(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバがレーザ活性物質を含むコアと該コアを取り囲む外層を有し、
前記コアに励起光を供給することによって前記光ファイバ端部よりレーザ光を出力する光ファイバレーザ装置において、前記光ファイバが繰り返し折り返されもしくは巻回されて塊状に形成されると共に、繰り返し折り返されもしくは巻回された光ファイバ同士が互いに密着または光学媒体を介して接触し、少なくとも前記光ファイバの互いに密着または光学媒体を介して接触している部分の外層の励起光に対する屈折率が、前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かうに従い増加しており、前記塊状に形成された光ファイバに前記励起光が照射され、該励起光が前記光ファイバの外層を通じて前記レーザ活性物質を励起することで、レーザ光が発生することを特徴とする光ファイバレーザ装置。
【請求項２】
前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かって増加する屈折率の変化が連続的なものであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバレーザ装置。
【請求項３】
前記コアの中心部の屈折率が、前記コアの外周部の屈折率よりも小さいか、または同等であることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバレーザ装置。
【請求項４】
前記光学媒体がその外周面において励起光を全反射するようなものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置。
【請求項５】
前記励起光に対する屈折率が、光ファイバの外層の最外部よりも小さいか、または同等である材料からなる前記光学媒体を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置と、前記光ファイバレーザ装置の出力を被加工対象に集光する集光光学系とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバのコア中のレーザ活性物質に励起光を供給することによってレーザ発振を行う光ファイバレーザ装置及びレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信またはレーザ加工の分野において、より高出力で、より安価なレーザ装置の開発が望まれているが、従来よりこの要請を満たせる可能性の高いものとして、光ファイバレーザ装置が知られている。
【０００３】
光ファイバレーザ装置は、コア径並びにコアとクラッドの屈折率差等を適切に選定することで比較的簡単にレーザ発振の横モードを単一にすることができる。また、光を高密度に閉じこめることでレーザ活性物質と光との相互作用を高められる。且つ、光ファイバの長さを長くすることで相互作用長を大きくとれるので高い効率で空間的に高品質のレーザ光を発生することができる。従って、質の良いレーザ光を比較的安価に得ることができる。
【０００４】
ここで、レーザ光のさらなる高出力化または高効率化を実現するには、光ファイバのレーザ活性イオンまたは色素、その他の発光中心（以下、レーザ活性物質という）の添加領域（通常はコア部）に効率よく励起光を導入する必要がある。ところが、通常、単一モードの導波条件を満たすようにコア径を設定すると、その径は十数μｍ以下に限定されるので、この径に効率よく励起光を導入するのは一般的に困難である。これを克服する手段として、いわゆる２重クラッド型ファイバレーザが提案されている（参考文献、例えば：H.Zellmer,U.Willamowski,A.Tunnermann,and H.Welling,Optics Letters.Vol.20,No.6.pp.578-580,March,1995.）。
【０００５】
２重クラッド型ファイバレーザは、コア部の周りに、コア部より屈折率の低い第１のクラッド部を設け、その外側にさらに屈折率に低い第２のクラッド部を設けたものである。これにより、第１のクラッド部に導入された励起光は、第１のクラッド部と第２のクラッド部の屈折率差による全反射により、第１のクラッド部内に閉じこめられた状態を保ちながら伝搬する。この伝搬の際に、励起光はコア部を繰り返し通過し、コア部のレーザ活性物質を励起することになる。第１のクラッド部はコア部よりも数百から千倍程度大きな面積を持つため、より多くの励起光を導入することが可能になり、高出力化が可能になる。上記の２重クラッド型ファイバレーザは、発振効率が高く、また、発振横モードが単一で、しかも安定であるという利点を持ち、レーザダイオード（以下ＬＤ）を使って、数ワットから１０ワット程度の出力が得られるので、それ以前のコア励起型のファイバレーザに比べると、はるかに高出力化を実現できるものであると言える。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の２重クラッド型ファイバレーザは、結局のところ、ファイバの一端または両端部からの端面励起であったので、励起用のＬＤの数を増やせないという問題点がある。
【０００７】
この欠点を克服する直感的に発想される手段として、２重クラッド型ファイバレーザを複数本束ねて高出力化を図る方法が考えられる。しかしこの場合、平均出力は束ねた本数分だけ増やすことができるものの、コア部に比べて遥かに大きいクラッド部（直径で約１００倍）が各コア部に付いているため、発光点であるコア部が広く空間内に点在する形となって、輝度が低下してしまうという問題点がある。つまり、ファイバレーザを複数本束ねるだけでは、集光性の必要な切断や溶接等のレーザ加工には使用できない。
【０００８】
さらに、これらのファイバレーザではクラッド部の屈折率分布がステップ型（屈折率が一定の値）であるため、クラッド部とその外側部分での段階的な屈折率差が存在する。このため、励起光がファイバレーザに照射され、ファイバ内を導光する際にクラッド部とクラッド外側との界面での光の散乱が生じやすく、損失の大きなファイバになってしまう。
【０００９】
この界面での散乱損失を低減するために、クラッド部の屈折率を、外側になるに従い連続的に減少するようにしたグレーデッド型ファイバレーザの利用が容易に想像される。例えば、T.Uchida,S.Yoshikawa,K.Washio,R.Tatsumi,K.Tsushima,I.Kitano,K.Koizumi and Y.Ikeda,Jpn,J.Appl.Phys.,vol.21,No.1(1973)126 の文献は、リフレクタ（反射板）の中にレーザファイバを配置し、周囲からフラッシュランプによる励起を行ってレーザ光を得る方法が示されているが、この方法はレーザ装置が大型であること、レーザ効率が悪い等の欠点をもっている。
【００１０】
本発明は、上述の背景のもとでなされたもので、集光性に優れ、熱的に出力や横モードが安定であるといった光ファイバレーザ装置の長所を維持しつつ、装置の小型化を図り、励起光量に対する出射光量の効率を向上することができて、レーザ出力を格段に向上させることの可能な光ファイバレーザ装置並びにそれを使用したレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の光ファイバレーザ装置は、光ファイバがレーザ活性物質を含むコアと該コアを取り囲む外層を有し、前記コアに励起光を供給することによって前記光ファイバ端部よりレーザ光を出力する光ファイバレーザ装置において、前記光ファイバの少なくとも一部が光学媒体に取り囲まれ、該光学媒体を前記光ファイバの光軸に対する断面で見たとき、光学媒体中に光ファイバの光軸が複数本含まれ、しかも、前記光学媒体により取り囲まれた部分のうち、少なくとも一部における光ファイバの外層の励起光に対する屈折率が、前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かうに従い増加しており、前記光学媒体に導入した励起光が、光学媒体を通じて光学媒体中の光ファイバのコアに含まれる活性物質を励起することで、レーザ光が発生することを特徴とする。この場合、光学媒体により取り囲まれた部分において、光ファイバの全部が上記屈折率分布を有していてもよいし、あるいは、光ファイバの一部に上記屈折率分布を有さない部分を含んでいてもよい。しかし、励起光を効率よく利用する上では、光学媒体中の光ファイバの全体が上記のような屈折率分布となっていることが好ましい。
【００１２】
請求項２の発明の光ファイバレーザ装置は、光ファイバがレーザ活性物質を含むコアと該コアを取り囲む外層を有し、前記コアに励起光を供給することによって前記光ファイバ端部よりレーザ光を出力する光ファイバレーザ装置において、前記光ファイバが繰り返し折り返されもしくは巻回されて塊状に形成されると共に、繰り返し折り返されもしくは巻回された光ファイバ同士が互いに密着または光学媒体を介して接触し、少なくとも前記光ファイバの互いに密着または光学媒体を介して接触している部分の外層の励起光に対する屈折率が、前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かうに従い増加しており、前記塊状に形成された光ファイバに前記励起光が照射され、該励起光が前記光ファイバの外層を通じて前記レーザ活性物質を励起することで、レーザ光が発生することを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明の光ファイバレーザ装置は、請求項１または２において、前記外層の最外部から前記コアとの境界に向かって増加する屈折率の変化が連続的なものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明の光ファイバレーザ装置は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記コアの中心部の屈折率が、前記コアの外周部の屈折率よりも小さいか、または同等であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明の光ファイバレーザ装置は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記光学媒体がその外周面において励起光を全反射するようなものであることを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明の光ファイバレーザ装置は、請求項１〜５のいずれかにおいて、前記励起光に対する屈折率が、光ファイバの外層の最外部よりも小さいか、または同等である材料からなる前記光学媒体を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明のレーザ加工装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバレーザ装置と、前記光ファイバレーザ装置の出力を被加工対象に集光する集光光学系とを備えることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置の概要を示し、図２はその一部断面を示す。本発明の光ファイバレーザ装置Ｍは、レーザ活性物質を含むコア２と、該コア２を取り囲むクラッド（外層）３とを有する光ファイバ１を用いて構成されている。この場合の光ファイバ１は、断面方向の屈折率分布が、レーザ活性物質を添加したコア２部で最も高く、その周囲のクラッド３部で外周になるに従い連続的に減少するように設定されている。
【００１９】
この光ファイバ１は次のように作製することができる。第１の方法は、まず、内付け気相成長法（ＭＣＶＤ）や外付け気相成長法（ＯＶＤ，ＶＡＤ）等の気相成長方法によってファイバプリフォームを作製する工程において、そのクラッド堆積時に、たとえばフッ素、ゲルマニウム、リンなど一般的に屈折率変化をもたらすような気相成長可能な化合物の添加量を連続的に変化させることにより、所定の屈折率分布を持ったクラッド構造を作製する。次に、クラッド部の内側に、レーザ活性物質となる希土類元素を添加したコア１を作製する。そして、このように作製したファイバプリフォームを加熱、線引きすることによって、コア部の屈析率が高く、周囲のクラッド部の屈折率がクラッド部外側になるに従って連続的に減少するような屈折率分布を持った光ファイバ１を得る。
【００２０】
第２の方法は、ロッドインチューブの方法によってファイバプリフォームを作製する工程において、まず、コア層となるレーザ活性物質を添加した母材ガラスを作製し、所望のコア径が得られるようなコアロッドを切り出す。一方、前記レーザ活性物質を添加した母材ガラスよりも屈析率が低いクラッド母材を作製し、コアロッドが挿入できるようにチューブ状に加工する。このチューブ状のクラッドガラスの内壁に、クラッド内壁の屈折率が最も高く、なおかつクラッド内壁の屈折率がコアの屈折率よりも低くなるように、屈折率に変化をもたらすことが可能な添加物をイオン交換法などを用いて添加し、クラッド内の屈折率が、外側になるに従い連続的に減少するようなクラッド材を作製する。次に、このクラッドチューブ内に前記コアロッドを挿入し、加熱、線引きすることによって、コア部の屈折率が高く、周囲のクラッド部の屈折率がクラッド部外側になるに従って連続的に減少するような屈折率分布を持った光ファイバ１を得る。
【００２１】
次に、以上のように作製した光ファイバ１を、図１のような円板状の領域内の光学媒体４中で塊状に形成して固定化することにより、光ファイバレーザ装置を完成する。即ち、光ファイバ１の周囲にクラッド３の屈折率よりも低い樹脂やガラス等の光学媒体４を満たし、該媒体４中で、光ファイバ１を繰り返し析り返したり巻回したりすることで円板塊状に形成し、その上で光ファイバ１及び光学媒体４を固定化して、目的の構造の光ファイバレーザ装置を完成する。
【００２２】
そして、この円板状の構造の光ファイバレーザ装置の周囲から、複数のＬＤ光源より励起光を照射する。そうすることにより、目的とする高出カ、高効率のレーザ光を得ることができる。なお、前記光ファイバ１の作製方法は、上述の２方法に限定されるものではない。
【００２３】
（実施例）
図２〜図４を用いて具体的な実施例を説明する。図２に示す光ファイバ１では、径１０μｍのコア２の周囲に、前述の屈折率部分を持った８００μｍのクラッド３が設けられている。この光ファイバ１は円板状に巻回されることで、隣接するもののクラッド３同士が直接接触している。また、クラッド３の周囲は低屈折率の光学媒体４で覆われ、光学媒体４を光ファイバ１の光軸に対する断面で見たとき、光学媒体４中に光ファイバ１の光軸が複数本含まれている。
【００２４】
光ファイバ１のコア２には、レーザ活性物質としてＮｄ+3イオンが０．５ａｔ％の濃度で添加されている。図２において、クラッド３の周囲が点線で表されているのは、一般の光ファイバと異なり、クラッド３と、その外側の光学媒体４の界面が明瞭でないことを示している。図３はこの光ファイバ１の中心部分の屈折率分布を示す。この図は、中心軸Ｘ上での屈折率変化を示している。コア２部での屈折率が高く、クラッド３部は、外側に向かうに従って連続的に屈折率が低下している。
【００２５】
この光ファイバレーザ装置に発振波長０．８μｍ、出力２０Ｗの半導体レーザを１６個用いて励起したときの励起光の導波状態を図４に示す。励起光はクラッド３の界面で不連続な全反射を繰り返すことがなくなるので、従来のようなファイバレーザでの界面での散乱は生じなくなる。従って、このレーザ装置によって波長１．０６μｍでレーザ出力１２０Ｗという良好な結果が得られた。
【００２６】
なお、この出力値はこのレーザ装置の限界ではなく、励起用に用意した半導体レーザが少なかったために１２０Ｗしか出ていないが、レーザ装置としての上限は２ｋＷ以上あるものと予想される。
【００２７】
このレーザ装置の出力を焦点距離５０ｍｍのレンズ系で集光したところ、直径５０μｍ以内に出力９０％以上のエネルギを集光できた。一般的なＹＡＧレーザの集光径が、同様の条件では少なくとも５００μｍ以上であるから、それと比べて集光径は１／１０以下である。集光点でのエネルギ密度は集光点の面積に反比例するので、一般的な大出力ＹＡＧレーザに比べて１００倍以上のエネルギ密度を発生させることができる。しかもこのレーザ装置の集光径は、レーザ出力や熱の状態によらず常に一定なので、安定なレーザ加工が可能となる。
【００２８】
（実施例２）
図５は別の実施例の光ファイバレーザ装置を示す。この実施例では、前の実施例と同様な屈折率分布、コア径、クラッド径を持つ連続した１本の光ファイバ１を用意し、この光ファイバ１を円筒形状の塊を形成するように多数回巻回して低屈折率ガラス等の光学媒体４中に埋設し、円柱構造の光ファイバレーザ装置を作製している。
【００２９】
このレーザ装置に対し、発振波長０．８μｍ、出力２０Ｗの半導体レーザを１８個用いて実施例１と同様に周囲から励起した。そうしたら、光ファイバ１の端部より波長１．０６μｍで出力１４０Ｗのレーザ光が得られた。この出力特性の傾向は実施例１と同様であり、励起用の半導体レーザを増やせば、さらに高出力が予想され、また集光径についても高集光となり、熱などの状態によらず安定した集光径になっていることが確認された。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、光ファイバのクラッドに所定の屈折率変化を持たせ、クラッドの外側に配した光学媒体を通して励起光をコアに供給するようにしたので、光ファイバの側面から多量の励起光をクラッド内に導入することができる。そして、一旦光ファイバ内に導入した励起光は、導波の際にクラッドとその外側の光学媒体との界面で不連続な全反射を起こさずに伝搬することになるので、界面での散乱損失を減少することができる。また、複数本の光ファイバに励起光を入射するので、出射光強度を光ファイバの本数に比例して増やすことができる。その結果、高出力レーザを得ることができる。
【００３１】
また、従来品は、励起光源と光ファイバが反射板の中で空間を持った構造をなしているか、あるいは、光ファイバの一端面から励起光を入射する構造となっていたため、効率の悪い大型のレーザ装置になってしまっていたが、本発明のレーザ装置は、光ファイバを密着した状態で光学媒体中に閉じこめた構造にしているので、構造体の周囲に励起光源を接続することができ、小型で効率のよいレーザ装置とすることができる。しかも、端面励起をする必要がないので、励起光源に反射戻り光による損傷を与えることがなく、また、複雑な光学系を導入することなく、効率よく光ファイバ中のレーザ活性物質を一様に励起することができる。従って、作製が極めて容易であり、小型化も図れ、光ファイバレーザ装置の利点を全く損なうことなく、高出力のレーザ装置の量産が可能になる。
【００３２】
また、請求項２の発明によれば、光ファイバが繰り返し折り返されもしくは巻回されて塊状に形成されると共に、繰り返し折り返されもしくは巻回された光ファイバ同士が互いに密着または光学媒体を介して接触した構造になっているため、高出力化を図りながら、小型のレーザ装置とすることができる。また、請求項３の発明によれば、連続的な屈折率変化としているため、界面が存在せず、散乱損失が抑えられ、一層の高効率化が図れる。また、コア中心部の高屈折率化によってレーザ光がコア中心部に全て集光されると、中心部での吸収が大きくなり、損失が大きくなってしまうが、請求項４の発明にような屈折率分布にすれば、吸収損失が抑えられる。また、請求項５の発明によれば、励起光が光学媒体中に閉じこめられるため、変換効率が高まる。また、請求項６の発明によれば、励起光が必ず光ファイバ中に入射される構造となるため、出力向上が図れる。また、請求項７の発明によれば、小型、高出力の加工装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置の概念図である。
【図２】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置における一部拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置における屈折率分布を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置内を励起光が導波する様子の概念図である。
【図５】本発明の他の実施形態の光ファイバレーザ装置の概念図である。
【符号の説明】
１  光ファイバ
２  コア
３  クラッド（外層）
４  光学媒体
【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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