特許 6301959 レーザ装置、および、光ファイバレーザ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6301959

(24)【登録日】2018年3月9日

(45)【発行日】2018年3月28日

(54)【発明の名称】レーザ装置、および、光ファイバレーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/067 20060101AFI20180319BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20180319BHJP

   H01S 3/0941 20060101ALI20180319BHJP

   H01S 3/042 20060101ALI20180319BHJP

   H01S 5/022 20060101ALI20180319BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/067

   G02B6/42

   H01S3/0941

   H01S3/042

   H01S5/022

【請求項の数】27

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2015-552519(P2015-552519)

(86)(22)【出願日】2014年12月11日

(86)【国際出願番号】JP2014082894

(87)【国際公開番号】WO2015087983

(87)【国際公開日】20150618

【審査請求日】2016年6月14日

(31)【優先権主張番号】特願2013-256477(P2013-256477)

(32)【優先日】2013年12月11日

(33)【優先権主張国】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柏木 孝介

(72)【発明者】

【氏名】江森 芳博

(72)【発明者】

【氏名】田中 完二

【審査官】 小濱 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０７４６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０３５０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１３２４７９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ １／００−４／００

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

マルチモードでレーザ光を出力する複数のマルチモード半導体レーザと、
前記複数のレーザ光を合波して出力する光合波器と、
前記複数のマルチモード半導体レーザと前記光合波器とを接続し、コア部と、前記コア部の外周に形成されたクラッド部と、前記クラッド部の外周を覆う被覆部とを備えるマルチモード光ファイバと、
前記マルチモード光ファイバに形成され、所定の曲げ長さ、かつ、所定の第１曲げ半径で曲げた第１曲げ部と、
前記第１曲げ部において前記被覆部の外側に形成され前記マルチモード光ファイバの熱を放熱する放熱部と、
前記第１曲げ部と前記光合波器との間の前記マルチモード光ファイバに形成され、所定の第２曲げ半径で曲げた第２曲げ部と、を備え、
前記第１曲げ部において曲げにより漏れ易い成分の光が漏れて熱となり、前記放熱部から放熱されることによって、前記第２曲げ部における温度上昇が抑制されることを特徴とするレーザ装置。

【請求項2】

前記第２曲げ部における温度上昇の抑制量が１０℃以上であ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】

前記第２曲げ半径の変化に対する温度上昇の変化割合が、当該第２曲げ半径を値として含む５ｍｍの範囲内において、３０℃／５ｍｍ以下に抑制されてい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２曲げ半径の変化に対する温度上昇の変化割合が、当該第２曲げ半径を値として含む５ｍｍの範囲内において、１０℃／５ｍｍ以下に抑制されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。

【請求項5】

前記第２曲げ半径の変化に対する温度上昇の変化割合が、当該第２曲げ半径を値として含む５ｍｍの範囲内において、２℃／５ｍｍ以上残存していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のレーザ装置。

【請求項6】

前記マルチモード光ファイバの前記第１曲げ部より前記マルチモード半導体レーザ側における最小の曲げ半径をＲ０、前記第１曲げ半径をＲ１、前記第２曲げ半径をＲ２、とすると、Ｒ１≦Ｒ２＜Ｒ０が成り立つことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項7】

前記曲げ長さは、π×前記第１曲げ半径以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項8】

前記第１曲げ部における光損失は、０．２ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項9】

前記第２曲げ半径は、前記マルチモード光ファイバの規格で定められた許容曲げ半径であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項10】

マルチモードでレーザ光を出力する複数のマルチモード半導体レーザと、
前記複数のレーザ光を合波して出力する光合波器と、
前記複数のマルチモード半導体レーザと前記光合波器とを接続し、コア部と、前記コア部の外周に形成されたクラッド部と、前記クラッド部の外周を覆う被覆部とを備えるマルチモード光ファイバと、
前記マルチモード光ファイバに形成され、所定の曲げ長さ、かつ、所定の第１曲げ半径で曲げた第１曲げ部と、
前記第１曲げ部において前記被覆部の外側に形成され前記マルチモード光ファイバの熱を放熱する放熱部と、
前記第１曲げ部と前記光合波器との間の前記マルチモード光ファイバに形成され、所定の第２曲げ半径で曲げた第２曲げ部と、を備え、
前記マルチモード光ファイバの前記第１曲げ部より前記マルチモード半導体レーザ側における最小の曲げ半径をＲ０［ｍｍ］、前記第１曲げ半径をＲ１［ｍｍ］、前記第２曲げ半径をＲ２［ｍｍ］、とすると、Ｒ１−５［ｍｍ］≦Ｒ２かつＲ１＜Ｒ０が成り立ち、
前記第１曲げ部において曲げにより漏れ易い成分の光が漏れて熱となり、前記放熱部から放熱されることによって、前記第２曲げ部における温度上昇が抑制されることを特徴とするレーザ装置。

【請求項11】

Ｒ１≦Ｒ２かつＲ１＜Ｒ０が成り立つことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ装置。

【請求項12】

Ｒ１≦Ｒ２＜Ｒ０が成り立つことを特徴とする請求項１１に記載のレーザ装置。

【請求項13】

前記第１曲げ半径は、５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項14】

前記曲げ長さは、πＲ１以上であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項15】

前記第１曲げ部において、前記マルチモード半導体レーザから前記マルチモード光ファイバに入力された光のうち、前記コア部を伝搬する高次のコアモードの光が除去されることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項16】

前記第１曲げ部における光損失は、０．２ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項17】

前記第２曲げ部において、前記マルチモード光ファイバを伝搬する光の曲げ損失による前記被覆部の加熱、または、損傷が抑制されていることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項18】

前記第２曲げ半径は、前記マルチモード光ファイバの規格で定められた許容曲げ半径であることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項19】

前記被覆部の屈折率は、前記クラッド部の屈折率より高いことを特徴とする請求項１０〜１８のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項20】

前記複数のマルチモード半導体レーザのうち、１つ以上のマルチモード半導体レーザの出力する前記レーザ光の光強度は、１０Ｗ以上であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項21】

前記光合波器は、光ファイババンドル構造を有することを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項22】

前記放熱部は、前記被覆部の外周に形成された放熱材と、前記放熱材を介して前記マルチモード光ファイバと接する放熱体と、を備えることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項23】

前記放熱材には、樹脂が用いられ、前記放熱材は前記被覆部より屈折率が高いことを特徴とする請求項２２に記載のレーザ装置。

【請求項24】

前記放熱材は、シリコーン系の熱伝導性コンパウンドを含むことを特徴とする請求項２２に記載のレーザ装置。

【請求項25】

前記放熱体は、熱伝導性を有する板状部材であり、
前記第１曲げ部は、前記板状の放熱体に形成された円形の溝に配置されることを特徴とする請求項２２〜２４のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項26】

前記放熱体は、熱伝導性を有する円筒状部材であり、
前記第１曲げ部は、前記円筒の外周に巻き付けられることを特徴とする請求項２２〜２４のいずれか一つに記載のレーザ装置。

【請求項27】

請求項１〜２６のいずれか１つに記載のレーザ装置と、
前記レーザ装置の出力光を入力される増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバの両端側に配置され、前記増幅用光ファイバで発生した光からレーザ光をレーザ発振させる光共振器を構成する光反射器と、を備えることを特徴とする光ファイバレーザ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ装置、および、光ファイバレーザに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、様々な高出力のレーザ装置が実用化されている。特に高出力なレーザ装置として、コア部に希土類元素が添加された光ファイバを増幅媒体とした光ファイバレーザが注目され、金属の加工等に使用されている。このような高出力なレーザ装置においては、１０Ｗを超えるような高強度のレーザ光が光ファイバに入力される。

【0003】

ここで、高強度のレーザ光が光ファイバに入力すると、光ファイバの曲がり部で光ファイバの加熱や損傷が生じる場合があるという課題がある。これは、光ファイバを伝搬する光が光ファイバの曲がり部において、曲げ損失として光ファイバの被覆部へと漏れ、この漏れ光を吸収した被覆部が加熱し、さらには、損傷するためである。この様な曲げ損失による光ファイバの加熱や損傷は、光ファイバに入力された光のうち、光ファイバのクラッド部に結合したクラッドモードで伝搬する光が原因であると考えられている。そのため、クラッドモードで伝搬する光を低減する技術が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−２６０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、クラッドモードで伝搬する光を低減したとしても、光ファイバの曲がり部で加熱や損傷が生じる場合があるという課題があることが、本発明者らによって見出された。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信頼性が高く、かつ、小型化できるレーザ装置、および、光ファイバレーザ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】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザ装置は、マルチモードでレーザ光を出力する複数のマルチモード半導体レーザと、前記複数のレーザ光を合波して出力する光合波器と、前記複数のマルチモード半導体レーザと前記光合波器とを接続し、コア部と、前記コア部の外周に形成されたクラッド部と、前記クラッド部の外周を覆う被覆部とを備えるマルチモード光ファイバと、前記マルチモード光ファイバに形成され、所定の曲げ長さ、かつ、所定の第１曲げ半径で曲げた第１曲げ部と、前記第１曲げ部において前記被覆部の外側に形成され前記マルチモード光ファイバの熱を放熱する放熱部と、前記第１曲げ部と前記光合波器との間の前記マルチモード光ファイバに形成され、所定の第２曲げ半径で曲げた第２曲げ部と、を備え、前記放熱部からの放熱によって、前記第２曲げ部における温度上昇が抑制されることを特徴とする。

【0008】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第２曲げ部における温度上昇の抑制量が１０℃以上であることを特徴とする。

【0009】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第２曲げ半径の変化に対する温度上昇の変化割合が、当該第２曲げ半径を中心値として含む５ｍｍの範囲内において、３０℃／５ｍｍ以下に抑制されていることを特徴とする。

【0010】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第２曲げ半径の変化に対する温度上昇の変化割合が、当該第２曲げ半径を中心値として含む５ｍｍの範囲内において、１０℃／５ｍｍ以下に抑制されていることを特徴とする。

【0011】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第２曲げ半径の変化に対する温度上昇の変化割合が、当該第２曲げ半径を中心値として含む５ｍｍの範囲内において、２℃／５ｍｍ以上残存していることを特徴とする。

【0012】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記マルチモード光ファイバの前記第１曲げ部より前記マルチモード半導体レーザ側における最小の曲げ半径をＲ０、前記第１曲げ半径をＲ１、前記第２曲げ半径をＲ２、とすると、Ｒ１≦Ｒ２＜Ｒ０が成り立つことを特徴とする。

【0013】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記曲げ長さは、π×前記第１曲げ半径以上であることを特徴とする。

【0014】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第１曲げ部における光損失は、０．２ｄＢ以下であることを特徴とする。

【0015】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第２曲げ半径は、前記マルチモード光ファイバの規格で定められた許容曲げ半径であることを特徴とする。

【0016】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、マルチモードでレーザ光を出力する複数のマルチモード半導体レーザと、前記複数のレーザ光を合波して出力する光合波器と、前記複数のマルチモード半導体レーザと前記光合波器とを接続し、コア部と、前記コア部の外周に形成されたクラッド部と、前記クラッド部の外周を覆う被覆部とを備えるマルチモード光ファイバと、前記マルチモード光ファイバに形成され、所定の曲げ長さ、かつ、所定の第１曲げ半径で曲げた第１曲げ部と、前記第１曲げ部において前記被覆部の外側に形成され前記マルチモード光ファイバの熱を放熱する放熱部と、前記第１曲げ部と前記光合波器との間の前記マルチモード光ファイバに形成され、所定の第２曲げ半径で曲げた第２曲げ部と、を備え、前記マルチモード光ファイバの前記第１曲げ部より前記マルチモード半導体レーザ側における最小の曲げ半径をＲ０［ｍｍ］、前記第１曲げ半径をＲ１［ｍｍ］、前記第２曲げ半径をＲ２［ｍｍ］、とすると、Ｒ１−５［ｍｍ］≦Ｒ２かつＲ１＜Ｒ０が成り立つことを特徴とする。

【0017】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、Ｒ１≦Ｒ２かつＲ１＜Ｒ０が成り立つことを特徴とする。

【0018】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、Ｒ１≦Ｒ２＜Ｒ０が成り立つことを特徴とする。

【0019】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第１曲げ半径は、５０ｍｍ以下であることを特徴とする。

【0020】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記曲げ長さは、πＲ１以上であることを特徴とする。

【0021】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第１曲げ部において、前記マルチモード半導体レーザから前記マルチモード光ファイバに入力された光のうち、前記コア部を伝搬する高次のコアモードの光が除去されることを特徴とする。

【0022】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第１曲げ部における光損失は、０．２ｄＢ以下であることを特徴とする。

【0023】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第２曲げ部において、前記マルチモード光ファイバを伝搬する光の曲げ損失による前記被覆部の加熱、または、損傷が抑制されていることを特徴とする。

【0024】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記第２曲げ半径は、前記マルチモード光ファイバの規格で定められた許容曲げ半径であることを特徴とする。

【0025】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記被覆部の屈折率は、前記クラッド部の屈折率より高いことを特徴とする。

【0026】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記複数のマルチモード半導体レーザのうち、１つ以上のマルチモード半導体レーザの出力する前記レーザ光の光強度は、１０Ｗ以上であることを特徴とする。

【0027】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記光合波器は、光ファイババンドル構造を有することを特徴とする。

【0028】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記放熱部は、前記被覆部の外周に形成された放熱材と、前記放熱材を介して前記マルチモード光ファイバと接する放熱体と、を備えることを特徴とする。

【0029】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記放熱材には、樹脂が用いられ、前記放熱材は前記被覆部より屈折率が高いことを特徴とする。

【0030】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記放熱材は、シリコーン系の熱伝導性コンパウンドを含むことを特徴とする。

【0031】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記放熱体は、熱伝導性を有する板状部材であり、前記第１曲げ部は、前記板状の放熱体に形成された円形の溝に配置されることを特徴とする。

【0032】

また、本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記発明において、前記放熱体は、熱伝導性を有する円筒状部材であり、前記第１曲げ部は、前記円筒の外周に巻き付けられることを特徴とする。

【0033】

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザは、上記発明のレーザ装置と、前記レーザ装置の出力光を入力される増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバの両端側に配置され、前記増幅用光ファイバで発生した光からレーザ光をレーザ発振させる光共振器を構成する光反射器と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0034】

本発明によれば、信頼性が高く、かつ、小型化できるレーザ装置、および、光ファイバレーザを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ装置を側面側から見た模式的な構成図である。

【図2】図２は、図１に示したレーザ装置の励起レーザ部の模式的な構成図である。

【図3】図３は、図２に示した励起レーザ部の放熱部の模式的な構成図である。

【図4】図４は、図１に示したレーザ装置の構成を表す概略図である。

【図5】図５は、マルチモード光ファイバの曲げ半径と温度上昇との関係を測定する実験系の構成を表す概略図である。

【図6】図６は、第１曲げ部においてマルチモード光ファイバを曲げない場合の塗布長とマルチモード光ファイバの温度上昇値との関係を表す図である。

【図7】図７は、塗布長が３０ｍｍである場合のマルチモード光ファイバの第１曲げ半径Ｒ１とマルチモード光ファイバの温度上昇値との関係を表す図である。

【図8】図８は、マルチモード光ファイバの第１曲げ半径Ｒ１が２５ｍｍまたは３０ｍｍである場合の曲げ長さとマルチモード光ファイバの温度上昇値との関係を表す図である。

【図9】図９は、第１曲げ部が有る場合と無い場合における、マルチモード光ファイバの第２曲げ半径Ｒ２とマルチモード光ファイバの温度との関係を表す図である。

【図10】図１０は、ＮＡが０．１５のマルチモード光ファイバにおけるレーザ出力の違いが光ファイバ温度上昇値に与える影響を示す図である。

【図11】図１１は、ＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバにおけるレーザ出力の違いが光ファイバ温度上昇値に与える影響を示す図である。

【図12】図１２は、ＮＡが０．１５の場合における、第２曲げ半径Ｒ２に対する光ファイバ温度上昇値を示す図である。

【図13】図１３は、ＮＡが０．２２の場合における、第２曲げ半径Ｒ２に対する光ファイバ温度上昇値を示す図である。

【図14】図１４は、マルチモード光ファイバにおける光の伝搬の様子を表す説明図である。

【図15】図１５は、変形例に係る励起レーザ部の放熱部の模式的な構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下に、図面を参照して本発明に係るレーザ装置、および、光ファイバレーザの実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

【0037】

（実施の形態）
まず、本発明の実施の形態に係る光ファイバレーザであるレーザ装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ装置を側面側から見た模式的な構成図である。図１に示すとおり、レーザ装置１００は、基板１０と、基板１０の裏面に配置された励起レーザ部２０と、励起レーザ部２０に接続されたマルチモード光ファイバ３０と、基板１０の表面に配置されマルチモード光ファイバ３０と接続された光合波器４０と、基板１０の表面に配置され順次接続されたダブルクラッド光ファイバ５０、希土類添加光ファイバ６０、ダブルクラッド光ファイバ７０、融着接続部８０、シングルモード光ファイバ９０と、を備える。

【0038】

基板１０は、その両面に各種素子を固定することにより、片面のみに各種素子を固定するよりもレーザ装置１００を小型化することができる。また、基板１０は、アルミニウム等の各種の金属板であってよいが、これに限定されない。基板１０は、レーザ装置１００を収容するための不図示の筐体と一体として構成されていてもよい。また、基板１０は、レーザ装置１００内の温度上昇を抑制するため、熱伝導性を有することが好ましく、アルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導性が高い材質からなることがより好ましい。また、基板１０は、内部に冷却水を循環させる循環路を備える水冷構造としてもよいし、側面の或る箇所から当該側面または他の側面の別の箇所に貫通するように形成され、かつその内壁にフィンを有する送風路（ダクト）を備える強制空冷構造としてもよい。

【0039】

励起レーザ部２０は、基板１０の裏面に固定されたマルチモード（横マルチモード）でレーザ光を出力する複数のマルチモード半導体レーザを備える。図２は、図１に示したレーザ装置の励起レーザ部の模式的な構成図である。図２に示すように、励起レーザ部２０は、１２個のマルチモード半導体レーザ２１−１〜１２を備え、各マルチモード半導体レーザ２１−１〜１２は、基板１０上に固定されている。各マルチモード半導体レーザ２１−１〜１２の出力光強度は、１０Ｗ以上であってよい。さらに、各マルチモード半導体レーザ２１−１〜１２の出力光強度は、より高強度であってもよく、たとえば、２０Ｗ以上、または、５０Ｗ以上であってよい。なお、マルチモード半導体レーザの数は、たとえば、１２個であるが、６個、または、１８個などであってよく、適宜選択することができる。

【0040】

マルチモード光ファイバ３０は、１２本のマルチモード光ファイバ３０−１〜１２を有し、各マルチモード光ファイバ３０−１〜１２は、それぞれマルチモード半導体レーザ２１−１〜１２と、光合波器４０とを接続する。

【0041】

各マルチモード光ファイバ３０−１〜１２は、コア部と、コア部の外周に形成されたクラッド部と、クラッド部の外周を覆う被覆部とを備えるマルチモード光ファイバである。被覆部の屈折率は、たとえば、クラッド部の屈折率より高くされている。

【0042】

また、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２の規格で定められた許容曲げ半径をＲ_ｍｉｎとする。この許容曲げ半径Ｒ_ｍｉｎは、光ファイバを配置する際の光損失が十分少ない最小の曲げ半径として、光ファイバの製造者などによって所定の波長に対して定められた値である。許容曲げ半径Ｒ_ｍｉｎは種々の定義があるが、たとえば、許容曲げ半径Ｒ_ｍｉｎは、光ファイバを曲げ半径Ｒ_ｍｉｎで１０回巻いたとき、所定の波長の光における曲げ損失が、０．５ｄＢ以下となる曲げ半径であると定義することができる。また、各マルチモード光ファイバ３０−１〜１２のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、たとえば、０．１５、または、０．２２であってよい。

【0043】

図２に示すように、各マルチモード半導体レーザ２１−１〜１２に接続されたマルチモード光ファイバ３０−１〜１２は、基板１０上に複数（たとえば３本ずつ）束ねて固定される。ただし、ここでは、各マルチモード光ファイバ３０−１〜１２が、被覆部ごと束ねられているにすぎず、光学的に結合されているわけではない。また、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２は、束ねた状態で基板１０に固定されているものに限られず、基板１０に個別に固定されていてもよい。つぎに、マルチモード光ファイバ３０−１〜３は、光除去部３０ａ−１を経由し、マルチモード光ファイバ３０−４〜６は、光除去部３０ａ−２を経由し、マルチモード光ファイバ３０−７〜９は、光除去部３０ａ−３を経由し、マルチモード光ファイバ３０−１０〜１２は、光除去部３０ａ−４を経由し、１２本のマルチモード光ファイバ３０−１〜１２が束ねられる。ただし、ここでも、各マルチモード光ファイバ３０−１〜１２が、被覆部ごと束ねられているにすぎず、光学的に結合されているわけではない。

【0044】

光除去部３０ａ−１〜４は、図２に示すように、各マルチモード光ファイバ３０−１〜１２に形成され、所定の曲げ長さ、かつ、所定の第１曲げ半径Ｒ１で曲げた第１曲げ部３０ａａ−１〜４を備える。図２において、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２における、円形に曲げられている部分が第１曲げ部３０ａａ−１〜４である。各光除去部３０ａ−１〜４の曲げ長さ、および、第１曲げ半径Ｒ１は、同一であってもよいが、互いに異なる値でもよく、たとえば、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２に入力する光強度に合わせて調整してもよい。

【0045】

第１曲げ部３０ａａ−１〜４の曲げ長さは、たとえば、πＲ１以上であってよく、より好ましくは、２πＲ１以上であってよい。第１曲げ部３０ａａ−１〜４の曲げ長さは、図２において、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２が、第１曲げ部３０ａａ−１〜４を半周する場合、πＲ１であり、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２が、第１曲げ部３０ａａ−１〜４を１．５周する場合、３πＲ１である。ただし、曲げ長さは、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２および第１曲げ部３０ａａ−１〜４の配置を適宜変更することにより、たとえば、２πＲ１などの任意の値に設定することができる。第１曲げ半径Ｒ１は、たとえば、５０ｍｍ以下であってよく、より好ましくは、２５ｍｍ以下である。また、曲げ長さおよび第１曲げ半径Ｒ１を適切に設定することにより、各第１曲げ部３０ａａ−１〜４における光損失が、たとえば、０．２ｄＢ以下、より好ましくは、０．１ｄＢ以下とされていてもよい。

【0046】

さらに、光除去部３０ａ−１〜４は、第１曲げ部３０ａａ−１〜４におけるマルチモード光ファイバ３０−１〜１２の被覆部の外側に形成されマルチモード光ファイバ３０−１〜１２の熱を放熱する放熱部を備える。そして、放熱部は、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２の被覆部の外周に形成された放熱材と、放熱材を介してマルチモード光ファイバ３０−１〜１２と接する放熱体とを備える。図３は、図２に示した励起レーザ部の放熱部の模式的な構成図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図に対応する。図３に示すように、放熱部１１の放熱体１１ａには、溝１１ａａが設けられている。この溝１１ａａは、図２に示した光除去部３０ａ−１〜４のように、半径がほぼ第１曲げ半径Ｒ１である円形に形成されている。そして、溝１１ａａの内部にマルチモード光ファイバ３０−１〜３が配置されている。さらに、マルチモード光ファイバ３０−１〜３は、放熱材１１ｂにより溝１１ａａの内部に固定されている。例えば、放熱体１１ａは熱伝導性を有する板状部材である基板１０と一体に構成されており、この溝内にマルチモード光ファイバ３０−１〜３が配置される。このとき、マルチモード光ファイバ３０−１〜３が発する熱は、放熱材１１ｂを介して、放熱体１１ａに放熱される。なお、本実施の形態では、光除去部３０ａ−１〜４はいずれも図３に示した構成の放熱部１１を有するが、放熱部の構成は光除去部３０ａ−１〜４で互いに異なっていてもよい。

【0047】

放熱部１１の放熱材１１ｂには、樹脂が用いられ、また、放熱材１１ｂはマルチモード光ファイバ３０−１〜１２の被覆部より屈折率が高い。これにより、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２のコア部から漏れた光を被覆部が効率よく吸収する。また、放熱材１１ｂは、たとえば、シリコーン系の熱伝導性コンパウンドを含む材料であってもよい。さらに、放熱材１１ｂは、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料であってもよい。このとき、被覆部の光吸収による熱が、効率的に放熱体１１ａに伝導し、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２の加熱、および、損傷が抑制される。また、放熱材１１ｂは、マルチモード半導体レーザ２１−１〜１２の出力するレーザ光に対する吸収係数が小さいことが好ましい。これによって、放熱材１１ｂの光吸収による温度上昇が抑制され、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２の加熱、および、損傷がさらに抑制される。

【0048】

放熱部１１の放熱体１１ａは、アルミニウム等の金属であってよいが、熱伝導性を有する材料であればこれに限られない。また、放熱体１１ａは、基板１０と一体として構成されていてもよいが、放熱体１１ａと基板１０とが別体として構成され、放熱体１１ａが基板１０上に固定されている構成であってもよい。

【0049】

つぎに、１２本のマルチモード光ファイバ３０−１〜１２を有するマルチモード光ファイバ３０は、図１に示すように、励起レーザ部２０と光合波器４０との間に配置され、マルチモード光ファイバ３０を所定の第２曲げ半径Ｒ２で曲げる第２曲げ部３０ｂを備えている。第２曲げ部は、基板１０裏面の励起レーザ部２０と、基板１０表面のレーザ発振部ＬＯとの間をマルチモード光ファイバ３０で接続する際に形成されるものである。このように、基板１０の両面に各種素子を固定することで、レーザ装置１００を小型化することができる。第２曲げ半径Ｒ２は、たとえば、５０ｍｍ以下であってよく、より好ましくは、２５ｍｍ以下である。また、第２曲げ半径Ｒ２は、許容曲げ半径Ｒ_ｍｉｎであってよい。ここで、各マルチモード光ファイバ３０−１〜１２の第１曲げ部３０ａａ−１〜４よりマルチモード半導体レーザ２１−１〜１２側における最小の曲げ半径をＲ０とし、第１曲げ半径Ｒ１、第２曲げ半径Ｒ２と比較すると、Ｒ１≦Ｒ２かつＲ１＜Ｒ０の関係が成り立つが、これについては後に詳述する。なお、図２中に図示されるＲ０はマルチモード光ファイバ３０−１に対するものであるが、各マルチモード光ファイバ３０−１〜１２に対して同様にＲ０が定義される。

【0050】

光合波器４０は、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２から入力される複数のレーザ光を合波して出力する。光合波器４０は、入力光を合波する機能を備えれば特に限定されないが、たとえば、１２本のマルチモード光ファイバ３０−１〜１２が束ねられた構造である光ファイババンドル構造であってよい。

【0051】

図４は、図１に示したレーザ装置の構成を表す概略図である。図中「×」は、光ファイバの融着接続点を示している。図４に示すように、ダブルクラッド光ファイバ５０および７０は、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）５０ａおよび７０ａを形成したダブルクラッド光ファイバである。また、希土類添加光ファイバ６０は、増幅用光ファイバであり、コアに希土類元素が添加されたダブルクラッド光ファイバである。そして、ＦＢＧ５０ａおよび７０ａは、光共振器を構成し、希土類添加光ファイバ６０とともにレーザ発振部ＬＯを構成する。

【0052】

なお、希土類添加光ファイバ６０コアに添加された希土類元素は、たとえばエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等であるが、光増幅作用を有するものであれば特に限定はされない。また、マルチモード半導体レーザ２１−１〜１２が出力するレーザ光の波長は、希土類添加光ファイバ６０のコアに添加された希土類元素を光励起できる波長に設定されており、希土類元素がＹｂの場合はたとえば９１５ｎｍである。また、ＦＢＧ５０ａおよび７０ａは、レーザ発振部ＬＯにてレーザ発振させるべき波長を所定の反射率で選択的に反射する特性を有する。

【0053】

ダブルクラッド光ファイバ７０は、融着接続部８０によって、シングルモード光ファイバ９０と融着接続されている。そして、シングルモード光ファイバ９０の一端からレーザ装置１００の最終的な出力としてのレーザ光が出射される。

【0054】

つぎに、本実施の形態に係るレーザ装置１００の動作について説明する。はじめに、外部から電流を印加された励起レーザ部２０のマルチモード半導体レーザ２１−１〜１２が、横マルチモードでレーザ光を出力する。マルチモード半導体レーザ２１−１〜１２から出力されたレーザ光は、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２に入力される。ここで、レーザ装置１００には、光除去部３０ａ−１〜４が形成されている。そして光除去部３０ａ−１〜４において、第１曲げ部３０ａａ−１〜４におけるマルチモード光ファイバ３０−１〜１２が第１曲げ半径Ｒ１で曲げられる。すると、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２を伝搬する光のうち、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２の曲げにより漏れ易い成分が被覆部へと漏れる。被覆部は、この漏れ光の一部を吸収して、吸収された光は熱となる。この熱は、光除去部３０ａ−１〜４の放熱部１１により放熱され、光除去部３０ａ−１〜４におけるマルチモード光ファイバ３０−１〜１２の加熱は抑制される。

【0055】

つぎに、１２本のマルチモード光ファイバ３０−１〜１２を有するマルチモード光ファイバ３０を伝搬する光は、第２曲げ部３０ｂを通過する。ここで、光除去部３０ａ−１〜４により、マルチモード光ファイバ３０を伝搬する光のうち、マルチモード光ファイバ３０の曲げにより漏れ易い成分の光強度はすでに低減されている。このとき、Ｒ１≦Ｒ２の関係が成り立っていることにより、マルチモード光ファイバ３０の第２曲げ部３０ｂにおいて被覆部に漏れる光は十分に抑制される。これにより、第２曲げ部３０ｂにおけるマルチモード光ファイバ３０の加熱、または、損傷が抑制される。

【0056】

その後、マルチモード光ファイバ３０を伝搬する光は、光合波器４０により合波され、ダブルクラッド光ファイバ５０に入力される。そして、ダブルクラッド光ファイバ５０に入力された光を励起光として、希土類添加光ファイバ６０とＦＢＧ５０ａおよび７０ａが構成するレーザ発振部ＬＯがレーザ光を発振し、発振したレーザ光が、ダブルクラッド光ファイバ７０から出力される。なお、発振するレーザ光の波長は、希土類添加光ファイバ６０のコアに添加された希土類元素の発光波長帯に含まれる波長である。たとえば、当該希土類元素がＹｂの場合にはたとえば１．０８μｍである。ダブルクラッド光ファイバ７０の出力光は、融着接続部８０により、シングルモード光ファイバ９０に入力され、シングルモード光ファイバ９０の一端から最終的なレーザ装置１００の出力として出射される。

【0057】

このように、レーザ装置１００は、マルチモード半導体レーザ２１−１〜１２と第２曲げ部３０ｂとの間に配置された光除去部３０ａ−１〜４により、第２曲げ部３０ｂにおけるマルチモード光ファイバ３０を伝搬する光のうち、マルチモード光ファイバ３０の曲げにより漏れ易い成分の光強度を低減している。このとき、Ｒ１≦Ｒ２の関係が成り立っていることにより、第２曲げ部３０ｂにおいて被覆部に漏れる光は十分に抑制される。これにより、マルチモード光ファイバ３０の第２曲げ部３０ｂにおける加熱、または、損傷が抑制されるので、信頼性の高いレーザ装置とすることができる。また、光除去部を設けない場合に、マルチモード光ファイバ３０を第２曲げ半径Ｒ２で配置するとマルチモード光ファイバ３０が加熱、または、損傷する恐れがある。しかしながら、本実施の形態に係るレーザ装置１００においては、光除去部３０ａ−１〜４により、マルチモード光ファイバ３０を伝搬する光のうち、マルチモード光ファイバ３０の曲げにより漏れ易い成分の光を低減しているため、マルチモード光ファイバ３０を第２曲げ半径Ｒ２で配置することができる。これにより、レーザ装置１００のマルチモード光ファイバの配置の自由度が増し、たとえば、基板１０の両面に各種素子を配置することができる。したがって、レーザ装置１００は、小型化されたレーザ装置として構成することができる。

【0058】

さらに、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２の第１曲げ部３０ａａ−１〜４よりもマルチモード半導体レーザ２１−１〜１２側における最小の曲げ半径をＲ０とすると、Ｒ１＜Ｒ０が成り立つ。これによって、第１曲げ部３０ａａ−１〜４よりもマルチモード半導体レーザ２１−１〜１２側においてマルチモード光ファイバ３０−１〜１２に曲げ部分があったとしても、その曲げ部分では光除去部３０ａ−１〜４ほどの光の漏洩が無い。したがって、当該曲げ箇所でのマルチモード光ファイバ３０−１〜１２の加熱、損傷が防止されるとともに、光除去部３０ａ−１〜４の効果がより確実に発揮される。

【0059】

以下、第１曲げ半径Ｒ１と、第２曲げ半径Ｒ２との関係、および第１曲げ半径Ｒ１と、マルチモード光ファイバ３０−１〜１２の第１曲げ部３０ａａ−１〜４よりマルチモード半導体レーザ２１−１〜１２側における最小の曲げ半径であるＲ０との関係についてより詳細に説明する。

【0060】

まず、上述したように、従来ダブルクラッドファイバをクラッドモードで伝搬する光を除去することにより、ダブルクラッドファイバの加熱、および、損傷を抑制することが提案されている。

【0061】

しかしながら、本発明者らは、マルチモード光ファイバに入力する光強度がたとえば１０Ｗを超えるような高出力下では、クラッドモードで伝搬する光を除去したとしても、マルチモード光ファイバの加熱、または、損傷が生じる場合があるという課題を発見した。そこで、本発明者らは、この課題を解決する手段を以下のように検討し、本発明を想到するに到った。

【0062】

はじめに、本発明者らが行った実験の実験系について説明する。図５は、マルチモード光ファイバの曲げ半径と温度上昇との関係を測定する実験系の構成を表す概略図である。図５に示すように、この実験系は、マルチモード半導体レーザ１０１と、マルチモード光ファイバ１０２と、パワーメータ１０３とを備える。さらに、この実験系は、マルチモード光ファイバ１０２に形成され、所定の曲げ長さ、かつ、所定の第１曲げ半径Ｒ１で曲げた第１曲げ部１０２ａａと、マルチモード光ファイバ１０２の被覆部の外側に形成されマルチモード光ファイバ１０２の熱を放熱する放熱部と、を備えた光除去部１０２ａと、第２曲げ半径Ｒ２でマルチモード光ファイバ１０２を曲げた第２曲げ部１０２ｂとを備える。なお、マルチモード光ファイバ１０２の被覆部の屈折率は、クラッド部の屈折率より高いものとした。また、放熱部の放熱材として、シリコーン系の熱伝導性コンパウンドを用いた。

【0063】

まず、この実験系において、曲げ長さと第１曲げ半径Ｒ１とは可変とされている。このとき、曲げ長さと、マルチモード光ファイバ１０２に放熱材を塗布する長さである塗布長とは、同一である。つぎに、この実験系において、第２曲げ半径Ｒ２は、２５ｍｍに固定されている。このとき、マルチモード半導体レーザ１０１からのレーザ光を入力しない場合の第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度と、レーザ光を入力した場合の第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度とを比較し、レーザ光を入力した場合にどれだけ第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇があるかを測定した。なお、マルチモード半導体レーザ１０１からのレーザ光出力が２５Ｗとなるように制御した。また、第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度は、熱カメラで計測した。以下において、マルチモード光ファイバ１０２の温度上昇値とは、レーザ光を入力した場合の第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度から、レーザ光を入力しない場合の第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度を引いた値である。

【0064】

はじめに、第１曲げ部１０２ａａでマルチモード光ファイバ１０２を曲げずに直線とし、塗布長のみを変化させた場合について測定した。図６は、第１曲げ部１０２ａａにおいてマルチモード光ファイバを曲げない場合の塗布長とマルチモード光ファイバの温度上昇値との関係を表す図である。図６に示すように、塗布長を変化させても第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇値は変化しなかった。

【0065】

ここで、被覆部の屈折率は、クラッド部の屈折率より高いので、クラッドモードの光は被覆部に漏れ出す。このような被覆部へ漏洩するモードの光は、放熱材を被覆部の表面に塗布することによって被覆部外に漏れ、放熱材内部で熱に変換されて放熱される。したがって、クラッドモードの光に起因する場合、塗布長を長くするほど、第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇値は減少するはずである。ところが、図６の結果が示すように、第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇値は、塗布長に関わらず略一定であった。これは、マルチモード光ファイバ１０２を伝搬する光のうち、クラッドモードで伝搬する光以外の光が第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇に寄与していることを示唆する。

【0066】

つぎに、曲げ長さを３０ｍｍに固定し、第１曲げ半径Ｒ１を変化させた場合について測定した。図７は、塗布長が３０ｍｍである場合のマルチモード光ファイバの第１曲げ半径Ｒ１とマルチモード光ファイバの温度上昇値との関係を表す図である。図７に示すように、第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇値は、第１曲げ半径Ｒ１が第２曲げ半径Ｒ２（２５ｍｍ）に近づくにつれて、急激に小さくなる。このように、第１曲げ半径Ｒ１と第２曲げ半径Ｒ２とが十分に近い値であると、第１曲げ部１０２ａａにおいて、マルチモード光ファイバ１０２を伝搬する光のうち、第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇に寄与する光が十分に低減されることを意味している。

【0067】

そして、第１曲げ半径Ｒ１が、第２曲げ半径Ｒ２の２５ｍｍと等しい２５ｍｍ、および、第２曲げ半径Ｒ２と十分近い３０ｍｍである場合に、曲げ長さを変化させた場合について測定した。図８は、マルチモード光ファイバの第１曲げ半径Ｒ１が２５ｍｍまたは３０ｍｍである場合の曲げ長さとマルチモード光ファイバの温度上昇値との関係を表す図である。

【0068】

図８に示すように、第１曲げ半径Ｒ１が第２曲げ半径Ｒ２に十分近い場合には、曲げ長さを大きくするにつれて、第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇値が小さくなる。ここで、第１曲げ半径Ｒ１［ｍｍ］と第２曲げ半径Ｒ２［ｍｍ］の間に、Ｒ１−５［ｍｍ］≦Ｒ２という関係が成立している場合、第１曲げ半径Ｒ１が第２曲げ半径Ｒ２に十分近いと考えられる。さらに、第１曲げ半径Ｒ１が３０ｍｍの場合より、第１曲げ半径Ｒ１が２５ｍｍの場合の方が、第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇を抑制する効果が高いことがわかる。すなわち、第１曲げ半径Ｒ１と第２曲げ半径Ｒ２の間に、Ｒ１≦Ｒ２という関係が成立している場合、マルチモード光ファイバ１０２の温度上昇を抑制する効果がより高い。

【0069】

また、図８に示すように、曲げ長さを大きくするにつれて、第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇値が小さくなっているので、第１曲げ部１０２ａａにおける巻き数を増やす方が、マルチモード光ファイバ１０２の温度上昇を抑制する効果がより高まる。第１曲げ部１０２ａａにおけるマルチモード光ファイバ１０２の巻き数を半周（曲げ長さπＲ１）以上とすれば十分効果が得られるが、巻き数を１周（曲げ長さ２πＲ１）以上とするとことで、より一層の効果が得られる。さらに、第１曲げ部１０２ａａにおけるマルチモード光ファイバ１０２の巻き数を２周（曲げ長さ４πＲ１）以上とすればより好ましい。

【0070】

つぎに、第１曲げ部１０２ａａが有る場合と無い場合において、第２曲げ半径Ｒ２を６０ｍｍから２５ｍｍまで減少させながら、第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度を測定した。図９は、第１曲げ部１０２ａａが有る場合と無い場合における、マルチモード光ファイバの第２曲げ半径Ｒ２とマルチモード光ファイバの温度との関係を表す図である。ここで、第１曲げ部１０２ａａが有る場合とは、第１曲げ半径Ｒ１を２５ｍｍ、塗布長を１５７ｍｍに設定した場合である。また、本実施例において第１曲げ部１０２ａａが無い場合は、塗布長は１５７ｍｍであるが、第１曲げ部１０２ａａでマルチモード光ファイバ１０２を曲げずに直線とした場合である。

【0071】

図９に示すように、第１曲げ部１０２ａａが有る場合においては、第２曲げ半径Ｒ２を６０ｍｍから２５ｍｍまで減少させた場合にマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇が観測されたが、温度は５５℃程度であり、許容範囲内であった。一方、第１曲げ部１０２ａａが無い場合においては、第２曲げ半径Ｒ２を６０ｍｍから４０ｍｍまで減少させただけでマルチモード光ファイバ１０２が５０℃まで温度上昇した。

【0072】

なお、ＮＡが０．１５の場合の実験においては、第１曲げ部がない場合についても、それに対応する位置に放熱材としてのシリコーン系熱伝導コンパウンドを塗布しているが、図６を参照しながら説明した上記実験結果のように、第１曲げ部がない場合は、当該コンパウンドの有無による光ファイバ温度上昇値に対する差異が実質確認されなかった。したがって、以下で説明するＮＡが０．２２の実験においては、当該コンパウンドの塗布は行わずに行っている。

【0073】

つぎに、マルチモード光ファイバ１０２のＮＡが第１曲げ部１０２ａａの有無にどのような影響を与えるかを検証した。図１０は、ＮＡが０．１５のマルチモード光ファイバ１０２におけるレーザ出力の違いが光ファイバ温度上昇値に与える影響を示す図である。図１１は、ＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバ１０２におけるレーザ出力の違いが光ファイバ温度上昇値に与える影響を示す図である。なお、図１０に示した検証実験では、第１曲げ部は設けず、レーザ出力が異なる場合（１５Ｗ，２５Ｗ）について、第２曲げ半径Ｒ２の変化に対する光ファイバの温度上昇値を測定している。一方、図１１に示した検証実験では、第１曲げ部１０２ａａの有無による光ファイバ温度上昇値の比較を行っており、第１曲げ部１０２ａａを設ける場合は第１曲げ半径Ｒ１を２５ｍｍとして１周（約１５７ｍｍ）周回させ、かつ、第２曲げ部１０２ｂの半径Ｒ２を２５ｍｍとしている。

【0074】

図１０に示すように、ＮＡが０．１５のマルチモード光ファイバ１０２では、第１曲げ部１０２ａａがないと、比較的低いレーザ出力であっても第２曲げ半径Ｒ２の減少に対する温度上昇が大きくなってしまう。一方、図１１に示すように、ＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバ１０２では、第１曲げ部１０２ａａがない場合であっても、ＮＡが０．１５の場合と比較すれば、光ファイバの温度上昇が低く抑えられている。実際、図１０と図１１と比較すると解るように、レーザ出力が同じ約１５Ｗ付近、かつ、第１曲げ部１０２ａａは設けず第２曲げ部を２５ｍｍとしたとき、ＮＡが０．１５の場合は第１曲げ部１０２ａａがないと温度上昇が約２０℃以上と大きくなってしまうが、ＮＡが０．２２の場合は第１曲げ部１０２ａａがなくても温度上昇はあまり発生しない。

【0075】

ただし、ＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバ１０２であっても、レーザ出力を上げていくと、光ファイバ温度上昇の問題が顕在化する。図１１に示すように、第１曲げ部１０２ａａがない場合、レーザ出力の上昇に伴って、光ファイバ温度の上昇が急峻となっている。したがって、レーザ出力を例えば１００数十Ｗまで上昇させた場合、たとえ、ＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバ１０２であっても、顕著な光ファイバ温度上昇が発生することが予想される。また、図１３の点線「高出力時の推測線」は、ＮＡが０．１５の実験結果と０．２２の実験結果を比較し、ＮＡが０．２２の光ファイバを使用し、第１曲げ部は設けずに、レーザ出力が１００数十Ｗになった場合のＲ２と光ファイバ温度上昇値との関係を推測したものである。この推測線からも、レーザ出力が更に大きくなった場合、ＮＡが０．２２となっても、光ファイバ温度上昇の問題が発生する可能性があることがわかる。このような高出力のレーザを用いる場合であっても、図１１に示すように、本実施形態に係る第１曲げ部１０２ａａを用いれば、光ファイバ温度の急峻な上昇を抑制することができる。

【0076】

ここで、マルチモード光ファイバ１０２のＮＡの違いに拘わらず共通する第１曲げ部１０２ａａの性質について検討する。図１２および図１３は、それぞれＮＡが０．１５と０．２２との場合における、第２曲げ半径Ｒ２に対する光ファイバ温度上昇値を示す図である。図１２および図１３に示した検証実験では、第１曲げ部１０２ａａにおける第１曲げ半径Ｒ１を２５ｍｍとし、曲げ長さを１周（約１５７ｍｍ）としている。また、図１２に示した検証実験では、ＮＡが０．１５のマルチモード光ファイバ１０２に対し出力約２５Ｗのレーザ光を入力し、図１３に示した検証実験では、ＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバ１０２に対し出力約６４Ｗのレーザ光を入力している。

【0077】

図１２および図１３に示すように、ＮＡが０．２２の場合よりもＮＡが０．１５の場合の方が、第２曲げ部１０２ｂにおける第２曲げ半径Ｒ２に対する、当該第２曲げ半径Ｒ２を中心値として含む５ｍｍ範囲の光ファイバ温度上昇の変化割合が大きい。そして、ＮＡが０．１５の場合における、第２曲げ部１０２ｂにおける第２曲げ半径Ｒ２に対する、当該第２曲げ半径Ｒ２を中心値として含む５ｍｍの範囲の光ファイバ温度上昇の変化割合の最大値は、３０℃／５ｍｍである。したがって、第２曲げ部１０２ｂにおける第２曲げ半径Ｒ２が外乱等の要因で変化をした場合であっても、この外乱に起因する光ファイバ温度上昇の変化割合は３０℃／５ｍｍ以下に抑制される。

【0078】

さらに、図１２および図１３に示すように、第１曲げ半径Ｒ１および第２曲げ半径Ｒ２を適切に選択することで、ＮＡが０．１５および０．２２のいずれの場合であっても、第２曲げ部１０２ｂにおける第２曲げ半径Ｒ２に対する、当該第２曲げ半径Ｒ２を中心値として含む５ｍｍの範囲の光ファイバ温度上昇の変化割合を、１０℃／５ｍｍにすることができる。よって、第１曲げ部１０２ａａを用いれば、第２曲げ部１０２ｂにおける第２曲げ半径Ｒ２の変動に対する光ファイバ温度上昇の変化が少ないという、信頼性が高いレーザ装置を実現することができる。

【0079】

また、図１２および図１３に示すように、第１曲げ半径Ｒ１および第２曲げ半径Ｒ２を適切に選択することで、ＮＡが０．１５および０．２２のいずれの場合であっても、第２曲げ部１０２ｂにおける光ファイバ温度上昇値の抑制量が１０℃以上になっている。ここで、光ファイバ温度上昇値の抑制量とは、第１曲げ部１０２ａａが有る場合と無い場合の比較において、マルチモード光ファイバ１０２の温度上昇値の差のことをいう。

【0080】

なお、図１２および図１３に示すように、第２曲げ部１０２ｂにおける第２曲げ半径Ｒ２に対する、当該第２曲げ半径Ｒ２を中心値として含む５ｍｍの範囲の光ファイバ温度上昇の変化割合が２℃／５ｍｍ以上残存している。第２曲げ部１０２ｂにいて除去される光がクラッドモードである場合、光ファイバ温度上昇はほぼなくなると推測されるが、このように、高次のコアモードのレーザ光を除去する場合、図１２および図１３などからわかるように、曲げ半径の選び方によっては若干の温度上昇(温度勾配)が残存することがある。しかし、本実施形態に係る第１曲げ部１０２ａａを備えれば、温度上昇の残存分が十分に低くなることで、多少の曲げ径の変化があったとしても、これに影響されにくいレーザ装置を得ることができる。

【0081】

以上の結果から、第１曲げ半径Ｒ１と第２曲げ半径Ｒ２との関係をＲ１≦Ｒ２とすることで、第２曲げ部１０２ｂにおけるマルチモード光ファイバ１０２の温度上昇を十分に抑制することができることがわかる。なお、マルチモード光ファイバ１０２の第１曲げ部１０２ａａよりマルチモード半導体レーザ１０１側に第１曲げ半径Ｒ１より曲げ半径が小さい部分があると、その部分が加熱、または、損傷する可能性があるため好ましくない。また、マルチモード光ファイバ１０２の第１曲げ部１０２ａａよりマルチモード半導体レーザ１０１側における最小の曲げ半径をＲ０、第１曲げ半径をＲ１、第２曲げ半径をＲ２、としたときに、Ｒ１＜Ｒ０とすることにより、マルチモード光ファイバ１０２の第１曲げ部１０２ａａよりマルチモード半導体レーザ１０１側における加熱、損傷が防止される。さらに、Ｒ１≦Ｒ２＜Ｒ０が成り立つことによって、Ｒ０≦Ｒ２の場合よりもマルチモード光ファイバ１０２の取り回し性が更に向上でき、より好ましい。

【0082】

ここで、上記の実験結果からマルチモード光ファイバにおける光の伝搬について考察する。図１４は、マルチモード光ファイバにおける光の伝搬の様子を表す説明図である。図１４に示すように、コア部２０１と、クラッド部２０２と、被覆部２０３とを備えるマルチモード光ファイバに、レーザ光が入力されるとする。すると、入力されたレーザ光は結合する角度によって、マルチモード光ファイバ内における伝搬モードが決まる。まず、レーザ光Ｌ１は、コア部２０１に結合したコア部２０１を伝搬するコアモードの光である。一方、レーザ光Ｌ２は、クラッド部２０２に結合したクラッド部２０２を伝搬するクラッドモードの光である。これまで、マルチモード光ファイバに高強度の光を入射した場合に、マルチモード光ファイバが加熱、または、損傷する原因は、レーザ光Ｌ２のようなクラッドモードで伝搬する光であると考えられていた。

【0083】

しかしながら、本発明者らの実験結果のたとえば図６の結果は、マルチモード光ファイバが加熱、または、損傷する原因は、レーザ光Ｌ２のようなクラッドモードで伝搬する光だけではないことを示している。そこで、本発明者らは、上記の実験結果から、マルチモード光ファイバが加熱、または、損傷する原因は、レーザ光Ｌ３のようなコア部２０１に結合したコアモードの光であるが、高次のコアモードの光であると想定している。高次のコアモードの光は、曲げ損失が大きく、マルチモード光ファイバを曲げるとコア部２０１から容易に漏れ得る光である。

【0084】

レーザ光Ｌ３のような高次のコアモードの光は、マルチモード光ファイバをより小さい曲げ半径で曲げるほど、より次数の低いコアモードの光までコア部２０１から漏れると考えられる。したがって、第１曲げ半径Ｒ１と第２曲げ半径Ｒ２との関係について、Ｒ１≦Ｒ２が成り立つようにすることで、漏洩した高次のコアモードの光を光除去部で効果的に除去でき、かつ光除去部に放熱部を設けたことによって、除去した光のエネルギーを効果的に放熱処理することができる。このとき、たとえば、レーザ装置のある位置で許容曲げ半径Ｒ_ｍｉｎでマルチモード光ファイバを配置したい場合、マルチモード光ファイバを許容曲げ半径Ｒ_ｍｉｎで曲げる部分よりも入力側（励起レーザ側）に、許容曲げ半径Ｒ_ｍｉｎ以下の曲げ半径でマルチモード光ファイバを曲げ、かつ、マルチモード光ファイバが損傷しないよう放熱部を備えた光除去部を設けるようにしてもよい。

【0085】

以上説明したように、本実施の形態に係るレーザ装置１００は、マルチモード光ファイバを、所定の曲げ長さ、かつ、所定の第１曲げ半径で曲げる第１曲げ部と、第１曲げ部において被覆部の外側に形成されマルチモード光ファイバの熱を放熱する放熱部と、を備える光除去部と、光除去部と光合波器との間に配置され、マルチモード光ファイバを所定の第２曲げ半径で曲げる第２曲げ部と、を備え、マルチモード光ファイバの第１曲げ部よりマルチモード半導体レーザ側における最小の曲げ半径をＲ０、第１曲げ半径をＲ１、第２曲げ半径をＲ２、とすると、Ｒ１≦Ｒ２かつＲ１＜Ｒ０であることを特徴とする。

【0086】

なお、上述した実施の形態において、レーザ装置１００は、光合波器４０を希土類添加光ファイバ６０の前段に配置した前方励起型のレーザ装置として記載したが、本発明はこれに限られず、光合波器４０を希土類添加光ファイバ６０の後段に配置した後方励起型のレーザ装置、光合波器４０を希土類添加光ファイバ６０の前段、後段それぞれに配置した双方向励起型のレーザ装置、またレーザ発振部の後段にそのレーザ発振部から出力されるレーザ光を増幅するための光ファイバアンプとして、光合波器４０と希土類添加光ファイバ６０とを配置し、さらに光合波器４０とマルチモード光ファイバ３０で接続された励起レーザ部２０を設けた構成を有するＭＯＰＡタイプ等、各種の高出力なレーザ光を出力する光源と、そのレーザ光を入力するマルチモード光ファイバとを備えたレーザ装置に適用することができる。

【0087】

また、上述した実施の形態において、放熱体は板状部材であり、第１曲げ部は、板状の放熱体に形成された円形の溝により構成されているとしたが、本発明はこれに限られない。図１５は、変形例に係る励起レーザ部の放熱部の模式的な構成図である。図１５に示すように、放熱部３１１の放熱体３１１ａは、円筒状部材であり、第１曲げ部３１１ａａは、この円筒の外周により構成されており、マルチモード光ファイバ３０−１が円筒状の放熱体３１１ａの外周に巻き付けられる構成であってもよい。さらに、マルチモード光ファイバ３０−１は、放熱材３１１ｂにより第１曲げ部３１１ａａの外周に固定されている。なお、図１５においては、図の煩雑さを避けるため、マルチモード光ファイバ３０−１の１本のみを記載しているが、他のマルチモード光ファイバ３０−２、３０−３が放熱体３１１ａの外周に巻き付けられていてもよい。また、他のマルチモード光ファイバ３０−４〜１２は、他の円筒状の放熱体の外周に巻き付けられていてもよい。このように、第１曲げ部は、マルチモード光ファイバを曲げることができる構成であれば、特にその構造は限定されない。

【0088】

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0089】

以上のように、本発明に係るレーザ装置および光ファイバレーザは、高出力のレーザ光を用いる用途に有用である。

【符号の説明】

【0090】

１０ 基板
１１、３１１ 放熱部
１１ａ、３１１ａ 放熱体
１１ａａ 溝
１１ｂ、３１１ｂ 放熱材
２０ 励起レーザ部
２１−１〜１２、１０１ マルチモード半導体レーザ
３０、３０−１〜１２、１０２ マルチモード光ファイバ
３０ａ−１〜４、１０２ａ 光除去部
３０ａａ−１〜４、１０２ａａ，３１１ａａ 第１曲げ部
３０ｂ、１０２ｂ 第２曲げ部
４０ 光合波器
５０、７０ ダブルクラッド光ファイバ
５０ａ、７０ａ ＦＢＧ
６０ 希土類添加光ファイバ
８０ 融着接続部
９０ シングルモード光ファイバ
１００ レーザ装置
１０３ パワーメータ
２０１ コア部
２０２ クラッド部
２０３ 被覆部
Ｒ１ 第１曲げ半径
Ｒ２ 第２曲げ半径
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ レーザ光
ＬＯ レーザ発振部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】