JPS6321240A

JPS6321240A - 燐酸塩レーザーガラスファイバー

Info

Publication number: JPS6321240A
Application number: JP61162946A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Yamashita; 俊晴山下; Tetsuo Izumitani; 泉谷　徹郎; Isao Masuda; 勲増田; Hidemi Tajima; 田島　英身; Minoru Tokita; 時田　稔
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1986-07-12
Filing date: 1986-07-12
Publication date: 1988-01-28
Also published as: JPH0428662B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は、ガラスファイバーレーザーとして使用される
多モードファイバー及びそのハンドルに関するものであ
って、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Ｍ塩レーザーガラスファイバーに係る
。

［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、光励起によって生じる非輻射遷
移に起因する急激な温麿上昇で破壊しやすいという欠点
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。

もっとも、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ｐＪ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
て表面積を増大さぜ、冷却効果を高めたもので、この態
様では１ｏｐｐｓ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ぎく、従って冷却効果
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、回折ににる損失が増大し、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って導波路構造を形成
し、直径１〜２ｍｎ＋の細いロッドにして回折損失の増
加を抑え、励起光のパワー密度を１−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トしてしまう。

ファイバーは、これをざらに細径にしたものであるが、
従来のレーザーガラスファイバーは、すべて珪Ｍ塩ガラ
スで作製されている。珪酸塩ガラスファイバーの作製は
容易１あるが、キセノンやクリプトンランプによる光励
起によってソーラリゼーションが起り易く、レーザー出
力が安定しない欠点がある。また、ソーラリゼーション
を抑えるためには、紫外線を吸収するフィルターを必要
とし、その分、高強度の励起光が必要とされる。

すなわち、ソーラリゼーションは、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ァ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
な動作はできなかった。

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ー用ファイバ
ーを提供することを目的とする。

−５＝ｒ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−マリティ（濃度に伴う光路長変化が
小さい）と、耐ソーラリゼーショ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Ｎｄ２Ｏ２をドープしても蛍光の濃度消光
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
ファイバーは、大出力で安定な室温連続発振が可能であ
ること、また、これらを束ねたファ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
なく各ファイバーの出力を合せた大きな出ノ〕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ったも
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
フッ燐酸塩系が知られているが、珪酸塩系レーザーガラ
スはファイバーレーザーとした場合、ソーラリゼーショ
ンが著しくなる欠点があり、フッ燐酸塩系レーザーガラ
スは線引き時に失当しやすくファ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系ガラスに比
べ一般に熱膨張係数が大きく、温度に対する粘性の変化
が急峻であるため、ファイバーの線引がむずかしく、今
までこれをファ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
とによって、光学的品質の良好な長尺の燐酸塩レーザー
ガラスファ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Ｐ２Ｏ５４５〜７０％
、Ａｊ２Ｏ３４〜２０％、ＳｉＯ２０〜２０％、Ｒ″Ｏ
（ＭｑＯ，ＣａＯ、Ｓｒ０，１３ａｏ、ＺｎＯおよびＰ
ｂＯの１種又は２種以上を指す）０〜３５％、Ｒ’　２
０　（Ｉ−１２０ｚ　Ｎａ？ＯＡ３よびＫ２Ｏの１種又
は２種以上を指す）０〜３０％、Ｒ″Ｏ＋Ｒ′２０４〜
４５％、Ｎ６２０１１　０．１〜ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５
およびＴａ２０５の１種又は２種以上　０〜１５％、Ｃ
ｅＯ２０〜１％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、Ｐ２Ｏ５４５〜７０％、ＡｆｆｐＯ：＋　　４〜２
０％、５ｉＯｚＯ〜２０％、Ｂ２Ｏ３　０〜１３％、Ｒ
１００〜３５％、Ｒ′２Ｏ０〜３０％、Ｒ″０十ＲＩ　
２０　４〜４５％、Ｙ２０３　、Ｌａ２Ｏ３、ＴｉＯ２
、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５およびＴａ２０５の１種又は２
種以上　０〜５％、ＣｅＯ２０〜１％からなる燐酸塩ガ
ラスで被覆したファイバーであって、レーザー発振波長
１．０５４μｍにおいて多モードファイバーであること
を特徴とする高繰返し又は連続発振可能な高出力用燐酸
塩レーザーガラスファイバーを提供し、またこのファイ
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高出力で高繰返し、又は連続
発振が可能なｗ４酸塩レーザーガラスファイバーバンド
ルを提供Ｊる。

上記のファイバーでは、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、ロッ
ドや板状の場合のようにレーザーガラス表面に塵等が句
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、ファイバーが屈曲しても発振レーザー光をファイバ
ー内に閉じ込めて伝搬することができる。

ファ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。

ファイバーは、その径がｏ、５ｍｍ以下であることが望
ましく、これ以上になると可換性が低下し、バンドルに
した場合、励起及び冷却の効率が低下する。

ファ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。

ファイバーレーザーを励起する方法として、励起光をフ
ァイバーの端面から入射さゼる端面励起法とファイバー
側面から照射する側面励起法があり、本発明のファイバ
ーではいずれも可能であるが、端面励起法ではファイバ
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ァ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ァイバーでは、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ァ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、ファ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ァイバーは多モー
ドファイバーであるため、励起光を有効に］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
ーショ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Ｔ　ｉ　０２、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２等の
ソーラリゼーシ」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
いるだりではなく、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とること
ができる。

本発明による燐酸塩レーザーガラスファイバーは、励起
光によってボ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、
多数本のファイバーを束ねた場合には、ファイバーに可
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、各ファイバーの合計出力
として大ぎ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ァイバーは、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、この他ファ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ョン性に優
れ、また実用ファ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。従って、本発明によるファイ
バー用ガラスはれこらの性質ににっ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ッドガ
ラスに使用される燐酸塩ガラスにあって、Ｒ２０５が４
５％以１・では優れたレーザー特性が得られず、また化
学耐久性ら特に耐酸性が悪くなる。

一般にＲ２０５８度は高いｈ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。

Ａｊ２Ｏ３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、２
０％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。

Ｒ２０３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、クラッドガラスには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、Ｂ２０３は多フォノン緩和確率を増
大させ、非輻射遷移の割合を大きくし、蛍光寿命と短か
くするので、Ｂ２Ｏ３の存在は好ましくない。

Ｒ２Ｏ（Ｍａｃ、ＣａｂＳＳ　ｒｏ、Ｂａｄ。

ＺｎＯおよびＰｂＯの１種又は２種以上）とＲ’？０（
Ｌｉ２０．Ｎｄｚ０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Ｒ２Ｏが３５％以上、Ｒ′２
０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。

Ｎｄｚ　０３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ｓ麿が高すぎ、レーザー特性が
むしろ低下してしまう。

Ｙ２０３　、Ｌａ２Ｏ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２
Ｏ５およびＴａ２’ｓ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」−させる
効果がある。従ってコアーガラスには主として屈折率を
高め、ファイバーの開口数を大ぎくするために１５モル
％まで加えることができるが、これ以上では蛍光強度が
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
くなってしまうだけである。またソーラリゼーションを
防止するうえでＴ　ｉ　０２、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２な
どを加えることが好ましいが、ＣｅＯ２は１モル％以上
ではガラスが黄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ァイバーでは、クラッドガラ
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］アーおよびクラッドの両ガラスを
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、クラッ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
にしてクラッ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）Ｐ２０Ｓ　＋Ａ！２Ｏ３量を増加させる。

（２）ＭｇＯ量を増加させる。

（３）　Ｋ２０量を増加させる。

（４）コアーのＳｔＯ？をＡＩｌ？０３およびＭＣｌ０
で置き換える。

本発明によるファ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
ファイバーがよい。ファ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。

またファ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ャビティの構造等によ
って一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、ファイバーが多数本で、また長い方が大きな
出力が得られる。

［実施例］本発明によるファ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、Ａｊ２　（ＯＨ）３　、）−１３ＢＯ３、ソの他
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
面積と蛍光寿命を示したが、誘導放出断面積は珪酸塩レ
ーザーガラスに比べ大きく、蛍光寿命も比較的長く優れ
た特性を有する。また各実施例のファイバーは規格化周
波数が２．４０５以上の値となっており、全て多モード
ファイバーであり、又十分な可撓性を有する。

次に実施例１に示すファ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ッドガラスの各々
の組成比からなる原料混合物を、２リツトルの白金ポッ
トで１２５０〜１３００°Ｃ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のロッドに
、クラッド用のガラスは外径４０ｍｍ。

内径３２ｎ＋ｎ＋、長さ１２０ｍｍのパイプ状に各々研
磨加工した。ロッドをパイプ内に挿入し、線引炉内にセ
ットしてから７３０℃まで昇温し、線引速度５０ｍ１ｍ
１ｎで線引してドラムに巻き取り、直径１００μｍのフ
ァイバーを約３０００ｍ得た。このファイバーは図面に
示す如く、Ａ＝１００μｍ、Ｂ・−８０μｍの寸法と屈
折率分布を有するファイバーであった。図中、１はコア
ーを、２はクラッドを示す。

次に、このファイバーを２８ｃｍ長に切断し、この７２
００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、ファイバ一部のｉｌ　　４．１ｍｍのファ
イバーバンドルを得た。

このファ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
３０ＩＡ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ったが
、これは１本１本のファ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のファイ
バーバンドルでも同等の発振性能を得た。（以下余白）
［発明の効果］実施例でも示したように、本発明のファイバーバンドル
によれば、従来ガラスレーザーでは実現できなかった高
出力で安定な連続発振を実現できたが、これはファイバ
ーの優れた冷却効率ばかりではなく、本発明によるファ
イバーがレーザー特性、光学的性質、耐ソーラリゼーシ
ョン性、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
ァイバーでこそ実現されるものである。

本発明によるファイバーはファ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ァ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
できなかっ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ァイ
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。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明における実施例１のファイバーにつき、
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・・・クラッドガラス。出　願　人　　ホーヤ株式会社

Claims

【特許請求の範囲】１　モル％表示でＰ＿２Ｏ＿５４５〜１０％、Ａｌ＿２
Ｏ＿３４〜２０％、ＳｉＯ＿２０〜２０％、Ｒ″Ｏ（Ｍ
ｇＯ、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（Ｌｉ＿２Ｏ、Ｎａ＿２ＯおよびＫ＿２Ｏの１種
又は２種以上を指す。以下と同じ）０〜３０％、Ｒ″Ｏ
＋Ｒ′＿２Ｏ４〜４５％、Ｎｄ＿２Ｏ＿３０．１〜１２
％、Ｙ＿２Ｏ＿３、Ｌａ＿２Ｏ＿３、ＴｉＯ＿２、Ｚｒ
Ｏ＿２、Ｎｂ＿２Ｏ＿５およびＴａ＿２Ｏ＿５の１種又
は２種以上０〜１５％、ＣｅＯ＿２０〜１％からなる燐
酸塩レーザーガラスをコアーとし、このコアガラスより
屈折率が低く、モル％表示でＰ＿２Ｏ＿５４５〜７０％、Ａｌ＿２Ｏ＿３４〜２０％
、ＳｉＯ＿２０〜２０％、Ｂ＿２Ｏ＿３０〜１３％、Ｒ
″Ｏ０〜３５％、Ｒ′＿２Ｏ０〜３０％、Ｒ″Ｏ＋Ｒ′
＿２Ｏ４〜４５％、Ｙ＿２Ｏ＿３、Ｌａ＿２Ｏ＿３、Ｔ
ｉＯ＿２、ＺｒＯ＿２、Ｎｂ＿２Ｏ＿５およびＴａ＿２
Ｏ＿５の１種又は２種以上０〜５％、ＣｅＯ＿２０〜１
％からなる燐酸塩ガラスで前記のコアーガラスを被覆し
たファイバーであって、レーザー発振波長１．０５４μ
ｍにおいて多モードファイバーであることを特徴とする
高繰返し又は連続発振可能な高出力用燐酸塩レーザーガ
ラスファイバー。２　特許請求の範囲第１項記載の燐酸塩レーザーガラス
ファ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ァイバーバンド
ル。