JP2003309309A

JP2003309309A - 高密度・高出力レーザー装置

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Publication number: JP2003309309A
Application number: JP2002115341A
Authority: JP
Inventors: Itaru Watanabe; 之渡邊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2003-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】マルチモード半導体レーザーから発射されるビ
ームをクラッド励起レーザーファイバーに励起光として
簡便にしかも効率よく直接照射・注入して高密度高出力
レーザーを得ることができる光学系装置を提供する。【解決手段】マルチモード半導体レーザーの発光領域の
ファースト軸方向を集光するレンズと、該レンズで整形
されたビームをクラッド励起レーザーファイバー１３の
端面に直接照射する凸レンズ１１を有し、かつ前記凸レ
ンズ１１のクラッド励起ファイバー側またはクラッド励
起レーザーファイバー端面に、クラッド励起レーザーフ
ァイバー１３から発射するシングルモードレーザーの波
長を反射する反射膜１７、１７‘を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マルチモード半導
体レーザー出力を１個あるいは複数個結合して発射され
るマルチモードレーザーを励起して、高密度・高出力な
シングルモードレーザーを得るための手段、さらに詳し
くは、低出力マルチモードのレーザー装置であってもそ
の出力の増強を図って高密度・高出力なシングルモード
レーザー出力を得ることが可能な手段に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】レーザー光の高出力・高出力化への要求
を満たすため、各種のレーザー光源の高密度・高出力化
が進められている。中でも注目されているのものとして
半導体レーザーとクラッド励起レーザーファイバーがあ
る。これまでの高出力・高密度を得るためのマルチモー
ド半導体レーザー光とクラッド励起レーザーファイバー
の結合方法としては、主として次の二つの方法があっ
た。

【０００３】1.光学部品結合法この方法は、図１に例示したように、マルチモードファ
イバー付レーザーダイオードバー１０１のマルチモード
ファイバー端末をクラッド励起レーザーファイバーの入
射指数に合わせる多数のレンズセット１０２を配備す
る。また、クラッド励起レーザーファイバー１０３の両
端面には、ファイバーレーザーミラー１０４，１０４が
配備される。

【０００４】この方法によれば、マルチモード半導体レ
ーザーバーでクラッド励起レーザーファイバーから高密
度高出力レーザーが得られるが、多数のレンズセット１
０２やファイバーレーザーミラー１０４の光学部品が必
要となり、その光学部品の製作・組立てが著しく難し
く、高価となる問題点があった。

【０００５】2.ファイバー結合法この方法は、マルチモードファイバー付マルチモード半
導体レーザーと、クラッド励起レーザーファイバーを、
ファイバー部品を用いて光結合するもので、図２のよう
に、マルチモード半導体レーザー１０５を、たとえばコ
アー径２００μ・開口比（ＮＡ）が０．１２〜０．５の
マルチモードファイバー１０６に結合し、該マルチモー
ドファイバー１０６の先端を５０〜８０ミクロン程度ま
で細くしてテーパードファイバーとし、これをブラッグ
グレーティングのフィルター１０７を両端に配したクラ
ッド励起レーザーファイバー１０８に直列状に結合して
いる。

【０００６】この方法は、ファイバー部品で出力を結合
できるという特徴を有しているものの、テーパー付ファ
イバーの製作、テーパー付ファイバーとクラッド励起レ
ーザーファイバーとの結合が機械的に行われており、故
障が多く使用方法も難しく、信頼性が著しく低い問題が
あった。また、本装置からの発射エネルギーを高めるに
は、クラッド励起レーザーファイバーに注入される励起
エネルギーを高めることが重要であるが、本法では、ク
ラッド励起レーザーファイバーの一端からしか注入でき
ないので、クラッド励起レーザーファイバーの性能を１
００%利用することができないという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記のような
問題点を解消するためになされたもので、その第１の目
的は、マルチモード半導体レーザーから発射されるビー
ムをクラッド励起レーザーファイバーに励起光として簡
便にしかも効率よく直接照射・注入して高密度高出力レ
ーザーを得ることができる光学系装置を提供することに
ある。

【０００８】また、本発明の第２の目的は、マルチモー
ド半導体レーザーから発射されるビームエネルギーを、
簡便にしかもクラッド励起レーザーファイバーの極限近
くまで注入することができる光学系装置を提供すること
にある。

【０００９】本発明装置は、単結晶レーザーの励起用、
高密度波長多重（ＤＷＤＭ）通信のための減衰光信号増
幅再生用、二次元バーコード書き込み用、精密無痛歯牙
切削用、美容整形、眼科治療用、トリマー等の超精密機
械加工機器用など幅広い分野に利用できる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の第１発明は、マルチモード半導体レーザーから
発射された光を、希土類元素をドープしたコアーとその
周りに略同心円状に配置した少なくとも２重のクラッド
を有するクラッド励起レーザーファイバーに照射し、へ
きかいした他端面の中央部コアーからシングルモードの
レーザーが発射される装置であって、該装置が、前記マ
ルチモード半導体レーザーの発光領域のファースト軸方
向を集光するレンズと、該レンズで整形されたビームを
クラッド励起レーザーファイバーの端面に直接照射する
凸レンズを有し、かつ前記凸レンズのクラッド励起ファ
イバー側またはクラッド励起レーザーファイバー端面
に、クラッド励起レーザーファイバーから発射するシン
グルモードレーザーの波長を反射する反射膜を設けたこ
とを特徴としている。

【００１１】この構成により、高密度なシングルモード
レーザーによるマルチモード半導体レーザーの破壊を生
じさせずに、たとえば、開口比が０．０５〜０．１５、
略５〜７ミクロンのコアー径から、クラッド励起レーザ
ーファイバーの励起用に照射されるマルチモード半導体
レーザーエネルギーの略５０−７０%の高い効率でレー
ザー光を発射することが可能になる。

【００１２】また、第２発明は、マルチモード半導体レ
ーザーの発光領域のファースト軸方向を集光するレンズ
と、該レンズで整形されたビームを集光する凸レンズ１
１と、開口比が０．０５〜０．７であり前記凸レンズか
らビームの照射を受けるマルチモードファイバーと、希
土類元素をドープしたコアーとその周りに略同心円状に
配置した少なくとも２重のクラッドを有するクラッド励
起レーザーファイバーとを備え、前記マルチモードファ
イバーは、励起光を注入し得るように側面がクラッド励
起レーザーファイバーの最内周のクラッドに融着してお
り、マルチモードファイバーの終端はマルチモード半導
体レーザーの反射膜を有し、クラッド励起レーザーファ
イバーの一端面は、中央部のコアーから発射されるシン
グルモードの波長を反射する膜を設けていることを特徴
としている。

【００１３】この第２発明によれば、クラッド励起レー
ザーファイバーの端面に直接照射し、励起するのでな
く、いったんマルチモードファイバーに受け、そのマル
チモードファイバーの側面からクラッド励起レーザーフ
ァイバーに励起光を注入し、クラッド励起レーザーファ
イバーの所定端面からのみ高密度化したレーザー光を照
射するので、簡単な構造でありながら、たとえば、開口
比が０．０５〜０．１５、略５〜７ミクロンのコアー径
から、クラッド励起レーザーファイバーの励起用に照射
されるマルチモード半導体レーザーエネルギーの略５０
−８０%の高い効率でレーザー光を発射することが可能
になる。しかも、マルチモードファイバーは複数個融着
することで励起エネルギーを著しく高めることができ、
その結果、シングルモードレーザー光を限界値まで高め
ることができる。

【００１４】第１発明と第２発明において、希土類元素
をドープしたコアーとその周りに略同心円状に配置した
少なくとも２重のクラッドを有するクラッド励起レーザ
ーファイバーにおける最内周のクラッドが３辺以上の多
角形断面からなっているものを使用することが好適であ
る。この構成を採用した場合には、多角形の面に直角に
入光されるので、高密度化が得られる。

【００１５】

【発明の実施の態様】以下本発明の実施例を添付図面に
基づいて説明する。図３は本発明の第１実施例を示して
おり、２はヒートシンク１に搭載された多モード半導体
レーザーであり、ヒートシンク１ともども放熱効果のあ
る筐体６に取り付けられている。多モード半導体レーザ
ー２の光軸上には、シリンドリカルレンズ３と、エミッ
ター側がフラットでその反対側が円柱状の平―シリンド
リカルレンズ４が配置されている。シリンドリカルレン
ズ４の光軸上には、ビームを直角方向（符号８参照）に
反射させる全反射ミラーあるいはプリズム５が配されて
いる。こうしたヒートシンク１、多モード半導体レーザ
ー２、シリンドリカルレンズ３、平―シリンドリカルレ
ンズ４および全反射ミラーあるいはプリズム５からなる

【００１６】こうしたヒートシンク１、多モード半導体
レーザー２、シリンドリカルレンズ３、平―シリンドリ
カルレンズ４および全反射ミラーあるいはプリズム５か
らなるユニットＵは複数個（この例では４個）スロー軸
方向に一列に並べられている。前記ミラーあるいはプリ
ズム５は、その反射光が略平行になるように各ユニット
で位相をずらせて配置される。

【００１７】多モード半導体レーザー２は、たとえば、
エミッターサイズが１ミクロン×１００ミクロン、ファ
ースト軸方向広がり半値角４７度、スロー軸方向広がり
半値角１２度で２ワットの発光出力がある中心波長が９
１５ｎｍの特性を有するものが用いられる。エミッター
から放出されるレーザー光をまずファースト軸方向をシ
リンドリカルレンズ３で集光・整形し、次にスロー軸方
向をエミッター側がフラットでその反対側が円柱状の平
―シリンドリカルレンズ４で配置し集光・整形する。シ
リンドリカルレンズ３は、たとえば、直径０．５ｍｍ―
焦点距離０．２ｍｍのもの、平―シリンドリカルレンズ
４は、たとえばレンズ径２ｍｍ―焦点距離８ｍｍのもの
が望ましい。そのビームを全反射ミラーあるはプリズム
５で直角方向に反射させる。

【００１８】前記筐体６は非透光性の材料で気密性の高
い状態に製作されており、全反射ミラーあるはプリズム
５の光軸方向には、石英あるいはサファイアガラスなど
の透光板７が固定されている。そして、筐体６に隣接し
て筐体１４が設けられ、この筐体１４に透光板７と正対
してビーム光軸上に集光レンズ１１が配置されており、
これの光軸上にはクラッド励起レーザーファイバー１３
が望んでおり、筐体１４は、クラッド励起レーザーファ
イバー１３を集光レンズ１１の焦点部に位置するように
固定するコネクター１２を有している。集光レンズ１１
はたとえば焦点距離４．５ｍｍのものが用いられる。

【００１９】前記集光レンズ１１のクラッド励起レーザ
ーファイバー側には、シングルモードレーザーがマルチ
モード半導体レーザー２に照射されないようにするた
め、発射される発振波長と同程度の反射膜１７をコーテ
ィングなどによって設けている。なお、この反射膜１７
‘は、クラッド励起レーザーファイバー１３の励起光入
射面１５の端面に設けてもよく、励起光入射面１５と集
光レンズ１１のクラッド励起レーザーファイバー側の双
方に設けてもよい。

【００２０】前記のように全反射ミラーあるはプリズム
５、５で直角方向に反射させられた各ビームは、図３
（ｂ）のように、ビーム形状（９）が密集して配置され
た状態になる。各ビームの形状は、０．５ｍｍ×２．０
ｍｍとなり、これが密に配置され合成されたビームは、
２．０ｍｍ×２．０ｍｍとなる。

【００２１】クラッド励起レーザーファイバー１３は、
図３（ｃ）のように、希土類元素をドープしたコアー１
５−１を中心部に有し、その周りに、励起用マルチモー
ド半導体レーザー光をガイドする最内周クラッド（また
はポンプガイド）１５−２と、第二クラッド１５−３
と、それを保護する膜１５−４からなっている。最内周
クラッド１５−２は、反射効率を高めるため多角形断面
となっている。

【００２２】クラッド励起レーザーファイバー１３の具
体的な仕様としては、コアー：イッテルビュームドープ
ドレーザーコアー径７μ、ＮＡが略０．１２、最内周ク
ラッドまたはポンプガイド：平均径が１２５ミクロン、
ＮＡが略０．５０、第二クラッド：平均径が１５０ミク
ロンである。この場合のクラッド励起レーザーファイバ
ー１３の大略外径は２５０ミクロンである。

【００２３】前記透光板７を透過した合成ビームは集光
レンズ１１で集光され、クラッド励起レーザーファイバ
ー１３の端面の最内周クラッド１５−２に照射される。
これにより、クラッド励起レーザーファイバー１３の他
端面１６のイッテルビュームドープドコアレーザーか
ら、発振波長が略１０６０ｎｍ、出力大略４Ｗのシング
ルモードレーザーが発射される。

【００２４】図４は本発明の第２実施例を示している。
この実施例における基本構成は、第１実施例と筐体１４
に挿着されるファイバーがクラッド励起レーザーファイ
バー１３でなく、マルチモード光ファイバー１８である
ことを除いて、第１実施例と同様である。この第２実施
例では、ビームの光軸上に集光レンズ１１を配置し、マ
ルチモード光ファイバー１８をその焦点部に位置するよ
うに配置し集光するようにしている。マルチモード光フ
ァイバー１８は、たとえば、ＮＡが略０．４２、コア径
が１２５ミクロンのものが使用される。

【００２５】前記マルチモード光ファイバー１８は、コ
アー部１８−1とクラッド１８−２を有し、適度の曲率
で湾曲され、任意の部位の側面がクラッド励起レーザー
ファイバー１３の一部に光透過可能状態で接合される。
すなわち、マルチモード光ファイバー１８のコアー部１
８−１が、クラッド励起レーザーファイバー１３の最内
周クラッド１５−２に融着される。符号１９は融着部を
示している。

【００２６】そして、マルチモード光ファイバー１８の
先端はマルチモード半導体レーザーの反射膜２２が設け
られ、クラッド励起レーザーファイバー１３の端面は、
シングルモードレーザの発振波長を、効率よく反射する
反射膜２０が設けられている。これにより、クラッド励
起レーザーファイバー１３の他端面２１すなわち、イッ
テルビュームドープドコアレーザーから、発振波長が略
１０６０ｎｍ、出力大略４Ｗのシングルモードレーザー
が発射される。

【００２７】なお、本発明は、マルチモードファイバー
１８のコアー部１８−1を、クラッド励起レーザーファ
イバー１３の最内周クラッド１５−２に複数個融着する
ことを含んでいる。すなわち、符号Ａで示す装置を複数
個配し、それぞれの装置Ａ，Ａにおけるマルチモードフ
ァイバー１８のコアー部１８−1を、クラッド励起レー
ザーファイバー１３の最内周クラッド１５−２に融着す
るものである。その融着位置は、同断面位置、変位した
位置など任意であり、こうすることによってクラッド励
起レーザーファイバー１３の極限まで励起エネルギーを
注入できる。

【００２８】図示するものは本発明のあくまでも数例で
あり、これに限定されるものではない。実施例中のスロ
ー軸方向のビーム整形するシリンドリカルレンズ４は省
略してもよい。また、ユニットＵの数は限定がない。反
射膜１５、２０，２２はブラッググレーティングフィル
ターを含む概念である。凸レンズ１１はこれに代えて凹
面鏡であってもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明した本発明の請求項１によれ
ば、複数個のマルチモード半導体レーザー２から放射さ
れる光を凸レンズ１１で集光し、希土類元素をドープし
たコアーの外周に少なくとも２重のクラッドを有するク
ラッド励起レーザーファイバー１３の端面に直接照射
し、励起し、他の端面のコアーからシングルモードレー
ザーを発射し、凸レンズ１１のクラッド励起ファイバー
側またはクラッド励起レーザーファイバー端面に、クラ
ッド励起レーザーファイバー１３から発射するシングル
モードレーザーの波長を反射する反射膜１７を設けてい
るので、マルチモード半導体レーザー２が損傷されるこ
となく、効率よく高密度・高出力が得られる。この結
果、たとえばＮＡ＝０．１２で７ミクロン径のシングル
モードレーザー光が、５〜３０ワットの出力で安価に信
頼性良く得ることができるというすぐれた効果が得られ
る。

【００３０】請求項２、３によれば、マルチモード半導
体レーザーの発光領域のファースト軸方向を集光するレ
ンズと、該レンズで整形されたビームを集光する凸レン
ズ１１と、開口比が０．０５〜０．７であり前記凸レン
ズ１１からビームの照射を受けるマルチモードファイバ
ー１８と、希土類元素をドープしたコアーとその周りに
略同心円状に配置した少なくとも２重のクラッドを有す
るクラッド励起レーザーファイバー１３とを備え、前記
マルチモードファイバー１８は、励起光を注入し得るよ
うに側面がクラッド励起レーザーファイバー１３の最内
周のクラッド１５−２に融着１９しており、マルチモー
ドファイバー１８の終端はマルチモード半導体レーザー
の反射膜２２を有し、クラッド励起レーザーファイバー
１３の一端面は、中央部のコアーから発射されるシング
ルモードの波長を反射する膜２０を設けているので、ク
ラッド励起レーザーファイバー１３の励起度をマルチモ
ードファイバー１８の融着数の選定によっていかように
も簡単に設定でき、クラッド励起レーザーファイバー１
３の極限まで励起エネルギーを注入し、顕著な高密度・
高出力なシングルモードレーザーを得ることができると
いうすぐれた効果が得られる。

【００３１】請求項４によれば、多角形の面に直角に反
射して入光されるので、確実な高密度化が得られるとい
うすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の偏光結合法を示す説明図である。

【図２】従来のファイバー結合法を示す説明図である。

【図３】（ａ）は本発明の第１実施例を示す縦断側面
図、（ｂ）は（ａ）における凸レンズ下流のビーム形状
を示す説明図、（ｃ）はクラッド励起レーザーファイバ
ーの励起光入射端の拡大断面図、（ｄ）はクラッド励起
レーザーファイバーのシングルモードレーザー発射端の
拡大図である。

【図４】（ａ）は本発明の第２実施例を示す縦断側面
図、（ｂ）は（ａ）におけるマルチモードファイバーと
クラッド励起レーザーファイバーの融着部分の拡大断面
である。

【符号の説明】

２多モード半導体レーザー１１集光レンズ１３多モード光ファイバー１５−１コアー１５−２最内周クラッドまたはポンプガイド１５−３第二クラッド１７、１７‘ 反射膜１８マルチモードファイバー１９マルチモードファイバーとクラッド励起レーザー
ファイバーとの融着点２０反射膜２２反射膜

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【手続補正書】

【提出日】平成１４年４月１９日（２００２．４．１
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】２多モード半導体レーザー１１集光レンズ１３クラッド励起レーザーファイバー１５−１コアー１５−２最内周クラッドまたはポンプガイド１５−３第二クラッド１７、１７‘ 反射膜１８マルチモードファイバー１９マルチモードファイバーとクラッド励起レーザー
ファイバーとの融着点２０反射膜２２反射膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項1】マルチモード半導体レーザーから発射され
た光を、希土類元素をドープしたコアーとその周りに略
同心円状に配置した少なくとも２重のクラッドを有する
クラッド励起レーザーファイバーに照射し、へきかいし
た他端面の中央部コアーからシングルモードのレーザー
が発射される装置であって、該装置が、前記マルチモー
ド半導体レーザーの発光領域のファースト軸方向を集光
するレンズと、該レンズで整形されたビームをクラッド
励起レーザーファイバー１３の端面に直接照射する凸レ
ンズ１１を有し、かつ前記凸レンズ１１のクラッド励起
ファイバー側またはクラッド励起レーザーファイバー端
面に、クラッド励起レーザーファイバー１３から発射す
るシングルモードレーザーの波長を反射する反射膜１
７、１７‘を設けたことを特徴とする高密度・高出力レ
ーザー装置。
【請求項２】マルチモード半導体レーザーの発光領域の
ファースト軸方向を集光するレンズと、該レンズで整形
されたビームを集光する凸レンズ１１と、開口比が０．
０５〜０．７であり前記凸レンズ１１からビームの照射
を受けるマルチモードファイバー１８と、希土類元素を
ドープしたコアーとその周りに略同心円状に配置した少
なくとも２重のクラッドを有するクラッド励起レーザー
ファイバー１３とを備え、前記マルチモードファイバー
１８は、励起光を注入し得るように側面がクラッド励起
レーザーファイバー１３の最内周のクラッド１５−２に
融着１９しており、マルチモードファイバー１８の終端
はマルチモード半導体レーザーの反射膜２２を有し、ク
ラッド励起レーザーファイバー１３の一端面は、中央部
のコアーから発射されるシングルモードの波長を反射す
る膜２０を設けていることを特徴とする高密度・高出力
レーザー装置。
【請求項３】クラッド励起レーザーファイバー１３の側
面にマルチモードファイバー１８を複数個融着したもの
を含む請求項２に記載の高密度・高出力レーザー装置。
【請求項４】希土類元素をドープしたコアーとその周り
に略同心円状に配置した少なくとも２重のクラッドを有
するクラッド励起レーザーファイバーにおける最内周の
クラッドが、３辺以上の多角形断面からなっているクラ
ッド励起ファイバーである請求項１ないし３のいずれか
に記載の高密度・高出力レーザー装置。