(57)【要約】【課題】強度分布と偏光分布とを保ちながら軸対称偏光ビームの出力を増大することで、高出力を得ることができる光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置を提供する。【解決手段】発光体を含んだ光ファイバー５を用いて、軸対称偏光ビームの出力を増大させる。発光体を含んだ光ファイバー５のコアに、出力の小さな軸対称偏光ビームを導入し、発光体を外部から光で励起することによって、光ファイバー５の出口から出力が増大した軸対称偏光ビームを得る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光体を含んだ光ファイバーを用いて軸対称偏光ビームの出力を増大させることを特徴とする光ビーム増幅方法。
【請求項２】
前記軸対称偏光ビームが、連続波またはパルス波であることを特徴とする請求項１記載の光ビーム増幅方法。
【請求項３】
前記軸対称偏光ビームが、単一または複数のモードであることを特徴とする請求項１または２記載の光ビーム増幅方法。
【請求項４】
前記光ファイバーが単一または複数であることを特徴とする請求項１、２または３記載の光ビーム増幅方法。
【請求項５】
前記光ファイバーの前記発光体が、前記軸対称偏光ビームが伝播するコアまたはクラッド、あるいは両方に含まれていることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の光ビーム増幅方法。
【請求項６】
前記光ファイバーの前記発光体が、前記軸対称偏光ビームが伝播するコアの全部または一部に含まれていることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の光ビーム増幅方法。
【請求項７】
前記光ファイバーの前記発光体の濃度が、前記コアの前記軸対称偏光ビームの強度が強い部分で高いことを特徴とする請求項６記載の光ビーム増幅方法。
【請求項８】
前記光ファイバーの前記発光体が、エルビウムイオンおよびイッテルビウムイオンであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の光ビーム増幅方法。
【請求項９】
発光体を含んだ光ファイバーを用いて軸対称偏光ビームの出力を増大可能に構成されていることを特徴とする光ビーム増幅装置。
【請求項１０】
前記軸対称偏光ビームが、連続波またはパルス波であることを特徴とする請求項９記載の光ビーム増幅装置。
【請求項１１】
前記軸対称偏光ビームが、単一または複数のモードであることを特徴とする請求項９または１０記載の光ビーム増幅装置。
【請求項１２】
前記光ファイバーが単一または複数であることを特徴とする請求項９、１０または１１記載の光ビーム増幅装置。
【請求項１３】
前記光ファイバーの前記発光体が、前記軸対称偏光ビームが伝播するコアまたはクラッド、あるいは両方に含まれていることを特徴とする請求項９、１０、１１または１２記載の光ビーム増幅装置。
【請求項１４】
前記光ファイバーの前記発光体が、前記軸対称偏光ビームが伝播するコアの全部または一部に含まれていることを特徴とする請求項９、１０、１１、１２または１３記載の光ビーム増幅装置。
【請求項１５】
前記光ファイバーの前記発光体の濃度が、前記コアの前記軸対称偏光ビームの強度が強い部分で高いことを特徴とする請求項１４記載の光ビーム増幅装置。
【請求項１６】
前記光ファイバーの前記発光体が、エルビウムイオンおよびイッテルビウムイオンであることを特徴とする請求項９、１０、１１、１２、１３、１４または１５記載の光ビーム増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光体を含んだ光ファイバーを用いて、軸対称偏光ビームの出力を増大させる、光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ビーム断面での偏光分布が光軸に対して対称に分布している光ビームは、軸対称偏光ビームと呼ばれている。その代表例として、放射状の偏光分布を持つ径偏光ビームや、方位方向に平行な偏光成分だけから成る方位偏光ビームが知られている。
【０００３】
特に、径偏光ビームを物体面に垂直に集光すると、全ての光線がp偏光となるため、直線偏光や無偏光ビームに比べるとビーム全体としての反射率が低くなる。これは、物体に吸収される光のエネルギーが多くなることを意味しており、高効率なレーザー加工に適している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
これに対して、深い穿孔をする場合には、穴の深部までレーザー光が届くようにするために、穴の壁での光の反射が大きいほうが都合が良く、この場合は全ての光線がs偏光となる方位偏光ビームが適している（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
レーザー加工に用いられるレーザーの出力は、材料の種類や大きさ、加工範囲、速度などに依存するが、概ね数Wから数１０ｋW程度である。現在のところ、発生が報告されている軸対称偏光ビームの最大出力は、炭酸ガスレーザーによる３ｋWである（例えば、非特許文献３参照）。
【０００６】
しかし、焦点距離が同じレンズを使用した場合、光ビームを集光した時のスポットの径は光の波長に比例するため、より精密な加工を行うためには、波長が10ミクロン程度の炭酸ガスレーザーよりも、波長が１．０６ミクロン程度のNd:YAG、Yb:YAGなどのレーザーが適しているが、単一横モードでの出力は２００Wに留まっている（例えば、非特許文献４参照）。
【０００７】
一方、コア部分に発光体を含んだ光ファイバーをレーザー媒質として使用すると、ロッドタイプのレーザー媒質に比べ、熱の効果が低減されるため、高いビーム品質で高出力を得ることができる。
【０００８】
しかしながら、現在、ファイバーレーザーとして報告されている光ファイバーのほとんどは、横モードとして最低次のガウスビームを伝播させることを目的として作製されており、軸対称偏光ビームを高出力で得ることは困難であった。なお、最低次のガウスビームは、TEM00モードあるいはLP01モードとも呼ばれている。また、軸対称偏光ビームの最低次の横モードは、TM01モード、TE01モード、HE21モードとも呼ばれている。あるいは、これらを総称して、光ファイバー内を伝播するモードとしてLP11モードとも呼ばれる。TM01、TE01、HE21モードはそれぞれ、径偏光ビーム、方位偏光ビーム、ハイブリッドモードビームに対応している。
【０００９】
【非特許文献１】V. G. Niziev and A. V. Nesterov, “Influence of beam polarization on laser cuttingefficiency”, J. Phys. D: Appl.Phys. 1999, 32, p.1455
【非特許文献２】M.Meier, V. Romano, and T. Feurer, “Materials processing with pulsed radially and azimuthally polarized laser radiation”, Appl. Phys., 2007, A 86, p.329
【非特許文献３】M. Abdou Ahmed, J.Schulz, A. Voss, O. Parriaux, J.-C. Pommier, and T. Graf, “Radially polarized3kW beam from a CO2 laser with an intracavity resonant gratingmirror”, Opt. Lett., 2007, 32, p.1824
【非特許文献４】I. Moshe, S.Jackel, A. Meir, Y. Lumer, and E. Leibush, “2kW, M2<10 radically polarizedbeams from aberration-compensated rod-based Nd:YAG lasers”, Opt. Lett., 2007, 32, p.47
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は、強度分布と偏光分布とを保ちながら軸対称偏光ビームの出力を増大することで、高出力を得ることができる光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
コア内を伝播できる横モードは、光ファイバーのコアおよびクラッドの屈折率、コア径および光の波長で決定される。本発明は、ガウスビームであるLP01モードだけでなく、軸対称偏光ビームであるLP11などのモードも伝播できる、発光体を含んだ光ファイバーのコアに出力の小さな軸対称偏光ビームを導入し、発光体を外部から光で励起することによって、光ファイバーの出口から出力が増大した軸対称偏光ビームを得ることのできる光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置に関する。
【００１２】
本発明によれば、発光体を含んだ光ファイバーを用いて軸対称偏光ビームの出力を増大させることを特徴とする光ビーム増幅方法が得られる。また、発光体を含んだ光ファイバーを用いて軸対称偏光ビームの出力を増大可能に構成されていることを特徴とする光ビーム増幅装置が得られる。本発明によれば、偏光、位相、強度分布を変えることなく、出力の小さな軸対称偏光ビームの出力を増大させることを特徴とする光ビーム増幅方法および装置が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、前記軸対称偏光ビームが，連続波またはパルス波であることを特徴とする光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記軸対称偏光ビームが、単一または複数のモードであることを特徴とする光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記光ファイバーが単一または複数であること特徴とする光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記光ファイバーの前記発光体が、前記軸対称偏光ビームが伝播するコアまたはクラッド、あるいは両方に含まれていることを特徴とする、光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記光ファイバーの前記発光体が、前記軸対称偏光ビームが伝播するコアの全部または一部に含まれていることを特徴とする、光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置が得られる。また、本発明によれば、前記光ファイバーの前記発光体の濃度が、前記コアの前記軸対称偏光ビームの強度が強い部分で高いことを特徴とする光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置が得られる。また、本発明によれば、前記光ファイバーの前記発光体が、エルビウムイオンおよびイッテルビウムイオンであることを特徴とする光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、強度分布と偏光分布とを保ちながら軸対称偏光ビームの出力を増大することで、高出力を得ることができる光ビーム増幅方法および光ビーム増幅装置を提供することができる。また、レーザー加工に有効な高出力の軸対称偏光ビームを得ることができる。また、光ファイバーを用いるため、放熱が容易であり、コンパクトな装置とすることができる。さらに、目的に適した偏光を選択して増幅することにより、高効率なレーザー加工が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１に、軸対称偏光ビームとして代表的な（ａ）径偏光（TM01モード）、（ｂ）方位偏光（TEM01モード）、（ｃ）ハイブリッドモード（HE21モード）ビームの、ビーム断面での偏光分布を示す。
【００２０】
図２は、軸対称偏光ビームの出力を増大する本発明の実施の形態の光ビーム増幅装置の一例である。光ファイバー５は、コア部分に発光体としてYbがドープされている。クラッド部分は二重構造になっており、内側のクラッド部分とコア部分とを励起光が透過する。励起レーザー１からの光は、波長選択ミラー２を通ってレンズ３によって、光ファイバー５の内側クラッドおよびコアに集光される。軸対称偏光ビームを発生させる軸対称偏光ビーム光源４からの光ビームは、波長選択ミラー２で反射され、レンズ３によって、光ファイバー５のコアに集光される。光ファイバー５を伝播する軸対称偏光ビームは、励起されたYbイオンの誘導放出によって出力が増大する。光ファイバー５として、LP01モードだけでなく、LP11モードも伝播できるものを選択している。一般には、シングルモードファイバーと呼ばれるLP01モードだけを伝播できる光ファイバーより、やや大きめのコア径を持つ光ファイバーを使用する。
【００２１】
図３は、光ファイバー５から出射された軸対称偏光ビームの強度分布の例である。この例では、光ファイバー５への入射光ビームは、図１（ａ）に示した、径偏光ビームである。図３（ａ）は全強度を表しており、中心が暗いドーナツ状の分布であることが分かる。図３（ｂ）から（ｄ）は、直線偏光板を通した後の強度分布であり、直線偏光板の向きを図３（ｂ）〜（ｄ）中の矢印で示してある。この時、入射光の出力は１１４ｍW、出射光の出力は１７２ｍWである。これより、光ファイバー５から出射されたビームが偏光および強度分布を保ったまま、出力が増大していることが分かる。
【００２２】
図３の例では増幅率が低いが、励起光の波長を発光体の吸収に一致させたり、励起光強度を強くしたりすることによって、増幅率は増大する。
【００２３】
入射する軸対称偏光ビームは、連続波またはパルス波のいずれであっても、同様に出力は増大する。
【００２４】
入射する軸対称偏光ビームが、径偏光ビームや方位偏光ビームなどの内のひとつであっても、あるいはそれらの内の複数であっても、同様に出力は増大する。
【００２５】
図３で示したように、使用する光ファイバー５が一本の場合でも出力は増大するが、さらに複数の光ファイバーを用いて、連続的に増幅を行えば、出力はさらに増大する。
【００２６】
光ファイバー５に含まれる発光体は、クラッドに含まれていても、出力光は増大する。あるいは軸対称偏光ビームが伝播するコアおよびクラッドの両者に含まれていても良い。
【００２７】
光ファイバー５に含まれる発光体は、軸対称偏光ビームが伝播するコアの一部に含まれていても出力光は増大する。例えば、図4に示すように、コア内の軸対称偏光ビームの強度が強い部分で発光体の濃度を高くなるようにすると、励起光を効率良く増幅に用いることができ、出力はさらに増大する。また、他の横モードの発振も抑制され、安定な軸対称偏光ビームの増幅が行なわれる。
【００２８】
光ファイバー５に含まれる発光体は、イッテルビウムイオンやエルビウムイオンでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態の光ビーム増幅装置の、軸対称偏光ビームとして代表的な（ａ）径偏光ビーム、（ｂ）方位偏光ビーム、（ｃ）ハイブリッドモードビームのビーム断面での偏光分布を示す分布図である。
【図２】本発明の実施の形態の光ビーム増幅装置を示す構成図である。
【図３】図２に示す光ビーム増幅装置の、径偏光ビームを光ファイバーに入射した時に出力されたビームの、ビーム断面での（ａ）全強度、（ｂ）第１の向きの直線偏光板を通した後の強度分布、（ｃ）第２の向きの直線偏光板を通した後の強度分布、（ｄ）第３の向きの直線偏光板を通した後の強度分布を示す分布図である。
【図４】図２に示す光ビーム増幅装置の、軸対称偏光ビームが伝播するコアの一部に発光体が含まれている場合の、（ａ）光ファイバーのコア断面図、（ｂ）コア部分の濃度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１  励起レーザー
２  波長選択ミラー
３  レンズ
４  軸対称偏光ビーム光源
５  光ファイバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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