JPH11224963A - 光ファイバレーザ装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集光性に優れ、熱的に出力や横モードが安定
であるといった光ファイバレーザ装置の長所を維持しつ
つ、装置の小型化を図り、励起光量に対する出射光量の
効率を向上させる。 【解決手段】 光ファイバ１がレーザ活性物質を含むコ
ア２とコアを取り囲むクラッド３を有し、コアに励起光
を供給することによって光ファイバ端部よりレーザ光を
出力する光ファイバレーザ装置において、光ファイバが
光学媒体４に取り囲まれている。光学媒体を光ファイバ
の光軸に対する断面で見たとき、光学媒体中に光ファイ
バの光軸が複数本含まれている。光ファイバのクラッド
３層の励起光に対する屈折率が、外層の最外部からコア
との境界に向かうに従い増加しており、これにより、ク
ラッド３と光学媒体４の界面での散乱損失を防止するよ
うにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバのコア
中のレーザ活性物質に励起光を供給することによってレ
ーザ発振を行う光ファイバレーザ装置及びレーザ加工装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信またはレーザ加工の分野におい
て、より高出力で、より安価なレーザ装置の開発が望ま
れているが、従来よりこの要請を満たせる可能性の高い
ものとして、光ファイバレーザ装置が知られている。

【０００３】光ファイバレーザ装置は、コア径並びにコ
アとクラッドの屈折率差等を適切に選定することで比較
的簡単にレーザ発振の横モードを単一にすることができ
る。また、光を高密度に閉じこめることでレーザ活性物
質と光との相互作用を高められる。且つ、光ファイバの
長さを長くすることで相互作用長を大きくとれるので高
い効率で空間的に高品質のレーザ光を発生することがで
きる。従って、質の良いレーザ光を比較的安価に得るこ
とができる。

【０００４】ここで、レーザ光のさらなる高出力化また
は高効率化を実現するには、光ファイバのレーザ活性イ
オンまたは色素、その他の発光中心（以下、レーザ活性
物質という）の添加領域（通常はコア部）に効率よく励
起光を導入する必要がある。ところが、通常、単一モー
ドの導波条件を満たすようにコア径を設定すると、その
径は十数μｍ以下に限定されるので、この径に効率よく
励起光を導入するのは一般的に困難である。これを克服
する手段として、いわゆる２重クラッド型ファイバレー
ザが提案されている（参考文献、例えば：H.Zellmer,U.
Willamowski,A.Tunnermann,and H.Welling,Optics Lett
ers.Vol.20,No.6.pp.578-580,March,1995.）。

【０００５】２重クラッド型ファイバレーザは、コア部
の周りに、コア部より屈折率の低い第１のクラッド部を
設け、その外側にさらに屈折率に低い第２のクラッド部
を設けたものである。これにより、第１のクラッド部に
導入された励起光は、第１のクラッド部と第２のクラッ
ド部の屈折率差による全反射により、第１のクラッド部
内に閉じこめられた状態を保ちながら伝搬する。この伝
搬の際に、励起光はコア部を繰り返し通過し、コア部の
レーザ活性物質を励起することになる。第１のクラッド
部はコア部よりも数百から千倍程度大きな面積を持つた
め、より多くの励起光を導入することが可能になり、高
出力化が可能になる。上記の２重クラッド型ファイバレ
ーザは、発振効率が高く、また、発振横モードが単一
で、しかも安定であるという利点を持ち、レーザダイオ
ード（以下ＬＤ）を使って、数ワットから１０ワット程
度の出力が得られるので、それ以前のコア励起型のファ
イバレーザに比べると、はるかに高出力化を実現できる
ものであると言える。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
２重クラッド型ファイバレーザは、結局のところ、ファ
イバの一端または両端部からの端面励起であったので、
励起用のＬＤの数を増やせないという問題点がある。

【０００７】この欠点を克服する直感的に発想される手
段として、２重クラッド型ファイバレーザを複数本束ね
て高出力化を図る方法が考えられる。しかしこの場合、
平均出力は束ねた本数分だけ増やすことができるもの
の、コア部に比べて遥かに大きいクラッド部（直径で約
１００倍）が各コア部に付いているため、発光点である
コア部が広く空間内に点在する形となって、輝度が低下
してしまうという問題点がある。つまり、ファイバレー
ザを複数本束ねるだけでは、集光性の必要な切断や溶接
等のレーザ加工には使用できない。

【０００８】さらに、これらのファイバレーザではクラ
ッド部の屈折率分布がステップ型（屈折率が一定の値）
であるため、クラッド部とその外側部分での段階的な屈
折率差が存在する。このため、励起光がファイバレーザ
に照射され、ファイバ内を導光する際にクラッド部とク
ラッド外側との界面での光の散乱が生じやすく、損失の
大きなファイバになってしまう。

【０００９】この界面での散乱損失を低減するために、
クラッド部の屈折率を、外側になるに従い連続的に減少
するようにしたグレーデッド型ファイバレーザの利用が
容易に想像される。例えば、T.Uchida,S.Yoshikawa,K.W
ashio,R.Tatsumi,K.Tsushima,I.Kitano,K.Koizumi and
Y.Ikeda,Jpn,J.Appl.Phys.,vol.21,No.1(1973)126 の文
献は、リフレクタ（反射板）の中にレーザファイバを配
置し、周囲からフラッシュランプによる励起を行ってレ
ーザ光を得る方法が示されているが、この方法はレーザ
装置が大型であること、レーザ効率が悪い等の欠点をも
っている。

【００１０】本発明は、上述の背景のもとでなされたも
ので、集光性に優れ、熱的に出力や横モードが安定であ
るといった光ファイバレーザ装置の長所を維持しつつ、
装置の小型化を図り、励起光量に対する出射光量の効率
を向上することができて、レーザ出力を格段に向上させ
ることの可能な光ファイバレーザ装置並びにそれを使用
したレーザ加工装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の光ファ
イバレーザ装置は、光ファイバがレーザ活性物質を含む
コアと該コアを取り囲む外層を有し、前記コアに励起光
を供給することによって前記光ファイバ端部よりレーザ
光を出力する光ファイバレーザ装置において、前記光フ
ァイバの少なくとも一部が光学媒体に取り囲まれ、該光
学媒体を前記光ファイバの光軸に対する断面で見たと
き、光学媒体中に光ファイバの光軸が複数本含まれ、し
かも、前記光学媒体により取り囲まれた部分のうち、少
なくとも一部における光ファイバの外層の励起光に対す
る屈折率が、前記外層の最外部から前記コアとの境界に
向かうに従い増加しており、前記光学媒体に導入した励
起光が、光学媒体を通じて光学媒体中の光ファイバのコ
アに含まれる活性物質を励起することで、レーザ光が発
生することを特徴とする。この場合、光学媒体により取
り囲まれた部分において、光ファイバの全部が上記屈折
率分布を有していてもよいし、あるいは、光ファイバの
一部に上記屈折率分布を有さない部分を含んでいてもよ
い。しかし、励起光を効率よく利用する上では、光学媒
体中の光ファイバの全体が上記のような屈折率分布とな
っていることが好ましい。

【００１２】請求項２の発明の光ファイバレーザ装置
は、光ファイバがレーザ活性物質を含むコアと該コアを
取り囲む外層を有し、前記コアに励起光を供給すること
によって前記光ファイバ端部よりレーザ光を出力する光
ファイバレーザ装置において、前記光ファイバが繰り返
し折り返されもしくは巻回されて塊状に形成されると共
に、繰り返し折り返されもしくは巻回された光ファイバ
同士が互いに密着または光学媒体を介して接触し、少な
くとも前記光ファイバの互いに密着または光学媒体を介
して接触している部分の外層の励起光に対する屈折率
が、前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かうに
従い増加しており、前記塊状に形成された光ファイバに
前記励起光が照射され、該励起光が前記光ファイバの外
層を通じて前記レーザ活性物質を励起することで、レー
ザ光が発生することを特徴とする。

【００１３】請求項３の発明の光ファイバレーザ装置
は、請求項１または２において、前記外層の最外部から
前記コアとの境界に向かって増加する屈折率の変化が連
続的なものであることを特徴とする。

【００１４】請求項４の発明の光ファイバレーザ装置
は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記コアの中心
部の屈折率が、前記コアの外周部の屈折率よりも小さい
か、または同等であることを特徴とする。

【００１５】請求項５の発明の光ファイバレーザ装置
は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記光学媒体が
その外周面において励起光を全反射するようなものであ
ることを特徴とする。

【００１６】請求項６の発明の光ファイバレーザ装置
は、請求項１〜５のいずれかにおいて、前記励起光に対
する屈折率が、光ファイバの外層の最外部よりも小さい
か、または同等である材料からなる前記光学媒体を有す
ることを特徴とする。

【００１７】請求項７の発明のレーザ加工装置は、請求
項１〜６のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置と、
前記光ファイバレーザ装置の出力を被加工対象に集光す
る集光光学系とを備えることを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の実施形態の光ファイ
バレーザ装置の概要を示し、図２はその一部断面を示
す。本発明の光ファイバレーザ装置Ｍは、レーザ活性物
質を含むコア２と、該コア２を取り囲むクラッド（外
層）３とを有する光ファイバ１を用いて構成されてい
る。この場合の光ファイバ１は、断面方向の屈折率分布
が、レーザ活性物質を添加したコア２部で最も高く、そ
の周囲のクラッド３部で外周になるに従い連続的に減少
するように設定されている。

【００１９】この光ファイバ１は次のように作製するこ
とができる。第１の方法は、まず、内付け気相成長法
（ＭＣＶＤ）や外付け気相成長法（ＯＶＤ，ＶＡＤ）等
の気相成長方法によってファイバプリフォームを作製す
る工程において、そのクラッド堆積時に、たとえばフッ
素、ゲルマニウム、リンなど一般的に屈折率変化をもた
らすような気相成長可能な化合物の添加量を連続的に変
化させることにより、所定の屈折率分布を持ったクラッ
ド構造を作製する。次に、クラッド部の内側に、レーザ
活性物質となる希土類元素を添加したコア１を作製す
る。そして、このように作製したファイバプリフォーム
を加熱、線引きすることによって、コア部の屈析率が高
く、周囲のクラッド部の屈折率がクラッド部外側になる
に従って連続的に減少するような屈折率分布を持った光
ファイバ１を得る。

【００２０】第２の方法は、ロッドインチューブの方法
によってファイバプリフォームを作製する工程におい
て、まず、コア層となるレーザ活性物質を添加した母材
ガラスを作製し、所望のコア径が得られるようなコアロ
ッドを切り出す。一方、前記レーザ活性物質を添加した
母材ガラスよりも屈析率が低いクラッド母材を作製し、
コアロッドが挿入できるようにチューブ状に加工する。
このチューブ状のクラッドガラスの内壁に、クラッド内
壁の屈折率が最も高く、なおかつクラッド内壁の屈折率
がコアの屈折率よりも低くなるように、屈折率に変化を
もたらすことが可能な添加物をイオン交換法などを用い
て添加し、クラッド内の屈折率が、外側になるに従い連
続的に減少するようなクラッド材を作製する。次に、こ
のクラッドチューブ内に前記コアロッドを挿入し、加
熱、線引きすることによって、コア部の屈折率が高く、
周囲のクラッド部の屈折率がクラッド部外側になるに従
って連続的に減少するような屈折率分布を持った光ファ
イバ１を得る。

【００２１】次に、以上のように作製した光ファイバ１
を、図１のような円板状の領域内の光学媒体４中で塊状
に形成して固定化することにより、光ファイバレーザ装
置を完成する。即ち、光ファイバ１の周囲にクラッド３
の屈折率よりも低い樹脂やガラス等の光学媒体４を満た
し、該媒体４中で、光ファイバ１を繰り返し析り返した
り巻回したりすることで円板塊状に形成し、その上で光
ファイバ１及び光学媒体４を固定化して、目的の構造の
光ファイバレーザ装置を完成する。

【００２２】そして、この円板状の構造の光ファイバレ
ーザ装置の周囲から、複数のＬＤ光源より励起光を照射
する。そうすることにより、目的とする高出カ、高効率
のレーザ光を得ることができる。なお、前記光ファイバ
１の作製方法は、上述の２方法に限定されるものではな
い。

【００２３】（実施例）図２〜図４を用いて具体的な実
施例を説明する。図２に示す光ファイバ１では、径１０
μｍのコア２の周囲に、前述の屈折率部分を持った８０
０μｍのクラッド３が設けられている。この光ファイバ
１は円板状に巻回されることで、隣接するもののクラッ
ド３同士が直接接触している。また、クラッド３の周囲
は低屈折率の光学媒体４で覆われ、光学媒体４を光ファ
イバ１の光軸に対する断面で見たとき、光学媒体４中に
光ファイバ１の光軸が複数本含まれている。

【００２４】光ファイバ１のコア２には、レーザ活性物
質としてＮｄ+3イオンが０．５ａｔ％の濃度で添加され
ている。図２において、クラッド３の周囲が点線で表さ
れているのは、一般の光ファイバと異なり、クラッド３
と、その外側の光学媒体４の界面が明瞭でないことを示
している。図３はこの光ファイバ１の中心部分の屈折率
分布を示す。この図は、中心軸Ｘ上での屈折率変化を示
している。コア２部での屈折率が高く、クラッド３部
は、外側に向かうに従って連続的に屈折率が低下してい
る。

【００２５】この光ファイバレーザ装置に発振波長０．
８μｍ、出力２０Ｗの半導体レーザを１６個用いて励起
したときの励起光の導波状態を図４に示す。励起光はク
ラッド３の界面で不連続な全反射を繰り返すことがなく
なるので、従来のようなファイバレーザでの界面での散
乱は生じなくなる。従って、このレーザ装置によって波
長１．０６μｍでレーザ出力１２０Ｗという良好な結果
が得られた。

【００２６】なお、この出力値はこのレーザ装置の限界
ではなく、励起用に用意した半導体レーザが少なかった
ために１２０Ｗしか出ていないが、レーザ装置としての
上限は２ｋＷ以上あるものと予想される。

【００２７】このレーザ装置の出力を焦点距離５０ｍｍ
のレンズ系で集光したところ、直径５０μｍ以内に出力
９０％以上のエネルギを集光できた。一般的なＹＡＧレ
ーザの集光径が、同様の条件では少なくとも５００μｍ
以上であるから、それと比べて集光径は１／１０以下で
ある。集光点でのエネルギ密度は集光点の面積に反比例
するので、一般的な大出力ＹＡＧレーザに比べて１００
倍以上のエネルギ密度を発生させることができる。しか
もこのレーザ装置の集光径は、レーザ出力や熱の状態に
よらず常に一定なので、安定なレーザ加工が可能とな
る。

【００２８】（実施例２）図５は別の実施例の光ファイ
バレーザ装置を示す。この実施例では、前の実施例と同
様な屈折率分布、コア径、クラッド径を持つ連続した１
本の光ファイバ１を用意し、この光ファイバ１を円筒形
状の塊を形成するように多数回巻回して低屈折率ガラス
等の光学媒体４中に埋設し、円柱構造の光ファイバレー
ザ装置を作製している。

【００２９】このレーザ装置に対し、発振波長０．８μ
ｍ、出力２０Ｗの半導体レーザを１８個用いて実施例１
と同様に周囲から励起した。そうしたら、光ファイバ１
の端部より波長１．０６μｍで出力１４０Ｗのレーザ光
が得られた。この出力特性の傾向は実施例１と同様であ
り、励起用の半導体レーザを増やせば、さらに高出力が
予想され、また集光径についても高集光となり、熱など
の状態によらず安定した集光径になっていることが確認
された。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、光ファイバのクラッドに所定の屈折率変化を持
たせ、クラッドの外側に配した光学媒体を通して励起光
をコアに供給するようにしたので、光ファイバの側面か
ら多量の励起光をクラッド内に導入することができる。
そして、一旦光ファイバ内に導入した励起光は、導波の
際にクラッドとその外側の光学媒体との界面で不連続な
全反射を起こさずに伝搬することになるので、界面での
散乱損失を減少することができる。また、複数本の光フ
ァイバに励起光を入射するので、出射光強度を光ファイ
バの本数に比例して増やすことができる。その結果、高
出力レーザを得ることができる。

【００３１】また、従来品は、励起光源と光ファイバが
反射板の中で空間を持った構造をなしているか、あるい
は、光ファイバの一端面から励起光を入射する構造とな
っていたため、効率の悪い大型のレーザ装置になってし
まっていたが、本発明のレーザ装置は、光ファイバを密
着した状態で光学媒体中に閉じこめた構造にしているの
で、構造体の周囲に励起光源を接続することができ、小
型で効率のよいレーザ装置とすることができる。しか
も、端面励起をする必要がないので、励起光源に反射戻
り光による損傷を与えることがなく、また、複雑な光学
系を導入することなく、効率よく光ファイバ中のレーザ
活性物質を一様に励起することができる。従って、作製
が極めて容易であり、小型化も図れ、光ファイバレーザ
装置の利点を全く損なうことなく、高出力のレーザ装置
の量産が可能になる。

【００３２】また、請求項２の発明によれば、光ファイ
バが繰り返し折り返されもしくは巻回されて塊状に形成
されると共に、繰り返し折り返されもしくは巻回された
光ファイバ同士が互いに密着または光学媒体を介して接
触した構造になっているため、高出力化を図りながら、
小型のレーザ装置とすることができる。また、請求項３
の発明によれば、連続的な屈折率変化としているため、
界面が存在せず、散乱損失が抑えられ、一層の高効率化
が図れる。また、コア中心部の高屈折率化によってレー
ザ光がコア中心部に全て集光されると、中心部での吸収
が大きくなり、損失が大きくなってしまうが、請求項４
の発明にような屈折率分布にすれば、吸収損失が抑えら
れる。また、請求項５の発明によれば、励起光が光学媒
体中に閉じこめられるため、変換効率が高まる。また、
請求項６の発明によれば、励起光が必ず光ファイバ中に
入射される構造となるため、出力向上が図れる。また、
請求項７の発明によれば、小型、高出力の加工装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置の概
念図である。

【図２】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置にお
ける一部拡大断面図である。

【図３】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置にお
ける屈折率分布を示す図である。

【図４】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置内を
励起光が導波する様子の概念図である。

【図５】本発明の他の実施形態の光ファイバレーザ装置
の概念図である。

【符号の説明】

１ 光ファイバ ２ コア ３ クラッド（外層） ４ 光学媒体

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバがレーザ活性物質を含むコア
   と該コアを取り囲む外層を有し、前記コアに励起光を供
   給することによって前記光ファイバ端部よりレーザ光を
   出力する光ファイバレーザ装置において、 前記光ファイバの少なくとも一部が光学媒体に取り囲ま
   れ、該光学媒体を前記光ファイバの光軸に対する断面で
   見たとき、光学媒体中に光ファイバの光軸が複数本含ま
   れ、しかも、前記光学媒体により取り囲まれた部分のう
   ち、少なくとも一部における光ファイバの外層の励起光
   に対する屈折率が、前記外層の最外部から前記コアとの
   境界に向かうに従い増加しており、 前記光学媒体に導入した励起光が、光学媒体を通じて光
   学媒体中の光ファイバのコアに含まれる活性物質を励起
   することで、レーザ光が発生することを特徴とする光フ
   ァイバレーザ装置。
2. 【請求項２】 光ファイバがレーザ活性物質を含むコア
   と該コアを取り囲む外層を有し、前記コアに励起光を供
   給することによって前記光ファイバ端部よりレーザ光を
   出力する光ファイバレーザ装置において、 前記光ファイバが繰り返し折り返されもしくは巻回され
   て塊状に形成されると共に、繰り返し折り返されもしく
   は巻回された光ファイバ同士が互いに密着または光学媒
   体を介して接触し、 少なくとも前記光ファイバの互いに密着または光学媒体
   を介して接触している部分の外層の励起光に対する屈折
   率が、前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かう
   に従い増加しており、前記塊状に形成された光ファイバ
   に前記励起光が照射され、該励起光が前記光ファイバの
   外層を通じて前記レーザ活性物質を励起することで、レ
   ーザ光が発生することを特徴とする光ファイバレーザ装
   置。
3. 【請求項３】 前記外層の最外部から前記コアとの境界
   に向かって増加する屈折率の変化が連続的なものである
   ことを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバレ
   ーザ装置。
4. 【請求項４】 前記コアの中心部の屈折率が、前記コア
   の外周部の屈折率よりも小さいか、または同等であるこ
   とを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファ
   イバレーザ装置。
5. 【請求項５】 前記光学媒体がその外周面において励起
   光を全反射するようなものであることを特徴とする請求
   項１〜４のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置。
6. 【請求項６】 前記励起光に対する屈折率が、光ファイ
   バの外層の最外部よりも小さいか、または同等である材
   料からなる前記光学媒体を有することを特徴とする請求
   項１〜５のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載の光ファ
   イバレーザ装置と、前記光ファイバレーザ装置の出力を
   被加工対象に集光する集光光学系とを備えることを特徴
   とするレーザ加工装置。