JP2014033098A - ファイバレーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 出力光の強度が低下することを抑制しつつ、反射光による損傷を抑制することができるファイバレーザ装置を提供する。
【解決手段】 ファイバレーザ装置１は、希土類添加ファイバ３０でパルス状の信号光を増幅して、出力光を出射する光出射部５と、光出射部５から出射する出力光の光路に配置されるフィルタ７０とを備える。信号光は、波長が、希土類添加ファイバ３０の利得波長帯域内において、希土類添加ファイバで利得が最大となる波長よりも長波長である光である。フィルタ７０は、希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長を含む少なくとも一部の波長帯域の光を非透過とし、信号光と同じ波長の光、及び、信号光の波長よりも長波長側の波長帯域の光を透過とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、出力光の強度が低下することを抑制しつつ、反射光による損傷を抑制することができるファイバレーザ装置に関する。
レーザ光を用いて加工を行う加工機や、レーザ光を使ったメス等の医療機器等に用いるレーザ装置の一つとして、希土類添加ファイバにより信号光を増幅して出射するファイバレーザ装置が用いられている。このようなファイバレーザ装置では、デューティー比、すなわちＯＦＦ時間とＯＮ時間の比が、例えば１０：１という具合に大きなパルス状の出力光を出射する場合がある。このようなデューティー比が大きなファイバレーザ装置では、出力光が出射していない状態で、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光が出射することがある。そして出射するＡＳＥ光の一部が、本来信号光が照射されるべき被加工体等で反射して、ファイバレーザ装置の出射端から入射する場合がある。このようにファイバレーザ装置にＡＳＥ光の反射光が入射すると、反射光が希土類添加ファイバで増幅されて、増幅された反射光により光源等が損傷する虞がある。
そこで、不要なＡＳＥ光を除去することが行われている。下記特許文献１には、ＡＳＥ光をフィルタにより除去するレーザ装置が記載されている。また、下記特許文献２には、ＡＳＥ光をフィルタにより除去する光増幅器が記載されている。特許文献１のレーザ装置、及び、特許文献２の光ファイバ増幅器では、光源から出射する信号光が希土類添加ファイバで増幅された後、フィルタを透過するよう構成されている。このフィルタは、この信号光と同じ波長の光のみが透過するように、透過する光の波長帯域が信号光の波長帯域に合わされて狭帯域化されている。このようにフィルタを透過する光の波長帯域と、信号光の波長帯域とが合わされることで、信号光のみがフィルタを透過し、フィルタを透過しないＡＳＥ光が除去されている。
特開２００１−８３５５７号公報 特開平０３−２３５９２４号公報
上記のように、フィルタが希土類添加ファイバよりも出射側に配置されることにより、出射したＡＳＥ光が上記のような反射光として再びファイバレーザ装置に入射して、希土類添加ファイバで増幅されることを抑制することができる。
しかし、特許文献１，２に記載されているフィルタ、すなわち透過する光の波長が狭帯域化されているフィルタを希土類添加ファイバよりも出射側に配置すると、増幅されたパルス状の信号光が出力光として出射する際に、その強度が抑えられる場合がある。そして、このような出力光の強度の抑制は強度のより大きな光を出射させようとする程その傾向が大きくなることが明らかとなった。
更に、パルス間に出射するＡＳＥ光が被加工体等で反射して再び希土類添加ファイバに入射する場合に、反射光として入射するＡＳＥ光の一部が除去されないとしても、光源等への損傷を十分に抑制することができることが明らかとなった。
そこで、本発明は、上記検討結果を踏まえてなされたものであり、出力光の強度が低下することを抑制しつつ、反射光による損傷を抑制することができるファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
すなわち、本発明のファイバレーザ装置は、励起光を出射する励起光源、及び、前記励起光が入射し、当該励起光により励起される希土類元素が添加される希土類添加ファイバを有し、前記希土類添加ファイバでパルス状の信号光を増幅して、前記信号光を含む出力光を出射する光出射部と、前記光出射部から出射する前記出力光の光路に配置されるフィルタと、を備え、前記信号光の波長は、前記希土類添加ファイバの利得波長帯域内において、前記希土類添加ファイバで利得が最大となる波長よりも長い波長であり、前記フィルタは、前記希土類添加ファイバで利得が最大となる前記波長を含む少なくとも一部の波長帯域の光を非透過とし、前記信号光の波長の光、及び、前記信号光の波長よりも長波長側の波長帯域の光を透過とすることを特徴とするものである。
本発明のファイバレーザ装置のようにパルス状の信号光を増幅して出射するファイバレーザ装置では、パルス状の信号光が増幅されて出力光が出射する間に、励起光により励起された希土類元素の自然放出により、ＡＳＥ光が出射する場合がある。しかし、本発明のファイバレーザ装置によれば、ＡＳＥ光が出射する場合であっても、ＡＳＥ光の内、少なくとも希土類添加ファイバにおいて最大の利得で増幅される波長の光は、フィルタにより除去されて出射されない。従って、ＡＳＥ光が出射され、加工体等の光の被照射体で反射して再びファイバレーザ装置内に入射する場合であっても、反射光には、希土類添加ファイバにおいて最大の利得で増幅される波長の光が含まれない。この最大の利得で増幅される波長の光が除去されることで、反射光が希土類添加ファイバにおいて、高い利得で増幅されることを抑制することができる。このため、反射光による損傷を抑制することができる。
また、パルス状の信号光を増幅する目的の一つとして、信号光を高い利得で増幅して、強度の大きな出力光を出射することを挙げることができる。このように信号光が高い利得で増幅され、強度の大きな光が希土類添加ファイバを伝播すると、非線形光学効果によって増幅された信号光の一部が長波長側にシフトする場合がある。しかし、本発明のファイバレーザ装置によれば、出力光に信号光よりも長波長側にシフトした光が含まれる場合であっても、この長波長側にシフトした光はフィルタを透過することができる。このため、フィルタを透過して出射する出力光の強度の低下を抑制することができる。なお、信号光が増幅されて出力光が出射するとき、出力光には広い波長帯域を有するＡＳＥ光が含まれず、信号光の波長の光、及び信号光の波長よりも長い波長の光しか含まれない。従って、出力光が、信号光の波長の光よりも短波長側を非透過とするフィルタを通過しても、出力光の強度が低下することは殆どない。
このように本発明のファイバレーザ装置によれば、出力光の強度が低下することを抑制しつつ、反射光による損傷を抑制することができるのである。
なお、本発明における信号光とは、希土類添加ファイバに入射して増幅されて出射する光を意味しており、光に信号が重畳している必要はない。
さらに、前記フィルタは、少なくとも前記希土類添加ファイバの利得波長帯域内において、前記信号光の波長よりも短波長側の全ての光を非透過とすることが好ましい。
信号光の波長よりも短波長側の全ての光を非透過とすることで、ＡＳＥ光の反射光から信号光の波長よりも短波長側光を除去することができる。従って、反射光により損傷を受けることをより一層抑制することができる。
また、前記光出射部は、前記信号光の出射方向と逆側に進行する光の強度を検出する光検出部と、前記励起光源を制御する制御部とを更に備え、前記制御部は、前記光検出部からの出力に基づき、前記信号光の出射方向と逆側に進行する前記光が所定の強度以上であると判断する場合に、前記励起光の強度を小さくするよう制御することが好ましい。
信号光の出射方向と逆側に進行する光の強度を検出することにより、反射光の強度をモニタすることができる。従って、何らかの原因により信号光の出射方向と逆側に進行する光が大きくなる場合に、反射光の強度が大きくなったと判断して、希土類添加ファイバによる利得を減少させることで、反射光による損傷が生じることをより抑制することができる。特に、信号光の波長の光を検出して、上記の制御を行うことにより、反射光による損傷をより抑制することができる。
また、前記光出射部と前記波長選択フィルタとの間における前記出力光の光路に、前記出力光の進行方向に進行する光を透過させ、前記出力光の進行方向と逆側に進行する光の前記光出射部への入射を抑制する光アイソレータが設けられることが好ましい。
光アイソレータにより、反射光が光出射部の希土類添加ファイバに入射することを抑制することができるので、反射光による損傷が生じることをより一層と抑制することができる。
また、前記希土類元素がイッテルビウムで、前記信号光は、波長が１０７０ｎｍ以上の光であり、前記波長選択フィルタは、少なくとも前記希土類添加ファイバの利得波長帯域内において、１０７０ｎｍより短波長の光を非透過とすることが好ましい。
イッテルビウムを増幅媒体とした希土類添加ファイバは、利得が大きく、強度の大きな出力光を出射することができるが、増幅された信号光の一部が、非線形光学効果により長波長側へシフトし易い。しかし、本発明によれば、信号光の波長よりも長波長側の光がフィルタを透過することができるため、出射する出力光の強度の低下を抑制することができる。
また、前記光出射部は、パルス状の信号光を出射する信号光源を更に備え、前記信号光源から出射された前記信号光が前記希土類添加ファイバに入射することとしても良い。
このような構成によれば、ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型のファイバレーザ装置とすることができ、信号光源が反射光により損傷することを抑制することができるので、高い信頼性のファイバレーザ装置とすることができる。
また、前記光出射部は、前記希土類添加ファイバの出射側と逆側に設けられ、前記信号光と同じ波長の光を反射する第１ミラーと、前記希土類添加ファイバの光の出射側に設けられ、前記第１ミラーが反射する光と同じ波長の光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーと、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に設けられ、前記信号光と同じ波長の光が低損失な状態と高損失な状態とを繰り返す光スイッチと、を更に備え、前記信号光は、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間を共振する光であることとしても良い。
このような構成により、信号光が共振する共振型のファイバレーザ装置をすることができ、光スイッチにより、パルス状の出力光を出射することができる。そして、反射光が増幅されることにより、共振構造が破壊されることを抑制することができるので、高い信頼性のファイバレーザ装置とすることができる。
以上説明したように、本発明によれば、出力光の強度が低下することを抑制しつつ、反射光による損傷を抑制することができるファイバレーザ装置が提供される。
本発明の第１実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。 希土類添加ファイバに添加される希土類がイッテルビウムである場合の希土類添加ファイバの波長と利得との関係を示す図である。 図１の希土類添加ファイバから出射される光の強度を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。
以下、本発明に係るファイバレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。
図１に示すように、ファイバレーザ装置１は、信号光を増幅して出力光を出射する光出射部５と、光出射部５から出射された出力光が透過するフィルタ７０と、光出射部５とフィルタ７０との間における出力光の光路に設けられる光アイソレータ７５と、を主な構成として備える。また、光出射部５は、信号光を出射する信号光源１０と、励起光を出射する励起光源２０と、信号光と励起光とが入射する希土類添加ファイバ３０と、信号光及び励起光を希土類添加ファイバ３０に入射するためのコンバイナ４０と、信号光源１０と希土類添加ファイバ３０との間に配置される光検出部５０と、制御部６０と、を主な構成として備える。このようにファイバレーザ装置１は、信号光源１０がＭＯ（Master Oscillator）とされ、励起光源２０及び希土類添加ファイバ３０がＰＡ（Power Amplifier）とされる、いわゆるＭＯ−ＰＡ型のファイバレーザ装置である。
信号光源１０は、例えば、レーザダイオードや、ファブリペロー型やファイバリング型のファイバレーザ装置等からなる図示しない信号光発生部、及び、信号光発生部で発生する光をパルス状の信号光にするための光スイッチ１１を有している。光スイッチ１１は、例えば、ＡＯＭ（Acoustic Optical Modulator）から構成され、信号光発生部の内部或いは外部に配置されている。光スイッチ１１は、信号光が低損失な状態と高損失な状態とを繰り返すように制御される。光スイッチ１１が、このように制御されることにより、信号光源１０からはパルス状の信号光が出射する。なお、光スイッチ１１は、ＡＯＭ以外にマイクロマシン方式光スイッチやＬＮ変調機等であっても良い。
この信号光源１０から出射する信号光は、後述の希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長よりも長い波長の光とされ、例えば、波長が１０８５ｎｍのレーザ光とされる。また、信号光源１０は、コア、及び、コアの外周面を隙間なく囲むクラッドから構成される信号光用ファイバ１５に接続されており、信号光源１０から出射する信号光は、信号光用ファイバ１５のコアを伝播する。信号光用ファイバ１５としては、例えば、シングルモードファイバが挙げられ、この場合、信号光は、信号光用ファイバ１５をシングルモードの光として伝播する。
励起光源２０は、複数のレーザダイオード２１から構成され、後述の希土類添加ファイバに添加される希土類元素を励起する波長の励起光、例えば波長が９１５ｎｍの励起光を出射する。また、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１は、励起光用ファイバ２２に接続されており、レーザダイオード２１から出射する励起光は、励起光用ファイバ２２を伝播する。励起光用ファイバ２２としては、例えば、マルチモードファイバが挙げられ、この場合、励起光は励起光用ファイバ２２をマルチモード光として伝播する。
希土類添加ファイバ３０は、コアと、コアの外周面を隙間なく囲むクラッドと、クラッドの外周面を被覆する樹脂クラッドと、樹脂クラッドの外周面を被覆する被覆層とから構成される光ファイバであり、一方の端部が入射端３１とされ他方の端部が出射端３２とされている。クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低く、樹脂クラッドの屈折率はクラッドの屈折率よりもさらに低くされている。このようなコアを構成する材料としては、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム等の元素、及び、励起光源２０から出射する励起光により励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素が添加された石英が挙げられる。このような希土類元素としては、希土類元素が挙げられ、希土類元素としては、上記Ｙｂの他にツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）等が挙げられる。また、クラッドを構成する材料としては、例えば、何らドーパントが添加されていない純粋石英が挙げられる。また、樹脂クラッドを構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂が挙げられ、被覆層を構成する材料としては、例えば、樹脂クラッドを構成する樹脂とは異なる紫外線硬化樹脂が挙げられる。
この希土類添加ファイバ３０は、励起光により励起される希土類元素が、コアを伝播する光により誘導放出を起こすことで、コアを伝播する光を増幅する。図２は、添加される希土類がイッテルビウムである場合において、デューティー比が１０：１である場合の希土類添加ファイバ３０を伝播する信号光の波長と利得との関係を示す図である。図２に示す希土類添加ファイバ３０の利得の例は、波長が、１０３０ｎｍ近傍で最大となる。従って、イッテルビウムが添加されたこのような希土類添加ファイバ３０が用いられる場合、信号光源１０からは、例えば上述のように波長が１０８５ｎｍのレーザ光という具合に、波長が約１０３０ｎｍよりも長波長の信号光が出射される。
また、希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長は、簡易的に以下の方法で実験的にもとめることが出来る。それは、信号光源１０から連続状の信号光を希土類添加ファイバ３０に入射すると共に、励起光源２０から使用時に出射される励起光のパワーを信号光のデューティー比で除したパワーの励起光を希土類添加ファイバ３０に入射する。このときに信号光が最も大きな利得で増幅される波長を希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長にすれば良い。このような波長の求め方であれば、計算によっても求めることができる。なお、上記の「使用時に出射される励起光のパワーをデューティー比で除したパワー」とは、例えば、信号光のデューティー比が１０：１である場合、使用時に出射される励起光のパワーを１／１０で除すことを意味し、この場合、使用時に出射される励起光のパワーの１０倍のパワーとなる。
コンバイナ４０は、信号光用ファイバ１５及びそれぞれの励起光用ファイバ２２と、希土類添加ファイバ３０の入射端３１とを接続している。具体的には、コンバイナ４０において、信号光用ファイバ１５のコアが、希土類添加ファイバ３０のコアに接続されており、さらにそれぞれの励起光用ファイバ２２のコアが、希土類添加ファイバ３０のクラッドに接続されている。従って、信号光源１０から出射する信号光は、希土類添加ファイバ３０のコアに入射され、励起光源２０から出射する励起光は、希土類添加ファイバ３０のクラッドに入射する。
光検出部５０は、信号光用ファイバ１５の途中に設けられる光分離部５１、及び、光分離部５１により分離された光の強度を電気的信号に変換する光電変換部５２とから構成される。光分離部５１は、例えば、光カプラ等から構成され、希土類添加ファイバ３０の入射端３１から信号光源１０に向かって出射する光を分離して、光電変換部５２に入射する。つまり、光検出部５０は、信号光の出射方向と逆側に進行する光の強度を検出する。また、光電変換部５２は、例えばフォトダイオード等の光電変換素子から構成され、光分離部５１から入射する光を光電変換し、光分離部５１から入射する光の強度に基づいた電気的信号を制御部６０に出力する。
制御部６０は、光源制御部６１、及び、光電変換部５２から入力する信号の電圧と基準電圧とを比較する比較器６２を有している。比較器６２は、光電変換部５２から入力される信号と基準電圧とを比較して、その結果を示す信号を光源制御部６１に出力する。光源制御部６１は、論理ゲートや、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等で構成されており、比較器６２からの信号に基づいて、制御信号を生成する。生成された制御信号は、励起光源２０に入力され、励起光源２０は、出射する励起光の強度をこの制御信号に基づいたものとする。従って、励起光源２０から出射する励起光は、光源制御部６１の制御信号に基づいた強度の光とされる。また、本実施形態において、光源制御部６１は、励起光源２０の制御以外に、信号光源１０を制御する。例えば、光源制御部６１は、信号光源１０から出射する信号光の強度や、パルス状の信号光のデューティー比等を制御することができる。
フィルタ７０は、光出射部５の希土類添加ファイバ３０から出射する光の光路に配置されている。本実施形態において、フィルタ７０は、信号光の波長よりも短波長側であって、希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長を含む少なくとも一部の波長帯域の光を非透過とする。そして、フィルタ７０は、信号光、及び、信号光の波長よりも長波長側の波長帯域の光を透過とする。例えば、上述のように、希土類添加ファイバ３０が、イッテルビウムが添加され、利得が最大となる波長が１０３０ｎｍ近傍である光ファイバであり、信号光の波長が１０８５ｎｍである場合、波長が１０７０ｎｍ以下の光を非透過とし、波長が１０７０ｎｍよりも長波長側の光を透過とする。
このようなフィルタ７０としては、ガラス上にフィルタ膜が形成されたフィルタを挙げることができる。このようなフィルタ膜としては、複数種類の金属酸化膜が繰り返し積層された多層膜を挙げることができる。また、フィルタ７０は、図１に示すように、希土類添加ファイバ３０から出射する光の進行方向に対して、フィルタ面が傾斜して配置されることが好ましい。フィルタ面が傾斜して配置されることにより、フィルタ７０が非透過の光を反射する場合に、反射した光を適切に取り出しやすいためである。
光アイソレータ７５は、希土類添加ファイバ３０から出射する信号光の進行方向に進行する光を透過し、この信号光の進行方向とは逆側に進行する光の光出射部５への入射を抑制するよう構成されている。また、本実施形態において、この光アイソレータ７５は、信号光の進行方向とは逆側に進行する光の内、信号光の波長と同じ波長の光の光出射部５への入射を最も抑制するように構成されている。つまり、光アイソレータ７５は、信号光源１０から出射する信号光の波長と同じ波長の光に対するアイソレーションが最大とされている。
次に、このようなファイバレーザ装置１の動作について説明する。
まず、光源制御部６１から信号光源１０に制御信号が入力されて、信号光源１０の光スイッチ１１は、予め定められた一定の周期で信号光が低損失な状態と高損失な状態とを繰り返すようにスイッチング動作をする。そして、信号光源１０からこのスイッチング動作に同期したパルス状の信号光が一定の周期で出射する。このとき信号光源１０から出射する信号光は、上述のように、例えば、波長が１０８５ｎｍの光とされ、信号光のデューティー比は、例えば、「信号光源１０から信号光が出射していない期間」：「信号光源１０から信号光が出射している期間」が１０：１とされる。信号光源１０から出射された信号光は、信号光用ファイバ１５のコアを伝播して、コンバイナ４０に入射する。
また、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から励起光が出射する。励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から出射する励起光は、上述のように、例えば、波長が９１５ｎｍとされる。そして、それぞれのレーザダイオード２１から出射された励起光は、励起光用ファイバ２２を伝播しコンバイナ４０に入射する。
こうしてコンバイナ４０に入射したパルス状の信号光は、希土類添加ファイバ３０の入射端３１からコアに入射して、コアを伝播する。一方、コンバイナ４０に入射した励起光は、希土類添加ファイバ３０の入射端３１からクラッドに入射して、クラッドを主に伝播する。
励起光が伝播する希土類添加ファイバ３０では、励起光がコアを通過するときに、コアに添加されている希土類元素に吸収されて、希土類元素は励起される。そして、信号光が希土類添加ファイバ３０に入射していない期間は、希土類元素の励起状態が高くなる。一方、パルス状の信号光が希土類添加ファイバ３０に入射されると、励起された希土類元素は、信号光により誘導放出を起こし、この誘導放出により信号光が増幅されて、希土類添加ファイバ３０の出射端３２からパルス状の出力光が出射する。
図３は、希土類添加ファイバ３０から出射する光の強度を示す図である。上記のように信号光が希土類添加ファイバ３０に入射している期間は、強度の大きな出力光ＯＬが希土類添加ファイバ３０から出射する。このとき、希土類添加ファイバ３０において、信号光の一部が、非線形光学効果により、波長が長波長側にシフトする場合がある。この場合、希土類添加ファイバ３０から出射する出力光ＯＬは、信号光ＳＬと、信号光ＳＬが長波長側にシフトしたストークス光ＳＴとから成る。
一方、信号光が希土類添加ファイバ３０に入射していない期間は、励起状態が高くなった希土類元素からＡＳＥ光が放出される。このＡＳＥ光は、波長の帯域幅が広く、信号光源１０から出射する信号光の波長よりも短波長側の光ＡＳＥｓと、信号光源１０から出射する信号光の波長よりも長波長側の光ＡＳＥｌとからなり、強度の小さな光である。ＡＳＥ光が発生すると、希土類添加ファイバ３０で発生したＡＳＥ光が増幅される。ところで、信号光源１０から出射する信号光は、希土類添加ファイバ３０で最も利得が高い波長よりも長波長の光である。従って、図３に示すように信号光よりも短波長側の光ＡＳＥｓが、信号光よりも長波長側の光ＡＳＥｌよりも高い利得で増幅される。こうして、信号光よりも短波長側の光ＡＳＥｌが高い利得で増幅されたＡＳＥ光が、希土類添加ファイバ３０の出射端３２から出射する。
希土類添加ファイバ３０から出射する光は、光アイソレータ７５を介して、フィルタ７０に入射する。そして、信号光源１０から出射する信号光の波長と同波長の光、及び、信号光源１０から出射される信号光の波長よりも長波長側の波長帯域の光は、フィルタ７０を透過する。一方、信号光の波長よりも短波長側であって、希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長を含む少なくとも一部の波長帯域の光は、フィルタ７０を透過することができない。
上述のように信号光源１０から出射する信号光の波長は、前記希土類添加ファイバで利得が最大となる波長よりも長波長であるため、信号光源１０から信号光が希土類添加ファイバ３０に入射している期間は、信号光ＳＬとストークス光ＳＴとから成る出力光ＯＬがフィルタ７０を透過して、ファイバレーザ装置１から出射する。この期間、希土類添加ファイバ３０からＡＳＥ光は出射しないため、光出射部５から出射する出力光ＯＬには、信号光ＳＬの波長よりも短波長側の光が殆ど含まれない。従って、光出射部５から出射する出力光ＯＬの強度は、フィルタ７０により殆ど低下しない。こうしてファイバレーザ装置１から強度の大きなパルス状の出力光ＯＬが出射する。
一方、信号光源１０から信号光が希土類添加ファイバ３０に入射していない期間は、上述のように増幅されたＡＳＥ光がフィルタ７０に入射する。ＡＳＥ光の内、信号光源１０から出射する信号光の波長よりも長波長の光ＡＳＥｌはフィルタ７０を透過する。しかし、信号光源１０から出射する信号光の波長より短波長の光である光ＡＳＥｓの内、希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長を含む少なくとも一部の波長帯域の光は、フィルタ７０を透過せずにフィルタ７０で反射して、図示しない無反射体に吸収される。
例えば、上記のように、希土類添加ファイバ３０が、利得が最大となる波長が１０３０ｎｍ近傍である光ファイバであり、信号光源１０から出射する信号光の波長が１０８５ｎｍであり、フィルタ７０が１０７０ｎｍ以下の波長の光を非透過とする。この場合、ＡＳＥ光の内、希土類添加ファイバ３０高い利得で増幅される光を含む光ＡＳＥｓの多くは、フィルタ７０で信号光が伝播するライン外に反射し、フィルタ７０を透過しない。一方、希土類添加ファイバ３０高い利得で増幅される光を含まない光ＡＳＥｓの残りと、希土類添加ファイバ３０で低い利得で増幅される信号光よりも長波長の光ＡＳＥｌとがフィルタ７０を透過する。こうして信号光よりも波長帯域の大きく、強度の小さな光が出射する。
ファイバレーザ装置１の使用時においては、ファイバレーザ装置１から出射する光が、加工体等の被照射体に照射される。このとき、被照射体に照射される光の一部が、被照射体で反射して、反射光として再びファイバレーザ装置１に入射する場合がある。
ファイバレーザ装置１に入射した反射光は、フィルタ７０に入射する。反射光は、ファイバレーザ装置１から出射した光の一部から成るため、ファイバレーザ装置１から出力光ＯＬが出射している期間であれば、反射光は、出射する信号光ＳＬの一部とストークス光ＳＴの一部とから成り、ファイバレーザ装置１からＡＳＥ光が出射している期間であれば、光ＡＳＥｌの一部と、光ＡＳＥｅのうち希土類添加ファイバ３０高い利得で増幅される光を含まない光の一部とから成る。これらの光は、出射時にフィルタ７０を透過した波長の光であるため、反射光においてもフィルタ７０を透過する。
フィルタ７０を透過した反射光は、光アイソレータ７５に入射する。そして、光アイソレータ７５に入射する反射光の多くは、光アイソレータ７５のアイソレーションにより、光出射部５への入射が抑制される。ところでファイバレーザ装置１から出射する出力光ＯＬの内、信号光ＳＬが最も大きな強度である。従って、通常、反射光においても、信号光ＳＬが最も大きな強度となる。しかし、上述のように本実施形態では、光アイソレータ７５は、信号光源１０から出射する信号光の波長と同じ波長の光に対するアイソレーションが最大とされているため、光アイソレータ７５に入射する反射光の、光出射部５への入射が抑制される。
ここで、光アイソレータ７５に入射する反射光の内、一部の光がアイソレーションされずに光出射部５に入射する場合がある。光出射部５に入射する光は、希土類添加ファイバ３０の出射端３２から希土類添加ファイバ３０に入射して、励起された希土類元素により増幅される。
希土類添加ファイバ３０で増幅された反射光は、希土類添加ファイバ３０の入射端３１から信号光源１０へ向かう。このとき、信号光源１０から信号光が出射している期間であれば、増幅されて希土類添加ファイバ３０の入射端３１から信号光源１０へ向かう反射光は、信号光ＳＬとストークス光ＳＴと同じ波長の光となる。一方、信号光源１０から信号光が出射していない期間では、増幅される反射光は、光ＡＳＥｌと光ＡＳＥｓのうちフィルタを透過可能な波長帯域の光とから成るものの、希土類添加ファイバ３０の入射端３１から信号光源１０へ向かう光は、増幅された反射光の他に、希土類添加ファイバ３０で新たに発生して、入射端３１から出射するＡＳＥ光が含まれる。
そして、希土類添加ファイバ３０の入射端３１から信号光源１０へ向かう光は、光検出部５０の光分離部５１において、少なくとも一部が分離されて、光電変換部５２に入射する。光電変換部５２は、光分離部５１から入射した光の強度に基づいた信号を制御部６０に出力する。
制御部６０では、光電変換部５２から信号が入力されると、比較器６２において、この信号の電圧と、基準電圧Ｖｃｃとを比較する。そして、光電変換部５２から出力する信号の電圧が、基準電圧Ｖｃｃより小さい場合には、比較器６２は、光電変換部５２からの信号の電圧が低い旨の信号を光源制御部６１に出力する。例えばこの信号は、電圧の低い信号とされる。この場合、光源制御部６１は、希土類添加ファイバ３０の入射端３１から信号光源１０に向う光の強度が小さいと判断して、励起光源２０に特別な制御信号を出力しない。つまり、励起光源２０は、光検出部５０に入射する光が所定の強度より小さい場合には、通常の強度で励起光を出射する。
一方、希土類添加ファイバ３０の入射端３１から信号光源１０に向かって出射される光の強度が所定の強度以上である場合においては、光電変換部５２から出力する信号の電圧が高くなり、比較器６２において、光電変換部５２から出力する電圧が基準電圧Ｖｃｃよりも高いと判断される。この場合、比較器６２は、光電変換部５２からの信号の電圧が高い旨の信号を光源制御部６１に出力する。この信号は、例えば電圧の高い信号とされる。この信号が光源制御部６１に入力すると、光源制御部６１は、希土類添加ファイバ３０の入射端３１から信号光源１０に向う光の強度が大きいと判断して、励起光源２０を制御して、励起光源２０から出射する励起光の強度を小さくする。つまり、励起光源２０は、光検出部５０に入射する光が所定の強度より大きい場合には、励起光の強度を小さくする。
このように、信号光の出射方向と逆側に進行する光の強度をモニタして、その光の強度に応じて励起光の強度を調節し、希土類添加ファイバ３０による利得を減少させることで、反射光による損傷が生じることをより抑制することができる。
なお、フィルタ７０を透過可能な反射光のうち、信号光の反射光が信号光源１０等への損傷を誘発する可能性が高い。従って、信号光の反射光をモニタして、この反射光の強度が所定の強度より大きい場合に、励起光の強度を小さくしても良い。このような信号光の反射光をモニタするには、信号光がパルス状であるため、信号光の反射光もパルス状であることに着目して、信号光の出射方向と逆側に進行する光の強度が立ち上がったときに、この光を反射光としてモニタすればよい。このように信号光の反射光をモニタすることにより、信号光源１０等への損傷をより抑制することができる。
また、信号光の反射光をモニタするには、光分離部５１が波長選択性を有しており、信号光と同じ波長の光を分離して光電変換部５２に入射するようにしても良い。このような光分離部５１としては、波長選択性を有する光カプラを挙げることができる。反射光の波長は信号光と同じ波長であるため、光分離部５１がこのような波長選択性を有するよう構成することで、反射光が光電変換部５２に入射し、ＡＳＥ光が光電変換部５２に入射することを大幅に低減することができ、反射光のモニタが容易になる。
以上説明したように、本発明のファイバレーザ装置１によれば、ＡＳＥ光が出射する場合であっても、ＡＳＥ光の内、少なくとも希土類添加ファイバ３０で最大の利得で増幅される光は、フィルタ７０により除去されて出射されない。従って、ＡＳＥ光が出射され、加工体等で反射して再び、ファイバレーザ装置１内に入射する場合であっても、反射光には、希土類添加ファイバ３０で最大の利得で増幅される光が含まれない。この最大の利得で増幅される光が除去されることで、反射光が希土類添加ファイバ３０において、高い利得で増幅されることを抑制することができる。このため、反射光による損傷を抑制することができる。
また、増幅された信号光の一部において、波長が長波長側にシフトする場合であっても、波長がシフトしたストークス光ＳＴはフィルタ７０を透過することができる。このため、フィルタ７０を透過して出射する出力光ＯＬの強度の低下を抑制することができる。こうして、出射される出力光ＯＬの強度が低下することを抑制しつつ、反射光による損傷を抑制することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４を参照して詳細に説明する。なお、特に説明する場合を除き、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。
図４は、本発明の第２実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。図４に示すように、本実施形態のファイバレーザ装置２は、第１実施形態の光出射部５に代えて、光出射部６が用いられている点において、第１実施形態のファイバレーザ装置１と異なる。
光出射部６は、励起光源２０と、希土類添加ファイバ３０と、希土類添加ファイバ３０の入射端３１に接続される第１光ファイバ８１と、第１光ファイバ８１に設けられる第１ミラーとしての第１ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）８６と、励起光を第１光ファイバ８１に入射するためのコンバイナ４１と、希土類添加ファイバ３０の出射端３２に接続される第２光ファイバ８２と、第２光ファイバ８２に設けられる第２ミラーとしての第２ＦＢＧ８７と、第１ＦＢＧ８６と第２ＦＢＧ８７との間に設けられる光スイッチ８５と、第２ＦＢＧ８７よりも光の出射端側に配置される光検出部５０と、制御部６０と、を主な構成として備える。このようにファイバレーザ装置２は、共振器型のファイバレーザ装置である。
第１光ファイバ８１は、コアの直径が希土類添加ファイバ３０のコアの直径と同様とされ、クラッドの外径が希土類添加ファイバ３０のクラッドの外径と同様とされる。従って、希土類添加ファイバ３０のコアと第１光ファイバ８１のコアとが光学的に結合し、希土類添加ファイバ３０のクラッドと第１光ファイバ８１のクラッドとが光学的に結合している。
また、第１光ファイバ８１の希土類添加ファイバ３０と接続されている側と反対側の端部は、コンバイナ４１に接続されており、コンバイナ４１において、励起光用ファイバ２２のコアが第１光ファイバ８１のクラッドに接続されている。従って、励起光源２０から出射する励起光は、第１光ファイバ８１に入射する。
また、第１光ファイバ８１のコアには、第１ＦＢＧ８６が設けられている。こうして第１ＦＢＧ８６は、希土類添加ファイバ３０の出射側と逆側に設けられている。第１ＦＢＧ８６は、第１光ファイバ８１の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、この周期が調整されることにより、励起状態とされた希土類添加ファイバ３０の希土類元素が放出する光の波長帯域の内、希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長よりも長波長の光を反射するように構成されている。第１ＦＢＧ８６は、上述のように希土類添加ファイバ３０に添加される希土類がイッテルビウムである場合、例えば１０８５ｎｍにおいて反射率が、例えば１００％とされる。
希土類添加ファイバ３０の出射端３２に接続されている第２光ファイバ８２は、コアの直径が希土類添加ファイバ３０の直径と同様とされる。従って、希土類添加ファイバ３０のコアと第２光ファイバ８２のコアとが光学的に結合している。
また、第２光ファイバ８２のコアには、第２ＦＢＧ８７が設けられている。こうして第２ＦＢＧ８７は、希土類添加ファイバ３０の出射側に設けられている。第２ＦＢＧ８７は、第２光ファイバ８２の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、第１ＦＢＧ８６が反射する光と同じ波長の光を第１ＦＢＧ８６よりも低い反射率で反射するように構成され、例えば、第１ＦＢＧ８６が反射する光と同じ波長の光を５０％の反射率で反射するように構成されている。
光スイッチ８５は、第２光ファイバに設けられ、第１実施形態の信号光源１０における光スイッチ８５と同様の素子から構成され、第１ＦＢＧ８６、第２ＦＢＧ８７で反射する波長の光が低損失な状態と高損失な状態とを繰り返すようにスイッチング制御される。光スイッチ８５が低損失な状態では、光スイッチ８５に入射する光の略全てが光スイッチ８５を透過する。一方、光スイッチ８５が高損失な状態では、光スイッチ８５に入射する光の内、第１ＦＢＧ８６、第２ＦＢＧ８７で反射する波長の光の殆どが損失し、他の波長の光が光スイッチ８５を透過する。
光検出部５０の光分離部５１は、第２光ファイバ８２の途中に設けられ、第２光ファイバ８２の出射端側から希土類添加ファイバ３０側に向かって出射する光を分離して、光電変換部５２に入射する。従って、本実施形態の光検出部５０は、第１実施形態の光検出部５０と同様に、信号光の出射方向と逆側に進行する光の強度を検出する。
制御部６０は、第１実施形態において、励起光源２０及び信号光源１０を制御するものとしたが、本実施形態では、励起光源２０及び光スイッチ８５を制御する。そして、光源制御部６１は、比較器６２からの信号に基づいて、励起光源２０や、光スイッチ８５を制御して、励起光の強度や、後述のように出射するパルス状の信号光のデューティー比等を制御する。
次にファイバレーザ装置２の動作について説明する。
まず、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から励起光が出射すると共に、光スイッチ８５が、予め定められた一定の周期で低損失な状態と高損失な状態とを繰り返すようにスイッチング動作をする。
励起光源２０から励起光が出射すると、この励起光がコンバイナ４１において、第１光ファイバ８１のクラッドに入射して、第１光ファイバ８１のクラッドから、希土類添加ファイバ３０のクラッドに入射する。そして、第１実施形態と同様にして、希土類添加ファイバ３０のコアに添加されている希土類元素を励起する。そして励起状態とされた希土類元素は、ＡＳＥ光を放出する。このときのＡＳＥ光は、第１実施形態におけるＡＳＥ光と同様であり、例えば、中心波長が１０３０ｎｍ近傍で広い波長帯域を有する光である。
ここで、光スイッチ８５が高損失な状態では、ＡＳＥ光の内、光スイッチ８５で第１ＦＢＧ８６及び第２ＦＢＧ８７で反射する波長の光が損失し、それ以外の光が光スイッチ８５を透過する。光スイッチ８５を透過したＡＳＥ光は、第２ＦＢＧ８７で反射する波長以外の波長の光であるため、第２ＦＢＧ８７を透過して、第２光ファイバから出射する。こうして、ＡＳＥ光が光出射部６から出射する。このＡＳＥ光には、図３でしめすＡＳＥ光と同様に、後述の信号光よりも短波長側のＡＳＥｓと、後述の信号光よりも短波長側のＡＳＥｌとから成る。
上記のように光スイッチ８５が高損失な期間では、希土類添加ファイバ３０の希土類元素の励起状態が高くなる。そして、光スイッチ８５が低損失な状態となると、発生するＡＳＥ光の略全てが光スイッチ８５を透過する。そして、ＡＳＥ光の内、第１ＦＢＧ８６及び第２ＦＢＧ８７で反射する波長の光が、第１ＦＢＧ８６及び第２ＦＢＧ８７の間を共振しながら、励起された希土類添加ファイバ３０の希土類元素の誘導放出により増幅される。本実施形態では、第１ＦＢＧ８６及び第２ＦＢＧ８７で反射して共振しながら増幅する光が信号光とされる。従って、信号光の波長は、第１ＦＢＧ８６及び第２ＦＢＧ８７で反射する波長の光であり、希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長よりも長波長の光である。こうして増幅した信号光の一部は、第２ＦＢＧ８７と透過して、出力光として第２光ファイバ８２から出射する。上記のように光スイッチ８５は、一定の周期でスイッチング動作するため、第２光ファイバ８２から出射する出力光はパルス状となる。こうして、パルス状の出力光が、光出射部６から出射する。このとき、信号光の一部が非線形光学効果により長波長側にシフトする場合がある。従って、出力光は、第１実施形態における出力光ＯＬと同様にして、図３で示す信号光ＳＬと、信号光ＳＬよりも長波長のストークス光ＳＴとから成る。
光出射部６から出射したＡＳＥ光及び出力光は、第１実施形態において、光出射部５から出射したＡＳＥ光及び出力光と同様とされる。従って、光出射部６から出力光が出射している期間は、信号光ＳＬとストークス光ＳＴとから成る出力光ＯＬがフィルタ７０を透過して、ファイバレーザ装置１から出射する。この出力光ＯＬは、フィルタ７０により強度が殆ど低下しない。こうしてファイバレーザ装置２から強度の大きなパルス状の出力光ＯＬが出射する。一方、光出射部６から出力光ＯＬが出射していない期間は、上述のように光出射部６からＡＳＥ光が出射する。このＡＳＥ光の内、信号光よりも長波長の光ＡＳＥｌはフィルタ７０を透過する。しかし、信号光の波長より短波長の光である光ＡＳＥｓの内、希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長を含む少なくとも一部の波長帯域の光は、フィルタ７０を透過せずにフィルタ７０で反射して無反射体に吸収される。
ファイバレーザ装置２から出射する光は、第１実施形態のファイバレーザ装置１から出射する光と同様にして、被照射体で反射して、反射光として再びファイバレーザ装置２に入射する場合がある。この場合、第１実施形態における反射光と同様にしてフィルタ７０を透過し、光アイソレータ７５に入射する。そして、一部の反射光が、光アイソレータ７５でアイソレーションされずに光出射部６に入射する場合がある。
光出射部６に入射した反射光は、光検出部５０の光分離部５１において、少なくとも一部が分離されて、第１実施形態と同様の信号が制御部６０に入力する。そして、制御部６０は、第１実施形態と同様にして、光検出部５０に入射する光が所定の強度より小さい場合には、励起光源２０から出射する励起光の強度を大きくし、光検出部５０に入射する光が所定の強度より大きい場合には、励起光源２０励起光源２０を制御して、励起光源２０から出射する励起光の強度を小さくする。
本実施形態では、光出射部６に入射する光の一部が、第２ＦＢＧ８７を透過して、希土類添加ファイバ３０に入射して、励起された希土類元素により増幅される場合であっても、反射光には、希土類添加ファイバ３０で利得が最大となる波長の光が含まれないため、共振構造や励起光源が損傷することが抑制される。
また、上記のように反射光の強度が光検出部５０、制御部６０によりモニタされて、反射光の強度により、励起光の強度がコントロールされるため、共振構造や励起光源が損傷することがより一層抑制される。
以上、本発明について、第１、第２実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、上記実施形態のファイバレーザ装置１，２において、光アイソレータ７５が設けられていなくても良い。
さらに、上記実施形態のファイバレーザ装置１，２において、反射光を光検出部５０及び制御部６０でモニタしたが、他の方法により反射光をモニタしても良く、光検出部５０及び制御部６０を備えず、反射光のモニタを特に行わなくても良い。
以上説明したように、本発明によれば、出力光の強度が低下することを抑制しつつ、反射光による損傷を抑制することができるファイバレーザ装置が提供され、加工機や、医療機器といったレーザ光を用いる分野での利用が期待される。
１、２・・・ファイバレーザ装置
５，６・・・光出射部
１０・・・信号光源
１１・・・光スイッチ
１５・・・信号光用ファイバ
２０・・・励起光源
２１・・・レーザダイオード
２２・・・励起光用ファイバ
３０・・・希土類添加ファイバ
３１・・・入射端
３２・・・出射端
４０，４１・・・コンバイナ
５０・・・光検出部
５１・・・光分離部
５２・・・光電変換部
６０・・・制御部
６１・・・光源制御部
６２・・・比較器
７０・・・フィルタ
７５・・・光アイソレータ
８５・・・光スイッチ
８６・・・第１ＦＢＧ（第１ミラー）
８７・・・第２ＦＢＧ（第２ミラー）

Claims (7)

  1. 励起光を出射する励起光源、及び、前記励起光が入射し、当該励起光により励起される希土類元素が添加される希土類添加ファイバを有し、前記希土類添加ファイバでパルス状の信号光を増幅して、前記信号光を含む出力光を出射する光出射部と、
    前記光出射部から出射する前記出力光の光路に配置されるフィルタと、
    を備え、
    前記信号光の波長は、前記希土類添加ファイバの利得波長帯域内において、前記希土類添加ファイバで利得が最大となる波長よりも長い波長であり、
    前記フィルタは、前記希土類添加ファイバで利得が最大となる前記波長を含む少なくとも一部の波長帯域の光を非透過とし、前記信号光の波長の光、及び、前記信号光の波長よりも長波長側の波長帯域の光を透過とする
    ことを特徴とするファイバレーザ装置。
  2. 前記フィルタは、少なくとも前記希土類添加ファイバの利得波長帯域内において、前記信号光の波長よりも短波長側の全ての光を非透過とする
    ことを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
  3. 前記光出射部は、前記信号光の出射方向と逆側に進行する光の強度を検出する光検出部と、前記励起光源を制御する制御部とを更に備え、
    前記制御部は、前記光検出部からの出力に基づき、前記信号光の出射方向と逆側に進行する前記光が所定の強度以上であると判断する場合に、前記励起光の強度を小さくするよう制御する
    ことを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
  4. 前記光出射部と前記波長選択フィルタとの間における前記出力光の光路に、前記出力光の進行方向に進行する光を透過させ、前記出力光の進行方向と逆側に進行する光の前記光出射部への入射を抑制する光アイソレータが設けられる
    ことを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
  5. 前記希土類元素がイッテルビウムで、
    前記信号光は、波長が１０７０ｎｍ以上の光であり、
    前記波長選択フィルタは、少なくとも前記希土類添加ファイバの利得波長帯域内において、１０７０ｎｍより短波長の光を非透過とする
    ことを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
  6. 前記光出射部は、パルス状の信号光を出射する信号光源を更に備え、
    前記信号光源から出射された前記信号光が前記希土類添加ファイバに入射する
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。
  7. 前記光出射部は、前記希土類添加ファイバの出射側と逆側に設けられ、前記信号光と同じ波長の光を反射する第１ミラーと、前記希土類添加ファイバの光の出射側に設けられ、前記第１ミラーが反射する光と同じ波長の光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーと、
    前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に設けられ、前記信号光と同じ波長の光が低損失な状態と高損失な状態とを繰り返す光スイッチと、
    を更に備え、
    前記信号光は、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間を共振する光である
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。
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