JPWO2019176572A1 - レーザ発振器、レーザ加工装置、光ファイバー、光ファイバーの製造方法、及び、光ファイバーの製造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
屈折率変調領域の面積が小さいと、コアを伝搬する光との相互作用も小さくなり、屈折率変調領域の層数を増やさなければ高い光反射率を得ることが難しかった。
1つ目は、多数の屈折率変調領域を長さ方向に沿って形成するには、(i)レーザ照射、(ii)照射停止、(iii)レーザ光源又は光ファイバーを長さ方向に移動、(iv)再度レーザ照射、とのプロセスを多数回繰り返す必要があり、レーザ光を十分に増幅できるファイバーブラッググレーティングの製造に時間がかかるという問題点である。
2つ目は、多数の屈折率変調領域を長さ方向に沿って形成すると、光ファイバーの構造のゆがみにより、安定した良好なファイバーブラッググレーティングを得られないという問題点である。
本発明の一見地に係るレーザ発振器は、励起光源と、光ファイバーと、グレーティング領域と、を備える。励起光源は、励起光を出力する。光ファイバーは、励起光により発生したレーザ光を長さ方向に伝搬させて出口から出力するコアを有する。グレーティング領域は、複数の屈折率変調領域がコアの長さ方向に第1間隔を空けて形成された領域である。すなわち、グレーティング領域がファイバーブラッググレーティングとなる。屈折率変調領域は、コアの屈折率とは異なる屈折率を有する。
その結果、上記のレーザ発振器においては、第1間隔で決まる特定波長のレーザ光に対して強いレーザ発振を実現できる。つまり、上記のレーザ発振器は、特定の波長に固定してレーザ発振をさせることができ、強度が大きなレーザ光を出力できる。
これにより、第1グレーティング領域及び第2グレーティング領域のいずれか一方の反射率を小さくして、反射率の小さなグレーティング領域が形成された側から効率よくレーザ光を取り出すことができる。
これにより、上記の光ファイバーは、屈折率変調領域の断面積がコアの断面積の16%以上であるので、屈折率変調領域の形成数を少なくしつつ高い反射率を有する。
これにより、コアの端部において反射板などを設けることなく、光ファイバー内でレーザ光のレーザ発振が可能となる。
◎コアの屈折率を変化させる反応光をコア内部に照射するステップ。
◎反応光をコア内部に照射した状態で、反応光をコアの長さ方向とは垂直な方向に移動させて屈折率変調領域を形成するステップ。
これにより、断面積が大きな屈折率変調領域を形成して、1つの屈折率変調領域当たりの屈折率変調を大きくできる。その結果、屈折率変調領域の形成数を少なくしつつ、高い反射率を有するグレーティング領域(ファイバーブラッググレーティング)を実現できる。
また、屈折率変調領域の形成数を少なくできることにより、グレーティング領域を有する光ファイバーの製造時間を短縮できる。
さらに、反応光を走査しながら屈折率変調領域を形成することで、屈折率変調領域の断面積の大きさを調整して1つの屈折率変調領域当たりの屈折率変調の大きさを調整でき、また、2つの屈折率変調領域間の距離を調整できる。その結果、様々な特性を有するグレーティング領域を実現できる。
反応光源は、コアの屈折率を変化させる反応光をコア内部に照射する。移動台は、反応光をコア内部に照射した状態で、反応光をコアの長さ方向とは垂直な方向に移動させる。
また、屈折率変調領域の形成数を少なくできることにより、グレーティング領域を有する光ファイバーの製造時間を短縮できる。
さらに、反応光を走査しながら屈折率変調領域を形成することで、屈折率変調領域の断面積の大きさを調整して1つの屈折率変調領域当たりの屈折率変調の大きさを調整でき、また、2つの屈折率変調領域間の距離を調整できる。その結果、様々な特性を有するグレーティング領域を実現できる。
これにより、光ファイバーにグレーティング領域を形成しつつ、形成されたグレーティング領域の特性を評価できる。
(1)レーザ加工装置
以下、第1実施形態に係るレーザ加工装置100について説明する。まず、レーザ加工装置100の構成について、図1を用いて説明する。図1は、レーザ加工装置の構成を示す図である。レーザ加工装置100は、レーザ光L1を用いてワークWを加工するための装置である。
レーザ加工装置100は、レーザ発振器1を備える。レーザ発振器1は、ワークWにレーザ光L1を照射して、ワークWを切断するなどの、ワークWに対する加工を行う。レーザ発振器1の構成については、後ほど詳しく説明する。
レーザ発振器1から照射するレーザ光L1により加工できるワークWとしては、例えば、ガラス基板などがある。
また、レーザ発振器1からのレーザ光L1の光路上にレンズ及び/又はミラーなどの光学素子を配置して、集光・拡散照射及び/又は照射角度を調整してもよい。
次に、上記のレーザ加工装置100に備わるレーザ発振器1の構成について、図2を用いて説明する。図2は、レーザ発振器の構成を示す図である。図2に示すように、本実施形態に係るレーザ発振器1は、光ファイバー15をレーザ媒体及び共振器として用いる、ファイバーレーザである。
以下、レーザ発振器1のレーザ媒体及び共振器として機能する、本実施形態の光ファイバー15の構成について、図3を用いて説明する。図3は、光ファイバーの構成を示す図である。
光ファイバー15は、コア151を有する。コア151は、光導入部13から導入した励起光L2により励起され、コア151にドープされた物質により決まる波長のレーザ光L1を発生する。すなわち、コア151は、レーザ発振器1のレーザ媒体として機能する。本実施形態において、コア151は、希土類元素をドープしたフッ化物ファイバーである。具体的には、希土類元素としてエルビウム(Er)をドープしたZBLANガラスである。ZBLANガラスは、ジルコニウム(Zr)、バリウム(Ba)、ランタン(La)、アルミニウム(Al)、ナトリウム(Na)を主成分とするガラスある。
コア151の長さ方向に伝搬されたレーザ光L1は、光ファイバー15の出口Oから出力される。
これにより、クラッド153に入射した励起光L2を、内側の層と外側の層との界面において全反射できる。その結果、励起光L2は、コア151を複数回通過できる。
その結果、第1グレーティング領域155aは、従来のグレーティング領域(ファイバーブラッググレーティング)よりも長さが短くても、特定波長のレーザ光L1を強く反射できる。
なお、より多くのレーザ光L1を出口Oから出力するため、第2グレーティング領域155bにおけるレーザ光L1の反射率は、第1グレーティング領域155aにおける反射率よりも小さいことが好ましい。具体的には、第2グレーティング領域155bの形成長さは、第1グレーティング領域155aの形成長さよりも短いことが好ましい。
(4−1)屈折率変調領域の形成装置
以下、本実施形態に係る光ファイバー15の製造方法(屈折率変調領域HRの形成方法)について説明する。まず、本実施形態に係る光ファイバー15に屈折率変調領域HRを形成する形成装置200(製造装置の一例)の構成について、図4を用いて説明する。図4は、屈折率変調領域の形成装置を示す図である。
上記の反応光L3を用いることで、本実施形態では、コア151の屈折率よりも高い屈折率を有する屈折率変調領域HRを形成できる。
移動台203及び/又は対物レンズ205がZ軸方向に移動可能であることにより、対物レンズ205は、コア151内部において、図4のZ軸方向の任意の位置に、反応光L3の焦点を結ぶことができる。その結果、コア151内部のZ軸方向の任意の位置の屈折率を異ならせることができる。
なお、反応光源201のコントローラ、及び、移動台203のコントローラは、制御部209のコンピュータシステムにおいてプログラム(当該プログラムは、コンピュータシステムの記憶装置に記憶されている)を実行することにより制御されてもよい。
具体的には、形成装置200に、後述する評価装置300を導入することにより、励起光L2を用いたグレーティング領域155の評価を実行できる。
以下、本実施形態に係る屈折率変調領域HRの形成方法を、図5を用いて説明する。図5は、屈折率変調領域の形成方法を示すフローチャートである。以下では、上記の形成装置200により本実施形態に係る屈折率変調領域HRの形成方法を実行する場合を例にとって説明する。
まず、屈折率変調領域HRを形成する光ファイバー15を、形成装置200の移動台203に載置する。光ファイバー15を移動台203に載置後、移動台203を移動させることにより、コア151内部の所定の位置(グレーティング領域155内の所定の位置)に反応光L3が到達するよう、光ファイバー15のX−Y平面における位置を調整する。
また、反応光L3の焦点がコア151内部に結ばれるよう、対物レンズ205のZ軸方向における位置を調整する。
このような断面積の小さな屈折率変調領域HRが形成された部分にレーザ光L1が伝搬しても、当該レーザ光L1は、この屈折率変調領域HRではほとんど反射されない。
反応光L3の短パルスの発生間隔、及び、光ファイバー15の移動速度は、1パルス分の反応光L3の照射領域の一部が、他の1パルス分の反応光L3の照射領域の一部と重複するよう調整される。
これにより、光ファイバー15の移動に従って、コア151内部に形成される屈折率変調領域HRの面積を増大できる。例えば、コア151のY軸方向の一端から他端に反応光L3を移動させると、図6Bに示すように、Y軸方向に長い長方形を有する屈折率変調領域HRを形成できる。図6Bは、反応光を一方向に移動させた際に形成される屈折率変調領域の一例を示す図である。
なお、反応光L3のZ軸方向の移動方向は、既に屈折率変調領域HRが形成された箇所に、集光された反応光L3が照射されない方向とする。本実施形態では、反応光L3の焦点位置のZ軸方向の移動方向を、反応光源201の設置方向(図6Dでは上方向)とする。これにより、既に形成された屈折率変調領域HRに、集光された反応光L3が再度照射されることを回避できる。
他の実施形態において、グレーティング領域155が形成された光ファイバー15にて発生するレーザ発振出力の大きさを、屈折率変調領域HRの形成を継続するか否かの判断基準としてもよい。
さらに他の実施形態において、グレーティング領域155の反射スペクトルを、屈折率変調領域HRの形成を継続するか否かの判断基準としてもよい。例えば、グレーティング領域155にて反射された特定の波長を有する光の強度が所望の大きさとなったか否かを、屈折率変調領域HRの形成を継続するか否かの判断基準としてもよい。その他、当該光のスペクトル形状(当該光のピーク波長、スペクトルの半値幅、サイドローブの有無など)を判断基準としてもよい。
上記のステップS1〜S5を繰り返し実行することにより、グレーティング領域155において、互いに隣接する屈折率変調領域HRの間隔を第1間隔D1だけ空けて、複数の屈折率変調領域HRを形成できる。
グレーティング領域155を形成する光ファイバー15として、コア151にエルビウムをドープしたZBLANガラス製のものを用いた(コア151の直径:28μm)。
屈折率変調領域HRは、パルス幅が400fs、波長が515nmである反応光L3を用いて形成した。反応光L3の強度は、反応光L3による照射痕を確認しながら0.5μJ付近にて調整した。
また、光ファイバー15の長さ方向における反応光L3の移動距離、すなわち、互いに隣接する屈折率変調領域HRの間隔(第1間隔D1)を970nmとした。
これらの図に示すように、反応光L3の走査範囲と、形成される屈折率変調領域HRのサイズは対応していることが分かる。なお、比較例における屈折率変調領域HRのサイズは、約0.7μm×2μmであった。
(5−1)評価装置
本実施形態においては、形成装置200にて光ファイバー15にグレーティング領域155を形成中に、光ファイバー15のレーザ媒体及び共振器としての評価を行った。以下、光ファイバー15の評価実験及び評価結果について説明する。
まず、本実施形態に係る光ファイバー15を評価するための評価装置300について、図8を用いて説明する。図8は、評価装置の構成を示す図である。
以下、本実施形態の屈折率変調領域HRの形成方法を用いて作製したグレーティング領域155を有する光ファイバー15の評価結果について説明する。
本実施形態においては、グレーティング領域155の形成長さと反射光L1’の強度との関係と、励起光L2の強度と反射光L1’の強度との関係と、を用いてグレーティング領域155を有する光ファイバー15の評価を行った。
図9に示す評価結果は、上記の実施例1、実施例2、及び比較例にて示した屈折率変調領域HRを形成装置200により形成しながら、励起光L2をクラッド153に入射し、形成されたグレーティング領域155により反射された反射光L1’を光測定部307により測定することで得た。
その一方、反応光L3を走査して屈折率変調領域HRを形成した実施例1及び2においては、グレーティング領域155の長さが上記閾値よりも小さくても、光測定部307により反射光L1’が測定された。
上記の結果は、反応光L3を走査して形成された屈折率変調領域HR(実施例1及び2)は、反応光L3を走査することなく形成した場合(比較例)と比較して大きな反射率を有することを示している。また、反応光L3を走査して形成された屈折率変調領域HRを含むグレーティング領域155は、その形成長さが短くても、すなわち、屈折率変調領域HRの形成数が少なくても十分な反射率を有することを示している。
図10に示す評価結果は、上記の実施例1、実施例2、及び比較例にて示したグレーティング領域155を所定の長さだけ形成後に、励起光L2の強度を変化させながら反射光L1’の強度を測定することにより得た。なお、有意な測定結果を得るために、比較例1におけるグレーティング領域155の形成長さは、実施例1及び2におけるグレーティング領域155の形成長さよりも長くしている。
図10に示す評価結果から算出した、実施例1、実施例2、及び比較例の光ファイバー15のレーザ効率(スロープ効率)は、それぞれ、12%、16%、及び1.5%であった。
(5−3−1)本実施形態の製造方法の観点からの有利点
上記の評価結果から、本実施形態に係る屈折率変調領域HRの形成方法は、従来の方法と比較して、以下のような有利点がある。
まず、屈折率変調領域HRの形成数を少なくできることにより、グレーティング領域155を有する光ファイバー15の製造時間を短縮できる。なぜなら、反応光L3をコア151の断面内で走査する時間と、反応光L3を光ファイバー15の長さ方向に第1間隔D1だけ移動させる時間とを比較すると、前者の時間の方がはるかに短いからである。
すなわち、十分な反射率を得るために反応光L3を光ファイバー15の長さ方向に沿って移動させる回数を増加させる代わりに、反応光L3をコア151の断面内で走査して1つの屈折率変調領域HRあたりの屈折率を大きくし、反応光L3を長さ方向に移動させる回数を減少することで、グレーティング領域155を有する光ファイバー15の製造時間を短縮できる。
また、過剰に強い反応光L3を光ファイバー15に照射すると、光ファイバー15に大きなダメージが生じることがある。
また、反応光L3を走査して屈折率変調領域HRを形成する本実施形態の方法は、特に、コア151の径が3μm以上である光ファイバー15にグレーティング領域155(ファイバーブラッググレーティング)を形成する場合に有利である。
また、反応光L3を走査して形成された屈折率変調領域HRが大きな反射率を有することにより、光ファイバー15の応用面の観点からは以下のような有利点がある。
まず、コア151の断面積に対する屈折率変調領域HRの断面積の割合が大きくなるほど、測定される反射光L1’が大きくなる傾向も見られている。十分に大きな反射率を有するグレーティング領域155を形成する観点からは、コア151の断面積に対する屈折率変調領域HRの断面積の割合は、少なくとも16%以上であればよい。
反射率を大きくしレーザ効率をより高くするとの観点からは、コア151の断面積に対する屈折率変調領域HRの断面積の割合は、20%以上とすることが好ましく、50%以上とすることがより好ましく、100%とすることが最も好ましい。
グレーティング領域155内で屈折率変調領域HRの屈折率を制御することで、例えば、ファイバーブラッググレーティング内にて発生するレーザ光のサイドローブを減少し、レーザ光のスペクトル幅を小さくできる。さらに、サイドピークの発生を抑制できる。すなわち、指向性が強く、かつ、スペクトル特性に優れた理想的なレーザ光を出力できる。
また、互いに隣接する屈折率変調領域HRの第1間隔D1を光ファイバー15の長さ方向にて段階的に変更することにより、パルスストレッチャー、チャープパルスに応用できるグレーティング領域155を形成できる。
上記第1実施形態は、下記の構成及び機能を共通に有している。
レーザ発振器1(レーザ発振器の一例)は、励起光源11(励起光源の一例)と、光ファイバー15(光ファイバーの一例)と、グレーティング領域155(グレーティング領域の一例)と、を備える。励起光源11は、励起光L2(励起光の一例)を出力する。光ファイバー15は、励起光L2により発生したレーザ光L1(レーザ光の一例)を長さ方向に伝搬させて、出口O(出口の一例)から出力するコア151(コアの一例)を有する。グレーティング領域155は、複数の屈折率変調領域HR(屈折率変調領域の一例)がコア151の長さ方向に第1間隔D1(第1間隔の一例)を空けて形成された領域である。屈折率変調領域HRは、コア151とは異なる屈折率を有する。
その結果、レーザ発振器1においては、第1間隔D1で決まる特定波長のレーザ光L1に対して強いレーザ発振を実現できる。つまり、レーザ発振器1は、特定の波長に固定してレーザ発振をさせることができ、強度が大きなレーザ光L1を出力できる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
例えば、レーザ発振器1にて出力したいレーザ光L1の波長に応じて、光ファイバー15の材料、及び、互いに隣接する屈折率変調領域HR間の第1間隔D1を、適宜変更できる。また、光ファイバー15の材料の光学的特性などに応じて、屈折率変調領域HRの形成条件(例えば、反応光L3の波長、照射時間、強度など)を適宜変更できる。
W ワーク
1 レーザ発振器
11 光源
13 光導入部
131 励起光導波ファイバー
133 導入レンズ
15 光ファイバー
151 コア
I 入口
O 出口
153 クラッド
155 グレーティング領域
155a 第1グレーティング領域
155b 第2グレーティング領域
D1 第1間隔
D2 第2間隔
HR 屈折率変調領域
17 コリメータ
3 ワーク載置台
200 形成装置
201 反応光源
203 移動台
205 対物レンズ
207 光路変更部材
209 制御部
300 評価装置
301 励起光源
303 励起光導波ファイバー
305 導入部
305a ミラー
307 光測定部
L1 レーザ光
L1' 反射光
L2 励起光
L3 反応光
Claims (12)
- 励起光を出力する励起光源と、
前記励起光により発生したレーザ光を長さ方向に伝搬させて出口から出力するコアを有する光ファイバーと、
前記コアの屈折率とは異なる屈折率を有する複数の屈折率変調領域が、前記コアの長さ方向に第1間隔を空けて形成されたグレーティング領域と、
を備え、
前記長さ方向とは垂直な方向の前記屈折率変調領域の断面積は、前記長さ方向とは垂直な方向の前記コアの断面積の16%以上である、
レーザ発振器。 - 前記グレーティング領域は、第1グレーティング領域と、前記第1グレーティング領域から前記コアの長さ方向に第2間隔を空けて形成された第2グレーティング領域と、を有する、請求項1に記載のレーザ発振器。
- 前記第1グレーティング領域及び前記第2グレーティング領域のいずれか一方の前記長さ方向の形成長さは、他方の形成長さよりも短い、請求項2に記載のレーザ発振器。
- 前記光ファイバーは、希土類元素をドープしたフッ化物ファイバーである、請求項1〜3のいずれかに記載のレーザ発振器。
- 前記希土類元素はエルビウムである、請求項4に記載のレーザ発振器。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のレーザ発振器から出力されるレーザ光をワークに照射して加工を行うレーザ加工装置。
- コアと、
前記コアの屈折率とは異なる屈折率を有する複数の屈折率変調領域が、前記コアの長さ方向に第1間隔を空けて形成されたグレーティング領域と、
を備え、
前記長さ方向とは垂直な方向の前記屈折率変調領域の断面積は、前記長さ方向とは垂直な方向の前記コアの断面積の16%以上である、
光ファイバー。 - 前記グレーティング領域は、第1グレーティング領域と、前記第1グレーティング領域から前記コアの長さ方向に第2間隔を空けて形成された第2グレーティング領域と、を有する、請求項7に記載の光ファイバー。
- コアの屈折率とは異なる屈折率を有する複数の屈折率変調領域が前記コアの長さ方向に第1間隔を空けて形成されたグレーティング領域を備える光ファイバーの製造方法であって、
前記コアの屈折率を変化させる反応光を前記コア内部に照射するステップと、
前記反応光を前記コア内部に照射した状態で、前記反応光を前記コアの長さ方向とは垂直な方向に移動させて前記屈折率変調領域を形成するステップと、
を含む、光ファイバーの製造方法。 - コアの屈折率とは異なる屈折率を有する複数の屈折率変調領域が前記コアの長さ方向に第1間隔を空けて形成されたグレーティング領域を備える光ファイバーの製造装置であって、
前記コアの屈折率を変化させる反応光を前記コア内部に照射する反応光源と、
前記反応光を前記コア内部に照射した状態で、前記反応光を前記コアの長さ方向とは垂直な方向に移動させる移動台と、
を備える、
製造装置。 - 前記反応光の焦点を前記コア内部に結ぶレンズをさらに備える、請求項10に記載の製造装置。
- 前記グレーティング領域に向けて入射した励起光が前記グレーティング領域にて反射されることで発生する反射光の強度に基づいて、前記グレーティング領域を形成中の前記光ファイバーを評価する評価装置をさらに備える、請求項10又は11に記載の製造装置。
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