JP5102979B2 - レーザー光の出射方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光の出射方法に関し、特に、ファイバレーザーに用いられる光ファイバによるレーザー光の出射方法に関するものである。

近年、レーザー加工などの分野では、高出力で高ビーム品質なレーザー光が求められている。そのため、光ファイバをレーザー媒質として利用するファイバレーザーにおいても、レーザー光の高出力化及び高ビーム品質化が望まれている。

上記ファイバレーザーのレーザー媒質には、コアに光増幅成分として希土類元素がドープされた光ファイバがよく用いられている。このファイバレーザーでは、一方のファイバ端から励起光が入射されると、コア中の希土類元素が励起され、その励起された希土類元素から発振した光がコアを伝搬した後に他方のファイバ端からレーザー光として出射される。

例えば、特許文献１には、低屈折率のクラッド内に希土類元素を含んだ高屈折率のコアを複数個設けた希土類元素添加マルチコアファイバにおいて、中心部のコアの希土類元素の添加量を最も多くし、中心から離れるにつれて各コアの希土類元素の添加量を少なくすることにより、励起光を効率よく利用できることが記載されている。
特許第２７１３０３１号公報

ところで、レーザー光のビーム品質を高めるためには、光ファイバのコアの径を小さくすること、及びコアの開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）を低くすることが考えられる。

しかしながら、コアの径を単に小さくすると、非線形効果によってビーム品質が低下するおそれがある。なお、上記非線形効果とは、光ファイバの屈折率が光強度に依存して変化することにより、信号波形が劣化したり、光ファイバ中を伝搬する異なる波長の光信号同士が影響し合って新たな干渉雑音光を作り出したりする現象である。

また、従来の希土類元素ドープファイバにおいてコアのＮＡを低くするには、ドープするドープ材料の屈折率差でコアのＮＡを調整しなければならない。例えば、コアのＮＡを０．０６とするためには、比屈折率差を０．０９％よりも小さくする必要がある。この０．０９％という比屈折率差は、通信用として用いられる光ファイバにおける比屈折率差（０．３５％）と比較してかなり小さいので、ドープ材料による屈折率差の調整のみによって、コアのＮＡを例えば０．１以下にすることは困難である。

さらに、コアの周囲のクラッドに空孔（ホール）を有する従来のホーリーファイバでは、クラッドのホール構造によって比屈折率差を調整するので、コアのＮＡを低くするためのホール径の制御が困難である。

一方、レーザー光の出力を高くするためには、光ファイバのコアの径を大きくして、励起光を多く入射させることが考えられる。しかしながら、コアの径を単に大きくすることは、レーザー光のビーム品質を低下させてしまうことになる。

このように、レーザー光の高出力化とビーム品質の向上とは、トレードオフの関係にあるので、レーザー光の高出力化と高ビーム品質化との両立は、困難である。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザー光のビーム品質及び出力を高めることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、コアを構成する各コア形成部が密に配列された光ファイバにおいて、一方のファイバ端から励起光を入射させ、コア中で発振した光を他方のファイバ端から単一のレーザー光として出射させるようにしたものである。

具体的に本発明に係るレーザー光の出射方法は、各々、光増幅成分がドープされ、互いに並行に延びると共に互いに離間して配置された複数のコア形成部を含み、各コア形成部によって構成された相対的に屈折率の高い領域と、各コア形成部の周囲に配置された相対的に屈折率の低い領域とが混在しているコアと、上記コアの周囲に設けられたクラッドとを備え、上記複数のコア形成部が密に配列された光ファイバを用いるレーザー光の出射方法であって、上記光ファイバにおいて、一方のファイバ端に励起光を入射させ、上記コア中で上記光増幅成分によって増幅して発振した光を他方のファイバ端からニアフィールドパターン形状が単一の山であるシングルモード光のレーザー光として出射させることを特徴とする。

上記の方法によれば、光ファイバでは、各々、光増幅成分がドープされて相対的に高い屈折率を有する複数のコア形成部が、一方のファイバ端に励起光を入射させ、コア中で光増幅成分から発振した光を他方のファイバ端から単一のレーザー光として出射させるように密に配列されているので、コア内において、各コア形成部によって構成される相対的に屈折率の高い領域と、各コア形成部の周囲に配置する相対的に屈折率の低い領域とが混在している。そのため、コアの実効的な屈折率が相対的に低くなるので、コアの実効的な比屈折率差が小さくなる。これにより、コアのＮＡが低下するので、ファイバ端から出射されるレーザー光のビーム品質が高くなる。

また、コアが互いに並行に延びる複数のコア形成部を含んでいるので、コアの径が比較的大きくなる。そのため、レーザー光のパワー密度が下がって、非線形効果が起こりにくくなるので、結果としてレーザー光の出力が高くなる。

したがって、レーザー光のビーム品質及び出力を高めることが可能になる。

上記レーザー光のニアフィールドパターンにおける最大高さの１／ｅ ² （ｅは自然対数の底）になるときの直径として定義されるコアのモード径は、２０μｍ以上であり、上記コアの開口数は、０．１以下であってもよい。

上記の方法によれば、コアのモード径が大きくなっていると共に、コアのＮＡが低くなっているので、本発明の作用効果が具体的に奏される。

上記クラッドは、上記コア側に設けられた第１クラッドと、該第１クラッドの周囲に設けられた第２クラッドとを備えていてもよい。

上記の方法によれば、クラッドが第１クラッド及び第２クラッドを備えているので、光ファイバがダブルクラッドファイバとなる。そして、そのダブルクラッドファイバでは、一方のファイバ端から入射させた励起光が第２クラッドに囲まれた第１クラッド内を伝搬する間に、励起光がコアを通過することにより、コア中の光増幅成分が励起され、その励起された光増幅成分から発振した光がコアを伝搬した後に他方のファイバ端からレーザー光として出射されることになる。

上記光増幅成分は、エルビウム、イッテルビウム及びリンを含んでいてもよい。

上記の方法によれば、光増幅成分としてリンが含まれているので、エルビウムの蛍光寿命が短くなり、イッテルビウムの励起サイトからエルビウムの励起サイトへのエネルギートランスファーが起こりやすくなる。

上記第２クラッドには、上記コアに沿って延びる複数の細孔が形成されていてもよい。

上記の方法によれば、第２クラッドに形成された複数の細孔によって、第２クラッドの屈折率が低くなるので、第１クラッドのＮＡが高くなる。そのため、第１クラッドに多くの励起光を入射させられるので、ファイバ長を短くすることが可能になり、非線形効果が抑制される。

本発明によれば、コアを構成する各コア形成部が密に配列された光ファイバにおいて、一方のファイバ端から励起光を入射させ、コア中で発振した光を他方のファイバ端から単一のレーザー光として出射させるので、レーザー光のビーム品質及び出力を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

《発明の実施形態１》
図１〜図６は、本発明に係る光ファイバの実施形態１を示している。ここで、図１は、本実施形態の光ファイバ１０の断面図であり、図２は、光ファイバ１０を構成するコア２の拡大断面図である。そして、図３は、光ファイバ１０の屈折率分布図である。

光ファイバ１０は、図１に示すように、ファイバ中心となるコア２と、コア２の周囲に設けられたクラッド３とを備えている。

コア２は、例えば、互いに並行に延びる１９本のコア形成部１を有している。そして、各コア形成部１は、コア２において、図２に示すように、その中心が三角格子をなすように三角型の規則配置しているので、コア２の横断面は略正六角形状になっている。また、各コア形成部１は、ファイバ端から単一のレーザー光を出射するように密に配列されている。さらに、コア２のモード径は、２０μｍ以上であり、コア２の開口数（ＮＡ）は、０．１以下である。

各コア形成部１は、光増幅成分として、エルビウム（Ｅｒ）などの希土類元素がドープされた石英により構成され、図３に示すように、石英単体により構成されたクラッド３よりも屈折率ｎが高くなっている。

上記構成の光ファイバ１０では、一方のファイバ端からコア２に入射された励起光によって、コア２中の希土類元素が励起され、その励起された希土類元素から発振した光がコア２を伝搬した後に他方のファイバ端からレーザー光として出射される。

次に、上記構成の光ファイバ１０の製造方法について図５及び図６を用いて説明する。ここで、図５は、光ファイバ１０を製造するためのプリフォーム３０ａの断面図であり、図６は、プリフォーム３０ａを構成するコアロッド配置部１２の拡大断面図である。なお、本実施形態の製造方法は、コアロッド作製工程、プリフォーム作製工程及び線引き工程を備えている。

＜コアロッド作製工程＞
まず、ＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法により、中心軸にエルビウムがドープされた石英からなるコアロッド母材を作製する。

続いて、コアロッド母材を加熱及び延伸した後、フッ酸（ＨＦ）によるエッチングを行うことにより、例えば、直径２．５ｍｍ及び長さ５０ｍｍで、図６に示すように、ロッド中心部１１ａと、ロッド中心部１１ａの周囲に設けられたロッド外周部１１ｂとを有する円柱状のコアロッド１１を１９本作製する。ここで、エルビウムがドープされたロッド中心部１１ａの直径は、例えば、１．２ｍｍである。

＜プリフォーム作製工程＞
まず、例えば、外径２６ｍｍ、内径１４ｍｍ及び長さ５０ｍｍの石英製の円筒状のサポート管１３ａの内部に、図５に示すように、各コアロッド１１を三角格子状に配置すると共に、サポート管１３ａの内壁と各コアロッド１１との隙間に直径０．５ｍｍ（又は０．４ｍｍ）及び長さ５０ｍｍの石英からなる円柱状のスペーサロッド（不図示）を挿入する。

続いて、サポート管１３ａの内部に塩素ガスを流すことにより脱水処理を行い、その後、酸水素バーナを用いてガス圧を調整しながら、サポート管１３ａ、コアロッド１１及びスペーサロッドからなる母材を一体化させる。

次いで、一体化させた母材を延伸して外径を２６ｍｍから１０．５ｍｍに縮径した後に、ＨＦによるエッチングを行うことにより、外径を９．５ｍｍに縮径する。

さらに、水分の混入に注意しながら、石英からなるパイプ１３ｂの被覆、及びその延伸を繰り返しながら、図５に示すように、直径１．７ｍｍのコアロッド配置部１２を有する外径２５．３ｍｍのプリフォーム３０ａを作製する。

＜線引き工程＞
プリフォーム３０ａを、電気炉で加熱及び延伸して、ファイバ状に線引きする。このとき、プリフォーム３０ａを構成する１９本のコアロッド１１（コアロッド配置部１２）によってコア２が形成され、プリフォーム３０ａを構成するサポート管１３（１３ａ及び１３ｂ）によってクラッド３が形成される。

以上のようにして、光ファイバ１０を製造することができる。

次に、具体的に行った実験について説明する。

本発明の実施例として、上記実施形態と同じ製造方法で、光ファイバ１０に対応する光ファイバＦ１を製造した。

具体的には、以下の表１に示す構成で光ファイバＦ１を製造した。なお、表１の右欄は、光ファイバＦ１と同様な構成材料によって比較例として製造したシングルコアの光ファイバＳＣＦのデータである。

ここで、表１の単体コア径及び単体コア間隔は、それぞれ、図２におけるｄ及びＰの平均値である。なお、単体コア間隔Ｐは、各単体コア、すなわち、各コア形成部１の中心間の距離である。

また、表１のマルチコア径は、５本のコア形成部１が並んだコア２における最大径である。

さらに、表１のコア・ＮＦＰ（１／ｅ^２）は、波長１．５５μｍのレーザーダイオードを用いて、ファイバ端面のコア２に励起光を入射させ、ファイバの出射端のニアフィールドパターン（ＮＦＰ）を測定して算出されたコアのモード径である。ここで、図４は、ファイバの出射端におけるＮＦＰのｘ軸（又はｙ軸）に沿った断面模式図である。そして、上記コア・ＮＦＰ（１／ｅ^２）は、図４のＮＦＰにおいて、高さが最大高さＨの１／ｅ^２になるときの直径である。なお、１／ｅ^２のｅは、自然対数の底である。

また、図４では、ＮＦＰのパターン形状が単一の山になっているので、シングルモードの光が出射されたことが確認された。仮に、マルチモードの光が出射された場合には、ＮＦＰのパターン形状が複数の山を有することになる。

さらに、表１の実効コアΔは、ファイバの出射端のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）を測定して算出された値である。

表１における光ファイバＦ１及びＳＣＦを各データを比較すれば分かるように、両ファイバにおいてコアの比屈折率差Δに大差がないが、実施例の光ファイバＦ１では、図３に示すように、コア２内に希土類元素がドープされた石英からなる屈折率ｎの高い領域と石英単体からなる屈折率ｎの低い領域とが混在することにより、実効的に屈折率が低下して実効コアΔ（＝０．０７）がかなり小さくなった。これにより、コアのＮＡ（＝０．０５４）も低下し、コア・ＮＦＰ（１／ｅ^２）（＝２５．１）が拡大した。また、光ファイバＦ１におけるコア２の吸収係数（＝８．２）は、光ファイバＳＣＦの２／３程度となった。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバ１０によれば、各々、光増幅成分としてエルビウムがドープされて相対的に高い屈折率を有する複数のコア形成部１がファイバ端から単一のレーザー光を出射するように密（例えば、図２のＰ＝４．１μｍ）に配列されているので、コア２内では、エルビウムがドープされた石英からなる相対的に屈折率ｎの高い領域（各コア形成部１）と、各コア形成部１の周囲に配置され石英単体からなる相対的に屈折率ｎの低い領域とが混在している。そのため、コア２の実効的な屈折率が相対的に低くなるので、コア２の実効的な比屈折率差Δが小さくなる。これにより、コア２のＮＡが低下するので、ファイバ端から出射されるレーザー光のビーム品質を高めることができる。

また、コア２が互いに並行に延びる複数のコア形成部１を含んでいるので、コア２の径が比較的大きくなる。そのため、レーザー光のパワー密度が下がって、非線形効果が起こりにくくなるので、結果としてレーザー光の出力を高めることができる。

したがって、光ファイバ１０において、出射されるレーザー光のビーム品質及び出力を高めることができる。

《発明の実施形態２》
図７及び図８は、本発明に係る光ファイバの実施形態２を示している。ここで、図７は、本実施形態の光ファイバ２０の断面図である。なお、以下の各実施形態において、図１〜図６と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

光ファイバ２０は、図７に示すように、ファイバ中心となるコア２と、コア２の周囲に設けられた第１クラッド４と、第１クラッド４の周囲に設けられた第２クラッド５と、第２クラッド５の周囲に設けられたサポート層６とを備えたダブルクラッドファイバである。

第１クラッド４は、上記実施形態１の光ファイバ１０におけるクラッド３と実質的に同じであるので、詳細な説明を省略する。

第２クラッド５は、各々、コア２に沿って延びる複数の細孔５ａを有し、石英により構成されている。そして、第２クラッド５の屈折率は、複数の細孔５ａ内の空気の屈折率と、その細孔５ａ以外の部分の石英の屈折率とが複合したものとなり、第１クラッド４の屈折率、すなわち、石英の屈折率よりも低くなっている。

サポート層６は、石英により構成されている。

上記構成の光ファイバ２０では、一方のファイバ端から入射させた励起光が第１クラッド４を伝搬する間に、励起光がコア２を通過することにより、コア２中の希土類元素が励起され、その励起された希土類元素から発振した光がコア２を伝搬した後に他方のファイバ端から出射される。

次に、上記構成の光ファイバ２０の製造方法について図８を用いて説明する。ここで、図８は、光ファイバ２０を製造するためのプリフォーム４０の断面図である。なお、本実施形態の製造方法は、コアロッド作製工程、プリフォーム作製工程及び線引き工程を備えている。本実施形態のコアロッド作製工程は、上記実施形態１のコアロッド作製工程と実質的に同じであるので、詳細な説明を省略する。

＜プリフォーム作製工程＞
まず、上記実施形態１のプリフォーム作製工程と同様な処理を行い、例えば、外径１７．５ｍｍのプリフォーム母材３０ｂを作製する。なお、このプリフォーム母材３０ｂと上記実施形態１のプリフォーム母材３０ａとは、その外径が異なるだけである。

次いで、例えば、外径２９ｍｍ及び内径１９ｍｍの石英製の円筒状のサポート管１６の内部に、図８に示すように、プリフォーム母材３０ｂを位置付けると共に、サポート管１６の内壁とプリフォーム母材３０ｂとの隙間に外径５００μｍ及び内径４４０μｍの石英からなる円筒状のキャピラリ１５を複数本挿入することにより、プリフォーム４０を作製する。

＜線引き工程＞
プリフォーム４０を、電気炉で加熱及び延伸して、ファイバ状に線引きする。このとき、プリフォーム母材３０ｂを構成する１９本のコアロッド１１（コアロッド配置部１２）によってコア２が形成され、プリフォーム母材３０ｂを構成するサポート管１３によって第１クラッド４が形成され、プリフォーム４０を構成する各キャピラリ１５によって第２クラッド５が形成され、プリフォーム４０を構成するサポート管１６によってサポート層６が形成される。

以上のようにして、光ファイバ２０を製造することができる。

次に、具体的に行った実験について説明する。

まず、本発明の実施例として、上記実施形態と同じ製造方法で、光ファイバ２０に対応し、以下の表２に示すように、第１クラッド４の径がそれぞれ異なる光ファイバＦ２（１５０μｍ）、Ｆ３（２００μｍ）及びＦ４（２５０μｍ）を製造した。

ここで、コア２は、上記実施形態１と同様に、１９個のコア形成部１が三角格子状に配列されている。また、本各実施例では、表２に示すように、コア・ＮＦＰ（１／ｅ^２）を２５μｍとした。

表２における光ファイバＦ２〜Ｆ４の各データを比較すれば分かるように、第１クラッド４の径が小さいほど、第１クラッド４及びコア２の各吸収係数が大きくなった。これにより、第１クラッド４の径が大きいほど、光ファイバのファイバ長を短くできることが確認された。ゆえに、第１クラッド４の高ＮＡとすることによって、非線形効果がさらに抑制された光ファイバを実現できることが分かった。また、コア（径６００μｍ、ＮＡ０．２）とクラッド（径７５０μｍ、ＮＡ０．３）とを備えた光ファイバにカップリングされ、伝搬光の一部がクラッドに拡がったＬＤ光によって励起するためには、第１クラッド４の径がそれぞれ１５０μｍ、２００μｍ及び２５０μｍである場合、第１クラッド４のＮＡが０．６３以上、０．５６以上、及び０．５０以上が必要であることが確認された。

次に、本発明の実施例として、上記実施形態と同じ製造方法で、光ファイバ２０に対応し、以下の表３に示すように、各コア形成部１にドープする各ドープ材料の濃度を変えて光ファイバＦ５〜Ｆ１０を製造した。

ここで、表３の各吸収係数は、ドープされた各ドープ材料の濃度に対応する数値である。また、表３のスロープ効率は、第１クラッド４に入射させる励起光の出力に対するファイバから出射されるレーザー光の出力の比であり、励起光／レーザー光の変換効率を評価するための数値である。さらに、ＬＤパワー閾値は、レーザー光が発振し始める励起光の出力値である。また、表３のカットオフ波長は、シングルモード光のみ伝搬できる最短の波長である。

表３に示すように、各光ファイバＦ５〜Ｆ１０では、コア形成部１にリンが含まれているので、スロープ効率が１７％以上となって、ファイバレーザーとして有用であった。なお、コア形成部にリンが含まれていない場合には、スロープ効率が数％になってしまう。ここで、コア形成部１にリンが含まれていることによって、エルビウムの蛍光寿命が短くなり、イッテルビウムの励起サイトからエルビウムの励起サイトへのエネルギートランスファーが起こりやすくなっている。また、イッテルビウム、アルミニウム及びエルビウムなどと同様に、リンは、屈折率を高めるように作用するので、例えば、各光ファイバＦ６〜Ｆ１０のように、コアΔが０．５％〜０．８％となった。さらに、フッ素は、屈折率を下げるように作用するので、フッ素がドープされた光ファイバＦ５では、コアΔが０．２４％となり、スロープ効率が１７％となった。これらのことにより、高効率なエネルギートランスファーを実現させるためには、コアΔが０．５％〜０．８％必要であることが確認された。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバ２０によれば、各々、光増幅成分としてエルビウム及びイッテルビウムがドープされて相対的に高い屈折率を有する複数のコア形成部１がファイバ端から単一のレーザー光を出射するように密に配列されているので、コア２内では、エルビウム及びイッテルビウムがドープされた石英からなる相対的に屈折率の高い領域（各コア形成部１）と、各コア形成部１の周囲に配置され石英単体からなる相対的に屈折率の低い領域とが混在している。そのため、コア２の実効的な屈折率が相対的に低くなるので、コア２の実効的な比屈折率差Δが小さくなる。これにより、コア２のＮＡが低下するので、ファイバ端から出射されるレーザー光のビーム品質を高めることができる。

また、コア２が互いに並行に延びる複数のコア形成部１を含んでいるので、コア２の径が比較的大きくなる。そのため、第１クラッド４に入射して第２クラッド内を伝搬する励起光がコア２内に多く入射されるので、ファイバ端から出射されるレーザー光の出力を高めることができる。

したがって、光ファイバ２０において、出射されるレーザー光のビーム品質及び出力を高めることができる。

なお、上記実施形態では、光ファイバ２０として、エアホール型の第２クラッドを有するダブルクラッドファイバを例示したが、本発明は、低屈折率のポリマー型の第２クラッドを有するダブルクラッドファイバに適用してもよい。

また、上記各実施形態では、各コア形成部１を三角格子状に配置させていたが、本発明は、各コア形成部を他の形状で密に配置させてもよい。

以上説明したように、本発明は、高出力で高品質なビームを出力できるので、ファイバレーザーについて有用である。

実施形態１に係る光ファイバ１０の断面図である。 光ファイバ１０を構成するコア２の拡大断面図である。 光ファイバ１０の屈折率分布図である。 光ファイバ１０の出射端におけるニアフィールドパターンのｘ軸（ｙ軸）に沿った断面模式図である。 光ファイバ１０を製造するためのプリフォーム３０ａの断面図である。 プリフォーム３０ａを構成するコアロッド配置部１２の断面模式図である。 実施形態２に係る光ファイバ２０の断面図である。 光ファイバ２０を製造するためのプリフォーム４０の断面図である。

１ コア形成部
２ コア
３ クラッド
４ 第１クラッド
５ 第２クラッド
５ａ 細孔
１０，２０ 光ファイバ

Claims (5)

1. 各々、光増幅成分がドープされ、互いに並行に延びると共に互いに離間して配置された複数のコア形成部を含み、各コア形成部によって構成された相対的に屈折率の高い領域と、各コア形成部の周囲に配置された相対的に屈折率の低い領域とが混在しているコアと、
   上記コアの周囲に設けられたクラッドとを備え、
   上記複数のコア形成部が密に配列された光ファイバを用いるレーザー光の出射方法であって、
   上記光ファイバにおいて、一方のファイバ端に励起光を入射させ、上記コア中で上記光増幅成分によって増幅して発振した光を他方のファイバ端からニアフィールドパターン形状が単一の山であるシングルモード光のレーザー光として出射させることを特徴とするレーザー光の出射方法。
2. 請求項１に記載されたレーザー光の出射方法において、
   上記レーザー光のニアフィールドパターンにおける最大高さの１／ｅ²（ｅは自然対数の底）になるときの直径として定義されるコアのモード径は、２０μｍ以上であり、
   上記コアの開口数は、０．１以下であることを特徴とするレーザー光の出射方法。
3. 請求項１に記載されたレーザー光の出射方法において、
   上記クラッドは、上記コア側に設けられた第１クラッドと、該第１クラッドの周囲に設けられた第２クラッドとを備えていることを特徴とするレーザー光の出射方法。
4. 請求項３に記載されたレーザー光の出射方法において、
   上記光増幅成分は、エルビウム、イッテルビウム及びリンを含んでいることを特徴とするレーザー光の出射方法。
5. 請求項３に記載されたレーザー光の出射方法において、
   上記第２クラッドには、上記コアに沿って延びる複数の細孔が形成されていることを特徴とするレーザー光の出射方法。

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