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(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】2024-01-31
(45)【発行日】2024-02-08
(54)【発明の名称】希土類添加ファイバ及びファイバレーザ装置
(51)【国際特許分類】
H01S 3/067 20060101AFI20240201BHJP
G02B 6/02 20060101ALI20240201BHJP
H01S 3/10 20060101ALI20240201BHJP
【ＦＩ】
H01S3/067
G02B6/02 376Z
H01S3/10 D
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2022578028
(86)(22)【出願日】2021-08-24
(86)【国際出願番号】 JP2021030977
(87)【国際公開番号】W WO2022162985
(87)【国際公開日】2022-08-04
【審査請求日】2023-06-08
(31)【優先権主張番号】P 2021014119
(32)【優先日】2021-02-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000005186
【氏名又は名称】株式会社フジクラ
(74)【代理人】
【識別番号】100109896
【弁理士】
【氏名又は名称】森 友宏
(72)【発明者】
【氏名】北原 倫太郎
【審査官】村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００３／０６７７２３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／０２６９０６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／００３１８４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２０／２０３９３０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２６２７８０（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ３／０６７
Ｈ０１Ｓ ３／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半径Ｒのコアであって、その中心から半径Ｒreまでの範囲を占める添加領域に希土類元素が添加されたコアと、前記コアの周囲を覆い、前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドと
を備え、
動作波長における正規化周波数Ｖは２．４以上４．５以下であり、
０＜Ｒre＜（０．０２４７Ｖ2－０．３３５３Ｖ＋１．６４７４）Ｒ
を満たす、希土類添加ファイバ。
【請求項2】
０．１Ｒ＜Ｒre＜（０．０２４７Ｖ2－０．３３５３Ｖ＋１．６４７４）Ｒをさらに満たす、請求項１に記載の希土類添加ファイバ。
【請求項3】
０．３Ｒ＜Ｒre＜（０．０２４７Ｖ2－０．３３５３Ｖ＋１．６４７４）Ｒをさらに満たす、請求項２に記載の希土類添加ファイバ。
【請求項4】
前記正規化周波数Ｖは２．４以上４．２以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の希土類添加ファイバ。【請求項5】
前記正規化周波数Ｖは２．４以上３．９以下である、請求項４に記載の希土類添加ファイバ。【請求項6】
前記コアの半径ＲはＶ／０．３４［μｍ］以下である、請求項１から５のいずれか一項に記載の希土類添加ファイバ。【請求項7】
前記希土類元素はイッテルビウムである、請求項１から６のいずれか一項に記載の希土類添加ファイバ。【請求項8】
請求項１から７のいずれか一項に記載の希土類添加ファイバと、前記希土類添加ファイバに添加された前記希土類元素を励起する励起光を生成して前記希土類添加ファイバに導入する少なくとも１つの励起光源と
を備える、ファイバレーザ装置。
【請求項9】
前記希土類添加ファイバの少なくとも一部が２００ｍｍ以下の曲げ径で曲げられている、請求項８に記載のファイバレーザ装置。【請求項10】
前記希土類添加ファイバの少なくとも一部が１００ｍｍ以下の曲げ径で曲げられている、請求項９に記載の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、希土類添加ファイバ及びファイバレーザ装置に係り、特にファイバレーザ装置において用いられる希土類添加ファイバに関するものである。
【背景技術】
【0002】
ファイバレーザ装置は、従来のレーザ装置と比較すると、集光性に優れ、高いパワー密度の光を得ることができ、また小さなビームスポットを実現できることから、レーザ加工分野や医療分野など様々な分野において用いられている。近年、高パワーのレーザの需要が高まっており、ファイバレーザ装置においても高出力化が進められている。ファイバレーザ装置の高出力化が進むと、ファイバレーザ装置内の光ファイバを伝搬する光のパワー密度も高くなり、誘導ラマン散乱に起因する光の波長変換が生じ易くなる。このような誘導ラマン散乱が生じると、設計上増幅されるべき波長の光の出力が低下してしまい、ファイバレーザ装置の出力が不安定となることが考えられる。また、ファイバレーザ装置に用いられるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）のような光部品は、意図する波長以外の光では十分に機能しないため、誘導ラマン散乱に起因する光の波長変換が進むと、これらの光部品が機能せず、ファイバレーザ装置の故障を招くおそれがある。このため、高出力のファイバレーザ装置においては、誘導ラマン散乱に起因する光の波長変換が生じないように、コア径を拡大したマルチモードファイバを用いることによって光ファイバを伝搬する光のパワー密度を下げることも行われている。
【0003】
ファイバレーザ装置において用いられる希土類添加ファイバとしてマルチモードファイバを用いた場合には、光パワーがある閾値を超えると、横モード不安定性（ＴＭＩ：Transverse Mode Instability）という現象が発生することが知られている。このＴＭＩ現象とは、基本モードと高次モードとの伝搬定数の差に応じた周期的な屈折率変動が希土類添加ファイバ中に形成される現象である。
【0004】
このＴＭＩ現象は次のようなプロセスにより発生すると考えられている。希土類添加ファイバ中を複数のモードが伝搬すると、それらのモード間の干渉が生じる。ここで、レーザ発振中の希土類添加ファイバでは、建設的な干渉が生じる部分では誘導放出が盛んに発生し、逆に破壊的な干渉が生じる部分では誘導放出があまり発生しない。誘導放出が生じると、量子欠損により一定の熱が発生するため、モード間の干渉の周期に応じた発熱分布が長手方向に生じ、これが周期的な屈折率変動となる。
【0005】
このようなＴＭＩ現象が発生すると、長手方向に沿った周期的な屈折率変動が長周期グレーティングとして機能し、基本モードと高次モードの間でモード間結合が生じ得る。このようなモード間結合が生じると、出力されるレーザ光のビーム品質が悪化してしまい、上述したファイバレーザ装置の利点である集光特性が損なわれてしまう。例えば、非特許文献１においては、光パワーがある閾値を超えると、ビーム品質が急激に悪化することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】T. Eidam, C. Wirth, C. Jauregui, F. Stutzki, F. Jansen, H.-J. Otto, O. Schmidt, T. Schreiber, J. Limpert, and A. Tunnermann, “Experimental observations of the threshold-like onset of mode instabilities in high power fiber amplifiers,” Optics express 19, 13218-13224 (2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、ＴＭＩ現象により生じる長周期グレーティングを光が透過する際における基本モードと高次モードとの間のモード間結合を抑制することができる希土類添加ファイバを提供することを第１の目的とする。
【0008】
また、本発明は、出力されるレーザ光のビーム品質の悪化を抑制することができるファイバレーザ装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の第１の態様によれば、ＴＭＩ現象により生じる長周期グレーティングを光が透過する際における基本モードと高次モードとの間のモード間結合を抑制することができる希土類添加ファイバが提供される。この希土類添加ファイバは、半径Ｒのコアと、上記コアの周囲を覆い、上記コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドとを備える。上記コアの中心から半径Ｒreまでの範囲を占める添加領域に希土類元素が添加される。上記希土類添加ファイバの動作波長における正規化周波数Ｖは２．４以上４．５以下であり、０＜Ｒre＜（０．０２４７Ｖ2－０．３３５３Ｖ＋１．６４７４）Ｒが満たされる。
【0010】
本発明の第２の態様によれば、出力されるレーザ光のビーム品質の悪化を抑制することができるファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、上述した希土類添加ファイバと、上記希土類添加ファイバに添加された上記希土類元素を励起する励起光を生成して上記希土類添加ファイバに導入する少なくとも１つの励起光源とを備える。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明に係る希土類添加ファイバ及びファイバレーザ装置の実施形態について図１から図８を参照して詳細に説明する。図１から図８において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図８においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。
【0013】
図１は、本発明の一実施形態における希土類添加ファイバ１０の断面を模式的に示す図である。図１に示すように、希土類添加ファイバ１０は、半径Ｒのコア２０と、コア２０の周囲を覆う内側クラッド３０と、内側クラッド３０の周囲を覆う外側クラッド４０とを含んでいる。内側クラッド３０の屈折率はコア２０の屈折率よりも低く、外側クラッド４０の屈折率は内側クラッド３０の屈折率よりも低い。なお、本実施形態では、希土類添加ファイバ１０が２つのクラッドを有するダブルクラッドファイバである例を説明するが、これに限られるものではなく、希土類添加ファイバ１０は単一のクラッド層を有していてもよく、あるいは３つ以上のクラッド層を有していてもよい。
【0014】
この希土類添加ファイバ１０は、例えばファイバレーザ装置の増幅用光ファイバとして用いられるものであり、イッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｒ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素が添加された添加領域２２と、希土類元素が添加されていない非添加領域２４とを含んでいる。この添加領域２２は、コア２０の中心から半径Ｒre（０＜Ｒre＜Ｒ）までの領域である。本発明者は、このような希土類添加ファイバ１０の添加領域２２の半径Ｒreを以下のように設計することで希土類添加ファイバ１０におけるモード間結合を抑制できることを見出した。
【0015】
一般的に、長周期グレーティングによるモード間の結合定数κは、以下の式（１）で表される。この結合定数κが小さいほど、モード間の光パワーの移行も少なくなる。すなわち、この結合定数κが小さい場合にはモード間結合が抑制される。
ここで、ｘ及びｙは、光ファイバの光軸に垂直な断面における２次元座標、Δｎは、長手方向における屈折率変動の振幅、ＥFM及びＥHOMは、それぞれ基本モードと高次モードの電界分布を表している。
【数1】
【0016】
上述したように、ＴＭＩ現象により生じる屈折率変動は量子欠損による発熱に起因するものである。この量子欠損は希土類元素が添加された領域において生じ得るため、本発明者は、光ファイバ中の希土類元素が添加された領域において上述した屈折率変動が生じると考えた。そこで、上記式（１）におけるΔｎの部分を希土類元素が添加された領域に置き換え、希土類添加ファイバ１０のコア２０の添加領域２２に希土類元素を添加した場合のＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのモード間の結合定数κを異なる正規化周波数Ｖで計算した。この結果を図２Ａ～図２Ｅに示す。図２Ａ～図２Ｅにおいて、横軸は、添加領域２２の半径Ｒreをコアの半径Ｒで規格化した値Ｒre／Ｒを表しており、縦軸は、算出された結合定数κをＲre／Ｒ＝１であるときの結合定数で規格化した値（規格化結合定数）を表している。図２ＡはＶ＝２．５、図２ＢはＶ＝３、図２ＣはＶ＝３．５、図２ＤはＶ＝４、図２ＥはＶ＝４．４５のときの規格化結合定数を示している。
【0017】
図２Ａ～図２Ｅから、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間の規格化結合定数は、添加領域２２の半径Ｒreを小さくすればするほど小さくなることがわかる。それぞれの正規化周波数Ｖにおいて、規格化結合定数が１よりも小さくなり始めるときのＲreをＲ’reとすると、
Ｖ＝２．５のとき、Ｒ’re／Ｒ＝０．９５
Ｖ＝３のとき、Ｒ’re／Ｒ＝０．９
Ｖ＝３．５のとき、Ｒ’re／Ｒ＝０．７５
Ｖ＝４のとき、Ｒ’re／Ｒ＝０．７
Ｖ＝４．４５のとき、Ｒ’re／Ｒ＝０．６５
である。これをグラフにすると図３に示すようになる。この図３から、正規化周波数Ｖが高くなると、添加領域２２の半径Ｒreを小さくしなければ規格化結合定数を１よりも小さくできないことがわかる。
Ｖ＝２．５のとき、Ｒ’re／Ｒ＝０．９５
Ｖ＝３のとき、Ｒ’re／Ｒ＝０．９
Ｖ＝３．５のとき、Ｒ’re／Ｒ＝０．７５
Ｖ＝４のとき、Ｒ’re／Ｒ＝０．７
Ｖ＝４．４５のとき、Ｒ’re／Ｒ＝０．６５
である。これをグラフにすると図３に示すようになる。この図３から、正規化周波数Ｖが高くなると、添加領域２２の半径Ｒreを小さくしなければ規格化結合定数を１よりも小さくできないことがわかる。
【0018】
【0019】
したがって、添加領域２２の半径Ｒreを上記式（２）で定義されるＲ’reよりも小さくすれば、規格化結合定数を１よりも小さくすることができる。すなわち、
０＜Ｒre＜（０．０２４７Ｖ2－０．３３５３Ｖ＋１．６４７４）Ｒ ・・・（３）
を満たすように添加領域２２の半径Ｒreを設定すれば、希土類元素をコア２０の全領域に添加した場合（規格化結合定数が１）に比べてＬＰ０１モードからＬＰ１１モードへの結合を抑制できることとなる。
０＜Ｒre＜（０．０２４７Ｖ2－０．３３５３Ｖ＋１．６４７４）Ｒ ・・・（３）
を満たすように添加領域２２の半径Ｒreを設定すれば、希土類元素をコア２０の全領域に添加した場合（規格化結合定数が１）に比べてＬＰ０１モードからＬＰ１１モードへの結合を抑制できることとなる。
【0020】
同様に、ＬＰ０１モードとＬＰ２１モードとの間の規格化結合定数は図４Ａ及び図４Ｂに示すように計算される。図４ＡはＶ＝４、図４ＢはＶ＝４．４５のときの規格化結合定数を示している。図４Ａ及び図４Ｂから分かるように、ＬＰ０１モードとＬＰ２１モードとの間の規格化結合定数は、図２Ａ～図２Ｅに示されるＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間の規格化結合定数と同様の傾向を示している。また、図４Ａと図２Ｄ、図４Ｂと図２Ｅを比較すれば分かるように、添加領域２２の半径Ｒreが同じであれば、ＬＰ０１モードとＬＰ２１モードとの間の規格化結合定数の方がＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間の規格化結合定数よりも小さくなっている。このことから、上記式（３）を満たすように添加領域２２の半径Ｒreを設定すれば、ＬＰ０１モードとＬＰ２１モードとの間のモード間結合も抑制できることが分かる。
【0021】
また、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モードとの間の規格化結合定数は図５Ａ及び図５Ｂに示すように計算される。図５ＡはＶ＝４、図５ＢはＶ＝４．４５のときの規格化結合定数を示している。図５Ａ及び図５Ｂから分かるように、添加領域２２の半径Ｒreがコア２０の半径Ｒよりも小さい場合には、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モードとの間の規格化結合定数は、希土類元素をコア２０の全領域に添加した場合よりも大きくなる。このため、本発明者は、添加領域２２の半径Ｒreではなく、希土類添加ファイバ１０の規格化周波数Ｖを調整することにより、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モードとの間のモード間結合を抑制することを考えた。
【0022】
一般的に、ファイバレーザ装置において使用される希土類添加ファイバの全長は数メートルから数十メートルであり、この希土類添加ファイバがコイル状に巻回されて筐体内に収容されている。一般的に、正規化周波数Ｖが３．９を超えるとＬＰ２１モードとＬＰ０２モードが導波できるようになるが、希土類添加ファイバの正規化周波数Ｖが低くなると、ＬＰ０２モードの伝送損失が大きくなるため、希土類添加ファイバ内をＬＰ０２モードが実質的に伝搬しない状態になり得る。
【0023】
図６は、正規化周波数Ｖに対してＬＰ１１モード及びＬＰ０２モードの規格化伝搬定数ｂが０となるときの光ファイバの曲げ径を示すものである。規格化伝搬定数ｂが０であることは、そのモードがコアを伝搬できないことを意味している。例えば、Ｖ＝４．５の場合、ＬＰ０２モードは直径約１００ｍｍ以下で曲げられた光ファイバを伝搬することができない。また、Ｖ＝４．２の場合であれば、ＬＰ０２モードは直径約２００ｍｍ以下で曲げられた光ファイバを伝搬することができない。
【0024】
したがって、上記式（３）を満たすように添加領域２２の半径Ｒreを設定した上で、動作周波数（発振周波数）における希土類添加ファイバ１０の正規化周波数Ｖが４．５以下、好ましくは４．２以下となるようにすれば、ＴＭＩ現象により生じた長周期グレーティングを光が透過する際に、コア２０を導波するＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間の結合、ＬＰ０１モードとＬＰ２１モードとの間の結合、及びＬＰ０１モードとＬＰ０２モードとの間の結合をそれぞれ抑制することができ、ビーム品質の悪化を抑制することができる。
【0025】
ところで、希土類添加ファイバにおいて吸収される励起光の量は、希土類添加ファイバの断面内に含まれる希土類元素の量と希土類添加ファイバの長さの積に比例する。したがって、コア２０の全領域に希土類元素を添加した場合に所定量の励起光を吸収するために必要とされる希土類添加ファイバ１０の長さをＬとすると、希土類元素をコア２０の中心から半径Ｒreまでの添加領域２２に添加した場合に同量の励起光を吸収するために必要とされる希土類添加ファイバ１０の長さＬ’は、以下の式（４）で表される。
【数3】
【0026】
この式（４）から、希土類元素を添加する添加領域２２の半径Ｒreを小さくしすぎると、励起光を十分に吸収するために希土類添加ファイバ１０の全長を長くする必要が生じることがわかる。希土類添加ファイバ１０の全長が長くなると、誘導ラマン散乱が生じやすくなり、コア２０を拡大した効果が低減してしまう。
【0027】
ここで、上述した希土類添加ファイバ１０の長さＬ’と添加領域の半径Ｒreとの関係について考察する。図７は、Ｒre／ＲとＬ’／Ｌの関係を示すグラフである。図７に示すように、Ｒre≧０．１Ｒであれば、必要とされる希土類添加ファイバ１０の長さＬ’をコア２０の全領域に希土類元素を添加した場合に必要される長さＬの１００倍以下にすることができる。さらに、Ｒre≧０．３Ｒであれば、必要とされる希土類添加ファイバ１０の長さＬ’をコア２０の全領域に希土類元素を添加した場合に必要される長さＬの約１０倍以下にすることができる。したがって、希土類添加ファイバ１０が長くなりすぎないためには、０．１Ｒ＜Ｒreとすることが好ましく、０．３Ｒ＜Ｒreとすることがより好ましい。
【0028】
ところで、光ファイバの正規化周波数Ｖは、以下の式（５）により定義されるものである。本実施形態において用いられる希土類添加ファイバ１０の正規化周波数Ｖは２．４以上である。
ここで、λは光ファイバの動作波長（レーザの発振波長）であり、ｎ1はコアの屈折率、ｎ2はクラッドの屈折率、Δはコアとクラッドの比屈折率差である。
【数4】
【0029】
比屈折率差Δは、以下の式（６）により定義される。
【数5】
【0030】
上記式（５）及び（６）から、光ファイバの正規化周波数Ｖをある程度以下にするためには、コアの半径Ｒを小さくするか、あるいはコアとクラッドの比屈折率差Δを小さくする必要があることが分かる。コアとクラッドの比屈折率差Δを小さくしすぎると、コアへの光の閉じ込め効果が低減するため、ＴＭＩ現象が生じる閾値以下の光パワーにおいても、わずかな外乱などによってモード間結合が生じやすくなる。本発明者は、例えばＲ［μｍ］≦Ｖ／０．３４となるように希土類添加ファイバ１０のコア２０の半径Ｒを小さくすることで、コア２０への光の閉じ込め効果を維持しつつ、正規化周波数Ｖを小さくすることを見出した。
【0031】
次に、上述した希土類添加ファイバ１０を用いたファイバレーザ装置の実施形態について説明する。図８は、上述した希土類添加ファイバ１０を用いたファイバレーザ装置１００の構成を模式的に示すブロック図である。図８に示すように、このファイバレーザ装置１００は、レーザ光を増幅可能な増幅用光ファイバとして上述した希土類添加ファイバ１０を含む光共振器１１０と、光共振器１１０の一端側（前方）から光共振器１１０に励起光を供給する複数の前方励起光源１２０Ａと、光共振器１１０の他端側（後方）から光共振器１１０に励起光を供給する複数の後方励起光源１２０Ｂと、複数の前方励起光源１２０Ａから出力される励起光を結合して光共振器１１０に導入する前方光コンバイナ１３０Ａと、複数の後方励起光源１２０Ｂから出力される励起光を結合して光共振器１１０に導入する後方光コンバイナ１３０Ｂと、後方光コンバイナ１３０Ｂから延びるデリバリファイバ１４０と、デリバリファイバ１４０の下流側の端部に設けられたレーザ出力部１５０とを備えている。それぞれの前方励起光源１２０Ａと前方光コンバイナ１３０Ａとは光ファイバ１６０Ａで接続され、それぞれの後方励起光源１２０Ｂと後方光コンバイナ１３０Ｂとは光ファイバ１６０Ｂで接続されている。
【0032】
光共振器１１０は、所定の発振波長（例えば１０７０ｎｍ）の光を高い反射率で反射する高反射部１７０Ａと、この波長の光を高反射部１７０Ａよりも低い反射率で反射する低反射部１７０Ｂとを含んでいる。高反射部１７０Ａ及び低反射部１７０Ｂは、例えば、光の伝搬方向に沿って周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成したファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）やミラーにより構成される。図８に示す例では、高反射部１７０Ａ及び低反射部１７０Ｂをファイバブラッググレーティングにより構成している。
【0033】
励起光源１２０Ａ，１２０Ｂに接続される光ファイバ１６０Ａ，１６０Ｂは、それぞれコアと、コアの周囲を覆い、コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドとを有しており、これらの光ファイバ１６０Ａ，１６０Ｂのコアの内部には、励起光源１２０Ａ，１２０Ｂで生成された励起光が伝搬する光導波路が形成されている。
【0034】
励起光源１２０Ａ，１２０Ｂとしては、例えば波長９７５ｎｍのレーザ光を出射可能な高出力マルチモード半導体レーザ素子を含むレーザモジュールが用いられる。それぞれの前方励起光源１２０Ａで生成された励起光は、光ファイバ１６０Ａのコアを伝搬して前方光コンバイナ１３０Ａに向かい、前方光コンバイナ１３０Ａで結合されて光共振器１１０に導入される。また、それぞれの後方励起光源１２０Ｂで生成された励起光は、光ファイバ１６０Ｂのコアを伝搬して後方光コンバイナ１３０Ｂに向かい、後方光コンバイナ１３０Ｂで結合されて光共振器１１０に導入される。なお、前方励起光源１２０Ａで生成される励起光の波長と後方励起光源１２０Ｂで生成される励起光の波長は同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【0035】
励起光源１２０Ａ，１２０Ｂからそれぞれ光コンバイナ１３０Ａ，１３０Ｂを介して光共振器１１０に導入された励起光は、希土類添加ファイバ１０の内側クラッド３０及びコア２０の内部を伝搬する。この励起光は、コア２０の添加領域２２を通過する際に希土類元素イオンに吸収され、この希土類元素イオンが励起されて自然放出光が生じる。この自然放出光が高反射部１７０Ａと低反射部１７０Ｂとの間で再帰的に反射され、特定の波長（例えば１０７０ｎｍ）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。このように光共振器１１０で増幅されたレーザ光は、希土類添加ファイバ１０のコア２０の内部を伝搬し、その一部が低反射部１７０Ｂを透過する。低反射部１７０Ｂを透過したレーザ光は、後方光コンバイナ１３０Ｂからデリバリファイバ１４０のコアに導入され、デリバリファイバ１４０のコアを伝搬して、図８に示すように、レーザ出力部１５０から出力レーザ光Ｐとして例えば加工対象物に向けて出射される。
【0036】
一例として、希土類添加ファイバ１０のコア２０の半径Ｒは９．２５μｍ、屈折率は１．４５２３である。また、内側クラッド３０の屈折率は１．４５、コア２０と内側クラッド３０の比屈折率差Δは０．１６％である。この希土類添加ファイバ１０の正規化周波数Ｖは上記式（５）よりＶ＝４．４４となる。希土類添加ファイバ１０の全長は１５ｍ、その曲げ径は１００ｍｍである。コア２０の添加領域２２にはイッテルビウムが添加され、添加領域２２の半径Ｒreは５．５μｍである。この例においては、上記式（３）は０＜Ｒre＜５．９７μｍとなるから、式（３）が満たされている。また、０．３Ｒ＝２．７８μｍであるから、０．３Ｒ＜Ｒreが満たされている。
【0037】
希土類添加ファイバ１０の曲げ径が１００ｍｍであることから、上述したようにＬＰ０２モードが希土類添加ファイバ１０のコア２０を伝搬できないため、コア２０を導波可能なモードは、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードとなる。このとき、基本モードであるＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの規格化結合定数は０．９８、ＬＰ０１モードとＬＰ２１モードとの規格化結合定数は０．９６となる。したがって、この希土類添加ファイバ１０を増幅用光ファイバとして用いることにより、希土類元素をコア２０の全領域に添加する場合に比べて、ＬＰ０１モードからＬＰ１１モードへの結合及びＬＰ０１モードからＬＰ２１モードへの結合をそれぞれ抑制でき、レーザ出力部１５０から出力される出力レーザ光Ｐのビーム品質の低下を抑制することができる。
【0038】
図８に示す例では、光共振器１１０の両側に励起光源１２０Ａ，１２０Ｂと光コンバイナ１３０Ａ，１３０Ｂが設けられており、双方向励起型のファイバレーザ装置となっているが、光共振器１１０の一方の側にのみ励起光源と光コンバイナを設置することとしてもよい。また、ファイバレーザ装置としては、シード光源からのシード光を励起光源からの励起光を用いて増幅するＭＯＰＡファイバレーザ装置も知られているが、上述した希土類添加ファイバ１０は、このようなＭＯＰＡファイバレーザ装置における増幅用光ファイバとして用いることも可能である。
【0039】
以上述べたように、本発明の第１の態様によれば、ＴＭＩ現象により生じる長周期グレーティングを光が透過する際における基本モードと高次モードとの間のモード間結合を抑制することができる希土類添加ファイバが提供される。この希土類添加ファイバは、半径Ｒのコアと、上記コアの周囲を覆い、上記コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドとを備える。上記コアの中心から半径Ｒreまでの範囲を占める添加領域に希土類元素が添加される。上記希土類添加ファイバの動作波長における正規化周波数Ｖは２．４以上４．５以下であり、０＜Ｒre＜（０．０２４７Ｖ2－０．３３５３Ｖ＋１．６４７４）Ｒが満たされる。
【0040】
このような希土類添加ファイバによれば、コアを導波する基本モードと高次モードとの間の結合定数を小さくすることができるため、ＴＭＩ現象により生じる長周期グレーティングを光が透過する際における基本モードと高次モードとの間のモード間結合を抑制することができる。
【0041】
また、０．１Ｒ＜Ｒre＜（０．０２４７Ｖ2－０．３３５３Ｖ＋１．６４７４）Ｒが満たされることが好ましい。添加領域の半径Ｒreを０．１Ｒよりも大きくすることにより、希土類添加ファイバを過度に長くすることなく、基本モードと高次モードとの間のモード間結合を抑制することができる。さらに、０．３Ｒ＜Ｒre＜（０．０２４７Ｖ2－０．３３５３Ｖ＋１．６４７４）Ｒが満たされるようにすることにより、希土類添加ファイバの長さをより短くしつつ、基本モードと高次モードとの間のモード間結合を抑制することができる。
【0042】
上記正規化周波数Ｖは２．４以上４．２以下であってもよい。正規化周波数Ｖをこのような範囲とすることにより、ＬＰ０２モードが希土類添加ファイバのコア中を導波しにくくなるため、基本モードとＬＰ０２モードとの間のモード間結合を抑制することができる。さらに、上記正規化周波数Ｖは２．４以上３．９以下であってもよい。正規化周波数Ｖをこのような範囲とすることにより、ＬＰ０２モードが希土類添加ファイバのコア中をほとんど導波しなくなるか、導波しなくなるため、基本モードとＬＰ０２モードとの間のモード間結合を実質的になくすことができる。
【0043】
上記コアの半径ＲはＶ／０．３４［μｍ］以下であることが好ましい。コアの半径ＲをＶ／０．３４［μｍ］以下とすることで、コアの屈折率を過度に小さくすることなく、正規化周波数Ｖを小さくすることができる。
【0044】
上記希土類元素としてイッテルビウムを用いてもよい。希土類元素としてイッテルビウムを用いた場合には、この希土類添加ファイバを材料加工用のファイバレーザ装置に用いることが可能となる。
【0045】
本発明の第２の態様によれば、出力されるレーザ光のビーム品質の悪化を抑制することができるファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、上述した希土類添加ファイバと、上記希土類添加ファイバに添加された上記希土類元素を励起する励起光を生成して上記希土類添加ファイバに導入する少なくとも１つの励起光源とを備える。
【0046】
このようなファイバレーザ装置によれば、希土類添加ファイバにおける基本モードと高次モードとの間のモード間結合が抑制されるため、出力されるレーザ光のビーム品質の悪化を抑制することができ、高い集光性を維持しつつ高出力のレーザ光を出力することができる。
【0047】
上記希土類添加ファイバの少なくとも一部が２００ｍｍ以下の曲げ径で、より好ましくは１００ｍｍ以下の曲げ径で曲げられていることが好ましい。このように希土類添加ファイバの少なくとも一部を曲げることで、希土類添加ファイバのコア中を導波するＬＰ０２モードを少なくすることができるため、基本モードとＬＰ０２モードとの間のモード間結合を抑制することができる。
【0048】
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【0049】
本出願は、２０２１年２月１日に提出された日本国特許出願特願２０２１－０１４１１９に基づくものであり、当該出願の優先権を主張するものである。当該出願の開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【産業上の利用可能性】
【0050】
本発明は、ファイバレーザ装置において用いられる希土類添加ファイバに好適に用いられる。
【符号の説明】
【0051】
１０ 希土類添加ファイバ
２０ コア
２２ 添加領域
２４ 非添加領域
３０ 内側クラッド
４０ 外側クラッド
１００ ファイバレーザ装置
１１０ 光共振器
１２０Ａ，１２０Ｂ 励起光源
１３０Ａ，１３０Ｂ 光コンバイナ
１４０ デリバリファイバ
１５０ レーザ出力部
１７０Ａ 高反射部
１７０Ｂ 低反射部
２０ コア
２２ 添加領域
２４ 非添加領域
３０ 内側クラッド
４０ 外側クラッド
１００ ファイバレーザ装置
１１０ 光共振器
１２０Ａ，１２０Ｂ 励起光源
１３０Ａ，１３０Ｂ 光コンバイナ
１４０ デリバリファイバ
１５０ レーザ出力部
１７０Ａ 高反射部
１７０Ｂ 低反射部
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】