(57)【要約】  発振器と、光増幅用ファイバを有する増幅器とを結合してなるＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器において、発振器と増幅器の間に、誘導ラマン散乱によって発振器側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバと、波長変換された光を取り除くフィルタとが設けられる。
2009004688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振器と、光増幅用ファイバを含む増幅器と、を含むＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器であって、
発振器と増幅器との間の光路上に設けられ、誘導ラマン散乱によって発振器側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバと、
発振器と増幅器との間の光路上に設けられ、波長変換された光を取り除くフィルタと、を含む光増幅器。
【請求項２】
前記フィルタは、ファイバグレーティング、光ファイバカプラ、誘電体多層膜フィルタ、エタロンフィルタからなる群から選択される１種または２種以上を含む請求項１記載の光増幅器。
【請求項３】
前記フィルタは、ファイバの曲げ損失を利用したもの、および／または、ファイバ中への不純物添加など導波路の波長依存損失を利用したものを含む請求項１記載の光増幅器。
【請求項４】
前記反射光波長変換用ファイバの長さとコア径は、反射光の尖塔値では波長を変換し、かつ増幅器への入射信号光の尖塔値では波長変換を行わない範囲に調整されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光増幅器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光増幅器を有する、ファイバレーザ。
【請求項６】
発振器と、光増幅用ファイバを含む増幅器と、を含むＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器における反射光による発振器の破損を防止する反射光除去方法であって、
発振器側に向かう高尖塔値の反射光を反射光波長変換用ファイバに導いて誘導ラマン散乱によって波長変換すること、および、
この波長変換された光をフィルタにより取り除くこと、を含む反射光除去方法。
【請求項７】
前記フィルタは、ファイバグレーティング、光ファイバカプラ、誘電体多層膜フィルタ、エタロンフィルタからなる群から選択される１種または２種以上を含む請求項６に記載の反射光除去方法。
【請求項８】
前記反射光波長変換用ファイバの長さとコア径は、反射光の尖塔値では波長を変換し、かつ増幅器への入射信号光の尖塔値では波長変換を行わない範囲に調整されている、請求項６又は７に記載の反射光除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振器と、光増幅用ファイバを有する増幅器とを結合してなるＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器に関する。特に、反射光による発振器の破損を防止することが可能な光増幅器、それを用いたファイバレーザ、ＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器における反射光除去方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、分析、測定、治療、加工などの光源としてファイバレーザが脚光を浴びている。このファイバレーザの中でも、特にパルスレーザは加工用、測定用の光源として広く用いられている。【０００３】
ファイバレーザでパルス発振のレーザを構成する場合、一般にＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator-Power Amp又は発振器＋増幅器）という構成を取ることが多い。このＭＯ−ＰＡ方式の利点は、発振器と増幅器を別々に構成できるために、部品点数の多い発振器には低出力用の光学部品を使用し、部品点数が少ない増幅器で大出力用の光学部品を用いることができる点にある。部品の使い分けが利点となるのは、大出力用の部品は一般に低出力用の部品と比較して高価であるからである。また、ＭＯ−ＰＡ方式の利点は、光学部品の損失によって利得に大きな影響を受ける増幅器を発振器と分けることで、全体としては効率的に高出力を得ることができる点にある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＭＯ−ＰＡ方式の高パワー光増幅器やファイバレーザは、反射光に弱いという欠点を有する。光増幅器やファイバレーザに戻ってきた反射光は、たとえそれが微弱な光であったとしても、装置内部のＰＡ部（増幅部）を逆向きに通過する際に増幅されて大きなパワーを持ち、このパワーのためにＭＯ部を破壊する虞れがあるからである。従来より、このようなパワーを抑制する手段として、光アイソレータが用いられる場合がある。しかし、光アイソレータは、レーザで使用するためには耐パワー性を有することが必要となり、一般に大きく、高価なものとなり、しかも光の損失も大きくなりがちであった。また、制御回路などを用いて反射光の影響を抑制する方法も発明者は検討したが、制御が複雑になるうえにすべての状況下で反射を抑制することは困難であった。【０００５】
そこで、本発明は、反射光による発振器の破損を防止することが可能な光増幅器、それを用いたファイバレーザ、ＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器における反射光除去方法を提供することを其の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１態様（aspect）は、発振器と、光増幅用ファイバを含む増幅器と、を含むＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器であって、発振器と増幅器との間の光路上に設けられ、誘導ラマン散乱によって発振器側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバと、発振器と増幅器との間の光路上に設けられ、波長変換された光を取り除くフィルタと、を含む。【０００７】
本発明の第２態様は、第１態様において、前記フィルタが、ファイバグレーティング、光ファイバカプラ、誘電体多層膜フィルタ、エタロンフィルタからなる群から選択される１種または２種以上を含む。【０００８】
本発明の第３態様は、第１態様において、前記フィルタが、ファイバの曲げ損失を利用したもの、および／または、ファイバ中への不純物添加など導波路の波長依存損失を利用したものを含む。
本発明の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれかにおいて、前記反射光波長変換用ファイバの長さとコア径は、反射光の尖塔値では波長を変換し、かつ増幅器への入射信号光の尖塔値では波長変換を行わない範囲に調整されている。【０００９】
本発明の第５態様は、ファイバレーザであって、第１態様〜第４態様のいずれかの光増幅器を有する。【００１０】
本発明の第６態様は、発振器と、光増幅用ファイバを含む増幅器と、を含むＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器における反射光による発振器の破損を防止する反射光除去方法であって、発振器側に向かう高尖塔値の反射光を反射光波長変換用ファイバに導いて誘導ラマン散乱によって波長変換すること、および、この波長変換された光をフィルタにより取り除くこと、を含む。【００１１】
本発明の第７態様は、第６態様において、前記フィルタが、ファイバグレーティング、光ファイバカプラ、誘電体多層膜フィルタ、エタロンフィルタからなる群から選択される１種または２種以上を含む。【００１２】
本発明の第８態様は、第６態様または第７態様において、前記反射光波長変換用ファイバの長さとコア径が、反射光の尖塔値では波長を変換し、かつ増幅器への入射信号光の尖塔値では波長変換を行わない範囲に調整されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光増幅器によれば、発振器側に向かう高尖塔値の反射光を反射光波長変換用ファイバに導いて誘導ラマン散乱によって波長変換した後、この波長変換された光をフィルタにより取り除くことにより、反射光による発振器の破損を防止することができる。
また、光増幅器から放射する光は、特別な処理が施されることがないため、すなわち、発振波長やパルス幅等が反射対策の影響を何も受けないため、従来の光増幅器の機能・特性を何ら損なうことがない。したがって、従来と同様のシステム設計を行うことができる。
また、反射光についても、制御回路には一切変更を加えることなく、光回路の構成のみで有害な高エネルギ（高パワー）のパルス光だけを取り除くことが可能である。また、波長変換は、制御不要であり、条件を満たせば原理的に１００％発生するので、制御に起因したエラーは発生しない。
また、部品点数も通常のファイバを数ｍ程度と長波長用フィルタを付け加えるのみなので、コストにも殆ど影響がない。出力に用いられる耐パワー性光アイソレータが５０万円程度であるのに対して、光ファイバとフィルタの価格は合計しても１万円程度であり、その差は歴然である。
これらの光部品は低損失光部品であり、しかもＰＡ部の前段に挿入するために、低損失であり長寿命である。例えば、光アイソレータを出力部につけた場合と比較すると、光出力の損失は１／５０以下（光アイソレータでは１０％以上の損失が発生するが本発明では０．２％以下である）であり、寿命は１０倍以上である。（光アイソレータの寿命は５万時間程度に対して本発明の部品はいずれも５０万時間以上）
また本発明を検討する段階で副次的な効果として、ＭＯ部出力光に含まれ、ＰＡ部で誘導ラマン散乱の種光となる波長の光が、本発明のフィルタによって取り除かれるため、ＰＡ部からビームが放射されるところまでの誘導ラマン散乱が発生しにくくなる。このため、従来はレーザ出力部のファイバ長さは誘導ラマン散乱が発生しない範囲に制約されていたが、本発明ではこの制約が大幅に緩和される。【００１４】
本発明のファイバレーザは、本発明の光増幅器を備えたものなので、前記光増幅器と同様の効果を得ることができる。【００１５】
本発明の反射光除去方法は、従来の光増幅器やファイバレーザに反射光波長変換用ファイバとフィルタを付設する簡単な改良によって、反射光による発振器の破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るファイバレーザの全体概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る反射光波長変換用ファイバにおける反射光の波長変換の様子を模式的に示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るフィルタの特性を模式的に示す図である。
【図４】計算によって求めた波長変換の様子を示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態に係るファイバレーザの全体概略構成図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  ファイバレーザ
２  ＭＯ部
３  ＰＡ部
４  反射光波長変換用ファイバ
５  フィルタ
６  被加工物
７  反射光
８  出力ファイバ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator-Power Amplifier又は発振器＋増幅器）方式の光増幅器やファイバレーザにおいて、ＰＡ（Power Amplifier）部で増幅された出力光を被加工物に照射した際に、反射してレーザ内部に戻る光の波長がレーザ発振の波長と同じであれば、有効に反射光だけを取り除くことは難しい。本発明では、この出射光波長の問題を、反射光のみを波長変換するという方法で実現している。【００１９】
以下、図面を参照して本発明の複数の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る光増幅器及びファイバレーザの一実施形態であるＭＯ−ＰＡ方式のファイバレーザの概略構造を示す構成図である。
本実施形態のファイバレーザ１は、発振部であるＭＯ（Master Oscillator）部２と、増幅部であるＰＡ部３と、ＭＯ部２とＰＡ部３との間のＰＡ部３側に誘導ラマン散乱によって発振器側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバ４と、ＭＯ部２側に波長変換された光を取り除くフィルタ５と、を含む。【００２０】
本発明において、反射光だけを波長変換する方法は、図１に示すようにファイバレーザ１内のＭＯ部２とＰＡ部３の間に、コアの実効断面積が適当な値に設定された反射光波長変換用ファイバ４を挿入し、このファイバ内部の誘導ラマン散乱によって反射光の中でも大きなピークパワーを有する光のみを波長変換する。【００２１】
図２に波長変換の様子を模式的に示す。本実施形態において、反射光の波長変換には誘導ラマン散乱を用いているので、波長は必ず長波長に変換される。変換時に変化する波長は、元の波長、材料によって様々であるが、たとえば、石英系ガラス中の波長＝１．０６μｍであれば、誘導ラマン散乱による変換後には波長＝１．１１μｍ〜１．１３μｍの光となる。
そして、変換された後の波長の光を取り除くフィルタ５をＭＯ−ＰＡ間のＭＯ部２側に設け、変換された光を除去する構成としている。一方、フィルタ５を通過したＭＯ出力光は、ピークパワーが小さいために、誘導ラマン散乱による波長変換の影響を受けない。【００２２】
図３に、このフィルタ５の透過特性を模式的に示す。戻ってきた反射光は、ＰＡ部３を通過してＭＯ部２を破壊できるほどの大きなパワーを持つ。この大きなパワーを有する反射光は、反射光波長変換用ファイバ４において波長変換され、波長変換された光がフィルタ５で取り除かれることになる。反射光の波長と変換光の波長は通常それぞれ０．０２μｍ以上離れており、安価なフィルタ素子で容易に分離することが可能である。【００２３】
フィルタ５としては、ファイバーグレーティング又はＷＤＭ（光ファイバ）カプラを用いることができ、また、誘電多層膜フィルタ、エタロンフィルタを用いることができる。あるいは、ファイバの曲げ加工によってフィルタ機能を与えられたものや、不純物の添加などによってフィルタ機能を与えられたものを用いることができる。【００２４】
本実施形態のファイバレーザ１において、ＭＯ部２から出力される発振光は、波長が異なるため、フィルタ５の影響を受けない。また、パワーが小さいために、反射光波長変換用ファイバ４において波長変換も受けない。このようにフィルタ５の影響も波長変換も受けない発振光は、ＰＡ部３に入射され、そこにおいて増幅され、其の後にレーザ外部に放射される。【００２５】
ところで、ＰＡ部３を通過後における反射光のうちのピークパワーが小さい反射光は、反射光波長変換用ファイバ４において波長変換されず、レーザ放射光と同じ波長のままである。従って、フィルタ５で除去されることなく通過し、ＭＯ部２に入射する。しかし、この入射光のパワーが小さいために、ＭＯ部２を破壊するまでには至らない。すなわち、実用上、問題とならない。【００２６】
ＭＯ部２とＰＡ部３との間に、誘導ラマン散乱によってＭＯ部側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバ４と、波長変換された光を取り除くフィルタ５とを設けた本実施形態のファイバレーザ１においては、ＭＯ部２側に向かう高尖塔値の反射光が反射光波長変換用ファイバ４によって波長変換され、この波長変換された光がフィルタ５によって取り除かれる。これにより、反射光によるＭＯ部２の破損の可能性を効果的に回避できる。
また、レーザから放射する光は、発振波長やパルス幅等に関して反射対策の影響を何も受けない。したがって、放射光の特性等に関して、従来のファイバレーザと同様に取り扱うことができる。
また、反射光についても、制御回路には一切変更を加えず、光回路の構成のみで有害な高エネルギーのパルス光だけを取り除くことを可能とした。また、波長変換は条件を満たせば原理的に１００％発生するので、制御に起因したエラーは発生しない。
また、部品点数も通常のファイバを数メートル程度と長波長用フィルタを付け加えるのみなので、僅かなコスト上昇で済む。
また、ＭＯ部２の出力光から誘導ラマン散乱によって変換される波長の光が取り除かれるため、レーザ出力部（ＰＡ部３からビームが放射されるところまで）での誘導ラマン散乱が発生しにくくなる。このため、従来はレーザ出力部のファイバ長さは誘導ラマン散乱が発生しない範囲に制約されていたが、本発明ではこの制約が大幅に緩和できる。【００２７】
本発明の反射光除去方法は、例えば図１に示すように構成されたファイバレーザ１において、発振器（ＭＯ部２）側に向かう高尖塔値の反射光を反射光波長変換用ファイバ４に導いて誘導ラマン散乱によって波長変換した後、この波長変換された光をフィルタ５により取り除くことを特徴としている。【００２８】
図１に示すように、ファイバレーザ１の出力ファイバ８端から出射された高尖塔値のレーザ光を、被加工物６に照射した場合、被加工物６からの反射光７が出力ファイバ８端からファイバレーザ１内に入る。この反射光７は、ファイバレーザ１の出力光と同じ波長である。反射光７は、ＰＡ部３を逆向きに進みながら増幅され、ＰＡ部３からＭＯ部２に向けて戻る際に、反射光波長変換用ファイバ４を通り、このファイバ内で誘導ラマン散乱によって波長変換される。長波長側に波長変換された光は、フィルタ５で反射、分岐又は吸収されることによって取り除かれ、ＭＯ部２には入射されない。
このように、本発明の反射光除去方法は、従来の光増幅器やファイバレーザに反射光波長変換用ファイバ４とフィルタ５を付設する簡単な改良によって、反射光による発振器の破損を効果的に防止することができる。【００２９】
さらに本発明の方法では、次のような付随的な効果が期待できる。ＭＯ部２の直後に長波長フィルタ５が入るため、ＭＯ部２を出射する光の成分のうち、長波長の成分が取り除かれる。通常、レーザ発振した光でも、発振波長周辺には僅かに自然放出光が含まれている。この自然放出光のうち長波長の成分はＰＡ部３で増大したレーザ光の誘導ラマン散乱を誘発する。従来のレーザでは、この誘導ラマン散乱があるためにＰＡ部３で増幅されてからレーザ外部に放射するまでの距離（ファイバ長さ）は大きな制約を受けていた。ところが、本発明では、自然放出光の長波長成分がフィルタ５によって大幅に減衰しているので、誘導ラマン散乱を誘発しにくくなる。よって、レーザ外部に放射するまでの距離（ファイバ長さ）の制約を大幅に緩和できる。【００３０】
本発明によれば、ハイパワーの光増幅器であれば、どのような波長の増幅器にも用いることができる。ファイバレーザのように高いパルスを出力する増幅器では特に有効であるが、近年の通信用高出力増幅器も尖塔値が大きくなってきており、本発明を適用する効果は大きい。
例えば、Ｅｒドープファイバなどで１５５０ｎｍの増幅を行えるときも本発明は有効である。この場合は、１６４０ｎｍ付近に誘導ラマン散乱による波長変換が起こるので、１５５０ｎｍを透過して１６４０ｎｍ付近を透過しないフィルタを用いることができる。
【実施例】
【００３１】
本発明にしたがい、ファイバレーザにおける反射光抑制を検証した。
ファイバレーザとして、１０６４ｎｍに発振波長を持つ、図１に示す構造のファイバレーザを用いた。励起波長として９７６ｎｍのＬＤを用い、励起の光出力は４０Ｗとした。このとき、レーザ出力は平均１８Ｗ、パルス尖塔値は最大６ｋＷであった。【００３２】
このファイバレーザ１のＭＯ部２とＰＡ部３の間に、反射光波長変換用ファイバ４として、コア直径５μｍのシングルモードファイバを２０ｍ挿入した。また、このシングルモードファイバとＭＯ部２との間に、１０６４ｎｍ透過率が０．１ｄＢ、１１１０〜１１８０ｎｍの透過率が３０ｄＢのファイバグレーティングを用いた長波長フィルタ５を挿入した。【００３３】
この状態で、レーザ出力の０．５％（尖塔値で３０Ｗ）を反射光７としてレーザ内部に向けて入射させた。このとき、反射光７はレーザ内部のＰＡ部３を逆向きに伝搬し、ＰＡ部３を通過した後には、尖塔値は３ｋＷに達していた。
本実施例で用いたＭＯ部２では、瞬間耐入力５００Ｗの部品を用いており、３ｋＷの光がそのまま入射すると、ＭＯ部２は破損する。しかし、反射光波長変換用ファイバ４を透過してきた光の波長を測定すると、１１２０ｎｍ±１５ｎｍと長波長側に波長変換されており、この波長変換された光は、フィルタ５で９９．９％が取り除かれ、ＭＯ部２が破損することはなかった。【００３４】
図４に、計算によって求めた波長変換の様子を示す。
本実施例では、３ｋＷの尖塔値のパルスを波長変換したが、図４のグラフから、反射光波長変換用ファイバ４の長さが８ｍ以上であれば、十分に波長変換されることがわかる。尖塔値がもう少し低く２ｋＷの場合は、ファイバ長が１１ｍ以上、尖塔値１ｋＷの場合はファイバ長が２０ｍ以上あれば、波長変換することが可能である。【００３５】
本実施例では、ＭＯ部２の耐パワー性と反射光強度の関係から、尖塔値５００Ｗ以上の光が透過できないように、コア径５μｍのシングルモードファイバ２０ｍを反射光波長変換用ファイバ４として用いた。しかし、例えばＭＯ部２の耐パワー性が低ければ、反射光波長変換用ファイバ４のコア径を小さくするか、ファイバ長さを延長する方が良い。ただし、コア径は前後の伝送用ファイバのコア径と極端に異なると接続損失が発生するので、直径で３μｍ以上２０μｍ以下の範囲とすることが望ましい。【００３６】
また、反射光波長変換用ファイバ４の長さは、長いほど低い尖塔値の光でも波長変換が可能となるので、長い方が望ましいが、ＭＯ部２から出力してくるパルスの光を実質上変換しない程度の長さにすることが好ましい。本実施例では、ＭＯ部２から出力されるパルス光は尖塔値として６０Ｗ以下であるので、ファイバ長として１００ｍ以下であることが望ましい。また仮にこの範囲であっても、反射光波長変換用ファイバが長くなると高い尖塔値の光は誘導ラマン散乱による波長変換を何度か受けて、より長波長にシフトしていくので、むやみに反射光波長変換用ファイバを長くすると、フィルタ５の阻止帯域を広く取る必要がある。従って、本実施例で示した通り、取り除きたい反射光尖塔値の最小値を目安に反射光波長変換用ファイバ４の長さを決定することが望ましい。【００３７】
図５に、本発明の別の実施形態に係るファイバレーザを示す。このファイバレーザは、図１に示すファイバレーザと同様の構成要素を備えて構成される。上記実施形態では、大きなピークの反射光のみを波長変換するように調整しているが、本実施形態では、弱い光も変換するようにファイバ長さの調整を行い、ＭＯ部２からの出力光と反射光の両方を波長変換する構成も可能である（図５参照）。この場合、フィルタ５の波長としては、元の波長に対して波長変換２回分だけ長波長にずれた波長に設定することになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2009004688.tif 000009
2009004688.tif 000010
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