(57)【要約】【課題】耐熱性の高いエアクラッド構造のダブルクラッドファイバを改良し、従来よりも高出力なファイバレーザを提供する。【解決手段】光増幅成分がドープされたコア１と、コア１を被覆するように設けられた第１クラッド２と、第１クラッド２を被覆するように設けられコア１に沿って延びる複数の細孔３ａが形成された第２クラッド３とを備えたダブルクラッドファイバ１０ａであって、一方のファイバ端面には、コア１を伝搬する光の一部を反射する出射側反射膜１２が設けられ、他方のファイバ端面には、出射側反射膜１２で反射されてコア１を伝搬する光を反射する入射側反射膜１１が設けられていると共に、コア１、第１クラッド２及び第２クラッド３の各径は、一方のファイバ端から他方のファイバ端に向かって拡径している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光増幅成分がドープされたコアと、該コアを被覆するように設けられた第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられ上記コアに沿って延びる複数の細孔が形成された第２クラッドとを備え、上記第１クラッドに入射された励起光が上記第１クラッドと第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら上記第２クラッドで囲まれた領域内を伝搬し、上記励起光が上記コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させ、該光増幅成分が上記コアを伝搬する光を増幅するように構成されたダブルクラッドファイバであって、
一方のファイバ端面には、上記コアを伝搬する光の一部を反射する出射側反射部が設けられ、
他方のファイバ端面には、上記出射側反射部で反射されて上記コアを伝搬する光を反射する入射側反射膜が設けられていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
【請求項２】
光増幅成分がドープされたコアと、該コアを被覆するように設けられた第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられ上記コアに沿って延びる複数の細孔が形成された第２クラッドとを備え、上記第１クラッドに入射された励起光が上記第１クラッドと第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら上記第２クラッドで囲まれた領域内を伝搬し、上記励起光が上記コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させ、該光増幅成分が上記コアを伝搬する光を増幅するように構成されたダブルクラッドファイバであって、
上記コア、第１クラッド及び第２クラッドの各径は、一方のファイバ端から他方のファイバ端に向かって該コア及び第１クラッドが相似形を保ちながら拡径していることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
【請求項３】
請求項２に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
上記一方のファイバ端の表面には、上記コアを伝搬する光の一部を反射する出射側反射部が設けられ、
上記他方のファイバ端の表面には、上記出射側反射部で反射されて上記コアを伝搬する光を反射する入射側反射膜が設けられていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
【請求項４】
請求項２に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
上記一方のファイバ端の表面には、上記コアを伝搬する光を反射する一方側反射膜が設けられ、
上記他方のファイバ端の表面には、上記一方側反射膜で反射されて上記コアを伝搬する光の一部を反射する出射側反射部が設けられていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
【請求項５】
請求項１、３又は４に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
上記出射側反射部は、反射膜により構成されていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１つに記載されたダブルクラッドファイバを備えたことを特徴とするファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力なファイバレーザに用いられるダブルクラッドファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバの１種であるダブルクラッドファイバは、そのファイバ中心から、光増幅成分として希土類元素がドープされたコアと、そのコアを被覆するように設けられコアより屈折率が低い第１クラッドと、その第１クラッドを被覆するように設けられ第１クラッドより屈折率が低い第２クラッドとを備えている。そして、ダブルクラッドファイバでは、第１クラッドに入射された励起光が第１クラッドと第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら第２クラッドで囲まれた領域を伝搬し、励起光がコアを通過する際にコアにドープされた希土類元素をその最外殻電子が励起した反転分布状態にさせ、その誘導放出によってコアを伝播する光を増幅することができる。
【０００３】
例えば、特許文献１では、上記第２クラッドが複数の細孔により形成されたエアクラッド構造を有するダブルクラッドファイバが提案されている。
【特許文献１】特開平１１−１４２６７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザでは、例えば、一方のファイバ端に励起光を発するＬＤ（レーザダイオード）が配置され、そのＬＤからのファイバ端面に入射した励起光が第１クラッドを伝搬する間に、励起光がコアを通過することにより、コア中の希土類元素が励起される。そして、その励起された希土類元素から発振した自然放出光がコアを伝搬した後に他方のファイバ端面から出射される。
【０００５】
また、上記エアクラッド構造を有するダブルクラッドファイバは、第２クラッドが屈折率の低い樹脂により形成された従来のダブルクラッドファイバよりも耐熱性に優れていると共に、第１クラッドと第２クラッドとの屈折率の差を大きくして、開口数を大きく設計することが可能である。
【０００６】
ところで、高出力なレーザは、近年、宇宙・航空・エレクトロニクスをはじめ、あらゆる産業界の生産加工において重要な技術になっているので、上記のような耐熱性の高いエアクラッド構造のダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザにおいても、レーザの高出力化が望まれている。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、耐熱性の高いエアクラッド構造のダブルクラッドファイバを改良し、従来よりも高出力なファイバレーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、エアクラッド構造を有するダブルクラッドファイバにおいて、各ファイバ端面に反射部及び反射膜がそれぞれ設けられている、または、コア、第１クラッド及び第２クラッドの各径が一方のファイバ端から他方のファイバ端に向かって拡径しているようにしたものである。
【０００９】
具体的に本発明に係るダブルクラッドファイバは、光増幅成分がドープされたコアと、該コアを被覆するように設けられた第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられ上記コアに沿って延びる複数の細孔が形成された第２クラッドとを備え、上記第１クラッドに入射された励起光が上記第１クラッドと第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら上記第２クラッドで囲まれた領域内を伝搬し、上記励起光が上記コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させ、該光増幅成分が上記コアを伝搬する光を増幅するように構成されたダブルクラッドファイバであって、一方のファイバ端面には、上記コアを伝搬する光の一部を反射する出射側反射部が設けられ、他方のファイバ端面には、上記出射側反射部で反射されて上記コアを伝搬する光を反射する入射側反射膜が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、出射側反射部及び入射側反射膜が各ファイバ端面に直接設けられているので、例えば、ファイバレーザを構成するレンズや励起光源などの光学素子と結合させる際の光学的な調整が容易になる。これに対して、出射側反射部及び入射側反射膜が各ファイバ端面に直接設けられていない場合には、コア径が通常１０〜１００μｍ程度なので、高いカップリング効率で光学素子と結合させることが困難である。
【００１１】
したがって、ファイバレーザを構成する光学素子との光学的な調整が容易になるので、耐熱性の高いエアクラッド構造のダブルクラッドファイバを改良し、従来よりも高出力なファイバレーザを提供することが可能になる。
【００１２】
また、好ましい態様としては、双方のファイバ端面が封止及び研磨され、その封止及び研磨されたファイバ両端面に出射側反射部及び入射側反射膜がそれぞれ設けられていてもよい。これによれば、封止及び研磨されていないファイバ両端面、すなわち、カットのみの各クリーブ面に出射側反射部及び入射側反射膜が設けられた場合よりも、出射側反射部及び入射側反射膜のレーザ耐性が向上することになる。
【００１３】
また、本発明に係るダブルクラッドファイバは、光増幅成分がドープされたコアと、該コアを被覆するように設けられた第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられ上記コアに沿って延びる複数の細孔が形成された第２クラッドとを備え、上記第１クラッドに入射された励起光が上記第１クラッドと第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら上記第２クラッドで囲まれた領域内を伝搬し、上記励起光が上記コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させ、該光増幅成分が上記コアを伝搬する光を増幅するように構成されたダブルクラッドファイバであって、上記コア、第１クラッド及び第２クラッドの各径は、一方のファイバ端から他方のファイバ端に向かって該コア及び第１クラッドが相似形を保ちながら拡径していることを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、コア、第１クラッド及び第２クラッドの各径が一方のファイバ端から他方のファイバ端に向かってそのコア及び第１クラッドが相似形を保ちながら拡径している、言い換えれば、励起光の入射側から長さ方向に沿ってテーパー状に縮径し、また、第２クラッドが複数の細孔を含むエアクラッド構造となっているので、第１クラッドの開口数が励起光の入射側から長さ方向に沿って連続的に高くなる。そのため、第１クラッドを伝搬する励起光の外部への漏れが抑制される。
【００１５】
そして、例えば、一方のファイバ端にコアを伝搬する光の一部を反射するための出射側反射部を設けると共に、他方のファイバ端にその出射側反射部で反射されてコアを伝搬する光を反射する入射側反射膜を設けることにより共振器を構成する場合には、その出射側反射部によって、他方のファイバ端面から第１クラッドに入射した励起光によりコアの内部で発生してコアの内部を一方のファイバ端の方に伝搬する光の一部が反射されると共に、入射側反射膜によって、出射側反射部で反射されて他方のファイバ端の方にコア内を伝搬する光が反射されて一方のファイバ端の方に再び伝搬することになる。これにより、ダブルクラッドファイバのコアを伝搬する光が、出射側反射部と入射側反射膜との間における増幅及び共振によってレーザ発振されると共に、一方のファイバ端のコアから出射されて、ファイバレーザが構成される。
【００１６】
ここで、コアの径が励起光の入射側から長さ方向に沿ってテーパー状に縮径しているので、コア内を伝搬する光のうち、高次モードの光がコア内を伝搬する間に外部に漏れ出して、低次モードの光が出射側反射部と入射側反射膜との間で主に共振することになり、発振されるレーザのビーム品質が向上する。これに対して、コアの径が長さ方向に沿って大きいままの場合には、高次モードの光も共振されてしまうので、ビーム品質が低下するおそれがある。また、コアの径が長さ方向に沿って小さいままの場合には、第１クラッドを伝搬する励起光の吸収係数が低下するおそれがある。
【００１７】
また、励起光を入射させる他方のファイバ端の径が一方のファイバ端の径よりも大きくなるので、例えば、励起光を出力する励起光源との結合が容易になる。
【００１８】
したがって、第１クラッドを伝搬する励起光の外部への漏れが抑制され、ファイバレーザを構成したときに発振されるレーザのビーム品質が向上すると共に、励起光源との結合が容易になるので、耐熱性の高いエアクラッド構造のダブルクラッドファイバを改良し、従来よりも高出力なファイバレーザを提供することが可能になる。
【００１９】
上記一方のファイバ端の表面には、上記コアを伝搬する光の一部を反射する出射側反射部が設けられ、上記他方のファイバ端の表面には、上記出射側反射部で反射されて上記コアを伝搬する光を反射する入射側反射膜が設けられていてもよい。
【００２０】
上記の構成によれば、一方のファイバ端面に設けられた出射側反射部によって、他方のファイバ端面から第１クラッドに入射した励起光によりコアの内部で発生してコアの内部を一方のファイバ端の方に伝搬する光の一部が反射されると共に、他方のファイバ端面に設けられた入射側反射膜によって、出射側反射部で反射されて他方のファイバ端の方にコア内を伝搬する光が反射されて一方のファイバ端の方に再び伝搬することになる。これにより、ダブルクラッドファイバのコアを伝搬する光が、出射側反射部と入射側反射膜との間における増幅及び共振によってレーザ発振されると共に、一方のファイバ端のコアから出射されて、ファイバレーザが具体的に構成される。
【００２１】
また、好ましい態様としては、双方のファイバ端面が封止及び研磨され、その封止及び研磨されたファイバ両端面に出射側反射部及び入射側反射膜がそれぞれ設けられていてもよい。これによれば、封止及び研磨されていないファイバ両端面、すなわち、カットのみの各クリーブ面に出射側反射部及び入射側反射膜が設けられた場合よりも、出射側反射部及び入射側反射膜のレーザ耐性が向上することになる。
【００２２】
上記一方のファイバ端の表面には、上記コアを伝搬する光を反射する一方側反射膜が設けられ、上記他方のファイバ端の表面には、上記一方側反射膜で反射されて上記コアを伝搬する光の一部を反射する出射側反射部が設けられていてもよい。
【００２３】
上記の構成によれば、一方のファイバ端面に設けられた一方側反射膜によって、他方のファイバ端面から第１クラッドに入射した励起光によりコアの内部で発生してコアの内部を一方のファイバ端の方に伝搬する光が反射されると共に、他方のファイバ端面に設けられた出射側反射部によって、一方側反射膜で反射されて他方のファイバ端の方にコア内を伝搬する光の一部が反射されて一方のファイバ端の方に再び伝搬することになる。これにより、ダブルクラッドファイバのコアを伝搬する光が、出射側反射部と一方側反射膜との間における増幅及び共振によってレーザ発振されると共に、他方のファイバ端のコアから出射されることになる。また、ファイバ径の大きいファイバ端側からレーザが出射し、出射側のファイバ端のコアの径が大きくなるので、レーザのパワー密度が低くなって、出射側反射部のレーザ耐性が向上する。これにより、出射側反射部のレーザ耐性が向上したファイバレーザが具体的に構成される。
【００２４】
また、好ましい態様としては、双方のファイバ端面が封止及び研磨され、その封止及び研磨されたファイバ両端面に出射側反射部及び入射側反射膜がそれぞれ設けられていてもよい。これによれば、封止及び研磨されていないファイバ両端面、すなわち、カットのみの各クリーブ面に出射側反射部及び入射側反射膜が設けられた場合よりも、出射側反射部及び入射側反射膜のレーザ耐性が向上することになる。
【００２５】
上記出射側反射部は、反射膜により構成されていてもよい。
【００２６】
上記の構成によれば、例えば、所定波長の光を低反射率で反射する反射膜によって、出射側反射部が具体的に構成される。
【００２７】
以上のようなダブルクラッドファイバは、特に、ファイバレーザにおいて、本発明の作用効果が有効に奏される。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、エアクラッド構造を有するダブルクラッドファイバにおいて、各ファイバ端面に反射部及び反射膜がそれぞれ設けられている、または、コア、第１クラッド及び第２クラッドの各径が一方のファイバ端から他方のファイバ端に向かって拡径しているため、耐熱性の高いエアクラッド構造のダブルクラッドファイバを改良し、従来よりも高出力なファイバレーザを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００３０】
《発明の実施形態１》
図１〜図５は、本発明に係るダブルクラッドファイバ及びそれを備えたファイバレーザの実施形態１を示している。ここで、図１は、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ａの横断面図であり、図２は、ダブルクラッドファイバ１０ａの横断面の観察写真である。また、図３は、ダブルクラッドファイバ１０ａを備えたファイバレーザ３０ａの概略構成図である。
【００３１】
このダブルクラッドファイバ１０ａは、図１及び図２に示すように、ファイバ中心となるコア１と、コア１の周囲に設けられた第１クラッド２と、第１クラッド２の周囲に設けられた第２クラッド３と、第２クラッド３の周囲に設けられたサポート層４と、サポート層４の周囲に設けられた低屈折率樹脂層５と、低屈折率樹脂層５の周囲に設けられた保護層６とを備えている。なお、図２では、低屈折率樹脂層５及び保護層６が省略されている。
【００３２】
また、ダブルクラッドファイバ１０ａは、図３に示すように、一方のファイバ端面（図３中の右側）に、コア１を伝搬する光の一部を反射する出射側反射部である出射側反射膜１２が設けられていると共に、他方のファイバ端面（図３中の左側）に、出射側反射膜１２で反射されてコア１を伝搬する光を反射する入射側反射膜１１が設けられている。
【００３３】
さらに、ダブルクラッドファイバ１０ａは、図３に示すように、一方のファイバ端（図３中の右側）から他方のファイバ端（図３中の左側）に向かってコア１及び第１クラッド２がほぼ相似形を保ちながら拡径している、言い換えれば、入射側反射膜１１から出射側反射膜１２に向かってテーパー状に縮径にしている。
【００３４】
コア１は、石英により構成され、光増幅成分として、イッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類元素がドープされており、第１クラッド２よりも屈折率が高くなっている。また、コア１の直径は、例えば、入射側の端面において１５０μｍ程度であり、出射側の端面において６０μｍ程度である。さらに、コアの開口数（ＮＡ）は、入射側の端面及び出射側の両端面において０．０６程度である。
【００３５】
第１クラッド２は、ポンプガイドとも呼ばれ、石英により構成されている。また、第１クラッド２の直径は、例えば、入射側の端面において１５００μｍ程度、出射側の端面において６００μｍ程度である。さらに、第１クラッド２のＮＡは、入射側の端面において０．２程度であり、出射側の端面において０．５程度である。
【００３６】
第２クラッド３は、各々、コア１に沿って延びる複数の細孔３ａを有し、石英により構成されている。そして、第２クラッド３の屈折率は、複数の細孔３ａ内の空気の屈折率と、その細孔３ａ以外の部分の石英の屈折率とが複合したものとなり、第１クラッド２の屈折率、すなわち、石英の屈折率よりも低くなっている。
【００３７】
サポート層４は、石英により構成されている。また、サポート層４の直径は、例えば、入射側の端面において２５００μｍ程度であり、出射側の端面において１０００μｍ程度である。
【００３８】
低屈折率樹脂層５は、例えばシリコン樹脂により構成され、サポート層４よりも屈折率が低くなっている。
【００３９】
保護層６は、例えば、ＥＴＦＥ（ethylene tetrafluoroethlene copolymer）樹脂により構成されている。
【００４０】
入射側反射膜１１は、Ｔａ2Ｏ5及びＳｉＯ2などの薄膜を積層して構成されており、例えば、１０８０ｎｍの光を９９．８％反射する光学薄膜である。
【００４１】
出射側反射膜（出射側反射部）１２は、Ｔａ2Ｏ5及びＳｉＯ2などの薄膜を積層して構成されており、例えば、１０８０ｎｍの光を５％反射する光学薄膜である。
【００４２】
上記構成のダブルクラッドファイバ１０ａは、プリフォームを加熱及び延伸してファイバ状に線引きした後に、ファイバ両端面に薄膜を蒸着することによって作製される。具体的には、以下に一例を挙げて説明する。
【００４３】
まず、石英により形成された円筒状のサポート管と、石英により形成され中心軸に沿って所定量のＹｂがドープされた円柱状のクラッドロッドと、石英により形成された円筒状のキャピラリを複数本とを準備する。
【００４４】
続いて、サポート管内にクラッドロッド及び複数本のキャピラリを貫通状態に充填してプリフォームを形成する。このとき、サポート管内に複数本のキャピラリが充填されると共に、クラッドロッドがサポート管の中心軸の位置に配置されるようにする。
【００４５】
さらに、形成されたプリフォームを線引き炉で加熱及び延伸してファイバ化する。このとき、延伸する速度を調整して、ファイバをテーパー状に形成する。ここで、プリフォームのクラッドロッドが、ダブルクラッドファイバ１０ａのコア１及び第１クラッド２に、プリフォームの複数のキャピラリが、ダブルクラッドファイバ１０ａの第２クラッド３に、プリフォームのサポート管がダブルクラッドファイバ１０ａのサポート層４になる。
【００４６】
続いて、テーパー状に形成されたファイバの各端面を加熱して各ファイバ端面の細孔３ａを封止した後、その封止した各ファイバ端面を砥石などにより研磨する。
【００４７】
その後、テーパー状に形成されたファイバの太い方の封止及び研磨された端面に、電子ビーム蒸着装置、または、イオンアシスト電子ビーム蒸着装置を用いて、複数の薄膜を蒸着して入射側反射膜１１を形成する。
【００４８】
さらに、テーパー状に形成されたファイバの細い方の封止及び研磨された端面に、電子ビーム蒸着装置、または、イオンアシスト電子ビーム蒸着装置を用いて、複数の薄膜を蒸着して出射側反射膜１２を形成する。
【００４９】
最後に、入射側反射膜１１及び出射側反射膜１２が形成されたファイバのサポート層４の表面に、シリコン樹脂を塗布及び硬化させて低屈折率樹脂層５を形成した後に、低屈折率樹脂層５の表面にＥＦＴＥ樹脂を塗布及び硬化させて保護層６を形成する。
【００５０】
以上のようにして、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ａを作製することができる。
【００５１】
次に、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ａを備えたファイバレーザ３０ａについて図３を用いて説明する
このファイバレーザ３０ａは、図３に示すように、ＬＤ（レーザダイオード）２０、レンズ２１及び上記構成のダブルクラッドファイバ１０ａが順に並んだ光学装置である。
【００５２】
ＬＤ２０は、例えば、９１５ｎｍ及び９４０ｎｍの二波長を合成した励起光を出力する励起光源である。
【００５３】
レンズ２１は、ＮＡが０．２程度であり、ＬＤ２０からの励起光２６を例えばスポット径１５００μｍに集光するものである。
【００５４】
このファイバレーザ３０ａでは、ＬＤ２０からの励起光２６が、レンズ２１を介して、ダブルクラッドファイバ１０ａの第１クラッド２に入射し、入射した励起光２６が第１クラッド２と第２クラッド３との界面で反射を繰り返しながら第２クラッド３で囲まれた領域内を伝搬し、その励起光２６がコア１を通過する際にコア１中の希土類元素を活性化させ自然放出光を発生する。そして、コア１で発生した自然放出光は、コア１の内部を伝搬して出射側反射膜１２に達する。ここで、自然放出光のうち、出射側反射膜１２の反射波長帯に含まれる波長（１０８０ｎｍ程度）を有するものは反射されて、再び、コア１の内部を伝搬することになる。さらに、出射側反射膜１２で反射してコア１の内部を伝搬した光は、入射側反射膜１１によって反射されて、再び、コア１の内部を伝搬することになる。そして、ファイバレーザ３０ａでは、入射側反射膜１１及び出射側反射膜１２が共振器を形成するので、入射側反射膜１１と出射側反射膜１２との間で共振が生じ、繰り返し誘導放出されることによりレーザ発振し、レーザ２７が取り出される。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ａ及びファイバレーザ３０ａによれば、コア１、第１クラッド２及び第２クラッド３の各径が一方のファイバ端（図３中の右側）から他方のファイバ端（図３中の左側）に向かってそのコア１及び第１クラッド２が相似形を保ちながら拡径している、言い換えれば、励起光２６の入射側（図３中の左側）から長さ方向に沿ってテーパー状に縮径し、また、第２クラッド３が複数の細孔３ａを含むエアクラッド構造となっているので、第１クラッド２の開口数が励起光２６の入射側（図３中の左側）から長さ方向に沿って連続的に高くなっている。そのため、第１クラッド２を伝搬する励起光２６の外部への漏れを抑制することができる。
【００５６】
そして、ファイバ両端面が封止及び研磨されているので、一方のファイバ端面（図３中の右側）に設けられた出射側反射膜１２、及び他方のファイバ端面（図３中の左側）に設けられた入射側反射膜１１のレーザ耐性を向上させることができる。
【００５７】
また、出射側反射膜１２及び入射側反射膜１１が各ファイバ端面に直接設けられているので、ファイバレーザ３０ａを構成するレンズ２１やＬＤ２６などの光学素子と結合させる際の光学的な調整を容易にすることができる。
【００５８】
さらに、コア１の径が励起光２６の入射側（図３中の左側）から長さ方向に沿ってテーパー状に縮径しているので、コア１内を伝搬する光のうち、高次モードの光がコア内を伝搬する間に外部に漏れ出して、低次モードの光が出射側反射膜１２と入射側反射膜１１との間で主に共振することになり、発振されるレーザのビーム品質を向上させることができる。
【００５９】
また、励起光２６を入射させる他方のファイバ端（図３中の左側）の径が一方のファイバ端（図３中の右側）の径よりも大きくなるので、励起光２６を出力するＬＤ２０との結合を容易にすることができる。
【００６０】
したがって、上記のように、第１クラッド２を伝搬する励起光２６の外部への漏れの抑制と、出射側反射膜１２及び入射側反射膜１１のレーザ耐性の向上と、ＬＤ２０などと結合させる際の容易な光学的な調整と、発振されるレーザ２７のビーム品質の向上とがそれぞれ可能になるので、耐熱性の高いエアクラッド構造のダブルクラッドファイバを改良し、従来よりも高出力なファイバレーザを提供することができる。
【００６１】
ここで、本実施形態のファイバレーザ３０ａと従来のファイバレーザとの違いを明確にすると、通常、ダブルクラッドファイバを用いてファイバレーザを構成する場合には、コアにＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）を形成して共振器を構成することが考えられる。この場合、ファイバ径が大きくなるとダブルクラッドファイバとグレーティング用ファイバとの融着が困難になる。そして、エアクラッド構造を有するダブルクラッドファイバの場合には、そのエアクラッドを構成する細孔によりコアが遮蔽されるので、ＦＢＧをファイバのコアに直接書き込むことが困難である。
【００６２】
さらに、外部共振器を用いてファイバレーザを構成する場合には、ファイバレーザのビーム径が小さいので、ファイバと外部共振器との軸を調整することが困難であり、また、戻り光が微弱になるとビームがパルス化し、そのパルスが増幅されて極大化して端面破壊を起こすおそれがある。
【００６３】
これに対して、本実施形態のファイバレーザ３０ａでは、ダブルクラッドファイバ１０ａのファイバ両端面に形成された入射側反射膜１１及び出射側反射膜１２によって共振器が構成されるので、ファイバに容易に共振器を構成することができ、軸の調整も不必要であり、上記のような端面破壊を抑制することができる。
【００６４】
なお、本実施形態では、出射側反射部として出射側反射膜１２を例示したが、本発明は、出射側反射膜１２を省略して、ファイバ端面のフレネル反射によって出射側反射部を構成させてもよい。
【００６５】
次に、具体的に行った実験について説明する。
【００６６】
本発明の実施例として、上記実施形態と同じ方法で、ダブルクラッドファイバ１０ａを作製してファイバレーザ３０ａを構成した。
【００６７】
具体的には、入射側反射膜１１を、以下の表１〜表３に示す構成で形成した。
【００６８】
【表１】
2007250951.tif 000003
【００６９】
【表２】
2007250951.tif 000004
【００７０】
【表３】
2007250951.tif 000005
ここで、表１は、電子ビーム蒸着装置を用いて、Ｔａ2Ｏ5薄膜及びＳｉＯ2薄膜を交互に３０層積層させて反射膜を形成したときの条件であり、表２は、イオンアシスト電子ビーム蒸着装置を用いて、Ｔａ2Ｏ5薄膜及びＳｉＯ2薄膜を交互に３０層積層させて反射膜を形成したときの条件であり、表３は、イオンアシスト電子ビーム蒸着装置を用いて、ＴｉＯ2薄膜及びＳｉＯ2薄膜を交互に３０層積層させて反射膜を形成したときの条件である。
【００７１】
また、図４は、表１〜表３に示す条件で形成した各反射膜の分光特性を示したグラフである。ここで、グラフ中の実線の曲線は表１による反射膜の分光特性であり、グラフ中の破線の曲線は表２による反射膜の分光特性であり、グラフ中の一点鎖線の曲線は表３による反射膜の分光特性である。
【００７２】
ここで、表１に示した構成の反射膜は、図４に示すように、表２及び表３に示した構成の反射膜よりも反射率が低下するものの、レーザ耐性に優れていた。
【００７３】
また、出射側反射膜１２を以下の表４〜表７に示す構成で形成した。
【００７４】
【表４】
2007250951.tif 000006
【００７５】
【表５】
2007250951.tif 000007
【００７６】
【表６】
2007250951.tif 000008
【００７７】
【表７】
2007250951.tif 000009
ここで、表４は、電子ビーム蒸着装置を用いて、Ｔａ2Ｏ5薄膜及びＳｉＯ2薄膜を交互に４層積層させて反射膜を形成したときの条件であり、表５は、イオンアシスト電子ビーム蒸着装置を用いて、Ｔａ2Ｏ5薄膜及びＳｉＯ2薄膜を交互に４層積層させて反射膜を形成したときの条件であり、表６は、イオンアシスト電子ビーム蒸着装置を用いて、ＴｉＯ2薄膜及びＳｉＯ2薄膜を交互に４層積層させて反射膜を形成したときの条件であり、表７は、電子ビーム蒸着装置を用いて、Ａｌ2Ｏ3薄膜及びＳｉＯ2薄膜を交互に４層積層させて反射膜を形成したときの条件である。
【００７８】
また、図５は、表４〜表７に示す条件で形成した各反射膜の分光特性を示したグラフである。ここで、グラフ中の実線の曲線は表４による反射膜の分光特性であり、グラフ中の破線の曲線は表５による反射膜の分光特性であり、グラフ中の一点鎖線の曲線は表６による反射膜の分光特性であり、グラフ中の二点鎖線の曲線は表７による反射膜の分光特性である。
【００７９】
ここで、表４〜表７に示した構成の各反射膜は、図５に示すように、反射率に大差がなかったものの、表４に示した構成の反射膜は、表５及び表６に示した構成の反射膜よりもレーザ耐性に優れていた。また、表７に示した構成の反射膜は、表４に示した構成の反射膜と同等のレーザ耐性を示した。
【００８０】
そして、ファイバの太い方の端面に表１に示した構成の入射側反射膜１１を有し、ファイバの細い方の端面に表４に示した構成の出射側反射膜１２を有するダブルクラッドファイバ１０ａは、９１５ｎｍにおける励起光の吸収係数（損失）が、１．０ｄＢ／ｍであった。
【００８１】
また、全長３０ｍのダブルクラッドファイバ１０ａ、及び出力３ｋＷのＬＤ２０を備えたファイバレーザ３０ａでは、２ｋＷのレーザ２７が出力された。
【００８２】
《発明の実施形態２》
図６は、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ｂを備えたファイバレーザ３０ｂのの概略構成図である。なお、以下の各実施形態では図１〜図５と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００８３】
このファイバレーザ３０ｂは、図６に示すように、ＬＤ２０、入射側レンズ部２１ｃ、ダブルクラッドファイバ１０ｂ及び出射側レンズ部２３ｃが順に並んだ光学装置である。
【００８４】
ダブルクラッドファイバ１０ｂは、そのファイバ両端面に反射膜が設けられていないという点以外、実施形態１のダブルクラッドファイバ１０ａの構成と実質的に同じである。
【００８５】
入射側レンズ部２１ｃは、互いに対向して配置された第１レンズ２１ａ及び第２レンズ２１ｂと、それらの間に設けられた入射側反射部２２とを備え、ＬＤ２０からの励起光２６を所定のスポット径に集光するための光学素子である。
【００８６】
出射側レンズ部２３ｃは、互いに対向して配置されたレンズ２３ａ及び出射側反射部２３ｂを備え、レーザ２７を出射するための光学素子である。
【００８７】
入射側反射部２２及び出射側反射部２３ｂは、例えば、１０８０ｎｍの光を９９．８％反射する光学薄膜、及び１０８０ｎｍの光を５％反射する光学薄膜によりそれぞれ構成され、ダブルクラッドファイバ１０ｂの外部共振器として機能するものである。
【００８８】
本実施形態のファイバレーザ３０ｂによれば、コア１、第１クラッド２及び第２クラッド３の各径が一方のファイバ端（図６中の右側）から他方のファイバ端（図６中の左側）に向かってそのコア１及び第１クラッド２が相似形を保ちながら拡径している、言い換えれば、励起光２６の入射側（図６中の左側）から長さ方向に沿ってテーパー状に縮径し、また、第２クラッド３が複数の細孔３ａを含むエアクラッド構造となっているので、第１クラッド２の開口数が励起光２６の入射側（図６中の左側）から長さ方向に沿って連続的に高くなっている。そのため、第１クラッド２を伝搬する励起光２６の外部への漏れを抑制することができる。
【００８９】
そして、一方のファイバ端（図６中の右側）にコア１を伝搬する光の一部を反射するための出射側反射部２３ｂを設けると共に、他方のファイバ端（図６中の左側）にその出射側反射部２３ｂで反射されてコア１を伝搬する光を反射する入射側反射部２２を設けることにより共振器が構成され、その出射側反射部２３ｂによって、他方のファイバ端面（図６中の左側）から第１クラッド２に入射した励起光２６によりコア１の内部で発生してコア１の内部を一方のファイバ端（図６中の右側）の方に伝搬する光の一部が反射されると共に、入射側反射部２２によって、出射側反射部２３ｂで反射されて他方のファイバ端（図６中の左側）の方にコア１内を伝搬する光が反射されて一方のファイバ端（図６中の右側）の方に再び伝搬することになる。これにより、ファイバレーザ３０ｂでは、ダブルクラッドファイバ１０ｂのコア１を伝搬する光が、出射側反射部２３ｂと入射側反射部２２との間における増幅及び共振によってレーザ発振されると共に、一方のファイバ端（図６中の右側）のコア１から出射されることになる。
【００９０】
ここで、コア１の径が励起光２６の入射側（図６中の左側）から長さ方向に沿ってテーパー状に縮径しているので、コア１内を伝搬する光のうち、高次モードの光がコア内を伝搬するうちに外部に漏れ出して、低次モードの光が出射側反射部２３ｂと入射側反射部２２との間で主に共振することになり、発振されるレーザ２７のビーム品質を向上させることができる。
【００９１】
また、励起光２６を入射させる他方のファイバ端（図６中の左側）の径が一方のファイバ端（図６中の右側）の径よりも大きくなるので、励起光を出力するＬＤ２０や入射側レンズ部２１ｃとの結合を容易にすることができる。
【００９２】
したがって、第１クラッド２を伝搬する励起光２６の外部への漏れが抑制され、ファイバレーザを構成したときに発振されるレーザ２７のビーム品質が向上すると共に、ＬＤ２０などとの結合が容易になるので、耐熱性の高いエアクラッド構造のダブルクラッドファイバを改良し、従来よりも高出力なファイバレーザを提供することが可能になる。
【００９３】
《発明の実施形態３》
図７は、本実施形態のファイバレーザ３０ｃの概略構成図である。
【００９４】
このファイバレーザ３０ｃでは、上記実施形態１のファイバレーザ３０ａにおけるダブルクラッドファイバ１０ａの出射側反射膜１２の右側に、レンズ２３ａ、Ｑスイッチ２４、及び低反射ミラー２３ｂが順に配置されており、それ以外の構成がファイバレーザ３０ａと実質的に同じになっている。
【００９５】
ファイバレーザ３０ｃによれば、上記実施形態１の効果の他に、Ｑスイッチ２４によって、ダブルクラッドファイバ１０ａで発振されたレーザ２７をパルス化させることができる。
【００９６】
《発明の実施形態４》
図８は、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ｄを備えたファイバレーザ３０ｄのの概略構成図である。
【００９７】
このファイバレーザ３０ｄでは、上記実施形態１のファイバレーザ３０ａにおけるダブルクラッドファイバ１０ａの一方のファイバ端面に設けられた出射側反射膜１２の代わりに、その一方のファイバ端面にグレーティングファイバ１０Ｇが融着されており、それ以外の構成がファイバレーザ３０ａと実質的に同じになっている。ここで、グレーティングファイバ１０Ｇは、ファイバ中心のコアに出射側反射部として機能するＦＢＧ１４が形成されている。
【００９８】
このファイバレーザ３０ｄによれば、複数のファイバレーザ３０ｄを準備して、その各先端のグレーティングファイバ１０Ｇを束ねて、例えば、他のマルチモードファイバとファイバカップリングすることができ、そのマルチモードファイバのファイバ端から高出力のレーザを出射することができる。
【００９９】
《発明の実施形態５》
図９は、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ｅを備えたファイバレーザ３０ｅのの概略構成図である。
【０１００】
このファイバレーザ３０ｅは、図９に示すように、ＬＤ２０、第１レンズ２１ａ、ダイクロイックミラー２５、第２レンズ２１ｂ及びダブルクラッドファイバ１０ｅが順に並んだ光学装置である。
【０１０１】
ダイクロイックミラー２５は、１０８０ｎｍの光を透過すると共に、９００〜１０００ｎｍの光を反射するように構成されている。
【０１０２】
ダブルクラッドファイバ１０ｅは、一方のファイバ端面（図９中の右側）に一方側反射膜１３が設けられ、他方のファイバ端面（図９中の左側）に出射側反射膜１２ａが設けられているという点以外、実施形態１のダブルクラッドファイバ１０ａの構成と実質的に同じである。
【０１０３】
一方側反射膜１３は、Ｔａ2Ｏ5及びＳｉＯ2などの薄膜を積層して構成されており、例えば、１０８０ｎｍの光を９９．８％反射する光学薄膜である。
【０１０４】
出射側反射膜１２ａは、Ｔａ2Ｏ5及びＳｉＯ2などの薄膜を積層して構成されており、例えば、１０８０ｎｍの光を５％反射する光学薄膜である。
【０１０５】
このファイバレーザ３０ｅでは、ＬＤ２０からの励起光２６が、第１レンズ２１ａ、ダイクロイックミラー２５及び第２レンズ２１ｂを介して、ダブルクラッドファイバ１０ｅの第１クラッド２に入射し、入射した励起光２６が第１クラッド２と第２クラッド３との界面で反射を繰り返しながら第２クラッド３で囲まれた領域内を伝搬し、その励起光２６がコア１を通過する際にコア１中の希土類元素を活性化させ自然放出光を発生する。そして、コア１で発生した自然放出光は、コア１の内部を伝搬して一方側反射膜１３に達する。ここで、自然放出光のうち、一方側反射膜１３の反射波長帯に含まれる波長（１０８０ｎｍ程度）を有するものは反射されて、再び、コア１の内部を伝搬することになる。さらに、一方側反射膜１３で反射してコア１の内部を伝搬した光の一部は、出射側反射膜１２ａによって反射されて、再び、コア１の内部を伝搬することになる。そして、ファイバレーザ３０ｅでは、一方側反射膜１３及び出射側反射膜１２ａが共振器を形成するので、一方側反射膜１３と出射側反射膜１２ａとの間で共振が生じ、繰り返し誘導放出されることによりレーザ発振し、レーザ２７が出射側反射膜１２ａから第２レンズ２１ｂ及びダイクロイックミラー２５を介して取り出される。
【０１０６】
このファイバレーザ３０ｅによれば、ファイバ径の大きいファイバ端側からレーザ２７が出射し、出射側のファイバ端のコア１の径が上記各実施形態の出射側のコア１の径よりも大きくなるので、レーザのパワー密度が低くなって、出射側反射膜１２ａのレーザ耐性を向上させることができる。
【０１０７】
《その他の実施形態》
上記各実施形態では、テーパー状に形成されたダブルクラッドファイバを備えたファイバレーザを例示したが、本発明は、図１０に示すように、ファイバ径が一定な円柱状のダブルクラッドファイバ１０ｆを備えたファイバレーザ３０ｆに適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
以上説明したように、本発明は、容易に高出力なレーザを発振することができるので、溶接などの種々のレーザ加工について有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】実施形態１に係るダブルクラッドファイバ１０ａの横断面図である。
【図２】実施形態１に係るダブルクラッドファイバ１０ａの横断面の観察写真である。
【図３】実施形態１に係るファイバレーザ３０ａの概略構成図である。
【図４】実施例の反射膜の分光特性を示した第１のグラフである。
【図５】実施例の反射膜の分光特性を示した第２のグラフである。
【図６】実施形態２に係るファイバレーザ３０ｂの概略構成図である。
【図７】実施形態３に係るファイバレーザ３０ｃの概略構成図である。
【図８】実施形態４に係るファイバレーザ３０ｄの概略構成図である。
【図９】実施形態５に係るファイバレーザ３０ｅの概略構成図である。
【図１０】その他の実施形態に係るファイバレーザ３０ｆの概略構成図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１      コア
２      第１クラッド
３      第２クラッド
３ａ    細孔
１０ａ，１０ｂ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ    ダブルクラッドファイバ
１１    入射側反射膜
１２，１２ａ    出射側反射膜（出射側反射部）
１３    一方側反射膜
１４    ＦＢＧ（出射側反射部）
２６    励起光
３０ａ〜３０ｆ    ファイバレーザ
【図１】
2007250951.tif 000010
【図３】
2007250951.tif 000011
【図４】
2007250951.tif 000012
【図５】
2007250951.tif 000013
【図６】
2007250951.tif 000014
【図７】
2007250951.tif 000015
【図８】
2007250951.tif 000016
【図９】
2007250951.tif 000017
【図１０】
2007250951.tif 000018
【図２】
2007250951.tif 000019