JP2017152517A - イッテルビウム添加光ファイバおよびその製造方法、ならびにファイバレーザ装置 - Google Patents

イッテルビウム添加光ファイバおよびその製造方法、ならびにファイバレーザ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】フォトダークニングを抑制するとともに、コアの屈折率上昇を小さくして非線形光学効果を抑える。【解決手段】水素が添加されたガラス部1と、ガラス部1内の水素が外部に放出されるのを抑止する水素放出抑止構造2とを備えたイッテルビウム添加光ファイバ10を提供する。ガラス部1はイッテルビウム(Yb)が添加されたコア4とガラスクラッド5とを有する。水素放出抑止構造2は、イッテルビウム添加光ファイバ10の通常使用時の温度条件において水素非透過性とされ、ガラス部1を囲んで設けられている。【選択図】図1

Description

本発明は、イッテルビウム添加光ファイバおよびその製造方法、ならびにファイバレーザ装置に関する。
ファイバレーザ装置などには、光増幅媒体として、イッテルビウム(Yb)添加光ファイバ(以下「Yb添加光ファイバ」という)が用いられる。
Yb添加光ファイバを用いたファイバレーザにおける課題の1つとして、フォトダークニングの抑制がある。フォトダークニングとは、Yb添加光ファイバに励起光を照射した際に、レーザ出力が経時的に低下する現象である(例えば、特許文献1参照)。フォトダークニングは、希土類添加光ファイバの中でも特にYb添加光ファイバにおいて問題となりやすい。
フォトダークニングによる経時的な出力低下は、Ybの濃度が高くなるほど顕著になる。フォトダークニング現象を抑制するためには、Al(アルミニウム)、P(リン)を共添加することが有効であることが知られている。
光増幅媒体としての増幅効率上昇のためにYbを高濃度に添加する場合、フォトダークニングを所定レベル以下に抑制するためには、Al、Pを高濃度に添加する必要がある。
特開2010−123791号公報
Al、Pを光ファイバに高濃度に添加すると、光ファイバのコアの屈折率は高くなる。ファイバレーザ装置などに使用される光増幅用光ファイバは、シングルモード伝搬または少数モード伝搬の条件下で使用されることが一般的であるため、コアの屈折率が高くなった場合、コア径を小さくしなければならない。
しかしながら、コア径を小さくすると、光ファイバの有効コア断面積(Aeff)を大きくすることができなくなり、伝搬する光のパワー密度が高くなって、非線形光学効果を抑制できなくなるという問題があった。
また、特許文献1に記載の技術では、フォトダークニングの抑制効果が充分ではない場合があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、フォトダークニングを抑制するとともに、コアの屈折率上昇を小さくして非線形光学効果を抑えることができるYb添加光ファイバおよびその製造方法、ならびにファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、イッテルビウム添加光ファイバであって、水素が添加されたガラス部と、前記ガラス部内の前記水素が外部に放出されるのを抑止する水素放出抑止構造とを備え、前記ガラス部は、イッテルビウムが添加されたコアと前記コアを囲むガラスクラッドとを有し、前記水素放出抑止構造は、前記イッテルビウム添加光ファイバの通常使用時の温度条件において水素非透過性とされ、前記ガラス部を囲んで設けられているイッテルビウム添加光ファイバを提供する。
前記水素放出抑止構造は、前記ガラス部の外周に形成された水素放出抑止層であり、前記水素放出抑止層は、カーボン材料からなるカーボン層であることが好ましい。
本発明の一態様は、前記水素放出抑止層の外周に、樹脂保護被覆層が設けられている構成を採用してもよい。
前記通常使用時の温度条件は、0〜100℃であることが好ましい。
本発明の一態様は、イッテルビウム添加光ファイバを製造する方法であって、イッテルビウムが添加された光ファイバ母材を溶融線引きして、イッテルビウムを含むコアと前記コアを囲むガラスクラッドとを有するガラス部を作製する工程と、前記イッテルビウム添加光ファイバの通常使用時の温度条件において水素非透過性を有する水素放出抑止構造を、前記ガラス部を囲むように設ける工程と、前記通常使用時の温度条件よりも高温の条件下で、前記水素放出抑止構造の外側から、水素を、前記水素放出抑止構造を透過させて前記ガラス部に添加する工程と、を有するイッテルビウム添加光ファイバの製造方法を提供する。
前記通常使用時の温度条件は、0〜100℃であることが好ましい。
本発明の一態様は、励起用光源と、前記励起用光源からのレーザ光を共振させる光共振器と、を備え、前記光共振器は、光増幅用光ファイバが巻回された構成を有する光増幅用コイルと、前記レーザ光を反射させる第1の反射部と、前記第1の反射部の反射率よりも低い反射率を有し、前記レーザ光を反射させる第2の反射部と、を備え、前記光増幅用光ファイバとして、前記イッテルビウム添加光ファイバが用いられているファイバレーザ装置を提供する。
前記通常使用時の温度条件は、0〜100℃であることが好ましい。
本発明の一態様によれば、水素放出抑止構造によって、ガラス部内の水素が外部に放出されるのを抑止するため、ガラス部に添加された水素を、長期間にわたってガラス部に閉じ込めておくことができる。よって、長期間にわたってフォトダークニングを抑制することができる。
これにより、P、Al等の共ドーパントを高濃度に添加する必要がなくなるため、コアの屈折率を低く設定することができる。従って、有効コア断面積(Aeff)を大きくでき、非線形光学効果を抑制することができる。
本発明の実施形態のYb添加光ファイバを示す断面図である。 図1に示すYb添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置の概略構成を示す図である。 本発明の他の実施形態のYb添加光ファイバを示す断面図である。 本発明の他の実施形態のYb添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置を示す断面図である。
[イッテルビウム添加光ファイバ]
図1は、本発明に係るイッテルビウム添加光ファイバ(以下「Yb添加光ファイバ」という)の一実施形態であるYb添加光ファイバ10を模式的に示す断面図である。
Yb添加光ファイバ10は、ガラス部1と、ガラス部1の外周面1aに形成された水素放出抑止層2(水素放出抑止構造)と、水素放出抑止層2の外周面2aに形成された樹脂保護被覆層3と、を有する。
ガラス部1は、コア4と、コア4を囲むガラスクラッド5とを有する。ガラス部1は、例えば石英ガラスからなる。
コア4は、イッテルビウム(Yb)を含有する。コア4のYb濃度は、例えば0.5質量%以上(例えば0.5〜3質量%)とすることができる。コア4には、Yb以外に、必要に応じてAl、Pなどを添加することもできる。
ガラス部1には、水素が添加される。ガラス部1における水素の濃度(水素分子のmol濃度)は、例えば1×10−6mol%以上とすることができる。これによって、フォトダークニングを抑制する効果を高めることができる。ガラス部1における水素の濃度は、例えば1×10−6mol%〜1×10−4mol%とすることができる。
水素放出抑止層2は、カーボン材料からなるカーボン層であることが好ましい。
水素放出抑止層2は、ガラス部1を全周にわたって覆っており、ガラス部1を囲んで形成されている。水素放出抑止層2は、気密封止構造(ハーメチック構造)を有する。水素放出抑止層2は、Yb添加光ファイバ10の通常使用時(例えば図2に示すファイバレーザ装置100の光増幅用光ファイバ16として使用するとき)に、ガラス部1の水素が外部に放出されるのを抑止する。
水素放出抑止層2は、Yb添加光ファイバ10の通常使用時の温度条件において、水素を透過しない性質(水素非透過性)を有する。通常使用時の温度条件とは、例えば0〜100℃であり、多くの場合は10〜50℃である。水素放出抑止層2は、通常使用時の温度の上限である100℃、あるいは50℃で水素を透過しない性質(水素非透過性)を有することが好ましい。
水素放出抑止層2(カーボン層)の厚みは、水素放出抑止層2が充分な水素非透過性を示すように選択される。水素放出抑止層2の厚みは、例えば0.01μm以上(例えば0.01〜10μm)とすることができる。
水素放出抑止層2は、薄すぎれば水素が透過しやすくなるが、水素放出抑止層2の厚みを前記範囲とすることによって、通常使用時に水素が透過しにくくなる。水素放出抑止層2は、厚すぎれば、製造時においてガラス部1への水素添加の効率が低くなるが、水素放出抑止層2の厚みを前記範囲とすることによって、ガラス部1への水素添加の効率を高めることができる。
なお、水素放出抑止層2の材料としては、金属材料(例えばCu、Al、Cr、Niなど)を用いてもよいが、ガラス部1への水素添加が容易である点で、カーボン材料が好ましい。
水素放出抑止層2(カーボン層)は、CVD法などによりガラス部1の外周面1aにカーボン材料を堆積させることによりガラス部1の外周面1aに形成することができる。
水素放出抑止層2は、例えば、ガラス部1を収容した反応管に炭化水素系原料ガスを導入し、前記炭化水素系原料ガスに由来するカーボン材料をガラス部1の表面に堆積させることにより形成することができる。
樹脂保護被覆層3の材料としては、特に限定されないが、例えば、ウレタンアクリレート樹脂、フッ素樹脂、フッ化アクリレート樹脂等が挙げられる。樹脂保護被覆層3の材料としては、紫外線硬化型樹脂または熱硬化型樹脂を使用できる。
[ファイバレーザ装置]
図2は、本発明に係るファイバレーザ装置の一実施形態であって、Yb添加光ファイバ10を光増幅用光ファイバ16として用いたファイバレーザ装置100の概略構成を示す図である。
ファイバレーザ装置100は、励起用光源11と、光コンバイナー12と、光共振器13と、入力側光ファイバ14と、出力側光ファイバ15と、を備えている。
光共振器13は、光増幅用光ファイバ16が巻回された光増幅用コイル17と、第1の反射部18と、第2の反射部19と、を備えている。
光増幅用光ファイバ16としては、図1に示すYb添加光ファイバ10が用いられる。
光増幅用光ファイバ16の一端には入力側光ファイバ14が接続され、光増幅用光ファイバ16の他端には出力側光ファイバ15が接続されている。第1の反射部18は入力側光ファイバ14に設けられ、第2の反射部19は出力側光ファイバ15に設けられている。
励起用光源11は、複数のレーザダイオード21で構成され、励起光を射出する。レーザダイオード21としては、例えばGaAs系半導体を材料とするファブリペロー型半導体レーザが用いられる。
レーザダイオード21から出射される励起光は、光ファイバ22を通って光コンバイナー12に達する。光コンバイナー12は、複数のレーザダイオード21から射出される複数の励起光を結合させる。
第1の反射部18および第2の反射部19は、ファイバブラッググレーティング(FBG:Fiber Bragg Grating)で構成されている。FBGは、コアの長手方向(光伝播方向)に周期的に屈折率が変化する部位(グレーティング)を形成した反射器である。FBGは、グレーティング周期に対応した特定の波長の光のみを反射させる。
第2の反射部19の反射率は、第1の反射部18の反射率よりも低い。第2の反射部19の反射率は、例えば90%以上が好ましく、99%以上がより好ましい。例えば第1の反射部18の反射率は、例えば5〜50%が好ましく、5〜10%がより好ましい。
第1の反射部18は、光増幅用光ファイバ16を伝播するレーザ光を反射させる。第2の反射部19は、光増幅用光ファイバ16を伝播するレーザ光の一部を反射させる。レーザ光は、第1の反射部18と第2の反射部19との間で共振し、増幅される。
励起用光源11から発せられる光の波長は910〜980nmであることが好ましい。
[Yb添加光ファイバの製造方法]
図1に示すYb添加光ファイバ10を製造する場合を例として、本発明のYb添加光ファイバの製造方法の一実施形態について説明する。
(光ファイバ母材の作製工程)
コア部にYbを添加した光ファイバ母材(Yb添加光ファイバ母材)を公知の方法で作製する。
(紡糸工程)
線引き炉内にYb添加光ファイバ母材を入れて加熱溶融させ、紡糸によりガラス部1を得る。この際、外径測定器でガラス部1の外径を測定し、測定値に基づいて線引き速度等を制御することによって、ガラス部1の外径を所定範囲に調整してもよい。
(水素放出抑止層の形成工程)
ガラス部1を、反応管加熱炉で加熱されている熱CVD反応管の中を通過させる。熱CVD反応管内には、アセチレン(C)、エチレン(C)などの炭化水素系原料ガスと、He、Ar、Nなどの希釈ガスと、キャリアガスとを、バブラを介して、マスフローコントローラで流量調整しながら導入する。
これにより、ガラス部1の外周面1aに、炭化水素系原料ガスに由来するカーボン材料からなる水素放出抑止層2(カーボン層)を形成する。以下、水素放出抑止層2を形成したガラス部1を「光ファイバ中間体」という。
(水素添加工程)
光ファイバ中間体を水素含有ガス雰囲気中に置く。光ファイバ中間体を水素含有ガス雰囲気中に置くには、例えば、光ファイバ中間体をリール等に巻き取り、水素含有ガスで満たした圧力容器の内部に装填する方法をとることができる。
水素含有ガスとしては、100%の水素ガス(Hガス、Dガス=重水素ガス)を用いてもよいし、水素ガスをAr等の不活性ガスで希釈した混合ガスを用いてもよい。
圧力容器内の温度条件は、Yb添加光ファイバ10の通常使用時(例えば図2に示すファイバレーザ装置100の光増幅用光ファイバ16として使用するとき)の温度条件よりも高温に設定する。
この温度条件は、常温より高い温度が好ましく、例えば100℃を超え、800℃以下とすることができる。
圧力容器内の温度が100℃を超えることによって、水素の拡散係数が大きくなるため、水素を充分な濃度でガラス部1に添加することができる。また、圧力容器内の温度を800℃以下とすることによって、ガラス部1および水素放出抑止層2が熱により破損するのを回避できる。
圧力容器内の圧力条件は、例えば1〜2000kgf/cm(98.1kPa〜196.1MPa)の範囲とすることができる。圧力容器内の圧力を1kgf/cm以上(98.1kPa以上)とすることで、水素を充分な濃度でガラス部1に添加することができる。また、圧力容器内の圧力は、2000kgf/cm以下(196.1MPa以下)であると、圧力容器の構造を簡略にできるため、製造コストを抑えることができる。
光ファイバ中間体を圧力容器中で水素含有ガス雰囲気中に置くことによって、水素放出抑止層2の外側から、水素を拡散により水素放出抑止層2を透過させてガラス部1に添加する。
圧力容器内の温度および圧力をそれぞれ常温、常圧とした後、圧力容器から光ファイバ中間体を取り出す。
(樹脂保護被覆層の形成工程)
光ファイバ中間体の水素放出抑止層2の外周面2aに、被覆材を塗布した後、紫外線照射、加熱などにより被覆材を硬化させて樹脂保護被覆層3を形成する。
以上の工程により、図1に示すYb添加光ファイバ10を得る。
Yb添加光ファイバ10は、ガラス部1の外周面1aに水素放出抑止層2が設けられている。水素放出抑止層2は、Yb添加光ファイバ10の通常使用時(例えば図2に示すファイバレーザ装置100の光増幅用光ファイバ16として使用するとき)の条件において、ガラス部1内の水素が外部に放出されるのを抑止する。
そのため、ガラス部1に添加された水素を、長期間にわたってガラス部1に閉じ込めておくことができる。よって、フォトダークニングを抑制することができる。
これにより、P、Al等の共ドーパントを高濃度に添加する必要がなくなるため、コアの屈折率を低く設定することができる。従って、有効コア断面積(Aeff)を大きくでき、非線形光学効果を抑制することができる。
水素の添加によってフォトダークニングを抑制できる理由については、次のように考えられている。
光ファイバのコアに添加されたYbはクラスタリングを生じ、複数のイオンが非常に近い距離にある状態となる。そこに励起光が照射されると、Ybイオンは励起光を吸収するが、複数個のイオンが近接して存在するため複数の光子が吸収され、局所的に高いエネルギーが蓄えられた状態となる。この吸収されたエネルギーによってその付近にあるガラスを構成する原子間の結合が切断されて欠陥が生じ、損失増加の原因となる。
結合が切断された部分に水素分子が達すると、水素分子はこの部分に水素イオンとなって結合し、欠陥を終端する。終端された欠陥は、再度励起光が照射されても、何ら影響は受けなくなるため、損失増加が生じなくなる。
以上、本発明のYb添加光ファイバおよびその製造方法、ならびにファイバレーザ装置について説明してきたが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、図1に示すYb添加光ファイバ10は、水素放出抑止層2の外周面2aに樹脂保護被覆層3が形成されているが、図3に示すYb添加光ファイバ20のように、樹脂保護被覆層3がない構成も可能である。このYb添加光ファイバ20は、樹脂保護被覆層3がないこと以外はYb添加光ファイバ10と同様の構成である。
また、Yb添加光ファイバは、ガラス部の外周面に樹脂保護被覆層が形成され、この樹脂保護被覆層の外周面に水素放出抑止層が形成された構造であってもよい。
前述のYb添加光ファイバの製造方法では、ガラス部1の外周面1aに水素放出抑止層2を形成した後にガラス部1に水素を添加したが、これに限らず、ガラス部1に水素を添加した後に、ガラス部1の外周面1aに水素放出抑止層2を形成してもよい。
図1に示すYb添加光ファイバ10は、水素放出抑止構造として水素放出抑止層2を用いているが、水素放出抑止構造は、Yb添加光ファイバの通常使用時の温度条件においてガラス部内の水素が外部に放出されるのを抑止することができる構造であればよく、例えば図4に示す構造を採用してもよい。
図4に示すファイバレーザ装置200では、光共振器113の光増幅用光ファイバ116として、Yb添加光ファイバ110が用いられている。Yb添加光ファイバ110は、水素放出抑止層2に代えて水素放出抑止機構102を用いている点で、図1に示すYb添加光ファイバ10と異なる。光増幅用コイル117は、Yb添加光ファイバ110のガラス部1で構成されている。
水素放出抑止機構102は、Yb添加光ファイバ110の通常使用時の温度条件において水素非透過性の材料(カーボン材料、金属など)からなる箱体であって、光増幅用光ファイバ116を気密に囲んでいる。水素放出抑止機構102は、気密封止構造(ハーメチック構造)を有する。水素放出抑止機構102は、ガラス部1を気密に囲んでいる。
Yb添加光ファイバ110では、水素放出抑止機構102によってガラス部1内の水素が外部に放出されるのを抑止するため、ガラス部1に添加された水素をガラス部1に閉じ込めておくことができる。よって、フォトダークニングを抑制することができる。
(実施例1)
図1に示すYb添加光ファイバ10を、次のようにして作製した。
Yb添加光ファイバ母材を作製し、これを線引き炉内で加熱溶融させ、線引きによりガラス部1を得た(光ファイバ母材の作製工程、紡糸工程)。
ガラス部1を、反応管加熱炉で加熱されている熱CVD反応管の中を通過させた。熱CVD反応管内には、アセチレン(炭化水素系原料ガス)と、He(希釈ガス)と、キャリアガスとを、マスフローコントローラで流量調整しながら導入した。
これにより、ガラス部1の外周面1aに、炭化水素系原料ガスに由来するカーボン材料からなる水素放出抑止層2(カーボン層)を形成し、光ファイバ中間体を得た(水素放出抑止層の形成工程)。
光ファイバ中間体をリールに巻き取り、水素ガスで満たした圧力容器の内部に装填することによって、光ファイバ中間体を水素ガス雰囲気中に置いた。圧力容器内の温度は、Yb添加光ファイバ10の通常使用時の温度(0〜100℃)よりも高温である200℃とした。圧力容器内の圧力は、1.03kgf/cm(101kPa)とした。これにより、水素をガラス部1に添加した(水素添加工程)。
光ファイバ中間体の水素放出抑止層2の外周面2aに被覆材を塗布した後、被覆材を硬化させて樹脂保護被覆層3を形成した(樹脂保護被覆層の形成工程)。
以上の工程により、図1に示すYb添加光ファイバ10を得た。
Yb添加光ファイバ10に、波長976nm、パワー400mWの励起光を100分間入射した後に、フォトダークニング量を評価した。フォトダークニング量は、波長800nmにおける透過損失の増加量(dB)と定義した。
Yb添加光ファイバ10は、製造後3ヶ月、常温保存後においても、フォトダークニング量が0.5dB以下と低かったことから、フォトダークニング特性に優れていたことが確認された。
1・・・ガラス部、2・・・水素放出抑止層(水素放出抑止構造)、3・・・樹脂保護被覆層、4・・・コア、5・・・ガラスクラッド、11・・・励起用光源、13,113・・・光共振器、16,116・・・光増幅用光ファイバ、10,110・・・Yb添加光ファイバ、18・・・第1の反射部、19・・・第2の反射部、100,200・・・ファイバレーザ装置、102・・・水素放出抑止機構(水素放出抑止構造)。

Claims (8)

  1. イッテルビウム添加光ファイバであって、
    水素が添加されたガラス部と、前記ガラス部内の前記水素が外部に放出されるのを抑止する水素放出抑止構造とを備え、
    前記ガラス部は、イッテルビウムが添加されたコアと前記コアを囲むガラスクラッドとを有し、
    前記水素放出抑止構造は、前記イッテルビウム添加光ファイバの通常使用時の温度条件において水素非透過性とされ、前記ガラス部を囲んで設けられているイッテルビウム添加光ファイバ。
  2. 前記水素放出抑止構造は、前記ガラス部の外周に形成された水素放出抑止層であり、
    前記水素放出抑止層は、カーボン材料からなるカーボン層である請求項1に記載のイッテルビウム添加光ファイバ。
  3. 前記水素放出抑止層の外周に、樹脂保護被覆層が設けられている請求項2に記載のイッテルビウム添加光ファイバ。
  4. 前記通常使用時の温度条件が0〜100℃であることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載のイッテルビウム添加光ファイバ。
  5. イッテルビウム添加光ファイバを製造する方法であって、
    イッテルビウムが添加された光ファイバ母材を溶融線引きして、イッテルビウムを含むコアと前記コアを囲むガラスクラッドとを有するガラス部を作製する工程と、
    前記イッテルビウム添加光ファイバの通常使用時の温度条件において水素非透過性を有する水素放出抑止構造を、前記ガラス部を囲むように設ける工程と、
    前記通常使用時の温度条件よりも高温の条件下で、前記水素放出抑止構造の外側から、水素を、前記水素放出抑止構造を透過させて前記ガラス部に添加する工程と、を有するイッテルビウム添加光ファイバの製造方法。
  6. 前記通常使用時の温度条件が0〜100℃であることを特徴とする請求項5に記載のイッテルビウム添加光ファイバの製造方法。
  7. 励起用光源と、前記励起用光源からのレーザ光を共振させる光共振器と、を備え、
    前記光共振器は、光増幅用光ファイバが巻回された構成を有する光増幅用コイルと、前記レーザ光を反射させる第1の反射部と、前記第1の反射部の反射率よりも低い反射率を有し、前記レーザ光を反射させる第2の反射部と、を備え、
    前記光増幅用光ファイバとして、請求項1〜3のいずれか1項に記載のイッテルビウム添加光ファイバが用いられているファイバレーザ装置。
  8. 前記通常使用時の温度条件が0〜100℃であることを特徴とする請求項7に記載のファイバレーザ装置。
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