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ファイバーレーザーとは

ファイバレーザーは特殊なファイバに光を通すことで、特定の波長の光を増幅し、発振する事が出来るレーザーです。
この記事では、ファイバーレーザーの一般的な知識に関して解説します。

     
  1. ファイバーレーザーの原理
  2.  
  3. ファイバーレーザーの特長
  4.  
  5. ファイバーレーザーのアプリケーション
  6.  
  7. ファイバレーザーレーザーの仕組み
  8.  
  9. ファイバレーザーの構成
  10.  
  11. ファイバレーザーで使用されるアクティブファイバの種類

1.ファイバーレーザーの原理

ファイバーレーザーはファイバーを増幅媒体としたレーザーです。
ファイバーレーザーには、通常のInner cladの中心部に希土類をドープしたコア(Active (doped) fiber core)を形成したファイバーを使用します。
励起光はOuter clad とInner cladの境界で全反射しながら進んでいき、その過程で中央に形成したActive (doped) fiber coreを通る事でレーザー光が発生します。
励起光はコアにドープされた希土類を通過することで減衰していきますが、レーザー光はActive (doped) fiber coreの中を全反射しながらさらに励起を繰り返し、増強されていきます。

ファイバーレーザー原理1

ドープされる希土類には、エルビウム、イッテルビウム、ツリウムのなどがあり、希土類によって出力されるレーザーの波長が決まります。

主な希土類元素の特性

  
希土類ポンピング波長(※1)発光波長
イッテルビウム(Yb3+)976nm 1030~1100nm
エルビウム(Er3+)915nm 1500mm

 ※1:ポンピング波長:ファイバーレーザーに入力する励起光の波長

図 1:エネルギー準位とアクティブファイバにおける吸収/発光スペクトル(右:Yb3+)
吸収と発光の特性により、Yb3+は1030~1100nmの範囲において代表的な発光領域があります。波長に関してはイオン反転分布に応じて変化します。

2.ファイバーレーザーの特長

一般的にファイバレーザーには以下の特徴があります。

  1. 波長選択性
      Active(doped)fiber coreにドープする希土類元素の種類によって出力波長を選択できる。
      (例:イッテルビウム:1030nm~1100nm エルビウム:1500nm)
      ※推奨される励起光も希土類元素の種類によって異なります。 
  2. 高安定性
      ファイバ中のFBGによって反射・増幅を行うので調整が不要をしなくても安定した出力が得られる
      (共振器構成のみ)
  3. 高効率
      一般的な固体レーザー(YAG:3%)と比べて効率が高い(ファイバーレーザー:30%)

3.ファイバーレーザーのアプリケーション

前述の特長から以下のような幅広いアプリケーションで使用されています。

  • 微細加工
  • 溶接・切断
  • 光通信
  • 医療(レーザー治療など)
  • インフラ診断
LD電源ページ

4.ファイバレーザーの構成

ファイバレーザーには2つの構成があります。

(1)レーザー共振器構成

LDから発振された光(励起光)がファイバ内の希土類を通過することで反転分布状態が作り出され、発光が起こります。
さらに発光した光が励起光となり、FBGによってファイバを往復する事で増幅されます。
そして、閾値を超えるとレーザーとして発振されます。
CW発振や高出力が必要な場合に使われる構成です。

ファイバーレーザー原理2

図2:レーザー共振器構成におけるファイバレーザー

(2)MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)構成

MOPA構成は共振器構成のように光は往復せず、Active(doped)fiber coreに入力したシーダー信号を一度だけ増幅します。
よって、高出力が必要な場合は増幅器を複数用意し何段階かに分けて増幅する必要があります。
MOPA構成はシーダ―信号をパルスジェネレータでコントロールする事が出来るため、パルス発振が必要なレーザーマイクロ加工などで使用されます。

ファイバーレーザー原理3

図3:MOPA構成におけるファイバレーザー(一段階増幅の場合)

5.アクティブファイバの種類

ファイバレーザーにおいて2種類のアクティブファイバが一般的に利用されています。

(1)シングルクラッド/シングルモードファイバ

シングルクラッド/シングルモードファイバはLDのポンピングパワーが、通常<1Wの時使用されます。
(LDにカップリングされているシングルモードファイバに互換性があるとき)

ファイバーレーザー原理4

(2)ダブルクラッド/マルチモードファイバ

レーザーダイオードのポンピングパワーが通常1Wを超える場合に使用されます。

ファイバーレーザー原理5

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6.まとめ

  • ファイバレーザーは光を増幅するファイバがカップリングされたレーザーで固体レーザーよりも効率的
  • ファイバには希土類イオンが添加されており、種類によって発振する波長が変わる
  • ファイバレーザーは様々用途で使用されている
  • ファイバをポンピング方法によりファイバ共振器構成とMOPA構成が存在する
  • LDのポンピングパワーによって、シングルモードかマルチモードかを選ぶ必要がある。

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パルス幅500psからCW(連続波)の調整が可能なパルスジェネレータです。

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