JP2020072153A - ファイバレーザ用光ファイバ、ファイバレーザ及びファイバレーザ用光ファイバの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明は、上記のような特性を備えたファイバレーザ用光ファイバを使用した信頼性の高い高出力ファイバレーザを提供することを目的とする。
また、本発明によれば、上記のような特性を備えたファイバレーザ用光ファイバを使用した信頼性の高い高出力ファイバレーザを提供することができる。
なお、各図面において、同じ部材には同じ参照符号を付している。また、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは、同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。また、これらの図面は見易くするために、縮尺を適宜変更している。
図1Aは、本発明の第1実施形態のファイバレーザ用光ファイバを示す概略図であり、ファイバレーザ用光ファイバの模式的な斜視図である。図1Bは、本発明の第1実施形態のファイバレーザ用光ファイバを示す概略図であり、図1Aに示すファイバレーザ用光ファイバの模式的な断面図である。
ファイバレーザ用光ファイバ1は、コア2と、コア2の外周に配置される第一クラッド3と、第1クラッド3の外周に配置される第二クラッド4と、を有する。ファイバレーザ用光ファイバ1は、第一クラッド3の少なくとも一方の端部を励起光導入端とし、その励起光導入端から励起光を導光することにより、希土類元素を励振させてレーザ発振光を出力する。コア2のコア径は、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向に一定である。
本実施形態では、ファイバレーザ用光ファイバ1の両端部を励起光導入端とし、5kWのレーザ光出力を得るために、両端部からそれぞれ3.16kWの励起光を導光する例を示している。また、ファイバレーザ用光ファイバ1の有効長は30mとしている。
そこで、ファイバレーザ用光ファイバ1において、コア2からの信号光の漏れ出しを防ぐために、コア径と開口数(NA)とは、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向に沿って一定とされる。ここで、コア2へのYbの添加濃度が1mole%高くなると、コア2の屈折率が0.007332大きくなる。このため、コア2の屈折率の変化を打ち消して、コア2の屈折率をファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向に沿って一定に保つように、屈折率調整用元素をコア2に添加すればよい。なお、本明細書において「一定」とは、変動が全くない厳密な意味での一定ではなく、設計上一定であるという程度の意味で使用している。従って、誤差等に起因する変動があっても、「一定」に含まれるものとする。
図7は、本発明の第2実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおいて、コアに添加されるYbのmole濃度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布を示している。
前述の第1実施形態のファイバレーザ用光ファイバ1は、長さが30mと比較的長いため、熱的条件はそれほどの過酷ではない。しかし、誘導ラマン散乱の閾値を与える臨界パワーPcrは、次の数式3で計算すると5.1kWになる。この場合、ファイバレーザ用光ファイバ1のレーザ光出射端側にフィードファイバやデリバリファイバを接続することも考えると、レーザ光出力5kWでは誘導ラマン散乱の発生が問題になる可能性が高い。従って、本実施形態では、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さを10mにすると共に、コア2へのYbの添加濃度の変化によるコア2の屈折率の変化によって発生し得るファイバレーザ用光ファイバ1の開口数(NA)の変化に対して、第一クラッド3の屈折率を変化させることによって、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向に沿ってファイバレーザ用光ファイバ1の開口数(NA)を一定に保つようにした。この実施形態について以下に説明する。
図7に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向に沿うコア2へのYbの添加濃度は、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向における励起光を導光する端部に近い領域ほど、他の領域(ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向における中央領域)に比較して低くなるようにしている。また、図8に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ1の吸収損失は、図7に示したYbの添加濃度分布と同様に、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向における励起光を導光する端部に近い領域ほど、他の領域(ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向における中央領域)に比較して低くなっている。
図7に示したように、コア2へのYbの添加濃度は、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向の中央付近で高濃度となっているため、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向の中央付近ではコア2の屈折率は高くなる。このため、図10に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向の中央付近に行く程、屈折率を下げるためのFを第一クラッド3に低濃度となるように添加している。これにより、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向の中央付近の第一クラッド3の屈折率は、中央付近以外の領域に比べて相対的に高くなる。その結果、前述の数式2に示した関係式からわかるように、ファイバレーザ用光ファイバ1の開口数(NA)をファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向に沿って一定にすることができる。
図11は、図7に示したようにコア2へのYbの添加濃度を変化させた場合に、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向の開口数(NA)を一定するために、開口数調整用元素として添加によって屈折率が上がる前述のGeを第一クラッド3へ添加する際のGeの添加濃度の分布例を示している。
図11に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向の中央付近に行く程、屈折率を上げるためのGeを第一クラッド3に高濃度となるように添加している。
図13は、本発明の第3実施形態であるファイバレーザの模式的な構成図である。
本実施形態のファイバレーザ5は、前方励起部7と、発振器部6と、後方励起部8と、ビームデリバリ部13と、を備え、ビームデリバリ部13からレーザ光15が出射されるように構成されている。なお、図の簡略化のために、ファイバレーザ用光ファイバ1については詳細構造を図示していない。ファイバレーザ用光ファイバ1については太い実線で表し、それ以外の光ファイバをそれよりもやや細い実線で示している。発振器部6にループ状に配置されている部分が、ファイバレーザ用光ファイバ1である。
図14は、本発明の第4実施形態のファイバレーザの模式的な構成図である。
図13と同様に、図の簡略化のために、ファイバレーザ用光ファイバ1については、詳細構造は図示していない。ファイバレーザ用光ファイバ1については太い実線で表し、それ以外の光ファイバをそれよりやや細い実線で示している。電源部や制御部を省略しているのも図13と同様である。
図17、図19、図20は、本発明の第5実施形態であるファイバレーザにおけるファイバレーザ用光ファイバの冷却構造を示す模式図である。この冷却構造(放熱構造)は、第3実施形態や第4実施形態のファイバレーザ5、105に使用することができる。
図17は、ファイバレーザ用光ファイバの冷却構造の一部を示す断面図である。図17に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ1の少なくとも一部が、冷却板16に形成された溝16a内に敷設されている。
図21は、本発明の第6実施形態のファイバレーザの模式的な構成図である。
本実施形態のファイバレーザ205は、第3実施形態のファイバレーザ5を複数備えると共に、各ファイバレーザ5からのレーザ出力を一本の光ファイバに結合するビームコンバイナ18を更に備えている。第3実施形態のファイバレーザ5は、前述したように長さ方向に温度が均一化されたファイバレーザ用光ファイバ1を有し、高出力レーザ光を出射可能である。そのため、本実施形態のファイバレーザ205は、ファイバレーザ5の光出力を、一つのビームコンバイナ18で結合することにより、更に高出力なレーザ光15を出射できる。
図22A〜図22Gは、本発明のファイバレーザ用光ファイバ1の製造方法を説明するための製造工程の概略図である。本実施形態の製造方法は、第1実施形態のファイバレーザ用光ファイバ1のように、コア2に対するYbの添加濃度と屈折率調整用元素の添加濃度とを長さ方向に変化させたファイバレーザ用光ファイバ1を製造するための製造方法の一例を示している。
図23A〜図23Dは、本発明のファイバレーザ用光ファイバ1の製造方法を説明するための製造工程の概略図である。本実施形態の製造方法は、第1実施形態のファイバレーザ用光ファイバ1のように、コア2へのYbの添加濃度と屈折率調整用元素の添加濃度をファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向に変化させたファイバレーザ用光ファイバ1を製造するための他の製造方法の一例を示している。
図24A〜図24Cは、本発明のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。本実施形態の製造方法は、第1実施形態のファイバレーザ用光ファイバ1のように、コア2に添加するYbの添加濃度と屈折率調整用元素の添加濃度をファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向に変化させたファイバレーザ用光ファイバ1を製造するための更に他の製造方法の一例を示している。
図25は、本発明のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。本実施形態の製造方法は、第2実施形態のファイバレーザ用光ファイバ1のように、コア2に添加するYbの添加濃度と第一クラッド3に添加する開口数調整用元素の添加濃度とをファイバレーザ用光ファイバ1の長さ方向に変化させたファイバレーザ用光ファイバ1を製造するための製造方法の一例を示している。
2 コア
3 第一クラッド(励起クラッド)
4 第二クラッド
5,105,205 ファイバレーザ
6 発振器部
7 前方励起部
8 後方励起部
9 レーザダイオードモジュール(LDM)
10 テーパーファイババンドル(TFB)
11 高反射ファイバブラッググレーティング(HRFBG)
12 出力カプラー・ファイバブラッググレーティング(OCFBG)
13 ビームデリバリ部
14 デリバリファイバ
15 レーザ光
16 冷却板
17 熱伝導接着剤
18 ビームコンバイナ
301 基板
302 スート
303シリカガラス
304 ディスク
305,407,502 シリカチューブ
306,409,505 酸水素バーナー
307,410,506,604 プリフォーム
401 ガラス種棒
402 スート体
402a スート堆積面
403 ヒーター
404 高温炉
405、405a,601 ロッド
406 バーナー
408 ロッドインチューブ
411 面形状モニタリング装置
501 高周波キャビティ
503,602 シリカガラス層
504 高周波誘導熱プラズマ
603 プラズマトーチ
Claims (15)
- 希土類元素が添加されたコアと、前記コアの周囲に形成された第一クラッドと、前記第一クラッドの周囲に形成された第二クラッドと、を備え、前記第一クラッドの少なくとも一方の端部から励起光を導光し、前記希土類元素を励振させてレーザ発振光を出力するファイバレーザ用光ファイバにおいて、
前記コアへの前記希土類元素の添加濃度は、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って異なり、
前記ファイバレーザ用光ファイバのコア径と開口数とは、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定である、ファイバレーザ用光ファイバ。 - 前記コアへの前記希土類元素の添加濃度は、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向における励起光を導光する前記端部に近い領域ほど、他の領域と比較して低い、請求項1に記載のファイバレーザ用光ファイバ。
- 前記コアの屈折率を変化させる屈折率調整用元素が、前記コアへの前記希土類元素の添加濃度の変化による前記コアの屈折率の変化を打ち消して、前記コアの屈折率を前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定に保つように、前記コアに添加されている、請求項1又は2に記載のファイバレーザ用光ファイバ。
- 前記第一クラッドの屈折率を変化させる開口数調整用元素が、前記コアへの前記希土類元素の添加濃度の変化による前記コアの屈折率の変化によって発生する前記ファイバレーザ用光ファイバの開口数の変化に対して、前記ファイバレーザ用光ファイバの開口数を前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定に保つように、前記第一クラッドに添加されている、請求項1又は2に記載のファイバレーザ用光ファイバ。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のファイバレーザ用光ファイバと、
前記ファイバレーザ用光ファイバの端部に接続されたテーパーファイババンドルと、
前記テーパーファイババンドルを介して前記ファイバレーザ用光ファイバの前記第一クラッドに導光させる励起光を出射する複数個の光源と、を備える、ファイバレーザ。 - 前記ファイバレーザ用光ファイバは、定格光出力時あるいは最大光出力時に、前記ファイバレーザ用光ファイバの温度が前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って均一になるように、前記希土類元素の添加濃度分布が前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って制御されたものである、請求項5に記載のファイバレーザ。
- 前記第一クラッドに励起光を一方向から導光するファイバレーザであって、
前記ファイバレーザ用光ファイバは、定格光出力時あるいは最大光出力時に、前記ファイバレーザ用光ファイバの温度が、前記ファイバレーザ用光ファイバの全長のうち、励起光を導光する前記端部側から50%以上の長さの部分で一定温度になり、残りの長さの部分で前記一定温度よりも低温になるように、前記希土類元素の添加濃度分布が前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って制御されたものである、請求項5に記載のファイバレーザ。 - 前記ファイバレーザ用光ファイバの少なくとも一部が、熱伝導部材製の冷却板に形成された溝であって少なくとも前記ファイバレーザ用光ファイバの外径よりも深い溝の内側に、熱伝導接着剤あるいは熱伝導ペーストによって敷設されている、請求項5〜7のいずれか1項に記載のファイバレーザ。
- 前記ファイバレーザ用光ファイバは互いに交差する部分を有し、
前記冷却板は、前記ファイバレーザ用光ファイバが交差する部分において、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバのうちの一方が敷設される前記溝と他方が敷設される前記溝との深さを異ならせることによって、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバ同士が接触しないように構成されているか、又は、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバのうちの一方が敷設される前記溝を跨ぐように熱伝導部材製の架橋が設けられ、前記架橋上に、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバのうちの他方が敷設されるように構成されている、請求項8に記載のファイバレーザ。 - 請求項5〜9のいずれか1項に記載のファイバレーザを複数備えると共に、前記複数のファイバレーザからそれぞれ出射されるレーザ出力を一本の光ファイバに結合するビームコンバイナを更に備える、ファイバレーザ。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、
中空のシリカガラス製のチューブの内側に、前記希土類元素の添加濃度を厚さ方向に変化させたシリカガラス製のディスクを複数枚積層し、
次いで、加熱によって前記チューブと前記ディスクとを互いに融着させてプリフォームを製作し、
次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする、ファイバレーザ用光ファイバの製造方法。 - 請求項1〜3のいずれかに1項に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、
気相軸付堆積法によって、前記希土類元素の添加濃度を軸方向に周期的に変化させながらスートを成長させてスート体を製作し、
次いで、前記スート体をシリカガラス化することによりロッドを製作し、
次いで、前記ロッドを中空のシリカガラス製のチューブの内側に配置してロッドインチューブを製作し、
次いで、前記ロッドインチューブをコラップスしてプリフォームを製作し、
次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする、ファイバレーザ用光ファイバの製造方法。 - 請求項1〜3のいずれかに1項に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、
中空のシリカガラス製のチューブの内側に、プラズマ化学気相堆積法によって、前記チューブ内に発生した高周波誘導熱プラズマによりシリカガラスが堆積する位置の前記チューブの長さ方向の移動に合せて周期的に前記希土類元素の濃度を変化させた原料ガスを供給して前記シリカガラスを堆積させ、
次いで、前記チューブをコラップスしてプリフォームを製作し、
次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする、ファイバレーザ用光ファイバの製造方法。 - 請求項4に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、
気相軸付堆積法によって、軸方向に周期的に前記希土類元素の添加濃度を変化させながらスートを成長させてスート体を製作し、
次いで、前記スート体をシリカガラス化してロッドを製作し、
次いで、前記ロッドをコア母材として、前記コア母材の外面上に、前記コア母材に含まれる前記希土類元素の添加濃度変化の前記ロッドの軸方向の周期に一致させて、原料ガスに含まれる開口数調整用元素の濃度を変化させながら、プラズマ外付化学気相堆積法によって、前記第一クラッドになるシリカガラスを軸方向に堆積させてプリフォームを製作し、
次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする、ファイバレーザ用光ファイバの製造方法。 - 前記スート体を製造する製造装置は、四塩化珪素の酸水素火炎加水分解法によって前記スートを堆積させるためのバーナーと、スート堆積面の面形状をモニタリングする面形状モニタリング装置と、を備え、
前記面形状モニタリング装置によるモニタリング結果をフィードバックして、前記スート堆積面の面形状が前記スート体の中心軸に垂直な平面になるように、前記バーナーの火力を調節しながら、前記スートを堆積させる、請求項12又は14に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法。
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