(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光を伝搬させるコアと、
上記コアの外周を覆うように設けられた第１クラッドと、
上記第１クラッドの外周を覆うように設けられ、該第１クラッドの長さ方向に延びるように配置された複数の空孔からなる第２クラッドと、
上記コア、上記第１クラッドおよび上記第２クラッドの端部に該第２クラッドの各空孔の開口端を封止する状態に設けられたエンドキャップとを備えた空孔型ダブルクラッドファイバであって、
上記エンドキャップの端面における少なくともファイバ軸中央部分は、ファイバ軸方向外方に向かって膨出し且つ該エンドキャップを通過した所定の光のビーム径が小さくなる方向に変化する形状の非球面に形成されており、
上記第１クラッドは、励起光を伝搬させるポンプガイドであり、
上記エンドキャップの端面を覆うように設けられ、該エンドキャップを拡散しつ伝搬する上記励起光の少なくとも一部を反射するミラーを更に備え、
上記エンドキャップの端面は、少なくともファイバ軸中心から該エンドキャップを拡散しつつ伝搬して該端面に達した励起光を上記ミラーにより上記第１クラッドに向かって反射する形状に形成されていることを特徴とする空孔型ダブルクラッドファイバ。
【請求項２】
所定の光を伝搬させるコアと、
上記コアの外周を覆うように設けられた第１クラッドと、
上記第１クラッドの外周を覆うように設けられ、該第１クラッドの長さ方向に延びるように配置された複数の空孔からなる第２クラッドと、
上記コア、上記第１クラッドおよび上記第２クラッドの端部に該第２クラッドの各空孔の開口端を封止する状態に設けられたエンドキャップとを備えた空孔型ダブルクラッドファイバであって、
上記エンドキャップの端面における少なくともファイバ軸中央部分は、ファイバ軸方向外方に向かって膨出し且つ該エンドキャップを通過した所定の光のビーム径が小さくなる方向に変化する形状の非球面に形成されており、
上記第１クラッドは、励起光を伝搬させるポンプガイドであり、
上記エンドキャップの端面を覆うように設けられ、該エンドキャップを拡散しつ伝搬する上記励起光の少なくとも一部を反射するミラーを更に備え、
上記エンドキャップの長さをＬ，ファイバ軸中心から上記第１クラッドの外周面までの寸法の最小値をｐ，上記励起光の伝搬角をθｐとしたときに、
上記エンドキャップの端面における上記励起光の到達領域の曲率半径Ｒが、
Ｒ≦（ｐ／ｔａｎθｐ）＋Ｌ
であることを特徴とする空孔型ダブルクラッドファイバ。
【請求項３】
請求項２に記載の空孔型ダブルクラッドファイバにおいて、
上記第１クラッドの外周面は、ファイバ軸を中心とする断面円形状をなし、
上記ファイバ軸から上記第１クラッドの外周面までの寸法の最小値は、該第１クラッドの外周面の半径である空孔型ダブルクラッドファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、端部にエンドキャップが設けられていてファイバレーザ装置の共振器やレーザガイドなどに用いられる空孔型ダブルクラッドファイバに関し、特に、エンドキャップの端面形状の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高出力ファイバレーザ装置などに使用される光ファイバなどのように、高出力光を導波する光ファイバの端面においては、伝送光に対して導波構造を有しない低熱膨張係数の純粋石英ロッドを接続することにより出射端面でのビームエネルギー密度低減を図り、端面部におけるレーザ耐性を向上させることができる。特に、クラッドに空孔を有する空孔型光ファイバの場合には、端面に空孔が曝されているため外部から塵や水分などの不純物が侵入しやすい。このため、空孔の端部を加熱溶融してコラプスすることで該空孔を封止し、コンタミの侵入を防ぐことが行われる。このように、レーザ耐性の向上やコンタミの侵入の防止を目的として光ファイバ端面部に意図的に付加された導波構造を有しない部位をエンドキャップと呼ぶ。
【０００３】
また、特に高出力ファイバレーザに使用されるダブルクラッドファイバでは、コアおよび第１クラッドの外側に設けられた第２クラッドによって励起光の閉じ込めが行われ、この励起光が伝搬する部位は通常ポンプガイドと呼ばれる。ところで、ダブルクラッドファイバでは、多くの場合に第２クラッドが低屈折率樹脂のポリマーから形成されることから、レーザが高出力になるとポリマークラッドにおける発熱によって信頼性が問題となる。これに対し、図５に模式的に示すように、各々、略ファイバ軸方向（同図の略左右方向）に延びる複数の空孔１３０ａにより第２クラッド１３０を構成するようにした空孔型ダブルクラッドファイバ１００は、石英材料のみで導波構造を構成することができるため熱耐性に優れる。
【０００４】
このような空孔型ダブルクラッドファイバ１００の場合には、先に述べた純粋石英ロッドを接続するという方法とは異なり、特許文献１に記載されているように、その端部を加熱溶融して励起光に対する導波構造をなくすることで、エンドキャップ１５０を形成することができる。
【０００５】
また、ファイバレーザ装置の共振器として使用されるときには、図５仮想線で示すように、エンドキャップ１５０の端面に直接にミラー１６０を形成（例えば、誘電体多層膜を蒸着）することで、簡便に共振器を形成することができる。具体的には、まず、空孔型ダブルクラッドファイバ１００の端部にエンドキャップ１５０を形成し、次に、そのエンドキャップ１５０の端面を垂直研磨した後、ミラー１６０の形成が行われる。
【特許文献１】特開２００５−３２１４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の空孔型ダブルクラッドファイバでは、他の光学部品と結合するときやレーザ光を所定のレーザ加工ポイントなどに照射するときに、図５に実線の矢印で示すように、コア１１０から拡散しつつエンドキャップ１５０を伝搬するレーザ光のビーム径が小さくならないために、結合効率がよくないという問題がある。尚、これに対しては、先球レンズを溶融接続する技術（特開平８−１１４７２９号公報参照）が知られているが、その場合には、接続点での強度に新たな問題を招くことになる。
【０００７】
また、上記従来の場合に、エンドキャップ１５０の端面にミラー１６０を形成すると、エンドキャップ伝搬中に発散してミラー１６０の表面に達した励起光の一部が、図５に仮想線の矢印で示すように、ポンプガイド１２０に戻らず、その外側方向へ反射されるという、いわゆる励起光の「ケラレ」が生じ、その結果、発振効率の低下をもたらすという問題がある。
【０００８】
本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、空孔型ダブルクラッドファイバの端部にエンドキャップを形成する際に、そのエンドキャップの端面形状に工夫を加え、その結果、例えば、光学部品などに結合して使用する場合には結合効率を改善できるようにし、また、共振器として使用する場合には励起光のケラレを減少して発振効率の低下を抑制できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成すべく、本発明では、エンドキャップの端面形状を、非球面にするようにした。
【００１０】
具体的には、本発明では、所定の光を伝搬させるコアと、このコアの外周を覆うように設けられた第１クラッドと、この第１クラッドの外周を覆うように設けられていて、該第１クラッドの長さ方向に延びるように配置された複数の空孔からなる第２クラッドと、これらコア，第１クラッドおよび第２クラッドの端部に該第２クラッドの各空孔の開口端を封止する状態に設けられたエンドキャップとを備えた空孔型ダブルクラッドファイバを前提としている。
【００１１】
そして、上記エンドキャップの端面における少なくとも中央部分は、ファイバ軸方向外方に向かって膨出するレンズ形状に形成されているものとする。
【００１２】
尚、上記の構成において、他の光学部品などと結合する場合には、非球面を、エンドキャップを通過した所定光のビーム径が小さくなる方向に変化する形状とすることができる。
【００１３】
一方、ファイバレーザ装置の共振器などとして使用する場合、つまり、第１クラッドが、励起光を伝搬させるポンプガイドとされており、かつ、エンドキャップの端面を覆うように設けられていて、該エンドキャップを拡散しつつ伝搬する上記励起光の少なくとも一部を反射するミラーを備える場合には、上記のレンズ形状を、少なくともファイバ軸中心からエンドキャップを拡散しつつ伝搬して端面に達した励起光をミラーにより上記第１クラッドに向かって反射する形状に形成することができる。
【００１４】
また、ファイバレーザ装置の共振器などとして使用する場合の、より具体的な構成としては、エンドキャップの長さをＬ，ファイバ軸から第１クラッドの外周面までの寸法の最小値をｐ，励起光の伝搬角をθｐとしたときに、エンドキャップの端面における励起光の到達領域の曲率半径Ｒを、Ｒ≦（ｐ／ｔａｎθｐ）＋Ｌ、とすることが挙げられる。尚、第１クラッドの外周面が、ファイバ軸を中心とする断面円形状をなす場合には、ファイバ軸から第１クラッドの外周面までの寸法の最小値は、該第１クラッドの外周面の半径となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空孔型ダブルクラッドファイバの端部にエンドキャップを形成する際に、その端面形状を凸面状の非球面とするようにしたので、その結果、エンドキャップの端面と他の光学部品などと結合する場合には結合効率の改善に寄与することができ、また、端面にミラーを形成して共振器として用いる場合には、励起光のケラレを抑えて発振効率の低下の抑制に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態に係る空孔型ダブルクラッドファイバの端部構造を模式的に示しており、この空孔型ダブルクラッドファイバ１０は、ファイバレーザ装置の出力側に設けられていて該ファイバレーザ装置で発生した所定の光としてのレーザ光を、他の光学部品２０に伝送するレーザガイドとして用いられる。
【００１８】
この空孔型ダブルクラッドファイバ１０は、レーザ光を伝搬させるコア１１と、このコア１１の外周を覆うように設けられた第１クラッド１２と、この第１クラッド１２の外周を覆うように設けられていて、略ファイバ軸方向に延びるように配置された複数の空孔１３ａからなる第２クラッド１３と、この第２クラッドの外周を覆うように設けられたサポート層１４と、本空孔型ダブルクラッドファイバ１０の端部に第２クラッド１３の各空孔１３ａの開口端を封止する状態に設けられたエンドキャップ１５とを備えている。
【００１９】
そして、本実施形態では、エンドキャップ１５の端面は、ファイバ軸方向外方（図１の右方）に向かって膨出する非球面形状に形成されている。具体的には、非球面形状は、図１に太い実線の矢印で示すように、端面１６から出射されたレーザ光が光学部品２０上の所定位置に焦点を結ぶ形状とされている。
【００２０】
ここで、上記の非球面について詳しく説明する。非球面の形状については、一般に補正項を無視することができるので、非球面の頂点を原点とする光軸方向の位置をｈ、半径方向の位置をｙとするｈ−ｙ座標において、次式〔１〕により与えられる。
【００２１】
ｈ＝ｃ・ｙ２／｛１＋［１−（１＋ｋ）・ｃ２・ｙ２］１／２}  ．．．〔１〕
ｃ：非球面の頂点の曲率（同点の曲率半径Ｒの逆数）
ｋ：円錐定数（２次曲面の係数）
上記の式〔１〕において、非球面は、ｋ＜−１のときに双曲面、ｋ＝−１のときに放物面、−１＜ｋ＜０のときに楕円面、ｋ＝０のときに球面、０＜ｋ＜１のときに偏球面となる。つまり、本明細書における「非球面」とは、「球面」を含む概念である。
【００２２】
また、上記のような端面形状を得る方法の一例としては、肌理が細かくかつ柔軟な研磨シートを用い、この研磨シートにエンドキャップ１５の端面を押し付けて研磨を行うことが挙げられる。つまり、エンドキャップ１５の押し付けられた研磨シートの部位が湾曲状に凹むので、その凹みによりエンドキャップ１５の周縁部分をファイバ軸中心部分よりも多く研磨することができ、よって、端面が非球面状に形成されることとなる。
【００２３】
したがって、本実施形態によれば、空孔型ダブルクラッドファイバ１０の端部にエンドキャップ１５を形成する際に、そのエンドキャップ１５の端面を、該端面から出射したレーザ光が焦点を結ぶ方向に変化する波面集束効果を有する非球面形状とするようにしたので、光ファイバの端部に別部材の先球レンズが融着接続されるようにする場合（特開平８−１１４７２９号公報参照）とは異なり、接続強度が不足するという事態を招くことなく、結合効率を改善することができる。
【００２４】
尚、上記の実施形態では、エンドキャップ１５の端面から出射したレーザ光を他の光学部品２０に照射する場合について説明しているが、例えば、エンドキャップ１５の端面を他の光ファイバの端面に物理的に接触させるフィジカルコンタクトを行う場合に適用することもできる。
【００２５】
また、上記の実施形態では、エンドキャップ１５の端面を、出射されたレーザ光が焦点を結ぶように変化させる形状とするようにしているが、使用条件によっては、少なくとも、ビーム径が小さくなる方向に変化させる形状とすることもできる。
【００２６】
さらに、上記の実施形態では、レーザ光をガイドするレーザガイドの場合について説明しているが、本発明に係る空孔型ダブルクラッドファイバは、ファイバレーザ装置関連の種々の光学機器に適用することもできる。
【００２７】
（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係る空孔型ダブルクラッドファイバの端部構造を模式的に示しており、この空孔型ダブルクラッドファイバ１０は、ファイバレーザ装置の共振器として使用される。
【００２８】
この空孔型ダブルクラッドファイバ１０は、励起光により誘導放出光を発生するとともに該誘導放出光を伝搬させるコア１１と、このコア１１の外周を覆うように設けられていて上記励起光を伝搬させる第１クラッド１２と、この第１クラッド１２の外周を覆うように設けられていて、略ファイバ軸方向に延びるように配置された複数の空孔１３ａからなる第２クラッド１３と、この第２クラッド１３の外周を覆うように設けられたサポート層１４と、本空孔型ダブルクラッドファイバ１０の端部に第２クラッド１３の各空孔１３ａの開口端を封止する状態に設けられていて、励起光に対する導波構造を有さないエンドキャップ１５とを備えている。
【００２９】
第１クラッド１２の外周断面形状は、ファイバ軸を中心とする円形状をなしている。第２クラッド１３は、第１クラッド１２内に励起光を閉じ込める機能を有しており、これにより、第１クラッド１２はポンプガイドとして機能するようになっている。また、エンドキャップ１５の端面には、第１クラッド１２側から拡散しつつエンドキャップ１５を伝搬する励起光の少なくとも一部を反射する誘電体多層膜からなるミラー１６が形成されている。
【００３０】
そして、本実施形態では、上記エンドキャップ１５の端面は、ファイバ軸中心からエンドキャップ１５を拡散しつつ伝搬して該端面に達した励起光を、ミラー１６により第１クラッド１２に向かって反射する形状に形成されている。つまり、ミラー１６は、上記端面の形状により凹面鏡に形成されている。
【００３１】
具体的には、エンドキャップ１５の端面は、ファイバ軸上におけるエンドキャップ１５の始端から該ファイバ軸に対し伝搬角θｐの角度でもって拡散しつつエンドキャップ１５を伝搬した励起光が、第１クラッド１２の外周面の半径寸法だけ離れた位置においてミラー１６の表面に達し、その位置からファイバ軸に対する平行光としてエンドキャップ１５を通過し、第１クラッド１２に入射するように形成されている。尚、図２において、Ｌはエンドキャップ１５のファイバ軸方向寸法であり、ｐは第１クラッド１２の外周面の半径である。
【００３２】
したがって、本実施形態によれば、空孔型ダブルクラッドファイバ１０の端部にエンドキャップ１５を形成し、その端面に設けたミラー１６により励起光の少なくとも一部を反射するようにして共振器を構成する際に、ファイバ軸中心から該ファイバ軸に対し伝搬角θｐの角度でもって拡散しつつエンドキャップ１５を伝搬する励起光を第１クラッド１２の内側方向に反射させるようにしたので、第１クラッド１２を伝搬してミラー１６により反射される励起光の大半について、第１クラッド１２の外側方向へのケラレを減少させることができ、よって、そのような励起光のケラレに起因する発振効率の低下の抑制に寄与することができる。
【００３３】
また、励起光をファイバ軸に対する平行光として反射するので、その反射光がエンドキャップ１５内で焦点を結ぶことはなく、よって、エネルギーの高密度化に伴うエンドキャップ１５の損傷を回避することができる。
【００３４】
尚、上記の実施形態では、第１クラッド１２の外周断面形状が円形である場合について説明しているが、例えば断面Ｄ字状など、他の形状をなしている場合にも本発明を適用することができる。但し、その場合には、ｐには、第１クラッド１２の外周面の半径に代えて、第１クラッド１２のファイバ軸−外周面間の最小寸法を代入することが好ましい。
【００３５】
また、上記の実施形態では、ファイバレーザ装置の共振器の場合について説明しているが、本発明に係る空孔型ダブルクラッドファイバは、その他のファイバレーザ装置関連の光学機器に適用することができる。
【００３６】
（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３に係る空孔型ダブルクラッドファイバの端部構造を模式的に示しており、この空孔型ダブルクラッドファイバ１０は、実施形態２の場合と同じく、ファイバレーザ装置の共振器として用いられる。
【００３７】
本実施形態では、エンドキャップ１５の端面は、第１クラッド１２から拡散しつつエンドキャップ１５を伝搬して該端面に達した全ての励起光をミラー１６により第１クラッド１２に向かって反射する形状に形成されている。
【００３８】
具体的には、エンドキャップ１５のファイバ軸方向における長さをＬ，第１クラッド１２の外周面の半径をｐ，上記励起光の伝搬角をθｐとしたとき、ファイバ軸に対し伝搬角θｐの角度でもって発散する励起光のうち、最もファイバ軸から離れた半径方向位置においてエンドキャップ１５を通過する励起光が第１クラッド１２に戻るためには、反射後の復路とファイバ軸との間の角度の最小値が伝搬角θｐと同じである必要がある。このとき、この励起光がファイバ軸上から拡散を開始するファイバ軸方向位置は、エンドキャップ１５の始端からｐ／ｔａｎθｐの寸法だけ手前側（図３の左側）である。ここで、エンドキャップ１５の厚さ寸法をＬとすると、このときの曲率半径Ｒは、
Ｒ＝（ｐ／ｔａｎθ）＋Ｌ  ．．．〔２〕
であり、これは、励起光のケラレを発生させないための最適曲率半径である。
【００３９】
よって、エンドキャップ１５の端面において励起光が達する領域での曲率半径Ｒを、
Ｒ≦（ｐ／ｔａｎθ）＋Ｌ  ．．．〔３〕
とすることにより、第１クラッド１２を伝搬してミラー１６に達する全ての励起光が、第１クラッド１２に戻るように反射されることとなり、よって、ミラー１６による励起光のケラレは原理的に存在しなくなる。尚、本実施形態のその他の構成は実施形態２の場合と同じであるので説明は省略する。
【００４０】
したがって、本実施形態によれば、実施形態２の場合と同じく、空孔型ダブルクラッドファイバ１０の端部にエンドキャップ１５を形成し、その端面に設けたミラー１６により励起光の少なくとも一部を反射するようにして共振器を構成する際に、第１クラッド１２からエンドキャップ１５を伝搬して端面に達した全ての励起光が第１クラッド１２に向かって反射するので、第１クラッド１２の半径方向外方側への励起光のケラレは原理的には完全になくなり、よって、そのような励起光のケラレに起因する発振効率の低下の抑制に、さらに寄与することができる。
【００４１】
また、本実施例によっても、反射光がエンドキャップ１５内で焦点を結ぶことがないので、エネルギーの高密度化に伴うエンドキャップ１５の損傷を回避することができる。
【００４２】
尚、上記の実施形態では、コア１１を、希土類元素がドープされてなるものとし、その希土類元素に励起光を吸収させることで誘導放出散光を発生させるようにしているが、コアを希土類元素がドープされていないものとし、励起光によりコア内に誘導ラマン散乱などの非線形相互作用を生じさせることで誘導放出光を発生させるようにすることもできる。
【００４３】
また、上記の実施形態では、第１クラッド１２の外周断面形状がファイバ軸を中心とする円形である場合について説明しているが、例えば矩形状，多角形状，Ｄ字状など、他の形状をなしている場合にも本発明を適用することができる。但し、その場合には、ｐには、第１クラッド１２の外周面の半径に代えて、ファイバ軸中心と第１クラッドの外周面との間の最小寸法を代入することが好ましい。
【００４４】
また、上記の実施形態では、エンドキャップ１５の端面における励起光到達領域のみにおいて、関係式〔３〕により曲率半径Ｒを定めるようにしているが、端面の全領域において関係式〔３〕により曲率半径Ｒを定めるようにしてもよい。
【００４５】
さらに、上記の実施形態では、ファイバレーザ装置の共振器の場合について説明しているが、本発明に係る空孔型ダブルクラッドファイバは、ファイバレーザ装置から出射されたレーザビームを所定の箇所にガイドするレーザガイドなど、種々の光学機器に適用することができる。
【実施例】
【００４６】
ここで、実施形態１の実施例について説明する。本実施例では、エンドキャップ長ＬをＬ＝２００μｍ、ポンプガイド半径ｐをｐ＝２００μｍ、ポンプガイドにおける励起光の伝搬角θｐをθｐ＝２８．９°（開口数ＮＡはＮＡ＝０．７）、ファイバ半径ｒをｒ＝１０００μｍとした。このとき、端面の最適曲率半径Ｒ′は、上記の式〔３〕により、
Ｒ′＝（２００〔μｍ〕／０．５５２）＋２００〔μｍ〕≒５６２〔μｍ〕
となる。
【００４７】
図４に、本実施例の端面の断面形状を示す。尚、同図に併せて示す比較例は、フィジカルコンタクト（ＰＣ）用に研磨された従来の端面の断面形状であり、その曲率半径Ｒは、Ｒ１０ｍｍである。尚、ＰＣ研磨時の曲率半径Ｒは、一般に、Ｒ＝１０〜２５ｍｍ程度である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の実施形態１に係る空孔型ダブルクラッドファイバの端部構造を結合対象の光学部品と併せて模式的に示す縦断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態２に係る空孔型ダブルクラッドの端部構造を模式的に示す縦断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態３に係る空孔型ダブルクラッドの端部構造を模式的に示す図２相当図である。
【図４】図４は、実施形態３の実施例の端面の断面形状をＰＣ研磨された従来の端面の断面形状と併せて示す特性図である。
【図５】図５は、従来の空孔型ダブルクラッドファイバの端部構造を模式的に示す図２相当図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  空孔型ダブルクラッドファイバ
１１  コア
１２  第１クラッド
１３  第２クラッド
１３ａ  空孔
１５  エンドキャップ
１６  ミラー
【図１】
0005178329.tif 000002
【図２】
0005178329.tif 000003
【図３】
0005178329.tif 000004
【図４】
0005178329.tif 000005
【図５】
0005178329.tif 000006