JP2007158015A - 励起光導入部材、光ファイバ構造体および光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光源から光ファイバに導入する励起光のパワーを大きくすることができる励起光導入部材、ならびに、増幅または発振して出力される光のパワーを大きくすることができる光ファイバ構造体および光学装置を提供する。
【解決手段】光学装置１は、渦巻状に密に巻かれていてディスク形状とされた光ファイバ１１、この光ファイバ１１の一端に設けられた反射部材１２、この光ファイバ１１に励起光を導入する励起光導入部材１３、および、励起光を出力する励起光源１５を備える。励起光導入部材１３は、導入板１３Ａと複数の線状体１３Ｂとを含む。各線状体１３Ｂは、励起光源１５から出力されて入射端１３６に入射した励起光を導光させて出射端１３７から出射する。導入板１３Ａは、各線状体１３Ｂの出射端１３７から出射されて入射面１３１に励起光を上下面で全反射させながら導光させ、その導光した励起光を他端側から光ファイバ１１内に導入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コアがレーザ活性物質を含有する光ファイバを含む光ファイバ構造体、この光ファイバ構造体において光ファイバに励起光を導入する励起光導入部材、および、この光ファイバ構造体を含む光学装置（例えば光増幅器やレーザ発振器）に関するものである。

コアがレーザ活性物質を含有する光ファイバを含む光学装置として、光増幅器やレーザ発振器が挙げられる。光増幅器では、光ファイバに励起光が導入されることによりレーザ活性物質が励起され、その光ファイバに被増幅光が入力されると、その光ファイバにおいて誘導放出が生じ、被増幅光が光増幅されて光ファイバから出力される。また、レーザ発振器では、光ファイバが共振器内に配され、その光ファイバに励起光が導入されることによりレーザ活性物質が励起され、その光ファイバにおいて誘導放出が生じるとともに共振器においてレーザ発振してレーザ光が出力される。

このような光学装置は、光増幅媒体として光ファイバを用いていることから、その光ファイバにおいて増幅または発振する光の横モードの数が少なく、出力光の品質が優れている。したがって、光増幅媒体として光ファイバを用いる光学装置は、産業用（特に機械加工用）に好適に使用され得る。

このような光学装置において光ファイバ内に励起光を導入する方法は、光ファイバの端面から光ファイバのコア内に励起光を導入する端面導入方法と、光ファイバを巻回等して構成される光ファイバ構造体の側面から光ファイバのクラッド内に励起光を導入する側面導入方法と、に大別される。前者の端面導入方法と比較すると、後者の側面導入方法は、励起光源から出力された励起光を光ファイバ構造体に導入する際の効率が高く、また、ファイバへの励起光投入口面積を広くとれるので励起光源としてレーザダイオード（ＬＤ）単体だけでなくＬＤアレイやＬＤスタックを用いることが可能であるので、高パワーの励起光を光ファイバ構造体に導入することができ、したがって、光増幅効率やレーザ発振効率が優れ、この点でも産業用に好適に用いられ得る（例えば特許文献１や非特許文献１を参照）。

側面導入方法においては、光ファイバ構造体の側面から光ファイバのクラッド内に励起光を導入するために励起光導入部材が用いられる。非特許文献１に記載された励起光導入部材は、凡そ平板形状のものであって、入射面に励起光を入射し、その入射した励起光を内部で導光させ、その導光させた励起光を傾斜面で全反射させ、その全反射させた励起光を出射面から出射して光ファイバ内に入射させる。

また、側面導入方法においては、励起光源としてはレーザダイオード（ＬＤ）単体だけでなくＬＤアレイやＬＤスタックを用いることが可能である。端面導入方法と比較すると、特に側面導入方法においては、上記のような励起光導入部材を使用することとの関係で、ＬＤアレイやＬＤスタックが励起光源として好適に用いられ得る。
特開平１０−１９００９７号公報 平成１３年度 新エネルギー・産業技術総合開発機構委託 フォトン計測・加工技術（石油生産システム高度計測・加工技術研究開発）成果報告書、「第VII章 高集光完全固体化レーザー技術：ファイバーレーザーの研究開発」、財団法人製造科学技術センター、平成１４年３月

このような側面導入方法に拠る光ファイバ構造体および光学装置において、増幅または発振して出力される光のパワーが大きいことが望まれる。その為には、投入された励起光が効率良くレーザ出力パワーに変換されることが必要である。そのためには、光ファイバにおけるレーザ活性物質の含有量を増やすことや、励起光源から光ファイバに導入される励起光のパワーを大きくすること、が考えられる。しかし、濃度消光の問題や製造上の問題があることから、レーザ活性物質の含有量の増加には限界がある。また、非特許文献１に記載された励起光導入部材を用いた場合には、励起光源等の配置や発熱の問題があることから、励起光源から光ファイバに導入される励起光のパワーの増大にも限界がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、励起光源から光ファイバに導入する励起光のパワーを大きくすることができる励起光導入部材、ならびに、増幅または発振して出力される光のパワーを大きくすることができる光ファイバ構造体および光学装置を提供することを目的とする。

本発明に係る励起光導入部材は、レーザ活性物質を含有するコアをクラッド内に含む光ファイバの側面から該光ファイバ内に励起光を導入する励起光導入部材であって、(1) 励起光を入射する入射端と、この入射端に入射して内部を導光した励起光を出射する出射端と、を各々有する複数の線状体と、(2) 複数の線状体それぞれの出射端と光学的に接続されて励起光を入射する入射面と、この入射面に入射して内部を導光した励起光を全反射させる傾斜面と、この傾斜面で全反射させた励起光を出射して光ファイバ内に入射させる出射面と、を有する導入板と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光ファイバ構造体は、レーザ活性物質を含有するコアをクラッド内に含む光ファイバと、この光ファイバの側面から該光ファイバ内に励起光を導入する上記の本発明に係る励起光導入部材と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光学装置は、上記の本発明に係る光ファイバ構造体と、この光ファイバ構造体に含まれる光ファイバに導入されるべき励起光を出力する励起光源と、を備えることを特徴とする。

本発明では、励起光源から出力された励起光は励起光導入部材を経て光ファイバに導入される。このとき、励起光導入部材において、励起光源から出力された励起光は、先ず複数の線状体それぞれの入射端に入射し、各線状体の内部を導光し、各線状体の出射端から出射されて導入板の入射面に入射する。導入板の入射面に入射した励起光は、導入板の内部を導光し、導入板の傾斜面で全反射され、導入板の出射面から出射されて光ファイバ内に導入される。このようにすることにより、励起光源等の配置や発熱の問題が緩和されるので、励起光源から励起光導入部材を経て光ファイバに高いパワーの励起光を導入することができる。

本発明に係る励起光導入部材は、励起光源から光ファイバに導入する光のパワーを大きくすることができる。また、この励起光導入部材を用いた光ファイバ構造体および光学装置は、増幅または発振して出力される光のパワーを大きくすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

先ず、本発明に係る励起光導入部材の実施形態について説明するとともに、この励起光導入部材を用いた光ファイバ構造体および光学装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光学装置１の平面図である。この図に示される光学装置１は、渦巻状に密に巻かれていてディスク形状とされた光ファイバ１１、この光ファイバ１１の一端に設けられた反射部材１２、この光ファイバ１１に励起光を導入する励起光導入部材１３、および、励起光を出力する励起光源１５を備える。これらのうち、光ファイバ１１，反射部材１２および励起光導入部材１３は、光ファイバ構造体１０を構成している。

光ファイバ１１の断面形状は略正方形であり、当該クラッド内にあるコアの断面形状は円形である。そのコアは、所定波長の励起光を吸収して他の波長の光を放出することができるレーザ活性物質を含有する。具体的には、光ファイバ１１は石英ガラスを主成分とするものである。また、コアに含有されるレーザ活性物質として、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｎｄ，Ｔｍ，Ｈｏ，Ｐｒ，Ｃｅ等のランタノイド元素の三価イオンの何れか一種もしくは組み合わせ、または、Ｃｒ，Ｔｉ等の或る種の遷移金属元素のイオン、が例示される。

このような光ファイバ１１は以下のようにして製造される。通常の光ファイバ母材を製造する方法と同様の方法（例えばＭＣＶＤ法等）により円形断面の母材を製造し、この円形断面の母材の側面を研削・研磨して矩形断面の母材とする。そして、この光ファイバ母材を線引することで、光ファイバ１１を得ることができる。この線引の際の諸条件を適切に設定することにより、線引により得られる光ファイバ１１の断面形状は略矩形のままとなる。

光ファイバ構造体１０において、光ファイバ１１は渦巻状に密に巻かれていてディスク形状とされている。この券回に際して、光ファイバ１１の少なくとも一部は、径方向に積層されてディスク形状とされている。なお、このディスク面に垂直な方向には光ファイバ１１は積層される必要は無い。この巻かれた状態において隣接するクラッド間は、融着や光学樹脂により光学的に接続されていてもよいが、より好適にはポリシラザンが接着剤として用いられて光学的に接続される。

光ファイバ１１の両端面は、平坦（斜めを含む）または球面に研磨されていてもよい。この場合、この光ファイバ構造体１０は光増幅器における光増幅媒体として好適に用いられる。すなわち、一方の端面からコアに入射した被増幅光は、コアにおいて光増幅され、その光増幅された光は他方の端面から出射される。このとき、双方の端面には反射低減膜が設けられているのも好ましい。

また、図１に示されるように、一方の端面に、光ファイバ１１のコアに含有されたレーザ活性物質から放出される光を反射する反射部材１２が設けられていてもよい。この場合、他方の端面と反射部材１２とは光共振器を構成していて、光ファイバ構造体１０はレーザ発振器における光増幅媒体として好適に用いられる。このとき、他方の端面（レーザ光が出射する面）には反射低減膜が設けられているのも好ましい。また、レーザ光が出射する端面付近には反射率１０％以下のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を設置し、端面自体は斜めに研磨した構成も好ましい。反射部材１２として、好適には、外部ミラー、端面に貼り付けられた誘電体多層膜ミラー、光ファイバグレーティング等が用いられる。

また、光ファイバ１１を冷却する為のディスク形状の金属板（不図示）が設けられている。この金属板は、ディスク形状に巻かれた光ファイバ１１に直接に又は間接に接していて、励起光吸収により生じる光ファイバ１１の熱を吸収する。また、この金属板と光ファイバ１１との間に低屈折率の樹脂が設けられているのも好ましく、このようにすることにより、樹脂とクラッドとの界面で励起光が全反射するので、金属板による励起光の吸収が防止されるとともに、金属板とクラッドとの間の熱伝達がよくなるので、冷却効果が増す。

励起光源１５は、光ファイバ構造体１０に含まれる光ファイバ１１に導入されるべき励起光を出力するものであり、例えばＬＤであり、好適には、複数のＬＤのエミッタが一次元配列されたＬＤアレイや、複数のＬＤアレイが積層されたＬＤスタックであり、また、本実施形態では各々１つのエミッタを有するＬＤであってもよい。励起光の波長としては、光ファイバ１１のコアに含有されたレーザ活性物質を励起し得る波長が選ばれる。励起光導入部材１３は、励起光源１５から出力された励起光を、光ファイバ１１のうち積層された部分において光ファイバ１１内に導入する。なお、励起光源１５と励起光導入部材１３との間に光学系を設けて、この光学系により、励起光源１５から出力された励起光をコリメートし更に収斂して、その収斂した励起光を励起光導入部材１３に入射させてもよい。

励起光導入部材１３は、導入板１３Ａおよび複数の線状体１３Ｂを含む。これらは、励起光波長において吸収が小さい材料からなり、好適には合成石英ガラスであり、また、多成分系ガラスであってもよい。また、更に好適には、導入板１３Ａは、光ファイバ１１のクラッドの屈折率より高い屈折率を有する。例えば、光ファイバ１１のクラッド１１０が純石英ガラスからなるのに対して、導入板１３Ａは、屈折率上昇をもたらす元素、たとえばＧｅ，Ｐ，Ｃｌ等が添加された石英ガラスからなる。また、導入後の励起光がコアの延在方向に伝搬するように導入板１３Ａが設けられているのが好ましい。

図２は、第１実施形態に係る光ファイバ構造体１０の一部断面図である。この図に示されるように、光ファイバ構造体１０において、クラッド１１０内にコア１１１を含む光ファイバ１１が渦巻状に密に巻かれてディスク形状とされていて、そのディスク形状とされた光ファイバ１１のクラッド１１０間がポリシラザン１６１により接着されており、また、ディスク形状とされた光ファイバ１１の上下に、ゲル状のフルオロシリコーン１６２Ａ，１６２Ｂ、フッ素樹脂シート１６３Ａ，１６３Ｂ、熱伝導シート１６４Ａ，１６４Ｂ、および、金属板１６５Ａ，１６５Ｂが順に設けられている。

このようにクラッド１１０間がポリシラザン１６１により接続されてディスク形状とされた光ファイバ１１と、この光ファイバ１１を冷却する冷却部材としての金属板１６５Ａ，１６５Ｂとの間に、ゲル状のフルオロシリコーン１６２Ａ，１６２Ｂ、フッ素樹脂シート１６３Ａ，１６３Ｂ、および、熱伝導シート１６４Ａ，１６４Ｂが順に設けられている。フッ素樹脂シート１６３Ａ，１６３Ｂ、および、熱伝導シート１６４Ａ，１６４Ｂは、何れも熱伝導率が高く、可撓性が優れている。フッ素樹脂シート１６３Ａ，１６３Ｂの屈折率は、光ファイバ１１のクラッド１１０の屈折率より低い。

図３は、励起光導入部材１３の平面図および側面図である。励起光導入部材１３は、凡そ平板形状の導入板１３Ａと複数（図では５本）の線状体１３Ｂとを備えている。導入板１３Ａは、入射面１３１，傾斜面１３２および出射面１３３を有する。各線状体１３Ｂは、励起光源１５から出力された励起光を入射する入射端１３６と、この入射端１３６に入射して内部を導光した励起光を出射する出射端１３７と、を有する。各線状体１３Ｂの出射端１３７は、導入板１３Ａの入射面１３１と光学的に接続されている。各線状体１３Ｂは可撓性を有するのが好適である。各線状体１３Ｂは、屈折率が一様のものであってもよいし、クラッド内にコアを有する光ファイバであってもよい。また、後者の場合には、各線状体１３Ｂは、光ファイバアレイを構成する個々の光ファイバであってもよいし、励起光源１５としてのＬＤに付属しているピグテイル光ファイバであってもよい。

励起光導入部材１３の各線状体１３Ｂは、励起光源１５から出力されて入射端１３６に入射した励起光を、内部を導光させて出射端１３７から出射する。励起光導入部材１３の導入板１３Ａは、各線状体１３Ｂの出射端１３７から出射されて入射面１３１に励起光を、上下面で全反射させながら内部を導光させ、その導光した励起光を他端側から光ファイバ１１内に導入する。

このように励起光導入部材１３が導入板１３Ａおよび複数の線状体１３Ｂを備えることにより、光ファイバ１１に導入する励起光のパワーを大きくすることができるだけでなく、以下のような効果もある。すなわち、アレイ配置された複数の線状体１３Ｂと導入板１３Ａとの接続は、光通信分野で実績がある融着接続により容易に可能である。また、図４に側面図が示されるように、樹脂１３８Ａ，１３８Ｂを介して金属板１３９Ａ，１３９Ｂにより励起光導入部材１３を挟むことにより、効率が高い冷却を行うことができ、また、機械的に強固にすることも容易である。また、作製が容易であって、精密な位置調整やあおり調整が可能であるので、複数の線状体１３Ｂから導入板１３Ａで合流された励起光のビーム品質の劣化が小さい。

各線状体１３Ｂが可撓性を有していれば、線状体１３Ｂの入射端１３６に接続される励起光源１５としてのＬＤの配置を任意とすることができ、励起光源２５としてチップＬＤなど空冷駆動に有利な形態のＬＤを用いることができる。個々の線状体１３Ｂについては、径を小さくできるので、放熱の点でも好ましい。ＬＤの配置を任意とすることができることから、レーザファイバとは別個のボード上にＬＤの集約が可能であり、その結果、劣化ＬＤの交換も容易となる。また，ＬＤからレーザファイバまで全てを空間結合なしに励起光接続できるため、アライメントずれが生じ難い。また、高出力化のため，分散したＬＤ光源からの励起光を集約してレーザファイバに導入することができる。そして、その集約度は、たとえば複数の発光素子を並べたＬＤアレイのそれのおよそ２倍程度となり、そのため、２段スタックＬＤアレイと同じ励起光総量を一列にしかも幅を広げることなく並べることが可能である。そのため、ディスク形状の光ファイバ構造体１０を薄くしても、２段スタックＬＤ光源と同じ総量の励起光源を同じ配置密度で設置できるため、高出力のままでビーム品質の向上も容易である。

図５は、励起光導入部材１３の導入板１３Ａによる光ファイバ１１への励起光導入を説明する側面図である。励起光導入部材１３の導入板１３Ａは、各線状体１３Ｂの出射端１３７から出射されて入射面１３１に励起光を、上下面で全反射させながら内部を導光させ、その導光した励起光を他端側から光ファイバ１１内に導入する。導入板１３Ａの上面および下面は互いに平行な平面であり、導入板１３Ａの他端側（光ファイバ１１内に励起光を導入する側）においては、下面に対して傾斜した傾斜面１３２が設けられている。この傾斜面１３２の下方の下面（出射面）１３３は、光ファイバ１１の側面に対して光学的に接続されている。この傾斜面１３２は、下面に対して数度〜十数度の角度をなし、光学研磨またはそれに相当する滑らかな面を有しており、導入板１３Ａの内部を導光してきた励起光を全反射させる。そして、出射面１３３は、傾斜面１３２で全反射させた励起光を出射して光ファイバ１１内に入射させる。

ここで、図中において点線で示すように進む励起光について考える。導入板１３Ａ中において励起光が出射面１３３に対して角度θ_０で進むものとする。出射面１３３と傾斜面１３２とがなす角度をθ_１とする。光ファイバ１１中において励起光が光軸に対して角度θ_２で進むものとする。導入板１３Ａの屈折率をｎ_ｆとし、光ファイバ１１のクラッド１１０の屈折率をｎ_cladとする。また、導入板１３Ａの厚みをＤ_ｆとし、光ファイバ１１のクラッド１１０の径をＤ_ｃとする。このとき、これらのパラメータの間には下記（１）式の関係が成り立つ。

導入板１３Ａの傾斜面１３２で反射されて出射面１３３から光ファイバ１１内に導入された励起光は、ディスク形状とされた光ファイバ１１の下面で反射され、次いで上面（導入板１３Ａが設けられている側）で反射される。導入板１３Ａの傾斜面１３２の始点（入射面１３１に最も近い位置）と、その始点で反射された励起光がディスク形状の光ファイバ１１の上面に最初に到達する位置との間の距離Ｘ_refは、下記（２）式で表される。

また、導入板１３Ａの傾斜面１３２の始点と終点（入射面１３１から最も遠い位置）との間の距離Ｌ_edgeは、下記（３）式で表される。なお、距離Ｘ_refおよび距離Ｌ_edgeそれぞれは、光ファイバ１１の光軸に沿った方向についての距離である。

仮に、導入板１３Ａから光ファイバ１１に導入された励起光が再び導入板１３Ａに戻ると、励起光導入効率が低減する。このように導入板１３Ａに励起光が戻ることを防止するため、距離Ｘ_refと距離Ｌ_edgeとの間に下記（４）式の関係が成り立つことが必要である。

このように構成される光学装置１は以下のように動作する。励起光源１５から出力された励起光は、励起光導入部材１３の線状体１３Ｂを経て、導入板１３Ａの入射面１３１に入射され、導入板１３Ａの内部で導光され、導入板１３Ａの傾斜面１３２で全反射される。傾斜面１３２で全反射された励起光は、導入板１３Ａの出射面１３３と光ファイバ１１の側面とが光学的に接続された部分を経て、光ファイバ１１内に導入される。光ファイバ１１内に導入された励起光は、クラッド１１０の外側界面で全反射されながら光ファイバ１１内を導波する間に、コア１１１に含まれるレーザ活性物質を励起する。

光学装置１が反射部材１２を含まず光増幅器として動作する場合、コア１１１の一端に被増幅光が入力すると、その入力した被増幅光はコア１１１を導波する間に光増幅され、その光増幅された光は他端から出力される。一方、光学装置１が反射部材１２を含みレーザ発振器として動作する場合、励起されたレーザ活性物質で誘導放出が生じるとともに共振器においてレーザ発振してレーザ光が出力される。

特に、本実施形態では、励起光導入部材１３が導入板１３Ａと複数の線状体１３Ｂとを備えていて、励起光源１５から出力された励起光が線状体１３Ｂおよび導入板１３Ａを順に経て光ファイバ１１に導入される。このようにすることにより、励起光源１５等の配置や発熱の問題が緩和されるので、励起光源１５から励起光導入部材１３を経て光ファイバ１１に高いパワーの励起光を導入することができる。

次に、励起光導入部材１３の導入板１３Ａの種々の変形例について説明する。図６は、励起光導入部材１３の導入板１３Ａの変形例を示す第１の側面図である。導入板１３Ａの傾斜面１３２で反射された励起光が通過する範囲において、出射面１３３と光ファイバ１１のクラッド１１０とが光学的に接続されていればよい。このとき、同図（ａ）に示されるように、導入板１３Ａの下面とクラッド１１０とが重なる範囲の全体が光学的に接続されていてもよい。しかし、同図（ｂ）に示されるように、導入板１３Ａの傾斜面１３２で反射された励起光が通過する範囲において、出射面１３３とクラッド１１０とが光学的に接続されている一方で、励起光が通過しない範囲においては、励起光を遮断する膜１３４が出射面１３３とクラッド１１０との間に設けられているのが好適である。このように励起光遮断膜１３４が設けられていることにより、或る励起光導入部材から光ファイバ１１に導入された励起光が他の励起光導入部材を経て放射されることを抑制することが可能となって、励起効率を向上させることができる。

図７は、励起光導入部材１３の導入板１３Ａの変形例を示す第２の側面図である。同図（ａ）に示されるように、導入板１３Ａの傾斜面１３２は、平面であって、先端が下面まで達していてもよい。しかし、先端が鋭く尖ったものを製作することは現実には困難であるので、同図（ｂ）に示されるように、導入板１３Ａの傾斜面１３２は、先端が鋭く尖っておらず、光ファイバ１１との接続に用いた光学樹脂１３５が先端部分に存在していてもよい。また、導入板１３Ａの傾斜面１３２は、同図（ｃ）に示されるように凸面であってもよいし、同図（ｄ）に示されるように凹面であってもよく、これらの場合には、反射する励起光に対してレンズ作用を奏することができる。

図８は、励起光導入部材１３の導入板１３Ａの変形例を示す第３の側面図である。同図（ａ）に示されるように、導入板１３Ａの入射面１３１は、平面であって、下面に対して垂直であってもよい。しかし、同図（ｂ）に示されるように、導入板１３Ａの入射面１３１は、平面であって、下面に対して垂直でないのが好適である。この場合には、入射面１３１で反射した励起光が励起光源１５に戻ることが抑制されて、安定した励起光出力を得ることができる。また、同図（ｂ）に示されるように、導入板１３Ａの入射面１３１は、凸面であって、レンズ作用を奏するのも好適である。

図９は、励起光導入部材１３の導入板１３Ａの変形例を示す平面図である。導入板１３Ａは、同図（ａ）に示されるように幅が一定であってもよいし、同図（ｂ）に示されるように入射面１３１から傾斜面１３２に向かうに従って幅が狭くなっていてもよい。後者の場合には、多数の線状体１３Ｂを導入板１３Ａの入射面１３１に光学的に接続することができ、高パワーの励起光を高密度で光ファイバ１１に導入することができる。

（第２実施形態）

次に、本発明に係る光ファイバ構造体および光学装置の第２実施形態について説明する。図１０は、第２実施形態に係る光学装置２の斜視図である。この図に示される光学装置２は、円柱状の冷却部材２９、この冷却部材２９の周囲に螺旋状に密に巻かれてシリンダ形状とされた光ファイバ２１、この光ファイバ２１の一端に設けられた反射部材２２、この光ファイバ２１に励起光を導入する励起光導入部材２３、および、励起光を出力する励起光源２５を備える。これらのうち、冷却部材２９，光ファイバ２１，反射部材２２および励起光導入部材２３は、光ファイバ構造体２０を構成している。光ファイバ２１は、第１実施形態における光ファイバ１１と同様の構成のものであり同様にして作製される。

光ファイバ構造体２０において、光ファイバ２１は螺旋状に密に巻かれていてシリンダ形状とされている。この券回に際して、光ファイバ２１の少なくとも一部は、径方向に積層されてシリンダ形状とされている。なお、このシリンダ形状の径方向には光ファイバ２１は積層される必要は無い。この巻かれた状態において隣接するクラッド間は、融着や光学樹脂により光学的に接続されていてもよいが、より好適にはポリシラザンが接着剤として用いられて光学的に接続される。

光ファイバ２１の両端面は、平坦に研磨されていてもよい。この場合、この光ファイバ構造体２０は光増幅器における光増幅媒体として好適に用いられる。すなわち、一方の端面からコアに入射した被増幅光は、コアにおいて光増幅され、その光増幅された光は他方の端面から出射される。このとき、双方の端面には反射低減膜が設けられているのも好ましい。また、レーザ光が出射する端面付近には反射率１０％以下のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を設置し、端面自体は斜めに研磨した構成も好ましい。

また、図１０に示されるように、一方の端面に、光ファイバ２１のコアに含有されたレーザ活性物質から放出される光を反射する反射部材２２が設けられていてもよい。この場合、他方の端面と反射部材２２とは光共振器を構成していて、光ファイバ構造体２０はレーザ発振器における光増幅媒体として好適に用いられる。このとき、他方の端面（レーザ光が出射する面）には反射低減膜が設けられているのも好ましい。反射部材２２として、好適には、外部ミラー、端面に貼り付けられた誘電体多層膜ミラー、光ファイバグレーティング等が用いられる。

また、冷却部材２９は、金属からなり、光ファイバ２１を冷却する為のものである。この冷却部材２９の内部には、循環する冷却水を流す孔が設けられているのが好ましい。この冷却部材２９は、シリンダ形状に巻かれた光ファイバ２１に直接に又は間接に接していて、励起光吸収により生じる光ファイバ２１の熱を吸収する。また、この冷却部材２９と光ファイバ２１との間には低屈折率の樹脂（例えばフルオロシリコーン）が設けられているのも好ましく、このようにすることにより、樹脂とクラッドとの界面で励起光が全反射するので、冷却部材２９により励起光の吸収が防止されるとともに、冷却部材２９とクラッドとの間の熱伝達がよくなるので、冷却効果が増す。

第２実施形態における励起光導入部材２３は、図３〜図５に示されたような第１実施形態における励起光導入部材１３と同様のものである。励起光導入部材２３は、導入板２３Ａおよび複数の線状体２３Ｂを含む。これらは、励起光波長において吸収が小さい材料からなり、好適には合成石英ガラスであり、また、多成分系ガラスであってもよい。また、更に好適には、導入板２３Ａは、光ファイバ２１のクラッドの屈折率より高い屈折率を有する。例えば、光ファイバ２１のクラッドが純石英ガラスからなるのに対して、導入板２３Ａは、屈折率上昇材としての不純物が添加された石英ガラスからなる。また、導入後の励起光がコアの延在方向に伝搬するように導入板２３Ａが設けられているのが好ましい。励起光導入部材２３の導入板２３ａは、図６〜図９に示されたような構成のものであってもよい。

図１１は、第２実施形態に係る光ファイバ構造体２０の一部断面図である。この図に示されるように、光ファイバ構造体２０において、クラッド２１０内にコア２１１を含む光ファイバ２１が螺旋状に密に巻かれてシリンダ形状とされていて、そのシリンダ形状とされた光ファイバ２１のクラッド２１０間がポリシラザン２６１により接着されており、また、シリンダ形状とされた光ファイバ２１と冷却部材２９との間にゲル状のフルオロシリコーン２６２、フッ素樹脂シート２６２および熱伝導シート２６４が順に設けられている。

ポリシラザン２６１は、光ファイバ２１が巻かれた状態において隣接するクラッド２１０間に接着剤として設けられたものである。ここでクラッド２１０間に接着剤として設けられるポリシラザン２６１は、転化していてもよいし、転化していなくてもよい。このようにクラッド２１０間がポリシラザン２６１により接続されてシリンダ形状とされた光ファイバ２１と、この光ファイバ２１を冷却する冷却部材２９との間に、ゲル状のフルオロシリコーン２６２、フッ素樹脂シート２６２および熱伝導シート２６４が順に設けられている。ゲル状のフルオロシリコーン２６２、フッ素樹脂シート２６２および熱伝導シート２６４は、何れも熱伝導率が高い。また、フッ素樹脂シート２６２および熱伝導シート２６４は、何れも可撓性が優れている。

このように構成される本実施形態に係る光学装置２は、第１実施形態に係る光学装置１と同様に動作し同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）

次に、本発明に係る光ファイバ構造体および光学装置の第３実施形態について説明する。図１２は、第３実施形態に係る光学装置３の斜視図である。この図に示される光学装置３は、略円盤状の冷却部材３９、この冷却部材３９の周囲に巻かれた光ファイバ３１、この光ファイバ３１の一端に設けられた反射部材３２、この光ファイバ３１に励起光を導入する励起光導入部材３３、および、励起光を出力する励起光源（不図示）を備える。これらのうち、冷却部材３９，光ファイバ３１，反射部材３２および励起光導入部材３３は、光ファイバ構造体３０を構成している。光ファイバ３１は、第１実施形態における光ファイバ１１と同様の構成のものであり同様にして作製される。

光ファイバ構造体３０において、光ファイバ３１は冷却部材３８の側面に巻かれている。径方向には光ファイバ３１は積層される必要は無い。この券回された光ファイバ３１において、一部の領域３１Ａにおいては隣接クラッド間が光学的に接続されているが、その他の領域３１Ｂにおいては個々のクラッドが互いに離間されている。領域３１Ａにおける隣接クラッド間は、融着や光学樹脂により光学的に接続されていてもよいが、より好適にはポリシラザンが接着剤として用いられて光学的に接続される。クラッドが互いに離間している領域３１Ｂにおいては、石英ガラスからなるクラッドの周囲に樹脂等が被覆されている。クラッドの周囲の樹脂の屈折率はクラッドの屈折率より低く、これらは２重クラッド構造を構成しているのが好適である。

光ファイバ３１の両端面は、平坦に研磨されていてもよい。この場合、この光ファイバ構造体３０は光増幅器における光増幅媒体として好適に用いられる。すなわち、一方の端面からコアに入射した被増幅光は、コアにおいて光増幅され、その光増幅された光は他方の端面から出射される。このとき、双方の端面には反射低減膜が設けられているのも好ましい。

また、図１２に示されるように、一方の端面に、光ファイバ３１のコアに含有されたレーザ活性物質から放出される光を反射する反射部材３２が設けられていてもよい。この場合、他方の端面と反射部材３２とは光共振器を構成していて、光ファイバ構造体３０はレーザ発振器における光増幅媒体として好適に用いられる。このとき、他方の端面（レーザ光が出射する面）には反射低減膜が設けられているのも好ましい。また、レーザ光が出射する端面付近には反射率１０％以下のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を設置し、端面自体は斜めに研磨した構成も好ましい。反射部材３２として、好適には、外部ミラー、端面に貼り付けられた誘電体多層膜ミラー、光ファイバグレーティング等が用いられる。

また、冷却部材３９は、金属からなり、光ファイバ３１を冷却する為のものである。この冷却部材３９の内部には、循環する冷却水を流す孔が設けられているのが好ましく、また、図１２に示されるように空冷の為に複数の貫通孔３９Ａが設けられているのも好ましい。これら複数の貫通孔３９Ａそれぞれは、一方向に長い矩形形状を有していて、各々の長辺が互いに平行であり、隣り合う貫通孔３９Ａの間が肉薄になっている。この冷却部材３９は、光ファイバ３１に直接に又は間接に接していて、励起光吸収により生じる光ファイバ３１の熱を吸収する。また、この冷却部材３９と光ファイバ３１との間には低屈折率の樹脂（例えばフルオロシリコーン）が設けられているのも好ましく、このようにすることにより、樹脂とクラッドとの界面で励起光が全反射するので、冷却部材３９により励起光の吸収が防止されるとともに、冷却部材３９とクラッドとの間の熱伝達がよくなるので、冷却効果が増す。

第３実施形態における励起光導入部材３３は、図３〜図５に示されたような第１実施形態における励起光導入部材１３と同様のものである。励起光導入部材３３は、導入板３３Ａおよび複数の線状体３３Ｂを含む。これらは、励起光波長において吸収が小さい材料からなり、好適には合成石英ガラスであり、また、多成分系ガラスであってもよい。また、更に好適には、導入板３３Ａは、光ファイバ３１のクラッドの屈折率より高い屈折率を有する。例えば、光ファイバ３１のクラッドが純石英ガラスからなるのに対して、導入板３３Ａは、屈折率上昇材としての不純物が添加された石英ガラスからなる。また、導入後の励起光がコアの延在方向に伝搬するように導入板３３Ａが設けられているのが好ましい。励起光導入部材３３の導入板３３ａは、図６〜図９に示されたような構成のものであってもよい。

なお、本実施形態では、励起光導入部材３３の出射面（光ファイバ３１へ導入される励起光が出射される面）は、券回された光ファイバ３１において隣接クラッド間が光学的に接続されている領域３１Ａに接続されている。また、特に図１２に示された励起光導入部材３３は、図３および図４に示されたような凡そ平板形状の導入板３３Ａと複数の線状体３３Ｂとを備える構成を有している。また、隣接クラッド間が光学的に接続されている領域３１Ａにおける光ファイバ構造体３０の断面構造は、図１１に示されたものと同様である。

このように構成される本実施形態に係る光学装置３は、第１実施形態に係る光学装置１と同様に動作し同様の効果を奏することができる。加えて、本実施形態に係る光学装置３は、以下のような作用・効果を奏することができる。励起光導入部材３３から励起光が導入される光ファイバ３１の領域３１Ａでは、隣接クラッド間が光学的に接続されることで、励起光導入効率が高められる。一方、光ファイバ３１の他の領域３１Ｂでは、個々のクラッドが互いに離間されているので、放熱の点で有利である。

また、この光学装置３は、作製が容易であり、また、光ファイバの径を細くすることができるので、光ファイバの収納がコンパクトであり、この点でも放熱に有利である。この光学装置３は、光ファイバ３１における励起光伝搬損失が小さいので、励起光吸収長を長くすることができ、シングルモード化し易い。また、この光学装置３は、２重クラッドとなっている領域３１Ｂでは、光ファイバ３１は様々な取り回しが可能であることから、曲げに因る高次モード抑制が容易である。

第１実施形態に係る光学装置１の平面図である。 第１実施形態に係る光ファイバ構造体１０の一部断面図である。 励起光導入部材１３の平面図および側面図である。 励起光導入部材１３の側面図である。 励起光導入部材１３の導入板１３Ａによる光ファイバ１１への励起光導入を説明する側面図である。 励起光導入部材１３の導入板１３Ａの変形例を示す第１の側面図である。 励起光導入部材１３の導入板１３Ａの変形例を示す第２の側面図である。 励起光導入部材１３の導入板１３Ａの変形例を示す第３の側面図である。 励起光導入部材１３の導入板１３Ａの変形例を示す平面図である。 第２実施形態に係る光学装置２の斜視図である。 第２実施形態に係る光ファイバ構造体２０の一部断面図である。 第３実施形態に係る光学装置３の斜視図である。

符号の説明

１〜３…光学装置、１０…光ファイバ構造体、１１…光ファイバ、１２…反射部材、１３…励起光導入部材、１３Ａ…導入板、１３Ｂ…線状体、１５…励起光源、２０…光ファイバ構造体、２１…光ファイバ、２２…反射部材、２３…励起光導入部材、２３Ａ…導入板、２３Ｂ…線状体、２５…励起光源、２９…冷却部材、３０…光ファイバ構造体、３１…光ファイバ、３２…反射部材、３３…励起光導入部材、３３Ａ…導入板、３３Ｂ…線状体、３９…冷却部材。

Claims (3)

1. レーザ活性物質を含有するコアをクラッド内に含む光ファイバの側面から該光ファイバ内に励起光を導入する励起光導入部材であって、
   励起光を入射する入射端と、この入射端に入射して内部を導光した励起光を出射する出射端と、を各々有する複数の線状体と、
   前記複数の線状体それぞれの出射端と光学的に接続されて励起光を入射する入射面と、この入射面に入射して内部を導光した励起光を全反射させる傾斜面と、この傾斜面で全反射させた励起光を出射して前記光ファイバ内に入射させる出射面と、を有する導入板と、
   を備えることを特徴とする励起光導入部材。
2. レーザ活性物質を含有するコアをクラッド内に含む光ファイバと、この光ファイバの側面から該光ファイバ内に励起光を導入する請求項１記載の励起光導入部材と、を備えることを特徴とする光ファイバ構造体。
3. 請求項２記載の光ファイバ構造体と、この光ファイバ構造体に含まれる光ファイバに導入されるべき励起光を出力する励起光源と、を備えることを特徴とする光学装置。
   
   

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