(57)【要約】 【課題】  ＡＳＥを抑制すると共に、アップコンバージョンを抑制し、発振効率を向上させたＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置及び該装置に好適なエルビウム添加光ファイバの提供。【解決手段】  エルビウム添加光ファイバ１を発振媒体とし、該光ファイバに励起光を入射して形成される共振器の少なくとも一方側にＱスイッチ素子７が設けられたＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置において、エルビウム添加光ファイバが、コアと第１クラッドとの断面積比が１：５０〜１：４の範囲であり、コアのエルビウム添加量が２００〜９０００ｍｏｌｐｐｍの範囲であるマルチモードダブルクラッド光ファイバであることを特徴とするＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エルビウム添加光ファイバを発振媒体とし、該光ファイバに励起光を入射して形成される共振器の少なくとも一方側にＱスイッチ素子が設けられたＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置において、
エルビウム添加光ファイバが、コアと第１クラッドとの断面積比が１：５０〜１：４の範囲であり、コアのエルビウム添加量が２００〜９０００ｍｏｌｐｐｍの範囲であるマルチモードダブルクラッド光ファイバであることを特徴とするＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置。
【請求項２】
エルビウムイオンの準位４Ｉ１１／２から準位４Ｉ１３／２への遷移によるパルスレーザ光を出力することを特徴とする請求項１に記載のＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置。
【請求項３】
第１クラッドの断面積が２００００μｍ２よりも大きいエルビウム添加光ファイバを用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載のＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置。
【請求項４】
コアと第１クラッドとの断面積比が１：５０〜１：４の範囲であり、コアのエルビウム添加量が２００〜９０００ｍｏｌｐｐｍの範囲であり、マルチモードダブルクラッド構造を有することを特徴とするＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置用エルビウム添加光ファイバ。
【請求項５】
第１クラッドの断面積が２００００μｍ２よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載のＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置エルビウム添加光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野、微細加工などの工業分野、医療分野などに適用されるＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置及び該装置に好適なエルビウム添加光ファイバに関する。
波長２．８μｍから３μｍまでの光は、水の吸収ピークと一致するために医療分野などへの応用が期待されている。特に大きなエネルギーをもつパルスレーザは、生体の軟組織の切断と硬組織の切削の両方に利用可能なため、非常に有用である。また、光ファイバレーザは表面積が広く放熱が容易であり、また導波構造をもっているために固体レーザで問題となる発熱によって共振器構造が不安定化し、出力が低下するなどの問題が無いなど、非常に利点が多い。エルビウムイオンは準位４Ｉ１１／２から準位４Ｉ１３／２の遷移によって波長２．８μｍ帯の光を発生させる。本発明は、エルビウムを添加した光ファイバを用いて波長２．８μｍ帯の高エネルギパルスレーザ光を発生させる手段を提供する。
【背景技術】
【０００２】
エルビウム添加光ファイバレーザでのＱスイッチパルスの発生において問題になっているのが、増幅された自然放出光（以下、ＡＳＥと略記する。）とレーザ上準位のアップコンバージョンによるエネルギーのロスである。ＡＳＥについては、エルビウム以外の添加物を用いた光ファイバレーザでも問題になっている。このＡＳＥの問題を解決する手段として、従来、イッテルビウム添加光ファイバレーザにおいて、大きなモード領域（Large Mode Area、ＬＭＡ）の光ファイバを用いることが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
この非特許文献１に記載された技術では、光ファイバの開口数（ＮＡ）を小さくすることによって、光ファイバ内を導波する自然放出光を減らし、それによってＡＳＥを抑制しようとしている。
【非特許文献１】Cyril C.Renaudら，"Characteristics of Q-Switched Cladding-Pumped Ytterbium-Doped Fiber Lasers with Different High-Energy Fiber Designs",IEEE JOUNRNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.37,No.2,FEB.2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、非特許文献１に記載された技術は、エルビウム添加光ファイバを用いた波長２．８μｍ帯のＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置にそのまま適用したとしてもレーザ上準位アップコンバージョンの問題は解決できない。この問題は、エルビウムの励起光の吸収係数が小さいため、エルビウムを高濃度に添加しなければならないことに起因している。アップコンバージョンは、隣接する二つのレーザ上準位に励起されたエルビウムイオン同士の相互作用によって、一つが基底状態に遷移し、もう一つがさらに上の準位へ遷移する現象である。このアップコンバージョンは、添加するエルビウムイオンの密度が高いと、非常に発生し易くなり、出力を低下させることになる。
【０００４】
これまで、エルビウムを添加した光ファイバレーザは、コアとクラッド（ダブルクラッド光ファイバの場合には第１クラッドを指す）の断面積比が１：１００程度、エルビウムの添加濃度が２００００ｍｏｌｐｐｍ〜５００００ｍｏｌｐｐｍのものが多く使用されていた。この従来のエルビウム添加光ファイバは、コア断面積がクラッド断面積と比較して小さいため、レーザの励起効率を上げるためにエルビウムを高濃度に添加する必要があった。しかし、前述した通り、エルビウムをコアに高濃度で添加するとアップコンバージョンが増加し、エネルギーのロスが発生してしまう問題がある。
【０００５】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、前記ＡＳＥを抑制すると共に、アップコンバージョンを抑制し、発振効率を向上させたＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置及び該装置に好適なエルビウム添加光ファイバの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明は、エルビウム添加光ファイバを発振媒体とし、該光ファイバに励起光を入射して形成される共振器の少なくとも一方側にＱスイッチ素子が設けられたＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置において、エルビウム添加光ファイバが、コアと第１クラッドとの断面積比が１：５０〜１：４の範囲であり、コアのエルビウム添加量が２００〜９０００ｍｏｌｐｐｍの範囲であるマルチモードダブルクラッド光ファイバであることを特徴とするＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置を提供する。
本発明のＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置において、エルビウムイオンの準位４Ｉ１１／２から準位４Ｉ１３／２への遷移によるパルスレーザ光を出力することが好ましい。
また本発明のＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置において、第１クラッドの断面積が２００００μｍ２よりも大きいエルビウム添加光ファイバを用いたことが好ましい。
【０００７】
コアと第１クラッドとの断面積比が１：５０〜１：４の範囲であり、コアのエルビウム添加量が２００〜９０００ｍｏｌｐｐｍの範囲であり、マルチモードダブルクラッド構造を有することを特徴とするＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置用エルビウム添加光ファイバを提供する。
この光ファイバにおいて、第１クラッドの断面積が２００００μｍ２よりも大きいことが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、コアと第１クラッドとの断面積比が１：５０〜１：４の範囲であり、コアのエルビウム添加量が２００〜９０００ｍｏｌｐｐｍの範囲であるマルチモードダブルクラッド光ファイバを用いることにより、ＡＳＥを抑制すると共に、アップコンバージョンを抑制し、発振効率を向上させたＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明に係るＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置の第１実施形態を示す構成図である。このＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置は、エルビウム添加光ファイバ１と、このエルビウム添加光ファイバ１に励起光８を入射する光源（ＬＤモジュール２）と、ＬＤモジュール２からの励起光をエルビウム添加光ファイバ１の入射端に集光して入射させる集光用レンズ３と、エルビウム添加光ファイバ１の入射端に設けられた波長２．８μｍの光を全反射し励起光８を透過する多層膜ミラーからなるリアミラー４と、エルビウム添加光ファイバ１の出射側に設けられた出力ミラー５と、光ファイバ１の出射端と出力ミラー５の間に設けられたコリメートレンズ６及びＱスイッチ素子７とを備えて構成されている。
【００１０】
このＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置は、波長０．９８μｍの励起光を出力するＬＤモジュール２を励起光源として用い、集光用レンズ３を用いてエルビウム添加光ファイバ１に励起光８を結合している。励起光入射側の光ファイバ端面に２．８μｍ全反射、励起光透過の多層膜ミラーを励起側端面に貼り付け、リアミラー４としている。出射側は端面を斜めに加工し、端面でのフレネル反射による帰還を防いでいる。出射端面からの光をコリメートレンズ６でコリメートし、出力ミラー５によって一部を出力として取り出し、残りを光ファイバ１に戻すことによって共振器を構成している。そしてＱスイッチ素子７のスイッチングにより、高出力のパルスレーザ光９が得られるようになっている。エルビウム添加光ファイバ１の出射端面とコリメートレンズ６の間には回転チョッパーを挿入し、Ｑスイッチ素子７として機能させている。
【００１１】
励起光源としては波長０．９８μｍの光を出力するＬＤモジュール２を使用しているが、波長０．８μｍ前後の光を出力する光源でもよく、また、チタンサファイアレーザ励起光源などを用いることもできる。
また本例示においては、Ｑスイッチ素子７として回転チョッパーを用いているが、ＡＯモジュレータを用いたり、出力ミラーを回転させるなどの方法を採ってもよい。
また、Ｑスイッチ素子７を挿入する場所は、図の位置に限定されることはなく、コリメートレンズ６の後でもよい。
【００１２】
図２は本発明に係るＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置の第２実施形態を示す構成図である。このＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置は、図１に示す第１実施形態の装置と同様の構成要素を備えて構成されており、同一の構成要素には同一符号を付してある。図２に示す装置は、波長２．８μｍ全反射のリアミラー４をエルビウム添加光ファイバ１の端面から離して配置し、励起光源であるＬＤモジュール２と集光用レンズ３との間に励起光を透過し、波長２．８μｍの光を反射するＷＤＭ１０を設け、リアミラー４とＷＤＭ１０の間にＱスイッチ素子７を設けた構成になっている。
また、この他に、リアミラーを回転させるような手段をとることもできる。
【００１３】
本発明は、前述したように構成されたＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置において、ＡＳＥを抑制すると共に、アップコンバージョンを抑制し、発振効率を向上させるために、エルビウム添加光ファイバ１として、コアと第１クラッドとの断面積比が１：５０〜１：４の範囲であり、コアのエルビウム添加量が２００〜９０００ｍｏｌｐｐｍの範囲であるマルチモードダブルクラッド光ファイバを用いることを特徴としている。
【００１４】
ＡＳＥ抑制のためには、エルビウム添加光ファイバ内の光子密度と励起されたイオン密度とをそれぞれ低い状態にする必要がある。また、アップコンバージョンはエルビウムを高濃度で添加した場合に非常に大きくなる。これらＡＳＥとアップコンバージョンの両方を抑制するためには、エルビウムの添加濃度を下げることが非常に有効となる。しかし、この場合、出力の低下が問題となる。
【００１５】
これらの問題を解消する手段として、本発明者らは、エルビウム添加光ファイバのコアを太くし、コアと第１クラッドとの断面積比を１：５０〜１：４の範囲とし、コアのエルビウム添加量を２００〜９０００ｍｏｌｐｐｍの範囲とした。このエルビウム添加光ファイバを用いることで、Ｑスイッチパルス光ファイバレーザ装置において、ＡＳＥを抑制すると共に、アップコンバージョンを抑制し、発振効率を向上させることができた。
【００１６】
また本発明は、前記Ｑスイッチパルス光ファイバレーザ装置に好適なエルビウム添加光ファイバを提供する。このエルビウム添加光ファイバは、コアと第１クラッドとの断面積比が１：５０〜１：４の範囲であり、コアのエルビウム添加量が２００〜９０００ｍｏｌｐｐｍの範囲であり、マルチモードダブルクラッド構造を有することを特徴としている。
このエルビウム添加光ファイバにおいて、コアと第１クラッドとの断面積比が前記範囲を外れると、準位４Ｉ１１／２から準位４Ｉ１３／２の遷移によって波長２．８μｍ帯の光を発生させるＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置に適用した場合、パルスレーザ光の出力が低下する。またコアのエルビウム添加量が２００ｍｏｌｐｐｍ未満であると、コアのエルビウムイオン存在量が低すぎて出力が低下してしまい、９０００ｍｏｌｐｐｍを超えるとＡＳＥ抑制効果が不十分となり、やはり出力の低下を招いてしまう。
【００１７】
また、本発明のエルビウム添加光ファイバは、第１クラッドの断面積が２００００μｍ２よりも大きいことが好ましい。第１クラッドの断面積を２００００μｍ２よりも大きくすることで、十分な励起光の結合効率を得ることができる。
【実施例】
【００１８】
（実施例１）
エルビウム添加光ファイバとして、コア径２００μｍ、第１クラッド径４００μｍ、コアのエルビウム添加量２００ｍｏｌｐｐｍ、コア、第１クラッドにフッ化物ガラス、第２クラッドに樹脂を用い、コアのＮＡが０．２、第１クラッドのＮＡが０．４のマルチモードダブルクラッド光ファイバを用いた（図３中、ファイバ１と記す。）。
長さ６．９ｍの前記ファイバ１を図１のように構成された実験系に組み込んで光ファイバレーザ装置を構築し、ＬＤモジュールから波長０．９８μｍの励起光を所定の出力で該ファイバに入射し、Ｑスイッチ素子を動作させ、得られるパルスレーザ光（波長２８００ｎｍ）のエネルギー量を測定した。励起光の出力（単位：Ｗ）と得られるパルスレーザ光のエネルギー（単位：ｍＪ）との関係を図３に示す。
【００１９】
（実施例２）
実施例１のファイバ１に代えて、コア径９０μｍ、第１クラッド径４００μｍ、コアのエルビウム添加量４０００ｍｏｌｐｐｍとしたエルビウム添加光ファイバ（図３中、ファイバ２と記す。）を用いた以外は、実施例１と同様にして、このファイバ２を用いた場合に得られるパルスレーザ光のエネルギー量を測定した。その結果を図３に示す。
【００２０】
（実施例３）
実施例１のファイバ１に代えて、コア径６０μｍ、第１クラッド径４００μｍ、コアのエルビウム添加量９０００ｍｏｌｐｐｍとしたエルビウム添加光ファイバ（図３中、ファイバ３と記す。）を用いた以外は、実施例１と同様にして、このファイバ３を用いた場合に得られるパルスレーザ光のエネルギー量を測定した。その結果を図３に示す。
【００２１】
（比較例１）
実施例１のファイバ１に代えて、コア径１０μｍ、第１クラッド径１２５μｍ、コアのエルビウム添加量２００００ｍｏｌｐｐｍとしたエルビウム添加光ファイバ（図３中、ファイバ４と記す。）を用いた以外は、実施例１と同様にして、このファイバ４を用いた場合に得られるパルスレーザ光のエネルギー量を測定した。その結果を図３に示す。
【００２２】
図３に示した結果より、本発明に係る実施例１〜３のＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置では、従来の構造のエルビウム添加光ファイバであるファイバ４を用いた比較例１の装置と比べ、倍以上の出力が得られることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明のＱスイッチパルス光ファイバレーザ装置の第２実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明の実施例の結果を示す励起光出力と得られるパルスレーザ光のエネルギーとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２４】
１…エルビウム添加光ファイバ、２…ＬＤモジュール、３…集光用レンズ、４…リアミラー、５…出力ミラー、６…コリメートレンズ、７…Ｑスイッチ素子、８…励起光、９…パルスレーザ光、１０…ＷＤＭ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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