(57)【要約】【課題】小型かつ低消費電力であるファイバレーザ装置を提供する。【解決手段】希土類元素が添加されたファイバアンプと、パルス発振による信号光を出射するシード光源と、励起光を出射する励起光源と、前記ファイバアンプの一方の端部に接続され、前記シード光源からの信号光と前記励起光との光路を一致させる第１の光学手段と、前記ファイバアンプの他方の端部に接続され、前記信号光と前記励起光との光路を分離する第２の光学手段と、前記第１及び前記第２の光学手段と前記ファイバアンプとを含み、前記励起光を連続波発振させる光共振回路と、を備え、前記励起光が前記ファイバアンプにおいて連続波発振をしている状態においては前記信号光が増幅されず、前記励起光が連続波発振を停止している状態においては前記信号光が前記ファイバアンプにより増幅された振幅変調パルス発振レーザ光が前記第２の光学手段を介して外部空間に出射されることを特徴としたファイバレーザ装置が提供される。【選択図】図１
2008010720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素が添加されたファイバアンプと、
パルス発振による信号光を出射するシード光源と、
励起光を出射する励起光源と、
前記ファイバアンプの一方の端部に接続され、前記シード光源からの信号光と前記励起光との光路を一致させる第１の光学手段と、
前記ファイバアンプの他方の端部に接続され、前記信号光と前記励起光との光路を分離する第２の光学手段と、
前記第１及び前記第２の光学手段と前記ファイバアンプとを含み、前記励起光を連続波発振させる光共振回路と、
を備え、
前記励起光が前記ファイバアンプにおいて連続波発振をしている状態においては前記信号光が増幅されず、前記励起光が連続波発振を停止している状態においては前記信号光が前記ファイバアンプにより増幅された振幅変調パルス発振レーザ光が前記第２の光学手段を介して外部空間に出射されることを特徴としたファイバレーザ装置。
【請求項２】
前記光共振回路は、第１のミラーと、前記第１のミラーより反射率の低い第２のミラーと、第１及び第２のミラーの少なくともいずれかの光軸を変位させる駆動手段と、を含み、
前記第１及び前記第２のミラーの光軸が一致した時には、前記励起光が前記ファイバアンプにおいて連続波発振を継続し、
前記第１及び前記第２のミラーの光軸が不一致の時には、前記ファイバアンプにおいて連続波発振が停止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】
前記駆動手段は、ピエゾ素子を含む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】
前記信号光が増幅された前記振幅変調パルス発振レーザ光の波長変換を行う光パラメトリック発振器をさらに備え、
前記第１及び前記第２の光学手段は、ダイクロイックプリズムまたはダイクロイックミラーであり、
前記シード光源は、ＹＡＧレーザからなり、
前記励起光源は、ピーク波長が０．８μｍ帯の半導体レーザ素子であり、
前記希土類元素は、ツリウムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つ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、ファイバレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバレーザ光を外部空間に向けて出射するファイバレーザ装置は、側距器やレーザ加工機をはじめとする種々用途への応用が考えられる。この場合、パルス発振させたＹＡＧレーザからの光をファイバアンプに入射させることにより、より高いパルスレーザ光出力が得られる。
【０００３】
このパルス発振レーザ光出力を、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ：Optical Parametric Oscillator）へ入射することにより波長変換ができ、また各種変調器へ入射することにより変調されたパルス発振レーザ光を得ることができる。このようにして、種々の用途に応じたファイバレーザ装置が実現できる。
【０００４】
このようなレーザ装置には、例えば、レーザ光を空間に出射する際、レーザ光の光軸を、所望の方向、または入射方向へ迅速に指向させる技術開示例がある（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−９９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、小型かつ低消費電力である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】
【０００６】
本発明の一態様によれば、希土類元素が添加されたファイバアンプと、パルス発振による信号光を出射するシード光源と、励起光を出射する励起光源と、前記ファイバアンプの一方の端部に接続され、前記シード光源からの信号光と前記励起光との光路を一致させる第１の光学手段と、前記ファイバアンプの他方の端部に接続され、前記信号光と前記励起光との光路を分離する第２の光学手段と、前記第１及び前記第２の光学手段と前記ファイバアンプとを含み、前記励起光を連続波発振させる光共振回路と、を備え、前記励起光が前記ファイバアンプにおいて連続波発振をしている状態においては前記信号光が増幅されず、前記励起光が連続波発振を停止している状態においては前記信号光が前記ファイバアンプにより増幅された振幅変調パルス発振レーザ光が前記第２の光学手段を介して外部空間に出射されることを特徴としたファイバレーザ装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、小型かつ低消費電力であるファイバレーザ装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。  
図１及び図２は、本発明の具体例にかかるファイバレーザ装置のブロック図である。
ＹＡＧレーザなどからなるシード光源１０からのパルス発振信号光は、ダイクロイックプリズム１８により反射され、レンズ２０により集束され、ファイバアンプ１４の一方の端部へ入射する。ダイクロイックプリズム１８を透過した励起光源４０からの励起光と、シード光源１０からの信号光との光路とを一致させた後、ファイバアンプ１４の一方の端部へ入射させる。ファイバのコア近傍に添加された希土類元素が励起光により活性化された状態で、シード光源１０から、例えば、２μｍ波長の信号光がファイバアンプ１４へ入射すると、誘導放出により信号光が増幅される。
【０００９】
増幅光及び励起光はファイバアンプ１４の他方の端部を出射後、レンズ２２により集束され、ダイクロイックプリズム２６により光路が分離される。すなわちダイクロイックプリズム２６は、増幅光を透過させるとともに、励起光を反射させる。ダイクロイックプリズム２６を透過した出射光Ｐａｍｐは、光パラメトリック発振器３０により、例えば、３乃至５μｍに波長変換された外部出射光Ｐｏｕｔとなり外部空間に出射される。ダイクロイックプリズム２６は、第２の励起光源４１からの励起光を反射させ、ファイバアンプ１４の他方の端部から出射される信号光の光路と一致させる。但し、進行方向は逆となっている。このようにして、励起光源４１からの励起光がファイバアンプ１４の他方の端部から入射する。
【００１０】
一般に、シード光源１０のＹＡＧレーザは、パルス発振により高いピーク光出力を発生させている。本具体例において、例えば、１５ｋＨｚの繰り返し周波数でパルス発振させる。従って、振幅変調をしない場合には、波長変換されたパルス発振レーザ光出力が外部に出射される。
【００１１】
さらに、本具体例においては、光共振回路としてミラー１６、２４及びその駆動手段１２を備えている。図１に表したように、連続波（ＣＷ）発振用ミラー１６及び２４の光軸を一致させることにより、励起光をＣＷ発振（ＯＮ状態）させる。また、図２に表したように、ピエゾ素子などの駆動手段１２によりミラーの光軸を傾けることにより、ＣＷ発振を停止（ＯＦＦ状態）させる。
【００１２】
一般にファイバアンプ１４は高利得であるために、ファイバアンプ１４の両ファイバ端面における反射率が数％のフレネル反射でもＣＷ発振を生じる。ＣＷ発振を生じると、励起エネルギがＣＷ発振に費やされ信号光のパルス増幅が停止する。これを防止するために、ファイバアンプ１４の両端面は、例えば約２０°の角度の斜めクリーブとすることでＣＷ発振を防止している。
【００１３】
本具体例においては、ファイバアンプ１４においてＣＷ発振が生じやすい点を利用してパルス増幅を制御する。すなわち、光共振回路は、ダイクロイックプリズム１８及び２６、ファイバアンプ１４、ＣＷ発振用ミラー１６及び２４、その駆動手段１２を含む。そして、ＣＷ発振用ミラー１６を、例えば、圧電効果を利用したピエゾ素子などの駆動手段１２により図２に表したように変位させる。ミラー１６の光軸が傾けられてＣＷ発振条件を満たさないＯＦＦ状態では、励起エネルギはシード光源１０からの信号光をパルス増幅することができる。つまり、図２に表した状態においては、光パラメトリック発振器３０により波長変換されたパルス発振レーザ光出力Ｐoutが外部に出射される。なお、ＯＦＦ状態をつくりだすためには、ＣＷ発振用ミラー１６の光軸を傾ける代わりにＣＷ発振用ミラー２４の光軸を傾けても良い。
【００１４】
一方、図１に表したように、ミラー１６、２４の光軸が一致したＯＮ状態では、励起光は、ＣＷ発振用ミラー２４と、ＣＷ発振用ミラー１６との間での共振によりＣＷ発振を生じる。例えば、ミラー２４の反射率をほぼ１００パーセントとし、ミラー１６の反射率を８０パーセント程度とすると、ＣＷ発振用ミラー１６からＰ１の大きさの外部光出力Ｐｐが出射する。この時には、波長変換されたレーザ光出力Ｐoutは出力されない。
【００１５】
図３は、ＣＷ発振のＯＮ−ＯＦＦ状態、励起光外部出力Ｒｐ，増幅光出力Ｐａｍｐの時間変化を説明するグラフ図である。（ａ）に表すＯＮ状態の時間において、（ｂ）のようにＰ１の励起光外部出力Ｐｐが出射する。一方、ＯＦＦ状態の時間において、（ｂ）のようにＣＷ発振が停止する。このＣＷ発振が停止している時間のみ、（ｃ）のようにシード光源１０からのパルス発振レーザ光が増幅されダイクロイックプリズム２６を透過し大きさＰ２の増幅光出力Ｐａｍｐが出射する。
【００１６】
ＣＷ発振用ミラー１６のＯＦＦ状態の周期をＴｈ（ｓｅｃ）とすると、繰り返し周波数ｆｈ（Ｈｚ）＝１／Ｔｈとなる。繰り返し周波数ｆｈは、最大２ｋＨｚと、シード光源１０のパルス発振繰り返しと比較して低くする。
【００１７】
このあと、増幅光は光パラメトリック発振器３０により３乃至５μｍのレーザ光に波長変換され、外部空間へ波長変換光出力Ｐｏｕｔが出射される。なお、ＯＮ状態ではＣＷ発振によりパルス増幅はなされないので増幅光出力Ｐａｍｐは小さく、光パラメトリック発振器３０の閾値光入力Ｐｔｈ以下となり、波長変換もなされない。
【００１８】
図４は、波長変換光出力Ｐｏｕｔを時間軸ｔ（ｓｅｃ）で表したグラフ図である。すなわち、図３（ｃ）の時間軸を部分的に拡大して表している。例えば、１５ｋＨｚの繰り返し周波数ｆｓでパルス発振しているシード光源１０からの信号光が、ファイバアンプ１４でパルス増幅され、さらに繰り返し周波数ｆｈの振幅変調を受けることを表わしている。このあと、光パラメトリック発振器３０により３乃至５μｍのレーザ光に波長変換され、外部空間へ大きさＰ３である波長変換光出力Ｐｏｕｔが出射される。この出射光は図４に例示されるように、振幅変調されたパルス発振レーザ光であり、その波長は３乃至５μｍである。振幅変調の繰り返し周波数ｆｈや変調幅は光共振回路の駆動手段により制御できる。
【００１９】
次に、図１及び図２に戻って、本具体例の構成要素に関して補足説明をする。
ファイバアンプ１４は、ファイバのコアの近傍に、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）などの希土類元素を添加し、励起光と信号光を注入、伝搬させて光増幅を行う。本具体例においては、例えば、Ｔｍを添加することによりシード光源の２μｍの波長の信号光を誘導放出により増幅している。
【００２０】
ダイクロイックプリズム１８及び２６は、干渉膜を多層構造にすることにより、特定の波長光を反射または透過させるための光学手段である。例えば、図１及び図２において、ダイクロイックプリズム１８はシード光源１０からの２μｍ信号光を反射し０．８μｍ励起光を透過させる。一方、ダイクロイックプリズム２６は２μｍ信号光を透過させ、０．８μｍ励起光を反射する。
【００２１】
励起光源４０及び４１には、例えば、ピーク波長が０．８μｍ帯のＡｌＧａＡｓからなる半導体レーザ素子を用いることができる。この半導体レーザ素子のＣＷ光出力は、１００ｍＷ以上とできるので励起用に適している。図１及び図２において、励起光源４０からの励起光は、例えば、ミラー４２により折り曲げられダイクロイックプリズム１８を透過してファイバアンプ１４へ入射する。同様に励起光源４１からの励起光は、例えば、ミラー４３により折り曲げられダイクロイックプリズム２６によりさらに反射されてファイバアンプ１４へ入射する。また、ミラー４２及び４３は、ＣＷ発振用ミラー１６と２４との間の発振光を透過させる。このため、ミラー４２及び４３には、例えば、ハーフミラーを用いることができる。なお、励起光源は１個でも良いが、２個とすると励起光強度を大きくできるのでより好ましい。
【００２２】
光パラメトリック発振器３０は、例えば、ＢａＢ２Ｏ４，ＬｉＢ３Ｏ５，ＢｉＢ３Ｏ６，ＬｉＮｂＯ３，ＫＴｉＯＰＯ４などのバルク非線形結晶からなりその非線形光学効果を利用して波長変換を行う。すなわち、２個のミラーで形成される光共振器内に配置された非線形結晶において、１個の高いエネルギ（高周波数）のフォトンが、２個の低エネルギのフォトンに分割されることにより波長変換がなされる。
【００２３】
図５は、比較例にかかるファイバレーザ装置のブロック図である。
本比較例においては、パルス増幅光の変調を、ファイバアンプ１４の後段においてＥＯ（Electro-Optical）変調器や可動式チョッパなどの変調器３２を用いて実施する。しかし、これらいずれの場合も、装置が大型となり好ましくない。また、ＥＯ変調器を制御するには高圧電源を必要とするので消費電力が増大する。可動式チョッパは大きなブレードを用いた機械的変調方法であり、繰り返し周波数の制御などにおいて制御精度が劣る。なお、本図において励起光源を省略している。
【００２４】
これに対して、本具体例はＥＯ変調器のための高圧電源や可動式チョッパのような機械的駆動装置を必要としない。この結果、消費電力が低減でき、またファイバレーザ装置をより小型化できる。
【００２５】
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されない。例えば、ファイバレーザ装置を構成するファイバアンプ、シード光源、励起光源、ＣＷ発振用ミラー、駆動手段、ダイクロイックプリズム、ミラー、光パラメトリック発振器，レンズなどに関して、また変調方法などに関して当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の具体例にかかるファイバレーザ装置のブロック図である。
【図２】本発明の具体例にかかるファイバレーザ装置のブロック図である。
【図３】ＣＷ発振のＯＮ−ＯＦＦ状態、励起光外部出力、増幅光出力の時間変化を説明するグラフ図である。
【図４】波長変換光出力の時間変化を説明するグラフ図である。
【図５】比較例にかかるファイバレーザ装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０・・・シード光源、１２・・・駆動手段（ピエゾ素子）、１４・・・ファイバアンプ、１６・・・ＣＷ発振用ミラー、１８・・・ダイクロイックプリズム、２４・・・ＣＷ発振用ミラー、２６・・・ダイクロイックプリズム、３０・・・光パラメトリック発振器，４０、４１・・・励起光源
【図１】
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【図２】
2008010720.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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