(57)【要約】【課題】従来のダブルクラッドファイバは、ファイバ長さ方向に対して同一断面形状であるので、レーザ光発生に寄与しないスキュー光が発生した場合、そのスキュー光が低減しないという課題を有していた。【解決手段】レーザ媒質を含み、レーザ光を発生、伝播させるコア１１と、励起光を伝播させるインナークラッド１２と、励起光を閉じ込めるアウタークラッド１３を備えるダブルクラッドファイバにおいて、前記インナークラッド１２の断面形状が、励起光が導入される概ね円形の断面形状を持つ励起領域と、レーザ光を伝播させる概ね円形の発振領域から成り、前記励起領域もしくは前記発振領域のうち少なくともどちらかの領域は断面形状の円周の一部を直線で構成する平坦部を持ち、前記平坦部の長さが前記ダブルクラッドファイバの長さ方向に沿って変化する構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質を含み、レーザ光を発生、伝播させるコアと、励起光を伝播させるインナークラッドと、励起光を閉じ込めるアウタークラッドを備えるダブルクラッドファイバにおいて、前記インナークラッドの断面形状が、励起光が導入される概ね円形の断面形状を持つ励起領域と、レーザ光を伝播させる概ね円形の発振領域から成り、前記励起領域もしくは前記発振領域のうち少なくともどちらかの領域は断面形状の円周の一部を直線で構成する平坦部を持ち、前記平坦部の長さが前記ダブルクラッドファイバの長さ方向に沿って変化するダブルクラッドファイバ。
【請求項２】
レーザ媒質を含み、レーザ光を発生、伝播させるコアと、励起光を伝播させるインナークラッドと、励起光を閉じ込めるアウタークラッドを備えるダブルクラッドファイバにおいて、前記ダブルクラッドファイバ両端における前記インナークラッドの断面形状が、励起光を導入する概ね円形の形状をもつ励起領域と、レーザ光を伝播させる概ね円形の発振領域から成り、前記ダブルクラッドファイバ両端を除く部位での断面形状が、前記励起領域もしくは前記発振領域のうち少なくともどちらかの領域は断面形状の円周の一部を直線で構成する平坦部を持ち、前記平坦部の長さが前記ダブルクラッドファイバの長さ方向に沿って変化するダブルクラッドファイバ。
【請求項３】
１つの励起光入射端面を備え、励起光を入射する端面からの距離の増加に伴って前記平坦部の長さが増加する請求項１または請求項２記載のダブルクラッドファイバ。
【請求項４】
両端に励起光入射端面を備え、端面から長さ方向の中央に向かって前記平坦部の長さが増加する請求項１または請求項２記載のダブルクラッドファイバ。
【請求項５】
レーザ媒質を含み、レーザ光を発生、伝播させるコアと、励起光を伝播させるインナークラッドと、励起光を閉じ込めるアウタークラッドを備えるダブルクラッドファイバにおいて、前記インナークラッドの断面形状が、励起光が導入される概ね円形の断面形状を持つ励起領域と、レーザ光を伝播させる概ね円形の発振領域から成り、前記励起領域もしくは前記発振領域のうち少なくともどちらかの領域は断面形状の円周の一部を一定長さの直線で構成する平坦部を持ち、前記平坦部の位置が前記コアに対して前記ダブルクラッドファイバの長さ方向に沿って連続的に変化するダブルクラッドファイバ。
【請求項６】
レーザ媒質を含み、レーザ光を発生、伝播させるコアと、励起光を伝播させるインナークラッドと、励起光を閉じ込めるアウタークラッドを備えるダブルクラッドファイバにおいて、前記ダブルクラッドファイバ両端における前記インナークラッドの断面形状が、励起光を導入する概ね円形の形状をもつ励起領域と、レーザ光を伝播させる概ね円形の発振領域から成り、前記ダブルクラッドファイバ両端を除く部位での断面形状が前記励起領域もしくは前記発振領域のうち少なくともどちらかの領域は断面形状の円周の一部を一定長さの直線で構成する平坦部を持ち、前記平坦部の位置が前記コアに対して前記ダブルクラッドファイバの長さ方向に沿って連続的に変化するダブルクラッドファイバ。
【請求項７】
請求項１から請求項６の何れかに記載のダブルクラッドファイバと、前記ダブルクラッドファイバの前記インナークラッドの励起領域に接続したファイバと、前記ファイバに接続した半導体レーザと、前記半導体レーザに電力を供給する電源を備えたファイバレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料加工に用いるダブルクラッドファイバ及びファイバレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料加工に用いられるレーザの光源としてファイバレーザが注目されている。なかでも、ダブルクラッドファイバの採用により、従来ではＹＡＧなどの固体レーザでしか実現できなかった高出力レーザ光を要する材料加工分野への普及が見られている。
【０００３】
ファイバレーザの場合、高品質なレーザ光を取り出す観点からコア径の大径化には限界があり、一方、高出力レーザ光を取り出す観点からは、高出力な励起光が必要となるが、高出力な励起光は集光性が悪く、大きな断面積をもつインナークラッドが必要とされている。
【０００４】
従来の高出力ファイバレーザ装置に用いているダブルクラッドファイバは、大きな断面積をもつインナークラッドとして励起光を導入する導波路とレーザ光を発生する導波路を一体として並行に設けているものもある（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、大きな断面積をもつインナークラッドにおいて発生し易いスキュー光（レーザ光発生に寄与しない光）低減のためにインナークラッドの一部に平坦部を設けているものもある（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
図５は従来のダブルクラッドファイバの断面を示しており、その全長に渡って同一断面形状である。このダブルクラッドファイバは、レーザ媒質である希土類が添加され、発生するレーザ光を閉じ込めるコア１０１、励起光を伝播させるインナークラッド１０２、励起光を閉じ込めるアウタークラッド１０３から構成されている。そして、励起光はインナークラッドに注入される。
【０００７】
以上のように構成されたダブルクラッドファイバについて、その動作を説明する。インナークラッドに注入された励起光はインナークラッドを伝播する。伝播中、励起光はコアを横断してレーザ媒質である希土類を励起し、光を生じ、ダブルクラッドファイバに設けられた光共振器によりレーザ光として取り出される。
【特許文献１】特開２００１−１４４３５０号公報（第１図）
【特許文献２】特表平１０−５１０１０４号公報（第３図及び第４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のダブルクラッドファイバは、ファイバ長さ方向に対して同一断面形状であるので、レーザ光発生に寄与しないスキュー光が発生した場合、そのスキュー光が低減しないという課題を有していた。
【０００９】
また、従来のダブルクラッドファイバを搭載したファイバレーザ装置は、そのスキュー光が低減せず、効率よくレーザ光を発生することが出来ないので、効率よくレーザ光を取り出すことができないという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、スキュー光を低減させるダブルクラッドファイバを提供することを第１の目的とし、効率よくレーザ光を取り出すことができるファイバレーザ装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のダブルクラッドファイバは、その両端を除いて、断面を構成する円周の一部に平坦部を設け、その平坦部の長さが、ダブルクラッドファイバの長さ方向に沿って、ダブルクラッドファイバの中央に近づくに従って、増加する形状である。
【００１２】
そして、この構成によりスキュー光を低減することができる。
【００１３】
また、本発明のダブルクラッドファイバを搭載したファイバレーザ装置は、スキュー光が低減しており、効率よくレーザ光を取り出すことが出来る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のダブルクラッドファイバによれば、スキュー光を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施の形態１）
以下、図１及び図２を用いて実施の形態１を説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態１のダブルクラッドファイバの説明図である。図２は、本実施の形態１のファイバレーザ装置の概略構成図である。
【００１７】
図１は構成を示すもので、ダブルクラッドファイバ１０の構成は、レーザ光を伝送するコア１１、励起光を伝送するインナークラッド１２、励起光を閉じ込めるアウタークラッド１３から構成しており、その全長は数十メートルである。
【００１８】
図１には、併せてダブルクラッドファイバ１０の１Ａ点から１Ｅ点における断面図を示している。
【００１９】
図１において、コア１１はレーザ媒質を含み、レーザ光を発生、伝播させるもので、具体的にはレーザ媒質である希土類、望ましくはイッテルビウム、を添加した石英ガラスであり、その断面形状は円形で、直径は１０マイクロメートルである。
【００２０】
インナークラッド１２は励起光を伝播させるもので、具体的には石英ガラスであり、その断面形状は、励起光が導入される概ね円形の断面形状を持つ励起領域と、レーザ光を伝播させる概ね円形の発振領域から成り、励起領域もしくは発振領域のうち少なくともどちらかの領域は断面形状の円周の一部を直線で構成する平坦部を持ち、この平坦部の長さがダブルクラッドファイバ１０の長さ方向に沿って変化している。
【００２１】
ダブルクラッドファイバ１０の端面（１Ａ点、及び、１Ｅ点）における断面形状は、直径４４０マイクロメートルの円形を２つ重ねた達磨形状で、その重なり部分の幅は２０マイクロメートルである。
【００２２】
また、２つ重ねた円のうちの１つの円はその中心付近にコア１１を有する。コア１１を有する円で構成する領域を発振領域とし、コア１１を有しない円で構成する領域を励起領域とする。
【００２３】
１Ａ点からダブルクラッドファイバ１０の長さ方向中央付近（１Ｃ点）に向かって、１Ａ点から所望の距離、望ましくは１メートル以上離れた位置１Ｂ点から１Ｃ点までの間におけるインナークラッド１２の断面形状は、前記励起領域を構成する円周の一部に平坦部を設ける形状であり、加えて、その平坦部の長さは、長さ方向中央付近（１Ｃ点）に近づくにつれて増加している。
【００２４】
同様に、１Ｅ点から１Ｃ点に向かって、１Ｅ点から上述した所望の距離だけ離れた位置１Ｄ点から１Ｃ点までの間におけるインナークラッド１２の励起領域形状は、前記励起領域形状を構成する円周の一部に平坦部を設ける形状であり、加えて、その平坦部の長さは１Ｃ点に近づくにつれて増加している。
【００２５】
インナークラッド１２は、前記発振領域となる円形断面コアと円形断面クラッド構造を持つファイバ構造母材と、前記励起領域になる母材の側面を、母材の長さ方向に沿って、徐々に深く研削した円形断面を持つ石英母材、を一括線引きすることで得られる。
【００２６】
アウタークラッド１３は励起光を閉じ込めるもので、上記線引き後のコーティングで用いるポリマーであり、ダブルクラッドファイバ１０を保護する。屈折率は、コア１１、インナークラッド１２、アウタークラッド１３の順に低くなる構造である。
【００２７】
次に、図２は本実施の形態例のダブルクラッドファイバ１０を用いたファイバレーザ装置の概略構成を示し、励起光を発生するファイバ付き半導体レーザ２１、２６、ファイバ付き半導体レーザを駆動する電源２０、２５、所望の波長の光を帰還する高反射端２８、レーザ出力を取り出す伝送ファイバ２９から構成されている。
【００２８】
図２において、電源２０はファイバ付き半導体レーザ２１に接続しており、ファイバ付き半導体レーザ２１を駆動する。ファイバ付き半導体レーザ２１のファイバは、コア直径４００マイクロメートル、クラッド直径４４０マイクロメートルであり、ダブルクラッドファイバ１０の端面１Ａ点において、そのコアはインナークラッド１２の励起領域に接続している。
【００２９】
同様に、電源２５はファイバ付き半導体レーザ２６に接続しており、ファイバ付き半導体レーザ２６を駆動する。ファイバ付き半導体レーザ２６のファイバは、ダブルクラッドファイバ１０の端面１Ｅ点において、そのコアはインナークラッド１２の励起領域に接続している。
【００３０】
また、ダブルクラッドファイバ１０の端面１Ａ点においては、上記の接続に併せて、コア直径１０マイクロメートル、クラッド直径４００マイクロメートルのファイバ型の高反射端２８が、発振領域のコア１１に接続している。
【００３１】
一方、ダブルクラッドファイバ１０の端面１Ｅ点においては、上記の接続に併せて、コア直径１０マイクロメートル、クラッド直径４００マイクロメートルのファイバ型の伝送用ファイバ２９が、発振領域のコア１１に接続している。
【００３２】
以上のように構成されたダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザ装置について、その動作を説明する。
【００３３】
まず、電源２０により駆動されたファイバ付き半導体レーザ２１は、コア１２に添加したレーザ媒質である希土類を励起する波長の励起光を発生する。
【００３４】
励起光は断面が円形のファイバにより伝送され、１Ａ点のインナークラッド１２の励起領域に注入される。このとき、インナークラッド１２の励起領域の断面形状が、平坦部を持たないので、励起光を効率よくインナークラッド１２の励起領域に注入できる。
【００３５】
注入された励起光は、インナークラッド１２の励起領域と発振領域を伝播する。１Ａ点に注入された励起光はインナークラッド１２の励起領域と発振領域を伝播しながら１Ｂ点に達する。
【００３６】
この間に生じたスキュー光は１Ｂ点から設けたインナークラッド１２の平坦部により、そのダブルクラッドファイバ１０の断面方向の進行方向を変化させられ、一部は励起に寄与する光線となる。加えて、１Ｂ点以降の平坦部は、１Ｃ点に至までその長さを増加する為、励起領域と発振領域の形状、すなわちインナークラッド１２の断面形状が変化する。この変化に伴いスキュー光は１Ｂ点から１Ｃ点間で徐々に減少し、１Ｃ点ではスキュー光は最小となる。
【００３７】
同様に、電源２５により駆動されたファイバ付き半導体レーザ２６は、コア１２に添加したレーザ媒質である希土類を励起する波長の励起光を発生する。励起光はファイバにより伝送され、１Ｅ点のインナークラッド１２の励起領域に注入される。このとき、インナークラッド１２の励起領域の断面形状が平坦部を持たないので、励起光を効率よくインナークラッド１２に注入できる。
【００３８】
注入された励起光は、インナークラッド１２を伝播する。１Ｅ点に注入された励起光はインナークラッド１２を伝播しながら１Ｄ点に達する。
【００３９】
この間に生じたスキュー光は１Ｄ点から設けたインナークラッド１２の平坦部により、そのダブルクラッドファイバ１０の断面方向の進行方向を変化させられ、励起に寄与する光線と、スキュー光に分けられる。加えて、１Ｄ点以降の平坦部は、１Ｃ点に至までその長さを増加する為、励起領域と発振領域の非対称性が変化する。従ってスキュー光は１Ｄ点から１Ｃ点間で徐々に減少して１Ｃ点ではスキュー光は最小となる。
【００４０】
そして、励起により生じた光は、高反射端２８と伝送用ファイバ２９の端面で構成する光共振器内で多重帰還増幅されてレーザ光となり、伝送用ファイバ２９の端面から取り出される。
【００４１】
なお、本実施の形態ではインナークラッド１２の励起領域に平坦部を設けたが、インナークラッド１２の発振領域、もしくは、インナークラッド１２の励起領域と発振領域の両領域に平坦部を設ける構造としても同様の効果が得られる。
【００４２】
以上のように平坦部を設け、その平坦部の長さをダブルクラッドファイバの長さ方向に関して変化させることにより、効率よくレーザ媒質である希土類を励起でき、効率よくレーザ光を取り出すことが出来る。
【００４３】
（実施の形態２）
以下、図３、及び、図４を用いて実施の形態２を説明する。
【００４４】
図３は、本実施の形態２のダブルクラッドファイバの説明図である。図４は、本実施の形態２のファイバレーザ装置の概略構成図である。
【００４５】
図３において、本実施の形態２のダブルクラッドファイバ３０は、レーザ媒質を含み、レーザ光を発生、伝播させるコア３１、励起光を伝播させるインナークラッド３２、励起光を閉じ込めるアウタークラッド３３から構成している。このダブルクラッドファイバ３０は、その全長は数十メートルである。図３には、併せてダブルクラッドファイバ３０の３Ａ点から３Ｅ点における断面図を示している。
【００４６】
図３において、コア３１はレーザ媒質である希土類、望ましくはイッテルビウム、を添加した石英ガラスであり、その断面形状は円形で、直径は１０マイクロメートルである。
【００４７】
インナークラッド３２は石英ガラスであり、励起光が導入される概ね円形の断面形状を持つ励起領域と、レーザ光を伝播させる概ね円形の発振領域から成り、前記励起領域もしくは前記発振領域のうち少なくともどちらかの領域は断面形状の円周の一部を一定長さの直線で構成する平坦部を持ち、前記平坦部の位置が前記コアに対して前記ダブルクラッドファイバの長さ方向に沿って連続的に変化している。
【００４８】
ダブルクラッドファイバ３０の断面形状は、直径４４０マイクロメートルの１つの円形と、円周の一部に平坦部を持つ直径４４０マイクロメートルのもう１つの円形の互いの円周部を重ねた達磨形状である。
【００４９】
その２つの円のうち、平坦部を持たない円の中心付近にコア３１を有しており、２つの円の重なり部分の幅が２０マイクロメートルの形状である。
【００５０】
平坦部を持つ円で構成する領域を励起領域とし、コア３１を有する円で構成する領域を発振領域とする。
【００５１】
前記励起領域を構成する円周の一部に設けた平坦部の長さは一定であるが、その平坦部の位置はダブルクラッドファイバ３０の長さ方向に沿ってコア３１に対して時計回りもしくは反時計回りに連続的に変化している。
【００５２】
インナークラッド３２は、前記発振領域となる円形断面コアと円形断面クラッド構造を持つファイバ構造母材と、前記励起領域になる母材の側面を、円形断面を持つ母材の長さ方向に沿って、一定深さで最初に母材を時計回りに９０度、その後反時計回りに１８０度、時計回りに１８０度、反時計回りに１８０度、時計回りに１８０度と繰り返して母材を回転させながら送る研削を施した石英母材、を一括線引きすることで得られる。
【００５３】
アウタークラッド１３は上記線引き後のコーティングで用いるポリマーであり、ダブルクラッドファイバ３０を保護する。屈折率は、コア３１、インナークラッド３２、アウタークラッド３３の順に低くなる構造である。
【００５４】
図４は、本実施の形態２のダブルクラッドファイバ３０を用いたファイバレーザ装置の概略構成を示し、励起光を発生するファイバ付き半導体レーザ４１、４６、ファイバ付き半導体レーザを駆動する電源４０、４５、所望の波長の光を帰還する高反射端４８、レーザ出力を取り出す伝送ファイバ４９で構成している。
【００５５】
図４において、電源４０はファイバ付き半導体レーザ４１に接続しており、ファイバ付き半導体レーザ４１を駆動する。
【００５６】
ファイバ付き半導体レーザ４１のファイバは、コア直径４００マイクロメートル、クラッド直径４４０マイクロメートルであり、ダブルクラッドファイバ３０の端面３Ａ点において、そのコアはインナークラッド３２の励起領域に接続している。
【００５７】
同様に、電源４５はファイバ付き半導体レーザ４６に接続しており、ファイバ付き半導体レーザ４６を駆動する。ファイバ付き半導体レーザ４６のファイバは、ダブルクラッドファイバ３０の端面３Ｅ点において、そのコアはインナークラッド３２の励起領域に接続している。
【００５８】
また、ダブルクラッドファイバ３０の端面３Ａ点においては、上記の接続に併せて、コア直径１０マイクロメートル、クラッド直径４００マイクロメートルのファイバ型の高反射端４８が、発振領域のコア３１に接続している。
【００５９】
一方、ダブルクラッドファイバ３０の端面３Ｅ点においては、上記の接続に併せて、コア直径１０マイクロメートル、クラッド直径４００マイクロメートルのファイバ型の伝送用ファイバ４９が、発振領域のコア３１に接続している。
【００６０】
以上のように構成されたダブルクラッドファイバについて、その動作を説明する。
【００６１】
まず、電源４０により駆動されたファイバ付き半導体レーザ４１は、コア３２に添加したレーザ媒質である希土類を励起する波長の励起光を発生する。励起光はファイバにより伝送され、３Ａ点においてインナークラッド３２の励起領域に注入される。
【００６２】
注入された励起光は、インナークラッド３２を伝播する。３Ａ点に注入された励起光のうちスキュー光は、インナークラッド３２に設けた、連続的にその位置を変化する平坦部によって徐々に減少して低減し、３Ａ点に注入された全励起光は励起に寄与する。
【００６３】
同様に、電源４５により駆動されたファイバ付き半導体レーザ４６は、コア３２に添加したレーザ媒質である希土類を励起する波長の励起光を発生する。励起光はファイバにより伝送され、３Ｅ点においてインナークラッド３２の励起領域に注入される。
【００６４】
注入された励起光は、インナークラッド３２の励起領域と発振領域を伝播する。３Ｅ点に注入された励起光のうちスキュー光は、インナークラッド３２に設けた、連続的にその位置を変化する平坦部によって進行方向を変化させられ、徐々に減少する。
【００６５】
励起により生じた光は、高反射端４８と伝送用ファイバ４９の端面で構成する光共振器内で多重帰還増幅されてレーザ光となり、伝送用ファイバ４９の端面から取り出される。
【００６６】
なお、本実施の形態ではインナークラッド３２の励起領域に平坦部を設けたが、インナークラッド３２の発振領域、もしくは、インナークラッド３２の励起領域と発振領域の両領域に平坦部を設ける構造としても同様の効果が得られる。
【００６７】
また、本実施の形態では平坦部作製時に母材の回転を時計回り、反時計回りと反転させて形成したが、反転させずに平坦部を製作しても良い。
【００６８】
以上のように一定の長さの平坦部を設け、その平坦部の位置をダブルクラッドファイバの長さ方向に関して変化させることにより、効率よくレーザ媒質である希土類を励起でき、効率よくレーザ光を取り出すことが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明にかかるダブルクラッドファイバ及びファイバレーザ装置は、スキュー光を低減することができるので、材料加工に用いるダブルクラッドファイバ及びファイバレーザ装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの説明図
【図２】本発明の実施の形態１におけるファイバレーザ装置の概略構成図
【図３】本発明の実施の形態２におけるダブルクラッドファイバの説明図
【図４】本発明の実施の形態２におけるファイバレーザ装置の概略構成図
【図５】従来のダブルクラッドファイバの説明図
【符号の説明】
【００７１】
１０    ダブルクラッドファイバ
１１    コア
１２    インナークラッドクラッド
１３    アウタークラッド
２０    電源
２１    ファイバ付き半導体レーザ
２５    電源
２６    ファイバ付き半導体レーザ
２８    高反射端
２９    伝送用ファイバ
３０    ダブルクラッドファイバ
３１    コア
３２    インナークラッドクラッド
３３    アウタークラッド
４０    電源
４１    ファイバ付き半導体レーザ
４５    電源
４６    ファイバ付き半導体レーザ
４８    高反射端
４９    伝送用ファイバ
【図１】
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【図２】
2010212479.tif 000004
【図３】
2010212479.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010212479.tif 000007