(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な第１および第２の主表面を有する透明板と、
前記第１および第２の主表面をつなぐ側面に沿って巻かれ、入射した信号光を励起光によって増幅する光ファイバと、
前記透明板の内部において前記第１および第２の主表面で全反射するように前記励起光を前記透明板に与える励起光発生部と、
前記第１の主表面の周辺部から前記第２の主表面の周辺部にわたって、前記側面ごと前記光ファイバを包み、かつ、前記光ファイバを包む内側の面が前記励起光を反射させる反射面となる反射部とを備え、
前記第１および第２の主表面における前記励起光の臨界角が、前記第１および第２の主表面と垂直な方向に対して４５°未満になるように、前記励起光の波長および前記透明板の屈折率が選択され、
前記側面は、前記第１および第２の主表面に対して垂直に設けられるか、または前記第１および第２の主表面に対して垂直な方向から４５°と前記臨界角との差以下の角度で設けられる、光増幅器。
【請求項２】
前記励起光発生部は、前記側面に向けて前記励起光を発する、請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記光増幅器は、
前記第１の主表面上に設けられて前記励起光を前記透明板に導く導入部をさらに備え、
前記導入部は、
前記励起光が前記透明板内部において前記第１および第２の主表面で全反射するための所定の角度で前記第１の主表面に対して設けられる入射面を有する、請求項１に記載の光増幅器。
【請求項４】
前記励起光発生部は、前記励起光発生部から入射した励起光の光路と、前記入射した励起光が前記反射部で反射した反射光の光路とが、前記第１の主表面に直交する方向から見た場合に重ならないように、前記励起光を発する向きが設定される、請求項３に記載の光増幅器。
【請求項５】
前記励起光発生部は、前記第１の主表面に直交する方向から見た場合に、前記励起光の光軸が前記第１の主表面の中心を通らないように前記励起光を発する向きが設定される、請求項４に記載の光増幅器。
【請求項６】
前記反射部は、前記第１および第２の各々の前記周辺部に密着する、請求項１に記載の光増幅器。
【請求項７】
前記第１および第２の主表面は、外周の少なくとも一部が曲線である同一の形状を互いに有する、請求項１に記載の光増幅器。
【請求項８】
前記第１および第２の主表面の各々の形状は、円および楕円のいずれか一方である、請求項７に記載の光増幅器。
【請求項９】
前記励起光発生部は、
前記励起光を発する複数の励起光源を含み、
前記光増幅器は、
複数の励起光源のそれぞれに対応して前記第１または第２の主表面上に設けられ、前記
励起光を前記透明板に導く複数の導入部をさらに備え、
前記複数の励起光源の各々は、自己が発する前記励起光が、前記反射部に到達するまでの間に、他の励起光源に対応して設けられた前記導入部に入射しないように、前記励起光を発する向きが設定される、請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１０】
前記励起光発生部は、前記励起光の光軸に垂直かつ前記第１の主表面に平行な第１の向きの前記励起光の広がりが、前記励起光の光軸に垂直かつ前記第１の向きに垂直な第２の向きの前記励起光の広がりよりも大きくなるように、前記励起光を発する、請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光増幅器と、
前記光ファイバの一方端に入射する前記信号光を発する信号光源と、
前記光ファイバの他方端から出た前記信号光の一部を反射して前記一方端に再入射させ、前記他方端から出た前記信号光の一部を透過する反射鏡とを備える、レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光増幅器およびレーザ装置に関し、特に光ファイバを含む光増幅器およびレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は様々な産業用途に利用できる。たとえばレーザ光は部品の表面に品質に関する情報をマーキングするための加工に用いられる。また、レーザ光は半導体チップの実装や液晶画素の欠陥の修復等に用いられる。
【０００３】
特に微小な領域に製造年月日など多くの情報が記録される場合には、精度よい加工ができなければならない。微細加工に用いられるレーザ光のモードは多モード（マルチモード）よりも単一モード（シングルモード）のほうが適している。
【０００４】
レーザ装置は、小型であることや衝撃に対して強いこと、あるいは低コストであることなど、様々な要求に対応しなければならない。このような要望を満たすため、従来はレーザ光の出力やレーザ光の波長、ビーム光のモードなどに応じ、個別にレーザ共振器が設計されていた。また、レーザ共振器の調整は長年にわたり蓄積されたノウハウ等に基づいて行なわれていた。
【０００５】
従来の微細加工用レーザ装置の構成について、ＬＤ（Laser Diode：半導体レーザ）励起固体レーザおよびファイバレーザを例に説明する。
【０００６】
図１６は、従来のＬＤ励起固体レーザの共振器の構成を示す図である。
図１６を参照して、レーザ装置１００は共振器１０２を備える。共振器１０２は、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）やＹＶＯ４などの結晶１０４、結晶１０４を介して対向する反射鏡１０６，１０８、およびパルス発振を起こしてレーザ光を出力するためのＱスイッチ１１０を含む。Ｑスイッチ１１０はたとえば音響光学素子や電気光学素子などのシャッタである。
【０００７】
結晶１０４を励起する励起光はＬＤアレイ１１２からレンズ１１４を介して結晶１０４の一端面に入射する。励起状態においてＱスイッチ１１０がオンする（シャッタが開く）とレーザ発振が行なわれて反射鏡１０８からレーザ光ＬＡが出射する。
【０００８】
ＬＤアレイ１１２には複数のＬＤ素子（図示せず）が設けられる。複数のＬＤ素子の各々から出た励起光をレンズ１１４に導くため、複数のＬＤ素子のそれぞれに対応して複数の光ファイバ１１６が設けられる。複数の光ファイバ１１６はファイバカップリング１１８で束ねられる。複数の光ファイバ１１６の各々を伝達した励起光Ｅはファイバカップリング１１８の一端面から出る。
【０００９】
なお、結晶１０４がＹＡＧであれば、シングルモードのレーザ光を出力するため反射鏡１０８と結晶１０４との間にはアパーチャ（図示せず）が設けられる。また、結晶１０４がＹＶＯ４である場合、シングルモードのレーザ光を出力するためにａ軸〜ｃ軸の結晶軸のうちのｃ軸方向に沿ってカットした結晶が用いられる。ｃ軸に沿ってカットされた結晶は光路とｃ軸が同一方向になるようにレーザ装置１００に取り付けられる。
【００１０】
図１７は、従来のファイバレーザの構成を示す図である。
図１７を参照して、レーザ装置２００は、共振器２０２を備える。共振器２０２は、光ファイバにより構成されるリング共振器である。光ファイバの両端にはファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Gratings；以下、ＦＢＧと称す）２０６，２０８が形成される。ＦＢＧは光ファイバのコア中に形成された回折格子であり、光フィルタとして機能する。
【００１１】
共振器２０２に用いられる光ファイバは、コアに希土類元素が添加された光増幅ファイバである。励起光がコアに入射すると希土類元素が励起される。さらに、信号光（図示せず）がコアに入射すると、励起状態の希土類元素において誘導放出が生じるので信号光が増幅される。希土類元素の種類に応じて励起光の波長および信号光の波長は異なる。
【００１２】
図１６のレーザ装置１００と同様に、励起光はＬＤアレイ１１２から光ファイバ１１６を介して共振器２０２に入る。ただし、光ファイバ１１６と共振器２０２（光ファイバ）とは直接接続される。
【００１３】
図１８は、図１７の光ファイバ１１６と共振器２０２との接続を示す図である。
図１８を参照して、共振器２０２を構成する光ファイバ２１０の断面が示される。光ファイバ２１０にはコア２１８が設けられ、コア２１８を囲むように第１クラッド２２０が設けられる。さらに第１クラッド２２０を囲むように第２クラッド２２２が設けられる。
【００１４】
光ファイバ１１６の端面は第１クラッドに２２０の端面に接続される。第１クラッド２２０を通る励起光は第１クラッド２２０と第２クラッド２２２との境界で第１クラッド２２０のほうに反射する。第１クラッド２２０からコア２１８に入射する励起光はコア２１８に吸収される。
【００１５】
図１９は、従来の光ファイバアンプの構成を示す図である。
図１９を参照して、光ファイバアンプ３００は、光増幅ファイバ３０１と、信号光を発する光源３０２と、励起光を発する複数の光源３０４とを備える。複数の光源３０４の各々から発せられる励起光はファイバ支線３０６およびファイバカプラ３０８を介して光増幅ファイバ３０１のコアに入る。光源３０２から光増幅ファイバ３０１の一端面に入射した信号光は光増幅ファイバ３０１により増幅される。光増幅ファイバ３０１の他端部からは増幅後の信号光として信号光Ｓ１００が発せられる。
【００１６】
従来の固体レーザの例として、たとえば特許第２８９３８６２号公報（特許文献１）では、レーザ媒質において発生した基本波レーザ光を共振器内に設けた非線形光学結晶素子を通過するように共振動作させることにより、タイプＩＩの第２高調波レーザ光を発生させると共に、上記基本波レーザ光の２つの偏光モード間の和周波発生によるカップリングを抑制する光学手段を上記共振器内に設けた固体レーザ発振器を開示する。この固体レーザ発振器は、上記基本波レーザ光の２つの偏光モードをそれぞれ単一の縦モードで発振させる光学手段と、上記基本波レーザ光の２つの偏光モードをそれぞれ単一の縦モードで発振させる光学手段と、上記基本波レーザ光の２つの偏光モードの発振強度が同一になるように上記共振器の実効共振器長を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする。
【００１７】
また、レーザの光軸を調整するための従来技術として、たとえば特開２００４−４７６５０号公報（特許文献２）では、複数のレーザダイオードと、これらのレーザダイオードを、各々の発光点が一方向に並ぶ状態に固定保持したブロックと、レーザダイオードから発せられたレーザービームを各々平行光化するコリメータレンズが複数、一方向に並ぶ状態に一体化されたコリメータレンズアレイとを備えるレーザ装置を開示する。このレーザ装置では、ブロックの複数のレーザダイオードを固定した部分よりも前方側に、レーザダイオードの発光点から所定距離離れて、レーザダイオードの発光軸に垂直とされた平滑なレンズ規定面が形成される。このレーザ装置では、レンズ規定面にコリメータレンズアレイの一端面を合わせた状態で、該コリメータレンズアレイがブロックに固定されていることを特徴とする。
【００１８】
また、光ファイバアンプの従来例として、たとえば特開２００４−２９７１０１号公報（特許文献３）では、複数の増幅性光ファイバに励起光を供給して信号光を光増幅する光ファイバ増幅器を開示する。この光ファイバ増幅器において、複数の増幅性光ファイバは、信号光入力端側に第１の増幅性ファイバを有し、信号光出力端側に第２の増幅性ファイバを有する。また、この光ファイバ増幅器は、第１の増幅性ファイバから第２の増幅性光ファイバにおける信号光増幅利得を算出する第１の利得検出手段と、第１の増幅性光ファイバに励起光を供給する第１の励起光供給手段と、第２の増幅性光ファイバに励起光を供給する第２の励起光供給手段と、第１の励起光供給手段により供給される励起光の強度を一定に制御する第１の制御手段と、第１の利得検出手段により検出された利得に基づいて、第２の励起光供給手段により供給される励起光の強度を利得一定となるように制御する第２の制御手段と、第１の増幅性光ファイバと第２の増幅性光ファイバの間に配置されたアイソレータとを備える。
【特許文献１】特許第２８９３８６２号公報
【特許文献２】特開２００４−４７６５０号公報
【特許文献３】特開２００４−２９７１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
図１６に示すＬＤ励起固体レーザの場合、２枚の反射鏡１０６，１０８が設けられているため、振動や温度変化により反射鏡の相対的な位置がずれやすい。よって、レーザ装置を設置した際にはレーザ光を出力するための調整が必要となる。
【００２０】
また、ＬＤアレイ１１２に含まれる複数のＬＤ素子から発せられる励起光が光ファイバ１１６のコアに入るようにＬＤ素子の光軸を調整しなければならない。調整作業は人手により行なわれる。よって手間がかかるとともにＬＤ励起固体レーザ装置のコストが高くなる。
【００２１】
一方、図１７に示すファイバレーザの場合には、光ファイバそのものが共振器であり、ＬＤ励起固体レーザのように反射鏡が設けられていないため、ＬＤ固体励起レーザよりは振動衝撃に対して強い。しかし、図１８に示す光ファイバ１１６を光ファイバ２１０の第１クラッド２２０に接続するための作業が人手により行なわれる。この作業がファイバレーザ装置のコストを高くする要因となっている。つまり従来のレーザ装置では、ＬＤ素子から発せられる励起光をコアに入れるための調整作業に多くの労力が必要であるため、レーザ装置のコストが高くなっていた。
【００２２】
また、従来のファイバレーザや、従来の光ファイバを用いた光増幅器において高出力の光を放出する（増幅率を高くする）ためには、光増幅ファイバの長さを長くする必要がある。しかし、光ファイバが長くなると光ファイバが占有する面積が大きくなるため、装置全体が大型化する。
【００２３】
本発明の目的は、小型かつ簡単な構成で、高パワーの光を発することが可能な光増幅器およびレーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は要約すれば、光増幅器であって、透明板と、光ファイバと、励起光発生部と、反射部とを備える。透明板は、互いに平行な第１および第２の主表面を有する。光ファイバは、第１および第２の主表面をつなぐ側面に沿って巻かれ、入射した信号光を励起光によって増幅する。励起光発生部は、透明板の内部において第１および第２の主表面で全反射するように励起光を透明板に与える。反射部は、第１の主表面の周辺部から第２の主表面の周辺部にわたって側面ごと光ファイバを包み、かつ、光ファイバを包む内側の面が励起光を反射させる反射面となる。
【００２５】
好ましくは、第１および第２の主表面における励起光の臨界角が、第１および第２の主表面と垂直な方向に対して４５°未満になるように、励起光の波長および透明板の屈折率が選択される。側面は、第１および第２の主表面に対して垂直に設けられるか、または第１および第２の主表面に対して垂直な方向から４５°と臨界角との差以下の角度で設けられる。
【００２６】
好ましくは、励起光発生部は、側面に向けて励起光を発する。
好ましくは、光増幅器は、第１の主表面上に設けられて励起光を透明板に導く導入部をさらに備える。導入部は、励起光が透明板内部において第１および第２の主表面で全反射するための所定の角度で第１の主表面に対して設けられる入射面を有する。
【００２７】
より好ましくは、励起光発生部は、励起光発生部から入射した励起光の光路と、入射した励起光が反射部で反射した反射光の光路とが、第１の主表面に直交する方向から見た場合に重ならないように、励起光を発する向きが設定される。
【００２８】
さらに好ましくは、励起光発生部は、第１の主表面に直交する方向から見た場合に、励起光の光軸が第１の主表面の中心を通らないように励起光を発する向きが設定される。
【００２９】
好ましくは、反射部は、第１および第２の各々の周辺部に密着する。
好ましくは、第１および第２の主表面は、外周の少なくとも一部が曲線である同一の形状を互いに有する。
【００３０】
より好ましくは、第１および第２の主表面の各々の形状は、円および楕円のいずれか一方である。
【００３１】
好ましくは、励起光発生部は、励起光を発する複数の励起光源を含む。光増幅器は、複数の励起光源のそれぞれに対応して第１または第２の主表面上に設けられ、励起光を透明板に導く複数の導入部をさらに備える。複数の励起光源の各々は、自己が発する励起光が、反射部に到達するまでの間に、他の励起光源に対応して設けられた導入部に入射しないように、励起光を発する向きが設定される。
【００３２】
好ましくは、励起光発生部は、励起光の光軸に垂直かつ第１の主表面に平行な第１の向きの励起光の広がりが、励起光の光軸に垂直かつ第１の向きに垂直な第２の向きの励起光の広がりよりも大きくなるように、励起光を発する。
【００３３】
より好ましくは、レーザ装置は上述のいずれかの光増幅器と、信号光源と、反射鏡とを備える。信号光源は、光ファイバの一方端に入射する信号光を発する。反射鏡は、光ファイバの他方端から出た信号光の一部を反射して一方端に再入射させ、他方端から出た信号光の一部を透過する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の光増幅器およびレーザ装置によれば、小型かつ簡単な構成の装置でありながら高パワーの光を出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３６】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の光増幅器の上面図である。
【００３７】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ間の断面図である。
図１および図２を参照して、光増幅器１は、透明板２と、光ファイバ４と、励起光源６と、反射部８と、信号光源１０とを備える。
【００３８】
透明板２は、たとえばガラスやアクリル樹脂により構成され、互いに平行な主表面２Ａ，２Ｂを有する。透明板２は主表面２Ａ，２Ｂをつなぐ側面２Ｃを有する。光ファイバ４は側面２Ｃに沿って巻かれる。側面２Ｃに沿って光ファイバ４を巻くことにより、光ファイバ４の全長が長くても光増幅器１を小型化できる。
【００３９】
図１に示すように、主表面２Ａ，２Ｂは、外周の少なくとも一部が曲線である同一の形状を互いに有する。具体的には、主表面２Ａ，２Ｂの形状は円である。主表面２Ａ，２Ｂの形状が多角形の場合には多角形の頂点の部分で光ファイバ４が曲げられると、その部分に応力が集中することによって光ファイバ４が折れやすくなる。主表面２Ａ，２Ｂの外周の少なくとも一部が曲線になることで光ファイバ４が折れるのを防ぐことができる。ただし主表面２Ａ，２Ｂの形状は楕円でもよい。
【００４０】
図１では主表面２Ａ，２Ｂの直径（円の直径）は約１００ｍｍである。なお、透明板２の厚みは、たとえば約３ｍｍである。
【００４１】
光ファイバ４は信号光Ｓ１を励起光Ｅにより増幅する。具体的には光ファイバ４はコア部に希土類元素が添加された光増幅ファイバである。本実施の形態では希土類元素としてイッテリビウム（Ｙｂ）が用いられる。ただしコア部に添加する希土類元素はネオジウム（Ｎｄ）やエルビウム（Ｅｒ）等でもよい。光ファイバ４の詳細は後述する。
【００４２】
励起光源６は本発明の「励起光発生部」に相当し、励起光Ｅを発する。励起光源６は具体的には半導体レーザである。後述するように、励起光源６は透明板２の内部において主表面２Ａ，２Ｂで全反射するように励起光Ｅを透明板２に与える。
【００４３】
励起光Ｅのパワーはたとえば５〜２０Ｗである。また励起光Ｅの中心波長はイッテリビウムの励起波長である９１５ｎｍあるいは９７５ｎｍに設定される。励起光Ｅは主表面２Ａに沿った方向に広がりながら透明板２を通る。これにより光ファイバ４のある１箇所に高いパワーの光が集中することを防ぐことができるので光ファイバ４の損傷を防ぐことができる。
【００４４】
反射部８は主表面２Ａの周辺部２Ｄから主表面２Ａの周辺部２Ｅにわたって、側面２Ｃごと光ファイバ４を包む。反射部８は光ファイバ４を包む内側の面が側面２Ｃから透明板２の外部に出た励起光Ｅを反射させる反射面となっている。たとえば反射部８は透明板２に装着される金属の輪である。反射部８の反射面にはアルミニウムや銀など光の反射率が高い金属膜が蒸着されている。なお、反射部８に波長選択機能を持たせる場合には金属膜に代えて誘電体多層膜が用いられる。また、側面２Ｃに対向する反射面は平面でも曲面でもよい。
【００４５】
なお、図１および図２では、反射部８は周辺部２Ｄの全周および周辺部２Ｅの全周にわたって光ファイバ４を覆うように示されるが、周辺部２Ｄ，２Ｅの一部（たとえば励起光源Ｅから発せられた励起光Ｅが到達する範囲）だけに設けられていてもよい。また、反射部８は途切れなく設けられるよう限定されるものではなく、光増幅が実質的に可能であれば、隙間や切れ目が設けられていてもよい。
【００４６】
信号光源１０から出た信号光Ｓ１は光ファイバ４の一端面に入る。信号光源１０は具体的には半導体レーザである。信号光Ｓ１のパワーはたとえば１００ｍＷであり、中心波長は１０３５ｎｍあるいは１０６４ｎｍである。励起状態のイッテリビウムにこれらの波長の光が入射すると誘導放出が生じるので信号光Ｓ１が増幅される。光ファイバ４の他端面から出る信号光Ｓ２は増幅後の信号光Ｓ１である。
【００４７】
主表面２Ａ上には励起光Ｅを透明板２に導くための「導入部」として三角プリズム２１が設けられる。三角プリズム２１は透明板２と屈折率の差が生じないよう、透明板２と同一素材により構成される。三角プリズム２１は透明板２と一体成型されてもよいし、透明な接着剤により主表面２Ａに固定されてもよい。ただし接着剤を用いる場合、接着剤は三角プリズム２１および透明板２と屈折率の差ができるだけ小さくなる素材が用いられる。
【００４８】
励起光源６からの励起光Ｅは三角プリズム２１を介して透明板２の内部に入り、主表面２Ａ，２Ｂで全反射する。よって励起光Ｅは透明板２内を進む間に損失が生じない。励起光Ｅは透明板２の側面に沿って巻かれた光ファイバ４の側面からコア部に入る。光増幅器１では従来の光ファイバ増幅器において必要であった光ファイバの端面から励起光を入れるための光軸の調整が不要になる。また、反射部８を用いることにより、光ファイバ４を通過した励起光を光ファイバ４に戻すことができる。よって、効率よく光ファイバを励起することができる。また、この光増幅器１と共振器とを組み合わせることでレーザ装置を実現できる。
【００４９】
次に透明板２の内部で励起光Ｅが全反射する条件について、図を参照しながら説明する。
【００５０】
図３は、三角プリズム２１が主表面２Ａに設けられていない場合における励起光Ｅの進行方向を示す図である。
【００５１】
図３を参照して、空気中から透明板２（たとえばガラス板）に入った励起光Ｅは、主表面２Ａ，２Ｂで屈折し、空気中に再び出てしまう。三角プリズム２１がない場合、透明板２内では励起光Ｅの全反射が生じず、励起光Ｅを閉じ込めることができない。
【００５２】
図４は、三角プリズム２１を主表面２Ａに設けた場合における励起光Ｅの進行方向を示す図である。
【００５３】
図４を参照して、三角プリズム２１および透明板２は同じ素材で構成されているため、屈折率は等しい。よって励起光Ｅは三角プリズム２１および透明板２を直進し、主表面２Ｂに対し入射角θ１で到達する。ここで屈折角θ２が９０°となれば励起光Ｅは空気中に出ずに透明板２の内部を進む。このときの入射角θ１は「臨界角」と称される。空気の屈折率を１とし、透明板２の屈折率をｎとすると、スネルの法則よりｎ×ｓｉｎθ１＝１を満たす入射角θ１が臨界角となる。
【００５４】
臨界角よりも入射角θ１が大きければ、励起光Ｅは主表面２Ｂで全反射する。また、主表面２Ｂに平行な主表面２Ａでも励起光Ｅの入射角はθ１になるので励起光Ｅは全反射する。このように三角プリズム２１を介して励起光Ｅを入射することで全反射を生じさせることができる。
【００５５】
主表面２Ａに対する三角プリズム２１の斜面Ａ（入射面）のなす角度をθとする。角度θは本発明における「所定の角度」に相当する。図４のように励起光源６が斜面Ａに接触し、かつ、励起光Ｅが広がらなければθ＝θ１となる。しかし、実際には三角プリズム２１の表面に静電気が生じるとその静電気により励起光源６が損傷する可能性があるので励起光源６は斜面Ａから離して設けられる。また励起光Ｅは広がりながら進む。これらの点を考慮して角度θは以下のように定まる。
【００５６】
図５は、励起光Ｅの広がりを考慮した場合の角度θを説明する図である。
図５を参照して、励起光Ｅの光軸をＪとする。光軸Ｊは斜面Ａに垂直である。また、光軸Ｊに平行な直線（すなわち斜面Ａの垂線）をＢ１とする。光軸Ｊに対して励起光Ｅのなす角度（広がり角）はψ１であるので励起光Ｅと垂線Ｂ１とのなす角度もψ１である。また、励起光Ｅは三角プリズム２１に入ると屈折する。屈折角は角度ψ２である。励起光Ｅは主表面２Ｂで全反射する。主表面２Ｂの垂線をＢ２とする。垂線Ｂ２に対し励起光Ｅのなす角度はψ３である。ここで角度ψ３は臨界角である。
【００５７】
角度θ，ψ２，ψ３について、以下の式（１）の関係が成立する。
θ＝ψ２＋ψ３  …（１）
三角プリズム２１および透明板２の屈折率をｎとする。スネルの法則より、角度ψ１〜ψ３については、以下の式（２）および式（３）の関係が成立する。
【００５８】
ｓｉｎψ１＝ｎ×ｓｉｎψ２  …（２）
ｎ×ｓｉｎψ３＝１  …（３）
式（１）〜（３）より、角度θ，ψ１について以下の式（４）に示す関係が成立する。
【００５９】
θ＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎψ１／ｎ）＋ｓｉｎ-1（１／ｎ）  …（４）
たとえば透明板２の素材がアクリル樹脂の場合、ｎは約１．４８２である。たとえばψ１＝１２．５°とすると、式（４）から角度θは約５０°になる。よってθ≧５０°に設定すれば主表面２Ａ，２Ｂで励起光Ｅの全反射が生じる。なお、このときの角度ψ３は約４２．４°である。
【００６０】
図６は、図１の光ファイバ４の断面図である。
図６を参照して、光ファイバ４は、コア部１２、コア部１２の周囲に設けられるクラッド部１４、および、クラッド部１４の周囲に設けられる被覆部１６を含む。コア部１２、クラッド部１４、被覆部１６のそれぞれの直径は５μｍ，１２５μｍ，２４５μｍである。また、光ファイバ４の最大受光角を示すＮＡ（開口数）は０．１３となる。
【００６１】
光ファイバ４はシングルモードファイバであるのでコア部１２の径が小さい。よって光ファイバ４の断面から励起光Ｅを入れようとすれば、励起光源の光軸Ｊを精度よく調整する必要がある。しかし本実施の形態では光ファイバの側面方向から励起光がコア部に入る。よってコア部１２の径が小さいため透明板２から出た励起光Ｅが光ファイバ４を通過しても反射部８での反射を繰り返すことでコア部１２に吸収される励起光の量を増やすことができる。よって励起光Ｅの光軸を精度よく調整しなくてもよくなる。また、光ファイバから出る光はビーム径が小さく、かつ高パワーとなる。
【００６２】
被覆部１６はたとえばアクリル等の透明樹脂である。被覆部は光ファイバ４が曲げられたときの応力を分散させる。光ファイバ４の側面の１箇所に励起光Ｅが集中すると、その部分の被覆部が溶ける。これにより、光ファイバ４は被覆部が溶けた部分に応力が集中して折れやすくなる。よって励起光Ｅはできるだけ広がるほうが好ましい。
【００６３】
図７は、励起光源６に用いられるＬＤチップの発光部を示す模式図である。
図７を参照して、斜面Ａの反対側から励起光源６（ＬＤチップ）の発光部６１を見た状態を示す。斜面Ａは図５に示すように励起光Ｅの光軸に垂直な平面である。発光部６１において主表面２Ａに平行な方向（図７においてＣ１−Ｃ２軸方向）の長さは、斜面Ａにおいて軸Ｃ１−Ｃ２方向に垂直な方向（図７においてＣ３−Ｃ４軸方向）の長さよりも短くなる。具体的に説明すると、たとえば発光部６１の辺ａ１の長さは１００μｍであり、辺ａ２の長さは１μｍである。
【００６４】
細いスリットから出る光ほど大きく回折するが、同様の現象が励起光源６から発せられた励起光Ｅに生じる。よって図７に示すように、励起光Ｅの光軸に垂直な斜面Ａにおいて、主表面２Ａに平行な第１の向き（Ｃ１−Ｃ２軸方向）の励起光Ｅの広がりは、斜面ＡにおいてＣ１−Ｃ２軸方向に垂直な第２の向き（Ｃ３−Ｃ４軸方向）の励起光Ｅの広がりよりも大きくなる。
【００６５】
本実施の形態では図７のＣ３−Ｃ４軸方向に励起光Ｅが広がることを抑えることで励起光Ｅを効率よく透明板２に入れることができる。また、励起光Ｅを主表面２Ａに沿った方向に大きく広げることで光ファイバ４の損傷を防ぐことができる。
【００６６】
図８は、図１の反射部８、および周辺の構成を詳細に示す図である。
図８を参照して、透明板２から出た励起光は反射部８で反射し、光ファイバ４のコア部に吸収されなかった光は透明板２に再入射する。反射部８は主表面２Ａの周辺部２Ｄおよび主表面２Ｂの周辺部２Ｅと隙間が生じないよう密着している。これにより透明板２に再入射した励起光（反射光）を透明板２に閉じ込めることができる。仮に隙間が存在する場合、反射光がその隙間にまわりこむと透明板２に入射した光は最終的に透明板２の外部に逃げる。反射部８を周辺部２Ｄ，２Ｅに密着させるため主表面２Ａ，２Ｂは平坦な程好ましい。
【００６７】
図９は、反射部８と主表面２Ａとの間に隙間が生じた場合の問題点を説明する図である。
【００６８】
図９を参照して、側面２Ｃから出た励起光Ｅは反射部８により反射を繰り返し、反射部８と主表面２Ａとの隙間から透明板２に入射する。透明板２では励起光Ｅは反射部８により反射を繰り返すが、最終的に反射部８の存在しない部分で透明板２の外部に逃げる。な、この現象は図３に示す光の屈折と同じ現象である。
【００６９】
再び図８を参照しながら説明する。励起光Ｅの波長および透明板２の屈折率ｎは、透明板２における主表面２Ａ，２Ｂにおける励起光Ｅの臨界角（図中の角度ψ３）が、主表面２Ａ，２Ｂの垂直な方向に対して４５°未満になるように設定される。このとき、側面２Ｃは、図８に示すように主表面２Ａ，２Ｂに対して垂直に設けられるか、あるいは主表面２Ａ，２Ｂに対して垂直な方向から（４５−臨界角）°以下の角度の傾きになるように設けられる。
【００７０】
これにより、側面２Ｃから一旦出て反射面によって反射した励起光Ｅが側面２Ｃから再び透明板２に入射するときに、どのような角度で入射しても主表面２Ａ，２Ｂで全反射するので損失を少なくすることができる。特に側面２Ｃには光ファイバ４が巻かれることになるので、透明板２Ｅの外部に出た励起光Ｅは様々な方向に散乱されるが、このような構成によれば、側面２Ｃから透明板の内部に入射した励起光は主表面２Ａ，２Ｂから抜けることがなくなる。
【００７１】
なお、励起光源は主表面２Ｂ側に設置されてもよく、透明板２の側面と対向するように設置されてもよい。
【００７２】
図１０は、実施の形態１の変形例を示す図である。
図１０を参照して、励起光源６は側面２Ｃに向けて励起光Ｅを発する。反射部８Ａは一部に励起光Ｅを通すための透明な導光部８Ｂを含む点で図１の反射部８と異なる。なお、励起光Ｅの屈折角ψ４が上述の臨界角（４２．４°）よりも小さくなるように、励起光源６での励起光Ｅの向き（光軸の向き）が調整される。これにより側面２Ｃから透明板２の内部に入射した励起光Ｅは主表面２Ａ，２Ｂで全反射する。
【００７３】
以上のように、実施の形態１によれば、小型で高出力の光増幅器を実現することができる。
【００７４】
また、実施の形態１によれば、励起光を光増幅ファイバのコア部に入れるための光軸調整に要する手間が軽減される。
【００７５】
［実施の形態２］
図１１は、実施の形態２の光増幅器の上面図である。
【００７６】
図１１を参照して、光増幅器１Ａは励起光源６Ａ，６Ｂをさらに備える点で図１の光増幅器１と異なる。励起光源６Ａ，６Ｂは励起光源６と同様に励起光Ｅを各々発する半導体レーザである。また、主表面２Ａでは励起光源６Ａ，６Ｂのそれぞれに対応して三角プリズム２２，２３が設けられる点で光増幅器１Ａは光増幅器１と異なる。光増幅器１Ａの他の部分は光増幅器１と同様の構成であるので以後の説明は繰り返さない。
【００７７】
実施の形態２では励起光源を複数備える。これらの励起光源は本発明の「励起光発生部」を構成する。また、実施の形態２において励起光源の数は可変である。よって実施の形態２によれば励起光のパワーを調整できる。
【００７８】
なお、ある励起光源から発せられた励起光が反射して再びその励起光源に戻ると、励起光源の発光部（ＬＤ素子の発光端面）が損傷する可能性がある。このため、励起光源６，６Ａ，６Ｂの各々では、励起光の光軸が透明板２の中心（円の中心Ｍ）を通らないよう励起光Ｅを発する向きが調整される。具体的には、励起光源から透明板２に入射した励起光の光路と、入射した励起光Ｅが反射部８で反射した反射光の光路とが、主表面２Ａに直交する方向（図１１において紙面に垂直な方向）から見た場合に重ならないように、励起光Ｅを発する向きが調整される。これにより反射光が励起光源に戻らないので励起光源の損傷を防ぐことができる。
【００７９】
図１２は、励起光源６，６Ａ，６Ｂの配置例を示す図である。
図１２を参照して、励起光源６，６Ａ，６Ｂは主表面２Ａ上において図１１に示す励起光源６，６Ａ，６Ｂとそれぞれ同じ位置に設けられるが、主表面２Ａに直交する方向（図１２において紙面に垂直な方向）から見た場合に励起光Ｅの光軸が円の中心Ｍを通らないように励起光Ｅを発する向きが設定される。たとえば励起光源６からの励起光Ｅは光路ＰＴ１を通り反射部８に達する。反射光は光路ＰＴ２を通る。
【００８０】
図１３は、励起光源６，６Ａ，６Ｂの別の配置例を示す図である。
図１３を参照して、位置Ｐ１〜Ｐ３はそれぞれ図１１の励起光源６，６Ａ，６Ｂの位置を示す。図１３に示す配置では励起光源６，６Ａ，６Ｂは位置Ｐ１〜Ｐ３からそれぞれ＋Ｙ方向、＋Ｙ方向，−Ｘ方向にずらした位置に設けられる。三角プリズム２１〜２３も励起光源６，６Ａ，６Ｂにそれぞれ対応した位置に設けられる。これにより、励起光源６，６Ａ，６Ｂの各々が発した励起光Ｅの光軸は円の中心Ｍを通らなくなる。
【００８１】
また、ある励起光源自身が発した励起光による損傷を防ぐだけでなく他の励起光源が発した励起光による損傷を防ぐ必要がある。
【００８２】
図１４は、励起光の影響を互いに受けないよう励起光源６，６Ａを配置した例を示す図である。
【００８３】
図１４を参照して、光増幅器１Ａの断面を示す。励起光源６は、自己が発する励起光が反射部８に到達するまでの間に、励起光源６Ａに対応して設けられた三角プリズム２２に入射しないように、励起光Ｅを発する向きが設定される。励起光源６Ａが励起光Ｅを発する向きについても同様である。これにより、励起光源６，６Ａの一方から出た励起光が他方に入射しないので励起光源６，６Ａの損傷を防ぐことができる。なお励起光源６Ｂの配置も図１４の励起光源６，６Ａの配置と同様である。このように実施の形態２において、複数の励起光源は光路が互いに重ならないように配置される。
【００８４】
また、複数の励起光源および三角プリズムは主表面２Ｂ側あるいは主表面２Ａ，２Ｂの両側に設けられてもよい。この場合にも、複数の励起光源の各々は、自己が発した励起光の光路とその励起光が反射部で反射した反射光の光路とが主表面に垂直な方向から見た場合に重ならないように励起光の発する向きを調整するとともに、自己が発した励起光が反射部に到達する間に他の励起光源に対応して設けられた三角プリズムに入射しないように励起光の発する向きを調整する必要がある。
【００８５】
以上のように、実施の形態２によれば、励起光源の数を変えることにより励起光のパワーを変えることができる。
【００８６】
また、実施の形態２によれば、励起光源がダメージを受けることを防止できる。
［実施の形態３］
図１５は、実施の形態３のレーザ装置の構成を示す概略図である。
【００８７】
図１５を参照して、レーザ装置３１は、光増幅器１Ａと、反射鏡３２と、コリメータレンズ３４Ａ，３４Ｂと、集光レンズ３６Ａ，３６Ｂと、ファイバアライナ３８Ａ，３８Ｂとを備える。なおレーザ装置３１は光増幅器１Ａに代えて図１に示す光増幅器１を備えていてもよい。
【００８８】
反射鏡３２は、光ファイバ４の他方端から出た信号光Ｓ２の一部を反射して光ファイバ４の一方端の面Ｆ１に再入射させるとともに、他方端の面Ｆ２から出た信号光Ｓ２の一部を透過する。光増幅器１による信号光Ｓ２の増幅と反射鏡による信号光Ｓ２の損失やファイバ内の損失やドーパント濃度による消光、ファイバ長さに依存して起こる消光とが釣り合うとレーザ発振が生じ、反射鏡３２を透過する信号光Ｓ２はレーザ光となる。なお消光とは発振波長の光を吸収して再度蓄光するために、一般的にはフォノン放出などによって熱として光エネルギーが失われる現象を指す。
【００８９】
コリメータレンズ３４Ａは信号光Ｓ１を平行な光線にする。集光レンズ３６Ａは光ファイバ４の一端面に信号光Ｓ１を入れるため、平行光線となった信号光Ｓ１を集光する。
また、コリメータレンズ３４Ｂは光ファイバ４から出る信号光Ｓ２を平行な光線にする。集光レンズ３６Ｂは平行光線となった信号光Ｓ２を集光する。集光後の信号光Ｓ２（レーザ光）はたとえば微細加工に用いられる。なお、ファイバアライナ３８Ａは、３８Ｂは光ファイバ４の端面の位置を微調整するために用いられる。
【００９０】
図１５に示すようにレーザ装置３１では光ファイバ４に対して１つの反射鏡のみが設けられる。よって、従来のＬＤ励起固体レーザと比較して反射鏡の数が少なくなり、振動衝撃によって光増幅器と反射鏡との相対的位置がずれても、容易に調整を行なうことができる。
【００９１】
以上のように実施の形態３によれば、光ファイバを含む光増幅器から出た光を１枚の反射鏡により光増幅器に帰還させることで、反射鏡と光増幅器との相対的位置を容易に調整できるレーザ装置を実現できる。
【００９２】
なお、実施の形態１から形態３に示す光ファイバはフォトニック結晶ファイバであってもよい。フォトニック結晶とは屈折率の異なる２種類の物質を光の波長程度のサイズおよび間隔で周期的に配列させた人工結晶である。フォトニック結晶は波長選択性を有し、結晶の周期に応じた波長の光のみ、界面で反射する性質を持つ。その理由として、空孔の周期構造によるエネルギーバンド構造（フォトニックバンド）により、結晶の周期に応じた波長はフォトニック結晶中での存在が許されないためである。
【００９３】
周期構造により選択された波長の光はフォトニック結晶中に侵入できない。よって光はフォトニック結晶に囲まれた光伝播領域を伝播する。フォトニック結晶ファイバは従来の光導波路が有していた様々な制限を受けなくなる。たとえば曲げ半径を小さくしても光ファイバの外部に漏れ出す光を少なくすることができる。これにより、励起光のパワーを効率よくファイバからの出射光に変換することができる。
【００９４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】実施の形態１の光増幅器の上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ間の断面図である。
【図３】三角プリズム２１が主表面２Ａに設けられていない場合における励起光Ｅの進行方向を示す図である。
【図４】三角プリズム２１を主表面２Ａに設けた場合における励起光Ｅの進行方向を示す図である。
【図５】励起光Ｅの広がりを考慮した場合の角度θを説明する図である。
【図６】図１の光ファイバ４の断面図である。
【図７】励起光源６に用いられるＬＤチップの発光部を示す模式図である。
【図８】図１の反射部８、および周辺の構成を詳細に示す図である。
【図９】反射部８と主表面２Ａとの間に隙間が生じた場合の問題点を説明する図である。
【図１０】実施の形態１の変形例を示す図である。
【図１１】実施の形態２の光増幅器の上面図である。
【図１２】励起光源６，６Ａ，６Ｂの配置例を示す図である。
【図１３】励起光源６，６Ａ，６Ｂの別の配置例を示す図である。
【図１４】励起光の影響を互いに受けないよう励起光源６，６Ａを配置した例を示す図である。
【図１５】実施の形態３のレーザ装置の構成を示す概略図である。
【図１６】従来のＬＤ励起固体レーザの共振器の構成を示す図である。
【図１７】従来のファイバレーザの構成を示す図である。
【図１８】図１７の光ファイバ１１６と共振器２０２との接続を示す図である。
【図１９】従来の光ファイバアンプの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１，１Ａ  光増幅器、２  透明板、２Ａ，２Ｂ  主表面、２Ｃ  側面、２Ｄ，２Ｅ  周辺部、４，１１６，２１０  光ファイバ、６，６Ａ，６Ｂ  励起光源、８，８Ａ  反射部、８Ｂ  導光部、１０  信号光源、１２  コア部、１４  クラッド部、１６  被覆部、２１〜２３  三角プリズム、３１，１００，２００  レーザ装置、３２，１０６，１０８  反射鏡、３４Ａ，３４Ｂ  コリメータレンズ、３６Ａ，３６Ｂ  集光レンズ、３８Ａ，３８Ｂ  ファイバアライナ、６１  発光部、１０２，２０２  共振器、１０４  結晶、１１０  Ｑスイッチ、１１２  ＬＤアレイ、１１４  レンズ、１１８  ファイバカップリング、２０６，２０８  ファイバブラッググレーティング、２１８  コア、２２０  第１クラッド、２２２  第２クラッド、３００  光ファイバアンプ、３０１  光増幅ファイバ、３０２，３０４  光源、３０６  ファイバ支線、３０８  ファイバカプラ、Ａ  斜面、Ｂ１〜Ｂ３  垂線、Ｅ  励起光、Ｆ１，Ｆ２  面、Ｊ  光軸、ＬＡ  レーザ光、Ｍ  中心、Ｐ１〜Ｐ３  位置、ＰＴ１〜ＰＴ４  光路、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１００  信号光、θ，ψ１〜ψ４  角度、θ１  入射角、θ２  屈折角。
【図１】
0004779567.tif 000002
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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