JP4873645B2

JP4873645B2 - 光ファイバラマンレーザ装置

Info

Publication number: JP4873645B2
Application number: JP2007211728A
Authority: JP
Inventors: 浩文今井; 晃白川; 憲一植田
Original assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS; Nippon Steel Corp
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS; Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-08-15
Also published as: JP2009047771A

Description

本発明は、レーザ加工やレーザ計測に用いる光ファイバラマンレーザに関する。

従来、光ファイバの誘導ラマン散乱を利用したレーザ装置が市販されている。誘導ラマン散乱は、媒体に入射した光波が媒体を構成する物質の格子振動により変調され、入射した光波とは波長の異なる光が散乱される現象である。また、格子振動の振動数は物質の構造から決まる固有の振動数であるが、振動数は一様ではなく分布している。

入射した光波の振動数をν_p、格子振動の振動数をν_mとすると、散乱される光波の振動数は、ν_p−ν_mで与えられるν_s、および、ν_p+ν_mで与えられるν_aである。振動数ν_pの入射光を励起光、あるいはポンプ光と呼び、振動数ν_sの光波をストークス光、振動数ν_aの光波をアンチストークス光と呼ぶ。格子振動の振動数ν_mは分布しているので、ストークス光ν_sの振動数も分布する。光の振動数と波長の間には、（波長）＝（光速）／（振動数）の関係があるので、振動数の分布により波長も分布することになる。

ポンプ光ν_pの強度が強くなると、ポンプ光ν_pとストークス光ν_sとが非線形な相互作用を起こし、その結果、格子振動に強制力が働くようになり、格子振動が激しくなる。格子振動が激しくなるとストークス光ν_sが強くなり、非線形相互作用を通じてさらに格子振動が激しくなる。

光ファイバに強いポンプ光ν_pが入射すると、ストークス光ν_sは伝播するにつれて強くなる。これは光ファイバを光の伝播方向に微小区間に区切って考えると理解が容易である。すなわち、途中の微小区間ではその区間でストークス光ν_sが発生すると共に、その一つ前の区間に存在したストークス光ν_sが伝播し到達する。ストークス光強度としては後者の方が強いのでストークス光ν_sとポンプ光ν_pの相互作用は主に伝播してきたストークス光ν_sとポンプ光ν_pとの間で起こる。その結果、ストークス光ν_sの強度は一つ前の区間での強度より大きいものとなる。

光ファイバでさらに効率よく誘導ラマン散乱を生じせしめるために、光ファイバの両端近くにファイバ内を伝播するストークス光ν_sを反射させ進行方向を反転させる機構を設けることがある（特許文献１参照）。ストークス光ν_sとポンプ光ν_pとの相互作用は光の伝播方向には無関係に起きるので、ストークス光ν_sを反射させて１本の光ファイバの中で多数回の相互作用を起こさせることができ、効率よく誘導ラマン散乱が起きる。ただし、ストークス光ν_sを取り出すためには前述の反射は１００%の反射でなく、部分反射として一部を取り出すことになる。このような装置を光ファイバラマンレーザ、あるいは単に、ファイバラマンレーザと称する。

図６に、従来公知技術による光ファイバラマンレーザ装置１００の構成を示す。図６において、１０１は光ファイバ、１０２は出力端、１０３はポンプ光源、１０４、１０５、１０６は反射器となる光ファイバブラッググレーティング（以下、FBGと呼称する）である。

光ファイバ１０１は通常の単一モード光ファイバや、非線形効果を高めた光ファイバ（特許文献２参照）である。ポンプ光源１０３は波長が１０６４nmのYAGレーザであり、出力は２Wである。FBG１０４は特定の波長の光を反射する部品であって、図６の例では波長１０６４nmの光を反射する。FBG１０５、１０６は波長１１２０nmの光を反射し、反射率はFBG１０６がほぼ１００%、FBG１０５は２０%である。

このような構成によって、光ファイバ１０１では波長１１２０nmで誘導ラマン散乱が起こり、光出力端１０２からはその一部が出力光として取り出される。

さらに、近年、ダブルクラッドファイバの発明によりファイバレーザの高出力化が著しく進展しており、市販装置のシングルモードファイバレーザが２kW出力に至っている。ダブルクラッドファイバとはクラッドが２重になっているもので、内側のクラッドがコアを光励起するための励起光を伝播させ、コアには誘導放出を起こす元素を添加したものである。励起光源としては半導体レーザが用いられ、コアへの添加元素としてはYb等の希土類元素が用いられる。
特開平１１−５４８５３号公報特開昭５６−７０６８３号公報「シングルモードYb系ファイバーレーザーの高出力化の現状と動向」、レーザー研究、Vol. 33, No. 4, pp. 254-261

しかしながら、上記した高出力のファイバレーザ光を光ファイバラマンレーザのポンプ光として用いる場合、ポンプ光の強度が非常に強いためストークス光の強度も非常に強くなり、従来の数Wレベルのポンプ光では起こりにくかったことであるが、ストークス光を新たなポンプ光としてさらに次のストークス光が発生することが起こり得る。その際の周波数ν_s’はν_s−ν_mである。ν_sを一次ストークス光、ν_s’を二次ストークス光と言う。以下、二次以降を高次のストークス光と呼ぶこととする。

ラマン散乱は格子振動を介する過程であるため、熱的なエネルギーロスが不可避であり、ポンプ光からストークス光への変換効率は最大で８０%程度である。高次のストークス光が発生するほど熱への放散が増しトータルとしての光のエネルギーは低下することになる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、高次ストークス光の発生を抑制し、ポンプ光から一次ストークス光への変換効率を向上させることができる光ファイバラマンレーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の要旨は、下記のごとくである。

（１）光ファイバ内にて特性波長で誘導ラマン散乱を発生する光ファイバラマンレーザ装置であって、ポンプ光源と、第１の屈折率を有するコア領域と、該コア領域の外周に設けられた、第２の屈折率を有する第１のクラッド領域と、該第１のクラッド領域の外周に第３の屈折率を有する第２のクラッド領域とを有するダブルクラッド光ファイバとを具備し、前記コア領域は前記ポンプ光源から出射されて前記第１のクラッド領域で導光されたポンプ光によりレーザ放射を生じさせ、該レーザ放射を長手方向に搬送し、かつ、誘導ラマン散乱によりストークス光を生じるものであって、コア領域の直径が一次ストークス光の波長より長い波長の光を閉じ込めないように所定の大きさ以下であり、前記第１のクラッド領域は、前記ポンプ光源から結合されたポンプ光をその長手方向に搬送して導光し、かつ、前記コア領域で生じた高次のストークス光の波長に対して吸収特性を有し、前記ダブルクラッド光ファイバは長手方向の少なくとも一部が屈曲されていることを特徴とする光ファイバラマンレーザ装置。

（２）前記ポンプ光源は半導体レーザであり、前記ダブルクラッド光ファイバは石英系ファイバであって、前記コア領域は、レーザ放射を生じさせるためのＹｂ、および、ラマン利得の大きな物質を添加したことを特徴とする（１）に記載の光ファイバラマンレーザ装置。

本発明の光ファイバラマンレーザ装置によれば、高次ストークス光の発生による効率低下を抑制し、ポンプ光から一次ストークス光への変換効率を向上させることができる光ファイバラマンレーザ装置を提供することができる。

本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。なお、下記の各図において、同一の機能を有する部分には同一の番号を付記した。

本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバラマンレーザ装置４０の一例について図１を参照して説明する。

図１に示す光ファイバラマンレーザ装置４０は、図６に示す従来公知技術による光ファイバラマン装置１００の構成と概ね同様に構成されている。即ち、図１に示すように、光ファイバ１の両端に出力端４２、ポンプ光源４３が設けられており、また、ポンプ光源４３と出力端４２との間には、光ファイバブラッググレーティング（以下、FBGと呼称する）としての反射器４６、４５、４４がポンプ光源４３側から順に設けられている。

光ファイバ１は石英系の光ファイバであり受動素子である。本発明の第１の実施の形態では、光ファイバ１の全長は例えば１kmであり、途中、レーザ光伝播の曲げ損失を導入する目的で、この光ファイバ１を屈曲させた屈曲部４８が設けられている。図１に示す場合には、屈曲部４８は、FBG４５とFBG４６との間に設けられており、光ファイバ１が直径５０mm以下のコイル状に２０回以上巻かれた構成になっている。なお、この屈曲部４８は、光ファイバ１の長手方向の少なくとも一部に設けられていればよい。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバラマンレーザ装置４０が備える光ファイバ１の構成を示す構成図である。図２に示すように、光ファイバ１は、第１の屈折率を有するコア領域（以下、コアと呼称する）１１の外周に、第２の屈折率を有するクラッド領域１２が設けられた構成を有する。なお、光ファイバ１の被覆部分については図示していない。第１の屈折率は、第２の屈折率よりも高くなっている。

クラッド１２には、鉄、コバルト、セレンなどの赤外線吸収元素が混入されている。これにより、浸み出してきた二次ストークス光成分を吸収させるようになっている。また、コア１１にゲルマニウムなどの不純物を混入することによりラマン利得を増すことができる。

ポンプ光源４３としては例えば出力１kW、発振波長１０８５nmのYbファイバレーザを用いることができる。本発明の第１の実施の形態では、ポンプ光源４３からのポンプ光は、光ファイバ１のコア１１に導入されるように構成されている。ポンプ光源４３の光ファイバ１への結合方法としてはファイバ同士のスプライシングでもよいし、自由空間からのレンズ集光によってもよい。光ファイバ１は石英系の光ファイバであり受動素子である。このポンプ光源４３からのポンプ光は、誘導ラマン散乱により波長が１１４２nm程度であるストークス光と、波長が１２０６nm程度である二次ストークス光を生じる。

FBG４４は特定の波長の光を反射する部品であって、図１の例では波長１０８５nmの光を反射する。FBG４５、４６は波長１１４２nmの光を反射し、反射率はFBG４６がほぼ１００%、FBG４５は２０%である。

光ファイバラマンレーザ装置４０を作動させ、誘導ラマン散乱を発生する光ファイバ１のコア１１に誘導ラマン散乱のポンプ光となるレーザ放射をポンプ光源４３から導波させるとストークス光が発生する。このようにして波長１１４２nmで誘導ラマン散乱が起こり、出力端４２からその一部が出力光として取り出される。

ポンプ光の伝播に伴いストークス光の強度が次第に強くなり、二次ストークス光が発生するようになる。上述の非線形現象と同様に二次ストークス光が強くなるほど新たにポンプ光となった一次ストークス光との非線形相互作用が大きくなり二次ストークス光が強くなる性質があるため、本発明の第１の実施の形態では、以下のようにして、二次ストークス光が成長する前に二次ストークス光を弱めることによって、ストークス光から二次ストークス光へのエネルギーの移譲を防いでいる。

本発明の第１の実施の形態によれば、光ファイバ１を屈曲させた場合に曲げ損失の波長依存性において長波長成分の損失が大となる性質を利用して、光ファイバ１を適当な半径を有するコイル状に巻いた屈曲部４８を設け、ストークス光よりも長波長である二次ストークス光の成長を抑制すると共に、クラッド１２に二次ストークス光波長の光に対し吸収特性を有する物質を混入することにより、曲げによりクラッド層に浸み出した二次ストークス光成分に対してさらに強い抑制効果を導入した。光ファイバ１に屈曲部４８を設けるだけでは、ポンプ光の強度が例えば数Wレベルの小出力の場合にだけしか有効とならなかったが、上述したように吸収特性を有する物質を混入したことによって、レーザ加工等に用いる例えばｋWレベルの高出力の場合にも適用することが可能になった。なお、上記では、二次ストークス光についてのみ説明したが、三次以降の高次ストークス光についても同様に抑制効果があることは言うまでもない。

さらに、コア１１にラマン利得の大きな媒質を用いることによって、ラマン変換の効率をより向上させることができる。

上述のように、本発明の高次ストークス光抑制光ファイバラマンレーザ装置によれば、高次ストークス光の発生による効率低下を抑制し、ポンプ光からストークス光へのラマン変換効率を最大化させる光ファイバラマンレーザ装置を提供することができる。

そして、本発明の第１の実施の形態では、光ファイバラマンレーザ装置４０におけるポンプ光からストークス光への波長変換が効率的に行われる。なお、上記のレーザ種類や波長、およびファイバ長は一例であり、他の値のものを選ぶこともできる。光ファイバ１に設ける屈曲部４８の形状や曲げの回数も特にこだわるものではない。また、クラッド１２に波長依存吸収のあるＴｍなどを添加させると更に有利である。

本発明の第２の実施の形態として、図３に示すように、光ファイバラマンレーザ装置４０が備える光ファイバ１のコア１１の直径の大きさ２r（即ち、半径の大きさr）を後述する所定の大きさ以下に設定することによって、ストークス光の波長より長い光をコア１１の中に閉じ込めないようにしてもよい。図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバラマンレーザ装置４０が備える光ファイバ１の構成を示す構成図である。

本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバラマンレーザ装置４０は、図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバラマンレーザ装置４０と概ね同様にして構成されている。即ち、ポンプ光源４３としては例えば出力１kW、発振波長１０８５nmのYbファイバレーザを用いている。１は石英系の光ファイバであり受動素子である。光ファイバ１の全長は１kmあり、途中、直径５０mm以下のコイル状に２０回以上巻いた屈曲部４８が設けられて、レーザ光伝播の曲げ損失を導入している。ストークス光の波長は１１４２nm、二次ストークス光の波長は１２０６nm程度になっている。

コア１１の直径の大きさについて、二次ストークス光を閉じ込めない所定の大きさは、例えば次のようにして定めることができる。図３に示す光ファイバ１の各特性値が、例えば、ストークス光の波長λ、二次ストークス光の波長λ₂、コア１１の屈折率n₁、コア１１の半径r、クラッドの屈折率n₂のとき、
2.405λ／{2π(n₁ ²−n₂ ²)^1／2} ＜r ＜ 2.405λ₂／{2π(n₁ ²−n₂ ²)^1／2}
となるようにコア１１の半径rを設計しておくことにより、ストークス光と二次ストークス光のうち、二次ストークス光はコアから染み出すことになる。その結果、二次ストークス光だけが損失を多く受けるようになり、強度の成長を抑制することができる。例えば、n₁=１．５、n₂=１．４９９のとき、８．０μm ＜r ＜８．４μmである。

上述の場合には、光の閉じ込め効果として、波長が長いほど空間モードの基本モードの直径が大きくなるので、同じコア径の場合は波長が長いほどクラッド領域への光波電界の浸み出しが増し、クラッド領域での吸収の影響を受けやすくなる現象を利用した。

本発明の第２の実施の形態によれば、光ファイバ１のコア１１の直径の大きさ２rを所定の大きさ（例えば（８．０×２＝）１６．０μm越（８．４×２＝）１６．８μm未満）に設定することによって、ストークス光をコア１１の中に閉じ込め、ストークス光より波長の長い二次ストークス光をコア１１からしみ出さることができる。これにより、高次ストークス光の発生による効率低下をより抑制し、光ファイバラマンレーザ装置４０によるポンプ光から一次ストークス光への波長変換を効率的に行い、変換効率をさらに向上させることができる。そして、本発明の第２の実施の形態は、図２に示す本発明の第１の実施の形態と同様の効果も有する。

なお、上記のレーザ種類や波長、およびファイバ長は一例であり、他の値のものを選ぶこともできる。光ファイバ１に設ける屈曲部４８の形状や曲げの回数も特にこだわるものではない。また、クラッド１２に波長依存吸収のあるＴｍなどを添加させると更に有利である。

本発明の第３の実施の形態として、本発明の第１の実施の形態及び本発明の第２の実施の形態の場合のようにコア１１に外部からポンプレーザ光を導入するのでなく、２重クラッド構造としてビーム質の悪い半導体レーザ光を内側にある第１クラッド１３に導光してポンプ光として用いて、コア１１自体に誘導放出を起こさせてファイバレーザとしてもよい。図５は、本発明の第３の実施の形態における、ポンプ光源部分の構造を例示的に説明する図である。図５に示すように、光ファイバ１は第１の屈折率を有するコア領域１１の外周に、第２の屈折率を有する第１のクラッド（以下、第１のクラッドと呼称する）１３が設けられた構成を有する。さらに、第１のクラッドの外周には、第３の屈折率を有する第２のクラッド領域（以下、第２のクラッドと呼称する）１４が設けられた構成を有する。なお、光ファイバ１の被覆部分については図示していない。第１の屈折率は、第２の屈折率よりも高く、第２の屈折率は第３の屈折率よりも高くなっている。

本発明の第３の実施の形態では、図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバラマンレーザ装置４０と概ね同様にして構成されている。即ち、図４に示すように、光ファイバ１の両端に出力端４２、ポンプ光源４３が設けられており、また、ポンプ光源４３と出力端４２との間には、FBGとしての反射器４７、４６、４５、４４がポンプ光源４３側から順に設けられている。ポンプ光源４３としては例えば出力１kW、発振波長９８０nmの半導体レーザを用いている。光ファイバ１は、石英系のダブルクラッド光ファイバでありコアにYbをドープした能動素子である。

ポンプ光源４３の半導体レーザからの発振波長９８０nmのレーザ光は、第１クラッド１３に結合され、第１クラッド１３内を伝播しながらYbがドープされたコア１１を励起して波長１０８５nmにおいて誘導放出によるレーザ動作を起こさせるようになっている。このレーザ光が誘導ラマン散乱のポンプ光となる。ストークス光の波長は１１４２nm、二次ストークス光の波長は１２０６nm程度になる。

本発明の第３の実施の形態では、図４に示すFBG４４、４７は特定の波長の光を反射する部品であって、図４の例では、波長１０８５nmの誘導放出レーザ光を反射する。FBG４５、４６は波長１１４２nmのストークス光を反射し、反射率はFBG４６がほぼ１００%、FBG４５は２０%である。FBG４７は前述したように波長１０８５nmの光を反射し、FBG４４と共に誘導放出レーザ光をコア１１内に閉じこめる。光ファイバ１の全長は３０ｍあり、途中、直径５０mmのコイル状に２０回以上巻いた屈曲部４８が設けられて、曲げ損失を導入している。また、第１クラッド１３に鉄、コバルト、セレンなどの赤外線吸収元素を混入し浸み出してきた二次ストークス光成分を吸収させる。このような構成によって、光ファイバ１では波長１１４２nmで誘導ラマン散乱が起こり、FBG４４をその一部が透過し、出力端４２から出力光として取り出される。

本発明の第３の実施の形態によれば、コア１１自体に誘導放出を起こさせてファイバレーザとすることができるようにしたことで、光ファイバ１へ外部からラマン散乱のポンプ光を導入するための処理や光学系を省略することができ、トータルの効率を向上させる効果がある。なお、本発明の第３の実施の形態は、図２に示す本発明の第１の実施の形態と同様の効果も有する。

そして、本発明の第３の実施の形態では、光ファイバラマンレーザ装置４０におけるポンプ光からストークス光への波長変換が効率的に行われる。また、第１クラッド１３に波長依存吸収のあるＴｍなどを添加させると更に有利である。なお、上記のレーザ種類や波長、およびファイバ長は一例であり、他の値のものを選ぶこともできる。また、光ファイバ１に設ける屈曲部４８の形状や曲げの回数は特にこだわるものではない。また、第一クラッド１３の断面形状も図２に示す略円形状以外の形状であってもよい。さらに、FBG４４の後段で光ファイバ１を一旦切って、ダブルクラッドでない通常の光ファイバにスプライシングなどによりつないでも良い。

本発明は、レーザ加工や計測に用いる光ファイバラマンレーザに利用できる。

本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバラマンレーザ装置４０の構成を示す構成図である。本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバラマンレーザ装置４０が備える光ファイバ１の構成を示す構成図である。本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバラマンレーザ装置４０が備える光ファイバ１の構成を示す構成図である。本発明の第３の実施の形態に係る光ファイバラマンレーザ装置４０の構成を示す構成図である。本発明の第３の実施の形態における、ポンプ光源部分の構造を例示的に説明する図である。従来のラマン光ファイバレーザを例示的に説明する図である。

符号の説明

１本発明による光ファイバ
１１コア
１２クラッド
１３第１クラッド
１４第２クラッド
４０本発明による光ファイバラマンレーザ装置
４２、１０２出力端
４３、１０３ポンプ光源
４４〜４７、１０４〜１０６ FBG
４８光ファイバの屈曲部
１００従来公知技術による光ファイバラマンレーザ装置
１０１従来公知技術による光ファイバ

Claims

光ファイバ内にて特性波長で誘導ラマン散乱を発生する光ファイバラマンレーザ装置であって、
ポンプ光源と、
第１の屈折率を有するコア領域と、該コア領域の外周に設けられた、第２の屈折率を有する第１のクラッド領域と、該第１のクラッド領域の外周に第３の屈折率を有する第２のクラッド領域とを有するダブルクラッド光ファイバとを具備し、
前記コア領域は前記ポンプ光源から出射されて前記第１のクラッド領域で導光されたポンプ光によりレーザ放射を生じさせ、該レーザ放射を長手方向に搬送し、かつ、誘導ラマン散乱によりストークス光を生じるものであって、コア領域の直径が一次ストークス光の波長より長い波長の光を閉じ込めないように所定の大きさ以下であり、
前記第１のクラッド領域は、前記ポンプ光源から結合されたポンプ光をその長手方向に搬送して導光し、かつ、前記コア領域で生じた高次のストークス光の波長に対して吸収特性を有し、
前記ダブルクラッド光ファイバは長手方向の少なくとも一部が屈曲されていることを特徴とする光ファイバラマンレーザ装置。
前記ポンプ光源は半導体レーザであり、
前記ダブルクラッド光ファイバは石英系ファイバであって、
前記コア領域は、レーザ放射を生じさせるためのＹｂ、および、ラマン利得の大きな物質を添加したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバラマンレーザ装置。