ファイバーレーザー

ファイバーレーザーは、希土類添加ファイバーを媒質に用いたレーザーである。固体レーザーの一種であるが、媒質の形が大きく異なるため、一般的に Nd:YAG などのバルク型固体レーザーとファイバーレーザーは分けて考えられる。CW 発振とパルス発振のものがあり、前者は高出力で切断や溶接に使われることが多く、後者は低出力で微細加工やマーキングに使われることが多い。

図1にファイバーレーザーの基本構成図を示す。図1(a)レーザー利得媒質のみを光ファイバーにした空間結合素子を含むファブリ・ペロー型ファイバーレーザーの共振器構成である。図1(b)はミラーをファイバブラッググレーティング (FBG) に置き換えたものである。図1(c)はリング型ファイバーレーザーである。このように、ファイバーレーザーの構成要素は固体レーザーと同じであるが、バルク型の共振器構成素子をインライン素子で代用でき、素子数を少なくすることができる。従来のバルク型レーザ共振器においては共振器の調整が複雑で、レーザー発振器の作成には十分な経験と組み立て時間が必要であった。これに対して、ファイバーレーザーはモジュール化された光ファイバー(通信) 技術を用いることができ、素人でも簡易に安定なレーザー発振器の組み立てが可能となる。

図1：ファイバーレーザーの基本構成。(a) ファブリ・ペロー型共振器 (空間結合型)、(b) ファブリ・ペロー型共振器 (全ファイバ型)、(c) リング型共振器 (全ファイバ型)

ファイバーレーザーの実用化は、光通信帯 (1.5μm) におけるエルビウム (Er) 添加ファイバーレーザーが最初である。1985 年に改良型化学気相堆積法 (Modified Chemical Vapor Deposition 法:MCVD) により低損失なシリカガラスのシングルモードファイバーの作製が確立され111)、1987 年にシリカガラスファイバーの損失が最も小さい 1.54 μm 帯での低雑音な Er ファイバー増幅器 (Er-Doped Fiber Amplifier:EDFA) が開発されたことにより、光電変換を伴わずに光信号をそのまま増幅できるようになった。EDFA の開発により光通信市場が活性化し、900nm 帯の InGaAs 系 LD の普及と高性能化と共に光ファイバーレーザー増幅器の研究開発が急速に進んだ。

光通信以外の応用に用いられる高出力型のファイバーレーザーは Nd 添加ファ イバーレーザー (Nd ファイバーレーザー) が最初である。1988 年にこれまでのコア励起の概念を打ち破るクラッド励起の Nd ファイバーレーザーが登場したことで、CW のファイバーレーザーの出力は飛躍的に増大した。1999 年にはクラッド励起 Nd ファイバーで CW・100W、2002 年には 1kW を達成した。 そして現在は、Nd 添加媒質より優れた特性を持つ高出力レーザーとしてイッテルビウム (Yb) を添加した Yb 添加ファイバーレーザー (Yb ファイバーレーザー) が盛んに研究されている。Yb 添加ファイバーレーザーは 1030~1100nm で発振する。2005 年には Yb 添加シングルモードファイバーレーザーで CW・ 2kW、2008 年には CW・6kW、2009 年には CW・10kW(市販製品で は 2kW)、マルチモードで 50kW が達成されている。Yb 添加シングルモードファイバーレーザーの CW 出力の時系列を図2に示す。

ファイバーレーザーはビーム品質が非常に優れているため、切断加工、マーキングやリモート溶接などの産業用途において、他のレーザーに取って代わりつつある。また、2μm 帯ではツリウム (Tm) 添加ファイバーレーザー (Tm ファイバーレーザー)の研究が進められている。Tm 添加ファイバーレーザーはアイセーフ波長領域で動作するため、医療機器への応用や特殊な加工の応用が検討されている。