(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被増幅光を出力する発光素子と、
前記被増幅光を入力し、複数の光に分岐する光分岐器と、
前記光分岐器により分岐された前記複数の光をそれぞれ入力し、個々に増幅する複数の最終段光増幅器と、
前記複数の最終段光増幅器それぞれにおいて増幅された前記複数の光を、個々に受光して、それぞれ出力する複数の光出射端と、を備え、
前記複数の最終段光増幅器のうち少なくとも２以上の最終段光増幅器で使用される増幅用光ファイバそれぞれは、出力光パワーが一致しないように、互いに異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有し、ＭＦＤに応じた光パワーを出力するように設定されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記複数の最終段光増幅器のうち前記分岐された複数の光それぞれを入力する有効な最終段光増幅器の数の変動に依存することなく前記有効な最終段光増幅器それぞれに入力される光のパワーが一定になるように、前記有効な最終段光増幅器の数に応じて、前記発光素子から出力される被増幅光のパワーを設定するパワー設定手段を有する請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
被増幅光を出力する発光素子と、
前記被増幅光を入力し、複数の光に分岐する光分岐器と、
前記光分岐器により分岐された前記複数の光をそれぞれ入力し、個々に増幅する複数の最終段光増幅器と、
前記複数の最終段光増幅器それぞれにおいて増幅された前記複数の光を、個々に受光して、それぞれ出力する複数の光出射端と、
前記複数の最終段光増幅器のうち前記分岐された複数の光それぞれを入力する有効な最終段光増幅器の数の変動に依存することなく前記有効な最終段光増幅器それぞれに入力される光のパワーが一定になるように、前記有効な最終段光増幅器の数に応じて、前記発光素子から出力される被増幅光のパワーを設定するパワー設定手段と
を備えたレーザ装置。
【請求項４】
前記複数の最終段光増幅器のうち少なくとも２以上の最終段光増幅器で使用される増幅用光ファイバそれぞれは、出力光パワーが一致しないように、互いに異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有し、ＭＦＤに応じた光パワーを出力するように設定されていることを特徴とする請求項３記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記複数の最終段光増幅器の増幅媒質は、Ｙｂ元素添加光ファイバであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記光分岐器と前記複数の最終段光増幅器の間の各光路上に、第１の光路長調整用光ファイバを配置することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載のレーザ装置。
【請求項７】
被増幅光を出力する発光素子と、
前記被増幅光を入力し、複数の光に分岐する光分岐器と、
前記発光素子と前記光分岐器の間に設けられた中間光増幅器と、
前記光分岐器により分岐された前記複数の光をそれぞれ入力し、個々に増幅する複数の最終段光増幅器と、
前記複数の最終段光増幅器それぞれにおいて増幅された前記複数の光を、個々に受光して、それぞれ出力する複数の光出射端と、
前記複数の最終段光増幅器のうち少なくとも２以上の最終段光増幅器で使用される増幅用光ファイバそれぞれは、出力光パワーが一致しないように、互いに異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有し、ＭＦＤに応じた光パワーを出力するように設定されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項８】
前記複数の最終段光増幅器のうち前記分岐された複数の光それぞれを入力する有効な最終段光増幅器の数の変動に依存することなく前記有効な最終段光増幅器それぞれに入力される光のパワーが一定になるように、前記有効な最終段光増幅器の数に応じて、前記発光素子又は前記中間光増幅器から出力される被増幅光のパワーを設定するパワー設定手段を有する請求項７記載のレーザ装置。
【請求項９】
被増幅光を出力する発光素子と、
前記被増幅光を入力し、複数の光に分岐する光分岐器と、
前記発光素子と前記光分岐器の間に設けられた中間光増幅器と、
前記光分岐器により分岐された前記複数の光をそれぞれ入力し、個々に増幅する複数の最終段光増幅器と、
前記複数の最終段光増幅器それぞれにおいて増幅された前記複数の光を、個々に受光して、それぞれ出力する複数の光出射端と、
前記複数の最終段光増幅器のうち前記分岐された複数の光それぞれを入力する有効な最終段光増幅器の数の変動に依存することなく前記有効な最終段光増幅器それぞれに入力される光のパワーが一定になるように、前記有効な最終段光増幅器の数に応じて、前記発光素子又は前記中間光増幅器から出力される被増幅光のパワーを設定するパワー設定手段と
を備えたレーザ装置。
【請求項１０】
前記複数の最終段光増幅器のうち少なくとも２以上の最終段光増幅器で使用される増幅用光ファイバそれぞれは、出力光パワーが一致しないように、互いに異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有し、ＭＦＤに応じた光パワーを出力するように設定されていることを特徴とする請求項９記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記中間光増幅器と前記複数の最終段光増幅器の増幅媒質は、Ｙｂ元素添加光ファイバであることを特徴とする請求項９又は１０記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記光分岐器と前記複数の最終段光増幅器の間の各光路上に、第１の光路長調整用光ファイバを配置することを特徴とする請求項９〜１１の何れか一項記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記中間光増幅器と前記光分岐器の間に第２の光路長調整用光ファイバを配置し、前記第２の光路長調整用光ファイバの長さは、ＳＲＳ閾値が問題ない範囲で設定されていることを特徴とする請求項１２記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記発光素子から前記複数の光出射端までのそれぞれの光路長は、最大と最小との差が１ｍ以下になるように設定されていることを特長とする請求項１〜１３の何れか一項記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光出力ポートとして複数の光出射端を備えたレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、パルスレーザ光（レーザ光を所定周期でパルス化しながら繰り返し出力することで得られる）を用いた加工技術が注目されており、加工用や医療用等の分野において高出力レーザ装置の需要が高まっている。各種レーザ装置の中でも特に注目されているレーザ装置として、光ファイバレーザが挙げられる。この光ファイバレーザは、Ｙｂ（イットリビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）等の希土類元素がコアに添加された増幅用光ファイバを光増幅媒体として採用している。この増幅用光ファイバ内に励起光が供給されると、増幅用光ファイバ内を伝搬する種光が増幅される。これにより、増幅用光ファイバからは、高パワーの増幅光を出力するか、あるいは、共振器構造を利用してレーザ発振させることによりレーザ光が出力される。光ファイバレーザの利点としては、例えば、レーザ光が光ファイバ内で閉じ込められていることからその扱いが容易である点や、熱放射性が良いことから大規模な冷却設備を必要とすることがない点などが挙げられる。
【０００３】
上述のように光ファイバレーザには、希土類元素添加光ファイバが適用されており、添加される希土類の中でもＹｂの変換効率が高いことから、特に、Ｙｂ添加光ファイバが高パワー出力用の増幅用光ファイバとして広く利用されている。Ｙｂも他の希土類元素と同じく、励起光を用いて励起される。一方、増幅用光ファイバ内で吸収しきれなかった励起光は増幅用光ファイバの他端から出射される。
【０００４】
光ファイバレーザの構成として、例えば、両端にファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）や、反射ミラーなどを利用した共振器構造が採用されている場合、共振器内に光スイッチや音響光学変調器（ＡＯＭ：Acoustic Optical Modulator）を配置することでパルス変調を行っている。また、特許文献１に記載されたようなＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型の光ファイバレーザは、被増幅光を出力する種光源（発光素子）を直接変調あるいは外部変調することでパルス変調を行い、得られた光パルスを増幅することで高パワー出力光を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０４２９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者らは、従来のレーザ装置について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、従来のレーザ装置を利用したレーザ加工では、レーザ光出力ポートとして複数の光出射端からのレーザ光供給を実現する場合、第1に、レーザ光出力ポートとして１つの光出射端を有するサブレーザ装置を数台並べる方法、第２に、レーザ光出力ポートとして複数の光出射端を用意し、最終段の光増幅器で増幅して得られた加工用レーザ光をミラーなどの光学素子を用いて分岐することにより、光出射端それぞれに分岐されたレーザ光を供給する方法が採用されてきた。
【０００７】
しかしながら、上記第1の方法では、パルスレーザ光を利用した加工の場合、レーザ装置を構成する複数のサブレーザ装置、特に各サブレーザ装置の光出射端間において、それぞれ出射されるレーザ光（光パルス）の位相差が発生・増大してしまうおそれがある。なお、光パルスの位相差は、発振器として機能する各サブレーザ装置自体のパルス動作に起因して生じるものである。加えて、複数のサブレーザ装置を並列配置することで構成されたレーザ装置では、その占有空間が拡大してしまう。また、出力ポート数に応じて、装置台数も増加し、消費電力が増大する。一方、上記第２の方法では、レーザ光出力ポートに到達する直前に加工用レーザ光を分岐するため、最終段光増幅器で、予め分岐前のレーザ光パワーを大幅に強める必要があり、ファイバの損傷や、非線形現象による出力減少が発生してしまうおそれがある。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、レーザ光出力ポートを構成する複数の光出射端それぞれからのレーザ光供給を可能にするための構造を備えるとともに、全体として、装置の大型化や低消費電力化の問題と最終段光増幅器でのハイパワー化の問題を解決するための構造を備えたレーザ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するため、本発明に係るレーザ装置は、発光素子と、光分岐器と、複数の最終段光増幅器と、複数の光出射端を備える。発光素子は、所定波長の被増幅光を出力する。光分岐器は、被増幅光を入力し、複数の光に分岐する。この分岐器が発光素子と複数の光出射端との間に配置されることにより、発光素子と複数の光出射端との間において多分岐光路が構成される。複数の最終段光増幅器は、それぞれが光分岐器の分岐線路に対応しており、光分岐器により分岐された光（分岐光）を個別に増幅する。そのため、これら複数の最終段光増幅器は、光分岐器と複数の光出射端との間の対応する光路上にそれぞれ配置される。複数の光出射端は、複数の最終段光増幅器と一対一に対応しており、それぞれ、対応する最終段光増幅器において増幅された増幅光を出力する。なお、各光増幅器に入射する被増幅光の波長は、基本的に同一である。
【００１０】
上述のように、本発明に係るレーザ装置によれば、光分岐器と複数の光出射端との間に、それぞれが複数の光出射端のいずれかに対応した複数の最終段光増幅器が配置されている。この構成では、分岐前の被増幅光パワーを過剰に増大させる必要がないので、分岐器前の光ファイバの非線形現象の発現の抑圧が可能になる。また、光分岐器の上流側、すなわち、パルス変調される発光素子側が共通しているため、その分だけ各光出射端での光パルスの位相差が低減し得る。
【００１１】
ただし、光出射端それぞれにおける出力光パワーを更に高くしたい場合、発光素子の出力を増加させるだけでは不十分なケースも十分考えられる。その場合、本願発明に係るレーザ装置は、発光素子と光分岐器との間の光路上に配置された中間光増幅器を備えてもよい。
【００１２】
上述のような構造を有する、本発明に係るレーザ装置において、発光素子から複数の光出射端までの光路長それぞれは、最大光路長と最小光路長との差が１ｍ以下になるように設定されるのが好ましい。この構成は、複数の光出射端から出力される光パルスの位相差を低減する上で、より好ましい。
【００１３】
本願発明に係るレーザ装置に適用可能な種々の構成として、光分岐器と複数の最終段光増幅器の間のそれぞれ光路上に、第１の光路長調整用光ファイバが配置されてもよい。また、中間光増幅器と複数の最終段光増幅器それぞれの増幅媒質は、Ｙｂ元素添加光ファイバであってもよい。発光素子と光分岐器との間の光路上に中間光増幅器が配置される構成において、当該レーザ装置は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Stimulated Raman Scattering）の影響を低減するため、中間光増幅器と光分岐器との間に配置された第２の光路長調整用光ファイバを備えてもよい。第２の光路長調整用光ファイバの長さは、ＳＲＳ閾値が問題ない範囲で設定されるのが好ましい。デリバリ用光ファイバ同様、第２の光路長調整用光ファイバでも高パワーの光が入力されるので、この場合、第２の光路長調整用光ファイバの長さ調節が重要にある（長さが長いとＳＲＳが問題になるおそれがある）。
【００１４】
光分岐器の上流側に中間光増幅器が配置される一方、光分岐器の下流側に複数の最終段光増幅器が配置された構成において、これら複数の最終段光増幅器は常時増幅動作を行っているわけではない。すなわち、当該レーザ装置の動作中、増幅動作を行っている有効な最終段光増幅器（光分岐器により被増幅光として分岐された分岐光が入力されている最終段光増幅器）のグループと、増幅動作を行っていない無効な最終段光増幅器（分岐光が入力されていない最終段光増幅器）のグループとが存在し、その割合は変動する可能性がある。したがって、複数の最終段光増幅器のうち分岐光を入力する有効な最終段光増幅器（増幅動作を行っている最終段光増幅器）の数の変動に依存することなく、有効な最終段光増幅器それぞれに入力される光のパワーは、一定であるのが好ましい。そのため、本発明に係るレーザ装置は、増幅動作を行っている有効な最終段光増幅器の数に応じて、発光素子又は中間光増幅器から出力される被増幅光のパワーを設定するパワー設定手段を、備えるのが好ましい。
【００１５】
本発明に係るレーザ装置において、複数の最終段光増幅器のうち少なくとも２以上の最終段光増幅器で使用される増幅用光ファイバそれぞれは、出力光パワーが一致しないように、互いに異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有してもよい。この場合、光出射端ごとに所望のパワーの加工用出力光を得ることが可能になる。
【００１６】
本発明に係るレーザ光源は、発光素子を含む光源と光分岐器が光増幅器を介することなく光学的に接続された構成を有してもよい。この場合、本発明に係るレーザ装置は、光源と、光分岐器と、複数の最終段光増幅器と、複数の光出射端と、複数の第１の光路長調整用光ファイバと、複数のデリバリ用光ファイバを備える。光源は、被増幅光を出力する。光分岐器は、光源から出力された被増幅光を分岐する光学部品であって、光源と複数の最終段光増幅器との間で多分岐光路を構成する。複数の最終段光増幅器は、光分岐器と複数の光出射端との間に位置する複数の分岐線路に対応して設けられており、それぞれ、対応する分岐光を増幅する。複数の光出射端は、複数の最終段光増幅器に一対一に対応して設けられており、それぞれは、対応する最終段光増幅器で増幅された増幅光を出力する。上述の構成において、複数の第１の光路長調整用光ファイバは、光分岐器と複数の最終段光増幅器との間の分岐線路上に、それぞれ配置される。また、複数のデリバリ用光ファイバは、複数の最終段光増幅器と複数の光出射端とを一対一に接続させるよう、それぞれ配置されている。
【００１７】
上述のように、光源と光分岐器が光増幅器を介することなく光学的に接続された構成において、光源は、被増幅光を出力する発光素子と、この発光素子から出力された被増幅光を光分岐器へ導く第２の光路長調整用光ファイバとを含んでもよい。なお、光分岐器の分岐線路にそれぞれ対応して設けられた複数の最終段光増幅器のうち増幅動作を行う有効な最終段光増幅器の数が多くなる場合、光源は、上述の中間光増幅器として、発光素子と第２の光路長調整用光ファイバとの間に設けられた別の光増幅器を含んでもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、種光源である発光素子の数が、レーザ構成最終段の光増幅器の数よりも少ない構成を備えるため、最終段以外の光増幅器及び被増幅光源の数を減らすことができ、省スペース化および低消費電力化が可能になる。
【００１９】
複数の光出射端それぞれにレーザ光を供給する光分岐器の下流側に、複数の光出射端それぞれに対応した複数の最終段光増幅器を配置したことにより、分岐前のレーザ光パワーを増大させる必要がないため、装置全体として非線形現象の影響低減が可能になる。
【００２０】
複数の光出射端に対して光分岐器の上流側の構成（種光源を含む）が共通化されているため、分岐以降の光路長を調整・設定することで、光出射端から出力される光パルス間の位相差が効果的に低減される。また、光分岐器と最終段光増幅器との間の光路長調整用光ファイバで光路長を調整することで、最終段光増幅器以降のデリバリ用光ファイバで光路長を必要以上に長くすることがないので、その分非線形現象の影響を受けづらくしている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１比較例に係るレーザ装置（光ファイバレーザ）の構成を示す図である。
【図２】増幅用光ファイバの断面構造を示す図及びその屈折率プロファイルである。
【図３】増幅用光ファイバの吸収断面積及び放出断面積それぞれの波長依存性を示すグラフである。
【図４】デリバリ用光ファイバの断面構造を示す図及びその屈折率プロファイルである。
【図５】コンバイナの構成を説明するための図である。
【図６】第２比較例に係るレーザ装置（光ファイバレーザ）の構成を示す図である。
【図７】第３比較例に係るレーザ装置（光ファイバレーザ）の構成を示す図である。
【図８】第１比較例に係るレーザ装置における平均出力５Ｗの種光パルスおよび平均出力１０Ｗの種光パルスそれぞれの増幅特性を示す。
【図９】第２比較例に係るレーザ装置において発生する光パルスの位相差を説明するための図である。
【図１０】第３比較例に係るレーザ装置の各部におけるパルスレーザ光のスペクトルである。
【図１１】本発明に係るレーザ装置（光ファイバレーザ）の第１実施形態の構成を示す図である。
【図１２】最終段光増幅器の種々の構成例を示す図である。
【図１３】第１実施形態に係るレーザ装置の光出射端におけるパルスレーザ光と、第３比較例に係るレーザ装置の光出射端におけるパルスレーザ光スペクトルである。
【図１４】本発明に係るレーザ装置（光ファイバレーザ）の第２実施形態の構成を示す図である。
【図１５】本発明に係るレーザ装置（光ファイバレーザ）の第３実施形態の構成を示す図である。
【図１６】第２及び第３実施形態に係るレーザ装置における光分岐器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係るレーザ装置の各実施形態を、図１〜図１６を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２３】
以下の説明では本実施形態と対比されるべき比較例について説明した後に、比較例と対比しつつ本実施形態及び変形例について説明する。
【００２４】
（第１比較例）
図１は、本発明のレーザ装置における基本的な構成要素を含む第１比較例に係るレーザ装置（光ファイバレーザ）の構成を示すものであって、具体的にはＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザの構成を示す。すなわち、この第１比較例に係る光ファイバレーザ１００は、レーザ光出力ポートとして単一の光出射端を有する光ファイバレーザの構造を備える。図１（ａ）において、第１比較例に係る光ファイバレーザ１００は、発光素子である種光源４１と、変調器５１、中間光増幅器ＡＭＰ０と、最終段光増幅器ＡＭＰ１と、デリバリ用光ファイバ１１と、光出射端７０を備える。最終段光増幅器ＡＭＰ１は、増幅用光ファイバ１０、コンバイナ２０、励起光源３１および光ファイバ３２を備える。また、中間光増幅器ＡＭＰ０も基本的には最終段光増幅器ＡＭＰ１と同様の構造を備え、増幅用光ファイバ６１を備える。図１（ａ）に示したように、種光源４１は、電気信号線５２を介して変調器５１に接続されており、種光源４１に対して変調器５１が内蔵する所定の基本パルス変調パターンに従って直接変調することで、種光パルス（被増幅光としてのパルスレーザ光）が繰り返し生成される。なお、変調器５１における基本パルス変調パターンの設定の操作は、手動でもよいし、外部トリガー信号線を介してでもよい。なお、この明細書において、各図に示された記号「×」は、接続点を意味し、例えば光ファイバ間を融着等により接続する場合、ファイバ融着接続点を意味する。
【００２５】
光ファイバレーザ１００では、光ファイバ３２を通過した励起光源３１からの励起光と、光ファイバ４２及び光アイソレータ６１を通過した種光源４１からの種光パルスが、コンバイナ２０により合波される。コンバイナ２０からの合波光は、増幅用光ファイバ１０の一端に入射される。なお、励起光源３１は、図１（ｂ）に示されたように、所定波長の励起光を、コンバイナ２０を介して増幅用光ファイバ１０に供給する複数のレーザダイオード（ＬＤ１〜ＬＤ６）（個数は必要に応じて決定）により構成されてもよい。
【００２６】
合波された励起光及び種光パルスが伝搬する増幅用光ファイバ１０内では、増幅用光ファイバ１０に添加された希土類元素（Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｔｂなど）が励起光により励起されることにより、種光パルスが増幅される。そして、増幅用光ファイバ１０において増幅された種光パルスは、増幅用光ファイバ１０の他端で融着接続されたデリバリ用光ファイバ１１を通過した後、光出射端７０から外部へ出力される。
【００２７】
例えば、増幅用光ファイバ１０は、図２（ａ）及び２（ｂ）に示すような断面構造及び屈折率プロファイルを有する。すなわち、増幅用光ファイバ１０は、図２（ａ）に示すように、所定軸に沿って伸びた、所定の屈折率を有するコア１０ａと、コア１０ａの外周に設けられた、コア１０ａよりも低い屈折率を有する第１クラッド１０ｂと、第１クラッド１０ｂの外周に設けられた、第１クラッド１０ｂよりも低い屈折率を有する第２クラッド１０ｃを備える。図２（ｂ）は、増幅用光ファイバ１０の径方向Ｌ１（増幅用光ファイバ１０の光軸に直交する方向）に沿った屈折率プロファイル１５０を示す。領域１５１は、コア１０ａの径方向Ｌ１に沿った屈折率、領域１５２は、第１クラッド１０ｂの径方向Ｌ１に沿った屈折率、領域１５３は、第２クラッド１５３の径方向Ｌ１に沿った屈折率をそれぞれ示す。コア１０ａ、第１クラッド１０ｂ、第２クラッド１０ｃは、ダブルクラッド構造を構成する。コア１０ａは、種光パルスをシングルモード伝搬させ、第１クラッド１０ｂは励起光をマルチモード伝搬させる。コア１０ａには、希土類元素としてＹｂが添加されており、種光パルスはコア１０ａ内で増幅される。
【００２８】
増幅用光ファイバ１０における励起光吸収は、増幅用光ファイバ１０の特性により決定され、主に、モードフィールド径（ＭＦＤ）、第１クラッド１０ｂの外径、及び、コア１０ａにおける希土類元素添加濃度の調整により変化する。図３は、Ｙｂ添加光ファイバの吸収断面積及び放出断面積それぞれの波長依存性を示す。グラフＧ３１０は吸収断面積を示し、グラフＧ３２０は、放出断面積を示す。このＹｂ添加光ファイバ（増幅用光ファイバ１０に相当）は、Ｙｂ添加量が１００００ｐｐｍ、ＭＦＤが７μｍ、第１クラッド１０ｂの外径が１３０μｍ、長さ５ｍで、励起波長９１５ｎｍ波長帯において約２．４ｄＢの励起光が吸収される。なお、励起光の波長帯は、９４０ｎｍ帯や９７５ｎｍ帯であってもよいが、添加される希土類元素の種類によって異なる。
【００２９】
励起光源３１は、上述のように単一のレーザダイオードで構成されても、また、図１（ｂ）に示すように複数のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６により構成されてもよい。励起光源３１から出力される励起光の波長は９１５ｎｍ帯、９４０ｎｍ帯または９７５ｎｍ帯である。種光源４１は、例えばＬＤ、ＶＣＳＥＬなどの発光素子である。変調器５１は、電気信号線５２を介して種光源４１に駆動用電気信号を印加することで、種光源４１を直接変調する（パルス変調）。種光源４１から出力される種光パルスの波長は、１０３０ｎｍ〜１１３０ｎｍの波長範囲内にあり、例えば１０６０ｎｍである。なお、パルス変調は、外部変調であってもよい。
【００３０】
励起光源３１とコンバイナ２０との間に設けられた光ファイバ３２及びデリバリ用光ファイバ１１のそれぞれは、図４に示したような断面構造及び屈折率プロファイルを有する。なお、図４には、光ファイバ３２の断面構造および屈折率プロファイルだけ示されているが、デリバリ用光ファイバ１１も同様の断面構造および屈折率プロファイルを有する。すなわち、図４（ａ）に示すように、光ファイバ３２、１１は、所定軸沿って伸びた、所定の屈折率を有するコア３２ａと、コア３２ａの外周に設けられた、コア３２ａよりも低い屈折率を有するクラッド３２ｂを備える。また、図４（ｂ）は、光ファイバ３２の径方向Ｌ２（光ファイバ３２の光軸に直交する方向）に沿った屈折率プロファイル３２０であり、領域３２１は、コア３２ａの径方向Ｌ２に沿った屈折率、領域３２２は、クラッド３２ｂの径方向Ｌ２に沿った屈折率をそれぞれ示す。なお、コア３２ａは、励起光源３１から出力された励起光をマルチモード伝搬する。
【００３１】
図５は、コンバイナ２０の構成を示す。この図５に示したコンバイナ２０は、一方の側に複数（図５の例では７個）の光入出力ポートＰ１〜Ｐ７を有し、他方の側に共通ポートＰ０を有する。コンバイナ２０は、光入出力ポートＰ１〜Ｐ７に入力された光を合波し、共通ポートＰ０から出力する。逆に、コンバイナ２０は、共通ポートＰ０に入力された光を分岐し、分岐光それぞれを光入出力ポートＰ１〜Ｐ７から出力する。
【００３２】
コンバイナ２０の共通ポートＰ０側の光ファイバは、増幅用光ファイバ１０と同様のダブルクラッド構造を有し、増幅用光ファイバ１０に接続される。光入出力ポートＰ１は、光ファイバ４２を介して種光源４１に光学的に接続される。光入出力ポートＰ２は、光ファイバ３２を介して励起光源３１に光学的に接続される。なお、励起光源３１からの励起光の入力ポートは、図１（ａ）では１つだけを示したが、図１（ｂ）に示すように、他の光入出力ポートＰ３〜Ｐ７も、他の光ファイバを介して他の励起光源ＬＤ１〜ＬＤ６に光学的に接続されてもよい。
【００３３】
（第２および第３比較例）
レーザ出力ポートとして２つの光出射端を用意し、各光出射端からそれぞれ５Ｗのレーザ光供給を実施する場合、図１（ａ）に示す光ファイバレーザ１００と同一構造をそれぞれ有する２つの光ファイバレーザを用意し、それぞれの光ファイバレーザから５Ｗのレーザ光を出力させる構成（第２比較例）と、レーザ光出力ポート側において１０Ｗのレーザ光を２分岐し、２つの光出射端それぞれから５Ｗのレーザ光を出力する構成（第３比較例）が考えられる。なお、図６は、第２比較例に係るレーザ装置（光ファイバレーザ）の構成を示す図であり、図７は、第３比較例に係るレーザ装置（光ファイバレーザ）の構成を示す図である。
【００３４】
図６に示すように、第２比較例に係る光ファイバレーザ１１０は、サブレーザ装置として、それぞれが図１（ａ）の光ファイバレーザ１００と同一構造を有するレーザ１およびレーザ２が並列配置されることにより構成されている。また、レーザ１は光路長Ｌ１０を有する一方、レーザ２は光路長Ｌ２０を有する。レーザ１およびレーザ２のいずれにおいても、光路長は、種光源４１における種光パルスの出射端面から光出射端７０における出射端面までの距離（実質的には、種光源４１から光出射端７０までのファイバ長）で規定される。
【００３５】
第３比較例に係る光ファイバレーザ１２０は、図７に示すように、レーザ光出力ポート側の構造を除き、図１（ａ）の光ファイバレーザ１００と同一構造を有する。すなわち、第３比較例に係る光ファイバレーザ１２０では、レーザ光出力ポートが、最終段光増幅器ＡＭＰ１から出力されたレーザ光（加工用レーザ光）を２分岐するための光カプラ２１と、２つの光出射端７０ａ、７０ｂと、光カプラ２１と２つの光出射端７０ａ、７０ｂそれぞれを光学的に接続するためのデリバリ用光ファイバ１１ａ、１１ｂにより構成されている。
【００３６】
図１（ａ）の光ファイバレーザ１００においてパルス幅５ｎｓ、繰り返し周波数１００ｋＨｚでパルス変調させたときの、平均出力５Ｗの種光パルスおよび平均出力１０Ｗの種光パルスそれぞれの増幅特性を図８に示す。この図８において、グラフＧ８１０は平均出力１０Ｗの種光パルスの増幅特性であって、約３５ｋＷのパルスピークを有する。一方、グラフＧ８１０は、平均出力５Ｗの種光パルスの増幅特性であって、約１７ｋＷのパルスピークを有する。平均出力１０Ｗおよび５Ｗいずれの種光パルスの増幅特性もパルスピークはほぼ一致することが分かる。
【００３７】
第２比較例に係る光ファイバレーザ１１０（図６）では、同一構造を有するレーザ１およびレーザ２が並列配置されるため、その設置空間が光ファイバレーザ１００の２倍以上必要になる。また、レーザ１およびレーザ２間において、光路長Ｌ１０と光路長Ｌ２０の差や、種光パルスとしてレーザ光をパルス化する変調器５１の位相差が影響する。そのため、レーザ１の光出射端７０とレーザ２の光出射端７０との間では、光パルスの位相差が発生してしまうおそれがあり、加工時の位置精度のずれが大きくなってしまう。例えば、レーザ１の光路長Ｌ１０とレーザ２の光路長Ｌ２０との差が１ｍの場合、図９に示すように、出力される光パルスには５ｎｓの伝搬遅延（遅延差）が生じ、レーザ１の光出射端とレーザ２の光出射端７０間において光パルスの位相差が発生してしまう。なお、図９は、第２比較例に係る光ファイバレーザ１１０において発生する光パルスの位相差を説明するための図である。
【００３８】
第３比較例に係る光ファイバレーザ１２０（図７）では、上述のようなレーザ１の光出射端７０とレーザ２の光出射端７０との間での光パルスの位相差は軽減される。しかしながら、装置全体として、この第３比較例に係る光ファイバレーザ１２０では、消費電力の増大を招く可能性がある。また、平均出力１５Ｗのレーザ光をパルス化した際に、非線形現象が大きく発現してしまい、所定のパルスピークが得られない可能性がある。平均出力１５Ｗの種光パルスが伝搬する各部（図７において、矢印Ａおよび矢印Ｂでそれぞれ示す部位）で発生する非線形現象が図１０に示すように光ファイバレーザ１２０における各部に伝搬してしまう。そのため、第３比較例に係る光ファイバレーザ１２０では、非線形現象によるレンズ色収差、波長損失特性が問題となる。なお、図１０は、第３比較例に係るレーザ装置の各部におけるパルスレーザ光のスペクトルである。また、図１０において、Ｇ１０１０は、第３比較例に係る光ファイバレーザ１２０（図７）において、矢印Ａで示された最終段光増幅器ＡＭＰ１の出射端における光パルスのスペクトルを示し、Ｇ１０２０は、矢印Ｂで示された光出射端７０における光パルスのスペクトルを示す。
【００３９】
（第１実施形態）
本発明に係るレーザ装置の第１実施形態について説明する。図１１は、第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００の構成を示す図である。この光ファイバレーザ２００は、レーザ光出力ポートして複数の光出射端を有するとともに、光出射端それぞれに対して一対一に対応する複数の最終段光増幅器を備える。すなわち、図１１において、第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００は、発光素子である種光源４１と、変調器５１、中間光増幅器ＡＭＰ０と、光分岐器８０と、第１の光路長調整用光ファイバ８２と、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２と、デリバリ用光ファイバ１１ａ、１１ｂと、光出射端７０ａ、７０ｂを備える。なお、中間光増幅器は、１段では増幅パワーが不足する場合は、多段に構成しても良い。
【００４０】
上述の種光源４１と、変調器５１、中間光増幅器ＡＭＰ０については、図１（ａ）の光ファイバレーザ１００と同様の構造を有する。すなわち、この第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００においても、中間光増幅器ＡＭＰ０は増幅用光ファイバ６１を備える。また、図１（ａ）の光ファイバレーザ１００と同様に、種光源４１は、電気信号線５２を介して変調器５１に接続されており、種光源４１に対して変調器５１が内蔵する所定の基本パルス変調パターンに従って直接変調することで、種光パルス（被増幅光としてのパルス光）が繰り返し生成される。変調器５１における基本パルス変調パターンの設定の操作は、手動でもよいし、外部トリガー信号線を介してでもよい。このように、第１実施形態では、種光源４１および中間光増幅器ＡＭＰ０は図１（ａ）の光ファイバレーザ１００と同様の構造を有するが、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２は必要な光出射端７０ａ、７０ｂの数だけ準備されている。なお、この第１実施形態では、中間光増幅器ＡＭＰ０からの種光パルスを光分岐器８０で分岐し、それぞれ分岐された種光パルス（分岐光）が第１の光路長調整用光ファイバ８２を介して最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２のそれぞれに供給される。当該光ファイバレーザ２００における出力パワーは、１光出射端当り５Ｗである。また、この第１実施形態では、種光源４１と変調器５１により光源Ｓが構成される。
【００４１】
光分岐器８０の下流側に位置する一方の分岐線路の構成要素（第１の光路長調整用光ファイバ８２、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、デリバリ用光ファイバ１１ａ、光出射端７０ａ）と、他方の分岐線路の構成要素（第１の光路長調整用光ファイバ８２、最終段光増幅器ＡＭＰ１２、デリバリ用光ファイバ１１ｂ、光出射端７０ｂ）も、第１の光路長調整用光ファイバ８２、を除き、図１（ａ）の光ファイバレーザ１００における最終段光増幅器ＡＭＰ１、デリバリ用光ファイバ１１、光出射端７０それぞれと同様の構造を有する。第１の光路長調整用光ファイバ８２それぞれは、デリバリ用光ファイバ１１と同様の構造を有する。
【００４２】
光出射端７０ａ、７０ｂの数は、種光源４１の数よりも多い。また、光分岐器８０は、種光源４１発光素子からのレーザ光を複数の光出射端それぞれに供給するため、種光源４１に対応した入力ポートと、光出射端７０ａ、７０ｂそれぞれに対応した出力ポートを有する２分岐光カプラ８１を含む。この光分岐器８０は、種光源４１と光出射端７０ａ、７０ｂそれぞれとを光学的に結合する光路の一部を構成する。最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２は、光出射端７０ａ、７０ｂのいずれかに対応しており、光出射端７０ａ、７０ｂのうち対応する一方と光分岐器８０との間の光路上にそれぞれ配置されている。
【００４３】
最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２のそれぞれは、互いに異なる構造を備えてもよく、また、同じ構造を備えてもよい。なお、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２の構造としては、例えば図１２に示す種々の構造が適用可能である。
【００４４】
例えば、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２の少なくとも一方は、図１（ａ）の最終段光増幅器ＡＭＰ１と同様の構造（図１２（ａ）に示す前方励起を実現する構造）を備えてもよい。すなわち、この前方励起を実現する最終段光増幅器ＡＭＰ１ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、増幅用光ファイバ１０、コンバイナ２０、励起光源３１および光ファイバ３２を備える。増幅用光ファイバ１０は、図２に示す断面構造および屈折率プロファイル１５０を有する。コンバイナ２０は、図５に示す構造を有する。励起光源３１は、図１（ｂ）に示すように複数のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６で構成されてもよい。また、光ファイバ３２は、図４に示す断面構造および屈折率プロファイル３２０を有する。
【００４５】
最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２の少なくとも一方は、図１２（ｂ）に示す後方励起を実現する構造を備えてもよい。すなわち、この後方励起を実現する最終段光増幅器ＡＭＰ１ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、増幅用光ファイバ１０、コンバイナ４０、励起光源３３および光ファイバ３４を備える。励起光源３３は、単一のレーザダイオードで構成されてもよく、また、図１（ｂ）に示すように複数のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６で構成されてもよい。コンバイナ４０は、コンバイナ２０と同様に、図５に示す構造を有する。ただし、コンバイナ４０では、共通ポートＰ０が増幅用光ファイバ１０の光出射端に接続される一方、入出力ポートＰ１が対応するデリバリ用光ファイバに接続される。他の入出力ポートＰ２〜Ｐ７は、用意された励起光源３１（単一のレーザダイオード又は複数のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６）にそれぞれ接続される。光ファイバ３４は、光ファイバ３２と同様に、図４に示す断面構造および屈折率プロファイル３２０を有する。
【００４６】
最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２の少なくとも一方は、図１２（ｃ）に示す双方向励起を実現する構造を備えてもよい。すなわち、この双方向励起を実現する最終段光増幅器ＡＭＰ１ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、コンバイナ２０、励起光源３１、光ファイバ３２、増幅用光ファイバ１０、コンバイナ４０、励起光源３３および光ファイバ３４を備える。励起光源３１と励起光源３３のそれぞれは、上述のように同じ構造を有する。コンバイナ２０とコンバイナ４０のそれぞれも、同じ構造を有する。光ファイバ３２と光ファイバ３４のそれぞれも、同じ断面構造および屈折率プロファイル３２０を有する。
【００４７】
上述のように構成された、第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００によれば、光照射端７０ａ、７０ｂ間における光パルスの位相差の低減、消費電力の抑圧、および、光照射端７０ａ、７０ｂ間における非線形閾値の抑圧を可能にする。
【００４８】
以下、１光出射端当りの平均出力、パルスピークを揃えた構成に関して、第１実施形態の構成と、上述の各比較例の構成とを比較する。従来の構成と本発明の構成を比較する。
【００４９】
占有空間に関し、第２比較例に係る光ファイバレーザ１１０（図６）は、用意されるサブレーザ装置（レーザ１、レーザ２）の台数分だけ占有空間を必要とする。一方、レーザ光出力ポートとしての光出射端の数が増加するほどその占有面積も大きくなるため、光１実施形態に係る光ファイバレーザ２００の占有面積は、第１比較例に係る光ファイバレーザ１００（図１）よりも増加するが、第２比較例に係る光ファイバレーザ１１０（図６）よりも抑えられる。
【００５０】
消費電力に関し、光源Ｓ（種光源４１）１個のみの消費電力で計算すると、第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００の消費電力は、約４８Ｗ、第２比較例に係る光ファイバレーザ１１０（図６）では約４７Ｗ、第３比較例に係る光ファイバレーザ１２０(図７)では約６４Ｗになる。第２比較例では、ポート数に応じて種光源の個数が増加するので、光源部分の消費電力が増加する。種光源数が同じ、第１実施形態と第３比較例と比較すると、第1実施形態の消費電力は約２５％抑圧することができる。これは、第３比較例に係る光ファイバレーザ１２０の場合、高出力化のために励起光源部分の電流、温度制御の負荷が大きくなるためである。
【００５１】
非線形現象の発現に関し、第２比較例に係る光ファイバレーザ１１０（図６）と第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００とで、非線形現象の発現具合に差異はない。ただし、第３比較例に係る光ファイバレーザ１２０（図７）と第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００との比較結果を図１３に示す。この図１３は、パルス動作状態において、同じ平均出力(１光照射端当り５Ｗ)、同じパルスピーク（１光照射端当り約１５ｋＷ）でのスペクトルを示す。なお、図１３において、Ｇ１３１０は、第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００のスペクトル、Ｇ１３２０は、第３比較例に係る光ファイバレーザ１２０のスペクトルを示す。図１３に示す比較結果から、第１実施例の構成では非線形現象、つまりＳＲＳが抑圧される一方、第３比較例の構成ではＳＲＳが大きく発現することが分かる。したがって、ＳＲＳにより、レンズ色収差、波長損失特性が問題となってきた場合、本発明の構成は有利となる。
【００５２】
レーザ光出力ポートを構成する光出射端間における光パルスの位相差について言及すれば、パルス幅が数ｎｓオーダーで変調される場合、光出射端間における光パルスの位相差も数ｎｓレベルで調整する必要がある。種光源から各光出射端までの光路を構成する光ファイバ内の光伝搬を考えると、１ｍの光路長間で約５ｎｓ位相がずれる。この第１実施形態の構成では、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２のみで光出射端７０ａ、７０ｂ間における光パルスの位相差が決定されるため、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２のそれぞれにおける光路長（ファイバ長）を調整することで光パルスの位相差を吸収させることができる。例えば、第１実施形態の構成において、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２それぞれにおけるファイバ全長は約５ｍであり、ファイバ長の調整は容易である。これに対し、第２比較例の構成（図６）では、レーザ１における全ファイバ長と、レーザ２における全ファイバ長で光出射端７０それぞれから出力される光パルスの位相差が決まるため、ファイバ長の調整、レーザ１およびレーザ２間での変調器５１の位相調整が必要であり、調整作業の困難さが増してしまう。また、第２比較例の構成では、レーザ１およびレーザ２それぞれにおける全ファイバ長は約５０ｍであり、光パルスの位相差に影響する全ファイバ長に対する１ｍのファイバ長調整の割合は、第２比較例と第１実施形態とでは一桁程度異なることからも、第２比較例における調整作業の困難さが増大することは明白である。
【００５３】
（第２実施形態）
図１４は、本発明に係るレーザ装置（光ファイバレーザ）の第２実施形態の構成を示す図である。この第２実施形態に係る光ファイバレーザ２１０は、１つの光源Ｓ（発光素子である種光源４１と変調器５１を含む）、中間光増幅器ＡＭＰ０、光分岐器８０、２つの最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２が並列に配置された増幅ユニットＵ、光出射端７０ａ、７０ｂを備えた点において、上述の第１実施例と同様である。また、第２実施形態に係る光ファイバレーザ２１０も、第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００と同様に、光分岐器８０と最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２の間の分岐線路上に配置された第１の光路調節用光ファイバ８２と、一対一に対応している最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２と光出射端７０ａ、７０ｂの間に配置されたデリバリ用光ファイバ１１ａ、１１ｂを備える。
【００５４】
第２実施形態に係る光ファイバレーザ２１０は、第２の光路長調整用光ファイバ８３と、バンドパスフィルタ８４と、パワー設定手段３００を備えた点で、第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００と異なる。
【００５５】
第２の光路長調整用光ファイバ８３の長さは、ＳＲＳ閾値が問題ない範囲で設定されるのが好ましい。また、パワー設定手段は、増幅動作を行っている有効な最終段光増幅器（光分岐器８０により分岐され、対応する分岐線路上を伝搬してきた被増幅光としての種光パルスが入力された最終段光増幅器）の数に応じて、種光源４１又は中間光増幅器ＡＭＰ０から出力される被増幅光のパワーを設定する。通常、光分岐器８０の上流側に中間光増幅器ＡＭＰ０が配置される一方、光分岐器８０の下流側に最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２が配置された構成において、これら最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２は常時増幅動作を行っているわけではない。すなわち、当該光ファイバレーザ２１０の動作中、増幅動作を行う有効な最終段光増幅器の数は変動している。したがって、この第２実施形態では、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２のうち分岐光を入力する有効な最終段光増幅器（増幅動作を行っている最終段光増幅器）の数の変動に依存することなく、有効な最終段光増幅器それぞれに入力される光のパワーを一定にするため、パワー設定手段３００が設けられている。
【００５６】
第２の光路長調整用光ファイバ８３の長さは、ＳＲＳ閾値が問題ない範囲で設定されるが、この「ＳＲＳの閾値が問題ない範囲」は、発明者らによるシミュレーションの結果及び実測値から、「波長１０６０ｎｍ（被増幅光の波長）のピーク成分と、波長１１１０ｎｍ（一次ＳＲＳの中心波長）のピーク成分との差が２０ｄＢ以上であること」を意味する。ただし、このような具体的な数値は、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２における増幅用光ファイバ１０がＹｂＤＦであり、これら増幅用光ファイバ１０が波長１０６０ｎｍの被増幅光を増幅することを前提としている。基本波（被増幅光の波長１０６０ｎｍ）に対する一次ＳＲＳ波長１１１０ｎｍは、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２において利得を生じる波長である。また、基本波の利得増加のためには、基本波以外の他の波長成分は除去されることが望ましい。ＳＲＳのうち基本波に対する一次ＳＲＳ光の比率は、通常２０ｄＢ以上であることから、上記数値となる。
【００５７】
この第２実施形態に係る光ファイバレーザ２１０において、第２の光路長調整用光ファイバ８３と光分岐器８０との間には、バンドパスフィルタ８４が設けられている。このバンドパスフィルタ８４は、通常３０ｄＢ程度の出力差を有し、ＳＲＳを十分に除去できる。また、光源Ｓと光分岐器８０との間に中間光増幅器ＡＭＰ０が存在する構成では、ＳＲＳ光だけでなく、ＡＳＥ光も除去されるため、バンドパスフィルタ８４は特に有効である。
【００５８】
光源Ｓ、特に種光源４１から光出射端７０ａ、７０ｂまでの各光路長は、第１実施形態に場合、第１の光路長調整用光ファイバ８２とデリバリ用光ファイバ１１ａ、１１ｂにより調整される。また、第２実施形態の場合、各光路長は、第１の光路長調整用光ファイバ８２、第２の光路長調整用光ファイバ８３、及びデリバリ用光ファイバ１１ａ、１１ｂにより調整される。すなわち、これら光ファイバ８２、８３、１１ａ、１１ｂは、当該光ファイバレーザ２００、２１０が実際の使用環境に設置される際の、配置用又は作業用の余長ファイバ（以下、配置／作業用余長という）として機能することになる。
【００５９】
第２の光路長調整用光ファイバ８３は、上述のように、長くなると、ＳＲＳの問題が発生し、一次ＳＲＳ光が発生し、最終段での利得低化の原因となる他、基本波である被増幅光のパワー低下を招来し、光分岐器８０での分岐数が増加すると最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２それぞれに十分なパワーの被増幅光を供給できなくなる可能性もある。そこで、この第２実施形態に係る光ファイバレーザ２１０において、パワー設定手段３００が、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２それぞれに必要なパワーを確保するため、中間光増幅器ＡＭＰ０での利得を調整する。第２の光路長調整用光ファイバ８３の長さは、この調整分の影響、すなわち一次ＳＲＳ光の影響で、基本波パワーが必要以上に落ちない長さに設定される。中間光増幅器ＡＭＰ０での利得は、ＳＲＳの影響も考慮して、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２それぞれに必要なパワーに対し多めに設定されるのが好ましい。
【００６０】
配置／作業用余長が、大きく必要なとき、第２の光路長調整用光ファイバ８３の長さにも限界がある。このような場合は、不足した余長が、第１の光路長調整用光ファイバ８２やデリバリ用光ファイバ１１ａ、１１ｂの長さで補完される。
【００６１】
第１の光路長調整用光ファイバ８２は、光分岐器８０において分岐された被増幅光（分岐光）が伝搬する。このときの分岐光のパワーは低く、他の光路長調整用光ファイバ８３、１１ａ、１１ｂ等と比べて、第１の光路長調整用光ファイバ８２は、ＳＲＳの影響を受けにくい。そのため、当該光ファイバレーザ２１０全体の配置／作業用余長は、第１の光路長調整用光ファイバ８２によって調整されてもよい。
【００６２】
デリバリ用光ファイバ１１ａ、１１ｂそれぞれは、積極的にＳＲＳ光を利用する場合以外、ＳＲＳの影響を受けない長さに設定しておくのが好ましい。ＳＲＳの影響がない場合、出力光は単色光となり、色収差により出力ビーム形状が歪むという問題も解消される。ただし、デリバリ用光ファイバ１１ａ、１１ｂの長さ調整がうまく行かず、ＳＲＳ成分が出る場合には、その除去手段として、ＰＢＧＦ（フォトニックバンドギャップファイバ）がデリバリ用光ファイバ１１ａ、１１ｂに適用されてもよい。
【００６３】
配置／作業用余長は、光分岐器８０の下流側に位置する分岐線路ごとに異なる場合がある。その場合、光出射端７０ａ、７０ｂそれぞれで出力光の位相が異なることがある。これら出力光間の位相調整は、例えば、第１の光路長調整用光ファイバ８２の長さを調節することにより対応可能である。
【００６４】
光分岐器８０の上流側に中間光増幅器ＡＭＰ０が配置される一方、光分岐器８０の下流側に複数の最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２が配置された構成において、増幅ユニットＵの構成要素である複数の最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２は常時増幅動作を行っているわけではない。なお、この第２実施形態では増幅ユニットＵを構成する最終段光増幅器の数は２であるが、後述する第３実施形態のように、Ｎ（２以上の整数）個の最終段光増幅器により増幅ユニットＵが構成されてもよい。すなわち、当該第２実施形態に係る光ファイバレーザ２１０の動作中、被増幅光として分岐された種光パルスが入力される有効な最終段光増幅器のグループと、種光パルスが入力されない無効な最終段光増幅器のグループとが存在し、その割合は変動する可能性がある。この場合、僧服ユニットＵを構成する最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２のうち増幅動作を行っている最終段光増幅器の数の変動に依存することなく、有効な最終段光増幅器に入力される光のパワーは、一定であるのが好ましい。そこで、当該光ファイバレーザ２１０は、パワー設定手段３００を備える。このパワー設定手段３００は、増幅動作を行っている有効な最終段光増幅器の数に応じて、光源Ｓ（具体的には種光源４１）又は中間光増幅器ＡＭＰ０から出力される被増幅光のパワーを設定するよう機能する。
【００６５】
増幅ユニットＵを構成する最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２（後述の第３実施形態ではＮ個の最終段光増幅器）のうち、有効な最終段光増幅器の数が増えたとき、光源Ｓ又は中間光増幅器ＡＭＰ０のパワーが一定のままでは、有効な最終段光増幅器それぞれへの入力光パワーが小さくなってしまう。この場合、（１）被増幅光である分岐された種光パルスが入力された最終段光増幅器内でＡＳＥ光が増大する、（２）パルスピークパワーの伸びに弊害を及ぼす、又は、（３）増幅用ファイバ１０が破断される、などのおそれがある。
【００６６】
そこで、当該第２実施形態に係る光ファイバレーザ２１０は、有効な最終段光増幅器の数に応じて、光源Ｓ又は中間光増幅器ＡＭＰ０の出力パワーを設定又は調整できるように、パワー設定手段３００を備える。
【００６７】
パワー設定手段３００による中間光増幅器ＡＭＰ０の出力パワー調整は、中間光増幅器ＡＭＰ０内の励起光光源（ＬＤ）の出力パワーを増減させるだけでよい。ただし、パワー設定手段３００による光源Ｓの出力パワー調整は、種光源４１へ供給される駆動電流値を変化させたときに、変調器５１からの変調電圧値と温度を変更する必要性がある。
【００６８】
この第２実施形態に係る光ファイバレーザ２１０は、光出射端７０ａ、７０ｂごとに所望のパワーの加工用出力光を得る構成を備えてもよい。なお、後述の第３実施形態においても同様である。この場合、増幅ユニットＵを構成する最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２で使用される増幅用光ファイバ１０それぞれは、非線形現象による制限を受けずに異なる出力光を効率的に増幅できるように、互いに異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有してもよい。互いに異なるＭＦＤを有することにより、ＭＦＤに応じた光パワーを出力するように最終段の光増幅器への励起光パワーの供給を設定することができる。
【００６９】
最終段光増幅器間における出力の優位な差としては、最低出力パワーを基準として０．５倍以上のパワー差があるのが好ましい。例えば、最終段光増幅器ＡＭＰ１１が最低出力パワー１であるとき、最終段光増幅器ＡＭＰ１２の出力パワーは１．５以上である。より具体的に「出力の優位な差」は、被増幅光の波長において増幅用光ファイバ１０のＭＦＤは、最低ＭＦＤを基準として１．２２倍（≒１．２倍）異なる場合、出力パワーでは約１．４９倍（≒１．５倍）となることを意味する。
【００７０】
最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２の出力各ポート間で、出力パワーが同じになるように設定されてもよいが、使用状況によっては、何れかの最終段光増幅器のみの出力パワーを優位に設定することが求められることがある。
【００７１】
その場合、用いられる増幅用光ファイバ１０の被増幅光波長でのＭＦＤが同じである環境下で、利得を調節することによって対応すると、パワー増大によりＳＲＳ上の問題が生じる。また、ＭＦＤを変えるために、コア径が異なる増幅用光ファイバを用いてもよいが、コア径が異なると、光分岐器８０との接続損失等の問題が生じる可能性があるの。そのため、できれば、光分岐器８０の出力ポートとは同じコア径でかつＭＦＤが異なる増幅用光ファイバを用いる方が望ましい。なお、光分岐器８０自体の各ポートでのコア径が異なる場合は、このような問題は気にしなくてよい。また、増幅用光ファイバのＭＦＤを変える他の方法としては、ＮＡを変える方法もある。接続損失が許容できる範囲であれば、コア径とＮＡを両方変更してもよい。
【００７２】
増幅用光ファイバのＭＦＤの変更範囲としては、例えば、基本波（被増幅光として分岐された種光パルス）の波長が１０６０ｎｍの場合、６μｍ〜２４μｍである。なお、ＭＦＤの下限値は６μｍであるが、非線形現象の影響が大きくなるので、特別な事情がなければ、設定されるべきＭＦＤの値は、この下限値よりも大き目の値であるのが望ましい。また、ＭＦＤの上限値は２４μｍであるが、出力がマルチモード化する可能性があり、特別な事情がなければ、設定されるべきＭＦＤの値は、この上限値よりも小さめの値であるのが望ましい。最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２それぞれの出力光をシングルモードにするためには、光分岐器８０と最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２それぞれとのファイバ接続部で、被増幅光がシングルモードとして入力されるように十分注意を払うことが必要である。因みに、コア径１０μｍ、ＮＡ０．０８の増幅用光ファイバでは、そのＭＦＤは１２μｍである。
【００７３】
補足すると、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２それぞれの構成のみの変更でも、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２間の出力パワー調整は可能である。具体的には、最終段光増幅器ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２それぞれのコンバイナや増幅用ファイバのコア径を異ならせる。コア径を大きく（又は小さく）することで、非線形現象を抑圧でき、平均出力で比較した際に、パルスエネルギーやパルスピークを増加させることが可能になる。
【００７４】
コア径の調整範囲は以下のように設定される。すなわち、通常用いている光ファイバのコア径は約１０μｍ（ＮＡ=約０．０８）である。このコア径の大きさに対して、例えば、（１）ダブルクラッド構造で閉じ込めが利くコア径、（２）被増幅光の波長からレーザのＭ２（ビーム品質）をある程度保ったまま、伝搬できるコア径、以上の２点を考慮し、コア径５μｍ〜２０μｍ（ＮＡ=約０．０８）が有効な範囲と言える。
【００７５】
コア径が５μｍ未満では、ＳＲＳ成分が増加してしまう。この場合、（１）パルスピークの弊害を生んでしまう、（２）接続のミスマッチが大きくなる、などの弊害がある。一方、コア径が２０μｍより大きい場合は、被増幅光の波長（１０６０ｎｍ）において高次モードが顕著に目だってしまう。この場合、（１）パワーの安定性への弊害、（２）レーザ出力をコリメートした際のビーム品質の劣化、などを生じさせてしまう。
【００７６】
（第３実施形態）
本発明に係るレーザ装置の第３実施形態について説明する。図１５は、第３実施形態に係る光ファイバレーザ２２０の構成を示す図である。この光ファイバレーザ２２０は、実質的に上述の第２実施形態に係る光ファイバレーザ２１０（図１４）と同様の構造を備えるが、光分岐器８０が多段に構成されている点で相違しており、レーザ光出力ポートとしてＮ（３以上の整数）個の光出射端７０１〜７０Ｎを備える。レーザ光出力ポートである光出射端の数に合わせて光分岐器８０の構成が異なっている。すなわち、第３実施形態に係る光ファイバレーザ２２０において、光分岐器８０は、図１６に示すように、中間光増幅器ＡＭＰ０から最終段光増幅器ＡＭＰ１１〜ＡＭＰ１Ｎそれぞれまでの光路長に差が生じないよう配置された複数の２分岐光カプラ８１ａ、８１ｂ１、８１ｂ２、８１ｃ１、８１ｃ２、８１ｃ３、８１ｃ４、…を含む。この構成により、光分岐器８０は、種光源４１に対応した１つの入力ポートと、光出射端７０１〜７０Ｎのそれぞれに対応した複数の出力ポートを有する。
【００７７】
図１５では、第２実施形態に係る光ファイバレーザ２１０の拡張構成が示されているが、この第３実施形態に係る光ファイバレーザ２２０の構成は、図１１に示す第１実施形態に係る光ファイバレーザ２００の拡張構成であってもよい（第２の光路長調整用光ファイバ８３、バンドパスフィルタ８４、パワー設定手段３００がない構成）。また、図１５に示す構成において、得られる作用、効果は、上述尾第２実施形態と同様である。
【００７８】
この第３実施形態に係る光ファイバレーザ２２０において、第１の光路長調整用光ファイバ８２を介して光分岐器８０と接続されている最終段光増幅器ＡＭＰ１１〜ＡＭＰ１Ｎは、光出射端７０１〜７０Ｎのいずれかに対応している。また、一対一に対応した最終段光増幅器ＡＭＰ１１と光出射端７０１、…、最終段光増幅器ＡＭＰ１Ｎと光出射端７０Ｎは、それぞれ対応するデリバリ用光ファイバ１１１〜１１Ｎによって接続されている。光分岐器８０を構成する光カプラは、上述の１×２光カプラ（１入力−２出力の２分岐光カプラ）だけでなく、１×４光カプラ（１入力−４出力の４分岐光カプラ）、２×２光カプラ（２入力−２出力の光カプラ）でもよい。１×２光カプラの出力比を１：２とし、出力比の大きい側の出力ポートに、１×２光カプラ(出力比１：１)を配置すれば、全体として、出力の同じ３つの出力ポートを用意することもできる。２×２光カプラの場合は、入力ポートの一方を前段に位置する中間光増幅器ＡＭＰ０からの被増幅光の入力ポートとし、他方のポートは、監視用に使用してもよい。
【００７９】
光分岐器８０の下流側に位置する分岐線路上に配置された最終段光増幅器ＡＭＰ１１〜ＡＭＰ１Ｎのそれぞれは、上述の第１及び第２実施形態と同様に、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）のいずれかの構造を備える。
【００８０】
上述のような消費電力、非線形性の発現、光パルスの位相差等に関し、第１及び第２実施形態に係る光ファイバレーザ２００、２１０と同様の効果を奏する。
【００８１】
上述の第１〜第３実施形態に係る光ファイバレーザ２００〜２２０（図１１、図１４及び図１５）は、何れも光源Ｓと光分岐器８０との間に配置された中間光増幅器ＡＭＰ０を備えているが、この中間光増幅器ＡＭＰ０は、必ずしも必要はない。特に、近年、発光素子の性能は向上しており、光源Ｓに含まれる種光源４１にも十分な光出力が得られる発光素子を適用することが可能になってきたからである。
【００８２】
ただし、最終段光増幅器の数が多くなる場合（光出射端の増加）、中間光増幅器が必要になる。この場合、中間光増幅器として機能する光増幅器は光源Ｓ内に配置されればよい。特に、光増幅器を含む光源Ｓと光分岐器８０とが中間光増幅器を介さずに接続される構成では、上述の第１〜第３実施形態と同様に、光分岐器８０と複数の最終段光増幅器との間に第１の光路長調整用光ファイバ８２が配置されるとともに、光源Ｓと光分岐器８０との間に第２の光路長調製用光ファイバ８３が配置されるのが好ましい。
【００８３】
ＳＲＳの影響を受けるのは、第２の光路長調整用光ファイバ８３の方で、当該第２の光路長調整用光ファイバ８３はＳＲＳの影響を受けない長さに設定されればよい。一方、ＳＲＳの影響の少ない第１の光路長調整用光ファイバ８２の方は、当該光ファイバレーザ全体の光路長を調整するよう機能する。ただし、ある程度ＳＲＳの影響を残したい場合には、第２の光路長調整用光ファイバ８３の長さを所望の長さに設定し、第１の光路長調整用光ファイバ８２で当該光ファイバレーザ全体の光路長を調整すればよい。
【符号の説明】
【００８４】
２００、２１０、２２０…レーザ装置、４１…種光源、ＡＭＰ０…中間光増幅器、８０…光分岐器、ＡＭＰ１ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）…最終段光増幅器、７０ａ、７０ｂ、７０１〜７０Ｎ…光出射端、８２…第１光路長調整用光ファイバ、８３…第２光路長調整用光ファイバ、１１ａ、１１ｂ、１１１〜１１Ｎ…デリバリ用光ファイバ、３００…パワー設定手段、Ｓ…光源、Ｕ…増幅ユニット。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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