特許 7136534 光ファイバレーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-05

(45)【発行日】2022-09-13

(54)【発明の名称】光ファイバレーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/067 20060101AFI20220906BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20220906BHJP

   G02B 6/036 20060101ALI20220906BHJP

【ＦＩ】

H01S3/067

G02B6/02 411

G02B6/036

G02B6/02 416

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019087569

(22)【出願日】2019-05-07

(65)【公開番号】P2020184565

(43)【公開日】2020-11-12

【審査請求日】2019-12-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】592032636

【氏名又は名称】学校法人トヨタ学園

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 和男

(72)【発明者】

【氏名】井上 大介

(72)【発明者】

【氏名】加藤 覚

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 朋也

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 和也

(72)【発明者】

【氏名】アリンダム ハルダー

【審査官】本田 博幸

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１７９４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第０３／０６７７２３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０８－３３０６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０８１４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２７３６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－００８１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０７４５９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０１４４６７３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０８２０４３４９（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】米国特許第０５１８７７５９（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０５１２１４６０（ＵＳ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０７７９８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１８１７７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／０６７

Ｇ０２Ｂ ６／０２

Ｇ０２Ｂ ６／０３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１ＦＢＧが形成されている第１ファイバと、
前記第１ＦＢＧの反射率と比して低い反射率の第２ＦＢＧが形成されている第２ファイバと、
一端に前記第１ファイバが接続され、他端に前記第２ファイバが接続され、希土類元素が添加されている添加割合については、コアの中心側の部分が前記コアの縁側の部分に対して高い希土類添加ファイバと、
を備え、
前記コアは、前記希土類元素が添加されている添加部分と、前記添加部分の中心側に形成され前記希土類元素が添加されていない中心側非添加部分と、前記添加部分の外側に形成され前記希土類元素が添加されていない外側非添加部分とから構成され、前記添加部分の屈折率が、前記中心側非添加部分の屈折率および前記外側非添加部分の屈折率と異なる光ファイバレーザ装置。

【請求項2】

前記中心側非添加部分の直径は、１μｍ以上２μｍ以下である請求項１に記載の光ファイバレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバレーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、希土類添加ファイバの両端に、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）が形成された光ファイバを夫々接続して、レーザ光を出力する光ファイバレーザ装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－２７３６００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来、光ファイバレーザ装置に備えられた希土類添加ファイバでは、希土類元素がコア全体に一様に分布している。このように、希土類元素が全体に一様に分布しているコアを有する希土類添加ファイバを用いて、高強度のレーザ光を出力しようとすると、シングルモード（＝単峰性）のレーザ光とはならず、集光特性の低いマルチモードのレーザ光になってしまう。

【0005】

本発明の課題は、希土類元素がコア全体に一様に分布している場合と比して、シングルモードのレーザ光を効果的に出力することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の参考例１に係る光ファイバレーザ装置は、第１ＦＢＧが形成されている第１ファイバと、前記第１ＦＢＧの反射率と比して低い反射率の第２ＦＢＧが形成されている第２ファイバと、一端に前記第１ファイバが接続され、他端に前記第２ファイバが接続され、希土類元素が添加されている添加割合については、コアの中心側の部分が前記コアの縁側の部分に対して高い希土類添加ファイバと、を備え、前記コアは、前記希土類元素が添加されている添加部分と、前記添加部分の外側に形成され前記希土類元素が添加されていない非添加部分とから構成され、前記添加部分の屈折率が、前記非添加部分の屈折率と異なり、前記添加部分の直径をＤａとし、前記コアの直径をＤｂとすると、下記式（１）を満たすことを特徴とする。
Ｄｂ／２≦Ｄａ≦（３・Ｄｂ）／４・・・・・（１）

【0007】

上記構成によれば、第１ファイバへ入力された励起光は、希土類添加ファイバのコアに添加された希土類元素を励起する。これにより、励起状態となった希土類元素は、特定の波長の自然放出光を放出する。この自然放出光は、第２ファイバへ入力され、第２ＦＢＧによって反射される。

【0008】

第２ＦＢＧによって反射された光は、第１ＦＢＧ（第１ファイバブラッググレーティング）と第２ＦＢＧ（第２ファイバブラッググレーティング）との間を往復することで、励起状態となった希土類元素によって増幅される。さらに、増幅されることで、発振条件を超えた光は、第２ＦＢＧを通過してレーザ光として出力される。

【0009】

ここで、希土類元素が添加されている添加割合については、コアの中心側の部分が前記コアの縁側の部分に対して高くなっている。このため、第１ＦＢＧと第２ＦＢＧとの間を光が複数回往復することで、コアの中心側の部分を通過する光が増幅され、シングルモードのレーザ光が出力される。このように、希土類元素がコア全体に一様に分布している場合と比して、シングルモードのレーザ光を効果的に出力することができる。

【0011】

上記構成によれば、添加部分の直径Ｄａが、（３・Ｄｂ）／４より大きい場合、又はＤｂ／２より小さい場合と比して、シングルモードであるＬＰ０１モードの増幅度合が高くなることで、シングルモードのレーザ光を効果的に出力することができる。

【0012】

本発明の参考例２に係る光ファイバレーザ装置は、参考例１に記載の光ファイバレーザ装置において、前記コアの縁側の部分には、励起光を吸収せずに、出力される波長帯の光を吸収する吸収部が形成されていることを特徴とする。

【0013】

上記構成によれば、出力される波長帯の光を吸収する吸収部がコアの縁側の部分に形成されていることで、コアの縁側の部分から出力される光の利得が低くなる。このため、出力される波長帯の光を吸収する吸収部がコアの縁側の部分に形成されていない場合と比して、シングルモードのレーザ光を効果的に出力することができる。
本発明の請求項１に係る光ファイバレーザ装置は、第１ＦＢＧが形成されている第１ファイバと、前記第１ＦＢＧの反射率と比して低い反射率の第２ＦＢＧが形成されている第２ファイバと、一端に前記第１ファイバが接続され、他端に前記第２ファイバが接続され、希土類元素が添加されている添加割合については、コアの中心側の部分が前記コアの縁側の部分に対して高い希土類添加ファイバと、を備え、前記コアは、前記希土類元素が添加されている添加部分と、前記添加部分の中心側に形成され前記希土類元素が添加されていない中心側非添加部分と、前記添加部分の外側に形成され前記希土類元素が添加されていない外側非添加部分とから構成され、前記添加部分の屈折率が、前記中心側非添加部分の屈折率および前記外側非添加部分の屈折率と異なることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る光ファイバレーザ装置は、請求項１に記載の光ファイバレーザ装置において、前記中心側非添加部分の直径は、１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、希土類元素がコア全体に一様に分布している場合と比して、シングルモードのレーザ光を効果的に出力することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１実施形態に係る光ファイバレーザ装置に備えられた希土類添加ファイバを示した断面図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る光ファイバレーザ装置に備えられた希土類添加ファイバの屈折率の分布を示した屈折率分布図である。

【図3】（Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係る光ファイバレーザ装置に用いられた光ファイバ、及び希土類添加ファイバを示した断面図である。

【図4】（Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係る光ファイバレーザ装置に用いられた光ファイバに形成された第１ＦＢＧ、及び第２ＦＢＧを示した断面図である。

【図5】本発明の第１実施形態に係る光ファイバレーザ装置を示した概略構成図である。

【図6】本発明の第１実施形態の光ファイバレーザ装置に備えられた実施例に係る希土類添加ファイバ、及び比較例に係る希土類添加ファイバの解析結果をグラフで示した図面である。

【図7】（Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態の光ファイバレーザ装置において、レーザ光の発振モードを説明するのに用いた図面である。

【図8】（Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態の光ファイバレーザ装置において、レーザ光の発振モードを説明するのに用いた図面である。

【図9】（Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に対する比較形態に係る光ファイバレーザ装置に用いられた希土類添加ファイバを示した断面図、及び拡大断面図である。

【図10】本発明の第１実施形態に対する比較形態に係る光ファイバレーザ装置を示した概略構成図である。

【図11】（Ａ）（Ｂ）本発明の第２実施形態に係る光ファイバレーザ装置に用いられた希土類添加ファイバを示した断面図、及び拡大断面図である。

【図12】本発明の第２実施形態に係る光ファイバレーザ装置に備えられた希土類添加ファイバの屈折率の分布を示した屈折率分布図である。

【図13】本発明の第２実施形態に係る光ファイバレーザ装置を示した概略構成図である。

【図14】本発明の実施形態に対する変形形態に係る光ファイバレーザ装置に備えられた希土類添加ファイバの屈折率の分布を示した屈折率分布図である。

【図15】本発明の実施形態に対する変形形態に係る光ファイバレーザ装置に備えられた希土類添加ファイバの屈折率の分布を示した屈折率分布図である。

【図16】本発明の実施形態に対する変形形態に係る光ファイバレーザ装置に備えられた希土類添加ファイバの屈折率の分布を示した屈折率分布図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本明細書で第２実施形態とあるのは、参考形態と読み替えるものとする。
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る光ファイバレーザ装置の一例について図１～図１０を用いて説明する。なお、図中に示す矢印Ｈは、装置上下方向（鉛直方向）を示し、矢印Ｗは、装置幅方向（水平方向）を示す。

【0017】

（全体構成）
光ファイバレーザ装置１０は、図５に示されるように、所定の波長領域の励起光を出力する励起光源２０と、第１ファイバブラッググレーティング３２（以下「第１ＦＢＧ３２」）が形成されている光ファイバ３０と、希土類添加ファイバ５０とを有している。さらに、光ファイバレーザ装置１０は、第２ファイバブラッググレーティング８２（以下「第２ＦＢＧ８２」）が形成されている光ファイバ８０を有している。

【0018】

そして、励起光源２０、光ファイバ３０、希土類添加ファイバ５０、及び光ファイバ８０は、装置幅方向の一方側から他方側へこの順番で並んでいる。光ファイバ３０は、第１ファイバの一例であって、光ファイバ８０は、第２ファイバの一例の一例である。

【0019】

〔励起光源２０〕
励起光源２０は、例えば、半導体レーザ等であって、図５に示されるように、光ファイバ３０の一端に対向するように配置されている。そして、励起光源２０は、光ファイバ３０の一端に向けて、励起光を出力するようになっている。本実施形態では、励起光源２０は、例えば、波長が９７５〔ｎｍ〕の励起光を出力するようになっている。

【0020】

〔光ファイバ３０、光ファイバ８０〕
－光ファイバ３０－
光ファイバ３０は、図５に示されるように、一端が励起光源２０と対向し、装置幅方向に延びるように直線状に配置されている。そして、光ファイバ３０の一端は、励起光源２０に融着されている。この光ファイバ３０は、図３（Ａ）に示されるように、コア３４と、コア３４を被覆しているクラッド３６と、クラッド３６を被覆している樹脂クラッド３８とを有している。

【0021】

クラッド３６の屈折率は、コア３４の屈折率よりも低くされ、樹脂クラッド３８の屈折率は、クラッド３６の屈折率よりも大幅に低くされている。また、コア３４を構成する材料としては、ゲルマニウムやリンやアルミニウムが添加された石英が挙げられ、クラッド３６を構成する材料としては、ドーパントが添加されていない石英が挙げられる。さらに、樹脂クラッド３８を構成する材料としては、紫外線硬化樹脂が挙げられる。

【0022】

本実施形態では、コア３４の直径が４０〔μｍ〕とされ、クラッド３６の直径が４００〔μｍ〕とされ、樹脂クラッド３８の直径が８００〔μｍ〕とされている。

【0023】

また、光ファイバ３０に形成されている第１ＦＢＧ３２は、図４（Ａ）に示されるように、回折格子４０を有している。さらに、回折格子４０は、光ファイバ３０のコア３４において、光ファイバ３０の長手方向に沿って一定の間隔で配置されると共にコア３４と比して屈折率が高い高屈折率部４０ａと、一対の高屈折率部４０ａの間でコア３４と同じ屈折率の低屈折率部４０ｂとを有している。なお、図４（Ａ）（Ｂ）の左右方向（図中矢印ｚ）は、ファイバの長手方向を示し、上下方向（図中矢印ｒ）は、半径方向を示す。

【0024】

本実施形態では、第１ＦＢＧ３２によって反射される光の反射中心波長（ブラッグ波長）は、例えば、１０８０〔ｎｍ〕とされている。また、第１ＦＢＧ３２によって９９〔％〕以上の反射率で光が反射されるように、各部の寸法、及び物性値等が決められている。

【0025】

－光ファイバ８０－
光ファイバ８０は、図５に示されるように、装置幅方向に延びるように直線状に配置されている。この光ファイバ８０は、図３（Ａ）に示されるように、コア８４と、コア８４を被覆しているクラッド８６と、クラッド８６を被覆している樹脂クラッド８８とを有している。

【0026】

光ファイバ８０の各部材の直径は、光ファイバ３０の各部材の直径と同様とされており、光ファイバ８０の各部材を構成する材料は、光ファイバ３０の各部材を構成する材料と同様とされている。

【0027】

また、光ファイバ８０に形成されている第２ＦＢＧ８２は、図４（Ｂ）に示されるように、回折格子９０を有している。さらに、回折格子９０は、光ファイバ８０のコア８４において、光ファイバ８０の長手方向に沿って一定の間隔で配置されると共にコア８４と比して屈折率が高い高屈折率部９０ａと、一対の高屈折率部９０ａの間でコア８４と同じ屈折率の低屈折率部９０ｂとを有している。

【0028】

本実施形態では、第２ＦＢＧ８２によって反射される光の反射中心波長（ブラッグ波長）は、第１ＦＢＧ３２と同様で、例えば、１０８０〔ｎｍ〕とされている。さらに、第２ＦＢＧ８２によって反射される光の反射率は、第１ＦＢＧ３２によって反射される光の反射率と比して低くされている。本実施形態では、例えば、第２ＦＢＧ８２によって１０〔％〕の反射率で光が反射されるように、各部の寸法、及び物性値等が決められている。

【0029】

〔希土類添加ファイバ５０〕
希土類添加ファイバ５０は、図５に示されるように、装置幅方向において、光ファイバ３０と光ファイバ８０との間に配置されている。また、希土類添加ファイバ５０は、内部に応力が発生しないように大きな径でコイル状に巻かれている。

【0030】

この希土類添加ファイバ５０は、図３（Ｂ）に示されるように、希土類元素が添加されたコア５４と、コア５４を被覆しているクラッド５６と、クラッド５６を被覆している樹脂クラッド５８とを有している。

【0031】

クラッド５６の屈折率は、コア５４の屈折率よりも低くされ、樹脂クラッド５８の屈折率は、クラッド５６の屈折率よりも大幅に低くされている。また、コア５４を構成する材料としては、希土類元素の一例であるイッテルビウム（Ｙｂ）が添加された石英が挙げられ、クラッド５６を構成する材料としては、ドーパントが添加されていない石英が挙げられる。さらに、樹脂クラッド５８を構成する材料としては、紫外線硬化樹脂が挙げられる。なお、希土類元素が添加されているコア５４の部分については、詳細を後述する。

【0032】

また、本実施形態では、コア５４の直径が４０〔μｍ〕とされ、クラッド５６の直径が４００〔μｍ〕とされ、樹脂クラッド５８の直径が５００〔μｍ〕とされている。さらに、希土類添加ファイバ５０の長さは、９〔ｍ〕以上とされている。

【0033】

また、希土類添加ファイバ５０の一端は、アーク放電加工によって光ファイバ３０の他端に融着されている（図５参照）。具体的には、光ファイバ３０のコア３４及びクラッド３６と、希土類添加ファイバ５０のコア５４及びクラッド５６とが、アーク放電によって融着されている（図３（Ａ）、（Ｂ）参照）。

【0034】

さらに、希土類添加ファイバ５０の他端は、アーク放電加工によって光ファイバ８０の一端に融着されている（図５参照）。具体的には、光ファイバ８０のコア８４及びクラッド８６と、希土類添加ファイバ５０のコア５４及びクラッド５６とが、アーク放電によって融着されている（図３（Ａ）、（Ｂ）参照）。

【0035】

（要部構成）
次に、希土類元素が添加されているコア５４の部分について、図１、図２を用いて説明する。図１には、希土類添加ファイバ５０の長手方向に対して直交する方向に希土類添加ファイバ５０を切断した断面が示されている。さらに、図２には、希土類添加ファイバの屈折率の分布を示した屈折率分布図が示されている。図２の上下方向（図中矢印ｎ）は、屈折率の高低を示し、高さが高い程、屈折率が高くなっている。また、図２の左右方向（図中矢印ｒ）は、希土類添加ファイバ５０の半径方向を示している。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

【0036】

希土類添加ファイバ５０のコア５４は、前述したように、希土類元素が添加された石英であり、コア５４の直径は、４０〔μｍ〕とされている。

【0037】

さらに、希土類元素は、図１、図２に示されるように、希土類元素の長手方向から見て、コア５４の中心側の部分に添加されており、希土類元素が添加されている添加部分５４ａは、断面円状とされている。なお、添加部分５４ａについては、図中でドットを付して示している。

【0038】

ここで、「コア５４の中心側の部分」とは、希土類添加ファイバ５０の長手方向から見て、コア５４の中心Ｃを含み、かつ、クラッド５６と離間した部分である。

【0039】

そして、本実施形態では、希土類元素が添加されている添加部分５４ａは、コア５４と同心円とされた直径２０〔μｍ〕以上で、３０〔μｍ〕以下の予め定められた直径Ｄａの円柱状の部分である。換言すれば、コア５４の直径をＤｂとすると、希土類元素が添加されている添加部分５４ａは、Ｄｂ／２以上で、（３・Ｄｂ）／４以下の予め定められた直径Ｄａの円柱状の部分である。このように、本実施形態では、希土類元素が添加されている添加割合については、コア５４の中心側の部分がコア５４の縁側の部分に対して高くされている。

【0040】

そして、添加部分５４ａにおける希土類元素の添加割合は、０．５〔質量％〕以上で、１０〔質量％〕以下の予め定められた値とされている。また、希土類元素の添加割合については、励起状態となって特定の波長の自然放出光を放出する観点から多い方が好ましく、濃度が部分的に偏らない観点から少ない方が好ましい。このため、希土類元素の添加割合については、１〔質量％〕以上で、２〔質量％〕以下が好ましい。

【0041】

なお、コア５４において希土類元素が添加されている添加部分５４ａについては、電子プローブマイクロアナライザー （Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ； ＥＰＭＡ）を用いて分析することで、特定することができる。

【0042】

（作用）
次に、光ファイバレーザ装置１０の作用について、比較形態に係る光ファイバレーザ装置５１０と比較しつつ説明する。先ず、光ファイバレーザ装置５１０の構成について、光ファイバレーザ装置１０と異なる部位を主に説明する。なお、光ファイバレーザ装置５１０の作用についても、光ファイバレーザ装置１０と異なる部位を主に説明する。

【0043】

〔光ファイバレーザ装置５１０の構成〕
光ファイバレーザ装置５１０は、図１０に示されるように、励起光源２０と、光ファイバ３０と、希土類添加ファイバ５５０と、光ファイバ８０とを有している。さらに、希土類添加ファイバ５５０は、装置幅方向において、光ファイバ３０と光ファイバ８０との間に配置されている。また、希土類添加ファイバ５５０は、内部に応力が発生しないように大きな径でコイル状に巻かれている。

【0044】

この希土類添加ファイバ５５０は、図９（Ａ）に示されるように、希土類元素が添加されたコア５５４と、コア５５４を被覆しているクラッド５６と、クラッド５６を被覆している樹脂クラッド５８とを有している。コア５５４は、希土類元素が添加された石英であり、コア５５４の直径は、４０〔μｍ〕とされている。そして、希土類元素は、コア５５４全体に一様に添加されている。換言すれば、希土類元素は、コア５５４全体に一様に分布している。なお、本実施形態では、コア５５４における希土類元素の添加割合は、０．５〔質量％〕以上で、１０〔質量％〕以下とされている。

【0045】

〔発振モード解析〕
次に、希土類添加ファイバ５０、５５０について、各発振モードに対する増幅度合についてシミュレーションによって解析したため、この解析について説明する。

【0046】

先ず、発振モードについて説明する。本解析における発振モードは、ＬＰ０１モード、ＬＰ０２モード、ＬＰ０３モード、及びＬＰ０４モードの４種である。

【0047】

図７（Ａ）（Ｂ）、図８（Ａ）（Ｂ）には、Ｘ軸及びＹ軸をコアの断面における位置を示す座標軸とし、Ｚ軸を放射強度としたグラフが示されている。

【0048】

ＬＰ０１モードとは、図７（Ａ）に示されるように、コアの中心で出力が最も高く、周囲に比して出力が高い極値が一箇所であるシングルモード（＝単峰性）である。また、ＬＰ０２モードとは、図７（Ｂ）に示されるように、コアの中心で出力が最も高くなるが、コアの中心を囲むように、周囲に比して出力が高い極値が環状に生じるマルチモードである。

【0049】

さらに、ＬＰ０３モードとは、図８（Ａ）に示されるように、コアの中心で出力が最も高くなるが、コアの中心を囲むように、周囲に比して出力が高い極値が二重の環状に生じるマルチモードである。ＬＰ０４モードとは、図８（Ｂ）に示されるように、コアの中心で出力が最も高くなるが、コアの中心を囲むように、周囲に比して出力が高い極値が三重の環状に生じるマルチモードである。

【0050】

－解析仕様－
１．実施例１として、希土類元素が、コア５４と同心円とされた直径２０〔μｍ〕の添加部分５４ａに添加されている希土類添加ファイバ５０を用いた。

【0051】

２．実施例２として、希土類元素が、コア５４と同心円とされた直径２５〔μｍ〕の添加部分５４ａに添加されている希土類添加ファイバ５０を用いた。

【0052】

３．実施例３として、希土類元素が、コア５４と同心円とされた直径３０〔μｍ〕の添加部分５４ａに添加されている希土類添加ファイバ５０を用いた。

【0053】

４．比較例として、希土類元素が、コア５５４全体に一様に添加されている希土類添加ファイバ５５０を用いた。

【0054】

－解析結果－
図６には、横軸を発振モードとし、縦軸を発振モードの増幅度合（以下単に「増幅度合」と記載することがある）としたグラフが示されている。グラフ中の実線が、実施例１の解析結果であり、グラフ中の一点鎖線が、実施例２の解析結果であり、グラフ中の二点鎖線が、実施例３の解析結果である。また、グラフ中の破線が、比較例の解析結果である。

【0055】

比較例については、図６のグラフに示されるように、ＬＰ０１モードの増幅度合と、ＬＰ０２モードの増幅度合と、ＬＰ０３モードの増幅度合と、ＬＰ０４モードの増幅度合とが同様となる結果が得られた。つまり、比較例では、全てのモードが同様の度合で増幅する結果が得られた。

【0056】

実施例１、２、３については、図６のグラフに示されるように、ＬＰ０１モードの増幅度合が、他の発振モードの増幅度合と比して高くなる結果が得られた。ここで、ＬＰ０２モードの増幅度合に対するＬＰ０１モードの増幅度合の比を増幅比とする。そうすると、実施例１の増幅比は、１．４となり、実施例２の増幅比は、１．６となり、実施例３の増幅比は、１．２となる。比較例の増幅比は、１．０となる。

【0057】

つまり、希土類元素が添加されている部分の直径が２５〔μｍ〕の場合の増幅比が最も高く、希土類元素が添加されている部分の直径が２５〔μｍ〕より大きく又は小さくなると、増幅比が低くなる。すなわち、コア５４の直径をＤｂとすると、希土類元素が添加されている部分の直径Ｄａが、（５・Ｄｂ）／８の場合の増幅比が最も高く、希土類元素が添加されている部分の直径が、（５・Ｄｂ）／８より大きく又は小さくなると増幅比が低くなる。なお、コアの直径と希土類元素が添加されている部分の直径との比によって、各発振モードの増幅度合が変化するとう知見に基づき、希土類元素が添加されている部分を無次元化した。

【0058】

－解析結果に対する考察－
比較例については、前述したように、希土類元素が、コア５５４全体に一様に添加されている。このため、各発振モードの増幅度合が同様となると考える。

【0059】

実施例１、２，３については、前述したように、希土類元素が、コア５４の中心側の部分に添加されている。このため、ＬＰ０１モードの増幅度合が、他の発振モードの増幅度合と比して高くなったと考える。

【0060】

〔光ファイバレーザ装置１０、５１０の作用〕
次に、光ファイバレーザ装置１０、５１０の作用について説明する。

【0061】

図５、図１０に示す励起光源２０が、波長が９７５〔ｎｍ〕の励起光を光ファイバ３０の一端に向けて出力する。この励起光は、光ファイバ３０のクラッド３６及びコア３４（図３（Ａ）参照）へ入力される。そして、光ファイバ３０を伝搬した励起光は、希土類添加ファイバ５０、５５０へ入力される。

【0062】

希土類添加ファイバ５０、５５０へ入力された励起光は、希土類添加ファイバ５０、５５０のコア５４、５５４に添加された希土類元素に吸収される。これにより、希土類元素は励起状態となり、励起状態となった希土類元素は、特定の波長の自然放出光を放出する。そして、希土類添加ファイバ５０、５５０のコア５４、５５４（図３（Ｂ）参照）を伝搬した自然放出光は、光ファイバ８０へ入力される。

【0063】

さらに、光ファイバ８０へ入力された自然放出光のうち第２ＦＢＧ８２の反射波長帯（本実施形態では、１０８０〔ｎｍ〕）の光は、第２ＦＢＧ８２によって反射される。第２ＦＢＧ８２によって反射された光は、再度希土類添加ファイバ５０、５５０へ入力される。

【0064】

希土類添加ファイバ５０、５５０に再度入力された光は、希土類元素の誘導放出により増幅される。その後、増幅された光は、再度光ファイバ３０へ入力される。

【0065】

光ファイバ３０へ入力された光のうち第１ＦＢＧ３２の反射波長帯（本実施形態では、１０８０〔ｎｍ〕）の光は、第１ＦＢＧ３２によって反射される。また、第１ＦＢＧ３２で反射された光は、再度希土類添加ファイバ５０へ入力される。希土類添加ファイバ５０に再度入力された光は、希土類元素の誘導放出により増幅される。その後、増幅された光は、光ファイバ８０へ入力される。

【0066】

このように、光が第１ＦＢＧ３２と第２ＦＢＧ８２との間を往復することで、伝搬する光は、徐々に増幅される。そして、発振条件を超えた光が、第２ＦＢＧ８２を透過して、光ファイバレーザ装置１０、５１０からレーザ光として出力される。

【0067】

ここで、光ファイバレーザ装置５１０については、希土類元素は、コア５５４全体に一様に添加されている。このため、前述の解析結果で説明したように、各発振モードの増幅度合が同様となっている。そこで、光が第１ＦＢＧ３２と第２ＦＢＧ８２との間を光が複数回往復しても、シングルモードのレーザ光を選択的に出力することは困難である。

【0068】

これに対して、光ファイバレーザ装置１０については、希土類元素は、コア５４の中心側の部分に添加されている。このため、前述の解析結果で説明したように、ＬＰ０１モードの増幅度合が、他の発振モードの増幅度合と比して高くなっている。

【0069】

そこで、第１ＦＢＧ３２と第２ＦＢＧ８２との間を光が複数回往復することで、ＬＰ０１モードが他の発振モードと比して増幅され、ＬＰ０１モードのレーザ光が、光ファイバレーザ装置１０から出力される。換言すれば、シングルモードのレーザ光が、光ファイバレーザ装置１０から出力される。

【0070】

（まとめ）
以上説明したように、光ファイバレーザ装置１０では、希土類元素がコア５５４全体に一様に添加されている光ファイバレーザ装置５１０を用いる場合と比して、シングルモードのレーザ光を効率良く出力することができる。

【0071】

また、換言すれば、光ファイバレーザ装置１０では、希土類元素がコア５５４全体に一様に添加されている光ファイバレーザ装置５１０を用いる場合と比して、集光特性の高いレーザ光を出力することができる。

【0072】

また、光ファイバレーザ装置１０では、コア５４の直径をＤｂとすると、希土類元素が添加されている部分の直径Ｄａは、下記式（１）を満たす。

【0073】

Ｄｂ／２≦Ｄａ≦（３・Ｄｂ）／４・・・・・（１）

【0074】

このため、直径Ｄａが、（３・Ｄｂ）／４より大きい場合、又は直径Ｄａが、Ｄｂ／２より小さい場合と比して、シングルモードのレーザ光を効率良く出力することができる。

【0075】

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る光ファイバレーザ装置の一例について図１１～図１３を用いて説明する。なお、第２実施形態については、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。

【0076】

第２実施形態に係る光ファイバレーザ装置２１０は、図１３に示されるように、励起光源２０と、光ファイバ３０と、希土類添加ファイバ２５０と、光ファイバ８０とを有している。さらに、希土類添加ファイバ２５０は、装置幅方向において、光ファイバ３０と光ファイバ８０との間に配置されている。また、希土類添加ファイバ２５０は、内部に応力が発生しないように大きな径でコイル状に巻かれている。

【0077】

この希土類添加ファイバ２５０は、図１１（Ａ）に示されるように、希土類元素が添加されたコア２５４と、コア２５４を被覆しているクラッド５６と、クラッド５６を被覆している樹脂クラッド５８とを有している。

【0078】

コア２５４は、前述したように、希土類元素が添加された石英であり、コア２５４の直径は、４０〔μｍ〕とされている。具体的には、希土類元素は、図１１（Ｂ）、図１２に示されるように、コア２５４の中心側の部分に添加されており、希土類元素が添加されている添加部分２５４ａは、断面円状とされている。具体的には、希土類元素が添加されている添加部分５４ａは、コア５４と同心円とされた直径２０〔μｍ〕以上で、３０〔μｍ〕以下の予め定められた直径Ｄａの円柱状の部分である。

【0079】

さらに、コア２５４の縁側の部分で、かつ、添加部分５４ａとは異なる部分には、励起光を吸収せずに出力される波長帯の光を吸収する吸収部２５４ｂが形成されている。吸収部２５４ｂは、全周に亘って形成されており、励起光の波長が９７５〔ｎｍ〕で、希土類元素としてイッテルビウム（Ｙｂ）が用いられている場合には、一例として、サマリウム（Ｓｍ）が石英に添加されている円筒状の部分であり、他の部分と比して、出力される波長帯の光を２０〔％〕程度吸収するようになっている。

【0080】

このように、コア２５４の縁側の部分に、出力される波長帯の光を吸収する吸収部２５４ｂが形成させることで、コア２５４の縁側の部分から出力される光の放射強度が弱くなる。このため、吸収部２５４ｂが形成されていない場合と比して、シングルモードのレーザ光を効率良く出力することができる。

【0081】

他の第２実施形態の作用は、第１実施形態の作用と同一である。

【0082】

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記第１、第２実施形態では、希土類元素は、コア５４、２５４の中心側の部分に添加され、コア５４、２５４の縁側の部分には、希土類元素が添加されなかったが、コアの縁側の部分に、希土類元素が添加されてもよい。希土類元素が添加されている添加割合について、コア５４の中心側の部分がコア５４の縁側の部分に対して高ければよい。

【0083】

また、上記第１、第２実施形態では、希土類元素が添加されている添加部分５４ａ、２５４ａは、断面円状とされたが、断面矩形等の他の形状であってもよい。添加部分５４ａ、２５４ａが、クラッド５６と離間していればよい。しかし、この場合には、添加部分５４ａ、２５４ａが、断面円状であることで奏する作用は奏しない。

【0084】

また、上記第１、第２実施形態では、希土類添加ファイバ５０、２５０のコア５４、２５４に、イッテルビウム（Ｙｂ）、が添加されたが、例えば、励起光源２０として、４００〔ｍｍ〕帯の波長を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）の半導体レーザの等を用いる場合には、エルビウム（Ｅｒ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）又はツリウム（Ｔｍ）を希土類元素として用いてもよい。

【0085】

また、上記第２実施形態では、吸収部２５４ｂには、一例としてサマリウム（Ｓｍ）が添加されたが、吸収するレーザ光の波長によっては、ユウロピウム（Ｅｕ）等を添加してもよい。

【0086】

また、上記第１実施形態では、特に説明しなかったが、図１４に示されるように、添加部分５４ａの屈折率が、コア５４において添加部分５４ａを除く部分の屈折率と比して高くてもよく、図１５に示されるように、低くてもよい。

【0087】

また、上記第１実施形態では、特に説明しなかったが、図１６に示されるように、添加部分５４ａの屈折率が、コア５４において添加部分５４ａを除く部分の屈折率と比して低くてもよい。さらに、コア５４の中心で、直径１〔μｍ〕以上で、２〔μｍ〕以下の円柱状の中心部分５４ｃについては、希土類元素が添加されておらず、添加部分５４ａと比して屈折率が高くなっている。また、中心部分５４ｃについては、コア５４において希土類元素が添加されていない部分と比して屈折率が高くてもよい。希土類元素が添加されている添加割合について、コア５４の中心側の部分がコア５４の縁側の部分に対して高ければよい。

【符号の説明】

【0088】

１０ 光ファイバレーザ装置
３０ 光ファイバ（第１ファイバの一例）
５０ 希土類添加ファイバ
５４ コア
５４ａ 添加部分
８０ 光ファイバ（第２ファイバの一例）
８２ 第２ＦＢＧ
２１０ 光ファイバレーザ装置
２５０ 希土類添加ファイバ
２５４ コア
２５４ａ 添加部分
２５４ｂ 吸収部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】