(57)【要約】【課題】高速なスイッチングを行うことができるＱスイッチレーザ装置を安価で提供する。【解決手段】レーザ光出力端１の近傍のスポットサイズが最も小さい箇所にＱスイッチ素子９を配置することにより、装置の構成を複雑化せずに、高速なスイッチングを行うことができるＱスイッチレーザ装置を安価で提供することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素が添加されたレーザファイバをレーザ媒質とするファイバレーザ装置であって、Ｑスイッチ素子をレーザファイバのいずれかの端部の近傍に備えたことを特徴とするＱスイッチファイバレーザ装置。
【請求項２】
Ｑスイッチ素子が、スリットを有するチョッパディスクとそのチョッパディスクを回転運動させるアクチュエータにより構成されることを特徴とする請求項１記載のＱスイッチファイバレーザ装置。
【請求項３】
Ｑスイッチ素子が、スリットを有するチョッパディスクとそのチョッパディスクを往復運動させるアクチュエータにより構成されることを特徴とする請求項１記載のＱスイッチファイバレーザ装置。
【請求項４】
チョッパディスクの一部がレーザ共振器を構成するミラーからなり、共振する瞬間と共振しない瞬間を周期的に発生させることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のＱスイッチファイバレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｑスイッチファイバレーザ装置、特に高速のスイッチングを安価で行うことができるＱスイッチファイバレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高ピークパルスを得る方法として、連続波レーザにＱスイッチを用いる方法がある。Ｑスイッチとは、レーザ共振器内に置かれた変調可能な素子により、レーザ発振のＯＮとＯＦＦを周期的に行う機構をいう。この機構は、レーザ発振がＯＦＦの間は、ポンプ光源からレーザ媒質中に励起エネルギーを貯えさせ、レーザ媒質中の反転分布が十分に大きくなったところで、レーザ発振をＯＮにすると、レーザ媒質の誘導放出が起こり、数十ナノ秒レベルの短いパルス幅で、高ピークのパルス発振を行うことができる。Ｑスイッチ素子としては、電気光学（ＥＯ）素子や音響光学（ＡＯ）素子を用いる方法、あるいは、機械式チョッパディスクを用いる方法がある。
【０００３】
従来のＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分の一例を図９に示す。この例は、Ｑスイッチ素子として機械式チョッパディスクを用いている。この例は、レーザ光出力端１からのレーザ光線をレンズ２により平行光線とし、この平行光線をモータ４により回転するチョッパディスク３に送り、スイッチングを行っている。このため、遮断する平行光線２０のスポットサイズが大きくなり、レーザ光線開放開始から完全に開放されるまでの時間が長くなる。つまりチョッピング速度が低下する。チョッピング速度が低下すると、レーザ光線断面上の開放された所から部分的にレーザ発振が始まるので、まだ閉まっている部分はレーザ発振の妨げとなり、健全なパルス成長ができない。このため、Ｑスイッチのスイッチング速度が低下する。この問題は、機械式チョッパディスクの代わりに電気光学素子や音響光学素子を用いたとしても解消するものではない。
【０００４】
上記の問題を回避する方法として、レーザ共振器内部の平行光線を、対物レンズを用いてレーザ光線の径を小さくし、その対物レンズの焦点、即ちレーザ光線のスポットサイズが極小となった箇所において機械式チョッパディスクを駆動させることにより、スイッチング速度を向上させる方法が知られている（非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
笹川清隆ほか「ファイバ出射型Ｑスイッチファイバレーザの試作」２００２年電子情報通信学会総合大会Ｃ−４−３６
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法を用いる場合、レンズにて平行光にしたものを再度集光する必要があり、装置の構成が複雑となる結果、装置が高価となるという問題があった。
【０００７】
よって、本発明の課題は、高速なスイッチングを行うことができるＱスイッチファイバレーザ装置を安価で提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者は、レーザ光出力端の近傍のスポットサイズが最も小さい箇所にＱスイッチ素子を配置することにより、装置の構成を複雑化せずに、高速なスイッチングを行うことができるＱスイッチファイバレーザ装置を提供することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明の第１の発明は、希土類元素が添加されたレーザファイバをレーザ媒質とするファイバレーザ装置であって、Ｑスイッチ素子をレーザファイバのいずれかの端部の近傍に備えたことを特徴とするＱスイッチファイバレーザ装置である。
【００１０】
本発明の第２の発明は、Ｑスイッチ素子が、スリットを有するチョッパディスクとそのチョッパディスクを回転運動させるアクチュエータにより構成されることを特徴とする請求項１記載のＱスイッチファイバレーザ装置である。
【００１１】
本発明の第３の発明は、Ｑスイッチ素子が、スリットを有するチョッパディスクとそのチョッパディスクを往復運動させるアクチュエータにより構成されることを特徴とする請求項１記載のＱスイッチファイバレーザ装置である。
【００１２】
本発明の第４の発明は、チョッパディスクの一部がレーザ共振器を構成するミラーからなり、共振する瞬間と共振しない瞬間を周期的に発生させることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のＱスイッチファイバレーザ装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置の一例を表す模式図である。図１では、ポンプ光源等の部材を省略している。図１において、Ｑスイッチファイバレーザ装置は、半透性のミラー５及び全反射性のミラー１５、レーザファイバ６、２つのレンズ２及び１２、Ｑスイッチ素子９で概略構成されている。半透性のミラー５と全反射性のミラー１５の２つのミラーは、レーザ共振器を構成している。この２つのミラーの間には、レーザファイバ６が設けられている。レーザファイバ６にはレーザ媒質として希土類元素がドープされており、ポンプ光源によってエネルギー励起されたレーザ媒質が、半透性のミラー５と全反射性のミラー１５によって構成されるレーザ共振器により誘導放出を起こしてレーザ光線が出力されるようになっている。レーザ光出力端１と半透性のミラー５の間にはレンズ２が設けられている。レンズ２はレーザ光出力端１から出力されるレーザ光線を平行光線にする。一方、もう一つのレーザ光出力端１１と全反射性のミラー１５の間にはレンズ１２が設けられている。レンズ１２もレンズ２と同様にレーザ光出力端１１から出力されるレーザ光線を平行光線にする。レーザ光出力端１の近傍にはＱスイッチ素子９が設けられ、具体的には、Ｑスイッチ素子９は、レーザ光出力端１から０．５ｍｍ以内に配置されることとなっている。Ｑスイッチ素子９は、前出のとおり、レーザ発振のＯＮとＯＦＦを周期的に行い、これにより、短いパルス幅で、高ピークのパルス発振を行うことができる。
【００１４】
本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置は、図２に示すように、Ｑスイッチ素子９をレーザ光出力端１１の近傍に設けることもできる。短いパルス幅で、高ピークのパルス発振を行うという効果においては、この例は、Ｑスイッチ素子９をレーザ光出力端１の近傍に設けた図１の例と同様である。
【００１５】
本発明においては、Ｑスイッチ素子９として、電気光学（ＥＯ）素子や音響光学（ＡＯ）素子を用いることもできる。しかし、これらの方法においては、素子の対光強度等の問題からレーザ平均出力は数百ワット以下であり、溶接等の加工応用には不適である。
【００１６】
そこで、本発明においては、Ｑスイッチ素子９として、機械式チョッパディスクを用いることができる。機械的チョッパディスクとは、スリットを設けたチョッパディスクをモータで高速回転させたり、あるいは、電磁石等で往復運動させることによって、スイッチングを行うものである。機械式チョッパディスクを用いる方法は、高出力動作時のＱスイッチの耐久性、パルス繰り返しの制御性、経済性等の点で優れている。
【００１７】
本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分の一例を図３に示す。この例では、Ｑスイッチ素子として機械式チョッパディスクを用いている。また、本例ではチョッパディスク３は回転運動する。チョッパディスク３を回転運動させるアクチュエータとしては、モータ４等がある。本例では、図５に示すように、チョッパディスク３は通常直径１００〜２００ｍｍの円形であり、チョッパディスク３には、１ないし複数のスリット３ａが設けられている。スリット３ａの形は、通常くさび形であるが、直角三角形や二等辺三角形としてもよい。スリット３ａの大きさは、通常は半径方向の長さが２〜３０ｍｍ、円周方向の幅が０．５〜３ｍｍとされる。スリット３ａの数は必要なパルスの周波数によって決められる。この例に用いられるモータ４の回転速度は、５０００〜２００００ｒｐｍとするとよい。
【００１８】
本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分のもう一つの例を図４に示す。この例では、Ｑスイッチ素子として機械式チョッパディスクを用いている。この例では、チョッパディスク３は往復運動する。チョッパディスク３を往復運動させるアクチュエータ１４としては、電磁石、ボイスコイル、電歪素子等がある。本例では、図６に示すように、チョッパディスク３は通常短矩形であり、チョッパディスク３には、１ないし複数のスリット３ｂが設けられている。スリット３ｂの形は通常短矩形である。スリット３ｂの大きさは、通常は長さ２〜３０ｍｍ、幅０．５〜３ｍｍとされる。スリット３ｂの数は必要なパルスの波数によって決められる。
【００１９】
本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分のさらにもう一つの例を図７に示す。この例は、Ｑスイッチ素子として機械式チョッパディスクを用いているが、レーザ共振器を構成する半透性のミラー５がチョッパディスク３のスリット部分に組み込まれている点が前２つの例と相違する。本例では、チョッパディスク３は電磁石等により往復運動するが、モータにより回転運動するものであってもよい。この例では、チョッパディスク３の形状、スリットの形状、大きさ、個数は図６に示したものと同様でよい。
【００２０】
上述の例に用いられるチョッパディスク３は、レーザ光出力端１の近傍に配置されることが必要であり、具体的には、レーザ光出力端１から０．５ｍｍ以内に配置されることが好ましい。
【００２１】
上述の例に用いられるチョッパディスク３は、厚さが大きいと、それだけチョッピング位置で遮断される光線の径が大きくなる。そのため、レーザ光線開放開始から完全に開放されるまでの時間が長くなり、チョッピング速度が低下する。チョッピング速度が低下すると、レーザ光線断面上の開放された所から部分的にレーザ発振が始まるので、まだ閉まっている部分はレーザ発振の妨げとなり、健全なパルス成長ができない。結果として、スイッチング速度が低下するという問題がある。一方、チョッパディスク３の厚さが小さいと、高速運動中は空気抵抗によりチョッパディスク３が変形するという問題がある。従って、チョッパディスク３は、厚すぎても薄すぎても好ましくなく、厚さ０．５〜２ｍｍ位が好ましい。
【００２２】
上述の例に用いられるチョッパディスク３は、高速運動による変形をしないことが必要であり、材質としては、ステンレス鋼等が好ましい。
【００２３】
本発明は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。
図１に示したＱスイッチファイバレーザ装置においては、Ｑスイッチ素子９がＯＦＦの間は、ポンプ光源によって励起されたレーザ媒質中に励起エネルギーが貯えられる。レーザ媒質の反転分布が十分大きくなった時点で、Ｑスイッチ素子９がＯＮになると、レーザ媒質が半透性のミラー５と全反射性のミラー１５で構成される共振器により誘導放出をおこし、レーザ光線がレーザ光出力端１からレンズ２及び半透性のミラー５を経由して出力される。Ｑスイッチ素子９がＯＮの時間は短いため、得られるレーザ光線はパルス状となる。Ｑスイッチ素子９が、ＯＮとＯＦＦを周期的に繰り返すことにより、このＱスイッチファイバレーザ装置は、短い幅で高ピークのレーザ発振をする。
【００２４】
図３に示したＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分においては、チョッパディスク３がモータ４により回転させられることにより、ＱスイッチのＯＮとＯＦＦが繰り返される。チョッパディスク３がレーザ光線を遮断している間は、ＱスイッチはＯＦＦであり、レーザ媒質中に励起エネルギーが貯えられる。チョッパディスク３が回転して、レーザ光線がスリット部分に当たると、ＱスイッチはＯＮになり、レーザ媒質が共振器により誘導放出を起こし、レーザ光線がレーザ光出力端１からレンズ２及び半透性のミラー５を経由して出力される。Ｑスイッチ素子９がＯＮの時間は短いため、得られるレーザ光線はパルス状となる。モータ４が高速で回転することにより、このＱスイッチファイバレーザ装置は、短い幅で高ピークのレーザ発振をする。
【００２５】
図４に示したＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分においては、チョッパディスク３を往復運動させるアクチュエータ１４によりチョッパディスク３が往復運動させられることにより、ＱスイッチのＯＮとＯＦＦが繰り返される。チョッパディスク３がレーザ光線を遮断している間は、ＱスイッチはＯＦＦであり、レーザ媒質中に励起エネルギーが貯えられる。チョッパディスク３が移動して、レーザ光線がスリット部分に当たると、ＱスイッチはＯＮになり、レーザ媒質が共振器により誘導放出を起こし、レーザ光線がレーザ光出力端１からレンズ２及び半透性のミラー５を経由して出力される。Ｑスイッチ素子９がＯＮの時間は短いため、得られるレーザ光線はパルス状となる。チョッパディスク３が高速で往復運動することにより、このＱスイッチファイバレーザ装置は、短い幅で高ピークのレーザ発振をする。
【００２６】
図７に示したＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分においては、チョッパディスク３を往復運動させるアクチュエータ１４によりチョッパディスク３が往復運動させられることにより、ＱスイッチのＯＮとＯＦＦが繰り返される。チョッパディスク３がレーザ光線を遮断している間は、ＱスイッチはＯＦＦであり、レーザ媒質中に励起エネルギーが貯えられる。チョッパディスク３が移動して、レーザ光線が共振器を構成する半透性のミラー５に当たるとＱスイッチはＯＮになり、レーザ媒質が共振器により誘導放出を起こし、レーザ光線がレーザ光出力端１から半透性のミラー５及びレンズ２を経由して出力される。Ｑスイッチ素子９がＯＮの時間は短いため、得られるレーザ光線はパルス状となる。チョッパディスク３が高速で往復運動することにより、このＱスイッチファイバレーザ装置は、短い幅で高ピークのレーザ発振をする。
【００２７】
このように、上述の例に用いられるＱスイッチレーザ装置は、いずれもレーザ光出力端１の近傍にＱスイッチ素子９を配置することによりスイッチングを行っている。このため、スイッチング位置で遮断されるレーザ光線の径が小さくなり、レーザ光線開放開始から完全に開放されるまでの時間が短くなり、チョッピング速度が向上する。チョッピング速度が向上すると、一瞬でレーザ発振が終わるので、健全なパルス成長ができ、結果として、スイッチング速度が向上するという効果がある。また、この例に用いられるＱスイッチレーザ装置は、レーザ光の開口数（ＮＡ）やモータ４の回転速度により、さらにスイッチング速度を向上させることが可能である。加えて、この例に用いられるＱスイッチレーザ装置は、複雑な構成をとらないので、安価で提供できるという効果も有する。
【００２８】
【実施例】
本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分の一例を示す概略平面図を図８に示す。この例においては、希土類元素（例えばＮｄ、Ｐｒ、Ｅｒ）等のレーザ媒質を光ファイバにドープし、共振器を構成する一対のミラーの間にその光ファイバを配置したファイバレーザを用いており、また、Ｑスイッチ素子として機械式チョッパディスクを用いている。レーザ媒質のドープされた光ファイバ６の端部にはフェルール７が接続されており、このフェルール７はフレーム８に取り付けられている。ここで、フェルールとは、光ファイバのコア部分の位置合わせをするための部品のことをいう。フェルール７外側のレーザ光出力端１の近傍には、空隙を持つチョッパディスク３が配置されている。このチョッパディスク３はモータ４によって駆動される。モータ４はフレーム８に取り付けられている。チョッパディスク３とモータ４の間には、チョッパディスク３の高速回転時の振れを抑制するためのリング１０が取り付けられている。フェルール７から見てレーザ光線が出力する延長線上にはレンズ２が配置され、このレンズ２はフレーム８に取り付けられている。このレンズ２は、レーザ光出力端１から発射するレーザ光線を平行光線２０にすることができる。レンズ２から見てレーザ光線が出力する延長線上には、共振器を構成する半透性のミラー５が配置されている。
ホルダー１６は半透性のミラー５を保持するものである。ホルダー１６についているつまみ１７及びつまみ１８は、それぞれネジで回すことができるようになっており、この２つのつまみを回すことによって半透性のミラー５の位置及び角度を調整することができる。
【００２９】
チョッパディスク３の位置がレーザ光出力端１から０．５ｍｍとなるようにモータ４をフレーム８に取り付けた。レーザ光の開口数（ＮＡ）は０．１６とした。モータ４の回転速度は６０００ｒｐｍとした。チョッパディスク３の厚みは０．５ｍｍとした。モータ４のスピンドル部に取り付けたリング９の厚みは３．９ｍｍとした。チョッパディスク３上のスリット３ａは直径４０ｍｍの円周上に設け、スリットの縁はテ−パ状に座繰を施した断面とした。スリット３ａの形状は、半径方向の長さを２ｍｍとし、円周方向の幅を２．８ｍｍとした。また、スリットの数は１０個とし、この１０個のスリットはチョッパディスク３上に等間隔に配置した。
本実施例に係るＱスイッチファイバレーザ装置を作動させて、Ｑスイッチのスイッチング速度２５μ秒、及びパルス周波数１ｋＨｚを得た。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るＱスイッチレーザ装置によれば、Ｑスイッチ素子９をレーザ光出力端１の近傍に配置することにより、高速なスイッチングを安価で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＱスイッチレーザ装置の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係るＱスイッチレーザ装置の一例を示す模式図である。
【図３】本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分の一例を示す平面概略図である。
【図４】本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分の一例を示す平面概略図である。
【図５】本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分のチョッパディスクの一例を示す正面図である。
【図６】本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分のチョッパディスクの一例を示す正面図である。
【図７】本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分の一例を示す平面概略図である。
【図８】本発明に係るＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分の一例を示す平面概略図である。
【図９】従来のＱスイッチファイバレーザ装置のスイッチ部分の一例を示す平面概略図である。
【符号の説明】
１・・・レーザ光出力端、３・・・チョッパディスク、４・・・モータ、５・・・半透性のミラー、６・・・レーザファイバ、９・・・Ｑスイッチ素子、１４・・・チョッパディスク３を往復運動させるアクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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