JP4285831B2 - ファイバレーザおよび光アンプ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｄイオンがドープされた石英系ファイバを使用したファイバレーザ及び光アンプに関し、特にファイバを使用したファイバレーザ及び光アンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信または光加工技術分野においては安価な高出力のレーザ光の発生装置が望まれている．
光ファイバレーザ発振器または光導波路型レーザ発振器はコア径およびコアとクラッドの屈折率差を調節して設計、作製することで容易に発振モードを単一にでき、かつ光を高密度に閉じ込めることでレーザ活性物質と光との相互作用を高め、かつ長さを長くすることで相互作用長を大きくとれるので高い効率で空間的に高品質のレーザ光を発生することができることが知られている。
【０００３】
ここで、レーザ光の高出力化または高効率化を実現するには、いかに光ファイバまたは光導波路のレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心添加領域（通常はコア部）に効率よく励起光を導入するかが課題となる。
【０００４】
しかし、通常単一モードの導波条件にコア径を設定するとその径はレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）の十数μm以下に限定され、この径に効率よく励起光を導入するのは一般に困難である。
【０００５】
そこで、クラッド部の外側にクラッド部よりもさらに屈折率が低い透明物質で構成される第２クラッド部を設け、第２クラッド部とクラッド部の屈折率差に起因する全反射によって端面より導入された励起光を第一クラッド部およびコア部内に閉じ込め、レーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）を閉じ込められた励起光が通過するにしたがって徐々にレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心に励起光を吸収させ、高出力のレーザ光を出力する方法が知られている。これが２重クラッド型ファイバレーザである（E.Snitzer,H.Po,FHakimi,R.Tumminelli,and B.C.McCllum,in Optical Fiber Sensors,Vol.2 of 1988 OSA Tecnical Digest Series(Optical Society of America,Washington,D.C.,1988),paper PD5.）。
【０００６】
しかし、２重クラッド型ファイバレーザの場合、内部のクラッド部の断面形状が円形であるとレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）付近を選択的に透過する励起光のみが効率よくレーザ活性物質に吸収され、そうでない部分の吸収効率が非常に低い。すなわち、モードによる吸収飽和が起こるといった問題があった。
【０００７】
そこで、内部のクラッド部の形状を矩形にするような工夫がおこなわれているが、一般に円形以外の断面形状のファイバを作製するのは困難であり、かつ機械的な強度にも不足しがちである。
【０００８】
これらの問題を解決するものとして、ファイバにおけるレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）に対し、側面から励起光を導入する光ファイバレーザ装置（特開平１０−１３５５４８）およびレーザ装置（特開平１０−１９００９７）が提案されている。
【０００９】
側面から励起光をレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）に励起光を導入する場合は、通常レーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）の直径(d)に比べて導波路長(L)が非常に長く，L/d>106以上もとれるので導波路の断面方向から励起光を導入する方法よりも非常に多くの励起エネルギーをファイバまたは導波路内に導入することが可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の装置の問題点は励起光吸収効率が低いことである。なぜならば、例えば円形断面の２重クラッドファイバレーザでは活性イオンのドープされているコア付近のみを通過するモードの励起光についてだけが選択的に吸収され、それ以外のモードの実質的吸収効率が非常に悪くなった状態でモードが安定してしまうからである。（Jie Song, Anping Liu, Kazunori Okino and Kenichi Ueda,電気学会誌, OQD-97-17(1997)pp. 1-6）。
【００１１】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、より励起光の吸収効率のよいＮｄイオンがドープされた石英系ガラスファイバを使用したファイバレーザを提供することである。
【００１２】
また、本発明の他の目的は励起光の吸収効率のよいＮｄイオンがドープされた石英系ガラスファイバを使用した光アンプを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、石英系ファイバを使用してレーザ発振を行うファイバレーザにおいて、Ｎｄイオンをレーザ活性物質として含む１つながりの光ファイバを複数箇所で折り返して束ねた光ファイバ束と、前記光ファイバ束間の空隙を満たす、前記光ファイバのクラッドとほぼ同一の屈折率を有する媒質と、前記光ファイバ束に前記レーザ活性物質を励起するための励起光を導入する励起光導入部と、少なくとも前記光ファイバ束の側面の一部を覆い、励起光を反射して繰返し前記レーザ活性物質に吸収されるように配置された、端部が外部に広がり角θｔをなす筒状の励起光反射部と、前記光ファイバ束の前記励起光反射部で覆われていない部位を覆う、前記光ファイバのクラッドよりも低い屈折率を有する樹脂クラッドと、前記励起光により励起された前記レーザ活性物質に起因するレーザ光を出力するレーザ出力部と、を有し、前記励起光導入部は、前記励起光反射部の開口中央部に全反射臨界角がθｐとなるように設けられ、前記媒質と前記励起光反射部の内壁とにおける全反射臨界角がθｂであるとき、（θｐ＋θｔ）＜θｂを満たすよう構成されていることを特徴とするファイバレーザが提供される。
【００１４】
上記のファイバレーザでは、励起光導入部から導入された励起光は励起光反射部で反射しながら、光ファイバ束に吸収される。光ファイバ束はその光ファイバ数に対応したコアがあるので、励起光の吸収率は非常に高くなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
まず、本発明における第１の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は、第１の実施の形態におけるファイバレーザ１の構成図である。
本形態のファイバレーザ１は、レーザ活性物質を有する１本のレーザファイバ１０、レーザファイバ１０を束ねるバンドル部２０及びレーザファイバ１０に励起光を導入する励起光導入用ファイバ３０により構成されている。
【００１７】
レーザファイバ１０は複数箇所で折り返され、それらの折り返し部分とその次の折り返し部分の中間をバンドル部２０内に格納して束ねることにより、折り返したレーザファイバ１０の束を形成している。レーザファイバ１０の折り返し部分１０ａ及び１０ｂはバンドル内には格納されず、バンドル部２０の外部に配置される。バンドル部２０の外部に配置されるレーザファイバ１０の折り返し部分１０ａ及び１０ｂは、レーザファイバ１０を後述する透明樹脂フッ素樹脂クラッドで覆う構造となっている。この透明樹脂フッ素樹脂クラッドが第２クラッドの働きをすることとなる。
【００１８】
図２は、図１のバンドル部２０のＡ−Ａ断面図である。
バンドル部２０は、石英クラッド１２及びレーザ活性物質であるドープコア１１を有するレーザファイバ１０、石英クラッド１２と光の屈折率がほぼ等しいマッチングオイル２３、石英クラッド１２及びマッチングオイル２３よりも光の屈折率の低い透明フッ素樹脂クラッド２２及び表面を金メッキ加工された鏡面金メッキ金属治具２１により構成されている。
【００１９】
レーザファイバ１０は、ドープコア１１を中心とし、その外部を石英クラッド１２で覆った同軸構造をとっており、複数回折り返されたレーザファイバ１０は、マッチングオイル２３によってその隙間を満たされている。
【００２０】
このようなレーザファイバ１０の束及びマッチングオイル２３は透明フッ素樹脂クラッド２２により覆われ、透明フッ素樹脂クラッド２２は、その外部を鏡面金メッキ金属治具２１により覆われている。
【００２１】
次に、図１におけるＢ部の詳細構成を図３に示す。
Ｂ部には、励起光導入用ファイバ３０の先端が配置され、この励起光導入用ファイバ３０の先端から励起光を照射することにより、レーザファイバ１０に励起光を導入する。励起光導入用ファイバ３０には、比較的太い径のもの及び市販の高出力レーザダイオードと結合の良い帯状のファイバを使用する。
【００２２】
図３において、θｐは励起光導入用ファイバ３０の全反射臨界角を示しており、励起光導入用ファイバ３０から照射される励起光は、２×（９０−θｐ）の角度で広がりをもった光としてレーザファイバ１０内に導入される。
【００２３】
θｂは、マッチングオイル２３と透明フッ素樹脂クラッド２２における全反射臨界角を示しており、この全反射臨界角θｂ以内の角度で透明フッ素樹脂クラッド２２に達した励起光は、透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射され、透明フッ素樹脂クラッド２２内部に閉じこめられることとなる。
【００２４】
励起光の導入部であるＢ部は、励起光の導入の効率を図るため、レーザファイバ１０及び透明フッ素樹脂クラッド２２に広がりをもたせており、図３の場合、Ｂ部におけるレーザファイバ１０及び透明フッ素樹脂クラッド２２は、バンドル部２０の中心軸に対し、外部にθｔの角度をもった広がりを有している。
【００２５】
ここで、励起光導入用ファイバ３０からレーザファイバ１０に導入されるすべての励起光は透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射されバンドル部２０内に導入されることが望ましいが、その為には励起光導入用ファイバ３０から照射される励起光と透明フッ素樹脂クラッド２２表面からなる角度が、全反射臨界角θｂ以下である必要がある。この励起光導入用ファイバ３０から照射される励起光と透明フッ素樹脂クラッド２２表面からなる角度がもっとも大きくなるのは、励起光導入用ファイバ３０から照射された励起光が、上記に述べたバンドル部２０の中心軸に対し外部にθｔの角度の広がりをもった透明フッ素樹脂クラッド２２に到達するときであり、その時の励起光導入用ファイバ３０から照射される励起光と透明フッ素樹脂クラッド２２表面からなる角度は、（θｐ＋θｔ）で表される。そのため、Ｂ部のレーザファイバ１０及び透明フッ素樹脂クラッド２２の広がりは、Ｂ部の外部への広がり角θｔが（θｐ＋θｔ）＜θｂを満たすように構成される。
【００２６】
この構造はバンドル端終端（励起光導入の方向を順方向と見て）において用いることも可能であり、この場合バンドル部２０で吸収しきれなかった励起光も効率６０％以上で再利用が可能になる（この場合、バンドル部２０からはみ出したレーザファイバ部１０ｂは、第２クラッドを設けた構造にするのが望ましい）。
【００２７】
次に、図１及び図２を用いて、本形態のファイバレーザ１の動作について説明する。
励起光導入用ファイバ３０から励起光がバンドル部のＢ部から導入されると、その励起光はバンドル部２０の内部に束ねられたレーザファイバ１０を横切り、透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射を繰り返しながらバンドル部２０を進んでいく。ここで、透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射された励起光は再びレーザファイバ１０の束を横切ることになるため、バンドル部２０に導入された励起光は、透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射を行うたびにレーザファイバ１０の束を横切ることになる。
【００２８】
励起光がレーザファイバ１０の束を横切る際、その励起光はそのレーザファイバ１０が有するドープコア１１の束に導入されることとなり、また励起光は透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射を繰り返しながら複数回レーザファイバ１０の束を横切ることとなるため、導入された励起光は複数回ドープコア１１の束に導入されることとなる。
【００２９】
ここで、石英クラッド１２及びマッチングオイル２３の光の屈折率はほぼ等しいため、光学的には透明フッ素樹脂クラッド２２内部に多数のドープコア１１のみが存在しているのと等価になり、励起光は透明フッ素樹脂クラッド２２で反射しながらドープコア１１に吸収されていく。
【００３０】
このように励起光を導入されたドープコア１１はレーザ光を発生することとなり、そのように発生したレーザ光はレーザファイバ１０の両端部１０ｃ及び１０ｄより取り出されることとなる。
【００３１】
以上のように、本形態では、１本の連続したレーザファイバ１０を複数回折り返して束ね、その束の隙間をマッチングオイル２３で満たし、レーザファイバ１０の束及びマッチングオイル２３を透明フッ素樹脂クラッド２２及び鏡面金メッキ金属治具２１で覆い、そこに励起光を導入することとしたため、導入された励起光は、透明フッ素樹脂クラッド２２及び鏡面金メッキ金属治具２１で反射しながら、レーザファイバ１０の束が有する個々ドープコア１１に吸収されることとなり、励起光の吸収率は非常に高くなり、発振効率を向上させることが可能となる。
【００３２】
なお、本形態では、励起光導入用ファイバ３０を１本のみ用い、バンドル部２０の一方側からのみ励起光を導入することとしたが、励起光導入用ファイバ３０をさらにもう一本用い、バンドル部２０の両側から励起光を導入することとしてもよい。
【００３３】
【実施例１】
第１の実施の形態において、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．２ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が６００ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は２２回、ファイバ一往復あたり１５００ｍｍ、全長１８ｍのファイバを使用した。バンドル部からはみ出したファイバ部には屈折率が１．３４の透明弗素系樹脂を塗布し、バンドル部分ではファイバとファイバのすき間に屈折率１．４５８の波長０．５〜１．４μｍにわたって透明なマッチングオイルを流し込み、屈折率１．３４の透明弗素樹脂熱収縮チューブできつく押さえた。この際、バンドル部の端面には断面形状１．０×０．３ｍｍ矩形、開口数約０．２の励起光導入用ファイバを差し込んだ。この時励起光導入部分ではバンドル径の増大に伴うテーパー部の角度が１０°以下になるように調節した。この調節によって励起光の全てがバンドル部内に導入されることが保証される。さらに全体を金めっきを施した鏡面表面を持つ直径１ｍｍの割り金属型にバンドル部分をはめ込み、しっかりと固定した。レーザファイバの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とした。励起光導入用ファイバの片端には発振波長約０．８μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１１Ｗのレーザ発振を確認できた。
【００３４】
次に、本発明における第２の実施の形態について説明する。
本形態は、第１の実施の形態からの変形例である。
相違点は、バンドル部２０の鏡面金メッキ金属治具２１及び透明フッ素樹脂クラッド２２の形状に関するものである。
【００３５】
図４に第２の形態におけるバンドル部４０の断面図を、図５には図４のＣ−Ｃ断面図を示す。この図では、第１の実施の形態と構成が共通するレーザファイバ１０及びマッチングオイル２３は省略されている。
【００３６】
本形態のバンドル部４０は、金メッキが施された金メッキ層４２、その表面を覆った透明フッ素樹脂クラッド層４１を有する４つのブロックが、レーザファイバ１０及びマッチングオイル２３を囲むことにより構成されている。
【００３７】
【実施例２】
第２の実施の形態において、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ファイバでコア内部に０．２ｗｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が６００ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は２２回、ファイバ一往復あたり１５００ｍｍ、全長１８ｍのファイバを使用した。バンドル部からはみ出したファイバ部には屈折率が１．３４の透明弗素系樹脂を塗布し、バンドル部分ではファイバとファイバのすき間に屈折率１．４４５８の波長０．５〜１．４μｍにわたって透明なマッチングオイルを流し込み、屈折率１．３４の透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）金属治具（地金は真鍮）で矩形断面状に囲い込みマッチングオイルから泡をぬいた。
【００３８】
この際、バンドル部の端面には断面形状１．０×０．３ｍｍ矩形、開口数約０．２の励起光導入用ファイバを差し込んだ。この時励起光導入部分ではバンドル径の増大に伴うテーパー部の角度が１０°以下になるように調節した。この調節によって励起光の全てがバンドル部内に導入される事が保証される。レーザファイバの端面は無処理（すばわちフレネル反射約４％）とした。励起光導入用ファイバの片端には発振波長約０．８μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１１Ｗのレーザ発振を確認できた。
【００３９】
次に、本発明における第３の実施の形態について説明する。
図６は第３の実施の形態におけるファイバレーザ５０の構造図である。
第１の実施の形態におけるファイバレーザ１がバンドル部２０内でレーザファイバ１０の束をマッチングオイル２３で満たしていたのに対し、第３の実施の形態におけるファイバレーザ５０は、レーザファイバ１０の束をバンドル部５１内でお互いに融着させることによって一体化させている。
【００４０】
図７は、図６のバンドル部５１のＤ−Ｄ断面図である。
本形態のファイバレーザ５０におけるバンドル部５１は、ドープコア５１ｃ、石英クラッド５１ｂ、透明フッ素樹脂クラッド層５１ｄ及び金メッキ層５１ａによって構成されている。
【００４１】
ドープコア５１ｃ及び石英クラッド５１ｂは、レーザファイバ１０を複数箇所で折り返し、その折り返しの束を加熱することにより隣接する石英クラッド５１ｂ同士を融着して形成される。このように形成されたドープコア５１ｃを含んだ石英クラッド５１ｂは、透明フッ素樹脂クラッド層５１ｄにより覆われ、さらに透明フッ素樹脂クラッド層５１ｄの表面は、金メッキ層５１ａで覆われる。ここで、透明フッ素樹脂クラッド層５１ｄの光の屈折率は、第１の実施形態の場合と同様に石英クラッド５１ｂの光の屈折率より小さいものとする。
【００４２】
バンドル部５１の励起光導入部Ｅの構成については、第１の実施の形態において図３により説明したものと同様な構成とする。
また、バンドル部５１以外の構成については、第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。
【００４３】
このように、折り返された複数のレーザファイバ１０を融着してバンドル部５１を構成することとしても、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。
【００４４】
【実施例３】
第３の実施の形態において、コア径８０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が２００ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は１４６回、ファイバ一往復あたり８００ｍｍ、全長６０ｍのファイバを使用した。バンドル部の端面に断面形状１０．０×０．２ｍｍ矩形なおかつピッグテールタイプのように片端が細く引き伸ばされたタイプの開口数約０．２の励起光導入用ファイバ（ピッグテール部分はクラッド無し）を差し込み、全体をネット状の炭素繊維で束ね、バンドル上部を励起光導入用ファイバのピッグテール部分にしっかりと括り付けて１００ｇの重りを励起光導入用ファイバにぶら下げて石英ファイバ用の線引き炉内に設置し、約１６００℃に加熱してファイババンドル部を徐々に約１．６倍の長さになるように引き伸ばした。この際、線引き炉内にはヘリウムガスを流した。部分的に徐々に融着させ、引き延ばし、さらに雰囲気ガスとして泡の残りにくいヘリウムを使用したので泡や、異物がほとんど取り込まれず、高品質の融着が可能であった。この引き延ばしによってバンドル内部の平均コア径は５０μｍになる。しかし、励起光の完全導入のためにテーパー角１０°以下の緩やかな外径変化としたので、径の変動に伴う損失は低い。冷却した後、励起光導入用ファイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫外線硬化樹脂を塗布して硬化させた後、全体に屈折率が１．３３の透明弗素系樹脂を塗布し、バンドル部分全体に金−水銀アマルガムを塗布して減圧容器中で２００℃に加熱し、水銀を除去して金めっきした。レーザファイバの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とした。励起光導入用ファイバの片端には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力５５Ｗのレーザ発振を確認できた。
【００４５】
【実施例４】
本実施例は上記実施例３とほぼ同じ構成であるが、励起光導入用ファイバが両端に結合されている点が異なる。励起光導入用ファイバは中央部分が細く引き伸ばされた形をしており（このような形態はガラス細工で作成した）レーザファイバとの融着は実施例１に準じた。実施例１と同様に、励起光導入用ファイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫外線硬化樹脂を塗布して硬化させた後、全体に弗素樹脂のクラッドを付け、その外側を金コートした。レーザファイバの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とした。２つの励起光導入用ファイバの片端にはそれぞれ発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入した（４００Ｗ励起）。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１２０Ｗ、出射径８０μｍのレーザ発振を確認できた。
【００４６】
【実施例５】
第３の実施の形態において、コア径８０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が２５０ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は４５２回、ファイバ一往復あたり１０００ｍｍ、全長２３０ｍのファイバを使用した。バンドル部の端面に断面形状１０．０×０．１ｍｍ矩形なおかつ中央部分が細く引き伸ばされたタイプのクラッド無しの励起光導入用ファイバ５本を差し込み、全体を炭素繊維で束ね、バンドル上部を励起光導入用ファイバにしっかりと括り付けて５００ｇの重りを励起光導入用ファイバにぶら下げて石英ファイバ用の線引き炉内に設置し、約１６００℃に加熱してファイババンドル部を徐々に約１．６倍の長さになるように引き伸ばした。この際、線引き炉内にはヘリウムガスを流した。部分的に徐々に融着させ、引き延ばし、さらに雰囲気ガスとして泡の残りにくいヘリウムを使用したので泡や、異物がほとんど取り込まれず、高品質の融着が可能であった。冷却した後、励起光導入用ファイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫外線硬化樹脂を塗布して硬化させた（開口数は約０．２となる）。その後、成形体全体に屈折率が１．３３の透明弗素系樹脂を塗布し、バンドル部分全体に金−水銀アマルガムを塗布して減圧容器中で２００℃に加熱し、水銀を除去して金めっきした。レーザファイバの端面は片端のみ９９％の反射コートを施した。励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（１０個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１．２ｋＷのレーザ発振を確認できた。
【００４７】
【実施例６】
第３の実施の形態において、コア径８０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が２５０ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は４５２回、ファイバ一往復あたり１０００ｍｍ、全長２３０ｍのファイバを使用した。バンドル部の端面に断面形状１０．０×０．１ｍｍ矩形なおかつ中央部分が細く引き伸ばされたタイプのクラッド無しの励起光導入用ファイバ５本を差し込み、全体を炭素繊維で束ね、バンドル上部を励起光導入用ファイバにしっかりと括り付けて５００ｇの重りを励起光導入用ファイバにぶら下げて石英ファイバ用の線引き炉内に設置し、約１６００℃に加熱してファイババンドル部を徐々に約１．６倍の長さになるように引き伸ばした。この際、線引き炉内にはヘリウムガスを流した。冷却した後、励起光導入用ファイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫外線硬化樹脂を塗布して硬化させた（開口数は約０．２となる）。クラス１０のクリーンルーム内で両端の融着開始部分のおよそ１０ｍｍに環状にただし破線状に屈折率１．３４の透明弗素樹脂を厚み０．３ｍｍに塗布した。その後、内径２．７ｍｍφの鏡面仕上げの金めっきした割り型金属治具で融着部分を挟み込んだ。この際、融着部分には５０ｇ程度の引っ張り張力が加わるようにした。これらの工程もクラス１０のクリーンルーム内で行い、融着部分の表面にはちりや埃、汚れが一切付かないように注意して作業した。このように組み立てたものを金属治具ごと筐体に入れ、冷却用のＨｅガスを循環できるようにした。この時Ｈｅガスは９９．９％、０．３μｍ以下のパーティクルを除去するガスインラインフィルターを通した。この構成によってレーザファイバの融着部分の開口数は１以上となり、バンドル内部での臨界反射角度も４７°とほぼ最大になるので励起光の閉じ込めが非常によくなる。レーザファイバの端面は片端のみ９９％の反射コートを施した。励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（１０個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１．３ｋＷのレーザ発振を確認できた。なお、本実施例で作成したレーザ本体のガラスファイバ融着体と金属治具の隙間を真空ポンプで脱気してもレーザ特性に大きな変動はなかった。
【００４８】
次に、本発明における第４の実施の形態について説明する。
図８は、第４の実施の形態におけるファイバレーザ６０の構成図である。
本形態のファイバレーザ６０は、第１の実施の形態におけるファイバレーザ１の応用例である。本形態のファイバレーザ６０は、マッチングオイルを循環させることが可能であり、それによりレーザファイバ１０の冷却も行うことが可能となる。
【００４９】
ファイバレーザ６０は、レーザファイバ１０、励起光導入用ファイバ３０、レーザファイバ１０の一端に取り付けられる反射ミラー６１、バンドル部６２及びファイバレーザ６０本体内部を２つの領域に分割する隔壁６３を有している。
【００５０】
第１の実施の形態と同様に、ファイバレーザ１０は複数回折り返され、折り返されたファイバレーザ１０の束をバンドル部６２内部に格納し、マッチングオイルで満たす。また、バンドル部６２に格納されないファイバレーザ１０の折り返し部分は、第１の実施の形態の場合と同様に第２クラッドを設けた構造とする。マッチングオイルは、ポンプ等により圧力を与えられることによりバンドル部６２内を流動する。励起光をバンドル部６２に導入する励起光導入用ファイバ３０は、バンドル部の両端に複数本ずつ配置され、それぞれの励起光導入用ファイバ３０からバンドル部６２へ励起光を導入する。
【００５１】
励起光が導入されることにより生じたレーザ光は、レーザファイバ１０の両端部分まで伝わることとなるが、レーザファイバ１０の一端には反射ミラー６１が取り付けられており、反射ミラー６１に達したレーザ光は反射ミラーで反射されることとなるため、レーザファイバ１０で生じたレーザ光は、レーザファイバ１０の一端のみから集中して取り出すこととなる。
【００５２】
図９は、バンドル部６２のＦ−Ｆ断面図である。
第１の実施の形態の場合と同じように、ドープコア６８及び石英クラッド６７を有するレーザファイバ１０の束が配置され、その隙間を石英クラッド６７と光の屈折率がほぼ等しいマッチングオイル６６で満たしている。レーザファイバ１０及びマッチングオイル６６は、石英クラッド６７及びマッチングオイル６６よりも光の屈折率の小さい透明フッ素樹脂クラッド６５により覆われ、透明フッ素樹脂クラッド６５は、その内面を金メッキ処理した鏡面金メッキ金属治具６４によって覆われている。
【００５３】
以上のように、本形態ではマッチングオイル６６をバンドル部６２内に循環させることとしたため、レーザ光照射及び加熱によるマッチングオイル６６の劣化を防ぐことが可能となる。
【００５４】
【実施例７】
第４の実施の形態において、コア径８０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が２５０ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は４５２回、ファイバ一往復あたり１０００ｍｍ、全長２３０ｍのファイバを使用した。バンドル部の両端面に断面形状１０．０×０．１ｍｍ矩形の励起光導入用ファイバ５本、合計１０本を差し込み、屈折率１．３４の透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）で矩形断面状かつ図８のように中央に隔壁を取り付けた形状の金属治具（地金は真鍮）に囲い込んだ。励起光導入部分より外にはみ出した部分のみレーザファイバには屈折率１．３４の透明弗素樹脂、励起光導入用ファイバには屈折率１．４４５の透明紫外線硬化樹脂を塗布してある。このように構成したレーザ本体を外側の金属筐体中に収め、オイル循環ポンプに接続して屈折率１．４５８の透明マッチングオイルを筐体内部に流し込み、圧力をかけてレーザバンドル部分を透過するようにマッチングオイルを循環させた。圧力は３ｋｇ／ｃｍ2とした。レーザファイバの端面は両方とも筐体内部から取り出し圧力がもれないようにファイバの取り出し部分にはしっかりと樹脂で封止した。レーザファイバの片端には波長１．０６μｍの光を９９％反射するミラーを押し付け、もう一方の片端面は破断面そのままとした。
【００５５】
励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（１０個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１．２ｋＷのレーザ発振を確認できた。マッチングオイルの励起光レーザによるレーザ損傷は全く観察されなかった。
【００５６】
次に、本発明における第５の実施の形態について説明する。
図１０は、第５の実施の形態におけるファイバレーザ７０の構成図である。
本形態のファイバレーザ７０は、第４の実施の形態におけるファイバレーザ６０の応用例であり、金メッキ加工しさらにその表面を透明フッ素樹脂で覆った金属基盤７２、レーザファイバ１０、励起光導入用ファイバ３０、反射ミラー７１及びファイバ束ガイド溝７３により構成されている。
【００５７】
ファイバ束ガイド溝７３は、金属基盤７２の内部に渦巻き状に配置された１本の溝として形成され、その溝の両端はそれぞれ金属基盤７２の外部に接続されている。レーザファイバ１０は、複数箇所で折り返されることにより束にされ、その折り返しの束をファイバ束ガイド溝７３に沿って渦巻き状に配置する。ファイバ束ガイド溝７３に沿って配置されたレーザファイバ１０は、その折り返し部及びその両端を上述したファイバ束ガイド溝７３の両端から金属基盤７２の外部に引き出され、この金属基盤７２の外部に引き出された部分には第２クラッドを設ける。金属基盤７２の外部に引き出されたレーザファイバ１０の両端のうち一端には反射ミラー７１が設置される。また、ファイバ束ガイド溝７３にはマッチングオイルを流動させ、それによりレーザファイバ１０の隙間を満たしている。ファイバ束ガイド溝７３の両端部分には励起光導入用ファイバ３０が配置され、レーザファイバ１０に励起光を導入する。
【００５８】
励起光の導入により生じたレーザ光は、レーザファイバ１０の両端に達する。反射ミラー７１を有する側に達したレーザ光はそこで反射され、最終的に反射ミラー７１を有しないレーザファイバ１０もう一方側から取り出される。これにより、レーザファイバ１０の反射ミラー７１を有しない一端から集中してレーザ光を取り出すことができる。
【００５９】
【実施例８】
第５の実施の形態において、コア径７μｍ、クラッド径６０μｍ、開口数０．１１の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が２．０ｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は４５２回、ファイバ一往復あたり２．５ｍ、全長５７０ｍのファイバを使用した。バンドル部の両端面に断面形状１０．０×０．２ｍｍ矩形の励起光導入用ファイバ２本づつ、合計４本を差し込み、屈折率１．３４の透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）で１ｘ１ｍｍの矩形断面状かつ終端が中心に無い渦巻状形状に溝の掘ってある金属治具（地金は真鍮）に囲い込み、屈折率１．４５８のマッチングオイルを流速０．１リットル／分で流した。励起光導入部分より外にはみ出した部分のみレーザファイバには屈折率１．３４の透明弗素樹脂、励起光導入用ファイバには屈折率１．４４５の透明紫外線硬化樹脂を塗布してある。レーザファイバの片端に波長１．０６４μｍの信号光源を結合させ、その端面から−１０ｄＢｍの信号光を入射させた。この際、レーザファイバには反射ミラーが取り付けられていない。
【００６０】
励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（４個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０６４μｍで出力５５ｄＢｍの増幅した信号光を確認できた。この光ファイバ増幅器は宇宙空間にて人工衛星間の光通信を行なう目的で使用される。
【００６１】
次に、本発明における第６の実施の形態について説明する。
図１１は、第６の実施の形態におけるファイバレーザ８０の構成図である。
本形態のファイバレーザ８０は、第１の実施の形態におけるファイバレーザ１の応用例であり、金メッキ加工しさらにその表面を透明フッ素樹脂で覆った金属治具８２、励起光導入用ファイバ３０、レーザファイバ１０及び反射ミラー８１により構成されている。
【００６２】
金属治具８２には、六角形の辺を形作る溝が設けられており、その溝に沿ってレーザファイバ１０が配置されている。レーザファイバ１０は、この六角形の辺に沿って複数回巻き付けられ、その両端を金属治具８２の外部に引き出される。ここで、レーザファイバ１０の金属治具８２から引き出された部分には第２クラッドを設けておく。引き出されたファイバレーザ１０の一端は、反射ミラー８１に取り付けられる。また、六角形の辺を形作る溝はマッチングオイルで満たされており、これにより金属治具８２内部に配置されるレーザファイバ１０の隙間を埋めている。
【００６３】
さらに、金属治具８２は、先に述べた六角形の辺を形作る溝の角辺の延長線上に１つずつ、金属治具８２の外部に通ずる溝を有しており、この溝はこの六角形の辺を形作る溝と金属治具８２の外部とをつないでいる。そして、この六角形の辺を形作る溝と金属治具８２の外部をつなぐ溝に沿って励起光導入用ファイバ３０が１つずつ配置されており、これらの励起光導入用ファイバ３０により、金属治具８２内のレーザファイバ１０に励起光を導入する。
【００６４】
励起光の導入により生じたレーザ光は、レーザファイバ１０の両端に達する。反射ミラー８１を有する側に達したレーザ光はそこで反射され、最終的に反射ミラー８１を有しないレーザファイバ１０のもう一方側から取り出される。これにより、レーザファイバ１０の反射ミラー８１を有しない一端から集中してレーザ光を取り出すことができる。
【００６５】
【実施例９】
第６の実施の形態において、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを一本連続で屈折率１．３４の透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）で矩形断面状かつ図１０のように直径約３８０ｍｍの周回した形状の金属治具（地金は真鍮）に囲い込み、接線方向から６個所周長２００ｍｍ毎に断面形状１０．０×０．２ｍｍ矩形の励起光導入用ファイバ６本を差し込んだ。断面方向には１４６本のコアが存在するレーザファイバは全長８５ｍを使用した。屈折率１．４５８の透明マッチングオイルを金属治具内部に流し込み、しっかりと蓋（これも鏡面の純金めっきに屈折率１．３４の弗素樹脂をコートしたもの）をした。このように構成したレーザ本体を同じく屈折率１．４５８のマッチングオイルを入れた筐体内部に収め、全体から脱気して泡を抜いた。励起光導入用ファイバおよびレーザファイバの端面は全て筐体内部から取り出した。レーザファイバの片端には波長１．０６μｍの光を９９％反射するミラーを押し付け、もう一方の片端面は破断面そのままとした。
【００６６】
励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（６個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１００Ｗのレーザ発振を確認できた。
【００６７】
【実施例１０】
実施例９のレーザ装置の周回している金属部分（もちろんファイバが収められている）を１５台作成し、マッチングオイルが循環する構造になっている深い金属筐体に収めた。この時、レーザファイバ端を１５台分直列に融着した。励起光導入用ファイバ９０本とレーザファイバ端２本を外へだし、ファイバ励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（９０個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をレーザ装置に導入した。レーザファイバ端の片端には反射率９９．９％のミラーを押し付けた。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１．３ｋＷのレーザ発振を確認できた。
【００６８】
次に、本発明における第７の実施の形態について説明する。
第７の実施の形態では、これまでに説明してきた形態とは異なり励起光の導入をファイバではなく取り付けられた励起ＬＤにより直接行う。本形態では、第３の実施の形態における変形例として励起ＬＤを用いた場合を説明する。
【００６９】
図１２は、第７の実施の形態におけるファイバレーザ９０の構成図である。
ファイバレーザ９０は、１つながりのレーザファイバ１０、反射ミラー９１、励起ＬＤ９３ａ、９３ｂ及び励起光導入用光部品９４ａ、９４ｂによって構成されており、第３の実施の形態と同じように折り返されたレーザファイバ１０が融着されバンドル部９２に束ねられている。そして、バンドル部９２及びバンドル部９２の外部に位置するレーザファイバ１０は、透明フッ素樹脂でコーテリングされ、さらにその表面を金メッキ処理されている。
【００７０】
バンドル部９２の両端部分には、励起光導入用光部品９４ａ、９４ｂが取り付けられ、励起光導入用光部品９４ａ、９４ｂには励起ＬＤ９３ａ、９３ｂが取り付けられている。励起光は励起ＬＤ９３ａ、９３ｂから発光され、励起光導入用光部品９４ａ、９４ｂを介してバンドル部９２内に照射されることになる。
【００７１】
その他の動作については第３の実施の形態と同等であるため説明を省略する。
【００７２】
【実施例１１】
第７の実施の形態において、コア径８０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバのコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバをバンドル部の長さが２００ｍｍになるように折り返した。全長６０ｍのファイバを使用し、バンドルの折り返し数は１４６回とし、ファイバ１往復あたりの長さを８００ｍｍとした。バンドル部の両端面に断面形状１０．０×０．２ｍｍ、長さ６０ｍｍのデーパ部分を有する励起光導入用光部品を差し込んだ。そして、全体を炭素製の型にはめ込み、真空熱融着炉内部に設置して１６００℃で３０分加熱した後、その温度を保ったままＨｅガスを導入し、炉内の圧力を０．２Ｍｐａ間で上昇させて、ファイバとファイバ間の空隙を除去した。冷却後全体に屈折率が１．３３の透明フッ素系樹脂を塗布し、バンドル部全体に金―水銀アマルガムを塗布し、減圧容器中で２００℃に加熱することにより水銀を除去して金メッキを行った。レーザファイバの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とした。励起光導入用部品にはそれぞれ励起光源となる発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザを光学接着剤を用いて結合した。その結果、波長１．０６μｍ帯で出力１２０Ｗのレーザ発振を確認できた。
【００７３】
なお、以上の説明では、各実施の形態をレーザ発生装置であるファイバレーザとして用いたが、同様な構成を光の増幅器である光アンプとして用いてもよい
この際、レーザファイバに取り付けられる反射ミラーは取り除かれる。
【００７４】
また、以上の説明において使用するレーザファイバ１０の断面形状は円形もしくは四角形のものを用いたが、矩形、Ｄ型及び樽型等その他の形状のものを用いてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
本発明のファイバレーザでは、石英系ガラスファイバからなる光ファイバ束を励起光反射部で覆い、励起光導入部から励起光を導入する構成としたので、導入された励起光は励起光反射部で反射しながら、光ファイバ束の個々のコアに吸収され、励起光の吸収率は非常に高くなり、発振効率が向上する。
【００７６】
また、本発明の光アンプでは、石英系ガラスファイバからなる光ファイバ束を励起光反射部で覆い、励起光導入部から励起光を導入する構成としたので、導入された励起光は励起光反射部で反射しながら、光ファイバ束の個々のコアに吸収され、励起光の吸収率は非常に高くなり、増幅率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態におけるファイバレーザの構成図である。
【図２】図１のバンドル部のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１におけるＢ部の詳細構成図である。
【図４】第２の形態におけるバンドル部の断面図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】第３の実施の形態におけるファイバレーザの構造図である。
【図７】図６のバンドル部のＤ−Ｄ断面図である。
【図８】第４の実施の形態におけるファイバレーザの構成図である。
【図９】バンドル部のＦ−Ｆ断面図である。
【図１０】第５の実施の形態におけるファイバレーザの構成図である。
【図１１】第６の実施の形態におけるファイバレーザの構成図である。
【図１２】第７の実施の形態におけるファイバレーザの構成図である。
【符号の説明】
１ ファイバレーザ
１０ レーザファイバ
２０ バンドル部
３０ 励起光導入用ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｄイオンがドープされた石英系ファイバを使用したファイバレーザ及び光アンプに関し、特にファイバを使用したファイバレーザ及び光アンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信または光加工技術分野においては安価な高出力のレーザ光の発生装置が望まれている．
光ファイバレーザ発振器または光導波路型レーザ発振器はコア径およびコアとクラッドの屈折率差を調節して設計、作製することで容易に発振モードを単一にでき、かつ光を高密度に閉じ込めることでレーザ活性物質と光との相互作用を高め、かつ長さを長くすることで相互作用長を大きくとれるので高い効率で空間的に高品質のレーザ光を発生することができることが知られている。
【０００３】
ここで、レーザ光の高出力化または高効率化を実現するには、いかに光ファイバまたは光導波路のレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心添加領域（通常はコア部）に効率よく励起光を導入するかが課題となる。
【０００４】
しかし、通常単一モードの導波条件にコア径を設定するとその径はレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）の十数μm以下に限定され、この径に効率よく励起光を導入するのは一般に困難である。
【０００５】
そこで、クラッド部の外側にクラッド部よりもさらに屈折率が低い透明物質で構成される第２クラッド部を設け、第２クラッド部とクラッド部の屈折率差に起因する全反射によって端面より導入された励起光を第一クラッド部およびコア部内に閉じ込め、レーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）を閉じ込められた励起光が通過するにしたがって徐々にレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心に励起光を吸収させ、高出力のレーザ光を出力する方法が知られている。これが２重クラッド型ファイバレーザである（E.Snitzer,H.Po,FHakimi,R.Tumminelli,and B.C.McCllum,in Optical Fiber Sensors,Vol.2 of 1988 OSA Tecnical Digest Series(Optical Society of America,Washington,D.C.,1988),paper PD5.）。
【０００６】
しかし、２重クラッド型ファイバレーザの場合、内部のクラッド部の断面形状が円形であるとレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）付近を選択的に透過する励起光のみが効率よくレーザ活性物質に吸収され、そうでない部分の吸収効率が非常に低い。すなわち、モードによる吸収飽和が起こるといった問題があった。
【０００７】
そこで、内部のクラッド部の形状を矩形にするような工夫がおこなわれているが、一般に円形以外の断面形状のファイバを作製するのは困難であり、かつ機械的な強度にも不足しがちである。
【０００８】
これらの問題を解決するものとして、ファイバにおけるレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）に対し、側面から励起光を導入する光ファイバレーザ装置（特開平１０−１３５５４８）およびレーザ装置（特開平１０−１９００９７）が提案されている。
【０００９】
側面から励起光をレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）に励起光を導入する場合は、通常レーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）の直径(d)に比べて導波路長(L)が非常に長く，L/d>106以上もとれるので導波路の断面方向から励起光を導入する方法よりも非常に多くの励起エネルギーをファイバまたは導波路内に導入することが可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の装置の問題点は励起光吸収効率が低いことである。なぜならば、例えば円形断面の２重クラッドファイバレーザでは活性イオンのドープされているコア付近のみを通過するモードの励起光についてだけが選択的に吸収され、それ以外のモードの実質的吸収効率が非常に悪くなった状態でモードが安定してしまうからである。（Jie Song, Anping Liu, Kazunori Okino and Kenichi Ueda,電気学会誌, OQD-97-17(1997)pp. 1-6）。
【００１１】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、より励起光の吸収効率のよいＮｄイオンがドープされた石英系ガラスファイバを使用したファイバレーザを提供することである。
【００１２】
また、本発明の他の目的は励起光の吸収効率のよいＮｄイオンがドープされた石英系ガラスファイバを使用した光アンプを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、石英系ファイバを使用してレーザ発振を行うファイバレーザにおいて、Ｎｄイオンをレーザ活性物質として含む１つながりの光ファイバを複数箇所で折り返して束ねた光ファイバ束と、前記光ファイバ束間の空隙を満たす、前記光ファイバのクラッドとほぼ同一の屈折率を有する媒質と、前記光ファイバ束に前記レーザ活性物質を励起するための励起光を導入する励起光導入部と、少なくとも前記光ファイバ束の側面の一部を覆い、励起光を反射して繰返し前記レーザ活性物質に吸収されるように配置された、端部が外部に広がり角θｔをなす筒状の励起光反射部と、前記光ファイバ束の前記励起光反射部で覆われていない部位を覆う、前記光ファイバのクラッドよりも低い屈折率を有する樹脂クラッドと、前記励起光により励起された前記レーザ活性物質に起因するレーザ光を出力するレーザ出力部と、を有し、前記励起光導入部は、前記励起光反射部の開口中央部に全反射臨界角がθｐとなるように設けられ、前記媒質と前記励起光反射部の内壁とにおける全反射臨界角がθｂであるとき、（θｐ＋θｔ）＜θｂを満たすよう構成されていることを特徴とするファイバレーザが提供される。
【００１４】
上記のファイバレーザでは、励起光導入部から導入された励起光は励起光反射部で反射しながら、光ファイバ束に吸収される。光ファイバ束はその光ファイバ数に対応したコアがあるので、励起光の吸収率は非常に高くなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
まず、本発明における第１の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は、第１の実施の形態におけるファイバレーザ１の構成図である。
本形態のファイバレーザ１は、レーザ活性物質を有する１本のレーザファイバ１０、レーザファイバ１０を束ねるバンドル部２０及びレーザファイバ１０に励起光を導入する励起光導入用ファイバ３０により構成されている。
【００１７】
レーザファイバ１０は複数箇所で折り返され、それらの折り返し部分とその次の折り返し部分の中間をバンドル部２０内に格納して束ねることにより、折り返したレーザファイバ１０の束を形成している。レーザファイバ１０の折り返し部分１０ａ及び１０ｂはバンドル内には格納されず、バンドル部２０の外部に配置される。バンドル部２０の外部に配置されるレーザファイバ１０の折り返し部分１０ａ及び１０ｂは、レーザファイバ１０を後述する透明樹脂フッ素樹脂クラッドで覆う構造となっている。この透明樹脂フッ素樹脂クラッドが第２クラッドの働きをすることとなる。
【００１８】
図２は、図１のバンドル部２０のＡ−Ａ断面図である。
バンドル部２０は、石英クラッド１２及びレーザ活性物質であるドープコア１１を有するレーザファイバ１０、石英クラッド１２と光の屈折率がほぼ等しいマッチングオイル２３、石英クラッド１２及びマッチングオイル２３よりも光の屈折率の低い透明フッ素樹脂クラッド２２及び表面を金メッキ加工された鏡面金メッキ金属治具２１により構成されている。
【００１９】
レーザファイバ１０は、ドープコア１１を中心とし、その外部を石英クラッド１２で覆った同軸構造をとっており、複数回折り返されたレーザファイバ１０は、マッチングオイル２３によってその隙間を満たされている。
【００２０】
このようなレーザファイバ１０の束及びマッチングオイル２３は透明フッ素樹脂クラッド２２により覆われ、透明フッ素樹脂クラッド２２は、その外部を鏡面金メッキ金属治具２１により覆われている。
【００２１】
次に、図１におけるＢ部の詳細構成を図３に示す。
Ｂ部には、励起光導入用ファイバ３０の先端が配置され、この励起光導入用ファイバ３０の先端から励起光を照射することにより、レーザファイバ１０に励起光を導入する。励起光導入用ファイバ３０には、比較的太い径のもの及び市販の高出力レーザダイオードと結合の良い帯状のファイバを使用する。
【００２２】
図３において、θｐは励起光導入用ファイバ３０の全反射臨界角を示しており、励起光導入用ファイバ３０から照射される励起光は、２×（９０−θｐ）の角度で広がりをもった光としてレーザファイバ１０内に導入される。
【００２３】
θｂは、マッチングオイル２３と透明フッ素樹脂クラッド２２における全反射臨界角を示しており、この全反射臨界角θｂ以内の角度で透明フッ素樹脂クラッド２２に達した励起光は、透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射され、透明フッ素樹脂クラッド２２内部に閉じこめられることとなる。
【００２４】
励起光の導入部であるＢ部は、励起光の導入の効率を図るため、レーザファイバ１０及び透明フッ素樹脂クラッド２２に広がりをもたせており、図３の場合、Ｂ部におけるレーザファイバ１０及び透明フッ素樹脂クラッド２２は、バンドル部２０の中心軸に対し、外部にθｔの角度をもった広がりを有している。
【００２５】
ここで、励起光導入用ファイバ３０からレーザファイバ１０に導入されるすべての励起光は透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射されバンドル部２０内に導入されることが望ましいが、その為には励起光導入用ファイバ３０から照射される励起光と透明フッ素樹脂クラッド２２表面からなる角度が、全反射臨界角θｂ以下である必要がある。この励起光導入用ファイバ３０から照射される励起光と透明フッ素樹脂クラッド２２表面からなる角度がもっとも大きくなるのは、励起光導入用ファイバ３０から照射された励起光が、上記に述べたバンドル部２０の中心軸に対し外部にθｔの角度の広がりをもった透明フッ素樹脂クラッド２２に到達するときであり、その時の励起光導入用ファイバ３０から照射される励起光と透明フッ素樹脂クラッド２２表面からなる角度は、（θｐ＋θｔ）で表される。そのため、Ｂ部のレーザファイバ１０及び透明フッ素樹脂クラッド２２の広がりは、Ｂ部の外部への広がり角θｔが（θｐ＋θｔ）＜θｂを満たすように構成される。
【００２６】
この構造はバンドル端終端（励起光導入の方向を順方向と見て）において用いることも可能であり、この場合バンドル部２０で吸収しきれなかった励起光も効率６０％以上で再利用が可能になる（この場合、バンドル部２０からはみ出したレーザファイバ部１０ｂは、第２クラッドを設けた構造にするのが望ましい）。
【００２７】
次に、図１及び図２を用いて、本形態のファイバレーザ１の動作について説明する。
励起光導入用ファイバ３０から励起光がバンドル部のＢ部から導入されると、その励起光はバンドル部２０の内部に束ねられたレーザファイバ１０を横切り、透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射を繰り返しながらバンドル部２０を進んでいく。ここで、透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射された励起光は再びレーザファイバ１０の束を横切ることになるため、バンドル部２０に導入された励起光は、透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射を行うたびにレーザファイバ１０の束を横切ることになる。
【００２８】
励起光がレーザファイバ１０の束を横切る際、その励起光はそのレーザファイバ１０が有するドープコア１１の束に導入されることとなり、また励起光は透明フッ素樹脂クラッド２２で全反射を繰り返しながら複数回レーザファイバ１０の束を横切ることとなるため、導入された励起光は複数回ドープコア１１の束に導入されることとなる。
【００２９】
ここで、石英クラッド１２及びマッチングオイル２３の光の屈折率はほぼ等しいため、光学的には透明フッ素樹脂クラッド２２内部に多数のドープコア１１のみが存在しているのと等価になり、励起光は透明フッ素樹脂クラッド２２で反射しながらドープコア１１に吸収されていく。
【００３０】
このように励起光を導入されたドープコア１１はレーザ光を発生することとなり、そのように発生したレーザ光はレーザファイバ１０の両端部１０ｃ及び１０ｄより取り出されることとなる。
【００３１】
以上のように、本形態では、１本の連続したレーザファイバ１０を複数回折り返して束ね、その束の隙間をマッチングオイル２３で満たし、レーザファイバ１０の束及びマッチングオイル２３を透明フッ素樹脂クラッド２２及び鏡面金メッキ金属治具２１で覆い、そこに励起光を導入することとしたため、導入された励起光は、透明フッ素樹脂クラッド２２及び鏡面金メッキ金属治具２１で反射しながら、レーザファイバ１０の束が有する個々ドープコア１１に吸収されることとなり、励起光の吸収率は非常に高くなり、発振効率を向上させることが可能となる。
【００３２】
なお、本形態では、励起光導入用ファイバ３０を１本のみ用い、バンドル部２０の一方側からのみ励起光を導入することとしたが、励起光導入用ファイバ３０をさらにもう一本用い、バンドル部２０の両側から励起光を導入することとしてもよい。
【００３３】
【実施例１】
第１の実施の形態において、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．２ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が６００ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は２２回、ファイバ一往復あたり１５００ｍｍ、全長１８ｍのファイバを使用した。バンドル部からはみ出したファイバ部には屈折率が１．３４の透明弗素系樹脂を塗布し、バンドル部分ではファイバとファイバのすき間に屈折率１．４５８の波長０．５〜１．４μｍにわたって透明なマッチングオイルを流し込み、屈折率１．３４の透明弗素樹脂熱収縮チューブできつく押さえた。この際、バンドル部の端面には断面形状１．０×０．３ｍｍ矩形、開口数約０．２の励起光導入用ファイバを差し込んだ。この時励起光導入部分ではバンドル径の増大に伴うテーパー部の角度が１０°以下になるように調節した。この調節によって励起光の全てがバンドル部内に導入されることが保証される。さらに全体を金めっきを施した鏡面表面を持つ直径１ｍｍの割り金属型にバンドル部分をはめ込み、しっかりと固定した。レーザファイバの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とした。励起光導入用ファイバの片端には発振波長約０．８μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１１Ｗのレーザ発振を確認できた。
【００３４】
次に、本発明における第２の実施の形態について説明する。
本形態は、第１の実施の形態からの変形例である。
相違点は、バンドル部２０の鏡面金メッキ金属治具２１及び透明フッ素樹脂クラッド２２の形状に関するものである。
【００３５】
図４に第２の形態におけるバンドル部４０の断面図を、図５には図４のＣ−Ｃ断面図を示す。この図では、第１の実施の形態と構成が共通するレーザファイバ１０及びマッチングオイル２３は省略されている。
【００３６】
本形態のバンドル部４０は、金メッキが施された金メッキ層４２、その表面を覆った透明フッ素樹脂クラッド層４１を有する４つのブロックが、レーザファイバ１０及びマッチングオイル２３を囲むことにより構成されている。
【００３７】
【実施例２】
第２の実施の形態において、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ファイバでコア内部に０．２ｗｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が６００ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は２２回、ファイバ一往復あたり１５００ｍｍ、全長１８ｍのファイバを使用した。バンドル部からはみ出したファイバ部には屈折率が１．３４の透明弗素系樹脂を塗布し、バンドル部分ではファイバとファイバのすき間に屈折率１．４４５８の波長０．５〜１．４μｍにわたって透明なマッチングオイルを流し込み、屈折率１．３４の透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）金属治具（地金は真鍮）で矩形断面状に囲い込みマッチングオイルから泡をぬいた。
【００３８】
この際、バンドル部の端面には断面形状１．０×０．３ｍｍ矩形、開口数約０．２の励起光導入用ファイバを差し込んだ。この時励起光導入部分ではバンドル径の増大に伴うテーパー部の角度が１０°以下になるように調節した。この調節によって励起光の全てがバンドル部内に導入される事が保証される。レーザファイバの端面は無処理（すばわちフレネル反射約４％）とした。励起光導入用ファイバの片端には発振波長約０．８μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１１Ｗのレーザ発振を確認できた。
【００３９】
次に、本発明における第３の実施の形態について説明する。
図６は第３の実施の形態におけるファイバレーザ５０の構造図である。
第１の実施の形態におけるファイバレーザ１がバンドル部２０内でレーザファイバ１０の束をマッチングオイル２３で満たしていたのに対し、第３の実施の形態におけるファイバレーザ５０は、レーザファイバ１０の束をバンドル部５１内でお互いに融着させることによって一体化させている。
【００４０】
図７は、図６のバンドル部５１のＤ−Ｄ断面図である。
本形態のファイバレーザ５０におけるバンドル部５１は、ドープコア５１ｃ、石英クラッド５１ｂ、透明フッ素樹脂クラッド層５１ｄ及び金メッキ層５１ａによって構成されている。
【００４１】
ドープコア５１ｃ及び石英クラッド５１ｂは、レーザファイバ１０を複数箇所で折り返し、その折り返しの束を加熱することにより隣接する石英クラッド５１ｂ同士を融着して形成される。このように形成されたドープコア５１ｃを含んだ石英クラッド５１ｂは、透明フッ素樹脂クラッド層５１ｄにより覆われ、さらに透明フッ素樹脂クラッド層５１ｄの表面は、金メッキ層５１ａで覆われる。ここで、透明フッ素樹脂クラッド層５１ｄの光の屈折率は、第１の実施形態の場合と同様に石英クラッド５１ｂの光の屈折率より小さいものとする。
【００４２】
バンドル部５１の励起光導入部Ｅの構成については、第１の実施の形態において図３により説明したものと同様な構成とする。
また、バンドル部５１以外の構成については、第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。
【００４３】
このように、折り返された複数のレーザファイバ１０を融着してバンドル部５１を構成することとしても、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。
【００４４】
【実施例３】
第３の実施の形態において、コア径８０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が２００ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は１４６回、ファイバ一往復あたり８００ｍｍ、全長６０ｍのファイバを使用した。バンドル部の端面に断面形状１０．０×０．２ｍｍ矩形なおかつピッグテールタイプのように片端が細く引き伸ばされたタイプの開口数約０．２の励起光導入用ファイバ（ピッグテール部分はクラッド無し）を差し込み、全体をネット状の炭素繊維で束ね、バンドル上部を励起光導入用ファイバのピッグテール部分にしっかりと括り付けて１００ｇの重りを励起光導入用ファイバにぶら下げて石英ファイバ用の線引き炉内に設置し、約１６００℃に加熱してファイババンドル部を徐々に約１．６倍の長さになるように引き伸ばした。この際、線引き炉内にはヘリウムガスを流した。部分的に徐々に融着させ、引き延ばし、さらに雰囲気ガスとして泡の残りにくいヘリウムを使用したので泡や、異物がほとんど取り込まれず、高品質の融着が可能であった。この引き延ばしによってバンドル内部の平均コア径は５０μｍになる。しかし、励起光の完全導入のためにテーパー角１０°以下の緩やかな外径変化としたので、径の変動に伴う損失は低い。冷却した後、励起光導入用ファイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫外線硬化樹脂を塗布して硬化させた後、全体に屈折率が１．３３の透明弗素系樹脂を塗布し、バンドル部分全体に金−水銀アマルガムを塗布して減圧容器中で２００℃に加熱し、水銀を除去して金めっきした。レーザファイバの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とした。励起光導入用ファイバの片端には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力５５Ｗのレーザ発振を確認できた。
【００４５】
【実施例４】
本実施例は上記実施例３とほぼ同じ構成であるが、励起光導入用ファイバが両端に結合されている点が異なる。励起光導入用ファイバは中央部分が細く引き伸ばされた形をしており（このような形態はガラス細工で作成した）レーザファイバとの融着は実施例１に準じた。実施例１と同様に、励起光導入用ファイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫外線硬化樹脂を塗布して硬化させた後、全体に弗素樹脂のクラッドを付け、その外側を金コートした。レーザファイバの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とした。２つの励起光導入用ファイバの片端にはそれぞれ発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、導入し、バンドル部分に導入した（４００Ｗ励起）。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１２０Ｗ、出射径８０μｍのレーザ発振を確認できた。
【００４６】
【実施例５】
第３の実施の形態において、コア径８０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が２５０ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は４５２回、ファイバ一往復あたり１０００ｍｍ、全長２３０ｍのファイバを使用した。バンドル部の端面に断面形状１０．０×０．１ｍｍ矩形なおかつ中央部分が細く引き伸ばされたタイプのクラッド無しの励起光導入用ファイバ５本を差し込み、全体を炭素繊維で束ね、バンドル上部を励起光導入用ファイバにしっかりと括り付けて５００ｇの重りを励起光導入用ファイバにぶら下げて石英ファイバ用の線引き炉内に設置し、約１６００℃に加熱してファイババンドル部を徐々に約１．６倍の長さになるように引き伸ばした。この際、線引き炉内にはヘリウムガスを流した。部分的に徐々に融着させ、引き延ばし、さらに雰囲気ガスとして泡の残りにくいヘリウムを使用したので泡や、異物がほとんど取り込まれず、高品質の融着が可能であった。冷却した後、励起光導入用ファイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫外線硬化樹脂を塗布して硬化させた（開口数は約０．２となる）。その後、成形体全体に屈折率が１．３３の透明弗素系樹脂を塗布し、バンドル部分全体に金−水銀アマルガムを塗布して減圧容器中で２００℃に加熱し、水銀を除去して金めっきした。レーザファイバの端面は片端のみ９９％の反射コートを施した。励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（１０個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１．２ｋＷのレーザ発振を確認できた。
【００４７】
【実施例６】
第３の実施の形態において、コア径８０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が２５０ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は４５２回、ファイバ一往復あたり１０００ｍｍ、全長２３０ｍのファイバを使用した。バンドル部の端面に断面形状１０．０×０．１ｍｍ矩形なおかつ中央部分が細く引き伸ばされたタイプのクラッド無しの励起光導入用ファイバ５本を差し込み、全体を炭素繊維で束ね、バンドル上部を励起光導入用ファイバにしっかりと括り付けて５００ｇの重りを励起光導入用ファイバにぶら下げて石英ファイバ用の線引き炉内に設置し、約１６００℃に加熱してファイババンドル部を徐々に約１．６倍の長さになるように引き伸ばした。この際、線引き炉内にはヘリウムガスを流した。冷却した後、励起光導入用ファイバの未融着部分には屈折率１．４４５の紫外線硬化樹脂を塗布して硬化させた（開口数は約０．２となる）。クラス１０のクリーンルーム内で両端の融着開始部分のおよそ１０ｍｍに環状にただし破線状に屈折率１．３４の透明弗素樹脂を厚み０．３ｍｍに塗布した。その後、内径２．７ｍｍφの鏡面仕上げの金めっきした割り型金属治具で融着部分を挟み込んだ。この際、融着部分には５０ｇ程度の引っ張り張力が加わるようにした。これらの工程もクラス１０のクリーンルーム内で行い、融着部分の表面にはちりや埃、汚れが一切付かないように注意して作業した。このように組み立てたものを金属治具ごと筐体に入れ、冷却用のＨｅガスを循環できるようにした。この時Ｈｅガスは９９．９％、０．３μｍ以下のパーティクルを除去するガスインラインフィルターを通した。この構成によってレーザファイバの融着部分の開口数は１以上となり、バンドル内部での臨界反射角度も４７°とほぼ最大になるので励起光の閉じ込めが非常によくなる。レーザファイバの端面は片端のみ９９％の反射コートを施した。励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（１０個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１．３ｋＷのレーザ発振を確認できた。なお、本実施例で作成したレーザ本体のガラスファイバ融着体と金属治具の隙間を真空ポンプで脱気してもレーザ特性に大きな変動はなかった。
【００４８】
次に、本発明における第４の実施の形態について説明する。
図８は、第４の実施の形態におけるファイバレーザ６０の構成図である。
本形態のファイバレーザ６０は、第１の実施の形態におけるファイバレーザ１の応用例である。本形態のファイバレーザ６０は、マッチングオイルを循環させることが可能であり、それによりレーザファイバ１０の冷却も行うことが可能となる。
【００４９】
ファイバレーザ６０は、レーザファイバ１０、励起光導入用ファイバ３０、レーザファイバ１０の一端に取り付けられる反射ミラー６１、バンドル部６２及びファイバレーザ６０本体内部を２つの領域に分割する隔壁６３を有している。
【００５０】
第１の実施の形態と同様に、ファイバレーザ１０は複数回折り返され、折り返されたファイバレーザ１０の束をバンドル部６２内部に格納し、マッチングオイルで満たす。また、バンドル部６２に格納されないファイバレーザ１０の折り返し部分は、第１の実施の形態の場合と同様に第２クラッドを設けた構造とする。マッチングオイルは、ポンプ等により圧力を与えられることによりバンドル部６２内を流動する。励起光をバンドル部６２に導入する励起光導入用ファイバ３０は、バンドル部の両端に複数本ずつ配置され、それぞれの励起光導入用ファイバ３０からバンドル部６２へ励起光を導入する。
【００５１】
励起光が導入されることにより生じたレーザ光は、レーザファイバ１０の両端部分まで伝わることとなるが、レーザファイバ１０の一端には反射ミラー６１が取り付けられており、反射ミラー６１に達したレーザ光は反射ミラーで反射されることとなるため、レーザファイバ１０で生じたレーザ光は、レーザファイバ１０の一端のみから集中して取り出すこととなる。
【００５２】
図９は、バンドル部６２のＦ−Ｆ断面図である。
第１の実施の形態の場合と同じように、ドープコア６８及び石英クラッド６７を有するレーザファイバ１０の束が配置され、その隙間を石英クラッド６７と光の屈折率がほぼ等しいマッチングオイル６６で満たしている。レーザファイバ１０及びマッチングオイル６６は、石英クラッド６７及びマッチングオイル６６よりも光の屈折率の小さい透明フッ素樹脂クラッド６５により覆われ、透明フッ素樹脂クラッド６５は、その内面を金メッキ処理した鏡面金メッキ金属治具６４によって覆われている。
【００５３】
以上のように、本形態ではマッチングオイル６６をバンドル部６２内に循環させることとしたため、レーザ光照射及び加熱によるマッチングオイル６６の劣化を防ぐことが可能となる。
【００５４】
【実施例７】
第４の実施の形態において、コア径８０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が２５０ｍｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は４５２回、ファイバ一往復あたり１０００ｍｍ、全長２３０ｍのファイバを使用した。バンドル部の両端面に断面形状１０．０×０．１ｍｍ矩形の励起光導入用ファイバ５本、合計１０本を差し込み、屈折率１．３４の透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）で矩形断面状かつ図８のように中央に隔壁を取り付けた形状の金属治具（地金は真鍮）に囲い込んだ。励起光導入部分より外にはみ出した部分のみレーザファイバには屈折率１．３４の透明弗素樹脂、励起光導入用ファイバには屈折率１．４４５の透明紫外線硬化樹脂を塗布してある。このように構成したレーザ本体を外側の金属筐体中に収め、オイル循環ポンプに接続して屈折率１．４５８の透明マッチングオイルを筐体内部に流し込み、圧力をかけてレーザバンドル部分を透過するようにマッチングオイルを循環させた。圧力は３ｋｇ／ｃｍ2とした。レーザファイバの端面は両方とも筐体内部から取り出し圧力がもれないようにファイバの取り出し部分にはしっかりと樹脂で封止した。レーザファイバの片端には波長１．０６μｍの光を９９％反射するミラーを押し付け、もう一方の片端面は破断面そのままとした。
【００５５】
励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（１０個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１．２ｋＷのレーザ発振を確認できた。マッチングオイルの励起光レーザによるレーザ損傷は全く観察されなかった。
【００５６】
次に、本発明における第５の実施の形態について説明する。
図１０は、第５の実施の形態におけるファイバレーザ７０の構成図である。
本形態のファイバレーザ７０は、第４の実施の形態におけるファイバレーザ６０の応用例であり、金メッキ加工しさらにその表面を透明フッ素樹脂で覆った金属基盤７２、レーザファイバ１０、励起光導入用ファイバ３０、反射ミラー７１及びファイバ束ガイド溝７３により構成されている。
【００５７】
ファイバ束ガイド溝７３は、金属基盤７２の内部に渦巻き状に配置された１本の溝として形成され、その溝の両端はそれぞれ金属基盤７２の外部に接続されている。レーザファイバ１０は、複数箇所で折り返されることにより束にされ、その折り返しの束をファイバ束ガイド溝７３に沿って渦巻き状に配置する。ファイバ束ガイド溝７３に沿って配置されたレーザファイバ１０は、その折り返し部及びその両端を上述したファイバ束ガイド溝７３の両端から金属基盤７２の外部に引き出され、この金属基盤７２の外部に引き出された部分には第２クラッドを設ける。金属基盤７２の外部に引き出されたレーザファイバ１０の両端のうち一端には反射ミラー７１が設置される。また、ファイバ束ガイド溝７３にはマッチングオイルを流動させ、それによりレーザファイバ１０の隙間を満たしている。ファイバ束ガイド溝７３の両端部分には励起光導入用ファイバ３０が配置され、レーザファイバ１０に励起光を導入する。
【００５８】
励起光の導入により生じたレーザ光は、レーザファイバ１０の両端に達する。反射ミラー７１を有する側に達したレーザ光はそこで反射され、最終的に反射ミラー７１を有しないレーザファイバ１０もう一方側から取り出される。これにより、レーザファイバ１０の反射ミラー７１を有しない一端から集中してレーザ光を取り出すことができる。
【００５９】
【実施例８】
第５の実施の形態において、コア径７μｍ、クラッド径６０μｍ、開口数０．１１の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを連続でバンドル部分長が２．０ｍになるように折り返した。バンドルの折り返し数は４５２回、ファイバ一往復あたり２．５ｍ、全長５７０ｍのファイバを使用した。バンドル部の両端面に断面形状１０．０×０．２ｍｍ矩形の励起光導入用ファイバ２本づつ、合計４本を差し込み、屈折率１．３４の透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）で１ｘ１ｍｍの矩形断面状かつ終端が中心に無い渦巻状形状に溝の掘ってある金属治具（地金は真鍮）に囲い込み、屈折率１．４５８のマッチングオイルを流速０．１リットル／分で流した。励起光導入部分より外にはみ出した部分のみレーザファイバには屈折率１．３４の透明弗素樹脂、励起光導入用ファイバには屈折率１．４４５の透明紫外線硬化樹脂を塗布してある。レーザファイバの片端に波長１．０６４μｍの信号光源を結合させ、その端面から−１０ｄＢｍの信号光を入射させた。この際、レーザファイバには反射ミラーが取り付けられていない。
【００６０】
励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（４個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０６４μｍで出力５５ｄＢｍの増幅した信号光を確認できた。この光ファイバ増幅器は宇宙空間にて人工衛星間の光通信を行なう目的で使用される。
【００６１】
次に、本発明における第６の実施の形態について説明する。
図１１は、第６の実施の形態におけるファイバレーザ８０の構成図である。
本形態のファイバレーザ８０は、第１の実施の形態におけるファイバレーザ１の応用例であり、金メッキ加工しさらにその表面を透明フッ素樹脂で覆った金属治具８２、励起光導入用ファイバ３０、レーザファイバ１０及び反射ミラー８１により構成されている。
【００６２】
金属治具８２には、六角形の辺を形作る溝が設けられており、その溝に沿ってレーザファイバ１０が配置されている。レーザファイバ１０は、この六角形の辺に沿って複数回巻き付けられ、その両端を金属治具８２の外部に引き出される。ここで、レーザファイバ１０の金属治具８２から引き出された部分には第２クラッドを設けておく。引き出されたファイバレーザ１０の一端は、反射ミラー８１に取り付けられる。また、六角形の辺を形作る溝はマッチングオイルで満たされており、これにより金属治具８２内部に配置されるレーザファイバ１０の隙間を埋めている。
【００６３】
さらに、金属治具８２は、先に述べた六角形の辺を形作る溝の角辺の延長線上に１つずつ、金属治具８２の外部に通ずる溝を有しており、この溝はこの六角形の辺を形作る溝と金属治具８２の外部とをつないでいる。そして、この六角形の辺を形作る溝と金属治具８２の外部をつなぐ溝に沿って励起光導入用ファイバ３０が１つずつ配置されており、これらの励起光導入用ファイバ３０により、金属治具８２内のレーザファイバ１０に励起光を導入する。
【００６４】
励起光の導入により生じたレーザ光は、レーザファイバ１０の両端に達する。反射ミラー８１を有する側に達したレーザ光はそこで反射され、最終的に反射ミラー８１を有しないレーザファイバ１０のもう一方側から取り出される。これにより、レーザファイバ１０の反射ミラー８１を有しない一端から集中してレーザ光を取り出すことができる。
【００６５】
【実施例９】
第６の実施の形態において、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバでコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバを一本連続で屈折率１．３４の透明弗素樹脂を表面に塗布した純金めっき（鏡面）で矩形断面状かつ図１０のように直径約３８０ｍｍの周回した形状の金属治具（地金は真鍮）に囲い込み、接線方向から６個所周長２００ｍｍ毎に断面形状１０．０×０．２ｍｍ矩形の励起光導入用ファイバ６本を差し込んだ。断面方向には１４６本のコアが存在するレーザファイバは全長８５ｍを使用した。屈折率１．４５８の透明マッチングオイルを金属治具内部に流し込み、しっかりと蓋（これも鏡面の純金めっきに屈折率１．３４の弗素樹脂をコートしたもの）をした。このように構成したレーザ本体を同じく屈折率１．４５８のマッチングオイルを入れた筐体内部に収め、全体から脱気して泡を抜いた。励起光導入用ファイバおよびレーザファイバの端面は全て筐体内部から取り出した。レーザファイバの片端には波長１．０６μｍの光を９９％反射するミラーを押し付け、もう一方の片端面は破断面そのままとした。
【００６６】
励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（６個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をバンドル部分に導入した。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１００Ｗのレーザ発振を確認できた。
【００６７】
【実施例１０】
実施例９のレーザ装置の周回している金属部分（もちろんファイバが収められている）を１５台作成し、マッチングオイルが循環する構造になっている深い金属筐体に収めた。この時、レーザファイバ端を１５台分直列に融着した。励起光導入用ファイバ９０本とレーザファイバ端２本を外へだし、ファイバ励起光導入用ファイバのそれぞれの片端（９０個所）には発振波長約０．８μｍ、最大出力３５Ｗの半導体レーザをシリンドリカルレンズによって結合、励起光をレーザ装置に導入した。レーザファイバ端の片端には反射率９９．９％のミラーを押し付けた。その結果波長１．０６μｍ帯で出力１．３ｋＷのレーザ発振を確認できた。
【００６８】
次に、本発明における第７の実施の形態について説明する。
第７の実施の形態では、これまでに説明してきた形態とは異なり励起光の導入をファイバではなく取り付けられた励起ＬＤにより直接行う。本形態では、第３の実施の形態における変形例として励起ＬＤを用いた場合を説明する。
【００６９】
図１２は、第７の実施の形態におけるファイバレーザ９０の構成図である。
ファイバレーザ９０は、１つながりのレーザファイバ１０、反射ミラー９１、励起ＬＤ９３ａ、９３ｂ及び励起光導入用光部品９４ａ、９４ｂによって構成されており、第３の実施の形態と同じように折り返されたレーザファイバ１０が融着されバンドル部９２に束ねられている。そして、バンドル部９２及びバンドル部９２の外部に位置するレーザファイバ１０は、透明フッ素樹脂でコーテリングされ、さらにその表面を金メッキ処理されている。
【００７０】
バンドル部９２の両端部分には、励起光導入用光部品９４ａ、９４ｂが取り付けられ、励起光導入用光部品９４ａ、９４ｂには励起ＬＤ９３ａ、９３ｂが取り付けられている。励起光は励起ＬＤ９３ａ、９３ｂから発光され、励起光導入用光部品９４ａ、９４ｂを介してバンドル部９２内に照射されることになる。
【００７１】
その他の動作については第３の実施の形態と同等であるため説明を省略する。
【００７２】
【実施例１１】
第７の実施の形態において、コア径８０μｍ、クラッド径１２５μｍ、開口数０．２の石英系ガラスファイバのコア内部に０．４ａｔ％のＮｄ３＋イオンをドープしたレーザファイバをバンドル部の長さが２００ｍｍになるように折り返した。全長６０ｍのファイバを使用し、バンドルの折り返し数は１４６回とし、ファイバ１往復あたりの長さを８００ｍｍとした。バンドル部の両端面に断面形状１０．０×０．２ｍｍ、長さ６０ｍｍのデーパ部分を有する励起光導入用光部品を差し込んだ。そして、全体を炭素製の型にはめ込み、真空熱融着炉内部に設置して１６００℃で３０分加熱した後、その温度を保ったままＨｅガスを導入し、炉内の圧力を０．２Ｍｐａ間で上昇させて、ファイバとファイバ間の空隙を除去した。冷却後全体に屈折率が１．３３の透明フッ素系樹脂を塗布し、バンドル部全体に金―水銀アマルガムを塗布し、減圧容器中で２００℃に加熱することにより水銀を除去して金メッキを行った。レーザファイバの端面は無処理（すなわちフレネル反射約４％）とした。励起光導入用部品にはそれぞれ励起光源となる発振波長約０．８μｍ、最大出力２００Ｗの半導体レーザを光学接着剤を用いて結合した。その結果、波長１．０６μｍ帯で出力１２０Ｗのレーザ発振を確認できた。
【００７３】
なお、以上の説明では、各実施の形態をレーザ発生装置であるファイバレーザとして用いたが、同様な構成を光の増幅器である光アンプとして用いてもよい
この際、レーザファイバに取り付けられる反射ミラーは取り除かれる。
【００７４】
また、以上の説明において使用するレーザファイバ１０の断面形状は円形もしくは四角形のものを用いたが、矩形、Ｄ型及び樽型等その他の形状のものを用いてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
本発明のファイバレーザでは、石英系ガラスファイバからなる光ファイバ束を励起光反射部で覆い、励起光導入部から励起光を導入する構成としたので、導入された励起光は励起光反射部で反射しながら、光ファイバ束の個々のコアに吸収され、励起光の吸収率は非常に高くなり、発振効率が向上する。
【００７６】
また、本発明の光アンプでは、石英系ガラスファイバからなる光ファイバ束を励起光反射部で覆い、励起光導入部から励起光を導入する構成としたので、導入された励起光は励起光反射部で反射しながら、光ファイバ束の個々のコアに吸収され、励起光の吸収率は非常に高くなり、増幅率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態におけるファイバレーザの構成図である。
【図２】図１のバンドル部のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１におけるＢ部の詳細構成図である。
【図４】第２の形態におけるバンドル部の断面図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】第３の実施の形態におけるファイバレーザの構造図である。
【図７】図６のバンドル部のＤ−Ｄ断面図である。
【図８】第４の実施の形態におけるファイバレーザの構成図である。
【図９】バンドル部のＦ−Ｆ断面図である。
【図１０】第５の実施の形態におけるファイバレーザの構成図である。
【図１１】第６の実施の形態におけるファイバレーザの構成図である。
【図１２】第７の実施の形態におけるファイバレーザの構成図である。
【符号の説明】
１ ファイバレーザ
１０ レーザファイバ
２０ バンドル部
３０ 励起光導入用ファイバ
Claims (4)
- 石英系ファイバを使用してレーザ発振を行うファイバレーザにおいて、
Ｎｄイオンをレーザ活性物質として含む１つながりの光ファイバを複数箇所で折り返して束ねた光ファイバ束と、
前記光ファイバ束間の空隙を満たす、前記光ファイバのクラッドとほぼ同一の屈折率を有する媒質と、
前記光ファイバ束に前記レーザ活性物質を励起するための励起光を導入する励起光導入部と、
少なくとも前記光ファイバ束の側面の一部を覆い、励起光を反射して繰返し前記レーザ活性物質に吸収されるように配置された、端部が外部に広がり角θｔをなす筒状の励起光反射部と、
前記光ファイバ束の前記励起光反射部で覆われていない部位を覆う、前記光ファイバのクラッドよりも低い屈折率を有する樹脂クラッドと、
前記励起光により励起された前記レーザ活性物質に起因するレーザ光を出力するレーザ出力部と、
を有し、
前記励起光導入部は、前記励起光反射部の開口中央部に全反射臨界角がθｐとなるように設けられ、
前記媒質と前記励起光反射部の内壁とにおける全反射臨界角がθｂであるとき、（θｐ＋θｔ）＜θｂを満たすよう構成されていることを特徴とするファイバレーザ。 - 前記光ファイバ束内部の隙間に励起光を透過する冷媒が充填され、前記冷媒を流すことにより前記光ファイバ束の冷却を行うことを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ。
- 石英系ファイバを使用して光増幅を行う光アンプにおいて、
Ｎｄイオンを活性物質として含む１つながりの光ファイバを複数箇所で折り返して束ねた光ファイバ束と、
前記光ファイバ束間の空隙を満たす、前記光ファイバのクラッドとほぼ同一の屈折率を有する媒質と、
前記光ファイバ束に励起光を導入する励起光導入部と、
少なくとも前記光ファイバ束の側面の一部を覆い、励起光を反射して繰返し前記活性物質に吸収されるように配置された、端部が外部に広がり角θｔをなす筒状の励起光反射部と、
前記光ファイバ束の前記励起光反射部で覆われていない部位を覆う、前記光ファイバのクラッドよりも低い屈折率を有する樹脂クラッドと、
前記励起光により励起された前記活性物質により増幅された信号光を出力する出力部と、
を有し、
前記励起光導入部は、前記励起光反射部の開口中央部に全反射臨界角がθｐとなるように設けられ、
前記媒質と前記励起光反射部の内壁とにおける全反射臨界角がθｂであるとき、（θｐ＋θｔ）＜θｂを満たすよう構成されていることを特徴とする光アンプ。 - 基盤の内部に渦巻き状に配置された１本の溝として形成され、前記光ファイバ束を前記溝に沿って渦巻き状に支持し、前記溝の両端から前記光ファイバ束の折り返し部を前記基盤の外部にそれぞれ引き出し、前記媒質が流動可能なガイド溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ。
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