JP6899924B2 - 光ファイバ、及び、レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、誘導ラマン散乱を抑制しつつ、ビーム品質の劣化を抑制することができる光ファイバ、及び、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ためには、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には、コアの直径を大きくする方法、コアのクラッドに対する比屈折率差を小さくする方法等を挙げることができる。コアの直径を大きくすると、コアの光の閉じ込め力が大きくなるため、光ファイバがマルチモード化する傾向にある。そこで、コアの光の閉じ込め力を抑制するために、コアのクラッドに対する比屈折率差を小さくすることが挙げられる。しかし、コアのクラッドに対する比屈折率差を小さくすると、コアを伝搬する光がマクロベンドやマイクロベンドによる影響を受けやすくなる。このため、適度にコアの直径を大きくしつつ、コアのクラッドに対する比屈折率差を調整することが求められる。
しかし、コアを上記のように設計する場合であっても、光をシングルモードで伝搬しようとするとＬＰ０１モードの光の実効断面積の大きさに限界がある。そこで、下記特許文献１に記載の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光ファイバを用いてファイバレーザ装置を構成することで、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を大きくすることが試みられている。
特開２０１６−５１８５９号公報
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ＬＰ０１モードの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、本発明は、誘導ラマン散乱を抑制しつつ、ビーム品質の劣化を抑制することができる光ファイバ、及び、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、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも一部の波長の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能な光ファイバであって、前記ＬＰ０１モードの光の伝搬定数と前記ＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１７３５ｒａｄ／ｍ以上４０００ｒａｄ／ｍ以下であることを特徴とする。
コアを少なくとも波長１０６０ｎｍの光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとで伝搬し、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が４０００ｒａｄ／ｍ以下とされることで、シングルモードファイバと比べて、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を大きくすることができる。このため、誘導ラマン散乱を抑制することができる。また、本発明者等は、光ファイバを伝搬するＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１７３０ｒａｄ／ｍ以上である場合にビーム品質の劣化が抑制されることを見出した。これは、このような差がある場合、ＬＰ０１モードの光からＬＰ１１モードの光に移行することが抑制されるためと考えられる。また、本発明者らは、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能な光ファイバであっても、上記伝搬定数差を有する場合には、同様にビーム品質の劣化が抑制され得ることを見出した。このため、本発明の光ファイバによれば、誘導ラマン散乱を抑制しつつ、ビーム品質の劣化を抑制することができる。
また、上記光ファイバは、少なくとも波長１０６０ｎｍの光が少なくとも前記ＬＰ０１モードと前記ＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能であっても良い。
また、上記光ファイバは、少なくとも波長１０６０ｎｍ以上１０９３ｎｍ以下の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能であっても良く、少なくとも波長１０３０ｎｍ以上１０９３ｎｍ以下の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能であっても良い。或いは、上記光ファイバは、少なくとも波長１０６０ｎｍより長波長で１０８０ｎｍ以下の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能であっても良い。
また、前記ＬＰ０１モードの光の伝搬定数と前記ＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１８５０ｒａｄ／ｍ未満であることが好ましい。
このように構成されることで、ＬＰ０１モードの光の実効断面積をより大きくすることができ、誘導ラマン散乱をより抑制することができる。
また、前記ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１６３５ｎｍより長波長であることが好ましい。
このように構成される光ファイバが４０ｍｍ以上の曲率半径で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ１１モードの光の漏洩を抑制することができる。従って、レーザ装置等において、光ファイバが曲率半径４０ｍｍ以上に曲げられる場合であっても、ＬＰ０１モードの光の一部がＬＰ１１モードの光に移行する場合に、ＬＰ１１モードの光を安定して伝搬させることができ、光の損失を抑制することができる。なお、この傾向は、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能な光ファイバであっても、同様の傾向にある。
また、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍ以下であることが好ましい。
このように構成される光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光を損失させることができる。従って、レーザ装置等において光ファイバが６０ｍｍ以下の曲率半径で曲げられる場合に、ＬＰ０１モードの光の一部がＬＰ１１モードの光に移行し、更にＬＰ０２モードの光に移行する場合であっても、ＬＰ０２モードの光が損失されることで、出射する光のビーム品質の低下を抑制することができる。なお、この傾向は、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能な光ファイバであっても、同様の傾向にある。
この場合、前記ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍより長波長であることが好ましい。
このように構成することで、光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍの光をＬＰ０２モードの光を損失させつつ、ＬＰ１１モードの光を適切に伝搬させることができる。なお、この傾向は、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能な光ファイバであっても、同様の傾向にある。
また、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長であることが好ましい。
このように構成されることで、レーザ装置等において光ファイバが６０ｍｍ以下の曲率半径で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光は殆どコアから漏洩して、当該コアにおいて当該光の伝搬が抑制される。従って、ＬＰ１１モードの光がＬＰ０２モードの光に移行した場合であっても、当該光が光ファイバの６０ｍｍ以下の曲率半径に曲げられた部分を通過する際に、ＬＰ０２モードの光が殆どコアから漏洩することで、ＬＰ０２モードの光を除去し得る。従って、光が光ファイバの６０ｍｍ以下の曲率半径に曲げられた部分を通過した後には、ビーム品質の低下が抑制された光が伝搬することになる。このため、出射する光のビーム品質の低下を抑制することができる。なお、この傾向は、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能な光ファイバであっても、同様の傾向にある。
また、前記コアには少なくともイッテルビウムが添加されても良い。
コアに少なくともイッテルビウムが添加されて増幅用光ファイバとされる場合、当該増幅用光ファイバが用いられることで、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも一部の波長の光を出射するファイバレーザ装置が構成され得る。従って、このような増幅用光ファイバが用いられることで、誘導ラマン散乱を抑制しつつ、ビーム品質の劣化を抑制することができるレーザ装置が構成され得る。
また、上記課題を解決するため、本発明は、レーザ装置であって、上記のいずれかに記載の光ファイバを備えることを特徴とする。
このレーザ装置が備える光ファイバによれば、上記のように、誘導ラマン散乱を抑制しつつ、ビーム品質の劣化を抑制することができる。従って、このようなレーザ装置によれば、波長シフトが抑制され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、誘導ラマン散乱を抑制しつつ、ビーム品質の劣化を抑制することができる光ファイバ、及び、レーザ装置が提供される。
本発明の第１実施形態に係るレーザ装置を示す図である。 増幅用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。 第１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。 光ファイバを伝搬する波長１０６０ｎｍのＬＰ０１モードの光の実効断面積と、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差との関係を示すシミュレーション図である。 光ファイバを伝搬する波長１０６０ｎｍのＬＰ０１モードの光の実効断面積と、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差との関係を示す実測値の図である。 ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差（Δβ）と、光ファイバを伝搬することによるビーム品質（Ｍ２）の劣化量（ΔＭ２）との関係を示す実測値の図である。 ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差ごとに、コアの直径とコアのクラッドに対する比屈折率差との関係を示す図である。 ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長と、曲率半径４０ｍｍで曲げられた光ファイバにおけるＬＰ１１モードの光の曲げ損失が生じる最も短い波長との関係を示す図である。 ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長と、曲率半径６０ｍｍで曲げられた光ファイバにおけるＬＰ０２モードの光の曲げ損失が生じる最も短い波長との関係を示す図である。 ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長と、曲率半径６０ｍｍで曲げられた光ファイバにおけるＬＰ０２モードの光のカットオフ波長との関係を示す図である。 ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１４８０ｎｍ，１７００ｎｍ，２０００ｎｍであるそれぞれの光ファイバを曲率半径１５０ｍｍに曲げた場合、及び曲率半径６０ｍｍに曲げた場合における出射する光のビーム品質を示す図である。 光ファイバを曲率半径ｒで曲げられた例を示す図である。 光ファイバを曲率半径ｒで曲げられた他の例を示す図である。 光ファイバを曲率半径ｒで曲げられたさらに他の例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ装置を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るレーザ装置を示す図である。 光ファイバを伝搬する波長１０００ｎｍのＬＰ０１モードの光の実効断面積と、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差との関係を示すシミュレーション図である。 光ファイバを伝搬する波長１１００ｎｍのＬＰ０１モードの光の実効断面積と、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差との関係を示すシミュレーション図である。
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。
（第１実施形態）
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、本実施形態のレーザ装置１は、共振器型のファイバレーザ装置とされ、増幅用光ファイバ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とを主な構成として備える。
図２は、図１に示す増幅用光ファイバ１０の断面の構造を示す断面図である。図２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、いわゆるダブルクラッド構造とされている。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。
コア１１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た石英や、屈折率上昇のためのドーパントが添加されていない石英から成る。さらに、コア１１には、後述のように光を増幅させるためのドーパントとして、励起光源２０から出射される励起光により励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）が少なくとも添加されている。コア１１の屈折率が何らドーパントが添加されていない石英の屈折率よりも高い場合、内側クラッド１２は、例えば、何らドーパントが添加されない石英や屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等のドーパントが添加された石英から成る。また、コア１１の屈折率が何らドーパントが添加されていない石英の屈折率と同じ、もしくは低い場合、内側クラッド１２は、屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等のドーパントが添加された石英から成る。また、外側クラッド１３は、樹脂または石英から成り、樹脂としては例えば紫外線硬化樹脂が挙げられ、石英としては例えば内側クラッド１２よりもさらに屈折率が低くなるように屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等のドーパントが添加された石英が挙げられる。また、被覆層１４を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂が挙げられ、外側クラッド１３が樹脂の場合、外側クラッドを構成する樹脂とは異なる紫外線硬化樹脂とされる。
また、増幅用光ファイバ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１０６０ｎｍ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２次ＬＰモード以上の高次モードの光が伝搬する。この高次モードの光としては、例えば、ＬＰ１１モードの光、ＬＰ２１モードの光、ＬＰ０２モードの光等を挙げることができる。
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、増幅用光ファイバ１０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のコアが増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２と光学的に結合するように、それぞれの光ファイバ２５のコアと増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２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を介して増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して、内側クラッド１２を主に伝搬する。
図３は、第１光ファイバ３０の様子を示す図である。第１光ファイバ３０は、コア３１と、このコア３１の外周面を隙間なく囲むクラッド３２と、クラッド３２を被覆する被覆層３４とを主な構成として備える。コア３１の構成は、例えば、イッテルビウム等の希土類元素が添加されていない点を除き増幅用光ファイバ１０のコア１１の構成と同様とされ、コア３１の直径はコア１１の直径と例えば同じとされる。また、クラッド３２は、例えば、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２よりも直径が小さい点を除き内側クラッド１２と同様の構成とされる。被覆層３４は、例えば、増幅用光ファイバ１０の被覆層１４の構成と同様とされる。
第１光ファイバ３０は、光コンバイナ５０において、光ファイバ２５と共に増幅用光ファイバ１０の一端に接続されている。具体的には、増幅用光ファイバ１０のコア１１に第１光ファイバ３０のコア３１が光学的に結合するように、増幅用光ファイバ１０のコア１１と第１光ファイバ３０のコア３１とが接続されている。第１光ファイバ３０は、フューモードファイバとされ、増幅用光ファイバ１０のコア１１が伝搬する光と同様の光を伝搬する。従って、増幅用光ファイバ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３１を伝搬することができる。
また、第１光ファイバ３０のコア３１にはゲルマニウム等の感光性の元素が添加されている。この感光性とは、所定波長の光が照射されることで屈折率が変化する性質であり、当該性質が用いられ、第１光ファイバ３０のコア３１に第１ＦＢＧ３５が設けられている。こうして、第１ＦＢＧ３５は増幅用光ファイバ１０の一方側に配置され、増幅用光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第１ＦＢＧ３５は、コア３１の第１ＦＢＧ３５以外の部分よりも屈折率が高い高屈折率部と、コア３１の第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３１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、増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加されているイッテルビウムが励起状態とされた状態で放出する光のうち少なくとも１０６０ｎｍの波長を含む光を反射するように構成されている。また、第１ＦＢＧ３５の反射率は、後述の第２ＦＢＧ４５の反射率よりも高く、上記イッテルビウムが放出する光のうち波長１０６０ｎｍの光を例えば９９％以上で反射する。
なお、第１光ファイバ３０の増幅用光ファイバ１０と接続される側と反対側には、光を熱に変換する終端部３８が設けられている。
第２光ファイバ４０は、クラッドの直径が増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２と同じ直径であり、コアに光を増幅させるためのドーパントが添加されない点を除き増幅用光ファイバ１０と同様の構成とされる。従って、第２光ファイバ４０は、増幅用光ファイバ１０と同様にフューモードファイバであり、増幅用光ファイバ１０のコア１１が伝搬する光と同様の光を伝搬することができる。第２光ファイバ４０は、増幅用光ファイバ１０の他端において、増幅用光ファイバ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するように接続される。従って、増幅用光ファイバ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。
また、第２光ファイバ４０のコアには、第２ＦＢＧ４５が設けられている。こうして、第２ＦＢＧ４５は増幅用光ファイバ１０の他方側に配置され、増幅用光ファイバ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が反射する波長１０６０ｎｍを含む光を第１ＦＢＧ３５よりも低い反射率で反射するように構成されている。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と増幅用光ファイバ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の増幅用光ファイバ側と反対側の他端には特に何も接続されていないが、ガラスロッド等が接続されても良い。
次に、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を介して、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して、主に内側クラッド１２を伝搬する。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に添加されているイッテルビウムを励起する。励起状態とされたイッテルビウムは、特定の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波長１０６０ｎｍを含む光が、第１ＦＢＧ３５と第２ＦＢＧ４５との間を共振する。共振する光が増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝搬するときに、励起状態のイッテルビウム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と増幅用光ファイバ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、増幅用光ファイバ１０側から第１ＦＢＧ３５を透過する光の大部分は、終端部３８で熱に変換されて消滅する。
ところで、上記のように増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０はそれぞれフューモードファイバとされる。従って、第１ＦＢＧ３５と第２ＦＢＧ４５との間を共振する光、及び、第２ＦＢＧ４５を透過する光には、基本モードの光の他、２次ＬＰモード以上となる幾つかの高次モードの光が含まれる。基本モードの光の他、２次ＬＰモード以上となる幾つかの高次モードの光が第２光ファイバ４０を伝搬して、レーザ装置１から出射する。しかし、後述のように、増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０は、ＬＰ０２モード以上の高次モードの伝搬が低減され、増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０を伝搬するＬＰ０２モード以上の光のエネルギーは小さくされる。
ここで、光ファイバのコアを伝搬する光の伝搬定数について説明する。なお以下の説明において、クラッドという場合、第１光ファイバ３０のクラッド３２や第２光ファイバ４０のクラッドや増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２を意味する。伝搬定数は、光波が伝搬する場合の位相変動に関する定数である。光は波であるため、光の振幅をＡとし、コアの中心からの距離ｚとすると、コアにおける電界Ｅは、下記式（１）で示される。
Ｅ＝Ａｅｘｐ［−（α＋ｉβ）ｚ］ ・・・（１）
なお、αは波の減衰を示す消衰係数であり、βは波の伝搬を示す伝搬定数であり、ｉは虚数単位である。上記式（１）は、コアを伝搬するそれぞれのモードの光毎に記述することができ、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光とでは、互いに異なる消衰係数αを有し、互いに異なる伝搬定数βを有する。伝搬定数βは波の伝搬を示すため、コアを伝搬する光の伝搬定数βを規定することは、コアを伝搬する当該光の実効屈折率ｎｅｆｆを規定することとなる。コアを伝搬する光の波長をλとすると、実効屈折率ｎｅｆｆは下記式（２）で示すことができる。
ｎｅｆｆ＝λβ／２π ・・・（２）
ところで、光ファイバのコアを伝搬する光の実効断面積Ａｅｆｆは、当該光の実効屈折率ｎｅｆｆと相関する値である。従って、実効断面積Ａｅｆｆは、当該光の伝搬定数βと相関する値であると言える。
次に、コアを伝搬するＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差をΔβとすると、伝搬定数差Δβも実効断面積Ａｅｆｆと相関する。
図４は、光ファイバを伝搬する波長１０６０ｎｍのＬＰ０１モードの光の実効断面積と、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβとの関係を示すシミュレーション図である。図４のシミュレーションでは、コアの屈折率分布を径方向に一定、すなわちステップ状の屈折率分布とした。また、当該シミュレーションでは、コアの直径を１０μｍから４０μｍまで１μｍ間隔で変化させると共に、コアのクラッドに対する比屈折率差を０．１％から０．２％まで０．００５％間隔で変化させた。図４より、上記のように伝搬定数差ΔβがＬＰ０１モードの光の実効断面積Ａｅｆｆと相関することが分かる。また、図４より、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが４０００ｒａｄ／ｍ以下であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を１９１μｍ２以上とすることができる。ＬＰ０１モードの光の実効断面積が１９１μｍ２以上であれば、光のエネルギー密度を低減することができ、誘導ラマン散乱が生じることを抑制することができる。また、伝搬定数差Δβが２５００ｒａｄ／ｍ以下であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を３００μｍ２以上とすることができる。ＬＰ０１モードの光の実効断面積が３００μｍ２以上であれば、光のエネルギー密度をより低減することができ、誘導ラマン散乱が生じることをより抑制することができる。
図５は、光ファイバを伝搬する波長１０６０ｎｍのＬＰ０１モードの光の実効断面積と、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβとの関係を示す実測値の図である。測定した光ファイバは、コアの屈折率分布がステップ状であり、コアの直径が２８μｍであり、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．１２％であり、理論上、波長１０６０ｎｍにおいて、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モード、ＬＰ３１モード、ＬＰ１２モードの光が伝搬可能なものである。図５に示す実測値においても、上記のように伝搬定数差ΔβがＬＰ０１モードの光の実効断面積Ａｅｆｆと相関することが分かる。図４、図５より、伝搬定数差Δβが１８５０ｒａｄ／ｍ未満であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を４２０μｍ２より大きくすることができる。ＬＰ０１モードの光の実効断面積が４２０μｍ２より大きければ、光のエネルギー密度を更に低減することができ、誘導ラマン散乱が生じることを更に抑制することができる。
次に、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβと、光ファイバから出射する光のビーム品質との関係について説明する。図６は、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβと、光ファイバを伝搬することによるビーム品質Ｍ２の劣化量ΔＭ２との関係を示す実測値の図である。図６の実測は図５に用いた光ファイバを用いて、基本モードの光を光ファイバの一端から入射して、他方から出射する光のＭ２を測定することで行った。また、光ファイバに光を入射する際にビーム品質が劣化する傾向にあるが、光ファイバに光を入射する際のビーム品質の劣化量を上記実測値から差し引いて、光ファイバを伝搬することによるビーム品質Ｍ２の劣化量ΔＭ２を求めている。図６では、ビーム品質Ｍ２の劣化量ΔＭ２を縦軸としている。基本モードのみから成る光のＭ２は１であり、高次モードが励振されてビーム品質が悪くなるほどＭ２の値は大きくなる。従って、図６におけるビーム品質の劣化量ΔＭ２が大きいほど出射するビーム品質が劣化していることを示す。図６から分かるように、この光ファイバにおいて、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが１７３５［ｒａｄ／ｍ］以上であれば、劣化量ΔＭ２を０．０５以下にでき、良好なビーム品質とすることができる。このように劣化量ΔＭ２が０．０５以下であれば、出射する光の集光性に与える影響を十分に小さくでき、レーザ装置に用いる光ファイバとして十分に良好なビーム品質の光を出射することができる。このように図６より、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが１７３５［ｒａｄ／ｍ］以上であれば、光ファイバから出射する光のビーム品質の劣化が抑制されることが分かる。なお、伝搬定数差Δβが１８５０［ｒａｄ／ｍ］以上になると、劣化量ΔＭ２を０．０２より小さくでき、ビーム品質がより良好となる。従って、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが１８５０［ｒａｄ／ｍ］以上であれば、光ファイバから出射する光のビーム品質の劣化がより抑制されることが分かる。
次に、コアの直径と、コアのクラッドに対する比屈折率差Δｎと、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβと、の関係について説明する。コアの屈折率をｎ１とし、クラッドの屈折率をｎ２とすると、コアのクラッドに対する比屈折率差Δｎは、下記式（３）で示される。
Δｎ＝（ｎ１ ２−ｎ２ ２）／（２ｎ１ ２） ・・・（３）
図７は、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβごとに、コアの直径とコアのクラッドに対する比屈折率差Δｎとの関係をシミュレーションで示す図である。なお、本図においても、コアの屈折率分布を径方向に一定、すなわちステップ状とした。ここで、図７で示されるように、コア径及び比屈折率差Δｎが、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβを示す任意の線よりも右側の領域に存在する様に満たせば、当該伝搬定数差Δβ以下にすることが可能と考えられる。一例として、図７に示すように、例えば、比屈折率差Δｎが０．１０の場合、コアの直径が１６μｍ以上であれば、伝搬定数差Δβを４０００ｒａｄ／ｍ以下にすることができることが分かる。つまり、図４を考慮すると、コアの直径が１６μｍ以上であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を１９１μｍ２以上とすることができることとなる。また、図７に示すように、例えば、比屈折率差Δｎが０．１０の場合、コアの直径が２３μｍ以上であれば、伝搬定数差Δβを２５００ｒａｄ／ｍ以下にすることができることが分かる。つまり、図４を考慮すると、コアの直径が２３μｍ以上であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を３００μｍ２以上とすることができることとなる。また、図７に示すように、例えば、比屈折率差Δｎが０．１０の場合、コアの直径が２８μｍより大きければ、伝搬定数差Δβを１８５０ｒａｄ／ｍ未満にすることができることが分かる。つまり、図４，５を考慮すると、コアの直径が２８μｍより大きければ、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を４２０μｍ２より大きくすることができる。
また、図７に示すように、例えば、比屈折率差Δｎが０．１０の場合、コアの直径が２９．０μｍ以下であれば、伝搬定数差Δβを１７３５ｒａｄ／ｍ以上にすることができることが分かる。つまり、図６を考慮すると、コアの直径が２９．０μｍ以下であれば、Ｍ２を０．０５より小さくでき、光ファイバから出射する光のビーム品質の劣化が抑制できることとなる。さらに、図７に示すように、コアの直径が２８μｍ以下であれば、伝搬定数差Δβを１８５０ｒａｄ／ｍ以上にすることができることが分かる。つまり、図６を考慮すると、コアの直径が２８μｍ以下であれば、Ｍ２を０．０２５より小さくでき、光ファイバから出射する光のビーム品質の劣化がより抑制できることとなる。
このように、波長１０６０ｎｍの光を伝搬する光ファイバにおいて、当該光ファイバを伝搬するＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが４０００ｒａｄ／ｍ以下であれば、誘導ラマン散乱が生じることを抑制することができ、伝搬定数差Δβが２５００ｒａｄ／ｍ以下であれば、誘導ラマン散乱が生じることをより抑制することができ、伝搬定数差Δβが１８５０ｒａｄ／ｍ未満、すなわちコアの直径が２８μｍより大きければ、誘導ラマン散乱が生じることをより一層抑制することができる。一方、光ファイバを伝搬するＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが１７３５ｒａｄ／ｍ以上であれば、光ファイバから出射する光のビーム品質の劣化が抑制され、この伝搬定数差Δβが１８５０ｒａｄ／ｍ以上であれば光ファイバから出射する光のビーム品質の劣化が更に抑制される。
従って、上記のレーザ装置１において、第１光ファイバ３０や第２光ファイバ４０を伝搬するＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが４０００ｒａｄ／ｍ以下であれば、誘導ラマン散乱が生じることを抑制することができ、伝搬定数差Δβが２５００ｒａｄ／ｍ以下であれば、誘導ラマン散乱が生じることをより抑制することができ、伝搬定数差Δβが１８５０ｒａｄ／ｍ未満であれば、誘導ラマン散乱が生じることをより一層抑制することができる。一方、第１光ファイバ３０や第２光ファイバ４０を伝搬するＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが１７３５ｒａｄ／ｍ以上であれば、レーザ装置１から出射する光のビーム品質の劣化が抑制され、伝搬定数差Δβが１８５０ｒａｄ／ｍ以上であればレーザ装置１から出射する光のビーム品質の劣化がより抑制される。
次に、理論カットオフ波長と曲げ損失との関係について説明する。理論カットオフ波長とは、光ファイバの屈折率分布から所定の波長における実効屈折率を求め、求めた実効屈折率がクラッドの屈折率と等しくなる際の波長である。なお、理論カットオフ波長は、コアとクラッドとの屈折率差や、コアの直径や、コアの屈折率分布等により変えることができる。
所定の曲げ直径におけるカットオフ波長、及び、曲げ損失が生じる最も短い波長は、光ファイバの理論カットオフ波長に概ね比例する。このような比例関係がある光ファイバとして、例えば、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．２％以下である光ファイバを挙げることができる。これらの比例定数は、例えば理論カットオフ波長の異なる複数の光ファイバを準備して、それぞれの光ファイバの曲げ直径を変化させて、各ＬＰモードにおいて、カットオフ波長、及び曲げ損失が生じる最も短い波長を実測することで求めることができる。
また、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．２％以下である光ファイバでは、光ファイバが曲げられた状態でのカットオフ波長が測定されると、当該カットオフ波長は光ファイバの曲率半径の逆数に応じて短くなる。また、この光ファイバの曲げ直径が変化されて曲げ損失が測定されると、曲げ損失が生じる最も短い波長も光ファイバの曲げ直径の逆数に応じて短くなる。
図８は、ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長と、曲率半径４０ｍｍで曲げられた光ファイバにおけるＬＰ１１モードの光の曲げ損失が生じる最も短い波長との関係を示す図である。なお、図８は、測定誤差の影響を低減させるために、複数の光ファイバを曲率半径を３０ｍｍから５０ｍｍまで変化させて１周以上巻き、ＬＰ１１モードの光の曲げ損失が生じる最も短い波長を測定し、曲げ直径の逆数に対するＬＰ１１モードの光の曲げ損失が生じる最も短い波長の変化を直線近似して、その近似された直線を用いて改めて曲率半径が４０ｍｍにおけるＬＰ１１モードの光の曲げ損失が生じる最も短い波長を求めている。また、曲げ損失が生じる最も短い波長は、光ファイバを曲げていない場合における光の損失と光ファイバを曲げた場合における光の損失との差が０．１ｄＢ以上になる波長とし、カットオフ波長は光ファイバを曲げていない場合における光の損失と光ファイバを曲げた場合における光の損失との差が０．１ｄＢ未満になる波長とした。
図８より、曲率半径４０ｍｍで曲げられた光ファイバにおいて、ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１６３５ｎｍより長波長であれば、少なくとも波長１０６０ｎｍのＬＰ１１モードの光を伝搬することができる。従って、曲率半径４０ｍｍより大きな曲率半径で曲げられた光ファイバであっても、ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１６３５ｎｍより長波長であれば、少なくとも波長１０６０ｎｍのＬＰ１１モードの光を伝搬することができる。ところで、図１に示すレーザ装置１において、増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つが、曲率半径４０ｍｍ以上に曲げられて収納されることがある。また、光ファイバを用いる他のレーザ装置等においても、光ファイバがこのように曲げられて収納されることがある。このように光ファイバが曲率半径４０ｍｍ以上に曲げられる場合において、上記のように、ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１６３５ｎｍより長波長であれば、ＬＰ０１モードの光の一部がＬＰ１１モードの光に移行する場合であっても、ＬＰ１１モードの光を安定して伝搬させることができ、光の損失を抑制することができる。
図９は、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長と、曲率半径６０ｍｍで曲げられた光ファイバにおけるＬＰ０２モードの光の曲げ損失が生じる最も短い波長との関係を示す図である。なお、図９は、測定誤差の影響を低減させるために、複数の光ファイバを曲率半径を５０ｍｍから１２０ｍｍまで変化させて１周以上巻き、ＬＰ０２モードの光の曲げ損失が生じる最も短い波長を測定し、曲げ直径の逆数に対するＬＰ０２モードの光の曲げ損失が生じる最も短い波長の変化を直線近似し、その近似された直線を用いて改めて曲率半径が６０ｍｍにおけるＬＰ０２モードの光の曲げ損失が生じる最も短い波長を求めている。また、曲げ損失が生じる最も短い波長、及び、カットオフ波長は、図８における曲げ損失が生じる最も短い波長、及び、カットオフ波長と同様である。
図９より、曲率半径６０ｍｍで曲げられた光ファイバにおいて、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍ以下であれば、少なくとも波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光を損失させることができる。従って、曲率半径６０ｍｍより小さな曲率半径で曲げられた光ファイバであっても、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍ以下であれば、少なくとも波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光を損失させることができる。ところで、図１に示すレーザ装置１において、増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つが、曲率半径６０ｍｍ以下に曲げられて収納されることがある。また、光ファイバを用いる他のレーザ装置においても、光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下に曲げられて収納されることがある。このように光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下に曲げられる場合において、上記のように、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍ以下であれば、ＬＰ０１モードの光の一部がＬＰ１１モードの光に移行し、更にＬＰ０２モードの光に移行する場合であっても、ＬＰ０２モードの光を損失させることができる。従って、出射する光のビーム品質の低下を抑制することができる。なお、この場合に、図８を考慮して、ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍより長波長であれば、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光とを伝搬させつつ、Ｌ０２モードの光を除去し得る。
図１０は、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長と、曲率半径６０ｍｍで曲げられた光ファイバにおけるＬＰ０２モードの光のカットオフ波長との関係を示す図である。なお、図１０は、測定誤差の影響を低減させるために、複数の光ファイバを曲率半径を５０ｍｍから１２０ｍｍまで変化させて１周以上巻き、ＬＰ０２モードの光のカットオフ波長を測定し、曲げ直径の逆数に対するＬＰ０２モードの光のカットオフ波長の変化を直線近似し、その近似された直線を用いて改めて曲率半径が６０ｍｍにおけるＬＰ０２モードの光のカットオフ波長を求めている。また、カットオフ波長は、図８におけるカットオフ波長と同様である。
図１０より、曲率半径６０ｍｍで曲げられた光ファイバにおいて、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長であれば、少なくとも波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光が殆ど伝搬出来ない。従って、曲率半径６０ｍｍより小さな曲率半径で曲げられた光ファイバであっても、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長であれば、少なくとも波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光の伝搬を殆ど抑制することができる。また、上記のように、図１に示すレーザ装置１において、増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つが、曲率半径６０ｍｍ以下に曲げられて収納されることがある。また、光ファイバを用いる他のレーザ装置においても、光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下に曲げられて収納されることがある。このように光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下に曲げられる場合において、上記のように、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長であれば、ＬＰ０１モードの光の一部がＬＰ１１モードの光に移行し、更にＬＰ０２モードの光に移行する場合であっても、当該光が光ファイバの６０ｍｍ以下の曲率半径に曲げられた部分を通過する際に、ＬＰ０２モードの光が殆どコアから漏洩することで、ＬＰ０２モードの光を除去し得る。
図１１は、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１４８０ｎｍ，１７００ｎｍ，２０００ｎｍであるそれぞれの光ファイバを曲率半径１５０ｍｍに曲げた場合、及び曲率半径６０ｍｍに曲げた場合における出射する光のビーム品質を示す図である。なお、図１１は、光ファイバの一方の端部から波長１０６０ｎｍの基本モードの光を入射して、光ファイバの他方の端部から出射する光のＭ２を測定した図である。図１１では、光ファイバに入射する基本モードの光のＭ２＝１と出射する光のＭ２との差である、光ファイバを伝搬することによるビーム品質の劣化量ΔＭ２を縦軸としている。
図１１に示すように、光ファイバが曲率半径６０ｍｍに曲げられている場合、理論カットオフ波長が１７６０ｎｍ以下である理論カットオフ波長が１７００ｎｍの光ファイバは、理論カットオフ波長が１７６０ｎｍより長波長である理論カットオフ波長が２０００ｎｍの光ファイバよりも良好なビーム品質の光を出射できる結果となった。この原因は、曲率半径６０ｍｍで曲げられてＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍ以下の光ファイバにおいて、入射した波長１０６０ｎｍの基本モードの光がＬＰ０２モードの光に移行しても、移行したＬＰ０２モードの光が損失したためと考えられる。また、図６に示すように、光ファイバが曲率半径６０ｍｍに曲げられている場合、理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長である理論カットオフ波長が１４８０ｎｍの光ファイバは、更に良好なビーム品質の光を出射できる結果となった。この原因は、曲率半径６０ｍｍに曲げられて理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長である光ファイバにおいて、入射した波長１０６０ｎｍの基本モードの光がＬＰ１１モードの光に移行し、さらにＬＰ０２モードの光に移行する場合であっても、ＬＰ０２モードの光が殆どコアから漏洩することで、ＬＰ０２モードの光を除去されたためと考えられる。なお、光ファイバを曲率半径１５０ｍｍに曲げた場合、それぞれの光ファイバから出射する光のビーム品質に差は見られなかった。
上記のような光ファイバは、例えば、図１２から図１４に示すように曲げられてレーザ装置等に収納されることができる。図１２の例では、曲率半径ｒの円形状に光ファイバが曲げられる。図１３の例では、曲率半径ｒの円弧部を有するレーストラック形状に光ファイバが曲げられる。図１４の例では、曲率半径ｒの曲部を有するＳ字状に光ファイバが曲げられる。この曲率半径ｒが上記のように４０ｍｍや６０ｍｍとされる。なお、光ファイバは、曲率半径ｒで１周分以上曲げられることが好ましい。
以上説明したように、本実施形態のレーザ装置１に用いられる増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つは、少なくとも波長１０６０ｎｍの光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能な光ファイバであって、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１７３５ｒａｄ／ｍ以上４０００ｒａｄ／ｍ以下であることで、誘導ラマン散乱を抑制しつつ、ビーム品質の劣化を抑制することができる。
また、本実施形態のレーザ装置１に用いられる増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つにおいて、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１８５０ｒａｄ／ｍ未満であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積をより大きくすることができ、誘導ラマン散乱をより抑制することができる。
また、本実施形態のレーザ装置１に用いられる増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つにおいて、ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１６３５ｎｍより長波長であれば、当該光ファイバが４０ｍｍ以上の曲率半径で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ１１モードの光の漏洩を抑制することができる。従って、ＬＰ０１モードの光の一部がＬＰ１１モードの光に移行する場合であっても、ＬＰ１１モードの光を安定して伝搬させることができ、光の損失を抑制することができる。
また、本実施形態のレーザ装置１に用いられる増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つにおいて、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．２%以下であり、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍ以下であれば、当該光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光を損失させることができる。従って、光ファイバが６０ｍｍ以下の曲率半径で曲げられる場合に、ＬＰ０１モードの光の一部がＬＰ１１モードの光に移行し、更にＬＰ０２モードの光に移行する場合であっても、ＬＰ０２モードの光を損失させることで、出射する光のビーム品質の低下を抑制することができる。
また、本実施形態のレーザ装置１に用いられる増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つにおいて、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．２%以下であり、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長であれば、当該光ファイバが曲率半径６０ｍｍで曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光はコアから殆ど漏洩して、当該光の伝搬が殆ど抑制される。従って、ＬＰ１１モードの光がＬＰ０２モードの光に移行した場合であっても、当該光が光ファイバの６０ｍｍ以下の曲率半径に曲げられた部分を通過する際に、ＬＰ０２モードの光が殆どコアから漏洩することで、ＬＰ０２モードの光を除去し得る。従って、光が光ファイバの６０ｍｍ以下の曲率半径に曲げられた部分を通過した後には、ビーム品質の低下が抑制された光が伝搬することになる。このため、出射する光のビーム品質の低下を抑制することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図１５を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略することがある。
図１５は、本実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図１５に示すように、本実施形態のレーザ装置２は、ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型のファイバレーザ装置とされる点において第１実施形態のレーザ装置１と異なる。従って、本実施形態のレーザ装置２は、種光源７０を備える。
種光源７０は、例えば、レーザダイオードやファイバレーザ等からなり、波長が１０６０ｎｍの種光を出射するよう構成されている。種光源７０は、第１実施形態の第１光ファイバ３０と同様の構成とされＦＢＧが形成されていない第１光ファイバ３０に接続されており、種光源７０から出射する種光は、第１光ファイバ３０のコアを伝搬する。
本実施形態の光コンバイナ５０も第１実施形態の光コンバイナ５０と同様の構成とされる。従って、種光源７０から出射する種光は第１光ファイバ３０のコアを介して増幅用光ファイバ１０のコア３１に入射してコア３１を伝搬する。また、第１実施形態のレーザ装置１と同様に励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から出射する励起光は増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して主に内側クラッド１２を伝搬し、コア１１に添加されているイッテルビウムを励起する。このため、コアを伝搬する種光は、励起状態とされたイッテルビウムの誘導放出により増幅されて、増幅された種光が増幅用光ファイバ１０から出力光として出射する。増幅用光ファイバ１０から出射する光は第１実施形態と同様にして第２光ファイバ４０を介して出射する。
本実施形態においても、レーザ装置２に用いられる増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つが、少なくとも波長１０６０ｎｍの光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能な光ファイバであって、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１７３５ｒａｄ／ｍ以上４０００ｒａｄ／ｍ以下であることで、誘導ラマン散乱を抑制しつつ、ビーム品質の劣化を抑制することができる。
また、本実施形態においても、レーザ装置２に用いられる増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つにおいて、ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１６３５ｎｍより長波長であれば、当該光ファイバが４０ｍｍ以上の曲率半径で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ１１モードの光の漏洩を抑制することができる。また、増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つにおいて、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．２%以下であり、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍ以下であれば、当該光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光を損失させることができる。また、増幅用光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の少なくとも１つにおいて、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．２%以下であり、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長であれば、当該光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光はコアから殆ど漏洩して、当該コアにおいて波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光の伝搬が抑制される。従って、ＬＰ１１モードの光がＬＰ０２モードの光に移行した場合であっても、ＬＰ０２モードの光が殆どコアから漏洩することで、ＬＰ０２モードの光が除去され、出射する光のビーム品質の低下を抑制することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１６を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。
図１６は、本実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図１６に示すように本実施形態のレーザ装置３は、複数の光源６０と、光コンバイナ５３と、第１実施形態における第２光ファイバと同様の第２光ファイバ４０とを主な構成として備える。
それぞれの光源６０は、波長１０６０ｎｍの光を出射するレーザ装置とされ、例えば、ファイバレーザ装置や固体レーザ装置とされる。光源６０がファイバレーザ装置とされる場合、光源６０は第１実施形態と同様の共振器型のファイバレーザ装置とされたり、第２実施形態と同様のＭＯ−ＰＡ型のファイバレーザ装置とされる。
それぞれの光源６０には、光源６０から出射する光を伝搬する光ファイバ６１が接続されている。それぞれの光ファイバ６１は、例えば、第１実施形態の第１光ファイバ３０と同様とされる。従って、それぞれの光源６０から出射する光は、フューモードでそれぞれの光ファイバ６１を伝搬する。
光コンバイナ５３は、それぞれの光ファイバ６１のコアと第２光ファイバ４０のコアとを光学的に接続する。
本実施形態のレーザ装置３では、それぞれの光源６０から波長１０６０ｎｍの光が出射し、当該光はそれぞれの光ファイバ６１を介して、光コンバイナ５３を介して第２光ファイバ４０のコアに入射する。そして、第２光ファイバ４０から出射する。
本実施形態においても、レーザ装置３に用いられる第２光ファイバ４０は、コアを少なくとも波長１０６０ｎｍの光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとで伝搬可能でありＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１７３５ｒａｄ／ｍ以上４０００ｒａｄ／ｍ以下であることで、誘導ラマン散乱を抑制しつつ、ビーム品質の劣化を抑制することができる。
また、本実施形態においても、レーザ装置３に用いられる第２光ファイバ４０において、ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１６３５ｎｍより長波長であれば、当該光ファイバが４０ｍｍ以上の曲率半径で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ１１モードの光の漏洩を抑制することができる。また、第２光ファイバ４０において、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．２%以下であり、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍ以下であれば、当該光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光を損失させることができる。また、第２光ファイバ４０において、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．２%以下であり、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長であれば、当該光ファイバが曲率半径６０ｍｍ以下で曲げられる場合において、波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光はコアから殆ど漏洩して、当該コアにおいて波長１０６０ｎｍのＬＰ０２モードの光の伝搬が抑制される。従って、ＬＰ１１モードの光がＬＰ０２モードの光に移行した場合であっても、ＬＰ０２モードの光が殆どコアから漏洩することで、ＬＰ０２モードの光が除去され、出射する光のビーム品質の低下を抑制することができる。
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。なお、上記実施形態の光ファイバは、コアを少なくとも波長１０６０ｎｍの光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとで伝搬可能であり、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１７３５ｒａｄ／ｍ以上４０００ｒａｄ／ｍ以下であれば良く、その他の構成については適宜変更することができる。
このように上記実施形態では、コアを少なくとも波長１０６０ｎｍの光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとで伝搬可能な光ファイバを例に説明した。ところで、図８から図１０の説明は、波長が１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であれば、光の波長とは概ね無関係に成り立つ。また、図６の説明は、波長１０００ｎｍから１１００ｎｍの光であれば、波長を変化させる場合であってもグラフに殆ど変化せず、当該範囲におけるどの波長であっても概ね同様の傾向となる。
また、図４、図５は、波長１０６０ｎｍの光について説明したが、波長１０００ｎｍの光であっても、誘導ラマン散乱が生じることを抑制することができる。図１７は、光ファイバを伝搬する波長１０００ｎｍのＬＰ０１モードの光の実効断面積と、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差との関係を示すシミュレーション図である。図１７に示すように、波長１０６０ｎｍの光よりもＬＰ０１モードの光の実効断面積が小さくなる波長１０００ｎｍの光の場合であっても、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが４０００ｒａｄ／ｍ以下であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を１８０μｍ２以上とすることができる。ＬＰ０１モードの光の実効断面積が１８０μｍ２以上であれば、光のエネルギー密度を低減することができ、誘導ラマン散乱が生じることを抑制することができる。また、波長が１０００ｎｍの場合であっても、伝搬定数差Δβが２５００ｒａｄ／ｍ以下であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を２９０μｍ２以上とすることができる。ＬＰ０１モードの光の実効断面積が２９０μｍ２以上であれば、光のエネルギー密度をより低減することができ、誘導ラマン散乱が生じることをより抑制することができる。また、波長が１０００ｎｍの場合であっても、伝搬定数差Δβが１８５０ｒａｄ／ｍ未満であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を４００μｍ２より大きくすることができる。ＬＰ０１モードの光の実効断面積が４００μｍ２より大きければ、光のエネルギー密度を更に低減することができ、誘導ラマン散乱が生じることを更に抑制することができる。なお、波長が１０６０ｎｍより長波長の場合には、図４，５に示すＬＰ０１モードの光の実効断面積をより大きくすることができ、誘導ラマン散乱が生じることをより抑制することができる。
また、図１８は、光ファイバを伝搬する波長１１００ｎｍのＬＰ０１モードの光の実効断面積と、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差との関係を示すシミュレーション図である。図１８に示すように、波長１０６０ｎｍの光よりも長波長の波長１１００ｎｍの光であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を大きくすることできるので、誘導ラマン散乱が生じることを抑制することができる。具体的には、図１８に示すように、波長１０６０ｎｍの光よりもＬＰ０１モードの光の実効断面積が小さくなる波長１１００ｎｍの光の場合であっても、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが４０００ｒａｄ／ｍ以下であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を２０５μｍ２以上とすることができる。ＬＰ０１モードの光の実効断面積が２０５μｍ２以上であれば、光のエネルギー密度を低減することができ、誘導ラマン散乱が生じることを抑制することができる。また、波長が１１００ｎｍの場合であっても、伝搬定数差Δβが２５００ｒａｄ／ｍ以下であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を３２０μｍ２以上とすることができる。ＬＰ０１モードの光の実効断面積が３２０μｍ２以上であれば、光のエネルギー密度をより低減することができ、誘導ラマン散乱が生じることをより抑制することができる。また、波長が１１００ｎｍの場合であっても、伝搬定数差Δβが１８５０ｒａｄ／ｍ未満であれば、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を４３３μｍ２より大きくすることができる。ＬＰ０１モードの光の実効断面積が４３３μｍ２より大きければ、光のエネルギー密度を更に低減することができ、誘導ラマン散乱が生じることを更に抑制することができる。
また、例えば、増幅用光ファイバ１０において、イッテルビウム（Ｙｂ）を活性元素として用いる場合、イッテルビウムの蛍光波長が１０００〜１１００ｎｍであるため、少なくともＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光とがコアを伝搬可能する場合に、当該光の波長が１０００ｎｍから１１００ｎｍであれば、光を比較的高いパワーに増幅することができ、高いパワーの光を出射し得る。また、図１に示す増幅用光ファイバ１０以外の光ファイバのコアにイッテルビウムを添加する場合には、イッテルビウムが添加された光ファイバにおいて、光を高いパワーに増幅することができるため好ましい。
また、光の波長が１０６０ｎｍよりも長波長の場合には、上記図１８の説明からも明らかなように、ＬＰ０１モードの光の実効断面積をより大きくすることができ、誘導ラマン散乱が生じることをより抑制することができる。また、光の波長が１０６０ｎｍよりも長波長の場合には、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光との伝搬定数差Δβが大きくなるので、波長が１０６０ｎｍよりも長波長のＬＰ０１モードの光の実効断面積が、波長１０６０ｎｍのＬＰ０１モードの光の実効断面積と同じ場合には、図６よりビーム品質の劣化量ΔＭ２を小さくし得る。
以上を鑑みると、本発明の光ファイバは、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも一部の波長の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能であり、ＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１７３５ｒａｄ／ｍ以上４０００ｒａｄ／ｍ以下である光ファイバであってもよい。
このような波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも一部の波長として、例えば、１０３０ｎｍ〜１０９０ｎｍ、１０３０〜１０８７ｎｍ、１０３０ｎｍ〜１０８１ｎｍ、１０３０ｎｍ〜１０８０ｎｍ、１０３０ｎｍ〜１０７０ｎｍ、１０３０ｎｍ〜１０６０ｎｍ、１０５０ｎｍ〜１０９３ｎｍ、１０５０ｎｍ〜１０９０ｎｍ、１０５０ｎｍ〜１０８７ｎｍ、１０５０ｎｍ〜１０８１ｎｍ、１０５０ｎｍ〜１０８０ｎｍ、１０５０ｎｍ〜１０７０ｎｍ、１０５０ｎｍ〜１０６０ｎｍ、１０６０ｎｍ〜１０９３ｎｍ、１０６０ｎｍ〜１０９０ｎｍ、１０６０ｎｍ〜１０８７ｎｍ、１０６０ｎｍ〜１０８１ｎｍ、１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍ、１０６０ｎｍ〜１０７０ｎｍ、１０７０ｎｍ〜１０９３ｎｍ、１０７０ｎｍ〜１０９０ｎｍ、１０７０ｎｍ〜１０８７ｎｍ、１０７０ｎｍ〜１０８１ｎｍ、１０７０ｎｍ〜１０８０ｎｍ、１０８０ｎｍ〜１０９３ｎｍ、１０８０ｎｍ〜１０９０ｎｍ、１０８０ｎｍ〜１０８７ｎｍ、１０８０ｎｍ〜１０８１ｎｍ、１０８１ｎｍ〜１０９３ｎｍ、１０８１ｎｍ〜１０９０ｎｍ、１０８１ｎｍ〜１０８７ｎｍ、１０８７ｎｍ〜１０９３ｎｍ、１０８７ｎｍ〜１０９０ｎｍ、１０９０ｎｍ〜１０９３ｎｍが挙げられる。
また、図１１から明らかなように、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長が短波長なほど良好なビーム品質の光を出射できることが分かる。従って、ビーム品質をより良好にするためには、光ファイバを伝搬する光が、例えば、１０００ｎｍである場合、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１３２７ｎｍから１５２０ｎｍであっても良い。ただし、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１３２７ｎｍより短波長であっても良い。また、光ファイバを伝搬する光が、例えば、１０３０ｎｍである場合、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１４２０ｎｍから１６４０ｎｍであっても良い。ただし、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１４２０ｎｍより短波長であっても良い。また、光ファイバを伝搬する光が、例えば、１０６０ｎｍである場合、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１５１３ｎｍから１７６０ｎｍであっても良い。ただし、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１５１３ｎｍより短波長であっても良い。また、光ファイバを伝搬する光が、例えば、１０８０ｎｍである場合、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１５４６ｎｍから１８０４ｎｍであっても良い。ただし、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１５４６ｎｍより短波長であっても良い。また、光ファイバを伝搬する光が、例えば、１０９３ｎｍである場合、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１５６８ｎｍから１８３４ｎｍであっても良い。ただし、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１５６８ｎｍより短波長であっても良い。また、光ファイバを伝搬する光が、例えば、１１００ｎｍである場合、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１５７９ｎｍから１８５０ｎｍであっても良い。ただし、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長は１５９７ｎｍより短波長であっても良い。
また、上記のように本発明の光ファイバはレーザ装置に用いられても良いが、光増幅器等といったレーザ装置以外に用いられても良い。
以上説明したように、本発明によれば、誘導ラマン散乱を抑制しつつ、ビーム品質の劣化を抑制することができる光ファイバ、及び、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。
１，２，３・・・レーザ装置
１０・・・増幅用光ファイバ
２０・・・励起光源
３０・・・第１光ファイバ
３１・・・コア
３５・・・第１ＦＢＧ
４０・・・第２光ファイバ
４５・・・第２ＦＢＧ
６０・・・光源
７０・・・種光源

Claims (9)

  1. 波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも一部の波長の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能な光ファイバであって、
    前記ＬＰ０１モードの光の伝搬定数と前記ＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１７３５ｒａｄ／ｍ以上４０００ｒａｄ／ｍ以下であり、
    ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長であり、
    前記コアは、直径が１６μｍ以上２９μｍ以下で、比屈折率差が０．１％以上０．２％以下であるステップ状の屈折率分布を有する
    ことを特徴とする光ファイバ。
  2. 少なくとも波長１０６０ｎｍの光が少なくとも前記ＬＰ０１モードと前記ＬＰ１１モードとで前記コアを伝搬可能である
    ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 前記ＬＰ０１モードの光の伝搬定数と前記ＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１８５０ｒａｄ／ｍ未満である
    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ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１６３５ｎｍより長波長である
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
  5. 前記ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍより長波長である
    ことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ。
  6. 波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の少なくとも一部の波長の光が少なくともＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとでコアを伝搬可能な光ファイバであって、
    前記ＬＰ０１モードの光の伝搬定数と前記ＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１７３５ｒａｄ／ｍ以上４０００ｒａｄ／ｍ以下であり、
    ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１５１３ｎｍより短波長である
    ことを特徴とする光ファイバ。
  7. 前記ＬＰ１１モードの光の理論カットオフ波長が１６３５ｎｍより長波長である
    ことを特徴とする請求項６に記載の光ファイバ。
  8. 前記コアには少なくともイッテルビウムが添加される
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光ファイバ。
  9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光ファイバを備える
    ことを特徴とするレーザ装置。
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