JP5612540B2

JP5612540B2 - 単結晶ファイバーレーザー装置

Info

Publication number: JP5612540B2
Application number: JP2011118067A
Authority: JP
Inventors: 茂雄石橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: JP2012248616A

Description

本発明は、レーザー装置に関し、具体的には測定装置や加工装置に用いられる、レーザー装置に関する。

従来の単結晶ファイバーもしくはガラス光ファイバーを用いたレーザー装置では、図１に示すように、固定用のＵ型溝１１０と平面１１１でファイバー１００を挟み込む固定台１０１が使用されていた（例えば、非特許文献１を参照）。この場合下部は曲面でありファイバー１００に広い面積で接触するが、上部は平面であるからファイバー１００へはほぼ線接触となるため接触面積は狭い。また、ファイバー１００の直径とほぼ同じ深さの溝にファイバー１００をはめ込むため、ファイバー側面の剪断応力付与部１２１において強い摩擦力が働き、剪断応力が発生する。ファイバー内に生じる応力分布は、これらのファイバー側面にかかる応力等に因って、図１中に矢印で示すように反転対称から大きく異なり、上部と下部は非対称である。ここで、矢印は夫々、外部からの力の方向を表す。

また、本願発明で使用する単結晶ファイバーのファイバー断面は、上下・左右ともに反転対称形状からのずれがあるため、ファイバー内中心部の大部分における応力の主軸は水平・垂直方向から傾き、その角度も広い分布を持つことになる。その結果、光弾性効果による複屈折の主軸もファイバー断面内の位置によって大きく変化する。このような状態のファイバーに結晶軸方向と平行な偏波面を持つ直線偏光を導波すると、透過光は楕円偏波となり、その長軸の方向も結晶軸より傾く。

レーザー装置では共振器内にブリュースター角の入射面を持つ複屈折フィルターや分散補償媒体を配置するため、設計者が意図した偏波面より発振光の偏光面が傾くと大きな光損失が発生し、効率が低下することになる。また、発振中のファイバー内にはポンプ光により生じる温度勾配があり、それによる応力が複屈折を誘起し、発振光の偏波を設計方向より傾かせる。しかしながら、図１に示した固定台は、この偏波のずれを抑制する機能を持ち得ない。

図２に示すように、ガラス光ファイバーを固定する際に通常用いられている、６０°Ｖ溝２１２と平面２１１で挟み込む固定台２０１を用いた場合、四角形に近い断面形状を持つＣｒ：ＹＡＧ単結晶ファイバー２００に対しては対称的な応力分布とならず、ファイバー中心付近での応力の主軸が水平・垂直方向より傾く。ここで、図２中の矢印は夫々、外部からの力の方向を表す。

また、図３に示すように、図２で示した固定台の改良版として上下から９０°Ｖ溝３１３でファイバー３００を挟み込む固定台３０１を用いた場合であっても、図３中に矢印で示すように、応力付与部３２２から２組の対向面に働く主応力と摩擦により生じる剪断応力とに、４回回転対称からのずれに起因する非対称性がある。その結果、中心部での複屈折の主軸が水平・垂直方向から傾いてしまう。従って、図３で示したような９０°Ｖ溝を用いた場合であっても、ブリュースター角での入射面を持つ共振器内素子によって光損失を生じるので、レーザー装置として問題があった。

特許第３５５５０９８号明細書米国特許第５８５１２８４号明細書

J. L. Nightingale et al. " Monolithic Nd:YAG fiber laser," Optics Letters, Vol.11, (1986) p. 437. Ｓ．Ｐ．ティモシェンコら、金多潔訳、「弾性論」、コロナ社、1973年、p. 125 W. Koechner, Springer-Verlag, "Solid-state laser engineering," (1992) p. 387. C. Pfistner, et al., "Thermal beam distortions in end-pumped Nd:YAG, Nd:GSGG, and Nd:YLF rods," IEEE J. Quantum Electron., vol. 30, (1994) p. 1605.

以上説明したとおり、従来使用されてきたファイバー固定台をＣｒ：ＹＡＧ単結晶ファイバーレーザーに適用すると、導波光のエネルギーの大半が通過するファイバー中心部に於いて、複屈折の主軸が水平・垂直方向から傾いてしまう恐れがある。その場合、レーザー発振光の偏波面も水平方向（結晶軸方向）に対し角度を持つことになる。光源設計者は、ブリュースター角の入射面内に、単結晶ファイバーの最大利得が得られる結晶軸方向を設定する。しかし前述の複屈折の主軸がこの方向に一致していない場合は、発振偏光が設計方向から傾いてしまい、発振効率の低下を招く。これまでのファイバー固定台ではこの問題が避けられなかった。

本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、ファイバーの上面及び下面より、等しい大きさで反対向きの力を付与することが可能なファイバーの固定台を提供することである。

本発明は、単結晶ファイバーと、単結晶ファイバーを上下から挟み込んで固定する２個１組の銅製ブロックから成る固定台とから構成されたレーザー装置であって、固定台の２個の銅製ブロックの夫々は、単結晶ファイバー設置面に於いて、単結晶ファイバーを固定するための溝を備え、溝の形状は、長手方向に垂直な断面が半長円形状であり、溝の深さは、単結晶ファイバーの側面に現れるファセットのうちの、対向するファセット対間の間隔を２で除した値から、０μｍ乃至２０μｍの範囲の何れか一値を引いた値であり、溝の幅は、対向するファセット対間の間隔に、０μｍ乃至４０μｍの範囲の何れか一値を足した値であることを特徴とする。

本発明の一実施形態に於いて、単結晶ファイバーは、ガーネット型構造を有する結晶の溶融液に、種結晶を接触させ、この種結晶を引き上げることによって育成され、種結晶を引き上げる方向に、種結晶の＜１００＞方向から１０度以上、＜１１０＞方向から２０度以上、及び＜２１１＞方向から２０度以上離れた範囲にある一の方向、又は一の方向に結晶学的同価な方向を、一致させることを特徴とする。

本発明の一実施形態に於いて、単結晶ファイバーの側面には厚さ１μｍの石英膜が成膜されて、レーザー光の発振波長に対して無反射コーティングされていることを特徴とする。

本発明の一実施形態に於いて、固定台の２個の銅製ブロックの夫々と、単結晶ファイバーとの間に、インジウム箔が挟み込まれており、インジウム箔の厚さは、５μｍ乃至５０μｍの範囲の何れか一値であることを特徴とする。

本発明の一実施形態に於いて、単結晶ファイバーの左右両脇の夫々に且つ固定台の上下２個の銅製ブロックの間に、１枚又は複数枚の金属箔が挟み込まれており、金属箔の材質は、銅又は金であり、１枚又は複数枚の金属箔の全体の厚さは、単結晶ファイバーの左右で等しいことを特徴とする。

本発明の一実施形態に於いて、単結晶ファイバーは、単結晶ファイバーの長手方向に垂直な結晶軸＜００１＞が単結晶ファイバー設置面と水平になるように固定されることを特徴とする。

本発明の一実施形態に於いて、レーザー装置は、ポンプ光源と、ポンプ光源からの励起光を集光する集光レンズと、２枚の凹面鏡から成る共振器とを備えたことを特徴とする。

本発明の一実施形態に於いて、レーザー装置は、波長フィルター、可飽和吸収体、及び分散補償媒体を更に備えたことを特徴とする。

本発明に係る固定台は、ファイバーの上面及び下面より、結晶軸に垂直な、上下反転対称の応力をファイバーに対して付与する。本発明に係る固定台においても、図１で示した従来技術と同様、側面から剪断応力が作用するが、その大きさは従来技術に比べて弱い。その結果、ファイバー断面中心領域の大部分で応力の主軸は、水平・垂直方向と一致する。従って、固定台からの応力に起因した発振光の偏波回転が起きず、また、ポンプ光による温度分布から生じる複屈折の影響を抑制することが出来る。

従来の単結晶ファイバー用又はガラス光ファイバー用のＵ字溝と平面で挟み込むファイバー固定台を用いた構成を説明するための断面図である。従来の６０°Ｖ字溝と平面で挟み込むファイバー固定台を用いた構成を説明するための断面図である。従来の９０°Ｖ字溝で挟み込むファイバー固定台を用いた構成を説明するための断面図である。本発明の実施形態を説明するための説明図である。本発明の実施形態を説明するための断面図である。本発明の実施形態を説明するための斜視概略図である。本発明の実施形態を説明するための説明図である。本発明の実施例を説明するための説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。

本発明に係るレーザー装置は、半長円型の溝を持つ固定台に単結晶ファイバーを固定した構成を備える。ファイバー単結晶として、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧを使用する。他のファイバー単結晶として、Ｃｒ，Ｍｇ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧ、又はＹｂ：ＹＡＧ等も使用することが出来る。

本発明に於いては、ガーネット型構造を有する結晶の溶融液に、種結晶を接触させ、この種結晶を引き上げることによって単結晶を育成する。具体的には、ガーネット型構造を有する結晶からなる母材の先端部を溶融し、溶融された先端部に種結晶を接触させる。次いで、種結晶を引き上げることによってファイバー状の単結晶を育成する。あるいは、るつぼに収納されたガーネット型構造を有する結晶の溶融液に、種結晶を接触させ、次いで、回転しながら種結晶を引き上げることによって棒状の単結晶を育成しても良い。種結晶を引き上げる方向に、種結晶の＜１００＞方向から１０度以上、＜１１０＞方向から２０度以上、および＜２１１＞方向から２０度以上離れた範囲にある一の方向、または一の方向に結晶学的同価な方向を、一致させる（特許文献１、特許文献２を参照）。

本発明に於いては、上述した方法を用いて、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶は、＜１００＞方位から＜０１０＞方位に向けて１５°回転した方位に引き上げられる。その結果、図４に示すように、ファイバーの側面にファセット（晶癖）が現れ、ファイバーの断面形状が角を丸めた四角形に近い形になる。対向するファセット２面をもって１組と見れば、２組のファセット対で断面が囲まれているが、そのうちの１組に垂直な方向が結晶軸＜００１＞となっている。なお、本願発明で使用するファイバーはその断面が反転対称性を有さず、図４に示すように、断面の内側に示した正方形は厳密にはファイバーに内接していない。

図５に示すように、単結晶ファイバーを固定するための固定台の溝形状は、光源単結晶の放熱及び固定のために、長手方向に垂直な断面が半長円形状となる。図５は、本実施形態に係る固定台５０１に単結晶ファイバー５００を設置したときの断面図であり、詳細は後述する。

図６に示すように、上下面対称形状の２個１組の銅製ブロックから成る固定台６０１は、四隅のネジ６０２により、ベースとなる銅製の台６０３上に固定される。

再度、図５を参照する。単結晶ファイバー５００の断面領域に於いて、対向するファセット対間の間隔が１２０μｍのときに、半長円溝の幅を１５０μｍ、深さを５５μｍとした。ただしこれは一例であり、半長円の溝の深さは、対向するファセット対間の間隔の１／２より小さく設定すれば良い。更に具体的には、半長円の溝の深さは、対向するファセット対間の間隔を２で除した値から、０μｍ乃至２０μｍの範囲の一値を引いた深さであれば良く、半長円の溝の幅は、対向するファセット対間の間隔に０μｍ乃至４０μｍの範囲の一値を足した値であれば良い。固定台５０１の上下のブロックの夫々とファイバー５００との間には、インジウム箔５０４（厚さは３０μｍ）を挟み込む。ファイバーの断面サイズが上記の実施形態と異なる場合には、それに合わせて半長円溝のサイズとインジウム箔の厚さも変更する。インジウム箔の厚さは、５μｍ乃至５０μｍの範囲の一値を取ることが出来る。上下の半長円溝の左右位置を一致させて固定する。この際、結晶軸＜００１＞に垂直なファセット対が側面になるようファイバー５００の向きをセットする。即ち水平面内でファイバー長手方向に垂直な方向に結晶軸＜００１＞が設置されることになる。ファイバー５００の両脇且つ固定台５０１の上下のブロックの間に金属箔を挟み、ネジ止めする。挟み込む金属箔として、１枚の金属箔又は複数枚の金属箔の組み合わせを用いる。箔全体の厚みを増減することで、ファイバーに付与する力の大きさを調整することが出来る。複数枚の金属箔の組み合わせを利用することで、力の繊細な調整が可能となる。箔全体の厚みは、３０μｍ乃至６０μｍ程度であり、挟み込んだ金属箔の厚みを左右両脇で等しくする。本実施形態に於いては、厚さ４０μｍの銅箔５０５及び厚さ５μｍの銅箔５０６を使用した。箔の材質として他に、金も使用することが出来る。

本実施形態に係る固定台に設置された単結晶ファイバー、端面鏡、及び波長選択素子等を組み合わせて共振器を構成する。半導体レーザー又は固体レーザー等からの励起光を単結晶ファイバー端面に集光し、長手方向に導波させつつ吸収させる。それによる単結晶ファイバーからの長手方向への発光を利得として共振器をレーザー発振させる。

本実施形態に係る半長円形状溝固定具の効果をモデル化し、数値計算によってファイバー内の複屈折を算出した。図７に示すように、直径１２０μｍの円柱形状ＹＡＧ単結晶ファイバーに上下対称位置にある長手方向の直線からファイバー中心に向かって上下対称の力を付与すると仮定する。モデルの簡単化のため、無限長のファイバーを想定する。ファイバー長手方向（図７のｚ軸方向）の並進対称性が成り立ち、ｚ軸に垂直な全ての面についてファイバーの反転対称性も成り立つものとする。ｘ，ｙ座標は、図７に示すように設定する。このモデルは、上下２点から上下対称の力を付与した円盤の場合とほぼ等しい（非特許文献２を参照）。ただし、非特許文献２のモデルに於けるｚ軸方向への応力成分無しという条件は、今回のモデルに於いては上記の対称性の結果としてｚ軸方向への変位無しという条件に変わる。座標軸方向の歪みをε_x，ε_y，ε_zとし、剪断歪みをγ_xy，γ_yz，γ_zxとすると、次の（１）式を得る。

ファイバー垂直断面内における垂直応力成分σ_x，σ_y、剪断応力成分τ_xyの計算結果は、次式のようになる。

ここでｆは、単位長さ当りの力の大きさを表す。

フックの法則と（１）式より、以下の（５）式が成り立つ。

これにより、

となる。ここでＥはヤング率、νはポアソン比を表す。

ＹＡＧが立方晶（結晶点群はｍ３ｍ）であるため、その歪光学係数は次の３値により表される。即ち、ｐ₁₁＝−０．０２９，ｐ₁₂＝＋０．００９１，ｐ₄₄＝−０．０６１５である（非特許文献３を参照）。また、ヤング率は３１０ＧＰａであり、ポアソン比は０．３０である（非特許文献４を参照）。図４に示した本発明に於ける単結晶ファイバーの結晶軸座標へ（６）式〜（８）式の歪み成分を座標変換し、これらの歪光学係数を利用すればこのファイバーの屈折率楕円体を計算することが出来る。そこから光進行方向、つまりファイバー長手方向の複屈折を計算する。fが４００００Ｎ／ｍのとき、複屈折はファイバー中心で４．３×１０^-4、中心よりｙ軸方向に３０μｍの位置で５．７×１０^-4、中心よりｘ軸方向に３０μｍの位置で２．１×１０^-4となる。これらの値は光通信に使用される偏波保持ファイバーにおける複屈折と同程度であり、充分大きい。従って、ポンプ光による温度分布から生じる複屈折の偏波回転への影響を十分に抑制することが出来ると考えられる。なお、４００００Ｎ／ｍは、通常用いられる長さ２０ｍｍのファイバーに対しては８００Ｎとなり、これはＭ２ネジ４本により付与可能な力の大きさである。

以下、本発明の一実施例について、説明する。

図８に示すように、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバー８００を曲率半径１００ｍｍの凹面鏡２枚（８０７、８０８）で構成する共振器の中に置き、レーザー装置を作製する。単結晶ファイバー８００の長さは２０ｍｍであり、その断面の形状に外接する正方形の１辺の長さは１２０μｍである。凹面鏡８０７は、波長１．０６４μｍのポンプ光を透過し、波長１．４０μｍ乃至１．６０μｍの発振光に対する反射率は９９．９％である。凹面鏡８０８は、出力結合鏡であり、波長１．４０μｍ乃至１．６０μｍの発振光に対し１％の透過率を持つ。単結晶ファイバーの側面には厚さ１μｍの石英膜を成膜し、端面において、波長１．４０μｍ乃至１．６０μｍの発振光に対する無反射膜を持つようにする。

図８の単結晶ファイバー８００は、前述したように、半長円溝のある固定台８０１に厚さ３０μｍのインジウム箔を間に挟んで固定される（図５を参照）。固定台は水平に置かれ、単結晶ファイバーは結晶軸が水平になるよう設置される。固定台の上下ブロックは、溝の位置を合わせて固定される。

再度、図５を参照して本実施例を説明する。長円溝５１４は、その深さを５５μｍとし、その幅を１５０μｍとした。厚さ４０μｍの銅箔５０５と厚さ５μｍの銅箔５０６各１枚（合計厚さ４５μｍ）を１セットとして、上下ブロックの間且つ単結晶ファイバー５００の左右両脇に１セットずつ挟みこむ。

図５及び図８で示したようなレーザー光源の構成において、波長１．０６４μｍのポンプ光を焦点距離１２０ｍｍの集光レンズ８０９で単結晶ファイバーに集光し発振させた。ポンプ光入射パワーが２．３Ｗのときに、発振光の波長は１．４３μｍであり、発振光の出力パワーは１１０ｍＷであり、発振光はその偏光面が水平面に一致した直線偏光であった。

比較のため、図３で示した従来技術の９０°Ｖ溝上下セットのファイバー固定台３０１を使用し、それ以外は上記同様の構成で実験を行った。この場合、ポンプ光入射パワーが２．３Ｗのときに、発振光の波長は１．４３μｍであり、発振光の出力パワーは１１０ｍＷであり、発振光の偏光面は水平より１５°傾いていた。従って、本実施例に係るレーザー装置の有効性を確認することが出来た。

また、本発明のレーザー装置は、必要に応じて、波長フィルター、可飽和吸収体、及び分散補償媒体を更に備えることも出来る。

１００，２００，３００，４００，５００，７００，８００単結晶ファイバー
１０１，２０１，３０１，５０１，６０１，８０１固定台
１１０Ｕ字溝
１１１，２１１平面
１２０主応力付与部
１２１剪断応力付与部

２１２６０°Ｖ字溝
２２２，３２２応力付与部

３１３９０°Ｖ字溝

５０４インジウム箔
５０５，５０６銅箔
５１４半長円溝

６０２ネジ
６０３ベース
６１５長円溝

８０７，８０８凹面鏡
８０９集光レンズ

Claims

単結晶ファイバーと、
前記単結晶ファイバーを上下から挟み込んで固定する２個１組の銅製ブロックから成る固定台と
から構成されたレーザー装置であって、
前記固定台の２個の銅製ブロックの夫々は、単結晶ファイバー設置面に於いて、前記単結晶ファイバーを固定するための溝を備え、
前記固定台の２個の銅製ブロックの夫々と、前記単結晶ファイバーとの間に、インジウム箔が挟み込まれており、前記インジウム箔の厚さは、５μｍ乃至５０μｍの範囲の何れか一値であり、
前記単結晶ファイバーの左右両脇の夫々に且つ前記固定台の上下２個の銅製ブロックの間に、１枚又は複数枚の金属箔が挟み込まれており、前記１枚又は複数枚の金属箔の全体の厚さは、前記単結晶ファイバーの左右で等しく、
前記溝の形状は、長手方向に垂直な断面が半長円形状であり、
前記溝の深さは、前記単結晶ファイバーの側面に現れるファセットのうちの、対向するファセット対間の間隔を２で除した値から、０μｍ乃至２０μｍの範囲の何れか一値を引いた値であり、
前記溝の幅は、前記対向するファセット対間の間隔に、０μｍ乃至４０μｍの範囲の何れか一値を足した値であることを特徴とするレーザー装置。
前記単結晶ファイバーは、ガーネット型構造を有する結晶の溶融液に、該種結晶を接触させ、この種結晶を引き上げることによって育成され、該種結晶を引き上げる方向に、該種結晶の＜１００＞方向から１０度以上、＜１１０＞方向から２０度以上、および＜２１１＞方向から２０度以上離れた範囲にある一の方向、または一の方向に結晶学的同価な方向を、一致させることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
前記単結晶ファイバーの側面には厚さ１μｍの石英膜が成膜されて、レーザー光の発振波長に対して無反射コーティングされていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
前記金属箔の材質は、銅又は金であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
前記単結晶ファイバーは、該単結晶ファイバーの長手方向に垂直な結晶軸＜００１＞が前記単結晶ファイバー設置面と水平になるように固定されることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
ポンプ光源と、前記ポンプ光源からの励起光を集光する集光レンズと、２枚の凹面鏡から成る共振器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
波長フィルター、可飽和吸収体、及び分散補償媒体を更に備えたことを特徴とする請求項６に記載のレーザー装置。