(57)【要約】【課題】寄生発振が抑制され、パルスレーザ光出力が改善されたファイバレーザ装置及びその調整方法を提供する。【解決手段】パルスシード光を出射するシード光源と、前記シード光を増幅する光ファイバと、前記光ファイバによる増幅光の波長を変換する第１の波長変換素子と、前記光ファイバと前記第１の波長変換素子との間に配置された第１のＱスイッチと、を備え、前記第１のＱスイッチは、ＲＦ電圧を印加しないオフ状態で前記第１の波長変換素子の光軸と前記増幅光の光軸とを略一致させ前記増幅光が前記第１の波長変換素子に入射することを可能とし、前記ＲＦ電圧を印加したオン状態で前記第１の波長変換素子の前記光軸と前記光ファイバからの出射光の光軸とをずらし前記出射光を前記第１の波長変換素子に入射させないことを特徴とするファイバレーザ装置及びその調整方法が提供される。【選択図】図１
2009076718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス発振によるシード光を出射するシード光源と、
希土類元素がコア部材に添加され、第１の励起光により前記希土類元素が励起され、前記シード光を増幅する光ファイバと、
前記光ファイバによる増幅光の波長を変換する第１の波長変換素子と、
前記光ファイバと前記第１の波長変換素子との間に配置された第１のＱスイッチと、
を備え、
前記第１のＱスイッチは、
ＲＦ電圧を印加しないオフ状態で前記第１の波長変換素子の光軸と前記増幅光の光軸とを略一致させ前記増幅光が前記第１の波長変換素子に入射することを可能とし、
前記ＲＦ電圧を印加したオン状態で前記第１の波長変換素子の前記光軸と前記光ファイバからの出射光の光軸とをずらし前記出射光を前記第１の波長変換素子に入射させないことを特徴とするファイバレーザ装置。
【請求項２】
前記シード光源は、互いに光軸を略一致させて設けられた、リアミラーと、第２の励起光により励起されるレーザ媒質と、第２のＱスイッチと、第１のミラーと、を有し、
前記第２のＱスイッチにＲＦ電圧を印加しないオフ状態で前記シード光を出射し、前記第２のＱスイッチにＲＦ電圧を印加したオン状態で前記シード光を出射しないことを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
【請求項３】
前記第１のミラーを通過した前記シード光が入射する第２の波長変換素子と、
前記第２の波長変換素子と前記光ファイバとの間に設けられた第２のミラーと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載のファイバレーザ装置。
【請求項４】
前記第１のＱスイッチは、ブラッグ回折により偏光方向を変化させる音響光学素子を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置。
【請求項５】
前記レーザ媒質は、ネオジウムが添加されたＹＡＧ結晶を含むことを特徴とする請求項２記載のファイバレーザ装置。
【請求項６】
シード光源からのパルス発振されたシード光の光軸と前記シード光を増幅する光ファイバの一方の端部近傍のコア部材中心軸とを略一致させ、
前記光ファイバの他方の端部と第１の波長変換素子との間のＱスイッチにＲＦ電圧を印加しないオフ状態で前記他方の端部からの出射光の光軸と前記第１の波長変換素子の光軸とを略一致させ、
前記Ｑスイッチに前記ＲＦ電圧を印加したオン状態で前記Ｑスイッチにより回折された前記出射光が前記シード光源に向かって反射されないように前記Ｑスイッチと前記第１の波長変換素子との距離を設定することを特徴とするファイバレーザ装置の調整方法。
【請求項７】
前記シード光源と前記一方の端部との間に設けられた第２の波長変換素子の光軸と、前記シード光の前記光軸と、を略一致させることを特徴とする請求項６記載のファイバレーザ装置の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザ装置及びその調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス発振レーザ光を出射するファイバレーザ装置は、測距器やレーザ加工機など様々な用途に用いられる。
【０００３】
パルス発振したシード光を、希土類元素が添加された光ファイバで増幅すると、より高いパルスレーザ光出力を得ることができる。この場合、シード光よりも短い波長帯の高出力励起光により希土類元素を励起する。
【０００４】
励起光を吸収し、励起された希土類元素により光ファイバには高いエネルギーが蓄えられる。パルス発振の場合、増幅光が外部に取り出されない時間、光ファイバ内において自然放出光がファイバレーザ装置内部の反射により共振を生じ、蓄積されたエネルギーが寄生発振に消費され、外部に取り出されるパルスレーザ光出力を低下させる問題がある。
【０００５】
高効率光増幅装置に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、光ファイバ端面でのレーザ光の反射を低減し、ファイバ内で発生する連続レーザ発振を抑制している。
しかしながら、ファイバレーザ装置内部のミラーの間で構成される光共振器による寄生発振を抑制するには十分ではない。
【特許文献１】特開２００６−９３２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
寄生発振が抑制され、パルスレーザ光出力が改善されたファイバレーザ装置及びその調整方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、パルス発振によるシード光を出射するシード光源と、希土類元素がコア部材に添加され、第１の励起光により前記希土類元素が励起され、前記シード光を増幅する光ファイバと、前記光ファイバによる増幅光の波長を変換する第１の波長変換素子と、前記光ファイバと前記第１の波長変換素子との間に配置された第１のＱスイッチと、を備え、前記第１のＱスイッチは、ＲＦ電圧を印加しないオフ状態で前記第１の波長変換素子の光軸と前記増幅光の光軸とを略一致させ前記増幅光が前記第１の波長変換素子に入射することを可能とし、前記ＲＦ電圧を印加したオン状態で前記第１の波長変換素子の前記光軸と前記光ファイバからの出射光の光軸とをずらし前記出射光を前記第１の波長変換素子に入射させないことを特徴とするファイバレーザ装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の他の一態様によれば、シード光源からのパルス発振されたシード光の光軸と、前記シード光を増幅する光ファイバの一方の端部近傍のコア部材中心軸と、を略一致させ、前記光ファイバの他方の端部と第１の波長変換素子との間のＱスイッチにＲＦ電圧を印加しないオフ状態で前記他方の端部からの出射光の光軸と、前記第１の波長変換素子の光軸と、を略一致させ、前記Ｑスイッチに前記ＲＦ電圧を印加したオン状態で前記Ｑスイッチにより回折された前記出射光が前記シード光源に向かって反射されないように前記Ｑスイッチと前記第１の波長変換素子との距離を設定することを特徴とするファイバレーザ装置の調整方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
寄生発振が抑制され、パルスレーザ光出力が改善されたファイバレーザ装置及びその調整方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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は本発明の第１の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成を表す図である。光ファイバ３６の端部３６ａはファイバレーザ装置の出射側へ増幅光Ｇ３を出射し、端部３６ｂへはパルスシード光Ｇ１が入射する。
ファイバは、例えば長さが１ｍ、直径が２００μｍであり、ネオジウム（Ｎｄ）が添加された石英ガラスからなる直径が２０μｍのコア部材を有する。コア部材の周囲にはコア部材よりも屈折率が低い内側クラッドが設けられ、内側クラッドの周囲には内側クラッドよりも屈折率が低い外側クラッドが設けられる。外側クラッドとしては、例えばフッ素系樹脂がある。
【００１１】
シード光源１０はパルス発振により、例えば波長１μｍ帯のパルスシード光Ｇ１を出射する。パルスシード光Ｇ１は、第１ダイクロイックミラー３２で全反射され、第１レンズ３４により端部３６ｂに焦点が合わされ、光ファイバ３６のコア部材へ入射する。光ファイバ３６で増幅された光は第２レンズ３８で平行光とされ増幅光Ｇ３となり、第２ダイクロイックミラー４０で９０度折り曲げられつつ全反射し、光軸がＡ−Ａ線と一致する。
【００１２】
また、第３のミラー５２、第１の波長変換素子５４、並びに第４のミラー５６は、光軸がＡ−Ａ線と一致するように配置され、増幅光Ｇ３の波長が変換され波長変換光Ｇ６となり、第４のミラー５６から外部へ出射することを可能とする。
【００１３】
第２ダイクロイックミラー４０と、第３のミラー５２との間に配置された第１のＱスイッチ５０は、音響光学（ＡＯ：Acousto−Optic）材料に高周波電圧（ＲＦ）を印加し、生じる超音波により音響光学材料の屈折率を変化させ、偏光の方向を変化させる。すなわち、第１のＱスイッチ５０のＲＦ電圧を印加しないオフ状態で、第１のＱスイッチ５０を通る増幅光Ｇ４の光軸とＡ−Ａ線の方向とが略一致するように、ブラッグ角を満足する向きに配置する。他方、ＲＦ電圧を印加したオン状態で、屈折率の周期的変化は回折格子として作用し、生じた増幅光を含む光ファイバ３６の端部３６ａからの出射光の光軸をＡ−Ａ線からずれたＢ−Ｂ線に略一致させ、その回折光Ｇ５を第１の波長変換素子５４へ入射させない。なお、音響光学材料としては、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＴｅＯ２、ＣｄＳなどがある。
【００１４】
図２はパルス出力波長変換光を説明する図である。図２（ａ）は第１の波長変換素子５４により２μｍ帯に波長変換がなされ、第４のミラー５６から出射した本実施形態のパルス出力波長変換光Ｇ６を表し、縦軸は波長変換光の強度、横軸は時間である。図２（ｃ）は第１のＱスイッチ５０へ印加するＲＦ電圧を表す。シード光源１０からのパルスシード光Ｇ１のパルス周期をＴとする。例えばパルス周期Ｔは５０〜１００μｓであり、パルス幅は１０ｎｓである。ｔ１、ｔ１＋Ｔ、ｔ１＋２Ｔなどパルスシード光Ｇ１が出射されている時間はＲＦ電圧をオフとし、光ファイバ３６における増幅光Ｇ３は光軸であるＡ−Ａ線に沿って進み、第３ミラー５２を介して、第１の波長変換素子５４へ入射する。
【００１５】
第１の波長変換素子５４は非線形結晶であるＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）などからなり、１μｍ帯であるＧ３の波長を、例えば２μｍ帯に変換し、第４ミラー５６から外部へ波長変換光Ｇ６を放射する。第３ミラー５２は１μｍ帯の光を透過し２μｍ帯の光を全反射するコーティングが施されており、反射面をレーザ光の光軸に対して垂直な向きに配置される。第４ミラー５６は１μｍ帯の光を全反射し、２μｍ帯の光を透過及び反射するコーティングが施されており、反射面がレーザ光の光軸に対して垂直な向きに配置されている。すなわち、第１の波長変換素子５４が、第３のミラー５２と第４のミラー５６とで構成される光共振器内に配置され、１個の高いエネルギーのフォトンが、２個の低エネルギーのフォトンに分割されることにより波長変換がなされる発振器として作用する。
【００１６】
パルスシード光Ｇ１が出射されていない時間には、ＲＦ電圧をオンとする時間帯Ｔｏｎが設けられる。時間帯Ｔｏｎでは回折光Ｇ５はＢ−Ｂ線に沿った方向に進み、シード光源１０と第４のミラー５６との間には光共振器を形成しない。
【００１７】
図２（ｂ）は第１のＱスイッチ５０を設けない場合の比較例におけるパルス出力波長変換光を表し、縦軸は波長変換光の強度、横軸は時間である。本比較例においてパルスシード光Ｇ１が出射されない時間内においても光ファイバ３６は励起状態にありエネルギーが蓄積されている。例えばシード光源１０内のミラーと第４のミラー５６との間には光共振器が形成され、寄生発振を生じ易くなる。
【００１８】
すなわち、第１レンズ３４及び第２レンズ３８により集光され、光ファイバ３６の端部３６ａ及び端部３６ｂから光ファイバ３６内に入射した励起光Ｌは光ファイバ３６内を全反射しながらコア部材に添加されたＮｄに衝突し、Ｎｄを励起する。光ファイバ３６内に入射したパルスシード光Ｇ１が、励起されたＮｄに衝突すると、低いエネルギー準位の遷移し、パルスシード光Ｇ１と同じ波長と位相とを持つ光を出射し増幅される。パルスシード光Ｇ１は誘導放出による増幅を繰り返しつつ、コア部材と内側クラッドとの屈折率差による全反射によりコア部材に閉じこめられた状態で伝搬し、増幅光Ｇ３が一方の端部３６ａから出射する。
【００１９】
光ファイバ３６内にパルスシード光Ｇ１が入射していない状態においても、励起されたＮｄは低い準位に遷移し、自然放出による光を出射する。第１のＱスイッチ５０を設けない比較例において、自然放出した１μｍ帯の光は第４のミラー５６で反射し光ファイバ３６に入射し、励起されたＮｄに衝突し誘導放出を生じ、シード光源１０内のミラーで反射し、光ファイバ３６内に入射するといった共振を生じる。すなわち、光ファイバ３６内のＮｄの励起数を減らし無駄にエネルギーを消費する。
【００２０】
これに対して本実施形態では、パルスシード光Ｇ１が出射されない時間内にＲＦ電圧をオンとする時間帯Ｔｏｎ（＜Ｔ）を設け、回折光Ｇ５の光軸をＢ−Ｂ線方向にずらし光共振器を形成しない。このため自然放出光による寄生発振を抑制でき、エネルギー効率を高め、波長変換光Ｇ６の光出力を高めることができる。
【００２１】
次に、パルスシード光Ｇ１を出射するシード光源１０の構成及び作用について説明する。
シード光源１０は、リアミラー１２と、励起光Ｍにより励起されるレーザ媒質１４と、第２のＱスイッチ１６と、第１のミラー１８と、を、この順序にかつ光軸を略一致させて配置している。
【００２２】
レーザ媒質１４は、例えばＹＡＧ（イットリウム  アルミニウム  ガーネット）結晶の中に不純物としてＮｄが含まれた円柱ロッドである。半導体レーザを励起光源として波長が８００ｎｍ近傍の光を照射すると、レーザ媒質１４中のＮｄが励起され、励起されたＮｄが低いエネルギー準位に遷移する際に光を自然放出する。この放出光が他の励起状態にあるＮｄと衝突する際にも光が放出され、光が増幅される（誘導放出）。１μｍ波長のこのような放出光は、光軸に対して垂直に配置されたリアミラー１２と第１ミラー１８との間で反射を繰り返し、誘導放出が繰り返され、高い出力のシード光となる。
【００２３】
第２のＱスイッチ１６は、第１のＱスイッチ５０と同様の構造であり、Ｃ−Ｃ線に沿ったシード光源１０の光軸と第２のＱスイッチ１６の回折光の方向とが一致するように、ブラッグ角を満足するように配置されている。リアミラー１２は１μｍ帯波長の光を全反射するコーティングが施されており、反射面をレーザ光の光軸に対して垂直な向きとして配置されている。第１のミラー１８は１μｍ帯波長の光を一部透過するコーティングが施されており、表面をレーザ光の光軸に対して垂直な向きとして配置されている。このようにシード光源１０は、第１のミラー１８及びリアミラー１２を有しており、第４のミラー５６との間で光軸が一致すると光共振器を形成する可能性がある。
【００２４】
レーザ媒質１４から出射されＣ−Ｃ線に沿った光軸を進むレーザ光は、第２のＱスイッチ１６に入射する。第２のＱスイッチ１６に印加されるＲＦ電圧がオフであるとレーザ光は回折を生じることなく第１のミラー１８とリアミラー１２との間で共振を生じ、第１のミラー１８から光を出射することができる。またＲＦ電圧がオンであるとレーザ光が回折され分散し、リアミラー１２と第１のミラー１８との間で反射する光の損失を増大させ、第１のミラー１８からの出射光を抑制する。このようにして第２のＱスイッチ１６へのＲＦ電圧をオン・オフと制御することによりパルスシード光Ｇ１を得ることができる。
【００２５】
第１の励起光源３０及び第２の励起光源４２は、例えば８００ｎｍ近傍の波長の励起光Ｌを出射する半導体レーザである。第１及び第２のダイクロイックミラー３２、４０は、１μｍ波長帯の光を全反射し、８００ｎｍ近傍の波長の光を透過する。
【００２６】
図３は第２の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成を表す図である。
本実施形態では、シード光源１０からのパルスシード光Ｇ１が第２の波長変換素子６０により波長変換される。図３において、第１のミラー１９から出射したパルスシード光Ｇ１が第２の波長変換素子１６に入射する。第２の波長変換素子６０は、例えば非線形結晶であるＫＴＰなどからなり、１μｍ帯波長のパルスシード光Ｇ１を２μｍ帯波長の波長変換光Ｇ２とする。第１ダイクロイックミラー３２で折り曲げられ、第１レンズ３４により集光され、光ファイバ３６へ入射した波長変換光Ｇ２は光ファイバ３６により増幅され、第２レンズ３８により平行光とされ、第２ダイクロイックミラー４０により折り曲げられて第１のＱスイッチ５０へ入射する。
【００２７】
第１のミラー１９は、１μｍ帯波長の光を一部透過し２μｍ帯波長の光を全反射するコーティングが施され、反射面をレーザ光の光軸に対して垂直な向きとして配置されている。第２のミラー６２は１μｍ帯波長の光を全反射し、２μｍ帯波長の光を透過するコーティングが施されており、反射面をレーザ光の光軸に対して垂直な向きとして配置されている。すなわち、第２の波長変換素子６０が、第１のミラー１９と第２のミラー６２とで構成される光共振器内に配置された発振器として作用する。
【００２８】
２μｍ帯波長である増幅光Ｇ３は、第１のＱスイッチ５０を通過するとＧ４となりＡ−Ａ線に沿った光軸を進み、第３のミラー５２を介して第１の波長変換素子５４へ入射する。第１の波長変換素子５４により、３μｍ〜５μｍ波長帯に変換された波長変換光Ｇ６が第４のミラー５６を介して外部へ出射される。
【００２９】
第３のミラー５２は２μｍ波長帯の光を透過し、３μｍ〜５μｍ波長帯の光を全反射するコーティングが施されており、反射面をレーザ光の光軸に対して垂直な向きに配置されている。また、第４のミラー５６は２μｍ波長帯の光を全反射し、３μｍ〜５μｍ波長帯の光を透過及び反射するコーティングが施されており、反射面をレーザ光の光軸に対して垂直な向きに配置されている。
【００３０】
第１及び第２の励起光源には波長が８００ｎｍ近傍の半導体レーザを用いる。第１及び第２のダイクロイックミラー３２、４０は、２μｍ波長帯の光を全反射し、８００ｎｍ近傍の波長の励起光を透過する。
【００３１】
本実施形態では、波長変換光Ｇ２の波長を２μｍ波長帯とし、増幅後に３μｍ〜５μｍ波長帯に変換する。図３のような簡素な構成により、３μｍ〜５μｍと長い波長を得ることが容易にできる。本実施形態においても、寄生発振を抑制し、エネルギー効率を高め、波長変換光のパルスレーザ出力を高めることができる。
【００３２】
図４はファイバレーザ装置の調整方法を表すフロー図である。なお、本図は図３に表す第２の実施形態にかかるファイバレーザ装置の調整方法である。まず、シード光源１０からのＣ−Ｃ線に沿ったパルスシード光Ｇ１の光軸と、第２の波長変換素子６０の光軸と、を略一致させる（Ｓ２００）。なお、図１に表す第１の実施形態ではＳ２００は不要である。
【００３３】
Ｃ−Ｃ線に沿った光軸は第１ダイクロイックミラー３２により９０度折り曲げられ、光ファイバ３６の端部３６ｂ近傍のコア部材の中心軸と略一致するように軸合わせがされる（Ｓ２０２）。光ファイバ３６の端部３６ａから出射された増幅光Ｇ３は第２ダイクロイックミラー４０で折り曲げられる。端部３６ａと第１の波長変換素子５４との間には第１のＱスイッチ５０が設けられるが、第１のＱスイッチ５０への電圧のオフ状態で、増幅光Ｇ３の光軸と、第１の波長変素子５４の光軸と、を略一致させる（Ｓ２０４）。この状態で第４のミラー５６からの波長変換光Ｇ６の特性が測定可能である。
【００３４】
また、第１のＱスイッチ５０への電圧のオン状態で、端部３６ａからの出射光Ｇ３はＢ−Ｂ線方向に沿って回折され回折光Ｇ５となる。第４のミラー５６とシード光源１０との間で回折光Ｇ５が反射され寄生発振を生じることを抑制するように第１の波長変換素子５４と第１のＱスイッチ５０との距離を適正に設定する（Ｓ２０６）。このようにすると、ファイバレーザ装置の調整が容易にできる。
【００３５】
第１及び第２の実施形態により、２μｍ以上の長い波長を有し、パルスレーザ出力が改善されたファイバレーザ装置を得ることが容易となり、測距器やレーザ加工機などの用途において有用である。
【００３６】
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態に限定されない。ファイバレーザ装置を構成する光ファイバ、シード光源、Ｑスイッチ、波長変換素子、その他光学部品の材質、形状、サイズ、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成を表す図
【図２】パルス出力波長変換光を説明する図
【図３】第２の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成を表す図
【図４】ファイバレーザ装置の調整方法のフロー図
【符号の説明】
【００３８】
１０  シード光源、１２  リアミラー、１４  レーザ媒質、１６  第２のＱスイッチ、１８  第１のミラー、３６  光ファイバ、５０  第１のＱスイッチ、５４  第１の波長変換素子、６０  第２の波長変換素子
【図１】
2009076718.tif 000003
【図２】
2009076718.tif 000004
【図３】
2009076718.tif 000005
【図４】
2009076718.tif 000006