JPWO2020171205A1 - ファイバレーザ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2019年2月21日に日本に出願された特願2019−029366号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
特許文献1では、TMI現象を考慮しておらず、ビーム品質を向上させつつ増幅効率を高めることについて改善の余地があった。
また、この構成は、例えば励起光のピーク波長を増幅用ファイバの吸収ピーク波長からずらす場合と比較して、出力端から出射されるレーザ光の強度が低下しにくいため、ファイバレーザ装置の高出力化を図ることが可能となる。
また、前記モードフィルタは、前記外側モードフィルタが制限する対象である高次モードを少なくとも除去するように構成されていてもよい。
以下、第1実施形態のファイバレーザ装置について、図面に基づいて説明する。
図1に示すように、ファイバレーザ装置1Aは、複数の励起光源2と、コンバイナ3と、入力側ファイバ4と、増幅用ファイバ5と、出力側ファイバ6と、外側モードフィルタ7と、出力端8と、を備えている。増幅用ファイバ5、入力側ファイバ4、および出力側ファイバ6は、光デバイスRを構成している。光デバイスRは、励起光源2が出射する励起光によってレーザ光を生成する共振器である。なお、光デバイスRに、他の構成要素(例えば外側モードフィルタ7、出力端8など)を含めてもよい。
本実施形態のファイバレーザ装置1Aは、後方励起光源を有していない片側励起型(前方励起型)である。
本明細書では、増幅用ファイバ5から見たとき、励起光源2側を入力側といい、出力端8側を出力側という。
なお、入力側ファイバ4と増幅用ファイバ5とは、不図示の中間ファイバを介して接続されていてもよい。中間ファイバの端部は、それぞれ入力側ファイバ4または増幅用ファイバ5に融着接続されている。この場合、中間ファイバと増幅用ファイバ5との融着接続部を、融着接続部F1とする。
増幅用ファイバ5の出力側の端部は、融着接続部F2によって、出力側ファイバ6に融着接続されている。図示は省略するが、融着接続部F1、F2は剛性の高い補強器によって保持されており、曲げなどが生じにくくなっている。補強器によって融着接続部F1、F2を補強することで、例えば融着接続部F1、F2で破断が生じることを抑止できる。
増幅用ファイバ5は、いわゆるフューモード光ファイバであり、複数のモードを伝搬可能となっている。
このように、外側モードフィルタ7は、出力端8から出射されるレーザ光に含まれるモードを最終的に制限する役割を有する。
ここで、本願発明者らが鋭意検討した結果、融着接続部F1でTMI現象の発生源となる高次モードが生じており、このTMI現象を抑制するために、増幅用ファイバ5内における融着接続部F1の近傍にモードフィルタ5aを設けることが効果的であることが判った。以下、より詳しく説明する。
(2)生じたビートにより、励起光の量子欠損に起因した、熱グレーティングが生じる。
なお、ここでいう熱グレーティングとは、増幅用ファイバ5の長手方向における温度ムラを指す。
(3)熱グレーティングがファイバの熱-屈折率依存性により、長周期グレーティングとなり、基本モードから高次モードへのモード間の結合が生じる。
(4)モード間結合により、基本モードが減少して高次モードが増大し、熱グレーティングの振幅(高温部分と低温部分との温度差)も大きくなる。
(5)熱グレーティングの振幅が大きくなることでさらにモード間結合が進み、基本モードが減少して高次モードが増大する。
(6)上記(4)、(5)が繰り返される。
上記TMI現象における熱グレーティングの生成には、影響を与えるパラメータがいくつか考えられる。ここで本明細書では、以下のように各パラメータを表す。
ΔT:熱グレーティングの振幅(高温部と低温部との温度差)
αpump:増幅用ファイバ5における励起光の吸収率
Ppump:増幅用ファイバ5に入力される励起光のパワー
a:信号光密度と励起光密度の比
ω:ビート変調度(モード間干渉によって生じる増幅用ファイバ5内の光強度のうねりにおける、山部と谷部との差または比)
ΔT∝(αpump×Ppump)÷a×ω
すなわち、ビート変調度ωを小さくすることで、ΔTを小さくすることが可能であると考えらえる。
そこで、本実施形態の増幅用ファイバ5は、モードフィルタ5aを有している。モードフィルタ5aは、増幅用ファイバ5のコアから、不要な高次モード(例えば基本モード(LP01)およびLP11以外のモード、または基本モードより高次モード)を除去する。また、モードフィルタ5aは、不要な高次モードをすべて除去してもよいが、不要な高次モードの少なくとも一部を除去するすればよい。例えば、不要な高次モードとは、LP01よりも高次のモード、またはLP11よりも高次のモードである。モードフィルタ5aの構成としては種々選択可能であるが、例えば増幅用ファイバ5のうち、高次モードを除去するように所定の曲率で曲げられた部分をモードフィルタ5aとしてもよい。
次に、本発明に係る第2実施形態について説明するが、第1実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態のファイバレーザ装置1Bは、後方励起光源を有する双方向励起型である。
本実施形態では、第2モードフィルタ5cが、共振器である光デバイスRの内側であって、融着接続部F2に近い位置に配置されている。より具体的には、第2モードフィルタ5cの少なくとも一部は、融着接続部F2と、融着接続部F2から増幅用ファイバ5を伝播する信号光のモード間干渉によって生じるビートのコヒーレント長だけ離れた位置と、の間の領域に、配置されている。第1モードフィルタ5aと同様、第2モードフィルタ5cは、融着接続部F2で発生する不要な高次モードを除去する。詳細な説明は省略するが、第2モードフィルタ5cは、第1モードフィルタ5aと同様の構成を採用することができる。
励起光源2として、図4に示すような強度分布を有する励起光を出射する光源を用いた。図4に示すように、本実施例における励起光の強度がピークとなる波長は976nmである。また、励起光は、970〜980nmの波長の光を含んでいる。
上記した実施例および比較例のファイバレーザ装置について、増幅用ファイバ5に入力する励起光のパワーと、励起光からレーザ光への変換効率と、の関係を測定した結果を以下に説明する。
これに対して、実施例のファイバレーザ装置1Aについては、投入電流値が30Aを超えても投入電流値と変換効率との線形性がほぼ維持され、変換効率の低下を抑制することができた。
このように、モードフィルタ5aを用いて不要な高次モードを除去することによる効果を確認することができた。
ファイバレーザ装置1Aにおいて、以下に説明する数式により算出されたコヒーレント長よりも、融着接続部F1とモードフィルタ5aとの間隔を短くすることで、レーザ光のビーム品質を向上させることができる。以下、具体的な数値を用いて、コヒーレント長の算出方法を説明する。
E01 = Asin(βave +Δβ/2)Z
= AsinβaveZ×cos(Δβ/2×Z) - AcosβaveZ×sin(Δβ/2×Z) (1)
E02 = Asin(βave -Δβ/2)Z
= AsinβaveZ×cos(Δβ/2×Z) + AcosβaveZ×sin(Δβ/2×Z) (2)
E01+E02 ∝ sinβaveZ×cos(Δβ/2×Z) (3)
数式(3)において、第1項のsinβaveZは一般波を表し、第2項のcos(Δβ/2×Z)は、ビートの振動を表している。
ここで、数式(3)の第2項のビートの振動に着目し、Δβ/2×Z = 2πを満たすZをビート長λbと定義する。λは、光ファイバの伝搬波長λである。ここでビート長λbは、
λb = 4π/Δβ (4)
と表される。
β=2π/λ×Neff (5)
との関係があるため、2つのモード間における実行屈折率Neffの差をΔNeffとすると、数式(4)および(5)より、
λb = 2λ/ΔNeff (6)
と、考えることができる。
Lc = (λb)2/Δλb (7)
と、考えることができる。数式(7)は、数式(6)より、
Lc= (λb)2/Δλb = 2/ΔNeff × (λ)2/Δλ (8)
と表される。
また、モードフィルタ5a、5cにおいて少なくとも一部が、それぞれ融着接続部F1、F2と、融着接続部F1、F2から増幅用ファイバ5を伝播する信号光のモード間干渉によって生じるビートのコヒーレント長だけ離れた位置と、の間の領域に配置されていればよい。
また、ファイバレーザ装置1A、1Bでは、増幅用ファイバ5が、モードフィルタ5a、5cを有しているが、例えば、モードフィルタ5a、5cは、それぞれHR−FBG4aと融着接続部F1との間、または、OC−FBG6aと融着接続部F2との間に配置されていてもよい。
Claims (6)
- 励起光を出力する励起光源と、前記励起光源からの励起光により励起される希土類元素が添加されたコアを有する増幅用ファイバと、
前記増幅用ファイバの入力側に融着接続され、HR−FBGが形成された入力側ファイバと、
前記増幅用ファイバの出力側に融着接続され、前記HR−FBGよりも反射率が小さいOC−FBGが形成された出力側ファイバと、
レーザ光を出力する出力端と、
前記増幅用ファイバの前記コアから所定の高次モードの少なくとも一部を除去するモードフィルタと、を備え、
前記入力側ファイバ、または、前記増幅用ファイバと前記入力側ファイバとの間に配置された中間ファイバは、融着接続部によって前記増幅用ファイバに融着接続され、
前記融着接続部と、前記融着接続部から前記増幅用ファイバを伝播する信号光のモード間干渉によって生じるビートのコヒーレント長だけ離れた位置と、の間の領域に、前記モードフィルタの少なくとも一部が配置されている、ファイバレーザ装置。 - 前記所定の高次モードは、LP01よりも高次のモード、またはLP11よりも高次のモードである、請求項1に記載のファイバレーザ装置。
- 前記出力側ファイバと前記出力端との間に設けられ、前記出力端から出力される前記レーザ光のモードを制限する外側モードフィルタを有する、請求項1または2に記載のファイバレーザ装置。
- 前記モードフィルタは、前記外側モードフィルタが制限する対象である高次モードを少なくとも除去するように構成されている、請求項3に記載のファイバレーザ装置。
- 前記融着接続部を補強する補強器をさらに備え、
前記モードフィルタは、前記補強器の出力側の端部から前記増幅用ファイバを曲げることで構成されている、請求項1から4のいずれか1項に記載のファイバレーザ装置。 - 前記増幅用ファイバの前記コアにはYbが添加されており、
前記励起光源が出力する光は、970〜980nmの波長の光を含む、請求項1から5のいずれか1項に記載のファイバレーザ装置。
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