JP6043239B2 - 光増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、主にファイバレーザ装置に使用される、光増幅器に関する。

レーザ加工や医療用途などへの適用を目的として、ファイバレーザは、高効率でしかも高ビーム品質のレーザ光を簡単に取り出せるという理由で注目を集めている。
一般的なファイバレーザ装置は、図１に示すような構成をしている。
すなわち、信号光源１から発生した信号光２と、励起光源３から発生する励起光４を、光結合器５を介して希土類元素を添加したコアを有する増幅用光ファイバ７へ入力し、励起光４がコアに添加された希土類元素に作用することで、増幅用光ファイバ７のコアを伝搬する信号光２を増幅し、高エネルギーを有するレーザ光１０を得る。

光結合器５と増幅用光ファイバ７を光学的に接続したものは光増幅器と呼ばれ、特許文献１に記載されたクラッドポンピングファイバ光ファイバデバイス（図２）などが従来例として知られている。
図２において、複数のマルチモードファイバを束ね、端部に向かって傾斜させた左側の部分が光結合器、右側に接続された光ファイバが増幅用光ファイバ（特許文献１においてはクラッドポンピングファイバと称呼）である。
通常、光結合器５は信号光を入力する信号光用光ファイバ１１と、励起光を入力する励起光用光ファイバ１２とで構成される。

図３は、図２のような従来の光増幅器に、信号光２と励起光４を入力した際の模式図である。
光結合器５を通じて増幅用光ファイバ７に入力された励起光４は、図３に示したように増幅用光ファイバ７内を伝搬し、コアに添加された希土類元素に作用することで、増幅用光ファイバ７のコア１３を伝搬する信号光２を増幅する。

通常、増幅用光ファイバ７に入力された励起光４は、増幅用光ファイバ７のコア１３に１回作用する度、言い換えればコア１３を１回通過する度に、そのエネルギーの一部が吸収され、吸収に伴って増幅用光ファイバ７は発熱する。

図１に示したようなレーザファイバ装置においてレーザ光１０のエネルギーを高めたい場合、励起光源３の数を増やし、増幅用光ファイバ７のコア１３における励起光４の希土類元素への作用をより活発にして増幅を促す方法がある。

ところが、励起光源３を増やす、すなわち励起光４の数を増やした場合、吸収に伴う増幅用光ファイバ７の発熱も増大する。このため、増幅用光ファイバ７への熱的負荷が大きくなり、発熱によって増幅用光ファイバ７が損傷してしまう場合も存在する。

また、励起光４が少ない場合でも、増幅用光ファイバのコア１３を１回目に通過する際に、そのエネルギーの一部が吸収されてしまうため、コア１３を２回目以降に通過する際に発生する励起光の希土類元素への作用は、１回目に通過する際に発生する作用と比較して弱いものとなってしまう。すなわち、増幅用光ファイバ７の入射端側から出射端側に向かうにつれて信号光２の増幅作用が弱くなってしまうため、増幅用光ファイバ７の有する信号光増幅機能は、増幅用光ファイバ７の全長に渡って有効に働いているとは言い難く、入射端側付近でしか有効に働いていないのが現状である。この問題は励起光４の数が増えた際に、より顕著に影響する。

特開平１１−７２６２９

本発明の課題は、光増幅用光ファイバが損傷するような熱的負荷を掛けることなく、かつ増幅用光ファイバの信号光増幅機能がより長い距離に渡って有効に働いて、励起光を増やすことによるファイバレーザの高エネルギー化を実現する、光増幅器を提供することにある。

本発明者は、光結合器に使用される複数の励起光用光ファイバの開口数を全て同じものとせず、一部の励起光用光ファイバの開口数を他の励起光用光ファイバと異なるものにすることで、励起光が増幅用光ファイバのコアを１回目に通過する場所と、一定長さあたりのコア通過回数を変化させ、従来の問題を解消できることを究明した。

本発明に使用する光結合器は、１本の信号用光ファイバと、複数本の励起光用光ファイバとで構成され、該信号用光ファイバを中心に略同心円周上にある該複数本の励起光用光ファイバの少なくとも１本は、同じ略同心円周上にある他の励起光用ファイバと異なる開口数を有することを特徴とする。

本発明の光増幅器にあっては、以下に記載した優れた効果が期待できる。

（１）励起光用光ファイバから増幅用光ファイバに入力される励起光は、励起光用光ファイバの開口数によって入力角度が異なるため、励起光用光ファイバの開口数によって、入力された励起光が増幅用光ファイバのコアに吸収される位置が異なる。

（２）このため、励起光の数が増えた場合でも、増幅用光ファイバのコアに励起光が吸収される場所が１箇所に集中せず、発熱が分散するため、増幅用光ファイバに掛かる熱的負荷が軽減される。

（３）増幅用光ファイバへの入射角度が小さい励起光は、入射角度が大きい励起光よりも、増幅用光ファイバのコアを１回目に通過する場所が、増幅用光ファイバの入射端から離れた場所になるとともに、増幅用光ファイバの単位長さあたりのコアを通過する回数が少ないため、信号光増幅機能がより長い距離に渡って有効に働く。

一般的なファイバレーザ装置の一例である。 光結合器と光増幅ファイバとで構成された、従来の光増幅機である。 従来の光増幅器において、信号光と励起光を入力した際の模式図である。 本発明に使用する光結合器の基本的構成である。 本発明の光増幅器において、信号光と励起光を同時入力した際の各光の伝搬の様子を示したものである。 本発明に使用する光結合器の実施例である。 本発明の光増幅器を使用した、ファイバレーザ装置の一例である。

以下、本発明の基本的構成を、添付図面を参照しながら説明する。
図４において、５は光結合器、１１は信号光用光ファイバ、１２Ａは第１の開口数（ＮＡ１）を有する励起光用光ファイバ、１２Ｂは第２の開口数（ＮＡ２）を有する光ファイバ、７は増幅用光ファイバである。
本発明で特徴的なことは、励起光用光ファイバとして第１の開口数（ＮＡ１）を有するもの１２Ａと、第２の開口数（ＮＡ２）を有するもの１２Ｂを組み合わせたことである。以下、ＮＡ１＞ＮＡ２として説明する。

開口数の小さいファイバは、開口数の大きいファイバと比較して、受光できる範囲（角度）が小さく、これに対応して出射する光の広がり（角度）も小さいという性質を有する。本発明は、この開口数の小さいファイバが有する、出射する光の広がりが小さいという特徴に着目して得られたものである。

すなわち、開口数ＮＡ１の励起光用光ファイバ１２Ａから増幅用光ファイバ７に入力される励起光４Ａは、図５に示すように光軸に対して大きい角度で入力されるため、増幅用光ファイバ７の入射端付近で１回目のコア通過が起きるとともに、一定長さあたりのコア通過回数が多い。
一方、開口数ＮＡ２の励起光用光ファイバ１２Ｂから増幅用光ファイバ５に入力される励起光４Ｂは、図５に示すように光軸に対して小さい角度で入力されるため、増幅用光ファイバ７の入射端から離れた場所で１回目のコア通過が起きるとともに、一定長さあたりのコア通過回数が少ない。

このように、他の励起光用光ファイバ１２Ａと開口数の異なる励起光用光ファイバ１２Ｂを使用することにより、励起光４が増幅用光ファイバ７のコア１３を１回目に通過する場所と、一定長さあたりのコア通過回数を変化させることができる。これによって以下に述べる効果が得られる。

第１の効果として、増幅用光ファイバ７への熱的負荷の軽減が挙げられる。
先述したように、励起光４が増幅用光ファイバ７のコア１３を通過する際にそのエネルギーの一部が吸収され、増幅用光ファイバ７は発熱する。
励起光用光ファイバ１２の開口数が全て等しい場合、増幅用光ファイバ７のコア１３における励起光の１回目の吸収が起きる場所がある１点とその付近に集中するため、増幅用光ファイバ７への熱的負荷が大きくなり、増幅用光ファイバ７が損傷する場合もある。

本発明では、他の励起光用光ファイバ１２Ａと開口数の異なる励起光用光ファイバ１２Ｂから増幅用光ファイバ７に入力された励起光４Ｂは、他の励起光用光ファイバ１２Ａからの励起光４Ａが１回目に吸収される場所とは異なる場所で１回目の吸収が起きるため、発熱が発生する場所がある１点に集中せず、増幅用光ファイバ７への熱的負荷が軽減される。
特に、レーザ光１０のエネルギーを高めるために励起光用光ファイバの本数を増やした際に、この熱的負荷の軽減効果は、増幅用光ファイバ７の損傷を防ぐために重要なものとなる。

第２の効果として、増幅用光ファイバ７の信号光増幅機能がより長い距離に渡って有効に働くようになることが挙げられる。
先述したように、開口数の小さい励起光用光ファイバ１２Ｂから増幅用光ファイバ７に入力される励起光４Ｂは、光軸に対して小さい角度で入力されるため、増幅用光ファイバ７の入射端から離れた場所で１回目のコア通過が起きるとともに、単位長さあたりのコア通過回数が少ない。
これの意味する所は、開口数の小さい励起光用光ファイバ１２Ｂから入力された励起光４Ｂは、開口数の大きい励起光用光ファイバ１２Ａから入力された励起光４Ａと比較して、増幅用光ファイバ７内における吸収（エネルギー減衰）が緩やかであるということである。

すなわち、他の励起光用光ファイバ１２Ａと開口数の異なる励起光用光ファイバ１２Ｂが存在する場合、言い換えれば、開口数の大きいものと小さいものが存在する場合、開口数の大きい励起光用光ファイバ１２Ａから入力された励起光４Ａは、増幅用光ファイバ７の入射端に近い領域で吸収されることで信号光増幅機能を生み出すのに対し、開口数の小さい励起光用光ファイバ１２Ｂから入力された励起光４Ｂは、相対的に高いエネルギーを有したまま増幅用光ファイバ７の入射端から離れた領域で吸収され、その離れた領域で信号光増幅機能を生み出す。

このように、他の励起光用光ファイバ１２Ａと開口数の異なる励起光用光ファイバ１２Ｂが存在する場合、励起光用光ファイバ１２の開口数が全て同じ場合と比較して、増幅用光ファイバ７の信号光増幅機能がより長い距離に渡って有効に働くようになる。
高エネルギーのレーザ光１０を得たい場合、励起光用光ファイバ７の信号光増幅機能が長い距離に渡って有効に働くことが重要である。

また、本発明によって得られる上述の効果をより高めるために、他の励起光用光ファイバ１２Ａと開口数の異なる励起光用光ファイバ１２Ｂに入力される励起光４Ｂの出力を、他の励起光用光ファイバ１２Ａに入力される励起光４Ａの出力と異なるものとするのが好ましい。
具体的には、開口数の小さい励起光用光ファイバ１２Ｂに入力する励起光４Ｂのエネルギーを、開口数の大きい励起光用光ファイバ１２Ａに入力する励起光４Ａのエネルギーより高くするのが良い。

開口数の小さい励起光用光ファイバ１２Ｂから増幅用光ファイバ７に入力される励起光４Ｂは、増幅用光ファイバ内７におけるエネルギー減衰が緩やかであり、増幅用光ファイバ７の入射端から離れた領域で信号光増幅機能を生み出すため、エネルギーを高くすることで、増幅用光ファイバ７の入射端から離れた領域での信号光増幅機能をより強くすることができる。

本発明の光増幅器の実施例として、図７を示す。
信号光用光ファイバ１１として、コア径２０μｍ、クラッド径４００μｍ、ＮＡ＝０．０６の光ファイバを１本使用した。
第１の開口数を有する励起光用光ファイバ１２Ａとして、コア径１０５μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ＝０．２６の光ファイバを８本使用した。
第２の開口数を有する励起光用光ファイバ１２Ｂとして、コア径１０５μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ＝０．２２の光ファイバを５本使用した。
さらに、第３の開口数を有する励起光用光ファイバ１２Ｃとして、コア径１０５μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ＝０．１５の光ファイバを５本使用した。
各光ファイバを図６に示したように配列し、互いに加熱融着して光結合器５を得た。

以上のように得た光結合器５を、コア径２０μｍ、第１クラッド径４００μｍ、第２クラッド径＝５５０μｍ、コアのＮＡ＝０．０６、第１クラッドのＮＡ＝０．４６である、ダブルクラッド構造の増幅用光ファイバ７に光学接続して光増幅器を得た。増幅用光ファイバ７のコアにはレーザ活性物質としてＹｂが添加されている。

信号光源１、励起光源３、出射用光ファイバ９を接続してファイバレーザ装置とした。
信号用光ファイバ１１には波長１０８０ｎｍ、出力１０Ｗの信号光２を、第１の開口数を有する励起光用光ファイバ１２Ａには波長９１５ｎｍ、出力１５Ｗの励起光４Ａを、第２の開口数を有する励起光用光ファイバ１２Ｂには波長９１５ｎｍ、出力２０Ｗの励起光４Ｂを、第３の開口数を有する励起光用光ファイバ１２Ｃには波長９１５ｎｍ、出力２５Ｗの励起光４Ｃを入力し、出力光として波長１０８０ｎｍ、出力２６５Ｗのレーザ光１０を得る。

このようにして得たファイバレーザ装置のレーザ照射試験を行ったところ、増幅用光ファイバ７が損傷することなく、２６５Ｗのレーザ光１０が安定して出力され、本発明の光増幅器はファイバレーザ装置に使用される光増幅器として十分な機能が確保されていることが確認できた。

以上の例は、本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、種々の変更および応用が可能であることは言うまでもない。例えば、本発明の光増幅器は、接続される増幅用光ファイバや所望するレーザのエネルギーに応じて、励起光用ファイバの本数を増減したり、開口数を変化させたりするなど、種々変形されて供されることは言うまでもない。

１ 信号光源
２ 信号光
３ 励起光源
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ 励起光
５ 光結合器
６ 光結合器と増幅用光ファイバの接続部
７ 増幅用光ファイバ
８ 増幅用光ファイバとレーザ出射用光ファイバの接続部
９ レーザ出射用光ファイバ
１０ レーザ光
１１ 信号光用光ファイバ
１２ 励起光用光ファイバ
１２Ａ 第１の開口数（ＮＡ１）を有する励起光用光ファイバ
１２Ｂ 第２の開口数（ＮＡ２）を有する励起光用光ファイバ
１２Ｃ 第２の開口数（ＮＡ２）を有する励起光用光ファイバ
１３ 増幅用光ファイバのコア
１４ 増幅用光ファイバのクラッド

Claims (3)

1. １本の信号用光ファイバと、複数本の励起光用光ファイバとで構成された光結合器と、増幅用光ファイバとで構成された光増幅器であって、該信号用光ファイバを中心に略同心円周上にある該複数本の励起光用光ファイバの少なくとも１本は、同じ略同心円周上にある他の励起光用光ファイバと異なる開口数を有することを特徴とする、光増幅器。
2. 該異なる開口数を有する励起光用光ファイバには、該他の励起光用光ファイバに入力される励起光とは異なる出力の励起光が入力されることを特徴とする、請求項１に記載の光増幅器。
3. 請求項１または２に記載の光増幅器を使用したファイバレーザ装置。

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