JP2007214431A - 光ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】安価で信頼性が高く高出力動作が可能な光ファイバレーザを提供する。
【解決手段】希土類元素が部分的に添加された光ファイバ２に上記希土類元素を励起する励起光３を導入してレーザ光９を発振させる光ファイバレーザ１において、光ファイバ２を芯部材４の外周に巻き付け、その巻き付けられた光ファイバ２の外周の一部を加工して平坦面５を形成し、その平坦面５にプリズム６の一面を接触させ、プリズム６の他の面に励起光光源７を臨ませた。
【選択図】図１

Description

本発明は、安価で信頼性が高く高出力動作が可能な光ファイバレーザに関する。

レーザ加工や医療用途への適用を目的として、より高出力で安価な光源の開発が求められている。これらの要求に対し、光ファイバレーザは、高効率でしかもシングルモードのレーザ光を容易に取り出すことができるという理由で注目を集めている。

従来の光ファイバレーザには、図４に示すようなダブルクラッド型光ファイバ４０が使用されている。ダブルクラッド型光ファイバ４０のコア領域４１にはＮｄ，Ｙｂ，Ｅｒ，Ｔｈ等の希土類金属が添加されている。クラッド領域は、二重構造で、コア領域４１より屈折率が低い内側クラッド領域４２とこれよりもさらに屈折率が低い外側クラッド領域４３からなる。励起光４４は内側クラッド領域４２内をマルチモードで伝搬し、次第に中心のコア領域４１に吸収されて減衰する。

高出力光ファイバレーザの場合、励起光を内側クラッド領域４２に導入する技術が重要である。

図５（ａ）〜図５（ｃ）に従来の光ファイバレーザにおける主な励起方法を示す。

図５（ａ）の方法は、端面励起方式と呼ばれているもので、ダブルクラッド型光ファイバ５１の端面より、マルチモードで発振する半導体レーザ５２から発せられる励起光５３をレンズ５４を介して直接ダブルクラッド型光ファイバ５１に導入する方法である。同じようにファイバ端面より励起光を導入する方法として、マルチモード発振の半導体レーザ光をいったんマルチモード光ファイバに結合させ、この光をバンドル化して集光した光をダブルクラッド型光ファイバの内側クラッド領域の端面に結合させる方法もある。

図５（ｂ）の方法は、Ｖ溝方式と呼ばれているもので、ダブルクラッド型光ファイバ５１の側面に形成したＶ溝５６に励起光５３を集光して、その境界面の反射により内側クラッド領域に励起光を導入する方法である。

図５（ｃ）の方法は、パラレルサイド励起方式と呼ばれるもので、励起光導入用のマルチモード光ファイバ５５をダブルクラッド型光ファイバ５１の側面に融着接続する方法である（特許文献１）。導入ポート数を増やすことで励起光の増大が図れ、さらに多数の半導体レーザを使用することで、万一、ある半導体レーザが故障してもレーザ発振の変動を抑えることができる。

このパラレルサイド励起方式図を採用した光ファイバレーザの一般的な構成を図６に示す。コア領域に希土類元素が添加されたダブルクラッド型光ファイバ６１には、個々のシングルエミッション構造の半導体レーザ６２からの励起光がマルチモード光ファイバにより導光される。ダブルクラッド型光ファイバ６１とマルチモード光ファイバが側面融着されて構成される励起光コンバイナ６３を介して励起光がダブルクラッド型光ファイバ６１の内側クラッド領域に入射される。高出力を得るために、半導体レーザ６２は図示のように複数個接続される。ダブルクラッド型光ファイバ６１の片端（励起光が入射される側）には、励起波長に対しては透過し、発振波長に対しては高い反射率を有するファイバグレーティング６４ａが形成されている。また、励起光入射側とは反対端には、部分的に発振光を反射する別のファイバグレーティング６４ｂが形成されている。この２つのファイバグレーティング６４ａ，６４ｂは、それぞれレーザ共振器の全反射鏡および出力鏡として働き、レーザ発振光６５が出力される。より高出力を得るために、レーザ光が出射される反対端からも同様な励起光を導入することが可能である。

米国特許５，９９９，６７３号公報

図５（ａ）の端面励起方式は、励起光をダブルクラッド型光ファイバ５１の端面に直接入射するため、その入射口径は内側クラッドの径で決まり、せいぜい数百μｍである。そのため、高出力化にあたっては、この狭い内側クラッド端面に対して如何にして光出力の励起光を導入するかが問題となる。シングルエミッションの半導体レーザ光をいったんマルチモード光ファイバに結合させ、この光をバンドル化して集光し端面に導入する方法でも、接続できる励起用半導体レーザの数には限界があり、あまり多くは接続できない。高出力を得るには、一個当たりの励起用半導体レーザの出力を大きくしなければならず、そのため寿命が短く、価格は高くなる。さらに高出力発振をさせようとすると、光の伝搬領域でのパワー密度が非常に高くなる。特に励起光導入端近くでは励起光のパワー密度が非常に高くなり、光ファイバが破壊される可能性がある。このように端面励起方式は、レーザ発振光への変換効率は優れているものの、導入できる励起光の総パワー量には限界がある。また、１つの励起用半導体レーザの故障が光ファイバレーザ全体の出力変動に影響する。

図５（ｂ）のＶ溝方式は、光ファイバの側面に楔形のＶ溝を形成するため、加工が煩雑であることに加え、光ファイバの機械的強度を著しく劣化させる。

図５（ｃ）のパラレルサイド励起方式は、導入ポート数を増やすことで励起光の増大が図れるため、事実上制限なく励起光を増大させることができる。しかし、半導体レーザ光を導光するマルチモード光ファイバを１本ずつダブルクラッド型光ファイバの側面に融着接続しなければならず、作業が繁雑であると共に融着部分の構造が複雑化する。また、使用する半導体レーザはマルチモード光ファイバに結合しやすいシングルエミッション構造であり、安価で総合光出力が大きいバーやスタック構造の半導体レーザを使用するのには適さない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、安価で信頼性が高く高出力動作が可能な光ファイバレーザを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、希土類元素が部分的に添加された光ファイバに上記希土類元素を励起する励起光を導入してレーザ光を発振させる光ファイバレーザにおいて、上記光ファイバを芯部材の外周に巻き付け、その巻き付けられた光ファイバの外周の一部を加工して平坦面を形成し、その平坦面にプリズムの一面を接触させ、上記プリズムの他の面に励起光光源を臨ませたものである。

上記平坦面の一部に、上記プリズムの一面を接触させ、該プリズムと接触せず露出されている上記平坦面に、上記励起光を反射する金属膜を被覆してもよい。

上記光ファイバを、充実コア領域とその充実コア領域を二重に囲む内外クラッド領域とから構成し、上記充実コア領域に上記希土類元素を添加し、内側クラッド領域の屈折率を上記充実コア領域の屈折率よりも低く、外側クラッド領域の屈折率よりも高くし、上記平坦面を内側クラッド領域に達するように加工してもよい。

上記光ファイバを、中空コア領域とその中空コア領域を二重に囲む内外クラッド領域とから構成し、内側クラッド領域には発振光波長帯においてフォトニックバンドギャップを形成するための複数の空孔を形成し、該内側クラッド領域の充実部に上記希土類元素を添加し、外側クラッド領域の屈折率を内側クラッド領域の充実部の屈折率よりも低くし、上記平坦面を内側クラッド領域に達するように加工してもよい。

上記芯部材の外周に鏡面を形成してもよい。

上記芯部材の外周に上記光ファイバを保持する溝を形成してもよい。

上記巻き付けられた光ファイバを外側クラッド領域の屈折率より屈折率が低い透明接着剤で固定してもよい。

上記励起光光源をリニアアレイ状に発光素子部を配置したバー構造あるいはこれをさらに積層させたスタック構造としてもよい。

上記芯部材の外面を平滑な平面及び曲面とし、これらの面に巻き付けられた光ファイバの外周を加工して上記平坦面を形成してもよい。

上記プリズムの上記平坦面に接触しない２つの面にそれぞれ励起光光源を臨ませてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）安価で信頼性が高く高出力動作が可能な光ファイバレーザを実現できる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る光ファイバレーザ１は、希土類元素が部分的に添加された光ファイバ２にその希土類元素を励起する励起光３を導入してレーザ光９を発振させる光ファイバレーザ１において、光ファイバ２を芯部材４の外周に巻き付け、その巻き付けられた光ファイバ２の外周の一部を加工して平坦面５を形成し、その平坦面５にプリズム６の一面を接触させ、プリズム６の他の面に励起光光源７を臨ませたものである。

芯部材４は、軸方向のどこでも軸に垂直に切った断面の形状が同じとなっている。芯部材４は、充実の柱状に形成してもよいが、中空の筒状に形成することにより、中空部に冷媒通路を設けて水などの冷媒を流すようにすれば、高出力の励起光導入による光ファイバ２の温度上昇を抑制することができる。

芯部材４は、円筒状に形成しても良いが、ここでは芯部材４の外周に平坦面８ができるよう、軸に垂直に切った断面が長円形となる長円筒状に形成する。

芯部材４の外周は、光ファイバ２を透過してきた励起光３を再び光ファイバ２に戻すために鏡面を形成して反射率を高くする。芯部材４の材料としては、励起光３の波長帯で反射率が大きく、また、熱伝導率が高い銅を用いる。その銅製の芯部材４に金めっきしてもよい。

光ファイバ２は、その一部にＮｄ，Ｙｂ，Ｅｒ，Ｔｈ等の希土類金属が添加されている。この実施形態では光ファイバ２は、図４で説明した、クラッド領域が二重構造となっているダブルクラッド型光ファイバである。すなわち、充実で希土類金属が添加されたコア領域１１の外周に内側クラッド領域１２、その外周に外側クラッド領域１３を有する。

光ファイバ２は、周回違いの光ファイバ２同士が接触するように巻き付ける。これを並列配置という。光ファイバ２は、一重だけ巻いても二重以上巻いても良いが、ここでは一重とする。

光ファイバ２は、芯部材４の外周面に巻くので、巻き付けられた光ファイバ２の外周がなす断面形状は芯部材４の断面形状を光ファイバ分だけ大きくした形状となる。よって、芯部材４の平坦面８に巻き付けられた光ファイバ２の外周は、芯部材４の軸を中心とした曲率を持たず、平行に並んだ光ファイバによる凹凸を有する面となる。その面を平坦加工して平坦面５を形成するとよい。平坦面５は平坦面８とほぼ平行な平面となる。

光ファイバ２の平坦面５は、プリズム６からの励起光３が光ファイバ２に効率よく入射するために形成する。平坦面５を内側クラッド領域１２に達するよう加工することで、プリズム６からの励起光３を内側クラッド領域１２に効率よく入射させることができる。

巻き付けられた光ファイバ２は、外側クラッド領域１３の屈折率より屈折率が低い透明接着剤１４を芯部材４の外周と光ファイバ２の隙間に充填することで、芯部材４に固定する。

プリズム６は、周知のもので、３つの面を有する。そのうちの１つの面が平坦面５に対してぴったり接触するよう、プリズム６を光ファイバ２の外周に配置する。ここでは平坦面５に接触しない面を芯部材４の軸と平行にしてプリズム６を配置する。したがって、プリズム６の稜線が並列配置の光ファイバ２と直交し、プリズム６が複数本の光ファイバ２を覆う。

平坦面５は、プリズム６がぴったり接触できるよう、プリズム６の面より大きく形成する。従って、平坦面５にはプリズム６の一面に覆われない部分が生じる。その部分を、励起光を反射する金属膜１５で覆う。金属膜１５の材料には、励起光３の波長において反射率が大きく、化学的に安定な金を用いるとよい。金属膜１５は、光ファイバ２から外部への光の放出を防止すると共に光ファイバ２内へ励起光を戻し、コア領域１１における励起光の吸収効率を高めるために設けられる。

励起光光源７は半導体レーザである。リニアアレイ状に発光素子部を配置したバー構造の半導体レーザ、あるいは、この一次元の半導体レーザを二次元に積層させたスタック構造の半導体レーザを用いても良い。

励起光光源７は、プリズム６に入射した励起光３が光ファイバ２の平坦面５に接触している面から出射するよう、適宜の角度でプリズム６に臨ませる。

励起光光源７は、プリズム６の平坦面５に接触しない２つの面の両方に設けて、それぞれの励起光３が光ファイバ２の平坦面５に接触している面から出射するようにしてもよい。

本実施形態では光ファイバ２のコア領域１１にＹｂを添加した。Ｙｂを添加したガラスは９００ｎｍ〜１０００ｎｍ付近の波長帯に吸収スペクトルを持ち、特に９１５ｎｍと９７６ｎｍ付近に大きな吸収ピークを有する。そこで、励起光３の中心波長を９７６ｎｍとした。

レーザ発振のためには、共振器構造を形成する必要があり、本実施形態では光ファイバ２の片端に、レーザ発振の波長帯において透過遮断率が２０ｄＢ以上のファイバグレーティング１６が形成されている別の光ファイバ（符号なし）を融着接続する。光ファイバ２の反対端には、出力鏡として透過遮断率が１０ｄＢ以下のファイバグレーティング１７が形成されている別の光ファイバ（符号なし）を融着接続する。それぞれのファイバグレーティング１６，１７のブラッグ波長は、共に光ファイバ２に添加したＹｂの蛍光強度が大きな波長に一致する１０８０ｎｍとする。

図１の光ファイバレーザ１の動作を説明する。

励起光光源７からプリズム６に入射した励起光３は、平坦面５に接触している面から出射して光ファイバ２に側面から入射する。この励起光３は希土類金属が添加されたコア領域１１で吸収される。吸収されずに光ファイバ２を透過した励起光３は芯部材４の外周で反射されて光ファイバ２に再度入射する。ここでも吸収が起き、吸収されずに光ファイバ２を透過した励起光３は金属膜１５で反射される。励起光３は繰り返し光ファイバ２に入射するので、効率よく吸収される。また、それだけでなく一部の励起光３は、光ファイバ２の長手方向へ伝搬するモードへ結合しコア領域１１を伝搬しながら吸収される。

このようにして、励起光３が効率よくコア領域１１に導入されるので、側面励起であっても十分に励起光３が吸収される。

以上の説明から判るように、本発明の光ファイバレーザ１は、励起光光源７からの励起光３を効率よくコア領域１１に導入し吸収させることができるので、高出力のレーザ発振が可能になると共に、励起光光源７として従来より安価な半導体レーザを用いることができ、光ファイバレーザ１が安価になる。

また、本発明の光ファイバレーザ１は、プリズム６の面から励起光３を導入する構成であるため、励起光光源７にバー構造、スタック構造の半導体レーザを用いることができる。これにより、励起光光源７の個数を増加させることができ、容易、かつ安価に励起光の総パワー量を大きくすることができる。

また、本発明の光ファイバレーザ１は、励起光３のパワー密度が狭い箇所に集中しないので、光ファイバ２が破壊されることがなく、信頼性が高い。

また、本発明の光ファイバレーザ１は、巻き付けられた光ファイバ２の外周を加工して平坦面５を形成するので、光ファイバ２の機械的強度を著しく劣化させることがなく、信頼性が高い。

なお、側面励起により導入される励起光３（図１（ｂ））は、芯部材４の外面と金属膜１５との間で反射を繰り返し伝搬する以外に、コア領域１１及び内側クラッド領域１２を伝搬する導波モードに結合して長手方向にも伝搬する。この長手方向伝搬励起光が全てコア領域１１で吸収されるように、ファイバグレーティング１６，１７の外側にそれぞれ励起光波長である９７６ｎｍの光を反射する別のファイバグレーティング１８，１９を形成すると良い。これらファイバグレーティング１６，１８あるいはファイバグレーティング１７，１９を形成した別の光ファイバも光ファイバ２と一緒に芯部材４に巻き付けることで、光ファイバレーザ１をいっそう小型化できる。

上記実施形態では、Ｙｂを添加したダブルクラッド型光ファイバを光ファイバ２に用い、１０８０ｎｍ帯のレーザ発振を実現したが、これに限らず、希土類元素として、Ｎｄ，Ｅｒ，Ｔｈ等を添加しても本発明による効果は同様に得られる。例えば、Ｎｄを添加したものは１０６０ｎｍ帯、Ｅｒを添加したものは１５３０ｎｍ帯のレーザ発振を実現できる。この場合、ファイバグレーティング１６，１７のブラッグ波長はそれぞれのレーザ発振波長に一致させ、ファイバグレーティング１８のブラッグ波長はそれぞれの励起光波長に一致させる。

図１の実施形態では、芯部材４の外面を平滑な平面及び曲面としたが、これに限らない。図２（ａ）に示した実施形態では、芯部材４の外周には光ファイバ２を保持する溝２１を形成する。溝２１は、断面が光ファイバ２とほぼ同径の半円形に形成することで、光ファイバ２をよく保持することができる。溝２１の内面は、鏡面に形成すると良い。溝２１の断面形状は半円形に限らず、加工の簡単なＶ字状、平行光線をよく集光するパラボリック状などでもよく、いずれも光ファイバ２をよく保持することができる。

図１、図２（ａ）の実施形態では、芯部材４の周りに光ファイバ２を一重だけ巻いたが、図２（ｂ）に示すように、光ファイバ２を二重に巻いても良く、さらに多重に巻いても良い。このような多層巻き構造においては、最外層の光ファイバ２の外周を平坦加工してプリズム６を接触する。光ファイバ２が多重に巻かれていることにより、プリズム６から出射した励起光３は、最外層の光ファイバ２だけでなく、下層の光ファイバ２にも入射するので、励起光３がいっそう効率良く吸収される。

上記実施形態では、プリズム６を１個だけ用いたが、プリズム６を複数個配置してそれぞれに励起光光源７を設けてもよい。これにより、より集約された配置でより多くの励起光３をコア領域１１に導入することができる。

上記実施形態では、光ファイバ２にダブルクラッド型光ファイバを用いたが、他の構造の光ファイバでも本発明は実施できる。図３に示すフォトニックバンドギャップファイバ３１は、中空コア領域３２とその中空コア領域３２を二重に囲む内外クラッド領域３３，３４とから構成し、内側クラッド領域３３には発振光波長帯においてフォトニックバンドギャップを形成するための複数の空孔３５を形成し、内側クラッド領域３３の充実部に希土類元素を添加し、外側クラッド領域３４の屈折率を内側クラッド領域３３の充実部の屈折率よりも低くしたものである。

このフォトニックバンドギャップファイバ３１を図１の光ファイバレーザ１に光ファイバ２として使用する。この場合も平坦面５は内側クラッド領域３３に達するように形成する。プリズム６を介して光ファイバ２に励起光３が導入されるのは上記実施形態と同じであり、励起光３は内側クラッド領域３３を伝搬しながら希土類元素によって吸収される。レーザ発振光はフォトニックバンドギャップ構造により中空コア領域３２に閉じ込められる。

このフォトニックバンドギャップファイバ３１は、中空コア領域３２が中空なので、非常にパワー密度が高いレーザ発振光に対してもコアの破壊が生じない。そのため特に高出力発振用の光ファイバレーザに適している。

本発明の一実施形態を示す光ファイバレーザの構成図であり、（ａ）は芯部材の軸に直交する断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大断面図、（ｃ）は（ｂ）と同じ部分における芯部材の軸に沿った部分拡大断面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明の他の実施形態を示す図であり、芯部材の軸に沿った部分拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に用いるフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 本発明の一実施形態に用いるダブルクラッド型光ファイバの断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ従来の光ファイバレーザの構成図である。 従来の光ファイバレーザの構成図である。

符号の説明

１ 光ファイバレーザ
２ 光ファイバ
３ 励起光
４ 芯部材
５ 平坦面
６ プリズム
７ 励起光光源

Claims (10)

1. 希土類元素が部分的に添加された光ファイバに上記希土類元素を励起する励起光を導入してレーザ光を発振させる光ファイバレーザにおいて、上記光ファイバを芯部材の外周に巻き付け、その巻き付けられた光ファイバの外周の一部を加工して平坦面を形成し、その平坦面にプリズムの一面を接触させ、上記プリズムの他の面に励起光光源を臨ませたことを特徴とする光ファイバレーザ。
2. 上記平坦面の一部に、上記プリズムの一面を接触させ、該プリズムと接触せず露出されている上記平坦面に、上記励起光を反射する金属膜を被覆したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバレーザ。
3. 上記光ファイバを、充実コア領域とその充実コア領域を二重に囲む内外クラッド領域とから構成し、上記充実コア領域に上記希土類元素を添加し、内側クラッド領域の屈折率を上記充実コア領域の屈折率よりも低く、外側クラッド領域の屈折率よりも高くし、上記平坦面を内側クラッド領域に達するように加工したことを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバレーザ。
4. 上記光ファイバを、中空コア領域とその中空コア領域を二重に囲む内外クラッド領域とから構成し、内側クラッド領域には発振光波長帯においてフォトニックバンドギャップを形成するための複数の空孔を形成し、該内側クラッド領域の充実部に上記希土類元素を添加し、外側クラッド領域の屈折率を内側クラッド領域の充実部の屈折率よりも低くし、上記平坦面を内側クラッド領域に達するように加工したことを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバレーザ。
5. 上記芯部材の外周に鏡面を形成したことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光ファイバレーザ。
6. 上記芯部材の外周に上記光ファイバを保持する溝を形成したことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光ファイバレーザ。
7. 上記巻き付けられた光ファイバを外側クラッド領域の屈折率より屈折率が低い透明接着剤で固定したことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の光ファイバレーザ。
8. 上記励起光光源をリニアアレイ状に発光素子部を配置したバー構造あるいはこれをさらに積層させたスタック構造としたことを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の光ファイバレーザ。
9. 上記芯部材の外面を平滑な平面及び曲面とし、これらの面に巻き付けられた光ファイバの外周を加工して上記平坦面を形成したことを特徴とする請求項１〜８いずれか記載の光ファイバレーザ。
10. 上記プリズムの上記平坦面に接触しない２つの面にそれぞれ励起光光源を臨ませたことを特徴とする請求項１〜９いずれか記載の光ファイバレーザ。

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