JP5771586B2 - 光ファイバ及びそれを用いたファイバレーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、コアの直径が大きい場合であっても、ビーム品質の良い光を出射することができる光ファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置に関する。
加工機等において使用されるファイバレーザ装置の一つとして、レーザ発振器（ＭＯ：Master Oscillator）等の種光源により発生される光を、増幅用光ファイバを有する増幅器（ＰＡ：Power Amplifier）で増幅して出射するＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator−Power Amplifier）型のファイバレーザ装置が知られている。このようなファイバレーザ装置として、波長変換素子により、近赤外光の波長帯域を有する光を短波長側に変換することで、可視光の波長帯域を有する光を出射することが行われている。
このような波長変換を行う際、波長変換される前の光に多数のモードが存在すると、効率良く波長変換を行うことができない傾向があるため、波長変換素子に入射する光には出来るだけ基本モードの光のみが含まれて高次モードの光が含まれないことが望ましい。一方、ファイバレーザ装置の高出力化に伴い、よりパワーの大きな光を伝播するため、増幅用光ファイバ等の光ファイバにシングルモードファイバよりもコアの直径が大きいマルチモードファイバを用いたいという要望がある。そして、このような場合であっても、基本モードの光が含まれて高次モードの光が低減されたビーム品質の良い光を出射させたいという要望がある。
下記特許文献１には、マルチモード光を伝播可能な増幅用ダブルクラッドファイバを有するファイバレーザ装置が記載されている。このファイバレーザ装置では、コアに入射する光にＬＰ０１モード（基本モード）の光のみが含まれるように、ＬＰ０１モードの光のみを励振するようなモードコンバータを配して、マルチモードの光を伝播する増幅用ダブルクラッドファイバにおいてＬＰ０１モードの光を中心に増幅できるとされている。
米国特許第５，８１８，６３０号明細書
しかし、光をマルチモードで伝播できる光ファイバにＬＰ０１モードの光のみを有する光を入射する場合であっても、ＬＰ０１モードの光以外にＬＰ０２モードの光等の高次モードの光が励振されてしまう。このように高次モードの光を含む光が出射されると、出射される光が集光されづらくなる等という問題や、上記のように波長変換素子において効率良く波長変換を行うことができないという問題がある。特許文献１に記載の増幅用光ファイバにおいてＬＰ０２モード等の高次モードの光が励振されてしまうと、ＬＰ０１モードの光の他、これら高次モードの光が増幅され、ビーム品質の良くない光が出射されてしまう。ＬＰ０２モードの光は他の高次モードの光と比べてパワーが大きい傾向があるので、高次モードの光の中でもＬＰ０２モードの光を抑制することが重要である。
そこで、本発明は、コアの直径が大きい場合であっても、ビーム品質の良い光を出射することができる光ファイバ及びそれを用いた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、所定波長の光を少なくともＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードで伝播する光ファイバであって、クラッドにおける前記所定波長の光を伝播する導波領域の少なくとも一部、及び、コアにおける前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のそれぞれにヤング率を変化させるドーパントが添加され、前記クラッドの前記導波領域の少なくとも一部のヤング率が、前記コアにおける前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のヤング率よりも小さくされることを特徴とするものである。
光ファイバを伝播する光は、クラッドにおけるコアと隣接する領域までコアからはみ出て伝播する場合がある。ところで誘導ブリルアン散乱は、光ファイバ中を伝播する光と音響波との相互作用により生じる。この音響波は、ヤング率が小さい部位に集まる傾向がある。従って、このような光ファイバによれば、コアにおけるＬＰ０１モードの光の強度がＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域よりも、クラッドにおける導波領域に音響波が集まることになる。このクラッドにおける導波領域は、ＬＰ０２モードの光の強度が前記ＬＰ０１モードの光の強度より大きい領域であるため、この領域では、ＬＰ０１モードの光よりもＬＰ０２モードの光の方が誘導ブリルアン散乱による影響が大きくなる。従って、ＬＰ０２モードの光をＬＰ０１モードの光に比べて減衰して伝播させることができる。また、コアにおけるＬＰ０１モードの光の強度がＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域とクラッドの導波領域との間には、コアにおけるＬＰ０２モードの光の強度がＬＰ０１モードの光の強度より大きい領域が存在するので、コアにおけるＬＰ０１モードの光の強度がＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域とクラッドの導波領域とは離れている。従って、クラッドの導波領域に集まる音響波がクラッドの導波領域から漏れることがあっても、コアにおけるＬＰ０１モードの光の強度がＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域への影響を低減することができる。また、クラッドの導波領域では、ＬＰ０１モードの光の強度は小さいため、ＬＰ０１モードの誘導ブリルアン散乱による損失はＬＰ０２モードの光と比べて大きくない。こうして、上記光ファイバによれば、コアの直径が大きい場合であっても、ＬＰ０１モードの光の損失を抑制しつつＬＰ０２モードの光を損失させることができ、ビーム品質の良い光を出射することができるのである。
また、前記クラッドの全ての前記導波領域にヤング率を変化させるドーパントが添加され、前記クラッドの全ての前記導波領域のヤング率が、前記コアにおける前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のヤング率よりも小さくされることが好ましい。
このような光ファイバによれば、ＬＰ０２モードの光をさらに損失させることができる。
また、前記クラッドの前記導波領域のうち前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のヤング率よりも小さいヤング率とされる領域のヤング率は、前記ＬＰ０２モードの光の強度が前記ＬＰ０１モードの光の強度より大きい領域のうち前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域よりも外周側における前記コアの領域のヤング率よりも小さいことが好ましい。
ヤング率の大きさの分布がこのような分布とされることで、音響波をクラッドの導波領域に集めることができ、音響波をコアにおけるＬＰ０１モードの光の強度がＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域からより遠ざけることができる。従って、ＬＰ０１モードの光の強度がＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域における誘導ブリルアン散乱の影響を小さくすることができ、ＬＰ０１モードの光が損失することを抑制することができる。
また、前記クラッドの前記導波領域のうち前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のヤング率よりも小さいヤング率とされる領域のヤング率は、前記クラッドの前記導波領域より外周側の領域のヤング率よりも小さいことが好ましい。
このような構成によれば、音響波がクラッドの導波領域以外にも分散して伝達することを抑制し、音響波をクラッドの導波領域に集中させることができる。従って、クラッドの導波領域において、誘導ブリルアン散乱によりＬＰ０２モードの光をより損失させることができる。
また、前記クラッドの屈折率が径方向において一定であることとしても良い。
また、前記クラッドの前記導波領域のうち前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のヤング率よりも小さいヤング率とされる領域には、屈折率を低くすると共にヤング率を小さくするドーパントと、屈折率を高くすると共にヤング率を小さくするドーパントとが共添加されていることが好ましい。
屈折率を低くすると共にヤング率を小さくするドーパントと、屈折率を高くすると共にヤング率を小さくするドーパントとが共添加されることにより、ヤング率を小さくしつつ屈折率を所望の状態とすることができる。例えば、導波領域のヤング率をクラッドの他の領域よりも小さくしつつ、導波領域とクラッドの他の領域とを同じ屈折率にすることができる。
また、前記コアの少なくとも一部には、前記所定波長の光を誘導放出する活性元素が添加されていることとしても良く、この場合、ＬＰ０２モードの光を損失させることができる増幅用光ファイバを実現することができる。
また、前記クラッド内に前記コアを挟む一対の応力付与部が設けられていることが好ましく、このような応力付与部を設けることにより、コアを伝播する光を単一偏波とすることができる。このような単一偏波を光ファイバから出射することにより、光ファイバから出射された光を波長変換素子に入射して波長変換する際、効率良く光を波長変換することができる。
また、本発明のファイバレーザ装置は、コアの少なくとも一部に活性元素が添加されている上記に記載のいずれかの光ファイバと、前記コアに入射する前記所定波長の種光を出射する種光源と、前記活性元素を励起する励起光を出射する励起光源と、を備えることを特徴とするものである。
このようなファイバレーザ装置によれば、光ファイバにおいてＬＰ０２モードの光を損失しつつ、ＬＰ０１モードの光を増幅させることができるので、ビーム品質の良い光を出射することができる。
また、このようなファイバレーザ装置において、前記種光は、前記光ファイバの軸対称のモードのみを励振することが好ましい。
このようなファイバレーザ装置によれば、光ファイバにおいて、非軸対称の高次モードが伝播しないため、非軸対称の高次モードが増幅されて出射することがなく、集光が行いやすい良好なビーム品質の光を出射することができる。
また、本発明のファイバレーザ装置は、コアの少なくとも一部に活性元素が添加されている上記に記載のいずれかの光ファイバと、前記活性元素を励起する励起光を出射する励起光源と、前記光ファイバの一方側に設けられ、前記励起光により励起された前記活性元素が放出する光のうち前記所定波長の光を反射する第１ＦＢＧと、前記光ファイバの他方側に設けられ、前記第１ＦＢＧが反射する光と同じ波長の光を前記第１ＦＢＧよりも低い反射率で反射する第２ＦＢＧと、を備えることを特徴とするものである。
このようなファイバレーザ装置によれば、光の共振において、光ファイバのコアを光が伝播するときに、ＬＰ０２モードの光を損失しつつＬＰ０１モードの光を増幅することができるので、良好なビーム品質の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、コアの直径が大きい場合であっても、ビーム品質の良い光を出射することができる光ファイバ及びそれを用いたファイバレーザ装置が提供される。
本発明の第１実施形態に係る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。 図１の光ファイバの屈折率、光の強度、ヤング率、活性元素の分布の様子を示す図である。 図１の光ファイバを用いたファイバレーザ装置を示す図である。 図１の光ファイバを用いた他のファイバレーザ装置を示す図である。 図２（Ｄ）に示すヤング率の大きさの分布の他の例を示す図である。 図２（Ｄ）に示すヤング率の大きさの分布の更に他の例を示す図である。 増幅用光ファイバにおいて、第３領域に活性元素が添加される場合の活性元素の濃度分布を示す図である。 増幅用光ファイバの変形例を示す図である。
以下、本発明に係る光ファイバ、及び、それを用いたファイバ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。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。
＜増幅用光ファイバについての説明＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る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。
本実施形態の光ファイバは増幅用光ファイバであり、図１に示すように増幅用光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の外周面を隙間なく囲むクラッド１２と、クラッド１２の外周面を被覆する外部クラッド１３と、外部クラッド１３を被覆する被覆層１４とを主な構成として備える。コア１１の直径は、通常のシングルモードファイバのコアの直径よりも大きくされており、例えば３０μｍとされる。また、クラッド１２の外径は例えば４２０μｍとされ、外部クラッド１３の外径は例えば４４０μｍとされる。
図２は、図１の増幅用光ファイバ１０のコア１１とその周囲における様子を示した図である。具体的には、図２（Ａ）は図１の点線で示される領域でのコア１１とクラッド１２とを示し、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示す領域での屈折率分布を示し、図２（Ｃ）は増幅用光ファイバ１０が所定波長の光を伝播したときのＬＰ０１モードの光とＬＰ０２モードの光をパワーで規格化した場合のＬＰ０１モードの光及びＬＰ０２モードの光の強度分布を示し、図２（Ｄ）は図２（Ａ）に示す領域でのヤング率の大きさの分布を示し、図２（Ｅ）は図２（Ａ）に示す領域での活性元素の濃度分布を示す。
図２（Ｂ）に示すように、クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低くされている。なお、特に図示しないが、外部クラッド１３の屈折率はクラッド１２の屈折率よりも低くされている。また、本実施形態の増幅用光ファイバ１０では、コア１１の屈折率が径方向において一定とされており、クラッド１２の屈折率も径方向で一定とされている。コア１１とクラッド１２との比屈折率差は、例えば０．１５％とされる。コア１１及びクラッド１２は、例えば後述のように必要なドーパントが添加された石英から構成され、外部クラッド１３は、例えば紫外線硬化樹脂や屈折率を下げるドーパントが添加された石英から構成され、被覆層は、例えば外部クラッドとは異なる紫外線硬化樹脂から構成される。
増幅用光ファイバ１０は、上記のようにコア１１の直径がシングルモードファイバの直径よりも大きくされており、コア１１を伝播する光が基本モードであるＬＰ０１モードの光の他に軸対称の高次モードの光を含む光を伝播するマルチモードファイバとされる。従って、例えばＬＰ０１モードの光のみを含む光がコア１１に入射する場合、軸対称の高次モードの光が励振する場合がある。この場合、コア１１に所定波長の光を入射するとコア１１を伝播する光のモードとしては、ＬＰ０１モードの他にＬＰ０２モードやＬＰ０３モード等が存在する。高次モードの中でも一般的にＬＰ０２モードの光の強度が他の高次モードの光の強度よりも大きく、その影響が大きいため、本実施形態においては、高次モードの光についてはＬＰ０２モードの光を考慮して、ＬＰ０２モードの光よりも影響が少ないＬＰ０３モード以上の高次モードの光については、特に考慮しないものとする。
このようにコア１１をＬＰ０１モードの光及びＬＰ０２モードの光を含む光が伝播すると、ＬＰ０１モードの光とＬＰ０２モードの光をパワーで規格化する場合にＬＰ０１モードの光及びＬＰ０２モードの光が図２（Ｃ）に示すような強度分布を有して伝播する。この光の波長は、例えば図２（Ｅ）に示す活性元素が励起状態をされる場合に、当該活性元素が誘導放出を起こす波長とされる。それぞれのモードの光は、コア１１の中心で最も強くなる強度分布を有しており、中心においては、ＬＰ０２モードの光の強度の方がＬＰ０１モードの光の強度よりも大きい。そして、コア１１の中心から径方向に離れると、ＬＰ０１モードの光の強度が、ＬＰ０２モードの強度よりも大きくなる。ここで、図２（Ｃ）において、コア１１の中心からＬＰ０１モードの光の強度がＬＰ０２モードの光の強度よりも大きくなるまでの径方向における領域を第１領域１１ａとする。従って、第１領域１１ａでは、ＬＰ０２モードの光の強度がＬＰ０１モードの光の強度よりも大きい。そして第１領域１１ａから更に径方向に離れると、再びＬＰ０２モードの光の強度がＬＰ０１モードの光の強度よりも大きくなる。そこで、第１領域１１ａに隣接する外周側の領域でＬＰ０１モードの光の強度がＬＰ０２モードの光の強度よりも大きい領域を第２領域１１ｂとする。そして第２領域１１ｂから更に径方向に離れると、コア１１の外周面に到達する。従って、コア１１において第２領域１１ｂよりも外周側ではＬＰ０２モードの光の強度がＬＰ０１モードの光の強度よりも大きくなる。そこで、コア１１における第２領域１１ｂに隣接する外周側の領域を第３領域１１ｃとする。
また、図２（Ｃ）に示すように、光ファイバを伝播する光は、クラッドにおけるコアと隣接する領域までコアからはみ出て伝播する。従って、光の導波領域は、クラッド１２のコア１１と隣接する領域まで広がっている。本実施形態では、図３（Ｃ）でのクラッド１２における光の導波領域を第４領域１２ａとする。この第４領域１２ａにおいては、ＬＰ０２モードの光の強度がＬＰ０１モードの光の強度よりも大きくなっている。
また、増幅用光ファイバ１０では、図２（Ｄ）に示すように、第４領域１２ａのヤング率は、第２領域１１ｂのヤング率よりも小さくされている。更に本実施形態においては、コア１１の第３領域１１ｃにおけるヤング率は第４領域１２ａのヤング率と同等とされて、第２領域１１ｂのヤング率よりも小さくされている。また、本実施形態では、第１領域１１ａのヤング率と第２領域１１ｂのヤング率とが同等とされ、第４領域１２ａよりも外周側におけるクラッド１２のヤング率は、第４領域１２ａのヤング率よりも大きくされている。
ヤング率を小さくするドーパントとしては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、フッ素（Ｆ）、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）等を挙げることができ、ヤング率を大きくするドーパントとしては、アルミニウム（Ａｌ）を挙げることができる。このうち、ゲルマニウム、アルミニウム、リンは屈折率を高くし、フッ素、ホウ素は屈折率を低くするドーパントとして知られている。
そこで、上記のようにコア１１の径方向における屈折率を一定としつつ、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂのヤング率よりも第３領域１１ｃのヤング率を小さくするには、例えば次のようにすればよい。すなわち、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂをゲルマニウムが所定の濃度で添加された石英で構成し、第３領域１１ｃをゲルマニウムが第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂよりも高い濃度で添加されると共にフッ素が添加された石英で構成して、第３領域１１ｃの屈折率が第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂの屈折率と同等に成るようゲルマニウム及びフッ素の添加量をそれぞれ調整すれば良い。このとき必要に応じて、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂに上記の他のドーパントが添加されても良い。
また、上記のようにクラッド１２の径方向における屈折率を一定としつつ、第４領域１２ａのヤング率と第３領域１１ｃのヤング率を同等とし、更に、クラッド１２の第４領域１２ａの外周側の領域のヤング率を第４領域１２ａのヤング率よりも大きくするには、例えば次のようにすればよい。すなわち、クラッド１２の第４領域１２ａよりも外周側の領域をドーパントが特に添加されていない純粋な石英から構成し、第４領域１２ａをフッ素及びゲルマニウムが添加された石英で構成して、第４領域１２ａの屈折率が純粋な石英の屈折率とされつつ、第４領域１２ａのヤング率と第３領域１１ｃのヤング率を同等となるように、フッ素及びゲルマニウムの添加量をそれぞれ調整すれば良い。なお必要に応じて第４領域１２ａに上記の他のドーパントが添加されても良い。
上記第３領域１１ｃや第４領域１２ａのように、屈折率を高くすると共にヤング率を小さくするドーパントと、屈折率を低くすると共にヤング率を小さくするドーパントとが共添加されることにより、ヤング率を小さくしつつ屈折率を所望の状態とすることができる。
また、図２（Ｅ）に示すように、本実施形態の増幅用光ファイバ１０では、第１領域１１ａ，第２領域１１ｂには活性元素が添加されており、第３領域１１ｃ及びクラッドには活性元素が添加されていない。この活性元素は励起光により励起状態とされる元素であり、代表的にはイッテルビウム（Ｙｂ）を挙げることができる。なお、このような活性元素としては、イッテルビウム（Ｙｂ）の他に、例えばネオジウム（Ｎｄ）やエルビウム(Ｅｒ)等の希土類元素を挙げることができる。さらに活性元素として、希土類元素の他に、ビスマス（Ｂｉ）を挙げることができる。なお、第１領域１１ａ，第２領域１１ｂに添加される活性元素の濃度は、例えば活性限度がイッテルビウムである場合に１６×１０２５（個／ｍ３）とされる。
このような増幅用光ファイバ１０のコア１１に光が入射すると次のように伝播する。なおこの光の波長は、上記のように励起状態とされる活性元素が誘導放出を起こす所定波長とされ、活性元素がイッテルビウムである場合には、例えば１０７０ｎｍとされる。
コア１１は、入射する光をＬＰ０１モードの光及びＬＰ０２モードの光を含む光として伝播し得るため、少なくともＬＰ０１モードの光を含む光が入力すると、少なくともＬＰ０２モードが励振され、ＬＰ０１モードの光とＬＰ０２モードの光をパワーで規格化する場合にＬＰ０１モードの光及びＬＰ０２モードの光は、図２（Ｃ）のような強度分布となり、増幅用光ファイバ１０を伝播する。しかし、第３領域１１ｃ及び第４領域１２ａは、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂよりもヤング率が小さいため、音響波が第３領域１１ｃ及び第４領域１２ａに集まる。また、本実施形態では第４領域よりも外周側のクラッド１２のヤング率が第４領域１２ａよりも大きいため、音響波がクラッド１２の第４領域１２ａ以外にも分散して伝達することが抑制され、音響波は第４領域１２ａ及び第３領域１１ｃに集中する傾向となる。従って、誘導ブリルアン散乱が主に第３領域１１ｃ及び第４領域１２ａで生じる。従って、これらの領域を伝播する光は誘導ブリルアン散乱により損失する。これらの領域では、上述のようにＬＰ０２モードの光の強度がＬＰ０１モードの光の強度よりも大きいため、ＬＰ０２モードの光の誘導ブリルアン散乱による損失がＬＰ０１モードの光の損失よりも大きくなる。こうしてＬＰ０１モードの光よりもＬＰ０２モードの光が損失しながら、コア１１に入射した光は伝播する。また、第３領域１１ｃや第４領域１２ａでは、ＬＰ０１モードの光の強度が然程大きくない。従って、コア１１に入射した光のうちＬＰ０１モードの光は然程損失されない。
また、上記のように増幅用光ファイバ１０のコア１１に所定波長の光が入射すると共に、クラッド１２に活性元素を励起する波長の光が入射すると、次のようにコア１１に入射した光が増幅される。すなわち、クラッド１２に入射する励起光はクラッド１２を主に伝播し、当該励起光がコア１１を通過する際、コア１１に添加されている活性元素が励起される。励起された活性元素は、コア１１に入射てコア１１を伝播する所定波長の光により誘導放出を起こして、この誘導放出によりコア１１を伝播する所定波長の光は増幅される。このとき、コア１１の第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂに活性元素が添加され、ＬＰ０２モードの光の強度がＬＰ０１モードの光の強度よりも大きな第３領域１１ｃに活性元素が添加されておらず、更に、上記のようにＬＰ０１モードの光よりもＬＰ０２モードの光が損失しながら光が伝播する。従って、コア全体に活性元素が均一に添加されている増幅用光ファイバと比較する場合に、本実施形態の増幅用光ファイバ１０によればＬＰ０１モードの光がＬＰ０２モードの光よりも効率良く増幅されて出射される。
このとき下記式（１）を満たしていることが好ましい。
Figure 0005771586
ただし、ｒは、コア１１の径方向における中心からの距離であり、Ｉ０１（ｒ）は、図２（Ｃ）に示すＬＰ０１モードの光のコア１１の径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、Ｉ０２（ｒ）は、図２（Ｃ）に示すＬＰ０２モードの光のコア１１の径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、ｎ（ｒ）は、コア１１の径方向における中心から距離ｒにおける活性元素の添加濃度であり、ｂはコア１１の半径である。なお、ｒの単位は（ｍ）であり、Ｉ０１（ｒ），Ｉ０２（ｒ）の単位は（Ｗ／ｍ２）であり、ｎ（ｒ）の単位は（個／ｍ３）であり、ｂの単位は（ｍ）である。
式（１）を満たす場合においては、出射する光におけるＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ０２モードの光のパワーよりも大きくなるように光が増幅されるため、出射する光のビーム品質がより一層と良くなる。
以上のように本実施形態の増幅用光ファイバ１０によれば、ＬＰ０１モードの光の損失を抑制しつつＬＰ０２モードの光を損失させて、コア１１に入射する光を増幅することができるので、ビーム品質の良い光を出射することができる。
＜ファイバレーザ装置についての説明＞
次に上記の増幅用光ファイバ１０を用いたファイバレーザ装置について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態のファイバレーザ装置を示す図である。図３に示すように、本実施形態におけるファイバレーザ装置１は、種光となる光を出射する種光源２０と、励起光を出射する励起光源３０と、種光及び励起光が入力する光コンバイナ４０と、光コンバイナ４０から出射される種光及び励起光が入力する図１の増幅用光ファイバ１０とを主な構成として備える。
種光源２０は、例えば、半導体レーザ装置や、ファブリペロー型やファイバリング型のファイバレーザ装置から構成されている。この種光源２０は、ＬＰ０１モードの光を含む所定波長の光を光ファイバから出射するように構成されている。また、この所定波長は、特に制限されるものではないが、増幅用光ファイバ１０に添加される活性元素が誘導放出できる波長であり、例えば、上記のように活性元素がイッテルビウム（Ｙｂ）である場合には１０７０ｎｍとされる。
また、種光源２０の出射する光は、コア、及び、コアを被覆するクラッドから構成されるシングルモードファイバ２５から出射される。このシングルモードファイバ２５は、種光源２０から出射される光を、ＬＰ０１モードの光から成るシングルモード光として伝播する。このシングルモードファイバ２５の構成は特に制限されるものではないが、例えば、種光の波長が上記のように１０７０ｎｍである場合には、コアの直径が１０μｍとされ、コアとクラッドとの比屈折率差が０．１３％とされる。
励起光源３０は、複数のレーザダイオード３１から構成され、レーザダイオード３１は、本実施形態においては、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の光を出射する。また、励起光源３０のそれぞれのレーザダイオード３１は、マルチモードファイバ３５に接続されており、レーザダイオード３１から出射される励起光は、マルチモードファイバ３５をマルチモード光として伝播する。
マルチモードファイバ３５及びシングルモードファイバ２５が接続される光コンバイナ４０は、シングルモードファイバ２５を中心としてその周りにマルチモードファイバを配置した部分が溶融延伸されて一体化することにより構成されており、シングルモードファイバ２５のコアと増幅用光ファイバ１０のコア１１とが光学的に結合され、マルチモードファイバ３５のコアと増幅用光ファイバ１０のクラッド１２とが光学的に結合されている。
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、種光源２０から出射する種光がシングルモードファイバ２５から出射する。この種光の波長は、上述のように例えば１０７０μｍとされる。このとき上述のシングルモードファイバ２５の構成により、ＬＰ０１モードを含む種光が伝播する。そして、シングルモードファイバ２５を伝播する種光は、光コンバイナ４０に入射する。
また、励起光源３０からは、増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加されている活性元素を励起する励起光が出射される。このときの波長は、上述のように例えば９１５μｍの波長とされる。そして、励起光源３０から出射した励起光は、マルチモードファイバ３５を伝播して、光コンバイナ４０に入射する。
光コンバイナ４０から増幅用光ファイバ１０のコア１１に入射した種光は、コア１１を伝播し、光コンバイナ４０から増幅用光ファイバ１０のクラッド１２に入射した励起光は、クラッド１２を主に伝播してコア１１に添加されている活性元素を励起状態とする。そして励起状態とされた活性元素が種光により誘導放出を起こして種光が増幅する。このとき、上述の増幅用光ファイバ１０の説明のように、種光は軸対称モードの光を励振する場合があり、ＬＰ０２モードの光が励振する場合であっても、増幅用光ファイバ１０の第３領域１１ｃ及び第４領域１２ａにおいて、ＬＰ０２モードの光が主に損失して、全体としてＬＰ０１モードの光よりもＬＰ０２モードの光が損失される。そして、コア全体に活性元素が均一に添加される増幅用光ファイバと比べて、ＬＰ０１モードの光がＬＰ０２モードの光よりも効率良く増幅されて出射される。従って、ＬＰ０２モードの光の強度が抑制されたビーム品質の良い光が増幅用光ファイバ１０から出射する。
以上説明したように本実施形態のファイバレーザ装置１によれば、増幅用光ファイバ１０においてＬＰ０２モードの光を損失させつつ、ＬＰ０１モードの光を増幅させることができるので、ビーム品質の良い光を出射することができる。
また、本実施形態のファイバレーザ装置１においては、増幅用光ファイバ１０にＬＰ０１モードの光から成るシングルモード光を種光として入力しているため、励振されるＬＰ０２モードのパワーを小さく抑えることができ、ＬＰ０１モードをより大きく増幅することができる。従って、良好なビーム品質の光を出射することができる。
＜ファイバレーザ装置の他の例についての説明＞
次にファイバレーザ装置の他の例について図４を参照して詳細に説明する。なお、上記のファイバレーザ装置１の説明と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
図４は、本実施形態のファイバレーザ装置の他の例を示す図である。図４に示すように、本実施形態のファイバレーザ装置２は、励起光源３０と、増幅用光ファイバ１０と、光コンバイナ４０と、増幅用光ファイバ１０と光コンバイナ４０との間に設けられるダブルクラッドファイバ６５と、ダブルクラッドファイバ６５に設けられる第１ＦＢＧ６１と、増幅用光ファイバ１０のダブルクラッドファイバ６５側と反対側に設けられるマルチモードファイバ６６と、マルチモードファイバ６６に設けられる第２ＦＢＧ６２とを主な構成として備える。
ダブルクラッドファイバ６５は、長手方向に垂直な断面の構造が増幅用光ファイバ１０と同様とされ、コアと、コアの外周面を隙間なく囲むクラッドと、クラッドの外周面を被覆する外部クラッドと、外部クラッドを被覆する被覆層とから構成される。ダブルクラッドファイバ６５のコア、クラッド、及び、外部クラッドの外径や屈折率、ヤング率等は、増幅用光ファイバ１０のコア、クラッド、及び、外部クラッドの外径や屈折率、ヤング率等と同様とされるが、ダブルクラッドファイバ６５のコアには活性元素が添加されていない点において、ダブルクラッドファイバ６５は増幅用光ファイバ１０と異なる。しかしダブルクラッドファイバ６５のコア及びクラッドは増幅用光ファイバ１０のコア及びクラッドと同様のヤング率を有しているため、ダブルクラッドファイバ６５のコアをＬＰ０１モードの光及びＬＰ０２モードの光を含む光が伝播すると、増幅用光ファイバ１０における説明と同様にして、ＬＰ０１モードの光よりもＬＰ０２モードの光が損失する。つまり、本発明の光ファイバでは、コアに添加される活性元素は必須ではなく、増幅用光ファイバ１０のみならずダブルクラッドファイバ６５も本発明の光ファイバである。
ダブルクラッドファイバ６５の一端は、ファイバレーザ装置１において増幅用光ファイバ１０が光コンバイナ４０に接続されるのと同様にして、光コンバイナ４０に接続されて、マルチモードファイバ３５のコアとダブルクラッドファイバ６５のクラッドとが光学的に接続されている。また、ダブルクラッドファイバ６５の他端は、増幅用光ファイバ１０の一端に接続され、ダブルクラッドファイバ６５のコアと増幅用光ファイバ１０のコア１１とが接続され、ダブルクラッドファイバ６５のクラッドと増幅用光ファイバ１０のクラッド１２とが接続されている。
また、ダブルクラッドファイバ６５のコアには、第１ＦＢＧ６１が設けられている。こうして第１ＦＢＧ６１は、増幅用光ファイバ１０の一方側に設けられている。第１ＦＢＧ６１は、ダブルクラッドファイバ６５の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、この周期が調整されることにより、励起状態とされた増幅用光ファイバ１０の活性元素が放出する光の少なくとも一部の波長を反射するように構成されている。第１ＦＢＧ６１は、上述のように活性元素がイッテルビウムである場合、例えば１０７０ｎｍにおいて反射率が、例えば１００％とされる。
また、増幅用光ファイバ１０のダブルクラッドファイバ６５側と反対側に設けられるマルチモードファイバ６６は、コア及びコアの外周面を隙間なく囲むクラッドを有しており、マルチモードファイバ６６のコア、クラッドの外径や屈折率、ヤング率等は、増幅用光ファイバ１０のコア、クラッドの外径や屈折率、ヤング率等と同様とされるが、マルチモードファイバ６６のコアには活性元素が添加されていない。つまり、マルチモードファイバ６６は、コアに活性元素が添加されず外部クラッドを有さない点において増幅用光ファイバ１０と異なる。しかしマルチモードファイバ６６のコア及びクラッドは増幅用光ファイバ１０のコア及びクラッドと同様のヤング率を有しているため、マルチモードファイバ６６のコアをＬＰ０１モードの光及びＬＰ０２モードの光を含む光が伝播すると、増幅用光ファイバ１０における説明と同様にして、ＬＰ０１モードの光よりもＬＰ０２モードの光が損失する。つまり、増幅用光ファイバ１０やダブルクラッドファイバ６５のみならずマルチモードファイバ６６も本発明の光ファイバである。
マルチモードファイバ６６の一端は、増幅用光ファイバ１０の他端に接続されて、増幅用光ファイバ１０のコア１１とマルチモードファイバ６６のコアとが接続されている。また、本実施形態では、マルチモードファイバ６６の他端には何も接続されずに自由端とされている。
また、マルチモードファイバ６６のコアには、第２ＦＢＧ６２が設けられている。こうして第２ＦＢＧ６２は、増幅用光ファイバ１０の他方側に設けられている。第２ＦＢＧ６２は、マルチモードファイバ６６の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、第１ＦＢＧ６１が反射する光と同じ波長の光を第１ＦＢＧ６１よりも低い反射率で反射するように構成され、例えば、第１ＦＢＧ６１が反射する光と同じ波長の光を５０％の反射率で反射するように構成されている。
このようなファイバレーザ装置２においては、励起光源３０のそれぞれのレーザダイオード３１から励起光が出射されると、この励起光が光コンバイナ４０において、ダブルクラッドファイバ６５のクラッドに入力して、ダブルクラッドファイバ６５のクラッドから、増幅用光ファイバ１０のクラッドに入力する。そして、ファイバレーザ装置１と同様にして、増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加されている活性元素を励起状態とする。そして励起状態とされた活性元素は、特定の波長の自然放出光を放出する。このときの自然放出光は、例えば１０７０ｎｍの波長を含み一定の波長帯域を有する光である。この自然放出光は、増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝播して、ダブルクラッドファイバ６５のコアに設けられている第１ＦＢＧ６１により反射され、反射された光が第２ＦＢＧ６２で反射されて、光の共振が生じ、共振する光が増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝播するときに増幅される。このとき、増幅用光ファイバ１０において、ファイバレーザ装置１と同様にして、コア１１を伝播するＬＰ０１モードの光の損失が抑制されつつＬＰ０２モードの光が損失する。従って、コア全体に活性元素が均一に添加される増幅用光ファイバと比べて、ＬＰ０１モードの光がＬＰ０２モードの光よりも効率良く増幅される。また、ダブルクラッドファイバ６５及びマルチモードファイバ６６のそれぞれのコアを共振する光が伝播するときにおいても、コア１１を伝播するＬＰ０１モードの光の損失が抑制されつつＬＰ０２モードの光が損失する。こうしてＬＰ０２モードの光が損失して、共振する光が増幅される。そして、一部の光が第２ＦＢＧと透過して、マルチモードファイバ６６から出射される。このとき第２ＦＢＧを透過した光においてもマルチモードファイバ６６を伝播している間にＬＰ０２モードの光が損失する。
本例のファイバレーザ装置２においては、増幅用光ファイバ１０のコア１１を光が伝播するとき、及び、ダブルクラッドファイバ６５のコア及びマルチモードファイバ６６のコアを光が伝播するときに、ＬＰ０１モードの光よりもＬＰ０２モードの光が損失するため、ビーム品質の良い光を出射することができる。
なお、図３、図４において破線にて示すように、ファイバレーザ装置１，２から出射する光の経路に、出射する光の波長を変換する波長変換素子５０が配置されても良い。
波長変換素子５０は、入射する光の波長を変換して波長変換された光を出射する素子である。この素子は、例えば、入射する光を短波長側に変換する素子であり、例えば、波長が１０７０ｎｍといった近赤外光が入射する場合に波長が５３５ｎｍの可視光を出射する。このような波長変換素子５０としては、ＰＰＬＮ（Poled Lithium Niobate）を用いた光デバイスを挙げることができる。また、この素子は、例えば、入射する光を長波長側に変換する素子であり、例えば、波長が１０７０ｎｍの光が入射する場合に波長が１１２０ｎｍの光を出射する。このような波長変換素子５０としては、誘導ラマン散乱を起こす光ファイバを挙げることができる。或いは、波長変換素子５０として、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの単結晶から成る波長変換素子を挙げることができる。
このような波長変換素子５０が配置される場合には、増幅用光ファイバ１０やマルチモードファイバ６６から出射する光は、図示しないレンズにより集光されて波長変換素子５０に入射される。このとき増幅用光ファイバ１０やマルチモードファイバ６６からは、上記のようにビーム品質が良い光が出射するので、波長変換素子５０に入射する光の集光性を高くすることができる。このように光の集光性を高くすることにより、光のパワー密度が高くなり、波長変換素子５０における変換効率が向上する。
以上、本発明について、実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、上記実施形態の光ファイバでは、第４領域１２ａの全ての領域におけるヤング率が第２領域１１ｂのヤング率よりも小さいとされたが、本発明の光ファイバはこれに限らず、第４領域１２ａの少なくとも一部のヤング率が第２領域１１ｂのヤング率よりも小さければ良い。つまり、本発明の光ファイバとして増幅用光ファイバ１０、ダブルクラッドファイバ６５、マルチモードファイバ６６を例として挙げたが、本発明はこれに限らず、所定波長の光を少なくともＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードで伝播する光ファイバであって、第４領域１２ａの少なくとも一部のヤング率が、第２領域１１ｂヤング率よりも小さい限りにおいて、適宜変更することができるのである。従って、本発明の光ファイバには、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード以外の光が伝播しても良い。
また、上記実施形態の増幅用光ファイバ１０、ダブルクラッドファイバ６５、マルチモードファイバ６６では、第３領域１１ｃのヤング率と第４領域１２ａのヤング率とが互いに等しいとされたが、それぞれのヤング率が互いに異なっていても良い。図５は、増幅用光ファイバ１０の第３領域１１ｃのヤング率と第４領域１２ａのヤング率とが互いに異なる場合におけるヤング率の大きさの分布の一例を示す図であり、図２（Ｄ）に相当する図である。図５に示すように、本例では、第３領域１１ｃのヤング率は、第４領域１２ａのヤング率よりも小さく、さらに第４領域１２ａのヤング率は、第１領域１１ａ、第２領域１１ｂのヤング率よりも小さくされている。なお、ダブルクラッドファイバ６５、マルチモードファイバ６６のヤング率の大きさの分布がこのような分布とされても良い。このようなヤング率の大きさの分布にするには、例えば、第４領域１２ａにヤング率を大きくするドーパントを添加すればよい。或いは、第４領域１２ａに添加されるべきヤング率を小さくするドーパントの量を減らしても良い。このように第３領域１１ｃのヤング率が第４領域１２ａのヤング率よりも小さいことにより、第４領域１２ａと比べて第３領域１１ｃに音響波をより集めることができる。図２（Ｃ）からも明らかなように、ＬＰ０２モードの光の強度とＬＰ０１モードの光の強度の差は、第４領域１２ａよりも第３領域１１ｃの方が大きい。従って、第４領域１２ａと比べて第３領域１１ｃに音響波をより集めることで、第４領域１２ａよりも第３領域１１ｃにおいて誘導ブリルアン散乱の影響を大きくすることにより、ＬＰ０１モードの光の損失に比べて、ＬＰ０２モードの光の損失をより大きくすることができる。こうして、ビーム品質をより向上させることができる。
また、図６は、増幅用光ファイバ１０の第３領域１１ｃのヤング率と第４領域１２ａのヤング率とが互いに異なる場合におけるヤング率の大きさの分布の他の例を示す図であり、図２（Ｄ）に相当する図である。図６に示すように、本例では、第４領域１２ａのヤング率は、第３領域１１ｃのヤング率よりも小さくされている。なお、ダブルクラッドファイバ６５、マルチモードファイバ６６のヤング率の大きさの分布がこのような分布とされても良い。このようなヤング率の大きさの分布にするには、例えば、第３領域１１ｃのヤング率と第４領域１２ａのヤング率とが同じ場合よりも、第４領域１２ａにヤング率を小さくドーパントを多く添加すればよい。第３領域１１ｃは、第２領域１１ｂよりもヤング率が小さいために音響波を集めることができるが、このように第４領域１２ａのヤング率が第３領域１１ｃのヤング率よりも小さいことにより、音響波を第２領域１１ｂからより遠ざけることができ、第２領域１１ｂにおける誘導ブリルアン散乱の影響を小さくすることができる。
また、本発明の光ファイバでは、第３領域１１ｃのヤング率が第１領域１１ａ，第２領域１１ｂと同様とされて、第４領域１２ａのヤング率よりも大きくされても良い。ただし、第３領域１１ｃでは、ＬＰ０２モードの光の強度がＬＰ０１モードの光の強度よりも大きいため、ＬＰ０２モードの光をより損失させるために、上記実施形態のように第３領域１１ｃのヤング率が第２領域１１ｂのヤング率よりも小さくされることが好ましい。
また、本発明の光ファイバでは、第４領域１２ａよりも外周側のクラッドのヤング率が第４領域１２ａのヤング率と同じとされても良い。ただし、音響波がクラッドの第４領域１２ａよりも外周側の領域に分散して伝達することを抑制し、音響波が第４領域１２ａにより集中させることができきるため、上記実施形態のように第４領域１２ａよりも外周側のクラッドのヤング率が第４領域１２ａのヤング率よりも大きいことが好ましい。
また、増幅用光ファイバ１０やダブルクラッドファイバ６５やマルチモードファイバ６６では、第１領域１１ａのヤング率と第２領域１１ｂのヤング率とが互いに異なっていても良い。
また、増幅用光ファイバ１０では、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂに活性元素が添加され、第３領域１１ｃに活性元素が添加されていないものとしたが、本発明はこれに限らない。図７は、増幅用光ファイバ１０において、第３領域１１ｃに活性元素が添加される場合の活性元素の濃度分布を示す図である。図７に示すように、第３領域１１ｃには活性元素が添加されていても良い。この場合、第３領域１１ｃに添加される活性元素の濃度は、少なくとも第２領域１１ｂに添加される活性元素の濃度よりも小さいことが好ましく、上述の式（１）を満たしていることがより好ましい。例えば、添加される活性元素Ｙｂの濃度は、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂにおいて、１６×１０２５（個／ｍ３）とされ、第３領域１１ｃにおいて、８×１０２５（個／ｍ３）とされる。
また、上記実施形態において、コア１１の屈折率が径方向において一定であるとしたが、本発明はこれに限らず、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂ及び第３領域１１ｃの少なくとも一つが他の領域と異なる屈折率であっても良い。例えば、第３領域１１ｃの屈折率が第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂの屈折率よりも高い屈折率とされても良い。この場合、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂをゲルマニウムが所定の濃度で添加された石英で構成し、第３領域１１ｃをゲルマニウムが第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂよりも高い濃度で添加された石英で構成すれば良い。このような形態では、第３領域１１ｃの屈折率を第１領域１１ａや第２領域１１ｂの屈折率と同じにするためのドーパントを共添加する必要が無いため、光ファイバの製造が容易となる。或いは、第３領域１１ｃの屈折率が第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂの屈折率よりも低く、コア１１の一部として機能するようクラッド１２の屈折率よりも高い屈折率とされても良い。この場合、第３領域１１ｃのヤング率が第２領域１１ｂのヤング率よりも小さくなる範囲において上記実施形態で第３領域１１ｃに添加するとされるゲルマニウムの量を減らすか、上記実施形態で第３領域１１ｃに添加するとされるフッ素の量を増やしても良い。
なお、上記実施形態において、クラッド１２の屈折率が径方向において一定であるとしたが、第４領域１２ａよりも外周側の領域の屈折率と第４領域１２ａの屈折率とが異なっていても良い。例えば、第４領域１２ａの外周側の領域が何らドーパントが添加されない純粋な石英から成る場合、第４領域１２ａにはヤング率を小さくしかつ屈折率を小さくするドーパントが添加されることで、第４領域１２ａの屈折率が第４領域の外周側の屈折率よりも低くすることができる。また、第４領域１２ａにヤング率を小さくしかつ屈折率を低くするドーパントとヤング率を小さくしかつ屈折率を高くするドーパントとを共添加して、第４領域１２ａがクラッドとして機能する範囲において、第４領域１２ａの屈折率を第４領域１２ａの外周側の領域の屈折率よりも高くしても良い。
また、上述の実施形態の増幅用光ファイバ１０は、クラッド１２内にコア１１のみが配置される構造とされたが、本発明は、これに限らない。例えば、増幅用光ファイバ１０のクラッド１２内に一対の応力付与部が設けられても良い。図８は、このような増幅用光ファイバ１０の変形例を示す図である。なお、上記の実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
図８において、増幅用光ファイバ１５は、コア１１を挟む一対の応力付与部１８が、クラッド１２内の第４領域１２ａよりも外周側に設けられる点において、第１実施形態の増幅用光ファイバ１０と異なる。つまり、本変形例の増幅用光ファイバ１５は、偏波保持ファイバ（PANDA fiber）とされる。例えば、上記のように、コア１１の直径が３０μｍで、コア１１とクラッド１２との比屈折率差が０．１５％である場合、それぞれの応力付与部１８は、例えば、直径が３５μｍとされ、クラッド１２との比屈折率差が−１％とされて、コア１１の外周面から５μｍの間隔をあけて設けられる。応力付与部１８を構成する材料としては、例えば、ドーパントとしてホウ素（Ｂ）が添加された石英を挙げることができる。このような応力付与部１８を設けることにより、単一偏波の光を伝搬することができる。このような増幅用光ファイバ１５は、コア１１に入力する光と、コア１１から出射する光との偏波消光比を２０ｄＢ程度にすることができる。
この単一偏波の光を出射することにより、単一偏波ではない光を出射する場合と比べて、出射する光と効率的に波長変換することができる。例えば、図３の光ファイバ増幅器１において、増幅用光ファイバ１０の代わりに増幅用光ファイバ１５を用いる場合、波長変換素子５０において、効率的に波長変換することができる。また、図４に示す共振器においても、増幅用光ファイバ１０に代わりに、増幅用光ファイバ１５を用い、ダブルクラッドファイバ６５やマルチモードファイバ６６のクラッドにも同様の応力付与部を配置することにより、波長変換素子５０において効率的に波長変換された光を得ることができる。
以上説明したように、本発明によれば、コアの直径が大きい場合であっても、ビーム品質の良い光を出射することができる光ファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置が提供され、加工用のファイバレーザ装置等においての利用が期待される。
１，２・・・ファイバレーザ装置
１０・・・増幅用光ファイバ
１１・・・コア
１１ａ・・・第１領域
１１ｂ・・・第２領域
１１ｃ・・・第３領域
１２・・・クラッド
１２ａ・・・第４領域
１３・・・外部クラッド
１４・・・被覆層
１５・・・増幅用光ファイバ
１８・・・応力付与部
２０・・・種光源
２５・・・シングルモードファイバ
３０・・・励起光源
３１・・・レーザダイオード
３５・・・マルチモードファイバ
４０・・・光コンバイナ
５０・・・波長変換素子
６５・・・ダブルクラッドファイバ
６６・・・マルチモードファイバ

Claims (10)

  1. 所定波長の光を少なくともＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードで伝播する光ファイバであって、
    クラッドにおける前記所定波長の光を伝播する導波領域の少なくとも一部、及び、コアにおける前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のそれぞれにヤング率を変化させるドーパントが添加され、
    前記クラッドの前記導波領域の少なくとも一部のヤング率が、前記コアにおける前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のヤング率よりも小さく、
    前記クラッドの前記導波領域のうち前記コアにおける前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のヤング率よりも小さいヤング率とされる領域のヤング率は、前記クラッドの前記導波領域より外周側の領域のヤング率よりも小さい
    ことを特徴とする光ファイバ。
  2. 前記クラッドの全ての前記導波領域にヤング率を変化させるドーパントが添加され、
    前記クラッドの全ての前記導波領域のヤング率が、前記コアにおける前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のヤング率よりも小さくされる
    ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 前記クラッドの前記導波領域のうち前記コアにおける前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のヤング率よりも小さいヤング率とされる領域のヤング率は、前記ＬＰ０２モードの光の強度が前記ＬＰ０１モードの光の強度より大きい領域のうち前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域よりも外周側における前記コアの領域のヤング率よりも小さい
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
  4. 前記クラッドの屈折率が径方向において一定である
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
  5. 前記クラッドの前記導波領域のうち前記コアにおける前記ＬＰ０１モードの光の強度が前記ＬＰ０２モードの光の強度より大きい領域のヤング率よりも小さいヤング率とされる領域には、屈折率を低くすると共にヤング率を小さくするドーパントと、屈折率を高くすると共にヤング率を小さくするドーパントとが共添加されている
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ファイバ。
  6. 前記コアには、前記所定波長の光を誘導放出する活性元素が添加されている
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
  7. 前記クラッド内に前記コアを挟む一対の応力付与部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバ。
  8. 請求項６または７に記載の光ファイバと、
    前記コアに入射する前記所定波長の種光を出射する種光源と、
    前記活性元素を励起する励起光を出射する励起光源と、
    を備える
    ことを特徴とするファイバレーザ装置。
  9. 前記種光は、前記光ファイバの軸対称のモードのみを励振すること
    を特徴とする請求項８に記載のファイバレーザ装置。
  10. 請求項６または７に記載の光ファイバと、
    前記活性元素を励起する励起光を出射する励起光源と、
    前記光ファイバの一方側に設けられ、前記励起光により励起された前記活性元素が放出する光のうち前記所定波長の光を反射する第１ＦＢＧと、
    前記光ファイバの他方側に設けられ、前記第１ＦＢＧが反射する光と同じ波長の光を前記第１ＦＢＧよりも低い反射率で反射する第２ＦＢＧ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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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102472018B1 (ko) * 2017-05-15 2022-11-28 아이피지 포토닉스 코포레이션 고전력 클래딩 펌핑되는 단일 모드 섬유 라만 레이저
JP6888533B2 (ja) * 2017-11-30 2021-06-16 日本電信電話株式会社 結晶ファイバ光源
US20210057866A1 (en) * 2017-12-28 2021-02-25 Fujikura Ltd. Optical fiber and laser device
JP6785901B2 (ja) 2019-02-21 2020-11-18 株式会社フジクラ フィルタ装置、レーザ装置
WO2020203900A1 (ja) * 2019-03-29 2020-10-08 株式会社フジクラ 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
JP7136534B2 (ja) * 2019-05-07 2022-09-13 株式会社豊田中央研究所 光ファイバレーザ装置
CN114207486B (zh) * 2020-03-27 2024-01-12 株式会社藤仓 活性元素添加光纤、活性元素添加光纤用母材、谐振器、光纤激光装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1010378A (ja) * 1996-06-25 1998-01-16 Toshiba Corp 光ファイバー心線、光ファイバーコイル及び光ファイバー心線の製造方法
US5818630A (en) 1997-06-25 1998-10-06 Imra America, Inc. Single-mode amplifiers and compressors based on multi-mode fibers
US7079749B2 (en) * 2003-01-27 2006-07-18 Peter Dragic Waveguide configuration
US7130514B1 (en) * 2005-06-15 2006-10-31 Corning Incorporated High SBS threshold optical fiber
JP5410750B2 (ja) * 2005-06-15 2014-02-05 コーニング インコーポレイテッド アルミニウムドーパントを含む高ｓｂｓ閾値光ファイバ
JP2007333795A (ja) * 2006-06-12 2007-12-27 Furukawa Electric Co Ltd:The 光ファイバ心線及びその製造方法
JP5144355B2 (ja) * 2007-04-24 2013-02-13 古河電気工業株式会社 光ファイバグレーティングデバイスおよび光ファイバレーザ
EP2388871B1 (en) 2009-06-17 2020-11-18 Fujikura Ltd. Multiclad optical fiber, optical fiber module, fiber laser, and fiber amplifier
US8285101B2 (en) * 2009-10-15 2012-10-09 Ipg Photonics Corporation Optical fiber apparatus with suppression of higher order modes
WO2011118293A1 (ja) 2010-03-23 2011-09-29 株式会社フジクラ 光ファイバ型光学素子、レーザダイオードモジュール、及びファイバレーザ
JP4667535B1 (ja) 2010-11-02 2011-04-13 株式会社フジクラ 増幅用光ファイバ、及び、それを用いた光ファイバ増幅器及び共振器
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