(57)【要約】【課題】発光波長に一定のバラツキを有する励起光用光源を用いた場合であっても、高効率で蛍光を生じさせ、所望の波長のレーザ光を取り出すことのできるファイバーレーザを提供する。【解決手段】  ファイバーレーザは、励起光を射出するレーザ光源素子、及び所定のドーパントがドープされたコア部とコア部の外周に形成されたクラッド部を有する光ファイバーを備え、励起光がコア部に導かれる構成である。そして、光ファイバーは、励起光が入射される第１端面に形成された第１ミラー、及び第１端面とは反対側の第２端面に形成され、第１ミラーと共に共振器ミラーを構成する第２ミラーを有し、少なくとも２以上の光ファイバー部分が連結されることで、ドーパント及び励起光の波長に応じたファイバー長を有する。【選択図】        図２
2015070215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を射出するレーザ光源素子、及び所定のドーパントがドープされたコア部と前記コア部の外周に形成されたクラッド部を有する光ファイバーを備え、前記励起光が前記コア部に導かれる構成であるファイバーレーザであって、
前記光ファイバーは、
前記励起光が入射される第１端面に形成された第１ミラー、及び前記第１端面とは反対側の第２端面に形成され、前記第１ミラーと共に共振器ミラーを構成する第２ミラーを有し、
少なくとも２以上の光ファイバー部分が連結されることで、前記ドーパント及び前記励起光の波長に応じたファイバー長を有して形成されていることを特徴とするファイバーレーザ。
【請求項２】
前記光ファイバーは、前記励起光の波長と前記ドーパントによって決定される所定の基準波長との乖離が大きいほど、ファイバー長が長いことを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ。
【請求項３】
前記光ファイバーは、前記第１ミラーを含む第１ファイバー部分、前記第２ミラーを含む第２ファイバー部分、及び前記第１ファイバー部分と前記第２ファイバー部分とを連結する第３ファイバー部分を有し、
前記第３ファイバー部分は、前記ドーパント及び前記励起光の波長に応じて決定される長さを有する構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載のファイバーレーザ。
【請求項４】
前記光ファイバーは、前記第１ミラーを含む第１ファイバー部分、及び前記第２ミラーを含む第２ファイバー部分を有し、
前記第１ファイバー部分又は前記第２ファイバー部分のいずれか一方が、前記ドーパント及び前記励起光の波長に応じて決定される長さを有する構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載のファイバーレーザ。
【請求項５】
前記光ファイバーは、ファイバー長をＬ、前記励起光の波長に対する吸収係数をα、前記励起光の波長に対する透過率をＴとした場合に、
Ｌ≧（−１／α）ｌｏｇＴ
を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のファイバーレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はファイバーレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コア部に希土類元素をドープし、両端面に共振器ミラーを構成してなる光ファイバーに、所定の波長を示す励起用レーザ光を入射させることで、励起光とは異なる波長の光を発振させる技術がある。例えばコア部にＰｒをドープした光ファイバーに、ＧａＮ系半導体レーザから射出された励起用レーザ光を入射させることで、可視域の任意の波長を発振させる技術が知られている（例えば、下記特許文献１、２参照）。この技術を用い、ファイバーレーザから取り出される光をプロジェクタ等の光源に利用することが検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２０４８６２号公報
【特許文献２】特開２００１−２６４６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ファイバーレーザは、所定の波長の励起光を光ファイバーのコア部に入射させ、この励起光がクラッドで反射を繰り返しながら進行するうちに、コア部にドープされた所定の材料（例えＰｒ等の希土類元素）を励起させることで、当該材料が形成する準位に応じた波長の蛍光を生じさせる原理を利用している。すなわち、コア部において励起光を効率的に吸収させることが、蛍光を効率的に生じさせるための条件となる。
【０００５】
図１は、光ファイバーとしてＡｌＦ３系フッ化物ガラスを利用し、コア部にＰｒ３＋をドープした場合に、当該コア部に入射させる励起光の波長と吸収率及び透過率の関係をグラフにしたものである（ファイバー長１０ｎｍ）。吸収率とは、コア部に入射された励起光のうちの、コア部内で吸収された光の光量の割合であり、透過率とは、コア部に入射された励起光のうちの、コア部で吸収されずに光ファイバー外へと透過して放出された光の光量の割合を指している。図１に示すように、上記構成においては、励起光の波長が約４４０ｎｍにおいて励起光の吸収率が最も高く、４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で見れば、励起光の波長が約４４０ｎｍから離れると、励起光の波長が約４４０ｎｍの場合と比べて吸収率が大きく低下していることが分かる。
【０００６】
これを踏まえれば、約４４０ｎｍの波長の励起光を入射させることができれば、励起光を高効率でコア部において吸収させて、蛍光を生じさせられることが分かる。
【０００７】
ところで、光ファイバーのコア部に入射させる励起光の光源としては、一般的に半導体レーザ素子が用いられる。しかし、半導体レーザ素子は、素子間に波長のバラツキが存在するため、発光波長に一定の範囲を有した状態で市場に流通しているのが通常である。例えば、上記構成のファイバーレーザに対する励起光用光源として利用される半導体レーザ素子としては、発光波長が４４０〜４５５ｎｍ程度として流通している素子を利用することが余儀なくされる。
【０００８】
無論、上記のように発光波長に一定の範囲を有する半導体レーザ素子に対し、発光波長が４４０ｎｍのものを選別して利用することは可能であるが、かかる選別作業が別途必要となってしまう。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑み、発光波長に一定のバラツキを有する励起光用光源を用いた場合であっても、高効率で蛍光を生じさせ、所望の波長のレーザ光を取り出すことのできるファイバーレーザ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】
【００１０】
本発明のファイバーレーザは、励起光を射出するレーザ光源素子、及び所定のドーパントがドープされたコア部と前記コア部の外周に形成されたクラッド部を有する光ファイバーを備え、前記励起光が前記コア部に導かれる構成であって、
前記光ファイバーは、
前記励起光が入射される第１端面に形成された第１ミラー、及び前記第１端面とは反対側の第２端面に形成され、前記第１ミラーと共に共振器ミラーを構成する第２ミラーを有し、
少なくとも２以上の光ファイバー部分が連結されることで、前記ドーパント及び前記励起光の波長に応じたファイバー長を有して形成されていることを特徴とする。
【００１１】
上述したように、ファイバーレーザのコア部として、ＡｌＦ３系フッ化物ガラスを利用し、コア部にＰｒ３＋をドープした場合には、励起光の波長が約４４０ｎｍにおいてコア部における励起光の吸収率が最も高くなり、励起光の波長が上記値から外れると、吸収率が低下する。コア部において励起光の吸収率が高い値を示す励起光の波長（以下、「基準波長」と呼ぶ。）は、コア部にドープされるドーパントに依存して決定される。
【００１２】
励起光用光源としてのレーザ光源素子の発光波長が、上記基準波長から乖離を有している場合、コア部における励起光の吸収率が低下し、高効率で蛍光を生じさせることができない。より詳細には、コア部において吸収されずに光ファイバー外へと透過してしまう励起光の光量が増加してしまう。そこで、発光波長と基準波長の乖離に応じて、光ファイバーの長さを調整する。より具体的には、上記乖離が大きいほど、光ファイバーの長さを長くする。これにより、光ファイバー外へ放出される前にコア部を通過させる頻度を高めて光ファイバー内における吸収率を高めることが可能となる。
【００１３】
本発明のファイバーレーザは、光ファイバーを少なくとも２以上の光ファイバー部分を連結して形成している。すなわち、励起光の発光波長と基準波長の乖離に応じた長さの光ファイバー部分を用いて光ファイバーを形成することで、ファイバー長を容易に調整することができる。
【００１４】
より具体的には、前記光ファイバーが、前記第１ミラーを含む第１ファイバー部分、前記第２ミラーを含む第２ファイバー部分、及び前記第１ファイバー部分と前記第２ファイバー部分とを連結する第３ファイバー部分を有し、
前記第３ファイバー部分は、前記ドーパント及び前記励起光の波長に応じて決定される長さを有する構成とすることができる。
【００１５】
このような構成とした場合、共振器ミラーを構成する第１ミラー及び第２ミラーを含むファイバー部分（第１ファイバー部分、第２ファイバー部分）は例えば固定長としておき、共振器ミラーを構成しない中間位置に係る第３ファイバー部分によって長さを調整することができる。これにより、長さを調整するための第３ファイバー部分にはミラーを形成する必要がないため、励起光の波長に応じた長さのファイバー部分を低コストで容易に形成することができる。
【００１６】
なお、前記光ファイバーは、前記第１ミラーを含む第１ファイバー部分、及び前記第２ミラーを含む第２ファイバー部分を有し、前記第１ファイバー部分又は前記第２ファイバー部分のいずれか一方が、前記ドーパント及び前記励起光の波長に応じて決定される長さを有する構成としても構わない。
【００１７】
この場合には、共振器ミラーを構成する第１ミラー又は第２ミラーを含むいずれか一方のファイバー部分の長さを調整することで、高い吸収率を実現するファイバー長を有した光ファイバーが形成される。
【００１８】
また、前記光ファイバーは、ファイバー長をＬ、前記励起光の波長に対する吸収係数をα、前記励起光の波長に対する透過率をＴとした場合に、
Ｌ≧（−１／α）ｌｏｇＴ
を満たす構成とすることができる。これにより、透過率Ｔの値（例えば１０％等）に応じて光ファイバーの適した長さＬを求めることができる。
【００１９】
光ファイバーの長さが長くなり過ぎると、励起光がコア部で吸収される吸収量に対する蛍光の光量の割合が低下してしまう。上記式で規定されるファイバー長とすることにより、更に高い効率で蛍光を光ファイバー内に出現させることができるため、光ファイバー内において当該蛍光を発振させることで得られる所望波長のレーザ光をより高効率で取り出すことができる。
【００２０】
なお、本発明のファイバーレーザは、レーザ光源素子から射出される励起光を、光ファイバーのコア部に結合して入射させるための結合光学系を更に備える構成とすることができる。また、レーザ光源素子として半導体レーザ素子を用いることができ、コア部にドープするドーパントとしてはＰｒ等の希土類元素を用いることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のファイバーレーザは、光ファイバーを少なくとも２以上の光ファイバー部分を連結して構成しており、励起光の発光波長と基準波長の乖離に応じた長さの光ファイバー部分を用いて光ファイバーを形成することで、励起光に対する高い吸収率を実現し得るファイバー長を有する光ファイバーが容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】光ファイバーとしてＡｌＦ３系フッ化物ガラスを利用し、コア部にＰｒ３＋をドープした場合において、コア部に入射させる励起光の波長と吸収率及び透過率の関係を示すグラフである。
【図２】本発明のファイバーレーザの構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】光ファイバーとしてＡｌＦ３系フッ化物ガラスを利用し、コア部にＰｒ３＋をドープした場合において、ファイバー長を４０ｍｍとした場合における励起光の吸光量と励起光の波長の関係を示すグラフである。
【図４】本発明のファイバーレーザの構成を模式的に示す別のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明のファイバーレーザにつき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。
【００２４】
図２は、本発明の一実施形態におけるファイバーレーザの構成を模式的に示すブロック図である。ファイバーレーザ１は、レーザ光源素子１１、結合光学系１２、及び光ファイバー１３を備える。
【００２５】
本実施形態において、光ファイバー１３は、第１ファイバー部分３、第２ファイバー部分４、及び第３ファイバー部分５を有して構成される。なお、図２では、理解の容易のために、第１ファイバー部分３、第２ファイバー部分４、及び第３ファイバー部分５がそれぞれ分離している状態を図示しているが、実際には、これらが結合されて一体の光ファイバー１３として利用される。
【００２６】
いずれのファイバー部分（３，４，５）においても、ファイバー軸を含む最も中心の位置に形成されたコア部２１、コア部２１を取り囲むようにコア部２１よりも屈折率の低い材料で形成されたクラッド部２２、クラッド部２２を取り囲むように形成されたジャケット部２３、及びジャケット部２３を取り囲むように形成されたフェルール部２４を備える。
【００２７】
コア部２１は、例えば径（真円であれば直径）が１０μｍ〜２０μｍ程度で形成され、クラッド部２２は、例えば径が３０μｍ〜５０μｍ程度（クラッド部２２の外周の最長距離であって、コア部２１を含めた長さ）で形成される。コア部２１及びクラッド部２２は細い径で形成されるため、機械的強度を高める観点からクラッド部２２の外側を径（直径）が２５０μｍ〜３５０μｍ程度のジャケット部２３で覆っている。更に、強度を高め、各ファイバー部分（３，４，５）を連結、結合しやすくするために、ジャケット部２３の外側が例えば外径が２．５ｍｍ程度のフェルール部２４で覆われている。
【００２８】
なお、本実施形態では、コア部２１及びクラッド部２２がＡｌＦ３系フッ化物ガラス製、ジャケット部２３がガラス製（ジャケットガラス、保護ガラス）、フェルール部２４がジルコニア製であり、コア部２１にはＰｒ３＋がドープされているものとして説明するが、各部材及びコア部２１へのドーパントとしては種々の材料を利用することができ、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。
【００２９】
第１ファイバー部分３は、光ファイバー１３のうちの最もレーザ光源素子１１に近い側に配置されており、励起光が入射される側の端面（「第１端面」に対応）には第１ミラー３１が形成されている。一方、第２ファイバー部分４は、光ファイバー１３のうち光路上最もレーザ光源素子１１から遠い側に配置されており、レーザ光が取り出される側の端面（「第２端面」に対応）には第２ミラー３２が形成されている。第３ファイバー部分５は、いずれの端面にもミラーは形成されておらず、一方の端面が第１ファイバー部分３のうちの第１ミラー３１が形成されていない側の端面と結合し、他方の端面が第２ファイバー４のうちの第２ミラー３２が形成されていない側の端面と結合することで、一の光ファイバー１３が形成されている。
【００３０】
第１ミラー３１と第２ミラー３２は一対で共振器ミラーを構成している。ここでは、第１ミラー３１が、ファイバーレーザ１によって取り出したいレーザ光の波長（以下、「所望波長」と呼ぶ）の光に対する反射率が９９％以上に設定されており、第２ミラー３２が、所望波長の光に対する反射率が９５％程度に設定されている。
【００３１】
第１ファイバー部分３及び第２ファイバー部分４は例えば１０ｍｍ以下のファイバー長で構成される。一方、第３ファイバー部分５は、レーザ光源素子１１から射出される励起光の波長に応じたファイバー長を有する。これにより、光ファイバー１３は、全体として励起光の波長に応じたファイバー長を有する構成となる。なお、ここでいうファイバー長とは、レーザ光源素子１１から射出された励起光が光ファイバー１３内を進行する際の進行方向に係る長さを指している。
【００３２】
レーザ光源素子１１は励起光を射出する光源素子であり、一例として半導体レーザ素子で構成することができる。なお、レーザ光源素子１１は、複数の発光素子によって構成されているものとしても構わない。
【００３３】
結合光学系１２は、レーザ光源素子１１から射出される励起光を第１ファイバー部分３のコア部２１に導くための光学系である。なお、レーザ光源素子１１と第１ファイバー部分３の距離が極めて短い場合等は、必ずしも結合光学系１２を備えなくても構わない。
【００３４】
レーザ光源素子１１から射出され、結合光学系１２を介して第１ファイバー部分３のコア部２１に導かれた励起光は、第１ファイバー部分３、第３ファイバー部分５、及び第２ファイバー部分４によって一体的に結合されてなる光ファイバー１３のコア部２１とクラッド部２２の境界において反射を繰り返しながら、第２ファイバー部分４の側へと進行する。このとき、励起光の一部がコア部２１によって吸収されることで、コア部２１にドープされたＰｒ３＋が励起され、励起光とは異なる波長の蛍光を生じさせる。
【００３５】
本実施形態では、例えば４９０ｎｍ、５２２ｎｍ、６０５ｎｍ、６３５ｎｍ、７１５ｎｍといった複数の異なる波長の蛍光が生じ得る。ここで、所望波長として５２２ｎｍとする場合、第１ミラー３１を波長が５２２ｎｍの光に対する反射率が９９％以上、第２ミラー３２を波長が５２２ｎｍの光に対する反射率が９５％程度になるように設計する。これにより、複数の異なる波長を示す蛍光のうち、波長が５２２ｎｍの光に対しては、第１ミラー３１及び第２ミラー３２によって共振器ミラーが形成される。そして、光ファイバー１３の両端間で波長５２２ｎｍの光が反射を繰り返しながら増幅し、発振条件が成立した時点で第２ミラー３２側から波長５２２ｎｍのレーザ光として取り出される。一方、５２２ｎｍ以外の波長を示す蛍光についてはレーザ光として取り出されることはない。
【００３６】
図３は、光ファイバー１３として上述した材料を用い、ファイバー長を４０ｍｍで固定した場合において、レーザ光源素子１１から射出される励起光の波長と励起光の吸光量の関係を示すグラフである。なお、このグラフは、図１に示すファイバー長１０ｎｍの場合の吸収データを用いて、励起光のスペクトルによるファイバー長４０ｎｍの場合における吸光量を演算によって算出することで得られた結果をグラフ化したものであり、縦軸の値は、励起光の波長が４４０ｎｍである場合の吸光量に対する相対値として示している。
【００３７】
図３によれば、励起光の波長が４４０ｎｍから離れるに連れ、吸光量が少なくなっていることが分かる。吸光量が少なくなるということは、励起光がコア部２１において吸収されることなく、そのまま光ファイバー１３外へと透過してしまうことを意味する。励起光の吸光量が大きいほど、コア部２１にドープされたドーパント（ここではＰｒ３＋）に対する励起エネルギー量が大きくなるため、生じさせる蛍光の光量が大きくなる。つまり、光ファイバー１３のファイバー長が固定されている場合には、励起光の波長が４４０ｎｍから離れるほど、光ファイバー１３内で生じる蛍光の光量が少なくなることが分かる。この例では、４４０ｎｍが上記「基準波長」に対応する。
【００３８】
図２に示すように、本発明のファイバーレーザ１は、複数のファイバー部分（３，４，５）を有して構成されている。このため、予めレーザ光源素子１１から射出される励起光の波長を調べておき、この励起光の波長の基準波長に対する乖離度合いに応じた長さの第３ファイバー部分５を準備し、この第３ファイバー部分５を第１ファイバー部分３及び第２ファイバー部分４に結合させることで、励起光の波長に応じたファイバー長を有する一体としての光ファイバー１３を容易に形成することができる。光ファイバー１３の長さを長くすることで、励起光が光ファイバー１３外へ放出される前段においてコア部２１を通過する頻度を高めることができるため、コア部２１において吸収されることなく光ファイバー１３外へと透過してしまう励起光の光量を減少させることができる。よって、基準波長に対して乖離がある波長の励起光がレーザ光源素子１１から光ファイバー１３に入射された場合であっても、コア部２１にドープされたドーパントに対する励起エネルギー量が確保されるため、光ファイバー１３内において十分な光量の蛍光を生じさせることが可能となる。
【００３９】
ただし、光ファイバー１３の長さを極めて長くした場合には、第２ファイバー部分４に到達する前の第３ファイバー部分５の途中において、全ての励起光が吸収されることが考えられる。そして、光ファイバー１３においては、一部の蛍光の吸収も生じてしまう。この結果、コア部２１における励起光の吸収には寄与しないばかりか、生じた蛍光を吸収してしまう光ファイバー１３の領域がある一定の長さ分だけ存在することになる。このような事態が生じると、蛍光の光量が低下してしまい、結果的に取り出されるレーザ光の光量も低下してしまう。
【００４０】
よって、光ファイバー１３全体のファイバー長をＬ、励起光の波長に対する吸収係数をα、励起光の波長に対する透過率をＴとした場合に、
Ｌ≧（−１／α）ｌｏｇＴ
で規定される条件が同時に成立するように、第３ファイバー部分５の長さを設定するのが好ましい。例えば、透過率Ｔ＝１０％である場合、透過率が１０％以下となるファイバー長Ｌとして、第３ファイバー部分５の長さを設定する。実際のレーザ発振を考慮すると、光ファイバー１３の透過率Ｔが１０％以下、より好ましくは５％以上１０％以下であれば効率良く励起光を蛍光に変換でき、更には、光ファイバー１３内部でレーザ発振するために十分な光量を確保した状態で高いレーザ光出力を得ることができる。
【００４１】
なお、各ファイバー部分（３，４，５）は、フェルール部２４を付き当てて外径基準によって接続することで、接続箇所において励起光や蛍光が外部へと漏れ出ることが抑制される。
【００４２】
また、図２に示す構成では、第１ミラー３１が形成されている第１ファイバー部分３、及び第２ミラー３２が形成されている第２ファイバー部分４については、固定長とすることができ、ミラーが形成されていない第３ファイバー部分５によって光ファイバー１３全体のファイバー長が調整できる。このため、ミラー（３１，３２）が形成されたファイバー部分として異なる長さを有する複数種類の部材を予め準備する必要がない。これにより、励起光の波長に応じた長さの光ファイバー１３を低コストで容易に形成することができる。
【００４３】
以下、別実施形態について説明する。
【００４４】
〈１〉  図４に示すように、光ファイバー１３を、２つのファイバー部分（３，４）を有する構成としても構わない。図４に示す構成においては、第２ファイバー部分４のファイバー長を調整することによって、全体としての光ファイバー１３のファイバー長が調整される。無論、図４に示す構成において、第１ファイバー部分３のファイバー長を調整するものとしても構わないし、第１ファイバー部分３及び第２ファイバー部分４の両者のファイバー長を調整するものとしても構わない。
【００４５】
〈２〉  光ファイバー１３を、４以上のファイバー部分で構成しても構わない。この場合、ミラーが形成されている第１ファイバー部分３及び第２ファイバー部分４を除く、他のファイバー部分の長さを調整することで、光ファイバー１３全体のファイバー長を調整するものとしても構わない。
【符号の説明】
【００４６】
１      ：    ファイバーレーザ
３      ：    第１ファイバー部分
４      ：    第２ファイバー部分
５      ：    第３ファイバー部分
１１      ：    レーザ光源素子
１２      ：    結合光学系
１３      ：    光ファイバー
２１      ：    コア部
２２      ：    クラッド部
２３      ：    ジャケット部
２４      ：    フェルール部
３１      ：    第１ミラー
３２      ：    第２ミラー
【図１】
2015070215.tif 000003
【図２】
2015070215.tif 000004
【図３】
2015070215.tif 000005
【図４】
2015070215.tif 000006