JPWO2010103764A1 - ファイバレーザ装置と光増幅方法 - Google Patents

Abstract

励起光を入射して励起光を伝送する第１光導波路（２１）と、レーザ媒質が添加されレーザ光を発生するコアおよび励起光を伝送するクラッドから成る第２光導波路（２２）と、第１光導波路（２１）および第２光導波路（２２）を包含する第３光導波路とから成るマルチコア構造の光増幅ファイバ（２０）を備え、光増幅ファイバ（２０）は、曲率半径を変えながら巻回されたことにより、小型で高出力なファイバレーザ装置が得られる。

Description

本発明はレーザ媒質を添加したファイバを用いたファイバレーザ装置と光増幅方法に関するものである。

近年、材料加工分野においてレーザ加工が加工工法の一つとして一般に広まってきている。例えば、レーザ溶接やレーザ切断は、他工法に比較して加工品質が高いことが認知されてきた。そこで、市場は更なる高品質、高速加工を求めている。すなわち、市場は、高出力、高効率で、なお且つ、より集光性のよい、いわゆる高ビーム品質のシングルモードレーザ光を発生し、出射するレーザ発振装置やレーザ増幅装置を求めている。

従来のレーザ発振装置は、高出力を実現するために、レーザ媒質を添加したファイバと励起光を伝送するファイバを近接して配してマルチコア（複数光導波路）構成とし、その間を所定の屈折率を持つ物質で充填している（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

また、ファイバをある曲率半径で巻けば、曲げ損失を生じ、伝送する光のモードを選択できることが知られている（例えば特許文献３参照）。

一方、シングルコア（単一光導波路）のファイバを、その巻きつけ曲率半径を変えながら一体化し、その外部から励起光を照射することが知られている（例えば特許文献４）。

図７Ａは上記従来のファイバレーザ装置を示す構成図である。図７Ｂは図７Ａの７Ｂ−７Ｂ線断面図である。図７A、図７Ｂにおいて、励起光を伝送する励起光伝送ファイバ１０１と、レーザ媒質を添加したレーザ光増幅ファイバ１０２は近接して設置されている。結合ファイバ１０３は、励起光伝送ファイバ１０１とレーザ光増幅ファイバ１０２を包含し、所定の屈折率を持つ物質で満たされている。

レーザ光増幅ファイバ１０２の一端には、レーザ光を反射する図示しない終段鏡が配置されており、他端にはレーザ光の一部を取り出し、残りを反射する図示しない出力鏡が配置されている。これらの終段鏡および出力鏡によりレーザ光が多重帰還増幅されて発生する。

以上のように構成された従来のレーザ発振装置について、その動作を説明する。励起光伝送ファイバ１０１を伝播する励起光は、結合ファイバ１０３においてレーザ光増幅ファイバ１０２に入射し、レーザ媒質を励起する。その励起と多重帰還増幅によりレーザ光が発生し出力鏡から出射する。

従来のファイバレーザ装置においては、高出力化のためにマルチコア構成の結合ファイバ１０３を用いているが、この結合ファイバ１０３は樹脂系の充填剤で満たされている。この樹脂が、励起光伝送ファイバ１０１からレーザ光増幅ファイバ１０２への高出力光入射を制限する。従って、励起光伝送ファイバ１０１からレーザ光増幅ファイバ１０２への高出力光入射を可能とするためにファイバ長が長くなり、小型で高出力なファイバレーザ装置を提供できない。

特開昭５９−１１４８８３号公報 米国特許第４９３８５６１号明細書 特開平１−２０３９３８号公報 特開２００１−３６１７０号公報

本発明は、小型で高出力なファイバレーザ装置と光増幅方法を提供するものである。本発明は、励起光を入射して励起光を伝送する第１光導波路と、レーザ媒質が添加されレーザ光を発生するコアおよび励起光を伝送するクラッドから成る第２光導波路と、第１光導波路および第２光導波路を包含する第３光導波路とから成るマルチコア構造の光増幅ファイバを備え、光増幅ファイバは、曲率半径を変えながら巻回された構成を有する。かかる構成により、小型で高出力なファイバレーザ装置と光増幅方法が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図１Ｂは、図１Ａにおける１Ｂ−１Ｂ線断面図である。 図１Ｃは、同１Ｃ−１Ｃ線断面図である。 図１Ｄは、同実施の形態の要部側面図である。 図２は、本発明の実施の形態２におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態３におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図３Ｂは、図３Ａにおける３Ｂ−３Ｂ線断面図である。 図３Ｃは、同３Ｃ−３Ｃ線断面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態４におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図４Ｂは、図４Ａにおける４Ｂ−４Ｂ線断面図である。 図４Ｃは、同４Ｃ−４Ｃ線断面図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態５におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図５Ｂは、図５Ａにおける５Ｂ−５Ｂ線断面図である。 図５Ｃは、同５Ｃ−５Ｃ線断面図である。 図６は、本発明の実施の形態６におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図７Ａは、従来のファイバレーザ装置の構成図である。 図７Ｂは、図７Ａの７Ｂ−７Ｂ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１Ａは、本実施の形態におけるファイバレーザ装置の構成図である。図１Ｂは、図１Ａにおける１Ｂ−１Ｂ線断面図である。図１Ｃは、同１Ｃ−１Ｃ線断面図である。図１Ｄは、同実施の形態の要部側面図である。図１Ａ〜図１Ｃは、半導体レーザ１０を励起光源とし、そのレーザ光を伝送する半導体レーザ伝送ファイバ１５を備えるピッグテイル型のファイバレーザ装置である。波長は、レーザ媒質を励起することのできる波長であり、本実施の形態ではレーザ媒質を希土類であるイッテルビウムとするので、イッテルビウムを安定して励起できる波長９１５ナノメートルが望ましい。

レンズ１１は、発生するレーザ光の発散を抑制し、望ましくは平行光に変換し、高反射率を持つミラーからなる終段鏡１２に導くものである。レンズ１１と終段鏡１２でレーザ光の帰還系の一部を構築している。

光増幅ファイバ２０は、一部にレーザ媒質を含み、断面形状は、レーザ光出射方向、すなわち光軸方向に関して、両端部を除いて同一である。

光増幅ファイバ２０の構成は、励起光を入射して励起光を伝送する第１光導波路２１と、レーザ媒質が添加されレーザ光を発生するコア２３および励起光を伝送するクラッド２４から成る第２光導波路２２と、第１光導波路２１および第２光導波路２２を包含する第３光導波路２５とから成るマルチコア（複数光導波路）構造を有する。

詳細には、第１光導波路２１は、励起光を入射してこの励起光を伝送する石英ガラスでできた直径１２５マイクロメートルの励起光導波路である。第２光導波路２２は、石英ガラスを母材として断面がＤ字型状で励起光を吸収してレーザ光を発生する。第３光導波路２５は、励起光を効率良く第１光導波路２１から第２光導波路２２に導き、第２光導波路２２に閉じ込める屈折率に調整した充填剤、望ましくはＵＶ硬化アクリル系接着剤を充填してある。さらに、本実施の形態では、第３光導波路２５の外表面に、屈折率調整充填剤を封入して励起光の閉じ込め効率を高める樹脂の外層２６を有する。

光増幅ファイバ２０の長さは、コア２３に添加したレーザ媒質であるイッテルビウム濃度、第１光導波路２１、第２光導波路２２、および第３光導波路２５の断面形状等により定まる波長９１５ナノメートルの励起光の吸収係数等に依存し、通常約２０メートルである。

第２光導波路２２は、その内部にレーザ媒質であるイッテルビウムを添加され、マルチモードを伝送する直径３０マイクロメートルのコア２３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込める、石英ガラス母材である代表直径１２５マイクロメートルのクラッド２４とから成る。第１光導波路２１の屈折率をｎ１、第２光導波路２２のクラッド２４の屈折率をｎ２、コア２３の屈折率をｎ３、第３光導波路２５の屈折率をｎ４、外層２６の屈折率をｎ５とすると、励起波長９１５ナノメートルの光に対してｎ５＜ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３になるよう構成する。

上記の光増幅ファイバ２０の両端は、第３光導波路２５の一部を除去し、第１光導波路２１と第２光導波路２２が第３光導波路２５から露出している。光増幅ファイバ２０の光導体レーザ１０側の一端は、レーザ光を光出力として取り出さない反射端で、他端は、レーザ光を光出力として取りだす出射端である。

光増幅ファイバ２０の両端を除いた大部分、望ましくは各端面より１メートル以上離れた部分は、ある所望の、一定でない曲率半径で巻回してある。反射端から出射端に向かうにつれて、曲率半径が小さくなっており、渦巻状に巻いている。すなわち、曲率半径は、励起光が伝播するにつれて小さくなる。

曲率半径の望ましい最小値は、シングルモードのレーザ光だけを伝送できる曲率半径である。図１Ｄに示すように、渦巻状に巻いている部分３１の大部分は同一平面内にある。少なくとも渦巻状に巻いている部分３１の大部分は放熱剤３２、望ましくは伝熱性シリコーンパテで固めてある。さらに、冷却盤３３に放熱パテ３４を介して設置している。したがって、渦巻状に巻いている部分３１の効率的な冷却が行える。

さらに、光増幅ファイバ２０の反射端において、第１光導波路２１は半導体レーザ光伝送ファイバ１５とスプライス（融着）により接続している（以下、各図ではＳで示す）。これにより、波長９１５ナノメートルの励起光を、光増幅ファイバ２０内に伝送する。反射端での第２光導波路２２の端面は、無反射端処理しており、レンズ１１、終段鏡１２により構成する帰還系に正対している。

一方、光増幅ファイバ２０の出射端において、第１光導波路２１の端面は、無反射端処理をしており、望ましくは光軸に対して垂直な面から８度傾けて研磨している。出射端での第２光導波路２２の端面は、クリーブされている。クリーブされた部分のフレネル反射により、反射端に設けたレンズ１１、終段鏡１２で構成する帰還系とともに、レーザ光を帰還する共振器を構成している。

以上のように構成された本実施の形態のファイバレーザ装置について動作を説明する。まず、励起源である半導体レーザ１０は、一般的な図示しない電源、冷却装置、制御装置により稼動され、イッテルビウムの励起光である波長９１５ナノメートルのレーザ光を、半導体レーザ光伝送ファイバ１５を通して出射する。

半導体レーザ光伝送ファイバ１５は光増幅ファイバ２０の第１光導波路２１にスプライスされており、出射したレーザ光は光増幅ファイバ２０の第１光導波路２１に導かれる。このレーザ光はイッテルビウムの励起波長であり、以下、励起光と呼ぶ。

第１光導波路２１の屈折率ｎ１と、第１光導波路２１を取り囲む第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、先に定義したようにｎ１＜ｎ４であるため、励起光は第１光導波路２１を伝播するに従い、第３光導波路２５に効率良く漏れ出す。

その励起光が第１光導波路２１を伝播しながら第３光導波路２５に漏れ出す割合は、屈折率に加え、第１光導波路２１と第３光導波路２５の曲率半径によって決まる。すなわち、光増幅ファイバ２０の曲率半径に依存して第１光導波路２１が伝送できる光のモードが決まるので、これにより励起光が第１光導波路２１から第３光導波路２５に漏れ出す割合が決まる。

本実施の形態では、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくする構成であるので、反射端から出射端に向かって、第１光導波路２１を伝送できる光のモードは、高次のモードから順次第１光導波路２１を伝播できなくなり、第３光導波路２５に漏れ出す。

反射端から出射端に向かって、曲率半径が小さくなるにつれて、より高次のモードが第１光導波路２１を伝播できなくなり、第３光導波路２５に漏れ出す。

つまり、反射端から出射端に向かって曲率半径を変えることで、第３光導波路２５に充填した充填剤の狭い領域内で高出力の励起光を一度に通過させるのではなく、光増幅ファイバ２０の長さ方向全体にわたる広い領域を用いて高出力の励起光を通過させることができる。従って、励起光が通過する充填剤の体積が増加し、充填剤の単位体積当り励起光通過出力が小さくなる。

第３光導波路２５に漏れ出した励起光は、外層２６の屈折率ｎ５と第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ５＜ｎ４であるため、第３光導波路２５に閉じ込められ、第３光導波路２５中で多重反射しながら伝播する。第３光導波路２５中を伝播する励起光の一部は、第２光導波路２２のクラッド２４の屈折率ｎ２と第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ２＞ｎ４であるため、クラッド２４に入射し、第２光導波路２２に閉じ込められ、第２光導波路２２中を多重反射しながら伝播する。

第２光導波路２２中を伝播する励起光の一部はコア２３の屈折率ｎ３と第２光導波路２２のクラッド２４の屈折率ｎ２を比較すると、ｎ３＞ｎ２であるので、コア２３に入射する。その際、第２光導波路２２のクラッド２４の断面はＤ字型形状であるので、クラッド２４内で多重反射を繰り返すうちに全てコア２３に吸収され、レーザ媒質であるイッテルビウムを励起する。

一般に、レーザ効率の向上には、希土類元素の励起光吸収効率を低下させないことが重要であり、その一つの方法として、励起光のスキュー成分を乱す、例えば断面がＤ型形状のポンプガイド断面形状が採用されることが多い。本実施の形態も、そのために、第２光導波路２２のクラッド２４の断面はＤ字型形状としたが、本発明はこれに限ることなく、励起光との結合に適した断面円形などの対称形状であっても構わない。

すなわち、第１光導波路２１の一端から入射した励起光は、上記吸収過程により第２光導波路２２中を減衰しながら伝播し、やがてコア２３中のイッテルビウムに吸収され、イッテルビウムを励起する。励起により発生する光は、コア２３の両端に設けた終段鏡１２と出力鏡１３とマルチモードを伝送するコア２３により構成された光共振器による多重増幅帰還と、光増幅ファイバ２０の巻きつけによりモード選択が行われる。これにより、波長１０８５ナノメートルのシングルモードをもつレーザ光となりコア２３の出力鏡１３よりレーザ出力として出射する。

なお、本実施の形態においては、光増幅ファイバ２０を構成し、励起光を伝送する第１光導波路は１本であるが、これを複数本としてもよい。

以上のように、励起光を伝送する第１光導波路２１とマルチモードを伝送するコア２３を備える第２光導波路２２とを、励起光がコア２３に入射できるように包含するマルチコア構成の光増幅ファイバ２０を、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくするよう渦巻状に巻回して用いることにより、高ビーム品質のレーザ光を出射するファイバレーザ装置を提供することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図２は、本発明の実施の形態２におけるファイバレーザ装置の構成図である。本実施の形態が実施の形態１と異なるのは、光増幅ファイバ２０を所望の曲率半径に螺旋状に保持し、内部に冷却水通路（図示せず）を設けて水冷されている円錐形の冷却錐４０を備えている点である。光増幅ファイバ２０を、冷却錐４０に、反射端が冷却錐４０の底面に近いほうになるように、そこから冷却錐頂点に向かって螺旋状に巻きつけ、保持、冷却している。

以上のように構成されたファイバレーザ装置について、その動作を説明する。まず、励起源である半導体レーザ１０は、図示しない電源、冷却装置、制御装置により稼動され、イッテルビウムの励起光である波長９１５ナノメートルのレーザ光を、半導体レーザ光伝送ファイバ１５を通して出射する。

半導体レーザ光伝送ファイバ１５は光増幅ファイバ２０の第１光導波路２１にスプライスされており、出射したレーザ光は光増幅ファイバ２０の第１光導波路２１に導かれる。このレーザ光はイッテルビウムの励起光である。

第１光導波路２１の屈折率ｎ１と、第１光導波路２１を取り囲む第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、実施の形態１で定義したようにｎ１＜ｎ４であるため、励起光は第１光導波路２１を伝播するに従い、第３光導波路２５に漏れ出す。

励起光が第１光導波路２１を伝播しながら第３光導波路２５に漏れ出す割合は、第１光導波路２１と第３光導波路２５の曲率半径、すなわち、光増幅ファイバ２０の曲率半径に依存して第１光導波路２１が伝送できる光のモードが決まる。伝送できない光モードは第３光導波路２５に漏れ出す。

本実施の形態では、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくする構成であるので、反射端から出射端に向かって、第１光導波路２１を伝送できる光のモードは、高次のモードから順に第１光導波路２１を伝播できなくなり、第３光導波路２５に漏れ出す。

反射端から出射端に向かって、螺旋状に曲率半径を小さくするので、実施の形態１のように同一平面内で渦巻状に配するより曲率半径を緩やかに変えることができる。曲率半径が小さくなるにつれて、より高次のモードが第１光導波路２１を伝送できなくなり、第３光導波路２５に漏れ出す。

つまり、反射端から出射端に向かって前記曲率半径を変えることで、第３光導波路２５に充填した充填剤の狭い領域内で高出力の励起光を一度に通過させるのではなく、光増幅ファイバ２０の長さ方向全体にわたる広い領域を用いて高出力の励起光を通過させることができる。その際に発生する熱は、冷却錐４０により冷却される。

第３光導波路２５に漏れ出した励起光は、外層２６の屈折率ｎ５と第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ５＜ｎ４であるため、第３光導波路２５に閉じ込められ、第３光導波路２５中で多重反射しながら伝播する。

第３光導波路２５中を伝播する励起光の一部は、第２光導波路２２のクラッド２４の屈折率ｎ２と第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ２＞ｎ４であるため、クラッド２４に入射し、第２光導波路２２に閉じ込められ、第２光導波路２２中を多重反射しながら伝播する。

第２光導波路２２中を伝播する励起光の一部はコア２３の屈折率ｎ３と第２光導波路２２のクラッド２４の屈折率ｎ２を比較すると、ｎ３＞ｎ２であるので、コア２３に入射する。その際、第２光導波路２２のクラッド２４の断面はＤ字型形状であるので、クラッド２４内で多重反射を繰り返すうちに全てコア２３に吸収され、レーザ媒質であるイッテルビウムを励起する。

すなわち、第１光導波路２１の一端から入射した励起光は、吸収過程により第２光導波路２２中を減衰しながら伝播し、やがてコア２３中のイッテルビウムに吸収され、イッテルビウムを励起する。励起により発生する光は、コア２３の両端に設けた終段鏡１２と出力鏡１３とマルチモードを伝送するコア２３により構成された光共振器による多重増幅帰還と、光増幅ファイバ２０の巻きつけによりモード選択が行われる。これにより、波長１０８５ナノメートルのシングルモードをもつレーザ光となりコア２３の出力鏡１３よりレーザ出力として出射する。

以上のように、本実施の形態では、励起光を伝送する第１光導波路２１とマルチモードを伝送するコア２３を備える第２光導波路２２とを、励起光がコア２３に入射できるように包含する光増幅ファイバ２０を円錐形の冷却錐４０に、反射端が冷却錐底面に近いほうになるように螺旋状に巻いて用いている。このことにより高出力で、高ビーム品質のレーザ光を出射するファイバレーザ装置を提供することができる。本実施の形態では、円錐形状の冷却錐４０を図示したが、形状は円錐台形状でも差し支えない。

（実施の形態３）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図３Ａは、本実施の形態におけるファイバレーザ装置の構成図である。図３Ｂは、図３Ａにおける３Ｂ−３Ｂ線断面図である。図３Ｃは、同３Ｃ−３Ｃ線断面図である。

本実施の形態では、一部にレーザ媒質を含む光増幅ファイバ６０の断面形状は、レーザ光出射方向、すなわち光軸方向に関して、両端部を除いて同一の構造である。光増幅ファイバ６０は、第１光導波路６１と第２光導波路６２と第３光導波路６５と外層６６とから成るマルチコア（複数光導波路）構造である。第１光導波路６１は、励起光を伝送する石英ガラスでできた直径１２５マイクロメートルの励起光導波路である。第２光導波路６２は、石英ガラスを母材として励起光を吸収してレーザ光を発生する断面がＤ字型を呈した光導波路である。第３光導波路６５は、励起光を効率良く第１光導波路６１から第２光導波路６２に導き、第２光導波路６２に閉じ込める屈折率に調整した充填剤、望ましくはＵＶ硬化アクリル系接着剤、が充填された光導波路である。外層６６は、上記屈折率調整充填剤を封入して励起光の閉じ込め効率を高める樹脂からなる層である。

光増幅ファイバ６０の長さは、第２光導波路６２のコア６３に添加したレーザ媒質であるイッテルビウム濃度、第１光導波路６１、第２光導波路６２、および第３光導波路６５の断面形状等により定まる波長９１５ナノメートルの励起光の吸収係数等に依存し、通常約２０メートルである。

また、第２光導波路６２は、その内部にレーザ媒質であるイッテルビウムを添加され、マルチモードを伝送する直径３０マイクロメートルのコア６３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込める、石英ガラス母材である代表直径１２５マイクロメートルのクラッド６４とから成る。第１光導波路６１の屈折率をｎ１、第２光導波路６２のクラッド６４の屈折率をｎ２、コア６３の屈折率をｎ３、第３光導波路６５の屈折率をｎ４、外層６６の屈折率をｎ５とすると、励起波長９１５ナノメートルの光に対してｎ５＜ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３であるように構成する。

光増幅ファイバ６０の両端は、第１光導波路６１と第２光導波路６２が、第３光導波路６５から露出している。半導体レーザ１０に近い一端は、レーザ光を光出力として取り出さない反射端で、他端は、レーザ光を光出力として取りだす出射端である。

光増幅ファイバ６０の両端を除いた大部分、望ましくは端面より１メートル以上離れた部分は、ある所望の一定でない曲率半径で巻いてあり、反射端から出射端に向かうにつれて、曲率半径が小さくなっており、渦巻状に巻いている。曲率半径の望ましい最小値は、シングルモードのレーザ光だけを伝送できる曲率半径である。渦巻状に巻いている部分の大部分は同一平面内にあり、少なくとも渦巻状に巻いている部分の大部分は、実施の形態１と同様に、冷却盤に、伝熱剤、望ましくは伝熱性シリコーンパテ、を介して設置している。これにより、渦巻状に巻いている部分の冷却が効率よく行える。

光増幅ファイバ６０の両端で第１光導波路６１と第２光導波路６２は、第３光導波路６５から露出している。反射端側の第１光導波路６１には、波長９１５ナノメートルの励起光を透過し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射するファイバブラッググレーティング７１を備えるファイバ７６、望ましくは、ゲルマニウムドープ石英ファイバをスプライスして接続している。反射端側の第２光導波路６２には、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射するファイバブラッググレーティング７２を備えるファイバ７７、望ましくは、ゲルマニウムドープ石英ファイバをスプライスして接続している。出射端側の第１光導波路６１には、波長９１５ナノメートルの励起光を透過し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射するファイバブラッググレーティング７３を備えるファイバ７８、望ましくは、ゲルマニウムドープ石英ファイバをスプライスして接続している。出射端側の第２光導波路６２には、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光の一部を透過するファイバブラッググレーティング７４を備えるファイバ７９、望ましくは、ゲルマニウムドープ石英ファイバをスプライスして接続している。

このように本実施形態では、第３光導波路の端部から露出させた第１、第２の光導波路６１、６２を備え、所定の波長の光に対して、所定の反射率、透過率をもち、レーザ光を反射、透過するファイバブラッググレーティングを有するファイバ７６、７７、７８、７９をスプライスした構成を備える。各々の反射率、透過率は光増幅ファイバ６０の利得等により定まり、反射率は９５％以上が望ましい。

以上のように構成されたファイバレーザ装置について、その動作を説明する。まず、励起源である半導体レーザ１０は、図示しない電源、冷却装置、制御装置により駆動されイッテルビウムの励起光である波長９１５ナノメートルのレーザ光を、半導体レーザ光伝送ファイバ１５を通して出射する。

半導体レーザ光伝送ファイバ１５はファイバブラッググレーティング７１を備えるファイバ７６を介して光増幅ファイバ６０の第１光導波路６１にスプライスされている。出射したレーザ光は光増幅ファイバ６０の第１光導波路６１に導かれる。このレーザ光はイッテルビウムの励起光である。

第１光導波路６１の屈折率ｎ１と、第１光導波路６１を取り囲む第３光導波路６５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ１＜ｎ４であるため、励起光は第１光導波路６１を伝播するに従い、第３光導波路６５に漏れ出す。励起光が第１光導波路６１を伝播しながら第３光導波路６５に漏れ出す割合は、第１光導波路６１と第３光導波路６５の曲率半径、すなわち、光増幅ファイバ６０の曲率半径に依存して第１光導波路６１が伝送できる光のモードが決まる。伝送できない光モードは第３光導波路６５に漏れ出す。

本実施の形態では、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくする構成であるので、反射端から出射端に向かって、第１光導波路６１を伝送できる光のモードは、高次のモードから順に第１光導波路６１を伝播できなくなり、第３光導波路６５に漏れ出す。

反射端から出射端に向かって、曲率半径が小さくなるにつれて、より高次のモードが第１光導波路６１を伝送できなくなり、第３光導波路６５に漏れ出す。つまり、反射端から出射端に向かって曲率半径を変えることで、第３光導波路２５に充填した充填剤の狭い領域内で高出力の励起光を一度に通過させるのではなく、光増幅ファイバ６０の長さ方向全体にわたる広い領域を用いて高出力の励起光を通過させることができる。従って、励起光が通過する充填剤の体積が増加し、充填剤の単位体積当り励起光通過出力が小さくなる。

第３光導波路６５に漏れ出した励起光は、外層６６の屈折率ｎ５と第３光導波路６５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ５＜ｎ４であるため、第３光導波路６５に閉じ込められ、第３光導波路６５中で多重反射しながら伝播する。第３光導波路６５中を伝播する励起光の一部は、第２光導波路６２のクラッド６４の屈折率ｎ２と第３光導波路６５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ２＞ｎ４であるため、クラッド６４に入射し、第２光導波路６２に閉じ込められ、第２光導波路６２中を多重反射しながら伝播する。

第２光導波路６２中を伝播する励起光の一部はコア６３の屈折率ｎ３と第２光導波路６２のクラッド６４の屈折率ｎ２を比較すると、ｎ３＞ｎ２であるので、コア６３に入射する。その際、第２光導波路６２のクラッド６４の断面はＤ字型形状であるので、クラッド６４内で多重反射を繰り返すうちに全てコア６３に吸収され、レーザ媒質であるイッテルビウムを励起する。

すなわち、第１光導波路６１の一端から入射した励起光は、この吸収過程により第２光導波路６２中を減衰しながら伝播し、やがてコア６３中のイッテルビウムに吸収され、イッテルビウムを励起する。励起により発生する光は多重増幅帰還と、光増幅ファイバ６０の巻きつけによりモード選択が行われ、波長１０８５ナノメートルのシングルモードをもつレーザ光となりコア６３より出射する。

以上のように、本実施の形態では、励起光を伝送する第１光導波路６１とマルチモードを伝送するコア６３を備える第２光導波路６２とを、励起光がコア６３に入射できるように包含する光増幅ファイバ６０を、螺旋状に巻いて用いている。このことにより、高出力で、高ビーム品質のレーザ光を出射するファイバレーザ装置を提供することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図４Ａは、本実施の形態におけるファイバレーザ装置の構成図である。図４Ｂは、図４Ａにおける４Ｂ−４Ｂ線断面図である。図４Ｃは、同４Ｃ−４Ｃ線断面図である。

本実施の形態では、一部にレーザ媒質を含む光増幅ファイバ８０の断面形状は、レーザ光出射方向、すなわち光軸方向に関して、両端部を除いて同一の構造としている。光増幅ファイバ８０は、第１光導波路８１と第２光導波路８２と第３光導波路８５外層８６とから成るマルチコア（複数光導波路）構造である。

光第１光導波路８１は、励起光を伝送する石英ガラスでできた直径１２５マイクロメートルの励起光導波路である。第２光導波路８２は、石英ガラスを母材として断面がＤ字型で励起光を吸収してレーザ光を発生する光導波路である。第３光導波路８５は、励起光を効率良く第１光導波路８１から第２光導波路８２に導き、第２光導波路８２に閉じ込める屈折率に調整した充填剤、望ましくはＵＶ硬化アクリル系接着剤、を充填した光導波路である。外層８６は、屈折率調整充填剤を封入して励起光の閉じ込め効率を高める樹脂からなる表層である。

第２光導波路８２は、その内部にレーザ媒質であるイッテルビウムを添加され、マルチモードを伝送する直径３０マイクロメートルのコア８３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込める、石英ガラス母材である代表直径１２５マイクロメートルのクラッド８４とから成る。第１光導波路８１の屈折率をｎ１、第２光導波路８２のクラッド８４の屈折率をｎ２、コア８３の屈折率をｎ３、第３光導波路８５の屈折率をｎ４、外層８６の屈折率をｎ５とすると、励起波長９１５ナノメートルの光に対してｎ５＜ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３であるように構成する。光増幅ファイバ８０の長さは、コア８３に添加したレーザ媒質であるイッテルビウム濃度、第１光導波路８１、第２光導波路８２、および第３光導波路８５の断面形状等により定まる波長９１５ナノメートルの励起光の吸収係数等に依存し、通常約２０メートルである。

光増幅ファイバ８０の一端はレーザ光を光出力として取り出さない反射端で、他端はレーザ光を光出力として取りだす出射端である。光増幅ファイバ８０の両端を除いた大部分、望ましくは端面より１メートル以上離れた部分は、ある所望の一定でない曲率半径で巻いてあり、その反射端から出射端に向かうにつれて、曲率半径が小さくなっており、渦巻状に巻いている。曲率半径の望ましい最小値は、シングルモードのレーザ光だけを伝送できる曲率半径である。

渦巻状に巻いている部分の大部分は同一平面内にあり、少なくとも渦巻状に巻いている部分の大部分は、実施の形態１と同様に、冷却盤に、伝熱剤、望ましくは伝熱性シリコーンパテ、を介して設置している。そのため、渦巻状に巻いている部分の冷却を効率的に行える。

光増幅ファイバ８０の両端は第１光導波路８１と第２光導波路８２を、第３光導波路８５から露出しない構成であり、反射端側の第１光導波路８１は半導体レーザ光伝送ファイバ１５とスプライス（融着）により接続しており、波長９１５ナノメートルの励起光を、光増幅ファイバ８０内に伝送する。

図示を略しているが、反射端側の第２光導波路８２を構成するコア８３には、実施の形態３で説明したような、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射するファイバブラッググレーティングを設けている。同様に、出射端側の第２光導波路８２には、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光の一部を透過するファイバブラッググレーティングを設けている。各々の反射率、透過率は光増幅ファイバ８０の長さ等により定まり、反射率は９５％以上が望ましい。

以上のように構成されたファイバレーザ装置について動作を説明する。まず、励起源である半導体レーザ１０は、図示しない電源、冷却装置、制御装置により駆動されイッテルビウムの励起光である波長９１５ナノメートルのレーザ光を、各々半導体レーザ光伝送ファイバ１５を通して出射する。

半導体レーザ光伝送ファイバ１５は光増幅ファイバ８０の第１光導波路８１にスプライスされており、出射したレーザ光は光増幅ファイバ８０の第１光導波路８１に導かれる。このレーザ光はイッテルビウムの励起光である。

第１光導波路８１の屈折率ｎ１と、第１光導波路８１を取り囲む第３光導波路８５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ１＜ｎ４であるため、励起光は第１光導波路８１を伝播するに従い、第３光導波路８５に漏れ出す。その励起光が第１光導波路８１を伝播しながら第３光導波路８５に漏れ出す割合は、第１光導波路８１と第３光導波路８５の曲率半径、すなわち、光増幅ファイバ８０の曲率半径に依存して第１光導波路８１が伝送できる光のモードが決まる。伝送できない光モードは第３光導波路８５に漏れ出す。

本実施の形態４では、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくする構成であるので、反射端から出射端に向かって、第１光導波路８１を伝送できる光のモードは、高次のモードから順に第１光導波路８１を伝播できなくなり、第３光導波路８５に漏れ出す。反射端から出射端に向かって、曲率半径が小さくなるにつれて、より高次のモードが第１光導波路８１を伝送できなくなり、第３光導波路８５に漏れ出す。

つまり、反射端から出射端に向かって曲率半径を変えることで、第３光導波路８５に充填した充填剤の狭い領域内で高出力の励起光を一度に通過させるのではなく、光増幅ファイバ８０の長さ方向全体にわたる広い領域を用いて高出力の励起光を通過させることができる。

第３光導波路８５に漏れ出した励起光は、外層８６の屈折率ｎ５と第３光導波路８５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ５＜ｎ４であるため、第３光導波路８５に閉じ込められ、第３光導波路８５中で多重反射しながら伝播する。

第３光導波路８５中を伝播する励起光の一部は、第２光導波路８２のクラッド８４の屈折率ｎ２と第３光導波路８５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ２＞ｎ４であるため、クラッド８４に入射し、第２光導波路８２に閉じ込められ、第２光導波路８２中を多重反射しながら伝播する。

第２光導波路中を伝播する励起光の一部はコア８３の屈折率ｎ３と第２光導波路８２のクラッド８４の屈折率ｎ２を比較すると、ｎ３＞ｎ２であるので、コア８３に入射する。

その際、第２光導波路８２のクラッド８４の断面はＤ字型形状であるので、クラッド８４内で多重反射を繰り返すうちに全てコア８３に吸収され、レーザ媒質であるイッテルビウムを励起する。

コア８３の反射端に設けた波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射する図示を略したファイバブラッググレーティングと、コア８３の出射端に設けた波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光の一部を透過する図示を略したファイバブラッググレーティングにより光共振器を構成する。したがって、上記の励起により発生する光は、光共振器による多重増幅帰還と、光増幅ファイバ８０の巻きつけによりモード選択が行われ、波長１０８５ナノメートルのシングルモードをもつレーザ光となりコア８３より出射する。

以上のように、本実施の形態では、励起光を伝送する第１光導波路８１と、マルチモードを伝送するコア８３を備える第２光導波路８２とを、励起光がコア８３に入射できるように包含する光増幅ファイバ８０を、渦巻状に巻いて用いることにより、高出力、高ビーム品質のレーザ光を出射するファイバレーザ装置が得られる。

（実施の形態５）
本実施の形態において実施の形態４と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図５Ａは、本実施の形態におけるファイバレーザ装置の構成図である。図５Ｂは、図５Ａにおける５Ｂ−５Ｂ線断面図である。図５Ｃは、同５Ｃ−５Ｃ線断面図である。

本実施の形態では、一部にレーザ媒質を含む光増幅ファイバ９０の断面形状は、レーザ光出射方向、すなわち光軸方向に関して、両端部を除いて同一の構造である。光増幅ファイバ９０は、第１光導波路９１と第２光導波路９２と第３光導波路９５と外層９６とから成るマルチコア（複数光導波路）構造である。

第１光導波路９１は、励起光を伝送する石英ガラスでできた直径１２５マイクロメートルの励起光導波路である。第２光導波路９２は、石英ガラスを母材として断面がＤ字型で励起光を吸収してレーザ光を発生する光導波路である。第３光導波路９５は、励起光を効率良く第１光導波路９１から第２光導波路９２に導き、第２光導波路９２に閉じ込める屈折率に調整した充填剤、望ましくはＵＶ硬化アクリル系接着剤、を充填した光導波路である、外層９６は、屈折率調整充填剤を封入して励起光の閉じ込め効率を高める樹脂からなる表層である。

第２光導波路９２は、その内部にレーザ媒質であるイッテルビウムを添加され、マルチモードを伝送する直径３０マイクロメートルのコア９３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込める、石英ガラス母材である代表直径１２５マイクロメートルのクラッド９４とから成る。第１光導波路９１の屈折率をｎ１、第２光導波路９２のクラッド９４の屈折率をｎ２、コア９３の屈折率をｎ３、第３光導波路９５の屈折率をｎ４、外層９６の屈折率をｎ５とすると、励起波長９１５ナノメートルの光に対してｎ２＜ｎ３であるように構成する。光増幅ファイバ９０の一端はレーザ光を光出力として取り出さない反射端で、他端はレーザ光を光出力として取りだす出射端である。

光増幅ファイバ９０の両端を除いた大部分、望ましくは端面より１メートル以上離れた部分は、ある所望の一定でない曲率半径で巻いてあり、その反射端から出射端に向かうにつれて、曲率半径が小さくなっており、渦巻状に巻いている。渦巻状に巻いている部分の大部分は同一平面内にあり、少なくとも前記渦巻状に巻いている部分の大部分は、実施の形態１と同様に、冷却盤に伝熱剤を介して設置している。これにより、渦巻状に巻いている部分の効率的な冷却が行える。

光増幅ファイバ９０の両端は、第１光導波路９１と第２光導波路９２を、第３光導波路９５から露出しない構成である。反射端側の第１光導波路９１は半導体レーザ光伝送ファイバ１５とスプライス（融着）により接続しており、波長９１５ナノメートルの励起光を光増幅ファイバ９０内に伝送する。

反射端側の第２光導波路９２を構成するコア９３には、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射するファイバブラッググレーティングを設けている。同様に、出射端側の第２光導波路９２には、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光の一部を透過するファイバブラッググレーティングを設けている。各々の反射率、透過率は光増幅ファイバ９０の長さ等により定まり、反射率は９５％以上が望ましい。

以上のように構成されたファイバレーザ装置について動作を説明する。まず、励起源である半導体レーザ１０は、図示しない電源、冷却装置、制御装置により駆動されイッテルビウムの励起光である波長９１５ナノメートルのレーザ光を、半導体レーザ光伝送ファイバ１５を通して出射する。

半導体レーザ光伝送ファイバ１５は光増幅ファイバ９０の第１光導波路９１にスプライスされており、出射したレーザ光は光増幅ファイバ９０の第１光導波路９１に導かれる。このレーザ光はイッテルビウムの励起光である。励起光は第１光導波路９１を伝播するに従い、第１光導波路９１の曲率半径が小さくなるにつれて、次第に高次モードの光から第３光導波路９５に漏れ出す。励起光が第１光導波路９１を伝播しながら第３光導波路９５に漏れ出す割合は、光増幅ファイバ９０の曲率半径に依存する。

すなわち、光増幅ファイバ９０の曲率半径を適宜選択すれば、第１光導波路９１の屈折率ｎ１と第３光導波路９５の屈折率ｎ４の大小関係にかかわらず、第１光導波路９１が伝送できる光のモードが決まる。伝送できない光モードは第３光導波路９５に漏れ出す。

本実施の形態では、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくする構成であるので、反射端から出射端に向かって、第１光導波路９１を伝送できる光のモードは、高次のモードから順に第１光導波路９１を伝播できなくなり、第３光導波路９５に漏れ出す。反射端から出射端に向かって、曲率半径が小さくなるにつれて、より高次のモードが第１光導波路９１を伝送できなくなり、第３光導波路９５に漏れ出す。

つまり、反射端から出射端に向かって曲率半径を変えることで、第３光導波路２５に充填した充填剤の狭い領域内で高出力の励起光を一度に通過させるのではなく、光増幅ファイバ９０の長さ方向全体にわたる広い領域を用いて高出力の励起光を通過させることができる。

第３光導波路９５に漏れ出した励起光は、周囲環境、望ましくは空気、の屈折率より高い屈折率を持つ外層９６によって閉じ込められて伝播する。上述と同様に光増幅ファイバ９０の曲率半径を適宜選択すれば、励起光の一部はクラッド９４に入射し、さらにその一部の励起光はコア９３に吸収され、レーザ媒質であるイッテルビウムを励起する。

コア９３の反射端に設けた波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射する図示を略したファイバブラッググレーティングと、コア９３の出射端に設けた波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光の一部を透過する図示を略したファイバブラッググレーティングにより光共振器を構成する。したがって、上記の励起により発生する光は、光共振器による多重増幅帰還と、光増幅ファイバ９０の巻きつけによりモード選択が行われ、波長１０８５ナノメートルのシングルモードをもつレーザ光となりコア８３より出射する。

以上のように、本実施の形態では、励起光を伝送する第１光導波路９１と、マルチモードを伝送するコア９３を備える第２光導波路９２とを、励起光がコア９３に入射できるように包含する光増幅ファイバ９０を、渦巻状に巻いて用いることにより高出力、高ビーム品質のレーザ光を出射するファイバレーザ装置が得られる。

（実施の形態６）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図６は、本実施の形態におけるファイバレーザ装置の構成図である。実施の形態１と異なるのは、曲率半径を変えながら巻かれた２本の光増幅ファイバ２０ａ、２０ｂの端部から露出した各第２光導波路２２ａ、２２ｂをスプライスして接続した点である。さらに、２本の光増幅ファイバ２０ａ、２０ｂのそれぞれの一端に半導体レーザ１０ａ、１０ｂを励起光源として備えた点である。すなわち、実施の形態１の光増幅ファイバ２０を２段構成として光増幅を行う点である。

なお、図６において、半導体レーザ１０ａ、１０ｂ、および半導体レーザ光伝送ファイバ１５ａ、１５ｂは、実施の形態１における、半導体レーザ１０および半導体レーザ光伝送ファイバ１５と同様の機能を有する。

以上のように構成されたファイバレーザ装置について動作を説明する。各段での励起光によるイッテルビウム励起に至る過程は、実施の形態１と同じである。イッテルビウム励起により生じた光は、１段目の光増幅ファイバ２０ａ中の第２光導波路２２ａ端面に設けられたレンズ１１と終段鏡１２、および２段目の光増幅ファイバ２０ｂ中の第２光導波路２２ｂの端面のクリーブによるフレネル反射で多重増幅帰還される。これにより、波長１０８５ナノメートルのレーザ光となり２段目の光増幅ファイバ２０ｂの第２光導波路２２ｂの他端より出射する。

以上のように、本実施の形態によれば、２本の光増幅ファイバ２０ａ、２０ｂの各第２光導波路２２ａ、２２ｂをスプライスして接続して２段構成とすれば、高出力レーザ光を出射するファイバレーザ装置が得られる。なお、本実施の形態では光増幅ファイバ２０ａ、２０ｂの２段の構成としたが、段数を増やして構成すれば、より高出力のレーザ光が得られる。

なお、上述した実施の形態１から６において、曲率半径を変えながら巻いた光増幅ファイバ２０、２０ａ、２０ｂ、６０、８０、９０の巻回した各光増幅ファイバ間は、光学的に結合しないように光学的に分離している。例えば光増幅ファイバの最外周を屈折率の低い材料でコーティングしたり、固定したりしている。また、別の構造としては各光増幅ファイバ間に光学的に不可視または減衰率の高い部材の仕切り板を配置する。さらに別の構造としては、渦巻状に溝と壁を形成した光学的に不可視または減衰率の高い部材の容器内に光増幅ファイバを配置して固定している。これらの構成により、光増幅ファイバを所定の位置に設定してその配置を保持できる。

本発明のファイバレーザ装置と光増幅方法は、小型、高出力を実現できるので、レーザ加工機などの用途に有用である。

１０，１０ａ，１０ｂ 半導体レーザ
１１ レンズ
１２ 終段鏡
１５，１５ａ，１５ｂ 半導体レーザ伝送ファイバ
２０，６０，８０，９０ 光増幅ファイバ
２１，２１ａ，２１ｂ，６１，８１，９１ 第１光導波路
２２，２２ａ，２２ｂ，６２，８２，９２ 第２光導波路
２３，６３，８３，９３ コア
２４，６４，８４，９４ クラッド
２５，６５，８５，９５ 第３光導波路
２６，６６，８６，９６ 外層
３１ 渦巻状に巻いている部分
３２ 放熱剤
３３ 冷却盤
３４ 放熱パテ
４０ 冷却錐
７１，７２，７３，７４ ファイバブラッググレーティング
７６，７７，７８，７９ ファイバ

本発明はレーザ媒質を添加したファイバを用いたファイバレーザ装置と光増幅方法に関するものである。

近年、材料加工分野においてレーザ加工が加工工法の一つとして一般に広まってきている。例えば、レーザ溶接やレーザ切断は、他工法に比較して加工品質が高いことが認知されてきた。そこで、市場は更なる高品質、高速加工を求めている。すなわち、市場は、高出力、高効率で、なお且つ、より集光性のよい、いわゆる高ビーム品質のシングルモードレーザ光を発生し、出射するレーザ発振装置やレーザ増幅装置を求めている。

従来のレーザ発振装置は、高出力を実現するために、レーザ媒質を添加したファイバと励起光を伝送するファイバを近接して配してマルチコア（複数光導波路）構成とし、その間を所定の屈折率を持つ物質で充填している（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

また、ファイバをある曲率半径で巻けば、曲げ損失を生じ、伝送する光のモードを選択できることが知られている（例えば特許文献３参照）。

一方、シングルコア（単一光導波路）のファイバを、その巻きつけ曲率半径を変えながら一体化し、その外部から励起光を照射することが知られている（例えば特許文献４）。

図７Ａは上記従来のファイバレーザ装置を示す構成図である。図７Ｂは図７Ａの７Ｂ−７Ｂ線断面図である。図７A、図７Ｂにおいて、励起光を伝送する励起光伝送ファイバ１０１と、レーザ媒質を添加したレーザ光増幅ファイバ１０２は近接して設置されている。結合ファイバ１０３は、励起光伝送ファイバ１０１とレーザ光増幅ファイバ１０２を包含し、所定の屈折率を持つ物質で満たされている。

レーザ光増幅ファイバ１０２の一端には、レーザ光を反射する図示しない終段鏡が配置されており、他端にはレーザ光の一部を取り出し、残りを反射する図示しない出力鏡が配置されている。これらの終段鏡および出力鏡によりレーザ光が多重帰還増幅されて発生する。

以上のように構成された従来のレーザ発振装置について、その動作を説明する。励起光伝送ファイバ１０１を伝播する励起光は、結合ファイバ１０３においてレーザ光増幅ファイバ１０２に入射し、レーザ媒質を励起する。その励起と多重帰還増幅によりレーザ光が発生し出力鏡から出射する。

従来のファイバレーザ装置においては、高出力化のためにマルチコア構成の結合ファイバ１０３を用いているが、この結合ファイバ１０３は樹脂系の充填剤で満たされている。この樹脂が、励起光伝送ファイバ１０１からレーザ光増幅ファイバ１０２への高出力光入射を制限する。従って、励起光伝送ファイバ１０１からレーザ光増幅ファイバ１０２への高出力光入射を可能とするためにファイバ長が長くなり、小型で高出力なファイバレーザ装置を提供できない。

特開昭５９−１１４８８３号公報 米国特許第４９３８５６１号明細書 特開平１−２０３９３８号公報 特開２００１−３６１７０号公報

本発明は、小型で高出力なファイバレーザ装置と光増幅方法を提供する。

本発明のファイバレーザ装置は、励起光を入射して励起光を伝送する第１光導波路と、レーザ媒質が添加されレーザ光を発生するコアおよび励起光を伝送するクラッドから成る第２光導波路を、同軸に並べて配し、第１光導波路および第２光導波路を包含する第３光導波路とから成るマルチコア構造の光増幅ファイバを備え、第１光導波路内を伝送する励起光を伝送する方向に沿って、光増幅ファイバを、その曲率半径を漸減させながら巻回する構成を有する。この構成により、小型で高出力なファイバレーザ装置が得られる。

また、本発明の光増幅方法は、励起光を入射して励起光を伝送する第１光導波路と、レーザ媒質が添加されレーザ光を発生するコアおよび励起光を伝送するクラッドから成る第２光導波路を、同軸に並べて配し、第１光導波路および第２光導波路を包含する第３光導波路とから成るマルチコア構造の光増幅ファイバを備え、第１光導波路内を伝送する励起光を伝送する方向に沿って、光増幅ファイバを、その曲率半径を漸減させながら巻回して光を増幅する方法からなる。この方法により、小型のファイバレーザ装置により高出力のレーザ光が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図１Ｂは、図１Ａにおける１Ｂ−１Ｂ線断面図である。 図１Ｃは、同１Ｃ−１Ｃ線断面図である。 図１Ｄは、同実施の形態の要部側面図である。 図２は、本発明の実施の形態２におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態３におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図３Ｂは、図３Ａにおける３Ｂ−３Ｂ線断面図である。 図３Ｃは、同３Ｃ−３Ｃ線断面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態４におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図４Ｂは、図４Ａにおける４Ｂ−４Ｂ線断面図である。 図４Ｃは、同４Ｃ−４Ｃ線断面図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態５におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図５Ｂは、図５Ａにおける５Ｂ−５Ｂ線断面図である。 図５Ｃは、同５Ｃ−５Ｃ線断面図である。 図６は、本発明の実施の形態６におけるファイバレーザ装置の構成図である。 図７Ａは、従来のファイバレーザ装置の構成図である。 図７Ｂは、図７Ａの７Ｂ−７Ｂ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１Ａは、本実施の形態におけるファイバレーザ装置の構成図である。図１Ｂは、図１Ａにおける１Ｂ−１Ｂ線断面図である。図１Ｃは、同１Ｃ−１Ｃ線断面図である。図１Ｄは、同実施の形態の要部側面図である。図１Ａ〜図１Ｃは、半導体レーザ１０を励起光源とし、そのレーザ光を伝送する半導体レーザ伝送ファイバ１５を備えるピッグテイル型のファイバレーザ装置である。波長は、レーザ媒質を励起することのできる波長であり、本実施の形態ではレーザ媒質を希土類であるイッテルビウムとするので、イッテルビウムを安定して励起できる波長９１５ナノメートルが望ましい。

レンズ１１は、発生するレーザ光の発散を抑制し、望ましくは平行光に変換し、高反射率を持つミラーからなる終段鏡１２に導くものである。レンズ１１と終段鏡１２でレーザ光の帰還系の一部を構築している。

光増幅ファイバ２０は、一部にレーザ媒質を含み、断面形状は、レーザ光出射方向、すなわち光軸方向に関して、両端部を除いて同一である。

光増幅ファイバ２０の構成は、励起光を入射して励起光を伝送する第１光導波路２１と、レーザ媒質が添加されレーザ光を発生するコア２３および励起光を伝送するクラッド２４から成る第２光導波路２２と、第１光導波路２１および第２光導波路２２を包含する第３光導波路２５とから成るマルチコア（複数光導波路）構造を有する。

詳細には、第１光導波路２１は、励起光を入射してこの励起光を伝送する石英ガラスでできた直径１２５マイクロメートルの励起光導波路である。第２光導波路２２は、石英ガラスを母材として断面がＤ字型状で励起光を吸収してレーザ光を発生する。第３光導波路２５は、励起光を効率良く第１光導波路２１から第２光導波路２２に導き、第２光導波路２２に閉じ込める屈折率に調整した充填剤、望ましくはＵＶ硬化アクリル系接着剤を充填してある。さらに、本実施の形態では、第３光導波路２５の外表面に、屈折率調整充填剤を封入して励起光の閉じ込め効率を高める樹脂の外層２６を有する。

光増幅ファイバ２０の長さは、コア２３に添加したレーザ媒質であるイッテルビウム濃度、第１光導波路２１、第２光導波路２２、および第３光導波路２５の断面形状等により定まる波長９１５ナノメートルの励起光の吸収係数等に依存し、通常約２０メートルである。

第２光導波路２２は、その内部にレーザ媒質であるイッテルビウムを添加され、マルチモードを伝送する直径３０マイクロメートルのコア２３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込める、石英ガラス母材である代表直径１２５マイクロメートルのクラッド２４とから成る。第１光導波路２１の屈折率をｎ１、第２光導波路２２のクラッド２４の屈折率をｎ２、コア２３の屈折率をｎ３、第３光導波路２５の屈折率をｎ４、外層２６の屈折率をｎ５とすると、励起波長９１５ナノメートルの光に対してｎ５＜ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３になるよう構成する。

上記の光増幅ファイバ２０の両端は、第３光導波路２５の一部を除去し、第１光導波路２１と第２光導波路２２が第３光導波路２５から露出している。光増幅ファイバ２０の半導体レーザ１０側の一端は、レーザ光を光出力として取り出さない反射端で、他端は、レーザ光を光出力として取りだす出射端である。

光増幅ファイバ２０の両端を除いた大部分、望ましくは各端面より１メートル以上離れた部分は、ある所望の、一定でない曲率半径で巻回してある。反射端から出射端に向かうにつれて、曲率半径が小さくなっており、渦巻状に巻いている。すなわち、曲率半径は、励起光が伝播するにつれて小さくなる。

曲率半径の望ましい最小値は、シングルモードのレーザ光だけを伝送できる曲率半径である。図１Ｄに示すように、渦巻状に巻いている部分３１の大部分は同一平面内にある。少なくとも渦巻状に巻いている部分３１の大部分は放熱剤３２、望ましくは伝熱性シリコーンパテで固めてある。さらに、冷却盤３３に放熱パテ３４を介して設置している。したがって、渦巻状に巻いている部分３１の効率的な冷却が行える。

さらに、光増幅ファイバ２０の反射端において、第１光導波路２１は半導体レーザ光伝送ファイバ１５とスプライス（融着）により接続している（以下、各図ではＳで示す）。これにより、波長９１５ナノメートルの励起光を、光増幅ファイバ２０内に伝送する。反射端での第２光導波路２２の端面は、無反射端処理しており、レンズ１１、終段鏡１２により構成する帰還系に正対している。

一方、光増幅ファイバ２０の出射端において、第１光導波路２１の端面は、無反射端処理をしており、望ましくは光軸に対して垂直な面から８度傾けて研磨している。出射端での第２光導波路２２の端面は、クリーブされている。クリーブされた部分のフレネル反射により、反射端に設けたレンズ１１、終段鏡１２で構成する帰還系とともに、レーザ光を帰還する共振器を構成している。

以上のように構成された本実施の形態のファイバレーザ装置について動作を説明する。まず、励起源である半導体レーザ１０は、一般的な図示しない電源、冷却装置、制御装置により駆動され、イッテルビウムの励起光である波長９１５ナノメートルのレーザ光を、半導体レーザ光伝送ファイバ１５を通して出射する。

半導体レーザ光伝送ファイバ１５は光増幅ファイバ２０の第１光導波路２１にスプライスされており、出射したレーザ光は光増幅ファイバ２０の第１光導波路２１に導かれる。このレーザ光はイッテルビウムの励起波長であり、以下、励起光と呼ぶ。

第１光導波路２１の屈折率ｎ１と、第１光導波路２１を取り囲む第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、先に定義したようにｎ１＜ｎ４であるため、励起光は第１光導波路２１を伝播するに従い、第３光導波路２５に効率良く漏れ出す。

その励起光が第１光導波路２１を伝播しながら第３光導波路２５に漏れ出す割合は、屈折率に加え、第１光導波路２１と第３光導波路２５の曲率半径によって決まる。すなわち、光増幅ファイバ２０の曲率半径に依存して第１光導波路２１が伝送できる光のモードが決まるので、これにより励起光が第１光導波路２１から第３光導波路２５に漏れ出す割合が決まる。

本実施の形態では、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくする構成であるので、反射端から出射端に向かって、第１光導波路２１を伝送できる光のモードは、高次のモードから順次第１光導波路２１を伝播できなくなり、第３光導波路２５に漏れ出す。

反射端から出射端に向かって、曲率半径が小さくなるにつれて、より高次のモードが第１光導波路２１を伝播できなくなり、第３光導波路２５に漏れ出す。

つまり、反射端から出射端に向かって曲率半径を変えることで、第３光導波路２５に充填した充填剤の狭い領域内で高出力の励起光を一度に通過させるのではなく、光増幅ファイバ２０の長さ方向全体にわたる広い領域を用いて高出力の励起光を通過させることができる。従って、励起光が通過する充填剤の体積が増加し、充填剤の単位体積当り励起光通過出力が小さくなる。

第３光導波路２５に漏れ出した励起光は、外層２６の屈折率ｎ５と第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ５＜ｎ４であるため、第３光導波路２５に閉じ込められ、第３光導波路２５中で多重反射しながら伝播する。第３光導波路２５中を伝播する励起光の一部は、第２光導波路２２のクラッド２４の屈折率ｎ２と第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ２＞ｎ４であるため、クラッド２４に入射し、第２光導波路２２に閉じ込められ、第２光導波路２２中を多重反射しながら伝播する。

第２光導波路２２中を伝播する励起光の一部はコア２３の屈折率ｎ３と第２光導波路２２のクラッド２４の屈折率ｎ２を比較すると、ｎ３＞ｎ２であるので、コア２３に入射する。その際、第２光導波路２２のクラッド２４の断面はＤ字型形状であるので、クラッド２４内で多重反射を繰り返すうちに全てコア２３に吸収され、レーザ媒質であるイッテルビウムを励起する。

一般に、レーザ効率の向上には、希土類元素の励起光吸収効率を低下させないことが重要であり、その一つの方法として、励起光のスキュー成分を乱す、例えば断面がＤ型形状のポンプガイド断面形状が採用されることが多い。本実施の形態も、そのために、第２光導波路２２のクラッド２４の断面はＤ字型形状としたが、本発明はこれに限ることなく、励起光との結合に適した断面円形などの対称形状であっても構わない。

すなわち、第１光導波路２１の一端から入射した励起光は、上記吸収過程により第２光導波路２２中を減衰しながら伝播し、やがてコア２３中のイッテルビウムに吸収され、イッテルビウムを励起する。励起により発生する光は、コア２３の両端に設けた終段鏡１２と出力鏡１３とマルチモードを伝送するコア２３により構成された光共振器による多重増幅帰還と、光増幅ファイバ２０の巻きつけによりモード選択が行われる。これにより、波長１０８５ナノメートルのシングルモードをもつレーザ光となりコア２３の出力鏡１３よりレーザ出力として出射する。

なお、本実施の形態においては、光増幅ファイバ２０を構成し、励起光を伝送する第１光導波路は１本であるが、これを複数本としてもよい。

以上のように、励起光を伝送する第１光導波路２１とマルチモードを伝送するコア２３を備える第２光導波路２２とを、励起光がコア２３に入射できるように包含するマルチコア構成の光増幅ファイバ２０を、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくするよう渦巻状に巻回して用いることにより、高ビーム品質のレーザ光を出射するファイバレーザ装置を提供することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図２は、本発明の実施の形態２におけるファイバレーザ装置の構成図である。本実施の形態が実施の形態１と異なるのは、光増幅ファイバ２０を所望の曲率半径に螺旋状に保持し、内部に冷却水通路（図示せず）を設けて水冷されている円錐形の冷却錐４０を備えている点である。光増幅ファイバ２０を、冷却錐４０に、反射端が冷却錐４０の底面に近いほうになるように、そこから冷却錐頂点に向かって螺旋状に巻きつけ、保持、冷却している。

以上のように構成されたファイバレーザ装置について、その動作を説明する。まず、励起源である半導体レーザ１０は、図示しない電源、冷却装置、制御装置により駆動され、イッテルビウムの励起光である波長９１５ナノメートルのレーザ光を、半導体レーザ光伝送ファイバ１５を通して出射する。

半導体レーザ光伝送ファイバ１５は光増幅ファイバ２０の第１光導波路２１にスプライスされており、出射したレーザ光は光増幅ファイバ２０の第１光導波路２１に導かれる。このレーザ光はイッテルビウムの励起光である。

第１光導波路２１の屈折率ｎ１と、第１光導波路２１を取り囲む第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、実施の形態１で定義したようにｎ１＜ｎ４であるため、励起光は第１光導波路２１を伝播するに従い、第３光導波路２５に漏れ出す。

励起光が第１光導波路２１を伝播しながら第３光導波路２５に漏れ出す割合は、第１光導波路２１と第３光導波路２５の曲率半径によって決まる。すなわち、光増幅ファイバ２０の曲率半径に依存して第１光導波路２１が伝送できる光のモードが決まる。伝送できない光モードは第３光導波路２５に漏れ出す。

本実施の形態では、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくする構成であるので、反射端から出射端に向かって、第１光導波路２１を伝送できる光のモードは、高次のモードから順に第１光導波路２１を伝播できなくなり、第３光導波路２５に漏れ出す。

反射端から出射端に向かって、螺旋状に曲率半径を小さくするので、実施の形態１のように同一平面内で渦巻状に配するより曲率半径を緩やかに変えることができる。曲率半径が小さくなるにつれて、より高次のモードが第１光導波路２１を伝送できなくなり、第３光導波路２５に漏れ出す。

つまり、反射端から出射端に向かって前記曲率半径を変えることで、第３光導波路２５に充填した充填剤の狭い領域内で高出力の励起光を一度に通過させるのではなく、光増幅ファイバ２０の長さ方向全体にわたる広い領域を用いて高出力の励起光を通過させることができる。その際に発生する熱は、冷却錐４０により冷却される。

第３光導波路２５に漏れ出した励起光は、外層２６の屈折率ｎ５と第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ５＜ｎ４であるため、第３光導波路２５に閉じ込められ、第３光導波路２５中で多重反射しながら伝播する。

第３光導波路２５中を伝播する励起光の一部は、第２光導波路２２のクラッド２４の屈折率ｎ２と第３光導波路２５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ２＞ｎ４であるため、クラッド２４に入射し、第２光導波路２２に閉じ込められ、第２光導波路２２中を多重反射しながら伝播する。

第２光導波路２２中を伝播する励起光の一部はコア２３の屈折率ｎ３と第２光導波路２２のクラッド２４の屈折率ｎ２を比較すると、ｎ３＞ｎ２であるので、コア２３に入射する。その際、第２光導波路２２のクラッド２４の断面はＤ字型形状であるので、クラッド２４内で多重反射を繰り返すうちに全てコア２３に吸収され、レーザ媒質であるイッテルビウムを励起する。

すなわち、第１光導波路２１の一端から入射した励起光は、吸収過程により第２光導波路２２中を減衰しながら伝播し、やがてコア２３中のイッテルビウムに吸収され、イッテルビウムを励起する。励起により発生する光は、コア２３の両端に設けた終段鏡１２と出力鏡１３とマルチモードを伝送するコア２３により構成された光共振器による多重増幅帰還と、光増幅ファイバ２０の巻きつけによりモード選択が行われる。これにより、波長１０８５ナノメートルのシングルモードをもつレーザ光となりコア２３の出力鏡１３よりレーザ出力として出射する。

以上のように、本実施の形態では、励起光を伝送する第１光導波路２１とマルチモードを伝送するコア２３を備える第２光導波路２２とを、励起光がコア２３に入射できるように包含する光増幅ファイバ２０を円錐形の冷却錐４０に、反射端が冷却錐底面に近いほうになるように螺旋状に巻いて用いている。このことにより高出力で、高ビーム品質のレーザ光を出射するファイバレーザ装置を提供することができる。本実施の形態では、円錐形状の冷却錐４０を図示したが、形状は円錐台形状でも差し支えない。

（実施の形態３）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図３Ａは、本実施の形態におけるファイバレーザ装置の構成図である。図３Ｂは、図３Ａにおける３Ｂ−３Ｂ線断面図である。図３Ｃは、同３Ｃ−３Ｃ線断面図である。

本実施の形態では、一部にレーザ媒質を含む光増幅ファイバ６０の断面形状は、レーザ光出射方向、すなわち光軸方向に関して、両端部を除いて同一の構造である。光増幅ファイバ６０は、第１光導波路６１と第２光導波路６２と第３光導波路６５と外層６６とから成るマルチコア（複数光導波路）構造である。第１光導波路６１は、励起光を伝送する石英ガラスでできた直径１２５マイクロメートルの励起光導波路である。第２光導波路６２は、石英ガラスを母材として励起光を吸収してレーザ光を発生する断面がＤ字型を呈した光導波路である。第３光導波路６５は、励起光を効率良く第１光導波路６１から第２光導波路６２に導き、第２光導波路６２に閉じ込める屈折率に調整した充填剤、望ましくはＵＶ硬化アクリル系接着剤、が充填された光導波路である。外層６６は、上記屈折率調整充填剤を封入して励起光の閉じ込め効率を高める樹脂からなる層である。

光増幅ファイバ６０の長さは、第２光導波路６２のコア６３に添加したレーザ媒質であるイッテルビウム濃度、第１光導波路６１、第２光導波路６２、および第３光導波路６５の断面形状等により定まる波長９１５ナノメートルの励起光の吸収係数等に依存し、通常約２０メートルである。

また、第２光導波路６２は、その内部にレーザ媒質であるイッテルビウムを添加され、マルチモードを伝送する直径３０マイクロメートルのコア６３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込める、石英ガラス母材である代表直径１２５マイクロメートルのクラッド６４とから成る。第１光導波路６１の屈折率をｎ１、第２光導波路６２のクラッド６４の屈折率をｎ２、コア６３の屈折率をｎ３、第３光導波路６５の屈折率をｎ４、外層６６の屈折率をｎ５とすると、励起波長９１５ナノメートルの光に対してｎ５＜ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３であるように構成する。

光増幅ファイバ６０の両端は、第１光導波路６１と第２光導波路６２が、第３光導波路６５から露出している。半導体レーザ１０に近い一端は、レーザ光を光出力として取り出さない反射端で、他端は、レーザ光を光出力として取りだす出射端である。

光増幅ファイバ６０の両端を除いた大部分、望ましくは端面より１メートル以上離れた部分は、ある所望の一定でない曲率半径で巻いてあり、反射端から出射端に向かうにつれて、曲率半径が小さくなっており、渦巻状に巻いている。曲率半径の望ましい最小値は、シングルモードのレーザ光だけを伝送できる曲率半径である。渦巻状に巻いている部分の大部分は同一平面内にあり、少なくとも渦巻状に巻いている部分の大部分は、実施の形態１と同様に、冷却盤に、伝熱剤、望ましくは伝熱性シリコーンパテ、を介して設置している。これにより、渦巻状に巻いている部分の冷却が効率よく行える。

光増幅ファイバ６０の両端で第１光導波路６１と第２光導波路６２は、第３光導波路６５から露出している。反射端側の第１光導波路６１には、波長９１５ナノメートルの励起光を透過し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射するファイバブラッググレーティング７１を備えるファイバ７６、望ましくは、ゲルマニウムドープ石英ファイバをスプライスして接続している。反射端側の第２光導波路６２には、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射するファイバブラッググレーティング７２を備えるファイバ７７、望ましくは、ゲルマニウムドープ石英ファイバをスプライスして接続している。出射端側の第１光導波路６１には、波長９１５ナノメートルの励起光を透過し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射するファイバブラッググレーティング７３を備えるファイバ７８、望ましくは、ゲルマニウムドープ石英ファイバをスプライスして接続している。出射端側の第２光導波路６２には、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光の一部を透過するファイバブラッググレーティング７４を備えるファイバ７９、望ましくは、ゲルマニウムドープ石英ファイバをスプライスして接続している。

このように本実施形態では、第３光導波路の端部から露出させた第１、第２の光導波路６１、６２を備え、所定の波長の光に対して、所定の反射率、透過率をもち、レーザ光を反射、透過するファイバブラッググレーティングを有するファイバ７６、７７、７８、７９をスプライスした構成を備える。各々の反射率、透過率は光増幅ファイバ６０の利得等により定まり、反射率は９５％以上が望ましい。

以上のように構成されたファイバレーザ装置について、その動作を説明する。まず、励起源である半導体レーザ１０は、図示しない電源、冷却装置、制御装置により駆動されイッテルビウムの励起光である波長９１５ナノメートルのレーザ光を、半導体レーザ光伝送ファイバ１５を通して出射する。

半導体レーザ光伝送ファイバ１５はファイバブラッググレーティング７１を備えるファイバ７６を介して光増幅ファイバ６０の第１光導波路６１にスプライスされている。出射したレーザ光は光増幅ファイバ６０の第１光導波路６１に導かれる。このレーザ光はイッテルビウムの励起光である。

第１光導波路６１の屈折率ｎ１と、第１光導波路６１を取り囲む第３光導波路６５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ１＜ｎ４であるため、励起光は第１光導波路６１を伝播するに従い、第３光導波路６５に漏れ出す。励起光が第１光導波路６１を伝播しながら第３光導波路６５に漏れ出す割合は、第１光導波路６１と第３光導波路６５の曲率半径、すなわち、光増幅ファイバ６０の曲率半径に依存して第１光導波路６１が伝送できる光のモードが決まる。伝送できない光モードは第３光導波路６５に漏れ出す。

本実施の形態では、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくする構成であるので、反射端から出射端に向かって、第１光導波路６１を伝送できる光のモードは、高次のモードから順に第１光導波路６１を伝播できなくなり、第３光導波路６５に漏れ出す。

反射端から出射端に向かって、曲率半径が小さくなるにつれて、より高次のモードが第１光導波路６１を伝送できなくなり、第３光導波路６５に漏れ出す。つまり、反射端から出射端に向かって曲率半径を変えることで、第３光導波路６５に充填した充填剤の狭い領域内で高出力の励起光を一度に通過させるのではなく、光増幅ファイバ６０の長さ方向全体にわたる広い領域を用いて高出力の励起光を通過させることができる。従って、励起光が通過する充填剤の体積が増加し、充填剤の単位体積当り励起光通過出力が小さくなる。

第３光導波路６５に漏れ出した励起光は、外層６６の屈折率ｎ５と第３光導波路６５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ５＜ｎ４であるため、第３光導波路６５に閉じ込められ、第３光導波路６５中で多重反射しながら伝播する。第３光導波路６５中を伝播する励起光の一部は、第２光導波路６２のクラッド６４の屈折率ｎ２と第３光導波路６５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ２＞ｎ４であるため、クラッド６４に入射し、第２光導波路６２に閉じ込められ、第２光導波路６２中を多重反射しながら伝播する。

第２光導波路６２中を伝播する励起光の一部はコア６３の屈折率ｎ３と第２光導波路６２のクラッド６４の屈折率ｎ２を比較すると、ｎ３＞ｎ２であるので、コア６３に入射する。その際、第２光導波路６２のクラッド６４の断面はＤ字型形状であるので、クラッド６４内で多重反射を繰り返すうちに全てコア６３に吸収され、レーザ媒質であるイッテルビウムを励起する。

すなわち、第１光導波路６１の一端から入射した励起光は、この吸収過程により第２光導波路６２中を減衰しながら伝播し、やがてコア６３中のイッテルビウムに吸収され、イッテルビウムを励起する。励起により発生する光は多重増幅帰還と、光増幅ファイバ６０の巻きつけによりモード選択が行われ、波長１０８５ナノメートルのシングルモードをもつレーザ光となりコア６３より出射する。

以上のように、本実施の形態では、励起光を伝送する第１光導波路６１とマルチモードを伝送するコア６３を備える第２光導波路６２とを、励起光がコア６３に入射できるように包含する光増幅ファイバ６０を、螺旋状に巻いて用いている。このことにより、高出力で、高ビーム品質のレーザ光を出射するファイバレーザ装置を提供することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図４Ａは、本実施の形態におけるファイバレーザ装置の構成図である。図４Ｂは、図４Ａにおける４Ｂ−４Ｂ線断面図である。図４Ｃは、同４Ｃ−４Ｃ線断面図である。

本実施の形態では、一部にレーザ媒質を含む光増幅ファイバ８０の断面形状は、レーザ光出射方向、すなわち光軸方向に関して、両端部を除いて同一の構造としている。光増幅ファイバ８０は、第１光導波路８１と第２光導波路８２と第３光導波路８５および外層８６とから成るマルチコア（複数光導波路）構造である。

第１光導波路８１は、励起光を伝送する石英ガラスでできた直径１２５マイクロメートルの励起光導波路である。第２光導波路８２は、石英ガラスを母材として断面がＤ字型で励起光を吸収してレーザ光を発生する光導波路である。第３光導波路８５は、励起光を効率良く第１光導波路８１から第２光導波路８２に導き、第２光導波路８２に閉じ込める屈折率に調整した充填剤、望ましくはＵＶ硬化アクリル系接着剤、を充填した光導波路である。外層８６は、屈折率調整充填剤を封入して励起光の閉じ込め効率を高める樹脂からなる表層である。

第２光導波路８２は、その内部にレーザ媒質であるイッテルビウムを添加され、マルチモードを伝送する直径３０マイクロメートルのコア８３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込める、石英ガラス母材である代表直径１２５マイクロメートルのクラッド８４とから成る。第１光導波路８１の屈折率をｎ１、第２光導波路８２のクラッド８４の屈折率をｎ２、コア８３の屈折率をｎ３、第３光導波路８５の屈折率をｎ４、外層８６の屈折率をｎ５とすると、励起波長９１５ナノメートルの光に対してｎ５＜ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３であるように構成する。光増幅ファイバ８０の長さは、コア８３に添加したレーザ媒質であるイッテルビウム濃度、第１光導波路８１、第２光導波路８２、および第３光導波路８５の断面形状等により定まる波長９１５ナノメートルの励起光の吸収係数等に依存し、通常約２０メートルである。

光増幅ファイバ８０の一端はレーザ光を光出力として取り出さない反射端で、他端はレーザ光を光出力として取りだす出射端である。光増幅ファイバ８０の両端を除いた大部分、望ましくは端面より１メートル以上離れた部分は、ある所望の一定でない曲率半径で巻いてあり、その反射端から出射端に向かうにつれて、曲率半径が小さくなっており、渦巻状に巻いている。曲率半径の望ましい最小値は、シングルモードのレーザ光だけを伝送できる曲率半径である。

渦巻状に巻いている部分の大部分は同一平面内にあり、少なくとも渦巻状に巻いている部分の大部分は、実施の形態１と同様に、冷却盤に、伝熱剤、望ましくは伝熱性シリコーンパテ、を介して設置している。そのため、渦巻状に巻いている部分の冷却を効率的に行える。

光増幅ファイバ８０の両端は第１光導波路８１と第２光導波路８２を、第３光導波路８５から露出しない構成であり、反射端側の第１光導波路８１は半導体レーザ光伝送ファイバ１５とスプライス（融着）により接続しており、波長９１５ナノメートルの励起光を、光増幅ファイバ８０内に伝送する。

図示を略しているが、反射端側の第２光導波路８２を構成するコア８３には、実施の形態３で説明したような、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射するファイバブラッググレーティングを設けている。同様に、出射端側の第２光導波路８２には、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光の一部を透過するファイバブラッググレーティングを設けている。各々の反射率、透過率は光増幅ファイバ８０の長さ等により定まり、反射率は９５％以上が望ましい。

以上のように構成されたファイバレーザ装置について動作を説明する。まず、励起源である半導体レーザ１０は、図示しない電源、冷却装置、制御装置により駆動されイッテルビウムの励起光である波長９１５ナノメートルのレーザ光を、半導体レーザ光伝送ファイバ１５を通して出射する。

半導体レーザ光伝送ファイバ１５は光増幅ファイバ８０の第１光導波路８１にスプライスされており、出射したレーザ光は光増幅ファイバ８０の第１光導波路８１に導かれる。このレーザ光はイッテルビウムの励起光である。

第１光導波路８１の屈折率ｎ１と、第１光導波路８１を取り囲む第３光導波路８５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ１＜ｎ４であるため、励起光は第１光導波路８１を伝播するに従い、第３光導波路８５に漏れ出す。その励起光が第１光導波路８１を伝播しながら第３光導波路８５に漏れ出す割合は、第１光導波路８１と第３光導波路８５の曲率半径、すなわち、光増幅ファイバ８０の曲率半径に依存して第１光導波路８１が伝送できる光のモードが決まる。伝送できない光モードは第３光導波路８５に漏れ出す。

本実施の形態４では、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくする構成であるので、反射端から出射端に向かって、第１光導波路８１を伝送できる光のモードは、高次のモードから順に第１光導波路８１を伝播できなくなり、第３光導波路８５に漏れ出す。反射端から出射端に向かって、曲率半径が小さくなるにつれて、より高次のモードが第１光導波路８１を伝送できなくなり、第３光導波路８５に漏れ出す。

つまり、反射端から出射端に向かって曲率半径を変えることで、第３光導波路８５に充填した充填剤の狭い領域内で高出力の励起光を一度に通過させるのではなく、光増幅ファイバ８０の長さ方向全体にわたる広い領域を用いて高出力の励起光を通過させることができる。

第３光導波路８５に漏れ出した励起光は、外層８６の屈折率ｎ５と第３光導波路８５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ５＜ｎ４であるため、第３光導波路８５に閉じ込められ、第３光導波路８５中で多重反射しながら伝播する。

第３光導波路８５中を伝播する励起光の一部は、第２光導波路８２のクラッド８４の屈折率ｎ２と第３光導波路８５の屈折率ｎ４を比較すると、ｎ２＞ｎ４であるため、クラッド８４に入射し、第２光導波路８２に閉じ込められ、第２光導波路８２中を多重反射しながら伝播する。

第２光導波路中を伝播する励起光の一部はコア８３の屈折率ｎ３と第２光導波路８２のクラッド８４の屈折率ｎ２を比較すると、ｎ３＞ｎ２であるので、コア８３に入射する。

その際、第２光導波路８２のクラッド８４の断面はＤ字型形状であるので、クラッド８４内で多重反射を繰り返すうちに全てコア８３に吸収され、レーザ媒質であるイッテルビウムを励起する。

コア８３の反射端に設けた波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射する図示を略したファイバブラッググレーティングと、コア８３の出射端に設けた波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光の一部を透過する図示を略したファイバブラッググレーティングにより光共振器を構成する。したがって、上記の励起により発生する光は、光共振器による多重増幅帰還と、光増幅ファイバ８０の巻きつけによりモード選択が行われ、波長１０８５ナノメートルのシングルモードをもつレーザ光となりコア８３より出射する。

以上のように、本実施の形態では、励起光を伝送する第１光導波路８１と、マルチモードを伝送するコア８３を備える第２光導波路８２とを、励起光がコア８３に入射できるように包含する光増幅ファイバ８０を、渦巻状に巻いて用いることにより、高出力、高ビーム品質のレーザ光を出射するファイバレーザ装置が得られる。

（実施の形態５）
本実施の形態において実施の形態４と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図５Ａは、本実施の形態におけるファイバレーザ装置の構成図である。図５Ｂは、図５Ａにおける５Ｂ−５Ｂ線断面図である。図５Ｃは、同５Ｃ−５Ｃ線断面図である。

本実施の形態では、一部にレーザ媒質を含む光増幅ファイバ９０の断面形状は、レーザ光出射方向、すなわち光軸方向に関して、両端部を除いて同一の構造である。光増幅ファイバ９０は、第１光導波路９１と第２光導波路９２と第３光導波路９５と外層９６とから成るマルチコア（複数光導波路）構造である。

第１光導波路９１は、励起光を伝送する石英ガラスでできた直径１２５マイクロメートルの励起光導波路である。第２光導波路９２は、石英ガラスを母材として断面がＤ字型で励起光を吸収してレーザ光を発生する光導波路である。第３光導波路９５は、励起光を効率良く第１光導波路９１から第２光導波路９２に導き、第２光導波路９２に閉じ込める屈折率に調整した充填剤、望ましくはＵＶ硬化アクリル系接着剤、を充填した光導波路である、外層９６は、屈折率調整充填剤を封入して励起光の閉じ込め効率を高める樹脂からなる表層である。

第２光導波路９２は、その内部にレーザ媒質であるイッテルビウムを添加され、マルチモードを伝送する直径３０マイクロメートルのコア９３と、励起により発生したレーザ光を閉じ込める、石英ガラス母材である代表直径１２５マイクロメートルのクラッド９４とから成る。第１光導波路９１の屈折率をｎ１、第２光導波路９２のクラッド９４の屈折率をｎ２、コア９３の屈折率をｎ３、第３光導波路９５の屈折率をｎ４、外層９６の屈折率をｎ５とすると、励起波長９１５ナノメートルの光に対してｎ２＜ｎ３であるように構成する。光増幅ファイバ９０の一端はレーザ光を光出力として取り出さない反射端で、他端はレーザ光を光出力として取りだす出射端である。

光増幅ファイバ９０の両端を除いた大部分、望ましくは端面より１メートル以上離れた部分は、ある所望の一定でない曲率半径で巻いてあり、その反射端から出射端に向かうにつれて、曲率半径が小さくなっており、渦巻状に巻いている。渦巻状に巻いている部分の大部分は同一平面内にあり、少なくとも前記渦巻状に巻いている部分の大部分は、実施の形態１と同様に、冷却盤に伝熱剤を介して設置している。これにより、渦巻状に巻いている部分の効率的な冷却が行える。

光増幅ファイバ９０の両端は、第１光導波路９１と第２光導波路９２を、第３光導波路９５から露出しない構成である。反射端側の第１光導波路９１は半導体レーザ光伝送ファイバ１５とスプライス（融着）により接続しており、波長９１５ナノメートルの励起光を光増幅ファイバ９０内に伝送する。

反射端側の第２光導波路９２を構成するコア９３には、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射するファイバブラッググレーティングを設けている。同様に、出射端側の第２光導波路９２には、波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光の一部を透過するファイバブラッググレーティングを設けている。各々の反射率、透過率は光増幅ファイバ９０の長さ等により定まり、反射率は９５％以上が望ましい。

以上のように構成されたファイバレーザ装置について動作を説明する。まず、励起源である半導体レーザ１０は、図示しない電源、冷却装置、制御装置により駆動されイッテルビウムの励起光である波長９１５ナノメートルのレーザ光を、半導体レーザ光伝送ファイバ１５を通して出射する。

半導体レーザ光伝送ファイバ１５は光増幅ファイバ９０の第１光導波路９１にスプライスされており、出射したレーザ光は光増幅ファイバ９０の第１光導波路９１に導かれる。このレーザ光はイッテルビウムの励起光である。励起光は第１光導波路９１を伝播するに従い、第１光導波路９１の曲率半径が小さくなるにつれて、次第に高次モードの光から第３光導波路９５に漏れ出す。励起光が第１光導波路９１を伝播しながら第３光導波路９５に漏れ出す割合は、光増幅ファイバ９０の曲率半径に依存する。

すなわち、光増幅ファイバ９０の曲率半径を適宜選択すれば、第１光導波路９１の屈折率ｎ１と第３光導波路９５の屈折率ｎ４の大小関係にかかわらず、第１光導波路９１が伝送できる光のモードが決まる。伝送できない光モードは第３光導波路９５に漏れ出す。

本実施の形態では、反射端から出射端に向かって曲率半径を小さくする構成であるので、反射端から出射端に向かって、第１光導波路９１を伝送できる光のモードは、高次のモードから順に第１光導波路９１を伝播できなくなり、第３光導波路９５に漏れ出す。反射端から出射端に向かって、曲率半径が小さくなるにつれて、より高次のモードが第１光導波路９１を伝送できなくなり、第３光導波路９５に漏れ出す。

つまり、反射端から出射端に向かって曲率半径を変えることで、第３光導波路９５に充填した充填剤の狭い領域内で高出力の励起光を一度に通過させるのではなく、光増幅ファイバ９０の長さ方向全体にわたる広い領域を用いて高出力の励起光を通過させることができる。

第３光導波路９５に漏れ出した励起光は、周囲環境、望ましくは空気、の屈折率より高い屈折率を持つ外層９６によって閉じ込められて伝播する。上述と同様に光増幅ファイバ９０の曲率半径を適宜選択すれば、励起光の一部はクラッド９４に入射し、さらにその一部の励起光はコア９３に吸収され、レーザ媒質であるイッテルビウムを励起する。

コア９３の反射端に設けた波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光を反射する図示を略したファイバブラッググレーティングと、コア９３の出射端に設けた波長９１５ナノメートルの励起光を反射し、レーザ光の波長１０８５ナノメートルの光の一部を透過する図示を略したファイバブラッググレーティングにより光共振器を構成する。したがって、上記の励起により発生する光は、光共振器による多重増幅帰還と、光増幅ファイバ９０の巻きつけによりモード選択が行われ、波長１０８５ナノメートルのシングルモードをもつレーザ光となりコア９３より出射する。

以上のように、本実施の形態では、励起光を伝送する第１光導波路９１と、マルチモードを伝送するコア９３を備える第２光導波路９２とを、励起光がコア９３に入射できるように包含する光増幅ファイバ９０を、渦巻状に巻いて用いることにより高出力、高ビーム品質のレーザ光を出射するファイバレーザ装置が得られる。

（実施の形態６）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図６は、本実施の形態におけるファイバレーザ装置の構成図である。実施の形態１と異なるのは、曲率半径を変えながら巻かれた２本の光増幅ファイバ２０ａ、２０ｂの端部から露出した各第２光導波路２２ａ、２２ｂをスプライスして接続した点である。さらに、２本の光増幅ファイバ２０ａ、２０ｂのそれぞれの一端に半導体レーザ１０ａ、１０ｂを励起光源として備えた点である。すなわち、実施の形態１の光増幅ファイバ２０を２段構成として光増幅を行う点である。

なお、図６において、半導体レーザ１０ａ、１０ｂ、および半導体レーザ光伝送ファイバ１５ａ、１５ｂは、実施の形態１における、半導体レーザ１０および半導体レーザ光伝送ファイバ１５と同様の機能を有する。

以上のように構成されたファイバレーザ装置について動作を説明する。各段での励起光によるイッテルビウム励起に至る過程は、実施の形態１と同じである。イッテルビウム励起により生じた光は、１段目の光増幅ファイバ２０ａ中の第２光導波路２２ａ端面に設けられたレンズ１１と終段鏡１２、および２段目の光増幅ファイバ２０ｂ中の第２光導波路２２ｂの端面のクリーブによるフレネル反射で多重増幅帰還される。これにより、波長１０８５ナノメートルのレーザ光となり２段目の光増幅ファイバ２０ｂの第２光導波路２２ｂの他端より出射する。

以上のように、本実施の形態によれば、２本の光増幅ファイバ２０ａ、２０ｂの各第２光導波路２２ａ、２２ｂをスプライスして接続して２段構成とすれば、高出力レーザ光を出射するファイバレーザ装置が得られる。なお、本実施の形態では光増幅ファイバ２０ａ、２０ｂの２段の構成としたが、段数を増やして構成すれば、より高出力のレーザ光が得られる。

なお、上述した実施の形態１から６において、曲率半径を変えながら巻いた光増幅ファイバ２０、２０ａ、２０ｂ、６０、８０、９０の巻回した各光増幅ファイバ間は、光学的に結合しないように光学的に分離している。例えば光増幅ファイバの最外周を屈折率の低い材料でコーティングしたり、固定したりしている。また、別の構造としては各光増幅ファイバ間に光学的に不可視または減衰率の高い部材の仕切り板を配置する。さらに別の構造としては、渦巻状に溝と壁を形成した光学的に不可視または減衰率の高い部材の容器内に光増幅ファイバを配置して固定している。これらの構成により、光増幅ファイバを所定の位置に設定してその配置を保持できる。

本発明のファイバレーザ装置と光増幅方法は、小型、高出力を実現できるので、レーザ加工機などの用途に有用である。

１０，１０ａ，１０ｂ 半導体レーザ
１１ レンズ
１２ 終段鏡
１５，１５ａ，１５ｂ 半導体レーザ伝送ファイバ
２０，６０，８０，９０ 光増幅ファイバ
２１，２１ａ，２１ｂ，６１，８１，９１ 第１光導波路
２２，２２ａ，２２ｂ，６２，８２，９２ 第２光導波路
２３，６３，８３，９３ コア
２４，６４，８４，９４ クラッド
２５，６５，８５，９５ 第３光導波路
２６，６６，８６，９６ 外層
３１ 渦巻状に巻いている部分
３２ 放熱剤
３３ 冷却盤
３４ 放熱パテ
４０ 冷却錐
７１，７２，７３，７４ ファイバブラッググレーティング
７６，７７，７８，７９ ファイバ

Claims (17)

1. 励起光を入射して前記励起光を伝送する第１光導波路と、レーザ媒質が添加されレーザ光を発生するコアおよび前記励起光を伝送するクラッドから成る第２光導波路と、前記第１光導波路および前記第２光導波路を包含する第３光導波路とから成るマルチコア構造の光増幅ファイバを備え、前記光増幅ファイバは、曲率半径を変えながら巻回されたファイバレーザ装置。
2. 前記曲率半径は、前記励起光が伝播するにつれて小さくなる請求項１記載のファイバレーザ装置。
3. 前記光増幅ファイバは螺旋状に巻回された請求項１記載のファイバレーザ装置。
4. 前記光増幅ファイバは、円形状に沿って巻回された請求項３記載のファイバレーザ装置。
5. 前記光増幅ファイバは放熱剤で一体化された請求項１記載のファイバレーザ装置。
6. 前記光増幅ファイバの少なくとも一端の、前記第１光導波路および前記第２光導波路のうち少なくとも一方を前記第３光導波路から露出させた請求項１記載のファイバレーザ装置。
7. 前記露出させた前記第２光導波路に、ファイバブラッググレーティングを有するファイバをスプライスした請求項６記載のファイバレーザ装置。
8. 前記露出させた前記第１光導波路に、ファイバブラッググレーティングを有するファイバをスプライスした請求項６記載のファイバレーザ装置。
9. 前記光増幅ファイバの少なくとも一端の前記第２光導波路を前記第３光導波路から露出させ、前記露出させた前記第２光導波路に他のファイバレーザ装置を接続した請求項６記載のファイバレーザ装置。
10. 前記第１光導波路の屈折率をｎ１、前記第２光導波路のクラッドの屈折率をｎ２、前記第２光導波路のコアの屈折率をｎ３、前記第３光導波路の屈折率をｎ４としたとき、ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３である請求項１記載のファイバレーザ装置。
11. 励起光を入射して前記励起光を伝送する第１光導波路と、レーザ媒質が添加されレーザ光を発生するコアおよび前記励起光を伝送するクラッドから成る第２光導波路と、前記第１光導波路および前記第２光導波路を包含する第３光導波路とから成るマルチコア構造の光増幅ファイバを用い、前記光増幅ファイバを、曲率半径を変えながら巻回して光を増幅する光増幅方法。
12. 前記曲率半径は、前記励起光が伝播するにつれて小さくなる請求項１１記載の光増幅方法。
13. 前記光増幅ファイバの少なくとも一端の、前記第１光導波路および前記第２光導波路のうち少なくとも一方を前記第３光導波路から露出させた請求項１１記載の光増幅方法。
14. 前記露出させた前記第２光導波路に、ファイバブラッググレーティングを有するファイバをスプライスした請求項１３記載の光増幅方法。
15. 前記露出させた前記第１光導波路に、ファイバブラッググレーティングを有するファイバをスプライスした請求項１３記載の光増幅方法。
16. 前記光増幅ファイバの少なくとも一端の前記第２光導波路を前記第３光導波路から露出させ、前記露出させた前記第２光導波路に他のファイバレーザ装置を接続した請求項１３記載の光増幅方法。
17. 前記第１光導波路の屈折率をｎ１、前記第２光導波路のクラッドの屈折率をｎ２、前記第２光導波路のコアの屈折率をｎ３、前記第３光導波路の屈折率をｎ４としたとき、ｎ１＜ｎ４＜ｎ２＜ｎ３である請求項１１記載の光増幅方法。

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