ファイバレーザ装置
【課題】自然放出光による光学系の損傷や光学特性の低下が抑制されたファイバレーザ装置を提供する。
【解決手段】ファイバレーザ装置５は、第１の光源１０、第２の光源１２、ファイバレーザ増幅器２０、およびファイバレーザ発振器３０を有する。第１の光源１０は、第１のシード光を第１の周期を有するパルス列として放出する放出期間と、前記第１の周期よりも長い非放出期間とを有する。第２の光源１２は、前記第１のシード光の波長とは異なる波長を有する第２のシード光を、前記非放出期間内に第２の周期を有するパルス列として放出可能である。ファイバレーザ増幅器２０は、第１の希土類元素が添加された光ファイバ２２を有し、ファイバレーザ発振器３０は、前記第１のシード光の前記波長における光吸収強度が前記第２のシード光の前記波長における光吸収強度よりも高い第２の希土類元素が添加された光ファイバを有する。
【解決手段】ファイバレーザ装置５は、第１の光源１０、第２の光源１２、ファイバレーザ増幅器２０、およびファイバレーザ発振器３０を有する。第１の光源１０は、第１のシード光を第１の周期を有するパルス列として放出する放出期間と、前記第１の周期よりも長い非放出期間とを有する。第２の光源１２は、前記第１のシード光の波長とは異なる波長を有する第２のシード光を、前記非放出期間内に第２の周期を有するパルス列として放出可能である。ファイバレーザ増幅器２０は、第１の希土類元素が添加された光ファイバ２２を有し、ファイバレーザ発振器３０は、前記第１のシード光の前記波長における光吸収強度が前記第２のシード光の前記波長における光吸収強度よりも高い第２の希土類元素が添加された光ファイバを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ファイバレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置や光応答装置では、高出力のパルスレーザ光が要求される。このために、固体レーザまたは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。
【０００３】
ファイバレーザ増幅器は、コアに添加された希土類元素に励起光が吸収され、誘導放出により利得を生じてパルスシード光を増幅できる。しかし、一般にファイバレーザ増幅器は利得を生じる波長範囲が広いために、高い出力レベルまで励起され且つ蓄積されたエネルギーを効率よく取り出すことが困難である。
【０００４】
ツリウム（Ｔｍ）とネオジウムとをコアに添加した光ファイバを利得媒体とし、ツリウムによる光増幅時に発生する波長０．８μｍ帯の自然放出光をネオジウムに吸収させると、波長１．４７μｍ帯の光の増幅を行うことができる。
【０００５】
しかしながら、自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission)を励起光としてＴｍ添加光ファイバを有するファイバレーザ装置がＡＳＥを生じる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−９３２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
自然放出光による光学系の損傷や光学特性の低下が抑制されたファイバレーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のファイバレーザ装置は、 第１の光源、第２の光源、ファイバレーザ増幅器、およびファイバレーザ発振器、を有する。前記第１の光源は、第１のシード光を放出可能である。また、前記第１の光源は、前記第１のシード光を第１の周期を有するパルス列として放出する放出期間と、前記第１のシード光を放出せず前記第１の周期よりも長い非放出期間と、を有する。前記第２の光源は、前記第１のシード光の波長とは異なる波長を有する第２のシード光を、前記非放出期間内に第２の周期を有するパルス列として放出可能である。前記ファイバレーザ増幅器は、第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、を有する。また、前記ファイバレーザ増幅器は、第１の希土類元素が添加された光ファイバを有し、前記第１の端部から入射された前記第１および第２のシード光を増幅可能である。前記ファイバレーザ発振器は、前記ファイバー増幅器と接続される第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、を有する。また、前記ファイバレーザ発振器は、前記第１のシード光の前記波長における光吸収強度が前記第２のシード光の前記波長における光吸収強度よりも高い第２の希土類元素が添加された光ファイバを有する。前記ファイバレーザ発振器は、さらに前記第１のシード光の前記波長よりも長い波長でありかつ前記第１の周期を有するパルスレーザ光を前記第２の端部から放出可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態のファイバレーザー装置の構成図である。
【図２】図２（ａ）は第１の光源からのレーザ光、図２（ｂ）は第２の光源からのレーザ光、図２（ｃ）はファイバーレーザ増幅器のレーザ光、図２（ｄ）はファイバレーザ発振器のレーザ光、図２（ｅ）は第１のシード光、図２（ｆ）は第２のシード光、のパルス波形図である。
【図３】図３（ａ）はＥｒの光吸収または発光スペクトル、図３（ｂ）はＴｍの光吸収または発光スペクトル、を示すグラフ図である。
【図４】図４は、比較例にかかるファイバレーザ装置の構成を表す模式図である。
【図５】図５（ａ）は光応答装置の構成を表す模式図、図５（ｂ）はその信号の波形図、である。
【図６】図６（ａ）はファイバレーザ装置からのパルスレーザ光を波長変換する場合の構成を示す模式図、図６（ｂ）はファイバレーザ装置からのパルスレーザ光の波形図、図６（ｂ）は波長変換後のパルスレーザ光の波形図、である。
【発明を実施するための形態】
【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、第１の実施形態のファイバレーザ装置の構成を表す模式図である。ファイバレーザ装置は、第１の光源１０と、第２の光源１２と、ファイバレーザ増幅器２０と、第３の光源１４と、ファイバレーザ発振器３０と、を有している。
【００１１】
第１の光源１０は、例えば、波長λ１が１．５６μｍ近傍の第１のシード光を放出する。また、第２の光源１２は、波長λ１とは異なるように、波長λ２が、例えば１．４８μｍ近傍または１μｍ近傍の第２のシード光を放出する。第１の光源１０と第２の光源１２とは、例えば、ＩｎＧａＡｓＰなどからなる半導体レーザ素子とすることができる。ドライバ１４は、第１および第２の光源１０、１２をパルス駆動し、パルスレーザ光をそれぞれ放出させる。
【００１２】
また、ドライバ１４は、第１のシード光のパルス列の非放出期間を設けることができる。さらに、ドライバ１４は、第１のシード光の非放出期間において、第２のシード光のパルス列を放出できる。
【００１３】
ファイバーレーザ増幅器２０は、コアに希土類元素が添加された光ファイバ２２と、カプラ２４と、コンバイナー２６と、を有する。シード光の波長を１．４８〜１．５６μｍの範囲とする場合、第１の希土類元素としては、例えばエルビウム（Ｅｒ）やイッテルビウム（Ｙｂ）を用いることができる。Ｅｒによる増幅は、ＥＤＦＡ（Er-doped Fiber amplification）方式と呼ばれる。図１において、ファイバレーザ増幅器２０は、第１の光源１０および第２の光源１２の側に、第１の端部２０ａを有し、その反対の側に第２の端部２０ｂを有する。
【００１４】
第３の光源１６は、例えば、第２の端部２０ｂの側に設けられる。第３の光源１６は、０．９７５μｍ近傍の波長λ３の励起光を放出可能であり、コンバイナー２６などを介して励起光を光ファイバ２２へ導入する。光ファイバ２２に添加された第１の希土類元素は、励起光を吸収し、誘導放出により第１のシード光や第２のシード光を増幅して、第２の端部２０ｂから放出する。第３の光源１６は、例えば、ＡｌＧａＡｓなどからなる半導体レーザ素子からの放出光を合成し、数百ｍＷなどの高出力を放出可能な光モジュールとすることができる。
【００１５】
ファイバレーザ発振器３２は、コアに第２の希土類元素が添加された光ファイバ３２を有する。この場合、励起光としては、第１のシード光をファイバレーザ増幅器２０により増幅した増幅光（波長λ１）を用いることができる。図１において、ファイバレーザ発振器３２は、ファイバレーザ増幅器２０の側に第１の端部３０ａ、その反対の側に第２の端部３０ｂ、を有している。
【００１６】
ファイバレーザ発振器３０の発振波長は、光共振器により決めることができる。図１において、光共振器は、ファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）をさらに有している。ＦＢＧは、コアの屈折率が光ファイバの光軸方向に沿って周期的に変化したブラッグ回折格子を有している。ＦＢＧは、その中心波長λＢ近傍の反射帯域において光を反射し、中心波長λＢから離れた帯域において光を透過する。
【００１７】
第１の端部３０ａの側に設けられた第１ＦＢＧ３４の中心波長λＢ１と、第２の端部３０ｂの側に設けられた第２ＦＢＧ３６の中心波長λＢ２と、は、所望の発振波長λ４の近傍に設定される。
【００１８】
また、波長λ４における第１ＦＢＧ３４の反射率を第２ＦＢＧ３６の反射率よりも高くすると、第２の端部３０ｂから、波長λＢ近傍のレーザ光を放出できる。この場合、例えば、第２ＦＢＧ３６の反射率を５０％近傍、第１ＦＢＧ３４の反射率を５０％よりも高く９０％以上などとすることができる。なお、光共振器は、光ファイバ３２の両側に設けられたミラーなどで構成することもできる。
【００１９】
図１において、光ファイバがシリカファイバであるものとすると、それぞれの光学部品は、ファイバの端部を融着することにより接続可能である。
【００２０】
図２（ａ）は第１の光源からのレーザ光出力、図２（ｂ）は第２の光源からのレーザ光出力、図２（ｃ）はファイバレーザ増幅器のレーザ光出力、図２（ｄ）はファイバレーザ発振記のレーザ光出力図２（ｅ）は第１のシード光、図２（ｆ）は第２のシード光、のパルス波形図である。
図２（ａ）は、点Ａにおけるレーザ光のパルス波形を示す。第１の光源１０は、ドライバ１４により、第１の周期Ｔ１で第１のシード光（波長λ１）のパルス列を放出する放出期間ｔｐ１と、第１のシード光のパルス列を放出しない非放出期間ｔｐ２と、を有する。第１の周期Ｔ１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、第１の周期Ｔ１は、この範囲に限定されないものとする。
【００２１】
また、図２（ｂ）は、点Ｄにおけるレーザ光のパルス波形を示す。第２の光源１２は、第２の周期Ｔ２で第２のシード光のパルス列を放出する。なお、第１の周期Ｔ１と、第２の周期Ｔ２と、は、同一であっても、また異なっていてもよい。
【００２２】
第１のシード光のパルス列は、時間ｔ１から放出され始める。また、第２のシード光のパルス列は、第１のシード光の非放出期間ｔｐ２内で放出される。図２では時間ｔ２から放出され始める。
【００２３】
第１のシード光の変調動作周期ＴＭは、放出期間ｔｐ１および非放出期間ｔｐ２を含む。ファイバレーザ装置の用途では、変調動作周期ＴＭは、第１の周期Ｔ１や第２の周期Ｔ２に対して長く設定される場合が多い。すなわち、繰り返し周波数で表すと、例えば１ｋＨｚ以下のような低い周波数とすることが多い。なお、変調動作周期ＴＭは、毎回同じである必要はないが、毎回同じとした方がパルス波形制御が容易である。
【００２４】
図２（ｃ）は、点Ｂにおける増幅光のパルス波形を示す。この場合、ファイバレーザ増幅器２０は、第１のシード光の放出期間ｔｐ１の間、波長λ１の増幅光を放出する。また、第１のシード光の非放出期間ｔｐ２の間、波長λ２の第２のシード光を増幅してその増幅光を放出する。この場合、第２のシード光の波長λ２および光出力、をそれぞれ適正に選択し、非放出期間ｔｐ２の間に光ファイバ２２にエネルギーが蓄積されることを抑制できる。このため、ＡＳＥの放出が抑制される。
【００２５】
図２（ｄ）は、出力点Ｃにおいて、発振光のパルス波形を示す。ファイバレーザ発振器３０は、第１のシード光の増幅光（パルス列）を励起光とし、第１のシード光の波長λ１よりも長い波長λ４のレーザ光を出力点Ｃから外部に放出する。また、第２のシード光（波長λ２）も、ファイバレーザ発振器３０に入射する。しかしながら、Ｔｍの光吸収スペクトルにおいて、波長λ２における光吸収強度を、波長λ１における光吸収強度よりも十分に低く設定することにより励起に寄与しないようにできる。このため、Ｔｍが添加された光ファイバ３２が発振することが抑制できる。すなわち、出力点Ｃから出力される波長λ１の高出力パルス列の間では、ＡＳＥが励起光となった擬似ＣＷ光や波長λ２の光は放出されない。
【００２６】
また、図２（ｅ）において、第１の周期Ｔ１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／Ｔ１は、０．２〜２％と低い。また、図２（ｆ）の第２のシード光のＷ２／Ｔ２も、例えば、０．２〜２％などとすることができる。さらに、第１のシード光と、第２のシード光と、において、Ｗ１＝Ｗ２かつＴ１＝Ｔ２とすると波形制御が容易である。
【００２７】
放出期間ｔｐ１や非放出期間ｔｐ２は、パルス幅に対して長い。本明細書では、放出期間ｔｐ１や非放出期間ｔｐ２の間、連続して放出される光を擬似ＣＷ光と呼ぶことにする。
【００２８】
図３（ａ）はＴｍの光吸収スペクトルまたは発光スペクトル、図３（ｂ）はＥｒの光吸収スペクトルまたは発光スペクトル、を示すグラフ図である。
図３（ａ）のように、第２の希土類元素としてＴｍを用いる場合、１．８〜２．１μｍの赤外線レーザ光を放出するための励起光の波長は種々選択可能である。例えば、ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いた半導体レーザ素子では、１．３〜１．６μｍの波長範囲に光吸収領域がある。この場合、第１のシード光の増幅光をファイバレーザ発振器３０の励起光とするので、高出力とすることが好ましい。すなわち、Ｔｍの光吸収スペクトルにおいて第１のシード光の波長λ１における光吸収強度は、第２のシード光の波長λ２における光吸収強度の略１０倍のように高いことが好ましい。
【００２９】
また、図３（ｂ）のように、第１の希土類元素としてＥｒを用いる場合、第２のシード光の光吸収強度は、第１のシード光の光吸収強度よりも高いことが好ましい。さらに、第２のシード光の発光強度は、第１のシード光の発光強度よりも低いことが好ましい。このようにすると、第１のシード光は、第２のシード光よりも高出力とできるので、Ｔｍの励起光として用いるのに適している。
【００３０】
なお、以下の説明において、ファイバレーザ増幅器２０の第１の希土類元素はＥｒ、ファイバレーザ発振器３０の第２の希土類元素はＴｍ、λ１は１．５６μｍ、λ２は１．４８μｍ、であるものとするが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３１】
すなわち、ファイバレーザ発振器３０を構成する光ファイバ３２において、第２のシード光（λ２が１．４８μｍ）のＴｍによる光吸収を第１のシード光（λ１が１．５６μｍ）の光吸収の略１０分の１と小さくする。このようにすると、１．４８μｍのシード光がファイバレーザ発振器３０へ入射しても、Ｔｍが添加された光ファイバ３２を励起するには不十分である。すなわち、十分の利得を得ることができないので、発振が抑制される。また、第２のシード光はＥＤＦＡで増幅されるので、励起光が光ファイバ２２で消費されエネルギーの蓄積は少なく、ＡＳＥが抑制される。なお、λ１とλ２との間隔を狭くしすぎると、光吸収強度や発光強度の差が小さくなり、第２のシード光がＴｍを励起しやすくなるので好ましくない。
【００３２】
図４（ａ）は比較例にかかるファイバレーザ装置の構成を表す模式図、図４（ｂ）は点Ａにおけるシード光の波形図、図４（ｃ）は点Ｂにおける増幅光の波形図、図４（ｄ）は点Ｃにおける出力光の波形図、である。
比較例にかかるファイバレーザ装置１０５のシード光は１つであり、図４（ｂ）の波形を有する。シード光はファイバレーザ増幅器１２０で増幅され、点Ｂにおいて、放出期間ｔｐ１１において図４（ｃ）の波形図に示すパルス波形となる。
【００３３】
また、シード光の非放出期間ｔｐ１２の間、励起光源１１６からのエネルギーが希土類元素を励起し続けている。例えば第１の周期Ｔ１１の１０倍の期間、励起が継続されると、１パルスのシード光を励起するエネルギーの略１０倍のエネルギーがファイバレーザ増幅器１２２に蓄積されていることになる。
【００３４】
図３（ｂ）のようにＥｒは広い発光スペクトルを有しているので、蓄積されたエネルギーが、例えば、１．５３〜１．５６μｍの広い発光スペクトルを有するＡＳＥが擬似ＣＷ光として放出される（図４（ｃ））。非放出期間ｔｐ１２が長くなると、蓄積されるエネルギーが大きくなる。このため、ファイバレーザ発振器１３０は、図４（ｃ）に示すＡＳＥを励起光として、Ｔｍ添加光ファイバ１３２が発振可能となる。このため、図４（ｄ）のように、第１のシード光の非放出期間ｔｐ１２の間も、ファイバレーザ発振器１３０からＡＳＥを励起光として擬似ＣＷ光を放出する。
【００３５】
図５（ａ）はファイバレーザ装置を用いた光応答装置の構成を示す模式図、図５（ｂ）は発振タイミングモニタ出力の波形図、図５（ｃ）は受信信号の波形図、である。
センシング用途に用いる光応答装置では、パルスレーザ光（λ４）は、まずサンプリングミラー５０により２つに分岐される。一方のパルスレーザ光は、送信光学系５２を経由して空間に放出される。被測定物５４からの反射光は、受信光学系５６を経由して、受信検知器５８に入射する。他方のパルスレーザ光は、サンプリングミラー５０で分岐されたのち、発振タイミングモニタ用検知器６０に入射する。
【００３６】
もしファイバレーザ装置１０５から、図４（ｄ）のように、ＡＳＥを励起光として擬似ＣＷ光が放出され続けていると、検知すべきパルスレーザ光（信号）に擬似ＣＷ光が雑音成分となり、Ｓ／Ｎ（信号・雑音）比に劣化を生じる（図５（ｃ））。また、図５（ｂ）のように、発振タイミングモニタ用検知器６０により検知信号にも擬似ＣＷ光が雑音成分として含まれる。このため、被測定物５４までの距離に応じた時間ｔ２０からの時間遅れｔｄを精度よく測定することが困難となる。
【００３７】
これに対して、本実施形態にかかるファイバレーザ装置５を用いた光応答装置では、所望のパルスレーザ光のパルス列が放出されない非放出期間にＡＳＥを励起光とした擬似ＣＷ光の放出が抑制できる。このため、センシング精度を高めることが容易となる。
【００３８】
図６（ａ）はファイバレーザ装置からのパルスレーザ光を波長変換する場合の構成を示す模式図、図６（ｂ）はファイバレーザ装置からのパルスレーザ光の波形図、図６（ｂ）は波長変換後のパルスレーザ光の波形図、である。
図４の比較例にかかるファイバレーザ装置１０５から放出されたパルスレーザ光は、ＯＰＯ（Optical Parametric Oscillator）７０へ入射する。ＯＰＯ７０は、ＺＧＰなどの非線形結晶７２と、非線形結晶７２の両側に設けられた２つの共振器ミラー７０と、を有している。ＯＰＯ７０に入射した略２μｍの波長を有するパルスレーザ光は、略３〜５μｍの波長（λ５）に変換されて出射する。
【００３９】
この場合、ファイバレーザ装置１０５から放出されたパルスレーザ光が、図４（ｄ）のように、ＡＳＥにより励起された擬似ＣＷ光を含んでいると、波長変換に寄与しない擬似ＣＷ成分が非線形結晶７２に吸収される。このため、非線形結晶７２が発熱し結晶に損傷を与えることがある。
【００４０】
また、例えば、図４（ａ）の比較例の構成において、点ＢにＡＳＥの伝搬を抑制するためにフィルタを配設しても、例えば３００ｍＷ以上のＡＳＥで損傷を生じることがある。このように、放射エネルギーの高い擬似ＣＷ光は、フィルタの空間結合部に損傷を与えることが多いので、ＡＳＥの発生を抑制することが好ましい。
【００４１】
本発明の実施形態によれば、ファイバレーザ増幅器から入射するＡＳＥを励起光としてファイバレーザ発振器が擬似ＣＷ光として発振することが抑制できる。このため、光学系の損傷やセンシングなどにおける光学特性の低下が抑制されたファイバレーザ装置が提供される。
【００４２】
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。
【符号の説明】
【００４３】
５ ファイバレーザ装置、１０ 第１の光源、１２ 第２の光源、１６ 第３の光源、２０ ファイバレーザ増幅器、２０ａ 第１の端部、２０ｂ 第２の端部、２２ 光ファイバ、３０ ファイバレーザ発振器、３０ａ 第１の端部、３０ｂ 第２の端部、３２ 光ファイバ、３４ 第１ＦＢＧ、３６ 第２ＦＢＧ、Ｔ１ 第１の周期、 Ｔ２ 第２の周期、ｔｐ１ 放出期間、ｔｐ２ 非放出期間、λ１ 第１のシード光の波長、λ２ 第２のシード光の波長、λ４ パルスレーザ光（出力光）の波長、λＢ、λＢ１、λＢ２ ＦＢＧの中心波長、Ｃ 出力点
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ファイバレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置や光応答装置では、高出力のパルスレーザ光が要求される。このために、固体レーザまたは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。
【０００３】
ファイバレーザ増幅器は、コアに添加された希土類元素に励起光が吸収され、誘導放出により利得を生じてパルスシード光を増幅できる。しかし、一般にファイバレーザ増幅器は利得を生じる波長範囲が広いために、高い出力レベルまで励起され且つ蓄積されたエネルギーを効率よく取り出すことが困難である。
【０００４】
ツリウム（Ｔｍ）とネオジウムとをコアに添加した光ファイバを利得媒体とし、ツリウムによる光増幅時に発生する波長０．８μｍ帯の自然放出光をネオジウムに吸収させると、波長１．４７μｍ帯の光の増幅を行うことができる。
【０００５】
しかしながら、自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission)を励起光としてＴｍ添加光ファイバを有するファイバレーザ装置がＡＳＥを生じる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−９３２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
自然放出光による光学系の損傷や光学特性の低下が抑制されたファイバレーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のファイバレーザ装置は、 第１の光源、第２の光源、ファイバレーザ増幅器、およびファイバレーザ発振器、を有する。前記第１の光源は、第１のシード光を放出可能である。また、前記第１の光源は、前記第１のシード光を第１の周期を有するパルス列として放出する放出期間と、前記第１のシード光を放出せず前記第１の周期よりも長い非放出期間と、を有する。前記第２の光源は、前記第１のシード光の波長とは異なる波長を有する第２のシード光を、前記非放出期間内に第２の周期を有するパルス列として放出可能である。前記ファイバレーザ増幅器は、第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、を有する。また、前記ファイバレーザ増幅器は、第１の希土類元素が添加された光ファイバを有し、前記第１の端部から入射された前記第１および第２のシード光を増幅可能である。前記ファイバレーザ発振器は、前記ファイバー増幅器と接続される第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、を有する。また、前記ファイバレーザ発振器は、前記第１のシード光の前記波長における光吸収強度が前記第２のシード光の前記波長における光吸収強度よりも高い第２の希土類元素が添加された光ファイバを有する。前記ファイバレーザ発振器は、さらに前記第１のシード光の前記波長よりも長い波長でありかつ前記第１の周期を有するパルスレーザ光を前記第２の端部から放出可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態のファイバレーザー装置の構成図である。
【図２】図２（ａ）は第１の光源からのレーザ光、図２（ｂ）は第２の光源からのレーザ光、図２（ｃ）はファイバーレーザ増幅器のレーザ光、図２（ｄ）はファイバレーザ発振器のレーザ光、図２（ｅ）は第１のシード光、図２（ｆ）は第２のシード光、のパルス波形図である。
【図３】図３（ａ）はＥｒの光吸収または発光スペクトル、図３（ｂ）はＴｍの光吸収または発光スペクトル、を示すグラフ図である。
【図４】図４は、比較例にかかるファイバレーザ装置の構成を表す模式図である。
【図５】図５（ａ）は光応答装置の構成を表す模式図、図５（ｂ）はその信号の波形図、である。
【図６】図６（ａ）はファイバレーザ装置からのパルスレーザ光を波長変換する場合の構成を示す模式図、図６（ｂ）はファイバレーザ装置からのパルスレーザ光の波形図、図６（ｂ）は波長変換後のパルスレーザ光の波形図、である。
【発明を実施するための形態】
【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、第１の実施形態のファイバレーザ装置の構成を表す模式図である。ファイバレーザ装置は、第１の光源１０と、第２の光源１２と、ファイバレーザ増幅器２０と、第３の光源１４と、ファイバレーザ発振器３０と、を有している。
【００１１】
第１の光源１０は、例えば、波長λ１が１．５６μｍ近傍の第１のシード光を放出する。また、第２の光源１２は、波長λ１とは異なるように、波長λ２が、例えば１．４８μｍ近傍または１μｍ近傍の第２のシード光を放出する。第１の光源１０と第２の光源１２とは、例えば、ＩｎＧａＡｓＰなどからなる半導体レーザ素子とすることができる。ドライバ１４は、第１および第２の光源１０、１２をパルス駆動し、パルスレーザ光をそれぞれ放出させる。
【００１２】
また、ドライバ１４は、第１のシード光のパルス列の非放出期間を設けることができる。さらに、ドライバ１４は、第１のシード光の非放出期間において、第２のシード光のパルス列を放出できる。
【００１３】
ファイバーレーザ増幅器２０は、コアに希土類元素が添加された光ファイバ２２と、カプラ２４と、コンバイナー２６と、を有する。シード光の波長を１．４８〜１．５６μｍの範囲とする場合、第１の希土類元素としては、例えばエルビウム（Ｅｒ）やイッテルビウム（Ｙｂ）を用いることができる。Ｅｒによる増幅は、ＥＤＦＡ（Er-doped Fiber amplification）方式と呼ばれる。図１において、ファイバレーザ増幅器２０は、第１の光源１０および第２の光源１２の側に、第１の端部２０ａを有し、その反対の側に第２の端部２０ｂを有する。
【００１４】
第３の光源１６は、例えば、第２の端部２０ｂの側に設けられる。第３の光源１６は、０．９７５μｍ近傍の波長λ３の励起光を放出可能であり、コンバイナー２６などを介して励起光を光ファイバ２２へ導入する。光ファイバ２２に添加された第１の希土類元素は、励起光を吸収し、誘導放出により第１のシード光や第２のシード光を増幅して、第２の端部２０ｂから放出する。第３の光源１６は、例えば、ＡｌＧａＡｓなどからなる半導体レーザ素子からの放出光を合成し、数百ｍＷなどの高出力を放出可能な光モジュールとすることができる。
【００１５】
ファイバレーザ発振器３２は、コアに第２の希土類元素が添加された光ファイバ３２を有する。この場合、励起光としては、第１のシード光をファイバレーザ増幅器２０により増幅した増幅光（波長λ１）を用いることができる。図１において、ファイバレーザ発振器３２は、ファイバレーザ増幅器２０の側に第１の端部３０ａ、その反対の側に第２の端部３０ｂ、を有している。
【００１６】
ファイバレーザ発振器３０の発振波長は、光共振器により決めることができる。図１において、光共振器は、ファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）をさらに有している。ＦＢＧは、コアの屈折率が光ファイバの光軸方向に沿って周期的に変化したブラッグ回折格子を有している。ＦＢＧは、その中心波長λＢ近傍の反射帯域において光を反射し、中心波長λＢから離れた帯域において光を透過する。
【００１７】
第１の端部３０ａの側に設けられた第１ＦＢＧ３４の中心波長λＢ１と、第２の端部３０ｂの側に設けられた第２ＦＢＧ３６の中心波長λＢ２と、は、所望の発振波長λ４の近傍に設定される。
【００１８】
また、波長λ４における第１ＦＢＧ３４の反射率を第２ＦＢＧ３６の反射率よりも高くすると、第２の端部３０ｂから、波長λＢ近傍のレーザ光を放出できる。この場合、例えば、第２ＦＢＧ３６の反射率を５０％近傍、第１ＦＢＧ３４の反射率を５０％よりも高く９０％以上などとすることができる。なお、光共振器は、光ファイバ３２の両側に設けられたミラーなどで構成することもできる。
【００１９】
図１において、光ファイバがシリカファイバであるものとすると、それぞれの光学部品は、ファイバの端部を融着することにより接続可能である。
【００２０】
図２（ａ）は第１の光源からのレーザ光出力、図２（ｂ）は第２の光源からのレーザ光出力、図２（ｃ）はファイバレーザ増幅器のレーザ光出力、図２（ｄ）はファイバレーザ発振記のレーザ光出力図２（ｅ）は第１のシード光、図２（ｆ）は第２のシード光、のパルス波形図である。
図２（ａ）は、点Ａにおけるレーザ光のパルス波形を示す。第１の光源１０は、ドライバ１４により、第１の周期Ｔ１で第１のシード光（波長λ１）のパルス列を放出する放出期間ｔｐ１と、第１のシード光のパルス列を放出しない非放出期間ｔｐ２と、を有する。第１の周期Ｔ１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、第１の周期Ｔ１は、この範囲に限定されないものとする。
【００２１】
また、図２（ｂ）は、点Ｄにおけるレーザ光のパルス波形を示す。第２の光源１２は、第２の周期Ｔ２で第２のシード光のパルス列を放出する。なお、第１の周期Ｔ１と、第２の周期Ｔ２と、は、同一であっても、また異なっていてもよい。
【００２２】
第１のシード光のパルス列は、時間ｔ１から放出され始める。また、第２のシード光のパルス列は、第１のシード光の非放出期間ｔｐ２内で放出される。図２では時間ｔ２から放出され始める。
【００２３】
第１のシード光の変調動作周期ＴＭは、放出期間ｔｐ１および非放出期間ｔｐ２を含む。ファイバレーザ装置の用途では、変調動作周期ＴＭは、第１の周期Ｔ１や第２の周期Ｔ２に対して長く設定される場合が多い。すなわち、繰り返し周波数で表すと、例えば１ｋＨｚ以下のような低い周波数とすることが多い。なお、変調動作周期ＴＭは、毎回同じである必要はないが、毎回同じとした方がパルス波形制御が容易である。
【００２４】
図２（ｃ）は、点Ｂにおける増幅光のパルス波形を示す。この場合、ファイバレーザ増幅器２０は、第１のシード光の放出期間ｔｐ１の間、波長λ１の増幅光を放出する。また、第１のシード光の非放出期間ｔｐ２の間、波長λ２の第２のシード光を増幅してその増幅光を放出する。この場合、第２のシード光の波長λ２および光出力、をそれぞれ適正に選択し、非放出期間ｔｐ２の間に光ファイバ２２にエネルギーが蓄積されることを抑制できる。このため、ＡＳＥの放出が抑制される。
【００２５】
図２（ｄ）は、出力点Ｃにおいて、発振光のパルス波形を示す。ファイバレーザ発振器３０は、第１のシード光の増幅光（パルス列）を励起光とし、第１のシード光の波長λ１よりも長い波長λ４のレーザ光を出力点Ｃから外部に放出する。また、第２のシード光（波長λ２）も、ファイバレーザ発振器３０に入射する。しかしながら、Ｔｍの光吸収スペクトルにおいて、波長λ２における光吸収強度を、波長λ１における光吸収強度よりも十分に低く設定することにより励起に寄与しないようにできる。このため、Ｔｍが添加された光ファイバ３２が発振することが抑制できる。すなわち、出力点Ｃから出力される波長λ１の高出力パルス列の間では、ＡＳＥが励起光となった擬似ＣＷ光や波長λ２の光は放出されない。
【００２６】
また、図２（ｅ）において、第１の周期Ｔ１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／Ｔ１は、０．２〜２％と低い。また、図２（ｆ）の第２のシード光のＷ２／Ｔ２も、例えば、０．２〜２％などとすることができる。さらに、第１のシード光と、第２のシード光と、において、Ｗ１＝Ｗ２かつＴ１＝Ｔ２とすると波形制御が容易である。
【００２７】
放出期間ｔｐ１や非放出期間ｔｐ２は、パルス幅に対して長い。本明細書では、放出期間ｔｐ１や非放出期間ｔｐ２の間、連続して放出される光を擬似ＣＷ光と呼ぶことにする。
【００２８】
図３（ａ）はＴｍの光吸収スペクトルまたは発光スペクトル、図３（ｂ）はＥｒの光吸収スペクトルまたは発光スペクトル、を示すグラフ図である。
図３（ａ）のように、第２の希土類元素としてＴｍを用いる場合、１．８〜２．１μｍの赤外線レーザ光を放出するための励起光の波長は種々選択可能である。例えば、ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いた半導体レーザ素子では、１．３〜１．６μｍの波長範囲に光吸収領域がある。この場合、第１のシード光の増幅光をファイバレーザ発振器３０の励起光とするので、高出力とすることが好ましい。すなわち、Ｔｍの光吸収スペクトルにおいて第１のシード光の波長λ１における光吸収強度は、第２のシード光の波長λ２における光吸収強度の略１０倍のように高いことが好ましい。
【００２９】
また、図３（ｂ）のように、第１の希土類元素としてＥｒを用いる場合、第２のシード光の光吸収強度は、第１のシード光の光吸収強度よりも高いことが好ましい。さらに、第２のシード光の発光強度は、第１のシード光の発光強度よりも低いことが好ましい。このようにすると、第１のシード光は、第２のシード光よりも高出力とできるので、Ｔｍの励起光として用いるのに適している。
【００３０】
なお、以下の説明において、ファイバレーザ増幅器２０の第１の希土類元素はＥｒ、ファイバレーザ発振器３０の第２の希土類元素はＴｍ、λ１は１．５６μｍ、λ２は１．４８μｍ、であるものとするが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３１】
すなわち、ファイバレーザ発振器３０を構成する光ファイバ３２において、第２のシード光（λ２が１．４８μｍ）のＴｍによる光吸収を第１のシード光（λ１が１．５６μｍ）の光吸収の略１０分の１と小さくする。このようにすると、１．４８μｍのシード光がファイバレーザ発振器３０へ入射しても、Ｔｍが添加された光ファイバ３２を励起するには不十分である。すなわち、十分の利得を得ることができないので、発振が抑制される。また、第２のシード光はＥＤＦＡで増幅されるので、励起光が光ファイバ２２で消費されエネルギーの蓄積は少なく、ＡＳＥが抑制される。なお、λ１とλ２との間隔を狭くしすぎると、光吸収強度や発光強度の差が小さくなり、第２のシード光がＴｍを励起しやすくなるので好ましくない。
【００３２】
図４（ａ）は比較例にかかるファイバレーザ装置の構成を表す模式図、図４（ｂ）は点Ａにおけるシード光の波形図、図４（ｃ）は点Ｂにおける増幅光の波形図、図４（ｄ）は点Ｃにおける出力光の波形図、である。
比較例にかかるファイバレーザ装置１０５のシード光は１つであり、図４（ｂ）の波形を有する。シード光はファイバレーザ増幅器１２０で増幅され、点Ｂにおいて、放出期間ｔｐ１１において図４（ｃ）の波形図に示すパルス波形となる。
【００３３】
また、シード光の非放出期間ｔｐ１２の間、励起光源１１６からのエネルギーが希土類元素を励起し続けている。例えば第１の周期Ｔ１１の１０倍の期間、励起が継続されると、１パルスのシード光を励起するエネルギーの略１０倍のエネルギーがファイバレーザ増幅器１２２に蓄積されていることになる。
【００３４】
図３（ｂ）のようにＥｒは広い発光スペクトルを有しているので、蓄積されたエネルギーが、例えば、１．５３〜１．５６μｍの広い発光スペクトルを有するＡＳＥが擬似ＣＷ光として放出される（図４（ｃ））。非放出期間ｔｐ１２が長くなると、蓄積されるエネルギーが大きくなる。このため、ファイバレーザ発振器１３０は、図４（ｃ）に示すＡＳＥを励起光として、Ｔｍ添加光ファイバ１３２が発振可能となる。このため、図４（ｄ）のように、第１のシード光の非放出期間ｔｐ１２の間も、ファイバレーザ発振器１３０からＡＳＥを励起光として擬似ＣＷ光を放出する。
【００３５】
図５（ａ）はファイバレーザ装置を用いた光応答装置の構成を示す模式図、図５（ｂ）は発振タイミングモニタ出力の波形図、図５（ｃ）は受信信号の波形図、である。
センシング用途に用いる光応答装置では、パルスレーザ光（λ４）は、まずサンプリングミラー５０により２つに分岐される。一方のパルスレーザ光は、送信光学系５２を経由して空間に放出される。被測定物５４からの反射光は、受信光学系５６を経由して、受信検知器５８に入射する。他方のパルスレーザ光は、サンプリングミラー５０で分岐されたのち、発振タイミングモニタ用検知器６０に入射する。
【００３６】
もしファイバレーザ装置１０５から、図４（ｄ）のように、ＡＳＥを励起光として擬似ＣＷ光が放出され続けていると、検知すべきパルスレーザ光（信号）に擬似ＣＷ光が雑音成分となり、Ｓ／Ｎ（信号・雑音）比に劣化を生じる（図５（ｃ））。また、図５（ｂ）のように、発振タイミングモニタ用検知器６０により検知信号にも擬似ＣＷ光が雑音成分として含まれる。このため、被測定物５４までの距離に応じた時間ｔ２０からの時間遅れｔｄを精度よく測定することが困難となる。
【００３７】
これに対して、本実施形態にかかるファイバレーザ装置５を用いた光応答装置では、所望のパルスレーザ光のパルス列が放出されない非放出期間にＡＳＥを励起光とした擬似ＣＷ光の放出が抑制できる。このため、センシング精度を高めることが容易となる。
【００３８】
図６（ａ）はファイバレーザ装置からのパルスレーザ光を波長変換する場合の構成を示す模式図、図６（ｂ）はファイバレーザ装置からのパルスレーザ光の波形図、図６（ｂ）は波長変換後のパルスレーザ光の波形図、である。
図４の比較例にかかるファイバレーザ装置１０５から放出されたパルスレーザ光は、ＯＰＯ（Optical Parametric Oscillator）７０へ入射する。ＯＰＯ７０は、ＺＧＰなどの非線形結晶７２と、非線形結晶７２の両側に設けられた２つの共振器ミラー７０と、を有している。ＯＰＯ７０に入射した略２μｍの波長を有するパルスレーザ光は、略３〜５μｍの波長（λ５）に変換されて出射する。
【００３９】
この場合、ファイバレーザ装置１０５から放出されたパルスレーザ光が、図４（ｄ）のように、ＡＳＥにより励起された擬似ＣＷ光を含んでいると、波長変換に寄与しない擬似ＣＷ成分が非線形結晶７２に吸収される。このため、非線形結晶７２が発熱し結晶に損傷を与えることがある。
【００４０】
また、例えば、図４（ａ）の比較例の構成において、点ＢにＡＳＥの伝搬を抑制するためにフィルタを配設しても、例えば３００ｍＷ以上のＡＳＥで損傷を生じることがある。このように、放射エネルギーの高い擬似ＣＷ光は、フィルタの空間結合部に損傷を与えることが多いので、ＡＳＥの発生を抑制することが好ましい。
【００４１】
本発明の実施形態によれば、ファイバレーザ増幅器から入射するＡＳＥを励起光としてファイバレーザ発振器が擬似ＣＷ光として発振することが抑制できる。このため、光学系の損傷やセンシングなどにおける光学特性の低下が抑制されたファイバレーザ装置が提供される。
【００４２】
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。
【符号の説明】
【００４３】
５ ファイバレーザ装置、１０ 第１の光源、１２ 第２の光源、１６ 第３の光源、２０ ファイバレーザ増幅器、２０ａ 第１の端部、２０ｂ 第２の端部、２２ 光ファイバ、３０ ファイバレーザ発振器、３０ａ 第１の端部、３０ｂ 第２の端部、３２ 光ファイバ、３４ 第１ＦＢＧ、３６ 第２ＦＢＧ、Ｔ１ 第１の周期、 Ｔ２ 第２の周期、ｔｐ１ 放出期間、ｔｐ２ 非放出期間、λ１ 第１のシード光の波長、λ２ 第２のシード光の波長、λ４ パルスレーザ光（出力光）の波長、λＢ、λＢ１、λＢ２ ＦＢＧの中心波長、Ｃ 出力点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のシード光を放出可能な第１の光源であって、前記第１のシード光を第１の周期を有するパルス列として放出する放出期間と、前記第１のシード光を放出せず前記第１の周期よりも長い非放出期間と、を有する第１の光源と、
前記第１のシード光の波長とは異なる波長を有する第２のシード光を、前記非放出期間内に第２の周期を有するパルス列として放出可能な第２の光源と、
第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、を有するファイバレーザ増幅器であって、第１の希土類元素が添加された光ファイバを有し、前記第１の端部から入射された前記第１および第２のシード光を増幅可能なファイバレーザ増幅器と、
前記ファイバー増幅器と接続される第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、を有するファイバレーザ発振器であって、前記第１のシード光の前記波長における光吸収強度が前記第２のシード光の前記波長における光吸収強度よりも高い第２の希土類元素が添加された光ファイバを有し、前記第１のシード光の前記波長よりも長い波長でありかつ前記第１の周期を有するパルスレーザ光を前記第２の端部から放出可能なファイバレーザ発振器と、
を備えたファイバレーザ装置。
【請求項２】
前記第１のシード光は、前記ファイバレーザ増幅器により増幅されたのち前記ファイバレーザ発振器を励起可能である請求項１記載のファイバレーザ装置。
【請求項３】
前記ファイバレーザ増幅器に励起光を供給可能な第３の光源をさらに備えた請求項１または２に記載のファイバレーザ装置。
【請求項４】
前記ファイバレーザ増幅器において、前記第１のシード光の前記波長における発光強度は、前記第２のシード光の前記波長における発光強度よりも高い請求項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】
前記ファイバレーザ発振器は、前記第１の端部の側に設けられた第１のファイバブラッググレーティングと、前記第２の端部の側に設けられた第２のファイバブラッググレーティングと、を有し、
前記パルスレーザ光の前記波長において、前記第１のファイバブラッググレーティングの反射率は、前記第２のファイバブラッググレーティングの反射率よりも高い請求項１〜４のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置。
【請求項６】
前記第１の希土類元素は、エルビウムおよびイッテルビウムのうちのいずれかを含み、
前記第２の希土類元素は、ツリウムである請求項１〜５のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置。
【請求項１】
第１のシード光を放出可能な第１の光源であって、前記第１のシード光を第１の周期を有するパルス列として放出する放出期間と、前記第１のシード光を放出せず前記第１の周期よりも長い非放出期間と、を有する第１の光源と、
前記第１のシード光の波長とは異なる波長を有する第２のシード光を、前記非放出期間内に第２の周期を有するパルス列として放出可能な第２の光源と、
第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、を有するファイバレーザ増幅器であって、第１の希土類元素が添加された光ファイバを有し、前記第１の端部から入射された前記第１および第２のシード光を増幅可能なファイバレーザ増幅器と、
前記ファイバー増幅器と接続される第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、を有するファイバレーザ発振器であって、前記第１のシード光の前記波長における光吸収強度が前記第２のシード光の前記波長における光吸収強度よりも高い第２の希土類元素が添加された光ファイバを有し、前記第１のシード光の前記波長よりも長い波長でありかつ前記第１の周期を有するパルスレーザ光を前記第２の端部から放出可能なファイバレーザ発振器と、
を備えたファイバレーザ装置。
【請求項２】
前記第１のシード光は、前記ファイバレーザ増幅器により増幅されたのち前記ファイバレーザ発振器を励起可能である請求項１記載のファイバレーザ装置。
【請求項３】
前記ファイバレーザ増幅器に励起光を供給可能な第３の光源をさらに備えた請求項１または２に記載のファイバレーザ装置。
【請求項４】
前記ファイバレーザ増幅器において、前記第１のシード光の前記波長における発光強度は、前記第２のシード光の前記波長における発光強度よりも高い請求項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】
前記ファイバレーザ発振器は、前記第１の端部の側に設けられた第１のファイバブラッググレーティングと、前記第２の端部の側に設けられた第２のファイバブラッググレーティングと、を有し、
前記パルスレーザ光の前記波長において、前記第１のファイバブラッググレーティングの反射率は、前記第２のファイバブラッググレーティングの反射率よりも高い請求項１〜４のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置。
【請求項６】
前記第１の希土類元素は、エルビウムおよびイッテルビウムのうちのいずれかを含み、
前記第２の希土類元素は、ツリウムである請求項１〜５のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６５６５５（Ｐ２０１３−６５６５５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０２８４３（Ｐ２０１１−２０２８４３）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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