JP5378861B2 - 光ファイバレーザ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバレーザに関する。

従来、光ファイバレーザとして、カスケードラマン共振器を用いた高出力の光ファイバレーザが開示されている。たとえば、非特許文献１に開示される光ファイバレーザは、イッテルビウム（Ｙｂ）イオン添加型光ファイバレーザ（ＹＤＦＬ）からなる励起用光ファイバレーザと、カスケードラマン共振器とから構成される。そして、この光ファイバレーザにおいては、励起用光ファイバレーザは波長１１１７ｎｍの励起用レーザ光を出力し、カスケードラマン共振器は、この励起用レーザ光を受付け、カスケードラマン共振器内における誘導ラマン散乱現象によって波長１４８０ｎｍの高出力のレーザ光を発生させ、出力する。

また、上記ＹＤＦＬ、あるいはカスケードラマン共振器を用いた光ファイバレーザは、種々のレーザ加工装置用の光源装置としても用いることができる。この場合、光源装置から出力される高出力のレーザ光は、デリバリ用光ファイバによって所望の場所まで伝送され、レーザ加工の用に供される。

S. G. Grubb, et al., "High-Power 1.48 μm Cascaded Raman Laser in Germanosilicate Fibers," in Optical Amplifiers and Their Applications(1995), paper SaA4.

しかしながら、上記のような光ファイバレーザを高出力化した場合に、その出力側の光ファイバの出力端における被覆部の先端が損傷する場合があり、装置の信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信頼性が高い光ファイバレーザを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバレーザは、増幅物質が添加された増幅光ファイバを含む光ファイバ共振器に接続し、外周に形成された被覆部を有し、光出力端部において前記被覆部が除去された出力光ファイバと、前記出力光ファイバの前記光出力端部近傍における前記被覆部の端部の外周に形成された熱伝導性保護材と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバレーザは、上記の発明において、前記被覆部の端部を載置する熱伝導性基材をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバレーザは、上記の発明において、前記出力光ファイバの前記光出力端部に接続した接続光ファイバをさらに備え、前記熱伝導性保護材は、前記接続光ファイバとの接続点の外周まで延伸して形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバレーザは、上記の発明において、前記接続点近傍における前記接続光ファイバの外周に形成され、少なくとも前記接続光ファイバの外周よりも高い屈折率を有する光漏洩用保護材をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、出力光ファイバの被覆部の端部の損傷が防止されるので、信頼性が高い光ファイバレーザを実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光ファイバレーザの模式図である。 図２は、基材近傍の具体的構造について説明する図である。 図３は、図１に示す光ファイバレーザにおいて発生する漏洩光について説明する説明図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバレーザの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバレーザの模式図である。この光ファイバレーザ１００は、光源としての光ファイバレーザＦＬと、カスケードラマン共振器ＣＲＲと、介挿光ファイバ１３と、基材１４、１５とを備えている。

光ファイバレーザＦＬは、ｎを２以上の整数として、励起光源である半導体レーザ素子１₁〜１_nと、半導体レーザ素子１₁〜１_nが出力する励起光を導波するマルチモード光ファイバ２₁〜２_nと、マルチモード光ファイバ２₁〜２_nが導波した励起光を結合し、ダブルクラッド光ファイバ５から出力させるＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）３、４と、各ダブルクラッド光ファイバ５と接続点Ｃ１、Ｃ４において接続するダブルクラッド型の光ファイバグレーティング６、７と、光ファイバグレーティング６、７と接続点Ｃ２、Ｃ３において接続するダブルクラッド型の希土類元素添加光ファイバ８と、ＴＦＢ４に接続した出力光ファイバ９とを備える。

半導体レーザ素子１₁〜１_nが出力する励起光の波長は９１５ｎｍ近傍である。また、希土類元素添加光ファイバ８は、コア部に増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加された増幅光ファイバである。また、光ファイバグレーティング６は、中心波長が１１１７ｎｍであり、中心波長およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。また、光ファイバグレーティング７は、中心波長が１１１７ｎｍであり、中心波長における反射率が１０〜３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約１ｎｍであり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。したがって、光ファイバグレーティング６、７は、波長１１１７ｎｍの光に対して、希土類元素添加光ファイバ８を含む光ファイバ共振器ＯＲを構成する。また、出力光ファイバ９は、ダブルクラッド光ファイバ５、ＴＦＢ４を介して、この光ファイバ共振器ＯＲと接続している。出力光ファイバ９のモードフィールド径は約９〜１０μｍである。

一方、カスケードラマン共振器ＣＲＲは、光ファイバグレーティング１０と、光ファイバグレーティング１０と接続点Ｃ５において接続するラマンファイバ１１と、ラマンファイバ１１と接続点Ｃ６において接続する光ファイバグレーティング１２とを備えている。

ラマンファイバ１１は、誘導ラマン散乱を効率よく発生させるために、モードフィールド径を約６μｍと小さくして、光学非線形性を高めている。光ファイバグレーティング１０は、互いに異なる波長の光を反射する５つの光ファイバグレーティングからなり、各光ファイバグレーティングの反射中心波長は、入力側から１４８０ｎｍ、１３９０ｎｍ、１３１０nm、１２３９ｎｍ、１１７５ｎｍになっている。一方、光ファイバグレーティング１２は、互いに異なる波長の光を反射する６つの光ファイバグレーティングからなり、各光ファイバグレーティングの反射中心波長は、入力側から１４８０ｎｍ、１１７５ｎｍ、１２３９ｎｍ、１３１０ｎｍ、１３９０ｎｍ、１１１７ｎｍになっている。なお、ラマンファイバ１１との接続性を確保するために、光ファイバグレーティング１０、１２も、モードフィールド径が約６μｍである。

一方、出力光ファイバ９の先端部は、接続点Ｃ７において接続光ファイバとしての介挿光ファイバ１３と接続している。また、介挿光ファイバ１３は、接続点Ｃ８において光ファイバグレーティング１０と接続している。介挿光ファイバ１３のモードフィールド径は、光ファイバグレーティング１０のモードフィールド径である約６μｍと出力光ファイバ９のモードフィールド径である約９〜１０μｍとの間の値である約８μｍである。なお、上記各光ファイバは、いずれも石英ガラス系の光ファイバである。また、上記接続点Ｃ１〜Ｃ８は、いずれも融着接続されているものである。

また、上記接続点Ｃ７、Ｃ８は、それぞれ熱伝導性の高いアルミニウムからなる板状の基材１４、１５に載置されている。つぎに、基材１４、１５近傍の具体的構造について説明する。図２は、基材１４、１５近傍の具体的構造について説明する図である。なお、図２において、出力光ファイバ９、光ファイバグレーティング１０、介挿光ファイバ１３については長手方向に沿った断面構造を示している。図２に示すように、出力光ファイバ９は、コア部９ａの外周に、クラッド部９ｂと、被覆部９ｃとが順次形成された構造を有し、光出力端部９ｅを有している。同様に、光ファイバグレーティング１０は、コア部１０ａの外周に、クラッド部１０ｂと、被覆部１０ｃとが順次形成された構造を有している。同様に、介挿光ファイバ１３は、コア部１３ａの外周に、クラッド部１３ｂと、被覆部１３ｃとが順次形成された構造を有し、光出力端部１３ｅを有している。なお、被覆部９ｃ、１０ｃ、１３ｃは、それぞれクラッド部９ｂ、１０ｃ、１３ｃよりも屈折率が低いものである。また、被覆部９ｃ、１０ｃ、１３ｃは、融着接続のために接続点Ｃ７、Ｃ８およびその周囲では除去されている。

また、基材１４、１５の表面には溝１４ａ、１５ａがそれぞれ形成されており、接続点Ｃ７、Ｃ８は溝１４ａ、１５ａ内にそれぞれ収容されている。また、溝１４ａ内において、被覆部９ｃの端部９ｃａの外周には、たとえばシリコーン系の熱伝導性コンパウンド等からなる熱伝導性保護材１６が形成されている。なお、この光ファイバレーザ１００においては、この熱伝導性保護材１６は、さらに、接続点Ｃ７の外周まで延伸して形成されている。一方、溝１５ａ内においても同様に、被覆部１３ｃの端部１３ｃａの外周には、熱伝導性保護材１６と同様の熱伝導性保護材１７が形成されている。この熱伝導性保護材１７も、接続点Ｃ８の外周まで延伸して形成されている。さらには、接続点Ｃ７近傍における介挿光ファイバ１３の外周と、接続点Ｃ８近傍における光ファイバグレーティング１０の外周とには、それぞれ、ウレタンアクリレートプレポリマー等の樹脂等からなる光漏洩用保護材１８、１９が形成されている。この光漏洩用保護材１８の屈折率は、介挿光ファイバ１３のクラッド部１３ｂの屈折率よりも高く、光漏洩用保護材１９の屈折率は、光ファイバグレーティング１０のクラッド部１０ｂの屈折率よりも高くなっている。

つぎに、この光ファイバレーザ１００の動作について説明する。まず、光ファイバレーザＦＬにおいて、半導体レーザ素子１₁〜１_nが波長９１５ｎｍ近傍の励起光を出力すると、マルチモード光ファイバ２₁〜２_nが各励起光を導波し、ＴＦＢ３、４が、導波した各励起光を結合してダブルクラッド光ファイバ５に出力する。ダブルクラッド光ファイバ５は結合した励起光をマルチモードで伝搬する。その後、光ファイバグレーティング６、７がダブルクラッド光ファイバ５を伝搬した励起光を透過して、希土類元素添加光ファイバ８に到達させる。

希土類元素添加光ファイバ８に到達した励起光は、希土類元素添加光ファイバ８の内側クラッド内をマルチモードで伝搬しながら、希土類元素添加光ファイバ８のコア部に添加したＹｂイオンを光励起し、波長１１１７ｎｍを含む波長帯域を有する蛍光を発光させる。この蛍光は、光ファイバグレーティング６、７が構成する光ファイバ共振器ＯＲ内をシングルモードで往復しながら、Ｙｂイオンの誘導放出作用により増幅され、発振波長１１１７ｎｍにおいてレーザ発振する。そして、光ファイバレーザＦＬは、光ファイバ共振器ＯＲから出力光ファイバ９へレーザ光を出力する。

つぎに、出力光ファイバ９から出力したレーザ光は、接続点Ｃ７を通過して、介挿光ファイバ１３、接続点Ｃ８を順次通過し、光ファイバグレーティング１０からカスケードラマン共振器ＣＲＲに入力する。

ここで、出力光ファイバ９は、ダブルクラッド光ファイバ５、ＴＦＢ４を介して、この光ファイバ共振器ＯＲと接続している。光ファイバ共振器ＯＲを構成する光ファイバグレーティング７から出力したレーザ光の一部は、光ファイバグレーティング７と出力光ファイバ９との間に存在する接続点Ｃ４においてコア部から漏洩する。また、残留励起光がクラッド部内（コア部を通過する）を伝播する。

図３は、図１に示す光ファイバレーザ１００において発生する漏洩光について説明する説明図である。なお、図３において、符号５ａ、５ｂ、５ｃは、それぞれダブルクラッド光ファイバ５のコア部、内側クラッド部、被覆としても機能する樹脂製の外側クラッド部を示している。また、符号７ａ、７ｂ、７ｃは、それぞれ光ファイバグレーティング７のコア部、内側クラッド部、被覆としても機能する樹脂製の外側クラッド部を示している。

図３に示すように、光ファイバグレーティング７から出力したレーザ光の一部は、接続点Ｃ４において接続損失が存在するためにコア部から漏洩し、漏洩光Ｌ１となる。また、残留励起光Ｌxが、内側クラッド部７ｂ内（コア部７ａも通過する）を伝搬する。この漏洩光Ｌ１と残留励起光Ｌxとは、ダブルクラッド光ファイバ５の内側クラッド部５ｂ（コア部５ａも通過する）を伝搬し、出力光ファイバ９に入力する。

つぎに、出力光ファイバにおいても、被覆部９ｃの屈折率がクラッド部９ｂの屈折率よりも低いために、漏洩光Ｌ１と残留励起光Ｌxとはクラッド部９ｂを伝搬する。そして、漏洩光Ｌ１と残留励起光Ｌxとは、出力光ファイバ９の光出力端部９ｅ近傍の被覆部９ｃの端部９ｃａにおいて外部に放出され、この際に端部９ｃａを加熱する。

本発明者らが鋭意検討したところ、高出力の光ファイバレーザの場合、主に、残留励起光Ｌxによって、上記のようにして端部９ｃａが加熱され、高温となることが、従来の損傷の原因となっていることを見出した。これに対して、この光ファイバレーザ１００では、端部９ｃａの外周に熱伝導性保護材１６が形成されているため、端部９ｃａの熱は熱Ｔ１として効果的に放熱される。その結果、端部９ｃａの温度上昇が抑制されて損傷が防止される。

また、レーザ光が接続点Ｃ７を通過する際に、接続点Ｃ４の場合と同様に、レーザ光の一部が漏洩光Ｌ２として漏洩する。このような漏洩光が、クラッド部１３ｂ、１０ｂを伝搬し、光ファイバグレーティング１０の被覆部１０ｃに到達すると、被覆部１０ｃを損傷するおそれがある。しかしながら、この光ファイバレーザ１００では、光漏洩用保護材１８の屈折率が、クラッド部１３ｂの屈折率よりも高くなっている。したがって、漏洩光Ｌ２はすみやかに光漏洩用保護材１８に放出され、光漏洩用保護材１８はこの漏洩光をすみやかに外部に放出する。その結果、被覆部１０ｃの損傷が防止され、信頼性がさらに高くなる。

なお、図２に示すように、この光ファイバレーザ１００では、介挿光ファイバ１３の被覆部１３ｃの端部１３ｃａの外周にも熱伝導性保護材１７が形成されているため、仮に漏洩光Ｌ１、Ｌ２、残留励起光Ｌxが端部１３ｃａに到達したとしても、端部１３ｃａの温度上昇が抑制されて損傷が防止される。さらには、光漏洩用保護材１９が漏洩光を放出するので、被覆部１０ｃの損傷がより確実に防止される。

また、この光ファイバレーザ１００では、出力光ファイバ９と光ファイバグレーティング１０との間に、両者のモードフィールド径の間の値のモードフィールド径を有する介挿光ファイバを介挿している。その結果、出力光ファイバ９と光ファイバグレーティング１０との接続によって発生すべき接続損失が各接続点Ｃ７、Ｃ８に分散され、１つの接続点あたりでの発熱量も低減される。さらに、各接続点Ｃ７、Ｃ８の外周は、熱伝導性保護材１６、１７が形成されている。その結果、より発熱量が大きくなっても、熱伝導性保護材１６、１７の温度上昇が抑制されるため、損傷あるいは変質が抑制され、装置の信頼性が高くなる。

つぎに、カスケードラマン共振器ＣＲＲにおいて、光ファイバグレーティング１０を介してラマンファイバ１１に光ファイバレーザＦＬからの波長１１１７ｎｍのレーザ光が入力すると、ラマン散乱の第一ストークス波長に対応する波長１１７５ｎｍのラマン散乱光（以下、第一ストークス光と称する）が発生し、ラマン増幅される。増幅した第一ストークス光は光ファイバグレーティング１０、１２が構成する光ファイバ共振器によって多重反射してその強度が高められ、やがて励起光として機能して第二ストークス光を発生させる。以下、同様の作用により順次第三〜第五ストークス光が発生する。ここで、光ファイバグレーティング１２においては、第五ストークス光に対応する波長１４８０ｎｍの光を反射する光ファイバグレーティングの反射率が低いので、この波長１４８０ｎｍの光が光ファイバグレーティング１２から外部に出力する。なお、光ファイバグレーティング１２は反射波長が１１１７ｎｍの光ファイバグレーティングを有しているため、光ファイバレーザＦＬが出力する波長１１１７ｎｍのレーザ光はカスケードラマン共振器ＣＲＲの外部への出力が阻止され、ラマンファイバ１１内部で効率的に利用される。

以上説明したように、本実施の形態１に係る光ファイバレーザ１００は、信頼性が高いものとなる。

なお、熱伝導性保護材１８、１９の材料については、レーザ光を吸収しないような特性を有するものがより好ましい。

（実施例）
本発明の実施例として、図１に示す構造を有する光ファイバレーザおよびカスケードラマン共振器を作製し、これらを、介挿光ファイバを介して、融着接続によって接続した。そして、図２に示すように、各光ファイバの接続点周辺を、基材の溝に収容し、その外周の所定箇所に熱伝導性保護材と光漏洩用保護材とを形成した。なお、光ファイバレーザは波長１１１７ｎｍで光強度が９５Ｗのレーザ光を出力できるようにし、出力光ファイバのモードフィールド径を９．５μｍとした。一方、カスケードラマン共振器は光ファイバグレーティングのモードフィールド径を６μｍとした。また、介挿光ファイバのモードフィールド径を８μｍとした。また、基材として、長さ６０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ２ｍｍで、溝の幅および深さが２ｍｍのアルミニウム板を用いた。また、熱伝導性保護材として、米国コメリクス社製のＴ６４４を使用した。また、光漏洩用保護材として、ＪＳＲ社製デソライト（登録商標）を使用した。

このとき、出力光ファイバと介挿光ファイバとの接続点Ａ（図１の接続点Ｃ７に対応）の接続損失は０．３ｄＢであった。また、介挿光ファイバと光ファイバグレーティングとの接続点Ｂ（図１の接続点Ｃ８に対応）の接続損失は０．２７ｄＢであった。

つぎに、室温において、光ファイバレーザから波長１１１７ｎｍで光強度が９５Ｗのレーザ光を出力させたところ、カスケードラマン共振器から波長１４８０ｎｍで強度が４７．５Ｗのレーザ光が出力した。このとき、接続点Ａでは、レーザ光のうち、その接続損失によって、約６．３４Ｗの光エネルギーが失われ、その一部が熱に変換されたと考えられる。また、接続点Ｂでは、レーザ光のうち、接続点Ａでの損失も考慮して、約５．３４Ｗのエネルギーが失われ、その一部が熱に変換されたと考えられる。

そして、温度変動が収束した後に熱伝導性保護材の温度を測定したところ、接続点Ａにおいては４１℃、接続点Ｂにおいては４５℃であり、いずれの熱伝導性保護材も損傷はなかった。また、光漏洩用保護材の温度を測定したところ、接続点Ａ近傍においては５１℃、接続点Ｂにおいては４５℃であり、いずれの光漏洩用保護材も損傷はなかった。また、出力光ファイバおよび介挿光ファイバの被覆部の端部の損傷もなかった。

なお、上記実施の形態１では、出力光ファイバを接続光ファイバである介挿光ファイバと接続している。しかしながら、たとえば出力光ファイバを他の光ファイバに接続せず、コネクタ等を設けてレーザ光を出力する場合にも、被覆部の端部が加熱されるおそれがあるので、本発明を適用できる。

１₁〜１_n 半導体レーザ素子
２₁〜２_n マルチモード光ファイバ
３、４ ＴＦＢ
５ ダブルクラッド光ファイバ
６、７、１０、１２ 光ファイバグレーティング
８ 希土類元素添加光ファイバ
９ 出力光ファイバ
５ａ、７ａ、９ａ、１０ａ、１３ａ コア部
５ｂ、７ｂ 内側クラッド部
５ｃ、７ｃ 外側クラッド部
９ｂ、１０ｂ、１３ｂ クラッド部
９ｃ、１０ｃ、１３ｃ 被覆部
９ｃａ、１３ｃａ 端部
９ｅ、１３ｅ 光出力端部
１１ ラマンファイバ
１３ 介挿光ファイバ
１４、１５ 基材
１４ａ、１５ａ 溝
１６、１７ 熱伝導性保護材
１８、１９ 光漏洩用保護材
１００ 光ファイバレーザ
Ｃ１〜Ｃ８ 接続点
ＣＲＲ カスケードラマン共振器
ＦＬ 光ファイバレーザ
Ｌ１、Ｌ２ 漏洩光
Ｌｘ 残留励起光
ＯＲ 光ファイバ共振器

Claims (4)

1. 増幅物質が添加された増幅光ファイバを含む光ファイバ共振器に接続し、外周に形成された被覆部を有し、光出力端部において前記被覆部が除去された出力光ファイバと、
   前記出力光ファイバの前記光出力端部近傍における前記被覆部の端部の外周に形成された、シリコーン系熱伝導性コンパウンドからなる熱伝導性保護材と、
   前記被覆部の端部を載置する熱伝導性基材と、
   を備え、前記被覆部の端部は、前記熱伝導性保護材を介して前記熱伝導性基材に載置され、
   前記熱伝導性保護材は、窒化ホウ素をフィラーとして含む
   ことを特徴とする光ファイバレーザ。
2. 前記出力光ファイバの前記光出力端部に接続した接続光ファイバをさらに備え、
   前記熱伝導性保護材は、前記接続光ファイバとの接続点の外周まで延伸して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ。
3. 前記接続点近傍における前記接続光ファイバの外周に形成され、少なくとも前記接続光ファイバの外周よりも高い屈折率を有する光漏洩用保護材をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバレーザ。
4. 前記熱伝導性基材は溝部を有し、前記被覆部の端部は前記溝部に収容されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバレーザ。

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