光ファイバ出射回路及びファイバレーザ
【課題】本発明は、ファイバレーザの信頼性を下げることなく余剰励起光を再利用することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る光ファイバ出射回路は、コア２１の周囲に複数層の第１クラッド２２を有し、励起光が入射されると励起光よりも長波長の放射光を出射する希土類添加光ファイバ１１と、希土類添加光ファイバの端面に融着され、径方向に屈折率分布をもつＧＲＩＮレンズ１２と、を備え、ＧＲＩＮレンズ１２は、０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長を有し、かつ、軸方向の開放された端部に励起光の波長を選択的に反射する反射フィルタ２４が設けられていることを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る光ファイバ出射回路は、コア２１の周囲に複数層の第１クラッド２２を有し、励起光が入射されると励起光よりも長波長の放射光を出射する希土類添加光ファイバ１１と、希土類添加光ファイバの端面に融着され、径方向に屈折率分布をもつＧＲＩＮレンズ１２と、を備え、ＧＲＩＮレンズ１２は、０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長を有し、かつ、軸方向の開放された端部に励起光の波長を選択的に反射する反射フィルタ２４が設けられていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類添加光ファイバを用いたファイバレーザ出射回路及び当該ファイバレーザ出射回路を備えるファイバレーザに関し、特に希土類添加光ファイバからの余剰励起光を再利用するファイバレーザ出射回路及びファイバレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
コアの周囲のクラッドに励起光を伝搬させることで光を増幅するダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ：Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｌａｄ Ｆｉｂｅｒ。以下、「ＤＣＦ」と略記する）を用いたファイバレーザが利用されている。このクラッド励起構成では、クラッド内の励起光強度が一定の密度まで減少すると、希土類元素に反転分布が形成されなくなる。そのため、コアを伝搬する被増幅光の利得と吸収の収支が逆転して、光―光の変換効率が低下してしまう。
【０００３】
上記変換効率の低下を防ぐための技術が提案されている。例えば、第１の従来例では、励起光を選択的にＤＣＦ内に反射させる多層膜ミラーを、ＤＣＦの先端に設けている（例えば、特許文献１参照。）。第２の従来例では、では、透明円盤の周囲に光ファイバを巻きつけ、さらに外周に励起光を反射させる部材を配置している（例えば、特許文献２参照。）。このように、従来は、ＤＣＦ伝搬後の励起光を直接反射して、再度ＤＣＦに入射させることで、光―光の変換効率の低下を防いでいた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１２１８３６号公報
【特許文献２】特開２００７−１１５９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、第１の従来例では、被増幅光が多層膜ミラーに入射する。そのため、被増幅光が高強度の場合、多層膜ミラーが損傷する可能性があった。
【０００６】
一方、第２の従来例では、光ファイバの被覆を通じて励起光がＤＣＦに導入されることとなる。第２の従来例では光ファイバの被覆にはアクリルなどの透明樹脂が用いられるが、透明樹脂は光ファイバの成分である石英に比べると、耐ハイパワー特性が低い。そのため、透明樹脂が焼損する可能性があり、信頼性に劣る。
【０００７】
そこで、本発明は、ファイバレーザの信頼性を下げることなく余剰励起光を再利用することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る光ファイバ出射回路は、コアの周囲に複数層のクラッドを有し、励起光が入射されると前記励起光よりも長波長の放射光を出射する希土類添加光ファイバと、前記希土類添加光ファイバの端面に融着され、径方向に屈折率分布をもつＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ）レンズと、を備え、前記ＧＲＩＮレンズは、０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長を有し、かつ、軸方向の開放された端部に前記励起光の波長を選択的に反射する反射フィルタが設けられていることを特徴とする。
【０００９】
希土類添加光ファイバのクラッドからＧＲＩＮレンズに入射された励起光は、反射フィルタで反射される。このとき、励起光は、ＧＲＩＮレンズ内を往復するので、希土類添加光ファイバのクラッドに再び入射する。これにより、励起光を効率よく再利用することができる。また、希土類添加光ファイバのうちの励起光を透過しない層への入射が防げるので、希土類添加光ファイバとＧＲＩＮレンズの境界で生じる発熱及び当該発熱による損傷を防ぐことができる。
ＧＲＩＮレンズに入射された被増幅光は、レンズ長に合わせた出射径でＧＲＩＮレンズの出射端から出射される。このとき、レンズ長が０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長を有するので、反射フィルタにおける被増幅光のパワー密度差を緩和することができる。これにより、被増幅光による反射フィルタの損傷を防ぐことができる。
希土類添加光ファイバの先端にＧＲＩＮレンズが融着接続されているので、希土類添加光ファイバとＧＲＩＮレンズとの間での接続損失が少ない。これにより、被増幅光及び励起光の利用効率を向上することができる。また、希土類添加光ファイバとＧＲＩＮレンズの境界で生じる発熱及び当該発熱による損傷を防ぐことができる。
したがって、本発明に係る光ファイバ出射回路は、ファイバレーザの信頼性を下げることなく余剰励起光を再利用することができる。
【００１０】
本発明に係る光ファイバ出射回路では、前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍±０．１５ピッチの範囲内であることが好ましい。
本発明により、反射フィルタでの被増幅光のパワー密度を０．５ピッチのときの１／１０程度にすることができる。
【００１１】
本発明に係る光ファイバ出射回路では、前記複数層のクラッドのうちの前記コアと接する第１クラッドの断面形状は、不等Ｌ角形（Ｌは３以上の整数）又は正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）であることが好ましい。
また、本発明に係る光ファイバ出射回路では、前記複数層のクラッドのうちの前記コアと接する第１クラッドの断面形状は、正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）であり、前記ＧＲＩＮレンズは、０．５ピッチの１／Ｎの整数倍を除くレンズ長であることが好ましい。
本発明により、希土類添加光ファイバ内でスキューモードの光として伝搬した励起光を、コアに結合し易い伝搬状態に変換して希土類添加光ファイバのクラッドに入射させることができる。
【００１２】
本発明に係る光ファイバ出射回路では、前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍±０．０３ピッチの範囲内であることが好ましい。
本発明により、反射フィルタで反射された励起光の希土類添加光ファイバへの結合効率を向上することができる。
【００１３】
本発明に係る光ファイバ出射回路では、前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍＋０．０２ピッチであることが好ましい。
本発明により、ＧＲＩＮレンズからの出射光をコリメート光として効率よく長距離空間伝搬させることができる。
【００１４】
本発明に係るファイバレーザは、本発明に係る光ファイバ出射回路と、前記光ファイバ出射回路に前記励起光を供給する励起光源と、前記希土類添加光ファイバの離れた２点に配置され、前記励起光源からの励起光をレーザ発振させる１組の反射ミラーと、を備えることを特徴とする。
本発明により、信頼性を下げることなく余剰励起光を再利用するファイバレーザを提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ファイバレーザの信頼性を下げることなく余剰励起光を再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係るファイバレーザの構成概略図である。
【図２】本実施形態に係る光ファイバ出射回路の構成概略図である。
【図３】スキューモードの光の伝搬経路の一例であり、（ａ）は第１クラッドの各辺で１回ずつ反射される場合を示し、（ｂ）は第１クラッドの各辺で２回ずつ反射される場合を示す。
【図４】第１クラッドの断面形状が正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）の場合のスキューモードの光の伝搬経路の第１例であり、（ａ）はＧＲＩＮレンズへの入射前、（ｂ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも短いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｃ）は０．２５ピッチの奇数倍のレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｄ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも長いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後を示す。
【図５】第１クラッドの断面形状が正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）の場合のスキューモードの光の伝搬経路の第２例であり、（ａ）はＧＲＩＮレンズへの入射前、（ｂ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも短いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｃ）は０．２５ピッチの奇数倍のレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｄ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも長いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
【００１８】
図１は、本実施形態に係るファイバレーザの構成概略図である。本実施形態に係るファイバレーザは、希土類添加光ファイバ１１と、ＧＲＩＮレンズ１２と、複数の励起光源１３と、励起光コンバイナ１４と、１組の反射ミラー１５ａ及び１５ｂと、を備える。希土類添加光ファイバ１１及びＧＲＩＮレンズ１２によって光ファイバ出射回路が構成される。
【００１９】
複数の励起光源１３は、希土類元素の励起光を希土類添加光ファイバ１１に供給する。励起光コンバイナ１４は、複数の励起光源１３から出射する励起光を希土類添加光ファイバ１１の第１クラッドに結合する。希土類添加光ファイバ１１の第１クラッドを伝搬する励起光は、コアを横切る際に希土類イオンに吸収され、励起光よりも長波長の放射光が希土類イオンから放射される。励起光及び放射光の一部は、希土類添加光ファイバ１１の端部に配置された反射ミラー１５ａと反射ミラー１５ｂで反射されてレーザ発振する。このとき、誘導放出現象により希土類添加光ファイバ１１にて放射光が増幅される。レーザ発振した光の一部は、反射ミラー１５ｂを透過し、反射ミラー１５ｂと光ファイバで接続されているＧＲＩＮレンズ１２から出力される。
【００２０】
ここで、反射ミラー１５ａ及び１５ｂは、例えばファイバブラッググレーティングである。図１では、反射ミラー１５ａ及び１５ｂは、希土類添加光ファイバ１１の端部に配置される例を示したが、離れた２点に配置されていればよい。また、反射ミラー１５ｂとＧＲＩＮレンズ１２との間に光ファイバが接続される例を示したが、これに限定されない。例えば、反射ミラー１５ｂとＧＲＩＮレンズ１２が直接接続されていてもよいし、反射ミラー１５ｂとＧＲＩＮレンズ１２の間に他の光学部品が接続されていてもよい。
【００２１】
また、図１に示す光ファイバ出射回路では、図１に示す共振器を確実に反射ミラー１５ａ及び１５ｂ間で形成するために、反射ミラー１５ｂの反射率をＧＲＩＮレンズ１２における反射フィルタの反射率よりも高く設定する必要がある。ＧＲＩＮレンズ１２を使用せずに、希土類添加光ファイバ１１のビーム出射端に、励起光を選択的に反射する反射フィルタを直接成膜する方法も考えられる。しかし、そのような方法ではＧＲＩＮレンズ１２によるビーム径拡大効果が得られないので、反射フィルタを通る被増幅光のパワー密度が高くなり、反射フィルタの焼損が起こる可能性がある。そのため、出射端に反射フィルタを設けたＧＲＩＮレンズ１２を接続して被増幅光のビーム径を拡大することで、反射フィルタの焼損を防止することができる。
【００２２】
本実施形態に係るファイバレーザは、希土類添加光ファイバ１１及びＧＲＩＮレンズ１２を備える光ファイバ出射回路を備えることで、希土類添加光ファイバ１１の終端部から余剰励起光を再利用し、光―光の変換効率を向上させ、さらには発熱による部品の寿命低下や焼損などの悪影響を低減する。以下、光ファイバ出射回路の詳細について説明する。
【００２３】
一般的に用いられる光ファイバのビーム出射端に誘電体多層膜の反射フィルタを設け、反射フィルタの対パワー特性について、簡単な実験で確認した。シングルモード光の平均強度が７５ｋＷ／ｍｍ２の条件では高確率で反射フィルタが焼損したのに対し、１５ｋＷ／ｍｍ２まで平均強度を低減させることで反射フィルタの焼損確率を数％以下にすることができた。反射フィルタの成膜条件やレーザの使用条件にもよるが、好ましくは平均強度を７．５ｋＷ／ｍｍ２以下にすることで、高エネルギー光による反射フィルタの焼損のほとんどを防ぐことができると考えられる。
【００２４】
ビーム出射端で被増幅光のパワー密度を１／１０以下にするためには、ＧＲＩＮレンズ１２の入射端における被増幅光のビーム径に対して、ＧＲＩＮレンズ１２の出射端における被増幅光のビーム径を３．５倍以上にする必要がある。仮に被増幅光の平均強度が７５ｋＷ／ｍｍ２の条件で０．２５レンズ長で被増幅光を１０倍に拡大できるＧＲＩＮレンズを用いた場合には、レンズ長が０．１〜０．４ピッチの範囲であれば、十分に端面焼損を防げる計算になる。５倍のＧＲＩＮレンズを用いた場合でも、０．１５〜０．３５ピッチの範囲で端面焼損を防げる計算になる。
【００２５】
特に、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍に近い領域では入射光の径が拡大されるので、希土類添加光ファイバ１１から直接レーザを出力する構成に比べて、端部での被増幅光のパワー密度を低減することができる。そのため、高強度光による端面損傷の確率を格段に下げることができる。
【００２６】
図２は、本実施形態に係る光ファイバ出射回路の構成概略図である。希土類添加光ファイバ１１は、コア２１に希土類元素を含むことによって、励起光が入射されると励起光よりも長波長の放射光を出射する。希土類元素は例えばＹｂである。コア２１の周囲のクラッドは、クラッドにも導波構造を持たせるため、複数層になっている。図２では簡単のため、複数層のクラッドのうちのコアと接する第１クラッド２２のみを記載した。第１クラッド２２と被覆２３との間のクラッドは１層であってもよいし、２層以上あってもよい。第１クラッド２２と被覆２３との間のクラッドが１層であれば、希土類添加光ファイバ１１は、第１クラッド２２と第２クラッドを備えるダブルクラッドファイバとなる。
【００２７】
ＧＲＩＮレンズ１２は、径方向に屈折率分布をもつ。このため、レンズ長ＰＬを調節することで、ＧＲＩＮレンズ１２から出射する被増幅光のビーム径及び出射角を設定することができる。例えば、レンズ長ＰＬを０．２５ピッチの奇数倍にすれば、被増幅光のビーム径を拡大してコリメート光として出射することができる。レンズ長ＰＬを０．５ピッチの整数倍にすれば、被増幅光のビーム径を入射光と同じ径に集光することができる。
【００２８】
ＧＲＩＮレンズ１２は、希土類添加光ファイバ１１の端面に融着されている。光回路において、通常、最も損傷を受け易いのは光回路の不連続点となる端部である。そのなかでもさらに損傷を受け易いのは被増幅光のパワー密度が最大となる出射端であり、図２中の希土類添加光ファイバ１１の端面に相当する。この最も損傷を受け易い希土類添加光ファイバ１１の端面にＧＲＩＮレンズ１２を融着接続することで、光回路の不連続点をなくすことができ、高強度光によって損傷する確率を大幅に低減することができ、光回路の信頼性を向上することができる。なお、ＧＲＩＮレンズ１２と希土類添加光ファイバ１１の融着接続は、ＧＲＩＮレンズ１２と希土類添加光ファイバ１１が直接接続されている場合に限らず、ＧＲＩＮレンズ１２と希土類添加光ファイバ１１の間にフィルタなどの他の光学部品が配置されていてもよい。
【００２９】
光回路の不連続点をなくすため、ＧＲＩＮレンズ１２と希土類添加光ファイバ１１の材質は同じことが好ましい。この場合、両者の間に熱膨張率の差がなくなるので、異なる材質間の融着接続と比べて容易に融着接続することができる。
【００３０】
ＧＲＩＮレンズ１２は、軸方向の開放された端部に励起光の波長を選択的に反射する反射フィルタ２４が設けられている。反射フィルタ２４が励起光を反射するので、希土類添加光ファイバ１１から出射した余剰励起光を希土類添加光ファイバ１１に再入射することができる。一方、反射フィルタ２４は被増幅光（信号光）を透過し、軸方向の開放された端部から被増幅光（信号光）を出射する。ここで、被増幅光は励起光よりも長波長となるので、反射フィルタ２４は、特定の波長よりも長波長の光成分を透過し、短波長の光成分を反射する長波長透過フィルタであってもよい。反射フィルタ２４の具体例としては、誘電体多層膜がある。
【００３１】
希土類添加光ファイバ１１を増幅用ファイバとして用いるファイバレーザでは、波長９１５ｎｍ、９４０ｎｍ、９７６ｎｍのＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を励起光源として、１０６０ｎｍから１１００ｎｍの光を増幅する構成が多い。そのため、ＧＲＩＮレンズ１２の端面に配置した反射フィルタ２４の特性は、９９０ｎｍよりも短波長の光を反射し、１０４０ｎｍよりも長波長の光を透過する特性を持たせることが好ましい。これにより、被増幅光を透過し、余剰励起光を反射する特性を持たせることができる。
【００３２】
本実施形態で必要最低限となるＧＲＩＮレンズ１２の径は、希土類添加光ファイバ１１の開口数（ＮＡ）と第１クラッド２２の径に依存し、希土類添加光ファイバ１１の第１クラッド２２のＮＡよりも大きいＮＡをもつＧＲＩＮレンズ１２を用いる必要がある。
【００３３】
ＧＲＩＮレンズ１２は、０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長ＰＬを有することが好ましい。ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬが０．５ピッチの整数倍の場合、反射フィルタ２４の位置で被増幅光が光軸に収束する。この状態で高出力の被増幅光を出射すると、反射フィルタ２４が破損する可能性がある。そこで、０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長ＰＬとすることで、反射フィルタ２４の破損を防ぐことができる。
【００３４】
具体的には、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬは、０．２５ピッチの奇数倍±０．１５ピッチの範囲内であることが好ましい。０．１ピッチ以上０．４ピッチ以下となるレンズ長ＰＬとすることで、反射フィルタ２４での被増幅光のパワー密度を０．５ピッチのときの１／１０にすることができる。
【００３５】
反射フィルタで反射した励起光と希土類添加光ファイバ１１との結合効率を考慮すると、最も結合効率がよいのはＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬが０．２５ピッチの奇数倍となる場合である。そこで、実範囲を９０％程度の結合効率と考えると、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬは、０．２５ピッチの奇数倍±０．０３ピッチの範囲内であることが好ましい。
【００３６】
また、レンズ長ＰＬが０．２５の奇数倍から少し長い領域、具体的には、０．２５ピッチの奇数倍＋０．０２ピッチであることが好ましい。出射光をコリメート光として効率よく長距離空間伝搬させることができるため、別途コリメートレンズを用意する必要がなくなり、端面損傷の防止とコリメータとしての役割を一つの部品で達成することができる。
【００３７】
次に、希土類添加光ファイバ１１の第１クラッド２２の断面形状に対して、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長をどのように設定するとスキューモードの光を低減できるかについて説明する。
図３は、第１クラッドの断面形状が５角形の場合のスキューモードの光の伝搬経路の一例である。図３（ａ）は第１クラッドの各辺で１回ずつ反射される場合を示し、図３（ｂ）は第１クラッドの各辺で２回ずつ反射される場合を示す。スキューモードに結合した場合、励起光のほとんどは、コアを横切らないためコア２１に添加された希土類元素に吸収されることなく、希土類添加光ファイバの出射端まで伝搬されることになる。そこで、図２に示すＧＲＩＮレンズ１２は、希土類添加光ファイバ内でスキューモードの光として伝搬した励起光を、コア２１に結合し易い伝搬状態に変換して希土類添加光ファイバの第１クラッド２２に入射させることが好ましい。これにより、余剰励起光を再利用することができる。
【００３８】
図２に示すＧＲＩＮレンズ１２では、使用する第１クラッド２２の断面形状によって、スキューモードの光の低減効果が異なる。例えば、第１クラッド２２の断面形状が不等Ｌ角形（Ｌは３以上の整数）、正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）の場合には、反射した余剰励起光は、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬが０．５ピッチの整数倍のときにスキューモードに結合する。そのため、０．５ピッチの整数倍となるレンズ長ＰＬを避けることでスキューモードの光を低減することができる。
【００３９】
一方、第１クラッド２２の断面形状が正Ｎ角形（Ｌは４以上の偶数）の場合には、反射した余剰励起光は、さらに、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬが０．５ピッチの１／Ｎ倍のときにもスキューモードに結合する。そのため、０．５ピッチの１／Ｎの整数倍となるレンズ長ＰＬも避けることでスキューモードの光を低減することができる。
【００４０】
図４は、第１クラッドの断面形状が正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）の場合のスキューモードの光の伝搬経路の第１例であり、（ａ）はＧＲＩＮレンズへの入射前、（ｂ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも短いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｃ）は０．２５ピッチの奇数倍のレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｄ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも長いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後を示す。図４では、正Ｍ角形の一例として、Ｍ＝５の場合の正５角形の場合について示した。
【００４１】
時計回りに伝搬したスキューモードの励起光が、図４（ａ）に示すＡ点からＧＲＩＮレンズへ入射する。このとき、ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、再び第１クラッド２２のＡ点に結合する。そして、図４（ａ）に示すスキューモードの光の伝搬方向と逆方向となる時計回りに伝搬するスキューモードの光となる。
【００４２】
ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍の場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図４（ｃ）に示すように、第１クラッド２２のうち、コア２１を中心点とするＡ点と点対照のＢ点に結合する。ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍より短い場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図４（ｂ）に示すように、Ｂ点よりも少し早い時点となるＣ点に入射する。ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍より長い場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図４（ｄ）に示すように、Ｂ点よりも少し遅い時点となるＤ点に入射する。これらのとき、第１クラッド２２に再入射した励起光の伝搬経路はスキューモードから外れる。
【００４３】
したがって、第１クラッドの断面形状が正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）の場合、ＧＲＩＮレンズのレンズ長を０．５ピッチの整数倍を避けるように構成することで、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光のスキューモードへの再結合を防ぐことができる。第１クラッド２２の断面形状が不等Ｌ角形（Ｌは３以上の整数）の場合も同様の挙動を示す。
【００４４】
図５は、第１クラッドの断面形状が正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）の場合のスキューモードの光の伝搬経路の第２例であり、（ａ）はＧＲＩＮレンズへの入射前、（ｂ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも短いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｃ）は０．２５ピッチの奇数倍のレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｄ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも長いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後を示す。図５では、正Ｎ角形の一例として、Ｎ＝６の場合の正６角形の場合について示した。
【００４５】
ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、再び第１クラッド２２のＡ点に結合する。そして、図５（ａ）に示すスキューモードの光の伝搬方向と逆方向となる時計回りに伝搬するスキューモードの光となる。
【００４６】
ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍のとき、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図５（ｃ）に示すように、第１クラッド２２のうち、コア２１を中心点とするＡ点と点対照のＢ点に結合する。そして、図５（ｃ）に示すように、図５（ａ）に示すスキューモードの光の伝搬方向と逆方向となる時計回りに伝搬するスキューモードの光となる。
【００４７】
ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍より短い場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図５（ｂ）に示すように、Ｂ点よりも少し早い時点となるＣ点に入射する。ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍より長い場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図５（ｄ）に示すように、Ｂ点よりも少し遅い時点となるＤ点に入射する。これらのとき、第１クラッド２２に再入射した励起光の伝搬経路はスキューモードから外れる。
【００４８】
したがって、第１クラッドの断面形状が正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）の場合、ＧＲＩＮレンズのレンズ長を０．２５ピッチの奇数倍を避けるように構成することで、第１クラッド２２に再入射した励起光のスキューモードへの再結合を防ぐことができる。
【００４９】
ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの１／Ｎの整数倍のとき、第１クラッド２２に再入射した励起光の伝搬経路は、図５（ｃ）に示すコア２１を中心としてＡ点を３６０°／Ｎだけ回転させたスキューモードとなる。例えば、ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの３／６倍となる０．２５ピッチのとき、図５（ｃ）に示すコア２１を中心としてＡ点を１８０°だけ回転させたスキューモードとなる。ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの５／６倍となる０．４２ピッチのとき、第１クラッド２２に再入射した励起光の伝搬経路は、図５（ｃ）に示すコア２１を中心としてＢ点を６０°反時計回りに回転したスキューモードとなる。ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの７／６倍となる０．５８ピッチのとき、第１クラッド２２に再入射した励起光の伝搬経路は、図５（ｃ）に示すコア２１を中心としてＢ点を６０°時計回りに回転したスキューモードとなる。
【００５０】
したがって、第１クラッドの断面形状が正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）の場合、ＧＲＩＮレンズのレンズ長を０．５ピッチの１／Ｎの整数倍を避けるように構成することで、第１クラッド２２に再入射した励起光のスキューモードへの再結合を防ぐことができる。
【実施例】
【００５１】
本実施形態に係るファイバレーザの信頼性についての比較試験を行った。
図１に示す希土類添加光ファイバ１１として、コア側から順に第１クラッド及び第２クラッドの層を有するダブルクラッドファイバを用いた。第１クラッドは、径が４００μｍ、ＮＡが０．４６、断面形状がＮ＝６の六角形であった。第２クラッドは、樹脂クラッドであった。ＣＯ２レーザを熱源とした融着接続器を使用し、希土類添加光ファイバ１１とＧＲＩＮレンズ１２を同心で融着接続した。
【００５２】
ＧＲＩＮレンズ１２は、有効径がφ５ｍｍ、材質が石英、レンズ長が０．２５ピッチの奇数倍＋０．０１ピッチとなる０．２６レンズ長であった。このように、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長を０．５ピッチの１／Ｎの奇数倍となる０．２５ピッチを避けた。
【００５３】
一方、比較例として、実施例に係る希土類添加光ファイバ１１のビーム出射端に直接反射フィルタを設け、ＧＲＩＮレンズ１２を介さずに被増幅光を出射する構成を用意した。比較例においても、反射フィルタとして希土類添加光ファイバ１１の出射端にＡＲコートを施した。
【００５４】
上記の実施例及び比較例に係るファイバレーザにおいて、平均強度７５ｋＷ／ｍｍ２の被増幅光を希土類添加光ファイバ１１から出射した。ＧＲＩＮレンズ１２の端面に設ける反射フィルタとして、９９０ｎｍより短波長の光の透過率を０．１％以下とし、１０４０ｎｍより長波長の光の透過率が９８％以上となる特性の誘電体多層膜のＡＲコートを直接成膜した。また、共振器を確実に反射ミラー１５ａ及び１５ｂ間で形成するために、反射ミラー１５ｂは反射率１０％のものを使用した。
【００５５】
その結果、比較例では、希土類添加光ファイバ１１に設けられている反射フィルタは、９０％以上の高確率で波長フィルタが焼損した。
これに対し、実施例では、ＧＲＩＮレンズ１２に設けられている反射フィルタから出射される被増幅光の平均強度は、７５０Ｗ／ｍｍ２以下となった。このように、ＧＲＩＮレンズ１２からのビーム出射端での被増幅光のパワー密度を希土類添加光ファイバ１１の出射端での平均強度の１／１００に低減することができた。そのため、実施例では、ＧＲＩＮレンズ１２に設けられている反射フィルタの損傷は発生しなかった。
【００５６】
誘電体多層膜のＡＲコートは、通常は３層又は４層であるのに対して、長波長透過フィルタが５０層程度必要になる。誘電体多層膜のハイパワー性は層数が増えるほど低下するが、実施例に係る構成を用いることで、層数が増えた場合であってもハイパワー性を維持することができる。したがって、実施形態に係る構成とすることによって、光ファイバ出射回路及びファイバレーザの信頼性を大幅に向上することができたといえる。
【００５７】
比較例では余剰励起光によってビーム出力端付近の温度が局所的に１５０℃を超える部分があった。これに対し、実施例では、ＧＲＩＮレンズ１２のビーム出力端付近の温度を６０℃以下に抑えることができた。したがって、本実施形態に係る構成とすることによって、ＧＲＩＮレンズ１２のビーム出力端付近での部品の寿命低下や焼損などの悪影響を防ぐことができたといえる。
【００５８】
本実施例に係るファイバレーザの構成とすることで、励起光から被増幅光への変換効率を、６７％から６９％まで向上させることができた。第１クラッドの断面形状がＮ角形の希土類添加光ファイバ１１に対して、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長を０．５ピッチの１／Ｎの整数倍を避け、かつ、０．２５ピッチの奇数倍＋０．０１ピッチとすることで、希土類添加光ファイバ１１へと再入射した励起光のスキューモードへの再結合を防ぐことができ、余剰励起光を効率的に再利用することができたといえる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、ファイバレーザの高出力化により加工用として利用できることから、電気機器産業や一般機械産業などの幅広い産業に利用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１１ 希土類添加光ファイバ
１２ ＧＲＩＮレンズ
１３ 励起光源
１４ 励起光コンバイナ
１５ａ、１５ｂ 反射ミラー
２１ コア
２２ 第１クラッド
２３ 被覆
２４ 反射フィルタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類添加光ファイバを用いたファイバレーザ出射回路及び当該ファイバレーザ出射回路を備えるファイバレーザに関し、特に希土類添加光ファイバからの余剰励起光を再利用するファイバレーザ出射回路及びファイバレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
コアの周囲のクラッドに励起光を伝搬させることで光を増幅するダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ：Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｌａｄ Ｆｉｂｅｒ。以下、「ＤＣＦ」と略記する）を用いたファイバレーザが利用されている。このクラッド励起構成では、クラッド内の励起光強度が一定の密度まで減少すると、希土類元素に反転分布が形成されなくなる。そのため、コアを伝搬する被増幅光の利得と吸収の収支が逆転して、光―光の変換効率が低下してしまう。
【０００３】
上記変換効率の低下を防ぐための技術が提案されている。例えば、第１の従来例では、励起光を選択的にＤＣＦ内に反射させる多層膜ミラーを、ＤＣＦの先端に設けている（例えば、特許文献１参照。）。第２の従来例では、では、透明円盤の周囲に光ファイバを巻きつけ、さらに外周に励起光を反射させる部材を配置している（例えば、特許文献２参照。）。このように、従来は、ＤＣＦ伝搬後の励起光を直接反射して、再度ＤＣＦに入射させることで、光―光の変換効率の低下を防いでいた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１２１８３６号公報
【特許文献２】特開２００７−１１５９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、第１の従来例では、被増幅光が多層膜ミラーに入射する。そのため、被増幅光が高強度の場合、多層膜ミラーが損傷する可能性があった。
【０００６】
一方、第２の従来例では、光ファイバの被覆を通じて励起光がＤＣＦに導入されることとなる。第２の従来例では光ファイバの被覆にはアクリルなどの透明樹脂が用いられるが、透明樹脂は光ファイバの成分である石英に比べると、耐ハイパワー特性が低い。そのため、透明樹脂が焼損する可能性があり、信頼性に劣る。
【０００７】
そこで、本発明は、ファイバレーザの信頼性を下げることなく余剰励起光を再利用することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る光ファイバ出射回路は、コアの周囲に複数層のクラッドを有し、励起光が入射されると前記励起光よりも長波長の放射光を出射する希土類添加光ファイバと、前記希土類添加光ファイバの端面に融着され、径方向に屈折率分布をもつＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ）レンズと、を備え、前記ＧＲＩＮレンズは、０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長を有し、かつ、軸方向の開放された端部に前記励起光の波長を選択的に反射する反射フィルタが設けられていることを特徴とする。
【０００９】
希土類添加光ファイバのクラッドからＧＲＩＮレンズに入射された励起光は、反射フィルタで反射される。このとき、励起光は、ＧＲＩＮレンズ内を往復するので、希土類添加光ファイバのクラッドに再び入射する。これにより、励起光を効率よく再利用することができる。また、希土類添加光ファイバのうちの励起光を透過しない層への入射が防げるので、希土類添加光ファイバとＧＲＩＮレンズの境界で生じる発熱及び当該発熱による損傷を防ぐことができる。
ＧＲＩＮレンズに入射された被増幅光は、レンズ長に合わせた出射径でＧＲＩＮレンズの出射端から出射される。このとき、レンズ長が０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長を有するので、反射フィルタにおける被増幅光のパワー密度差を緩和することができる。これにより、被増幅光による反射フィルタの損傷を防ぐことができる。
希土類添加光ファイバの先端にＧＲＩＮレンズが融着接続されているので、希土類添加光ファイバとＧＲＩＮレンズとの間での接続損失が少ない。これにより、被増幅光及び励起光の利用効率を向上することができる。また、希土類添加光ファイバとＧＲＩＮレンズの境界で生じる発熱及び当該発熱による損傷を防ぐことができる。
したがって、本発明に係る光ファイバ出射回路は、ファイバレーザの信頼性を下げることなく余剰励起光を再利用することができる。
【００１０】
本発明に係る光ファイバ出射回路では、前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍±０．１５ピッチの範囲内であることが好ましい。
本発明により、反射フィルタでの被増幅光のパワー密度を０．５ピッチのときの１／１０程度にすることができる。
【００１１】
本発明に係る光ファイバ出射回路では、前記複数層のクラッドのうちの前記コアと接する第１クラッドの断面形状は、不等Ｌ角形（Ｌは３以上の整数）又は正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）であることが好ましい。
また、本発明に係る光ファイバ出射回路では、前記複数層のクラッドのうちの前記コアと接する第１クラッドの断面形状は、正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）であり、前記ＧＲＩＮレンズは、０．５ピッチの１／Ｎの整数倍を除くレンズ長であることが好ましい。
本発明により、希土類添加光ファイバ内でスキューモードの光として伝搬した励起光を、コアに結合し易い伝搬状態に変換して希土類添加光ファイバのクラッドに入射させることができる。
【００１２】
本発明に係る光ファイバ出射回路では、前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍±０．０３ピッチの範囲内であることが好ましい。
本発明により、反射フィルタで反射された励起光の希土類添加光ファイバへの結合効率を向上することができる。
【００１３】
本発明に係る光ファイバ出射回路では、前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍＋０．０２ピッチであることが好ましい。
本発明により、ＧＲＩＮレンズからの出射光をコリメート光として効率よく長距離空間伝搬させることができる。
【００１４】
本発明に係るファイバレーザは、本発明に係る光ファイバ出射回路と、前記光ファイバ出射回路に前記励起光を供給する励起光源と、前記希土類添加光ファイバの離れた２点に配置され、前記励起光源からの励起光をレーザ発振させる１組の反射ミラーと、を備えることを特徴とする。
本発明により、信頼性を下げることなく余剰励起光を再利用するファイバレーザを提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ファイバレーザの信頼性を下げることなく余剰励起光を再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係るファイバレーザの構成概略図である。
【図２】本実施形態に係る光ファイバ出射回路の構成概略図である。
【図３】スキューモードの光の伝搬経路の一例であり、（ａ）は第１クラッドの各辺で１回ずつ反射される場合を示し、（ｂ）は第１クラッドの各辺で２回ずつ反射される場合を示す。
【図４】第１クラッドの断面形状が正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）の場合のスキューモードの光の伝搬経路の第１例であり、（ａ）はＧＲＩＮレンズへの入射前、（ｂ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも短いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｃ）は０．２５ピッチの奇数倍のレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｄ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも長いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後を示す。
【図５】第１クラッドの断面形状が正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）の場合のスキューモードの光の伝搬経路の第２例であり、（ａ）はＧＲＩＮレンズへの入射前、（ｂ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも短いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｃ）は０．２５ピッチの奇数倍のレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｄ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも長いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
【００１８】
図１は、本実施形態に係るファイバレーザの構成概略図である。本実施形態に係るファイバレーザは、希土類添加光ファイバ１１と、ＧＲＩＮレンズ１２と、複数の励起光源１３と、励起光コンバイナ１４と、１組の反射ミラー１５ａ及び１５ｂと、を備える。希土類添加光ファイバ１１及びＧＲＩＮレンズ１２によって光ファイバ出射回路が構成される。
【００１９】
複数の励起光源１３は、希土類元素の励起光を希土類添加光ファイバ１１に供給する。励起光コンバイナ１４は、複数の励起光源１３から出射する励起光を希土類添加光ファイバ１１の第１クラッドに結合する。希土類添加光ファイバ１１の第１クラッドを伝搬する励起光は、コアを横切る際に希土類イオンに吸収され、励起光よりも長波長の放射光が希土類イオンから放射される。励起光及び放射光の一部は、希土類添加光ファイバ１１の端部に配置された反射ミラー１５ａと反射ミラー１５ｂで反射されてレーザ発振する。このとき、誘導放出現象により希土類添加光ファイバ１１にて放射光が増幅される。レーザ発振した光の一部は、反射ミラー１５ｂを透過し、反射ミラー１５ｂと光ファイバで接続されているＧＲＩＮレンズ１２から出力される。
【００２０】
ここで、反射ミラー１５ａ及び１５ｂは、例えばファイバブラッググレーティングである。図１では、反射ミラー１５ａ及び１５ｂは、希土類添加光ファイバ１１の端部に配置される例を示したが、離れた２点に配置されていればよい。また、反射ミラー１５ｂとＧＲＩＮレンズ１２との間に光ファイバが接続される例を示したが、これに限定されない。例えば、反射ミラー１５ｂとＧＲＩＮレンズ１２が直接接続されていてもよいし、反射ミラー１５ｂとＧＲＩＮレンズ１２の間に他の光学部品が接続されていてもよい。
【００２１】
また、図１に示す光ファイバ出射回路では、図１に示す共振器を確実に反射ミラー１５ａ及び１５ｂ間で形成するために、反射ミラー１５ｂの反射率をＧＲＩＮレンズ１２における反射フィルタの反射率よりも高く設定する必要がある。ＧＲＩＮレンズ１２を使用せずに、希土類添加光ファイバ１１のビーム出射端に、励起光を選択的に反射する反射フィルタを直接成膜する方法も考えられる。しかし、そのような方法ではＧＲＩＮレンズ１２によるビーム径拡大効果が得られないので、反射フィルタを通る被増幅光のパワー密度が高くなり、反射フィルタの焼損が起こる可能性がある。そのため、出射端に反射フィルタを設けたＧＲＩＮレンズ１２を接続して被増幅光のビーム径を拡大することで、反射フィルタの焼損を防止することができる。
【００２２】
本実施形態に係るファイバレーザは、希土類添加光ファイバ１１及びＧＲＩＮレンズ１２を備える光ファイバ出射回路を備えることで、希土類添加光ファイバ１１の終端部から余剰励起光を再利用し、光―光の変換効率を向上させ、さらには発熱による部品の寿命低下や焼損などの悪影響を低減する。以下、光ファイバ出射回路の詳細について説明する。
【００２３】
一般的に用いられる光ファイバのビーム出射端に誘電体多層膜の反射フィルタを設け、反射フィルタの対パワー特性について、簡単な実験で確認した。シングルモード光の平均強度が７５ｋＷ／ｍｍ２の条件では高確率で反射フィルタが焼損したのに対し、１５ｋＷ／ｍｍ２まで平均強度を低減させることで反射フィルタの焼損確率を数％以下にすることができた。反射フィルタの成膜条件やレーザの使用条件にもよるが、好ましくは平均強度を７．５ｋＷ／ｍｍ２以下にすることで、高エネルギー光による反射フィルタの焼損のほとんどを防ぐことができると考えられる。
【００２４】
ビーム出射端で被増幅光のパワー密度を１／１０以下にするためには、ＧＲＩＮレンズ１２の入射端における被増幅光のビーム径に対して、ＧＲＩＮレンズ１２の出射端における被増幅光のビーム径を３．５倍以上にする必要がある。仮に被増幅光の平均強度が７５ｋＷ／ｍｍ２の条件で０．２５レンズ長で被増幅光を１０倍に拡大できるＧＲＩＮレンズを用いた場合には、レンズ長が０．１〜０．４ピッチの範囲であれば、十分に端面焼損を防げる計算になる。５倍のＧＲＩＮレンズを用いた場合でも、０．１５〜０．３５ピッチの範囲で端面焼損を防げる計算になる。
【００２５】
特に、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍に近い領域では入射光の径が拡大されるので、希土類添加光ファイバ１１から直接レーザを出力する構成に比べて、端部での被増幅光のパワー密度を低減することができる。そのため、高強度光による端面損傷の確率を格段に下げることができる。
【００２６】
図２は、本実施形態に係る光ファイバ出射回路の構成概略図である。希土類添加光ファイバ１１は、コア２１に希土類元素を含むことによって、励起光が入射されると励起光よりも長波長の放射光を出射する。希土類元素は例えばＹｂである。コア２１の周囲のクラッドは、クラッドにも導波構造を持たせるため、複数層になっている。図２では簡単のため、複数層のクラッドのうちのコアと接する第１クラッド２２のみを記載した。第１クラッド２２と被覆２３との間のクラッドは１層であってもよいし、２層以上あってもよい。第１クラッド２２と被覆２３との間のクラッドが１層であれば、希土類添加光ファイバ１１は、第１クラッド２２と第２クラッドを備えるダブルクラッドファイバとなる。
【００２７】
ＧＲＩＮレンズ１２は、径方向に屈折率分布をもつ。このため、レンズ長ＰＬを調節することで、ＧＲＩＮレンズ１２から出射する被増幅光のビーム径及び出射角を設定することができる。例えば、レンズ長ＰＬを０．２５ピッチの奇数倍にすれば、被増幅光のビーム径を拡大してコリメート光として出射することができる。レンズ長ＰＬを０．５ピッチの整数倍にすれば、被増幅光のビーム径を入射光と同じ径に集光することができる。
【００２８】
ＧＲＩＮレンズ１２は、希土類添加光ファイバ１１の端面に融着されている。光回路において、通常、最も損傷を受け易いのは光回路の不連続点となる端部である。そのなかでもさらに損傷を受け易いのは被増幅光のパワー密度が最大となる出射端であり、図２中の希土類添加光ファイバ１１の端面に相当する。この最も損傷を受け易い希土類添加光ファイバ１１の端面にＧＲＩＮレンズ１２を融着接続することで、光回路の不連続点をなくすことができ、高強度光によって損傷する確率を大幅に低減することができ、光回路の信頼性を向上することができる。なお、ＧＲＩＮレンズ１２と希土類添加光ファイバ１１の融着接続は、ＧＲＩＮレンズ１２と希土類添加光ファイバ１１が直接接続されている場合に限らず、ＧＲＩＮレンズ１２と希土類添加光ファイバ１１の間にフィルタなどの他の光学部品が配置されていてもよい。
【００２９】
光回路の不連続点をなくすため、ＧＲＩＮレンズ１２と希土類添加光ファイバ１１の材質は同じことが好ましい。この場合、両者の間に熱膨張率の差がなくなるので、異なる材質間の融着接続と比べて容易に融着接続することができる。
【００３０】
ＧＲＩＮレンズ１２は、軸方向の開放された端部に励起光の波長を選択的に反射する反射フィルタ２４が設けられている。反射フィルタ２４が励起光を反射するので、希土類添加光ファイバ１１から出射した余剰励起光を希土類添加光ファイバ１１に再入射することができる。一方、反射フィルタ２４は被増幅光（信号光）を透過し、軸方向の開放された端部から被増幅光（信号光）を出射する。ここで、被増幅光は励起光よりも長波長となるので、反射フィルタ２４は、特定の波長よりも長波長の光成分を透過し、短波長の光成分を反射する長波長透過フィルタであってもよい。反射フィルタ２４の具体例としては、誘電体多層膜がある。
【００３１】
希土類添加光ファイバ１１を増幅用ファイバとして用いるファイバレーザでは、波長９１５ｎｍ、９４０ｎｍ、９７６ｎｍのＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を励起光源として、１０６０ｎｍから１１００ｎｍの光を増幅する構成が多い。そのため、ＧＲＩＮレンズ１２の端面に配置した反射フィルタ２４の特性は、９９０ｎｍよりも短波長の光を反射し、１０４０ｎｍよりも長波長の光を透過する特性を持たせることが好ましい。これにより、被増幅光を透過し、余剰励起光を反射する特性を持たせることができる。
【００３２】
本実施形態で必要最低限となるＧＲＩＮレンズ１２の径は、希土類添加光ファイバ１１の開口数（ＮＡ）と第１クラッド２２の径に依存し、希土類添加光ファイバ１１の第１クラッド２２のＮＡよりも大きいＮＡをもつＧＲＩＮレンズ１２を用いる必要がある。
【００３３】
ＧＲＩＮレンズ１２は、０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長ＰＬを有することが好ましい。ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬが０．５ピッチの整数倍の場合、反射フィルタ２４の位置で被増幅光が光軸に収束する。この状態で高出力の被増幅光を出射すると、反射フィルタ２４が破損する可能性がある。そこで、０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長ＰＬとすることで、反射フィルタ２４の破損を防ぐことができる。
【００３４】
具体的には、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬは、０．２５ピッチの奇数倍±０．１５ピッチの範囲内であることが好ましい。０．１ピッチ以上０．４ピッチ以下となるレンズ長ＰＬとすることで、反射フィルタ２４での被増幅光のパワー密度を０．５ピッチのときの１／１０にすることができる。
【００３５】
反射フィルタで反射した励起光と希土類添加光ファイバ１１との結合効率を考慮すると、最も結合効率がよいのはＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬが０．２５ピッチの奇数倍となる場合である。そこで、実範囲を９０％程度の結合効率と考えると、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬは、０．２５ピッチの奇数倍±０．０３ピッチの範囲内であることが好ましい。
【００３６】
また、レンズ長ＰＬが０．２５の奇数倍から少し長い領域、具体的には、０．２５ピッチの奇数倍＋０．０２ピッチであることが好ましい。出射光をコリメート光として効率よく長距離空間伝搬させることができるため、別途コリメートレンズを用意する必要がなくなり、端面損傷の防止とコリメータとしての役割を一つの部品で達成することができる。
【００３７】
次に、希土類添加光ファイバ１１の第１クラッド２２の断面形状に対して、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長をどのように設定するとスキューモードの光を低減できるかについて説明する。
図３は、第１クラッドの断面形状が５角形の場合のスキューモードの光の伝搬経路の一例である。図３（ａ）は第１クラッドの各辺で１回ずつ反射される場合を示し、図３（ｂ）は第１クラッドの各辺で２回ずつ反射される場合を示す。スキューモードに結合した場合、励起光のほとんどは、コアを横切らないためコア２１に添加された希土類元素に吸収されることなく、希土類添加光ファイバの出射端まで伝搬されることになる。そこで、図２に示すＧＲＩＮレンズ１２は、希土類添加光ファイバ内でスキューモードの光として伝搬した励起光を、コア２１に結合し易い伝搬状態に変換して希土類添加光ファイバの第１クラッド２２に入射させることが好ましい。これにより、余剰励起光を再利用することができる。
【００３８】
図２に示すＧＲＩＮレンズ１２では、使用する第１クラッド２２の断面形状によって、スキューモードの光の低減効果が異なる。例えば、第１クラッド２２の断面形状が不等Ｌ角形（Ｌは３以上の整数）、正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）の場合には、反射した余剰励起光は、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬが０．５ピッチの整数倍のときにスキューモードに結合する。そのため、０．５ピッチの整数倍となるレンズ長ＰＬを避けることでスキューモードの光を低減することができる。
【００３９】
一方、第１クラッド２２の断面形状が正Ｎ角形（Ｌは４以上の偶数）の場合には、反射した余剰励起光は、さらに、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長ＰＬが０．５ピッチの１／Ｎ倍のときにもスキューモードに結合する。そのため、０．５ピッチの１／Ｎの整数倍となるレンズ長ＰＬも避けることでスキューモードの光を低減することができる。
【００４０】
図４は、第１クラッドの断面形状が正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）の場合のスキューモードの光の伝搬経路の第１例であり、（ａ）はＧＲＩＮレンズへの入射前、（ｂ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも短いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｃ）は０．２５ピッチの奇数倍のレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｄ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも長いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後を示す。図４では、正Ｍ角形の一例として、Ｍ＝５の場合の正５角形の場合について示した。
【００４１】
時計回りに伝搬したスキューモードの励起光が、図４（ａ）に示すＡ点からＧＲＩＮレンズへ入射する。このとき、ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、再び第１クラッド２２のＡ点に結合する。そして、図４（ａ）に示すスキューモードの光の伝搬方向と逆方向となる時計回りに伝搬するスキューモードの光となる。
【００４２】
ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍の場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図４（ｃ）に示すように、第１クラッド２２のうち、コア２１を中心点とするＡ点と点対照のＢ点に結合する。ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍より短い場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図４（ｂ）に示すように、Ｂ点よりも少し早い時点となるＣ点に入射する。ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍より長い場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図４（ｄ）に示すように、Ｂ点よりも少し遅い時点となるＤ点に入射する。これらのとき、第１クラッド２２に再入射した励起光の伝搬経路はスキューモードから外れる。
【００４３】
したがって、第１クラッドの断面形状が正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）の場合、ＧＲＩＮレンズのレンズ長を０．５ピッチの整数倍を避けるように構成することで、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光のスキューモードへの再結合を防ぐことができる。第１クラッド２２の断面形状が不等Ｌ角形（Ｌは３以上の整数）の場合も同様の挙動を示す。
【００４４】
図５は、第１クラッドの断面形状が正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）の場合のスキューモードの光の伝搬経路の第２例であり、（ａ）はＧＲＩＮレンズへの入射前、（ｂ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも短いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｃ）は０．２５ピッチの奇数倍のレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後、（ｄ）は０．２５ピッチの奇数倍よりも長いレンズ長を有するＧＲＩＮレンズへの入射後を示す。図５では、正Ｎ角形の一例として、Ｎ＝６の場合の正６角形の場合について示した。
【００４５】
ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、再び第１クラッド２２のＡ点に結合する。そして、図５（ａ）に示すスキューモードの光の伝搬方向と逆方向となる時計回りに伝搬するスキューモードの光となる。
【００４６】
ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍のとき、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図５（ｃ）に示すように、第１クラッド２２のうち、コア２１を中心点とするＡ点と点対照のＢ点に結合する。そして、図５（ｃ）に示すように、図５（ａ）に示すスキューモードの光の伝搬方向と逆方向となる時計回りに伝搬するスキューモードの光となる。
【００４７】
ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍より短い場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図５（ｂ）に示すように、Ｂ点よりも少し早い時点となるＣ点に入射する。ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．２５ピッチの奇数倍より長い場合、ＧＲＩＮレンズから第１クラッド２２へ再入射した励起光は、図５（ｄ）に示すように、Ｂ点よりも少し遅い時点となるＤ点に入射する。これらのとき、第１クラッド２２に再入射した励起光の伝搬経路はスキューモードから外れる。
【００４８】
したがって、第１クラッドの断面形状が正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）の場合、ＧＲＩＮレンズのレンズ長を０．２５ピッチの奇数倍を避けるように構成することで、第１クラッド２２に再入射した励起光のスキューモードへの再結合を防ぐことができる。
【００４９】
ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの１／Ｎの整数倍のとき、第１クラッド２２に再入射した励起光の伝搬経路は、図５（ｃ）に示すコア２１を中心としてＡ点を３６０°／Ｎだけ回転させたスキューモードとなる。例えば、ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの３／６倍となる０．２５ピッチのとき、図５（ｃ）に示すコア２１を中心としてＡ点を１８０°だけ回転させたスキューモードとなる。ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの５／６倍となる０．４２ピッチのとき、第１クラッド２２に再入射した励起光の伝搬経路は、図５（ｃ）に示すコア２１を中心としてＢ点を６０°反時計回りに回転したスキューモードとなる。ＧＲＩＮレンズのレンズ長が０．５ピッチの７／６倍となる０．５８ピッチのとき、第１クラッド２２に再入射した励起光の伝搬経路は、図５（ｃ）に示すコア２１を中心としてＢ点を６０°時計回りに回転したスキューモードとなる。
【００５０】
したがって、第１クラッドの断面形状が正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）の場合、ＧＲＩＮレンズのレンズ長を０．５ピッチの１／Ｎの整数倍を避けるように構成することで、第１クラッド２２に再入射した励起光のスキューモードへの再結合を防ぐことができる。
【実施例】
【００５１】
本実施形態に係るファイバレーザの信頼性についての比較試験を行った。
図１に示す希土類添加光ファイバ１１として、コア側から順に第１クラッド及び第２クラッドの層を有するダブルクラッドファイバを用いた。第１クラッドは、径が４００μｍ、ＮＡが０．４６、断面形状がＮ＝６の六角形であった。第２クラッドは、樹脂クラッドであった。ＣＯ２レーザを熱源とした融着接続器を使用し、希土類添加光ファイバ１１とＧＲＩＮレンズ１２を同心で融着接続した。
【００５２】
ＧＲＩＮレンズ１２は、有効径がφ５ｍｍ、材質が石英、レンズ長が０．２５ピッチの奇数倍＋０．０１ピッチとなる０．２６レンズ長であった。このように、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長を０．５ピッチの１／Ｎの奇数倍となる０．２５ピッチを避けた。
【００５３】
一方、比較例として、実施例に係る希土類添加光ファイバ１１のビーム出射端に直接反射フィルタを設け、ＧＲＩＮレンズ１２を介さずに被増幅光を出射する構成を用意した。比較例においても、反射フィルタとして希土類添加光ファイバ１１の出射端にＡＲコートを施した。
【００５４】
上記の実施例及び比較例に係るファイバレーザにおいて、平均強度７５ｋＷ／ｍｍ２の被増幅光を希土類添加光ファイバ１１から出射した。ＧＲＩＮレンズ１２の端面に設ける反射フィルタとして、９９０ｎｍより短波長の光の透過率を０．１％以下とし、１０４０ｎｍより長波長の光の透過率が９８％以上となる特性の誘電体多層膜のＡＲコートを直接成膜した。また、共振器を確実に反射ミラー１５ａ及び１５ｂ間で形成するために、反射ミラー１５ｂは反射率１０％のものを使用した。
【００５５】
その結果、比較例では、希土類添加光ファイバ１１に設けられている反射フィルタは、９０％以上の高確率で波長フィルタが焼損した。
これに対し、実施例では、ＧＲＩＮレンズ１２に設けられている反射フィルタから出射される被増幅光の平均強度は、７５０Ｗ／ｍｍ２以下となった。このように、ＧＲＩＮレンズ１２からのビーム出射端での被増幅光のパワー密度を希土類添加光ファイバ１１の出射端での平均強度の１／１００に低減することができた。そのため、実施例では、ＧＲＩＮレンズ１２に設けられている反射フィルタの損傷は発生しなかった。
【００５６】
誘電体多層膜のＡＲコートは、通常は３層又は４層であるのに対して、長波長透過フィルタが５０層程度必要になる。誘電体多層膜のハイパワー性は層数が増えるほど低下するが、実施例に係る構成を用いることで、層数が増えた場合であってもハイパワー性を維持することができる。したがって、実施形態に係る構成とすることによって、光ファイバ出射回路及びファイバレーザの信頼性を大幅に向上することができたといえる。
【００５７】
比較例では余剰励起光によってビーム出力端付近の温度が局所的に１５０℃を超える部分があった。これに対し、実施例では、ＧＲＩＮレンズ１２のビーム出力端付近の温度を６０℃以下に抑えることができた。したがって、本実施形態に係る構成とすることによって、ＧＲＩＮレンズ１２のビーム出力端付近での部品の寿命低下や焼損などの悪影響を防ぐことができたといえる。
【００５８】
本実施例に係るファイバレーザの構成とすることで、励起光から被増幅光への変換効率を、６７％から６９％まで向上させることができた。第１クラッドの断面形状がＮ角形の希土類添加光ファイバ１１に対して、ＧＲＩＮレンズ１２のレンズ長を０．５ピッチの１／Ｎの整数倍を避け、かつ、０．２５ピッチの奇数倍＋０．０１ピッチとすることで、希土類添加光ファイバ１１へと再入射した励起光のスキューモードへの再結合を防ぐことができ、余剰励起光を効率的に再利用することができたといえる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、ファイバレーザの高出力化により加工用として利用できることから、電気機器産業や一般機械産業などの幅広い産業に利用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１１ 希土類添加光ファイバ
１２ ＧＲＩＮレンズ
１３ 励起光源
１４ 励起光コンバイナ
１５ａ、１５ｂ 反射ミラー
２１ コア
２２ 第１クラッド
２３ 被覆
２４ 反射フィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアの周囲に複数層のクラッドを有し、励起光が入射されると前記励起光よりも長波長の放射光を出射する希土類添加光ファイバと、
前記希土類添加光ファイバの端面に融着され、径方向に屈折率分布をもつＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ）レンズと、を備え、
前記ＧＲＩＮレンズは、０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長を有し、かつ、軸方向の開放された端部に前記励起光の波長を選択的に反射する反射フィルタが設けられていることを特徴とする光ファイバ出射回路。
【請求項２】
前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍±０．１５ピッチの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ出射回路。
【請求項３】
前記複数層のクラッドのうちの前記コアと接する第１クラッドの断面形状は、不等Ｌ角形（Ｌは３以上の整数）又は正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ出射回路。
【請求項４】
前記複数層のクラッドのうちの前記コアと接する第１クラッドの断面形状は、正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）であり、
前記ＧＲＩＮレンズは、０．５ピッチの１／Ｎの整数倍を除くレンズ長であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ出射回路。
【請求項５】
前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍±０．０３ピッチの範囲内であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバ出射回路。
【請求項６】
前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍＋０．０２ピッチであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバ出射回路。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の光ファイバ出射回路と、
前記光ファイバ出射回路に前記励起光を供給する励起光源と、
前記希土類添加光ファイバの離れた２点に配置され、前記励起光源からの励起光をレーザ発振させる１組の反射ミラーと、を備えることを特徴とするファイバレーザ。
【請求項１】
コアの周囲に複数層のクラッドを有し、励起光が入射されると前記励起光よりも長波長の放射光を出射する希土類添加光ファイバと、
前記希土類添加光ファイバの端面に融着され、径方向に屈折率分布をもつＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ）レンズと、を備え、
前記ＧＲＩＮレンズは、０．５ピッチの整数倍を除くレンズ長を有し、かつ、軸方向の開放された端部に前記励起光の波長を選択的に反射する反射フィルタが設けられていることを特徴とする光ファイバ出射回路。
【請求項２】
前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍±０．１５ピッチの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ出射回路。
【請求項３】
前記複数層のクラッドのうちの前記コアと接する第１クラッドの断面形状は、不等Ｌ角形（Ｌは３以上の整数）又は正Ｍ角形（Ｍは３以上の奇数）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ出射回路。
【請求項４】
前記複数層のクラッドのうちの前記コアと接する第１クラッドの断面形状は、正Ｎ角形（Ｎは４以上の偶数）であり、
前記ＧＲＩＮレンズは、０．５ピッチの１／Ｎの整数倍を除くレンズ長であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ出射回路。
【請求項５】
前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍±０．０３ピッチの範囲内であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバ出射回路。
【請求項６】
前記ＧＲＩＮレンズのレンズ長は、０．２５ピッチの奇数倍＋０．０２ピッチであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバ出射回路。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の光ファイバ出射回路と、
前記光ファイバ出射回路に前記励起光を供給する励起光源と、
前記希土類添加光ファイバの離れた２点に配置され、前記励起光源からの励起光をレーザ発振させる１組の反射ミラーと、を備えることを特徴とするファイバレーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１２４４６０（Ｐ２０１１−１２４４６０Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８２３８７（Ｐ２００９−２８２３８７）
【出願日】平成２１年１２月１４日（２００９．１２．１４）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１４日（２００９．１２．１４）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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