CN107533193A - 光纤设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供能够满足所希望的输出功率、传播距离和光束质量的要求条件的光束传播方法和设计光纤结构的光纤设计方法。本发明基于所希望的规格值，计算有效芯断面面积Aeff，通过适当地调整满足上述条件的光纤结构和传播的模数，确定光纤的结构。通过在使激光与以上述方式设计的光纤结合时控制高阶模式的激励比例，能够使高输出激光器的光保持光束质量来进行长距离传播。

Description

光纤设计方法
技术领域
本发明涉及一种高输出且高质量地传播光的光纤的设计方法。
背景技术
现在，在利用光纤激光器进行的激光加工的领域中使用的光纤具有单模和多模两种。在用于激光加工的单模光纤中一般来说基准是作为光束质量尺度的M2的值在2以下。因此，由于与多模光纤相比，利用单模光纤来传播光纤激光器的射出光的一方，光束质量良好，所以加工上的优点多。但是，输出功率和能够传播的距离因非线性光学现象、特别是受激拉曼散射(SRS：Stimulated Raman Scattering)而被限制，例如传播1kW以上的光波时，能够传播的距离限制为数米。因此，有时利用多模光纤将光纤激光器的输出功率从数十米传播到数百米而用于激光加工。但是，在多模光纤激光器中，光束质量和作为其尺度的M2的值必然比单模的光纤激光器劣化。
并且，如非专利文献1所示，在单模光纤激光器中，虽然实现了能够得到10kW程度的输出，但是其传送用光纤(输送光纤)的长度被限制为数十米。这是因为为了在单模光纤中抑制所述SRS，需要如后所述扩大有效芯断面面积(Aeff)，但是为了同时实现弯曲损失的增加与交替，从而实现更大的Aeff，需要将传送用光纤的外径扩大为mm等级。由此，如果外径变粗，则存在如下问题：光纤失去可挠性，使光纤难以弯曲，从而容易发生断裂和破损，不适合于长距离的传送。
综上所述，在现有技术中，利用单模光纤和光纤激光器将kW级的高功率光从数十米传播至数百米是非常困难的。
为了解决上述问题，有效的是扩大作为光纤参数之一的有效芯断面面积Aeff(一般来说与模场直径的二次方成正比)，例如，研究了从非专利文献2至5记载的各种折射率分布的单模光纤的设计。
但是，虽然现有技术文献中提出的光纤规定了Aeff的值，但是未明确相对于输出功率能够使用的传播距离等，并且未明确是否能够将kW级的高功率光传播数十米～数百米。此外，对于考虑该光纤设计的流程和实用性的光纤外径的范围等也没有明确。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：市毛等.，“具有低弯曲损失且大的有效芯断面面积的全固光子带隙光纤”，日本电子信息通信工程师协会大会，B-13-23，2012.
非专利文献2：W.S.Wong et al.，“Breaking the limit of maximum effectivearea for robust single-mode propagation in optical fibers”，Opt.Lett.，vol.30，no.21，pp.2855-2857，2005.
非专利文献3：M.Napeirala et al.，“Extremely large-mode-area photoniccrystal fibre with low bending loss”，Opt.Express，vol.18，no.15，pp.15408-15418，2010.
非专利文献4：M.Kashiwagi et al.，“Effectively single-mode all-solidphotonic bandgap fiber with large effective area and low bending loss forcompact high-power all-fiber lasers”，Opt.Express，vol.20，no.14，pp.15061-15070，2012.
非专利文献5：M.C.Swan et al.，“33μm Core effectively single-modechirally-coupled-core fiber laser at 1064-nm”，OFC2008，OWU2，2008.
非专利文献6：H.Yoda et al.，“Beam quality factor of higher order modesin a step-index fiber”，J.Lightwave Technol.，vol.24，no.3，pp.1350-1355，2006.
非专利文献7：G.P.Agrawal，“Nonlinear Fiber Optics”，ACADEMIC PRESS.
非专利文献8：F.A.Oguama et al.，“Simultaneous measurement of the Ramangain coefficient and the nonlinear refractive index of optical fibers：theoryand experiment”，J.Opt.Soc.Am.B，vol.22，no.2，pp.426-436，2005.
非专利文献9：Kunimasa Saitoh，Masanori Koshiba，“Full-vectorial finiteelement beam propagation method with perfectly matched layers for anisotropicoptical waveguides”，IEEE J.Lightwave technol.，vol.19，no.3，pp.405-413，2001.
非专利文献10：Kunimasa Saitoh，Masanori Koshiba，“Emprical relations forsimple design of photonic crystal fibers”，Optical Society of America，OpticsExpress，10 January 2005，Vol.13，No.1，pp.267-274.
如上所述，相对于在以往的研究例中要求的输出功率、传播距离和光束质量的要求条件，未明确能够满足上述条件的光纤的结构。
发明内容
本发明的目的在于提供能够满足所希望的输出功率、传播距离和光束质量的要求条件的光纤及设计该光纤的光纤设计方法。
为了达成所述目的，根据光纤的所希望规格计算Aeff并暂时确定光纤结构，并且考虑基本模式和高阶模式的弯曲损失值的关系，对光纤结构进行修正。
具体地说，本发明的光纤设计方法进行如下步骤：规格值确定步骤，确定使用的光子晶体光纤(PCF)的光纤损失和拉曼增益系数、传播的光的使用波长、所述PCF传播后的光束质量M2、激光输出值、传播距离和最小弯曲半径；最多传播模数计算步骤，利用公式1来计算能够传播的最多传播模数n；有效芯断面面积计算步骤，利用公式2并根据光纤损失和拉曼增益系数来计算有效芯断面面积Aeff；光纤结构计算步骤，计算满足所述Aeff的PCF的空孔的直径d和间隔Λ；弯曲损失计算步骤，在由所述光纤结构计算步骤计算的结构的PCF中计算最小弯曲半径的弯曲损失，并且根据所述传播距离来计算传播长度的弯曲损失；确认步骤，确认所述传播长度的弯曲损失小于规定值，确定由所述光纤结构计算步骤计算的PCF的结构；以及模式增加步骤，在所述确认步骤中所述传播长度的弯曲损失在规定值以上时，使模数增加1，直到模数达到最多传播模数n为止，反复进行所述光纤结构计算步骤、所述弯曲损失计算步骤和所述确认步骤。
将在后面对公式1和公式2进行说明。
本发明的光纤设计方法根据要求条件计算光纤的必要Aeff，暂时设定满足上述条件的光子晶体光纤(PCF：Photonic Crystal Fiber)的结构，并且以弯曲损失小于规定值的方式对PCF的结构进行微调整。
此外，能够以如下方法确定光纤结构。
即，本发明的光纤设计方法进行如下步骤：规格值确定步骤，确定使用的光子晶体光纤(PCF)的光纤损失和拉曼增益系数、传播的光的使用波长、所述PCF传播后的光束质量M2、激光输出值、传播距离和最小弯曲半径；最多传播模数计算步骤，利用公式1来计算能够传播的最多传播模数n；有效芯断面面积计算步骤，利用公式2并根据光纤损失和拉曼增益系数来计算有效芯断面面积Aeff；光纤结构计算步骤，计算在所述Aeff以上的PCF的空孔的直径d和间隔Λ，并且在横轴为d/Λ、纵轴为Λ的坐标图中描绘所述Aeff以上的点；弯曲损失计算步骤，根据PCF的空孔的直径d和间隔Λ，计算所述PCF中截止的最小的高阶模式的最小弯曲半径的弯曲损失，并且在横轴为d/Λ、纵轴为Λ的坐标图中描绘所述弯曲损失在1dB/m以上的点；以及结构确定步骤，检测在所述光纤结构计算步骤中在坐标图中描绘的点的区域和在所述弯曲损失计算步骤中在坐标图中描绘的点的区域重复的重复范围，确定具有位于所述重复范围内的直径d和间隔Λ的空孔的PCF结构。
将在后面对公式1和公式2进行说明。
在PCF的设计中，通过具有在横轴为d/Λ、纵轴为Λ的坐标图上在所希望值以上的Aeff的区域和所希望的高阶模式的截止区域的重复区域内的直径d和间隔Λ的空孔的PCF结构，能够选定可以使所希望的高阶模式以上的模式充分截止且Aeff大的区域。
因此，本发明提供能够满足所希望的输出功率、传播距离和光束质量的要求条件的光纤设计方法。
由上述光纤设计方法设计的PCF的一例。
该PCF是沿光的传播方向直径d的空孔以间隔Λ排列的1单元(cell)结构，所述PCF的特征在于，坐标(d/Λ，Λ)时，具有位于由将
A1(0.42，16.88)
B(0.42，10.94)
C1(0.60，15.63)
C2(0.69，31.88)
D(0.74，43.12)
E(0.75，44.38)
C3(0.76，47.81)
F(0.81，60.63)
G(0.85，60.63)
H(0.85，77.50)
I(0.90，91.88)
作为顶点的多边形包围的区域内的直径d和间隔Λ的空孔。
能够使第一高阶模式以上充分截止，并且能够尽可能地使Aeff变大。
由上述光纤设计方法设计的PCF的一例。
该PCF是沿光的传播方向直径d的空孔以间隔Λ排列的1单元结构，所述PCF的特征在于，坐标(d/Λ，Λ)时，具有位于由将
A1(0.42，16.88)
B(0.42，10.94)
C1(0.75，15.00)
D1(0.75，20.00)
C2(0.78，35.00)
D2(0.80，35.93)
E(0.80，45.63)
F(0.83，51.56)
C3(0.90，54.38)
I(0.90，91.88)
作为顶点的多边形包围的区域内的直径d和间隔Λ的空孔。
能够使第三高阶模式以上充分截止，并且能够尽可能地使Aeff变大。
由上述光纤设计方法设计的PCF的其他例。
该PCF是沿光的传播方向直径d的空孔以间隔Λ排列的1单元结构，所述PCF的特征在于，坐标(d/Λ，Λ)时，具有位于由将
A1(0.42，16.88)
B(0.42，10.94)
C(0.75，14.24)
D(0.75，12.10)
E(0.79，20.00)
F(0.85，30.00)
G(0.85，41.58)
H(0.89，50.00)
I(0.89，58.95)
J(0.90，60.0)
K(0.90，91.88)
作为顶点的多边形包围的区域内的直径d和间隔Λ的空孔。
能够使第四高阶模式以上充分截止，并且能够尽可能地使Aeff变大。
由上述光纤设计方法设计的PCF的其他例。
该PCF是沿光的传播方向直径d的空孔以间隔Λ排列的7单元结构，所述PCF的特征在于，坐标(d/Λ，Λ)时，具有位于由将
A1(0.20，10.98)
B(0.20，4.95)
C1(0.25，5.27)
D(0.29，9.87)
E(0.40，12.25)
F(0.40，13.52)
G(0.49，14.15)
H(0.49，15.74)
I(0.50，18.12)
J(0.58，18.12)
K(0.58，19.86)
C3(0.60，20.34)
L(0.60，23.03)
M(0.68，23.99)
N(0.68，31.60)
O(0.79，48.73)
P(0.80，50.00)
作为顶点的多边形包围的区域内的直径d和间隔Λ的空孔。
能够使第一高阶模式以上充分截止，并且能够尽可能地使Aeff变大。
由上述光纤设计方法设计的PCF的其他例。
该PCF是沿光的传播方向直径d的空孔以间隔Λ排列的7单元结构，所述PCF的特征在于，坐标(d/Λ，Λ)时，具有位于由将
A1(0.20，10.98)
B(0.20，5.11)
C1(0.40，5.90)
D(0.40，10.03)
E(0.50，11.93)
F(0.50，14.47)
C3(0.60，20.18)
G(0.69，22.08)
H(0.68，23.67，)
I(0.70，24.30)
J(0.70，32.87)
K(0.80，50.00)
作为顶点的多边形包围的区域内的直径d和间隔Λ的空孔。
能够使第三高阶模式以上充分截止，并且能够尽可能地使Aeff变大。
由上述光纤设计方法设计的PCF的其他例。
该PCF是沿光的传播方向直径d的空孔以间隔Λ排列的7单元结构，所述PCF的特征在于，坐标(d/Λ，Λ)时，具有位于由将
A1(0.20，10.98)
B(0.20，5.11)
C(0.50，6.23)
D(0.50，10.00)
E(0.60，15.18)
F(0.60，17.76)
G(0.65，20.12)
H(0.70，20.35)
I(0.79，25.06)
J(0.79，29.53)
K(0.78，29.76)
L(0.78，38.29)
M(0.80，40.12)
N(0.80，50.00)
作为顶点的多边形包围的区域内的直径d和间隔Λ的空孔。
能够使第四高阶模式以上充分截止，并且能够尽可能地使Aeff变大。
对使用上述PCF的光束传播方法进行说明。
本光束传播方法将来自激光器的1kW以上的光传播10m以上并从输出端输出，所述光束传播方法的特征在于，由在所述光的波长上传播模数为2的双模光纤连接从所述激光器到所述输出端，使所述双模光纤的第一高阶模式的激励比例为50％以下来传播光。
与单模光纤相比，双模光纤的Aeff大。因此，由于能够抑制SRS，所以能够使高输出的光的传输距离延长。此外，由于能够通过激光和光纤的光轴，调整双模光纤的第一高阶模式的激励比例，所以能够以所希望的光束质量传输高输出的光。
具体地说，本发明的光束传播方法将来自激光器的1kW以上的光传播10m以上并从输出端输出，所述光束传播方法的特征在于，由在所述光的波长上传播模数为4以下的四模光纤连接从所述激光器到所述输出端，使所述四模光纤的第三高阶模式的激励比例为30％以下来传播光。
由于与单模光纤相比，四模光纤的Aeff大。因此，由于能够抑制SRS，所以能够使高输出的光的传输距离延长。此外，由于能够通过激光和光纤的光轴，降低四模光纤的第一高阶模式和第二高阶模式的激励比例，并且能够通过光纤的模场直径和与光纤耦合的光的光斑尺寸，调整第三高阶模式的激励比例，所以能够以所希望的光束质量来传输高输出的光。
因此，通过由本发明的光纤设计方法设计的PCF，能够实现能够满足所希望的输出功率、传播距离和光束质量的要求条件的光束传播方法。
本发明能够提供能够满足所希望的输出功率、传播距离和光束质量的要求条件的光纤及设计该光纤的光纤设计方法。
附图说明
图1是表示光纤的导波模式的例子的图。
图2是说明相对于从LP01向LP11的轴偏移的激励效率的图。
图3是表示光纤的MFD差与从基本模式到第三高阶模式被激励的效率的例子的图。
图4是表示1单元结构的PCF断面的例子的图。
图5是说明1单元结构的PCF中以基本模式传播波长1070nm的光时弯曲损失满足0.1dB/m以下的d/Λ、Λ与Aeff的关系的图。
图6是说明1单元结构的PCF中波长1070nm的光的第一高阶(LP11)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图7是说明1单元结构的PCF中波长1070nm的光的第二高阶(LP21)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图8是说明1单元结构的PCF中波长1070nm的光的第三高阶(LP02)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图9是说明1单元结构的PCF中波长1070nm的光的第四高阶(LP31)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图10是说明1单元结构的PCF的基本模式弯曲损失的1050nm和1070nm的结构依存性的图。
图11是表示7单元结构的PCF断面的例子的图。
图12是说明7单元结构的PCF中以基本模式传播波长1070nm的光时弯曲损失满足0.1dB/m以下的d/Λ、Λ与Aeff的关系的图。
图13是说明7单元结构的PCF中波长1070nm的光的第一高阶(LP11)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图14是说明7单元结构的PCF中波长1070nm的光的第二高阶(LP21)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图15是说明7单元结构的PCF中波长1070nm的光的第三高阶(LP02)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图16是说明7单元结构的PCF中波长1070nm的光的第四高阶(LP31)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图17是说明7单元结构的PCF的基本模式弯曲损失的1050nm和1070nm的结构依存性的图。
图18是说明本发明的光纤设计方法的流程图。
图19是说明1单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时满足(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数在4以下的d/Λ、Λ与Aeff(160μm2以上)的关系的图。斜线所示的区域是能够进行100W输出且传输300m的区域。
图20是说明1单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时满足(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数在4以下的d/Λ、Λ与Aeff(800μm2以上)的关系的图。斜线所示的区域是能够进行500W输出且传输300m的区域。
图21是说明1单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时满足(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数在4以下的d/Λ、Λ与Aeff(1600μm2以上)的关系的图。斜线所示的区域是能够进行1000W输出且传输300m的区域。
图22是说明1单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时满足(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数在4以下的d/Λ、Λ与Aeff(3200μm2以上)的关系的图。斜线所示的区域是能够进行600kWm传输的区域。不存在满足条件(a)和(b)的区域。
图23是说明7单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时满足(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数在4以下的d/Λ、Λ与Aeff(160μm2以上)的关系的图。斜线所示的区域是能够进行100W输出且传输300m的区域。
图24是说明7单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时满足(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数在4以下的d/Λ、Λ与Aeff(800μm2以上)的关系的图。斜线所示的区域是能够进行500W输出且传输300m的区域。
图25是说明7单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时满足(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数在4以下的d/Λ、Λ与Aeff(1600μm2以上)的关系的图。斜线所示的区域是能够进行1000W输出且传输300m的区域。
图26是说明7单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时满足(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数在4以下的d/Λ、Λ与Aeff(3200μm2以上)的关系的图。斜线所示的区域是能够进行2000W输出且传输300m的区域。
图27是说明7单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时满足(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数在4以下的d/Λ、Λ与Aeff(4800μm2以上)的关系的图。斜线所示的区域是能够进行3000W输出且传输300m的区域。
图28是表示1单元结构的PCF断面的其他例子的图。
图29是说明1单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时弯曲损失满足0.1dB/m以下的d/Λ、Λ与Aeff的关系的图。
图30是说明1单元结构的PCF中波长1070nm的光的第一高阶(LP11)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图31是说明1单元结构的PCF中波长1070nm的光的第二高阶(LP21)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图32是说明1单元结构的PCF中波长1070nm的光的第三高阶(LP02)模式的弯曲损失成为1dB/m以上的区域(截止的区域)的图。
图33是说明1单元结构的PCF中传播波长1070nm的光时满足M2≤2.0的d/Λ与Λ的关系的图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明并不限定于以下的实施方式。另外，本说明书和附图中附图标记相同的结构要素表示相互相同的结构要素。
(实施方式1)
本发明的特征在于通过扩大Aeff来实现输出功率的提高和传输距离的延长化。本发明与现有技术较大的不同点在于光纤能够传播多种模式的结构。本发明能够充分降低高阶模式在输入部被激励的效率，明确能够使M2成为足够小的值的区域，并且能够使Aeff成为以往不能实现的值。
在此，首先作为光束质量指标的M2值如下所示。在本发明的实施方式中，以图1所示的各导波模式为基础进行说明。
在非专利文献6中披露了光纤的各导波模式的M2值在基本模式为1.1，在第一高阶模式为3.3，在第二高阶模式为3.3，在第三高阶模式为3.1。此外，披露了在基本模式和第一高阶模式混在时，M2值根据第一高阶模式的激励比例和基本模式的相位关系而变化，并且可以看出如果第一高阶模式的激励比例小于大约50％，则M2值在2.0以下。
本实施方式的第一光束传播方法将来自激光器的1kW以上的光传播10m以上并从输出端输出，第一光束传播方法的特征在于，由在所述光的波长上传播模数为2的双模光纤连接从所述激光器到所述输出端，将所述双模光纤的第一高阶模式的激励比例作为50％以下来传播光。
第一高阶模式的激励比例一般来说根据向光纤输入光时自光纤中心的轴偏移量而变化。并且，以与现有的光输入输出相关的调整(光轴调心)技术，能够充分地实现将第一高阶模式的激励比例降低至50％以下。
因此，如果使第二高阶模式截止，而使用仅存在基本模式和第一高阶模式的双模光纤，则通过适当地控制激励比例，能够进行在以往的多模光纤中不能实现的M2值在2.0以下的高质量的光束传输，并且能够进行大幅度超过在以往的单模光纤中不能实现的Aeff的光纤设计。此外，仅存在基本模式和第一高阶模式的双模光纤的M2值的最差值是3.3，与多模光纤相比，能够进行能够实施较高质量的光束传播的光纤设计。
另外，双模光纤的M2值的最差值的依据是非专利文献6的图4。该图中表示了LP01(基本模式)和LP11模式(第一高阶模式)混在时的相对于LP11模式的激励比例的M2，α(LP11模式的激励比例)为1.0时M2为3.3。并且，只要不是有意图地激励LP11模式，则不会100％激励LP11模式，所以双模光纤的M2值的最差值是3.3。
本实施方式的第二的光束传播方法将来自激光器的1kW以上的光传播10m以上并从输出端输出，所述光束传播方法的特征在于，由在所述光的波长中传播模数为4的四模光纤连接从所述激光器到所述输出端，将所述四模光纤的第三高阶模式的激励比例作为30％以下来传播光。
在非专利文献6中还记载了基本模式和第三高阶模式混在时的M2值，可以看出如果第三高阶模式的激励比例小于大约30％，则M2值在2以下。基本模式和第三高阶模式是在光纤中心具有电场的峰值的模式，依存于输入模场直径(MFD1)的光纤的光的光斑尺寸(MFD2)，其耦合效率变化。图3是表示将纵轴作为激励第三高阶模式的效率、将横轴作为输入光纤的MFD差((MFD2-MFD1)/MFD1)，相对于MFD差的激励第三高阶模式的效率(第三高阶模式的发生率)的关系的图。
参照图3，如果将MFD差抑制在20％以内、或输入比光纤的MFD1大的光斑尺寸的光束，则能够将第三高阶模式的发生降低至大约30％以下，可以使M2值在2以下。具体地说，由于根据光纤之间的距离(相当于输入光与四模光纤的基本模式的光束直径的差)发生第三高阶模式，所以调整光纤激光和四模光纤的距离。另外，第一高阶模式和第二高阶模式是因光纤激光和光纤的轴偏移而发生的高阶模式，能够根据第一高阶模式的轴偏移和激励量的结果来充分地进行抑制。
如上所述，利用将第四高阶模式截止的四模光纤，以上述方式适当地控制激励比例，能够进行可以实施M2值为2.0以下的高质量的光束传播的光纤设计。此外，由于四模光纤的M2值的最差值是3.3，所以能够进行可以实施实现M2值最差在3.3以下的较高质量的光束传播的光纤设计。
另外，双模光纤的M2值的最差值的依据是非专利文献6的图6。在该图中表示了LP01(基本模式)和LP02模式(第三高阶模式)混在时的相对于LP02模式的激励比例的M2，α(LP02模式的激励比例)是0.9时M2是3.3。因此，四模光纤的M2值的最差值是3.3。
在仅单模的传播中，Aeff的扩大具有界限，但是像在本实施方式中说明的光束传播方法那样，通过使用双模光纤或四模光纤，容许多种模式的传播而使设计范围变大，可以实现以往不能实现的Aeff。因此，通过使用本实施方式的光束传播方法，能够进行满足所希望的输出功率、传播距离和光束质量的要求条件的光的传播。
(实施方式2)
本实施方式涉及用于在具有图4所示的空孔2的1单元芯结构的PCF中实现有效芯断面面积Aeff的扩大和既定的弯曲损失αb的结构参数(空孔2的直径d和空孔2的间隔Λ)的设计方法。在本实施例中，说明了规定基本模式的最小弯曲半径和高阶模式的有效截止的弯曲半径为140mm，但是本方法并不限定于此。
本设计方法进行如下步骤：规格值确定步骤，确定使用的光子晶体光纤(PCF)的光纤损失和拉曼增益系数、传播的光的使用波长、所述PCF传播后的光束质量M2、激光输出值、传播距离和最小弯曲半径；最多传播模数计算步骤，利用公式1来计算能够传播的最多传播模数n；有效芯断面面积计算步骤，利用公式2并根据光纤损失和拉曼增益系数来计算有效芯断面面积Aeff；光纤结构计算步骤，计算成为所述Aeff以上的PCF的空孔的直径d和间隔Λ，并且在横轴为d/Λ、纵轴为Λ的坐标图中描绘成为所述Aeff以上的点；弯曲损失计算步骤，根据PCF的空孔的直径d和间隔Λ，计算在该PCF中截止的最小的高阶模式的最小弯曲半径的弯曲损失，并且在横轴为d/Λ、纵轴为Λ的坐标图中描绘该弯曲损失在1dB/m以上的点；以及结构确定步骤，检测在所述光纤结构计算步骤中在坐标图中描绘的点的区域和在所述弯曲损失计算步骤中在坐标图中描绘的点的区域重复的重复范围，确定具有所述重复范围内具有的直径d和间隔Λ的空孔的PCF结构。
将在后面对公式1和公式2进行说明。
如图4所示，本实施例的光纤是1单元结构的光子晶体光纤(PCF：PhotonicCrystal Fiber)，具有芯部和包围芯部的覆盖部，芯部和覆盖部由具有均匀的光折射率的介质构成，并且在覆盖部中沿长边方向形成有多个均匀的空孔2。另外，本发明的1单元结构是指仅将由排列成三角格子状的空孔形成的光子晶体的中心部分的空孔作为石英的、具有一个下陷的光子晶体的结构。
图5是表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ，在波长1070nm的光中，弯曲半径140mm的基本模式的弯曲损失在1.0dB/m以下的区域的PCF的Aeff范围的图。基本模式的弯曲半径和弯曲损失值并不限定于本发明的定义和规定值，能够根据必要的特性来确定设计中使用的参数。利用以下公式得出Aeff。
[公式3]
其中，E是光的电场，x、y分别是光纤断面(假设x、y平面)内的坐标。
图6是表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ，在波长1070nm的光中，1单元结构PCF的弯曲半径140mm的第一高阶模式的弯曲损失的图。图中的描绘范围表示第一高阶模式的弯曲损失在1dB/m以上的范围(成为截止的范围)。通过设定为图5所示范围和图6所示范围重复的d/Λ和Λ，能够选定第一高阶模式以上充分截止且Aeff大的区域。例如，坐标(d/Λ，Λ)时，设定为由将
A(0.42，16)
B(0.42，10)
C(0.53，10)
D(0.80，56)
的4点作为顶点的多边形包围的区域内的d和Λ。
进一步具体地说，如果图6中d/Λ为0.724，Λ为45μm程度，则可以看出：Aeff为1400μm2，第一高阶模式的弯曲损失在40dB/m以上，有效地成为单模的结构。
图7是表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ，在波长1070nm的光中，1单元结构PCF的弯曲半径140mm的第二高阶模式的弯曲损失(1dB/m以上)的图。通过设定为图5所示范围和图7所示范围重复的d/Λ和Λ，能够选定第二高阶模式以上充分截止且Aeff大的区域。例如，坐标(d/Λ，Λ)时，设定为由将
A(0.42，16)
B(0.42，10)
C(0.76，10)
D(0.80，56)
的4点作为顶点的多边形包围的区域内的d和Λ。
此外，图8表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ，在波长1070nm的光中，1单元结构PCF的弯曲半径140mm的第三高阶模式的弯曲损失(1dB/m以上)的图。通过设定为图5所示范围和图8所示范围重复的d/Λ和Λ，能够选定第三高阶模式以上充分截止且Aeff大的区域。例如，坐标(d/Λ，Λ)时，设定为由将
A(0.42，16)
B(0.42，10)
C(0.76，10)
D(0.80，56)
的4点作为顶点的多边形包围的区域内的d和Λ。
此外，图9表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ，在波长1070nm的光中，1单元结构PCF的弯曲半径140mm的第四高阶模式的弯曲损失(1dB/m以上)的图。通过设定为图5所示范围和图9所示范围重复的d/Λ和Λ，能够选定第四高阶模式以上充分截止且Aeff大的区域。例如，坐标(d/Λ，Λ)时，设定为由将
A(0.42，16)
B(0.42，10)
C(0.76，10)
D(0.80，56)
的4点作为顶点的多边形包围的区域内的d和Λ。
如上所述，通过设定为图5所示范围和图7、图8或图9所示范围重复的d/Λ和Λ，能够选定第二高阶模式以上、第三高阶模式以上或第四高阶模式以上充分截止且Aeff大的区域。
图10表示1单元结构的PCF的弯曲损失的波长依存性。图中的实线(白色圆圈)表示波长1050nm、虚线(黑色圆圈)表示波长1070nm的值的基本模式弯曲损失的空孔间隔Λ依存性，图中的括号内的值表示各Λ的d/Λ的值。一般来说公知的是，PCF与传输波长无关，Aeff是大体相同的值，波长越短、弯曲损失越大。参照图10，表示了如下情况：本设计所示的结构在波长1050nm中任意一种结构都能够实现基本模式的弯曲损失在0.1dB/m以下，在波长1050nm以上本设计有效。
(实施方式3)
本实施方式涉及用于在具有图11所示的多个空孔2的7单元芯结构的PCF中实现Aeff的扩大和既定的弯曲损失αb的结构参数(空孔2的直径d和空孔2的间隔Λ)的设计方法。本设计方法也利用实施方式2中说明的设计方法。
如图11所示，本实施例的光纤是7单元结构的PCF，具有芯部和包围芯部的覆盖部，芯部和覆盖部由具有均匀的光折射率的介质构成，并且在覆盖部中沿长边方向形成有多个均匀的空孔2。另外，本发明的7单元结构是指将由排列成三角格子状的空孔形成的光子晶体的中心部分的一个空孔及其周围的六个空孔作为石英的、具有7个下陷的光子晶体的结构。
图12是表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ，弯曲半径140mm的基本模式的弯曲损失在1.0dB/m以下的区域的Aeff的图。由于本实施例的PCF是7单元结构，所以与实施例1的1单元结构的三层结构相比，优点在于能够在Aeff成为1000μm2以上的区域使光纤半径缩小。在三层的1单元结构中，为了实现Aeff为1000μm2，需要使覆盖直径为500μm，而在四层的7单元结构中能够以外径200μm程度实现。基本模式的弯曲损失值、截止的定义，并不限于本发明的定义和规定值，能够根据必要的特性来确定设计中使用的参数。
图13是表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ，在波长1070nm的光中，7单元结构PCF的弯曲半径140mm的第一高阶(LP11)模式的弯曲损失的图。图中的描绘范围表示第一高阶模式的弯曲损失在1dB/m以上的范围(成为截止的范围)。通过设定为图12所示范围和图13所示范围重复的d/Λ和Λ，能够选定第一高阶模式以上充分截止且Aeff大的区域。例如，坐标(d/Λ，Λ)时，设定为由将
A(0.20，7.80)
B(0.34，10.82)
C(0.78，48.42)
的3点作为顶点的三角形包围的区域内的d/Λ和Λ。
进一步具体地说，如果d/Λ为0.68，Λ为40μm程度，则可以看出：Aeff为5700μm2，第一高阶模式的弯曲损失在20dB/m以上，有效地成为单模的结构。
图14是表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ，在波长1070nm的光中，7单元结构PCF的弯曲半径140mm的第二高阶模式的弯曲损失(1dB/m以上)的图。通过设定为图12所示范围和图14所示范围重复的d/Λ和Λ，能够选定第二高阶模式以上充分截止且Aeff大的区域。例如，坐标(d/Λ，Λ)时，设定为由将
A(0.20，7.80)
B(0.20，4.00)
C(0.80，4.00)
D(0.80，50.0)
的4点作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
此外，图15是表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ，在波长1070nm的光中，1单元结构PCF的弯曲半径140mm的第三高阶模式的弯曲损失(1dB/m以上)的图。通过设定为图12所示范围和图15所示范围重复的d/Λ和Λ，能够选定第三高阶模式以上充分截止且Aeff大的区域。例如，坐标(d/Λ，Λ)时，设定为由将
A(0.20，7.80)
B(0.20，4.00)
C(0.80，4.00)
D(0.80，50.0)
的4点作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
此外，图16是表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ，在波长1070nm的光中，1单元结构PCF的弯曲半径140mm的第四高阶模式的弯曲损失(1dB/m以上)的图。通过设定为图12所示范围和图16所示范围重复的d/Λ和Λ，能够选定第四高阶模式以上充分截止且Aeff大的区域。例如，坐标(d/Λ，Λ)时，设定为由将
A(0.20，7.80)
B(0.20，4.00)
C(0.80，4.00)
D(0.80，50.0)
的4点作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
如上所述，通过设定为图12所示范围和图14、图15或图16所示范围重复的d/Λ和Λ，能够选定第二高阶模式以上、第三高阶模式以上或第四高阶模式以上充分截止且Aeff大的区域。
图17表示7单元结构的PCF的弯曲损失的波长依存性。图中的实线(白色圆圈)表示波长1050nm、虚线(黑色圆圈)表示波长1070nm的值的基本模式弯曲损失的空孔间隔Λ依存性，图中的括号内的值表示各Λ的d/Λ的值。一般来说公知的是，PCF与传输波长无关，Aeff是大体相同的值，波长越短、弯曲损失越大。参照图17，表示了如下情况：本设计所示的结构在波长1050nm中任意一种结构都能够实现基本模式的弯曲损失在0.1dB/m以下，在波长1050nm以上本设计有效。
(实施方式4)
在本实施方式中，说明基于作为激光加工系统等的光传输介质的规格来设计实施方式1～3中说明的双模光纤或四模光纤的其他设计方法。本实施方式的光纤设计方法进行如下步骤：规格值确定步骤，确定使用的光子晶体光纤(PCF)的光纤损失和拉曼增益系数、传播的光的使用波长、所述PCF传播后的光束质量M2、激光输出值、传播距离和最小弯曲半径；最多传播模数计算步骤，利用公式1来计算能够传播的最多传播模数n；有效芯断面面积计算步骤，利用公式2并根据光纤损失和拉曼增益系数来计算有效芯断面面积Aeff；光纤结构计算步骤，计算满足所述Aeff的PCF的空孔的直径和间隔；弯曲损失计算步骤，计算在所述光纤结构计算步骤中计算的结构的PCF中最小弯曲半径的弯曲损失，并且根据所述传播距离来计算传播长度的弯曲损失；确认步骤，确认所述传播长度的弯曲损失小于例如0.1dB，并且确认在所述光纤结构计算步骤中计算的PCF的结构；以及模式增加步骤，在所述确认步骤中所述传播长度的弯曲损失在例如0.1dB以上时，使模数增加1，并且直到模数到达最多传播模数n为止，反复进行所述光纤结构计算步骤、所述弯曲损失计算步骤和所述确认步骤。
图18是表示本实施方式的光纤设计方法的步骤的流程图。
首先，在步骤S01(规格值确定步骤)中，确定使用波长和作为目标的光束质量(M2值)。接着，在步骤S02(最多传播模数计算步骤)中，根据公式(1)(非专利文献6的式(17))计算能够满足步骤S01的M2值的最多传播模数，确定最多传播模数n。
此后，在步骤S03(规格值确定步骤)中，确定使用的输出功率和传播距离，在步骤S04(有效芯断面面积计算步骤)中，利用公式(2)(非专利文献7所示的SRS阈值定义式(8.1.13))来计算必要的有效芯断面面积(Aeff)。
接着，在步骤S05中，确定能够传播模数(1+k)。此时，为了尽可能地提高光束质量，传播模数1+k从1(k＝0)的单模开始设计。由于步骤S06在k＝0时一定能够满足，所以前进至步骤S07(光纤结构计算步骤)，计算满足由步骤S04计算的Aeff的光纤结构。在步骤S08(弯曲损失计算步骤)中，计算在由步骤S07设计的光纤结构中使用的最小弯曲半径的基本模式的弯曲损失，在步骤S09中超过规定值时，返回步骤S05并使能够传播模数增加1，反复进行直到步骤S09的步骤(模式增加步骤)。此时，在步骤S06中模数1+k超过最多传播模数n时，由于不存在以使用的输出功率、传播距离来满足设定的光束质量的光纤结构的解，所以返回步骤S01，重新考虑光束质量(M2值)等规格值，反复进行步骤S02以下的步骤，以确定光纤结构。
[公式1]
其中，
正上位的模式LPn+1，m的V数值的截止值
Cn：LP1，m时LPn，m(n≠1)时Cn＝1
n：能够容许的最多传播模数
[公式2]
其中，
Pth：SRS阈值
Leff：有效相互作用长度
α：传输损失，
gR：拉曼增益系数
以下，表示使用上述设计流程进行的PCF的设计例。
首先，作为步骤S01确定规格值。其中，
光纤损失：1dB/km(以下波长的光纤的传输损失)
拉曼增益系数gR：8.79×10-12(cm/W)
传播的光的使用波长λ：1070nm
光束质量M2：1.5以下
激光输出值：100W
传播距离：300m
最小弯曲半径：140m
另外，利用公式(4)(非专利文献8所示的公式(36))来计算拉曼增益系数gR。
[公式4]
其中，Δ是芯和覆盖部的比折射率差，
在步骤S02中按照公式(1)，能够容许的最多传播模数n是2(另外，LP11的截止V＝2.405，LP21的截止V＝3.832)。但是，传播模数为2时需要使第一高阶模式的激励比例在50％以下。接着在步骤S04中根据公式(2)，计算出必要的Aeff为大约160μm2(另外，在公式(2)中使用的SRS阈值是在步骤S03中确定的输出功率)。由于根据光纤损失和gR并由公式(2)计算的SRS阈值变化，所以必要的Aeff也变化。因此，光纤损失和gR并不限定于本内容，而是根据使用的光纤的材料等适当地进行变更来使用。
接着，前进至步骤S05，首先实施单模(使能够传播的模数为1)的光纤结构设计。PCF的结构设计可以通过由非专利文献9所示的有限元素法进行的结构解析或由非专利文献10所示的近似解析等来进行，在本实施例中使用由有限元素法进行的结构解析。解析方法并不限定于本实施例，只要适当地使用能够进行光纤的结构解析的方法即可。
在本实施例中，利用有限元素法来进行解析。在1单元结构的PCF中，如果d/Λ＝0.42、Λ＝12μm，则Aeff＝184μm2，满足由步骤S04计算的Aeff值。接着，前进至步骤S08的步骤。如果将最小弯曲半径作为140mm，则在所述结构中，基本模式的弯曲损失在R140mm中计算为1×10-4dB/m。由于传播距离是300m，所以整体的弯曲损失是0.03dB。在步骤S09中，确认传播长度的弯曲损失值是否在0.1dB以下。如上所述，由于传播300m后的弯曲损失是0.03dB，所以满足步骤S09的条件，在上述结构中确定光纤结构(步骤S10)。
并且，由于第一高阶模式的限制损耗在6dB/m以上，所以本结构以单模动作而产生稍许的轴偏移，即使激励第一高阶模式时，传播300m后，第一高阶模式成为与弯曲损失相比足够小的激励比例。
另外，k＝0(基本模式)而不满足步骤S09的条件时，返回步骤S05，使k增加(使模数增加)并进行步骤S06到步骤S09。如果模数增加，则由步骤S07计算的光纤结构变化，基本模式的弯曲损失也变化。反复进行步骤S05到步骤S09，找到满足条件的弯曲损失的结构。
上述说明是利用图18的设计流程计算的结构例，只要根据作为目标的光束质量、输出功率和传播距离，利用本设计流程来确定适当的光纤参数即可。
其中，如公式(2)所示，最大输出功率(SRS阈值)和Leff相互作用长度成反比的关系。本发明的光纤设想1km以下较短的传输距离，Leff和传播距离L为同等的值。因此在本说明书中，将输出功率性能记载为输出功率与传播距离的积(kW·m)。另外，传输距离并不限定为1km以下，只要是Leff和L看作同等的范围，则同样能够应用。
(实施方式5～8)
利用图19到图22说明实施方式5到8。该图表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ时的所希望的PCF的参数区域。其中，使(a)M2≤2.0的条件的坐标为
A1(0.42，16.88)
A2(0.48，25.31)
A3(0.57，40.00)
B(0.42，10.94)
C1(0.60，15.63)
C2(0.69，31.88)
C3(0.76，47.81)
D(0.74，43.12)
E(0.75，44.38)
F(0.81，60.63)
G(0.85，60.63)
H(0.85，77.50)
I(0.90，91.88)，
使(b)M2≤3.3的条件的坐标为
A1(0.42，16.88)
A2(0.47，25.31)
A3(0.56，40.00)
B(0.42，10.94)
C1(0.75，15.00)
C2(0.78，35.00)
C3(0.90，54.38)
D1(0.75，20.00)
D2(0.80，35.93)
E(0.80，45.63)
F(0.83，51.56)
I(0.90，91.88)，
使(c)传播模数在4以下的条件的坐标为
A1(0.42，16.88)
A2(0.48，25.31)
A3(0.57，40.00)
A4(0.75，68.36)
B(0.42，10.94)
C(0.75，14.24)
D(0.75，12.10)
E(0.79，20.00)
F(0.85，30.00)
F1(0.85，36.37)
G(0.85，41.58)
H(0.89，50.00)
H1(0.89，54.37)
I(0.89，58.95)
J(0.90，60.0)
J1(0.90，77.07)
K(0.90，91.88)
来进行说明。
(实施方式5)
[1单元结构30kW·m传输]
本实施方式说明能够进行30kW·m传输的图4的1单元结构的PCF参数(Λ和d)的范围。图19是说明传播波长1070nm的光时(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数满足4以下的d/Λ、Λ与Aeff(160μm2以上)的关系的图。描绘的区域(斜线所示的区域)成为在1单元结构的PCF中能够进行30kW·m传输的结构。
具体地说，(a)M2≤2.0时，设定为由将A1、B、C1、C2、D、E、C3、F、G、H、I作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。此外，(b)M2≤3.3时，设定为由将A1、B、C1、D1、C2、D2、E、F、C3、I作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。另一方面，(c)传播模数在4以下的条件时，设定为由将A1、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
(实施方式6)
[1单元结构150kW·m传输]
本实施方式说明能够进行150kW·m传输的图4的1单元结构的PCF参数(Λ和d)的范围。图20是说明传播波长1070nm的光时(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数满足4以下的d/Λ、Λ与Aeff(800μm2以上)的关系的图。描绘的区域(斜线所示的区域)成为在1单元结构的PCF中能够进行150kW·m传输的结构。
具体地说，(a)M2≤2.0时，设定为由将A2、C2、D、E、C3、F、G、H、I作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。此外，(b)M2≤3.3时，设定为由将A2、C2、D2、E、F、C3、I作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。另一方面，(c)传播模数在4以下的条件时，设定为由将A2、F1、G、H、I、J、K作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
(实施方式7)
[1单元结构300kW·m传输]
本实施方式说明能够进行300kW·m传输的图4的1单元结构的PCF参数(Λ和d)的范围。图21是说明传播波长1070nm的光时(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数满足4以下的d/Λ、Λ和Aeff(1600μm2以上)的关系的图。描绘的区域(斜线所示的区域)成为在1单元结构的PCF中能够进行300kW·m传输的结构。
具体地说，(a)M2≤2.0时，设定为由将A3、C3、F、G、H、I作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。此外，(b)M2≤3.3时，设定为由将A3、C3、I作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。另一方面，(c)传播模数在4以下的条件时，设定为由将A3、H1、I、J、K作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
(实施方式8)
[1单元结构600kW·m传输]
本实施方式说明能够进行600kW·m传输的图4的1单元结构的PCF参数(Λ和d)的范围。图22是说明传播波长1070nm的光时(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数满足4以下的d/Λ、Λ与Aeff(3200μm2以上)的关系的图。描绘的区域(斜线所示的区域)成为在1单元结构的PCF中能够进行600kW·m传输的结构。
具体地说，传播模数在4以下的条件时，设定为由将A4、J1、K作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
(实施方式9～13)
利用图23到图27来说明实施方式9到13。该图表示横轴为d/Λ、纵轴为Λ时的所希望的PCF的参数区域。其中，使(a)M2≤2.0的坐标为
A1(0.20，10.98)
A2(0.21，11.77)
A3(0.27，16.06)
A4(0.40，24.46)
A5(0.53，32.87)
B(0.20，4.95)
C1(0.25，5.27)
C2(0.40，12.88)
C3(0.60，20.34)
C4(0.68，29.56)
C5(0.72，36.35)
D(0.29，9.87)
E(0.40，12.25)
F(0.40，13.52)
G(0.49，14.15)
H(0.49，15.74)
I(0.50，18.12)
J(0.58，18.12)
K(0.58，19.86)
L(0.60，23.03)
M(0.68，23.99)
N(0.68，31.60)
O(0.79，48.73)
P(0.80，50.00)，
使(b)M2≤3.3的坐标为
A1(0.20，10.98)
A2(0.21，11.77)
A3(0.27，16.06)
A4(0.40，24.78)
A5(0.53，32.87)
B(0.20，5.11)
C1(0.40，5.90)
C2(0.50，13.68)
C3(0.60，20.18)
C4(0.70，30.01)
C5(0.73，37.00)
D(0.40，10.03)
E(0.50，11.93)
F(0.50，14.47)
C3(0.60，20.18)
G(0.69，22.08)
H(0.68，23.67，)
I(0.70，24.30)
J(0.70，32.87)
K(0.80，50.00)，
使(c)传播模数在4以下的条件的坐标为
A1(0.20，10.98)
A2(0.21，11.77)
A3(0.27，16.06)
A4(0.40，24.78)
A5(0.53，32.87)
B(0.20，5.11)
C(0.50，6.23)
D(0.50，10.00)
E(0.60，15.18)
F(0.60，17.76)
G(0.65，20.12)
H(0.70，20.35)
I(0.79，25.06)
J(0.79，29.53)
K(0.78，29.76)
K1(0.78，30.66)
L(0.78，38.29)
M(0.80，40.12)
N(0.80，50.00)
来进行说明。
(实施方式9)
[7单元结构30kW·m传输]
本实施方式说明能够进行30kW·m传输的图10的7单元结构的PCF参数(Λ和d)的范围。图23是说明传播波长1070nm的光时(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数满足4以下的d/Λ、Λ与Aeff(160μm2以上)的关系的图。描绘的区域(斜线所示的区域)成为在7单元结构的PCF中能够进行30kW·m传输的结构。
具体地说，(a)M2≤2.0时，设定为由将A1、B、C1、D、E、F、G、H、I、J、K、C3、L、M、N、O、P作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。此外，(b)M2≤3.3时，设定为由将A1、B、C1、D、E、F、C3、G、H、I、J、K作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。另一方面，(c)传播模数在4以下的条件时，设定为由将A1、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
(实施方式10)
[7单元结构150kW·m传输]
本实施方式说明能够进行150kW·m传输的图11的7单元结构的PCF参数(Λ和d)的范围。图24是说明传播波长1070nm的光时(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数满足4以下的d/Λ、Λ与Aeff(800μm2以上)的关系的图。描绘的区域(斜线所示的区域)成为在7单元结构的PCF中能够进行150kW·m传输的结构。
具体地说，(a)M2≤2.0时，设定为由将A2、C2、F、G、H、I、J、K、C3、L、M、N、O、P作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。此外，(b)M2≤3.3时，设定为由将A2、C2、F、C3、G、H、I、J、K作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。另一方面，(c)传播模数在4以下的条件时，设定为由将A2、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
(实施方式11)
[7单元结构300kW·m传输]
本实施方式说明能够进行300kW·m传输的图11的7单元结构的PCF参数(Λ和d)的范围。图25是说明传播波长1070nm的光时(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数满足4以下的d/Λ、Λ与Aeff(1600μm2以上)的关系的图。描绘的区域(斜线所示的区域)成为在7单元结构的PCF中能够进行300kW·m传输的结构。
具体地说，(a)M2≤2.0时，设定为由将A3、C3、L、M、N、O、P作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。此外，(b)M2≤3.3时，设定为由将A3、C3、G、H、I、J、K作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。另一方面，(c)传播模数在4以下的条件时，设定为由将A3、G、H、I、J、K、L、M、N作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
(实施方式12)
[7单元结构600kW·m传输]
本实施方式说明能够进行600kW·m传输的图11的7单元结构的PCF参数(Λ和d)的范围。图26说明传播波长1070nm的光时(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数满足4以下的d/Λ、Λ与Aeff(3200μm2以上)的关系的图。描绘的区域(斜线所示的区域)成为在7单元结构的PCF中能够进行600kW·m传输的结构。
具体地说，(a)M2≤2.0时，设定为由将A4、C4、N、O、P作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。此外，(b)M2≤3.3时，设定为由将A4、C4、J、K作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。另一方面，(c)传播模数在4以下的条件时，设定为由将A4、K1、L、M、N作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
(实施方式13)
[7单元结构900kW·m传输]
本实施方式说明能够进行900kW·m传输的图11的7单元结构的PCF参数(Λ和d)的范围。图27是说明传播波长1070nm的光时(a)M2≤2.0、(b)M2≤3.3、(c)传播模数满足4以下的d/Λ、Λ与Aeff(4800μm2以上)的关系的图。描绘的区域(斜线所示的区域)成为在7单元结构的PCF中能够进行900kW·m传输的结构。
具体地说，(a)M2≤2.0时，设定为由将A5、C5、O、P作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。此外，(b)M2≤3.3时，设定为由将A5，C5，K作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。另一方面，(c)传播模数在4以下的条件时，设定为由将A5、K、M、N作为顶点的多边形包围的区域内的d/Λ和Λ。
(实施方式14)
图28表示本实施方式的PCF的结构例。本实施方式的PCF表示由比图4的PCF少的空孔数构成的光纤结构。图28的PCF结构与图4同样将芯区域作为一个空孔下陷，将空孔数作为12。PCF的各个空孔的位置和大小的精度影响光学特性，空孔数越多，制造难度和结构的良品率的劣化越显著。在图28所示的结构中，由于以空孔数在12以下的简单结构实现了光波的导波，所以量产性高且制造时光学特性的控制性良好，是优选的。另外，在图28的PCF的结构中，在规定设计范围内，能够传输M2在2.0以下的高质量且kW级的大功率光。
在图29～图32中表示空孔数为12孔的PCF的设计例。图29表示了基本模式的弯曲损失在0.1dB/m以下的结构范围。图30、图31和图32分别表示LP11模式、LP21模式、LP02模式的弯曲损失值，包围在框内的区域(弯曲损失1dB/m以上)中作为对象的模式的损失足够大，能够泄漏。
在此，通过屏蔽LP02模式、使激光振荡部与PCF的轴偏移量在一定量以下，能够得到高质量且大功率的输出光。因此，在图33所示的图29和图32重合的范围内，能够达成上述目的。即，Λ在50μm以上、65μm以下，并且d/Λ在0.79以上、0.88以下，此外，优选Λ在50μm以下，d/Λ在0.7以上、0.79以下的结构。此时，由于空孔数为12而较少，所以制造的良品率和制造精度非常良好，并且能够得到M2在2.0以下且kW级的输出光，是优选的。
另外，在本实施方式中是如下结构：预先确定的模数是3，传播作为基本模式的LP01、LP11和LP21，而不传播LP02，但是本发明并不限定于此。例如也可以是如下结构：预先确定的模数是2，传播LP01模式和LP11模式，而不传播LP21模式以上的模式。由此，能够得到与本实施方式相同的效果。
例如在图30和图32中表示了LP11模式和LP21模式泄漏的结构，利用图29和图30重合的区域使模数为2，并且可以通过利用图29和图32重合的区域使模数为3。即，Λ在30μm以上、55μm以下，并且d/Λ在0.70以上、0.79以下，此外，Λ在55μm以上、65μm以下，并且d/Λ在0.79以上、0.83以下，此外，Λ在57μm以上、65μm以下，并且d/Λ在0.83以上、0.88以下，此外，Λ在59μm以上、68μm以下，并且d/Λ在0.88以上、0.89以下，通过上述结构，可以使模数为2。此外，Λ在52μm以上、65μm以下，并且d/Λ在0.79以上、0.88以下，此外，Λ在52μm以下，并且d/Λ在0.7以上、0.77以下，通过上述结构，可以使模数为3。
(发明的效果)
本发明通过对于所要求的输出功率和传播距离，使用SRS阈值的定义式，对于所要求的光束质量，将根据弯曲损失和能够传播的模数均匀地激励传播模式时的M2值作为阈值使用，可以设计满足上述条件的光纤结构。此外，利用上述设计流程，能够明确高质量的大功率传输用光纤的具体结构。将PCF的结构例表示为具体的设计例。
并且，如上所述，按照本发明的光纤、光纤的设计方法，能够提供一种光纤，该光纤能够在以往的设计中不能实现的所希望的光束质量中，相对于传播长度，确保输出功率。
(作用)
利用在本发明中使用的设计流程来设计的光纤结构能够满足必要的输出功率、传播距离和光束质量。迄今为止，在只有M2值在8以上的多模光纤能够实现的光纤激光器的输出功率的区域中，通过将M2值小于8的光纤用于光纤激光器，能够实现在所希望的传播距离中使用光束质量良好的光。
工业实用性
本发明能够应用于使用光纤激光器的激光加工的领域。
附图标记说明
1：PCF
2：空孔

Claims (2)

1.一种光纤设计方法，其特征在于，进行如下步骤：
规格值确定步骤，确定使用的光子晶体光纤(PCF)的光纤损失和拉曼增益系数、传播的光的使用波长、所述PCF传播后的光束质量M2、激光输出值、传播距离和最小弯曲半径；
最多传播模数计算步骤，利用公式1来计算能够传播的最多传播模数n；
有效芯断面面积计算步骤，利用公式2并根据光纤损失和拉曼增益系数来计算有效芯断面面积Aeff；
光纤结构计算步骤，计算满足所述Aeff的PCF的空孔的直径和间隔；
弯曲损失计算步骤，在由所述光纤结构计算步骤计算的结构的PCF中计算最小弯曲半径的弯曲损失，并且根据所述传播距离来计算传播长度的弯曲损失；
确认步骤，确认所述传播长度的弯曲损失小于规定值，确定由所述光纤结构计算步骤计算的PCF的结构；以及
模式增加步骤，在所述确认步骤中所述传播长度的弯曲损失在规定值以上时，使模数增加1，直到模数达到最多传播模数n为止，反复进行所述光纤结构计算步骤、所述弯曲损失计算步骤和所述确认步骤。
[公式1]
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[公式2]
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2.一种光纤设计方法，其特征在于，进行如下步骤：
规格值确定步骤，确定使用的光子晶体光纤(PCF)的光纤损失和拉曼增益系数、传播的光的使用波长、所述PCF传播后的光束质量M2、激光输出值、传播距离和最小弯曲半径；
最多传播模数计算步骤，利用公式1来计算能够传播的最多传播模数n；
有效芯断面面积计算步骤，利用公式2并根据光纤损失和拉曼增益系数来计算有效芯断面面积Aeff；
光纤结构计算步骤，计算在所述Aeff以上的PCF的空孔的直径d和间隔Λ，并且在横轴为d/Λ、纵轴为Λ的坐标图中描绘所述Aeff以上的点；
弯曲损失计算步骤，根据PCF的空孔的直径d和间隔Λ，计算所述PCF中截止的最小的高阶模式的最小弯曲半径的弯曲损失，并且在横轴为d/Λ、纵轴为Λ的坐标图中描绘所述弯曲损失在1dB/m以上的点；以及
结构确定步骤，检测在所述光纤结构计算步骤中在坐标图中描绘的点的区域和在所述弯曲损失计算步骤中在坐标图中描绘的点的区域重复的重复范围，确定具有位于所述重复范围内的直径d和间隔Λ的空孔的PCF结构。
[公式1]
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[公式2]
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