(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー活性物質を含むコアを有し、前記レーザー活性物質が励起されることにより少なくとも一端からレーザー光を出力する光ファイバーと、
前記レーザー活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、
前記励起光を前記光ファイバーに導入するための励起光導入部材とを備えたレーザー装置において、
前記励起光導入部材は互いに対向する対向面を有する円盤状であり、前記励起光導入部材に入射された前記励起光は前記対向面で反射を繰り返しながら前記励起光導入部材の周方向に進行すると共に、前記励起光の少なくとも一部はその進路を前記励起光導入部材の内側方向に進行させるような進行制御手段によって前記励起光導入部材の内側方向に屈曲されながら進行して励起光分布領域を形成し、
前記光ファイバーはその側面の少なくとも一部が前記励起光分布領域における前記対向面の少なくとも一方と直接又は光学媒質を介して間接的に接触するように配置されており、その接触した部分を通じて前記光ファイバーの側面より入射される前記励起光により前記レーザー活性物質が励起されることを特徴とするレーザー装置。
【請求項２】
前記進行制御手段は前記対向面間の厚さの変化により形成されている請求項１記載のレーザー装置。
【請求項３】
レーザー活性物質を含むコアを有し、前記レーザー活性物質が励起されることにより少なくとも一端からレーザー光を出力する光ファイバーと、
前記レーザー活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、
前記励起光を前記光ファイバーに導入するための励起光導入部材とを備えたレーザー装置において、
前記励起光導入部材は互いに対向する対向面を有する円盤状であり、前記励起光導入部材に入射された前記励起光は前記対向面で反射を繰り返しながら前記励起光導入部材を周回して励起光分布領域を形成し、
前記励起光分布領域には励起光を前記励起光導入部材の内側方向に屈曲させるため前記対向面間の距離が前記励起光導入部材の内側に向かって拡大する拡厚部が形成されており、
前記光ファイバーはその側面の少なくとも一部が前記励起光分布領域における前記対向面の少なくとも一方と直接又は光学媒質を介して間接的に接触するように配置されており、その接触した部分を通じて前記光ファイバーの側面より入射される前記励起光により前記レーザー活性物質が励起されることを特徴とするレーザー装置。
【請求項４】
前記励起光導入部材は前記対向面間の距離が前記励起光導入部材の中心に向かって連続的に拡大する形状を有する請求項３記載のレーザー装置。
【請求項５】
前記励起光導入部材は前記対向面間の距離が前記励起光導入部材の中心に向かって連続的に拡大する凸レンズ形状を有する請求項４記載のレーザー装置。
【請求項６】
前記光ファイバーは前記励起光分布領域における前記対向面の少なくとも一方に巻回された状態で配置されている請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザー装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載されたレーザー装置と、前記レーザー装置の光ファイバーの少なくとも一端より出力されるレーザー光を被加工対象に集光する集光光学系とを備えたレーザー加工装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載されたレーザー装置を備え、前記光ファイバーの一端を信号光の入力端とし、他端を増幅光の出力端とする光信号増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー装置並びにこれを用いたレーザー加工装置及び光信号増幅装置に係り、特に、光ファイバー内部に含まれるレーザー活性物質に励起光を供給することによりレーザー発振を行うレーザー装置並びにこのようなレーザー装置を用いたレーザー加工装置及び光信号増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光通信、レーザー加工等の技術分野においては、高出力で小型のレーザー装置の開発が望まれている。この要請を満たせる可能性が高いものとして、レーザー活性イオン、色素又はその他の発光中心（以下、レーザー活性物質という）がドープされたコアの周りに励起光を導光するためのクラッドが形成された光ファイバーを用いたレーザー装置が知られている。
このようなレーザー装置において、レーザー光の高出力化、高効率化を実現するためには、レーザー活性物質がドープされたコアに効率よく励起光を導入し、吸収させる必要がある。しかし、径の小さな光ファイバーの端部から効率よく励起光を導入するのは困難である。
【０００３】
これを克服するものとして、特開平１１−２８４２５５号には、図２２に示されるように、励起光を閉じ込める円柱又は円筒形状の励起光導入部材８２の円周面に光ファイバー８４が巻回されたレーザー装置８０が開示されている。このようなレーザー装置８０において、励起光導入部材８２にその軸方向の一端面より導入された励起光は、図２３に示されるように、円周面で全反射を繰り返しながら螺旋形状の光路を描いて軸方向に進行し、閉じ込められる。そして、この励起光は、光ファイバー８４が巻回されている円周面に達すると、この円柱面に巻回されている光ファイバー８４の側面より内部に導入される。このようなレーザー装置８０によれば、励起光は光ファイバー８２の端面よりはるかに面積の広い側面から導入されるので、励起光が端面から導入される場合に比べ、励起光の導入の効率を高めることが可能になる。
【０００４】
また、上記のような励起光導入部材を用いたレーザー装置の出力、効率を維持しつつ装置の小型化を図るため、図２４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材９２として上下面が平面である薄円盤形状のものを用い、この平面上に巻回された光ファイバー９４が配置されているレーザー装置９０も提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような薄円盤形状の励起光導入部材９２に励起光を閉じ込めようとする場合、励起光導入部材９２の上下面又は側面（円周面）に反射膜を形成することが考えられる。しかし、反射膜を用いると反射膜により励起光の一部が吸収され、反射に伴う励起光の損失が避けられないといった問題がある。特に、励起光導入部材９２の上下面に反射膜を形成する場合、上下面での反射回数が多くなるため、反射面での吸収による励起光の損失が大きくなってしまう。また、励起光導入部材９２の側面にのみ反射膜を形成すれば、反射に伴う励起光の損失は低減されるが、そもそも、薄板形状の励起光導入部材９２の側面にのみ反射膜を形成することは困難である。
【０００６】
そこで、励起光導入部材９２を薄円盤形状に形成する場合、励起光導入部材９２と外界（空気）との境界面における全反射により励起光を励起光導入部材９２に閉じ込めることが考えられる。
しかし、全反射により励起光の閉じ込めを行おうとする場合、励起光導入部材９２の屈折率が外界の空気の屈折率より高いという条件に加え、励起光導入部材９２内の励起光の光路全体にわたって境界面に対する入射角を所定の臨界角以上に保たなければならないという条件を満たさなければならない。そして、薄板形状の励起光導入部材９２でこのような条件を満たそうとする場合、励起光導入部材９２内で励起光が分布する範囲が制限され、また励起光の入射位置や入射角度の調整が困難になるといった問題がある。
【０００７】
例えば、図２４に示されるレーザー装置の励起光導入部材に全反射により励起光を閉じ込めようとする場合、励起光を平面の周縁部近傍の位置から側面に沿った方向から入射する必要がある。そして、この励起光は、図２５（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材９２の平面間で全反射を繰り返しながら直進し、励起光導入部材９２の側面で全反射されるということが繰り返される必要がある。
図２６（Ａ）、（Ｂ）は、直径１１０ｍｍ、厚さ３．５ｍｍ、上下面が平面である円盤形状の石英ガラス製励起光導入部材９２に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図である。励起光は平面の中心から５０ｍｍの位置に設けられた三角プリズム９６を介して、側面の接線方向と平行方向から、平面と励起光のなす角度が４５°となるように入射されている。光路上の黒点は上下面での反射位置を示す。
図２６（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材９２に導入された励起光は、励起光導入部材９２の周縁部近傍にのみ分布し、中心部近傍には分布していない。このため光ファイバーを配置する位置が周縁部に限定されてしまい、設計上の自由度を減少させる。
【０００８】
また、励起光は平面の周縁部近傍の狭い領域に配置されている光ファイバー９４からしか導入されないので、励起光導入の効率が悪くなり、高出力のレーザー光を得ることができなくなる。このような場合、励起光導入部材９２の径を大きく設定することにより励起光導入の効率を高めることが考えられるが、これではレーザー装置９０の小型化を図ることができない。
さらに、励起光は励起光導入部材９２の平面及び側面で反射されているが、励起光の一部は側面では全反射されず、励起光導入部材９２の外部に飛び出てしまっている。この場合、側面での全反射条件を満たそうとすると、励起光の入射位置や入射角度の調整が困難になると伴に、レーザー装置の設計上の自由度を減少させる。
【０００９】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、小型で高出力のレーザー光を得ることが可能であり、しかも設計上の自由度の高いレーザー装置並びにこのようなレーザー装置を用いたレーザー加工装置及び光信号増幅装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係るレーザー装置は以下のような内容を有する。まず、請求項１の発明は、レーザー活性物質を含むコアを有し、レーザー活性物質が励起されることにより少なくとも一端からレーザー光を出力する光ファイバーと、レーザー活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、励起光を光ファイバーに導入するための励起光導入部材とを備え、励起光導入部材は互いに対向する対向面を有する円盤状であり、励起光導入部材に入射された励起光は対向面で反射を繰り返しながら励起光導入部材の周方向に進行すると共に、励起光の少なくとも一部はその進路を励起光導入部材の内側方向に進行させるような進行制御手段によって励起光導入部材の内側方向に屈曲されながら進行して励起光分布領域を形成し、光ファイバーはその側面の少なくとも一部が励起光分布領域における対向面の少なくとも一方と直接又は光学媒質を介して間接的に接触するように配置されており、その接触した部分を通じて光ファイバーの側面より入射される励起光によりレーザー活性物質が励起されることを特徴とするレーザー装置である。
【００１１】
本発明においては、励起光源で発生された励起光は励起光導入部材に入射される。この励起光は励起光導入部材の対向面の間で反射を繰り返しながら、励起光導入部材の周方向に進行する。そして、この励起光は進行制御手段により励起光導入部材の内側方向に屈曲されながら進行して、励起光分布領域を形成する。従って、本発明では、励起光分布領域を励起光導入部材の内側方向にまで広く形成することが可能になる。
この励起光が励起光分布領域における対向面の光ファイバーが配置された部分に達すると、励起光はその側面より光ファイバー内に導入される。そして、この励起光はコアにドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は光ファイバー内を伝わって端部より出力される。
【００１２】
このように、本発明によれば、励起光分布領域をその励起光導入部材の内側方向にまで広く形成することができるので、光ファイバーを対向面の広い領域の任意の範囲に配置することが可能になり、光ファイバーの配置に関する自由度を増大することが可能になる。また、この広い領域に渡って配置された光ファイバーに励起光を導入することが可能になるので、薄板状の励起光導入部材を用いた場合でも高出力のレーザー装置を提供することが可能になる。
また、励起光導入部材に導入された励起光は、励起光分布領域の内側に屈曲されているので、全反射により励起光を閉じ込めるためには励起光導入部材の側面で反射させることは必ずしも必要なくなる。また、励起光が側面で反射される場合を想定しても、励起光の光路を励起光分布領域の内側に屈曲させることにより、側面に対する入射角を全反射条件である臨界角より大きくすることが容易になる。従って、励起光の入射位置や入射角度等の調整が容易になると伴に、レーザー装置の設計上の自由度を増大させることが可能になる。
さらに、本発明のレーザー装置によれば、光ファイバーは励起光分布領域における対向面に配置されているので、光ファイバーが円柱形状の励起光導入部材の側面に巻回されている従来のレーザー装置とは異なり、対向面間の距離（厚さ）を小さくすることができる。従って、レーザー光の出力を維持しつつ、装置の小型化を図ることが可能になる。
請求項２の発明は、前記進行制御手段は前記対向面間の厚さの変化により形成されている請求項１記載のレーザー装置である。本発明によれば、対向面間の厚さを変化させることにより進行制御手段を構成することができるので、励起光導入部材の製造が容易になる。
【００１３】
請求項３の発明は、レーザー活性物質を含むコアを有し、レーザー活性物質が励起されることにより少なくとも一端からレーザー光を出力する光ファイバーと、レーザー活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、励起光を前記光ファイバーに導入するための励起光導入部材とを備え、励起光導入部材は互いに対向する対向面を有する円盤状であり、励起光導入部材に入射された励起光は対向面で反射を繰り返しながら励起光導入部材を周回して励起光分布領域を形成し、励起光分布領域には励起光を励起光導入部材の内側方向に屈曲させるため対向面間の距離が励起光導入部材の内側に向かって拡大する拡厚部が形成されており、光ファイバーはその側面の少なくとも一部が励起光分布領域における対向面の少なくとも一方と直接又は光学媒質を介して間接的に接触するように配置されており、その接触した部分を通じて光ファイバーの側面より入射される励起光によりレーザー活性物質が励起されることを特徴とするレーザー装置である。本発明によれば、励起光は励起光導入部材の対向面の間で反射を繰り返しながら、励起光導入部材を周回して励起光分布領域を形成する。この励起光は、対向面間の距離が励起光導入部材の内側に向かって拡大する拡厚部により励起光導入部材の内側方向に屈曲されながら進行する。従って、請求項１のレーザー装置と同一の効果を得ることが可能になる。
【００１４】
請求項４の発明は、励起光導入部材は対向面間の距離が励起光導入部材の中心に向かって連続的に拡大する形状を有する請求項３記載のレーザー装置である。本発明によれば、励起光導入部材を、平凸レンズ形状、両凸レンズ形状、メニスカスレンズ形状、円錐形状等の各種の形状に形成することが可能になる。
請求項５の発明は、励起光導入部材は対向面間の距離が励起光導入部材の中心に向かって連続的に拡大する凸レンズ形状を有する請求項４記載のレーザー装置である。本発明によれば、励起光導入部材として製造、配置、取扱の容易な平凸レンズ形状や両凸レンズ形状を有するものを用いることが可能になる。
請求項６の発明は、光ファイバーは励起光分布領域における対向面の少なくとも一方に巻回された状態で配置されている請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザー装置である。本発明によれば、励起光分布領域に光ファイバーを高密度で配置することが可能になり、光ファイバーに対する励起光の導入を効率的に行うことが可能になる。また、対向面間の距離が増大する部分に光ファイバーを高密度かつ安定した状態で巻回することが可能になる。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載されたレーザー装置と、レーザー装置の光ファイバーの少なくとも一端より出力されるレーザー光を被加工対象に集光する集光光学系とを備えたレーザー加工装置である。本発明によれば、小型で高出力のレーザー装置を用いてレーザー加工装置を構成することが可能になる。
請求項８の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載されたレーザー装置を備え、前記光ファイバーの一端を信号光の入力端とし、他端を増幅光の出力端とする光信号増幅装置である。本発明によれば、小型で高出力のレーザー装置を用いて光信号増幅装置を構成することが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係るレーザー装置を示す図である。このレーザー装置１０は、レーザー活性物質の誘導放出効果を利用した光の発振装置又は光の増幅装置であり、レーザー加工、光通信、レーザー計測等で用いられる。
このレーザー装置１０は、レーザー活性物質を含むコアを有し、このレーザー活性物質が励起されると端部よりレーザー光を発する光ファイバー１２と、レーザー活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源１４と、励起光を光ファイバー１２に導入するための励起光導入部材１６とを備えている。
【００１７】
励起光導入部材１６としては、図１及び図２に示されるように、一面が平面１６ｂでこの平面１６ｂに対向する面が凸面１６ａであり、中心を通る回転軸の周りに回転対象な形状を有する円盤状の平凸レンズ形状の透明体が用いられる。励起光導入部材１６として、対向面の一面が平面１６ｂとなっているものを用いることにより、励起光導入部材を安定して設置することが可能になると伴に、放熱器等の付属品を設けることが容易になる。また、励起光導入部材１６を中心を通る回転軸の周りに回転対称な形状とすることにより、設計や光ファイバーの配置が容易となると伴に、装置の小型化を図ることが可能になる。
このような励起光導入部材１６では、凸面１６ａが励起光を励起光導入部材の内側に屈曲させる進行制御手段として作用することになる。
この励起光導入部材１６は、石英ガラス等の光学ガラス、光学樹脂、光学結晶等の光学材料で形成することができる。通常、光ファイバー１２との屈折率、熱膨張率のマッチングを考慮し、光ファイバー１２のクラッドと同一材料で形成される。
【００１８】
励起光導入部材１６の凸面１６ａの形状は、励起光導入部材１６に導入された励起光を中心方向に屈曲することができるものであれば特に限定されず、球面の一部、放物面、双曲面等が用いられる。また、この凸面１６ａと平面１６ｂの間の間隔は、励起光導入部材１６内での光路を減少させ、励起光を高密度で閉じ込めるため、必要な機械的強度を保てる範囲でできるだけ小さく設定される。
このような励起光導入部材１６には、図３（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、製造に必要な光学材料を低減し、熱放散性を向上させるため、光路とならない中央部に空間部１６ｃを形成してもよい。
【００１９】
上記のような励起光導入部材１６の周縁部近傍より励起光を導入すると、励起光は、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、平面１６ｂと凸面１６ａで反射を繰り返しながら励起光導入部材１６の周方向に進行する。そして、凸面で反射されるときに、励起光導入部材の中心方向に屈曲される。その結果、励起光は導入部材の周縁部近傍から中心部近傍の範囲でドーナツ形状を有する励起光分布領域内に分布することになる。
この励起光分布領域における凸面１６ａには、光ファイバー１２が、側面どうしが間隙なく密着する渦巻き状に巻回されている。この光ファイバー１２の巻回は、例えば、図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材１６の凸面１６ａの中心に仮立設された円筒１８に光ファイバー１２の巻き始めの一端を固定し、これを中心として光ファイバー１２を側面どうしが密着するよう順次外周方向に巻き付け、他端をレーザー光の出力端１２ａとして外部に引き出すことにより行われる。円筒１８は、巻き付けが行われた後、励起光導入部材１６より取り外される。このように、光ファイバー１２が間隙なく巻回されることにより、励起光導入部材１６上にコアを高密度に配置させることができ、励起光を光ファイバー１２に効率的に導入することが可能になる。
上記の方法で巻回された光ファイバー１２は、励起光導入部材１６からの励起光の導入を妨げないよう、励起光導入部材１６と同一又は近い屈折率を有する光学樹脂や低融点ガラス等の光学媒質による接着、炭酸ガスレーザー等を用いた溶融等の方法で凸面１６ａに固定される。
【００２０】
また、図５に示されるように、凸面１６ａに巻回された光ファイバー１２を覆うように光学媒質層２０を形成してもよい。このような光学媒質層２０として励起光導入部材１６と同一又は近い屈折率を有するものを用いれば、光ファイバー１２を固定するだけではなく、この光学媒質層２０を介して励起光を光ファイバー１２に導入することが可能になると共に、光ファイバー１２が外界の影響を受けにくくなり縦モードの周波数の安定化も図れる。
このような光ファイバー１２としては、レーザー活性物質がドープされているコアの周りに励起光をコアに導くためのクラッドが形成されているレーザーファイバーが用いられる。このレーザー活性物質は励起光による誘導放出効果によりレーザー光を発生する物質であり、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素等からレーザー装置の用途等に応じて適宜選択される。例えば、１．５５μｍ帯の信号光の増幅を行う場合には、この波長帯での光の増幅が可能なエルビウムが好適に用いられる。
【００２１】
この光ファイバー１２の材質は、石英ガラス、リン酸塩系ガラス等のガラスや、プラスチック等の光学材料からレーザー装置の用途に応じて選択される。例えば、高輝度動作を行う場合、レーザー光耐性の高い石英ガラスが用いられる。
この光ファイバー１２の断面形状は、クラッドに入射された励起光をコアに効率的に導入できるものであれば特に限定されず、円形、矩形、多角形、楕円等から適宜選択される。
励起光導入部材１６の中心側に固定されている光ファイバー１２の一端は破断面でもよいが、通常、光の反射時における損失を低減するため、レーザー光の反射率を高くするよう平面研磨されているか、又はレーザー光の反射率が１００％に近い回折格子や反射膜等の反射手段が設けられている。また、外部に引き出された出力端１２ａはレーザー光の取り出しが可能な垂直な破断面とされている。
また、励起光導入部材１６に巻回された光ファイバー１２の一端を信号入力端とし、他端を出力端とする場合や、両端を出力端とする場合は、図６に示されるように、両端１２ａ、１２ｂともに垂直破断した面とし、励起光導入部材１６に固定せず、外部に引き出される。
【００２２】
この光ファイバー１２のコア径は、レーザー装置の用途等に応じて適宜設定することが可能であり、例えば、コア径を小さく設定すれば、レーザー光密度を上げることができる。また、光ファイバー１２としては、径が一定以上に設定されており、複数のモード光を導くマルチモードファイバーを使用することもできるが、微細な加工を行うレーザー加工装置や信号光の増幅を行う信号増幅装置として用いる場合は、径が一定以下に設定されており単一の基本モード光のみを導くシングルモードファイバーが用いられる。
また、光ファイバー１２としては、レーザー活性物質がドープされたコアの周りに励起光を導入するための第１クラッドが形成され、さらにこの第１クラッドの周りに励起光を第１クラッドに閉じ込めるための第２クラッドが形成されている二重クラッド構造の光ファイバーを用いることも可能である。この場合、コアに対する励起光の吸収効率を向上させるため第１クラッドの断面が矩形に形成されたものを用いることが好ましい。
【００２３】
また、光ファイバー１２は励起光導入部材１６の平面１６ｂ又は両面１６ａ、１６ｂに巻回されてもよく、また、図７に示されるように、複数層に巻回されていてもよい。さらに、必要に応じ１本の光ファイバーのみでなく、複数本の光ファイバーが巻回されていてもよい。また、励起光導入部材１６に光ファイバー１２を配置する方法としては、光ファイバー１２を巻回することに限定されるものではなく、図８に示されるように、光ファイバー１２が繰り返し折り返された状態で配置することも可能である。
励起光導入部材１６の平面１６ｂの周縁部近傍には、励起光源１４で発せられた励起光を励起光導入部材１６に導入するための三角柱状のプリズム２２が設けられている。このプリズム２２は互いに平行な面である両側面を除く三面のうち、一面を入射面とし、他の一面が励起光導入部材１６の平面１６ｂに密着された状態で固定されている。
【００２４】
プリズム２２が設けられる位置は平面１６ｂに限定されるものではなく、凸面１６ａや側面に設けることも可能である。また、励起光源１４で発せられた励起光を励起光導入部材１６に導入するための手段としては、上述のプリズム２２の他に、励起光導入部材１６に形成された溝や、回折格子等を用いることができる。また、励起光の漏れを低減するため、励起光源１４で発せられた励起光を導く光ファイバー１４ａを直接励起光導入部材１６に融着接合することも可能である。
励起光源１４は、光ファイバー１２のコアにドープされているレーザー活性物質を励起させる波長の励起光を発することができるものであれば特に限定はされず、通常、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）等の半導体素子やフラッシュランプ等のランプ等が用いられる。特に、集光性や励起光の発生効率に優れた半導体素子を用いることが好ましい。この励起光源１４より発生された励起光は光ファイバー１４ａを通じて励起光導入部材１６に設けられたプリズム２２の入射面に導かれる。励起光導入部材１６内での励起光密度を高くしようとする場合、励起光源１４を複数設け、各々の励起光源１４からの励起光を複数の個所から励起光導入部材１６に導入するようにしてもよい。
【００２５】
以下、上記のレーザー装置１０の作用について説明する。
励起光源１４で発生された励起光は光ファイバー１４ａを介して励起光導入部材１６の平面１６ｂの周縁部近傍に設けられたプリズム２２に導かれ、このプリズム２２により所定角度で励起光導入部材１６内に導入される。
この励起光は、図９（Ｂ）に示されるように励起光導入部材１６の凸面１６ａと平面１６ｂで全反射を繰り返しながら進行するが、凸面１６ａで全反射される際には図９（Ａ）に示されるようにその進路が対向面の中心方向に屈曲される。
【００２６】
図１０（Ａ）、（Ｂ）は、直径１１０ｍｍ、周縁部の厚さ３．５ｍｍ、凸面の曲率半径５００ｍｍである石英ガラス製の平凸レンズ形状の励起光導入部材１６に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図である。励起光は平面の中心から５０ｍｍの位置に設けられた一辺３ｍｍの三角プリズム２２を介して、外周の接線方向と平行方向で、平面１６ｂと励起光のなす角度が４５°となるように入射されている。光路上の黒点は凸面１６ａ及び平面１６ｂでの反射位置を示す。
この場合、励起光は、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、平面１６ｂ及び凸面１６ａでの反射を繰り返しながら、励起光導入部材１６の中心方向に屈曲されて進行している。その結果、励起光導入部材１６の励起光分布領域は周縁部近傍から中心部近傍の広い範囲に渡って形成されたドーナツ形状を有している。
【００２７】
この励起光が、凸面１６ａの光ファイバー１２が巻回されている部分に達すると、励起光は光ファイバー１２の側面よりクラッド内に導入される。このように、励起光を光ファイバー１２の側面から導入することにより、励起光が端面から導入される場合に比べ、励起光の導入の効率を高めることが可能になる。
光ファイバー１２に導入された励起光はコアにドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は光ファイバー１２内を伝わって出力端１２ａより放出される。
【００２８】
このように、本発明においては、励起光導入部材１６の励起光分布領域は周縁部近傍から中心部近傍に渡って広い範囲で存在しているため、この広い領域の任意の範囲で光ファイバーを巻回することができる。その結果、光ファイバーの巻回可能な範囲が励起光導入部材の周縁部に限定される従来のレーザー装置と比べ、光ファイバー１２の巻回可能な範囲を広げることが可能になる。
また、広い範囲に渡って巻回された光ファイバー１２に励起光を導入することが可能になるので、光ファイバー１２に対する励起光の導入を効率的に行うことができ、その結果、薄板状の励起光導入部材１６を用いた場合でも高出力のレーザー装置を提供することが可能になる。
さらに、励起光導入部材１６に導入された励起光は、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材１６の中心方向に屈曲されているので、側面で反射されることがない。仮に励起光が側面で反射される場合を想定しても、励起光は励起光導入部材１６の中心方向に屈曲されているので、側面に対する励起光の入射角を全反射条件である臨界角より大きくすることが容易である。従って、励起光の入射位置や入射角度等の調整が容易になると伴に、レーザー装置の設計上の自由度を増大させることが可能になる。
【００２９】
次に、本発明の他の実施例について説明する。尚、以下の説明においては、上述した部材と同一のものについては同一の参照番号を付し、詳細な説明は省略する。
図１１は、本発明の他の実施の形態で用いられる励起光導入部材３０を示す断面図である。
この励起光導入部材３０は、一面が平面３０ｂで、この平面３０ｂに対向する面に２つの凸部３０ａが連続して形成されている円盤形状を有している。このような励起光導入部材３０では凸面３０ａが進行制御手段として作用する。
このような励起光導入部材３０の厚さδは、最大厚Ｔ，凹凸高さＨ、直径Ｄ、中心からの距離ｒとすると下記の式により表される。
【数１】
0004287007.tif 000002
図１２（Ａ）、（Ｂ）は、最大厚Ｔ４．５ｍｍ，凹凸高さＨ４．０ｍｍ、直径Ｄ１１０ｍｍである石英ガラス製の励起光導入部材３０に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図である。励起光は平面３０ｂの中心から５０ｍｍの位置に設けられた一辺３ｍｍの三角プリズムを介して、側面の接線方向と平行方向で、平面３０ｂと励起光のなす角度が４５°となるように入射されている。
【００３０】
図１２（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材３０に導入された励起光は平面３０ｂ及び凸面３０ａでの反射を繰り返しながら、励起光導入部材３０の中心方向に屈曲されて進行している。その結果、励起光導入部材３０の励起光分布領域は周縁部近傍から中心部近傍の広い範囲に渡って存在するドーナツ形状を有している。
従って、この広い領域の任意の範囲で光ファイバーを巻回することができるので、光ファイバー１２の巻回位置の制限を緩和することが可能になる。
また、広い範囲に渡って巻回された光ファイバー１２に励起光を導入することが可能になるので、光ファイバー１２に対する励起光の導入を効率的に行うことができ、その結果、薄板状の励起光導入部材３０を用いた場合でも高出力のレーザー装置を提供することが可能になる。
また、励起光導入部材３０に導入された励起光は、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材３０の中心方向に屈曲され、側面で反射されることがない。仮に励起光が側面で反射される場合を想定しても、励起光の光路を中心方向に屈曲させることにより、側面に対する入射角を全反射条件である臨界角より大きくすることが容易になる。従って、励起光の入射位置や入射角度等のレーザー装置の設計上の自由度を増大させることが可能になる。
【００３１】
図１３は本発明の他の実施の形態で用いられる励起光導入部材４０を示す断面図である。
この励起光導入部材４０は、一面が平面４０ｂで、この平面４０ｂに対向する面が平面に向かって凸な略円錐面で形成された凸面４０ａである略円錐形状を有している。このような励起光導入部材４０では、凸面４０ａが進行制御手段として作用する。
このような励起光導入部材の厚さδは、最大厚Ｔ，凹凸高さＨ、直径Ｄ、中心からの距離ｒとすると下記の式により表される。
【数２】
0004287007.tif 000003
図１４（Ａ）、（Ｂ）は、最大厚Ｔ６．０ｍｍ，凹凸高さＨ５．５ｍｍ、直径Ｄ２００ｍｍである石英ガラス製の励起光導入部材４０に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図である。励起光は平面４０ｂの中心から５０ｍｍの位置に設けられた一辺３ｍｍの三角プリズムを介して、側面の接線方向と平行方向で、平面と励起光のなす角度が４５°となるように入射されている。
図１４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、上述の励起光導入部材４０に導入された励起光は平面４０ｂ及び凸面４０ａでの反射を繰り返しながら、励起光導入部材４０の中心方向に屈曲されて進行している。その結果、励起光導入部材４０の励起光分布領域は中心部近傍の広い範囲において形成されたドーナツ形状を有している。
【００３２】
従って、この広い領域の任意の範囲で光ファイバーを巻回することができ、光ファイバー１２の巻回位置の制限を緩和することが可能になる。
また、広い範囲に渡って巻回された光ファイバー１２に励起光を導入することが可能になるので、光ファイバー１２に対する励起光の導入を効率的に行うことができ、その結果、薄板状の励起光導入部材４０を用いた場合でも高出力のレーザー装置を提供することが可能になる
また、励起光導入部材４０に導入された励起光は、図１４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、側面で反射されることがない。また、仮に、励起光が側面で反射される場合を想定しても、励起光は励起光導入部材４０の中心方向に屈曲されているので、側面に対する励起光の入射角を全反射条件である臨界角より大きくするのが容易である。従って、励起光の入射位置や入射角度等の調整が容易になると伴に、レーザー装置の設計上の自由度を増大させることが可能になる。
【００３３】
以上の説明から明らかなように、励起光導入部材としては、励起光導入部材の内側、即ち中心方向に向かって厚さが拡大する部分を有し、励起光をその直進方向より励起光導入部材の内側に屈曲させることが可能なものであれば、特に限定されない。例えば、励起光導入部材５０として、図１５に示されるような一面が凸面でこの凸面に対向する面が凹面であるメニスカスレンズ形状を有するもの、図１６に示されるような一面が平面でこの平面に対向する凸面が円錐形状を有するもの、図１７に示されるような一面が平面でこの平面に対向する面が円錐面と曲面が混合する形状を有するもの、図１８に示されるような対向する面が両方とも凸面となっている両凸レンズ形状を有するもの又は図１９に示されるような平板の一部に凸面が形成されたもの等を用いることが可能である。
また、他の励起光導入部材６０として、図２０に示されるように、一面が平面６０ｂであり、対向する面６０ａに垂直面と曲面とからなる溝部６０ｃが形成されているフレネルレンズ形状を有するものを用いることも可能である。この場合、光ファイバー１２は平面６０ｂに巻回されているが、溝部６０ｃを渦巻き状に形成し、光ファイバー１２をこの溝部に巻回するようにしてもよい。
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更を加えることが可能である。
例えば、上述した実施の形態では、励起光導入部材と外界（空気）との屈折率の差による全反射により励起光を閉じ込める場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、励起光導入部材に反射率の高い反射コートを施し、この反射コートにより励起光の閉じ込めを行なってもよい。
また、上述した実施の形態では、励起光導入部材における対向面間の距離（厚さ）の変化によって励起光の光路を制御する進行制御手段を構成したが、対向面間の距離の変化に替え又はこれとともに、励起光導入部材に屈折率分布を形成することにより進行制御手段を構成することも可能である。このような屈折率分布は、例えば、励起光導入部材の所定領域にドープ材を添加することにより形成することができる。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
実施例１
図１に示されるレーザー装置１０を用いてレーザー光発振及びレーザー加工を行った。
励起光導入部材１６として、直径１１０ｍｍ、周縁部の厚さ３．５ｍｍ、凸部の曲率半径５００ｍｍである石英ガラス製の円盤平凸レンズ形状のものが用いられた。
この励起光導入部材１６の平面１６ｂの中心から５０ｍｍの位置に一辺３ｍｍの三角プリズム２２が設けられた。
励起光導入部材１６の凸面１６ａの内半径３２ｍｍ、外半径５２ｍｍの範囲に光ファイバー１２が側面どうしが間隙なく密着する渦巻き状に巻回された。この巻回は、図４に示されるように、励起光導入部材１６の中心に仮立設された外半径３２ｍｍのテフロン製の円筒１８を用い、光ファイバー１２の巻き始めの一端を円筒１８に固定し、これを中心として順次外周方向に巻き付けるようにして行われた。光ファイバーが巻回された後、この円筒１８は取り外された。
光ファイバー１２の巻き終わり側の他端はレーザー光の出力端１２ａとして外部に引き出された。このように巻回された光ファイバー１２は、硬化後の屈折率が１．４２である紫外線硬化型接着材により励起光導入部材１６に固定された。
【００３５】
光ファイバー１２として、クラッド径１２５μｍ、コア径約５０μｍであり、コアには０．５ａｔ％の濃度でネオジムイオン（Ｎｄ３+）がドープされている石英ガラス製ファイバーが用いられた。この光ファイバー１２の中心側に固定された一端は平面研磨された後、レーザー発振波長１．０６μｍにおいて反射率が９８％以上である多層膜コートが施され、外部に引き出された出力端１２ａはレーザー発振波長１．０６μｍにおいて反射率が４％程度の破断面とされた。
励起光源１４としては、発振波長０．８μｍ、出力３０Ｗの励起光を直径６００μｍの光ファイバー１４ａで出力するファイバーカップル型半導体レーザー装置が用いられた。
この光ファイバー１４ａを励起光導入部材に設けられたプリズム２２に近接させ、励起光を外周の接線方向と平行方向で、平面１６ｂと励起光のなす角度が４５°となるように励起光導入部材１６内に導入した。その結果、励起光導入部材１６に巻回された光ファイバー１２の出力端１２ａから波長１．０６μｍ、レーザー出力１１Ｗの良好な出力レーザー光が得られた。
また、図２１に示されるように、レーザー装置１０にレーザー光を集光する焦点距離２５ｍｍのメニスカスレンズ１５を設けてレーザー加工装置７０を構成したところ、直径１５０μｍ以内に９０％以上のエネルギーを集光できた。この場合、出力レーザー光の集光径はレーザー出力や熱の状態によらず常に安定であった。
【００３６】
実施例２
図６に示されるレーザー装置を用いて光信号増幅を行った。
レーザー装置としては、光ファイバー１２としてコア径８μｍのものが用いられ、励起光導入部材１６に巻回された光ファイバー１２の両端部１２ａ，１２ｂが垂直破断面とされた点を除き、実施例１と同一のものが用いられた。
この光ファイバーの巻き始め側の一端１２ｂから波長１．０６μｍ、出力５００μＷの信号光を入射したところ、巻き終わり側の他端１２ａから３１０ｍＷの増幅光が出射され、２８ｄＢの利得が得られた。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、励起光導入部材に導入された励起光を励起光導入部材の内側方向に屈曲させることにより、励起光分布領域を広く形成することができる。従って、光ファイバーを広い領域の任意の範囲に配置することができ、その結果、光ファイバーの配置に関する自由度を増大することが可能になる。また、広い領域に渡って配置された光ファイバーに励起光を導入することができるので、薄板状の励起光導入部材を用いた場合でも高出力のレーザー装置を提供することが可能になる。
また、励起光導入部材に導入された励起光を励起光分布領域の内側に屈曲させることにより、励起光を全反射により励起光導入部材に閉じ込めるためには励起光を側面で反射させることは必ずしも必要なくなる。また、仮に励起光が側面で反射される場合でも、側面に対する入射角を全反射条件である臨界角より大きくすることが容易になる。従って、励起光の入射位置や入射角度等の調整が容易になると伴に、レーザー装置の設計上の自由度を増大させることが可能になる。
さらに、光ファイバーは励起光分布領域における対向面上に配置されているので、光ファイバーが円柱形状の励起光導入部材の側面に巻回されている従来のレーザー装置と比べた場合、対向面間の距離（厚さ）を小さくすることができる。従って、レーザー光の出力を維持しつつ、装置の小型化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザー装置を示す斜視図である。
【図２】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図３】励起光導入部材の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図４】光ファイバーが巻回されている状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図５】励起光導入部材に光ファイバーが配置された状態の一例を示す断面図である。
【図６】本発明に係るレーザー装置を示す斜視図である。
【図７】励起光導入部材に光ファイバーが配置された状態の一例を示す断面図である。
【図８】励起光導入部材に光ファイバーが配置された状態の一例を示す平面図である。
【図９】励起光導入部材に導入された励起光の光路を説明するための図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図１０】励起光導入部材に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図１１】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１２】励起光導入部材に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図１３】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１４】励起光導入部材に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図１５】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１６】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１７】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１８】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１９】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図２０】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図２１】本発明に係るレーザー加工装置の概略を示す図である。
【図２２】従来のレーザー装置の一例を示す斜視図である。
【図２３】従来のレーザー装置の励起光導入部材に導入された励起光の光路を示す斜視図である。
【図２４】従来のレーザー装置の一例を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。
【図２５】従来のレーザー装置の励起光導入部材に導入された励起光の光路を説明するための図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図２６】従来のレーザー装置の励起光導入部材に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１０  レーザー装置
１２  光ファイバー
１４  励起光源
１６  励起光導入部材
１６ａ  凸面
１６ｂ  平面
３０  励起光導入部材
４０  励起光導入部材
５０  励起光導入部材
６０  励起光導入部材
７０レーザー加工装置
【図１】
0004287007.tif 000004
【図２】
0004287007.tif 000005
【図３】
0004287007.tif 000006
【図４】
0004287007.tif 000007
【図５】
0004287007.tif 000008
【図６】
0004287007.tif 000009
【図７】
0004287007.tif 000010
【図８】
0004287007.tif 000011
【図９】
0004287007.tif 000012
【図１０】
0004287007.tif 000013
【図１１】
0004287007.tif 000014
【図１２】
0004287007.tif 000015
【図１３】
0004287007.tif 000016
【図１４】
0004287007.tif 000017
【図１５】
0004287007.tif 000018
【図１６】
0004287007.tif 000019
【図１７】
0004287007.tif 000020
【図１８】
0004287007.tif 000021
【図１９】
0004287007.tif 000022
【図２０】
0004287007.tif 000023
【図２１】
0004287007.tif 000024
【図２２】
0004287007.tif 000025
【図２３】
0004287007.tif 000026
【図２４】
0004287007.tif 000027
【図２５】
0004287007.tif 000028
【図２６】
0004287007.tif 000029