(57)【要約】      （修正有）【課題】単結晶もしくは多結晶より成る結晶ファイバの増幅効率を向上させた結晶ファイバ光源を提供する。【解決手段】結晶ファイバ１と励起光源とを備えた結晶ファイバ光源であって、前記結晶ファイバ１の軸方向に対して垂直な断面内において、前記励起光源から出射される光により励起され発振光もしくは増幅光を放出する発光中心の濃度が高い高濃度領域２と、前記高濃度領域２よりも発光中心の濃度が低い低濃度領域３とを有し、前記結晶ファイバ１の軸方向に直交する少なくとも一方向については前記発振光もしくは増幅光の前記結晶ファイバ１における基本伝搬モードに一致させ、他方向については前記結晶ファイバ１の最大ＮＡより小さいＮＡを取り、かつ前記結晶ファイバ１の端面の内側に集光することにより、前記高濃度領域２と前記励起光源から出射される光との重なる領域の面積が前記高濃度領域２全体の面積より限定されている。【選択図】図２
2019102615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶ファイバと励起光源とを備えた結晶ファイバ光源であって、
前記結晶ファイバの軸方向に対して垂直な断面内において、前記励起光源から出射される光により励起され発振光もしくは増幅光を放出する発光中心の濃度が高い高濃度領域と、前記高濃度領域よりも発光中心の濃度が低い低濃度領域とを有し、
前記高濃度領域は、前記結晶ファイバの軸方向に垂直な断面内において少なくとも当該断面の略中心を含み、前記低濃度領域は、前記高濃度領域と隣接しており、
前記結晶ファイバの断面における前記高濃度領域の分布は、前記結晶ファイバの軸方向に対して略均一であり、
前記結晶ファイバは、少なくとも結晶質の部分を含み、前記高濃度領域および前記低濃度領域よりも屈折率の低いクラッドにより側面全体が覆われており、
前記励起光源は、当該励起光源から出射される光の伝搬方向に直交する少なくとも一方向については概ね回折限界に集光可能な光源であって、
前記励起光源から出射される光を前記結晶ファイバの端面に集光し、前記結晶ファイバの軸方向に直交する少なくとも一方向については前記発振光もしくは増幅光の前記結晶ファイバにおける基本伝搬モードに一致させ、他方向については前記結晶ファイバの最大ＮＡより小さいＮＡを取り、かつ前記結晶ファイバの端面の内側に集光することにより、前記結晶ファイバの軸方向に対して垂直な断面内において、前記高濃度領域と前記励起光源から出射される光との重なる領域の面積が前記高濃度領域の全体の面積より限定されている
ことを特徴とする、結晶ファイバ光源。
【請求項２】
前記励起光源として、シングルストライプ・マルチ横モード半導体レーザを用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の結晶ファイバ光源。
【請求項３】
前記結晶ファイバとして外周に、前記結晶ファイバの軸方向に対して垂直となる前記結晶ファイバの断面の最大径の１／２より大きな曲率半径を持つ対向する円弧の対を有し、前記結晶ファイバの前記断面上において前記円弧の対に対して平行である帯状の前記高濃度領域を備え、前記高濃度領域の長径方向に対し垂直かつ帯状に前記励起光源を前記結晶ファイバの端面に集光する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の結晶ファイバ光源。
【請求項４】
前記結晶ファイバは、前記結晶ファイバの軸方向において、結晶方位が、［１００］方位から［１１０］方位へ１０°以上２５°以下の角度であるＣｒ4+：ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）単結晶ファイバである
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の結晶ファイバ光源。
【請求項５】
前記結晶ファイバがチタンサファイア単結晶からなり、前記結晶ファイバの軸方向が前記チタンサファイア単結晶のｃ軸に垂直な方向である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の結晶ファイバ光源。
【請求項６】
前記結晶ファイバが、Ｃｒ4+：ＬｕＡＧ（Ｌｕ3Ａｌ5Ｏ12）、Ｃｒフォルステライト（Ｃｒ4+：Ｍｇ2ＳｉＯ4）もしくはアレキサンドライト（Ｃｒ3+：ＢｅＡｌ2Ｏ4）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結晶ファイバ光源。
【請求項７】
前記結晶ファイバが、Ｎｄ3+、Ｙｂ3+、Ｅｒ3+、Ｈｏ3+、Ｔｍ3+、Ｐｒ3+、Ｃｒ3+の内いずれかを発光中心として、ＹＡＧ、ＬｕＡＧ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3の内いずれかの単結晶もしくは多結晶をホスト媒体とするレーザ結晶である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の結晶ファイバ光源。
【請求項８】
前記クラッドは、ＳｉＯ2、ＭｇＯもしくはＡｌ2Ｏ3より成る薄膜またはこれらの組み合わせもしくはこれらの複合物である
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の結晶ファイバ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶ファイバ光源に関する。本発明の対象となる結晶ファイバ光源には、単結晶ファイバもしくは多結晶ファイバとそれらに対する励起光源が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
光励起増幅媒体を用いた高効率な光増幅およびレーザ発振を目的として、ダブルクラッドガラスファイバが考案され実用化されている（非特許文献１）。このファイバの構造は、光増幅を担う発光中心が添加されたガラスから成るコアを断面内中心部に持ち、そのコアの側面全体を覆うように、発光中心が添加されず屈折率がコアよりわずかに低い第１クラッドを備え、さらにその第1クラッドの側面全体を覆うように、屈折率が第１クラッドよりも顕著に低い第２クラッドを備える。
【０００３】
これにより、励起光としてマルチ横モード半導体レーザなどの低集光性の光源を用いても、励起光を第１クラッド内に導波させることができる。励起光は、導波中にコア内部に添加された発光中心により吸収され、光増幅に寄与する。このとき、励起領域がコアに限られるため、励起密度が高まり増幅効率が向上する（非特許文献２）。しかし、ガラス媒質において発光中心として使用できるイオン種は希土類イオンのみであるため、増幅帯域において希土類イオンよりも優位性がある遷移金属イオンを発光中心として採用する場合、ダブルクラッドガラスファイバの構造は使用できなかった。
【０００４】
増幅媒体が、ガラスのような非晶質ではなく結晶質であれば、発光中心として遷移金属イオンを使用できるため、結晶質である単結晶ファイバが導波路増幅媒体として開発されている（非特許文献３）。また、希土類イオンを発光中心として採用した場合にも、増幅媒体としてガラスファイバを用いた場合の出力限界を結晶ファイバを用いることにより超えることができる。これは、結晶材料であるＹ3Ａｌ5Ｏ12（以下、ＹＡＧという）、Ｓｃ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3などは、ガラスに比べて光増幅に関連する物性定数が優っているためである（非特許文献４、８）。
【０００５】
そこで、単結晶ファイバをダブルクラッド構造とする試みが行われている（非特許文献４）。図１（ａ）にその単結晶ファイバの断面の模式図を示す。ここで、コア１０２の直径は１００μｍであり、第１クラッド１０３の厚みと合計した単結晶ファイバ１０１の直径は１３０μｍである。また、作製方位が［１１１］であるために単結晶ファイバ１０１の断面は、正六角形に近い形状である。第２クラッドは、単結晶ファイバが設置されている環境の大気（図示せず）である。
【０００６】
図１（ｂ）は、この単結晶ファイバにより、増幅器もしくはレーザを構成した場合の模式図であり、単結晶ファイバに入射する励起光１０４と単結晶ファイバから放射される発振光（もしくは増幅光）１０５が示されている。この構成では、励起領域がファイバの断面積に占める割合が大きく、励起効率が充分ではなかった（非特許文献４）。そのため、ファイバ断面積に占める励起領域の割合を低減する技術開発が求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Andreas Tunnermann，Thomas Schreiber，and Jens Limpert，“Fiber lasers and amplifiers：an ultrafast performance evolution，”Appl．  Opt．49，F71-F78（2010）
【非特許文献２】Walter Koechner and Michael Bass，“Solid-State Lasers：A Graduate Text，”Springer Science ＆ Business Media (2003)，p．231．
【非特許文献３】Shigeo Ishibashi and Kazunori Naganuma，“Mode-locked operation of Cr4＋：YAG single-crystal fiber laser with external cavity，”Opt．Express 22，6764-6771 (2014)．
【非特許文献４】J．Zhang，Y．Chen，S．Yin，C．Lou，and M．A． Dubinskii，“High-Power Diode-Cladding-Pumped Yb：YAG Laser Based on True Double-Clad Fully Crystalline Fiber，”in Lasers Congress 2016 (ASSL，LSC，LAC)，OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America，2016)，paper ATu6A．4．
【非特許文献５】S．Ishibashi，K．Naganuma，I．Yokohama，“Cr，Ca：Y3Al5O12 laser crystal grown by the laser-heated pedestal growth method，”Journal of Crystal Growth，Volume 183，Issue 4，1998，Pages 614-621．
【非特許文献６】S．Ishibashi，“First Mode-Locked Oscillation of Directly Laser-Diode-Pumped Cr4＋:YAG Single-Crystal Fiber Laser，”in 2015 European Conference on Lasers and Electro-Optics-European Quantum Electronics Conference，(Optical Society of America，2015)，paper CA_6_6．
【非特許文献７】S．C．Wang et al．，“Glass-clad Ti:Sapphire crystal fiber laser，” 2015 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)， San Jose， CA， 2015， pp． 1-2．
【非特許文献８】W．Kim，C．Florea，D．Gibson，J．Peele，C．Askins，B．Shaw，S．Bowman，S．O’Connor，S．Bayya，I．Aggarwal，J．S．Sanghera，“Crystal fibers for high power lasers，”Proc．SPIE 8601，Fiber Lasers X：Technology，Systems，and Applications，86012Z (26 February 2013)
【非特許文献９】Digonnet，M．，C．Gaeta，and H．Shaw．“1．064-and 1．32-μｍ Nd：YAG single crystal fiber lasers．”Journal of lightwave technology 4．4 (1986)：454-460．
【非特許文献１０】Hyunjun Kim，Randall S Hay，Sean A．McDaniel，Gary Cook，Nicholas G．Usechak，Augustine M．Urbas，Kathleen N．Shugart，HeeDong Lee，Ali H．Kadhim，Dean P．Brown，Benjamin Griffin，Geoff E．Fair，Randall G．Corns，Santeri A．Potticary，Frank K．Hopkins，Kent L．Averett，David E．Zelmon，Triplicane A．Parthasarathy，and Kristin A．Keller，“Lasing of surface-polished polycrystalline Ho：YAG (yttrium aluminum garnet) fiber，”Opt．Express 25，6725-6731 (2017)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単結晶もしくは多結晶より成る結晶ファイバの断面内における励起領域の占める割合を低減し、増幅効率を向上させることである。これにより、高効率な光増幅器もしくはレーザ発振器を実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施態様は、結晶ファイバと励起光源とを備えた結晶ファイバ光源であって、前記結晶ファイバの軸方向に対して垂直な断面内において、前記励起光源から出射される光により励起され発振光もしくは増幅光を放出する発光中心の濃度が高い高濃度領域と、前記高濃度領域よりも発光中心の濃度が低い低濃度領域とを有し、前記高濃度領域は、前記結晶ファイバの軸方向に垂直な断面内において少なくとも当該断面の略中心を含み、前記低濃度領域は、前記高濃度領域と隣接しており、前記結晶ファイバの断面における前記高濃度領域の分布は、前記結晶ファイバの軸方向に対して略均一であり、前記結晶ファイバは、少なくとも結晶質の部分を含み、前記高濃度領域および前記低濃度領域よりも屈折率の低いクラッドにより側面全体が覆われており、前記励起光源は、当該励起光源から出射される光の伝搬方向に直交する少なくとも一方向については概ね回折限界に集光可能な光源であって、前記励起光源から出射される光を前記結晶ファイバの端面に集光し、前記結晶ファイバの軸方向に直交する少なくとも一方向については前記発振光もしくは増幅光の基本伝搬モードに一致させ、他方向については前記結晶ファイバの最大ＮＡより小さいＮＡを取り、かつ前記結晶ファイバの端面の内側に集光することにより、前記結晶ファイバの軸方向に対して垂直な断面内において、前記高濃度領域と前記励起光源から出射される光との重なる領域の面積が前記高濃度領域全体の面積より限定されていることを特徴とする、結晶ファイバ光源を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、結晶ファイバ内に発光中心について高濃度の領域を持ち、結晶ファイバ軸方向に垂直な断面内の高濃度領域の分布が結晶ファイバの軸方向についておおよそ均一である結晶ファイバを用いた場合に、励起光源から出射された光を、高濃度領域のうち限定した狭小な範囲を励起するよう結晶ファイバの端面に集光させるため、結晶ファイバにおける励起領域が従来の断面積に占める割合よりも低減する結果、発振効率（もしくは増幅効率）が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、単結晶ファイバの励起領域を低減する従来例として、作製方位［１１１］のＹＡＧ単結晶を用いたダブルクラッドファイバの軸方向に対する断面図を示す図である。（ｂ）は、それを用いた光増幅器またはレーザ発振器の模式図である。
【図２】（ａ）は、実施例１に係るＣｒ4+：ＹＡＧ単結晶ファイバの断面における帯状の高濃度領域を示す図である。（ｂ）は、その断面においてシングルストライプ・マルチ横モード半導体レーザにより励起された励起領域を示す図である。（ｃ）は、帯状の発光中心高濃度領域と励起領域との重なり部分（選択励起領域）を示す図である。（ｄ）は、励起領域を狭小化させることにより、高効率化したＣｒ4+：ＹＡＧ単結晶ファイバ光増幅器、レーザ発振器の模式図である。ここで、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の上下左右方向は共通であり、（ｄ）のファイバ軸方向に垂直である方向から見たものに対応する。
【図３】図３は、励起領域を狭小化させることにより高効率化した実施例２に係るチタンサファイア単結晶ファイバレーザ発振器もしくは増幅器の断面図である。
【図４】図４は、励起領域を狭小化させることにより高効率化した実施例３に係るダブルクラッドＹｂ：ＹＡＧ単結晶ファイバレーザもしくは増幅器の断面図である。
【図５】図５は、励起領域を狭小化させることにより高効率化した実施例４に係るダブルクラッドＨｏ：ＹＡＧ多結晶ファイバレーザもしくは増幅器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。また、本発明の実施の形態は、本発明の要旨の範囲を逸脱しない限り、以下の例示に何ら限定されることはない。
【００１３】
（実施例１）
まず、本実施例に係る結晶ファイバ光源の構成について説明する。励起用光源として、シングルストライプ構造を有し複数の導波モードにより光が伝搬し放射する半導体レーザ（以下、シングルストライプ・マルチ横モード半導体レーザという）を用いて、結晶ファイバとして、コアが比較的大きいダブルクラッド単結晶ファイバを用いる。この構成によれば、結晶ファイバ光源の励起効率が高まるので、高効率な光増幅器もしくはレーザ発振器として用いることができる。
【００１４】
本実施例における結晶ファイバに使用する結晶は、波長１．４μｍ帯に増幅帯域を持つＣｒ4+：ＹＡＧ（記号：は、：の右側に表記の物質を結晶ファイバのホスト媒質として、：の左側に表記の物質をホスト媒質に添加する発光中心であることを意味する。以下についても同様である）である。ＹＡＧ単結晶ファイバは、非特許文献５に示されるように、［１００］方位から［１１０］方位へ１５°の結晶方位に引き上げて単結晶を育成することにより、その断面形状は、角の丸くなった長方形（概ね正方形）となる。近似的には、長方形の対向する辺の対を対角線の１／２の長さより長い曲率半径を持つ円弧に置き換えた形状であり、その最大径は約１３０μｍである。
【００１５】
図２（ａ）は、本実施例に用いるＣｒ4+：ＹＡＧ単結晶ファイバの断面における帯状の高濃度領域を示す図である。本実施例で使用する単結晶ファイバ１は、その内部に発光中心を高濃度で添加した領域（以下、高濃度領域という）２を有し、その位置および領域は、ファイバ断面内において中心部を通過しファイバの対向する２つの外側面（図中で上下方向）に向かって延びる縦線で示した帯状の領域である。そして、単結晶ファイバ１は、高濃度領域２の両側（図中で左右方向）に隣接する単結晶ファイバの一部であって、発光中心を低濃度で添加した（もしくは添加をしない）領域（以下、低濃度領域という）３を有し、高濃度領域２と低濃度領域３との発光中心についての濃度差は顕著である。高濃度領域２の断面積が上述の従来例のコア１０２とほぼ同じであり、この全領域が励起されるのであれば、結晶ファイバ内の励起領域の割合は従来例と比較して低減しないため、励起効率が変化せず、技術的な向上がみられない。
【００１６】
ＹＡＧ単結晶ファイバ内に添加された四面体サイトＣｒ４価イオンの吸収断面積は偏光方向に対する依存性があるが、対称軸方向が異なる３種類の等価なサイトがあるために、それら全体としての線形吸収は、結晶方位について等方的である。そのため、単位体積当たりの四面体サイトＣｒ４価イオンの濃度は、吸収係数に比例する。したがって、ＹＡＧ単結晶ファイバ中における四面体サイトＣｒ４価イオンの濃度を記述するために、ある固定の波長に対する吸収係数を代わりに用いることができる。
【００１７】
端面励起方式の固体レーザを設計する場合、一般的に、励起光の波長に対する吸収係数と光路長との積の値を、概ね１から５程度に設定する。この積の値を一定とする条件の下でファイバ長が長くなれば、高濃度領域の濃度は低くなる。したがって、本発明における高濃度領域と低濃度領域の発光中心についての濃度は、相対的に設定するものであり、この濃度比率により増幅効率が定まる。両領域の濃度差が１０％でも増幅効率は増大するが、工学的に意味のある濃度比率は、低濃度領域の濃度が高濃度領域の濃度の５０％以下の濃度を持つ場合である。文献２に記述のある発振閾値の計算式より、この場合高濃度領域の断面積が全体の約６０％であれば、発振閾値は従来例と同様の構成を持たせた場合と比較して約８０％以下になる。無論、効率向上のために最も望ましいのは、高濃度領域以外、すなわち低濃度領域の発光中心についての濃度をゼロとすることである。
【００１８】
本実施例では、高濃度領域２における励起波長に対する吸収係数は１．３ｃｍ-1、ファイバ長は４０ｍｍであり、励起光を十分に吸収する。一方、低濃度領域３における励起波長に対する吸収係数は０．３ｃｍ-1である。また、図２（a）には示していないが、単結晶ファイバ１はその側面全体を覆うように厚さ１μｍのＳｉＯ2蒸着層を備え、これがクラッドとして機能する。発光中心の四面体サイトＣｒ４価イオンは波長０．９８μｍ付近において光吸収を示し、その波長が励起波長として使用される。
【００１９】
ここで、図２（ｄ）に示すように、励起光源であるシングルストライプ・マルチ横モード半導体レーザの出射光４を単結晶ファイバ１の端面に集光する。使用するシングルストライプ・マルチ横モード半導体レーザの出射ビームはファースト軸方向（図２（ａ）において上下方向）について、おおよそ回折限界に集光することが可能である。図２（ｂ）に示すようにシングルストライプ・マルチ横モード半導体レーザのファースト軸方向の集光ビーム径を、この単結晶ファイバ１の基本導波モードのビーム径６０μｍに設定し、スロー軸方向（図２（ｂ）中において左右方向）のビーム径をファイバ端面のクラッド内側に収まるように、コリメートレンズ、円筒レンズ、アナモルフィックプリズムペア、などを用いて集光光学系を構成する。ＹＡＧ結晶の屈折率が１．８２であるのに対し、クラッドのＳｉＯ2の屈折率が１．４５と大きく差があるため、この単結晶ファイバ１の端面における受光角は反射により制限される。このとき、単結晶ファイバ１の端面への無反射コーティングにより制御することも含めて、ブリュースタ角よりやや大きい角度まで反射の少ない光学結合が可能である。これにより、最大の開口数（以下、最大ＮＡという）は、０．９となるので、スロー軸方向については、これより小さいＮＡで集光する。
【００２０】
このとき、結晶ファイバ１の断面内での励起光の密度分布（図２（ｂ）の横線部６）についてその断面位置での励起光パワーにより除した規格化密度分布を調べれば、結晶ファイバの軸方向に沿って励起光が導波しても、概ね変化しないことが実験的に確かめられている（非特許文献６）。その結果、図２（ｃ）に示すように、励起光の密度分布６と発光中心の高濃度領域２とが重なる領域（以下、選択励起領域という）７に存在する発光中心のみが選択的に励起され、図２（ｄ）に示すように選択励起領域７のみから発光する。これにより結晶ファイバ１を導波する光が増幅される。選択励起領域７は、ダブルクラッドファイバのコアに相当する励起領域である。これによって、結晶ファイバ１の断面内における励起領域から、非特許文献２に記述のある発振閾値の計算式より発振閾値を算出すれば、従来例と同様な構成をＣｒ4+：ＹＡＧ単結晶ファイバで作製したと想定した場合の１／２程度となるから、本発明の構成によれば、結晶ファイバの発振効率の向上が達成される（図２（ｄ））。
【００２１】
（実施例２）
次に、第２の実施例として、励起光源としてシングルストライプ・マルチ横モード半導体レーザ（波長０．５μｍ）を用いて、波長０．８μｍを中心とした広い増幅帯域を持つチタンサファイアレーザ発振器（もしくは増幅器）を励起させる実施例を示す。本実施例により、増幅媒体として断面内に発光中心の濃度分布を持つチタンサファイア単結晶ファイバを用いたレーザ発振器（もしくは増幅器）の高効率化が達成される。
【００２２】
図３に示すように、ａ軸方向に引き上げたサファイアの単結晶ファイバ１１は、長円型の断面形状を取ることが知られている（非特許文献７）。そこで、チタンサファイアレーザの発光中心であるチタン３価イオン（以下、Ｔｉ3+という）について、実施例１と同様に、単結晶ファイバ１１に高濃度領域１２を設け、単結晶ファイバ１１の側面全体を覆うように厚さ１μｍのＳｉＯ2蒸着層をクラッドとして備えさせる（図示せず）。このとき、高濃度領域１２の幅（左右水平方向）は６０μｍである。励起光の密度分布が図３中の１６に示すようになるよう、励起光源から出射された半導体レーザを単結晶ファイバ１１の端面に集光させれば、それらが重なる領域、すなわち選択励起領域１７に限定して励起を行わせることが可能となるため、高効率の光増幅もしくはレーザ発振が達成できる。以下に、その詳細を説明する。
【００２３】
励起光源であるシングルストライプ・マルチ横モード半導体レーザの出射光を、Ｔｉ3+を添加したサファイアの単結晶ファイバ１１の端面に集光する。この端面の短軸径は、約１２０μｍであり、長軸径は、１３０μｍである。図３に示すように、半導体レーザのファースト軸方向（図３の上下方向）の集光ビーム径をこの単結晶ファイバ１１の基本導波モードの短軸方向のビーム径６０μｍに合わせ、スロー軸方向（図３の左右方向）をファイバ端面内に収まるよう集光光学系を構成する。ここで、サファイア結晶の屈折率が１．７７であるのに対し、クラッドのＳｉＯ2の屈折率が１．４６と大きく差があるため、この単結晶ファイバ１１の端面における受光角は反射により制限される。無反射コーティングにより制御することも含めて、ブリュースタ角よりやや大きい角度まで反射の少ない光学結合が可能である。これにより、最大ＮＡは、０．９となるので、スロー軸方向については、これより小さいＮＡで集光する。
【００２４】
実施例１の場合と同様に、発光中心であるＴｉ3+の濃度を記述するために、ｃ軸偏波の励起波長における吸収係数を代わりに用いることができる。本実施例においても、工学的に有効な濃度差は、低濃度領域の濃度が高濃度領域１２の濃度の５０％以下である。高濃度領域１２の吸収係数として、１ｃｍ-1から５ｃｍ-1が用いられる。本実施例では、高濃度領域１２の吸収係数は２ｃｍ-1であり、低濃度領域の吸収係数は０．５ｃｍ-1である。
【００２５】
これも実施例１と同様であるが、単結晶ファイバ１１の断面における励起光の密度分布１６についてその断面位置での励起光パワーにより除した規格化密度分布を調べれば、結晶ファイバの軸方向に沿って励起光が導波しても、概ね変化しない。図３における選択励起領域１７に示されるように、結晶ファイバ１１の断面内における励起領域から、非特許文献２に記述のある発振閾値の計算式より発振閾値を算出すれば、従来例と同様な構成をチタンサファイア単結晶で作製した場合に想定される値の１／２程度となるから、本発明の構成によれば、結晶ファイバの発振効率もしくは増幅効率の向上が達成される。
【００２６】
（実施例３）
波長１．０３μｍにおいて発振するＹｂ：ＹＡＧレーザ装置（もしくは増幅器）の高効率動作のために、ＹＡＧ単結晶をダブルクラッド構造としたファイバが作製されている（非特許文献４）。このファイバが方位［１１１］に引き上げられたものであることは非特許文献９を参照することによりわかる。結晶の引上げ方位を非特許文献５に示された［１００］方位から［１１０］方位へ１５°の結晶方位とすることで、図４に示すような角の丸まった四角形を断面形状とするダブルクラッドＹＡＧ単結晶ファイバ２１を作製することができる。本実施例における単結晶ファイバ２１の最大径は、約１３０μｍである。単結晶ファイバ２１には結晶作製後にその側面全体を覆うように厚さ１μｍのＳｉＯ2蒸着層（図示せず）を設け、それをクラッドとして機能させる。
【００２７】
この単結晶ファイバ２１の端面に対して、励起光源であるシングルストライプ・マルチ横モード半導体レーザ（波長０．９４μｍ）を集光し、図４に示すように帯状の励起光の密度分布２６を形成する。図４に示すように、半導体レーザのファースト軸方向（図４の上下方向）の集光ビーム径をこの単結晶ファイバ２１の基本導波モードのビーム径６０μｍに合わせ、スロー軸方向（図４の左右方向）をファイバ端面内に収まるよう集光光学系を構成する。ここで、ＹＡＧ結晶の屈折率が１．８２であるのに対し、クラッドのＳｉＯ2の屈折率が１．４５と大きく差があるため、この単結晶ファイバ２１の端面における受光角は反射により制限される。無反射コーティングにより制御することも含めて、ブリュースタ角よりやや大きい角度まで反射の少ない光学結合が可能である。これにより、最大ＮＡは、０．９となるので、スロー軸方向については、これより小さいＮＡで集光する。
【００２８】
実施例１と同様に、単結晶ファイバ２１の断面における励起光の密度分布２６についてその断面位置での励起光パワーにより除した規格化密度分布を調べれば、結晶ファイバの軸方向に沿って励起光が導波しても、概ね変化しない。発光中心であるＹｂ3+の高濃度領域２２は、単結晶ファイバ２１の断面中央部に円形状に設けられ、その直径は約１００μｍである。励起光が吸収されるのは、高濃度領域２２と励起光の密度分布２６とが重なった領域、すなわち選択励起領域２７のみである。ここで、文献２に記述のある発振閾値の計算式より発振閾値を算出すれば、従来例の６０％程度であり、ダブルクラッドＹＡＧ単結晶ファイバ２１の発振効率（増幅効率）を増加させることができる。
【００２９】
一般的に、Ｙｂ：ＹＡＧ単結晶ファイバにおいて、Ｙｂ濃度は０．１から１０ａｔ％程度で使用される。実施例１と同じく、高濃度領域における発光中心の濃度に対する低濃度領域における発光中心の濃度の比率は、５０％以下であることが工学的に好ましい。本実施例では、高濃度領域２２の濃度は１ａｔ％、低濃度領域の濃度は０．２ａｔ％である。
【００３０】
（実施例４）
波長２．０９μｍにおいて発振するＨｏ：ＹＡＧレーザ装置に用いるために、ＹＡＧ多結晶を用いたファイバが作製され使用されている（非特許文献１０）。例えば、図５に示すような、コア側面全体の周囲に無添加ＹＡＧ多結晶を第一クラッドとして備え、その側面全体を覆うように厚さ１μｍのＳｉＯ2蒸着層（図示せず）を設け第２クラッドとして機能させる、ダブルクラッドＨｏ：ＹＡＧ多結晶ファイバ３１を作製することができる。本実施例における多結晶ファイバ３１の直径は、約１３０μｍである。
【００３１】
この多結晶ファイバ３１の端面に対して、励起光源であるシングルストライプ・マルチ横モード半導体レーザ（波長１．９１μｍ）を集光し、図５に示すように帯状の励起光の密度分布３６を形成する。図５に示すように、半導体レーザのファースト軸方向（図５の上下方向）の集光ビーム径をこの多結晶ファイバ３１の基本導波モードのビーム径６０μｍに合わせ、スロー軸方向（図５の左右方向）をファイバ端面内に収まるよう集光光学系を構成する。ここで、ＹＡＧ結晶の屈折率が１．８２であるのに対し、クラッドのＳｉＯ2の屈折率が１．４５と大きく差があるため、この多結晶ファイバ３１の端面における受光角は反射により制限される。無反射コーティングにより制御することも含めて、ブリュースタ角よりやや大きい角度まで反射の少ない光学結合が可能である。これにより、最大ＮＡは、０．９となるので、スロー軸方向については、これより小さいＮＡで集光する。
【００３２】
実施例１と同様に、多結晶ファイバ３１の断面における励起光の密度分布３６についてその断面位置での励起光パワーにより除した規格化密度分布を調べれば、結晶ファイバの軸方向に沿って励起光が導波しても、概ね変化しない。発光中心であるＨｏ3+の高濃度領域３２は、多結晶ファイバ３１の断面中央部に円形状に設けられ、その直径は約１００μｍである。励起光が吸収されるのは、高濃度領域３２と励起光の密度分布３６とが重なった領域、すなわち選択励起領域３７のみである。ここで、非特許文献２に記述のある発振閾値の計算式より発振閾値を算出すれば、従来例と同様な構成をＨｏ：ＹＡＧ多結晶で作製した場合に想定される値の６０％程度であり、ダブルクラッドＨｏ：ＹＡＧ多結晶ファイバ３１の発振効率（増幅効率）を増加させることができる。
【００３３】
一般的に、希土類イオン添加ＹＡＧ結晶増幅媒体において、希土類イオン濃度は０．１から１０ａｔ％程度で使用される。本実施例では、高濃度領域３２のＨｏ3+濃度は１ａｔ％である。
【００３４】
以上の実施例に示したレーザ結晶の他に、Ｃｒ4+：ＬｕＡＧ（Ｌｕ3Ａｌ5Ｏ12）、Ｃｒフォルステライト（Ｃｒ4+：Ｍｇ2ＳｉＯ4）、アレキサンドライト（Ｃｒ3+：ＢｅＡｌ2Ｏ4）、もしくはＮｄ3+、Ｙｂ3+、Ｅｒ3+、Ｈｏ3+、Ｔｍ3+、Ｐｒ3+、Ｃｒ3+を発光中心としてＹＡＧ、ＬｕＡＧ，Ａｌ2Ｏ3，Ｓｃ2Ｏ3，Ｌｕ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3の単結晶もしくは多結晶をホスト媒体とするレーザ結晶を使用して、本発明を実施することもできる。
【００３５】
また、クラッドとして、ＳｉＯ2の代わりにＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3もしくはこれらの組み合わせまたはこれらの複合膜を使用することもできる。
【符号の説明】
【００３６】
１、１１、２１、１０１    単結晶ファイバ
３１    多結晶ファイバ
２、１２、２２、３２、１０２    高濃度領域
３、１０３    低濃度領域
４、１０４    励起光
５、１０５    発振光もしくは増幅光
６、１６、２６、３６    励起光の密度分布
７、１７、２７、３７    選択励起領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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