(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高反射ＦＢＧを含む入力側ダブルクラッドファイバと、
希土類元素を添加した発振用ダブルクラッドファイバと、
低反射ＦＢＧを含む出力側ダブルクラッドファイバと、を備え、
前記発振用ダブルクラッドファイバの両端には、前記入力側ダブルクラッドファイバと前記出力側ダブルクラッドファイバとを接続して、前記高反射ＦＢＧと前記低反射ＦＢＧとにより前記発振用ダブルクラッドファイバを挟んでレーザ共振器を構成し、
前記出力側ダブルクラッドファイバは、光が伝播するコアと、このコアを取り囲む第一クラッドと前記第一クラッドを取り囲み外周を形成する第二クラッドからなるファイバレーザであって、
前記出力側ダブルクラッドファイバの前記低反射ＦＢＧと出射端との間には前記第二クラッドの一部を除去した部分を有し、
前記出力側ダブルクラッドファイバの前記第二クラッドを除去した部分には前記第二クラッドの屈折率と同等またはそれ以上の屈折率をもつ高屈折率樹脂で再被覆した高屈折率樹脂被覆部を配置し、
前記高屈折率樹脂被覆部の屈折率が、前記出力側ダブルクラッドファイバの前記低反射ＦＢＧ側から前記出射端側の方向に向かって、前記第二クラッドの屈折率と同等の屈折率から前記第一クラッドの屈折率よりも高い屈折率まで徐々に高くなっており、
前記高屈折率樹脂被覆部は、両側に前記第二クラッドが残存するように、単一のファイバの中間部分に形成されているファイバレーザ。
【請求項２】
励起用の光源として、レーザダイオードと励起光カプラとを備え、前記レーザダイオードと前記励起光カプラは、前記入力側ダブルクラッドファイバの入力端に接続されている請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項３】
前記出力側ダブルクラッドファイバは、前記コアに低反射ＦＢＧを書き込まれた第一のファイバと前記高屈折率樹脂被覆部が配置された第二のファイバとが接続されて構成されている請求項１または２に記載のファイバレーザ。
【請求項４】
前記高屈折率樹脂が、シリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
に記載のファイバレーザ。
【請求項５】
前記高屈折率樹脂被覆部は、複数の領域からなり、前記複数の領域のそれぞれの領域内の屈折率は一定であり、前記複数の領域の屈折率は、前記出力側ダブルクラッドファイバの前記低反射ＦＢＧ側から前記出射端側の方向に向かって徐々に高くなっている請求項１〜４のいずれかに記載のファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザにおいて、光ファイバ発振器から発振光を取り出す際に、同時に取り出される残留励起光などの不要光を除去するファイバレーザの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ファイバレーザのダブルクラッドファイバ内の残留励起光を除去するための技術として、下記のような技術が提案されている。
【０００３】
第１の従来技術は、ダブルクラッドファイバ同士を融着接続した融着接続部を保護する光ファイバの保護体を設けるものである。係る保護体は、融着接続部を収容する収容溝と融着接続部近傍の光ファイバ被覆部を支持する支持溝とが形成されている。そして、保護体は、融着接続部から漏出した光を熱に変換し外部に放散する放熱板を備え、樹脂部材で融着接続部を覆って融着接続部を収容溝内で固定している。樹脂部材の材料は、融着接続部から漏出した光を透過する材質からなりＵＶ硬化樹脂を用いている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
第２の従来技術は、２本の光ファイバの端の融着接続部において光ファイバ内に閉じ込められた残留励起光を除去することが可能な光ファイバ融着接続構造を提示するものである。その構成として、融着接続部を直線状に固定し、光ファイバのクラッドや被覆の屈折率より低い屈折率をもつ樹脂で融着接続部を再被覆し、かつこの樹脂を補強スリーブで被覆して融着接続部を保持している（例えば特許文献２を参照）。
【０００５】
しかしながら、前述の従来技術には、次のような問題がある。
【０００６】
第１の従来技術に開示された構成では残留励起光を集中して除去している。融着接続部を覆っているＵＶ硬化樹脂は総じて高屈折率である。かかる高屈折率樹脂が再被覆された部分に除去される残留励起光が集中することによって、再被覆された高屈折率樹脂が熱により焼損するという点については十分に考慮されていない。
【０００７】
第２の従来技術に開示された構成も同様で、実施例で励起光１５Ｗが使用された例が示されているとおり、低出力の場合に適用可能な構成である。数ＫＷ以上の高出力の励起の場合に、樹脂が再被覆された部分で除去される残留励起光が融着接続部の近傍に集中する。これにより、再被覆された樹脂が熱により焼損するという点については十分に考慮されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２７１７８６号公報
【特許文献２】特開２００９−１１５９１８号公報
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、再被覆された高屈折率樹脂が熱により損傷を受けずに残留励起光を除去できるファイバレーザを提供する。
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明のファイバレーザは、高反射ＦＢＧを含む入力側ダブルクラッドファイバと、希土類元素を添加した発振用ダブルクラッドファイバと、低反射ＦＢＧを含む出力側ダブルクラッドファイバと、を備えた構成からなる。そして、上記発振用ダブルクラッドファイバの両端には、上記入力側ダブルクラッドファイバと上記出力側ダブルクラッドファイバとを接続して、上記高反射ＦＢＧと上記低反射ＦＢＧとにより上記発振用ダブルクラッドファイバを挟んでレーザ共振器を構成している。そして、上記出力側ダブルクラッドファイバは、光が伝播するコアと、このコアを取り囲む第一のクラッドと上記第一のクラッドを取り囲み外周を形成する第二のクラッドからなる。そして、本発明のファイバレーザは、上記出力側ダブルクラッドファイバの上記低反射ＦＢＧと出射端との間の上記第二のクラッドの一部を除去した部分に上記第二のクラッドの屈折率と同等またはそれ以上の屈折率をもつ高屈折率樹脂で再被覆した高屈折率樹脂被覆部を配置している。そして、本発明のファイバレーザにおいて、上記高屈折率樹脂被覆部の屈折率が、上記出力側ダブルクラッドファイバの上記低反射ＦＢＧ側から上記出射端側の方向に向かって、前記第二クラッドの屈折率と同等の屈折率から前記第一クラッドの屈折率よりも高い屈折率まで徐々に高くなっており、上記高屈折率樹脂被覆部は、両側に上記第二クラッドが残存するように、単一のファイバの中間部分に形成されている構成からなる。
【００１１】
この構成により、非常に高い出力の励起光で発振させているにもかかわらず、高屈折率樹脂を再被覆している部分から、広範囲で徐々に残留励起光などの不要光が漏洩するため、再被覆樹脂が局所的に極度な高温になる心配がない。そのためファイバレーザ組立後のファイバレーザの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかるファイバレーザの構成を示し、発振器から樹脂被覆部までを含む概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１にかかるファイバレーザの構成を示し、高屈折率樹脂被覆部の詳細な構造図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１にかかるファイバレーザの動作原理の一例を示す構造図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１にかかるファイバレーザの動作原理の他の一例を示す構造図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１にかかるファイバレーザの樹脂被覆部に放熱用の金属部品を設置した概略構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかるファイバレーザの構成を示し、高屈折率樹脂再被覆構造を含む一実施形態を示す図であり、発振器から樹脂再被覆部までを含む概略構成図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかるファイバレーザの構成を示し、高屈折率樹脂被覆部の詳細な構造図である。
【００１５】
図１と図２に示すように、本実施の形態１のファイバレーザは、励起用のレーザダイオード１と、励起光カプラ２と、入力側ダブルクラッドファイバ３と、発振用ダブルクラッドファイバ４と、出力側ダブルクラッドファイバ５と、低反射ＦＢＧ(Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ：ファイバブラッググレーティング)６と、第二クラッド除去部７と、高屈折率樹脂被覆部８と、発振光の出射端９と、を備えている。ここで、入力側ダブルクラッドファイバ３は、ファイバのコア５ｃ内に形成されたブラッグ回折格子を高反射ＦＢＧ３ａとして含んでいる。発振用ダブルクラッドファイバ４は、希土類元素が添付されている。出力側ダブルクラッドファイバ５は、ファイバのコア５ｃ内に形成されたブラッグ回折格子を低反射ＦＢＧ６として含んでいる。また、高屈折率樹脂被覆部８は、複数の領域８ａ、８ｂなどを含んで構成され、矢印１５に沿った光の伝送方向に向かって、徐々に領域の屈折率を高くしている。すなわち、領域８ｂは領域８ａよりも屈折率が高い。また、領域８ｂの内部でも、例えば矢印１５に沿った光の伝送方向に向かって屈折率が高い構成としてもよい。
【００１６】
発振用ダブルクラッドファイバ４には、低反射ＦＢＧを含む出力側ダブルクラッドファイバ５と、高反射ＦＢＧを含む入力側ダブルクラッドファイバ３とが接続されて、これらの間に共振器が形成されて、レーザ発振が起こる。
【００１７】
発振したレーザ光は低反射ＦＢＧ６から出射されるが、この低反射ＦＢＧ６から出射端９までの間の出力側ダブルクラッドファイバ５には、発振用ダブルクラッドファイバ４が吸収しきれなかった励起光や発振用ダブルクラッドファイバ４のコアガラスから漏洩した発振光などの不要な光が、第一クラッド５ａを伝搬している。
【００１８】
このとき、再被覆した高屈折率樹脂被覆部８の特定の部分において集中的な光漏洩があると、この特定の部分で大きい発熱が生じて再被覆樹脂が熱により損傷する。したがって、特定の部分での大きい発熱が生じることを抑えるために本実施の形態１のファイバレーザでは、高屈折率樹脂被覆部８の領域８ａから領域８ｂまでの間にて屈折率が徐々に高くなるように構成している。すなわち、高屈折率樹脂被覆部８を矢印１５に沿った光の伝送方向に向かって、領域８ａ、８ｂを含む複数の領域に分けて、不要な光が特定の領域に集中して漏洩しないようにしている。したがって、図２に示す領域８ｃについても複数の領域に分けて、出射端９に近づくにしたがって屈折率が徐々に高くなるように構成してもよい。
【００１９】
ここで最も屈折率の低い高屈折率樹脂からなる領域８ａの屈折率は、出力側ダブルクラッドファイバ５の第二クラッド５ｂと同じ屈折率で良い。そして、光の伝送方向に向かって、第二クラッド５ｂの屈折率値から徐々に高くなるものを順次第二クラッド除去部に被覆し、最終的には第一クラッド５ａの屈折率より高い樹脂が被覆されるに到るように調整されている。
【００２０】
また、出力側ダブルクラッドファイバ５は、コア５ｃに低反射ＦＢＧ６を書き込まれた第一のファイバと高屈折率樹脂被覆部８が配置された第二のファイバとが接続されて構成されていてもよい。この構成により、出力側ダブルクラッドファイバ５を第一のファイバと第二のファイバとに分離することで、出射端９から出る光出力の大きさに応じて、高屈折率樹脂被覆部８の材料や構造の異なる第二のファイバを使用することができる。
【００２１】
上述の構成とした本実施の形態１のファイバレーザの動作原理を図３と図４で説明する。図３、図４は、それぞれ本発明の実施の形態１にかかるファイバレーザの動作原理の一例を示す構造図である。図３の矢印で示すように出力側ダブルクラッドファイバ５内を伝搬する不要光のうち低次モードの光１０が第一クラッド５ａ内を伝搬している様子を示す。低次モードの光１０は、高屈折率樹脂被覆部８の被覆面８ｄを浅い角度で入射するため、比較的低い屈折率の領域８ａでは被覆面８ｄで反射し、第一クラッド５ａ内を伝搬する。しかし、再被覆した高屈折率樹脂被覆部８の屈折率が高くなっている領域８ｂでは、低次モードの光１０は、図３に示すように反射せずに出力側ダブルクラッドファイバ５より漏洩する。すなわち、低次モードの光１０は、第一クラッド５ａから高屈折率樹脂被覆部８を通過して、出力側ダブルクラッドファイバ５から外へ出て行く。
【００２２】
図４では、図３で示した不要光のうち低次モードの光１０に加えて、高次モードの光１１の伝搬も合わせて図示する。破線で示しているものが不要光のうち高次モードの光１１である。実線で示しているものは図３と同じく不要光のうち低次モードの光１０である。
【００２３】
高次モードの光１１は、低次モードの光１０に比べ高屈折率樹脂被覆部８の被覆面８ｄを深い角度で入射する。そのため、より低い屈折率の領域８ａで反射せずに出力側ダブルクラッドファイバ５より漏洩する。
【００２４】
このように不要光のモードが高次であるか低次であるかによって出力側ダブルクラッドファイバ５より漏洩する、高屈折率樹脂被覆部８の領域が異なっている。当然、不要光のうち、さらに高い次数の光は、さらに高屈折率樹脂被覆部８の領域８ａに近い部分で出力側ダブルクラッドファイバ５より漏洩することになる。
【００２５】
ここで高屈折率樹脂被覆部８の領域８ａ、８ｂ、８ｃのうち、最も屈折率の低い領域の屈折率を出力側ダブルクラッドファイバ５の第二クラッド５ｂと同じ屈折率とする。そして、光の伝送方向に向かって、第二クラッド５ｂの屈折率値から徐々に高くなるものとすると、出力側ダブルクラッドファイバ５の第一クラッド５ａ内を伝搬している不要光のうちもっとも高次のモードの光が高屈折率樹脂被覆部８の領域８ａの近傍から出力側ダブルクラッドファイバ５の外部へ漏洩する。
【００２６】
そして、最終的に高屈折率樹脂被覆部８の領域８ｂの屈折率を第一クラッド５ａの屈折率より高くなるように調整しておけば、不要光のうち最も低次のモードの光であっても出力側ダブルクラッドファイバ５より外部へ漏洩する。
【００２７】
以上のように高屈折率樹脂被覆部８の領域８ａから領域８ｂまでの間にて、不要光のモードによって光漏洩が徐々に生じることになり、結果として不要光の除去が広範囲に高屈折率樹脂被覆部８のいずれの部分でも起こり、光漏洩が一部分に集中することなく、光漏洩の集中を防ぐことができる。
【００２８】
なお、再被覆樹脂からなる高屈折率樹脂被覆部８の領域８ａ、８ｂ、８ｃごとの屈折率は、連続的に変化させても良いし、段階的に変化させても良い。
【００２９】
ここで、再被覆された高屈折率樹脂被覆部８に導光させた不要光は熱として排出する必要がある。
【００３０】
すなわち、本実施の形態１のファイバレーザは、高反射ＦＢＧ３ａを含む入力側ダブルクラッドファイバ３と、希土類元素を添加した発振用ダブルクラッドファイバ４と、低反射ＦＢＧ６を含む出力側ダブルクラッドファイバ５と、を備えた構成からなる。そして、発振用ダブルクラッドファイバ４の両端には、入力側ダブルクラッドファイバ３と出力側ダブルクラッドファイバ５とを接続して、高反射ＦＢＧ３ａと低反射ＦＢＧ６とにより発振用ダブルクラッドファイバ４を挟んでレーザ共振器１３を構成している。そして、出力側ダブルクラッドファイバ５は、光が伝播するコア５ｃと、このコア５ｃを取り囲む第一クラッド５ａと第一クラッド５ａを取り囲み外周を形成する第二クラッド５ｂからなる。そして、本実施の形態１のファイバレーザは、出力側ダブルクラッドファイバ５の低反射ＦＢＧ６と出射端９との間の第二クラッド５ｂの一部を除去した部分に第二クラッド５ｂの屈折率と同等またはそれ以上の屈折率をもつ高屈折率樹脂で再被覆した高屈折率樹脂被覆部８を配置している。そして、本実施の形態１のファイバレーザにおいて、高屈折率樹脂被覆部８の屈折率が、第一クラッド５ａを伝搬する光の伝搬方向に沿って徐々に高くなっている構成からなる。
【００３１】
この構成により、非常に高い出力の励起光で発振させているにもかかわらず、高屈折率樹脂を再被覆している部分から、広範囲で徐々に残留励起光などの不要光が漏洩するため、再被覆樹脂が局所的に極度な高温になる心配がない。そのためファイバレーザ組立後のファイバレーザの信頼性が向上する。
【００３２】
また、励起用の光源として、レーザダイオード１と励起光カプラ２とを備え、レーザダイオード１と励起光カプラ２は、入力側ダブルクラッドファイバ３の入力端に接続されている構成としてもよい。
【００３３】
この構成により、励起光を効率よく発振用ダブルクラッドファイバ４に供給することができ、入力に対する出力の変換効率のよいファイバレーザが実現できる。
【００３４】
また、高屈折率樹脂被覆部８は、複数の領域８ａ、８ｂ、８ｃからなり、複数の領域８ａ、８ｂ、８ｃの屈折率は、第一クラッド５ａを伝搬する光の伝搬方向に沿って徐々に高くなっている構成としてもよい。
【００３５】
この構成により、不要光が高屈折率樹脂被覆部８の特定の部分に集中することなく、高屈折率樹脂を再被覆している広範囲の部分から徐々に残留励起光などの不要光が漏洩するため、再被覆樹脂が局所的に極度な高温になる心配がない。そのためファイバレーザ組立後のファイバレーザの信頼性が向上する。
【００３６】
図５は、本発明の実施の形態１にかかるファイバレーザの樹脂被覆部である高屈折率樹脂被覆部８に放熱用の金属部品１２を設置した概略構造図である。不要光を熱として金属部品１２全体から排出するには、図５に示すように、再被覆された高屈折率樹脂被覆部８の表面８ｆ全体に放熱用の金属部品１２の接触面１２ａを広い面積で接触させることが好ましい。接触させる放熱用の金属部品１２は、黒アルマイト処理などの不要光を吸熱しやすく表面加工されたものを用い、ヒートシンク構造、空冷ファン、ヒートパイプ、水冷などによる強制的な冷却が行われている構成を持つことが望ましい。この構成により、金属部品１２などの熱吸収部材は、樹脂に逃げた光を吸収して熱として受け止めた後に効率よく大気などに放熱する。
【００３７】
なお、本発明に使用されるダブルクラッドファイバ３、４、５は、その断面形状が円形の光ファイバだけでなく、非円形あるいは矩形断面のダブルクラッドファイバ３、４、５を用いても同様の効果が得られる。
【００３８】
また、本発明は、発振器から出射されたクラッドモード伝搬光の除去にかかわらず、光増幅器にて発生するクラッドモード伝搬光の除去に用いても同様の効果が得られる。
【００３９】
（実施例１）
以下に、本発明を具体的に実施した一例を詳細に記載する。
【００４０】
まず、レーザダイオード１にはシングルエミッタ型で出力光の中心波長が９１５ｎｍの標準出力１２Ｗのものを１９個用いている。励起光カプラ２にはＮＡ＝０．１５の石英ファイバを１９本束ねて、ＮＡ＝０．４６の単線ファイバに出力するテーパバンドル型ファイバカプラを使用した。
【００４１】
発振用ダブルクラッドファイバ４には、希土類元素であるＹｂ（イッテルビウム）添加のシングルモードコアを持つダブルクラッドファイバを用いた。発振用ダブルクラッドファイバ４の両側には、高反射ＦＢＧ３ａと低反射ＦＢＧ６がそれぞれ書き込まれた入力側ダブルクラッドファイバ３と出力側ダブルクラッドファイバ５を融着接続し、ＦＢＧ３ａとＦＢＧ６とをそれぞれの反射ミラーとしたファイバレーザ発振器を形成した。
【００４２】
これらのダブルクラッドファイバ３、４、５の第二クラッド５ｂの樹脂は屈折率１．３８の樹脂で、第一クラッド５ａのＮＡは約０．４６であった。この第二クラッド５ｂの樹脂に用いられている低屈折率樹脂を表面から約１００ｍｍ程度除去し、第一クラッド５ａを露出させ、その表面に高屈折率樹脂被覆部８を再被覆した。
【００４３】
再被覆した高屈折率樹脂には屈折率１．３８から１．５０のファイバ被覆用もしくは光学部品用ジェルのシリコーン樹脂を用い、屈折率の低いものから高いものを、光の伝搬方向に向かって順次塗布して硬化させ、領域８ａ、８ｂ、８ｃとした。すなわち、高屈折率樹脂が、シリコーン樹脂である構成としてもよい。この構成により、屈折率がファイバに近く加工性、塗布性および耐熱性のよい材料として用いることができる。
【００４４】
このようにして作製したファイバレーザを２３０Ｗの励起光で発振させ、コアであるファイバレーザの出射端９から１４０Ｗ以上の発振光を得た。同時に高屈折率樹脂被覆部８を再被覆した第二クラッド除去部７で約２０Ｗの不要光を除去したが、この部分の最高温度は５０度以下に収まっていた。この状態のものを継続して観察したところ１００時間経過後にも再被覆樹脂の劣化が見られず、外観にも異常は確認されなかった。これにより、不要光は、高屈折率樹脂被覆部８で吸収されるものの、一部の特定の領域に集中して吸収されることなく、発熱も高屈折率樹脂被覆部８全体で一様に生じているものと考えられる。これにより、２３０Ｗという非常に高い出力の励起光で発振させているにもかかわらず、高屈折率樹脂を再被覆している部分から、広範囲で徐々に残留励起光などの不要光が漏洩するため、再被覆樹脂が局所的に極度な高温になる心配がない。その結果、ファイバレーザ組立後のファイバレーザの信頼性や寿命が向上する。
【００４５】
（比較例）
第二クラッド除去部７を再被覆した高屈折率樹脂に屈折率１．４６のファイバ被覆用樹脂のみを用いた構成で比較の実験を行った。
【００４６】
上述の実施例１と同様にファイバレーザを２３０Ｗの励起光で発振させたところ、不要光除去部の一部から集中的に温度上昇し、数秒で温度が１００度以上になった。この状態のものを継続して観察したところ３０分経過後には被覆樹脂が黄変するという外観異常が確認された。この比較例からも、本実施の形態１のファイバレーザは、再被覆樹脂が局所的に極度な高温になる心配がなく、ファイバレーザ組立後のファイバレーザの信頼性や寿命が向上することがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のファイバレーザは、長時間でもファイバ劣化せず、安定に運転することができ、加工用レーザ装置等として産業上有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１  レーザダイオード
２  励起光カプラ
３  入力側ダブルクラッドファイバ
３ａ  高反射ＦＢＧ
４  発振用ダブルクラッドファイバ
５  出力側ダブルクラッドファイバ
５ａ  第一クラッド
５ｂ  第二クラッド
５ｃ  コア
６  低反射ＦＢＧ
７  第二クラッド除去部
８  高屈折率樹脂被覆部
８ａ，８ｂ，８ｃ  領域
８ｄ  被覆面
８ｆ  表面
９  出射端
１０  低次モードの光
１１  高次モードの光
１２  金属部品
１２ａ  接触面
１３  レーザ共振器
１５  矢印
【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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