JP7124210B2 - 活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置 - Google Patents

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

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Description

本発明は、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置に関する。
ファイバレーザ装置は、集光性に優れ、パワー密度が高く、小さなビームスポットとなる光が得られることから、レーザ加工分野、医療分野等の様々な分野において用いられている。この様なファイバレーザ装置では、出射する光の高出力化がなされている。しかし、光ファイバ内における光のパワー密度が高くなると、誘導ラマン散乱に起因する光の波長変換が生じ易くなり、意図しない波長の光が出射する場合がある。この場合、被加工体等で反射する光が再びファイバレーザ装置に戻って増幅されることにより、設計上増幅されるべき波長の光の増幅が不安定となり、出力が不安定となる場合がある。
光ファイバにおける誘導ラマン散乱を抑制する手段として、コアを伝搬する光の実効断面積を大きくすることが挙げられる。この実効断面積を大きくする方法の一つとして、コアの直径を大きくすることが挙げられる。従って、光ファイバにおける誘導ラマン散乱を抑制するために、例えば、光をフューモードで伝搬可能なコアを有する光ファイバが用いられる。
ファイバレーザ装置では、集光性の観点等から出射する光のビーム品質が優れていることが好ましく、そのため上記のように光をフューモードで伝搬可能なコアを有する光ファイバを用いることにより光の実効断面積を大きくする場合であっても、基本モード以外のモードの光が励振されることを抑えたいという要請がある。なお、ビーム品質は、例えば、Ｍ２（エムスクエア）等で示される。そこで、下記特許文献１に記載の活性元素添加光ファイバのように、光をフューモードで伝搬可能なコアを有する活性元素添加光ファイバを用いつつ、高次モードの光の増幅を抑制することが行われている。
特許第５１２４７０１号公報
しかし、よりビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得る活性元素添加光ファイバが求められている。そこで、本発明は、ビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、コアを備える活性元素添加光ファイバであって、前記コアの半径をｄとし、前記コアの径方向における中心軸からの距離をｒとする場合において、前記コアは、０≦ｒ≦０．６５ｄの第１領域と、当該第１領域を囲み０．６５ｄ＜ｒ≦ｄの第２領域とを含み、前記第１領域には、励起光により励起される活性元素が少なくとも一部に添加され、前記第２領域には、前記活性元素が非添加とされ、下記式（１）で示される形状指数κが０．９９以上１未満であることを特徴とする。
Figure 0007124210000001
但し、Ｅ（ｒ）は、前記活性元素添加光ファイバを伝搬する光の電界分布であり、Ｅi（ｒ）は前記コアの屈折率分布を平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。
本発明者は、上記式（１）で示される形状指数κが０．９９以上１未満であり、上記第１領域の少なくとも一部に活性元素が添加され、第２領域に活性元素が添加されない活性元素添加光ファイバによれば、ＬＰ０１モードの光が増幅され、ＬＰ１１モード以上の高次モードの光のパワーが抑制された光を出射し得ることを見出した。活性元素添加光ファイバは、一般的に他の光ファイバから光が入射されて当該光が増幅される。上記のように形状指数κが０．９９以上１未満であることで、活性元素添加光ファイバのコアに光が入射する際にＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が励振されにくいと考えられる。また、第１領域の少なくとも一部に活性元素が添加されることで、ＬＰ０１モードの光が増幅され、第２領域に活性元素が添加されないことで、ＬＰ１１モード以上の高次モードの光が励振される場合であっても、当該ＬＰ１１モード以上の高次モードの光が増幅されることが抑制されると考えられる。従って、本発明の活性元素添加光ファイバによれば、ビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得る。
また、前記活性元素は、前記第１領域における前記中心軸から径方向の所定の領域まで添加され、前記所定の領域の半径をｒａとする場合に、０≦ｒ≦０．１ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値は、０．１ｒａ＜ｒ＜０．９ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値より高く、前記所定の領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に少なくとも１カ所存在することが好ましい。
上記のように０≦ｒ≦０．１ｒａの領域における活性元素の濃度の平均値が０．１ｒａ＜ｒ＜０．９ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値より高いことで、コアの中心における強度の高い基本モードを優先的に増幅し得る。さらに、所定の領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に少なくとも１カ所存在することで、コアを伝搬する光の実効断面積が小さくなりすぎることを抑制し非線形光学現象の発生を抑制し得る。
この場合、０．９ｒａ＋０．１ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域の屈折率分布の標準偏差が０．０１以下であることが好ましい。
このようにコアの外周部における屈折率のばらつきが小さいことで、上記のように所定の領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に存在する場合であっても、上記式（１）を容易に満たし得る。
また、この活性元素添加光ファイバは、前記コアを隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記コアのうち０．６２ｄ以下の領域には前記クラッドに対する比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、前記コアのうち０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以下であってもよい。
なお、光ファイバが、コアを隙間なく囲む内側クラッドと、当該内側クラッドを隙間なく囲む外側クラッドとを備える場合、内側クラッドは単にクラッドと呼ばれることがある。
また、極大値は複数存在しても良い。ここで、極大値が複数存在する場合における「極大値以下」とは、複数の極大値のうち最も大きな比屈折率差の値を示す極大値以下を意味する。
活性元素添加光ファイバを例えばこのように構成することで、上記形状指数κを０．９９以上にすることができる。
この場合、前記極大値が０．４５ｄ以上０．６２ｄ以下の領域に存在してもよい。
このような構成にすることで、ステップインデックスの光ファイバに比べて、実効屈折率を大きくし得る。
あるいは、この活性元素添加光ファイバは、前記コアを隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記コアのうち０．１ｄ以上０．８３ｄ以下の領域には前記クラッドに対する比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以上であってもよい。
また、この場合にも、極大値は複数存在しても良い。ここで、極大値が複数存在する場合における「極大値以上」とは、複数の極大値のうち最も大きな比屈折率差の値を示す極大値以上を意味する。
活性元素添加光ファイバを例えばこのように構成する場合でも、上記形状指数κを０．９９以上にすることができる。
また、この活性元素添加光ファイバは、前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値は、０．１０％以上であり、前記コアのうち０．４５ｄ以上の領域には前記比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、前記コアのうち０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以下であってもよい。
活性元素添加光ファイバを例えばこのように構成することで、上記実効断面積を大きくすることができる。
あるいは、この活性元素添加光ファイバは、前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値は、０％よりも大きく０．１８％以下であり、前記コアのうち０．５５ｄ以下の領域には前記比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以上であってもよい。
活性元素添加光ファイバを例えばこのように構成することで、上記実効断面積を大きくすることができる。
また、前記第１領域全体に亘って前記活性元素が添加されることが好ましい。
このように活性元素が添加されることで、ＬＰ０１モードの光をより高い増幅率で増幅することができる。
また、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短いことが好ましい。
ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長を上記のようにすることで、例えば、活性元素添加光ファイバを直径１２０ｍｍで曲げて使用する場合にＬＰ０１モードの光を伝搬させつつもＬＰ０２モードの光を漏洩させることができる。従って、このように使用することで、出射する光にＬＰ０２モード以上の高次モードの光が含まれることを抑制することができる。
また、この場合、前記コアを囲むクラッドの直径が４３０μｍ以下であることが好ましい。
このような石英ガラスから成るクラッドがこのような直径とされることで、例えば、活性元素添加光ファイバを直径１２０ｍｍで曲げて使用する場合であっても、破断確率が上がることを抑制でき、長期的に高い信頼性を期待することができる。
前記活性元素はイッテルビウムであることとしても良い。
この場合、前記コアの直径に対して前記イッテルビウムが添加される領域の直径の比率が、０．５５以上０．６５以下であることが好ましい。
また、上記課題を解決するため、本発明のファイバレーザ装置は、上記のいずれかの活性元素添加光ファイバと、前記活性元素を励起する光を出射する光源と、を備えることを特徴とするものである。
上記のようにこの活性元素添加光ファイバではビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得るため、このファイバレーザ装置によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光が出射し得る。
また、上記課題を解決するため、本発明の共振器は、上記のいずれかの活性元素添加光ファイバと、前記活性元素添加光ファイバの一方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合するコアを有する第１光ファイバと、前記活性元素添加光ファイバの他方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合するコアを有する第２光ファイバと、を更に備え、前記第１光ファイバの前記コアは、励起された前記活性元素が放出する光の少なくとも一部の波長の光を反射する第１ミラーを有し、前記第２光ファイバの前記コアは、前記第１ミラーが反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーを有し、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバのそれぞれにおける下記式（２）で示される形状指数κ'が０．９９以上１未満であることを特徴とするものである。
Figure 0007124210000002
但し、ｒ'は前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバの中心軸を０とする場合の径方向における距離を示し、Ｅ'（ｒ'）は、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバを伝搬するそれぞれの光の電界分布であり、Ｅ'i（ｒ'）は前記第１光ファイバの前記コアの屈折率分布及び前記第２光ファイバの前記コアの屈折率分布をそれぞれ平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバをそれぞれ伝搬する光の電界分布である。
また、上記課題を解決するため、本発明のファイバレーザ装置は、上記共振器と、前記活性元素を励起する光を出射する光源と、を備えることを特徴とするものである。
上記共振器、及び、この共振器を備えるファイバレーザ装置によれば、第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'が０．９９以上１未満であることで、活性元素添加光ファイバと第１光ファイバ、及び、活性元素添加光ファイバと第２光ファイバの間を行き来する光において、ＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が励振されることが抑制される。従って、ビーム品質の劣化が抑制された光が出射し得る。
以上のように、本発明によれば、ビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置が提供される。
本発明の実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。 活性元素添加光ファイバの長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 活性元素添加光ファイバのコアに添加される活性元素の濃度分布を示す図である。 活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の様子を示す図である。 第１光ファイバのコアの屈折率分布を示す図である。 ファイバレーザ装置の変形例を示す図である。 クラッドの直径と破断確率との関係を示す図である。 実施例７の活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の様子を示す図である。 実施例７の活性元素添加光ファイバのコアに添加される活性元素の濃度分布を示す図である。 コアにおける比屈折率差の極大値の位置と形状指数との関係の一例を示す図である。 コアにおける比屈折率差の極大値の位置と形状指数との関係の他の例を示す図である。 本発明の活性元素添加光ファイバの実効断面積とステップ型光ファイバの実効断面積との差と、本発明の活性元素添加光ファイバのコアにおける比屈折率差の極大値の位置との関係の一例を示す図である。 本発明の活性元素添加光ファイバの実効断面積とステップ型光ファイバの実効断面積との差と、本発明の活性元素添加光ファイバのコアにおける比屈折率差の極大値の位置との関係の他の例を示す図である。
以下、本発明に係る光ファイバ及びレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができる。なお、理解の容易のため、それぞれの図のスケールと、以下の説明に記載のスケールとが異なる場合がある。
図１は、本実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図１に示すように、本実施形態のファイバレーザ装置１は、共振器型のファイバレーザ装置とされ、活性元素添加光ファイバ１０と、励起光源２０と、第１光ファイバ３０と、第１光ファイバ３０に設けられる第１ＦＢＧ３５と、第２光ファイバ４０と、第２光ファイバ４０に設けられる第２ＦＢＧ４５と、光コンバイナ５０と、第３光ファイバ６０と、を主な構成として備える。
＜活性元素添加光ファイバの構成＞
図２は、図１に示す活性元素添加光ファイバ１０の断面の構造を示す断面図である。図２に示すように活性元素添加光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の外周面を隙間なく囲む内側クラッド１２と、内側クラッド１２の外周面を被覆する外側クラッド１３と、外側クラッド１３を被覆する被覆層１４とを主な構成として備える。つまり、活性元素添加光ファイバ１０は、いわゆるダブルクラッド光ファイバである。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、第１領域１１ａと第２領域１１ｂとを有する。第１領域１１ａは、中心軸Ｃからコア１１の半径の６５％までの領域とされる。以下、コア１１の半径をｄとし、コアの径方向における中心軸Ｃからの距離をｒとして説明する。この場合において、第１領域１１ａは、０≦ｒ≦０．６５ｄの領域とされる。また、第２領域１１ｂは、第１領域１１ａを囲み、第１領域１１ａの外周面からコア１１の外周面までの領域とされる。つまり、第２領域１１ｂは、第１領域を囲み０．６５ｄ＜ｒ≦ｄの領域とされる。
このようなコア１１には、励起光源２０から出射される励起光で励起される活性元素が一部に添加されている。図３は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加される活性元素の濃度分布を示す図である。図３に示すように、第１領域１１ａは、上記活性元素が少なくとも一部に添加される石英ガラスから成り、第２領域１１ｂは、上記活性元素が非添加の石英ガラスから成る。本実施形態では、第１領域１１ａの全体に亘って活性元素が添加される。従って、活性元素が径方向の所定の領域に添加されているとすると、本実施形態では、第１領域１１ａが当該所定の領域となる。以下、所定の領域の半径をｒａとして説明する。本実施形態では、ｒａ＝０．６５ｄとなる。
なお、活性元素が添加されている領域とは、活性元素が０．５ｗｔ％以上添加されている領域をさし、活性元素添加光ファイバの製造時における活性元素の拡散等により、活性元素が０．５ｗｔ％より低い濃度で検出される領域は、活性元素が添加されている領域と言えず、活性元素が非添加の領域である。
本実施形態では、第１領域１１ａの中心近傍における活性元素の濃度が、その周りの活性元素が添加される領域での当該活性元素の平均濃度よりも高くされる。この中心近傍とは、例えば、活性元素が添加される領域の１０％の半径の領域とされ、図３の場合、０≦ｒ≦０．１ｒａの領域における活性元素の濃度の平均値は、０．１ｒａ＜ｒ＜０．９ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値より高くされる。
本実施形態では、第１領域１１ａに添加される活性元素がイッテルビウム（Ｙｂ）とされ、第１領域１１ａには、フォトダークニングに対する耐性を高めるためにアルミニウム及びリンが更に添加されている。図４は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の屈折率分布の様子を示す図である。このような添加物およびその濃度分布により、第１領域１１ａは図４に示す比屈折率分布とされる。また、第２領域１１ｂには、例えば屈折率を上昇させるゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加されている。
なお、屈折率を調整するために、フッ素（Ｆ）やホウ素（Ｂ）等のドーパントが少なくとも一部に添加されても良い。また、本実施形態と異なるが、第１領域１１ａに添加される活性元素はイッテルビウム以外の活性元素であっても良い。このような活性元素としては、希土類元素として、イッテルビウムの他にツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）等が挙げられ、さらに活性元素として、希土類元素の他にビスマス（Ｂｉ）等を挙げることができる。
図４に示すように、コア１１は、中心軸Ｃから内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となるまでの領域であり、内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となる部分の内側とされる。図４には、比屈折率差が０．０５％である位置、すなわちコア１１の外周面が破線で示されている。なお、このようにコア１１の領域が定義される理由は、比屈折率差が０．０５％未満の領域の形状が多少変わっても、活性元素添加光ファイバ１０の光学特性に与える影響が殆どないためである。
本実施形態では、第２領域１１ｂでは、内周側から外周近傍までの領域において、概ね一定の比屈折率差とされ、外周近傍の領域において内側クラッド１２に向けて比屈折率差が低下している。このため、本実施形態では、０．９ｒａ＋０．１ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域の屈折率分布の標準偏差が０．０１以下とされる。
また、第１領域１１ａでは、比屈折率差が第２領域１１ｂの内周側の比屈折率差よりも低い部分と高い部分とがある。本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０の第１領域１１ａでは、比屈折率差が第２領域１１ｂの内周側の比屈折率差よりも低い部分及び比屈折率差が第２領域１１ｂの内周側の比屈折率差よりも高い部分が、径方向にそれぞれ少なくとも２カ所存在する。また、中心軸Ｃと第１領域１１ａの外周面との中間点から第１領域１１ａの外周面との間に、第１領域における比屈折率差の平均値よりも高い比屈折率差の領域が少なくとも１カ所存在する。つまり、所定の領域である第１領域１１ａにおける屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に存在することになる。図４に示すように、本実施形態では、この０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域は、屈折率の極大値Ｎmax、すなわち、比屈折率差の極大値Ｎmaxが１つ存在する屈折率分布を有している。より具体的には、極大値Ｎmaxとは、第１領域１１aにおける屈折率の平均値γよりも高い屈折率を有する領域の径方向における長さγｗが、活性元素添加光ファイバ１０を伝搬する光の波長の１／１０以上ある領域における屈折率の極大値をいう。なお、このような極大値Ｎmaxの数は１つに限定されない。
また、第１領域１１ａの外周近傍の領域では、第１領域１１ａの外周から内周側に向かって比屈折率差が低下する。
このような比屈折率差の分布を有する活性元素添加光ファイバ１０の形状指数κは、０．９９以上１未満とされる。形状指数κは、ステップインデックス型の屈折率分布からどの程度異なる屈折率分布であるかを示す指数であり、下記式（３）で定義される。
Figure 0007124210000003
但し、Ｅ（ｒ）は、距離ｒにおける活性元素添加光ファイバ１０を伝搬する光の電界値であり、つまり活性元素添加光ファイバ１０を伝搬する光の電界分布である。Ｅi（ｒ）は、コア１１の屈折率分布を平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。
式（３）より、形状指数κが１である場合、当該形状指数κが示す光ファイバはステップインデックス型の屈折率分布である。そして、形状指数κが１から小さくなる程、当該形状指数κが示す光ファイバはステップインデックス型の屈折率分布と異なる屈折率分布を有することになる。光ファイバの製造上、形状指数κを１にすることは困難であるが、本実施形態のように形状指数κが０．９９以上１未満の光ファイバは容易に製造することができる。
上記形状指数κは、コア１１に添加される上記のドーパントの濃度を径方向で調節することで変化される。従って、本実施形態の場合、イッテルビウムの濃度が径方向で調節されても良く、ホウ素が添加される場合、ホウ素の濃度が径方向で調節されても良い。また、アルミニウムとリンとの濃度差は屈折率に影響を与えるため、当該濃度差が径方向で調節されてもよい良い。また、リンの濃度分布が径方向で調節されても良い。
また、内側クラッド１２は、概ね一定の屈折率であり、例えば、何らドーパントが添加されない石英や、屈折率を調整するためのフッ素や他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、樹脂または石英ガラスから成り、樹脂としては例えば紫外線硬化樹脂や熱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フッ素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、紫外線硬化樹脂や熱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樹脂とされる。
この活性元素添加光ファイバ１０は、フューモードファイバであり、コア１１を少なくとも波長１０７０ｎｍの光が伝搬する場合に、当該光は、基本モードであるＬＰ０１モードの光の他に少なくともＬＰ０２モードの光が伝搬することができる。従って、活性元素添加光ファイバ１０がシングルモードファイバである場合と比べて、光の実効断面積を大きくすることができる。なお、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０は、波長１０３０ｎｍから１０９０ｎｍのいずれかの波長の光が伝搬する場合であっても、基本モードであるＬＰ０１モードの光の他に少なくともＬＰ０２モードの光が伝搬することができる。
＜活性元素添加光ファイバ以外の構成＞
第１光ファイバ３０は、コアの構成が活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の構成と異なるダブルクラッド光ファイバとされる。第１光ファイバ３０は、活性元素添加光ファイバ１０の一方に端部に接続される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と第１光ファイバ３０のコアとが光学的に結合され、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第１光ファイバ３０の内側クラッドとが光学的に結合される。
第１光ファイバ３０のコアは、活性元素が添加されていない点において、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と主に異なる。第１光ファイバ３０は、フューモードファイバとされ、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１が伝搬する光と同様の光を伝搬する。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬する各ＬＰモードの光は、そのまま第１光ファイバ３０のコアを伝搬することができる。なお、第１光ファイバ３０のコアの定義は活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の定義と同様とされる。
図５は、第１光ファイバ３０のコアの屈折率分布を示す図である。第１光ファイバ３０のコアは、中心軸Ｃ'から外周近傍までの領域において、活性元素添加光ファイバ１０と比べて比屈折率差の変化が小さく、外周近傍の領域において内側クラッドに向けて比屈折率差が低下している。このような屈折率分布を有するため、第１光ファイバ３０の形状指数κ'は、０．９９以上１未満とされる。形状指数κ'は、下記式（４）で定義される。
Figure 0007124210000004
但し、ｒ'は第１光ファイバ３０の中心軸Ｃ'を０とする場合の径方向における距離を示す。Ｅ'（ｒ'）は、距離ｒ'における第１光ファイバ３０を伝搬する光の電界値であり、つまり第１光ファイバ３０を伝搬する光の電界分布である。Ｅ'i（ｒ'）は第１光ファイバ３０のコアの屈折率分布を平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。この形状指数κ'は、コア１１に添加されるドーパントの濃度を径方向で調節することで変化される。
第１光ファイバ３０は図５で示す屈折率分布を有し、第１光ファイバ３０には活性元素が非添加であるため、第１光ファイバ３０は、例えば、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１における第２領域１１ｂと同様の材料から構成される。また、本実施形態における第１光ファイバ３０のコア以外の構成は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１以外の構成と同様とされる。
また、上記のように第１光ファイバ３０には第１ＦＢＧ３５が設けられている。こうして、第１ＦＢＧ３５は活性元素添加光ファイバ１０の一方側に配置され、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第１ＦＢＧ３５は、コアにおける第１ＦＢＧ３５以外の部分よりも屈折率が高い高屈折率部と、コアにおける第１ＦＢＧ３５以外の部分と同様の屈折率である低屈折率部とが、コアの長手方向に沿って周期的に繰り返されている。この高屈折率部の繰り返しパターンは、例えば高屈折率部となる部位に紫外線が照射されて形成される。この様にして形成される第１ＦＢＧ３５は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加されている活性元素が励起状態とされたときに放出する光のうち所定波長を含む光を反射する第１ミラーとして構成されている。例えば、本実施形態のように活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加される活性元素がイッテルビウムである場合、上記所定波長は、例えば、波長１０７０ｎｍとされる。また、第１ＦＢＧ３５の反射率は、後述の第２ＦＢＧ４５の反射率よりも高く、上記所定波長を含む光を例えば９９％以上で反射する。
第２光ファイバ４０は、外側クラッドを有さない点において、第１光ファイバ３０と異なり、第２光ファイバ４０の他の構成は第１光ファイバ３０の外側クラッド以外の構成と同様とされる。従って、第２光ファイバ４０は、コアをクラッドが囲み、当該クラッドが被覆層で被覆される構成である。第２光ファイバ４０は、活性元素添加光ファイバ１０の他方に端部に接続される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と第２光ファイバ４０のコアとが光学的に結合され、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第２光ファイバ４０のクラッドとが光学的に結合される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬するフューモードの光は、フューモードのまま第２光ファイバ４０のコアを伝搬する。なお、図１に示すファイバレーザ装置１の構成の場合、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第２光ファイバ４０のクラッドとが光学的に結合されなくても良い。
第２光ファイバ４０のコアの比屈折率分布は、図５に示す第１光ファイバ３０のコアの比屈折率分布と概ね同じとされる。このため、第２光ファイバ４０のコアの形状指数κ'は、０．９９以上１未満とされ、上記式（４）で示される。ただし、上記式（４）が第２光ファイバ４０の形状指数κ'を示す場合、ｒ'は第２光ファイバ４０の中心軸Ｃ'を０とする場合の径方向における距離を示し、Ｅ'（ｒ'）は、第２光ファイバ４０を伝搬する光の電界分布であり、Ｅ'i（ｒ'）は第２光ファイバ４０のコアの屈折率分布を平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。
また、第２光ファイバ４０のコアには、上記のように第２ＦＢＧ４５が設けられている。こうして、第２ＦＢＧ４５は活性元素添加光ファイバ１０の他方側に配置され、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５と同様に高屈折率部と低屈折率部とが周期的に繰り返されて形成されている。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５が反射する所定波長を含む光を第１ＦＢＧ３５よりも低い反射率で反射する第２ミラーとして構成されている。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５が反射する光が入射する場合に、この光を例えば１０％程度の反射率で反射する。こうして、第１ＦＢＧ３５と活性元素添加光ファイバ１０と第２ＦＢＧ４５とで、共振器が形成されている。また、本実施形態では第２光ファイバ４０の活性元素添加光ファイバ１０側と反対側の他端には特に何も接続されていないが、第２光ファイバ４０のコアよりも大径のガラスロッド等が接続されても良い。
励起光源２０は、複数のレーザダイオード２１から構成される。本実施形態では、レーザダイオード２１は、例えば、ＧａＡｓ系半導体を材料としたファブリペロー型半導体レーザであり中心波長が９１５ｎｍの励起光を出射する。また、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１は光ファイバ２５に接続されており、レーザダイオード２１から出射する励起光は光ファイバ２５を例えばマルチモード光として伝搬する。
それぞれの光ファイバ２５は、光コンバイナ５０において、第１光ファイバ３０の一端に接続されている。具体的には、それぞれの光ファイバ２５のコアが第１光ファイバ３０の内側クラッドと光学的に結合するように、それぞれの光ファイバ２５のコアと第１光ファイバ３０の内側クラッドとが接続されている。従って、それぞれのレーザダイオード２１が出射する励起光は、光ファイバ２５を介して第１光ファイバ３０の内側クラッドに入射して、第１光ファイバ３０の内側クラッドから活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射する。
第３光ファイバ６０は、コア及びクラッドを有する光ファイバとされる。第３光ファイバ６０のコアは、光コンバイナ５０において第１光ファイバ３０のコアに接続されている。従って、第１光ファイバ３０のコアを光コンバイナ５０に向かって伝搬する光は、第３光ファイバ６０のコアに入射する。また、第３光ファイバ６０の第１光ファイバ３０と接続される側と反対側には、光を熱に変換する終端部６５が設けられている。
次に、ファイバレーザ装置１の動作について説明する。
まず、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から励起光が出射される。この励起光は光ファイバ２５から、第１光ファイバ３０の内側クラッドを介して、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して、当該内側クラッド１２を主に伝搬する。内側クラッド１２を伝搬する励起光は、コア１１を通過する際にコア１１に添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、所定波長を含む波長帯域の自然放出光を放出する。この自然放出光を起点として、第１ＦＢＧ３５及び第２ＦＢＧ４５で共通して反射される所定波長を含む光が、第１ＦＢＧ３５と第２ＦＢＧ４５との間を共振する。共振する光が活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬するときに、励起状態の活性元素が誘導放出を起こして、共振する光が増幅される。共振する光のうち、一部の光は第２ＦＢＧ４５を透過して、第２光ファイバ４０から出射する。そして、第１ＦＢＧ３５と活性元素添加光ファイバ１０と第２ＦＢＧ４５とを含む共振器内における利得と損失が等しくなったところでレーザ発振状態となり、第２光ファイバ４０から一定のパワーの光が出射する。
なお、活性元素添加光ファイバ１０側から第１光ファイバ３０に伝搬し第１ＦＢＧ３５を透過する光の大部分は、終端部６５で熱に変換されて消滅する。
ところで、上記のように活性元素添加光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０はそれぞれＬＰ０２モードの光を伝搬可能なフューモードファイバとされる。従って、第１光ファイバ３０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点又は接続点近傍、及び、第２光ファイバ４０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点又は接続点近傍において、ＬＰ０１モードの光に加えて、ＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が励振され得る。しかし、第２光ファイバ４０から出射する光は、ＬＰ１１モード以上の高次モードの光の増幅が抑制された光とされ得る。従って、本実施形態のファイバレーザ装置１によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光が出射され得る。
この理由の一つとして、本実施形態では、活性元素添加光ファイバ１０の上記式（３）で示される形状指数κが０．９９以上１未満とされ、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の上記式（４）で示される形状指数κ'が０．９９以上１未満とされることが挙げられる。この構成により、第１光ファイバ３０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点又は接続点近傍、及び、第２光ファイバ４０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点又は接続点近傍において、ＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光の励振が抑制されていると考えられる。また、活性元素添加光ファイバ１０を光が伝搬する際にもＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光の励振が抑制され、主にＬＰ０１モードの光が励振されていると考えられる。また、上記理由の他の一つとして、第２領域１１ｂに活性元素が添加されないことが挙げられる。この構成により、活性元素添加光ファイバ１０においてＬＰ１１モード以上の高次モードの光の増幅がＬＰ０１モードの光の増幅と比べて抑制されると考えられる。
以上説明したように、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、コア１１は０≦ｒ≦０．６５ｄの第１領域１１ａと、第１領域１１ａを囲み０．６５ｄ＜ｒ≦ｄの第２領域１１ｂとを含む。第１領域１１ａには、励起光により励起される活性元素が少なくとも一部に添加され、第２領域１１ｂには、活性元素が非添加とされ、上記式（３）で示される形状指数κが０．９９以上１未満である。
このように形状指数κが０．９９以上１未満であることで、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に光が入射する際及び当該コアを光が伝搬する際にＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が励振されにくいと考えられる。また、第１領域１１ａの少なくとも一部に活性元素が添加されることで、ＬＰ０１モードの光が増幅され、第２領域１１ｂに活性元素が添加されないことで、ＬＰ１１モード以上の高次モードの光が励振される場合であっても、当該ＬＰ１１モード以上の高次モードの光が増幅されることが抑制されると考えられる。従って、本発明の活性元素添加光ファイバ１０によれば、ビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得る。
また、本実施形態では、上記のように、０≦ｒ≦０．１ｒａの領域における活性元素の濃度の平均値が０．１ｒａ＜ｒ＜０．９ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値より高い。このため、コア１１の中心における強度の高い基本モードを優先的に増幅し得る。さらに、活性元素が添加される所定の領域である第１領域１１ａにおける屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に存在する。このため、コア１１を伝搬する光の実効断面積が小さくなりすぎることを抑制し非線形光学現象の発生を抑制し得る。
さらに本実施形態では、０．９ｒａ＋０．１ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域の屈折率分布の標準偏差が０．０１以下である。このようにコアの外周部における屈折率のばらつきが小さいことで、上記のように所定の領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に存在する場合であっても、上記式（３）を容易に満たし得る。従って、ビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得る活性元素添加光ファイバ１０を容易に実現し得る。
また、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、第１領域１１ａ全体に亘って活性元素が添加される。このため、第１領域１１ａの一部のみに活性元素が添加される場合と比べて、ＬＰ０１モードの光をより高い増幅率で増幅することができる。
以上、本発明について実施形態を例に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されて解釈されるものではなく、本発明の目的を達成する範囲において適宜構成を変更することができる。
例えば、上記実施形態の活性元素添加光ファイバ１０のＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長は１７６０ｎｍよりも短いことが好ましい。ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長をこのようにすることで、例えば、活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げて活性元素添加光ファイバ１０に１０７０ｎｍの光を伝搬させる場合に、この直径１２０ｍｍに曲げられた活性元素添加光ファイバ１０の部位において、ＬＰ０２モードのカットオフ波長を１０７０ｎｍより短くすることができ、ＬＰ０１モードの光を伝搬させつつもＬＰ０２モードの光を漏洩させることができる。図６は、ファイバレーザ装置１の変形例を示す図である。具体的には、このように活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げた部位を有するファイバレーザ装置を示す図である。なお、図６の説明において、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同一の符号を付し、特に説明する場合を除き、重複する説明は省略する。図６のファイバレーザ装置１では、活性元素添加光ファイバ１０のＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長は１７６０ｎｍよりも短く、活性元素添加光ファイバ１０が直径１２０ｍｍで曲げられた屈曲部１５を有する点で上記実施形態のファイバレーザ装置と異なる。この屈曲部１５を波長１７６０ｎｍの光が伝搬することでＬＰ０２モードの光を漏洩させることができる。従って、活性元素添加光ファイバ１０が屈曲部１５を有することで、ＬＰ０１モードの光を伝搬させつつも、ＬＰ０２モード以上の高次モードの光の伝搬を抑制することができる。
ところで、活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げると、活性元素添加光ファイバ１０が破断する懸念がある。そこで、この場合には活性元素添加光ファイバ１０の石英ガラスから成るクラッドの直径が所定の大きさ以内にされることが好ましい。この石英ガラスから成るクラッドは、外側クラッド１３が樹脂から成る場合には、内側クラッド１２であり、外側クラッド１３が石英ガラスから成る場合には、内側クラッド１２及び外側クラッド１３である。図７は、クラッドの直径と破断確率との関係を示す図である。この破断確率は、石英ガラスから成るクラッドを有する光ファイバを直径１２０ｍｍで１周巻き、光ファイバの長さが１％伸びる荷重を印加する場合において、８万時間後における光ファイバの破断確率である。図７より、クラッドの直径が４３０μｍ以下であれば、８万時間後における光ファイバの破断確率を１０－６以下に抑えることができる。従って、外側クラッド１３が樹脂から成る場合には、内側クラッド１２の直径が４３０μｍ以下とされることが好ましく、外側クラッド１３が石英ガラスから成る場合には、外側クラッド１３の直径が４３０μｍ以下とされることが好ましい。
また、上記実施形態では、中心軸から半径の６５％までの第１領域１１ａ全体に亘って活性元素が添加された。しかし、本発明は、第１領域１１ａの一部に活性元素が添加されてもよい。例えば、第１領域１１ａにおける中心軸から半径の５５％までの領域に活性元素が添加されてもよい。この場合、所定の領域の半径ｒａは０．５５ｄである。従って、所定の領域は０≦ｒ≦０．５５ｄの領域となる。また、所定の領域の半径ｒａが、例えば、０．５５ｄ≦ｒａ≦．０６５ｄの領域のいずれかとされてもよい。
また、上記実施形態では、ファイバレーザ装置として、共振器型のファイバレーザ装置を例に説明したが、本発明の活性元素添加光ファイバ１０が用いられるファイバレーザ装置は、例えば、活性元素添加光ファイバ１０に励起光及び種光が入射するＭＯ－ＰＡ（Master Oscillator - Power Amplifier）型であっても良い。なお、この場合であっても、活性元素添加光ファイバ１０が接続される光ファイバの上記式（４）で示される形状指数κ'が０．９９以上１未満とされることが好ましい。ただし、この場合の式（４）では、ｒは活性元素添加光ファイバ１０が接続される当該光ファイバの中心軸Ｃ'を０とする場合の径方向における距離を示し、Ｅ'（ｒ）は、活性元素添加光ファイバ１０が接続される当該光ファイバを伝搬する光の電界分布であり、Ｅ'i（ｒ）は活性元素添加光ファイバ１０が接続される当該光ファイバのコアの屈折率分布を平均化したステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。
また、上記実施形態では、中心軸Ｃから内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となるまでの領域をコア１１としたが、コアとする領域は、光ファイバの中心軸から内側クラッドに対して比屈折率差が０％よりも大きい領域であれば、比屈折率差が０．０５％となるまでの領域でなくてもよい。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図２に示す活性元素添加光ファイバを準備した。この活性元素添加光ファイバの比屈折率分布は、図４に示す通りであり、この活性元素添加光ファイバの形状指数κは、０．９９０であった。また、この活性元素添加光ファイバのコアに添加されるイッテルビウムの濃度分布は図３の通りであり、イッテルビウムが添加される領域の添加径比率は、０．６５であった。この添加径比率は、コアの直径に対して、イッテルビウムが添加される領域の直径の比率である。上記実施形態で説明したように、第１領域は、中心軸からコアの半径の６５％までの領域であるため、この活性元素添加光ファイバは、第１領域全体に亘ってイッテルビウムが添加され、第２領域にはイッテルビウムが非添加である。なお、この活性元素添加光ファイバは、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短い光ファイバであった。
次に、この活性元素添加光ファイバを用いて、図１に示すファイバレーザ装置を作製した。それぞれのファイバレーザ装置に用いた第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'は、０．９９８であった。また、それぞれのファイバレーザ装置の光の発振波長、すなわち第１ＦＢＧ及び第２ＦＢＧが反射する所定波長は１０７０ｎｍとした。
（実施例２～１０）
形状指数κ、及び、イッテルビウムが添加される領域の添加径比率が表１に示す値であることを除き、実施例１と同様の活性元素添加光ファイバを準備した。なお、実施例７の活性元素添加光ファイバの比屈折率分布は、図８に示す通りであり、この活性元素添加光ファイバのコアに添加されるイッテルビウムの濃度分布は図９の通りであった。なお、図９において、第２領域や内側クラッドにもイッテルビウムが僅かに添加されているように見えるが、これは測定装置のノイズであり、実際には第２領域にイッテルビウムは添加されていない。つまり本明細書でノイズレベルの活性元素の検出は無視できる。このようなノイズレベルとしては、例えば、活性元素の平均濃度の１％程度とされる。なお、これらの活性元素添加光ファイバは、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短い光ファイバであった。
次に、実施例２～７のそれぞれの活性元素添加光ファイバを用いて、図１に示すファイバレーザ装置を作製した。それぞれのファイバレーザ装置に用いた第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'は、下記表１に示す通りであった。また、実施例８～１０のそれぞれの活性元素添加光ファイバを用いて、図６に示すファイバレーザ装置を作製した。それぞれのファイバレーザ装置に用いた第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'は、下記表１に示す通りであった。また、それぞれのファイバレーザ装置の光の発振波長、すなわち第１ＦＢＧ及び第２ＦＢＧが反射する所定波長は１０７０ｎｍとした。
表１に示すように、実施例１～７における活性元素添加光ファイバの添加径比率は０．５５以上０．６５以下であり、実施例１～７における活性元素添加光ファイバの形状指数κは０．９９０以上０．９９８以下であった。また、実施例１～７における第１光ファイバ及び第２光ファイバのそれぞれの形状指数κ'は、０．９９８以上０．９９９以下であった。
（比較例１～８）
形状指数κ、及び、イッテルビウムが添加される領域の添加径比率が表１に示す値であることを除き、実施例１と同様の活性元素添加光ファイバを準備した。なお、比較例７の活性元素添加光ファイバは比較例１の活性元素添加光ファイバと同じものであり、比較例８の活性元素添加光ファイバは比較例５の活性元素添加光ファイバと同じものである。また、これらの活性元素添加光ファイバは、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短い光ファイバであった。
次に、比較例１～６のそれぞれの活性元素添加光ファイバを用いて、図１に示すファイバレーザ装置を作製した。それぞれのファイバレーザ装置に用いた第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'は、下記表１に示す通りであった。また、比較例７，８のそれぞれの活性元素添加光ファイバを用いて、図６に示すファイバレーザ装置を作製した。それぞれのファイバレーザ装置に用いた第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'は、下記表１に示す通りであった。
（ビーム品質の測定）
次に実施例１～１０及び比較例１～８を用いたそれぞれのファイバレーザ装置から光を出射してＭ２で示されるビーム品質を測定した。その結果を表１に示す。
Figure 0007124210000005
表１により明らかなように、実施例１～７の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質は比較例１～６の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質と比べて優れる結果となった。すなわち、少なくとも添加径比率が０．５５以上０．６５以下の場合に、活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質が優れる結果となった。この原因は、比較例１～３では、活性元素添加光ファイバにおけるイッテルビウムが添加される領域の添加径比率が０．６５を超えているため、励振されたＬＰ１１モード以上の高次モードの光が活性元素添加光ファイバで増幅され、強度の高いＬＰ１１モード以上の高次モードの光が出射したためと考えられる。また、比較例４～６では、活性元素添加光ファイバの形状指数κが０．９９より小さいため、第１光ファイバと活性元素添加光ファイバとの接続点又は接続点近傍、及び、第２光ファイバと活性元素添加光ファイバとの接続点又は接続点近傍において、ＬＰ０１モードの光に加えて、ＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が高い強度で励振され、この光が出射したためと考えられる。
また、実施例８～１０の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質は比較例７，８の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質と比べて優れる結果となった。この原因は、比較例７では、活性元素添加光ファイバにおけるイッテルビウムが添加される領域の添加径比率が０．６５を超えているため、励振されたＬＰ１１モード以上の高次モードの光が活性元素添加光ファイバで増幅され、強度の高いＬＰ１１モード以上の高次モードの光が出射したためと考えられる。また、比較例８では、活性元素添加光ファイバの形状指数κが０．９９より小さいため、第１光ファイバと活性元素添加光ファイバとの接続点又は接続点近傍、及び、第２光ファイバと活性元素添加光ファイバとの接続点又は接続点近傍において、ＬＰ０１モードの光に加えて、ＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が高い強度で励振され、この光が出射したためと考えられる。
実施例８～１０の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質は実施例１～７の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質と比べて優れる結果となった。この原因は図６に示すファイバレーザ装置における屈曲部１５において、ＬＰ０２モード以上の光が除去されたためと考えられる。
次に、活性元素添加光ファイバの上記極大値Ｎmaxの位置と形状指数κとの関係について調べた。具体的には、コアの平均比屈折率差が０．１０％以上０．１８％以下であり、かつ、コアの中心軸からの距離ｒが０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以下である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバを準備し、極大値Ｎmaxの位置と形状指数κとの関係について調べた。その結果を図１０に示す。また、コアの平均比屈折率差が０．１０％以上０．１８％以下であり、かつ、コアの中心軸からの距離ｒが０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以上である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバを準備し、極大値Ｎmaxの位置と形状指数κとの関係について調べた。その結果を図１１に示す。
図１０に示すように、距離ｒが０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以下である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバの形状指数κは、比屈折率差の平均値が０．１０％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上ｄ以下の場合において関数「０.７８１９ｒ６－１.１８３２ｒ５＋０.２５３３ｒ４＋０.１９１９ｒ３－０.０８４０ｒ２＋０.００７２ｒ＋１．０００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１４％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上ｄ以下の場合において関数「０.３８１２ｒ６－０.０４２６ｒ５－０.８８４８ｒ４＋０.６８３４ｒ３－０.１７５１ｒ２＋０.０１２９ｒ＋１．００００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１８％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上０．６ｄ以下の場合において関数「－１０.０２１ｒ６＋１４.２８２ｒ５－１０.６５５ｒ３＋７.３６９ｒ２－１.９９８ｒ＋１.１９６」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１８％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０．６より大きくｄ以下の場合において関数「０.２６１３ｒ６－０.３２６７ｒ４＋０.０８１６ｒ＋０.９７２９」に基づいて低下することが分かった。また、距離ｒが０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以下である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバでは、０．６２ｄ以下の領域に極大値Ｎmaxが少なくとも１つ存在すれば、形状指数κの値が０．９９０以上になることが分かった。
なお、距離ｒが０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以下である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバでは、０．４５ｄ以上０．６２ｄ以下の領域に極大値Ｎmaxが存在すれば、ステップインデックス型の光ファイバに比べて実効屈折率を大きくし得る。
また、図１１に示すように、距離ｒが０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以上である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバの形状指数κは、比屈折率差の平均値が０．１０％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上ｄ以下の場合において関数「０.６７０ｒ６－１.６５１ｒ５＋１.３６６ｒ４－０.４５４ｒ３＋０.０５４ｒ２－０.００４ｒ＋１．０００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１４％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上ｄ以下の場合において関数「０.６２７４ｒ６－１.４７４２ｒ５＋１.１４６ｒ４－０.３５０７ｒ３＋０.０３７４ｒ２－０.００３３ｒ＋１．０００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１８％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上０．３ｄ以下の場合において関数「０.０１７ｒ３－０.０１０ｒ２－０.００１ｒ＋１．０００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１８％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０．３ｄより大きく０．６ｄ以下の場合において関数「０.８９７ｒ６－１.９１９ｒ５＋１.４１７ｒ４－０.４３４ｒ３＋０.０５２ｒ２－０.００４ｒ＋１．０００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１８％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０．６より大きくｄ以下の場合において関数「０.０７１３ｒ６－０.１２８１ｒ４＋０.０６８９ｒ＋０.９７０７」に基づいて低下することが分かった。また、距離ｒが０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以上である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバでは、０．１ｄ以上０．８３ｄ以下の領域に極大値Ｎmaxが少なくとも１つ存在すれば、形状指数κの値が０．９９０以上になることが分かった。
次に、上記極大値Ｎmaxが存在する屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバの当該コアを伝搬する光の実効断面積と、コアのクラッドに対する比屈折率差が一定であるステップ型の屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバのコアを伝搬する光の実効断面積との関係について調べた。
まず、極大値を有する活性元素添加光ファイバを複数準備した。これら極大値を有する活性元素添加光ファイバは、上述の実施形態のように１つの極大値Ｎmaxを有し、これら極大値Ｎmaxの値は、極大値を有する活性元素添加光ファイバごとに異なる。また、極大値を有する活性元素添加光ファイバと同数のステップ型の活性元素添加光ファイバを準備した。具体的には、ステップ型の活性元素添加光ファイバのうち１つの活性元素添加光ファイバの比屈折率差と、極大値を有する複数の活性元素添加光ファイバのうち１つの活性元素添加光ファイバの比屈折率差の平均値とが同じである、ステップ型の活性元素添加光ファイバと極大値を有する活性元素添加光ファイバの組を複数組準備した。つまり、共通の平均値を有する光ファイバ組を複数組準備した。なお、複数の光ファイバ組のそれぞれにおける共通の平均値は、光ファイバ組ごとに相違する。
次に、上記ペアを構成するステップ型の活性元素添加光ファイバ及び極大値を有する活性元素添加光ファイバのそれぞれの実効断面積を算出し、これら実効断面積の差を求める検証を行った。具体的には、コアの中心軸からの距離ｒが０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における上記平均値が極大値Ｎmax以上になるように形成された極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いて実効断面積の差を求める検証１と、上記距離ｒが０以上０．１ｄ以下の領域における上記平均値が極大値Ｎmax以下になるように形成された極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いて実効断面積の差を求める検証２とを行った。
検証１の結果を図１２に、検証２の結果を図１３にそれぞれ示す。なお、図１２及び図１３は、極大値を有する活性元素添加光ファイバのコアの比屈折率差の平均値Δがそれぞれ０．１０％、０．１４％、及び０．１８％である場合における極大値Ｎmaxの位置と実効断面積の差との関係を示している。なお、上述のように、極大値を有する活性元素添加光ファイバのコアの比屈折率差の平均値Δは、当該極大値を有する活性元素添加光ファイバとともに上記光ファイバ組を構成するステップ型光ファイバのコアの比屈折率差に等しい。
図１２に示すように、０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以上である極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いた検証１によれば、コアの比屈折率差の平均値が０％よりも大きく０．１８％以下である場合、極大値Ｎmaxの位置が０．５５ｄ以下であることによって、上記光ファイバ組を構成する同じ比屈折率差を持つステップ型の活性元素添加光ファイバの場合に比べて、実効断面積が大きくなることが分かった。つまり、このような極大値を有する活性元素添加光ファイバによれば、実効断面積が大きくなるため、誘導ラマン散乱が一層抑制され得る。
また、図１３に示すように、０以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以下である極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いた検証２によれば、コアの比屈折率差の平均値が０．１０％以上である場合、極大値Ｎmaxの位置が０．４５ｄ以上であることによって、上記光ファイバ組を構成する同じ比屈折率差を持つステップ型光ファイバの場合に比べて、実効断面積が大きくなることが分かった。つまり、このような極大値を有する活性元素添加光ファイバによれば、実効断面積が大きくなるため、誘導ラマン散乱が一層抑制され得る。なお、上記検証２において、実効断面積が大きくなる効果を奏する比屈折率差の平均値の上限は、極大値Ｎmaxの位置が０．４５ｄ以上であれば特に限定されないが、例えば、比屈折率差の平均値の上限を０．１８％に設定してもよい。
以上の結果より、本発明の活性元素添加光ファイバ及びファイバレーザ装置によれば、ＬＰ１１モード以上の高次モードの光の強度を抑えることでビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得ることが確認された。
以上説明したように、本発明によれば、ビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置が提供され、加工用のレーザ装置等においての利用が期待される。

Claims (16)

  1. コアを備える活性元素添加光ファイバであって、
    前記コアの半径をｄとし、前記コアの径方向における中心軸からの距離をｒとする場合において、前記コアは、０≦ｒ≦０．６５ｄの第１領域と、当該第１領域を囲み０．６５ｄ＜ｒ≦ｄの第２領域とを含み、
    前記第１領域には、励起光により励起される活性元素が少なくとも一部に添加され、
    前記第２領域には、前記活性元素が非添加とされ、
    下記式（１）で示される形状指数κが０．９９以上１未満である
    ことを特徴とする活性元素添加光ファイバ。
    Figure 0007124210000006
    但し、Ｅ（ｒ）は、前記活性元素添加光ファイバを伝搬する光の電界分布であり、Ｅi（ｒ）は前記コアの屈折率分布を平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。
  2. 前記活性元素は、前記第１領域における前記中心軸から径方向の所定の領域まで添加され、
    前記所定の領域の半径をｒａとする場合に、０≦ｒ≦０．１ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値は、０．１ｒａ＜ｒ＜０．９ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値より高く、
    前記所定の領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に少なくとも１カ所存在する
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  3. ０．９ｒａ＋０．１ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域の屈折率分布の標準偏差が０．０１以下である
    ことを特徴とする請求項２に記載の活性元素添加光ファイバ。
  4. 前記コアを隙間なく囲むクラッドをさらに備え、
    前記コアのうち０．６２ｄ以下の領域には前記クラッドに対する比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、
    前記コアのうち０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以下である
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  5. 前記極大値が０．４５ｄ以上０．６２ｄ以下の領域に存在する
    ことを特徴とする請求項４に記載の活性元素添加光ファイバ。
  6. 前記コアを隙間なく囲むクラッドをさらに備え、
    前記コアのうち０．１ｄ以上０．８３ｄ以下の領域には前記クラッドに対する比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、
    前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以上である
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  7. 前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、
    前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値は、０．１０％以上であり、
    前記コアのうち０．４５ｄ以上の領域には前記比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、
    前記コアのうち０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以下である
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  8. 前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、
    前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値は、０％よりも大きく０．１８％以下であり、
    前記コアのうち０．５５ｄ以下の領域には前記比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、
    前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以上である
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  9. 前記第１領域全体に亘って前記活性元素が添加される
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  10. ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短い
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  11. 前記コアを囲むクラッドの直径が４３０μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の活性元素添加光ファイバ。
  12. 前記活性元素はイッテルビウムである
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  13. 前記コアの直径に対して前記イッテルビウムが添加される領域の直径の比率が、０．５５以上０．６５以下である
    ことを特徴とする請求項１２に記載の活性元素添加光ファイバ。
  14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバと、
    前記活性元素を励起する光を出射する光源と、
    を備える
    ことを特徴とするファイバレーザ装置。
  15. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバと、
    前記活性元素添加光ファイバの一方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合するコアを有する第１光ファイバと、
    前記活性元素添加光ファイバの他方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合するコアを有する第２光ファイバと、
    を備え、
    前記第１光ファイバの前記コアは、励起された前記活性元素が放出する光の少なくとも一部の波長の光を反射する第１ミラーを有し、
    前記第２光ファイバの前記コアは、前記第１ミラーが反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーを有し、
    前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバのそれぞれにおける下記式（２）で示される形状指数κ'が０．９９以上１未満である
    ことを特徴とする共振器。
    Figure 0007124210000007
    但し、ｒ'は前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバの中心軸を０とする場合の径方向における距離を示し、Ｅ'（ｒ'）は、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバを伝搬するそれぞれの光の電界分布であり、Ｅ'i（ｒ'）は前記第１光ファイバの前記コアの屈折率分布及び前記第２光ファイバの前記コアの屈折率分布をそれぞれ平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバをそれぞれ伝搬する光の電界分布である。
  16. 請求項１５に記載の共振器と、
    前記活性元素を励起する光を出射する光源と、
    を備える
    ことを特徴とするファイバレーザ装置。

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