(57)【要約】【課題】本発明は、励起光の光強度が変化しても、出射されるレーザ光のピーク波長がシフトすることがなく、安定して一定の波長のレーザ光が得られる光ファイバレーザ及び２．８μｍ帯のレーザ光の出射方法を提供する。【解決手段】本発明は、エルビウム添加ガラスファイバ３を利得媒質とした２．８μｍ帯の光ファイバレーザ１であって、９８０ｎｍ帯の励起光４１を出射する励起光源２１と８００ｎｍ帯の励起光４２を出射する励起光源２２を備えた構成とする。前記励起光４１，４２の波長は、９６０〜１０２０ｎｍと７８０〜７９２ｎｍであることが好ましい。また本発明の２．８μｍ帯のレーザ光９の出射方法は、エルビウム添加ガラスファイバ３に励起光４１，４２を入射させて２．８μｍ帯のレーザ光９を出射する方法であって、９８０ｎｍ帯と８００ｎｍ帯の励起光４１，４２を同時に用いる構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エルビウム添加ガラスファイバを利得媒質とした２．８μｍ帯の光ファイバレーザであって、
９８０ｎｍ帯の励起光を出射する励起光源と８００ｎｍ帯の励起光を出射する励起光源を備えたことを特徴とする光ファイバレーザ。
【請求項２】
前記励起光の波長が９６０〜１０２０ｎｍと７８０〜７９２ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ。
【請求項３】
利得媒質のエルビウム添加ガラスファイバに励起光を入射させて２．８μｍ帯のレーザ光を出射する方法であって、
９８０ｎｍ帯と８００ｎｍ帯の励起光を同時に用いることを特徴とする２．８μｍ帯のレーザ光の出射方法。
【請求項４】
９６０〜１０２０ｎｍと７８０〜７９２ｎｍの励起光を同時に用いることを特徴とする請求項３に記載の２．８μｍ帯のレーザ光の出射方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エルビウム添加ガラスファイバを利得媒質とした光ファイバレーザに関し、特に２．８μｍ帯のレーザ光を出射する光ファイバレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療用途を中心として、波長が水の吸収帯域である２．８〜２．９μｍのレーザが利用されている。この２．８〜２．９μｍのレーザとして、エルビウム添加ガラスファイバ（以下、ＥＤＦと言う場合がある。）を利得媒質とした光ファイバレーザが提案されている（非特許文献１参照。）。一般に光ファイバレーザでは、９８０ｎｍ帯の１つの波長の励起光を用いて２．８μｍ帯のレーザ光を出射する。
図５は、従来の光ファイバレーザから出射された２．８μｍ帯のレーザ光のピーク波長と励起光の光強度との関係を示す。この従来の光ファイバレーザは、励起光源として９８０ｎｍ帯の１つの波長の励起光を用いたものである。励起光の光強度が高くなると、出射されるレーザ光のピーク波長が長波長側にシフトすることが分かる。このため、従来の光ファイバレーザでは、レーザ光の出力を所望の値とするために励起光の光強度を調整する際、励起光の光強度の変化と共にレーザ光のピーク波長が変化してしまう問題がある。例えば、光ファイバレーザを医療用途として使用した場合、レーザ光のピーク波長が変化すると、生体組織の切断、研削能力が低下してしまう等の問題が生じる。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｍ．ポールナウ（Ｍ．Ｐｏｌｌｎａｕ）等，アプライド・フィジックス  Ｂ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｂ），１９９８年，第６７巻，ｐ．２３−２８
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち励起光の光強度が変化しても、出射されるレーザ光のピーク波長がシフトすることがなく、安定して一定の波長のレーザ光が得られる光ファイバレーザ及び２．８μｍ帯のレーザ光の出射方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、エルビウム添加ガラスファイバを利得媒質とした２．８μｍ帯の光ファイバレーザであって、９８０ｎｍ帯の励起光を出射する励起光源と８００ｎｍ帯の励起光を出射する励起光源を備えたことを特徴とする光ファイバレーザである。
請求項２に係る発明は、前記励起光の波長が９６０〜１０２０ｎｍと７８０〜７９２ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザである。
請求項３に係る発明は、利得媒質のエルビウム添加ガラスファイバに励起光を入射させて２．８μｍ帯のレーザ光を出射する方法であって、９８０ｎｍ帯と８００ｎｍ帯の励起光を同時に用いることを特徴とする２．８μｍ帯のレーザ光の出射方法である。
請求項４に係る発明は、９６０〜１０２０ｎｍと７８０〜７９２ｎｍの励起光を同時に用いることを特徴とする請求項３に記載の２．８μｍ帯のレーザ光の出射方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の光ファイバレーザ１の一例を示す概略図である。この光ファイバレーザ１は、９８０ｎｍ帯励起光源２１と、８００ｎｍ帯励起光源２２と、利得媒質のエルビウム添加ガラスファイバ（以下、ＥＤＦとも言う。）３を有する。
前記励起光源２１，２２として、半導体レーザ、チタンサファイヤレーザ等が挙げられる。
【０００７】
一例として図１に示された光ファイバレーザ１では、９８０ｎｍ帯励起光源２１として、９６０〜１０２０ｎｍの励起用レーザ光（以下、９８０ｎｍ帯の励起光とも言う。）４１が出射できる半導体レーザモジュールが用いられている。また、８００ｎｍ帯励起光源２２として、７８０〜７９２ｎｍの励起用レーザ光（以下、８００ｎｍ帯の励起光とも言う。）４２が出射できる半導体レーザモジュールが用いられている。
励起光源２１，２２の各レーザ出射口と対向するように、コリメートレンズ５が設置されている。コリメートレンズ５を透過した励起用レーザ光４１，４２の経路上には、光を合波する機能をもった多層膜フィルタ６が設置されており、励起用レーザ光４１，４２を合波できるようになっている。
また、集光レンズ７は、多層膜フィルタ６にて合波された励起用レーザ光４１，４２を集光し、後述するリアミラー８１が蒸着されたＥＤＦ３の入射端面３１に励起用レーザ光４１，４２を結合するように機能するものである。
【０００８】
ＥＤＦ３は、フッ化物ガラスや石英ガラス等にエルビウム（Ｅｒ）が添加されたガラス材料から構成され、利得媒質として利用できるものであり、２．８μｍ帯のレーザ光９を出射できるようにＥｒ等の構成元素の組成比が調整されている。
例えばＥＤＦ３としては、Ｅｒが添加されたフッ化物ガラスから構成され、ダブルクラッド構造を有するクラッドポンプ方式を採用したシングルモードファイバ等が挙げられる。ダブルクラッド構造とは、コアの周囲に２重クラッドが設けられたものであり、励起用レーザ光４１，４２がコアを取り囲む第１クラッドを伝搬し、得られたレーザ光９がコアを伝搬できるようになっている。
【０００９】
図１に一例として示した光ファイバレーザ１では、ＥＤＦ３は、その一方の端面（以下、入射端面とも言う。）３１が集光レンズ７に対向するように配置されている。
ＥＤＦ３の入射端面３１にはリアミラー８１が蒸着され、また他方の端面（以下、出射端面とも言う。）３２には、アウトプットカプラ８２が設けられている。このアウトプットカプラ８２は、フレネル反射を利用して反射鏡として機能するものや、多層膜ミラーからなるもの等が挙げられる。アウトプットカプラ８２は、ＥＤＦ３の出射端面３２上に蒸着法等によって形成しても構わない。
前記リアミラー８１とアウトプットカプラ８２は反射鏡であり、ＥＤＦ３を介して対向配置し、共振器８として機能する。
また、ＥＤＦ３の出射端面３２側に屈折率の異なる複数の酸化物が積層されて構成された長波域透過フィルタ（ｌｏｎｇ  ｗａｖｅ  ｐａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ）１０が設けられ、ＥＤＦ３から出射された発振レーザ光９のうち、例えば２．５６μｍ以上の長波域の光のみが透過されて出力されるようになっている。
【００１０】
９８０ｎｍ帯励起光源２１から９８０ｎｍ帯の励起用レーザ光４１を出射し、これと同時に８００ｎｍ帯励起光源２２から８００ｎｍ帯の励起用レーザ光４２を出射すると、これら励起用レーザ光４１，４２は多層膜フィルタ６にて合波され、更に集光レンズ７にて集光されて、リアミラー８１が蒸着されたＥＤＦ３の入射端面３１に結合される。そして、ＥＤＦ３は、入射した励起用レーザ光４１，４２によって励起され、２．８μｍ帯のレーザ光９が出射端面３２から出射される。
【００１１】
次に本発明の要旨となる励起光４１，４２についてレーザの出射原理をもとに、以下に詳細に説明する。
ＥＤＦ３に９８０ｎｍ帯の励起光４１が入射すると、基底準位吸収（以下、ＧＳＡとも言う。）が生じて基底状態（４Ｉ１５／２）のＥｒイオンがレーザ上準位（４Ｉ１１／２）に励起される。そして、Ｅｒイオンがレーザ上準位（４Ｉ１１／２）からレーザ下準位（４Ｉ１３／２）に遷移するときに２．８〜２．９μｍのレーザ光９が出射される。
前記９８０ｎｍ帯の励起光４１としては、ＥＤＦ３を励起し２．８〜２．９μｍのレーザ光９が出射できる波長の光である。特に９６０〜１０２０ｎｍが好ましく、これにより効率良く高出力の２．８〜２．９μｍのレーザ光９が出射できる。
【００１２】
図２は、ＥＤＦ３のＥｒイオンのエネルギー準位のうち、前記レーザ上準位（４Ｉ１１／２）と前記レーザ下準位（４Ｉ１３／２）を示す図である。周知のようにレーザ上準位（４Ｉ１１／２）とレーザ下準位（４Ｉ１３／２）は、複数の近接したシュタルク準位から構成されている。
従来のように励起光として９８０ｎｍ帯の光のみを用いた場合、励起光の光強度を高くすると、励起されるＥｒイオンが増加し、励起準位のレーザ上準位（４Ｉ１１／２）とレーザ下準位（４Ｉ１３／２）を占めるＥｒイオンが多くなる。Ｅｒイオンは、各準位において、シュタルク準位のうち低いエネルギーレベルから占有していくため、低いエネルギーレベルの準位はＥｒイオンによって占有された状態となる。
このため、レーザ上準位（４Ｉ１１／２）からレーザ下準位（４Ｉ１３／２）へ遷移するＥｒイオンは、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）のシュタルク準位のうち、高いエネルギーレベルの準位に収容されることとなり、この高いエネルギーレベルの準位が発光に寄与することになる。これにより、Ｅｒイオンが遷移するレーザ上準位（４Ｉ１１／２）とレーザ下準位（４Ｉ１３／２）とのエネルギ間隔が狭くなり、発光波長が長波長側にシフトすることになる。
【００１３】
ところで、Ｅｒイオンの励起には、前記したＧＳＡによる基底状態（４Ｉ１５／２）からの励起だけでなく、励起準位吸収（以下、ＥＳＡと言う。）によるレーザ上準位（４Ｉ１１／２）又はレーザ下準位（４Ｉ１３／２）から４Ｆ７／２準位等への励起もある。
本発明では、９８０ｎｍ帯の励起光４１と共に８００ｎｍ帯の励起光４２を用いることによって、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）のＥｒイオンにＥＳＡを生じさせて他のエネルギー準位へ励起させる。これにより、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）を占めるＥｒイオン数を低減し、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）のシュタルク準位のうち、低いエネルギーレベルの準位が発光に寄与できるようにする。以上により、励起光の光強度が高い場合であっても、出射されるレーザ光９のピーク波長がシフトすることがなく、安定して一定の波長のレーザ光９が得られるようにする。
【００１４】
図３は、基底状態（４Ｉ１５／２）のＥｒイオンにおけるＧＳＡと、レーザ上準位（４Ｉ１１／２）のＥｒイオンにおけるＥＳＡと、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）のＥｒイオンにおけるＥＳＡを示す図である。ここで、図３は、各吸収量を励起光の波長でプロットしたものであり、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｂ，１９９８年，６７巻，ｐ．２３−２８から引用したものである。
励起光の波長が７８０〜８１２ｎｍのとき、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）のＥＳＡが生じることが分かる。また、励起光の波長が７８０〜７９２ｎｍのとき、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）のＥＳＡが生じるが、レーザ上準位（４Ｉ１１／２）のＥＳＡは生じないことが分かる。
【００１５】
８００ｎｍ帯の励起光４２としては、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）のＥｒイオンにＥＳＡを生じさせることができる波長の光（図３より７８０〜８１２ｎｍ）を用いる。特に７８０〜７９２ｎｍが好ましく、これによりレーザ上準位（４Ｉ１１／２）のＥｒイオンにＥＳＡを生じさせずに、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）のＥｒイオンにＥＳＡを生じさせることができる。
このため、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）を占めるＥｒイオン数を低減でき、レーザ下準位（４Ｉ１３／２）のシュタルク準位のうち、低いエネルギーレベルの準位が発光に寄与できるようにすることができる。更にこのとき２．８〜２．９μｍのレーザ光９の発光に寄与するレーザ上準位（４Ｉ１１／２）のＥｒイオンにはＥＳＡが生じないため、レーザ上準位（４Ｉ１１／２）のＥｒイオン数が低減することがない。
以上により、９８０ｎｍ帯の励起光４１と８００ｎｍ帯の励起光４２を同時に用いることによって、励起光４１，４２の光強度が高い場合であっても、出射されるレーザ光９のピーク波長がシフトすることがなく、安定して一定の波長のレーザ光９が効率良く得られる。
【００１６】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、励起光源２１，２２として、出射口に口出し用ファイバが設けられ、この口出し用ファイバから９８０ｎｍ帯の励起光４１と８００ｎｍ帯の励起光４２がそれぞれ出射されるものを用いても構わない。この場合、口出し用ファイバを２入力１出力型ＷＤＭカプラに接続することによって、９８０ｎｍ帯の励起光４１と８００ｎｍ帯の励起光４２を合波して１本の光ファイバから出射できるようにすることができる。
また、励起光源としては、１つの光源で２つの波長の光を発光するものでも構わない。
また、ＥＤＦ３のコア半径、屈折率分布形状、Ｅｒの濃度分布等は特に限定されず、例えばＥＤＦ３は、マルチモードファイバや、ＥＤＦ３の断面において第１クラッドの外周が正方形又は円状であるものであっても構わない。
【００１７】
次に本実施形態の具体例を以下に示す。
本実施形態と同様の構成の光ファイバレーザ１を用いる。ＥＤＦ３として、Ｅｒが添加されたフッ化物ガラスから構成され、コア径が１０μｍであり、また第１クラッドの断面形状が１００μｍ×２００μｍの長方形状のダブルクラッド構造を有するシングルモードファイバを用いる。ＥＤＦ３に入射する９８０ｎｍ帯励起用レーザ光４１の波長は９８０ｎｍであり、８００ｎｍ帯励起用レーザ光４２の波長は７９０ｎｍである。
図４は、本実施形態の光ファイバレーザ１から出射された２．８μｍ帯のレーザ光９のピーク波長と励起用レーザ光４１，４２の光強度との関係の一例を示す図である。
光励起用レーザ光４１，４２の光強度が１．５Ｗ以上の高い場合であっても、出射されるレーザ光９のピーク波長は約２７６０ｎｍであり、ほぼ一定であることがわかる。このように、励起光４１，４２の光強度が変化しても、出射されるレーザ光９のピーク波長がシフトすることがなく、安定して一定の波長のレーザ光９が得られる。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によると、９８０ｎｍ帯及び８００ｎｍ帯の励起光を出射する励起光を用いることによって、励起の光強度が変化しても、出射されるレーザ光のピーク波長がシフトすることがなく、安定して一定の波長のレーザ光が効率良く得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光ファイバレーザの一例を示す概略図である。
【図２】ＥＤＦのＥｒイオンのエネルギー準位を示す図である。
【図３】ＥｒイオンのＧＳＡとＥＳＡの吸収スペクトルを示す図である。
【図４】光ファイバレーザから出射された２．８μｍ帯のレーザ光のピーク波長と励起光の光強度との関係の一例を示す図である。
【図５】従来の光ファイバレーザから出射された２．８μｍ帯のレーザ光のピーク波長と励起光の光強度との関係を示す。
【符号の説明】
１‥‥光ファイバレーザ、２１，２２‥‥励起光源、３‥‥エルビウム添加ガラスファイバ、４１‥‥９８０ｎｍ帯の励起光（励起用レーザ光）、４２‥‥８００ｎｍ帯の励起光（励起用レーザ光）
【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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