DE102019216323A1 - Optikfaser für einen faserlaser, faserlaser und herstellverfahren für optikfaser für einen faserlaser - Google Patents

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Abstract

Eine Optikfaser für einen Faserlaser, in welchem ein Steuerbereich eines Absorptions-Koeffizienten so breit wie ein erforderlicher Bereich ist, und das Lecken von Signallicht aus einem Kern unterdrückt wird, und der zu einem erlaubtem Kostenbereich hergestellt werden kann und hoch zuverlässig ist, wird bereitgestellt. Eine Optikfaser für einen Faserlaser 1 beinhaltet einen Kern 2, zu welchem ein Seltenen Erden-Element zugegeben wird, einen ersten Mantel 3, der um den Kern 2 gebildet wird und einen zweiten Mantel 4, der um den ersten Mantel 3 gebildet ist, und Anregungslicht wird aus zumindest einem Ende des ersten Mantels 3 geführt, um das Seltene Erden-Element anzuregen, ein Laser-Oszillationslicht auszugeben. Die Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern 2 unterscheidet sich in einer Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 und ein Kerndurchmesser oder eine Numerik-Apertur der Optikfaser für einen Faserlaser 1 sind in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 konstant.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Optikfaser (Lichtleiter) für einen Faserlaser, einen Faserlaser und ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser. Spezifisch bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Optikfaser für einen Faserlaser, der einen Resonator in einem Faserlaser bildet, und in welchem Signallicht, welches sich durch einen Kern ausbreitet, durch Anregungslicht verstärkt wird, und ein Herstellverfahren dafür. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Faserlaser, der die Optikfaser für einen Faserlaser verwendet.
  • Stand der Technik
  • In einem Hochleistungs-Faserlaser wird eine Doppelummantelungs-Faserstruktur mit einer Dreilagenstruktur, die einen Kern, einen ersten Mantel und einen zweiten Mantel beinhaltet, allgemein auf eine Verstärkungs-Optikfaser verwendet. In einer Doppelummantelungs-Faserstruktur wird Anregungslicht zu einem ersten Mantel geführt, der ein Anregungsmantel genannt wird, um das Anregungslicht zu führen. Das zum ersten Mantel geführte Anregungslicht wird graduell in einem Kern mit einem höheren refraktiven Index (Brechungsindex) als dem ersten Mantel absorbiert, während es sich durch den ersten Mantel ausbreitet. Um das Anregungslicht in dem ersten Mantel einzudämmen, wird häufig ein Niederrefraktiv-Index-Polymer in einem zweiten Mantel mit einem niedrigeren refraktiven Index als dem ersten Mantel verwendet. Jedoch wird manchmal ein Luftlochtyp-Mantel, der aus Quarz mit exzellenter Wärmewiderstandsfähigkeit gebildet ist, ähnlich zum Kern und dem ersten Mantel als der zweite Mantel verwendet.
  • Yb3+ wird hauptsächlich als Seltene Erden-Ionen verwendet, die zum Kern hinzugefügt sind. Dies liegt daran, dass Yb3+ eine Quanten-Effizienz von im Wesentlichen 1 aufweist und quasi ein Drei-Pegel-System ist, so dass ein Quanten-Defekt klein ist und die Menge an Wärmeerzeugung pro Einheitslaser-Ausgabe unterdrückt wird, um am kleinsten von Seltenen Erden-Ionen zu sein. Da das im Kern eingedämmte Hochintensitäts-Signallicht ein großes Verstärkungs-/Verlust-Verhältnis aufweist, realisiert das Signallicht vollständig gesättigte Verstärkung und ermöglicht Operationen bei maximaler Effizienz. In der vorliegenden Spezifikation wird ein Ausdruck „Optikfaser für einen Faserlaser“ verwendet, um eine Verstärkungs-Optikfaser zu bedeuten, die eine Doppelummantelungs-Faserstruktur aufweist, wenn nicht insbesondere anders ausgesagt.
  • In den letzten Jahren besteht ein Bedarf, die Ausgabe eines Faserlasers weiter zu steigern. Wenn jedoch die Gesamtlänge einer Optikfaser für einen Faserlaser so erhöht wird, dass das Anregungslicht ausreichend im Kern absorbiert wird, tritt eine nicht-lineare stimulierte Streuung, wie etwa eine stimulierte Raman-Streuung (SRS, stimulated Raman scattering) auf. Wenn eine nicht-lineare stimulierte Streuung auftritt, steigt das Stokes-Licht, so dass die Laserausgabe saturiert und ein Hochleistungsbetrieb beschränkt wird. Wenn andererseits ein effektiver Absorptionskoeffizient gesteigert wird, um eine Gesamtlänge einer Optikfaser für einen Faserlaser zu verkürzen, durch Hinzufügen einer hohen Konzentration von Yb-Ionen oder Senken eines Aspektverhältnisses (= Mantel-Durchmesser)/(KernDurchmesser)), wird das Auftreten von nicht linearer stimulierter Streuung wie etwa SRS reduziert. Jedoch, da eine thermische Last pro Einheitslänge steigt, wird eine Betriebsgrenze aufgrund des Anstiegs bei der Temperatur erreicht.
  • Eine tatsächliche thermische Last pro Einheitslänge ist nicht in der Längsrichtung einer Optikfaser für einen Faserlaser gleichförmig. In der Nähe eines Anregungslicht-Einführungsendes, da eine große Menge an Anregungslicht im Kern absorbiert wird, ist eine thermische Last groß und wird eine tatsächliche Betriebsgrenze aufgrund des Anstiegs bei der Temperatur durch den Anstieg bei der Temperatur in der Umgebung des Anregungslicht-Einführungsendes beschränkt. Daher ist es notwendig, die Temperatur in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser soweit als möglich gleichförmig zu halten. Darüber hinaus ist es notwendig, die Optikfaser für einen Faserlaser effizient und gleichförmig zu kühlen.
  • Wie oben beschrieben, bei dem konventionellen Faserlaser, da der Anstieg bei der Temperatur einer Optikfaser für einen Faserlaser (insbesondere Anstieg bei der Temperatur in der Nähe des Anregungslicht-Einführungsendes der Optikfaser für einen Faserlaser) hoch ist, aufgrund des Anstiegs bei der Ausgangsleistung, gibt es ein Problem damit, dass eine Beschichtungsschicht oder dergleichen der Optikfaser für einen Faserlaser wahrscheinlich verbrennt und die Ausgabe des Faserlasers durch dieses thermische Limit beschränkt ist. Daher sind eine Anzahl von Verfahren versucht worden, um dieses Problem zu lösen.
  • Patentdokument 1 offenbart eine Optikfaser für einen Faserlaser, die einen Seltenen Erden-Zugabekern enthält, welchem ein Selten Erden-Element zugegeben ist, und einen Mantel, der um den Seltenen Erden-Zugabekern gebildet ist, bei dem Anregungslicht von einem Ende des Mantels zur Anregung des Seltenen Erden-Elements geführt wird, um ein Hochleistungslaser-Oszillationslicht auszugeben, wobei der Seltenen Erden Zugabekern in eine Vielzahl von Kernregionen in Längsrichtung unterteilt ist, und Zugabe-Konzentrationen des zu den entsprechenden Kernregionen zugegebenen Seltenen Erden-Elements sich unterscheiden. Patentdokument 1 offenbart auch eine Optikfaser für einen Faserlaser, die durch Kombinieren einer Vielzahl von Yb-Zugabekernen mit einer von Zugabe-Konzentrationen von 500 ppm, 700 ppm und 1100 ppm als einer spezifischen Zugabe-Konzentration erhalten wird. Gemäß Patentdokument 1 weist eine Kernregion, die näher an dem Anregungslicht-Einführungsende lokalisiert ist, eine niedrigere Konzentration auf, so dass die Menge an im Kern in der Nähe des Anregungslicht-Einführungsendes absorbierten Anregungslicht sinkt, um den Anstieg bei der Temperatur in der Nähe des Anregungslicht-Einführungsendes zu reduzieren. Darüber hinaus offenbart Patentdokument 1 auch ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser, einschließlich Herstellung einer Vielzahl von unterteilten Fasern mit Seltenen Erden-Zugabekernen mit unterschiedlichen Zugabe-Konzentrationen und Splicen der Endstücke der jeweiligen unterteilten Fasern.
  • Jedoch, in der Optikfaser für einen Faserlaser, falls die Zugabe-Konzentrationen von Seltenen Erden-Elementen, die zu den entsprechenden Kernregionen hinzugegeben sind, unterschiedlich sind, ändert sich der refraktive Index des Kerns. Wenn beispielsweise eine Yb-Zugabe-Konzentration von 500 ppm auf 1100 ppm gesteigert wird, steigt der refraktive Index des Kerns um ungefähr 0,00044 und steigt die numerische Apertur (NA) bis zum ungefähr 1-5-Fachen. Obwohl die Steigerungsrate bei der numerischer Apertur (NA) reduziert werden kann, indem ein Element wie etwa Ge, welches den Brechungsindex steigert, außer Yb zum Kern zugegeben wird, kann die numerischer Apertur ungefähr mehrere Prozent steigen. In Bezug auf die Änderung bei der numerischen Apertur (NA) mag kein Problem auftreten, falls Signallicht, welches sich durch einen Kern ausbreitet, während es zwischen einem Hochreflektor-Faser-Bragg-Gitter (HRFBG) und einem Ausgangskoppler-Faser-Bragg-Gitter (OCFBG) reziproziert, welche einen Hohlraum bilden, sich von einer Optikfaser mit einer kleinen numerischen Apertur (NA) zu einer Optikfaser mit einer großen numerischen Apertur ausbreitet. Jedoch, in Kontrast dazu, wenn sich Signallicht von einer Optikfaser mit einer großen numerischen Apertur (NA) zu einer Optikfaser mit einer kleinen numerischen Apertur ausbreitet, schwächt sich die Eindämmung von Signallicht auf den Kern graduell ab. Eine Optikfaser für einen Faserlaser weist eine Länge von mehreren 10 Metern auf und ist in einem Zustand angeordnet, bei dem sie in einer zirkulären Form gewickelt ist. Daher, falls die Eindämmung von Laserlicht auf den Kern einer Optikfaser für einen Faserlaser sich graduell schwächt, gibt es ein Problem, dass der Biegeverlust der Optikfaser für einen Faserlaser steigt und das angeregte Lichtsignal wahrscheinlich aus dem Kern ausleckt.
  • Patentdokument 1 offenbart ein spezifisches Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser, beinhaltend das Schneiden von Optikfasern mit unterschiedlichen Yb-Konzentrationen in einer gewünschten Länge, Entfernen eines UV-härtbaren Polymers an den Enden der geschnittenen Optikfaser, Spleißen der Enden durch Fusion unter Verwendung eines Fusions-Spleißers und Wiederbeschichten des Splisses, von dem ein UV-härtbares Polymer entfernt wird, mit einem UV-härtbaren Polymer. Da jedoch das Spleißen einen gewissen Verbindungsverlust aufweist, besteht das Risiko, dass ein aus dem Kern ausleckendes Hochintensitäts-Signallicht Wärme erzeugen kann und das wiederbeschichtete UV-härtbare Polymer mit niedriger Wärme-Widerstandsfähigkeit verbrennen mag. Daher besteht ein anderes Problem, dass die Optikfaser für einen Faserlaser, der durch dieses Herstellverfahren hergestellt wird, ein Zuverlässigkeitsproblem hat.
  • Patentdokument 2 offenbart eine Optikfaser für einen Faserlaser, die einen Seltenen Erden-Zugabekern, zu welchem ein Seltenen Erden-Element zugegeben ist, und einen Mantel, der um den Seltenen Erden-Zugabekern gebildet wird, beinhaltet, bei welchem Anregungslicht von einem Ende des Mantels zum Anregen des Seltenen Erden-Elements zur Ausgabe eines Hochleistungs-Laser-Oszillationslichts geführt wird, wobei ein Außendurchmesser-Verhältnis zwischen dem Seltenen Erden-Zugabekern und dem Mantel sich in Längsrichtung unterscheidet. Spezifisch offenbart Patentdokument 2 auch eine Optikfaser für einen Faserlaser, bei dem der Außendurchmesser des Mantels der gleiche ist und der Außendurchmesser des Seltenen Erden-Zugabekerns graduell in der Längsrichtung steigt, und eine Optikfaser für einen Faserlaser, bei dem der Außendurchmesser des Seltenen Erden-Zugabekerns um das Zentrum in Längsrichtung sich symmetrisch im Bereich von 50 µm und 80 µm in der Längsrichtung ändert. Gemäß Patentdokument 2, da ein Absorptionsverlust der Optikfaser für einen Faserlaser mit sinkendem Kerndurchmesser sinkt, ist es möglich, die Absorptions-Charakteristik des Anregungslichts in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser leicht in dieser Optikfaser für einen Faserlaser zu steuern und die Temperaturverteilung in der Längsrichtung in der Optikfaser für einen Faserlaser zu planarisieren.
  • Patentdokument 2 offenbart ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser, beinhaltend das Herstellen einer Vorform mit einem Bereich, der als der Seltene Erden-Zugabekern dient, Schneiden des Umfangs der Vorform in zulaufender Form, so dass das Außendurchmesser-Verhältnis zwischen dem Seltenen Erden-Zugabekern und dem Mantel sich in der Längsrichtung unterscheidet, und Unterwerfen der geschnittenen Vorform einem Drahtziehen, so dass der Außendurchmesser des Mantels konstant ist.
  • Das größte Problem der Optikfaser für einen Faserlaser, die in Patentdokument 2 offenbart ist, ist das Herstellverfahren dafür. Das Schneiden des Umfangs der Vorform in einer zulaufenden Form, so dass sich das äußere Durchmesserverhältnis zwischen dem Seltenen Erden-Zugabekern und dem Mantel in Längsrichtung unterscheidet, und Unterwerfen der geschnittenen Vorform einem Drahtziehen, so dass der Außendurchmesser des Mantels konstant ist, bedeutet, dass eine Vorform nur einen Bereich aufweist, in welchem das äußere Durchmesserverhältnis zwischen dem Kern und dem Mantel sich innerhalb des gewünschten Bereichs ändert und eine Optikfaser für einen Faserlaser für einen Faserlaser aus einer Vorform erzeugt werden kann. Ein gewisses Ausmaß beim Anstieg bei den Kosten einer Optikfaser für einen Faserlaser ist im Vergleich zu Kommunikations-Optikfasern erlaubt, die für Langdistanz-Kommunikation verwendet werden. Jedoch, falls eine Optikfaser für einen Faserlaser für einen Faserlaser aus einer Vorform produziert werden kann, gibt es das Problem, dass die Kosten merklich ansteigen und so eine Optikfaser für einen Faserlaser nicht zur praktischen Verwendung geeignet ist. Darüber hinaus kann in einer Leistungsperspektive kein Problem auftreten, wenn sich durch den Kern ausbreitendes Signallicht bei Reziprozieren zwischen HRFPG und OCFPG, die einen Hohlraum bilden, von einer Optikfaser mit einem kleinen Kerndurchmesser zu einer Optikfaser mit einem großen Kerndurchmesser ausbreitet. Jedoch, im Gegensatz dazu, wenn das Signallicht sich aus einer Optikfaser mit einem großen Kerndurchmesser zu einer Optikfaser mit einem kleinen Kerndurchmesser ausbreitet, gibt es das Problem, dass das angeregte Signallicht wahrscheinlich aus dem Kern ausleckt, ähnlich zu der in Patentdokument 1 offenbarten Technologie.
  • Patentdokument 3 offenbart eine Optikfaser für einen Faserlaser, die einen Kern, zu welchem ein als Verstärkungsmedium dienendes Seltene Erden-Element zugegeben ist und ein Mantel, der um den Kern gebildet ist, enthält, bei welchem eine virtuelle Temperatur des Kerns 1500 °C oder niedriger ist und die virtuell Temperatur des Kerns sich in der Längsrichtung unterscheidet. Darüber hinaus offenbart Patentdokument 3 ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser, das das Durchführen von „Annealen“ nach Erhitzen und Schmelzen eines Optikfaser-Basismaterials beinhaltet, so dass eine virtuelle Temperatur eines aus dem Kernmaterial gebildeten Kerns 1500 °C oder niedriger ist und Bestrahlen eines CO2-Laserstrahls nach „Annealen“, um das Optikfaser-Basismaterial einem Drahtziehen zu unterwerfen, während die virtuelle Temperatur des Kerns in der Längsrichtung geändert wird.
  • In der in Patentdokument 3 offenbarten Technologie, selbst wenn die virtuelle Temperatur des Kerns sich von 1000 °C zu 1500 °C verändert, was spezifisch in der Spezifikation beschrieben ist, wird der Licht-Absorptions-Koeffizient um ungefähr 1,25 Mal bei einer Wellenlänge von 915 nm und ungefähr 1,4 Mal bei einer Wellenlänge von 970 nm bis 980 nm, geändert, wenn aus dem in Patentdokument 3 offenbarten Diagrammen abgelesen, und es gibt ein Problem, dass der Steuerbereich des Licht-Absorptions-Koeffizienten eng ist. Wie später beschrieben wird, wird es bevorzugt, dass ein Licht-Absorptions-Koeffizient sich um ungefähr das Vierfache ändert. Darüber hinaus, falls die virtuelle Temperatur im Temperaturbereich geändert wird, da der Refraktiv-Index sich um ungefähr 1,4635 bis 1,4646 ändert, wie aus den in einem anderen Patentdokument (japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2005-250040 A) abgelesen, welche vom selben Erfinder wie Patentdokument 3 erfunden ist, steigt auch die NA um ungefähr 10%, abhängig vom refraktiven Index des Mantels. Daher, wie oben beschrieben, gibt es ein Problem, dass sich aus einer Optikfaser mit einer großen NA zu einer Optikfaser mit einer kleinen NA ausbreitendes Signallicht wahrscheinlich aus dem Kern ausleckt.
  • Patentdokument 4 offenbart eine Optikfaser für eine Faserlaser, die einen Kern, welchem ein Seltenen Erden-Element zugegeben ist, und einen Mantel, der um den Kern gebildet ist, beinhaltet, wobei der Kern eine virtuelle Temperatur von 1720 °C bis 2000 °C aufweist und die virtuelle Temperatur sich in der Längsrichtung unterscheidet. Darüber hinaus offenbart Patentdokument 4 ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser, beinhaltend einen Optikfaser-Blankdraht-Herstellschritt des Schmelzens eines Optikfaser-Basismaterials zur Herstellung eines Optikfaser-Blankdrahts, der einen Kern, welchem ein Seltenen Erden-Element zugegeben wird, und ein Mantel, der um den Kern gebildet ist, beinhaltet, und einen Beschichtungsschritt des Ausbildens einer Beschichtung um den Optikfaser-Blankdraht, wobei ein Reststress-Applikationsschritt des Anwendens von Reststress auf das Innere des Kerns, so dass eine virtuelle Temperatur des Kerns zwischen 1720 °C und 2000 °C ist, zwischen dem Optikfaser-Blankdraht-Herstellschritt und dem Beschichtungsschritt oder nach dem Beschichtungsschritt vorgesehen wird. Patentdokument 4 offenbart, dass ein Schritt des Strahlens eines Laserstrahls auf den Optikfaser-Blankdraht zum Anwenden des Reststresses auf das Innere des Kerns zwischen dem Optikfaser-Blankdraht-Herstellschritt und dem Beschichtungsschritt als der Reststress-Anwendungsschritt durchgeführt werden kann und dass ein Schritt des Anwendens von Zug zum Aufbringen des Reststresses auf das Innere des Kerns durchgeführt werden kann nach dem Beschichtungsschritt, als der Reststress-Anwendungsschritt.
  • Jedoch, selbst wenn die virtuelle Temperatur im Bereich von 1720 °C bis 2000 °C geändert wird, wie aus den in Patentdokument 4 offenbarten Diagrammen zu lesen, wird die Fluoreszenz-Intensität, welches die Stärke von elektromagnetischen Wellen ist, die emittiert werden, wenn durch das Seltene Erden-Element in dem Kern angeregte Elektronen bestrahltes Anregungslicht-Energie absorbieren, zum Erdungszustand zurückkehrt, um ungefähr das 1,18-fache bei einer Anregungs-Wellenlänge von 974 nm geändert. Daher gibt es ein Problem, dass der Steuerbereich des Licht-Absorptions-Koeffizienten schmaler ist als derjenige der in Patentdokument 3 offenbarten Technologie. Da ein Steuerbereich des Licht-Absorptions-Koeffizienten schmal ist, ist die Änderung beim refraktiven Index relativ so klein wie ungefähr 1,4651 bis 1,4658. Jedoch, da die NA sich um ungefähr mehrere Prozent ändert, gibt es das Problem, dass sich aus einer Optikfaser mit einer großen NA zu einer Optikfaser mit einer kleinen NA ausbreitendes Signallicht wahrscheinlich aus dem Kern ausleckt.
    • Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. JP 2009-32910 A
    • Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. JP 2009-129989 A
    • Patentdokument 3: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. JP 2008-308361 A
    • Patentdokument 4: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. JP 2010-103223 A
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Wie oben beschrieben, sind in den konventionellen Optikfasern für einen Faserlaser eine Anzahl von Verfahren zum Steuern eines Absorptions-Koeffizienten oder eines Absorptionsverlusts von Anregungslicht im Kern zum Unterdrücken des Anstiegs bei der Temperatur des Anregungslicht Einführungsendes und Halten der Temperatur in Längsrichtung, so dass sie gleichförmig ist, versucht worden. Jedoch gibt es Probleme, die mit der Leistung assoziiert sind, dass angeregtes Signallicht wahrscheinlich aus dem Kern ausleckt und ein Steuerbereich des Absorptions-Koeffizienten des Anregungslichts schmal ist und mit Herstellverfahren assoziierte Probleme, dass die Produktionskosten sehr hoch sind und es Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit gibt.
  • Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme gemacht worden, und eine Aufgabe derselben ist es, eine Optikfaser für einen Faserlaser bereitzustellen, bei der ein Steuerbereich eines Absorptions-Koeffizienten so breit wie ein erforderlicher Bereich ist und die Leckage von Signallicht aus einem Kern unterdrückt wird, und die zu einem erlaubten Kostenbereich hergestellt werden kann und hoch zuverlässig ist, und ein Herstellverfahren bereitzustellen, das zum Herstellen der Optikfaser für einen Faserlaser in der Lage ist. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochleistungs-Faserlaser bereitzustellen, der eine Optikfaser für einen Faserlaser mit den oben beschriebenen Eigenschaften verwendet, und hoch zuverlässig ist.
  • (1) Eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Optikfaser für einen Faserlaser (beispielsweise die später zu beschreibende Optikfaser für einen Faserlaser 1), beinhaltend einen Kern (beispielsweise einen später zu beschreibenden Kern 2), welchem ein Seltenen Erden-Element zugegeben ist, einen ersten Mantel (beispielsweise einen später zu beschreibenden ersten Mantel 3), der um den Kern herum gebildet ist; und einen zweiten Mantel (beispielsweise einen später zu beschreibenden zweiten Mantel 4), der um den ersten Mantel gebildet ist, bei der Anregungslicht von zumindest einem Ende des ersten Mantels zum Anregen des Seltenen Erden-Elements zum Ausgeben eines Laser-Oszillationslichts geführt wird, wobei eine Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern sich in einer Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser unterscheidet, und ein Kerndurchmesser und eine numerische Apertur der Optikfaser für einen Faserlaser in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser konstant sind.
  • (2) In der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß (1) kann die Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern in einer Region näher an dem Ende, der das Anregungslicht in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser leitet, niedriger als die in der anderen Region sein.
  • (3) In der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß (1) oder (2) kann das refraktive Index-Justierelement, das einen refraktiven Index des Kerns ändert, zum Kern zugegeben werden, um so die Änderung beim Refraktivindex des Kerns, die sich aus der Änderung bei der Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern ergibt, aufzuheben und den refraktiven Index des Kerns konstant in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser zu halten.
  • (4) In der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß (1) oder (2) kann ein numerisches Apertur-Justierelement, welches den refraktiven Index des ersten Mantels ändert, zum ersten Mantel zugegeben werden, so dass eine numerische Apertur der Optikfaser für einen Faserlaser in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser in Bezug auf Änderung bei der numerischen Apertur der Optikfaser für einen Faserlaser, die aufgrund einer Änderung beim refraktiven Index des Kerns aufgrund von Änderung bei der Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern auftritt, gehalten wird, konstant zu sein.
  • (5) Ein Faserlaser (beispielsweise ein später zu beschreibender Faserlaser 105) gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet: eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einem von (1) bis (4); ein zulaufendes Faserbündel (beispielsweise ein später zu beschreibendes zulaufendes Faserbündel 10), das mit einem Ende der Optikfaser für einen Faserlaser verbunden ist; und eine Vielzahl von Lichtquellen (beispielsweise ein später zu beschreibendes Laserdiodenmodul 9), die Anregungslicht emittieren, das zu dem ersten Mantel der Optikfaser für einen Faserlaser über das zulaufende Faserbündel zu führen ist.
  • (6) In dem Faserlaser gemäß (5) kann eine Zugabekonzentrations-Verteilung des Seltenen Erden-Elements in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser gesteuert werden, so dass die Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser während einer Nennoptikausgabe oder maximalen Optikausgabe gleichförmig in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser ist.
  • (7) In dem Faserlaser gemäß (5) kann der Faserlaser Anregungslicht zum ersten Mantel aus einer Richtung führen und kann eine Zugabekonzentrations-Verteilung des Seltenen Erden-Elements in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser so gesteuert werden, dass die Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser während der optischen Nennausgabe oder maximalen optischen Ausgabe in einem Längenbereich von 50% oder mehr ab dem Ende, das das Anregungslicht führt, von der Gesamtlänge der Optikfaser für einen Faserlaser konstant ist und niedriger ist als die konstante Temperatur in dem verbleibenden Längenbereich.
  • (8) Im Faserlaser gemäß einem von (5) bis (7) kann zumindest ein Bereich der Optikfaser für einen Faserlaser auf einer inneren Seite einer Rille (beispielsweise einer später zu beschreibenden Rille 16a), die in einer Kühlplatte (beispielsweise einer später zu beschreibenden Kühlplatte 16) gebildet ist, die auf einem thermoleitenden Bauteil gebildet ist, vorgesehen sein, wobei die Rille tiefer ist als zumindest ein äußerer Durchmesser der Optikfaser für einen Faserlaser, mit Hilfe eines thermoleitenden Adhäsivs (beispielsweise ein später zu beschreibendes thermoleitendes Adhäsiv 17) oder einer thermoleitenden Paste.
  • (9) Im Faserlaser gemäß (8) kann die Optikfaser für einen Faserlaser einen Bereich aufweisen, in welchem Fasern einander kreuzen und kann die Kühlplatte so konfiguriert sein, dass in dem Bereich, in welchem die Optikfasern für einen Faserlaser einander kreuzen, eine Tiefe der Rillen (beispielsweise eine später zu beschreibende Rille 16a), in welcher eine der kreuzenden Optikfasern für einen Faserlaser vorgesehen sind, sich von einer Tiefe der Rille (beispielsweise einer später zu beschreibenden Rille 16b), in welcher die anderen kreuzenden optischen Fasern für einen Faserlaser vorgesehen sind, unterscheidet, so dass die kreuzenden Optikfasern für einen Faserlaser keinen Kontakt miteinander machen mögen, oder so, dass eine Brücke (beispielsweise eine später zu beschreibende Brücke 116), die in einem thermoleitfähigen Bauteil gebildet ist, vorgesehen ist, sich über die Rille (beispielsweise eine später zu beschreibende Rille 6a) zu erstrecken, in welcher die kreuzenden Optikfaser für einen Faserlaser vorgesehen sind und die anderen Optikfasern für einen Faserlaser auf der Brücke vorgesehen sind.
  • (10) Ein Faserlaser (beispielsweise ein später zu beschreibender Faserlaser 205) gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet: eine Vielzahl von Faserlasern gemäß einem von (5) bis (9) und einen Strahlkombinierer (beispielsweise ein später zu beschreibender Strahlkombinierer 18), der aus der Vielzahl von Faserlasern emittierte Laserausgaben in einer Optikfaser kombiniert.
  • (11) Ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einem von (1) bis (3), beinhaltend: Stapeln einer Vielzahl von Scheiben (beispielsweise einer später zu beschreibenden Scheibe 304), die in dem Siliziumoxid-Glas gebildet ist, welchem eine Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements in einer Dickenrichtung auf einer inneren Seite einer hohlen Siliziumoxid-Glasröhre (beispielsweise eine später zu beschreibendes Röhre 305) geändert wird; Verschmelzen der Röhre und der Scheibe miteinander durch Erhitzen zur Herstellung einer Vorform (beispielsweise einer später zu beschreibenden Vorform 307) und Durchführen von Drahtziehen während der Erhitzung der Vorform.
  • (12) Ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellverfahren für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einem von (1) bis (3), welches beinhaltet: Gestatten, einem Ruß, aufzuwachsen, während periodisch eine Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements in einer Axialrichtung durch ein Dampfphasen-Axial-Abscheidungsverfahren zur Herstellung eines Rußkörpers (beispielsweis einem später zu beschreibenden Rußkörper 402) periodisch geändert wird; Unterwerfen des Rußkörpers einer Siliziumoxid-Verglasung zur Herstellung eines Stabs (beispielsweise eines später zu beschreibenden Stabs 405, 405a); Anordnen des Stabs auf einer inneren Seite einer hohlen Siliziumoxid-Glasröhre (beispielsweise einer später zu beschreibenden Röhre 407) zur Herstellung eines Stabs-in-Röhre (beispielsweise eines später zu beschreibenden Stabsin-Röhre 408); Gestatten, dem Stab-in-Röhre, zu kollabieren, um eine Vorform (beispielsweise eine später zu beschreibendes Vorform 410) herzustellen; und Durchführen von Drahtziehen unter Erhitzung der Vorform.
  • (13) Ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellverfahren für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einem von (1) bis (3), beinhaltend: Zuführen von Rohgas zur Innenseite der hohlen Siliziumoxid-Glasröhre (beispielsweise einer später zu beschreibenden Röhre 502) zur Abscheidung des Siliziumoxid-Glases durch ein Plasma-aktiviertes chemisches Dampfabscheidungsverfahren, während dem Ändern einer Konzentration des Seltenen Erden-Elements periodisch anhand einer Bewegung in Längsrichtung der Röhre einer Abscheidungs-Position von Siliziumoxidglas, wo ein Hochfrequenz-Induktions-Thermoplasma erzeugt wird (beispielsweise ein später zu beschreibendes Hochfrequenz-Induktions-Thermoplasma 504) in der Röhre; Gestatten, der Röhre, zu kollabieren, um eine Vorform (beispielsweise eine später zu beschreibende Vorform 506) herzustellen; und Durchführen von Drahtziehen unter Erhitzung der Vorform.
  • (14) Ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß (4) beinhaltend: Erlauben, einem Ruß, aufzuwachsen, während eine Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements periodisch in einer Axialrichtung verändert wird, um einen Rußkörper durch ein Dampfphasen-Axial-Abscheidungsverfahren herzustellen; Unterwerfen des Rußkörpers einer Siliziumoxid-Verglasung zur Herstellung eines Stabs (beispielsweise einen später zu beschreibenden Stab 601); Abscheiden von Siliziumoxid-Glas, das als der erste Mantel dient, auf einer äußeren Oberfläche des als ein Kern-Basismaterial dienenden Stabs in einer Axialrichtung durch ein plasma-aktiviertes Außendampf-Abscheidungsverfahren unter Änderung einer Konzentration eines numerischen Apertur-Justierelementes, das in einem Rohgas enthalten ist, um so identisch zu einer Periode in der Axialrichtung des Stabs zu sein, der Änderung der Zugabekonzentration des in dem Kern-Basismaterial enthaltenen Seltenen Erden-Elements zum Herstellen einer Vorform (beispielsweise einer später zu beschreibenden Vorform 604); und Durchführen von Drahtziehen unter Erhitzung der Vorform.
  • (15) Beim Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß (12) oder (14) kann eine Herstellvorrichtung zum Herstellen eines Rußkörpers eine Vielzahl von Brennern (beispielsweise einen später zu beschreibenden Brenner 406) zum Abscheiden des Rußes durch ein Knallgas-Flammen-Hydrolyse-Verfahren eines Silizium-Tetrachlorids und eine Oberflächenform-Überwachungsvorrichtung (beispielsweise eine später zu beschreibende Oberflächenform-Überwachungsvorrichtung 411), die eine Oberflächenform einer Rußabscheidungsoberfläche (beispielsweise einer später zu beschreibenden Rußabscheidungsoberfläche 402a) überwacht, beinhalten, und ein Überwachungsergebnis, welches durch die Oberflächenform-Überwachungsvorrichtung erhalten wird, kann als eine Rückkopplung bereitgestellt werden und der Ruß kann abgeschieden werden während der Justierung der Heizleistung der Brenner, so dass eine Oberflächenform der Rußabscheidungsoberfläche gehalten wird, eine flache Oberfläche vertikal zu einer Zentralachse des Rußkörpers zu sein.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Optikfaser für einen Faserlaser bereitzustellen, in welchem ein Steuerbereich eines Absorptions-Koeffizienten so breit wie ein erforderlicher Bereich ist und das Lecken von Signallicht aus einem Kern unterdrückt wird, und die in einen zulässigen Bereich von Kosten hergestellt werden kann und hoch zuverlässig ist, und ein Herstellverfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, die Optikfaser für einen Faserlaser herzustellen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Hochleistungs-Faserlaser bereitzustellen, der eine Optikfaser für einen Faserlaser mit den oben beschriebenen Eigenschaften verwendet und der hoch zuverlässig ist.
  • Figurenliste
    • 1A ist ein schematisches Diagramm, das eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, und ist eine schematische Perspektivansicht der Optikfaser für einen Faserlaser.
    • 1B ist ein schematisches Diagramm, welches die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert und ist eine schematische Querschnittsansicht der Optikfaser für einen Faserlaser, der in 1A illustriert ist.
    • 2 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in einer Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser einer Yb-Zugabekonzentration in der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 3 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser eines Absorptionsverlusts in der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 4 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser einer höchsten Temperatur des zweiten Mantels der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 5 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser einer Zugabekonzentration von F illustriert, das ein Refraktivindex-Justierelement zu einem Kern ist, in der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser einer Zugabekonzentration von Ge, welches ein Refraktivindex-Justierelement ist, zu einem Kern in der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 7 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in einer Längsrichtung einer Optikfaser für einen Faserlaser einer Yb-Zugabekonzentration in einer Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 8 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser eines Absorptionsverlustes in der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 9 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser einer höchsten Temperatur eines zweiten Mantels in der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 10 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser einer Zugabekonzentration von F, welches ein numerisches Apertur-Justierelement ist, zu einem ersten Mantel in der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 11 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser einer Zugabekonzentration von Ge, welches ein numerisches Apertur-Justierelement ist, zu einem ersten Mantel in der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 12 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser eines Refraktivindex eines Kerns, zu welchem Yb hinzugegeben wird, eines Refraktivindex eines ersten Mantels, zu welchem F hinzugegeben wird als ein numerisches Apertur-Justierelement und einen refraktiven Index eines ersten Mantels, zu welchem Ge als ein numerisches Apertur-Element hinzugegeben wird, in der Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 13 ist ein schematisches Diagramm, das einen Faserlaser gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 14 ist ein schematisches Diagramm, das einen Faserlaser gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
    • 15 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in einer Längsrichtung einer Optikfaser für einen Faserlaser, einer Yb-Zugabekonzentration in einer Optikfaser für einen Faserlaser illustriert, die in dem Faserlaser gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
    • 16 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser einer höchsten Temperatur eines zweiten Mantels in der Optikfaser für einen Faserlaser, die in dem Faserlaser gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, illustriert.
    • 17 ist ein schematisches Diagramm, das eine Kühlstruktur einer Optikfaser für einen Faserlaser, die für einen Faserlaser gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, illustriert.
    • 18 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer höchsten Temperatur eines zweiten Mantels und einer Dicke eines thermo-leitfähigen Adhäsivs in der in 17 illustrierten Kühlstruktur illustriert.
    • 19 ist ein schematisches Diagramm, das ein anderes Beispiel einer Kühlstruktur der Optikfaser für einen Faserlaser, die in dem Faserlaser gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, illustriert.
    • 20 ist ein schematisches Diagramm, das noch ein anderes Beispiel einer Kühlstruktur der Optikfaser für einen Faserlaser, die in dem Faserlaser gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, illustriert.
    • 21 ist ein schematisches Diagramm, das einen gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
    • 22A ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 22B ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 22C ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 22D ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 22E ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 22F ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 22G ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 23A ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 23B ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 23C ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 23D ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 24A ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 24B ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 24C ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 25A ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 25B ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 25C ist ein schematisches Diagramm von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUG
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen einer Seltenen Optikfaser für einen Faserlaser, ein Faserlaser und eine Optikfaser für ein Faserlaser-Herstellverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen werden dieselben Bauteile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet. Darüber hinaus wird angenommen, dass durch dieselben Bezugszeichen in unterschiedlichen Zeichnungen bezeichnete Komponenten dieselben Funktionen aufweisen. In diesen Zeichnungen sind die Maßstäbe angemessen für das bessere Verständnis der Zeichnungen verändert.
  • Wie oben beschrieben, wird in der vorliegenden Spezifikation ein Ausdruck „Optikfaser für einen Faserlaser“ verwendet, eine Verstärkungs-Optikfaser zu bedeuten, die eine Doppelummantelungs-Faserstruktur aufweist, wenn nicht besonders Anderes gesagt wird. In den jeweiligen Ausführungsformen der vorliegenden Spezifikation, obwohl nur Yb (Ytterbium) als ein Beispiel eines Seltenen Erden-Elements, das einem Kern zuzugeben ist, beschrieben wird, ist dies ein Beispiel und das Seltene Erden-Element kann ein beliebiges Element sein, falls es dieselbe Funktion erzielt und ist nicht auf Yb limitiert.
  • <Erste Ausführungsform>
  • 1A ist ein schematisches Diagramm, das eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert und ist eine schematische Perspektivansicht der Optikfaser für einen Faserlaser. 1B ist ein schematisches Diagramm, welches die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert und ist eine schematische Querschnittsansicht der Optikfaser für einen Faserlaser, der in 1A illustriert ist. Eine Optikfaser für einen Faserlaser 1 beinhaltet einen Kern 2, einen ersten Mantel 3, der um den Kern 2 angeordnet ist und einen zweiten Mantel 4, der um den ersten Mantel 3 angeordnet ist. Die Optikfaser für einen Faserlaser 1 führt Anregungslicht aus einem Anregungslicht-Einführungsende unter Verwendung zumindest eines Endes des ersten Mantels 3 als dem Anregungslicht-Einführungsende zum Anregen eines Seltenen Erden-Elementes, und gibt Laser-Oszillationslicht aus. Ein Kerndurchmesser des Kerns 2 ist in einer Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 konstant.
  • Wie in 1B illustriert, ist ein Querschnitt des ersten Mantels 3 nicht ein kreisförmiger Querschnitt, sondern ist ein D-förmiger Querschnitt (eine Form, die durch Entfernen eines durch einen Bogen und einer Seite umgebenen Bereichs eines Zirkels erhalten wird). In dem ersten Mantel (einem Anregungsmantel) 3 für einen Hochleistungs-Faserlaser ist ein koaxialer, kreisförmiger Querschnitt, wie bei der optischen Kommunikation verwendet, nicht geeignet, da ein räumliches Lochbrennen eines transversen Modus bei der Anregungslicht-Absorption auftritt. Das heißt, dass aus dem Reflektionsgesetz (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) in einem Querschnitt, da alle von einem Umfang reflektierte Strahlen eine konstante Distanz ab einer optischen Achse halten, ein Lichtstrahl, der nicht in den Kern eindringt, zuerst nicht den Kern treffen wird oder absorbiert wird, selbst falls der Lichtstrahl wiederholt reflektiert wird. Daher kann zusätzlich zu einem Anregungsmantel mit einem in 1A und 1B illustrierten D-förmigen Querschnitt ein rechteckiger Anregungsmantel mit einem rechteckigen Querschnitt oder ein polygoner Anregungsmantel mit einem polygonalen Querschnitt, obwohl diese Anregungsmäntel nicht illustriert sind, auch als der erste Mantel 3 verwendet werden. Jedoch, um die Beschreibung zu vereinfachen, wird in der nachfolgenden Beschreibung angenommen, dass der erste Mantel 3 einen ungefähr kreisförmigen Querschnitt aufweist und ein Ausdruck „Mantel-Durchmesser“ wird verwendet. In der vorliegenden Ausführungsform ist zumindest der erste Manteldurchmesser vom ersten Manteldurchmesser und dem zweiten Manteldurchmesser in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 konstant.
  • 2 illustriert eine Mol-Konzentrationsverteilung von Yb, welches ein zum Kern 2 hinzugegebenes Seltene Erden-Element ist, in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1, illustriert in 1A und 1B. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Beispiel, in welchem beide Enden der Optikfaser für einen Faserlaser 1 Anregungslicht-Einführungsenden sind und Anregungslicht von 3,16 kW aus einem Ende geführt wird, um eine Laserabgabe von 5 kW zu erhalten, illustriert. Darüber hinaus beträgt eine Effektivlänge der Optikfaser für einen Faserlaser 1 30 m.
  • Wie in 2 illustriert, ist die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 in einer Region näher an einem Ende, zu welchem Anregungslicht in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 geleitet wird, niedriger als diejenige der anderen Region (einer Zentralregion in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1). Hier, unter der Annahme, dass eine Absorptions-Charakteristik durch einen Absorptionsverlust repräsentiert wird, der durch Ausdruck (1) unten repräsentiert werden kann, wurde eine Absorptionsverlust-Verteilung in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 berechnet.
    [Math. 1] α c l a d = A c o r e A c l a d α c o r e
    Figure DE102019216323A1_0001
  • In Ausdruck 1 ist αclad ein Absorptionsverlust an den Kern 2 von Anregungslicht, welches sich durch den ersten Mantel 1 ausbreitet. αcore ist ein Absorptionsverlust aufgrund von zum Kern 2 zugegebenem Yb. Aclad ist eine Querschnittsfläche des ersten Mantels 3. Acore ist eine Modus-Querschnittsfläche des Kerns. Die Einheit von αclad und αcore ist dB/m. In der vorliegenden Spezifikation ist die Einheit der Yb-Zugabekonzentration Mol-% und αcore = 0,08 × (Yb Zugabekonzentration).
  • In der vorliegenden Spezifikation, da die Optikfaser für einen Faserlaser 1 mit einem relativ großen Kerndurchmesser als eine Ausführungsform verwendet wird, wird die Modus-Querschnittsfläche des Kerns 2 durch die Querschnittsfläche des Kerns 2 angenähert. Darüber hinaus wird in der vorliegenden Spezifikation aus demselben Grund ein Ausdruck „Modusfelddurchmesser“ nicht verwendet, sondern wird auf einen Kerndurchmesser vereinheitlicht. Jedoch konzentriert sich durch eine Einzelmodus-Optikfaser mit einem kleinen Kerndurchmesser sich ausbreitendes Licht nicht auf einen Kern, sondern versickert in den ersten Mantel. Daher wird es für eine Einzelmodus-Optikfaser bevorzugt, einen ModusfeldDurchmesser zu verwenden, der aus einer Lichtenergie-Verteilung berechnet wird, statt dem Kerndurchmesser. Daher kann im Falle einer Einzelmodus-Optikfaser „ein Kerndurchmesser und eine numerischer Apertur der Optikfaser für einen Faserlaser in einer Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser konstant“ in Anspruch 1, beispielsweise gelesen werden als „ein Modusfelddurchmesser und eine numerische Apertur der Optikfaser für einen Faserlaser sind in einer Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser konstant“.
  • 3 ist ein Graph, der eine Absorptionsverlust-Verteilung in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 illustriert, berechnet durch Anwenden von Ausdruck 1 unter Bedingungen von Kerndurchmesser = 35 µm (konstant) und Manteldurchmesser = 350 µm (konstant) in 2. Wie in 3 illustriert, ist ein Absorptionsverlust der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in einer Region näher an einem Ende, zu welchem Anregungslicht geführt wird, in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 niedriger als derjenige der anderen Region (einer Zentralregion in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1) ähnlich zu der Zugabekonzentrations-Verteilung von Yb, illustriert in 2.
  • 4 ist ein Graph, der ein Verteilungsbeispiel in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 einer höchsten Temperatur des zweiten Mantels 4 der Optikfaser für einen Faserlaser 1 illustriert. Hier ist ein Graph mit durchgezogener Linie in 4 ein Graph, der eine höchste Temperatur des zweiten Mantels 4 aufzeichnet, dessen Wärmewiderstandsfähigkeit als niedriger angenommen wird als diejenige des Kerns 2 und des ersten Mantels 3 in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1, ermittelt durch eine thermische Fluid-Simulation.
  • Eine Kühlbedingung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in der thermischen Fluid-Simulation ist wie folgt. Materialien des Kerns 2 und des ersten Mantels 3 waren SiO2. Der zweite Mantel 4 war ein Polymer (thermische Leitfähigkeit: 0,21 W/ (m·K)) mit einem Außendurchmesser von 750 µm. Ein thermoleitfähiges Adhäsiv (thermische Leitfähigkeit: 2 W/(m·K)) und auf eine Dicke von 0k,2 mm auf einer Wasser-Kühlplatte (thermische Leitfähigkeit: 180 W/(m·K)) angewendet, die aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist, die durch ein Kühlwasser von 25 °C gekühlt wird. Die Optikfaser für einen Faserlaser 1 wurde in dem thermoleitfähigen abhängig montiert und die Optikfaser für einen Faserlaser 1 wurde fixiert, durch Drücken in das thermoleitfähige Adhäsiv, bis der Umfang des zweiten Mantels 4 Kontakt mit der Oberfläche der Wasserkühlplatte bekommt.
  • Durch Ändern der Zugabekonzentration von Yb, wie in 2 illustriert, wie in dem Graphen mit durchgezogener Linie in 4 illustriert, kann die höchste Temperatur des zweiten Mantels 4 gehalten werden, im Wesentlichen gleichförmig in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 zu sein. Ein unterbrochener Liniengraph in 4 illustriert eine Temperatur, wenn eine Optikfaser für einen Faserlaser, dem Yb zugefügt wurde, gleichförmig zum Kern in einer Verteilung von 0,08 Mol-% in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser, so dass dieselbe Absorptivität in der gesamten Optikfaser für einen Faserlaser ermittelt wurde, verwendet wurde. In diesem Fall versteht sich, dass die Temperatur an beiden Enden, zu welchen Anregungslicht geführt wird, beachtlich ansteigt.
  • Wie aus 3 ersichtlich, um die Temperatur in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 im Wesentlichen gleichförmig zu halten, ist es notwendig, den Absorptionsverlust in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 um ungefähr das 4-fache zu ändern. Im Gegenzug dazu ist es in der in Patentdokumenten 3 und 4 offenbarten konventionellen Technologie klar, dass sich der Absorptions-Koeffizient um nur ungefähr das 1,2- bis 1,4-fache ändert, und ein Steuerbereich des Absorptions-Koeffizienten zu eng ist.
  • Falls nur die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 verändert wird, verändert sich auch der Refraktivindex des Kerns 2. Wenn sich der refraktive Index des Kerns 2 ändert, wie in Ausdruck 2 unten illustriert, ändert sich auch die numerische Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 und ein Problem, das sich aus der Optikfaser mit einer großen numerischen Apertur zu einer Optikfaser mit einer kleinen numerischen Apertur, ausbreitendes Signallicht wahrscheinlich aus dem Kern ausleckt, tritt auf, wie in der konventionellen Technologie. In der vorliegenden Spezifikation wird ein Ausdruck „Signallicht“ verwendet, um einen Laserstrahl zu meinen, der dadurch erzeugt wird, dass er selektiv von einem Hochreflektorfaser-Bragg-Gitter (HRFBG) und einem Niederreflektivausgabekoppler-Faser-Bragg-Gitter (OCFBG) reflektiert wird, und wiederholte stimulierte Emission in einem Laserresonator, der durch Bereitstellen des Hochreflektorfaser-Bragg-Gitters (HRFBG) und Niederreflektiviäts-Ausgabekoppler-Faser-Bragg-Gitters (OCFBG) gebildet wird, welche Licht einer spezifischen Einlassluft auf beiden Seiten der Optikfaser für einen Faserlaser 1 reflektieren.
    [Math. 2] N A = n c o r e 2 − n c l a d 2
    Figure DE102019216323A1_0002
  • In Ausdruck 2 sind ncore und nclad refraktive Indizes des Kerns 2 bzw. des ersten Mantels 3. Daher werden in der Optikfaser für einen Faserlaser 1, um ein Lecken von Signallicht aus dem Kern 2 zu vermeiden, der Kerndurchmesser und die numerische Apertur (NA) in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 als konstant eingestellt. Hier, wenn die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 um 1 Mol-% vergrößert wird, steigt der refraktive Index des Kerns 2 um 0,007332 an. Daher ist es wünschenswert, ein Refraktivindex-Justierelement zum Kern 2 hinzuzufügen, um eine Änderung beim refraktiven Index des Kerns 2 aufzugeben, so dass der refraktive Index des Kerns 2 in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 als konstant aufrechterhalten wird. In der vorliegenden Spezifikation ist „konstant“ verwendet, zu bedeuten, dass ein Zustand, in welchem ein Wert im Design konstant ist, statt einem Zustand, in welchem ein Wert strikt konstant ist, ohne jede Variation. Daher fällt auch ein Zustand, in welchem ein Wert aufgrund eines Fehlers oder dergleichen variiert, innerhalb des Konzepts von „konstant“.
  • F (Fluor) und B (Bor) ist als ein Refraktivindex-Justierelement (das heißt ein Element, welches den refraktiven Index des Kerns 2 senkt, indem es zu dem Kern 2 zugegeben wird) bekannt. Beispielsweise wenn F verwendet wird, sinkt der refraktive Index um 0,0425, falls die Zugabekonzentration von F um 1 Mol-% gesteigert wird. Daher, um den refraktiven Index des Kerns 2 in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 konstant zu halten, ist es wünschenswert, dass F mit einer Konzentration von 1,725-Fachen einer Änderung in der Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 zum Kern 2 zugegeben wird.
  • 5 illustriert ein Beispiel einer Zugabekonzentrations-Verteilung von F zum Kern 2 zum Aufheben der Änderung beim refraktiven Index aufgrund einer Änderung bei der Zugabekonzentration von Yb, wie in 2 illustriert. Wie in 5 illustriert, ist die Zugabekonzentration von F zum Kern 2 in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in einer Region näher an einem Ende, zu welchem Anregungslicht in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 geführt wird, niedriger als diejenige der anderen Region (einer Zentralregion in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1). Aufgrund dem ist es möglich, Änderung beim refraktiven Index des Kerns 2 zu unterdrücken, die aufgrund einer Änderung bei der Zugabekonzentration von Yb auftritt. Wenn die Änderung beim refraktiven Index des Kerns 2 unterdrückt wird, wird die Änderung bei der numerischen Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 unterdrückt und kann ein Lecken von Signallicht aus dem Kern 2 unterdrückt werden.
  • Um die Änderung beim refraktiven Index des Kerns 2, die aus der Änderung bei der Zugabekonzentration von dem Kern 2 zugegebenem Yb herrührt, aufzuheben, kann ein Element, welches den refraktiven Index bei Zugabe vergrößert, als ein refraktives Index-Justierelement verwendet werden, das dem Kern 2 zuzugeben ist. P (Phosphor), Ge (Germanium), Al (Aluminium), Ti (Titan), Zr (Zirkon) und dergleichen sind als Elemente bekannt, welche den refraktiven Index bei Zugabe vergrößern. Wenn beispielsweise Ge verwendet wird, falls die Zugabekonzentration von Ge um 1 Mol-% erhöht wird, steigt der refraktive Index um 0,00125.
  • 6 illustriert ein Beispiel einer Zugabekonzentrations-Verteilung von Ge zum Kern 2 zum Aufheben der Änderung beim refraktiven Index aufgrund der Änderung bei der Zugabekonzentration von Yb, illustriert in 2. Wie in 6 illustriert, ist die Zugabekonzentration von Ge zum Kern 2 in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in einer Region näher an einem Ende, zu welchem Anregungslicht in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 geführt wird, höher als diejenige der anderen Region (einer Zentralregion in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1). Aufgrund dem ist es möglich, die Änderung beim refraktiven Index des Kerns 2 zu unterdrücken, die aufgrund der Änderung bei der Zugabekonzentration von Yb auftritt. Wenn die Änderung beim refraktiven Index des Kerns 2 unterdrückt wird, wird die Änderung bei der numerischen Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 unterdrückt und kann das Auslecken von Signallicht aus dem Kern 2 unterdrückt werden.
  • Wie oben beschrieben, gemäß der Optikfaser für einen Faserlaser 1 der ersten Ausführungsform, selbst wenn die Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern 2 für den Zweck des Steuerns des Absorptions-Koeffizienten oder des Absorptionsverlusts des Anregungslichts in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 verändert wird, um die Temperaturverteilung in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 gleichförmig zu halten, ist es möglich, die Änderung des refraktiven Index des Kerns 2 durch Zugabe eines refraktiven Index-Justierelements zu unterdrücken. Auf diese Weise ist es möglich, die Änderung bei der numerischen Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 zu unterdrücken und das Lecken von Signallicht aus dem Kern 2 soweit als möglich zu unterdrücken. Daher ist es möglich, die Optikfaser für einen Faserlaser 1 bereitzustellen, bei der ein Steuerungsbereich eines Absorptions-Koeffizienten so breit wie der erforderliche Bereich ist und das Lecken von Signallicht aus dem Kern 2 unterdrückt wird, und die bei einem zulässigen Kostenbereich erzeugt werden kann, und die hoch zuverlässig ist.
  • Darüber hinaus ist die Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern 2 in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in einer Region näher an einem Ende, zu welchem Anregungslicht in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 geführt wird, niedriger als diejenige der anderen Region. Daher ist es möglich, einen Anstieg bei der Temperatur an einem Anregungslicht-Führungsseitenende zu unterdrücken, wo wie Menge an Anregungslicht, die im Kern 2 absorbiert wird, ansteigt, und die Temperatur wahrscheinlich ansteigt.
  • <Zweite Ausführungsform>
  • 7 illustriert eine Verteilung in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser und eine Mol-Konzentration von einem Kern zugegebenem Yb in einer Optikfaser für einen Faserlaser gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da die Optikfaser für einen Faserlaser 1 der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben ist, relativ so lang wie 30 m ist, ist die thermische Bedingung nicht so schwerwiegend. Jedoch beträgt eine Schwellenwertleistung Pcr , die einen Schwellenwert von stimulierter Raman-Streuung ergibt, 5,1 kW, wenn durch Ausdruck 3 unten berechnet. In diesem Fall, falls eine Zufuhrfaser oder eine Lieferfaser mit einem Laser-Ausgangsende der Optikfaser für einen Faserlaser 1 verbunden ist, kann das Auftreten von stimuliertem Raman-Streuen ein Problem bei einer Laserausgabe von 5 kW mit sich bringen. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform die Länge der Optikfaser für einen Faserlaser 1 auf 10 m eingestellt und wird der refraktive Index des ersten Mantels 3 mit Änderung bei der numerischen Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 verändert, welcher aufgrund einer Änderung des refraktiven Index des Kerns 2 aufgrund der Änderung bei der Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 auftreten kann, so dass die numerische Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 als konstant gehalten wird. Nachfolgend wird die vorliegende Ausführungsform beschrieben.
    [Math. 3] P c r ≈ 16   A e f f g R   L
    Figure DE102019216323A1_0003
  • In Ausdruck 3 ist Aeff eine effektive Modusfläche (m2). Da der Kerndurchmesser relativ groß ist, ist Aeff im Wesentlichen gleich einer Kern-Querschnittsfläche. gR ist eine Raman-Verstärkung und im Falle von Siliziumoxid ist angemessener Weise 1 × 10-13 m/W für eine Wellenlänge von 1 µm. L ist die Länge (m) der Optikfaser für einen Faserlaser 1.
  • Da die Schwellenwertleistung Pcr , die einen Schwellenwert von stimulierter Raman-Streuung gibt, umgekehrt proportional zur Länge der Optikfaser für einen Faserlaser 1 ist, wenn die Optikfaser für einen Faserlaser 1 auf 10 m verkürzt wird, steigt die Schwellenwertleistung Pcr um bis zu 15,4 kW. Wenn die Optikfaser für einen Faserlaser 1 verkürzt wird, steigt Anregungslicht, das nicht im Kern 2 absorbiert wird, an, wenn nicht der Absorptionsverlust pro Einheitslänge steigt. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform der Kerndurchmesser auf 35 µm (konstant) eingestellt, ähnlich zur ersten Ausführungsform und wird der erste Ummantelungs-Durchmesser auf 200 µm gesenkt. Die Anregungslicht-Führungsbedingung ist die gleiche ist wie diejenige der ersten Ausführungsform.
  • Wie oben beschrieben, illustriert 7 eine Mol-Konzentrations-Verteilung von Yb, das dem Kern 2 zugegeben ist, in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 der vorliegenden Ausführungsform. 8 illustriert eine Verteilung eines Absorptionsverlusts in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1, welche durch Anwenden von oben beschriebenem Ausdruck 1 auf die in 7 illustrierte Zugabekonzentrations-Verteilung von Yb berechnet wird. Wie in 7 illustriert, wird die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in einer Region näher an einem Ende, zu welchem Anregungslicht in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 geführt wird, niedriger als diejenige der anderen Region (einer Zentralregion in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1). Darüber hinaus, wie in 8 illustriert, ist der Absorptionsverlust der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in einer Region näher an einem Ende, zu welchem Anregungslicht in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 geführt wird, ähnlich zu der in 7 illustrierten Zugabekonzentrations-Verteilung von Yb niedriger als diejenige der anderen Region (einer Zentralregion in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1).
  • In der vorliegenden Ausführungsform, obwohl die Optikfaser für einen Faserlaser 1 um 1/3 verkürzt wird, ist (Kern-Querschnittsfläche) / (Ummantelungs-Querschnittsfläche) um das ungefähr 3-fache im Vergleich zur ersten Ausführungsform erhöht. Daher, bei einer Zugabekonzentration von Yb ungefähr gleich derjenigen der ersten Ausführungsform, kann die Absorptivität von Anregungslicht in der Gesamtlänge der Optikfaser für einen Faserlaser 1 auf ungefähr das Gleiche aufrechterhalten werden. Andererseits, da die Menge an Wärmeerzeugung pro Einheitslänge der Optikfaser für einen Faserlaser um das 3-fache erhöht wird, steigt die Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser 1 unter derselben Kühlbedingung wie die erste Ausführungsform beachtlich an.
  • Ein durchgezogener Liniengraph in 9 ist ein Graph, der eine höchste Temperatur des zweiten Mantels 4 in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 aufzeichnet, ermittelt durch thermische Fluid-Simulation. Eine Kühlbedingung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in der thermischen Fluid-Simulation ist wie folgt. Materialien des Kerns 2 und des ersten Mantels 3 waren SiO2. Der zweite Mantel 4 war ein Polymer (eine thermische Leitfähigkeit: 0,21 W/(m·K)) mit einem Außendurchmesser von 600 µm. In einem Zustand, in welchem eine Rille mit einer Breite von 1,5 mm und einer Tiefe von 0,75 mm in eine Wasserkühlplatte ausgebildet war (thermische Leitfähigkeit: 180 W/(m·K)), gebildet aus einer Aluminiumlegierung, die durch Kühlwasser von 25 °C gekühlt ist, und die Optikfaser für einen Faserlaser 1 steht in Kontakt mit dem Bodenzentrum der Rille, wurde ein thermoleitendes Adhäsiv (thermische Leitfähigkeit: 2 W/(m·K)) in die Rille fließen gelassen, um die Rille komplett zu bedecken, um so auf derselben Ebene zur Ursprungsoberfläche der Wasserkühlplatte zu sein.
  • Wie in dem durchgezogenen Liniengraph in 9 illustriert, wurde die höchste Temperatur des zweiten Mantels 4 der Optikfaser für einen Faserlaser 1 um ungefähr 58°C im Vergleich zur ersten Ausführungsform (durchgezogener Liniengraph in 4) gesteigert. Jedoch ist es in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 7 illustriert, durch Ändern der Zugabekonzentration von Yb in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 möglich, die höchste Temperatur des zweiten Mantels 4 im Wesentlichen gleichförmig in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 zu halten, ähnlich zur ersten Ausführungsform. Ein unterbrochener Liniengraph in 9 illustriert die Temperatur, wenn eine Optikfaser für einen Faserlaser, in welcher Yb gleichförmig zum Kern in einer Konzentration von 0,08 Mol-% in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser zugegeben wurde, so dass die Absorptivität von Anregungslicht die gleiche wie in der gesamten optischen Faser für einen Faserlaser ist, wurde verwendet. In diesem Fall versteht sich, dass die Temperatur an beiden Enden, zu welchen Anregungslicht geführt wird, weiter um ungefähr 130°C im Vergleich zum Fall der ersten Ausführungsform gesteigert wird.
  • Wie oben beschrieben, wenn nur die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 verändert wird, sich der Refraktivindex des Kerns 2, wie in Ausdruck 2 illustriert ändert, ändert sich auch die numerische Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1. Daher tritt ein Problem, das Signallicht, welches sich aus der Optikfaser mit einer großen numerischen Apertur (NA) zu einer Optikfaser mit einer kleinen numerischen Apertur ausbreitet, wahrscheinlich aus dem Kern 2 ausleckt, auf. In der ersten Ausführungsform wird ein refraktives Index-Justierelement zum Kern 2 so zugegeben, dass die numerische Apertur (NA) konstant ist. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Ausführungsform ein numerisches Apertur-Justierelement zum ersten Mantel 3 so zugegeben, dass die numerische Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 als konstant in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 aufrechterhalten wird.
  • 10 illustriert ein Verteilungsbeispiel einer Zugabekonzentration von F, wenn F, das einen Refraktivindex bei Zugabe als einem numerischen Apertur-Justierelement senkt, zum ersten Mantel 3 zugegeben wird, um die numerische Apertur (NA) in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 konstant zu halten, wenn die Zugabekonzentration von Yb zum Kern sich ändert, wie in 7 illustriert. Wie in 7 illustriert, da die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 in der Umgebung des Zentrums in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser hoch ist, steigt der refraktive Index des Kerns 2 in der Nähe des Zentrums in Längsrichtung für die Optikfaser für einen Faserlaser 1 an.
  • Daher, wie in 10 illustriert, wird F zum Senken des refraktiven Index zum ersten Mantel 3 zugegeben, so dass die Konzentration abnimmt, wenn sie sich der Nähe des Zentrums in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 nähert. Auf diese Weise steigt der refraktive Index des ersten Mantels 3 in der Nähe des Zentrums in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 im Vergleich zu einer anderen Region als der Nähe des Zentrums an. Als Ergebnis, wie aus einem Relational-Ausdruck, der in dem oben beschriebenen Ausdruck 2 illustriert ist, zu verstehen, kann die numerische Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 als konstant in Längsrichtung in der optischen Faser für einen Faserlaser 1 gehalten werden.
  • Um die Änderung beim refraktiven Index des Kerns 2 aufzuheben, welche sich aus der Änderung bei der Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 herrührt, kann ein Element, das den refraktiven Index bei Zugabe als ein numerisches Apertur-Justierelement, das dem ersten Mantel 3 zuzugeben ist, erhöht, verwendet werden. 11 illustriert ein Verteilungsbeispiel einer Zugabekonzentration zum ersten Mantel 3 von Ge, welches den refraktiven Index bei Zugabe steigert, als ein numerisches Apertur-Justierelement, um die numerische Apertur (NA) in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 konstant aufrecht zu erhalten, wenn die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 sich ändert, wie in 7 illustriert. Wie in 11 illustriert, wird Ge zum Steigern des refraktiven Index dem ersten Mantel 3 zugegeben, so dass die Konzentration ansteigt, wenn er sich der Nähe des Zentrums in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 nähert.
  • 12 illustriert ein Verteilungsbeispiel in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 des refraktiven Index ncore ) des Kerns 2, wenn Yb zum Kern 2 in der in 7 illustrierten Konzentrationsverteilung zugegeben wird, des refraktiven Index (nclad (F)) des ersten Mantels 3, wenn F zum ersten Mantel 3 in der in 10 illustrierten Konzentrationsverteilung zugegeben wird, und des refraktiven Index (αclad (Ge)) des ersten Mantels 3, wenn Ge zum ersten Mantel 3 in der in 11 illustrierten Konzentrationsverteilung zugegeben wird. Wenn dieser Wert in Ausdruck 2 eingesetzt wird, ist die numerische Apertur (NA) in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 konstant.
  • Gemäß der Optikfaser für einen Faserlaser 1 der zweiten Ausführungsform, da ein numerisches Apertur-Justierelement zum ersten Mantel 3 zugegeben wird, ist es möglich, die Änderung bei der numerischen Apertur (NA) in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 zu unterdrücken und das Lecken von Signallicht aus dem Kern 2 ohne Hinzufügen eines Elements, welches die Transmittanz des Kerns 2 senkt, bei Zugabe zum Kern 2, zu unterdrücken.
  • <Dritte Ausführungsform>
  • 13 ist ein schematisches Diagramm eines Faserlasers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Faserlaser 5 der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet eine Front-Anregungseinheit 7, eine Oszillator-Einheit 6, eine Rück-Anregungseinheit 8 und eine Strahl-Zufuhreinheit 13 und ist so konfiguriert, dass ein Laserstrahl 15 aus der Strahl-Zufuhreinheit 13 emittiert wird. Eine detaillierte Struktur der Optikfaser für einen Faserlaser 1 wird nicht illustriert, um die Zeichnung zu vereinfachen. Die Optikfaser für einen Faserlaser 1 wird durch eine durchgezogene dicke Linie illustriert und die anderen Optikfasern werden durch schmalere durchgezogene Linien illustriert. Ein in einer Schleifenform in der Oszillator-Einheit 6 angeordneter Teil ist die Optikfaser für einen Faserlaser 1.
  • Eine Vielzahl von Laserdiodenmodulen (LDMs) ist an jeder der Front-Anregungseinheit 7 und der Rück-Anregungseinheit 8 angeordnet. Aus der Vielzahl von LDMs 9 emittiertes Anregungslicht wird an den ersten Mantel 3 eingeführt (siehe 1A und 1B) der Optikfaser für einen Faserlaser 1, die als eine Verstärkungs-Optikfaser über ein zulaufendes Faserbündel (TFB) 10, das ein Anregungslicht-Kombinierer genannt wird, zu fungieren. In dieser Struktur wird das in den ersten Mantel 3 eingeführte Anregungslicht graduell im Kern 2 absorbiert (siehe 1A und 1B), welchen Yb bei Ausbreitung durch den ersten Mantel 3 zugegeben wird.
  • Ein Hochreflektorfaser-Bragg-Gitter (HRFBG) 11 und ein Ausgangskopplerfaser-Bragg-Gitter (OCFBG) 12, die in der Lage sind, Licht einer spezifischen Wellenlänge zu reflektieren, durch Ausbilden eines Diffraktions-Gitters im Kern 2, sind auf beiden Seiten der Optikfaser für einen Faserlaser 1 vorgesehen und diese Gitter bilden einen Laserresonator zusammen mit der Optikfaser für einen Faserlaser 1. Ein aus einem Auslass des OCFBG 12 der Oszillator-Einheit 6 emittierter Laserstrahl wird zu einem Bearbeitungskopf (nicht illustriert) oder dergleichen durch die Zufuhrfaser 14, die in der Strahl-Zufuhreinheit 13 angeordnet ist, über ein Laser-optisches System (nicht illustriert), das nach Bedarf vorgesehen ist, und zur Laser-Bearbeitung verwendet wird, zugeführt.
  • Obwohl in der Zeichnung (nicht illustriert, wird es bevorzugt, eine Photo-Detektionseinheit wie etwa eine Photodiode im Laser-optischen System oder dergleichen bereitzustellen, um die Menge an Laserstrahl, der aus der Oszillator-Einheit 6 emittiert wird, und die Menge an Rückkehrlicht, welches sich durch das Laser-optische System in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung des aus der Oszillator-Einheit 6 emittierten Laserstrahls ausbreitet, zu detektieren. In 13 sind eine Stromversorgungseinheit, die Elektrizität dem LDM 9 zuführt, und eine Steuereinheit zum Steuern der jeweiligen Einheiten des Faserlasers 5 nicht illustriert.
  • Die Optikfaser für einen Faserlaser 1 der ersten Ausführungsform oder die Optikfaser für einen Faserlaser 1 der zweiten Ausführungsform, in welcher die Zusatzkonzentration von Yb zum Kern 2 in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser so gesteuert wird, dass die Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser während der optischen Nennausgabe oder maximalen optischen Ausgabe in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser gleichförmig ist, wird als die Optikfaser für einen Faserlaser 1 des Faserlasers 5 in 13 verwendet. Auf diese Weise ist es möglich, einen Absorptions-Koeffizienten oder einen Absorptionsverlust des Anregungslichts zum Kern 2 in der Nähe des Anregungslicht-Führungsendes, in welchem ein Betriebslimit wahrscheinlich erreicht wird, aufgrund des Anstiegs bei der Temperatur, da die Absorptionsmenge von Anregungslicht am Kern 2 im Allgemeinen groß ist und die Menge an Wärmeerzeugung pro Einheitslänge, die von der Absorption herrührt, ansteigt, zu senken. Darüber hinaus, wie in 4 und 9 illustriert, kann die Temperatur in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 gleichförmig gemacht werden. Als Ergebnis kann die Ausgabe des Faserlasers 5 eher als in dem Fall gesteigert werden, bei dem die Temperatur in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 nicht gleichförmig ist und kann ein Faserlaser mit hoher Zuverlässigkeit in einem hohen Ausgabezustand realisiert werden.
  • Wenn die Optikfaser für einen Faserlaser 1 der ersten Ausführungsform verwendet wird, da ein refraktives Index-Justierelement dem Kern 2 so zugegeben wird, dass die Änderung beim refraktiven Index des Kerns 2, die aufgrund der Änderung bei der Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 auftreten kann, aufgehoben wird und der refraktive Index des Kerns 2 als konstant in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 gehalten wird, ist es möglich, die Änderung beim refraktiven Index des Kerns 2 zu unterdrücken, die aufgrund der Änderung bei der Zugabekonzentration von Yb auftritt. Daher wird die Änderung bei der numerischen Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 unterdrückt und kann das Lecken des Signallichts aus dem Kern 2 unterdrückt werden.
  • Wenn die Optikfaser für einen Faserlaser 1 der zweiten Ausführungsform verwendet wird, wird ein numerisches Apertur-Justierelement zur ersten Mantel 3 zugegeben, so dass die numerische Apertur (LA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 als in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 konstant gehalten wird, durch Ändern des refraktiven Index des ersten Mantels 3 entsprechend der Änderung bei der numerischen Apertur (NA) in der Optikfaser für einen Faserlaser 1, die aufgrund einer Änderung beim refraktiven Index des Kerns 2 auftreten kann, die aufgrund der Änderung bei der Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 auftritt. Daher ist es möglich, die Änderung bei der numerischen Apertur (NA) der Optikfaser für einen Faserlaser 1 zu unterdrücken und das Lecken von Signallicht aus dem Kern 2 zu unterdrücken, ohne ein Element, welches die Transmittanz des Kerns 2 zum Kern 2 senken kann, zuzugeben.
  • <Vierte Ausführungsform>
  • 14 ist ein schematisches Diagramm eines Faserlasers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ähnlich zu 13 ist eine detaillierte Struktur der Optikfaser für einen Faserlaser 1 nicht illustriert, um die Zeichnung zu vereinfachen. Die Optikfaser für einen Faserlaser 1 wird durch eine dicke durchgezogene Linie illustriert und die anderen Optikfasern werden durch eine schmalere durchgezogene Linie illustriert. Eine Stromversorgungseinheit und eine Steuereinheit sind nicht illustriert, ähnlich zu 13.
  • Ein in 14 illustrierter Faserlaser 105 unterscheidet sich vom in 13 illustrierten Faserlaser 5 darin, dass eine Rückanregungseinheit nicht vorgesehen ist, aber nur die Front-Anregungseinheit 7 vorgesehen ist. Das heißt, dass der Faserlaser 105 der vorliegenden Ausführungsform ein Faserlaser ist, der Anregungslicht zum ersten Mantel 3 nur aus einer Richtung leitet. Die Optikfaser für einen Faserlaser 1, in der die Zugabe-Konzentrationsverteilung von Yb zum Kern 2) (siehe 1A und 1B) in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 gesteuert wird, wird als eine Optikfaser für einen Faserlaser des Faserlasers 105 verwendet. Die Zugabe-Konzentrationsverteilung von Yb zum Kern 2 wird so gesteuert, dass die Temperatur in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 während der Nennoptikausgabe oder maximalen Optikausgabe in zumindest dem meisten Längenbereich von dem Ende, der das Anregungslicht leitet, aus der Gesamtlänge der Optikfaser für einen Faserlaser 1, konstant ist und niedriger als die konstante Temperatur in dem verbleibenden Längenbereich. Der meiste Längenbereich ab dem Ende, der das Anregungslicht führt, ist ein Längenbereich von zumindest 50% oder mehr, und vorzugsweise 80% oder mehr ab dem Ende, das das Anregungslicht führt. Jedoch ist ein Längenbereich, in welchem die Temperatur in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 konstant ist, kürzer als die Gesamtlänge der Optikfaser für einen Faserlaser 1.
  • 15 illustriert ein Verteilungsbeispiel in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 einer Zugabe-Konzentrationsverteilung von Yb zum Kern 2. Ein durchgezogener Liniengraph in 15 illustriert ein Verteilungsbeispiel einer Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 in der Optikfaser für einen Faserlaser 1, die in dem Faserlaser 105 der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Wie in dem durchgezogenen Liniengraph in 15 illustriert, ist die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 auf einer Endseite niedrig, die Anregungslicht führt, und steigt graduell an, wenn es sich von einem Ende, welches das Anregungslicht führt, verabschiedet. Andererseits ist die Zugabekonzentration in der Nähe eines Endes der entgegengesetzten Seite des Endes, welches Anregungslicht führt, im Wesentlichen konstant.
  • Ein durchgezogener Liniengraph in 16 ist ein Graph, der eine höchste Temperatur des zweiten Mantels 4 (siehe 1A und 1B) in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 aufzeichnet, ermittelt durch Durchführen von thermischer Fluidsimulation an der Optikfaser für einen Faserlaser 1 des in 14 illustrierten Faserlaser 105, der die Optikfaser für einen Faserlaser 1 verwendet, in der die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 gesteuert wird, wie in dem durchgezogenen Liniengraph in 15 illustriert.
  • Die Bedingung der thermischen Fluid-Simulation war derart, dass der Kerndurchmesser der Optikfaser für einen Faserlaser 1 35 µm betrug, der erste Ummantelungs-Durchmesser 250 µm betrug, der zweite Ummantelungs-Durchmesser 650 um betrug, und Anregungslicht von 6,6 kW aus einem Ende der Optikfaser für einen Faserlaser 1 geführt wurde. Darüber hinaus ist eine Kühlbedingung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 wie folgt. Materialien des Kerns 2 und der ersten Ummantelung 3 waren SiO2. Der zweite Mantel 4 war ein Polymer (thermische Leitfähigkeit: 0,21 W/(m·K)). In einem Zustand, in welchem eine Rille mit einer Breite von 1,5 mm und einer Tiefe von 0,75 mm in einer Wasserkühlplatte (thermische Leitfähigkeit: 180 W/(m·K)) gebildet wurde, die aus einer Aluminiumlegierung gebildet war, die durch ein Kühlwasser von 25 °C gekühlt wurde, und die Optikfaser für einen Faserlaser 1 steht in Kontakt mit dem Bodenzentrum der Rille, wurde ein thermoleitfähiges Adhäsiv (thermische Leitfähigkeit: 2 W/(m·K)) in die Rille fließen gelassen, um die Rille komplett abzudecken, um so bündig mit der Ursprungsoberfläche der Wasserkühlplatte zu sein.
  • Wie in dem durchgezogenen Liniengraphen in 16 illustriert, wo die Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser 1, in der die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 wie in dem durchgezogenen Liniengraphen in 15 gesteuert wird, in einer Längenrichtung von ungefähr 80% ab dem Ende, welcher das Anregungslicht führt, konstant ist, ist die Temperatur im verbleibenden Längenbereich (einem Bereich in der Nähe eines Endes des entgegengesetzten Endes zu dem Ende, welches Anregungslicht führt) niedriger als die Konstanttemperatur.
  • Ein Ein-Punkt-Kettenliniengraph in 15 illustriert ein Verteilungsbeispiel einer Zugabekonzentration von Yb, welches einem Kern zugegeben wird, wenn die Temperatur in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser gleichförmig über die Gesamtlänge der Optikfaser für einen Faserlaser gemacht wird, während einer Nenn-Optikausgabe oder Maximal-Optikausgabe. In diesem Fall ist die Zugabekonzentration von Yb am Kern sehr hoch an einem Ende auf der gegenüberliegenden Seite des Endes, der das Anregungslicht führt.
  • Ein Ein-Punkt-Kettenliniengraph in 16 illustriert ein Verteilungsbeispiel einer höchsten Temperatur des zweiten Mantels, wenn eine Optikfaser für einen Faserlaser mit solch einer Zugabekonzentrations-Verteilung von Yb wie der Ein-Punkt-Kettenliniengraph in 16 verwendet wurde. Wenn Yb zum Kern zugegeben wird, wie im Ein-Punkt-Kettenliniengraph in 15, ist die Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser über die gesamte Länge der Optikfaser für einen Faserlaser gleichförmig.
  • Ein unterbrochener Liniengraph in 16 illustriert ein Verteilungsbeispiel einer höchsten Temperatur des zweiten Mantels, wenn eine Optikfaser für einen Faserlaser, welcher Yb zugefügt wurde, zum Kern gleichförmig in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser in einer Konzentration von 0,08 Mol-%, so dass die Absorptivität die gleiche in der gesamten Optikfaser für einen Faserlaser ist, wurde verwendet. Wenn Yb gleichförmig in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser zugegeben wird, ist die Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser sehr hoch, wenn man sich dem Ende nähert, der das Anregungslicht führt.
  • Frontseiten-Anregung, wie in der vorliegenden Ausführungsform, stellt einen Vorteil bereit, dass die Anregungs-Effizienz im Vergleich zur beidseitigen Anregung, wie in der dritten Ausführungsform, verbessert werden kann. Jedoch, wie aus 15 und 16 klar ist, wenn Anregungslicht zum ersten Mantel von einem Ende der Optikfaser für einen Faserlaser zugeführt wird, falls die Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser über die Gesamtlänge der Optikfaser für einen Faserlaser gleichförmig zu machen ist, ist es notwendig, eine sehr hohe Konzentration von Yb dem Kern in einem Bereich nahe der entgegengesetzten Seite des Endes, der das Anregungslicht führt, zuzugeben. In diesem Fall kann ein Verschleiß, der von Foto-Verdunkelung herrührt, auftreten. Jedoch, wenn die Temperatur eines Bereichs nahe am entgegengesetzten Ende eines Endes, das Anregungslicht führt, etwas in dem durchgezogenen Liniengraph in 16 gesenkt wird, steigt die höchste Temperatur des zweiten Mantels im Vergleich zu einem Fall, in welchem dieselbe Temperatur über die gesamte Länge der Optikfaser für einen Faserlaser aufrechterhalten wird, nur leicht an, während die höchste Zugabekonzentration von Yb auf niedrig unterdrückt wird und eine Absorptivität des Anregungslichts äquivalent zu derjenigen, wenn dieselbe Temperatur über die Gesamtlänge der Optikfaser für einen Faserlaser gehalten wird, erhalten wird.
  • <Fünfte Ausführungsform>
  • 17, 19 und 20 sind schematische Diagramme, die eine Kühlstruktur einer Optikfaser für einen Faserlaser in einem Faserlaser gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustrieren. Die Kühlstruktur (eine Wärme-Abstrahlungsstruktur) kann in den Faserlasern 5 und 105 der dritten und vierten Ausführungsformen verwendet werden. 17 ist eine Querschnittsansicht, die einen Bereich einer Kühlstruktur einer Optikfaser für einen Faserlaser illustriert. Wie in 17 illustriert, ist zumindest ein Bereich der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in einer Rille 16a vorgesehen, die in einer Kühlplatte 16 gebildet ist.
  • In diesem Beispiel ist der Kerndurchmesser der Optikfaser für einen Faserlaser 1 35 µm, ist der erste Mantel-Durchmesser 200 µm und ist der zweite Mantel-Durchmesser 600 µm. Der Kern 2 und der erste Mantel 3 sind SiO2. Der zweite Mantel 4 ist ein Polymer (thermische Leitfähigkeit: 0,21 W/(m·K)). Die Kühlplatte 16 ist eine Wasserkühlplatte (thermische Leistungsfähigkeit: 180 W/(m·K)), die aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist, welche durch Kühlwasser von 25 °C gekühlt wird.
  • Die Rille 16a, die eine Breite von 1,5 mm und eine Tiefe von 0,75 mm aufweist, ist in der Oberfläche der Kühlplatte 16, die in 17 illustriert ist gebildet. Die Optikfaser für einen Faserlaser 1 ist vorgesehen, durch ein thermoleitfähiges Adhäsiv (thermische Leitfähigkeit: 2 W/(m·K)) fixiert zu werden, das in die Rille 16a in einem Zustand gefüllt wird, indem es in Kontakt mit dem Bodenzentrum der Rille 16a auf der Oberfläche der Kühlplatte 16 steht. Die Dicke des thermoleitfähigen Adhäsivs 17 in der Rille 16a ist d µm. Eine thermo-leitfähige Paste mit einer ähnlichen thermischen Leitfähigkeit kann anstelle des thermoleitfähigen Adhäsivs 17 verwendet werden.
  • In diesem Zustand wurde thermische Fluid-Simulation unter der Annahme ausgeführt, dass der Kern 2 eine Wärme von 125 W/m erzeugt, und die Dicke (d) in Abhängigkeit des thermoleitfähigen Adhäsivs 17 der höchsten Temperatur des zweiten Mantels 4 wurde berechnet. Die Ergebnisse sind in 18 illustriert. Wie aus 18 zu entnehmen, falls die Dicke d des thermoleitfähigen Adhäsivs 17 kleiner als eine Dicke (d ≥ 600 µm) ist, in welcher die Optikfaser für einen Faserlaser 1 vollständig in das thermoleitende Adhäsiv 17 eingebettet ist, steigt die höchste Temperatur des zweiten Mantels 4 abrupt mit Sinken bei der Dicke d des thermoleitfähigen Adhäsivs 17 an. Im Gegensatz dazu, falls die Dicke d des thermoleitfähigen Adhäsivs 17 größer als 600 µm ist, ist die Dickenabhängigkeit des thermoleitfähigen Adhäsivs 17 von der höchsten Temperatur des zweiten Mantels 4 sanft.
  • Daher ist es wünschenswert, dass die Optikfaser für einen Faserlaser 1 bereitgestellt ist, in Kontakt mit dem Boden der Rille 16a zu sein, und nicht vollständig exponiert zu sein, mit Hilfe des thermoleitfähigen Adhäsivs 17 oder einer thermoleitfähigen Paste, in der Rille 16a, die tiefer ist als zumindest der Außendurchmesser der Optikfaser für einen Faserlaser 1, gebildet in der Kühlplatte 16, die aus einem thermoleitfähigen Bauteil gebildet ist, wie etwa einer Aluminiumlegierung, so dass eine Kühlbedingung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 verbessert wird und ein Anstieg bei der Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser 1 effizienter unterdrückt werden kann. Auf diese Weise wird die Kühlbedingung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 verbessert und kann ein Anstieg bei der Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser 1 effizienter unterdrückt werden.
  • Jedoch, da die Optikfaser für einen Faserlaser 1 lang ist, um die Größe eines Faserlasers zu reduzieren, ist es notwendig, die Optikfaser für einen Faserlaser 1 in mehreren Wicklungen in einer Schleifenform aufzuwickeln, wie in 13 und 14 illustriert, und dieselbe in der Kühlplatte 16 bereitzustellen. Daher können Bereiche, wo die Optikfasern für einen Faserlaser 1 einander kreuzen, auftreten und es kann schwierig sein, eine solche Kühlstruktur wie in 17 illustriert, über die gesamte Länge der Optikfaser für einen Faserlaser 1 zu verwenden. In solch einem Fall kann eine in 19 oder 20 illustrierte Kühlstruktur in Bereichen eingesetzt werden, wo die Optikfasern für einen Faserlaser 1 einander kreuzen.
  • Eine in 19 illustrierte Kühlstruktur verwendet eine Kühlplatte 16, in welcher Rillen 16b, die tiefer als die Rillen 16a sind, die sich in einer Richtung erstrecken, welche die Rillen 16a queren, in deren Oberfläche ausgebildet sind, zusätzlich zu den Rillen 16a, die sich in einer Richtung erstrecken. Die tiefen Rillen 16b sind angeordnet, die engen Rillen 16a zu teilen. Auf diese Weise, wenn die Kühlplatte 16, in welcher die Rillen 15a und 16b, die so angeordnet sind, dass sie einander kreuzen, unterschiedliche Tiefen aufweisen, verwendet wird, wird eine der kreuzenden Optikfasern für einen Faserlaser 1 in den Rillen 16a angeordnet und wird die andere in den Rillen 16b angeordnet, ist es möglich, Kühlen in einem Zustand durchzuführen, in welchem die kreuzenden Optikfasern für einen Faserlaser 1 keinen Kontakt zueinander aufnehmen.
  • Eine in 20 illustrierte Kühlstruktur weist eine Brücke 160 auf, welche auf einer oberen Oberfläche der Kühlplatte 16 vorgesehen ist, welche die Rillen 16a aufweist, die sich in einer Richtung erstrecken, um so sich über die Rillen 16a in einer Richtung, welche die Rillen 16a kreuzt, zu erstrecken. Die Brücke 160 ist aus demselben thermoleitfähigen Bauteil wie die Kühlplatte 16 gebildet. Eine Rille 160a ist in der oberen Oberfläche der Brücke 160 gebildet, um sich so in einer die Rillen 16a querenden Richtung zu erstrecken. Auf diese Weise, wenn die Kühlplatte 16, in welcher die Brücke 160 mit der Rille 160a, die sich in einer die Rillen 16a kreuzenden Richtung erstreckt, aufweist, über den Rillen 16a vorgesehen ist, verwendet wird, ist eine der kreuzenden Optikfasern für einen Faserlaser 1 in den Rillen 16a vorgesehen und die andere ist in der Rille 160a vorgesehen, und es ist möglich, ein Kühlen in einem Zustand durchzuführen, in welchem die kreuzenden Optikfasern für einen Faserlaser 1 keinen Kontakt zueinander herstellen.
  • 19 und 20 illustrieren die Kühlstruktur der Optikfaser für einen Faserlaser 1 in einem Zustand, in welchem ein Bereich, wo die Optikfasern für einen Faserlaser 1 einander kreuzen, weggeschnitten ist. Darüber hinaus sind das thermoleitfähige Adhäsiv 17 und die thermoleitfähige Paste nicht illustriert, so dass die Optikfaser für einen Faserlaser 1 sichtbar ist.
  • Durch Einsetzen einer solchen Kühlstruktur wie in 19 oder 20 illustriert, ist es möglich, ein Kühlen so durchzuführen, dass die Optikfasern für einen Faserlaser 1 keinen Kontakt miteinander in einem Bereich aufnehmen, wo die Optikfasern für einen Faserlaser 1 einander kreuzen. Das heißt, dass die Kühlplatte 16 einen Bereich der Optikfaser für einen Faserlaser 1 kühlen kann, der so angeordnet ist, dass die andere Optikfaser für einen Faserlaser 1 zwischen der Optikfaser für einen Faserlaser 1 und der Kühlplatte 16 angeordnet ist, um so die Optikfaser für einen Faserlaser 1 zu kreuzen, von Bereichen, wo die Optikfasern für einen Faserlaser 1 einander kreuzen. Auf diese Weise ist es möglich, den Bereich der Optikfaser für einen Faserlaser 1, in welchem eine Kühlbedingung nicht zufriedenstellend ist und die Temperatur höher als der andere Bereich ist, zu verkürzen oder vollständig zu eliminieren, da die Optikfaser für einen Faserlaser 1 nicht in Kontakt mit der Kühlplatte steht oder die Optikfaser für einen Faserlaser 1 nicht in der Rille vorgesehen ist, und nicht vollständig mit einem thermoleitfähigen Adhäsiv oder einer thermoleitfähigen Paste abgedeckt ist.
  • <Sechste Ausführungsform>
  • 21 ist ein schematisches Diagramm eines Faserlasers gemäß einer letzten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Faserlaser 205 der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet eine Vielzahl von Faserlasern 5 der dritten Ausführungsform und beinhaltet weiter einen Strahlkombinierer 18, der die Laserausgaben aus den Faserlasern 5 zu einer optischen Faser koppelt. Der Faserlaser 5 der dritten Ausführungsform weist die Optikfaser für einen Faserlaser 1 auf, in welcher die Temperatur gleichförmig in Längsrichtung gemacht ist, wie oben beschrieben, und die einen Hochleistungs-Laserstrahl emittieren kann. Daher kann der Faserlaser 205 der vorliegenden Ausführungsform einen Hochleistungs-Laserstrahl 15 emittieren, durch Kuppeln der optischen Ausgaben der Faserlaser 5 unter Verwendung eines Strahlkombinierers 18.
  • In der vorliegenden Ausführungsform, obwohl der Faserlaser 205 mit drei Faserlasern 5 illustriert ist, kann die Anzahl von Faserlasern 5, die den Faserlaser 205 bilden, zwei sein und kann drei oder mehr sein. Der Faserlaser 205 der vorliegenden Ausführungsform kann eine Vielzahl von solchen Frontseitenanregungs-(Einzelseitenanregungs-)Faserlasern 105 wie in der vierten Ausführungsform statt solcher Beidseiten-Anregungs-Faserlaser 5 wie in der dritten Ausführungsform beinhalten und kann die optischen Ausgaben der Faserlaser 105 unter Verwendung eines Strahlkombinierer 18 koppeln.
  • <Siebte Ausführungsform>
  • 22A bis 22G sind schematische Diagramme von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für die Optikfaser für einen Faserlaser 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Herstellverfahren der vorliegenden Ausführungsform illustriert ein Beispiel eines Herstellverfahrens zum Herstellen einer Optikfaser für einen Faserlaser 1, in welcher die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 und die Zugabekonzentration eines Refraktiv-Index-Justierelements in Längsrichtung verändert werden, wie in der Optikfaser für einen Faserlaser 1 der ersten Ausführungsform.
  • Zuerst wird beispielsweise SiO2-Yb2O3-GeO2 Partikel (Ruß) 302 auf einem Substrat 301 von Si oder SiO2 durch Flammenhydrolyse-Abscheidung (FHD) abgeschieden (22A: Schritt S101), danach wird die Temperatur weiter erhöht, so dass der Ruß 302 einer transparenten Vitrifikation unterworfen wird und ein transparentes vitrifiziertes Siliziumoxid 303 auf dem Substrat 301 abgeschieden wird ( 22B: Schritt S102). Die Dicke des in Schritt S101 abgeschiedenen Rußes 302 wird auf eine solche Dicke eingestellt, die 3 mm zu einem Zeitpunkt ist, wenn der Ruß 302 transparent vitrifiziert wird. Darüber hinaus, wenn der Ruß 302 auf dem Substrat 301 abgeschieden wird, wird die Verteilung in der Dickenrichtung der Zugabekonzentration von Yb nach transparenter Vitrifikation so gesteuert, dass die in 2 illustrierte Yb-Zugabekonzentrations-Verteilung auf 1/10000 in der Längsrichtung komprimiert wird und die Verteilung in der Dickenrichtung der Zugabekonzentration von Ge so gesteuert wird, dass die Ge Zugabekonzentrations-Verteilung, die in 6 illustriert ist, auf 1/10000 in der Längsrichtung komprimiert wird. Das zuzugebende Element ist nicht auf Yb und Ge beschränkt, sondern es kann Al in gleichmäßiger Konzentration in der Dickenrichtung zugegeben werden, um eine Foto-Verdunkelung zu unterdrücken. Nachfolgend wird das Substrat 301 durch Ätzen oder dergleichen entfernt (22C: Schritt S103), und danach wird eine kreisförmige Scheibe 304 mit einem Durchmesser von 3,5 mm aus dem transparenten vitrifizierten Siliziumoxid 303 ausgeschnitten, nachdem das Substrat 301 entfernt wird ( 22D: Schritt S104). Diese Scheibe 304 ist ein Bereich, der als der Kern 2 dient, nachdem ein nachfolgender Drahtziehschritt durchgeführt wird.
  • Nachfolgend wird beispielsweise eine hohle zylindrische Siliziumoxid-Glasröhre 305 mit einem Außendurchmesser von 60 mm und einer Dicke von ungefähr 11 mm von außerhalb derselben durch die Flamme eines Knallgas-Brenners 306 erhitzt, während die Röhre 305 so rotiert wird, dass die Röhre 305 in einen äußeren Durchmesser von 35 mm und einen inneren Durchmesser von etwas größer als 3,5 mm geformt wird (22E: Schritt S105). Um den Innendurchmesser genau zu steuern, kann ein hoch wärmeresistenter Stab mit einem Außendurchmesser von 3,5 mm im Zentrum der Röhre 305 angeordnet werden. Diese Röhre 305 ist ein Bereich, der als der erste Mantel 3 dient, nachdem ein nachfolgender Drahtziehschritt durchgeführt ist.
  • Nachdem die Scheibe 304 und die geformte Röhre 305 hergestellt sind, wird eine Anzahl von als der Kern 2 dienenden Scheiben 304 auf der Innenseite der geformten Röhre 305 aufgehäuft (22F: Schritt S106). Danach, in einem Zustand, in welchem die Zentralachse der Röhre 305 vertikal gehalten wird, wird die Röhre 305 wieder durch die Flamme des Knallgas-Brenners von der äußeren Seite der Röhre 305 erhitzt, während die Röhre 305 rotiert wird, was nicht illustriert wird. Auf diese Weise werden die Röhre 305 und die Scheibe 304 fusioniert und miteinander integriert, um eine Vorform 307 der Optikfaser herzustellen (22G: Schritt S107).
  • Die Vorform 307, die auf diese Weise hergestellt ist, wird einem Drahtziehen in einem Zerfaserungsschritt (Drahtziehen) unterworfen, um eine Optikfaser mit einem Außendurchmesser von 350 µm herzustellen. Bei diesem Prozess wird der zweite Mantel 4 auf der Außenseite der Optikfaser unter Verwendung eines UV-härtbaren Polymers oder dergleichen gebildet. Hinsichtlich des Zerfaserungsschritts (Drahtziehen), da ein allgemein bekanntes Verfahren angewendet werden kann, wird die detaillierte Beschreibung weggelassen.
  • Wenn die gemäß dem oben beschriebenen Herstellverfahren hergestellte Optikfaser alle 30 m geschnitten wird, ist es möglich, die Optikfaser für einen Faserlaser 1 zu erhalten, in der der zweite Manteldurchmesser 350 µm ist, der Kerndurchmesser 35 um ist, die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 gesteuert ist, die in 2 illustrierte Yb-Zugabekonzentrations-Verteilung zu sein und die Zugabekonzentration von Ge zum Kern 2 so gesteuert wird, dass sie die in 6 illustrierte Ge-Zugabekonzentrations-Verteilung ist. Wenn die effektive Länge der Vorform 307 im Zustand des Schritts S107 in 22G 600 mm ist, können zweihundert Optikfasern für einen Faserlaser 1 mit der Länge von 30 m aus einer Vorform 307 hergestellt werden.
  • Um zu gestatten, dass die Schneideposition der Optikfaser, die aus der Vorform 307 drahtgezogen wird, leicht sichtbar ist, kann ein anderes Element als das vorgenannte Element, das in der Lage ist, Markierungen zu bilden, welche durch Bestrahlung von sichtbarem Strahl oder Ultraviolett-Strahlen aus der Außenseite der Optikfaser identifiziert werden können, zumindest zu einer flachen Oberfläche der Scheibe 304 hinzugesetzt werden. Darüber hinaus, statt ein Element, das als Marker dient, der flachen Oberfläche der Disk 304 zuzugeben, kann eine dünne SiO2-Scheibe mit einem Außendurchmesser von 3,5 mm, welchem ein Element, das in der Lage ist, Marker zu bilden, zwischen angrenzenden Scheiben 304 eingefügt werden.
  • <Achte Ausführungsform>
  • 23A bis 23D sind schematische Diagramme von Herstellschritten eines Herstellverfahrens für die Optikfaser für einen Faserlaser 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Herstellverfahren der vorliegenden Ausführungsform illustriert ein anderes Beispiel eines Herstellverfahrens zum Herstellen der Optikfaser für einen Faserlaser 1, in der die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 und die Zugabekonzentration eines Refraktivindex-Justierelements in der Längsrichtung wie in der Optikfaser für einen Faserlaser 1 der ersten Ausführungsform verändert werden.
  • Zuerst wird poröses Basismaterial (Ruß) wachsen gelassen, während die Zugabekonzentration von Yb und Ge periodisch in einer axialen Richtung eines Glassaatstabs 401 durch ein Dampfphasen-Axial-Abscheidungsverfahren (VAD) verändert werden, um den Rußkörper 402 zu erhalten. In diesem Fall können Zugabekonzentrationen von Yb und Ge in der Axialrichtung des Rußkörpers 402 durch Ändern von Mischungsverhältnissen von Yb Cl3 und GeCl4 in einem Gas, das aus einem Brenner 406 zum Rußkörper 402 geblasen wird, verändert werden (23A: Schritt S201). Danach wird der erhaltene Rußkörper 402 in einen Hochtemperaturofen 404 eingeführt, der eine auf ungefähr 1500 °C durch einen Heizer 403 erhitzte Heißzone aufweist, um einen transparenten vitrifizierten säulenförmigen Stab 405 herzustellen ( 23B: Schritt S202). Dieser Stab ist ein Bereich, der als der Kern 2 dient, nachdem ein nachfolgender Drahtziehschritt durchgeführt wird.
  • Nachfolgend, nachdem der auf diese Weise hergestellte Stab 405 in einen Stab 405a bearbeitet oder geformt worden ist, der einen kleinen Außendurchmesser von beispielsweise 3,5 mm aufweist, durch Schneiden oder Ätzen, wird der Stab 405a am Zentrum einer hohlen zylindrischen Siliziumoxid-Glasröhre 407 mit einem Außendurchmesser von 60 mm und einer Dicke von ungefähr 11 mm angeordnet, um einen Stab-in-Röhre 408 zu bilden. Danach kollabiert der Stab in Röhre 408 mit der Flamme eines Knallgas-Brenners 409 (23C: Schritt S203). Die Röhre 407 ist ein Bereich, der als der erste Mantel 3 dient, nachdem ein nachfolgender Drahtziehschritt durchgeführt ist. Wenn der Stab in Röhre 408 kollabiert, werden die Röhre 407 und der Stab 405a verschmolzen und zusammen integriert, um eine Vorform 410 von Optikfaser herzustellen (23D: Schritt S204).
  • Die Vorform 407, die auf diese Weise hergestellt ist, wird einem Drahtziehen in einem Faserungsschritt (Drahtziehen) unterworfen, um eine Optikfaser mit einem Außendurchmesser von 350 µm herzustellen, ähnlich zur siebten Ausführungsform. Bei diesem Prozess wird der zweite Mantel 4 auf der Außenseite der Optikfaser unter Verwendung eines UV-härtbaren Polymers oder dergleichen gebildet. Im Prozess von Schritt S204 in 23C, wenn die Vorform 410 so hergestellt wird, dass die effektive Länge der Vorform 410 600 mm beträgt und einen Außendurchmesser von 35 mm aufweist, der Durchmesser des als der Kern 2 dienenden Bereichs 3,5 mm beträgt und eine Periode der Konzentrationsverteilung von Yb oder Ge, die zu dem als der Kern 2 dienenden Bereich zugegeben ist, 3 mm ist, entsprechend einem Blatt der Scheibe gemäß der siebten Ausführungsform, können zweihundert Optikfasern für einen Faserlaser mit einer Länge von 30 m aus einer Vorform 410 hergestellt werden, ähnlich der siebten Ausführungsform. Bei diesem Herstellverfahren, da der als der Kern 2 dienende Bereich aus dem Stab 405 hergestellt wird, ist der Schritt des Aufhäufens der Scheibe 304 nicht notwendig, anders als bei der siebten Ausführungsform.
  • Da es erforderlich ist, dass die Konzentration von Yb oder Ge in der Radialrichtung des Kern 2 gleichförmig ist, wird es bevorzugt, dass eine Oberflächenform der Rußabscheidungsoberfläche 402a des Rußkörpers 402 eine flache Oberfläche vertikal zur Zentralachse des Rußkörpers 402 ist.
  • Daher, wie im Schritt S201 von 23A illustriert, kann eine Vielzahl von Brennern 406 zum Abscheiden des Rußkörpers 402 gemäß dem Knallgas-Flammen-Hydrolyseverfahren, das Silizium-Tetrachlorid (SiCl4) enthält, und eine Oberflächenform-Überwachungsvorrichtung 411 wie etwa eine stereoskopische Bildgebungsvorrichtung zum Überwachen der Oberflächenform der Rußabscheidungsoberfläche 402a weiter enthalten sein. Durch Bereitstellen des durch die Oberflächenform-Überwachungsvorrichtung 411 erhaltenen Überwachungsergebnisses als eine Rückkopplung ist es möglich, den Rußkörper 402 abzuscheiden unter Justierung der Heizleistung der Vielzahl von Brennern 406, so dass die Oberflächenform der Rußabscheidungsoberfläche 402a eine flache Oberfläche vertikal zur Zentralachse des Rußkörpers 402 ist. Darüber hinaus kann ein Laserstrahl auf der Rußabscheidungsoberfläche 402a scannen. Auf der unteren Seite einer Laserscan-Oberfläche abgeschiedener Ruß kann durch einen Laserstrahl wieder verdampft werden, wo dass die Oberflächenform der Rußabscheidungsoberfläche 402 auf einer flachen Oberfläche vertikal zur Zentralachse des Rußkörpers 402 gehalten werden kann.
  • <Neunte Ausführungsform>
  • 24A bis 24C sind schematische Diagramme von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für eine Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Herstellverfahren der vorliegenden Ausführungsform illustriert noch ein anderes Beispiel des Herstellverfahrens zum Herstellen der Optikfaser für einen Faserlaser 1, bei dem die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 und die Zugabekonzentration eines Refraktivindex-Justierelements in der Längsrichtung verändert werden, wie bei der Optikfaser für einen Faserlaser 1 der ersten Ausführungsform.
  • Beispielsweise wird eine hohle zylindrische Siliziumoxid-Glasröhre 502 mit einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Dicke von 2,4 mm in einem Hochfrequenzhohlraum 501 angeordnet und wird Siliziumoxid-Glas auf einer inneren Wand der Röhre 502 bis zu einer Dicke von 31 µm durch ein plasma-aktiviertes chemisches Dampfabscheidungsverfahren (PCVD) abgeschieden, um eine transparente Glasschicht 503 zu bilden. Die Röhre 502 ist ein Bereich, der als der erste Mantel 3 dient, nachdem ein nachfolgender Drahtziehschritt durchgeführt ist, und der transparente Glasschicht 503 in der Röhre 502 ist ein Bereich, der als der Kern 2 dient, nachdem ein nachfolgender Drahtziehschritt durchgeführt ist. In diesem Fall wird Rohgas zugeführt, während die Konzentration von YbCl3 und GeCl4 gemäß der Bewegung der Abscheidungsposition von Siliziumoxid-Glas durch Hochfrequenz-Induktions-Thermoplasma 504, welches innerhalb der Röhre 502 beispielsweise erzeugt wird, in Intervallen geändert wird, zu welchen die Abscheidungsposition von Siliziumoxid-Glas sich alle 30 mm in Längsrichtung der Röhre 502 bewegt (24A: Schritt S301). Danach kollabiert der hohle Bereich der Röhre 502 mit der Flamme eines Knallgas-Brenners 505 (24B: Schritt S303), um eine Vorform 506 der Optikfaser herzustellen (24C: Schritt S303).
  • Die auf diese Weise hergestellte Vorform 506 wird einem Drahtziehen in einem Zerfaserungsschritt (Drahtziehen) unterworfen, um auf eine Länge vom Tausendfachen der Ursprungslänge extendiert zu werden, um eine Optikfaser mit einem Außendurchmesser von 350 µm herzustellen. Mit diesem Zerfaserungsschritt wird der Kerndurchmesser 35 µm. Im Zerfaserungsschritt wird der zweite Mantel 4 auf der Außenseite der Optikfaser unter Verwendung eines UV-härtbaren Polymers oder dergleichen gebildet.
  • Bei der plasma-aktivierten chemischen Dampfabscheidung wird eher Siliziumoxid-Glas direkt abgeschieden als Ruß. Daher, wenn das Hochfrequenz-Induktions-Thermoplasma 504 lokal in dem engen Hochfrequenz-Hohlraum 501 erzeugt wird, ist es möglich, die aus Siliziumoxid-Glas gebildete transparente Glasschicht 503 zu bilden, in welcher die Zugabekonzentration von Yb und Ge in Längsrichtung der Röhre 502 gesteuert sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, die Optikfaser für einen Faserlaser 1 mit einer gewünschten Konzentrationsverteilung herzustellen, durch Steuern der Zugabekonzentration von Yb so, dass die Yb-Zugabekonzentration-Verteilung, die in 2 illustriert ist, auf 1/1000 in Längsrichtung komprimiert ist und die Zugabekonzentration von Ge, so dass die Zugabekonzentrations-Verteilung, die in 6 illustriert ist, auf 1/1000 in der Längsrichtung komprimiert ist. In der vorliegenden Ausführungsform, wenn die effektive Länge der Vorform 506 im Zustand von Schritt S303 in 24C 900 mm ist, können dreißig Optikfasern für einen Faserlaser 1 mit einer Länge von 30 m aus einer Vorform 506 hergestellt werden.
  • Obwohl die Anzahl von Optikfasern für einen Faserlaser 1, die aus einer Vorform 506 hergestellt werden, in der vorliegenden Ausführungsform kleiner als diejenige des Herstellverfahrens der siebten und achten Ausführungsformen ist, stellt die vorliegende Ausführungsform einen Nutzen bereit, dass die Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements in der Radialrichtung des Kerns 2 gesteuert werden kann. Wenn es nicht notwendig ist, die Zugabekonzentration in der Radialrichtung des Kerns 2 zu steuern, kann die Herstellzeit verkürzt werden, indem eine Vielzahl von Plasma-Erzeugungs-Hohlräumen in gleichen Intervallen wie die Periode (Distanz) des Änderns der Zugabekonzentration in der Längsrichtung der Röhre 502 vorgesehen wird.
  • <Zehnte Ausführungsform>
  • 25A bis 25C sind schematische Diagramme von Herstellschritten zum Beschreiben eines Herstellverfahrens für die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Herstellverfahren der vorliegenden Ausführungsform illustriert ein Beispiel eines Herstellverfahrens zum Herstellen der Optikfaser für einen Faserlaser 1, in welcher die Zugabekonzentration von Yb zum Kern 2 und die Zugabekonzentration eines zum ersten Mantel 3 zugegebenen Numerikapertur-Justierelements in Längsrichtung verändert werden, wie bei der Optikfaser für einen Faserlaser 1 der zweiten Ausführungsform.
  • Zuerst wird im selben Schritt wie Schritt S201 in 23A und Schritt S202 in 23B im Herstellverfahren der achten Ausführungsform ein poröses Basismaterial (Ruß) wachsen gelassen, während die Zugabekonzentration von Yb periodisch in einer Axialrichtung durch ein Dampfphasen-Axialabscheidungverfahren (VAD) geändert wird, um einen Rußkörper zu erhalten (Schritt S401). Danach wird der erhaltene Rußkörper in einen Hochtemperaturofen mit einer Heizzone eingeführt, welche durch einen Heizer auf ungefähr 1500 °C erhitzt wird, um eine transparente Verglasung zum Herstellen eines säulenförmigen Stabs zu erzielen, der aus Siliziumoxid-Glas gebildet ist (Schritt S402). Dieser Stab ist ein Bereich, der als der Kern 2 dient, nachdem ein nachfolgender Drahtziehschritt durchgeführt ist. Die Diagramme von Schritten S401 und S402 werden weggelassen, da die Diagramme die gleichen wie jene von Schritten S201 und S202 in 23A und 23B sind. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Zugabekonzentrations-Verteilung von Yb in der Zentralachsenrichtung des Stabes so gesteuert, dass die Yb-Zugabekonzentrations-Verteilung, die in 2 illustriert ist, auf 1/10000 in der Distanz komprimiert wird.
  • Nachfolgend, nachdem der hergestellte Stab in einen Stab mit einem Außendurchmesser von beispielsweise 3,5 mm bearbeitet oder geformt ist, durch Schneiden oder Ätzen, wird der Stab mit der Flamme eines Knallgas-Brenners erhitzt, um auf eine Länge von ungefähr dem Zehnfachen der Ursprungslänge extendiert zu werden, um einen schmalen Stab 601 mit einem Außendurchmesser von 1,1 mm zu erhalten (25A: Schritt S403). Siliziumoxid-Glas wird auf einer äußeren Oberfläche des Stabs 601 als ein Kern-Basismaterial durch ein plasma-aktiviertes Außendampf-Abscheidungsverfahren (POVD) abgeschieden, um eine Siliziumoxid-Glasschicht 602 zu bilden. Die Siliziumoxid-Glasschicht 602 ist ein Bereich, der als der erste Mantel 3 dient, nachdem ein nachfolgender Drahtziehschritt durchgeführt ist.
  • Die Siliziumoxid-Glasschicht 602 wird ausgebildet, während die Konzentration einer Fluorid-Verbindung, welche ein Numerik-Apertur-Justierelement ist, das in dem Rohgas enthalten ist, welches einem Plasma-Faktor 603 zugeführt wird, geändert wird, um so identisch zu der Yb-Zugabekonzentrations-Verteilung in axialer Richtung der schmalen Stäbe 601 zu sein, bei einer Periode von 30 mm, die beispielsweise in dem das Kern-Basismaterial enthalten ist, durch Komprimieren der in 5 illustrierten F Zugabekonzentrations-Verteilung auf 1/1000 in Längsrichtung. Die Plasma-Fackel 603 wird reziprozierend über eine Region bewegt, in welcher die Siliziumoxid-Glasschicht 602 während der Ausführung der plasma-aktivierten Außendampfabscheidung durchgeführt wird (25B: Schritt S404). Auf diese Weise wird eine Vorform 604 von Optikfaser mit einem Außendurchmesser von 11 mm hergestellt (25C: Schritt S405) .
  • Nachfolgend wird die in dieser Weise hergestellte Vorform 604 einem Drahtziehen in einem Zerfaserungsschritt (Drahtziehen) unterworfen, um auf eine Länge vom Tausendfachen der Ursprungslänge extendiert zu werden, um eine Optikfaser mit einem Außendurchmesser von 350 µm zu erzeugen. Mit dem Zerfaserungsschritt wird der Kerndurchmesser 35 µm. Im Zerfaserungsschritt wird der zweite Mantel 4 auf den äußeren Seiten der Optikfaser unter Verwendung eines UV-härtbaren Polymers oder dergleichen gebildet. Wenn die effektive Länge der Vorform 604 im Zustand von Schritt S405 in 25C 900 mm ist, können 30 optische Fasern für eine Optikfaser mit der Länge von 30 m aus einer Vorform 604 hergestellt werden.
  • Gemäß diesem Herstellverfahren kann der erste Mantel 3, in welchem die Zugabekonzentration eines Numerik-Apertur-Justierelements, das in der Lage ist, den Refraktivindex anhand der Änderung bei der Zugabekonzentration eines Seltenen Erden-Elements zu ändern, leicht um den Kern 2 gebildet werden, in welchem die Zugabekonzentration eines Seltenen Erden-Elements sich in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser 1 verändert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Optikfaser für einen Faserlaser
    2
    Kern
    3
    Erster Mantel (Anregungsmantel)
    4
    Zweiter Mantel
    5, 105, 205:
    Faserlaser
    6
    Oszillatoreinheit
    7
    Front-Anregungseinheit
    8
    Rück-Anregungseinheit
    9
    Laserdiodenmodul (LDM)
    10
    Zulaufendes Faserbündel (TFB)
    11
    Hochreflektorfaser-Bragg-Gitter (HRFBG)
    12
    Ausgabekupplerfaser-Bragg-Gitter (OCFBG)
    13
    Strahl-Zufuhreinheit
    14
    Zuführfaser
    15
    Laserstrahl
    16
    Kühlplatte
    17
    thermoleitfähiges Adhäsiv
    18
    Strahlkombinierer
    301
    Substrat
    302
    Ruß
    303
    Siliziumoxid-Glas
    304
    Scheibe
    305, 407, 502
    Siliziumoxid-Röhre
    306, 409, 505
    Knallgas-Brenner
    307, 410, 506, 604
    Vorform
    401
    Glassaatstab
    402
    Rußkörper
    402a
    Rußabscheidungsoberfläche
    403
    Heizer
    404
    Hochtemperaturofen
    405, 405a, 601:
    Stab
    406
    Brenner
    408
    Stab-in-Röhre
    411
    Oberflächenform-Überwachungsvorrichtung
    501
    Hochfrequenzhohlraum
    503, 602
    Siliziumoxid-Glasschicht
    504
    Hochfrequenz-Induktions-Thermoplasma
    603
    Plasmafackel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • JP 2009129989 A [0016]
    • JP 2008308361 A [0016]
    • JP 2010103223 A [0016]

Claims (15)

  1. Optikfaser für einen Faserlaser (1), beinhaltend einen Kern (2), welchem ein Seltene Erden-Element zugegeben ist, einen ersten Mantel (3), der um den Kern (2) herum gebildet ist; und einen zweiten Mantel (4), der um den ersten Mantel (3) gebildet ist, bei der Anregungslicht von zumindest einem Ende des ersten Mantels (3) zum Anregen des Seltenen Erden-Elements zum Ausgeben eines Laser-Oszillationslichts geführt wird, wobei eine Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern (2) sich in einer Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser (1) unterscheidet, und ein Kerndurchmesser und eine numerische Apertur der Optikfaser für einen Faserlaser (1) in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser (1) konstant sind.
  2. Optikfaser für einen Faserlaser (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern (2) in einer Region näher an dem Ende, der das Anregungslicht in Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser (1) leitet, niedriger als die in der anderen Region ist.
  3. Optikfaser für einen Faserlaser (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das refraktive Index-Justierelement, das einen refraktiven Index des Kerns ändert, zum Kern (2) zugegeben wird, um so die Änderung beim Refraktivindex des Kerns (2), die sich aus der Änderung bei der Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern (2) ergibt, aufzuheben und den refraktiven Index des Kerns (2) konstant in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser (1) zu halten.
  4. Optikfaser für einen Faserlaser (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein numerisches Apertur-Justierelement, welches den refraktiven Index des ersten Mantels (3) ändert, zum ersten Mantel (3) zugegeben wird, so dass eine numerische Apertur der Optikfaser für einen Faserlaser (1) in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser (1) in Bezug auf Änderung bei der numerischen Apertur der Optikfaser für einen Faserlaser (1), die aufgrund einer Änderung beim refraktiven Index des Kerns (2) aufgrund von Änderung bei der Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements zum Kern (2) auftritt, gehalten wird, konstant zu sein.
  5. Faserlaser (5, 105, 205), umfassend: die Optikfaser für einen Faserlaser (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4; ein zulaufendes Faserbündel (10), das mit einem Ende der Optikfaser für einen Faserlaser (1) verbunden ist; und eine Vielzahl von Lichtquellen (9), die Anregungslicht emittieren, das zu dem ersten Mantel (3) der Optikfaser für einen Faserlaser (1) über das zulaufende Faserbündel zu führen ist.
  6. Faserlaser (5, 105, 205) gemäß Anspruch 5, wobei eine Zugabekonzentrations-Verteilung des Seltenen Erden-Elements in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser (1) gesteuert wird, so dass die Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser (1) während einer Nennoptikausgabe oder maximalen Optikausgabe gleichförmig in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser (1) ist.
  7. Faserlaser (5, 105, 205) gemäß Anspruch 5, wobei der Faserlaser (5, 105, 205) Anregungslicht zum ersten Mantel (3) aus einer Richtung führt, und eine Zugabekonzentrations-Verteilung des Seltenen Erden-Elements in der Längsrichtung der Optikfaser für einen Faserlaser so gesteuert werden, dass die Temperatur der Optikfaser für einen Faserlaser (1) während der optischen Nennausgabe oder maximalen optischen Ausgabe in einem Längenbereich von 50% oder mehr ab dem Ende, das das Anregungslicht führt, von der Gesamtlänge der Optikfaser für einen Faserlaser (1) konstant ist und niedriger ist als die konstante Temperatur in einem verbleibenden Längenbereich.
  8. Faserlaser (5, 105, 205) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei zumindest ein Bereich der Optikfaser für einen Faserlaser auf einer inneren Seite einer Rille (16a), die in einer Kühlplatte (16) gebildet ist, die auf einem thermoleitenden Bauteil gebildet ist, vorgesehen sein, wobei die Rille tiefer ist als zumindest ein äußerer Durchmesser der Optikfaser für einen Faserlaser, mit Hilfe eines thermoleitenden Adhäsivs (17) oder einer thermoleitenden Paste.
  9. Faserlaser (5, 105, 205) gemäß Anspruch 8, wobei die Optikfaser für einen Faserlaser (1) einen Bereich aufweist, in welchem Fasern einander kreuzen, und die Kühlplatte (16) so konfiguriert ist, dass in dem Bereich, in welchem die Optikfasern für einen Faserlaser (1) einander kreuzen, eine Tiefe der Rillen (16a), in welcher eine der kreuzenden Optikfasern für einen Faserlaser (1) vorgesehen sind, sich von einer Tiefe der Rille (16b), in welcher die anderen kreuzenden optischen Fasern für einen Faserlaser (1) vorgesehen sind, unterscheidet, so dass die kreuzenden Optikfasern für einen Faserlaser (1) keinen Kontakt miteinander machen mögen, oder so, dass eine Brücke (116), die in einem thermoleitfähigen Bauteil gebildet ist, vorgesehen ist, sich über die Rille (16a) zu erstrecken, in welcher die kreuzenden Optikfaser für einen Faserlaser (1) vorgesehen sind und die anderen Optikfasern für einen Faserlaser (1) auf der Brücke (160) vorgesehen sind.
  10. Faserlaser (5, 105, 205), umfassend: eine Vielzahl der Faserlaser (5, 105, 205) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, und einen Strahlkombinierer (18), der aus der Vielzahl von Faserlasern (5, 105, 205) emittierte Laserausgaben in einer Optikfaser kombiniert.
  11. Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: Stapeln einer Vielzahl von Scheiben (304), die in dem Siliziumoxid-Glas gebildet ist, welchem eine Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements in einer Dickenrichtung auf einer inneren Seite einer hohlen Siliziumoxid-Glasröhre (305) geändert wird; Verschmelzen der Röhre (305) und der Scheibe (304) miteinander durch Erhitzen zur Herstellung einer Vorform (307); und Durchführen von Drahtziehen während der Erhitzung der Vorform (307).
  12. Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: Gestatten, einem Ruß, aufzuwachsen, während periodisch eine Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements in einer Axialrichtung durch ein Dampfphasen-Axial-Abscheidungsverfahren zur Herstellung eines Rußkörpers (402) periodisch geändert wird; Unterwerfen des Rußkörpers (402) einer Siliziumoxid-Verglasung zur Herstellung eines Stabs (405, 405a); Anordnen des Stabs (405, 405a) auf einer inneren Seite einer hohlen Siliziumoxid-Glasröhre (407) zur Herstellung eines Stabs-in-Röhre (408); Gestatten, dem Stab-in-Röhre (408), zu kollabieren, um eine Vorform (410) herzustellen; und Durchführen von Drahtziehen unter Erhitzung der Vorform (410).
  13. Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: Zuführen von Rohgas zur Innenseite der hohlen Siliziumoxid-Glasröhre (502) zur Abscheidung des Siliziumoxid-Glases durch ein Plasma-aktiviertes chemisches Dampfabscheidungsverfahren, während dem Ändern einer Konzentration des Seltenen Erden-Elements periodisch anhand einer Bewegung in Längsrichtung der Röhre (502) einer Abscheidungs-Position von Siliziumoxidglas, wo ein Hochfrequenz-Induktions-Thermoplasma in der Röhre (502) erzeugt wird; Gestatten, der Röhre (502), zu kollabieren, um eine Vorform (506) herzustellen; und Durchführen von Drahtziehen unter Erhitzung der Vorform (506).
  14. Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser gemäß Anspruch 4, umfassend: Erlauben, einem Ruß, aufzuwachsen, während eine Zugabekonzentration des Seltenen Erden-Elements periodisch in einer Axialrichtung verändert wird, um einen Rußkörper durch ein Dampfphasen-Axial-Abscheidungsverfahren herzustellen; Unterwerfen des Rußkörpers einer Siliziumoxid-Verglasung zur Herstellung eines Stabs (601); Abscheiden von Siliziumoxid-Glas, das als der erste Mantel (3) dient, auf einer äußeren Oberfläche des als ein Kern-Basismaterial dienenden Stabs (601) in einer Axialrichtung durch ein plasma-aktiviertes Außendampf-Abscheidungsverfahren unter Änderung einer Konzentration eines numerischen Apertur-Justierelementes, das in einem Rohgas enthalten ist, um so identisch zu einer Periode in der Axialrichtung des Stabs (601) zu sein, der Änderung der Zugabekonzentration des in dem Kern-Basismaterial enthaltenen Seltenen Erden-Elements zum Herstellen einer Vorform (604); und Durchführen von Drahtziehen unter Erhitzung der Vorform (604).
  15. Herstellverfahren für die Optikfaser für einen Faserlaser (1) gemäß Anspruch 12 oder 14, wobei eine Herstellvorrichtung zum Herstellen eines Rußkörpers eine Vielzahl von Brennern (406) zum Abscheiden des Rußes durch ein Knallgas-Flammen-Hydrolyse-Verfahren eines Silizium-Tetrachlorids und eine Oberflächenform-Überwachungsvorrichtung (411), die eine Oberflächenform einer Rußabscheidungsoberfläche (402a) überwacht, und ein Überwachungsergebnis, welches durch die Oberflächenform-Überwachungsvorrichtung (411) erhalten wird, als eine Rückkopplung bereitgestellt wird, und der Ruß abgeschieden wird während der Justierung der Heizleistung der Brenner (406), so dass eine Oberflächenform der Rußabscheidungsoberfläche (402a) gehalten wird, eine flache Oberfläche vertikal zu einer Zentralachse des Rußkörpers zu sein.
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