JP3920384B2

JP3920384B2 - 光ファイバレーザ装置

Info

Publication number: JP3920384B2
Application number: JP29017396A
Authority: JP
Inventors: 憲一植田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2016-10-31
Also published as: EP0840411B1; DE69732278D1; DE69732278T2; JPH10135548A; EP0840411A3; US6178187B1; EP0840411A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ活性物質を光ファイバ内部に有し、外部からの励起光の供給によってレーザ発振を行う光ファイバレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信または光加工技術分野においては、より高出力でより安価なレーザ装置の開発が望まれるが、従来より、この様な要請を満たせる可能性の高いものとして光ファイバレーザ装置が知られている。
【０００３】
光ファイバレーザ装置は、コア径並びにコアとクラッドとの屈折率差等を適切に選定することで比較的容易に発振モードを単一にできる。また、光を高密度に開じ込めることでレーザ活性物質と光との相互作用を高められる。かつ、長さを長くすることで相互作用長を大きくとれるので高い効率で空間的に高品質のレーザ光を発生させることができる。したがつて、質の良いレーザ光を比較的安価に得ることができる。
【０００４】
ここで、レーザ光のさらなる高出力化または高効率化を実現するには、光ファイバのレーザ活性イオン添加領域（通常はコア部）に効率よく励起光を導入する必要がある。ところが、通常、単一モードの導波条件にコア径を設定するとその径はレーザ活性イオンの添加領域（通常はコア部）の十数ミクロン以下に限定されるので、この径に効率よく励起光を薄入するのは一般に困難である。これを克服するものとしては、例えば、いわゆる２重クラッド型ファイバレーザが提案されている。
【０００５】
図５は２重クラッド型ファイバレーザの説明図である。この図に示されるように、２重クラッド型ファイバレーザは、クラッド部１６の外側に該クラッド部１６よりもさらに屈折率が低い透明物質で構成される第２クラッド部１７を設けたものである。これにより、第２クラッド部１７とクラッド部１６との屈折率差に起因する全反射によって端面より導入された励起光１３をクラツド部１６及びコア部１５内に開じ込める。そして、レーザ活性イオンの添加領域（通常はコア部１４）を上記閉じ込めた励起光が繰り返し通過するようにして該励起光を徐々にレーザ活性イオンに吸収せしめる。これによって、高出力のレーザ光を得られるようにしたものである（参考文献；Ｅ．Ｓｎｉｔｚｅｒ．Ｈ．Ｐｏ，ＦＨａｋｉｍｉ，Ｒ．Ｔｕｍｍｉｎｅｌｌｉ，ａｎｄＢ．Ｃ．ＭｃＣｌｌｕｍ，ｉｎ０ｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＳｅｎｓｏｒｓ．Ｖｏｌ．２ｏｆ１９８８０ＳＡＴｅｃｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔＳｅｒｉｅｓ（０ｐｔｉｃａｌＳｃｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｄ．Ｃ．，１９８８），ｐａｐｅｒＰＤ５．）。
【０００６】
２重クラッド型ファイバレーザでは励起光の導入口を数十〜数千ミクロンにわたって大きくとることができるため、励起光のファイバへの導入が容易である。また、レーザ発振が起る領域は数十〜数ミクロンと小さく制限されるのでレーザ発振波長の光について単一モード伝搬および高密度の光の閉じ込めが実現できる等の利点を有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に光ファイバレーザは外乱の影響、例えば、振動、圧力、音響などによってレーザ発振の状態が大きく変動するといった欠点を有している。これは、光ファイバでは、レーザの増幅媒体そのものがレーザ共振器そのものと不可分の形で一体化されており、さらに、媒質が非常に大きなアスベクト比を持つので、柔軟性を付与されている分、機械的強度に欠けることになる。このため、外乱の影響が大きく拡大され、これを積極的に利用すればファイバーセンサー等として用いるには大きな利点となるが、逆に一般的な固体レーザ装置として用いようとすると、重大な欠点ともなる。例えば、光ファイバレーザでは、横モードに関してはファイバー伝送による明確な境界条件から、きわめて厳密な制御ができる。しかしながら、共振器の縦モードに関係する周波数制御などは困難で、この点では固体レーザというより、むしろ液体を媒体としているレーザに近いというべきである。
【０００８】
本発明は、上述の背景のもとでなされたものであり、共振器の縦モードに関係する周波数制御等も正確に行うことを可能とする光ファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するための手段として、請求項１にかかる発明は、レーザ活性物質を光ファイバ内部に有し、外部からの励起光の供給によってレーザ発振を行う光ファイバレーザ装置であって、前記光ファイバは、該光ファイバが収納される領域の大きさを表す３次元座標軸上の各距離に比較してその長さが著しく長いものであり、該領域内において繰返し折り返されもしくは巻回されて該領域内に配置されたものであり、前記領域内が硬化性物質によって隙間なく満たされて前記光ファイバがこの硬化性の物質によってその一部又は全部が覆われることによって固定されているものであり、前記硬化性物質は、前記光ファイバのクラッド部を構成する物質の屈折率の値以下の屈折率の値を有する透明な物質であることを特徴とする光ファイバレーザ装置である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記光ファイバは、クラッドの断面形状が矩形を有しているものであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ装置である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記光ファイバは、クラッドの外側にさらに第２のクラッドが形成された２重クラッド型光ファイバであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバレーザ装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す図である。
【００１７】
図１において、光ファイバレーザ装置は、多数回巻回された長い１本のレーザファイバ２ａが、５ｃｍ×５ｃｍ×２ｃｍの直方体状の紫外線硬化性樹脂１ａ中に隙間なく埋めこまれて固定され、両端部だけが外部に露出されているものである。
【００１８】
レーザファイバ２ａは、コア５ａの径が１０μｍ、クラッド６ａの径が５０μｍ、開口数が０．１、長さが約５０ｍの１本の石英系ガラスファイバーを基本構成とする。このコア５ａの内部には０．５ａｔ％のＮｄ³⁺イオンがドープされている。
【００１９】
また、レーザファイバ２ａの一方の端部の端面Ｆｉには、コア内部からの光に対して、波長１．０６μｍの光の反射率が１００％であり、波長０．８μｍの光の反射率１００％である回折格子が形成され、他方の端部の端面Ｆo には波長１．０６μｍの光の反射率が９９．０％であり、波長０．８μｍの光の反射率９９．９％の多層膜反射コートが施されてある。
【００２０】
この光ファイバレーザ装置は、折れないようにして多数回巻回して小さくまとめられた長さ５０ｍの連続する１本のレーザファイバ２ａを、５ｃｍ×５ｃｍ×２ｃｍの直方体の金属性筐体内に収納し、これに紫外縁硬化樹脂を隙間なく流し込んで樹脂が完全に硬化した後、筐体をばずすことによって得られる。
【００２１】
この光ファイバレーザ装置の一方の端面Ｆi から、励起光として、波長約０．８μｍで最大出力１ＯＷの半導体レーザ光３を入射したところ、他方の端部の端面Ｆo から、波長１．０６μｍで出力４Ｗのレーザ発振出力光４を確認することができた。
【００２２】
（参考例１）図２は本発明の参考例１の構成を示す図である。この例は、実施例１におけるレーザファイバ２ａの代わりに、２重クラッド型レーザファイバ２ｂを用い、また、紫外線硬化樹脂１ａの代わりに金属亜鉛１ｂを用いて２重クラッド型レーザファイバ２ｂを固定している点で実施例１と異なるものである。
【００２３】
２重クラッド型レーザファイバ２ｂは、石英系のガラスファイバーであり、コア５ｂの径が１０μｍ、クラッド６ｂの径が５００μｍ、このクラッド６ｂの外側に形成された第２クラッド７の径が７００μｍである。コア５ｂとクラッド６ｂとの屈折率差は１％、クラッド６ｂと第２クラッド７の屈折率差が５％である。これらコア及びクラッドの断面形状は円形である。また、コア５ｂ内部には０．５ａｔ％のＮｄ³⁺イオンがドープされている。
【００２４】
さらに、２重クラッド型レーザファイバ２ｂにおける一方の端部の端面Ｆｉには、コア内部からの光に対して、波長１．０６μｍの光の反射率が１００％であり、波長０．８μｍの光の反射率１００％である回折格子が形成され、他方の端部の端面Ｆo には波長１．０６μｍの光の反射率が９９．０％であり、波長０．８μｍの光の反射率９９．９％の多層膜反射コートが施されてある。
【００２５】
この光ファイバレーザ装置は、折れないようにして多数回巻回して小さくまとめられた長さ１００ｍの２重クラッド型レーザファイバ２ｂを、３０ｃｍ×３０ｃｍ×１５ｃｍの直方体の金属性筐体内に収納し、これに金属亜鉛の融液を隙間なく流し込んで金属亜鉛が完全に硬化した後、筐体をばずすことによって得られる。
【００２６】
この光ファイバレーザ装置の一方の端面Ｆi から、励起光として、波長約０．８μｍで最大出力１ＯＷの半導体レーザ光を入射したところ、他方の端部の端面Ｆo から、波長１．０６μｍで出力２Ｗのレーザ発振を確認することができた。
【００２７】
（実施例２）図３は本発明の実施例２に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す図である。
【００２８】
図３において、光ファイバレーザ装置は、内径１０ｃｍ、外径１４ｃｍ、高さ２０ｃｍの２重円筒状の筐体８内に、長い１本のレーザファイバ２ｃが多数回巻回されて収納され、この２重円筒状の筐体内に紫外線硬化性樹脂１ｃが隙間なく埋めこまれて固定され、該レーザファイバ２ｃ両端部だけが外部に露出されているものである。
【００２９】
レーザファイバ２ｃは、クラッド６ｃが断面が１００×７００μｍの矩形状をなしたもので、コア５ｃの径が１０μｍであり、コア５ｃの屈折率とクラッド６ｃの屈折率との差が１％の石英系ガラスファイバを基本構成とするもので、コア５ｃの内部には０．５ａｔ％のＮｄ³⁺イオンがドープされている。
【００３０】
また、レーザファイバ２ｃの一方の端部の端面Ｆｉには、コア内部からの光に対して、波長１．０６μｍの光の反射率が１００％であり、波長０．８μｍの光の反射率１００％である回折格子が形成され、他方の端部の端面Ｆo には波長１．０６μｍの光の反射率が９９．０％であり、波長０．８μｍの光の反射率９９．９％の多層膜反射コートが施されてある。
【００３１】
この光ファイバレーザ装置の一方の端面Ｆi から、励起光として、波長約０．８μｍで最大出力１ＯＷの半導体レーザ光を入射したところ、他方の端部の端面Ｆo から、波長１．０６μｍで出力３Ｗのレーザ発振出力光を確認することができた。
【００３２】
この実施例のようにクラッドを断面矩形状にすると、円形にした場合に比較して以下のような利点がある。
【００３３】
すなわち、円形断面の場合は伝搬モードに、中心コアと結合するモードだけを吸取する吸収飽和が起こるために大きなレーザ出力を得ることが難しくなるが、矩形断面の第１クラッドではこのような吸収飽和が起こらない。吸収飽和が起こらないクラッド断面をもつファイバては、入射させた励起光が、クラッドを伝搬中にコアによって吸収される実効的吸取係数αeff ＝α・Ａcore／Ａcladとなる。ただし、αはコア部の吸収係数、Ａcore、Ａcladは各々コア部と第１クラッド部の断面積である。したがって、内部に巻き込んだファイバレーザの長さに応じて第１クラッドの断面積を制御すれば、クラッド励起方式によってファイバレーザで全域に渡って好適な励起強度を供給することができ、さらに、レーザ発振の横モードはファイバ伝送により制御するが、同時に、外部に引き出されているファイバ端面にコーティングを施せば、数十ｍ以上もの長い共振器にもかかわらず、モノリシック共振器を構成し、安定な縦モードの制御が可能になる。
【００３４】
（参考例２）図４は本発明の参考例２に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す図である。
【００３５】
図４において、光ファイバレーザ装置は、多数回巻回された長い１本のレーザファイバ２ｄが、５０ｃｍ×１０ｃｍ×５０ｃｍの直方体状の金属アルミニウム１ｄ中に隙間なく埋めこまれて固定され、両端部だけがが外部に露出されているものである。
【００３６】
レーザファイバ２ｄは、２重クラッド型レーザファイバであり、クラッド６ｄは断面が１００×５００μｍの矩形状をなし、このクラッド６ｄの上に径７００μｍの第２クラッド７ｄが形成されている。コア５ｄの径は１０μｍであり、クラッド６ｄの屈折率と第２クラッド７ｄの屈折率との差が１％の石英系２重クラッド型ガラスファイバを基本構成とするもので、コア５ｄの内部には０．５ａｔ％のＮｄ³⁺イオンがドープされている。
【００３７】
また、レーザファイバ２ｄの一方の端部の端面Ｆｉには、コア内部からの光に対して、波長１．０６μｍの光の反射率が１００％であり、波長０．８μｍの光の反射率１００％である回折格子が形成され、他方の端部の端面Ｆo には波長１．０６μｍの光の反射率が９９．０％であり、波長０．８μｍの光の反射率９９．９％の多層膜反射コートが施されてある。
【００３８】
この光ファイバレーザ装置の一方の端面Ｆi から、励起光として、波長約０．８μｍで最大出力１ＯＷの半導体レーザ光を入射したところ、他方の端部の端面Ｆo から、波長１．０６μｍで出力２．５Ｗのレーザ発振出力光を確認することができた。
【００３９】
なお、以上の実施例及び参考例では、前記硬化性の物質として、紫外線硬化樹脂、金属亜鉛、金属アルミニウムの例を掲げたが、硬化性の物質としては、他にも、例えば、熱硬化性樹脂等の有機樹脂、ゾルーゲル法で作製した石英系のガラス、セメント、石膏等の硬化性のある無機質の媒体、または、インジウム、銅、ジュラルミン等の金属又は合金を用いることもできる。
【００４０】
また、上記各実施例及び参考例では、レーザファイバを硬化性物質によって固定する例を掲げたが、硬化性物質を用いずに、隣接するレーザファイバどうしを互いのコアとクラッドとの界面が乱れない程度にその一部又は全部が密着するようにして一体に形成することによって固定してもよい。具体的には、例えば、光ファイバを構成するガラスの変形温度まで加熱（ただし、コアとクラッドの界面が乱れない程度の粘性を有するものとする）し、ファイバとファイバのすき間を真空に引きつつ圧力を加え全体を融着して一体型とする方法等がある。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、レーザ活性物質を光ファイバ内部に有し、外部からの励起光の供給によってレーザ発振を行う光ファイバレーザ装置であって、前記光ファイバが、硬化性の物質によってその一部又は全部が覆われることによって固定されていることを特徴とし、又は、繰返し折り返されもしくは巻回されて隣接する光ファイバどうしが互いのコアとクラッドとの界面が乱れない程度にその一部又は全部が密着するようにして一体に形成することによって固定されていることを特徴とするもので、これにより、共振器の縦モードに関係する周波数制御等も正確に行うことを可能とする光ファイバレーザ装置を得ているものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の参考例１に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例２に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の参考例２に係る光ファイバレーザ装置の構成を示す図である。
【図５】従来の２重クラッド型光ファイバレーザ装置の構成を示す図である。

Claims

レーザ活性物質を光ファイバ内部に有し、外部からの励起光の供給によってレーザ発振を行う光ファイバレーザ装置であって、
前記光ファイバは、該光ファイバが収納される領域の大きさを表す３次元座標軸上の各距離に比較してその長さが著しく長いものであり、該領域内において繰返し折り返されもしくは巻回されて該領域内に配置されたものであり、
前記領域内が硬化性物質によって隙間なく満たされて前記光ファイバがこの硬化性の物質によってその一部又は全部が覆われることによって固定されているものであり、
前記硬化性物質は、前記光ファイバのクラッド部を構成する物質の屈折率の値以下の屈折率の値を有する透明な物質であることを特徴とする光ファイバレーザ装置。
前記光ファイバは、クラッドの断面形状が矩形を有しているものであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ装置。
前記光ファイバは、クラッドの外側にさらに第２のクラッドが形成された２重クラッド型光ファイバであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバレーザ装置。