JP2010129886A - ファイバレーザ用光ファイバ及びファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】誘導ラマン散乱の発生を抑制し、高ビーム品質かつ高出力のファイバレーザを実現するファイバレーザ用光ファイバを提供する。
【解決手段】希土類元素が添加されたコア２の周囲にクラッド３が形成された光ファイバ４と、光ファイバ４の所定の位置に配置され、中空コア７の周囲に複数の空孔３３ｂを有するクラッド８が形成されたフォトニックバンドギャップファイバ６とからなり、フォトニックバンドギャップファイバ６は、光ファイバ４内を伝搬するレーザ光Ｌ１の波長が含まれると共に、レーザ光Ｌ１を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、希土類元素が添加されたコアに、クラッドが形成されたファイバレーザ用光ファイバに関し、特に、誘導ラマン散乱の発生を抑制する技術に関する。

レーザ加工や医療用途などへの適用を目的として、ファイバレーザは、高効率でしかも高ビーム品質のレーザ光を簡単に取り出せるという理由で注目を集めている。

このようなファイバレーザに使用される一般的な光ファイバとして、図７に示すような光ファイバ（ファイバレーザ用光ファイバ）７１がある。この光ファイバ７１は、希土類元素（Ｙｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄなど）をドープしたコア７２と、第１クラッド７３ａ、第２クラッド７３ｂからなるクラッド７３を備えたダブルクラッドファイバである。また、第２クラッド７３ｂの外周に図示していないが、紫外線（ＵＶ）硬化型樹脂などからなる被覆層が設けられている。

光ファイバ７１の一端部には、励起光Ｌｅ７として、ＬＤ（半導体レーザ）などの光源から出射した光を入射する。第１クラッド７３ａ内に集光した励起光Ｌｅ７は、光ファイバ７１中を伝搬し、コア７２の希土類元素を励起する。そして、励起された希土類元素から発振光がコア７２に伝搬し、光ファイバ７１の他端から高出力のレーザ光Ｌ７が出射する。

最近、ファイバレーザはさらなる高出力化が求められているが、高出力のファイバレーザの制限要因として、特に非線形光学効果の問題がある。すなわち、従来の光ファイバ７１では、レーザ光の高出力化のために、入射される励起光のパワーを高くすると、ダブルクラッドファイバ中のエネルギー密度が過剰となり、非線形光学効果の問題が発生し、結果としてレーザ光の出力が低下してしまう。

例えば、図８に示すように、入射される励起光のパワーを高くすると、励起光とは別に、光ファイバ中に非線形光学効果によって誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）が発生する。

例えば、図９に示すファイバレーザ９１のように、ファイバレーザ用光ファイバ９２の両端部に、複数個のＬＤ９３から出射した励起光を反射励振するための励振用ＦＢＧ９４，９４を設け、ファイバレーザ用光ファイバ９２の出射端にレーザ光を増幅する光増幅部９５を多段に接続したＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型で使用されることがある（例えば、非特許文献１参照）。

このファイバレーザ９１では、高出力化に伴って各光増幅部９５でＳＲＳが発生し、そのＳＲＳがレーザ光と共に増幅される。

したがって、高出力のファイバレーザを実現するためには、最も影響が大きいＳＲＳの発生を抑えることが必要である。

ＳＲＳの発生を抑制する方法として、コア径を拡大するという方法があるが、シングルモード条件が維持できなくなるためにビーム品質が劣化するおそれがある。

一方、光ファイバとしてフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：フォトニッククリスタルファイバ）を用いることにより、広帯域シングルモードを維持しながらコア径を拡大できるが、コア径の拡大にも限界があり、コア径を拡大しすぎると曲げ損失が大きくなり、実用化が難しくなるおそれがある。

そこで、ＳＲＳの発生を抑制する方法として、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を光ファイバ中に形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１０に示すような光ファイバ（ファイバレーザ用光ファイバ）１０１は、コア７２中にフィルタ部として反射型のＦＢＧ１０２を挿入することで、励起光Ｌｅ７の入射によりファイバ中で発生した自然ラマン散乱をＦＢＧ１０２で除去し、ＳＲＳを抑制してレーザ光Ｌ１０を出射する。

一方、図１２に示すような光ファイバ１２１は、コア７２中にフィルタ部として放射型のＦＢＧ１２２を挿入することで、励起光Ｌｅ７の入射によりファイバ中で発生した自然ラマン散乱をＦＢＧ１２２で除去する。放射型のＦＢＧ１２２は、ＦＢＧ減衰帯域が比較的広く、反射光が存在せず、無反射である。

特開２００７−１２３４７７号公報 特表２００２−５４１５０７号公報 V.Gapontsev，ほか"2kW CW ytterbium fiber laser with record diffraction-limited brightness"CLEO/Europe.2005,CJ-1-1-THU

しかしながら、従来のファイバレーザ用光ファイバ１０１は、ＦＢＧ１０２が反射型であるため、ＦＢＧ１０２で反射された反射光（戻り光）が励起光光源（一般には、ＬＤ）に戻り、励起光光源を誤動作させたり、損傷させたりするなど、励起光光源への好ましくない影響がある。

反射光の励起光光源への好ましくない影響を避けるため、ＦＢＧ１０２の手前に反射光を除去する光アイソレータを挿入する必要があり、レーザシステムを構築する部品点数が多くなり、システムの低コスト化ができなかったり、システムが大型になったりするという問題もある。

また、図１１に示すように、コア７２中に短周期型で反射型のＦＢＧ１０２を２個以上使用すると、ＦＢＧ１０２，１０２間で発生した自然ラマン散乱反射光Ｌｎｒが発振してしまう。

一方、図１２に示すような放射型のＦＢＧ１２２は一般にグレーティング長（グレーティング部の長さ）が長いという問題があった。特に、放射型のＦＢＧ１２２でＳＲＳを除去するための狭帯域フィルタを作製しようとすると、短周期型の２００倍程度の長さ、例えば２ｍ程度となり、ファイバレーザ用光ファイバは５ｍ程度の長さで使用されることもあるので、実質的には作製不可能であった。また、透過阻止ピークが多数存在するために、透過帯域での透過損失が大きくなるという問題があった。

また、図９に示すファイバレーザ９１において、レーザ光と共にＳＲＳが増幅されるのを防止するために、各光増幅部９５に前述したフィルタ部としてのＦＢＧをそれぞれ挿入することが考えられる。しかし、励振用ＦＢＧ９４，９４以外にさらに２個以上のＦＢＧを用いると、これらＦＢＧ間でＳＲＳが共振して発振し、レーザ光の出力が大幅に低下してしまう。

そこで、本発明の目的は、誘導ラマン散乱の発生を抑制し、高ビーム品質かつ高出力のファイバレーザを実現するファイバレーザ用光ファイバ及びファイバレーザを提供することにある。

前記目的を達成するために創案された本発明は、希土類元素が添加されたコアの周囲にクラッドが形成された光ファイバと、前記光ファイバの所定の位置に配置され、中空コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されたフォトニックバンドギャップファイバとからなり、前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバ内を伝搬するレーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有するファイバレーザ用光ファイバである。

前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光の波長から長波長側へ１３．２ＴＨｚ離れた波長が含まれないバンドギャップを有するとよい。

前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長に対して空孔率ｆが７５〜９０％であり、空孔間隔Λｂが０．５〜５μｍである複数の空孔を有するとよい。

前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバの長手方向の複数箇所に形成されているとよい。

前記フォトニックバンドギャップファイバは、５０ｃｍ以下の長さを有するとよい。

前記光ファイバは、前記コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されており、前記複数の空孔の空孔径ｄと空孔間隔Λとの関係ｄ／Λがｄ／Λ＜０．４４であるとよい。

前記光ファイバと前記フォトニックバンドギャップファイバとの全体の長さが、５ｍ以上３０ｍ以下であるとよい。

また本発明は、前記のファイバレーザ用光ファイバと、そのファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射させる励起用光源とを少なくとも備えるファイバレーザである。

前記ファイバレーザ用光ファイバの出射端に、さらにレーザ光を増幅する光増幅部が多段に接続されていてもよい。

本発明によれば、誘導ラマン散乱の発生を抑制し、高ビーム品質かつ高出力のファイバレーザを実現できる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

（ファイバレーザ）
まず、図５を用いて、本発明の好適な実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバを使用したファイバレーザを説明する。

図５に示すファイバレーザ５１は、光源を備えてレーザ光Ｌ１を出力するための光学部５２と、その光学部５２に接続されて光源を駆動する図示しないＬＤドライバなどの駆動装置とで主に構成され、例えば、図９に示すファイバレーザ９１における共振側として用いられる。

光学部５２は、後述する本実施形態に係るファイバレーザ用光ファイバ１と、そのファイバレーザ用光ファイバ１の両端部近傍（後述する両光結合部５６Ａ，５６Ｂよりも外側）にそれぞれ設けられる光源部５３Ａ，５３Ｂとからなる。

光源部５３Ａは、高出力の励起光を出射するための複数個の励起用光源５４と、これら励起用光源５４にそれぞれ接続された複数本の励起用光路５５と、これら励起用光路５５にそれぞれ光学的に接続され、各励起用光源５４からの出射光をファイバレーザ用光ファイバ１に光結合する光結合部５６Ａ，５６Ｂとからなる。

各励起用光源５４としては、安価な光伝送に適したマルチモードＬＤを用いる。本実施形態では、一例として、波長λｅ（９１５ｎｍあるいは９７５〜９８０ｎｍ）の励起光Ｌｅ１を出射するマルチモードＬＤを用いた。

各励起用光源５４は、光源部５３Ａ，５３Ｂごとに直列接続され、これらが前述した駆動装置に接続される。各励起用光路５５としては、マルチモード光ファイバや光導波路を用いる。光結合部５６Ａ，５６Ｂとしては、マルチカプラや励起コンバイナを用いる。

ファイバレーザ用光ファイバ１の両端部で、両光結合部５６Ａ，５６Ｂよりも内側には、ファイバレーザ用光ファイバ１へ入射した励起光Ｌｅ１を反射励振するための光反射部５７Ａ，５７Ｂが設けられる。本実施形態では、ファイバレーザ用光ファイバ１に、励起光波長に対しては透過し、発振光波長に対しては高い反射率を有するＦＢＧを２つ形成して、光反射部５７Ａ，５７Ｂとした。

光反射部５７Ｂ（ファイバレーザ用光ファイバ１のレーザ光Ｌ１の出射側）となるＦＢＧはレーザ光Ｌ１を透過するように、光反射部５７ＡとなるＦＢＧとは格子間隔を異ならせて形成される。

励起方式については、特に限定されるものではないが、ファイバレーザ５１では側面励起、端面励起のどちらでも採用することができる。

［第１の実施形態］
（ファイバレーザ用光ファイバ）
図１（ａ）は、本発明の好適な第１の実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバの概略図、図１（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図、図１（ｃ）は１Ｃ−１Ｃ線断面図、図１（ｄ）は１Ｄ−１Ｄ線断面図、図１（ｅ）は１Ｅ−１Ｅ線断面図である。

図１（ａ）〜図１（ｅ）に示すように、第１の実施形態に係るファイバレーザ用光ファイバ１は、所定の励起を行うことで発光する発光機能を有し、その発光した光を反射励振させることでレーザ発振媒体となるものである。

このファイバレーザ用光ファイバ１は、希土類元素が添加された中実のコア２と、コア２の周囲に形成されたクラッド３とからなる光ファイバ４を備える。

コア２は、純粋石英にＹｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄなどの希土類元素を微少量添加（ドープ）したものである。本実施形態では、励起光Ｌｅ１が波長λｅ（９１５ｎｍあるいは９７５〜９８０ｎｍ）であり、波長λｃ（１５３０〜１５６０ｎｍ）のレーザ光Ｌ１を出射させるために、希土類元素としてＹｂとＥｒを用いた。ＹｂとＥｒは、波長λｅの励起光Ｌの吸収と、波長λｃの光の増幅（誘導放出）とに適した希土類元素である。

クラッド３は、石英材料からなり、ポンピングガイドである内側の第１クラッド３１と、その外周に設けられ、石英材料からなる第２クラッド３２とで構成されるダブルクラッド型である。光ファイバ４（クラッド３）の外周には、ＵＶ硬化型樹脂などからなる被覆層５が設けられる。

さらに、ファイバレーザ用光ファイバ１は、光ファイバ４の光伝送路の途中に、非線形光学効果によって発生する誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を抑制するためのフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）６が配置されているものである。

このＰＢＦ６は、中空コア７と、その中空コア７の周囲に複数の空孔３３ｂが設けられたクラッド８とからなり、光ファイバ長手方向に沿って貫通する複数の空孔３３ｂがハニカム状（周期的）に配列してなるフォトニック結晶構造を形成する。

本実施形態では、光ファイバ４としてＰＣＦを用いた。具体的には、第１クラッド３１内に、光ファイバの長手方向に沿って貫通する空孔３３ｃを複数個ハニカム状（周期的）に配列してなるフォトニック結晶構造を有する。また、光ファイバ４がシングルモード条件を満足するように、空孔３３ｃの空孔径ｄと空孔間隔Λとで決定される構造パラメータｄ／Λが、ｄ／Λ＜０．４４となるようにした。

構造パラメータｄ／Λを、ｄ／Λ＜０．４４にすることにより、光ファイバ４におけるコア２の有効断面積を拡大することができるため、後述するＳＲＳの閾値（ＳＲＳが発生するしきい値）を高くすることができる。これにより、光ファイバ４の有効長（ファイバ有効長）を長くできるので、光ファイバ４の途中に設けられるＰＢＦ６の数を減らすことができ、光ファイバ４とＰＢＦ６との接続損失を低減して、高出力のレーザ光を発振することができる。本実施形態では、ＰＣＦを光ファイバ４に用いたが、光ファイバ４はこれに限定されるものではなく、例えば、空孔のない光ファイバでもよい。

ここで、ＳＲＳとは、媒質に光を入射したとき、入射光と入射光により生じる光学フォノン（結晶格子の光学的振動）との相互作用により生ずる散乱をいう。この散乱光は、ストークス散乱光と呼ばれる。ラマン散乱で発生するストークス光は前方散乱も後方散乱も同程度に観測される。

励起光とストークス光の関係は式（１）、（２）で示され、光ファイバ非線形閾値であるＳＲＳの閾値Ｐｔｈは、式（３）で示される。この閾値Ｐｔｈ未満のラマン散乱は、自然ラマン散乱であり、閾値Ｐｔｈ以上のラマン散乱がＳＲＳである。ファイバ有効長Ｌeffは、光ファイバに伝送損失がないものとしたときの光の伝送が可能な長さである。

式（３）より、励起光源の入力パワーを大きくしていくと、使用する帯域以外の帯域に散乱光が現れてしまうことがある。この現象は光ファイバレーザの出力に悪影響となる。さらに、式（３）より、ＳＲＳの発生閾値は、光ファイバのコアの有効断面積と比例し、ファイバ有効長と反比例することがわかる。

つまり、ＳＲＳを抑えるためには、できるだけ光ファイバの有効断面積を大きく、ファイバ有効長を短くする必要があり、ＳＲＳが発生する前に、ファイバ有効長よりも短い長さの光ファイバ（Ｌ＜Ｌeff）で発生したラマン散乱を除去すれば、ＳＲＳの発生を抑制できることがわかる。

ファイバレーザ用光ファイバ１は、光ファイバ４とＰＢＦ６との全体の長さＬｔが５ｍ以上、好ましくは１０ｍ以上、さらに好ましくは１０〜３０ｍであれば、出力が５ｋＷ以上、或いは１０ｋＷ以上のレーザ光の発振に有効である。長さＬｔが５ｍ未満の場合、ファイバレーザ用光ファイバ１内に発生する熱により、出力が低下したり、ファイバレーザ用光ファイバ１自体が破壊されてしまうおそれがある。長さＬｔが３０ｍを超えると、非線形光学効果が発生し易くなる。

この条件を満たす一例としては、図５の励起用光源５４として、波長９７７ｎｍ、出力６．５ｋＷのマルチモードＬＤを用いる場合、コア２の直径を５０μｍ、コア２に添加されたＹｂ濃度を５００〜１１００ｐｐｍ、Ｅｒ濃度を１００〜４００ｐｐｍにする条件が考えられるが、これに限定されるものではない。

ＰＢＦ６は、光ファイバ４がコア２とクラッド３の境界面で全反射によって光を伝送する光ファイバであるのに対し、クラッド８の周期構造でブラッグ反射によって中空コア７に光を伝送する光ファイバである。図１（ｄ）では、横断面が六角形状の中空コア７の例を示したが、横断面が円形状の中空コアを用いてもよい。

ＰＢＦ６の長さＬｂは、自然ラマン散乱光を除去するのに十分な長さであり、かつ高出力のレーザ光Ｌ１を効率よく生成するために、５０ｃｍ以下にするとよい。ＰＢＦ６の長さが長くなりすぎると、伝送損失が増加するおそれがある。

図１（ｂ）中のＬ１，Ｌ２は、所定の位置にＰＢＦ６を配置したときに、光ファイバ４が分割されて形成される各分割光ファイバ４ａ，４ｂの長さである。第１の実施形態では、図１（ｂ）における各分割光ファイバ４ａ，４ｂの長さＬ１，Ｌ２がそれぞれ約２ｍ５０ｃｍとなるように、光ファイバ４へ長さＬｂが約５０ｃｍのＰＢＦ６を挿入した。

ＰＢＦ６の空孔３３ｂの空孔径ｄｂは、光ファイバ４の空孔３３ｃの空孔径ｄと同じである。ＰＢＦ６のクラッド８に対する空孔率ｆと、空孔間隔Λｂとは、レーザ光Ｌ１の中心波長に応じて決定される。

より詳細には、空孔率ｆと、空孔間隔Λｂとは、１）ＰＢＦ６のバンド特性と透過光特性、２）ＰＢＦ６の基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係、３）ＰＢＦ６の空孔率と帯域幅の関係を考慮して決定される。

１）ＰＢＦ６のバンド特性と透過光特性；
ＰＢＦ６のバンド特性は、例えば、測定ファイバ長＝５ｍ、横断面がほぼ円形状（実際のコアは真円でないことによる）の中空コア７のコア径（長軸）ａ１＝８．８μｍ、コア径（短軸）ａ２＝８．３μｍ、空孔間隔Λｂ＝３．０μｍ、空孔率ｆ＝７５％のとき、図２（ａ）に示すようになる。図２（ａ）中の斜めの実線は、ＰＢＦ６の中空コア７（空気）内を光が伝送できる特性線２１ａであり、縦線で塗りつぶした領域がフォトニックバンドである。

図２（ａ）に示すように、一般にＰＢＦは、特性線２１ａとフォトニックバンドが交差する部分であるフォトニックバンドギャップを複数有する。これらのうち、中心波長が一番長い（特性線２１ａとフォトニックバンドが交差する部分が一番多く、帯域幅が最も広い）バンドが基本バンドギャップ（図２（ａ）中の（i））であり、周波数が高くなるにつれて２次、３次、４次バンドギャップ（図２（ａ）中の（ii）、（iii）、（iv））などの高次バンドギャップとなる。本実施形態では、ＰＢＦ６の基本バンドギャップを用いる。

図２（ａ）の関係を波長と強度の関係に換算すると図２（ｂ）のＰＢＦ６の透過光特性が得られる。図２（ｂ）に示すように、フォトニックバンドギャップはＰＢＦをほぼ伝送損失なく伝送できる光の透過窓である。例えば、レーザ光Ｌ１の中心波長λｃが約１５５０ｎｍである場合においては、帯域幅がもっとも広く、λ＝１６６０ｎｍ付近に自然ラマン散乱光のピーク（ラマンピーク）が現れることがわかる。波長で見ると、レーザ光Ｌ１の中心波長λｃとラマンピークの波長λの間隔は一定ではないが、周波数で見れば、通常、発振されたレーザ光Ｌ１の周波数からおよそ１３．２ＴＨｚだけ低い周波数のところで自然ラマン散乱光のピーク（ラマンピーク）が現れる。

また、ＰＢＦ６の最小伝送損失を測定したところ、測定ファイバ長＝１００ｍで光の波長が１５３０ｎｍのとき、２３０ｄＢ／ｋｍであった。

２）ＰＢＦ６の基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係；
ＰＢＦ６の基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係は、例えば、空孔率ｆ＝９０％のとき、図３に示すようになる。図３に示すように、空孔間隔Λｂを０．５〜５μｍの範囲で変えることによって、レーザ光Ｌ１の中心波長を０．６４〜２．１２μｍの範囲で変えることができ、中心波長帯域も徐々に広くシフトできることがわかる。空孔率ｆが９０％、空孔間隔Λｂが３．５μｍにすることで、レーザ光Ｌ１の中心波長が１．５μｍ付近となるＰＢＦ６を実現できる。

３）ＰＢＦ６の空孔率と帯域幅の関係；
ＰＢＦ６の空孔率と帯域幅の関係は、例えば、空孔間隔Λｂ＝３．０μｍのとき、図４に示すようになる。図４に示すように、２次バンドギャップなどの高次バンドギャップより基本バンドギャップの帯域幅が広いことがわかる。例えば、レーザ光Ｌ１の中心波長１．５μｍ付近で見ると、基本バンドギャップは、レーザ光Ｌ１の中心波長が１．５５μｍで帯域幅が０．３２μｍと広いのに対し、２次バンドギャップでは、レーザ光Ｌ１の中心波長が１．５０μｍで帯域幅が０．０５μｍと非常に狭い。また、基本バンドギャップは、空孔率ｆが高いほど、帯域幅が広く、レーザ光Ｌ１の中心波長が短波長側にシフトすることがわかる。したがって、基本バンドギャップにおいて、空孔率ｆを７５〜９０％の範囲で変えることによって、レーザ光Ｌ１の中心波長を１．９２〜１．２７μｍの範囲で変えることができ、中心波長帯域も徐々に広くシフトできることがわかる。

以上の１）〜３）を考慮し、本実施形態では、光ファイバ４内を伝搬するレーザ光Ｌ１の波長が含まれると共に、このレーザ光Ｌ１を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有するＰＢＦ６を光ファイバ４の所定の位置に配置した。

すなわち、ＰＢＦ６は、レーザ光Ｌ１の波長が含まれると共に、レーザ光Ｌ１の波長から長波長側へ１３．２ＴＨｚ離れた波長が含まれないバンドギャップを有する。ここで、レーザ光Ｌ１の波長が含まれると共に、レーザ光Ｌ１の波長から長波長側へ１３．２ＴＨｚ離れた波長が含まれないバンドギャップとするために、例えば、ＰＢＦ６に形成された複数の空孔を、レーザ光Ｌ１の波長に対して空孔率ｆが７５〜９０％、空孔間隔Λｂが０．５〜５μｍとなる範囲で選択する。

一例として、光ファイバ４を伝搬するレーザ光Ｌ１の波長が１５５０ｎｍ〜１５６０ｎｍである場合においては、空孔率ｆが９０％、空孔間隔Λｂが３．２〜３．３μｍからなる複数の空孔３３ｂをクラッド８に形成したＰＢＦ６を、光ファイバ４の所定の位置に配置した。

このとき、１５５０ｎｍ〜１５６０ｎｍの波長を有するレーザ光Ｌ１が光ファイバ４内を伝搬する際に、レーザ光Ｌ１の波長から長波長側へ１３．２ＴＨｚ離れた波長（約１６６０ｎｍ）でラマン散乱光Ｌｎｒが発生するが、ＰＢＦ６の空孔率ｆ、空孔間隔Λｂを上記のように選定することにより、ＰＢＦ６は、レーザ光Ｌ１の波長（１５５０ｎｍ〜１５６０ｎｍ）が含まれる一方で、レーザ光Ｌ１を伝搬する際に発生するラマン散乱光Ｌｎｒの波長（約１６６０ｎｍ）が含まれないバンドギャップを有することになる。

これにより、ＰＢＦ６においてレーザ光Ｌ１のみが透過し、自然ラマン散乱光Ｌｎｒが透過しないので、ＳＲＳの発生を抑制することができる。また、自然ラマン散乱光ＬｎｒがＰＢＦ６にて吸収されてしまうので、自然ラマン散乱光Ｌｎｒの発振を防止することができる。

（ファイバレーザ用光ファイバの製造方法）
ファイバレーザ用光ファイバ１の製造は、例えば、まず、ＭＣＶＤ法を用いて原料ガスと酸水素バーナにより、希土類元素を添加した細径石英棒と、その細径石英棒の周りにフォトニック結晶を構成するように配列される複数本の細径石英管と、これら細径石英棒、複数本の細径石英管を挿入する石英ジャケット管とを作製する。

石英ジャケット管内で細径石英棒と複数本の細径石英管とを配列し、石英ジャケット管の両端を封止し、酸水素バーナを用いて加熱することで、融着一体化して光ファイバ４となるＰＣＦ用プリフォームを作製する。この融着一体化したＰＣＦ用プリフォームを通常の光ファイバの線引き工程により、所定の外径に線引きし、同一ラインにてＵＶ硬化型樹脂を被覆すると、光ファイバ４が得られる。

一方、前述した細径石英棒に代えて大径の細径石英管を用い、ＰＢＦ６を同様にして作製する。光ファイバ４とＰＢＦ６を所定の長さにカットし、ＰＢＦ６の両端に光ファイバ４を融着すると、図１に示したファイバレーザ用光ファイバ１が得られる。

第１の実施形態の作用を、図５のファイバレーザ５１の動作と共に説明する。

駆動装置により各励起用光源５４を駆動すると、各励起用光源５４から励起光が出射され、光源部５３Ａ，５３Ｂ内の全励起用光源５４からの励起光が各光結合部５６Ａ，５６Ｂで光結合され、ファイバレーザ用光ファイバ１に両側方から励起光Ｌｅ１がそれぞれ入射される。

入射した励起光Ｌｅ１は、ファイバレーザ用光ファイバ１の内部で増幅され、さらに光反射部５７Ａ，５７Ｂがレーザ共振器の全反射鏡および出力鏡として働くことで、高出力のレーザ光Ｌ１が生成され、ファイバレーザ用光ファイバ１の出射端から出力される。

より詳細には、ファイバレーザ用光ファイバ１の一端部の第１クラッド３１内に集光した励起光Ｌｅ１は、第１クラッド３１中を第１クラッド３１と第２クラッド３２との境界で反射しながら伝搬し、反射によって励起光Ｌｅ１がコア２へ入射した際、コア２の希土類元素が励起される。励起された希土類元素からレーザ光が発振されてコア２を伝搬し、ファイバレーザ用光ファイバ１の他端から高出力のレーザ光Ｌ１が出射する。

レーザ光がコア２中を伝搬するとき、自然ラマン散乱光Ｌｎｒが発生する。ファイバレーザ用光ファイバ１では、光ファイバ４の光伝送路の途中に、レーザ光Ｌ１の中心波長に応じて、空孔率ｆを７５〜９０％の範囲で、かつ空孔間隔Λｂを０．５〜５μの範囲で適宜変更して設定したＰＢＦ６が配置されているため、ＰＢＦ６により、自然ラマン散乱光Ｌｎｒが除去され、各励起用光源５４側に戻る反射光はほとんどない。

ＰＢＦ６は、レーザ光Ｌ１の中心波長がＰＢＦ６のフォトニックバンドギャップ内で、ラマンピークの波長がバンドギャップ外なので、レーザ光Ｌ１のみを通過させ、自然ラマン散乱光Ｌｎｒを遮断するＳＲＳを抑制するためのフィルタ部、いわばバンドパスフィルタあるいはローパスフィルタの役目を果たす（図１（ｆ）のグラフ参照）。

したがって、ファイバレーザ用光ファイバ１によれば、自然ラマン散乱光ＬｎｒをＳＲＳまで成長させず、ＳＲＳを抑制することができ、コア径を拡大せずに、高ビーム品質かつ高出力の信頼性が高い全ファイバ型のファイバレーザ５１を実現できる。

よって、ファイバレーザ用光ファイバ１では、所望の中心波長（例えば、１５５０ｎｍ付近（１５３０〜１５６０ｎｍ：通信のＣバンド）の高出力ファイバレーザを簡単に実現できる。

光ファイバ４としては、通常のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）のコアに希土類元素を添加したものを用いてもよい。光ファイバ４としてＰＣＦのコアに希土類添加元素を添加したものを用いれば、ＳＭＦを用いる場合に比べて、より高出力のファイバレーザを得ることができ、また、ＰＢＦ６との光学的な接続が簡単になるという利点がある。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態を説明する。

図６に示すように、第２の実施形態に係るファイバレーザ用光ファイバ６１は、光ファイバ４の光伝送路の所定の位置に、ＰＢＦ６が多段（図６の例では、２段）に配置されているものである。

第２の実施形態では、図６において各分割光ファイバ４ａ〜４ｃの長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３がそれぞれ約３ｍ３３ｃｍとなるように、光ファイバ４へ長さＬｂが約５０ｃｍのＰＢＦ６を複数配置した。

前述した式（３）で説明したように、ファイバ有効長が長くなるほどＳＲＳが増大する。しかし、ファイバレーザ用光ファイバ６１では、所定の間隔ごとにＰＢＦ６が複数配置されていることにより、レーザ光の出力を高くするために、ファイバレーザ用光ファイバ６１の全長を長くしても、ＳＲＳの発生を抑制することができるので、さらなる高出力で信頼性の高い全ファイバ型のファイバレーザを実現できる。

各実施形態では、ＰＢＦと光ファイバとからなるファイバレーザ用光ファイバを共振側のファイバレーザに用いた例で説明したが、図９で説明した光増幅部９５のファイバレーザ用光ファイバに使用することもでき、これにより、各光増幅部９５の手前に反射光を除去する光アイソレータを挿入する必要がないため、ＳＲＳの発生を抑制できることに加え、レーザシステムを構築する部品点数が少なくなり、システムを低コスト化できると共に、小型化できる。

図１（ａ）は、本発明の好適な第１の実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバの概略図、図１（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図、図１（ｃ）は１Ｃ−１Ｃ線断面図、図１（ｄ）は１Ｄ−１Ｄ線断面図、図１（ｅ）は１Ｅ−１Ｅ線断面図、図１（ｆ）は、図１（ａ）のファイバレーザ用光ファイバに用いたＰＢＦの特性を示すグラフである。 図２（ａ）は本実施形態で用いるＰＢＦのバンド特性を示す図、図２（ｂ）はその透過光特性を示す図である。 本実施形態で用いるＰＢＦにおける基本バンドギャップの中心波長と空孔間隔の関係を示す図である。 本実施形態で用いるＰＢＦにおける空孔率と帯域幅の関係を示す図である。 図１に示したファイバレーザ用光ファイバを使用したファイバレーザの概略図である。 本発明の第２の実施形態を示すファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。 従来の一般的なファイバレーザ用光ファイバの概略図である。 ファイバ中の誘導ラマン散乱の一例を示す図である。 従来の放射型ＦＢＧを用いたＭＯＰＡ型ファイバレーザの概略図である。 従来の反射型ＦＢＧを用いたファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。 従来の反射型ＦＢＧを用いたファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。 従来の放射型ＦＢＧを用いたファイバレーザ用光ファイバの縦断面図である。

符号の説明

１ ファイバレーザ用光ファイバ
２ 希土類元素が添加されたコア
３ クラッド
４ 光ファイバ
６ ＰＢＦ
７ 中空コア
８ クラッド
３３ｂ 空孔
Ｌｅ１ 励起光
Ｌ１ レーザ光
ｆ 空孔率
Λｂ 空孔間隔

Claims (9)

1. 希土類元素が添加されたコアの周囲にクラッドが形成された光ファイバと、
   前記光ファイバの所定の位置に配置され、中空コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されたフォトニックバンドギャップファイバとからなり、
   前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバ内を伝搬するレーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光を伝搬する際に発生するラマン散乱光の波長が含まれないバンドギャップを有することを特徴とするファイバレーザ用ファイバ。
2. 前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長が含まれると共に、前記レーザ光の波長から長波長側へ１３．２ＴＨｚ離れた波長が含まれないバンドギャップを有する請求項１に記載のファイバレーザ用ファイバ。
3. 前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記レーザ光の波長に対して空孔率ｆが７５〜９０％であり、空孔間隔Λｂが０．５〜５μｍである複数の空孔を有する請求項１又は２に記載のファイバレーザ用光ファイバ。
4. 前記フォトニックバンドギャップファイバは、前記光ファイバの長手方向の複数箇所に形成されている請求項１〜３のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
5. 前記フォトニックバンドギャップファイバは、５０ｃｍ以下の長さを有する請求項１〜４のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
6. 前記光ファイバは、前記コアの周囲に複数の空孔を有するクラッドが形成されており、前記複数の空孔の空孔径ｄと空孔間隔Λとの関係ｄ／Λがｄ／Λ＜０．４４である請求項１〜５のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
7. 前記光ファイバと前記フォトニックバンドギャップファイバとの全体の長さが、５ｍ以上３０ｍ以下である請求項１〜６のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバと、そのファイバレーザ用光ファイバに励起光を入射させる励起用光源とを少なくとも備えることを特徴とするファイバレーザ。
9. 前記ファイバレーザ用光ファイバの出射端に、さらにレーザ光を増幅する光増幅部が多段に接続されている請求項８に記載のファイバレーザ。

Images