CN111129938A - 光纤激光器、光纤激光器用光纤及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种吸收系数的控制范围广至所需的范围程度、来自芯的信号光的漏出少并且能够以能够容许的范围的成本进行制造的可靠性高的光纤激光器、光纤激光器用光纤及其制造方法。所述光纤激光器用光纤(1)具备：芯(2)，其被添加有稀土元素；第一包层(3)，其形成于芯(2)的周围；以及第二包层(4)，其形成于第一包层(3)的周围，其中，从第一包层(3)的至少一方的端部引导激励光，激发稀土元素来输出激光振荡光，在所述光纤激光器用光纤(1)中，向芯(2)添加的稀土元素的添加浓度沿着光纤激光器用光纤(1)的长度方向不同，光纤激光器用光纤(1)的芯径和数值孔径沿着光纤激光器用光纤(1)的长度方向固定。

Description

光纤激光器、光纤激光器用光纤及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光纤激光器用光纤、光纤激光器和光纤激光器用光纤的制造方法。详细地说，本发明涉及一种在光纤激光器中构成谐振器、通过激励光使在芯中传输的信号光放大的光纤激光器用光纤及其制造方法。另外，本发明涉及一种使用这样的光纤激光器用光纤的光纤激光器。
背景技术
在高输出光纤激光器中，一般使用呈芯、第一包层、第二包层这三重结构的双包层光纤结构来作为放大用光纤。在双包层光纤构造中，激励光被引导至用于引导激励光的、也被称作激励包层的第一包层。被引导至第一包层的激励光在第一包层内传播，并且逐渐被折射率比第一包层高的芯吸收。为了将激励光限制于第一包层中，折射率比第一包层低的第二包层大多使用低折射率聚合物。但是，第二包层有时也与芯、第一包层同样地使用耐热性优异的全石英的气孔型包层。
被添加至芯中的稀土离子绝大多数使用Yb3+。这是因为由于Yb3+的量子效率几乎为1，并且由于为准三能级系统，因而量子亏损也小，因此在稀土离子之中Yb3+能够将每单位激光输出的热产生量抑制得最小。被限制在芯中的高强度信号光的增益/损失比大，因此能够实现完全饱和放大，以其最大效率进行动作。此外，在本说明书中，“光纤激光器用光纤”这个用词如果没有特别说明，则是以具备上述的双包层光纤结构的放大用光纤这个含义使用的。
近年来，对光纤激光器要求进一步的高输出化。但是，当加长光纤激光器用光纤的总长以使激励光被芯充分地吸收时，产生受激拉曼散射(SRS：Stimulated RamanScattering)等非线性受激散射。当产生非线性受激散射时，斯托克斯光增加，使激光输出饱和并且造成高输出动作极限。另一方面，当通过Yb离子的高浓度添加、直径比(＝包层直径/芯径)的减少来使有效吸收系数增加并且缩短光纤激光器用光纤的总长时，SRS等非线性受激散射的产生得到抑制。但是，每单位长度的热负荷增加，因此达到由于温度上升引起的动作极限。
实际的每单位长度的热负荷在光纤激光器用光纤的长度方向上不是均匀的。在激励光导入端附近，大量的激励光被芯吸收，因此热负荷大，由于实际的温度上升引起的动作极限受到该激励光导入端附近的温度上升的限制。因此，需要尽可能使光纤激光器用光纤的长度方向的温度均匀。另外，还要求高效且均匀地冷却光纤激光器用光纤。
如上述的那样，在以往的光纤激光器中，存在如下问题：伴随高输出化，光纤激光器用光纤的温度上升、尤其是光纤激光器用光纤的激励光导入端附近的温度的上升大，使得容易发生光纤激光器用光纤的覆盖层等的烧损，并且光纤激光器的输出受到该热极限限制。因此，自以往以来，为了解决该问题而尝试了各种方法。
在专利文献1中，公开了一种光纤激光器用光纤，其特征在于，具备被添加有稀土元素的稀土添加芯以及形成于上述稀土添加芯的周围的包层，从上述包层的端部引导激励光，激发稀土元素，输出高输出的激光振荡光，在该光纤激光器用光纤中，将上述稀土添加芯沿着长度方向分割为多个芯区域，被添加至各芯区域中的稀土元素的添加浓度不同。该专利文献1也提及到一种组合有多个Yb添加芯的光纤激光器用光纤，所述多个Yb添加芯具有500ppm、700ppm、1100ppm中的任意添加浓度作为具体的添加浓度。根据专利文献1，通过设为离激励光导入端越近则为添加浓度越低的芯区域，减少激励光导入端附近处的、激励光被芯吸收的吸收量，抑制激励光导入端附近的温度上升。另外，在专利文献1中还公开了如下方法作为这样的光纤激光器用光纤的制造方法：制作多个分割光纤，该多个分割光纤分别具有稀土元素的添加浓度不同的稀土添加芯，将各分割光纤的末端之间熔接连接。
但是，在上述的光纤激光器用光纤中，当被添加至各芯区域中的稀土元素的添加浓度不同时，芯的折射率发生变化。例如，当Yb添加浓度从上述的500ppm增加至1100ppm时，芯的折射率增加0.00044左右，数值孔径(NA：Numerical Aperture)最大增大1.5倍左右。通过除了Yb以外还预先添加用于增大折射率的Ge等元素，能够减少数值孔径(NA)的增大率，但还会增大约数％。关于这样的数值孔径(NA)的变化，在构成腔(cavity)的高反射光纤布拉格光栅(HRFBG：High Reflector-Fiber Bragg Grating)与输出耦合器/光纤布拉格光栅(OCFBG：Output Coupler-Fiber Bragg Grating)之间往复并且在芯内传播的信号光在从数值孔径(NA)小的一方向数值孔径(NA)大的一方传播的时候没有问题。但是，反之，在信号光从数值孔径(NA)大的一方向数值孔径(NA)小的一方传播时，芯对信号光的限制逐渐减弱。光纤激光器用光纤具有数十m的长度，以卷绕为圆形的状态进行配置。因此，当光纤激光器用光纤的芯对信号光的限制逐渐减弱时，具有光纤激光器用光纤的弯曲损失增加、被激励的信号光容易从芯漏出这样的问题。
另外，在专利文献1中，记载了如下一种方法作为这样的光纤激光器用光纤的具体的制造方法：在将Yb浓度不同的光纤切割为期望的长度后，去除切割后的光纤的末端部分的UV固化树脂，使用熔接连接机来通过熔接将各末端间连接，之后，在熔接连接部分的被去除了UV固化树脂的部分再次重涂UV固化树脂。但是，熔接连接部具有些许的连接损失，因此具有由于由从芯漏出的高强度信号光引起的发热使得重涂后的、耐热性低的UV固化树脂烧损的风险。因此，通过该制造方法制造出来的光纤激光器用光纤也具有在可靠性方面存在担忧这样的问题。
在专利文献2中，公开了一种光纤激光器用光纤，其特征在于，具备添加有稀土元素的稀土添加芯以及形成于上述稀土添加芯的周围的包层，向上述包层引导激励光，激发稀土元素，输出高输出的激光振荡光，在所述光纤激光器用光纤中，上述稀土添加芯与上述包层的外径比沿着长度方向而不同。具体地说，专利文献2还提及了包层的外径相等并且上述稀土添加芯的外径沿着长度方向逐渐变大的光纤激光器用光纤、上述稀土添加芯的外径以长度方向的中央部为中心呈对称并且沿着长度方向在50μm～80μm的范围内变化的光纤激光器用光纤。根据专利文献2，关于光纤激光器用光纤的吸收损失，芯径越小则损失越低，因此通过这样的光纤激光器用光纤，能够简单地控制光纤激光器用光纤的沿着长度方向的激励光的吸收特性，从而能够使光纤激光器用光纤的沿着长度方向的温度分布平坦化。
另外，在专利文献2中公开了如下一种方法作为这样的光纤激光器用光纤的制造方法：制作具有作为上述稀土添加芯的部分的预制件，将该预制件的外周以使上述稀土添加芯与上述包层的外径比沿着长度方向不同的方式外削为锥状，将外削后的预制件以使上述包层的外径固定的方式进行拉丝。
专利文献2所记载的光纤激光器用光纤的最大的问题是该制造方法。将预制件的外周以使上述稀土添加芯与上述包层的外径比沿着长度方向不同的方式外削为锥状、将外削后的预制件以使上述包层的外径固定的方式进行拉丝意味着：在一个预制件中，芯与包层的外径比在期望的范围内变化的部分只有一处，由一个预制件只能制造相应于一台光纤激光器的光纤激光器用光纤。在光纤激光器用光纤中，相比于用于非常长的距离的通信的通信用光纤，容许一定程度的成本上升。但是，当由一个预制件只能制造相应于一台光纤激光器的光纤激光器用光纤时，具有成本非常高、几乎无法期待实用性的问题。另外，关于性能方面，在构成腔的HRFBG与OCFBG之间往复并且在芯内传播的信号光在从芯径小的一方向芯径大的一方传播时不产生问题。但是，反之，在所述信号光从芯径大的一方向芯径小的一方传播时，与前述的专利文献1所记载的技术的情况相同，具有激励后的信号光容易从芯漏出这个问题。
专利文献3公开了一种光纤激光器用光纤，其特征在于，具备添加有作为增益介质的稀土的芯以及形成于上述芯的外周的包层，上述芯的虚拟温度为1500℃以下，上述芯的虚拟温度在长度方向上不同。另外，在专利文献3中公开了如下一种方法作为这样的光纤激光器用光纤的制造方法：在将光纤母材加热/熔融后进行退火处理，由此使得由上述芯材形成的芯的虚拟温度为1500℃以下，在上述退火处理之后进行CO2激光照射，由此能够使上述芯的虚拟温度在长度方向上变化，并且对上述光纤母材进行拉丝。
但是，在专利文献3所记载的技术中，即使将记载有具体的数值的芯的虚拟温度从1000℃变化为1500℃，就根据专利文献3所记载的图可知，光的吸收系数在波长为915nm时仅变化了1.25倍左右、在波长为970nm～980nm时仅变化了1.4倍左右，具有光的吸收系数的控制范围窄这样的问题。如后述的那样，期望光的吸收系数能够变化4倍左右。另外，当在上述的温度范围内改变虚拟温度时，就发明人从相同的其它专利文献(日本特开2005-250040号公报)所记载的图可知：折射率变化1.4635～1.4646左右，虽然也要看包层的折射率，但NA也增加10％左右。因此，如前述的那样，具有从NA大的一方向NA小的一方传播的信号光容易从芯漏出这个问题。
在专利文献4中公开了一种光纤激光器用光纤，其特征在于，具备添加有稀土元素的芯以及形成于该芯的外周的包层，其中，所述芯具有1720℃～2000℃的虚拟温度，所述虚拟温度在长度方向上不同。另外，在专利文献4中公开了如下一种方法作为这样的光纤激光器用光纤的制造方法：包括以下的工序：光纤裸线制作工序，制作光纤裸线，所述光纤裸线由将光纤母材熔融并且添加稀土元素而成的芯以及形成于该芯的外周的包层构成；以及覆盖工序，在所述光纤裸线的周围实施覆盖，其中，在所述光纤裸线制作工序与所述覆盖工序之间或在所述覆盖工序之后，具有对所述芯的内部施加残余应力，使所述芯的虚拟温度呈1720℃～2000℃的残余应力施加工序。专利文献4还提及了如下的工序来作为所述残余应力施加工序：在所述光纤裸线制作工序与所述覆盖工序之间，向所述光纤裸线照射激光，向所述芯的内部施加所述残余应力；以及在所述覆盖工序之后施加拉伸应力，向所述芯的内部施加所述残余应力。
但是，即使在1720℃～2000℃的范围内改变虚拟温度，就根据专利文献4所记载的附图可知，在通过芯中的稀土元素吸收所照射的激励光能量而激励的电子返回基态时发射的电磁波的强度即荧光强度在激励波长为974nm时仅能变化1.18倍左右，由此，具有相比于前述的专利文献3所记载的技术的情况光的吸收系数的控制范围更窄这个问题。由于光的吸收系数的控制范围窄，折射率的变化比较小，为1.4651～1.4658左右，但NA变化数％左右，因此具有从NA大的一方向NA小的一方传播的信号光容易从芯漏出这个问题。
专利文献1：日本特开2009-32910号公报
专利文献2：日本特开2009-129989号公报
专利文献3：日本特开2008-308361号公报
专利文献4：日本特开2010-103223号公报
发明内容
发明要解决的问题
如以上那样，在上述以往的光纤激光器用光纤中，尝试控制芯对激励光的吸收系数或吸收损失，抑制激励光导入端的温度上升，使长度方向的温度均匀。但是，具有激励后的信号光容易从芯漏出、激励光的吸收系数的控制范围窄这样的性能方面的问题、制造成本非常高、可靠性存在担忧等与制造方法有关的问题。
本发明鉴于以上这样的情况，其目的在于提供一种吸收系数的控制范围广至所需的范围程度、来自芯的信号光的漏出少并且能够以容许的范围的成本进行制造的可靠性高的光纤激光器用光纤以及能够制造这样的光纤激光器用光纤的制造方法。
另外，本发明的目的在于提供一种可靠性高的高输出光纤激光器，其使用具备上述那样的特性的光纤激光器用光纤。
用于解决问题的方案
(1)本发明所涉及的光纤激光器用光纤(例如后述的光纤激光器用光纤1)具备：芯(例如后述的芯2)，其被添加有稀土元素；第一包层(例如后述的第一包层3)，其形成于所述芯的周围；以及第二包层(例如后述的第二包层4)，其形成于所述第一包层的周围，其中，从所述第一包层的至少一个端部引导激励光，激发所述稀土元素来输出激光振荡光，在所述光纤激光器用光纤中，向所述芯添加的所述稀土元素的添加浓度沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向不同，所述光纤激光器用光纤的芯径和数值孔径沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向固定。
(2)在(1)所记载的光纤激光器用光纤中，也可以是，关于向所述芯添加的所述稀土元素的添加浓度，所述光纤激光器用光纤的长度方向上的离引导激励光的所述端部越近的区域相比于其它区域该添加浓度越低。
(3)在(1)或(2)所记载的光纤激光器用光纤中，也可以是，将用于使所述芯的折射率变化的折射率调整用元素被添加至所述芯，以抵消由于向所述芯添加的所述稀土元素的添加浓度的变化引起的所述芯的折射率的变化来将所述芯的折射率沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向保持为固定的方式添加所述折射率调整用元素。
(4)在(1)或(2)所记载的光纤激光器用光纤中，也可以是，针对由于向所述芯添加的所述稀土元素的添加浓度的变化引起的所述芯的折射率的变化而产生的所述光纤激光器用光纤的数值孔径的变化，将用于使所述第一包层的折射率变化的数值孔径调整用元素添加至所述第一包层，以将所述光纤激光器用光纤的数值孔径沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向保持为固定的方式添加所述数值孔径调整用元素。
(5)本发明所涉及的光纤激光器(例如后述的光纤激光器5、105)具备：(1)～(4)中的任一项所记载的光纤激光器用光纤；锥形光纤束(例如后述的锥形光纤束10)，其与上述光纤激光器用光纤的端部连接；以及多个光源(例如后述的激光二极管模块9)，所述多个光源射出要经由所述锥形光纤束被引导至所述光纤激光器用光纤的所述第一包层的激励光。
(6)在(5)所记载的光纤激光器中，也可以是，所述光纤激光器用光纤是沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向控制了所述稀土元素的添加浓度分布，以使得在额定光输出时或最大光输出时所述光纤激光器用光纤的温度沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向均匀的光纤。
(7)在(5)所记载的光纤激光器中，也可以是，所述是光纤激光器从一个方向将激励光引导至所述第一包层的光纤激光器，所述光纤激光器用光纤是沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向控制了所述稀土元素的添加浓度分布，以使得在额定光输出时或最大光输出时，所述光纤激光器用光纤的温度在所述光纤激光器用光纤的总长中的从引导激励光的所述端部侧起的50％以上的长度的部分为固定温度、在剩余的长度的部分为比所述固定温度低的温度的光纤。
(8)在(5)～(7)中的任一项所记载的光纤激光器中，也可以是，所述光纤激光器用光纤的至少一部分通过导热粘接剂(例如后述的导热粘接剂17)或导热糊剂敷设于在导热构件制的冷却板(例如后述的冷却板16)形成的且至少比所述光纤激光器用光纤的外径深的槽(例如后述的槽16a)的内侧。
(9)在(8)所记载的光纤激光器中，也可以是，所述光纤激光器用光纤具有彼此交叉的部分，所述冷却板构成为在所述光纤激光器用光纤交叉的部分中，通过使用于敷设交叉的所述光纤激光器用光纤中的一方的所述槽(例如后述的槽16a)与用于敷设所述光纤激光器用光纤中的另一方的所述槽(例如后述的槽16b)的深度不同来使交叉的所述光纤激光器用光纤间不接触，或者所述冷却板构成为：以跨越用于敷设交叉的所述光纤激光器用光纤中的一方的所述槽(例如后述的槽16a)的方式设置导热构件制的架桥(例如后述的架桥160)，在所述架桥上敷设交叉的所述光纤激光器用光纤中的另一方。
(10)本发明所涉及的光纤激光器(例如后述的光纤激光器205)具备多个(5)～(9)中的任一项所记载的光纤激光器，并且还具备将分别从所述多个光纤激光器射出的激光输出耦合于一根光纤的光束组合器(例如后述的光束组合器18)。
(11)本发明所涉及的光纤激光器用光纤的制造方法是(1)～(3)中的任一项所记载的光纤激光器用光纤的制造方法，在中空的硅氧玻璃制的管(例如后述的管305)的内侧层叠多个使所述稀土元素的添加浓度在厚度方向上发生了变化的硅氧玻璃制的盘(例如后述的盘304)，接着通过加热使所述管与多个所述盘彼此熔接来制作预制件(例如后述的预制件307)，接着一边加热所述预制件一边进行拉丝。
(12)本发明所涉及的光纤激光器用光纤的制造方法是(1)～(3)中的任一项所记载的光纤激光器用光纤的制造方法，通过气相轴向沉积法，在使所述稀土元素的添加浓度在轴向上周期性地变化的同时使炭黑生长，制作炭黑体(例如后述的炭黑体402)，接着，通过使所述炭黑体硅氧玻璃化来制作棒(例如后述的棒405、405a)，接着，将所述棒配置在中空的硅氧玻璃制的管(例如后述的管407)的内侧来制作带棒管(例如后述的带棒管408)，接着，塌缩所述带棒管来制作预制件(例如后述的预制件410)，接着一边加热所述预制件一边进行拉丝。
(13)本发明所涉及的光纤激光器用光纤的制造方法是(1)～(3)中的任一项所记载的光纤激光器用光纤的制造方法，向中空的硅氧玻璃制的管(例如后述的管502)的内侧供给原料气体来通过等离子体化学气相沉积法沉积所述硅氧玻璃，在所述原料气体中，与通过所述管内产生的高频感应热等离子体(例如后述的高频感应热等离子体504)来沉积硅氧玻璃的位置在所述管的长度方向上的移动相应地周期性地改变了所述稀土元素的浓度，接着，塌缩所述管来制作预制件(例如后述的预制件506)，接着，一边加热所述预制件一边进行拉丝。
(14)本发明所涉及的光纤激光器用光纤的制造方法是(4)所记载的光纤激光器用光纤的制造方法，通过气相轴向沉积法，在使所述稀土元素的添加浓度在轴向上周期性地变化的同时使炭黑生长来制作炭黑体，接着，使所述炭黑体硅氧玻璃化来制作棒(例如后述的棒601)，接着，以所述棒作为芯母材，以与所述芯母材中包含的所述稀土元素的添加浓度变化的在所述棒的轴向上的周期一致的方式使原料气体中包含的数值孔径调整用元素的浓度变化，并且通过等离子体外部化学气相沉积法使要成为所述第一包层的硅氧玻璃沿轴向沉积于在所述芯母材的外表面上，来制作预制件(例如后述的预制件604)，一边加热所述预制件一边进行拉丝。
(15)在(12)或(14)所记载的光纤激光器用光纤的制造方法中，制造所述炭黑体的制造装置具备：燃烧器(例如后述的燃烧器406)，其用于通过四氯化硅的氢氧焰水解法使所述炭黑沉积；以及表面形状监视装置(例如后述的表面形状监视装置411)，其监视炭黑沉积面(例如后述的炭黑沉积面402a)的表面形状，其中，反馈由所述表面形状监视装置得到的监视结果，一边调节所述燃烧器的火势一边使所述炭黑沉积，使得所述炭黑沉积面的表面形状为与所述炭黑体的中心轴垂直的平面。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种吸收系数的控制范围广至所需的范围程度、来自芯的信号光的漏出少并且能够以能够容许的范围的成本进行制造的可靠性高的光纤激光器用光纤以及能够制造这样的光纤激光器用光纤的制造方法。
另外，根据本发明，能够提供一种可靠性高的高输出光纤激光器，其使用具备如上述那样的特性的光纤激光器用光纤。
附图说明
图1A是表示本发明的第一实施方式的光纤激光器用光纤的概要图，是光纤激光器用光纤的示意性的立体图。
图1B是表示本发明的第一实施方式的光纤激光器用光纤的概要图，是图1A所示的光纤激光器用光纤的示意性的截面图。
图2是表示本发明的第一实施方式的光纤激光器用光纤中的Yb添加浓度在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图3是表示本发明的第一实施方式的光纤激光器用光纤中的吸收损失在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图4是表示本发明的第一实施方式的光纤激光器用光纤中的第二包层的最大温度在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图5是表示本发明的第一实施方式的光纤激光器用光纤中的作为折射率调整用元素的F向芯的添加浓度在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图6是表示本发明的第一实施方式的光纤激光器用光纤中的作为折射率调整用元素的Ge向芯的添加浓度在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图7是表示本发明的第二实施方式的光纤激光器用光纤中的Yb添加浓度在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图8是表示本发明的第二实施方式的光纤激光器用光纤中的吸收损失在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图9是表示本发明的第二实施方式的光纤激光器用光纤中的第二包层的最大温度在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图10是表示本发明的第二实施方式的光纤激光器用光纤中的作为数值孔径调整用元素的F向第一包层的添加浓度在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图11是表示本发明的第二实施方式的光纤激光器用光纤中的作为数值孔径调整用元素的Ge向第一包层的添加浓度在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图12是表示在本发明的第二实施方式的光纤激光器用光纤中、添加有Yb的芯的折射率、添加有F作为数值孔径调整用元素的第一包层的折射率、添加有Ge作为数值孔径调整用元素的第一包层的折射率各自的在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图13是表示本发明的第三实施方式的光纤激光器的示意性的结构图。
图14是表示本发明的第四实施方式的光纤激光器的示意性的结构图。
图15是表示本发明的第四实施方式的光纤激光器中使用的光纤激光器用光纤中的Yb添加浓度在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图16是表示本发明的第四实施方式的光纤激光器中使用的光纤激光器用光纤中的第二包层的最大温度在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布例的图表。
图17是表示本发明的第五实施方式的光纤激光器中使用的光纤激光器用光纤的冷却构造的一例的示意图。
图18是表示图17的冷却构造中的、第二包层的最大温度与导热粘接剂的厚度的关系的图表。
图19是表示本发明的第五实施方式的光纤激光器中使用的光纤激光器用光纤的冷却构造的其它一例的示意图。
图20是表示本发明的第五实施方式的光纤激光器中使用的光纤激光器用光纤的冷却构造的另一其它一例的示意图。
图21是表示本发明的第六实施方式的光纤激光器的示意性的结构图。
图22A是用于说明本发明的第七实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图22B是用于说明本发明的第七实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图22C是用于说明本发明的第七实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图22D是用于说明本发明的第七实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图22E是用于说明本发明的第七实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图22F是用于说明本发明的第七实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图22G是用于说明本发明的第七实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图23A是用于说明本发明的第八实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图23B是用于说明本发明的第八实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图23C是用于说明本发明的第八实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图23D是用于说明本发明的第八实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图24A是用于说明本发明的第九实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图24B是用于说明本发明的第九实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图24C是用于说明本发明的第九实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图25A是用于说明本发明的第十实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图25B是用于说明本发明的第十实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
图25C是用于说明本发明的第十实施方式的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。
附图标记说明
1：光纤激光器用光纤；2：芯；3：第一包层(激励包层)；4：第二包层；5、105、205：光纤激光器；6：振荡器部；7：前方激励部；8：后方激励部；9：激光二极管模块(LDM)；10：锥形光纤束(TFB)；11：高反射光纤布拉格光栅(HRFBG)；12：输出耦合器/光纤布拉格光栅(OCFBG)；13：光束输送部；14：输送光纤；15：激光；16：冷却板；17：导热粘接剂；18：光束组合器；301：基板；302：炭黑；303：硅氧玻璃；304：盘；305、407、502：二氧化硅管；306、409、505：氢氧燃烧器；307、410、506、604：预制件；401：玻璃籽晶棒；402：炭黑体；402a：炭黑沉积面；403：加热器；404：高温炉；405、405a、601：棒；406：燃烧器；408：带棒管；411：表面形状监视装置；501：高频腔；503、602：硅氧玻璃层；504：高频感应热等离子体；603：等离子体炬。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明所涉及的光纤激光器用光纤、光纤激光器和光纤激光器用光纤的制造方法的各实施方式。
此外，在各附图中，对相同构件标注相同参照标记。另外，在不同的附图中标注有相同参照标记的结构要素是指具有相同功能的结构要素。另外，为了容易观察这些附图，适当地变更了比例尺。
如前述的那样，在本说明书中，“光纤激光器用光纤”这个用词如果没有特别说明，则是以具备双包层光纤构造的放大用光纤这个含义使用的。另外，在本说明书的各实施方式中，作为添加于芯的稀土元素的例子只记载了Yb(镱)，但这只是一个例子，只要为能够起到相同功能的元素即可，则可以为任意元素，并不限定为Yb。
<第一实施方式>
图1A是表示本发明的第一实施方式的光纤激光器用光纤的概要图，是光纤激光器用光纤的示意性的立体图。图1B是表示本发明的第一实施方式的光纤激光器用光纤的概要图，是图1A所示的光纤激光器用光纤的示意性的截面图。
光纤激光器用光纤1具有芯2、配置于芯2的外周的第一包层3以及配置于第一包层3的外周的第二包层4。光纤激光器用光纤1将第一包层3的至少一个端部设为激励光导入端，通过从该激励光导入端引导激励光，激发稀土元素来输出激光振荡光。芯2的芯径在光纤激光器用光纤1的长度方向上是固定的。
如图1B所示，第一包层3的截面不是圆形截面，而是具有D型截面(从圆中去除由弧和弦围成的部分后得到的形状)。关于高输出光纤激光器用的第一包层(激励包层)3，如光通信这样的同轴圆形截面使得激励光吸收产生横模的空间的烧孔(hole burning)，因此不适合。即，根据截面内的反射的定律(入射角＝出射角)，在圆周上反射的全部的束保持与光轴的距离固定，因此最初偏离芯的光线无论重复几次反射也不会碰到芯，使得不被吸收。因此，第一包层3除了使用图1A、图1B所示的具有D型截面的激励包层以外，虽然没有图示，但也能够使用具有矩形截面的矩形型激励包层、具有多边形截面的多边形型激励包层。但是，为了简单地进行说明，在此以后，以将第一包层3设为近似圆形截面的方式来使用包层直径这个用词。在本实施方式中，第一包层直径和第二包层直径中的至少第一包层直径在光纤激光器用光纤1的长度方向上固定。
图2表示图1A、图1B所示的光纤激光器用光纤1的长度方向上的添加至芯2中的稀土元素即Yb的摩尔(mole)浓度分布。
在本实施方式中，示出了如下例子：将光纤激光器用光纤1的两端部设为激励光导入端，为了得到5kW的激光输出而分别从两端部引导3.16kW的激励光。另外，光纤激光器用光纤1的有效长度设为30m。
如图2所示，光纤激光器用光纤1的长度方向中的离引导激励光的端部越近的区域相比于其它区域(光纤激光器用光纤1的长度方向的中央区域)向芯2添加的Yb的添加浓度越低。在此，通过吸收损失来表示吸收特性，吸收损失设为能够由以下的数式1表示，计算出光纤激光器用光纤1的长度方向的吸收损失的分布。
【数1】
(数式1)
Figure BDA0002250466400000151
在数式1中，αclad为在第一包层3中传播的激励光被芯2吸收的吸收损失。αcore为由于添加至芯2的Yb引起的吸收损失。Aclad为第一包层3的截面积。Acore为芯2的模式截面积。αclad和αcore的单位为dB/m。在本说明书中，将Yb添加浓度的单位设为mole％，设为αcore＝0.08×Yb添加浓度。
此外，在本说明书中，将芯径比较大的光纤激光器用光纤1设为实施方式，因此芯2的模式截面积近似于芯2的截面积。另外，在本说明书中，由于相同的理由，不使用模场直径这个用词，统一为芯径。但是，在芯径小的单模光纤内传输的光并不只集中于芯，也渗出至第一包层。因此，关于单模光纤，期望不使用芯径，而是使用根据光能的分布求出的模场直径。因而，在为单模光纤的情况下，例如权利要求1的“所述光纤激光器用光纤的芯径和数值孔径沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向是固定的”也可以换言为“所述光纤激光器用光纤的模场直径和数值孔径沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向是固定的”。
图3为表示针对图2在芯径＝35μm(固定)、包层直径＝350μm的条件下应用上述数式1计算出的光纤激光器用光纤1的长度方向上的吸收损失的分布的图表。如图3所示，光纤激光器用光纤1的吸收损失与图2所示的Yb的添加浓度分布同样地，光纤激光器用光纤1的长度方向中的离引导激励光的端部越近的区域相比于其它区域(光纤激光器用光纤1的长度方向的中央区域)吸收损失越低。
另外，图4是表示光纤激光器用光纤1中的第二包层4的最大温度在光纤激光器用光纤1的长度方向上的分布例的图表。在此，图4中的实线的图表为进行热流体模拟、在光纤激光器用光纤1的长度方向上标记出被设想为耐热性比芯2、第一包层3低的第二包层4的最大温度得到的图表。
此时的热流体模拟中的光纤激光器用光纤1的冷却条件如下。芯2和第一包层3的材质为SiO2。第二包层4为外径为750μm的聚合物(导热率：0.21W/(m·K))。在由25℃的冷却水进行冷却的铝合金制的水冷板(导热率：180W/(m·K))之上以0.2mm的厚度涂布导热粘接剂(导热率：2W/(m·K))。使光纤激光器用光纤1载置于该导热粘接剂上，将光纤激光器用光纤1压入导热粘接剂直至第二包层4的外周与水冷板表面接触并进行固定。
通过如图2所示的那样使Yb的添加浓度变化，如图4的实线的图表所示，能够使第二包层4的最大温度沿着光纤激光器用光纤1的长度方向大致均匀。此外，图4的虚线的图表示出使用沿着光纤激光器用光纤的长度方向以0.08mole％的浓度向芯中均匀地添加Yb以使在光纤激光器用光纤整体上的吸收率相同的光纤激光器用光纤的情况下的温度。可知在该情况下引导激励光的两端部的温度大幅上升。
如根据图3所明确的那样，为了使光纤激光器用光纤1的长度方向的温度大致均匀，需要使光纤激光器用光纤1的长度方向上的吸收损失变化4倍左右。与此相对地，在以往的专利文献3、专利文献4所记载的技术，很明显地，吸收系数只变化1.2倍～1.4倍左右，吸收系数的控制范围过于狭窄。
但是，当仅使向芯2添加的Yb的添加浓度变化时，芯2的折射率也变化。当芯2的折射率变化时，如以下的数式2所示，光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA：NumericalAperture)也变化，如前述的以往技术那样，产生从数值孔径(NA)大的一方向数值孔径(NA)小的一方传播的信号光容易从芯漏出这个问题。此外，在本说明书中，“信号光”这个用词是以如下的含义使用的：在通过在光纤激光器用光纤1的两侧设置反射特定波长的光的高反射光纤布拉格光栅(HRFBG)和低反射率的输出耦合器/光纤布拉格光栅(OCFBG)这两个光纤布拉格光栅来构成的激光谐振器之中，通过由两个光纤布拉格光栅选择性地反射、重复进行受激发射而生成的激光。
【数2】
(数式2)
Figure BDA0002250466400000171
在数式2中，ncore和nclad分别为芯2和第一包层3的折射率。
因此，在光纤激光器用光纤1中，为了防止来自芯2的信号光的漏出，芯径和数值孔径(NA)被设为沿着光纤激光器用光纤1的长度方向固定。在此，当向芯2添加的Yb的添加浓度高1mole％时，芯2的折射率大0.007332。因此，为了抵消芯2的折射率的变化，将折射率调整用元素添加于芯2以将芯2的折射率沿着光纤激光器用光纤1的长度方向保持为固定即可。此外，本说明书中的“固定”并不是完全没有变动的严格意义的固定，也作为在设计上固定这个程度的含义来使用。因而，设为即使具有由于误差等引起的变动，也包括在“固定”中。
作为折射率调整用元素、即通过向芯2的添加来降低芯2的折射率的元素，已知有F(氟)、B(硼)。例如，在使用F的情况下，当F的添加浓度高1mole％时，折射率小0.00425。因而，为了将芯2的折射率沿着光纤激光器用光纤1的长度方向保持为固定，将沿着光纤激光器用光纤1的长度方向的、向芯2添加的Yb的添加浓度的变化量的1.725倍的浓度的F添加至芯2即可。
图5表示用于抵消由于图2所示的Yb的添加浓度的变化引起的折射率的变化的、向芯2添加的F的添加浓度分布的例子。如图5所示，关于沿着光纤激光器用光纤1的长度方向的向芯2添加的F的添加浓度，光纤激光器用光纤1的长度方向上的离引导激励光的端部越近的区域相比于其它区域(光纤激光器用光纤1的长度方向上的中央区域)该添加浓度越低。由此，能够抑制伴随Yb的添加浓度的变化产生的芯2的折射率的变化。通过抑制芯2的折射率的变化，能够抑制光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)的变化，从而能够抑制信号光从芯2漏出。
作为为了抵消伴随添加至芯2的Yb的添加浓度的变化产生的芯2的折射率的变化而添加至芯2的折射率调整用元素，还能够使用通过添加使得折射率提高的元素。作为通过添加使得折射率提高的元素，已知有P(磷)、Ge(锗)、Al(铝)、Ti(钛)、Zr(锆)等。例如，在使用Ge的情况下，当Ge的添加浓度高1mole％时，折射率大0.00125。
图6表示用于抵消由于图2所示的Yb的添加浓度的变化而引起的折射率的变化的、向芯2添加的Ge的添加浓度分布的例子。如图6所示，关于沿着光纤激光器用光纤1的长度方向的、向芯2添加的Ge的添加浓度，光纤激光器用光纤1的长度方向上的离引导激励光的端部越近的区域相比于其它区域(光纤激光器用光纤1的长度方向上的中央区域)该添加浓度越高。由此，能够抑制伴随Yb的添加浓度的变化产生的芯2的折射率的变化。通过抑制芯2的折射率的变化，能够抑制光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)的变化，从而能够抑制信号光从芯2漏出。
像这样，根据第一实施方式的光纤激光器用光纤1，为了使光纤激光器用光纤1的长度方向的温度分布均匀，即使以在光纤激光器用光纤1的长度方向上控制激励光的吸收系数或吸收损失为目的而改变向芯2添加的稀土元素的添加浓度，也能够通过折射率调整用元素的添加来抑制芯2的折射率的变化。由此，能够抑制光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)的变化，将信号光从芯2漏出抑制为最小限度。因此，能够提供如下的光纤激光器用光纤1：吸收系数的控制范围广至所需的范围程度，来自芯2的信号光的漏出少，并且能够以能够容许的范围的成本进行制造，且可靠性高。
另外，关于沿着光纤激光器用光纤1的长度方向的、向芯2添加的稀土元素的添加浓度，光纤激光器用光纤1的长度方向上的离引导激励光的端部越近的区域相比于其它区域该添加浓度越低。因此，能够抑制激励光被芯2吸收的吸收量大而温度容易上升的激励光的导光侧的端部的温度上升。
<第二实施方式>
图7表示本发明的第二实施方式的光纤激光器用光纤中的、添加至芯中的Yb的摩尔浓度的在光纤激光器用光纤的长度方向上的分布。
前述的第一实施方式的光纤激光器用光纤1的长度为比较长的30m，因此热条件并不那么严苛。但是，给出受激拉曼散射的阈值的临界功率Pcr通过下述的数式3计算时为5.1kW。在该情况下，当还考虑在光纤激光器用光纤1的激光射出端侧连接馈入光纤(feedfiber)、输送光纤(delivery fiber)时，在激光输出为5kW时受激拉曼散射的产生会成为问题的可能性高。因而，在本实施方式中，使光纤激光器用光纤1的长度为10m，并且针对由于由向芯2添加的Yb的添加浓度的变化引起的芯2的折射率的变化而可能产生的光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)的变化，通过使第一包层3的折射率变化，来沿着光纤激光器用光纤1的长度方向将光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)保持为固定。在以下说明该实施方式。
【数3】
(数式3)
Figure BDA0002250466400000201
在数式3中，Aeff为有效模式面积(m2)。芯径比较大，因此Aeff与芯截面积大致相等。gR为拉曼(Raman)增益，在为二氧化硅的情况下，在为1μm时为1×10-13m/W左右。L为光纤激光器用光纤1的长度(m)。
给出受激拉曼散射的阈值的临界功率Pcr与光纤激光器用光纤1的长度呈反比例，因此当将光纤激光器用光纤1缩短为10m时，临界功率Pcr高至15.4kW。当光纤激光器用光纤1短时，如果不增大每单位长度的吸收损失，则不被芯2吸收的激励光增加。因此，在本实施方式中，芯径与第一实施方式同样地设为35μm(固定)，第一包层直径减小至200μm。关于激励光引导条件，设为与第一实施方式相同。
如前述的那样，图7表示沿着本实施方式的光纤激光器用光纤1的长度方向的、添加至芯2的Yb的摩尔浓度分布。图8为针对图7所示的Yb的添加浓度分布应用前述的数式1计算出的光纤激光器用光纤1的长度方向上的吸收损失的分布。
如图7所示，关于沿着光纤激光器用光纤1的长度方向的向芯2添加的Yb的添加浓度，光纤激光器用光纤1的长度方向上的离引导激励光的端部越近的区域相比于其它区域(光纤激光器用光纤1的长度方向上的中央区域)该添加浓度越低。另外，如图8所示，关于光纤激光器用光纤1的吸收损失，与图7所示的Yb的添加浓度分布同样，光纤激光器用光纤1的长度方向上的离引导激励光的端部越近的区域相比于其它区域(光纤激光器用光纤1的长度方向上的中央区域)该吸收损失越低。
在本实施方式中，相比于第一实施方式，光纤激光器用光纤1短至1/3，但使(芯截面积)/(包层截面积)为约3倍。因此，即使为与第一实施方式大致相同的Yb的添加浓度，也能够使光纤激光器用光纤1的总长上的激励光的吸收率大致相同。另一方面，光纤激光器用光纤的每单位长度的发热量为3倍，因此在与第一实施方式相同的冷却条件下，光纤激光器用光纤1的温度大幅上升。
图9的实线的图表为进行热流体模拟、在光纤激光器用光纤1的长度方向上标记第二包层4的最大温度而成的图表。此时的热模拟中的光纤激光器用光纤1的冷却条件如下。芯2和第一包层3的材质为SiO2。第二包层4为外径为600μm的聚合物(导热率：0.21W/(m·K))。在由25℃的冷却水冷却的铝合金制的水冷板(导热率：180W/(m·K))中挖开宽度1.5mm、深度0.75mm的槽，在使光纤激光器用光纤1与槽的底中央接触的状态下，使导热粘接剂(导热率：2W/(m·K))流入槽中并且完全填埋槽，使得与水冷板的原来的表面为同一平面。
如图9的实线的图表所示，相比于第一实施方式的情况(图4的实线的图表)，光纤激光器用光纤1的第二包层4的最大温度上升了58℃左右。但是，在本实施方式的情况下，也通过如图7所示那样使光纤激光器用光纤1的长度方向上的Yb的添加浓度变化，能够与第一实施方式的情况同样地使第二包层4的最大温度沿着光纤激光器用光纤1的长度方向大致均匀。此外，图9的虚线的图表为使用以0.08mole％的浓度沿着光纤激光器用光纤的长度方向将Yb均匀地添加至芯以使光纤激光器用光纤整体的激励光的吸收率相同的光纤激光器用光纤的情况下的温度。可知：在该情况下，引导激励光的两端部的温度相比于第一实施方式的情况，进一步上升了130℃左右。
如前述的那样，当仅使向芯2添加的Yb的添加浓度变化时，芯2的折射率变化，如数式2所示的那样，光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)也变化。因而，发生从数值孔径(NA)大的一方向数值孔径(NA)小的一方传播的信号光容易从芯2漏出这个问题。在第一实施方式中，向芯2添加折射率调整用元素以使数值孔径(NA)固定。相对于此，在本实施方式中，通过向第一包层3添加数值孔径调整用元素，来将光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)沿着光纤激光器用光纤1的长度方向保持为固定。
图10表示在如图7所示的那样使向芯2添加的Yb的添加浓度变化的情况下、为了使光纤激光器用光纤1的长度方向上的数值孔径(NA)固定而向第一包层3添加通过添加会使折射率下降的前述的F来作为数值孔径调整用元素时的F的添加浓度的分布例。
如图7所示，向芯2添加的Yb的添加浓度在光纤激光器用光纤1的长度方向的中央附近为高浓度，因此在光纤激光器用光纤1的长度方向的中央附近，芯2的折射率高。因此，如图10所示，以越接近光纤激光器用光纤1的长度方向的中央附近则F的浓度越低的方式将用于降低折射率的F添加至第一包层3。由此，光纤激光器用光纤1的长度方向的中央附近的第一包层3的折射率相比于中央附近以外的区域相对高。其结果是，如根据前述的数式2所示的关系式可知的那样，能够将光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)沿着光纤激光器用光纤1的长度方向设为固定。
为了抵消伴随向芯2添加的Yb的添加浓度的变化引起的芯2的折射率的变化，还能够使用通过添加会使得折射率提高的元素来作为添加于第一包层3中的数值孔径调整用元素。
图11表示在如图7所示的那样使向芯2添加的Yb的添加浓度变化的情况下、为了使光纤激光器用光纤1的长度方向的数值孔径(NA)固定而向第一包层3添加通过添加会使得折射率提高的前述的Ge来作为数值孔径调整用元素时的Ge的添加浓度的分布例。
如图11所示，以离光纤激光器用光纤1的长度方向的中央附近越近Ge的浓度越高的方式将用于提高折射率的Ge添加至第一包层3。
另外，图12是表示以图7所示的浓度分布向芯2添加Yb的情况下的芯2的折射率(ncore)、以图10所示的浓度分布向第一包层3添加F的情况下的第一包层3的折射率(nclad(F))、以图11所示的浓度分布向第一包层3添加Ge的情况下的第一包层3的折射率(nclad(Ge))各自的在光纤激光器用光纤1的长度方向上的分布例。当将该值代入数式2时，沿着光纤激光器用光纤1的长度方向的数值孔径(NA)固定。
根据第二实施方式的光纤激光器用光纤1，通过如以上那样向第一包层3添加数值孔径调整用元素，无需将具有当添加至芯2时会降低芯2的透过率的可能性的元素添加至芯2，就能够抑制沿着光纤激光器用光纤1的长度方向的数值孔径(NA)的变化，能够抑制信号光从芯2漏出。
<第三实施方式>
图13是本发明的第三实施方式即光纤激光器的示意性的结构图。
本实施方式的光纤激光器5具备前方激励部7、振荡器部6、后方激励部8、光束输送部13，构成为从光束输送部13射出激光15。此外，为了简化附图，关于光纤激光器用光纤1没有图示详细的结构。关于光纤激光器用光纤1，由粗的实线表示，由比其稍细的实线来表示该光纤激光器用光纤1以外的光纤。呈环状地配置于振荡器部6的部分为光纤激光器用光纤1。
在前方激励部7和后方激励部8分别配置有多个激光二极管模块(LDM：LaserDiode Module)9。从多个LDM 9分别射出的激励光经由也称作激励光合成器的锥形光纤束(TFB：Tapered Fiber Bundle)10被导入作为放大用光纤发挥功能的光纤激光器用光纤1的第一包层3(参照图1A、图1B)。在该构造中，被导入第一包层3的激励光当在第一包层3内传输的期间逐渐被添加有Yb的芯2(参照图1A、图1B)吸收。
在光纤激光器用光纤1的两侧设置有通过在芯2形成衍射光栅而能够反射特定波长的光的高反射光纤布拉格光栅(HRFBG)11和输出耦合器/光纤布拉格光栅(OCFBG)12，它们与光纤激光器用光纤1一同构成激光谐振器。从振荡器部6的OCFBG 12的出口射出的激光经由根据需要而具备的未图示的激光光学系统通过配置于光束输送部13的输送光纤14发送至未图示的加工头等，来用于激光加工。
另外，虽然没有进行图示，但为了检测从激光光学系统等的振荡器部6射出的激光的光量、在激光光学系统中向与从振荡器部6射出的激光相反的方向传播的返回光的光量，期望设置光电二极管等光检测单元。此外，在图13中，还省略了向LDM 9供给电力的电源部、用于控制光纤激光器5的各部的控制部等的图示。
作为图13中的光纤激光器5的光纤激光器用光纤1，使用沿着光纤激光器用光纤的长度方向控制了向芯2添加的Yb的添加浓度分布以在额定光输出时或最大光输出时光纤激光器用光纤的温度在光纤激光器用光纤的长度方向上均匀的第一实施方式的光纤激光器用光纤1或者第二实施方式的光纤激光器用光纤1。由此，能够降低激励光引导端部附近的、激励光被芯2吸收的吸收系数或吸收损失，通常，激励光引导端部附近由于激励光被芯2吸收的吸收量大，伴随吸收的每单位长度的发热量增加，因此达到由于温度上升引起的动作极限的可能性高。另外，如图4、图9所示，能够使光纤激光器用光纤1的长度方向的温度均匀。其结果，相比于光纤激光器用光纤1的长度方向上温度不均匀的情况，能够进行光纤激光器5的高输出化，能够实现即使在高输出下可靠性也高的光纤激光器。
在使用第一实施方式的光纤激光器用光纤1的情况下，将折射率调整用元素添加至芯2，并以抵消由于向芯2添加的Yb的添加浓度的变化而可能产生的芯2的折射率的变化、将芯2的折射率沿着光纤激光器用光纤1的长度方向保持为固定的方式添加所述折射率调整用元素，因此能够抑制伴随Yb的添加浓度的变化产生的芯2的折射率的变化。因此，能够抑制光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)的变化，从而能够抑制信号光从芯2漏出。
另外，在使用第二实施方式的光纤激光器用光纤1的情况下，针对由于由向芯2添加的Yb的添加浓度的变化产生的芯2的折射率的变化而可能产生的光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)的变化，将数值孔径调整用元素添加至第一包层3，并以通过使第一包层3的折射率变化来沿着光纤激光器用光纤1的长度方向将光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)保持为固定的方式添加所述数值孔径调整用元素。因此，无需将具有降低芯2的透过率的可能性的元素添加至芯2，就能够抑制光纤激光器用光纤1的数值孔径(NA)的变化，从而能够抑制信号光从芯2漏出。
<第四实施方式>
图14是本发明的第四实施方式的光纤激光器的示意性的结构图。
与图13同样地，为了简化附图，关于光纤激光器用光纤1，没有图示详细的构造。关于光纤激光器用光纤1，由粗的实线表示，由比其稍细的实线表示该光纤激光器用光纤1以外的光纤。也与图13同样地省略了电源部、控制部。
图14所示的光纤激光器105与图13所示的光纤激光器5不同的点在于没有后方激励部、只具备前方激励部7这一点。即，本实施方式的光纤激光器105为从一个方向向第一包层3引导激励光的光纤激光器。该光纤激光器105使用沿着光纤激光器用光纤1的长度方向控制了向芯2(参照图1A、图1B)添加的Yb的添加浓度分布的光纤激光器用光纤1来作为光纤激光器用光纤。以如下的方式控制向芯2添加的Yb的添加浓度分布：在额定光输出时或最大光输出时，光纤激光器用光纤1的长度方向的温度在光纤激光器用光纤1的总长中的、从引导激励光的端部侧起的至少大半的长度的部分为固定温度，在剩余的长度的部分为比所述固定温度低的温度。从引导激励光的端部侧起的至少大半的长度的部分是指从引导激励光的端部侧起至少50％以上、期望为80％以上的长度的部分。但是，光纤激光器用光纤1的长度方向的温度为固定温度的长度的部分比光纤激光器用光纤1的总长短。
图15表示向芯2添加的Yb的添加浓度的在光纤激光器用光纤1的长度方向上的分布例。图15的实线的图表示出本实施方式的光纤激光器105中使用的光纤激光器用光纤1的向芯2添加的Yb的添加浓度分布例。如图15的实线的图表所示，向芯2添加的Yb的添加浓度在引导激励光的端部侧低，随着离开引导激励光的端部而逐渐增加。另一方面，在与引导激励光的端部相反的一侧的端部附近，几乎为固定浓度。
另外，图16的实线的图表为关于使用了如图15的实线的图表所示的那样控制了向芯2添加的Yb的添加浓度的光纤激光器用光纤1的图14所示的光纤激光器105、进行光纤激光器用光纤1的热流体模拟并在光纤激光器用光纤1的长度方向上标记第二包层4(参照图1A、图1B)的最大温度得到的图表。
关于此时的热流体模拟的条件，将光纤激光器用光纤1的芯径设为35μm、将第一包层直径设为250μm、将第二包层直径设为650μm，从光纤激光器用光纤1的一个端部引导6.6kW的激励光。另外，光纤激光器用光纤1的冷却条件如下。芯2和第一包层3的材质设为SiO2。第二包层4为聚合物(导热率：0.21W/(m·K))。在由25℃的冷却水冷却的铝合金制的水冷板(导热率：180W/(m·K))中形成宽度1.5mm、深度0.75mm的槽，在使光纤激光器用光纤1与槽的底中央接触的状态下，使导热粘接剂(导热率：2W/(m·K))流入槽中并且完全填埋槽，使得与水冷板的原来的表面为同一平面。
如图16的实线的图表所示，如图15的实线的图表所示的那样控制了向芯2添加的Yb的添加浓度的光纤激光器用光纤1的温度在从引导激励光的端部侧起的大致80％的长度的部分为固定温度，剩余的长度的部分(与引导激励光的端部侧相反的一侧的端部附近部分)的温度相对于上述固定温度下降。
图15中的点划线所示的图表示出在如下的情况下添加至芯的Yb的添加浓度的分布例：想要在额定光输出时或最大光输出时，使光纤激光器用光纤的长度方向的温度遍及光纤激光器用光纤的总长地均匀。在该情况下，向芯添加的Yb的添加浓度在与引导激励光的端部侧相反的一侧的端部为非常高的浓度。
另外，图16中的点划线所示的图表示出使用了具有如图15的点划线那样的Yb的添加浓度分布的光纤激光器用光纤的情况下的、第二包层的最大温度的分布例。通过如图15的点划线所示那样向芯添加Yb，光纤激光器用光纤的温度遍及光纤激光器用光纤的总长地均匀。
并且，图16中的虚线所示的图表示出如下的情况下的第二包层的最大温度的分布例：使用了以使光纤激光器用光纤整体的吸收率相同的方式向芯中以0.08mole％的浓度沿光纤激光器用光纤的长度方向均匀地添加有Yb的光纤激光器用光纤。通过沿光纤激光器用光纤的长度方向均匀地添加Yb，光纤激光器用光纤的温度在导入激励光的端部侧非常高。
相比于如第三实施方式那样的两侧激励，本实施方式的前方激励具有能够提高激励效率的优点。但是，如根据图15和图16所明确的那样，在从光纤激光器用光纤的一个方向的端部将激励光引导至第一包层的情况下，当想要遍及光纤激光器用光纤的总长地使光纤激光器用光纤的温度均匀时，需要向靠近与引导激励光的端部侧相反的一侧的部分的芯添加非常高浓度的Yb。在该情况下，担忧由于光暗化(photodarkening)产生的劣化等。但是，如果如图16的实线的图表那样设定为稍微降低靠近与引导激励光的端部侧相反的一侧的部分的温度，则在将Yb的最大添加浓度抑制得低的同时，相比于遍及光纤激光器用光纤的总长地设为相同温度的情况、第二包层的最大温度仅些微地上升，能够得到与遍及光纤激光器用光纤的总长地设为相同温度的情况同等的激励光吸收率。
<第五实施方式>
图17、图19、图20为表示本发明的第五实施方式的光纤激光器中的光纤激光器用光纤的冷却构造的示意图。该冷却构造(散热构造)能够使用于第三实施方式、第四实施方式的光纤激光器5、105。
图17为表示光纤激光器用光纤的冷却构造的一部分的截面图。如图17所示，光纤激光器用光纤1的至少一部分敷设于形成于冷却板16的槽16a内。
在该例中，光纤激光器用光纤1的芯径为35μm，第一包层直径为200μm，第二包层直径为600μm。芯2和第一包层3为SiO2。第二包层4为聚合物(导热率：0.21W/(m·K))。冷却板16为由25℃的冷却水冷却的铝合金制的水冷板(导热率：180W/(m·K))。
在图17所示的冷却板16的表面形成有宽度1.5mm、深度0.75mm的槽16a。光纤激光器用光纤1在与冷却板16的表面的槽16a的底中央接触的状态下通过被填充于槽16a内的导热粘接剂(导热率：2W/(m·K))17固定，由此进行敷设。槽16a内的导热粘接剂17的厚度为dμm。也可以代替导热粘接剂17而使用具有同样的导热率的导热糊剂。
在该状态下，设为芯2每1m发热125W来进行热流体模拟，由此求出第二包层4的最大温度的对导热粘接剂17的厚度(d)的依赖性。在图18中表示该结果。如根据图18所知的那样，当导热粘接剂17的厚度d比光纤激光器用光纤1完全埋入导热粘接剂17中的厚度(d≥600μm)薄时，第二包层4的最大温度伴随导热粘接剂17的厚度d的减少而急剧地上升。与此相对地，当导热粘接剂17的厚度d比600μm厚时，第二包层4的最大温度的对导热粘接剂17的厚度依赖性缓和。
因而，期望光纤激光器用光纤1在设置于铝合金等导热构件制的冷却板16的、至少比光纤激光器用光纤1的外径深的槽16a内并与槽16a的底接触，并且通过导热粘接剂17或导热糊剂敷设为完全不露出，以使光纤激光器用光纤1的冷却条件提高而能够进一步抑制光纤激光器用光纤1的温度上升。由此，光纤激光器用光纤1的冷却条件提高，能够更有效地抑制光纤激光器用光纤1的温度上升。
另外，光纤激光器用光纤1纵长，为了光纤激光器的小型化，如图13、图14所示，需要以多层卷绕为环状的方式敷设于冷却板16。因此，产生光纤激光器用光纤1交叉的部位，有时难以遍及光纤激光器用光纤1的总长地采用图17所示的冷却构造。在这样的情况下，可以在光纤激光器用光纤1交叉的部分采用图19、图20例示的冷却构造。
图19所示的冷却构造使用除了在表面形成有沿一个方向延伸的槽16a以外还在表面形成有沿着与该槽16a交叉的方向延伸并且深度比槽16a深的槽16b的冷却板16。深度深的槽16b配置为截断深度浅的槽16a。像这样，使用使交叉地配置的槽16a与槽16b的深度不同的冷却板16，将交叉的光纤激光器用光纤1、1中的一方敷设于槽16a内，将另一方敷设于槽16b内，由此能够以交叉的光纤激光器用光纤1、1间不接触的方式进行冷却。
另外，图20所示的冷却构造为在具有沿着一个方向延伸的槽16a的冷却板16的上表面具有跨越槽16a并且沿着与槽16a交叉的方向延伸的架桥160。架桥160由与冷却板16相同的导热构件制造。在架桥160的上表面形成有沿着与槽16a交叉的方向延伸的槽160a。像这样，使用在槽16a之上设置有具有沿着与该槽16a交叉的方向延伸的槽160a的架桥160的冷却板16，将交叉的光纤激光器用光纤1、1中的一方敷设于槽16a内，将另一方敷设于槽160a内，由此能够以交叉的光纤激光器用光纤1、1间不接触的方式进行冷却。
此外，图19和图20表示从光纤激光器用光纤1的冷却构造中切取出光纤激光器用光纤1交叉的附近的状态。另外，在图19和图20中，为了能够看到光纤激光器用光纤1，没有图示出导热粘接剂17、导热糊剂。
通过采用图19、图20所示的冷却构造，即使关于光纤激光器用光纤1、1间交叉的部分，也能够配置为使光纤激光器用光纤1、1间彼此不接触来进行冷却。即，关于光纤激光器用光纤1、1间交叉的部分中的、在与冷却板16之间以与另一方光纤激光器用光纤1交叉的方式存在的光纤激光器用光纤1的部分，也能够通过冷却板16进行冷却。由此，能够极力缩短或者几乎消除由于没有与冷却板接触或者由于没有将光纤激光器用光纤1设置于槽内而没有被导热粘接剂、导热糊剂完全覆盖从而冷却条件不好、变成比其它部分温度高的光纤激光器用光纤1的范围。
<第六实施方式>
图21是本发明的第六实施方式的光纤激光器的示意性的结构图。
本实施方式的光纤激光器205具备多个第三实施方式的光纤激光器5，并且还具备将来自各光纤激光器5的激光输出耦合于一根光纤的光束组合器18。第三实施方式的光纤激光器5具有如前述的那样沿着长度方向使温度均匀化的光纤激光器用光纤1，能够射出高输出激光。因此，本实施方式的光纤激光器205通过利用一个光束组合器18来耦合光纤激光器5的光输出，能够射出更高输出的激光15。
在本实施方式中，图示了具备3台光纤激光器5的光纤激光器205，但构成光纤激光器205的光纤激光器5可以为2台，也可以为3台以上。另外，本实施方式的光纤激光器205也可以具备多台如第四实施方式那样的前方激励(单侧激励)的光纤激光器105来代替如第三实施方式那样的两侧激励的光纤激光器5，通过一个光束组合器1来8耦合来自各光纤激光器105的光输出。
<第七实施方式>
图22A～图22G为用于说明本发明的光纤激光器用光纤1的制造方法的制造工序的概要图。本实施方式的制造方法表示用于制造如第一实施方式的光纤激光器用光纤1那样使向芯2添加的Yb的添加浓度和折射率调整用元素的添加浓度沿着长度方向变化的光纤激光器用光纤1的制造方法的一例。
首先，通过火焰水解法(FHD：Flame Hydrolysis Deposition)等例如使SiO2-Yb2O3-GeO2微粒子(炭黑(soot))302沉积于Si、SiO2等的基板301之上(图22A：步骤S101)，之后，进一步提高温度使炭黑302透明玻璃化，在基板301之上层叠透明玻璃化二氧化硅303(图22B：步骤S102)。关于通过步骤S101沉积的炭黑302的厚度，例如在透明玻璃化的时间点厚度为3mm。另外，在使炭黑302沉积于基板301上时，控制为透明玻璃化后的Yb的添加浓度在厚度方向上的分布呈将图2所示的Yb添加浓度分布在长度方向上压缩为1/10000后的分布，并且Ge的添加浓度在厚度方向上的分布呈将图6的Ge添加浓度分布在长度方向上压缩为1/10000后的分布。此外，添加的元素并不限于Yb、Ge，也可以为了抑制光暗化而沿着厚度方向以均匀的浓度添加Al。接着，利用蚀刻等去除基板301(图22C：步骤S103)，之后，从被去除了基板301后的透明玻璃化二氧化硅303中切取直径3.5mm的圆形的盘304(图22D：步骤S104)。该盘304为在后续工序的拉丝后成为芯2的部分。
接着，在使例如外径为60mm且壁厚约为11mm的中空圆筒形的硅氧玻璃制的管305旋转的同时从管305的外侧通过氢氧燃烧器306的火焰进行加热，将管305整形为外径35mm、内径3.5mm多(图22E：步骤S105)。为了准确地控制内径，也可以在管305的中央配置耐热性高的外径3.5mm的棒。该管305为在后续工序的拉丝后成为第一包层3的部分。
在制作盘304和整形后的管305后，在整形后的管305的内侧堆叠多个作为芯2的盘304(图22F：步骤S106)。之后，在将管305的中心轴保持为垂直的状态下，虽然没有进行图示但再次在使管305旋转的同时从管305的外侧通过氢氧燃烧器的火焰加热管305。由此，使管305与盘304彼此熔接而一体化，从而制作光纤的预制件307(图22G步骤S107)。
通过光纤化工序(拉丝)对像这样制作成的预制件307进行拉丝，制作外径350μm的光纤。在该过程中，在光纤的外侧通过UV固化聚合物等形成第二包层4。此外，关于光纤化工序(拉丝)，能够应用通常公知的方法，因此省略详细的的说明。
每隔30m切断通过以上的制造方法制作成的光纤，能够得到如下的光纤激光器用光纤1：第二包层直径为350μm，芯径为35μm，将向芯2添加的Yb的添加浓度控制为图2所示的Yb添加浓度分布，并且同样地将向芯2添加的Ge的添加浓度控制为图6所示的Ge添加浓度分布。如果在图22G的步骤S107的阶段中预制件307的有效长度为600mm，则能够由一根预制件307制造200根长度为30m的光纤激光器用光纤1。
此外，为了容易掌握从预制件307拉丝成的光纤的切断位置，可以在盘304的平坦的至少单面添加能够形成通过从光纤的外侧照射可见光或紫外线能够识别的标记的上述以外的元素。另外，也可以代替向盘304的平坦面添加成为标记的元素，而在相邻的盘304、304之间插入添加有能够形成标记的元素的、外径3.5mm的薄的SiO2圆板。
<第八实施方式>
图23A～图23D为用于说明本发明的光纤激光器用光纤1的制造方法的制造工序的概要图。本实施方式的制造方法表示用于制造如第一实施方式的光纤激光器用光纤1那样使向芯2添加的Yb的添加浓度和折射率调整用元素的添加浓度在光纤激光器用光纤1的长度方向上变化的光纤激光器用光纤1的其它制造方法的一例。
首先，通过气相轴向沉积法(VAD：Vapor Axial-phase Deposition)在玻璃籽晶棒401的轴向上周期性地使Yb、Ge的添加浓度变化并且使多孔质母材(炭黑)生长，合成炭黑体402。此时，在炭黑体402的轴向上改变Yb、Ge的添加浓度能够通过改变从燃烧器406朝向炭黑体402吹送的气体中的YbCl3、GeCl4的混合比来进行(图23A：步骤S201)。之后，将合成的炭黑体402插入通过加热器403而具有1500℃左右的热区(heat zone)的高温炉404中，制作透明玻璃化的圆柱形的棒405(图23B：步骤S202)。该棒405为在后续工序的拉丝后成为芯2的部分。
接着，通过切削、蚀刻等将像这样制作的棒405加工或成形为例如外径3.5mm的细径的棒405a，之后将该棒405a配置于外径60mm且壁厚约11mm的中空圆筒形的硅氧玻璃制的管407的中心，由此构成带棒管408。之后，通过氢氧燃烧器409的火焰塌缩带棒管408(图23C：步骤S203)。管407为在后续工序的拉丝后成为第一包层3的部分。通过塌缩带棒管408，使管407与棒405a彼此熔接而一体化，制作光纤的预制件410(图23D：步骤S204)。
与实施方式7同样，通过光纤化工序(拉丝)对像这样制作成的预制件410进行拉丝，由此制作外径350μm的光纤。在该过程中，在光纤的外侧通过UV固化聚合物等形成第二包层4。在图23C的步骤S204的阶段中，如果制作预制件410的有效长度为600mm、外径为35mm、成为芯2的部分的直径为3.5mm、添加至成为芯2中的部分的Yb、Ge的浓度分布的1个周期为与第七实施方式的一个盘的量相当的3mm的预制件410，则与实施方式7同样，能够由一根预制件410制作200根长度为30m的光纤激光器用光纤。在该制造方法中，能够通过棒405制作成为芯2的部分，因此不需要如第七实施方式那样的盘304的堆叠工序。
此外，需要使芯2的径向上的Yb、Ge的浓度均匀，因此炭黑体402的炭黑沉积面402a的表面形状期望为与炭黑体402的中心轴垂直的平面。因此，如图23A的步骤S201所示，也可以是，具备多个通过包含四氯化硅(SiCl4)的氢氧焰水解法使炭黑体402沉积的燃烧器406，并且具备监视炭黑沉积面402a的表面形状的立体观察摄像装置等表面形状监视装置411。通过反馈由表面形状监视装置411得到的监视结果，能够在调节多个燃烧器406的火势的同时使炭黑体402沉积，以使炭黑沉积面402a的表面形状为与炭黑体402的中心轴垂直的平面。另外，也可以沿着炭黑沉积面402a扫描激光。通过激光使沉积于比激光扫描面靠下侧的位置的炭黑再次蒸发，能够将炭黑沉积面402a的表面形状保持为与炭黑体402的中心轴垂直的平坦面。
<第九实施方式>
图24A～图24C为用于说明本发明的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。本实施方式的制造方法表示用于制造如第一实施方式的光纤激光器用光纤1那样使添加至芯2的Yb的添加浓度和折射率调整用元素的添加浓度在光纤激光器用光纤1的长度方向上变化的光纤激光器用光纤1的另一其它制造方法的一例。
使例如内径10mm、壁厚2.4mm的中空圆筒形的硅氧玻璃制的管502配置于高频腔501内，通过等离子体化学气相沉积法(PCVD：Plasma active Chemical VaporDeposition)在该管502的内壁沉积硅氧玻璃直至达到31μm的厚度为止来形成透明玻璃层503。管502为在后续工序的拉丝后成为第一包层3的部分，管502内的透明玻璃层503为在后续工序的拉丝后成为芯2的部分。此时，根据通过管502内产生的高频感应热等离子体504而硅氧玻璃沉积的位置的移动、例如以硅氧玻璃沉积的位置在管502的长度方向上移动30mm的时间的周期来供给例如使YbCl3、GeCl4的浓度变化后的原料气体(图24A：步骤S301)。之后，通过氢氧燃烧器505的火焰压溃即塌缩(图24B：步骤S302)管502的中空部，制作光纤的预制件506(图24C：步骤S303)。
通过光纤化工序(拉丝)对像这样制作的预制件506进行拉丝，拉伸至1000倍的长度，制作外径为350μm的光纤。通过光纤化工序，芯径为35μm。在光纤化工序内，在光纤的外侧通过UV固化聚合物等形成第二包层4。
在等离子体化学气相沉积法中，不沉积炭黑，而直接沉积硅氧玻璃。因此，如果在宽度窄的高频腔501中局部地产生高频感应热等离子体504，则能够形成由在管502的长度方向上控制了Yb、Ge的添加浓度的由硅氧玻璃形成的透明玻璃层503。在本实施方式的情况下，Yb的添加浓度为将图2所示的Yb添加浓度分布在长度方向上压缩为1/1000后的分布，Ge的添加浓度为将图6所示的Ge添加浓度分布在长度方向上压缩为1/1000后的分布，由此能够制作具有期望的浓度分布的光纤激光器用光纤1。另外，在本实施方式的情况下，如果在图24C的步骤S303的阶段中预制件506的有效长度为900mm，则能够由一根预制件506制造30根长度为30m的光纤激光器用光纤1。
在本实施方式中，能够由一根预制件506制作的光纤激光器用光纤1的根数比第七实施方式、第八实施方式的制造方法少，但具有在芯2的径向上也能够控制稀土元素的添加浓度这个优点。在不需要在芯2的径向上控制添加浓度的情况下，也可以通过以与使添加浓度在管502的长度方向上变化的周期(距离)相同的间隔设置多个等离子体产生用腔，使得能够缩短制作时间。
<第十实施方式>
图25A～图25C是用于说明本发明的光纤激光器用光纤的制造方法的制造工序的概要图。本实施方式的制造方法表示用于制造如第二实施方式的光纤激光器用光纤1那样使添加至芯2的Yb的添加浓度和添加至第一包层3的数值孔径调整用元素的添加浓度在光纤激光器用光纤1的长度方向上变化的光纤激光器用光纤1的制造方法的一例。
首先，通过与第八实施方式的制造方法中的图23A的步骤S201和图23B的步骤S202相同的工序，通过气相轴向沉积法(VAD：Vapor Axial-phase Deposition)，在轴向上周期性地使Yb的添加浓度变化并且使多孔质母材(炭黑)生长，合成炭黑体(步骤S401)。之后，将合成的炭黑体插入通过加热器而具有1500℃左右的热区的高温炉中进行透明玻璃化，制作由硅氧玻璃形成的圆柱形的棒(步骤S402)。该棒为在后续工序的拉丝后成为芯2的部分。此外，步骤S401和步骤S402的图与图23A的步骤S201和图23B的步骤S202相同，因此省略。本实施方式中的棒的中心轴方向的Yb的添加浓度分布为将图2所示的Yb添加浓度分布在距离上压缩为1/10000后的分布。
接着，通过切削、蚀刻等将制作成的棒加工或成形为外径3.5mm的棒，之后暂时通过氢氧燃烧器的火焰进行加热来拉伸为约10倍的长度，由此整形为使外径细至1.1mm的细径的棒601(图25A：步骤S403)。将该棒601设为芯母材，在芯母材的外表面上通过等离子体外部化学气相沉积法(POVD：Plasma active Outside Vapor Deposition)沉积硅氧玻璃，形成硅氧玻璃层602。该硅氧玻璃层602为在后续工序的拉丝后成为第一包层3的部分。
通过以使其与芯母材中包含的30mm周期的细径的棒601的轴向的Yb添加浓度分布一致的方式使供给至等离子体炬603中的原料气体中包含的数值孔径调整用元素即含氟化合物的浓度变化，以成为例如将图5所示的F添加浓度分布沿长度方向压缩为1/1000后的浓度分布，来进行硅氧玻璃层602的形成。等离子体炬603在等离子体外部化学气相沉积法的实施中遍及形成硅氧玻璃层602的区域地往复移动(图25B：步骤S404)。由此，制作外径为11mm的光纤的预制件604(图25C：步骤S405)。
接着，通过光纤化工序(拉丝)对像这样制作成的预制件604进行拉丝而拉伸至1000倍的长度，制作外径350μm的光纤。通过光纤化工序，芯径为35μm。在光纤化工序内，在光纤的外侧通过UV固化聚合物等形成第二包层4。如果在图25C的步骤S405结束的阶段预制件604的有效长度为900mm，则能够由一根预制件604制造30根长度为30m的光纤激光器用光纤。
根据该制造方法，能够在稀土元素的添加浓度在光纤激光器用光纤1的长度方向上变化的芯2的周围容易地形成用于能够与稀土元素的添加浓度的变化对应地改变折射率的控制了数值孔径调整用元素的添加浓度的第一包层3。

Claims (15)

1.一种光纤激光器用光纤，具备：
芯，其被添加有稀土元素；第一包层，其形成于所述芯的周围；以及第二包层，其形成于所述第一包层的周围，其中，从所述第一包层的至少一方的端部引导激励光，激发所述稀土元素来输出激光振荡光，
在所述光纤激光器用光纤中，
向所述芯添加的所述稀土元素的添加浓度沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向不同，
所述光纤激光器用光纤的芯径和数值孔径沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向固定。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器用光纤，其特征在于，
关于向所述芯添加的所述稀土元素的添加浓度，所述光纤激光器用光纤的长度方向上的离引导激励光的所述端部越近的区域相比于其它区域该添加浓度越低。
3.根据权利要求1或2所述的光纤激光器用光纤，其特征在于，
用于使所述芯的折射率变化的折射率调整用元素被添加至所述芯，以抵消向所述芯添加的所述稀土元素的添加浓度的变化所引起的所述芯的折射率的变化来将所述芯的折射率沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向保持为固定的方式添加所述折射率调整用元素。
4.根据权利要求1或2所述的光纤激光器用光纤，其特征在于，
针对由于向所述芯添加的所述稀土元素的添加浓度的变化引起的所述芯的折射率的变化而产生的所述光纤激光器用光纤的数值孔径的变化，将用于使所述第一包层的折射率变化的数值孔径调整用元素添加至所述第一包层，以将所述光纤激光器用光纤的数值孔径沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向保持为固定的方式添加所述数值孔径调整用元素。
5.一种光纤激光器，具备：
根据权利要求1～4中的任一项所述的光纤激光器用光纤；
锥形光纤束，其与所述光纤激光器用光纤的端部连接；以及
多个光源，所述多个光源射出要经由所述锥形光纤束被引导至所述光纤激光器用光纤的所述第一包层的激励光。
6.根据权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于，
所述光纤激光器用光纤是沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向控制了所述稀土元素的添加浓度分布，以使得在额定光输出时或最大光输出时所述光纤激光器用光纤的温度沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向均匀的光纤。
7.根据权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于，
所述光纤激光器是从一个方向将激励光引导至所述第一包层的光纤激光器，
所述光纤激光器用光纤是沿着所述光纤激光器用光纤的长度方向控制了所述稀土元素的添加浓度分布，以使得在额定光输出时或最大光输出时所述光纤激光器用光纤的温度在所述光纤激光器用光纤的总长中的从引导激励光的所述端部侧起的50％以上的长度的部分为固定温度、在剩余的长度的部分为比所述固定温度低的温度的光纤。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的光纤激光器，其特征在于，
所述光纤激光器用光纤的至少一部分通过导热粘接剂或导热糊剂敷设于在导热构件制的冷却板形成的且至少比所述光纤激光器用光纤的外径深的槽的内侧。
9.根据权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，
所述光纤激光器用光纤具有彼此交叉的部分，
所述冷却板构成为：在所述光纤激光器用光纤交叉的部分，通过使用于敷设交叉的所述光纤激光器用光纤中的一方的所述槽与用于敷设另一方的所述槽的深度不同来使交叉的所述光纤激光器用光纤间不接触，或者所述冷却板构成为：以跨越用于敷设交叉的所述光纤激光器用光纤中的一方的所述槽的方式设置导热构件制的架桥，在所述架桥上敷设交叉的所述光纤激光器用光纤中的另一方。
10.一种光纤激光器，
具备多个根据权利要求5～9中的任一项所述的光纤激光器，并且还具备将分别从多个所述光纤激光器射出的激光输出耦合于一根光纤的光束组合器。
11.一种光纤激光器用光纤的制造方法，是根据权利要求1～3中的任一项所述的光纤激光器用光纤的制造方法，
在中空的硅氧玻璃制的管的内侧层叠多个使所述稀土元素的添加浓度在厚度方向上发生了变化的硅氧玻璃制的盘，
接着，通过加热使所述管与所述盘彼此熔接来制作预制件，
接着，一边加热所述预制件一边进行拉丝。
12.一种光纤激光器用光纤的制造方法，是根据权利要求1～3中的任一项所述的光纤激光器用光纤的制造方法，
通过气相轴向沉积法，在使所述稀土元素的添加浓度在轴向上周期性地变化的同时使炭黑生长，来制作炭黑体，
接着，通过使所述炭黑体硅氧玻璃化来制作棒，
接着，将所述棒配置在中空的硅氧玻璃制的管的内侧来制作带棒管，
接着，塌缩所述带棒管来制作预制件，
接着，一边加热所述预制件一边进行拉丝。
13.一种光纤激光器用光纤的制造方法，是根据权利要求1～3中的任一项所述的光纤激光器用光纤的制造方法，
向中空的硅氧玻璃制的管的内侧供给原料气体来通过等离子体化学气相沉积法沉积硅氧玻璃，在所述原料气体中，与通过所述管内产生的高频感应热等离子体来沉积所述硅氧玻璃的位置在所述管的长度方向上的移动相应地周期性地改变了所述稀土元素的浓度，
接着，塌缩所述管来制作预制件，
接着，一边加热所述预制件一边进行拉丝。
14.一种光纤激光器用光纤的制造方法，是根据权利要求4所述的光纤激光器用光纤的制造方法，
通过气相轴向沉积法，在使所述稀土元素的添加浓度在轴向上周期性地变化的同时使炭黑生长来制作炭黑体，
接着，使所述炭黑体硅氧玻璃化来制作棒，
接着，以所述棒为芯母材，以与所述芯母材中包含的所述稀土元素的添加浓度变化的在所述棒的轴向上的周期一致的方式使原料气体中包含的数值孔径调整用元素的浓度变化，并且通过等离子体外部化学气相沉积法使要成为所述第一包层的硅氧玻璃沿轴向沉积于所述芯母材的外表面上，来制作预制件，
接着，一边加热所述预制件一边进行拉丝。
15.根据权利要求12或14所述的光纤激光器用光纤的制造方法，其特征在于，
制造所述炭黑体的制造装置具备：燃烧器，其用于通过四氯化硅的氢氧焰水解法使所述炭黑沉积；以及表面形状监视装置，其监视炭黑沉积面的表面形状，
其中，反馈由所述表面形状监视装置得到的监视结果，一边调节所述燃烧器的火势一边使所述炭黑沉积，使得所述炭黑沉积面的表面形状为与所述炭黑体的中心轴垂直的平面。
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