JP7381404B2 - レーザモジュール及びファイバレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザモジュール及びファイバレーザ装置に係り、特に複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を集光して出力するレーザモジュールに関するものである。

従来から、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を集光し、高パワーのレーザ光を出力するレーザモジュールが知られている。このようなレーザモジュールに用いられる半導体レーザ素子の発振波長は、製造上のばらつきによって変動し、また温度依存性を有することから、所望の波長のレーザ光を安定して出力するためには、それぞれの半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を特定の波長に狭帯域化する必要がある。複数の半導体レーザ素子のレーザ光の波長を狭帯域化する方法の１つとして、所定の格子間隔で屈折率が周期的に変化するVolume Bragg Grating（ＶＢＧ）と呼ばれる波長安定化素子を用いて、波長安定化素子の反射面と半導体レーザ素子の出射端面との間で外部共振器を形成して特定の波長を選択的に反射させる方法が知られている（例えば、特許文献１の図１４Ａ参照）。

このような波長安定化素子を用いた従来のレーザモジュールにおいては、例えばレーザ光の光路を転換するためのミラーなどの光学部品が樹脂によって筐体に固定されているが、波長安定化素子の調心が完了した後に、これらの樹脂が温度変化などによって膨張収縮することがある。そのような場合には、樹脂によって固定されている光学部品の位置や角度が変化し、波長安定化素子に入射するレーザ光の光路がずれてしまうことが考えられる。このような波長安定化素子に入射するレーザ光の光路のずれが、波長安定化素子の反射面と半導体レーザ素子の出射端面との間で外部共振器を形成できる許容範囲を超えてしまうと、波長安定化素子によってレーザ光の波長を狭帯域化することができなくなってしまう。

米国特許出願公開第２０１６／０１７２８２３号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができるレーザモジュールを提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、安定してレーザ光を増幅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第２の目的とする。

本発明の第１の態様によれば、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができるレーザモジュールが提供される。このレーザモジュールは、光ファイバと、出射端面からレーザ光を出射する少なくとも１つの半導体レーザ素子と、上記レーザ光を集光して上記光ファイバに結合させる少なくとも１つの集光レンズと、上記レーザ光の光路上に位置する反射面を有する少なくとも２つの波長安定化素子とを備える。上記少なくとも２つの波長安定化素子は、上記反射面が上記レーザ光の光軸に垂直な基準方向に対して－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲内の角度で配置されたときに上記反射面と上記少なくとも１つの半導体レーザ素子の上記出射端面との間で外部共振器を形成して上記レーザ光の波長を特定の波長に狭帯域化できるように構成される。上記少なくとも２つの波長安定化素子は、上記反射面が上記基準方向に対して角度θ₁で配置される第１の波長安定化素子と、上記反射面が上記基準方向に対して上記角度θ₁よりも大きな角度θ₂で配置される第２の波長安定化素子とを含んでいる。θ₁及びθ₂の少なくとも一方が－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲にあり、θ₂－θ₁≦２θ_Hである。

本明細書においては、「ＸからＹまでの範囲」というときは、Ｘの値及びＹの値の双方を含む範囲を意味するものとする。

本発明の第２の態様によれば、安定してレーザ光を増幅することができるファイバレーザ装置が提供される。上記ファイバレーザ装置は、上述したレーザモジュールを含む励起光源と、上記レーザモジュールの上記光ファイバと光学的に接続され、希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバとを備える。

本発明の一態様によれば、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるファイバレーザ装置の構成を模式的に示すブロック図である。 図２は、図１に示すファイバレーザ装置における励起光源として用いられるレーザモジュールを模式的に示す平面図である。 図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。 図４Ａは、図２のレーザモジュールにおける波長安定化素子の作用を説明するための模式図である。 図４Ｂは、図２のレーザモジュールにおける波長安定化素子の作用を説明するための模式図である。 図５は、図２のレーザモジュールにおける波長安定化素子の配置を説明する模式図である。 図６は、図２のレーザモジュールにおいてレーザ光の光路が変化した場合の波長安定化素子の作用を説明する模式図である。 図７は、図２のレーザモジュールにおける波長安定化素子の有効角度範囲の一例を示す模式図である。 図８は、図２のレーザモジュールにおける波長安定化素子の有効角度範囲の他の例を示す模式図である。 図９は、本発明の第２の実施形態におけるレーザモジュールを模式的に示す平面図である。

以下、本発明に係るレーザモジュール及びファイバレーザ装置の実施形態について図１から図９を参照して詳細に説明する。図１から図９において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図９においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるファイバレーザ装置１の構成を模式的に示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態のファイバレーザ装置１は、レーザ光を増幅可能な増幅用光ファイバ２を含む光共振器３と、光共振器３の一端側（前方）から光共振器３に励起光を供給する複数の前方励起光源４Ａと、光共振器３の他端側（後方）から光共振器３に励起光を供給する複数の後方励起光源４Ｂと、複数の前方励起光源４Ａから出力される励起光を結合して光共振器３に導入する前方光コンバイナ５Ａと、複数の後方励起光源４Ｂから出力される励起光を結合して光共振器３に導入する後方光コンバイナ５Ｂと、後方光コンバイナ５Ｂから延びるデリバリファイバ６と、デリバリファイバ６の下流側の端部に設けられたレーザ出力部７とを備えている。それぞれの前方励起光源４Ａと前方光コンバイナ５Ａとは光ファイバ８Ａで接続され、それぞれの後方励起光源４Ｂと後方光コンバイナ５Ｂとは光ファイバ８Ｂで接続されている。

光共振器３の増幅用光ファイバ２は、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｒ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素イオンが添加されたコアを有しており、例えば、コアの周囲に形成された内側クラッドと、内側クラッドの周囲に形成された外側クラッドとを有するダブルクラッドファイバによって構成される。

光共振器３は、所定の波長帯（例えば１０６０ｎｍ～１１００ｎｍ）の光を高い反射率で反射する高反射部９Ａと、この波長帯の光を高反射部９Ａよりも低い反射率で反射する低反射部９Ｂとを含んでいる。高反射部９Ａ及び低反射部９Ｂは、例えば、光の伝搬方向に沿って周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成したファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）やミラーにより構成される。図１に示す例では、高反射部９Ａ及び低反射部９Ｂをファイバブラッググレーティングにより構成している。

励起光源４Ａ，４Ｂに接続される光ファイバ８Ａ，８Ｂは、それぞれコアと、コアの周囲を覆い、コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドとを有しており、これらの光ファイバ８Ａ，８Ｂのコアの内部には、励起光源４Ａ，４Ｂで生成された励起光が伝搬する光導波路が形成される。

励起光源４Ａ，４Ｂとしては、例えば波長９７５ｎｍのレーザ光を出射可能な高出力マルチモード半導体レーザ素子を含むレーザモジュールが用いられる。このレーザモジュールの詳細については後述する。それぞれの前方励起光源４Ａで生成された励起光は、光ファイバ８Ａのコアを伝搬して前方光コンバイナ５Ａに向かい、前方光コンバイナ５Ａで結合されて光共振器３に導入される。また、それぞれの後方励起光源４Ｂで生成された励起光は、光ファイバ８Ｂのコアを伝搬して後方光コンバイナ５Ｂに向かい、後方光コンバイナ５Ｂで結合されて光共振器３に導入される。なお、前方励起光源４Ａで生成される励起光の波長と後方励起光源４Ｂで生成される励起光の波長は同一であってもよいし、異なっていてもよい。

励起光源４Ａ，４Ｂからそれぞれ光コンバイナ５Ａ，５Ｂを介して光共振器３に導入された励起光は、増幅用光ファイバ２の内側クラッド及びコアの内部を伝搬する。この励起光は、コアを通過する際にコアに添加された希土類元素イオンに吸収され、この希土類元素イオンが励起されて自然放出光が生じる。この自然放出光が高反射部９Ａと低反射部９Ｂとの間で再帰的に反射され、特定の波長（例えば１０７０ｎｍ）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。このように光共振器３で増幅されたレーザ光は、増幅用光ファイバ２のコアの内部を伝搬し、その一部が低反射部９Ｂを透過する。低反射部９Ｂを透過したレーザ光は、後方光コンバイナ５Ｂからデリバリファイバ６のコアに導入され、デリバリファイバ６のコアを伝搬して、図１に示すように、レーザ出力部７から出力レーザ光Ｐとして例えば加工対象物に向けて出射される。

次に、上述した励起光源４Ａ，４Ｂにおいて用いられるレーザモジュールについて詳細に説明する。図２は、励起光源４Ａ，４Ｂにおいて用いられるレーザモジュール１０を模式的に示す平面図、図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。図２及び図３においては、レーザ光の光路を点線で示している。本実施形態におけるレーザモジュール１０は、筐体１２と、筐体１２の内部に配置されたレーザ生成部２０と、筐体１２の外部から内部に延びる光ファイバ１４と、光ファイバ１４を保持する円筒状のファイバ保持部１６とを含んでいる。筐体１２の上部には図示しない蓋体が配置されており、この蓋体により筐体１２の内部空間が封止される。筐体１２は、熱伝導性に優れた銅などの金属から形成されており、筐体１２の底面１２Ａ及び内側側面１２Ｂには、金めっき膜やアルミニウム膜などの反射率の高い金属薄膜が形成されている。

レーザ生成部２０は、階段状の台座２１を含んでおり、この台座２１は、Ｚ方向の高さが異なる６つの段部２２Ａ～２２Ｆを有している。本実施形態では、１段目の段部２２Ａから－Ｘ方向に向かって次第に高くなるように段部２２Ａ～２２Ｆが形成されている。それぞれの段部２２Ａ～２２Ｆにはサブマウント２３が配置されており、それぞれのサブマウント２３上には、＋Ｙ方向にレーザ光Ｌを出射する半導体レーザ素子２４が載置されている。

また、台座２１のそれぞれの段部２２Ａ～２２Ｆには、半導体レーザ素子２４に対応して、半導体レーザ素子２４から出射されたレーザ光Ｌをファースト軸方向にコリメートするファースト軸コリメートレンズ２５と、ファースト軸コリメートレンズ２５を透過したレーザ光Ｌをスロー軸方向にコリメートするスロー軸コリメートレンズ２６と、スロー軸コリメートレンズ２６を透過したレーザ光Ｌを反射するミラー２７とが配置されている。

ミラー２７は、Ｙ方向に対して４５度傾斜した傾斜面を有しており、この傾斜面には、誘電体多層膜や金属薄膜などによって、レーザ光Ｌの波長帯域の光を反射する特性を有する光学薄膜が形成されている。これにより、スロー軸コリメートレンズ２６を透過したレーザ光Ｌは、ミラー２７の光学薄膜で反射され、伝搬方向が９０度転換されて＋Ｘ方向に伝搬する。

レーザモジュール１０は、レーザ生成部２０の＋Ｘ方向側に配置された３つの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃと、波長安定化素子４０Ｃの＋Ｘ方向側に配置されたファースト軸集光レンズ５１と、ファースト軸集光レンズ５１の＋Ｘ方向側に配置されたスロー軸集光レンズ５２とを備えている。波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ及び集光レンズ５１，５２は、筐体１２の内部に延びる光ファイバ１４の端面１４Ａとレーザ生成部２０との間でそれぞれ筐体１２の底面１２Ａに固定されている。

半導体レーザ素子２４のレーザ発振波長は、製造上のばらつきによって変動し、また温度依存性を有することから、本実施形態では、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを用いてレーザモジュール１０から出力されるレーザ光の波長を安定化させている。より具体的には、本実施形態の波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃは、所定の格子間隔で周期的に屈折率を変化させたVolume Bragg Grating（ＶＢＧ）により構成されており、狭帯域化された特定の波長（例えば９７５ｎｍ）のレーザ光を出力するように構成されている。これらの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの詳細については後述する。

ファースト軸集光レンズ５１は、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃから出力されるレーザ光をファースト軸方向に集光して光ファイバ１４の端面１４Ａに結合させるものであり、スロー軸集光レンズ５２は、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃから出力されるレーザ光をスロー軸方向に集光して光ファイバ１４の端面１４Ａに結合させるものである。

このような構成において、レーザ生成部２０のそれぞれの半導体レーザ素子２４から＋Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｌは、ファースト軸コリメートレンズ２５及びスロー軸コリメートレンズ２６によりそれぞれファースト軸方向及びスロー軸方向にコリメートされ、ミラー２７により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬する。ミラー２７により反射されたレーザ光Ｌは、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃによって波長が狭帯域化されたレーザ光となる。これらの波長が狭帯域化されたレーザ光は、ファースト軸集光レンズ５１によってファースト軸（Ｚ方向）に集光され、さらにスロー軸集光レンズ５２によってスロー軸（Ｙ方向）に集光される。これによって、複数の半導体レーザ素子２４から出射されたレーザ光Ｌが光ファイバ１４の端面１４Ａに光学的に結合され、励起光としてレーザモジュール１０から上述したファイバレーザ装置１の光共振器３（図１参照）に出力される。

次に、上述した波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの詳細について説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの作用を説明するための模式図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいては、理解を容易にするために、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃをまとめて符号４０によって図示している。

図４Ａに示すように、半導体レーザ素子２４は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層で挟まれた活性層１２４を有している。この活性層１２４の高反射端面１２４Ａと低反射端面１２４Ｂとの間で共振器が形成されており、この共振器によりレーザ発振されたレーザ光Ｌが低反射端面１２４Ｂ（出射端面）から出射されるようになっている。

波長安定化素子４０（４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ）は、この半導体レーザ素子２４から出射されるレーザ光Ｌの光路上に位置する反射面１４０（１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃ）を有している。波長安定化素子４０は、この反射面１４０と半導体レーザ素子２４の活性層１２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成することで、狭帯域化された特定の波長（例えば９７５ｎｍ）のレーザ光を出力するものである。

ここで、図４Ｂに示すように、波長安定化素子４０の反射面１４０がレーザ光Ｌの光軸に垂直な方向Ｄに対して傾斜している場合であっても、反射面１４０で反射したレーザ光Ｒが半導体レーザ素子２４の活性層１２４の出射端面１２４Ｂに到達して反射面１４０と半導体レーザ素子２４の活性層１２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成できるのであれば、レーザ光Ｌの波長を波長安定化素子４０によって狭帯域化することが可能である。本実施形態における波長安定化素子４０（４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ）は、反射面１４０とレーザ光Ｌの光軸に垂直な方向Ｄ（基準方向）とのなす角度が－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲内であれば、反射面１４０と半導体レーザ素子２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成してレーザ光の波長を狭帯域化することができるように構成されている。以下、波長安定化素子４０が半導体レーザ素子２４の活性層１２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成できるような、レーザ光Ｌの光軸に垂直な方向Ｄに対する反射面１４０の角度の範囲を波長安定化素子４０の「有効角度範囲」ということとする。

図５は、本実施形態における波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの配置を説明する模式図である。以下では、半導体レーザ素子２４から光ファイバ１４に向かってレーザ光が伝搬する方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。

図５に示すように、ある半導体レーザ素子２４から出射されるレーザ光Ｌの光路Ｍ上には、ミラー２７、波長安定化素子４０Ａ、波長安定化素子４０Ｂ、及び波長安定化素子４０Ｃが下流に向かって順番に配置されている。本実施形態では、最も上流側に配置された波長安定化素子４０Ａ（第１の波長安定化素子）は、その反射面１４０Ａがレーザ光Ｌの光軸に垂直な基準方向Ｄと平行となるように配置されている。すなわち、波長安定化素子４０Ａの反射面１４０Ａが基準方向Ｄに対してなす角度θ₁は０である。本実施形態では、この基準方向Ｄは、レーザ光Ｌのファースト軸に沿った方向（Ｚ方向）である。

波長安定化素子４０Ａの下流側に配置された波長安定化素子４０Ｂ（第２の波長安定化素子）は、その反射面１４０Ｂが基準方向Ｄに対して角度θ₂をなすように配置されている。また、最も下流側に配置された波長安定化素子４０Ｃ（第３の波長安定化素子）は、その反射面１４０Ｃが基準方向Ｄに対して角度θ₃をなすように配置されている。

ここで、θ₂は、θ₁よりも大きく、本実施形態では正の値である（θ₂＞θ₁＝０）。θ₃は、θ₁よりも小さく、本実施形態では負の値である（θ₃＜θ₁＝０）。また、本実施形態では、θ₂≦２θ_H、θ₃≧－２θ_Hとなっている。

例えば、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの上流側に位置するミラー２７を固定している樹脂（図示せず）が温度変化などにより膨張収縮した場合、ミラー２７の位置や角度が変化し、図６に示すように、ミラー２７で反射されたレーザ光Ｌ’の光路Ｍ’が本来のレーザ光Ｌの光路Ｍ（図５参照）に対して角度αだけずれることが考えられる。以下、ミラー２７で反射したレーザ光Ｌ’の光路Ｍ’が本来のレーザ光Ｌの光路Ｍに対してずれる角度をレーザ光Ｌ’の「変位角度」ということとする。

このレーザ光Ｌ’の変位角度αが上述した波長安定化素子４０Ａの有効角度範囲内、すなわち－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲内にあれば、波長安定化素子４０Ａの反射面１４０Ａと半導体レーザ素子２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成することができるため、波長安定化素子４０Ａによりレーザ光Ｌ’の波長を狭帯域化することができる。しかしながら、レーザ光Ｌ’の変位角度αが波長安定化素子４０Ａの有効角度範囲を超えると、図６に示すように、波長安定化素子４０Ａの反射面１４０Ａと半導体レーザ素子２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成できなくなってしまう。すなわち、波長安定化素子４０Ａは、その有効角度範囲（－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲）内の変位角度αのレーザ光Ｌ’に対してはその波長を狭帯域化することができるが、－θ_Hより小さい変位角度αや＋θ_Hよりも大きい変位角度αのレーザ光Ｌ’の波長は狭帯域化することができない。

一方、本実施形態では、波長安定化素子４０Ｂの反射面１４０Ｂが本来のレーザ光Ｌの光軸に垂直な基準方向Ｄに対して角度θ₂をなすように配置されているため、波長安定化素子４０Ｂの有効角度範囲は（θ₂－θ_H）から（θ₂＋θ_H）までの範囲となる。ここで、２θ_H≧θ₂＞θ₁＝０であるため、レーザ光Ｌ’の変位角度αが、波長安定化素子４０Ａの有効角度範囲よりも大きくなっても（すなわちθ_Hよりも大きくなっても）、波長安定化素子４０Ｂの有効角度範囲内であれば（すなわち（θ₂＋θ_H）以下であれば）、図６に示すように、波長安定化素子４０Ｂの反射面１４０Ｂと半導体レーザ素子２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成し、レーザ光Ｌ’の波長を狭帯域化することができる。

同様に、波長安定化素子４０Ｃの反射面１４０Ｃが本来のレーザ光Ｌの光軸に垂直な基準方向Ｄに対して角度θ₃をなすように配置されているため、波長安定化素子４０Ｃの有効角度範囲は（θ₃－θ_H）から（θ₃＋θ_H）までの範囲となる。ここで、－２θ_H≦θ₃＜θ₁＝０であるため、レーザ光Ｌ’の変位角度αが、波長安定化素子４０Ａの有効角度範囲よりも小さくなっても（すなわち－θ_Hよりも小さくなっても）、波長安定化素子４０Ｂの有効角度範囲内であれば（すなわち（θ₃－θ_H）以上であれば）、波長安定化素子４０Ｃの反射面１４０Ｃと半導体レーザ素子２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成し、レーザ光Ｌ’の波長を狭帯域化することができる。

図７は、このような波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの有効角度範囲の一例を示す模式図である。図７から分かるように、変位角度αが－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲にあるレーザ光Ｌ’の波長は波長安定化素子４０Ａによって狭帯域化され、変位角度αが＋θ_Hから（θ₂＋θ_H）までの範囲にあるレーザ光Ｌ’の波長は波長安定化素子４０Ｂによって狭帯域化され、変位角度αが（θ₃－θ_H）から－θ_Hまでの範囲にあるレーザ光Ｌ’の波長は波長安定化素子４０Ｃによって狭帯域化される。

このように、１つの波長安定化素子４０の有効角度範囲は－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲であるが、本実施形態では、上述したように、３つの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの反射面１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃをレーザ光の光軸に対して異なる角度で配置することにより、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ全体としての有効角度範囲を（θ₃－θ_H）から（θ₂＋θ_H）までの範囲に広げることができる。したがって、本実施形態におけるレーザモジュール１０は、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができる。

また、図１に示すファイバレーザ装置１は、このようなレーザモジュール１０から出力されるレーザ光を励起光として用いるため、安定した波長の励起光が増幅用光ファイバ２に供給されるので、安定してレーザ光を増幅することができる。

ここで、図８に示すように、θ₁＝０、θ₂＝２θ_H、θ₃＝－２θ_Hとすれば、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ全体としての有効角度範囲を最大にすることができる。このときの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ全体としての有効角度範囲は－３θ_Hから＋３θ_Hまでの範囲に及ぶ。

一般に、半導体レーザ素子２４の活性層１２４はファースト軸に沿った方向の方がスロー軸に沿った方向よりも短くなっている。このため、半導体レーザ素子２４から出射されるレーザ光は、ファースト軸に沿った方向の方がスロー軸に沿った方向よりも波長安定化素子４０の有効角度範囲から外れやすくなる。この観点から、本実施形態のように、上述した基準方向Ｄをレーザ光Ｌのファースト軸に沿った方向（Ｚ方向）とすることが、基準方向Ｄをスロー軸に沿った方向とするよりも効果的である。

また、半導体レーザ素子２４から出射されるレーザ光の光路上にある光学部品の影響により、その下流側にある波長安定化素子４０の有効角度範囲が狭くなることが考えられるため、このような影響を低減するために、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃのうち、反射面１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃが基準方向Ｄに対してなす角度の絶対値が最も小さい波長安定化素子（本実施形態では、波長安定化素子４０Ａ）を最も上流側に配置することが好ましい。

上述した実施形態においては、波長安定化素子４０Ａの反射面１４０Ａを基準方向Ｄと平行にして、反射面１４０Ａが基準方向Ｄに対してなす角度θ₁を０にしているが、角度θ₁は必ずしも０である必要はなく、θ₁を－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲の任意の値とすることができる。この場合において、上述した効果を得るためには、
θ₃＜θ₁＜θ₂
θ₂－θ₁≦２θ_H
θ₁－θ₃≦２θ_H
が満たされていればよい。

また、上述した実施形態におけるレーザモジュール１０は、３つの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを備えているが、これらの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃのうち少なくとも２つを備えていればよい。例えば、レーザモジュール１０が、波長安定化素子４０Ａと波長安定化素子４０Ｂだけを備えていてもよい。この場合においても、波長安定化素子４０Ａ及び波長安定化素子４０Ｂ全体の有効角度範囲を（θ₁－θ_H）から（θ₂＋θ_H）までの範囲に広げることができる。

また、レーザモジュール１０が、波長安定化素子４０Ａと波長安定化素子４０Ｂだけを備える実施形態においては、θ₂を－θ_Hから＋θ_Hの範囲の任意の値として、θ₁をθ₂－θ₁≦２θ_Hを満たす負の値とすることもできる。この場合にも、波長安定化素子４０Ａ及び波長安定化素子４０Ｂ全体の有効角度範囲を（θ₁－θ_H）から（θ₂＋θ_H）までの範囲に広げることができる。

さらに、波長安定化素子４０の個数を４つ以上にすることも可能である。それぞれの波長安定化素子４０の反射面１４０を波長安定化素子４０全体の有効角度範囲を拡大するように基準方向Ｄに対してずらして配置することにより、波長安定化素子４０の個数を増やすことにより波長安定化素子４０全体の有効角度範囲をさらに拡大することが可能である。

上述した実施形態においては、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃがレーザ生成部２０とファースト軸集光レンズ５１との間に配置されているが、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの位置はこれに限られるものではない。例えば、図９に示すレーザモジュール２１０においては、それぞれの半導体レーザ素子２４に対応するファースト軸コリメートレンズ２５とスロー軸コリメートレンズ２６との間に波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃが配置されている。この場合には、ファースト軸コリメートレンズ２５を固定している樹脂の膨張収縮によってレーザ光Ｌの光路がずれたとしても、これらの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃによってレーザ光Ｌの波長を狭帯域化することが可能である。

上述の実施形態では、レーザ生成部２０に複数の半導体レーザ素子が実装されているが、レーザ生成部２０には少なくとも１つの半導体レーザ素子２４が実装されていればよい。

また、図１に示すファイバレーザ装置１は、光共振器３の高反射部９Ａ側と低反射部９Ｂ側の双方に励起光源４Ａ，４Ｂと光コンバイナ５Ａ，５Ｂが設けられており、双方向励起型のファイバレーザ装置となっているが、高反射部９Ａ側と低反射部９Ｂ側のいずれか一方にのみ励起光源と光コンバイナを設置することとしてもよい。

また、ファイバレーザ装置としては、図１に示すような構成以外にも、シード光源からのシード光を励起光源からの励起光を用いて増幅するＭＯＰＡファイバレーザ装置が知られているが、上述したレーザモジュールはこのようなＭＯＰＡファイバレーザ装置の励起光源としても用いることも可能である。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

以上述べたように、本発明の第１の態様によれば、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができるレーザモジュールが提供される。このレーザモジュールは、光ファイバと、出射端面からレーザ光を出射する少なくとも１つの半導体レーザ素子と、上記レーザ光を集光して上記光ファイバに結合させる少なくとも１つの集光レンズと、上記レーザ光の光路上に位置する反射面を有する少なくとも２つの波長安定化素子とを備える。上記少なくとも２つの波長安定化素子は、上記反射面が上記レーザ光の光軸に垂直な基準方向に対して－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲内の角度で配置されたときに上記反射面と上記少なくとも１つの半導体レーザ素子の上記出射端面との間で外部共振器を形成して上記レーザ光の波長を特定の波長に狭帯域化できるように構成される。上記少なくとも２つの波長安定化素子は、上記反射面が上記基準方向に対して角度θ₁で配置される第１の波長安定化素子と、上記反射面が上記基準方向に対して上記角度θ₁よりも大きな角度θ₂で配置される第２の波長安定化素子とを含んでいる。θ₁及びθ₂の少なくとも一方が－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲にあり、θ₂－θ₁≦２θ_Hである。

１つの波長安定化素子の有効角度範囲は－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲であるが、第１の波長安定化素子と第２の波長安定化素子の反射面を基準方向に対して異なる角度で配置することにより、波長安定化素子全体としての有効角度範囲を－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲から広げることができる。したがって、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができる。

第１の波長安定化素子及び第２の波長安定化素子全体としての有効角度範囲を最大にするためには、θ₁＝０、θ₂＝２θ_Hとすることが好ましい。

また、θ₁の絶対値がθ₂の絶対値よりも小さい場合に、上記第１の波長安定化素子が、上記レーザ光の光路において上記第２の波長安定化素子よりも上流側に位置していることが好ましい。このような構成によれば、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光路上にある光学部品が波長安定化素子の有効角度範囲に与える影響を低減することができる。

上記少なくとも２つの波長安定化素子は、上記反射面が上記基準方向に対して上記角度θ₁よりも小さな角度θ₃で配置される第３の波長安定化素子をさらに含んでいてもよい。この場合において、θ₁－θ₃≦２θ_Hである。このように、第１の波長安定化素子、第２の波長安定化素子、及び第３の波長安定化素子の反射面を基準方向に対してそれぞれ異なる角度で配置することにより、波長安定化素子全体としての有効角度範囲を－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲からさらに広げることができる。したがって、波長が狭帯域化されたレーザ光をより安定的に出力することができる。

第１の波長安定化素子及び第３の波長安定化素子全体としての有効角度範囲を最大にするためには、θ₁＝０、θ₃＝－２θ_Hとすることが好ましい。

また、θ₁の絶対値は、θ₂の絶対値及びθ₃の絶対値よりも小さい場合に、上記第１の波長安定化素子が、上記レーザ光の光路において上記第２の波長安定化素子及び上記第３の波長安定化素子よりも上流側に位置していることが好ましい。このような構成によれば、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光路上にある光学部品が波長安定化素子の有効角度範囲に与える影響を低減することができる。

一般に、半導体レーザ素子の活性層はファースト軸に沿った方向の方がスロー軸に沿った方向よりも短くなっている。このため、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光は、ファースト軸に沿った方向の方がスロー軸に沿った方向よりも波長安定化素子の有効角度範囲から外れやすくなる。この観点から、上記基準方向は、上記レーザ光のファースト軸に沿った方向であることが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、安定してレーザ光を増幅することができるファイバレーザ装置が提供される。上記ファイバレーザ装置は、上述したレーザモジュールを含む励起光源と、上記レーザモジュールの上記光ファイバと光学的に接続され、希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバとを備える。

このような構成によれば、励起光源として用いるレーザモジュールから出力されるレーザ光の波長が安定しているため、安定してレーザ光を増幅することができる。

１ ファイバレーザ装置
２ 増幅用光ファイバ
３ 光共振器
４Ａ，４Ｂ 励起光源
５Ａ，５Ｂ 光コンバイナ
６ デリバリファイバ
７ レーザ出力部
８Ａ，８Ｂ 光ファイバ
９Ａ 高反射部
９Ｂ 低反射部
１０，２１０ レーザモジュール
１２ 筐体
１４ 光ファイバ
１６ ファイバ保持部
２０ レーザ生成部
２１ 台座
２２Ａ～２２Ｆ 段部
２３ サブマウント
２４ 半導体レーザ素子
２５ ファースト軸コリメートレンズ
２６ スロー軸コリメートレンズ
２７ ミラー
４０Ａ （第１の）波長安定化素子
４０Ｂ （第２の）波長安定化素子
４０Ｃ （第３の）波長安定化素子
５１ ファースト軸集光レンズ
５２ スロー軸集光レンズ
１２４ 活性層
１２４Ａ 高反射端面
１２４Ｂ 出射端面
１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃ 反射面
Ｄ 基準方向
Ｌ レーザ光

Claims (8)

1. 光ファイバと、
   出射端面からレーザ光を出射する少なくとも１つの半導体レーザ素子と、
   前記レーザ光を集光して前記光ファイバに結合させる少なくとも１つの集光レンズと、
   前記レーザ光の光路上に位置する反射面を有する少なくとも２つの波長安定化素子であって、前記反射面が前記レーザ光の光軸に垂直な基準方向に対して－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲内の角度で配置されたときに前記反射面と前記少なくとも１つの半導体レーザ素子の前記出射端面との間で外部共振器を形成して前記レーザ光の波長を特定の波長に狭帯域化できるように構成された少なくとも２つの波長安定化素子と
   を備え、
   前記少なくとも２つの波長安定化素子は、
   前記反射面が前記基準方向に対して角度θ₁で配置される第１の波長安定化素子と、
   前記反射面が前記基準方向に対して前記角度θ₁よりも大きな角度θ₂で配置される第２の波長安定化素子と
   を含み、
   θ₁及びθ₂の少なくとも一方が－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲にあり、
   θ₂－θ₁≦２θ_H
   である、
   レーザモジュール。
2. θ₁＝０、θ₂＝２θ_Hである、請求項１に記載のレーザモジュール。
3. θ₁の絶対値はθ₂の絶対値よりも小さく、
   前記第１の波長安定化素子は、前記レーザ光の光路において前記第２の波長安定化素子よりも上流側に位置している、
   請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
4. 前記少なくとも２つの波長安定化素子は、前記反射面が前記基準方向に対して前記角度θ₁よりも小さな角度θ₃で配置される第３の波長安定化素子をさらに含み、
   θ₁－θ₃≦２θ_H
   である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
5. θ₁＝０、θ₃＝－２θ_Hである、請求項４に記載のレーザモジュール。
6. θ₁の絶対値は、θ₂の絶対値及びθ₃の絶対値よりも小さく、
   前記第１の波長安定化素子は、前記レーザ光の光路において前記第２の波長安定化素子及び前記第３の波長安定化素子よりも上流側に位置している、
   請求項４又は５に記載のレーザモジュール。
7. 前記基準方向は、前記レーザ光のファースト軸に沿った方向である、請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザモジュールを含む励起光源と、
   前記レーザモジュールの前記光ファイバと光学的に接続され、希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバと
   を備える、ファイバレーザ装置。

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