WO2014142010A1 - 増幅用光ファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置 - Google Patents

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友也 市毛
龍一郎 後藤
正浩 柏木
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株式会社フジクラ
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Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber for amplification capable of emitting light with high power while improving beam quality, and a fiber laser device using the same.
  • the light generated by a seed light source such as a laser oscillator (MO: MasterMOOscillator) is amplified by an amplifier (PA: Power Amplifier) having an optical fiber for amplification.
  • MO-PA Master-Oscillator-Power Amplifier
  • PA Power Amplifier
  • a MO-PA Master-Oscillator-Power Amplifier type fiber laser device that emits light.
  • light having a wavelength band of visible light is emitted by converting light having a wavelength band of near-infrared light to a short wavelength side by a wavelength conversion element.
  • wavelength conversion When performing such wavelength conversion, if there is a higher-order mode in the light before wavelength conversion, there is a tendency that wavelength conversion cannot be performed efficiently, so light that is incident on the wavelength conversion element is as basic as possible. It is desirable to include only mode light and not higher order mode light. Also, when condensing the light emitted from the amplification optical fiber, it is desirable that only the fundamental mode light is included as much as possible and the higher-order mode light is not included. On the other hand, there is a demand to use an optical fiber having a core diameter larger than that of a single mode fiber for an optical fiber such as an optical fiber for amplification in order to propagate light with higher power as the output of the fiber laser device increases. . Even in such a case, there is a desire to emit light with good beam quality in which light in the fundamental mode is included and light in the higher order mode is reduced.
  • Patent Document 1 discloses an optical fiber for amplification in which an active element is selectively added to the core so that LP01 mode light is mainly amplified and LP11 mode light is not amplified compared to LP01 mode light.
  • An example is given.
  • According to such an optical fiber for amplification amplification of LP11 mode light can be suppressed while amplifying fundamental mode light. Accordingly, it is possible to emit light in which light in the fundamental mode is included and light in the LP11 mode is reduced.
  • LP01 mode light can be selectively amplified as compared with the amplification optical fiber in which the active element is uniformly added to the entire core region. It is possible to emit light with good beam quality.
  • an amplification optical fiber capable of emitting light with higher power is required.
  • an object of the present invention is to provide an amplification optical fiber that can emit light with high power while improving beam quality, and a fiber laser device using the same.
  • the power of the emitted light can be increased by expanding the addition range of the active element.
  • the addition range of the active element is widened, the LP11 mode light may be amplified. In this case, the beam quality of the output light is lowered. Therefore, the present inventors have conducted extensive studies to widen the range of addition of active elements while suppressing the beam quality from degrading, and have come to the present invention.
  • the amplification optical fiber of the present invention is an optical fiber that includes a core and a cladding that surrounds the core, and propagates light of a predetermined wavelength in at least the LP01 mode and the LP11 mode, and the core is the center of the core And a second core portion surrounding the first core portion, wherein the refractive index of the first core portion is higher than the refractive index of the cladding, and the second core portion
  • the refractive index of the first core portion is higher than the refractive index of the first core portion
  • the active element that stimulates and emits light of the predetermined wavelength is standardized by the power of the LP01 mode light and the LP11 mode light in the core.
  • the power of the LP11 mode is higher than that of the LP01 mode. It is added at a concentration higher than at least part of a larger area than, and is characterized in satisfying the following expression.
  • I 01 (r) is the power at a distance r from the center in the radial direction of the core of the LP01 mode
  • I 11 (r ) Is the power at a distance r from the center in the radial direction of the core of the LP11 mode light
  • n (r) is the additive concentration of the active element at a distance r from the center in the radial direction of the core.
  • the intensity of light in the LP01 mode which is one of even mode light, is greatest at the center of the core, and gradually decreases as the distance from the center of the core increases.
  • the light intensity of the LP11 mode which is odd mode light, is substantially zero at the center of the core, but gradually increases as the distance from the center of the core increases, and reaches a maximum at a position away from the center of the core by a certain distance. It becomes. Therefore, when the emitted light contains a large amount of LP11 mode light, it is difficult to focus.
  • the region where the power of the LP01 mode light is larger than the power of the LP11 mode light includes the center of the core.
  • the region extending from the center of the laser beam to a predetermined position and on the outer peripheral side is a region where the power of the LP11 mode light is larger than the power of the LP01 mode light.
  • the active element has an LP11 mode light power higher than the LP01 mode light power in at least a part of a region where the LP01 mode light power is larger than the LP11 mode light power. Since it is added at a concentration higher than at least a part of the large region and satisfies the above equation, when viewed as the entire amplification optical fiber, the LP01 mode light is amplified and the amplification of the LP11 mode light is suppressed. Therefore, the beam quality of the output light can be improved.
  • the refractive index of the second core portion is higher than the refractive index of the first core portion located on the inner peripheral side, the light propagating through the core is drawn toward the second core portion side having a high refractive index. It is done. That is, the light propagating through the core is attracted and propagated to the outer peripheral side as compared with the case where the refractive index of the entire core is constant. Therefore, both the LP01 mode light and the LP11 mode light propagate through the core while being attracted to the outer peripheral side. For this reason, the position where the power of the LP01 mode light and the power of the LP11 mode light in the case of normalization by power is the same is also drawn to the outer peripheral side.
  • the refractive index of the second core portion is higher than the refractive index of the first core portion.
  • a region where the LP01 mode light is larger than the LP11 mode light spreads.
  • the region where the LP01 mode light is larger than the LP11 mode light spreads so that the region to which the active element is added can be enlarged so as to satisfy the above formula. Therefore, according to the amplification optical fiber of the present invention, it is possible to emit light with higher power while improving the beam quality.
  • the effective core area can be increased. Therefore, the density of light propagating through the core can be reduced, and the influence of the nonlinear optical effect can be suppressed even when the power of light is increased.
  • the second core portion has a position where the power of the LP01 mode and the power of the LP11 mode are the same when the LP01 mode light and the LP11 mode light are normalized by power. It is preferable that the outer peripheral side be used.
  • the LP11 mode light is stronger than the LP01 mode light and is attracted to the outer peripheral side due to the influence of the second core portion, so that the region where the LP01 mode is larger than the LP11 mode is larger.
  • the region to which the active element is added can be made larger so as to satisfy the above formula.
  • the power peak of the LP11 mode light when the LP11 mode light is normalized by power is preferably located in the second core portion.
  • the average concentration of the active element added to the first core portion is higher than the average concentration of the active element in the second core portion.
  • the average concentration of the active element in the second core portion is zero.
  • the active element has a power of the LP01 mode and a power of the LP11 mode when the LP01 mode light and the LP11 mode light are normalized by power from the center of the core. It is preferable to add up to the same size.
  • the ratio of the amplification of the LP01 mode light to the amplification of the LP11 mode light can be increased, and light with better beam quality can be emitted.
  • the active element is preferably added at a uniform concentration.
  • the active element may be added at a uniform concentration from the center of the core to a predetermined position.
  • the predetermined position is a position where the power of the LP01 mode light and the power of the LP11 mode light are equal when the LP01 mode light and the LP11 mode light are normalized by power. It is preferable that
  • the active element is not added to a region where the power of the LP11 mode light is larger than the power of the LP01 mode light when the LP01 mode light and the LP11 mode light are normalized by power. .
  • the ratio of the amplification of the LP01 mode light to the amplification of the LP11 mode light can be increased, and light with better beam quality can be emitted.
  • the fiber laser device of the present invention excites the amplification optical fiber according to any one of the above, a seed light source for inputting seed light into the amplification optical fiber, and the active element of the amplification optical fiber. And an excitation light source that outputs the excitation light.
  • a fiber laser device according to the present invention includes any one of the above-described amplification optical fibers, a pumping light source that outputs pumping light that pumps the active element of the amplification optical fiber, and the amplification optical fiber.
  • a first FBG that is provided on one side and reflects light having a wavelength of at least a part of light emitted from the active element excited by the excitation light; and provided on the other side of the optical fiber for amplification, the first FBG.
  • a second FBG that reflects light having the same wavelength as the reflected light with a lower reflectance than the first FBG.
  • the region where the power of the LP01 mode light is larger than the power of the LP11 mode light is widened, the LP01 mode light is amplified, and the amplification of the LP11 mode light is suppressed. It is possible to emit light with high power while improving the beam quality.
  • an optical fiber for amplification capable of emitting light with high power while improving beam quality, and a fiber laser device using the same are provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing a state of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of an amplification optical fiber according to the first embodiment of the present invention.
  • the amplification optical fiber 10 covers a core 11, an inner cladding 12 that surrounds the outer peripheral surface of the core 11 without a gap, an outer cladding 13 that covers the outer peripheral surface of the inner cladding 12, and an outer cladding 13. And a covering layer 14 to be provided as a main configuration.
  • the diameter of the core 11 is, for example, 26 ⁇ m.
  • the outer diameter of the inner cladding 12 is 420 ⁇ m, for example, and the outer diameter of the outer cladding 13 is 440 ⁇ m, for example.
  • FIG. 2 is a view showing the state of the core 11 of the amplification optical fiber 10 of FIG. 1 and its surroundings. Specifically, FIG. 2A shows the core 11 and the inner cladding 12 in the region indicated by the dotted line in FIG. 1, and FIG. 2B shows the distribution of the relative refractive index difference of the core 11 with respect to the inner cladding 12.
  • 2C shows the intensity distribution of the LP01 mode light and the LP11 mode light when the amplification optical fiber 10 propagates light of a predetermined wavelength
  • FIG. 2D shows the intensity distribution of FIG.
  • FIG. 2E shows the power distribution of the light obtained by normalizing the LP01 mode light and the LP11 mode light shown in FIG. 2, and FIG. 2E shows the concentration distribution of the active element in the region shown in FIG. .
  • the core 11 of the amplification optical fiber 10 includes a first core portion 11a extending from the center of the core 11 to a certain region, and a second core that surrounds the outer peripheral surface of the first core portion 11a without a gap. And a core portion 11b.
  • the diameter of the core 11 is 26 ⁇ m as described above
  • the diameter of the first core portion 11 a is, for example, 20 ⁇ m
  • the outer diameter of the second core portion 11 b is 26 ⁇ m to match the diameter of the core 11.
  • the refractive index of the second core portion 11b is higher than the refractive index of the first core portion 11a, and the refractive index of the first core portion 11a is higher than the refractive index of the inner cladding 12.
  • the refractive index of the outer cladding 13 is set lower than the refractive index of the inner cladding 12.
  • the relative refractive index difference between the first core portion 11a and the inner cladding 12 is, for example, 0.12
  • the relative refractive index difference between the second core portion 11b and the inner cladding 12 is, for example, 0.20.
  • the first core portion 11a and the second core portion 11b are doped with a dopant such as germanium that increases the refractive index and other necessary dopants.
  • the dopant which is made of quartz and increases the refractive index added to the second core part 11b is added at a higher concentration than the first core 11a.
  • the inner cladding 12 is made of pure quartz to which no dopant is added.
  • the outer cladding 13 is made of, for example, an ultraviolet curable resin or quartz to which a dopant for reducing the refractive index is added, and the coating layer is made of, for example, an ultraviolet curable resin different from the outer cladding.
  • the amplification optical fiber 10 includes an optical fiber that propagates light of a higher-order mode such as an LP11 mode in addition to light of an LP01 mode in which light propagating through a core 11 is a fundamental mode.
  • a higher-order mode such as an LP11 mode
  • this light propagates through the core 11 as light including the LP01 mode and the LP11 mode.
  • high order mode light such as the LP11 mode may be excited.
  • the LP01 mode light has a high intensity at the center of the core 11, and the intensity decreases as the distance from the center of the core 11 increases.
  • LP11 mode light has a low intensity at the center of the core 11 and a high intensity on the outer peripheral surface side of the core 11. Therefore, if the emitted light contains a lot of LP11 mode light, there is a disadvantage that it is difficult to collect the emitted light. In particular, among the odd mode light, the LP11 mode light has a great influence on the inconvenience with respect to the light collection. Therefore, in the present embodiment, in consideration of LP11 mode light, which has a large influence among higher order modes, light of even mode (light of an axis target) such as other higher order mode light or LP02 mode light. Is not specifically considered. Note that the wavelength of light propagating through the core 11 is a wavelength at which the active element causes stimulated emission when an active element added to the core 11 described in detail later is in an excited state.
  • the LP01 mode light and the light including the LP11 mode light propagate through the core 11 in this way, when the LP01 mode light and the LP11 mode light are normalized by the power, the LP01 mode light and the LP11 mode light are transmitted. It propagates with a power distribution as shown in FIG. At this time, the area AR01 in which the power of the LP01 mode light is larger than the power of the LP11 mode light extends from the center to a predetermined position including the center of the core 11, and the power of the LP11 mode light is the power of the LP01 mode light.
  • the larger area AR11 is an outer peripheral area.
  • the second core unit 11b is configured to use LP01 mode light when LP01 mode light and LP11 mode light are normalized by power.
  • the power of the LP11 mode light that is, the outer peripheral side of the boundary between the area AR01 and the area AR11. Accordingly, the first core portion 11a has an area AR01 on the inner side and an AR11 on the outer side, and the second core portion 11b has an area AR11 as a whole. Furthermore, the peak of the light power of the LP11 mode is located in the second core portion 11b.
  • the active element is added to the region AR01 and the active element is not added to the region AR11. That is, the active element is added only to the area AR11 in the first core portion 11a, and no active element is added to the second core portion 11b.
  • This active element is an element that is brought into an excited state by excitation light, and a typical example thereof is ytterbium (Yb).
  • Yb ytterbium
  • examples of such active elements include rare earth elements such as neodymium (Nd) and erbium (Er).
  • bismuth (Bi) can be cited as an active element in addition to rare earth elements.
  • the concentration of the active element added to the region AR01 is, for example, 16 ⁇ 10 25 (pieces / m 3 ) when the active element is ytterbium, and the wavelength of light propagating through the core is excited as described above.
  • the active element is set to 1070 nm, for example.
  • the light incident on the core 11 is amplified as follows.
  • the The excitation light incident on the inner cladding 12 propagates mainly through the inner cladding 12, and when the excitation light passes through the core 11, the active element added to the core 11 is excited.
  • the excited active element causes stimulated emission by light having a predetermined wavelength that enters the core 11 and propagates through the core 11, and light of the predetermined wavelength that propagates through the core 11 is amplified by this stimulated emission.
  • the active element is added to the region AR01 in which the LP01 mode light in the core 11 is large, and the active element is not added to the region AR11 in which the LP11 mode light intensity is larger than the LP01 mode light intensity.
  • the LP01 mode light is amplified with a higher amplification factor than the LP11 mode light.
  • the light propagating through the core 11 satisfies the following formula (1).
  • r is the distance from the center in the radial direction of the core 11
  • I 01 (r) is the power at the distance r from the center in the radial direction of the core 11 of the LP01 mode light shown in FIG.
  • I 11 (r) is the power of LP11 mode light at a distance r from the center in the radial direction of the core 11
  • n (r) is the active element addition concentration at a distance r from the center in the radial direction of the core 11.
  • the unit of r is (m)
  • the units of I 01 (r) and I 02 (r) are (W / m 2 )
  • the unit of n (r) is (pieces / m 3 ).
  • the LP01 mode light is amplified more efficiently than the LP11 mode light. And emitted.
  • FIG. 3 shows the distribution of the relative refractive index difference of the core with respect to the cladding, and the power of LP01 mode light and LP11 mode light for the light propagating through the core for an optical fiber having a core having a uniform refractive index as a whole. It is a figure which shows distribution of the power of each light in the case of normalizing by.
  • FIG. 4 shows the distribution of the relative refractive index difference of the core 11 with respect to the inner cladding 12 in the amplification optical fiber 10 of the present invention, and the LP01 mode light and the LP11 mode light with respect to the light propagating through the core 11 in terms of power. It is a figure which shows distribution of the power of each light in the case of normalization.
  • the area AR01 in which the power of the LP01 mode light is larger than the power of the LP11 mode light is from the center of the core 11 to a predetermined position. It has spread. Therefore, according to the amplification optical fiber 10 of the present embodiment shown in FIG. 4, the power of the LP01 mode light is lower than that of the optical fiber having the uniform refractive index of the core shown in FIG. It can be seen that the area AR01 larger than the light power is large.
  • the region AR01 in which the LP01 mode light is larger than the LP11 mode light is expanded, so that the region in which the LP01 mode light can be amplified more than the LP11 mode light is expanded. For this reason, according to the amplification optical fiber 10 of the present embodiment, light with higher power can be emitted while selectively adding an active element to improve the beam quality.
  • the amplification optical fiber 10 can increase the effective core area (A eff ). Therefore, the density of light propagating through the core can be reduced, and the influence of the nonlinear optical effect can be suppressed even when the power of light is increased.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the fiber laser device of the present embodiment.
  • the fiber laser device 1 according to the present embodiment includes a seed light source 20 that emits light serving as seed light, an excitation light source 30 that emits excitation light, and an optical combiner that receives the seed light and the excitation light.
  • the seed light source 20 is composed of, for example, a semiconductor laser device, a Fabry-Perot type or a fiber ring type fiber laser device.
  • the seed light source 20 is configured to emit light of a predetermined wavelength including light of LP01 mode from an optical fiber.
  • the predetermined wavelength is not particularly limited, but is a wavelength at which the active element added to the amplification optical fiber 10 can be stimulated to be emitted.
  • the active element is ytterbium (Yb) as described above. In this case, the thickness is 1070 nm.
  • the light emitted from the seed light source 20 is emitted from an optical fiber 25 configured by a core and a clad covering the core.
  • the optical fiber 25 propagates light emitted from the seed light source 20 as single mode light composed of, for example, LP01 mode light.
  • the excitation light source 30 is composed of a plurality of laser diodes 31.
  • the laser diode 31 is, for example, a Fabry-Perot type semiconductor laser made of a GaAs-based semiconductor, and emits light having a center wavelength of 915 nm. To do.
  • Each laser diode 31 of the excitation light source 30 is connected to an optical fiber 35, and the excitation light emitted from the laser diode 31 propagates through the optical fiber 35 as multimode light, for example.
  • the optical combiner 40 to which the optical fiber 35 and the optical fiber 25 are connected is configured by melting and extending a portion where the multimode fiber is disposed around the optical fiber 25 as a center, and the optical fiber 25. And the core 11 of the amplification optical fiber 10 are optically coupled, and the core of the optical fiber 35 and the inner cladding 12 of the amplification optical fiber 10 are optically coupled.
  • seed light emitted from the seed light source 20 is emitted from the optical fiber 25.
  • the wavelength of this seed light is set to, for example, 1070 ⁇ m as described above.
  • seed light including the LP01 mode propagates through the optical fiber 25 described above. Then, the seed light propagating through the optical fiber 25 enters the optical combiner 40.
  • excitation light for exciting the active element added to the core 11 of the amplification optical fiber 10 is emitted from the excitation light source 30.
  • the wavelength at this time is, for example, a wavelength of 915 ⁇ m as described above.
  • the excitation light emitted from the excitation light source 30 propagates through the optical fiber 35 and enters the optical combiner 40.
  • the seed light When the seed light enters the core 11 of the amplification optical fiber 10 from the optical combiner 40, the seed light may excite LP11 mode light as described above for the amplification optical fiber 10.
  • the seed light incident on the core 11 propagates through the core 11.
  • the excitation light incident on the inner cladding 12 of the amplification optical fiber 10 from the optical combiner 40 propagates mainly through the inner cladding 12, and the active element added to the core 11 when it crosses the core 11 is brought into an excited state. To do. And the active element made into the excited state raise
  • the LP01 mode light is amplified more than the LP11 mode light as described for the amplification optical fiber 10. The Therefore, the LP01 mode light is amplified and emitted more efficiently than the LP11 mode light, compared to the amplification optical fiber in which the active element is uniformly added to the entire core. For this reason, light with good beam quality in which the intensity of the LP11 mode light is suppressed compared to the intensity of the LP01 mode light is emitted from the amplification optical fiber 10.
  • the LP01 mode light can be amplified while suppressing the amplification of the LP11 mode light in the amplification optical fiber 10, so that the beam quality is good. Light can be emitted.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating another example of the fiber laser device of the present embodiment.
  • the fiber laser device 2 of the present embodiment includes a pump light source 30, an amplification optical fiber 10, an optical combiner 40, and a double provided between the amplification optical fiber 10 and the optical combiner 40.
  • the clad fiber 65, the first FBG 61 provided in the double clad fiber 65, the optical fiber 66 provided on the side opposite to the double clad fiber 65 side of the amplification optical fiber 10, and the second FBG 62 provided in the optical fiber 66 are mainly used. Prepare as a configuration.
  • the double clad fiber 65 has a cross-sectional structure perpendicular to the longitudinal direction similar to that of the amplification optical fiber 10, and includes a core, an inner clad that surrounds the outer peripheral surface of the core without any gap, and an outer clad that covers the outer peripheral surface of the inner clad. And a coating layer covering the outer cladding.
  • an active element is not added to the core, and the refractive index of the core is entirely uniform (for example, the same refractive index as that of the first core portion 11a of the amplification optical fiber 10).
  • the configuration is the same as that of the amplification optical fiber 10.
  • One end of the double clad fiber 65 is connected to the core of the optical fiber 35 and the double clad fiber in the optical combiner 40 in the same manner as the amplification optical fiber 10 is connected to the optical fiber 35 in the optical combiner 40 in the fiber laser device 1.
  • the inner clad 65 is optically connected.
  • the other end of the double clad fiber 65 is connected to one end of the amplification optical fiber 10, and the core of the double clad fiber 65 and the core 11 of the amplification optical fiber 10 are connected.
  • the inner cladding 12 of the amplification optical fiber 10 is connected.
  • the first FBG 61 is provided in the core of the double clad fiber 65.
  • the first FBG 61 is provided on one side of the amplification optical fiber 10.
  • the first FBG 61 has a portion where the refractive index is increased at a constant period along the longitudinal direction of the double clad fiber 65, and the period of the amplification optical fiber 10 in the excited state is adjusted by adjusting this period.
  • the active element is configured to reflect at least part of the wavelength of light emitted. As described above, when the active element is ytterbium, the first FBG 61 has a reflectance of, for example, 100% at 1070 nm.
  • the optical fiber 66 provided on the side opposite to the double clad fiber 65 side of the amplification optical fiber 10 is composed of a core, a clad that surrounds the outer peripheral surface of the core without a gap, and a coating layer that coats the clad. .
  • the core of the optical fiber 66 is, for example, that no active element is added and the refractive index is generally uniform (for example, the same refractive index as that of the first core portion 11a of the amplification optical fiber 10).
  • the configuration is the same as the core 11 of the amplification optical fiber 10, and the cladding of the optical fiber 66 is the same configuration as the cladding of the amplification optical fiber 10.
  • One end of the optical fiber 66 is connected to the other end of the amplification optical fiber 10, and the core 11 of the amplification optical fiber 10 and the core of the optical fiber 66 are connected. Further, in the present embodiment, nothing is connected to the other end of the optical fiber 66 and it is a free end.
  • 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 10.
  • 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, the light having the same wavelength as the light reflected by the first FBG 61 is reflected with a reflectance of 50%.
  • the pumping light when pumping light is emitted from each laser diode 31 of the pumping light source 30, the pumping light is input to the cladding of the double-clad fiber 65 in the optical combiner 40, and double-clad.
  • the light is input from the clad of the fiber 65 to the clad of the optical fiber for amplification 10.
  • the active element added to the core 11 of the amplification optical fiber 10 is brought into an excited state.
  • the active element made into the excited state emits spontaneous emission light of a specific wavelength.
  • the spontaneous emission light at this time is light having a certain wavelength band including a wavelength of 1070 nm, for example.
  • This spontaneously emitted light propagates through the core 11 of the amplification optical fiber 10 and is reflected by the first FBG 61 provided in the core of the double clad fiber 65, and the reflected light is reflected by the second FBG 62, and the light Resonance occurs and the resonating light is amplified when propagating through the core 11 of the amplification optical fiber 10.
  • the light propagating through the core 11 includes LP01 mode light.
  • the LP11 mode light may be excited.
  • the light propagating through the core 11 includes LP11 mode light in addition to LP01 mode light.
  • LP01 mode light amplification is suppressed in the amplification optical fiber 10 in the same manner as the fiber laser device 1, while LP01 mode light is suppressed. Mode light can be amplified.
  • the double clad fiber 65 is not an essential configuration.
  • the amplification optical fiber 10 is connected to the optical fiber 35 in the optical combiner 40 in the same manner as the fiber laser device 1.
  • the first FBG 61 may be provided on one side of the amplification optical fiber 10.
  • 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 10.
  • a wavelength conversion element 50 for converting the wavelength of the emitted light may be disposed in the path of the light emitted from the fiber laser devices 1 and 2, as indicated by a broken line.
  • the wavelength conversion element 50 is an element that converts the wavelength of incident light to the long wavelength side and emits wavelength-converted light. For example, when near-infrared light having a wavelength of 1070 nm is incident, the light is converted. The wavelength conversion is performed to emit visible light having a wavelength of 535 nm.
  • Examples of such a wavelength conversion element 50 include an optical fiber that causes stimulated Raman scattering.
  • Examples of the optical fiber that causes the stimulated Raman scattering include an optical fiber in which a dopant that increases the nonlinear optical constant is added to the core. Examples of such a dopant include germanium and phosphorus.
  • the wavelength conversion element 50 generally performs wavelength conversion when light of a predetermined intensity or more is incident, and the threshold value of the intensity of incident light to be wavelength converted is the core diameter, dopant concentration, length, etc. Can be changed.
  • the wavelength conversion element 50 may be a wavelength conversion element made of a single crystal of lithium niobate and lithium tantalate.
  • wavelength conversion element 50 When such a wavelength conversion element 50 is arranged, light emitted from the amplification optical fiber 10 or the optical fiber 66 is collected by a lens (not shown) and is incident on the wavelength conversion element 50. At this time, light having good beam quality is emitted from the amplification optical fiber 10 and the optical fiber 66 as described above, so that the light condensing property of the light incident on the wavelength conversion element 50 can be enhanced. By increasing the light condensing property in this way, the light power density is increased, and the conversion efficiency in the wavelength conversion element 50 is improved.
  • the LP01 mode light power is in an area AR01 where the LP01 mode light power is larger than the LP11 mode light power.
  • the active element was added, and no active element was added to the region AR11 in which the power of the LP11 mode light is larger than the power of the LP01 mode light.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a first modification of the concentration distribution of the active element. As shown in FIG. 7, an active element may be added to the region AR11 at a lower concentration than the region AR01.
  • the concentration of the active element added to the area AR11 is adjusted so as to satisfy the above formula (1).
  • the light in the LP01 mode is amplified at a higher amplification factor than the light in the LP11 mode, and light with good beam quality can be emitted.
  • the amount of the active element added to the area AR11 can amplify the light as a whole with a high amplification factor.
  • the LP11 mode light is amplified at a higher amplification factor than the LP01 mode light in the area AR11, the beam quality of the emitted light is limited to the area AR01 only as in the amplification optical fiber 10 of the above embodiment. It is better that the active element is added.
  • FIG. 8 is a view showing a second modification of the concentration distribution of the active element.
  • an active element may be added at the same concentration as the region AR01 on the inner periphery side of the region AR11.
  • the region on the inner peripheral side of the region AR11 to which the active element is added is adjusted so as to satisfy the above formula (1).
  • the light in the LP01 mode is amplified with a higher amplification factor than the light in the LP11 mode, and the light with good beam quality is emitted.
  • the active element since the active element is added to the area AR11, the light can be amplified with a high amplification factor as a whole.
  • the LP11 mode light is amplified at a higher amplification factor than the LP01 mode light in the area AR11, the beam quality of the emitted light is limited to the area AR01 only as in the amplification optical fiber 10 of the above embodiment. It is better that the active element is added.
  • FIG. 9 is a diagram showing a third modification of the concentration distribution of the active element.
  • the active element does not have to be added to the outer peripheral side of the area AR01. Even in this case, the above formula (1) is satisfied. Also in this example, since the above equation (1) is satisfied, the light in the LP01 mode is amplified with a higher amplification factor than the light in the LP11 mode, and light with good beam quality can be emitted, and the area AR11 Since the active element is added to the light, the light can be amplified with a high amplification factor as a whole. However, since the active element is not added to a part of the region AR01, the amplification optical fiber 10 of the above embodiment can amplify light with a higher amplification factor.
  • the active element may be added to the entire first core portion 11a and the active element may not be added to the second core portion 11b so as to satisfy the above formula (1).
  • the concentration of the active element in a part of the area AR01 may be small, and the concentration of the active element in a part of the area AR11 may be high. .
  • the active element is added so as to satisfy the above formula (1).
  • the active element of the present invention has LP11 in at least a part of a region where the power of the LP01 mode light is larger than the power of the LP11 mode light.
  • the mode light power is added so as to satisfy the above formula (1) at a concentration higher than at least a part of the region where the light power of the LP01 mode is higher than the light power of the LP01 mode, It can be changed as appropriate.
  • the 2nd core part 11b is provided in the outer peripheral side rather than the boundary of area
  • the present invention is not limited to this, and the second core portion 11b may be provided so that the boundary between the first core portion 11a and the second core portion 11b is within the area AR01, or in the LP11 mode.
  • the second core portion 11b may be provided so that the light power peak is in the area AR01.
  • the optical fiber for amplification of the present invention has a first core part including a central region of the core and a second core part surrounding the first core part, and the refractive index of the first core part is the refractive index of the cladding.
  • the refractive index of the second core portion can be appropriately changed as long as the refractive index of the second core portion is higher than the refractive index of the first core portion.
  • Example 1 A simulation was performed on an amplification optical fiber similar to the amplification optical fiber 10 shown in the embodiment.
  • the diameter of the first core portion of the amplification optical fiber was 20 ⁇ m, and the outer diameter of the second core portion was 26 ⁇ m. Further, the relative refractive index difference of the first core portion relative to the cladding was set to 0.12, and the relative refractive index difference of the second core portion relative to the cladding was set to 0.20.
  • an amplification optical fiber having a length of 5 m was assumed with the addition range of ytterbium as a region having a diameter of 16.4 ⁇ m centering on the center of the core.
  • the power of light incident on the core of the optical fiber for amplification is 10 W
  • the power of excitation light is 1200 w
  • the absorption amount of excitation light is 1 dB / m.
  • the LP01 mode light and the LP11 mode light are excited at the same ratio at the incident end of the amplification optical fiber.
  • the amplification optical fiber satisfies the above formula (1), and the light emitted from the amplification optical fiber when the light of the other mode is not excited has the power of the LP01 mode light of 374 W, and the light of the LP11 mode The power of light became 46W. Moreover, the power of the whole emitted light was 420 W.
  • Comparative Example 1 A simulation was carried out on an amplification optical fiber in which the core diameter was the same as the outer diameter of the second core portion of Example 1, the core was made uniform as a whole, and the relative refractive index difference with respect to the cladding of the core was 0.12. .
  • the ytterbium addition range was set to a region having a diameter of 13.6 ⁇ m centering on the center of the core.
  • the light emitted from the amplification optical fiber has an LP01 mode light power of 302 W and an LP11 mode light power of 37 W.
  • the power of the whole emitted light was 319W.
  • Comparative Example 2 Next, the same amplification optical fiber as in Comparative Example 1 was assumed except that the ytterbium addition range was the same as that in Example 1. Light was incident on the amplification optical fiber in the same manner as in Example 1. At this time, the light emitted from the amplification optical fiber has the LP01 mode light power of 352 W and the LP11 mode light power of 65 W. Moreover, the power of the whole emitted light was 417W.
  • Example 1 and Comparative Example 1 both satisfy the above formula (1), there was no significant difference in beam quality, and both resulted in emission of light with good beam quality.
  • the amplification optical fiber of Example 1 which is the amplification optical fiber of the present invention is compared with the amplification optical fiber described in Comparative Example 1, By expanding the range satisfying the above formula (1), the range in which the rare earth element can be added could be expanded. Therefore, the amplification optical fiber of Example 1 which is the amplification optical fiber of the present invention has a result that the output power of the LP01 mode light is larger than that of the amplification optical fiber described in Comparative Example 1.
  • the range of rare earth elements in Example 1 is added is an area of 211 ⁇ m 2 in the cross section of the fiber
  • the range with a rare earth element in Comparative Example 1 is added is the area of 145 .mu.m 2 in the cross section of the fiber .
  • the amount of excitation light absorption per unit length is proportional to the cross-sectional area of the rare earth addition range, and thus the amount of absorption in Example 1 is 1.46 times that of Comparative Example 1. Therefore, in consideration of the overlap with the power distribution of the LP01 mode light, the fiber length necessary for obtaining the same gain in the LP01 mode light can be reduced to 76% of that of the first comparative example. It became.
  • Comparative Example 2 resulted in almost no change in the power of the entire emitted light compared to Example 1, Comparative Example 2 does not satisfy the above formula (1). As is apparent from the ratio of the light power of the LP11 mode, the beam quality was worse than that of Example 1.
  • the amplification optical fiber of the present invention As described above, according to the amplification optical fiber of the present invention, it can be confirmed that light with high power can be emitted while improving the beam quality, and the optical fiber amplifier of the present invention using such an amplification optical fiber. Is considered to be able to output light with good beam quality.
  • an amplification optical fiber capable of outputting light of good beam quality even when LP11 mode light is excited in addition to LP01 mode light, and a fiber laser device using the same Can be used in a processing machine or the like.

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Abstract

　増幅用光ファイバ１０のコア１１は、コア１０の中心の領域を含む第１コア部１１ａと、第１コア部１１ａを囲む第２コア部１１ｂとを有し、第１コア部１１ａの屈折率は、クラッド１２の屈折率よりも高く、第２コア部１１ｂの屈折率は、第１コア部１１ａの屈折率よりも高く、コア１１には、所定波長の光を誘導放出する活性元素が、ＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合において、ＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きい領域の少なくとも一部にＬＰ１１モードの光のパワーがＬＰ０１モードの光のパワーよりも大きい領域の少なくとも一部よりも高い濃度で添加される。

Description

増幅用光ファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置
　本発明は、ビーム品質を良好としつつパワーの大きな光を出射することができる増幅用光ファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置に関する。
　加工機等において使用されるファイバレーザ装置の一つとして、レーザ発振器（ＭＯ：Master Oscillator）等の種光源により発生される光を、増幅用光ファイバを有する増幅器（ＰＡ：Power Amplifier）で増幅して出射するＭＯ－ＰＡ（Master Oscillator－Power Amplifier）型の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として、波長変換素子により、近赤外光の波長帯域を有する光を短波長側に変換することで、可視光の波長帯域を有する光を出射することが行われている。
　このような波長変換を行う際、波長変換される前の光に高次モードが存在すると、効率良く波長変換を行うことができない傾向があるため、波長変換素子に入射する光には出来るだけ基本モードの光のみが含まれて高次モードの光が含まれないことが望ましい。また、増幅用光ファイバから出射した光を集光する場合においても、出来るだけ基本モードの光のみが含まれて高次モードの光が含まれないことが望ましい。一方、ファイバレーザ装置の高出力化に伴ってパワーのより大きな光を伝播するため、増幅用光ファイバ等の光ファイバにシングルモードファイバよりもコアの直径が大きい光ファイバを用いたいという要望がある。そして、このような場合であっても、基本モードの光が含まれて高次モードの光が低減されたビーム品質の良い光を出射させたいという要望がある。
　下記特許文献１には、ＬＰ０１モードの光が主に増幅し、ＬＰ１１モードの光はＬＰ０１モードの光に比べて増幅しないように、コアに選択的に活性元素が添加された増幅用光ファイバの例が記載されている。このような増幅用光ファイバによれば、基本モードの光を増幅しつつＬＰ１１モードの光の増幅を抑制することができる。従って、基本モードの光が含まれＬＰ１１モードの光が低減された光を出射することができる。
特許第４，９４７，８５３号
　上記特許文献１に記載の増幅用光ファイバによれば、コアの全領域に均一に活性元素が添加されている増幅用光ファイバと比べて、ＬＰ０１モードの光を選択的に増幅することができ、良好なビーム品質の光を出射することができる。しかし、上記のような増幅用光ファイバが用いられるファイバレーザ装置の高出力化に伴い、よりパワーの大きな光を出射することができる増幅用光ファイバが求められている。
　そこで、本発明は、ビーム品質を良好としつつパワーの大きな光を出射することができる増幅用光ファイバ、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。
　上記特許文献１に記載された選択的に活性元素が添加された増幅用ファイバにおいて、活性元素の添加範囲を広げれば、出射する光のパワーをより大きくすることができる。しかし、活性元素の添加範囲を広げれば、ＬＰ１１モードの光が増幅されてしまう虞があり、この場合出力する光のビーム品質が低下してしまう。そこで、本発明者等は、ビーム品質が低下することを抑制しつつ、活性元素の添加範囲を広げるため鋭意検討を重ねて、本発明をするに至った。
　すなわち、本発明の増幅用光ファイバは、コアと前記コアを囲むクラッドとを備え、所定波長の光を少なくともＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードで伝播する光ファイバであって、前記コアは、前記コアの中心の領域を含む第１コア部と、前記第１コア部を囲む第２コア部とを有し、前記第１コア部の屈折率は、前記クラッドの屈折率よりも高く、前記第２コア部の屈折率は、前記第１コア部の屈折率よりも高く、前記コアには、前記所定波長の光を誘導放出する活性元素が、前記ＬＰ０１モードの光及び前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合において、前記ＬＰ０１モードの光のパワーが前記ＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きい領域の少なくとも一部に前記ＬＰ１１モードの光のパワーが前記ＬＰ０１モードの光のパワーよりも大きい領域の少なくとも一部よりも高い濃度で添加され、下記式を満たすことを特徴とするものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
（ただし、ｒは、前記コアの径方向における中心からの距離であり、Ｉ０１（ｒ）は前記ＬＰ０１モードの光の前記コアの径方向における中心から距離ｒにおけるパワーであり、Ｉ１１（ｒ）は前記ＬＰ１１モードの光の前記コアの径方向における中心から距離ｒにおけるパワーであり、ｎ（ｒ）は前記コアの径方向における中心から距離ｒにおける活性元素の添加濃度である。）
　偶モードの光の一つであるＬＰ０１モードの光の強度は、コアの中心において最も大きく、コアの中心から離れるに従って徐々に小さくなる。これに対して奇モードの光のであるＬＰ１１モードの光の強度は、コアの中心において略ゼロであるが、コアの中心から離れるにつれて徐々に大きくなり、コアの中心から一定距離離れた位置において最大となる。従って、出射する光にＬＰ１１モードの光が多く含まれると集光しづらいといった不都合が生じる。また、コアを伝播するＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合において、ＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きい領域は、コアの中心を含んでコアの中心から所定の位置まで広がり、それよりも外周側の領域は、ＬＰ１１モードの光のパワーがＬＰ０１モードの光のパワーよりも大きい領域とされる。本発明者らはこのようにＬＰ０１モードのパワーが大きな部位とＬＰ１１モードの光のパワーが大きな場所とを概ね分けることができる点に注目した。本発明の増幅用光ファイバでは、活性元素が、ＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きい領域の少なくとも一部にＬＰ１１モードの光のパワーがＬＰ０１モードの光のパワーよりも大きい領域の少なくとも一部よりも高い濃度で添加され、上記式を満たすため、増幅用光ファイバ全体として見ると、ＬＰ０１モードの光が増幅されてＬＰ１１モードの光の増幅が抑制される。従って、出力する光のビーム品質を良好にすることができる。
　また、第２コア部の屈折率は、それよりも内周側に位置する第１コア部の屈折率よりも高いため、コアを伝播する光は、屈折率の高い第２コア部側に引き寄せられる。つまりコアを伝播する光は、コア全体の屈折率が一定である場合と比べて、外周側に引き寄せられて伝播する。従って、ＬＰ０１モードの光もＬＰ１１モードの光も外周側に引き寄せられながらコアを伝播する。このためパワーで規格化する場合のＬＰ０１モードの光のパワーとＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさになる位置も外周側に引き寄せられる。上記のようにコアの中心側の領域ではＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きいため、第２コア部の屈折率が第１コア部の屈折率よりも高いことにより、コア全体の屈折率が一定である場合と比べて、ＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光よりも大きい領域が広がることになる。このようにＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光よりも大きい領域が広がることで、上記式を満たすように活性元素を添加する領域を大きくすることができる。このため本発明の増幅用光ファイバによれば、ビーム品質を良好としつつよりパワーの大きな光を出射することができるのである。
　また、上記のようにコアを伝播する光を外周側に引き寄せることができるので、実効コア断面積を大きくすることができる。従って、コアを伝播する光の密度を小さくすることができ、光のパワーを大きくする場合であっても非線形光学効果による影響を抑制することができる。
　また、前記第２コア部は、前記ＬＰ０１モードの光及び前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合における前記ＬＰ０１モードの光のパワーと前記ＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさとなる位置よりも、外周側とされることが好ましい。
　このような構成にすることにより、ＬＰ０１モードの光に比べてＬＰ１１モードの光がより強く第２コア部の影響を受けて外周側に引き寄せられるため、ＬＰ０１モードがＬＰ１１モードより大きい領域をより大きく広げることができ、上記式を満たすように活性元素を添加する領域をより大きくすることができる。
　さらに、前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合における前記ＬＰ１１モードの光のパワーのピークは、前記第２コア部に位置することが好ましい。
　また、前記第１コア部に添加される前記活性元素の平均の濃度は、前記第２コア部における前記活性元素の平均の濃度よりも高いことが好ましい。
　さらに、前記第２コア部には活性元素が添加されないことが好ましい。すなわち前記第２コア部における前記活性元素の平均の濃度がゼロということである。
　また更に、前記活性元素は、前記コアの中心から、前記ＬＰ０１モードの光及び前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合における前記ＬＰ０１モードの光のパワーと前記ＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさとなる位置まで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、ＬＰ１１モードの光の増幅に対するＬＰ０１モードの光の増幅の比率をより大きくすることができ、よりビーム品質の良い光を出射することができる。
　この場合、前記活性元素は、均一の濃度で添加されることが好ましい。
　また、前記活性元素は、前記コアの中心から所定の位置まで、均一の濃度で添加されていることとしても良い。
　この場合、前記所定の位置は、前記ＬＰ０１モードの光及び前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合における前記ＬＰ０１モードの光のパワーと前記ＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさとなる位置とされることが好ましい。
　前記ＬＰ０１モードの光及び前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合における前記ＬＰ１１モードの光のパワーが前記ＬＰ０１モードの光のパワーよりも大きい領域には、前記活性元素が添加されないことが好ましい。
　このように活性元素が添加されることで、ＬＰ１１モードの光の増幅に対するＬＰ０１モードの光の増幅の比率をより大きくすることができ、よりビーム品質の良い光を出射することができる。
　また、本発明のファイバレーザ装置は、上記のいずれかに記載の増幅用光ファイバと、種光を前記増幅用光ファイバに入力させる種光源と、前記増幅用光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、を備えることを特徴とするものである。或いは、本発明のファイバレーザ装置は、上記のいずれかに記載の増幅用光ファイバと、前記増幅用光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、前記増幅用光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、前記増幅用光ファイバの他方側に設けられ、前記第１ＦＢＧが反射する光と同じ波長の光を前記第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。
　これらのファイバレーザ装置によれば、ＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きな領域が広げられて、ＬＰ０１モードの光が増幅されＬＰ１１モードの光の増幅が抑制されるため、ビーム品質を良好としつつパワーの大きな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、ビーム品質を良好としつつパワーの大きな光を出射することができる増幅用光ファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置が提供される。
本発明の増幅用光ファイバの長手方向に垂直な断面における構造を示す図である。 図１の点線で囲まれた領域の様子を示す図である。 全体的に均一な屈折率を有するコアを備える光ファイバについて、屈折率分布と、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光のパワーの分布を示す図である。 本発明の増幅用光ファイバについて、屈折率分布と、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光のパワーの分布を示す図である。 本発明のファイバレーザ装置の一例を示す図である。 本発明のファイバレーザ装置の他の例を示す図である。 活性元素の濃度分布の第１の変形例を示す図である。 活性元素の濃度分布の第２の変形例を示す図である。 活性元素の濃度分布の第３の変形例を示す図である。
　以下、本発明に係る増幅用光ファイバ、及び、それを用いたファイバ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。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。
　＜増幅用光ファイバについての説明＞
　図１は、本発明の第１実施形態に係る増幅用光ファイバの長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。
　図１に示すように増幅用光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の外周面を隙間なく囲む内側クラッド１２と、内側クラッド１２の外周面を被覆する外側クラッド１３と、外側クラッド１３を被覆する被覆層１４とを主な構成として備える。コア１１の直径は、例えば２６μｍとされる。また、内側クラッド１２の外径は例えば４２０μｍとされ、外側クラッド１３の外径は例えば４４０μｍとされる。
　図２は、図１の増幅用光ファイバ１０のコア１１とその周囲における様子を示した図である。具体的には、図２（Ａ）は図１の点線で示される領域でのコア１１と内側クラッド１２とを示し、図２（Ｂ）は内側クラッド１２に対するコア１１の比屈折率差の分布を示し、図２（Ｃ）は増幅用光ファイバ１０が所定波長の光を伝播したときのＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光の強度分布を示し、図２（Ｄ）は図２（Ｃ）に示すＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光をパワーで規格化したそれぞれの光のパワーの分布を示し、図２（Ｅ）は図２（Ａ）に示す領域での活性元素の濃度分布を示す。
　図２（Ａ）に示すように、増幅用光ファイバ１０のコア１１は、コア１１の中心から一定の領域まで広がる第１コア部１１ａと第１コア部１１ａの外周面を隙間なく囲む第２コア部１１ｂとを有している。第１コア部１１ａの直径は、例えば上記のようにコア１１の直径が２６μｍである場合、例えば２０μｍとされ、第２コア部１１ｂの外径は、コア１１の直径と一致して２６μｍとされる。
　図２（Ｂ）に示すように、第２コア部１１ｂの屈折率は、第１コア部１１ａの屈折率よりも高く、第１コア部１１ａの屈折率は内側クラッド１２の屈折率よりも高くされている。なお、特に図示しないが、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。第１コア部１１ａと内側クラッド１２との比屈折率差は、例えば０．１２とされ、第２コア部１１ｂと内側クラッド１２との比屈折率差は、例えば０．２０とされる。増幅用光ファイバ１０はこのような屈折率分布を有するため、例えば、第１コア部１１ａ，第２コア部１１ｂは、それぞれ屈折率を高くするゲルマニウム等のドーパント及び必要な他のドーパントが添加された石英で構成され、第２コア部１１ｂに添加される屈折率を高くするドーパントは、第１コア１１部ａよりも高い濃度で添加される。この場合、例えば、内側クラッド１２は、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。さらに、外側クラッド１３は、例えば紫外線硬化樹脂や屈折率を下げるドーパントが添加された石英から構成され、被覆層は、例えば外側クラッドとは異なる紫外線硬化樹脂から構成される。
　図２（Ｃ）に示すように、増幅用光ファイバ１０は、コア１１を伝播する光が基本モードであるＬＰ０１モードの光の他にＬＰ１１モード等の高次モードの光を伝播する光ファイバとされ、コア１１に所定波長の光を伝播すると、この光は、コア１１をＬＰ０１モード，ＬＰ１１モードを含む光として伝播する。例えばＬＰ０１モードの光のみを含む光がコア１１に入射する場合であっても、ＬＰ１１モード等の高次モードの光が励振する場合がある。ＬＰ０１モードの光はコア１１の中心において強度が大きく、コア１１の中心から離れるにつれて強度が小さくなる。一方、ＬＰ１１モードの光は、コア１１の中心において強度が小さくコア１１の外周面側において強度が大きい。従って、出射する光にＬＰ１１モードの光が多く含まれると、出射した光を集光しづらい等の不都合がある。特に奇モードの光の中でもＬＰ１１モードの光は、集光等に対する不都合への影響が大きい。そこで、本実施形態においては、高次モードの中でもその影響が大きいＬＰ１１モードの光を考慮して、他の高次モードの光やＬＰ０２モードの光等の偶モードの光（軸対象の光）については、特に考慮しないものとする。なお、コア１１を伝播する光の波長は、後に詳説するコア１１に添加される活性元素が励起状態とされる場合に、当該活性元素が誘導放出を起こす波長とされる。
　このようにコア１１をＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光を含む光が伝播すると、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光とをパワーで規格化する場合にＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光が図２（Ｄ）に示すようなパワーの分布を有して伝播する。このときＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きい領域ＡＲ０１は、コア１１の中心を含んで中心から所定の位置まで広がり、ＬＰ１１モードの光のパワーがＬＰ０１モードの光のパワーよりも大きい領域ＡＲ１１は、それよりも外周側の領域となる。
　本実施形態では、図２（Ｂ）,図２（Ｄ）から明らかなように、第２コア部１１ｂは、ＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合におけるＬＰ０１モードの光のパワーとＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさとなる位置、すなわち、領域ＡＲ０１と領域ＡＲ１１との境界よりも、外周側とされている。従って、第１コア部１１ａは、内側が領域ＡＲ０１とされ、外側がＡＲ１１とされており、第２コア部１１ｂは、全体的に領域ＡＲ１１とされている。さらに、ＬＰ１１モードの光のパワーのピークは、第２コア部１１ｂ内に位置している。
　また、図２（Ｅ）に示すように、本実施形態の増幅用光ファイバ１０では、領域ＡＲ０１に活性元素が添加され、領域ＡＲ１１には活性元素が添加されていない。つまり、第１コア部１１ａの内、領域ＡＲ１１にのみ活性元素が添加され、第２コア部１１ｂには活性元素が添加されていない。この活性元素は励起光により励起状態とされる元素であり、代表的にはイッテルビウム（Ｙｂ）を挙げることができる。なお、このような活性元素としては、イッテルビウム（Ｙｂ）の他に、例えばネオジウム（Ｎｄ）やエルビウム(Ｅｒ)等の希土類元素を挙げることができる。さらに活性元素として、希土類元素の他に、ビスマス（Ｂｉ）を挙げることができる。なお、領域ＡＲ０１に添加される活性元素の濃度は、例えば活性元素がイッテルビウムである場合に１６×１０２５（個／ｍ３）とされ、コアを伝播する光の波長は、上記のように励起状態とされる活性元素が誘導放出を起こす所定波長とされ、活性元素がイッテルビウムである場合には、例えば１０７０ｎｍとされる。
　このような増幅用光ファイバ１０のコア１１に所定波長の光が入射すると共に、内側クラッド１２に活性元素を励起する波長の光が入射すると、次のようにコア１１に入射した光が増幅される。内側クラッド１２に入射する励起光は内側クラッド１２を主に伝播し、当該励起光がコア１１を通過する際、コア１１に添加されている活性元素が励起される。励起された活性元素は、コア１１に入射てコア１１を伝播する所定波長の光により誘導放出を起こして、この誘導放出によりコア１１を伝播する所定波長の光は増幅される。このとき、コア１１におけるＬＰ０１モードの光が大きな領域ＡＲ０１に活性元素が添加され、ＬＰ１１モードの光の強度がＬＰ０１モードの光の強度よりも大きな領域ＡＲ１１に活性元素が添加されていないため、コアを伝播する光の内、ＬＰ１１モードの光よりもＬＰ０１モードの光の方が高い増幅率で増幅される。
　このとき、コア１１を伝播する光は、下記式（１）を満たしている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
ただし、ｒは、コア１１の径方向における中心からの距離であり、Ｉ０１（ｒ）は図２（Ｄ）に示すＬＰ０１モードの光のコア１１の径方向における中心から距離ｒにおけるパワーであり、Ｉ１１（ｒ）はＬＰ１１モードの光のコア１１の径方向における中心から距離ｒにおけるパワーであり、ｎ（ｒ）はコア１１の径方向における中心から距離ｒにおける活性元素の添加濃度である。なお、ｒの単位は（ｍ）であり、Ｉ０１（ｒ），Ｉ０２（ｒ）の単位は（Ｗ／ｍ２）であり、ｎ（ｒ）の単位は（個／ｍ３）である。
　従って、コア全体に活性元素が均一に添加されている増幅用光ファイバと比較する場合に、本実施形態の増幅用光ファイバ１０によればＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光よりも効率良く増幅されて出射される。
　次に、本実施形態のように第２コア部１１ｂの屈折率が第１コア部１１ａの屈折率よりも高いことによる作用について説明する。
　図３は、全体的に均一な屈折率を有するコアを備える光ファイバについて、クラッドに対するコアの比屈折率差の分布と、当該コアを伝播する光についてＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光をパワーで規格化した場合におけるそれぞれの光のパワーの分布を示す図である。また、図４は、本発明の増幅用光ファイバ１０について、内側クラッド１２に対するコア１１の比屈折率差の分布と、コア１１を伝播する光についてＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光をパワーで規格化した場合におけるそれぞれの光のパワーの分布を示す図である。なお、比屈折率差の分布及びパワーの分布はコアの中心を基準として左右対称であるため、図３、図４において、中心を基準とした一方側のみの分布が記載され、他方側は省略されており、比屈折率差の分布は破線で示されている。
　図３、図４から明らかなように、図４に示す本実施形態の増幅用光ファイバ１０のコア１１の屈折率分布によれば、図３に示すようなコアの屈折率が全体的に均一である場合と比べて、ＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光のそれぞれが外周側に引き寄せられている。従って、ＬＰ０１モードの光のパワーとＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさになる位置も本実施形態の増幅用光ファイバ１０の方が外周側に引き寄せられている。上記のようにＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合にＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きい領域ＡＲ０１は、コア１１の中心から所定の位置まで広がっている。従って、図４に示す本実施形態の増幅用光ファイバ１０によれば、図３に示すコアの屈折率が全体的に均一である光ファイバと比べて、ＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きい領域ＡＲ０１が大きいことが分かる。このようにＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光よりも大きい領域ＡＲ０１が広がることで、ＬＰ０１モードの光をＬＰ１１モードの光よりも増幅できる領域が広がることになる。このため、本実施形態の増幅用光ファイバ１０によれば、選択的に活性元素を添加してビーム品質を良好としつつよりパワーの大きな光を出射することができる。
　また、図４に示すようにコア１１を伝播する光を外周側に引き寄せることができるので、増幅用光ファイバ１０は、実効コア断面積（Ａｅｆｆ）を大きくすることができる。従って、コアを伝播する光の密度を小さくすることができ、光のパワーを大きくする場合であっても非線形光学効果による影響を抑制することができる。
　＜ファイバレーザ装置についての説明＞
　次に上記の増幅用光ファイバ１０を用いたファイバレーザ装置について図５を参照して説明する。図５は、本実施形態のファイバレーザ装置の一例を示す図である。図５に示すように、本実施形態におけるファイバレーザ装置１は、種光となる光を出射する種光源２０と、励起光を出射する励起光源３０と、種光及び励起光が入力する光コンバイナ４０と、光コンバイナ４０から出射される種光及び励起光が入力する図１の増幅用光ファイバ１０とを主な構成として備える。
　種光源２０は、例えば、半導体レーザ装置や、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２０は、ＬＰ０１モードの光を含む所定波長の光を光ファイバから出射するように構成されている。また、この所定波長は、特に制限されるものではないが、増幅用光ファイバ１０に添加される活性元素が誘導放出できる波長であり、例えば、上記のように活性元素がイッテルビウム（Ｙｂ）である場合には１０７０ｎｍとされる。
　また、種光源２０の出射する光は、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２５から出射される。この光ファイバ２５は、種光源２０から出射される光を、例えばＬＰ０１モードの光から成るシングルモード光として伝播する。
　励起光源３０は、複数のレーザダイオード３１から構成され、レーザダイオード３１は、本実施形態においては、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の光を出射する。また、励起光源３０のそれぞれのレーザダイオード３１は光ファイバ３５に接続されており、レーザダイオード３１から出射される励起光は例えば光ファイバ３５をマルチモード光として伝播する。
　光ファイバ３５及び光ファイバ２５が接続される光コンバイナ４０は、光ファイバ２５を中心としてその周りにマルチモードファイバを配置した部分が溶融延伸されて一体化することにより構成されており、光ファイバ２５のコアと増幅用光ファイバ１０のコア１１とが光学的に結合され、光ファイバ３５のコアと増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２とが光学的に結合されている。
　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、種光源２０から出射する種光が光ファイバ２５から出射する。この種光の波長は、上述のように例えば１０７０μｍとされる。このとき上述の光ファイバ２５により、ＬＰ０１モードを含む種光が伝播する。そして、光ファイバ２５を伝播する種光は、光コンバイナ４０に入射する。
　また、励起光源３０からは、増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加されている活性元素を励起する励起光が出射される。このときの波長は、上述のように例えば９１５μｍの波長とされる。そして、励起光源３０から出射した励起光は、光ファイバ３５を伝播して光コンバイナ４０に入射する。
　光コンバイナ４０から増幅用光ファイバ１０のコア１１に種光が入射するときに、上述の増幅用光ファイバ１０の説明のように、種光はＬＰ１１モードの光を励振する場合がある。そしてコア１１に入射した種光はコア１１を伝播する。また、光コンバイナ４０から増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射した励起光は内側クラッド１２を主に伝播して、コア１１を横切る際にコア１１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が種光により誘導放出を起こして種光が増幅する。このとき、上述のようにＬＰ１１モードの光が励振してコア１１を伝播する場合であっても、増幅用光ファイバ１０の説明のように、ＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光よりも増幅される。従って、コア全体に活性元素が均一に添加される増幅用光ファイバと比べて、ＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光よりも効率良く増幅されて出射される。このため、ＬＰ０１モードの光の強度に比べてＬＰ１１モードの光の強度が抑制されたビーム品質の良い光が増幅用光ファイバ１０から出射する。
　以上説明したように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１０においてＬＰ１１モードの光の増幅を抑制しつつ、ＬＰ０１モードの光を増幅させ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。
　＜ファイバレーザ装置の他の例についての説明＞
　次にファイバレーザ装置の他の例について図６を参照して詳細に説明する。なお、上記のファイバレーザ装置１の説明と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
　図６は、本実施形態のファイバレーザ装置の他の例を示す図である。図６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３０と、増幅用光ファイバ１０と、光コンバイナ４０と、増幅用光ファイバ１０と光コンバイナ４０との間に設けられるダブルクラッドファイバ６５と、ダブルクラッドファイバ６５に設けられる第１ＦＢＧ６１と、増幅用光ファイバ１０のダブルクラッドファイバ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とを主な構成として備える。
　ダブルクラッドファイバ６５は、長手方向に垂直な断面の構造が増幅用光ファイバ１０と同様とされ、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６５は、例えば、コアに活性元素が添加されておらず、コアの屈折率が全体的に均一（例えば、増幅用光ファイバ１０の第１コア部１１ａと同じ屈折率）である点を除き、増幅用光ファイバ１０と同様の構成とされる。
　ダブルクラッドファイバ６５の一端は、ファイバレーザ装置１において増幅用光ファイバ１０が光コンバイナ４０において光ファイバ３５に接続されるのと同様にして、光コンバイナ４０において、光ファイバ３５のコアとダブルクラッドファイバ６５の内側クラッドとが光学的に接続されている。また、ダブルクラッドファイバ６５の他端は、増幅用光ファイバ１０の一端に接続され、ダブルクラッドファイバ６５のコアと増幅用光ファイバ１０のコア１１とが接続され、ダブルクラッドファイバ６５の内側クラッドと増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２とが接続されている。
　また、ダブルクラッドファイバ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１０の一方側に設けられている。第１ＦＢＧ６１は、ダブルクラッドファイバ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１０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、上述のように活性元素がイッテルビウムである場合、例えば１０７０ｎｍにおいて反射率が、例えば１００％とされる。
　また、増幅用光ファイバ１０のダブルクラッドファイバ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、活性元素が添加されておらず、屈折率が全体的に均一（例えば、増幅用光ファイバ１０の第１コア部１１ａと同じ屈折率）である点を除き、増幅用光ファイバ１０のコア１１と同様の構成とされ、光ファイバ６６のクラッドは、増幅用光ファイバ１０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１０の他端に接続されて、増幅用光ファイバ１０のコア１１と光ファイバ６６のコアとが接続されている。また、本実施形態では、光ファイバ６６の他端には何も接続されずに自由端とされている。
　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１０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が反射する光と同じ波長の光を５０％の反射率で反射するように構成されている。
　このようなファイバレーザ装置２においては、励起光源３０のそれぞれのレーザダイオード３１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、ダブルクラッドファイバ６５のクラッドに入力して、ダブルクラッドファイバ６５のクラッドから、増幅用光ファイバ１０のクラッドに入力する。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１０のコア１１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１０のコア１１を伝播して、ダブルクラッドファイバ６５のコアに設けられている第１ＦＢＧ６１により反射され、反射された光が第２ＦＢＧ６２で反射されて、光の共振が生じ、共振する光が増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝播するときに増幅される。このとき、コア１１を伝播する光はＬＰ０１モードの光を含んでいる。また、第１ＦＢＧ６１や第２ＦＢＧ６２で光が反射するときや、ダブルクラッドファイバ６５や光ファイバ６６と増幅用光ファイバ１０との境界を光が伝播するときにＬＰ１１モードの光が励振する場合があり、この場合には、コア１１を伝播する光は、ＬＰ０１モードの光の他にＬＰ１１モードの光を含んでいる。
　しかし、ＬＰ０１モードの光の他にＬＰ１１モードの光を含んでいる場合であっても、ファイバレーザ装置１と同様にして、増幅用光ファイバ１０においてＬＰ１１モードの光の増幅を抑制しつつ、ＬＰ０１モードの光を増幅させることができる。
　このように本例のファイバレーザ装置２においては、ファイバレーザ装置１と同様にビーム品質の良い光を出射することができる。
　なお、本例ではダブルクラッドファイバ６５は必須の構成ではなく、ダブルクラッドファイバ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１０が光コンバイナ４０において光ファイバ３５に接続され、第１ＦＢＧ６１が増幅用光ファイバ１０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１０の他方側に設けられればよい。
　また、図５、図６において破線にて示すように、ファイバレーザ装置１，２から出射する光の経路に、出射する光の波長を変換する波長変換素子５０が配置されても良い。
　波長変換素子５０は、入射する光の波長を長波長側に変換して波長変換された光を出射する素子であり、例えば、波長が１０７０ｎｍといった近赤外光が入射する場合に、この光を波長変換して波長が５３５ｎｍの可視光を出射する。このような波長変換素子５０としては、誘導ラマン散乱を起こす光ファイバを挙げることができる。この誘導ラマン散乱を起こす光ファイバとしては、コアに非線形光学定数を上昇させるドーパントが添加される光ファイバを挙げることができる。このようなドーパントとしては、ゲルマニウムやリンが挙げられる。この場合、波長変換素子５０は、一般的に所定強度以上の光が入射する場合に波長変換を行い、波長変換する入射光の強度の閾値は、コアの直径、ドーパントの添加濃度、長さ等によって変えることができる。或いは、波長変換素子５０として、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの単結晶から成る波長変換素子を挙げることができる。
　このような波長変換素子５０が配置される場合には、増幅用光ファイバ１０や光ファイバ６６から出射する光は、図示しないレンズにより集光されて波長変換素子５０に入射される。このとき増幅用光ファイバ１０や光ファイバ６６からは、上記のようにビーム品質が良い光が出射するので、波長変換素子５０に入射する光の集光性を高くすることができる。このように光の集光性を高くすることにより、光のパワー密度が高くなり、波長変換素子５０における変換効率が向上する。
　以上、本発明について、実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　例えば、上記実施形態の増幅用光ファイバ１０では、ＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合において、ＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きい領域ＡＲ０１に活性元素が添加され、ＬＰ１１モードの光のパワーがＬＰ０１モードの光のパワーよりも大きい領域ＡＲ１１には活性元素が添加されなかった。しかし、本発明はこれに限らない。図７は、活性元素の濃度分布の第１の変形例を示す図である。図７に示すように、領域ＡＲ１１に領域ＡＲ０１よりも低い濃度で活性元素が添加されても良い。この場合には、上記式（１）を満たすように領域ＡＲ１１に添加される活性元素の濃度が調整される。上記式（１）を満たすように活性元素が添加されることで、ＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光よりも高い増幅率で光が増幅され、ビーム品質の良い光を出射することができ、また、領域ＡＲ１１に活性元素が添加される分、全体として光を高い増幅率で増幅することができる。ただし、領域ＡＲ１１では、ＬＰ０１モードの光よりもＬＰ１１モードの光が高い増幅率で増幅されるため、出射する光のビーム品質は、上記実施形態の増幅用光ファイバ１０の様に領域ＡＲ０１のみに活性元素が添加された方が良好となる。
　図８は、活性元素の濃度分布の第２の変形例を示す図である。図８に示すように、領域ＡＲ１１の内周側に領域ＡＲ０１と同じ濃度で活性元素が添加されても良い。この場合には、上記式（１）を満たすように活性元素が添加される領域ＡＲ１１の内周側の領域が調整される。本例においても、上記式（１）を満たすように活性元素が添加されることで、ＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光よりも高い増幅率で光が増幅され、ビーム品質の良い光を出射することができ、また、領域ＡＲ１１に活性元素が添加される分、全体として光を高い増幅率で増幅することができる。ただし、領域ＡＲ１１では、ＬＰ０１モードの光よりもＬＰ１１モードの光が高い増幅率で増幅されるため、出射する光のビーム品質は、上記実施形態の増幅用光ファイバ１０の様に領域ＡＲ０１のみに活性元素が添加された方が良好となる。
　図９は、活性元素の濃度分布の第３の変形例を示す図である。図９に示すように、領域ＡＲ０１の外周側に活性元素が添加されなくても良い。この場合であっても、上記式（１）を満たす。本例においても、上記式（１）を満たすため、ＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光よりも高い増幅率で光が増幅され、ビーム品質の良い光を出射することができ、また、領域ＡＲ１１に活性元素が添加される分、全体として光を高い増幅率で増幅することができる。ただし、領域ＡＲ０１の一部に活性元素が添加されないため、上記実施形態の増幅用光ファイバ１０の方が高い増幅率で光を増幅することができる。
　また、特に図示しないが、上記式（１）を満たすように、第１コア部１１ａの全体に活性元素が添加され第２コア部１１ｂに活性元素が添加されないこととしても良い。更に、例えば、上記実施形態や上記第１～第３の変形例において、領域ＡＲ０１の一部における活性元素の濃度が小さくても良く、領域ＡＲ１１の一部における活性元素の濃度が高くても良い。ただし、これらの場合であっても上記式（１）を満たす様に活性元素は添加される。
　つまり、本発明の活性元素は、ＬＰ０１モードの光及びＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合において、ＬＰ０１モードの光のパワーがＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きい領域の少なくとも一部にＬＰ１１モードの光のパワーがＬＰ０１モードの光のパワーよりも大きい領域の少なくとも一部よりも高い濃度で、上記式（１）を満たすように、添加される限りにおいて、その添加量や添加領域については適宜変更可能である。
　また、上記実施形態では、第２コア部１１ｂは、領域ＡＲ０１と領域ＡＲ１１との境界よりも外周側に設けられ、ＬＰ１１モードの光のパワーのピークは、第２コア部１１ｂ内に位置していた。しかし、本発明はこれに限らず、第１コア部１１ａと第２コア部１１ｂとの境界が、領域ＡＲ０１内となるように第２コア部１１ｂが設けられても良く、或いは、ＬＰ１１モードの光のパワーのピークが、領域ＡＲ０１内となるように第２コア部１１ｂが設けられても良い。つまり、本発明の増幅用光ファイバは、コアの中心の領域を含む第１コア部と第１コア部を囲む第２コア部とを有し、第１コア部の屈折率がクラッドの屈折率よりも高く、第２コア部の屈折率が第１コア部の屈折率よりも高い限りにおいて適宜変更可能である。
　以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものでは無い。
　（実施例１）
　上記実施形態に示す増幅用光ファイバ１０と同様の増幅用光ファイバについてシミュレーションを行った。増幅用光ファイバの第１コア部の直径を２０μｍとして、第２コア部の外径を２６μｍとした。また、クラッドに対する第１コア部の比屈折率差を０．１２として、クラッドに対する第２コア部の比屈折率差を０．２０とした。
　この様な条件で、波長１０６０ｎｍの光をコアに入射したところ、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光とをパワーで規格化する場合に、ＬＰ０１モードの光のパワーとＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさとなる位置は、中心から８．２μｍの位置であった（直径が１６．４μｍの円環状であった）。また、増幅用光ファイバを伝播する光の実効コア断面積は、５７０．４６μｍ２であった。
　そこで、イッテルビウムの添加範囲をコアの中心を中心として直径１６．４μｍの領域として、長さが５ｍの増幅用光ファイバを想定した。この増幅用光ファイバのコアに入射する光のパワーを１０Ｗとして、励起光のパワー１２００ｗとして、励起光の吸収量を１ｄＢ／ｍとした。また、増幅用光ファイバの入射端でＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光は同じ比率で励振するものとした。この条件で増幅用光ファイバは上記式（１）を満たし、他のモードの光が励振されない場合に増幅用光ファイバから出射する光は、ＬＰ０１モードの光のパワーが３７４Ｗであり、ＬＰ１１モードの光のパワーが４６Ｗとなった。また、出射する光全体のパワーは、４２０Ｗとなった。
　（比較例１）
　コアの直径を実施例１の第２コア部の外径と同様として、コアを全体的に均一とし、コアのクラッドに対する比屈折率差を０．１２とした増幅用光ファイバについてシミュレーションを行った。
　この様な条件で、波長１０６０ｎｍの光をコアに入射したところ、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光とをパワーで規格化する場合に、ＬＰ０１モードの光のパワーとＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさとなる位置は、中心から６．８μｍの位置であった（直径が１３．６μｍの円環状であった）。また、増幅用光ファイバを伝播する光の実効コア断面積は、３６３．９４μｍ２であった。
　そこで、イッテルビウムの添加範囲をコアの中心を中心として直径１３．６μｍの領域とすること以外の条件は実施例１と同様にして、実施例１と同様にして光を入射した。この条件で増幅用光ファイバから出射する光は、ＬＰ０１モードの光のパワーが３０２Ｗであり、ＬＰ１１モードの光のパワーが３７Ｗとなった。また、出射する光全体のパワーは、３１９Ｗとなった。
　（比較例２）
　次にイッテルビウムの添加範囲を実施例１と同じにしたこと以外は、比較例１と同様の増幅用光ファイバを想定した。この増幅用光ファイバに実施例１と同様に光を入射した。このとき増幅用光ファイバから出射する光は、ＬＰ０１モードの光のパワーが３５２Ｗであり、ＬＰ１１モードの光のパワーが６５Ｗとなった。また、出射する光全体のパワーは、４１７Ｗとなった。
　実施例１、比較例１はともに上記式（１）を満たすため、ビーム品質に大きな差が無くともに良好なビーム品質の光を出射する結果となった。しかし、実施例１、比較例１の結果から明らかなように、本発明の増幅用光ファイバである実施例１の増幅用光ファイバは、比較例１に記載の増幅用光ファイバと比べて、上記式（１）を満たす範囲を広げることにより、希土類元素を添加できる範囲を広げることができた。従って、本発明の増幅用光ファイバである実施例１の増幅用光ファイバは、比較例１に記載の増幅用光ファイバと比べて、出射するＬＰ０１モードの光のパワーが大きい結果となった。
　なお、実施例１での希土類元素が添加される範囲はファイバの断面において２１１μｍ２の面積であるが、比較例１での希土類元素が添加される範囲はファイバの断面において１４５μｍ２の面積である。希土類元素の濃度が均一な場合、単位長さ辺りの励起光吸収量は希土類添加範囲の断面積に比例するため、実施例１では比較例１の１．４６倍の吸収量となる。そこで、ＬＰ０１モードの光のパワー分布との重なりを考慮すると、ＬＰ０１モードの光において同等の利得を得るのに必要なファイバ長について、実施例１が比較例１の７６％の長さで済む結果となった。
　一方、比較例２は、実施例１と比べて出射する光全体のパワーがほとんど変わらない結果となったものの、比較例２は上記式（１）を満たさないため、出射するＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光のパワーの比率からも明らかなように、実施例１よりもビーム品質が悪い結果となった。
　以上より、本発明の増幅用光ファイバによれば、ビーム品質を良好としつつパワーの大きな光を出射することができることが確認でき、このような増幅用光ファイバを用いた本発明の光ファイバ増幅器からは良好なビーム品質の光を出力することができると考えられる。
　本発明によれば、ＬＰ０１モードの光以外にＬＰ１１モードの光が励振された場合においても、良好なビーム品質の光を出力することができる増幅用光ファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置が提供され、加工機等においての利用が可能である。
　１，２・・・ファイバレーザ装置
　１０・・・増幅用光ファイバ
　１１・・・コア
　１１ａ・・・第１コア部
　１１ｂ・・・第２コア部
　１２・・・内側クラッド
　１３・・・外側クラッド
　１４・・・被覆層
　２０・・・種光源
　３０・・・励起光源
　４０・・・光コンバイナ
　ＡＲ０１，ＡＲ１１・・・領域

Claims (12)

  1. 　コアと前記コアを囲むクラッドとを備え、所定波長の光を少なくともＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードで伝播する光ファイバであって、
    　前記コアは、前記コアの中心の領域を含む第１コア部と、前記第１コア部を囲む第２コア部とを有し、
    　前記第１コア部の屈折率は、前記クラッドの屈折率よりも高く、
    　前記第２コア部の屈折率は、前記第１コア部の屈折率よりも高く、
    　前記コアには、前記所定波長の光を誘導放出する活性元素が、前記ＬＰ０１モードの光及び前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合において、前記ＬＰ０１モードの光のパワーが前記ＬＰ１１モードの光のパワーよりも大きい領域の少なくとも一部に前記ＬＰ１１モードの光のパワーが前記ＬＰ０１モードの光のパワーよりも大きい領域の少なくとも一部よりも高い濃度で添加され、下記式を満たす
    ことを特徴とする増幅用光ファイバ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    （ただし、ｒは、前記コアの径方向における中心からの距離であり、Ｉ０１（ｒ）は前記ＬＰ０１モードの光の前記コアの径方向における中心から距離ｒにおけるパワーであり、Ｉ１１（ｒ）は前記ＬＰ１１モードの光の前記コアの径方向における中心から距離ｒにおけるパワーであり、ｎ（ｒ）は前記コアの径方向における中心から距離ｒにおける活性元素の添加濃度である。）
  2. 　前記第２コア部は、前記ＬＰ０１モードの光及び前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合における前記ＬＰ０１モードの光のパワーと前記ＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさとなる位置よりも、外周側とされる
    ことを特徴とする請求項１に記載の増幅用光ファイバ。
  3. 　前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合における前記ＬＰ１１モードの光のパワーのピークは、前記第２コア部に位置する
    ことを特徴とする請求項２に記載の増幅用光ファイバ。
  4. 　前記第１コア部に添加される前記活性元素の平均の濃度は、前記第２コア部における前記活性元素の平均の濃度はよりも高い
    ことを特徴とする請求項２または３に記載の増幅用光ファイバ。
  5. 　前記第２コア部には活性元素が添加されない
    ことを特徴とする請求項４に記載の増幅用光ファイバ。
  6. 　前記活性元素は、前記コアの中心から、前記ＬＰ０１モードの光及び前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合における前記ＬＰ０１モードの光のパワーと前記ＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさとなる位置まで添加される
    ことを特徴とする請求項５に記載の増幅用光ファイバ。
  7. 　前記活性元素は、均一の濃度で添加される
    ことを特徴とする請求項６に記載の増幅用光ファイバ。
  8. 　前記活性元素は、前記コアの中心から所定の位置まで、均一の濃度で添加されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の増幅用光ファイバ。
  9. 　前記所定の位置は、前記ＬＰ０１モードの光及び前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合における前記ＬＰ０１モードの光のパワーと前記ＬＰ１１モードの光のパワーとが同じ大きさとなる位置とされる
    ことを特徴とする請求項８に記載の増幅用光ファイバ。
  10. 　前記ＬＰ０１モードの光及び前記ＬＰ１１モードの光をパワーで規格化する場合における前記ＬＰ１１モードの光のパワーが前記ＬＰ０１モードの光のパワーよりも大きい領域には、前記活性元素が添加されない
    ことを特徴とする請求項９に記載の増幅用光ファイバ。
  11. 　請求項１から１０のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバと、
    　種光を前記増幅用光ファイバに入力させる種光源と、
    　前記増幅用光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、
    を備えることを特徴とするファイバレーザ装置。
  12. 　請求項１から１０のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバと、
    　前記増幅用光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、
    　前記増幅用光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、
    　前記増幅用光ファイバの他方側に設けられ、前記第１ＦＢＧが反射する光と同じ波長の光を前記第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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