WO2014157119A1 - ファイバーレーザー光源装置 - Google Patents

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WO2014157119A1
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laser
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理 大澤
蕪木　清幸
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ウシオ電機株式会社
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Definitions

  • the invention of the present application relates to a fiber laser.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a general fiber laser light source device.
  • the fiber laser light source device is mainly configured by an excitation laser oscillator 81, a fiber 82 into which excitation light from the excitation laser oscillator 81 is incident, and a pair of resonance elements 83 provided with the fiber 82 interposed therebetween. .
  • a double clad fiber is often used for a fiber 82 (hereinafter referred to as an active fiber) serving as a laser medium.
  • Excitation light from the excitation laser oscillator 81 enters the active fiber 82 via the coupler 84.
  • the incident area is the entire area of the inner cladding including the core.
  • the excitation light propagates while being reflected in the inner clad due to the refractive index difference between the outer clad and the inner clad. At this time, the excitation light passes through the core and excites the laser medium included in the core.
  • a mirror may be used for the pair of resonance elements 83, but a special spectroscopic element called FBG (Fiber Bragg Grating) is often used.
  • FBG Fiber Bragg Grating
  • Such fiber laser technology is particularly effective in fields where it is necessary to effectively obtain output light with a higher energy density. For this reason, it has been actively researched and put into practical use in the field of laser processing such as marking. It has been. Therefore, the output wavelength is in the infrared region around 1000 nm, and the excitation laser is often an infrared LD (semiconductor laser) having a wavelength of about 900 nm.
  • the excitation laser is often an infrared LD (semiconductor laser) having a wavelength of about 900 nm.
  • high power lasers are often needed even in the visible range.
  • research and development have been conducted on large projectors and digital cinema projectors that project images on a large-scale screen. In order to project an image on a larger screen, a higher output RGB light source is required. According to the inventor's research, there is a possibility that a high output light source that can be used in a large projector or the like can be realized by applying the fiber laser technology.
  • the invention according to claim 1 of the present application includes an excitation laser element, a fiber containing a medium excited by excitation light output from the excitation laser element, and an excitation laser element.
  • a coupling optical system that makes the excitation light incident on the core of the fiber, and a pair of resonant elements provided at both ends of the fiber, The pair of resonant elements are capable of extracting light of a specific wavelength while resonating light of a specific wavelength emitted by a medium excited by excitation light.
  • the coupling optical system includes an optical element that guides excitation light output from the excitation laser element to a fiber, and a housing that incorporates the optical element.
  • the fiber is housed in a metal tube,
  • the metal tube and the casing of the coupling optical system have a configuration in which the coupling optical element and the fiber are fixed at a coaxial position.
  • the invention according to claim 2 is the configuration according to claim 1, wherein the pair of resonance elements are reflection films formed on both end faces of the fiber, and the metal tube has The fiber has a heat capacity capable of suppressing the temperature rise of the fiber so that the temperature of the fiber does not exceed the heat-resistant temperature of each resonance element.
  • the invention according to claim 3 is the configuration according to claim 1 or 2, wherein the metal tube has a radiating fin on the outside.
  • the invention according to claim 4 is the structure according to claim 1, 2, or 3, wherein the fiber includes the core, the clad surrounding the core, and the zirconia surrounding the clad.
  • the metal tube has a configuration in which the outside of the sheath is covered.
  • the sheath made of zirconia is translucent, and the metal tube emits light in the fiber through the sheath. It has the structure of having a window for visually recognizing.
  • the invention according to claim 6 is the configuration according to any one of claims 1 to 5, wherein the coupling optical system condenses the laser light output from the excitation laser element. And has a configuration in which the focused laser beam is incident on the core of the fiber.
  • the invention according to claim 7 is the structure according to claim 6, wherein the cross-sectional shape of the laser beam output from the excitation laser element is non-circular, and the coupling optical system Has a configuration in which laser light is incident on the fiber while converting the cross-sectional shape into a circle.
  • the fiber since the fiber is covered with the metal tube, the fiber is protected, and the temperature rise can be suppressed by heat radiation. In addition, the optical alignment of the coupling optical system is facilitated.
  • the metal tube in addition to the above effects, thermal damage to the reflective film is prevented.
  • the metal tube in addition to the above effects, has the radiation fins, so that the effects of suppressing the temperature rise of the fiber and preventing the thermal damage of the reflection film are further enhanced.
  • the double tube of the metal tube and the sheath made of zirconia is used, so that the protection of the fiber is further achieved.
  • the light emitted from the fiber disposed inside is visually recognized, so that operations such as alignment are further facilitated.
  • the invention described in claim 6 or 7 in addition to the above effect, even when a fiber having a small core diameter is used, excitation can be performed efficiently, and in this respect, the efficiency of laser output is increased.
  • FIG. 1 It is a section schematic diagram of a fiber laser light source device concerning an embodiment of the invention in this application. It is sectional drawing of the main fiber 2 used for the fiber laser light source device shown in FIG. 1, (1) is sectional drawing of radial direction, (2) is sectional drawing of the length direction in the edge part of an incident side. . It is a figure of the result of having investigated the fluorescence spectrum of the aluminum fluoride type glass which doped Pr3 + . It is the figure which showed schematic structure of the general fiber laser light source device.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fiber laser light source device according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus shown in FIG. 1 includes an excitation laser element 1, a fiber (hereinafter referred to as a main fiber) 2 containing a laser medium that is excited by excitation light output from the excitation laser element 1, and an excitation laser element.
  • 1 includes a coupling optical system 3 for causing 1 to enter the main fiber 2 and a pair of resonance elements provided at both ends of the main fiber 2.
  • the excitation laser element 1 varies depending on the laser medium in the main fiber 2 and the output wavelength. For example, a GaN (gallium nitride) based semiconductor laser is used.
  • the excitation laser element 1 is fixed by being fitted into a base plate.
  • the main fiber 2 is a cross-sectional view of the main fiber 2 used in the fiber laser light source device shown in FIG. 1, wherein (1) is a cross-sectional view in the radial direction, and (2) is a length direction at the end on the incident side. It is sectional drawing.
  • the main fiber 2 has a core 21 at the center, a cladding 22 on the outer side, and a sheath 23 on the outer side.
  • the diameter of the core 21 is about 7 to 15 ⁇ m
  • the outer diameter of the cladding 22 is about 35 to 50 ⁇ m
  • the outer diameter of the sheath 23 is about 280 to 300 ⁇ m.
  • the material of the main fiber 2 is aluminum fluoride (AlF 3 ) glass.
  • the core 21 is made of aluminum fluoride glass doped with a rare earth element serving as a laser medium.
  • Aluminum clad glass is also used for the clad 22 and is doped with a material whose refractive index is lower than that of the core 21.
  • the sheath 23 is made of, for example, zirconia.
  • Aluminum fluoride fiber has low mechanical strength as described above. Therefore, it is not preferable that the optical fiber can be elongated and looped like a general optical fiber for communication and transmission. It must be short to some extent and have a certain thickness. Therefore, it becomes a rod shape (columnar shape) as shown in FIG. Although it is rod-shaped, it is composed of the core 21 and the clad 22 and is different from a simple cylindrical light guide rod. An example of the length is, for example, about 30 to 50 mm in total length.
  • the reflection films 41 and 42 are constituted by wavelength selection films (wavelength selection reflection films) that reflect only light of a specific wavelength and transmit light of other wavelengths.
  • the specific wavelength is the output wavelength of this device.
  • the incident-side reflection film 41 is a wavelength selection film that reflects almost 100% of light having an output wavelength and transmits other wavelengths.
  • the reflection film 42 on the emission side is a wavelength selective reflection film that transmits light of an output wavelength by several% (for example, 5 to 10%) and reflects the rest including other wavelengths.
  • Pr 3+ is selected as the rare earth element doped into the core 21.
  • the doping amount is, for example, about 3000 to 5000 ppm.
  • fluorescence in the wavelength region of 465 to 495 nm is generated by the transition from 3 P0 to 3 H 4 , and the transition from 3 P1 to 3 H 5 causess fluorescence in the wavelength region of 515 to 555 nm.
  • FIG. 3 is a diagram showing the result of examining the fluorescence spectrum of aluminum fluoride glass doped with Pr 3+ .
  • the excitation light is, for example, output light from a GaN-based semiconductor laser having a wavelength of 448 nm, and the doping amount of Pr 3+ is 3000 ppm.
  • the Pr 3+ doped aluminum fluoride fiber strong peak fluorescence exists in the range of about 465 to 495 nm, and sufficiently strong fluorescence exists in the range of 515 to 555 nm and 600 to 660 nm. It is confirmed.
  • the wavelength selective reflection films 41 and 42 that selectively reflect an arbitrary wavelength of 465 to 495 nm are employed as the pair of resonance elements, the light of this wavelength resonates in the main fiber 2 and laser oscillation occurs.
  • a blue fiber laser light source device having this wavelength as an output wavelength can be configured.
  • the wavelength selective reflection films 41 and 42 that selectively reflect an arbitrary wavelength of 515 to 555 nm are employed as a pair of resonance elements, light of this wavelength resonates in the main fiber 2 and laser oscillation occurs.
  • a green fiber laser light source device having this wavelength as an output wavelength can be configured.
  • wavelength selective reflection films 41 and 42 that selectively reflect an arbitrary wavelength of 600 to 660 nm are employed as a pair of resonance elements, light of this wavelength resonates in the main fiber 2 and laser oscillation occurs.
  • a red fiber laser light source device having this wavelength as an output wavelength can be configured.
  • Such wavelength selective reflection films 41 and 42 are composed of dielectric multilayer films and are formed by vapor deposition.
  • the wavelength selective reflection films 41 and 42 can be multilayer films in which a large number of SiO 2 films and Ta 2 O 5 films are alternately stacked.
  • the coupling optical system 3 causes the excitation light from the excitation laser element 1 to enter the core 21 of the main fiber 2.
  • excitation light is incident on the clad 22 and propagates in the clad 22 so that the medium in the core 21 is excited when passing through the core 21. .
  • This structure is excellent in that the pumping efficiency is increased and high-power laser oscillation is performed, but it is difficult to adopt in the apparatus of the embodiment.
  • the main fiber 2 In order to utilize the propagation of the clad 22, the main fiber 2 has to be made considerably long.
  • the aluminum fluoride glass has a low mechanical strength, and if it is elongated, it becomes very difficult to handle.
  • the coupling optical system 3 guides the excitation light to the core 21 and makes it incident.
  • the coupling optical system 3 collects the excitation light from the excitation laser element 1 and shapes the beam to be incident on the main fiber 2 after being shaped.
  • the main fiber 2 of the embodiment is incident on the core as described above and that a semiconductor laser is used as an excitation laser. That is, in the case of core incidence, the excitation light must be collected up to the core diameter. In the case of clad incidence, it is not incident only on the clad but on the entire fiber including the core and the clad (strictly speaking, the inner clad). In the case of core incidence, it is necessary to collect the excitation light up to the core diameter. is there.
  • the cladding 22 has a property of absorbing excitation light, and when excitation light is incident on the cladding 22 from the end face, most of the excitation light is changed to heat. For this reason, when excitation light enters the cladding 22 from the end face, there is a high possibility that the reflective film 41 formed on the end face of the cladding 22 is thermally damaged. Therefore, it is necessary to condense up to about the core diameter so that the excitation light is incident only on the core 21.
  • the beam shape of the semiconductor laser is almost elliptical, and when it is simply condensed, the excitation light is incident on the main fiber 2 with a beam shape having an elliptical cross section.
  • the light in order to collect light so as not to protrude from the core 21, the light must be condensed to a very small size, and even if so, it is difficult to collect light in the region of the core 21, and efficiency is reduced. . Therefore, the elliptical cross-sectional shape needs to be converted into a circular shape and then incident on the core 21.
  • an anamorphic prism pair optical system is employed as the coupling optical system 3 that performs condensing and beam shaping (shape conversion) in this way.
  • the anamorphic prism pair is an optical system that uses two prisms to change the beam magnification of the other axis without changing the beam size of one axis, and is commercially available for shaping a laser beam. Custom orders are also possible.
  • the coupling optical system 3 of the embodiment can also be appropriately selected from these and used.
  • the fiber laser light source device of such an embodiment has a structure optimized according to the properties of the main fiber 2 described above. That is, the main fiber 2 has a structure in which the core 21 and the clad 22 are accommodated in a sheath 23 made of zirconia, and the metal tube 5 is provided so as to cover the periphery thereof. That is, the core 21 and the clad 22 are accommodated in a double tube called a sheath 23 and a metal tube 5.
  • Accommodating the main fiber 2 inside the metal tube 5 has three meanings.
  • One is protection of the main fiber 2.
  • the other is prevention of the temperature rise of the main fiber 2.
  • the other is for optical alignment with the coupling optical system 3.
  • aluminum fluoride glass is used as the core material, and there is no problem like zirconium fluoride glass in terms of water resistance.
  • the apparatus of the embodiment accommodates and protects the main fiber 2 inside the metal tube 5.
  • the metal tube 5 may be made of stainless steel, aluminum, copper, or the like, but is not flexible like a bellows.
  • the fiber laser light source device of the embodiment is incident on the core, and the excitation light is condensed and incident on the core 21 with a high energy density. Therefore, the main fiber 2 as a whole tends to have heat and easily rise in temperature. A problem caused by the temperature increase of the main fiber 2 is that the main fiber 2 exceeds the glass transition temperature.
  • the glass transition temperature of aluminum fluoride-based glass is about 360 ° C., and the temperature does not increase to this level.
  • the reflective films 41 and 42 used as the resonant elements that are thermally weak in the apparatus of the embodiment.
  • the reflective films 41 and 42 formed as the wavelength selective reflective films 41 and 42 by vapor-depositing the multilayer film may have low heat resistance, for example, about 200 ° C. Therefore, it is necessary to suppress the temperature rise of the main fiber 2 to a temperature of 200 ° C. or lower.
  • the heat radiating fins 6 are provided on the outer surface of the metal tube 5 to effectively suppress the temperature rise of the main fiber 2.
  • the metal pipe 5 made of stainless steel and providing the radiation fins 6, the outer surface of the radiation fins 6 can be suppressed to 50 ° C. or less.
  • the core is incident, and it is necessary to make the excitation light incident only on the core 21 with high accuracy.
  • the coupling optical system 3 and the main fiber 2 need to be positioned coaxially with high accuracy. “Coaxial” means that the optical axis of the coupling optical system 3 and the center of the main fiber 2 (center of the core 21) are aligned on the same straight line.
  • the metal tube 5 is made of, for example, stainless steel, and is fixed after being aligned with the housing 31 made of, for example, stainless steel.
  • the fixation can be, for example, YAG laser welding.
  • the casing 31 must have an end surface perpendicular to the optical axis, and the metal tube 5 must have an end surface perpendicular to the length direction of the main fiber 2. And fix it.
  • the coupling optical system 3 and the main fiber 2 are aligned, the output from the main fiber 2 is checked with a laser power monitor while the excitation laser element 1 is operated with a weak output. If the alignment is not performed, the excitation light is not sufficiently incident on the core 21, so that the light having the set output wavelength (resonance wavelength of the resonance element) is not emitted, and the value is not confirmed by the laser power monitor. When the alignment is performed, light of an output wavelength is emitted and captured by the laser power monitor, so that the completion of the alignment can be confirmed.
  • the main fiber 2 can be directly visually recognized while covering the main fiber 2 with the metal tube 5. That is, translucent zirconia is used for the sheath 23, and windows 50 and 60 are provided on the metal tube 5 and the radiation fin 6 as shown in FIG. 1. Although the windows 50 and 60 are openings, a structure in which a translucent member is fitted into the openings may be employed. Since the alignment is performed while looking at the main fiber 2 through the windows 50 and 60, it can be confirmed whether laser oscillation is occurring in the main fiber 2. For this reason, the alignment operation becomes easier. This point is also due to the fact that the device of the embodiment is for visible light.
  • the sheath 23 and the clad 22 are fixed with an adhesive. Therefore, when the temperature rises above the heat resistance of the adhesive, problems such as softening of the adhesive may occur. That is, there is a significance that the heat radiation action by the metal tube 5 and the heat radiation fin 6 is less than the heat resistance of the adhesive.
  • a light guiding fiber 7 is connected to the exit side of the main fiber 2.
  • the light guide fiber 7 is connected to the emission side of the main fiber 2 via the connectors 71 and 72.
  • the light guide fiber 7 may be a quartz fiber, for example. Since the light guiding fiber 7 is connected to the rear end of the metal tube 5, the fiber laser light source device of the embodiment can be of a pigtail structure.
  • the pumping laser element 1 when the pumping laser element 1 operates and pumping light is output, the pumping light is partially condensed by the coupling optical system 3 and shaped into a beam and incident on the main fiber 2. .
  • the excitation light propagates through the main fiber 2 to excite Pr 3+ , and each transition generates each fluorescence.
  • the generated fluorescence only the light having the resonance wavelength of the pair of resonance elements composed of the wavelength selective reflection films 41 and 42 resonates and is emitted from the emission-side resonance element, and the remaining fluorescence and excitation light are absorbed by the resonance element. Or attenuates through the reflective film 41.
  • a visible light laser having a desired output wavelength can be obtained only by making the reflection characteristics of the pair of resonant elements formed of the wavelength selective reflection films 41 and 42 desired.
  • a desired product can be obtained in each wavelength region of the RBG.
  • it can be suitably used as a light source for a system using visible light such as a projector or a digital cinema projector.
  • Dolby 3D is a registered trademark of Dolby Laboratories Licensing Corporation Corporation (USA)
  • Dolby is a registered trademark of Dolby Laboratories Licensing Corporation Corporation (USA)
  • the fiber laser light source device of the embodiment that allows easy wavelength selection can be suitably used for this application.
  • an optical system employing a cylindrical lens such as a cross cylindrical or a toroidal lens in addition to an anamorphic prism pair may be used.
  • the rare earth element doped into the main fiber 2 other Pr 3+, may include Yb 3+.
  • zirconium fluoride glass such as ZBLAN or ZBLANP may be adopted in addition to aluminum fluoride glass.
  • an InGaN laser, an InGaNAs laser, a GaNAs laser, or the like can be used.

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Abstract

【課題】　可視域の光を出力するのに適したファイバーレーザー光源装置の実用的な構造を提供する。 【解決手段】　Ｐｒ３＋がドープされたフッ化アルミニウム系ファイバー２のコア２１には、励起用レーザー素子１から出力された励起光が結合用光学系３で集光、ビーム整形されながら入射する。励起光により励起されたコア２１中のＰｒ３＋から放出された蛍光は、波長選択反射膜４１，４２より成る一対の共振素子で選択的に共振し、レーザー出力される。ファイバー２は、コア２１、クラッド２２及びシース２３より成り、金属管５で覆われて保護され、また温度上昇が抑制される。

Description

ファイバーレーザー光源装置
　本願の発明は、ファイバーレーザーに関するものである。
　ファイバーをレーザー媒体としたファイバーレーザーは、加工機用等として従来から実用化されている。図４は、一般的なファイバーレーザー光源装置の概略構成を示した図である。
　ファイバーレーザー光源装置は、励起用レーザー発振器８１と、励起用レーザー発振器８１からの励起光が入射するファイバー８２と、ファイバー８２を挟んで設けられた一対の共振素子８３とから主に構成されている。
　レーザー媒体となるファイバー（以下、アクティブファイバーと呼ぶ）８２には、ダブルクラッドファイバーがしばしば使用される。励起用レーザー発振器８１からの励起光は、結合器８４を介してアクティブファイバー８２に入射する。入射領域は、コアを含むインナークラッドの径の領域全体である。励起光は、アウタークラッドとインナークラッドとの屈折率差によりインナークラッド内で反射しながら伝搬する。この際、励起光がコアを通過し、コアに含まれるレーザー媒質を励起する。
　一対の共振素子８３は、ミラーが使用される場合もあるが、ＦＢＧ(Fiber Bragg Grating)という特殊な分光素子が使用される場合が多い。出力波長の光は、一対のＦＢＧの間で共振しながらアクティブファイバー８２のコアで増幅され、出射側のＦＢＧを通して出射される。
特開平１１－２０４８６２号公報
http://www.sumita-opt.co.jp/ja/news/20050809_465.html
　このようなファイバーレーザーの技術は、よりエネルギー密度の高い出力光を効力良く得ることが必要な分野で特に効果的であり、このため、マーキング等のレーザー加工の分野で盛んに研究され、実用化されてきた。従って、出力波長は１０００ｎｍ前後の赤外域であり、励起用レーザーも、波長９００ｎｍ程度の赤外線ＬＤ（半導体レーザー）である場合が多い。
　しかしながら、高出力のレーザーは、可視域でも必要になる場合が多い。例えば、近年、大規模なスクリーン上に映像を投影する大型プロジェクタやデジタルシネマ映写機の研究や開発が行われている。より大きなスクリーン上に映像を投影するには、より高出力のＲＧＢ光源が必要である。発明者の研究によれば、ファイバーレーザーの技術を応用することで大型プロジェクタ等で使用できる高出力光源を実現できる可能性がある。
　可視光を出力するファイバーレーザーについては、希土類元素をフッ化物系ファイバー中にドープし、コンバージョン（波長変換）によって可視光を出力することが検討されている。この点を開示したのが、特許文献１や非特許文献１である。これら文献には、Ｐｒ３＋をドープしたフッ化ジルコニウム系ガラスより成るファイバーを用いてファイバーレーザーを構成し、４９１ｎｍのレーザービームを出力する技術が開示されている。
　しかしながら、フッ化ジルコニウム系ガラスについては耐水性などの化学的特性の問題があるとされている。このため、フッ化アルミニウム系ガラスに希土類をドープしたものをコア材料として使用することも検討されているが、フッ化アルミニウム系ガラスは機械的強度が弱いという欠点がある。
　このように、可視光を出力するファイバーレーザーとしては、ファイバー材料の選定に関して上記のような検討が僅かにされているのみであり、実用的な装置構成としてどのような課題が存在し、どのような構造が最適化などは何ら明らかとなっていない。こういった状況ではあるが、より大出力の可視光がレーザーにより得られるようになると、ＲＧＢ原色の純度や輝度がより高くなるので、より広い領域により鮮明な映像が投影できるようになると推測される。
　本願発明は、このような状況に鑑みて為されたものであり、可視域の光を出力するのに適したファイバーレーザー光源装置の実用的な構造を提供する技術的意義を有している。
　上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、励起用レーザー素子と、励起用レーザー素子から出力された励起光により励起される媒質を含有したファイバーと、励起用レーザー素子からの励起光をファイバーのコアに入射させる結合用光学系と、ファイバーの両端に設けられた一対の共振素子とを備えており、
　前記一対の共振素子は、励起光より励起された媒質が放出した特定の波長の光を共振させつつ当該波長の光を取り出すことが可能なものであり、
　前記結合用光学系は、前記励起用レーザー素子から出力された励起光をファイバーに導く光学素子と、この光学素子を内蔵した筐体とを備えており、
　前記ファイバーは、金属管内に収められており、
　この金属管と前記結合用光学系の筐体とは、前記結合用光学素子と前記ファイバーとが同軸上となる位置で固定されているという構成を有する。
　また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記一対の共振素子は、前記ファイバーの両端面に形成された反射膜であり、前記金属管は、前記ファイバーの温度が前記各共振素子の耐熱温度を越えないように前記ファイバーの昇温を抑えることが可能な熱容量を有している。
　また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記金属管は、外側に放熱フィンを有している。
　また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項１、２又は３の構成において、前記ファイバーは、前記コアと、前記コアの取り囲んだクラッドと、クラッドを取り囲んだジルコニア製のシースとより成っており、前記金属管は、このシースの外側を覆っているという構成を有する。
　また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、前記請求項４の構成において、前記ジルコニア製のシースは透光性であり、前記金属管は、前記シースを通して前記ファイバー内の発光を視認するための窓を有しているという構成を有する。
　また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、前記請求項１乃至５いずれかの構成において、前記結合用光学系は、前記励起用レーザー素子から出力されたレーザー光を集光するものであり、集光されたレーザー光を前記ファイバーのコアに入射させるものであるという構成を有する。
　また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、前記請求項６の構成において、前記励起用レーザー素子から出力されたレーザー光の断面形状は非円形であり、前記結合用光学系は、この断面形状を円形に変換しつつレーザー光を前記ファイバーに入射させるものであるこという構成を有する。
　以下に説明する通り、本願の請求項１記載の発明によれば、ファイバーが金属管で覆われているので、ファイバーが保護され、また放熱により温度上昇も抑制できる。また、結合用光学系の光学的位置合わせも容易となる。
　また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、反射膜の熱的損傷が防止される。
　また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、金属管が放熱フィンを有するので、ファイバーの温度上昇抑制や反射膜の熱的損傷防止の効果がより高くなる。
　また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、金属管とジルコニア製シースの二重管となるので、ファイバーの保護がより図られる。
　また、請求項５記載の発明によれば、上記効果に加え、内部に配置されたファイバーでの発光が視認されるので、位置合わせ等の作業がさらに容易となる。
　また、請求項６又は７記載の発明によれば、上記効果に加え、コア径の小さなファイバーを使用する場合も効率良く励起することができ、この点でレーザー出力の効率が高くなる。
本願発明の実施形態に係るファイバーレーザー光源装置の断面概略図である。 図１に示すファイバーレーザー光源装置に使用されているメインファイバー２の断面図であり、（１）は径方向の断面図、（２）は入射側の端部における長さ方向の断面図である。 Ｐｒ３＋をドープしたフッ化アルミニウム系ガラスの蛍光スペクトルを調べた結果の図である。 一般的なファイバーレーザー光源装置の概略構成を示した図である。
　次に、本願発明を実施するための形態（以下、実施形態）について説明する。
　図１は、本願発明の実施形態に係るファイバーレーザー光源装置の断面概略図である。図１に示す装置は、励起用レーザー素子１と、励起用レーザー素子１から出力された励起光により励起されるレーザー媒質を含有したファイバー（以下、メインファイバーと呼ぶ）２と、励起用レーザー素子１をメインファイバー２に入射させる結合用光学系３と、メインファイバー２の両端に設けられた一対の共振素子とを備えている。
　励起用レーザー素子１は、メインファイバー２中のレーザー媒質や出力する波長によって変わってくるが、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）系の半導体レーザーが使用される。励起用レーザー素子１は、ベース板に嵌め込まれて固定されている。
　図２は、図１に示すファイバーレーザー光源装置に使用されているメインファイバー２の断面図であり、（１）は径方向の断面図、（２）は入射側の端部における長さ方向の断面図である。図２（１）に示すように、メインファイバー２は、中央にコア２１があり、その外側にクラッド２２、さらにその外側にシース２３を有する構造である。コア２１の直径は、７～１５μｍ程度、クラッド２２の外径は３５～５０μｍ程度、シース２３の外径は２８０～３００μｍ程度である。
　メインファイバー２の材質は、この実施形態では、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）系ガラスとなっている。コア２１は、フッ化アルミニウム系ガラスにレーザー媒質となる希土類元素をドープしたものとなっている。クラッド２２にもフッ化アルミニウム系ガラスが使用されており、屈折率をコア２１よりも低くする材料がドープされている。シース２３は、例えばジルコニア製である。
　フッ化アルミニウム系ファイバーは、前述したように機械的強度が弱い。従って、通信用や伝送用の一般的な光ファイバーのように細長いものにしてループさせることが可能なものにすることは好ましくない。ある程度短いもので、ある程度の太さを持つものにせざるを得ない。従って、図１に示すようなロッド状（円柱状）となる。ロッド状ではあるものの、コア２１及びクラッド２２より成るので、単なる円柱状の導光ロッドとは異なる。長さの一例を示すと、例えば全長３０～５０ｍｍ程度である。
　一対の共振素子としては、メインファイバー２の端面に形成された反射膜４１，４２が採用されている。反射膜４１，４２は、特定の波長の光のみを反射させ、他の波長の光は透過する波長選択膜（波長選択反射膜）で構成されている。特定の波長とは、この装置の出力波長である。入射側の反射膜４１は、出力波長の光をほぼ１００％反射し、他の波長を透過する波長選択膜である。出射側の反射膜４２は、出力波長の光を数％（例えば５～１０％）だけ透過し、他の波長を含み残りを反射させる波長選択反射膜である。
　コア２１にドープする希土類元素としては、この実施形態では、Ｐｒ３＋が選定されている。ドープ量は、例えば３０００～５０００ｐｐｍ程度である。例えば、前述したＰｒ３＋ドープのフッ化物ガラス系ファイバーをＧａＮ系半導体レーザーで励起すると、３Ｐ０→３Ｈ４の遷移によって４６５～４９５ｎｍの波長領域の蛍光が生じ、３Ｐ１→３Ｈ５の遷移によって５１５～５５５ｎｍの波長領域の蛍光が生じる。また、３Ｐ０→３Ｆ２又は３Ｐ０→３Ｈ６の遷移によって６００～６６０ｎｍの蛍光が生じる。
　図３は、Ｐｒ３＋をドープしたフッ化アルミニウム系ガラスの蛍光スペクトルを調べた結果の図である。励起光は、例えば波長４４８ｎｍのＧａＮ系半導体レーザーからの出力光であり、Ｐｒ３＋のドープ量は３０００ｐｐｍである。図３に示すように、Ｐｒ３＋ドープのフッ化アルミニウム系ファイバーでは、４６５～４９５ｎｍ程度の範囲に強いピークの蛍光が存在し、５１５～５５５ｎｍ及び６００～６６０ｎｍの範囲でも十分な強さの蛍光が確認される。
　従って、例えば４６５～４９５ｎｍのうち任意の波長を選択的に反射する波長選択反射膜４１，４２を一対の共振素子として採用すれば、この波長の光がメインファイバー２内で共振してレーザー発振することになり、この波長を出力波長とする青色のファイバーレーザー光源装置を構成できる。また、５１５～５５５ｎｍのうち任意の波長を選択的に反射する波長選択反射膜４１，４２を一対の共振素子として採用すれば、この波長の光がメインファイバー２内で共振してレーザー発振することになり、この波長を出力波長とする緑色のファイバーレーザー光源装置を構成できる。また、６００～６６０ｎｍのうち任意の波長を選択的に反射する波長選択反射膜４１，４２を一対の共振素子として採用すれば、この波長の光がメインファイバー２内で共振してレーザー発振することになり、この波長を出力波長とする赤色のファイバーレーザー光源装置を構成できる。このような波長選択反射膜４１，４２は、誘電体多層膜で構成され、蒸着によって形成される。例えば、波長選択反射膜４１，４２は、ＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５膜とを交互に多数積層した多層膜とすることができる。
　また、結合用光学系３は、この実施形態では、励起用レーザー素子１からの励起光をメインファイバー２のコア２１に入射させるものとなっている。前述したように従来の加工機用等のファイバーレーザーでは、励起光をクラッド２２に入射させてクラッド２２中を伝搬させ、コア２１を通過する際にコア２１中の媒質を励起するようにしている。この構造は、励起効率を高め、高出力のレーザー発振をする点では優れているが、実施形態の装置では採用が難しい。クラッド２２伝搬を利用するには、メインファイバー２をかなり長くしなければならないが、フッ化アルミニウム系ガラスは機械的強度が弱く、細長くしてしまうと取り扱いが非常に難しくなってしまうからである。メインファイバー２の長さがある程度制限されることを考慮すると、励起光をコア２１に直接入射させ、励起光がコア２１中を伝搬するようにしながら励起を行う必要がある。このため、結合用光学系３は、励起光をコア２１に導いて入射させるものとなっている。
　また、実施形態の結合用光学系３は、励起用レーザー素子１からの励起光を集光し、ビーム整形した上でメインファイバー２に入射させるものとなっている。この点は、上述したように実施形態のメインファイバー２がコア入射であること、半導体レーザーを励起用レーザーとして使用していることによる。
　即ち、コア入射とする場合、コア径まで励起光を集光しなければならない。クラッド入射の場合、クラッドだけに入射させるのではなく、コアとクラッド（厳密にはインナークラッド）を含めたファイバー全体に入射させるが、コア入射の場合、コア径まで励起光を集光する必要がある。特に、この実施形態では、クラッド２２は励起光を吸収する性質があり、端面からクラッド２２に励起光が入射してしまうと、励起光の多くが熱に変わる。このため、端面からクラッド２２に励起光が入射すると、クラッド２２の端面に形成されている反射膜４１が熱的に損傷する可能性が高い。従って、コア２１にのみ励起光が入射するようコア径程度まで集光する必要がある。
　また、半導体レーザーは、周知のようにビーム形状がほぼ楕円形であり、単に集光しただけであると、断面楕円形のビーム形状で励起光がメインファイバー２に入射することになる。この場合、コア２１からはみ出さないように集光するにはかなり小さく集光しなければならなくなるし、そのようにしたとしても、コア２１の領域に集光することが難しく、効率が低下する。従って、楕円形の断面形状を円形に変換した上でコア２１に入射させる必要がある。
　このように集光とビーム整形（形状変換）をする結合用光学系３として、この実施形態では、アナモルフィックプリズムペア光学系が採用されている。アナモルフィックプリズムペアは、二つのプリズムを用いて一方の軸のビームサイズを変化させることなく他方の軸のビーム倍率を変化させる光学系であり、レーザービームの整形用に市販されており、また特注も可能である。実施形態の結合用光学系３も、これらから適宜選定して使用可能である。
　このような実施形態のファイバーレーザー光源装置は、上述したメインファイバー２の性状に応じて最適化した構造を有している。即ち、メインファイバー２は、コア２１及びクラッド２２をジルコニア製のシース２３内に収容した構造となっており、その周囲を覆うようにして金属管５が設けられている。即ち、コア２１及びクラッド２２は、シース２３と金属管５という二重管の内部に収められている。
　メインファイバー２を金属管５の内部に収容することには、三つの意味がある。一つは、メインファイバー２の保護である。もう一つは、メインファイバー２の温度上昇防止である。さらにもう一つは、結合用光学系３との光学的位置合わせのためである。
　上述したように、この実施形態ではフッ化アルミニウム系ガラスをコア材料として使用しており、耐水性の点ではフッ化ジルコニウム系ガラスのような問題はない。しかしながら、機械的強度が弱いという欠点がある。この点を考慮し、実施形態の装置は、メインファイバー２を金属管５の内部に収容して保護している。金属管５は、ステンレス製、アルミニウム製、銅製などであり得るが、蛇腹状のような可撓性のものではない。
　また、上述したように、実施形態のファイバーレーザー光源装置は、コア入射であり、励起光が集光されて高いエネルギー密度でコア２１に入射する。従って、メインファイバー２全体が熱を持ちやすく昇温し易い。メインファイバー２の温度上昇に起因して生じる問題は、メインファイバー２がガラス転移温度を超えてしまう点である。フッ化アルミニウム系ガラスのガラス転移温度は３６０℃程度であり、この程度の温度にまで上昇してしまうことは少ない。
　実施形態の装置で熱的に弱いのは、共振素子として用いた反射膜４１，４２である。多層膜を蒸着することにより波長選択反射膜４１，４２として形成された反射膜４１，４２は、耐熱性が低い場合があり、例えば２００℃程度である。従って、２００℃以下の温度にメインファイバー２の昇温を抑える必要がある。このためには、熱容量の大きな金属でメインファイバー２を覆うことが好適である。そして、図１に示すように、実施形態では金属管５の外面に放熱フィン６を設けており、メインファイバー２の温度上昇を効果的に抑えている。例えば、ステンレス製の金属管５を使用し、放熱フィン６を設けることで、放熱フィン６の外面が５０℃以下に抑えられるので、万が一手で触ってしまっても大きな事故になることはない。
　金属管５の採用で重要なことは、結合用光学系３との光学系位置合わせである。前述したようにこの実施形態ではコア入射であり、コア２１のみに精度良く励起光を入射させる必要がある。このためには、結合用光学系３とメインファイバー２とが精度良く同軸上に位置している必要がある。同軸上とは、結合用光学系３の光軸とメインファイバー２の中心（コア２１の中心）が同一直線上に並ぶことである。
　この位置合わせのためには、結合用光学系３を収容した筐体３１に対してメインファイバー２を精度よく配置してその位置を固定する必要がある。機械的強度に劣るメインファイバー２を直接保持しながら位置合わせして筐体３１に固定する訳にはいかないので、安定した形状の部材でメインファイバー２を保持しながら、その部材と筐体３１とを位置精度良く固定する必要がある。この実施形態では金属管５は例えばステンレス製であり、例えばステンレス製である筐体３１に対して位置合わせした後に固定される。固定は、例えばＹＡＧレーザー溶接とすることができる。尚、位置合わせのためには、筐体３１は光軸に垂直な端面を有し、金属管５はメインファイバー２の長さ方向に垂直な端面を有する必要があり、両者の突き合わせながら位置合わせした上で固定する。
　また、金属管５の構造においては、上述した位置合わせを考慮した構造も採用されている。結合用光学系３とメインファイバー２との位置合わせの際には、励起用レーザー素子１を弱い出力で動作させながら、メインファイバー２からの出力をレーザーパワーモニターでチェックすることで行う。位置合わせがされていないと、励起光が十分にコア２１に入射していないので、設定された出力波長（共振素子の共振波長）の光は出射されず、レーザーパワーモニターでは値が確認されない。位置合わせがされると、出力波長の光が出射されてこれがレーザーパワーモニターで捉えられるので、位置合わせの完了が確認できる。
　このような位置合わせの際、レーザーパワーモニターの出力だけを見ていると、位置合わせがしづらい。この実施形態では、金属管５でメインファイバー２を覆いつつもメインファイバー２を直接視認できるようにしている。即ち、シース２３には透光性のジルコニアを使用し、金属管５及び放熱フィン６には図１に示すように窓５０，６０を設けている。窓５０，６０は開口であるが、開口に透光性の部材が嵌め込まれた構造が採用される場合もある。位置合わせの際、窓５０，６０を通してメインファイバー２を見ながら行うので、メインファイバー２内でレーザー発振がされているか確認することができる。このため、位置合わせの作業がより容易となる。この点は、実施形態の装置が可視光用であることにも因っている。
　尚、シース２３とクラッド２２とは接着剤で固定されている。従って、接着剤の耐熱性以上に昇温すると、接着剤の軟化のような問題が生じ得る。即ち、金属管５や放熱フィン６による放熱作用は接着剤の耐熱性以下とするためという意義もある。
　また、図１に示すように、メインファイバー２の出射側には、導光用ファイバー７が接続されている。この点も、実施形態の装置の構造を考慮したものである。メインファイバー２にフッ化アルミニウム系ファイバーを使用した場合、機械的強度が弱いため、長尺でフレキシブルなものとすることが困難である。このため、図１に示すように短いものとせざるを得ない。このため、実施形態の装置では、メインファイバー２の出射側にコネクタ７１，７２を介して導光用ファイバー７を接続している。導光用ファイバー７は、例えば石英系のファイバーで良い。導光用ファイバー７が金属管５の後端に接続されるので、実施形態のファイバーレーザー光源装置は、ピグテール構造のものであるとすることもできる。
　実施形態のファイバーレーザー光源装置では、励起用レーザー素子１が動作して励起光が出力されると、励起光は結合用光学系３により一部集光されビーム整形されてメインファイバー２に入射する。励起光はメインファイバー２中を伝搬してＰｒ３＋を励起し、各遷移により各蛍光を生じさせる。生じた蛍光のうち、波長選択反射膜４１，４２より成る一対の共振素子の共振波長の光のみが共振して出射側の共振素子から出射し、残りの蛍光や励起光は共振素子において吸収されて減衰するか、反射膜４１を透過して減衰する。
　実施形態のファイバーレーザー光源装置によれば、波長選択反射膜４１，４２より成る一対の共振素子の反射特性を所望のものにするだけで、所望の出力波長の可視光レーザーを得ることができ、特にＲＢＧの各波長域において所望のものを得ることができる。このため、プロジェクタやデジタルシネマ映写機のような可視光を利用するシステムの光源用として好適に使用することができる。投影装置のＲＧＢ光源用として使用可能なレーザー光源については開発完了の報告がされたものもあるが、実施形態の装置では、ファイバーレーザーによって光を増幅し且つ波長変換しているので、高輝度であって且つ任意の波長のＲＧＢ光源とすることができる。従って、その優位性は著しい。特に、ドルビー３Ｄと呼ばれる３Ｄシステムでは（「ドルビー」は、ドルビー ラボラトリーズ ライセンシング コーポレーション社（米国）の登録商標）、１５ｎｍ程度以上離れた二つの波長の単色光源で一つの原色を作る必要があるが、波長選択が容易な実施形態のファイバーレーザー光源装置は、この用途に好適に使用することができる。
　上記実施形態において、結合用光学系３としては、アナモルフィックプリズムペアの他、クロスシリンドリカルのようなシリンドリカルレンズや、トロイダルレンズを採用した光学系が用いられることもある。
　尚、メインファイバー２にドープする希土類元素としては、Ｐｒ３＋の他、Ｙｂ３＋などがあり得る。
　また、メインファイバー２の材質としては、フッ化アルミニウム系ガラスの他、ＺＢＬＡＮやＺＢＬＡＮＰのようなフッ化ジルコニウム系ガラスが採用されることもある。励起用レーザー素子１については、ＩｎＧａＮレーザー、ＩｎＧａＮＡｓレーザー、ＧａＮＡｓレーザーなどを使用することができる。
１　励起用レーザー素子
２　ファイバー
２１　コア
２２　クラッド
２３　シース
３　結合用光学系
３１　筐体
４１　波長選択反射膜
４２　波長選択反射膜
５　金属管
６　放熱フィン
７　導光用ファイバー

Claims (7)

  1. 　励起用レーザー素子と、励起用レーザー素子から出力された励起光により励起される媒質を含有したファイバーと、励起用レーザー素子からの励起光をファイバーのコアに入射させる結合用光学系と、ファイバーの両端に設けられた一対の共振素子とを備えており、
    　前記一対の共振素子は、励起光より励起された媒質が放出した特定の波長の光を共振させつつ当該波長の光を取り出すことが可能なものであり、
    　前記結合用光学系は、前記励起用レーザー素子から出力された励起光をファイバーに導く光学素子と、この光学素子を内蔵した筐体とを備えており、
    　前記ファイバーは、金属管内に収められており、
    　この金属管と前記結合用光学系の筐体とは、前記結合用光学素子と前記ファイバーとが同軸上となる位置で固定されていることを特徴とするファイバーレーザー光源装置。
  2. 　前記一対の共振素子は、前記ファイバーの両端面に形成された反射膜であり、前記金属管は、前記ファイバーの温度が前記各共振素子の耐熱温度を越えないように前記ファイバーの昇温を抑えることが可能な熱容量を有していることを特徴とする請求項１記載のファイバーレーザー光源装置。
  3. 　前記金属管は、外側に放熱フィンを有していることを特徴とする請求項１又は２記載のファイバーレーザー光源装置。
  4. 　前記ファイバーは、前記コアと、前記コアの取り囲んだクラッドと、クラッドを取り囲んだジルコニア製のシースとより成っており、前記金属管は、このシースの外側を覆っていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のファイバーレーザー光源装置。
  5. 　前記ジルコニア製のシースは透光性であり、前記金属管は、前記シースを通して前記ファイバー内の発光を視認するための窓を有していることを特徴とする請求項４記載のファイバーレーザー光源装置。
  6. 　前記結合用光学系は、前記励起用レーザー素子から出力されたレーザー光を集光するものであり、集光されたレーザー光を前記ファイバーのコアに入射させるものであることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のレーザーファイバー光源装置。
  7. 　前記励起用レーザー素子から出力されたレーザー光の断面形状は非円形であり、前記結合用光学系は、この断面形状を円形に変換しつつレーザー光を前記ファイバーに入射させるものであることを特徴とする請求項６記載のファイバーレーザー光源装置。
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