JP2000269572A - ファイバレーザおよび光アンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ファイバレーザへの励起光導入効率を向上さ
せる。 【解決手段】 １本の連続したレーザファイバ１０を複
数回折り返して束ね、その束の隙間をマッチングオイル
で満たし、レーザファイバ１０の束及びマッチングオイ
ルを透明フッ素樹脂クラッド及び鏡面金メッキ金属治具
を有するバンドル部２０で覆い、そこに励起光導入用フ
ァイバ３０を用いて励起光を導入する。導入された励起
光はバンドル部内で反射しながら、レーザファイバ１０
の束が有する個々ドープコアに吸収される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｎｄイオンがドー
プされた石英系ファイバを使用したファイバレーザ及び
光アンプに関し、特にファイバを使用したファイバレー
ザ及び光アンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信または光加工技術分野にお
いては安価な高出力のレーザ光の発生装置が望まれてい
る．光ファイバレーザ発振器または光導波路型レーザ発
振器はコア径およびコアとクラッドの屈折率差を調節し
て設計、作製することで容易に発振モードを単一にで
き、かつ光を高密度に閉じ込めることでレーザ活性物質
と光との相互作用を高め、かつ長さを長くすることで相
互作用長を大きくとれるので高い効率で空間的に高品質
のレーザ光を発生することができることが知られてい
る。

【０００３】ここで、レーザ光の高出力化または高効率
化を実現するには、いかに光ファイバまたは光導波路の
レーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心添加領域
（通常はコア部）に効率よく励起光を導入するかが課題
となる。

【０００４】しかし、通常単一モードの導波条件にコア
径を設定するとその径はレーザ活性イオンまたは色素そ
の他の発光中心の添加領域（通常はコア部）の十数μm
以下に限定され、この径に効率よく励起光を導入するの
は一般に困難である。

【０００５】そこで、クラッド部の外側にクラッド部よ
りもさらに屈折率が低い透明物質で構成される第２クラ
ッド部を設け、第２クラッド部とクラッド部の屈折率差
に起因する全反射によって端面より導入された励起光を
第一クラッド部およびコア部内に閉じ込め、レーザ活性
イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常は
コア部）を閉じ込められた励起光が通過するにしたがっ
て徐々にレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心
に励起光を吸収させ、高出力のレーザ光を出力する方法
が知られている。これが２重クラッド型ファイバレーザ
である（E.Snitzer,H.Po,FHakimi,R.Tumminelli,and B.
C.McCllum,in Optical Fiber Sensors,Vol.2 of 1988 O
SA Tecnical Digest Series(Optical Society of Ameri
ca,Washington,D.C.,1988),paper PD5.）。

【０００６】しかし、２重クラッド型ファイバレーザの
場合、内部のクラッド部の断面形状が円形であるとレー
ザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域
（通常はコア部）付近を選択的に透過する励起光のみが
効率よくレーザ活性物質に吸収され、そうでない部分の
吸収効率が非常に低い。すなわち、モードによる吸収飽
和が起こるといった問題があった。

【０００７】そこで、内部のクラッド部の形状を矩形に
するような工夫がおこなわれているが、一般に円形以外
の断面形状のファイバを作製するのは困難であり、かつ
機械的な強度にも不足しがちである。

【０００８】これらの問題を解決するものとして、ファ
イバにおけるレーザ活性イオンまたは色素その他の発光
中心の添加領域（通常はコア部）に対し、側面から励起
光を導入する光ファイバレーザ装置（特開平１０−１３
５５４８）およびレーザ装置（特開平１０−１９００９
７）が提案されている。

【０００９】側面から励起光をレーザ活性イオンまたは
色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）に励
起光を導入する場合は、通常レーザ活性イオンまたは色
素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）の直径
(d)に比べて導波路長(L)が非常に長く，L/d>106以上も
とれるので導波路の断面方向から励起光を導入する方法
よりも非常に多くの励起エネルギーをファイバまたは導
波路内に導入することが可能となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の装置の
問題点は励起光吸収効率が低いことである。なぜなら
ば、例えば円形断面の２重クラッドファイバレーザでは
活性イオンのドープされているコア付近のみを通過する
モードの励起光についてだけが選択的に吸収され、それ
以外のモードの実質的吸収効率が非常に悪くなった状態
でモードが安定してしまうからである。（Jie Song, An
ping Liu, Kazunori Okino and Kenichi Ueda,電気学会
誌, OQD-97-17(1997)pp. 1-6）。

【００１１】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、より励起光の吸収効率のよいＮｄイオンがド
ープされた石英系ガラスファイバを使用したファイバレ
ーザを提供することである。

【００１２】また、本発明の他の目的は励起光の吸収効
率のよいＮｄイオンがドープされた石英系ガラスファイ
バを使用した光アンプを提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、石英系ファイバを使用してレーザ発振を行うファイ
バレーザにおいて、Ｎｄイオンをレーザ活性物質として
含み、少なくとも一つの光路を形成する光ファイバが束
状になっている光ファイバ束と、前記光ファイバ束に前
記レーザ活性物質を励起するための励起光を導入する励
起光導入部と、少なくとも前記光ファイバ束の側面の一
部を覆い、励起光を反射して繰返し前記レーザ活性媒質
に吸収されるように配置された励起光反射部と、前記励
起光により励起されたレーザ活性物質に起因するレーザ
光を出力するレーザ出力部と、を有することを特徴とす
るファイバレーザが提供される。

【００１４】上記のファイバレーザでは、励起光導入部
から導入された励起光は励起光反射部で反射しながら、
光ファイバ束に吸収される。光ファイバ束はその光ファ
イバ数に対応したコアがあるので、励起光の吸収率は非
常に高くなる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。まず、本発明における第１の実施の
形態について説明する。

【００１６】図１は、第１の実施の形態におけるファイ
バレーザ１の構成図である。本形態のファイバレーザ１
は、レーザ活性物質を有する１本のレーザファイバ１
０、レーザファイバ１０を束ねるバンドル部２０及びレ
ーザファイバ１０に励起光を導入する励起光導入用ファ
イバ３０により構成されている。

【００１７】レーザファイバ１０は複数箇所で折り返さ
れ、それらの折り返し部分とその次の折り返し部分の中
間をバンドル部２０内に格納して束ねることにより、折
り返したレーザファイバ１０の束を形成している。レー
ザファイバ１０の折り返し部分１０ａ及び１０ｂはバン
ドル内には格納されず、バンドル部２０の外部に配置さ
れる。バンドル部２０の外部に配置されるレーザファイ
バ１０の折り返し部分１０ａ及び１０ｂは、レーザファ
イバ１０を後述する透明樹脂フッ素樹脂クラッドで覆う
構造となっている。この透明樹脂フッ素樹脂クラッドが
第２クラッドの働きをすることとなる。

【００１８】図２は、図１のバンドル部２０のＡ−Ａ断
面図である。バンドル部２０は、石英クラッド１２及び
レーザ活性物質であるドープコア１１を有するレーザフ
ァイバ１０、石英クラッド１２と光の屈折率がほぼ等し
いマッチングオイル２３、石英クラッド１２及びマッチ
ングオイル２３よりも光の屈折率の低い透明フッ素樹脂
クラッド２２及び表面を金メッキ加工された鏡面金メッ
キ金属治具２１により構成されている。

【００１９】レーザファイバ１０は、ドープコア１１を
中心とし、その外部を石英クラッド１２で覆った同軸構
造をとっており、複数回折り返されたレーザファイバ１
０は、マッチングオイル２３によってその隙間を満たさ
れている。

【００２０】このようなレーザファイバ１０の束及びマ
ッチングオイル２３は透明フッ素樹脂クラッド２２によ
り覆われ、透明フッ素樹脂クラッド２２は、その外部を
鏡面金メッキ金属治具２１により覆われている。

【００２１】次に、図１におけるＢ部の詳細構成を図３
に示す。Ｂ部には、励起光導入用ファイバ３０の先端が
配置され、この励起光導入用ファイバ３０の先端から励
起光を照射することにより、レーザファイバ１０に励起
光を導入する。励起光導入用ファイバ３０には、比較的
太い径のもの及び市販の高出力レーザダイオードと結合
の良い帯状のファイバを使用する。

【００２２】図３において、θｐは励起光導入用ファイ
バ３０の全反射臨界角を示しており、励起光導入用ファ
イバ３０から照射される励起光は、２×（９０−θｐ）
の角度で広がりをもった光としてレーザファイバ１０内
に導入される。

【００２３】θｂは、マッチングオイル２３と透明フッ
素樹脂クラッド２２における全反射臨界角を示してお
り、この全反射臨界角θｂ以内の角度で透明フッ素樹脂
クラッド２２に達した励起光は、透明フッ素樹脂クラッ
ド２２で全反射され、透明フッ素樹脂クラッド２２内部
に閉じこめられることとなる。

【００２４】励起光の導入部であるＢ部は、励起光の導
入の効率を図るため、レーザファイバ１０及び透明フッ
素樹脂クラッド２２に広がりをもたせており、図３の場
合、Ｂ部におけるレーザファイバ１０及び透明フッ素樹
脂クラッド２２は、バンドル部２０の中心軸に対し、外
部にθｔの角度をもった広がりを有している。

【００２５】ここで、励起光導入用ファイバ３０からレ
ーザファイバ１０に導入されるすべての励起光は透明フ
ッ素樹脂クラッド２２で全反射されバンドル部２０内に
導入されることが望ましいが、その為には励起光導入用
ファイバ３０から照射される励起光と透明フッ素樹脂ク
ラッド２２表面からなる角度が、全反射臨界角θｂ以下
である必要がある。この励起光導入用ファイバ３０から
照射される励起光と透明フッ素樹脂クラッド２２表面か
らなる角度がもっとも大きくなるのは、励起光導入用フ
ァイバ３０から照射された励起光が、上記に述べたバン
ドル部２０の中心軸に対し外部にθｔの角度の広がりを
もった透明フッ素樹脂クラッド２２に到達するときであ
り、その時の励起光導入用ファイバ３０から照射される
励起光と透明フッ素樹脂クラッド２２表面からなる角度
は、（θｐ＋θｔ）で表される。そのため、Ｂ部のレー
ザファイバ１０及び透明フッ素樹脂クラッド２２の広が
りは、Ｂ部の外部への広がり角θｔが（θｐ＋θｔ）＜
θｂを満たすように構成される。

【００２６】この構造はバンドル端終端（励起光導入の
方向を順方向と見て）において用いることも可能であ
り、この場合バンドル部２０で吸収しきれなかった励起
光も効率６０％以上で再利用が可能になる（この場合、
バンドル部２０からはみ出したレーザファイバ部１０ｂ
は、第２クラッドを設けた構造にするのが望ましい）。

【００２７】次に、図１及び図２を用いて、本形態のフ
ァイバレーザ１の動作について説明する。励起光導入用
ファイバ３０から励起光がバンドル部のＢ部から導入さ
れると、その励起光はバンドル部２０の内部に束ねられ
たレーザファイバ１０を横切り、透明フッ素樹脂クラッ
ド２２で全反射を繰り返しながらバンドル部２０を進ん
でいく。ここで、透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射
された励起光は再びレーザファイバ１０の束を横切るこ
とになるため、バンドル部２０に導入された励起光は、
透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射を行うたびにレー
ザファイバ１０の束を横切ることになる。

【００２８】励起光がレーザファイバ１０の束を横切る
際、その励起光はそのレーザファイバ１０が有するドー
プコア１１の束に導入されることとなり、また励起光は
透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射を繰り返しながら
複数回レーザファイバ１０の束を横切ることとなるた
め、導入された励起光は複数回ドープコア１１の束に導
入されることとなる。

【００２９】ここで、石英クラッド１２及びマッチング
オイル２３の光の屈折率はほぼ等しいため、光学的には
透明フッ素樹脂クラッド２２内部に多数のドープコア１
１のみが存在しているのと等価になり、励起光は透明フ
ッ素樹脂クラッド２２で反射しながらドープコア１１に
吸収されていく。

【００３０】このように励起光を導入されたドープコア
１１はレーザ光を発生することとなり、そのように発生
したレーザ光はレーザファイバ１０の両端部１０ｃ及び
１０ｄより取り出されることとなる。

【００３１】以上のように、本形態では、１本の連続し
たレーザファイバ１０を複数回折り返して束ね、その束
の隙間をマッチングオイル２３で満たし、レーザファイ
バ１０の束及びマッチングオイル２３を透明フッ素樹脂
クラッド２２及び鏡面金メッキ金属治具２１で覆い、そ
こに励起光を導入することとしたため、導入された励起
光は、透明フッ素樹脂クラッド２２及び鏡面金メッキ金
属治具２１で反射しながら、レーザファイバ１０の束が
有する個々ドープコア１１に吸収されることとなり、励
起光の吸収率は非常に高くなり、発振効率を向上させる
ことが可能となる。

【００３２】なお、本形態では、励起光導入用ファイバ
３０を１本のみ用い、バンドル部２０の一方側からのみ
励起光を導入することとしたが、励起光導入用ファイバ
３０をさらにもう一本用い、バンドル部２０の両側から
励起光を導入することとしてもよい。

【００３３】

【実施例１】第１の実施の形態において、コア径５０μ
ｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラ
スファイバでコア内部に０．２ａｔ％のＮｄ３＋イオン
をドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が
６００ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返
し数は２２回、ファイバ一往復あたり１５００ｍｍ、全
長１８ｍのファイバを使用した。バンドル部からはみ出
したファイバ部には屈折率が１．３４の透明弗素系樹脂
を塗布し、バンドル部分ではファイバとファイバのすき
間に屈折率１．４５８の波長０．５〜１．４μｍにわた
って透明なマッチングオイルを流し込み、屈折率１．３
４の透明弗素樹脂熱収縮チューブできつく押さえた。こ
の際、バンドル部の端面には断面形状１．０×０．３ｍ
ｍ矩形、開口数約０．２の励起光導入用ファイバを差し
込んだ。この時励起光導入部分ではバンドル径のの増大
に伴うテーパー部の角度が１０°以下になるように調節
した。この調節によって励起光の全てがバンドル部内に
導入されることが保証される。さらに全体を金めっきを
施した鏡面表面を持つ直径１ｍｍの割り金属型にバンド
ル部分をはめ込み、しっかりと固定した。レーザファイ
バの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とし
た。励起光導入用ファイバの片端には発振波長約０．８
μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリンドリカル
レンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入し
た。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１１Ｗのレーザ
発振を確認できた。

【００３４】次に、本発明における第２の実施の形態に
ついて説明する。本形態は、第１の実施の形態からの変
形例である。相違点は、バンドル部２０の鏡面金メッキ
金属治具２１及び透明フッ素樹脂クラッド２２の形状に
関するものである。

【００３５】図４に第２の形態におけるバンドル部４０
の断面図を、図５には図４のＣ−Ｃ断面図を示す。この
図では、第１の実施の形態と構成が共通するレーザファ
イバ１０及びマッチングオイル２３は省略されている。

【００３６】本形態のバンドル部４０は、金メッキが施
された金メッキ層４２、その表面を覆った透明フッ素樹
脂クラッド層４１を有する４つのブロックが、レーザフ
ァイバ１０及びマッチングオイル２３を囲むことにより
構成されている。

【００３７】

【実施例２】第２の実施の形態において、コア径５０μ
ｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ファ
イバでコア内部に０．２ｗｔ％のＮｄ３＋イオンをドー
プしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が６００
ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は
２２回、ファイバ一往復あたり１５００ｍｍ、全長１８
ｍのファイバを使用した。バンドル部からはみ出したフ
ァイバ部には屈折率が１．３４の透明弗素系樹脂を塗布
し、バンドル部分ではファイバとファイバのすき間に屈
折率１．４４５８の波長０．５〜１．４μｍにわたって
透明なマッチングオイルを流し込み、屈折率１．３４の
透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）金属
治具（地金は真鍮）で矩形断面状に囲い込みマッチング
オイルから泡をぬいた。

【００３８】この際、バンドル部の端面には断面形状
１．０×０．３ｍｍ矩形、開口数約０．２の励起光導入
用ファイバを差し込んだ。この時励起光導入部分ではバ
ンドル径の増大に伴うテーパー部の角度が１０°以下に
なるように調節した。この調節によって励起光の全てが
バンドル部内に導入される事が保証される。レーザファ
イバの端面は無処理（すばわちフレネル反射約４％）と
した。励起光導入用ファイバの片端には発振波長約０．
８μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリンドリカ
ルレンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入し
た。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１１Ｗのレーザ
発振を確認できた。

【００３９】次に、本発明における第３の実施の形態に
ついて説明する。図６は第３の実施の形態におけるファ
イバレーザ５０の構造図である。第１の実施の形態にお
けるファイバレーザ１がバンドル部２０内でレーザファ
イバ１０の束をマッチングオイル２３で満たしていたの
に対し、第３の実施の形態におけるファイバレーザ５０
は、レーザファイバ１０の束をバンドル部５１内でお互
いに融着させることによって一体化させている。

【００４０】図７は、図６のバンドル部５１のＤ−Ｄ断
面図である。本形態のファイバレーザ５０におけるバン
ドル部５１は、ドープコア５１ｃ、石英クラッド５１
ｂ、透明フッ素樹脂クラッド層５１ｄ及び金メッキ層５
１ａによって構成されている。

【００４１】ドープコア５１ｃ及び石英クラッド５１ｂ
は、レーザファイバ１０を複数箇所で折り返し、その折
り返しの束を加熱することにより隣接する石英クラッド
５１ｂ同士を融着して形成される。このように形成され
たドープコア５１ｃを含んだ石英クラッド５１ｂは、透
明フッ素樹脂クラッド層５１ｄにより覆われ、さらに透
明フッ素樹脂クラッド層５１ｄの表面は、金メッキ層５
１ａで覆われる。ここで、透明フッ素樹脂クラッド層５
１ｄの光の屈折率は、第１の実施形態の場合と同様に石
英クラッド５１ｂの光の屈折率より小さいものとする。

【００４２】バンドル部５１の励起光導入部Ｅの構成に
ついては、第１の実施の形態において図３により説明し
たものと同様な構成とする。また、バンドル部５１以外
の構成については、第１の実施の形態と同様であるため
説明を省略する。

【００４３】このように、折り返された複数のレーザフ
ァイバ１０を融着してバンドル部５１を構成することと
しても、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。

【００４４】

【実施例３】第３の実施の形態において、コア径８０μ
ｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラ
スファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオン
をドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が
２００ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返
し数は１４６回、ファイバ一往復あたり８００ｍｍ、全
長６０ｍのファイバを使用した。バンドル部の端面に断
面形状１０．０×０．２ｍｍ矩形なおかつピッグテール
タイプのように片端が細く引き伸ばされたタイプの開口
数約０．２の励起光導入用ファイバ（ピッグテール部分
はクラッド無し）を差し込み、全体をネット状の炭素繊
維で束ね、バンドル上部を励起光導入用ファイバのピッ
グテール部分にしっかりと括り付けて１００ｇの重りを
励起光導入用ファイバにぶら下げて石英ファイバ用の線
引き炉内に設置し、約１６００℃に加熱してファイババ
ンドル部を徐々に約１．６倍の長さになるように引き伸
ばした。この際、線引き炉内にはヘリウムガスを流し
た。部分的に徐々に融着させ、引き延ばし、さらに雰囲
気ガスとして泡の残りにくいヘリウムを使用したので泡
や、異物がほとんど取り込まれず、高品質の融着が可能
であった。この引き延ばしによってバンドル内部の平均
コア径は５０μｍになる。しかし、励起光の完全導入の
ためにテーパー角１０°以下の緩やかな外径変化とした
ので、径の変動に伴う損失は低い。冷却した後、励起光
導入用ファイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫
外線硬化樹脂を塗布して硬化させた後、全体に屈折率が
１．３３の透明弗素系樹脂を塗布し、バンドル部分全体
に金−水銀アマルガムを塗布して減圧容器中で２００℃
に加熱し、水銀を除去して金めっきした。レーザファイ
バの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とし
た。励起光導入用ファイバの片端には発振波長約０．８
μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカ
ルレンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入し
た。その結果波長１．０６μｍ帯で出力５５Ｗのレーザ
発振を確認できた。

【００４５】

【実施例４】本実施例は上記実施例３とほぼ同じ構成で
あるが、励起光導入用ファイバが両端に結合されている
点が異なる。励起光導入用ファイバは中央部分が細く引
き伸ばされた形をしており（このような形態はガラス細
工で作成した）レーザファイバとの融着は実施例１に準
じた。実施例１と同様に、励起光導入用ファイバの未融
着部分には屈折率１．４４５の紫外線硬化樹脂を塗布し
て硬化させた後、全体に弗素樹脂のクラッドを付け、そ
の外側を金コートした。レーザファイバの端面は無処理
（すなわちフレネル反射約４％）とした。２つの励起光
導入用ファイバの片端にはそれぞれ発振波長約０．８μ
ｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカル
レンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入した
（４００Ｗ励起）。その結果波長１．０６μｍ帯で出力
１２０Ｗ、出射径８０μｍのレーザ発振を確認できた。

【００４６】

【実施例５】第３の実施の形態において、コア径８０μ
ｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラ
スファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオン
をドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が
２５０ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返
し数は４５２回、ファイバ一往復あたり１０００ｍｍ、
全長２３０ｍのファイバを使用した。バンドル部の端面
に断面形状１０．０×０．１ｍｍ矩形なおかつ中央部分
が細く引き伸ばされたタイプのクラッド無しの励起光導
入用ファイバ５本を差し込み、全体を炭素繊維で束ね、
バンドル上部を励起光導入用ファイバにしっかりと括り
付けて５００ｇの重りを励起光導入用ファイバにぶら下
げて石英ファイバ用の線引き炉内に設置し、約１６００
℃に加熱してファイババンドル部を徐々に約１．６倍の
長さになるように引き伸ばした。この際、線引き炉内に
はヘリウムガスを流した。部分的に徐々に融着させ、引
き延ばし、さらに雰囲気ガスとして泡の残りにくいヘリ
ウムを使用したので泡や、異物がほとんど取り込まれ
ず、高品質の融着が可能であった。冷却した後、励起光
導入用ファイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫
外線硬化樹脂を塗布して硬化させた（開口数は約０．２
となる）。その後、成形体全体に屈折率が１．３３の透
明弗素系樹脂を塗布し、バンドル部分全体に金−水銀ア
マルガムを塗布して減圧容器中で２００℃に加熱し、水
銀を除去して金めっきした。レーザファイバの端面は片
端のみ９９％の反射コートを施した。励起光導入用ファ
イバのそれぞれの片端（１０個所）には発振波長約０．
８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリ
カルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入
した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１．２ｋＷの
レーザ発振を確認できた。

【００４７】

【実施例６】第３の実施の形態において、コア径８０μ
ｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラ
スファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオン
をドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が
２５０ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返
し数は４５２回、ファイバ一往復あたり１０００ｍｍ、
全長２３０ｍのファイバを使用した。バンドル部の端面
に断面形状１０．０×０．１ｍｍ矩形なおかつ中央部分
が細く引き伸ばされたタイプのクラッド無しの励起光導
入用ファイバ５本を差し込み、全体を炭素繊維で束ね、
バンドル上部を励起光導入用ファイバにしっかりと括り
付けて５００ｇの重りを励起光導入用ファイバにぶら下
げて石英ファイバ用の線引き炉内に設置し、約１６００
℃に加熱してファイババンドル部を徐々に約１．６倍の
長さになるように引き伸ばした。この際、線引き炉内に
はヘリウムガスを流した。冷却した後、励起光導入用フ
ァイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫外線硬化
樹脂を塗布して硬化させた（開口数は約０．２とな
る）。クラス１０のクリーンルーム内で両端の融着開始
部分のおよそ１０ｍｍに環状にただし破線状に屈折率
１．３４の透明弗素樹脂を厚み０．３ｍｍに塗布した。
その後、内径２．７ｍｍφの鏡面仕上げの金めっきした
割り型金属治具で融着部分を挟み込んだ。この際、融着
部分には５０ｇ程度の引っ張り張力が加わるようにし
た。これらの工程もクラス１０のクリーンルーム内で行
い、融着部分の表面にはちりや埃、汚れが一切付かない
ように注意して作業した。このように組み立てたものを
金属治具ごと筐体に入れ、冷却用のＨｅガスを循環でき
るようにした。この時Ｈｅガスは９９．９％、０．３μ
ｍ以下のパーティクルを除去するガスインラインフィル
ターを通した。この構成によってレーザファイバの融着
部分の開口数は１以上となり、バンドル内部での臨界反
射角度も４７°とほぼ最大になるので励起光の閉じ込め
が非常によくなる。レーザファイバの端面は片端のみ９
９％の反射コートを施した。励起光導入用ファイバのそ
れぞれの片端（１０個所）には発振波長約０．８μｍ、
最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレン
ズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。そ
の結果波長１．０６μｍ帯で出力１．３ｋＷのレーザ発
振を確認できた。なお、本実施例で作成したレーザ本体
のガラスファイバ融着体と金属治具の隙間を真空ポンプ
で脱気してもレーザ特性に大きな変動はなかった。

【００４８】次に、本発明における第４の実施の形態に
ついて説明する。図８は、第４の実施の形態におけるフ
ァイバレーザ６０の構成図である。本形態のファイバレ
ーザ６０は、第１の実施の形態におけるファイバレーザ
１の応用例である。本形態のファイバレーザ６０は、マ
ッチングオイルを循環させることが可能であり、それに
よりレーザファイバ１０の冷却も行うことが可能とな
る。

【００４９】ファイバレーザ６０は、レーザファイバ１
０、励起光導入用ファイバ３０、レーザファイバ１０の
一端に取り付けられる反射ミラー６１、バンドル部６２
及びファイバレーザ６０本体内部を２つの領域に分割す
る隔壁６３を有している。

【００５０】第１の実施の形態と同様に、ファイバレー
ザ１０は複数回折り返され、折り返されたファイバレー
ザ１０の束をバンドル部６２内部に格納し、マッチング
オイルで満たす。また、バンドル部６２に格納されない
ファイバレーザ１０の折り返し部分は、第１の実施の形
態の場合と同様に第２クラッドを設けた構造とする。マ
ッチングオイルは、ポンプ等により圧力を与えられるこ
とによりバンドル部６２内を流動する。励起光をバンド
ル部６２に導入する励起光導入用ファイバ３０は、バン
ドル部の両端に複数本ずつ配置され、それぞれの励起光
導入用ファイバ３０からバンドル部６２へ励起光を導入
する。

【００５１】励起光が導入されることにより生じたレー
ザ光は、レーザファイバ１０の両端部分まで伝わること
となるが、レーザファイバ１０の一端には反射ミラー６
１が取り付けられており、反射ミラー６１に達したレー
ザ光は反射ミラーで反射されることとなるため、レーザ
ファイバ１０で生じたレーザ光は、レーザファイバ１０
の一端のみから集中して取り出すこととなる。

【００５２】図９は、バンドル部６２のＦ−Ｆ断面図で
ある。第１の実施の形態の場合と同じように、ドープコ
ア６８及び石英クラッド６７を有するレーザファイバ１
０の束が配置され、その隙間を石英クラッド６７と光の
屈折率がほぼ等しいマッチングオイル６６で満たしてい
る。レーザファイバ１０及びマッチングオイル６６は、
石英クラッド６７及びマッチングオイル６６よりも光の
屈折率の小さい透明フッ素樹脂クラッド６５により覆わ
れ、透明フッ素樹脂クラッド６５は、その内面を金メッ
キ処理した鏡面金メッキ金属治具６４によって覆われて
いる。

【００５３】以上のように、本形態ではマッチングオイ
ル６６をバンドル部６２内に循環させることとしたた
め、レーザ光照射及び加熱によるマッチングオイル６６
の劣化を防ぐことが可能となる。

【００５４】

【実施例７】第４の実施の形態において、コア径８０μ
ｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラ
スファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオン
をドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が
２５０ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返
し数は４５２回、ファイバ一往復あたり１０００ｍｍ、
全長２３０ｍのファイバを使用した。バンドル部の両端
面に断面形状１０．０×０．１ｍｍ矩形の励起光導入用
ファイバ５本、合計１０本を差し込み、屈折率１．３４
の透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）で
矩形断面状かつ図８のように中央に隔壁を取り付けた形
状の金属治具（地金は真鍮）に囲い込んだ。励起光導入
部分より外にはみ出した部分のみレーザファイバには屈
折率１．３４の透明弗素樹脂、励起光導入用ファイバに
は屈折率１．４４５の透明紫外線硬化樹脂を塗布してあ
る。このように構成したレーザ本体を外側の金属筐体中
に収め、オイル循環ポンプに接続して屈折率１．４５８
の透明マッチングオイルを筐体内部に流し込み、圧力を
かけてレーザバンドル部分を透過するようにマッチング
オイルを循環させた。圧力は３ｋｇ／ｃｍ²とした。レ
ーザファイバの端面は両方とも筐体内部から取り出し圧
力がもれないようにファイバの取り出し部分にはしっか
りと樹脂で封止した。レーザファイバの片端には波長
１．０６μｍの光を９９％反射するミラーを押し付け、
もう一方の片端面は破断面そのままとした。

【００５５】励起光導入用ファイバのそれぞれの片端
（１０個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力２０
０Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結
合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長
１．０６μｍ帯で出力１．２ｋＷのレーザ発振を確認で
きた。マッチングオイルの励起光レーザによるレーザ損
傷は全く観察されなかった。

【００５６】次に、本発明における第５の実施の形態に
ついて説明する。図１０は、第５の実施の形態における
ファイバレーザ７０の構成図である。本形態のファイバ
レーザ７０は、第４の実施の形態におけるファイバレー
ザ６０の応用例であり、金メッキ加工しさらにその表面
を透明フッ素樹脂で覆った金属基盤７２、レーザファイ
バ１０、励起光導入用ファイバ３０、反射ミラー７１及
びファイバ束ガイド溝７３により構成されている。

【００５７】ファイバ束ガイド溝７３は、金属基盤７２
の内部に渦巻き状に配置された１本の溝として形成さ
れ、その溝の両端はそれぞれ金属基盤７２の外部に接続
されている。レーザファイバ１０は、複数箇所で折り返
されることにより束にされ、その折り返しの束をファイ
バ束ガイド溝７３に沿って渦巻き状に配置する。ファイ
バ束ガイド溝７３に沿って配置されたレーザファイバ１
０は、その折り返し部及びその両端を上述したファイバ
束ガイド溝７３の両端から金属基盤７２の外部に引き出
され、この金属基盤７２の外部に引き出された部分には
第２クラッドを設ける。金属基盤７２の外部に引き出さ
れたレーザファイバ１０の両端のうち一端には反射ミラ
ー７１が設置される。また、ファイバ束ガイド溝７３に
はマッチングオイルを流動させ、それによりレーザファ
イバ１０の隙間を満たしている。ファイバ束ガイド溝７
３の両端部分には励起光導入用ファイバ３０が配置さ
れ、レーザファイバ１０に励起光を導入する。

【００５８】励起光の導入により生じたレーザ光は、レ
ーザファイバ１０の両端に達する。反射ミラー７１を有
する側に達したレーザ光はそこで反射され、最終的に反
射ミラー７１を有しないレーザファイバ１０もう一方側
から取り出される。これにより、レーザファイバ１０の
反射ミラー７１を有しない一端から集中してレーザ光を
取り出すことができる。

【００５９】

【実施例８】第５の実施の形態において、コア径７μ
ｍ、クラッド径６０μｍ、開口数０．１１の石英系ガラ
スファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオン
をドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が
２．０ｍになるように折り返した。バンドルの折り返し
数は４５２回、ファイバ一往復あたり２．５ｍ、全長５
７０ｍのファイバを使用した。バンドル部の両端面に断
面形状１０．０×０．２ｍｍ矩形の励起光導入用ファイ
バ２本づつ、合計４本を差し込み、屈折率１．３４の透
明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）で１ｘ
１ｍｍの矩形断面状かつ終端が中心に無い渦巻状形状に
溝の掘ってある金属治具（地金は真鍮）に囲い込み、屈
折率１．４５８のマッチングオイルを流速０．１リット
ル／分で流した。励起光導入部分より外にはみ出した部
分のみレーザファイバには屈折率１．３４の透明弗素樹
脂、励起光導入用ファイバには屈折率１．４４５の透明
紫外線硬化樹脂を塗布してある。レーザファイバの片端
に波長１．０６４μｍの信号光源を結合させ、その端面
から−１０ｄＢｍの信号光を入射させた。この際、レー
ザファイバには反射ミラーが取り付けられていない。

【００６０】励起光導入用ファイバのそれぞれの片端
（４個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００
Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結
合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長
１．０６４μｍで出力５５ｄＢｍの増幅した信号光を確
認できた。この光ファイバ増幅器は宇宙空間にて人工衛
星間の光通信を行なう目的で使用される。

【００６１】次に、本発明における第６の実施の形態に
ついて説明する。図１１は、第６の実施の形態における
ファイバレーザ８０の構成図である。本形態のファイバ
レーザ８０は、第１の実施の形態におけるファイバレー
ザ１の応用例であり、金メッキ加工しさらにその表面を
透明フッ素樹脂で覆った金属治具８２、励起光導入ファ
イバ３０、レーザファイバ１０及び反射ミラー８１によ
り構成されている。

【００６２】金属治具８２には、六角形の辺を形作る溝
が設けられており、その溝に沿ってレーザファイバ１０
が配置されている。レーザファイバ１０は、この六角形
の辺に沿って複数回巻き付けられ、その両端を金属治具
８２の外部に引き出される。ここで、レーザファイバ１
０の金属治具８２から引き出された部分には第２クラッ
ドを設けておく。引き出されたファイバレーザ１０の一
端は、反射ミラー８１に取り付けられる。また、六角形
の辺を形作る溝はマッチングオイルで満たされており、
これにより金属治具８２内部に配置されるレーザファイ
バ１０の隙間を埋めている。

【００６３】さらに、金属治具８２は、先に述べた六角
形の辺を形作る溝の角辺の延長線上に１つずつ、金属治
具８２の外部に通ずる溝を有しており、この溝はこの六
角形の辺を形作る溝と金属治具８２の外部とをつないで
いる。そして、この六角形の辺を形作る溝と金属治具８
２の外部をつなぐ溝に沿って励起光導入用ファイバ３０
が１つずつ配置されており、これらの励起光導入用ファ
イバ３０により、金属治具８２内のレーザファイバ１０
に励起光を導入する。

【００６４】励起光の導入により生じたレーザ光は、レ
ーザファイバ１０の両端に達する。反射ミラー８１を有
する側に達したレーザ光はそこで反射され、最終的に反
射ミラー８１を有しないレーザファイバ１０のもう一方
側から取り出される。これにより、レーザファイバ１０
の反射ミラー８１を有しない一端から集中してレーザ光
を取り出すことができる。

【００６５】

【実施例９】第６の実施の形態において、コア径５０μ
ｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラ
スファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオン
をドープしたレーザファイバを一本連続で屈折率１．３
４の透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）
で矩形断面状かつ図１０のように直径約３８０ｍｍの周
回した形状の金属治具（地金は真鍮）に囲い込み、接線
方向から６個所周長２００ｍｍ毎に断面形状１０．０×
０．２ｍｍ矩形の励起光導入用ファイバ６本を差し込ん
だ。断面方向には１４６本のコアが存在するレーザファ
イバは全長８５ｍを使用した。屈折率１．４５８の透明
マッチングオイルを金属治具内部に流し込み、しっかり
と蓋（これも鏡面の純金めっきに屈折率１．３４の弗素
樹脂をコートしたもの）をした。このように構成したレ
ーザ本体を同じく屈折率１．４５８のマッチングオイル
を入れた筐体内部に収め、全体から脱気して泡を抜い
た。励起光導入用ファイバおよびレーザファイバの端面
は全て筐体内部から取り出した。レーザファイバの片端
には波長１．０６μｍの光を９９％反射するミラーを押
し付け、もう一方の片端面は破断面そのままとした。

【００６６】励起光導入用ファイバのそれぞれの片端
（６個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力３５Ｗ
の半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、
励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０
６μｍ帯で出力１００Ｗのレーザ発振を確認できた。

【００６７】

【実施例１０】実施例９のレーザ装置の周回している金
属部分（もちろんファイバが収められている）を１５台
作成し、マッチングオイルが循環する構造になっている
深い金属筐体に収めた。この時、レーザファイバ端を１
５台分直列に融着した。励起光導入用ファイバ９０本と
レーザファイバ端２本を外へだし、ファイバ励起光導入
用ファイバのそれぞれの片端（９０個所）には発振波長
約０．８μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリン
ドリカルレンズによって結合、励起光をレーザ装置に導
入した。レーザファイバ端の片端には反射率９９．９％
のミラーを押し付けた。その結果波長１．０６μｍ帯で
出力１．３ｋＷのレーザ発振を確認できた。

【００６８】次に、本発明における第７の実施の形態に
ついて説明する。第７の実施の形態では、これまでに説
明してきた形態とは異なり励起光の導入をファイバでは
なく取り付けられた励起ＬＤにより直接行う。本形態で
は、第３の実施の形態における変形例として励起ＬＤを
用いた場合を説明する。

【００６９】図１２は、第７の実施の形態におけるファ
イバレーザ９０の構成図である。ファイバレーザ９０
は、１つながりのレーザファイバ１０、反射ミラー９
１、励起ＬＤ９３ａ、９３ｂ及び励起光導入用光部品９
４ａ、９４ｂによって構成されており、第３の実施の形
態と同じように折り返されたレーザファイバ１０が融着
されバンドル部９２に束ねられている。そして、バンド
ル部９２及びバンドル部９２の外部に位置するレーザフ
ァイバ１０は、透明フッ素樹脂でコーテリングされ、さ
らにその表面を金メッキ処理されている。

【００７０】バンドル部９２の両端部分には、励起光導
入用光部品９４ａ、９４ｂが取り付けられ、励起光導入
用光部品９４ａ、９４ｂには励起ＬＤ９３ａ、９３ｂが
取り付けられている。励起光は励起ＬＤ９３ａ、９３ｂ
から発光され、励起光導入用光部品９４ａ、９４ｂを介
してバンドル部９２内に照射されることになる。

【００７１】その他の動作については第３の実施の形態
と同等であるため説明を省略する。

【００７２】

【実施例１１】第７の実施の形態において、コア径８０
μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガ
ラスファイバのコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオ
ンをドープしたレーザファイバをバンドル部の長さが２
００ｍｍになるように折り返した。全長６０ｍのファイ
バを使用し、バンドルの折り返し数は１４６回とし、フ
ァイバ１往復あたりの長さを８００ｍｍとした。バンド
ル部の両端面に断面形状１０．０ｘ０．２ｍｍ、長さ６
０ｍｍのデーパ部分を有する励起光導入用光部品を差し
込んだ。そして、全体を炭素製の型にはめ込み、真空熱
融着炉内部に設置して１６００℃で３０分加熱した後、
その温度を保ったままＨｅガスを導入し、炉内の圧力を
０．２Ｍｐａ間で上昇させて、ファイバとファイバ間の
空隙を除去した。冷却後全体に屈折率が１．３３の透明
フッ素系樹脂を塗布し、バンドル部全体に金―水銀アマ
ルガムを塗布し、減圧容器中で２００℃に加熱すること
により水銀を除去して金メッキを行った。レーザファイ
バの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とし
た。励起光導入用部品にはそれぞれ励起光源となる発信
波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザを
光学接着剤を用いて結合した。その結果、波長１．０６
μｍ帯で出力１２０Ｗのレーザ発信を確認できた。

【００７３】なお、以上の説明では、各実施の形態をレ
ーザ発生装置であるファイバレーザとして用いたが、同
様な構成を光の増幅器である光アンプとして用いてもよ
いこの際、レーザファイバに取り付けられる反射ミラー
は取り除かれる。

【００７４】また、以上の説明において使用するレーザ
ファイバ１０の断面形状は円形もしくは四角形のものを
用いたが、矩形、Ｄ型及び樽型等その他の形状のものを
用いてもよい。

【００７５】

【発明の効果】本発明のファイバレーザでは、石英系ガ
ラスファイバからなる光ファイバ束を励起光反射部で覆
い、励起光導入部から励起光を導入する構成としたの
で、導入された励起光は励起光反射部で反射しながら、
光ファイバ束の個々のコアに吸収され、励起光の吸収率
は非常に高くなり、発振効率が向上する。

【００７６】また、本発明の光アンプでは、石英系ガラ
スファイバからなる光ファイバ束を励起光反射部で覆
い、励起光導入部から励起光を導入する構成としたの
で、導入された励起光は励起光反射部で反射しながら、
光ファイバ束の個々のコアに吸収され、励起光の吸収率
は非常に高くなり、増幅率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態におけるファイバレーザの構
成図である。

【図２】図１のバンドル部のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図１におけるＢ部の詳細構成図である。

【図４】第２の形態におけるバンドル部の断面図であ
る。

【図５】図４のＣ−Ｃ断面図である。

【図６】第３の実施の形態におけるファイバレーザの構
造図である。

【図７】図６のバンドル部のＤ−Ｄ断面図である。

【図８】第４の実施の形態におけるファイバレーザの構
成図である。

【図９】バンドル部のＦ−Ｆ断面図である。

【図１０】第５の実施の形態におけるファイバレーザの
構成図である。

【図１１】第６の実施の形態におけるファイバレーザの
構成図である。

【図１２】第７の実施の形態におけるファイバレーザの
構成図である。

【符号の説明】

１ ファイバレーザ １０ レーザファイバ ２０ バンドル部 ３０ 励起光導入用ファイバ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石英系ファイバを使用してレーザ発振を
   行うファイバレーザにおいて、 Ｎｄイオンをレーザ活性物質として含み、少なくとも一
   つの光路を形成する光ファイバが束状になっている光フ
   ァイバ束と、 前記光ファイバ束に前記レーザ活性物質を励起するため
   の励起光を導入する励起光導入部と、 少なくとも前記光ファイバ束の側面の一部を覆い、励起
   光を反射して繰返し前記レーザ活性媒質に吸収されるよ
   うに配置された励起光反射部と、 前記励起光により励起されたレーザ活性物質に起因する
   レーザ光を出力するレーザ出力部と、 を有することを特徴とするファイバレーザ。
2. 【請求項２】 励起光導入部が光ファイバからなり、前
   記励起光導入部が光ファイバ束とともに束ねられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ。
3. 【請求項３】 前記光ファイバ束の空間は前記光ファイ
   バのクラッドとほぼ同一の屈折率を有する媒質で満たさ
   れていることを特徴とする請求項1記載のファイバレー
   ザ。
4. 【請求項４】 光ファイバ束内部の隙間に励起光を透過
   する冷媒が充填され、前記冷媒を流すことにより前記光
   ファイバ束の冷却を行うことを特徴とする請求項１に記
   載のファイバレーザ。
5. 【請求項５】 石英系ファイバを使用して光増幅を行う
   光アンプにおいて、 Ｎｄイオンを活性物質として含む光ファイバが束状にな
   っている光ファイバ束と、 前記光ファイバ束に励起光を導入する励起光導入部と、 少なくとも前記光ファイバ束の側面の一部を覆い、前記
   励起光を反射して繰返し前記活性媒質に吸収されるよう
   に配置された励起光反射部と、 前記励起光により励起された活性物質により増幅された
   信号光を出力する出力部と、 を有することを特徴とする光アンプ。