JP5398804B2

JP5398804B2 - ファイバレーザ装置

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Publication number: JP5398804B2
Application number: JP2011203707A
Authority: JP
Inventors: 一秀佐々木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: JP2013065713A; US20130070793A1

Description

本発明の実施形態は、ファイバレーザ装置に関する。

光応答装置やレーザ加工装置では、高出力のパルスレーザ光が要求される。このために、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光を得ることが多い。

ファイバレーザ増幅器では、コアに添加された希土類元素が励起光を吸収し、誘導放出によりパルスシード光を増幅する。

希土類元素に吸収されずに光ファイバを伝搬した励起光や、自然放出増幅（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission)光によって、光ファイバの融着部付近や光学部品内部に熱損傷を生じることがある。

特開２００６−９３２３５号公報

励起光や自然放出増幅光による光学部品や光ファイバの熱損傷が抑制されたファイバレーザ装置を提供する。

実施形態のファイバレーザ装置は、パルスシード光を放出可能なシード光源と、プリアンプ部と、メインアンプ部と、バッファ光ファイバと、を有する。前記プリアンプ部は、コアに第１の希土類元素が添加された第１の光ファイバを有し、第１の励起光を吸収して励起された第１の希土類元素により前記パルスシード光を増幅可能である。前記メインアンプ部は、コアに第２の希土類元素および前記第１の希土類元素が添加されたダブルクラッド構造を有する第２の光ファイバを有するメインアンプ部であって、第２の励起光を吸収して励起された前記第１および第２の希土類元素により前記プリアンプ部による増幅光をさらに増幅して外部に放出可能である。前記バッファ光ファイバは、前記プリアンプ部と前記メインアンプ部との間に配設され、コアに前記第２の希土類元素が添加されたダブルクラッド構造を有する。前記第２の光ファイバ内の前記第２の希土類元素に蓄積されたエネルギーにより放出された自然放出増幅光は、前記バッファ光ファイバの前記コアに入射し、前記第１の光ファイバに向かって伝搬しつつ前記バッファ光ファイバの前記第２の希土類元素に吸収され、前記第２の光ファイバの前記第１および第２の希土類元素に吸収されずに残った前記第２の励起光は、前記バッファ光ファイバの前記コアおよび内部クラッドに入射し、前記第１の光ファイバに向かって伝搬しつつ前記バッファ光ファイバの前記第２の希土類元素に吸収されることを特徴とする。

図１（ａ）は第１の実施形態のファイバレーザー装置の構成図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿ったダブルクラッドファイバの模式断面図、である。図２（ａ）はＥｒの発光および吸収スペクトル、図２（ｂ）はＹｂの発光および吸収スペクトル、を示すグラフ図である。図３（ａ）はシード光源からのパルスシード光、図３（ｂ）は第２の光ファイバの第１の端部を通過する光、の波形図、である。比較例にかかるファイバレーザ装置の構成図である。

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（ａ）は第１の実施形態のファイバレーザー装置の構成図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿ったダブルクラッドファイバの模式断面図、である。
ファイバレーザ装置は、シード光源１０と、プリアンプ部２０と、バッファ光ファイバ１６と、メインアンプ部３０と、を有する。本図において、●（黒丸）印は、ファイバの
融着点を示す。

シード光源１０は、発光波長がλ１のパルスシード光を放出する。シード光源１０としてＩｎＧａＡｓＰなどの材料からなる半導体レーザ素子を用いると、発光波長λ１が１．５６μｍの近傍とすることができる。また、半導体レーザ素子をＤＦＢ（Distributed Feed Back)構造とすると、狭い発光スペクトル線幅とすることができる。

プリアンプ部２０は、第１の希土類元素がコアに添加された第１の光ファイバ２２と、第１の希土類元素を励起可能な第１の励起光を放出可能な第１の励起光源２４と、を有する。第１の光ファイバ２２は、シード光源１０の側の第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の励起光は、通常、ＣＷ（Continuous Wave)であり、第１の希土類元素を連続的に励起している。

なお、プリアンプ部２０が第１の端部２２ａの側にＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing) カプラー２６をさらに有すると、第１の励起光を第１の光ファイバ２２に結合効率よく入射することができる。第１の励起光源２４は、ＡｌＧａＡｓなどの半導体レーザ素子を用いた高出力モジュールとすることができる。なお、プリアンプ部２０における励起光強度はメインアンプ部３０よりも低くてよいので、第１の光ファイバ２２は、シングルクラッドファイバでもよい。

第１の光アイソレータ１２は、シード光源１０と、ＷＤＭカプラー２６との間に設けられる。光アイソレータは、磁気光学材料からなるファラデー回転子により、特定波長の光を実質的に一方向にのみ透過する。このため、第１の光アイソレータ１２は、パルスシード光の戻り光がシード光源１０へ戻ることを抑制し、シード光源１０は安定に動作する。また、第２の光アイソレータ１４は、波長λ１近傍の光成分が第１の光ファイバ２２の第２の端部２２ｂへ入射することを抑制する。

シード光源１０、第１の光アイソレータ１２、第２の光アイソレータ１４、およびＷＤＭカプラー２６に用いられる光ファイバは、シングルクラッド構造のシングルモードファイバーとすることができる。また、第１の励起光は低出力でもよいので、第１の励起光源２４とＷＤＭカプラー２６との間は、ファイバ径が小さいシングルモード型のシングルクラッドファイバでもよい。

メインアンプ部３０は、第１および第２の希土類元素がコアに添加された第２の光ファイバ３２と、第１および第２の希土類元素を励起可能な第２の励起光を放出可能な第２の励起光源３４と、を有する。第２の光ファイバ３２は、プリアンプ部２０の側の第１の端部３２ａと、第１の端部３２ａとは反対の側の第２の端部３２ｂと、を有し、ダブルクラッド構造とする。第２の励起光は、通常、ＣＷであり、第２の希土類元素を連続的に励起している。

図１（ｂ）のように、ダブルクラッド構造は、コア５０と、コア５０を囲む内部クラッド５１と、内部クラッド５１を囲む外部クラッド５２と、を有する。パルスシード光に対して内部クラッド５１がクラッドとして機能し、パルスシード光はコア５０を伝搬する。また、励起光５５に対して外部クラッド５２がクラッドとして機能し、励起光は内部クラッド５１およびコア５０を伝搬する。

メインアンプ部３０がコンバイナ３６などをさらに有すると、第２の励起光を第２の光ファイバ３２の内部クラッドに結合効率よく入射することができる。この場合、コンバイナ３６は、第２の光ファイバ３２の第２の端部３２ｂの側に設けると、出射端側での励起エネルギーを高くして高出力パルスレーザ光を放出することが容易となる。

すなわち、第２の端部３２ｂから入射された励起光は、第２の希土類元素に吸収されるので、伝搬するにつれて（第１の端部３２ａに近づくにつれて）光強度が低下する。

このように、第２の端部３２ｂから第２の励起光を入射することにより、第２の光ファイバ３２の出力端４０で最大増幅利得を得ることができる。

バッファ光ファイバ１６は、プリアンプ部２０と、メインアンプ部３０と、の間に設けられ、第２の希土類元素がコアに添加される。バッファ光ファイバ１６をシングルモード型のダブルクラッド構造とし、シングルモード型のダブルクラッド構造である第２の光ファイバ３２と整合性よく融着することにより、接続損失が低減できる。

バッファ光ファイバ１６は、プリアンプ部２０の側の第１の端部１６ａと、メインアンプ部３０の側の第２の端部１６ｂと、を有する。

第２の光ファイバ３２に添加された第１および第２の希土類元素に吸収されずに残った第２の励起光は、バッファ光ファイバ１６の第２の端部１６ｂに入射し、コアおよび内部クラッドを伝搬する。また、第２の光ファイバ３２で生じたＡＳＥ光もバッファ光ファイバ１６の第２の端部１６ｂに入射する。

以下の説明において、パルスシード光の波長λ１を１．５５μｍであるものとする。また、第１の光ファイバ２２は、第１の希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）を添加したシングルクラッド構造とする。また、第２の光ファイバ３２は、第１の希土類元素としてＥｒ、第２の希土類元素としてイッテルビウム（Ｙｂ）を添加したダブルクラッド構造とする。さらに、バッファ光ファイバ１６は、コアに第２の希土類元素であるＹｂを添加したダブルクラッド構造とする。なお、パルスシード光の波長λ１、第１および第２の希土類元素の材料、などは、これらに限定されるものではない。

プリアンプ部２０は、Ｅｒ添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）ということができる。また、メインアンプ部３０は、Ｅｒ／Ｙｂ添加光ファイバ増幅器（ＥＹＤＦＡ）と言うことができる。

図２（ａ）はＥｒの発光および吸収スペクトル、図２（ｂ）はＹｂの発光および吸収スペクトル、を示すグラフ図である。
図２（ａ）のように、Ｅｒは、１．５３μｍの近傍において、発光強度の極大値と、吸収強度の極大値と、が近接している。すなわち、自己吸収が大きい。Ｅｒでは、パルスシード光の波長であるλ１を１．５３μｍよりも長い１．５５μｍの近傍とする。このため、発光強度における極大値からの低下の割合が、吸収強度における極大値からの低下の割合よりも小さくできる。この結果、実効的な増幅利得を高くしてパルスシード光を増幅することが容易となる。なお、Ｅｒは、第１の励起光の波長λ２を０．９７５μｍ。または１．４４μｍとすると効率よく１．５５μｍのパルスシード光を増幅できる。Ｅｒに蓄積されたエネルギーは、波長が１．５３〜１．７０μｍの範囲で広がったＡＳＥ光を放出可能となる。

図２（ｂ）のように、Ｙｂの吸収強度は、励起光の波長λ３が０．９７５μｍ近傍であるとき極大となる。また、０．９１５μｍにおいてもも高い吸収強度がある。Ｙｂの発光強度は、励起光の波長λ３が１．０３μｍの近傍であるとき極大となる。このため、Ｙｂは、波長が１.０〜１．１μｍの範囲に広がったＡＳＥ光が放出可能となる。

１．５５μｍ近傍の波長のパルスレーザ光を高出力化するなど高励起入力が必要な場合に、ダブルクラッドファイバを使用することがある。希土類元素はコアに添加されているが、励起光は内部クラッドを伝搬するため、コアの伝搬に比べて、励起光の吸収率が低下する。そのため、希土類元素の濃度を高くして吸収を大きくすることができる。しかし、Ｅｒ元素の濃度を高くすると、自己吸収も大きくなるため、増幅効率低下が生じる。そこで、Ｙｂ元素とＥｒ元素とを共添加し、Ｙｂ元素の濃度を高くすることで、自己吸収を抑制し、励起光の吸収を大きくすることができる。この場合、０．９１５μｍや０．９８０μｍ近傍の波長で励起されたＹｂは、１．０〜１．１μｍ波長範囲に広がったＡＳＥ光を放出すると共に、Ｅｒ内にエネルギー遷移を生じる。このエネルギー遷移により生じた準位間で反転分布が形成され、波長が１．５５μｍのパルスシード光が効率よく増幅され、高出力パルスレーザ光が出力端４０から放出される。

なお、ＥｒやＹｂの添加濃度は、例えば、２０００〜２００００ｐｐｍなどとすることができる。

図３（ａ）はシード光源からのパルスシード光、図３（ｂ）は第２の光ファイバの第１の端部における光パルス、の波形図である。
パルスシード光は、周期Ｔｓのシード光（波長λ１）のパルス列を放出する放出期間ｔｐ１と、パルス列を放出しない非放出期間ｔｐ２と、を有する。周期Ｔｓ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、周期Ｔｓは、この範囲に限定されないものとする。また、周期Ｔｓ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／Ｔｓは、０．２〜２％と低い。

図３（ｂ）のように、パルスシード光の放出期間Ｔｐ１、第２の光ファイバ３２において、バッファ光ファイバ１６を通過したパルスシード光が増幅される。ＹｂのＡＳＥ光は、期間Ｔｐ１およびＴｐ２の両方で第１の端部３２ａからバッファ光ファイバ１６の第２の端部１６ｂへ入射する。また、ＥｒのＡＳＥ光がバッファ光ファイバ１６の第２の端部１６ｂへ入射する。ＡＳＥ光は、パルス幅Ｗ１に対して十分に長い期間、連続して放出されるのでＣＷ光に近い。

第２の光ファイバ３２で吸収しきれなかった第２の励起光は、第２の光ファイバ３２の内部クラッド内を伝搬し、第２の光ファイバ３２の第１の端部３２ａから出射する。また、ＹｂおよびＥｒによるＡＳＥ光は、第２の光ファイバ３２の第１の端部３２ａから出射する。

コアにＹｂが添加されたバッファ光ファイバ１６は、ＹｂのＡＳＥ光、および、第２の光ファイバ３２の第１の端部３２ａから出射した第２の励起光を十分に吸収するような長さとする。本実施形態では、バッファ光ファイバ１６の第２の端部１６ｂへ、第２の励起光およびＡＳＥ光を入射し、バッファ光ファイバ１６内のＹｂに十分に吸収させる。すなわち、第２の励起光および図３（ｂ）に示すＡＳＥ光のうち、ＹｂのＡＳＥ光についてはバッファ光ファイバ１６内で減衰する。

図４は、比較例にかかるファイバレーザ装置の構成図である。
ファイバレーザ装置は、シード光源１１０と、プリアンプ部１２０と、メインアンプ部１３０と、を有する。黒丸（●）印は、光ファイバの融着点を示す。

シード光源１１０は、発光波長λ１が１．５５μｍのパルスシード光を放出する。プリアンプ部１２０は、Ｅｒがコアに添加された第１の光ファイバ１２２と、Ｅｒを励起可能な第１の励起光を放出可能な第１の励起光源１２４と、を有する。第１の光ファイバ１２２は、シード光源１１０の側の第１の端部１２２ａと、第１の端部１２２ａとは反対の側の第２の端部１２２ｂと、を有する。

メインアンプ部１３０は、Ｙｂを励起可能な第２の励起光を放出可能な第２の励起光源１３４と、を有する。第２の光ファイバ１３２は、プリアンプ部１２０の側の第１の端部１３２ａと、第１の端部１３２ａとは反対の側の第２の端部１３２ｂと、を有し、ダブルクラッド構造とする。

第２の光アイソレータ１１４は、第１の光ファイバ１２２と、第２の光ファイバ１３２と、の間に設けられる。第２の光ファイバ１３２で発生したＥｒのＡＳＥ光は、第２の光アイソレータ１１４で、第１の光ファイバ１２２への入射を抑制することができる。

第２の光ファイバ１３２の第２の端部１３２ｂからに内部クラッドに入射した第２の励起光はコアに添加されたＹｂに吸収されるが、未吸収成分は第１の端部１３２ａから融着点Ａへ向かって伝搬する。第２の光アイソレータ１１４の出力側には、シングルモード型のシングルクラッドファイバが取り付けられている。他方、第２の光ファイバ１３２は、シングルモード型のダブルクラッドファイバである。この場合、第２の励起光が高出力であると、通常、内部クラッド径は大きい。このため、融着点Ａの断面において、ファイバの口径が不連続となる。

第２の光ファイバ１３２で吸収されずに伝搬してきた第２の励起光は、内部クラッドから外部に発散して融着点Ａの近傍（破線領域）を照射し局所的に発熱を生じる。第２の励起光は、通常ＣＷ光でありエネルギーが高い。このため、例えば、発散光により光ファイバの被覆などが燃焼することがある。発散光の強度が高いと、光ファイバの断線を生じることもある。

また、ＹｂによるＡＳＥ光は、１．０〜１．１μｍの波長範囲に広がった発光スペクトルを有する。ＡＳＥ光は、Ｙｂが添加されたコアから放出され、シングルモード型のシングルクラッドファイバのコア近傍へ入射し、各光ファイバを伝搬してシード光源１１０および第1の励起光源１２４に到達する。ＡＳＥ光の強度が高くなると、これらの光学部品の損傷を引き起こす可能性がある。

第２の励起光による融着点Ａの熱損傷を低減するには、ペルチェ素子などを配設して強制的に発熱領域を冷却する構造とするとよい。しかしながら、冷却部の構造が大きくなり、ファイバレーザ装置が大型となる。また、ペルチェ素子の消費電力も高い。

これに対して、図１に示す本実施形態のファイバレーザ装置には、バッファ光ファイバ１６が設けられている。バッファ光ファイバ１６のコアには、Ｙｂが添加されている。このため、バッファ光ファイバ１６は、第２の励起光の波長である０．９１５μｍおよび０．９７５μｍの吸収強度が高く、融着点Ａでの光強度は十分に低減される。この場合、内部クラッドを伝搬した第２の励起光によりコア内のＹｂが発熱する。しかしながら、バッファ光ファイバ１６の長さ方向に分散した発熱であるので、熱が局所的に集中することが抑制できる。

他方、波長１．０〜１．１μｍ範囲に広がった発光スペクトルを有するＡＳＥ光は、バッファ光ファイバ１６のコアのＹｂに吸収されるので、第２の光アイソレータ１４に到達するＡＳＥ光の強度を低減できる。すなわち、シード光源１０および第１の励起光源２４に損傷を与えないレベルまで光強度を低下できる。１．０〜１．１μｍの波長範囲におけるＹｂの吸収強度は、図２（ｂ）のように高くはないが、バッファ光ファイバ１７を長くすることにより光吸収の量を大きくすることができる。

このようにして、融着点Ａおよび光学部品の熱損傷を低減できる。このため、ペルチェ素子などを用いた冷却装置が不要となり、小型かつ低消費電力のファイバレーザ装置とすることができる。このようなファイバレーザ装置は、光応答装置、センシング装置、などに広く用いることができる。

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。

１０シード光源、１６バッファ光ファイバ、２０プリアンプ部、２２第１の光ファイバ、３０メインアンプ部、３２第２の光ファイバ、５０（ダブルクラッドファイバ）のコア

Claims

パルスシード光を放出可能なシード光源と、
コアに第１の希土類元素が添加された第１の光ファイバを有し、第１の励起光を吸収して励起された第１の希土類元素により前記パルスシード光を増幅可能なプリアンプ部と、
コアに第２の希土類元素および前記第１の希土類元素が添加されたダブルクラッド構造を有する第２の光ファイバを有するメインアンプ部であって、第２の励起光を吸収して励起された前記第１および第２の希土類元素により前記プリアンプ部による増幅光をさらに増幅して外部に放出可能なメインアンプ部と、
前記プリアンプ部と前記メインアンプ部との間に配設され、コアに前記第２の希土類元素が添加されたダブルクラッド構造を有するバッファ光ファイバと、
を備え、
前記第２の光ファイバ内の前記第２の希土類元素に蓄積されたエネルギーにより放出された自然放出増幅光は、前記バッファ光ファイバの前記コアに入射し、前記第１の光ファイバに向かって伝搬しつつ前記バッファ光ファイバの前記第２の希土類元素に吸収され、
前記第２の光ファイバの前記第１および第２の希土類元素に吸収されずに残った前記第２の励起光は、前記バッファ光ファイバの前記コアおよび内部クラッドに入射し、前記第１の光ファイバに向かって伝搬しつつ前記バッファ光ファイバの前記第２の希土類元素に吸収されることを特徴とするファイバレーザ装置。
前記第２の光ファイバは、前記バッファ光ファイバと接続された第１の端部と、前記第１の端部とは反対の側の第２の端部と、を有し、
前記第２の励起光は、前記第２の端部の側から入射される請求項１記載のファイバレーザ装置。
前記第１の希土類元素は、Ｅｒであり、
前記第２の希土類元素は、Ｙｂである請求項１または２に記載のファイバレーザ装置。