JP2021057566A - 活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置 - Google Patents

活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置を提供する。【解決手段】コア１１は、第１領域１１ａと、第２領域１１ｂとを含む。第１領域１１ａは中心軸から半径ｒａまでの領域であり励起光により励起される活性元素が添加され、第２領域１１ｂは第１領域１１ａを隙間なく囲みコア１１の外周面までの領域であり活性元素が非添加とされ、コア１１の半径をｄとする場合において、０．１ｄ＜ｒａ＜ｄであり、コア１１の径方向における中心軸からの距離をｒとする場合において、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における活性元素の濃度の平均値よりも高く、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、屈折率が極大となる極大値位置が少なくとも１カ所存在する。【選択図】図２

Description

本発明は、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置に関する。
ファイバレーザ装置は、集光性に優れ、パワー密度が高く、小さなビームスポットとなる光が得られることから、レーザ加工分野、医療分野等の様々な分野において用いられている。この様なファイバレーザ装置では、出射する光の高出力化がなされている。しかし、光ファイバ内における光のパワー密度が高くなると、誘導ラマン散乱に起因する光の波長変換が生じ易くなり、意図しない波長の光が出射する場合がある。この場合、被加工体等で反射する光が再びファイバレーザ装置に戻って増幅されることにより、設計上増幅されるべき波長の光の増幅が不安定となり、出力が不安定となる場合がある。
光ファイバにおける誘導ラマン散乱を抑制する手段として、コアを伝搬する光の実効断面積を大きくすることが挙げられる。この実効断面積を大きくする方法の一つとして、コアの直径を大きくすることが挙げられる。従って、光ファイバにおける誘導ラマン散乱を抑制するために、例えば、光をフューモードで伝搬可能なコアを有する光ファイバが用いられる。
ファイバレーザ装置では、集光性の観点等から出射する光のビーム品質が優れていることが好ましく、そのため上記のように光をフューモードで伝搬可能なコアを有する光ファイバを用いることにより光の実効断面積を大きくする場合であっても、基本モード以外のモードの光が励振されることを抑えたいという要請がある。なお、ビーム品質は、例えば、Ｍ２（エムスクエア）等で示される。そこで、下記特許文献１に記載の活性元素添加光ファイバのように、光をフューモードで伝搬可能なコアを有する活性元素添加光ファイバを用いつつ、高次モードの光の増幅を抑制することが行われている。
特許第５１２４７０１号公報
しかし、よりビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバが求められている。そこで、本発明は、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、コアを備える活性元素添加光ファイバであって、前記コアは、第１領域と、第２領域とを含み、前記第１領域は中心軸から半径ｒａまでの領域であり、当該第１領域には励起光により励起される活性元素が添加され、前記第２領域は前記第１領域を隙間なく囲み前記コアの外周面までの領域であり、当該第２領域には前記活性元素が非添加とされ、前記コアの半径をｄとする場合において、０．１ｄ＜ｒａ＜ｄであり、前記コアの径方向における中心軸からの距離をｒとする場合、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、屈折率が極大となる極大値位置が少なくとも１カ所存在することを特徴とするものである。
本発明者は、活性元素添加光ファイバについて以下のことを見出した。すなわち、上記範囲の第１領域に活性元素が添加され、上記範囲の第２領域に活性元素が非添加とされることで、コアを伝搬するＬＰ０１モードの光を増幅しつつ、高次モードの光の増幅が抑制され得る。その一方、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、屈折率が極大となる極大値位置が少なくとも１カ所存在することで、ＬＰ０１モードの光が中心軸近傍に集中しすぎることを抑制して、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を大きくし得る。このため、誘導ラマン散乱が生じることを抑制し得る。従って、本発明の活性元素添加光ファイバによれば、ビーム品質の劣化が抑制され得る。
また、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高いことが好ましい。
この場合、コアを伝搬するＬＰ０１モードの光がより増幅され得る。
０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高くてもよい。
この場合、０．２ｄ＜ｒ＜０．９ｄの範囲における屈折率の極大値を大きくすることによって、コアを伝搬する光の実効断面積をより一層拡大することができる。
また、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも低くてもよい。
この場合、ｒ＜０．１ｄの範囲における屈折率の極大値を大きくすることによって、コアを伝搬する光の実効断面積を小さくすることができる。
また、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値と同等であってもよい。
なお、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値と同等とは、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値と１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値との差が−０．００７７％以上０．００８９％以下である場合をいう。この場合、ｒ＜０．１ｄの範囲における屈折率の極大値が実効断面積を減少させる効果と、０．２ｄ＜ｒ＜０．９ｄの範囲における屈折率の極大値が実効断面積を拡大させる効果とが同等であれば、本発明に係る光ファイバと矩形状の屈折率分布を持つ光ファイバとを、光損失を抑制して接続することができる。
また、ｒａ≦０．７５ｄであることがさらに好ましい。
この場合、ｒａ＞０．７５ｄの場合に比べてコアを伝搬する高次モードの光の増幅が顕著に抑制され得、ビーム品質の劣化を一層顕著に抑制することができる。
また、ｒａ≦０．７ｄであることがさらに好ましい。
この場合、０．７ｄ＜ｒａ≦０．７５ｄの場合に比べてコアを伝搬する高次モードの光の増幅が顕著に抑制され得、ビーム品質の劣化を一層顕著に抑制することができる。
また、ｒａ＜０．７ｄであることがさらに好ましい。
この場合、ｒａ≧０．７ｄの場合に比べてコアを伝搬する高次モードの光の増幅が顕著に抑制され得、ビーム品質の劣化を一層顕著に抑制することができる。
また、０．４ｄ＜ｒａであることが好ましい。
この場合、ｒａ≦０．４ｄの場合に比べて、光の増幅の効率をより高くすることができる。
更に、０．５ｄ＜ｒａであることがより好ましい。
この場合、光の増幅の効率を更に高くすることができる。また、高次モードの増幅を抑制しつつ、基本モードを効率よく増幅し得る。
また、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値がｒ＝０．２ｄの領域における屈折率よりも高いことが好ましい。
この場合、ＬＰ０１モードの光の増幅の効率をより高くすることができる。
また、前記活性元素はイッテルビウムであることとしても良い。
また、前記活性元素がイッテルビウムである場合、０．３３８ｄ＜ｒ≦０．６１４ｄの領域において、前記極大値位置が少なくとも１カ所存在することが好ましい。
この場合、ＬＰ０１モードの光がコアの中心に集中しすぎることをさらに抑制しつつ、ＬＰ０１モードの光の第１領域からのはみだし量を抑制して、効率よくＬＰ０１モードの光を増幅し得る。また、極大値位置がこのような範囲に存在することで、活性元素添加光ファイバにおけるＬＰ０１モードの光の実効断面積を効果的に広げることができ、誘導ラマン散乱が生じることが抑制されてビーム品質の劣化が抑制され得る。
また、前記活性元素がイッテルビウムである場合、０．５９５ｄ≦ｒａ≦０．７１６ｄであることが好ましい。
コアの第１領域をこのような範囲とすることで、活性元素添加光ファイバにおけるＬＰ０１モードの光の実効断面積を効果的に広げることができ、誘導ラマン散乱が生じることが抑制されてビーム品質の劣化が抑制され得る。
また、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差が０．００４以下であることが好ましい。
コアの外周側における屈折率は、コアを伝搬する光のパワーの分布に影響しやすい。そこで、このような構成によれば、光のパワーが意図せず乱れることを抑制することができる。従って、ビーム品質の低下が一層抑制され得る。
この場合、少なくとも１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域は、ゲルマニウムのみが添加された石英から成ることが好ましい。
１．１ｒａ＜ｒ≦ｄの領域がゲルマニウムのみが添加された石英から成る場合、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差を０．０１以下にし易い。
また、前記極大値位置が前記第１領域に位置し、前記第１領域の少なくとも一部には、前記コアの屈折率を上昇させるアップドーパントがさらに添加され、前記アップドーパントの濃度が前記極大値位置において最大であってもよい。
このような構成によって、第１領域に極大値位置を形成することが可能である。
また、前記極大値位置が前記第１領域に位置し、前記第１領域の少なくとも一部には、前記コアの屈折率を低下させるダウンドーパントがさらに添加され、前記ダウンドーパントの濃度が前記極大値位置において最小であってもよい。
このような構成によって、第１領域に極大値位置を形成することが可能である。
あるいは、前記極大値位置が前記第１領域に位置し、前記第１領域の少なくとも一部には、前記コアの屈折率を上昇させるアップドーパントと、前記コアの屈折率を低下させるダウンドーパントとがさらに添加され、前記アップドーパントと前記ダウンドーパントとの濃度差が前記極大値位置において最大であってもよい。
このような構成によって、第１領域に極大値位置を形成することが可能である。
また、この活性元素添加光ファイバは、前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記コアのうち０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が前記極大値位置における比屈折率差の値以下であり、前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が０．１０％以上であり、前記極大値位置が０．４５ｄ以上であってもよい。
なお、極大値位置は複数存在しても良い。ここで、極大値位置が複数存在する場合における「極大値位置における比屈折率差の値以下」とは、複数の極大値位置のうち最も大きな比屈折率差の値に対応する極大値位置における比屈折率差の値以下を意味する。また、光ファイバが、コアを隙間なく囲む内側クラッドと、当該内側クラッドを隙間なく囲む外側クラッドとを備える場合、内側クラッドは単にクラッドと呼ばれることがある。
活性元素添加光ファイバを例えばこのように形成することで、上記実効断面積を大きくすることができる。
あるいは、この活性元素添加光ファイバは、前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が前記極大値位置における比屈折率差の値以上であり、前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が０％よりも大きく０．１８％以下であり、前記極大値位置が０．５５ｄ以下であってもよい。
なお、この場合にも、極大値位置は複数存在しても良い。ここで、極大値位置が複数存在する場合における「極大値位置における比屈折率差の値以上」とは、複数の極大値位置のうち最も大きな比屈折率差の値に対応する極大値位置における比屈折率差の値以上を意味する。
活性元素添加光ファイバを例えばこのように形成することで、上記実効断面積を大きくし得る。
また、前記コアは、前記極大値位置から少なくとも前記コアの内側に向かうにつれて屈折率が徐々に低下する屈折率分布を有してもよい。
このような屈折率分布では、例えば、矩形状の屈折率分布や、矩形状の屈折率分布に対して極大値位置とその近傍が上に凸の形状に屈折率が突出する屈折率分布と比べ、極大値位置近傍の屈折率分布のうち端部近傍がコアの中心軸からより遠ざかりやすくなる。このように、極大値位置近傍の屈折率分布の端部近傍がコアの中心軸から遠ざかることによって、ＬＰ０１モードの光がコア中心軸近傍に集中しすぎることが一層抑制され得、ＬＰ０１モードの光の実効断面積がより一層大きくなり得る。したがって、誘導ラマン散乱が生じることを抑制し得、ビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得る。
また、上記課題を解決するため、本発明の共振器は、上記のいずれかの活性元素添加光ファイバと、前記活性元素添加光ファイバの一方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合し、励起された前記活性元素が放出する光の少なくとも一部の波長の光を反射する第１ミラーと、前記活性元素添加光ファイバの他方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合し、前記第１ミラーが反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーと、を備えることを特徴とするものである。
この共振器によれば、第１ミラーと第２ミラーとの間を行き来する光において、ＬＰ０１モードの光を増幅しつつ、高次モードの光の増幅が抑制される。従って、ビーム品質の劣化が抑制された光を出射することができる。
また、上記課題を解決するため、本発明のファイバレーザ装置は、上記のいずれかの活性元素添加光ファイバと、前記活性元素を励起する光を出射する光源と、を備えることを特徴とするものである。
上記のようにこの活性元素添加光ファイバではビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得るため、このファイバレーザ装置によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光を出射することができる。
以上のように、本発明によれば、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置が提供される。
本発明の実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。 活性元素添加光ファイバの長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 活性元素添加光ファイバのコアに添加される活性元素の濃度分布を示す図である。 活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の様子を示す図である。 コアの半径と第１領域の半径との比と、活性元素添加光ファイバから出射する光のビーム品質との関係を示す図である。 コアの半径と第１領域の半径との比と、活性元素添加光ファイバに入射する励起光から活性元素添加光ファイバから出射する光に変換される変換効率との関係を示す図である。 ファイバレーザ装置の変形例を示す図である。 クラッドの直径と破断確率との関係を示す図である。 コアの第１領域に添加されるアルミニウムの濃度分布を示す図である。 コアの第１領域に添加されるリンの濃度分布を示す図である。 コアの第１領域に添加されるアルミニウムとリンとの濃度差分布の一例を示す図である。 コアの第１領域に添加されるアルミニウムとリンとの濃度差分布の他の例を示す図である。 コアの第１領域にアルミニウムが添加され、リンが添加されていない場合におけるアルミニウムの濃度分布の一例を示す図である。 コアの第１領域にリンが添加され、アルミニウムが添加されていない場合におけるリンの濃度分布の一例を示す図である。 コアの第１領域にホウ素が添加されている場合における濃度分布の一例を示す図である。 比較例の活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の一例を示す図である。 本発明の活性元素添加光ファイバの実効断面積とステップ型光ファイバの実効断面積との差と、本発明の活性元素添加光ファイバのコアにおける極大値位置との関係の一例を示す図である。 本発明の活性元素添加光ファイバの実効断面積とステップ型光ファイバの実効断面積との差と、本発明の活性元素添加光ファイバのコアにおける極大値位置との関係の他の例を示す図である。
以下、本発明に係る光ファイバ及びレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができる。なお、理解の容易のため、それぞれの図のスケールと、以下の説明に記載のスケールとが異なる場合がある。また、以下において、屈折率を使用して説明する箇所は比屈折率差を使用して説明してもよく、比屈折率差を使用して説明する箇所は屈折率差を使用して説明してもよい場合がある。
図１は、本実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図１に示すように、本実施形態のファイバレーザ装置１は、共振器型のファイバレーザ装置とされ、活性元素添加光ファイバ１０と、励起光源２０と、第１光ファイバ３０と、第１光ファイバ３０に設けられる第１ＦＢＧ３５と、第２光ファイバ４０と、第２光ファイバ４０に設けられる第２ＦＢＧ４５と、光コンバイナ５０と、第３光ファイバ６０と、を主な構成として備える。
＜活性元素添加光ファイバの構成＞
図２は、図１に示す活性元素添加光ファイバ１０の断面の様子を示す断面図である。図２に示すように活性元素添加光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の外周面を隙間なく囲む内側クラッド１２と、内側クラッド１２の外周面を被覆する外側クラッド１３と、外側クラッド１３を被覆する被覆層１４とを主な構成として備える。内側クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低く、外側クラッド１３の屈折率は内側クラッド１２の屈折率よりも低くされている。つまり、活性元素添加光ファイバ１０は、いわゆるダブルクラッド光ファイバである。
コア１１は、第１領域１１ａと第２領域１１ｂとを有する。以下、コア１１の半径をｄとし、コア１１の径方向における中心軸Ｃからの距離をｒとして説明する。第１領域１１ａは、中心軸Ｃから半径ｒａまでの領域とされる。つまり、第１領域１１ａは、０≦ｒ≦ｒａの領域とされる。ただし、第１領域１１ａの半径ｒａは、コア１１の半径ｄの１０％より大きく７５％以下である。つまり、０．１ｄ＜ｒａ≦０．７５ｄである。また、第２領域１１ｂは、第１領域１１ａを囲み、第１領域１１ａの外周面からコア１１の外周面までの領域とされる。つまり、第２領域１１ｂは、第１領域１１ａを隙間なく囲みｒａ＜ｒ≦ｄの領域とされる。
コア１１には、励起光源２０から出射される励起光で励起される活性元素が一部に添加されている。図３は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加される活性元素の濃度分布を示す図である。図３に示すように、第１領域１１ａは、上記活性元素が全体に渡って添加される石英ガラスから成り、第２領域１１ｂは、上記活性元素が非添加の石英ガラスから成る。従って、活性元素が径方向の所定の領域に添加されているとすると、本実施形態では、第１領域１１ａが当該所定の領域となり、この所定の領域の半径がｒａとなる。
なお、活性元素が添加されている領域とは、活性元素が０．５ｗｔ％以上添加されている領域を意味し、活性元素添加光ファイバの製造時における活性元素の拡散等により、活性元素が０．５ｗｔ％より低い濃度で検出される領域は、活性元素が添加されている領域と言えず、活性元素が非添加の領域である。従って、第１領域１１ａには、全体に渡って活性元素が０．５ｗｔ％以上添加されており、第２領域１１ｂから活性元素が検出されたとしても、それはノイズや製造時誤差等であり、検出量は０．５ｗｔ％より低い量となる。
第１領域１１ａの中心近傍における活性元素の濃度は、その周りの活性元素が添加される領域での当該活性元素の平均濃度よりも高くされる。この中心近傍は、図３に示すように、コアの半径の１０％の領域とされる。つまり、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値は、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高い。
本実施形態では、第１領域１１ａに添加される活性元素がイッテルビウム（Ｙｂ）とされ、第１領域１１ａには、フォトダークニングに対する耐性を高めるためにアルミニウム及びリンが更に添加されている。また、第２領域１１ｂには、例えば屈折率を上昇させるゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加されている。図４は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の屈折率分布の様子を示す図である。このような添加物およびその濃度分布により、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂは図４に示す屈折率分布とされる。
なお、屈折率を調整するために、フッ素（Ｆ）やホウ素（Ｂ）等のドーパントが少なくとも一部に添加されても良い。また、本実施形態と異なるが、第１領域１１ａに添加される活性元素はイッテルビウム以外の活性元素であっても良い。このような活性元素としては、希土類元素として、イッテルビウムの他にツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）等が挙げられ、さらに活性元素として、希土類元素の他にビスマス（Ｂｉ）等を挙げることができる。
図４に示すように、コア１１は、中心軸Ｃから内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となるまでの領域であり、内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となる部分の内側とされる。図４には、比屈折率差が０．０５％である位置、すなわちコア１１の外周面の位置が破線で示されている。なお、このようにコア１１の領域が定義される理由は、比屈折率差が０．０５％未満の領域の形状が多少変わっても、活性元素添加光ファイバ１０の光学特性に与える影響が殆どないためである。なお、コアの比屈折率差は、クラッドにおけるコアに隣接する領域に対するコアの比屈折率差を指す。
本実施形態では、第２領域１１ｂでは、第１領域１１ａとの境界から内周近傍まで屈折率が上昇し、内周近傍から外周近傍までの領域において、概ね一定の比屈折率差とされ、外周近傍の領域において内側クラッド１２に向けて比屈折率差が低下している。本実施形態では、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差が０．０１以下とされ、少なくとも第２領域１１ｂにおける１．１ｒａ＜ｒ≦ｄの領域には、ゲルマニウムのみが添加されて、屈折率が調節されている。
本実施形態では、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値は、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における屈折率の平均値よりも高い。また、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値がｒ＝０．２ｄの領域における屈折率よりも高い。
また、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、屈折率が極大となる極大値位置が少なくとも１カ所存在する。より具体的には、極大値位置とは、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値γよりも高い屈折率を有する領域の径方向の長さγｗが、活性元素添加光ファイバ１０を伝搬する光の波長の１／１０以上ある領域における屈折率の極大値の位置をいう。図４に示すように、本実施形態では、このような極大値位置が２カ所存在し、また、屈折率が極小となる位置が２カ所存在する。それぞれの極大値位置は、第１領域１１ａ内に存在し、第２領域１１ｂ内にはこのような極大値位置が存在しない。一方の極大値位置は、中心軸上に存在し、他方の極大値位置は、０．４ｄ＜ｒ≦ｒａの領域内に存在する。図４に示す例では、他方の極大値位置は概ねｒ＝０．５ｄとなる位置に存在する。本実施形態において、この他方の極大値位置近傍の屈折率分布は、当該極大値位置から少なくとも前記コアの内側に向かうにつれて屈折率が徐々に低下する屈折率分布になっている。当該屈折率分布は、極大値位置からコア１１の中心軸側に向かって屈折率の単調減少が終わる一方の特異点を有しており、この一方の特異点は、コア１１の中心軸から極大値位置の間に存在している。なお、この屈折率分布は、極大値位置からクラッド側に向かって屈折率の単調減少が終わる他方の特異点を有している。また、これらの極大値位置での屈折率は、標準偏差が０．０１以下である１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率よりも高い。
この活性元素添加光ファイバ１０は、フューモードファイバであり、コア１１を少なくとも波長１０７０ｎｍの光が伝搬する場合に、当該光は、基本モードであるＬＰ０１モードの光の他に少なくともＬＰ１１モードの光が伝搬することができる。従って、活性元素添加光ファイバ１０がシングルモードファイバである場合と比べて、光の実効断面積を大きくすることができる。なお、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０は、波長１０３０ｎｍから１０９０ｎｍのいずれかの波長の光が伝搬する場合であっても、基本モードであるＬＰ０１モードの光の他に少なくともＬＰ１１モードの光が伝搬することができる。
ここで、第１領域１１ａの半径ｒａについて説明する。
図５は、コア１１の半径ｄと第１領域の半径ｒａとの比と、活性元素添加光ファイバ１０から出射する光のビーム品質（Ｍ２）との関係を示す図である。より具体的には、図５は、半径ｄと半径ｒａとの比ｒａ／ｄを変えたときにコア１１を伝搬する光のモードが増幅される程度を数値シミュレーションによって見積もり、それをビーム品質（Ｍ２）に換算した図である。図５に示すように、コア１１の半径ｄと活性元素が全体に渡って添加される第１領域１１ａの半径ｒａとの比ｒａ／ｄが０．７を超えると、すなわち、ｒa＞０．７ｄの場合、ビーム品質が僅かに劣化し始めることが分かる。別言すれば、ｒa≦０．７ｄであれば、ビーム品質の劣化が抑制され得る。また、ｒａ／ｄが０．７よりも小さい場合、すなわち、ｒａ＜０．７ｄである場合、Ｍ２が概ね１に収束し、ビーム品質の劣化がより抑制されることが分かる。一方、上記比ｒａ／ｄが０．７５を超えると高次モードの増幅が大きくなり、ビーム品質が急激に劣化することが分かる。つまり、上記のように、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１において、ｒa／ｄが０．７５以下であることで、すなわち、第１領域１１ａの半径ｒａが０＜ｒａ≦０．７５ｄであることで、活性元素添加光ファイバ１０において高次モードの増幅が抑制され、出射する光のビーム品質の劣化が抑制される。このように、第１領域１１ａの半径ｒａが０＜ｒａ≦０．７５ｄであれば、活性元素添加光ファイバ１０において高次モードの増幅が抑制され、出射する光のビーム品質の劣化が抑制される。また、０＜ｒａ≦０．７ｄであれば、活性元素添加光ファイバ１０において高次モードの増幅がより抑制され、出射する光のビーム品質の劣化がより抑制される。
なお、第１領域１１ａの半径ｒａが０．１ｄよりも大きい場合、液浸法などの既存の製法を用いて活性元素添加光ファイバを容易に製造し得る。
図６は、コア１１の半径ｄと第１領域１１ａの半径ｒａとの比と、活性元素添加光ファイバ１０に入射する励起光から活性元素添加光ファイバ１０から出射する光に変換される変換効率との関係を示す図である。変換効率は、「活性元素添加光ファイバ１０から出射する光のパワー／活性元素添加光ファイバ１０に入射する励起光のパワー」で示される。図６に示すように、コア１１の半径ｄと第１領域１１ａの半径ｒａとの比（ｒa／ｄ）が０．４であると、最大の変換効率の概ね９０％となり、また、ｒa／ｄが０．４よりも大きくなると、すなわち、０．４ｄ＜ｒaであると、変換効率の最大値に対する比率が９０％よりも大きくなる。なお、上述のように、ｒa／ｄが０．７５以下である場合、出射する光のビーム品質の劣化が抑制される。つまり、ｒa／ｄが０．７５以下であれば、ｒa／ｄを０．４よりも大きくすることで、変換効率の低下を抑制しつつ、ビーム品質の良いレーザを作ることができる。従って、変換効率がコア１１の半径ｄと第１領域１１ａの半径ｒａとの比が０．４より大きいことが好ましい。つまり、０．４ｄ＜ｒａであることが、光の増幅の効率を高くすることができる観点から好ましい。さらに、コア１１の半径ｄと第１領域１１ａの半径ｒａとの比が０．５であると、最大の変換効率の概ね９７％となる。従って、変換効率がコア１１の半径ｄと第１領域１１ａの半径ｒａとの比が０．５より大きいことが更に好ましい。つまり、０．５ｄ＜ｒａであることが、光の増幅の効率を更に高くすることができる観点から好ましい。また、０．５ｄ＜ｒａであれば、高次モードの増幅を抑制しつつ、基本モードを効率よく増幅し得る。
＜活性元素添加光ファイバ以外の構成＞
第１光ファイバ３０は、コアの構成が活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の構成と異なるダブルクラッド光ファイバとされる。第１光ファイバ３０は、活性元素添加光ファイバ１０の一方に端部に接続される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と第１光ファイバ３０のコアとが光学的に結合され、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第１光ファイバ３０の内側クラッドとが光学的に結合される。
第１光ファイバ３０のコアは、活性元素が添加されていない点において、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と主に異なる。第１光ファイバ３０は、フューモードファイバとされ、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１が伝搬する光と同様の光を伝搬する。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬する各ＬＰモードの光は、そのまま第１光ファイバ３０のコアを伝搬することができる。なお、第１光ファイバ３０のコアの定義は活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の定義と同様とされる。
上記のように第１光ファイバ３０には第１ＦＢＧ３５が設けられている。こうして、第１ＦＢＧ３５は活性元素添加光ファイバ１０の一方側に配置され、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第１ＦＢＧ３５は、コアにおける第１ＦＢＧ３５以外の部分よりも屈折率が高い高屈折率部と、コアにおける第１ＦＢＧ３５以外の部分と同様の屈折率である低屈折率部とが、コアの長手方向に沿って周期的に繰り返されている。この高屈折率部の繰り返しパターンは、例えば高屈折率部となる部位に紫外線が照射されて形成される。この様にして形成される第１ＦＢＧ３５は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加されている活性元素が励起状態とされたときに放出する光のうち所定波長を含む光を反射する第１ミラーとして構成されている。例えば、本実施形態のように活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加される活性元素がイッテルビウムである場合、上記所定波長は、例えば、１０３０ｎｍから１０９０ｎｍとされ、１０７０ｎｍ等が挙げられる。また、第１ＦＢＧ３５の反射率は、後述の第２ＦＢＧ４５の反射率よりも高く、上記所定波長を含む光を例えば９９％以上で反射する。
第２光ファイバ４０は、外側クラッドを有さない点において、第１光ファイバ３０と異なり、第２光ファイバ４０の他の構成は第１光ファイバ３０の外側クラッド以外の構成と同様とされる。従って、第２光ファイバ４０は、コアをクラッドが囲み、当該クラッドが被覆層で被覆される構成である。第２光ファイバ４０は、活性元素添加光ファイバ１０の他方に端部に接続される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と第２光ファイバ４０のコアとが光学的に結合され、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第２光ファイバ４０のクラッドとが光学的に結合される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬するフューモードの光は、フューモードのまま第２光ファイバ４０のコアを伝搬する。なお、図１に示すファイバレーザ装置１の構成の場合、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第２光ファイバ４０のクラッドとが光学的に結合されなくても良い。
第２光ファイバ４０のコアには、上記のように第２ＦＢＧ４５が設けられている。こうして、第２ＦＢＧ４５は活性元素添加光ファイバ１０の他方側に配置され、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５と同様に高屈折率部と低屈折率部とが周期的に繰り返されて形成されている。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５が反射する所定波長を含む光を第１ＦＢＧ３５よりも低い反射率で反射する第２ミラーとして構成されている。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５が反射する光が入射する場合に、この光を例えば１０％程度の反射率で反射する。こうして、第１ＦＢＧ３５と活性元素添加光ファイバ１０と第２ＦＢＧ４５とで、共振器が形成されている。また、本実施形態では第２光ファイバ４０の活性元素添加光ファイバ１０側と反対側の他端には特に何も接続されていないが、第２光ファイバ４０のコアよりも大径のガラスロッド等が接続されても良い。
励起光源２０は、複数のレーザダイオード２１から構成される。本実施形態では、レーザダイオード２１は、例えば、ＧａＡｓ系半導体を材料としたファブリペロー型半導体レーザであり中心波長が９１５ｎｍの励起光を出射する。また、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１は光ファイバ２５に接続されており、レーザダイオード２１から出射する励起光は光ファイバ２５を例えばマルチモード光として伝搬する。
それぞれの光ファイバ２５は、光コンバイナ５０において、第１光ファイバ３０の一端に接続されている。具体的には、それぞれの光ファイバ２５のコアが第１光ファイバ３０の内側クラッドと光学的に結合するように、それぞれの光ファイバ２５のコアと第１光ファイバ３０の内側クラッドとが接続されている。従って、それぞれのレーザダイオード２１が出射する励起光は、光ファイバ２５を介して第１光ファイバ３０の内側クラッドに入射して、第１光ファイバ３０の内側クラッドから活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射する。
第３光ファイバ６０は、コア及びクラッドを有する光ファイバとされる。第３光ファイバ６０のコアは、光コンバイナ５０において第１光ファイバ３０のコアに接続されている。従って、第１光ファイバ３０のコアを光コンバイナ５０に向かって伝搬する光は、第３光ファイバ６０のコアに入射する。また、第３光ファイバ６０の第１光ファイバ３０と接続される側と反対側には、光を熱に変換する終端部６５が設けられている。
次に、ファイバレーザ装置１の動作について説明する。
まず、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から励起光が出射される。この励起光は光ファイバ２５から、第１光ファイバ３０の内側クラッドを介して、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して、当該内側クラッド１２を主に伝搬する。内側クラッド１２を伝搬する励起光は、コア１１を通過する際にコア１１に添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、所定波長を含む波長帯域の自然放出光を放出する。この自然放出光を起点として、第１ＦＢＧ３５及び第２ＦＢＧ４５で共通して反射される所定波長を含む光が、第１ＦＢＧ３５と第２ＦＢＧ４５との間を共振する。共振する光が活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬するときに、励起状態の活性元素が誘導放出を起こして、共振する光が増幅される。共振する光のうち、一部の光は第２ＦＢＧ４５を透過して、第２光ファイバ４０から出射する。そして、第１ＦＢＧ３５と活性元素添加光ファイバ１０と第２ＦＢＧ４５とを含む共振器内における利得と損失が等しくなったところでレーザ発振状態となり、第２光ファイバ４０から一定のパワーの光が出射する。
なお、活性元素添加光ファイバ１０側から第１光ファイバ３０に伝搬し第１ＦＢＧ３５を透過する光の大部分は、終端部６５で熱に変換されて消滅する。
ところで、上記のように活性元素添加光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０はそれぞれＬＰ１１モードの光を伝搬可能なフューモードファイバとされる。従って、第１光ファイバ３０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点、及び、第２光ファイバ４０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点やその他の位置において、ＬＰ１１モードの光が励振され得る。しかし、活性元素添加光ファイバ１０では、ＬＰ０１モードの光が増幅され、高次モードの光の増幅が抑制される。このため、第２光ファイバ４０から出射する光は、ＬＰ１１モードの光の増幅が抑制された光とされ得る。従って、本実施形態のファイバレーザ装置１によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光が出射され得る。
以上説明したように、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、活性元素が全体に渡って添加される第１領域１１ａの半径ｒａが０．１ｄ＜ｒａ≦０．７５ｄであり、第２領域１１ｂは活性元素が非添加とされる。さらに、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高く、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、極大値位置が少なくとも１カ所存在する。
上記半径の第１領域１１ａに活性元素が添加され、第２領域１１ｂに活性元素が非添加とされることで、コア１１を伝搬する基本モードの光を増幅しつつ、高次モードの光の増幅が抑制され得る。また、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における活性元素の濃度の平均値よりも高いことで、コアを伝搬するＬＰ０１モードの光がより増幅され得る。その一方、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、極大値位置が少なくとも１カ所存在することで、ＬＰ０１モードの光が中心軸近傍に集中しすぎることを抑制して、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を大きくし得る。このため、誘導ラマン散乱が生じることを抑制し得る。従って、本実施形態の活性元素添加光ファイバによれば、ビーム品質の劣化が抑制されて光を増幅することができる。
また、上述のように、上記他方の極大値位置近傍の屈折率分布は、当該極大値位置から少なくとも前記コアの内側に向かうにつれて屈折率が徐々に低下する屈折率分布になっている。このような屈折率分布では、例えば、矩形状の屈折率分布に対して極大値位置とその近傍が上に凸の形状に屈折率が突出する屈折率分布の場合と比べて、屈折率が傾斜する分だけ極大値位置は中心軸から遠ざかり易くなる。このように、極大値位置が中心軸から遠ざかることで、ＬＰ０１モードの光がコア中心軸近傍に集中しすぎることが一層抑制され得、ＬＰ０１モードの光の実効断面積がより一層大きくなり得る。したがって、誘導ラマン散乱が生じることを抑制し得、ビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得る。
従って、この活性元素添加光ファイバを有する共振器、及びファイバレーザ装置１によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光を出射することができる。
また、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値がｒ＝０．２ｄの領域における屈折率よりも高い。このため、ＬＰ０１モードの光の増幅の効率をより高くすることができる。ただし、ｒ＝０．２ｄの領域における屈折率が、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値以上であってもよい。
また、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、０．４ｄ＜ｒ≦ｒａの領域において、極大値位置が少なくとも１カ所存在する。このため、ＬＰ０１モードの光がコア１１の中心に集中しすぎることを抑制しつつ、ＬＰ０１モードの光が第１領域１１ａからはみ出すことを抑制して、効率よくＬＰ０１モードの光を増幅し得る。なお、このような範囲に極大値位置が存在しなくてもよい。
また、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差が０．０１以下である。一般的に、コアの外周側における屈折率は、コアを伝搬する光のパワーの分布に影響しやすい。このため、このような構成によれば、光のパワーが意図せず乱れることを抑制することができる。なお、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差が０．０１以下でなくともよい。
また、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、１．１ｒａ＜ｒ≦ｄの領域は、ゲルマニウムのみが添加された石英から成る。従って、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差を０．０１以下にし易い。ただし、第２領域１１ｂに活性元素が添加されない限りにおいて、１．１ｒａ＜ｒ≦ｄの領域にゲルマニウム以外のドーパントが添加されてもよい。
以上、本発明について実施形態を例に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されて解釈されるものではなく、本発明の目的を達成する範囲において適宜構成を変更することができる。
例えば、上記実施形態の活性元素添加光ファイバ１０のＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長は１７６０ｎｍよりも短いことが好ましい。ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長をこのようにすることで、例えば、活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げて活性元素添加光ファイバ１０に１０７０ｎｍの光を伝搬させる場合に、この直径１２０ｍｍに曲げられた活性元素添加光ファイバ１０の部位において、ＬＰ０２モードのカットオフ波長を１０７０ｎｍより短くすることができ、ＬＰ０１モードの光を伝搬させつつもＬＰ０２モードの光を漏洩させることができる。図７は、ファイバレーザ装置１の変形例を示す図である。具体的には、このように活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げた部位を有するファイバレーザ装置を示す図である。なお、図７の説明において、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同一の符号を付し、特に説明する場合を除き、重複する説明は省略する。図７のファイバレーザ装置１では、活性元素添加光ファイバ１０のＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長は１７６０ｎｍよりも短く、活性元素添加光ファイバ１０が直径１２０ｍｍで曲げられた屈曲部１５を有する点で上記実施形態のファイバレーザ装置と異なる。この屈曲部１５を波長１７６０ｎｍの光が伝搬することでＬＰ０２モードの光を漏洩させることができる。従って、活性元素添加光ファイバ１０が屈曲部１５を有することで、ＬＰ０１モードの光を伝搬させつつも、偶モードの高次モードの光の伝搬を抑制することができる。
ところで、活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げると、活性元素添加光ファイバ１０が破断する懸念がある。そこで、この場合には活性元素添加光ファイバ１０の石英ガラスから成るクラッドの直径が所定の大きさ以内にされることが好ましい。この石英ガラスから成るクラッドは、外側クラッド１３が樹脂から成る場合には、内側クラッド１２であり、外側クラッド１３が石英ガラスから成る場合には、内側クラッド１２及び外側クラッド１３である。図８は、クラッドの直径と破断確率との関係を示す図である。この破断確率は、石英ガラスから成るクラッドを有する光ファイバを直径１２０ｍｍで１周巻き、光ファイバの長さが１％伸びる荷重を印加する場合において、８万時間後における光ファイバの破断確率である。図８より、クラッドの直径が４３０μｍ以下であれば、８万時間後における光ファイバの破断確率を１０−６以下に抑えることができる。従って、外側クラッド１３が樹脂から成る場合には、内側クラッド１２の直径が４３０μｍ以下とされることが好ましく、外側クラッド１３が石英ガラスから成る場合には、外側クラッド１３の直径が４３０μｍ以下とされることが好ましい。
また、上記実施形態では、ファイバレーザ装置として、共振器型のファイバレーザ装置を例に説明したが、本発明の活性元素添加光ファイバ１０が用いられるファイバレーザ装置は、例えば、活性元素添加光ファイバ１０に励起光及び種光が入射するＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator - Power Amplifier）型であっても良い。
また、上記実施形態では、中心軸Ｃから内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となるまでの領域をコア１１としたが、コアとする領域は、光ファイバの中心軸から内側クラッドに対して比屈折率差が０％よりも大きい領域であれば、比屈折率差が０．０５％となるまでの領域でなくてもよい。
また、上記実施形態では、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値は、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高い例を説明したが、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値は、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高くなくてもよい。０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値が０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高くない場合でも、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバになり得る。
また、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高くてもよい。この場合、０．２ｄ＜ｒ＜０．９ｄの範囲における屈折率の極大値を大きくすることによって、コアを伝搬する光の実効断面積をより一層拡大することができる。
また、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも低くてもよい。この場合、光ファイバ中を伝搬する光の電界分布の広がりを抑制し得、コアを伝搬する光の実効断面積を小さくし得る。このため、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの伝搬定数差を大きくすることができ、ビーム品質の劣化を抑制し得る。
また、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値と同等であってもよい。この場合、ｒ＜０．１ｄの範囲における屈折率の極大値が実効断面積を減少させる効果と、０．２ｄ＜ｒ＜０．９ｄの範囲における屈折率の極大値が実効断面積を拡大させる効果とが同等であれば、本発明に係る光ファイバと矩形状の屈折率分布を持つ光ファイバとを、光損失を抑制して接続することができる。
また、上記極大値位置をコアに添加される活性元素以外の元素によって形成してもよい。以下、この点について説明する。
例えば、コアの第１領域の少なくとも一部に活性元素とともにアルミニウム及びリンを添加してもよい。アルミニウム又はリンを活性元素とともにコアに添加することによって、フォトダークニングを抑制し得る。また、アルミニウムとリンとを共添加する場合において、アルミニウムの濃度がリンの濃度よりも高い場合はアルミニウムが屈折率を上昇させるアップドーパントとして作用し、リンが屈折率を減少させるダウンドーパントとして作用する。一方、リンの濃度がアルミニウムの濃度よりも高い場合は、リンがアップドーパントして作用し、アルミニウムがダウンドーパントとして作用する。そのため、アルミニウムとリンとを濃度差を付けて共添加することによって、コアの屈折率が過度に上昇することを抑制しつつ、フォトダークニングを抑制し得る。このように第１領域にアップドーパントとダウンドーパントとをさらに添加する場合、例えば、図９に示す濃度分布でアルミニウムを添加し、図１０に示す濃度分布でリンを添加してもよい。この場合、図１１に示すようなアルミニウムとリンとの濃度差の分布が形成され、濃度差が最大となる０．５ｄ付近に極大値位置が形成される。また、図１２のようなアルミニウムとリンとの濃度差の分布によっても、０．５ｄ付近に極大値位置が形成される。なお、第１領域に添加されるアップドーパント及びダウンドーパントのそれぞれの濃度分布を調整することによって、第１領域のうち０．５ｄ付近とは異なる位置に極大値位置を形成することが可能である。
また、コアの第１領域に活性元素とともにアップドーパントを添加してもよい。例えば、第１領域の少なくとも一部にアルミニウムをアップドーパントとしてさらに添加してもよい。例えば、図１３に示す例では、図１１に示す０．５ｄ付近の極大値位置においてアルミニウムの濃度が最大となるようにアルミニウムが添加される。このような濃度分布でアップドーパントであるアルミニウムを添加すれば、０．５ｄ付近において屈折率がより上昇し、０．５ｄ付近において極大値位置を形成することが容易となる。また、図１４に示す例では、図４に示す０．５ｄ付近の極大値位置においてリンの濃度が最大となるようにリンが添加される。このような濃度分布でアップドーパントであるリンを添加すれば、０．５ｄ付近において屈折率がより上昇し、０．５ｄ付近において極大値位置を形成することが容易となる。なお、第１領域に添加されるアップドーパントの濃度分布を調整することによって、第１領域のうち０．５ｄ付近とは異なる位置に極大値位置を形成することが可能である。
また、コアの第１領域の少なくとも一部に活性元素とともにダウンドーパントを添加してもよい。例えば、第１領域にホウ素をダウンドーパントとしてさらに添加してもよい。例えば、図１５に示す例では、図１１に示す０．５ｄ付近の極大値位置においてホウ素の濃度が最小となるようにホウ素が添加される。このような濃度分布でダウンドーパントであるホウ素を添加すれば、０．５ｄ付近における屈折率の低下が抑制され、０．５ｄ付近において極大値位置を形成することが容易となる。なお、第１領域に添加されるダウンドーパントの濃度分布を調整することによって、第１領域のうち０．５ｄ付近とは異なる位置に極大値位置を形成することが可能である。
なお、アップドーパントは上記に限定されず、例えばゲルマニウムであってもよい。また、ダウンドーパントは上記に限定されず、例えばフッ素であってもよい。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜３３）
図２に示す活性元素添加光ファイバを実施例１〜３３として準備した。これらの活性元素添加光ファイバにおいて、第１領域１１ａにイッテルビウムを全体に渡って添加し、第２領域１１ｂには活性元素を非添加とした。また、第１領域には、アルミニウムとリンとホウ素とを添加して屈折率を調整した。実施例１〜３０の活性元素添加光ファイバの次の値を表１に示す。Ａ：０≦ｒ≦０．１ｄの領域におけるイッテルビウムの濃度の平均値（ｗｔ％）、Ｂ：０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値（ｗｔ％）、Ｃ：０≦ｒ≦０．１ｄの領域における内側クラッド１２に対する比屈折率差の平均値（％）、Ｄ：ｒ＝０．２ｄの領域における内側クラッド１２に対する比屈折率差（％）、Ｅ：０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域における極大値位置でのクラッドに対する比屈折率差（％）、Ｆ：ｄ＝１とする場合の極大値位置、Ｇ：ｄ＝１とする場合の第１領域１１ａの半径ｒａ、Ｈ：０≦ｒ≦０．９ｄの領域における内側クラッド１２に対する比屈折率差の平均値（％）、Ｉ：１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域における内側クラッド１２に対する比屈折率差の分布の標準偏差。なお、実施例４の活性元素添加光ファイバの比屈折率分布は図４に示す通りであり、この活性元素添加光ファイバのコアに添加されるイッテルビウムの濃度分布は図３に示す通りである。また、それぞれの活性元素添加光ファイバは、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短い光ファイバであった。
Figure 2021057566
（比較例１〜３３）
図１６は、比較例の活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の一例を示す図である。それぞれの比較例では、０≦ｒ≦０．９ｄの領域でのクラッドに対する比屈折率差が一定であり、ｒ＝０．９ｄから外周側に向かって徐々に当該比屈折率差が下がるものとし、ｒ＝ｄの領域において、クラッドに対する比屈折率差が０．０５％になるようにした。このことは、０≦ｒ≦０．９ｄの領域において、活性元素が一定の濃度で添加され、ｒ＝０．９ｄから外周側に向かって徐々に活性元素の濃度が下がることを意味する。それぞれの比較例の０≦ｒ≦０．９ｄの領域でのクラッドに対する比屈折率差が、対応する実施例のＨ：０≦ｒ≦０．９ｄの領域における内側クラッド１２に対する比屈折率差の平均値と同じになるようにした。従って、例えば、比較例１の０≦ｒ≦０．９ｄの領域でのクラッドに対する比屈折率差は、実施例１のＨと同じ値で０．１４１（％）である。このような条件で、以下のシミュレーションを行った。
次に、実施例１〜３３の活性元素添加光ファイバ及び比較例１〜３３の活性元素添加光ファイバのそれぞれのコアに波長１０７０ｎｍの光を伝搬させる場合のＬＰ０１モードの光の実効断面積（μｍ２）をシミュレーションにより求めた。この結果を表２に示す。
Figure 2021057566
表２に示す通り、実施例１〜３３の活性元素添加光ファイバにおけるＬＰ０１モードの光の実効断面積は、対応する比較例１〜３３の活性元素添加光ファイバにおけるＬＰ０１モードの光の実効断面積よりも大きい結果となった。これは、実施例１〜３３の活性元素添加光ファイバでは、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における比屈折率差の平均値よりも高い比屈折率差で、極大値位置が少なくとも１カ所存在するためと考えられる。
また、実施例１〜３３の活性元素添加光ファイバ及び比較例１〜３３の活性元素添加光ファイバのそれぞれのコアに波長１０７０ｎｍの光を伝搬させる場合に当該活性元素添加光ファイバから出射する光のビーム品質（Ｍ２）をシミュレーションにより求めた。この結果を表３に示す。
Figure 2021057566
表３に示す通り、実施例１〜３３の活性元素添加光ファイバから出射する光のビーム品質の値は、対応する比較例１〜３３の活性元素添加光ファイバから出射する光のビーム品質の値よりも小さい値となった。すなわち、実施例１〜３０の活性元素添加光ファイバによれば、対応する比較例１〜３０の活性元素添加光ファイバに比べてビーム品質の劣化が抑制される結果となった。
なお、表１〜３に示す活性元素がイッテルビウムである実施例１〜３３において、０≦ｒ≦０．１ｄの領域におけるイッテルビウムの濃度の平均値は１．３１ｗｔ％以上２．８６ｗｔ％であった。また、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域におけるイッテルビウムの濃度の平均値は１．００ｗｔ％以上２．２５ｗｔ％であった。また、０≦ｒ≦０．１ｄの領域におけるクラッドに対するコアの比屈折率差の平均値は０．１２５％以上０．１９５％以下であった。また、ｒ＝０．２ｄの領域におけるクラッドに対するコアの比屈折率差は０．０９１％以上０．１３８％以下であった。また、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域における極大値位置でのクラッドに対する比屈折率差は０．１１％以上０．１９％以下であった。また、０≦ｒ≦０．９ｄの領域におけるクラッドに対する比屈折率差の平均値は０．１０４％以上０．１５６％以下であった。また、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差は０．００４以下であった。
次に、上記のように屈折率が極大となる極大値位置がコアに存在する活性元素添加光ファイバの当該コアを伝搬する光の実効断面積と、コアのクラッドに対する比屈折率差が一定である図１６に示すようなステップ型の屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバのコアを伝搬する光の実効断面積との関係についてシミュレーションにより調べた。
具体的には、ステップ型の活性元素添加光ファイバのうち１つの活性元素添加光ファイバの比屈折率差と、極大値を有する複数の活性元素添加光ファイバのうち１つの活性元素添加光ファイバの比屈折率差の平均値とが同じである、ステップ型の活性元素添加光ファイバと極大値を有する活性元素添加光ファイバの組を上記シミュレーションの対象とした。つまり、共通の平均値を有する光ファイバ組をシミュレーションの対象とした。なお、複数の光ファイバ組のそれぞれにおける共通の平均値は、光ファイバ組ごとに相違する。
上記シミュレーションでは、上記組を構成するステップ型の活性元素添加光ファイバ及び極大値を有する活性元素添加光ファイバのそれぞれの実効断面積を算出し、これら実効断面積の差を求めた。具体的には、コアの中心軸からの距離ｒが０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における上記平均値が上記極大値位置における比屈折率差の値以上になるように形成された極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いて実効断面積の差を求めるシミュレーション１と、上記距離ｒが０以上０．１ｄ以下の領域における上記平均値が上記極大値位置における比屈折率差の値以下になるように形成された極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いて実効断面積の差を求めるシミュレーション２とを行った。
シミュレーション１の結果を図１７に、シミュレーション２の結果を図１８にそれぞれ示す。なお、図１７及び図１８は、極大値を有する活性元素添加光ファイバのコアの比屈折率差の平均値Δがそれぞれ０．１０％、０．１４％、及び０．１８％である場合の極大値位置と実効断面積の差との関係を示している。なお、上述のように、極大値を有する活性元素添加光ファイバのコアの比屈折率差の平均値Δは、当該極大値を有する活性元素添加光ファイバとともに上記光ファイバ組を構成するステップ型光ファイバのコアの比屈折率差に等しい。
図１７に示すように、０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が上記極大値以上である極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いたシミュレーション１によれば、コアの比屈折率差の平均値が０％よりも大きく０．１８％以下である場合、極大値位置が０．５５ｄ以下であることによって、上記光ファイバ組を構成する同じ比屈折率差を持つステップ型光ファイバの場合に比べて、実効断面積が大きくなることが分かった。つまり、このような極大値を有する活性元素添加光ファイバによれば、実効断面積が大きくなるため、誘導ラマン散乱が一層抑制され得る。なお、コアの比屈折率差の平均値が０％よりも大きく０．１８％以下である場合とは、コアの屈折率が光が導波し得る程度に高い屈折率である場合であり、例えば、コアの比屈折率差の平均値が０．０５％以上０．１８％以下であってもよい。
また、図１８に示すように、０以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が上記極大値以下である極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いたシミュレーション２によれば、コアの比屈折率差の平均値が０．１０％以上である場合、極大値位置が０．４５ｄ以上であることによって、上記光ファイバ組を構成する同じ比屈折率差を持つステップ型光ファイバの場合に比べて、実効断面積が大きくなることが分かった。つまり、このような極大値を有する活性元素添加光ファイバによれば、実効断面積が大きくなるため、誘導ラマン散乱が一層抑制され得る。なお、このシミュレーション２において、実効断面積が大きくなる効果を奏する比屈折率差の平均値の上限は、極大値位置が０．４５ｄ以上であれば特に限定されないが、例えば、比屈折率差の平均値の上限を０．１８％に設定してもよい。
以上説明したように、本発明によれば、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置が提供され、加工用のレーザ装置等においての利用が期待される。
１・・・ファイバレーザ装置
１０・・・活性元素添加光ファイバ
１１・・・コア
１１ａ・・・第１領域
１１ｂ・・・第２領域
１２・・・内側クラッド
１３・・・外側クラッド
１５・・・屈曲部
２０・・・励起光源
３０・・・第１光ファイバ
３５・・・第１ＦＢＧ
４０・・・第２光ファイバ
４５・・・第２ＦＢＧ
６０・・・第３光ファイバ

Claims (24)

  1. コアを備える活性元素添加光ファイバであって、
    前記コアは、第１領域と、第２領域とを含み、
    前記第１領域は中心軸から半径ｒａまでの領域であり、当該第１領域には励起光により励起される活性元素が添加され、
    前記第２領域は前記第１領域を隙間なく囲み前記コアの外周面までの領域であり、当該第２領域には前記活性元素が非添加とされ、
    前記コアの半径をｄとする場合において、０．１ｄ＜ｒａ＜ｄであり、
    前記コアの径方向における中心軸からの距離をｒとする場合、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、屈折率が極大となる極大値位置が少なくとも１カ所存在する
    ことを特徴とする活性元素添加光ファイバ。
  2. ０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高い
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  3. ０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の活性元素添加光ファイバ。
  4. ０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも低い
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の活性元素添加光ファイバ。
  5. ０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値と同等である
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の活性元素添加光ファイバ。
  6. ｒａ≦０．７５ｄである
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  7. ｒａ≦０．７ｄである
    ことを特徴とする請求項６に記載の活性元素添加光ファイバ。
  8. ｒａ＜０．７ｄである
    ことを特徴とする請求項７に記載の活性元素添加光ファイバ。
  9. ０．４ｄ＜ｒａである
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  10. ０．５ｄ＜ｒａである
    ことを特徴とする請求項９に記載の活性元素添加光ファイバ。
  11. ０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値がｒ＝０．２ｄの領域における屈折率よりも高い
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  12. 前記活性元素はイッテルビウムである
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  13. ０．３３８ｄ≦ｒ≦０．６１４ｄの領域において、前記極大値位置が少なくとも１カ所存在する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の活性元素添加光ファイバ。
  14. ０．５９５ｄ≦ｒａ≦０．７１６ｄである
    ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の活性元素添加光ファイバ。
  15. １．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差が０．００４以下である
    ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  16. 少なくとも１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域は、ゲルマニウムのみが添加された石英から成る
    ことを特徴とする請求項１５に記載の活性元素添加光ファイバ。
  17. 前記極大値位置が前記第１領域に位置し、
    前記第１領域の少なくとも一部には、前記コアの屈折率を上昇させるアップドーパントがさらに添加され、
    前記アップドーパントの濃度が前記極大値位置において最大である
    ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  18. 前記極大値位置が前記第１領域に位置し、
    前記第１領域の少なくとも一部には、前記コアの屈折率を低下させるダウンドーパントがさらに添加され、
    前記ダウンドーパントの濃度が前記極大値位置において最小である
    ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  19. 前記極大値位置が前記第１領域に位置し、
    前記第１領域の少なくとも一部には、前記コアの屈折率を上昇させるアップドーパントと、前記コアの屈折率を低下させるダウンドーパントとがさらに添加され、
    前記アップドーパントと前記ダウンドーパントとの濃度差が前記極大値位置において最大である
    ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  20. 前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、
    前記コアのうち０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が前記極大値位置における比屈折率差の値以下であり、
    前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が０．１０％以上であり、
    前記極大値位置が０．４５ｄ以上である
    ことを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  21. 前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、
    前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が前記極大値位置における比屈折率差の値以上であり、
    前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が０％よりも大きく０．１８％以下であり、
    前記極大値位置が０．５５ｄ以下である
    ことを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  22. 前記コアは、前記極大値位置から少なくとも前記コアの内側に向かうにつれて屈折率が徐々に低下する屈折率分布を有する
    ことを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  23. 請求項１から２２のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバと、
    前記活性元素添加光ファイバの一方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合し、励起された前記活性元素が放出する光の少なくとも一部の波長の光を反射する第１ミラーと、
    前記活性元素添加光ファイバの他方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合し、前記第１ミラーが反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーと、
    を備える
    ことを特徴とする共振器。
  24. 請求項１から２２のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバと、
    前記活性元素を励起する光を出射する光源と、
    を備える
    ことを特徴とするファイバレーザ装置。

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