(57)【要約】【課題】自然放出光による光学系の損傷や光学特性の低下が抑制されたファイバレーザ装置を提供する。【解決手段】ファイバレーザ装置は、第１の光源と、偏光保持ファイバと、励起光源と、第１のポラライザと、第２の光源と、第２のポラライザと、を有する。第１の光源は、直線偏光されたシード光をパルス列として放出する放出期間と、非放出期間と、を有する。偏光保持ファイバは、シード光の直線偏光を保持しつつ増幅しパルスレーザー光として放出する。励起光源は、励起光を偏光保持ファイバに導入する。第１のポラライザは、透過軸がシード光の偏光軸と平行になるように配置される。第２の光源は、非放出期間内に直線偏光されたレーザー光を放出し、レーザー光は第１のポラライザの透過軸に対して直交する偏光軸を有するように配置される。第２のポラライザは、透過軸がパルスレーザー光の偏光軸と平行になるように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光されたシード光を放出可能であって、前記シード光を第１の周期を有するパルス列として放出する放出期間と、前記シード光を放出せず前記第１の周期よりも長い非放出期間と、を有する第１の光源と、  
第１の端部と前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、希土類元素が添加された偏光保持ファイバであって、前記第１の端部から導入された前記シード光の偏光状態を保持しつつ増幅しパルスレーザー光として放出する偏光保持ファイバと、
前記希土類元素を励起する第１の励起光を前記第２の端部から前記偏光保持ファイバに導入する第１の励起光源と、
前記第１の光源と、前記偏光保持ファイバと、の間に設けられ、透過軸が前記シード光の偏光軸と平行になるように配置された第１のポラライザと、
前記非放出期間内に直線偏光されたレーザー光を放出可能であって、前記レーザー光は前記第１のポラライザの前記透過軸に対して直交する偏光軸を有するように配置された第２の光源と、
透過軸が前記パルスレーザー光の偏光軸と平行になるように配置された第２のポラライザと、
を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置。
【請求項２】
前記第２のポラライザから放出された前記パルスレーザー光が入射し、前記パルスレーザー光の前記波長よりも長い波長を有するパルスレーザー光を放出可能な光パラメトリック発振器をさらに有する請求項１記載のファイバレーザ装置。
【請求項３】
前記パラメトリック発振器は、非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶の両側に設けられた共振器ミラーと、を有する請求項２記載のファイバレーザ装置。
【請求項４】
前記希土類元素を励起する第２の励起光を前記第１の端部から前記偏光保持ファイバに導入する第２の励起光源をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載のファイバーレーザ装置。
【請求項５】
前記希土類元素は、エルビウム、イッテルビウム、ツリウムのうちのいずれかを含む請求項１〜４のいずれか１つに記載のファイバーレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ファイバレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置や光応答装置では、高出力のパルスレーザー光が要求される。このために、固体レーザまたは半導体レーザからのパルスシード光を、ファイバレーザ増幅器により増幅して高出力パルスレーザー光を得ることが多い。
【０００３】
ファイバレーザ増幅器は、コアに添加された希土類元素に励起光が吸収され、誘導放出により利得を生じてパルスシード光を増幅できる。しかし、一般にファイバレーザ増幅器は利得を生じる波長範囲が広いために、高い出力レベルまで励起され且つ蓄積されたエネルギーを効率よく取り出すことが困難である。
【０００４】
また、光ファイバに蓄積されたエネルギーにより、Ｔｍなどが添加された光ファイバが自然放出光（ＡＳＥ：Amplified  Spontaneous  Emission)を放出し、光学特性を低下させることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−９３２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自然放出光による光学系の損傷や光学特性の低下が抑制されたファイバレーザ装置を提供する。    
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のファイバレーザ装置は、第１の光源と、偏光保持ファイバと、第１の励起光源と、第１のポラライザと、第２の光源と、第２のポラライザと、を有する。前記第１の光源は、直線偏光されたシード光を放出する。また、第１の光源は、前記シード光を第１の周期を有するパルス列として放出する放出期間と、前記シード光を放出せず前記第１の周期よりも長い非放出期間と、を有する。前記偏光保持ファイバは、第１の端部と前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、希土類元素が添加された偏光保持ファイバであって、前記第１の端部から導入された前記シード光の直線偏光を保持しつつ増幅しパルスレーザー光として放出する。前記第１の励起光源は、前記希土類元素を励起する第１の励起光を前記第２の端部から前記偏光保持ファイバに導入する。前記第１のポラライザは、前記第１の光源と、前記偏光保持ファイバと、の間に設けられ、透過軸が前記シード光の偏光軸と平行になるように配置される。前記第２の光源は、前記非放出期間内に直線偏光されたレーザー光を放出可能であって、前記レーザー光は前記第１のポラライザの前記透過軸に対して直交する偏光軸を有するように配置される。前記第２のポラライザは、透過軸が前記パルスレーザー光の偏光軸と平行になるように配置される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態のファイバレーザー装置の構成図である。
【図２】偏光保持ファイバ２２の模式断面図である。
【図３】図３（ａ）は第１の光源からのパルスシード光波形図、図３（ｂ）は第２の光源からの第２のレーザ光波形図、図３（ｃ）は偏光保持ファイバのレーザー光波形図、図３（ｄ）はダイクロイックミラーを透過したレーザ光波形図、図３（ｅ）は第１のシード光のパルス波形図、である。
【図４】Ｔｍの光吸収スペクトルまたは発光スペクトルを示すグラフ図である。
【図５】第１の実施形態の変形例にかかるファイバーレーザ装置の構成図である。
【図６】図６（ａ）は比較例にかかるファイバレーザ装置の構成を表す模式図、図６（ｂ）は点Ａにおけるシード光の波形図、図６（ｃ）は点Ｂにおける増幅光の波形図、である。
【図７】第２の実施形態にかかるファイバーレーザ装置である。
【図８】ＡＳＥ光による影響を説明する模式図である。
【図９】図９（ａ）はファイバレーザ装置を用いた光応答装置の構成を示す模式図、図９（ｂ）は発振タイミングモニタ出力の波形図、図９（ｃ）は受信信号の波形図、である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図である。
ファイバーレーザ装置５は、第１の光源（シード光源）１０と、偏光保持ファイバ２２、第２の光源１２と、第１のポラライザ（polarizer）２０と、第２のポラライザ２４と、第３の光源（励起光源）１６と、ダイクロイックミラー２６と、を有している。
【００１０】
第１の光源１０は、直線偏光し、波長がλ１のパルスシード光を放出し、シード光源として機能する。また、第１の光源１０は、たとえば、光ファイバ発振器、出力側ポラライザなどからなる本体１０ａを有し、直線偏光されたパルスシード光を放出するものとすることができる。さらに、第１の光源１０は、励起用ＬＤ１０ｂを有し、半導体レーザーから放出され直線偏光されたレーザー光を光ファイバ増幅器で増幅してもよい。なお、パルスシード光の波長λ１は、たとえば、１．９５〜２．０μｍとすることができる。
【００１１】
第２の光源１２は、直線偏光され、波長がλ２の第２のレーザー光を放出する。第２のレーザー光の波長λ２は、パルスシード光の波長λ１と異なっていてもよいが、波長λ１の近傍でもよい。
【００１２】
偏光保持ファイバ２２は、第１の端部２２ａと、第１の端部２２ａとは反対の側の第２の端部２２ｂと、を有する。第１のポラライザ２０の透過軸は、パルスシード光の偏光軸と平行とし、パルスシード光を透過するように配置される。この場合、平行とは、そ交差角が２度以下であることを意味する。また、第２のレーザー光の偏光軸が第１のポラライザ２０の透過軸と直交するように、第２の光源１２が配置される。この場合、直交とは、その交差角が８９度以上、９１度以下であることを意味する。第２のレーザー光は、第１のポラライザ２０の透過軸と直交する偏光軸を有する。パルスシード光と第２のレーザー光とは、偏光保持ファイバの第１の端部２２ａへ導入される。
【００１３】
増幅された波長λ１のパルスレーザー光は、偏光保持ファイバ２２の第２の端部２２ｂから放出され、第２のポラライザ２４と、ダイクロイックミラー２６と、を透過する。波長λ３の励起光は、ダイクロイックミラー２６により反射され、偏光保持ファイバ２２へ向かって伝搬し、第２のポラライザ２４を透過して偏光保持ファイバ２２の第２の端部２２ｂへ入射する。この場合、第３の光源１６からの励起光は直線偏光しているものとし、その偏光軸が第２のポラライザ２４の透過軸とは平行になるように配置する。
【００１４】
なお、第１の励起光の波長λ３は、０．７５〜０．８μｍなどとし、ＣＷ（連続波）とすることができる。半導体レーザーは、通常、発光層の表面と、光出射面と、に平行な直線偏光軸を有する。
【００１５】
図２は、偏光保持ファイバ２２の模式断面図である。
もし、直線偏光のレーザー光が非偏光保持ファイバを通ると、熱や機械的な作用によって誘起される位相差のため次第に楕円偏光となる。
【００１６】
偏光保持ファイバ（または、偏波面保存ファイバ）２２は、たとえば、コア２２ａの両側に応力付与部２２ｃを有している。シード光の偏光軸１１は、光軸調整により、コア２２ａの中心と、応力付与部２２ｃの中心と、通る軸（Slow軸）と略一致させる。また、第２のレーザー光の偏光軸１３は、光軸調整により、コア２２ａの中心を通り、Slow軸と直交するFast軸と略一致させる。
【００１７】
または、シード光の偏光軸１１をFast軸と略一致させ、第２のレーザー光の偏光軸１３をSlow軸と略一致させるようにしてもよい。このようにすると、シード光の偏光状態を安定に維持し偏波変動を抑え、高いビーム品質とすることができる。    
【００１８】
パルスシード光は、第１のポラライザ２０を透過し、偏光保持ファイバ２２内を伝搬しつつ増幅され、第２のポラライザ２４と、ダイクロイックミラー２６と、を透過して、点Ｃからパルスレーザー光として放出される。他方、第２のレーザー光は、第１のポラライザ２０で反射され、偏光保持ファイバ２２へ入射し、増幅され、第２のポラライザ２４により反射される。すなわち、外部に放出されることはない。
【００１９】
図３（ａ）は第１の光源からのパルスシード光波形図、図３（ｂ）は第２の光源からの第２のレーザー光波形図、図３（ｃ）は偏光保持ファイバのレーザー光波形図、図３（ｄ）はダイクロイックミラーを透過したレーザー光波形図、図３（ｅ）はシード光のパルス波形図、である。
【００２０】
図３（ａ）は、点Ａにおけるパルスシードレーザ光の波形を示す。第１の光源１０は、第１の周期Ｔ１でシード光（波長λ１）のパルス列を放出する放出期間ｔｐ１と、第１のシード光のパルス列を放出しない非放出期間ｔｐ２と、を有する。第１の周期Ｔ１は、例えば、５０μｓ（繰り返し周波数が２０ｋＨｚに相当）〜１００μｓ（繰り返し周波数が１０ｋＨｚに相当）の間とすることができる。なお、第１の周期Ｔ１は、この範囲に限定されないものとする。シード光のパルス列は、時間ｔ１から放出され始める。
【００２１】
図３（ｂ）は、点Ｄにおける第２のレーザ光の波形を示す。第２の光源１２は、非放出期間ｔｐ２の期間内で連続波でもよいし、第２の周期Ｔ２を有するレーザー光のパルス列を放出してもよい。また、第２のレーザー光はパルスシード光の非放出期間ｔｐ２内において、時間ｔ２から放出され始める。
【００２２】
シード光の変調動作周期ＴＭは、放出期間ｔｐ１および非放出期間ｔｐ２を含む。ファイバレーザ装置の用途では、変調動作周期ＴＭは、第１の周期Ｔ１に対して長く設定される場合が多い。すなわち、繰り返し周波数で表すと、例えば１ｋＨｚ以下のような低い周波数とすることが多い。なお、変調動作周期ＴＭは、毎回同じである必要はないが、毎回同じとした方がパルス波形制御が容易である。
【００２３】
図３（ｃ）は、点Ｂにおける増幅光の波形を示す。この場合、偏光保持ファイバ２２は、シード光の放出期間ｔｐ１の間、偏光状態を維持しつつ波長λ１の増幅光を放出する。また、シード光の非放出期間ｔｐ２の間、波長λ２の第２のレーザー光を増幅して放出する。この場合、第２のシード光の波長λ２および光出力をそれぞれ適正に選択することにより、非放出期間ｔｐ２の間に偏光保持ファイバ２２にエネルギーが蓄積されることを抑制できる。このため、ＡＳＥ光の放出が抑制される。
【００２４】
図３（ｄ）は、出力点Ｃにおけるパルスレーザー光波形を示す。出力点Ｃから出力される波長λ１の高出力パルス列の間の非放出期間ｔｐ２で、ＡＳＥ光は放出されない。
【００２５】
また、図３（ｅ）において、第１の周期Ｔ１が５０μｓの時、パルス幅Ｗ１は１０〜１００ｎｍなどとすることができる。この場合、Ｗ１／Ｔ１は、０．２〜２％と低い。放出期間ｔｐ１や非放出期間ｔｐ２は、パルス幅に対して長い。
【００２６】
図４は、Ｔｍの光吸収スペクトルまたは発光スペクトルを示すグラフ図である。
希土類元素としてＴｍ（ツリウム）を用いる場合、１．８〜２．１μｍの赤外線レーザ光を放出するための励起光の波長は種々選択可能である。例えば、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた半導体レーザ素子では、０．７５〜０．８μｍの波長範囲に光吸収領域がある。好ましい。
【００２７】
図５は、第１の実施形態の変形例にかかるファイバーレーザ装置の構成図である。
偏光保持ファイバー２２の入力側となる第１の端部２２ａに、第４の光源１７から放出され、波長λ５の第２の励起光をさらに導入することができる。このようにすると、希土類元素をさらに高励起とすることができる。第１励起光の波長λ１と、第２励起光の波長λ５と、は、近いことが好ましい。
【００２８】
なお、本図において、第１励起光および第２励起光は、第１および第２のポラライザ２０、２４の外側から導入されているが、内側から偏光保持ファイバー２２に導入されてもよい。
【００２９】
図６（ａ）は比較例にかかるファイバレーザ装置の構成を表す模式図、図６（ｂ）は点Ａにおけるシード光の波形図、図６（ｃ）は点Ｂにおける増幅光の波形図、である。
比較例にかかるファイバレーザ装置１０５のシード光は、図６（ｂ）の波形を有する。パルスシード光はファイバーレーザー増幅器１２０で増幅され、点Ｂにおいて、放出期間ｔｐ１１において図６（ｃ）の波形図に示すパルス波形となる。
【００３０】
また、シード光の非放出期間ｔｐ１２の間、励起光源１１６からのエネルギーが希土類元素を励起し続けている。例えば第１の周期Ｔ１１の１０倍の期間、励起が継続されると、１パルスのシード光を励起するエネルギーの略１０倍のエネルギーがＥｒ（エルビウム）添加光ファイバ１２２に蓄積されていることになる。
【００３１】
Ｅｒは広い発光スペクトルを有しているので、蓄積されたエネルギーが、例えば、１．５３〜１．５６μｍの広い発光スペクトルを有するＡＳＥ光が放出される。もし、励起光源１１６をパルス駆動すると、ＡＳＥ光を抑制することができる。しかし、この繰り返し周波数を、たとえば、２００Ｈｚ以上とすると、Ｔｍイオンなど蛍光寿命の影響で、光ファイバーにエネルギーを十分に蓄積することが困難となり、増幅レーザー光出力が低下する。
【００３２】
比較例において、光ファイバー増幅器１２０の出力側にパルスレーザー光を選択的に透過するフィルターを設けると、ＡＳＥ光の放出が抑制できる。しかし、パルスレーザー光にも透過損失を生じる。
【００３３】
図７は、第２の実施形態にかかるファイバーレーザ装置である。
第２の実施形態にかかるファイバーレーザ装置５は、出力側に波長変換ユニット７０をさらに有する。偏光保持ファイバ２２から放出されたパルスレーザー光は、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ：Optical  Parametric  Oscillator）などからなる波長変換ユニット７０へ入射する。ＯＰＯは、ＺＧＰ（ＺｎＧｅＰ２）、ＡＧＳ（ＡｇＧａＳ２）などの非線形光学結晶７２と、非線形光学結晶７２の両側に設けられた２つの共振器ミラー７４ａ、７４ｂと、を有している。ＯＰＯに入射した略２μｍの波長を有するパルスレーザー光は、略３〜５μｍの波長（λ４）に変換されて出射する。
【００３４】
図８は、ＡＳＥ光による影響を説明する模式図である。
図８（ａ）に表すように、波長λ１のパルスレーザー光が、非線形光学結晶７２を有する波長変換ユニット７０に導入される。もし、パルスレーザー光がＡＳＥ光を含んでいると、図８（ｂ）に表すように、波長変換に寄与しないＡＳＥ光成分が非線形光学結晶７２に吸収される。このため、非線形光学結晶７２が発熱し非線形光学結晶に損傷を与えることがある。  
【００３５】
本発明の実施形態によれば、図８（ｃ）に表すように、ＡＳＥ光が抑制できる。このため、光学系の損傷やセンシングなどにおける光学特性の低下が抑制されたファイバレーザ装置が提供される。
【００３６】
図９（ａ）はファイバレーザ装置を用いた光応答装置の構成を示す模式図、図９（ｂ）は発振タイミングモニタ出力の波形図、図９（ｃ）は受信信号の波形図、である。
センシング用途に用いる光応答装置では、パルスレーザー光（λ４）は、まずサンプリングミラー５０により２つに分岐される。一方のパルスレーザー光は、送信光学系５２を経由して空間に放出される。被測定物５４からの反射光は、受信光学系５６を経由して、受信検知器５８に入射する。他方のパルスレーザー光は、サンプリングミラー５０で分岐されたのち、発振タイミングモニタ用検知器６０に入射する。
【００３７】
もしファイバレーザ装置から、図９（ｂ）に表すように、ＡＳＥ光が放出され続けていると、検知すべきパルスレーザー光（信号）にＡＳＥ光が雑音成分となり、Ｓ／Ｎ（信号・雑音）比に劣化を生じる。また、発振タイミングモニタ用検知器６０により検知信号にもＡＳＥ光が雑音成分として含まれる。このため、図９（ｃ）に表すように、被測定物５４までの距離に応じた時間ｔ２０からの時間遅れｔｄを精度よく測定することが困難となる。
【００３８】
これに対して、本実施形態にかかるファイバレーザ装置を用いた光応答装置では、所望のパルスレーザー光のパルス列が放出されない非放出期間にＡＳＥの放出が抑制できる。このため、センシング精度を高めることが容易となる。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
５  ファイバレーザ装置、１０  第１の光源（シード光源）、１２  第２の光源、１６  第３の光源（第１励起光源）、１７  第４の光源（第２励起光源）、２０  第１のポラライザ、２２  偏光保持ファイバ、２４  第２のポラライザ、７０  波長変換ユニット（光パラメトリック発振器）、７２  非線形光学結晶、７４ａ、７４ｂ  共振器ミラー、ｔｐ１  放出期間、ｔｐ２  非放出期間
【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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