JP2005203549A - 光ファイバ、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ファイバレーザ発振において、より多くの励起光がコア部材を励起することができ、より効率よくレーザ光を得ることができる光ファイバを提供する。
【解決手段】レーザ活性物質を含むコア部材３０を長手方向に有するとともに当該コア部材３０の少なくとも一部をクラッド部材１０で覆った光ファイバ１であって、複数のコア部材３０が光ファイバ１内の長手方向に配置されているとともに、当該複数のコア部材３０が、光ファイバ１の長手方向に垂直な断面において、クラッド部材１０の縁部に配置されている。また、複数本のコア部材３０を配置してもよいし、１本のコア部材３０を、光ファイバ１の長手方向に複数回往復するように配置させてもよい。
【選択図】 図１
【解決手段】レーザ活性物質を含むコア部材３０を長手方向に有するとともに当該コア部材３０の少なくとも一部をクラッド部材１０で覆った光ファイバ１であって、複数のコア部材３０が光ファイバ１内の長手方向に配置されているとともに、当該複数のコア部材３０が、光ファイバ１の長手方向に垂直な断面において、クラッド部材１０の縁部に配置されている。また、複数本のコア部材３０を配置してもよいし、１本のコア部材３０を、光ファイバ１の長手方向に複数回往復するように配置させてもよい。
【選択図】 図１
Description
本発明は、レーザ活性物質を含むコア部材と、励起光を透過させるクラッド部材とを有するファイバレーザ発振に用いる光ファイバに関する。
従来より、比較的ビーム品質の劣る励起光を用いて非常に高品質のレーザ光を高効率で得ることができるファイバレーザ発振装置や、高速・大容量・長距離伝送が可能な光増幅器等に用いる種々の光ファイバが提案されている。
ファイバレーザに用いられる光ファイバは通常、断面の中心にコア部材（シングルモードのレーザ光を透過させ、希土類元素（Ｎｄ、Ｅｒ）等がドープされた直径２〜１２［μｍ］程度のファイバ形状）を有している。そして、コア部材の周囲に、コア部材よりも低い屈折率を持つクラッド部材（第１クラッド部材であり、励起光を透過させる）を有することで、レーザ光をコア部材内に閉じ込めている。更に第１クラッド部材の周囲に、第１クラッド部材の屈折率よりも低い屈折率を持つ第２クラッド部材を有することで、励起光を第１クラッド部材内に閉じ込めている。
そして、この光ファイバに入射された励起光がコア部材を通ると（コア部材に衝突すると）コア部材内の希土類元素が励起されてレーザ光が発生し、コア部材内にはシングルモードのレーザ光が残る。このレーザ光は、小径（コア部材の径に依存する）であり、かつ広がり角が小さい（発生したレーザ光の波長、コア部材及び第１クラッド部材の屈折率等に依存する）ため、ビーム品質が非常によい（レーザ光のビーム品質は、出射光の半径と、出射光の広がり角の半角との積で表され、この積が小さい程ビーム品質が高い）。
ファイバレーザに用いられる光ファイバは通常、断面の中心にコア部材（シングルモードのレーザ光を透過させ、希土類元素（Ｎｄ、Ｅｒ）等がドープされた直径２〜１２［μｍ］程度のファイバ形状）を有している。そして、コア部材の周囲に、コア部材よりも低い屈折率を持つクラッド部材（第１クラッド部材であり、励起光を透過させる）を有することで、レーザ光をコア部材内に閉じ込めている。更に第１クラッド部材の周囲に、第１クラッド部材の屈折率よりも低い屈折率を持つ第２クラッド部材を有することで、励起光を第１クラッド部材内に閉じ込めている。
そして、この光ファイバに入射された励起光がコア部材を通ると（コア部材に衝突すると）コア部材内の希土類元素が励起されてレーザ光が発生し、コア部材内にはシングルモードのレーザ光が残る。このレーザ光は、小径（コア部材の径に依存する）であり、かつ広がり角が小さい（発生したレーザ光の波長、コア部材及び第１クラッド部材の屈折率等に依存する）ため、ビーム品質が非常によい（レーザ光のビーム品質は、出射光の半径と、出射光の広がり角の半角との積で表され、この積が小さい程ビーム品質が高い）。
従来の一般的な光ファイバ１ａ（ファイバレーザ発振に用いる光ファイバ）は、図８（Ａ）に示すように、円柱形状の第１クラッド部材１０の長手方向（図８（Ａ）のＺ軸方向）に、レーザ活性物質を含むコア部材３０が配置されている。また、図８（Ｂ）は、光ファイバ１ａの長手方向に垂直な断面（図８（Ａ）の断面ＢＢ）を示している。図８（Ｂ）に示すように、従来の一般的な光ファイバ１ａは、長手方向に垂直な断面において、第１クラッド部材１０の中心部分にコア部材３０が配置されている。
この光ファイバ１ａの長手方向に垂直な端面から励起光Ｌｉｎを入射すると、入射した励起光Ｌｉｎが第１クラッド部材１０内を全反射しながら進行する。そして、第１クラッド部材１０内を全反射しながら進行する励起光Ｌｉｎが（偶然的に）コア部材３０に衝突すると、コア部材３０内でレーザ光が励起される。
この光ファイバ１ａの長手方向に垂直な端面から励起光Ｌｉｎを入射すると、入射した励起光Ｌｉｎが第１クラッド部材１０内を全反射しながら進行する。そして、第１クラッド部材１０内を全反射しながら進行する励起光Ｌｉｎが（偶然的に）コア部材３０に衝突すると、コア部材３０内でレーザ光が励起される。
なお、一般的な光ファイバ１ａでは、より高品質なレーザ光を得るためにコア部材３０の径を約２〜１２［μｍ］としており、より高出力のレーザ光を得る目的でより多くの励起光を入射するために第１クラッド部材１０の径を約１００［μｍ］としている。従って、第１クラッド部材１０の断面積に対するコア部材３０の断面積が非常に小さい。このため、図８（Ｂ）に示すように、励起光Ｌｉｎがコア部材３０に衝突することなく、第１クラッド部材１０内で全反射しながら第１クラッド部材１０の外周に沿って周回してしまう場合がある。また、図８（Ｃ）に示すように、周回してしまう励起光Ｌｉｎをより低減するために第１クラッド部材１０の断面形状を矩形にした光ファイバも提案されているが、それでも周回してしまう励起光Ｌｉｎが発生する場合がある。
また、励起光Ｌｉｎは、比較的ビーム品質が劣るので、コア部材３０に衝突するように狙って入射することは非常に困難である。
また、励起光Ｌｉｎは、比較的ビーム品質が劣るので、コア部材３０に衝突するように狙って入射することは非常に困難である。
そこで、例えばファイバレーザ発振装置の分野では、円筒形のガラス円柱体の外周面にコア部材を巻回し、円柱体の端面の外周端部近傍からプリズムを用いて励起光を入射し、励起光を円柱体の内部で全反射させながら螺旋状に周回させ、レーザ出力をより向上させるファイバレーザ発振装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
また、例えば光増幅器の分野では、図８（Ｄ）〜（Ｇ）に示すように、光ファイバの第１クラッド部材１０内にコア部材３０を少なくとも３本有し、長手方向に少なくとも２個所のモードフィールド径の変化した領域２３を設け、利得が低いときだけでなく、利得が高いときであっても、利得波長特性を平坦にすることができる、マルチコアファイバ１ｂが提案されている（例えば特許文献２参照）。
特開平１１−２８４２５５号公報
特開平１０−２４２５４８号公報
また、例えば光増幅器の分野では、図８（Ｄ）〜（Ｇ）に示すように、光ファイバの第１クラッド部材１０内にコア部材３０を少なくとも３本有し、長手方向に少なくとも２個所のモードフィールド径の変化した領域２３を設け、利得が低いときだけでなく、利得が高いときであっても、利得波長特性を平坦にすることができる、マルチコアファイバ１ｂが提案されている（例えば特許文献２参照）。
特許文献１に記載のファイバレーザ発振装置では、円柱体の外周面に剥き出しのコア部材を巻きつけるため、コア部材が折れ易いと推定される。
また、特許文献１に記載のファイバレーザ発振装置では、プリズムを用いて励起光を入射し、円柱体の外周面を周回するように励起光を入射する必要があるため、より多くの励起光を入射しようとした場合、入射した励起光を全て周回させることは非常に困難である（例えば励起光の径を大きくすると、円柱体の外周面への入射角が円柱体の内部で全反射するための角度を満足しない励起光が多くなる可能性がある）。
また、特許文献２に記載のマルチコアファイバ１ｂでは、コア部材３０を複数有しているが、図８（Ｅ）〜（Ｇ）に示すように、当該コア部材３０が断面のほぼ中心に配置されているため、第１クラッド部材１０の外周に沿って周回するような励起光が衝突する確率は低いと推定される。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、ファイバレーザ発振において、より多くの励起光がコア部材を励起することができ、より効率よくレーザ光を得ることができる光ファイバを提供することを課題とする。
また、特許文献１に記載のファイバレーザ発振装置では、プリズムを用いて励起光を入射し、円柱体の外周面を周回するように励起光を入射する必要があるため、より多くの励起光を入射しようとした場合、入射した励起光を全て周回させることは非常に困難である（例えば励起光の径を大きくすると、円柱体の外周面への入射角が円柱体の内部で全反射するための角度を満足しない励起光が多くなる可能性がある）。
また、特許文献２に記載のマルチコアファイバ１ｂでは、コア部材３０を複数有しているが、図８（Ｅ）〜（Ｇ）に示すように、当該コア部材３０が断面のほぼ中心に配置されているため、第１クラッド部材１０の外周に沿って周回するような励起光が衝突する確率は低いと推定される。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、ファイバレーザ発振において、より多くの励起光がコア部材を励起することができ、より効率よくレーザ光を得ることができる光ファイバを提供することを課題とする。
上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの光ファイバである。
請求項１に記載の光ファイバは、レーザ活性物質を含むコア部材を長手方向に有するとともに当該コア部材の少なくとも一部をクラッド部材で覆った光ファイバであって、複数のコア部材が光ファイバの長手方向に配置されているとともに、当該複数のコア部材が、光ファイバの長手方向に垂直な断面において、クラッド部材の縁部に配置されている。
請求項１に記載の光ファイバは、レーザ活性物質を含むコア部材を長手方向に有するとともに当該コア部材の少なくとも一部をクラッド部材で覆った光ファイバであって、複数のコア部材が光ファイバの長手方向に配置されているとともに、当該複数のコア部材が、光ファイバの長手方向に垂直な断面において、クラッド部材の縁部に配置されている。
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの光ファイバである。
請求項２に記載の光ファイバは、請求項１に記載の光ファイバであって、コア部材は１本であり、当該コア部材が光ファイバの長手方向に複数回往復するように配置されている。
請求項２に記載の光ファイバは、請求項１に記載の光ファイバであって、コア部材は１本であり、当該コア部材が光ファイバの長手方向に複数回往復するように配置されている。
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの光ファイバの製造方法である。
請求項３に記載の光ファイバの製造方法は、光ファイバの長手方向に垂直な断面において、クラッド部材の縁部に複数のコア部材が配置されている光ファイバの製造方法であって、クラッド部材の外周上に、且つ長手方向にコア部材を並べ、クラッド部材が流動可能状態になるまで加熱して、コア部材をクラッド部材に押し付ける方法である。
請求項３に記載の光ファイバの製造方法は、光ファイバの長手方向に垂直な断面において、クラッド部材の縁部に複数のコア部材が配置されている光ファイバの製造方法であって、クラッド部材の外周上に、且つ長手方向にコア部材を並べ、クラッド部材が流動可能状態になるまで加熱して、コア部材をクラッド部材に押し付ける方法である。
また、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの光ファイバの製造方法である。
請求項４に記載の光ファイバの製造方法は、光ファイバの長手方向に垂直な断面において、クラッド部材の縁部に複数のコア部材が配置されている光ファイバの製造方法であって、クラッド部材の外周上に、且つ長手方向にコア部材を並べ、クラッド部材と同等の屈折率を有するセラミックス前駆体あるいは、クラッド部材の屈折率以上且つコア部材の屈折率未満の屈折率を有するセラミックス前駆体にて、前記外周上にコア部材を並べたクラッド部材の外周を覆う方法である。
請求項４に記載の光ファイバの製造方法は、光ファイバの長手方向に垂直な断面において、クラッド部材の縁部に複数のコア部材が配置されている光ファイバの製造方法であって、クラッド部材の外周上に、且つ長手方向にコア部材を並べ、クラッド部材と同等の屈折率を有するセラミックス前駆体あるいは、クラッド部材の屈折率以上且つコア部材の屈折率未満の屈折率を有するセラミックス前駆体にて、前記外周上にコア部材を並べたクラッド部材の外周を覆う方法である。
また、本発明の第５発明は、請求項５に記載されたとおりの光ファイバの製造方法である。
請求項５に記載の光ファイバの製造方法は、請求項３または４に記載した光ファイバの製造方法にて製造した光ファイバを、クラッド部材よりも低い屈折率を有する中空部材に挿入し、光ファイバ及び中空部材との間隙を、クラッド部材と同等の屈折率を有するセラミックス前駆体あるいは、クラッド部材の屈折率以上且つコア部材の屈折率未満の屈折率を有するセラミックス前駆体で充填する方法である。
請求項５に記載の光ファイバの製造方法は、請求項３または４に記載した光ファイバの製造方法にて製造した光ファイバを、クラッド部材よりも低い屈折率を有する中空部材に挿入し、光ファイバ及び中空部材との間隙を、クラッド部材と同等の屈折率を有するセラミックス前駆体あるいは、クラッド部材の屈折率以上且つコア部材の屈折率未満の屈折率を有するセラミックス前駆体で充填する方法である。
また、本発明の第６発明は、請求項６に記載されたとおりの光ファイバである。
請求項６に記載の光ファイバは、レーザ活性物質を含むコア部材を長手方向に有するとともに当該コア部材の少なくとも一部をクラッド部材で覆った光ファイバであって、励起光を入射する少なくとも１つの端面が、長手方向に垂直な断面に対して所定の角度を有する斜めの面（平面または曲面）に形成されている。
請求項６に記載の光ファイバは、レーザ活性物質を含むコア部材を長手方向に有するとともに当該コア部材の少なくとも一部をクラッド部材で覆った光ファイバであって、励起光を入射する少なくとも１つの端面が、長手方向に垂直な断面に対して所定の角度を有する斜めの面（平面または曲面）に形成されている。
また、本発明の第７発明は、請求項７に記載されたとおりの光ファイバである。
請求項７に記載の光ファイバは、請求項６に記載の光ファイバであって、更に、励起光を入射する少なくとも１つの端面において、長手方向に垂直な断面に対して所定の角度を有する斜めの面（平面または曲面）を複数形成し、当該端面が多角錐状に形成されている。
請求項７に記載の光ファイバは、請求項６に記載の光ファイバであって、更に、励起光を入射する少なくとも１つの端面において、長手方向に垂直な断面に対して所定の角度を有する斜めの面（平面または曲面）を複数形成し、当該端面が多角錐状に形成されている。
また、本発明の第８発明は、請求項８に記載されたとおりの光ファイバである。
請求項８に記載の光ファイバは、請求項６または７に記載の光ファイバであって、光ファイバは、励起光を入射する励起光入射部と、入射された励起光が全反射しながらコア部材を励起する励起部とで構成され、励起部における長手方向に垂直な断面の断面積よりも、励起光入射部の一部における長手方向に垂直な断面の断面積の方が大きくなるように構成されている。
請求項８に記載の光ファイバは、請求項６または７に記載の光ファイバであって、光ファイバは、励起光を入射する励起光入射部と、入射された励起光が全反射しながらコア部材を励起する励起部とで構成され、励起部における長手方向に垂直な断面の断面積よりも、励起光入射部の一部における長手方向に垂直な断面の断面積の方が大きくなるように構成されている。
請求項１に記載の光ファイバでは、複数のコア部材がクラッド部材の縁部に配置されているので、クラッド部材の外周部で全反射する励起光が周回するように全反射しても、より高い確率で励起光をコア部材に衝突させることができる。
このため、より多くの励起光がコア部材を励起することができ、より効率よくレーザ光を得ることができる。
このため、より多くの励起光がコア部材を励起することができ、より効率よくレーザ光を得ることができる。
また、請求項２に記載の光ファイバでは、１本のコア部材を長手方向に往復させて配置することで、複数のコア部材がクラッド部材の縁部に配置されるように構成する。
このため、励起されたレーザ光は、１本のコア部材の内部で発生する。そして、当該１本のコア部材の出力端からレーザ光を取り出す際、取り出し口が１本であるので、より小径の、より高品質のレーザ光を得ることができる。
このため、励起されたレーザ光は、１本のコア部材の内部で発生する。そして、当該１本のコア部材の出力端からレーザ光を取り出す際、取り出し口が１本であるので、より小径の、より高品質のレーザ光を得ることができる。
また、請求項３〜５のいずれかに記載の光ファイバの製造方法によれば、請求項１または２に記載の光ファイバを、より容易に製造することが可能である。
また、請求項６に記載の光ファイバでは、励起光を入射する端面を、長手方向に垂直でなく、所定の角度を有するように斜めの面（平面または曲面）に形成することで、励起光の入射面の面積を、より大きくすることができる。
これにより、より大きな入射面からより多くの励起光を入射することができ、より多くの励起光がコア部材を励起することができる。
これにより、より大きな入射面からより多くの励起光を入射することができ、より多くの励起光がコア部材を励起することができる。
また、請求項７に記載の光ファイバでは、励起光を入射する端面を多角錐状に形成することで、励起光の入射面の面積をより大きくするとともに、当該多角錐の各面の方向に励起光の入射装置を配置することができる。
これにより、複数の方向からより多くの励起光を入射することができ、より多くの励起光がコア部材を励起することができる。
これにより、複数の方向からより多くの励起光を入射することができ、より多くの励起光がコア部材を励起することができる。
また、請求項８に記載の光ファイバは、励起光入射部の面積（長手方向に垂直な断面積）が最も大きくなる部分が、光ファイバの励起部（励起光入射部を除いた部分）の面積（長手方向に垂直な断面積）よりも大きくなるように設定し、更に励起光を入射する面を更に大きくする。
これにより、更に多くの励起光がコア部材を励起することができる。
これにより、更に多くの励起光がコア部材を励起することができる。
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の光ファイバ１の概略図を示している。
●［光ファイバの構造（図１）］
図１（Ａ）は、本実施の形態の光ファイバ１における、長手方向（図１におけるＺ軸方向）に垂直な断面図の例を示している。光ファイバ１は、コア部材３０を長手方向に有しており、コア部材３０にはレーザ活性物質（希土類元素であるＮｄ、Ｅｒ等）がドープされている。また、コア部材３０の少なくとも一部はクラッド部材１０（以下、クラッド部材１０を「第１クラッド部材１０」と記載する）で覆われている。また、図１に示す例では、第１クラッド部材１０の外周を更に第２クラッド部材２０で覆っている。
また、各部材の屈折率の関係は、コア部材３０の屈折率（ｎ３０）＞第１クラッド部材１０の屈折率（ｎ１０）＞第２クラッド部材２０の屈折率（ｎ２０）＞空気の屈折率となるように設定されている。なお、第２クラッド部材２０は省略してもよい。
●［光ファイバの構造（図１）］
図１（Ａ）は、本実施の形態の光ファイバ１における、長手方向（図１におけるＺ軸方向）に垂直な断面図の例を示している。光ファイバ１は、コア部材３０を長手方向に有しており、コア部材３０にはレーザ活性物質（希土類元素であるＮｄ、Ｅｒ等）がドープされている。また、コア部材３０の少なくとも一部はクラッド部材１０（以下、クラッド部材１０を「第１クラッド部材１０」と記載する）で覆われている。また、図１に示す例では、第１クラッド部材１０の外周を更に第２クラッド部材２０で覆っている。
また、各部材の屈折率の関係は、コア部材３０の屈折率（ｎ３０）＞第１クラッド部材１０の屈折率（ｎ１０）＞第２クラッド部材２０の屈折率（ｎ２０）＞空気の屈折率となるように設定されている。なお、第２クラッド部材２０は省略してもよい。
また、コア部材３０が「少なくとも一部が第１クラッド部材１０に覆われている」という概念は、図１（Ｂ）に示すように、長手方向に垂直な断面において、コア部材３０が第１クラッド部材１０の内部に配置されている場合を含むとともに、図１（Ｃ）に示すように、長手方向に垂直な断面において、コア部材３０が第１クラッド部材１０と第２クラッド部材２０の境界に配置されている場合も含み、図１（Ｄ）に示すように、コア部材３０が第１クラッド部材１０の外周に接するように配置されている場合も含む。
そして、複数のコア部材３０を光ファイバ１の長手方向に配置し、当該複数のコア部材３０が、長手方向に垂直な断面において、第１クラッド部材１０の縁部に配置されている（図１（Ａ）〜（Ｄ）参照）。
そして、複数のコア部材３０を光ファイバ１の長手方向に配置し、当該複数のコア部材３０が、長手方向に垂直な断面において、第１クラッド部材１０の縁部に配置されている（図１（Ａ）〜（Ｄ）参照）。
これにより、光ファイバ１の端面から入射された励起光（例えば半導体レーザ光）が第１クラッド部材１０の外周部で全反射しながら進行しても、より確実に励起光をコア部材３０に衝突させて、コア部材３０のレーザ活性物質を励起して出力レーザ光を発生させることができる。
なお、光ファイバ１に配置する複数のコア部材３０は、図１（Ｅ）に示すように複数本のコア部材３０を配置して構成してもよいし、図１（Ｆ）及び（Ｇ）に示すように１本または複数のコア部材を、光ファイバ１の長手方向に複数回往復するように配置して構成するようにしてもよい。
なお、光ファイバ１に配置する複数のコア部材３０は、図１（Ｅ）に示すように複数本のコア部材３０を配置して構成してもよいし、図１（Ｆ）及び（Ｇ）に示すように１本または複数のコア部材を、光ファイバ１の長手方向に複数回往復するように配置して構成するようにしてもよい。
●［光ファイバを用いたファイバレーザ発振装置（図２）］
次に図２を用いて、上記に説明した光ファイバ１を用いたファイバレーザ発振装置の例を説明する。図２（Ｂ）は図２（Ａ）における長手方向に垂直な断面ＢＢを示しており、図２（Ｃ）は図２（Ａ）における長手方向に垂直な断面ＣＣを示している。
図２（Ａ）の例では、光ファイバ１の左端面から励起光Ｌｉｎを入射し、右端面から出力レーザ光Ｌｏｕｔを取り出している。なお、図２（Ａ）の例では、光ファイバ１の右端面（出力レーザ光の取り出し側の端面）では、テーパ部Ｍｔｐにて光ファイバ１をテーパ形状に絞り、複数のコア部材３０を束ねている。束ねることで、複数のコア部材３０による径（長手方向に垂直な径であり、図２（Ｃ）のφｂｕｎｄｌｅに相当する）を小さくすることができ、出力レーザ光Ｌｏｕｔのビーム品質を、より向上させることができる。なお、図１（Ｆ）の例に示す光ファイバ１の場合は、出力レーザ光Ｌｏｕｔが１個所から出力されるため、束ねる必要はない。また、図１（Ｇ）の例に示す光ファイバ１の場合は束ねることが好ましい。
なお、励起光Ｌｉｎがコア部材３０を励起させる励起部Ｍｆｉｂｅｒの長さは、励起光Ｌｉｎが全て励起に使用されるのに充分な長さを有する。また、図２（Ｃ）に示す断面では、第１クラッド部材１０及び第２クラッド部材２０を残した状態の図を示したが、断面ＣＣ部分では第１クラッド部材１０が残らないようにしてもよいし、第２クラッド部材２０が残らないようにしてもよい。テーパ部Ｍｔｐでは、第１クラッド部材１０も第２クラッド部材２０も特になくてもよい。
次に図２を用いて、上記に説明した光ファイバ１を用いたファイバレーザ発振装置の例を説明する。図２（Ｂ）は図２（Ａ）における長手方向に垂直な断面ＢＢを示しており、図２（Ｃ）は図２（Ａ）における長手方向に垂直な断面ＣＣを示している。
図２（Ａ）の例では、光ファイバ１の左端面から励起光Ｌｉｎを入射し、右端面から出力レーザ光Ｌｏｕｔを取り出している。なお、図２（Ａ）の例では、光ファイバ１の右端面（出力レーザ光の取り出し側の端面）では、テーパ部Ｍｔｐにて光ファイバ１をテーパ形状に絞り、複数のコア部材３０を束ねている。束ねることで、複数のコア部材３０による径（長手方向に垂直な径であり、図２（Ｃ）のφｂｕｎｄｌｅに相当する）を小さくすることができ、出力レーザ光Ｌｏｕｔのビーム品質を、より向上させることができる。なお、図１（Ｆ）の例に示す光ファイバ１の場合は、出力レーザ光Ｌｏｕｔが１個所から出力されるため、束ねる必要はない。また、図１（Ｇ）の例に示す光ファイバ１の場合は束ねることが好ましい。
なお、励起光Ｌｉｎがコア部材３０を励起させる励起部Ｍｆｉｂｅｒの長さは、励起光Ｌｉｎが全て励起に使用されるのに充分な長さを有する。また、図２（Ｃ）に示す断面では、第１クラッド部材１０及び第２クラッド部材２０を残した状態の図を示したが、断面ＣＣ部分では第１クラッド部材１０が残らないようにしてもよいし、第２クラッド部材２０が残らないようにしてもよい。テーパ部Ｍｔｐでは、第１クラッド部材１０も第２クラッド部材２０も特になくてもよい。
光ファイバ１における励起光Ｌｉｎの入射側端面には、励起光Ｌｉｎを透過して出力レーザ光Ｌｏｕｔを反射する（透過させない）ダイクロイックミラー４６を配置している（この例では、入射端面（光ファイバ１の左端面）に当接させている）。なお、ダイクロイックミラー４６の代わりに、励起光Ｌｉｎを透過して出力レーザ光Ｌｏｕｔを反射するコーティングを施してもよい。また、ダイクロイックミラーの配置、コーティングの実施は、コア部材３０の端面（この場合、光ファイバ１の左端面のコア部材３０の部分）のみに行ってもよい。
また、光ファイバ１における出力レーザ光Ｌｏｕｔを取り出す側の端面（図２（Ａ）の例では、光ファイバ１の右端面）には、出力レーザ光Ｌｏｕｔを平行光に変換するコリメートレンズ４２と、平行光に変換した出力レーザ光Ｌｏｕｔをより小さな径に集光する集光レンズ４４とを配置している。このように集光した出力レーザ光Ｌｏｕｔは、より高いビーム品質にて高い出力と精度を有しており、レーザ加工、レーザ溶接等、種々の用途に用いることが可能である。
また、光ファイバ１における出力レーザ光Ｌｏｕｔを取り出す側の端面（図２（Ａ）の例では、光ファイバ１の右端面）には、出力レーザ光Ｌｏｕｔを平行光に変換するコリメートレンズ４２と、平行光に変換した出力レーザ光Ｌｏｕｔをより小さな径に集光する集光レンズ４４とを配置している。このように集光した出力レーザ光Ｌｏｕｔは、より高いビーム品質にて高い出力と精度を有しており、レーザ加工、レーザ溶接等、種々の用途に用いることが可能である。
以上に説明したファイバレーザ発振装置に用いた光ファイバ１は、励起光Ｌｉｎを入射する端面の径（図２（Ｂ）中のφｃｌａｄに相当する）を約３〜１０［ｍｍ］と大きくできるので、励起光Ｌｉｎを入射し易く、より多くの励起光Ｌｉｎを入射することができる。
また、テーパ部Ｍｔｐにてコア部材３０を束ねることで、従来のファイバレーザ用光ファイバ（図８（Ｂ）及び（Ｃ）に示すファイバレーザ用光ファイバ）を複数本束ねるよりも小径の出力レーザ光Ｌｏｕｔを得ることができるので、ビーム品質をより高くすることができる。
また、テーパ部Ｍｔｐにてコア部材３０を束ねることで、従来のファイバレーザ用光ファイバ（図８（Ｂ）及び（Ｃ）に示すファイバレーザ用光ファイバ）を複数本束ねるよりも小径の出力レーザ光Ｌｏｕｔを得ることができるので、ビーム品質をより高くすることができる。
●［光ファイバの製造方法１（図３）］
次に図３（Ａ）〜（Ｅ）を用いて、図１に説明した光ファイバ１の製造方法の例を説明する。
まず、図３（Ａ）に示すように、第１クラッド部材１０を形成する。なお、図３の例では便宜上、第１クラッド部材１０を矩形に形成したが、円柱形状または多角柱形状等に形成してもよい。
次に図３（Ｂ）に示すように、第１クラッド部材１０の側面に複数のコア部材３０を長手方向に平行に並べて乗せる。更に第１クラッド部材１０が流動可能な状態になるまで加熱する。
そして図３（Ｃ）に示すように、コア部材３０を第１クラッド部材１０の方向に押し付ける（ホットプレスＨＰ等で第１クラッド部材１０内にコア部材３０を押し込む）。
次に図３（Ａ）〜（Ｅ）を用いて、図１に説明した光ファイバ１の製造方法の例を説明する。
まず、図３（Ａ）に示すように、第１クラッド部材１０を形成する。なお、図３の例では便宜上、第１クラッド部材１０を矩形に形成したが、円柱形状または多角柱形状等に形成してもよい。
次に図３（Ｂ）に示すように、第１クラッド部材１０の側面に複数のコア部材３０を長手方向に平行に並べて乗せる。更に第１クラッド部材１０が流動可能な状態になるまで加熱する。
そして図３（Ｃ）に示すように、コア部材３０を第１クラッド部材１０の方向に押し付ける（ホットプレスＨＰ等で第１クラッド部材１０内にコア部材３０を押し込む）。
上記の図３（Ｂ）〜（Ｃ）の工程を、第１クラッド部材１０の外周に渡って行うことで、図３（Ｄ）に示す構造を得ることができる。
第２クラッド部材２０を省略する場合は、図３（Ｄ）に示す状態の光ファイバ１を用いればよい。また、第２クラッド部材２０を省略しない場合は、図３（Ｄ）に示す状態において、外周を更に溶液状のセラミックス前駆体（ポリシラザン等のコーティング剤）で覆い、焼成して第２クラッド部材２０を形成する。このときに用いるセラミックス前駆体は、第１クラッド部材１０の屈折率よりも小さな屈折率を有するものを用いる。
以上に説明した工程にて、複数のコア部材３０が第１クラッド部材１０の縁部に配置された光ファイバ１を実現することが可能である。
第２クラッド部材２０を省略する場合は、図３（Ｄ）に示す状態の光ファイバ１を用いればよい。また、第２クラッド部材２０を省略しない場合は、図３（Ｄ）に示す状態において、外周を更に溶液状のセラミックス前駆体（ポリシラザン等のコーティング剤）で覆い、焼成して第２クラッド部材２０を形成する。このときに用いるセラミックス前駆体は、第１クラッド部材１０の屈折率よりも小さな屈折率を有するものを用いる。
以上に説明した工程にて、複数のコア部材３０が第１クラッド部材１０の縁部に配置された光ファイバ１を実現することが可能である。
●［光ファイバの製造方法２（図４）］
次に図４（Ａ）〜（Ｄ）を用いて、図１に説明した光ファイバ１の製造方法とは別の製造方法の例を説明する。
まず、図４（Ａ）に示すように、第１クラッド部材１０を形成する。なお、図４の例では便宜上、第１クラッド部材１０を円柱形状に形成したが、矩形または多角柱形状等に形成してもよい。
次に図４（Ｂ）に示すように、第１クラッド部材１０の側面に複数のコア部材３０を長手方向に平行に並べる。
そして図４（Ｃ）に示すように、外周を更に溶液状のセラミックス前駆体（ポリシラザン等のコーティング剤）で覆い、焼成する。このときに用いるセラミックス前駆体は、第１クラッド部材１０と同等の屈折率を有するセラミックス前駆体あるいは、第１クラッド部材１０の屈折率以上且つコア部材３０の屈折率未満の屈折率を有するものを用いる。これにより、焼成したセラミックス前駆体を図４（Ａ）で用意した第１クラッド部材１０と熱結合させ、図４（Ａ）で用意した第１クラッド部材１０と焼成したセラミックス前駆体とで、新たな第１クラッド部材１０を構成するとともに、コア部材３０を固着する。
次に図４（Ａ）〜（Ｄ）を用いて、図１に説明した光ファイバ１の製造方法とは別の製造方法の例を説明する。
まず、図４（Ａ）に示すように、第１クラッド部材１０を形成する。なお、図４の例では便宜上、第１クラッド部材１０を円柱形状に形成したが、矩形または多角柱形状等に形成してもよい。
次に図４（Ｂ）に示すように、第１クラッド部材１０の側面に複数のコア部材３０を長手方向に平行に並べる。
そして図４（Ｃ）に示すように、外周を更に溶液状のセラミックス前駆体（ポリシラザン等のコーティング剤）で覆い、焼成する。このときに用いるセラミックス前駆体は、第１クラッド部材１０と同等の屈折率を有するセラミックス前駆体あるいは、第１クラッド部材１０の屈折率以上且つコア部材３０の屈折率未満の屈折率を有するものを用いる。これにより、焼成したセラミックス前駆体を図４（Ａ）で用意した第１クラッド部材１０と熱結合させ、図４（Ａ）で用意した第１クラッド部材１０と焼成したセラミックス前駆体とで、新たな第１クラッド部材１０を構成するとともに、コア部材３０を固着する。
第２クラッド部材２０を省略する場合は、図４（Ｃ）に示す状態から焼成した光ファイバ１を用いればよい。また、第２クラッド部材２０を省略しない場合は、図４（Ｃ）から焼成した光ファイバ１において、更に外周を溶液状のセラミックス前駆体（第１クラッド部材１０の屈折率よりも小さな屈折率を有するセラミック前駆体）で覆い、焼成して第２クラッド部材２０を形成する。
もしくは、第１クラッド部材１０よりも低い屈折率の第２クラッド部材２０（中空のガラス棒等の中空部材）を形成し、当該第２クラッド部材２０の中空部に、図３（Ｄ）または図４（Ｂ）または図４（Ｃ）の状態の光ファイバを挿入する。そして、光ファイバと第２クラッド部材２０との間隙を、第１クラッド部材１０と同等の屈折率を有する溶液状のセラミックス前駆体あるいは、第１クラッド部材１０の屈折率以上且つコア部材３０の屈折率未満の屈折率を有する溶液状のセラミックス前駆体で充填し、焼成して光ファイバ１を形成する。
以上に説明した工程にて、複数のコア部材３０が第１クラッド部材１０の縁部に配置された光ファイバ１を実現することが可能である。
もしくは、第１クラッド部材１０よりも低い屈折率の第２クラッド部材２０（中空のガラス棒等の中空部材）を形成し、当該第２クラッド部材２０の中空部に、図３（Ｄ）または図４（Ｂ）または図４（Ｃ）の状態の光ファイバを挿入する。そして、光ファイバと第２クラッド部材２０との間隙を、第１クラッド部材１０と同等の屈折率を有する溶液状のセラミックス前駆体あるいは、第１クラッド部材１０の屈折率以上且つコア部材３０の屈折率未満の屈折率を有する溶液状のセラミックス前駆体で充填し、焼成して光ファイバ１を形成する。
以上に説明した工程にて、複数のコア部材３０が第１クラッド部材１０の縁部に配置された光ファイバ１を実現することが可能である。
●［その他の例（図５〜図７）］
図１に示す光ファイバ１は、入射した励起光Ｌｉｎがより高い確率でコア部材３０に衝突及び励起する構造の例を示しているが、図５〜図６に示す光ファイバ１は、より多くの励起光Ｌｉｎを入射することができる光ファイバ１の構造の例を示している。この場合、コア部材３０は従来の光ファイバのように、中心に１本配置してもよいし、図１に示すように第１クラッド部材１０の外周に複数本配置するようにすれば更に高い効率で出力レーザ光Ｌｏｕｔを得ることができる。
なお、図５及び図６では説明のため、コア部材３０の記載を省略している。
図１に示す光ファイバ１は、入射した励起光Ｌｉｎがより高い確率でコア部材３０に衝突及び励起する構造の例を示しているが、図５〜図６に示す光ファイバ１は、より多くの励起光Ｌｉｎを入射することができる光ファイバ１の構造の例を示している。この場合、コア部材３０は従来の光ファイバのように、中心に１本配置してもよいし、図１に示すように第１クラッド部材１０の外周に複数本配置するようにすれば更に高い効率で出力レーザ光Ｌｏｕｔを得ることができる。
なお、図５及び図６では説明のため、コア部材３０の記載を省略している。
［励起光の入射面を斜めに形成した光ファイバの例（図５（Ａ）及び（Ｂ））］
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、励起光Ｌｉｎを入射する端面Ｓ（以下、「励起光入射端面Ｓ」と記載する）を、長手方向に垂直な断面に対して所定の角度（図５（Ｂ）中の角度θ）を有するように斜めの面に形成する。なお、本実施の形態では、励起光入射端面Ｓの形状を平面としているが、励起光入射端面Ｓの形状を曲面に形成してレンズ効果を持たせるようにしてもよい。
なお、この場合、入射する励起光Ｌｉｎの入射角（励起光入射端面Ｓの垂線と励起光Ｌｉｎとが成す角度）が大きくなると第１クラッド部材１０内に入射されずに励起光入射端面Ｓの表面で反射してしまう励起光Ｌｉｎが増加し易いので、励起光Ｌｉｎの入射角は、できるだけ小さいほうが好ましい（図５（Ｂ）の例では入射角が０°の例を示している）。
また、この場合、第１クラッド部材１０内を進行する励起光Ｌｉｎと、第１クラッド部材１０の側面との成す角θｈが大きくなり易いので、第１クラッド部材１０の外周を、励起光Ｌｉｎを全反射する部材（ミラー等）で覆うようにしてもよい。
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、励起光Ｌｉｎを入射する端面Ｓ（以下、「励起光入射端面Ｓ」と記載する）を、長手方向に垂直な断面に対して所定の角度（図５（Ｂ）中の角度θ）を有するように斜めの面に形成する。なお、本実施の形態では、励起光入射端面Ｓの形状を平面としているが、励起光入射端面Ｓの形状を曲面に形成してレンズ効果を持たせるようにしてもよい。
なお、この場合、入射する励起光Ｌｉｎの入射角（励起光入射端面Ｓの垂線と励起光Ｌｉｎとが成す角度）が大きくなると第１クラッド部材１０内に入射されずに励起光入射端面Ｓの表面で反射してしまう励起光Ｌｉｎが増加し易いので、励起光Ｌｉｎの入射角は、できるだけ小さいほうが好ましい（図５（Ｂ）の例では入射角が０°の例を示している）。
また、この場合、第１クラッド部材１０内を進行する励起光Ｌｉｎと、第１クラッド部材１０の側面との成す角θｈが大きくなり易いので、第１クラッド部材１０の外周を、励起光Ｌｉｎを全反射する部材（ミラー等）で覆うようにしてもよい。
［励起光の入射面を多角錐状に形成した光ファイバの例（図５（Ｃ）及び（Ｄ））］
他の実施例として、図５（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、励起光入射端面Ｓを、多角錐状（図５（Ｃ）及び（Ｄ）の例では四角錐）に形成する。以下、図５（Ａ）及び（Ｂ）との相違点について説明する。
この場合、励起光入射端面Ｓの面積が増大するだけでなく、励起光入射端面Ｓの各平面の法線の方向にそれぞれ励起光Ｌｉｎの入射手段（励起光Ｌｉｎの発生装置等）を配置することができるので、より多くの励起光Ｌｉｎを、より容易に入射することができる。
他の実施例として、図５（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、励起光入射端面Ｓを、多角錐状（図５（Ｃ）及び（Ｄ）の例では四角錐）に形成する。以下、図５（Ａ）及び（Ｂ）との相違点について説明する。
この場合、励起光入射端面Ｓの面積が増大するだけでなく、励起光入射端面Ｓの各平面の法線の方向にそれぞれ励起光Ｌｉｎの入射手段（励起光Ｌｉｎの発生装置等）を配置することができるので、より多くの励起光Ｌｉｎを、より容易に入射することができる。
［励起光の入射面の径をより大きくした光ファイバの例（図６（Ａ）〜（Ｃ））］
更に他の実施例として、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、光ファイバ１を励起光Ｌｉｎを入射する励起光入射部Ｍｉｎと、入射された励起光Ｌｉｎが全反射しながらコア部材３０を励起する励起部Ｍｆｉｂｅｒとに分けた場合、励起部Ｍｆｉｂｅｒの長手方向に垂直な断面の面積Ｓｆｉｂｅｒよりも、励起光入射部Ｍｉｎの一部における、長手方向に垂直な断面の面積Ｓｍａｘの方が大きくなるように励起光入射部Ｍｉｎを構成する。
なお、励起光Ｌｉｎは、励起光入射端面Ｓに対して垂直（入射角は０°）に入射（図６（Ｂ）参照）してもよいし、励起部Ｍｆｉｂｅｒ内での反射角（図６（Ｃ）におけるθ７ａ、θ７ｃ）が小さくなるような入射角（図６（Ｃ）におけるθ６ａ、θ６ｃ）で入射するようにしてもよい。
以下、図５（Ａ）〜（Ｄ）と同様であるので説明を省略する。
更に他の実施例として、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、光ファイバ１を励起光Ｌｉｎを入射する励起光入射部Ｍｉｎと、入射された励起光Ｌｉｎが全反射しながらコア部材３０を励起する励起部Ｍｆｉｂｅｒとに分けた場合、励起部Ｍｆｉｂｅｒの長手方向に垂直な断面の面積Ｓｆｉｂｅｒよりも、励起光入射部Ｍｉｎの一部における、長手方向に垂直な断面の面積Ｓｍａｘの方が大きくなるように励起光入射部Ｍｉｎを構成する。
なお、励起光Ｌｉｎは、励起光入射端面Ｓに対して垂直（入射角は０°）に入射（図６（Ｂ）参照）してもよいし、励起部Ｍｆｉｂｅｒ内での反射角（図６（Ｃ）におけるθ７ａ、θ７ｃ）が小さくなるような入射角（図６（Ｃ）におけるθ６ａ、θ６ｃ）で入射するようにしてもよい。
以下、図５（Ａ）〜（Ｄ）と同様であるので説明を省略する。
［その他の例におけるファイバレーザ発振装置（図７）］
次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す光ファイバ１を用いたファイバレーザ発振装置について説明する。
図７（Ａ）に示すファイバレーザ発振装置の例は、コア部材３０が複数本の場合の例であり、図７（Ｂ）に示すファイバレーザ発振装置の例は、コア部材３０が１本の場合の例である。図２（Ａ）に示すファイバレーザ発振装置とはダイクロイックミラー４６の取り付け方法が異なっている。以下、この相違点について説明する。
次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す光ファイバ１を用いたファイバレーザ発振装置について説明する。
図７（Ａ）に示すファイバレーザ発振装置の例は、コア部材３０が複数本の場合の例であり、図７（Ｂ）に示すファイバレーザ発振装置の例は、コア部材３０が１本の場合の例である。図２（Ａ）に示すファイバレーザ発振装置とはダイクロイックミラー４６の取り付け方法が異なっている。以下、この相違点について説明する。
図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、１本のコア部材３０の端面に１個のダイクロイックミラー４６を設けており、励起光入射端面Ｓにはダイクロイックミラー４６を設けていない。なお、ダイクロイックミラー４６の代わりにコーティングを施してもよい。この場合、コア部材３０の端面毎（励起光入射端面Ｓ側の端面毎）に、出力レーザ光Ｌｏｕｔを反射する部材（ダイクロイックミラー４６等）を、コア部材３０の端面に、当該コア部材の長手方向と垂直になるように当接させて設ければよい。
なお、図７（Ａ）の一点鎖線部分に示すように、励起光入射端面Ｓ側のコア部材３０の端面を、連結するようにしてもよい（図７（Ａ）中のＣ部分）。連結したコア部材３０は端面を持たないので、出力レーザ光Ｌｏｕｔを反射する部材を設ける必要がない。
なお、図７（Ａ）の一点鎖線部分に示すように、励起光入射端面Ｓ側のコア部材３０の端面を、連結するようにしてもよい（図７（Ａ）中のＣ部分）。連結したコア部材３０は端面を持たないので、出力レーザ光Ｌｏｕｔを反射する部材を設ける必要がない。
本発明の光ファイバ１及びその製造方法は、本実施の形態で説明した形状、構成、構造、方法等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
本実施の形態では、励起光Ｌｉｎに半導体レーザを用いたが、励起光には種々のものを用いることができる。
本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
本実施の形態では、励起光Ｌｉｎに半導体レーザを用いたが、励起光には種々のものを用いることができる。
本発明の光ファイバ１は、レーザ加工装置等、レーザ光を用いた種々の装置に適用できる。
１ 光ファイバ
１０ 第１クラッド部材
２０ 第２クラッド部材
３０ コア部材
４２ コリメートレンズ
４４ 集光レンズ
４６ ダイクロイックミラー
Ｌin 励起光
Ｌout （出力）レーザ光
１０ 第１クラッド部材
２０ 第２クラッド部材
３０ コア部材
４２ コリメートレンズ
４４ 集光レンズ
４６ ダイクロイックミラー
Ｌin 励起光
Ｌout （出力）レーザ光
Claims (8)
- レーザ活性物質を含むコア部材を長手方向に有するとともに当該コア部材の少なくとも一部をクラッド部材で覆った光ファイバであって、
複数のコア部材が光ファイバの長手方向に配置されているとともに、当該複数のコア部材が、光ファイバの長手方向に垂直な断面において、クラッド部材の縁部に配置されている、
ことを特徴とする光ファイバ。 - 請求項１に記載の光ファイバであって、
コア部材は１本であり、当該コア部材が光ファイバの長手方向に複数回往復するように配置されている、
ことを特徴とする光ファイバ。 - 光ファイバの長手方向に垂直な断面において、クラッド部材の縁部に複数のコア部材が配置されている光ファイバの製造方法であって、
クラッド部材の外周上に、且つ長手方向にコア部材を並べ、
クラッド部材が流動可能状態になるまで加熱して、コア部材をクラッド部材に押し付ける、
ことを特徴とする光ファイバの製造方法。 - 光ファイバの長手方向に垂直な断面において、クラッド部材の縁部に複数のコア部材が配置されている光ファイバの製造方法であって、
クラッド部材の外周上に、且つ長手方向にコア部材を並べ、
クラッド部材と同等の屈折率を有するセラミックス前駆体あるいは、クラッド部材の屈折率以上且つコア部材の屈折率未満の屈折率を有するセラミックス前駆体にて、前記外周上にコア部材を並べたクラッド部材の外周を覆う、
ことを特徴とする光ファイバの製造方法。 - 請求項３または４に記載した光ファイバの製造方法にて製造した光ファイバを、クラッド部材よりも低い屈折率を有する中空部材に挿入し、
前記光ファイバ及び中空部材との間隙を、クラッド部材と同等の屈折率を有するセラミックス前駆体あるいは、クラッド部材の屈折率以上且つコア部材の屈折率未満の屈折率を有するセラミックス前駆体で充填する、
ことを特徴とする光ファイバの製造方法。 - レーザ活性物質を含むコア部材を長手方向に有するとともに当該コア部材の少なくとも一部をクラッド部材で覆った光ファイバであって、
励起光を入射する少なくとも１つの端面が、長手方向に垂直な断面に対して所定の角度を有する斜めの面に形成されている、
ことを特徴とする光ファイバ。 - 請求項６に記載の光ファイバであって、
更に、励起光を入射する少なくとも１つの端面において、長手方向に垂直な断面に対して所定の角度を有する斜めの面を複数形成し、当該端面が多角錐状に形成されている、
ことを特徴とする光ファイバ。 - 請求項６または７に記載の光ファイバであって、
光ファイバは、励起光を入射する励起光入射部と、入射された励起光が全反射しながらコア部材を励起する励起部とで構成され、
励起部における長手方向に垂直な断面の断面積よりも、励起光入射部の一部における長手方向に垂直な断面の断面積の方が大きくなるように構成されている、
ことを特徴とする光ファイバ。
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