JP2011151223A

JP2011151223A - レーザ装置

Info

Publication number: JP2011151223A
Application number: JP2010011672A
Authority: JP
Inventors: Akira Tokuhisa; 章徳久
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2011-08-04

Abstract

【課題】簡明な構成でファイバー単体と異なる波長の増幅光を出力可能なレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ媒質がドープされたファイバー５０と、レーザ媒質を励起する第１ポンプ光Ｌp₁を出射する第１ポンプ光源１０と、ラマンポンプ用の第２ポンプ光Ｌp₂を出射する第２ポンプ光源２０と、誘導ラマン散乱用のシード光Ｌｓを出射するシード光源３０とを備え、ファイバー５０に、第１ポンプ光Ｌp₁、第２ポンプ光Ｌp₂、及びシード光Ｌsを入射することにより、ファイバー５０からシード光波長の増幅光を出射させるようにレーザ装置１が構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導ラマン散乱による波長変換系を備えたレーザ装置に関する。

従来から、エルビウム（Ｅｒ）やイットリビウム（Ｙｂ）などの希土類元素がレーザ媒質としてドープされた希土類添加ファイバーが、１[μm]帯、１．５[μm]帯の、高出力・高輝度光源として用いられてきた（例えば、特許文献１を参照）。また、希土類添加ファイバーから出射された波長１．５[μm]帯のレーザ光を、ラマンシフト用のダブルクラッドファイバーに導入し、誘導ラマン散乱により波長１．６〜１．７[μm]帯に波長変換して出力する技術が提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。

特開２００４−８６１９３号公報

JunhuaJi,et.al.,eq.(10),IEEE Journal of selected topics in quantum electronics,vol.15,no.1,Jan/Feb2009,p129-。

しかしながら、上記のような希土類添加ファイバーを光源または増幅器として用いたレーザ装置は、出射されるレーザ光の出力波長が限られるという課題があった。一方、非特許文献１に提案されたような技術では、波長変換前のレーザ光（増幅光）を出射する光源系のファイバーと、波長変換系のファイバーとが必要であり、レーザ装置の構成が複雑化するという課題があった。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、簡明な構成で、希土類添加ファイバー単体とは異なる波長のレーザ光を出力可能なレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明を例示する態様に従えば、レーザ媒質がドープされたファイバーと、前記レーザ媒質を励起する第１ポンプ光を出射する第１ポンプ光源と、ラマンポンプ用の第２ポンプ光を出射する第２ポンプ光源と、誘導ラマン散乱用のシード光を出射するシード光源とを備え、前記ファイバーに、第１ポンプ光、第２ポンプ光、及びシード光を入射することにより、ファイバーからシード光波長の増幅光を出射させるように構成したことを特徴とするレーザ装置が構成される。

なお、前記ファイバーはシングルクラッド構造であり、第１ポンプ光、第２ポンプ光、及びシード光がコアに入射されることが本発明の好ましい一態様である。また、前記ファイバーはレーザ媒質がコアにドープされたダブルクラッド構造であり、第２ポンプ光及びシード光がコアに入射され、第１ポンプ光がクラッドに入射されることも本発明の好ましい一態様である。さらに、前記ファイバーはレーザ媒質が第１クラッドにドープされたトリプルクラッド構造であり、シード光がコアに入射され、第２ポンプ光が第１クラッドに入射され、第１ポンプ光が第２クラッドに入射されることも本発明の好ましい一態様である。

以上の本発明において、前記ファイバーの長さが、当該ファイバーから出射させるストークス光の波長に基づいて設定されることが好ましい態様である。

本発明のレーザ装置によれば、レーザ媒質がドープされたファイバーに、レーザ媒質を励起する第１ポンプ光、ラマンポンプ用の第２ポンプ光、及び誘導ラマン散乱用のシード光を入射することにより、ファイバーからシード光波長の増幅光が出射される。すなわち、ひとつのファイバー内で、基本レーザ光の増幅〜ラマンポンプ〜ラマンシフトが行われる。そのため、簡明な構成で、例えば１．１〜１．２[μm]帯や１．６〜１．７[μm]帯などのような、希土類添加ファイバー単体と異なる波長の増幅光を出力可能なレーザ装置を提供することができる。

第１構成形態のレーザ装置の概要構成図である。上記レーザ装置のファイバーの断面図である。第２構成形態のレーザ装置の概要構成図である。上記レーザ装置のファイバーの断面図である。第３構成形態のレーザ装置の概要構成図である。上記レーザ装置のファイバーの断面図である。第３構成形態のレーザ装置における、ファイバー内での各波長の光の強度変化を示すシミュレーションデータである。上記シミュレーションデータの算出条件である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。第１構成形態のレーザ装置１の概要構成を図１に示す。本発明のレーザ装置は、レーザ媒質がドープされたファイバー５０と、レーザ媒質を励起する第１ポンプ光を出射する第１ポンプ光源１０と、ラマンポンプ用の第２ポンプ光を出射する第２ポンプ光源２０と、誘導ラマン散乱用のシード光を出射するシード光源３０と、これらの光源の作動を制御する制御装置（不図示）とを備え、ファイバー５０に、第１ポンプ光、第２ポンプ光、及びシード光を入射することにより、ファイバー５０からシード光波長の増幅光を出射させるように構成される。

第１構成形態のレーザ装置１においては、ファイバー５０としてシングルクラッド構造のファイバー５１が用いられ、第１ポンプ光、第２ポンプ光、及びシード光がコアに入射される。具体的には、図２にファイバー５１の断面図を示すように、コア５１ａにレーザ媒質としてＹｂ（イットリビウム）がドープされたシングルクラッド構造の希土類添加ファイバーが例示される。

第１ポンプ光源１０は、Ｙｂを励起する励起光（第１ポンプ光）Ｌp₁を出射するレーザ光源であり、例えば、出力波長９７６[nm]の半導体レーザが用いられる。第２ポンプ光源２０は、ラマン媒質（石英）を励起する励起光（第２ポンプ光）Ｌp₂を出射するレーザ光源であり、例えば、出力波長１０６４[nm]の半導体レーザやＹＶＯ４レーザ、ＤＰＳＳ（半導体励起固体レーザ）レーザなどが用いられる。シード光源３０は、誘導ラマン散乱用のシード光Ｌsを出射するレーザ光源であり、例えば、第１ストークス（１st stokes）光の波長に相当する波長１１１３[nm]のレーザ光を出力する半導体レーザなどが用いられる。

第１ポンプ光源１０の出力は、カプラ４１を介してファイバー５１のコア５１ａに結合されており、第１ポンプ光源１０から出射されたＹｂ励起用の第１ポンプ光Ｌp₁がコア５１ａに導入される。第２ポンプ光源２０の出力及びシード光源３０の出力は、カプラ４２を介してファイバー５１のコア５１ａに結合されており、これらの光源から出射されたラマンポンプ用の第２ポンプ光Ｌp₂及び第１ストークスのシード光Ｌｓがコア５１ａに導入される。

このような構成のレーザ装置１においては、まず、コア５１ａにおいて波長９７６[nm]の第１ポンプ光Ｌp₁によりレーザ媒質のＹｂが励起され、コア５１ａを伝播する波長１０６４[nm]の第２ポンプ光Ｌp₂がシード光となって、誘導放出により波長１０６４[nm]のレーザ光が増幅される。波長１０６４[nm]の光強度が高くなると、コアの基材である石英がラマン媒質として励起され、コア５１ａを伝播する波長１１１３[nm]のシード光Ｌｓ（第１ストークス光）が誘導ラマン散乱効果により増幅される。そのため、ファイバー５１のコア径およびファイバー長を適切に設定することにより、ファイバー５１からストークス波長（例えば第１ストークス波長１１１３[nm]）の増幅光を出力させることができる。

次に、第２構成形態のレーザ装置２について、図３及び図４を参照して説明する。このレーザ装置２は、ファイバー５０としてレーザ媒質Ｙｂがコア５２ａにドープされたダブルクラッド構造のファイバー５２が用いられ、コア５２ａに第２ポンプ光Ｌp₂及びシード光Ｌs、第１クラッド５２ｂに第１ポンプ光Ｌp₁が入射される。第１ポンプ光源１０、第２ポンプ光源２０、シード光源３０は、上述したレーザ装置１と同様であるが、第１ポンプ光源１０は、図示のように複数のレーザ光源１１，１１，１１…から構成することが可能であり、導入可能な最大の個数は、第１クラッド５２ｂの形状（直径、ＮＡ）、およびレーザ光源１１の出力ファイバーの形状（直径、ＮＡ）などから決まる。

第１ポンプ光源１０（１１，１１，１１…）の出力は、カプラ４３を介してファイバー５２の第１クラッド５２ｂに結合されており、第１ポンプ光源１０から出射されたＹｂ励起用の第１ポンプ光Ｌp₁が第１クラッド５２ｂに導入される。第２ポンプ光源２０の出力及びシード光源３０の出力は、カプラ４４を介してファイバー５２のコア５２ａに結合されており、これらの光源から出射されたラマンポンプ用の第２ポンプ光Ｌp₂及び第１ストークスのシード光Ｌｓがコア５２ａに導入される。

このような構成のレーザ装置２においては、第１クラッド５２ｂに導入された波長９７６[nm]の第１ポンプ光Ｌp₁がファイバーの長さ方向に伝播しつつコア５２ａに入射してＹｂを励起し、コア５２ａに導入された波長１０６４[nm]の第２ポンプ光Ｌp₂がシード光となって、誘導放出により波長１０６４[nm]のレーザ光が増幅される。波長１０６４[nm]の光強度が高くなると、基材である石英がラマン媒質として励起され、コア５２ａを伝播する波長１１１３[nm]のシード光Ｌｓ（第１ストークス光）が誘導ラマン散乱効果により増幅される。なお、シード光Ｌｓとして第２、第３ストークス波長の光を入射し、これらの波長の増幅光を取り出すように構成してもよい。

そのため、ファイバー５２のコア／クラッド径およびファイバー長を適切に設定することにより、ファイバー５２からストークス波長（例えば第１ストークス波長１１１３[nm]）の増幅光を出力させることができる。また、レーザ装置２によれば、レーザ装置１に比べて、より高出力の第１ポンプ光（Ｙｂ励起光）をファイバー５２に導入し、ラマンポンプ光の光強度を増大させることができるため、高出力のストークス光を得ることができる。

次に、第３構成形態のレーザ装置３について、図５及び図６を参照して説明する。このレーザ装置３は、ファイバー５０として第１クラッド５３ｂにレーザ媒質Ｙｂがドープされたトリプルクラッド構造のファイバー５３が用いられ、コア５３ａにシード光Ｌｓ、第１クラッド５３ｂに第２ポンプ光Ｌp₂、第２クラッド５３ｃに第１ポンプ光Ｌp₁が入射される。なお、第１クラッド５３ｂ及びコア５３ａにＹｂをドープしてもよい。第１ポンプ光源１０、第２ポンプ光源２０、シード光源３０は、上記レーザ装置２と同様であり、第１ポンプ光源１０は、図示のように複数のレーザ光源１２，１２，１２…から構成することが可能であり、導入可能な最大の個数は、第１クラッド５３ｂの形状（直径、ＮＡ）、およびレーザ光源１２の出力ファイバーの形状（直径、ＮＡ）などから決まる。

第１ポンプ光源１０（１２，１２，１２…）の出力はカプラ４５を介してファイバー５３の第２クラッド５３ｃに結合されており、第１ポンプ光源１０から出射されたＹｂ励起用の第１ポンプ光Ｌp₁が第２クラッド５３ｃに導入される。第２ポンプ光源２０の出力はカプラ４６を介して第１クラッド５３ｂに結合されており、第２ポンプ光源２０から出射されたラマンポンプ用の第２ポンプ光Ｌp₂が第１クラッド５３ｂに導入される。シード光源３０の出力はカプラ４６を介してコア５３ａに結合されており、シード光源３０から出射された第１ストークスのシード光Ｌｓがコア５３ａに導入される。

このような構成のレーザ装置３においては、第２クラッド５３ｃに導入された波長９７６[nm]の第１ポンプ光Ｌp₁がファイバーを伝播しつつ第１クラッド５３ｂに入射してＹｂを励起し、第１クラッド５３ｂに導入された波長１０６４[nm]の第２ポンプ光Ｌp₂がシード光となって、波長１０６４[nm]のレーザ光が増幅される。増幅された波長１０６４[nm]のレーザ光はコア５３ａに入射し、基材である石英がラマン媒質として励起され、コア５３ａを伝播する波長１１１３[nm]のシード光Ｌｓ（第１ストークス光）が誘導ラマン散乱効果により増幅される。

そのため、ファイバー５３の各層の断面積およびファイバー長を適切に設定することにより、ファイバー５３からストークス波長（例えば第１ストークス波長１１１３[nm]）の増幅光を出力させることができる。また、レーザ装置３によれば、レーザ装置１，２の構成と比較して、レーザ媒質を添加した領域の断面積を大きくすることができる。これは、ファイバー光増幅器として見たときのSaturation Energyが大きく、一方、シード光Ｌｓは直径の小さなコア５３ａを伝播しており、誘導ラマン散乱効果により増幅される際もビーム品質の劣化がない。従って、この構成によれば、ビーム品質が高くかつ大きなパルスエネルギーを持つ高出力のストークス光を得ることができる。

次に、第３構成形態のレーザ装置３で、波長１１１３[nm]の第１ストークスの増幅光を出力させる場合について、図７にシミュレーション結果、図８にその算出条件を示す。ここで、図７の横軸はファイバー５３の入射端を０としたときのファイバー長さ方向の位置、縦軸はファイバー内のレーザ光のパワーであり、図中に実線で波長９７６[nm]のレーザ光（第１ポンプ光）の強度変化、一点鎖線で波長１０６４[nm]のレーザ光（第２ポンプ光）の強度変化、点線で波長１１１３[nm]のレーザ光（第１ストークス光）の強度変化を示す。なお、図中には細かい点線で第２ストークス光の強度変化を付記している。

また、図８に示すように、Ｙｂ励起用の第１ポンプＬp₁光は平均パワー１００[W]のＣＷ（連続波）、ラマンポンプ用の第２ポンプ光Ｌp₂はパルス繰り返し周波数４[MHz]、パルス幅１[nsec]、入射パワーのピーク１２５[W]平均０．５[W]であり、第１ストークスのシード光Ｌｓの入射パワーは平均０．１[W]である。なお、第１ストークスのシード光ＬｓはＣＷでも、第２ポンプ光Ｌp₂に同期したパルス光のどちらでも良い。

シミュレーションデータから、まず、第２クラッド５３ｃに入射された波長９７６[nm]の第１ポンプ光Ｌp₁が、第１クラッド５３ｂにドープされたＹｂを励起して急速に減衰する一方、第１クラッド５３ｂに入射された波長１０６４[nm]の第２ポンプ光Ｌp₂がシード光となり、誘導放出により平均パワー９０[W]程度（ピークパワー２０[kW]程度）に増幅される（ファイバー端から４[m]程度）。

次に、増幅された波長１０６４[nm]のレーザ光がポンプ光となり、コア５３ａを伝播する波長１１１３[nm]のシード光Ｌｓ（第１ストークス光）が誘導ラマン散乱効果により増幅される。この例ではファイバー端から７ｍ程度で、第１ストークス光が平均パワー約８０[W]（ピークパワー２０[kW]）まで増幅されることがわかる。その後第１ストークス光が減衰し、ラマン散乱により第２ストークス光が発生する。

ここではファイバー端から１０[m]まで計算しており、第２ストークス光が発生しているが、このデータから明らかなように、ファイバー長を７[m]程度に設定することにより第２ストークス光の発生を抑止し第１ストークス光のみを出射させることができる。このように、２次のストークス光を発生させないようにするには、ファイバー長を最適化すれば良いが、第１ストークス光（シード光Ｌs）の入射パワーを調整しても良い。なお、第２ストークス波長の増幅光を出射させる場合には、第１ストークス波長のシード光に加えて、第２ストークス波長のシード光を入射することにより単色性を高めることができる。第３ストークス以降も同様である。

このように、以上説明したレーザ装置によれば、ひとつのファイバー内で、基本レーザ光の増幅〜ラマンポンプ〜ラマンシフトが行われるため、簡明な構成で、希土類添加ファイバー単体と異なる波長の増幅光を出力可能なレーザ装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、レーザ媒質としてＹｂ（イットリビウム）をドープしたファイバーを例示したが、Ｅｒ（エルビウム）等の他のレーザ媒質をドープしたファイバーであってもよい。ファイバー５０（５１，５２，５３）としてＥｒドープファイバーを用いる場合について簡潔に構成を例示すると、第１ポンプ光源１０（１１，１２）には、波長９８０[nm]の半導体レーザを用い、Ｅｒを励起する。第２ポンプ光源２０には波長１５５０[nm]の半導体レーザを用い、波長１５５０[nm]の光は励起されたＥｒによって増幅される。第３ポンプ光源３０には波長１６５０[nm]の半導体レーザを用い、波長１６５０[nm]のシード光は、誘導ラマン散乱効果により増幅される。これにより、Ｅｒ添加ファイバー単体と異なる波長１６５０[nm]の増幅光を出力させることができる。

Ｌp₁ 第１ポンプ光
Ｌp₂ 第２ポンプ光
Ｌs シード光
１〜３レーザ装置
１０第１ポンプ光源
２０第２ポンプ光源
３０シード光源
５０ファイバー
５１シングルクラッド構造のファイバー（５１ａコア）
５２ダブルクラッド構造のファイバー（５２ａコア、５２ｂ第１クラッド）
５３トリプルクラッド構造のファイバー（５３ａコア、５３ｂ第１クラッド、５３ｃ第２クラッド）

Claims

レーザ媒質がドープされたファイバーと、
前記レーザ媒質を励起する第１ポンプ光を出射する第１ポンプ光源と、
ラマンポンプ用の第２ポンプ光を出射する第２ポンプ光源と、
誘導ラマン散乱用のシード光を出射するシード光源とを備え、
前記ファイバーに、前記第１ポンプ光、前記第２ポンプ光、及び前記シード光を入射することにより、前記ファイバーから前記シード光波長の増幅光を出射させるように構成したことを特徴とするレーザ装置。
前記ファイバーはシングルクラッド構造であり、
前記第１ポンプ光、前記第２ポンプ光、及び前記シード光がコアに入射されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記ファイバーは、前記レーザ媒質がコアにドープされたダブルクラッド構造であり、
前記第２ポンプ光及び前記シード光が前記コアに入射され、前記第１ポンプ光がクラッドに入射されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記ファイバーは、前記レーザ媒質が第１クラッドにドープされたトリプルクラッド構造であり、
前記シード光が前記コアに入射され、前記第２ポンプ光が前記第１クラッドに入射され、前記第１ポンプ光が第２クラッドに入射されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記ファイバーの長さは、当該ファイバーから出射させるストークス光の波長に基づいて設定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ装置。