗ以上を出力するような高出力のファイバレーザは、反射光により故障しやすいという欠点を持つ。例えば、ファイバレーザで加工を行うと、いったんファイバレーザから出力されたレーザ光が加工対象物の表面で反射され、その一部が再びファイバレーザへと戻ってくる場合がある。この反射光は微弱ではあるが、ＰＡ内をＭＯに向かって通過する際に増幅されてパワーが大きくなり、ＭＯを構成する光部品や、ＭＯとＰＡの間に配置された光部品を破壊してしまうことがある。

また、ＰＡでパルス光の増幅が起こり、次のパルス光がＰＡに入射するまでの間にはＰＡに使用されている希土類添加光ファイバからＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光が出力されている。この光が加工対象物によって反射されて、再びＰＡへと入射してきた場合には、寄生発振が発生することがある。寄生発振が発生すると、ＰＡからＭＯに向かって非常に尖塔値の高いパルス光が発せられることがあり、このパルス光によってＭＯを構成する光部品や、ＭＯとＰＡの間に配置された光部品を破壊してしまうことがある。

反射光からＭＯの光部品やＭＯとＰＡの間に配置された光部品を保護するには、例えば特許文献１に開示されているように、アイソレータを用いることが考えられる。ここでは光通信用の光ファイバ増幅器において後段の光ファイバ増幅器から発せられるＡＳＥ光が前段の光ファイバ増幅器に入射するのを防ぐためにアイソレータを使用することが提案されている。同様にファイバレーザにおいてはＰＡの直前にアイソレータを配置することでＭＯやＭＯとＰＡの間に配置された光部品に反射光が入射するのを防ぐことができる。
特許第２６１９０９６号公報 特開２００２−２９６６３０号公報 米国特許第５８６４６４４号明細書 G. Bouwmans, "Fabrication and characterization of an allsolid 2D photonic bandgap fiber with a low-loss region (<20dB/km) around 1550nm"OPTICS EXPRESS 17, Vol. 13, No. 21, 2005, pp8452-8459

しかしながら、特許文献１に開示されているように、アイソレータを用いた場合であっても、このアイソレータが正常に機能するのは、ファイバレーザの出力が比較的低い数百ｍＷ程度までである。数Ｗ程度まで使用可能なアイソレータも市販されてはいるものの、その価格は非常に高い。

さらには、アイソレータの挿入損失はアイソレータの構成要素であるファラデーローテータに大きく依存している。しかし、ファラデーローテータに使用できる材料は限られており、所望の波長帯域で低損失なアイソレータを入手するのは困難な場合がある。特に数Ｗ以上のレーザ光が通過する場所にアイソレータを使用する場合にはわずかな損失（通常のファラデーローテータの損失は０．５ｄＢ程度）であっても、その損失から熱が発生し破壊に至る。

さらには、寄生発振はＰＡで使用される希土類添加光ファイバの蛍光波長領域内（波長領域で１００ｎｍ程度）のどの波長でも発生しうるが、アイソレータのアイソレーションが十分大きく取れるのは１０ｎｍ程度の波長領域であり、それ以外の波長ではアイソレーションが低く、寄生発振が起こるのを防ぎきれない場合がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、パルス高出力のＭＯ−ＰＡ方式ファイバレーザにおいて、高価な光部品を使用せずに反射光によるファイバレーザの破損を防止することが可能なファイバレーザの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、パルス発振器と、前記パルス発振器の後段に接続された希土類添加光ファイバを利得媒体とした第１の光ファイバ増幅器とを有するＭＯ−ＰＡ方式のファイバレーザであって、パルス発振器と光ファイバ増幅器との間に波長変換部を有し、且つ前記波長変換部とパルス発振器との間に、パルス発振器から発せられるパルス光の波長成分のみを透過する波長フィルタを有するファイバレーザを提供する。

本発明のファイバレーザにおいて、前記波長変換部と前記光ファイバ増幅器との間に、前記パルス発振器から発せられるパルス光が波長変換部で波長変換された後の波長のみを透過する波長フィルタを有することが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、前記波長変換部は、パルス発振器から発せられたパルス光の波長を第１の光ファイバ増幅器で増幅可能な波長に変換するものであることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、前記波長変換部は、誘導ラマン散乱を生じる波長変換用ファイバであることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、前記波長変換用ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバであることが好ましい。

本発明のファイバレーザにおいて、前記波長変換部は、第２の光ファイバ増幅器であることが好ましい。

前記ファイバレーザにおいて、さらに波長変換を起こしやすくするための種光光源を有し、種光光源はパルス発振器に同期し、かつパルス発振器から発せられたパルス光が第２の光ファイバ増幅器で波長変換された後の波長と同じ波長を持つ光を発し、パルス発振器からのパルス光が入射されるのと同じ方向から第２の光ファイバ増幅器に入射する構成とすることが好ましい。

本発明のファイバレーザは、パルス発振器（ＭＯ）と光ファイバ増幅器（ＰＡ）との間に波長変換部を有し、且つ前記波長変換部とパルス発振器との間に、パルス発振器から発せられるパルス光の波長成分のみを透過する波長フィルタを有する構成としたので、パルス発振器から発せられるパルス光の波長と反射光パルスの波長とが異なるので、アイソレータを使用せずに波長変換器の前後にＢＰＦ等の波長フィルタを使用して、反射光パルスからも部品を保護することができる。
また、非常に高価なアイソレータを使用しなくて良いので、ファイバレーザのコストを下げることができる。
また、波長変換にはラマン散乱を用いるので、パルス発振器から発せられるパルス光の波長によらず波長変換を起こすことができる。
また、波長変換に光ファイバ増幅器を用いることで、ＰＡに入射するパルス光のパワーを大きくすることができるので、所定の出力を得るための励起パワーは少なくてすみ、ファイバレーザのコストを抑えることができる。
また、波長変換に光ファイバ増幅器を用いることで、ＰＡに入射するパルス光のパワーを大きくすることができるので、所定の出力を得るための励起パワーは少なくてすみ、ＰＡの寄生発振を抑制できるので、ファイバレーザの信頼性を向上することができる。

ＭＯ−ＰＡ方式のファイバレーザの基本構成を例示する構成図である。 本発明のファイバレーザの一実施形態を示す構成図である。 本発明のファイバレーザにおけるＭＯの構造の一例を示す構成図である。 本発明のファイバレーザにおけるＰＡの構造の一例を示す構成図である。 実施例１で作製したファイバレーザのＭＯから発したパルス光の波長スペクトルを示す図である。 実施例１において波長変換後のパルス光の波長スペクトルを示す図である。 実施例１において波長変換後、波長フィルタ通過後の光の波長スペクトルを示す図である。 実施例１において波長変換時のパルス波形の変化を説明する図である。 実施例１において波長変換後のパルス波形を示す図である。 実施例１においてＰＡからＭＯに戻る反射光パルスの平均パワーと第１の波長フィルタを通過してＭＯに入射する反射光パルスのパワーの計測結果を示す図である。 実施例２で用いた波長変換用のＰＢＧＦの断面図である。 実施例２で用いた波長変換用のＰＢＧＦの径方向の屈折率プロファイルを示す図である。 実施例２において波長変換器として用いたＰＢＧＦからの出力波長スペクトルを示す図である。 実施例３で作製したファイバレーザの構成を示す図である。 実施例３で作製したファイバレーザからの出力の波長スペクトルを示す図である。 実施例４で作製したファイバレーザからの出力の波長スペクトルを示す図である。

符号の説明

１００…ファイバレーザ、１１０…ＭＯ、１２０…ＰＡ、１３０…波長変換器、１４０…第１の波長フィルタ、１５０…第２の波長フィルタ、１１１…励起光源、１１２…ＷＤＭカプラ、１１３…希土類添加光ファイバ、１１４…アイソレータ、１１５…出力カプラ、１１７…バンドパスフィルタ、１１８…光スイッチ、１２１…励起光源、１２２…信号ポート、１２３…光結合器、１２４…出射ポート、１２５…希土類添加ダブルクラッドファイバ、５００…ＰＢＧＦ、５０１…低い屈折率の領域、５０２…屈折率の高い部分。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２は、本発明のファイバレーザの一実施形態を示す構成図である。本実施形態のファイバレーザ１００は、パルス発振器（以下、ＭＯと記す。）１１０と、光ファイバ増幅器（以下、ＰＡと記す）１２０との間に、波長変換器１３０を設け、ＭＯ１１０と波長変換器１３０との間に第１の波長フィルタ１４０を設け、且つ波長変換器１３０とＰＡ１２０との間に第２の波長フィルタ１５０を設けて構成されている。ＭＯ−ＰＡ間に設けられた第１の波長フィルタ１４０と、波長変換器１３０と、第２の波長フィルタ１５０とは、ＭＯ１１０から発せられたパルス光がＰＡ１２０に向かって通過する場合には以下の働きをする。

ＭＯ１１０から発せられたパルス光は、第１の波長フィルタ１４０を通過し、波長変換器１３０に入射される。波長変換器１３０は、入射されたパルス光の波長を変換する。変換後の波長は、ＰＡ１２０で所望の出力まで増幅できるよう、ＰＡ１２０の利得波長帯域内になるようにする。第２の波長フィルタ１５０は、波長変換器１３０で波長が変換されたパルス光は通過し、波長変換器１３０で波長変換されなかった成分は遮断する。このようにして、第２の波長フィルタ１５０を通過してきたパルス光は、ＰＡ１２０で所望の出力まで増幅されて出力される。

一方、第１の波長フィルタ１４０、波長変換器１３０、第２の波長フィルタ１５０は、反射光に対しては以下のような働きをする。いったん出力されたレーザ光が外部の反射などにより、再びＰＡ１２０に入射されると、わずかな反射光であってもＰＡ１２０を通過する間に増幅され、高強度のパルスとなって第２のフィルタ１５０へと入射する。第２の波長フィルタ１５０に入射した反射光パルスは、波長変換器１３０からＰＡ１２０に入射されるパルスと同じ波長であるので、第２の波長フィルタ１５０に遮断されることなく通過し、波長変換器１３０へと入射する。波長変換器１３０を通過した反射光パルスは、第１の波長フィルタ１４０に入射するが、反射光パルスの波長は、元々発せられたＭＯ１１０の波長とは異なる波長を有するので、第１の波長フィルタ１４０で遮断される。以上のように、アイソレータを使用することなく、ＭＯ１１０に入射する反射光パルスを遮断できるので、反射光によってＭＯ１１０内の部品が故障することを防止できる。
以下、具体的な実施例を説明する。

ＭＯ１１０はレーザ発振器で、本実施例ではファイバリングレーザを使用した。このファイバリングレーザは、図３に示すように、励起光源１１１と、励起光とレーザ光を合波するＷＤＭカプラ１１２と、利得媒質である希土類添加光ファイバ１１３と、アイソレータ１１４と、バンドパスフィルタ１１７と、光スイッチ１１８と、出力カプラ１１５とからなる。励起光源１１１から出射された励起光は、ＷＤＭカプラ１１２を介して希土類添加光ファイバ１１３へと入射される。希土類添加光ファイバ１１３に入射した励起光は、希土類添加光ファイバ１１３のコアに添加された希土類イオンに吸収され、希土類イオンは励起状態となる。励起状態となった希土類イオンは、特定の波長の自然放出光を放出し、この自然放出光は、増幅されながら希土類添加光ファイバ１１３内を伝播し、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）として出力される。ＷＤＭカプラ１１２と、希土類添加光ファイバ１１３と、アイソレータ１１４と、出力カプラ１１５と、バンドパスフィルタ１１７と、光スイッチ１１８とは、リング状に接続されており、バンドパスフィルタ１１７の透過帯域の波長のＡＳＥは、これらの部品を通過して周回し、再び希土類添加光ファイバ１１３で増幅され、やがてはレーザ発振し、その一部が出力カプラ１１５を介してレーザ光として出力される。また光スイッチ素子１１７は、常に低損失な状態にしておけばＣＷ発光し、レーザ出力は連続光として出力される。光スイッチ素子１１７を低損失な状態と高損失な状態を周期的に繰り返すように動作すればパルス発光し、パルス状のレーザ出力が得られる。

本実施例では、ＭＯ１１０の希土類添加光ファイバ１１３としてコアにＹｂイオンが添加され、コア径４μｍ、吸収量５００ｄＢ／ｍのものを使用し、励起光源は希土類添加光ファイバのコアに添加されたＹｂイオンを励起できるように波長９７６ｎｍで発振するものを使用し、光スイッチ素子には音響光学素子（ＡＯＭ）を使用した。励起光源を５００ｍＷ出力できるように駆動し、ＡＯＭを２０ｋＨｚの周期で動作させたところ、ＭＯ出力としてパルス幅５０ｎｓ、ピークパワー７０Ｗ程度のパルス出力が得られた。

ＭＯ１１０には、このようなファイバリングレーザだけでなく、希土類添加光ファイバの両端に共振器ミラーが設けられたファブリペロー型のファイバレーザや連続光を出力している半導体レーザと外部変調器を組み合わせたものなども用いることもできる。

一方、ＰＡ１２０は、図４に示すような構成のＰＡを用いた。
このＰＡ１２０は、励起光源１２１と、光結合器１２３と、希土類添加ダブルクラッドファイバ１２５と、励起光源１２１とからなる。光結合器１２３は、例えば、特許文献３に開示されているような光結合器を用いることができる。この光結合器１２３は、マルチモード光ファイバからなる複数本の励起ポート１２２と、１本のシングルモードファイバとからなる信号ポート１２２とを有し、これらを溶融延伸して一体化することにより形成された一つの出射ポート１２４を有している。

ＭＯ１１０から出射されたレーザ光は、信号ポート１２２から入射され、光結合器１２３を介して希土類添加ダブルクラッドファイバ１２５のコアへと入射される。一方で励起ポート１２２には、励起光源１２１が接続されており、励起光が光結合器１２３を介して希土類添加ダブルクラッドファイバ１２５の第１クラッドへと入射される。希土類添加ダブルクラッドファイバ１２５の第１クラッドへと入射された励起光は、コアに添加された希土類イオンに吸収されて反転分布が形成され、誘導放出が生じることでコア内を伝播するレーザ光が増幅され、レーザ出力として出力される。

本実施例では、ＰＡ１２０の希土類添加ダブルクラッドファイバ１２５として、コアにＹｂイオンが添加されたＹｂ添加ダブルクラッドファイバを用い、前記ファイバのコア径は６μｍ、第１クラッド径は１２５μｍ、コア吸収量は１２００ｄＢ／ｍ＠９７６ｎｍのものを使用した。励起光源は、Ｙｂイオンを励起するために、波長９１５ｎｍの励起光源を使用した。励起光源１台あたりの出力は６Ｗで、これを１２台使用することで、最大で７２Ｗの励起光を入射できるようにした。励起光源の台数（最大パワー）は必要とされるレーザ出力に応じて調節される。また、ＰＡ１２０の出力で所望の出力が得られない場合には、ＰＡ１２０の後段に同じ構成のＰＡを設けて所望の出力まで増幅しても良い。

波長変換部１３０には、波長変換用ファイバを使用した。この波長変換用ファイバは、高強度の光が入射した場合に誘導ラマン散乱によって入射光の波長が長波長側にシフトするファイバである。誘導ラマン散乱の生じる光の強度は、波長変換光ファイバのコア径やファイバ長で調節することができ、本実施例ではコア径６μｍのシングルモードファイバを５０ｍ使用することで、波長変換用ファイバに入射するパルス光の尖塔値が約５０Ｗを超える場合には、誘導ラマン散乱による波長変換が起こるようにした。

本実施例のＭＯ１１０から発せられるパルス光は、尖塔値が７０Ｗ程度であるので、十分に波長変換を起こすことができる。ＭＯ１１０から発せられるパルス光の波長は、図５に示すように１０４０ｎｍであり、波長変換用ファイバを通過する際に、図６に示すように、ラマン散乱によりパルス光の波長が約１０９０ｎｍにシフトする。図６では、波長１０９０ｎｍの光（１次ラマン光）しか発生していないが、ファイバ長を長くしたり、コア径を小さくしたりするなどして、誘導ラマン散乱がより起こりやすいように調整すれば、さらに長波長、例えば１１４０ｎｍ（２次ラマン光）にも波長変換することができる。本実施例では、後段に接続されているＰＡ１２０のＹｂ添加ダブルクラッドファイバ１２５でパルス増幅が可能なように、１０９０ｎｍにだけパルス光が波長変換されるようにしている。また、パルス光の時間波形が完全に矩形となっていれば、完全に１０９０ｎｍへの波長変換が可能であるが、実際にＭＯ１１０から発せられるパルスの時間波形は、図８に示すような形状をしており、パルスの立ち上がり、及び立ち下がり部分では波長変換がおこらず、パルスのピーク前後で波長変換がおこるため、波長変換用ファイバから出力光には１０４０ｎｍと１０９０ｎｍの両方の波長成分が含まれたパルス光が出射される。

第１の波長フィルタ１４０は、ＭＯ１１０から発せられるパルス光の波長１０４０ｎｍ付近を透過するように設計されたバンドパスフィルタを使用し、また第２の波長フィルタ１５０は、波長変換後の１０９０ｎｍ付近を透過するように設計されたバンドパスフィルタを使用した。いずれも誘電体多層膜フィルタを用いている。したがって、波長変換用ファイバから出射されたパルス光（図６）のうち、波長１０９０ｎｍ付近の波長成分を持ったパルス光のみが通過する（図７）。この際、パルス波形も図８の波形から図９の波形へと変化し、パルス幅も狭くなる。これは、前述の通り、波長変換がパルスのピーク付近でのみ発生するためである。また波長変換によってパルス幅が狭くなることで、ＰＡ１２０で増幅される際には、より高い尖塔値まで増幅できるようになる。

第２の波長フィルタ１５０を通過したパルス光はＰＡ１２０に入射し、増幅されてレーザ出力として出力される。本実施例では、励起光パワーを７０Ｗとしたところ、２５Ｗの出力が得られ、パルス幅５３ｎｓ、ピークパワー２５ｋＷのパルスが得られた。

次に、レーザ出力が２５Ｗとなるようにファイバレーザ駆動している状態で、ＰＡ１２０の出射端にミラーを配置して反射減衰量を変化させ、ＰＡ１２０からＭＯ１１０に戻る反射光パルスの平均パワーと第１の波長フィルタ１４０を通過してＭＯ１１０に入射する反射光パルスのパワーを計測した。結果を図１０に記す。
図１０に示すように、ＰＡ１２０からは最大パワーでおよそ３０ｄＢｍ（１Ｗ）もの反射光パルスが、ＭＯ１１０に向かって出射されている。仮に１Ｗもの反射光パルスがＭＯ１１０に入射すれば、ＭＯ１１０に使用されている光部品が故障してしまう。しかし、実際にＭＯ１１０に入射する反射光パルスのパワーは、０ｄＢｍ（１ｍＷ）以下に抑えられている。

これは第１の波長フィルタ１４０がＭＯ１１０と同じ波長光しか通過できないため、いったん波長変換されて波長が変化している反射光パルスは、第１の波長フィルタ１４０を通過する際、遮断されるためである。通常、ＭＯ１１０に使用されている光部品は、１００ｍＷのパワーであれば壊れることはない。また、波長フィルタ１４０，１５０は耐パワー性の優れた誘電体多層膜を用いているので、高強度の反射光パルスを遮断しても壊れることはない。また、高価なアイソレータも不要である。

ここで、信号光を高非線形ファイバに入射することで発生するラマン散乱により波長変換し、その後に波長フィルタで波長変換後の波長成分だけを抽出する波長変換技術は、例えば特許文献２に記載されている。仮に、この構成を本実施例のＭＯ１１０とＰＡ１２０の間に設けたとすると、ＭＯ１１０からＰＡ１２０に入射する際には、ＰＡ１２０で増幅可能なパルス光への波長変換が可能であるが、反射光は波長フィルタ、高非線形ファイバともに通過し、ＭＯ１１０へと入射してしまうため、この構成では反射光パルスからＭＯ１１０を保護することはできない。

実施例１では、ラマン変換後の波長スペクトルが図６のようになっており、第２の波長フィルタ１５０を通過する際にパワーの損失が大きい。波長変換用ファイバの長さなどを調整して、よりラマン散乱が起こりやすいようにしても、２次ラマン光が発生し始めるため、これ以上１次ラマン光のパワーを増加させることはできなかった。そこで、実施例１と同様の構成で、波長変換器１３０にフォトニックバンドギャップファイバ（以下、ＰＢＧＦと記す。）を用いることで、パワーの損失を抑え、効率の改善を図った。

ＰＢＧＦは、例えば、非特許文献１に開示されている。図１１にＰＢＧＦの断面図を、図１２に、その径方向の屈折率プロファイルを示す。このＰＢＧＦ５００は、中心に純粋石英と同じ低い屈折率の領域５０１を持っており、その周囲にＧｅなどを添加することで屈折率の高い部分５０２を形成し、この屈折率の高い部分が三角格子状の周期構造に配列されている。屈折率の高い部分の直径や間隔を調整することで所望波長帯域のフォトニックバンドを形成することができる。このＰＢＧＦ５００の低い屈折率の領域５０１に光を入射すると、フォトニックバンドギャップの波長域の光は周期構造に配置された屈折率の高い部分５０２を導波することができないため、低い屈折率の領域５０１に閉じ込められ、コア領域を導波する。これは、従来の光通信などで用いられてきた光ファイバと導波原理が異なる。それ以外の波長領域の光については、周期構造中も導波することができるため、そのままファイバ全面に広がり放射されてしまう。すなわちフォトニックバンドギャップの波長域に光に対しては、低い屈折率の領域がコア、高い屈折率の領域がクラッドとして機能するような光ファイバとなる。

本実施例では、ＭＯ１１０から発せられるパルス光とその１次ラマン光の波長領域（１０２０〜１１２０ｎｍ）にフォトニックバンドギャップを配置し、２次ラマン光の波長領域（１１４０ｎｍ）はフォトニックバンドギャップの波長帯域外にあるようなＰＢＧＦ５００を波長変換用ファイバとして用いた。このように構成することで、ＭＯ１１０から発せられたパルス光がＰＡ１２０に向かって通過する際、ＭＯ１１０から発せられたパルス光およびその１次ラマン光は、コア領域に閉じ込められて伝播し、１次ラマン光によって発生したラマン散乱光は、コア領域を伝播することなく、誘導ラマン散乱される前に放出される。誘導ラマン散乱がおこらなければ、１次ラマン光からの２次ラマン光への波長変換を効果的に抑制できるため、このＰＢＧＦ５００を用いることで、実施例１の波長変換用光ファイバよりも１次ラマン光を多く発生させることができる。

図１３にＰＢＧＦ５００を波長変換器１３０として使用した場合のＰＢＧＦ５００からの出力波長スペクトルを示す。実施例１の場合（図６）と比べると、波長１０９０ｎｍのパルス光をより多く発生させることができた。第２の波長フィルタ１５０を通過する際の損失は、実施例１では３．５ｄＢだったのに対し、本実施例では１．８ｄＢまで低減することができた。

また、損失を低減できたことで以下のような効果も得られた。
損失が低減できたことでＰＡ１２０へ入力されるパルス光のパワーが高くなり、実施例１と同じ２５Ｗの出力を得るために必要な励起パワーが、６５Ｗへと減少した。すなわち、少ない励起パワーで、実施例１と同じ出力を得ることができた。ファイバレーザにおいて励起光源は、コストのかかる部品であり、必要な励起パワーが少なくて済むことは、コスト面での効果が大きい。また、励起パワーを低くすることができるので、希土類添加光ファイバの利得を下げることができ、寄生発振がおこりにくくなるので、ファイバレーザの信頼性を向上させることができる効果もある。

レーザ出力が２５Ｗとなるようにファイバレーザ駆動している状態で、実施例１で行ったのと同様に、ＰＡ１２０の出射端にミラーを配置して反射減衰量を２０ｄＢとし、ＰＡ１２０からＭＯ１１０に戻る反射光パルスの平均パワーと第１の波長フィルタ１４０を通過してＭＯ１１０に入射する光パルスのパワーを計測した。その結果、ＰＡ１２０からは最大パワーでおよそ２９ｄＢｍ（０．８Ｗ）の反射光パルスがＭＯ１１０に向かって出射され、ＭＯ１１０に入射する反射光パルスのパワーは−３ｄＢｍ（０．５ｍＷ）に抑えられており、実施例１とほぼ同様の効果が得られることが分かった。

実施例２では、波長変換器にＰＢＧＦを用いることで、パワーの損失を抑え、効率を改善した。
しかしながら、十分な波長変換が起こるようにするためには、数十ｍという非常に長い波長変換用ファイバが必要であった。そのためレーザ作成時の作業性が悪く、収納スペースが多く必要であった。特にＰＢＧＦは図１２に示すとおり複雑な屈折率構造をしているため、通常のファイバよりも製作が難しくコストが高くなる。

波長変換器１３０に入射された光は、ＰＢＧＦ中を伝播しながら自然ラマン散乱により入射光よりも長波長の光を発生する。この自然ラマン散乱光は、入射光がＰＢＧＦ中を伝播するにつれて徐々に蓄積されて、ある程度の強度に達すると誘導ラマン散乱により急激に波長シフトが起こる。

したがって、２次のラマン光が発生するのは入射光が波長変換器１３０の出射側に近づいたときに発生するのであり、波長変換器１３０の入射側の部分はＰＢＧＦファイバでなくても、出射側部分にＰＢＧＦが使用されていれば、２次のラマン光の発生を抑えることができる。

以上により、実施例２のレーザに対して以下のような変更を加えた。
基本的な構成は実施例２と同様であるが、波長変換器１３０が以下のような２つの部分から構成されていることが異なる。（図１４）

第１の波長変換器１３１には、コア径４μｍシングルモードファイバを使用した。実施例１に比べてコア径を小さくすることでコア内を伝播する光のパワー密度を高くすることができ、より短い光ファイバで波長変換を起こすことができる。ファイバの長さは第１の波長変換器１３１からの出力光にわずかに１次のラマン光が観測されるような長さ（１５ｍ）に調節した。第１の波長変換器からの出力スペクトルを図１５に示す。

第２の波長変換器は実施例２で使用したものと同じファイバを２５ｍ使用し、その出力スペクトルは実施例２のＰＢＧＦからの出力（図１３）と同様の出力スペクトルであり、波長変換器１３０としては実施例２の構成の場合と同等の機能を有していた。
また、使用したＰＢＧＦは実施例に比べて半分の長さであり、使用するＰＢＧＦを短くすることができた。

波長変換器１３０としてＹｂ添加光ファイバ増幅器を用いた。Ｙｂ添加光ファイバにはコア径６μｍ、クラッド径１２０μｍのダブルクラッド構造を有するものを用い、コア吸収量は１２００ｄＢ／ｍ（＠９７６ｎｍ）である。このＹｂ添加光ファイバの最大利得波長が１０９０ｎｍ付近に来るようにＹｂ添加光ファイバの長さ、および励起光強度を調整し、ＭＯ１１０から発せられるパルス光を入射したところ、図１６に示すような出力が得られ、パルス光の波長を１０４０ｎｍから１０９０ｎｍに変換することができた。ここで、光ファイバ増幅器の動作条件によっては、１１４０ｎｍにもパルス光が発生することがある。これは、１０９０ｎｍに波長変換されたパルス光がラマン散乱によって波長がシフトするためで、発生する量が多い場合には損失の要因となるので、コア径の大きいＹｂ添加光ファイバを用いたり、ＰＢＧＦ５００のコアにＹｂイオンを添加したファイバを用いるなどして、ラマン散乱による波長シフトを抑制しても良い。また、光ファイバ増幅器にＭＯ１１０からパルス光が入射されるのと同じ方向から、種光を入力することで、波長シフトを起こしやすくすることができる。種光は波長変換したい波長で、パルス光と同期して光ファイバ増幅器に入射すればよい。

次に、波長変換後のパルス光をＰＡ１２０で増幅し、レーザ出力が２５Ｗとなるよう調節し、実施例１で行ったのと同様にＰＡ１２０の出射端にミラーを配置して反射減衰量を２０ｄＢとし、ＰＡ１２０からＭＯ１１０に戻る反射光パルスの平均パワーと第１の波長フィルタ１４０を通過してＭＯ１１０に入射する反射光パルスのパワーを計測した。その結果、ＰＡ１２０からは最大パワーでおよそ２９ｄＢｍ（０．８Ｗ）の反射光パルスがＭＯ１１０に向かって出射され、ＭＯ１１０に入射する反射光パルスのパワーは＋８ｄＢｍ（６ｎＷ）に抑えられることが確認できた。反射光が光ファイバ増幅器を通過する際に増幅されてしまうため、実施例１および実施例２に比べて反射光パルスのパワーが大きいが、ＭＯ１１０の光部品を壊さない程度には十分抑えられている。

また、波長変換器１３０として光ファイバ増幅器を利用することで、実施例１および実施例２では得られなかった効果が得られる。本実施例では波長変換前のパルス光のパワーが７０ｍＷであったのに対し、波長変換後の出力は９００ｍＷまで増幅されていた。つまり、ＰＡ１２０へ入射するパルス光のパワーは実施例１および２に比べて１０倍以上大きくすることができる。ＰＡ１２０へ入射するパルス光のパワーが大きくなると、所定の出力を得るためのＰＡ１２０の励起光を少なくできる、すなわちＰＡ１２０の利得を低くできるので、寄生発振によるファイバレーザの故障を防ぐことができ、さらにはファイバレーザのコストで最も大きな割合を占める励起光レーザの台数を減らすことができるメリットがある。

本発明のファイバレーザによれば、高価な光部品を使用せずに反射光によるファイバレーザの破損を防止することができる。

Claims (7)

1. パルス発振器と、前記パルス発振器の後段に接続された希土類添加光ファイバを利得媒体とした第１の光ファイバ増幅器とを有するＭＯ−ＰＡ方式のファイバレーザであって、
   パルス発振器と光ファイバ増幅器との間に波長変換部を有し、且つ前記波長変換部とパルス発振器との間に、パルス発振器から発せられるパルス光の波長成分のみを透過する波長フィルタを有するファイバレーザ。
2. 前記波長変換部と前記光ファイバ増幅器との間に、前記パルス発振器から発せられるパルス光が波長変換部で波長変換された後の波長のみを透過する波長フィルタを有する請求項１に記載のファイバレーザ。
3. 前記波長変換部は、パルス発振器から発せられたパルス光の波長を第１の光ファイバ増幅器で増幅可能な波長に変換するものである請求項１又は２に記載のファイバレーザ。
4. 前記波長変換部は、誘導ラマン散乱を生じる波長変換用ファイバである請求項１又は２に記載のファイバレーザ。
5. 前記波長変換用ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバである請求項４に記載のファイバレーザ。
6. 前記波長変換部は、第２の光ファイバ増幅器である請求項１又は２に記載のファイバレーザ。
7. 請求項６のファイバレーザにおいて、さらに波長変換を起こしやすくするための種光光源を有し、
   種光光源はパルス発振器に同期し、かつパルス発振器から発せられたパルス光が第２の光ファイバ増幅器で波長変換された後の波長と同じ波長を持つ光を発し、
   パルス発振器からのパルス光が入射されるのと同じ方向から第２の光ファイバ増幅器に入射するファイバレーザ。

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