(57)【要約】【課題】  ファイバレーザにおいて、ファイバ入射端において被増幅レーザのビームとコアの位置ずれによりコアを伝播する被増幅レーザ光が減少し、その結果ファイバ出射端より十分な増幅出力が得られなくなること、そしてダブルクラッドファイバの場合には、コアから漏れた光も第１クラッドを伝播してファイバ出射端より出てくるため、コアを伝播する成分の区別が困難であることなどが問題とされていた。【解決手段】  ダブルクラッド構造を有し、励起レーザ光が導入される偏波面保存レーザ光増幅ファイバ１と、このレーザ光増幅ファイバ１によって光増幅がなされる被増幅レーザ光源１１０からの被増幅レーザ光を光増幅ファイバ１に導入する光学系とのいずれかに配される位置調整手段により、レーザ光増幅ファイバのコアの被増幅レーザ光の入射端と、被増幅レーザ光源１１０側の光学系との位置関係を調整するようにする。【選択図】      図１ 
2005109185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアの外周に第１クラッド層と、第２クラッド層とを有するダブルクラッド構造を有し、励起レーザ光が導入される、偏波面保存レーザ光増幅ファイバと、
上記レーザ光増幅ファイバによって光増幅がなされる被増幅レーザ光発生源と、
該被増幅レーザ光発生源からの被増幅レーザ光を、上記レーザ光増幅ファイバの上記コアに入射させる被増幅レーザ光発生源側の光学系と、
位置調整手段とを有し、
該位置調整手段は、上記レーザ光増幅ファイバのコアの被増幅レーザ光の入射端と、上記被増幅レーザ光の発生部からの被増幅レーザ光発生源側の光学系との位置関係を調整する位置調整機構を有することを特徴とするレーザ光増幅ファイバ装置。
【請求項２】
上記偏波面保存レーザ光増幅ファイバの、光増幅レーザ光の出射端側に、該増幅レーザ光の出力の検出手段が設けられ、
該検出出力によって、上記位置調整機構を制御して、上記被増幅レーザ光の上記レーザ光増幅ファイバレーザへの入射位置の調整がなされるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光増幅ファイバ装置。
【請求項３】
上記偏波面保存レーザ光増幅ファイバの、光増幅レーザ光の出射端側に、該増幅レーザ光の出力の検出手段が設けられ、
該増幅レーザ光の出力の検出手段が、上記偏波面保存レーザ光増幅ファイバの、光増幅レーザ光の出射端側に配置された偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタによって分離された第１および第２の出力光を検出する第１および第２の光検出手段とを有し、
これら光検出手段からの検出出力の差を制御信号として、上記位置調整機構の位置調整を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光増幅ファイバ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光増幅ファイバ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光増幅ファイバは、種々提案されているところである（例えば特許文献１参照）。
レーザ光増幅ファイバを用いたレーザ光増幅ファイバ装置は、例えば図８に、その概略構成図を示すように、レーザ光増幅ファイバ１に、その励起用レーザ光源１０２からのレーザ光が、伝送用光ファイ１０３を通じて、光学系１２１を介してレーザ光増幅ファイバ１の端部１１２に集光導入され、被増幅レーザ光源１１０から、例えば増幅がなされる低出力の信号光が、光学系１２２を通じて、レーザ光増幅ファイバ１の端部１１１に集光導入される。
【０００３】
励起用レーザ光源側の光学系１２１は、レンズ１０４ａおよび１０４ｂと、これら間に配置された、波長選択性ミラー１０５ａとを有する。
被増幅レーザ光源１１０側の光学系１２２は、レンズ１０４ａおよび１０４ｂと、これら間に配置された波長選択性ミラー１０５ｂと、リターンミラー１０７とを有する。
【０００４】
また、被増幅レーザ光源１０２と、光学系１０６の波長選択性ミラーとの間には、レンズ１０４ｃと、光アイソレータ１０９と、旋光子１０８とを有し、被増幅レーザ光源１０２からの被増幅レーザ光、例えば信号光を、コリメートレンズ１０４ｃ、光アイソレータ１０９、旋光子１０８を通じ、ミラー１０６ａによって光学系１２２の波長選択性ミラー１０５ｂによって波長選択されて反射され、レンズ１０４ｅによって集光されて、端部１１１からレーザ光増幅ファイバ１に導入される。
【０００５】
レーザ光増幅ファイバ１は、図２に概略断面図を示すように、コア１１の外周に第１クラッド１２と、その外周に第２クラッド１３と、その外周にバッファ１４を介してジャケット１５が被覆されて成る。
【０００６】
励起用レーザ光源１０２から転送用光ファイバ１０３を通じて光学系１２１に導入されたレーザ光は、波長選択性ミラー１０５ａを透過してレンズ１０４ｂによって集光され、レーザ光増幅ファイバ１の第１クラッドに導入されてレーザ光増幅ファイバ１のコア１１に添加された希土類の励起がなされる。
この励起用レーザ光の、増幅ファイバ１の端部１１２から端部１１１まで通過する間で吸収されなかった余剰のレーザ光は、光学系１２２のリターンミラー１０７で反射されて再びレーザ光増幅ファイバ１に導入され、有効に励起に寄与するようになされる。
【０００７】
一方、低出力の被増幅レーザ光源１１０からの被増幅レーザ光は、上述したように光学系１２２によって、集光されて、レーザ光増幅ファイバ１の端部１１１から、コア１１に導入される。このとき被増幅レーザ光の波長は、レーザ光増幅ファイバ１のコア１１に添加された希土類の誘導放出光の波長に合わされている。
そして、この被増幅レーザ光が、レーザ光増幅ファイバ１を伝播していく過程において、第１クラッド１２中の励起用レーザ光は、コア１１に添加された希土類に吸収されてコア１１に誘導放出光を誘起する。
一方、コア１１を伝播する被増幅レーザは、その誘導放出光をピックアップしながら次第にその強度を増す、すなわち増幅が行われる。増幅されたレーザ光は、レーザ光増幅ファイバ１の端部１１２から出射される。
この増幅された出力光は、レンズ１０４ｂを通じて波長選択性ミラー１０５ａおよびミラー１０６ｂによって反射されるため、励起用レーザ光源１０２に向かうことなく、出力光として導出される。
【０００８】
一般に長いレーザ光増幅ファイバ１は、大出力の励起用レーザを用いれば、コア１１での吸収量は大きくなり、より大きな増幅、すなわち大出力レーザ光が得られる。
具体的なレーザ光増幅ファイバの例としては、コアに希土類ネオジウムイオン（Ｎｄ３＋）を添加したレーザ光増幅ファイバを用いて、励起用レーザ光としては、約８００ｎｍの波長の半導体レーザ光を、被増幅レーザ光として１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ光を用いると、１０６４ｎｍの増幅されたレーザ出力が得られる。
以上、一般的なファイバレーザの構成例を説明したが、この原理より励起用レーザ光源１０２からの励起光をレーザ光増幅ファイバ１の端部１１１からから注入してもよい。また２つの励起用レーザ光源を用い、レーザ光増幅ファイバ１の両端１１１、１１２から注入する方法も用いられる。  
図２で示したファイバ、その構造よりダブルクラッドファイバと呼ばれる。そして、前述したように、屈折率の高いコア１１に希土類が添加され、被増幅レーザが注入、伝播、増幅される。一般にコア１１の断面形状は円であるが、偏波面保存のために楕円形状などが採用される。コア１１の直径は単一モードで伝播させるときには１０ミクロン以下が一般的である。また、上述したように、第１クラッド１２には励起用レーザが注入される。第２クラッド１３は、第１クラッド１２より屈折率が低く、励起用レーザは、第１クラッド内を伝播する。その伝播する過程で励起用レーザはコア１１にも侵入し、侵入した光はコアに添加された希土類に吸収される。
第１クラッドの直径はコアの直径の２〜１０倍と用途に応じて選択される。第２クラッドの外側はバッファ１４、ジャケット１５で、機械的な強度を維持する目的で一般に光学材料以外の材料が用いられる。
このファイバレーザにおいて、ファイバ端部１１１側のレンズ１０４ｅにより集光された被増幅レーザのビームスポットとコア１１の位置ずれが生じるとコア１１を伝播する被増幅レーザ光が減少し、その結果ファイバ端部１１２より十分な増幅出力が得られなくなる。そこで被増幅レーザをレーザ光増幅ファイバ１のコア１１に正確に注入することはファイバレーザの特性のためにも重要である。
【特許文献１】国際公開第０２−／０３５１３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ファイバレーザにおいて、ファイバ入射端において被増幅レーザのビームとコアの位置ずれが生じるとコアを伝播する被増幅レーザ光が減少し、その結果ファイバ出射端より十分な増幅出力が得られなくなる。コアを伝播する光を最大にすれば位置ずれは解消されるが、ダブルクラッドファイバの場合、コアから漏れた光も第１クラッドを伝播してファイバ出射端より出てくるためコアを伝播する成分の区別が困難であった。
また被増幅レーザ側光学系内のレンズおよびファイバ入射端は固定されているので、経時変化による上記位置ずれの補正は困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置は、コアの外周に第１クラッド層と、第２クラッド層とを有するダブルクラッド構造を有し、励起レーザ光が導入される偏波面保存レーザ光増幅ファイバと、このレーザ光増幅ファイバによって光増幅がなされる被増幅レーザ光源と、この被増幅レーザ光源からの被増幅レーザ光を、レーザ光増幅ファイバのコアに入射させる被増幅レーザ光源側の光学系と、位置調整手段とを有し、この位置調整手段は、レーザ光増幅ファイバのコアの被増幅レーザ光の入射端と、被増幅レーザ光源からの被増幅レーザ光源側の光学系との位置関係を調整する位置調整機構を有することを最も主要な特徴とする。
【００１１】
本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置は、偏波面保存レーザ光増幅ファイバの、光増幅レーザ光の出射端側に増幅レーザ光の出力の検出手段が設けられ、この検出手段における検出出力によって、上述の位置調整機構を制御して、被増幅レーザ光のレーザ光増幅ファイバレーザへの入射位置の調整がなされるようにし得る。
【００１２】
そして、本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置は、偏波面保存レーザ光増幅ファイバの光増幅レーザ光出射端側に、この増幅レーザ光の出力の検出手段が設けられ、この増幅レーザ光の出力の検出手段が、上記偏波面保存レーザ光増幅ファイバの、光増幅レーザ光の出射端側に配置された偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタによって分離された第１および第２の出力光を検出する第１および第２の光検出手段とを有し、これら光検出手段からの検出出力の差を制御信号として、上記位置調整機構の位置調整を行い得る。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置によれば、被増幅レーザのビームを正確な注入が図られることから、所望の増幅光が得られるものである。
また、装置製造時だけでなく、経時変化等による位置ずれの補正も可能とされることから、長期信頼性の高いファイバレーザの実現が図られる等、本発明構成によれば、重要かつ多くの効果をもたらすことができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１を参照して本発明装置の一実施形態例を図１を参照して説明する。
この実施形態例においては、図８で説明したファイバ装置に適用した場合であるが、本発明は、この形態例に限定されるものではない。
【００１５】
この実施形態においては、前述したように、レーザ光増幅ファイバ１と、励起用レーザ光源１０２と、伝送用光ファイバ１０３と、光学系１２１と、被増幅レーザ光源１１０すなわち例えば被増幅信号レーザ光の光源と、光学系１２２とを有する。
【００１６】
励起用レーザ光源側の光学系１２１は、レンズ１０４ａおよび１０４ｂと、これら間に配置された、波長選択性ミラー１０５ａとを有する。
被増幅レーザ光源１１０側の光学系１２２は、レンズ１０４ｅおよび１０４ｄと、これら間に配置された波長選択性ミラー１０５ｂと、リターンミラー１０７とを有する。
【００１７】
また、被増幅レーザ光源１０２と、光学系１２２の波長選択性ミラー１０５ｂとの間には、レンズ１０４ｃと、光アイソレータ１０９と、旋光子１０８と、ミラー１０６ａとが配置される。
【００１８】
そして、この実施形態例においては、励起用レーザ光源１０２側の光学系１２１の波長選択性ミラー１０５ａによる波長選択されて分岐される光路に、偏光ビームスプリッタ１３１と、この偏光ビームスプリッタ１３１によって分岐された２つの光路に配置された、それぞれ例えばフォトダイオードによる第１および第２の光検出部１３２および１３３と、これら第１および第２の光検出部１３２および１３３からの検出出力の差を検出する演算回路１３４とを設ける。
【００１９】
一方、レーザ光増幅ファイバ１の被増幅レーザ光源１１０側の端部１１１と光学系１２２との間に、光学系１２２と、端部１１１の相対的位置、特に両者の光軸を相対的に微調整する可動部１３５を設ける。
この可動部１３５は、例えば図４に概略構成を示すように、レーザ光増幅ファイバ１の、上述した被増幅レーザ光源１１０側の端部１１１を保持するファイバホルダ２１が、これを図においてＸ方向に移動させることができる例えばピエゾ素子（ＰＬＺＴ素子）、すなわち電歪素子２２を介して、中間ベース２３に支持される。そして、この中間ベース２３が、固定ベース３０に、Ｘ方向と直交するＹ方向に移動させることができる上記例えば同様に、例えばピエゾ素子、すなわち電歪素子２４を介して、支持される構成とすることができる。
【００２０】
図４で示した例では、ファイバ１の端部１１１を可動構成とした場合であるが、同様の構成をとって、図５に概略構成を示すように、レンズ１０４ｅを可動にすることができる。すなわち、この場合は、レンズ１０４ｅを、保持するホルダ２６が、Ｘ方向に移動させることができる例えばピエゾ素子２７を介して、中間ベース２８に支持される。そして、この中間ベース２８が、固定ベース３０に、Ｘ方向と直交するＹ方向に移動させることができる上記例えば同様に、例えばピエゾ素子、すなわち電歪素子２９を介して、支持される構成とすることができる。
【００２１】
これら構成において、そのピエゾ素子に制御電圧を印加することによって、ファイバ１あるいはレンズ１０４ｅをＸおよびＹに移動調整することができる。しかしながら、この移動調整機構は、電歪素子を用いる場合に限られるものではなく、例えば電磁アクチュエータ構成とすることもできる。
【００２２】
次に、この構成の動作を説明する。
この場合、レーザ光増幅ファイバ１に、その励起用レーザ光源１０２からのレーザ光が、伝送用光ファイ１０３を通じて、光学系１２１の、レンズ１０４ａ、波長選択性ミラー１０５ａ、レンズ１０４ｂを通じて、レーザ光増幅ファイバ１の端部１１２の第１クラッド１２に集光導入される。
一方、被増幅レーザ光源１１０から、例えば増幅がなされる低出力の信号光が、レンズ１０４ｃ、光アイソレータ１０９、旋光子１０８を通じて、ミラー１０６ａによって光学系１２２の波長選択性ミラー１０５ｂに導入され、これよって波長選択されて反射され、レンズ１０４ｅによって集光されて、レーザ光増幅ファイバ１の端部１１１に集光導入される。
【００２３】
このようにして、励起用レーザ光源１０２からの励起用レーザ光が光増幅ファイバ１の第１クラッド１２に導入されることによって、コア１１に添加された希土類の励起がなされる。
この励起用レーザ光の、増幅ファイバ１の端部１１２から端部１１１まで通過する間で吸収されなかった余剰のレーザ光は、光学系１２２のリターンミラー１０７で反射されて再びレーザ光増幅ファイバ１に導入され、有効に励起に寄与するようになされる。
【００２４】
一方、低出力の被増幅レーザ光源１１０からの被増幅レーザ光は、上述したように光学系１２２によって、集光されて、レーザ光増幅ファイバ１の端部１１１から、コア１１に導入される。このとき被増幅レーザ光の波長は、レーザ光増幅ファイバ１のコア１１に添加された希土類の誘導放出光の波長に合わされている。
そして、この被増幅レーザ光が、レーザ光増幅ファイバ１を伝播していく過程において、第１クラッド１２中の励起用レーザ光は、コア１１に添加された希土類に吸収されてコア１１に誘導放出光を誘起する。
【００２５】
コア１１を伝播して増幅された被増幅レーザ光は、レーザ光増幅ファイバ１の端部１１２から出射される。
この増幅された出力光は、レンズ１０４ｂを通じて波長選択性ミラー１０５ａおよびミラー１０６ｂによって反射されるように、前述した旋光子１０８の設定がなされ、偏光ビームスプリッタ１３１に導入される。
【００２６】
いま、ファイバ１に、励起用レーザ光が導入されない状態で、かつファイバ１の偏波面方向を偏光ビームスプリッタ１３１のＳ偏光方向と一致させると、ファイバ１の端部１１１における被増幅レーザ光のビームスポットとファイバ１のコア１１の位置ずれにより、光検出素子１３２および１３３の出力が変化する。
すなわち、被増幅レーザ光のビームスポットとファイバ１のコア１１とが一致したとき、例えば図３の実線曲線１９で示すように、例えば第１の光検出器１３２の出力が最大となり、破線曲線２０で示す他方の第２の光検出器１３３の出力が最小となる。
このような変化を示す理由は、被増幅レーザ光のビームスポットとファイバ１のコア１１の位置がずれるとき、コア１１内で偏波面が保存されてファイバ１を伝播する光は減少し、一方、コア１１から漏れた光は、第１クラッド１２内を偏波面が保存されることなく、すなわちランダム偏光の光として伝播し、これが、ファイバ１の端部１１２から導出され、偏光ビームスプリッタ１３１に向かうことから、これを透過して、第２の光検出器１３３に導入されることから、この出力が大となるのである。
上述した例では、偏波面方向を偏光ビームスプリッタ１３１のＳ偏光と一致させた場合であるが、Ｐ偏光と一致させるときは、両光検出器１３２および１３３の振る舞いは、上述した場合とは、逆となる。
【００２７】
次に、光検出器１３２および１３３の位置ずれに対する特性をもとに位置制御機構のアルゴリズムの例を、図６を参照して説明する。
この例では、被増幅レーザとファイバ１のコア１１とが一致したときに、光検出器１３２の出力Ｐ１が最大、光検出器１３３の出力が最小となることを利用してＰ１とＰ２の差ＤＰ、すなわち図１の演算回路１３４の出力が最大になるようにして、可動部１３５の制御を行うようにした場合である。
すなわち、Ｘ，Ｙ方向でそれぞれ独立に可動するファイバ端またはレンズ１０４ｅを微小に移動して、ＤＰの変化を繰り返し評価し、Ｘ，Ｙ方向で、それぞれＤＰを最大にする位置にファイバもしくは光学系の位置を設定する。いわゆるオープンループの制御方式を用いる。
【００２８】
また、図７で示すアルゴリズムは、被増幅レーザと光１のコア１１の位置が、合致したときに、光検出器１３３の出力が最小となるように、可動部を制御するほう指示器であり、Ｘ，Ｙ方向に独立に可動するファイバ端またはレンズ１０４ｅを微小に移動させて出力Ｐ２の変化を繰り返し評価し、Ｘ，Ｙ方向でそれぞれ出力Ｐ２を最小にする位置にファイバ端あるいはレンズ１０４ｅの位置を設定する。同様に、オープンループの制御方式を用いる。この方法によるときは、光検出器１３２は不要となる。
【００２９】
上述した方法により被増幅レーザと光増幅ファイバ１のコア１１との位置調整をした後に、励起用レーザ光をファイバ１に導入し、前述した増幅動作を行う。
更に、励起用レーザ光をファイバ１に導入したレーザ動作中においても、増幅レーザ光はコアを伝播する被増幅レーザの偏波面と一致した偏波面を有するので、光検出器の出力は図３のように最適位置が最小値を示すことになる。すなわち、図７で示したアルゴリズムを使用すれば、レーザ動作使用中に、被増幅レーザとファイバ１のコア１１の相対位置制御をすることも可能となる。
【００３０】
この構成によれば、被増幅レーザのビームの正確な注入が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置の一例の概略構成図である。
【図２】本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置を構成する、レーザ光増幅ファイバの一例の構造を示す概略横断面図である。
【図３】本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置の一例における、光検出の手段の一例を示す概略図である。
【図４】本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置における、可動部の一例の概略構成図である。
【図５】本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置における、可動部の別の例の概略構成図である。
【図６】本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置の一例における、位置調整メカニズムの一例の模式図である。
【図７】本発明によるレーザ光増幅ファイバ装置の一例における、位置調整メカニズムの別の例の模式図である。
【図８】従来のレーザ光増幅ファイバ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１・・・レーザ光増幅ファイバ、１１・・・コア、１２・・・第１クラッド、１３・・・第２クラッド、１４・・・バッファ、１５・・・ジャケット、１９・・・光検出器、２０・・・光検出器、２１・・・ファイバホルダ、２２・・・ピエゾ素子、２３・・・中間ベース、２４・・・ピエゾ素子、２５・・・ベース、２６・・・ホルダ、２７・・・ピエゾ素子、２８・・・中間ベース、２９・・・ピエゾ素子、３０・・・ベース、１０２・・・励起用レーザ光源、１０３・・・伝送用光ファイバ、１０４ａ・・・レンズ、１０４ｂ・・・レンズ、１０４ｃ・・・レンズ、１０４ｄ・・・レンズ、１０４ｅ・・・レンズ、１０５ａ・・・波長選択性ミラー、１０５ｂ・・・波長選択性ミラー、１０６ａ・・・ミラー、１０６ｂ・・・ミラー、１０７・・・リターンミラー、１０８・・・旋光子、１０９・・・光アイソレータ、１１０・・・被増幅レーザ光源、１１１・・・端部、１１２・・・端部、１２１・・・光学系、１２２・・・光学系、１３１・・・偏光ビームスプリッタ、１３２・・・第１の光検出器、１３３・・・第２の光検出器、１３４・・・演算回路、１３５・・・可動部、２０１・・・レーザ光増幅ファイバ装置
【図１】
2005109185.tif 000003
【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】
2005109185.tif 000009
【図８】
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