JP7355945B2 - ファイバレーザ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ファイバレーザ装置に関する。
本願は、２０２０年９月２４日に日本に出願された特願２０２０－１５９７４６号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０２０年９月２４日に日本に出願された特願２０２０－１５９７４６号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、加工分野、自動車分野、医療分野等の様々な分野において、ファイバレーザ装置が注目されている。ファイバレーザ装置は、概して、レーザ光を増幅するための増幅用ファイバと、増幅用ファイバの両端に設けられた一対のＦＢＧ（Fiber Bragg Grating：ファイバブラッググレーティング）と、一方のＦＢＧを透過したレーザ光（信号光）を外部に出力する出力端と、増幅用ファイバに励起光を供給する励起光源とを備える。
このようなファイバレーザ装置は、励起光の供給方法に着目すると、前方励起型のファイバレーザ装置、後方励起型のファイバレーザ装置、双方向励起型のファイバレーザ装置に大別される。前方励起型のファイバレーザ装置は、増幅用ファイバに対して出力端とは反対側から励起光を供給する。後方励起型のファイバレーザ装置は、増幅用ファイバに対して出力端の側から励起光を供給する。双方向励起型のファイバレーザ装置は、増幅用ファイバに対して出力端とは反対側及び出力端の側の双方から励起光を供給する。以下の特許文献１には、従来の双方向励起型のファイバレーザ装置が開示されている。
ところで、複数のモードを有する増幅用ファイバを用いたファイバレーザ装置では、ＴＭＩ（Transverse Mode Instability：Thermal Modal Instability ともいう）現象が発生し得る。ＴＭＩ現象とは、増幅用ファイバに投入する励起光のパワーを増大させていくと、熱の影響で増幅用ファイバのコアにレーザ光の基本モードと高次モードとの伝搬定数の差に応じた周期的な屈折率変動が生じる現象である。この現象が生じると、基本モードから高次モードへのモード間の結合が生じるため、レーザ光のビーム品質が低下するという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ＴＭＩ現象によるビーム品質の低下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。
上記課題を解決するために、本発明の一態様によるファイバレーザ装置は、第１波長の第１励起光を出力する第１励起光源と、前記第１波長とは異なる第２波長の第２励起光を出力する第２励起光源と、前記第１励起光及び前記第２励起光により励起される活性元素が添加されたコアを有する増幅用ファイバと、前記増幅用ファイバの第一端側に設けられたＨＲ－ＦＢＧと、前記増幅用ファイバの第二端側に設けられ、前記ＨＲ－ＦＢＧよりも反射率が小さいＯＣ－ＦＢＧと、前記第１励起光を、前記第一端側から前記増幅用ファイバに結合させる第１結合器と、前記第２励起光を、前記第二端側から前記増幅用ファイバに結合させる第２結合器と、前記増幅用ファイバで増幅されて前記ＯＣ－ＦＢＧを介したレーザ光を出力する出力端と、を備える。前記活性元素の前記第１波長における吸収率が、前記活性元素の前記第２波長における吸収率より低い。前記第１波長及び前記第２波長が、前記レーザ光の波長よりも短く、前記第１波長が、前記第２波長より長い。
本発明の一態様によるファイバレーザ装置では、増幅用ファイバの第一端側から増幅用ファイバに結合される励起光の波長である第１波長における活性元素の吸収率が、増幅用ファイバの第二端側から増幅用ファイバに結合される励起光の波長である第２波長における活性元素の吸収率より低くされている。また、第１波長及び第２波長が、レーザ光の波長よりも短く、第１波長が、第２波長より長くされている。これにより、増幅用ファイバの第一端側における単位長さ当たりの励起光の吸収率を、増幅用ファイバの第二端側における単位長さ当たりの励起光の吸収率よりも下げることができる。更に、第１波長を第２波長より長く（レーザ光の波長に近く）することで、量子欠損による増幅用ファイバの第一端側の温度上昇を抑制し得る。その結果、増幅用ファイバの第一端側における温度上昇が抑制され、基本モードから高次モードへのモード間の結合を防ぐことができるため、ＴＭＩ現象によるビーム品質の低下を抑制することができる。
本発明の一態様によるファイバレーザ装置は、前記第２波長が、前記活性元素の吸収率が最も高い波長と一致していてもよい。
本発明の一態様によるファイバレーザ装置は、前記活性元素の吸収率が最も高い波長が、前記第１波長と前記第２波長との間の波長であってもよい。
本発明の一態様によるファイバレーザ装置は、前記第１波長及び前記第２波長が、前記活性元素の吸収率が最も高い波長よりも長波長側の波長であってもよい。
また、本発明の一態様によるファイバレーザ装置は、前記第１波長と前記第２波長との差が、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であってもよい。
本発明の一態様によるファイバレーザ装置は、前記第一端側から前記増幅用ファイバに結合される励起光のパワーと前記第二端側から前記増幅用ファイバに結合される励起光のパワーとが同じ場合に、前記増幅用ファイバの前記第一端における発熱量は、前記増幅用ファイバの前記第二端における発熱量より小さくてもよい。
本発明の一態様によるファイバレーザ装置は、前記第一端側から前記増幅用ファイバに結合される励起光のパワーは、前記第二端側から前記増幅用ファイバに結合される励起光のパワーより小さくてもよい。
本発明によれば、ＴＭＩ現象によるビーム品質の低下を抑制することができるという効果がある。
以下、図面を参照して本発明の実施形態によるファイバレーザ装置について詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、本発明は以下の実施形態に限定されない。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態によるファイバレーザ装置の要部構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態のファイバレーザ装置１は、励起光源１１（第１励起光源）、励起光源１２（第２励起光源）、コンバイナ１３（第１結合器）、コンバイナ１４（第２結合器）、増幅用ファイバ１５、及び出力端１６を備える。このようなファイバレーザ装置１は、いわゆる双方向励起型のファイバレーザ装置である。
図１は、本発明の第１実施形態によるファイバレーザ装置の要部構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態のファイバレーザ装置１は、励起光源１１（第１励起光源）、励起光源１２（第２励起光源）、コンバイナ１３（第１結合器）、コンバイナ１４（第２結合器）、増幅用ファイバ１５、及び出力端１６を備える。このようなファイバレーザ装置１は、いわゆる双方向励起型のファイバレーザ装置である。
本明細書では、増幅用ファイバ１５から見て、励起光源１１側を「前方」といい、出力端１６側を「後方」という場合がある。また、図１では、各種ファイバの融着接続部を×印で示している。この融着接続部は、実際には、補強部（図示省略）の内部に配置されて保護される。ここで、補強部は、例えば、光ファイバを収容可能な溝が形成されたファイバ収容体と、融着接続部がファイバ収容体の溝に収容された状態で各種ファイバをファイバ収容体に固定する樹脂とを備えて構成されている。
励起光源１１は、波長λ１（第１波長）の励起光（第１励起光）を出力する。波長λ１は、励起光源１１から出力される励起光のピーク波長である。励起光源１１は、増幅用ファイバ１５を前方励起するために設けられる。図１では４つの励起光源１１を図示しているが、励起光源１１の数は、ファイバレーザ装置１の出力端１６から出力されるレーザ光（信号光）のパワーに応じて任意の数とすることができる。励起光源１１としては、例えば、レーザダイオードを用いることができる。励起光源１１から出力される励起光の波長λ１及びパワーの詳細については後述する。
励起光源１２は、波長λ２（第２波長）の励起光（第２励起光）を出力する。波長λ２は、励起光源１２から出力される励起光のピーク波長である。励起光源１２は、増幅用ファイバ１５を後方励起するために設けられる。図１では４つの励起光源１２を図示しているが、励起光源１２の数は、ファイバレーザ装置１の出力端１６から出力されるレーザ光のパワーに応じて任意の数とすることができる。励起光源１２としては、励起光源１１と同様に、例えば、レーザダイオードを用いることができる。励起光源１２から出力される励起光の波長λ２及びパワーの詳細については後述する。
コンバイナ１３は、励起光源１１の各々が出力した励起光を、増幅用ファイバ１５の前方の端部（増幅用ファイバ１５の第一端）に結合させる。具体的に、コンバイナ１３は、励起光源１１の各々に接続される複数の光ファイバ１３ａと、これら複数の光ファイバ１３ａと光学的に結合していて、後方の端部が増幅用ファイバ１５の前方の端部に融着接続される１本の光ファイバ１３ｂとを備える。以下では、後述するＨＲ－ＦＢＧ１３ｃが形成された光ファイバと、増幅用ファイバ１５との融着接続部を「融着接続部Ｆ１」と称する。本実施形態では、光ファイバ１３ｂと増幅用ファイバ１５との融着接続部を「融着接続部Ｆ１」と称する。
光ファイバ１３ｂのコア内には、ＨＲ－ＦＢＧ（High Reflectivity-Fiber Bragg Grating）１３ｃが形成されている。ＨＲ－ＦＢＧ１３ｃは、励起状態にされた増幅用ファイバ１５の活性元素が放出する光のうち、信号光の波長λ０の光をほぼ１００％の反射率で反射するように調整されている。ＨＲ－ＦＢＧ１３ｃは、その長手方向に沿って一定の周期で高屈折率の部分が繰り返される構造である。
コンバイナ１４は、励起光源１２の各々が出力した励起光を、増幅用ファイバ１５の後方の端部（増幅用ファイバ１５の第二端）に結合させるとともに、信号光の一部を出力端１６に導く。具体的に、コンバイナ１４は、励起光源１２の各々に接続される複数の光ファイバ１４ａと、これら複数の光ファイバ１４ａと光学的に結合していて、前方の端部が増幅用ファイバ１５の後方の端部に融着接続される１本の光ファイバ１４ｂとを備える。また、コンバイナ１４は、光ファイバ１４ｂと光学的に結合しているデリバリファイバ１４ｄを備える。以下では、後述するＯＣ－ＦＢＧ１４ｃが形成された光ファイバと増幅用ファイバ１５との融着接続部を「融着接続部Ｆ２」と称する。本実施形態では、光ファイバ１４ｂと増幅用ファイバ１５との融着接続部を「融着接続部Ｆ２」と称する。
光ファイバ１４ｂのコア内には、ＯＣ－ＦＢＧ（Output Coupler-Fiber Bragg Grating）１４ｃが形成されている。ＯＣ－ＦＢＧ１４ｃは、ＨＲ－ＦＢＧ１３ｃとほぼ同様の構造を有しているが、ＨＲ－ＦＢＧ１３ｃよりも低い反射率で、光を反射するように調整されている。例えば、ＯＣ－ＦＢＧ１４ｃは、信号光の波長λ０の光に対する反射率が１０～２０％程度となるように調整されている。
デリバリファイバ１４ｄは、増幅用ファイバ１５内で増幅された信号光の一部を伝送する。デリバリファイバ１４ｄは、コアと、コアを囲うクラッドと、クラッドを覆う被覆とを備える。デリバリファイバ１４ｄとしては、例えば、シングルモードファイバを用いることができる。デリバリファイバ１４ｄは、例えば、マルチモードファイバであっても、フューモードファイバであってもよい。
増幅用ファイバ１５は、１種類又は２種類以上の活性元素が添加されたコアと、コアを覆う第１クラッドと、第１クラッドを覆う第２クラッドと、第２クラッドを覆う保護被覆とを有する。つまり、増幅用ファイバ１５は、ダブルクラッドファイバである。コアに添加される活性元素としては、例えばエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、或いはネオジム（Ｎｄ）等の希土類元素が使用される。増幅用ファイバ１５のコアに添加された活性元素は、励起光源１１，１２から出力される励起光によって励起される。
コア及び第１クラッドとしてはシリカガラス等を用いることができる。第２クラッドとしては、ポリマー等の樹脂を用いることができる。保護被覆としては、アクリル樹脂やシリコーン樹脂等の樹脂材料を用いることができる。増幅用ファイバ１５は、いわゆるフューモードファイバ又はマルチモードファイバであり、複数のモードを伝播可能である。フューモードファイバが伝播するモードの数は、例えば、２以上２５以下である。
増幅用ファイバ１５の前方の端部は、光ファイバ１３ｂの後方の端部に融着接続されており、増幅用ファイバ１５の後方の端部は光ファイバ１４ｂの前方の端部に接続されている。ここで、光ファイバ１３ｂに形成されたＨＲ－ＦＢＧ１３ｃ、光ファイバ１４ｂに形成されたＯＣ－ＦＢＧ１４ｃ、及び増幅用ファイバ１５は、共振器Ｒを構成している。共振器Ｒは、励起光源１１，１２が出力する励起光によって励起された活性元素から放出される光を共振させてレーザ光である信号光を生成する。
増幅用ファイバ１５内では、ＨＲ－ＦＢＧ１３ｃ及びＯＣ－ＦＢＧ１４ｃで反射した信号光が、増幅用ファイバ１５の長手方向で往復する。信号光は、この往復に伴って増幅されてレーザ光となる。このように、共振器Ｒ内では、光が増幅されて信号光（レーザ光）が生成される。
出力端１６は、デリバリファイバ１４ｄの後方の端部に接続されており、デリバリファイバ１４ｄによって伝送されてきたレーザ光を外部に出力する。出力端１６は、デリバリファイバ１４ｄによって伝送されてきたレーザ光を透過する柱状体（光透過柱状部材）を備える。この部材は、いわゆるエンドキャップと呼ばれる。
図２は、本発明の第１実施形態において、増幅用ファイバに添加された活性元素の吸収スペクトルの一例を示す図である。図２に例示する吸収スペクトルは、イッテルビウム（Ｙｂ）の吸収スペクトルである。図２に示す通り、イッテルビウム（Ｙｂ）の吸収スペクトルでは、波長９７５ｎｍ付近及び波長９１５ｎｍ付近で大きな吸収ピークが現れる。波長９７５ｎｍ付近で現れる吸収ピークは吸収率が最も大きく、波長９１５ｎｍ付近で現れる吸収ピークは、波長９７５ｎｍ付近で現れる吸収ピークよりも吸収率が小さい。
本実施形態のファイバレーザ装置１では、共振器Ｒの共振波長が、例えば、１０６０～１０８０ｎｍ程度に設定されている。つまり、本実施形態において、ファイバレーザ装置１の出力端１６から外部に出力される信号光（レーザ光）の波長λ０は、１０６０～１０８０ｎｍ程度に設定されている。図２に示す通り、信号光の波長λ０は、例えば、１０７０ｎｍであり、増幅用ファイバ１５に添加された活性元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）に殆ど吸収されない波長である。
本実施形態において、励起光源１１から出力される励起光の波長λ１及び励起光源１２から出力される励起光の波長λ２は、以下の（１），（２）式が満たされるように設定されている。
つまり、上記（１）式に示す通り、波長λ１，λ２は、波長λ１における活性元素の吸収率α（λ１）が、波長λ２における活性元素の吸収率α（λ２）よりも低くなるように設定されている。また、上記（２）式に示す通り、波長λ１，λ２は、信号光の波長λ０よりも短く設定されており、且つ、波長λ１は、波長λ２よりも長く設定されている。このように設定するのは、ＴＭＩ現象によるビーム品質の低下を抑制するためである。
上記（１）式が満たされる場合には、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近の単位長さ当たりの励起光の吸収率を、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ２付近の単位長さ当たりの励起光の吸収率よりも下げることができる。これにより、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近の温度上昇が抑制され、基本モードから高次モードへのモード間の結合を防ぐことができるため、ＴＭＩ現象によるビーム品質の低下を抑制することができる。
上記（２）式において、波長λ１，λ２が、信号光の波長λ０よりも短く設定されているのは、波長λ０の信号光を得るには、信号光よりも高いエネルギーを有する励起光（波長λ１，λ２の励起光）が必要になるためである。また、上記（２）式において、波長λ１が、波長λ２よりも長く設定されているのは、波長λ１を信号光の波長λ０に近づけることで、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近の量子欠損による温度上昇を抑制するためである。
ここで、増幅用ファイバ１５における単位長さ当たりの発熱量Ｑ［Ｗ／ｍ］は、以下の（３）式で表される。
上記（３）式中におけるＰp（λp）は、励起光のパワースペクトル［Ｗ］であり、Ａ（λp）は、増幅用ファイバ１５の単位長さ当たりの励起光の吸収量のスペクトル［ｄＢ／ｍ］である。また、λpは、励起光の波長［ｎｍ］であり、λsは、信号光の波長［ｎｍ］である。右辺の係数０．２３０は、０．１×ｌｎ（１０）であり、［ｄＢ］からリニアへの変換係数である。
上記（３）式を参照すると、増幅用ファイバ１５における単位長さ当たりの発熱量Ｑは、励起光のパワーと単位長さ当たりの吸収量（吸収率）とに比例することが分かる。ここで、上記（３）式の右辺の（１－λp／λs）の部分が量子欠損に起因する項である。λp＜λsなる関係があるため、λpが長波長になるほど、量子欠損に起因する発熱量を低減することができる。従って、本実施形態では、波長λ１を、波長λ２よりも長く設定し、波長λ１を信号光の波長λ０に近づけることで、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近の量子欠損による温度上昇を抑制するようにしている。
ここで、励起光の波長λ１，λ２は、上述した（１），（２）式の関係を満たしつつ、以下の（Ａ）～（Ｃ）の何れかの関係を満たすことが望ましい。
（Ａ）波長λ２が、活性元素の吸収率が最も高い波長λＰと一致する。
（Ｂ）活性元素の吸収率が最も高い波長λＰが、波長λ１と波長λ２との間にある。
（Ｃ）波長λ１，λ２は、活性元素の吸収率が最も高い波長λＰよりも長波長側にある。
（Ａ）波長λ２が、活性元素の吸収率が最も高い波長λＰと一致する。
（Ｂ）活性元素の吸収率が最も高い波長λＰが、波長λ１と波長λ２との間にある。
（Ｃ）波長λ１，λ２は、活性元素の吸収率が最も高い波長λＰよりも長波長側にある。
上記（Ａ）の関係が満たされる場合には、励起光源１２から出力される励起光の波長λ２が、活性元素の吸収率が最も高い波長λＰと一致する。このため、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近の温度上昇を抑制しつつ、励起光源１２から出力される励起光を効率的に吸収することができる。図２に示す例において、活性元素の吸収率が最も高い波長λＰは９７５ｎｍ付近である。上記（Ａ）の関係が満たされる場合には、励起光源１２から出力される励起光の波長λ２は９７５ｎｍ付近に設定される。上記の「一致する」とは、波長λ２と波長λＰとの差が±１ｎｍ以内であることを意味する。
上記（Ｂ）の関係が満たされる場合には、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近に加えて、融着接続部Ｆ２付近の温度上昇を抑制しつつ、励起光源１１，１２から出力される励起光を効率的に吸収することができる。図２に示す例において、上記（Ｂ）の関係が満たされる場合には、例えば、励起光源１１から出力される励起光の波長λ１が９７８ｎｍ付近に設定され、励起光源１２から出力される励起光の波長λ２が９７３ｎｍ付近に設定される。ここで挙げる具体的な波長は、あくまでも一例である点に注意されたい。
上記（Ｃ）の関係が満たされる場合には、上記（Ａ）の関係が満たされる場合に比べて、励起光源１１，１２から出力される励起光の吸収率を低下させることができる。また、励起光源１１，１２から出力される励起光の波長λ１，λ２を、より信号光の波長λ０に近づけることができる。このため、上記（Ａ）の関係が満たされる場合よりも、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１，Ｆ２付近の温度上昇を抑制することができる。図２に示す例において、上記（Ｃ）の関係が満たされる場合には、例えば、励起光源１１から出力される励起光の波長λ１が９８５ｎｍ付近に設定され、励起光源１２から出力される励起光の波長λ２が９８０ｎｍ付近に設定される。ここで挙げる具体的な波長は、あくまでも一例である点に注意されたい。
ここで、励起光源１１から出力される励起光の波長λ１と、励起光源１２から出力される励起光の波長λ２との差は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが望ましい。増幅用ファイバ１５の長さは、吸収率の低い波長λ１の励起光が十分吸収（例えば、９５％吸収）される長さに設定される。波長λ１，λ２の差が、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であれば、波長λ１の励起光の吸収率が、波長λ２の励起光の吸収率に比べて極端に低くなることはないため、吸収率の低い波長λ１の励起光を十分吸収させるために、増幅用ファイバ１５の長さを極端に長くするといった事態を避けることができる。これにより、誘導ラマン散乱の発生も抑制することができる。
以上の通り、本実施形態では、波長λ１の励起光を増幅用ファイバ１５（コアに活性元素が添加された光ファイバ）の前方の端部側から増幅用ファイバ１５に供給するとともに、波長λ２の励起光を増幅用ファイバ１５の後方の端部側から増幅用ファイバ１５に供給している。ここで、波長λ１における活性元素の吸収率は、波長λ２における活性元素の吸収率より低く、波長λ１，λ２は、信号光の波長λ０よりも短く、波長λ１は、波長λ２よりも長く設定されている。
これにより、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近の単位長さ当たりの励起光の吸収率を、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ２付近の単位長さ当たりの励起光の吸収率よりも下げることができる。その結果、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近の温度上昇が抑制され、基本モードから高次モードへのモード間の結合を防ぐことができるため、ＴＭＩ現象によるビーム品質の低下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実施形態によるファイバレーザ装置について説明する。本実施形態のファイバレーザ装置は、増幅用ファイバ１５に対する励起光の供給方法が異なる。上述した第１実施形態によるファイバレーザ装置１は、励起光源１１，１２から出力される励起光をそれぞれ、コンバイナ１３，１４によって増幅用ファイバ１５に供給している。これに対し、本実施形態のファイバレーザ装置は、サイドポンプにより励起光を供給する点が異なる。ここで、サイドポンプとは、励起光が供給される供給用ファイバのクラッドと、励起光を供給すべき被供給用ファイバのクラッドとの側面を部分的に接触させ、或いは部分的に融着接続し、供給用ファイバに供給される励起光を、接触部を介して被供給用ファイバに供給する方式である。
次に、本発明の第２実施形態によるファイバレーザ装置について説明する。本実施形態のファイバレーザ装置は、増幅用ファイバ１５に対する励起光の供給方法が異なる。上述した第１実施形態によるファイバレーザ装置１は、励起光源１１，１２から出力される励起光をそれぞれ、コンバイナ１３，１４によって増幅用ファイバ１５に供給している。これに対し、本実施形態のファイバレーザ装置は、サイドポンプにより励起光を供給する点が異なる。ここで、サイドポンプとは、励起光が供給される供給用ファイバのクラッドと、励起光を供給すべき被供給用ファイバのクラッドとの側面を部分的に接触させ、或いは部分的に融着接続し、供給用ファイバに供給される励起光を、接触部を介して被供給用ファイバに供給する方式である。
具体的に、本実施形態のファイバレーザ装置は、図１に示すコンバイナ１３，１４が省略されている。そして、励起光源１１から出力される励起光（波長λ１の励起光）が、サイドポンプ（第１結合器）により、例えば、ＨＲ－ＦＢＧ１３ｃと融着接続部Ｆ１との間に供給される。また、励起光源１２から出力される励起光（波長λ２の励起光）が、サイドポンプ（第２結合器）により、例えば、ＯＣ－ＦＢＧ１４ｃと融着接続部Ｆ２との間に供給される。
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、励起光源１１から出力される波長λ１の励起光は、増幅用ファイバ１５の第一端側（融着接続部Ｆ１側）から増幅用ファイバ１５に供給される。また、励起光源１２から出力される波長λ２の励起光は、増幅用ファイバ１５の第二端側（融着接続部Ｆ２側）から増幅用ファイバ１５に供給される。
本実施形態のファイバレーザ装置においても、励起光の波長λ１，λ２は、前述した（１），（２）式の関係を満たしつつ、前述した（Ａ）～（Ｃ）の何れかの関係を満たすようにされる。このため、本実施形態においても、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近の温度上昇が抑制され、基本モードから高次モードへのモード間の結合を防ぐことができるため、ＴＭＩ現象によるビーム品質の低下を抑制することができる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態によるファイバレーザ装置について説明する。本実施形態のファイバレーザ装置は、ＨＲ－ＦＢＧ１３ｃ及びＯＣ－ＦＢＧ１４ｃが形成されている光ファイバが異なる。前述した第１実施形態では、コンバイナ１３に設けられた光ファイバ１３ｂのコアにＨＲ－ＦＢＧ１３ｃが形成されており、コンバイナ１４に設けられた光ファイバ１４ｂのコアにＯＣ－ＦＢＧ１４ｃが形成されていた。
本実施形態のファイバレーザ装置１Ａは、コンバイナ１３に設けられた光ファイバ１３ｂとは別の光ファイバ１３ｄのコアにＨＲ－ＦＢＧ１３ｃが形成されており、コンバイナ１４に設けられた光ファイバ１４ｂとは別の光ファイバ１４ｅのコアにＯＣ－ＦＢＧ１４ｃが形成されている。
本実施形態では、光ファイバ１３ｄと増幅用ファイバ１５との融着接続部を「融着接続部Ｆ１」と称し、光ファイバ１４ｅと増幅用ファイバ１５との融着接続部を「融着接続部Ｆ２」と称する。
次に、本発明の第３実施形態によるファイバレーザ装置について説明する。本実施形態のファイバレーザ装置は、ＨＲ－ＦＢＧ１３ｃ及びＯＣ－ＦＢＧ１４ｃが形成されている光ファイバが異なる。前述した第１実施形態では、コンバイナ１３に設けられた光ファイバ１３ｂのコアにＨＲ－ＦＢＧ１３ｃが形成されており、コンバイナ１４に設けられた光ファイバ１４ｂのコアにＯＣ－ＦＢＧ１４ｃが形成されていた。
本実施形態のファイバレーザ装置１Ａは、コンバイナ１３に設けられた光ファイバ１３ｂとは別の光ファイバ１３ｄのコアにＨＲ－ＦＢＧ１３ｃが形成されており、コンバイナ１４に設けられた光ファイバ１４ｂとは別の光ファイバ１４ｅのコアにＯＣ－ＦＢＧ１４ｃが形成されている。
本実施形態では、光ファイバ１３ｄと増幅用ファイバ１５との融着接続部を「融着接続部Ｆ１」と称し、光ファイバ１４ｅと増幅用ファイバ１５との融着接続部を「融着接続部Ｆ２」と称する。
ＨＲ－ＦＢＧ１３ｃが形成された光ファイバ１３ｄは、前方の端部がコンバイナ１３の光ファイバ１３ｂに接続され、後方の端部が増幅用ファイバ１５の前方の端部に接続される。ＯＣ－ＦＢＧ１４ｃが形成された光ファイバ１４ｅは、前方の端部が増幅用ファイバ１５の後方の端部に接続され、後方の端部がコンバイナ１４の光ファイバ１４ｂに接続される。本実施形態のファイバレーザ装置１Ａでは、図３に示すように、光ファイバ１３ｂとＨＲ－ＦＢＧ１３ｃとの間に融着接続部Ｆ３が形成され、光ファイバ１４ｂとＯＣ－ＦＢＧ１４ｃとの間に融着接続部Ｆ４が形成されている。
本実施形態のファイバレーザ装置１Ａにおいても、励起光の波長λ１，λ２は、前述した（１），（２）式の関係を満たしつつ、前述した（Ａ）～（Ｃ）の何れかの関係を満たすようにされる。このため、本実施形態においても、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近の温度上昇が抑制され、基本モードから高次モードへのモード間の結合を防ぐことができるため、ＴＭＩ現象によるビーム品質の低下を抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、波長λ１の励起光で増幅用ファイバ１５を前方励起し、波長λ２の励起光で増幅用ファイバ１５を後方励起する例について説明した。しかしながら、増幅用ファイバ１５を前方励起する励起光（第一端側から増幅用ファイバ１５に結合される励起光）及び後方励起する励起光（第二端側から増幅用ファイバ１５に結合される励起光）は、波長λ１，λ２が含まれてもよい。
例えば、図１に示すファイバレーザ装置１，１Ａにおいて、４つの励起光源１１のうちの幾つか（例えば、１つ）と、４つの励起光源１２のうちの幾つか（例えば、１つ）とが入れ替えられた構成であってもよい。この構成のファイバレーザ装置では、波長λ１，λ２が含まれる励起光によって増幅用ファイバ１５が前方励起されるとともに、波長λ１，λ２が含まれる励起光によって増幅用ファイバ１５が後方励起される。
このような構成のファイバレーザ装置では、前述したＴＭＩ現象によるビーム品質の低下を抑制するために、以下の（ａ）又は（ｂ）の関係を満たすことが望ましい。
（ａ）増幅用ファイバ１５を前方励起する励起光と増幅用ファイバ１５を後方励起する励起光とのパワーが同じ場合に、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近における発熱量が、融着接続部Ｆ２付近における発熱量より小さい。
（ｂ）増幅用ファイバ１５を前方励起する励起光のパワーが、増幅用ファイバ１５を後方励起する励起光のパワーより小さい。
（ａ）増幅用ファイバ１５を前方励起する励起光と増幅用ファイバ１５を後方励起する励起光とのパワーが同じ場合に、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近における発熱量が、融着接続部Ｆ２付近における発熱量より小さい。
（ｂ）増幅用ファイバ１５を前方励起する励起光のパワーが、増幅用ファイバ１５を後方励起する励起光のパワーより小さい。
上記（ａ）又は（ｂ）の関係が満たされる場合には、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近における発熱量が、融着接続部Ｆ２付近における発熱量より小さくなる。これにより、増幅用ファイバ１５の融着接続部Ｆ１付近の温度上昇が抑制され、基本モードから高次モードへのモード間の結合を防ぐことができるため、ＴＭＩ現象によるビーム品質の低下を抑制することができる。
また、上述した実施形態のファイバレーザ装置１，１Ａは、１つの出力端１６を有する構成であったが、出力端１６の先にさらに光ファイバ等を接続してもよい。また、出力端１６の先にビームコンバイナを接続し、複数のレーザ装置からのレーザ光を束ねるように構成されていてもよい。
１，１Ａ…ファイバレーザ装置、１１…励起光源、１２…励起光源、１３…コンバイナ、１３ｃ…ＨＲ－ＦＢＧ、１４…コンバイナ、１４ｃ…ＯＣ－ＦＢＧ、１５…増幅用ファイバ、１６…出力端
Claims (7)
- 第１波長の第１励起光を出力する第１励起光源と、
前記第１波長とは異なる第２波長の第２励起光を出力する第２励起光源と、
前記第１励起光及び前記第２励起光により励起される活性元素が添加されたコアを有する増幅用ファイバと、
前記増幅用ファイバの第一端側に設けられたＨＲ－ＦＢＧと、
前記増幅用ファイバの第二端側に設けられ、前記ＨＲ－ＦＢＧよりも反射率が小さいＯＣ－ＦＢＧと、
前記第１励起光を、前記第一端側から前記増幅用ファイバに結合させる第１結合器と、
前記第２励起光を、前記第二端側から前記増幅用ファイバに結合させる第２結合器と、
前記増幅用ファイバで増幅されて前記ＯＣ－ＦＢＧを介したレーザ光を出力する出力端と、
を備え、
前記活性元素の前記第１波長における吸収率は、前記活性元素の前記第２波長における吸収率より低く、
前記第１波長及び前記第２波長は、前記レーザ光の波長よりも短く、
前記第１波長は、前記第２波長より長い、
ファイバレーザ装置。 - 前記第２波長は、前記活性元素の吸収率が最も高い波長と一致する、請求項１記載のファイバレーザ装置。
- 前記活性元素の吸収率が最も高い波長は、前記第１波長と前記第２波長との間の波長である、請求項１記載のファイバレーザ装置。
- 前記第１波長及び前記第２波長は、前記活性元素の吸収率が最も高い波長よりも長波長側の波長である、請求項１記載のファイバレーザ装置。
- 前記第１波長と前記第２波長との差は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である、請求項１から請求項４の何れか一項に記載のファイバレーザ装置。
- 前記第一端側から前記増幅用ファイバに結合される励起光のパワーと前記第二端側から前記増幅用ファイバに結合される励起光のパワーとが同じ場合に、前記増幅用ファイバの前記第一端における発熱量は、前記増幅用ファイバの前記第二端における発熱量より小さい、請求項１から請求項５の何れか一項に記載のファイバレーザ装置。
- 前記第一端側から前記増幅用ファイバに結合される励起光のパワーは、前記第二端側から前記増幅用ファイバに結合される励起光のパワーより小さい、請求項１から請求項５の何れか一項に記載のファイバレーザ装置。
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