光ファイバレーザ用光ファイバ及びその製造方法、並びに光ファイバレーザ
【課題】光ファイバレーザにおける光ファイバの温度上昇を抑え、レーザ光の高出力化を図った光ファイバレーザ用光ファイバ及びその製造方法、並びに光ファイバレーザを提供する。
【解決手段】希土類元素が添加された希土類添加コア２と、希土類添加コアの周囲に形成されたクラッド３とを備え、クラッド３の端部から励起光Ｌｅを入射し、希土類元素を励振させて高出力のレーザ発振光Ｌを出力する光ファイバレーザ用光ファイバ１において、 希土類添加コア２が長手方向に沿って複数個のコア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに分割されており、各コア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに添加された希土類元素の添加濃度が異なるものである。
【解決手段】希土類元素が添加された希土類添加コア２と、希土類添加コアの周囲に形成されたクラッド３とを備え、クラッド３の端部から励起光Ｌｅを入射し、希土類元素を励振させて高出力のレーザ発振光Ｌを出力する光ファイバレーザ用光ファイバ１において、 希土類添加コア２が長手方向に沿って複数個のコア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに分割されており、各コア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに添加された希土類元素の添加濃度が異なるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類添加コアとクラッドを備えた高出力の光ファイバレーザ用光ファイバ及びその製造方法、並びに光ファイバレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工や医療用途などへの適用を目的として、より高出力で安価な光源の開発が求められている。これらの要求に対し、光ファイバレーザは、高効率でしかも高品質のレーザ光を簡単に取り出せるという理由で注目を集めている。
【０００３】
このような高出力光ファイバレーザに使用される光ファイバとして、図９に示すような光ファイバ９１がある。この光ファイバ９１は、希土類元素（Ｙｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄなど）をドープしたコア９２と、第１クラッド９３ａ、第２クラッド９３ｂからなるクラッド９３を備えたダブルクラッドファイバである。また、第２クラッド９３ｂの外周に図示していないが、紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層が設けられている。
【０００４】
光ファイバ９１の一端部には、励起光Ｌｅ９として、マルチモードＬＤ（半導体レーザ）から出射した光を入射する。第１クラッド９３ａ内に集光した励起光Ｌｅ９は、光ファイバ９１中を伝搬し、コア９２の希土類添加元素を励起する。そして、励起された希土類元素から発振光がコア９２に伝搬し、光ファイバ９１の他端から高出力のレーザ発振光Ｌ９が出射する。
【０００５】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２４９３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の光ファイバ９１では、コア９２としてＹｂ添加（ドープ）コアを用いた場合、励起光Ｌｅ９に対するレーザ発振光Ｌ９の光／光変換効率が約８０％で、約２０％のエネルギーが熱となる。
【０００８】
このため、従来の光ファイバ９１では、光ファイバレーザの高出力化に伴い、光ファイバ９１の温度上昇、特に、光ファイバ９１の入射端近傍の温度の上昇が大きく、光ファイバ９１の被覆層の損害のおそれがあり、光ファイバレーザの出力が制限されるという問題がある。
【０００９】
その他にも、高出力光ファイバレーザの制限要因として、ファイバ非線形、ファイバの破壊、励起方式などの種々の問題がある。すなわち、従来の光ファイバ９１では、光ファイバレーザの高出力化と共に、高い励起光パワーも必要となり、ダブルクラッドファイバ中のエネルギー密度が過剰となり、発熱、ファイバ非線形、ファイバ破壊などの問題が発生してしまう。
【００１０】
現状の光ファイバレーザでは、これらの制限要因をバランスよく取り除くことも要求されている。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、光ファイバレーザにおける光ファイバの温度上昇を抑え、レーザ光の高出力化を図った光ファイバレーザ用光ファイバ及びその製造方法、並びに光ファイバレーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、希土類元素が添加された希土類添加コアと、上記希土類添加コアの周囲に形成されたクラッドとを備え、上記クラッドの端部から励起光を入射し、希土類元素を励振させて高出力のレーザ発振光を出力する光ファイバレーザ用光ファイバにおいて、
上記希土類添加コアが長手方向に沿って複数個のコア領域に分割されており、各コア領域に添加された希土類元素の添加濃度が異なる光ファイバレーザ用光ファイバである。
【００１３】
請求項２の発明は、上記複数個のコア領域は、それぞれの添加濃度が長手方向の中央部を中心として対称である請求項１記載の光ファイバレーザ用光ファイバである。
【００１４】
請求項３の発明は、上記複数個のコア領域は、長手方向の長さが異なる請求項１または２記載の光ファイバレーザ用光ファイバである。
【００１５】
請求項４の発明は、使用時の長手方向の温度分布が１７０℃以下である請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバレーザ用光ファイバである。
【００１６】
請求項５の発明は、上記複数個のコア領域は、５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍのいずれかの添加濃度を有する希土類添加コアを組み合わせてなる請求項１または２記載の光ファイバレーザ用光ファイバである。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１〜５いずれかに記載した光ファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、希土類元素の添加濃度が異なる希土類添加コアをそれぞれ有する複数本の分割ファイバを作製し、各分割ファイバの端末同士を融着接続する光ファイバレーザ用光ファイバの製造方法である。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項１〜５いずれかに記載した光ファイバレーザ用光ファイバと、上記光ファイバレーザ用光ファイバの端部に接続された光結合器と、上記光結合器を介してクラッドに励起光を入射させる複数個の光源とを備えた光ファイバレーザである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光ファイバの長手方向に沿った励起光の吸収特性が簡単に制御でき、光ファイバの長手方向に沿った温度分布を平坦化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明者らは、光ファイバレーザの研究・開発にあたり、まず熱効果を検討し、さらにファイバ非線形（非線形光学効果）、ファイバの破壊、励起方式を検討し、これら４つの制限（問題）要因をバランスよく取り除くべく、研究・開発を重ねた。
【００２１】
熱効果では、光ファイバの被覆部分が損傷することにより、光ファイバの断線、変換効率低下が発生して出力パワーが低下してしまう。その対策として太径ファイバ、空気クラッド、耐熱被覆の使用などがある。また、ファイバ非線形により、レーザ光の出力が飽和してしまう。その対策としてＭＦＤの拡大、ファイバの短尺寸化などがある。ファイバの破壊には、ファイバヒューズ、ファイバ端面の損傷などがあり、その対策としてＭＦＤ（モードフィールド径）の拡大、ガラス構造の改善などがある。励起方式では、光ファイバの入射端での熱集中などが発生するおそれがある。その対策として側面励起などがある。
【００２２】
その他、コア部の屈折率の不均一により、ビーム品質への悪影響なども考えられるが、基本的には、上記の制限要因をバランスよく取り除けば、現状の光ファイバレーザ用光ファイバの問題はほとんど解決できると考えられる。そして、本発明者らは、以上の点を踏まえて鋭意研究した結果、本発明を完成した。
【００２３】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。まず、図７を用いて、本発明の好適な実施形態を示す光ファイバレーザ用光ファイバを使用した光ファイバレーザを説明する。
【００２４】
図７に示すように、本実施形態に係る光ファイバレーザ７１は、光源を備えてレーザ発振光Ｌを出力するための光学部７２と、その光学部７２に接続されて光源を駆動する図示しないＬＤドライバなどの駆動装置とで主に構成される。
【００２５】
光学部７２は、後述する本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバ１と、その光ファイバレーザ用光ファイバ１の両端部近傍（後述する両光結合部７６ａ，７６ｂよりも外側）にそれぞれ設けられる光源部７３Ａ，７３Ｂとからなる。
【００２６】
光源部７３Ａは、高出力の励起光を出射するための複数個の励起用光源７４と、これら励起用光源７４にそれぞれ接続された複数本の励起用光路７５と、これら励起用光路７５にそれぞれ光学的に接続され、各励起用光源７４からの出射光を光ファイバレーザ用光ファイバ１に光結合する光結合器７６とからなる。
【００２７】
各励起用光源７４としては、安価な光伝送に適したマルチモードＬＤを用いる。本実施形態では、一例として、波長λｅ（９１５ｎｍあるいは９７５〜９８０ｎｍ）の励起光Ｌｅを出射するマルチモードＬＤを用いた。
【００２８】
各励起用光源７４は、光源部７３Ａ，７３Ｂごとに直列接続され、これらが上述した駆動装置に接続される。各励起用光路７４としては、マルチモード光ファイバや光導波路を用いる。光結合器７６としては、マルチカプラや励起コンバイナを用いる。
【００２９】
光ファイバレーザ用光ファイバ１の両端部で、両光結合器７６よりも内側には、光ファイバレーザ用光ファイバ１へ入射した励起光Ｌｅを反射励振するための光反射部７７ａ，７７ｂが設けられる。本実施形態では、光ファイバレーザ用光ファイバ１に、励起光波長に対しては透過し、発振光波長に対しては高い反射率を有するＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）を２つ形成して、光反射部７７ａ，７７ｂとした。
【００３０】
光反射部７７ｂ（光ファイバレーザ用光ファイバ１のレーザ発振光Ｌの出射側）となるＦＢＧは、部分的にレーザ発振光を反射するように、光反射部７７ａとなるＦＢＧとは格子間隔を異ならせて形成される。
【００３１】
さて、図１は本発明の好適な実施形態を示す光ファイバレーザ用光ファイバの概略図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバ１は、所定の励起を行うことで発光する発光機能を有し、その発光した光を反射励振させることでレーザ発振媒体となるものである。
【００３３】
この光ファイバレーザ用光ファイバ１は、希土類が添加された希土類添加コア２と、その希土類添加コア２の周囲に形成されたクラッド３とからなる。
【００３４】
希土類添加コア２は、純粋石英にＹｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄなどの希土類元素を微少量添加（ドープ）したものである。本実施形態では、励起光Ｌｅが波長λｅ（９１５ｎｍあるいは９７５〜９８０ｎｍ）であり、波長λ（１０３０〜１１００ｎｍ）のレーザ光Ｌを出射させるために、希土類元素としてＹｂを用いた。Ｙｂは、波長λｅの励起光Ｌの吸収と、波長λの光の増幅（誘導放出）とに適した希土類元素である。
【００３５】
光ファイバレーザ用光ファイバ１では、光ファイバの長手方向に沿った温度分布を平坦化すべく、希土類添加コア２を光ファイバの長手方向に沿って複数個のコア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに分割されており、各コア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎにされた添加希土類元素の添加濃度が異なる。
【００３６】
図１の例では、両端のコア領域２ａ，２ｎの添加濃度を最も低くし、コア領域２ａ，２ｎからコア領域２ｂ，２ｎ−１へとファイバ長手方向の中心に近づくにつれて添加濃度を徐々に高くし、かつ光ファイバの長手方向の中央部を中心として複数個のコア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎの添加濃度が対称（添加濃度分布が線対称）となるようにした。さらにこの構成に加え、図４で後述するように、各コア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎの長さを部分的に異なるようにしてもよい。
【００３７】
これらの場合、一般に使用される片側からのみ励起光を入射する光ファイバレーザだけでなく、図７の光ファイバレーザ７１のような両側から励起光Ｌｅを入射させるタイプの光ファイバレーザにも、光ファイバレーザ用光ファイバ１を利用できる。
【００３８】
クラッド３は、石英材料からなり、ポンピングガイドである内側の第１クラッド３１と、その外周に設けられ、石英材料からなる第２クラッド３２とで構成されるダブルクラッド型である。本実施形態では、希土類添加コア２とクラッド３とでＰＣＦ（フォトニッククリスタルファイバ）を構成するように、光ファイバの長手方向に沿って貫通する複数の空孔をハニカム状に配列してなるフォトニック結晶構造を第１クラッド３１に形成した。
【００３９】
次に、光ファイバレーザ用光ファイバ１の一例を、より詳細に説明する。
【００４０】
励起方式については、特に限定されるものではないが、図７の光ファイバレーザ７１で側面励起、端面励起のどちらでも採用することができる。まず、従来の光ファイバ９１について、動作時の熱解析を行った。その結果を図３に示す。ただし、励起用光源７３として、波長９７７ｎｍ、出力６．５ｋＷのマルチモードＬＤを用い、希土類添加コア２の直径＝５０μｍ、第１クラッド３１までの直径ｄμｍ、コアへ添加されたＹｂ濃度＝１０００ｐｐｍ、励起光Ｌｅの吸収損失＝０．５ｄＢ／ｍ（＠９７７ｎｍ）、第２クラッド３２までの直径をｄ＋１００μｍとした。
【００４１】
図３に示すように、従来の光ファイバ９１は、両端部に近いほどファイバ温度が高くなり、第１クラッド３１までの直径ｄが６００μｍと大きくなっても、両端部では約２６５℃もの高温になっていることがわかる。
【００４２】
単にファイバ長を長くすれば、光ファイバの温度を低くでき、熱を平均化することが可能であると考えられるが、非線形光学効果の影響により、高出力化できなくなってしまう。
【００４３】
そこで、ファイバ非線形を考慮するため、非線形効果である光ファイバ中の誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）と、ファイバ中の誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）を検討した。
【００４４】
ここで、誘導ラマン散乱とは、媒質に光を入射したとき、入射光と入射光により生じる光学フォノン（結晶格子の光学的振動）との相互作用により生ずる散乱をいう。この散乱光は、ストークス散乱光と呼ばれる。ラマン散乱で発生するストークス光は前方散乱も後方散乱も同程度に観測される。光ファイバ非線形閾値であるＳＲＳ閾値Ｐｔｈｒは、式（１）で示される。
【００４５】
【数１】
【００４６】
式（１）より、ＬＤの入力パワーを大きくしていくと、光ファイバで発生する熱も増加するため、使用する帯域以外の帯域にピークが現れてしまうことがある。この現象は光ファイバレーザの出力に悪影響となるため、入力パワーを増大しつつ、熱による影響を抑制する必要がある。
【００４７】
また、誘導ブリユアン散乱とは、入射光と媒質中を通過する音波（結晶格子の音響的振動）との相互作用により発生する散乱をいう。ブリユアン散乱で発生するストークス光は後方散乱のみしか発生しない。光ファイバ非線形閾値であるＳＢＳ閾値Ｐｔｈｂは、式（２）で示される。
【００４８】
【数２】
【００４９】
式（２）より、入射光強度が大きくなると、反射光強度が増加することがある。これに伴い、透過光強度が飽和してしまい、出力の飽和化が起こる。実際には、ＳＲＳの影響の方がＳＢＳの影響よりも十分大きいので、主にＳＲＳの発生閾値を考慮すればよい。
【００５０】
さらに、式（１）、（２）より、ＳＲＳとＳＢＳの発生閾値は、光ファイバのコアの有効断面積と比例し、ファイバ有効長と反比例することがわかる。つまり、ＳＲＳとＳＢＳを抑えるためには、できるだけ光ファイバの有効断面積を大きく、ファイバ有効長を短くする必要がある。
【００５１】
単なるガラス体での破壊の閾値は、３ＧＷ／ｃｍ２（３０Ｗ／μｍ２）であるが、光ファイバに加工（ドーパントなども含む）を施すと、その閾値が低下することが知られている。例えば、１０ｋＷの出力を有する光ファイバでは、ＭＦＤが３６μｍ以上必要である。
【００５２】
光ファイバレーザ用光ファイバの制限要因の一例を、コア部ガラスの破壊閾値が５００ＭＷ／ｃｍ２の場合について図２にまとめて示す。図２に示すように、１０ｋＷの出力を実現するには、ＭＦＤ≧５１μｍ（Ａｅｆｆ≧１０００μｍ２）が必要である。また、ＭＦＤ＝５１μｍのファイバにおいてＳＲＳを抑制するためには、ファイバ長は約３３ｍより短く、好ましくは約３０ｍ以下にする必要がある。さらに、熱光学問題（熱光学閾値）を考慮すると、抽出出力≧３００Ｗ／ｍが必要である。したがって、この場合、図２中の網掛け部分Ａの範囲内で、かつ１０ｋＷの出力を実現するために、図２中の点Ｘとなるように、図１の光ファイバレーザ用光ファイバ１を設計する。
【００５３】
以上の点を考慮し、本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバ１は、各コア領域２ａ，２ｂ…２ｎ−１，２ｎの長手方向の長さが異なるように、約５ｍ以上であり、出力が５ｋＷ以上、好ましくは１０ｋＷ以上、使用（動作）時の使用時の長手方向の温度分布がファイバ全長にわたって１７０℃以下であるとよい。
【００５４】
より詳細には、図４に示すように、光ファイバレーザ用光ファイバ１は、複数個のコア領域が第１コア領域２ａと第２コア領域２ｂと第３コア領域２ｃとからなる合計５個のコア領域からなり、第１コア領域２ａおよび第２コア領域２ｂが約５ｍ、第３コア領域２ｃが約１０ｍである。
【００５５】
さらに、光ファイバレーザ用光ファイバ１では、図５および図６に示したＹｂ濃度と吸収損失（吸収特性）を考慮し、各コア領域２ａ，２ｂ…２ｎ−１，２ｎは、５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍのいずれかの添加濃度を有する希土類添加コアを組み合わせてなる。
【００５６】
本実施形態では、第１コア領域２ａのＹｂ濃度が５００ｐｐｍ、第２コア領域２ｂのＹｂ濃度が７００ｐｐｍ、第３コア領域２ｃのＹｂ濃度が１１００ｐｐｍである。
【００５７】
これらの条件を満たすように光ファイバレーザ用光ファイバ１を作製し、光ファイバレーザ用光ファイバ１に波長９７５〜９８０ｎｍの励起光を入射すると、熱特性が図４中の実線で示すようになる。このため、光ファイバレーザ用光ファイバ１は、出力１０ｋＷ以上で、かつ使用時のファイバ温度がファイバ全長にわたって１７０℃以下の特性を有する。
【００５８】
以下の説明では、光ファイバレーザ用光ファイバ１のうち、第１〜第３コア領域２ａ〜２ｃを含む部分を、それぞれfiber１（ｆ１）、fiber２（ｆ２）、fiber３（ｆ３）とする。吸収損失は波長９７７ｎｍにおいて、fiber１で０．３ｄＢ／ｍ、fiber２で０．４ｄＢ／ｍ、fiber３で０．６ｄＢ／ｍである。図４の光ファイバレーザ用光ファイバ１を図７の光ファイバレーザ７１で使用する場合には、両端に光結合器７５をそれぞれ接続すればよい。
【００５９】
図４では比較のために、従来の光ファイバ９１の熱特性を点線で示した。光ファイバ９１は全長にわたりfiber３からなり、図３の点線（ｄ＝６００μｍ）で示したものである。なお、光ファイバレーザ用光ファイバ１のコア径、クラッド径は、光ファイバ９１と同一にした。
【００６０】
図４により、光ファイバレーザ用光ファイバ１は、ファイバ全長にわたって使用時の長手方向の温度分布が１７０℃以下であるのに対し、従来の光ファイバ９１は、中央部付近では１７０℃以下になるものの、光源に近い励起光導入部である両端部では２６５℃と非常に高温になってしまうことがわかる。
【００６１】
次に、光ファイバレーザ用光ファイバ１の製造方法の一例を説明する。
【００６２】
まず、中心に配置され、プリフォーム（母材）線引き後に希土類添加コア２となる細径石英棒と、この細径石英棒の周りに、プリフォーム線引き後に第１クラッド３１となるハニカム状のフォトニック結晶を構成するように配列され、細径石英棒と同じ外径の細径石英管と、これら細径石英棒、細径石英管を挿入する石英ジャケット管とを作製する。
【００６３】
細径石英棒は、まず、ＭＣＶＤ法を用いて、原料ガスと酸水素バーナにより、希土類元素のＹｂ（Ｙｂ原料として、例えばＹｂ（ＤＰＭ）３を用いた。ＤＰＭはジピバロイルメタナト。）が添加された石英ロッドを作製する。この石英ロッドを所定の雰囲気下（例えば、流量が１０Ｌ／ｍｉｎのＨｅ、および流量が２００ｃｃ／ｍｉｎのＣｌ２で構成されるガス）、所定の温度（例えば、約１５００℃）で加熱処理した後、通常の光ファイバの線引きと同様の方法にて線引きすると、細径石英棒が得られる。細径石英棒は、上述したfiber１〜fiber３を作製するため、Ｙｂの濃度がそれぞれ５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍである３種類を作製した。
【００６４】
また、細径石英管は、市販の合成石英管（例えば、信越石英社製のＦ３００）を細径石英棒と同様の方法にて加熱処理、および線引きして得られる。
【００６５】
上述した方法により得られた細径石英棒および細径石英管は、それぞれ所定の長さに切断される。細径石英管については、この切断時に両端の封止を行う。その後、各切断部の表面に付着している汚れやゴミを除去するために、流水を用いて破片などの大きいゴミを洗い流した後、エタノールを用いて超音波洗浄を行う。各切断部の表面から遊離した汚れやゴミを純水で洗い流した後、１〜２％のフッ酸を用いて酸洗浄し、表面仕上げを行う。
【００６６】
その後、細径石英棒と、この細径石英棒の周囲に複数本束ねた細径石英管とを石英ジャケット管に挿入配置してＰＣＦ用プリフォームを作製する。その際、細径石英管同士が互いに交差することなく、両端部が同じ位置に配列されるようにするため、石英ジャケット管内への挿入は、純水中で超音波による微振動を与えながら行うことが好ましい。
【００６７】
具体的には、純水を入れた超音波洗浄器の中に、所定寸法の石英ジャケット管を斜めに立てて配置し、その石英ジャケット管内に細径石英棒と細径石英管を順次配列してＰＣＦ用プリフォームを作製する。石英ジャケット管の長手方向の寸法精度は、この配列の良否に大きく影響することから、その内径変動は±０．１ｍｍ以下に調整される。
【００６８】
得られたＰＣＦ用プリフォームを乾燥用の容器に入れて、付着した水分を蒸発、乾燥させた後、脱水処理を行う。この乾燥処理は、真空容器を用い、真空容器内を油圧回転式真空ポンプで真空引きすることによって行う。
【００６９】
ＰＣＦ用プリフォームにおける石英ジャケット管の両端に石英ダミー管を融着した後、石英ダミー管側からＣｌ２およびＯ２を所定の割合（例えば、Ｃｌ２を２００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ２を５０ｃｃ／ｍｉｎの割合）で導入すると共に、石英ダミー管側から所定の割合（例えば、約８０Ｐａ（０．６Ｔｏｒｒ）／ｍｉｎの割合）で排気を行い、石英ジャケット管の内部をＣｌ２およびＯ２で一定時間置換する。
【００７０】
その後、石英ダミー管側からさらにＣ２Ｆ６を所定の割合（例えば、２０ｃｃ／ｍｉｎの割合）で導入し、ＰＣＦ用プリフォーム内の圧力を一定（例えば、約７３Ｐａ（０．５５Ｔｏｒｒ））に保った状態で、酸水素バーナを用いてＰＣＦ用プリフォームを加熱する。これにより、石英ジャケット管内の脱水処理を行いながら、細径石英棒、細径石英管、および石英ジャケット管の表面エッチング処理を行う。
【００７１】
この表面エッチング処理・脱水処理の後、石英ダミー管側からＣｌ２、Ｏ２を導入しながら、石英ダミー管を封止する。その後、再び酸水素バーナを用いて、ＰＣＦ用プリフォームを加熱し、細径石英棒、細径石英管、および石英ジャケット管が融着一体化される。
【００７２】
そして、この融着一体化したＰＣＦ用プリフォームを通常の光ファイバの線引き工程により、所定のファイバ径（外径φ）に線引きし、同一ラインにて紫外線（ＵＶ）硬化樹脂を被覆することにより、中心にＹｂが添加された希土類添加コア２と、この希土類添加コア２の外周にハニカム状の周期構造の空孔が形成されたクラッド３とからなるＰＣＦが得られる。
【００７３】
このようにして得られるＰＣＦにおいて、希土類添加コア２のＹｂの濃度がそれぞれ５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍである３種類のＰＣＦ（３本の分割ファイバとしてのfiber１〜３となる）を作製した。
【００７４】
このＹｂ濃度が異なるfiber１〜３を所望の長さにカットした後、端末同士を融着接続により接続して、本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバ１を得る。
【００７５】
より詳細には、例えば、約５ｍにカットしたfiber１の一方の端末部分のＵＶ硬化樹脂ｒのみを除去し（図８（ａ））、このＵＶ硬化樹脂ｒを除去した端末部分に、同様にして端末部分のＵＶ硬化樹脂ｒを除去した約５ｍからなるfiber２を融着接続機を用いて融着接続する（図８（ｂ））。その後、融着接続部分のＵＶ硬化樹脂ｒが除去された部分に再度ＵＶ硬化樹脂ｒをリコートする（図８（ｃ））。このような接続方法を用いて、fiber１〜３を接続することにより、図４で一例を示した約３０ｍの光ファイバレーザ用光ファイバ１が得られる。
【００７６】
本実施形態の作用を、図７の光ファイバレーザ７１の動作と共に説明する。
【００７７】
駆動装置により各励起用光源７４を駆動すると、各励起用光源７４から励起光が出射され、各光結合部７５で光源部７３Ａ，７３Ｂ内の全励起用光源７４からの励起光が光結合され、光ファイバレーザ用光ファイバ１に両側方から励起光Ｌｅがそれぞれ入射される。
【００７８】
入射した励起光Ｌｅは、光ファイバレーザ用光ファイバ１の内部で増幅され、さらに光反射部７７ａ，７７ｂがレーザ共振器の全反射鏡および出力鏡として働くことで、高出力のレーザ発振光Ｌが生成され、光ファイバレーザ用光ファイバ１の出射端から出力される。
【００７９】
光ファイバレーザ用光ファイバ１は、反射励振による光ファイバの長手方向に沿った温度分布を平坦化すべく、ファイバ長手方向に沿って希土類添加コア２を複数個のコア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに分割すると共に、各コア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに添加する希土類元素の添加濃度を異ならせている。
【００８０】
希土類添加ファイバの吸収特性は、添加物の濃度に大きく依存する。このため、光ファイバの長手方向において、各コア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに添加する希土類元素の添加濃度を適宜異なるように制御することで、光ファイバレーザ用光ファイバ１では、全長にわたり励起光Ｌｅを導入した際の発熱を従来の光ファイバよりも低く抑えることができる。これにより、発熱による光出力の低下を抑制できる。
【００８１】
すなわち、光ファイバレーザ用光ファイバ１では、ファイバレーザ用希土類添加ファイバの吸収特性を光ファイバの長手方向において制御して異ならせることで、フラットな温度分布を実現できる。
【００８２】
したがって、光ファイバレーザ用光ファイバ１によれば、光ファイバの長手方向に平坦化した（フラットな）温度分布を簡単に形成でき、この光ファイバレーザ用光ファイバ１を用いることにより、高出力の光ファイバレーザを実現できる。
【００８３】
図４の例のような光ファイバレーザ用光ファイバ１を用いて光ファイバレーザ７１を構成した場合には、各光結合器７６で多数の励起用光源７４からの波長９７５ｎｍの励起光を合波し、これを光ファイバレーザ用光ファイバ１の両側方から入射でき、しかもファイバ内（特に端部）での熱損失も少ない。
【００８４】
このため、励起光Ｌｅに対するレーザ発振光Ｌの光／光変換効率を従来の限界を超える８０％超にして、波長１０３０〜１１００ｎｍの高出力のレーザ発振光Ｌを出力できる。
【００８５】
また、本実施形態に係る製造方法によれば、図１や図４に示した光ファイバレーザ用光ファイバ１を簡単かつ高精度に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す光ファイバレーザ用光ファイバの概略図である。
【図２】光ファイバレーザ用光ファイバの制限要因の一例を示す図である。
【図３】従来の光ファイバの熱解析の一例を示す図である。
【図４】本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバと、従来の光ファイバの熱解析の結果を示す図である。
【図５】Ｙｂ濃度と吸収損失の関係と、本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバにおける第１，第２コア領域のＹｂ濃度の一例とを示す図である。
【図６】Ｙｂ濃度と吸収損失の関係と、本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバにおける第３コア領域のＹｂ濃度の一例とを示す図である。
【図７】図１に示した光ファイバレーザ用光ファイバを使用した光ファイバレーザの概略図である。
【図８】図１に示した光ファイバレーザ用光ファイバの製造方法の一例を示す概略図である。
【図９】従来の光ファイバレーザ用光ファイバの概略図である。
【符号の説明】
【００８７】
１ 光ファイバレーザ用光ファイバ
２ 希土類添加コア
２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎ コア領域
３ クラッド
３１ 第１クラッド
３２ 第２クラッド
Ｌ レーザ発振光
Ｌｅ 励起光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類添加コアとクラッドを備えた高出力の光ファイバレーザ用光ファイバ及びその製造方法、並びに光ファイバレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工や医療用途などへの適用を目的として、より高出力で安価な光源の開発が求められている。これらの要求に対し、光ファイバレーザは、高効率でしかも高品質のレーザ光を簡単に取り出せるという理由で注目を集めている。
【０００３】
このような高出力光ファイバレーザに使用される光ファイバとして、図９に示すような光ファイバ９１がある。この光ファイバ９１は、希土類元素（Ｙｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄなど）をドープしたコア９２と、第１クラッド９３ａ、第２クラッド９３ｂからなるクラッド９３を備えたダブルクラッドファイバである。また、第２クラッド９３ｂの外周に図示していないが、紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層が設けられている。
【０００４】
光ファイバ９１の一端部には、励起光Ｌｅ９として、マルチモードＬＤ（半導体レーザ）から出射した光を入射する。第１クラッド９３ａ内に集光した励起光Ｌｅ９は、光ファイバ９１中を伝搬し、コア９２の希土類添加元素を励起する。そして、励起された希土類元素から発振光がコア９２に伝搬し、光ファイバ９１の他端から高出力のレーザ発振光Ｌ９が出射する。
【０００５】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２４９３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の光ファイバ９１では、コア９２としてＹｂ添加（ドープ）コアを用いた場合、励起光Ｌｅ９に対するレーザ発振光Ｌ９の光／光変換効率が約８０％で、約２０％のエネルギーが熱となる。
【０００８】
このため、従来の光ファイバ９１では、光ファイバレーザの高出力化に伴い、光ファイバ９１の温度上昇、特に、光ファイバ９１の入射端近傍の温度の上昇が大きく、光ファイバ９１の被覆層の損害のおそれがあり、光ファイバレーザの出力が制限されるという問題がある。
【０００９】
その他にも、高出力光ファイバレーザの制限要因として、ファイバ非線形、ファイバの破壊、励起方式などの種々の問題がある。すなわち、従来の光ファイバ９１では、光ファイバレーザの高出力化と共に、高い励起光パワーも必要となり、ダブルクラッドファイバ中のエネルギー密度が過剰となり、発熱、ファイバ非線形、ファイバ破壊などの問題が発生してしまう。
【００１０】
現状の光ファイバレーザでは、これらの制限要因をバランスよく取り除くことも要求されている。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、光ファイバレーザにおける光ファイバの温度上昇を抑え、レーザ光の高出力化を図った光ファイバレーザ用光ファイバ及びその製造方法、並びに光ファイバレーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、希土類元素が添加された希土類添加コアと、上記希土類添加コアの周囲に形成されたクラッドとを備え、上記クラッドの端部から励起光を入射し、希土類元素を励振させて高出力のレーザ発振光を出力する光ファイバレーザ用光ファイバにおいて、
上記希土類添加コアが長手方向に沿って複数個のコア領域に分割されており、各コア領域に添加された希土類元素の添加濃度が異なる光ファイバレーザ用光ファイバである。
【００１３】
請求項２の発明は、上記複数個のコア領域は、それぞれの添加濃度が長手方向の中央部を中心として対称である請求項１記載の光ファイバレーザ用光ファイバである。
【００１４】
請求項３の発明は、上記複数個のコア領域は、長手方向の長さが異なる請求項１または２記載の光ファイバレーザ用光ファイバである。
【００１５】
請求項４の発明は、使用時の長手方向の温度分布が１７０℃以下である請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバレーザ用光ファイバである。
【００１６】
請求項５の発明は、上記複数個のコア領域は、５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍのいずれかの添加濃度を有する希土類添加コアを組み合わせてなる請求項１または２記載の光ファイバレーザ用光ファイバである。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１〜５いずれかに記載した光ファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、希土類元素の添加濃度が異なる希土類添加コアをそれぞれ有する複数本の分割ファイバを作製し、各分割ファイバの端末同士を融着接続する光ファイバレーザ用光ファイバの製造方法である。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項１〜５いずれかに記載した光ファイバレーザ用光ファイバと、上記光ファイバレーザ用光ファイバの端部に接続された光結合器と、上記光結合器を介してクラッドに励起光を入射させる複数個の光源とを備えた光ファイバレーザである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光ファイバの長手方向に沿った励起光の吸収特性が簡単に制御でき、光ファイバの長手方向に沿った温度分布を平坦化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明者らは、光ファイバレーザの研究・開発にあたり、まず熱効果を検討し、さらにファイバ非線形（非線形光学効果）、ファイバの破壊、励起方式を検討し、これら４つの制限（問題）要因をバランスよく取り除くべく、研究・開発を重ねた。
【００２１】
熱効果では、光ファイバの被覆部分が損傷することにより、光ファイバの断線、変換効率低下が発生して出力パワーが低下してしまう。その対策として太径ファイバ、空気クラッド、耐熱被覆の使用などがある。また、ファイバ非線形により、レーザ光の出力が飽和してしまう。その対策としてＭＦＤの拡大、ファイバの短尺寸化などがある。ファイバの破壊には、ファイバヒューズ、ファイバ端面の損傷などがあり、その対策としてＭＦＤ（モードフィールド径）の拡大、ガラス構造の改善などがある。励起方式では、光ファイバの入射端での熱集中などが発生するおそれがある。その対策として側面励起などがある。
【００２２】
その他、コア部の屈折率の不均一により、ビーム品質への悪影響なども考えられるが、基本的には、上記の制限要因をバランスよく取り除けば、現状の光ファイバレーザ用光ファイバの問題はほとんど解決できると考えられる。そして、本発明者らは、以上の点を踏まえて鋭意研究した結果、本発明を完成した。
【００２３】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。まず、図７を用いて、本発明の好適な実施形態を示す光ファイバレーザ用光ファイバを使用した光ファイバレーザを説明する。
【００２４】
図７に示すように、本実施形態に係る光ファイバレーザ７１は、光源を備えてレーザ発振光Ｌを出力するための光学部７２と、その光学部７２に接続されて光源を駆動する図示しないＬＤドライバなどの駆動装置とで主に構成される。
【００２５】
光学部７２は、後述する本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバ１と、その光ファイバレーザ用光ファイバ１の両端部近傍（後述する両光結合部７６ａ，７６ｂよりも外側）にそれぞれ設けられる光源部７３Ａ，７３Ｂとからなる。
【００２６】
光源部７３Ａは、高出力の励起光を出射するための複数個の励起用光源７４と、これら励起用光源７４にそれぞれ接続された複数本の励起用光路７５と、これら励起用光路７５にそれぞれ光学的に接続され、各励起用光源７４からの出射光を光ファイバレーザ用光ファイバ１に光結合する光結合器７６とからなる。
【００２７】
各励起用光源７４としては、安価な光伝送に適したマルチモードＬＤを用いる。本実施形態では、一例として、波長λｅ（９１５ｎｍあるいは９７５〜９８０ｎｍ）の励起光Ｌｅを出射するマルチモードＬＤを用いた。
【００２８】
各励起用光源７４は、光源部７３Ａ，７３Ｂごとに直列接続され、これらが上述した駆動装置に接続される。各励起用光路７４としては、マルチモード光ファイバや光導波路を用いる。光結合器７６としては、マルチカプラや励起コンバイナを用いる。
【００２９】
光ファイバレーザ用光ファイバ１の両端部で、両光結合器７６よりも内側には、光ファイバレーザ用光ファイバ１へ入射した励起光Ｌｅを反射励振するための光反射部７７ａ，７７ｂが設けられる。本実施形態では、光ファイバレーザ用光ファイバ１に、励起光波長に対しては透過し、発振光波長に対しては高い反射率を有するＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）を２つ形成して、光反射部７７ａ，７７ｂとした。
【００３０】
光反射部７７ｂ（光ファイバレーザ用光ファイバ１のレーザ発振光Ｌの出射側）となるＦＢＧは、部分的にレーザ発振光を反射するように、光反射部７７ａとなるＦＢＧとは格子間隔を異ならせて形成される。
【００３１】
さて、図１は本発明の好適な実施形態を示す光ファイバレーザ用光ファイバの概略図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバ１は、所定の励起を行うことで発光する発光機能を有し、その発光した光を反射励振させることでレーザ発振媒体となるものである。
【００３３】
この光ファイバレーザ用光ファイバ１は、希土類が添加された希土類添加コア２と、その希土類添加コア２の周囲に形成されたクラッド３とからなる。
【００３４】
希土類添加コア２は、純粋石英にＹｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄなどの希土類元素を微少量添加（ドープ）したものである。本実施形態では、励起光Ｌｅが波長λｅ（９１５ｎｍあるいは９７５〜９８０ｎｍ）であり、波長λ（１０３０〜１１００ｎｍ）のレーザ光Ｌを出射させるために、希土類元素としてＹｂを用いた。Ｙｂは、波長λｅの励起光Ｌの吸収と、波長λの光の増幅（誘導放出）とに適した希土類元素である。
【００３５】
光ファイバレーザ用光ファイバ１では、光ファイバの長手方向に沿った温度分布を平坦化すべく、希土類添加コア２を光ファイバの長手方向に沿って複数個のコア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに分割されており、各コア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎにされた添加希土類元素の添加濃度が異なる。
【００３６】
図１の例では、両端のコア領域２ａ，２ｎの添加濃度を最も低くし、コア領域２ａ，２ｎからコア領域２ｂ，２ｎ−１へとファイバ長手方向の中心に近づくにつれて添加濃度を徐々に高くし、かつ光ファイバの長手方向の中央部を中心として複数個のコア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎの添加濃度が対称（添加濃度分布が線対称）となるようにした。さらにこの構成に加え、図４で後述するように、各コア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎの長さを部分的に異なるようにしてもよい。
【００３７】
これらの場合、一般に使用される片側からのみ励起光を入射する光ファイバレーザだけでなく、図７の光ファイバレーザ７１のような両側から励起光Ｌｅを入射させるタイプの光ファイバレーザにも、光ファイバレーザ用光ファイバ１を利用できる。
【００３８】
クラッド３は、石英材料からなり、ポンピングガイドである内側の第１クラッド３１と、その外周に設けられ、石英材料からなる第２クラッド３２とで構成されるダブルクラッド型である。本実施形態では、希土類添加コア２とクラッド３とでＰＣＦ（フォトニッククリスタルファイバ）を構成するように、光ファイバの長手方向に沿って貫通する複数の空孔をハニカム状に配列してなるフォトニック結晶構造を第１クラッド３１に形成した。
【００３９】
次に、光ファイバレーザ用光ファイバ１の一例を、より詳細に説明する。
【００４０】
励起方式については、特に限定されるものではないが、図７の光ファイバレーザ７１で側面励起、端面励起のどちらでも採用することができる。まず、従来の光ファイバ９１について、動作時の熱解析を行った。その結果を図３に示す。ただし、励起用光源７３として、波長９７７ｎｍ、出力６．５ｋＷのマルチモードＬＤを用い、希土類添加コア２の直径＝５０μｍ、第１クラッド３１までの直径ｄμｍ、コアへ添加されたＹｂ濃度＝１０００ｐｐｍ、励起光Ｌｅの吸収損失＝０．５ｄＢ／ｍ（＠９７７ｎｍ）、第２クラッド３２までの直径をｄ＋１００μｍとした。
【００４１】
図３に示すように、従来の光ファイバ９１は、両端部に近いほどファイバ温度が高くなり、第１クラッド３１までの直径ｄが６００μｍと大きくなっても、両端部では約２６５℃もの高温になっていることがわかる。
【００４２】
単にファイバ長を長くすれば、光ファイバの温度を低くでき、熱を平均化することが可能であると考えられるが、非線形光学効果の影響により、高出力化できなくなってしまう。
【００４３】
そこで、ファイバ非線形を考慮するため、非線形効果である光ファイバ中の誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）と、ファイバ中の誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）を検討した。
【００４４】
ここで、誘導ラマン散乱とは、媒質に光を入射したとき、入射光と入射光により生じる光学フォノン（結晶格子の光学的振動）との相互作用により生ずる散乱をいう。この散乱光は、ストークス散乱光と呼ばれる。ラマン散乱で発生するストークス光は前方散乱も後方散乱も同程度に観測される。光ファイバ非線形閾値であるＳＲＳ閾値Ｐｔｈｒは、式（１）で示される。
【００４５】
【数１】
【００４６】
式（１）より、ＬＤの入力パワーを大きくしていくと、光ファイバで発生する熱も増加するため、使用する帯域以外の帯域にピークが現れてしまうことがある。この現象は光ファイバレーザの出力に悪影響となるため、入力パワーを増大しつつ、熱による影響を抑制する必要がある。
【００４７】
また、誘導ブリユアン散乱とは、入射光と媒質中を通過する音波（結晶格子の音響的振動）との相互作用により発生する散乱をいう。ブリユアン散乱で発生するストークス光は後方散乱のみしか発生しない。光ファイバ非線形閾値であるＳＢＳ閾値Ｐｔｈｂは、式（２）で示される。
【００４８】
【数２】
【００４９】
式（２）より、入射光強度が大きくなると、反射光強度が増加することがある。これに伴い、透過光強度が飽和してしまい、出力の飽和化が起こる。実際には、ＳＲＳの影響の方がＳＢＳの影響よりも十分大きいので、主にＳＲＳの発生閾値を考慮すればよい。
【００５０】
さらに、式（１）、（２）より、ＳＲＳとＳＢＳの発生閾値は、光ファイバのコアの有効断面積と比例し、ファイバ有効長と反比例することがわかる。つまり、ＳＲＳとＳＢＳを抑えるためには、できるだけ光ファイバの有効断面積を大きく、ファイバ有効長を短くする必要がある。
【００５１】
単なるガラス体での破壊の閾値は、３ＧＷ／ｃｍ２（３０Ｗ／μｍ２）であるが、光ファイバに加工（ドーパントなども含む）を施すと、その閾値が低下することが知られている。例えば、１０ｋＷの出力を有する光ファイバでは、ＭＦＤが３６μｍ以上必要である。
【００５２】
光ファイバレーザ用光ファイバの制限要因の一例を、コア部ガラスの破壊閾値が５００ＭＷ／ｃｍ２の場合について図２にまとめて示す。図２に示すように、１０ｋＷの出力を実現するには、ＭＦＤ≧５１μｍ（Ａｅｆｆ≧１０００μｍ２）が必要である。また、ＭＦＤ＝５１μｍのファイバにおいてＳＲＳを抑制するためには、ファイバ長は約３３ｍより短く、好ましくは約３０ｍ以下にする必要がある。さらに、熱光学問題（熱光学閾値）を考慮すると、抽出出力≧３００Ｗ／ｍが必要である。したがって、この場合、図２中の網掛け部分Ａの範囲内で、かつ１０ｋＷの出力を実現するために、図２中の点Ｘとなるように、図１の光ファイバレーザ用光ファイバ１を設計する。
【００５３】
以上の点を考慮し、本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバ１は、各コア領域２ａ，２ｂ…２ｎ−１，２ｎの長手方向の長さが異なるように、約５ｍ以上であり、出力が５ｋＷ以上、好ましくは１０ｋＷ以上、使用（動作）時の使用時の長手方向の温度分布がファイバ全長にわたって１７０℃以下であるとよい。
【００５４】
より詳細には、図４に示すように、光ファイバレーザ用光ファイバ１は、複数個のコア領域が第１コア領域２ａと第２コア領域２ｂと第３コア領域２ｃとからなる合計５個のコア領域からなり、第１コア領域２ａおよび第２コア領域２ｂが約５ｍ、第３コア領域２ｃが約１０ｍである。
【００５５】
さらに、光ファイバレーザ用光ファイバ１では、図５および図６に示したＹｂ濃度と吸収損失（吸収特性）を考慮し、各コア領域２ａ，２ｂ…２ｎ−１，２ｎは、５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍのいずれかの添加濃度を有する希土類添加コアを組み合わせてなる。
【００５６】
本実施形態では、第１コア領域２ａのＹｂ濃度が５００ｐｐｍ、第２コア領域２ｂのＹｂ濃度が７００ｐｐｍ、第３コア領域２ｃのＹｂ濃度が１１００ｐｐｍである。
【００５７】
これらの条件を満たすように光ファイバレーザ用光ファイバ１を作製し、光ファイバレーザ用光ファイバ１に波長９７５〜９８０ｎｍの励起光を入射すると、熱特性が図４中の実線で示すようになる。このため、光ファイバレーザ用光ファイバ１は、出力１０ｋＷ以上で、かつ使用時のファイバ温度がファイバ全長にわたって１７０℃以下の特性を有する。
【００５８】
以下の説明では、光ファイバレーザ用光ファイバ１のうち、第１〜第３コア領域２ａ〜２ｃを含む部分を、それぞれfiber１（ｆ１）、fiber２（ｆ２）、fiber３（ｆ３）とする。吸収損失は波長９７７ｎｍにおいて、fiber１で０．３ｄＢ／ｍ、fiber２で０．４ｄＢ／ｍ、fiber３で０．６ｄＢ／ｍである。図４の光ファイバレーザ用光ファイバ１を図７の光ファイバレーザ７１で使用する場合には、両端に光結合器７５をそれぞれ接続すればよい。
【００５９】
図４では比較のために、従来の光ファイバ９１の熱特性を点線で示した。光ファイバ９１は全長にわたりfiber３からなり、図３の点線（ｄ＝６００μｍ）で示したものである。なお、光ファイバレーザ用光ファイバ１のコア径、クラッド径は、光ファイバ９１と同一にした。
【００６０】
図４により、光ファイバレーザ用光ファイバ１は、ファイバ全長にわたって使用時の長手方向の温度分布が１７０℃以下であるのに対し、従来の光ファイバ９１は、中央部付近では１７０℃以下になるものの、光源に近い励起光導入部である両端部では２６５℃と非常に高温になってしまうことがわかる。
【００６１】
次に、光ファイバレーザ用光ファイバ１の製造方法の一例を説明する。
【００６２】
まず、中心に配置され、プリフォーム（母材）線引き後に希土類添加コア２となる細径石英棒と、この細径石英棒の周りに、プリフォーム線引き後に第１クラッド３１となるハニカム状のフォトニック結晶を構成するように配列され、細径石英棒と同じ外径の細径石英管と、これら細径石英棒、細径石英管を挿入する石英ジャケット管とを作製する。
【００６３】
細径石英棒は、まず、ＭＣＶＤ法を用いて、原料ガスと酸水素バーナにより、希土類元素のＹｂ（Ｙｂ原料として、例えばＹｂ（ＤＰＭ）３を用いた。ＤＰＭはジピバロイルメタナト。）が添加された石英ロッドを作製する。この石英ロッドを所定の雰囲気下（例えば、流量が１０Ｌ／ｍｉｎのＨｅ、および流量が２００ｃｃ／ｍｉｎのＣｌ２で構成されるガス）、所定の温度（例えば、約１５００℃）で加熱処理した後、通常の光ファイバの線引きと同様の方法にて線引きすると、細径石英棒が得られる。細径石英棒は、上述したfiber１〜fiber３を作製するため、Ｙｂの濃度がそれぞれ５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍである３種類を作製した。
【００６４】
また、細径石英管は、市販の合成石英管（例えば、信越石英社製のＦ３００）を細径石英棒と同様の方法にて加熱処理、および線引きして得られる。
【００６５】
上述した方法により得られた細径石英棒および細径石英管は、それぞれ所定の長さに切断される。細径石英管については、この切断時に両端の封止を行う。その後、各切断部の表面に付着している汚れやゴミを除去するために、流水を用いて破片などの大きいゴミを洗い流した後、エタノールを用いて超音波洗浄を行う。各切断部の表面から遊離した汚れやゴミを純水で洗い流した後、１〜２％のフッ酸を用いて酸洗浄し、表面仕上げを行う。
【００６６】
その後、細径石英棒と、この細径石英棒の周囲に複数本束ねた細径石英管とを石英ジャケット管に挿入配置してＰＣＦ用プリフォームを作製する。その際、細径石英管同士が互いに交差することなく、両端部が同じ位置に配列されるようにするため、石英ジャケット管内への挿入は、純水中で超音波による微振動を与えながら行うことが好ましい。
【００６７】
具体的には、純水を入れた超音波洗浄器の中に、所定寸法の石英ジャケット管を斜めに立てて配置し、その石英ジャケット管内に細径石英棒と細径石英管を順次配列してＰＣＦ用プリフォームを作製する。石英ジャケット管の長手方向の寸法精度は、この配列の良否に大きく影響することから、その内径変動は±０．１ｍｍ以下に調整される。
【００６８】
得られたＰＣＦ用プリフォームを乾燥用の容器に入れて、付着した水分を蒸発、乾燥させた後、脱水処理を行う。この乾燥処理は、真空容器を用い、真空容器内を油圧回転式真空ポンプで真空引きすることによって行う。
【００６９】
ＰＣＦ用プリフォームにおける石英ジャケット管の両端に石英ダミー管を融着した後、石英ダミー管側からＣｌ２およびＯ２を所定の割合（例えば、Ｃｌ２を２００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ２を５０ｃｃ／ｍｉｎの割合）で導入すると共に、石英ダミー管側から所定の割合（例えば、約８０Ｐａ（０．６Ｔｏｒｒ）／ｍｉｎの割合）で排気を行い、石英ジャケット管の内部をＣｌ２およびＯ２で一定時間置換する。
【００７０】
その後、石英ダミー管側からさらにＣ２Ｆ６を所定の割合（例えば、２０ｃｃ／ｍｉｎの割合）で導入し、ＰＣＦ用プリフォーム内の圧力を一定（例えば、約７３Ｐａ（０．５５Ｔｏｒｒ））に保った状態で、酸水素バーナを用いてＰＣＦ用プリフォームを加熱する。これにより、石英ジャケット管内の脱水処理を行いながら、細径石英棒、細径石英管、および石英ジャケット管の表面エッチング処理を行う。
【００７１】
この表面エッチング処理・脱水処理の後、石英ダミー管側からＣｌ２、Ｏ２を導入しながら、石英ダミー管を封止する。その後、再び酸水素バーナを用いて、ＰＣＦ用プリフォームを加熱し、細径石英棒、細径石英管、および石英ジャケット管が融着一体化される。
【００７２】
そして、この融着一体化したＰＣＦ用プリフォームを通常の光ファイバの線引き工程により、所定のファイバ径（外径φ）に線引きし、同一ラインにて紫外線（ＵＶ）硬化樹脂を被覆することにより、中心にＹｂが添加された希土類添加コア２と、この希土類添加コア２の外周にハニカム状の周期構造の空孔が形成されたクラッド３とからなるＰＣＦが得られる。
【００７３】
このようにして得られるＰＣＦにおいて、希土類添加コア２のＹｂの濃度がそれぞれ５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍである３種類のＰＣＦ（３本の分割ファイバとしてのfiber１〜３となる）を作製した。
【００７４】
このＹｂ濃度が異なるfiber１〜３を所望の長さにカットした後、端末同士を融着接続により接続して、本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバ１を得る。
【００７５】
より詳細には、例えば、約５ｍにカットしたfiber１の一方の端末部分のＵＶ硬化樹脂ｒのみを除去し（図８（ａ））、このＵＶ硬化樹脂ｒを除去した端末部分に、同様にして端末部分のＵＶ硬化樹脂ｒを除去した約５ｍからなるfiber２を融着接続機を用いて融着接続する（図８（ｂ））。その後、融着接続部分のＵＶ硬化樹脂ｒが除去された部分に再度ＵＶ硬化樹脂ｒをリコートする（図８（ｃ））。このような接続方法を用いて、fiber１〜３を接続することにより、図４で一例を示した約３０ｍの光ファイバレーザ用光ファイバ１が得られる。
【００７６】
本実施形態の作用を、図７の光ファイバレーザ７１の動作と共に説明する。
【００７７】
駆動装置により各励起用光源７４を駆動すると、各励起用光源７４から励起光が出射され、各光結合部７５で光源部７３Ａ，７３Ｂ内の全励起用光源７４からの励起光が光結合され、光ファイバレーザ用光ファイバ１に両側方から励起光Ｌｅがそれぞれ入射される。
【００７８】
入射した励起光Ｌｅは、光ファイバレーザ用光ファイバ１の内部で増幅され、さらに光反射部７７ａ，７７ｂがレーザ共振器の全反射鏡および出力鏡として働くことで、高出力のレーザ発振光Ｌが生成され、光ファイバレーザ用光ファイバ１の出射端から出力される。
【００７９】
光ファイバレーザ用光ファイバ１は、反射励振による光ファイバの長手方向に沿った温度分布を平坦化すべく、ファイバ長手方向に沿って希土類添加コア２を複数個のコア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに分割すると共に、各コア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに添加する希土類元素の添加濃度を異ならせている。
【００８０】
希土類添加ファイバの吸収特性は、添加物の濃度に大きく依存する。このため、光ファイバの長手方向において、各コア領域２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎに添加する希土類元素の添加濃度を適宜異なるように制御することで、光ファイバレーザ用光ファイバ１では、全長にわたり励起光Ｌｅを導入した際の発熱を従来の光ファイバよりも低く抑えることができる。これにより、発熱による光出力の低下を抑制できる。
【００８１】
すなわち、光ファイバレーザ用光ファイバ１では、ファイバレーザ用希土類添加ファイバの吸収特性を光ファイバの長手方向において制御して異ならせることで、フラットな温度分布を実現できる。
【００８２】
したがって、光ファイバレーザ用光ファイバ１によれば、光ファイバの長手方向に平坦化した（フラットな）温度分布を簡単に形成でき、この光ファイバレーザ用光ファイバ１を用いることにより、高出力の光ファイバレーザを実現できる。
【００８３】
図４の例のような光ファイバレーザ用光ファイバ１を用いて光ファイバレーザ７１を構成した場合には、各光結合器７６で多数の励起用光源７４からの波長９７５ｎｍの励起光を合波し、これを光ファイバレーザ用光ファイバ１の両側方から入射でき、しかもファイバ内（特に端部）での熱損失も少ない。
【００８４】
このため、励起光Ｌｅに対するレーザ発振光Ｌの光／光変換効率を従来の限界を超える８０％超にして、波長１０３０〜１１００ｎｍの高出力のレーザ発振光Ｌを出力できる。
【００８５】
また、本実施形態に係る製造方法によれば、図１や図４に示した光ファイバレーザ用光ファイバ１を簡単かつ高精度に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す光ファイバレーザ用光ファイバの概略図である。
【図２】光ファイバレーザ用光ファイバの制限要因の一例を示す図である。
【図３】従来の光ファイバの熱解析の一例を示す図である。
【図４】本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバと、従来の光ファイバの熱解析の結果を示す図である。
【図５】Ｙｂ濃度と吸収損失の関係と、本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバにおける第１，第２コア領域のＹｂ濃度の一例とを示す図である。
【図６】Ｙｂ濃度と吸収損失の関係と、本実施形態に係る光ファイバレーザ用光ファイバにおける第３コア領域のＹｂ濃度の一例とを示す図である。
【図７】図１に示した光ファイバレーザ用光ファイバを使用した光ファイバレーザの概略図である。
【図８】図１に示した光ファイバレーザ用光ファイバの製造方法の一例を示す概略図である。
【図９】従来の光ファイバレーザ用光ファイバの概略図である。
【符号の説明】
【００８７】
１ 光ファイバレーザ用光ファイバ
２ 希土類添加コア
２ａ，２ｂ，…，２ｎ−１，２ｎ コア領域
３ クラッド
３１ 第１クラッド
３２ 第２クラッド
Ｌ レーザ発振光
Ｌｅ 励起光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素が添加された希土類添加コアと、上記希土類添加コアの周囲に形成されたクラッドとを備え、上記クラッドの端部から励起光を入射し、希土類元素を励振させて高出力のレーザ発振光を出力する光ファイバレーザ用光ファイバにおいて、
上記希土類添加コアが長手方向に沿って複数個のコア領域に分割されており、各コア領域に添加された希土類元素の添加濃度が異なることを特徴とする光ファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項２】
上記複数個のコア領域は、それぞれの添加濃度が長手方向の中央部を中心として対称である請求項１記載の光ファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項３】
上記複数個のコア領域は、長手方向の長さが異なる請求項１または２記載の光ファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項４】
使用時の長手方向の温度分布が１７０℃以下である請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項５】
上記複数個のコア領域は、５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍのいずれかの添加濃度を有する希土類添加コアを組み合わせてなる請求項１または２記載の光ファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項６】
請求項１〜５いずれかに記載した光ファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、希土類元素の添加濃度が異なる希土類添加コアをそれぞれ有する複数本の分割ファイバを作製し、各分割ファイバの端末同士を融着接続することを特徴とする光ファイバレーザ用光ファイバの製造方法。
【請求項７】
請求項１〜５いずれかに記載した光ファイバレーザ用光ファイバと、上記光ファイバレーザ用光ファイバの端部に接続された光結合器と、上記光結合器を介してクラッドに励起光を入射させる複数個の光源とを備えたことを特徴とする光ファイバレーザ。
【請求項１】
希土類元素が添加された希土類添加コアと、上記希土類添加コアの周囲に形成されたクラッドとを備え、上記クラッドの端部から励起光を入射し、希土類元素を励振させて高出力のレーザ発振光を出力する光ファイバレーザ用光ファイバにおいて、
上記希土類添加コアが長手方向に沿って複数個のコア領域に分割されており、各コア領域に添加された希土類元素の添加濃度が異なることを特徴とする光ファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項２】
上記複数個のコア領域は、それぞれの添加濃度が長手方向の中央部を中心として対称である請求項１記載の光ファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項３】
上記複数個のコア領域は、長手方向の長さが異なる請求項１または２記載の光ファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項４】
使用時の長手方向の温度分布が１７０℃以下である請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項５】
上記複数個のコア領域は、５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍのいずれかの添加濃度を有する希土類添加コアを組み合わせてなる請求項１または２記載の光ファイバレーザ用光ファイバ。
【請求項６】
請求項１〜５いずれかに記載した光ファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、希土類元素の添加濃度が異なる希土類添加コアをそれぞれ有する複数本の分割ファイバを作製し、各分割ファイバの端末同士を融着接続することを特徴とする光ファイバレーザ用光ファイバの製造方法。
【請求項７】
請求項１〜５いずれかに記載した光ファイバレーザ用光ファイバと、上記光ファイバレーザ用光ファイバの端部に接続された光結合器と、上記光結合器を介してクラッドに励起光を入射させる複数個の光源とを備えたことを特徴とする光ファイバレーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−３２９１０（Ｐ２００９−３２９１０Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９５５７３（Ｐ２００７−１９５５７３）
【出願日】平成１９年７月２７日（２００７．７．２７）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２７日（２００７．７．２７）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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