JP2000340867A - 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】 非石英系ガラスファイバ、或いはＹ
ｂ³⁺、Ｅｒ³⁺、Ｃｅ³⁺、Ｔｍ ³⁺、Ｈｏ³⁺から選ばれる少
なくとも１種類コアとする石英系ガラスファイバである
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、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
いて安価な高出力のレーザ光の発生装置が望まれてい
る。

【０００３】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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】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.）。

【０００７】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（Jie Song, Anping L
iu, Kazunori Okino andKenichi Ueda,電気学会誌, OQD
-97-17(1997)pp. 1-6）。

【０００８】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。加えてファイバー
の端面方向からの励起では励起光導入の拡張性に乏し
く、高出力化が困難であるという問題点も有した。

【０００９】これらの問題を解決するものとして、ファ
イバをディスク状等にまとめ、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１０−１３５５４８）およびレ
ーザ装置（特開平１０−１９００９７）が提案されてい
る。

【００１０】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。

【００１１】ここで使用するファイバとしては、石英系
ファイバ及び非石英系ファイバ等があるが、非石英系フ
ァイバを用いた場合、石英ファイバでは得ることのでき
ない波長のレーザ光を発生させることができる。そのた
め、非石英系ファイバを用いて発生させたレーザ光は、
加工分野にとどまらず、医療分野、センサ、情報記録、
光情報ネットワーク等の様々な分野で利用することがで
きる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平１０−
１３５５４８及び特開平１０−１９００９７で開示され
ている装置では、ファイバを渦巻き状に巻き付ける等フ
ァイバの配置形成が面倒であるという問題点がある。

【００１３】また、上記装置では、励起光がファイバ内
部の活性物質を横切る方向に伝搬していくため、この励
起光がコア−クラッド間で散乱され、励起光の吸収効率
が低下するという問題点もある。特に、非石英系ファイ
バの場合、その結晶化に対する安定性は石英系ファイバ
と比べてかなり低いため、元々、非石英系ファイバ自体
散乱による損失が大きい。そのため、この励起光のコア
−クラッド間での散乱による損失は、より深刻な吸収効
率の低下となって表れる。このような問題を有する非石
英系ファイバとしては、フッ化物、カルコゲナイド、オ
キシカルコゲナイド、オキシフルオライド、テルライ
ト、燐酸塩、アルミネート系ガラス、シリカ−アルミネ
ート系ガラス等が挙げられる。なお、燐酸塩やシリカ−
アルミネート系ガラスは結晶化に対する安定性は十分で
あっても，るつぼからのコンタミネーションにより、Ｃ
ＶＤを基本にした石英系ファイバと同等の低損失なファ
イバを作成することが困難である。

【００１４】さらに、石英系ファイバを用いる場合、Ｙ
ｂ³⁺、Ｅｒ³⁺、Ｃｅ³⁺、Ｔｍ³⁺、Ｈｏ³⁺等の希土類イオ
ンをその発光効率の劣化を伴わずに高濃度でドープする
ことは難しい。これは、高濃度にドープすると希土類イ
オンのクラスター化が促進され、吸収はそのままでも発
光の効率が低くなる為である。そのため、発振しきい値
の低下および増幅効率の向上を図るためには、比較的低
濃度のドープで吸収長の長いファイバを必要とすること
となり、上記装置においても比較的長いファイバを必要
とするという問題点もある。これは、比較的吸収係数が
小さい４準位系のレーザ発信を行うイオンを含んだ石英
系ファイバにおいても同様である。

【００１５】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、非石英系ファイバ、或いは３準位系又は４準
位系のレーザ発振を行なうイオン種を含んだ石英系ファ
イバを用い、作成が容易で、励起光の散乱による損失が
低く、吸収効率が高いファイバレーザを提供することを
目的とする。

【００１６】また、本発明の他の目的は、非石英系ファ
イバ、或いは３準位系又は４準位系のレーザ発振を行な
うイオン種を含んだ石英系ファイバを用い、作成が容易
で、励起光の拡散損失が低く、吸収効率が高い光アンプ
を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、非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、レーザ活性物質を含み、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。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各
光ファイバごとにレーザ活性物質を持つため、損失の大
きい非石英系ファイバであっても励起光の吸収率は非常
に高くなる。また、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、Ｙｂ³⁺、Ｅｒ³⁺、Ｃ
ｅ³⁺、Ｔｍ³⁺、Ｈｏ³⁺から選ばれる少なくとも１種類の
レーザ活性物質を含み、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。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各光ファイバごとにレーザ
活性物質を持つため、希土類イオンを低濃度でドープさ
れた石英ファイバであっても励起光の吸収率は非常に高
くなる。

【００１８】さらに、非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、活性物質を含む光ファイバ
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が提供される。上記の光アンプで
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
バ束はその各光ファイバごとにレーザ活性物質を持つた
め、損失の大きい非石英系ファイバであっても励起光の
吸収率は非常に高くなる。

【００１９】また、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、Ｙｂ³⁺、Ｅｒ³⁺、Ｃｅ³⁺、Ｔｍ
³⁺、Ｈｏ³⁺から選ばれる少なくとも１種類のレーザ活性
物質を含み、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が提供される。

【００２０】上記の光アンプでは、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各光ファイバ
ごとにレーザ活性物質を持つため、希土類イオンを低濃
度でドープされた石英ファイバであっても励起光の吸収
率は非常に高くなる。

【００２１】

【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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】励起光導入用ファイバ３０は、その先端が
ファイバ収納ボックス４の内部に達するように取り付け
られ、その先端から励起光をバンドル部２０内に照射す
る。励起光源としては、一般に市販されている波長１．
５μｍ、０．９８μｍ、０．９μｍ、０．８μｍ、０．
６７μｍのＬＤ等を用いる。その外にＬＤ励起の固体レ
ーザを励起光源にすることもできる。この場合、１．０
６μｍ、１．１μｍ、０．５３μｍ等の波長が使用でき
る。

【００２５】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、ガラスクラッド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、ガラスクラッド１２と光の屈折率がほぼ
等しいマッチングオイル２３、ガラスクラッド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。

【００２６】レーザファイバ１０は、ドープコア１１を
中心とし、その外部をガラスクラッド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
１０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。

【００２７】レーザファイバ１０としてフッ化物ガラス
やカルコゲナイドガラス、テルライトガラス等を用いた
非石英系ファイバを用いる場合、その低いマルチフォノ
ン吸収によって、石英系ファイバでは実現し得ない主に
中赤外域の波長を含むレーザ発振が可能になる。例え
ば、ドープコア１１の材質としてＣｅ³⁺を用いた場合、
発信されるレーザの波長は５μｍであり、Ｐｒ³⁺を用い
た場合には、５μｍ、１．３μｍ及び２．３μｍの波長
のレーザ光を発信することができる。その他、非石英系
ファイバにおけるドープコア２ａの材質と、それらに対
応する発信レーザの波長を羅列すると、Ｎｄ³⁺：５μ
ｍ、２．５μｍ／Ｔｂ³⁺：５μｍ／Ｄｙ³⁺：３μｍ、
１．３４μｍ、１．７μｍ／Ｈｏ³⁺：５μｍ、４μｍ、
３μｍ、２μｍ／Ｅｒ³⁺：３μｍ、３．５μｍ、４μｍ
／Ｔｍ³⁺：５．５μｍ、４μｍ、２μｍ、１．２μｍ／
Ｅｕ²⁺：０．４〜０．５μｍのようになる。

【００２８】また、一般にフッ化物ガラスやカルコゲナ
イドガラス、テルライトガラス等は、ＥＳＡ（励起準位
からの吸収）による多光子吸収も石英系ガラスに比べて
その強度が大きく、長波長から短波長への振動数上方変
換が可能である。例えばＥｒ ³⁺による緑色光レーザ、Ｐ
ｒ³⁺による赤、緑、青色レーザ、Ｔｍ³⁺による青色レー
ザ等が知られている。

【００２９】また光アンプにおいてはＰｒ³⁺を添加した
フッ化物またはカルコゲナイドガラスファイバで、石英
系ファイバでは増幅困難な１．３μｍ帯の波長の光信号
を増幅することもできる。また、Ｅｒ³⁺を添加した多成
分アルミノシリケートガラスやテルライトガラスではそ
の１．５μｍ帯域の光信号増幅において増幅利得の波長
依存性が石英系ファイバに比べて少なく、波長多重光通
信において非常に広帯域の増幅が可能になる。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。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）。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】ここで、ガラスクラッド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
１１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、バンドル部２
０内部のレーザファイバ１０の長手方向に進み、ドープ
コア１１に吸収されていく。

【００３９】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。

【００４０】ここで、レーザファイバ１０としてＥｒ³⁺
イオンをコアにドープしたフッ化物ガラスを用い、励起
光導入部３０より波長７８０ｎｍのＬＤ励起光をパルス
的に導入すると、レーザファイバ１０から波長３μｍ付
近のパルスレーザが発振される。ここで励起光を連続導
入することによってレーザの連続発振も可能である。こ
の波長のレーザは生体内部での水に対する吸収が大きい
ため、主に医療用として用いられる。

【００４１】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。ここで、コアにＹｂ³⁺、Ｅｒ³⁺、Ｃ
ｅ³⁺、Ｔｍ³⁺、Ｈｏ³⁺イオンをドープした石英系ファイ
バを用いた場合、紫外から近赤外域までさまざまな波長
のレーザを発生することができる。これらは３準位系の
レーザになるものがほとんどで、そのため励起光波長と
レーザ発振波長を接近させることができる。これによ
り、量子効率を９９％近くの非常に高い値まで設定する
ことができる。また、Ｙｂ³⁺をコアにドープした石英系
ファイバを用いた場合、波長０．９μｍのＬＤを光源に
することにより、波長１．０μｍ〜１．１５μｍまでの
広い範囲のレーザを発振させることができる。この時、
Ｙｂ³⁺イオンには発振波長において吸収が本質的に存在
するが、実効の発光効率がこの吸収を上回ることにより
レーザ発振しきい値を低下させることができる。これ
は、吸収係数の比較的低い発光種が含まれている４準位
系のレーザ場合についても同様である。なお、本形態で
は、励起光導入用部３０を１本のみ用い、バンドル部２
０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。

【００４２】また、本形態では、レーザファイバ１０間
をマッチングオイル２３で満たすこととしたが、励起波
長において透明かつ屈折率がガラスクラッド１２とほぼ
等しい熱可塑性の樹脂、或いは熱硬化性の樹脂等の固体
物質を使用することとしてもよい。

【００４３】さらに、無機ガラスによってレーザファイ
バ１０間を埋めることとしてもよい。また、本形態で
は、本構成をファイバレーザとして用いることとした
が、光アンプとして用いることとしてもよい。

【００４４】以下、本考案に基づいた実施例を列挙す
る。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるもの
ではない。

【００４５】

【実施例１】第１の実施の形態において、コア径１００
μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２のフッ化ア
ルミニウム−フッ化ジルコニウムを主成分とするフッ化
物ガラス（以下ＡＺＦガラスとする）ファイバのコア内
部に１ｗｔ％のＥｒ³⁺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２２回。ファイバ往
復あたり８００ｍｍで全長９ｍのファイバを使用した。
レーザファイバの背景損失は波長２．８μｍで５０ｄＢ
／ｋｍであった。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
ドル部分のファイバとファイバの隙間には、屈折率１．
４４３、波長０．５μｍ〜１．４μｍにわたって透明な
紫外線硬化樹脂を泡が入らないように埋め込んだ。この
時、埋め込み用の樹脂は熱可塑性の樹脂、熱硬化性の樹
脂、また流動性の有機媒体などを利用することができ
る。このバンドル部を屈折率１．３４の透明弗素樹脂を
表面に塗布した純金めっき（鏡面）割り型金属治具で囲
い込んだ。この際、バンドル部の端面には断面形状が
１．０×０．３ｍｍの矩形で、開口数が約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。レーザファイバの端面（片
端）には波長２．８μｍの光を９９％反射する様に反射
コーティングを施し、この端面から出力２５ｄＢｍのＥ
ＤＦＡ（エルビウムドープファイバンプ）からの出力光
（波長は１．５３μｍ）を投入した。もう片端には波長
１．５３μｍでの無反射コートを行った。励起光導入用
ファイバの片端には発振波長約０．９８μｍ、最大出力
１０Ｗ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２．８μｍ帯で出力５Ｗのレーザ発振を確認できた。
なお、フッ化物ガラスの種類としてはＡＺＦの他にもフ
ッ化アルミニウムを主成分とするフッ化物ガラス、フッ
化ジルコニウムを主成分とするフッ化物ガラスやフッ化
インジウムを主成分とするフッ化物ガラスも使用でき
る。しかし損失、耐レーザ特性、耐候性、屈折率（屈折
率が高いと埋め込み用の樹脂の選択が難しくなる）など
の点からＡＺＦが最も好ましい。

【００４６】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。図４は、第２の実施の形態におけるフ
ァイバレーザ４０の構成図である。レーザ光発生装置４
０は、１つながりのレーザファイバ１０、レーザファイ
バ１０を巻き付ける巻き付けドラム４２、励起光導入用
ファイバ３０、マッチングオイル導入部４４、マッチン
グオイル排出部４５、反射ミラー４６、バンドル部４
７、Ｏ−リング４８、隔壁４９、内面を金メッキ処理さ
れ、さらにその表面を透明フッ素樹脂加工された金属治
具４１によって構成されている。

【００４７】レーザファイバ１０は、複数箇所で折り返
されバンドル部４７に束ねられる。レーザファイバ１０
の折り返し部分は、バンドル部４７の両端に位置する巻
き付けドラム４２に巻き付けられ固定される。レーザフ
ァイバ１０の一方の端面には反射ミラー４６が設置さ
れ、もう一方の端面は破断面のまま配置される。

【００４８】バンドル部４７のレーザファイバ１０の長
手方向における両端部分には複数の励起光導入用ファイ
バ３０の先端が配置され、バンドル部４７内への励起光
の導入を行う。

【００４９】バンドル部４７の長手方向の中央部分に
は、バンドル部４７を挟み込むように隔壁４９が取り付
けられ、隔壁４９の外側にはＯ―リング４８が取り付け
られる。

【００５０】そして、このように配置されたレーザファ
イバ１０、巻き付けドラム４２、励起光導入用ファイバ
３０、バンドル部４７、隔壁４９、Ｏ―リング４８は、
箱状の金属治具４１内部に納められ、さらにその上部
を、内部を金メッキし、さらにその表面を透明フッ素樹
脂で覆った板によりふさがれる。

【００５１】この際、レーザファイバ１０の両端部分及
び励起光導入用ファイバ３０のバンドル部に接続されて
いない側の端面部分は、金属治具４１の外部に配置され
る。隔壁４９は金属治具４１内部を２つの領域に分割
し、Ｏ−リング４８はその機密性を高める。隔壁４９に
よって分割された一方の領域には、マッチングオイル導
入部４４が接続され、もう一方の領域にはマッチングオ
イル排出部４５が取り付けられる。

【００５２】次に、図４を用いてファイバレーザ４０の
動作について説明する。マッチングオイル導入部４４か
ら導入されたマッチングオイルは、隔壁４９により分岐
された一方の領域をみたし、その後バンドル部４７内部
を流動して隔壁４９により分岐されたもう一方の領域に
達する。その後、マッチングオイルはその領域を満た
し、マッチングオイル排出部４５から排出される。

【００５３】励起光導入ファイバ１０から導入された励
起光は、バンドル部４７内で反射を繰り返しながらレー
ザファイバ１０に達し、励起光が照射されたレーザファ
イバ１０はレーザ光を発生する。発生したレーザ光はレ
ーザファイバ１０の両端に伝わり、反射ミラー４６が設
置されていない端面に達したレーザ光はそこから取り出
され、反射ミラー４６が配置されている側に達したレー
ザ光は、そこで反射され、反射ミラー４６が設置されて
いない端面から取り出される。

【００５４】このような構成としても、第１の実施の形
態と同様な効果が得られる。また、本形態では、マッチ
ングオイルを循環させることとしたため、マッチングオ
イル及びレーザファイバ１０の耐久性を向上させること
ができる。

【００５５】なお、本形態では、本構成をファイバレー
ザとして用いることとしたが、反射ミラー４６を取り除
き、光アンプとして用いることとしてもよい。

【００５６】

【実施例２】第２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０．５ａｔ％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
５０ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し
数は１７４回、ファイバ一往復あたり１０００ｍｍ、全
長９０ｍのファイバを使用した。バンドル部の両端面に
断面形状１０．０×０．４ｍｍ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４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１．０
３μｍ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。

【００５７】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０．９８μｍ、最大出力１
００Ｗ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１．０３μｍ帯で出力０．８ｋＷ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。

【００５８】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５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２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。

【００５９】図６は、図５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、ガラスクラッド５１
ｂ、クラッド層５１ｄ及び金メッキ層５１ａによって構
成されている。ドープコア５１ｃ及びガラスクラッド５
１ｂ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ガラスク
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を含んだガラスクラッド５１
ｂは、ガラスクラッド５１ｂよりも屈折率の低いクラッ
ド層５１ｄ（具体例としては透明弗素樹脂或いは無機ガ
ラス）により覆われ、さらにクラッド層５１ｄの表面
は、金メッキ層５１ａで覆われる。

【００６０】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。

【００６１】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。な
お、本形態では、本構成をファイバレーザとして用いる
こととしたが、光アンプとして用いることとしてもよ
い。

【００６２】

【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０．３５のＧａ−Ｎ
ａ−Ｓ系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＰ
ｒ３＋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９０回、ファイバ一往復あたり８０
０ｍｍ、全長４０ｍのファイバを使用した。バンドル部
の端面に断面形状１．０×０．２ｍｍ矩形なおかつ中央
部分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（クラッド用のＧａ−Ｎａ−Ｓ系ガ
ラスで作成）を差し込み、全体を厚さ１ｍｍ，内径３×
５ｍｍの矩形断面形状の鉛−シリカガラス製チューブで
囲い込んで、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カルコゲナイド
用線引き炉内に設置し、硫化水素５％を含むヘリウム雰
囲気下で約５５０℃に加熱して矩形断面形状の鉛−シリ
カガラス製チューブごと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。バンドル部
分を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。また，雰囲気中の硫化水素によってカルコゲ
ナイドガラスファイバーの表面の結晶化が抑えられた．
この引き延ばしによってバンドル内部の平均コア径は５
０μｍ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、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。鉛−シリカガラス製
チューブは屈折率が１．７３であり，カルコゲナイドガ
ラスのクラッドの屈折率は２．１４なのでバンドル部分
を覆うクラッド相の役目を果たす．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１４８０ｎ
ｍ、最大出力０．２５ＷのＥｒドープファイバー増幅器
１６台からの光をクラッド径１２５μｍのファイバーで
励起光導入用ファイバーの片端あたり８本並べて入射
し、バンドル部分に導入した。その結果、波長５μｍ帯
で出力１Ｗのレーザ発振を確認できた。

【００６３】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７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６２、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６１により
構成されている。

【００６４】金属治具６２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
６２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６２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６１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６２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。

【００６５】さらに、金属治具６２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６２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６２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６
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６２内のレーザファイバ１０
に励起光を導入する。

【００６６】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６１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６１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６１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。

【００６７】このような構成としても、第１の実施の形
態と同様な効果が得られる。なお、本形態では、本構成
をファイバレーザとして用いることとしたが、反射ミラ
ー６１を取り除き、光アンプとして用いることとしても
よい。

【００６８】

【実施例４】第４の実施の形態において、コア内部に５
０００ｐｐｍｗｔのＥｒ³⁺イオンと５ｗｔ％のＹｂ³⁺イ
オンをドープしたＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｙ₂Ｏ₃−ＭｇＯ
系ガラスから構成されるコア径１０μｍ、クラッド径１
２５μｍ、開口数０．１１のレーザファイバを用いた。
金属治具は真鍮をベース素材とし、その内部表面は鏡面
純金メッキ処理され、さらにその表面を屈折率１．３４
の透明弗素樹脂で覆っている。金属治具内の直径は３８
０ｍｍ程度とし、その金属治具内部に構成された６角形
の溝にレーザファイバを巻き付け収納した。金属治具内
部の６角形各辺の接線方向から周長２００ｍｍ毎に直径
６００μｍの励起光導入用ファイバ６本を差し込んだ。
レーザファイバ断面方向には９０本のコアが存在する。
レーザファイバは全長１２０ｍとした。屈折率１．５５
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１．５５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１．５３０〜１．５６０μｍまでの波長多重
信号光光源を接続し、もう一方の片端面は１０°の斜め
研磨を施した。

【００６９】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０．９８μｍ、最大出力０．
２５Ｗの半導体レーザを結合し、励起光をバンドル部分
に導入した。その結果，最大合計３０ｄＢｍの信号光出
力を得た。また、６本の励起光光源の強度比率を変更す
ることにより多波長増幅の際の増幅出力スペクトル形状
をコントロールすることができた。

【００７０】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。

【００７１】

【発明の効果】本発明のファイバレーザでは、非石英系
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
光ファイバ束とほぼ平行に進み、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。

【００７２】また、本発明のファイバレーザでは、Ｙｂ
³⁺、Ｅｒ³⁺、Ｃｅ³⁺、Ｔｍ³⁺、Ｈｏ ³⁺から選ばれる少な
くとも１種類コアとする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とほぼ平行に
進み、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。

【００７３】さらに、本発明の光アンプでは、非石英系
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
ファイバ束とほぼ平行に進み、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。

【００７４】また、本発明の光アンプでは、Ｙｂ³⁺、Ｅ
ｒ³⁺、Ｃｅ³⁺、Ｔｍ³⁺、Ｈｏ³⁺から選ばれる少なくとも
１種類コアとする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とほぼ平行に進み、
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の実施の形態におけるファイバレーザの構
成図である。

【図５】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６】図５のバンドル部のＤ−Ｄ断面図である。

【図７】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。

【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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｓ 3/17 Ｈ０１Ｓ 3/04 Ｌ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非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、 レーザ活性物質を含み、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】 前記レーザ活性物質は、Ｎｄ³⁺、Ｙ
   ｂ³⁺、Ｅｒ³⁺、Ｐｒ³⁺、Ｃｅ ³⁺、Ｔｍ³⁺、Ｈｏ³⁺、Ｔｂ
   ³⁺、Ｄｙ³⁺、Ｅｕ³⁺、Ｅｕ²⁺から選ばれる少なくとも１
   種類の物質であることを特徴とする請求項１記載のファ
   イバレーザ。
6. 【請求項６】 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、 Ｙｂ³⁺、Ｅｒ³⁺、Ｃｅ³⁺、Ｔｍ³⁺、Ｈｏ³⁺から選ばれる
   少なくとも１種類のレーザ活性物質を含み、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。
7. 【請求項７】 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６に記載のファイバレーザ。
8. 【請求項８】 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６記載のファイバレー
   ザ。
9. 【請求項９】 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６に記
   載のファイバレーザ。
10. 【請求項１０】 非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、 活性物質を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。
11. 【請求項１１】 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、 Ｙｂ³⁺、Ｅｒ³⁺、Ｃｅ³⁺、Ｔｍ³⁺、Ｈｏ³⁺から選ばれる
    少なくとも１種類のレーザ活性物質を含み、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。