WO2014141766A1 - フォトニックバンドギャップファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置 - Google Patents

フォトニックバンドギャップファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置 Download PDF

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正浩 柏木
晋聖 齊藤
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株式会社フジクラ
国立大学法人北海道大学
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Definitions

  • the present invention relates to a photonic bandgap fiber capable of propagating high-power light while removing high-order mode light and propagating fundamental mode light, and a fiber laser device using the same.
  • a fiber laser device is known as one of laser devices used in the fields of processing machines, medical equipment, measuring instruments, and the like.
  • the light emitted from the amplification optical fiber may be emitted after being propagated to a desired location by the delivery fiber.
  • the light emitted from the delivery fiber may be collected by a lens, or the light may be wavelength-converted to the short wavelength side by a wavelength conversion element.
  • the light power of the fundamental mode LP01 mode
  • the light power of the higher order mode is reduced. It is preferred that the light exits from the delivery fiber.
  • a single mode fiber that propagates only light in a fundamental mode can be cited.
  • a eff the effective cross-sectional area of light
  • the optical fiber used in this attempt include a photonic band gap fiber in addition to an optical fiber in which the outer peripheral surface of a propagating core is surrounded by a clad.
  • Patent Document 1 listed below describes such a photonic bandgap fiber.
  • this photonic band gap fiber a large number of high refractive index portions are arranged in a triangular lattice shape so as to have a regular hexagonal outer shape.
  • these high refractive index portions are not arranged at the center position of the regular hexagon where the high refractive index portions are to be arranged and the positions where the six high refractive index portions surrounding the regular hexagon are to be arranged.
  • the core region is formed by a region including a position where these high refractive index portions are not disposed. That is, this photonic band gap fiber is a so-called 7-cell core type photonic band gap fiber in which a core region is formed without arranging seven high refractive index portions.
  • This photonic bandgap fiber regulates the propagation of higher-order mode light by the difference in bending loss between the fundamental mode light and the higher-order mode light generated by bending in a state bent at a predetermined bending radius. It is configured to propagate substantially only the fundamental mode.
  • the effective area of light is expressed by the following equation.
  • the electrolytic distribution in the E (r) optical fiber is indicated, and r indicates the radial distance of the optical fiber.
  • the effective area of light can be increased when the region in which the light of the optical fiber propagates is larger.
  • the photonic bandgap fiber described in Patent Document 1 has the core region formed without the seven high refractive index portions to be disposed, and therefore the area of the core region is not increased.
  • the effective sectional area of the corresponding light is used.
  • the photonic bandgap fiber described in Patent Document 1 the effective area of light cannot be sufficiently increased, and a nonlinear optical effect is obtained. There is a concern that will occur.
  • the present invention provides a photonic bandgap fiber capable of propagating light of high power while removing light of higher mode and propagating light of fundamental mode, and a fiber laser device using the photonic bandgap fiber.
  • the purpose is to provide.
  • the present inventors have determined that the area of the core region is larger than the 7-cell core type photonic band gap fiber in order to suppress the occurrence of the nonlinear optical effect. was considered to increase.
  • the six high refractive index portions are arranged. Conclusion that it is sufficient to use a 19-cell core type photonic bandgap fiber without disposing the high refractive index portion at the position where the 12 high refractive index portions surrounding the position where the refractive index portion should be disposed. It came to.
  • the core region and a number of high refractive index portions having a refractive index higher than the refractive index of the core region are arranged in a triangular lattice pattern surrounding the core region.
  • the high refractive index portions are 19-cell core type and arranged in three layers, the V value is 1.5 or more and 1.63 or less, and the relative refractive index difference of the high refractive index portion with respect to the medium is ⁇ %,
  • the lattice constant is ⁇ ⁇ m, and the predetermined bending radius is Rcm, the following expressions (1) and (2) are satisfied.
  • HOM 171.37687 + 2.093345R-0.1275714R 2
  • B HOM ⁇ 43.29906 + 0.530802R + 0.011094R 2
  • C HOM 3.48397-0.098659R + 0.000365R 2
  • D HOM ⁇ 0.09034 + 0.003584R ⁇ 0.0000348R 2
  • a FM 89.98658-2.94759R + 0.04246R 2
  • B FM ⁇ 17.3338858 + 0.743907R ⁇ 0.011185R 2
  • C FM 1.0904-0.054614R + 0.0008568R 2
  • D FM ⁇ 0.02229 + 0.001232R ⁇ 0.00002R 2 And )
  • the photonic band gap fiber of the present invention is a 19 cell core type. That is, the position of one lattice point of the triangular lattice defined by the arrangement of the respective high refractive index portions, the position of the six lattice points surrounding the position of the one lattice point, and the six lattice points
  • the core region is formed by disposing the high refractive index portion at the positions of the 12 lattice points surrounding the position. Therefore, compared with the 7-cell core type photonic bandgap fiber described in Patent Document 1, the core region can be enlarged, so that the effective area of light can be increased. Therefore, when light of the same power propagates, the power density of the light can be lowered, and thus light with a higher power can be propagated.
  • the V value is a value generally known as a normalized frequency and is given by the following equation. Where ⁇ is the wavelength used, d is the diameter of the high refractive index portion, n high is the refractive index of the high refractive index portion, and n low is the refractive index of the medium filling the gap between the high refractive index portions. is there.
  • the photonic band gap fiber of the present invention is a 19-cell core type and the high refractive index portion is arranged in a triangular lattice shape. Therefore, 18 high refractive index portions are arranged in a hexagonal shape on the inner peripheral side surrounding the core region, and 24 high refractive index portions are arranged in a hexagonal shape around the 18 high refractive index portions. 30 high-refractive-index parts are arranged in a hexagonal shape at a position surrounding the 24 high-refractive-index parts, and a layer composed of these 18 high-refractive-index parts, and 24 high-refractive-index parts This means that three layers are formed, and a layer composed of 30 high refractive index portions.
  • an active element is added to the core region.
  • an active element it is possible to obtain an amplification optical fiber capable of amplifying the fundamental mode light by removing the higher order mode light.
  • the fiber laser device of the present invention includes a photonic bandgap fiber in which an active element is added to the core region as described above, and a seed light source that emits seed light incident on the core region of the photonic bandgap fiber. And an excitation light source that emits excitation light for exciting the active element of the photonic band gap fiber.
  • a photonic bandgap fiber in which an active element is added to the core region a pumping light source that outputs pumping light that pumps the active element of the photonic bandgap fiber, and the photonic bandgap fiber
  • a second FBG that reflects at least a part of the light reflected by the first FBG with a lower reflectance than the first FBG.
  • such a fiber laser device since higher-order mode light is removed in the photonic bandgap fiber, amplification of higher-order mode light is suppressed and fundamental-mode light is amplified. Good light can be emitted. Also, such a fiber laser device can emit high-power light because the effective area of light is enlarged in the photonic bandgap fiber.
  • a photonic bandgap fiber capable of propagating high-power light while removing high-order mode light and propagating fundamental mode light, and the use thereof A fiber laser device is provided.
  • FIG. 5 is a diagram showing the same relationship as in FIG. 4 with respect to conditions under which the same photonic band gap fiber bent at a radius of 20 cm propagates fundamental mode light and loses higher-order mode light.
  • FIG. 5 is a diagram showing the same relationship as in FIG. 4 with respect to conditions under which the same photonic bandgap fiber bent in a radius of 25 cm propagates fundamental mode light and loses higher-order mode light. It is a figure which shows the fiber laser apparatus in 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a fiber laser device according to the present embodiment.
  • the fiber laser device 1 includes a seed light source 10 that emits seed light, an excitation light source 20 that emits excitation light, an amplification optical fiber 30 on which seed light and excitation light are incident, and a seed.
  • An optical combiner 40 that connects the light source 10 and the excitation light source 20 to the amplification optical fiber 30 and a delivery fiber 50 that has one end connected to the amplification optical fiber 30 are provided as main components.
  • the seed light source 10 is composed of, for example, a laser light source composed of a laser diode, or a Fabry-Perot type or fiber ring type fiber laser device.
  • the seed light emitted from the seed light source 10 is not particularly limited.
  • the laser light has a wavelength of 1070 nm.
  • the seed light source 10 is connected to an optical fiber 15 composed of a core and a clad covering the core, and the seed light emitted from the seed light source 10 propagates through the core of the optical fiber 15.
  • An example of the optical fiber 15 is a single mode fiber. In this case, the seed light propagates through the optical fiber 15 as single mode light.
  • the excitation light source 20 is composed of a plurality of laser diodes 21 and emits excitation light having a wavelength of 915 nm when ytterbium is added to the amplification optical fiber as described later, for example.
  • Each laser diode 21 of the excitation light source 20 is connected to an optical fiber 25, and excitation light emitted from the laser diode 21 propagates through the optical fiber 25.
  • these optical fibers 25 include multimode fibers. In this case, pumping light propagates through the optical fiber 25 as multimode light.
  • FIG. 2 is a diagram showing a state of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the amplification optical fiber of FIG.
  • the amplification optical fiber 30 according to the embodiment of the present invention is composed of a photonic bandgap fiber.
  • the amplification optical fiber 30 includes a core region 31, a cladding region 32 that surrounds the outer periphery of the core region 31, an outer cladding 33 that covers the cladding region 32, and a coating layer 34 that covers the outer cladding 33. Is provided as a main configuration.
  • the cladding region 32 includes a large number of high refractive index portions 37 and a low refractive index portion 38 that fills between the large number of high refractive index portions 37 and the outer periphery of the large number of high refractive index portions 37.
  • a large number of high refractive index portions 37 are arranged in a triangular lattice pattern surrounding the core region 31.
  • 18 high refractive index portions 37 are arranged in a hexagonal shape.
  • 24 high refractive index portions are arranged in a hexagonal shape so as to surround the 18 high refractive index portions 37 in the first layer.
  • high refractive index portions 37 of the third layer 30 high refractive index portions are arranged in a hexagonal shape so as to surround the 24 high refractive index portions 37 of the second layer. Further, the high refractive index portion 37 is not disposed on the outer peripheral side of the third layer of the high refractive index portion 37, and a large number of high refractive index portions 37 are disposed in three layers as a whole. Further, the space between the high refractive index portions 37 is filled with a low refractive index portion 38 having a lower refractive index than the refractive index of the high refractive index portion 37, and the high refractive index portion 37 on the outermost periphery side. Is surrounded by a low refractive index portion 38 without a gap.
  • the band gap region BGA is formed by the high refractive index portion 37 and the low refractive index portion 38 filling the space therebetween, and the jacket region JA is formed by the low refractive index portion 38 surrounding the outer periphery of the high refractive index portion 37 on the outermost periphery side. Is formed.
  • the high refractive index portion 37 is made of, for example, quartz (SiO 2 ) to which a dopant such as germanium (Ge) that increases the refractive index is added, and the low refractive index portion 38 is pure, for example, to which no dopant is added. Composed of quartz.
  • the position of one lattice point of the triangular lattice defined by the arrangement of the respective high refractive index portions 37, and the one The high refractive index portion is not arranged at 19 positions consisting of the positions of 6 lattice points surrounding the positions of the lattice points and the positions of 12 lattice points surrounding the positions of the 6 lattice points.
  • the core region 31 is formed. That is, the amplification optical fiber 30 is a 19-cell core type photonic bandgap fiber. In FIG. 2, the positions of the lattice points in the core region 31 are indicated by dotted lines.
  • the core region 31 includes a core central portion 35 located at the center of the core region 31 and a core outer peripheral portion 36 that surrounds the outer peripheral surface of the core central portion without a gap.
  • An active element that is excited by excitation light emitted from the excitation light source 20 is added to the core central portion 35.
  • active elements include rare earth elements such as ytterbium (Yb).
  • Other rare earth elements include thulium (Tm), cerium (Ce), neodymium (Nd), europium (Eu), erbium (Er) and the like in addition to the ytterbium.
  • bismuth (Bi) etc. other than rare earth elements are mentioned as an active element.
  • the core central portion 35 and the core outer peripheral portion 36 have substantially the same refractive index. Therefore, for example, when the refractive index of the core central portion 35 is changed by the active element added to the core central portion 35, a dopant for adjusting the refractive index is added to the core central portion 35 as necessary.
  • the core outer peripheral portion 36 is formed of the same material as that of the low refractive index portion 38 of the cladding region 32. That is, the low refractive index portion 38 is a medium having a refractive index equal to that of the core region 31.
  • the refractive index of the outer cladding 33 is set lower than the refractive index of the low refractive index portion 38.
  • Examples of the material constituting the outer cladding 33 include ultraviolet curable resin.
  • the ultraviolet curing resin different from resin which comprises the external clad 33 is mentioned, for example.
  • the optical combiner 40 connects the optical fiber 15 and each optical fiber 25 to the amplification optical fiber 30. Specifically, in the optical combiner 40, the core of the optical fiber 15 is end-connected to the core region 31 of the amplification optical fiber 30. Further, in the optical combiner 40, the core of each optical fiber 25 is end-connected to the cladding region 32 of the amplification optical fiber 30. Therefore, the seed light emitted from the seed light source 10 enters the core region 31 of the amplification optical fiber 30, and the excitation light emitted from the excitation light source 20 enters the cladding region 32 of the amplification optical fiber 30. .
  • FIG. 3 is a view showing a state of a cross section perpendicular to the length direction of the delivery fiber 50 of FIG.
  • the delivery fiber 50 is composed of a photonic bandgap fiber.
  • the delivery fiber 50 includes a core region 51, a cladding region 52 that surrounds the outer periphery of the core region 51, and a coating layer 54 that covers the cladding region 32.
  • the cladding region 52 is disposed in the same manner as the large number of high refractive index portions 37 disposed in the cladding region 32 of the amplification optical fiber 30 and has a large number of high refractive indexes having the same configuration as the large number of high refractive index portions 37.
  • a portion 57 and a low refractive index portion 58 having the same configuration as the low refractive index portion 38 of the amplification optical fiber 30 between the multiple high refractive index portions 57 and the outer periphery of the multiple high refractive index portions 57. Have.
  • the band gap region BGA of the delivery fiber 50 is formed by the high refractive index portion 57 and the low refractive index portion 58 that fills in between, and the delivery is performed by the low refractive index portion 58 that surrounds the outer periphery of the high refractive index portion 57 on the outermost peripheral side.
  • a jacket region JA of the fiber 50 is formed.
  • the delivery fiber 50 is also a 19-cell core type photonic bandgap fiber like the amplification optical fiber 30. Therefore, on the inner peripheral side of a large number of high refractive index portions 57 arranged in a triangular lattice shape, the position of one lattice point of the triangular lattice defined by the arrangement of each high refractive index portion 57 and the one The high refractive index portion is not arranged at 19 positions consisting of the positions of 6 lattice points surrounding the positions of the lattice points and the positions of 12 lattice points surrounding the positions of the 6 lattice points. Region 51 is formed. In FIG. 3, the positions of the lattice points in the core region 51 are indicated by dotted lines.
  • the core region 31 is formed of the same material as the low refractive index portion 58 of the cladding region 52 and has the same refractive index as that of the low refractive index portion 58.
  • the coating layer 54 has the same configuration as the coating layer of the amplification optical fiber 30.
  • the refractive index distribution of the core region 51 and the cladding region 52 of the delivery fiber 50 of the present embodiment is the same as the refractive index distribution of the core region 31 and the cladding region 32 of the amplification optical fiber 30,
  • the core region 51 of the delivery fiber 50 has the same waveguide conditions as the core region 31 of the amplification optical fiber 30.
  • a plurality of band gaps (transmission bands) appear in the photonic band gap fiber such as the amplification optical fiber 30 or the delivery fiber 50 of the present embodiment.
  • the fluctuation of the loss of light propagating through the core region of the photonic bandgap fiber is small.
  • a V value of 1.5 to 1.63 (belonging to the 1st band) is often used.
  • the V value is a value generally known as a normalized frequency and is given by the following equation. Where ⁇ is the wavelength used, d is the diameter of the high refractive index portion, n high is the refractive index of the high refractive index portion, and n low is the refractive index of the low refractive index portion.
  • the optical fiber used for the fiber laser device or the like is limited in its storage location, at least a part of the optical fiber is often bent to a radius of 15 cm to 25 cm. Therefore, at least a part of the amplification optical fiber 30 and the delivery fiber 50 of this embodiment is bent at a radius of 15 cm to 25 cm.
  • the inventors of the present invention use a 19-cell core type photonic bandgap fiber such as an amplification optical fiber 30 and a delivery fiber 50 and three layers of high-refractive-index portions arranged in a triangular lattice pattern to emit light in a fundamental mode.
  • the relative refractive index difference ⁇ % of the high refractive index portion with respect to the low refractive index portion and the lattice constant of the high refractive index portion (the distance between the centers of the high refractive index portions) ⁇ m I investigated the relationship. Specifically, this relationship was examined for photonic band gap fibers bent to radii of 15 cm, 20 cm, and 25 cm using photonic band gap fibers having a V value of 1.6.
  • FIG. 4 shows a low refractive index portion of a high refractive index portion under the condition that a photonic band gap fiber bent at a radius of 15 cm and having a V value of 1.6 propagates fundamental mode light and loses higher order mode light.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a relative refractive index difference ⁇ % with respect to and a lattice constant ⁇ ⁇ m of a high refractive index portion.
  • BL FM indicated by a solid line indicates a condition in which the light in the fundamental mode propagates with a loss of 0.1 dB / m, and the light below the solid line is less than 0.1 dB / m below the solid line. Propagation area. In this way, if the light loss is 0.1 dB / m or less, it can be said that light is generally propagated practically. Therefore, if it is below this solid line, the fundamental mode light is practically propagated. It is a condition that can be done.
  • BL HOM indicated by a broken line indicates a condition in which higher-order mode light propagates with a loss of 10 dB / m, and higher-order mode light with a loss greater than 10 dB / m above this solid line. Propagation area. In this way, if the loss of light is 10 dB / m or more, it can be said that light is generally removed. Therefore, if it is above this solid line, light of higher order modes can be removed.
  • FIG. 5 is a diagram showing the same relationship as in FIG. 4 with respect to the condition in which the same photonic bandgap fiber as in FIG. 4 bent at a radius of 20 cm propagates fundamental mode light and loses higher order mode light.
  • FIG. 6 is a diagram showing the same relationship as in FIG. 4 with respect to conditions under which the same photonic bandgap fiber as shown in FIG. 4 that is bent with a radius of 25 cm propagates fundamental mode light and loses higher-order mode light. 5 and 6, it is assumed that the light of the fundamental mode can be practically propagated if it is below the BL FM indicated by the solid line, and the higher-order mode if it is above the BL HOM indicated by the broken line. It is said that the light of can be removed.
  • a photonic bandgap fiber in which a large number of high refractive index portions are 19-cell core type and arranged in three layers and the V value is 1.6 is bent at a radius of 15 cm to 25 cm.
  • HOM 171.37687 + 2.093345R-0.1275714R 2
  • B HOM ⁇ 43.29906 + 0.530802R + 0.011094R 2
  • C HOM 3.48397-0.098659R + 0.000365R 2
  • D HOM ⁇ 0.09034 + 0.003584R ⁇ 0.0000348R 2
  • a FM 89.98658-2.94759R + 0.04246R 2
  • B FM ⁇ 17.3338858 + 0.743907R ⁇ 0.011185R 2
  • C FM 1.0904-0.054614R + 0.0008568R 2
  • D FM ⁇ 0.02229 + 0.001232R ⁇ 0.00002R 2 And )
  • the amplification optical fiber 30 that satisfies the above-described conditions calculated from FIGS. 4 to 6 is bent at a radius of 15 cm to 25 cm, so that the amplification optical fiber 30 is in a higher-order mode.
  • the light of the fundamental mode can be propagated by removing the light.
  • the seed light incident side portion of the amplification optical fiber 30 be bent in this way because the higher-order mode light can be removed before the higher-order mode light is amplified.
  • the incident light incident side may be bent in this way with respect to the midpoint of the amplification optical fiber 30 in the longitudinal direction.
  • the delivery fiber 50 satisfying the above conditions calculated from FIGS. 4 to 6 is bent at a radius of 15 cm to 25 cm, so that the delivery fiber 50 emits light of a higher order mode. It can be removed to propagate the fundamental mode light.
  • the amplification optical fiber 30 and the delivery fiber 50 of the fiber laser device 1 of the present embodiment are bent at least partially with a radius of 15 cm to 25 cm as described above, and are calculated from FIGS. 4 to 6, respectively. It shall satisfy the above conditions.
  • seed light is emitted from the seed light source 10 and excitation light is emitted from the excitation light source 20.
  • the seed light emitted from the seed light source 10 has a wavelength of, for example, 1070 nm as described above.
  • the seed light emitted from the seed light source 10 propagates through the core of the optical fiber 15 and enters the optical combiner 40.
  • the excitation light emitted from each laser diode 21 of the excitation light source 20 has a wavelength of 915 nm, for example, as described above, and the excitation light emitted from each laser diode 21 propagates through the optical fiber 25. The light enters the optical combiner 40.
  • the seed light incident on the optical combiner 40 enters the core region 31 of the amplification optical fiber 30 and propagates through the core region 31.
  • the excitation light incident on the optical combiner 40 is incident on the cladding region 32 of the amplification optical fiber 30 and propagates mainly through the cladding region 32.
  • the active element In the amplification optical fiber 30, when the excitation light passes through the core central portion 35 of the core region 31, the active element is absorbed by the active element added to the core central portion 35 to excite the active element.
  • the excited active element causes stimulated emission by the seed light, the seed light is amplified by the stimulated emission, and is emitted from the amplification optical fiber 30 as output light.
  • the output light emitted from the core region 31 of the amplification optical fiber 30 enters the core region 51 of the delivery fiber 50, propagates through the core region 51, and is connected to the amplification optical fiber 30 of the delivery fiber 50.
  • the light is emitted from the end opposite to the side.
  • the amplification optical fiber 30 and the delivery fiber 50 of the present embodiment satisfy the above-mentioned conditions calculated from FIGS. 4 to 6 as described above, and at least a part is bent with a radius of 15 cm to 25 cm. Therefore, the fiber laser device 1 can remove high-order mode light in the amplification optical fiber 30 and the delivery fiber 50 while propagating fundamental mode light.
  • the amplification optical fiber 30 and the delivery fiber 50 are 19-cell core type photonic bandgap fibers, the effective cross-sectional area of light can be increased, so that the power is large. Light can be emitted, and higher-order mode light can be removed while propagating fundamental mode light, so that light with good beam quality can be emitted.
  • FIG. 7 is a diagram showing a fiber laser device according to the second embodiment of the present invention.
  • the fiber laser device 2 of the present embodiment includes an excitation light source 20, an amplification optical fiber 30, an optical combiner 40, and light provided between the amplification optical fiber 30 and the optical combiner 40.
  • a delivery fiber 50 provided on the opposite side to the optical fiber 30 side is provided as a main configuration.
  • the optical fiber 65 is a double-clad fiber composed of a core, an inner cladding that surrounds the outer peripheral surface of the core without a gap, an outer cladding that covers the outer peripheral surface of the inner cladding, and a coating layer that covers the outer cladding.
  • the diameter of the core of the optical fiber 65 is substantially the same as the diameter of the core region 31 of the amplification optical fiber 30, and the outer diameter of the inner cladding of the optical fiber 65 is substantially the same as the outer diameter of the cladding region 32 of the amplification optical fiber 30. Equivalent.
  • the refractive index of the inner cladding is lower than the refractive index of the core, and the refractive index of the outer cladding is lower than the refractive index of the inner cladding.
  • One end of the optical fiber 65 is connected to each optical fiber 25 in the optical combiner 40. Specifically, the core of the optical fiber 25 and the inner cladding of the optical fiber 65 are optically connected. The other end of the optical fiber 65 is connected to one end of the amplification optical fiber 30, the core of the optical fiber 65 and the core region 31 of the amplification optical fiber 30 are connected, and the inner cladding of the optical fiber 65 and the amplification fiber are connected. The cladding region 32 of the optical fiber 30 is connected.
  • the first FBG 61 is provided in the core of the optical fiber 65.
  • the first FBG 61 is provided on one side of the amplification optical fiber 30.
  • the first FBG 61 has a portion in which the refractive index increases at a constant period along the longitudinal direction of the optical fiber 65, and the activity of the amplification optical fiber 30 in the excited state is adjusted by adjusting this period. It is configured to reflect at least some wavelengths of light emitted by the element.
  • the active element is ytterbium
  • the first FBG 61 has a reflectance of, for example, 100% at 1070 nm, for example.
  • the optical fiber 66 provided on the side opposite to the optical fiber 65 side of the amplification optical fiber 30 includes a core, a clad that surrounds the outer peripheral surface of the core without a gap, and a coating layer that covers the clad.
  • the core of the optical fiber 66 has the same configuration as the optical fiber 65, for example, and the cladding of the optical fiber 66 has the same configuration as the inner cladding of the optical fiber 65, for example.
  • One end of the optical fiber 66 is connected to the other end of the amplification optical fiber 30, the core region 31 of the amplification optical fiber 30 and the core of the optical fiber 66 are connected, and the cladding region 32 of the amplification optical fiber 30
  • the clad of the optical fiber 66 is connected.
  • the other end of the optical fiber 66 is connected to one end of the delivery fiber 50, the core region 51 of the delivery fiber 50 and the core of the optical fiber 66 are connected, and the cladding region 52 of the delivery fiber 50 and the optical fiber 66 are connected.
  • the clad is connected.
  • a second FBG 62 is provided in the core of the optical fiber 66.
  • the second FBG 62 is provided on the other side of the amplification optical fiber 30.
  • the second FBG 62 has a portion where the refractive index is increased at a constant period along the longitudinal direction of the optical fiber 66, and reflects light having the same wavelength as the light reflected by the first FBG 61 with a lower reflectance than the first FBG 61. For example, at least part of the light reflected by the first FBG 61 is reflected at a reflectance of 50%.
  • the amplification optical fiber 30 and the delivery fiber 50 satisfy the above-mentioned conditions calculated from FIGS. 4 to 6 as in the fiber laser device 1 of the first embodiment. It is assumed that at least a part is bent with a radius of 15 cm to 25 cm.
  • the pumping light when pumping light is emitted from each laser diode 21 of the pumping light source 20, the pumping light enters the inner clad of the optical fiber 65 in the optical combiner 40, and the optical fiber.
  • the light enters the clad region 32 of the amplification optical fiber 30 from the inner clad 65.
  • the active element added to the core central portion 35 in the core region 31 of the amplification optical fiber 30 is brought into an excited state.
  • the active element made into the excited state emits spontaneous emission light of a specific wavelength.
  • the spontaneously emitted light at this time is light having a certain wavelength band including a wavelength of 1070 nm, for example, when the active element is ytterbium.
  • the spontaneous emission light propagates through the core region 31 of the amplification optical fiber 30 and is reflected by the first FBG 61 provided in the core of the optical fiber 65, and the reflected light is reflected in the core region 31 of the amplification optical fiber 30. And is reflected by the second FBG 62 to cause light resonance. Then, when the resonating light propagates through the core central portion 35 in the core region 31 of the amplification optical fiber 30, the active element in the excited state causes stimulated emission and is amplified. Then, part of the resonating light passes through the second FBG 62, propagates to the delivery fiber 50, and exits from the other end of the delivery fiber 50.
  • the amplification optical fiber 30 and the delivery fiber 50 of the present embodiment satisfy the above-mentioned conditions calculated from FIGS. 4 to 6 as described above, and at least a part is bent with a radius of 15 cm to 25 cm. Therefore, the fiber laser device 2 can remove the higher-order mode light while propagating the fundamental mode light in the amplification optical fiber 30 and the delivery fiber 50.
  • the amplification optical fiber 30 and the delivery fiber 50 are 19-cell core type photonic bandgap fibers, the effective cross-sectional area of light can be enlarged, Large light can be emitted, and light in a higher order mode can be removed while propagating fundamental mode light, so that light with good beam quality can be emitted.
  • the optical fiber 65 is not an essential configuration.
  • the amplification optical fiber 30 is connected to the optical fiber 25 in the optical combiner 40 as in the fiber laser device 1, and the first FBG 61. May be provided on one side of the amplification optical fiber 30.
  • the optical fiber 66 is not an essential configuration, and when the optical fiber 66 is omitted, the second FBG 62 may be provided on the other side of the amplification optical fiber 30 or the delivery fiber 50.
  • the delivery fiber 50 can be omitted in the fiber laser devices 1 and 2 of the first and second embodiments.
  • the fiber laser device of the present invention can be appropriately configured as long as the amplification optical fiber 30 that satisfies the above conditions calculated from FIGS. 4 to 6 and is bent at a radius of 15 cm to 25 cm is used. Can be changed.
  • a photonic bandgap fiber that can propagate high-power light while removing high-order mode light and propagating fundamental mode light, and
  • the used fiber laser device is provided and is expected to be used in a processing fiber laser device or the like.

Abstract

　少なくとも一部が１５ｃｍ以上２５ｃｍ以下で曲げられた状態で使用されるフォトニックバンドギャップファイバであって、多数の高屈折率部５７は１９セルコア型で３層に配置され、Ｖ値が１．５以上１．６３以下とされ、上記のように曲げられた部位で高次モードが除去されるように、高屈折率部５７は比屈折率差をΔ％と格子定数をΛμｍとの条件が定められる。

Description

フォトニックバンドギャップファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置
　本発明は高次モードの光を除去して基本モードの光を伝播しつつ、パワーの大きな光を伝播することができるフォトニックバンドギャップファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置に関する。
　加工機、医療機器、測定器の分野等において用いられるレーザ装置の一つとして、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においては、増幅用光ファイバから出射された光がデリバリファイバにより所望の場所まで伝播されてから出射する場合がある。デリバリファイバから出射する光は、レンズにより集光されたり、波長変換素子により光を短波長側に波長変換される場合がある。これらの場合、集光性を向上させる観点や、波長変換効率を向上させる観点から、基本モード（ＬＰ０１モード）の光のパワーが大きく高次モードの光のパワーが低減された優れたビーム品質の光がデリバリファイバから出射することが好ましい。
　このようなデリバリファイバとしては、例えば、基本モードの光のみを伝播するシングルモードファイバを挙げることができる。しかし、シングルモードファイバは一般的に光の実効断面積（Ａｅｆｆ）が小さいため、パワーの大きな光を伝播しようとしても、光のパワー密度が高くなることによる非線形光学効果等の現象が生じてしまい、パワーの大きな光を伝播することが困難である。そこで、高次モードの光の伝播を抑制して基本モードの光を伝播しつつ光の実効断面積を拡大せんとする試みがなされている。この試みに用いられる光ファイバとしては、伝播するコアの外周面がクラッドにより囲まれた光ファイバの他にフォトニックバンドギャップファイバを挙げることができる。
　下記特許文献１には、このようなフォトニックバンドギャップファイバが記載されている。このフォトニックバンドギャップファイバでは、多数の高屈折率部が正六角形の外形となるようにそれぞれ三角格子状に配置されている。ただし、高屈折率部が配置されるべき当該正六角形の中心の位置及びそれを囲む６個の高屈折率部が配置されるべき位置には、これらの高屈折率部が配置されておらず、これらの高屈折率部が配置されない位置を含む領域によりコア領域が形成されている。つまり、このフォトニックバンドギャップファイバは、７個分の高屈折率部が配置されずにコア領域が形成される、いわゆる７セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバとされている。そしてこのフォトニックバンドギャップファイバは、所定の曲げ半径で曲げられた状態で、曲げによって生じる基本モードの光と高次モードの光の曲げ損失の差により高次モードの光の伝播を規制して、実質的に基本モードのみを伝播するように構成されている。
特開２０１２－７３３８９号公報
　光の実効断面積は、下記式で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
ここで、Ｅ（ｒ）光ファイバ内の電解分布を示し、ｒは光ファイバの径方向の距離を示す。
　上記式から明らかなように、光ファイバの光が伝播する領域が大きい方が光の実効断面積を大きくすることができる。しかし、上記のように特許文献１に記載のフォトニックバンドギャップファイバは、配置されるべき７個の高屈折率部が配置されずにコア領域が形成されているため、このコア領域の面積に応じた光の実効断面積とされる。近年、更にパワーの大きな光を出射する光ファイバが求められているが、特許文献１に記載のフォトニックバンドギャップファイバでは、光の実効断面積を十分に大きくすることができず、非線形光学効果が生じてしまうという懸念がある。
　そこで、本発明は、高次モードの光を除去して基本モードの光を伝播しつつ、パワーの大きな光を伝播することができるフォトニックバンドギャップファイバ、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、本発明者らは、非線形光学効果の発生を抑制するために、上記７セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバよりも光の実効断面積を大きくすべく、コア領域の面積を大きくすることを検討した。これを実現するためには、高屈折率部が配置されるべき当該正六角形の中心の位置及びそれを囲む６個の高屈折率部が配置されるべき位置に加えて、当該６個の高屈折率部が配置されるべき位置を囲む１２個の高屈折率部が配置されるべき位置に高屈折率部を配置せず、１９セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバとすれば良いとの結論に至った。しかし、高次モードの光を除去して基本モードの光を伝播する１９セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバは従来検討されていない。そこで、本発明者等は、１９セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバにおいて高次モードの光を除去して基本モードの光を伝播することができる条件を鋭意検討して、本発明をするに至った。
　すなわち、本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、コア領域と、前記コア領域の屈折率よりも高い屈折率の多数の高屈折率部が前記コア領域を囲んで三角格子状に配置されると共にそれぞれの前記高屈折率部の間が前記コア領域と等しい屈折率の媒体で埋められるクラッド領域と、を備え、少なくとも一部が所定の半径で曲げられた状態で使用されるフォトニックバンドギャップファイバであって、前記多数の高屈折率部は１９セルコア型で３層に配置され、Ｖ値は１．５以上１．６３以下とされ、前記高屈折率部の前記媒体に対する比屈折率差をΔ％とし格子定数をΛμｍとし前記所定の曲げ半径をＲｃｍする場合に下記式（１）及び式（２）を満たすことを特徴とするものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
（ただし、
ＡＨＯＭ＝１７１．３７６８７＋２．０９３３４５Ｒ－０．１２７５７１４Ｒ２
ＢＨＯＭ＝－４３．２９９０６＋０．５３０８０２Ｒ＋０．０１１０９４Ｒ２
ＣＨＯＭ＝３．４８３９７－０．０９８６５９Ｒ＋０．０００３６５Ｒ２
ＤＨＯＭ＝－０．０９０３４＋０．００３５８４Ｒ－０．００００３４８Ｒ２
ＡＦＭ＝８９．９８６５８－２．９４７５９Ｒ＋０．０４２４６Ｒ２
ＢＦＭ＝－１７．３３８５８＋０．７４３９０７Ｒ－０．０１１１８５Ｒ２
ＣＦＭ＝１．０９０４－０．０５４６１４Ｒ＋０．０００８５６８Ｒ２
ＤＦＭ＝－０．０２２２９＋０．００１２３２Ｒ－０．００００２Ｒ２
とする。）
　本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、１９セルコア型とされる。すなわち、それぞれの高屈折率部の配置により画定する三角格子の１個の格子点の位置と、当該１個の格子点の位置を囲む６個の格子点の位置と、当該６個の格子点の位置を囲む１２個の格子点の位置に、高屈折率部が非配置とされてコア領域が形成されている。従って、特許文献１に記載の７セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバと比べて、コア領域を拡大することができるので、光の実効断面積を大きくすることができる。従って、同じパワーの光が伝播する場合に光のパワー密度を下げることができ、よってパワーのより大きな光を伝播することができる。
　なお、Ｖ値は規格化周波数として一般に知られている値であり、下記式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
ただし、λは使用波長であり、ｄは高屈折率部の直径であり、ｎｈｉｇｈは高屈折率部の屈折率であり、ｎｌｏｗはそれぞれの高屈折率部間を埋める媒体の屈折率である。
　また、上記のように１９セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバで基本モードの光を伝播して高次モードの光を除去する条件については、従来検討されていなかったが、本発明者らの鋭意検討の末、少なくとも高屈折率部が３層で配置される場合について、Ｖ値が１．５以上１．６３以下とされ、上記式（１）を満たすことにより、半径が１５ｃｍ～２５ｃｍでフォトニックバンドギャップファイバが曲げられる位置において、高次モードの光を除去できることが明らかとなった。従って、本発明のフォトニックバンドギャップファイバによれば、高次モードの光を除去して基本モードの光を伝播することができる。なお、上記のようにコア領域を囲む高屈折率部が３層で配置されるということは、本発明のフォトニックバンドギャップファイバが１９セルコア型で高屈折率部が三角格子状に配置されることから、コア領域を囲む内周側の位置に１８個の高屈折率部が六角形状に配置され、当該１８個の高屈折率部を囲む位置に２４個の高屈折率部が六角形状に配置され、当該２４個の高屈折率部を囲む位置に３０個の六角形状に高屈折率部が配置され、これら１８個の高屈折率部からなる層と、２４個の高屈折率部からなる層と、３０個の高屈折率部からなる層とで３層とされることを意味する。
　また、前記コア領域には、活性元素が添加されることが好ましい。活性元素が添加されることで、高次モードの光を除去して基本モードの光を増幅することができる増幅用光ファイバとすることができる。
　また、本発明のファイバレーザ装置は、上記のようにコア領域に活性元素が添加されたフォトニックバンドギャップファイバと、前記フォトニックバンドギャップファイバの前記コア領域に入射する種光を出射する種光源と、前記フォトニックバンドギャップファイバの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。或いは、上記のようにコア領域に活性元素が添加されたフォトニックバンドギャップファイバと、前記フォトニックバンドギャップファイバの前記活性元素を励起する励起光を出力する励起光源と、前記フォトニックバンドギャップ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少なくとも一部の波長の光を反射する第１ＦＢＧと、前記フォトニックバンドギャップファイバの他方側に設けられ、前記第１ＦＢＧ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、フォトニックバンドギャップファイバにおいて高次モードの光が除去されるので、高次モードの光の増幅が抑制され基本モードの光が増幅されるため、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は、フォトニックバンドギャップファイバにおいて光の実効断面積が拡大されるため高出力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、高次モードの光を除去して基本モードの光を伝播しつつ、パワーの大きな光を伝播することができるフォトニックバンドギャップファイバ、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実施形態におけるファイバレーザ装置を示す図である。 図１の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。 図１のデリバリ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。 半径１５ｃｍで曲げられたＶ値が１．６のフォトニックバンドギャップファイバが基本モードの光を伝播し高次モードの光を損失する条件について、高屈折率部の低屈折率部に対する比屈折率差Δ％と高屈折率部の格子定数Λμｍとの関係を示す図である。 半径２０ｃｍで曲げられた図４と同じフォトニックバンドギャップファイバが基本モードの光を伝播し高次モードの光を損失する条件について、図４と同様の関係を示す図である。 半径２５ｃｍで曲げられた図４と同じフォトニックバンドギャップファイバが基本モードの光を伝播し高次モードの光を損失する条件について、図４と同様の関係を示す図である。 本発明の第２実施形態におけるファイバレーザ装置を示す図である。
　以下、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバ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。
　（第１実施形態）
　図１は、本実施形態におけるファイバレーザ装置を示す図である。図１に示すように、ファイバレーザ装置１は、種光を出射する種光源１０と、励起光を出射する励起光源２０と、種光と励起光とが入射する増幅用光ファイバ３０と、種光源１０及び励起光源２０と増幅用光ファイバ３０とを接続する光コンバイナ４０と、増幅用光ファイバ３０に一端が接続されているデリバリファイバ５０と、を主な構成として備える。
　種光源１０は、例えば、レーザダイオードから成るレーザ光源や、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１０から出射される種光は、特に制限されるものではないが、例えば、後述のように増幅用光ファイバにイッテルビウムが添加される場合波長が１０７０ｎｍのレーザ光とされる。また、種光源１０は、コア、及び、コアを被覆するクラッドから構成される光ファイバ１５に接続されており、種光源１０から出射される種光は、光ファイバ１５のコアを伝播する。この光ファイバ１５としては、例えば、シングルモードファイバが挙げられ、この場合、種光は光ファイバ１５をシングルモード光として伝播する。
　励起光源２０は、複数のレーザダイオード２１から構成され、例えば、後述のように増幅用光ファイバにイッテルビウムが添加される場合に波長が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から出射される励起光は、光ファイバ２５を伝播する。これらの光ファイバ２５としては、例えば、マルチモードファイバが挙げられ、この場合、励起光は光ファイバ２５をマルチモード光として伝播する。
　図２は、図１の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。図２に示すように本発明の実施形態に係る増幅用光ファイバ３０は、フォトニックバンドギャップファイバで構成されている。具体的には、増幅用光ファイバ３０は、コア領域３１と、コア領域３１の外周を囲むクラッド領域３２と、クラッド領域３２を被覆する外部クラッド３３と、外部クラッド３３を被覆する被覆層３４とを主な構成として備える。
　クラッド領域３２は、多数の高屈折率部３７と、当該多数の高屈折率部３７の間および多数の高屈折率部３７の外周を埋める低屈折率部３８と有する。多数の高屈折率部３７は、コア領域３１を囲んで三角格子状に配置されている。このうち最も内周側の高屈折率部３７から成る１層目では、１８個の高屈折率部３７が六角形状に配置されている。また、２層目においては、１層目の１８個の高屈折率部３７を囲んで２４個の高屈折率部が六角形状に配置されている。そして、３層目の高屈折率部３７においては、２層目の２４個の高屈折率部３７を囲んで３０個の高屈折率部が六角形状に配置されている。また、３層目の高屈折率部３７よりも外周側には高屈折率部３７は配置されておらず、多数の高屈折率部３７は全体が３層に配置されている。また、それぞれの高屈折率部３７の間は、高屈折率部３７の屈折率よりも低い屈折率とされる低屈折率部３８で埋められており、さらに最外周側の高屈折率部３７の外周側は低屈折率部３８で隙間なく囲まれている。こうして高屈折率部３７とその間を埋める低屈折率部３８とによりバンドギャップ領域ＢＧＡが形成されており、最外周側の高屈折率部３７の外周を囲む低屈折率部３８によりジャケット領域ＪＡが形成されている。
　高屈折率部３７は、例えば、屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加された石英（ＳｉＯ２）から構成され、低屈折率部３８は、例えば、何らドーパントが添加されない純粋な石英から構成される。
　また、三角格子状に配置される多数の高屈折率部３７の内周側では、それぞれの高屈折率部３７の配置により画定する三角格子の１個の格子点の位置と、当該１個の格子点の位置を囲む６個の格子点の位置と、当該６個の格子点の位置を囲む１２個の格子点の位置からなる１９個の位置に高屈折率部が非配置とされて上記のコア領域３１が形成されている。つまり、増幅用光ファイバ３０は、１９セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバとされる。なお、図２において、コア領域３１における上記格子点の位置は点線で示されている。
　また、本実施形態の増幅用光ファイバ３０においては、コア領域３１は、コア領域３１の中心に位置するコア中心部３５と、コア中心部の外周面を隙間なく囲むコア外周部３６とからなる。コア中心部３５には、励起光源２０から出射する励起光により励起状態とされる活性元素が添加されている。このような活性元素としては、イッテルビウム（Ｙｂ）といった希土類元素を挙げることができる。その他の希土類元素として上記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）等が挙げられる。さらに活性元素として、希土類元素の他に、ビスマス（Ｂｉ）等が挙げられる。
　また、コア中心部３５とコア外周部３６とは略同等の屈折率とされる。従って、例えば、コア中心部３５に添加される活性元素によりコア中心部３５の屈折率が変化する場合、コア中心部３５には、必要に応じて屈折率を調整するドーパントが添加される。また、コア外周部３６は、クラッド領域３２の低屈折率部３８と同様の材料から形成されている。つまり、低屈折率部３８はコア領域３１と等しい屈折率の媒体とされる。
　外部クラッド３３の屈折率は低屈折率部３８の屈折率よりも低くされている。外部クラッド３３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る。また、被覆層３４を構成する材料としては、例えば、外部クラッド３３を構成する樹脂とは異なる紫外線硬化樹脂が挙げられる。
　光コンバイナ４０は、光ファイバ１５及びそれぞれの光ファイバ２５と、増幅用光ファイバ３０とを接続している。具体的には、光コンバイナ４０において、光ファイバ１５のコアが、増幅用光ファイバ３０のコア領域３１に端面接続されている。さらに光コンバイナ４０において、それぞれの光ファイバ２５のコアが、増幅用光ファイバ３０のクラッド領域３２に端面接続されている。従って、種光源１０から出射される種光は、増幅用光ファイバ３０のコア領域３１に入射され、励起光源２０から出射される励起光は、増幅用光ファイバ３０のクラッド領域３２に入射される。
　図３は、図１のデリバリファイバ５０の長さ方向に垂直な断面の様子を示す図である。図３に示すようにデリバリファイバ５０は、フォトニックバンドギャップファイバで構成されている。具体的には、デリバリファイバ５０は、コア領域５１と、コア領域５１の外周を囲むクラッド領域５２と、クラッド領域３２を被覆する被覆層５４とを主な構成として備える。
　クラッド領域５２は、増幅用光ファイバ３０のクラッド領域３２に配置される多数の高屈折率部３７と同様に配置されると共に当該多数の高屈折率部３７と同様の構成の多数の高屈折率部５７と、当該多数の高屈折率部５７の間および多数の高屈折率部５７の外周を埋め、増幅用光ファイバ３０の低屈折率部３８と同様の構成の低屈折率部５８とを有する。高屈折率部５７とその間を埋める低屈折率部５８とによりデリバリファイバ５０のバンドギャップ領域ＢＧＡが形成されており、最外周側の高屈折率部５７の外周を囲む低屈折率部５８によりデリバリファイバ５０のジャケット領域ＪＡが形成されている。
　このようにデリバリファイバ５０も増幅用光ファイバ３０のように１９セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバとされる。従って、三角格子状に配置される多数の高屈折率部５７の内周側では、それぞれの高屈折率部５７の配置により画定する三角格子の１個の格子点の位置と、当該１個の格子点の位置を囲む６個の格子点の位置と、当該６個の格子点の位置を囲む１２個の格子点の位置からなる１９個の位置に高屈折率部が非配置とされてコア領域５１が形成されている。なお、図３において、コア領域５１における上記格子点の位置は点線で示されている。また、デリバリファイバ５０において、コア領域３１は、クラッド領域５２の低屈折率部５８と同様の材料から形成されて低屈折率部５８と同じ屈折率とされる。
　また、本実施形態では、被覆層５４は、増幅用光ファイバ３０の被覆層と同様の構成とされる。
　このように本実施形態のデリバリファイバ５０のコア領域５１及びクラッド領域５２の屈折率の分布は、増幅用光ファイバ３０のコア領域３１及びクラッド領域３２の屈折率の分布と同様とされるため、デリバリファイバ５０のコア領域５１は、増幅用光ファイバ３０のコア領域３１と同様の導波条件とされる。
　次に増幅用光ファイバ３０及びデリバリファイバ５０を構成するフォトニックバンドギャップファイバが基本モードの光を伝播して、高次モードの光を損失する条件について説明する。
　本実施形態の増幅用光ファイバ３０やデリバリファイバ５０といったフォトニックバンドギャップファイバには、複数のバンドギャップ（透過バンド）が現れる。これらの内、製造誤差や使用環境の変化が生じてフォトニックバンドギャップファイバのＶ値が変動しても、フォトニックバンドギャップファイバのコア領域を伝播する光の損失の変動が小さいことが好ましいという観点から、Ｖ値が１．５～１．６３（１ｓｔバンドに属する）が用いられることが多い。Ｖ値は規格化周波数として一般に知られている値であり、下記式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
ただし、λは使用波長であり、ｄは高屈折率部の直径であり、ｎｈｉｇｈは高屈折率部の屈折率であり、ｎｌｏｗは低屈折率部の屈折率である。
　また、ファイバレーザ装置等に用いられる光ファイバは、その収納場所が制限されることから、少なくとも一部が半径１５ｃｍ～２５ｃｍに曲げられて使用されることが多い。従って、本実施形態の増幅用光ファイバ３０およびデリバリファイバ５０は、少なくとも一部が半径１５ｃｍ～２５ｃｍで曲げられた状態とされる。
　ここで、本発明者等は、増幅用光ファイバ３０やデリバリファイバ５０の様に１９セルコア型で高屈折率部が三角格子状に３層配置されたフォトニックバンドギャップファイバが基本モードの光を伝播し高次モードの光を損失する条件について、高屈折率部の低屈折率部に対する比屈折率差Δ％と高屈折率部の格子定数（高屈折率部の中心間距離）Λμｍとの関係を調べた。具体的には、この関係をＶ値が１．６のフォトニックバンドギャップファイバを用いて、半径が１５ｃｍ，２０ｃｍ，２５ｃｍに曲げられたそれぞれのフォトニックバンドギャップファイバについて調べた。
　図４は、半径１５ｃｍで曲げられたＶ値が１．６のフォトニックバンドギャップファイバが基本モードの光を伝播し高次モードの光を損失する条件について、高屈折率部の低屈折率部に対する比屈折率差Δ％と高屈折率部の格子定数Λμｍとの関係を示す図である。
　図４において、実線で示されるＢＬＦＭは、基本モードの光が０．１ｄＢ／ｍの損失で伝播する条件を示し、この実線より下側が０．１ｄＢ／ｍより少ない損失で基本モードの光が伝播する領域となる。このように光の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であれば、一般的に実用的に光が伝播しているといえるので、この実線より下側であれば基本モードの光を実用的に伝播することができる条件とされる。
　また、図４において、破線で示されるＢＬＨＯＭは、高次モードの光が１０ｄＢ／ｍの損失で伝播する条件を示し、この実線より上側が１０ｄＢ／ｍより大きい損失で高次モードの光が伝播する領域となる。このように光の損失が１０ｄＢ／ｍ以上であれば、一般的に光が除去されるといえるので、この実線より上側であれば高次モードの光を除去できるとされる。
　図５は、半径２０ｃｍで曲げられた図４と同じフォトニックバンドギャップファイバが基本モードの光を伝播し高次モードの光を損失する条件について、図４と同様の関係を示す図であり、図６は、半径２５ｃｍで曲げられた図４と同じフォトニックバンドギャップファイバが基本モードの光を伝播し高次モードの光を損失する条件について、図４と同様の関係を示す図である。図５，６においても、実線で示されるＢＬＦＭより下側であれば基本モードの光を実用的に伝播することができる条件とされ、破線で示されるＢＬＨＯＭより上側であれば高次モードの光を除去できるとされる。
　図４～図６に示すように、フォトニックバンドギャップファイバの曲げ半径が大きくなるにつれて、基本モードの光を伝播し高次モードの光が損失する領域が狭くなることが分かる。
　そこで、図４～図６より、多数の高屈折率部が１９セルコア型で３層に配置されＶ値が１．６とされるフォトニックバンドギャップファイバが、半径１５ｃｍ～２５ｃｍで曲げられた状態で使用される場合に、この半径をＲｃｍとして基本モードの光を伝播し高次モードの光を損失する条件について算出すると、下記式（１）及び式（２）を満たすことになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
（ただし、
ＡＨＯＭ＝１７１．３７６８７＋２．０９３３４５Ｒ－０．１２７５７１４Ｒ２
ＢＨＯＭ＝－４３．２９９０６＋０．５３０８０２Ｒ＋０．０１１０９４Ｒ２
ＣＨＯＭ＝３．４８３９７－０．０９８６５９Ｒ＋０．０００３６５Ｒ２
ＤＨＯＭ＝－０．０９０３４＋０．００３５８４Ｒ－０．００００３４８Ｒ２
ＡＦＭ＝８９．９８６５８－２．９４７５９Ｒ＋０．０４２４６Ｒ２
ＢＦＭ＝－１７．３３８５８＋０．７４３９０７Ｒ－０．０１１１８５Ｒ２
ＣＦＭ＝１．０９０４－０．０５４６１４Ｒ＋０．０００８５６８Ｒ２
ＤＦＭ＝－０．０２２２９＋０．００１２３２Ｒ－０．００００２Ｒ２
とする。）
　なお、本発明者等は、Ｖ値が１．５～１．６３の間で変動する場合であっても、図４～図６より得られる上記条件を満たすことにより、基本モードの光を伝播し高次モードの光を損失することができると考えている。
　従って、図４～図６より算出される上記条件を満たす増幅用光ファイバ３０の少なくとも一部が半径１５ｃｍ～２５ｃｍで曲げられた状態とされることにより、増幅用光ファイバ３０は高次モードの光を除去して基本モードの光を伝播することができる。特に、増幅用光ファイバ３０における種光の入射側の部位がこのように曲げられることが、高次モードの光が増幅する前に高次モードの光を除去することができるため好ましい。例えば、増幅用光ファイバ３０の長手方向の中点よりも種光の入射側がこのように曲げられれば良い。
　また、同様に図４～図６より算出される上記条件を満たすデリバリファイバ５０の少なくとも一部が半径１５ｃｍ～２５ｃｍで曲げられた状態とされることにより、デリバリファイバ５０は高次モードの光を除去して基本モードの光を伝播することができる。
　従って、本実施形態のファイバレーザ装置１の増幅用光ファイバ３０およびデリバリファイバ５０は、上記のように少なくとも一部が半径１５ｃｍ～２５ｃｍで曲げられた状態とされ、それぞれ図４～図６より算出される上記条件を満たすものとする。
　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１０から種光が出射されると共に、励起光源２０から励起光が出射される。このとき種光源１０から出射される種光は、上述のように、例えば、波長が１０７０ｎｍとされる。種光源１０から出射された種光は、光ファイバ１５のコアを伝播して、光コンバイナ４０に入射する。
　一方、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から出射される励起光は、上述のように、例えば、波長が９１５ｎｍとされ、それぞれのレーザダイオード２１から出射された励起光は、光ファイバ２５を伝播し光コンバイナ４０に入射する。
　光コンバイナ４０に入射した種光は、増幅用光ファイバ３０のコア領域３１に入射して、コア領域３１を伝播する。一方、光コンバイナ４０に入射した励起光は、増幅用光ファイバ３０のクラッド領域３２に入射して、クラッド領域３２を主に伝播する。
　そして、増幅用光ファイバ３０において、励起光がコア領域３１のコア中心部３５を通過するときに、コア中心部３５に添加されている活性元素に吸収されて活性元素を励起する。励起された活性元素は、種光による誘導放出を起こし、この誘導放出により種光が増幅されて、出力光として増幅用光ファイバ３０から出射される。
　そして、増幅用光ファイバ３０のコア領域３１から出射した出力光は、デリバリファイバ５０のコア領域５１に入射し、コア領域５１を伝播して、デリバリファイバ５０の増幅用光ファイバ３０と接続される側と反対側の端部から出射される。
　このとき、本実施形態の増幅用光ファイバ３０およびデリバリファイバ５０は、上記のようにそれぞれ図４～図６より算出される上記条件を満たし、少なくとも一部が半径１５ｃｍ～２５ｃｍで曲げられた状態とされるため、ファイバレーザ装置１は、増幅用光ファイバ３０およびデリバリファイバ５０において、基本モードの光を伝播しつつ高次モードの光を除去することができる。
　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３０およびデリバリファイバ５０が１９セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバであるため、光の実効断面積を拡大することができるのでパワーの大きな光を出射することができ、また、基本モードの光を伝播しつつ高次モードの光を除去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。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について図７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７は、本発明の第２実施形態におけるファイバレーザ装置を示す図である。図７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２０と、増幅用光ファイバ３０と、光コンバイナ４０と、増幅用光ファイバ３０と光コンバイナ４０との間に設けられる光ファイバ６５と、光ファイバ６５に設けられる第１ＦＢＧ６１と、増幅用光ファイバ３０の光ファイバ６５側と反対側に設けられる光ファイバ６６と、光ファイバ６６に設けられる第２ＦＢＧ６２と、光ファイバ６６の増幅用光ファイバ３０側と反対側に設けられるデリバリファイバ５０とを主な構成として備える。
　光ファイバ６５は、コアと、コアの外周面を隙間なく囲む内側クラッドと、内側クラッドの外周面を被覆する外側クラッドと、外側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とされる。光ファイバ６５のコアの直径は、増幅用光ファイバ３０のコア領域３１の直径と略同等とされ、光ファイバ６５の内側クラッドの外径は増幅用光ファイバ３０のクラッド領域３２の外径と略同等とされる。内側クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低く、外側クラッドの屈折率は内側クラッドの屈折率よりも低くされている。
　光ファイバ６５の一端は、光コンバイナ４０において、それぞれの光ファイバ２５に接続されている。具体的には、光ファイバ２５のコアと光ファイバ６５の内側クラッドとが光学的に接続されている。また、光ファイバ６５の他端は、増幅用光ファイバ３０の一端に接続され、光ファイバ６５のコアと増幅用光ファイバ３０のコア領域３１とが接続され、光ファイバ６５の内側クラッドと増幅用光ファイバ３０のクラッド領域３２とが接続されている。
　また、光ファイバ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３０の一方側に設けられている。第１ＦＢＧ６１は、光ファイバ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３０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、活性元素がイッテルビウムである場合、例えば１０７０ｎｍにおける反射率が例えば１００％とされる。
　また、増幅用光ファイバ３０の光ファイバ６５側と反対側に設けられる光ファイバ６６は、コアと、コアの外周面を隙間なく囲むクラッドと、クラッドを被覆する被覆層とから構成されている。光ファイバ６６のコアは、例えば光ファイバ６５と同様の構成とされ、光ファイバ６６のクラッドは、例えば光ファイバ６５の内側クラッドと同様の構成とされる。
　光ファイバ６６の一端は、増幅用光ファイバ３０の他端に接続されて、増幅用光ファイバ３０のコア領域３１と光ファイバ６６のコアとが接続され、増幅用光ファイバ３０のクラッド領域３２と光ファイバ６６のクラッドとが接続されている。また、光ファイバ６６の他端は、デリバリファイバ５０の一端に接続されて、デリバリファイバ５０のコア領域５１と光ファイバ６６のコアとが接続され、デリバリファイバ５０のクラッド領域５２と光ファイバ６６のクラッドとが接続されている。
　また、光ファイバ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３０の他方側に設けられている。第２ＦＢＧ６２は、光ファイバ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が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を５０％の反射率で反射するように構成されている。
　また、デリバリファイバ５０の他端には何も接続されずに自由端とされている。そして、本実施形態のファイバレーザ装置２においても、第１実施形態のファイバレーザ装置１と同様に、増幅用光ファイバ３０およびデリバリファイバ５０は、それぞれ図４～図６より算出される上記条件を満たし、少なくとも一部が半径１５ｃｍ～２５ｃｍで曲げられた状態とされるものとする。
　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と、この励起光が光コンバイナ４０において、光ファイバ６５の内側クラッドに入射して、光ファイバ６５の内側クラッドから、増幅用光ファイバ３０のクラッド領域３２に入射する。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３０のコア領域３１におけるコア中心部３５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、例えば活性元素がイッテルビウムであれば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３０のコア領域３１を伝播して、光ファイバ６５のコアに設けられている第１ＦＢＧ６１により反射され、反射された光が増幅用光ファイバ３０のコア領域３１を伝播して第２ＦＢＧ６２で反射されて、光の共振が生じる。そして、共振する光が増幅用光ファイバ３０のコア領域３１におけるコア中心部３５を伝播するときに励起状態の活性元素が誘導放出を起こして増幅される。そして、共振する光の一部が第２ＦＢＧ６２を透過して、デリバリファイバ５０へ伝播し、デリバリファイバ５０の他端から出射する。
　このとき、本実施形態の増幅用光ファイバ３０およびデリバリファイバ５０は、上記のようにそれぞれ図４～図６より算出される上記条件を満たし、少なくとも一部が半径１５ｃｍ～２５ｃｍで曲げられた状態とされるため、ファイバレーザ装置２は、増幅用光ファイバ３０およびデリバリファイバ５０において、基本モードの光を伝播しつつ高次モードの光を除去することができる。
　本実施形態のファイバレーザ装置２によれば、増幅用光ファイバ３０およびデリバリファイバ５０が１９セルコア型のフォトニックバンドギャップファイバであるため、光の実効断面積を拡大することができるので、パワーの大きな光を出射することができ、また、基本モードの光を伝播しつつ高次モードの光を除去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。
　なお、本例では光ファイバ６５は必須の構成ではなく、光ファイバ６５が省略される場合、ファイバレーザ装置１と同様に増幅用光ファイバ３０が光コンバイナ４０において光ファイバ２５に接続され、第１ＦＢＧ６１が増幅用光ファイバ３０の一方側に設けられればよい。また、本例では光ファイバ６６は必須の構成ではなく、光ファイバ６６が省略される場合、第２ＦＢＧ６２が増幅用光ファイバ３０の他方側やデリバリファイバ５０に設けられればよい。
　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、第１、第２実施形態のファイバレーザ装置１，２においてデリバリファイバ５０を省略することができる。
　また、本発明のファイバレーザ装置は、図４～図６より算出される上記条件を満たし、少なくとも一部が半径１５ｃｍ～２５ｃｍで曲げられた状態の増幅用光ファイバ３０を用いれば、適宜構成の変更することができる。
　以上説明したように、本発明によれば、高次モードの光を除去して基本モードの光を伝播しつつ、パワーの大きな光を伝播することができるフォトニックバンドギャップファイバ、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・・・種光源
　２０・・・励起光源
　３０・・・増幅用光ファイバ（フォトニックバンドギャップファイバ）
　３１・・・コア領域
　３２・・・クラッド領域
　３３・・・外側クラッド
　３５・・・コア中心部
　３６・・・コア外周部
　３７・・・高屈折率部
　３８・・・低屈折率部
　４０・・・光コンバイナ
　５０・・・デリバリファイバ（フォトニックバンドギャップファイバ）
　５１・・・コア領域
　５２・・・クラッド領域
　６１・・・第１ＦＢＧ
　６２・・・第２ＦＢＧ

Claims (4)

  1. 　コア領域と、前記コア領域の屈折率よりも高い屈折率の多数の高屈折率部が前記コア領域を囲んで三角格子状に配置されると共にそれぞれの前記高屈折率部の間が前記コア領域と等しい屈折率の媒体で埋められるクラッド領域と、を備え、少なくとも一部が所定の半径で曲げられた状態で使用されるフォトニックバンドギャップファイバであって、
    　前記多数の高屈折率部は１９セルコア型で３層に配置され、
    　Ｖ値は１．５以上１．６３以下とされ、
    　前記高屈折率部の前記媒体に対する比屈折率差をΔ％とし格子定数をΛμｍとし前記所定の曲げ半径をＲｃｍする場合に下記式（１）及び式（２）を満たす
    ことを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    （ただし、
    ＡＨＯＭ＝１７１．３７６８７＋２．０９３３４５Ｒ－０．１２７５７１４Ｒ２
    ＢＨＯＭ＝－４３．２９９０６＋０．５３０８０２Ｒ＋０．０１１０９４Ｒ２
    ＣＨＯＭ＝３．４８３９７－０．０９８６５９Ｒ＋０．０００３６５Ｒ２
    ＤＨＯＭ＝－０．０９０３４＋０．００３５８４Ｒ－０．００００３４８Ｒ２
    ＡＦＭ＝８９．９８６５８－２．９４７５９Ｒ＋０．０４２４６Ｒ２
    ＢＦＭ＝－１７．３３８５８＋０．７４３９０７Ｒ－０．０１１１８５Ｒ２
    ＣＦＭ＝１．０９０４－０．０５４６１４Ｒ＋０．０００８５６８Ｒ２
    ＤＦＭ＝－０．０２２２９＋０．００１２３２Ｒ－０．００００２Ｒ２
    とする。）
  2. 　前記コア領域には、活性元素が添加される
    ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
  3. 　請求項２に記載のフォトニックバンドギャップファイバと、
    　前記フォトニックバンドギャップファイバの前記コア領域に入射する種光を出射する種光源と、
    　前記フォトニックバンドギャップファイバの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。
  4. 　請求項２に記載のフォトニックバンドギャップファイバと、
    　前記フォトニックバンドギャップファイバの前記活性元素を励起する励起光を出力する励起光源と、
    　前記フォトニックバンドギャップ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少なくとも一部の波長の光を反射する第１ＦＢＧと、
    　前記フォトニックバンドギャップファイバの他方側に設けられ、前記第１ＦＢＧ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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