(57)【要約】【課題】単結晶ファイバの端面の外周形状から所定の結晶方位を決定し、励起光の偏波方向と所定の結晶方位とが一致した単結晶ファイバを有する光学機器の製造方法を提供すること。【解決手段】単結晶ファイバの端面を顕微鏡により撮影し（Ｓ２０１）、４個の楕円弧それぞれについて最大曲率を測定し（Ｓ２０２）、対向する２個の楕円弧で構成される楕円弧対２組について、対を構成する２個の楕円弧の最大曲率半径の平均値を算出する（Ｓ２０３）。単結晶ファイバの端面の外周形状に外接する最小面積の長方形の辺に直交する２軸のうち、対向する２個の楕円弧の最大曲率半径の平均値が大きい楕円弧と接する辺に直交する軸方向を単結晶ファイバの結晶方位［００１］と決定する（Ｓ２０４）。結晶方位［００１］とレーザ発振器の共振器内で励起光及び発振光の偏波方向に設計されている方向とが一致するよう単結晶ファイバを固定する（Ｓ２０５）。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガーネット構造を持ち、軸方向が［００１］方位に垂直であり、かつ［１００］と等価な方位にない単結晶ファイバの端面を撮影するステップと、
前記単結晶ファイバの前記端面の外周形状に外接する最小面積の長方形を画定するステップと、
前記長方形の各辺と接する４つの楕円弧の最大曲率半径を算出するステップと、
前記４つの楕円弧のうち対向する２つの楕円弧の最大曲率半径の平均を算出するステップと、
前記最大曲率半径の平均が大きい前記対向する２つの楕円弧が接する前記長方形の辺に垂直な方向を前記単結晶ファイバの［００１］方位と決定するステップと、
光学機器内において、前記単結晶ファイバの［００１］方位が前記光学機器の偏波方向と一致するように前記単結晶ファイバを固定するステップと、
を有することを特徴する光学機器の製造方法。
【請求項２】
前記単結晶ファイバの軸方向は、前記単結晶ファイバの［１００］方位から［０１０］方位へ１０°以上２５°以下の角度を有することを特徴とする請求項１に記載の光学機器の製造方法。
【請求項３】
前記光学機器は、レーザ発振器または光増幅器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学機器の製造方法。
【請求項４】
前記単結晶ファイバが、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（Ｌｕ3Ａｌ5Ｏ12）、もしくは主要構成元素としてイットリウム、ルテチウム、ガドリニウム、スカンジウム、ホルミウム、エルビウム、イッテルビウム、アルミニウム、ガリウムのうち２種以上を含むガーネットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学機器の製造方法。
【請求項５】
前記単結晶ファイバが添加元素として、クロム、カルシウム、マグネシウム、イッテルビウム、ネオジム、エルビウム、ホルミウム、ツリウム、プラセオジム、セリウムのうち、１種または複数種を含むガーネットであることを特徴とする請求項４に記載の光学機器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光吸収もしくは発光を担うイオンが添加されたガーネット構造を持つ単結晶ファイバを有するレーザ発振器、光増幅器などの単結晶ファイバを有する光学機器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガーネット構造を持つ単結晶ファイバを有する光学機器の作製に於いては、高い光学品質を持つ単結晶ファイバを使用することが重要である。また、所望の光吸収及び発光特性を得るために、ファイバの軸方向が結晶方位［００１］に垂直であることも重要である。レーザ加熱ペデスタル成長法（ＬＨＰＧ法）を用いたファイバ作製に於いて、軸方向が結晶方位［００１］に垂直でありかつ［１００］から［０１０］方位へ１０°以上かつ２５°以下の角度にある場合、歪を持たない高品質結晶が作製できることが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
図１に、ガーネット構造を持つ単結晶ファイバの端面の外周形状を示す。このような単結晶ファイバの軸方向からみた端面の外周形状１１は、４個の外向きに凸の楕円弧１３Ａ〜１３Ｄを曲線で繋いた形状をしている。ここでこの端面の外周形状１１に外接する最少面積の長方形１２を規定する。この長方形のいずれか２辺に直交するｘ軸、ｙ軸のうち、一方が結晶方位［００１］に一致することが実験により知られている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５８５１２８４号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S. Ishibashi and K. Naganuma, “Mode-locked operation of Cr4+:YAG single-crystal fiber laser with external cavity,” Optics Express, Vol. 22, No. 6, pp.6764-6771.
【非特許文献２】Y. Sato and T. Taira, “Model for the polarization dependence of the saturable absorption in Cr4+:YAG,” Optical Materials Express, Vol. 7, No. 2, pp.577-586.
【非特許文献３】H. Tunnermann et al., “Linearly polarized single-mode Nd:YAG oscillators using [100]- and [110]-cut crystals,” Optics Express, Vol. 19, No. 14, pp. 12992- 12999.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、これら２方向のどちらが［００１］に一致するかについては、これを決定づける外周形状の特徴がこれまでに見出されていなかった。
【０００７】
クロムとカルシウムを添加したイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12））単結晶は四面体サイトの四価クロムを発光中心とするレーザ結晶であり、波長１μｍ付近の光で励起し、波長１．４μｍ付近で発振する。すでに長さ４０ｍｍ、直径約１２０μｍの単結晶ファイバを用いたレーザ発振器が開発されている（非特許文献１参照）。
【０００８】
Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧは四面体サイトが３種類あり、そのうちの１種類のみを選択的に励起することにより最大の発振効率が得られる。１種類のみを選択するためには、励起光に直線偏光を用いてその偏波方向を単結晶ファイバの結晶方位［００１］に一致させる必要がある。
【０００９】
そこで、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧに直線偏光を照射して透過率を測定することにより結晶方位の判定を行う必要があった。充分強い励起光を照射した場合、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧは吸収飽和を生じて、小信号吸収の場合に比べ透過率が増加する。吸収飽和は四面体サイトの１種類のみを選択的に励起した場合に最大になる（非特許文献２参照）。したがって、図２に示すように、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバを放熱治具に固定し（Ｓ１０１）、励起光の光軸をＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバの中心軸に合わせ（Ｓ１０２）、励起光の偏波方向を図１のｘ軸方向、ｙ軸方向に合わせて透過率の計測をそれぞれ行った場合（Ｓ１０３)、より透過率の高い方向をＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバの結晶方位［００１］と決定することができる（Ｓ１０４)。このように決定された結晶方位［００１］とレーザ発振器の共振器内で励起光及び発振光の偏波方向に設計されている方向とが一致するよう単結晶ファイバを固定することにより、発振効率が最大化されたレーザ発振器が作製される（Ｓ１０５）。
【００１０】
このように、上記従来の単結晶ファイバの方位決定方法によって光学機器を作製する場合には、単結晶ファイバを放熱治具に固定し、励起光の光軸合わせを行った後、透過率の測定を行う必要があり、手順が煩雑であるという課題がある。また単結晶ファイバの方位をＸ線解析によって決定することも可能であるが、高価な機器とこれも煩雑な手順が必要である。そのため、光学機器作製の効率化のため、より簡便な方位決定手法が求められている。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単結晶ファイバの端面の外周形状から所定の結晶方位を決定し、励起光の偏波方向と所定の結晶方位とが一致した単結晶ファイバを有する光学機器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は、ガーネット構造を持ち、軸方向が［００１］方位に垂直であり、かつ［１００］と等価な方位にない単結晶ファイバの端面を撮影するステップと、前記単結晶ファイバの前記端面の外周形状に外接する最小面積の長方形を画定するステップと、前記長方形の各辺と接する４つの楕円弧の最大曲率半径を算出するステップと、前記４つの楕円弧のうち対向する２つの楕円弧の最大曲率半径の平均を算出するステップと、前記最大曲率半径の平均が大きい前記対向する２つの楕円弧が接する前記長方形の辺に垂直な方向を前記単結晶ファイバの［００１］方位と決定するステップと、光学機器内において、前記単結晶ファイバの［００１］方位が前記光学機器の偏波方向と一致するように前記単結晶ファイバを固定するステップと、を有することを特徴する光学機器の製造方法である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学機器の製造方法において、前記単結晶ファイバの軸方向は、前記単結晶ファイバの［１００］方位から［０１０］方位へ１０°以上２５°以下の角度を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学機器の製造方法において、前記光学機器は、レーザ発振器または光増幅器であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光学機器の製造方法において、前記単結晶ファイバが、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（Ｌｕ3Ａｌ5Ｏ12）、もしくは主要構成元素としてイットリウム、ルテチウム、ガドリニウム、スカンジウム、ホルミウム、エルビウム、イッテルビウム、アルミニウム、ガリウムのうち２種以上を含むガーネットであることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光学機器の製造方法において、前記単結晶ファイバが添加元素として、クロム、カルシウム、マグネシウム、イッテルビウム、ネオジム、エルビウム、ホルミウム、ツリウム、プラセオジム、セリウムのうち、１種または複数種を含むガーネットであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、従来同様の結晶方位の決定に関して、顕微鏡を用いたファイバ端面の撮影という従来方法より簡便な方法を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ガーネット構造を持つ単結晶ファイバの端面の外周形状とその構成要素である楕円弧を示す図である。
【図２】従来のクロムとカルシウムを添加したイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧ）単結晶ファイバを有するレーザ発振器の作製方法を説明するフローチャートである。
【図３】（ａ）は、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバの端面の外周形状と各楕円弧の最大曲率半径を示す図であり、（ｂ）は、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバの端面の外周形状と各楕円弧の最大曲率半径を示す図である。
【図４】本発明によるＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバを有するレーザ発振器の作製方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２０】
（実施例１）
Ｃｒ+4：ＹＡＧ単結晶ファイバレーザ発振器の作製方法について説明する。図３（ａ）に、ＬＨＰＧ法を用いて作製されたＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバの軸方向からみた端面の外周形状の一例を示す。この単結晶ファイバの軸方向は、結晶方位［００１］に垂直であり、かつ［１００］から［０１０］方位へ１０°以上かつ２５°以下の角度にある。尚、単結晶ファイバの軸方向は、結晶方位［００１］に垂直であり、かつ［１００］と等価な方位になければよい。
【００２１】
単結晶ファイバ端面の外周形状２１に対して、外接する最少面積の長方形２２と対向する２辺に垂直なｘ軸、ｙ軸が規定される。この外周形状２１は、長方形２２の各辺に接する４個の楕円弧２３Ａ〜２３Ｄを含む。図３（ａ）に示す例では、楕円弧２３Ａ〜２３Ｄそれぞれの最大曲率半径は、順に８８μｍ、８４μｍ、９１μｍ、８０μｍである。ここでは単結晶ファイバの軸方向が結晶方位［００１］に垂直であり、かつ［１００］から［０１０］方位へ１０°以上かつ２５°以下の角度にあるため、楕円弧２３Ａ〜２３Ｄの最大曲率半径は、単結晶ファイバの最大直径の５５％以上になり、外周形状２１の楕円弧２３Ａ〜２３Ｄ以外の部分の最大曲率半径は、単結晶ファイバの最大直径の５０％以下となる。
【００２２】
ガーネット結晶は、［００１］方位に等価な方位に対し垂直なファセット面（晶癖面）を持つ。結晶を作製する際、ファセット面に垂直な方向への成長速度は遅く、そのため［００１］方位の楕円弧は他の方位に比べ曲率が大きくなる。したがって図３（ａ）の例では、楕円弧２３Ａと２３Ｃに外接する辺に垂直なｙ軸方向が［００１］方位と決定できる。
【００２３】
しかし、単結晶ファイバ端面の外周形状は必ずしも結晶の性質のみにより決定されるものではない。結晶作製の際に結晶の原料となる融液の形状も外周形状に影響を与える。図３（ｂ）に、ＬＨＰＧ法を用いて作製されたＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバの軸方向からみた端面の外周形状３１の他の例を示す。この場合の単結晶ファイバ端面の外周形状３１に対して、外接する最少面積の長方形３２の各辺に接する４個の楕円弧３３Ａ〜３３Ｄの最大曲率半径は、順に９７μｍ、９０μｍ、８５μｍ、７８μｍである。
【００２４】
［００１］方位の楕円弧は他の方位に比べ曲率が大となるはずであるが、ここでは融液の形状の単結晶ファイバの中心軸に対する非対称性が原因となり、結晶の外周形状３１が結晶の性質から期待される結果とはならなかった。しかし、融液の中心が単結晶ファイバの中心軸からずれ、融液が単結晶ファイバの中心軸に対して非対称になり、ある楕円弧が本来の曲率より大きくなった場合、融液の反対側ではその逆の効果が生じ、曲率が本来より小さくなる。そのため、対向する２つの楕円弧の平均をとると、結晶の性質からもたらされる傾向が把握できる。第２例について対向する２個の楕円弧の最大曲率半径の平均値を計算すると、３３Ａ、３３Ｃについては９１μｍ、３３Ｂ、３３Ｄについては８４μｍとなる。これらの値に基づき、平均値がより大きい３３Ａ、３３Ｃに接する辺に垂直なｙ軸方向を［００１］方位と決定できる。これは従来の方法による方位決定の結果と一致する。
【００２５】
そのため、図４に示す、上述のＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバの結晶方位決定方法により、発振効率が最大化されたＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバを有するレーザ発振器を作製することができる。先ず、軸方向が結晶方位［００１］に垂直でありかつ［１００］と等価な方位にないＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバの端面を顕微鏡により撮影し（Ｓ２０１）、単結晶ファイバ端面の外周形状に外接する最少面積の長方形を画定する（Ｓ２０２）。画定した長方形の各辺に接する４個の楕円弧それぞれについて最大曲率を測定し（Ｓ２０３）、対向する２個の楕円弧で構成される楕円弧対２組について、対を構成する２個の楕円弧の最大曲率半径の平均値を算出する（Ｓ２０４）。そして、単結晶ファイバの端面の外周形状に外接する最小面積の長方形のいずれか２辺に直交するｘ軸、ｙ軸のうち、対向する２個の楕円弧の最大曲率半径の平均値が大きい楕円弧と接する辺に直交する軸方向を単結晶ファイバの結晶方位［００１］と決定する（Ｓ２０５）。このように決定された結晶方位［００１］とレーザ発振器の共振器内で励起光及び発振光の偏波方向に設計されている方向とが一致するよう単結晶ファイバを固定することにより、発振効率が最大化されたレーザ発振器が作製される（Ｓ２０６）。
【００２６】
Ｃｒ4+：ＹＡＧレーザ発振器はＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバを増幅媒体として、励起光をファイバ軸方向に入射する。上述の通り、最大効率のために励起光の偏波方向と［００１］方位が一致するよう、光源に対してファイバを固定する。発振偏波は励起光偏波及び［００１］方位と同方向となる。
【００２７】
増幅媒体の単結晶ファイバには、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧの代わりに、Ｃｒ，Ｍｇ：ＹＡＧ、Ｃｒ，Ｃａ：ＬｕＡＧ（ルテシウム・アルミニウム・ガーネット）などを用いても良い。
【００２８】
（実施例２）
レーザ結晶Ｎｄ：ＹＶＯ4にＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバを可飽和吸収体として組み合わせ、Ｑスイッチレーザを構成できる。この場合もＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバの［００１］方位を実施例１と同様の方法で決定し、Ｎｄ：ＹＶＯ4の発振偏波方向にＣｒ，Ｃａ：ＹＡＧ単結晶ファイバの［００１］方位が重なるようファイバを固定することでＱスイッチレーザを作製することができる。
【００２９】
レーザ結晶には、Ｎｄ：ＹＶＯ4の代わりに、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦなどを用いても良い。可飽和吸収体の単結晶ファイバには、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧの代わりに、Ｃｒ，Ｍｇ：ＹＡＧ、Ｃｒ，Ｃａ：ＬｕＡＧ（Ｌｕ3Ａｌ5Ｏ12）（ルテシウム・アルミニウム・ガーネット）などを用いても良い。
【００３０】
（実施例３）
実施例１の単結晶ファイバの［００１］方位決定方法は、レーザ発振器のみならず、光増幅器の作製に於いても利用できる。Ｙｂ：ＹＡＧなどの希土類添加ガーネット結晶にはＣｒ4+：ＹＡＧのような吸収の偏波依存性は無いが、本発明が対象とする単結晶ファイバのように軸方向が対称性の低い方位である場合、熱誘起複屈折のファイバ断面内での分布が方位に強く依存する（非特許文献３参照）。そのため、実施例１と同様の方法で結晶方位を決定し、発振光もしくは増幅光の偏光消光比を保つよう設置することで、高効率なレーザ発振器もしくは光増幅器が作製できる。
【００３１】
Ｙｂ：ＹＡＧに替えて、ＬｕＡＧもしくは主要構成元素としてイットリウム、ルテチウム、ガドリニウム、スカンジウム、ホルミウム、エルビウム、イッテルビウム、アルミニウム、ガリウムのうち２種以上を含むガーネットをホスト結晶としても良く、添加元素として、クロム、カルシウム、マグネシウム、イッテルビウム、ネオジム、エルビウム、ホルミウム、ツリウム、プラセオジム、セリウムのうち、１種もしくは複数種を用いても良い。
【符号の説明】
【００３２】
１１、２１、３１  単結晶ファイバの軸方向からみた端面の外周形状
１２、２２、３２  端面の外周形状に外接する最少面積の長方形
１３Ａ〜１３Ｄ、２３Ａ〜２３Ｄ、３３Ａ〜３３Ｄ  楕円弧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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