WO2020203900A1 - 活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置 - Google Patents

活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置 Download PDF

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倫太郎 北原
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Definitions

  • the present invention relates to an active element-added optical fiber, a resonator, and a fiber laser device capable of suppressing deterioration of beam quality.
  • Fiber laser devices are used in various fields such as laser processing fields and medical fields because they have excellent light-collecting properties, high power density, and can obtain light that becomes a small beam spot.
  • the output of the emitted light is increased.
  • the power density of light in the optical fiber becomes high, wavelength conversion of light due to induced Raman scattering is likely to occur, and light of an unintended wavelength may be emitted.
  • the light reflected by the workpiece or the like returns to the fiber laser device and is amplified, so that the amplification of the light having a wavelength that should be amplified by design becomes unstable, and the output may become unstable. ..
  • an optical fiber having a core capable of propagating light in fumode is used.
  • the beam quality of the light emitted from the viewpoint of light collection is excellent. Therefore, by using an optical fiber having a core capable of propagating light in the fu mode as described above, the light can be reduced. Even when the effective cross-sectional area is increased, there is a demand for suppressing the excitation of light in modes other than the basic mode.
  • the beam quality is indicated by, for example, M 2 (M square) or the like. Therefore, it is possible to suppress the amplification of high-order mode light while using an active element-added optical fiber having a core capable of propagating light in fu mode, such as the active element-added optical fiber described in Patent Document 1 below. It is done.
  • an object of the present invention is to provide an active element-added optical fiber, a resonator, and a fiber laser device capable of suppressing deterioration of beam quality and amplifying light.
  • the present invention relates to an active element-added optical fiber having a core, wherein the radius of the core is d and the distance from the central axis in the radial direction of the core is r.
  • the core includes a first region of 0 ⁇ r ⁇ 0.65d and a second region of 0.65d ⁇ r ⁇ d surrounding the first region, and the first region is excited by excitation light.
  • the active element is added to at least a part thereof, the active element is not added to the second region, and the shape index ⁇ represented by the following formula (1) is 0.99 or more and less than 1. To do.
  • E (r) is the electric field distribution of the light propagating in the active element-added optical fiber
  • E i (r) is the step index type optical fiber in the case of averaging the refractive index distribution of the core. This is the electric field distribution of the light.
  • the present inventor has a shape index ⁇ represented by the above formula (1) of 0.99 or more and less than 1, an active element is added to at least a part of the first region, and an active element is not added to the second region. It has been found that, according to the active element-added optical fiber, the light in the LP01 mode is amplified, and the light in the higher-order mode higher than the LP11 mode can emit the light in which the power is suppressed. In an active element-added optical fiber, light is generally incident from another optical fiber to amplify the light.
  • the shape index ⁇ is 0.99 or more and less than 1 as described above, it is considered that the light in the axial symmetry mode equal to or higher than the LP02 mode is less likely to be excited when the light is incident on the core of the active element-added optical fiber. Further, by adding the active element to at least a part of the first region, the light in the LP01 mode is amplified, and by not adding the active element to the second region, the light in the higher-order mode higher than the LP11 mode is excited. Even if this is the case, it is considered that the amplification of the light in the higher-order mode higher than the LP11 mode is suppressed. Therefore, according to the active element-added optical fiber of the present invention, deterioration of beam quality can be suppressed and light can be amplified.
  • the active element is added from the central axis to a predetermined region in the radial direction in the first region, and when the radius of the predetermined region is ra, the active element in the region of 0 ⁇ r ⁇ 0.1 ra.
  • the average value of the concentration of the active element is higher than the average value of the concentration of the active element in the region of 0.1 ra ⁇ r ⁇ 0.9 ra, and the region of the refractive index higher than the average value of the refractive index in the predetermined region is It is preferable that there is at least one location in the region of 0.5 ra ⁇ r ⁇ ra.
  • the average value of the concentration of the active element in the region of 0 ⁇ r ⁇ 0.1 ra is higher than the average value of the concentration of the active element in the region of 0.1 ra ⁇ r ⁇ 0.9 ra, so that the center of the core It is possible to preferentially amplify the high-intensity basic mode in. Further, since at least one region having a refractive index higher than the average value of the refractive index in a predetermined region exists in the region of 0.5 ra ⁇ r ⁇ ra, the effective cross-sectional area of the light propagating in the core becomes too small. This can be suppressed and the occurrence of nonlinear optical phenomena can be suppressed.
  • the standard deviation of the refractive index distribution in the region of 0.9ra + 0.1d ⁇ r ⁇ 0.9d is preferably 0.01 or less.
  • this active element-added optical fiber further includes a clad that surrounds the core without gaps, and at least one maximum value of the difference in refractive index with respect to the clad exists in the region of 0.62 d or less of the core.
  • the average value of the specific refractive index difference in the region of 0 ⁇ r ⁇ 0.1d in the core may be equal to or less than the maximum value.
  • the inner clad may be simply called a clad.
  • the shape index ⁇ can be set to 0.99 or more.
  • the maximum value may exist in a region of 0.45d or more and 0.62d or less.
  • the effective refractive index can be increased as compared with the step index optical fiber.
  • the active element-added optical fiber further includes a clad that surrounds the core without gaps, and the maximum value of the difference in specific refractive index with respect to the clad is at least 1 in the region of 0.1d or more and 0.83d or less of the core.
  • the average value of the specific refractive index difference in the region of 0.055d ⁇ r ⁇ 0.1d in the core may be equal to or more than the maximum value.
  • "greater than or equal to the maximum value” means a value equal to or greater than the maximum value indicating the largest difference in the specific refractive index among the plurality of maximum values.
  • the shape index ⁇ can be set to 0.99 or more.
  • the active element-added optical fiber further includes a clad that surrounds the outer peripheral surface of the core without gaps, and the average value of the difference in the refractive index of the core with respect to the clad is 0.10% or more. At least one maximum value of the specific refractive index difference exists in the region of 0.45d or more, and the average value of the specific refractive index difference in the region of 0 ⁇ r ⁇ 0.1d of the core is the maximum value. It may be as follows.
  • the effective cross-sectional area can be increased.
  • the active element-added optical fiber further includes a clad that surrounds the outer peripheral surface of the core without gaps, and the average value of the difference in the refractive index of the core with respect to the clad is greater than 0% and 0.18% or less.
  • the average value of may be equal to or greater than the maximum value.
  • the effective cross-sectional area can be increased.
  • the active element is added over the entire first region.
  • the light in LP01 mode can be amplified with a higher amplification factor.
  • the theoretical cutoff wavelength of light in LP02 mode is shorter than 1760 nm.
  • LP01 mode light is propagated and LP02 mode light is leaked. Can be made to. Therefore, by using it in this way, it is possible to suppress that the emitted light includes light in a higher-order mode higher than the LP02 mode.
  • the diameter of the clad surrounding the core is 430 ⁇ m or less.
  • the active element may be ytterbium.
  • the ratio of the diameter of the region to which ytterbium is added to the diameter of the core is preferably 0.55 or more and 0.65 or less.
  • the fiber laser apparatus of the present invention is characterized by comprising any of the above-mentioned active element-added optical fibers and a light source that emits light that excites the active element. Is.
  • the deterioration of the beam quality can be suppressed and the light can be amplified. Therefore, according to this fiber laser device, the light in which the deterioration of the beam quality is suppressed can be emitted.
  • the resonator of the present invention has one of the above-mentioned active element-added optical fibers and the core and optics of the active element-added optical fiber on one side of the active element-added optical fiber.
  • the core of the first optical fiber includes a first mirror that reflects light having a wavelength of at least a part of the light emitted by the excited active element, and the core of the second optical fiber includes.
  • Each of the first optical fiber and the second optical fiber has a second mirror that reflects light having at least a part of the wavelengths of the light reflected by the first mirror with a lower reflectance than that of the first mirror.
  • the shape index ⁇ 'represented by the following equation (2) in the above is 0.99 or more and less than 1.
  • r' indicates the distance in the radial direction when the central axis of the first optical fiber and the second optical fiber is 0, and E'(r') indicates the first optical fiber and the second optical fiber.
  • the fiber laser apparatus of the present invention is characterized by including the above-mentioned resonator and a light source that emits light that excites the above-mentioned active element.
  • the shape index ⁇ 'of the first optical fiber and the second optical fiber is 0.99 or more and less than 1, so that the optical fiber with the active element added can be used.
  • the light passing between the first optical fiber and the active element-added optical fiber and the second optical fiber it is suppressed that the light in the axially symmetric mode equal to or higher than the LP02 mode is excited. Therefore, the light in which the deterioration of the beam quality is suppressed can be emitted.
  • an active element-added optical fiber capable of suppressing deterioration of beam quality and amplifying light.
  • FIG. 1 is a diagram showing a laser device according to the present embodiment.
  • the fiber laser device 1 of the present embodiment is a resonator type fiber laser device, and is an active element-added optical fiber 10, an excitation light source 20, a first optical fiber 30, and a first optical fiber.
  • the first FBG 35 provided in the fiber 30, the second optical fiber 40, the second FBG 45 provided in the second optical fiber 40, the optical combiner 50, and the third optical fiber 60 are mainly provided.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the active element-added optical fiber 10 shown in FIG.
  • the active element-added optical fiber 10 includes a core 11, an inner clad 12 that surrounds the outer peripheral surface of the core 11 without gaps, an outer clad 13 that covers the outer peripheral surface of the inner clad 12, and an outer clad 13.
  • a coating layer 14 for covering is provided as a main configuration. That is, the active element-added optical fiber 10 is a so-called double-clad optical fiber.
  • the refractive index of the inner clad 12 is lower than that of the core 11, and the refractive index of the outer clad 13 is lower than that of the inner clad 12.
  • the core 11 has a first region 11a and a second region 11b.
  • the first region 11a is a region from the central axis C to 65% of the radius of the core 11.
  • the radius of the core 11 will be d, and the distance from the central axis C in the radial direction of the core will be described as r.
  • the first region 11a is a region of 0 ⁇ r ⁇ 0.65d.
  • the second region 11b surrounds the first region 11a and is a region from the outer peripheral surface of the first region 11a to the outer peripheral surface of the core 11. That is, the second region 11b surrounds the first region and is set to a region of 0.65d ⁇ r ⁇ d.
  • FIG. 3 is a diagram showing the concentration distribution of the active element added to the core 11 of the active element-added optical fiber 10.
  • the first region 11a is made of quartz glass to which the active element is added at least partially, and the second region 11b is made of quartz glass to which the active element is not added.
  • the active element is added over the entire first region 11a. Therefore, assuming that the active element is added to a predetermined region in the radial direction, in the present embodiment, the first region 11a is the predetermined region.
  • the region to which the active element is added refers to a region to which 0.5 wt% or more of the active element is added, and the active element is 0 due to diffusion of the active element during the production of the active element-added optical fiber.
  • the region detected at a concentration lower than .5 wt% cannot be said to be a region to which the active element is added, but is a region to which the active element is not added.
  • the concentration of the active element near the center of the first region 11a is made higher than the average concentration of the active element in the region around which the active element is added.
  • the vicinity of the center is, for example, a region having a radius of 10% of the region to which the active element is added.
  • the average value of the concentration of the active element in the region of 0 ⁇ r ⁇ 0.1 ra is 0. It is made higher than the average value of the concentration of the active element in the region of 1 ra ⁇ r ⁇ 0.9 ra.
  • the active element added to the first region 11a is ytterbium (Yb), and aluminum and phosphorus are further added to the first region 11a in order to enhance the resistance to photodarkening.
  • FIG. 4 is a diagram showing the state of the refractive index distribution of the core 11 of the active element-added optical fiber 10. Due to such an additive and its concentration distribution, the first region 11a has a specific refractive index distribution shown in FIG. Further, a dopant such as germanium (Ge) that increases the refractive index is added to the second region 11b.
  • germanium germanium
  • a dopant such as fluorine (F) or boron (B) may be added to at least a part of the dopant.
  • the active element added to the first region 11a may be an active element other than ytterbium. Examples of such active elements include thulium (Tm), cerium (Ce), neodymium (Nd), europium (Eu), erbium (Er), and the like in addition to itterbium as rare earth elements. In addition to rare earth elements, bismus (Bi) and the like can be mentioned.
  • the core 11 is a region from the central axis C to the specific refractive index difference of 0.05% with respect to the inner clad 12, and the specific refractive index difference is 0 with respect to the inner clad 12. It is the inside of the part that becomes 0.05%.
  • the position where the difference in the specific refractive index is 0.05%, that is, the outer peripheral surface of the core 11 is shown by a broken line.
  • the reason why the region of the core 11 is defined in this way is that even if the shape of the region having a specific refractive index difference of less than 0.05% is slightly changed, it has almost no effect on the optical characteristics of the active element-added optical fiber 10. Because there is no such thing.
  • the specific refractive index difference in the second region 11b, is substantially constant in the region from the inner peripheral side to the vicinity of the outer circumference, and the specific refractive index difference decreases toward the inner clad 12 in the region near the outer circumference. ing. Therefore, in the present embodiment, the standard deviation of the refractive index distribution in the region of 0.9ra + 0.1d ⁇ r ⁇ 0.9d is 0.01 or less.
  • the first region 11a there are a portion where the specific refractive index difference is lower and a portion higher than the specific refractive index difference on the inner peripheral side of the second region 11b.
  • the portion where the specific refractive index difference is lower than the specific refractive index difference on the inner peripheral side of the second region 11b and the specific refractive index difference are the second region 11b.
  • a region having a refractive index higher than the average value of the refractive index in the first region 11a, which is a predetermined region exists in the region of 0.5 ra ⁇ r ⁇ ra.
  • N max of the refractive index that is, one maximum value N max of the specific refractive index difference.
  • the maximum value N max means that the length ⁇ w in the radial direction of the region having a refractive index higher than the average value ⁇ of the refractive index in the first region 11a propagates through the active element-added optical fiber 10. It refers to the maximum value of the refractive index in the region of 1/10 or more of the wavelength of light. The number of such maximum values N max is not limited to one.
  • the difference in the specific refractive index decreases from the outer circumference to the inner circumference side of the first region 11a.
  • the shape index ⁇ of the active element-added optical fiber 10 having such a distribution of the specific refractive index difference is 0.99 or more and less than 1.
  • the shape index ⁇ is an index indicating how much the refractive index distribution differs from the step index type refractive index distribution, and is defined by the following equation (3).
  • E (r) is an electric field value of light propagating through the active element-added optical fiber 10 at a distance r, that is, an electric field distribution of light propagating through the active element-added optical fiber 10.
  • E i (r) is an electric field distribution of light propagating in a step index type optical fiber when averaging the refractive index distribution of the core 11.
  • the optical fiber indicated by the shape index ⁇ has a step index type refractive index distribution. Then, as the shape index ⁇ becomes smaller than 1, the optical fiber indicated by the shape index ⁇ has a refractive index distribution different from the step index type refractive index distribution. Although it is difficult to set the shape index ⁇ to 1 in the production of the optical fiber, the optical fiber having the shape index ⁇ of 0.99 or more and less than 1 as in the present embodiment can be easily manufactured.
  • the shape index ⁇ is changed by adjusting the concentration of the dopant added to the core 11 in the radial direction. Therefore, in the case of the present embodiment, the concentration of ytterbium may be adjusted in the radial direction, and when boron is added, the concentration of boron may be adjusted in the radial direction. Further, since the concentration difference between aluminum and phosphorus affects the refractive index, the concentration difference may be adjusted in the radial direction. Further, the phosphorus concentration distribution may be adjusted in the radial direction.
  • the inner clad 12 has a substantially constant refractive index, and is composed of, for example, quartz to which no dopant is added, or quartz to which fluorine or other dopants for adjusting the refractive index are added.
  • the outer clad 13 is made of resin or quartz glass, and examples of the resin include an ultraviolet curable resin and a thermosetting resin, and the quartz includes a dopant such as fluorine so as to have a lower refractive index than, for example, the inner clad 12. Quartz to which is added can be mentioned.
  • examples of the material constituting the coating layer 14 include an ultraviolet curable resin and a thermosetting resin, and when the outer clad 13 is a resin, the resin is different from the resin constituting the outer clad.
  • the active element-added optical fiber 10 is a fumode fiber, and when light having a wavelength of at least 1070 nm propagates through the core 11, the light is at least LP02 mode light in addition to LP01 mode light which is the basic mode. Can be propagated. Therefore, the effective cross-sectional area of light can be increased as compared with the case where the active element-added optical fiber 10 is a single-mode fiber.
  • the active element-added optical fiber 10 of the present embodiment has at least LP02 mode light in addition to LP01 mode light, which is the basic mode, even when light having a wavelength of any of 1030 nm to 1090 nm propagates. Can propagate.
  • the first optical fiber 30 is a double-clad optical fiber whose core configuration is different from that of the core 11 of the active element-added optical fiber 10.
  • the first optical fiber 30 is connected to one end of the active element-added optical fiber 10. Therefore, the core 11 of the active element-added optical fiber 10 and the core of the first optical fiber 30 are optically coupled, and the inner clad 12 of the active element-added optical fiber 10 and the inner clad of the first optical fiber 30 are optically coupled. Combined with.
  • the core of the first optical fiber 30 is mainly different from the core 11 of the active element-added optical fiber 10 in that no active element is added.
  • the first optical fiber 30 is a fumode fiber, and propagates the same light as the light propagated by the core 11 of the active element-added optical fiber 10. Therefore, the light in each LP mode propagating through the core 11 of the active element-added optical fiber 10 can propagate through the core of the first optical fiber 30 as it is.
  • the definition of the core of the first optical fiber 30 is the same as the definition of the core 11 of the active element-added optical fiber 10.
  • FIG. 5 is a diagram showing the refractive index distribution of the core of the first optical fiber 30.
  • the core of the first optical fiber 30 has a smaller change in the difference in refractive index than the active element-added optical fiber 10 in the region from the central axis C'to the vicinity of the outer circumference, and the ratio toward the inner clad in the region near the outer circumference.
  • the difference in refractive index is decreasing. Since it has such a refractive index distribution, the shape index ⁇ 'of the first optical fiber 30 is 0.99 or more and less than 1.
  • the shape index ⁇ ' is defined by the following equation (4).
  • E'(r') is the electric field value of the light propagating in the first optical fiber 30 at the distance r', that is, the electric field distribution of the light propagating in the first optical fiber 30.
  • E'i (r') is the electric field distribution of light propagating in the step index type optical fiber when averaging the refractive index distribution of the core of the first optical fiber 30. This shape index ⁇ 'is changed by adjusting the concentration of the dopant added to the core 11 in the radial direction.
  • the first optical fiber 30 Since the first optical fiber 30 has the refractive index distribution shown in FIG. 5 and no active element is added to the first optical fiber 30, the first optical fiber 30 is, for example, the core of the active element-added optical fiber 10. It is composed of the same material as the second region 11b in 11. Further, the configuration other than the core of the first optical fiber 30 in the present embodiment is the same as the configuration other than the core 11 of the active element-added optical fiber 10.
  • the first optical fiber 30 is provided with the first FBG35.
  • the first FBG 35 is arranged on one side of the active element-added optical fiber 10 and optically coupled to the core 11 of the active element-added optical fiber 10.
  • the first FBG 35 has a high refractive index portion having a higher refractive index than a portion other than the first FBG 35 in the core and a low refractive index portion having the same refractive index as the portion other than the first FBG 35 in the core along the longitudinal direction of the core. It is repeated periodically.
  • the repeating pattern of the high refractive index portion is formed by, for example, irradiating the portion to be the high refractive index portion with ultraviolet rays.
  • the first FBG 35 formed in this way is a first that reflects light containing a predetermined wavelength among the light emitted when the active element added to the core 11 of the active element-added optical fiber 10 is excited. It is configured as a mirror.
  • the predetermined wavelength is, for example, a wavelength of 1070 nm.
  • the reflectance of the first FBG 35 is higher than the reflectance of the second FBG 45 described later, and the light including the predetermined wavelength is reflected at, for example, 99% or more.
  • the second optical fiber 40 is different from the first optical fiber 30 in that it does not have an outer clad, and the other configurations of the second optical fiber 40 are the same as the configurations other than the outer clad of the first optical fiber 30. .. Therefore, the second optical fiber 40 has a configuration in which the core is surrounded by a clad and the clad is covered with a coating layer.
  • the second optical fiber 40 is connected to the other end of the active element-added optical fiber 10. Therefore, the core 11 of the active element-added optical fiber 10 and the core of the second optical fiber 40 are optically coupled, and the inner clad 12 of the active element-added optical fiber 10 and the clad of the second optical fiber 40 are optically coupled. Be combined.
  • the fumode light propagating in the core 11 of the active element-added optical fiber 10 propagates in the core of the second optical fiber 40 in the fumode state.
  • the inner clad 12 of the active element-added optical fiber 10 and the clad of the second optical fiber 40 do not have to be optically coupled.
  • the specific refractive index distribution of the core of the second optical fiber 40 is substantially the same as the specific refractive index distribution of the core of the first optical fiber 30 shown in FIG. Therefore, the shape index ⁇ 'of the core of the second optical fiber 40 is set to 0.99 or more and less than 1, and is represented by the above formula (4).
  • the above equation (4) indicates the shape index ⁇ 'of the second optical fiber 40, r'indicates the distance in the radial direction when the central axis C'of the second optical fiber 40 is 0, and E'.
  • (r ') is the electric field distribution of light propagating through the second optical fiber 40
  • E' i (r ' ) is the step index type when averaging the refractive index profile of the core of the second optical fiber 40 This is the electric field distribution of light propagating in an optical fiber.
  • the core of the second optical fiber 40 is provided with the second FBG 45 as described above.
  • the second FBG 45 is arranged on the other side of the active element-added optical fiber 10 and optically coupled to the core 11 of the active element-added optical fiber 10.
  • the second FBG 45 is formed by periodically repeating a high refractive index portion and a low refractive index portion.
  • the second FBG 45 is configured as a second mirror that reflects light including a predetermined wavelength reflected by the first FBG 35 with a reflectance lower than that of the first FBG 35. When the light reflected by the first FBG 35 is incident, the second FBG 45 reflects this light with a reflectance of, for example, about 10%.
  • a resonator is formed by the first FBG 35, the active element-added optical fiber 10, and the second FBG 45. Further, in the present embodiment, nothing is particularly connected to the other end of the second optical fiber 40 on the opposite side to the active element-added optical fiber 10 side, but a glass rod having a diameter larger than that of the core of the second optical fiber 40. Etc. may be connected.
  • the excitation light source 20 is composed of a plurality of laser diodes 21.
  • the laser diode 21 is, for example, a Fabry-Perot type semiconductor laser made of a GaAs-based semiconductor and emits excitation light having a center wavelength of 915 nm.
  • each laser diode 21 of the excitation light source 20 is connected to the optical fiber 25, and the excitation light emitted from the laser diode 21 propagates through the optical fiber 25 as, for example, multimode light.
  • Each optical fiber 25 is connected to one end of the first optical fiber 30 in the optical combiner 50. Specifically, the core of each optical fiber 25 and the inner clad of the first optical fiber 30 are connected so that the core of each optical fiber 25 is optically coupled to the inner clad of the first optical fiber 30. ing. Therefore, the excitation light emitted by each laser diode 21 enters the inner clad of the first optical fiber 30 via the optical fiber 25, and enters the inner clad of the first optical fiber 30 to the inside of the active element-added optical fiber 10. It is incident on the clad 12.
  • the third optical fiber 60 is an optical fiber having a core and a clad.
  • the core of the third optical fiber 60 is connected to the core of the first optical fiber 30 in the optical combiner 50. Therefore, the light propagating from the core of the first optical fiber 30 toward the optical combiner 50 is incident on the core of the third optical fiber 60. Further, on the side of the third optical fiber 60 opposite to the side connected to the first optical fiber 30, a terminal portion 65 for converting light into heat is provided.
  • the excitation light is emitted from each laser diode 21 of the excitation light source 20.
  • This excitation light enters the inner clad 12 of the active element-added optical fiber 10 from the optical fiber 25 via the inner clad of the first optical fiber 30, and mainly propagates through the inner clad 12.
  • the excitation light propagating in the inner clad 12 excites the active element added to the core 11 as it passes through the core 11.
  • the excited active element emits naturally emitted light in a wavelength band including a predetermined wavelength. Starting from this naturally emitted light, light containing a predetermined wavelength that is commonly reflected by the first FBG35 and the second FBG45 resonates between the first FBG35 and the second FBG45.
  • the excited active element causes stimulated emission, and the resonating light is amplified.
  • some of the light passes through the second FBG 45 and is emitted from the second optical fiber 40.
  • the gain and loss in the resonator including the first FBG 35, the active element-added optical fiber 10 and the second FBG 45 become equal, the laser oscillation state is established, and light of a constant power is emitted from the second optical fiber 40.
  • the active element-added optical fiber 10, the first optical fiber 30, and the second optical fiber 40 are fumode fibers capable of propagating LP02 mode light, respectively. Therefore, in the LP01 mode at the connection point or the vicinity of the connection point between the first optical fiber 30 and the active element-added optical fiber 10 and near the connection point or the connection point between the second optical fiber 40 and the active element-added optical fiber 10.
  • the light in the axially symmetric mode higher than the LP02 mode can be excited.
  • the light emitted from the second optical fiber 40 may be light in which the amplification of the light in the higher-order mode of the LP11 mode or higher is suppressed. Therefore, according to the fiber laser apparatus 1 of the present embodiment, light with suppressed deterioration of beam quality can be emitted.
  • the shape index ⁇ of the active element-added optical fiber 10 represented by the above formula (3) is 0.99 or more and less than 1, and the first optical fiber 30 and the second optical fiber It can be mentioned that the shape index ⁇ 'represented by the above formula (4) of 40 is 0.99 or more and less than 1.
  • LP02 is located near the connection point or connection point between the first optical fiber 30 and the active element-added optical fiber 10 and near the connection point or connection point between the second optical fiber 40 and the active element-added optical fiber 10. It is considered that the excitation of light in the axially symmetric mode above the mode is suppressed.
  • the excitation of the light in the axisymmetric mode higher than the LP02 mode is suppressed even when the light propagates through the active element-added optical fiber 10, and the light in the LP01 mode is mainly excited.
  • the active element is not added to the second region 11b. It is considered that this configuration suppresses the amplification of light in the higher-order mode of LP11 mode or higher in the active element-added optical fiber 10 as compared with the amplification of light in the LP01 mode.
  • the core 11 surrounds the first region 11a of 0 ⁇ r ⁇ 0.65d and the first region 11a, and has a th-order of 0.65d ⁇ r ⁇ d. Includes 2 regions 11b.
  • the active element excited by the excitation light is added to at least a part of the first region 11a, the active element is not added to the second region 11b, and the shape index ⁇ represented by the above formula (3) is obtained. It is 0.99 or more and less than 1.
  • the axial symmetry mode of LP02 mode or more is performed when light is incident on the core 11 of the active element-added optical fiber 10 and when the light propagates through the core. It is thought that the light of the light is hard to be excited. Further, by adding the active element to at least a part of the first region 11a, the light in the LP01 mode is amplified, and by not adding the active element to the second region 11b, the light in the higher-order mode higher than the LP11 mode is light. It is considered that the amplification of the light in the higher-order mode of the LP11 mode or higher is suppressed even when the light is excited. Therefore, according to the active element-added optical fiber 10 of the present invention, deterioration of beam quality can be suppressed and light can be amplified.
  • the average value of the concentration of the active element in the region of 0 ⁇ r ⁇ 0.1ra is the average value of the concentration of the active element in the region of 0.1ra ⁇ r ⁇ 0.9ra. taller than. Therefore, the high-intensity basic mode at the center of the core 11 can be preferentially amplified. Further, a region having a refractive index higher than the average value of the refractive index in the first region 11a, which is a predetermined region to which the active element is added, exists in the region of 0.5 ra ⁇ r ⁇ ra. Therefore, it is possible to suppress the effective cross-sectional area of the light propagating in the core 11 from becoming too small and suppress the occurrence of the nonlinear optical phenomenon.
  • the standard deviation of the refractive index distribution in the region of 0.9ra + 0.1d ⁇ r ⁇ 0.9d is 0.01 or less. Since the variation in the refractive index in the outer peripheral portion of the core is small as described above, a region having a refractive index higher than the average value of the refractive index in the predetermined region exists in the region of 0.5 ra ⁇ r ⁇ ra as described above. Even in this case, the above equation (3) can be easily satisfied. Therefore, it is possible to easily realize an active element-added optical fiber 10 in which deterioration of beam quality can be suppressed and light can be amplified.
  • the active element is added over the entire first region 11a. Therefore, the light in the LP01 mode can be amplified with a higher amplification factor than in the case where the active element is added only to a part of the first region 11a.
  • the theoretical cutoff wavelength of the light in the LP02 mode of the active element-added optical fiber 10 of the above embodiment is preferably shorter than 1760 nm.
  • the theoretical cutoff wavelength of the light in the LP02 mode is preferably shorter than 1760 nm.
  • FIG. 6 is a diagram showing a modified example of the fiber laser device 1. Specifically, it is a figure which shows the fiber laser apparatus which has the part which bent the active element addition optical fiber 10 with a diameter of 120 mm in this way.
  • the same components as those described in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted unless otherwise specified.
  • the theoretical cutoff wavelength of the light in the LP02 mode of the active element-added optical fiber 10 is shorter than 1760 nm, and the active element-added optical fiber 10 has a bent portion 15 bent with a diameter of 120 mm. Is different from the fiber laser apparatus of the above embodiment.
  • Light in the LP02 mode can be leaked by propagating light having a wavelength of 1760 nm through the bent portion 15. Therefore, since the active element-added optical fiber 10 has the bent portion 15, it is possible to suppress the propagation of the light in the higher-order mode higher than the LP02 mode while propagating the light in the LP01 mode.
  • the diameter of the clad made of quartz glass of the active element-added optical fiber 10 is within a predetermined size.
  • the clad made of quartz glass is an inner clad 12 when the outer clad 13 is made of resin, and an inner clad 12 and an outer clad 13 when the outer clad 13 is made of quartz glass.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the diameter of the clad and the probability of breakage.
  • This breaking probability is the breaking probability of the optical fiber after 80,000 hours when an optical fiber having a clad made of quartz glass is wound once with a diameter of 120 mm and a load is applied to extend the length of the optical fiber by 1%. .. From FIG. 7, when the diameter of the clad is 430 ⁇ m or less, the breaking probability of the optical fiber after 80,000 hours can be suppressed to 10-6 or less. Therefore, when the outer clad 13 is made of resin, the diameter of the inner clad 12 is preferably 430 ⁇ m or less, and when the outer clad 13 is made of quartz glass, the diameter of the outer clad 13 is 430 ⁇ m or less. Is preferable.
  • the active element was added over the entire first region 11a from the central axis to 65% of the radius.
  • an active element may be added to a part of the first region 11a.
  • the active element may be added to the region from the central axis to 55% of the radius in the first region 11a.
  • the radius ra of the predetermined region is 0.55d. Therefore, the predetermined region is a region of 0 ⁇ r ⁇ 0.55d. Further, the radius ra of the predetermined region is, for example, 0.55d ⁇ ra ⁇ . It may be any of the regions of 065d.
  • the fiber laser device in which the active element-added optical fiber 10 of the present invention is used is, for example, an active element-added optical fiber. It may be an MO-PA (Master Oscillator-Power Amplifier) type in which excitation light and seed light are incident on 10. Even in this case, it is preferable that the shape index ⁇ 'represented by the above formula (4) of the optical fiber to which the active element-added optical fiber 10 is connected is 0.99 or more and less than 1.
  • r indicates the distance in the radial direction when the central axis C'of the optical fiber to which the active element-added optical fiber 10 is connected is 0, and E'(r) is , The electric field distribution of light propagating through the optical fiber to which the active element-added optical fiber 10 is connected, and E'i (r) is the refractive index distribution of the core of the optical fiber to which the active element-added optical fiber 10 is connected. It is an electric field distribution of light propagating in a step index type optical fiber obtained by averaging.
  • the region from the central axis C to the relative refractive index difference of 0.05% with respect to the inner clad 12 is defined as the core 11, but the region to be the core is from the central axis of the optical fiber.
  • the specific refractive index difference is larger than 0% with respect to the inner clad, it does not have to be the region until the specific refractive index difference becomes 0.05%.
  • Example 1 The active element-added optical fiber shown in FIG. 2 was prepared.
  • the specific refractive index distribution of this active element-added optical fiber is as shown in FIG. 4, and the shape index ⁇ of this active element-added optical fiber was 0.990.
  • the concentration distribution of ytterbium added to the core of the active element-added optical fiber is as shown in FIG. 3, and the addition diameter ratio of the region where ytterbium is added was 0.65. This addition diameter ratio is the ratio of the diameter of the region where ytterbium is added to the diameter of the core.
  • the first region is a region from the central axis to 65% of the radius of the core
  • ytterbium is added to the active element-added optical fiber over the entire first region.
  • Ytterbium is not added to the second region.
  • the active element-added optical fiber was an optical fiber having a theoretical cutoff wavelength of less than 1760 nm in the LP02 mode.
  • the fiber laser apparatus shown in FIG. 1 was manufactured using this active element-added optical fiber.
  • the shape index ⁇ 'of the first optical fiber and the second optical fiber used in each fiber laser device was 0.998.
  • the oscillation wavelength of the light of each fiber laser device that is, the predetermined wavelength reflected by the first FBG and the second FBG is set to 1070 nm.
  • Example 2 to 10 An active element-added optical fiber similar to that of Example 1 was prepared except that the shape index ⁇ and the addition diameter ratio of the region to which ytterbium was added were the values shown in Table 1.
  • the specific refractive index distribution of the active element-added optical fiber of Example 7 is as shown in FIG. 8, and the concentration distribution of ytterbium added to the core of the active element-added optical fiber is as shown in FIG. ..
  • FIG. 9 it seems that ytterbium is slightly added to the second region and the inner clad, but this is noise of the measuring device, and ytterbium is not actually added to the second region. That is, the detection of noise level active elements can be ignored herein.
  • the noise level is, for example, about 1% of the average concentration of the active element. It should be noted that these active element-added optical fibers were optical fibers having a theoretical cutoff wavelength of less than 1760 nm in the LP02 mode.
  • the fiber laser apparatus shown in FIG. 1 was produced using the active element-added optical fibers of Examples 2 to 7.
  • the shape index ⁇ 'of the first optical fiber and the second optical fiber used in each fiber laser device is as shown in Table 1 below.
  • the fiber laser apparatus shown in FIG. 6 was manufactured using each of the active element-added optical fibers of Examples 8 to 10.
  • the shape index ⁇ 'of the first optical fiber and the second optical fiber used in each fiber laser device is as shown in Table 1 below.
  • the oscillation wavelength of the light of each fiber laser device that is, the predetermined wavelength reflected by the first FBG and the second FBG is set to 1070 nm.
  • the addition diameter ratio of the active element-added optical fiber in Examples 1 to 7 is 0.55 or more and 0.65 or less
  • the shape index ⁇ of the active element-added optical fiber in Examples 1 to 7 is It was 0.990 or more and 0.998 or less.
  • the shape index ⁇ 'of each of the first optical fiber and the second optical fiber in Examples 1 to 7 was 0.998 or more and 0.999 or less.
  • the fiber laser apparatus shown in FIG. 1 was produced using the active element-added optical fibers of Comparative Examples 1 to 6.
  • the shape index ⁇ 'of the first optical fiber and the second optical fiber used in each fiber laser device is as shown in Table 1 below.
  • the fiber laser apparatus shown in FIG. 6 was manufactured using the active element-added optical fibers of Comparative Examples 7 and 8.
  • the shape index ⁇ 'of the first optical fiber and the second optical fiber used in each fiber laser device is as shown in Table 1 below.
  • the beam quality of the fiber laser apparatus using the active element-added optical fiber of Examples 1 to 7 is the same as the beam quality of the fiber laser apparatus using the active element-added optical fiber of Comparative Examples 1 to 6.
  • the result was excellent in comparison. That is, when the addition diameter ratio is at least 0.55 or more and 0.65 or less, the beam quality of the fiber laser apparatus using the active element-added optical fiber is excellent.
  • Comparative Examples 1 to 3 since the addition diameter ratio of the region where ytterbium is added in the active element-added optical fiber exceeds 0.65, the light in the higher-order mode of the excited LP11 mode or higher is emitted.
  • the light was amplified by the active element-added optical fiber and emitted high-order mode light of LP11 mode or higher with high intensity. Further, in Comparative Examples 4 to 6, since the shape index ⁇ of the active element-added optical fiber is smaller than 0.99, the connection point between the first optical fiber and the active element-added optical fiber or the vicinity of the connection point, and the second light It is probable that, in addition to the light in the LP01 mode, the light in the axially symmetric mode equal to or higher than the LP02 mode was excited with high intensity in the connection point or the vicinity of the connection point between the fiber and the optical fiber to which the active element was added, and this light was emitted.
  • the beam quality of the fiber laser apparatus using the active element-added optical fiber of Examples 8 to 10 is superior to the beam quality of the fiber laser apparatus using the active element-added optical fiber of Comparative Examples 7 and 8. It was. The reason for this is that in Comparative Example 7, since the addition diameter ratio of the region where ytterbium is added in the active element-added optical fiber exceeds 0.65, the light in the higher-order mode of the excited LP11 mode or higher is the active element. It is probable that the light was amplified by the added optical fiber and emitted high-order mode light of LP11 mode or higher with high intensity.
  • the beam quality of the fiber laser apparatus using the active element-added optical fibers of Examples 8 to 10 was superior to the beam quality of the fiber laser apparatus using the active element-added optical fibers of Examples 1 to 7. It is considered that this is because the light of the LP02 mode or higher is removed at the bent portion 15 in the fiber laser apparatus shown in FIG.
  • the relationship between the position of the maximum value N max of the active element-added optical fiber and the shape index ⁇ was investigated. Specifically, the average refractive index difference in the region where the average specific refractive index difference of the core is 0.10% or more and 0.18% or less and the distance r from the central axis of the core is 0.1d or less.
  • An active element-added optical fiber having a refractive index distribution whose value is equal to or less than the maximum value N max was prepared, and the relationship between the position of the maximum value N max and the shape index ⁇ was investigated. The result is shown in FIG.
  • An active element-added optical fiber having a refractive index distribution having an average value of N max or more was prepared, and the relationship between the position of the maximum value N max and the shape index ⁇ was investigated. The result is shown in FIG.
  • function "0.7819r when the average value is the position of the maximum value N max in the case of a 0.10% rate difference is 0 or d below 6 -1.1832r 5 + 0.2533r 4 + 0.1919r 3 -0 It was found to decrease based on ".0840r 2 + 0.0072r + 1.000".
  • the region is 0.45d or more and 0.62d or less. If the maximum value N max is present, the effective refractive index can be increased as compared with the step index type optical fiber.
  • the shape of the active element-added optical fiber having a refractive index distribution in which the average value of the specific refractive index difference in the region where the distance r is 0.055d or more and 0.1d or less is the maximum value N max or more.
  • the exponent ⁇ is the function “0.670r 6 -1.651r 5 + 1.366r 4 ” when the mean value of the differential refractive index difference is 0.10% and the position of the maximum value N max is 0 or more and d or less. It was found that the decrease was based on "-0.454r 3 + 0.054r 2 -0.004r + 1.000".
  • the relationship with the effective cross-sectional area of the light propagating through the core of the active element-added optical fiber having a rate distribution was investigated.
  • a plurality of active element-added optical fibers having a maximum value were prepared.
  • the active element-added optical fibers having these maximum values have one maximum value N max as in the above-described embodiment, and the values of these maximum values N max are different for each active element-added optical fiber having the maximum value. ..
  • the same number of step-type active element-added optical fibers as the active element-added optical fiber having the maximum value were prepared. Specifically, the difference in the specific refractive index of one active element-added optical fiber among the step-type active element-added optical fibers and the active element-added optical fiber of one of a plurality of active element-added optical fibers having a maximum value.
  • a plurality of sets of a step-type active element-added optical fiber having the same average value of the difference in specific refractive index and an active element-added optical fiber having a maximum value were prepared. That is, a plurality of optical fiber sets having a common average value were prepared. The common average value in each of the plurality of optical fiber sets differs for each optical fiber set.
  • the effective cross-sectional areas of the step-type active element-added optical fiber constituting the above pair and the active element-added optical fiber having a maximum value were calculated, and the difference between these effective cross-sectional areas was obtained and verified.
  • an active element-added optical fiber having a maximum value formed so that the average value in a region where the distance r from the central axis of the core is 0.055d or more and 0.1d or less becomes the maximum value N max or more.
  • Verification 1 to obtain the difference in effective cross-sectional area using the above, and addition of an active element having a maximum value formed so that the average value in the region where the distance r is 0 or more and 0.1 d or less is the maximum value N max or less.
  • Verification 2 was performed to determine the difference in effective cross-sectional area using an optical fiber.
  • FIG. 12 The result of verification 1 is shown in FIG. 12, and the result of verification 2 is shown in FIG.
  • FIGS. 12 and 13 show cases where the average values ⁇ of the specific refractive index differences of the cores of the active element-added optical fibers having the maximum values are 0.10%, 0.14%, and 0.18%, respectively.
  • the relationship between the position of the maximum value N max and the difference in the effective cross-sectional area is shown.
  • the average value ⁇ of the difference in the refractive index of the core of the active element-added optical fiber having the maximum value is the step-type light that constitutes the optical fiber set together with the active element-added optical fiber having the maximum value. Equal to the difference in the refractive index of the core of the fiber.
  • the upper limit of the average value of the specific refractive index difference that has the effect of increasing the effective cross-sectional area is not particularly limited as long as the position of the maximum value N max is 0.45d or more.
  • the upper limit of the average value of the rate difference may be set to 0.18%.
  • an active element-added optical fiber, a resonator, and a fiber laser device capable of suppressing deterioration of beam quality and amplifying light are provided, and in a laser device for processing and the like. Is expected to be used.

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Abstract

活性元素添加光ファイバ（１０）のコア（１１）の半径をｄとし、コア（１１）の径方向における中心軸Ｃからの距離をｒとする場合において、コア１１は、０≦ｒ≦０．６５ｄの第１領域（１１ａ）と、第１領域（１１ａ）を囲み０．６５ｄ＜ｒ≦ｄの第２領域（１１ｂ）とを含み、第１領域（１１ａ）には、励起光により励起される活性元素が少なくとも一部に添加され、第２領域（１１ｂ）には、活性元素が非添加とされ、形状指数が０．９９以上１未満である。

Description

活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置
　本発明は、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置に関する。
　ファイバレーザ装置は、集光性に優れ、パワー密度が高く、小さなビームスポットとなる光が得られることから、レーザ加工分野、医療分野等の様々な分野において用いられている。この様なファイバレーザ装置では、出射する光の高出力化がなされている。しかし、光ファイバ内における光のパワー密度が高くなると、誘導ラマン散乱に起因する光の波長変換が生じ易くなり、意図しない波長の光が出射する場合がある。この場合、被加工体等で反射する光が再びファイバレーザ装置に戻って増幅されることにより、設計上増幅されるべき波長の光の増幅が不安定となり、出力が不安定となる場合がある。
　光ファイバにおける誘導ラマン散乱を抑制する手段として、コアを伝搬する光の実効断面積を大きくすることが挙げられる。この実効断面積を大きくする方法の一つとして、コアの直径を大きくすることが挙げられる。従って、光ファイバにおける誘導ラマン散乱を抑制するために、例えば、光をフューモードで伝搬可能なコアを有する光ファイバが用いられる。
　ファイバレーザ装置では、集光性の観点等から出射する光のビーム品質が優れていることが好ましく、そのため上記のように光をフューモードで伝搬可能なコアを有する光ファイバを用いることにより光の実効断面積を大きくする場合であっても、基本モード以外のモードの光が励振されることを抑えたいという要請がある。なお、ビーム品質は、例えば、Ｍ２（エムスクエア）等で示される。そこで、下記特許文献１に記載の活性元素添加光ファイバのように、光をフューモードで伝搬可能なコアを有する活性元素添加光ファイバを用いつつ、高次モードの光の増幅を抑制することが行われている。
特許第５１２４７０１号公報
　しかし、よりビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得る活性元素添加光ファイバが求められている。そこで、本発明は、ビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明は、コアを備える活性元素添加光ファイバであって、前記コアの半径をｄとし、前記コアの径方向における中心軸からの距離をｒとする場合において、前記コアは、０≦ｒ≦０．６５ｄの第１領域と、当該第１領域を囲み０．６５ｄ＜ｒ≦ｄの第２領域とを含み、前記第１領域には、励起光により励起される活性元素が少なくとも一部に添加され、前記第２領域には、前記活性元素が非添加とされ、下記式（１）で示される形状指数κが０．９９以上１未満であることを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　但し、Ｅ（ｒ）は、前記活性元素添加光ファイバを伝搬する光の電界分布であり、Ｅi（ｒ）は前記コアの屈折率分布を平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。
　本発明者は、上記式（１）で示される形状指数κが０．９９以上１未満であり、上記第１領域の少なくとも一部に活性元素が添加され、第２領域に活性元素が添加されない活性元素添加光ファイバによれば、ＬＰ０１モードの光が増幅され、ＬＰ１１モード以上の高次モードの光のパワーが抑制された光を出射し得ることを見出した。活性元素添加光ファイバは、一般的に他の光ファイバから光が入射されて当該光が増幅される。上記のように形状指数κが０．９９以上１未満であることで、活性元素添加光ファイバのコアに光が入射する際にＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が励振されにくいと考えられる。また、第１領域の少なくとも一部に活性元素が添加されることで、ＬＰ０１モードの光が増幅され、第２領域に活性元素が添加されないことで、ＬＰ１１モード以上の高次モードの光が励振される場合であっても、当該ＬＰ１１モード以上の高次モードの光が増幅されることが抑制されると考えられる。従って、本発明の活性元素添加光ファイバによれば、ビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得る。
　また、前記活性元素は、前記第１領域における前記中心軸から径方向の所定の領域まで添加され、前記所定の領域の半径をｒａとする場合に、０≦ｒ≦０．１ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値は、０．１ｒａ＜ｒ＜０．９ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値より高く、前記所定の領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に少なくとも１カ所存在することが好ましい。
　上記のように０≦ｒ≦０．１ｒａの領域における活性元素の濃度の平均値が０．１ｒａ＜ｒ＜０．９ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値より高いことで、コアの中心における強度の高い基本モードを優先的に増幅し得る。さらに、所定の領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に少なくとも１カ所存在することで、コアを伝搬する光の実効断面積が小さくなりすぎることを抑制し非線形光学現象の発生を抑制し得る。
　この場合、０．９ｒａ＋０．１ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域の屈折率分布の標準偏差が０．０１以下であることが好ましい。
　このようにコアの外周部における屈折率のばらつきが小さいことで、上記のように所定の領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に存在する場合であっても、上記式（１）を容易に満たし得る。
　また、この活性元素添加光ファイバは、前記コアを隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記コアのうち０．６２ｄ以下の領域には前記クラッドに対する比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、前記コアのうち０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以下であってもよい。
　なお、光ファイバが、コアを隙間なく囲む内側クラッドと、当該内側クラッドを隙間なく囲む外側クラッドとを備える場合、内側クラッドは単にクラッドと呼ばれることがある。
　また、極大値は複数存在しても良い。ここで、極大値が複数存在する場合における「極大値以下」とは、複数の極大値のうち最も大きな比屈折率差の値を示す極大値以下を意味する。
　活性元素添加光ファイバを例えばこのように構成することで、上記形状指数κを０．９９以上にすることができる。
　この場合、前記極大値が０．４５ｄ以上０．６２ｄ以下の領域に存在してもよい。
　このような構成にすることで、ステップインデックスの光ファイバに比べて、実効屈折率を大きくし得る。
　あるいは、この活性元素添加光ファイバは、前記コアを隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記コアのうち０．１ｄ以上０．８３ｄ以下の領域には前記クラッドに対する比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以上であってもよい。
　また、この場合にも、極大値は複数存在しても良い。ここで、極大値が複数存在する場合における「極大値以上」とは、複数の極大値のうち最も大きな比屈折率差の値を示す極大値以上を意味する。
　活性元素添加光ファイバを例えばこのように構成する場合でも、上記形状指数κを０．９９以上にすることができる。
　また、この活性元素添加光ファイバは、前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値は、０．１０％以上であり、前記コアのうち０．４５ｄ以上の領域には前記比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、前記コアのうち０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以下であってもよい。
　活性元素添加光ファイバを例えばこのように構成することで、上記実効断面積を大きくすることができる。
　あるいは、この活性元素添加光ファイバは、前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値は、０％よりも大きく０．１８％以下であり、前記コアのうち０．５５ｄ以下の領域には前記比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以上であってもよい。
　活性元素添加光ファイバを例えばこのように構成することで、上記実効断面積を大きくすることができる。
　また、前記第１領域全体に亘って前記活性元素が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、ＬＰ０１モードの光をより高い増幅率で増幅することができる。
　また、ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短いことが好ましい。
　ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長を上記のようにすることで、例えば、活性元素添加光ファイバを直径１２０ｍｍで曲げて使用する場合にＬＰ０１モードの光を伝搬させつつもＬＰ０２モードの光を漏洩させることができる。従って、このように使用することで、出射する光にＬＰ０２モード以上の高次モードの光が含まれることを抑制することができる。
　また、この場合、前記コアを囲むクラッドの直径が４３０μｍ以下であることが好ましい。
　このような石英ガラスから成るクラッドがこのような直径とされることで、例えば、活性元素添加光ファイバを直径１２０ｍｍで曲げて使用する場合であっても、破断確率が上がることを抑制でき、長期的に高い信頼性を期待することができる。
　前記活性元素はイッテルビウムであることとしても良い。
　この場合、前記コアの直径に対して前記イッテルビウムが添加される領域の直径の比率が、０．５５以上０．６５以下であることが好ましい。
　また、上記課題を解決するため、本発明のファイバレーザ装置は、上記のいずれかの活性元素添加光ファイバと、前記活性元素を励起する光を出射する光源と、を備えることを特徴とするものである。
　上記のようにこの活性元素添加光ファイバではビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得るため、このファイバレーザ装置によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光が出射し得る。
　また、上記課題を解決するため、本発明の共振器は、上記のいずれかの活性元素添加光ファイバと、前記活性元素添加光ファイバの一方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合するコアを有する第１光ファイバと、前記活性元素添加光ファイバの他方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合するコアを有する第２光ファイバと、を更に備え、前記第１光ファイバの前記コアは、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１ミラーを有し、前記第２光ファイバの前記コアは、前記第１ミラーが反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーを有し、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバのそれぞれにおける下記式（２）で示される形状指数κ'が０．９９以上１未満であることを特徴とするものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　但し、ｒ'は前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバの中心軸を０とする場合の径方向における距離を示し、Ｅ'（ｒ'）は、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバを伝搬するそれぞれの光の電界分布であり、Ｅ'i（ｒ'）は前記第１光ファイバの前記コアの屈折率分布及び前記第２光ファイバの前記コアの屈折率分布をそれぞれ平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバをそれぞれ伝搬する光の電界分布である。
　また、上記課題を解決するため、本発明のファイバレーザ装置は、上記共振器と、前記活性元素を励起する光を出射する光源と、を備えることを特徴とするものである。
　上記共振器、及び、この共振器を備えるファイバレーザ装置によれば、第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'が０．９９以上１未満であることで、活性元素添加光ファイバと第１光ファイバ、及び、活性元素添加光ファイバと第２光ファイバの間を行き来する光において、ＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が励振されることが抑制される。従って、ビーム品質の劣化が抑制された光が出射し得る。
　以上のように、本発明によれば、ビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置が提供される。
本発明の実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。 活性元素添加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。 活性元素添加光ファイバのコアに添加される活性元素の濃度分布を示す図である。 活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の様子を示す図である。 第１光ファイバのコアの屈折率分布を示す図である。 ファイバレーザ装置の変形例を示す図である。 クラッドの直径と破断確率との関係を示す図である。 実施例７の活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の様子を示す図である。 実施例７の活性元素添加光ファイバのコアに添加される活性元素の濃度分布を示す図である。 コアにおける比屈折率差の極大値の位置と形状指数との関係の一例を示す図である。 コアにおける比屈折率差の極大値の位置と形状指数との関係の他の例を示す図である。 本発明の活性元素添加光ファイバの実効断面積とステップ型光ファイバの実効断面積との差と、本発明の活性元素添加光ファイバのコアにおける比屈折率差の極大値の位置との関係の一例を示す図である。 本発明の活性元素添加光ファイバの実効断面積とステップ型光ファイバの実効断面積との差と、本発明の活性元素添加光ファイバのコアにおける比屈折率差の極大値の位置との関係の他の例を示す図である。
　以下、本発明に係る光ファイバ及び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。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができる。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。
　図１は、本実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図１に示すように、本実施形態のファイバレーザ装置１は、共振器型のファイバレーザ装置とされ、活性元素添加光ファイバ１０と、励起光源２０と、第１光ファイバ３０と、第１光ファイバ３０に設けられる第１ＦＢＧ３５と、第２光ファイバ４０と、第２光ファイバ４０に設けられる第２ＦＢＧ４５と、光コンバイナ５０と、第３光ファイバ６０と、を主な構成として備える。
＜活性元素添加光ファイバの構成＞
　図２は、図１に示す活性元素添加光ファイバ１０の断面の構造を示す断面図である。図２に示すように活性元素添加光ファイバ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。つまり、活性元素添加光ファイバ１０は、いわゆるダブルクラッド光ファイバである。内側クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低く、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。
　コア１１は、第１領域１１ａと第２領域１１ｂとを有する。第１領域１１ａは、中心軸Ｃからコア１１の半径の６５％までの領域とされる。以下、コア１１の半径をｄとし、コアの径方向における中心軸Ｃからの距離をｒとして説明する。この場合において、第１領域１１ａは、０≦ｒ≦０．６５ｄの領域とされる。また、第２領域１１ｂは、第１領域１１ａを囲み、第１領域１１ａの外周面からコア１１の外周面までの領域とされる。つまり、第２領域１１ｂは、第１領域を囲み０．６５ｄ＜ｒ≦ｄの領域とされる。
　このようなコア１１には、励起光源２０から出射される励起光で励起される活性元素が一部に添加されている。図３は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加される活性元素の濃度分布を示す図である。図３に示すように、第１領域１１ａは、上記活性元素が少なくとも一部に添加される石英ガラスから成り、第２領域１１ｂは、上記活性元素が非添加の石英ガラスから成る。本実施形態では、第１領域１１ａの全体に亘って活性元素が添加される。従って、活性元素が径方向の所定の領域に添加されているとすると、本実施形態では、第１領域１１ａが当該所定の領域となる。以下、所定の領域の半径をｒａとして説明する。本実施形態では、ｒａ＝０．６５ｄとなる。
　なお、活性元素が添加されている領域とは、活性元素が０．５ｗｔ％以上添加されている領域をさし、活性元素添加光ファイバの製造時における活性元素の拡散等により、活性元素が０．５ｗｔ％より低い濃度で検出される領域は、活性元素が添加されている領域と言えず、活性元素が非添加の領域である。
　本実施形態では、第１領域１１ａの中心近傍における活性元素の濃度が、その周りの活性元素が添加される領域での当該活性元素の平均濃度よりも高くされる。この中心近傍とは、例えば、活性元素が添加される領域の１０％の半径の領域とされ、図３の場合、０≦ｒ≦０．１ｒａの領域における活性元素の濃度の平均値は、０．１ｒａ＜ｒ＜０．９ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値より高くされる。
　本実施形態では、第１領域１１ａに添加される活性元素がイッテルビウム（Ｙｂ）とされ、第１領域１１ａには、フォトダークニングに対する耐性を高めるためにアルミニウム及びリンが更に添加されている。図４は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の屈折率分布の様子を示す図である。このような添加物およびその濃度分布により、第１領域１１ａは図４に示す比屈折率分布とされる。また、第２領域１１ｂには、例えば屈折率を上昇させるゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加されている。
　なお、屈折率を調整するために、フッ素（Ｆ）やホウ素（Ｂ）等のドーパントが少なくとも一部に添加されても良い。また、本実施形態と異なるが、第１領域１１ａに添加される活性元素はイッテルビウム以外の活性元素であっても良い。このような活性元素としては、希土類元素として、イッテルビウムの他にツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）等が挙げられ、さらに活性元素として、希土類元素の他にビスマス（Ｂｉ）等を挙げることができる。
　図４に示すように、コア１１は、中心軸Ｃから内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となるまでの領域であり、内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となる部分の内側とされる。図４には、比屈折率差が０．０５％である位置、すなわちコア１１の外周面が破線で示されている。なお、このようにコア１１の領域が定義される理由は、比屈折率差が０．０５％未満の領域の形状が多少変わっても、活性元素添加光ファイバ１０の光学特性に与える影響が殆どないためである。
　本実施形態では、第２領域１１ｂでは、内周側から外周近傍までの領域において、概ね一定の比屈折率差とされ、外周近傍の領域において内側クラッド１２に向けて比屈折率差が低下している。このため、本実施形態では、０．９ｒａ＋０．１ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域の屈折率分布の標準偏差が０．０１以下とされる。
　また、第１領域１１ａでは、比屈折率差が第２領域１１ｂの内周側の比屈折率差よりも低い部分と高い部分とがある。本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０の第１領域１１ａでは、比屈折率差が第２領域１１ｂの内周側の比屈折率差よりも低い部分及び比屈折率差が第２領域１１ｂの内周側の比屈折率差よりも高い部分が、径方向にそれぞれ少なくとも２カ所存在する。また、中心軸Ｃと第１領域１１ａの外周面との中間点から第１領域１１ａの外周面との間に、第１領域における比屈折率差の平均値よりも高い比屈折率差の領域が少なくとも１カ所存在する。つまり、所定の領域である第１領域１１ａにおける屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に存在することになる。図４に示すように、本実施形態では、この０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域は、屈折率の極大値Ｎmax、すなわち、比屈折率差の極大値Ｎmaxが１つ存在する屈折率分布を有している。より具体的には、極大値Ｎmaxとは、第１領域１１aにおける屈折率の平均値γよりも高い屈折率を有する領域の径方向における長さγｗが、活性元素添加光ファイバ１０を伝搬する光の波長の１／１０以上ある領域における屈折率の極大値をいう。なお、このような極大値Ｎmaxの数は１つに限定されない。
　また、第１領域１１ａの外周近傍の領域では、第１領域１１ａの外周から内周側に向かって比屈折率差が低下する。
　このような比屈折率差の分布を有する活性元素添加光ファイバ１０の形状指数κは、０．９９以上１未満とされる。形状指数κは、ステップインデックス型の屈折率分布からどの程度異なる屈折率分布であるかを示す指数であり、下記式（３）で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　但し、Ｅ（ｒ）は、距離ｒにおける活性元素添加光ファイバ１０を伝搬する光の電界値であり、つまり活性元素添加光ファイバ１０を伝搬する光の電界分布である。Ｅi（ｒ）は、コア１１の屈折率分布を平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。
　式（３）より、形状指数κが１である場合、当該形状指数κが示す光ファイバはステップインデックス型の屈折率分布である。そして、形状指数κが１から小さくなる程、当該形状指数κが示す光ファイバはステップインデックス型の屈折率分布と異なる屈折率分布を有することになる。光ファイバの製造上、形状指数κを１にすることは困難であるが、本実施形態のように形状指数κが０．９９以上１未満の光ファイバは容易に製造することができる。
　上記形状指数κは、コア１１に添加される上記のドーパントの濃度を径方向で調節することで変化される。従って、本実施形態の場合、イッテルビウムの濃度が径方向で調節されても良く、ホウ素が添加される場合、ホウ素の濃度が径方向で調節されても良い。また、アルミニウムとリンとの濃度差は屈折率に影響を与えるため、当該濃度差が径方向で調節されてもよい良い。また、リンの濃度分布が径方向で調節されても良い。
　また、内側クラッド１２は、概ね一定の屈折率であり、例えば、何らドーパントが添加されない石英や、屈折率を調整するためのフッ素や他のドーパントが添加された石英から成る。また、外側クラッド１３は、樹脂または石英ガラスから成り、樹脂としては例えば紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂が挙げられ、石英としては例えば内側クラッド１２よりもさらに屈折率が低くなるようにフッ素等のドーパントが添加された石英が挙げられる。また、被覆層１４を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂が挙げられ、外側クラッド１３が樹脂の場合、外側クラッドを構成する樹脂とは異なる樹脂とされる。
　この活性元素添加光ファイバ１０は、フューモードファイバであり、コア１１を少なくとも波長１０７０ｎｍの光が伝搬する場合に、当該光は、基本モードであるＬＰ０１モードの光の他に少なくともＬＰ０２モードの光が伝搬することができる。従って、活性元素添加光ファイバ１０がシングルモードファイバである場合と比べて、光の実効断面積を大きくすることができる。なお、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０は、波長１０３０ｎｍから１０９０ｎｍのいずれかの波長の光が伝搬する場合であっても、基本モードであるＬＰ０１モードの光の他に少なくともＬＰ０２モードの光が伝搬することができる。
＜活性元素添加光ファイバ以外の構成＞
　第１光ファイバ３０は、コアの構成が活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の構成と異なるダブルクラッド光ファイバとされる。第１光ファイバ３０は、活性元素添加光ファイバ１０の一方に端部に接続される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と第１光ファイバ３０のコアとが光学的に結合され、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第１光ファイバ３０の内側クラッドとが光学的に結合される。
　第１光ファイバ３０のコアは、活性元素が添加されていない点において、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と主に異なる。第１光ファイバ３０は、フューモードファイバとされ、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１が伝搬する光と同様の光を伝搬する。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬する各ＬＰモードの光は、そのまま第１光ファイバ３０のコアを伝搬することができる。なお、第１光ファイバ３０のコアの定義は活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の定義と同様とされる。
　図５は、第１光ファイバ３０のコアの屈折率分布を示す図である。第１光ファイバ３０のコアは、中心軸Ｃ'から外周近傍までの領域において、活性元素添加光ファイバ１０と比べて比屈折率差の変化が小さく、外周近傍の領域において内側クラッドに向けて比屈折率差が低下している。このような屈折率分布を有するため、第１光ファイバ３０の形状指数κ'は、０．９９以上１未満とされる。形状指数κ'は、下記式（４）で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　但し、ｒ'は第１光ファイバ３０の中心軸Ｃ'を０とする場合の径方向における距離を示す。Ｅ'（ｒ'）は、距離ｒ'における第１光ファイバ３０を伝搬する光の電界値であり、つまり第１光ファイバ３０を伝搬する光の電界分布である。Ｅ'i（ｒ'）は第１光ファイバ３０のコアの屈折率分布を平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。この形状指数κ'は、コア１１に添加されるドーパントの濃度を径方向で調節することで変化される。
　第１光ファイバ３０は図５で示す屈折率分布を有し、第１光ファイバ３０には活性元素が非添加であるため、第１光ファイバ３０は、例えば、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１における第２領域１１ｂと同様の材料から構成される。また、本実施形態における第１光ファイバ３０のコア以外の構成は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１以外の構成と同様とされる。
　また、上記のように第１光ファイバ３０には第１ＦＢＧ３５が設けられている。こうして、第１ＦＢＧ３５は活性元素添加光ファイバ１０の一方側に配置され、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第１ＦＢＧ３５は、コアにおける第１ＦＢＧ３５以外の部分よりも屈折率が高い高屈折率部と、コアにおける第１ＦＢＧ３５以外の部分と同様の屈折率である低屈折率部とが、コアの長手方向に沿って周期的に繰り返されている。この高屈折率部の繰り返しパターンは、例えば高屈折率部となる部位に紫外線が照射されて形成される。この様にして形成される第１ＦＢＧ３５は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加されている活性元素が励起状態とされたときに放出する光のうち所定波長を含む光を反射する第１ミラーとして構成されている。例えば、本実施形態のように活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加される活性元素がイッテルビウムである場合、上記所定波長は、例えば、波長１０７０ｎｍとされる。また、第１ＦＢＧ３５の反射率は、後述の第２ＦＢＧ４５の反射率よりも高く、上記所定波長を含む光を例えば９９％以上で反射する。
　第２光ファイバ４０は、外側クラッドを有さない点において、第１光ファイバ３０と異なり、第２光ファイバ４０の他の構成は第１光ファイバ３０の外側クラッド以外の構成と同様とされる。従って、第２光ファイバ４０は、コアをクラッドが囲み、当該クラッドが被覆層で被覆される構成である。第２光ファイバ４０は、活性元素添加光ファイバ１０の他方に端部に接続される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と第２光ファイバ４０のコアとが光学的に結合され、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第２光ファイバ４０のクラッドとが光学的に結合される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬するフューモードの光は、フューモードのまま第２光ファイバ４０のコアを伝搬する。なお、図１に示すファイバレーザ装置１の構成の場合、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第２光ファイバ４０のクラッドとが光学的に結合されなくても良い。
　第２光ファイバ４０のコアの比屈折率分布は、図５に示す第１光ファイバ３０のコアの比屈折率分布と概ね同じとされる。このため、第２光ファイバ４０のコアの形状指数κ'は、０．９９以上１未満とされ、上記式（４）で示される。ただし、上記式（４）が第２光ファイバ４０の形状指数κ'を示す場合、ｒ'は第２光ファイバ４０の中心軸Ｃ'を０とする場合の径方向における距離を示し、Ｅ'（ｒ'）は、第２光ファイバ４０を伝搬する光の電界分布であり、Ｅ'i（ｒ'）は第２光ファイバ４０のコアの屈折率分布を平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。
　また、第２光ファイバ４０のコアには、上記のように第２ＦＢＧ４５が設けられている。こうして、第２ＦＢＧ４５は活性元素添加光ファイバ１０の他方側に配置され、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５と同様に高屈折率部と低屈折率部とが周期的に繰り返されて形成されている。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５が反射する所定波長を含む光を第１ＦＢＧ３５よりも低い反射率で反射する第２ミラーとして構成されている。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５が反射する光が入射する場合に、この光を例えば１０％程度の反射率で反射する。こうして、第１ＦＢＧ３５と活性元素添加光ファイバ１０と第２ＦＢＧ４５とで、共振器が形成されている。また、本実施形態では第２光ファイバ４０の活性元素添加光ファイバ１０側と反対側の他端には特に何も接続されていないが、第２光ファイバ４０のコアよりも大径のガラスロッド等が接続されても良い。
　励起光源２０は、複数のレーザダイオード２１から構成される。本実施形態では、レーザダイオード２１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の励起光を出射する。また、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１は光ファイバ２５に接続されており、レーザダイオード２１から出射する励起光は光ファイバ２５を例えばマルチモード光として伝搬する。
　それぞれの光ファイバ２５は、光コンバイナ５０において、第１光ファイバ３０の一端に接続されている。具体的には、それぞれの光ファイバ２５のコアが第１光ファイバ３０の内側クラッドと光学的に結合するように、それぞれの光ファイバ２５のコアと第１光ファイバ３０の内側クラッドとが接続されている。従って、それぞれのレーザダイオード２１が出射する励起光は、光ファイバ２５を介して第１光ファイバ３０の内側クラッドに入射して、第１光ファイバ３０の内側クラッドから活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射する。
　第３光ファイバ６０は、コア及びクラッドを有する光ファイバとされる。第３光ファイバ６０のコアは、光コンバイナ５０において第１光ファイバ３０のコアに接続されている。従って、第１光ファイバ３０のコアを光コンバイナ５０に向かって伝搬する光は、第３光ファイバ６０のコアに入射する。また、第３光ファイバ６０の第１光ファイバ３０と接続される側と反対側には、光を熱に変換する終端部６５が設けられている。
　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、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から励起光が出射される。この励起光は光ファイバ２５から、第１光ファイバ３０の内側クラッドを介して、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して、当該内側クラッド１２を主に伝搬する。内側クラッド１２を伝搬する励起光は、コア１１を通過する際にコア１１に添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、所定波長を含む波長帯域の自然放出光を放出する。この自然放出光を起点として、第１ＦＢＧ３５及び第２ＦＢＧ４５で共通して反射される所定波長を含む光が、第１ＦＢＧ３５と第２ＦＢＧ４５との間を共振する。共振する光が活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬するときに、励起状態の活性元素が誘導放出を起こして、共振する光が増幅される。共振する光のうち、一部の光は第２ＦＢＧ４５を透過して、第２光ファイバ４０から出射する。そして、第１ＦＢＧ３５と活性元素添加光ファイバ１０と第２ＦＢＧ４５とを含む共振器内における利得と損失が等しくなったところでレーザ発振状態となり、第２光ファイバ４０から一定のパワーの光が出射する。
　なお、活性元素添加光ファイバ１０側から第１光ファイバ３０に伝搬し第１ＦＢＧ３５を透過する光の大部分は、終端部６５で熱に変換されて消滅する。
　ところで、上記のように活性元素添加光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０はそれぞれＬＰ０２モードの光を伝搬可能なフューモードファイバとされる。従って、第１光ファイバ３０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点又は接続点近傍、及び、第２光ファイバ４０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点又は接続点近傍において、ＬＰ０１モードの光に加えて、ＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が励振され得る。しかし、第２光ファイバ４０から出射する光は、ＬＰ１１モード以上の高次モードの光の増幅が抑制された光とされ得る。従って、本実施形態のファイバレーザ装置１によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光が出射され得る。
　この理由の一つとして、本実施形態では、活性元素添加光ファイバ１０の上記式（３）で示される形状指数κが０．９９以上１未満とされ、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０の上記式（４）で示される形状指数κ'が０．９９以上１未満とされることが挙げられる。この構成により、第１光ファイバ３０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点又は接続点近傍、及び、第２光ファイバ４０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点又は接続点近傍において、ＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光の励振が抑制されていると考えられる。また、活性元素添加光ファイバ１０を光が伝搬する際にもＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光の励振が抑制され、主にＬＰ０１モードの光が励振されていると考えられる。また、上記理由の他の一つとして、第２領域１１ｂに活性元素が添加されないことが挙げられる。この構成により、活性元素添加光ファイバ１０においてＬＰ１１モード以上の高次モードの光の増幅がＬＰ０１モードの光の増幅と比べて抑制されると考えられる。
　以上説明したように、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、コア１１は０≦ｒ≦０．６５ｄの第１領域１１ａと、第１領域１１ａを囲み０．６５ｄ＜ｒ≦ｄの第２領域１１ｂとを含む。第１領域１１ａには、励起光により励起される活性元素が少なくとも一部に添加され、第２領域１１ｂには、活性元素が非添加とされ、上記式（３）で示される形状指数κが０．９９以上１未満である。
　このように形状指数κが０．９９以上１未満であることで、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に光が入射する際及び当該コアを光が伝搬する際にＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が励振されにくいと考えられる。また、第１領域１１ａの少なくとも一部に活性元素が添加されることで、ＬＰ０１モードの光が増幅され、第２領域１１ｂに活性元素が添加されないことで、ＬＰ１１モード以上の高次モードの光が励振される場合であっても、当該ＬＰ１１モード以上の高次モードの光が増幅されることが抑制されると考えられる。従って、本発明の活性元素添加光ファイバ１０によれば、ビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得る。
　また、本実施形態では、上記のように、０≦ｒ≦０．１ｒａの領域における活性元素の濃度の平均値が０．１ｒａ＜ｒ＜０．９ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値より高い。このため、コア１１の中心における強度の高い基本モードを優先的に増幅し得る。さらに、活性元素が添加される所定の領域である第１領域１１ａにおける屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に存在する。このため、コア１１を伝搬する光の実効断面積が小さくなりすぎることを抑制し非線形光学現象の発生を抑制し得る。
　さらに本実施形態では、０．９ｒａ＋０．１ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域の屈折率分布の標準偏差が０．０１以下である。このようにコアの外周部における屈折率のばらつきが小さいことで、上記のように所定の領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に存在する場合であっても、上記式（３）を容易に満たし得る。従って、ビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得る活性元素添加光ファイバ１０を容易に実現し得る。
　また、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、第１領域１１ａ全体に亘って活性元素が添加される。このため、第１領域１１ａの一部のみに活性元素が添加される場合と比べて、ＬＰ０１モードの光をより高い増幅率で増幅することができる。
　以上、本発明について実施形態を例に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されて解釈されるものではなく、本発明の目的を達成する範囲において適宜構成を変更することができる。
　例えば、上記実施形態の活性元素添加光ファイバ１０のＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長は１７６０ｎｍよりも短いことが好ましい。ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長をこのようにすることで、例えば、活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げて活性元素添加光ファイバ１０に１０７０ｎｍの光を伝搬させる場合に、この直径１２０ｍｍに曲げられた活性元素添加光ファイバ１０の部位において、ＬＰ０２モードのカットオフ波長を１０７０ｎｍより短くすることができ、ＬＰ０１モードの光を伝搬させつつもＬＰ０２モードの光を漏洩させることができる。図６は、ファイバレーザ装置１の変形例を示す図である。具体的には、このように活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げた部位を有するファイバレーザ装置を示す図である。なお、図６の説明において、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同一の符号を付し、特に説明する場合を除き、重複する説明は省略する。図６のファイバレーザ装置１では、活性元素添加光ファイバ１０のＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長は１７６０ｎｍよりも短く、活性元素添加光ファイバ１０が直径１２０ｍｍで曲げられた屈曲部１５を有する点で上記実施形態のファイバレーザ装置と異なる。この屈曲部１５を波長１７６０ｎｍの光が伝搬することでＬＰ０２モードの光を漏洩させることができる。従って、活性元素添加光ファイバ１０が屈曲部１５を有することで、ＬＰ０１モードの光を伝搬させつつも、ＬＰ０２モード以上の高次モードの光の伝搬を抑制することができる。
　ところで、活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げると、活性元素添加光ファイバ１０が破断する懸念がある。そこで、この場合には活性元素添加光ファイバ１０の石英ガラスから成るクラッドの直径が所定の大きさ以内にされることが好ましい。この石英ガラスから成るクラッドは、外側クラッド１３が樹脂から成る場合には、内側クラッド１２であり、外側クラッド１３が石英ガラスから成る場合には、内側クラッド１２及び外側クラッド１３である。図７は、クラッドの直径と破断確率との関係を示す図である。この破断確率は、石英ガラスから成るクラッドを有する光ファイバを直径１２０ｍｍで１周巻き、光ファイバの長さが１％伸びる荷重を印加する場合において、８万時間後における光ファイバの破断確率である。図７より、クラッドの直径が４３０μｍ以下であれば、８万時間後における光ファイバの破断確率を１０－６以下に抑えることができる。従って、外側クラッド１３が樹脂から成る場合には、内側クラッド１２の直径が４３０μｍ以下とされることが好ましく、外側クラッド１３が石英ガラスから成る場合には、外側クラッド１３の直径が４３０μｍ以下とされることが好ましい。
　また、上記実施形態では、中心軸から半径の６５％までの第１領域１１ａ全体に亘って活性元素が添加された。しかし、本発明は、第１領域１１ａの一部に活性元素が添加されてもよい。例えば、第１領域１１ａにおける中心軸から半径の５５％までの領域に活性元素が添加されてもよい。この場合、所定の領域の半径ｒａは０．５５ｄである。従って、所定の領域は０≦ｒ≦０．５５ｄの領域となる。また、所定の領域の半径ｒａが、例えば、０．５５ｄ≦ｒａ≦．０６５ｄの領域のいずれかとされてもよい。
　また、上記実施形態では、ファイバレーザ装置として、共振器型のファイバレーザ装置を例に説明したが、本発明の活性元素添加光ファイバ１０が用いられるファイバレーザ装置は、例えば、活性元素添加光ファイバ１０に励起光及び種光が入射するＭＯ－ＰＡ（Master Oscillator - Power Amplifier）型であっても良い。なお、この場合であっても、活性元素添加光ファイバ１０が接続される光ファイバの上記式（４）で示される形状指数κ'が０．９９以上１未満とされることが好ましい。ただし、この場合の式（４）では、ｒは活性元素添加光ファイバ１０が接続される当該光ファイバの中心軸Ｃ'を０とする場合の径方向における距離を示し、Ｅ'（ｒ）は、活性元素添加光ファイバ１０が接続される当該光ファイバを伝搬する光の電界分布であり、Ｅ'i（ｒ）は活性元素添加光ファイバ１０が接続される当該光ファイバのコアの屈折率分布を平均化したステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。
　また、上記実施形態では、中心軸Ｃから内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となるまでの領域をコア１１としたが、コアとする領域は、光ファイバの中心軸から内側クラッドに対して比屈折率差が０％よりも大きい領域であれば、比屈折率差が０．０５％となるまでの領域でなくてもよい。
　以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
　図２に示す活性元素添加光ファイバを準備した。この活性元素添加光ファイバの比屈折率分布は、図４に示す通りであり、この活性元素添加光ファイバの形状指数κは、０．９９０であった。また、この活性元素添加光ファイバのコアに添加されるイッテルビウムの濃度分布は図３の通りであり、イッテルビウムが添加される領域の添加径比率は、０．６５であった。この添加径比率は、コアの直径に対して、イッテルビウムが添加される領域の直径の比率である。上記実施形態で説明したように、第１領域は、中心軸からコアの半径の６５％までの領域であるため、この活性元素添加光ファイバは、第１領域全体に亘ってイッテルビウムが添加され、第２領域にはイッテルビウムが非添加である。なお、この活性元素添加光ファイバは、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短い光ファイバであった。
　次に、この活性元素添加光ファイバを用いて、図１に示すファイバレーザ装置を作製した。それぞれのファイバレーザ装置に用いた第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'は、０．９９８であった。また、それぞれのファイバレーザ装置の光の発振波長、すなわち第１ＦＢＧ及び第２ＦＢＧが反射する所定波長は１０７０ｎｍとした。
（実施例２～１０）
　形状指数κ、及び、イッテルビウムが添加される領域の添加径比率が表１に示す値であることを除き、実施例１と同様の活性元素添加光ファイバを準備した。なお、実施例７の活性元素添加光ファイバの比屈折率分布は、図８に示す通りであり、この活性元素添加光ファイバのコアに添加されるイッテルビウムの濃度分布は図９の通りであった。なお、図９において、第２領域や内側クラッドにもイッテルビウムが僅かに添加されているように見えるが、これは測定装置のノイズであり、実際には第２領域にイッテルビウムは添加されていない。つまり本明細書でノイズレベルの活性元素の検出は無視できる。このようなノイズレベルとしては、例えば、活性元素の平均濃度の１％程度とされる。なお、これらの活性元素添加光ファイバは、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短い光ファイバであった。
　次に、実施例２～７のそれぞれの活性元素添加光ファイバを用いて、図１に示すファイバレーザ装置を作製した。それぞれのファイバレーザ装置に用いた第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'は、下記表１に示す通りであった。また、実施例８～１０のそれぞれの活性元素添加光ファイバを用いて、図６に示すファイバレーザ装置を作製した。それぞれのファイバレーザ装置に用いた第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'は、下記表１に示す通りであった。また、それぞれのファイバレーザ装置の光の発振波長、すなわち第１ＦＢＧ及び第２ＦＢＧが反射する所定波長は１０７０ｎｍとした。
　表１に示すように、実施例１～７における活性元素添加光ファイバの添加径比率は０．５５以上０．６５以下であり、実施例１～７における活性元素添加光ファイバの形状指数κは０．９９０以上０．９９８以下であった。また、実施例１～７における第１光ファイバ及び第２光ファイバのそれぞれの形状指数κ'は、０．９９８以上０．９９９以下であった。
（比較例１～８）
　形状指数κ、及び、イッテルビウムが添加される領域の添加径比率が表１に示す値であることを除き、実施例１と同様の活性元素添加光ファイバを準備した。なお、比較例７の活性元素添加光ファイバは比較例１の活性元素添加光ファイバと同じものであり、比較例８の活性元素添加光ファイバは比較例５の活性元素添加光ファイバと同じものである。また、これらの活性元素添加光ファイバは、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短い光ファイバであった。
　次に、比較例１～６のそれぞれの活性元素添加光ファイバを用いて、図１に示すファイバレーザ装置を作製した。それぞれのファイバレーザ装置に用いた第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'は、下記表１に示す通りであった。また、比較例７，８のそれぞれの活性元素添加光ファイバを用いて、図６に示すファイバレーザ装置を作製した。それぞれのファイバレーザ装置に用いた第１光ファイバ及び第２光ファイバの形状指数κ'は、下記表１に示す通りであった。
（ビーム品質の測定）
　次に実施例１～１０及び比較例１～８を用いたそれぞれのファイバレーザ装置から光を出射してＭ２で示されるビーム品質を測定した。その結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　表１により明らかなように、実施例１～７の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質は比較例１～６の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質と比べて優れる結果となった。すなわち、少なくとも添加径比率が０．５５以上０．６５以下の場合に、活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質が優れる結果となった。この原因は、比較例１～３では、活性元素添加光ファイバにおけるイッテルビウムが添加される領域の添加径比率が０．６５を超えているため、励振されたＬＰ１１モード以上の高次モードの光が活性元素添加光ファイバで増幅され、強度の高いＬＰ１１モード以上の高次モードの光が出射したためと考えられる。また、比較例４～６では、活性元素添加光ファイバの形状指数κが０．９９より小さいため、第１光ファイバと活性元素添加光ファイバとの接続点又は接続点近傍、及び、第２光ファイバと活性元素添加光ファイバとの接続点又は接続点近傍において、ＬＰ０１モードの光に加えて、ＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が高い強度で励振され、この光が出射したためと考えられる。
　また、実施例８～１０の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質は比較例７，８の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質と比べて優れる結果となった。この原因は、比較例７では、活性元素添加光ファイバにおけるイッテルビウムが添加される領域の添加径比率が０．６５を超えているため、励振されたＬＰ１１モード以上の高次モードの光が活性元素添加光ファイバで増幅され、強度の高いＬＰ１１モード以上の高次モードの光が出射したためと考えられる。また、比較例８では、活性元素添加光ファイバの形状指数κが０．９９より小さいため、第１光ファイバと活性元素添加光ファイバとの接続点又は接続点近傍、及び、第２光ファイバと活性元素添加光ファイバとの接続点又は接続点近傍において、ＬＰ０１モードの光に加えて、ＬＰ０２モード以上の軸対称モードの光が高い強度で励振され、この光が出射したためと考えられる。
　実施例８～１０の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質は実施例１～７の活性元素添加光ファイバを用いたファイバレーザ装置のビーム品質と比べて優れる結果となった。この原因は図６に示すファイバレーザ装置における屈曲部１５において、ＬＰ０２モード以上の光が除去されたためと考えられる。
　次に、活性元素添加光ファイバの上記極大値Ｎmaxの位置と形状指数κとの関係について調べた。具体的には、コアの平均比屈折率差が０．１０％以上０．１８％以下であり、かつ、コアの中心軸からの距離ｒが０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以下である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバを準備し、極大値Ｎmaxの位置と形状指数κとの関係について調べた。その結果を図１０に示す。また、コアの平均比屈折率差が０．１０％以上０．１８％以下であり、かつ、コアの中心軸からの距離ｒが０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以上である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバを準備し、極大値Ｎmaxの位置と形状指数κとの関係について調べた。その結果を図１１に示す。
　図１０に示すように、距離ｒが０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以下である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバの形状指数κは、比屈折率差の平均値が０．１０％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上ｄ以下の場合において関数「０.７８１９ｒ６－１.１８３２ｒ５＋０.２５３３ｒ４＋０.１９１９ｒ３－０.０８４０ｒ２＋０.００７２ｒ＋１．０００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１４％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上ｄ以下の場合において関数「０.３８１２ｒ６－０.０４２６ｒ５－０.８８４８ｒ４＋０.６８３４ｒ３－０.１７５１ｒ２＋０.０１２９ｒ＋１．００００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１８％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上０．６ｄ以下の場合において関数「－１０.０２１ｒ６＋１４.２８２ｒ５－１０.６５５ｒ３＋７.３６９ｒ２－１.９９８ｒ＋１.１９６」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１８％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０．６より大きくｄ以下の場合において関数「０.２６１３ｒ６－０.３２６７ｒ４＋０.０８１６ｒ＋０.９７２９」に基づいて低下することが分かった。また、距離ｒが０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以下である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバでは、０．６２ｄ以下の領域に極大値Ｎmaxが少なくとも１つ存在すれば、形状指数κの値が０．９９０以上になることが分かった。
　なお、距離ｒが０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以下である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバでは、０．４５ｄ以上０．６２ｄ以下の領域に極大値Ｎmaxが存在すれば、ステップインデックス型の光ファイバに比べて実効屈折率を大きくし得る。
　また、図１１に示すように、距離ｒが０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以上である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバの形状指数κは、比屈折率差の平均値が０．１０％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上ｄ以下の場合において関数「０.６７０ｒ６－１.６５１ｒ５＋１.３６６ｒ４－０.４５４ｒ３＋０.０５４ｒ２－０.００４ｒ＋１．０００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１４％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上ｄ以下の場合において関数「０.６２７４ｒ６－１.４７４２ｒ５＋１.１４６ｒ４－０.３５０７ｒ３＋０.０３７４ｒ２－０.００３３ｒ＋１．０００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１８％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０以上０．３ｄ以下の場合において関数「０.０１７ｒ３－０.０１０ｒ２－０.００１ｒ＋１．０００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１８％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０．３ｄより大きく０．６ｄ以下の場合において関数「０.８９７ｒ６－１.９１９ｒ５＋１.４１７ｒ４－０.４３４ｒ３＋０.０５２ｒ２－０.００４ｒ＋１．０００」に基づいて低下することが分かった。また、比屈折率差の平均値が０．１８％の場合であって極大値Ｎmaxの位置が０．６より大きくｄ以下の場合において関数「０.０７１３ｒ６－０.１２８１ｒ４＋０.０６８９ｒ＋０.９７０７」に基づいて低下することが分かった。また、距離ｒが０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以上である屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバでは、０．１ｄ以上０．８３ｄ以下の領域に極大値Ｎmaxが少なくとも１つ存在すれば、形状指数κの値が０．９９０以上になることが分かった。
　次に、上記極大値Ｎmaxが存在する屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバの当該コアを伝搬する光の実効断面積と、コアのクラッドに対する比屈折率差が一定であるステップ型の屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバのコアを伝搬する光の実効断面積との関係について調べた。
　まず、極大値を有する活性元素添加光ファイバを複数準備した。これら極大値を有する活性元素添加光ファイバは、上述の実施形態のように１つの極大値Ｎmaxを有し、これら極大値Ｎmaxの値は、極大値を有する活性元素添加光ファイバごとに異なる。また、極大値を有する活性元素添加光ファイバと同数のステップ型の活性元素添加光ファイバを準備した。具体的には、ステップ型の活性元素添加光ファイバのうち１つの活性元素添加光ファイバの比屈折率差と、極大値を有する複数の活性元素添加光ファイバのうち１つの活性元素添加光ファイバの比屈折率差の平均値とが同じである、ステップ型の活性元素添加光ファイバと極大値を有する活性元素添加光ファイバの組を複数組準備した。つまり、共通の平均値を有する光ファイバ組を複数組準備した。なお、複数の光ファイバ組のそれぞれにおける共通の平均値は、光ファイバ組ごとに相違する。
　次に、上記ペアを構成するステップ型の活性元素添加光ファイバ及び極大値を有する活性元素添加光ファイバのそれぞれの実効断面積を算出し、これら実効断面積の差を求める検証を行った。具体的には、コアの中心軸からの距離ｒが０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における上記平均値が極大値Ｎmax以上になるように形成された極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いて実効断面積の差を求める検証１と、上記距離ｒが０以上０．１ｄ以下の領域における上記平均値が極大値Ｎmax以下になるように形成された極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いて実効断面積の差を求める検証２とを行った。
　検証１の結果を図１２に、検証２の結果を図１３にそれぞれ示す。なお、図１２及び図１３は、極大値を有する活性元素添加光ファイバのコアの比屈折率差の平均値Δがそれぞれ０．１０％、０．１４％、及び０．１８％である場合における極大値Ｎmaxの位置と実効断面積の差との関係を示している。なお、上述のように、極大値を有する活性元素添加光ファイバのコアの比屈折率差の平均値Δは、当該極大値を有する活性元素添加光ファイバとともに上記光ファイバ組を構成するステップ型光ファイバのコアの比屈折率差に等しい。
　図１２に示すように、０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以上である極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いた検証１によれば、コアの比屈折率差の平均値が０％よりも大きく０．１８％以下である場合、極大値Ｎmaxの位置が０．５５ｄ以下であることによって、上記光ファイバ組を構成する同じ比屈折率差を持つステップ型の活性元素添加光ファイバの場合に比べて、実効断面積が大きくなることが分かった。つまり、このような極大値を有する活性元素添加光ファイバによれば、実効断面積が大きくなるため、誘導ラマン散乱が一層抑制され得る。
　また、図１３に示すように、０以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が極大値Ｎmax以下である極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いた検証２によれば、コアの比屈折率差の平均値が０．１０％以上である場合、極大値Ｎmaxの位置が０．４５ｄ以上であることによって、上記光ファイバ組を構成する同じ比屈折率差を持つステップ型光ファイバの場合に比べて、実効断面積が大きくなることが分かった。つまり、このような極大値を有する活性元素添加光ファイバによれば、実効断面積が大きくなるため、誘導ラマン散乱が一層抑制され得る。なお、上記検証２において、実効断面積が大きくなる効果を奏する比屈折率差の平均値の上限は、極大値Ｎmaxの位置が０．４５ｄ以上であれば特に限定されないが、例えば、比屈折率差の平均値の上限を０．１８％に設定してもよい。
　以上の結果より、本発明の活性元素添加光ファイバ及びファイバレーザ装置によれば、ＬＰ１１モード以上の高次モードの光の強度を抑えることでビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得ることが確認された。
　以上説明したように、本発明によれば、ビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得る活性元素添加光ファイバ、共振器、及び、ファイバレーザ装置が提供され、加工用のレーザ装置等においての利用が期待される。

 

Claims (16)

  1. 　コアを備える活性元素添加光ファイバであって、
    　前記コアの半径をｄとし、前記コアの径方向における中心軸からの距離をｒとする場合において、前記コアは、０≦ｒ≦０．６５ｄの第１領域と、当該第１領域を囲み０．６５ｄ＜ｒ≦ｄの第２領域とを含み、
    　前記第１領域には、励起光により励起される活性元素が少なくとも一部に添加され、
    　前記第２領域には、前記活性元素が非添加とされ、
    　下記式（１）で示される形状指数κが０．９９以上１未満である
    ことを特徴とする活性元素添加光ファイバ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    　但し、Ｅ（ｒ）は、前記活性元素添加光ファイバを伝搬する光の電界分布であり、Ｅi（ｒ）は前記コアの屈折率分布を平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバを伝搬する光の電界分布である。
  2. 　前記活性元素は、前記第１領域における前記中心軸から径方向の所定の領域まで添加され、
    　前記所定の領域の半径をｒａとする場合に、０≦ｒ≦０．１ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値は、０．１ｒａ＜ｒ＜０．９ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値より高く、
    　前記所定の領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率の領域が０．５ｒａ＜ｒ＜ｒａの領域に少なくとも１カ所存在する
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  3. 　０．９ｒａ＋０．１ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域の屈折率分布の標準偏差が０．０１以下である
    ことを特徴とする請求項２に記載の活性元素添加光ファイバ。
  4. 　前記コアを隙間なく囲むクラッドをさらに備え、
    　前記コアのうち０．６２ｄ以下の領域には前記クラッドに対する比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、
    　前記コアのうち０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以下である
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  5. 　前記極大値が０．４５ｄ以上０．６２ｄ以下の領域に存在する
    ことを特徴とする請求項４に記載の活性元素添加光ファイバ。
  6. 　前記コアを隙間なく囲むクラッドをさらに備え、
    　前記コアのうち０．１ｄ以上０．８３ｄ以下の領域には前記クラッドに対する比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、
    　前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以上である
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  7. 　前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、
    　前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値は、０．１０％以上であり、
    　前記コアのうち０．４５ｄ以上の領域には前記比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、
    　前記コアのうち０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以下である
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  8. 　前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、
    　前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値は、０％よりも大きく０．１８％以下であり、
    　前記コアのうち０．５５ｄ以下の領域には前記比屈折率差の極大値が少なくとも１つ存在し、
    　前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記比屈折率差の平均値は前記極大値以上である
    ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
  9. 　前記第１領域全体に亘って前記活性元素が添加される
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  10. 　ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短い
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  11. 　前記コアを囲むクラッドの直径が４３０μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の活性元素添加光ファイバ。
  12. 　前記活性元素はイッテルビウムである
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
  13. 　前記コアの直径に対して前記イッテルビウムが添加される領域の直径の比率が、０．５５以上０．６５以下である
    ことを特徴とする請求項１２に記載の活性元素添加光ファイバ。
  14. 　請求項１から１３のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバと、
    　前記活性元素を励起する光を出射する光源と、
    を備える
    ことを特徴とするファイバレーザ装置。
  15. 　請求項１から１３のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバと、
    　前記活性元素添加光ファイバの一方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合するコアを有する第１光ファイバと、
    　前記活性元素添加光ファイバの他方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合するコアを有する第２光ファイバと、
    を備え、
    　前記第１光ファイバの前記コアは、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１ミラーを有し、
    　前記第２光ファイバの前記コアは、前記第１ミラーが反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーを有し、
    　前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバのそれぞれにおける下記式（２）で示される形状指数κ'が０．９９以上１未満である
    ことを特徴とする共振器。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
    　但し、ｒ'は前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバの中心軸を０とする場合の径方向における距離を示し、Ｅ'（ｒ'）は、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバを伝搬するそれぞれの光の電界分布であり、Ｅ'i（ｒ'）は前記第１光ファイバの前記コアの屈折率分布及び前記第２光ファイバの前記コアの屈折率分布をそれぞれ平均化する場合のステップインデックス型の光ファイバをそれぞれ伝搬する光の電界分布である。
  16. 　請求項１５に記載の共振器と、
    　前記活性元素を励起する光を出射する光源と、
    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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