特許 7531048 ファイバレーザ

(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】2024-07-31

(45)【発行日】2024-08-08

(54)【発明の名称】ファイバレーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/067 20060101AFI20240801BHJP

   H01S 3/10 20060101ALI20240801BHJP

【ＦＩ】

H01S3/067

H01S3/10 D

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023502079

(86)(22)【出願日】2021-11-30

(86)【国際出願番号】 JP2021043717

(87)【国際公開番号】W WO2022180969

(87)【国際公開日】2022-09-01

【審査請求日】2023-01-27

(31)【優先権主張番号】P 2021026988

(32)【優先日】2021-02-24

(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】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】西村 亮一

(72)【発明者】

【氏名】市井 健太郎

【審査官】佐藤 美紗子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０３２９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１７９４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１６７２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２１／０４５０７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－２３８７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１１９３４１７９（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００－４／００

Ｇ０２Ｂ ６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コアにＹｂが添加されたゲインファイバと、前記ゲインファイバに入力可能な前方励起光であって、９７６ｎｍ帯に属する前方励起光を生成可能な前方励起光源群と、を備えており、
前記前方励起光源群は、中心波長が異なり、最小の中心波長と最大の中心波長の差が１ｎｍ以上である、複数の励起光源を含み、
前記ゲインファイバの区間であって、前記前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間における前記前方励起光の吸収量として、∫Ｐ（λ）Ａ（λ）ｄλに従って算出される前記前方励起光の吸収量が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下であり、
前記前方励起光の総パワーが１５０９Ｗ以上である、
ことを特徴とするファイバレーザ。
ここで、Ｐ（λ）［Ｗ］は、前記前方励起光のパワースペクトルであり、Ａ（λ）［％／ｍ］は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの吸収率スペクトルである。

【請求項2】

コアにＹｂが添加されたゲインファイバと、前記ゲインファイバに入力可能な前方励起光であって、９７６ｎｍ帯に属する前方励起光を生成可能な前方励起光源群と、を備えており、
前記ゲインファイバの区間であって、前記前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間における前記前方励起光の吸収量として、∫Ｐ（λ）Ａ（λ）ｄλに従って算出される前記前方励起光の吸収量が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下であり、且つ、
前記前方励起光源群からの前記前方励起光の吸収量の値として、∫Ｐ（λ）Ａ１（λ）ｄλに従って算出される当該前方励起光の吸収量の算出値もしくは当該前方励起光の吸収量の実測値／Ａ２の値が２０６Ｗ以上３５８Ｗ以下であり、
波長９７８ｎｍにおける前記ゲインファイバの単位長さあたりの励起光吸収量は、２．５８ｄＢ／ｍ以上３．０７ｄＢ／ｍ以下である、
ことを特徴とするファイバレーザ。
ここで、Ａ１（λ）は、波長９７８ｎｍにおいて規格化されたＹｂの標準的な吸収率スペクトルである。Ａ２［％／ｍ］は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの波長９７８ｎｍにおける吸収率である。

【請求項3】

前記吸収率スペクトルＡ（λ）は、Ａ（λ）＝Ａ１（λ）×Ａ２に従って算出されるものである、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のファイバレーザ。
ここで、Ａ１（λ）は、波長９７８ｎｍにおいて規格化されたＹｂの標準的な吸収率スペクトルであり、Ａ２［％／ｍ］は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの波長９７８ｎｍにおける吸収率である。

【請求項4】

コアにＹｂが添加されたゲインファイバと、前記ゲインファイバに入力可能な前方励起光であって、９７６ｎｍ帯に属する前方励起光を生成可能な前方励起光源群と、を備えており、
前記ゲインファイバの区間であって、前記前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間における前記前方励起光の吸収量として、∫Ｐ（λ）Ａ（λ）ｄλに従って算出される前記前方励起光の吸収量が６３４Ｗ以上１１００Ｗ以下であり、
前記前方励起光の総パワーが１５０９Ｗ以上である、
ことを特徴とするファイバレーザ。
ここで、Ｐ（λ）［Ｗ］は、前記前方励起光のパワースペクトルであり、Ａ（λ）［％／ｍ］は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの吸収率スペクトルである。

【請求項5】

前記ゲインファイバは、融着点を含まず、屈折率分布及びＹｂ濃度が全長に亘って一様である、
ことを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載のファイバレーザ。

【請求項6】

コアにＹｂが添加されたゲインファイバと、前記ゲインファイバに入力可能な前方励起光であって、９７６ｎｍ帯に属する前方励起光を生成可能な前方励起光源群と、を備えており、
前記前方励起光源群は、中心波長が異なり、最小の中心波長と最大の中心波長の差が１ｎｍ以上である、複数の励起光源を含み、
前記ゲインファイバの区間であって、前記前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間における前記前方励起光の吸収量として、前記前方励起光の吸収量の実測値が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下であり、
前記前方励起光の総パワーが１５０９Ｗ以上である、
ことを特徴とするファイバレーザ。

【請求項7】

コアにＹｂが添加されたゲインファイバと、前記ゲインファイバに入力可能な前方励起光であって、９７６ｎｍ帯に属する前方励起光を生成可能な前方励起光源群と、を備えており、
前記ゲインファイバの区間であって、前記前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間における前記前方励起光の吸収量として、前記前方励起光の吸収量の実測値が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下であり、
前記前方励起光源群からの前記前方励起光の吸収量の値として、∫Ｐ（λ）Ａ１（λ）ｄλに従って算出される当該前方励起光の吸収量の算出値もしくは当該前方励起光の吸収量の実測値／Ａ２の値が２０６Ｗ以上３５８Ｗ以下であり、
波長９７８ｎｍにおける前記ゲインファイバの単位長さあたりの励起光吸収量は、２．５８ｄＢ／ｍ以上３．０７ｄＢ／ｍ以下である、
ことを特徴とするファイバレーザ。
ここで、Ａ１（λ）は、波長９７８ｎｍにおいて規格化されたＹｂの標準的な吸収率スペクトルである。Ａ２［％／ｍ］は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの波長９７８ｎｍにおける吸収率である。

【請求項8】

コアにＹｂが添加されたゲインファイバと、前記ゲインファイバに入力可能な前方励起光であって、９７６ｎｍ帯に属する前方励起光を生成可能な前方励起光源群と、を備えており、
前記ゲインファイバの区間であって、前記前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間における前記前方励起光の吸収量として、前記前方励起光の吸収量の実測値が６３４Ｗ以上１１００Ｗ以下であり、
前記前方励起光の総パワーが１５０９Ｗ以上である、
ことを特徴とするファイバレーザ。

【請求項9】

前記ファイバレーザの最大出力が２０７０Ｗ以上である、
ことを特徴とする請求項１～８の何れか１項に記載のファイバレーザ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コアにＹｂが添加されたゲインファイバを有するファイバレーザに関する。

【背景技術】

【0002】

コアにＹｂ（イッテルビウム）が添加されたダブルクラッドファイバをゲインファイバとするファイバレーザが広く用いられている。ガラス中のＹｂは、９１５ｎｍ帯及び９７６ｎｍ帯を主たる吸収帯域とする。したがって、上記のようなファイバレーザにおいては、９１５ｎｍ帯又は９７６ｎｍ帯に属する励起光をゲインファイバのクラッドに供給することで、コアに添付されたＹｂを励起（反転分布状態に遷移）させる構成が採用されている。上記のようなファイバレーザの高出力化を進めるためには、励起光のパワーを高くしたり、Ｙｂの濃度を高くしたりすることによって、ゲインファイバにおいて十分な増幅が行われるようにする。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】C. Jauregui et al.,"Physical origin of mode instabilities in high-power fiber laser systems", Opt. Express 20(12) 12912-12925 (2012)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のようなファイバレーザにおいては、励起光のパワーを高くしたり、Ｙｂの濃度を高くしたりすると、ＴＭＩ（Transverse Mode Instability：横モード不安定性）の発生によって、ファイバレーザから出力されるレーザ光に含まれる高次モード光の割合が増加する、すなわち、ファイバレーザから出力されるレーザ光のビーム出力が低下するという問題が生じ得る（非特許文献１参照）。また、ビーム出力の低下を避けるために、高次モード光を除去するモードフィルタを用いると、ファイバレーザから出力されるレーザ光のパワーが低下するという問題が生じ得る。

【0005】

ここで、ＴＭＩの発生によりビーム出力の低下が生じる仕組みは、例えば、以下のように説明することができる。すなわち、コアを導波する基本モードと高次モードとの間でモード間干渉が生じ、その結果、信号光量がゲインファイバの長手方向に沿って空間的に変動する。これにより、誘導放出量がゲインファイバの長手方向に沿って空間的に変動し、その結果、量子欠損による発熱量がゲインファイバの長手方向に沿って空間的に変動する。そうすると、温度がゲインファイバの長手方向に沿って空間的に変動し、その結果、屈折率がゲインファイバの長手方向に沿って空間的に変動する。この屈折率の変動が基本モードから高次モードへの遷移を促進し、その結果、上述したビーム出力の低下が生じる。

【0006】

Ｙｂの総量を維持しつつ、ＴＭＩに起因するビーム出力の低下を避けるためには、例えば、ゲインファイバの全長を長くすることが考えられる。しかしながら、ゲインファイバの全長を長くすると、励起光源を故障させる原因となる誘導ラマン散乱が生じ易くなるという別の問題が生じ得る。

【0007】

本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ＴＭＩに起因するビーム出力の低下が生じる可能性を低減すると共に、誘導ラマン散乱が生じる可能性を低減したファイバレーザを実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様に係るファイバレーザにおいては、コアにＹｂが添加されたゲインファイバと、前記ゲインファイバに入力可能な前方励起光であって、９７６ｎｍ帯に属する前方励起光を生成可能な前方励起光源群と、を備えており、前記ゲインファイバの区間であって、前記前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間における前記前方励起光の吸収量として、∫Ｐ（λ）Ａ（λ）ｄλに従って算出される前記前方励起光の吸収量が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下である、という構成が採用されている。

【0009】

ここで、Ｐ（λ）［Ｗ］は、前記前方励起光のパワースペクトルであり、Ａ（λ）［％／ｍ］は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの吸収率スペクトルである。

【0010】

本発明の別の態様に係るファイバレーザにおいては、コアにＹｂが添加されたゲインファイバと、前記ゲインファイバに入力可能な前方励起光であって、９７６ｎｍ帯に属する前方励起光を生成可能な前方励起光源群と、を備えており、前記ゲインファイバの区間であって、前記前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間における前記前方励起光の吸収量として、前記前方励起光の吸収量の実測値が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下である、という構成が採用されている。

【発明の効果】

【0011】

本発明の一態様によれば、ＴＭＩに起因するビーム出力の低下が生じる可能性を低減すると共に、誘導ラマン散乱が生じる可能性を低減したファイバレーザを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係るファイバレーザの構成を示すブロック図である。

【図2】サンプルとして用意した複数のファイバレーザについて、区間Ｉ１における励起光吸収量と不合格割合との関係を示すグラフである。

【図3】Ｙｂの標準的な吸収量スペクトル［ｄＢ／ｍ］を示すグラフである。

【図4】サンプルとして用意した複数のファイバレーザについて、波長９７８ｎｍにおけるゲインファイバの単位長さあたりの励起光吸収量［ｄＢ／ｍ］を横軸、前方励起光源からの前方励起光の吸収量（ＬＤＭ前方励起光吸収量）を縦軸として、合格品と不合格品との分布を示したグラフである。

【図5】表８に示す実施例について、ゲインファイバの元素濃度分布を示すグラフである。

【図6】表８に示す実施例について、ゲインファイバの比屈折率差分布を示すグラフである。

【図7】表８に示す実施例について、クラッド吸収量スペクトルを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（ファイバレーザの構成）
本発明の一実施形態に係るファイバレーザ１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、ファイバレーザ１の構成を表すブロック図である。

【0014】

ファイバレーザ１は、図１に示すように、ゲインファイバ１１と、高反射ミラー１２と、低反射ミラー１３と、前方励起コンバイナ１４ａと、後方励起コンバイナ１４ｂと、前方励起光源群１５ａと、後方励起光源群１５ｂと、入力ファイバ１６ａと、出力ファイバ１６ｂと、を備えている。

【0015】

ゲインファイバ１１は、励起光のエネルギーを用いてレーザ光を増幅する機能を有する光ファイバである。本実施形態においては、ゲインファイバ１１として、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ、すなわち、Ｙｂ（イッテルビウム）が添加された円柱状のコアと、コアを取り囲む円筒状の内側クラッドと、内側クラッドを取り囲む円筒状の外側クラッドと、を有する光ファイバを用いている。なお、内側クラッドの断面形状は、多角形形状であってもよいし、Ｄ型形状であってもよい。これにより、ゲインファイバ１１の長さが長い場合においても、励起光の吸収率を低下させずに、効率的に励起光を吸収させることができる。なお、ゲインファイバ１１の屈折率分布は、１つの基本モードと、少なくとも１つの高次モードとを伝搬するように決められている。また、ゲインファイバ１１は、融着点を含まず、屈折率分布及びＹｂ濃度が全長に亘って一様である。これにより、接続損失が生じないので、ゲインファイバ１１に総損失を小さく抑えることが可能になる。

【0016】

ゲインファイバ１１の一方の端部には、高反射ミラー１２が接続（本実施形態においては融着接続）されている。また、ゲインファイバ１１の他方の端部には、低反射ミラー１３が接続（本実施形態においては融着接続）されている。本実施形態においては、高反射ミラー１２及び低反射ミラー１３として、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating：ファイバブラッググレーティング）を用いている。

【0017】

ファイバレーザ１においては、高反射ミラー１２の反射波長帯域の少なくとも一部と低反射ミラー１３の反射波長帯域の少なくとも一部とが、互いに重複している。これにより、ゲインファイバ１１、高反射ミラー１２、及び低反射ミラー１３は、これら２つの反射波長帯域の重複部分に属する波長λのレーザ光を再帰的に増幅する共振器Ｏを構成する。波長λにおいて、低反射ミラー１３の反射率（例えば、１５％以下）は、高反射ミラー１２の反射率（例えば、９５％以上）よりも低い。したがって、共振器Ｏにて再帰的に増幅された波長λのレーザ光は、主に、低反射ミラー１３を介して共振器Ｏの外部に出力される。

【0018】

前方励起光源群１５ａは、ｍａ個（ｍａは任意の自然数）の励起光源を含んでいる。前方励起光源群１５ａに含まれる各励起光源は、９７６ｎｍ帯に属する励起光を生成するための構成である。ここで、９７６ｎｍ帯とは、Ｙｂの吸収帯域を含む、９６７．９ｎｍ以上９８３．０ｎｍ以下の波長帯域のことを指す。前方励起コンバイナ１４ａは、前方励起光源群１５ａに含まれる各励起光源にて生成された励起光をゲインファイバ１１に入力するための構成である。前方励起コンバイナ１４ａは、少なくともｍａ個の励起光入力ポート１４ａ１と、少なくとも１個の可視光入力ポート１４ａ２と、少なくとも１個の共振器側ポート１４ａ３と、を備えている。各励起光入力ポート１４ａ１は、前方励起光源群１５ａを構成する励起光源に接続されている。可視光入力ポート１４ａ２は、入力ファイバ１６ａに接続（本実施形態においては、融着接続）されており、レーザ光の照射位置を視認するために用いられる。なお、可視光入力ポート１４ａ２に可視光を入力することは必須ではなく、励起光を入力するためのポートとして用いることもできるし、加工対象物からの反射光量をモニタするためのポートとして用いることもできる。共振器側ポート１４ａ３は、高反射ミラー１２のゲインファイバ１１側と反対側の端部に接続（本実施形態においては、融着接続）されている。

【0019】

前方励起光源群１５ａの各励起光源にて生成された前方励起光は、前方励起コンバイナ１４ａ及び高反射ミラー１２を介してゲインファイバ１１のクラッドに導かれ、ゲインファイバ１１のコアに添加されたＹｂを反転分布状態に遷移させるために利用される。ゲインファイバ１１で発生した自然放出光のうち、高反射ミラー１２と低反射ミラー１３の反射波長に合致する波長λの光が共振器Ｏによってゲインファイバ１１のコアにて増幅される。本実施形態においては、前方励起光源群１５ａとして、１３個のＬＤ（レーザダイオード）チップを含むＬＤモジュールを６個接続することにより得られる励起光源群を利用している（ｍａ＝７８）。各ＬＤチップは、発振波長帯域の中心波長が約９７５ｎｍ（Ｙｂの吸収波長）となり、発振波長帯域の波長幅が７ｎｍ以上１２ｎｍ以下となるように設計されたものである。なお、図１においては、前方励起光源群１５ａを構成する６個のＬＤモジュールを図示しており、１個のＬＤモジュールにつき図示しない１３個のＬＤチップの励起光が１本の光ファイバに結合する。つまり、計７８個のＬＤチップの励起光が前方励起コンバイナ１４ａで結合され、共振器側ポート１４ａ３の１本の光ファイバに結合する。

【0020】

後方励起光源群１５ｂは、ｍｂ個（ｍｂは任意の自然数）の励起光源を含んでいる。後方励起光源群１５ｂに含まれる各励起光源は、９７６ｎｍ帯に属する励起光を生成するための構成である。後方励起コンバイナ１４ｂは、後方励起光源群１５ｂに含まれる各励起光源にて生成された励起光をゲインファイバ１１に入力するための構成である。後方励起コンバイナ１４ｂは、少なくともｍｂ個の励起光入力ポート１４ｂ１と、少なくとも１個の信号光出力ポート１４ｂ２と、少なくとも１個の共振器側ポート１４ｂ３と、を備えている。各励起光入力ポート１４ｂ１は、後方励起光源群１５ｂを構成する励起光源に接続されている。信号光出力ポート１４ｂ２は、出力ファイバ１６ｂに接続（本実施形態においては、融着接続）されている。共振器側ポート１４ｂ３は、低反射ミラー１３のゲインファイバ１１側と反対側の端部に接続（本実施形態においては、融着接続）されている。

【0021】

後方励起光源群１５ｂの各励起光源にて生成された後方励起光は、後方励起コンバイナ１４ｂ及び低反射ミラー１３を介してゲインファイバ１１のクラッドに導かれ、ゲインファイバ１１のコアに添加されたＹｂを反転分布状態に遷移させるために利用される。ゲインファイバ１１のコアにて増幅された信号光（レーザ光）は、低反射ミラー１３及び後方励起コンバイナ１４ｂを介して出力ファイバ１６ｂに導かれ、出力ファイバ１６ｂを介して外部に出力される。本実施形態においては、後方励起光源群１５ｂとして、１３個のＬＤ（レーザダイオード）チップを含むＬＤモジュールを６個接続することにより得られる励起光源群を利用している（ｍｂ＝７８）。各ＬＤチップは、発振波長帯域の中心波長が約９７５ｎｍ（Ｙｂの吸収波長）となり、発振波長帯域の波長幅が７ｎｍ以上１２ｎｍ以下となるように設計されたものである。なお、図１においては、後方励起光源群１５ｂを構成する６個のＬＤモジュールを図示しており、１個のＬＤモジュールにつき図示しない１３個のＬＤチップの励起光が１本の光ファイバに結合する。つまり、計７８個のＬＤチップの励起光が後方励起コンバイナ１４ｂで結合され、共振器側ポート１４ｂ３の１本の光ファイバに結合する。

【0022】

なお、本実施形態において、ファイバレーザ１は、前方励起光源群１５ａと後方励起光源群１５ｂとを備えた双方向励起型のファイバレーザとして実現されているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、ファイバレーザ１は、前方励起光源群１５ａのみを備えた片方向励起型のファイバレーザとして実現することもできる。

【0023】

（ファイバレーザの特徴）
ＴＭＩ（Transverse Mode Instability：横モード不安定性）は、主に、ゲインファイバ１１のうち、前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間Ｉ１において発生する。なぜなら、この区間Ｉ１における前方励起光の吸収量は、この区間Ｉ１以外における前方励起光の吸収量よりも多く、その結果、この区間Ｉ１における発熱量は、この区間Ｉ１以外における発熱量よりも多いからである。したがって、ＴＭＩに起因するビーム出力の低下を抑制するためには、この区間Ｉ１における前方励起光の吸収量を少なくする必要がある。

【0024】

そこで、本願発明者らは、サンプルとして用意した４３６個のファイバレーザ１について、前方励起光源群１５ａと後方励起光源群１５ｂの総出力によって得られるレーザ出力の最大出力が２０７０Ｗ以上の値が得られることを合格基準とする検査を行った。図２は、区間Ｉ１における励起光吸収量と不合格割合との関係を示すグラフである。図２に示すグラフによれば、区間Ｉ１における前方励起光の吸収量を１１００Ｗ以下にすることによって、不合格率を１／２程度以下に抑え得ることが分かる。また、図２に示すグラフによれば、区間Ｉ１における前方励起光の吸収量を１０５０Ｗ以下にすることによって、不合格率を４／１０程度以下に抑え得ることが分かる。また、図２に示すグラフによれば、区間Ｉ１における前方励起光の吸収量を１０００Ｗ以下にすることによって不合格率を３／１０程度以下に抑え得ることが分かる。

【0025】

また、誘導ラマン散乱を抑制するためには、ゲインファイバ１１の全長を短くすることが好ましい。例えば、ゲインファイバ１１の有効断面積が４００μｍ^２である場合、ゲインファイバ１１の全長を２７ｍ以下にすることが好ましい。ここで、有効断面積が４００μｍ^２である場合、以下の（１）～（３）をより適切に両立し得る傾向にあり得る。

【0026】

（１）光の導波モード数をＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光の２つとすることができ、光の導波モード数に起因したビーム品質低減を最小限に抑制し得る、
（２）ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの曲げ損失を小さくし得る、
（３）有効断面積が比較的大きくなり、非線形光学効果を有効に抑制し得る。

【0027】

ここで、ゲインファイバ１１のコア径を大きくすれば、ゲインファイバ１１の有効断面積を大きくすることができるが、コア径を大きくするとＶ値が大きくなり、仮にゲインファイバ１１に曲げを加えたとしてもＬＰ０２モードの光が導波する。このように、ゲインファイバ１１にＬＰ０２モードの光が導波するとＴＭＩ発生の原因になり得る。また、ゲインファイバ１１のコアの比屈折率差を小さくしても有効断面積を大きくすることができるが、コアの比屈折率差を小さくするとゲインファイバ１１の曲げ損失が大きくなり、レーザ出力光として出射され得るＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光が当該曲げ損失を受けやすくなり、ＬＰ０１モードの光とＬＰ１１モードの光の伝搬損失が大きくなり得る。

【0028】

以上より、上記（１）～（３）を適切に両立し得る有効断面積の値が４００μｍ^２となり得る。また、ここで、ゲインファイバ１１の全長をＬ、有効断面積をＡｅｆｆとすると、ゲインファイバ１１の有効断面積が４００μｍ^２において２ｋＷのファイバレーザ１のレーザ出力を得る場合、非線形光学効果を抑制するため、非線形光学効果に比例するＬ／Ａｅｆｆを２７ｍ／４００μｍ^２以下とする必要がある。つまり、ゲインファイバ１１の全長は非線形光学効果を抑制する観点から２７ｍ以下とする必要がある。

【0029】

また、各部の過熱を抑制するためには、残留励起光を少なくすること、すなわち、ゲインファイバ１１における励起光の吸収量を多くすることが好ましい。例えば、後述するファイバレーザ１の実施例として、前方励起光源群１５ａの総出力が１６１１Ｗである場合、残留励起光に起因する発熱を抑制する長期信頼性担保の観点から残留励起光のパワーを１６Ｗ以下にすること、すなわち、ゲインファイバ１１における励起光吸収量を２０ｄＢ以上にすることが好ましい。これは、残留励起光の出力Ｐｏｕｔおよび前方励起光源群１５ａの総出力Ｐｉｎを用いて、計算式１０×ｌｏｇ（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ)から、１０×ｌｏｇ（１６／１６１１)≒２０ｄＢと算出することにより得られる値である。ここで、上述した有効断面積として４００μｍ^２の値を得るために全長が２７ｍ以下のゲインファイバ１１において励起光吸収量を２０ｄＢ以上にするためには、励起光の単位長さあたりの吸収量を０．７４ｄＢ／ｍ以上にする必要があり、励起光の単位長さあたりの吸収率を１５．６８％以上にする必要がある。これは、励起光の単位長さあたりの吸収量ＡＡ（ｄＢ／ｍ）を用いて、計算式(１－１０^(０．７４/１０))×１００から、(１－１０^(０．７４/１０))×１００≒１５．６８％と算出することにより得られる値である。このとき、上述した区間Ｉ１における前方励起光の吸収量は、上述の結果を基に２５３Ｗ以上となる。これは、前方励起光源群１５ａの総出力Ｗおよび励起光の単位長さあたりの吸収量ＡＢ（％）を用いて、計算式Ｗ×ＡＢ／１００から、１６１１×１５．６８／１００≒２５３Ｗと算出することにより得られる値である。

【0030】

以上の点に鑑みて、本実施形態に係るファイバレーザ１においては、区間Ｉ１における前方励起光の吸収量を２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下とする構成が採用されている。これにより、本実施形態に係るファイバレーザ１によれば、ＴＭＩに起因するビーム出力の低下が生じる可能性を低減すると共に、各部の過熱を招来することなく誘導ラマン散乱が生じる可能性を低減するという効果を奏する。

【0031】

なお、ファイバレーザ１においては、（１）区間Ｉ１における前方励起光の吸収量として、計算により求めた吸収量が２５３Ｗ以上１１００Ｗであってもよいし、（２）区間Ｉ１における前方励起光の吸収量として、実測により求めた吸収量の実測値が２５３Ｗ以上１１００Ｗであってもよい。いずれの場合においても、上記の効果を奏する。

【0032】

区間Ｉ１における前方励起光の吸収量Ｘ［Ｗ］は、例えば、前方励起光源群１５ａから出力される前方励起光のパワースペクトルＰ（λ）［Ｗ］、及び、ゲインファイバ１１のコアに添加されたＹｂの吸収率スペクトルＡ（λ）［％／ｍ］を用いて、Ｘ＝∫Ｐ（λ）Ａ（λ）ｄλに従って算出することができる。

【0033】

ここで、Ｙｂの吸収率スペクトルＡ（λ）は、計算により求めてもよいし、実測により求めてもよい。計算により求める場合、Ｙｂの吸収率スペクトルＡ（λ）は、例えば、波長９７８ｎｍにおいて規格化されたＹｂの標準的な吸収率スペクトルＡ１（λ）（理論値）、及び、ゲインファイバ１１のコアに添加されたＹｂの波長９７８ｎｍにおける吸収率Ａ２［％／ｍ］（実測値）を用いて、Ａ（λ）＝Ａ１（λ）×Ａ２に従って算出することができる。この場合、区間Ｉ１における前方励起光の吸収量Ｘ［Ｗ］は、Ｘ＝∫Ｐ（λ）Ａ１（λ）Ａ２ｄλに従って算出される。Ｙｂの標準的な吸収量スペクトル［ｄＢ／ｍ］を図３に示す。図３に示す吸収量スペクトル［ｄＢ／ｍ］を吸収率スペクトル［％／ｍ］に換算し、更に、得られた吸収率スペクトル［％／ｍ］を波長９７８ｎｍにおける値が１００％となるように規格化すれば、上述した標準的な吸収率スペクトルＡ（λ）が得られる。

【0034】

なお、波長９７８ｎｍにおけるＹｂの吸収率を用いてＹｂの吸収スペクトルＡ（λ）を算出する構成の代わりに、他の吸収波長（９６６ｎｍや９１５ｎｍなど）におけるＹｂの吸収率を用いてＹｂの吸収スペクトルＡ（λ）を算出する構成を採用してもよい。ここで、波長９７８ｎｍにおけるＹｂの吸収率を用いた理由は、実際に使用する前方励起光の波長との差が小さいため、他の吸収波長と比べて区間Ｉ１における前方励起光の吸収量をより正確に算出することができるからである。実際、他の吸収波長におけるＹｂの吸収率を用いる場合、吸収率自体の測定は波長９７８ｎｍにおける吸収率を用いる場合よりも精度良く測定することができるが、実際に使用する前方励起光の波長との差が大きいため、区間Ｉ１における前方励起光の吸収量は不正確になる。なお、他の吸収波長におけるＹｂの吸収率が精度良く測定することが可能な理由は、波長９７８ｎｍと比べて吸収量が少ないので、長いゲインファイバを用いた測定が可能になり、カットバック測定により生じる誤差の影響を小さくすることができるからである。

【0035】

また、前方励起光のパワースペクトルＰ（λ）は、計算により求めてもよいし、実測により求めてもよい。計算により求める場合、前方励起光のパワースペクトルＰ（λ）は、例えば、前方励起光源群１５ａに含まれる各前方励起光源の出力スペクトルＰｉ（λ）を用いて、Ｐ（λ）＝Σ_i=1,2,...,maＰｉ（λ）に従って算出することができる。各前方励起光源の出力スペクトルＰｉ（λ）としては、実測分布を用いてもよいし、近似分布（実際のパワースペクトルの中心波長と波長幅を再現するガウシアン分布）を用いてもよい。また、本実施形態のように、複数のＬＤチップを含むＬＤモジュールを前方励起光源として用いる場合には、各ＬＤチップの中心波長の代表値（平均値や中央値など）をそのＬＤモジュールの中心波長と見做すと共に、各ＬＤチップの波長幅の代表値をそのＬＤモジュールの波長幅と見做したうえで、その中心波長とその波長幅とを再現するガウシアン分布をそのＬＤモジュールの出力スペクトルＰｉ（λ）とすればよい。

【0036】

図４は、サンプルとして用意したファイバレーザ１について、波長９７８ｎｍにおけるゲインファイバ１１の単位長さあたりの励起光吸収量［ｄＢ／ｍ］を横軸（図４で示される「９７８ｎｍにおけるＹｂ吸収量」［ｄＢ／ｍ］）、前方励起光源からの前方励起光の吸収量（ＬＤＭ前方励起光吸収量）を縦軸（図４で示される「前方吸収」［Ｗ］）として、合格品と不合格品との分布を示したグラフである。

【0037】

図４によれば、前方励起光源からの前方励起光の吸収量（図４の「前方励起光吸収量（換言するとＬＤＭ前方励起光吸収量）」に該当）が２０６Ｗ以上３５８Ｗ以下であり、且つ、波長９７８ｎｍにおけるゲインファイバ１１の単位長さあたりの励起光吸収量（図４の「励起光吸収量（換言すると９７８ｎｍにおけるＹｂ吸収量）」に該当）が２．５８ｄＢ／ｍ以上３．０７ｄＢ／ｍ以下であるという条件を満たすゲインファイバ１１について、不合格率を１／２程度に抑え得ることが分かる。また、この条件を満たすゲインファイバ１１を有する場合における前方励起光源群１５ａと後方励起光源群１５ｂの総出力によって得られるファイバレーザ１のレーザ出力の平均出力は、図４の各合格品の各出力値の平均をとって算出すると、２１１０Ｗになるのに対して、この条件を満たさないゲインファイバ１１を有する場合における当該総出力によって得られるファイバレーザ１のレーザ出力の平均出力は、図４の各不合格品の各出力値の平均をとって算出すると２０６８Ｗとなる。したがって、この条件を満たすゲインファイバ１１は、この条件を満たさないゲインファイバ１１と比べて、平均出力が高くなる（定格出力で運用する場合は消費電力が低くなる）点で有利である。なお、図４においては、∫Ｐ（λ）Ａ１（λ）Ａ２ｄλを用いて算出した前方励起光の吸収量（前方励起光吸収量）が２５３Ｗになる曲線（図４で励起光吸収量２５３Ｗと示された曲線）を実線で示し、∫Ｐ（λ）Ａ１（λ）Ａ２ｄλを用いて算出した前方励起光の吸収量（前方励起光吸収量）が１１００Ｗになる曲線（図４で励起光吸収量１１００Ｗと示された曲線）を点線で示している。図４によれば、上述した条件を満たす領域が、これら２つの曲線の間に入っていることが分かる。すなわち、上述した条件が満たされていれば、「∫Ｐ（λ）Ａ１（λ）Ａ２ｄλを用いて算出した前方励起光の吸収量が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下になる」という条件が自動的に満たされることが分かる。また、上述した前方励起光源からの前方励起光の吸収量（ＬＤＭ前方励起光吸収量）の値は、∫Ｐ（λ）Ａ１（λ）ｄλに従って算出される当該前方励起光の吸収量の算出値を用いても良いし、当該前方励起光の吸収量の実測値／Ａ２の値を用いても良い。ここで、Ａ１（λ）（理論値）は、波長９７８ｎｍにおいて規格化されたＹｂの標準的な吸収率スペクトルである。Ａ２［％／ｍ］（実測値）は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの波長９７８ｎｍにおける吸収率である。

【0038】

（ファイバレーザの実施例）
ファイバレーザ１の実施例及び比較例として、サンプルとして用意した４３６個のファイバレーザ１から選択した１１個のファイバレーザ１の各々ついて、下記の量を表１～表１１に示す。

【0039】

（１）前方励起光源群１５ａの各ＬＤモジュールの中心波長［ｎｍ］（表１～１１の「ＬＤ中心波長[ｎｍ]」）、
（２）前方励起光源群１５ａの各ＬＤモジュールの波長幅［ｎｍ］（表１～１１の「ＬＤ波長幅[ｎｍ]」）、
（３）波長９７８ｎｍにおけるゲインファイバ１１の単位長さあたりの励起光吸収量［ｄＢ／ｍ］（表１～１１のＹｂ「Ｙｂ９７８ｎｍ吸収量[ｄＢ／ｍ]」）、
（４）前方励起光源群１５ａの各ＬＤモジュールから出力された前方励起光の区間Ｉ１における吸収量［Ｗ］（表１～１１の「前方励起×９７８吸収量[Ｗ]」）、
（５）前方励起光源群１５ａから出力された前方励起光の区間Ｉ１における吸収量［Ｗ］（∫Ｐ（λ）Ａ１（λ）Ａ２ｄλに従って算出）（表１～１１の「吸収量合計[Ｗ]」）、
（６）前方励起光源群１５ａの出力［Ｗ］（表１～１１の「励起光出力[Ｗ]」）、
（７）ファイバレーザ１の出力［Ｗ］（表１～１１の「出力[Ｗ]」）、
（８）合否判定結果（表１～１１の「合否」）。

【0040】

なお、（４）、（５）において、以下の表１～１１では、前方励起光源群１５ａの各ＬＤモジュールから出力された前方励起光の区間Ｉ１における各吸収量の合計値と前方励起光源群１５ａから出力された前方励起光の区間Ｉ１における吸収量の値とが一致しない場合がある。しかし、これは各ＬＤモジュールから出力された前方励起光の区間Ｉ１における吸収量の値において小数点の切り上げまたは切り捨ての影響によるものである。したがって、本実施例および比較例においては、前方励起光源群１５ａの各ＬＤモジュールから出力された前方励起光の区間Ｉ１における各吸収量の合計値と前方励起光源群１５ａから出力された前方励起光の区間Ｉ１における吸収量の値とが一致しているとして解釈して差し支えない。

【表1】

【表2】

【表3】

【表4】

【表5】

【表6】

【表7】

【表8】

【表9】

【表10】

【表11】

【0041】

表１～表９に示すファイバレーザ１は、区間Ｉ１における前方励起光の吸収量が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下であるという条件を満たすので、実施例である。表１０～表１１に示すファイバレーザ１は、区間Ｉ１における前方励起光の吸収量が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下であるという条件を満たさないので、比較例である。実施例であるファイバレーザ１は、合格品であり、比較例であるファイバレーザ１は、不合格品になっていることが見て取れる。

【0042】

また、合格品であるファイバレーザ１においては、前方励起光源群１５ａから出力された前方励起光の区間Ｉ１における吸収量が６３４Ｗ以上である。したがって、これらの実施例によれば、区間Ｉ１における前方励起光の吸収量を６３４Ｗ以上とすることが、不合格割合を低下させる（ＴＭＩに起因するビーム出力の低下が生じる可能性を低減する）うえで好ましいことが示唆される。

【0043】

また、合格品であるファイバレーザ１においては、前方励起光の総パワー、すなわち、前方励起光源群１５ａの出力が１５０９Ｗ以上である。したがって、これらの実施例によれば、前方励起光の総パワーを１５０９Ｗ以上とすることが、不合格割合を低下させる（ＴＭＩに起因するビーム出力の低下が生じる可能性を低減する）うえで好ましいことが示唆される。

【0044】

図５は、表８に示す実施例におけるゲインファイバ１１の元素濃度分布を示すグラフである。図６は、表８に示す実施例におけるゲインファイバ１１の屈折率分布を示すグラフである。ゲインファイバ１１においては、図５に示すように、中心部にＹｂ、Ａｌ、Ｐ、Ｂの添加領域があり、その外側にＧｅの添加領域がある部分添加構造が採用されている。これらの元素の濃度は、図５に示すようにコア全体が一定の屈折率になるように調整されている。図７は、表８に示す実施例におけるゲインファイバ１１のクラッド吸収量スペクトル［ｄＢ／ｍ］を示すグラフである。クラッド吸収量スペクトルの形状は、図３に示すＹｂの標準的な吸収量スペクトル［ｄＢ／ｍ］の形状と略一致している。

【0045】

（まとめ）
本発明の態様１に係るファイバレーザにおいては、コアにＹｂが添加されたゲインファイバと、前記ゲインファイバに入力可能な前方励起光であって、９７６ｎｍ帯に属する前方励起光を生成可能な前方励起光源群と、を備えており、前記ゲインファイバの区間であって、前記前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間における前記前方励起光の吸収量として、∫Ｐ（λ）Ａ（λ）ｄλに従って算出される前記前方励起光の吸収量が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下である、という構成が採用されている。

【0046】

ここで、Ｐ（λ）［Ｗ］は、前記前方励起光のパワースペクトルであり、Ａ（λ）［％／ｍ］は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの吸収率スペクトルである。

【0047】

本発明の態様２に係るファイバレーザにおいては、態様１の構成に加えて、前記吸収率スペクトルＡ（λ）は、Ａ（λ）＝Ａ１（λ）×Ａ２に従って算出されるものである、という構成が採用されている。

【0048】

ここで、Ａ１（λ）は、波長９７８ｎｍにおいて規格化されたＹｂの標準的な吸収率スペクトルであり、Ａ２［％／ｍ］は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの波長９７８ｎｍにおける吸収率である。

【0049】

本発明の態様３に係るファイバレーザにおいては、態様１又は２の構成に加えて、前記区間における前記前方励起光の吸収量が６３４Ｗ以上である、という構成が採用されている。

【0050】

本発明の態様４に係るファイバレーザにおいては、態様１～３の何れか一態様の構成に加えて、前記前方励起光の総パワーが１５０９Ｗ以上である、という構成が採用されている。

【0051】

本発明の態様５に係るファイバレーザにおいては、態様１～４の何れか一態様の構成に加えて、前記前方励起光源群からの前記前方励起光の吸収量の値として、∫Ｐ（λ）Ａ１（λ）ｄλに従って算出される当該前方励起光の吸収量の算出値もしくは当該前方励起光の吸収量の実測値／Ａ２の値が２０６Ｗ以上３５８Ｗ以下であり、波長９７８ｎｍにおける前記ゲインファイバの単位長さあたりの励起光吸収量は、２．５８ｄＢ／ｍ以上３．０７ｄＢ／ｍ以下である、という構成が採用されている。

【0052】

ここで、Ａ１（λ）は、波長９７８ｎｍにおいて規格化されたＹｂの標準的な吸収率スペクトルであり、Ａ２［％／ｍ］は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの波長９７８ｎｍにおける吸収率である。

【0053】

本発明の態様６に係るファイバレーザにおいては、態様１～５の何れか一態様の構成に加えて、前記ゲインファイバは、融着点を含まず、屈折率分布及びＹｂ濃度が全長に亘って一様である、という構成が採用されている。

【0054】

本発明の態様７に係るファイバレーザにおいては、コアにＹｂが添加されたゲインファイバと、前記ゲインファイバに入力可能な前方励起光であって、９７６ｎｍ帯に属する前方励起光を生成可能な前方励起光源群と、を備えており、前記ゲインファイバの区間であって、前記前方励起光が入射する端面を含む長さ１ｍの区間における前記前方励起光の吸収量として、前記前方励起光の吸収量の実測値が２５３Ｗ以上１１００Ｗ以下である、という構成が採用されている。

【0055】

本発明の態様８に係るファイバレーザにおいては、態様７の構成に加えて、前記区間における前記前方励起光の吸収量は、６３４Ｗ以上である、という構成が採用されている。

【0056】

本発明の態様９に係るファイバレーザにおいては、態様７又は８の構成に加えて、前記前方励起光の総パワーが１５０９Ｗ以上である、という構成が採用されている。

【0057】

本発明の態様１０に係るファイバレーザにおいては、態様７～９の何れか一態様の構成に加えて、前記前方励起光源群からの前記前方励起光の吸収量の値として、∫Ｐ（λ）Ａ１（λ）ｄλに従って算出される当該前方励起光の吸収量の算出値もしくは当該前方励起光の吸収量の実測値／Ａ２の値が、２０６Ｗ以上３５８Ｗ以下であり、波長９７８ｎｍにおける前記ゲインファイバの単位長さあたりの励起光吸収量は、２．５８ｄＢ／ｍ以上３．０７ｄＢ／ｍ以下である、という構成が採用されている。

【0058】

ここで、Ａ１（λ）は、波長９７８ｎｍにおいて規格化されたＹｂの標準的な吸収率スペクトルであり、Ａ２［％／ｍ］は、前記ゲインファイバのコアに添加されたＹｂの波長９７８ｎｍにおける吸収率である。

【0059】

（付記事項）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上述した実施形態に開示された各技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0060】

１ ファイバレーザ
１１ ゲインファイバ
１２ 高反射ミラー
１３ 低反射ミラー
１４ａ 前方励起コンバイナ
１４ｂ 後方励起コンバイナ
１５ａ 前方励起光源群
１５ｂ 後方励起光源群
１６ａ 入力ファイバ
１６ｂ 出力ファイバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】