ファイバレーザ用光ファイバ及びファイバレーザ
【課題】誘導ラマン散乱の発生を抑制し、高ビーム品質かつ高出力のファイバレーザを実現するファイバレーザ用光ファイバを提供する。
【解決手段】希土類元素が添加されたコア2の周囲にクラッド3が形成された光ファイバ4と、光ファイバ4の所定の位置に配置され、中空コア7の周囲に複数の空孔33bを有するクラッド8が形成されたフォトニックバンドギャップファイバ6とからなり、フォトニックバンドギャップファイバ6は、光ファイバ4内を伝搬するレーザ光L1の波長が含まれると共に、レーザ光L1を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有するものである。
【解決手段】希土類元素が添加されたコア2の周囲にクラッド3が形成された光ファイバ4と、光ファイバ4の所定の位置に配置され、中空コア7の周囲に複数の空孔33bを有するクラッド8が形成されたフォトニックバンドギャップファイバ6とからなり、フォトニックバンドギャップファイバ6は、光ファイバ4内を伝搬するレーザ光L1の波長が含まれると共に、レーザ光L1を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、希土類元素が添加されたコアに、クラッドが形成されたファイバレーザ用光ファイバに関し、特に、誘導ラマン散乱の発生を抑制する技術に関する。
【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、ファイバレーザは、高効率でしかも高ビーム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】
このようなファイバレーザに使用される一般的な光ファイバとして、図7に示すような光ファイバ(ファイバレーザ用光ファイバ)71がある。この光ファイバ71は、希土類元素(Yb、Er、Er/Yb、Tm、Ndなど)をドープしたコア72と、第1クラッド73a、第2クラッド73bからなるクラッド73を備えたダブルクラッドファイバである。また、第2クラッド73bの外周に図示していないが、紫外線(UV)硬化型樹脂などからなる被覆層が設けられている。
【0004】
光ファイバ71の一端部には、励起光Le7として、LD(半導体レーザ)などの光源から出射した光を入射する。第1クラッド73a内に集光した励起光Le7は、光ファイバ71中を伝搬し、コア72の希土類元素を励起する。そして、励起された希土類元素から発振光がコア72に伝搬し、光ファイバ71の他端から高出力のレーザ光L7が出射する。
【0005】
最近、ファイバレーザはさらなる高出力化が求められているが、高出力のファイバレーザの制限要因として、特に非線形光学効果の問題がある。すなわち、従来の光ファイバ71では、レーザ光の高出力化のために、入射される励起光のパワーを高くすると、ダブルクラッドファイバ中のエネルギー密度が過剰となり、非線形光学効果の問題が発生し、結果としてレーザ光の出力が低下してしまう。
【0006】
例えば、図8に示すように、入射される励起光のパワーを高くすると、励起光とは別に、光ファイバ中に非線形光学効果によって誘導ラマン散乱(SRS)が発生する。
【0007】
例えば、図9に示すファイバレーザ91のように、ファイバレーザ用光ファイバ92の両端部に、複数個のLD93から出射した励起光を反射励振するための励振用FBG94,94を設け、ファイバレーザ用光ファイバ92の出射端にレーザ光を増幅する光増幅部95を多段に接続したMOPA(Master Oscillator Power Amplifier)型で使用されることがある(例えば、非特許文献1参照)。
【0008】
このファイバレーザ91では、高出力化に伴って各光増幅部95でSRSが発生し、そのSRSがレーザ光と共に増幅される。
【0009】
したがって、高出力のファイバレーザを実現するためには、最も影響が大きいSRSの発生を抑えることが必要である。
【0010】
SRSの発生を抑制する方法として、コア径を拡大するという方法があるが、シングルモード条件が維持できなくなるためにビーム品質が劣化するおそれがある。
【0011】
一方、光ファイバとしてフォトニック結晶ファイバ(PCF:フォトニッククリスタルファイバ)を用いることにより、広帯域シングルモードを維持しながらコア径を拡大できるが、コア径の拡大にも限界があり、コア径を拡大しすぎると曲げ損失が大きくなり、実用化が難しくなるおそれがある。
【0012】
そこで、SRSの発生を抑制する方法として、ファイバブラッググレーティング(FBG)を光ファイバ中に形成することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0013】
図10に示すような光ファイバ(ファイバレーザ用光ファイバ)101は、コア72中にフィルタ部として反射型のFBG102を挿入することで、励起光Le7の入射によりファイバ中で発生した自然ラマン散乱をFBG102で除去し、SRSを抑制してレーザ光L10を出射する。
【0014】
一方、図12に示すような光ファイバ121は、コア72中にフィルタ部として放射型のFBG122を挿入することで、励起光Le7の入射によりファイバ中で発生した自然ラマン散乱をFBG122で除去する。放射型のFBG122は、FBG減衰帯域が比較的広く、反射光が存在せず、無反射である。
【0015】
【特許文献1】特開2007−123477号公報
【特許文献2】特表2002−541507号公報
【非特許文献1】V.Gapontsev,ほか“2kW CW ytterbium fiber laser with record diffraction-limited brightness”CLEO/Europe.2005,CJ-1-1-THU
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
しかしながら、従来のファイバレーザ用光ファイバ101は、FBG102が反射型であるため、FBG102で反射された反射光(戻り光)が励起光光源(一般には、LD)に戻り、励起光光源を誤動作させたり、損傷させたりするなど、励起光光源への好ましくない影響がある。
【0017】
反射光の励起光光源への好ましくない影響を避けるため、FBG102の手前に反射光を除去する光アイソレータを挿入する必要があり、レーザシステムを構築する部品点数が多くなり、システムの低コスト化ができなかったり、システムが大型になったりするという問題もある。
【0018】
また、図11に示すように、コア72中に短周期型で反射型のFBG102を2個以上使用すると、FBG102,102間で発生した自然ラマン散乱反射光Lnrが発振してしまう。
【0019】
一方、図12に示すような放射型のFBG122は一般にグレーティング長(グレーティング部の長さ)が長いという問題があった。特に、放射型のFBG122でSRSを除去するための狭帯域フィルタを作製しようとすると、短周期型の200倍程度の長さ、例えば2m程度となり、ファイバレーザ用光ファイバは5m程度の長さで使用されることもあるので、実質的には作製不可能であった。また、透過阻止ピークが多数存在するために、透過帯域での透過損失が大きくなるという問題があった。
【0020】
また、図9に示すファイバレーザ91において、レーザ光と共にSRSが増幅されるのを防止するために、各光増幅部95に前述したフィルタ部としてのFBGをそれぞれ挿入することが考えられる。しかし、励振用FBG94,94以外にさらに2個以上のFBGを用いると、これらFBG間でSRSが共振して発振し、レーザ光の出力が大幅に低下してしまう。
【0021】
そこで、本発明の目的は、誘導ラマン散乱の発生を抑制し、高ビーム品質かつ高出力のファイバレーザを実現するファイバレーザ用光ファイバ及び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】
【0022】
前記目的を達成するために創案された本発明は、希土類元素が添加されたコアの周囲にクラッドが形成された光ファイバと、前記光ファイバの所定の位置に配置され、中空コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されたフォトニックバンドギャップファイバとからなり、前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバ内を伝搬するレーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有するファイバレーザ用光ファイバである。
【0023】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光の波長から長波長側へ13.2THz離れた波長が含まれないバンドギャップを有するとよい。
【0024】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長に対して空孔率fが75〜90%であり、空孔間隔Λbが0.5〜5μmである複数の空孔を有するとよい。
【0025】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバの長手方向の複数箇所に形成されているとよい。
【0026】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、50cm以下の長さを有するとよい。
【0027】
前記光ファイバは、前記コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されており、前記複数の空孔の空孔径dと空孔間隔Λとの関係d/Λがd/Λ<0.44であるとよい。
【0028】
前記光ファイバと前記フォトニックバンドギャップファイバとの全体の長さが、5m以上30m以下であるとよい。
【0029】
また本発明は、前記のファイバレーザ用光ファイバと、そのファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射させる励起用光源とを少なくとも備えるファイバレーザである。
【0030】
前記ファイバレーザ用光ファイバの出射端に、さらにレーザ光を増幅する光増幅部が多段に接続されていてもよい。
【発明の効果】
【0031】
本発明によれば、誘導ラマン散乱の発生を抑制し、高ビーム品質かつ高出力のファイバレーザを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0032】
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。
【0033】
(ファイバレーザ)
まず、図5を用いて、本発明の好適な実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバを使用したファイバレーザを説明する。
【0034】
図5に示すファイバレーザ51は、光源を備えてレーザ光L1を出力するための光学部52と、その光学部52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、例えば、図9に示すファイバレーザ91における共振側として用いられる。
【0035】
光学部52は、後述する本実施形態に係るファイバレーザ用光ファイバ1と、そのファイバレーザ用光ファイバ1の両端部近傍(後述する両光結合部56A,56Bよりも外側)にそれぞれ設けられる光源部53A,53Bとからなる。
【0036】
光源部53A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54と、これら励起用光源54にそれぞれ接続された複数本の励起用光路55と、これら励起用光路55にそれぞれ光学的に接続され、各励起用光源54からの出射光をファイバレーザ用光ファイバ1に光結合する光結合部56A,56Bとからなる。
【0037】
各励起用光源54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。本実施形態では、一例として、波長λe(915nmあるいは975〜980nm)の励起光Le1を出射するマルチモードLDを用いた。
【0038】
各励起用光源54は、光源部53A,53Bごとに直列接続され、これらが前述した駆動装置に接続される。各励起用光路55としては、マルチモード光ファイバや光導波路を用いる。光結合部56A,56Bとしては、マルチカプラや励起コンバイナを用いる。
【0039】
ファイバレーザ用光ファイバ1の両端部で、両光結合部56A,56Bよりも内側には、ファイバレーザ用光ファイバ1へ入射した励起光Le1を反射励振するための光反射部57A,57Bが設けられる。本実施形態では、ファイバレーザ用光ファイバ1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を2つ形成して、光反射部57A,57Bとした。
【0040】
光反射部57B(ファイバレーザ用光ファイバ1のレーザ光L1の出射側)となるFBGはレーザ光L1を透過するように、光反射部57AとなるFBGとは格子間隔を異ならせて形成される。
【0041】
励起方式については、特に限定されるものではないが、ファイバレーザ51では側面励起、端面励起のどちらでも採用することができる。
【0042】
[第1の実施形態]
(ファイバレーザ用光ファイバ)
図1(a)は、本発明の好適な第1の実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバの概略図、図1(b)はその1B−1B線断面図、図1(c)は1C−1C線断面図、図1(d)は1D−1D線断面図、図1(e)は1E−1E線断面図である。
【0043】
図1(a)〜図1(e)に示すように、第1の実施形態に係るファイバレーザ用光ファイバ1は、所定の励起を行うことで発光する発光機能を有し、その発光した光を反射励振させることでレーザ発振媒体となるものである。
【0044】
このファイバレーザ用光ファイバ1は、希土類元素が添加された中実のコア2と、コア2の周囲に形成されたクラッド3とからなる光ファイバ4を備える。
【0045】
コア2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。本実施形態では、励起光Le1が波長λe(915nmあるいは975〜980nm)であり、波長λc(1530〜1560nm)のレーザ光L1を出射させるために、希土類元素としてYbとErを用いた。YbとErは、波長λeの励起光Lの吸収と、波長λcの光の増幅(誘導放出)とに適した希土類元素である。
【0046】
クラッド3は、石英材料からなり、ポンピングガイドである内側の第1クラッド31と、その外周に設けられ、石英材料からなる第2クラッド32とで構成されるダブルクラッド型である。光ファイバ4(クラッド3)の外周には、UV硬化型樹脂などからなる被覆層5が設けられる。
【0047】
さらに、ファイバレーザ用光ファイバ1は、光ファイバ4の光伝送路の途中に、非線形光学効果によって発生する誘導ラマン散乱(SRS)を抑制するためのフォトニックバンドギャップファイバ(PBF)6が配置されているものである。
【0048】
このPBF6は、中空コア7と、その中空コア7の周囲に複数の空孔33bが設けられたクラッド8とからなり、光ファイバ長手方向に沿って貫通する複数の空孔33bがハニカム状(周期的)に配列してなるフォトニック結晶構造を形成する。
【0049】
本実施形態では、光ファイバ4としてPCFを用いた。具体的には、第1クラッド31内に、光ファイバの長手方向に沿って貫通する空孔33cを複数個ハニカム状(周期的)に配列してなるフォトニック結晶構造を有する。また、光ファイバ4がシングルモード条件を満足するように、空孔33cの空孔径dと空孔間隔Λとで決定される構造パラメータd/Λが、d/Λ<0.44となるようにした。
【0050】
構造パラメータd/Λを、d/Λ<0.44にすることにより、光ファイバ4におけるコア2の有効断面積を拡大することができるため、後述するSRSの閾値(SRSが発生するしきい値)を高くすることができる。これにより、光ファイバ4の有効長(ファイバ有効長)を長くできるので、光ファイバ4の途中に設けられるPBF6の数を減らすことができ、光ファイバ4とPBF6との接続損失を低減して、高出力のレーザ光を発振することができる。本実施形態では、PCFを光ファイバ4に用いたが、光ファイバ4はこれに限定されるものではなく、例えば、空孔のない光ファイバでもよい。
【0051】
ここで、SRSとは、媒質に光を入射したとき、入射光と入射光により生じる光学フォノン(結晶格子の光学的振動)との相互作用により生ずる散乱をいう。この散乱光は、ストークス散乱光と呼ばれる。ラマン散乱で発生するストークス光は前方散乱も後方散乱も同程度に観測される。
【0052】
励起光とストークス光の関係は式(1)、(2)で示され、光ファイバ非線形閾値であるSRSの閾値Pthは、式(3)で示される。この閾値Pth未満のラマン散乱は、自然ラマン散乱であり、閾値Pth以上のラマン散乱がSRSである。ファイバ有効長Leffは、光ファイバに伝送損失がないものとしたときの光の伝送が可能な長さである。
【0053】
【数1】
【0054】
式(3)より、励起光源の入力パワーを大きくしていくと、使用する帯域以外の帯域に散乱光が現れてしまうことがある。この現象は光ファイバレーザの出力に悪影響となる。さらに、式(3)より、SRSの発生閾値は、光ファイバのコアの有効断面積と比例し、ファイバ有効長と反比例することがわかる。
【0055】
つまり、SRSを抑えるためには、できるだけ光ファイバの有効断面積を大きく、ファイバ有効長を短くする必要があり、SRSが発生する前に、ファイバ有効長よりも短い長さの光ファイバ(L<Leff)で発生したラマン散乱を除去すれば、SRSの発生を抑制できることがわかる。
【0056】
ファイバレーザ用光ファイバ1は、光ファイバ4とPBF6との全体の長さLtが5m以上、好ましくは10m以上、さらに好ましくは10〜30mであれば、出力が5kW以上、或いは10kW以上のレーザ光の発振に有効である。長さLtが5m未満の場合、ファイバレーザ用光ファイバ1内に発生する熱により、出力が低下したり、ファイバレーザ用光ファイバ1自体が破壊されてしまうおそれがある。長さLtが30mを超えると、非線形光学効果が発生し易くなる。
【0057】
この条件を満たす一例としては、図5の励起用光源54として、波長977nm、出力6.5kWのマルチモードLDを用いる場合、コア2の直径を50μm、コア2に添加されたYb濃度を500〜1100ppm、Er濃度を100〜400ppmにする条件が考えられるが、これに限定されるものではない。
【0058】
PBF6は、光ファイバ4がコア2とクラッド3の境界面で全反射によって光を伝送する光ファイバであるのに対し、クラッド8の周期構造でブラッグ反射によって中空コア7に光を伝送する光ファイバである。図1(d)では、横断面が六角形状の中空コア7の例を示したが、横断面が円形状の中空コアを用いてもよい。
【0059】
PBF6の長さLbは、自然ラマン散乱光を除去するのに十分な長さであり、かつ高出力のレーザ光L1を効率よく生成するために、50cm以下にするとよい。PBF6の長さが長くなりすぎると、伝送損失が増加するおそれがある。
【0060】
図1(b)中のL1,L2は、所定の位置にPBF6を配置したときに、光ファイバ4が分割されて形成される各分割光ファイバ4a,4bの長さである。第1の実施形態では、図1(b)における各分割光ファイバ4a,4bの長さL1,L2がそれぞれ約2m50cmとなるように、光ファイバ4へ長さLbが約50cmのPBF6を挿入した。
【0061】
PBF6の空孔33bの空孔径dbは、光ファイバ4の空孔33cの空孔径dと同じである。PBF6のクラッド8に対する空孔率fと、空孔間隔Λbとは、レーザ光L1の中心波長に応じて決定される。
【0062】
より詳細には、空孔率fと、空孔間隔Λbとは、1)PBF6のバンド特性と透過光特性、2)PBF6の基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係、3)PBF6の空孔率と帯域幅の関係を考慮して決定される。
【0063】
1)PBF6のバンド特性と透過光特性;
PBF6のバンド特性は、例えば、測定ファイバ長=5m、横断面がほぼ円形状(実際のコアは真円でないことによる)の中空コア7のコア径(長軸)a1=8.8μm、コア径(短軸)a2=8.3μm、空孔間隔Λb=3.0μm、空孔率f=75%のとき、図2(a)に示すようになる。図2(a)中の斜めの実線は、PBF6の中空コア7(空気)内を光が伝送できる特性線21aであり、縦線で塗りつぶした領域がフォトニックバンドである。
【0064】
図2(a)に示すように、一般にPBFは、特性線21aとフォトニックバンドが交差する部分であるフォトニックバンドギャップを複数有する。これらのうち、中心波長が一番長い(特性線21aとフォトニックバンドが交差する部分が一番多く、帯域幅が最も広い)バンドが基本バンドギャップ(図2(a)中の(i))であり、周波数が高くなるにつれて2次、3次、4次バンドギャップ(図2(a)中の(ii)、(iii)、(iv))などの高次バンドギャップとなる。本実施形態では、PBF6の基本バンドギャップを用いる。
【0065】
図2(a)の関係を波長と強度の関係に換算すると図2(b)のPBF6の透過光特性が得られる。図2(b)に示すように、フォトニックバンドギャップはPBFをほぼ伝送損失なく伝送できる光の透過窓である。例えば、レーザ光L1の中心波長λcが約1550nmである場合においては、帯域幅がもっとも広く、λ=1660nm付近に自然ラマン散乱光のピーク(ラマンピーク)が現れることがわかる。波長で見ると、レーザ光L1の中心波長λcとラマンピークの波長λの間隔は一定ではないが、周波数で見れば、通常、発振されたレーザ光L1の周波数からおよそ13.2THzだけ低い周波数のところで自然ラマン散乱光のピーク(ラマンピーク)が現れる。
【0066】
また、PBF6の最小伝送損失を測定したところ、測定ファイバ長=100mで光の波長が1530nmのとき、230dB/kmであった。
【0067】
2)PBF6の基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係;
PBF6の基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係は、例えば、空孔率f=90%のとき、図3に示すようになる。図3に示すように、空孔間隔Λbを0.5〜5μmの範囲で変えることによって、レーザ光L1の中心波長を0.64〜2.12μmの範囲で変えることができ、中心波長帯域も徐々に広くシフトできることがわかる。空孔率fが90%、空孔間隔Λbが3.5μmにすることで、レーザ光L1の中心波長が1.5μm付近となるPBF6を実現できる。
【0068】
3)PBF6の空孔率と帯域幅の関係;
PBF6の空孔率と帯域幅の関係は、例えば、空孔間隔Λb=3.0μmのとき、図4に示すようになる。図4に示すように、2次バンドギャップなどの高次バンドギャップより基本バンドギャップの帯域幅が広いことがわかる。例えば、レーザ光L1の中心波長1.5μm付近で見ると、基本バンドギャップは、レーザ光L1の中心波長が1.55μmで帯域幅が0.32μmと広いのに対し、2次バンドギャップでは、レーザ光L1の中心波長が1.50μmで帯域幅が0.05μmと非常に狭い。また、基本バンドギャップは、空孔率fが高いほど、帯域幅が広く、レーザ光L1の中心波長が短波長側にシフトすることがわかる。したがって、基本バンドギャップにおいて、空孔率fを75〜90%の範囲で変えることによって、レーザ光L1の中心波長を1.92〜1.27μmの範囲で変えることができ、中心波長帯域も徐々に広くシフトできることがわかる。
【0069】
以上の1)〜3)を考慮し、本実施形態では、光ファイバ4内を伝搬するレーザ光L1の波長が含まれると共に、このレーザ光L1を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有するPBF6を光ファイバ4の所定の位置に配置した。
【0070】
すなわち、PBF6は、レーザ光L1の波長が含まれると共に、レーザ光L1の波長から長波長側へ13.2THz離れた波長が含まれないバンドギャップを有する。ここで、レーザ光L1の波長が含まれると共に、レーザ光L1の波長から長波長側へ13.2THz離れた波長が含まれないバンドギャップとするために、例えば、PBF6に形成された複数の空孔を、レーザ光L1の波長に対して空孔率fが75〜90%、空孔間隔Λbが0.5〜5μmとなる範囲で選択する。
【0071】
一例として、光ファイバ4を伝搬するレーザ光L1の波長が1550nm〜1560nmである場合においては、空孔率fが90%、空孔間隔Λbが3.2〜3.3μmからなる複数の空孔33bをクラッド8に形成したPBF6を、光ファイバ4の所定の位置に配置した。
【0072】
このとき、1550nm〜1560nmの波長を有するレーザ光L1が光ファイバ4内を伝搬する際に、レーザ光L1の波長から長波長側へ13.2THz離れた波長(約1660nm)でラマン散乱光Lnrが発生するが、PBF6の空孔率f、空孔間隔Λbを上記のように選定することにより、PBF6は、レーザ光L1の波長(1550nm〜1560nm)が含まれる一方で、レーザ光L1を伝搬する際に発生するラマン散乱光Lnrの波長(約1660nm)が含まれないバンドギャップを有することになる。
【0073】
これにより、PBF6においてレーザ光L1のみが透過し、自然ラマン散乱光Lnrが透過しないので、SRSの発生を抑制することができる。また、自然ラマン散乱光LnrがPBF6にて吸収されてしまうので、自然ラマン散乱光Lnrの発振を防止することができる。
【0074】
(ファイバレーザ用光ファイバの製造方法)
ファイバレーザ用光ファイバ1の製造は、例えば、まず、MCVD法を用いて原料ガスと酸水素バーナにより、希土類元素を添加した細径石英棒と、その細径石英棒の周りにフォトニック結晶を構成するように配列される複数本の細径石英管と、これら細径石英棒、複数本の細径石英管を挿入する石英ジャケット管とを作製する。
【0075】
石英ジャケット管内で細径石英棒と複数本の細径石英管とを配列し、石英ジャケット管の両端を封止し、酸水素バーナを用いて加熱することで、融着一体化して光ファイバ4となるPCF用プリフォームを作製する。この融着一体化したPCF用プリフォームを通常の光ファイバの線引き工程により、所定の外径に線引きし、同一ラインにてUV硬化型樹脂を被覆すると、光ファイバ4が得られる。
【0076】
一方、前述した細径石英棒に代えて大径の細径石英管を用い、PBF6を同様にして作製する。光ファイバ4とPBF6を所定の長さにカットし、PBF6の両端に光ファイバ4を融着すると、図1に示したファイバレーザ用光ファイバ1が得られる。
【0077】
第1の実施形態の作用を、図5のファイバレーザ51の動作と共に説明する。
【0078】
駆動装置により各励起用光源54を駆動すると、各励起用光源54から励起光が出射され、光源部53A,53B内の全励起用光源54からの励起光が各光結合部56A,56Bで光結合され、ファイバレーザ用光ファイバ1に両側方から励起光Le1がそれぞれ入射される。
【0079】
入射した励起光Le1は、ファイバレーザ用光ファイバ1の内部で増幅され、さらに光反射部57A,57Bがレーザ共振器の全反射鏡および出力鏡として働くことで、高出力のレーザ光L1が生成され、ファイバレーザ用光ファイバ1の出射端から出力される。
【0080】
より詳細には、ファイバレーザ用光ファイバ1の一端部の第1クラッド31内に集光した励起光Le1は、第1クラッド31中を第1クラッド31と第2クラッド32との境界で反射しながら伝搬し、反射によって励起光Le1がコア2へ入射した際、コア2の希土類元素が励起される。励起された希土類元素からレーザ光が発振されてコア2を伝搬し、ファイバレーザ用光ファイバ1の他端から高出力のレーザ光L1が出射する。
【0081】
レーザ光がコア2中を伝搬するとき、自然ラマン散乱光Lnrが発生する。ファイバレーザ用光ファイバ1では、光ファイバ4の光伝送路の途中に、レーザ光L1の中心波長に応じて、空孔率fを75〜90%の範囲で、かつ空孔間隔Λbを0.5〜5μの範囲で適宜変更して設定したPBF6が配置されているため、PBF6により、自然ラマン散乱光Lnrが除去され、各励起用光源54側に戻る反射光はほとんどない。
【0082】
PBF6は、レーザ光L1の中心波長がPBF6のフォトニックバンドギャップ内で、ラマンピークの波長がバンドギャップ外なので、レーザ光L1のみを通過させ、自然ラマン散乱光Lnrを遮断するSRSを抑制するためのフィルタ部、いわばバンドパスフィルタあるいはローパスフィルタの役目を果たす(図1(f)のグラフ参照)。
【0083】
したがって、ファイバレーザ用光ファイバ1によれば、自然ラマン散乱光LnrをSRSまで成長させず、SRSを抑制することができ、コア径を拡大せずに、高ビーム品質かつ高出力の信頼性が高い全ファイバ型のファイバレーザ51を実現できる。
【0084】
よって、ファイバレーザ用光ファイバ1では、所望の中心波長(例えば、1550nm付近(1530〜1560nm:通信のCバンド)の高出力ファイバレーザを簡単に実現できる。
【0085】
光ファイバ4としては、通常のシングルモード光ファイバ(SMF)のコアに希土類元素を添加したものを用いてもよい。光ファイバ4としてPCFのコアに希土類添加元素を添加したものを用いれば、SMFを用いる場合に比べて、より高出力のファイバレーザを得ることができ、また、PBF6との光学的な接続が簡単になるという利点がある。
【0086】
[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態を説明する。
【0087】
図6に示すように、第2の実施形態に係るファイバレーザ用光ファイバ61は、光ファイバ4の光伝送路の所定の位置に、PBF6が多段(図6の例では、2段)に配置されているものである。
【0088】
第2の実施形態では、図6において各分割光ファイバ4a〜4cの長さL1,L2,L3がそれぞれ約3m33cmとなるように、光ファイバ4へ長さLbが約50cmのPBF6を複数配置した。
【0089】
前述した式(3)で説明したように、ファイバ有効長が長くなるほどSRSが増大する。しかし、ファイバレーザ用光ファイバ61では、所定の間隔ごとにPBF6が複数配置されていることにより、レーザ光の出力を高くするために、ファイバレーザ用光ファイバ61の全長を長くしても、SRSの発生を抑制することができるので、さらなる高出力で信頼性の高い全ファイバ型のファイバレーザを実現できる。
【0090】
各実施形態では、PBFと光ファイバとからなるファイバレーザ用光ファイバを共振側のファイバレーザに用いた例で説明したが、図9で説明した光増幅部95のファイバレーザ用光ファイバに使用することもでき、これにより、各光増幅部95の手前に反射光を除去する光アイソレータを挿入する必要がないため、SRSの発生を抑制できることに加え、レーザシステムを構築する部品点数が少なくなり、システムを低コスト化できると共に、小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【0091】
【図1】図1(a)は、本発明の好適な第1の実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバの概略図、図1(b)はその1B−1B線断面図、図1(c)は1C−1C線断面図、図1(d)は1D−1D線断面図、図1(e)は1E−1E線断面図、図1(f)は、図1(a)のファイバレーザ用光ファイバに用いたPBFの特性を示すグラフである。
【図2】図2(a)は本実施形態で用いるPBFのバンド特性を示す図、図2(b)はその透過光特性を示す図である。
【図3】本実施形態で用いるPBFにおける基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係を示す図である。
【図4】本実施形態で用いるPBFにおける空孔率と帯域幅の関係を示す図である。
【図5】図1に示したファイバレーザ用光ファイバを使用したファイバレーザの概略図である。
【図6】本発明の第2の実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。
【図7】従来の一般的なファイバレーザ用光ファイバの概略図である。
【図8】ファイバ中の誘導ラマン散乱の一例を示す図である。
【図9】従来の放射型FBGを用いたMOPA型ファイバレーザの概略図である。
【図10】従来の反射型FBGを用いたファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。
【図11】従来の反射型FBGを用いたファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。
【図12】従来の放射型FBGを用いたファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。
【符号の説明】
【0092】
1 ファイバレーザ用光ファイバ
2 希土類元素が添加されたコア
3 クラッド
4 光ファイバ
6 PBF
7 中空コア
8 クラッド
33b 空孔
Le1 励起光
L1 レーザ光
f 空孔率
Λb 空孔間隔
【技術分野】
【0001】
本発明は、希土類元素が添加されたコアに、クラッドが形成されたファイバレーザ用光ファイバに関し、特に、誘導ラマン散乱の発生を抑制する技術に関する。
【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、ファイバレーザは、高効率でしかも高ビーム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】
このようなファイバレーザに使用される一般的な光ファイバとして、図7に示すような光ファイバ(ファイバレーザ用光ファイバ)71がある。この光ファイバ71は、希土類元素(Yb、Er、Er/Yb、Tm、Ndなど)をドープしたコア72と、第1クラッド73a、第2クラッド73bからなるクラッド73を備えたダブルクラッドファイバである。また、第2クラッド73bの外周に図示していないが、紫外線(UV)硬化型樹脂などからなる被覆層が設けられている。
【0004】
光ファイバ71の一端部には、励起光Le7として、LD(半導体レーザ)などの光源から出射した光を入射する。第1クラッド73a内に集光した励起光Le7は、光ファイバ71中を伝搬し、コア72の希土類元素を励起する。そして、励起された希土類元素から発振光がコア72に伝搬し、光ファイバ71の他端から高出力のレーザ光L7が出射する。
【0005】
最近、ファイバレーザはさらなる高出力化が求められているが、高出力のファイバレーザの制限要因として、特に非線形光学効果の問題がある。すなわち、従来の光ファイバ71では、レーザ光の高出力化のために、入射される励起光のパワーを高くすると、ダブルクラッドファイバ中のエネルギー密度が過剰となり、非線形光学効果の問題が発生し、結果としてレーザ光の出力が低下してしまう。
【0006】
例えば、図8に示すように、入射される励起光のパワーを高くすると、励起光とは別に、光ファイバ中に非線形光学効果によって誘導ラマン散乱(SRS)が発生する。
【0007】
例えば、図9に示すファイバレーザ91のように、ファイバレーザ用光ファイバ92の両端部に、複数個のLD93から出射した励起光を反射励振するための励振用FBG94,94を設け、ファイバレーザ用光ファイバ92の出射端にレーザ光を増幅する光増幅部95を多段に接続したMOPA(Master Oscillator Power Amplifier)型で使用されることがある(例えば、非特許文献1参照)。
【0008】
このファイバレーザ91では、高出力化に伴って各光増幅部95でSRSが発生し、そのSRSがレーザ光と共に増幅される。
【0009】
したがって、高出力のファイバレーザを実現するためには、最も影響が大きいSRSの発生を抑えることが必要である。
【0010】
SRSの発生を抑制する方法として、コア径を拡大するという方法があるが、シングルモード条件が維持できなくなるためにビーム品質が劣化するおそれがある。
【0011】
一方、光ファイバとしてフォトニック結晶ファイバ(PCF:フォトニッククリスタルファイバ)を用いることにより、広帯域シングルモードを維持しながらコア径を拡大できるが、コア径の拡大にも限界があり、コア径を拡大しすぎると曲げ損失が大きくなり、実用化が難しくなるおそれがある。
【0012】
そこで、SRSの発生を抑制する方法として、ファイバブラッググレーティング(FBG)を光ファイバ中に形成することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0013】
図10に示すような光ファイバ(ファイバレーザ用光ファイバ)101は、コア72中にフィルタ部として反射型のFBG102を挿入することで、励起光Le7の入射によりファイバ中で発生した自然ラマン散乱をFBG102で除去し、SRSを抑制してレーザ光L10を出射する。
【0014】
一方、図12に示すような光ファイバ121は、コア72中にフィルタ部として放射型のFBG122を挿入することで、励起光Le7の入射によりファイバ中で発生した自然ラマン散乱をFBG122で除去する。放射型のFBG122は、FBG減衰帯域が比較的広く、反射光が存在せず、無反射である。
【0015】
【特許文献1】特開2007−123477号公報
【特許文献2】特表2002−541507号公報
【非特許文献1】V.Gapontsev,ほか“2kW CW ytterbium fiber laser with record diffraction-limited brightness”CLEO/Europe.2005,CJ-1-1-THU
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
しかしながら、従来のファイバレーザ用光ファイバ101は、FBG102が反射型であるため、FBG102で反射された反射光(戻り光)が励起光光源(一般には、LD)に戻り、励起光光源を誤動作させたり、損傷させたりするなど、励起光光源への好ましくない影響がある。
【0017】
反射光の励起光光源への好ましくない影響を避けるため、FBG102の手前に反射光を除去する光アイソレータを挿入する必要があり、レーザシステムを構築する部品点数が多くなり、システムの低コスト化ができなかったり、システムが大型になったりするという問題もある。
【0018】
また、図11に示すように、コア72中に短周期型で反射型のFBG102を2個以上使用すると、FBG102,102間で発生した自然ラマン散乱反射光Lnrが発振してしまう。
【0019】
一方、図12に示すような放射型のFBG122は一般にグレーティング長(グレーティング部の長さ)が長いという問題があった。特に、放射型のFBG122でSRSを除去するための狭帯域フィルタを作製しようとすると、短周期型の200倍程度の長さ、例えば2m程度となり、ファイバレーザ用光ファイバは5m程度の長さで使用されることもあるので、実質的には作製不可能であった。また、透過阻止ピークが多数存在するために、透過帯域での透過損失が大きくなるという問題があった。
【0020】
また、図9に示すファイバレーザ91において、レーザ光と共にSRSが増幅されるのを防止するために、各光増幅部95に前述したフィルタ部としてのFBGをそれぞれ挿入することが考えられる。しかし、励振用FBG94,94以外にさらに2個以上のFBGを用いると、これらFBG間でSRSが共振して発振し、レーザ光の出力が大幅に低下してしまう。
【0021】
そこで、本発明の目的は、誘導ラマン散乱の発生を抑制し、高ビーム品質かつ高出力のファイバレーザを実現するファイバレーザ用光ファイバ及び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】
【0022】
前記目的を達成するために創案された本発明は、希土類元素が添加されたコアの周囲にクラッドが形成された光ファイバと、前記光ファイバの所定の位置に配置され、中空コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されたフォトニックバンドギャップファイバとからなり、前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバ内を伝搬するレーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有するファイバレーザ用光ファイバである。
【0023】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光の波長から長波長側へ13.2THz離れた波長が含まれないバンドギャップを有するとよい。
【0024】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長に対して空孔率fが75〜90%であり、空孔間隔Λbが0.5〜5μmである複数の空孔を有するとよい。
【0025】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバの長手方向の複数箇所に形成されているとよい。
【0026】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、50cm以下の長さを有するとよい。
【0027】
前記光ファイバは、前記コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されており、前記複数の空孔の空孔径dと空孔間隔Λとの関係d/Λがd/Λ<0.44であるとよい。
【0028】
前記光ファイバと前記フォトニックバンドギャップファイバとの全体の長さが、5m以上30m以下であるとよい。
【0029】
また本発明は、前記のファイバレーザ用光ファイバと、そのファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射させる励起用光源とを少なくとも備えるファイバレーザである。
【0030】
前記ファイバレーザ用光ファイバの出射端に、さらにレーザ光を増幅する光増幅部が多段に接続されていてもよい。
【発明の効果】
【0031】
本発明によれば、誘導ラマン散乱の発生を抑制し、高ビーム品質かつ高出力のファイバレーザを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0032】
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。
【0033】
(ファイバレーザ)
まず、図5を用いて、本発明の好適な実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバを使用したファイバレーザを説明する。
【0034】
図5に示すファイバレーザ51は、光源を備えてレーザ光L1を出力するための光学部52と、その光学部52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、例えば、図9に示すファイバレーザ91における共振側として用いられる。
【0035】
光学部52は、後述する本実施形態に係るファイバレーザ用光ファイバ1と、そのファイバレーザ用光ファイバ1の両端部近傍(後述する両光結合部56A,56Bよりも外側)にそれぞれ設けられる光源部53A,53Bとからなる。
【0036】
光源部53A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54と、これら励起用光源54にそれぞれ接続された複数本の励起用光路55と、これら励起用光路55にそれぞれ光学的に接続され、各励起用光源54からの出射光をファイバレーザ用光ファイバ1に光結合する光結合部56A,56Bとからなる。
【0037】
各励起用光源54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。本実施形態では、一例として、波長λe(915nmあるいは975〜980nm)の励起光Le1を出射するマルチモードLDを用いた。
【0038】
各励起用光源54は、光源部53A,53Bごとに直列接続され、これらが前述した駆動装置に接続される。各励起用光路55としては、マルチモード光ファイバや光導波路を用いる。光結合部56A,56Bとしては、マルチカプラや励起コンバイナを用いる。
【0039】
ファイバレーザ用光ファイバ1の両端部で、両光結合部56A,56Bよりも内側には、ファイバレーザ用光ファイバ1へ入射した励起光Le1を反射励振するための光反射部57A,57Bが設けられる。本実施形態では、ファイバレーザ用光ファイバ1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を2つ形成して、光反射部57A,57Bとした。
【0040】
光反射部57B(ファイバレーザ用光ファイバ1のレーザ光L1の出射側)となるFBGはレーザ光L1を透過するように、光反射部57AとなるFBGとは格子間隔を異ならせて形成される。
【0041】
励起方式については、特に限定されるものではないが、ファイバレーザ51では側面励起、端面励起のどちらでも採用することができる。
【0042】
[第1の実施形態]
(ファイバレーザ用光ファイバ)
図1(a)は、本発明の好適な第1の実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバの概略図、図1(b)はその1B−1B線断面図、図1(c)は1C−1C線断面図、図1(d)は1D−1D線断面図、図1(e)は1E−1E線断面図である。
【0043】
図1(a)〜図1(e)に示すように、第1の実施形態に係るファイバレーザ用光ファイバ1は、所定の励起を行うことで発光する発光機能を有し、その発光した光を反射励振させることでレーザ発振媒体となるものである。
【0044】
このファイバレーザ用光ファイバ1は、希土類元素が添加された中実のコア2と、コア2の周囲に形成されたクラッド3とからなる光ファイバ4を備える。
【0045】
コア2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。本実施形態では、励起光Le1が波長λe(915nmあるいは975〜980nm)であり、波長λc(1530〜1560nm)のレーザ光L1を出射させるために、希土類元素としてYbとErを用いた。YbとErは、波長λeの励起光Lの吸収と、波長λcの光の増幅(誘導放出)とに適した希土類元素である。
【0046】
クラッド3は、石英材料からなり、ポンピングガイドである内側の第1クラッド31と、その外周に設けられ、石英材料からなる第2クラッド32とで構成されるダブルクラッド型である。光ファイバ4(クラッド3)の外周には、UV硬化型樹脂などからなる被覆層5が設けられる。
【0047】
さらに、ファイバレーザ用光ファイバ1は、光ファイバ4の光伝送路の途中に、非線形光学効果によって発生する誘導ラマン散乱(SRS)を抑制するためのフォトニックバンドギャップファイバ(PBF)6が配置されているものである。
【0048】
このPBF6は、中空コア7と、その中空コア7の周囲に複数の空孔33bが設けられたクラッド8とからなり、光ファイバ長手方向に沿って貫通する複数の空孔33bがハニカム状(周期的)に配列してなるフォトニック結晶構造を形成する。
【0049】
本実施形態では、光ファイバ4としてPCFを用いた。具体的には、第1クラッド31内に、光ファイバの長手方向に沿って貫通する空孔33cを複数個ハニカム状(周期的)に配列してなるフォトニック結晶構造を有する。また、光ファイバ4がシングルモード条件を満足するように、空孔33cの空孔径dと空孔間隔Λとで決定される構造パラメータd/Λが、d/Λ<0.44となるようにした。
【0050】
構造パラメータd/Λを、d/Λ<0.44にすることにより、光ファイバ4におけるコア2の有効断面積を拡大することができるため、後述するSRSの閾値(SRSが発生するしきい値)を高くすることができる。これにより、光ファイバ4の有効長(ファイバ有効長)を長くできるので、光ファイバ4の途中に設けられるPBF6の数を減らすことができ、光ファイバ4とPBF6との接続損失を低減して、高出力のレーザ光を発振することができる。本実施形態では、PCFを光ファイバ4に用いたが、光ファイバ4はこれに限定されるものではなく、例えば、空孔のない光ファイバでもよい。
【0051】
ここで、SRSとは、媒質に光を入射したとき、入射光と入射光により生じる光学フォノン(結晶格子の光学的振動)との相互作用により生ずる散乱をいう。この散乱光は、ストークス散乱光と呼ばれる。ラマン散乱で発生するストークス光は前方散乱も後方散乱も同程度に観測される。
【0052】
励起光とストークス光の関係は式(1)、(2)で示され、光ファイバ非線形閾値であるSRSの閾値Pthは、式(3)で示される。この閾値Pth未満のラマン散乱は、自然ラマン散乱であり、閾値Pth以上のラマン散乱がSRSである。ファイバ有効長Leffは、光ファイバに伝送損失がないものとしたときの光の伝送が可能な長さである。
【0053】
【数1】
【0054】
式(3)より、励起光源の入力パワーを大きくしていくと、使用する帯域以外の帯域に散乱光が現れてしまうことがある。この現象は光ファイバレーザの出力に悪影響となる。さらに、式(3)より、SRSの発生閾値は、光ファイバのコアの有効断面積と比例し、ファイバ有効長と反比例することがわかる。
【0055】
つまり、SRSを抑えるためには、できるだけ光ファイバの有効断面積を大きく、ファイバ有効長を短くする必要があり、SRSが発生する前に、ファイバ有効長よりも短い長さの光ファイバ(L<Leff)で発生したラマン散乱を除去すれば、SRSの発生を抑制できることがわかる。
【0056】
ファイバレーザ用光ファイバ1は、光ファイバ4とPBF6との全体の長さLtが5m以上、好ましくは10m以上、さらに好ましくは10〜30mであれば、出力が5kW以上、或いは10kW以上のレーザ光の発振に有効である。長さLtが5m未満の場合、ファイバレーザ用光ファイバ1内に発生する熱により、出力が低下したり、ファイバレーザ用光ファイバ1自体が破壊されてしまうおそれがある。長さLtが30mを超えると、非線形光学効果が発生し易くなる。
【0057】
この条件を満たす一例としては、図5の励起用光源54として、波長977nm、出力6.5kWのマルチモードLDを用いる場合、コア2の直径を50μm、コア2に添加されたYb濃度を500〜1100ppm、Er濃度を100〜400ppmにする条件が考えられるが、これに限定されるものではない。
【0058】
PBF6は、光ファイバ4がコア2とクラッド3の境界面で全反射によって光を伝送する光ファイバであるのに対し、クラッド8の周期構造でブラッグ反射によって中空コア7に光を伝送する光ファイバである。図1(d)では、横断面が六角形状の中空コア7の例を示したが、横断面が円形状の中空コアを用いてもよい。
【0059】
PBF6の長さLbは、自然ラマン散乱光を除去するのに十分な長さであり、かつ高出力のレーザ光L1を効率よく生成するために、50cm以下にするとよい。PBF6の長さが長くなりすぎると、伝送損失が増加するおそれがある。
【0060】
図1(b)中のL1,L2は、所定の位置にPBF6を配置したときに、光ファイバ4が分割されて形成される各分割光ファイバ4a,4bの長さである。第1の実施形態では、図1(b)における各分割光ファイバ4a,4bの長さL1,L2がそれぞれ約2m50cmとなるように、光ファイバ4へ長さLbが約50cmのPBF6を挿入した。
【0061】
PBF6の空孔33bの空孔径dbは、光ファイバ4の空孔33cの空孔径dと同じである。PBF6のクラッド8に対する空孔率fと、空孔間隔Λbとは、レーザ光L1の中心波長に応じて決定される。
【0062】
より詳細には、空孔率fと、空孔間隔Λbとは、1)PBF6のバンド特性と透過光特性、2)PBF6の基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係、3)PBF6の空孔率と帯域幅の関係を考慮して決定される。
【0063】
1)PBF6のバンド特性と透過光特性;
PBF6のバンド特性は、例えば、測定ファイバ長=5m、横断面がほぼ円形状(実際のコアは真円でないことによる)の中空コア7のコア径(長軸)a1=8.8μm、コア径(短軸)a2=8.3μm、空孔間隔Λb=3.0μm、空孔率f=75%のとき、図2(a)に示すようになる。図2(a)中の斜めの実線は、PBF6の中空コア7(空気)内を光が伝送できる特性線21aであり、縦線で塗りつぶした領域がフォトニックバンドである。
【0064】
図2(a)に示すように、一般にPBFは、特性線21aとフォトニックバンドが交差する部分であるフォトニックバンドギャップを複数有する。これらのうち、中心波長が一番長い(特性線21aとフォトニックバンドが交差する部分が一番多く、帯域幅が最も広い)バンドが基本バンドギャップ(図2(a)中の(i))であり、周波数が高くなるにつれて2次、3次、4次バンドギャップ(図2(a)中の(ii)、(iii)、(iv))などの高次バンドギャップとなる。本実施形態では、PBF6の基本バンドギャップを用いる。
【0065】
図2(a)の関係を波長と強度の関係に換算すると図2(b)のPBF6の透過光特性が得られる。図2(b)に示すように、フォトニックバンドギャップはPBFをほぼ伝送損失なく伝送できる光の透過窓である。例えば、レーザ光L1の中心波長λcが約1550nmである場合においては、帯域幅がもっとも広く、λ=1660nm付近に自然ラマン散乱光のピーク(ラマンピーク)が現れることがわかる。波長で見ると、レーザ光L1の中心波長λcとラマンピークの波長λの間隔は一定ではないが、周波数で見れば、通常、発振されたレーザ光L1の周波数からおよそ13.2THzだけ低い周波数のところで自然ラマン散乱光のピーク(ラマンピーク)が現れる。
【0066】
また、PBF6の最小伝送損失を測定したところ、測定ファイバ長=100mで光の波長が1530nmのとき、230dB/kmであった。
【0067】
2)PBF6の基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係;
PBF6の基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係は、例えば、空孔率f=90%のとき、図3に示すようになる。図3に示すように、空孔間隔Λbを0.5〜5μmの範囲で変えることによって、レーザ光L1の中心波長を0.64〜2.12μmの範囲で変えることができ、中心波長帯域も徐々に広くシフトできることがわかる。空孔率fが90%、空孔間隔Λbが3.5μmにすることで、レーザ光L1の中心波長が1.5μm付近となるPBF6を実現できる。
【0068】
3)PBF6の空孔率と帯域幅の関係;
PBF6の空孔率と帯域幅の関係は、例えば、空孔間隔Λb=3.0μmのとき、図4に示すようになる。図4に示すように、2次バンドギャップなどの高次バンドギャップより基本バンドギャップの帯域幅が広いことがわかる。例えば、レーザ光L1の中心波長1.5μm付近で見ると、基本バンドギャップは、レーザ光L1の中心波長が1.55μmで帯域幅が0.32μmと広いのに対し、2次バンドギャップでは、レーザ光L1の中心波長が1.50μmで帯域幅が0.05μmと非常に狭い。また、基本バンドギャップは、空孔率fが高いほど、帯域幅が広く、レーザ光L1の中心波長が短波長側にシフトすることがわかる。したがって、基本バンドギャップにおいて、空孔率fを75〜90%の範囲で変えることによって、レーザ光L1の中心波長を1.92〜1.27μmの範囲で変えることができ、中心波長帯域も徐々に広くシフトできることがわかる。
【0069】
以上の1)〜3)を考慮し、本実施形態では、光ファイバ4内を伝搬するレーザ光L1の波長が含まれると共に、このレーザ光L1を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有するPBF6を光ファイバ4の所定の位置に配置した。
【0070】
すなわち、PBF6は、レーザ光L1の波長が含まれると共に、レーザ光L1の波長から長波長側へ13.2THz離れた波長が含まれないバンドギャップを有する。ここで、レーザ光L1の波長が含まれると共に、レーザ光L1の波長から長波長側へ13.2THz離れた波長が含まれないバンドギャップとするために、例えば、PBF6に形成された複数の空孔を、レーザ光L1の波長に対して空孔率fが75〜90%、空孔間隔Λbが0.5〜5μmとなる範囲で選択する。
【0071】
一例として、光ファイバ4を伝搬するレーザ光L1の波長が1550nm〜1560nmである場合においては、空孔率fが90%、空孔間隔Λbが3.2〜3.3μmからなる複数の空孔33bをクラッド8に形成したPBF6を、光ファイバ4の所定の位置に配置した。
【0072】
このとき、1550nm〜1560nmの波長を有するレーザ光L1が光ファイバ4内を伝搬する際に、レーザ光L1の波長から長波長側へ13.2THz離れた波長(約1660nm)でラマン散乱光Lnrが発生するが、PBF6の空孔率f、空孔間隔Λbを上記のように選定することにより、PBF6は、レーザ光L1の波長(1550nm〜1560nm)が含まれる一方で、レーザ光L1を伝搬する際に発生するラマン散乱光Lnrの波長(約1660nm)が含まれないバンドギャップを有することになる。
【0073】
これにより、PBF6においてレーザ光L1のみが透過し、自然ラマン散乱光Lnrが透過しないので、SRSの発生を抑制することができる。また、自然ラマン散乱光LnrがPBF6にて吸収されてしまうので、自然ラマン散乱光Lnrの発振を防止することができる。
【0074】
(ファイバレーザ用光ファイバの製造方法)
ファイバレーザ用光ファイバ1の製造は、例えば、まず、MCVD法を用いて原料ガスと酸水素バーナにより、希土類元素を添加した細径石英棒と、その細径石英棒の周りにフォトニック結晶を構成するように配列される複数本の細径石英管と、これら細径石英棒、複数本の細径石英管を挿入する石英ジャケット管とを作製する。
【0075】
石英ジャケット管内で細径石英棒と複数本の細径石英管とを配列し、石英ジャケット管の両端を封止し、酸水素バーナを用いて加熱することで、融着一体化して光ファイバ4となるPCF用プリフォームを作製する。この融着一体化したPCF用プリフォームを通常の光ファイバの線引き工程により、所定の外径に線引きし、同一ラインにてUV硬化型樹脂を被覆すると、光ファイバ4が得られる。
【0076】
一方、前述した細径石英棒に代えて大径の細径石英管を用い、PBF6を同様にして作製する。光ファイバ4とPBF6を所定の長さにカットし、PBF6の両端に光ファイバ4を融着すると、図1に示したファイバレーザ用光ファイバ1が得られる。
【0077】
第1の実施形態の作用を、図5のファイバレーザ51の動作と共に説明する。
【0078】
駆動装置により各励起用光源54を駆動すると、各励起用光源54から励起光が出射され、光源部53A,53B内の全励起用光源54からの励起光が各光結合部56A,56Bで光結合され、ファイバレーザ用光ファイバ1に両側方から励起光Le1がそれぞれ入射される。
【0079】
入射した励起光Le1は、ファイバレーザ用光ファイバ1の内部で増幅され、さらに光反射部57A,57Bがレーザ共振器の全反射鏡および出力鏡として働くことで、高出力のレーザ光L1が生成され、ファイバレーザ用光ファイバ1の出射端から出力される。
【0080】
より詳細には、ファイバレーザ用光ファイバ1の一端部の第1クラッド31内に集光した励起光Le1は、第1クラッド31中を第1クラッド31と第2クラッド32との境界で反射しながら伝搬し、反射によって励起光Le1がコア2へ入射した際、コア2の希土類元素が励起される。励起された希土類元素からレーザ光が発振されてコア2を伝搬し、ファイバレーザ用光ファイバ1の他端から高出力のレーザ光L1が出射する。
【0081】
レーザ光がコア2中を伝搬するとき、自然ラマン散乱光Lnrが発生する。ファイバレーザ用光ファイバ1では、光ファイバ4の光伝送路の途中に、レーザ光L1の中心波長に応じて、空孔率fを75〜90%の範囲で、かつ空孔間隔Λbを0.5〜5μの範囲で適宜変更して設定したPBF6が配置されているため、PBF6により、自然ラマン散乱光Lnrが除去され、各励起用光源54側に戻る反射光はほとんどない。
【0082】
PBF6は、レーザ光L1の中心波長がPBF6のフォトニックバンドギャップ内で、ラマンピークの波長がバンドギャップ外なので、レーザ光L1のみを通過させ、自然ラマン散乱光Lnrを遮断するSRSを抑制するためのフィルタ部、いわばバンドパスフィルタあるいはローパスフィルタの役目を果たす(図1(f)のグラフ参照)。
【0083】
したがって、ファイバレーザ用光ファイバ1によれば、自然ラマン散乱光LnrをSRSまで成長させず、SRSを抑制することができ、コア径を拡大せずに、高ビーム品質かつ高出力の信頼性が高い全ファイバ型のファイバレーザ51を実現できる。
【0084】
よって、ファイバレーザ用光ファイバ1では、所望の中心波長(例えば、1550nm付近(1530〜1560nm:通信のCバンド)の高出力ファイバレーザを簡単に実現できる。
【0085】
光ファイバ4としては、通常のシングルモード光ファイバ(SMF)のコアに希土類元素を添加したものを用いてもよい。光ファイバ4としてPCFのコアに希土類添加元素を添加したものを用いれば、SMFを用いる場合に比べて、より高出力のファイバレーザを得ることができ、また、PBF6との光学的な接続が簡単になるという利点がある。
【0086】
[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態を説明する。
【0087】
図6に示すように、第2の実施形態に係るファイバレーザ用光ファイバ61は、光ファイバ4の光伝送路の所定の位置に、PBF6が多段(図6の例では、2段)に配置されているものである。
【0088】
第2の実施形態では、図6において各分割光ファイバ4a〜4cの長さL1,L2,L3がそれぞれ約3m33cmとなるように、光ファイバ4へ長さLbが約50cmのPBF6を複数配置した。
【0089】
前述した式(3)で説明したように、ファイバ有効長が長くなるほどSRSが増大する。しかし、ファイバレーザ用光ファイバ61では、所定の間隔ごとにPBF6が複数配置されていることにより、レーザ光の出力を高くするために、ファイバレーザ用光ファイバ61の全長を長くしても、SRSの発生を抑制することができるので、さらなる高出力で信頼性の高い全ファイバ型のファイバレーザを実現できる。
【0090】
各実施形態では、PBFと光ファイバとからなるファイバレーザ用光ファイバを共振側のファイバレーザに用いた例で説明したが、図9で説明した光増幅部95のファイバレーザ用光ファイバに使用することもでき、これにより、各光増幅部95の手前に反射光を除去する光アイソレータを挿入する必要がないため、SRSの発生を抑制できることに加え、レーザシステムを構築する部品点数が少なくなり、システムを低コスト化できると共に、小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【0091】
【図1】図1(a)は、本発明の好適な第1の実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバの概略図、図1(b)はその1B−1B線断面図、図1(c)は1C−1C線断面図、図1(d)は1D−1D線断面図、図1(e)は1E−1E線断面図、図1(f)は、図1(a)のファイバレーザ用光ファイバに用いたPBFの特性を示すグラフである。
【図2】図2(a)は本実施形態で用いるPBFのバンド特性を示す図、図2(b)はその透過光特性を示す図である。
【図3】本実施形態で用いるPBFにおける基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係を示す図である。
【図4】本実施形態で用いるPBFにおける空孔率と帯域幅の関係を示す図である。
【図5】図1に示したファイバレーザ用光ファイバを使用したファイバレーザの概略図である。
【図6】本発明の第2の実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。
【図7】従来の一般的なファイバレーザ用光ファイバの概略図である。
【図8】ファイバ中の誘導ラマン散乱の一例を示す図である。
【図9】従来の放射型FBGを用いたMOPA型ファイバレーザの概略図である。
【図10】従来の反射型FBGを用いたファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。
【図11】従来の反射型FBGを用いたファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。
【図12】従来の放射型FBGを用いたファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。
【符号の説明】
【0092】
1 ファイバレーザ用光ファイバ
2 希土類元素が添加されたコア
3 クラッド
4 光ファイバ
6 PBF
7 中空コア
8 クラッド
33b 空孔
Le1 励起光
L1 レーザ光
f 空孔率
Λb 空孔間隔
【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クラッドが形成された光ファイバと、
前記光ファイバの所定の位置に配置され、中空コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されたフォトニックバンドギャップファイバとからなり、
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバ内を伝搬するレーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有することを特徴とするファイバレーザ用ファイバ。
【請求項2】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光の波長から長波長側へ13.2THz離れた波長が含まれないバンドギャップを有する請求項1に記載のファイバレーザ用ファイバ。
【請求項3】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長に対して空孔率fが75〜90%であり、空孔間隔Λbが0.5〜5μmである複数の空孔を有する請求項1又は2に記載のファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項4】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバの長手方向の複数箇所に形成されている請求項1〜3のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項5】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、50cm以下の長さを有する請求項1〜4のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項6】
前記光ファイバは、前記コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されており、前記複数の空孔の空孔径dと空孔間隔Λとの関係d/Λがd/Λ<0.44である請求項1〜5のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項7】
前記光ファイバと前記フォトニックバンドギャップファイバとの全体の長さが、5m以上30m以下である請求項1〜6のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項8】
請求項1〜7のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバと、そのファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射させる励起用光源とを少なくとも備えることを特徴とするファイバレーザ。
【請求項9】
前記ファイバレーザ用光ファイバの出射端に、さらにレーザ光を増幅する光増幅部が多段に接続されている請求項8に記載のファイバレーザ。
【請求項1】
希土類元素が添加されたコアの周囲にクラッドが形成された光ファイバと、
前記光ファイバの所定の位置に配置され、中空コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されたフォトニックバンドギャップファイバとからなり、
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバ内を伝搬するレーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有することを特徴とするファイバレーザ用ファイバ。
【請求項2】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光の波長から長波長側へ13.2THz離れた波長が含まれないバンドギャップを有する請求項1に記載のファイバレーザ用ファイバ。
【請求項3】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長に対して空孔率fが75〜90%であり、空孔間隔Λbが0.5〜5μmである複数の空孔を有する請求項1又は2に記載のファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項4】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバの長手方向の複数箇所に形成されている請求項1〜3のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項5】
前記フォトニックバンドギャップファイバは、50cm以下の長さを有する請求項1〜4のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項6】
前記光ファイバは、前記コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されており、前記複数の空孔の空孔径dと空孔間隔Λとの関係d/Λがd/Λ<0.44である請求項1〜5のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項7】
前記光ファイバと前記フォトニックバンドギャップファイバとの全体の長さが、5m以上30m以下である請求項1〜6のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項8】
請求項1〜7のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバと、そのファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射させる励起用光源とを少なくとも備えることを特徴とするファイバレーザ。
【請求項9】
前記ファイバレーザ用光ファイバの出射端に、さらにレーザ光を増幅する光増幅部が多段に接続されている請求項8に記載のファイバレーザ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2010−129886(P2010−129886A)
【公開日】平成22年6月10日(2010.6.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−304794(P2008−304794)
【出願日】平成20年11月28日(2008.11.28)
【出願人】(000005120)日立電線株式会社 (3,358)
【出願人】(592032636)学校法人トヨタ学園 (57)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年6月10日(2010.6.10)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年11月28日(2008.11.28)
【出願人】(000005120)日立電線株式会社 (3,358)
【出願人】(592032636)学校法人トヨタ学園 (57)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】
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