(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素が添加されたコアの周囲にクラッドを有する光ファイバと、その光ファイバの側面より励起光を入射する励起光源とを備えた光ファイバレーザにおいて、前記光ファイバは、前記クラッドの外周部に長手方向に沿って前記光ファイバの全長にわたって連続的に、凹凸形状からなる凹凸部を有すると共に、前記クラッドの側面同士が互いに接するように、前記光ファイバは多段に巻き回されて積層され、前記積層方向が前記励起光の入射方向と平行となるように前記励起光源が設けられていることを特徴とする光ファイバレーザ。
【請求項２】
前記光ファイバは、前記励起光の入射方向と平行方向において、隣り合う前記光ファイバの前記クラッドの凹部の底点同士、および凸部の頂点同士の位置が重ならず、かつ、凹部の底点と凸部の頂点の位置が重ならないように巻き回されている請求項１記載の光ファイバレーザ。
【請求項３】
前記クラッドの凹凸形状の凹凸変化量は、前記クラッドの径の１０％以下である請求項１または２記載の光ファイバレーザ。
【請求項４】
希土類元素が添加されたコアの周囲にクラッドを有する光ファイバに、その側面より励起光を入射し、前記コアの希土類元素を励振させて、レーザー発振光を出力する光ファイバレーザの励起方法において、前記クラッドの外周部に長手方向に沿って前記光ファイバの全長にわたって連続的に、凹凸形状からなる凹凸部を有し、前記クラッドの側面同士が互いに接するように、前記光ファイバは多段に巻き回されて積層されている光ファイバに、前記積層方向が前記励起光の入射方向と平行となるように設けられた励起光源から励起光を入射することを特徴とする光ファイバレーザの励起方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、利得媒質となるコア（利得コア）を有する光ファイバの側面より励起光を入射する光ファイバレーザ及び光ファイバレーザの励起方法に係り、特に、励起光を効率的に利得コア中に結合させる光ファイバレーザ及び光ファイバレーザの励起方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工や医療用途への適用を目的として、より高出力で安価な光源の開発が求められている。これらの要求に対し、光ファイバレーザや、光ファイバアンプなどの光増幅器は、高効率でしかもシングルモードのレーザ光を容易に取り出すことができるという理由で注目を集めている。
【０００３】
光ファイバレーザには、利得媒質となる希土類を添加したコアを有するダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ）が一般的に用いられている。そのダブルクラッドファイバに励起光を入射する光ファイバレーザの励起方法としては、レーザバーを用いて励起する場合、例えば、コンバイナを用いて複数の励起光源から励起光を入射する方法、バンドルファイバを融着して各ファイバから励起光を入射する方法、マイクロレンズを用いて端面励起する方法、テーパ状の光導波路を用いて励起光を入射する方法などがある。
【０００４】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３６１７０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、上述した方法ではレーザバーとダブルクラッドファイバ間に介在するコンバイナ、バンドルファイバ、マイクロレンズ、光導波路などの光デバイスが必要となる。介在する光デバイスが必要な場合、光デバイスは高価であること、およびその光デバイスにてレーザバーから発光した光がダブルクラッドファイバに到達するまでに光の損失が発生してしまうことが問題となる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、ダブルクラッドファイバへの側面励起を高効率に行える光ファイバレーザ及び光ファイバレーザの励起方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、希土類元素が添加されたコアの周囲にクラッドを有する光ファイバと、その光ファイバの側面より励起光を入射する励起光源とを備えた光ファイバレーザにおいて、前記光ファイバは、前記クラッドの外周部に長手方向に沿って前記光ファイバの全長にわたって連続的に、凹凸形状からなる凹凸部を有すると共に、前記クラッドの側面同士が互いに接するように、前記光ファイバは多段に巻き回されて積層され、前記積層方向が前記励起光の入射方向と平行となるように前記励起光源が設けられている光ファイバレーザである。
【０００９】
請求項２の発明は、前記光ファイバは、前記励起光の入射方向と平行方向において、隣り合う前記光ファイバの前記クラッドの凹部の底点同士、および凸部の頂点同士の位置が重ならず、かつ、凹部の底点と凸部の頂点の位置が重ならないように巻き回されている請求項１記載の光ファイバレーザである。
【００１０】
請求項３の発明は、前記クラッドの凹凸形状の凹凸変化量は、前記クラッドの径の１０％以下である請求項１または２記載の光ファイバレーザである。
【００１１】
請求項４の発明は、希土類元素が添加されたコアの周囲にクラッドを有する光ファイバに、その側面より励起光を入射し、前記コアの希土類元素を励振させて、レーザー発振光を出力する光ファイバレーザの励起方法において、前記クラッドの外周部に長手方向に沿って前記光ファイバの全長にわたって連続的に、凹凸形状からなる凹凸部を有し、前記クラッドの側面同士が互いに接するように、前記光ファイバは多段に巻き回されて積層されている光ファイバに、前記積層方向が前記励起光の入射方向と平行となるように設けられた励起光源から励起光を入射する光ファイバレーザの励起方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ダブルクラッドファイバへの側面励起を高効率に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１４】
図１は、本発明の好適な実施形態を示す光ファイバレーザの要部断面図である。
【００１５】
図１に示すように、光ファイバレーザ１は、クラッド２３の長手方向に沿って凹凸形状を有する光ファイバ２１を用い、その光ファイバ２１を側面同士が互いに接するように集束した光ファイババンドル３と、その光ファイババンドル３の側面より励起光を入射する励起光源としてのレーザバー２とを備える。
【００１６】
光ファイバ２１は、利得媒質となる希土類元素が添加されたコア（利得コア）２２と、そのコア２２を囲み、励起光（ポンプ光）を受け取ってコア２２の長手方向に沿って伝搬させるクラッド２３とを備え、そのクラッド２３がコア２２の長手方向に沿って凹凸部２４を形成してなる凹凸形状を有する。
【００１７】
すなわち、光ファイバ２１は、コア２２と、コア２２の外周に形成されたクラッド２３とを備え、クラッド２３を伝搬する励起光をコア２２中に吸収して増幅させる光ファイバである。
【００１８】
コア２２は、石英にＧｅなどの屈折率を上げる材料を添加すると共に、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｈなどの希土類元素（希土類材料）を添加したものである。
【００１９】
本実施形態では、クラッド２３は凹凸形状を有する内側クラッド２５と、内側クラッド２５の外周に設けられた外側クラッド（図示せず）とからなる。すなわち、本実施形態に係る光ファイバ２１は、コア２２の外周に内側クラッド２５を設け、その外周に外側クラッドを設けたダブルクラッドファイバである。内側クラッド２５の屈折率はコア２２の屈折率よりも低く、外側クラッドの屈折率は内側クラッド２５の屈折率よりもさらに低く設定される。
【００２０】
ここで凹凸形状とは、内側クラッド２５の外周部に、長手方向に沿って径が連続して細くなったり太くなったりするように、周期的な波形を形成した形状のことをいう。凹凸部２４は、少なくとも内側クラッド２５の両側外周部に形成すればよく、内側クラッド２５の全周にわたって形成してもよい。
【００２１】
内側クラッド２５の凹凸形状の変化量（凹凸変化量）ｄは、内側クラッド２５の最大外径と最小外径との差である（図２（ａ）参照）。本実施形態では、内側クラッド２５の凹凸変化量ｄは、内側クラッド２５の径（最大外径）の１０％以下とした。これは、内側クラッド２５の凹凸変化量ｄが１０％を超えると、光ファイバ２１の製造時に凹凸変化量ｄおよび凹凸周期Ｄの制御が困難となるためである。
【００２２】
また、光ファイバ２１のコア２２は、内側クラッド２５と同様に、そのコア２２の長手方向に沿って凹凸形状を有する。
【００２３】
光ファイババンドル３は、上述した光ファイバ２１を渦巻き状に巻き回して集束して形成するとよい。この光ファイババンドル３では、隣り合う光ファイバ２１の凹凸部２４の位置が重ならないよう、各光ファイバ２１の凹凸部２４の位置を長手方向にずらす。
【００２４】
また、レーザバー２は、同一基板に一体的に形成された発光素子（レーザエミッタ）２ａを１次元的に配列したものである。
【００２５】
このレーザバー２は、光ファイババンドル３の側面となる外周の一部に設置され、レーザバー２からの励起光が光ファイババンドル３の側面より入射するようにされる。
【００２６】
光ファイバレーザ１の一例として、図３の光ファイバレーザ３１を説明する。
【００２７】
図３に示すように、光ファイバレーザ３１は、平面視で略矩形状（角を丸めた矩形状）のファイバ巻回し用部材３２に光ファイバ２１を巻き回して集束し、その略矩形状に集束した光ファイババンドル３３の外周の各辺に、励起光源として４つのレーザバー３４をそれぞれ設置したものである。
【００２８】
光ファイババンドル３３の内周部より引き出した光ファイバ２１の一端部には高反射率の共振器３５を設け、光ファイババンドル３３の外周部より引き出した光ファイバ２１の他端部には低反射率の共振器３６を設ける。これらの共振器３５、３６としては、例えば、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いるとよい。
【００２９】
次に、本実施形態に係る光ファイバレーザの励起方法を説明する。
【００３０】
本実施形態に係る光ファイバレーザの励起方法は、光ファイバ２１の側面より励起光を入射する方法であり、内側クラッド２５の長手方向に沿って凹凸形状を有する光ファイバ２１を用い、その光ファイバ２１を側面同士が互いに接するように集束し、集束した光ファイバ２１の側面より励起光を入射する方法である。
【００３１】
より詳細には、まず、励起光源であるレーザバー２で励起光を発生させる。レーザバー２の各発光素子２ａで発光させた励起光は、光ファイババンドル３の１段目の光ファイバ２１（図１では最も左側）の側面より入射する。
【００３２】
このとき、光ファイバ２１では内側クラッド２５がレンズとして働き、側面から入射した励起光を光ファイバ２１の軸方向に取り込む。１段目の光ファイバ２１で取り込まれずに通過した励起光は、２段目の光ファイバ２１（図１では左から２番目）の側面より入射し、２段目の光ファイバ２１の軸方向に取り込まれる。
【００３３】
さらに、２段目の光ファイバ２１を通過した励起光は３段目の光ファイバ３（図１では左から３番目）の側面より入射する。３段目以降についても同様である。
【００３４】
光ファイバ２１の軸方向に取り込んだ励起光は、内側クラッド２５を伝搬するうちにコア２２に吸収されるため、コア２２が蛍光を発する。発せられた蛍光は、高反射率の共振器と低反射率の共振器を対とする共振器構造にて共振し、低反射率の共振器側（光ファイバ２１の他端部側）よりレーザ光として出射する。
【００３５】
本実施形態の作用を説明する。
【００３６】
本実施形態に係る光ファイバレーザの励起方法は、内側クラッド２５の長手方向に沿って凹凸形状を有する光ファイバ２１を用い、その光ファイバ２１を側面同士が互いに接するように集束し、集束した光ファイバ２１の側面より励起光を入射している。
【００３７】
内側クラッド２５の長手方向に沿って凹凸形状を有する光ファイバ２１を用いることにより、側面（光ファイバ２１の径方向）から入射した励起光が内側クラッド２５の凹凸部２４で屈折し、励起光を光ファイバ２１の軸方向に取り込みやすくすることができる。そのため、従来のダブルクラッドファイバ（凹凸無し）と比較して、より多くの励起光を内側クラッド２５内に結合させることができ、その結果、励起光を光ファイバ２１のコア２２に高効率に結合させることが可能となる。
【００３８】
また、光ファイバ２１を側面同士が互いに接するように集束し、集束した光ファイバ２１の側面より励起光を入射することにより、１段目の光ファイバ２１で内側クラッド２５へ結合できなかった励起光を後段の光ファイバ２１で結合させることができ、光結合の効率をより向上させることができる。
【００３９】
さらに、レーザバー２の励起光を直接光ファイバ２１の側面より入射するので、レーザバー２と光ファイバ２１との間に介在する光デバイスが不要となる。これにより、介在する光デバイスによる光の損失がなくなり、コストも削減できる。
【００４０】
また、本実施形態に係る光ファイバレーザの励起方法は、隣り合う光ファイバ２１の凹凸部２４の位置が重ならないようずらしている。
【００４１】
これは、隣り合う光ファイバ２１の凹凸部２４の位置が重なると、例えば、内側クラッド２５の最大外径となる位置（凸部の頂点）を通り、光ファイバ２１の径方向に直進する励起光は、常に凸部の頂点を通過することとなり、この励起光を屈折させて光ファイバ２１の軸方向へ取り込むことが困難となるためである。
【００４２】
すなわち、隣り合う光ファイバ２１の凹凸部２４の位置が重ならないようにすることで、１段目の光ファイバ２１で内側クラッド２５へ結合できなかった励起光を、後段の光ファイバ２１で確実に結合させることができる。
【００４３】
本実施形態では、光ファイバ２１を渦巻き状に巻き回して光ファイババンドル３としたが、これに限定されず、例えば、光ファイバ２１を繰り返し折り返して光ファイババンドル３としてもよく、光ファイバ２１を側面同士が互いに接するよう蛇行させて光ファイババンドル３としてもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、励起光源としてレーザバー２を用いたが、これに限定されず、発光素子２ａ単体で用いてもよいし、レーザバー２を積層したレーザスタックを用いてもよい。
【００４５】
ここで、本実施形態に係る光ファイバレーザの励起方法に用いる光ファイバ２１をより詳しく説明する。
【００４６】
図２（ａ）は光ファイバ２１の縦断面図、図２（ｂ）はその２Ｂ−２Ｂ線断面図である。
【００４７】
図２に示すように、光ファイバ２１は、コア２２の外周に、長手方向に沿って凹凸形状を有する内側クラッド２５を設け、その外周に外側クラッド（図示せず）を設けたダブルクラッドファイバである。
【００４８】
内側クラッド２５の凹凸形状の周期（凹凸周期）Ｄは、光ファイバ２１内を伝搬する励起光が、光ファイバ２１の外に（内側クラッド２５外部へ）放射して減衰することのないグレーティング周期に設定される。例えば、希土類元素としてＹｂをコア２２に添加した場合、励起光の波長はその吸収特性に合わせて９００〜１０００ｎｍ（特に、吸収ピークに合わせて９１５ｎｍや９７５ｎｍ）の範囲で使用される。よって、凹凸部２４の長手方向の周期を９００〜１０００ｎｍの範囲で使用する励起光が放射せず、全反射して内側クラッド２５内を伝搬するグレーティング周期に設定すればよい。
【００４９】
この光ファイバ２１を作製する際は、図４の光ファイバ製造装置４１を用いるとよい。図４に示すように、光ファイバ製造装置４１は、後述する凹凸形成部５１を除き、慣用の光ファイバ製造装置とほぼ同じ構成である。
【００５０】
光ファイバ製造装置４１は、光ファイバ母材４２を加熱する線引炉４３と、線引炉４３で溶融して線引きされた凹凸形成前光ファイバ２１ａの外径を測定する第１外径測定器４４ａと、第１外径測定器４４ａを経た凹凸形成前光ファイバ２１ａに図２の凹凸部２４を形成し、凹凸形成光ファイバ２１ｂとする凹凸形成部５１と、凹凸形成光ファイバ２１ｂに外側クラッドとなる被覆材料を被覆するためのダイス（ファイバ被覆樹脂用ダイス）４５と、被覆材料を硬化させ、図２の光ファイバ２１とする硬化部（被覆樹脂硬化装置）４６と、硬化部４６を経た光ファイバ２１の外径を測定する第２外径測定器４４ｂと、光ファイバ２１を方向転換して下流側に送るターンプーリ４７と、ターンプーリ４７からの光ファイバ２１を巻き取る巻き取り装置４８とを備える。
【００５１】
硬化部４６は、被覆材料の種類に応じて適宜変更でき、ポリイミド樹脂のような熱硬化性樹脂の場合はヒーター、ＵＶ（紫外線）硬化樹脂の場合はＵＶランプなどが用いられる。巻き取り装置４８は、線引き中の凹凸形成光ファイバ２１ｂや光ファイバ２１に張力を付与するための張力付与手段も兼ねる。
【００５２】
ここで、凹凸形成部５１の一例を図５でより詳細に説明する。
【００５３】
図５に示すように、凹凸形成部５１は、線引き中の凹凸形成前光ファイバ２１ａにパルスレーザＬを周期的（間欠的）に与えるものである。この凹凸形成部５１は、パルスレーザＬを照射するためのパルスレーザ装置５２と、各パルスレーザ装置５２と線引き中の凹凸形成前光ファイバ２１ａ間に進退自在に設けられ、パルスレーザＬを集光する集光レンズ５３とを備える。
【００５４】
パルスレーザ装置５２に内蔵されるレーザとしては、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザなどを用いることができるが、線引き中の凹凸形成前光ファイバ２１ａに局所的に供給（与えることが）でき、かつ集光性を有するものであればよい。
【００５５】
パルスレーザ装置５２は、線引き速度を考慮し、凹凸周期Ｄの１／２にあたるパルス幅を有し、かつ凹凸変化量ｄに対応するパルス高さを有するパルス信号ｐが入力されることで、線引き中の凹凸形成前光ファイバ２１ａに高出力熱エネルギーを周期的に与える。
【００５６】
線引き中の凹凸形成前光ファイバ２１ａへ局所的に高出力熱エネルギーを与えると、凹凸形成前光ファイバ２１ａはその部分にて溶融し、軟らかくなる（軟化する）。このとき、凹凸形成前光ファイバ２１ａには巻き取り装置３８で張力Ｔが印加されているため、その溶融した箇所が伸びて細くなる。
【００５７】
これにより、コア２２と内側クラッド２５の外周部に、それぞれ長手方向に沿った凹凸部２４が形成されて凹凸形成光ファイバ２１ｂが得られ、その凹凸形成光ファイバ２１ｂに外側クラッドとなる被覆がなされることにより、光ファイバ２１が得られる。
【００５８】
凹凸部２４を形成する際、凹凸周期Ｄや凹凸変化量ｄは、パルス周期、レーザエネルギー、張力Ｔなどで変化させることが可能であり、これらを適宜変更して凹凸周期Ｄや凹凸変化量ｄを変化させることにより、励起光の吸収効率を所望の値に変化させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施形態に係る光ファイバレーザの要部断面図である。
【図２】図２（ａ）は本実施形態に係る光ファイバレーザの励起方法に用いる光ファイバの縦断面図であり、図２（ｂ）はその２Ｂ−２Ｂ線断面図である。
【図３】本実施形態に係る光ファイバレーザの一例を示す概略図である。
【図４】光ファイバの製造装置の概略図である。
【図５】凹凸形成部と図２に示した光ファイバの製造方法の一例を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  光ファイバレーザ
２１  光ファイバ
２２  コア
２３  クラッド
【図１】
0004579283.tif 000002
【図２】
0004579283.tif 000003
【図３】
0004579283.tif 000004
【図４】
0004579283.tif 000005
【図５】
0004579283.tif 000006