(57)【要約】【課題】  出力光のピークパワーをパルス幅と独立して制御し得るファイバレーザ装置を提供する。【解決手段】  励起光を出射する光源１０と、活性元素がコアに添加される増幅用光ファイバ２０と、増幅用光ファイバ２０の一方側に設けられ特定波長の光を反射する第１反射部２１と、増幅用光ファイバ２０の他方側に設けられ第１反射部２１が反射する光の波長と少なくとも一部が同じ波長の光を第１反射部２１よりも低い反射率で反射する第２反射部２２と、増幅用光ファイバ２０と第２反射部２２との間に設けられる光学素子３０と、制御部４０と、を備え、制御部４０は、光源１０から出射する励起光のパワーを制御し、第１反射部２１と第２反射部２２との間の光が発振する発振モードにおいて、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射して第２反射部２２側に伝搬する光の割合を調整する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を出射する光源と、
前記励起光により励起される活性元素がコアに添加される増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバの一方側に設けられ、前記活性元素が放出する光のうち特定波長の光を反射する第１反射部と、
前記増幅用光ファイバの他方側に設けられ、前記第１反射部が反射する光の波長と少なくとも一部が同じ波長の光を前記第１反射部よりも低い反射率で反射する第２反射部と、
前記増幅用光ファイバと前記第２反射部との間に設けられ、前記増幅用光ファイバ側から入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合を変化させる光学素子と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記光源から出射する前記励起光のパワーを制御し、前記光学素子を、前記第１反射部と前記第２反射部との間の光が発振をするように前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光を前記第２反射部側に伝搬させる発振モードと、前記発振をしないように前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合を小さくする非発振モードと、に切り替え、前記発振モードにおける前記増幅用光ファイバ側から第２反射部側に伝搬する光の割合を調整する
ことを特徴とするファイバレーザ装置。
【請求項２】
バースト期間において、
前記光源は一定のパワーで前記励起光を出射し、
前記制御部は、前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合が変化するように、前記光学素子を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合が徐々に大きくなるように、前記光学素子を制御する
ことを特徴とする請求項２に記載のファイバレーザ装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合が徐々に小さくなるように、前記光学素子を制御する
ことを特徴とする請求項２に記載のファイバレーザ装置。
【請求項５】
バースト期間において、
前記制御部は、前記励起光のパワーが大きいほど、前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合が小さくなるように、前記光学素子を制御する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記励起光のパワーが徐々に大きくなるように前記光源を制御する
ことを特徴とする請求項５に記載のファイバレーザ装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記励起光のパワーが徐々に小さくなるように前記光源を制御する
ことを特徴とする請求項５に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】
本発明は、パルス状の出力光を出射するファイバレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を用いて加工を行う加工機や、レーザ光を使ったメス等の医療機器等に用いるレーザ装置の一つとして、希土類添加ファイバにより信号光を増幅して出射するファイバレーザ装置が用いられている。このようなファイバレーザ装置では、出射する出力光の強度を大きくするため、パルス状の出力光を出射する場合がある。
【０００３】
下記特許文献１には、このようなファイバレーザ装置が記載されている。特許文献１に記載のファイバレーザ装置は、希土類元素が添加された増幅用光ファイバと、希土類元素を励起するレーザ光を出射するレーザダイオードとを備えている。そして、レーザ光により励起状態とされた希土類元素が放出する光のうち一部の波長の光が光ファイバで共振して、共振する光の一部が出射する。このファイバレーザ装置では、レーザダイオードからパルス状のレーザ光が励起光として増幅用光ファイバに入射され、パルス状の光が出射する。そして、このレーザ光を出射するレーザダイオードに印加されるパルス状の電圧が制御されることにより、ファイバレーザ装置から出射する光のパルス幅が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１３４７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のファイバレーザ装置では、レーザダイオードに印加されるパルス状の電圧が制御されることにより、増幅用光ファイバに入射する励起光のパワーが制御される。そして、励起光のパワーと、増幅用光ファイバに含まれる希土類元素の励起状態と、増幅用光ファイバから出射する出力光の平均出力及びパルス幅とには、次のような関係がある。すなわち、励起光のパワーを大きくすると増幅用光ファイバに含まれる希土類元素の励起状態が高くなり、増幅用光ファイバから出射する光の平均出力が高くなるとともにパルス幅は小さくなる。
【０００６】
上記のように、特許文献１に記載のファイバレーザ装置では、増幅用光ファイバから出射される出力光の平均出力及びパルス幅は励起光のパワーによって決定される。従って、出力光のパルス幅を変えるように励起光のパワーが制御されれば、出力光の平均出力も変化し、出力光のピークパワーも変化する。しかし、ファイバレーザ装置では、出力光のピークパワーをパルス幅と独立して制御したいという要請がある。
【０００７】
そこで、本発明は、出力光のピークパワーをパルス幅と独立して制御し得るファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明のファイバレーザ装置は、励起光を出射する光源と、前記励起光により励起される活性元素がコアに添加される増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバの一方側に設けられ、前記活性元素が放出する光のうち特定波長の光を反射する第１反射部と、前記増幅用光ファイバの他方側に設けられ、前記第１反射部が反射する光の波長と少なくとも一部が同じ波長の光を前記第１反射部よりも低い反射率で反射する第２反射部と、前記増幅用光ファイバと前記第２反射部との間に設けられ、前記増幅用光ファイバ側から入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合を変化させる光学素子と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記光源から出射する前記励起光のパワーを制御し、前記光学素子を、前記第１反射部と前記第２反射部との間の光が発振をするように前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光を前記第２反射部側に伝搬させる発振モードと、前記発振をしないように前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合を小さくする非発振モードと、に切り替え、前記発振モードにおける前記増幅用光ファイバ側から第２反射部側に伝搬する光の割合を調整することを特徴とするものである。
【０００９】
上記ファイバレーザ装置によれば、制御部が光源から出射する励起光のパワーを制御することによって、出力光のパルス幅が制御され得る。なお、光源が一定のパワーの励起光を出射するように制御されることも含まれる。また、光学素子が発振モードとされる場合、第１反射部と第２反射部との間で光が共振し、パルス状の出力光が発振される。なお、非発振モードにおいて、増幅用光ファイバ側から光学素子に入射する光のうち第２反射部側に伝搬する光の割合が小さくなる場合には、光学素子から第２反射部に光が全く伝搬しない場合も含む。制御部は、発振モードにおいて、増幅用光ファイバ側から光学素子に入射する光のうち第２反射部側に伝搬する光の割合を調整するため、第１反射部と第２反射部との間で共振する光のパワー及び第２反射部を透過する光のパワーが制御され得る。従って、出力光の平均出力が制御され得る。その結果、出力光のピークパワーが制御され得る。このように光学素子に入射する光のうち第２反射部側に伝搬する光の割合が変化することで、出力光のピークパワーを制御する場合であっても、出力光のパルス幅への影響は殆ど生じない。従って、このような上記ファイバレーザ装置は、出力光のピークパワーをパルス幅と独立して制御し得る。
【００１０】
なお、パルス幅は、時間に対するパルス光のパワー変化であるパルス波形において、パルス光の立ち上がりにおいてパルス光のパワーがピークパワーに対して所定の割合となるまで高まった時点とパルス光のパワーがピークパワーを過ぎて再び所定の割合となるまで下がった時点との時間間隔として定義される。例えば、パルス幅は、パルス光のパワーがピークパワーに対いて半分となる点の時間間隔とされる。
【００１１】
また、バースト期間において、前記光源は一定のパワーで前記励起光を出射し、前記制御部は、前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合が変化するように、前記光学素子を制御することが好ましい。
【００１２】
出力光のパルス幅は、励起光のパワーに依存する傾向がある。よって、励起光のパワーが一定とされることによって、出力光のパルス幅が一定とされ得る。また、増幅用光ファイバ側から光学素子に入射する光のうち第２反射部側に伝搬する光の割合が変化するように光学素子が制御されることによって、ピークパワーが互いに異なる複数のパルス光が出射され得る。従って、このようなファイバレーザ装置は、複数のパルス光が所定の間隔をあけて連続して出射されるバースト動作が行われるバースト期間において、パルス幅を一定とし、最初のパルス光から所定のパルス光までのそれぞれのパルス光毎または連続する複数のパルス光毎にピークパワーを変化し得る。
【００１３】
また、バースト期間において上記のようにパルス光のピークパワーが変化する場合、前記制御部は、前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合が徐々に大きくなるように、前記光学素子を制御することが好ましい。
【００１４】
制御部が増幅用光ファイバ側から光学素子に入射する光のうち第２反射部側に伝搬する光の割合が徐々に大きくなるように光学素子を制御することによって、ファイバレーザ装置は、バースト期間において複数のパルス光のピークパワーを徐々に大きくし得る。
【００１５】
また、バースト期間において上記のようにパルス光のピークパワーが変化する場合、前記制御部は、前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合が徐々に小さくなるように、前記光学素子を制御することも好ましい。
【００１６】
制御部が増幅用光ファイバ側から光学素子に入射する光のうち第２反射部側に伝搬する光の割合が徐々に小さくなるように光学素子を制御することによって、ファイバレーザ装置は、バースト期間において複数のパルス光のピークパワーを徐々に小さくし得る。
【００１７】
また、バースト期間において、前記制御部は、前記励起光のパワーが大きいほど、前記増幅用光ファイバ側から前記光学素子に入射する光のうち前記第２反射部側に伝搬する光の割合が小さくなるように、前記光学素子を制御することも好ましい。
【００１８】
上記のように、励起光のパワーが制御されることによって出力光のパルス幅が制御され得る。従って、制御部が増幅用光ファイバ側から光学素子に入射する光のうち第２反射部側に伝搬する光の割合が、励起光のパワーが大きいほど小さくされることによって、ファイバレーザ装置は、パルス幅を制御してピークパワーのばらつきが抑えられた複数のパルス光を出射し得る。
【００１９】
また、バースト期間において上記のようにパルス光のパルス幅が変化する場合、前記制御部は、前記励起光のパワーが徐々に大きくなるように前記光源を制御することが好ましい。
【００２０】
制御部が励起光のパワーが徐々に大きくなるように光源を制御することによって、ファイバレーザ装置は、バースト期間において出力光のパルス幅を徐々に小さくし得る。
【００２１】
また、バースト期間において上記のようにパルス光のパルス幅が変化する場合、前記制御部は、前記励起光のパワーが徐々に小さくなるように前記光源を制御することも好ましい。
【００２２】
制御部が励起光のパワーが徐々に小さくなるように光源を制御することによって、ファイバレーザ装置は、バースト期間において出力光のパルス幅を徐々に大きくし得る。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、出力光のピークパワーをパルス幅と独立して制御し得るファイバレーザ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。
【図２】バースト期間において、出力光のパルス幅が一定でピークパワーが変化する場合のファイバレーザ装置の動作を模式的に示すタイミングチャートである。
【図３】バースト期間において、出力光のピークパワーが一定でパルス幅が変化する場合のファイバレーザ装置の動作を模式的に示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の変形例に係るファイバレーザ装置を示す図である。
【図５】光源に加えられる電流の値に対する、出力光のパルス幅、平均出力及びピークパワーを示す図である。
【図６】ＲＦパワーに対する光学素子の回折効率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係るファイバレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明に係るファイバレーザ装置を示す図である。
【００２７】
図１に示すように、ファイバレーザ装置１は、光源１０、第１反射部２１、増幅用光ファイバ２０、第２反射部２２、光学素子３０、制御部４０、及び光検出部５０を備える共振器型のファイバレーザ装置である。
【００２８】
光源１０は、増幅用光ファイバ２０に入射する励起光を出射する。この励起光は、連続光とされる。このような光源１０は、例えば複数のレーザダイオードを有する。光源１０は、増幅用光ファイバ２０のコアに添加された活性元素を励起する波長の励起光、例えば波長が９１５ｎｍの光を出射する。
【００２９】
また、光源１０は、第１光ファイバ１１に接続されており、光源１０から出射する光は、第１光ファイバ１１のクラッドに入射する。第１光ファイバ１１は、増幅用光ファイバ２０のコアの直径と同様の直径のコア、増幅用光ファイバ２０のクラッドの外径と同様の外径のクラッド、及び当該クラッドの外周面を被覆する樹脂クラッドを有するダブルクラッドファイバである。そして、第１光ファイバ１１は、コアの中心軸が増幅用光ファイバ２０のコアの中心軸と合わされて、増幅用光ファイバ２０に接続されている。従って、増幅用光ファイバ２０のコアと第１光ファイバ１1のコアとが光学的に結合し、増幅用光ファイバ２０のクラッドと第１光ファイバ１１のクラッドとが光学的に結合している。
【００３０】
増幅用光ファイバ２０は、光源１０から出射する励起光により励起される活性元素がコアに添加された光ファイバである。増幅用光ファイバ２０は、コアと、コアの外周面を隙間なく囲むクラッドと、クラッドの外周面を被覆する樹脂クラッドと、樹脂クラッドの外周面を被覆する被覆層とから構成されている。増幅用光ファイバ２０のコアを構成する材料としては、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム等の元素、及び、光源１０から出射する励起光により励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）等の活性元素が添加された石英が挙げられる。このような活性元素としては、希土類元素が挙げられ、希土類元素としては、上記Ｙｂの他にツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）等が挙げられる。さらに活性元素として、希土類元素の他に、ビスマス（Ｂｉ）等が挙げられる。また、増幅用光ファイバ２０のクラッドを構成する材料としては、例えば、何らドーパントが添加されていない純粋石英が挙げられる。また、増幅用光ファイバ２０の樹脂クラッドを構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂が挙げられ、増幅用光ファイバ２０の被覆層を構成する材料としては、例えば、樹脂クラッドを構成する樹脂とは異なる紫外線硬化樹脂が挙げられる。
【００３１】
第１反射部２１は、増幅用光ファイバ２０に含まれる活性元素が放出する光のうち特定波長の光を反射する。本実施形態の第１反射部２１は、第１光ファイバ１１のコアに設けられるＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）である。こうして第１反射部２１は、増幅用光ファイバ２０の一方側に設けられている。第１反射部２１は、第１光ファイバ１１の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、この周期が調整されることにより、励起状態とされた増幅用光ファイバ２０の活性元素が放出する光の内、特定波長の光を反射するように構成されている。第１反射部２１は、上述のように増幅用光ファイバ２０に添加される活性限度がイッテルビウムである場合、例えば波長が１０７０ｎｍの光の反射率が、例えば１００％とされる。
【００３２】
光学素子３０は、増幅用光ファイバ２０の他方側に設けられる。また、本実施形態の光学素子３０の増幅用光ファイバ２０側とは反対側の端面には、第２反射部２２が設けられている。従って、第２反射部２２は増幅用光ファイバ２０の他方側に設けられ、光学素子３０は増幅用光ファイバ２０と第２反射部２２との間に設けられる。
【００３３】
また、光学素子３０は、増幅用光ファイバ２０側から入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合を変化させる。そして、光学素子３０は、発振モードと非発振モードとに切り替えられる。発振モードは、第１反射部２１と第２反射部２２との間の光が発振をするように増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光を第２反射部２２側に伝搬させるモードである。非発振モードは、第１反射部２１と第２反射部２２との間の光が発振をしないように増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合を小さくするモードである。なお、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合を小さくするとは、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光を第２反射部２２側に伝搬させない場合も含む。
【００３４】
この様な光学素子３０としては、ＡＯＭ（Acoustic Optical Modulator）が挙げられる。本実施形態の光学素子３０は、加えられる電力に応じて所定の方向へ伝搬する光の割合が変化する。本実施形態では、光学素子３０に電力が印加されないとき、光学素子３０は非発振モードとされ、第１反射部２１側から光学素子３０に入射する光は０次光として光学素子３０を透過する。一方、光学素子３０に所定の電力が印加されるとき、光学素子３０は発振モードとされ、第１反射部２１側から光学素子３０に入射する光の少なくとも一部は一次光として第２反射部２２側に伝搬するように回折する。ここで、第１反射部２１側から光学素子３０に入射する光のエネルギーＥｉに対する第２反射部２２側に回折する光のエネルギーＥｏの割合Ｅｏ／Ｅｉを回折効率とする。すなわち、本実施形態の光学素子３０の回折効率は、第１反射部２１側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合である。本実施形態において、当該割合は、光学素子３０に加えられる電力が低くなる程下がり、光学素子３０に加えられる電力が高くなる程上がる。また、ＲＦ（Radio Frequency）発振器等を用いて光学素子３０に周期的に電力を印加することで、光学素子３０の発振モードと非発振モードとを高速で切り替えることができる。
【００３５】
第２反射部２２は、第１反射部２１側から光学素子３０に入射して第２反射部２２側に伝搬する光のうち第１反射部２１が反射する光の波長と少なくとも一部が同じ波長の光を第１反射部２１よりも低い反射率で反射する。増幅用光ファイバ２０のコアから光学素子３０に入射して光学素子３０を第２反射部２２側へ伝搬する一部の光は、第２反射部２２で反射され、他の一部の光は第２反射部２２を透過する。第２反射部２２で反射された光は、再び増幅用光ファイバ２０のコアに入射する。本実施形態の第２反射部２２は、フレネル反射を利用したミラーとされる。一方、光学素子３０を第２反射部２２側とは異なる方向へ透過する光は、増幅用光ファイバ２０のコアに向かって反射せずに光学素子３０を透過する。このように光学素子３０を透過する光は、例えば、不図示の光ファイバを介して熱等に変換され処理される。
【００３６】
第２光ファイバ１２は、光学素子３０の増幅用光ファイバ２０側とは反対側に接続される。第２反射部２２を透過した光が第２光ファイバ１２に入射する。第２光ファイバ１２は、コアの直径が増幅用光ファイバ２０のコアの直径と同様とされ、クラッドの外径が増幅用光ファイバ２０のクラッドの外径と同様とされる光ファイバである。そして、第２光ファイバ１２のコアは、光学素子３０を介して増幅用光ファイバ２０のコアと光学的に結合されている。
【００３７】
第２光ファイバ１２の光学素子３０側とは反対側には第３光ファイバ１３が接続されている。この第３光ファイバ１３は、増幅用光ファイバ２０から出射する光を所定の場所まで伝搬させて出射する光ファイバであり、デリバリ光ファイバと呼ばれる場合がある。なお、第３光ファイバ１３は第２光ファイバ１２の一部とされてもよい。
【００３８】
光検出部５０は、第２光ファイバ１２の途中に設けられる光分離部５１、光ファイバ５２及び光電変換部５３を有する。光分離部５１は、例えば、光カプラ等から構成され、第２光ファイバ１２から第３光ファイバ１３に向かって伝搬する光の一部を分離する。光分離部５１で分離された光の一部は光ファイバ５２を伝搬して光電変換部５３に入射する。光電変換部５３は、例えばフォトダイオード等の光電変換素子を含んで構成され、光分離部５１により分離された光の強度を電気的信号に変換する。従って、光検出部５０は、増幅用光ファイバ２０から出射する出力光の強度を検出することができる。また、光電変換部５３は、光分離部５１から入射する光を光電変換し、光分離部５１から入射する光の強度に基づいた電気的信号を制御部４０に出力する。
【００３９】
本実施形態の制御部４０は、光源１０から出射する励起光のパワーを制御する。具体的には、制御部４０は、光源１０が有するレーザダイオードに印加される電流の値を制御し、光源１０からの励起光の出射の有無や励起光のパワーを制御する。
【００４０】
また、制御部４０は、光学素子３０の発振モードと非発振モードとの切り替え制御を行う。さらに、制御部４０は、発振モードにおいて、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合を調整する。本実施形態の制御部４０は、光学素子３０に電力を印加するドライバ４１を制御して光学素子３０に加えられる電力を制御する。制御部４０は、論理ゲートや、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等で構成されている。制御部４０は、ドライバ４１を介して光学素子３０に印加される電力の有無や電力の高さを制御する。その結果、制御部４０によって上記のように光学素子３０が制御される。
【００４１】
また、本実施形態の制御部４０は、光電変換部５３から制御部４０に入力される信号に基づいて光源１０及び光学素子３０をフィードバック制御する。
【００４２】
次に、このようなファイバレーザ装置１の動作について説明する。
【００４３】
＜パルス光を出射する動作＞
まず、ファイバレーザ装置１がパルス光を出射する動作について説明する。
【００４４】
ファイバレーザ装置１の電源が投入されると、制御部４０は待機状態となる。次に、光源１０から励起光が出射される。励起光は、第１光ファイバ１１を伝搬して増幅用光ファイバ２０に入射する。増幅用光ファイバ２０に励起光が入射すると、増幅用光ファイバ２０に添加される活性元素が励起状態とされ、当該活性元素から光が自然放出される。このとき、光学素子３０は非発振モードとされており、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光は、第２反射部２２側には殆ど伝搬せずに光学素子３０を透過し、熱等に変換されて処理される。
【００４５】
次に、制御部４０によってドライバ４１から光学素子３０に所定の電力が印加され、光学素子３０が発振モードに切り替えられる。すなわち、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光の少なくとも一部は第２反射部２２側に伝搬される。そのため、特定波長の光は第１反射部２１と第２反射部２２とで反射され、第１反射部２１と第２反射部２２との間で共振する。そして、増幅用光ファイバ２０の活性元素から自然放出される光のうち上記のように第１反射部２１及び第２反射部で選択的に反射される特定波長成分の光を種として、増幅用光ファイバ２０の活性元素が誘導放出を生じる。誘導放出された光は、増幅用光ファイバ２０、第１反射部２１及び第２反射部２２で構成される共振器内を伝搬し、第１反射部２１と第２反射部２２とで反射される。この間に誘導放出が繰り返されることで共振光が増幅され、第１反射部２１と第２反射部２２との間の光が発振され、パルス状のレーザ光が第２反射部２２を透過して出射する。第２反射部２２を透過した光は第２光ファイバ１２及び第３光ファイバ１３を介してファイバレーザ装置１から出射される。このようにしてファイバレーザ装置１からパルス状の出力光が出射される。
【００４６】
＜出力光のピークパワーを制御する動作＞
次に、ファイバレーザ装置１から出射される出力光のピークパワーを制御する場合のファイバレーザ装置１の動作について説明する。
【００４７】
上記のようにしてファイバレーザ装置１からパルス状の出力光が出射される。ここで、制御部４０によって、光学素子３０に印加される電力の高さが制御され、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が制御される。この制御によって、第１反射部２１と第２反射部２２との間で共振する共振光のパワー及び第２反射部２２を透過する光のパワーが調整される。その結果、ファイバレーザ装置１から出射する出力光の平均出力が制御され得る。このように出力光の平均出力が制御されることによって、出力光のピークパワーが制御され得る。
【００４８】
ここで、光学素子３０に入射する光の波形が同じ波形の繰り返しであり、光学素子３０において第２反射部２２側に伝搬する光の割合が変化することによって第２反射部２２から出射する光のピークパワーが変化する場合のパルス幅について考察する。上記のように、パルス幅は、時間に対するパルス光のパワー変化であるパルス波形において、パルス光の立ち上がりにおいてパルス光のパワーがピークパワーに対して所定の割合（例えば５０％）となるまで高まった時点とパルス光のパワーがピークパワーを過ぎて再び所定の割合となるまで下がった時点との時間間隔で定義される。このため、ピークパワーが変化すると、ピークパワーに対して所定の割合となるときの光のパワーも、ピークパワーの変化に応じて変化する。しかし、光のパワーの時間的変化をグラフ化する場合、ピークパワーが変化することで波形のパワー方向の大きさが変化しても、時間的変化は殆ど生じない。つまり、パルス光の立ち上がりからパルス光のパワーがピークパワーに対して所定の割合となる時点までの時間、更にその時点からパルス光のパワーがピークパワーを過ぎて再び所定の割合となるまでの時間は、上記のようにピークパワーが変化してもそれぞれ殆ど変化しない。このため、光が所定のパワーとなりピークパワーとなる状態を介して再び所定のパワーとなるまでの時間幅、すなわちパルス幅の変化は抑制される。
【００４９】
ところで、光源１０から出射される励起光のパワーが大きくなると、ファイバレーザ装置１から出射される出力光のパルス幅は小さくなると共にピークパワーは大きくなる。このように、ファイバレーザ装置１から出射される出力光のパルス幅は、光源１０から出射される励起光のパワーに依存する傾向があるものの、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合には影響され難い。従って、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射して第２反射部２２側に伝搬する光のパワーが変化しても出力光のパルス幅の変化は抑制される。
【００５０】
また、本実施形態のファイバレーザ装置１は上記のように光検出部５０を備えており、フィードバック制御が行われる。従って、制御部４０は、光電変換部５３からの信号に基づいてパルス光のピークパワーを検知し、次のパルス光が出射される際の増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合を制御する。
【００５１】
＜バースト動作＞
次に、バースト動作について説明する。バースト動作は、光学素子３０が非発振モードと発振モードとに繰り返し切り替えられることによって、ファイバレーザ装置１が複数のパルス光を所定の間隔をあけて連射する動作である。
【００５２】
図２は、バースト動作が行われるバースト期間において、出力光のパルス幅が一定でピークパワーが変化する場合のファイバレーザ装置１の動作を模式的に示すタイミングチャートである。図２では、光源１０から出射する励起光のパワーと、光学素子３０に加えられる電力であるＲＦパワー、ファイバレーザ装置１から出射する出力光のパワーとが示されている。なお、図２では、励起光が高い状態ほど光源１０から出射する励起光のパワーが大きい状態を示し、ＲＦパワーが高い状態ほど光学素子３０に高い電力が印加されている状態を示し、出力光が高い状態ほどファイバレーザ装置１から出射する出力光のパワーが大きい状態を示している。
【００５３】
バースト期間では、制御部４０は、ドライバ４１を制御し、ドライバ４１から高周波の電力を光学素子３０に印加する。この電力が、図２に示すＲＦパワーである。このとき、光学素子３０に加えられる電力の周波数ｆは、例えば１３５ＭＨｚとされる。
【００５４】
図２に示す例では、バースト期間において励起光のパワーは一定とされる。そのため、出力光のパルス幅は一定とされる。また、光学素子３０に加えられるＲＦパワーはバースト期間において一定の繰り返し周期で徐々に（段階的に）高められている。そのため、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合は徐々に増している。そのため、第１反射部２１と第２反射部２２との間で共振する光のパワー及び第２反射部２２を透過する光のパワーが徐々に高くなり、出力光のピークパワーが徐々に高くなっている。このように光学素子３０に加えられるＲＦパワーが徐々に高くなることによって出力光のピークパワーが徐々に高くなる場合でも、励起光のパワーが一定とされることで出力光のパルス幅の変化は抑制される。すなわち、光源１０から出射される励起光のパワーが一定とされつつ光学素子３０に加えられるＲＦパワーを段階的に高くすることによって、出力光のパルス幅を一定に揃えつつピークパワーを徐々に大きくし得る。また、特に図示して説明しないが、光源１０から出射される励起光のパワーを一定としつつ光学素子３０に加えられるＲＦパワーを段階的に低くする場合は、出力光のパルス幅を一定に揃えつつピークパワーを徐々に小さくし得る。
【００５５】
図３は、バースト期間において、出力光のピークパワーが一定でパルス幅が変化する場合のファイバレーザ装置１の動作を模式的に示すタイミングチャートを図２と同様の方法で示す図である。
【００５６】
図３に示す例では、バースト期間において励起光のパワーが徐々に高められている。そのため、出力光のパルス幅は徐々に小さくなっている。また、励起光のパワーが徐々に高められることによって、増幅用光ファイバ２０に含まれる活性元素の励起状態は徐々に高められている。従って、増幅用光ファイバ２０から出射する出力光のピークパワーが徐々に高くなり得る。しかし、光学素子３０に加えられるＲＦパワーは徐々に低くされていることによって、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合は徐々に減少している。そのため、第１反射部２１と第２反射部２２との間で共振する光のパワー及び第２反射部２２を透過する光のパワーのばらつきが抑制され、出力光のピークパワーのばらつきが抑制される。このように、励起光のパワーを徐々に高める場合、光学素子３０に印加するＲＦパワーを徐々に低くすることによって、出力光のピークパワーを一定に揃えつつパルス幅を徐々に大きくし得る。また、特に図示して説明しないが、励起光のパワーを徐々に低くする場合は、光学素子３０に印加するＲＦパワーを徐々に高くすることによって、出力光のピークパワーを一定に揃えつつパルス幅を徐々に小さくし得る。なお、制御部４０は、光源１０及び光学素子３０を制御して、励起光のパワーが一定でない場合でも、図３に示すように出力光のピークパワーを一定にしても良い。
【００５７】
また、特に図示して説明しないが、バースト期間において、高いＲＦパワーと低いＰＦパワーとを交互に光学素子３０に印加して、ピークパワーの大きな光とピークパワーの小さな光とを交互に出射しても良い。この場合であっても、出射する光のパルス幅の変化は抑制される。このように、バースト期間において、光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が変化するように光学素子３０が制御されることによって、ピークパワーが互いに異なる複数のパルス光を出射し得る。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態のファイバレーザ装置１は、光源１０と、増幅用光ファイバ２０と、第１反射部２１と、第２反射部２２と、光学素子３０と、制御部４０と、を備える。このようなファイバレーザ装置１によれば、光学素子３０が発振モードとされる場合、第１反射部２１と第２反射部２２との間で光が共振し、パルス状の出力光が発振される。制御部４０は、発振モードにおいて、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合を調整する。そのため、第１反射部２１と第２反射部２２との間で共振する光のパワー及び第２反射部２２を透過する光のパワーが制御され得る。従って、出力光の平均出力が制御され得る。その結果、出力光のピークパワーが制御され得る。このように光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が変化する場合、出力光のパルス幅への影響は殆ど生じない。従って、このようなファイバレーザ装置１は、出力光のピークパワーをパルス幅と独立して制御し得る。
【００５９】
また、本実施形態のファイバレーザ装置１では、出力光のピークパワーを制御する例として、バースト期間において、光源１０は一定のパワーで励起光を出射し、制御部４０は、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が変化するように、光学素子３０を制御する。出力光のパルス幅は、励起光のパワーに依存する傾向がある。よって、励起光のパワーが一定とされることによって、出力光のパルス幅が一定とされ得る。また、増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が変化するように光学素子３０が制御されることによって、ピークパワーが互いに異なる複数のパルス光を出射し得る。従って、このようなファイバレーザ装置１は、複数のパルス光が所定の間隔をあけて連続して出射されるバースト動作が行われるバースト期間において、パルス幅を一定とし、最初のパルス光から所定のパルス光までのそれぞれのパルス光毎または連続する複数のパルス光毎にピークパワーを変化し得る。
【００６０】
このようにバースト期間においてパルス光のピークパワーが変化する場合、本実施形態のファイバレーザ装置１では、その変化の一例として、図２を用いた説明のように、バースト期間において、制御部４０は、光学素子３０に印可するＲＦパワーを徐々に高くすることによって増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が徐々に大きくなるように、光学素子３０を制御する。制御部４０が増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が徐々に大きくなるように光学素子３０を制御することによって、ファイバレーザ装置１は、バースト期間において複数のパルス光のピークパワーを徐々に大きくし得る。
【００６１】
また、バースト期間において上記のようにパルス光のピークパワーが変化する場合、本実施形態のファイバレーザ装置１では、その変化の一例として、制御部４０は、光学素子３０に印可するＲＦパワーを徐々に低くすることによって増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が徐々に小さくなるように、光学素子３０を制御し得る。制御部４０が増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が徐々に小さくなるように光学素子３０を制御することによって、ファイバレーザ装置１は、バースト期間において複数のパルス光のピークパワーを徐々に小さくし得る。
【００６２】
また、本実施形態の制御部４０は、光源１０から出射する励起光のパワーを制御する。制御部４０が光源１０から出射する励起光のパワーを制御することによって、ファイバレーザ装置１は、出力光のパルス幅を制御し得る。
【００６３】
また、バースト期間において、制御部４０は、励起光のパワーが大きいほど、光学素子３０に印可するＲＦパワーを徐々に低くすることによって増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が小さくなるように、光学素子３０を制御し得る。上記のように、励起光のパワーが制御されることによって出力光のパルス幅が制御され得る。従って、制御部４０が増幅用光ファイバ２０側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が、励起光のパワーが大きいほど小さくされることによって、ファイバレーザ装置１は、パルス幅を制御してピークパワーのばらつきが抑えられた複数のパルス光を出射し得る。
【００６４】
また、制御部４０は、励起光のパワーが徐々に大きくなるように光源１０を制御しても良い。この場合、ファイバレーザ装置１は、バースト期間において出力光のパルス幅を徐々に小さくし得る。
【００６５】
また、制御部４０は、励起光のパワーが徐々に小さくなるように光源１０を制御しても良い。この場合、ファイバレーザ装置１は、バースト期間において出力光のパルス幅を徐々に大きくし得る。
【００６６】
以上、本発明について、実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６７】
例えば、上記実施形態のファイバレーザ装置１において、光検出部５０を用いてフィードバック制御を行う例を挙げて説明したが、光検出部５０は必須の構成ではない。ただし、フィードバック制御が行われることによって、制御部４０によって光源１０及び光学素子３０を正確に制御し易くなる。
【００６８】
また、上記実施形態では、制御部４０が光源１０及び光学素子３０の制御を行う例を挙げて説明したが、光源１０を制御する制御部と光学素子３０を制御する制御部とはそれぞれ個別に設けられてもよい。また、光源１０が一定のパワーの励起光を出射するように制御されてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、光学素子３０と一体に第２反射部２２が設けられる例を挙げて説明したが、第２反射部２２は光学素子３０と離れて設けられてもよい。図４は、本発明の変形例に係るファイバレーザ装置を示す図である。なお、上記実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。本変形例では、第２光ファイバ１２のコアに第２反射部２２が設けられている。本変形例の第２反射部２２はＦＢＧである。こうして第２反射部２２は、増幅用光ファイバ２０の他方側に設けられ、第１反射部２１が反射する光の波長と少なくとも一部が同じ波長の光を第１反射部２１よりも低い反射率で第１反射部２１側に反射するように形成される。このように、第２反射部２２が光学素子３０と離間して設けられても良い。
【００７０】
また、上記実施形態では、光学素子３０であるＡＯＭに印加される電力を高めることで所定の方向へ光学素子３０を伝搬する光の割合が高くなる例を挙げて説明したが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、光学素子３０であるＡＯＭに所定の電力が加えられるときに光学素子３０が非発振モードとされ、当該電力を低くすることで光学素子３０が発振モードとされてもよい。この場合、第１反射部２１側から光学素子３０に入射して回折されることによって一次光となる光は、光学素子３０を透過して処理される。一方、光学素子３０に加えられる電力が低くされることによって増える０次光が、第２反射部２２側に伝搬される。
【００７１】
また、上記実施形態では、光学素子３０としてＡＯＭが用いられる例を挙げて説明したが、光学素子３０は、入射する光のうち所定の方向へ伝搬する光の割合が制御され得る光学素子であれば特に限定されない。
【００７２】
また、上記実施形態では、励起光が第１光ファイバ１１のクラッドに入射される例を挙げて説明したが、励起光は第１光ファイバ１１のコアに入射されてもよい。
【実施例１】
【００７３】
以下、実施例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものでは無い。
【００７４】
上記実施形態のファイバレーザ装置１を用いて、以下に説明するように、ピークパワーが一定でパルス幅が互いに異なる複数の出力光を出射した。
【００７５】
図５は、第１反射部２１側から光学素子３０に入射する光が全て第２反射部２２に達すると仮定した場合における、光源１０のレーザダイオードに加えられる電流の値と、出力光の平均出力、ピークパワー及びパルス幅との関係を示す図である。光源１０のレーザダイオードに加えられる電流が増すと、出力光の平均出力及びピークパワーは増す一方で、パルス幅は小さくなる。
【００７６】
次に、図６は、制御部４０によって光学素子３０に電力を加えるために用いられるＲＦ発振器に加えられる電力であるＲＦパワーに対する、光学素子３０の回折効率を示す図である。ＲＦパワーが高くなるほど光学素子３０に高い電力が印加され、図６に示すように、光学素子３０の回折効率が高くなることがわかる。すなわち、第１反射部２１側から光学素子３０に入射する光のうち第２反射部２２側に伝搬する光の割合が、ＲＦパワーが高くなるほど増すことがわかる。
【００７７】
上記のことを踏まえて、光源１０のレーザダイオードに加えられる電流の値を４．０Ａにした場合と６．０Ａにした場合とにおいて、ＲＦパワーを調整して出力光のピークパワーを一定とした結果を下記表１に示す。表１には、光源１０のレーザダイオードに加えられた電流の値、出力光のパルス幅、第１反射部２１側から光学素子３０に入射する光が全て第２反射部２２に達すると仮定した場合における出力光の平均出力およびピークパワー、ＲＦパワー、ＲＦパワーが調整された後の出力光のピークパワーを示している。
【００７８】
【表１】
2019106423.tif 000003
【００７９】
図５及び表１に示すように、光源１０のレーザダイオードに加えられる電流値が４．０Ａの場合、出力光のパルス幅は２１８ｎｓとなった。一方、光源１０のレーザダイオードに加えられる電流値が６．０Ａの場合は、出力光のパルス幅は１５８ｎｓとなった。これらのパルス幅は、光学素子３０の制御が行われるか否かによらず概ね同じである。また、第１反射部２１側から光学素子３０に入射する光が全て第２反射部２２に達すると仮定した場合、図５及び表１に示すように、光源１０のレーザダイオードに４．０Ａの電流が加えられると、出力光の平均出力は１．８Ｗ、ピークパワーは１４Ｗとなる。一方、光源１０のレーザダイオードに６．０Ａの電流が加えられると、出力光の平均出力は２．７Ｗ、ピークパワーは２８Ｗとなる。よって、光源１０のレーザダイオードに加えられる電流の値が６．０Ａの場合の出力光のピークパワーを、光源１０のレーザダイオードに加えられる電流の値が４．０Ａの場合の出力光のピークパワーに対して半分にすることによって、出力光のピークパワーが一定になることがわかる。そこで、図６に示すデータに基づいて、ＲＦパワーを調整した。すなわち、制御部４０によって光学素子３０に加えられる電力を調整した。図６に示すように、ＲＦパワーが０．４Ｗの場合、ＲＦパワーが１．７Ｗの場合に比べて、光学素子３０の回折効率がほぼ半分となることがわかる。よって、表１に示すように、光源１０のレーザダイオードに加えられる電流の値が４．０Ａの場合にはＲＦパワーを１．７Ｗとし、光源１０のレーザダイオードに加えられる電流の値が６．０Ａの場合にはＲＦパワーを０．４Ｗとした。その結果、表１に示すように、パルス幅によらずピークパワーが一定の出力光をファイバレーザ装置１から出射させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上説明したように、本発明によれば、出力光のピークパワーをパルス幅と独立して制御し得るファイバレーザ装置が提供され、加工機や、医療機器といったレーザ光を用いる分野での利用が期待される。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・ファイバレーザ装置
１０・・・光源
１１・・・第１光ファイバ
１２・・・第２光ファイバ
１３・・・第３光ファイバ
２０・・・増幅用光ファイバ
２１・・・第１反射部
２２・・・第２反射部
３０・・・光学素子
４０・・・制御部
４１・・・ドライバ
５０・・・光検出部
【図１】
2019106423.tif 000004
【図２】
2019106423.tif 000005
【図３】
2019106423.tif 000006
【図４】
2019106423.tif 000007
【図５】
2019106423.tif 000008
【図６】
2019106423.tif 000009