(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メインレーザファイバと、このメインレーザファイバの長さ方向にカプラを介して結合された１本以上のポンピングファイバと、当該ポンピングファイバに増幅用ポンプ光を入射する増幅用ポンプ光源と、前記メインレーザファイバの入射端からメインポンプ光を入射するメインポンプ光源を有するファイバレーザであって、
前記メインレーザファイバは、希土類元素が添加されたコアと、このコアを包囲する第１クラッドと、この第１クラッド上に設けられた、当該第１クラッドよりも屈折率が低い樹脂からなる第２クラッドとからなり、
前記ポンピングファイバは、コアと、この上に設けられた、当該コアよりも屈折率が低い樹脂からなるクラッドとからなり、
前記メインレーザファイバの第１クラッドの屈折率と前記ポンピングファイバのコアの屈折率は等しく、
前記カプラは、前記メインレーザファイバの第２クラッドが剥離されて露出した第１クラッドと、前記ポンピングファイバのクラッドが剥離されて露出したコアとが並列され、接触した状態で、前記第２クラッドと、前記クラッドと同様の材料で再度被覆されて形成された一括被覆層が設けられてなるものであることを特徴とするファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はファイバレーザに関し、特に高出力のレーザ光が得られるファイバレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来のファイバレーザの構造を示したもので、このファイバレーザはポンプ光源１１とレーザファイバ１２とから構成されている。
レーザファイバ１２として用いられるレーザ用光ファイバとしては、石英ガラスにエルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素を添加（ドープ）した希土類元素添加石英ガラスからなるコアを有するシングルモードの光ファイバが知られている。
前記ポンプ光源１１からこのレーザファイバ１２にポンプ光を入射すると、このポンプ光はレーザファイバ１２においてある程度の長さを伝送されるうちに、このレーザファイバ１２のコアに添加された希土類元素イオンが励起され、レーザ発振がおこり、出射端１４からレーザ光が出射する。例えば波長０．８５μｍのレーザ光をポンプ光としてポンプ光源１１から入射すると波長１．０６μｍのレーザ光が出射端１４から出射する。
【０００３】
しかしながら、希土類元素添加石英ガラスからなるコアを有するシングルモードの光ファイバは、コアの径が小さいため、ポンプ光のコアへの結合効率が低く、コア内のパワー密度を十分に高めることができず、レーザ発振出力を十分高くすることができない不都合があった。
【０００４】
この不都合を解決し、高出力のレザー光を出力できるものとして、図５に示すようなダブルクラッド型のレーザ用光ファイバが提案されている。
このものは、希土類元素をドープした石英ガラスからなる外径Ｃが３〜１２μｍのコア１と、このコア２１を包囲する純粋石英ガラスからなる外径Ａが４００μｍ程度の太径の第１クラッド（太径クラッド）２２と、この第１クラッド２２の外周に設けられた屈折率が純粋石英よりも低い樹脂、例えばフッ素含有アクリレート樹脂からなる外径Ｂが５００μｍ程度の第２クラッド（コーティング層）２３とを有するものである。
【０００５】
このレーザ用光ファイバでは、コア径が比較的大きく、ポンプ光の結合効率が高くなること、太径の第１クラッド２２に入射したポンプ光のかなりの部分が第１クラッド２２とコア２１内を伝搬するうちに、コア２１内で増幅されることなどにより、高出力のレーザ光が得られるとされている。さらにこのダブルクラッド型レーザ用光ファイバにおいてコアを偏心させたり、外形を長方形とすることによって効率を高めたものなどが提案されている。
しかし、このようなダブルクラッド型レーザ用光ファイバを用いても、出力は十分とは言いがたく、用途によっては使用に適しないこともあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明における課題は、さらに高出力のレーザ光を発振できるファイバレーザを得ることにある。
【０００７】
かかる課題は、メインレーザファイバと、このメインレーザファイバの長さ方向にカプラを介して結合された１本以上のポンピングファイバと、当該ポンピングファイバに増幅用ポンプ光を入射する増幅用ポンプ光源と、前記メインレーザファイバの入射端からメインポンプ光を入射するメインポンプ光源を有するファイバレーザであって、
前記メインレーザファイバは、希土類元素が添加されたコアと、このコアを包囲する第１クラッドと、この第１クラッド上に設けられた、当該第１クラッドよりも屈折率が低い樹脂からなる第２クラッドとからなり、
前記ポンピングファイバは、コアと、この上に設けられた、当該コアよりも屈折率が低い樹脂からなるクラッドとからなり、
前記メインレーザファイバの第１クラッドの屈折率と前記ポンピングファイバのコアの屈折率は等しく、
前記カプラは、前記メインレーザファイバの第２クラッドが剥離されて露出した第１クラッドと、前記ポンピングファイバのクラッドが剥離されて露出したコアとが並列され、接触した状態で、前記第２クラッドと、前記クラッドと同様の材料で再度被覆されて形成された一括被覆層が設けられてなるものであることを特徴とするファイバレーザにより解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のファイバレーザの構造の一例を示すものである。
図中符号３１はメインポンプ光源であり、このメインポンプ光源３１にはメインレーザファイバ３２が接続されている。
また、このメインレーザファイバ３２においては、複数のカプラ３６を介して増幅用ポンピングファイバ３５が接続され、この増幅用ポンピングファイバ３５の入射側末端には増幅用ポンプ光源３７が設けられている。
これら複数のカプラ３６の相互間において、メインレーザファイバ３２は増幅部を形成している。
【０００９】
このような構成のファイバレーザにおいては、メインレーザーファイバ３２の入射端にメインポンプ光源３１から発生したメインポンプ光が入射し、このメインレーザファイバ３２を伝搬する一方、増幅用ポンプ光源３７からポンピングファイバ３５に入射した増幅用ポンプ光が、カプラ３６において前記メインポンプ光に結合するようになっている。
つまり、前記メインポンプ光がメインレーザファイバ３２を伝搬するにおいて、随時前記増幅用ポンプ光によって増幅されるようになっている。この結果、出力端３４から高出力のレーザ光を出射することができる。
【００１０】
前記メインレーザファイバ３２は図５に示すダブルクラッド型レーザ用光ファイバであって、コア２１の周囲に太径の第１クラッド（太径クラッド）２２と第２クラッド（コーティング層）２３が順次設けられたものである。
コア２１は石英ガラス、フッ化ジルコニウム、フッ化カルシウムなどのフッ化物ガラスなどのガラスにＮｄ（ネオジム）、Ｅｒ（エルビウム）などの希土類元素をドープしたものからなり、第１クラッド２２は、これらがドープされていない前記ガラスからなるのものである。この例においてはコア２１にはＥｒが添加されている。
また第２クラッド２３は屈折率がこれらのガラスよりも低い樹脂、例えばフッ素含有アクリレート樹脂からなるものである。
以下石英ガラスを用いた例について説明する。
【００１１】
前記コア２１の外径Ｃは５〜１００μｍ、第１クラッド２２の外径Ａは２００〜５００μｍ、第２クラッド２３の外径Ｂは３００〜６００μｍ程度とされる。
前記第１クラッド２２の外径Ａはコア２１の外径Ｃに対して４〜４０倍程度に十分大きく設定されているので、前記第１クラッド２２を太径クラッドとよぶ。
このように第１クラッド２２の外径Ａが十分に大きく設計されており、この第１クラッド２２に入射したメインポンプ光の多くがコア２１内を伝搬するうちに、高出力のレーザ光を得ることができるものである。
この例においてコア２１の外径Ｃは１２μｍ、第１クラッド２２の外径Ａは４００μｍ、第２クラッド２３の外径Ｂは５００μｍとなっている。
また、第１クラッド２２の外形は、図５に示すように円形とすることもできるし、楕円形、あるいは長方形にすることもできる。楕円形あるいは長方形としたほうが円形の場合よりもコア２１を通過する光密度が著しく増加するため、効率がよい。
楕円形の場合、例えば長軸直径４００μｍ、短軸直径２００μｍとされる。長方形の場合、例えば４００×２００μｍとされる。
【００１２】
このメインレーザファイバ３２に用いられるダブルクラッド型のレーザ用光ファイバは、例えば以下のようにして製造することができる。
最初にＶＡＤ法などによってコア２１となる多孔質プリフォームを作成し、この多孔質プリフォームを希土類元素化合物、例えば塩化エルビウムなどの水溶液に浸漬してプリフォーム中に希土類元素化合物を含浸し、ついで、これを加熱し透明ガラス化してコア用ガラスロッドとする。
ついで、このコア用ガラスロッド上にＶＡＤ法などによって第１クラッド２２となる多孔質ガラス粒子を堆積し、これを加熱透明化してガラス母材とする。
【００１３】
ついで、このガラス母材を溶融紡糸し、コア２１と第１クラッド２２とからなるエレメントファイバとする。つぎにこのエレメントファイバを第２クラッド２３となる合成樹脂にて被覆する。
【００１４】
前記ポンピングファイバ３５は図２に示すように、純粋石英ガラスからなる外径Ａ′が４００μｍ程度のコア４１と、このコア４１の外周に設けられた屈折率が純粋石英よりも低い樹脂、例えばフッ素含有アクリレート樹脂からなる外径Ｂ′が５００μｍ程度のクラッド（コーティング層）４２からなるものである。
【００１５】
ポンピングファイバ３５を構成する図２に示す構造のファイバは、純粋石英ガラスからなるガラス母材を形成し、これを溶融紡糸した後、クラッド４２となる合成樹脂で被覆することによって得られる。
【００１６】
図３はカプラ３６の断面図である。
このカプラ３６は、メインレーザファイバ３２の第２クラッド２３が２０ｍｍ程度剥離されて露出された第１クラッド２２と、ポンピングファイバ３５のクラッド４２が２０ｍｍ程度剥離されて露出されたコア４１とが並列され、接触した状態で、これらの上に前記第２クラッド２３とクラッド４２の材料と同様のもので再度被覆して形成された一括被覆層３８が設けられてなるものである。
【００１７】
このカプラ３６においては、メインレーザファイバ３２の第１クラッド２２とポンピングファイバ３５のコア４１とが接触している。
これら第１クラッド２２とコア４１は、ともに純粋石英ガラスからなり、等しい屈折率を有するものである。このためポンピングファイバ３５のコア４１を伝搬する増幅用ポンプ光がコア４１から第１クラッド２２にしみだし、さらにこの第１クラッド２２からコア２１にしみ込むようになっている。
【００１８】
このようにポンピングファイバ３５は、コア４１を伝搬する増幅用ポンプ光が、このコア４１に接触している第１クラッド２２にしみ出しやすい構造となっている。
また、上述のようにメインレーザファイバ３２の構造は、第１クラッド２２に入射したポンプ光のかなりの部分が第１クラッド２２からコア２１内にしみ込みやすい構造となっている。
すなわちこれらの組み合わせによって、増幅用ポンプ光がコア４１と第２クラッド２３を経てコア２１にしみ込みやすくなており、この結果メインポンプ光に、前記増幅用ポンプ光の数十から１００％を結合させ、効率よく増幅することができる。
【００１９】
前記カプラ３６は、ひとつのカプラ３６から入射した増幅用ポンプ光の増幅効果が使いつくされた頃に、つぎのカプラ３６から増幅用ポンプ光が入射するように設置間隔が調整されている。
通常カプラ３６、ポンピングファイバ３５、増幅用ポンプ光源３７は、ひとつのファイバレーザに対して２〜５０組程度設けられる。
また前記カプラ３６の設置間隔は、ファイバ長さとして数ｍから数十ｍとされる。
この例においては、カプラ３６、ポンピングファイバ３５、増幅用ポンプ光源３７を１０組用い、図１に示すメインポンプ光源３１からはじめのカプラ３６までのファイバ長さａは５０ｍ、カプラ３６相互間の間隔のファイバ長さｂは５０ｍ、出力端３４側のカプラ３６から出力端３４までのファイバ長さｃは５０ｍとなっている。
【００２０】
前記メインポンプ光源３１、増幅用ポンプ光源３７としては波長０．５〜１．４９μｍのレーザ光をポンプ光として発生する半導体レーザなどが好適に用いられる。
【００２１】
（試験例）
上述の例と同様のファイバレーザを構成し、メインポンプ光源３１から波長０．８５μｍ、出力１０ｗのレーザ光をメインポンプ光としてレーザファイバ３２に入射し、増幅用ポンプ光源３７からポンピングファイバ３５とカプラ３６を経て波長０．８５μｍ、出力５ｗのレーザ光を増幅用ポンプ光としてレーザファイバ３２に入射したところ、出射端３４から波長１．０６μｍのレーザ光が出力３０ｗで得られ、高出力のファイバレーザであることが確認できた。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のファイバレーザにおいては、ポンプ光を高い結合効率で入射でき、そのパワー密度を十分に高めることができるレーザ用ファイバをメインレーザファイバとして用い、ポンピングファイバとしてコアとこれに被覆層が設けられた構造のものを用い、これらの合成樹脂からなるコーティング層を除去し、等しい屈折率を有する石英系材料からなる部分を接触させることによってカプラを構成したので、増幅用ポンプ光源からポンピングファイバに入射される増幅用ポンプ光を効率よくメインレーザファイバを伝搬するメインポンプ光に結合させることができる。
このように増幅用ポンプ光によって随時メインポンプ光を効率よく増幅することによって、高出力、高集光性のファイバレーザを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のファイバレーザの一例を示す概略構成図である。
【図２】  本発明のファイバレーザに用いるポンピングファイバの一例を示す断面図である。
【図３】  本発明のファイバレーザのカプラの構造の一例を示す断面図である。
【図４】  従来のファイバレーザの一例を示す概略構成図である。
【図５】  本発明のメインレーザファイバとして用いるダブルクラッド型のレーザ用光ファイバの一例を示すの断面図である。
【符号の説明】
２１…コア、２２…第１クラッド（太径クラッド）、２３…第２クラッド（コーティング層）、３１…メインポンプ光源、３２…メインレーザファイバ、３５…ポンピングファイバ、３６…カプラ、３７…増幅用ポンプ光源、４１…コア、４２…クラッド（コーティング層）
【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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