JP2019202908A

JP2019202908A - 結晶ファイバの製造方法

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Inventors: 茂雄石橋; Shigeo Ishibashi
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Abstract

【課題】発光中心を断面の中央部に集中して分布をさせながらも、応力複屈折の発生を抑制することができる結晶ファイバの製造方法の提供。【解決手段】結晶ファイバの断面内中央近傍に発光中心を集中させる断面内発光中心分布型の結晶ファイバの製造方法であって、結晶が溶融した場合に溶融部より揮発する発光中心を含む結晶ファイバを母材１とし、母材１の側面の一部分または複数部分を加熱することにより、母材１の一部分または複数部分の内側が一定量だけ溶融しないように母材１の一部分または複数部分を溶融し、溶融部３を形成する工程と、溶融部３を順次母材１の長手方向４に移動させ冷却することにより、溶融部３を連続的に再結晶化し、再結晶化領域を形成する工程と、を備える、結晶ファイバの製造方法。【選択図】図３

Description

本発明は、主に光励起固体レーザ発振器及び光増幅器に用いられる、発光中心を断面中央近傍に集中して分布させた結晶ファイバの製造方法に関する。

フェムト秒パルス光源や広帯域波長可変光源は産業・医療・学術などの分野において広く使用されている。光励起固体レーザ発振器及び増幅器はこれらの光源を構成する主要な装置である。これらの装置は増幅媒体としてレーザ結晶を有する。例えば４価のＣｒ原子を添加したＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（以下、Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧと記述する）、Ｔｉ（チタン）サファイア、Ｃｒ（クロム）フォルステライトなどがレーザ結晶として用いられる。

上記装置はレーザ結晶により、Ｍ²値が１に近いガウス関数型のビームプロファイル（以下、ガウシアンビームプロファイルと記述する）を有し、かつ直線偏光である光ビームを発振または増幅する。ここで、Ｍ²値は、実際のビームプロファイルが、ガウス関数型のビームプロファイルと比較してどの程度離れているかを示す数値であり、Ｍ²値が１のとき理想的なガウス関数型のビームプロファイルを有していることを示す。光ビームの発振または増幅を行う際の励起光入力パワーに対する発振光（または増幅光）出力パワーの比率、すなわち励起効率を高めることが技術課題となっている。

励起効率向上のために、励起光について、もしくは励起光と発振光（または増幅光）の両方についての導波路構造を有するレーザ結晶を作製する試みが行われている。導波路構造の作製方法として、バルク結晶に内部屈折率分布もしくは表面リッジ構造を加工して作製する方法と、ファイバ形状の結晶を作製する方法が知られている。励起光源として省コストかつ高出力ではあるがＭ²値が１より相当大きなマルチモード半導体レーザを用いる場合、これらの導波路構造の中でファイバ形状の結晶による導波路が最も励起効率が高いと考えられる。

ここで、本願明細書で使用する用語の定義について説明する。ファイバ形状の結晶を、結晶ファイバと記述する。主要部分が単一の単結晶である場合、単結晶ファイバと記述する。さらに、それを導波路として使用するものを単結晶ファイバ導波路と記述する。ここで、結晶ファイバの断面に外接する最小面積の長方形を考え、その長辺の長さを結晶ファイバの直径と規定する。

マルチモード半導体レーザを励起光源に用いる場合、励起光を高効率で結合するためには、結晶ファイバの直径は１００μｍ程度以上である必要がある。このとき、励起光を吸収させるために母材に添加される発光中心の分布を結晶ファイバの断面中央近傍に集中させる構成（断面内発光中心分布型）として、かつ直線偏光でありガウシアンビームプロファイルを有する発振光または増幅光に対する伝搬損失が充分低ければ、発振効率を向上させられることが知られている（非特許文献１）。

上記の励起効率向上を目的とした、３価のＹｂ（イッテルビウム）原子を添加したＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（以下、Ｙｂ³⁺：ＹＡＧと記述する）を用いた断面内発光中心分布型単結晶ファイバ導波路が知られている。この単結晶ファイバ導波路は、まずＹｂ³⁺：ＹＡＧ単結晶ファイバを作製し、その外側面上に液相エピタキシャル成長法（ＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ、以下、ＬＰＥ法と記述する）によって発光中心のＹｂ原子を含まないＹＡＧ単結晶を成長させ、作製される。これによりＹｂ³⁺：ＹＡＧが中央部、Ｙｂ原子を含まないＹＡＧ単結晶が周辺部となり、励起光に対する吸収領域は中央部のみとなる（非特許文献２）。

図１は、Ｙｂ³⁺：ＹＡＧを用いた断面内発光中心分布型単結晶ファイバ導波路の構成およびその製造方法について示す図である。図１（ａ）は、導波路断面の概略図であり、（ｂ）は、製造方法の概要を示すフロー図であり、（ｃ）は、この単結晶ファイバ導波路を用いてレーザ発振器または増幅器を構成したときの概略図である。

図１（ａ）において、単結晶ファイバ導波路１０１の中央部１０２の直径は１００μｍであり、これに単結晶ファイバ導波路１０１の周辺部１０３の厚みを合計した単結晶ファイバ導波路１０１の直径は２２０μｍである。また、単結晶ファイバ導波路１０１と中央部１０２の断面は、作製方位を［１１１］としているため、正六角形に近い形状である。

図１（ｂ）は、この単結晶ファイバ導波路１０１の製造方法の概要を示すフロー図である。この製造方法は、２つの工程を備えている。まず、レーザ溶融ペデスタル成長法（ＬａｓｅｒＨｅａｔｅｄＰｅｄｅｓｔａｌＧｒｏｗｔｈＭｅｔｈｏｄ、以下、ＬＨＰＧ法と記述する）によってＹｂ³⁺：ＹＡＧの単結晶ファイバを作製して、これを単結晶ファイバ導波路１０１の中央部１０２とする（Ｓ１０１）。次いで、ＬＰＥ法によって中央部１０２の全周囲に、発光中心を含まないＹＡＧ単結晶を成長させ、それを単結晶ファイバ導波路１０１の周辺部１０３とする（Ｓ１０２）。

図１（ｃ）は、この単結晶ファイバ導波路１０１を用いてレーザ発振器または増幅器を構成したときの概略図である。単結晶ファイバ導波路１０１の第１の端部から入射する励起光１０８は、単結晶ファイバ導波路１０１の内部を伝搬して、中央部１０２により吸収される。発振光または増幅光１０９が単結晶ファイバ導波路１０１の第１または第２の端部から放射される。

Walter Koechner and Michael Bass, "Solid-State Lasers: A Graduate Text," Springer Science & Business Media (2003), p. 231. Mark Dubinskii, Jun Zhang, Viktor Fromzel, Youming Chen, Stuart Yin, and Claire Luo, "Low-loss ‘crystalline-core/crystalline-clad’ (C4) fibers for highly power scalable high efficiency fiber lasers, " Opt. Express 26, 5092-5101 (2018) K. Kitamura, S. Kimura, Y. Miyazawa, and Y. Mori, "Stress-birefringence associated with facets of rare-earth garnets grown from the melt; A model and measurement of stress-birefringence observed in thin sections," Journal of Crystal Growth, Volume 62, Issue 2, 1983, Pages 351-359. S. Ishibashi, K. Naganuma, I. Yokohama, "Cr, Ca : Y3Al5O12 laser crystal grown by the laser-heated pedestal growth method," Journal of Crystal Growth, Volume 183, Issue 4, 1998, Pages 614-621. Shigeo Ishibashi and Kazunori Naganuma, "Mode-locked operation of Cr4+:YAG single-crystal fiber laser with external cavity, " Opt. Express 22, 6764-6771 (2014) 上野禎一，福森崇文，狩谷明子，今井茉理奈，舛岡悠，福永いくみ，金子恭子，長澤五十六，「フラックス法によるYAG の合成と結晶学」，福岡教育大学紀要，第63号，第３分冊，109-126（2014）. 佐多敏之，「無機物質の高温蒸発」，鉱物学雑誌，第１６巻，特別号第１号，137-146（1983）．ＯＮＹＸ社カタログ（ＯＮＹＸ社ホームページ：http://www.onyxoptics.com/catalog/OnyxOptics_catalog.pdf，２０１８年５月１６日ダウンロード）

Ｙｂ³⁺：ＹＡＧ単結晶ファイバ導波路１０１の中央部１０２は、ＬＨＰＧ法を用いて、原料を加熱して得た融液からの引き上げにより作製される。ＬＨＰＧ法により中央部１０２が作製される際、固液界面は湾曲しており、成長の進む方向が特定の結晶方位に限定されない付着成長が進行する。それに対し周辺部１０３の発光中心を含まないＹＡＧ単結晶は特定の面方位に沿って結晶が成長する沿面成長になるようＬＰＥの成長条件が選ばれる。過去の報告により、上記の２種の成長モードにより作製されたＹＡＧ単結晶には格子定数に１０^-4ｎｍ程度の差が生じることが知られており、両者が接している場合は単結晶ファイバ導波路内に１０^-5程度の応力複屈折を生じる（非特許文献３）。これは長さ４０ｍｍの導波路ではπ／２程度の位相差になる。

したがって、従来の方法で作製された断面内発光中心分布型の結晶ファイバ導波路は、直線偏光でありガウシアンビームプロファイルを有する発振光または増幅光を、低い伝搬損失で導波させることができない。そのため、発光中心を断面内中央部に集中して分布をさせながらも、応力複屈折の発生を抑制することができる結晶ファイバ導波路の製造方法が求められていた。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、その目的は、高効率なレーザ発振器もしくは増幅器を実現する結晶ファイバの製造方法を提供することである。具体的には、結晶ファイバの断面内中央近傍の領域に発光中心を集中させることにより、結晶ファイバにおける励起領域の占める体積割合を低下させ、励起効率向上が可能となる結晶ファイバを製造することである。

本発明の一実施形態の製造方法は、結晶が溶融した場合に溶融部より揮発する発光中心を含む結晶ファイバを母材とし、母材の側面の一部分または母材の長手方向における位置が等しい母材の側面の複数部分を加熱することにより、母材の一部分または複数部分の内側が一定量だけ溶融しないように母材の一部分または複数部分を溶融し、溶融部を形成する工程と、溶融部を順次母材の長手方向に移動させ冷却することにより、溶融部を連続的に再結晶化し、再結晶化領域を形成する工程と、を備える。

他の一実施形態は、結晶ファイバの断面内中央近傍に発光中心を集中させる断面内発光中心分布型の結晶ファイバの製造方法であって、結晶が溶融した場合に溶融部より揮発する発光中心を含む結晶ファイバを母材とし、母材の側面の一部分または母材の長手方向における位置が等しい母材の側面の複数部分を加熱することにより、母材の一部分または複数部分の内側が一定量だけ溶融しないように母材の一部分または複数部分を溶融し、溶融部を形成する工程と、溶融部を順次前記母材長手方向に移動させ冷却することにより、溶融部を連続的に再結晶化し、第１回目の再結晶化領域を形成する工程と、ａ）母材の側面の一部分または母材の長手方向における位置が等しい母材の側面の複数部分でありかつ第１回目乃至第ｎ−１（ただしｎは２を初期値とする正の整数）回目に形成された再結晶化領域以外の部分を加熱することにより、母材の一部分または複数部分の内側が一定量だけ溶融しないように母材の一部分または複数部分を溶融し、溶融部を形成する工程と、ｂ）溶融部を順次母材長手方向に移動させ冷却することにより、溶融部を連続的に再結晶化し、第ｎ回目の再結晶化領域を形成する工程と、ｃ）前記ａ）およびｂ）工程を、ｎの最大値をＭ（ただしＭは２以上の正の整数）として、ｎが所定のＭになるまで１ずつ増やして所定回数繰り返す工程と、を備える、結晶ファイバの製造方法である。

一実施形態は、第１回目乃至第Ｍ回目の再結晶化領域を形成する工程が、母材の長手方向に沿う軸を介して溶融部と対向している母材の一部分または複数部分を冷却しながら行う工程である、結晶ファイバの製造方法である。

一実施形態は、第１回目乃至第Ｍ回目の再結晶化領域を形成する工程が、母材の一部分または複数部分を冷却する場合に、母材の一部分または複数部分を冷却ブロックに接触させることを含む、結晶ファイバの製造方法である。

本発明によれば、結晶ファイバの断面内中央近傍に発光中心を集中させることが可能である。したがって、励起光としてマルチモード半導体レーザのようなＭ²値が１より相当大きな光源を励起に用いた場合であっても、結晶ファイバ内における励起領域の体積割合を低減させられる。その結果、従来よりもレーザ発振器または増幅器の励起効率を向上させることが可能である。

断面内発光中心分布型結晶ファイバの製造方法の従来例を示す。（ａ）は、断面内発光中心分布を持つＹｂ³⁺：ＹＡＧ単結晶ファイバ導波路の断面図であり、（ｂ）は、その製造方法を示すフロー図であり、（ｃ）は、その単結晶ファイバ導波路をレーザ発振器または増幅器に使用したときの概略図である。本発明の実施例１に母材として用いるＣｒ⁴⁺：ＹＡＧ単結晶ファイバの形状の概略図である。（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、斜視図である。本発明の実施例１における単結晶ファイバ導波路の再結晶化領域および非溶融領域の形成方法を示す概略図である。本発明の実施例１における単結晶ファイバ導波路の製造方法を示すフロー図である。本発明の実施例１において製造された断面内発光中心分布型の単結晶ファイバ導波路の概略図である。（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、斜視図であり、（ｃ）は、その単結晶ファイバ導波路をレーザ発振器または増幅器に使用したときの概略図である。本発明の実施例２における単結晶ファイバ導波路の作製方法を示す概略図である。（ａ）は、複数の再結晶化領域を有する断面内発光中心分布型の単結晶ファイバ導波路の作製方法を示す概略図であり、（ｂ）は、本実施例により第１の再結晶化領域が作製された単結晶ファイバの断面図であり、（ｃ）は、さらに第２の再結晶化領域が作製された単結晶ファイバ導波路の断面図である。本発明の実施例２における断面内発光中心分布型の単結晶ファイバ導波路の作製方法を示すフロー図である。本発明の実施例１において炭酸ガスレーザ光を２方向から照射した場合に製造された断面内発光中心分布型の単結晶ファイバ導波路の断面図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。また、本発明の実施形態は、本発明の要旨の範囲を逸脱しない限り、以下の例示に何ら限定されることはない。

本願の発明の対象はファイバ型の結晶、すなわち、結晶ファイバの製造方法に関するものである。主要部分が複数の単結晶により構成される場合や単結晶と他の材料の組み合わせである場合も本発明の対象である。導波路構造とするために、主要部分とは異なる材料をファイバ側面に付着させる場合がある。また端面に、励起光もしくは発振光に対する反射率を制御する構造を設置する場合がある。

（実施例１）本発明の第１の実施例として、Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧを母材として用いた場合の、断面内発光中心分布型の単結晶ファイバ導波路の作製方法を以下に説明する。

図４は、本実施例における単結晶ファイバ導波路５の製造方法を示すフロー図である。このフロー図に従い、各工程（Ｓ１乃至Ｓ５）について説明する。

Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧは、波長１μｍ付近の光により励起し、波長１．４μｍを含む広帯域波長で発振するレーザ結晶である。発光中心はＣｒ⁴⁺である。このレーザ結晶は、フェムト秒パルス光源や広帯域波長可変光源に使用することが可能である（非特許文献５）。

まず、ＬＨＰＧ法により、結晶ファイバの母材であるＣｒ⁴⁺：ＹＡＧ単結晶ファイバを作製する（Ｓ１）。作製方法および作製条件は、非特許文献４に記述されたものと同じである。

図２は、上記において作製された母材１の形状概略図である。図２（ａ）は、その断面図であり、図２（ｂ）は、その斜視図である。

母材１にはＣｒ原子とＣａ（カルシウム）原子が、少量添加されている。Ｃａ原子は、結晶中において正の２価の状態で存在し電荷補償媒体として働く。そのため、電荷補償体が無い場合には正の３価の状態が最も安定なＣｒ原子を、さらに高い価数の状態とすることが可能になり、発光中心のＣｒ⁴⁺が生成される。また、母材１の断面内において、発光中心の分布の偏りはわずかであり、ほぼ一定である。

母材１の作製方位は、固液界面の全面において付着成長となるよう［１００］から［１１０］方位へ１５°に設定されている。この方位へ引き上げたＹＡＧ単結晶ファイバの断面は、図２（ａ）に示すように、正四角形のそれぞれの辺が外側に向けて湾曲した形状である（非特許文献４）。

次に、母材１を断面内発光中心分布型の単結晶ファイバへと加工する工程（Ｓ２乃至Ｓ４）を行う。この工程において、母材１に対して発光中心の濃度が低い再結晶化領域６を形成させる。本実施例における雰囲気は、酸素雰囲気である。

図３は、本発明の実施例１における再結晶化領域を形成する方法を示す概略図である。

母材１の長手方向下端を鉛直方向４に向け、熱源である炭酸ガスレーザ光２の照射位置に、加工を開始する母材１下端付近の側面を合わせ設置する（Ｓ２）。次に炭酸ガスレーザ光２を４方向から照射して加熱する。それぞれの照射方向は、全て水平方向から下方９０°の間である。また母材１の中心軸に対して垂直な平面を取り、その平面上にＸＹ直交軸を考えたときに、それぞれの照射方向をこの平面内へ投射した４ベクトルは、Ｘ軸＋方向を０°として、０°乃至９０°、９０°乃至１８０°、１８０°乃至２７０°、２７０°乃至３６０°のそれぞれの方向を有する。このとき、加熱された母材１の一部分は融点を越えるまで昇温し溶融する。この溶融した部分を溶融部３と記述する。

溶融部３の内側の一定量が溶融せずに残るよう、炭酸ガスレーザ光２の出力を調整する（Ｓ３）。

溶融部３を形成した後、母材１を、鉛直方向４に沿って連続的に引き下げ、溶融部３を再結晶化させる。この再結晶化した領域を再結晶化領域６と記述する。溶融せず残った部分を非溶融領域７と記述する。非溶融領域７は、母材１の中心軸を含む（Ｓ４）。

溶融部３からは、母材１に含まれるＣｒ原子の一部が揮発する。したがって、再結晶化領域６は、結晶ファイバの母材１よりもＣｒ原子の濃度が低い。一方、非溶融領域７は溶融部３と異なり、加熱による溶融およびそれに伴うＣｒ原子の揮発が生じないため、母材１とＣｒ原子の濃度が同じである。

引き下げは、所定の最終位置まで連続して進める。再結晶化領域６と非溶融領域７とは、単結晶ファイバの長手方向に沿って連続していて断面内において均一の形状である（Ｓ５）。

図５は、本実施例において製造された単結晶ファイバ導波路５の概略図である。図５（ａ）は、その断面図であり、図５（ｂ）は、その斜視図である。図５（ｃ）は、その単結晶ファイバをレーザ発振器または増幅器に使用したときの概略図である。

非溶融領域７の直径は１００μｍであり、再結晶化領域６の厚みと合計した単結晶ファイバ導波路５の直径は２００μｍである。

再結晶化領域を形成する工程が完了した後に、必要に応じて熱アニール処理を適宜行う。熱アニール処理は融点以下である所定の温度まで昇温し、その温度を所定の一定時間維持し、所定の時間に温度を徐々に低下させる処理であり、発光中心濃度の増加を目的として、酸素雰囲気において行う（非特許文献５）。

熱アニール処理を行わなかった場合は、再結晶化領域を形成する工程が完了した後に、単結晶ファイバ導波路５の外周を覆うようにＳｉＯ₂（二酸化シリコン）蒸着膜を形成して、単結晶ファイバ導波路５のクラッドとする。熱アニール処理を行った場合は、熱アニール処理が完了した後にクラッド形成を行う。図５においてクラッドは表示していない。クラッド形成は非特許文献５の記述と同様に行う。

以下、格子定数について考察し、発振光への応力複屈折による影響を見積もる。Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧ単結晶の格子定数については、成長モードの違いによる影響とＣｒ原子の添加濃度による影響とを考察する必要がある。再結晶化領域６が再結晶化する際の成長モードは付着成長であり（Ｓ４）、母材１の作製時（Ｓ１）との成長モードの違いは無く、これによって非溶融領域７と格子定数の差異を生じることは無い。

これに対しＣｒ原子の添加濃度については、再結晶化領域６と非溶融領域７で異なる。予備実験としてＣｒ⁴⁺：ＹＡＧ単結晶ファイバ全体を再結晶化させた。この際に溶融部よりＣｒ原子の一部が揮発し、再結晶化後にはＣｒ原子の濃度が減少した。その結果、励起波長１．０６μｍにおける吸収係数は、再結晶化前の１．６ｃｍ^-1から０．２ｃｍ^-1に変化した。これは、Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧの単結晶中の発光中心Ｃｒ⁴⁺の濃度が、再結晶化した場合、１／８に減少することを示す結果である。

本実施例において作製した単結晶ファイバ導波路５におけるＣｒ⁴⁺の濃度も同様の結果となり、非溶融領域７に対する再結晶化領域６の濃度比率が１／８程度となる。Ｃｒ原子の添加濃度によるＹＡＧ単結晶の格子定数の違いは非特許文献６に報告がされている。Ｃｒ₂Ｏ₃濃度に対する格子定数の変化比率は、５×１０^-4ｎｍ／ｗｔ％程度である。母材のＣｒ⁴⁺：ＹＡＧ単結晶ファイバへのＣｒ添加濃度は２×１０^-2ｗｔ％程度（非特許文献４）であり、これらを基に計算を行うと、非溶融領域７に対し再結晶化領域６の格子定数は１０^-5ｎｍ程度小さいことになる。非特許文献３と同様の状況であるので、この文献の値から算出すると、長さ４０ｍｍの導波路では応力複屈折によりπ／２０程度の位相差が生じることになる。この値は従来技術に依るものの１／１０であり、充分に小さい。その結果、単結晶ファイバ導波路５は、直線偏光でありガウシアンビームプロファイルを有する発振光（または増幅光）を低い伝搬損失で導波させることが出来る。

図５（ｃ）は、本実施例で作製した断面内発光中心分布型の単結晶ファイバ導波路５をレーザ発振器または増幅器に使用したときの概略図である。励起光８は、単結晶ファイバ導波路５の第１の端面に入射し、発振光または増幅光９は第１または第２の端面より放射される。単結晶ファイバ導波路５の最外周に、厚さ１μｍのＳｉＯ₂蒸着膜（図示されていない）が設けられている。ＳｉＯ₂蒸着膜は、発振光または増幅光９に対し、単結晶ファイバ導波路５のクラッドとして機能する。単結晶ファイバ導波路５の端面の内側に励起光８を絞り込み入射させることにより、単結晶ファイバ導波路５の内部において全反射をしながら導波する。

本実施例において、励起領域の体積、すなわち非溶融領域７の体積は、単結晶ファイバ導波路５の体積の約２５％である。したがって、本実施例で作製された結晶ファイバ５をレーザ発振器または増幅器に使用した場合、非特許文献１に開示されるように、励起効率を向上させることが出来る。

上記の実施例１では４方向から炭酸ガスレーザを照射しているが、２方向、３方向、または５方向以上からの照射によって実施することも可能である。

Ｓ３乃至Ｓ５の工程において、炭酸ガスレーザの照射方向が２方向の場合に作製された単結晶ファイバ導波路３０の断面図を図８に示す。図８の向かって左右に再結晶化領域３１、中央に非溶融領域３２が形成されている。これらの領域は、結晶ファイバ導波路３０の長手方向に均一に形成されている。

（実施例２）本発明の第２の実施例として、単結晶ファイバ導波路１５の作製方法を示す。本実施例において作製される単結晶ファイバ導波路１５は、実施例１において作製された単結晶ファイバ導波路５と異なり、２つの再結晶化領域１６、２６を備えている。

図７は、本実施例における製造方法を示すフロー図である。このフロー図に従い、各工程（Ｓ１１乃至Ｓ１９）について説明する。

母材１１は、実施例１と同様にＣｒ⁴⁺：ＹＡＧ単結晶であり、ＬＨＰＧ法を用いて作製される（Ｓ１１）。また、本実施例における母材１１の直径は、１２０μｍである。

図６は、本実施例における作製方法を示す概略図である。図６（ａ）は、２つの再結晶化領域を有する単結晶ファイバ導波路１５の作製方法を示す概略図である。図６（ｂ）は、本実施例により第１の再結晶化領域１６が形成された単結晶ファイバ２１の断面図であり、図６（ｃ）は、単結晶ファイバ２１にさらに第２の再結晶化領域２６が形成された単結晶ファイバ導波路１５の断面図である。

母材１１の長手方向下端を鉛直方向１４に向ける。熱源である炭酸ガスレーザ光１２の照射位置に、加工を開始する母材１１下端付近の側面を合わせ設置する。このとき、母材１１の照射位置となる側面に対し、中心軸を挟み対向する側面を冷却ブロックへ接触させておく（Ｓ１２）。

冷却ブロック２０は、これと接触している母材１１の側面を冷却する機能を有している。また、冷却ブロック２０の材質は、サファイア、ダイヤモンド、金属の内から選択される。

炭酸ガスレーザ光１２により母材側面の一部分を溶融し、溶融部１３を形成する。このとき、冷却ブロック２０に接する母材１１の一定量が溶融せずに結晶のまま残るよう炭酸ガスレーザ光１２の出力を調整する。ここで、母材１１の中心軸近傍は溶融させない（Ｓ１３）。工程Ｓ１３乃至Ｓ１５の雰囲気は、効果的な冷却のためＨｅ（ヘリウム）雰囲気とすることが好ましい。

溶融部１３を形成した後、母材１１を、鉛直方向１４に沿って連続的に引き下げ、溶融部１３下部を再結晶化させる。これにより再結晶化領域１６が連続して形成される。ここで、再結晶化領域１６の断面形状は、長手方向に沿って均一である（Ｓ１４）。

炭酸ガスレーザ光照射位置が母材１１の長手方向上端付近の所定の位置に達したときに引き下げを終了する（Ｓ１５）。

図６（ｂ）は、工程Ｓ１５までの工程が完了した段階における単結晶ファイバ２１の断面図である。図６（ｂ）において、向かって右側の領域は、第１の再結晶化領域１６である。

次に単結晶ファイバ２１を軸周りに反転させ、上方向に移動させ母材１１が最初に設置された位置に戻す。そして工程Ｓ１２と同様に冷却ブロック２０を接触させる（Ｓ１６）。

工程Ｓ１６において設定された単結晶ファイバ２１に対し、工程Ｓ１３乃至Ｓ１５と同様の工程を行う（Ｓ１７乃至Ｓ１９）。これにより、第２の再結晶化領域２６が、母材１１の長手方向に沿って形成される。その後、実施例１と同様に、酸素雰囲気において熱アニール処理を施し、外周を覆うようにＳｉＯ₂蒸着膜を形成して、単結晶ファイバ導波路１５のクラッドとする。

図６（ｃ）は、本実施例において作製された単結晶ファイバ導波路１５の断面図である。左右端に再結晶化領域１６、２６が図示される。母材１１から溶融せずに残された非溶融領域１７は、再結晶化領域１６、２６と隣接する２つの側面を有している。図６（ｃ）においてクラッドは表示していない。再結晶化領域１６、２６の非溶融領域１７からの最大厚さは、共に４０μｍである。また、非溶融領域１７の断面は、幅４０μｍ、長さ１２０μｍであり長方形に近い形状を有している。

再結晶化領域１６、２６は、実施例１と同様に、工程Ｓ１４及びＳ１８において溶融部１３よりＣｒ原子が揮発するため、母材１１よりもＣｒ濃度が低い。

本実施例において、再結晶化時（図７のＳ１４及びＳ１８）の成長モードは付着成長であり、母材１１の作製時（図７のＳ１１）の成長モードと同じである。工程Ｓ１４及びＳ１８における溶融部からのＣｒ原子の揮発による格子定数の変化およびそれに伴う応力複屈折の発生の程度は、実施例１と同程度である。従って、本実施例において作製された単結晶ファイバ導波路１５は、実施例１と同様に、直線偏光でありガウシアンビームプロファイルを有する発振光または増幅光を、従来よりも伝搬損失が少なく導波させることが出来る。

本実施例において、励起領域の体積、すなわち非溶融領域１７の体積は、単結晶ファイバ導波路１５の体積の約３３％である。したがって、本実施例で作製された単結晶ファイバ導波路１５を、実施例１と同様にレーザ発振器または増幅器に使用した場合、非特許文献１の記述にあるように、励起効率を向上させることが出来る。

上記冷却ブロックに使用する材料は熱伝導率が高ければ、サファイア、ダイヤモンド、金属以外の材料であっても実施可能である。またヒートパイプなど放熱のための構造を有する装置であっても実施可能である。

上記の実施例２において、冷却ブロックを用いたが、雰囲気による冷却が充分であれば熱源の調整のみで所望の形状の溶融部を形成することも可能である。

上記の実施例２において、再結晶化領域を形成する工程は２回であるが、３回以上の工程を行い、単結晶ファイバ導波路に３か所以上の再結晶化領域を備えることも可能である。

上記の実施例１および実施例２において、熱源として炭酸ガスレーザを用いたが、ガラスファイバレーザ、半導体レーザ、またはランプその他の熱源を用いても実施可能である。

上記の実施例１および実施例２は、クラッド材料としてＳｉＯ₂に替えて、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）などのレーザ結晶より低い屈折率を持つ材料を用いても実施可能である。

上記の実施例１および実施例２は、不純物としてＣｒとＣａとを添加したＹＡＧ単結晶に替えて、不純物としてＣｒとＭｇとを添加したＹＡＧ単結晶を母材として用いても実施可能である。

また、実施例１および実施例２は、発光中心としてＣｒ⁴⁺を添加したＬｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、Ｔｉサファイア、またはＣｒフォルステライトを母材として使用した場合においても実施可能である。

さらに、上記の実施例１および実施例２は、発光中心としてＣｒ、Ｔｉ、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｖ（バナジウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｕ（銅）、などの第４周期遷移元素やＺｎ（亜鉛）を含み、ホスト結晶としてＹＡＧ、サファイア、フォルステライト、Ｌｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、Ｌｕ₂Ｏ₃、またはＹ₂Ｏ₃を用いた場合においても実施可能である。非特許文献７の記述にあるように、これらの第４周期遷移元素の酸化物は、上記結晶の融点付近（１９００℃乃至２５００℃）において充分に大きな飽和蒸気圧を有し、再結晶化過程での揮発が起きるためである。

母材の作製方法もＬＨＰＧ法に限定されない。実施例１および実施例２は、母材の作製方法について上記のＬＨＰＧ法の他にマイクロプルダウン法や研磨によって作製された単結晶ファイバを母材として用いても実施可能である。

また実施例１および実施例２は、母材として単結晶ファイバではなく、複数種の単結晶を接合した、結晶ファイバを用いて実施することも可能である。例えば非特許文献８に記述があるような、直径１．５ｍｍの発光中心が添加された単結晶ファイバの両端に発光中心が添加されていない単結晶ファイバを接合した材料を母材として使用することも可能である。

１、１１母材
２、１２炭酸ガスレーザ光
３、１３溶融部
４、１４鉛直方向
５、１５、３０、１０１単結晶ファイバ導波路
６、１６、２６、３１再結晶化領域
７、１７、３２非溶融領域
８、１０８励起光
９、１０９発振光または増幅光
２０冷却ブロック
２１工程Ｓ１５までが完了した段階における単結晶ファイバ
１０２中央部
１０３周辺部

Claims

結晶ファイバの断面内中央近傍に発光中心を集中させる断面内発光中心分布型の前記結晶ファイバの製造方法であって、
結晶が溶融した場合に溶融部より揮発する発光中心を含む前記結晶ファイバを母材とし、前記母材の側面の一部分または前記母材の長手方向における位置が等しい前記母材の側面の複数部分を加熱することにより、前記母材の前記一部分または前記複数部分の内側が一定量だけ溶融しないように前記母材の前記一部分または前記複数部分を溶融し、前記溶融部を形成する工程と、
前記溶融部を順次前記母材の長手方向に移動させ冷却することにより、前記溶融部を連続的に再結晶化し、再結晶化領域を形成する工程と、を備える、
結晶ファイバの製造方法。
結晶ファイバの断面内中央近傍に発光中心を集中させる断面内発光中心分布型の前記結晶ファイバの製造方法であって、
結晶が溶融した場合に溶融部より揮発する発光中心を含む前記結晶ファイバを母材とし、前記母材の側面の一部分または前記母材の長手方向における位置が等しい前記母材の側面の複数部分を加熱することにより、前記母材の前記一部分または前記複数部分の内側が一定量だけ溶融しないように前記母材の前記一部分または前記複数部分を溶融し、前記溶融部を形成する工程と、
前記溶融部を順次前記母材長手方向に移動させ冷却することにより、前記溶融部を連続的に再結晶化し、第１回目の再結晶化領域を形成する工程と、
ａ）前記母材の側面の前記一部分または前記母材の長手方向における位置が等しい前記母材の側面の前記複数部分であり、かつ前記第１回目乃至第ｎ−１（ただしｎは２を初期値とする正の整数）回目に形成された再結晶化領域以外の部分を加熱することにより、前記母材の前記一部分または前記複数部分の内側が一定量だけ溶融しないように前記母材の前記一部分または前記複数部分を溶融し、前記溶融部を形成する工程と、
ｂ）前記溶融部を順次前記母材長手方向に移動させ冷却することにより、前記溶融部を連続的に再結晶化し、第ｎ回目の前記再結晶化領域を形成する工程と、
ｃ）前記ａ）および前記ｂ）工程を、前記ｎの最大値をＭ（ただしＭは２以上の正の整数）として、前記ｎが所定の前記Ｍになるまで１ずつ増やして所定回数繰り返す工程と、を備える、
結晶ファイバの製造方法。
前記第１回目乃至前記第Ｍ回目の前記再結晶化領域を形成する工程は、前記母材の長手方向に沿う軸を介して前記溶融部と対向している前記母材の前記一部分または前記複数部分を冷却しながら行う工程である、
請求項２に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記第１回目乃至前記第Ｍ回目の前記再結晶化領域を形成する工程は、前記母材の前記一部分または前記複数部分を冷却する場合に、前記母材の前記一部分または前記複数部分を冷却ブロックに接触させることを含む、
請求項３に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記冷却ブロックの材料は、ダイヤモンド、サファイアまたは金属を用いたブロック、またはヒートパイプを組み込んだブロックである、
請求項４に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記冷却は、雰囲気にヘリウムを使用する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記発光中心は、第４周期遷移金属元素であるチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または銅（Ｃｕ）、または亜鉛（Ｚｎ）、の内のいずれかである、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記母材は、結晶であって、４価のクロムを添加したイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧ）、ＴｉサファイアまたはＣｒフォルステライトの内の何れかである、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記母材は、単結晶からなるファイバまたは複数の前記単結晶同士を接合したファイバである、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記再結晶化領域を形成する工程が完了した後に、前記結晶ファイバの側面全周囲にクラッドとして用いる薄膜を形成する工程を備える、
請求項１乃至９いずれか一項に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記再結晶化領域を形成する工程が完了した後に、前記結晶ファイバの温度を前記母材の融点以下の所定の温度に昇温し、前記所定の温度を所定時間維持し、その後所定の時間に渡り前記結晶ファイバを徐冷する、アニール工程を備える、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記アニール工程の後に、前記結晶ファイバの側面全周囲にクラッドとして用いる薄膜を形成する工程を備える、
請求項１１に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記クラッドの材料は、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｉ₂Ｏ₃）、または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である、
請求項１０または１２に記載の結晶ファイバの製造方法。
前記母材を加熱する熱源は、レーザ、ランプその他の放射光源である、
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の結晶ファイバの製造方法。