JP2012054349A

JP2012054349A - ファイバレーザ発振装置

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Publication number: JP2012054349A
Application number: JP2010194686A
Authority: JP
Inventors: Shinji Okuma; 慎治大熊
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15

Abstract

【課題】出射ビーム断面の光強度分布が均一化され過大なピークが抑制されたファイバレーザ発振装置を提供する。
【解決手段】ファイバレーザ発振装置は、シード光を放出可能なシード光源と、励起光を放出可能な励起光源と、光ファイバと、を有する。前記光ファイバは、前記励起光を吸収可能な希土類元素がコアに添加され、前記コアに導入された前記シード光を増幅して放出可能な増幅部を少なくとも有する。また、光ファイバには、最小曲げ半径よりも大きい第１の半径を有する第１のループと、前記第１のループの前記第１の半径よりも大きい第２の半径を有し前記増幅部に設けられた第２のループと、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ファイバレーザ発振装置に関する。

レーザ発振装置は、高品質かつ高出力のビームを放出することが要求される。この場合、高品質のシード光をファイバ増幅器を用いて増幅すると、高出力ビームを得ることが容易となる。このようなファイバレーザ発振装置を用いると、レーザ発振装置を小型化することができる。

ファイバレーザ発振装置において、シード光を入射する光ファイバのコア端面への入射角が僅かに変化しても、出射ビームの光強度分布が変化し、ピーク強度が過大となる問題がある。このような過大なピーク強度は、光部品の損傷や、増幅効率の低下を生じることがある。

特開２００４−１０９３７０号公報

出射ビーム断面の光強度分布が均一化され、過大なピークが抑制されたファイバレーザ発振装置を提供する。

実施形態にかかるファイバレーザ発振装置は、シード光を放出可能なシード光源と、励起光を放出可能な励起光源と、光ファイバと、を有する。前記光ファイバは、前記励起光を吸収可能な希土類元素がコアに添加され、前記コアに導入された前記シード光を増幅して放出可能な増幅部を少なくとも有する。また、光ファイバには、最小曲げ半径よりも大きい第１の半径を有する第１のループと、前記第１のループの前記第１の半径よりも大きい第２の半径を有し前記増幅部に設けられた第２のループと、を含むことを特徴とする。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかるファイバレーザ発振装置の構成図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った光ファイバの模式断面図、である。図２（ａ）は第１のループの光軸方向に沿った模式断面図、図２（ｂ）は、出射光の光強度分布を表す図である。図３（ａ）は比較例にかかるファイバレーザ発振装置の構成図、図３（ｂ）は光ファイバの模式断面図、図３（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）は出射光の光強度分布を表す図、である。第２の実施形態にかかるファイバレーザ発振装置の構成図である。第３の実施形態にかかるファイバレーザ発振装置の構成図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかるファイバレーザ発振装置の構成図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った光ファイバの模式断面図、である。
ファイバレーザ発振装置は、光ファイバ（増幅部）１０、シード光源１２、励起光源１４、１６、励起用光ファイバ１８、１９、入射光学部２０、及び出射光学部３０を有している。

光ファイバ１０は、石英を含むコア６０にＴｍやＨｏなどの希土類元素が添加されており、励起光Ｇｅ１、Ｇｅ２を吸収し、シード光Ｇｓを増幅して、出射光Ｇｏを出力可能である。本図において、光ファイバ１０は、増幅部のみからなるものとする。また、光ファイバ１０をダブルクラッド構造とすると、シード光Ｇｓをコア６０に、励起光Ｇｅ１、Ｇｅ２を第１クラッド６２に、それぞれ効率よく閉じ込めることができる。例えば、コア６０の直径Ｍ１は４０μｍ、石英を含む第１クラッド６２の直径Ｍ２は２００μｍ、石英や樹脂を含む第２クラッド６４の直径Ｍ３は４００μｍ、などとできる。第２クラッド６４の周囲には、内部を保護するためにサポート６６が設けられる。

シード光Ｇｓとしては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ装置からのレーザ光を非線形結晶などを用いて波長変換した１９８０ｎｍの高品質のレーザ光を用いることができる。

また、励起光源１４、１６は、例えば並列接続された高出力半導体レーザモジュールなどとすることができる。高出力レーザ光を励起光Ｇｅ１、Ｇｅ２として用いると、希土類元素を励起することが容易となる。また、その波長は、希土類元素の吸収及び放出スペクトルの極大値のいずれかに対応するように選択する。励起光Ｇｅ１、Ｇｅ２の波長は、例えば８０８ｎｍ近傍とすることができる。

励起用光ファイバ１８、１９の直径を大きくしマルチモード伝送とすると、励起光源１４、１６との光結合が容易となる。光ファイバ１０の一方の端部から励起光を入射しても励起は可能である。もし、光ファイバ１０の両端部から励起光Ｇｅ１、Ｇｅ２をそれぞれ入射すると、励起エネルギーをより高め、高出力の増幅光を得ることが容易となる。

入射光学部２０は、集光レンズ２１、２２、ダイクロイックミラー２３、ミラー２４、２５、を有する。励起光Ｇｅ１が励起用光ファイバ１８から出射すると広がり始めるが集光レンズ２１により平行光となる。他方、シード光Ｇｓは、ミラー２５、２４を介し、ダイクロイックミラー２３へ入射したのち反射されて光ファイバ１０の光軸５０に沿って進む。なお、光軸５０は、光ファイバ１０のコア６０の中心軸とする。

集光レンズ２１、２２の中心軸は、光軸５０と一致するように配置される。励起光Ｇｅ１、Ｇｅ２はダイクロイックミラー２３を透過したのち集光レンズ２２により集光され、光ファイバ１０の第１クラッド６２へ入射する。なお、ダイクロイックミラー２３は、シード光Ｇｓを反射し、シード光Ｇｓの波長とは異なる波長を有する励起光Ｇｅ１を透過する光学特性を有する。このため、シード光Ｇｓと、励起光Ｇｅ１と、を光ファイバ１０へ入射させることができる。

光ファイバ１０の第１クラッド６２をマルチモード伝搬する励起光Ｇｅ１、Ｇｅ２は、コア６０と交差するとき、その一部がコア６０内に添加された希土類元素により吸収される。励起光Ｇｅ１、Ｇｅ２を吸収した希土類元素は励起され、誘導放出によりシード光Ｇｓを増幅する。すなわち、希土類元素は励起光Ｇｅ１、Ｇｅ２の発光波長の近傍に吸収スペクトルの極大値を有しており、シード光Ｇｓの波長の近傍に放出スペクトルの極大値を有する。光ファイバ１０は、所望の増幅出力となるようにその長さが決定される。

出射光学部３０は、集光レンズ３１、３２、及びダイクロイックミラー３３を有する。励起光Ｇｅ２は、励起用光ファイバ１９から出射すると広がり始めるが集光レンズ３２により平行光とされ、光軸５０に沿って光ファイバ１０の第１クラッド６２へ入射し、希土類元素を励起する。他方、出射光Ｇｏは、光ファイバ１０のコア６０から出射されると広がり始めるが集光レンズ３１により平行光とされダイクロイックミラー３３により略４５度の角度で反射され、光軸５０に対して９０度をなす方向に折り曲げられ、出射光Ｇｏとして取り出し可能となる。

第１の実施形態では、光ファイバ１０において、シード光Ｇｓが入射する側の端部近傍、出射光Ｇｏが出射する側の端部近傍、に第１のループ１０ａがそれぞれ設けられる。第１のループ１０ａの半径Ｒ１は、光ファイバ１０の最小（許容）曲げ半径よりも大きいものとする。最小曲げ半径は、光ケーブルが破断などを生じない曲げ可能な最小の半径として決められ、例えば１００ｍｍなどとされる。

また、光ファイバ１０の長さを１０ｍなどとすると、所望の増幅出力を得るのが容易となる。この場合、光ファイバ１０に、例えば２５０〜５００ｍｍなどの範囲の半径Ｒ２を有する第２のループ１０ｂを設けると、ファイバレーザ発振装置を小型化しつつ、光ファイバ１０で発生した熱を放散することが容易となる。第１のループ１０ａの半径Ｒ１は、第２のループ１０ｂの半径よりも小さくされる。また、第１のループ１０ａの半径Ｒ１は、最小曲げ半径よりも大きければ、入射光学部２０の側と、出射光学部３０の側と、で異なっていてもよい。

第１及び第２ループの形状は、円、楕円、またはそれらの変形であってもよい。ループの形状が円以外の場合、その半径は、ループの面積と等しい面積を有する円の半径として定義するものとする。

図２（ａ）は第１のループの光軸方向に沿った模式断面図、図２（ｂ）は、出射増幅光の光強度分布を表す図である。
図２（ａ）は、図１（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った模式断面図である。なお、図２（ａ）において、コア６０の直径Ｍ１は、第１クラッド６２の直径Ｍ２に対して実際よりも大きい比率で示してある。光ファイバ１０がループを有する場合、その光軸５０はループの曲率に対応して曲がると考えて良い。光ファイバ１０のコア６０を伝搬するシード光Ｇｓが増幅されつつ、第１のループ１０ａ内で伝搬しかつ単位長当たりに反射される回数は、増幅光Ｇａがループ半径が大きい第２のループ１０ｂ内で伝搬しかつ単位長当たりで反射される回数よりも多くすることができる。

図２（ｂ）において、縦軸は出射光Ｇｏの出射位置３５における相対光強度Ｉ（ｒ）、横軸はビーム径方向位置ｒ、である。このような光強度分布は、出射位置３５に設けたフォトディテクターなどにより測定可能である。本実施形態では、最小曲げ半径よりも大きい範囲内で、その半径Ｒ１を小さくするのに応じて、コア６０内で反射される回数が増加する。光ファイバ１０の最小曲げ半径が１００ｍｍの場合、第１のループ１０ａの半径Ｒ１は、例えば１５０〜２００ｍｍの範囲内とすることができる。

図３（ａ）は比較例にかかるファイバレーザ発振装置の構成図、図３（ｂ）は光ファイバの模式断面図、図３（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）は出射光の光強度分布を表す図、である。
比較例における光ファイバ（増幅部）１１０は、ループ１１０ｂよりも半径が小さいループを端部近傍に有していない。光ファイバ１１０のコア端面１６０ａに対してシード光Ｇｓｓの入射角θｉは、初期調整において、増幅利得が高くなるように決定される。

例えば、図３（ｂ）において、初期調整において実線のようにシード光Ｇｓｓの入射角θｉを設定しても、使用環境の温度変化により入射角θｉが破線のように変化する場合がある。この結果、初期調整時に図３（ｃ）のような均一な光強度分布を有していても、入射角θｉの変化など入射状態により、図３（ｄ）、図３（ｅ）のように、ビーム断面の横方向高次モードなどにより光強度が複数のピークを生じることがある。

出射光は、非線形結晶などを用いて波長変換する場合がある。例えば、ＢａＢ_２Ｏ_４、ＬｉＢ_３Ｏ_５、ＢｉＢ_３Ｏ_６、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４などの非線形光学効果を利用すると、光パラメトリック発振による波長変換を行うことができる。すなわち、２個のミラーで形成される光共振器内に配置された非線形結晶において、１個の高いエネルギー（高周波数）のフォトンが、２個の低エネルギーのフォトンに分割されることにより波長変換が可能である。この場合、過大なピーク強度を有する出射光はこれらの非線形結晶に損傷を与えたり、光強度の変化により変換効率を低下させることがある。

これに対して、本実施形態では、第１のループ１０ａを適正な半径Ｒ１及び適正な長さに設定し反射回数を増加することにより、コア６０内における光強度分布Ｉ（ｒ）を平均化することができる。このため、非線形結晶へ与える損傷が抑制され、励起強度も変化しない。その結果、変換効率が一定となり、波長変換出力の安定度が高められる。また、非線形結晶以外の光学部品の損傷が抑制され、光出力を安定化できる。

また、第１のループ１０ａの半径Ｒ１を大きくするのに応じて、自然発光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission)成分が伝搬可能となる。このため、光ファイバ内に蓄積されたエネルギーがＡＳＥ成分となり、光ファイバを伝搬し無駄に消費される。ところが、第１のループ１０ａを設けることにより、ＡＳＥ成分の伝搬を抑制することができる。

図４は、第２の実施形態にかかるファイバレーザ発振装置の構成図である。
光ファイバ１０の両端部近傍に最小曲げ半径よりも大きい半径を有する第１のループを設けることがスペース上で困難である場合、第２のループ１０ｂの近傍または中間領域に、最小曲げ半径よりも大きく第２のループ１０ｂよりも小さい半径Ｒ３を有する第１のループ１０ｃを設けてもよい。このようにすると、ファイバレーザ発振装置をさらに小型化することが容易となる。

図５は、第３の実施形態にかかるファイバレーザ発振装置の構成図である。
シード光Ｇｓは、入射光学部２０を介して、シード光Ｇｓを増幅せずに伝送可能な光ファイバ（伝送部）１１へ入射する。光ファイバ１１は、最小曲げ半径よりも大きく、光ファイバ（増幅部）１０の第２のループ１０ｂの半径Ｒ２よりも小さい半径Ｒ４を有する第１のループ１１ａを有する。

また、シード光Ｇｓをコンバイナ４７の入力ポートに入射させる。コンバイナ４７の他の入力ポートへ、励起光Ｇｅ１が入力される。コンバイナ４７の出力ポートから出射されたシード光Ｇｓは，光ファイバ（増幅部）１０へ入射する。この場合にも、シード光Ｇｓの光強度が平均化され、増幅光Ｇａおよび出射光Ｇｏの光強度分布を均一にすることができる。

なお、入射光学部２０を構成するミラー４３、出射光学部３０を構成するミラー４５は、励起光を透過する必要がないのでダイクロイックミラーのような波長選択性を有していなくともよい。また、第１のループ１１ａを有する光ファイバ（伝送部）１１を、光ファイバ（増幅部）１０と、出射光学部３０と、の間に設けてもよい。

以上のように、第１〜第３の実施形態によれば、ビーム断面内の光強度分布において、光強度ピークの抑制が容易なファイバレーザ発振装置が提供される。このようなピーク強度が低減されたビームにより、光学部品の損傷などが抑制される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０光ファイバ（増幅部）、１０ａ、１０ｃ第１のループ、１０ｂ第２のループ、１１光ファイバ（伝送部）、１２シード光源、１４、１６励起光源、６０コア、６２第１クラッド、６４第２クラッド、Ｇｓシード光、Ｇｅ１、Ｇｅ２励起光、Ｇａ増幅光、Ｇｏ出射光、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ４第１のループの半径、Ｒ２第２のループの半径

Claims

シード光を放出可能なシード光源と、
励起光を放出可能な励起光源と、
前記励起光を吸収可能な希土類元素がコアに添加され、前記コアに導入された前記シード光を増幅して放出可能な増幅部を少なくとも有する光ファイバであって、最小曲げ半径よりも大きい第１の半径を有する第１のループと、前記第１のループの前記第１の半径よりも大きい第２の半径を有し前記増幅部に設けられた第２のループと、を含む光ファイバと、
を備えたことを特徴とするファイバレーザ発振装置。
前記増幅部は、前記コアの周囲に設けられ前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記励起光を導波可能な第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲に設けられ、前記第１クラッドの前記屈折率よりも低い屈折率を有する第２クラッドと、を有することを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ発振装置。
前記第１のループは、前記増幅部に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のファイバレーザ発振装置。
前記シード光の増幅光が前記第１のループの単位長当たりに反射される回数は、前記増幅光が前記第２のループの単位長当たりに反射される回数よりも多いことを特徴とする請求項３記載のファイバレーザ発振装置。
前記光ファイバは、前記シード光を増幅せずに伝送可能な伝送部をさらに有し、
前記第１のループは前記伝送部に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のファイバレーザ発振装置。