(57)【要約】【課題】反射光による発振器の破損を防止することが可能な光増幅器、それを用いたファイバレーザ、ＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器における反射光除去方法の提供。【解決手段】発振器と、光増幅用ファイバを有する増幅器とを結合してなるＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器において、発振器と増幅器の間に、誘導ラマン散乱によって発振器側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバと、波長変換された光を取り除くフィルタとが設けられたことを特徴とする光増幅器、この光増幅器を有するファイバレーザ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振器と、光増幅用ファイバを有する増幅器とを結合してなるＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器において
発振器と増幅器の間に、誘導ラマン散乱によって発振器側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバと、波長変換された光を取り除くフィルタとが設けられたことを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
前記フィルタがファイバグレーティング、光ファイバカプラ、誘電体多層膜フィルタ、エタロンフィルタからなる群から選択される１種または２種以上であることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記フィルタがファイバの曲げ損失、ファイバ中への不純物添加など導波路の波長依存損失を利用した物であることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
【請求項４】
前記反射光波長変換用ファイバの長さとコア径が、反射光の尖塔値では波長を変換し、かつ増幅器への入射信号光の尖塔値では波長変換を行わない範囲に調整されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光増幅器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の光増幅器を有することを特徴とするファイバレーザ。
【請求項６】
発振器と、光増幅用ファイバを有する増幅器とを結合してなるＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器における反射光による発振器の破損を防止する反射光除去方法であって、
発振器側に向かう高尖塔値の反射光を反射光波長変換用ファイバに導いて誘導ラマン散乱によって波長変換した後、この波長変換された光をフィルタにより取り除くことを特徴とする反射光除去方法。
【請求項７】
前記フィルタがファイバグレーティング、光ファイバカプラ、誘電体多層膜フィルタ、エタロンフィルタからなる群から選択される１種または２種以上であることを特徴とする請求項６に記載の反射光除去方法。
【請求項８】
前記反射光波長変換用ファイバの長さとコア径が、反射光の尖塔値では波長を変換し、かつ増幅器への入射信号光の尖塔値では波長変換を行わない範囲に調整されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の反射光除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振器と、光増幅用ファイバを有する増幅器とを結合してなるＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器に関し、特に反射光による発振器の破損を防止することが可能な光増幅器、それを用いたファイバレーザ、ＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器における反射光除去方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、分析、測定、治療、加工などの光源としてファイバレーザが脚光を浴びている。このファイバレーザの中でも、特にパルスレーザは加工用、測定用の光源として広く用いられている。
【０００３】
ファイバレーザでパルス発振のレーザを構成する場合、一般にＭＯ−ＰＡ（Master Oscilator-Power Amp又は発振器＋増幅器）という構成を取ることが多い。このＭＯ−ＰＡ方式の利点は、発振器と増幅器を別々に構成できるために、部品点数の多い発振器には低出力用の光学部品を使用し、部品点数が少ない増幅器で大出力用の光学部品を用いることができる点にある。部品の使い分けが利点となるのは、大出力用の部品は一般に低出力用の部品と比較して高価であるからである。ＭＯ−ＰＡ方式の利点は、光学部品の損失によって利得に大きな影響を受ける増幅器を発振器と分けることで、全体としては効率的に高出力を得ることができる点にある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＭＯ−ＰＡ方式の高パワー光増幅器やファイバレーザは、反射光に弱いという欠点を有する。光増幅器やファイバレーザに戻ってきた反射光は、たとえそれが微弱な光であったとしても、装置内部のＰＡ部（増幅部）を逆向きに通過する際に増幅されて大きなパワーを持ち、このパワーのためにＭＯ部を破壊してしまうからである。このようなパワーを抑制する手段として従来より光アイソレータが用いられる事もある。しかし、レーザで使用するためには耐パワー性が必要となり、一般に大きく、高価でしかも光の損失も大きかった。また、制御回路などを用いて反射光の影響を抑制する方法も筆者らは検討したが、制御が複雑になるうえにすべての状況下で反射を抑制することはできなかった。
【０００５】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、反射光による発振器の破損を防止することが可能な光増幅器、それを用いたファイバレーザ、ＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器における反射光除去方法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、発振器と、光増幅用ファイバを有する増幅器とを結合してなるＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器において、発振器と増幅器の間に、誘導ラマン散乱によって発振器側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバと、波長変換された光を取り除くフィルタとが設けられたことを特徴とする光増幅器を提供する。
【０００７】
本発明の光増幅器において、前記フィルタがファイバグレーティング、光ファイバカプラ、誘電体多層膜フィルタ、エタロンフィルタからなる群から選択される１種または２種以上であることが好ましい。
【０００８】
本発明の光増幅器において、前記反射光波長変換用ファイバの長さとコア径が、反射光の尖塔値では波長を変換し、かつ増幅器への入射信号光の尖塔値では波長変換を行わない範囲に調整されていることが好ましい。
【０００９】
また本発明は、前述した本発明に係る光増幅器を有することを特徴とするファイバレーザを提供する。
【００１０】
また本発明は、発振器と、光増幅用ファイバを有する増幅器とを結合してなるＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器における反射光による発振器の破損を防止する反射光除去方法であって、発振器側に向かう高尖塔値の反射光を反射光波長変換用ファイバに導いて誘導ラマン散乱によって波長変換した後、この波長変換された光をフィルタにより取り除くことを特徴とする反射光除去方法を提供する。
【００１１】
本発明の反射光除去方法において、前記フィルタがファイバグレーティング、光ファイバカプラ、誘電体多層膜フィルタ、エタロンフィルタからなる群から選択される１種または２種以上であることが好ましい。また、ファイバの曲げ損失、ファイバ中への不純物添加など導波路の波長依存損失を利用した物でも有効な作用が期待できる。
【００１２】
本発明の反射光除去方法において、前記反射光波長変換用ファイバの長さとコア径が、反射光の尖塔値では波長を変換し、かつ増幅器への入射信号光の尖塔値では波長変換を行わない範囲に調整されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光増幅器は、発振器と増幅器の間に、誘導ラマン散乱によって発振器側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバと、波長変換された光を取り除くフィルタとを設けたものなので、発振器側に向かう高尖塔値の反射光を反射光波長変換用ファイバに導いて誘導ラマン散乱によって波長変換した後、この波長変換された光をフィルタにより取り除くことにより、反射光による発振器の破損を防止することができる。
また、光増幅器から放射する光には、何一つ処理を施していないため、従来の光増幅器と同様に設計でき、従って発振波長、パルス幅等も反射対策の影響は何も受けない。
また、反射光についても、制御回路には一切変更を加えず、光回路の構成のみで有害な高エネルギーのパルス光だけを取り除くことを可能とした。また、波長変換は条件を満たせば原理的に１００％発生するので、制御に起因したエラーは発生しない。
また、部品点数も通常のファイバを数ｍ程度と長波長用フィルタを付け加えるのみなので、コストにも殆ど影響がない。出力に用いられる耐パワー性光アイソレータが５０万円程度であるのに対して、光ファイバとフィルタの価格は合計しても１万円程度であり、その差は歴然である。
これらの光部品は低損失光部品であり、しかもＰＡ部の前段に挿入するために、低損失であり長寿命である。例えば、光アイソレータを出力部につけた場合と比較すると、光出力の損失は１／５０以下（光アイソレータでは１０％以上の損失が発生するが本発明では０．２％以下である）であり、寿命は１０倍以上である。（光アイソレータの寿命は５万時間程度に対して本発明の部品はいずれも５０万時間以上）
また本発明を検討する段階で副次的な効果として、ＭＯ部出力光に含まれ、ＰＡ部で誘導ラマン散乱の種光となる波長の光が、本発明のフィルタによって取り除かれるため、ＰＡ部からビームが放射されるところまでの誘導ラマン散乱が発生しにくくなる。このため、従来はレーザ出力部のファイバ長さは誘導ラマン散乱が発生しない範囲に制約されていたが、本発明ではこの制約が大幅に緩和される。
【００１４】
本発明のファイバレーザは、本発明の光増幅器を備えたものなので、前記光増幅器と同様の効果を得ることができる。
【００１５】
本発明の反射光除去方法は、従来の光増幅器やファイバレーザに反射光波長変換用ファイバとフィルタを付設する簡単な改良によって、反射光による発振器の破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ＭＯ−ＰＡ方式の光増幅器やファイバレーザにおいて、ＰＡ部で増幅された出力光を被加工物に照射した際に、反射してレーザ内部に戻る光の波長がレーザ発振の波長と同じであれば、有効に反射光だけを取り除くことは難しい。本発明では、この出射光波長の問題を、反射光のみを波長変換するという方法で実現している。
【００１７】
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、本発明の光増幅器及びファイバレーザの一実施形態であるＭＯ−ＰＡ方式のファイバレーザの概略構造を示す構成図である。
本実施形態のファイバレーザ１は、発振部であるＭＯ部２と、増幅部であるＰＡ部３とを備え、かつＭＯ部２とＰＡ部３との間のＰＡ部３側に誘導ラマン散乱によって発振器側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバ４と、ＭＯ部２側に波長変換された光を取り除くフィルタ５を設けた構成になっている。
【００１８】
本発明において、反射光だけを波長変換する方法は、図１に示すようにファイバレーザ１内のＭＯ部２とＰＡ部３の間に、コアの実効断面積が適当な値に設定された反射光波長変換用ファイバ４を挿入し、このファイバ内部の誘導ラマン散乱によって反射光の中でも大きなピークパワーを有する光のみを波長変換する。
【００１９】
図２に波長変換の様子を模式的に示す。本発明において、反射光の波長変換には誘導ラマン散乱を用いているので、波長は必ず長波長に変換される。そして、変換された後の波長の光を取り除くフィルタ５をＭＯ−ＰＡ間のＭＯ部２側に設け、変換された光を除去する構成としている。一方、フィルタを通過したＭＯ出力光は、ピークパワーが小さいために、誘導ラマン散乱による波長変換の影響を受けない。
【００２０】
図３に、このフィルタ５の透過特性を模式的に示す。戻ってきた反射光は、ＰＡ部３を通過してＭＯ部２を破壊できるほどの大きなパワーを持つが、この大きなパワーのために反射光波長変換用ファイバ４において波長変換され、波長変換された光がフィルタ５で取り除かれることになる。
【００２１】
用いられるフィルタ５は、ファイバーグレーティング又はＷＤＭ（光ファイバ）カプラが望ましいが、誘電多層膜フィルタ、エタロンフィルタであってもよい。また、ファイバの曲げ、不純物の添加などによって実現された物であってもかまわない。
【００２２】
本実施形態のファイバレーザ１において、ＭＯ部２から出力される発振光は、波長が異なるため、フィルタ５の影響を受けず、またパワーが小さいために、反射光波長変換用ファイバ４において波長変換も受けずにＰＡ部３に入射され、増幅された後にレーザ外部に放射される。
【００２３】
また、同じ反射光であっても、ＰＡ部３を通過後にピークパワーが小さい反射光の場合は、反射光波長変換用ファイバ４において波長変換されず、レーザ放射光と同じ波長のままである。従って、フィルタ５で除去されることなく通過し、ＭＯ部２に入射する。しかし、小さいパワーの光は、仮にＭＯ部２に入射してもＭＯ部２を破壊することは無いため、問題とならない。
【００２４】
本実施形態のファイバレーザ１は、ＭＯ部２とＰＡ部３との間に、誘導ラマン散乱によってＭＯ部側に向かう反射光の波長変換を行う反射光波長変換用ファイバ４と、波長変換された光を取り除くフィルタ５とを設けたものなので、ＭＯ部２側に向かう高尖塔値の反射光を反射光波長変換用ファイバ４にて波長変換した後、この波長変換された光をフィルタ５により取り除くことにより、反射光によるＭＯ部２の破損を防止することができる。
また、レーザから放射する光には、何一つ処理を施していないため、従来のファイバレーザと同様に設計でき、従って発振波長、パルス幅等も反射対策の影響は何も受けない。
また、反射光についても、制御回路には一切変更を加えず、光回路の構成のみで有害な高エネルギーのパルス光だけを取り除くことを可能とした。また、波長変換は条件を満たせば原理的に１００％発生するので、制御に起因したエラーは発生しない。
また、部品点数も通常のファイバを数ｍ程度と長波長用フィルタを付け加えるのみなので、コストにも殆ど影響がない。
また、ＭＯ部２の出力光から誘導ラマン散乱によって変換される波長の光が取り除かれるため、レーザ出力部（ＰＡ部３からビームが放射されるところまで）での誘導ラマン散乱が発生しにくくなる。このため、従来はレーザ出力部のファイバ長さは誘導ラマン散乱が発生しない範囲に制約されていたが、本発明ではこの制約が大幅に緩和される。
【００２５】
本発明の反射光除去方法は、例えば図１に示すように構成されたファイバレーザ１において、発振器（ＭＯ部２）側に向かう高尖塔値の反射光を反射光波長変換用ファイバ４に導いて誘導ラマン散乱によって波長変換した後、この波長変換された光をフィルタ５により取り除くことを特徴としている。
【００２６】
図１に示すように、ファイバレーザ１の出力ファイバ８端から出射された高尖塔値のレーザ光を、被加工物６に照射した場合、被加工物６からの反射光７が出力ファイバ８端からファイバレーザ１内に入る。この反射光７は、ファイバレーザ１の出力光と同じ波長である。反射光７は、ＰＡ部３を逆向きに進みながら増幅され、ＰＡ部３からＭＯ部２に向けて戻る際に、反射光波長変換用ファイバ４を通り、このファイバ内で誘導ラマン散乱によって波長変換される。長波長側に波長変換された光は、フィルタ５で反射、分岐又は吸収されることによって取り除かれ、ＭＯ部２には入射されない。
このように、本発明の反射光除去方法は、従来の光増幅器やファイバレーザに反射光波長変換用ファイバ４とフィルタ５を付設する簡単な改良によって、反射光による発振器の破損を防止することができる。
【００２７】
さらに本発明の方法では、次のような付随的な効果が期待できる。ＭＯ部２の直後に長波長フィルタ５が入るため、ＭＯ部２を出射する光の成分のうち、長波長の成分が取り除かれる。通常、レーザ発振した光でも、発振波長周辺には僅かに自然放出光が含まれている。この自然放出光のうち長波長の成分はＰＡ部３で増大したレーザ光の誘導ラマン散乱を誘発する。従来のレーザでは、この誘導ラマン散乱があるためにＰＡ部３で増幅されてからレーザ外部に放射するまでの距離（ファイバ長さ）は大きな制約を受けていた。ところが、本発明では、自然放出光の長波長成分がフィルタ５によって大幅に減衰しているので、誘導ラマン散乱を誘発し難いため、レーザ外部に放射するまでの距離（ファイバ長さ）の制約は大幅に緩和される。
【００２８】
本発明によれば、ハイパワーの光増幅器であれば、どのような波長の増幅器にも用いることができる。ファイバレーザのように高いパルスを出力する増幅器では特に有効であるが、近年の通信用高出力増幅器も尖塔値が大きくなってきており、本発明を適用する効果は大きい。
例えば、Ｅｒドープファイバなどで１５５０ｎｍの増幅を行えるときも本発明は有効である。この場合は、１６４０ｎｍ付近に誘導ラマン散乱による波長変換が起こるので、１５５０ｎｍを透過して１６４０ｎｍ付近を透過しないフィルタを用いることができる。
【実施例】
【００２９】
本発明に沿って、ファイバレーザにおける反射光抑制を試みた。
ファイバレーザとして、１０６４ｎｍに発振波長を持つ、図１に示す構造のファイバレーザを用いた。励起波長として９７６ｎｍのＬＤを用い、励起の光出力は４０Ｗとした。このとき、レーザ出力は平均１８Ｗ、パルス尖塔値は最大６ｋＷであった。
【００３０】
このファイバレーザ１のＭＯ部２とＰＡ部３の間に、反射光波長変換用ファイバ４として、コア直径５μｍのシングルモードファイバを２０ｍ挿入した。また、このシングルモードファイバとＭＯ部２との間に、１０６４ｎｍ透過率が０．１ｄＢ、１１１０〜１１８０ｎｍの透過率が３０ｄＢのファイバグレーティングを用いた長波長フィルタ５を挿入した。
【００３１】
この状態で、レーザ出力の０．５％（尖塔値で３０Ｗ）を反射光７としてレーザ内部に向けて入射させた。このとき、反射光７はレーザ内部のＰＡ部３を逆向きに伝搬し、ＰＡ部３を通過した後には、尖塔値は３ｋＷに達していた。
本実施例で用いたＭＯ部２では、瞬間耐入力５００Ｗの部品を用いており、３ｋＷの光がそのまま入射すると、ＭＯ部２は破損する。しかし、反射光波長変換用ファイバ４を透過してきた光の波長を測定すると、１１２０ｎｍ±１５ｎｍと長波長側に波長変換されており、この波長変換された光は、フィルタ５で９９．９％が取り除かれ、ＭＯ部２が破損することはなかった。
【００３２】
図４に、計算によって求めた波長変換の様子を示す。
本実施例では、３ｋＷの尖塔値のパルスを波長変換したが、図４のグラフから、反射光波長変換用ファイバ４の長さが８ｍ以上であれば、十分に波長変換されることがわかる。尖塔値がもう少し低く２ｋＷの場合は、ファイバ長が１１ｍ以上、尖塔値１ｋＷの場合はファイバ長が２０ｍ以上あれば、波長変換することが可能である。
【００３３】
本実施例では、ＭＯ部２の耐パワー性と反射光強度の関係から、尖塔値５００Ｗ以上の光が透過できないように、コア径５μｍのシングルモードファイバ２０ｍを反射光波長変換用ファイバ４として用いたが、例えばＭＯ部２の耐パワー性が低ければ、反射光波長変換用ファイバ４のコア径を小さくするか、ファイバ長さを延長する方が良い。ただし、コア径は前後の伝送用ファイバのコア径と極端に異なると接続損失が発生するので、直径で３μｍ以上２０μｍ以下の範囲とすることが望ましい。
【００３４】
また、反射光波長変換用ファイバ４の長さは、長いほど低い尖塔値の光でも波長変換が可能となるので、長い方が望ましいが、ＭＯ部２から出力してくるパルスの光を変換するのは本末転倒である。本実施例では、ＭＯ部２から出力されるパルス光は尖塔値として６０Ｗ以下であるので、ファイバ長として１００ｍ以下であることが望ましい。また仮にこの範囲であっても、反射光波長変換用ファイバが長くなると高い尖塔値の光は誘導ラマン散乱による波長変換を何度か受けて、より長波長にシフトしていくので、むやみに反射光波長変換用ファイバを長くすると、フィルタ５の阻止帯域を広く取る必要がある。従って、本実施例で示した通り、取り除きたい反射光尖塔値の最小値を目安に反射光波長変換用ファイバ４の長さを決定することが望ましい。
【００３５】
図５に、本発明の別の実施例を示す。このファイバレーザは、図１に示すファイバレーザと同様の構成要素を備えて構成されている。
本発明では、大きなピークの反射光のみを波長変換するように調整しているが、逆に、弱い光も変換するようにファイバ長さの調整を行い、ＭＯ部２からの出力光と反射光の両方を波長変換する構成も可能である（図５参照）。この場合、フィルタ５の波長としては、元の波長に対して波長変換２回分だけ長波長にずれた波長に設定することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態であるファイバレーザの構成図である。
【図２】本発明で用いた反射光波長変換用ファイバによる反射光の波長変換の様子を模式的に示す図である。
【図３】本発明で用いたフィルタの特性を模式的に示す図である。
【図４】計算によって求めた波長変換の様子を示す図である。
【図５】ファイバレーザの別な実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…ファイバレーザ、２…ＭＯ部、３…ＰＡ部、４…反射光波長変換用ファイバ、５…フィルタ、６…被加工物、７…反射光、８…出力ファイバ。
【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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