JP2005079197A - 希土類元素添加ファイバ、光ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱によるエルビウム添加ファイバの損傷を抑制し、かつ、高出力のレーザ光を安定して発振できるエルビウム添加ファイバおよび光ファイバレーザを提供する。
【解決手段】 希土類元素が添加されたフッ化物ガラスからなるコアと、コアの周囲に設けられ、コアよりも屈折率の低い材料からなる内側クラッドと、内側クラッドの周囲に設けられ、内側クラッドよりも屈折率の低い材料からなる外側クラッドとを有し、励起光の吸収率を０．１ｄＢ／ｍ以上、０．７ｄＢ／ｍ以下とする。励起光源１と、利得媒質の希土類元素添加ファイバ２と、集光レンズ４と、コリメートレンズ５と、リアミラー６と、無反射処理された端面７と、アウトプットカプラ８とから概略構成されており、これらがこの順に配置された光ファイバレーザにおいて、希土類元素添加ファイバ２の励起光の吸収率を０．１ｄＢ／ｍ以上、０．７ｄＢ／ｍ以下とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバを用いた光ファイバレーザに関し、特に、医療の分野で必要とされる波長３μｍ帯のレーザ光を発振することができる光ファイバレーザに関するものである。

医療用途を中心として、発振波長が水の吸収帯域である波長３μｍ帯のレーザが利用されている。この波長３μｍ帯のレーザとしては、エルビウム添加ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などの固体レーザが、歯科治療用として実用化されている。
歯科治療で用いられる既存のエルビウム添加ＹＡＧなどの固体レーザでは、光のエネルギーが３００ｍＪ／ｐｕｌｓｅ程度、繰り返し数１０Ｈｚ程度の条件で、平均出力が約３Ｗ程度の波長３μｍ帯のレーザ光が利用されている。

この波長３μｍ帯のレーザとしては、エルビウム添加ファイバ（Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ、以下「ＥＤＦ」と略すこともある。）を利得媒質として用いた光ファイバレーザが提案されている。このような光ファイバレーザとしては、コアの周囲に二重のクラッドが設けられた構造（ダブルクラッド構造）のシングルモードファイバを用いて、１．７Ｗの光出力を得られたものが開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。

このような波長３μｍ帯のレーザには、歯科治療などにおける治療時間の短縮化のために、さらなる高出力化が要求されている。
しかしながら、高出力化を目的として、ＥＤＦに光エネルギーの高い励起光を入射すると、ＥＤＦ内部で発熱し、ＥＤＦが損傷するため、光ファイバレーザを高出力化することは容易ではなかった。
このような背景から、従来のＥＤＦを利得媒質として用いた光ファイバレーザでは、実用化できる十分な光出力および光学特性を有する波長３μｍ帯のレーザ光が得られていない。
スチュアート Ｄ．ジャクソン（Ｓｔｕａｒｔ Ｄ．Ｊａｃｋｓｏｎ）等，オプティックス・レターズ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ），オプティカル・ソサイエティ・オブ・アメリカ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ），１９９９年，２４−１６巻，ｐｐ．１１３３−１１３５

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、発熱によるエルビウム添加ファイバの損傷を抑制し、かつ、高出力のレーザ光を安定して発振できるエルビウム添加ファイバおよび光ファイバレーザを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、希土類元素が添加されたフッ化物ガラスからなるコアと、該コアの周囲に設けられ、該コアよりも屈折率の低い材料からなる内側クラッドと、該内側クラッドの周囲に設けられ、該内側クラッドよりも屈折率の低い材料からなる外側クラッドとを有する希土類元素添加ファイバであって、単位長さ当たりの励起光の吸収量が０．１ｄＢ／ｍ以上、０．７ｄＢ／ｍ以下である希土類元素添加ファイバを提供する。

上記構成の希土類元素添加ファイバにおいて、前記希土類元素はエルビウムであることが好ましい。

本発明は、希土類元素が添加されたフッ化物ガラスからなるコアと、該コアの周囲に設けられ、該コアよりも屈折率の低い材料からなる内側クラッドと、該内側クラッドの周囲に設けられ、該内側クラッドよりも屈折率の低い材料からなる外側クラッドとを有し、単位長さ当たりの励起光の吸収量が０．１ｄＢ／ｍ以上、０．７ｄＢ／ｍ以下である希土類元素添加ファイバを備え、発振光の発振波長が３μｍ帯である光ファイバレーザを提供する。

上記構成の光ファイバレーザにおいて、前記希土類元素はエルビウムであることが好ましい。

上記構成の光ファイバレーザにおいて、励起光の波長が９６０〜９９０ｎｍであることが好ましい。

本発明によれば、希土類元素添加ファイバの単位長さ当たりの励起光の吸収量が０．１〜０．７ｄＢ／ｍであれば、温度が３００℃以下において、３Ｗ以上のレーザ出力を得ることができる。したがって、内部における発熱により、希土類元素添加ファイバが損傷することがなくなり、安定して高出力のレーザ出力を得ることができる。

以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の希土類元素添加ファイバは、希土類元素が添加されたフッ化物ガラスからなるコアと、コアの周囲に設けられ、コアよりも屈折率の低い材料からなる内側クラッドと、内側クラッドの周囲に設けられ、内側クラッドよりも屈折率の低い材料からなる外側クラッドとを有し、単位長さ当たりの励起光の吸収量が０．１ｄＢ／ｍ以上、０．７ｄＢ／ｍ以下のダブルクラッドファイバである。
本発明の希土類元素添加ファイバは、その長手方向と垂直な断面におけるコアおよびクラッドの形状が円形のものに限定されることはなく、長手方向と垂直な断面におけるコアの形状が円形、クラッドの形状が矩形や略半円形のものであってもよい。

単位長さ当たりの励起光の吸収量（以下、「励起光の吸収率」と称する。）は、以下の式で定義される。
励起光の吸収率＝ｋ×（コアの断面積／ファイバの断面積）×（コアに添加されているエルビウム濃度）
ここで、ｋは定数である。

希土類元素としては、本発明の希土類元素添加ファイバを光ファイバレーザに適用した場合、波長３μｍ帯のレーザ光を発振可能とする、エルビウム（Ｅｒ）、ホルミウム（Ｈｏ）などが用いられる。
本発明にあっては、波長３μｍ帯とは、波長２．７〜３．３μｍのことと定義する。

フッ化物ガラスとしては、例えば、フッ化ジルコニウム（ＺｒＦ_４）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）、フッ化ランタン（ＬａＦ_３）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化イットリウム（ＹＦ_３）、フッ化ハフニウム（ＨｆＦ_４）などからなるガラスが用いられる。

本発明の希土類元素添加ファイバとしては、例えば、ＺｒＦ_４を主成分としたＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ_４−ＢａＦ_２−ＬａＦ_３−ＡｌＦ_３−ＮａＦからなるガラス）ファイバに、上記の希土類元素が添加されたものが挙げられる。これらの中でも、ファイバ製造時の冷却速度を遅くしても結晶化を伴わずにガラスを生成することができる、エルビウムが添加されたＺＢＬＡＮファイバ（ＺＢＬＡＮ−ＥＤＦ）が好ましい。

本発明の希土類元素添加ファイバを光ファイバレーザに適用した場合、励起光源から出射され、希土類元素添加ファイバに入射した励起光が内側クラッド内を伝搬し、発振レーザ光がコアを伝搬する。

また、励起光の吸収率が０．１ｄＢ／ｍ未満では、本発明の希土類元素添加ファイバを光ファイバレーザに適用した場合、この光ファイバレーザから出力されるレーザ光の出力は３Ｗを下回るため、実用に適さない。一方、励起光の吸収率が０．７ｄＢ／ｍを超えると、希土類元素添加ファイバの温度が上昇し過ぎて、コアが溶融するなどして、希土類元素添加ファイバが損傷する。

本発明では、励起光の吸収率を上記範囲内とするためには、コアの直径および内側クラッドの直径を一定として希土類元素添加ファイバに対する希土類元素の添加量を調整するか、コアの直径および希土類元素の添加量を一定として内側クラッドの直径を調整するか、あるいは、内側クラッドの直径および希土類元素の添加量を一定としてコアの直径を調整する。

具体的には、希土類元素としてエルビウムを用い、コアの直径を６０μｍ、内側クラッドの直径を４００μｍとした場合、エルビウムの添加量を２０００モルｐｐｍとすると励起光の吸収率は０．１ｄＢ／ｍ、エルビウムの添加量を１００００モルｐｐｍとすると励起光の吸収率は０．５ｄＢ／ｍ、エルビウムの添加量を１４０００モルｐｐｍとすると励起光の吸収率は０．７ｄＢ／ｍとなるから、エルビウムの添加量を２０００モルｐｐｍ〜１４０００モルｐｐｍとすれば、希土類元素添加ファイバの励起光の吸収率を０．１ｄＢ／ｍ以上、０．７ｄＢ／ｍ以下とすることができる。

また、希土類元素としてエルビウムを用い、コアの直径を４７μｍ、エルビウムの添加量を１００００モルｐｐｍとした場合、内側クラッドの直径を７１０μｍとすると励起光の吸収率は０．１ｄＢ／ｍ、内側クラッドの直径を５００μｍとすると励起光の吸収率は０．２ｄＢ／ｍ、内側クラッドの直径を２７０μｍとすると励起光の吸収率は０．７ｄＢ／ｍとなるから、内側クラッドの直径を２７０μｍ〜７１０μｍとすれば、希土類元素添加ファイバの励起光の吸収率を０．１ｄＢ／ｍ以上、０．７ｄＢ／ｍ以下とすることができる。

さらに、希土類元素としてエルビウムを用い、内側クラッドの直径を５００μｍ、エルビウムの添加量を１００００モルｐｐｍとした場合、コアの直径を３３．５μｍとすると励起光の吸収率は０．１ｄＢ／ｍ、コアの直径を５８μｍとすると励起光の吸収率は０．３ｄＢ／ｍ、コアの直径を８８．５μｍとすると励起光の吸収率は０．７ｄＢ／ｍとなるから、コアの直径を３３．５μｍ〜８８．５μｍとすれば、希土類元素添加ファイバの励起光の吸収率を０．１ｄＢ／ｍ以上、０．７ｄＢ／ｍ以下とすることができる。

次に、本発明の希土類元素添加ファイバを備えた光ファイバレーザについて説明する。
図１は、本発明の光ファイバレーザの一実施形態を示す模式図である。
この光ファイバレーザは、励起光源１と、利得媒質の希土類元素添加ファイバ２と、集光レンズ４と、コリメートレンズ５と、リアミラー６と、無反射処理された端面７と、アウトプットカプラ８とから概略構成されており、これらがこの順に配置されている。

励起光源１としては、基底準位吸収を生じさせて、基底状態のエルビウムイオンをレーザ上準位に励起し、波長３μｍ帯（波長２．７〜３．３μｍ）のレーザ光１２を発振することのできる波長帯域の光を出射できるものであればいかなるものでも用いられる。例えば、励起光源１としては、９８０ｎｍ付近の波長帯域、好ましくは波長９６０〜９９０ｎｍの励起光１１を出射できる半導体レーザ、チタンサファイヤレーザ、あるいはこれらを備えたレーザモジュールなどが挙げられる。また、励起光源１としては、波長８００ｎｍ帯（波長７８０〜８００ｎｍ）、好ましくは波長７９０〜７９５ｎｍの励起光１１を出射できる半導体レーザ、チタンサファイヤレーザ、あるいはこれらを備えたレーザモジュールなども用いることができる。

希土類元素添加ファイバ２としては、例えば、エルビウムが添加されたフッ化物ガラスからなるコアと、コアを包囲する内側クラッドと、内側クラッドを包囲する外側クラッドとを有するダブルクラッド構造のＺＢＬＡＮ−ＥＤＦなどが挙げられる。

集光レンズ４としては、サファイアガラスあるいはフッ化カルシウム、溶融石英などからなる非球面レンズや平凸レンズで、例えば、波長９８０ｎｍ付近の光に対して吸収のないレンズが挙げられる。集光レンズ４が平凸レンズである場合、集光レンズ４は、励起光源１側にその凸面が対向し、希土類元素添加ファイバ２側にその平面が対向するように配置されている。これにより、励起光源１から出射された励起光を、希土類元素添加ファイバ２の入射端面２に設けられたリアミラー６に集光する。

コリメートレンズ５としては、サファイアガラスあるいはフッ化カルシウムからなる非球面レンズや平凸レンズで、例えば、波長３μｍ帯付近の光に対して吸収のないレンズが挙げられる。コリメートレンズ５が平凸レンズである場合、コリメートレンズ５は、希土類元素添加ファイバ２側にその平面が対向し、アウトプットカプラ８側にその凸面が対向するように配置されている。これにより、希土類元素添加ファイバ２の出射端面２ｂから出射されたレーザ光１２をコリメートし、アウトプットカプラ８へ出射する。

リアミラー６としては、例えば、屈折率の異なる、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５などの薄膜をそれぞれの厚さ数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度で、数層〜数１００層程度積み重ねて作製された誘電体多層膜フィルタなどが挙げられる。このリアミラー６は、希土類元素添加ファイバ２の入射端面２ａに、上記の誘電体多層膜などを蒸着する方法などによって設けられる。また、このリアミラー６は、励起光１１を透過し、希土類元素添加ファイバ２で発振したレーザ光を反射するものである。さらに、リアミラー６としては、励起光１１の透過率が９５％、レーザ光の反射率が９９％以上のものが望ましい。

無反射処理された端面７としては、例えば誘電体多層膜からなるものなどが挙げられる。この無反射処理された端面７は、希土類元素添加ファイバ２の出射端面２ｂに、上記の誘電体多層膜などを蒸着する方法などによって設けられる。また、この無反射処理された端面７は、希土類元素添加ファイバ２から出射されたレーザ光１２を端面７で反射させないようにするものである。

アウトプットカプラ８としては、例えば、誘電体多層膜からなるものなどが挙げられる。このアウトプットカプラ８は、希土類元素添加ファイバ２から出射されたレーザ光１２の一部を反射し、その他を透過するものである。さらに、アウトプットカプラ８としては、レーザ光の反射率が１０〜９０％のものが望ましい。

このような光ファイバレーザでは、リアミラー６とアウトプットカプラ８とが反射鏡として機能し、かつ、これらが希土類元素添加ファイバ２を介して対向配置されていることにより、希土類元素添加ファイバ２、リアミラー６およびアウトプットカプラ８は共振器として機能する。

光ファイバレーザのその他の構成として、無反射処理された端面７とアウトプットカプラ８の組み合わせの代わりに、アウトプットカプラ８と反射率が等しい誘電体多層膜を端面７に直接形成する構成がある。この場合、リアミラー６と、無反射処理の代わりに誘電体多層膜が形成された端面７が共振器として機能する。

この実施形態の光ファイバレーザでは、励起光源１から９８０ｎｍ付近の波長帯域の励起光１１を出射すると、励起光１１は集光レンズ４にて集光されて、リアミラー６が設けられた希土類元素添加ファイバ２の入射端面２ａに結合される。そして、希土類元素添加ファイバ２は、入射した励起光１１によって励起され、波長３μｍ帯のレーザ光１２をアウトプットカプラ８が設けられた出射端面２ｂから出射する。

（実験例）
ここで、希土類元素添加ファイバを光ファイバレーザに利用した場合に、希土類元素添加ファイバにおける局所的な温度の上昇について検討する。
希土類元素添加ファイバの局所的な発熱量は、このファイバの励起光の吸収率で決定されるため、ファイバの温度も、そのファイバの励起光の吸収率で決定される。また、ファイバの温度が最も高くなる部分は、励起光のパワーが最も高くなるファイバの入射端面である。

そこで、励起光の吸収率が０．１〜０．９ｄＢ／ｍの希土類元素添加ファイバを用いて、希土類元素添加ファイバの入射端面の温度が３００℃になる場合の励起パワーと、波長３μｍ帯のレーザ出力との関係を調査した。ここで、温度３００℃とは、フッ化物ガラスのガラス転位点付近の温度である。
希土類元素添加ファイバとしては、ＺＢＬＡＮ−ＥＤＦを用いた。また、励起光の波長を９８０ｎｍとした。

希土類元素添加ファイバの入射端面の温度を、サーモグラフィによって観察した。
この実験で用いた希土類元素添加ファイバに関するパラメータを表１に、励起光の吸収率と、レーザ出力または励起パワーとの関係を図２に示す。図２中、黒い丸の点は励起光の吸収率とレーザ出力との関係を示し、黒い四角の点は励起光の吸収率と励起パワーとの関係を示す。

図２の結果から、レーザ出力がエルビウム添加ＹＡＧレーザの平均出力３Ｗよりも大きくなる場合、希土類元素添加ファイバの励起光の吸収率は、０．１〜０．７ｄＢ／ｍであることが分かった。

希土類元素添加ファイバの局所的な発熱量は、このファイバの励起光の吸収率で決定される。したがって、励起光の吸収率が０．１〜０．７ｄＢ／ｍであれば、表１に示した以外のパラメータを有する希土類元素添加ファイバであっても、入射端面の温度が３００℃以下において、３Ｗ以上のレーザ出力を得ることができる。

また、励起光の波長を９６０ｎｍ、９７０ｎｍ、９９０ｎｍとした場合についても、同様に、希土類元素添加ファイバの入射端面の温度が３００℃になる場合の励起パワーと、波長３μｍ帯のレーザ出力との関係を調査した。

励起光の波長が異なると、各波長における希土類元素添加ファイバの励起光の吸収率が異なる。そこで、各波長において、励起光の吸収率が０．１ｄＢ／ｍの希土類元素添加ファイバと、０．７ｄＢ／ｍの希土類元素添加ファイバとを用いて、希土類元素添加ファイバの入射端面の温度が３００℃になる場合の励起パワーと、波長３μｍ帯のレーザ出力との関係を調査した。

その結果、各波長において、希土類元素添加ファイバの励起光の吸収率が０．１〜０．７ｄＢ／ｍであれば、３Ｗ以上のレーザ出力が得られることが確認された。
よって、励起光の波長が９６０〜９９０ｎｍの範囲内では、各波長における励起光の吸収率が０．１〜０．７ｄＢ／ｍの希土類元素添加ファイバを用いれば、３００℃以下の温度で３Ｗ以上のレーザ出力が得られることが分かった。

上記の非特許文献１では、エルビウム添加ファイバを用いた光ファイバレーザにおいて、１．７Ｗのレーザ出力が得られている。このエルビウム添加ファイバは、コアにおけるエルビウムの添加量がモル濃度で３５００ｐｐｍ、コアの面積が１７７μｍ^２、内側クラッドの面積が２００００μｍ^２のものである。よって、エルビウムの添加量と、エルビウム添加ファイバの断面積に占めるコアの面積の割合から、このエルビウム添加ファイバの単位長さ当たりの光の吸収量を推定すると、１ｄＢ／ｍ以上となる。したがって、このエルビウム添加ファイバを用いて、３Ｗ以上のレーザ出力を得るために、励起光のパワーを大きくすると、３Ｗのレーザ出力を得る前にエルビウム添加ファイバが損傷すると考えられる。

本発明の希土類元素添加ファイバは、波長３μｍ帯のレーザ光を発振可能とするものである。波長３μｍ帯のレーザ光は、水や二酸化炭素に吸収されるから、本発明の希土類元素添加ファイバは、水や二酸化炭素を検出するための検出器やモニタなどにも適用可能である。また、波長３μｍ帯のレーザ光は、外科、眼科など、歯科分野以外の医療分野にも適用可能である。

本発明の光ファイバレーザの一実施形態を示す模式図である。 希土類元素添加ファイバの入射端面の温度が３００℃になる場合の励起光の吸収率と、励起パワーまたは波長３μｍ帯のレーザ出力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１・・・励起光源、２・・・希土類元素添加ファイバ、４・・・集光レンズ、５・・・コリメートレンズ、６・・・リアミラー、７・・・端面、８・・・アウトプットカプラ。

Claims (5)

1. 希土類元素が添加されたフッ化物ガラスからなるコアと、該コアの周囲に設けられ、該コアよりも屈折率の低い材料からなる内側クラッドと、該内側クラッドの周囲に設けられ、該内側クラッドよりも屈折率の低い材料からなる外側クラッドとを有する希土類元素添加ファイバであって、
   単位長さ当たりの励起光の吸収量が０．１ｄＢ／ｍ以上、０．７ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする希土類元素添加ファイバ。
2. 前記希土類元素はエルビウムであることを特徴とする請求項１に記載の希土類元素添加ファイバ。
3. 希土類元素が添加されたフッ化物ガラスからなるコアと、該コアの周囲に設けられ、該コアよりも屈折率の低い材料からなる内側クラッドと、該内側クラッドの周囲に設けられ、該内側クラッドよりも屈折率の低い材料からなる外側クラッドとを有し、単位長さ当たりの励起光の吸収量が０．１ｄＢ／ｍ以上、０．７ｄＢ／ｍ以下である希土類元素添加ファイバを備え、発振光の発振波長が３μｍ帯であることを特徴とする光ファイバレーザ。
4. 前記希土類元素はエルビウムであることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバレーザ。
5. 前記励起光の波長が９６０〜９９０ｎｍであることを特徴とする請求項３または４に記載の光ファイバレーザ。
   
   

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