レーザ装置
【課題】ファイバ出射端部近傍の過熱を防止可能なレーザ装置を提供する。
【解決手段】本発明を例示する態様は、ダブルクラッド構造の光ファイバ２３１を有しコアを伝播するレーザ光が増幅されて出射するファイバ光増幅器またはファイバーレーザを備えたレーザ装置である。光ファイバ２３１の出射端部には、第２クラッド２３１ｃが剥離されて第１クラッド２３１ｂが露出する第１クラッド露出部５１が形成されるとともに、第１クラッド露出部５１を覆う外端部材５２ａ，５２ｂが設けられ、この外端部材と第１クラッドの外周面との間に、第１クラッドの屈折率に近似した屈折率の屈折率整合部材５５が充填されて構成される。
【解決手段】本発明を例示する態様は、ダブルクラッド構造の光ファイバ２３１を有しコアを伝播するレーザ光が増幅されて出射するファイバ光増幅器またはファイバーレーザを備えたレーザ装置である。光ファイバ２３１の出射端部には、第２クラッド２３１ｃが剥離されて第１クラッド２３１ｂが露出する第１クラッド露出部５１が形成されるとともに、第１クラッド露出部５１を覆う外端部材５２ａ，５２ｂが設けられ、この外端部材と第１クラッドの外周面との間に、第１クラッドの屈折率に近似した屈折率の屈折率整合部材５５が充填されて構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアと第１、第２クラッドとを有する光ファイバにより、コアを伝播するレーザ光を増幅して出射するファイバ光増幅器またはファイバーレーザを備えたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のようなレーザ装置は、例えば、顕微鏡や形状測定装置、露光装置等の光源として広く用いられている。このようなレーザ装置において、ファイバーレーザやファイバ光増幅器は、一般的に、波長λ＝１．０〜１．５５μｍの基本波を発生し増幅して所定出力の基本波レーザ光を波長変換部に出力する基本波出力部として用いられている。波長変換部では、入力された基本波レーザ光を単数もしくは複数の波長変換光学素子により波長変換し、例えば、波長λ＝１９３ｎｍ，３５５ｎｍ等の紫外レーザ光に変換して出力するように構成される（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
【０００３】
近年では、レーザー加工の適用範囲の拡大や生産性の向上要求等により紫外レーザ光の高出力化が望まれており、これに伴って基本波レーザ光もさらなる高出力化が求められている。基本波レーザ光を高出力化する手段として、ファイバーレーザやファイバ光増幅器における後段の光ファイバにダブルクラッド構造のファイバを用い、第１クラッドに高出力半導体レーザから出射されたマルチモードの励起光を導入して高効率に利用する手法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２００７４７号公報
【特許文献２】特開２００２−５０８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、基本波レーザ光の出力が数十〜百Ｗレベルになり、このような高出力状態で長時間作動させるようになると、ファイバの出射端の近傍において、先端側を剥離除去した樹脂製の第２クラッドの端面や、第１クラッドに接する第２クラッド内面の一部が過熱する現象が見られるようになってきた。また、ファイバから出射する基本波レーザ光のビームポインティングが微少変化する現象が見られることがあった。
【０００６】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ファイバ出射端部近傍における第２クラッドの過熱を防止し得るレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、まず上記のような現象が何に起因して発生するか鋭意研究を進めた。その結果、以下のような推定をするに至った。図９に示すように、光ファイバ９０の出射端部では、カットされたファイバ端面９５や外部の光学部材で反射された励起光及び基本波レーザ光が戻り光となり、ファイバ内を基端方向に伝播する。このとき第１クラッド９２の外周面に微少な凹凸や傷が存在すると当該部分において戻り光が拡散して漏れ出し、近接する第２クラッド９３の端面や内面が加熱される。また、戻り光がファイバ端部を保持する保持部材を加熱し、保持部材が熱変形することにより基本波レーザ光のビームポインティングが微少変化する。このような知見に基づいて発明者らは以下の発明を完成させた。
【０００８】
本発明を例示する態様は、レーザ媒質がドープされたコアと、コアの外周を覆い励起光が導入される第１クラッドと、第１クラッドの外周を覆う第２クラッドとを有する光ファイバにより、コアを伝播するレーザ光が光増幅されて出射するファイバ光増幅器またはファイバーレーザを備えたレーザ装置である。このようなレーザ装置において、前記光ファイバの出射端部に、第２クラッドが剥離されて第１クラッドが露出する第１クラッド露出部が形成されるとともに、第１クラッドの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部を覆う外端部材が設けられ、この外端部材と第１クラッドの外周面との間に、第１クラッドの屈折率と略同一の屈折率を有する屈折率整合部材が充填されて構成される。
【０００９】
本発明において、前記外端部材は、第１クラッド露出部の一方の外周半面側（例えば上面側）を覆う第１部材と、第１クラッド露出部の他方の外周半面側（例えば下面側）を覆う第２部材とを有し、第１部材及び第２部材の少なくともいずれかは、励起光を透過する透明材料により形成されるように構成することができる。
【００１０】
あるいは、前記外端部材は、第１クラッド露出部の一方の外周半面側（例えば上面側）を覆う第１部材と、第１クラッド露出部の他方の外周半面側（例えば下面側）を覆う第２部材とを有し、第１部材及び第２部材の少なくともいずれかは、第１クラッドを挟んで対向する面に励起光を反射する反射面が形成されるように構成することができる。
【００１１】
なお、前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれかに、当該第１、第２部材の温度上昇を抑制する冷却手段を設けて構成してもよい。また、前記屈折率整合部材を、光ファイバの出射端部を外端部材に固着する接着剤とし、光ファイバの出射端部が固定された外端部材がレーザ装置に固定保持されるように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明を例示する態様のレーザ装置においては、光ファイバの出射端部に第１クラッド露出部が形成されるとともに、第１クラッドの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部を覆う外端部材が設けられ、この外端部材と第１クラッドの外周面との間に、第１クラッドの屈折率と略同一の屈折率を有する屈折率整合部材が充填されている。このような構成によれば、出射端から基端側に向かう戻り光は、第１クラッド露出部において外周面から屈折率差がない屈折率整合部材に導出される。従って、第１クラッド露出部よりも基端側に位置する第２クラッドの過熱を防止したレーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】レーザ装置の全体構成を例示する概要構成図である。
【図２】上記レーザ装置におけるファイバ光増幅器の概要構成図である。
【図３】ダブルクラッド構造の光ファイバの軸方向に沿った断面図である。
【図４】第１構成形態の戻り光除去構造の平面図である。
【図５】図４中に付記するV−V矢視方向に見た戻り光除去構造の側断面図である。
【図６】上記戻り光除去構造を出射端側から見た正面図である。
【図７】第１構成形態の戻り光除去構造を出射端側から見た正面図である。
【図８】第２構成形態の戻り光除去構造の側断面図である。
【図９】従来の光ファイバの出射端部で生じる現象を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明を適用したレーザ装置ＬＳ全体の概要構成を示す。例示するレーザ装置ＬＳは、主として、信号光（シード光）を出射する光源部１０と、光源部１０から出射された信号光を増幅する増幅部２０と、増幅部２０により増幅された信号光（基本波レーザ光）を波長変換して出力する波長変換部３０と、各部の作動を制御する制御装置４０とを備えて構成される。
【００１５】
信号光及び出力光の波長や光波形、出力パワー等は、このレーザ装置ＬＳを用いて構成される装置の用途及び機能に応じて適宜に設定可能である。本実施形態では、光源部１０から出射される波長λ＝１０６４ｎｍ、パワーが数ｍＷレベルの信号光を、増幅部２０において数十〜百Ｗレベルに増幅し、増幅された信号光を波長変換部３０において所要波長のレーザ光に変換して出力する場合を例示する。
【００１６】
光源部１０は、波長λ＝１０６４ｎｍの信号光を発生するレーザ光源１１を主体として構成される。レーザ光源１１は、例えばＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザを用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、ＣＷ発振及びパルス発振させることができるとともに、パルス波形を高速で制御することができ、また温度制御することにより所定の波長範囲で狭帯域化された単一波長の信号光を出力させることができる。
【００１７】
図１に示す光源部１０は、レーザ光源１１からＯＮ時間が充分に長いパルス光（あるいはＣＷ光）を出力させ、その一部を電気光学変調素子（ＥＯＭ）や音響光学変調素子（ＡＯＭ）等の外部変調器１５により切り出して、所要波形のパルス光を出力するようにした構成例を示す。
【００１８】
増幅部２０は、光源部１０から出射された数ｍＷレベルの信号光を数十〜百Ｗレベルに増幅して波長変換部３０に出射する。図では３つのファイバ光増幅器２１，２２，２３を直列に接続し、これら３段のファイバ光増幅器２１，２２，２３によって信号光を順次増幅する構成を示す。本構成例においては、１段目及び２段目のファイバ光増幅器２１，２２としてシングルクラッドのイッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）が用いられ、３段目のファイバ光増幅器２３としてダブルクラッドのＹＤＦＡが用いられている。
【００１９】
ファイバ光増幅器は、ファイバ光増幅器２３の概要構成を図２に示すように、コアにレーザ媒質であるＹｂ（イッテルビウム）がドープされた光ファイバ２３１と、Ｙｂを励起する励起光源２３２とを主体として構成される。励起光源２３２は波長λ＝９７５ｎｍの半導体レーザが好適に用いられる。シングルクラッド構造の光ファイバは、Ｙｂがドープされたコアと、コアの外周を覆うクラッドとからなり、コアに信号光及び励起光が導入される。
【００２０】
一方、ダブルクラッド構造の光ファイバ２３１は、ファイバの軸方向に沿った断面図を図３に示すように、Ｙｂがドープされたコア２３１ａと、コアの外周を覆う第１クラッド２３１ｂと、第１クラッドの外周を覆う第２クラッド２３１ｃとを有し、コア２３１ａに信号光が導入され、第１クラッド２３１ｂに励起光が導入される。
【００２１】
具体的には、前段のファイバ光増幅器２２から出射した信号光が、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex）カプラ２３３を介して光ファイバ２３１のコア２３１ａに入射し、励起光源２３２から出射した励起光が、ＷＤＭカプラ２３３を介して光ファイバ２３１の第１クラッド２３１ｂに入射するように構成される。第１クラッド（ポンピングガイドとも称される）２３１ｂは励起光のマルチモード導波路として作用し、複数の励起光源２３２から出射された高出力のマルチモードレーザ光を軸方向に導波して、コア２３１ａにドープされたＹｂが効率的に励起されるようになっている。
【００２２】
光ファイバ２３１は、ファイバの生産性や加工性、取り扱いの容易さなどから、一般的に、コア２３１ａ及び第１クラッド２３１ｂが石英（シリカ）ガラス製の光ファイバ、第２クラッド２３１ｃが樹脂製の光ファイバが用いられる。
【００２３】
なお、図２にはＹＤＦＡを信号光の入射側から励起する前方励起型の構成例を示すが、信号光の出射側から励起する後方励起型や、入射側及び出射側の両方から励起する双方励起型としてもよい。３段目のファイバ光増幅器２３により増幅された信号光（基本波レーザ光）は増幅部２０から出射し、波長変換部３０に入射する。
【００２４】
波長変換部３０は、増幅部２０から出射した基本波レーザ光を所要波長のレーザ光に波長変換して出力する。既に述べたように、出力光の波長はレーザ装置ＬＳを用いて構成される装置の用途及び機能に応じて可視〜紫外領域で適宜に設定可能であり、例えば特許文献１や特許文献２に開示されているような種々の構成を採用することができる。ここでは、波長１０６４ｎｍの赤外領域の基本波レーザ光を、２つの波長変換光学素子３１，３２によって波長３５５ｎｍの紫外レーザ光に波長変換する構成を例示する。
【００２５】
図１に例示する波長変換部３０は、波長変換光学素子３１，３２を主体として構成される。増幅部２０から波長変換部３０に入射した波長λ1＝１０６４ｎｍの基本波レーザ光は、集光レンズを介して波長変換光学素子３１に集光入射される。波長変換光学素子３１では第２高調波発生が行われ、周波数が基本波周波数ωの２倍（２ω）、波長が基本波波長λ1の半分であるλ2＝５３２ｎｍの２倍波が発生される。波長変換光学素子３１として、例えば、ＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬＮ）結晶や、ＬＢＯ（ＬiＢ3Ｏ5）結晶などを用いることができる。
【００２６】
波長変換光学素子３１により波長変換されて出射する波長λ2＝５３２ｎｍの２倍波と、波長変換光学素子３１を波長変換されずに透過した波長λ1＝１０６４ｎｍの基本波レーザ光は、集光レンズを介して波長変換光学素子３２に集光入射される。波長変換光学素子３２では和周波発生が行われ、周波数が基本波波長の３倍（３ω）、波長が基本波周波数の１／３であるλ3＝３５５ｎｍの３倍波が発生される。波長変換光学素子３２として、例えば、ＬＢＯ結晶やＢＢＯ結晶などを用いることができる。
【００２７】
そして、波長変換光学素子３２により発生された波長λ3＝３５５ｎｍの３倍波が波長変換部３０（レーザ装置ＬＳ）から出射される。なお、波長変換光学素子３２から出射する光には、波長変換光学素子３２を波長変換されずに透過した基本波及び２倍波が含まれるが、波長変換光学素子３２の出射端側にダイクロイックミラーまたはプリズム等を配設することにより３倍波以外の成分を除去することができる。
【００２８】
以上のように概要構成されるレーザ装置にあって、増幅部２０から出射される基本波レーザ光の出力は、動作条件に応じて最大値が数十〜百Ｗ（例えば８０Ｗ）レベルになる。そのため、ファイバ光増幅器２３の出射端部では、カットされた光ファイバ２３１の端面や、波長変換光学素子３１，３２の入出射端面等で反射された基本波レーザ光及び励起光が高エネルギーの戻り光となってファイバ内を逆流し、既に述べた種々の問題が生じ得る。そこで、レーザ装置ＬＳにおいては、ファイバ光増幅器２３の出射端部に戻り光除去構造５０を設け、戻り光に起因する問題発生を未然に防止可能としている。
【００２９】
以下、戻り光除去構造５０について詳細に説明する。第１構成形態の戻り光除去構造５０Ａの平面図を図４に、図４中に付記するV−V矢視方向に見た側断面図を図５に、出射端側から見た正面図を図６に示す。なお、説明の便宜上から、図６に示す配置姿勢をもって上下・左右と称し、図６における紙面直交の表裏方向を前後と称して説明するが、戻り光除去構造の配置姿勢は自在であり、ファイバ光増幅器２３の出射端部の方位や支持構造の構成等に応じて適宜に設定することができる。
【００３０】
戻り光除去構造５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）では、光ファイバ２３１の第２クラッド２３１ｃが所定長さ（例えば、数ｍｍ〜十数ｍｍ程度）剥離されて第１クラッド２３１ｂが露出する第１クラッド露出部５１が形成される。そして、第１クラッド２３１ｂの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部５１を覆う外端部材５２（５３，５４）が設けられ、この外端部材５２と第１クラッド２３１ｂの外周面との間に、第１クラッド２３１ｂの屈折率と略同一の屈折率を有する（実質的に屈折率の差異がない、または屈折率差が微少な）屈折率整合部材５５が充填されて構成される。
【００３１】
第１構成形態の戻り光除去構造５０Ａにおいては、外端部材５２は、第１クラッド露出部５１の上面側を覆う第１部材５２ａと、第１クラッド露出部５１の下面側を覆う第２部材５２ｂとを有し、第１部材及び第２部材の少なくともいずれかは、励起光及び信号光を透過する透明材料により形成される。図４〜図６には、第１クラッド露出部５１の上面側を覆う第１部材５２ａを透明なガラス材料、下面側を覆う第２部材５２ｂをアルミニウム合金やステンレス等の金属材料により構成した構成例を示す。
【００３２】
屈折率整合部材５５は、例えば、第１クラッド２３１ｂの屈折率に合わせて調製された接着剤やインデックスマッチングオイル等を用いることができる。図示する構成例においては、第２部材５２ｂにファイバの軸方向に伸びるＶ字状の溝を形成して光ファイバ２３１を安定的に位置決め保持させるとともに、接着剤を塗布した第１，第２部材５２ａ，５２ｂでファイバ先端部を挟み込んで第１クラッド露出部５１の周囲を接着剤で満たし、第１，第２部材５２ａ，５２ｂの左右側縁を板バネ状のクリップ５６，５６で挟み込んで固定している。
【００３３】
このように、ファイバ先端の第２クラッド部２３１ｃをＶ字状の溝と平板で挟み込み、接着剤等の屈折率整合部材５５を充満させて、左右のクランプ５６，５６で固定する構成により、第１クラッド２３１ｂに無用な内部応力（屈折率変化）を発生させることなく、光ファイバ２３１の先端部が機械的に安定保持される。また、第１部材５２ａや第２部材５２ｂの表面のぬれ性が良好でない場合であっても、第１クラッド露出部５１の周囲を接着剤で満たすことができる。戻り光除去構造５０Ａにおいては、光ファイバ２３１（第１クラッド２３１ｂ）の先端部が外端部材５２（５２ａ，５２ｂ）からわずかに突出するように構成されており、出射端面２３１ｅへの屈折率整合部材５５の付着を防止するとともに、出射端部のメンテナンスを容易に行えるようになっている。
【００３４】
このような構成の戻り光除去構造５０Ａにおいては、図４中に二点鎖線で示すように、第１クラッド２３１ｂを光ファイバの基端側から出射端に向かう励起光が、第１クラッド露出部５１において第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射し、外端部材５２から大きな拡がり角で前方及び上方に拡散して出射する。これにより、出射端面２３１ｅまで到達する励起光の光量が大きく減少し、出射端面２３１ｅや波長変換光学素子３１，３２等の入出射面での反射による戻り光の励起光成分が大幅に削減される。
【００３５】
一方、コア２３１ａを伝播する信号光は出射端面２３１ｅに到達し、出射端面２３１ｅで反射した光や、波長変換光学素子３１，３２の入出射面で反射した光が第１クラッド２３１ｂに戻り光となって再入射し得る。このように出射端面等で発生した信号光成分（及び微弱な励起光成分）の戻り光は、外端部材５２からわずかに突出する第１クラッド露出部５１の先端部を伝播して基端方向に向かうが、周囲が屈折率整合部材５５で満たされた領域において第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射し、外端部材５２から大きな拡がり角で後方及び上方に拡散して出射する。
【００３６】
このように、戻り光除去構造５０Ａにおいては、戻り光の要因となる励起光が出射端面２３１ｅに至る以前に、第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな拡がり角で前方及び上方に拡散放射され、残余の励起光及び信号光によって生じた戻り光も、出射端面２３１ｅからわずかに基端側の領域で第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな拡がり角で後方及び上方に拡散放射される。従って、本構成の戻り光除去構造５０Ａによれば、屈折率整合部材５５が充満された第１クラッド露出部５１よりも基端側の第２クラッド２３１ｃまで高パワーの戻り光が到達することがなく、戻り光に起因した第２クラッドの過熱等の問題を未然に防止することができる。
【００３７】
また、上記のように励起光及び戻り光が大きな拡がり角で前後及び上方に拡散放射されるため、波長変換部３０にファイバ端部を固定保持する保持部材に第２部材５２ｂを取り付けても保持部材が熱変形するようなことがなく、波長変換部３０に入射する信号光（基本波レーザ光）のビームポインティング変化を抑制することができる。さらに、第２部材５２ｂを固定することにより、出射端面２３１ｅの直近で光ファイバ２３１が機械的に安定保持されるため、振動や衝撃等による光ファイバ先端部のぶれを抑止し、基本波レーザ光のビームポインティングスタビリティを向上させることができる。
【００３８】
なお、上記構成例では、第１クラッド露出部５１を覆う第１，第２部材５２ａ，５２ｂのうち一方を透明材料により形成した構成を例示したが、両方を透明材料により形成してもよい。また、第２部材５２ｂをアルミニウムやステンレス等の一般的な金属材料で形成した構成を例示したが、スーパーインバー等の低熱膨張係数の金属やセラミックス等を用いて形成してもよい。
【００３９】
次に、第２構成形態の戻り光除去構造５０Ｂについて、図７を参照して説明する。図７は、戻り光除去構造５０Ｂを図６と同様に出射端側から見た正面図である。本構成形態の戻り光除去構造５０Ｂは、前述した第１構成形態の戻り光除去構造５０Ａと外端部材５３の構成が異なり、他の構成部分は同様である。そこで、以下では相違する外端部材５３の構成を主として説明し、同様部分については同一番号を付して重複説明を省略する。
【００４０】
すなわち、戻り光除去構造５０Ｂは、光ファイバ２３１の先端部に前述同様の第１クラッド露出部５１が形成されるとともに、第１クラッド２３１ｂの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部５１を覆う外端部材５３が設けられ、この外端部材５３と第１クラッド２３１ｂの外周面との間に、第１クラッド２３１ｂの屈折率と略同一の屈折率を有する屈折率整合部材５５が充填されて構成される。
【００４１】
外端部材５３は、第１クラッド露出部５１の上面側を覆う第１部材５３ａと、第１クラッド露出部５１の下面側を覆う第２部材５３ｂとを有し、第１部材及び第２部材の少なくともいずれかは、第１クラッド２３１ｂを挟んで対向する面に、励起光及び信号光を反射する反射面が形成されて構成される。図７には、第１部材５３ａ及び第２部材５３ｂを銅合金やアルミニウム合金等の金属材料により構成し、第１クラッド２３１ｂを挟んで対向する第１部材５３ａの下面及び第２部材５３ｂの上面に反射面５３ｒを形成した構成を示す。反射面５３ｒは、例えば形成対象面を鏡面研磨し、必要に応じて励起光及び信号光の波長帯域について金属蒸着膜等の高反射率の反射膜を形成することにより形成することができる。
【００４２】
屈折率整合部材５５は、既に述べた構成と同様であり、第２部材５３ｂに形成されたＶ字状の溝に光ファイバ２３１を位置決め保持するとともに、接着剤を塗布した第１，第２部材５３ａ，５３ｂでファイバ先端部を挟み込んで第１クラッド露出部５１の周囲を接着剤で満たし、第１，第２部材５３ａ，５３ｂの左右側縁をクリップ５６，５６で挟み込んで固定して構成される。
【００４３】
この構成により、第１クラッド２３１ｂに無用な内部応力を発生させることなく光ファイバ２３１の先端部が機械的に安定保持され、第１部材５３ａや第２部材５３ｂの表面のぬれ性が良好でない場合であっても、第１クラッド露出部５１の周囲を接着剤で満たすことができる。光ファイバ２３１の先端部は外端部材５３（５３ａ，５３ｂ）からわずかに突出するように構成されており（図４，図５を参照）、出射端面２３１ｅへの屈折率整合部材５５の付着を防止するとともに、出射端部のメンテナンスを容易に行えるようになっている。
【００４４】
このような構成の戻り光除去構造５０Ｂにおいては、光ファイバの基端側から第１クラッド２３１ｂを通って出射端に向かう励起光が、第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５が満たされた第１，第２部材間に入射する。第１，第２部材間では屈折率整合部材５５を挟んで上下に反射面５３ｒが形成されており、ここに入射した励起光は、上下の反射面５３ｒ，５３ｒで反射されながら屈折率整合部材中を伝播し、第１，第２部材５３ａ，５３ｂの隙間から大きな拡がり角で前方に拡散して出射する。これにより、出射端面２３１ｅまで到達する励起光の光量が大きく減少し、出射端面２３１ｅや波長変換光学素子３１，３２の入出射面での反射による戻り光の励起光成分が大幅に削減される。
【００４５】
一方、コア２３１ａを伝播する信号光は出射端面２３１ｅに到達し、出射端面２３１ｅで反射した光や、波長変換光学素子３１，３２の入出射面で反射した光が第１クラッド２３１ｂに戻り光となって再入射し得る。このように出射端面等で発生した信号光成分（及び微弱な励起光成分）の戻り光は、外端部材５３からわずかに突出する第１クラッド露出部５１の先端部を伝播して基端方向に向かうが、周囲が屈折率整合部材５５で満たされた領域において第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射する。ここに入射した戻り光は、上記同様に上下の反射面５３ｒ，５３ｒで反射されながら屈折率整合部材中を伝播し、第１，第２部材５３ａ，５３ｂの隙間から大きな拡がり角で後方に拡散して出射する。
【００４６】
このように、戻り光除去構造５０Ｂにおいては、戻り光の要因となる励起光が出射端面２３１ｅに至る以前に、第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな拡がり角で前方に拡散放射され、残余の励起光及び信号光によって生じた戻り光も、出射端面２３１ｅからわずかに基端側の領域で第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな拡がり角で後方に拡散放射される。従って、本構成の戻り光除去構造５０Ｂによれば、第２クラッド２３１ｃまで高パワーの戻り光が到達することがなく、戻り光に起因した第２クラッドの過熱等の問題を未然に防止することができる。
【００４７】
また、励起光及び戻り光が大きな拡がり角で前後に拡散放射されるため、第２部材５３ｂを保持部材に取り付けても保持部材が熱変形するようなことがなく、波長変換部３０に入射する信号光のビームポインティング変化を抑制することができる。さらに、第２部材５３ｂを固定することにより、出射端面２３１ｅの直近で光ファイバ２３１が機械的に安定保持されるため、振動や衝撃等による光ファイバ先端部のぶれを抑止し、基本波レーザ光のビームポインティングスタビリティを向上させることができる。
【００４８】
なお、上記構成例では、第１クラッド露出部５１を覆う第１部材５３ａ及び第２部材５３ｂの両方に反射面５３ｒを形成した構成を例示したが、例えば、第１部材５３ａを透明材料で形成し、反射面５３ｒを第２部材５３ｂの上面側にのみ形成するように構成してもよい。また、図７中に二点鎖線で付記するように、第１，第２部材の少なくともいずれかに第１、第２部材の温度上昇を抑制する冷却手段５７を設けて構成してもよい。冷却手段５７として、例えばペルチェ素子を利用した電子冷却器や、冷却水を利用した熱交換器、放熱フィンなどが例示される。
【００４９】
次に、第３構成形態の戻り光除去構造５０Ｃについて、図８を参照して説明する。図８は、戻り光除去構造５０Ｃにおける図５と同様の側断面図である。本構成形態の戻り光除去構造５０Ｃは、既に述べた第１，第２構成形態の戻り光除去構造５０Ａ，５０Ｂと外端部材５４の構成が異なり、他の構成部分は同様である。そこで、以下では相違する外端部材５４の構成を主として簡潔に説明し、同様部分については同一番号を付して重複説明を省略する。
【００５０】
戻り光除去構造５０Ｃは、光ファイバ２３１の先端部に前述同様の第１クラッド露出部５１が形成されるとともに、第１クラッド２３１ｂの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部５１を覆う外端部材５４が設けられ、この外端部材５４と第１クラッド２３１ｂの外周面との間に、第１クラッド２３１ｂの屈折率と略同一の屈折率を有する屈折率整合部材５５が充填されて構成される。
【００５１】
外端部材５４は、円筒状または角筒状に形成されており、その内径または内面間隔が第２クラッド２３１ｃの外径よりわずかに大きく、光ファイバ２３１の先端部に装着したときに第１クラッド２３１ｂの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部５１を覆うように構成される。図８には、外端部材５４を励起光及び信号光に対して透明なガラス材料のパイプで形成した構成を示す。
【００５２】
屈折率整合部材５５は、既に述べた構成と同様の接着剤であり、光ファイバ２３１の先端部に外端部材５４を装着し、外端部材５４の側面に穿設された孔部５４ｈから注入して第１クラッド露出部５１の周囲を満たし、接着剤を硬化させることにより構成される。この構成により、第１クラッド２３１ｂに内部応力を発生させることなく光ファイバ２３１の先端部が安定保持され、外端部材５４の内面のぬれ性が良好でない場合であっても、第１クラッド露出部５１の周囲を接着剤で満たすことができ、かつ接着剤の充填状況や変化を周囲から目視確認することができる。光ファイバ２３１は先端部が外端部材５４からわずかに突出した状態で固定され、出射端面２３１ｅへの屈折率整合部材５５の付着を防止するとともに、出射端部のメンテナンスを容易に行うことができる。
【００５３】
このような構成の戻り光除去構造５０Ｃにおいては、光ファイバの基端側から第１クラッド２３１ｂを通って出射端に向かう励起光が、第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射し、外端部材５４から大きな拡がり角で前方に開く円錐状に拡散して出射する。これにより、出射端面２３１ｅまで到達する励起光の光量が大きく減少し、出射端面２３１ｅや波長変換光学素子３１，３２の入出射面での反射による戻り光の励起光成分が大幅に削減される。
【００５４】
一方、コア２３１ａを伝播する信号光は出射端面２３１ｅに到達し、出射端面２３１ｅで反射した光や、波長変換光学素子３１，３２の入出射面で反射した光が第１クラッド２３１ｂに戻り光となって再入射し得る。出射端面等で発生した信号光成分（及び微弱な励起光成分）の戻り光は、外端部材５４からわずかに突出する第１クラッド露出部５１の先端部を伝播して基端方向に向かうが、周囲が屈折率整合部材５５で満たされた領域において第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射し、外端部材５２から大きな拡がり角で後方に開く円錐状に拡散して出射する。
【００５５】
このように、戻り光除去構造５０Ｃにおいては、戻り光の要因となる励起光が出射端面２３１ｅに至る以前に、第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな円錐状の拡がり角で前方に拡散放射され、残余の励起光及び信号光によって生じた戻り光も、出射端面２３１ｅからわずかに基端側の領域で第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな円錐状の拡がり角で後方に拡散放射される。従って、本構成の戻り光除去構造５０Ｃにおいても、第２クラッド２３１ｃまで高パワーの戻り光が到達することがなく、戻り光に起因した第２クラッドの過熱等の問題を未然に防止することができる。
【００５６】
また、励起光及び戻り光が大きな円錐状の拡がり角で前後に拡散放射されるため、外端部材５４を保持部材に取り付けても保持部材が熱変形するようなことがなく、波長変換部３０に入射する信号光のビームポインティング変化を抑制することができる。さらに、外端部材５４を固定することにより、出射端面２３１ｅの直近で光ファイバ２３１が機械的に安定保持されるため、振動や衝撃等による光ファイバ先端部のぶれを抑止し、基本波レーザ光のビームポインティングスタビリティを向上させることができる。
【００５７】
なお、上記構成例では、外端部材５４を円筒状とし全体が透明な場合を例示したが、例えば、外端部材５４を矩形のパイプ状とし、保持部材が配設される側（例えば下側）の外表面に反射膜を形成して戻り光等を上方に反射するように構成してもよい。
【００５８】
以上では、戻り光除去構造５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）をファイバ光増幅器における光ファイバの出射端部に設けた構成を例示したが、ファイバーレーザにおける光ファイバの出射端部に設けても同様の効果を得ることができる。また、コアにＹｂ（イッテルビウム）がドープされたＹＤＦＡを例示したが、コアにＥｒ（エルビウム）がドープされたＥＤＦや、コアにＴｍ（ツリウム）がドープされたＴＤＦＡについても同様に適用し、同様の効果を得ることができる。さらに、波長変換部３０を有し、波長変換光学素子により基本波レーザ光を波長３５５ｎｍの紫外レーザ光に波長変換して出力するレーザ装置を例示したが、レーザ装置から出射するレーザ光の波長は任意であり、波長変換部を備えず基本波レーザ光をそのまま出射するレーザ装置についても、本発明を適用することにより既述した効果を享受することができる。
【符号の説明】
【００５９】
ＬＳ レーザ装置
１０ 光源部
２０ 増幅部（２１，２２，２３ ファイバ光増幅器）
３０ 波長変換部（３１，３２ 波長変換光学素子）
４０ 制御装置
５０ 戻り光除去構造
５０Ａ 第１構成形態の戻り光除去構造
５０Ｂ 第２構成形態の戻り光除去構造
５０Ｃ 第３構成形態の戻り光除去構造
５１ 第１クラッド露出部
５２ 第１構成形態の外端部材（５２ａ:第１部材、５２ｂ:第２部材）
５３ 第２構成形態の外端部材（５３ａ:第１部材、５３ｂ:第２部材、５３ｒ:反射面）
５４ 第３構成形態の外端部材（５４ｈ:孔部）
５５ 屈折率整合部材
５７ 冷却手段
２３１ 光増幅器２３の光ファイバ
２３１ａ コア
２３１ｂ 第１クラッド
２３１ｃ 第２クラッド
２３１ｅ 出射端面
２３２ 励起光源
２３３ ＷＤＭカプラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアと第１、第２クラッドとを有する光ファイバにより、コアを伝播するレーザ光を増幅して出射するファイバ光増幅器またはファイバーレーザを備えたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のようなレーザ装置は、例えば、顕微鏡や形状測定装置、露光装置等の光源として広く用いられている。このようなレーザ装置において、ファイバーレーザやファイバ光増幅器は、一般的に、波長λ＝１．０〜１．５５μｍの基本波を発生し増幅して所定出力の基本波レーザ光を波長変換部に出力する基本波出力部として用いられている。波長変換部では、入力された基本波レーザ光を単数もしくは複数の波長変換光学素子により波長変換し、例えば、波長λ＝１９３ｎｍ，３５５ｎｍ等の紫外レーザ光に変換して出力するように構成される（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
【０００３】
近年では、レーザー加工の適用範囲の拡大や生産性の向上要求等により紫外レーザ光の高出力化が望まれており、これに伴って基本波レーザ光もさらなる高出力化が求められている。基本波レーザ光を高出力化する手段として、ファイバーレーザやファイバ光増幅器における後段の光ファイバにダブルクラッド構造のファイバを用い、第１クラッドに高出力半導体レーザから出射されたマルチモードの励起光を導入して高効率に利用する手法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２００７４７号公報
【特許文献２】特開２００２−５０８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、基本波レーザ光の出力が数十〜百Ｗレベルになり、このような高出力状態で長時間作動させるようになると、ファイバの出射端の近傍において、先端側を剥離除去した樹脂製の第２クラッドの端面や、第１クラッドに接する第２クラッド内面の一部が過熱する現象が見られるようになってきた。また、ファイバから出射する基本波レーザ光のビームポインティングが微少変化する現象が見られることがあった。
【０００６】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ファイバ出射端部近傍における第２クラッドの過熱を防止し得るレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、まず上記のような現象が何に起因して発生するか鋭意研究を進めた。その結果、以下のような推定をするに至った。図９に示すように、光ファイバ９０の出射端部では、カットされたファイバ端面９５や外部の光学部材で反射された励起光及び基本波レーザ光が戻り光となり、ファイバ内を基端方向に伝播する。このとき第１クラッド９２の外周面に微少な凹凸や傷が存在すると当該部分において戻り光が拡散して漏れ出し、近接する第２クラッド９３の端面や内面が加熱される。また、戻り光がファイバ端部を保持する保持部材を加熱し、保持部材が熱変形することにより基本波レーザ光のビームポインティングが微少変化する。このような知見に基づいて発明者らは以下の発明を完成させた。
【０００８】
本発明を例示する態様は、レーザ媒質がドープされたコアと、コアの外周を覆い励起光が導入される第１クラッドと、第１クラッドの外周を覆う第２クラッドとを有する光ファイバにより、コアを伝播するレーザ光が光増幅されて出射するファイバ光増幅器またはファイバーレーザを備えたレーザ装置である。このようなレーザ装置において、前記光ファイバの出射端部に、第２クラッドが剥離されて第１クラッドが露出する第１クラッド露出部が形成されるとともに、第１クラッドの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部を覆う外端部材が設けられ、この外端部材と第１クラッドの外周面との間に、第１クラッドの屈折率と略同一の屈折率を有する屈折率整合部材が充填されて構成される。
【０００９】
本発明において、前記外端部材は、第１クラッド露出部の一方の外周半面側（例えば上面側）を覆う第１部材と、第１クラッド露出部の他方の外周半面側（例えば下面側）を覆う第２部材とを有し、第１部材及び第２部材の少なくともいずれかは、励起光を透過する透明材料により形成されるように構成することができる。
【００１０】
あるいは、前記外端部材は、第１クラッド露出部の一方の外周半面側（例えば上面側）を覆う第１部材と、第１クラッド露出部の他方の外周半面側（例えば下面側）を覆う第２部材とを有し、第１部材及び第２部材の少なくともいずれかは、第１クラッドを挟んで対向する面に励起光を反射する反射面が形成されるように構成することができる。
【００１１】
なお、前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれかに、当該第１、第２部材の温度上昇を抑制する冷却手段を設けて構成してもよい。また、前記屈折率整合部材を、光ファイバの出射端部を外端部材に固着する接着剤とし、光ファイバの出射端部が固定された外端部材がレーザ装置に固定保持されるように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明を例示する態様のレーザ装置においては、光ファイバの出射端部に第１クラッド露出部が形成されるとともに、第１クラッドの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部を覆う外端部材が設けられ、この外端部材と第１クラッドの外周面との間に、第１クラッドの屈折率と略同一の屈折率を有する屈折率整合部材が充填されている。このような構成によれば、出射端から基端側に向かう戻り光は、第１クラッド露出部において外周面から屈折率差がない屈折率整合部材に導出される。従って、第１クラッド露出部よりも基端側に位置する第２クラッドの過熱を防止したレーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】レーザ装置の全体構成を例示する概要構成図である。
【図２】上記レーザ装置におけるファイバ光増幅器の概要構成図である。
【図３】ダブルクラッド構造の光ファイバの軸方向に沿った断面図である。
【図４】第１構成形態の戻り光除去構造の平面図である。
【図５】図４中に付記するV−V矢視方向に見た戻り光除去構造の側断面図である。
【図６】上記戻り光除去構造を出射端側から見た正面図である。
【図７】第１構成形態の戻り光除去構造を出射端側から見た正面図である。
【図８】第２構成形態の戻り光除去構造の側断面図である。
【図９】従来の光ファイバの出射端部で生じる現象を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明を適用したレーザ装置ＬＳ全体の概要構成を示す。例示するレーザ装置ＬＳは、主として、信号光（シード光）を出射する光源部１０と、光源部１０から出射された信号光を増幅する増幅部２０と、増幅部２０により増幅された信号光（基本波レーザ光）を波長変換して出力する波長変換部３０と、各部の作動を制御する制御装置４０とを備えて構成される。
【００１５】
信号光及び出力光の波長や光波形、出力パワー等は、このレーザ装置ＬＳを用いて構成される装置の用途及び機能に応じて適宜に設定可能である。本実施形態では、光源部１０から出射される波長λ＝１０６４ｎｍ、パワーが数ｍＷレベルの信号光を、増幅部２０において数十〜百Ｗレベルに増幅し、増幅された信号光を波長変換部３０において所要波長のレーザ光に変換して出力する場合を例示する。
【００１６】
光源部１０は、波長λ＝１０６４ｎｍの信号光を発生するレーザ光源１１を主体として構成される。レーザ光源１１は、例えばＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザを用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、ＣＷ発振及びパルス発振させることができるとともに、パルス波形を高速で制御することができ、また温度制御することにより所定の波長範囲で狭帯域化された単一波長の信号光を出力させることができる。
【００１７】
図１に示す光源部１０は、レーザ光源１１からＯＮ時間が充分に長いパルス光（あるいはＣＷ光）を出力させ、その一部を電気光学変調素子（ＥＯＭ）や音響光学変調素子（ＡＯＭ）等の外部変調器１５により切り出して、所要波形のパルス光を出力するようにした構成例を示す。
【００１８】
増幅部２０は、光源部１０から出射された数ｍＷレベルの信号光を数十〜百Ｗレベルに増幅して波長変換部３０に出射する。図では３つのファイバ光増幅器２１，２２，２３を直列に接続し、これら３段のファイバ光増幅器２１，２２，２３によって信号光を順次増幅する構成を示す。本構成例においては、１段目及び２段目のファイバ光増幅器２１，２２としてシングルクラッドのイッテルビウム（Ｙｂ）・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）が用いられ、３段目のファイバ光増幅器２３としてダブルクラッドのＹＤＦＡが用いられている。
【００１９】
ファイバ光増幅器は、ファイバ光増幅器２３の概要構成を図２に示すように、コアにレーザ媒質であるＹｂ（イッテルビウム）がドープされた光ファイバ２３１と、Ｙｂを励起する励起光源２３２とを主体として構成される。励起光源２３２は波長λ＝９７５ｎｍの半導体レーザが好適に用いられる。シングルクラッド構造の光ファイバは、Ｙｂがドープされたコアと、コアの外周を覆うクラッドとからなり、コアに信号光及び励起光が導入される。
【００２０】
一方、ダブルクラッド構造の光ファイバ２３１は、ファイバの軸方向に沿った断面図を図３に示すように、Ｙｂがドープされたコア２３１ａと、コアの外周を覆う第１クラッド２３１ｂと、第１クラッドの外周を覆う第２クラッド２３１ｃとを有し、コア２３１ａに信号光が導入され、第１クラッド２３１ｂに励起光が導入される。
【００２１】
具体的には、前段のファイバ光増幅器２２から出射した信号光が、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex）カプラ２３３を介して光ファイバ２３１のコア２３１ａに入射し、励起光源２３２から出射した励起光が、ＷＤＭカプラ２３３を介して光ファイバ２３１の第１クラッド２３１ｂに入射するように構成される。第１クラッド（ポンピングガイドとも称される）２３１ｂは励起光のマルチモード導波路として作用し、複数の励起光源２３２から出射された高出力のマルチモードレーザ光を軸方向に導波して、コア２３１ａにドープされたＹｂが効率的に励起されるようになっている。
【００２２】
光ファイバ２３１は、ファイバの生産性や加工性、取り扱いの容易さなどから、一般的に、コア２３１ａ及び第１クラッド２３１ｂが石英（シリカ）ガラス製の光ファイバ、第２クラッド２３１ｃが樹脂製の光ファイバが用いられる。
【００２３】
なお、図２にはＹＤＦＡを信号光の入射側から励起する前方励起型の構成例を示すが、信号光の出射側から励起する後方励起型や、入射側及び出射側の両方から励起する双方励起型としてもよい。３段目のファイバ光増幅器２３により増幅された信号光（基本波レーザ光）は増幅部２０から出射し、波長変換部３０に入射する。
【００２４】
波長変換部３０は、増幅部２０から出射した基本波レーザ光を所要波長のレーザ光に波長変換して出力する。既に述べたように、出力光の波長はレーザ装置ＬＳを用いて構成される装置の用途及び機能に応じて可視〜紫外領域で適宜に設定可能であり、例えば特許文献１や特許文献２に開示されているような種々の構成を採用することができる。ここでは、波長１０６４ｎｍの赤外領域の基本波レーザ光を、２つの波長変換光学素子３１，３２によって波長３５５ｎｍの紫外レーザ光に波長変換する構成を例示する。
【００２５】
図１に例示する波長変換部３０は、波長変換光学素子３１，３２を主体として構成される。増幅部２０から波長変換部３０に入射した波長λ1＝１０６４ｎｍの基本波レーザ光は、集光レンズを介して波長変換光学素子３１に集光入射される。波長変換光学素子３１では第２高調波発生が行われ、周波数が基本波周波数ωの２倍（２ω）、波長が基本波波長λ1の半分であるλ2＝５３２ｎｍの２倍波が発生される。波長変換光学素子３１として、例えば、ＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬＮ）結晶や、ＬＢＯ（ＬiＢ3Ｏ5）結晶などを用いることができる。
【００２６】
波長変換光学素子３１により波長変換されて出射する波長λ2＝５３２ｎｍの２倍波と、波長変換光学素子３１を波長変換されずに透過した波長λ1＝１０６４ｎｍの基本波レーザ光は、集光レンズを介して波長変換光学素子３２に集光入射される。波長変換光学素子３２では和周波発生が行われ、周波数が基本波波長の３倍（３ω）、波長が基本波周波数の１／３であるλ3＝３５５ｎｍの３倍波が発生される。波長変換光学素子３２として、例えば、ＬＢＯ結晶やＢＢＯ結晶などを用いることができる。
【００２７】
そして、波長変換光学素子３２により発生された波長λ3＝３５５ｎｍの３倍波が波長変換部３０（レーザ装置ＬＳ）から出射される。なお、波長変換光学素子３２から出射する光には、波長変換光学素子３２を波長変換されずに透過した基本波及び２倍波が含まれるが、波長変換光学素子３２の出射端側にダイクロイックミラーまたはプリズム等を配設することにより３倍波以外の成分を除去することができる。
【００２８】
以上のように概要構成されるレーザ装置にあって、増幅部２０から出射される基本波レーザ光の出力は、動作条件に応じて最大値が数十〜百Ｗ（例えば８０Ｗ）レベルになる。そのため、ファイバ光増幅器２３の出射端部では、カットされた光ファイバ２３１の端面や、波長変換光学素子３１，３２の入出射端面等で反射された基本波レーザ光及び励起光が高エネルギーの戻り光となってファイバ内を逆流し、既に述べた種々の問題が生じ得る。そこで、レーザ装置ＬＳにおいては、ファイバ光増幅器２３の出射端部に戻り光除去構造５０を設け、戻り光に起因する問題発生を未然に防止可能としている。
【００２９】
以下、戻り光除去構造５０について詳細に説明する。第１構成形態の戻り光除去構造５０Ａの平面図を図４に、図４中に付記するV−V矢視方向に見た側断面図を図５に、出射端側から見た正面図を図６に示す。なお、説明の便宜上から、図６に示す配置姿勢をもって上下・左右と称し、図６における紙面直交の表裏方向を前後と称して説明するが、戻り光除去構造の配置姿勢は自在であり、ファイバ光増幅器２３の出射端部の方位や支持構造の構成等に応じて適宜に設定することができる。
【００３０】
戻り光除去構造５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）では、光ファイバ２３１の第２クラッド２３１ｃが所定長さ（例えば、数ｍｍ〜十数ｍｍ程度）剥離されて第１クラッド２３１ｂが露出する第１クラッド露出部５１が形成される。そして、第１クラッド２３１ｂの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部５１を覆う外端部材５２（５３，５４）が設けられ、この外端部材５２と第１クラッド２３１ｂの外周面との間に、第１クラッド２３１ｂの屈折率と略同一の屈折率を有する（実質的に屈折率の差異がない、または屈折率差が微少な）屈折率整合部材５５が充填されて構成される。
【００３１】
第１構成形態の戻り光除去構造５０Ａにおいては、外端部材５２は、第１クラッド露出部５１の上面側を覆う第１部材５２ａと、第１クラッド露出部５１の下面側を覆う第２部材５２ｂとを有し、第１部材及び第２部材の少なくともいずれかは、励起光及び信号光を透過する透明材料により形成される。図４〜図６には、第１クラッド露出部５１の上面側を覆う第１部材５２ａを透明なガラス材料、下面側を覆う第２部材５２ｂをアルミニウム合金やステンレス等の金属材料により構成した構成例を示す。
【００３２】
屈折率整合部材５５は、例えば、第１クラッド２３１ｂの屈折率に合わせて調製された接着剤やインデックスマッチングオイル等を用いることができる。図示する構成例においては、第２部材５２ｂにファイバの軸方向に伸びるＶ字状の溝を形成して光ファイバ２３１を安定的に位置決め保持させるとともに、接着剤を塗布した第１，第２部材５２ａ，５２ｂでファイバ先端部を挟み込んで第１クラッド露出部５１の周囲を接着剤で満たし、第１，第２部材５２ａ，５２ｂの左右側縁を板バネ状のクリップ５６，５６で挟み込んで固定している。
【００３３】
このように、ファイバ先端の第２クラッド部２３１ｃをＶ字状の溝と平板で挟み込み、接着剤等の屈折率整合部材５５を充満させて、左右のクランプ５６，５６で固定する構成により、第１クラッド２３１ｂに無用な内部応力（屈折率変化）を発生させることなく、光ファイバ２３１の先端部が機械的に安定保持される。また、第１部材５２ａや第２部材５２ｂの表面のぬれ性が良好でない場合であっても、第１クラッド露出部５１の周囲を接着剤で満たすことができる。戻り光除去構造５０Ａにおいては、光ファイバ２３１（第１クラッド２３１ｂ）の先端部が外端部材５２（５２ａ，５２ｂ）からわずかに突出するように構成されており、出射端面２３１ｅへの屈折率整合部材５５の付着を防止するとともに、出射端部のメンテナンスを容易に行えるようになっている。
【００３４】
このような構成の戻り光除去構造５０Ａにおいては、図４中に二点鎖線で示すように、第１クラッド２３１ｂを光ファイバの基端側から出射端に向かう励起光が、第１クラッド露出部５１において第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射し、外端部材５２から大きな拡がり角で前方及び上方に拡散して出射する。これにより、出射端面２３１ｅまで到達する励起光の光量が大きく減少し、出射端面２３１ｅや波長変換光学素子３１，３２等の入出射面での反射による戻り光の励起光成分が大幅に削減される。
【００３５】
一方、コア２３１ａを伝播する信号光は出射端面２３１ｅに到達し、出射端面２３１ｅで反射した光や、波長変換光学素子３１，３２の入出射面で反射した光が第１クラッド２３１ｂに戻り光となって再入射し得る。このように出射端面等で発生した信号光成分（及び微弱な励起光成分）の戻り光は、外端部材５２からわずかに突出する第１クラッド露出部５１の先端部を伝播して基端方向に向かうが、周囲が屈折率整合部材５５で満たされた領域において第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射し、外端部材５２から大きな拡がり角で後方及び上方に拡散して出射する。
【００３６】
このように、戻り光除去構造５０Ａにおいては、戻り光の要因となる励起光が出射端面２３１ｅに至る以前に、第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな拡がり角で前方及び上方に拡散放射され、残余の励起光及び信号光によって生じた戻り光も、出射端面２３１ｅからわずかに基端側の領域で第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな拡がり角で後方及び上方に拡散放射される。従って、本構成の戻り光除去構造５０Ａによれば、屈折率整合部材５５が充満された第１クラッド露出部５１よりも基端側の第２クラッド２３１ｃまで高パワーの戻り光が到達することがなく、戻り光に起因した第２クラッドの過熱等の問題を未然に防止することができる。
【００３７】
また、上記のように励起光及び戻り光が大きな拡がり角で前後及び上方に拡散放射されるため、波長変換部３０にファイバ端部を固定保持する保持部材に第２部材５２ｂを取り付けても保持部材が熱変形するようなことがなく、波長変換部３０に入射する信号光（基本波レーザ光）のビームポインティング変化を抑制することができる。さらに、第２部材５２ｂを固定することにより、出射端面２３１ｅの直近で光ファイバ２３１が機械的に安定保持されるため、振動や衝撃等による光ファイバ先端部のぶれを抑止し、基本波レーザ光のビームポインティングスタビリティを向上させることができる。
【００３８】
なお、上記構成例では、第１クラッド露出部５１を覆う第１，第２部材５２ａ，５２ｂのうち一方を透明材料により形成した構成を例示したが、両方を透明材料により形成してもよい。また、第２部材５２ｂをアルミニウムやステンレス等の一般的な金属材料で形成した構成を例示したが、スーパーインバー等の低熱膨張係数の金属やセラミックス等を用いて形成してもよい。
【００３９】
次に、第２構成形態の戻り光除去構造５０Ｂについて、図７を参照して説明する。図７は、戻り光除去構造５０Ｂを図６と同様に出射端側から見た正面図である。本構成形態の戻り光除去構造５０Ｂは、前述した第１構成形態の戻り光除去構造５０Ａと外端部材５３の構成が異なり、他の構成部分は同様である。そこで、以下では相違する外端部材５３の構成を主として説明し、同様部分については同一番号を付して重複説明を省略する。
【００４０】
すなわち、戻り光除去構造５０Ｂは、光ファイバ２３１の先端部に前述同様の第１クラッド露出部５１が形成されるとともに、第１クラッド２３１ｂの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部５１を覆う外端部材５３が設けられ、この外端部材５３と第１クラッド２３１ｂの外周面との間に、第１クラッド２３１ｂの屈折率と略同一の屈折率を有する屈折率整合部材５５が充填されて構成される。
【００４１】
外端部材５３は、第１クラッド露出部５１の上面側を覆う第１部材５３ａと、第１クラッド露出部５１の下面側を覆う第２部材５３ｂとを有し、第１部材及び第２部材の少なくともいずれかは、第１クラッド２３１ｂを挟んで対向する面に、励起光及び信号光を反射する反射面が形成されて構成される。図７には、第１部材５３ａ及び第２部材５３ｂを銅合金やアルミニウム合金等の金属材料により構成し、第１クラッド２３１ｂを挟んで対向する第１部材５３ａの下面及び第２部材５３ｂの上面に反射面５３ｒを形成した構成を示す。反射面５３ｒは、例えば形成対象面を鏡面研磨し、必要に応じて励起光及び信号光の波長帯域について金属蒸着膜等の高反射率の反射膜を形成することにより形成することができる。
【００４２】
屈折率整合部材５５は、既に述べた構成と同様であり、第２部材５３ｂに形成されたＶ字状の溝に光ファイバ２３１を位置決め保持するとともに、接着剤を塗布した第１，第２部材５３ａ，５３ｂでファイバ先端部を挟み込んで第１クラッド露出部５１の周囲を接着剤で満たし、第１，第２部材５３ａ，５３ｂの左右側縁をクリップ５６，５６で挟み込んで固定して構成される。
【００４３】
この構成により、第１クラッド２３１ｂに無用な内部応力を発生させることなく光ファイバ２３１の先端部が機械的に安定保持され、第１部材５３ａや第２部材５３ｂの表面のぬれ性が良好でない場合であっても、第１クラッド露出部５１の周囲を接着剤で満たすことができる。光ファイバ２３１の先端部は外端部材５３（５３ａ，５３ｂ）からわずかに突出するように構成されており（図４，図５を参照）、出射端面２３１ｅへの屈折率整合部材５５の付着を防止するとともに、出射端部のメンテナンスを容易に行えるようになっている。
【００４４】
このような構成の戻り光除去構造５０Ｂにおいては、光ファイバの基端側から第１クラッド２３１ｂを通って出射端に向かう励起光が、第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５が満たされた第１，第２部材間に入射する。第１，第２部材間では屈折率整合部材５５を挟んで上下に反射面５３ｒが形成されており、ここに入射した励起光は、上下の反射面５３ｒ，５３ｒで反射されながら屈折率整合部材中を伝播し、第１，第２部材５３ａ，５３ｂの隙間から大きな拡がり角で前方に拡散して出射する。これにより、出射端面２３１ｅまで到達する励起光の光量が大きく減少し、出射端面２３１ｅや波長変換光学素子３１，３２の入出射面での反射による戻り光の励起光成分が大幅に削減される。
【００４５】
一方、コア２３１ａを伝播する信号光は出射端面２３１ｅに到達し、出射端面２３１ｅで反射した光や、波長変換光学素子３１，３２の入出射面で反射した光が第１クラッド２３１ｂに戻り光となって再入射し得る。このように出射端面等で発生した信号光成分（及び微弱な励起光成分）の戻り光は、外端部材５３からわずかに突出する第１クラッド露出部５１の先端部を伝播して基端方向に向かうが、周囲が屈折率整合部材５５で満たされた領域において第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射する。ここに入射した戻り光は、上記同様に上下の反射面５３ｒ，５３ｒで反射されながら屈折率整合部材中を伝播し、第１，第２部材５３ａ，５３ｂの隙間から大きな拡がり角で後方に拡散して出射する。
【００４６】
このように、戻り光除去構造５０Ｂにおいては、戻り光の要因となる励起光が出射端面２３１ｅに至る以前に、第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな拡がり角で前方に拡散放射され、残余の励起光及び信号光によって生じた戻り光も、出射端面２３１ｅからわずかに基端側の領域で第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな拡がり角で後方に拡散放射される。従って、本構成の戻り光除去構造５０Ｂによれば、第２クラッド２３１ｃまで高パワーの戻り光が到達することがなく、戻り光に起因した第２クラッドの過熱等の問題を未然に防止することができる。
【００４７】
また、励起光及び戻り光が大きな拡がり角で前後に拡散放射されるため、第２部材５３ｂを保持部材に取り付けても保持部材が熱変形するようなことがなく、波長変換部３０に入射する信号光のビームポインティング変化を抑制することができる。さらに、第２部材５３ｂを固定することにより、出射端面２３１ｅの直近で光ファイバ２３１が機械的に安定保持されるため、振動や衝撃等による光ファイバ先端部のぶれを抑止し、基本波レーザ光のビームポインティングスタビリティを向上させることができる。
【００４８】
なお、上記構成例では、第１クラッド露出部５１を覆う第１部材５３ａ及び第２部材５３ｂの両方に反射面５３ｒを形成した構成を例示したが、例えば、第１部材５３ａを透明材料で形成し、反射面５３ｒを第２部材５３ｂの上面側にのみ形成するように構成してもよい。また、図７中に二点鎖線で付記するように、第１，第２部材の少なくともいずれかに第１、第２部材の温度上昇を抑制する冷却手段５７を設けて構成してもよい。冷却手段５７として、例えばペルチェ素子を利用した電子冷却器や、冷却水を利用した熱交換器、放熱フィンなどが例示される。
【００４９】
次に、第３構成形態の戻り光除去構造５０Ｃについて、図８を参照して説明する。図８は、戻り光除去構造５０Ｃにおける図５と同様の側断面図である。本構成形態の戻り光除去構造５０Ｃは、既に述べた第１，第２構成形態の戻り光除去構造５０Ａ，５０Ｂと外端部材５４の構成が異なり、他の構成部分は同様である。そこで、以下では相違する外端部材５４の構成を主として簡潔に説明し、同様部分については同一番号を付して重複説明を省略する。
【００５０】
戻り光除去構造５０Ｃは、光ファイバ２３１の先端部に前述同様の第１クラッド露出部５１が形成されるとともに、第１クラッド２３１ｂの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部５１を覆う外端部材５４が設けられ、この外端部材５４と第１クラッド２３１ｂの外周面との間に、第１クラッド２３１ｂの屈折率と略同一の屈折率を有する屈折率整合部材５５が充填されて構成される。
【００５１】
外端部材５４は、円筒状または角筒状に形成されており、その内径または内面間隔が第２クラッド２３１ｃの外径よりわずかに大きく、光ファイバ２３１の先端部に装着したときに第１クラッド２３１ｂの外周面と所定間隔を隔てて第１クラッド露出部５１を覆うように構成される。図８には、外端部材５４を励起光及び信号光に対して透明なガラス材料のパイプで形成した構成を示す。
【００５２】
屈折率整合部材５５は、既に述べた構成と同様の接着剤であり、光ファイバ２３１の先端部に外端部材５４を装着し、外端部材５４の側面に穿設された孔部５４ｈから注入して第１クラッド露出部５１の周囲を満たし、接着剤を硬化させることにより構成される。この構成により、第１クラッド２３１ｂに内部応力を発生させることなく光ファイバ２３１の先端部が安定保持され、外端部材５４の内面のぬれ性が良好でない場合であっても、第１クラッド露出部５１の周囲を接着剤で満たすことができ、かつ接着剤の充填状況や変化を周囲から目視確認することができる。光ファイバ２３１は先端部が外端部材５４からわずかに突出した状態で固定され、出射端面２３１ｅへの屈折率整合部材５５の付着を防止するとともに、出射端部のメンテナンスを容易に行うことができる。
【００５３】
このような構成の戻り光除去構造５０Ｃにおいては、光ファイバの基端側から第１クラッド２３１ｂを通って出射端に向かう励起光が、第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射し、外端部材５４から大きな拡がり角で前方に開く円錐状に拡散して出射する。これにより、出射端面２３１ｅまで到達する励起光の光量が大きく減少し、出射端面２３１ｅや波長変換光学素子３１，３２の入出射面での反射による戻り光の励起光成分が大幅に削減される。
【００５４】
一方、コア２３１ａを伝播する信号光は出射端面２３１ｅに到達し、出射端面２３１ｅで反射した光や、波長変換光学素子３１，３２の入出射面で反射した光が第１クラッド２３１ｂに戻り光となって再入射し得る。出射端面等で発生した信号光成分（及び微弱な励起光成分）の戻り光は、外端部材５４からわずかに突出する第１クラッド露出部５１の先端部を伝播して基端方向に向かうが、周囲が屈折率整合部材５５で満たされた領域において第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射し、外端部材５２から大きな拡がり角で後方に開く円錐状に拡散して出射する。
【００５５】
このように、戻り光除去構造５０Ｃにおいては、戻り光の要因となる励起光が出射端面２３１ｅに至る以前に、第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな円錐状の拡がり角で前方に拡散放射され、残余の励起光及び信号光によって生じた戻り光も、出射端面２３１ｅからわずかに基端側の領域で第１クラッド２３１ｂから屈折率整合部材５５側に入射して大きな円錐状の拡がり角で後方に拡散放射される。従って、本構成の戻り光除去構造５０Ｃにおいても、第２クラッド２３１ｃまで高パワーの戻り光が到達することがなく、戻り光に起因した第２クラッドの過熱等の問題を未然に防止することができる。
【００５６】
また、励起光及び戻り光が大きな円錐状の拡がり角で前後に拡散放射されるため、外端部材５４を保持部材に取り付けても保持部材が熱変形するようなことがなく、波長変換部３０に入射する信号光のビームポインティング変化を抑制することができる。さらに、外端部材５４を固定することにより、出射端面２３１ｅの直近で光ファイバ２３１が機械的に安定保持されるため、振動や衝撃等による光ファイバ先端部のぶれを抑止し、基本波レーザ光のビームポインティングスタビリティを向上させることができる。
【００５７】
なお、上記構成例では、外端部材５４を円筒状とし全体が透明な場合を例示したが、例えば、外端部材５４を矩形のパイプ状とし、保持部材が配設される側（例えば下側）の外表面に反射膜を形成して戻り光等を上方に反射するように構成してもよい。
【００５８】
以上では、戻り光除去構造５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）をファイバ光増幅器における光ファイバの出射端部に設けた構成を例示したが、ファイバーレーザにおける光ファイバの出射端部に設けても同様の効果を得ることができる。また、コアにＹｂ（イッテルビウム）がドープされたＹＤＦＡを例示したが、コアにＥｒ（エルビウム）がドープされたＥＤＦや、コアにＴｍ（ツリウム）がドープされたＴＤＦＡについても同様に適用し、同様の効果を得ることができる。さらに、波長変換部３０を有し、波長変換光学素子により基本波レーザ光を波長３５５ｎｍの紫外レーザ光に波長変換して出力するレーザ装置を例示したが、レーザ装置から出射するレーザ光の波長は任意であり、波長変換部を備えず基本波レーザ光をそのまま出射するレーザ装置についても、本発明を適用することにより既述した効果を享受することができる。
【符号の説明】
【００５９】
ＬＳ レーザ装置
１０ 光源部
２０ 増幅部（２１，２２，２３ ファイバ光増幅器）
３０ 波長変換部（３１，３２ 波長変換光学素子）
４０ 制御装置
５０ 戻り光除去構造
５０Ａ 第１構成形態の戻り光除去構造
５０Ｂ 第２構成形態の戻り光除去構造
５０Ｃ 第３構成形態の戻り光除去構造
５１ 第１クラッド露出部
５２ 第１構成形態の外端部材（５２ａ:第１部材、５２ｂ:第２部材）
５３ 第２構成形態の外端部材（５３ａ:第１部材、５３ｂ:第２部材、５３ｒ:反射面）
５４ 第３構成形態の外端部材（５４ｈ:孔部）
５５ 屈折率整合部材
５７ 冷却手段
２３１ 光増幅器２３の光ファイバ
２３１ａ コア
２３１ｂ 第１クラッド
２３１ｃ 第２クラッド
２３１ｅ 出射端面
２３２ 励起光源
２３３ ＷＤＭカプラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質がドープされたコアと、前記コアの外周を覆い励起光が導入される第１クラッドと、前記第１クラッドの外周を覆う第２クラッドとを有する光ファイバにより、前記コアを伝播するレーザ光が光増幅されて出射するファイバ光増幅器またはファイバーレーザを備えたレーザ装置であって、
前記光ファイバの出射端部に、前記第２クラッドが剥離されて前記第１クラッドが露出する第１クラッド露出部が形成されるとともに、前記第１クラッドの外周面と所定間隔を隔てて前記第１クラッド露出部を覆う外端部材が設けられ、
前記外端部材と前記第１クラッドの外周面との間に、前記第１クラッドの屈折率と略同一の屈折率を有する屈折率整合部材が充填されて構成されることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記外端部材は、前記第１クラッド露出部の一方の外周半面側を覆う第１部材と、前記第１クラッド露出部の他方の外周半面側を覆う第２部材とを有し、
前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれかは、前記励起光を透過する透明材料により形成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記外端部材は、前記第１クラッド露出部の一方の外周半面側を覆う第１部材と、前記第１クラッド露出部の他方の外周半面側を覆う第２部材とを有し、
前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれかは、前記第１クラッドを挟んで対向する面に前記励起光を反射する反射面が形成されて構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれかに、当該第１、第２部材の温度上昇を抑制する冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記屈折率整合部材は、前記光ファイバの出射端部を前記外端部材に固着する接着剤であり、前記光ファイバの出射端部が固定された前記外端部材が前記レーザ装置に固定保持されるように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１】
レーザ媒質がドープされたコアと、前記コアの外周を覆い励起光が導入される第１クラッドと、前記第１クラッドの外周を覆う第２クラッドとを有する光ファイバにより、前記コアを伝播するレーザ光が光増幅されて出射するファイバ光増幅器またはファイバーレーザを備えたレーザ装置であって、
前記光ファイバの出射端部に、前記第２クラッドが剥離されて前記第１クラッドが露出する第１クラッド露出部が形成されるとともに、前記第１クラッドの外周面と所定間隔を隔てて前記第１クラッド露出部を覆う外端部材が設けられ、
前記外端部材と前記第１クラッドの外周面との間に、前記第１クラッドの屈折率と略同一の屈折率を有する屈折率整合部材が充填されて構成されることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記外端部材は、前記第１クラッド露出部の一方の外周半面側を覆う第１部材と、前記第１クラッド露出部の他方の外周半面側を覆う第２部材とを有し、
前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれかは、前記励起光を透過する透明材料により形成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記外端部材は、前記第１クラッド露出部の一方の外周半面側を覆う第１部材と、前記第１クラッド露出部の他方の外周半面側を覆う第２部材とを有し、
前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれかは、前記第１クラッドを挟んで対向する面に前記励起光を反射する反射面が形成されて構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれかに、当該第１、第２部材の温度上昇を抑制する冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記屈折率整合部材は、前記光ファイバの出射端部を前記外端部材に固着する接着剤であり、前記光ファイバの出射端部が固定された前記外端部材が前記レーザ装置に固定保持されるように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図６】
【図７】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図２】
【図６】
【図７】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２２２１６３（Ｐ２０１２−２２２１６３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８６７８４（Ｐ２０１１−８６７８４）
【出願日】平成２３年４月８日（２０１１．４．８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月８日（２０１１．４．８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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