(57)【要約】【課題】ファイバレーザ用光ファイバの両端から励起光を入射する構成のファイバレーザ発振器において、励起光とレーザ発振光を選択的に透過あるいは反射する波長選択膜へのレーザ発振光のパワー密度をより小さくして波長選択膜の損傷を抑制するとともに、より簡素な構成で位置調整等が容易なファイバレーザ発振器を提供する。【解決手段】ファイバレーザ用光ファイバ６０と、第１の励起光源からの励起光を一方の端面から入射する第１ＮＡ変換光学系５０Ａと、第２の励起光源からの励起光を他方の端面から入射する第２ＮＡ変換光学系５０Ｂとを備え、第２ＮＡ変換光学系は、コリメートレンズ５２Ｂと、他方の端面におけるコア部材の位置を示す発振光出射位置Ｆに励起光を集光する凸面Ｍ１と、発振光出射位置Ｆから出射されるレーザ発振光を発振光出射位置Ｆに戻す凹形状の球面Ｍ２を有する発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂとで構成されている。【選択図】図１
2008258523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光に励起されるとレーザ発振光を発生するコア部材を長手方向に有するとともに前記コア部材の周囲を覆って入射された励起光を閉じ込めて導光するクラッド部材を有するファイバレーザ用光ファイバと、
前記励起光を出射する第１の励起光源と第２の励起光源と、
前記第１の励起光源からの励起光の広がり角と径を変換して前記ファイバレーザ用光ファイバの一方の端面から入射する第１ＮＡ変換光学系と、
前記第２の励起光源からの励起光の広がり角と径を変換して前記ファイバレーザ用光ファイバの他方の端面から入射する第２ＮＡ変換光学系と、
を備えたファイバレーザ発振器であって、
前記第１ＮＡ変換光学系は、更に、前記一方の端面におけるコア部材から出射される前記レーザ発振光を取り出す発振光分離手段を備えており、
前記第２ＮＡ変換光学系は、前記励起光を平行光に変換するコリメートレンズと平行光に変換した励起光を前記他方の端面に集光するとともに前記他方の端面におけるコア部材の位置を示す発振光出射位置から出射されるレーザ発振光を前記発振光出射位置に戻す発振光反射・励起光集光レンズとで構成されており、
前記発振光反射・励起光集光レンズは、前記コリメートレンズの側が凸形状であるとともに前記他方の端面の側が凹形状であり、
前記凸形状は、前記発振光出射位置を焦点の位置とする形状であり、
前記凹形状は、前記発振光出射位置を中心とした球面形状であり、
前記凹形状の面に、前記励起光を透過するとともに前記レーザ発振光を反射するコーティングが施されている、
ファイバレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ活性物質を含むコア部材を内部に有しているファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射し、コア部材の内部でレーザ光を発生させるファイバレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、比較的ビーム品質の劣る励起光を用いて非常に高品質のレーザ光を高効率で得ることができる種々のファイバレーザ発振器が提案されている。
ファイバレーザ発振器は、レーザ発振光を発生させるコア部材と、コア部材の周囲を覆うクラッド部材にて構成されたファイバレーザ用光ファイバを備え、当該ファイバレーザ用光ファイバのクラッド部材内に励起光を入射してクラッド部材内に励起光を閉じ込めて伝播させ、クラッド部材内で反射しながら伝播する励起光にてコア部材を励起してレーザ発振光を得るものであり、ファイバレーザ用光ファイバの両端面のそれぞれから励起光を入射することで、より高出力のレーザ発振光を得ることができる。
【０００３】
従来のファイバレーザ発振器として、例えば、特許文献１に記載された従来技術（図２を参照）では、半導体レーザ１１０と集光素子１２０とで構成された第１の励起光源からの励起光を、希土類元素（レーザ活性物質）がコア部材内にドープされたファイバレーザ用光ファイバ１４０の一方の端面から入射している。また、半導体レーザ１７０と集光素子１８０とで構成された第２の励起光源からの励起光を、光ファイバ１６１、光合分波器１５０、光ファイバ１４１を介してファイバレーザ用光ファイバ１４０の他方の端面から入射している。光合分波器１５０は、励起光を透過するが、ファイバレーザ用光ファイバ１４０が発生させたレーザ発振光Ｌｏｕｔを出力用光ファイバ２５０の方向に反射する。
ここで、反射素子２００、２１０は、励起光を透過するがレーザ発振光Ｌｏｕｔを反射し、レーザ発振光Ｌｏｕｔの波長に基づいた共振器２８０を構成している。なお、反射素子２１０の反射率は反射素子２００の反射率よりも小さく、共振状態で増幅されたレーザ発振光Ｌｏｕｔの一部が反射素子２１０を透過し、透過したレーザ発振光Ｌｏｕｔは光合分波器１５０から出力用光ファイバ２５０を介して取り出される。
【０００４】
また、非特許文献１に記載された従来技術（図３を参照）では、ファイバレーザ用光ファイバ１４０の両端に、励起光Ｌｉｎを出射する半導体レーザ１１０、１７０、励起光Ｌｉｎを平行光に変換するコリメートレンズ１２１、１８１、平行光に変換した励起光Ｌｉｎを反射するミラー１２２、１２３、１８２、１８３、平行光の励起光Ｌｉｎをファイバレーザ用光ファイバ１４０の端面に集光する集光レンズ１２５、１８５、ファイバレーザ用光ファイバ１４０から発生したレーザ発振光Ｌｏｕｔを反射して励起光Ｌｉｎを透過するダイクロイックミラー１２４、１８４、レーザ発振光Ｌｏｕｔを反射するミラー１２６にて、レーザ発振光Ｌｏｕｔを取り出している。
【特許文献１】特開２００３−１９８０１３号公報
【非特許文献１】“Ytterbium-doped  large-core  fiber  laser  with  1.36kW  continuous-wave  output  power”Optics  Express，2004，vol.12，No.25,6088-6092
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された従来技術では、波長選択性（励起光の波長の光を透過してレーザ発振光の波長の光を反射する）を有する反射素子２００、２１０を用いて励起光を入射し、レーザ発振光を反射しているが、反射素子２００、２１０がファイバレーザ用光ファイバ１４０の端面に密着する構造となっている。このため、レーザ発振光を高出力化しようとした場合、反射素子２００、２１０にて反射されるレーザ発振光のパワー密度が高く（コア部材の断面の面積にレーザ発振光が集中している）、反射素子２００、２１０の波長選択膜を損傷する可能性がある。一般的にダイクロイックミラーの波長選択膜は、高出力レーザに対して、耐レーザ性が比較的低い。
また、非特許文献１に記載された従来技術では、レーザ発振光Ｌｏｕｔをファイバレーザ用光ファイバ１４０に戻す端面の側（図３では左側）において、波長選択性を有するダイクロイックミラー１２４では、レーザ発振光Ｌｏｕｔが拡散された後、集光レンズ１２５にて平行光に変換しており、レーザ発振光Ｌｏｕｔのパワー密度は低くなっているが、レーザ発振光Ｌｏｕｔをファイバレーザ用光ファイバ１４０の端面における微小なコア部材に戻す際、集光レンズ１２５とダイクロイックミラー１２４とミラー１２６の位置（及び角度）の調整が必要であり、調整が困難であるとともに、（熱膨張率の違い等による）温度変動等に対する安定性も低い。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、ファイバレーザ用光ファイバの両端から励起光を入射する構成のファイバレーザ発振器において、励起光とレーザ発振光を選択的に透過あるいは反射する波長選択膜へのレーザ発振光のパワー密度をより小さくして波長選択膜の損傷を抑制するとともに、より簡素な構成で位置調整等が容易なファイバレーザ発振器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりのファイバレーザ発振器である。
請求項１に記載のファイバレーザ発振器は、励起光に励起されるとレーザ発振光を発生するコア部材を長手方向に有するとともに前記コア部材の周囲を覆って入射された励起光を閉じ込めて導光するクラッド部材を有するファイバレーザ用光ファイバと、前記励起光を出射する第１の励起光源と第２の励起光源と、前記第１の励起光源からの励起光の広がり角と径を変換して前記ファイバレーザ用光ファイバの一方の端面から入射する第１ＮＡ変換光学系と、前記第２の励起光源からの励起光の広がり角と径を変換して前記ファイバレーザ用光ファイバの他方の端面から入射する第２ＮＡ変換光学系と、を備えたファイバレーザ発振器である。
前記第１ＮＡ変換光学系は、更に、前記一方の端面におけるコア部材から出射される前記レーザ発振光を取り出す発振光分離手段を備えている。
そして、前記第２ＮＡ変換光学系は、前記励起光を平行光に変換するコリメートレンズと平行光に変換した励起光を前記他方の端面に集光するとともに前記他方の端面におけるコア部材の位置を示す発振光出射位置から出射されるレーザ発振光を前記発振光出射位置に戻す発振光反射・励起光集光レンズとで構成されている。
前記発振光反射・励起光集光レンズは、前記コリメートレンズの側が凸形状であるとともに前記他方の端面の側が凹形状であり、前記凸形状は、前記発振光出射位置を焦点の位置とする形状であり、前記凹形状は、前記発振光出射位置を中心とした球面形状であり、前記凹形状の面に、前記励起光を透過するとともに前記レーザ発振光を反射するコーティングが施されている。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載のファイバレーザ発振器を用いれば、ファイバレーザ用光ファイバの両端面から励起光を入射するファイバレーザ発振器において、レーザ発振光を端面に戻す側では、発振光出射位置から所定角度の広がり角で出射されたレーザ発振光を、発振光出射位置を中心とする球面にて反射して戻す。
このため、レーザ発振光を端面に戻す側では、反射面におけるレーザ発振光のパワー密度をより小さくして、波長選択膜（励起光を透過してレーザ発振光を反射するコーティング）の損傷を抑制することができる。また、レーザ発振光を端面に戻す側では、引用文献２では集光レンズ１２５とダイクロイックミラー１２４とミラー１２６の調整が必要であることに対して、発振光反射・励起光集光レンズの１個のレンズの位置を調整するだけでよく、より簡素な構成であり、位置調整も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明のファイバレーザ発振器１の一実施の形態の構成図を示している。
●●［ファイバレーザ発振器１の構成（図１）］
本実施の形態にて説明するファイバレーザ発振器１は、ファイバレーザ用光ファイバ６０と、第１の励起光源４０Ａと、第１ＮＡ変換光学系５０Ａと、第２の励起光源４０Ｂと、第２ＮＡ変換光学系５０Ｂと、伝送用光ファイバ７０にて構成されている。
ファイバレーザ用光ファイバ６０は、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｎｄ（ネオジウム）等の希土類元素（レーザ活性物質）がドープされたコア部材６２を長手方向に有し、コア部材６２が励起光で励起されるとコア部材６２の内部でレーザ発振光Ｌｏｕｔを発生する。コア部材６２の周囲はクラッド部材６４で覆われており、クラッド部材６４は入射された励起光を閉じ込めて伝播（導光）させる。
【０００９】
●［第１の励起光源４０Ａ、第２の励起光源４０Ｂの構成と機能］
第１の励起光源４０Ａは、励起光となるレーザ光（以下、励起光と記載する）を出射する発光部（図示省略）を複数備えた半導体レーザアレイ１０と、複数の発光部から出射される複数の励起光を複数本の励起光用光ファイバ３０に集光する集光手段２０（図１に示す本実施例では、各励起光用光ファイバの端面に一体形成されたレンズ部に相当する（図示省略））と、集光された励起光を導光する励起光用光ファイバ３０と、励起光用光ファイバ３０を束ねたバンドル部３２等で構成されている。なお、半導体レーザアレイ１０と集光手段２０は、位置決めと放熱等を行うベース２２に固定されている。
なお、図１の例では１個の半導体レーザアレイ１０から１本の励起光用光ファイバ３０に入射しているように見えるが、１個の半導体レーザアレイ１０に対して励起光用光ファイバ３０は複数本で構成されており、１個の半導体レーザアレイ１０の複数の発光部からの励起光を複数本の光ファイバにてより小さな径に集光して導光している。
そして、半導体レーザアレイ１０の各発光部から出射された励起光Ｌｉｎは、バンドル部３２の出射面から所定の広がり角にて出射される。
また、第２の励起光源４０Ｂについては、上記の第１の励起光源と構成、及び出力（バンドル部３２の出射面から所定の広がり角にて励起光Ｌｉｎを出射する）が同様であるので、説明を省略する。
【００１０】
●［第１ＮＡ変換光学系５０Ａの構成と機能］
第１の励起光源４０Ａからの励起光Ｌｉｎの広がり角と径を変換する第１ＮＡ変換光学系５０Ａは、コリメートレンズ５２Ａと、集光レンズ５４Ａと、ダイクロイックミラー５６Ａと、集光レンズ５８Ａ等で構成されている。
コリメートレンズ５２Ａは、バンドル部３２から出射される励起光Ｌｉｎを平行光に変換する。集光レンズ５４Ａは、平行光に変換した励起光Ｌｉｎをファイバレーザ用光ファイバ６０の一方の端面に集光して（径を小さくして）入射する。なお、コリメートレンズ５２Ａと集光レンズ５４Ａは同一の光軸上に配置されている。
ダイクロイックミラー５６Ａは、励起光Ｌｉｎの波長の光を透過し、レーザ発振光Ｌｏｕｔの波長の光を反射する波長選択膜を有しており、前記光軸に対して所定の傾斜角で配置されており、ファイバレーザ用光ファイバ６０の一方の端面のコア部材から出射されるレーザ発振光Ｌｏｕｔを集光レンズ５８Ａの方向に反射する。集光レンズ５８Ａは、ダイクロイックミラー５６Ａにて反射されたレーザ発振光Ｌｏｕｔを集光して伝送用光ファイバ７０に入射する。
【００１１】
なお、集光レンズ５４Ａの焦点位置は、前記一方の端面のコア部材の位置に設定されており、励起光Ｌｉｎをファイバレーザ用光ファイバ６０の一方の端面から入射する集光レンズとして機能するとともに、前記一方の端面のコア部材（前記焦点位置）から出射されるレーザ発振光Ｌｏｕｔを平行光に変換するコリメートレンズとして機能する。
このように、前記一方の端面のコア部材から出射されるレーザ発振光Ｌｏｕｔを取り出す発振光分離手段は、集光レンズ５４Ａ、ダイクロイックミラー５６Ａ、集光レンズ５８Ａにて構成されている。
【００１２】
●［第２ＮＡ変換光学系５０Ｂの構成と機能］
第２の励起光源４０Ｂからの励起光Ｌｉｎの広がり角と径を変換する第２ＮＡ変換光学系５０Ｂは、コリメートレンズ５２Ｂと、発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂとで構成されている。
コリメートレンズ５２Ｂは、バンドル部３２から出射される励起光Ｌｉｎを平行光に変換する。発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂは、平行光に変換した励起光Ｌｉｎをファイバレーザ用光ファイバ６０の他方の端面に集光して（径を小さくして）入射する。なお、コリメートレンズ５２Ｂと発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂは同一の光軸上に配置されている。
【００１３】
発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂは、コリメートレンズ５２Ｂの側の励起光入射面Ｍ１が凸形状であり、前記他方の端面の側の発振光反射面Ｍ２が凹形状である。
励起光入射面Ｍ１は、前記他方の端面におけるコア部材６２の位置を示す発振光出射位置Ｆを焦点位置とする球面あるいは非球面のレンズを構成している。
発振光反射面Ｍ２は、発振光出射位置Ｆを中心とした球面に形成されており、この発振光反射面Ｍ２には、励起光Ｌｉｎの波長の光を透過してレーザ発振光Ｌｏｕｔの波長の光を反射するコーティング（波長選択膜）が施されている。
この構成を有することで発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂは、励起光Ｌｉｎを透過してファイバレーザ用光ファイバ６０の他方の端面から入射する集光レンズとして機能するとともに、前記他方の端面の発振光出射位置Ｆから出射されるレーザ発振光Ｌｏｕｔを発振光出射位置Ｆに戻す反射ミラーとして機能する。
【００１４】
以上、本実施の形態にて説明したファイバレーザ発振器１は、励起光Ｌｉｎとレーザ発振光Ｌｏｕｔを選択的に透過あるいは反射するミラー（ダイクロイックミラー５６Ａ、発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂ）にて、コア部材６２の径よりも広がったレーザ発振光Ｌｏｕｔを反射するので、レーザ発振光Ｌｏｕｔのパワー密度がより小さく、波長選択膜の損傷をより抑制することができる。
また、発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂの側では、ファイバレーザ用光ファイバ６０の端面におけるコア部材６２から出射されたレーザ発振光Ｌｏｕｔを、発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂただ１個のレンズで戻すため、構成が簡素であり、位置調整も非常に容易である。
また、発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂただ１個のレンズであるため、温度変動による誤差（熱膨張率の差等）の発生も抑制され、より安定的にレーザ発振光Ｌｏｕｔを取り出すことができる。
【００１５】
本発明のファイバレーザ発振器１は、本実施の形態で説明した外観、構成等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本実施の形態にて説明した第１及び第２の励起光源４０Ａ、４０Ｂは、図１に示す半導体レーザに限定されるものではなく、ファイバレーザ用光ファイバ６０に合わせて、種々の光源を励起光源として使用することができる。また、励起光用光ファイバ３０の代わりに、光導波路やレンズ群を用いてもよい。
また、第１ＮＡ変換光学系５０Ａは、励起光Ｌｉｎをファイバレーザ用光ファイバ６０の一方の端面に集光できるとともに、前記一方の端面から出射されるレーザ発振光Ｌｏｕｔを分離して取り出すことができる構成であればよく、図１に示す構成に限定されるものではない。
本実施の形態にて説明したファイバレーザ発振器１は、レーザ加工装置等、レーザ発振光を用いた種々の装置に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のファイバレーザ発振器１の一実施の形態の構成、及び第２ＮＡ変換光学系５０Ｂにおける発振光反射・励起光集光レンズ５４Ｂの一実施の形態の構成を説明する図である。
【図２】両端から励起光を入射する構成のファイバレーザ発振器における、従来のファイバレーザ発振器の例を説明する図である。
【図３】両端から励起光を入射する構成のファイバレーザ発振器における、従来のファイバレーザ発振器の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００１７】
１        ファイバレーザ発振器
１０      半導体レーザアレイ
２０      集光手段
２２      ベース
３０      励起光用光ファイバ
３２      バンドル部
４０Ａ    第１の励起光源
４０Ｂ    第２の励起光源
５２Ａ    コリメートレンズ
５４Ａ    集光レンズ
５６Ａ    ダイクロイックミラー
５８Ａ    集光レンズ
５２Ｂ    コリメートレンズ
５２Ｂ    発振光反射・励起光集光レンズ
Ｍ１      励起光入射面
Ｍ２      発振光反射面
Ｆ        発振光出射位置
６０      ファイバレーザ用光ファイバ
６２      コア部材
６４      クラッド部材
【図１】
2008258523.tif 000003
【図２】
2008258523.tif 000004
【図３】
2008258523.tif 000005