(57)【要約】【課題】励起光波長の変動があっても、安定した状態で高効率な９７６ｎｍ近傍波長による励起が適用可能なＹｂ添加ガラスを用いたファイバレーザ発振器およびファイバレーザ増幅器を得ることを目的としている。【解決手段】ファイバレーザ発振器は、波長９７３ｎｍ〜９７９ｎｍの第一励起光を出射する第一の半導体レーザと、波長８８０ｎｍ〜９７０ｎｍの第二励起光を出射する第二の半導体レーザと、励起光入射側に全反射型のファイバブラッググレーティングと励起光出射側に部分反射型のファイバブラッググレーティングを有するＹｂ添加ガラス製の利得ファイバと、光ファイバの励起光入射側に設けられたファイバコンバイナと、第一の半導体レーザとファイバコンバイナを接続する第一の光ファイバと、第二の半導体レーザとファイバコンバイナを接続する第二の光ファイバと、を備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長９７３ｎｍ〜９７９ｎｍの第一励起光を出射する第一の半導体レーザと、
波長８８０ｎｍ〜９７０ｎｍの第二励起光を出射する第二の半導体レーザと、
励起光入射側に全反射型のファイバブラッググレーティングと励起光出射側に部分反射型のファイバブラッググレーティングを有するＹｂ添加ガラス製の利得ファイバと、
前記利得ファイバの励起光入射側に設けられたファイバコンバイナと、
前記第一の半導体レーザと前記ファイバコンバイナを接続する第一の光ファイバと、
前記第二の半導体レーザと前記ファイバコンバイナを接続する第二の光ファイバと、を備えているファイバレーザ発振器。
【請求項２】
波長９７３ｎｍ〜９７９ｎｍの第一励起光を出射する第一の半導体レーザと、
波長８８０ｎｍ〜９７０ｎｍの第二励起光を出射する第二の半導体レーザと、
励起光入射側に全反射型のファイバブラッググレーティングと励起光出射側に部分反射型のファイバブラッググレーティングを有するＹｂ添加ガラス製の利得ファイバと、
第一励起光と第二励起光を前記利得ファイバに導く光学素子と、を備えているファイバレーザ発振器。
【請求項３】
波長９７３ｎｍ〜９７９ｎｍの第一励起光を出射する第一の半導体レーザと、
波長８８０ｎｍ〜９７０ｎｍの第二励起光を出射する第二の半導体レーザと、
励起光入射側に全反射型のファイバブラッググレーティングと励起光出射側に部分反射型のファイバブラッググレーティングを有するＹｂ添加ガラス製の利得ファイバと、
前記利得ファイバの励起光入射側に設けられたファイバコンバイナと、
前記第一の半導体レーザと前記ファイバコンバイナを接続する第一の光ファイバと、
前記第二の半導体レーザと前記ファイバコンバイナを接続する第二の光ファイバと、
前記第一励起光と前記第二励起光を前記利得ファイバに導く光学素子とを備えていて、
前記第一の半導体レーザと前記第二の半導体レーザと前記光学素子がパッケージ化されていることを特徴とするファイバレーザ発振器。
【請求項４】
利得ファイバは第二励起光に対し１０ｄＢの吸収が得られる長さに設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のファイバレーザ発振器。
【請求項５】
第二励起光のパワーは全励起光のパワーの２０％であることを特徴とする請求項４に記載のファイバレーザ発振器。
【請求項６】
シード光を出射するシード光源と、
波長９７３ｎｍ〜９７９ｎｍの第一励起光を出射する第一の半導体レーザと、
波長８８０ｎｍ〜９７０ｎｍの第二励起光を出射する第二の半導体レーザと、
Ｙｂ添加ガラス製の利得ファイバと、
前記利得ファイバの励起光入射側に設けられたファイバコンバイナと、
前記第一の半導体レーザと前記ファイバコンバイナを接続する第一の光ファイバと、
前記第一の半導体レーザと前記ファイバコンバイナを接続する第二の光ファイバと、
前記シード光源と前記ファイバコンバイナを接続する第三の光ファイバと、を備えているファイバレーザ増幅器。
【請求項７】
シード光を出射するシード光源と、
波長９７３ｎｍ〜９７９ｎｍの第一励起光を出射する第一の半導体レーザと、
波長８８０ｎｍ〜９７０ｎｍの第二励起光を出射する第二の半導体レーザと、
Ｙｂ添加ガラス製の利得ファイバと、
前記利得ファイバの励起光入射側に設けられたファイバコンバイナと、
前記第一の半導体レーザと前記ファイバコンバイナを接続する第一の光ファイバと、
前記シード光源と前記ファイバコンバイナを接続する第二の光ファイバと、
前記第一励起光と前記第二励起光を前記利得ファイバに導く光学素子とを備えていて、
前記第一の半導体レーザと前記第二の半導体レーザと前記光学素子がパッケージ化されていることを特徴とするファイバレーザ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はファイバレーザに関し、特に、Ｙｂ（イッテルビウム）添加ガラスファイバを利得媒質として備えたファイバレーザ発振器およびファイバレーザ増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファイバレーザは固体レーザの一種で、光ファイバを媒質に用いる。一般的なファイバレーザは希土類添加ファイバを増幅器として用い、光路がすべて光ファイバで構成されている。希土類添加光ファイバは、コアの部分に微小量の希土類元素を添加した光ファイバである。希土類元素は、可視から近赤外にかけての波長帯で蛍光を発生する性質を持っている。希土類添加光ファイバに適切な励起光を入射すると、希土類元素のエネルギー状態が高まることにより蛍光が発生する。励起光強度が大きい場合は誘導放出を行うので、レーザ発振器や、微弱な信号光を増幅する光ファイバ増幅器として用いることができる。
【０００３】
Ｅｒ（エルビウム）添加ガラスファイバを利得媒質とし、Ｅｒイオンのレーザ上準位４Ｉ１１／２からレーザ下準位４Ｉ１３／２への遷移によって波長２．８μｍのレーザ光を発振するファイバレーザにおいて、基底準位吸収を生ずる波長の励起光を高強度で入射した際、出射される発振光の波長が長波長側にシフトする現象が知られている。
【０００４】
この現象はエネルギー準位図によって、次のように説明される。一般にレーザ発振光のエネルギーは、単純な上下２準位間の遷移過程で説明されることが多い。実際には１つのエネルギー準位は、エネルギー間隔の狭い複数のシュタルク準位に分離しており、シュタルク準位は低エネルギー側から占有される。レーザ下準位４Ｉ１３／２においては励起強度が強いほど、より高いシュタルク準位が発振に寄与することになり、上準位４Ｉ１１／２とのエネルギー間隔が狭まり発振波長が長波長側にシフトする。
【０００５】
特許文献１に係るＥｒ添加ガラスファイバを用いたファイバレーザ発振器では、励起強度による波長シフトの問題に対し、基底準位吸収が生じる第一の励起光（９６０ｎｍ〜１０２０ｎｍ）と、レーザ下準位４Ｉ１３／２からの励起準位吸収が生じる第二の励起光とを同時に用いることによって、基底準位励起強度によらず安定して一定の波長のレーザ光を効率よく得ることができるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１５０２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
汎用のＥｒ添加ガラスを用いたファイバレーザとは異なり、産業用高平均出力ファイバレーザの分野では、主に量子欠損の小さいＹｂ添加ガラスファイバが適用される。Ｙｂ添加ガラスはＥｒ添加ガラスのような励起準位吸収は無視できるため、背景技術で説明したい発振光の波長シフトの問題は生じない。
【０００８】
Ｙｂ添加ガラスファイバを利得媒質とした典型的なファイバレーザ構成には２種類の構成が知られている。第１の構成では、複数の励起光源をマルチモードファイバコンバイナにより１本のファイバにバンドルして利得ファイバ端面から空間を介さずに結合する。第２の構成では励起光を利得ファイバ端面から空間的に結合する。励起光源としては、利得媒質の吸収ピークに近い波長を出射する半導体レーザを使用する。
【０００９】
次に、Ｙｂ添加ガラスを用いたダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ）の吸収スペクトルについて説明する。ＤＣＦにはNuｆeｒｎ製LMA−YDF−２０／４００（コア直径２０μｍ／NA０．０６、励起クラッド直径４００μｍ／NA０．４６）を想定している。Ｙｂ添加ガラスを用いたＤＣＦは、波長９１５ｎｍ近傍に緩やかな極大値と、波長９７６ｎｍ近傍にその約４倍の吸収係数を持つ鋭いピークが存在する。ファイバレーザでは量子欠損を抑制し発振効率を高めるために、発振波長（通常１０３０ｎｍ〜１１００ｎｍ）に対してより近い、波長９７６ｎｍ近傍を励起波長として選択することが一般に好まれる。しかし、波長９７６ｎｍ近傍のピークは半値全幅で約８ｎｍと狭く、１ｎｍの波長変動で１０％以上の吸収係数の変化が生じる。
【００１０】
典型的なファイバレーザ構成に対し、中心波長９７６ｎｍ、スペクトル幅２ｎｍ（ＦＷＨＭ）の半導体レーザを用いて励起した場合を考える。計算上、利得ファイバ７ｍで約１３．５ｄＢ（約９５．５％）の励起光が、Ｙｂ添加ガラスコアに吸収される。利得ファイバをこれ以上長く設定して更に高い吸収率を確保した場合、利得ファイバのコア内に励起光吸収の弱い非励起部が形成され、発振光の再吸収が生じる可能性があり好ましくない。
【００１１】
実際の動作においては、取り付ける半導体レーザのばらつきや、冷却系の安定性、半導体レーザの劣化など、励起光波長は設計値から前後にずれることが考えられる。利得ファイバ７ｍにおいて半導体レーザの中心波長が９７６ｎｍから前後した場合の、利得ファイバコアへの励起光吸収効率の変化を計算した（図４参照）。中心波長（９７６ｎｍ）の吸収ピークが狭いため、中心波長±３ｎｍの変化で吸収効率が８５％〜９６％まで大きく変化する。
【００１２】
このようにＹｂ添加ガラスを用いたファイバレーザにおいては、波長９７６ｎｍ近傍の半導体レーザを適用した場合、半導体レーザの駆動条件や温度変化や固有ばらつきなどによる励起光波長スペクトルの変化に対し、ファイバレーザの発振出力が敏感に変動する。変動を抑えるために利得ファイバを長尺化すると、イッテルビウム添加ファイバ内に非励起部が形成され発振光の再吸収が生じ、発振が不安定になる。
【００１３】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、励起光波長の変動があっても、安定した状態で高効率な９７６ｎｍ近傍波長による励起が適用可能なＹｂ添加ガラスを用いたファイバレーザ発振器およびファイバレーザ増幅器を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に関わるファイバレーザ発振器は、波長９７３ｎｍ〜９７９ｎｍの第一励起光を出射する第一の半導体レーザと、波長８８０ｎｍ〜９７０ｎｍの第二励起光を出射する第二の半導体レーザと、励起光入射側に全反射型のファイバブラッググレーティングと励起光出射側に部分反射型のファイバブラッググレーティングを有するＹｂ添加ガラス製の利得ファイバと、光ファイバの励起光入射側に設けられたファイバコンバイナと、第一の半導体レーザとファイバコンバイナを接続する第一の光ファイバと、第二の半導体レーザとファイバコンバイナを接続する第二の光ファイバと、を備えているものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、波長９７６ｎｍ近傍の第一励起光と、それより励起効率の低い波長を持つ第二励起光を同時に利得媒質に入射させることにより、高効率かつ中心波長の変動に対して出力が安定なＹｂ添加ガラスファイバレーザ発振器を製作することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１によるファイバレーザ発振器を示す構成図である。
【図２】Ｙｂ添加ガラスを用いたダブルクラッドファイバの吸収スペクトルを示す。
【図３】Ｙｂ添加ガラスを用いた利得ファイバコアの長手方向位置に対する、第一励起光及び第二励起光の吸収率を示したグラフである。
【図４】Ｙｂ添加ガラスを用いたファイバレーザ発振器における、励起光中心波長シフトによる励起光吸収率の変化を示すグラフである。従来の９７６ｎｍ励起時の吸収率曲線を併せて示している。
【図５】実施の形態２によるファイバレーザ発振器を示す構成図である。
【図６】実施の形態３によるファイバレーザ発振器を示す構成図である。
【図７】ファイバ結合半導体レーザパッケージの内部構造の例を示す構成図である。
【図８】実施の形態４によるファイバレーザ増幅器を示す構成図である。
【図９】実施の形態４によるファイバレーザ増幅器の別の形態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による、Ｙｂ添加ガラスファイバを用いたファイバレーザ発振器の構成図である。ファイバレーザ発振器１００は、コリメートレンズ２ｃ、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ:Fiber Bragg Grating）５、利得ファイバ６、励起光ファイバコンバイナ７、半導体レーザ９、１０、光ファイバ２４を備えている。半導体レーザ９ａ、９ｂは第一の波長を出射する。半導体レーザ１０は第二の波長を出射する。半導体レーザ９ａ、９ｂ、１０は光ファイバ２４に結合されている。
【００１８】
Ｙｂ添加コアを有する利得ファイバ６には、例えばNufern製LMA−YDF−２０／４００といったダブルクラッドファイバを用いる。利得ファイバ６の両端には、ファイバブラッググレーティング５ａ、５ｂが融着されている。ファイバレーザ発振光４に対して全反射型のＦＢＧ５ａ、部分反射型のＦＢＧ５ｂにより、レーザ共振器を構成している。利得ファイバ６では、全反射型のＦＢＧ５ａが設けられているほうが励起光の入射側になり、部分反射側のＦＢＧ５ａが設けられているほうが励起光の出射側になる。
【００１９】
利得ファイバ６の両端には、ＦＢＧ５ａ、５ｂの書き込まれたファイバが融着されている。ＦＢＧ５ａの書き込まれたファイバには励起光ファイバコンバイナ７が融着されている。励起光ファイバコンバイナ７の励起光入射側には波長の異なるレーザを出射する半導体レーザ９、１０が結合されている。ファイバブラッググレーティングとは光ファイバのコア中に回折格子を形成し、光フィルタとしての機能を持たせたファイバ型のデバイスである。ＦＢＧはブラッグ反射条件を満たす光、つまり任意の波長の光のみを反射させることができる。
【００２０】
利得ファイバ６には第一励起光と第二励起光が入射する。第一励起光は中心波長９７６ｎｍ、スペクトル幅２ｎｍ（ＦＷＨＭ）の第一の波長を有する。２個の半導体レーザ９ａ、９ｂを配置している理由は、１個では出力を確保できない場合が想定されるからである。第二励起光は波長９１５ｎｍ近傍の第二の波長を有する。ファイバレーザ出射側では、ＦＢＧ５ｂを透過したファイバレーザ発振光４がファイバ端から出射され、コリメートレンズ２ｃによってコリメートビームとなって出射される。利得ファイバ６の長さは、第二の波長に対して１０ｄＢの吸収が得られる長さに設定されている。すなわち利得ファイバ６の長さは、７ｍ（±０．５ｍ）を想定している。
【００２１】
このような構成によれば、第二の波長（９１５ｎｍ近傍）の励起光は、利得ファイバ６の終端まで約１０％の成分が残留することとなり、この成分はロスとなる。しかし第二の波長により利得ファイバ６の全長において非励起部ない利得領域となり、ファイバレーザ発振光４の再吸収ロスを抑えることができる。
【００２２】
図２に示すように利得ファイバ６の励起波長において、波長９７６ｎｍ近傍の吸収係数は波長９１５ｎｍ近傍の吸収係数の約４倍のピークを持つ。第一の波長として中心波長９７６ｎｍ、ＦＷＨＭ＝２ｎｍを想定した場合、利得ファイバ６の長さ方向位置と、第一励起光と第二励起光の吸収率の関係は図３のようになる。図３は、図２に示す吸収スペクトルを持つダブルクラッドファイバを対象に、励起光のスペクトル幅を２ｎｍ（ＦＷＨＭ）として算出したものである。
【００２３】
第二の波長に対して利得ファイバ６の終端までで１０ｄＢ（９０．０％）の吸収を持つ本実施の形態の場合、利得ファイバ６の終端までの第一の波長の吸収は、約３０ｄＢ（９９．９％）に達する。一方、本構成のように第一励起光と第二励起光の結合に励起ファイバコンバイナ７を適用することにより、構成の省スペース化が容易となり、リジッドで信頼性の高い構成が実現できる。
【００２４】
第二の波長を発する半導体レーザ１０のパワーは、全励起パワーの２０％（±５％）を占めると想定する。第二の波長に対する利得ファイバ６の吸収は１０ｄＢであったから、全励起パワーの２％が第二の波長を有する第二励起光の透過ロスとなる。一方このとき全体の励起パワーのうち８０％を占める第一の波長を発する半導体レーザ９からの励起光吸収は３０ｄＢであり、ほぼすべての成分が励起に寄与する。すなわち、全励起パワーの９８％が、利得ファイバ６の励起に寄与する設計となる。
【００２５】
ここで、第一の波長を発する半導体レーザ９の中心波長が９７６ｎｍからずれた場合を想定する。波長ずれの原因としては、半導体レーザの個体差や冷却系の変動、電流値、劣化など複数の要因が考えられる。図４に、第一の波長の励起光の中心波長が変化した場合の、励起効率の変化を示す。ここでは、スペクトル幅２ｎｍは一定であるものとした。
【００２６】
本グラフには、従来の９７６ｎｍ励起時の励起効率の変化を比較して示している。図４に示されるように、本実施例の構成においては、スペクトル幅の狭い９７６ｎｍ近傍で励起しているにもかかわらず、中心波長のずれに対しての励起光吸収率は安定している。第一励起光の中心波長のずれを９７６±３ｎｍと想定した場合においても吸収率は９６．６〜９７．９％と極めて高い吸収率を示し、かつ約１％の微小な変動に収めることが可能となる。
【００２７】
ここで、第二の波長（９１５ｎｍ）の吸収は１０ｄＢとしたが、利得ファイバ６の全域を利得領域にする利得ファイバ長さや励起光パワーがあれば１０ｄＢ以上の吸収を持たせることも可能である。また、第二の波長を９１５ｎｍとしたが、第二の波長としては第一の波長である９７６ｎｍ近傍よりも吸収が低く、Ｙｂ添加ガラスへの吸収が図２で言えば０．１ｄＢ／ｍ以上あり、許容利得が確保できる波長であれば適用可能である。つまり、波長８８０〜９７０ｎｍの範囲であればいずれも第二の波長に適用の可能性があるが、特に波長９００ｎｍ〜９３０ｎｍの範囲が好ましい。
【００２８】
更に、第二の波長の励起パワーを全励起パワーの２０％としたが、利得ファイバ６の全域を利得領域にするのに十分な励起パワーがあれば、その割合は任意である。しかし、第一の波長９７６ｎｍ近傍の励起光は、第二励起光に比べて量子欠損が小さく発振効率の向上に寄与するため、第一励起光のパワーは第二励起光のパワーと同等かそれ以上であることが、発振効率の観点から望ましい。
【００２９】
また、第二の波長が、第二の波長に適用できる範囲の中で、第三の波長、第四の波長を含んでいても問題ない。第二以降の波長の励起光成分全体として、利得ファイバ６の全域を利得領域にできれば、本実施の形態１に含まれる。また、図１の構成では、励起光の導入に３ｘ１の励起光ファイバコンバイナ７を用いたが、励起光インプットファイバの数は複数であればよく、第一及び第二の波長を発する半導体レーザに結合されるファイバの数が各１以上あれば問題ない。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態２では、励起光を利得ファイバ６に導入する際、図５のように空間的にレンズ２ａ、２ｂ、２ｄを用いてファイバ端面から入射させる。その際、第一励起光と第二励起光は、ダイクロイックミラー１３等の光学素子によって同軸上に結合され、ファイバ共振器に結合される。
【００３１】
このような構成によれば、励起光源をあらかじめファイバコンバイナの入口に結合する必要がなく、コスト抑制が見込めるとともに、適用できる励起光源などの設計の自由度が増える。
【００３２】
実施の形態３．
実施の形態２では第一の波長の励起光を発する半導体レーザ９と、第二の波長を発する半導体レーザ１０を、それぞれ別のモジュールとして動作させた。実施の形態３では、図６に示すように第一の波長と第二の波長を混合して発する半導体レーザモジュール１７を１台以上適用する。半導体レーザモジュール１７の内部には、例えば図７のようにパッケージ内部に搭載した第一の波長を発する半導体レーザ１９と第二の波長を発する半導体レーザ２０が搭載されている。それぞれから出射される第一励起光２１と第二励起光２２がダイクロイックミラー１８を介して合波ビーム２３を形成し、光ファイバ２４に結合するものである。励起光伝送用の光ファイバ２４は励起光ファイバコンバイナ７と接続される。
【００３３】
このような構成によれば、合波した輝度の高い半導体レーザ光源を励起光ファイバコンバイナ７の励起ポートに結合できるため、１ポート当たりの励起パワーを向上することが可能となり、ファイバレーザ発振器の高出力化が容易となる。また、同じファイバレーザ出力を少ない励起ポートで実現できるため、励起ポート数の少ない励起光ファイバコンバイナ７が適用可能となる。
【００３４】
一般に励起ポート数が増えると、各ポートの励起光透過率が低下し、コンバイナ部での発熱量が増大し、信頼性が低下する。本構成により信頼性の高い励起ポート数の少ない励起ファイバコンバイナが適用できる利点がある。更に、励起ポート数の多いファイバコンバイナは一般に製作が難しく、高価となる。本構成により、低コストなファイバレーザ発振器が構成できる利点もある。
【００３５】
実施の形態４．
実施の形態４はファイバレーザ増幅器に係る。ファイバレーザ増幅器２００は、実施の形態１〜３と異なり、ＦＢＧ５ａ、５ｂを持たない。図８のようにシード光源１４から、光アイソレータ１６とシグナルフィードスルー励起コンバイナ１５を介して利得ファイバ６のコアにシグナル光が入射する。シグナルフィードスルー励起コンバイナ１５の励起用ポートファイバには、第一の波長を有する半導体レーザ９と第二の波長を有する半導体レーザ１０が結合される。あるいは、図９のように、第一の波長と第二の波長を混合して発する半導体レーザモジュール１７が結合される。
【００３６】
このような構成によれば、安定だが弱いシード光源から出射されるシグナル光を、高効率かつ安定に増幅することが可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１  半導体レーザ、２ａ〜２ｄ  レンズ、４  ファイバレーザ発振光、５ａ  全反射型のＦＢＧ、５ｂ  部分反射型のＦＢＧ、６  利得ファイバ、７  励起光ファイバコンバイナ、９a〜９ｂ  第一の波長を出射するファイバ結合半導体レーザ、１０  第二の波長を出射するファイバ結合半導体レーザ、１１  第一の波長を出射する半導体レーザ、１２  第二の波長を出射する半導体レーザ、１３  ダイクロイックミラー、１４  シード光源、１５  シグナルフィードスルー励起ファイバコンバイナ、１６  光アイソレータ、１７ａ〜１７ｃ  第一の波長と第二の波長を混合して出射するファイバ結合半導体レーザ、１８  ダイクロイックミラー、１９  第一の波長を出射する半導体レーザ、２０  第二の波長を出射する半導体レーザ、２１  第一励起光、２２  第二励起光、２３  第一の波長と第二の波長を合波した励起光、２４  励起光伝送用光ファイバ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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