(57)【要約】【課題】  10kHz以上の高い繰返しで100kW以上の高ピーク出力のレーザパルスを発生することができるコンパクトで高調波変換可能なファイバレーザを実現し、その出力を用いて非線形光学結晶による高調波発生が高効率で行えるようにする。【解決手段】  上記問題の全てを解決するために、能動的損失スイッチング方式を有し、短共振器長でありながら1GHz以上の発振スペクトル幅を有する発振器と一段のファイバ増幅器によりシステムを構築し、３dB/m以上の吸収係数を有する偏波面保持のダブルクラッドファイバに導入することにより解決した。【選択図】図１
2008227341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
10kHz以上の繰り返し周波数でレーザパルスを発生することができる能動的Qスイッチ方式のレーザ発振器と偏波保持ダブルクラッドファイバを増幅媒質とする一段の増幅器によって構成されるコンパクトな装置で、ファイバ内の非線形光学効果の影響を受けることなく100ｋW以上の高ピーク出力と0.1ｍJ以上の高いパルスエネルギーを有する出力光を発生し、その中心波長を中心とした2nmの波長帯域内にパルスエネルギーの50％以上が分布していることから、高効率で高調波変換を可能とすることを特徴とするレーザシステム。
【請求項２】
レーザシステムの要素であるレーザ発振器において、能動的Qスイッチとして電気光学効果による偏向器を用い、その発振スペクトルの半値全幅が1GHz以上で、10kHz以上の繰り返し数で作動でき、共振器長が5cm以下であることを特徴とする上記請求項1に記載のレーザシステム。
【請求項３】
レーザシステムの要素である増幅器において、使用する偏波保持ダブルクラッドファイバ増幅媒質に対する励起光源の吸収係数を3dB/m以上とすることを特徴とする上記請求項1に記載のレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高効率、高安定、高品質、高エネルギー、高ピーク出力、高繰り返し数、短パルス、コンパクトなどを特徴とする短共振器長発振器とファイバレーザ増幅器の組み合わせに関するもので、レーザによる材料の加工や計測などに多用される実用的なレーザ装置に関するものである。本発明が対象としている技術は、発振器−増幅器方式のパルスレーザシステムとは発振器によって発生したピークパワの低いレーザパルスを光増幅器によって増幅器し、高ピーク出力を得る発振器−増幅器方式のパルスファイバレーザシステムであり、パルスファイバレーザシステムとして、光パルスエネルギの主な供給源である光増幅器にファイバ増幅器を用いることを前提としており、ここではモードロック発振器と複雑なチャープパルス増幅を行うような極短パルスレーザシステムは高繰り返し数と高エネルギーとを同時に満足しないために含まれない。
【背景技術】
【０００２】
発振器−増幅器方式のパルスレーザシステムは、発振器自身にゲインファイバを含む場合（ＣＡＳＥ１）、パルス駆動の半導体レーザを発振器とする場合（ＣＡＳＥ２）、バルクゲイン媒質を用いたＱスイッチレーザを発振器として用いる場合（ＣＡＳＥ３）などに分類される。
ＣＡＳＥ１の場合は、特許文献１に述べているように、発振器のゲイン媒質がファイバであるため共振器長が長く、極短パルスを得るためのモードロック発振器を除くと、パルス幅を０．１−１０ｎｓｅｃにすることは難しい。したがって、一段の増幅器だけで高いピーク出力を得ることは困難である。
ＣＡＳＥ２の利点は特許文献２に述べている通り、発振器として用いる半導体レーザを駆動する電流を変調することで、複雑なパルス波形を作りだすことが可能であり、０．１−１０ｎｓｅｃのパルス幅を得ることも容易で、非特許文献１に述べるように、高繰返し化も容易である。しかし、半導体レーザのピーク出力は低く、１０ｋＷ−１００ｋＷのピーク出力を得るためには多段増幅が必要にあるため、ASE（Amplified Spontaneous Emission）を抑制するための手段が必要となる。特許文献3−5ではASEを抑制するために、励起光源は発振器と同期したパルス駆動にすることを前提としている。また、非特許文献１で述べているように、このようなシステムの場合、増幅後のレーザパルスのスペクトル幅は広がってしまうため、バルクの非線形光学結晶を用いた波長変換において高調波を高効率で得ることは困難である。
ＣＡＳＥ３はファイバレーザシステムのコンパクト性を損なうことのない所謂マイクロチップレーザを発振器に用いることが多い。本発明もこの分類に属する。Cr:YAGなどの受動Qスイッチを内蔵したマイクロチップレーザは共振器長を極めて短くでき、0.1-10nsecのレーザパルスを容易に得ることができるばかりでなく、単一縦モードで発振させることができる。ただし、受動Ｑスイッチは外部クロックと同期を取る場合、同発振器のバルクレーザ結晶を励起する励起光源をパルス駆動する必要がある。したがって、高繰返しにおいて同発振器を外部クロックと同期して動作させることは極めて困難である。また、パルスのタイミングジッタも極めて大きく、加工用レーザとしては不向きである。バルクレーザ結晶を連続出力の励起光源で励起する受動Ｑスイッチマイクロチップレーザは1kHz-10kHz程度で動作させることが多い。非特許文献２は1kHzで動作する受動Ｑスイッチマイクロチップレーザからのレーザパルスをファイバ増幅器によって増幅し、高いピーク出力を得ている。しかし、繰返し周波数が低いため、ASEによって励起エネルギーが奪われることから、ゲインの飽和が観測されている。光−光変換効率も10%程度と低くなっている。また、発振スペクトル幅が狭いために、誘導ブリルアン散乱が誘起され、増幅器から発振器に強いレーザパルス戻ってしまうことが明らかとなった。非特許文献３では9.6kHzで動作する受動Ｑスイッチマイクロチップレーザを発振器とし、２段のファイバ増幅器を用いて平均出力にして10W程度の出力を得ている。２段増幅であるため、当該文献では侠帯域透過光学フィルタを用いて、ASEを抑制している。このシステムのようにゲイン長の長い増幅器内を高ピークパルスが伝播すると自己位相変調（Self Phase Modulation :SPM）によってスペクトル幅が増大することが懸念されるが、当該文献では、SPMの最大周波数チャープが元の入力パルス（発振器）のスペクトル幅に比例することを利用し、スペクトルの拡大を軽減している。すなわち発振スペクトル幅の狭い受動Ｑスイッチマイクロチップレーザ（当該文献では縦単一モード）を発振器して用いることで、SPMを軽減した。このことは本発明の課題であるバルク非線形光学結晶を用いた出力パルスの高調波発生には有利であるが、すでに述べたように、２段増幅に加えて、侠帯域透過光学フィルタのような部品が必要となりシステムが煩雑となる。また、すでに述べたように受動Ｑスイッチを用いた発振器は高繰返し時に外部同期が取れないという点とタイミングジッタの観点から加工用レーザとしては適していない。
【特許文献１】Compact fiber laser unit,US5920668(1999)
【特許文献２】Semiconductor laser high power amplifier system for materials processing, US6433306B1
【特許文献３】Optical amplifier with high energy levels systems systems providing high peak powers, US5867305(1999)
【特許文献４】Optical amplifiers providing high peak power with high energy levels, US5933271(1999)
【特許文献５】Fiber amplifier and pumping sources for fiber amplifiers, US6081369(2000)
【非特許文献１】High peak power, high rep-rate pulsed fibre laser for marking applications Andrew J. W. Brown, Johan Nilsson, Donald J. Harter, Andreas Tunnermann, Proc. of SPIE Vol. 6102, 61020Q, (2006)
【非特許文献２】High-peak-power (>1.2 MW) pulsed fiber amplifier, Roger L. Farrow, Dahv A. V. Kliner, Paul E. Schrader, Alexandra A. Hoops, Sean W. Moore, G. Ronald Hadley, and Randal L. Schmitt, Proc. of SPIE Vol. 6102, 61020L, (2006)
【非特許文献３】MW peak-power, mJ pulse energy, multi-kHz repetition rate pulses from Yb-doped fiber amplifiers, Fabio Di Teodoro and Christopher D. Brooks, Proc. of SPIE Vol. 6102, 61020K, (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
10kHz以上の高い繰返しで100kW以上の高ピーク出力のレーザパルスを発生することができるコンパクトなファイバレーザを実現し、その出力を用いて非線形光学結晶による高調波発生が高効率で行えるようにする。そのために、パルス幅が短いレーザパルスを10kHz以上の高繰返しで発生することができ、1GHz以上の発振スペクトル幅を有する発振器とファイバ増幅器によってシステムを構築する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために以下の発明を行った。発振器内部に共振器の損失を高速で切り替えることができる損失のスイッチング方法として共振器内でレーザ光の伝播方向を光学結晶の電気光学効果を用いて偏向する方法を採用した。この方法により発振器で100kHz以上の繰返しで動作を可能とし、10kHz-100kHz範囲の繰返し周波数で5nsec以下のパルス幅を得ることができる。この発振器は平均出力が100mW-1W程度と高いため、増幅器の飽和増幅を容易に達成することができるため、ASEを抑制する特別な手段を講じる必要がない。また増幅パルスのピーク出力が100kW以上になった場合でも、発振器が縦マルチモードの発振スペクトルを有しているためダブルクラッドファイバのコア内で誘導ブリルアン散乱が誘起されることはない。さらに、ファイバ増幅器はダブルクラッドファイバと連続発振の励起光源で構成されるが、ダブルクラッドファイバは励起光源に関して３dB/m以上の吸収係数を有しているものを用いる。これにより、ダブルクラッドファイバの有効ゲイン長が短くすることができる。平均出力10W以上を得るような高出力増幅過程において、縦マルチモード発振器で発生したレーザパルスのスペクトル幅がコア内の増幅過程で起こるSPMによって一層広がったとしても、ダブルクラッドファイバのゲイン長を短くすることで、高調波発生の効率が損なわれない程度にスペクトル幅の増大を抑えることができる。また、ダブルクラッドファイバのコアは偏波保持の性質を有している。これらの簡素な発振器−増幅器方式の高ピーク出力ファイバレーザを用いることによって、10W以上の平均出力、100kW以上のピーク出力を有していても、高効率な高調波発生を行うことができるレーザパルスを発生することができる。
【発明の効果】
【０００５】
10kHz以上の高い繰返しで100kW以上の高ピーク出力のレーザパルスを発生することができるコンパクトなファイバレーザを実現し、その出力を用いて非線形光学結晶による高調波発生が高効率で行えるようにするために、パルス幅が短いレーザパルスを10kHz以上の高繰返しで発生することができ、1GHz以上の発振スペクトル幅を有する発振器とファイバ増幅器によってシステムを構築した。発振器内部に共振器の損失をスイッチングする方法として共振器内でレーザ光の伝播方向を光学結晶の電気光学効果を用いて偏向することにより短パルスを発生し、これを励起光源に関して３dB/m以上の吸収係数を有し、偏波保持の性質を有するダブルクラッドファイバに導くことにより、高繰り返し、高エネルギー、短パルス、偏波保持の性能を有するファイバ増幅出力を得た。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に本発明に関する実施形態について詳細に説明する。図１は本発明の実施形態１の態様を示す図である。図２は本発明の実施形態2の態様を示す図である。図３は発明した高ピーク出力ファイバレーザの平均出力のグラフである。図４は発明した高ピーク出力ファイバレーザで発生したレーザパルスの時間波形である。図５は本発明の効果を示すグラフである。
[実施形態１]
図１は本発明の実施形態１の態様を示す図である。発振器8で発生するシード光パルスはシード光リレーレンズ系6によって光コネクタ３に到達する。シード光リレーレンズ系６の中には光アイソレータ７があり、ゲインファイバ５からの戻り光が発振器８に戻るのを防いでいる。一方励起光は励起光源９で発生し、励起光導光用ファイバ１によってファイバ型コンバイナ４に導かれる。励起光源９には連続発振出力を得ることができる半導体レーザが、一つ以上含まれている。複数の励起光源９を用いる場合は、それと同数の励起光導光用ファイバ１を用いて、コンバイナ４に接続する。増幅光出力用ファイバ２と励起光導光用ファイバ１はファイバ型コンバイナ４で合流し、溶融接続部１０にてゲインファイバ５に接続される。ゲインファイバ５はダブルクラッド構造をしており、コアには希土類ドーパントがドープされている。シード光パルスはゲインファイバ５及びファイバ型コンバイナ４を伝播し、増幅光出力用ファイバ２のコアに接続される。励起光は励起光導光用ファイバ１及びファイバ型コンバイナ４を伝播しゲインファイバ５の内部クラッドに接続される。ゲインファイバ５の内部クラッドに接続された励起光はゲインファイバ５のコアに徐々に吸収される。励起光を吸収したゲインファイバ５のコアは活性化し、シード光パルスを増幅する。増幅されたパルス出力は集光レンズ１１によって非線形光学結晶１２へ導かれ、高調波発生が行われる。発生した高調波パルスと未変換の増幅パルス出力は高調波分離ミラー１３によって分離される。
[実施形態２]
図２は本発明の実施形態２の態様を示す図である。発振器8で発生するシード光パルスはシード光リレーレンズ系6によって光コネクタ３に到達する。シード光リレーレンズ系６の中には光アイソレータ７があり、ゲインファイバ５からの戻り光が発振器８に戻るのを防いでいる。一方励起光は励起光源９で発生し、励起光導光用ファイバ１によって光コネクタ３に導かれる。励起光源９には連続発振出力を得ることができる半導体レーザが、一つ以上含まれている。ゲインファイバ５はダブルクラッド構造をしており、コアには希土類ドーパントがドープされている。シード光パルスはゲインファイバ５のコアに接続される。励起光は励起光リレー光学系１４によってゲインファイバの内部クラッドに接続される。ゲインファイバ５の内部クラッドに接続された励起光はゲインファイバ５のコアに徐々に吸収される。励起光を吸収したゲインファイバ５のコアは活性化し、シード光パルスを増幅する。増幅されたパルス出力はダイクロイックミラー１５によって取り出される。その後実施形態１と同様の手法により、高調波発生が行われる。
【実施例】
【０００７】
発明の効果を示すために行った試験結果について示す。
発振器として平均出力約1000mW、波長1064nm、繰返し周波数50kHzで発振するマイクロチップレーザを構築した。マイクロチップレーザ内にはレーザ媒質としてNd:YVO4を用い、能動的Qスイッチとして光学結晶の電気光学効果を用いた偏向器を用いた。50kHzの繰返し周波数で2nsec以下のレーザパルスを得ることができた。この発振器は縦マルチモード発振が実現できるほどに長く、10nsec以下のパルス幅を実現できるほどに短くなくてはならない。縦マルチモードとすることで、発振スペクトル幅を1GHz以上にすることができるため、非特許文献２で問題となった増幅時の誘導ブリルアン散乱を抑制することができる。共振器長が5mm以上になると、Nd:YVO4の利得スペクトル分布内に10本前後の縦モードが存在し、確実に縦マルチモードを実現することができる。また、10kHz−100kHzの範囲で10nsec以下のパルス幅を得るためには共振器長を5cm以下にする必要がある。パルス幅を10nsec以下にすることで、増幅後のピーク出力を高くすることができる。
ゲインファイバには基本モード直径が20-30μm程度になる大コア径のイッテルビウムドープダブルクラッドファイバを用いた。このファイバを用いた1段の増幅器により、励起光出力が18.4Wのとき、増幅平均出力10Wを得た（図３）。このときパルス幅は半値全幅で1.4nsecであり（図４）、増幅出力パルスのピーク出力は140kWに達している。
このようなファイバ増幅器からの出力パルスを用いて高調波発生を行うときに重要なことは、出力パルスのスペクトル幅をできるだけ狭くするということである。ピーク出力が100ｋWを超えるようなレーザパルスはファイバ増幅器内で起こるSPMの影響を受ける。この効果の影響を小さくすることは出力パルスのスペクトル幅を狭くするためには有効である。この効果を示すために二つゲインファイバについてLBO（LiB3O5）結晶を用いた第2高調波発生試験を行った。二つのゲインファイバは波長976nmの励起光に関して、異なる吸収係数を有している。ゲインファイバ１は吸収係数が約6dB/mであり、長さは4mである。ゲインファイバ２の吸収係数は9dB/mであり、長さは2.2mである。吸収係数と長さから定まる励起光に対する有効ファイバ長はゲインファイバ１とゲインファイバ２で、それぞれ0.78mと0.48mになる。図５に第2高調波出力をゲインファイバ別に示している。ゲインファイバ１の増幅パルスのスペクトル広がりがゲインファイバ１の場合より狭いためにゲインファイバ２がより高い変換効率を示している。このことは、より大きな吸収係数を有するゲインファイバ２のゲイン長はゲインファイバ１より短いものとなり、コア内で起こるSPMなどによるスペクトル幅を増大させる非線形光学効果が軽減された結果である。吸収係数はゲインファイバの設計と励起光源の波長に依存する。イッテルビウムがドープされた波長の場合、910nm付近と976nm付近に吸収のピークが現れる。ダブルクラッドファイバのインナークラッドの形状やイッテルビウムのドープ濃度、吸収波長等を選択することで3dB/m以上の吸収係数を得ることができる。このような高い吸収係数のゲインファイバを選んだとしても多段増幅ではSPMの影響は大きくなるため、1段の増幅器の利点はこの点からも明白である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の高ピーク出力ファイバレーザの実施形態１を示す図である。
【図２】本発明の高ピーク出力ファイバレーザの実施形態２を示す図である。
【図３】本発明の高ピーク出力ファイバレーザの励起光出力に対する平均出力のグラフである。
【図４】本発明の高ピーク出力ファイバレーザで発生したレーザパルスの時間波形である。
【図５】本発明の高ピーク出力レーザで発生したレーザパルスの第2高調波出力を示すグラフである。
【符号の説明】
【０００９】
１    励起光導光用ファイバ
２    増幅光出力用ファイバ
３    光コネクタ
４    ファイバ型コンバイナ
５    ゲインファイバ
６    シード光リレーレンズ系
７    光アイソレータ
８    発振器
９    励起光源
１０  溶融接続部
１１  集光レンズ
１２  非線形光学結晶
１３  高調波分離ミラー
１４  励起光リレーレンズ系
１５  ダイクロイックミラー
【図４】
2008227341.tif 000003
【図１】
2008227341.tif 000004
【図２】
2008227341.tif 000005
【図３】
2008227341.tif 000006
【図５】
2008227341.tif 000007