(57)【要約】  本発明の増幅用光ファイバ１は、光がマルチモードで伝搬可能であって活性元素が添加されたコア１１と、コア１１を囲いコア１１よりも屈折率が低い内側クラッド１２と、内側クラッド１２を囲い内側クラッド１２よりも屈折率が低い外側クラッド１３と、を備え、内側クラッド１２の外周は、長手方向に垂直な断面において多角形であり、内側クラッド１２は、コア１１の中心軸を中心として回転された恒久的なねじれが付加されていることを特徴とする。
2018003184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性元素が添加され、光がマルチモードで伝搬可能なコアと、
前記コアを囲い前記コアより屈折率が低い内側クラッドと、
前記内側クラッドを囲い前記内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドと、
を備え、
長手方向に垂直な断面において前記内側クラッドの外周は多角形であり、
前記内側クラッドは、前記コアの中心軸を中心とする恒久的なねじれが付加されている
ことを特徴とする増幅用光ファイバ。
【請求項２】
前記ねじれは、長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで３回転以上３０回転未満である
ことを特徴とする請求項１に記載の増幅用光ファイバ。
【請求項３】
前記内側クラッドと前記コアとの比屈折率差が０．０８％以上である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の増幅用光ファイバ。
【請求項４】
前記コアを伝搬するＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１０００／ｍ以上である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
【請求項５】
前記コアを伝搬する光の実効断面積が３００μｍ２以上である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
【請求項６】
ＬＰ０３モードの光の理論カットオフ波長が１．３μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを伝搬する光を出射する少なくとも一つの光源と、
を備える
ことを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モード結合を抑制しつつスキューモードの発生を抑制することができる増幅用光ファイバ、及び、レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。このようなファイバレーザ装置では、希土類元素が添加されたコアを有する希土類添加ファイバが用いられる。また、希土類添加ファイバでは、コアにより多くの励起光を入射させるため、一般的にダブルクラッド構造が適用される。ダブルクラッド構造の希土類添加ファイバは、希土類元素が添加されたコアとコアを囲う内側クラッドと内側クラッドを囲う外側クラッドとを有し、外側クラッドは内側クラッドより屈折率が低い。内側クラッドに入射される励起光は、内側クラッドと外側クラッドとの界面においてコア側に反射されてコアに入射し、コアに添加される希土類元素を励起する。【０００３】
しかし、上記のようなダブルクラッド構造の希土類添加ファイバにおいて、内側クラッドの断面形状が円形である場合、励起光が内側クラッドと外側クラッドとの界面において一定の角度で反射し続け、励起光がコアに入射せずに内側クラッドを伝搬する場合がある。このように、コアを通過せずにクラッドを伝搬する光をスキュー光という。スキュー光が生じると、コアに入射する励起光が少なくなるため、コアに添加される希土類元素が励起され難くなる。【０００４】
スキューモードの発生を抑制するための技術として、例えば、下記特許文献１には、断面形状が多角形のクラッドを有する光ファイバが中心軸を中心としてねじって固定される技術が開示されている。多角形のクラッドがこのようにねじって固定されることによって、クラッドを伝搬する励起光は、クラッドの外周面において反射角を変えながら反射を繰り返し、コアに入射し易くなると考えられる。【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３３４６号公報
【発明の概要】
【０００６】
近年、ファイバレーザ装置は高出力化が求められている。しかし、光ファイバを伝搬する光のパワーが強くなると、光ファイバ内で誘導ラマン散乱等の非線形光学効果が起こり易くなる。このような非線形光学効果の発生閾値を高められるものとして、Ｌａｒｇｅ  Ｍｏｄｅ  Ａｒｅａ（ＬＭＡ）ファイバがある。しかし、ＬＭＡファイバでは、光がマルチモードでコアを伝搬するため、モード結合によってビーム品質が悪化する場合がある。
【０００７】
しかし、光がマルチモードでコアを伝搬することやモード結合が生じることについて、上記特許文献１に開示されている光ファイバでは検討されていない。例えば、特許文献１に開示されているように光ファイバがねじって固定されると、光ファイバがねじられる際に生じる弾性応力によって光弾性効果が生じる。その結果、コアの屈折率が不均一に変動し、コアを伝搬する光のモード結合が生じる易くなると考えられる。
【０００８】
そこで本発明は、モード結合を抑制しつつスキューモードの発生を抑制することができる増幅用光ファイバ、及び、レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の増幅用光ファイバは、活性元素が添加され、光がマルチモードで伝搬可能なコアと、前記コアを囲い前記コアより屈折率が低い内側クラッドと、前記内側クラッドを囲い前記内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドと、を備え、長手方向に垂直な断面において前記内側クラッドの外周は多角形であり、前記内側クラッドは、前記コアの中心軸を中心とする恒久的なねじれが付加されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のレーザ装置は、上記増幅用光ファイバと、前記光ファイバを伝搬する光を出射する少なくとも一つの光源と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記増幅用光ファイバでは、光がマルチモードでコアを伝搬可能であり、コアの直径を大きくすることができる。これにより、上記増幅用光ファイバは、高出力のレーザ装置に適用される場合であっても、誘導ラマン散乱等の非線形光学効果が起こることを抑制することができる。また、内側クラッドは内側クラッドより屈折率が高いコアと内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドとに挟まれており、内側クラッドに入射される励起光をコアに入射させることができる。さらに、長手方向に垂直な断面において外周が多角形の内側クラッドにねじれが付加されていることによって、内側クラッドを伝搬する励起光は、内側クラッドと外側クラッドとの界面において反射角を変えながら反射を繰りし易くなる。このため、内側クラッドに入射される励起光がコアに入射し易くなる。すなわち、スキューモードの発生が抑制される。従って、上記増幅用光ファイバは、コアに添加される活性元素を励起させ易く、コアを伝搬する光を増幅させ易い。また、内側クラッドに付加されるねじれは恒久的であるため、ねじれに起因する弾性応力によってコアの屈折率が不均一に変動することが抑制される。このため、コアを伝搬する光のモード結合が抑制される。このように、上記増幅用光ファイバは、モード結合を抑制しつつスキューモードの発生を抑制することができる。
【００１２】
また、前記ねじれは、長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで３回転以上３０回転未満であることが好ましい。
【００１３】
内側クラッドに付加される恒久的なねじれが長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで３回転以上とされることによって、内側クラッドに入射される励起光がスキューモードとなることがより抑制され易くなる。また、内側クラッドに付加される恒久的なねじれが長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで３０回転未満とされることによって、増幅用光ファイバの製造時に紡糸速度の低下を抑制することができ、内側クラッドが恒久的なねじれを有する増幅用光ファイバを製造し易くなる。また、紡糸速度の低下が抑制されることによって、光ファイバ用母材が加熱炉内に留まる時間が長くなることを抑制することができるので、コアに添加されるイッテルビウム（Ｙｂ）等の活性元素が結晶化することを抑制することができる。従って、増幅用光ファイバの伝送損失の増大を抑制することができる。
【００１４】
また、前記内側クラッドと前記コアとの比屈折率差が０．０８％以上であることが好ましい。
【００１５】
内側クラッドとコアとの比屈折率差が０．０８％以上とされることによって、コアに光を閉じ込め易くなり、コアを伝搬する光の実効断面積を小さくできるので、コアを伝搬する光のモード結合を抑制し易くなる。
【００１６】
また、前記コアを伝搬するＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１０００／ｍ以上であることが好ましい。
【００１７】
レーザ装置から出射される理想的なレーザ光は、基本モードであるＬＰ０１モード光の割合が高いガウシアンビームである。コアを伝搬するＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１０００／ｍ以上とされることによって、わずかな曲げ等の影響でコアを伝搬するＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光へとモード結合することが抑制される。従って、レーザ装置から出射されるレーザ光のうちＬＰ０１モード光の割合を高め易くなる。
【００１８】
また、前記コアを伝搬する光の実効断面積が３００μｍ２以上であることが好ましい。
【００１９】
コアを伝搬する光の実効断面積が３００μｍ２以上とされることによって、上記増幅用光ファイバが高出力のレーザ装置に適用される場合であっても、誘導ラマン散乱等の非線形光学効果の発生が抑制され易くなる。
【００２０】
また、上記増幅用光ファイバは、ＬＰ０３モードの光の理論カットオフ波長が１．３μｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
モード結合は、光が光ファイバを伝搬している間だけでなく、光ファイバ同士の接続点でも生じる場合がある。接続される光ファイバ同士の軸が一致していれば、基本モードであるＬＰ０１モードの光からＬＰ１１モードやＬＰ２１モード等の非軸対称な強度分布を持つモードの光へのモード結合は生じ難い。しかし、ＬＰ０１モードの光からＬＰ０２モードやＬＰ０３モード等の軸対称な強度分布を持つモードの光へのモード結合は、非軸対称な強度分布を持つモードの光へのモード結合に比べて生じ易い。ここで、ＬＰ０３モードの光の理論カットオフ波長が１．３μｍ以下とされることによって、少なくともＬＰ０３モードの光は光ファイバを伝搬中にカットオフされ易くなる。従って、光ファイバから出射されるレーザ光のビーム品質がモード結合によって悪化することを抑制することができる。
【００２２】
以上のように本発明によれば、モード結合を抑制しつつスキューモードの発生を抑制できる増幅用光ファイバ、及び、レーザ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるレーザ装置を示す概略図である。
【図２】図１に示す増幅用光ファイバの長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態にかかるレーザ装置を示す概略図である。
【図４】増幅用光ファイバの長さと増幅用光ファイバで吸収された光の量との関係を示すグラフである。
【図５】内側クラッドの単位長さ当たりのねじれ数とスキュー抑制指数との関係を示すグラフである。
【図６】内側クラッドの単位長さ当たりのねじれ数とレーザ光のＭ２悪化量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る増幅用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。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１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、本実施形態のレーザ装置１は、増幅用光ファイバ１０と、励起光源２０と、光コンバイナ４０と、増幅用光ファイバ１０の一方側に接続される光ファイバ３５と、光ファイバ３５に設けられる第１ＦＢＧ３１と、増幅用光ファイバ１０の他方側に接続される光ファイバ３６と、光ファイバ３６に設けられる第２ＦＢＧ３２とを主な構成として備え、増幅用光ファイバ１０と第１ＦＢＧ３１と第２ＦＢＧ３２とで共振器を構成している。
【００２６】
励起光源２０は、複数のレーザダイオード２１から構成され、レーザダイオード２１は、本実施形態においては、例えば、ＧａＡｓ系半導体を材料としたファブリペロー型半導体レーザであり中心波長が９１５ｎｍの励起光を出射する。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播する。
【００２７】
図２は、図１に示す増幅用光ファイバ１０の長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。図２に示すように増幅用光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の外周面を隙間なく囲む内側クラッド１２と、内側クラッド１２の外周面を被覆する外側クラッド１３と、外側クラッド１３を被覆する被覆層１４とを主な構成として備え、いわゆるダブルクラッド構造とされている。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。
【００２８】
コア１１を構成する材料としては、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム（Ｇｅ）等の元素、及び、励起光源２０から出射される励起光により励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）等の活性元素が添加された石英が挙げられる。このような活性元素としては、希土類元素が挙げられ、希土類元素としては、上記Ｙｂ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）等が挙げられる。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。
【００２９】
内側クラッド１２は、長手方向に垂直な断面において外周が七角形である。また、内側クラッド１２は、コア１１の中心軸を中心とする恒久的なねじれが付加されている。すなわち、内側クラッド１２にはコア１１の中心軸を中心とするねじれが付加されており、このねじれは、何ら外力が加えられていない状態でも維持される。このような恒久的なねじれは、後に実施例において説明するように、増幅用光ファイバ１０を線引きする際に付加される。このような内側クラッド１２を構成する材料としては、例えば、何らドーパントが添加されていない純粋石英を挙げることができる。なお、内側クラッド１２の材料には、屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等の元素が添加されてもよい。
【００３０】
外側クラッド１３は、樹脂または石英から成り、樹脂としては例えば紫外線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屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等のドーパントが添加された石英が挙げられる。
【００３１】
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紫外線硬化樹脂とされる。
【００３２】
また、増幅用光ファイバ１０はマルチモードファイバであり、コア１１には光がマルチモードで伝搬可能である。コア１１には、基本モードであるＬＰ０１モードの光の他に２次ＬＰモード以上の高次モードの光が伝搬し、例えば６つのＬＰモードの光が伝搬する。
【００３３】
増幅用光ファイバ１０の一方側に接続される光ファイバ３５は、活性元素が添加されていないコアと、このコアの外周面を隙間なく囲む内側クラッドと、この内側クラッドの外周面を被覆する外側クラッドと、外側クラッドを被覆する被覆層とを主な構成として備える。光ファイバ３５のコアは、活性元素が添加されていないことを除いて増幅用光ファイバ１０のコア１１と略同様の構成とされる。光ファイバ３５のコアは増幅用光ファイバ１０のコア１１と接続され、光ファイバ３５の内側クラッドは増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２と接続されている。また、光ファイバ３５のコアには、第１ミラーとしての第１ＦＢＧ３１が設けられている。こうして第１ＦＢＧ３１は、増幅用光ファイバ１０の一方側に設けられている。第１ＦＢＧ３１は、光ファイバ３５の長手方向に沿って周期的に屈折率が高くなる部分が繰り返されており、この周期が調整されることにより、励起状態とされた増幅用光ファイバ１０の活性元素が放出する光うち少なくとも一部の波長の光を反射するように構成されている。第１ＦＢＧ３１の反射率は、後述の第２ＦＢＧ３２の反射率よりも高く、活性元素が放出する光うち所望の波長の光を９０％以上で反射することが好ましく、９９％以上で反射することがより好ましい。また第１ＦＢＧ３１が反射する光の波長は、上述のように活性元素がイッテルビウムである場合、例えば１０９０ｎｍとされる。
【００３４】
増幅用光ファイバ１０の他方側に接続される光ファイバ３６は、活性元素が添加されていないコアと、このコアの外周面を隙間なく囲むクラッドと、このクラッドの外周面を被覆する被覆層とを主な構成として備える。光ファイバ３６のコアは増幅用光ファイバ１０のコア１１と接続され、光ファイバ３６のクラッドは増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２と接続されている。また、光ファイバ３６のコアには、第２ミラーとしての第２ＦＢＧ３２が設けられている。こうして第２ＦＢＧ３２は、増幅用光ファイバ１０の他方側に設けられている。第２ＦＢＧ３２は、光ファイバ３６の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、第１ＦＢＧ３１が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を第１ＦＢＧ３１よりも低い反射率で反射するように構成される。第２ＦＢＧ３２は、第１ＦＢＧ３１が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を５％〜５０％の反射率で反射することが好ましく、５％〜１０％の反射率で反射することがより好ましい。また、本実施形態では光ファイバ３６の増幅用光ファイバ１０側と反対側の他端には特に何も接続されていないが、ガラスロッド等が接続されても良い。
【００３５】
光コンバイナ４０では、それぞれの光ファイバ２５のコアと光ファイバ３５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から出射する励起光が伝播する光ファイバ２５と増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２とは、光ファイバ３５の内側クラッドを介して光学的に結合されている。
【００３６】
次に、本実施形態におけるレーザ装置１の動作及び作用について説明する。
【００３７】
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と、この励起光が光ファイバ３５の内側クラッドを介して、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射する。内側クラッド１２に入射した励起光は主に内側クラッド１２を伝播して、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、特定の波長の自然放出光を放出する。このときの自然放出光は、例えば活性元素がイッテルビウムである場合、１０９０ｎｍの波長を含み一定の波長帯域を有する光である。この自然放出光は、増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝播して、一部の波長の光が第１ＦＢＧ３１により反射され、反射された光のうち第２ＦＢＧ３２が反射する波長の光が第２ＦＢＧ３２で反射されて、共振器内を往復する。そして、第１ＦＢＧ３１及び第２ＦＢＧ３２で反射される光が増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝播するときに、誘導放出が生じてこの光が増幅され、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る。そして、第１ＦＢＧ３１と第２ＦＢＧ３２との間を共振する光のうち一部の光が第２ＦＢＧ３２を透過して、光ファイバ３６の端部から出射する。
【００３８】
ところで、増幅用光ファイバ１０では、上記のように光がマルチモードでコア１１を伝搬可能であり、コア１１の直径を大きくすることができる。これにより、増幅用光ファイバ１０は、高出力のレーザ装置１に適用される場合であっても、誘導ラマン散乱等の非線形光学効果が起こることを抑制することができる。また、コア１１の中心軸を中心とするねじれが内側クラッド１２に付加されていることによって、内側クラッド１２を伝搬する励起光は、内側クラッド１２と外側クラッド１３との界面において反射角を変えながら反射を繰りし易くなる。すなわち、スキューモードの発生が抑制される。従って、増幅用光ファイバ１０では、励起光がコア１１に入射し易く、コア１１に添加される活性元素が励起され易いので、コア１１を伝搬する光が増幅され易い。また、内側クラッド１２に付加されるねじれは恒久的であるため、ねじれに起因する弾性応力によってコア１１の屈折率が不均一に変動することが抑制される。このため、コア１１を伝搬する光のモード結合が抑制される。このように、増幅用光ファイバ１０は、モード結合を抑制しつつスキューモードの発生を抑制することができる。
【００３９】
内側クラッド１２に付加される恒久的なねじれは、長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで３回転以上３０回転未満であることが好ましい。内側クラッド１２に付加される恒久的なねじれが長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで３回転以上とされることによって、内側クラッド１２に入射される励起光がスキューモードとなることがより抑制され易くなる。また、内側クラッド１２に付加される恒久的なねじれが長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで３０回転未満とされることによって、増幅用光ファイバ１０の製造時に紡糸速度の低下を抑制することができ、内側クラッド１２が恒久的なねじれを有する増幅用光ファイバ１０を製造し易くなる。また、紡糸速度の低下が抑制されることによって、光ファイバ用母材が加熱炉内に留まる時間が長くなることを抑制することができるので、コア１１に添加されるイッテルビウム（Ｙｂ）等の活性元素が結晶化することを抑制することができる。従って、増幅用光ファイバ１０の伝送損失の増大を抑制することができる。
【００４０】
また、内側クラッド１２とコア１１との比屈折率差は、０．０８％以上であることが好ましい。内側クラッド１２とコア１１との比屈折率差が０．０８％以上とされることによって、コア１１に光を閉じ込め易くなり、コア１１を伝搬する光の実効断面積を小さくできるので、コア１１を伝搬する光のモード結合を抑制し易くなる。
【００４１】
また、コア１１を伝搬するＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差は、１０００／ｍ以上であることが好ましい。レーザ装置１から出射される理想的なレーザ光は、基本モードであるＬＰ０１モード光の割合が高いガウシアンビームである。コア１１を伝搬するＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１０００／ｍ以上とされることによって、わずかな曲げ等の影響でコア１１を伝搬するＬＰ０１モードの光がＬＰ１１モードの光へとモード結合することが抑制される。従って、レーザ装置１から出射されるレーザ光のうちＬＰ０１モード光の割合を高め易くなる。
【００４２】
また、コア１１を伝搬する光の実効断面積は、３００μｍ２以上であることが好ましい。コア１１を伝搬する光の実効断面積が３００μｍ２以上とされることによって、増幅用光ファイバ１０が高出力のレーザ装置１に適用される場合であっても、誘導ラマン散乱等の非線形光学効果の発生が抑制され易くなる。
【００４３】
また、増幅用光ファイバ１０は、ＬＰ０３モードの光の理論カットオフ波長が１．３μｍ以下であることが好ましい。モード結合は、光が光ファイバを伝搬している間だけでなく、光ファイバ同士の接続点でも生じる場合がある。接続される光ファイバ同士の軸が一致していれば、基本モードであるＬＰ０１モードの光からＬＰ１１モードやＬＰ２１モード等の非軸対称な強度分布を持つモードの光へのモード結合は生じ難い。しかし、ＬＰ０１モードの光からＬＰ０２モードやＬＰ０３モード等の軸対称な強度分布を持つモードの光へのモード結合は、非軸対称な強度分布を持つモードの光へのモード結合に比べて生じ易い。ここで、ＬＰ０３モードの光の理論カットオフ波長が１．３μｍ以下とされることによって、少なくともＬＰ０３モードの光は光ファイバを伝搬中にカットオフされ易くなる。従って、増幅用光ファイバ１０から出射されるレーザ光のビーム品質がモード結合によって悪化することを抑制することができる。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略することがある。
【００４５】
図３は、本実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図３に示すように、本実施形態のレーザ装置２は、ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型のファイバレーザ装置とされる点において第１実施形態のレーザ装置１と異なる。従って、本実施形態のレーザ装置２は、種光源７０及び種光源７０に接続される光ファイバ３０を備える。
【００４６】
種光源７０は、例えば、レーザダイオードやファイバレーザ等からなる。光ファイバ３０は、活性元素が添加されていないコアと、このコアの外周面を隙間なく囲むクラッドと、このクラッドの外周面を被覆する被覆層とを主な構成として備える。種光源７０から出射する種光は、光ファイバ３０のコアを伝搬する。
【００４７】
本実施形態では、光コンバイナ５０において、それぞれの光ファイバ２５が光ファイバ３０と共に増幅用光ファイバ１０の一端に接続されている。具体的には、増幅用光ファイバ１０のコア１１に光ファイバ３０のコアが光学的に結合するように、増幅用光ファイバ１０のコア１１と光ファイバ３０のコアとが接続されている。従って、種光源７０から出射する種光は光ファイバ３０のコアを介して増幅用光ファイバ１０のコア１１に入射してコア１１を伝搬する。また、それぞれの光ファイバ２５のコアが増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２と光学的に結合するように、それぞれの光ファイバ２５のコアと増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２とが接続されている。従って、励起光源２０の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を介して増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して、主に内側クラッド１２を伝搬し、コア１１に添加されている活性元素を励起する。このため、コア１１を伝搬する種光は、励起状態とされた活性元素の誘導放出により増幅されて、増幅された種光が増幅用光ファイバ１０から出力光として出射する。増幅用光ファイバ１０から出射する光は第１実施形態と同様にして光ファイバ３６を介して出射する。
【００４８】
本実施形態においても、増幅用光ファイバ１０が用いられることによって、モード結合を抑制しつつスキューモードの発生を抑制することができる。
【００４９】
以上、本発明について、実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、長手方向に垂直な断面において内側クラッド１２の外周が七角形である例を示して説明した。しかし、長手方向に垂直な断面において内側クラッド１２の外周は、多角形であれば特に限定されず、六角形や八角形等であっても良い。
【実施例】
【００５０】
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。【００５１】
＜実施例１＞
上記増幅用光ファイバ１０と同様の光ファイバを以下の方法で作製した。まず、増幅用光ファイバ１０を構成するコア１１及び内側クラッド１２と同じ屈折率分布を持つガラスで構成される光ファイバ用母材を準備した。すなわち、コア１１となる円柱状の材料の外周面を内側クラッド１２となる七角柱状の材料によって隙間なく囲われる光ファイバ用母材を準備した。次に、長手方向が垂直となるようにこの光ファイバ用母材を懸架した。そして、光ファイバ用母材を線引炉に配置し、光ファイバ用母材の下端部を加熱した。次に、加熱された光ファイバ用母材の下端部から溶融したガラスを所定の線引速度で線引炉から引き出して冷却した。このとき、中心軸を中心として光ファイバ用母材を回転させながら線引きすることによって、長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで１回転するように内側クラッド１２に恒久的なねじれを付加した。その後、紫外線硬化樹脂等からなる外側クラッド１３及び被覆層１４で内側クラッド１２の外周面を被覆することによって、実施例１に係る増幅用光ファイバを作製した。【００５２】
なお、実施例１に係る光ファイバのパラメータは、下記表１に示すように、コアと内側クラッドとの比屈折率差（コアΔ）は０．１２％であり、コアを伝搬するＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差（Δβ）は２２００／ｍであり、コアを伝搬する光の実効断面積（Ａｅｆｆ）は３５０μｍ２であり、ＬＰ０３モードの光の理論カットオフ波長（λｃｔ（ＬＰ０３））は０．８７μｍであった。【００５３】
＜実施例２＞
線引きする際に光ファイバ用母材の回転速度を変え、長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで３．３回転となるように内側クラッド１２に恒久的なねじれを付加したこと以外は、実施例１と同様にして増幅用光ファイバを作製した。【００５４】
＜実施例３＞
線引きする際に光ファイバ用母材の回転速度を変え、長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで５回転となるように内側クラッド１２に恒久的なねじれを付加したこと以外は、実施例１と同様にして増幅用光ファイバを作製した。【００５５】
＜実施例４〜１６＞
実施例４〜１６では、下記表１に示すように各パラメータを変更して増幅用光ファイバを作製した。また、線引きする際に光ファイバ用母材の回転速度を変え、長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで７．５回転となるように内側クラッド１２に恒久的なねじれを付加した。これらの条件以外は実施例１と同様にして、実施例４〜１６に係る増幅用光ファイバを作製した。【００５６】
＜比較例１＞
線引きする際に光ファイバ用母材を回転させなかったこと以外は実施例１と同様にして増幅用光ファイバを作製した。【００５７】
2018003184.tif 000003
【００５８】
（スキューモード抑制効果の評価）
実施例１から１６及び比較例１に係る増幅用光ファイバについて、以下に説明する方法でスキューモードの抑制効果を評価した。【００５９】
スキューモード抑制効果は、以下のようにスキュー抑制指数γを定義することによって行った。スキュー抑制指数γは、下記式（１）で定義した。
γ＝αＬ／αＳ  ・・・（１）【００６０】
ここで、αＬ及びαＳは以下のように求めた。まず、増幅用光ファイバを内径が１３０ｍｍとなる渦状に巻いた。以下、このように渦状に巻かれた光ファイバをファイバコイルという。このように増幅用光ファイバを渦状に巻くことによって、マイクロベントが発生し難くなり、マイクロベントによるスキューモードの抑制効果は生じ難くなる。従って、以下の方法によって評価されたスキューモードの抑制効果には、マイクロベントによる影響はほとんどなかったと考えられる。【００６１】
次に、ファイバコイルのうち内周側の端に波長９１５ｎｍの光を入射し、ファイバコイルのうち外周側の端から出射される光をパワーメータによって測定した。ファイバコイルに入射する光のパワーを事前に測定しておくことによって、ファイバコイルに入射する光のパワーとファイバコイルのうち外周側の端から出射される光のパワーとの差から、ファイバコイルにおける光の損失、すなわち増幅用光ファイバで吸収された光の量を求めることができる。【００６２】
次に、ファイバコイルを外周側の端から切断して短くしていき、増幅用光ファイバの長さを変えて、上記と同様の方法によって増幅用光ファイバで吸収された光の量を求めた。これにより、増幅用光ファイバの長さに応じた光の吸収量を求めることができる。実施例１から３及び比較例１に係る増幅用光ファイバについて上記のように光の吸収量を求めた結果を図４に示す。図４は、増幅用光ファイバの長さと増幅用光ファイバで吸収された光の量との関係を示すグラフである。各光ファイバについて、図４に示すプロットを通る２次関数の近似曲線として下記式（２）を求めた。
ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ  ・・・（２）【００６３】
ここで、増幅用光ファイバでの光の吸収量は少なくとも２１ｄＢ程度であることが好ましいと考えられることから、ｙ＝２１とするときのｘの値をＬとし、αＬを下記式（３）のように定義した。
αＬ＝２１／Ｌ  ・・・（３）【００６４】
一方、αｓは、スキューモードが発生していない場合における増幅用光ファイバで吸収される光の量とした。すなわち、αｓは、増幅用光ファイバが短い場合の単位長さ当たりの光の吸収量とすることができ、下記式（４）で表すことができる。
2018003184.tif 000004
【００６５】
上記のように定義されるγ，αＬ，αＳによって各増幅用光ファイバについてスキューモード抑制効果の評価を行った。スキュー抑制指数γが大きい程、スキューモードの発生を抑制できていると言える。【００６６】
下記表２は、実施例１から１６及び比較例１に係る増幅用光ファイバの単位長さ当たりのねじれ数Ｎとγ，αＬ，αＳとを示す。また、ねじれ数Ｎとスキュー抑制指数γとの関係を図５に示す。図５において、横軸は長手方向に平行な単位長さ当たりのねじれ数Ｎであり、縦軸はスキュー抑制指数γである。表２及び図５からわかるように、ねじれ数Ｎが大きくなるに従って、スキュー抑制指数γが大きくなる。ただし、ねじれ数Ｎが３以上となると、スキュー抑制指数γはあまり大きくならないことがわかる。ねじれ数Ｎが７．５である実施例４から１６は、スキュー抑制指数γがほぼ１となっており、スキューモードが十分に抑制されていることがわかる。【００６７】
2018003184.tif 000005
【００６８】
なお、図４からも以下のことを確認できる。単位長さ当たりのねじれ数Ｎが大きいほど増幅用光ファイバの長さに対して増幅用光ファイバにおける光の吸収量が線形に近い形で変化しており、増幅用光ファイバが長くなると、ねじれ数Ｎが大きいほど増幅用光ファイバにおける光の吸収量が多い。これは、ねじれ数Ｎが大きいほどスキューモードの発生を抑制できているためと考えられる。【００６９】
（モード結合抑制効果の評価）
実施例３から１６及び比較例１に係る増幅用光ファイバについて、以下に説明する方法でモード結合の抑制効果を評価した。【００７０】
モード結合抑制効果の評価には、Ｍ２（エムスクエア）を用いた。Ｍ２は、ビームウエスト径と広がり角度を用いて定義される量であり、必ず１以上の値となる。また、Ｍ２が小さいレーザ光は基本モードの割合が高く、理想的なガウシアンビームではＭ２が１となる。【００７１】
光源に接続された光ファイバの光源とは反対側の先端に、長さ３ｍに切断された実施例３から１６及び比較例１に係る増幅用光ファイバをそれぞれ接続し、Ｍ２を測定した。光源に接続された光ファイバのＭ２を事前に測定しておき、実施例３から１６及び比較例１に係る増幅用光ファイバを接続した場合におけるＭ２との差分をＭ２悪化量とした。Ｍ２悪化量が小さい程、モード結合が抑制されていると言える。また、比較例１に係る増幅用光ファイバに全長（３ｍ）にわたって１５回転のねじれを与え、上記と同様に評価した。すなわち、比較例１に係る増幅用光ファイバに、実施例３に係る増幅用光ファイバと同じ回転数（５回転／ｍ）で弾性的なねじれを与えて評価した。これらの評価結果を下記表３及び図６に示した。図６は、横軸が単位長さ当たりのねじれ数Ｎであり、縦軸がＭ２悪化量である。【００７２】
2018003184.tif 000006
【００７３】
表３及び図６からわかるように、恒久的なねじれが付加された実施例３から１６に係る増幅用光ファイバは、ねじれが付加されてない比較例１に係る増幅用光ファイバと比べて、Ｍ２悪化量に差がほとんどない。一方、恒久的なねじれが付加された実施例３から１６に係る増幅用光ファイバと弾性的なねじれが与えられた比較例１に係る増幅用光ファイバとを比較すると、実施例３から１６に係る増幅用光ファイバはＭ２悪化量が明らかに小さい。従って、弾性的なねじれが付加された場合にはモード結合を生じ、実施例３から１６に係る増幅用光ファイバのように恒久的なねじれが付加された場合にはモード結合はほとんど生じていないと考えられる。なお、実施例３に係る増幅用光ファイバのＭ２悪化量が０．０２程度となっているのは、光ファイバの接続点で発生するモード結合の影響であると考えらえる。【００７４】
以上のように、恒久的なねじれが付加された断面が多角形の内側クラッドを有する増幅用光ファイバによれば、モード結合を抑制しつつスキューモードの発生を抑制できることがわかる。【００７５】
以上説明したように、本発明によれば、モード結合を抑制しつつスキューモードの発生を抑制できる増幅用光ファイバが提供され、加工機や医療用レーザ装置等の分野で利用することが期待される。
【符号の説明】
【００７６】
１，２・・・レーザ装置
１０・・・増幅用光ファイバ
１１・・・コア
１２・・・内側クラッド
１３・・・外側クラッド
１４・・・被覆層
２０・・・励起光源
２１・・・レーザダイオード
３１・・・第１ＦＢＧ
３２・・・第２ＦＢＧ
４０，５０・・・光コンバイナ
７０・・・種光源
【図１】
2018003184.tif 000007
【図２】
2018003184.tif 000008
【図３】
2018003184.tif 000009
【図４】
2018003184.tif 000010
【図５】
2018003184.tif 000011
【図６】
2018003184.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月21日(2017.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性元素が添加され、光がマルチモードで伝搬可能なコアと、
前記コアを囲い前記コアより屈折率が低い内側クラッドと、
前記内側クラッドを囲い前記内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドと、
を備え、
長手方向に垂直な断面において前記内側クラッドの外周は多角形であり、
前記内側クラッドは、前記コアの中心軸を中心とする恒久的なねじれが付加され、
前記コアを伝搬するＬＰ０１モードの光の伝搬定数とＬＰ１１モードの光の伝搬定数との差が１０００／ｍ以上である
ことを特徴とする増幅用光ファイバ。
【請求項２】
前記ねじれは、長手方向に平行な方向の長さ１ｍ当たりで３回転以上３０回転未満である
ことを特徴とする請求項１に記載の増幅用光ファイバ。
【請求項３】
前記内側クラッドと前記コアとの比屈折率差が０．０８％以上である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の増幅用光ファイバ。
【請求項４】
前記コアを伝搬する光の実効断面積が３００μｍ２以上である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
【請求項５】
ＬＰ０３モードの光の理論カットオフ波長が１．３μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを伝搬する光を出射する少なくとも一つの光源と、
を備える
ことを特徴とするレーザ装置。
【国際調査報告】
2018003184.tif 000013
2018003184.tif 000014
2018003184.tif 000015
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