WO2020195411A1 - 余剰光除去ファイバ、余剰光除去ファイバの製造方法、及びファイバレーザ装置 - Google Patents

余剰光除去ファイバ、余剰光除去ファイバの製造方法、及びファイバレーザ装置 Download PDF

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WO2020195411A1
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WO
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refractive index
clad layer
fiber
core
light
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PCT/JP2020/006883
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Inventor
美矢子 合原
健太郎 市井
岸　達也
Original Assignee
株式会社フジクラ
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/075—Manufacture of non-optical fibres or filaments consisting of different sorts of glass or characterised by shape, e.g. undulated fibres
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/44—Mechanical structures for providing tensile strength and external protection for fibres, e.g. optical transmission cables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers

Definitions

  • the present invention relates to a surplus light removing fiber, a method for manufacturing a surplus light removing fiber, and a fiber laser device, and particularly relates to a surplus light removing fiber used for removing surplus light in a fiber laser device.
  • Fiber laser equipment has a higher light-collecting property than conventional laser equipment and can use optical fibers with good maneuverability, so it is rapidly becoming widespread in various fields such as marking and material processing.
  • a double clad fiber in which an inner clad and an outer clad are formed around a core may be used.
  • excitation light is incident on the inner clad that covers the periphery of the core, and the excitation light propagates through this inner clad as a waveguide.
  • the optical amplification unit when the excitation light propagating in the inner clad passes through the core, the rare earth element ions added to the core are excited by the excitation light, and the signal light is amplified.
  • the excitation light not absorbed by the core of the optical amplification unit becomes residual excitation light and propagates on the inner clad and the core.
  • the laser light radiated from the fiber laser device to the object to be processed is reflected and returned to the fiber laser device (hereinafter, such light may be referred to as "return light”), and such return light is transferred to the inner cladding It may propagate through the core.
  • return light such light may be referred to as “surplus light”
  • surplus light reaches the excitation light source, it is considered that it causes heat generation or failure of the excitation light source. Therefore, it is also considered to provide a surplus light removing portion for converting the surplus light into heat and removing it at the end of the optical fiber (see, for example, Patent Document 1).
  • the conventional surplus light removing portion converts the surplus light into heat at the end of the optical fiber, the generated heat is concentrated on the end of the optical fiber, and the surplus light removing portion becomes hot. Can be considered.
  • the power of the surplus light has also increased, so that the temperature of the surplus light removing portion can be further increased, which may limit the design of the fiber laser device.
  • the present invention has been made in view of such problems of the prior art, and provides a surplus light removing fiber and a fiber laser apparatus capable of suppressing local concentration of heat generated when removing surplus light.
  • the first purpose is to do.
  • a second object of the present invention is to provide a method capable of easily producing a surplus light removing fiber capable of suppressing local concentration of heat generated when removing surplus light. ..
  • a surplus light removing fiber capable of suppressing local concentration of heat generated when removing surplus light.
  • the surplus light removing fiber includes a core, a clad layer located outside the core, and a resin that covers a part of the clad layer.
  • the clad layer contains a dopant having a property of lowering the refractive index, and has a refractive index lower than that of a layer adjacent to the inside of the clad layer.
  • the clad layer includes at least one portion of increased refractive index along the optical axis direction.
  • the resin has a refractive index equal to or higher than the refractive index of the at least one rising refractive index portion, and covers the at least one rising refractive index portion.
  • optical axis direction means the traveling direction of light propagating in the excess light removing fiber.
  • a fiber laser device capable of suppressing the local concentration of heat generated when removing excess light.
  • This fiber laser device generates an amplification optical fiber including a core to which a rare earth element ion is added and a clad layer that propagates an excitation light that excites the rare earth element ion, and an excitation light that excites the rare earth element ion. It is provided with at least one excitation light source and the above-mentioned surplus light removing fiber.
  • the surplus light removing fiber is connected to the upstream side of the amplification optical fiber.
  • a method capable of easily producing a surplus light removing fiber capable of suppressing local concentration of heat generated when removing surplus light first, the core and the clad layer located outside the core, which contains a dopant having a property of lowering the refractive index, and the refractive index of the layer adjacent to the inside of the clad layer.
  • a base material optical fiber including a clad layer having a lower refractive index and a coating covering the clad layer is prepared. Further, a part of the coating of the base material optical fiber is removed to expose the clad layer, and the exposed clad layer is heated to form at least one portion for increasing the refractive index.
  • a resin having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the at least one increasing refractive index portion is coated with the at least one increasing refractive index portion to produce a surplus light removing fiber.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a fiber laser device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the surplus light removing fiber in the fiber laser apparatus shown in FIG. 1 together with the refractive index along the optical axis direction.
  • FIG. 3A is a schematic cross-sectional view showing a process of manufacturing the excess light removing fiber shown in FIG.
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view showing a process of manufacturing the excess light removing fiber shown in FIG.
  • FIG. 3C is a schematic cross-sectional view showing a process of manufacturing the excess light removing fiber shown in FIG.
  • FIG. 4 is a graph showing changes in the refractive index before and after the step shown in FIG. 3B.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the surplus light removing fiber according to another embodiment of the present invention together with the refractive index along the optical axis direction.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a process of manufacturing the excess light removing fiber shown in FIG.
  • FIGS. 1 to 7 the same or corresponding components are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted. Further, in FIGS. 1 to 7, the scale and dimensions of each component may be exaggerated or some components may be omitted.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing the overall configuration of the fiber laser device 1 according to the embodiment of the present invention.
  • the fiber laser device 1 in the present embodiment includes an optical resonator 2, a plurality of forward excitation light sources 11 that introduce excitation light into the optical resonator 2 from the upstream side of the optical resonator 2, and these.
  • An upstream optical combiner 21 that combines the excitation light from the front excitation light source 11 and outputs the excitation light to the optical resonator 2, and a plurality of rear excitation light sources that introduce the excitation light into the optical resonator 2 from the downstream side of the optical resonator 2.
  • the downstream optical combiner 22 that combines the excitation light from these rear excitation light sources 12 and outputs it to the optical resonator 2, the delivery fiber 3 extending from the downstream optical combiner 22, and the downstream side of the delivery fiber 3.
  • a laser emitting portion 4 provided at an end portion and a surplus light removing fiber 30 extending to the upstream side of the upstream side optical combiner 21 are provided.
  • the direction in which the laser beam L is emitted from the optical resonator 2 is referred to as "downstream side", and the direction opposite to that is referred to as "upstream side".
  • the optical resonator 2 is an amplification optical fiber 10 having a core to which rare earth element ions such as itterbium (Yb), elbium (Er), turium (Tr), and neodymium (Nd) are added.
  • FBG part low-reflection fiber plug glazing section 16 and is included.
  • the amplification optical fiber 10 is composed of a double clad fiber having an inner clad formed around the core and an outer clad formed around the inner clad.
  • the highly reflective FBG unit 14 is formed by periodically changing the refractive index of the core along the optical axis direction, and reflects light in a predetermined wavelength band with a reflectance close to 100%.
  • the low-reflection FBG section 16 is formed by periodically changing the refractive index of the core along the optical axis direction, and is a wavelength band reflected by the high-reflection FBG section 14. It allows a part (for example, 90%) of the light to pass through and reflects the rest.
  • the upstream optical combiner 21 is configured to combine excitation lights output from a plurality of forward excitation light sources 11 and introduce the excitation light into the inner clad layer of the amplification optical fiber 10. Further, the downstream optical combiner 22 is configured to combine the excitation lights output from the plurality of rear excitation light sources 12 and introduce the excitation light into the inner clad layer of the amplification optical fiber 10. With such a configuration, the excitation light propagates inside the inner clad layer of the amplification optical fiber 10.
  • the excitation light propagating in the inner clad layer of the amplification optical fiber 10 is absorbed by the rare earth element ions as they pass through the core, and the rare earth element ions are excited to generate spontaneous emission light.
  • This naturally emitted light is retrospectively reflected between the high-reflection FBG section 14 and the low-reflection FBG section 16, and light having a specific wavelength (for example, 1064 nm) is amplified to cause laser oscillation.
  • the laser light (hereinafter referred to as “signal light”) L amplified by the optical resonator 2 propagates in the core of the amplification optical fiber 10, and a part of the laser light passes through the low reflection FBG portion 16 to the downstream side. Propagate.
  • the laser beam L transmitted through the low reflection FBG unit 16 is emitted from the laser emitting unit 4 through the delivery fiber 3 toward, for example, a work piece.
  • the excitation light that was not absorbed by the core of the amplification optical fiber 10 and the laser light L that was emitted from the laser emitting unit 4 to the processing object are reflected by the processing object and returned to the fiber laser device 1.
  • the surplus light such as the return light propagates through the cores of the delivery fiber 3 and the amplification optical fiber 10 and enters the excitation light sources 11 and 12 to reach the excitation light sources 11 and 12, and generates heat of the excitation light sources 11 and 12. It may cause a failure. Therefore, in the present embodiment, in order to remove such surplus light, as shown in FIG. 1, the surplus light removing fiber 30 is connected to the upstream side of the upstream side optical combiner 21.
  • a plurality of optical fibers 13 extending from the excitation light source 11 are connected to the upstream side of the upstream side optical combiner 21 together with the surplus light removing fiber 30, but the surplus light reaching the upstream side optical combiner 21 from the downstream side is Since it is most likely to propagate to the optical fiber connected to the core position of the upstream fiber, in order to efficiently remove the surplus light, the surplus light removal fiber 30 is connected to the core position of the upstream fiber of the upstream optical combiner 21. However, it is preferable to connect the optical fiber 13 around the optical fiber 13.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the surplus light removing fiber 30 together with the refractive index along the optical axis direction.
  • the surplus light removing fiber 30 includes, for example, a core 31 made of SiO 2 , a clad layer 32 that covers the periphery of the core 31, and a coating 33 that covers the periphery of the clad layer 32.
  • Dopants having the property of lowering the refractive index for example, fluorine (F) and boron (B)
  • F fluorine
  • B boron
  • the refractive index of the clad layer 32 is lower than the refractive index of the core 31 as a layer adjacent to the inside of the clad layer 32. As a result, an optical waveguide for propagating light is formed inside the core 31.
  • the thickness of the clad layer 32 is preferably 10 ⁇ m or less.
  • the clad layer 32 includes a plurality of refractive index increasing portions 35A, 35B, and 35C having increased refractive indices. These refractive index increasing portions 35A, 35B, and 35C are arranged apart from each other in the optical axis direction.
  • the coating 33 is removed from the portion of the clad layer 32 where the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C are formed, and the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C are exposed from the coating 33.
  • the surplus light removing fiber 30 contains resins 38A, 38B and 38C that cover the refractive index rising portions 35A, 35B and 35C exposed from the coating 33, respectively.
  • These resins 38A, 38B, 38C have a refractive index equal to or higher than the maximum refractive index of the clad layer 32 (that is, the highest refractive index among the refractive indexes of the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C).
  • the clad layer 32 is shown so as to include three refractive index increasing portions 35A, 35B, and 35C, but the number of refractive index increasing portions is not limited to this, and the clad layer 32 is It suffices to include one or more refractive index increasing portions.
  • the maximum refractive index in the refractive index increasing portion 35B is larger than the maximum refractive index in the refractive index increasing portion 35A, and the refractive index between the refractive index increasing portion 35B and the core 31 the difference delta B is smaller than the refractive index difference delta a of the refractive index increasing portion 35A and the core 31.
  • the maximum refractive index in the refractive index increasing portion 35C is larger than the refractive index in the refractive index increasing unit 35B
  • the refractive index difference delta C between the refractive index increasing portion 35C and the core 31 has a refractive index increasing unit 35B It is smaller than the refractive index difference delta B of the core 31.
  • the difference in the refractive index between the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C and the core 31 gradually decreases along the optical axis direction (toward the upstream side).
  • the surplus light R incident on the core 31 of the surplus light removing fiber 30 is confined in the core 31 by the difference in refractive index between the core 31 of the surplus light removing fiber 30 and the clad layer 32.
  • the surplus light R that has propagated and is incident on the clad layer 32 of the surplus light removing fiber 30 is confined and propagated in the clad layer 32 due to the difference in refractive index between the clad layer 32 of the surplus light removing fiber 30 and the coating 33. ..
  • the refractive index of the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C is higher than that of the other portions, so that the refractive index difference between the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C and the core 31 is the other portion. It is smaller than. Therefore, the surplus light R propagating in the core 31 of the surplus light removing fiber 30 tends to leak from the core 31 to the clad layer 32 in the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C, and a part of the surplus light R increases the refractive index. In portions 35A, 35B and 35C, the core 31 leaks to the clad layer 32.
  • the core 31 to the clad layer 32 The surplus light R leaked into the resin 38A, 38B, 38C further leaks, and a part of the surplus light R is absorbed by the resins 38A, 38B, 38C and converted into heat. In this way, a part of the surplus light R propagating in the clad layer 32 can be converted into heat by the resins 38A, 38B, 38C covering the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C, and unnecessary surplus light is removed. be able to.
  • the refractive index difference from the core 31 is small in the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C of the clad layer 32, so that the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C
  • the structure is such that a part of the surplus light R easily leaks from the core 31 to the clad layer 32. Therefore, it is possible to prevent the surplus light R propagating in the core 31 from leaking to the clad layer 32 at one place, and to suppress the local concentration of heat generated when the surplus light R is removed. it can.
  • the power of the surplus light R to be removed can be dispersed in the plurality of refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C. It is possible to suppress the local concentration of heat generated by excess light.
  • the plurality of refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C are such that the refractive index difference between the refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C and the core 31 gradually decreases toward the upstream as in the present embodiment. It is preferable to arrange it in.
  • the excess light R is less likely to leak from the core 31 to the clad layer 32 in the downstream refractive index increasing portion than in the upstream refractive index increasing portion. Therefore, it is suppressed that the surplus light R leaks to the clad layer 32 at once at the refractive index increasing portion on the downstream side, and gradually becomes the clad layer 32 at each refractive index increasing portion as the surplus light R propagates toward the upstream. It leaks out and is removed. As a result, the amount of surplus light R removed in each of the refractive index increasing portions can be controlled, and the heat generated by the surplus light can be suppressed from being locally concentrated.
  • a heat radiating portion 90 may be provided on the upstream side of the surplus light removing fiber 30.
  • the surplus light removing fiber 30 may include a fusion splicing portion in which the optical fibers are fused and connected to each other, and the above-mentioned refractive index increasing portion may be located in the fusion splicing portion.
  • FIG. 3A a core 131 made of SiO 2 , a clad layer 132 to which, for example, fluorine is added as a dopant having a property of lowering the refractive index, and a coating 133 covering the periphery of the clad layer 132 are included.
  • a base material optical fiber 130 is prepared.
  • the refractive index of the clad layer 132 is lower than that of the core 131.
  • a part 133A of the coating 133 of the base material optical fiber 130 is removed to expose the clad layer 132, and as shown in FIG. 3B, the exposed clad layer 132 is used, for example, as a burner 140 or an electrode for arc discharge. Heat from the surroundings using a stick. By heating the clad layer 132, the fluorine added to the clad layer 132 diffuses, and as a result, the refractive index of the clad layer 132 increases.
  • FIG. 4 shows the change in the refractive index of the base material optical fiber 130 before and after this heating step.
  • the dotted line shows the refractive index before heating
  • the solid line shows the refractive index after heating.
  • the refractive index of the clad layer 132 increases due to the heating step. Therefore, by heating the exposed clad layer 132 of the base material optical fiber 130, as shown in FIG. 3C, the refractive index increasing portion 135 in which the refractive index is locally increased can be formed in the clad layer 132. it can.
  • such a refractive index increasing portion 135 is formed at a plurality of locations along the optical axis direction of the base material optical fiber 130.
  • the exposed portion of the clad layer 132 on which the refractive index increasing portion 135 is formed is a resin having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the refractive index increasing portion 135 (resins 38A and 38B in FIG. 2). , 38C), the surplus light removing fiber 30 as shown in FIG. 2 can be obtained.
  • the resins 38A, 38B and 38C are formed for the respective refractive index increasing portions 35A, 35B and 35C, but a single resin is formed over the plurality of refractive index increasing portions 35A, 35B and 35C. It may be formed. However, in terms of dispersing and removing the heat generated from the excess light at a plurality of locations, it is preferable to form the resins 38A, 38B, 38C with respect to the respective refractive index increasing portions 35A, 35B, 35C.
  • the excess light removal fiber 30 is centered.
  • a cooling plate on one side (for example, the lower side in FIG. 2) and bring the cooling plate into contact with the resins 38A, 38B, 38C to remove heat to the outside through the cooling plate. ..
  • FIG. 2 shows a cooling plate on one side (for example, the lower side in FIG. 2) and bring the cooling plate into contact with the resins 38A, 38B, 38C to remove heat to the outside through the cooling plate.
  • the above-mentioned refractive index increasing portion 135 may be unevenly arranged in a part of the peripheral direction of the clad layer 32 (for example, the region below the clad layer 32 in FIG. 2).
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the surplus light removing fiber 230 including the refractive index increasing portion unevenly arranged in a part of the circumferential direction of the clad layer 32
  • FIG. 6 is A-A of FIG. It is a cross-sectional view of line A.
  • the 5 and 6 includes a plurality of refractive index increasing portions 235A, 235B, 235C having an increased refractive index, and these refractive index increasing portions 235A, 235B, The 235Cs are unevenly arranged in a part of the clad layer 32 in the circumferential direction (the lower region in FIGS. 5 and 6).
  • the surplus light removing fiber 230 contains resins 238A, 238B, and 238C that cover the clad layer 32 exposed from the coating 33, respectively. These resins 238A, 238B, and 238C have a refractive index equal to or higher than the maximum refractive index of the clad layer 32 (that is, the highest refractive index among the refractive coefficients of the refractive index increasing portions 235A, 235B, and 235C).
  • a cooling plate 240 for dissipating heat for example, made of copper or aluminum, is arranged adjacent to the excess light removing fiber 230, and the cooling plate 240 is made of resins 238A and 238B. , 238C is in contact.
  • the resins 238A, 238B, and 238C on the side where the refractive index increasing portions 235A, 235B, and 235C are formed are in contact with the cooling plate 240.
  • the core 31 of the surplus light removing fiber 230 is provided.
  • the propagating surplus light R preferentially leaks from the core 31 to the clad layer 32 on the side where the refractive index rising portions 235A, 235B, and 235C are present (that is, the lower side in FIGS. 5 and 6) at the height of the peak of the clad layer 32. It will be released.
  • At least a part of a part of the region in the circumferential direction of the clad layer 32 in which the refractive index increasing portions 235A, 235B, and 235C are unevenly arranged face the cooling plate 240.
  • at least a part of a part of the region in the circumferential direction of the clad layer 32 in which the refractive index increasing portions 235A, 235B, and 235C are unevenly arranged faces the cooling plate 240, so that the refractive index increases.
  • the heat generated by the excess light leaking from the portion to the resin can be more efficiently released to the outside by the cooling plate. As a result, the possibility that the resin on the side where the cooling plate is not arranged becomes unintentionally high can be further reduced.
  • the difference in refractive index between the refractive index increasing portions 235A, 235B, 235C and the core 31 is along the optical axis direction. It is preferable to configure it so that it gradually decreases (toward the upstream side).
  • the clad layer 32 is shown so as to include three refractive index increasing portions 235A, 235B, and 235C, but the number of refractive index increasing portions is not limited to this, and the clad The layer 32 may include one or more refractive index increasing portions.
  • the heating position by the burner 140 is set at the center of the clad layer 132. It can be manufactured by shifting it from the shaft C to one side. By shifting the heating position of the clad layer 132 from the central axis C of the clad layer 132 in this way, the fluorine added to the clad layer 132 diffuses unevenly in a part of the region in the circumferential direction, and as a result, the above-mentioned refractive index increases. The portion is formed unevenly in a part of the peripheral direction of the clad layer.
  • the heating position by the electrode rod is shifted to one side from the central axis C of the clad layer 132 to shift the above-mentioned refractive index increasing portion to the circumference of the clad layer. It can be formed biased to a part of the region in the direction. Further, by fixing the positions of the burner 140 and the electrode rod and shifting the position of the clad layer 132 of the base material optical fiber 130, the refractive index increasing portion is formed unevenly in a part of the circumferential direction of the clad layer. be able to.
  • the surplus light removing fibers 30 and 230 have a single clad layer 32, but the surplus light removing fibers 30 and 230 may have a plurality of clad layers 32.
  • the outermost clad layer (outermost clad layer) has the above-mentioned refractive index increasing portion.
  • the refractive index of the outermost clad layer is lower than the refractive index of the clad layer adjacent to the inside of the outermost clad layer, and the resins 38 and 238 cover the refractive index increasing portion of the outermost clad layer.
  • the resins 38 and 238 have a refractive index equal to or higher than the refractive index of the refractive index increasing portion of the outermost clad layer. According to such a configuration, the difference in the refractive index from the layer adjacent to the outermost clad layer is small in the refractive index increasing portion of the outermost clad layer, so that a part of the surplus light is the outermost in the refractive index increasing portion.
  • the structure is such that it easily leaks from the layer adjacent to the clad layer to the outermost clad layer. Therefore, it is possible to suppress the excess light propagating in the layer adjacent to the outermost clad layer from leaking to the outermost clad layer at one place, and the heat generated when the surplus light is removed is locally concentrated. Can be suppressed.
  • a surplus light removing fiber capable of suppressing local concentration of heat generated when removing surplus light.
  • the surplus light removing fiber includes a core, a clad layer located outside the core, and a resin that covers a part of the clad layer.
  • the clad layer contains a dopant having a property of lowering the refractive index, and has a refractive index lower than that of a layer adjacent to the inside of the clad layer.
  • the clad layer includes at least one rising refractive index portion along the optical axis direction.
  • the resin has a refractive index equal to or higher than the refractive index of the at least one refractive index increasing portion, and covers the at least one refractive index increasing portion.
  • the difference in refractive index from the layer adjacent to the clad layer becomes small in the refractive index increasing portion of the clad layer, so that a part of the surplus light becomes the clad layer in the refractive index increasing portion.
  • the structure is such that it easily leaks from the adjacent layer to the clad layer. Therefore, it is possible to suppress the excess light propagating in the layer adjacent to the clad layer from leaking to the clad layer at one place, and to suppress the local concentration of heat generated when the surplus light is removed. Can be done.
  • the at least one rising refractive index portion may be unevenly arranged in a part of the peripheral direction of the clad layer.
  • the refractive index increasing portion is unevenly arranged in a part of the region in the circumferential direction of the clad layer in this way, the surplus light propagating in the layer adjacent to the clad layer is refracted in the circumferential direction of the clad layer. It will leak to the clad layer preferentially on the side where the rate increase portion exists.
  • the resin covering a part of the peripheral direction of the clad layer is in contact with the cooling plate.
  • At least a part of the part of the clad layer in the circumferential direction and the cooling plate face each other.
  • the heat generated by the excess light leaking from the refractive index rising portion to the resin is generated by the cooling plate. It can be released to the outside more efficiently. As a result, the possibility that the resin on the side where the cooling plate is not arranged becomes unintentionally high can be further reduced.
  • the thickness of the clad layer is preferably 10 ⁇ m or less.
  • the at least one refractive index increasing portion includes a plurality of refractive index increasing portions arranged along the optical axis direction. Since the clad layer has a plurality of refractive index rising portions in this way, the power of the surplus light to be removed can be dispersed to the plurality of refractive index rising portions, and the heat generated by the surplus light is locally concentrated. Can be suppressed.
  • the refractive index difference between the plurality of refractive index increasing portions and the layer adjacent to the inside of the clad layer is along the optical axis direction. It is preferable that they are arranged so as to decrease each time. In this way, the difference in refractive index between the refractive index increasing portion and the layer adjacent to the inside of the clad layer becomes smaller for each of the plurality of refractive index increasing portions along the optical axis direction, that is, along the propagation direction of excess light.
  • Leakage is suppressed, and as the surplus light propagates, it gradually leaks to the clad layer at each increase in refractive index and is removed. As a result, it is possible to control the amount of surplus light removed in each portion where the refractive index is increased, and it is possible to suppress the local concentration of heat generated by the surplus light.
  • a fiber laser device capable of suppressing the local concentration of heat generated when removing excess light.
  • This fiber laser device generates an amplification optical fiber including a core to which rare earth element ions are added, a clad layer that propagates excitation light that excites the rare earth element ions, and excitation light that excites the rare earth element ions. It is provided with at least one excitation light source and the above-mentioned excess light removing fiber. The surplus light removing fiber is connected to the upstream side of the amplification optical fiber.
  • a method capable of easily producing an excess light removing fiber capable of suppressing local concentration of heat generated when removing excess light first, the core and the clad layer located outside the core, which contains a dopant having a property of lowering the refractive index, and the refractive index of the layer adjacent to the inside of the clad layer.
  • a base material optical fiber including a clad layer having a lower refractive index and a coating covering the clad layer is prepared. Further, a part of the coating of the base material optical fiber is removed to expose the clad layer, and the exposed clad layer is heated to form at least one portion for increasing the refractive index.
  • a resin having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the at least one increasing refractive index portion is coated with the at least one increasing refractive index portion to produce a surplus light removing fiber.
  • the heating position of the clad layer may be shifted from the center of the clad layer.
  • the heating position of the clad layer By shifting the heating position of the clad layer from the central axis of the clad layer in this way, at least one portion for increasing the refractive index is formed biased to a part of the region in the circumferential direction of the clad layer.
  • the present invention since the difference in refractive index from the layer adjacent to the clad layer becomes small in the refractive index increasing portion of the clad layer, a part of the surplus light is clad from the layer adjacent to the clad layer in this refractive index increasing portion.
  • the structure is such that it easily leaks into the layers. Therefore, it is possible to suppress the excess light propagating in the layer adjacent to the clad layer from leaking to the clad layer at one place, and to suppress the local concentration of heat generated when the surplus light is removed. Can be done.
  • the present invention is suitably used for a surplus light removing fiber used for removing surplus light in a fiber laser apparatus.

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Abstract

余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制できる余剰光除去ファイバを提供する。余剰光除去ファイバ３０は、コア３１と、コア３１よりも外側に位置するクラッド層３２と、クラッド層３２の一部を被覆する樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃとを備える。クラッド層３２は、屈折率を低下させる性質を有するドーパント（例えばフッ素）を含み、コア３１の屈折率よりも低い屈折率を有している。クラッド層３２は、光軸方向に沿って屈折率が上昇した屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを含んでいる。樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ、クラッド層３２の屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃの屈折率以上の屈折率を有し、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを被覆している。

Description

余剰光除去ファイバ、余剰光除去ファイバの製造方法、及びファイバレーザ装置
　本発明は、余剰光除去ファイバ、余剰光除去ファイバの製造方法、及びファイバレーザ装置に係り、特にファイバレーザ装置において余剰光を除去するために用いられる余剰光除去ファイバに関するものである。
　ファイバレーザ装置は、従来のレーザ装置と比較すると集光性が高く、取り回しのよい光ファイバを利用できることから、マーキングや材料加工など様々な分野で急速に普及してきている。このようなファイバレーザ装置においては、例えば、コアの周囲に内側クラッドと外側クラッドとを形成したダブルクラッドファイバが用いられることがある。この種のダブルクラッドファイバでは、コアの周囲を覆う内側クラッドに励起光が入射され、この内側クラッドを導波路として励起光が伝搬する。光増幅部では、内側クラッドを伝搬する励起光がコアを通過する際に、コアに添加された希土類元素イオンが励起光によって励起され、信号光が増幅される。
　ここで、内側クラッドを伝搬する励起光のうち光増幅部のコアで吸収されなかった励起光は、残留励起光となって内側クラッドやコアを伝搬する。また、ファイバレーザ装置から加工対象物に照射したレーザ光が反射してファイバレーザ装置に戻り（以下、このような光を「戻り光」ということがある）、このような戻り光が内側クラッドやコアを伝搬することもある。このような残留励起光や戻り光（以下、これらを総称して「余剰光」ということがある）が励起光源に至ると、励起光源の発熱や故障の原因となることが考えられる。このため、余剰光を熱に変換して除去する余剰光除去部を光ファイバの端部に設けることも考えられている（例えば、特許文献１参照）。
　しかしながら、従来の余剰光除去部は、光ファイバの端部で余剰光を熱に変換するものであるため、発生する熱が光ファイバの端部に集中し、余剰光除去部が高温となることが考えられる。特に、近年のファイバレーザ装置の高出力化に伴い、余剰光のパワーも大きくなってきているため、余剰光除去部のさらなる高温化がファイバレーザ装置の設計上の制限にもなり得る。
国際公開第２０１６／００２９４７号公報
　本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制できる余剰光除去ファイバ及びファイバレーザ装置を提供することを第１の目的とする。
　また、本発明は、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制できる余剰光除去ファイバを簡単に製造することができる方法を提供することを第２の目的とする。
　本発明の第１の態様によれば、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制できる余剰光除去ファイバが提供される。この余剰光除去ファイバは、コアと、上記コアよりも外側に位置するクラッド層と、上記クラッド層の一部を被覆する樹脂とを備える。上記クラッド層は、屈折率を低下させる性質を有するドーパントを含み、該クラッド層の内側に隣接する層の屈折率よりも低い屈折率を有している。上記クラッド層は、屈折率が上昇した少なくとも１つの屈折率上昇部を光軸方向に沿って含んでいる。上記樹脂は、上記少なくとも１つの屈折率上昇部の屈折率以上の屈折率を有し、上記少なくとも１つの屈折率上昇部を被覆している。本明細書において「光軸方向」とは、余剰光除去ファイバ内を伝搬する光の進行方向を意味する。
　本発明の第２の態様によれば、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制できるファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、希土類元素イオンが添加されたコアと、上記希土類元素イオンを励起する励起光を伝搬するクラッド層とを含む増幅用光ファイバと、上記希土類元素イオンを励起する励起光を生成する少なくとも１つの励起光源と、上述した余剰光除去ファイバとを備える。上記余剰光除去ファイバは、上記増幅用光ファイバの上流側に接続される。
　本発明の第３の態様によれば、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制できる余剰光除去ファイバを簡単に製造することができる方法が提供される。この製造方法によれば、まず、コアと、上記コアよりも外側に位置するクラッド層であって、屈折率を低下させる性質を有するドーパントを含み、該クラッド層の内側に隣接する層の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層と、上記クラッド層を覆う被覆とを含む基材光ファイバを用意する。また、上記基材光ファイバの上記被覆の一部を除去して上記クラッド層を露出させ、上記露出したクラッド層を加熱して屈折率を上昇させた少なくとも１つの屈折率上昇部を形成する。上記少なくとも１つの屈折率上昇部の屈折率以上の屈折率を有する樹脂で上記少なくとも１つの屈折率上昇部を被覆して余剰光除去ファイバを作製する。
図１は、本発明の一実施形態におけるファイバレーザ装置の構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すファイバレーザ装置における余剰光除去ファイバの構成を光軸方向に沿った屈折率とともに示す模式的断面図である。 図３Ａは、図２に示す余剰光除去ファイバを製造する工程を示す模式的断面図である。 図３Ｂは、図２に示す余剰光除去ファイバを製造する工程を示す模式的断面図である。 図３Ｃは、図２に示す余剰光除去ファイバを製造する工程を示す模式的断面図である。 図４は、図３Ｂに示す工程の前後における屈折率の変化を示すグラフである。 図５は、本発明の他の実施形態における余剰光除去ファイバの構成を光軸方向に沿った屈折率とともに示す模式的断面図である。 図６は、図５のＡ－Ａ線断面図である。 図７は、図５に示す余剰光除去ファイバを製造する工程を示す模式的断面図である。
　以下、本発明に係るファイバレーザ装置の実施形態について図１から図７を参照して詳細に説明する。なお、図１から図７において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図７においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。
　図１は、本発明の一実施形態におけるファイバレーザ装置１の全体構成を示す模式的ブロック図である。図１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、光共振器２と、光共振器２の上流側から光共振器２に励起光を導入する複数の前方励起光源１１と、これらの前方励起光源１１からの励起光を結合して光共振器２に出力する上流側光コンバイナ２１と、光共振器２の下流側から光共振器２に励起光を導入する複数の後方励起光源１２と、これらの後方励起光源１２からの励起光を結合して光共振器２に出力する下流側光コンバイナ２２と、下流側光コンバイナ２２から延びるデリバリファイバ３と、デリバリファイバ３の下流側の端部に設けられたレーザ出射部４と、上流側光コンバイナ２１の上流側に延びる余剰光除去ファイバ３０とを備えている。なお、本明細書では、光共振器２からレーザ光Ｌが出射される方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。
　図１に示すように、光共振器２は、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｒ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバ１０と、増幅用光ファイバ１０の上流部に形成された高反射ファイバブラッググレーティング部（高反射ＦＢＧ部）１４と、増幅用光ファイバ１０の下流部に形成された低反射ファイバブラッググレーティング部（低反射ＦＢＧ部）１６とを含んでいる。例えば、増幅用光ファイバ１０は、コアの周囲に形成された内側クラッドと、内側クラッドの周囲に形成された外側クラッドとを有するダブルクラッドファイバによって構成される。高反射ＦＢＧ部１４は、光軸方向に沿ってコアの屈折率を周期的に変化させて形成されるもので、所定の波長帯の光を１００％に近い反射率で反射するものである。低反射ＦＢＧ部１６は、高反射ＦＢＧ部１４と同様に、光軸方向に沿ってコアの屈折率を周期的に変化させて形成されるもので、高反射ＦＢＧ部１４で反射される波長帯の光の一部（例えば９０％）を通過させ、残りを反射するものである。
　上流側光コンバイナ２１は、複数の前方励起光源１１から出力される励起光を結合してこの励起光を増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層に導入するように構成されている。また、下流側光コンバイナ２２は、複数の後方励起光源１２から出力される励起光を結合してこの励起光を増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層に導入するように構成されている。このような構成により、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層の内部を励起光が伝搬する。
　光共振器２において、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層を伝搬する励起光は、それぞれコアを通過する際に希土類元素イオンに吸収され、この希土類元素イオンが励起されて自然放出光が生じる。この自然放出光が高反射ＦＢＧ部１４と低反射ＦＢＧ部１６との間で再帰的に反射され、特定の波長（例えば１０６４ｎｍ）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。光共振器２で増幅されたレーザ光（以下、「信号光」という）Ｌは、増幅用光ファイバ１０のコア内を伝搬し、その一部が低反射ＦＢＧ部１６を透過して下流側に伝搬する。低反射ＦＢＧ部１６を透過したレーザ光Ｌは、デリバリファイバ３を通ってレーザ出射部４から例えば被加工物に向けて出射される。
　上述したように、増幅用光ファイバ１０のコアで吸収されなかった励起光やレーザ出射部４から加工対象物に照射されたレーザ光Ｌが加工対象物で反射してファイバレーザ装置１に戻ってきた戻り光などの余剰光は、デリバリファイバ３や増幅用光ファイバ１０のコアを伝搬して、励起光源１１，１２に入射して励起光源１１，１２に至り、励起光源１１，１２の発熱や故障の原因となることが考えられる。このため、本実施形態においては、このような余剰光を除去するために、図１に示すように、上流側光コンバイナ２１の上流側に余剰光除去ファイバ３０が接続されている。ここで、上流側光コンバイナ２１の上流側には、余剰光除去ファイバ３０とともに励起光源１１から延びる複数の光ファイバ１３が接続されているが、下流から上流側光コンバイナ２１に至った余剰光は、上流ファイバのコア位置に接続される光ファイバに最も伝搬しやすいため、余剰光を効率的に除去するためには、余剰光除去ファイバ３０を上流側光コンバイナ２１の上流ファイバのコア位置に接続し、その周囲に光ファイバ１３を接続することが好ましい。
　図２は、余剰光除去ファイバ３０の構成を光軸方向に沿った屈折率とともに示す模式的断面図である。図２に示すように、余剰光除去ファイバ３０は、例えばＳｉＯ2からなるコア３１と、コア３１の周囲を覆うクラッド層３２と、クラッド層３２の周囲を覆う被覆３３とを含んでいる。クラッド層３２には、屈折率を低下させる性質を有するドーパント（例えばフッ素（Ｆ）やホウ素（Ｂ））が添加されており、クラッド層３２の屈折率はコア３１の屈折率よりも低くなっている。すなわち、クラッド層３２の屈折率は、クラッド層３２の内側に隣接する層としてのコア３１の屈折率よりも低くなっている。これにより、コア３１の内部には光を伝搬させる光導波路が形成される。クラッド層３２の厚さは１０μｍ以下であることが好ましい。
　図２に示すように、クラッド層３２は、屈折率が上昇した複数の屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを含んでいる。これらの屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃは光軸方向に離間して配置されている。クラッド層３２の屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃが形成されている箇所では、被覆３３が除去されており、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃが被覆３３から露出している。また、余剰光除去ファイバ３０は、被覆３３から露出した屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃをそれぞれ覆う樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃを含んでいる。これらの樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃは、クラッド層３２の最大屈折率（すなわち、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃの屈折率のうちで最も高い屈折率）以上の屈折率を有している。なお、図２では、クラッド層３２が３つの屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを含むように図示されているが、屈折率上昇部の数はこれに限られるものではなく、クラッド層３２は１つ以上の屈折率上昇部を含んでいればよい。
　図２の屈折率分布に示すように、屈折率上昇部３５Ｂにおける最大屈折率は、屈折率上昇部３５Ａにおける最大屈折率よりも大きくなっており、屈折率上昇部３５Ｂとコア３１との屈折率差ΔBは、屈折率上昇部３５Ａとコア３１との屈折率差ΔAよりも小さくなっている。また、屈折率上昇部３５Ｃにおける最大屈折率は、屈折率上昇部３５Ｂにおける屈折率より大きくなっており、屈折率上昇部３５Ｃとコア３１との屈折率差ΔCは、屈折率上昇部３５Ｂとコア３１との屈折率差ΔBよりも小さくなっている。このように、本実施形態では、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃとコア３１との屈折率差が光軸方向に沿って（上流側に向かって）次第に減少するようになっている。
　このような構成によれば、余剰光除去ファイバ３０のコア３１に入射した余剰光Ｒは、余剰光除去ファイバ３０のコア３１とクラッド層３２との間の屈折率差によってコア３１に閉じ込められて伝搬し、余剰光除去ファイバ３０のクラッド層３２に入射した余剰光Ｒは、余剰光除去ファイバ３０のクラッド層３２と被覆３３との間の屈折率差によってクラッド層３２内に閉じ込められて伝搬する。上述したように屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃの屈折率は、他の部分に比べ高くなっているため、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃとコア３１との屈折率差は他の部分に比べて小さくなっている。したがって、余剰光除去ファイバ３０のコア３１を伝搬する余剰光Ｒは、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃにおいてコア３１からクラッド層３２に漏れ出ていきやすく、余剰光Ｒの一部が屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃにおいてコア３１からクラッド層３２に漏れ出る。
　ここで、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを覆っている樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃの屈折率は、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃの屈折率以上であるため、コア３１からクラッド層３２に漏れ出た余剰光Ｒは、さらに樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃに漏れ出して、その一部が樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃに吸収されて熱に変換される。このように、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを覆う樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃによってクラッド層３２を伝搬する余剰光Ｒの一部を熱に変換することができ、不要な余剰光を除去することができる。
　このように、本実施形態によれば、クラッド層３２の屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃにおいてコア３１との屈折率差が小さくなっているため、この屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃにおいて余剰光Ｒの一部がコア３１からクラッド層３２に漏れ出ていきやすい構造となっている。したがって、コア３１を伝搬してきた余剰光Ｒが１箇所で一気にクラッド層３２に漏れ出ることを抑制でき、余剰光Ｒを除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制することができる。
　また、本実施形態のように複数の屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを設けることにより、除去する余剰光Ｒのパワーを複数の屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃに分散することができ、余剰光により発生する熱が局所的に集中することを抑制することができる。この場合において、複数の屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃは、本実施形態のように、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃとコア３１との屈折率差が上流に向かって次第に減少するように配置することが好ましい。このような配置にすることにより、上流側の屈折率上昇部に比べて下流側の屈折率上昇部では余剰光Ｒが相対的にコア３１からクラッド層３２に漏れにくくなる。したがって、余剰光Ｒが下流側の屈折率上昇部で一気にクラッド層３２に漏れ出ることが抑制され、余剰光Ｒが上流に向かって伝搬するにつれて徐々にそれぞれの屈折率上昇部でクラッド層３２に漏れ出て除去される。これにより、それぞれの屈折率上昇部において除去される余剰光Ｒの量を制御することができ、余剰光により発生する熱が局所的に集中することを抑制することができる。
　なお、図１に示すように、余剰光除去ファイバ３０でも除去できなかった余剰光Ｒを除去するために、余剰光除去ファイバ３０の上流側に放熱部９０を設けてもよい。また、余剰光除去ファイバ３０は、光ファイバ同士を融着接続した融着接続部を含んでいてもよく、この融着接続部に上述した屈折率上昇部が位置していてもよい。
　次に、このような余剰光除去ファイバ３０の製造方法について図３Ａから図３Ｃを参照して説明する。まず、図３Ａに示すように、ＳｉＯ2からなるコア１３１と、屈折率を低下させる性質を有するドーパントとして例えばフッ素が添加されたクラッド層１３２と、クラッド層１３２の周囲を覆う被覆１３３とを含む基材光ファイバ１３０を用意する。ここで、クラッド層１３２には、屈折率を低下させる性質を有するドーパントが添加されているため、クラッド層１３２の屈折率はコア１３１の屈折率よりも低い。
　そして、この基材光ファイバ１３０の被覆１３３の一部１３３Ａを除去してクラッド層１３２を露出させ、図３Ｂに示すように、露出させたクラッド層１３２を例えばバーナー１４０やアーク放電のための電極棒を用いて周囲から加熱する。クラッド層１３２の加熱により、クラッド層１３２に添加されたフッ素が拡散する結果、クラッド層１３２の屈折率が上昇する。
　図４は、この加熱工程の前後における基材光ファイバ１３０の屈折率の変化を示している。図４において、点線は加熱前の屈折率、実線は加熱後の屈折率を示している。この図４から、加熱工程によってクラッド層１３２の屈折率が上昇することがわかる。したがって、基材光ファイバ１３０の露出させたクラッド層１３２を加熱することにより、図３Ｃに示すように、局所的に屈折率が上昇した屈折率上昇部１３５をクラッド層１３２内に形成することができる。好ましくは、このような屈折率上昇部１３５を基材光ファイバ１３０の光軸方向に沿った複数箇所において形成する。屈折率上昇部１３５を冷却した後、屈折率上昇部１３５が形成されたクラッド層１３２の露出部を、屈折率上昇部１３５の屈折率以上の屈折率を有する樹脂（図２の樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ）で被覆することにより、図２に示すような余剰光除去ファイバ３０が得られる。なお、図２では、それぞれの屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃに対して樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃが形成されているが、複数の屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃにわたって単一の樹脂を形成してもよい。ただし、余剰光から生じる熱を複数の箇所で分散させて除去する点においては、それぞれの屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃに対して樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃを形成することが好ましい。
　ここで、図２に示す屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃから樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃに漏れ出た余剰光Ｒにより生じた熱を外部に除去するために、余剰光除去ファイバ３０の中心に対して一方の側（例えば図２における下側）に冷却板を配置し、この冷却板を樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃに接触させることで冷却板を介して熱を外部に除去することが考えられる。しかしながら、図２に示す例では、屈折率上昇部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃのそれぞれがクラッド層３２の全周にわたって形成されているため、クラッド層３２の全周から余剰光Ｒが樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃに漏れ出して熱に変換される。このため、冷却板と接触している側の樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃの部分（例えば下側の樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃの部分）からは熱が効果的に除去されるが、冷却板と接触していない側の樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃの部分（例えば上側の樹脂３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃの部分）からは熱が十分に除去されず、意図せずに高温となるおそれがある。
　このような観点から、上述した屈折率上昇部１３５をクラッド層３２の周方向における一部の領域（例えば図２におけるクラッド層３２の下側の領域）に偏って配置してもよい。図５は、クラッド層３２の周方向における一部の領域に偏って配置された屈折率上昇部を含む余剰光除去ファイバ２３０の構成を示す模式的断面図、図６は、図５のＡ－Ａ線断面図である。図５及び図６に示す余剰光除去ファイバ２３０のクラッド層３２は、屈折率が上昇した複数の屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃを含んでいるが、これらの屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃは、それぞれクラッド層３２の周方向における一部の領域（図５及び図６では下側の領域）に偏って配置されている。
　屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃが形成されている箇所では、クラッド層３２の全周にわたって被覆３３が除去されており、クラッド層３２が被覆３３から露出している。余剰光除去ファイバ２３０は、被覆３３から露出するクラッド層３２をそれぞれ覆う樹脂２３８Ａ，２３８Ｂ，２３８Ｃを含んでいる。これらの樹脂２３８Ａ，２３８Ｂ，２３８Ｃは、クラッド層３２の最大屈折率（すなわち、屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃの屈折率のうちで最も高い屈折率）以上の屈折率を有している。
　図５及び図６に示すように、余剰光除去ファイバ２３０に隣接して、例えば銅やアルミニウムなどからなる放熱をするための冷却板２４０が配置されており、この冷却板２４０は樹脂２３８Ａ，２３８Ｂ，２３８Ｃと接触している。本実施形態では、屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃが形成されている側（図５及び図６における下側）の樹脂２３８Ａ，２３８Ｂ，２３８Ｃが冷却板２４０に接触している。
　このように、図５に示す例では、屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃがクラッド層３２の周方向における一部の領域に偏って配置されているため、余剰光除去ファイバ２３０のコア３１を伝搬する余剰光Ｒは、クラッド層３２の秀峰高において屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃが存在する側（すなわち図５及び図６における下側）で優先的にコア３１からクラッド層３２に漏れ出すことになる。したがって、屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃが形成されている側（図５及び図６における下側）の樹脂２３８Ａ，２３８Ｂ，２３８Ｃを冷却板２４０に接触させることで、屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃから樹脂２３８Ａ，２３８Ｂ，２３８Ｃに漏れ出した余剰光Ｒにより生じる熱を冷却板２４０により効率的に外部に放出することができる。これにより、冷却板２４０が配置されていない側（図５及び図６における上側）の樹脂２３８Ａ，２３８Ｂ，２３８Ｃが意図せず高温となる可能性を低減することができる。
　この場合において、屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃが偏って配置されているクラッド層３２の周方向における一部の領域のうちの少なくとも一部が冷却板２４０と対向していることが好ましい。このように、屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃが偏って配置されているクラッド層３２の周方向における一部の領域のうちの少なくとも一部が冷却板２４０と対向することで、屈折率上昇部から樹脂に漏れ出した余剰光により生じる熱を冷却板により一層効率的に外部に放出することができる。これにより、冷却板が配置されていない側の樹脂が意図せず高温となる可能性をより一層低減することができる。
　図５に示す例においても、余剰光により発生する熱が局所的に集中することを抑制するために、屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃとコア３１との屈折率差が光軸方向に沿って（上流側に向かって）次第に減少するように構成することが好ましい。また、図５に示す例では、クラッド層３２が３つの屈折率上昇部２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃを含むように図示されているが、屈折率上昇部の数はこれに限られるものではなく、クラッド層３２は１つ以上の屈折率上昇部を含んでいればよい。
　図５に示す余剰光除去ファイバ２３０は、例えば図３Ｂに示す基材光ファイバ１３０のクラッド層１３２を加熱する際に、図７に示すように、例えばバーナー１４０による加熱位置をクラッド層１３２の中心軸Ｃから一方にずらすことにより製造することができる。このようにクラッド層１３２の加熱位置をクラッド層１３２の中心軸Ｃからずらすことにより、クラッド層１３２に添加されたフッ素が周方向において一部の領域に偏って拡散する結果、上述した屈折率上昇部がクラッド層の周方向における一部の領域に偏って形成される。また、加熱するためにアーク放電のための電極棒を用いる場合には、電極棒による加熱位置をクラッド層１３２の中心軸Ｃから一方にずらすことで、上述した屈折率上昇部をクラッド層の周方向における一部の領域に偏って形成することができる。さらに、バーナー１４０や電極棒の位置を固定して、基材光ファイバ１３０のクラッド層１３２の位置をずらすことでも、屈折率上昇部をクラッド層の周方向における一部の領域に偏って形成することができる。
　上述した実施形態では、余剰光除去ファイバ３０，２３０は単一のクラッド層３２を有しているが、余剰光除去ファイバ３０，２３０が複数のクラッド層３２を有していてもよい。その場合には、最外層のクラッド層（最外クラッド層）が上述した屈折率上昇部を有することとなる。この最外クラッド層の屈折率は、最外クラッド層の内側に隣接するクラッド層の屈折率よりも低く、樹脂３８，２３８が最外クラッド層の屈折率上昇部を被覆する。樹脂３８，２３８は、最外クラッド層の屈折率上昇部の屈折率以上の屈折率を有する。このような構成によれば、最外クラッド層の屈折率上昇部において最外クラッド層に隣接する層との屈折率差が小さくなるため、この屈折率上昇部において余剰光の一部が最外クラッド層に隣接する層から最外クラッド層に漏れ出ていきやすい構造となる。したがって、最外クラッド層に隣接する層を伝搬してきた余剰光が１箇所で一気に最外クラッド層に漏れ出ることを抑制でき、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制することができる。
　これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
　以上述べたように、本発明の第１の態様によれば、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制できる余剰光除去ファイバが提供される。この余剰光除去ファイバは、コアと、上記コアよりも外側に位置するクラッド層と、上記クラッド層の一部を被覆する樹脂とを備える。上記クラッド層は、屈折率を低下させる性質を有するドーパントを含み、該クラッド層の内側に隣接する層の屈折率よりも低い屈折率を有している。上記クラッド層は、屈折率が上昇した少なくとも１つの屈折率上昇部を光軸方向に沿って含んでいる。上記樹脂は、上記少なくとも１つの屈折率上昇部の屈折率以上の屈折率を有し、上記少なくとも１つの屈折率上昇部を被覆している。
　このような余剰光除去ファイバによれば、クラッド層の屈折率上昇部においてクラッド層に隣接する層との屈折率差が小さくなるため、この屈折率上昇部において余剰光の一部がクラッド層に隣接する層からクラッド層に漏れ出ていきやすい構造となる。したがって、クラッド層に隣接する層を伝搬してきた余剰光が１箇所で一気にクラッド層に漏れ出ることを抑制でき、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制することができる。
　上記少なくとも１つの屈折率上昇部は、上記クラッド層の周方向における一部の領域に偏って配置されていてもよい。このように屈折率上昇部がクラッド層の周方向において一部の領域に偏って配置されている場合には、クラッド層に隣接する層を伝搬してきた余剰光が、クラッド層の周方向において屈折率上昇部が存在する側で優先的にクラッド層に漏れ出すことになる。
　この場合において、上記クラッド層の周方向における一部の領域を被覆する上記樹脂が冷却板に接触していることが好ましい。このように屈折率上昇部が存在する側のクラッド層を被覆する樹脂を冷却板に接触させることで、屈折率上昇部から樹脂に漏れ出した余剰光により生じる熱を冷却板により効率的に外部に放出することができる。これにより、冷却板が配置されていない側の樹脂が意図せず高温となる可能性を低減することができる。
　また、上記クラッド層の周方向における一部の領域のうちの少なくとも一部と上記冷却板とが互いに対向することが好ましい。このように、クラッド層の周方向における一部の領域のうちの少なくとも一部と冷却板とが互いに対向することで、屈折率上昇部から樹脂に漏れ出した余剰光により生じる熱を冷却板により一層効率的に外部に放出することができる。これにより、冷却板が配置されていない側の樹脂が意図せず高温となる可能性をより一層低減することができる。
　上記ドーパントとしてはフッ素又はホウ素を用いることができる。また上記クラッド層の厚さは１０μｍ以下であることが好ましい。
　上記少なくとも１つの屈折率上昇部は、上記光軸方向に沿って配置された複数の屈折率上昇部を含むことが好ましい。このようにクラッド層が複数の屈折率上昇部を有することにより、除去する余剰光のパワーを複数の屈折率上昇部に分散することができ、余剰光により発生する熱が局所的に集中することを抑制することができる。
　この場合において、上記複数の屈折率上昇部は、上記複数の屈折率上昇部と上記クラッド層の内側に隣接する層との屈折率差が上記光軸方向に沿って上記複数の屈折率上昇部ごとに減少するように配置されることが好ましい。このように、屈折率上昇部とクラッド層の内側に隣接する層との屈折率差が光軸方向に沿って、すなわち余剰光の伝搬方向に沿って複数の屈折率上昇部ごとに小さくなるように複数の屈折率上昇部を配置することにより、余剰光が光軸方向に伝搬するに従って相対的にコアからクラッド層に漏れにくくなるので、余剰光が１つの屈折率上昇部で一気にクラッド層に漏れ出ることが抑制され、余剰光が伝搬するにつれて徐々にそれぞれの屈折率上昇部でクラッド層に漏れ出て除去されることとなる。これにより、それぞれの屈折率上昇部において除去される余剰光の量を制御することができ、余剰光により発生する熱が局所的に集中することを抑制することができる。
　本発明の第２の態様によれば、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制できるファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、希土類元素イオンが添加されたコアと、上記希土類元素イオンを励起する励起光を伝搬するクラッド層とを含む増幅用光ファイバと、上記希土類元素イオンを励起する励起光を生成する少なくとも１つの励起光源と、上述した余剰光除去ファイバとを備える。上記余剰光除去ファイバは、上記増幅用光ファイバの上流側に接続される。
　本発明の第３の態様によれば、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制できる余剰光除去ファイバを簡単に製造することができる方法が提供される。この製造方法によれば、まず、コアと、上記コアよりも外側に位置するクラッド層であって、屈折率を低下させる性質を有するドーパントを含み、該クラッド層の内側に隣接する層の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層と、上記クラッド層を覆う被覆とを含む基材光ファイバを用意する。また、上記基材光ファイバの上記被覆の一部を除去して上記クラッド層を露出させ、上記露出したクラッド層を加熱して屈折率を上昇させた少なくとも１つの屈折率上昇部を形成する。上記少なくとも１つの屈折率上昇部の屈折率以上の屈折率を有する樹脂で上記少なくとも１つの屈折率上昇部を被覆して余剰光除去ファイバを作製する。
　上記露出したクラッド層を加熱する際に、上記クラッド層の加熱位置を上記クラッド層の中心からずらしてもよい。このようにクラッド層の加熱位置をクラッド層の中心軸からずらすことにより、少なくとも１つの屈折率上昇部がクラッド層の周方向における一部の領域に偏って形成される。
　本発明によれば、クラッド層の屈折率上昇部においてクラッド層に隣接する層との屈折率差が小さくなるため、この屈折率上昇部において余剰光の一部がクラッド層に隣接する層からクラッド層に漏れ出ていきやすい構造となる。したがって、クラッド層に隣接する層を伝搬してきた余剰光が１箇所で一気にクラッド層に漏れ出ることを抑制でき、余剰光を除去する際に発生する熱が局所的に集中することを抑制することができる。
　本出願は、２０１９年３月２８日に提出された日本国特許出願特願２０１９－０６３２４９号及び２０１９年１０月２４日に提出された日本国特許出願特願２０１９－１９３１３５号に基づくものであり、当該出願の優先権を主張するものである。当該出願の開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
　本発明は、ファイバレーザ装置において余剰光を除去するために用いられる余剰光除去ファイバに好適に用いられる。
　　１　　　ファイバレーザ装置
　　２　　　光共振器
　　３　　　デリバリファイバ
　　４　　　レーザ出射部
　１０　　　増幅用光ファイバ
　１１　　　前方励起光源
　１２　　　後方励起光源
　１３　　　光ファイバ
　１４　　　高反射ＦＢＧ部
　１６　　　低反射ＦＢＧ部
　２１　　　上流側光コンバイナ
　２２　　　下流側光コンバイナ
　３０　　　余剰光除去ファイバ
　３１　　　コア
　３２　　　クラッド層
　３３　　　被覆
　３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ　　屈折率上昇部
　３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ　　樹脂
　９０　　　放熱部
１３０　　　基材光ファイバ
１３１　　　コア
１３２　　　クラッド層
１３３　　　被覆
１３５　　　屈折率上昇部
１４０　　　バーナー
２３０　　　余剰光除去ファイバ
２３５Ａ，２３５Ｂ，２３５Ｃ　　屈折率上昇部
２３８Ａ，２３８Ｂ，２３８Ｃ　　樹脂
２４０　　　冷却板
　　Ｒ　　　余剰光
　　Ｃ　　　中心軸
　　Ｌ　　　レーザ光（信号光）

Claims (12)

  1. 　コアと、
    　前記コアよりも外側に位置するクラッド層であって、屈折率を低下させる性質を有するドーパントを含み、該クラッド層の内側に隣接する層の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層と、
    　前記クラッド層の一部を被覆する樹脂と
    を備え、
    　前記クラッド層は、屈折率が上昇した少なくとも１つの屈折率上昇部を光軸方向に沿って含み、
    　前記樹脂は、前記少なくとも１つの屈折率上昇部の屈折率以上の屈折率を有し、前記少なくとも１つの屈折率上昇部を被覆している、
    余剰光除去ファイバ。
  2. 　前記少なくとも１つの屈折率上昇部は、前記クラッド層の周方向における一部の領域に偏って配置される、請求項１に記載の余剰光除去ファイバ。
  3. 　前記クラッド層の周方向における一部の領域を被覆する前記樹脂は冷却板に接触する、請求項２に記載の余剰光除去ファイバ。
  4. 　前記クラッド層の周方向における一部の領域のうちの少なくとも一部と前記冷却板とが互いに対向する、請求項３に記載の余剰光除去ファイバ。
  5. 　前記ドーパントはフッ素である、請求項１から４のいずれか一項に記載の余剰光除去ファイバ。
  6. 　前記クラッド層の厚さは１０μｍ以下である、請求項１から５のいずれか一項に記載の余剰光除去ファイバ。
  7. 　前記少なくとも１つの屈折率上昇部は、前記光軸方向に沿って配置された複数の屈折率上昇部を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の余剰光除去ファイバ。
  8. 　前記複数の屈折率上昇部は、前記複数の屈折率上昇部と前記クラッド層の内側に隣接する層との屈折率差が前記光軸方向に沿って前記複数の屈折率上昇部ごとに減少するように配置される、請求項７に記載の余剰光除去ファイバ。
  9. 　希土類元素イオンが添加されたコアと、前記希土類元素イオンを励起する励起光を伝搬するクラッド層とを含む増幅用光ファイバと、
    　前記希土類元素イオンを励起する励起光を生成する少なくとも１つの励起光源と、
    　請求項１から８のいずれか一項に記載の余剰光除去ファイバであって、前記増幅用光ファイバの上流側に接続される余剰光除去ファイバと
    を備える、ファイバレーザ装置。
  10. 　コアと、前記コアよりも外側に位置するクラッド層であって、屈折率を低下させる性質を有するドーパントを含み、該クラッド層の内側に隣接する層の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層と、前記クラッド層を覆う被覆とを含む基材光ファイバを用意し、
    　前記基材光ファイバの前記被覆の一部を除去して前記クラッド層を露出させ、
    　前記露出したクラッド層を加熱して屈折率を上昇させた少なくとも１つの屈折率上昇部を形成し、
    　前記少なくとも１つの屈折率上昇部の屈折率以上の屈折率を有する樹脂で前記少なくとも１つの屈折率上昇部を被覆して余剰光除去ファイバを作製する、
    余剰光除去ファイバの製造方法。
  11. 　前記露出したクラッド層を加熱する際に、前記クラッド層の加熱位置を前記クラッド層の中心軸からずらす、請求項１０に記載の余剰光除去ファイバの製造方法。
  12. 　前記ドーパントはフッ素である、請求項１０又は１１に記載の余剰光除去ファイバの製造方法。
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