(57)【要約】【課題】自然放出光が抑制され、パルス増幅の効率が改善されたファイバレーザ装置を提供する。【解決手段】ファイバレーザ装置は、シード光源と偏光保持ファイバと励起光源と光結合器とポラライザと自然放出光制御部とを有する。偏光保持ファイバは、第１の端部と前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、希土類元素が添加され、第１の端部から導入されたシード光の偏光状態を保持しつつパルス増幅光として放出する。光結合器は、前記パルス増幅光を通過させ、励起光を偏光保持ファイバの第２の端部に導入する。ポラライザは、透過軸がパルス増幅光の偏光軸と平行になるように配置され、偏光保持ファイバの第２の端部から放出された光のうち透過軸に対する直交成分を反射可能である。自然放出光は、シード光の光強度に対するポラライザによる反射光の光強度の勾配を検出することにより、励起光の出力を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光されたシード光を放出するシード光源と、
第１の希土類元素が添加され、第１の端部と前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、前記第１の端部から導入された前記シード光の偏光状態を保持しつつ第１のパルス増幅光として放出する第１の偏光保持ファイバと、  
前記第１の希土類元素を励起する第１の励起光を放出する第１の励起光源と、
前記第１のパルス増幅光を通過させ、かつ前記第１の励起光を前記第１の偏光保持ファイバの前記第２の端部に導入する第１の光結合器と、
透過軸が前記第１のパルス増幅光の偏光軸と平行になるように配置され、前記第１の偏光保持ファイバの前記第２の端部から放出された光のうち前記透過軸に対する直交成分を反射可能な第１のポラライザと、
前記シード光の光強度に対する前記第１のポラライザによる反射光の光強度の勾配を検出することにより、前記第１の励起光の出力を制御する第１の自然放出光制御部と、
を備えたファイバレーザ装置。
【請求項２】
前記第１の自然放出光制御部は、前記第１のポラライザからの前記反射光を検出する第１の検知器と、前記反射光の前記勾配を算出し、かつ前記勾配が所定値以上となると前記第１の励起光の光強度を低減する制御信号を前記第１の励起光源に向けて出力する第１の制御回路と、を有する請求項１記載のファイバレーザ装置。
【請求項３】
前記第１のポラライザは、前記第１の偏光保持ファイバと、前記第１の光結合器と、の間に設けられた請求項１または２に記載のファイバレーザ装置。
【請求項４】
第２の希土類元素が添加され、前記第１のパルス増幅光が導入される第１の端部と前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、前記第１のパルス増幅光の偏光状態を保持しつつ第２のパルス増幅光として放出する第２の偏光保持ファイバと、
前記第２の希土類元素を励起する第２の励起光を放出する第２の励起光源と、
前記第２のパルス増幅光を通過させ、かつ前記第２の励起光を前記第２の偏光保持ファイバの前記第２の端部に導入する第２の光結合器と、
透過軸が前記第２のパルス増幅光の偏光軸と平行になるように配置され、前記第２の偏光保持ファイバの前記第２の端部から放出された光のうち前記透過軸に対する直交成分を反射可能な第２のポラライザと、
前記シード光の光強度に対する前記第２のポラライザによる反射光の光強度の勾配を検出することにより、前記第２の励起光の出力を制御する第２の自然放出光制御部と、
をさらに備えた請求項１記載のファイバレーザ装置。
【請求項５】
前記第１の自然放出光制御部は、前記第１のポラライザからの前記反射光を検出する第１の検知器と、前記反射光の前記勾配を算出し、かつ前記勾配が所定値以上となると前記第１の励起光の光強度を低減する制御信号を前記第１の励起光源に向けて出力する第１の制御回路と、を有し、
前記第２の自然放出光制御部は、前記第２のポラライザからの前記反射光を検出する第２の検知器と、前記反射光の前記勾配を算出し、かつ前記勾配が所定値以上となると前記第２の励起光の光強度を低減する制御信号を前記第２の励起光源に向けて出力する第２の制御回路と、を有する請求項４記載のファイバレーザ装置。
【請求項６】
前記第１のポラライザは、前記第１の偏光保持ファイバと、前記第１の光結合器と、の間に設けられ、
前記第２のポラライザは、前記第２の偏光保持ファイバと、前記第２の光結合器と、の間に設けられた請求項４または５に記載のファイバレーザ装置。
【請求項７】
第２の希土類元素が添加され、前記第１のパルス増幅光が導入される第１の端部と前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、前記第１のパルス増幅光の偏光状態を保持しつつ第２のパルス増幅光として放出する第２の偏光保持ファイバと、
前記第２の希土類元素を励起する第２の励起光を放出する第２の励起光源と、
前記第２のパルス増幅光を通過させ、かつ前記第２の励起光を前記第２の偏光保持ファイバの前記第２の端部に導入する第２の光結合器と、
をさらに備え、
前記第１のポラライザは、前記第１の光結合器と前記第２の偏光保持ファイバとの間に設けられ、前記第２の偏光保持ファイバの前記第１の端部から放出された光のうち、前記透過軸に対する直交成分を反射し、
前記第１の自然放出光制御部は、前記シード光の前記光強度に対する前記第２の偏光保持ファイバから放出され前記第１のポラライザで反射された光の光強度の勾配を検出することにより、前記第２の励起光の出力を制御する請求項４記載のファイバレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ファイバレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置や光応答装置では、高出力のパルスレーザー光が要求される。このために、固体レーザまたは半導体レーザからのパルスシード光を、ファイバレーザ増幅器により増幅して高出力パルスレーザー光を得ることが多い。
【０００３】
ファイバレーザ増幅器は、コアに添加された希土類元素に励起光が吸収され、誘導放出により利得を生じてパルスシード光を増幅できる。しかし、一般にファイバレーザ増幅器は利得を生じる波長範囲が広いために、高い出力レベルまで励起され且つ蓄積されたエネルギーを効率よく取り出すことが困難である。
【０００４】
たとえば、光ファイバに蓄積されたエネルギーにより、ツリウム（Ｔｍ）などが添加された光ファイバが自然放出光（ＡＳＥ：Amplified  Spontaneous  Emission)を放出する。自然放出光が増大すると、パルス増幅の効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−９３２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自然放出光が抑制され、パルス増幅の効率が改善されたファイバレーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のファイバレーザ装置は、シード光源と、第１の偏光保持ファイバと、第１の励起光源と、第１の光結合器と、第１のポラライザと、第１の自然放出光制御部と、を有する。前記シード光源は、直線偏光されたシード光を放出する。前記第１の偏光保持ファイバは、第１の端部と前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、第１の希土類元素が添加され、前記第１の端部から導入された前記シード光の偏光状態を保持しつつ第１のパルス増幅光として放出する。前記第１の励起光源は、前記第１の希土類元素を励起する第１の励起光を放出する。前記第１の光結合器は、前記第１のパルス増幅光を通過させ、前記第１の励起光を前記第１の偏光保持ファイバの前記第２の端部に導入する。前記第１のポラライザは、透過軸が前記第１のパルス増幅光の偏光軸と平行になるように配置され、前記第１の偏光保持ファイバの前記第２の端部から放出される光のうち前記透過軸に対する直交成分を反射可能である。前記第１の自然放出光制御部は、前記シード光の光強度に対する前記第１のポラライザによる反射光の光強度の勾配を検出することにより、前記第１の励起光の出力を制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかるファイバレーザー装置の構成図、図１（ｂ）はその入力に対するアンプ出力依存性、入力に対する自然放出光出力依存性、を表すグラフ図、である。
【図２】図２（ａ）はシード光のパルス列の波形図、図２（ｂ）はパルス幅の波形図、である。
【図３】偏光保持ファイバの模式断面図である。
【図４】ツリウムの光吸収スペクトルまたは発光スペクトルを示すグラフ図である。
【図５】図５（ａ）は比較例にかかるファイバレーザ装置の構成を表す模式図、図５（ｂ）は点Ａにおけるシード光の波形図、図５（ｃ）は点Ｂにおけるパルス増幅光の波形図、である。
【図６】図６（ａ）は比較例における波長に対する発光スペクトルの広がりを説明するグラフ図、図６（ｂ）はファイバアンプ特性を説明するグラフ図、である。
【図７】第２の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図である。
【図８】第３の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかるファイバレーザー装置の構成図、図１（ｂ）はそのアンプ出力特性を表すグラフ図、である。
ファイバレーザー装置は、シード光源１０と、第１の偏光保持ファイバ１２と、第１のポラライザ１４と、第１の光結合器１６と、第１の励起光源１８と、自然放出光制御部２０と、を有する。
【００１０】
シード光源１０は、直線偏光し、波長がλ１のパルスシード光１１を放出する。また、シード光源１０は、たとえば、光ファイバ発振器、出力側ポラライザなどを含み直線偏光されたパルスシード光を放出するものとすることができる。または、シード光源１０は、励起用半導体レーザーから放出され直線偏光されたレーザー光を光ファイバアンプで増幅する構成などとすることができる。なお、パルスシード光１１の波長λ１は、たとえば、１．９５〜２．０μｍとすることができる。  
【００１１】
第１の偏光保持ファイバ１２は、パルスシード光１１が入射する第１の端部１２ａと、パルス増幅光が出射する第２の端部１２ｂと、を有する。第１の励起光Ｇｅ１は、第１の光結合器１６を介して、第１の偏光保持ファイバ１２の第２の端部１２ｂに導入される。すなわち、第１の偏光保持ファイバ１２と、第１の光結合器１６と、第１の励起光Ｇｅ１を放出する第１の励起光源１８と、自然放出光制御部２０と、は、第１のファイバアンプＡ１を構成する。
【００１２】
第１の励起光Ｇｅ１の波長λ２は、０．７５〜０．８μｍなどとし、連続波とすることができる。半導体レーザーは、通常、発光層の表面と、光出射面と、に平行な直線偏光軸を有する。第１の励起光源１８は、光源１８ａと、その駆動回路１８ｂ、とを有する。
【００１３】
第１の実施形態では、第１の偏光保持ファイバ１２と、第１の光結合器１６との間に第１のポラライザ１４が設けられる。第１のポラライザ１４の透過軸（紙面に垂直）１４ａは、パルスシード光１１が増幅されたパルス増幅光の偏光軸（紙面に垂直）１２ｃと平行とし、パルス増幅光を透過するように配置される。本明細書において、平行とは、その交差角が２度以下であることを意味する。
【００１４】
第１のポラライザ１４は、第１の偏光保持ファイバ１２の第２の端部１２ｂから放出される光のうち、透過軸１４ｃに対する直交成分を反射可能である。
【００１５】
また、第１の光結合器１６から出射した第１の励起光Ｇｅ１の偏光軸は、第１のポラライザ１４の透過軸１４ａと平行とする。このため、第１の励起光Ｇｅ１は、第１ポラライザ１４を透過し、第１の偏光保持ファイバ１２の第２の端部１２ｂに入射することができる。
【００１６】
自然放出光制御部２０は、第１のポラライザ１４による反射光が入射する検知器２０ａと、検知器２０ａの出力信号Ｓ１に基づいて第１の励起光源１８に向けて制御信号Ｓ２を出力する制御回路２０ｂと、を有する。このため、自然放出光制御部２０は、シード光１１の光強度Ｐｓに対する、第１のポラライザ１４による反射光のうちの検知器２０ａへの入射光Ｇｄの光強度Ｐｄの勾配ｂを検出することにより、第１の励起光Ｇｅ１の出力を制御する。
【００１７】
なお、シード光１１の光強度Ｐｓに対する検知器２０ａへの入射光Ｇｄの光強度Ｐｄの勾配ｂは、図１（ｂ）に表すように、ΔＰｄ／ΔＰｓで表すものとする。
【００１８】
図１（ｂ）において、横軸はファイバアンプＡ１へ入力するパルスシード光１１の光強度Ｐｓ、縦軸はアンプ出力（破線）Ｐ１および検知器入射光（実線）の光強度Ｐｄ、を表す。なお、横軸および縦軸は、いずれも対数目盛とする。すなわち、直線はアンプの一定利得を表す。パルスシード光強度Ｐｓが低いとき、第１の偏光保持ファイバ１２から放出されるパルス増幅光の多くの部分は、第１のポラライザ１４を透過する。
【００１９】
他方、残りのわずかな部分は、第１のポラライザ１４により反射され、検知器２０ａに入射し、緩い勾配ａの領域のようになる。すなわち、勾配ａの領域は、パルス増幅光の一部であり第１のポラライザ１４による反射光と、自然放出光と、を含んでいる。
【００２０】
シード光１１の入力Ｐｓが増大するとともにパルス増幅光の出力Ｐ１が増大する。このため、検知器への入射光Ｇｄは、無偏光である自然放出光ＡＳＥ１が急激に増大し始める。自然放出光制御部２０は、勾配の変化を検出して、自然放出光ＡＳＥ１の増大を抑制するように第１の励起光源１８の出力を制御する。
【００２１】
なお、検知器２０ａは、フォトダイオードやフォトトランジスタなどとすることができる。自然放出光の波長範囲が１μｍ以下の場合、Ｓｉフォトダイオードを用いることができる。また、自然放出光の波長範囲が１μｍよりも長い波長範囲の場合、ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどからなるフォトダイオードとすることができる。
【００２２】
図２（ａ）はシード光のパルス列の波形図、図２（ｂ）はパルス幅の波形図、である。
図２（ａ）に表すように、シード光源１０は、第１の周期Ｔ１でシード光１１のパルス列を放出する。パルス列は、放出期間ｔｐ１に放出され、非放出期間ｔｐ２に放出されない。周期Ｔ１は、たとえば、５０μｓ（繰り返し周波数が２０ｋＨｚに相当）〜１００μｓ（繰り返し周波数が１０ｋＨｚに相当）の間とすることができる。
【００２３】
シード光１１の変調動作周期ＴＭは、放出期間ｔｐ１および非放出期間ｔｐ２を含む。変調動作周期ＴＭに相当する繰り返し周波数は、たとえば、１ｋＨｚ以下のような低い周波数とすることが多い。また、図２（ｂ）に表すように、パルス幅Ｗ１は、１０〜１００ｎｓなどとすることができる。
【００２４】
図３は、偏光保持ファイバの模式断面図である。
もし、直線偏光のレーザー光が非偏光保持ファイバを通ると、熱や機械的な作用によって誘起される位相差のため次第に楕円偏光となる。
【００２５】
これに対して、偏光保持ファイバ（または、偏波面保存ファイバ）１２は、たとえば、コア１２ａの両側に応力付与部１２ｃを有している。シード光１１の偏光軸は、光軸調整により、コア１２ａの中心と、応力付与部１２ｃの中心と、通る軸（Slow軸）と略一致させる。このようにすると、シード光１１の偏光状態を安定に維持し偏波変動を抑え、高いビーム品質のパルス増幅光を放出することができる。または、シード光１１の偏光軸をFast軸に略一致させてもよい。
【００２６】
図４は、ツリウムの光吸収スペクトルまたは発光スペクトルを示すグラフ図である。
希土類元素としてツリウム（Ｔｍ）を用いる場合、１．８〜２．１μｍの赤外線レーザ光を放出するための励起光の波長は種々選択可能である。例えば、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた半導体レーザ素子では、０．７５〜０．８μｍの波長範囲に光吸収領域がある。好ましい。なお、希土類元素は、エルビウム、イッテルビウムなどでもよい。  
【００２７】
図５（ａ）は比較例にかかるファイバレーザ装置の構成を表す模式図、図５（ｂ）は点Ａにおけるシード光の波形図、図５（ｃ）は点Ｂにおけるパルス増幅光の波形図、である。
比較例にかかるファイバアンプのシード光は、図５（ｂ）の波形を有する。パルスシード光１１１は、偏光保持ファイバ１１２で増幅され、放出期間ｔｐ１１において図５（ｃ）の波形図に示すパルス波形となる。
【００２８】
また、シード光の非放出期間ｔｐ１２の間、励起光源１１８からのエネルギーが希土類元素を励起し続けている。例えば第１の周期Ｔ１１の１０倍の期間、励起が継続されると、１パルスのシード光を励起するエネルギーの略１０倍のエネルギーが偏光保持ファイバ１１２に蓄積されていることになる。
【００２９】
図６（ａ）は比較例における波長に対する発光スペクトルの広がりを説明するグラフ図、図６（ｂ）はファイバ増幅器特性を説明するグラフ図、である。
図６（ａ）において、縦軸は相対スペクトル強度、横軸は波長（μｍ）、である。光ファイバに蓄積されたエネルギーが、例えば、１．５３（λＬ）〜１．５６（λＨ）μｍの広い発光スペクトルを有し無偏光である自然放出光として放出される。
【００３０】
この場合、図６（ｂ）に表すように、入力Ｐｓが増大していくと、自然放出光とパルス増幅光とを含む平均光出力は増大している。他方、入力Ｐｓが増大していくと、光出力パルス波高値は、飽和してくる。すなわち、図１（ｂ）に表したように、入力Ｐｓに対して自然放出光が急峻に増加し、パルス増幅効率を低下させる。このため、パルス波高値が飽和し、消費電力が大きくなる。
【００３１】
比較例のファイバレーザ装置は、自然放出光を抑制する手段を有していない。このため、励起光源の交換時などには、パルス波高値や発光スペクトルを測定し、自然放出光が所定値よりも小さくなるように光学調整を行う必要がある。このような光学調整は、シード光のパルス幅が短くなるほど複雑になる。また、レーザー光の発光スペクトルと自然放出光の発光スペクトルとが重なるので、自然放出光の発生を精度良く検出することは容易ではない。  
【００３２】
これに対して、第１の実施形態では、自然放出光制御部２０により検知器２０ａへの入射光Ｇｄを検出し、第１の励起光源１８の駆動条件を制御し自然放出光ＡＳＥ１の増大を抑制できる。たとえば、制御回路２０ｂは、検知器２０ａへの入射光Ｇｄの勾配から、自然放出光ＡＳＥ１の発生を検出する。制御回路２０ｂは、さらに第１の励起光Ｇｅ１の出力を低下させるよう制御信号Ｓ２を駆動回路１８ａへ向けて出力する。駆動回路１８ａは、半導体レーザーなどの光源１８ｂの動作電流を低減して、励起光強度を制御する。このようにして、自然放出光ＡＳＥ１の増大を抑制しつつ、高いパルス増幅出力を高い増幅効率で放出できる。
【００３３】
図７は、第２の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図である。
ファイバレーザ装置は、第１のファイバアンプＡ１と、これに縦続接続された第２のファイバアンプＡ２と、を有している。ファイバアンプを多段接続することにより、利得や出力を高めることが容易となる。
【００３４】
もしも、第１のファイバアンプＡ１で第１の自然放出光ＡＳＥ１が発生すると、第２のファイバアンプＡ２に入射する。第１の自然放出光ＡＳＥ１は、第２の偏光保持ファイバ１３でさらに増幅され、第２のファイバアンプＡ２から放出されることになる。また、第２のファイバアンプＡ２は、その内部で第２の自然放出光ＡＳＥ２を発生する。すなわち、第２のファイバアンプＡ２は、第１および第２の自然放出光ＡＳＥ１、ＡＳＥ２を発生し、パルス増幅効率を一層低下させることがある。
【００３５】
これに対して、第２の実施形態では、第１のファイバアンプＡ１の第１の自然放出光制御部２０により自然放出光ＡＳＥ１を抑制して、第２のファイバアンプへの入射光量を低減する。また、第２のファイバアンプＡ２でも、自然放出光ＡＳＥ２の増大を抑制できる。このため、自然放出光の増大が抑制され、利得やパルス増幅出力がより高められたファイバレーザ装置とすることができる。
【００３６】
図８は、第３の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図である。
第３の実施形態は、第１のファイバアンプＡ１と第２のファイバアンプＡ２とに共通となる自然放出光制御部２０を有する。
【００３７】
たとえば、第１のファイバアンプＡ１からの自然放出光ＡＳＥ１と第２のファイバアンプＡ２からの自然放出光ＡＳＥ２とを検出する検知器およびそれに接続される制御回路を共通とすることができる。この場合、第１のポラライザ１４は、第１の光結合器１６と第２の偏光保持ファイバ１３との間に設けられ、第２の偏光保持ファイバ１３の第１の端部から放出された光のうち、透過軸に対する直交成分を反射する。
【００３８】
また、第１の自然放出光制御部２０は、第２の偏光保持ファイバ１３から放出され第１のポラライザ１４で反射された光の光強度の、シード光１１の光強度Ｐｄに対する勾配を検出することにより、第２の励起光Ｇｅ２の出力を制御する。または、検知器のみを共通にすることもできる。第３の実施形態では、構成が簡素になり、装置を小型化できる。
【００３９】
第１〜第３の実施形態にかかるファイバレーザ装置により、自然放出光の増大が抑制され、パルス増幅の効率が改善される。また、本実施形態のファイバレーザ装置を光パラメトリック発振器に接続するとパルス増幅光の波長を長波長に変換でき、光応答装置などに用いることができる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  シード光源、１１  シード光、１２  第１の偏光保持ファイバ、１３  第２の偏光保持ファイバ、１４  第１のポラライザ、１５  第２のポラライザ、１６  第１の光結合器、１７  第２の光結合器、１８  第１の励起光源、１９  第２の励起光源、２０  第１の自然放出光制御部、２０ａ  検知器、２０ｂ  制御回路、２１  第１の自然放出光制御部、Ｐｓ  シード光の光強度、Ｐ１、Ｐ２  パルス増幅光の光強度、Ｐｄ  検知器への入射光の光強度、Ｓ２  制御信号  
【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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