JPH0428662B2 - - Google Patents
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Description
〔産業上の利用分野〕
本発明は、ガラスフアイバーレーザーとして使
用される多モードフアイバー及びそのハンドルに
関するものであつて、特にレーザー加工に好適な
高出力で高繰返し又は連続発振可能な燐酸塩レー
ザーガラスフアイバーに係る。 〔従来の技術〕 Ndイオンをレーザー活性体として含む代表的
レーザー材料に、YAG結晶と珪酸塩及び燐酸塩
のガラスがある。 レーザーガラスはYAGレーザー結晶に比べ、
組成や形状を自由に選べる、均質で大きなものが
得られる。低コストで生産できる等、ガラス特有
の利点がある反面、熱伝導率が１桁程小さく、光
励起によつて生じる非輻射遷移に起因する急激な
温度上昇で破壊しやすいという利点があり、大出
力の高繰返し又は連続発振ができないものとされ
て来た。このため、高繰返しを必要とするレーザ
ー加工には、YAGレーザーが主として使用され、
ガラスレーザーは、単位長さ当たりの利得が大き
いという特徴を活かして、主に大出力レーザー核
融合装置の増幅器用として使われていた。 もつとも、ガラスレーザーにおいても、冷却効
率を向上させて高繰返し又は連続発振を可能とし
たものが知られている。その１つは、レーザーガ
ラスを薄い板状にして表面積を増大させ、冷却効
果を高めたもので、この態様では10pps程度の繰
返し発振が可能である。しかし、これ以上の高速
発振は困難であり、しかも発振レーザー光を集光
するには特別なレンズを必要とする。 もう１つは、ガラスを細い棒状にしたもので、
この態様は体積に比較して表面積が一層大きく、
従つて冷却効果が高いので高繰返し又は連続発振
を行わせることができる。この場合、棒を細くす
ればする程熱応力は小さくなり割れにくくなる
が、回折による損失が増大し、効率及び出力が小
さくなる。また、レーザーガラスより屈折率の低
いガラスで被覆することによつて導波路構造を形
成し、直径１〜２mmの細いロツドにして回折損失
の増加を抑え、励起光のパワー密度を上げたもの
もあるが、これは可撓性を備える程径が細くない
ので、束ねると冷却及び励起の効率が低下してし
まう。 フアイバーは、これをさらに細径にしたもので
あるが、従来のレーザーガラスフアイバーは、す
べて珪酸塩ガラで作製されている。珪酸塩ガラス
フアイバーの作製は容易であるが、キセノンやク
リプトンランプによる光励起によつてソーラリゼ
ーシヨンが起り易く、レーザー出力が安定しない
欠点がある。また、ソーラリゼーシヨンを抑える
ためには、紫外線を吸収するフイルターを必要と
し、その分、高強度の励起光が必要とされる。す
なわち、ソーラリゼーシヨンは、効率の低下のみ
ならず、発振の不安定および停止を引き起こすも
のであり、今までに満足すべきフアイバーレーザ
ーが実用化されていないのも、ここに原因があ
る。 〔発明が解決しようとする問題点〕 従来のガラスレーザーでは、高繰返し又は連続
発振が不可能であるか、たとえ連続発振ができて
も大出力と安定な動作はできなかつた。 本発明はこれらの従来のガラスレーザーの欠点
と解消すべくなされたものであり、連続発振が可
能でかつ、長期間安定な大出力が期待できるガラ
スレーザ用フアイバーを提供することを目的とす
る。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は上記の目的を達成するためになされた
ものであり、誘導放出断面積が大きく、発振閾値
が低く、高利得である等の優れたレーザー特性
と、安定な大出力発振に必要な優れたアサーマリ
テイ（温度に伴う光路長変化が小さい）と、耐ソ
ーラリゼーシヨン性及び低い非線形屈折率（レー
ザー光が自己集束しにくい）特性を有し、さらに
高濃度にNd2O3をドープしても螢光の濃度消光が
起りにくい特性を備えた燐酸塩レーザーガラスを
コアとし、これをより屈折率の低い燐酸塩ガラス
で被覆したフアイバーは、大出力で安定な室温連
続発振が可能であること、また、これらを束ねた
フアイバーバンドルは可撓性があるので、冷却効
果と励起効率を低下させることなく各フアイバー
の出力を合せた大きな出力を長期間連続発振させ
ることができることを見い出してなつたものであ
る。 レーザーガラスとしては、主に珪酸塩系、燐酸
塩系及びフツ燐酸塩系が知られているが、珪酸塩
ガラス系レーザーガラスはフアイバーレーザーと
した場合、ソーラリゼーシヨンが著しくなる欠点
があり、フツ燐酸塩系レーザーガラスは線引き時
に失当しやすくフアイバー化は困難である。ま
た、燐酸塩系レーザーガラスは珪酸塩ガラスに比
べ一般に熱膨脹係数が大きく、温度に対する粘性
の変化が急峻であるため、フアイバーの線引がむ
ずかしく、今までこれをフアイバーとした例がな
い。 本発明は、被覆用ガラスとして熱的性質がコア
の燐酸塩レーザーガラスのそれに近い燐酸塩系ガ
ラスを用いることによつて、光学的品質の良好な
長尺の燐酸塩レーザーガラスフアイバーを得るこ
とに成功したものである。 すなわち、本発明はモル％表示でP2O5 45〜70
％、Al2O3 ４〜20％、SiO2 ０〜20％、R″O
（MgO、CaO、SrO、BaO、ZnOおよびPbOの１
種又は２種以上を指す）０〜35％、R′2O（Li2O、
Na2OおよびK2Oの１種又は２種以上を指す）０
〜30％、R″O＋R′2O ４〜45％、Nd2O3 0.1〜12
％、Y2O3、La2O3、TiO2、ZrO2、Nb2O5および
Ta2O5の１種又は２種以上０〜15％、CeO2 ０〜
１％からなる燐酸塩レーザーガラスをコアーと
し、これをこのガラスより屈折率が低く、モル％
表示で、D2O5 45〜70％、Al2O3 ４〜20％、
SiO2 ０〜20％、B2O3 ０〜13％、R″O ０〜35
％、R′2O ０〜30％、R″O＋R′2O ４〜45％、
Y2O3、La2O3、TiO2、7rO2、Nb2O5および Ta2O5の１種又は２種以上 ０〜５％、CeO2
０〜１％からなる燐酸塩ガラスで被覆したフアイ
バーであつて、レーザー発振波長1.054μmにおい
て多モードフアイバーであることを特徴とする燐
酸塩レーザーガラスフアイバーを提供し、またこ
のフアイバーを複数本束ねて両端を固着し、その
両端面が研磨されていることを特徴とする燐酸塩
レーザーガラスフアイバーを提供する。 上記フアイバーでは、コアーのレーザーガラス
がこれより低屈折率のガラスで被覆保護されてい
るので、ロツドや板状の場合のようにレーザーガ
ラス表面に塵等が付かないようにするための注意
も特には必要でなく、さらに、フアイバーが屈曲
しても発振レーザー光をフアイバー内に閉じ込め
て伝搬することができる。 フアイバーは被覆ガラスの厚さが薄く、又レー
ザーガラスと被覆ガラスとの屈折率差が大きい方
が、高い励起効率と大きな出力を得るうえで有効
である。 フアイバーは、その径が0.5mm以下であること
が望ましく、これ以上になると可撓性が低下し、
バンドルにした場合、励起及び冷却の効率が低下
する。 フアイバー束の両端は接着剤で固着するか、被
覆ガラス又は別の低融点ガラスで溶着固定される
が、前者は作製が容易であり、後者は安定で大出
力発振しても損傷することはない。 フアイバーレーザーを励起する方法として、励
起光をフアイバーの端面から入射させる端面励起
法とフアイバー側面から照射する側面励起法があ
り、本発明のフアイバーではいずれも可能である
が、端面励起法ではフアイバーの長さの効果があ
るので、ネオジウム濃度が比較的低いレーザーガ
ラスフアイバーが有効であり、一方、側面励起法
では活性部が細径で光励起がネオジウム濃度の影
響を受けないので、活性イオンの多い高濃度の方
がむしろ有効である。 〔作 用〕 本発明による燐酸塩レーザーガラスフアイバー
では、被覆用ガラスとしてコアーガラスと同じ燐
酸塩ガラスが使用され、しかも熱的性質（線膨潤
係数、転移温度、粘性）においてもコアーガラス
に適合するガラスが適宜選択されているので、融
着時の親和性が良く、界面が滑らかで光学的に良
好な長尺のフアイバーを容易に得ることができ
る。また、このものは導波路を形成しているので
回折損失が小さく、フアイバーが屈曲しても発振
への影響は小さい、さらに、本発明のレーザーガ
ラスフアイバーは多モードフアイバーであるた
め、励起光を効にコアー内に取り込め、かつ発振
光の発散を抑えて有効に伝搬することができるの
で、高効率、高出力が期待できる。 燐酸塩ガラスは一般に珪酸塩ガラスに比べ、ソ
ーラリゼーシヨンを起こしにくいが、本発明によ
る燐酸塩ガラスでは、さらにTiO2、Nb2O5、
CeO2等のソーラリゼーシヨン防止剤を加えるこ
とができるので、安定なレーザー発振を阻害し、
励起効率や出力低下の原因となる着色中心の形成
を防ぐことができる。 コアーの燐酸塩レーザーガラスはレーザー特性
に優れているだけではなく、温度に伴う光路長変
化及び非線屈折率が小さいので、励起及び出力パ
ワーを大きくすることができる。 本発明による燐酸塩レーザーガラスフアイバー
は、励起光によつてポンピングされるとレーザー
光を発振するが、体積に対して表面積が十分に大
きいことに基づく高冷却効果により、高繰返し又
は連続発振が可能となる他、多数本のフアイバー
を束ねた場合には、フアイバーに可撓性があり、
互いに離れているため、励起効率や冷却効率が低
減することがないので、各フアイバーの合計出力
として大きな出力を得ることができる。 本発明による燐酸塩レーザーガラスフアイバー
は、コアーのレーザーガラスのレーザー特性が優
れていることは勿論であるが、この他フアイバー
の線引時に失透しない耐失透性、光励起に対する
耐ソーラリゼーシヨン性に優れ、また実用フアイ
バーとして必要な化学耐久性と機械的性質を兼ね
備えている。従つて、本発明によるフアイバー用
ガラスはれこらの性質によつて組成限定されるも
のである。 すなわち、本発明においてコアガラスおよびク
ラツドガラスに使用される燐酸塩ガラスにあつ
て、P2O5が45％以下では優れたレーザー特性が
得られず、また化学耐久性も特に耐酸性が悪くな
る。一般にP2O5濃度は高い方がレーザー特性は
良いが、70％以上では失透しやすく、化学耐久性
も悪くなる。 Al2O3は化学耐久性を良くする成分であり、４
％以上必要であるが、20％以上になると失透しや
すくなる。 SiO2はガラスの強度を向上させる成分である
が、20％以上加えるとレーザー特性が低下し、化
学耐久性も悪くなる。 B2O3はガラスの失透を抑制し、屈折率を下げ
る作用があるので、クラツドガラスには13％まで
加えることができる。13％以上では逆に失透しや
すくなる。またコアーガラスでは、B2O3は多フ
オノン緩和確率を増大させ、非輻射遷移の割合を
大きくし、螢光寿命と短かくするので、B2O3の
存在は好ましくない。 R″O（MgO、CaO、SrO、BaO、ZnOおよび
PbOの１種又は２種以上）とR′2O（Li2O、Na2O
およびK2Oの１種又は２種以上）は、網目修飾成
分として加えられるが、これらの合量が４％以下
では安定なガラスは得られず、又45％以上ではレ
ーザー特性が悪くなると共に化学耐久性が低下
し、屈折率も高くなる。そしてR″Oが35％以上、
R′2Oが30％以上ではレーザー特性及び化学耐久
性が低下してしまう。 Nd2O3はレーザー活性イオンであり、、コア用
ガラスには必須であるが、0.1％以下では大きな
出力が得られず、12％以上では濃度が高すぎ、レ
ーザー特性がむしろ低下してしまう。 Y2O3、La2O3、TiO2、ZrO2、Nb2O5および
Ta2O5の１種又は２種以上は、ガラスの屈折率を
高め、化学耐久性と機械的性質を向上させる効果
がある。従つてコアーガラスには主として屈折率
を高め、フアイバーの開口数を大きくするために
15モル％まで加えることができるが、これ以上で
は螢光強度が小さくなり、又失透しやすくなる。
被覆用ガラスには、化学耐久性と機械的性質を向
上させる目的で５モル％まで加えることができる
が、これ以上加えても屈折率が高くなつてしまう
だけである。またソーラリゼーシヨンを防止する
うえでTiO2、Nb2O5、CeO2などを加えることが
好ましいが、CeO2は１モル％以上ではガラスが
横色に着色したので好ましくない。 本発明のレーザーガラスフアイバーでは、クラ
ツドガラスの屈折率がコアーガラスのそれより低
くなければならないが、この要件はコアーおよび
クラツドの両ガラスを必須成分だけで構成させる
場合でも、コアーガラスには必ずNd2O3が含ま
れ、クラツドガラスはこれを含まないので、実現
可能である。このほか、例えば次のようにしてク
ラツドガラスの屈折率をコアーガラスより低くす
ることができる。 (1) P2O5＋Al2O3量を増加させる。 (2) MgO量を増加させる。 (3) K2O量を増加させる。 (4) コアーのSiO2をAl2O3およびMgOで置き換
える。 本発明によるフアイバーは高出力を得ることを
目的とするものであり、このためには、励起光を
効率よく取り込め、かつ発振レーザー光を効率よ
く伝搬しうる多モードフアイバーがよい。フアイ
バーの径は特に限定しないが、バンドルにした時
に励起及び冷却を効果的に行うには可撓性が必要
であり、この点からみて0.5mm以下が好ましい。
またフアイバーを束ねて作られるバンドルの径及
び長さは、励起光源の長さや本数及びキヤビテイ
の構造等によつて二次的に決められるものであ
り、励起が十分に行きわたれば、フアイバーが多
数本で、また長い方が大きな出力が得られる。 〔実施例〕 本発明によるフアイバーの実施例を次表に示
す。 これらの実施例のガラスは原料として正燐酸又
は各種燐酸塩、Al（OH）3、H3BO3、その他酸化
物、炭酸塩、硝酸塩を用い、各組成比からなる原
料を混合して1250〜1400℃で溶融して得た。コア
ーのレーザーガラスのレーザー特性として、誘導
放出断面積と螢光寿命を示したが、誘導放出断面
積は珪酸塩レーザーガラスに比べ大きく、螢光寿
命も比較的長く優れた特性を有する。また各実施
例のフアイバーは規格化周波数が2.405以上の値
となつており、全て多モードフアイバーであり、
又十分な可撓性を有する。 次に実施例１に示すフアイバーの作製方法とそ
のレーザー発振特性を記す。 表−１に示されるコアガラス及びクラツドガラ
スの各々の組成比からなる原料混合物、２リツト
ルの白金ポツトで1250〜1300℃の温度で溶解した
後、金型に流し込み厚さ約50mmの板状に成型し徐
冷した。これらを所定の大きさに切断した後、コ
アー用レーザーガラスは直径13.5mm、長さ130mm
のロツドに、クラツド用のガラスは外径40mm、内
径32mm、長さ120mmのパイプ状に各々研磨加工し
た。ロツドをパイプ内に挿入し、線引炉内にセツ
トしてから730℃まで昇温し、線引速度50m／
minで線引してドラムに巻き取り、直径100μmの
フアイバー約3000m得た。このフアイバーは図面
に示す如く、Ａ＝100μm、B80μmの寸法と屈折
率分布を有するフアイバーであつた。図中、１は
コアーを、２はクラツドを示す。 次に、このフアイバーを28cm長に切断し、この
7200本を束ねて両端部にエポキシ系の接着剤をつ
けて口金に挿入して両端部を固着した後、両端面
を研磨して長さ25cm、フアイバー部の計4.1mmの
フアイバーバンドルを得た。 このフアイバーバンドルを水冷しながらクリプ
トンアークランプで励起したところ、入力35kw
に対して出力30wの安定な連続発振を得た。発振
レーザービームはガウシアンビームで非常に良い
ビーム品質であつたが、これは１本１本のフアイ
バーが同じように発振していることを示すもので
ある。また、実施例２〜５のフアイバーバンドル
でも同等の発振性能を得た。
用される多モードフアイバー及びそのハンドルに
関するものであつて、特にレーザー加工に好適な
高出力で高繰返し又は連続発振可能な燐酸塩レー
ザーガラスフアイバーに係る。 〔従来の技術〕 Ndイオンをレーザー活性体として含む代表的
レーザー材料に、YAG結晶と珪酸塩及び燐酸塩
のガラスがある。 レーザーガラスはYAGレーザー結晶に比べ、
組成や形状を自由に選べる、均質で大きなものが
得られる。低コストで生産できる等、ガラス特有
の利点がある反面、熱伝導率が１桁程小さく、光
励起によつて生じる非輻射遷移に起因する急激な
温度上昇で破壊しやすいという利点があり、大出
力の高繰返し又は連続発振ができないものとされ
て来た。このため、高繰返しを必要とするレーザ
ー加工には、YAGレーザーが主として使用され、
ガラスレーザーは、単位長さ当たりの利得が大き
いという特徴を活かして、主に大出力レーザー核
融合装置の増幅器用として使われていた。 もつとも、ガラスレーザーにおいても、冷却効
率を向上させて高繰返し又は連続発振を可能とし
たものが知られている。その１つは、レーザーガ
ラスを薄い板状にして表面積を増大させ、冷却効
果を高めたもので、この態様では10pps程度の繰
返し発振が可能である。しかし、これ以上の高速
発振は困難であり、しかも発振レーザー光を集光
するには特別なレンズを必要とする。 もう１つは、ガラスを細い棒状にしたもので、
この態様は体積に比較して表面積が一層大きく、
従つて冷却効果が高いので高繰返し又は連続発振
を行わせることができる。この場合、棒を細くす
ればする程熱応力は小さくなり割れにくくなる
が、回折による損失が増大し、効率及び出力が小
さくなる。また、レーザーガラスより屈折率の低
いガラスで被覆することによつて導波路構造を形
成し、直径１〜２mmの細いロツドにして回折損失
の増加を抑え、励起光のパワー密度を上げたもの
もあるが、これは可撓性を備える程径が細くない
ので、束ねると冷却及び励起の効率が低下してし
まう。 フアイバーは、これをさらに細径にしたもので
あるが、従来のレーザーガラスフアイバーは、す
べて珪酸塩ガラで作製されている。珪酸塩ガラス
フアイバーの作製は容易であるが、キセノンやク
リプトンランプによる光励起によつてソーラリゼ
ーシヨンが起り易く、レーザー出力が安定しない
欠点がある。また、ソーラリゼーシヨンを抑える
ためには、紫外線を吸収するフイルターを必要と
し、その分、高強度の励起光が必要とされる。す
なわち、ソーラリゼーシヨンは、効率の低下のみ
ならず、発振の不安定および停止を引き起こすも
のであり、今までに満足すべきフアイバーレーザ
ーが実用化されていないのも、ここに原因があ
る。 〔発明が解決しようとする問題点〕 従来のガラスレーザーでは、高繰返し又は連続
発振が不可能であるか、たとえ連続発振ができて
も大出力と安定な動作はできなかつた。 本発明はこれらの従来のガラスレーザーの欠点
と解消すべくなされたものであり、連続発振が可
能でかつ、長期間安定な大出力が期待できるガラ
スレーザ用フアイバーを提供することを目的とす
る。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は上記の目的を達成するためになされた
ものであり、誘導放出断面積が大きく、発振閾値
が低く、高利得である等の優れたレーザー特性
と、安定な大出力発振に必要な優れたアサーマリ
テイ（温度に伴う光路長変化が小さい）と、耐ソ
ーラリゼーシヨン性及び低い非線形屈折率（レー
ザー光が自己集束しにくい）特性を有し、さらに
高濃度にNd2O3をドープしても螢光の濃度消光が
起りにくい特性を備えた燐酸塩レーザーガラスを
コアとし、これをより屈折率の低い燐酸塩ガラス
で被覆したフアイバーは、大出力で安定な室温連
続発振が可能であること、また、これらを束ねた
フアイバーバンドルは可撓性があるので、冷却効
果と励起効率を低下させることなく各フアイバー
の出力を合せた大きな出力を長期間連続発振させ
ることができることを見い出してなつたものであ
る。 レーザーガラスとしては、主に珪酸塩系、燐酸
塩系及びフツ燐酸塩系が知られているが、珪酸塩
ガラス系レーザーガラスはフアイバーレーザーと
した場合、ソーラリゼーシヨンが著しくなる欠点
があり、フツ燐酸塩系レーザーガラスは線引き時
に失当しやすくフアイバー化は困難である。ま
た、燐酸塩系レーザーガラスは珪酸塩ガラスに比
べ一般に熱膨脹係数が大きく、温度に対する粘性
の変化が急峻であるため、フアイバーの線引がむ
ずかしく、今までこれをフアイバーとした例がな
い。 本発明は、被覆用ガラスとして熱的性質がコア
の燐酸塩レーザーガラスのそれに近い燐酸塩系ガ
ラスを用いることによつて、光学的品質の良好な
長尺の燐酸塩レーザーガラスフアイバーを得るこ
とに成功したものである。 すなわち、本発明はモル％表示でP2O5 45〜70
％、Al2O3 ４〜20％、SiO2 ０〜20％、R″O
（MgO、CaO、SrO、BaO、ZnOおよびPbOの１
種又は２種以上を指す）０〜35％、R′2O（Li2O、
Na2OおよびK2Oの１種又は２種以上を指す）０
〜30％、R″O＋R′2O ４〜45％、Nd2O3 0.1〜12
％、Y2O3、La2O3、TiO2、ZrO2、Nb2O5および
Ta2O5の１種又は２種以上０〜15％、CeO2 ０〜
１％からなる燐酸塩レーザーガラスをコアーと
し、これをこのガラスより屈折率が低く、モル％
表示で、D2O5 45〜70％、Al2O3 ４〜20％、
SiO2 ０〜20％、B2O3 ０〜13％、R″O ０〜35
％、R′2O ０〜30％、R″O＋R′2O ４〜45％、
Y2O3、La2O3、TiO2、7rO2、Nb2O5および Ta2O5の１種又は２種以上 ０〜５％、CeO2
０〜１％からなる燐酸塩ガラスで被覆したフアイ
バーであつて、レーザー発振波長1.054μmにおい
て多モードフアイバーであることを特徴とする燐
酸塩レーザーガラスフアイバーを提供し、またこ
のフアイバーを複数本束ねて両端を固着し、その
両端面が研磨されていることを特徴とする燐酸塩
レーザーガラスフアイバーを提供する。 上記フアイバーでは、コアーのレーザーガラス
がこれより低屈折率のガラスで被覆保護されてい
るので、ロツドや板状の場合のようにレーザーガ
ラス表面に塵等が付かないようにするための注意
も特には必要でなく、さらに、フアイバーが屈曲
しても発振レーザー光をフアイバー内に閉じ込め
て伝搬することができる。 フアイバーは被覆ガラスの厚さが薄く、又レー
ザーガラスと被覆ガラスとの屈折率差が大きい方
が、高い励起効率と大きな出力を得るうえで有効
である。 フアイバーは、その径が0.5mm以下であること
が望ましく、これ以上になると可撓性が低下し、
バンドルにした場合、励起及び冷却の効率が低下
する。 フアイバー束の両端は接着剤で固着するか、被
覆ガラス又は別の低融点ガラスで溶着固定される
が、前者は作製が容易であり、後者は安定で大出
力発振しても損傷することはない。 フアイバーレーザーを励起する方法として、励
起光をフアイバーの端面から入射させる端面励起
法とフアイバー側面から照射する側面励起法があ
り、本発明のフアイバーではいずれも可能である
が、端面励起法ではフアイバーの長さの効果があ
るので、ネオジウム濃度が比較的低いレーザーガ
ラスフアイバーが有効であり、一方、側面励起法
では活性部が細径で光励起がネオジウム濃度の影
響を受けないので、活性イオンの多い高濃度の方
がむしろ有効である。 〔作 用〕 本発明による燐酸塩レーザーガラスフアイバー
では、被覆用ガラスとしてコアーガラスと同じ燐
酸塩ガラスが使用され、しかも熱的性質（線膨潤
係数、転移温度、粘性）においてもコアーガラス
に適合するガラスが適宜選択されているので、融
着時の親和性が良く、界面が滑らかで光学的に良
好な長尺のフアイバーを容易に得ることができ
る。また、このものは導波路を形成しているので
回折損失が小さく、フアイバーが屈曲しても発振
への影響は小さい、さらに、本発明のレーザーガ
ラスフアイバーは多モードフアイバーであるた
め、励起光を効にコアー内に取り込め、かつ発振
光の発散を抑えて有効に伝搬することができるの
で、高効率、高出力が期待できる。 燐酸塩ガラスは一般に珪酸塩ガラスに比べ、ソ
ーラリゼーシヨンを起こしにくいが、本発明によ
る燐酸塩ガラスでは、さらにTiO2、Nb2O5、
CeO2等のソーラリゼーシヨン防止剤を加えるこ
とができるので、安定なレーザー発振を阻害し、
励起効率や出力低下の原因となる着色中心の形成
を防ぐことができる。 コアーの燐酸塩レーザーガラスはレーザー特性
に優れているだけではなく、温度に伴う光路長変
化及び非線屈折率が小さいので、励起及び出力パ
ワーを大きくすることができる。 本発明による燐酸塩レーザーガラスフアイバー
は、励起光によつてポンピングされるとレーザー
光を発振するが、体積に対して表面積が十分に大
きいことに基づく高冷却効果により、高繰返し又
は連続発振が可能となる他、多数本のフアイバー
を束ねた場合には、フアイバーに可撓性があり、
互いに離れているため、励起効率や冷却効率が低
減することがないので、各フアイバーの合計出力
として大きな出力を得ることができる。 本発明による燐酸塩レーザーガラスフアイバー
は、コアーのレーザーガラスのレーザー特性が優
れていることは勿論であるが、この他フアイバー
の線引時に失透しない耐失透性、光励起に対する
耐ソーラリゼーシヨン性に優れ、また実用フアイ
バーとして必要な化学耐久性と機械的性質を兼ね
備えている。従つて、本発明によるフアイバー用
ガラスはれこらの性質によつて組成限定されるも
のである。 すなわち、本発明においてコアガラスおよびク
ラツドガラスに使用される燐酸塩ガラスにあつ
て、P2O5が45％以下では優れたレーザー特性が
得られず、また化学耐久性も特に耐酸性が悪くな
る。一般にP2O5濃度は高い方がレーザー特性は
良いが、70％以上では失透しやすく、化学耐久性
も悪くなる。 Al2O3は化学耐久性を良くする成分であり、４
％以上必要であるが、20％以上になると失透しや
すくなる。 SiO2はガラスの強度を向上させる成分である
が、20％以上加えるとレーザー特性が低下し、化
学耐久性も悪くなる。 B2O3はガラスの失透を抑制し、屈折率を下げ
る作用があるので、クラツドガラスには13％まで
加えることができる。13％以上では逆に失透しや
すくなる。またコアーガラスでは、B2O3は多フ
オノン緩和確率を増大させ、非輻射遷移の割合を
大きくし、螢光寿命と短かくするので、B2O3の
存在は好ましくない。 R″O（MgO、CaO、SrO、BaO、ZnOおよび
PbOの１種又は２種以上）とR′2O（Li2O、Na2O
およびK2Oの１種又は２種以上）は、網目修飾成
分として加えられるが、これらの合量が４％以下
では安定なガラスは得られず、又45％以上ではレ
ーザー特性が悪くなると共に化学耐久性が低下
し、屈折率も高くなる。そしてR″Oが35％以上、
R′2Oが30％以上ではレーザー特性及び化学耐久
性が低下してしまう。 Nd2O3はレーザー活性イオンであり、、コア用
ガラスには必須であるが、0.1％以下では大きな
出力が得られず、12％以上では濃度が高すぎ、レ
ーザー特性がむしろ低下してしまう。 Y2O3、La2O3、TiO2、ZrO2、Nb2O5および
Ta2O5の１種又は２種以上は、ガラスの屈折率を
高め、化学耐久性と機械的性質を向上させる効果
がある。従つてコアーガラスには主として屈折率
を高め、フアイバーの開口数を大きくするために
15モル％まで加えることができるが、これ以上で
は螢光強度が小さくなり、又失透しやすくなる。
被覆用ガラスには、化学耐久性と機械的性質を向
上させる目的で５モル％まで加えることができる
が、これ以上加えても屈折率が高くなつてしまう
だけである。またソーラリゼーシヨンを防止する
うえでTiO2、Nb2O5、CeO2などを加えることが
好ましいが、CeO2は１モル％以上ではガラスが
横色に着色したので好ましくない。 本発明のレーザーガラスフアイバーでは、クラ
ツドガラスの屈折率がコアーガラスのそれより低
くなければならないが、この要件はコアーおよび
クラツドの両ガラスを必須成分だけで構成させる
場合でも、コアーガラスには必ずNd2O3が含ま
れ、クラツドガラスはこれを含まないので、実現
可能である。このほか、例えば次のようにしてク
ラツドガラスの屈折率をコアーガラスより低くす
ることができる。 (1) P2O5＋Al2O3量を増加させる。 (2) MgO量を増加させる。 (3) K2O量を増加させる。 (4) コアーのSiO2をAl2O3およびMgOで置き換
える。 本発明によるフアイバーは高出力を得ることを
目的とするものであり、このためには、励起光を
効率よく取り込め、かつ発振レーザー光を効率よ
く伝搬しうる多モードフアイバーがよい。フアイ
バーの径は特に限定しないが、バンドルにした時
に励起及び冷却を効果的に行うには可撓性が必要
であり、この点からみて0.5mm以下が好ましい。
またフアイバーを束ねて作られるバンドルの径及
び長さは、励起光源の長さや本数及びキヤビテイ
の構造等によつて二次的に決められるものであ
り、励起が十分に行きわたれば、フアイバーが多
数本で、また長い方が大きな出力が得られる。 〔実施例〕 本発明によるフアイバーの実施例を次表に示
す。 これらの実施例のガラスは原料として正燐酸又
は各種燐酸塩、Al（OH）3、H3BO3、その他酸化
物、炭酸塩、硝酸塩を用い、各組成比からなる原
料を混合して1250〜1400℃で溶融して得た。コア
ーのレーザーガラスのレーザー特性として、誘導
放出断面積と螢光寿命を示したが、誘導放出断面
積は珪酸塩レーザーガラスに比べ大きく、螢光寿
命も比較的長く優れた特性を有する。また各実施
例のフアイバーは規格化周波数が2.405以上の値
となつており、全て多モードフアイバーであり、
又十分な可撓性を有する。 次に実施例１に示すフアイバーの作製方法とそ
のレーザー発振特性を記す。 表−１に示されるコアガラス及びクラツドガラ
スの各々の組成比からなる原料混合物、２リツト
ルの白金ポツトで1250〜1300℃の温度で溶解した
後、金型に流し込み厚さ約50mmの板状に成型し徐
冷した。これらを所定の大きさに切断した後、コ
アー用レーザーガラスは直径13.5mm、長さ130mm
のロツドに、クラツド用のガラスは外径40mm、内
径32mm、長さ120mmのパイプ状に各々研磨加工し
た。ロツドをパイプ内に挿入し、線引炉内にセツ
トしてから730℃まで昇温し、線引速度50m／
minで線引してドラムに巻き取り、直径100μmの
フアイバー約3000m得た。このフアイバーは図面
に示す如く、Ａ＝100μm、B80μmの寸法と屈折
率分布を有するフアイバーであつた。図中、１は
コアーを、２はクラツドを示す。 次に、このフアイバーを28cm長に切断し、この
7200本を束ねて両端部にエポキシ系の接着剤をつ
けて口金に挿入して両端部を固着した後、両端面
を研磨して長さ25cm、フアイバー部の計4.1mmの
フアイバーバンドルを得た。 このフアイバーバンドルを水冷しながらクリプ
トンアークランプで励起したところ、入力35kw
に対して出力30wの安定な連続発振を得た。発振
レーザービームはガウシアンビームで非常に良い
ビーム品質であつたが、これは１本１本のフアイ
バーが同じように発振していることを示すもので
ある。また、実施例２〜５のフアイバーバンドル
でも同等の発振性能を得た。
【表】
実施例でも示したように、本発明のフアイバー
バンドルによれば、従来ガラスレーザーでは実現
できなかつた高出力で安定な連続発振を実現でき
たが、これはフアイバーの優れた冷却効率ばかり
ではなく、本発明によるフアイバーがレーザー特
性、光学的性質、耐ソーラリゼーシヨン性、化学
耐久性、機械的性質が優れているためであり、こ
れらの優れた特性、性質に兼ね備えた本発明のフ
アイバーでこそ実現されるものである。 本発明によるフアイバーはフアイバーバンドル
の径を太くすれば、更に大きな出力を容易に得る
ことができ、またエネルギー伝送用のフアイバー
との接続やレンズによる集光も容易であるため、
今までガラスレーザーが適用できなかつたレーザ
ー加工機や医療用レーザーとして応用することが
できる。さらに、また本発明によるフアイバーバ
ンドルは、優れた増幅特性を有するので、増幅装
置としても使用することができる。
バンドルによれば、従来ガラスレーザーでは実現
できなかつた高出力で安定な連続発振を実現でき
たが、これはフアイバーの優れた冷却効率ばかり
ではなく、本発明によるフアイバーがレーザー特
性、光学的性質、耐ソーラリゼーシヨン性、化学
耐久性、機械的性質が優れているためであり、こ
れらの優れた特性、性質に兼ね備えた本発明のフ
アイバーでこそ実現されるものである。 本発明によるフアイバーはフアイバーバンドル
の径を太くすれば、更に大きな出力を容易に得る
ことができ、またエネルギー伝送用のフアイバー
との接続やレンズによる集光も容易であるため、
今までガラスレーザーが適用できなかつたレーザ
ー加工機や医療用レーザーとして応用することが
できる。さらに、また本発明によるフアイバーバ
ンドルは、優れた増幅特性を有するので、増幅装
置としても使用することができる。
図面は、本発明における実施例１のフアイバー
につき、その構造と屈折率分布を示す説明図であ
る。 １…コアーガラス、２…クラツドガラス。
につき、その構造と屈折率分布を示す説明図であ
る。 １…コアーガラス、２…クラツドガラス。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ モル％表示でP2O5 45〜70％、Al2O2 ４〜20
％、SiO2 ０〜20％、R″O（MgO、CaO、SrO、
BaO、ZnOおよびPbOの１種又は２種以上を指
す。以下同じ）０〜35％、R′2O（Li2O、Na2Oお
よびK2Oの１種又は２種以上を指す。以下と同
じ）０〜30％、R″O＋R′2O ４〜45％、Nd2O3
0.1〜12％、Y2O3、La2O3、TiO2、ZrO2、Nb2O5
およびTa2O5の１種又は２種以上０〜15％、
CeO2 ０〜１％からなる燐酸塩レーザーガラスを
コアーとし、、このコアーガラスより屈折率が低
く、モル％表示で P2O5 45〜70％、Al2O3 ４〜20％、SiO2 ０〜
20％、B2O3 ０〜13％、R″O ０〜35％、R′2O ０
〜30％、R″O＋R′2O ４〜45％、Y2O3、La2O3、
TiO2、ZrO2、Nb2O5およびTa2O5の１種又は２
種以上０〜５％、CeO2 ０〜１％からなる燐酸塩
ガラスで前記のコアーガラスを被覆したフアイバ
ーであつて、レーザー発振波長1.054μmにおいて
多モードフアイバーであることを特徴とする燐酸
塩レーザーガラスフアイバー。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の燐酸塩レーザー
ガラスフアイバーを複数本束ねて両端を固着し、
その両端面が研磨されていることを特徴とする燐
酸塩レーザーガラスフアイバー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61162946A JPS6321240A (ja) | 1986-07-12 | 1986-07-12 | 燐酸塩レーザーガラスファイバー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61162946A JPS6321240A (ja) | 1986-07-12 | 1986-07-12 | 燐酸塩レーザーガラスファイバー |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6321240A JPS6321240A (ja) | 1988-01-28 |
| JPH0428662B2 true JPH0428662B2 (ja) | 1992-05-14 |
Family
ID=15764264
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61162946A Granted JPS6321240A (ja) | 1986-07-12 | 1986-07-12 | 燐酸塩レーザーガラスファイバー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6321240A (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4996172A (en) * | 1989-06-29 | 1991-02-26 | Corning Incorporated | Rare earth-containing zinc phosphate glasses |
| US5053165A (en) * | 1989-07-26 | 1991-10-01 | Hoya Optics, Inc. | Glass of improved thermal shock resistance for high average power solid state laser system |
| JP2003258350A (ja) | 2002-02-27 | 2003-09-12 | Nec Corp | 複合レーザロッド、並びにその製造方法およびそれを用いたレーザ装置 |
| DE10239572B3 (de) | 2002-08-23 | 2004-01-08 | Schott Glas | Blei- und vorzugsweise arsen-freie optische Schwerkrongläser sowie deren Verwendung |
| US7046712B2 (en) * | 2003-05-02 | 2006-05-16 | Jds Uniphase Corporation | Laser resistant to internal ir-induced damage |
| EP1555247A1 (de) | 2004-01-16 | 2005-07-20 | Schott AG | Optisches Glas insbesondere für blankgepresste optische Elemente |
| US8526475B2 (en) * | 2010-08-06 | 2013-09-03 | Schott Corporation | Broadening of rare earth ion emission bandwidth in phosphate based laser glasses |
| US8486850B2 (en) * | 2010-09-13 | 2013-07-16 | Schott Corporation | Aluminophosphate glass composition |
| CN103880290B (zh) * | 2012-12-19 | 2016-10-05 | 辽宁省轻工科学研究院 | 一种高膨胀系数铜封接玻璃粉的制备方法及其应用 |
-
1986
- 1986-07-12 JP JP61162946A patent/JPS6321240A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6321240A (ja) | 1988-01-28 |
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