JP2019057552A - 反射鏡、ファイバ共振器、およびファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】緻密な反射波長特性の設定が可能であり、信頼性が高く、短波長化に対しても対応可能な反射鏡、ファイバ共振器、およびファイバレーザを提供すること。【解決手段】希土類元素が添加されたコア部を有する利得ファイバと、予め定められた幅を有するとともに利得ファイバの光軸方向に沿って予め定められた間隔で形成され、コア部の光軸と直交する断面全体に形成されるとともに第１の屈折率を有する高屈折率領域、および高屈折率領域に隣接して形成されるとともに幅が予め定められた間隔であり、第１の屈折率より低い第２の屈折率を有する低屈折率領域を備えた屈折率周期構造体を含む反射鏡であって、反射鏡の動作波長をλ、屈折率周期構造体のｉ番目の屈折率周期構造の幅をｄｉ、屈折率をｎｉとした場合に、ｄｉが下式で与えられる。ｄｉ＝Ｈｉ・（λ／（２・ｎｉ）＋λ／（４・ｎｉ）ただし、Ｈｉは次数を示し、ｉは自然数である。【選択図】図１

Description

本発明は、反射鏡、ファイバ共振器、およびファイバレーザに関する。

図５を参照し、反射鏡、ファイバ共振器を含むファイバレーザについて説明する。図５は、従来技術に係るファイバレーザ８０を示している。ファイバレーザ８０は外部共振器型のレーザ発振装置である。

図５に示すように、ファイバレーザ８０は、アクティブファイバ８２、反射鏡８４−１、８４−２（総称する場合は「反射鏡８４」）、複数の半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）８６、スプライス部８８−１、８８−２（総称する場合は、「スプライス部８８」）を含んで構成されている。

反射鏡８４はＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ：ファイバブラッググレーティング）が形成された光ファイバで構成されている。ＦＢＧとは、光ファイバに紫外レーザー光を照射し、光ファイバ中のコアに屈折率変調（回折格子）を形成したものである。反射鏡８４は回折格子の作用によって光を反射するが、ファイバレーザ８０では、反射鏡８４−１が高反射率型のＨＲ−ＦＢＧ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ−ＦＢＧ：高反射率ＦＢＧ）、反射鏡８４−２が低反射率型のＬＲ−ＦＢＧ（Ｌｏｗ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ−ＦＢＧ：低反射率ＦＢＧ）となっている。反射鏡８４−１と８４−２とによってレーザ発振のための光共振器が構成されている。

アクティブファイバ８２は利得を有するファイバであり、「利得ファイバ」、あるいは「ゲインファイバ」ともいう。ファイバレーザ８０では、一例として、Ｙｂ（イッテリビウム）が添加されたアクティブファイバ８２を用いている。半導体レーザ８６はアクティブファイバ８２を励起するための光源であり、複数の半導体レーザ８６の出力光は図示しないコンバイナで合成され反射鏡８４−１に入力される。「スプライス部」とは一般に光ファイバと光ファイバとが融着接続された部分をさす。スプライス部８８−１は反射鏡８４−１を含むファイバとアクティブファイバ８２とを融着接続し、スプライス部８８−２は反射鏡８４−２を含むファイバとアクティブファイバ８２とを融着接続している。

ファイバレーザ８０では、半導体レーザ８６による励起光によりアクティブファイバ８２が励起され、励起された光が反射鏡８４−１および８４−２で構成される光共振器で光のエネルギー密度が高い状態で共振され、反射率が低く設定されている反射鏡８４−２から出力光Ｐｏとしてレーザ光が出射される。

ところで、アクティブファイバ（利得ファイバ）には、比較的低出力用のファイバレーザのためのシングルモードファイバ系と、比較的高出力用のファイバレーザのためのマルチモードファイバ系とがある。また、励起光を伝搬させる方式の観点から、単一のクラッドを有し比較的低出力用途のシングルクラッドファイバと、２つのクラッドを有する比較的高出力用途のダブルクラッドファイバとがある。さらに、シングルクラッドファイバ、ダブルクラッドファイバの各々は、伝搬する光のモードからシングルモード系とマルチモード系に分類される。

上述したように、ＦＢＧは光ファイバに光を照射して高屈折率の部分と低屈折率の部分とを交互に形成して作製する。光ファイバにＦＢＧを形成する技術として、例えば非特許文献１に開示された作製方法が知られている。非特許文献１では、ｐｏｉｎｔ−ｂｙ−ｐｏｉｎｔという手法を用いて、シングルモード系光ファイバのコアにＦＢＧを形成している。

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。つまり、非特許文献１では、照射エネルギー密度を制御することにより発生する改質とよばれる作用を用い、コア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ＦＢＧを作製している。

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）

上述したように、従来技術に係るファイバレーザ８０では、反射鏡８４（ＦＢＧが形成された光ファイバ）と、アクティブファイバ８２とを融着接続するスプライス部８８を有していた。しかしながら、このスプライス部８８では漏れ光が生じ、損失が発生する場合がある。特に高出力用途のファイバレーザでは、この漏れ光により光ファイバが溶融し、発火することもある。

一方、反射鏡８４−１、８４−２で構成される光共振器の内部にスプライス部８８のような損失点があると、レーザ発振の閾値が上昇したり、スロープ効率が低下したりすることもある。さらに、励起光、または、レーザ出力光が短波長化する（例えば、赤色帯レーザから青色帯レーザへの変遷等）と、従来ＧｅＯ_２（酸化ゲルマニウム）添加ファイバを用いて作製されたＦＢＧは、短波長光により屈折率の変動を発生することが懸念される。

以上を要するに、ファイバレーザの光出力をより高くし、しかも信頼性を高くするためには、比較的コア径の大きいマルチモード系ファイバを用い、さらにスプライス部（融着点）をなくすことが必要である。さらに、効率のよい光共振器を構成するためには、反射鏡（ＦＢＧ）における反射特性の設定（反射波長の設定等）が緻密に行えることが必要である。

この点、非特許文献１に開示されたＦＢＧの作製方法は、あくまでシングルモード光ファイバのコアに対し、ｐｏｉｎｔ−ｂｙ−ｐｏｉｎｔで光を１回ずつ照射してＦＢＧを作製するものであり、ＦＢＧが点状に形成されるので、比較的コア径の大きいマルチモード光ファイバに適用することは困難である。また、ｐｏｉｎｔ−ｂｙ−ｐｏｉｎｔで１点ずつ光を照射して形成した高屈折率領域の大きさがばらつき、高屈折率領域とコアとの間に隙間が空くことも懸念される。このような隙間が発生すると、上述したスプライス部８８と同様損失が発生し、また光ファイバの溶融等の事故に至る可能性がある。

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、緻密な反射波長特性の設定が可能であり、信頼性が高く、短波長化に対しても対応可能な反射鏡、ファイバ共振器、およびファイバレーザ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に記載の反射鏡は、希土類元素が添加されたコア部を有する利得ファイバと、予め定められた幅を有するとともに前記利得ファイバの光軸方向に沿って予め定められた間隔で形成され、かつ前記コア部の前記光軸と直交する断面全体に形成されるとともに第１の屈折率を有する１または複数の高屈折率領域、および前記１または複数の高屈折率領域に隣接して形成されるとともに幅が前記予め定められた間隔であり、かつ前記第１の屈折率より低い第２の屈折率を有する１または複数の低屈折率領域を備えた屈折率周期構造体を含む反射鏡であって、前記反射鏡の動作波長をλ、前記屈折率周期構造体のｉ番目の屈折率周期構造の幅をｄ_ｉ、屈折率をｎ_ｉとした場合に、ｄ_ｉが下式で与えられる反射鏡。ｄ_ｉ＝Ｈ_ｉ・（λ／（２・ｎ_ｉ））＋λ／（４・ｎ_ｉ） ただし、Ｈ_ｉは次数を示し、ｉは自然数であるものである。

上記目的を達成するために請求項４に記載のファイバ共振器は、前記利得ファイバに請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の反射鏡が２個形成されており、２個の前記反射鏡の間で前記動作波長の光が反射され共振するものである。

上記目的を達成するために請求項５に記載のファイバレーザは、励起光を発生する励起光源と、前記動作波長に対し予め定められた利得を有する前記利得ファイバと、前記利得ファイバに前記屈折率周期構造体を形成して前記利得ファイバの両端に設けられた請求項４に記載のファイバ共振器と、を含み、前記励起光源からの励起光が一方の前記反射鏡を介して入力され、前記利得ファイバで利得を付与されると共に前記ファイバ共振器で共振して増幅され、他方の前記反射鏡から波長λの光がレーザ発振光として出力されるものである。

上記各発明によれば、緻密な反射波長特性の設定が可能であり、信頼性が高く、短波長化に対しても対応可能な反射鏡、ファイバ共振器、およびファイバレーザが提供されるという効果を奏する。

（ａ）は第１の実施の形態に係る反射鏡の断面図、（ｂ）はＨＯＦＧの形成方法を説明する側面図、平面図および断面図である。 第１の実施の形態に係る反射鏡の加工工程を説明する図である。 第１の実施の形態に係る反射鏡の反射率についてのシミュレーション結果を示すグラフである。 （ａ）は第２の実施の形態に係るファイバレーザの構成の一例を示す模式図、（ｂ）は第２の実施の形態に係るファイバレーザの反射鏡と、従来技術に係るファイバレーザの反射鏡との相違を説明する図である。 従来技術に係るファイバレーザの構成を示す模式図である。

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。

［第１の実施の形態］
図１および図２を参照して、本実施の形態に係る反射鏡について説明する。図１（ａ）は第１の実施の形態に係る反射鏡の断面図を、図１（ｂ）はＨＯＦＧの形成方法を説明する側面図、平面図および断面図を示している。また、図２は第１の実施の形態に係る反射鏡の加工工程を説明する図である。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る反射鏡２０は、光ファイバ１０のコア部１２に形成された屈折率周期構造体２２を含んで構成されている。本実施の形態では光ファイバ１０として、図２に示すように、マルチモード系のダブルクラッドファイバを用いている。なお、図１（ａ）ではコア部１２のみを示し、クラッド部の図示を省略している。

図１（ｂ）に示すように、光ファイバ１０は、コア部１２とコア部１２の周囲に形成された第１クラッド部１４、および第１のクラッド部１４の周囲に形成された図示を省略する第２クラッド部を有している。以下、「第１クラッド部１４」と「第２クラッド部」とを総称する場合は「クラッド部１６」という。コア部１２の屈折率はクラッド部１６の屈折率よりも高く、コア部１２に入射した光はコア部１２内に閉じ込められて、全反射しながら光ファイバ１０の延伸方向（光軸方向）に沿って伝送される。

コア部１２および第２クラッド部１４の各々は、母材が透明光学材料の一例である石英で構成されている。そして、コア部１２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）、およびランタノイド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。

図１（ａ）に示すように、屈折率周期構造体２２は、コア部１２に、コア部１２より屈折率の高い高屈折率領域２４（２４_１、２４_２、２４_３、・・・、２４_Ｎ）が光ファイバ１０の光軸（光の伝搬方向）に沿って周期的に設けられている。従って、屈折率周期構造体２２では、コア部１２と同じ屈折率の低屈折率領域２６（２６_１、２６_２、・・・、２６_{（Ｎ−１）}）と、コア部１２より屈折率の高い高屈折率領域２４とが、光軸方向に沿って交互に配置される。本実施の形態では高屈折率領域２４あるいは低屈折率領域２６の各々を屈折率周期構造という。

図１（ａ）は、高屈折率領域２４がＮ層の屈折率周期構造からなり、低屈折率領域２６が（Ｎ−１）層の屈折率周期構造からなる場合を例示している。また、高屈折率領域２４_１、２４_２、２４_３、・・・、２４_Ｎの厚さｄ_ｉおよび屈折率ｎ_ｉの組み合わせ（ｄ_ｉ、ｎ_ｉ）は、（ｄ_１、ｎ_１）、（ｄ_３、ｎ_３）、（ｄ_５、ｎ_５）、・・・、（ｄ_Ｎ、ｎ_Ｎ）となっている。また低屈折率領域２６_１、２６_２、・・・、２６_{（Ｎ−１）}の厚さｄ_ｉおよび屈折率ｎ_ｉの組み合わせ（ｄ_ｉ、ｎ_ｉ）は、（ｄ_２、ｎ_２）、（ｄ_４、ｎ_４）、・・・、（ｄ_{（Ｎ−１）}、ｎ_（Ｎ-1)）となっている。これらの厚さｄ_ｉおよび屈折率ｎ_ｉの組み合わせ（ｄ_ｉ、ｎ_ｉ）の意味については後述する。

図１（ａ）示す距離Λは、この高屈折率領域２４と低屈折率領域２６のペアの周期を示している。例えば、Λ＝ｄ_１＋ｄ_２である。屈折率周期構造体２２は、光ファイバの光軸方向にコア部１２の屈折率が周期的に変化する回折格子である。そのため、紙面左方より入射した入射波Ｗｉは屈折率周期構造体２２で一部が反射されて反射波Ｗｒとなり、他の一部が入射波Ｗｉの進行方向に透過して透過波Ｗｔとなる。

光ファイバ１０が本実施の形態のように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が大きいため、コア部１２の断面全体を高屈折率領域２４にするのが難しい。例えば、シングルモード光ファイバのコア径は一例として５μｍ〜１０μｍ程度であるのに対し、マルチモード光ファイバのコア径は一例として５０μｍ程度である。しかしながら、コア部１２の断面の一部を高屈折率領域２４にしただけでは、漏れ光により屈折率周期構造体２２のフィルタ特性や反射率が低下する。これに対し、本実施の形態に係る高屈折率領域２４および低屈折率領域２６は光軸と直交する断面においてコア部１２の断面全体に形成されているので、このような問題の発生が抑制されている。

さらに、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、クラッド部には希土類元素が添加されていないので高屈折率化されない。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ない。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。

次に、図１（ｂ）を参照し、本実施の形態に係る反射鏡２０（屈折率周期構造体２２）の作製方法について説明する。図１（ｂ）＜１＞、＜２＞は上記超短パルスレーザ光（以下、「加工レーザ光」）の照射経路（走査経路）を示しており、＜１＞が上方より見た平面図、＜２＞が側面より見た側面図となっている。

図１（ｂ）＜１＞に示すように、加工レーザ光の照射経路ＬはＹ軸方向にコア部１２を横断しつつ、さらに周期ΛでＸ軸方向に移動しつつコア部１２に照射する経路となっている。この際、図１（ｂ）＜２＞に示すように、レーザ光の集光ビームＢは、ビームウエストｗおよびその近傍の部分（例えば、いわゆるレイリー長ｂの部分）がコア部１２に重畳されるように位置調整される。すなわち、本実施の形態では、光ファイバ１０の光軸方向の複数の位置で、コア部１２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屈折率周期構造体２２を作製する。その際の屈折率変化の度合いは、加工レーザ光のパワーを調整することにより制御することができる。

次に、図２を参照し、本実施の形態に係る屈折率周期構造体２２の作製方法についてより詳細に説明する。図２は、上記加工レーザ光を発生する図示しないレーザ加工装置による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。なお、図２に示すように、屈折率周期構造体２２の加工工程は、第２クラッド部を除去し、第１クラッド部１４を露出させて行う。

図示しないレーザ加工装置は、加工レーザ光を発生させる光源部、被加工物である光ファイバ１０を載置する載置部、光源部と載置部とを相対移動させる駆動部、および光源部、載置部、駆動部を制御する制御部を含んで構成されている。制御部は、光源部から超短パルスレーザ光を平行光として出力させ、レンズにより集光された集光ビームＢを被加工物である光ファイバ１０に照射する。

このとき、制御部は、駆動部を介して載置部を集光ビーム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（ビームウエスト）が光ファイバ１０のコア部１２内に位置するように、載置部をＺ軸方向に移動させる。また、光ファイバ１０の光軸方向（Ｘ軸方向）の複数の位置で、集光ビームＢが光ファイバ１０のコア部１２をＹ軸方向に横切るように、載置部を移動させる。

図２は、上記のように、光ファイバ１０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１２の内部に位置している状態を示している。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、屈折率周期構造体２２のグレーティング周期とする。また、＋Ｙ方向または−Ｙ方向の走査距離ｄｙは、コア部１２の直径よりも広い幅とする。この際、加工レーザ光のレイリー長ｂをコア径以上の長さとすれば、コア部１２の断面全体に超短パルスレーザ光を照射され、コア部１２の断面全体が高屈折率化される。以上により、上述した周期的な面構造を有する屈折率周期構造体２２、すなわち反射鏡２０が作製される。このように、非特許文献１に係るＦＢＧが点状に形成されていたのに対し、本実施の形態に係る屈折率周期構造体２２では屈折率周期構造が壁状に形成されている点が大きく異なる点である。

ここで、本実施の形態に係る屈折率周期構造体２２の周期の設定について説明する。高屈折率領域の光軸方向の長さをｄ_１、屈折率をｎ_１、低屈折率領域の光軸方向の長さをｄ_２、屈折率をｎ_２とすると、通常の反射鏡（ＦＢＧを形成した光ファイバ）では、ｄ_１、ｄ_２は、各々λ／（４ｎ_１）、λ／（４ｎ_２）で決まる長さで設定される。ただし、λは動作波長の空気中（真空中）の値である。より具体的には、例えば動作波長λを１μｍとした場合、シングルモード系、マルチモード系ともに干渉露光で作られる従来型の反射鏡では、ｄ_１＝ｄ_２≒０．２μｍ程度となり、従って周期Λ（＝ｄ_１＋ｄ_２）は０．４μｍ程度となる。しかしながら、加工レーザ光を用いてこのように小さいピッチで加工することは非常に困難である。

これに対し、本実施の形態に係る屈折率周期構造体２２では、ＨＯＦＧ（Ｈｉｇｈｅｒ Ｏｒｄｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ：高次ファイバグレーティング）理論を用いて周期Λの設定を行っている。ＨＯＦＧによる周期の設定方法では、次数をＨ_ｉ、ｉ番目の層の屈折率をｎ_ｉ、厚さをｄ_ｉとした場合、各層の厚さｄ_ｉは以下に示す（式１）を用いて算出される。
ｄ_ｉ＝Ｈ_ｉ・（λ／（２・ｎ_ｉ））＋λ／（４・ｎ_ｉ） ・・・ （式１）
ただし、λは動作波長であり、ｉ＝１、２、３、・・・（すなわち、ｉは自然数）である。

（式１）の一例として、ｉ＝２の場合を考えると、（式１）は以下に示す（式２）のようになる。
ｄ_ｉ＝Ｈ_ｉ・（λ／（２・ｎ_ｉ））＋λ／（４・ｎ_ｉ） ・・・ （式２）
ただし、ｉ＝１、２。
すなわち、各屈折率周期構造の厚さは、
ｄ_１＝Ｈ_１・（λ／（２・ｎ_１））＋λ／（４・ｎ_１）
ｄ_２＝Ｈ_２・（λ／（２・ｎ_２））＋λ／（４・ｎ_２）
で算出される。
この場合、周期Λ_２（＝ｄ_１＋ｄ_２）は、以下に示す（式３）のようになる。
Λ_２＝Ｈ_１・（λ／（２・ｎ_１））＋λ／（４・ｎ_１）＋Ｈ_２・（λ／（２・ｎ_２））＋λ／（４・ｎ_２） ・・・ （式３）

例えば、次数Ｈ_ｉをＨ＝４（Ｈ_ｉは一定値）とした場合、ｄ_ｉ（ｉ＝１，２）は、
ｄ_ｉ＝２．２５λ／ｎ_ｉ＝１．６６４μｍ ・・・ （式３）
となる。また、周期Λ_２（＝ｄ_１＋ｄ_２）は、
Λ_２＝３．３３μｍ
となる。つまり、周期Λ_２は上記ＦＢＧの場合の周期Λ＝０．４μｍと比較して８倍程度の周期となっている。この程度の周期であれば、フェムト秒オーダーの超短パルスレーザ光をコアに集光して、屈折率変化領域を作ることが可能である。ただし、λは動作波長（レーザの発振波長）で、本例ではＹｂ添加ファイバを用いているので、λ＝１．０７μｍ〜１．０８μｍ程度である。また、ｎ_ｉは１．４６程度である。
例えば、λ＝１．０８μｍ、ｎ_２＝１．４５９０とした場合、ｄ_２＝１．６６５５μｍ、Λ_２＝３．３３μｍなので、ｄ_１＝１．６６４５μｍであることが必要となり、その場合ｎ_１＝１．４５９９を実現すればよい。ただし、本例はベース（光ファイバ１０）の屈折率ｎ_２がｎ_１に高屈折率化した場合の数値例である。

なお、上記説明では屈折率周期構造の数が２の場合（ｉ＝１、２）を中心に説明したが、屈折率周期構造の次数を３以上とすることも可能である。

次に図３を参照して、本実施の形態に係る反射鏡の試作品の実測結果、およびシミュレーション結果について説明する。

超短パルスレーザ光を用いて、屈折率周期構造を１０００ペア（対）とした屈折率周期構造体を作製した。この屈折率周期構造体の反射率特性は、１．０８μｍの動作波長に対して７．５９％の反射率という評価結果となった。

一方、上記ＨＯＦＧ理論に基づいた数値シミュレーションを行った。その結果を図３に示す。図３は、屈折率上昇分（高屈折率領域の屈折率−低屈折率領域の屈折率）Δｎ＝（ｎ_１−ｎ_２）をパラメータとし、屈折率周期構造体の屈折率周期構造のペア（対）数と反射率との関係を示したグラフである。図３に示すように、屈折率周期構造のペア数が１０００ペアの場合、屈折率上昇分Δｎ＝（ｎ_２−ｎ_１）を３×１０^−４から１×１０^−３の間に設定すると、反射率は５％から３５％の間となることが予測される。従って、１０００ペアで７．５９％の反射率という上記評価結果の妥当性を裏付ける結果となった。

次に、屈折率周期構造の一般化について述べる。一定周期とは、各領域が厚さｄ_１とｄ_２とで対応する屈折率がｎ_１とｎ_２である場合を示すが、屈折率が多値である場合なども実現できる。例えば、厚さｄ_１、ｄ_２、ｄ_３で対応する屈折率がｎ_１、ｎ_２、ｎ_３である構造も、各領域を本実施の形態の反射波長特性を広帯域にしたり、急峻な変化特性をもたせたりすることも可能となる。さらに全領域を１周期とみなし、領域（ｄ_ｉ、ｎ_ｉ）の組み合わせ（ｉ＝１、２、３・・・）で構成される１周期とみなす構造を実現することで、任意の反射波長特性を有する反射鏡を実現することも可能である。

［第２の実施の形態］
図４を参照して、本実施の形態に係るファイバレーザ５０、およびファイバ共振器５８について説明する。図４（ａ）は、本実施の形態に係るファイバレーザ５０、およびファイバ共振器５８の構成の一例を示す模式図、図４（ｂ）は、本実施の形態に係るファイバレーザの反射鏡と、従来技術に係るファイバレーザの反射鏡との相違を説明する図である。

図４（ａ）に示すように、本実施の形態に係るファイバレーザ５０は、アクティブファイバ５２、反射鏡２０−１、２０−２（総称する場合は、「反射鏡２０」）、複数（図４（ａ）は６個の場合を例示している）の半導体レーザ５６を備えた光源５４を含んで構成されている。

アクティブファイバ５２は、レーザ発振における光利得をもたらす部位であり、本実施の形態では、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を用いている。また、本実施の形態に係るファイバレーザ５０は高出力用ファイバレーザなので、アクティブファイバのベースとなる光ファイバにマルチモード光ファイバを用いている。すなわち、本実施の形態では、アクティブファイバ５２の一例として、コア部にＹｂ^３＋が添加されたマルチモード光ファイバを用いている。

複数の半導体レーザ５６の各々からの光は図示しないコンバイナで合波され、波長がλｅの励起光Ｐｅとして反射鏡２０−１に入射される。

反射鏡２０−１、２０−２は、上記実施の形態に係る屈折率周期構造体２２を含む反射鏡である。反射鏡２０−１は、波長λｅの励起光Ｐｅを透過し、ファイバレーザ５０の発振波長λを反射するように波長特性が設定されている。反射鏡２０−２は、発振波長の一部（例えば、１０％程度）を反射し、他の一部（例えば、９０％）を透過するように波長特性が設定されている。反射鏡２０−１、２０−２および反射鏡２０−１と２０−２とを接続するファイバが、本実施の形態に係るファイバ共振器５８を構成している。

ここで、ファイバレーザ５０の動作を簡単に説明する。複数の半導体レーザ５６の各々から波長λｅの励起光を出力する。図示しないコンバイナ（合波器）は、各半導体レーザ５６から出力された励起光を合波し、アクティブファイバ５２へ出力する。アクティブファイバ５２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、アクティブファイバ５２の光増幅作用と反射鏡２０−１および反射鏡２０−２によって構成されるファイバ共振器５８の作用とによって増幅されてレーザ発振する。発振したレーザ光は出力光Ｐｏとして出力される。

図４（ｂ）を参照して、本実施の形態に係るファイバ共振器５８、ファイバレーザ５０の特徴についてより詳細に説明する。図４（ｂ）＜１＞は従来技術に係るファイバレーザ８０（図５参照）の反射鏡８４−１の近傍を、図４（ｂ）＜２＞はファイバレーザ５０の反射鏡２０−１の近傍を各々示している。

図４（ｂ）＜１＞に示すように、ファイバレーザ８０では、反射鏡８４−１の近傍にアクティブファイバ８２と反射鏡８４−１とを接続するスプライス部８８を有していた。また、上述したように、このスプライス部８８における漏れ光、損失、あるいはこの漏れ光に起因する光ファイバが溶融、発火も懸念された。光共振器の内部にスプライス部８８のような損失点があると、レーザ発振閾値の上昇、スロープ効率の低下が発生する場合もあった。さらに、励起光、または、レーザ出力光が短波長化すると、従来のＧｅＯ_２添加ファイバを用いて作製されたＦＢＧは、短波長光により屈折率の変動を発生することが懸念された。

これに対し、本実施の形態に係るファイバ共振器５８、ファイバレーザ５０では、図４（ｂ）＜２＞に示すように、アクティブファイバ５２を構成する光ファイバと、反射鏡２０−１（２０−２）を構成する光ファイバとが共通の光ファイバとなっており、上記のような問題が発生し得ない構成となっている。

以上詳述した、本実施の形態に係る反射鏡、ファイバ共振器、ファイバレーザの作用、効果を以下にまとめる。
（１）レーザ共振器の内部に融着点（スプライス部）がないので、信頼性の高いファイバ共振器を構成することが可能である。
すなわち、従来技術に係るファイバレーザ（ファイバレーザ８０）では、アクティブファイバ（利得ファイバ）とファイバ共振器とを別のファイバで実現し、融着していた。融着点ではわずかながらも放射が発生する。高出力用途のファイバレーザでは、この融着点における放射が起点となり破壊が生じやすい。本実施の形態に係る反射鏡、ファイバ共振器、ファイバレーザでは融着点自体がないのでこのような問題が発生しない。
（２）短波長化の趨勢に対しても対応可能な反射鏡、ファイバ共振器、ファイバレーザを提供することができる。
すなわち、従来のファイバ共振器の反射鏡では、ＧｅＯ_２を添加することで紫外線に対して増感作用をもたせて、屈折率変化をしやすくしていた。反射鏡は、近赤外（８００ｎｍ〜９８０ｎｍ）帯の励起光に対して、１．０〜１．５μｍ帯で発振するファイバレーザに用いていたので顕在化していないが、将来、４００ｎｍ帯等の励起光で発振する短波長ファイバレーザでは、励起光やレーザ発振光が反射鏡の屈折率変化を誘起し、自らを破壊する可能性が懸念される。本実施の形態に係る反射鏡のように高屈折率化を誘起する反射鏡ではそのような心配がない。さらに、短波長レーザ用の反射鏡は周期が狭くなるので、干渉で作製することは困難であるが、本実施の形態に係るＨＯＦＧ法を用いた反射鏡の作製ではこの点からも有利である。
（３）任意の反射波長特性を実現できる。
すなわち、従来技術に係る反射鏡は、紫外光と位相シフトマスクによる干渉パターンで屈折率を付与させていた。これに対し、本実施の形態に係るＨＯＦＧ法を用いた反射鏡では、屈折率ｎ_ｉの各領域の厚さｄ_ｉを直接制御できるので、任意の反射特性を実現できる。

なお、上記各実施の形態では、ＨＯＦＧ法を用いて作製する光デバイスとして反射鏡（回折格子）に適用した形態を例示して説明したが、これに限られず、例えば波長選択フィルタ、波長選択ミラー、利得等化器等に適用した形態としてもよい。

１０ 光ファイバ
１２ コア部
１４ 第１クラッド部
１６ クラッド部
２０、２０−１、２０−２ 反射鏡
２２ 屈折率周期構造体
２４ 高屈折率領域
２６ 低屈折率領域
５０ ファイバレーザ
５２ アクティブファイバ
５４ 光源
５６ 半導体レーザ
５８ ファイバ共振器
８０ ファイバレーザ
８２ アクティブファイバ
８４、８４−１、８４−２ 反射鏡
８６ 半導体レーザ
８８、８８−１、８８−２ スプライス部
Ｂ 集光ビーム
ｂ レイリー長
Ｌ 照射経路
Ｐｏ 出力光
Ｗｉ 入射波
Ｗｒ 反射波
Ｗｔ 透過波
ｗ ビームウエスト
Λ 周期

Claims (5)

1. 希土類元素が添加されたコア部を有する利得ファイバと、
   予め定められた幅を有するとともに前記利得ファイバの光軸方向に沿って予め定められた間隔で形成され、かつ前記コア部の前記光軸と直交する断面全体に形成されるとともに第１の屈折率を有する１または複数の高屈折率領域、および前記１または複数の高屈折率領域に隣接して形成されるとともに幅が前記予め定められた間隔であり、かつ前記第１の屈折率より低い第２の屈折率を有する１または複数の低屈折率領域を備えた屈折率周期構造体を含む反射鏡であって、
   前記反射鏡の動作波長をλ、前記屈折率周期構造体のｉ番目の屈折率周期構造の幅をｄ_ｉ、屈折率をｎ_ｉとした場合に、ｄ_ｉが下式で与えられる反射鏡。
   ｄ_ｉ＝Ｈ_ｉ・（λ／（２・ｎ_ｉ））＋λ／（４・ｎ_ｉ）
   ただし、Ｈ_ｉは次数を示し、ｉは自然数である。
2. 前記高屈折率領域は、前記利得ファイバに超短パルスレーザ光が照射され、照射部分の前記利得ファイバが高屈折率化された領域であり、前記低屈折率領域は前記利得ファイバの屈折率が変化していない領域である
   請求項１に記載の反射鏡。
3. 前記利得ファイバがマルチモード光ファイバ、またはダブルクラッドファイバである
   請求項１または請求項２に記載の反射鏡。
4. 前記利得ファイバに請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の反射鏡が２個形成されており、２個の前記反射鏡の間で前記動作波長の光が反射され共振する
   ファイバ共振器。
5. 励起光を発生する励起光源と、
   前記動作波長に対し予め定められた利得を有する前記利得ファイバと、
   前記利得ファイバに前記屈折率周期構造体を形成して前記利得ファイバの両端に設けられた請求項４に記載のファイバ共振器と、を含み、
   前記励起光源からの励起光が一方の前記反射鏡を介して入力され、前記利得ファイバで利得を付与されると共に前記ファイバ共振器で共振して増幅され、他方の前記反射鏡から波長λの光がレーザ発振光として出力される
   ファイバレーザ。