(57)【要約】【課題】光ファイバの長手方向に沿った励起光の吸収特性が簡単に制御でき、光ファイバの長手方向に沿った温度分布を平坦化できると共に、スキュー光線の発生を抑えることができる光ファイバレーザを提供する。【解決手段】希土類元素が添加されたコアの周囲に２層からなるクラッドを有する光ファイバ２と、その光ファイバ２の端部に接続された光結合器と、その光結合器を介してクラッドに励起光を入射する複数の光源とを備えた光ファイバレーザにおいて、光ファイバ２が励起光の吸収損失を長手方向で異ならせるように巻き回された励起部３を有するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素が添加されたコアの周囲に２層からなるクラッドを有する光ファイバと、その光ファイバの端部に接続された光結合器と、その光結合器を介して前記クラッドに励起光を入射する複数の光源とを備えた光ファイバレーザにおいて、前記光ファイバが前記励起光の吸収損失を長手方向で異ならせるように巻き回された励起部を有することを特徴とする光ファイバレーザ。
【請求項２】
前記光ファイバは、前記励起部での巻き径が前記光結合器から長手方向に沿って離れるに従い小さくなるように巻き回されている請求項１記載の光ファイバレーザ。
【請求項３】
前記光ファイバは、前記励起部の中間の巻き径を最小とし、前記励起部の中間から離れるに従い巻き径が徐々に大きくなるように巻き回されている請求項１または２記載の光ファイバレーザ。
【請求項４】
前記光ファイバは、前記巻き径が２００〜４００ｍｍの範囲となるように巻き回されている請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類添加コアとクラッドを備えた高出力の光ファイバレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工や医療用途などへの適用を目的として、より高出力で安価な光源の開発が求められている。これらの要求に対し、光ファイバレーザは、高効率でしかも高品質のレーザ光を簡単に取り出せるという理由で注目を集めている。
【０００３】
このような高出力光ファイバレーザに使用される光ファイバとして、希土類元素（Ｙｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄなど）をドープしたコアと、第１クラッドおよび第２クラッドからなるクラッドを備えたダブルクラッドファイバがある。第２クラッドの外周には、紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層が設けられる。
【０００４】
光ファイバの一端部には、励起光として、マルチモードＬＤ（半導体レーザ）などの励起光源から出射した光を入射する。第１クラッド内に集光した励起光は、光ファイバ中を伝搬し、コアの希土類添加元素を励起する。そして、励起された希土類元素から発振光がコアに伝搬し、光ファイバの他端から高出力のレーザ発振光が出射する。
【０００５】
また、第１クラッド中を伝搬する励起光は、図７（ａ）に示す子午光線（コア７２を通る光線）と、図７（ｂ）に示すスキュー光線（コア７２を通らない光線）の２種類が存在している。コア７２を通らなければ励起光が吸収されないので、吸収特性を改善するにはいかにスキュー光線をなくすかが重要である。
【０００６】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２４９３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の光ファイバでは、コアとしてＹｂ添加（ドープ）コアを用いた場合、励起光に対するレーザ発振光の光／光変換効率が約８０％で、約２０％のエネルギーが熱となる。
【０００９】
このため、従来の光ファイバでは、光ファイバレーザの高出力化に伴い、光ファイバの温度上昇、特に、光ファイバの入射端近傍の温度上昇が大きく、光ファイバの被覆層が損傷するおそれがあり、光ファイバレーザの出力が制限されるという問題がある。
【００１０】
また、従来の光ファイバレーザでは、スキュー光線の発生を抑制するために、第１クラッドの断面形状をＤ型、多角形としたり、または、エアクラッドファイバのように第１クラッドと第２クラッドとの境界が波状になる構造として改善しているが、これらの方法ではスキュー光線の抑制は不十分であった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、光ファイバレーザにおける光ファイバの温度上昇を抑えると共にスキュー光線の発生を抑制し、レーザ光の高出力化を図った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】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、希土類元素が添加されたコアの周囲に２層からなるクラッドを有する光ファイバと、その光ファイバの端部に接続された光結合器と、その光結合器を介して前記クラッドに励起光を入射する複数の光源とを備えた光ファイバレーザにおいて、前記光ファイバが前記励起光の吸収損失を長手方向で異ならせるように巻き回された励起部を有する光ファイバレーザである。
【００１３】
請求項２の発明は、前記光ファイバは、前記励起部での巻き径が前記光結合器から長手方向に沿って離れるに従い小さくなるように巻き回されている請求項１記載の光ファイバレーザである。
【００１４】
請求項３の発明は、前記光ファイバは、前記励起部の中間の巻き径を最小とし、前記励起部の中間から離れるに従い巻き径が徐々に大きくなるように巻き回されている請求項１または２記載の光ファイバレーザである。
【００１５】
請求項４の発明は、前記光ファイバは、前記巻き径が２００〜４００ｍｍの範囲となるように巻き回されている請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバレーザである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光ファイバの長手方向に沿った励起光の吸収特性が簡単に制御でき、光ファイバの長手方向に沿った温度分布を平坦化できると共に、スキュー光線の発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１８】
図１は、本発明の好適な第１の実施形態を示す光ファイバレーザの主要部の概略図である。
【００１９】
図１に示すように、第１の実施形態に係る光ファイバレーザ１は、光ファイバ２の両端部に光結合器（図示せず）を接続し、その両光結合器を介して光ファイバ２のクラッドに光源（図示せず）からの励起光を入射し、コアの希土類元素を励振させて、一方の光結合器側から高出力のレーザ発振光を出力するものであり、光結合器間の光ファイバ２を励起光の吸収損失を長手方向で異ならせるように巻き回して励起部３を形成したものである。
【００２０】
より詳細には、光ファイバレーザ１は、光ファイバ２を巻き回すための吸収特性調整用部材４を備える。吸収特性調整用部材４は、断面形状が円形であり、かつその径が吸収特性調整用部材４の長手方向（図１では上下方向）に沿って連続的に変化するよう形成され、その長手方向の中心（吸収特性調整用部材４の両端の中間）の径が小さく、両端に向かって径が大きくなるよう上下対称に、所定の曲率で形成される。
【００２１】
第１の実施形態では、吸収特性調整用部材４は、その長手方向の中心の径が２００ｍｍであり、両端の径が５００ｍｍであるものを用いた。
【００２２】
この吸収特性調整用部材４に光ファイバ２を巻き回して励起部３を形成する。このとき、光ファイバ２の両端部に接続された両光結合器から長手方向に沿って離れるにしたがって巻き径が小さくなるように、光ファイバ２を巻き回すとよい。すなわち、両光結合器間の光ファイバ２の中間の巻き径を最小とし、中間から離れるにしたがって巻き径が大きくなるよう上下対称に巻き回すとよい。
【００２３】
第１の実施形態では、励起部３の巻き径を２００〜４００ｍｍの範囲で変化させた。これは、巻き径が２００ｍｍ未満であると吸収損失が増大し、４００ｍｍを超えると光ファイバ２の両端の温度が高温となってしまうためである。
【００２４】
励起方式については、とくに限定されるものではないが、側面励起、端面励起のどちらでも採用することができる。
【００２５】
第１の実施形態に係る光ファイバレーザ１に用いる光ファイバ２は、図２に示すように、希土類元素を添加したコア２１と、コア２１の外周に形成されたクラッド２２とを備える。クラッド２２は、内側の第１クラッド２３と、外側の第２クラッド２４とから構成される。
【００２６】
コア２１は、純粋石英にＹｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄなどの希土類元素を微少量添加（ドープ）したものである。第１の実施形態では、励起光Ｌｅが波長λｅ（９１５ｎｍあるいは９７５〜９８０ｎｍ）であり、波長λ（１０３０〜１１００ｎｍ）のレーザ光Ｌを出射させるために、希土類元素としてＹｂを用いた。Ｙｂは、波長λｅの励起光Ｌの吸収と、波長λの光の増幅（誘導放出）とに適した希土類元素である。
【００２７】
また、第１の実施形態では、コア２１とクラッド２２とでＰＣＦ（フォトニッククリスタルファイバ）を構成するように、光ファイバ２の長手方向に沿って貫通する複数の空孔をハニカム状に配列してなるフォトニック結晶構造を第１クラッド２３に形成した。
【００２８】
第１の実施形態に係る光ファイバレーザ１の一例として、図３の光ファイバレーザ１を説明する。
【００２９】
図３に示すように、光ファイバレーザ１は、光源を備えてレーザ発振光Ｌを出力するための光学部３２と、その光学部３２に接続されて光源を駆動する図示しないＬＤドライバなどの駆動装置とで主に構成される。
【００３０】
光学部３２は、光ファイバ２と、その光ファイバ２の両端部近傍（後述する両光結合器３６ａ、３６ｂよりも外側）にそれぞれ設けられる光源部３３Ａ、３３Ｂとからなる。
【００３１】
光源部３３Ａは、高出力の励起光を出射するための複数個の励起用光源３４と、これら励起用光源３４にそれぞれ接続された複数本の励起用光路３５と、これら励起用光路３５にそれぞれ光学的に接続され、各励起用光源３４からの出射光を光ファイバ２に光結合する光結合器３６ａ、３６ｂとからなる。
【００３２】
各励起用光源３４としては、安価な光伝送に適したマルチモードＬＤを用いる。第１の実施形態では、一例として、波長λｅ（９１５ｎｍあるいは９７５〜９８０ｎｍ）の励起光Ｌｅを出射するマルチモードＬＤを用いた。
【００３３】
各励起用光源３４は、光源部３３Ａ、３３Ｂごとに直列接続され、これらが上述した駆動装置に接続される。各励起用光路３５としては、マルチモード光ファイバや光導波路を用いる。光結合器３６ａ、３６ｂとしては、マルチカプラや励起コンバイナを用いる。
【００３４】
光ファイバ２の両端部で、両光結合器３６ａ、３６ｂよりも内側には、光ファイバ２へ入射した励起光Ｌｅを反射励振するための光反射部３７ａ、３７ｂが設けられる。第１の実施形態では、光ファイバ２に、励起光波長に対しては透過し、発振光波長に対しては高い反射率を有するＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）を２つ形成して、光反射部３７ａ、３７ｂとした。
【００３５】
光反射部３７ｂ（光ファイバ２のレーザ発振光Ｌの出射側）となるＦＢＧは、部分的にレーザ発振光を反射するように、光反射部７７ａとなるＦＢＧとは格子間隔を異ならせて形成される。
【００３６】
両光結合器３６ａ、３６ｂ間には、図１で示した光ファイバレーザ１の主要部が設置される。すなわち、両光結合器３６ａ、３６ｂ間の光ファイバ２の中間には吸収特性調整用部材４を設置し、その吸収特性調整用部材４に光ファイバ２を巻き回して励起部３を形成する。
【００３７】
次に、第１の実施形態に係る光ファイバレーザ１の一例を説明する。
【００３８】
まず、コア２１の径が５０μｍ、コア２１におけるＹｂ濃度が１０００ｐｐｍ、第１クラッド２３の外径が６００μｍ、第２クラッド２４の外径が７００μｍの光ファイバ２を用いて、励起部３の中間の巻き径を２００ｍｍとし、巻き始め（巻き終わり）の巻き径を４００ｍｍとなるよう、光ファイバ２を吸収特性調整用部材４に巻き回して励起部３を形成し、光ファイバレーザ１を作製した。
【００３９】
第１の実施形態に係る光ファイバレーザ１では、出力が５ｋＷ以上、好ましくは１０ｋＷ以上とし、ファイバ長は３０ｍとした。
【００４０】
ここで、曲げ直径（巻き径）に対する吸収損失（＠９７５ｎｍ）を図４に示す。
【００４１】
図４に示すように、曲げ直径（巻き径）を２００ｍｍから４００ｍｍまで変化させると、吸収損失（＠９７５ｎｍ）は約０．７５ｄＢ／ｍから約０．３ｄＢ／ｍまで直線的に変化する。すなわち、巻き径を小さくすると吸収損失が大きくなり、巻き径を大きくすると吸収損失が小さくなる。
【００４２】
作製した光ファイバレーザ１の使用（動作）時の熱解析を行った。その結果を図５に示す。
【００４３】
図５では比較のために、従来例として、巻き径を３００ｍｍで一定として図２の光ファイバ２を巻き回して励起部を形成した光ファイバレーザの熱解析結果を点線で示した。
【００４４】
図５に示すように、従来例では励起光を入射する光結合器近傍（光ファイバ２の両端）のファイバ温度が高くなり、最高で２７７℃もの高温となる。また、両光結合器の中間では温度が低くなり、最高温度と最低温度との差が大きくなっている。
【００４５】
これに対して本発明は、ファイバ全長にわたって使用時の温度分布が約１７０℃以下であり、最高温度と最低温度との差が少ないフラットな温度分布となっている。従来例と比較すると、最高温度は約１０７℃もの差がある。
【００４６】
すなわち、コア２１のＹｂ濃度が約１０００ｐｐｍ、コア２１の径が約５０μｍ、第１クラッド２３の外径が約６００μｍである光ファイバ２を用い、励起部３の巻き径を２００ｍｍ〜４００ｍｍの範囲で変化させ、光ファイバ２に波長９７５〜９８０ｎｍの励起光を入射すると、光ファイバレーザ１は、出力１０ｋＷ以上で、かつ使用時のファイバ温度が光ファイバ２の全長にわたって約１７０℃以下の特性を有する。
【００４７】
次に、第１の実施形態の作用を、図３の光ファイバレーザ１の動作と共に説明する。
【００４８】
駆動装置により各励起用光源３４を駆動すると、各励起用光源３４から励起光が出射され、各光結合器３６ａ、３６ｂで光源部３３Ａ、３３Ｂ内の全励起用光源３４からの励起光が光結合され、光ファイバ２に両側方から励起光Ｌｅがそれぞれ入射される。
【００４９】
入射した励起光Ｌｅは、光結合器３６ａ、３６ｂ間の光ファイバ２を吸収特性調整用部材４に巻き回して形成した励起部３を通過する。第１の実施形態では、励起部３は、吸収特性調整用部材４に中央部での巻き径を最小とし、吸収特性調整用部材４の中央部から外側へ離れるにしたがって巻き径が大きくなるように形成している。
【００５０】
励起光Ｌｅは、コア２１に結合して希土類添加元素を励起する。励起された希土類元素からの発振光は光反射部３７ａ、３７ｂ間で励振し、高出力のレーザ発振光Ｌが生成され、そのレーザ発振光Ｌが光ファイバ２の出射端から出力される。
【００５１】
励起光Ｌｅが励起部３を通過する際、励起光Ｌｅを入射する光結合器３６ａ、３６ｂ近傍の光ファイバ２の両端では、光ファイバ２の巻き径が大きいために吸収損失が少なくなり、吸収特性調整用部材４の中央部に巻き回された光ファイバ２では、その巻き径が小さいために吸収損失が大きくなる。
【００５２】
このため、光ファイバレーザ１では、光ファイバ２の長手方向に沿った温度分布を平坦化させ、励起光Ｌｅを導入した際の発熱を光ファイバ２全長にわたって従来の光ファイバよりも低く抑えることができる。これにより、発熱による光出力の低下を抑制できる。
【００５３】
したがって、光ファイバレーザ１によれば、励起部３の光ファイバ２の巻き径を変えることで、光ファイバ２の長手方向に沿った励起光Ｌｅの吸収特性および温度分布を簡単に制御でき、レーザ発振時の発熱を制御することで、より高出力な光ファイバレーザを実現できる。
【００５４】
さらに、スキュー光線の発生の有無は巻き径、形状依存性を有することから、光ファイバ２の長手方向に沿って巻き径（曲げ形状）を異ならせることにより、第１クラッド２３を伝搬する励起光Ｌｅがコア２１に結合しやすくなり、スキュー光線の発生を抑え、励起光Ｌｅを効率的にコア２１に結合させることができる。
【００５５】
図３の例のような光ファイバレーザ１を構成した場合には、各光結合器３６ａ、３６ｂで多数の励起用光源３４からの波長９７５ｎｍの励起光を合波し、これを光ファイバ２の両側方から入射でき、しかもファイバ内（特に端部）での熱損失も少ない。
【００５６】
第２の実施形態として、片側励起である場合（光ファイバ２の一端部にのみ光結合器を接続する場合）、図６に示す光ファイバレーザ６１を用いるとよい。光ファイバレーザ６１は、円錐形状の吸収特性調整用部材６２を備え、その吸収特性調整用部材６２に光ファイバ２を巻き回して励起部６３を形成し、かつその励起部６３の光結合器側（図６では右側）の巻き径が大きく、光結合器から離れるにしたがって巻き径が小さくなるように形成したものである。これにより、光結合器近傍の光ファイバ２の一端部では、光ファイバ２の巻き径が大きいために吸収損失が少なくなり、光結合器から離れるにしたがってその巻き径が小さく、吸収損失が大きくなる。これにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５７】
上記実施形態では、吸収特性調整用部材４（または６２）に光ファイバ２を巻き回して励起部３（または６３）を形成したが、これに限定されず、光ファイバ２の長手方向に沿って巻き径（曲げ形状）を変化させることができればよく、例えば、光ファイバ２を渦巻き状に巻き回して励起部３（または６３）を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の好適な第１の実施形態を示す光ファイバレーザの要部概略図である。
【図２】第１の実施形態に係る光ファイバレーザに用いる光ファイバの概略図である。
【図３】第１の実施形態に係る光ファイバレーザの一例を示す概略図である。
【図４】図２に示した光ファイバの曲げ直径と吸収損失の関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る光ファイバレーザと、従来の光ファイバレーザとの熱解析の結果を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る光ファイバレーザの要部概略図である。
【図７】図７（ａ）は子午光線を説明する図であり、図７（ｂ）はスキュー光線を説明する図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  光ファイバレーザ
２  光ファイバ
３  励起部
【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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