JP2017181777A - 透明光学材料の改質方法、光デバイス、光デバイスの製造方法、及び光デバイスの製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】希土類元素が添加された透明光学材料を高屈折率化する新たな改質方法を提供する。希土類元素が添加された透明光学材料内に当該透明光学材料より屈折率が高い高屈折率領域が形成された光デバイスを提供する。この光デバイスを製造する製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】希土類元素が添加された透明光学材料に、超短パルスレーザ光を照射して、照射部分の透明光学材料を高屈折率化する。この改質方法を用いて、希土類元素が添加された透明光学材料内に、当該透明光学材料より屈折率が高い高屈折率領域が周期的に設けられた光デバイスを作製する。【選択図】図３

Description

本発明は、透明光学材料の改質方法、光デバイス、光デバイスの製造方法、及び光デバイスの製造装置に関する。

レーザ加工技術の分野では、超短パルス光の利用により透明な光学材料を加工できるようになった。一般に、レーザ光の波長に対して透明な材料にレーザ光を照射する場合、その波長のレーザ光が材料に吸収されないために材料の加工は実現できない。しかしながら、超短パルス光のように尖頭値の非常に高いレーザ光を照射すると、多光子吸収という非線形現象のため、材料に吸収が生じ加工が可能となる。このとき、照射エネルギー密度により、以下に示す４種類の改質が可能となると報告されている(非特許文献１)。

１）カラーセンターの形成や特定イオンの酸化還元による着色
２）集光点近傍が瞬間的に高温、高圧状態となることで発生する圧力波の伝搬による高密度化（高屈折率化）
３）格子振動のエネルギーを熱蓄積、拡散させることで形成される局所溶解
４）オプティカルブレークダウンによるマイクロクラック（ボイド）の形成

この中で４）に示す改質を実現して、コア部に希土類元素が添加されたシングルモード光ファイバに対して、集光ビームをコア部の長さ方向に沿って順次移動して、Point-by-Point法でファイバブラックグレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）を作製したという報告がある(非特許文献２)。超短パルス光を用いたレーザ加工は、紫外光と位相マスク（或いは、二光束干渉露光）を用いたレーザ加工に比べて、コア部にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加しなくてもよいという利点がある(非特許文献２、３)。

また、特許文献１には、光誘起屈折率変化を起こすエネルギー量をもつレーザ光をガラス材料の内部に集光し、その集光点をガラス材料の内部の所定経路に沿って相対移動させてガラス材料の内部にコア部を形成する光導波路の製造方法において、前記レーザ光の強度、前記集光点におけるレーザ光の光束直径、および前記相対移動の速度の少なくとも一つを周期的に変化させることにより、前記コア部の長さ方向に周期的な屈折率変調領域を形成することを特徴とするグレーティング付き光導波路の製造方法が開示されている。

特開２００１−３２４６３４号公報

J.Qui, "External Electromagnetic Field Induced Electronic Structures and Novel Optical Functions of Rare-Earth-Ion-Doped Glasses," J.Ceram.Soc.Jpn 109(2),S25-S31(2001). N.Jovanovic, M.Aslund, A.Fuerbach, S.D.Jackson, G.D.Marshall, and M.J.Withford, "Narrow linewidth, 100 W cw Yb 3+-doped silica fiber laser with a point-by-point Bragg grating inscribed directly into the activecore," Optics letters 32 (19), 2804-2806（2007） 藤井朋子等、「フェムト秒レーザ加工による長周期ファイバグレーティング」フジクラ技法 105 (2003)

しかしながら、上記４）に示す改質では、照射部分にマイクロクラック（ボイド）が導入されて、屈折率が低下するばかりか、散乱によりＦＢＧとしての機能を損なうという問題があった。また、非特許文献２に記載のPoint-by-Point法は、シングルモード光ファイバに比べてコア径が大きいマルチモード光ファイバには適用できない。

また、非特許文献３に記載されているように、透明光学材料である石英に超短パルス光を照射すると、多光子吸収により照射部分の屈折率が高くなること（改質）は周知である。しかしながら、希土類元素が添加された石英に超短パルス光を照射して、照射部分を高屈折率化した例は無い。非特許文献２の報告例も、上記４）に示す改質（マイクロクラック（ボイド）の形成）によるものであり、高屈折率化は報告されていない。また、特許文献１に記載のガラス材料は、希土類元素を含んでいない。

本発明は上記事情に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、希土類元素が添加された透明光学材料を高屈折率化する新たな改質方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、希土類元素が添加された透明光学材料内に当該透明光学材料より屈折率が高い高屈折率領域が形成された光デバイスを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、本発明の光デバイスを製造する製造方法及び製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明（透明光学材料の改質方法）は、希土類元素が添加された透明光学材料に、超短パルスレーザ光を照射して、照射部分の透明光学材料を高屈折率化する、透明光学材料の改質方法である。

請求項７に記載の発明（光デバイス）は、希土類元素が添加された透明光学材料内に、当該透明光学材料より屈折率が高い高屈折率領域が周期的に設けられた、光デバイスである。

請求項１１に記載の発明（光デバイスの製造方法）は、本発明の光デバイスを製造する光デバイスの製造方法であって、前記透明光学材料内に周期的に配置された複数の位置で、前記透明光学材料に超短パルスレーザ光を照射して、前記透明光学材料より屈折率の高い高屈折率領域を形成する、光デバイスの製造方法である。

請求項２０に記載の発明（光デバイスの製造装置）は、本発明の光デバイスを製造する光デバイスの製造装置であって、超短パルスレーザ光のビームを照射する照射部と、被加工物を載せ置く載置台と、前記載置台に載せ置かれた前記透明光学材料内に周期的に配置された複数の位置で、前記超短パルスレーザ光のビームが前記透明光学材料を横切るように、前記載置台を前記超短パルスレーザ光のビームに対して相対移動させる駆動制御部と、を備えた光デバイスの製造装置である。

なお、本発明において「超短パルスレーザ光」とは、１０ピコ秒以下のパルス幅のピコ秒レーザ光またはフェムト秒レーザ光である。また、本発明において「透明」とは、改質または加工に用いるレーザ光の波長を吸収しないという意味である。

請求項１に記載の発明（透明光学材料の改質方法）によれば、希土類元素が添加された透明光学材料を高屈折率化する新たな改質方法が提供される。

請求項７に記載の発明（光デバイス）によれば、希土類元素が添加された透明光学材料内に当該透明光学材料より屈折率が高い高屈折率領域が形成された光デバイスが提供される。

請求項１１に記載の発明（光デバイスの製造方法）によれば、本発明の光ファイバ型デバイスを製造することができる。

請求項２０に記載の発明（光デバイスの製造装置）によれば、本発明の光ファイバ型デバイスを製造することができる。

（Ａ）〜（Ｃ）は光ファイバの端部に作製された周期構造の一例を示す模式図である。 レーザ加工装置の構成の一例を示す概略図である。 レーザ加工装置の加工動作の一例を示す概略図である。 集光光学系のビーム伝播特性を示す模式図である。 ファイバレーザ装置の構成の一例を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜ＦＢＧ構造を有する光ファイバ＞
まず、ＦＢＧ構造を有する光ファイバについて説明する。ＦＢＧ構造を有する光ファイバは、「希土類元素が添加された透明光学材料内に、当該透明光学材料より屈折率が高い高屈折率領域が周期的に設けられた光デバイス」の一例である。図１（Ａ）〜（Ｃ）は光ファイバの端部に作製された周期構造（ＦＢＧ構造）の一例を示す模式図である。

図１（Ａ）に示すように、光ファイバ２０は、コア部１０２とコア部１０２の周囲に形成されたクラッド部１０４とを有している。コア部１０２の屈折率はクラッド部１０４の屈折率よりも高く、コア部１０２に入射した光はコア部１０２内に閉じ込められて、全反射しながら光軸Ｌに沿って伝送される。

コア部１０２及びクラッド部１０４の各々は、母材が石英であり、石英は透明光学材料の一例である。そして、コア部１０２の石英には希土類元素が添加されている。希土類元素とは、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、及びランタノイド１５元素に対する総称である。光ファイバの添加物としては、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｎｄ（ネオジウム）などが用いられる。希土類元素はイオンの状態で添加される。なお、希土類元素は、Ｇｅ（ゲルマニウム）とは異なり、コア部の屈折率向上を目的として添加されるものではなく、添加しただけではコア部の屈折率を向上させる効果は小さい。

光ファイバ２０の一方の端部には、ＦＢＧ１８が設けられている。ＦＢＧ１８では、光ファイバ２０のコア部１０２に、コア部１０２より屈折率の高い高屈折率領域１０２Ｈが光ファイバ２０の光軸Ｌに沿って周期的に設けられている。したがって、ＦＢＧ１８では、コア部１０２と同じ屈折率の低屈折率領域１０２Ｌと、コア部１０２より屈折率の高い高屈折率領域１０２Ｈとが、光軸方向に沿って交互に配置される。ＦＢＧ１８は、光ファイバの光軸方向にコア部１０２の屈折率が周期的に変化する回折格子である。

図示した例では、ＦＢＧ１８を光共振器の一方のミラーとして用いるものとして、高屈折率領域１０２Ｈを一定のグレーティング周期（例えば、０．１μｍ〜０．３μｍ）で配置している。ＦＢＧ１８を他の用途に用いる場合、ＦＢＧ以外の光デバイスを作製する場合等には、高屈折率領域１０２Ｈを不定周期で配置してもよい。

図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（Ｂ）に示すように、本実施の形態では、高屈折率領域１０２Ｈの光軸Ｌと直交する断面において、コア部１０２の断面全体が高屈折率領域１０２Ｈである。即ち、ＦＢＧ１８は、複数の面状の高屈折率領域１０２Ｈが周期的に配置された面構造を有する。

光ファイバ２０がマルチモード光ファイバの場合、一般にシングルモード光ファイバよりコア径ｄｃが大きいため、コア部１０２の断面全体を高屈折率領域１０２Ｈにするのが難しい。しかしながら、コア部１０２の断面の一部を高屈折率領域１０２Ｈにしただけでは、漏れ光によりＦＢＧ１８のフィルタ特性や反射率が低下する。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、ＦＢＧ１８が周期的な面構造を有することにより、光ファイバ２０がマルチモード光ファイバの場合でも、ＦＢＧ１８に必要なフィルタ特性や反射率を実現できる。なお、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図１（Ｃ）に示すように、低屈折率領域１０２Ｌの光軸Ｌと直交する断面においては、コア部１０２の断面全体が低屈折率領域１０２Ｌである。

＜レーザ加工装置＞
次に、本実施の形態のレーザ加工装置について説明する。本実施の形態のレーザ加工装置は「光デバイスの製造装置」の一例であり、本実施の形態のレーザ加工装置の動作は「光デバイスの製造方法」の一例である。

図２はレーザ加工装置の構成の一例を示す概略図である。図２に示すように、レーザ加工装置１００は、光源部３０、フィルタ３２、シャッタ３４、反射鏡３６、対物レンズ３８、被加工物４０を載せ置く載置台４２、駆動装置４４、駆動装置４６、駆動装置４８、及び制御装置５０を備えている。

光源部３０の光出射側には、フィルタ３２、シャッタ３４、及び反射鏡３６が、光源部３０側から記載した順序で光路に沿って配置されている。反射鏡３６の光反射側には、対物レンズ３８、及び載置台４２が、反射鏡３６側から記載した順序で光路に沿って配置されている。光源部３０を駆動する駆動装置４４、シャッタ３４を駆動する駆動装置４６、及び載置台４２を駆動する駆動装置４８の各々は、制御装置５０に接続されている。

光源部３０は、超短パルスレーザ光を出射するレーザ光源を含み、レーザ光源から出射されたレーザ光を拡大し平行光化して出力する構成であればよい。超短パルスレーザ光を出射するレーザ光源としては、従来公知の超短パルスレーザ光源を使用できる。その具体的な構成等は特に限定されるものはない。光源部３０は、駆動装置４４を介して制御装置５０により駆動制御されている。

超短パルスレーザ光は、１０ピコ秒以下のパルス幅のピコ秒レーザ光またはフェムト秒レーザ光である。中でも、１００フェムト秒以上５ピコ秒以下の超短パルスレーザ光が好ましい。また、超短パルスレーザ光の波長は、特に制限は無いが、５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の範囲が好ましい。後述する通り、超短パルスレーザ光の波長は、添加される希土類元素の吸収波長に応じて選択される。

本実施の形態では、希土類元素の一例として、イッテルビウムの３価のイオン（Ｙｂ^３＋）を用いている。Ｙｂ^３＋は、波長９７７ｎｍに吸収ピークを有し、波長１０００ｎｍの超短パルスレーザ光を僅かに吸収する。そこで、超短パルスレーザ光として、フェムト秒レーザ装置から発振された、パルス幅５００フェムト秒、波長１０００ｎｍ、繰り返し周波数１０ｋＨｚ、平均出力５００ｍＷのレーザ光を用いる。光源から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダー（図示せず）で拡大され、コリメータレンズ（図示せず）で平行光化されて出力される。

フィルタ３２は、レーザ光の光強度を調整するフィルタである。フィルタ３２としては、ＮＤフィルタ等を用いてもよい。シャッタ３４は、レーザ光の光路に対して挿入及び退避が可能に構成された遮光部材である。シャッタ３４は、駆動装置４６を介して制御装置５０により駆動制御されて、光路に挿入された状態（閉状態）でレーザ光を遮断し、光路から退避した状態（開状態）でレーザ光を通過させる。これにより、レーザ光の照射回数（パルス数）が調整される。反射鏡３６は、入射したレーザ光を対物レンズ３８の方向に反射して、対物レンズ３８に入射させる。なお、レーザ光の光強度は制御装置５０により調整できるので、フィルタ３２は省略してもよい。

対物レンズ３８は、載置台４２上に載置された被加工物４０に対して、レーザ光を集光させるレンズである。本実施の形態では、被加工物４０は、光ファイバ２０（コア部に希土類元素が添加されたマルチモード光ファイバ）である。載置台４２は、三軸方向（ｘｙｚ方向、図３参照）に移動可能に構成されている。載置台４２は、駆動装置４８を介して制御装置５０により駆動制御されて、載置台４２上の被加工物４０と共に移動する。これにより、対物レンズ３８で集光された集光ビームＢの照射位置が調整される。

制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びメモリを備えたコンピュータで構成されている。また、コンピュータの周辺装置として、マウス、キーボード等の入力装置や、ディスプレイ等の表示装置を備えている。入力装置は、ユーザからの設定入力を受け付け、表示装置は、ユーザに情報を表示する。また、制御装置５０は、駆動装置４４を介して光源部３０を点灯又は消灯させ、駆動装置４６を介してシャッタ３４を開閉させ、駆動装置４８を介して載置台４２を移動させる。

（レーザ加工装置の動作）
次に、図２及び図３を参照して、光ファイバ２０の端部にＦＢＧ１８を形成する場合のレーザ加工装置１００の動作について説明する。図３はレーザ加工装置の加工動作の一例を示す概略図である。ここでは、超短パルスレーザ光を連続して複数回照射する場合について説明する。

制御装置５０は、駆動装置４４を介して光源部３０を点灯させ、駆動装置４６を介してシャッタ３４を開状態とする。光源部３０から平行光として出力された超短パルスレーザ光は、フィルタ３２を通過して光強度が調整され、反射鏡３６で反射されて、対物レンズ３８に入射する。対物レンズ３８に入射した超短パルスレーザ光は、対物レンズ３８により集光されて、集光ビームＢが被加工物４０である光ファイバ２０に照射される。

このとき、制御装置５０は、駆動装置４８を介して載置台４２を集光ビームＢに対して相対移動させる。具体的には、集光ビームＢの集光点が光ファイバ２０のコア部１０２内に位置するように、載置台４２を（図面のｚ方向に）移動する。また、光ファイバ２０の光軸方向（図面のｘ方向）の複数の位置で、集光ビームＢが光ファイバ２０のコア部１０２を（図面のｙ方向に）横切るように、載置台４２を移動させる。

（光ファイバコアの改質）
本実施の形態では、光ファイバ２０の光軸方向の複数の位置で、コア部１０２の断面全体に集光ビームＢを照射し、照射部分を高屈折率化して周期的な面構造を有するＦＢＧ１８を作製する。光ファイバ２０のコア部１０２及びクラッド部１０４は、母材が石英であり、「透明光学材料」の一例である。

一般に、石英等の透明光学材料は、レーザ光が材料に吸収されないため加工ができない。しかしながら、超短パルスレーザ光を照射すると、多光子吸収という非線形現象により、透明光学材料に吸収が生じ加工が可能となる。従来の加工では、被加工物に対し高い照射エネルギー密度で超短パルスレーザ光を照射して、オプティカルブレークダウン（光学破壊）によりマイクロクラック（ボイド）を形成するという改質を行っていた。

本発明者等は、透明光学材料として、コア部に希土類元素が添加された光ファイバ（母材は石英）を用い、コア部に対し従来よりも低い照射エネルギー密度で超短パルスレーザ光を照射することで、コア部の照射部分が高屈折率化することを見出したものである。コア部周辺のクラッド部にも超短パルスレーザ光が照射されるが、クラッド部は高屈折率化されていない。また、超短パルスレーザ光の照射部分では、透明光学材料及び希土類元素に熱変化は生じていない。

ここで、透明光学材料が熱変化しないとは、透明光学材料が光学破壊やアブレーションを起こさないことであり、希土類元素が熱変化しないとは、希土類元素のイオンの価数が変化しないことである。

本実施の形態では、母材である透明光学材料及び希土類元素が熱変化しない照射エネルギー密度で、超短パルスレーザ光を照射して屈折率変化を生じさせる。ここで「照射エネルギー密度」とは、レーザ光が集光された集光径における単位面積当たりの照射エネルギー（光量）のことであり、１ショットの超短パルスレーザ光で付与される照射エネルギーである。

即ち、上記の照射エネルギー密度は、希土類元素が添加された透明光学材料の改質を開始する照射エネルギー密度以上であり、透明光学材料が光学破壊やアブレーションを起こす照射エネルギー密度未満とされる。具体的には、透明光学材料に応じてその範囲が決められる。例えば、石英（ＳｉＯ_２）では、１．７Ｊ／ｃｍ^２以上２．９Ｊ／ｃｍ^２未満である。

なお、光ファイバのコア部の屈折率変化は、二光束干渉顕微鏡により測定することができる。また、母材の熱変化（光学破壊やアブレーション）は、光顕微鏡で散乱光を観察することにより検出される。また、希土類元素の熱変化（イオン価数変化）は、色変化を観察することにより検出される。例えば、Ｙｂ^３＋（３価）がＹｂ^２＋（２価）に変化すると、Ｙｂ^２＋が可視光を吸収して黒色化するので、目視で観察することができる。

上記の通り、希土類元素は、僅かではあるが、照射される超短パルスレーザ光の波長の光を吸収する。メカニズムは不明であるものの、希土類元素が超短パルスレーザ光を吸収することで、希土類元素が添加されたコア部が選択的に高屈折率化されたものと推測される。なお、希土類元素の種類により吸収する波長は異なるので、希土類元素の種類に応じて超短パルスレーザ光の波長を変更してもよい。

なお、超短パルスレーザ光を照射する前に、被加工物を予備加熱することにより、照射エネルギー密度を更に低減できる。また、超短パルスレーザ光を複数回照射することで、照射部分の屈折率をより高くすることができる。

（ビームのレイリー長の調整）
ここで、ビームの「レイリー長」の調整について説明する。図４は集光光学系のビーム伝播特性を示す模式図である。本実施の形態では、集光光学系として対物レンズ３８が配置されている。円形のガウス強度分布のレーザ光の場合、レーザ光を対物レンズ３８で集光するとビームＢは一旦絞られ，その後広がる。ビームＢが最小に絞られた位置がビームウエスト（集光点）であり、集光点でのビーム半径は「ω」、直径は「ｄ」である。なお、「θ」はビームの拡がり角を示す。

「レイリー長」とは、ビームウエストの半径「ω」に対してビームが「√２×ω」まで広がる光軸方向の距離である。一般に、レイリー長は「焦点深度」と称されている。集光点での光強度をピーク値とすると、レイリー長の範囲では、光強度がピーク値の５０％以上となる。したがって、レイリー長の範囲では、本実施の形態の「改質」に必要な光強度を得ることができる。

レイリー長「ｂ」は、集光点でのビーム半径「ω」、対物レンズ３８の焦点距離「ｆ」、レーザ光の波長「λ」、及び「Ｍ^２（Ｍスクエア値）」を用いて下記式（１）で表される。なお、Ｍスクエア値とは、ビームの伝搬状態が理想的なＴＥＭ００基本ガウシアンビームの場合に比べどれだけずれているかを示す値である。また、集光点でのビームの直径「ｄ」は、対物レンズ３８に入射するレーザ光の直径「Ｄ」を更に用いて下記式（２）で表される。

ｂ＝２πω^２／（λＭ^２） 式（１）
ｄ＝４λｆＭ^２／（πＤ） 式（２）

したがって、上記式（１）、式（２）より、レーザ光の波長λを一定とすると、対物レンズ３８の焦点距離ｆと、対物レンズ３８に入射するレーザ光の直径Ｄとを調整することで、レイリー長ｂを所望の長さにすることができる。本実施の形態では、レイリー長ｂをコア径以上の長さとする。例えば、光ファイバのコア径が２０μｍの場合は、レイリー長ｂは２０μｍ以上とする。なお、このレイリー長では、集光点でのビームの直径ｄは３〜４μｍとなる。

（ビーム走査）
図３に示した例では、コア径が２０μｍで外形が八角形の光ファイバ２０に対して、超短パルスレーザ光の集光ビームＢの集光点がコア部１０２内に位置している。超短パルスレーザ光の集光ビームＢを、起点である位置Ｐ_１からｙ方向に距離ｄｙだけ走査して位置Ｐ_２に到達する。次に、位置Ｐ_２からｘ方向に距離ｄｘだけ走査して位置Ｐ_３に到達する。次に、位置Ｐ_３から−ｙ方向に距離ｄｙだけ走査して位置Ｐ_４に到達する。次に、位置Ｐ_４からｘ方向に距離ｄｘだけ走査して位置Ｐ_５に到達する。次に、位置Ｐ_５からｙ方向に距離ｄｙだけ走査して位置Ｐ_６に到達する。なお、集光ビームＢの走査方法は一例であり、異なる方向、異なる順序で集光ビームＢを走査してもよい。

ｘ方向の走査距離ｄｘは、ＦＲＢ１８のグレーティング周期とする。本実施の形態では、距離ｄｘは３μｍである。また、ｙ方向または−ｙ方向の走査距離ｄｙは、コア径よりも広い幅とする。本実施の形態では、コア径が２０μｍであるため、例えば、２２μｍとすればよい。本実施の形態では、レイリー長ｂをコア径以上の長さとしたので、コア部の断面全体に超短パルスレーザ光を照射され、コア部の断面全体が高屈折率化される。これにより、上述した周期的な面構造を有するＦＲＢ１８が作製される。

＜ファイバレーザ装置＞
ここで、本発明の光デバイスの一例である「ＦＢＧ１８を有する光ファイバ２０」を「増幅用光ファイバ」として用いたファイバレーザ装置について説明する。ファイバレーザ装置では、光増幅器としてコア部に希土類元素が添加された希土類添加光ファイバが用いられている。近年、大容量の信号伝送のために、信号の多重化が可能なマルチモード光ファイバが主流化しており、希土類添加光ファイバとしてもマルチモード光ファイバが用いられる。

また、ファイバレーザ装置では、希土類添加光ファイバの両端には、光共振器を構成する一対のＦＢＧが設けられる。ＦＢＧの各々は、光ファイバの光軸方向にコア部の屈折率が周期的に変化する回折格子であり、ブラッグ波長の光を反射する。ファイバレーザ装置では、ＦＢＧのグレーティング周期は、発振波長がブラッグ波長となる周期とされている。

図５はファイバレーザ装置の構成の一例を示す概略図である。図５の説明では、光ファイバ２０を「増幅用光ファイバ２０」と称する。図５に示すように、ファイバレーザ装置１０は、複数の励起光源１４を含む励起光源部１２、光合波器１６、ＦＢＧ１８、増幅用光ファイバ２０、ＦＢＧ２２、及び出力側光ファイバ２４を備えている。なお、増幅用光ファイバ２０の一端にＦＢＧ１８が設けられると共に、増幅用光ファイバ２０の他端にＦＢＧ１８と同じ構造のＦＢＧ２２が設けられている。

光合波器１６は各励起光源１４に接続され、ＦＢＧ１８は光合波器１６に接続され、出力側光ファイバ２４はＦＢＧ２２に接続されている。図５から分かるように、励起光源１４、光合波器１６、ＦＢＧ１８、増幅用光ファイバ２０、ＦＢＧ２２、及び出力側光ファイバ２４の各々は、連続発振型（ＣＷ：Continuous Wave)のファイバレーザ装置を構成する。

複数の励起光源１４の各々は、図示しない駆動制御部により駆動制御されて、波長λｅの励起光を出力する。複数の励起光源１４としては、例えば、半導体レーザ（ＬＤ）を用いてもよい。励起光の波長λｅは、例えば、９１５ｎｍ、９７５ｎｍ〜９８０ｎｍとしてもよい。

光合波器１６は、複数の励起光源１４から出力された励起光を合波し、増幅用光ファイバ２０へ出力する。光合波器１６としては、例えば、先細りファイバ束（ＴＦＢ：Tapered Fiber Bundle）を用いてもよい。光合波器１６は、複数の励起光源１４から出力された波長λｅの励起光を合波し、増幅用光ファイバ２０へ出力する。

増幅用光ファイバ２０は、上記の通り、コア部にＹｂ^３＋が添加されたマルチモード光ファイバである。この場合、励起光の波長λｅを９１５ｎｍ、９７５ｎｍ〜９８０ｎｍとすると、発振光の波長λは、１０３０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲となる。

ＦＢＧ１８及びＦＢＧ２２の各々は、増幅用光ファイバ２０の光軸方向にコア部の屈折率が周期的に変化する回折格子である。ＦＢＧ１８及びＦＢＧ２２の各々は、この構造により、波長λｅの励起光を透過し、波長λの光を反射する。即ち、ＦＢＧ１８とＦＢＧ２２とは、波長λの光に対して増幅用光ファイバ２０を挟んで光ファイバ共振器を構成している。また、ＦＢＧ１８及びＦＢＧ２２の各々は、波長λ以外の光を透過するフィルタとして機能する。

出力側光ファイバ２４は、コア部に希土類元素が添加されていないこと以外は、増幅用光ファイバ２０と同様のマルチモード光ファイバで構成されている。

ここで、ファイバレーザ装置１０の動作を簡単に説明する。複数の励起光源１４の各々から波長λｅの励起光を出力する。光合波器１６は、各励起光源１４から出力された励起光を合波し、増幅用光ファイバ２０へ出力する。増幅用光ファイバ２０では、励起光によってコア部のＹｂ^３＋が光励起され、波長１０３０ｎｍ〜１１００ｎｍの帯域の光を発生する。発生した光は、増幅用光ファイバ２０の光増幅作用とＦＢＧ１８及びＦＢＧ２２によって構成される光共振器の作用とによって増幅されてレーザ発振する。発振したレーザ光Ｌは出力側光ファイバ２４から出力される。

＜その他の光デバイス＞
上記では、本発明の光デバイスの一例として「光ファイバ」について説明したが、本発明の光デバイスは、光ファイバに限定されるものではない。希土類元素が添加された透明光学材料内に、当該透明光学材料より屈折率が高い高屈折率領域が周期的に設けられた光デバイスであればよい。

このような光デバイスとしては、体積ホログラム等のホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：Holographic Optical Element) 、グレーティング等の回折光学素子 (ＤＯＥ：Diffractive Optical Element)、波長選択フィルタ、波長選択ミラー等が例示される。また、透明光学材料としては、石英の他に、これら用途に応じて、多成分ガラス等のガラス、紫外線硬化樹脂等の透明なプラスチック、透明なセラミクス等が用いられる。

なお、上記実施の形態で説明した構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。

１０ ファイバレーザ装置
１２ 励起光源部
１４ 励起光源
１６ 光合波器
２０ 増幅用光ファイバ
２４ 出力側光ファイバ
３０ 光源部
３２ フィルタ
３４ シャッタ
３６ 反射鏡
３８ 対物レンズ
４０ 被加工物
４２ 載置台
４４ 駆動装置
４６ 駆動装置
４８ 駆動装置
５０ 制御装置
１００ レーザ加工装置
１０２ コア部
１０２Ｈ 高屈折率領域
１０２Ｌ 低屈折率領域
１０４ クラッド部
Ｂ ビーム
Ｌ 光軸

Claims (21)

1. 希土類元素が添加された透明光学材料に、超短パルスレーザ光を照射して、照射部分の透明光学材料を高屈折率化する、透明光学材料の改質方法。
2. 前記透明光学材料及び前記希土類元素が熱変化しない照射エネルギー密度で、前記超短パルスレーザ光を照射する、請求項１に記載の透明光学材料の改質方法。
3. 前記照射エネルギー密度が、前記透明光学材料が光学破壊を起こさないエネルギー密度である、請求項２に記載の透明光学材料の改質方法。
4. 前記照射エネルギー密度が、前記希土類元素のイオン価数変化を起こさないエネルギー密度である、請求項２または請求項３に記載の透明光学材料の改質方法。
5. 前記超短パルスレーザ光の波長が、前記希土類元素により吸収される波長である、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の透明光学材料の改質方法。
6. 前記超短パルスレーザ光を複数回照射する、請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の透明光学材料の改質方法。
7. 希土類元素が添加された透明光学材料内に、当該透明光学材料より屈折率が高い高屈折率領域が周期的に設けられた、光デバイス。
8. 前記透明光学材料としてコア部に希土類元素が添加された光ファイバを有し、前記コア部において前記コア部より屈折率の高い高屈折率領域が光ファイバの光軸に沿って周期的に設けられた、光デバイス。
9. 前記高屈折率領域の前記光ファイバの光軸と直交する断面において、前記コア部の断面全体が前記高屈折率領域である、請求項８に記載の光デバイス。
10. 前記光ファイバは、マルチモード光ファイバである、請求項８または請求項９に記載の光デバイス。
11. 請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載の光デバイスを製造する光デバイスの製造方法であって、
    前記透明光学材料内に周期的に配置された複数の位置で、前記透明光学材料に超短パルスレーザ光を照射して、前記透明光学材料より屈折率の高い高屈折率領域を形成する、光デバイスの製造方法。
12. 前記透明光学材料の母材及び前記希土類元素が熱変化しない照射エネルギー密度で、前記透明光学材料に前記超短パルスレーザ光を照射する、請求項１１に記載の光デバイスの製造方法。
13. 前記照射エネルギー密度が、前記透明光学材料の母材が光学破壊を起こさないエネルギー密度である、請求項１２に記載の光デバイスの製造方法。
14. 前記照射エネルギー密度が、前記希土類元素のイオン価数変化を起こさないエネルギー密度である、請求項１２または請求項１３に記載の光デバイスの製造方法。
15. 前記超短パルスレーザ光の波長が、前記希土類元素により吸収される波長である、請求項１１から請求項１４までのいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
16. 前記超短パルスレーザ光を複数回照射する、請求項１１から請求項１５までのいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
17. 前記透明光学材料が、コア部に希土類元素が添加されたマルチモード光ファイバである場合には、前記コア部を横切るように前記超短パルスレーザ光のビームを走査して、前記マルチモード光ファイバの光軸と直交するコア部断面全体を高屈折率化する、請求項１１から請求項１６までのいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
18. 前記超短パルスレーザ光のビームが、前記コア部内に集光する、請求項１７に記載の光デバイスの製造方法。
19. 前記超短パルスレーザ光のビームが、前記コア部の直径以上のレイリー長を有する、請求項１７または請求項１８に記載の光デバイスの製造方法。
20. 請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載の光デバイスを製造する光デバイスの製造装置であって、
    超短パルスレーザ光のビームを照射する照射部と、
    被加工物を載せ置く載置台と、
    前記載置台に載せ置かれた前記透明光学材料内に周期的に配置された複数の位置で、前記超短パルスレーザ光のビームが前記透明光学材料を横切るように、前記載置台を前記超短パルスレーザ光のビームに対して相対移動させる駆動制御部と、
    を備えた光デバイスの製造装置。
21. 前記透明光学材料が、コア部に希土類元素が添加されたマルチモード光ファイバである場合には、前記マルチモード光ファイバの光軸に沿って周期的に配置された複数の位置で、前記超短パルスレーザ光のビームが前記コア部を横切る、請求項２０に記載の光デバイスの製造装置。

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