(57)【要約】励起光を吸収して利得を発生する利得媒質をマルチモードコアのコア中心領域にドープするとともに、クラッドに接するマルチモードコアのコア周辺領域と、マルチモードコアに接するクラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質をドープする。
2003067723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光によって励起され、伝播する信号光に利得を与えるマルチモードコアと、このマルチモードコア周りに設けらたクラッドとを備えたマルチモード光ファイバにおいて、
上記励起光を吸収して上記利得を発生する利得媒質が上記マルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、
上記クラッドに接する上記マルチモードコアのコア周辺領域と、上記マルチモードコアに接する上記クラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に上記信号光を吸収する吸収媒質がドープされることを特徴とするマルチモード光ファイバ。
【請求項２】
クラッドは、
マルチモードコアよりも屈折率が小さく、上記マルチモードコア周りに設けられた第１のクラッドと、
上記第１のクラッドよりも屈折率が小さく、上記第１のクラッド周りに設けられた第２のクラッドとから構成されることを特徴とする請求の範囲第１項記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項３】
第１のクラッドは、
光軸と直交する平面で切断した際の正面外形が多角形に形成されることを特徴とする請求の範囲第２項記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項４】
第１のクラッドは、
光軸と直交する平面で切断した際の正面外形が円形に対して凹凸を有する形状に形成されることを特徴とする請求の範囲第２項記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項５】
利得媒質としてエルビウムがドープされるとともに、吸収媒質としてコバルトがドープされることを特徴とする請求の範囲第１項記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項６】
利得媒質としてネオジウムがドープされるとともに、吸収媒質としてプラセオジウムまたはサマリウムがドープされることを特徴とする請求の範囲第１項記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項７】
信号光の基本モードに対して利得を与え、上記信号光の高次モードに対して損失を与えるマルチモード光ファイバと、
ほぼ回折限界の上記信号光を出力するシングルモードレーザ発振器と、
上記マルチモード光ファイバの一端に設けられ、上記シングルモードレーザ発振器から出力した上記信号光を上記マルチモード光ファイバの基本モードにほぼ一致させて上記マルチモード光ファイバの一端へ入射する第１の光学系と、
励起光を出力する励起光源と、
上記マルチモード光ファイバの他端に設けられ、上記励起光源から出力した上記励起光を上記マルチモード光ファイバの他端へ入射するとともに、上記マルチモード光ファイバの他端から出射した上記信号光を透過する第２の光学系とを備えることを特徴とするファイバレーザ増幅器。
【請求項８】
シングルモードレーザ発振器は、
ほぼ回折限界の信号光をパルス状にして出力するとともに、
第１の光学系は、
上記シングルモードレーザ発振器から出力した上記パルス状の信号光のパルス幅を拡大するパルス幅拡大器を備え、
第２の光学系は、
マルチモード光ファイバの他端から出射した上記信号光のパルス幅を圧縮するパルス幅圧縮器を備えることを特徴とする請求の範囲第７項記載のファイバレーザ増幅器。
【請求項９】
マルチモード光ファイバは、
励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、
クラッドに接する上記マルチモードコアのコア周辺領域と、上記マルチモードコアに接する上記クラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされることを特徴とする請求の範囲第７項記載のファイバレーザ増幅器。
【請求項１０】
信号光の基本モードに対して利得を与え、上記信号光の高次モードに対して損失を与えるマルチモード光ファイバと、
上記マルチモード光ファイバの一端に設けられ、上記マルチモード光ファイバの一端から出射した発振光を反射して上記マルチモード光ファイバの一端へ入射する全反射ミラーと、
上記マルチモード光ファイバの他端に設けられ、上記マルチモード光ファイバの他端から出射した上記発振光を部分反射する部分反射ミラーと、
励起光を出力する励起光源と、
上記励起光源から出力した上記励起光を上記全反射ミラーまたは上記部分反射ミラーを介して上記マルチモード光ファイバの一端または他端へ入射する第２の光学系とを備えることを特徴とするファイバレーザ発振器。
【請求項１１】
全反射ミラーとマルチモード光ファイバとの間、部分反射ミラーとマルチモード光ファイバとの間、またはマルチモード光ファイバ中のうちのいずれかの位置にレーザ発振としてパルスを発生させるパルス発生手段を備えることを特徴とする請求の範囲第１０項記載のファイバレーザ発振器。
【請求項１２】
マルチモード光ファイバは、
励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、
クラッドに接する上記マルチモードコアのコア周辺領域と、上記マルチモードコアに接する上記クラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされることを特徴とする請求の範囲第１０項記載のファイバレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、高ピークパワー出力を実現するための構造を持ったマルチモード光ファイバに係るものである。また、この発明は、このマルチモード光ファイバを適用したファイバレーザ増幅器およびファイバレーザ発振器に関するものである。
背景技術
まず始めに、光ファイバ中をレーザ光が単一モードのみで伝搬する場合、すなわち光ファイバがシングルモード（以下、ＳＭと略す）光ファイバであるための条件と、光ファイバ中をレーザ光が複数モードで伝搬する場合、すなわち光ファイバがマルチモード（以下、ＭＭと略す）光ファイバであるための条件とについて、簡単に説明する。
光ファイバの正規化周波数Ｖは、次の式（１）で表される。
Ｖ＝（２πａ／λ）・√（ｎ１２−ｎ２２）                    （１）
式（１）において、ａは光ファイバのコア半径、λは光ファイバを伝搬するレーザ光の波長、ｎ１は光ファイバのコアの屈折率、ｎ２はコア周りのクラッドの屈折率である。
光ファイバがＳＭ光ファイバであるための条件はＶ＜２．４０５で表され、この条件を満たす光ファイバをレーザ光は単一モードのみで伝播する。一方、Ｖ＞２．４０５の条件を満たす光ファイバはＭＭ光ファイバであり、複数の伝搬モードが存在する。ＭＭ光ファイバの伝搬モードの数Ｎは、近似的に以下の式（２）で表される。
Ｎ＝Ｖ２／２                                                （２）
ＳＭ光ファイバは、希土類などの活性イオンがそのコアにドープ（ｄｏｐｅ［英］）され、ファイバレーザ発振器やファイバレーザ増幅器（以下、ファイバレーザと称す）にしばしば適用される。これらのファイバレーザでは、レーザ出力光のビームモードがＳＭ光ファイバの基本モードのみに制限されるため、ほぼ回折限界のビーム品質を有するレーザ光を実現することができる。
ところで、高出力、特にレーザ光をパルス状にする場合などの高ピークパワー出力をファイバレーザで実現したい場合がある。しかしながら、ＳＭ光ファイバを適用したファイバレーザでは、ＳＭ光ファイバの小さなコアにレーザ光を閉じ込めるため、光ファイバ内部での誘導ブリルアン散乱や光ファイバ端面の損傷などによって最大出力が制約されてしまう。
この最大出力の制約上限を緩和するために、光ファイバのコア半径ａを拡大することが考えられる。コア半径ａを大きくすることによって、光ファイバ内部および光ファイバ端面におけるパワー密度を相対的に低下できるからである。だが式（１）から分かるように、ＳＭ光ファイバの場合、同じ正規化周波数Ｖを保って（ＳＭ光ファイバの条件Ｖ＜２．４０５を満たして）コア半径ａを大きくするには、コア屈折率ｎ１とクラッド屈折率ｎ２との差を小さくする必要がある。
例えば波長１．５μｍにおけるＳＭ光ファイバでコア直径を１５μｍ程度まで拡大した報告はあるものの、コア半径ａをさらに大きくして最大出力の制約上限を緩和するためには、コア屈折率ｎ１とクラッド屈折率ｎ２との差を一層小さくする必要があり、製造が難しくなるとともに、大きな曲げ損失を発生させてしまう原因となる。つまり、ＳＭ光ファイバを用いたファイバレーザでは、高ピークパワー出力を得ることは困難であった。
光ファイバのコア半径ａを大きくしてパワー密度を低減するために、希土類などの活性イオンをコアにドープしたＭＭ光ファイバをファイバレーザに適用するという別の発想もある。前述したように、ＭＭ光ファイバの条件はＶ＞２．４０５なので、コア屈折率ｎ１とクラッド屈折率ｎ２との差を考慮する必要がなく、コア半径ａを拡大する点に関しては問題が生じないからである。
しかし、ＭＭ光ファイバは多数の伝搬モードを有するため、ＭＭ光ファイバを使ってファイバレーザ発振器を構成した場合、複数のモードでレーザ発振が生じてしまい、ほぼ回折限界のレーザ出力光を得ることは困難である。
また、ＭＭ光ファイバをファイバレーザ増幅器に用いた場合、入射光として回折限界のレーザ光を入射しても、光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードへエネルギーが変換されて高次モードが発生し増幅されてしまうため、ファイバレーザ増幅器からの出力として、ほぼ回折限界のレーザ出力光を実現することは困難である。
さらに、ＭＭ光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器では、自然放出光が多数の伝搬モードに結合して増幅され、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ［英］）を発生するため、入射する信号光に対して大きな雑音成分が付加されるとともに、ＡＳＥが増幅されてコア内に蓄えられたエネルギーを消費するため、増幅効率が低下してしまう。
さらに加えて、ＭＭ光ファイバは、伝搬モードによって異なる伝搬速度（群速度）を有するため、大きな分散が生じてしまう。
このような問題を解決する手法として、次の第１図に示すような構造を持った従来のＭＭ光ファイバが提案されている。この従来のＭＭ光ファイバは、特開平１１−７４５９３号公報に開示されたものである。
第１図Ａ〜第１図Ｃは従来のＭＭ光ファイバの構造を示す図である。第１図ＡはＭＭ光ファイバの正面構造図、第１図ＢはＭＭ光ファイバの屈折率プロファイル・ドーパントプロファイル、第１図ＣはＭＭ光ファイバの側面構造図である。正面とはＭＭ光ファイバの光軸と直交した平面によるＭＭ光ファイバの切断面を、側面とはＭＭ光ファイバの光軸を含んだ平面によるＭＭ光ファイバの切断面をそれぞれ意味している。
第１図Ａ〜第１図Ｃにおいて、１００は従来のＭＭ光ファイバ、１０１はＭＭコア、１０２はクラッドである。ＭＭコア１０１とクラッド１０２とからＭＭ光ファイバ１００が構成されている。また、ＭＭコア１０１において、１０１Ａは希土類をドープしたコア中心領域、１０１Ｂは希土類をドープしていないコア周辺領域である。ＭＭコア１０１は、コア中心領域１０１Ａと、コア中心領域１０１Ａ周りのコア周辺領域１０１Ｂとによって構成されており、コア中心領域１０１Ａの屈折率とコア周辺領域１０１Ｂの屈折率とは一致するように調整されている。
次に動作について説明する。
コア中心領域１０１Ａにドープされた希土類によって吸収される励起光をＭＭ光ファイバ１００へ入射すると、コア中心領域１０１Ａのみに利得が発生する。このとき、ＭＭ光ファイバ１００における複数の伝搬モードのうち、コア中心領域１０１Ａに強い強度分布を持った伝搬モードに対する利得が、他の伝搬モードに対する利得に比べて大きくなる。
基本モードのレーザ光の強度分布はガウス分布で近似的に表され、コア中心付近の強度分布が強くなっている。したがって、ＭＭ光ファイバ１００では、コア中心付近の強度が小さい高次モードに比べて、基本モードの利得が大きくなる。この結果、ＭＭ光ファイバ１００を使ったファイバレーザ増幅器へ基本モードのレーザ光を信号光として入射した場合、高次の伝搬モードで増幅されるレーザ光は減少し、基本モードで増幅されるレーザ光が大きくなる。
ここで、ＭＭ光ファイバ１００内の伝搬モードに発生する利得の計算結果の一例を次の第２図に示す。この利得の計算結果は、基本モードＬＰ０１と、基本モードＬＰ０１の強度分布形状に比較的近い強度分布を持った高次のモードＬＰ０２と、高次のモードの中で最も次数の低い低次モードＬＰ１１とに対して行なったものである。
第２図は第１図のＭＭ光ファイバ１００の伝搬モードに発生する利得を示す図である。第２図の横軸はコア中心領域１０１Ａの半径であり、ＭＭコア１０１の半径で規格化している。また、第２図の縦軸は各モードＬＰ０１，ＬＰ０２，ＬＰ１１に発生する利得であり、伝搬モードの強度分布が存在する全領域が利得を持つ場合の各モードに発生する利得で規格化してある。
第２図を見ると、コア中心領域１０１Ａの半径によらず、各モードＬＰ０１，ＬＰ０２，ＬＰ１１ともに利得が発生していることが分かる。特に高次のモードＬＰ０２では、コア中心領域１０１Ａの半径が小さいところで、基本モードＬＰ０１よりも大きな利得が生じている。
したがって、従来のＭＭ光ファイバ１００では、基本モードＬＰ０１から高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生すると、高次モードも増幅されてしまうことになる。
また、高次のモードを持ったビーム品質の低いレーザ光が第１図のＭＭ光ファイバ１００へ信号光として入射した場合には、高次のモードまでもが増幅されてしまう。
さらに、ＭＭ光ファイバ１００では、ＡＳＥも同様に増幅されるため、信号光に対して大きな雑音成分が付加されてしまうとともに、ＡＳＥに対しての増幅によってコア内に蓄えられたエネルギーが消費されるため、増幅効率が低下してしまう。
従来のマルチモード光ファイバは以上のように構成されているので、基本モードのみを選択的に増幅することができず、高次モードと、高次のモードに結合するＡＳＥとを抑制することができないという課題があった。
従来のシングルモード光ファイバを用いたファイバレーザ発振器やファイバレーザ増幅器は、光ファイバ端面の損傷や誘導ブリルアン散乱などにより出力が制限されるため、高出力、特にレーザ光をパルス状に出力する場合などの高ピークパワー出力を実現することができないという課題があった。
従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器は、高次のモードに対しても利得を有するため、回折限界のレーザ光を信号光として入射しても、光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生し増幅されるため、高次のモードを抑制することができず、ほぼ回折限界の出方を実現することができないという課題があった。
また、従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器は、高次の伝搬モードの一部でコア中心付近の強度分布が強くなるため、基本モードと同様に大きな利得が発生してしまい、基本モードのみを選択的に増幅することができないという課題があった。
さらに、従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器は、自然放出光が高次のモードに結合して同様に増幅されるため、ＡＳＥによる雑音成分と、ＡＳＥによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを完全に抑制できず、増幅効率が低下してしまうという課題があった。
さらに、従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器は、光ファイバ内の散乱による基本モードから高次モードへのエネルギーの変換を減少させるため、光ファイバ内の散乱が小さくなるような特殊な製造方法を用いなければならないという課題があった。
さらに、従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器は、曲げなどの応力による基本モードから高次モードへのエネルギーの変換を減少させるため、クラッドの厚みを大きくしなければならないという課題があった。
従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ発振器は、高次のモードに対しても利得を持つために高次モードのレーザ発振が生じ、ほぼ回折限界のレーザ出力光を得ることができないという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、基本モードのみを選択的に増幅し、高次モードと、高次のモードに結合するＡＳＥとを抑制することが可能なマルチモード光ファイバを提供することを目的とする。
また、この発明は、高ピークパワー出力を実現することが可能なファイバレーザ増幅器およびファイバレーザ発振器を提供することを目的とする。
発明の開示
この発明に係るマルチモード光ファイバは、励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、クラッドに接するマルチモードコアのコア周辺領域と、マルチモードコアに接するクラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされるようにしたものである。
このことにより、マルチモード光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもマルチモード光ファイバ内でほとんど増幅されないので、高次のモードをほぼ完全に抑制でき、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
また、このことにより、高次のモードに結合して増幅される自然放出光を抑制でき、ＡＳＥによる雑音成分と、ＡＳＥによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅を抑制でき、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってマルチモード光ファイバを製造できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅を抑制でき、クラッドの厚みを小さくできるという効果が得られる。
この発明に係るマルチモード光ファイバは、マルチモードコアよりも屈折率が小さく、マルチモードコア周りに設けられた第１のクラッドと、第１のクラッドよりも屈折率が小さく、第１のクラッド周りに設けられた第２のクラッドとからクラッドが構成されるようにしたものである。
このことにより、大パワーの励起光をマルチモード光ファイバへ入射できるようになり、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。
この発明に係るマルチモード光ファイバは、光軸と直交する平面で切断した際の第１のクラッドの正面外形が多角形に形成されるようにしたものである。
このことにより、利得媒質に吸収されない励起光を減少させることができ、増幅効率を向上できるという効果が得られる。
この発明に係るマルチモード光ファイバは、光軸と直交する平面で切断した際の第１のクラッドの正面外形が円形に対して凹凸を有する形状に形成されるようにしたものである。
このことにより、利得媒質に吸収されない励起光を減少させることができ、増幅効率を向上できるという効果が得られる。
この発明に係るマルチモード光ファイバは、利得媒質としてエルビウムがドープされるとともに、吸収媒質としてコバルトがドープされるようにしたものである。
このことにより、１．５３μｍ〜１．６μｍの波長帯でほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
この発明に係るマルチモード光ファイバは、利得媒質としてネオジウムがドープされるとともに、吸収媒質としてプラセオジウムまたはサマリウムがドープされるようにしたものである。
このことにより、１．０５μｍ付近の波長帯でほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ増幅器は、信号光の基本モードに対して利得を与え、信号光の高次モードに対して損失を与えるマルチモード光ファイバと、ほぼ回折限界の信号光を出力するシングルモードレーザ発振器と、マルチモード光ファイバの一端に設けられ、シングルモードレーザ発振器から出力した信号光をマルチモード光ファイバの基本モードにほぼ一致させてマルチモード光ファイバの一端へ入射する第１の光学系と、励起光を出力する励起光源と、マルチモード光ファイバの他端に設けられ、励起光源から出力した励起光をマルチモード光ファイバの他端へ入射するとともに、マルチモード光ファイバの他端から出射した信号光を透過する第２の光学系とを備えるようにしたものである。
このことにより、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ増幅器は、シングルモードレーザ発振器がほぼ回折限界の信号光をパルス状にして出力するとともに、シングルモードレーザ発振器から出力したパルス状の信号光のパルス幅を拡大するパルス幅拡大器を第１の光学系が備え、マルチモード光ファイバの他端から出射した信号光のパルス幅を圧縮するパルス幅圧縮器を第２の光学系が備えるようにしたものである。
このことにより、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力がパルス状の信号光で実現できるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ増幅器は、マルチモード光ファイバが、励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、クラッドに接するマルチモードコアのコア周辺領域と、マルチモードコアに接するクラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされるようにしたものである。
このことにより、マルチモード光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもマルチモード光ファイバ内でほとんど増幅されないので、高次のモードをほぼ完全に抑制でき、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
また、このことにより、高次のモードに結合して増幅される自然放出光を抑制でき、ＡＳＥによる雑音成分と、ＡＳＥによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅を抑制でき、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってマルチモード光ファイバを製造できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅を抑制でき、クラッドの厚みを小さくできるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ発振器は、信号光の基本モードに対して利得を与え、信号光の高次モードに対して損失を与えるマルチモード光ファイバと、マルチモード光ファイバの一端に設けられ、マルチモード光ファイバの一端から出射した発振光を反射してマルチモード光ファイバの一端へ入射する全反射ミラーと、マルチモード光ファイバの他端に設けられ、マルチモード光ファイバの他端から出射した発振光を部分反射する部分反射ミラーと、励起光を出力する励起光源と、励起光源から出力した励起光を全反射ミラーまたは部分反射ミラーを介してマルチモード光ファイバの一端または他端へ入射する第２の光学系とを備えるようにしたものである。
このことにより、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ発振器は、全反射ミラーとマルチモード光ファイバとの間、部分反射ミラーとマルチモード光ファイバとの間、またはマルチモード光ファイバ中のうちのいずれかの位置にレーザ発振としてパルスを発生させるパルス発生手段を備えるようにしたものである。
このことにより、ほぼ回折限界、高ピークパワー出力のパルス状レーザ発振を実現できるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ発振器は、マルチモード光ファイバが、励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、クラッドに接するマルチモードコアのコア周辺領域と、マルチモードコアに接するクラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされるようにしたものである。
このことにより、マルチモード光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもマルチモード光ファイバ内でほとんど増幅されないので、高次のモードをほぼ完全に抑制でき、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
また、このことにより、高次のモードに結合して増幅される自然放出光を抑制でき、ＡＳＥによる雑音成分と、ＡＳＥによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅を抑制でき、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってマルチモード光ファイバを製造できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅を抑制でき、クラッドの厚みを小さくできるという効果が得られる。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
第３図Ａ〜第３図Ｃはこの発明の実施の形態１によるＭＭ光ファイバの構造を示す図である。第３図ＡはＭＭ光ファイバの正面構造図、第３図ＢはＭＭ光ファイバの屈折率プロファイル・利得プロファイル・損失プロファイル、第３図ＣはＭＭ光ファイバの側面構造図をそれぞれ表している。正面とはＭＭ光ファイバの光軸と直交した平面によるＭＭ光ファイバの切断面を、側面とはＭＭ光ファイバの光軸を含んだ平面によるＭＭ光ファイバの切断面をそれぞれ意味する。
第３図Ａ〜第３図Ｃにおいて、１０はこの実施の形態１のＭＭ光ファイバ、１１はＭＭコア、１２はクラッドである。ＭＭコア１１とクラッド１２とからＭＭ光ファイバ１０が構成されている。
また、ＭＭコア１１において、１１Ａはコア中心領域、１１Ｂはコア中間領域、１１Ｃはコア周辺領域である。ＭＭコア１１は、コア中心領域１１Ａと、コア中心領域１１Ａ周りのコア中間領域１１Ｂと、コア中間領域１１Ｂ周りのコア周辺領域１１Ｃとによって構成されている。
コア中心領域１１Ａには希土類などの利得媒質をドープしている。この利得媒質は、励起光を吸収することにより、ＭＭコア１１を伝搬する信号光に対して利得を発生する。また、コア周辺領域１１Ｃには希土類などの吸収媒質をドープしている。この吸収媒質は、励起光をほとんど吸収せず、ＭＭコア１１を伝搬する信号光のうちコア周辺領域１１Ｃに拡がった成分を吸収するものである。これらのコア中心領域１１Ａ，コア周辺領域１１Ｃに対して、コア中間領域１１Ｂには利得媒質・吸収媒質をドープしていない。コア中心領域１１Ａの屈折率と、コア中間領域１１Ｂの屈折率と、コア周辺領域１１Ｃの屈折率とはほぼ一致するように調整されている。
次に、ＭＭ光ファイバ１０を用いてファイバレーザ増幅器を構成した場合を一例として、ＭＭ光ファイバ１０の動作について説明する。
第４図はこの発明の実施の形態１によるファイバレーザ増幅器の構成例を示す図であり、第３図のＭＭ光ファイバ１０を用いたファイバレーザ増幅器の構成例を表している。第３図Ａ〜第３図Ｃと共通の符号は同一または相当する構成を示している。
第４図において、２１はＳＭレーザ発振器、２２はＳＭレーザ発振器２１から出力されたほぼ回折限界のＳＭの信号光、２３は励起光源、２４は励起光源２３から出力された励起光、２５はダイクロイックミラー、Ｌ１〜Ｌ４はレンズである。ダイクロイックミラー２５は、励起光２４の波長を反射し、信号光２２の波長を透過する。
励起光源２３から出力した励起光２４は、レンズ（第２の光学系）Ｌ４によって平行光に変換された後にダイクロイックミラー（第２の光学系）２５で反射され、さらにレンズ（第２の光学系）Ｌ３で集光されてＭＭ光ファイバ１０へと入射する。ＭＭ光ファイバ１０へ入射した励起光２４は、ＭＭ光ファイバ１０のコア中心領域１１Ａにドープした利得媒質によって吸収され、ＭＭ光ファイバ１０のＭＭコア１１の中心付近に利得を発生する。
一方、ＳＭレーザ発振器２１から出力した信号光２２は、レンズ（第１の光学系）Ｌ１によって平行光に変換された後、ＭＭ光ファイバ１０の基本モードにほぼ一致するようにレンズ（第１の光学系）Ｌ２で集光され、ＭＭ光ファイバ１０へと入射する。ＭＭ光ファイバ１０へ入射した信号光２２は、ＭＭ光ファイバ１０のコア中心領域１１Ａで発生した利得媒質の利得によって増幅されるとともに、ＭＭ光ファイバ１０のコア周辺領域１１Ｃにドープされた吸収媒質によって、コア周辺領域１１Ｃに拡がった成分が吸収される。
ＭＭ光ファイバ１０内で生じる利得は、ＭＭ光ファイバ１０の伝搬モードによって異なり、基本モードに対しては損失に比べて利得の方が大きく、高次のモードに対しては利得に比べて損失の方が大きくなる。信号光２２はＭＭ光ファイバ１０の基本モードとほぼ一致するようにＭＭ光ファイバ１０へ入射しているので、ＭＭ光ファイバ１０では基本モードのみを選択的に増幅でき、高次のモードをほとんど発生させずにすむ。
また、ＳＭレーザ発振器２１自身のビーム品質の低下や、レンズなどの光学系で発生する収差によって高次のモードが信号光２２に発生し、ＭＭ光ファイバ１０の基本モードと一致せずに信号光２２がＭＭ光ファイバ１０へ入射した場合であっても、ＭＭ光ファイバ１０では、この信号光２２のうち基本モードのみが選択的に増幅され、信号光２２の高次モードは増幅されないか、または吸収により減少するようになる。このため、ＭＭ光ファイバ１０で信号光２２が伝搬している間に基本モードのみを増幅することができ、高次モードを抑制できる。
さらに、曲げなどの応力によりＭＭ光ファイバ１０内で発生する屈折率分布や、ＭＭ光ファイバ１０内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生した場合でも、高次のモードは増幅されないか、または吸収により減少してしまうため、高次のモードはＭＭ光ファイバ１０からほとんど出力されない。
さらに、ＭＭ光ファイバ１０内のＡＳＥのうち、高次のモードに結合した成分も同様に増幅されないか、または吸収により減少してしまうため、信号光２２に対する雑音成分を抑制でき、コア内に蓄えられたエネルギーがＡＳＥによって消費されてしまうことも抑制できる。ＭＭ光ファイバ１０により増幅された信号光２２は、ほぼ基本モードの成分のみを持つレーザ出力光としてＭＭ光ファイバ１０の反対側から出力し、レンズＬ３で平行光に変換された後、ダイクロイックミラー２５を透過して出力する。
このとき、ＭＭ光ファイバ１０で増幅される信号光２２に発生する利得を考える。第５図は第３図のＭＭ光ファイバ１０の光軸に垂直な断面内における伝搬モードの強度分布を示す図である。ここでは正規化周波数Ｖを１０としており、ＭＭ光ファイバ１０内の基本モードＬＰ０１と、基本モードＬＰ０１の強度分布形状に比較的近い強度分布を持った高次のモードＬＰ０２と、高次のモードの中で最も次数の低い低次モードＬＰ１１との各強度分布を第５図にそれぞれ表している。
なお、第５図の横軸はＭＭ光ファイバ１０の中心からの距離ｒ（ＭＭコア１１の半径で規格化）であり、第５図の縦軸は強度である。厳密には、ＬＰモードはＭＭコア１１の屈折率ｎ１とクラッド１２の屈折率ｎ２との差が小さいときに成り立つ近似であるが、ＭＭ光ファイバ１０の動作において問題となる差は生じないと考えて良い。
第５図において、高次のモードＬＰ０２は中心（ｒ＝０）で最大となるが、中心からｒ＝０．５程度までの積分値で考えると、基本モードＬＰ０１に比べてその強度は小さい。一方、コア外周付近（ｒ〜１）においては、基本モードＬＰ０１に比べてモードＬＰ０２は大きな強度を持つ。
また、モードＬＰ１１については、中心（ｒ＝０）の強度は０となるため、中心付近の強度分布は基本モードＬＰ０１に比べて小さい。コア外周付近（ｒ〜１）においては、基本モードＬＰ０１に比べてモードＬＰ１１が大きな強度分布を持つ。各モードＬＰ０２，ＬＰ１１よりもさらに高次のモードについては、この傾向が大きくなる。
したがって、ＭＭ光ファイバ１０の中心付近（ｒ〜０）に利得を与えるとともに、コア外周付近（ｒ〜１）に損失を与え、利得／損失比を適当に設定することにより、基本モードＬＰ０１では損失に比べて利得が大きくなるように、その他の高次モードに対しては利得に比べて損失が大きくなるように設定可能であり、ＭＭ光ファイバ１０で基本モードＬＰ０１のみを選択的に増幅することが可能となる。正規化周波数Ｖが大きくなるにしたがって、外周付近の基本モードの強度分布と、高次のモードの強度分布との差が小さくなっていくが、傾向は同じであり、利得／損失比を適当に設定することにより基本モードのみを選択的に増幅することが可能である。
ここで、ＭＭ光ファイバ１０の伝搬モードに発生する利得・損失の一例として、基本モードＬＰ０１，高次のモードＬＰ０２，低次モードＬＰ１１に対する利得の計算結果を次の第６図に示す。なお、参考のために、同じ条件でコア周辺領域１１Ｃを設けない場合の基本モードＬＰ０１に対する利得の計算結果も合せて示している。
第６図は第３図のＭＭ光ファイバ１０の伝搬モードに発生する利得を示す図である。第６図の横軸はコア中心領域１１Ａの規格化半径であり、ＭＭコア１１の半径で規格化している。また、第６図の縦軸は各モードに発生する利得であり、伝搬モードの強度分布が存在する全領域が利得を持ち、コア周辺領域１１Ｃが存在しない場合の各モードに発生する利得で規格化してある。利得の値が負のときは損失が発生していることを示す。なお、コア周辺領域１１Ｃの内径はＭＭコア１１の半径の０．９倍とし、利得／損失比として最適な値を選んでいる。
第６図から、コア中心領域１１Ａの規格化半径０．４７以下において、高次のモードに対する利得は０以下、すなわち高次のモードに対しては損失が発生するため、ＭＭ光ファイバ１０では高次のモードは抑制されることが分かる。ここで、高次のモードとしてＬＰ０２およびＬＰ１１を示したが、さらに高次のモードではモードＬＰ０２およびモードＬＰ１１の利得よりも大きくなることは少なくともない。コア周辺領域１１Ｃは基本モードＬＰ０１に対しても損失を発生するが、コア周辺領域１１Ｃに存在する基本モードＬＰ０１の強度分布は小さいため、この損失の影響は小さい。
したがって、この条件においては、コア中心領域１１Ａの規格化半径を０．４７以下にすることにより、基本モードＬＰ０１のみが利得を持つようになり、基本モードＬＰ０１のみを選択的に増幅することが可能になる。
一般的なファイバレーザ発振器やファイバレーザ増幅器に使用される利得媒質としては、例えば次の（ａ）〜（ｃ）が挙げられる。
（ａ）  エルビウム（Ｅｒ）
吸収波長：０．９８μｍ，１．４８μｍ
発振波長：１．５３μｍ〜１．６μｍ
（ｂ）  ネオジウム（Ｎｄ）
吸収波長：０．８μｍ
発振波長：１．０６μｍ，１．３μｍ
（ｃ）  イッテリビウム（Ｙｂ）
吸収波長：約０．９８μｍ
発振波長：約１．０２μｍ〜１．１μｍ
一方、コア周辺領域１１Ｃにドープした吸収媒質の材料は、コア中心領域１１Ａにドープした利得媒質を励起するための励起光２４をほとんど吸収せず、信号光２２に対して吸収性を有する材料であればどのような材料であっても良い。
例えば（ａ）のエルビウムを利得媒質として用いた場合には、１．５μｍ付近に吸収帯を持ち、０．９８μｍ付近に吸収帯を持たないコバルト（Ｃｏ）などを吸収媒質として使用することができる。
また、（ｂ）のネオジウムを利得媒質として用いた場合には、１．０６μｍ付近に吸収帯を持ち、０．８μｍ付近に吸収帯を持たないプラセオジウム（Ｐｒ）やサマリウム（Ｓｍ）などを吸収媒質として使用することができる。
さらに、（ｃ）のイッテリビウムを利得媒質として用いた場合、吸収波長と発振波長とが近いため材料の選定が難しいが、１．０２〜１．１μｍ付近に吸収帯を持ち、０．９８μｍ付近に吸収帯を持たない吸収材料を用いれば、同様の効果が得られる。
このように、ＭＭ光ファイバ１０では、高次モードに対して利得がほとんど発生せず、基本モードに対してのみ大きな利得を有するので、ＭＭ光ファイバ１０内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもＭＭ光ファイバ１０内でほとんど増幅されないので、高次のモードがほぼ完全に抑制され、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を得ることが可能である。
また、高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制されるため、ＡＳＥによる雑音成分と、ＡＳＥによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制することが可能になる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅が抑制されるため、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってＭＭ光ファイバ１０を製造することができる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅が抑制されるため、クラッド１２の厚みを小さくすることができる。
なお、ＭＭコア１１のコア中心領域１１Ａ，コア中間領域１１Ｂおよびコア周辺領域１１Ｃの屈折率はほぼ一致させるものとしたが、ＭＭコア１１の中心から外周へ向かって屈折率が小さくなるように、すなわちコア中心領域１１Ａに比べてコア中間領域１１Ｂの屈折率が小さく、コア中間領域１１Ｂに比べてコア周辺領域１１Ｃの屈折率が小さくなるように構成しても良い。このとき、ＭＭコア１１を伝搬する信号光２２のモード形状は変化するが、コア中心領域１１Ａの半径、コア周辺領域１１Ｃの半径および利得／損失比を適当に設定することにより、基本モードのみを選択的に増幅することが可能であり、同様の効果が得られる。
以上のように、この実施の形態１によれば、利得媒質をドープしたコア中心領域１１Ａと、コア中心領域１１Ａ周りのコア中間領域１１Ｂと、吸収媒質がドープされ、コア中間領域１１Ｂ周りのコア周辺領域１１ＣとからなるＭＭコア１１と、クラッド１２とからＭＭ光ファイバ１０を構成するようにしたので、ＭＭ光ファイバ１０内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもＭＭ光ファイバ１０内でほとんど増幅されないので、高次のモードをほぼ完全に抑制でき、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
また、高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制できるので、ＡＳＥによる雑音成分と、ＡＳＥによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、この高次モードの増幅を抑制でき、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってＭＭ光ファイバ１０を製造できるという効果が得られる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅を抑制でき、クラッド１２の厚みを小さくできるという効果が得られる。
また、この実施の形態１によれば、ＭＭ光ファイバ１０と、ほぼ回折限界のＳＭの信号光２２を出力するＳＭレーザ発振器２１と、ＭＭ光ファイバ１０の一端に設けられ、ＳＭレーザ発振器２１からの信号光２２をＭＭ光ファイバ１０の基本モードにほぼ一致させてＭＭ光ファイバ１０へ入射するレンズＬ１，Ｌ２と、ＭＭ光ファイバ１０のＭＭコア１１の利得媒質に吸収される励起光２４を出力する励起光源２３と、ＭＭ光ファイバ１０の他端に設けられ、励起光源２３からの励起光２４をＭＭ光ファイバ１０へ入射するとともに、ＭＭ光ファイバ１０からの信号光２２を外部へ透過するダイクロイックミラー２５，レンズＬ３，Ｌ４とからファイバレーザ増幅器を構成するようにしたので、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態１によれば、利得媒質としてエルビウム（Ｅｒ）をドープするとともに、吸収媒質としてコバルト（Ｃｏ）をドープするようにしたので、１．５３μｍ〜１．６μｍの波長帯でほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態１によれば、利得媒質としてネオジウム（Ｎｄ）をドープするとともに、吸収媒質としてプラセオジウム（Ｐｒ）またはサマリウム（Ｓｍ）をドープするようにしたので、１．０５μｍ付近の波長帯でほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
実施の形態２．
第７図はこの発明の実施の形態２によるファイバレーザ増幅器の構成を示す図であり、第３図のＭＭ光ファイバ１０を用いたファイバレーザ増幅器の構成例を表している。第４図と共通の符号は同一または相当する構成を示している。
第７図において、２６はＳＭパルスレーザ発振器（ＳＭレーザ発振器）、２７はＳＭパルスレーザ発振器２６から出力されるパルス状の信号光、２８はパルス幅拡張器（第１の光学系）、２９はパルス幅圧縮器（第２の光学系）である。
次に動作について説明する。
励起光源２３から出力した励起光２４は、レンズＬ４によって平行光に変換された後にダイクロイックミラー２５で反射され、さらにレンズＬ３で集光されてＭＭ光ファイバ１０へと入射する。ＭＭ光ファイバ１０へ入射した励起光２４は、ＭＭ光ファイバ１０のコア中心領域１１Ａにドープされた利得媒質によって吸収され、ＭＭ光ファイバ１０のＭＭコア１１の中心付近に利得を発生する。
一方、ＳＭパルスレーザ発振器２６から出力したパルス状の信号光２７は、レンズＬ１によって平行光に変換された後、パルス幅拡張器２８によってパルス幅が拡げられ、ＭＭ光ファイバ１０の基本モードにほぼ一致するようにレンズＬ２で集光され、ＭＭ光ファイバ１０へと入射する。
ファイバレーザ増幅器においてパルス状で高出力を制限するのは、主にパルスのピークパワーによる光ファイバ端面の損傷である。信号光２７のパルス幅はパルス幅拡張器２８によって拡大されて長いパルス幅を有するようになるので、信号光２７のピークパワーは低下し、ＭＭ光ファイバ１０の端面の損傷による制限を抑制することができる。
ＭＭ光ファイバ１０へ入射した信号光２７は、基本モードのみが選択的に増幅される。ＭＭ光ファイバ１０により増幅された信号光２７は、ほぼ基本モードの成分のみを持つレーザ出力光としてＭＭ光ファイバ１０の反対側から出力し、レンズＬ３で平行光に変換された核、ダイクロイックミラー２５を透過し、パルス幅圧縮器２９により信号光２７のパルス幅が圧縮されて出力する。
このように、第７図のファイバレーザ増幅器では、パルス状の信号光２７のパルス幅をパルス幅拡張器２８によって拡大してＭＭ光ファイバ１０へ入射し、ＭＭ光ファイバ１０から出射した信号光２７のパルス幅をパルス幅圧縮器２９によって圧縮して出力するので、ほぼ回折限界の出力が得られるとともに、さらに高ピークパワー出力を得ることが可能になる。
以上のように、この実施の形態２によれば、ＭＭ光ファイバ１０と、パルス状の信号光２７を出力するＳＭパルスレーザ発振器２６と、ＭＭ光ファイバ１０の一端に設けられ、ＳＭパルスレーザ発振器２６からの信号光２７をＭＭ光ファイバ１０の基本モードにほぼ一致させてＭＭ光ファイバ１０へ入射するとともに、ＳＭパルスレーザ発振器２６からの信号光２７のパルス幅を拡大するレンズＬ１，Ｌ２，パルス幅拡大器２８と、ＭＭ光ファイバ１０のＭＭコア１１の利得媒質に吸収される励起光２４を出力する励起光源２３と、ＭＭ光ファイバ１０の一端に設けられ、励起光源２３からの励起光２４をＭＭ光ファイバ１０へ入射するとともに、ＭＭ光ファイバ１０からの信号光２７のパルス幅を圧縮して外部へ透過するダイクロイックミラー２５，レンズＬ３，Ｌ４，パルス幅圧縮器２９とからファイバレーザ増幅器を構成するようにしたので、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力がパルス状の信号光２７で実現できるという効果が得られる。
実施の形態３．
第８図はこの発明の実施の形態３によるファイバレーザ発振器の構成例を示す図であり、第３図のＭＭ光ファイバ１０を用いたファイバレーザ発振器の構成例を表している。第４図と共通の符号は同一または相当する構成を示している。
第８図において、３０はＭＭ光ファイバ１０の一端に設けられた全反射ミラー、３１はＭＭ光ファイバ１０の他端に設けられた部分反射ミラーである。全反射ミラー３０はＭＭ光ファイバ１０で生じたレーザ発振による発振光を全て反射し、部分反射ミラー３１はＭＭ光ファイバ１０で生じたレーザ発振による発振光の一部を透過して残りを反射する（部分反射）。
励起光２４は部分反射ミラー３０または全反射ミラー３１のどちら側からＭＭ光ファイバ１０へ入射しても良く、励起光２４が入射する側の全反射ミラー３０または部分反射ミラー３１は、励起光２４がほぼ全て透過するような特性を有する。全反射ミラー３０および部分反射ミラー３１としては、ガラス表面に誘電体膜を蒸着したものや、光ファイバに回折格子を書き込んだファイバグレーティングが用いられる。
次に動作について説明する。
励起光源２３から出力した励起光２４は、レンズ（第２の光学系）Ｌ４によって平行光に変換された後にダイクロイックミラー（第２の光学系）２５で反射され、さらにレンズ（第２の光学系）Ｌ３で集光されて部分反射ミラー３１を透過し、ＭＭ光ファイバ１０へと入射する。ＭＭ光ファイバ１０へ入射した励起光２４は、ＭＭ光ファイバ１０のコア中心領域１１Ａにドープした利得媒質によって吸収され、ＭＭ光ファイバ１０のＭＭコア１１の中心付近に利得を発生する。
励起されたＭＭ光ファイバ１０のＭＭコア１１内では自然放出光が発生し、自然放出光のうちの基本モードに結合する光が全反射ミラー３０と部分反射ミラー３１との間を伝搬して増幅されレーザ発振し、このレーザ発振による発振光の一部が部分反射ミラー３１を透過してファイバレーザ発振器のレーザ出力光として外部へ出力する。
このように、ＭＭ光ファイバ１０では、基本モードにのみ利得が発生し、高次のモードに対しては利得が発生しないので、ＭＭ光ファイバ１０内で生じるレーザ発振のモードは基本モードのみとなり、高次モードのレーザ発振は発生しないようになる。したがって、ほぼ回折限界、高ピークパワー出力のレーザ発振を実現することが可能である。
なお、第８図には図示していないが、全反射ミラー３０とＭＭ光ファイバ１０との間、部分反射ミラー３１とＭＭ光ファイバ１０との間、またはＭＭ光ファイバ１０中の任意の位置に、Ｑスイッチや過飽和吸収体などのような、レーザ発振としてパルスを発生させるための光学素子（パルス発生手段）を挿入しても良い。このような構成要素を追加することで、第８図のファイバレーザ発振器において、ほぼ回折限界、高ピークパワー出力のパルス状レーザ発振を実現することが可能になる。
以上のように、この実施の形態３によれば、ＭＭ光ファイバ１０と、ＭＭ光ファイバ１０の一端に設けられ、ＭＭ光ファイバ１０からの発振光を全反射する全反射ミラー３０と、ＭＭ光ファイバ１０の他端に設けられ、ＭＭ光ファイバ１０からの発振光を部分反射する部分反射ミラー３１と、ＭＭ光ファイバ１０のＭＭコア１１の利得媒質に吸収される励起光２４を出力する励起光源２３と、励起光源２３からの励起光２４を全反射ミラー３０または部分反射ミラー３１を介してＭＭ光ファイバ１０へ入射するダイクロイックミラー２５，レンズＬ３，Ｌ４とからファイバレーザ発振器を構成するようにしたので、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。
また、この実施の形態３によれば、全反射ミラー３０とＭＭ光ファイバ１０との間、部分反射ミラー３１とＭＭ光ファイバ１０との間、またはＭＭ光ファイバ１０中のうちのいずれかの位置にレーザ発振としてパルスを発生させるＱスイッチや過飽和吸収体などのパルス発生手段を備えるようにしたので、ほぼ回折限界、高ピークパワー出力のパルス状レーザ発振を実現できるという効果が得られる。
実施の形態４．
第９図Ａ〜第９図Ｃはこの発明の実施の形態４によるＭＭ光ファイバの構造を示す図である。第９図ＡはＭＭ光ファイバの正面構造図、第９図ＢはＭＭ光ファイバの屈折率プロファイル・利得プロファイル・損失プロファイル、第９図ＣはＭＭ光ファイバの側面構造図をそれぞれ表している。
第９図Ａ〜第９図Ｃにおいて、４０はこの実施の形態４のＭＭ光ファイバ、４１はＭＭコア、４２はクラッドである。ＭＭコア４１とクラッド４２とからＭＭ光ファイバ４１が構成されている。
また、ＭＭコア４１において、４１Ａはコア中心領域、４１Ｂはコア周辺領域である。ＭＭコア４１は、希土類などの利得媒質をドープしたコア中心領域４１Ａと、利得媒質・吸収媒質をドープしていないコア周辺領域４１Ｂとによって構成されており、コア中心領域４１Ａ周りにコア周辺領域４１Ｂが設けられている。コア中心領域４１Ａ，コア周辺領域４１Ｂの屈折率はほぼ一致するように調整されている。
さらに、クラッド４２において、４２Ａはクラッド４２の希土類などの吸収媒質がドープされているクラッド中心領域である。クラッド４２が有するクラッド中心領域４２Ａは、ＭＭコア４１周りに設けられている。
コア中心領域４１Ａにドープした利得媒質は、励起光を吸収することにより、ＭＭコア４１を伝搬する信号光に対して利得を発生する。また、クラッド中心領域４２Ａにドープした吸収媒質は、励起光をほとんど吸収せず、ＭＭコア４１を伝搬する信号光のうちクラッド中心領域４２Ａにしみだした成分を吸収するものである。
第５図で示したように、ＭＭコア４１と接しているクラッド４２側の領域では、値は小さいものの、高次のモードＬＰ０２，ＬＰ１１が基本モードＬＰ０１よりも大きな強度を持っている。したがって、ＭＭコア４１の中心領域４１Ａに利得媒質をドープして利得を与えるとともに、クラッド４２のクラッド中心領域４２Ａに吸収媒質をドープして損失を与え、利得／損失比を適当に設定することにより、基本モードＬＰ０１では損失に比べて利得が大きくなるように、その他の高次モードに対しては利得に比べて損失が大きくなるように設定可能であり、実施の形態１に示したＭＭ光ファイバ１０と同様に、基本モードＬＰ０１のみを選択的に増幅することが可能である。
もちろん、実施の形態１で示したファイバレーザ増幅器（第４図）、実施の形態２で示したファイバレーザ増幅器（第７図）、実施の形態３で示したファイバレーザ発振器（第８図）に対して、この実施の形態４のＭＭ光ファイバ４０を適用することができる。
このようなＭＭ光ファイバ４０では、高次モードに対して利得が発生せず、基本モードに対してのみ利得を有するので、光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもＭＭ光ファイバ４０内でほとんど増幅されないので、高次のモードがほぼ完全に抑制され、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を得ることが可能である。
また、高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制されるため、ＡＳＥによる雑音成分と、ＡＳＥによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制することが可能になる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅は抑制されるため、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってＭＭ光ファイバ４０を製造することができる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅は抑制されるため、クラッド４２の厚みを小さくすることができる。
なお、この実施の形態４のクラッド中心領域４２Ａを実施の形態１で示したＭＭ光ファイバ１０に適用しても良い。つまり、利得媒質をドープしたコア中心領域１１Ａと、ドープされていないコア中間領域１１Ｂと、吸収媒質をそれぞれドープしたコア周辺領域１１Ｃおよびクラッド中心領域４２Ａとを備えたＭＭ光ファイバを構成する。このようにすることで、実施の形態１，実施の形態４の効果をより一層大きくすることができる。
以上のように、この実施の形態４によれば、利得媒質をドープしたコア中心領域４１Ａと、コア中心領域４１Ａ周りのコア周辺領域４１ＣとからなるＭＭコア４１と、吸収媒質がドープされ、ＭＭコア４１周りのクラッド中心領域４２Ａを有するクラッド４２とからＭＭ光ファイバ４０を構成するようにしたので、ＭＭ光ファイバ４０内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもＭＭ光ファイバ４０内でほとんど増幅されないので、高次のモードがほぼ完全に抑制され、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。
また、高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制されるため、ＡＳＥによる雑音成分と、ＡＳＥによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅は抑制されるため、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってＭＭ光ファイバ４０を製造できるという効果が得られる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅は抑制されるため、クラッド４２の厚みを小さくできるという効果が得られる。
実施の形態５．
ファイバレーザ増幅器やファイバレーザ発振器で大きな出力を得るためには、高出力の励起光をＭＭ光ファイバ内へ入射して利得媒質に吸収させる必要がある。一般的に、高出力の半導体レーザを励起光源として用いた場合、半導体レーザからの励起光は高次のモードを含み、ビーム品質が低くなる。ビーム品質の低いビームは、集光してもビーム径が大きくなってしまうため、ＭＭコア１１に効率良く入射させることは困難となる。この実施の形態５では、このような問題を解決するダブルクラッド構造のＭＭ光ファイバについて述べる。
第１０図Ａ〜第１０図Ｃはこの発明の実施の形態５によるＭＭ光ファイバの構造を示す図であり、ダブルクラッドＭＭ光ファイバを示している。第１０図ＡはＭＭ光ファイバの正面構造図、第１０図ＢはＭＭ光ファイバの屈折率プロファイル・利得プロファイル・損失プロファイル、第１０図ＣはＭＭ光ファイバの側面構造図をそれぞれ表している。第４図Ａ〜第４図Ｃと共通の符号は同一または相当する構成を示している。
第１０図Ａ〜第１０図Ｃにおいて、５０はこの実施の形態５のＭＭ光ファイバ、５２はＭＭ光ファイバ５０のクラッド、５２Ａは信号光をＭＭコア１１内に閉じこめる第１のクラッド、５２Ｂは励起光を第１のクラッド５２Ａに閉じ込めるための第２のクラッドである。クラッド５２は、ＭＭコア１１周りに設けられた第１のクラッド５２Ａと、第１のクラッド５１Ａ周りに設けられた第２のクラッド５２Ｂとから構成されている。第１のクラッド５２Ａの屈折率はＭＭコア１１の屈折率よりも小さく、第２のクラッド５２Ｂの屈折率は第１のクラッド５２Ａの屈折率よりも小さい。
次に動作について説明する。
信号光は第１のクラッド５２ＡによってＭＭコア１１内に閉じ込められ、基本モードのみが選択的に増幅される。励起光は第２のクラッド５２Ｂによって第１のクラッド５２Ａ内に閉じ込められ、ＭＭコア１１のコア中心領域１１Ａを通過した成分が利得媒質に吸収され、利得を発生する。このとき、コア周辺領域１１Ｃの吸収媒質には励起光はほとんど吸収されない。
したがって、ＭＭコア１１に比べて大きな半径を有する第１のクラッド５２Ａへ励起光を入射すれば、励起光は第２のクラッド５２Ｂにより第１のクラッド５２Ａ内に閉じ込められて利得媒質に吸収されるので、ビーム品質の低い励起光を用いた場合でも利得媒質に効率良く励起光を吸収させることが可能である。
このようなダブルクラッド構造のＭＭ光ファイバ５０では、高次モードに対して利得が発生せず、基本モードに対してのみ利得を有するので、光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもＭＭ光ファイバ５０内で増幅されないので、高次のモードがほぼ完全に抑制されるとともに、ビーム品質の低い高出力の半導体レーザを励起光として用いることができるため、ほぼ回折限界の、高出力、高ピークパワー出力を実現することができる。
また、高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制されるため、ＡＳＥによる雑音成分と、ＡＳＥによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制することが可能である。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅は抑制されるため、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によりＭＭ光ファイバ５０を製造することができる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅は抑制されるため、クラッド５２の厚みを小さくすることが可能である。
なお、ここでの説明では、ＭＭコア１１のコア周辺領域１１Ｃに吸収媒質をドープするようにしているが、実施の形態４と同様に、第１のクラッド５２ＡのＭＭコア１１と接する付近（第１のクラッドのクラッド中心領域）に吸収媒質をドープしても良く、同様の効果が得られる。
また第１０図では、第１のクラッド５２Ａの正面の外形は円形として図示しているが、この実施の形態５はこれに限定されるものではなく、多角形や、円形に対して凹凸を有する花びら形など、第１のクラッド５２Ａの正面の外形を任意に選択することができる。
第１のクラッド５２Ａの外形が円形の場合には、第１のクラッド５２Ａを伝搬する励起光の一部は、ＭＭコア１１のコア中心領域１１Ａを通過せずに伝搬するスキュー光となるため、コア中心領域１１Ａの利得媒質に吸収されず、増幅効率が低下してしまう。これに対して、第１のクラッド５２Ａの外形を多角形や花びら形にした場合、このスキュー光の割合が減少するため、コア中心領域１１Ａの利得媒質に吸収される割合が増加し、増幅効率を向上することが可能になる。
以上のように、この実施の形態５によれば、ＭＭコア１１よりも屈折率が小さく、ＭＭコア１１周りに設けられた第１のクラッド５２Ａと、第１のクラッド５２Ａよりも屈折率が小さく、第１のクラッド５１Ａ周りに設けられた第２のクラッド５２Ｂとから構成されるクラッド５２をＭＭ光ファイバ５０が備えるようにしたので、大パワーの励起光をＭＭ光ファイバ５０へ入射できるようになり、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。
また、この実施の形態５によれば、第１のクラッド５１は、光軸と直交する平面で切断した際の正面外形が多角形に形成されるようにしたので、利得媒質に吸収されない励起光を減少させることができ、増幅効率を向上できるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態５によれば、第１のクラッド５１は、光軸と直交する平面で切断した際の正面外形が円形に対して凹凸を有する形状に形成されるようにしたので、利得媒質に吸収されない励起光を減少させることができ、増幅効率を向上できるという効果が得られる。
産業上の利用可能性
以上のように、この発明に係るマルチモード光ファイバは、レーザレーダ用レーザ光源や加工用レーザ光源など、高ビーム品質・高出力パワーが要求されるファイバレーザ発振器やファイバレーザ増幅器に適している。
【図面の簡単な説明】
第１図Ａ〜第１図Ｃは従来のマルチモード光ファイバの構造を示す図である。
第２図は第１図のマルチモード光ファイバの伝搬モードに発生する利得を示す図である。
第３図Ａ〜第３図Ｃはこの発明の実施の形態１によるマルチモード光ファイバの構造を示す図である。
第４図はこの発明の実施の形態１によるファイバレーザ増幅器の構成を示す図である。
第５図は第３図のマルチモード光ファイバの光軸に垂直な断面内における伝搬モードの強度分布を示す図である。
第６図は第３図のマルチモード光ファイバの伝搬モードに発生する利得を示す図である。
第７図はこの発明の実施の形態２によるファイバレーザ増幅器の構成を示す図である。
第８図はこの発明の実施の形態３によるファイバレーザ発振器の構成を示す図である。
第９図Ａ〜第９図Ｃはこの発明の実施の形態４によるマルチモード光ファイバの構造を示す図である。
第１０図Ａ〜第１０図Ｃはこの発明の実施の形態５によるマルチモード光ファイバの構造を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【国際調査報告】
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