(57)【要約】【課題】優れた変換効率を有する外部共振型アップ−コンバージョン光ファイバレーザを提供する。【解決手段】光ファイバレーザは、第１波長光を出力し、無反射（ＡＲ）層と高反射（ＨＲ）層を有するレーザ３１と、コアが希土類物質でドープされたアップ−コンバージョン光ファイバ３９と、前記第１波長光に対する共振器として動作可能とする出力側ミラーＤＭ２と、前記光ファイバを第２波長光に対する共振器として動作可能とする入力側ミラーＤＭ１と、入射される光を前記レーザのための固有偏波の光に転換して出力する偏光モード調整部３４と、前記偏光モード調整部から入力された光を前記光ファイバで求められる形状に変換して前記光ファイバに出力し、その逆に前記光ファイバから入力された光を前記レーザで求められる形状に変換して前記偏光モード調整部に出力するビーム変換部３５を含む。【選択図】        図３
2007013181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長光を出力し、光出射端面に形成された無反射（ＡＲ）層とその対向する端面に形成された高反射（ＨＲ）層を有するレーザと、
前記第１波長光を第２波長光として出力するためにコアが希土類物質でドープされたアップ−コンバージョン光ファイバと、
前記アップ−コンバージョン光ファイバの出力端に配置され、前記レーザの高反射層とともに前記レーザから前記光ファイバまで前記第１波長光に対する共振器として動作可能とする出力側ミラーと、
前記アップ−コンバージョン光ファイバの入力端に配置され、前記出力側ミラーとともに前記光ファイバを第２波長光に対する共振器として動作可能とする入力側ミラーと、
前記レーザと前記アップ−コンバージョン光ファイバとの間に配置され、前記光ファイバから前記レーザに入射される光を前記レーザのための固有偏波の光に転換して出力する偏光モード調整部と、
前記偏光モード調整部と前記アップ−コンバージョン光ファイバとの間に配置され、前記偏光モード調整部から入力された光を前記光ファイバで求められる形状に変換して前記光ファイバに出力し、その逆に前記光ファイバから入力された光を前記レーザで求められる形状に変換して前記偏光モード調整部に出力するビーム変換部と、
を含むアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項２】
前記偏光モード調整部は、
入射光をそれと直交する偏波に転換させるための位相差板（ｐｈａｓｅ ｒｅｔａｒｄｅｒ:ＰＲ）と、
前記レーザに戻ってくる光中の前記固有偏波成分のみを反射させ、その反射された光が前記レーザに直接出射されるように配置された第１偏光ビーム分割器と、
前記固有偏波成分と垂直の偏波成分のみを透過させ、その透過された光が前記位相差板を経由して前記固有偏波成分として前記レーザに出射されるように配置された第２偏光ビーム分割器と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項３】
前記第１及び第２偏光ビーム分割器は、それぞれ透過されてない入射光の偏波成分が前記第２及び第１偏光ビーム分割器に進行するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項４】
前記第１偏光ビーム分割器は入射される光軸と４５％で配置された高反射率ミラーに代替することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項５】
前記偏光モード調整部は、前記レーザから入射された光が分割され、その一部の光が前記第１偏光ビーム分割器に入射され、他の一部の光が前記第２偏光ビーム分割器に入射されるように構成されたことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１つに記載のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項６】
前記偏光モード調整部は前記レーザから入射される光をスロー（ｓｌｏｗ）軸に沿って分割することを特徴とする請求項５に記載のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項７】
前記偏光モード調整部は前記レーザから入射される光をスロー軸に沿ってほぼ１/２に分割することを特徴とする請求項６に記載のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項８】
前記ビーム変換部は、前記偏光モード調整部から入射された光を分割し、分割されたビームを一定角に回転させ再配列して前記光ファイバに出力させ、その逆に前記光ファイバから入力された光を分割して一定角に回転させ、前記入射された光の形状に近接するように再配列して出力することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１つに記載のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項９】
前記ビーム変換部による光分割はスロー軸に沿って実施されることを特徴とする請求項８に記載のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項１０】
前記光ファイバの一端に配置された入力側ミラーは前記第１波長光に対しては無反射性であり、前記第２波長光に対して９５％以上の高反射率を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１つに記載のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項１１】
前記光ファイバの他端に配置された出力側ミラーは前記第１波長光に対しては９５％以上の高反射率を有し前記第２波長光に対して１０〜３０％の低反射率を有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項１２】
第１波長光を出力し、光出射端面に形成された無反射（ＡＲ）層とその対向する端面に形成された高反射（ＨＲ）層を有する第１及び第２レーザと、
前記第１波長光を第２波長光として出力するためにコアが希土類物質でドープされたアップ−コンバージョン光ファイバと、
前記アップ−コンバージョン光ファイバの両端にそれぞれ配置され、前記第１ 及び第２レーザの高反射層が第１波長光のための共振器として働くように全て前記第１波長光に対して無反射性を有し、前記光ファイバが第２波長光のための共振器として働くように前記第２波長光に対してそれぞれ高反射率と低反射率を有する第１及び第２ミラーと、
前記第１及び第２レーザと前記アップ−コンバージョン光ファイバの両端の間にそれぞれ配置され、前記光ファイバから前記第１及び第２レーザに入射される光を前記各レーザのための固有偏波の光に転換して出力する第１及び第２偏光モード調整部と、
前記第１及び第２偏光モード調整部と前記アップ−コンバージョン光ファイバの両端の間にそれぞれ配置され、前記第１及び第２偏光モード調整部から入力された光を前記光ファイバで求められる形状に変換して出力し、その逆に前記光ファイバから入力された光を前記第１及び第２レーザで求められる形状に変換して前記第１及び第２偏光モード調整部に出力する第１及び第２ビーム変換部と、
前記第１波長光に対しては無反射性であり、前記第２波長光に対しては高反射率を有し、前記第２ミラーから出力された前記第２波長光を共振構造外部に出力させる最終出力ミラーと、
を含むアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【請求項１３】
第１波長光を出力し、光出射端面に形成された無反射（ＡＲ）層とその対向する端面に形成された高反射（ＨＲ）層を有するレーザと、
前記第１波長光を第２波長光として出力するためにコアが希土類物質でドープされたアップ−コンバージョン光ファイバと、
前記アップ−コンバージョン光ファイバの両端にそれぞれ配置され、前記レーザの高反射層が第１波長光のための共振器として働くように全て前記第１波長光に対して無反射性を有し、前記光ファイバが第２波長光のための共振器として働くように前記第２波長光に対してそれぞれ高反射率と低反射率を有する第１及び第２ミラーと、
前記レーザと前記アップ−コンバージョン光ファイバの間に配置され、前記光ファイバから前記レーザに入射される光を前記レーザのための固有偏波の光に転換して出力する光モード調整部と、
前記偏光モード調整部と前記アップ−コンバージョン光ファイバの間に配置され、前記偏光モード調整部から入力された光を前記光ファイバで求められる形状に変換して前記光ファイバに出力し、その逆に前記光ファイバから入力された光を前記レーザで求められる形状に変換し前記偏光モード調整部に出力するビーム変換部と、
前記アップ−コンバージョン光ファイバの一端及び他端が光学的に前記ビーム変換部に連結されるように並列に配置された２つの集光手段と、
前記第１波長光に対しては無反射性であり、前記第２波長光に対しては高反射率を有し、前記第２ミラーから出力された前記第２波長光を共振構造外部に出力させる最終出力ミラーと、
を含むアップ−コンバージョン光ファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明はアップ−コンバージョン（ｕｐ-ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）光ファイバレーザ装置に関するもので、より詳しくは励起光の強さ分布を均一に維持することができる安定的な外部共振構造を取り入れることにより変換効率を向上させたアップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、アップ−コンバージョン光ファイバレーザはコアにＰｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、ＨｏまたはＥｒのような希土類イオンをドープした光ファイバを特定波長の励起レーザで光ポンピングして高い変換効率で、より短い波長のビームを発生させることができる。このようなアップ−コンバージョン光ファイバレーザは、励起レーザとして比較的低価である赤外線レーザダイオードを利用して赤色または緑色レーザを具現することができる有益な方案として知られている。
【０００３】
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、従来の光ファイバレーザの一例として、６３５ｎｍ波長光を出力するためのアップ−コンバージョン光ファイバレーザを例示する。
【０００４】
図１（ａ）に示されたアップ−コンバージョン光ファイバレーザ１０は励起レーザ光を出力する励起用レーザ１１と、コアに希土類イオンがドープされた光ファイバ１９を含む。前記光ファイバ１９のコアにドープされた希土類イオンはＰｒイオンとＹｂイオンであることができる。前記励起光レーザ１１は８３５ｎｍ波長光を発生させる。
【０００５】
一般的に、前記励起用レーザ１１はその光出射端面に塗布された低反射層Ｍ２（約１０％＠８３５ｎｍ）と、反対側端面にコーティングされた高反射（ＨＲ）層Ｍ１によって共振構造Ｃ１を有する。前記レーザ１１から出射される励起光はコリメーターまたはレンズのような集光手段１２を通して光ファイバ１９に入射される。前記光ファイバ１９の入力端と出力端にはそれぞれ入力側ミラーＤＭ１と出力側ミラーＤＭ２が配置される。前記入力側ミラーＤＭ１は励起波長である８３５ｎｍでは無反射性を有し、６３５ｎｍでは高反射率を有し、前記出力側ミラーＤＭ２は８３５ｎｍでは高反射率を有し、６３５ｎｍでは１０〜３０％の低反射率を有する。このような入出力側ミラーＤＭ２は前記光ファイバ１９を６３５ｎｍ波長光のための共振器Ｃ２として動作させる。
【０００６】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示された光ファイバ１９における励起光（ｐｕｍｐｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ）強さを表す。アップ−コンバージョン光ファイバ１９の入力側に入射された励起光は光ファイバのコアに添加された希土類イオンに吸収されるため、ａで示された実線のように、軸方向に進行するにつれて減衰される。しかし、光ファイバによる吸収が十分ではない場合には、励起光が減衰されても、アップ−コンバージョン光ファイバ１９の出力端において０にならない。このような残留光は破線ｂで示されたように希土類イオンに吸収されながら励起光に向けて戻ってくる。太い実線ｃは実線ａと破線ｂを加算したもので、総励起強さを表す。出力側ミラーＤＭ２で反射させることによってｂで示した光強さだけ増加された光強さを得ることができる。赤外線で可視光線への変換効率は励起光の大きさに依存する。したがって、上述したように、総励起光の強さが増加されることによってレーザ装置１０の変換効率を向上させることが可能である。
【０００７】
しかし、レーザに戻ってくる光はむしろレーザ出力の変動を引き起こし、ひどい場合にはレーザ１１を破壊させることもありうる。このような問題を解決しながらレーザの変換効率を強化する方案として、図２に示された外部共振構造を有するアップ−コンバージョン光ファイバレーザ２０が提案された。このような外部共振構造はレーザに戻ってくる光を能動的な発振要素として作用するようにする方案である。
【０００８】
図２に示されたアップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置２０では、図１と類似するように入力側ミラーＤＭ１と出力側ミラーＤＭ２は光ファイバ２９がアップ−コンバージョン現象によって６３５ｎｍ波長光が出力できる共振器（Ｃｆ）として働くように構成されるが、前記レーザ２１の光出射端面をほぼ０の反射率（＠８３５ｎｍ）を有するようにコーティングすることによって、前記レーザ２１の共振構造（Ｃｅ）をレーザ２１の反対側の高反射（ＨＲ）層Ｍ１から光ファイバ２９の出力側ミラーＤＭ２まで拡張させる。このようなレーザ２１の外部共振構造（Ｃｅ）は高反射率出力側ミラーＤＭ２から戻ってくるビームを発振要素として利用することによって、全体光ファイバ２９において比較的均一な励起光の強さを維持することができる。また、アップ−コンバージョン光ファイバ２９が外部共振構造（Ｃｅ）内に位置するため、光ファイバ２９で変換される励起光の強さを大きく向上させることができる。
【０００９】
しかしながら、このような効果は理論的にのみ可能であるのみで、実際にはそうではない。その理由は、光ファイバ２９とレーザ２１の光結合効率が非常に低いという事実に起因する。一般的に光ファイバには複屈折が存在し、その大きさと方向が周囲によって変化するので、それから戻ってくる光がレーザに安定的に結合しにくい。また、通常的に光ファイバは多重モードであるのに対し、レーザはファスト（ｆａｓｔ）軸として単一モードであるため、低い光結合効率を有するしかない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前記の従来技術の問題点を解決するためのものであり、その目的は可逆的にビームの偏光状態及び形状を調節してレーザと光ファイバとの間の光結合効率を向上させることによって優れた変換効率を有する外部共振型アップ−コンバージョン光ファイバレーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記した技術的課題を達成するために、本発明は、第１波長光を出力し、光出射端面に形成された無反射（ＡＲ）層とその対向する端面に形成された高反射（ＨＲ）層を有するレーザと、前記第１波長光を第２波長光として出力するためにコアが希土類物質でドープされたアップ−コンバージョン光ファイバと、前記アップ−コンバージョン光ファイバの出力端に配置され、前記レーザの高反射層とともに前記レーザから前記光ファイバまで前記第１波長光に対する共振器として動作可能とする出力側ミラーと、前記アップ−コンバージョン光ファイバの入力端に配置され、前記出力側ミラーとともに前記光ファイバを第２波長光に対する共振器として動作可能とする入力側ミラーと、前記レーザと前記アップ−コンバージョン光ファイバとの間に配置され、前記光ファイバから前記レーザに入射される光を前記レーザのための固有偏波の光に転換して出力する偏光モード調整部と、前記偏光モード調整部と前記アップ−コンバージョン光ファイバとの間に配置され、前記偏光モード調整部から入力された光を前記光ファイバで求められる形状に変換して前記光ファイバに出力し、その逆に前記光ファイバから入力された光を前記レーザで求められる形状に変換して前記偏光モード調整部に出力するビーム変換部とを含むアップ−コンバージョン光ファイバレーザを提供する。
【００１２】
好ましくは、 前記偏光モード調整部は、入射光をそれと直交する偏波に転換させるための位相差板（ｐｈａｓｅ  ｒｅｔａｒｄｅｒ：ＰＲ）と、前記レーザに戻ってくる光の中で前記固有偏波成分のみを反射させ、その反射された光が前記レーザに直接出射されるように配置された第１偏光ビーム分割器と、前記固有偏波成分と異なる偏波成分のみを透過させ、その透過された光が前記位相差板を経由して前記前記レーザに出射されるように配置された第２偏光ビーム分割器とを含むことができる。ここで、第１偏光ビーム分割器は単なる高反射率（好ましくはほぼ１００％の反射率）を有するミラーに代替してもよい。即ち、第１偏光ビーム分割器を１００％ミラーに代替することによって偏光モード調整部の構成を簡素化しながらも、前記第２偏光ビーム分割器で反射された偏光成分、即ち固有偏波成分をレーザに出射させることが可能である。
【００１３】
本実施形態において、前記第１及び第２偏光ビーム分割器は、それぞれ透過されてない異なる偏波成分が前記第２及び第１偏光ビーム分割器に進行するように構成されていることが好ましい。また、前記偏光モード調整部は、前記レーザから入射された光が分割され、その一部の光が前記第１偏光ビーム分割器に入射され、他の一部の光が前記第２偏光ビーム分割器に入射されるように構成されることが可能であり、好ましくは、前記偏光モード調整部は前記レーザから入射される光をスロー（ｓｌｏｗ）軸に沿って分割することができ、１/２で分割することが好ましい。
【００１４】
好ましくは、前記ビーム変換部は、前記偏光モード調整部から入射された光を分割し、分割されたビームを一定角に回転させ再配列して前記光ファイバに出力させ、その逆に前記光ファイバから入力された光を分割して一定角に回転させ、前記入射された光の形状に近接するように再配列して出力することが可能である。ここで、前記ビーム変換部による光分割はスロー軸に沿って実施されることが好ましい。
【００１５】
前記光ファイバの一端に配置された入力側ミラーは前記第１波長光に対しては無反射性であり、前記第２波長光に対して９５％以上の高反射率を有することが好ましい。前記光ファイバの他端に配置された出力側ミラーは前記第１波長光に対しては９５％以上の高反射率を有し前記第２波長光に対して１０〜３０％の低反射率を有することが好ましい。
【００１６】
本発明の他の実施形態によるアップ−コンバージョン光ファイバレーザは、第１波長光を出力し、光出射端面に形成された無反射（ＡＲ）層とその対向する端面に形成された高反射（ＨＲ）層を有する第１及び第２レーザと、前記第１波長光を第２波長光として出力するためにコアが希土類物質でドープされたアップ−コンバージョン光ファイバと、前記アップ−コンバージョン光ファイバの両端にそれぞれ配置され、前記第１及び第２レーザの高反射層が第１波長光のための共振器として働くように全て前記第１波長光に対して無反射性を有し、前記光ファイバが第２波長光のための共振器として働くように前記第２波長光に対してそれぞれ高反射率と低反射率を有する第１及び第２ミラーと、前記第１及び第２レーザと前記アップ−コンバージョン光ファイバの両端の間にそれぞれ配置され、前記光ファイバから前記第１及び第２レーザに入射される光を前記各レーザのための固有偏波の光に転換して出力する第１及び第２偏光モード調整部と、前記第１及び第２偏光モード調整部と前記アップ−コンバージョン光ファイバの両端の間にそれぞれ配置され、前記第１及び第２偏光モード調整部から入力された光を前記光ファイバで求められる形状に変換して出力し、その逆に前記光ファイバから入力された光を前記第１及び第２レーザで求められる形状に変換して前記第１及び第２偏光モード調整部に出力する第１及び第２ビーム変換部と、前記第１波長光に対しては無反射性であり、前記第２波長光に対しては高反射率を有し、前記第２ミラーから出力された前記第２波長光を共振構造の外部に出力させる最終出力ミラーを含む。
【００１７】
本発明のさらに他の実施形態によるアップ−コンバージョン光ファイバレーザは、第１波長光を出力し、光出射端面に形成された無反射（ＡＲ）層とその対向する端面に形成された高反射（ＨＲ）層を有するレーザと、前記第１波長光を第２波長光として出力するためにコアが希土類物質でドープされたアップ−コンバージョン光ファイバと、前記アップ−コンバージョン光ファイバの両端にそれぞれ配置され、前記レーザの高反射層が第１波長光のための共振器として働くように前記第１波長光に対して無反射性を有し、前記光ファイバが第２波長光のための共振器として働くように前記第２波長光に対してそれぞれ高反射率と低反射率を有する第１及び第２ミラーと、前記レーザと前記アップ−コンバージョン光ファイバの間に配置され、前記光ファイバから前記レーザに入射される光を前記レーザのための固有偏波の光に転換して出力する偏光モード調整部と、前記偏光モード調整部と前記アップ−コンバージョン光ファイバの間にそれぞれ配置され、前記偏光モード調整部から入力された光を前記光ファイバで求められる形状に変換して前記光ファイバに出力し、その逆に前記光ファイバから入力された光を前記レーザで求められる形状に変換して前記偏光モード調整部に出力するビーム変換部と、前記アップ−コンバージョン光ファイバの一端及び他端が光学的に前記ビーム変換部に連結されるように並列に配置された２つの集光手段と、前記第１波長光に対しては無反射性であり、前記第２波長光に対しては高反射率を有し、前記第２ミラーから出力された前記第２波長光を共振構造の外部に出力させる最終出力ミラーとを含む。
【００１８】
本明細書で使用されている“高反射率”又は“高反射”という用語は、特定波長の光に対して９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくはほぼ１００％の反射率を有することを意味しており、“低反射率”又は“低反射”という用語は対応する高反射率より低い反射率として、４〜９０％、好ましくは１０〜３０％程度の反射率を意味する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、レーザと光ファイバとの間に偏光モード調整部とビーム変換部を採用することによって、レーザと光ファイバとの間の光結合効率の向上したアップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置を提供することができる。このようなアップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置では、偏光モード及びビーム品質による損失を最小化することにより高い光変換効率を有する外部共振構造のアップ−コンバージョン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】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２１】
図３は本発明の一実施形態による外部共振構造を有するアップ−コンバージョン光ファイバレーザを示す。
【００２２】
図３を参照すれば、前記アップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置３０は励起レーザ光を出力する励起用レーザ３１と、コアに希土類イオンがドープされた光ファイバ３９を含み、前記励起用レーザ３１と前記光ファイバ３９との間には光結合効率を向上させるための偏光調整部３４とビーム変換部３５が配置される。また、レーザ３１と偏光モード調整部３４の間及びビーム変換部３５と光ファイバ３９の間にそれぞれコリメーターまたはレンズのような第１及び第２集光手段３２、３６が配置される。
【００２３】
以下、説明と理解の便宜のため、前記励起光レーザ３１は８３５ｎｍレーザであり、前記光ファイバ３９は６３５ｎｍの出力光を得るためにＰｒイオンと Ｙｂイオンがドープされたコアを有するものと記載するが、これに限定されるわけではない。例えば、光ファイバ３９は他の希土類であるＴｍ、ＨｏまたはＥｒのようなイオンをドープすることができ、レーザ３１の波長と最終出力波長は他の波長であることができる。
【００２４】
前記アップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置３０では、図２の装置と類似するように、入力側ミラーＤＭ１と出力側ミラーＤＭ２は光ファイバ３９を６３５ｎｍ波長光に対する共振器として働くようにする。また、前記レーザ３１の光出射端面にはほぼ０の反射率（＠８３５ｎｍ）を有する層を形成し、前記レーザ３１の共振構造はそのレーザ３１の反対側の高反射（ＨＲ）層Ｍ１から光ファイバ３９の出力側ミラーＤＭ２まで拡張された外部共振構造を有する。このような外部共振構造において、高反射率の出力側ミラーＤＭ２から戻ってくるビームを発振要素として利用する。
【００２５】
上述の共振構造を具現するために、前記入力側ミラーＤＭ１は８３５ｎｍ波長光に対しては無反射性であり、６３５ｎｍ波長光に対して９５％以上の高反射率を有することが好ましく、前記出力側ミラーは８３５ｎｍ波長光に対しては９５％以上の高反射率を有し６３５ｎｍ波長光に対して１０〜３０％の低反射率を有することが好ましい。
【００２６】
また、本発明によるアップ−コンバージョンレーザ装置３０はレーザ３１と光ファイバ３９の光結合効率を向上させるために偏光モード調整部３４とビーム変換部３５を採用する。
【００２７】
前記偏光モード調整部３４は光ファイバ３９から戻ってくる光の偏光モードをレーザ３１に好適なモードに変換する役目を果たす。このような偏光モード調整部３４は、入射光をそれと直交する偏波に転換させる位相差板（ｐｈａｓｅ  ｒｅｔａｒｄｅｒ：ＰＲ）３４ａと、相異なる特定偏波を反射させそれと直交する偏波のみを透過させる第１及び第２偏光ビーム分割器３４ｂ、３４ｃで構成し得る。前記レーザ３１がＳ偏波モードを有する際に、前記第１偏光ビーム分割器３４ｂはＳ偏波モードのみを選択して前記レーザ３１に提供するが、前記第２偏光ビーム分割器３４ｃは光ファイバ３９から入射された光中のＰ偏波を前記位相差板３４ａに提供し、Ｓ偏波モードを前記第１偏光ビーム分割器３４ｂに提供する。一方、前記位相差板３４ａは前記第２偏光ビーム分割器３４ｃから提供されたＰ偏波をＳ偏波に変換させレーザ３１に提供する。結果的に、光ファイバ３１から戻ってくる光の偏光状態にかかわらずレーザで求められる偏波モードとして変換させることができ、それにより光ファイバ３９の複屈折などによる結合効率の低下を防止することができる。
【００２８】
また、レーザ３１から光ファイバ３９に進行する光において上述の方式の逆と類似した偏光モード調整過程が行われることができる。即ち、示された偏光モード調整部３４を介して、矢印で示されているようにレーザ３１から光ファイバ３９に向かう光をＳ偏波からＳとＰ偏波成分を一緒に有する光として変換させることが可能である。
【００２９】
前記偏光モード調整部３４において、第１偏光ビーム分割器３４ｂは光進行方向と４５°に配置された単なる高反射性ミラーに代替されても、同一な機能を行うことができる。以下、特別な言及がなくても他の実施形態でも、当業者なら第１偏光ビーム分割器が前記のミラーに代替できるということを理解するであろう。
【００３０】
前記偏光モード調整部３４は、前記レーザ３１から入射された光が分割され、その一部の光が前記第１偏光ビーム分割器３４ｂに入射され、他の一部の光が位相差板３４ａを通して前記第２偏光ビーム分割器３４ｃに入射されるように構成されることができ、好ましくは前記レーザ３１から入射される光をスロー（ｓｌｏｗ）軸に沿って分割することができ、１/２に分割することが好ましい。
【００３１】
また、前記ビーム変換部３５は前記レーザ３１と前記光ファイバ３９との間でビーム発散角と大きさの積に比例するビーム品質（Ｍ2）に定義できるビーム形状を変換させることにより光結合効率を追加的に向上させる。即ち、前記ビーム変換部３５は前記偏光モード調整部３４から出力された光を前記光ファイバ３９で求められる形状に変換し、その逆に前記光ファイバ３９から入力された光を前記レーザ３１で求められる形状に変換させる。
【００３２】
一般的に、レーザ３１で出力されるビーム形状はファスト（ｆａｓｔ）軸よりスロー（ｓｌｏｗ）軸で遙に大きい形態を有する。これに対し、光ファイバ３９ではファスト軸とスロー軸がほぼ類似する大きさを有する。したがって、ビーム変換部３５はレーザビームをスロー軸に分割し、分割されたビームを一定角で回転させ再配列することによって光ファイバに好適なビーム形状として変換させることができ、光ファイバから戻ってくる光に対してもその形状を可逆的に変換させることが可能である。このために、前記ビーム変換部３５は多様な形態のレンズ、ミラー、プリズムのような光学構造物で構成され得る。通常的な類型として、スロー軸に沿って分割するものとして説明したが、本質的にはビーム形状を分割する過程は直交する二本の軸中、ビーム品質指数の高い軸を基準に実施され得る。
【００３３】
本実施形態で採用されたビーム変換方式の一例が図４（ａ）ないし図４（ｄ）に示されている。ここでは、図４（ａ）のようにレーザ３１から出力された光はスロー軸に対しては５０、ファスト軸に対しては１.５のビーム品質（Ｍ2）を有し、光ファイバ３９は多重モード光ファイバとして、Ｍ2＞６のビーム品質を求めるものと仮定する。
【００３４】
まず、図４（ｂ）のように、前記ビーム変換部３５に入力される前に、偏光モード調整部３４は上述された偏光モード調整過程においてレーザビームをスロー軸に対して１/２に分割し、この中の一部を偏光と垂直である成分の偏光に変換させた後に、前記第１及び第２偏光ビーム分割器３４ｂ、３４ｃから出力される光を合成すれば、ファスト軸はそのまま維持されながらスロー軸がＭ2＝２５に定義されたビームを得ることができる。
【００３５】
次に、図４（ｃ）のように、公知手段を利用してスロー軸でビームを１/４に分割させることで、スロー軸がＭ2＝６.２５と定義されたビームを提供することができる。ここで、スロー軸に対するビーム分割過程を前記偏光調整モード部３４で１次的に実施されることで説明しているが、これに限定されるわけではない。但し、簡単なビーム分割が容易に具現できる偏光モード調整部３４で１次分割を実施することによってビーム変換部３５の構成をより簡素化させることができるという長所がある。
【００３６】
最終的に、図４（ｄ）のようにスロー軸で分割されたビームを９０°に回転させ再配列することにより各軸に対してＭ2が６及び６.２５に定義されたビームの形状を得ることができる。最終ビームは第２集光手段３６を使用してＭ2＞６である多重モード光ファイバに非常に高い効率で結合されることができる。
【００３７】
このように、偏光モードの調整を通して偏光変化による損失と不安定性を減少させるとともに、ビーム形状をレーザまたは光ファイバに好適な形状に可逆的に変換させる手段を採用して、レーザと光ファイバとの間の光結合効率を大きく向上させることが可能である。結果的に、このような外部共振構造のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置３０は８３５ｎｍから６３５ｎｍへの高い変換効率を有することができる。
【００３８】
本発明による外部共振構造のアップ−コンバージョン光ファイバレーザは、光ファイバとレーザの高い光結合効率を利用して多様な形態に改良し得る。例えば、２つのレーザを採用して励起光の強さを全体的に大きく向上させる構造に変形してもよいし（図５参照）、これと類似する効果のために、光ファイバの両端をビーム変換部に光学的に連結する閉鎖構造（または円形構造）に変形してもよい（図７参照）。
【００３９】
図５は、本発明の他の実施形態による外部共振構造を有するアップ−コンバージョン光ファイバレーザ５０を示す。図５を参照すれば、前記アップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置５０は励起レーザ光を出力する第１及び第２励起用レーザ４１、５１と、コアに希土類イオンがドープされた光ファイバ４９を含み、前記第１及び第２励起用レーザ４１、５１と前記光ファイバ４９の両端間にはそれぞれ第１及び第２偏光調整部４４、５４と第１及び第２ビーム変換部４５、５５が配置される。また、第１及び第２レーザ４１、５１と第１及び第２偏光モード調整部４４、５４間にはそれぞれ第１集光手段４２、５２が配置され、前記第１及び第２ビーム変換部４５、５５と光ファイバ４９の両端の間にそれぞれ第２集光手段４６、５６が配置される。
【００４０】
前記第１及び第２偏光モード調整部４４、５４は入射光をそれと直交する偏波に転換させる位相差板（ｐｈａｓｅ ｒｅｔａｒｄｅｒ:ＰＲ）４４ａ、５４ａと、相異なる特定偏波のみを反射させ、それと直交する偏波成分のみを透過させる第１及び第２偏光ビーム分割器４４ｂ、４４ｃ及び５４ｂ、５４ｃで構成され、光ファイバ４９の両端から戻ってくる光の偏光モードを第１及び第２レーザ４１、５１に好適なモードに変換させる。また、前記第１及び第２ビーム変換部４５、５５は前記第１及び第２レーザ４１、５１と前記光ファイバ４９の間でビーム品質（Ｍ2）に定義できるビーム形状を変換させることにより光結合効率をさらに向上させる。
【００４１】
本実施形態によるアップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置５０において、入力側ミラーＤＭ１と出力側ミラーＤＭ２によって光ファイバ４９を６３５ｎｍ波長光に対する共振器として働くようにすることができる。ここで、６３５ｎｍ波長に対して低反射率を有する出力側ミラーから出る６３５ｎｍ波長光は、最終出力ミラーＤＭ３によって外部に出力され得る。
【００４２】
また、前記第１及び第２レーザ４１、５１の光出射端面と前記入出力側ミラーＤＭ１、ＤＭ２を８３５ｎｍに対しては、ほぼ反射率が０の無反射性を有するようにすることによって、前記第１及び第２レーザ４１、５１の共振構造は８３５ｎｍに対して高反射率を有する第１及び第２レーザの反対ミラーＭ１、Ｍ１'の間の全構造が共振器として提供される。
【００４３】
ここで、最終出力ミラーＤＭ３は出力側ミラーＤＭ２の前端に配置され、先述したように、６３５ｎｍ波長光を外部に出力するために、６３５ｎｍ波長光に対しては高い反射性を有するが、前記した２つのレーザミラー面Ｍ１、Ｍ１'の 間の外部共振構造の動作のために、８３５ｎｍに対しては無反射性であるべきである。
【００４４】
したがって、８３５ｎｍ波長光のための外部共振構造の両端で第１及び第２ レーザ４１、５１が出力され、第１及び第２偏光モード調整部４４、５４と第１ 及び第２ビーム変換部４５、５５によって高い光結合効率が保障されるから、図６のように光ファイバ４９内で理想的な励起光の強さ分布を有することができる。
【００４５】
即ち、図６に示すように、第１レーザ４１から出力される光は光ファイバ４９の出力側ミラーＤＭ２まで徐々に減衰されながら進行され（実線ａ）、前記第２レーザ５１から出力される光は、前記光ファイバの入力側ミラーＤＭ１まで徐々に減衰されながら進行される（破線ｂ）。太い実線ｃはその和である総励起の強さを表す。このように、光両端にレーザビームが提供され、光ファイバを経由する新たな外部共振構造が高い光結合効率を保障する偏光モード調整部とビーム変換部によって実現できる。
【００４６】
このように、本実施形態によれば、２つのレーザを利用することによって励起光強さを２倍にすることができるばかりでなく、全体光ファイバ共振領域において励起光の強さ分布をほぼ均一に維持することができる。これと類似した効果を得るために、図７のように２つのレーザを利用しなくても光ファイバの両端をビーム変換部に光学的に連結することで具現することもできる。
【００４７】
図７は、本発明のさらに他の実施形態による外部共振構造を有するアップ−コンバージョン光ファイバレーザを示す。図７に示されたアップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置７０は図３の実施形態と類似するように、励起レーザ光を出力する励起用レーザ７１と、コアに希土類イオンがドープされた光ファイバ７９を含み、前記励起用レーザ７１と前記光ファイバ７９との間には光結合効率を向上させるための偏光調整部７４とビーム変換部７５が配置される。また、レーザ７１と偏光モード調整部７４の間及び前記ビーム変換部７５と光ファイバ７９の間にそれぞれ第１及び第２集光手段７２、７６ａ、７６ｂが配置される。
【００４８】
前記偏光モード調整部７４は位相差板７４ａと第１及び第２偏光ビーム分割器７４ｂ、７４ｃで構成され、光ファイバ７９の両端から戻ってくる光の偏光モードをレーザ７１に好適なモードに変換させる。また、前記ビーム変換部７５は前記レーザ７１と前記光ファイバ７９との間でビーム形状を変換させることにより光結合効率をさらに向上させる。
【００４９】
また、本実施形態によるアップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置７０において、入力側ミラーＤＭ１と出力側ミラーＤＭ２によって光ファイバ７９を ６３５ｎｍ波長光に対する共振器として働くようにすることができる。
【００５０】
但し、本実施形態は図３の実施形態と異なって、前記第２集光手段は２つの集光手段７６ａ、７６ｂを含み、前記光ファイバ７９の両端と前記ビーム変換部７５を光学的に連結させるために並列に配置される。また、図５と類似するように前記レーザ７１の光出射端面と前記入出力側ミラーＤＭ１、ＤＭ２とを８３５ｎｍに対しては、ほぼ反射率が０の無反射性を有するようにすることによって、前記レーザ７１の共振構造はＨＲミラーＭ１を基点として光ファイバを経由して循環する閉鎖的な共振構造を有する。このような共振構造を通して図６と類似するように全体光ファイバ領域において均一な励起光分布を期待することができる。
【００５１】
本実施形態において、最終出力ミラーＤＭ３は６３５ｎｍ波長光を外部に出力するとともに８３５ｎｍに対する外部共振構造を保障するために、６３５ｎｍ 波長光に対しては高い反射性を有し、８３５ｎｍに対しては無反射性の条件を満たさなければならない。
【００５２】
上述されたアップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置において、前記ミラーはダイクロニックミラーまたは光ファイバ格子ミラーであることができるが、本発明の反射率条件を満たせば多様な形態のミラーが採用されることが可能である。また、本発明に採用される光ファイバはマルチモード光ファイバに限定されず、単一モード光ファイバ、二重クラッディング光ファイバ及び偏光維持光ファイバから成るグループより選択されたものであってもよい。
【００５３】
このように、本発明は上述した実施形態及び添付の図により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定される。したがって、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において様々な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては自明なことである。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明にかかるアップコンバージョン光ファイバーレーザは、赤色レーザ、緑色レーザ等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】従来のアップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置を示す概略図であり（ａ）、併せて光ファイバ内部の励起光の強さ分布をグラフに示す（ｂ）。
【図２】従来の外部共振構造を有するアップ−コンバージョン光ファイバレーザを示す。
【図３】本発明の一実施形態による外部共振構造を有するアップ−コンバージョン光ファイバレーザを示す。
【図４】本発明の一実施形態で光結合効率向上の方案として提供されるビーム形状調整過程を説明するための概路図である。
【図５】本発明の他の実施形態による外部共振構造を有するアップ−コンバージョン光ファイバレーザを示す。
【図６】図５のアップ−コンバージョン光ファイバレーザで励起光の強さ分布を示すグラフである。
【図７】本発明のさらに他の実施形態による外部共振構造を有するアップ−コンバージョン光ファイバレーザを示す。
【符号の説明】
【００５６】
３１  レーザ
３２  第１集光手段
３４  偏光モード調整部
３４ａ  位相差板
３４ｂ  第１偏光ビーム分割器
３４ｃ  第２偏光ビーム分割器
３５  ビーム変換部
３６  第２集光手段
３９  アップ−コンバージョン光ファイバ
４１、５１  励起用レーザ
４２、５２  ４６、５６  集光手段
４４、５４  偏光調整部
４４ａ、５４ａ  位相差板
４４ｂ、４４ｃ、５４ｂ、５４ｃ  偏光ビーム分割器
４５、５５  ビーム変換部
４９  光ファイバ
５０  アップ−コンバージョン光ファイバレーザ
７０  アップ−コンバージョン光ファイバレーザ装置
７１  励起用レーザ
７２、７６ａ、７６ｂ  集光手段
７４  偏光調整部
７４ａ  位相差板
７４ｂ、７４ｃ  偏光ビーム分割器
７５  ビーム変換部
７９  光ファイバ
ＤＭ１  入力側ミラー
ＤＭ２  出力側ミラー
ＤＭ３  最終出力ミラー
Ｍ１  高反射（ＨＲ）層（反対ミラー、レーザミラー面）
Ｍ１’  反対ミラー（レーザミラー面）
【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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