JP6826089B2 - ファイバレーザ用光ファイバ、ファイバレーザ及びファイバレーザ用光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバレーザ用光ファイバ、ファイバレーザ及びファイバレーザ用光ファイバの製造方法に関する。詳しくは、本発明は、ファイバレーザにおいて共振器を構成し、励起光によって、コアを伝搬する信号光が増幅されるファイバレーザ用光ファイバとその製造方法に関する。また、本発明は、そのようなファイバレーザ用光ファイバを使用したファイバレーザに関する。

高出力ファイバレーザでは、増幅用光ファイバとして、コア、第一クラッド、第二クラッドの三重構造になったダブルクラッドファイバ構造が、一般的に用いられている。ダブルクラッドファイバ構造では、励起光は、励起光を導光するための励起クラッドとも呼ばれる第一クラッドに、導光される。第一クラッドに導光された励起光は、第一クラッド内を伝播しながら次第に、第一クラッドよりも屈折率の高いコアに吸収される。第一クラッドに励起光を閉じ込めるため、第一クラッドよりも屈折率の低い第二クラッドには、低屈折率ポリマーが多用されている。しかし、第二クラッドには、コアや第一クラッドと同様に耐熱性に優れた全石英のエアホール型が用いられる場合もある。

コアに添加されている希土類イオンには、Ｙｂ^３＋が圧倒的に多用されている。Ｙｂ^３＋は、量子効率がほぼ１で、準三準位系のため量子欠損も小さいことから、単位レーザ出力当たりの熱発生量が希土類イオンの中で最小に抑えられるためである。コアに閉じ込められた高強度信号光は、利得／損失比が大きいため、完全飽和増幅を実現し、その最大効率での動作を可能としている。なお、本明細書において、「ファイバレーザ用光ファイバ」という用語は、特に断らない限り、上記のダブルクラッドファイバ構造を備えた増幅用光ファイバという意味で使用している。

近年、ファイバレーザには更なる高出力化が求められている。しかし、励起光がコアに充分に吸収されるようにファイバレーザ用光ファイバの全長を長くすると、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Stimulated Raman Scattering）等の非線形誘導散乱が発生する。非線形誘導散乱が発生すると、ストークス光が増加し、レーザ光出力を飽和させて高出力動作限界を与える。一方、Ｙｂイオンの高濃度添加やアスペクト比（＝クラッド径／コア径）の減少により、実効吸収係数を増加させてファイバレーザ用光ファイバの全長を短くすると、ＳＲＳ等の非線形誘導散乱の発生は抑制される。しかし、単位長さ当たりの熱負荷が増すために、温度上昇による動作限界を迎える。

実際の単位長さ当たりの熱負荷は、ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に均一ではない。励起光導入端近傍では、多くの励起光がコアに吸収されるため熱負荷が大きく、実際の温度上昇による動作限界は、この励起光導入端近傍の温度上昇によって制限される。このために、ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の温度をできるだけに均一にすることが必要となっている。また、ファイバレーザ用光ファイバを効率的にかつ均一に冷却することも要求されている。

上記のように、従来のファイバレーザでは、高出力化に伴い、ファイバレーザ用光ファイバの温度上昇、特に、ファイバレーザ用光ファイバの励起光導入端近傍の温度の上昇が大きいことにより、ファイバレーザ用光ファイバの被覆層等の焼損が発生し易く、ファイバレーザの出力がこの熱限界で制限されるという問題がある。このため、従来、この問題を解決するために数々の方法が試みられている。

特許文献１には、希土類元素が添加された希土類添加コアと、上記希土類添加コアの周囲に形成されたクラッドとを備え、上記クラッドの端部から励起光を導光し、希土類元素を励振させて高出力のレーザ発振光を出力するファイバレーザ用光ファイバにおいて、上記希土類添加コアが長さ方向に沿って複数個のコア領域に分割されており、各コア領域に添加された希土類元素の添加濃度が異なることを特徴とするファイバレーザ用光ファイバが、開示されている。この特許文献１は、具体的な添加濃度として、５００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、１１００ｐｐｍのいずれかの添加濃度を有する複数個のＹｂ添加コアを組み合わせたファイバレーザ用光ファイバにも言及している。特許文献１によれば、励起光導入端に近い程、添加濃度の低いコア領域とすることで、励起光導入端近傍での励起光のコアへの吸収量を減らして、励起光導入端近傍の温度上昇を抑えるとしている。また、特許文献１には、このようなファイバレーザ用光ファイバの製造方法として、希土類元素の添加濃度が異なる希土類添加コアをそれぞれ有する複数本の分割ファイバを作製し、各分割ファイバの端末同士を融着接続することも開示されている。

しかし、上記のファイバレーザ用光ファイバでは、各コア領域に添加された希土類元素の添加濃度が異なると、コアの屈折率が変化する。例えば、Ｙｂ添加濃度が、上記の５００ｐｐｍから１１００ｐｐｍに増えると、コアの屈折率が０．０００４４程度増加し、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）は最大１．５倍程大きくなる。Ｙｂ以外に屈折率を大きくするＧｅ等の元素をコアに添加しておくことで、開口数（ＮＡ）の増大率を低減することは可能だが、数％程度は増大する。このような開口数（ＮＡ）の変化について、キャビティを構成している高反射ファイバブラッググレーティング（ＨＲＦＢＧ：High Reflector-Fiber Bragg Grating）と出力カプラー・ファイバブラッググレーティング（ＯＣＦＢＧ：Output Coupler-Fiber Bragg Grating）との間を往復しながらコア内を伝播している信号光が、開口数（ＮＡ）の小さい方から大きい方に伝播している時は問題ない。しかし、逆に、信号光が開口数（ＮＡ）の大きい方から小さい方に伝播している時には、コアへの信号光の閉じ込めが次第に弱くなる。ファイバレーザ用光ファイバは、数十ｍの長さを有し、円形に巻いた状態で配置される。そのため、ファイバレーザ用光ファイバには、コアへの信号光の閉じ込めが次第に弱くなると、ファイバレーザ用光ファイバの曲げ損失が増加し、励起された信号光がコアから漏れ出し易くなるという問題がある。

また、特許文献１には、このようなファイバレーザ用光ファイバの具体的な製造方法として、Ｙｂ濃度が異なる光ファイバを所望の長さにカットした後、カットした光ファイバの端末部分のＵＶ硬化樹脂を除去し、融着接続機を用いて端末同士を融着により接続し、その後、融着接続部分のＵＶ硬化樹脂が除去された部分に再度ＵＶ硬化樹脂をリコートすると記載されている。しかし、融着接続部には若干の接続損失があるため、コアから漏れ出した高強度信号光による発熱で、リコートされた耐熱性の低いＵＶ硬化樹脂が焼損するリスクがある。このため、この製造方法で製造されたファイバレーザ用光ファイバには、信頼性の点で疑念が残るという問題もある。

特許文献２には、希土類元素が添加された希土類添加コアと、上記希土類添加コアの周囲に形成されたクラッドとを備え、上記クラッドに励起光を導光し、希土類元素を励振させて高出力のレーザ発振光を出力するファイバレーザ用光ファイバにおいて、上記希土類添加コアと上記クラッドとの外径比が長さ方向に沿って異なることを特徴とするファイバレーザ用光ファイバが、開示されている。具体的には、特許文献２は、クラッドの外径が等しく、上記希土類添加コアの外径が長さ方向に沿って徐々に大きくなるファイバレーザ用光ファイバや、上記希土類添加コアの外径が、長さ方向の中央部を中心として対称であり、長さ方向に沿って５０〜８０μｍの範囲で変化しているファイバレーザ用光ファイバにも言及している。特許文献２によれば、ファイバレーザ用光ファイバにおける吸収損失はコア径が小さい程低損失なので、このようなファイバレーザ用光ファイバによって、ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿った励起光の吸収特性を簡単に制御でき、ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿った温度分布を平坦化できるとしている。

また、特許文献２には、このようなファイバレーザ用光ファイバの製造方法として、上記希土類添加コアとなる部分を有するプリフォームを作製し、そのプリフォームの外周を、上記希土類添加コアと上記クラッドとの外径比が長さ方向に沿って異なるようにテーパ状に外削し、外削後のプリフォームを上記クラッドの外径が一定となるように線引きすることが、開示されている。

特許文献２に記載のファイバレーザ用光ファイバで最も問題になるのは、その製造方法である。プリフォームの外周を、上記希土類添加コアと上記クラッドとの外径比が長さ方向に沿って異なるようにテーパ状に外削し、外削後のプリフォームを上記クラッドの外径が一定となるように線引きするということは、１本のプリフォームの中で、コアとクラッドとの外径比が所望の範囲で変化している部分は１箇所しかなく、１本のプリフォームからファイバレーザ１台分のファイバレーザ用光ファイバしか製造できないことを意味している。ファイバレーザ用光ファイバでは、非常に長距離の通信に使用される通信用光ファイバに比べると、ある程度のコストアップは許容される。しかし、１本のプリフォームからファイバレーザ１台分のファイバレーザ用光ファイバしか製造できないとなると、非常にコストが高くなり、実用性が殆ど見込めないことが問題になる。また、性能面でも、キャビティを構成しているＨＲＦＢＧとＯＣＦＢＧとの間を往復しながらコア内を伝播している信号光が、コア径の小さい方から大きい方に伝播している時には、問題は生じない。しかし、逆に、前記信号光がコア径の大きい方から小さい方に伝播している時には、前述の特許文献１に記載の技術の場合と同様に、励起された信号光がコアから漏れ出し易くなるという問題がある。

特許文献３には、利得媒質となる希土類が添加されたコアと、上記コアの外周に形成されたクラッドとを備えるファイバレーザ用光ファイバにおいて、上記コアの仮想温度が１５００℃以下であり、上記コアの仮想温度が長さ方向で異なることを特徴とするファイバレーザ用光ファイバが、開示されている。また、特許文献３には、このようなファイバレーザ用光ファイバの製造方法として、光ファイバ母材を加熱・溶融した後にアニール処理を行うことにより、上記コア材から形成されるコアの仮想温度が１５００℃以下になるようにして、上記アニール処理の後にＣＯ_２レーザ光照射を行うことにより、上記コアの仮想温度を長さ方向で変化させながら、上記光ファイバ母材を線引きすることが、開示されている。

しかし、特許文献３に記載の技術では、具体的な数値が記載されているコアの仮想温度を１０００℃から１５００℃まで変化させても、特許文献３に記載されている図から読み取る限り、光の吸収係数は、波長９１５ｎｍで１．２５倍、９７０〜９８０ｎｍで１．４倍程度しか変化しておらず、光の吸収係数の制御範囲が狭いという問題がある。後述のように、光の吸収係数は４倍程度変えられることが望ましい。また、仮想温度を上記の温度範囲で変えると、発明者が同じ他の特許文献（特開２００５−２５００４０号公報）に記載されている図から読み取る限り、屈折率が１．４６３５〜１．４６４６程度変わるので、クラッドの屈折率にもよるが、ＮＡも１０％程度増加する。このため、前述のように、ＮＡの大きい方から小さい方に伝播する信号光がコアから漏れ出し易いという問題がある。

特許文献４には、希土類元素が添加されたコアと、そのコアの外周に形成されたクラッドとを備えたファイバレーザ用ファイバにおいて、前記コアは、１７２０℃〜２０００℃の仮想温度を有し、前記仮想温度が長さ方向で異なることを特徴とするファイバレーザ用ファイバが、開示されている。また、特許文献４には、このようなファイバレーザ用光ファイバの製造方法として、光ファイバ母材を溶融して希土類元素が添加されたコアと該コアの外周に形成されたクラッドとからなる光ファイバ裸線を作製する光ファイバ裸線作製工程と、前記光ファイバ裸線の周囲に被覆を施す被覆工程とを含むファイバレーザ用ファイバの製造方法において、前記光ファイバ裸線作製工程と前記被覆工程との間、あるいは前記被覆工程後に、前記コアの内部に残留応力を付与して、前記コアの仮想温度を１７２０℃〜２０００℃にする残留応力付与工程を有することが、開示されている。特許文献４は、前記残留応力付与工程として、前記光ファイバ裸線作製工程と前記被覆工程との間に、前記光ファイバ裸線にレーザ光を照射して、前記コアの内部に前記残留応力を付与する工程や、前記被覆工程後に引張応力を印加して、前記コアの内部に前記残留応力を付与する工程について言及している。

しかし、仮想温度を１７２０℃〜２０００℃の範囲で変えても、特許文献４に記載されている図から読み取る限り、コア中の希土類元素が照射された励起光エネルギーを吸収することで励起した電子が基底状態に戻るときに放出する電磁波の強度である蛍光強度は、励起波長９７４ｎｍで、１．１８倍程度しか変化させることができず、これにより、前述の特許文献３に記載の技術の場合より更に光の吸収係数の制御範囲が狭いという問題がある。光の吸収係数の制御範囲が狭いため、屈折率の変化は１．４６５１〜１．４６５８程度と比較的小さいが、ＮＡは数％程度変化するので、ＮＡの大きい方から小さい方に伝播する信号光がコアから漏れ出し易いという問題がある。

特開２００９−３２９１０号公報 特開２００９−１２９９８９号公報 特開２００８−３０８３６１号公報 特開２０１０−１０３２２３号公報

以上のように、上記従来のファイバレーザ用光ファイバにおいては、コアへの励起光の吸収係数あるいは吸収損失を制御して、励起光導入端の温度上昇を抑え、長さ方向の温度を均一にしようと試みられている。しかし、励起された信号光がコアから漏れ出し易い、励起光の吸収係数の制御範囲が狭い、という性能面の問題や、非常に製造コストが高くなる、信頼性に懸念が残る、等の製造方法に関連した問題がある。

本発明は、以上のような状況を鑑み、吸収係数の制御範囲が必要とする範囲程度に広く、コアからの信号光の漏れ出しが少なく、かつ許容できる範囲のコストで製造でき、信頼性が高いファイバレーザ用光ファイバ、及び、そのようなファイバレーザ用光ファイバを製造することができる製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記のような特性を備えたファイバレーザ用光ファイバを使用した信頼性の高い高出力ファイバレーザを提供することを目的とする。

（１） 本発明に係るファイバレーザ用光ファイバは、希土類元素が添加されたコア（例えば、後述のコア２）と、前記コアの周囲に形成された第一クラッド（例えば、後述の第一クラッド３）と、前記第一クラッドの周囲に形成された第二クラッド（例えば、後述の第二クラッド４）と、を備え、前記第一クラッドの少なくとも一方の端部から励起光を導光し、前記希土類元素を励振させてレーザ発振光を出力するファイバレーザ用光ファイバ（例えば、後述のファイバレーザ用光ファイバ１）において、前記コアへの前記希土類元素の添加濃度は、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って異なり、前記ファイバレーザ用光ファイバのコア径と開口数とは、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定である。

（２） （１）に記載のファイバレーザ用光ファイバにおいて、前記コアへの前記希土類元素の添加濃度は、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向における励起光を導光する前記端部に近い領域ほど、他の領域と比較して低いものであってもよい。

（３） （１）又は（２）に記載のファイバレーザ用光ファイバにおいて、前記コアの屈折率を変化させる屈折率調整用元素が、前記コアへの前記希土類元素の添加濃度の変化による前記コアの屈折率の変化を打ち消して、前記コアの屈折率を前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定に保つように、前記コアに添加されてもよい。

（４） （１）又は（２）に記載のファイバレーザ用光ファイバにおいて、前記第一クラッドの屈折率を変化させる開口数調整用元素が、前記コアへの前記希土類元素の添加濃度の変化による前記コアの屈折率の変化によって発生する前記ファイバレーザ用光ファイバの開口数の変化に対して、前記ファイバレーザ用光ファイバの開口数を前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定に保つように、前記第一クラッドに添加されてもよい。

（５） 本発明に係るファイバレーザ（例えば、後述のファイバレーザ５、１０５）は、（１）〜（４）のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバと、上記ファイバレーザ用光ファイバの端部に接続されたテーパーファイババンドル（例えば、後述のテーパーファイババンドル１０）と、前記テーパーファイババンドルを介して前記ファイバレーザ用光ファイバの前記第一クラッドに導光させる励起光を出射する複数個の光源（例えば、後述のレーザダイオードモジュール９）と、を備える。

（６） （５）に記載のファイバレーザにおいて、前記ファイバレーザ用光ファイバは、定格光出力時あるいは最大光出力時に、前記ファイバレーザ用光ファイバの温度が前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って均一になるように、前記希土類元素の添加濃度分布が前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って制御されたものであってもよい。

（７） （５）に記載のファイバレーザにおいて、前記第一クラッドに励起光を一方向から導光するファイバレーザであって、前記ファイバレーザ用光ファイバは、定格光出力時あるいは最大光出力時に、前記ファイバレーザ用光ファイバの温度が、前記ファイバレーザ用光ファイバの全長のうち、励起光を導光する前記端部側から５０％以上の長さの部分で一定温度になり、残りの長さの部分で前記一定温度よりも低温になるように、前記希土類元素の添加濃度分布が前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って制御されたものであってもよい。

（８） （５）〜（７）のいずれかに記載のファイバレーザにおいて、前記ファイバレーザ用光ファイバの少なくとも一部が、熱伝導部材製の冷却板（例えば、後述の冷却板１６）に形成された溝（例えば、後述の溝１６ａ）であって少なくとも前記ファイバレーザ用光ファイバの外径よりも深い溝の内側に、熱伝導接着剤（例えば、後述の熱伝導接着剤１７）あるいは熱伝導ペーストによって敷設されていてもよい。

（９） （８）に記載のファイバレーザにおいて、前記ファイバレーザ用光ファイバは互いに交差する部分を有し、前記冷却板は、前記ファイバレーザ用光ファイバが交差する部分において、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバのうちの一方が敷設される前記溝（例えば、後述の溝１６ａ）と他方が敷設される前記溝（例えば、後述の溝１６ｂ）との深さを異ならせることによって、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバ同士が接触しないように構成されているか、又は、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバのうちの一方が敷設される前記溝（例えば、後述の溝１６ａ）を跨ぐように熱伝導部材製の架橋（例えば、後述の架橋１６０）が設けられ、前記架橋上に、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバのうちの他方が敷設されるように構成されてもよい。

（１０） 本発明に係るファイバレーザ（例えば、後述のファイバレーザ２０５）は、（５）〜（９）のいずれかに記載のファイバレーザを複数備えると共に、前記複数のファイバレーザからそれぞれ出射されるレーザ出力を一本の光ファイバに結合するビームコンバイナ（例えば、後述のビームコンバイナ１８）を更に備える。

（１１） 本発明に係るファイバレーザ用光ファイバの製造方法は、（１）〜（３）のいずれか１項に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、中空のシリカガラス製のチューブ（例えば、後述のチューブ３０５）の内側に、前記希土類元素の添加濃度を厚さ方向に変化させたシリカガラス製のディスク（例えば、後述のディスク３０４）を複数枚積層し、次いで、加熱によって前記チューブと複数の前記ディスクとを互いに融着させてプリフォーム（例えば、後述のプリフォーム３０７）を製作し、次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする。

（１２） 本発明に係るファイバレーザ用光ファイバの製造方法は、（１）〜（３）のいずれかに記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、気相軸付堆積法によって、前記希土類元素の添加濃度を軸方向に周期的に変化させながらスートを成長させてスート体（例えば、後述のスート体４０２）を製作し、次いで、前記スート体をシリカガラス化することによりロッド（例えば、後述のロッド４０５、４０５ａ）を製作し、次いで、前記ロッドを中空のシリカガラス製のチューブ（例えば、後述のチューブ４０７）の内側に配置してロッドインチューブ（例えば、後述のロッドインチューブ４０８）を製作し、次いで、前記ロッドインチューブをコラップスしてプリフォーム（例えば、後述のプリフォーム４１０）を製作し、次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする。

（１３） 本発明に係るファイバレーザ用光ファイバの製造方法は、（１）〜（３）のいずれかに１項に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、中空のシリカガラス製のチューブ（例えば、後述のチューブ５０２）の内側に、プラズマ化学気相堆積法によって、前記チューブ内に発生した高周波誘導熱プラズマ（例えば、後述の高周波誘導熱プラズマ５０４）によりシリカガラスが堆積する位置の前記チューブの長さ方向の移動に合せて周期的に前記希土類元素の濃度を変化させた原料ガスを供給して前記シリカガラスを堆積させ、次いで、前記チューブをコラップスしてプリフォーム（例えば、後述のプリフォーム５０６）を製作し、次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする。

（１４） 本発明に係るファイバレーザ用光ファイバの製造方法は、（４）に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、気相軸付堆積法によって、軸方向に周期的に前記希土類元素の添加濃度を変化させながらスートを成長させてスート体を製作し、次いで、前記スート体をシリカガラス化してロッド（例えば、後述のロッド６０１）を製作し、次いで、前記ロッドをコア母材として、前記コア母材の外面上に、前記コア母材に含まれる前記希土類元素の添加濃度変化の前記ロッドの軸方向の周期に一致させて、原料ガスに含まれる開口数調整用元素の濃度を変化させながら、プラズマ外付化学気相堆積法によって、前記第一クラッドになるシリカガラスを軸方向に堆積させてプリフォーム（例えば、後述のプリフォーム６０４）を製作し、前記プリフォームを加熱しながら線引きする。

（１５） （１２）又は（１４）に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法において、前記スート体を製造する製造装置が、四塩化珪素の酸水素火炎加水分解法によって前記スートを堆積させるためのバーナー（例えば、後述のバーナー４０６）と、スート堆積面（例えば、後述のスート堆積面４０２ａ）の面形状をモニタリングする面形状モニタリング装置（例えば、後述の面形状モニタリング装置４１１）と、を備え、前記面形状モニタリング装置によるモニタリング結果をフィードバックして、前記スート堆積面の面形状が前記スート体の中心軸に垂直な平面になるように、前記バーナーの火力を調節しながら、前記スートを堆積させるようにしてもよい。

本発明によれば、吸収係数の制御範囲が必要とする範囲程度に広く、コアからの信号光の漏れ出しが少なく、かつ許容できる範囲のコストで製造でき、信頼性が高いファイバレーザ用光ファイバ、及び、そのようなファイバレーザ用光ファイバを製造することができる製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、上記のような特性を備えたファイバレーザ用光ファイバを使用した信頼性の高い高出力ファイバレーザを提供することができる。

本発明の第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバを示す概略図であり、ファイバレーザ用光ファイバの模式的な斜視図である。 本発明の第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバを示す概略図であり、図１Ａに示すファイバレーザ用光ファイバの模式的な断面図である。 本発明の第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおけるＹｂ添加濃度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおける吸収損失のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおける第二クラッドの最大温度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおける屈折率調整用元素であるＦのコアへの添加濃度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおける屈折率調整用元素であるＧｅのコアへの添加濃度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおけるＹｂ添加濃度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおける吸収損失のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおける第二クラッドの最大温度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおける開口数調整用元素であるＦの第一クラッドへの添加濃度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおける開口数調整用元素であるＧｅの第一クラッドへの添加濃度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおけて、Ｙｂを添加したコアの屈折率と、開口数調整用元素としてＦを添加した第一クラッドの屈折率と、開口数調整用元素としてＧｅを添加した第一クラッドの屈折率とのファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第３実施形態のファイバレーザを示す模式的な構成図である。 本発明の第４実施形態のファイバレーザを示す模式的な構成図である。 本発明の第４実施形態のファイバレーザに使用されるファイバレーザ用光ファイバにおけるＹｂ添加濃度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第４実施形態のファイバレーザに使用されるファイバレーザ用光ファイバにおける第二クラッドの最大温度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布例を示すグラフである。 本発明の第５実施形態のファイバレーザに使用されるファイバレーザ用光ファイバの冷却構造の一例を示す模式図である。 図１７の冷却構造において、第二クラッドの最大温度と熱伝導接着剤の厚さとの関係を示すグラフである。 本発明の第５実施形態のファイバレーザに使用されるファイバレーザ用光ファイバの冷却構造の他の一例を示す模式図である。 本発明の第５実施形態のファイバレーザに使用されるファイバレーザ用光ファイバの冷却構造の更に他の一例を示す模式図である。 本発明の第６実施形態のファイバレーザを示す模式的な構成図である。 本発明の第７実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第７実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第７実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第７実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第７実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第７実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第７実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第８実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第８実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第８実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第８実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第９実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第９実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第９実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第１０実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第１０実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。 本発明の第１０実施形態のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。

以下、本発明に係るファイバレーザ用光ファイバ、ファイバレーザ及びファイバレーザ用光ファイバの製造方法の各実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、各図面において、同じ部材には同じ参照符号を付している。また、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは、同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。また、これらの図面は見易くするために、縮尺を適宜変更している。

前述のように、本明細書において、「ファイバレーザ用光ファイバ」という用語は、特に断らない限り、ダブルクラッドファイバ構造を備えた増幅用光ファイバという意味で使用している。また、本明細書の各実施形態においては、コアに添加される希土類元素の例としてＹｂ（イッテルビウム）しか記載していないが、これは一例であって、同じ機能果たすことができる元素であれば、どの元素でもよく、Ｙｂに限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
図１Ａは、本発明の第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバを示す概略図であり、ファイバレーザ用光ファイバの模式的な斜視図である。図１Ｂは、本発明の第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバを示す概略図であり、図１Ａに示すファイバレーザ用光ファイバの模式的な断面図である。
ファイバレーザ用光ファイバ１は、コア２と、コア２の外周に配置される第一クラッド３と、第１クラッド３の外周に配置される第二クラッド４と、を有する。ファイバレーザ用光ファイバ１は、第一クラッド３の少なくとも一方の端部を励起光導入端とし、その励起光導入端から励起光を導光することにより、希土類元素を励振させてレーザ発振光を出力する。コア２のコア径は、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に一定である。

図１Ｂに示すように、第一クラッド３の断面は、円形断面ではなく、Ｄ型断面（円から、弧と弦とで囲まれる部分を除去した形）を有する。高出力ファイバレーザ用の第一クラッド（励起クラッド）３については、光通信のような同軸円形断面は、励起光吸収に横モードの空間的ホールバーニングが生じるため不適切である。すなわち、断面内の反射の法則（入射角＝出射角）から、円周上で反射するすべてのビームは、光軸からの距離を一定に保つので、最初にコアを外れた光線は、いくら反射を重ねても、コアに遭遇することはなく、吸収されないということが生じる。このため、第一クラッド３には、図１Ａ、図１Ｂに示すＤ型断面を有する励起クラッドの他に、図示しないが、矩形断面を有する矩形型励起クラッドや、多角形断面を有する多角形型励起クラッドを使用することもできる。しかし、説明を簡単にするために、これ以降については、第一クラッド３を近似的に円形断面として、クラッド径という用語を使用している。本実施形態では、第一クラッド径と第二クラッド径とのうち、少なくとも第一クラッド径は、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に一定である。

図２は、図１Ａ、図１Ｂに示すファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向のコア２に添加される希土類元素であるＹｂのｍｏｌｅ濃度分布を示している。
本実施形態では、ファイバレーザ用光ファイバ１の両端部を励起光導入端とし、５ｋＷのレーザ光出力を得るために、両端部からそれぞれ３．１６ｋＷの励起光を導光する例を示している。また、ファイバレーザ用光ファイバ１の有効長は３０ｍとしている。

図２に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における励起光を導光する端部に近い領域ほど、他の領域（ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の中央領域）に比較して、コア２へのＹｂの添加濃度は低くなっている。ここで、吸収特性は吸収損失で表し、吸収損失は、次の数式１で表せるとして、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の吸収損失の分布を算出した。

数式１において、α_ｃｌａｄは、第一クラッド３を伝播する励起光のコア２への吸収損失である。α_ｃｏｒｅは、コア２に添加されたＹｂによる吸収損失である。Ａ_ｃｌａｄは、第一クラッド３の断面積である。Ａ_ｃｏｒｅは、コア２のモード断面積である。α_ｃｌａｄとα_ｃｏｒｅの単位は、ｄＢ／ｍである。本明細書では、Ｙｂ添加濃度の単位をｍｏｌｅ％として、α_ｃｏｒｅ＝０．０８×Ｙｂ添加濃度とした。

なお、本明細書では比較的コア径の大きいファイバレーザ用光ファイバ１を実施形態としているので、コア２のモード断面積は、コア２の断面積で近似している。また、本明細書では、同じ理由で、モードフィールド径という用語は使用しないで、コア径で統一している。しかし、コア径の小さいシングルモード光ファイバ内を伝搬する光は、コアのみに集中しているわけではなく、第一クラッドにも浸み出している。そのため、シングルモード光ファイバについては、コア径ではなく、光エネルギーの分布から求めたモードフィールド径を使用することが望ましい。従って、シングルモード光ファイバの場合、例えば、請求項１の「前記ファイバレーザ用光ファイバのコア径と開口数とは、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定である」は、「前記ファイバレーザ用光ファイバのモードフィールド径と開口数とは、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定である」と言い換えてもよい。

図３は、図２に対して、コア径＝３５μｍ（一定）、クラッド径＝３５０μｍの条件で、上記数式１を適用して算出したファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の吸収損失の分布を示すグラフである。図３に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１の吸収損失は、図２に示したＹｂの添加濃度分布と同様に、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における励起光を導光する端部に近い領域ほど、他の領域（ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の中央領域）に比較して低くなっている。

また、図４は、ファイバレーザ用光ファイバ１における第二クラッド４の最大温度のファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の分布例を示すグラフである。ここで、図４中の実線のグラフは、熱流体シミュレーションを行い、耐熱性がコア２や第一クラッド３より低いと想定した第二クラッド４の最大温度を、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向にプロットしたグラフである。

このときの熱流体シミュレーションにおけるファイバレーザ用光ファイバ１の冷却条件は次の通りである。コア２と第一クラッド３の材質はＳｉＯ_２である。第二クラッド４は、外径が７５０μｍのポリマー（熱伝導率：０．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ））である。２５℃の冷却水で冷却されているアルミ合金製の水冷板（熱伝導率：１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ））の上に、熱伝導接着剤（熱伝導率：２Ｗ／（ｍ・Ｋ））を厚さ０．２ｍｍで塗布した。この熱伝導接着剤上にファイバレーザ用光ファイバ１を載せ、第二クラッド４の外周が水冷板表面に接触するまでファイバレーザ用光ファイバ１を熱伝導接着剤中に押し込んで固定した。

図２に示したようにＹｂの添加濃度を変化させることによって、図４の実線のグラフに示すように、第二クラッド４の最大温度をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿ってほぼ均一にすることができる。なお、図４の破線のグラフは、ファイバレーザ用光ファイバ全体での吸収率が同じになるように、ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って、コアに０．０８ｍｏｌｅ％の濃度で均一にＹｂを添加したファイバレーザ用光ファイバを使用した場合の温度を示している。この場合、励起光が導光される両端部の温度がかなり上昇していることがわかる。

図３から明らかなように、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の温度をほぼ均一にするためには、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の吸収損失を４倍程度変化させることが必要である。これに対し、従来の特許文献３や特許文献４に記載されている技術では、吸収係数が１．２〜１．４倍程度しか変わっておらず、吸収係数の制御範囲が狭すぎることは明らかである。

但し、コア２へのＹｂの添加濃度だけを変化させると、コア２の屈折率も変化する。コア２の屈折率が変化すると、次の数式２に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）も変化してしまい、前述の従来技術のように、開口数（ＮＡ）の大きい方から小さい方に伝播する信号光がコアから漏れ出し易いという問題が発生する。なお、本明細書において、「信号光」という用語は、ファイバレーザ用光ファイバ１の両側に、特定波長の光を反射する高反射ファイバブラッググレーティング（ＨＲＦＢＧ）と低反射率の出力カプラー・ファイバブラッググレーティング（ＯＣＦＢＧ）との両ファイバブラッググレーティングを設けることによって構成されたレーザ共振器の中で、両ファイバブラッググレーティングで選択的に反射されて、誘導放出が繰り返されることで生成されるレーザ光の意味で使用している。

数式２において、ｎ_ｃｏｒｅとｎ_ｃｌａｄは、それぞれコア２と第一クラッド３の屈折率である。
そこで、ファイバレーザ用光ファイバ１において、コア２からの信号光の漏れ出しを防ぐために、コア径と開口数（ＮＡ）とは、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿って一定とされる。ここで、コア２へのＹｂの添加濃度が１ｍｏｌｅ％高くなると、コア２の屈折率が０．００７３３２大きくなる。このため、コア２の屈折率の変化を打ち消して、コア２の屈折率をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿って一定に保つように、屈折率調整用元素をコア２に添加すればよい。なお、本明細書において「一定」とは、変動が全くない厳密な意味での一定ではなく、設計上一定であるという程度の意味で使用している。従って、誤差等に起因する変動があっても、「一定」に含まれるものとする。

屈折率調整用元素、すなわち、コア２への添加によってコア２の屈折率を下げる元素としては、Ｆ（フッ素）やＢ（ホウ素）が知られている。例えば、Ｆを用いる場合、Ｆの添加濃度が１ｍｏｌｅ％高くなると、屈折率が０．００４２５小さくなる。従って、コア２の屈折率をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿って一定に保つためには、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿うコア２へのＹｂの添加濃度の変化量の１．７２５倍の濃度のＦをコア２に添加すればよい。

図５は、図２に示したＹｂの添加濃度の変化による屈折率の変化を打ち消すためのコア２へのＦの添加濃度分布の例を示している。図５に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿うコア２へのＦの添加濃度は、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における励起光を導光する端部に近い領域ほど、他の領域（ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における中央領域）に比較して低くなるようにしている。これにより、Ｙｂの添加濃度の変化に伴って発生するコア２の屈折率の変化を抑えることができる。コア２の屈折率の変化が抑えられることによって、ファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）の変化が抑えられ、コア２から信号光が漏れ出すのを抑えることができる。

コア２に添加するＹｂの添加濃度の変化に伴うコア２の屈折率の変化を打ち消すためにコア２に添加する屈折率調整用元素として、添加によって屈折率が上がる元素を使用することもできる。添加によって屈折率が上げる元素としては、Ｐ（リン），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ａｌ（アルミニウム），Ｔｉ（チタン），Ｚｒ（ジルコニウム）等が知られている。例えば、Ｇｅを用いる場合、Ｇｅの添加濃度が１ｍｏｌｅ％高くなると、屈折率が０．００１２５大きくなる。

図６は、図２に示したＹｂの添加濃度の変化による屈折率の変化を打ち消すためのコア２へのＧｅの添加濃度分布の例を示している。図６に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿うコア２へのＧｅの添加濃度は、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における励起光を導光する端部に近い領域ほど、他の領域（ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における中央領域）に比較して高くなるようにしている。これにより、Ｙｂの添加濃度の変化に伴って発生するコア２の屈折率の変化を抑えることができる。コア２の屈折率の変化が抑えられることによって、ファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）の変化が抑えられ、コア２から信号光が漏れ出すのを抑えることができる。

このように、第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１によれば、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の温度分布を均一にするために、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向で励起光の吸収係数あるいは吸収損失を制御する目的で、コア２への希土類元素の添加濃度を変化させても、屈折率調整用元素の添加によってコア２の屈折率の変化を抑制する。これにより、ファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）の変化を抑え、コア２から信号光が漏れ出すのを最小限に抑えることができる。このため、吸収係数の制御範囲が必要とする範囲程度に広く、コア２からの信号光の漏れ出しが少なく、かつ許容できる範囲のコストで製造でき、信頼性が高いファイバレーザ用光ファイバ１を提供できる。

また、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿うコア２への希土類元素の添加濃度は、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における励起光を導光する端部に近い領域ほど、他の領域に比較して低くなるようにしている。そのため、励起光のコア２への吸収量が大きくて温度が上昇し易い励起光の導光側の端部の温度上昇を抑えることができる。

＜第２実施形態＞
図７は、本発明の第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバにおいて、コアに添加されるＹｂのｍｏｌｅ濃度のファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の分布を示している。
前述の第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１は、長さが３０ｍと比較的長いため、熱的条件はそれほどの過酷ではない。しかし、誘導ラマン散乱の閾値を与える臨界パワーＰ_ｃｒは、次の数式３で計算すると５．１ｋＷになる。この場合、ファイバレーザ用光ファイバ１のレーザ光出射端側にフィードファイバやデリバリファイバを接続することも考えると、レーザ光出力５ｋＷでは誘導ラマン散乱の発生が問題になる可能性が高い。従って、本実施形態では、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さを１０ｍにすると共に、コア２へのＹｂの添加濃度の変化によるコア２の屈折率の変化によって発生し得るファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）の変化に対して、第一クラッド３の屈折率を変化させることによって、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿ってファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）を一定に保つようにした。この実施形態について以下に説明する。

数式３において、Ａ_ｅｆｆは有効モード面積（ｍ^２）である。コア径が比較的大きいので、Ａ_ｅｆｆはコア断面積にほぼ等しい。ｇ_ＲはＲａｍａｎ利得であり、シリカの場合には、１μｍで１×１０^−１３ｍ／Ｗ程度である。Ｌはファイバレーザ用光ファイバ１の長さ（ｍ）である。

誘導ラマン散乱の閾値を与える臨界パワーＰ_ｃｒは、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さに反比例するので、ファイバレーザ用光ファイバ１を１０ｍと短くすると、臨界パワーＰ_ｃｒは、１５．４ｋＷまで高くなる。ファイバレーザ用光ファイバ１が短くなると、単位長さ当たりの吸収損失を大きくしないと、コア２に吸収されない励起光が増加する。そのため、本実施形態では、コア径は第１実施形態と同じ３５μｍ（一定）とし、第一クラッド径は２００μｍまで小さくした。励起光導光条件については、第１実施形態と同じとした。

前述のように、図７は、本実施形態におけるファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿ってコア２に添加されるＹｂのｍｏｌｅ濃度分布を示す。図８は、図７に示すＹｂの添加濃度分布に対して、前述の数式１を適用して算出したファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の吸収損失の分布である。
図７に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿うコア２へのＹｂの添加濃度は、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における励起光を導光する端部に近い領域ほど、他の領域（ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における中央領域）に比較して低くなるようにしている。また、図８に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１の吸収損失は、図７に示したＹｂの添加濃度分布と同様に、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における励起光を導光する端部に近い領域ほど、他の領域（ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向における中央領域）に比較して低くなっている。

本実施形態では、第１実施形態に比べて、ファイバレーザ用光ファイバ１が１／３まで短くなったが、（コア断面積）／（クラッド断面積）を約３倍にした。そのため、第１実施形態と略同じようなＹｂの添加濃度であっても、ファイバレーザ用光ファイバ１の全長での励起光の吸収率を略同じにすることができる。一方、ファイバレーザ用光ファイバの単位長さ当たりの発熱量は３倍になるので、第１実施形態と同じ冷却条件では、ファイバレーザ用光ファイバ１の温度がかなり上昇する。

図９の実線のグラフは、熱流体シミュレーションを行い、第二クラッド４の最大温度をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向にプロットしたグラフである。このときの熱シミュレーションにおけるファイバレーザ用光ファイバ１の冷却条件は次の通りである。コア２と第一クラッド３の材質はＳｉＯ_２である。第二クラッド４は、外径が６００μｍのポリマー（熱伝導率：０．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ））である。２５℃の冷却水で冷却されているアルミ合金製の水冷板（熱伝導率：１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ））に、幅１．５ｍｍ、深さ０．７５ｍｍの溝を掘り、ファイバレーザ用光ファイバ１を溝の底中央に接触させた状態で、熱伝導接着剤（熱伝導率：２Ｗ／（ｍ・Ｋ））を溝に流し込んで溝を完全に埋め、水冷板の元の表面と面一にした。

図９の実線のグラフに示すように、第１実施形態の場合（図４の実線のグラフ）と比較して、ファイバレーザ用光ファイバ１の第二クラッド４の最大温度は５８℃程上昇している。しかし、本実施形態の場合も、図７に示したようにファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向のＹｂの添加濃度を変化させることによって、第１実施形態の場合と同様に、第二クラッド４の最大温度をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿ってほぼ均一にすることができる。なお、図９の破線のグラフは、ファイバレーザ用光ファイバ全体での励起光の吸収率が同じになるように、コアに０．０８ｍｏｌｅ％の濃度でファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って均一にＹｂを添加したファイバレーザ用光ファイバを使用した場合の温度である。この場合では、励起光が導光される両端部の温度が、第１実施形態の場合よりも、更に１３０℃程上昇していることがわかる。

前述のように、コア２へのＹｂの添加濃度だけを変化させると、コア２の屈折率が変化し、数式２に示したように、ファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）も変化してしまう。従って、開口数（ＮＡ）の大きい方から小さい方に伝播する信号光がコア２から漏れ出し易いという問題が発生する。第１実施形態では、開口数（ＮＡ）が一定になるように、コア２に屈折率調整用元素を添加している。これに対して、本実施形態では、第一クラッド３に開口数調整用元素を添加することにより、ファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿って一定に保つようにする。

図１０は、図７に示したようにコア２へのＹｂの添加濃度を変化させた場合に、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の開口数（ＮＡ）を一定するために、開口数調整用元素として添加によって屈折率が下がる前述のＦを第一クラッド３へ添加する際のＦの添加濃度の分布例を示している。
図７に示したように、コア２へのＹｂの添加濃度は、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の中央付近で高濃度となっているため、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の中央付近ではコア２の屈折率は高くなる。このため、図１０に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の中央付近に行く程、屈折率を下げるためのＦを第一クラッド３に低濃度となるように添加している。これにより、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の中央付近の第一クラッド３の屈折率は、中央付近以外の領域に比べて相対的に高くなる。その結果、前述の数式２に示した関係式からわかるように、ファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿って一定にすることができる。

コア２へのＹｂの添加濃度の変化に伴うコア２の屈折率の変化を打ち消すために第一クラッド３に添加する開口数調整用元素として、添加によって屈折率が上げる元素を使用することもできる。
図１１は、図７に示したようにコア２へのＹｂの添加濃度を変化させた場合に、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の開口数（ＮＡ）を一定するために、開口数調整用元素として添加によって屈折率が上がる前述のＧｅを第一クラッド３へ添加する際のＧｅの添加濃度の分布例を示している。
図１１に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の中央付近に行く程、屈折率を上げるためのＧｅを第一クラッド３に高濃度となるように添加している。

また、図１２は、図７に示した濃度分布でコア２にＹｂを添加した場合のコア２の屈折率（ｎ_ｃｏｒｅ）と、図１０に示した濃度分布で第一クラッド３にＦを添加した場合の第一クラッド３の屈折率（ｎ_ｃｌａｄ（Ｆ））と、図１１に示した濃度分布で第一クラッド３にＧｅを添加した場合の第一クラッド３の屈折率（ｎ_ｃｌａｄ（Ｇｅ））とについて、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の分布例を示している。この値を数式２に代入すると、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿う開口数（ＮＡ）は一定になる。

第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１によれば、以上のように第一クラッド３に開口数調整用元素が添加されることによって、コア２に添加するとコア２の透過率を下げる可能性のある元素をコア２に添加することなく、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿う開口数（ＮＡ）の変化が抑えられ、コア２から信号光が漏れ出すのを抑えることができる。

＜第３実施形態＞
図１３は、本発明の第３実施形態であるファイバレーザの模式的な構成図である。
本実施形態のファイバレーザ５は、前方励起部７と、発振器部６と、後方励起部８と、ビームデリバリ部１３と、を備え、ビームデリバリ部１３からレーザ光１５が出射されるように構成されている。なお、図の簡略化のために、ファイバレーザ用光ファイバ１については詳細構造を図示していない。ファイバレーザ用光ファイバ１については太い実線で表し、それ以外の光ファイバをそれよりもやや細い実線で示している。発振器部６にループ状に配置されている部分が、ファイバレーザ用光ファイバ１である。

前方励起部７と後方励起部８とに、それぞれ複数のレーザダイオードモジュール（ＬＤＭ：Laser Diode Module）９が配置されている。複数のＬＤＭ９からそれぞれ出射された励起光は、励起光コンバイナとも呼ばれているテーパーファイババンドル（ＴＦＢ：Tapered Fiber Bundle）１０を介して、増幅用光ファイバとして機能するファイバレーザ用光ファイバ１の第一クラッド３（図１Ａ、図１Ｂ参照）に導入される。この構造においては、第一クラッド３に導入された励起光は、第一クラッド３内を伝搬するうちに、Ｙｂが添加されたコア２（図１Ａ、図１Ｂ参照）に徐々に吸収されていく。

ファイバレーザ用光ファイバ１の両側には、コア２に回折格子を形成することによって特定波長の光を反射することができる高反射ファイバブラッググレーティング（ＨＲＦＢＧ）１１と、出力カプラー・ファイバブラッググレーティング（ＯＣＦＢＧ）１２とが設けられ、これらは、ファイバレーザ用光ファイバ１と共にレーザ共振器を構成している。発振器部６のＯＣＦＢＧ１２の出口から出射されたレーザ光は、必要に応じて備えられる図示しないレーザ光学系を経由して、ビームデリバリ部１３に配置されるデリバリファイバ１４で、図示していない加工ヘッド等に送られて、レーザ加工に使用される。

また、図示していないが、レーザ光学系等の発振器部６から出射されるレーザ光の光量や、レーザ光学系を発振器部６から出射されたレーザ光と逆方向に伝播する戻り光の光量を検出するために、フォトダイオード等の光検出手段を設けることが望ましい。なお、図１３においては、ＬＤＭ９へ電力を供給する電源部や、ファイバレーザ５の各部を制御するための制御部等の図示も省略している。

図１３におけるファイバレーザ５のファイバレーザ用光ファイバ１として、定格光出力時あるいは最大光出力時に、ファイバレーザ用光ファイバの温度がファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に均一になるように、ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って、コア２へのＹｂの添加濃度分布が制御された第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１、あるいは、第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１が使用される。これにより、通常は励起光のコア２への吸収量が大きく、吸収に伴う単位長さ当たりの発熱量が増すために温度上昇による動作限界を迎える可能性が高い励起光導光端部付近における励起光のコア２への吸収係数あるいは吸収損失を下げることができる。また、図４や図９に示したように、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の温度を均一化できる。その結果、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に温度の不均一がある場合よりも、ファイバレーザ５の高出力化が可能になり、高出力下でも信頼性の高いファイバレーザを実現できる。

第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１を使用した場合には、コア２へのＹｂの添加濃度の変化により発生し得るコア２の屈折率の変化を打ち消して、コア２の屈折率をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿って一定に保つように、屈折率調整用元素がコア２に添加されているので、Ｙｂの添加濃度の変化に伴って発生するコア２の屈折率の変化を抑えることができる。このため、ファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）の変化が抑えられ、コア２から信号光が漏れ出すのを抑えることができる。

また、第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１を使用した場合には、コア２へのＹｂの添加濃度の変化により発生するコア２の屈折率の変化によって発生し得るファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）の変化に対して、第一クラッド３の屈折率を変化させることによってファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿ってファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）を一定に保つように、開口数調整用元素が第一クラッド３に添加されている。そのため、コア２の透過率を下げる可能性のある元素をコア２に添加することなく、ファイバレーザ用光ファイバ１の開口数（ＮＡ）の変化を抑えることができ、コア２から信号光が漏れ出すのを抑えることができる。

＜第４実施形態＞
図１４は、本発明の第４実施形態のファイバレーザの模式的な構成図である。
図１３と同様に、図の簡略化のために、ファイバレーザ用光ファイバ１については、詳細構造は図示していない。ファイバレーザ用光ファイバ１については太い実線で表し、それ以外の光ファイバをそれよりやや細い実線で示している。電源部や制御部を省略しているのも図１３と同様である。

図１４に示すファイバレーザ１０５が図１３に示すファイバレーザ５と異なる点は、後方励起部がなく、前方励起部７だけを備えている点である。すなわち、本実施形態のファイバレーザ１０５は、第一クラッド３に励起光を一方向から導光するファイバレーザである。このファイバレーザ１０５には、ファイバレーザ用光ファイバとして、定格光出力時あるいは最大光出力時に、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の温度が、ファイバレーザ用光ファイバ１の全長のうち、励起光を導光する端部側から少なくとも大半の長さの部分、すなわち、励起光を導光する端部側から少なくとも５０％以上、望ましくは８０％以上の長さの部分が一定温度になり、残りの長さの部分の温度が前記一定温度よりも低温になるように、コア２（図１Ａ、図１Ｂ参照）へのＹｂの添加濃度分布がファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に沿って制御されたファイバレーザ用光ファイバ１が使用されている。但し、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の温度が一定温度になる長さの部分は、ファイバレーザ用光ファイバ１の全長よりも短い。

図１５は、コア２へのＹｂの添加濃度のファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向の分布例を示している。図１５の実線のグラフが、本実施形態のファイバレーザ１０５に使用されているファイバレーザ用光ファイバ１におけるコア２へのＹｂの添加濃度分布例を示している。図１５の実線のグラフに示すように、コア２へのＹｂの添加濃度は、励起光を導光する端部側で低く、励起光を導光する端部から離れるに従って漸増する。一方、励起光を導光する端部と反対側の端部近傍では、ほぼ一定濃度としている。

また、図１５の実線のグラフに示すようにコア２へのＹｂの添加濃度が制御されたファイバレーザ用光ファイバ１を使用した図１４に示すファイバレーザ１０５について、ファイバレーザ用光ファイバ１の熱流体シミュレーションを行い、第二クラッド４（図１Ａ、図１Ｂ参照）の最大温度をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向にプロットしたのが、図１６の実線のグラフである。

このときの熱流体シミュレーションの条件は、ファイバレーザ用光ファイバ１のコア径を３５μｍ、第一クラッド径を２５０μｍ、第二クラッド径を６５０μｍとし、ファイバレーザ用光ファイバ１の一方の端部から６．６ｋＷの励起光を導光した。また、ファイバレーザ用光ファイバ１の冷却条件は、次の通りである。コア２と第一クラッド３の材質はＳｉＯ_２とした。第二クラッド４はポリマー（熱伝導率：０．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ））である。２５℃の冷却水で冷却されているアルミ合金製の水冷板（熱伝導率：１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ））に、幅１．５ｍｍ、深さ０．７５ｍｍの溝を形成し、ファイバレーザ用光ファイバ１を溝の底中央に接触させた状態で、熱伝導接着剤（熱伝導率：２Ｗ／（ｍ・Ｋ））を溝に流し込んで溝を完全に埋め、水冷板の元の表面と面一にした。

図１６の実線のグラフに示すように、図１５の実線のグラフのようにコア２へのＹｂの添加濃度が制御されたファイバレーザ用光ファイバ１の温度は、励起光を導光する端部側からおよそ８０％の長さの部分が一定温度となっているが、残りの長さの部分（励起光を導光する端部側と反対側の端部近傍部分）の温度は、上記一定温度に対して低下している。

図１５に一点鎖線で示したグラフは、定格光出力時あるいは最大光出力時に、ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向の温度をファイバレーザ用光ファイバの全長に亘って均一にしようとした場合に、コアに添加することになるＹｂの添加濃度の分布例を示している。この場合、コアへのＹｂの添加濃度は、励起光を導光する端部側と反対側の端部では非常に高濃度になっている。

また、図１６に一点鎖線で示したグラフは、図１５の一点鎖線のようなＹｂの添加濃度分布を有するファイバレーザ用光ファイバを使用した場合の第二クラッドの最大温度の分布例を示している。図１５の一点鎖線のようにコアへＹｂを添加することにより、ファイバレーザ用光ファイバの温度は、ファイバレーザ用光ファイバの全長に亘って均一になっている。

更に、図１６に破線で示したグラフは、ファイバレーザ用光ファイバ全体での吸収率が同じになるように、コアに０．０８ｍｏｌｅ％の濃度でファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に均一にＹｂを添加したファイバレーザ用光ファイバを使用した場合の第二クラッドの最大温度の分布例を示している。ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に均一にＹｂを添加することにより、ファイバレーザ用光ファイバの温度は、励起光を導入する端部側ほど非常に高くなっている。

第３実施形態のような両側励起よりも、本実施形態のような前方励起の方が、励起効率を高くできるメリットがある。しかし、図１５と図１６から明らかなように、ファイバレーザ用光ファイバの一方向の端部から励起光を第一クラッドに導光させた場合、ファイバレーザ用光ファイバの全長に亘ってファイバレーザ用光ファイバの温度を均一にしようとすると、励起光を導光する端部側と反対側に近い部分のコアには、Ｙｂを非常に高濃度に添加する必要が生じる。この場合、フォトダークニングによる劣化等が懸念される。しかし、図１６の実線のグラフのように励起光を導光する端部側と反対側に近い部分の温度を少し下げる設定にすれば、Ｙｂの最大添加濃度を低く抑えながら、ファイバレーザ用光ファイバの全長に亘って同じ温度にした場合に比べて、第二クラッドの最大温度は僅かしか上昇せず、ファイバレーザ用光ファイバの全長に亘って同じ温度にした場合と同等の励起光吸収率を得ることができる。

＜第５実施形態＞
図１７、図１９、図２０は、本発明の第５実施形態であるファイバレーザにおけるファイバレーザ用光ファイバの冷却構造を示す模式図である。この冷却構造（放熱構造）は、第３実施形態や第４実施形態のファイバレーザ５、１０５に使用することができる。
図１７は、ファイバレーザ用光ファイバの冷却構造の一部を示す断面図である。図１７に示すように、ファイバレーザ用光ファイバ１の少なくとも一部が、冷却板１６に形成された溝１６ａ内に敷設されている。

この例では、ファイバレーザ用光ファイバ１のコア径は３５μｍ、第一クラッド径は２００μｍ、第二クラッド径は６００μｍである。コア２と第一クラッド３はＳｉＯ_２である。第二クラッド４はポリマー（熱伝導率：０．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ））である。冷却板１６は、２５℃の冷却水で冷却されたアルミ合金製の水冷板（熱伝導率：１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ））である。

図１７に示す冷却板１６の表面には、幅１．５ｍｍ、深さ０．７５ｍｍの溝１６ａが形成されている。ファイバレーザ用光ファイバ１は、冷却板１６の表面の溝１６ａの底中央に接触した状態で、溝１６ａ内に充填された熱伝導接着剤（熱伝導率：２Ｗ／（ｍ・Ｋ））１７で固定されることによって敷設されている。溝１６ａ内の熱伝導接着剤１７の厚さはｄμｍである。熱伝導接着剤１７に代えて、同様の熱伝導率を有する熱伝導ペーストを使用してもよい。

この状態で、コア２が１ｍ当たり１２５Ｗ発熱しているとして熱流体シミュレーションを行い、それによって第二クラッド４の最大温度の熱伝導接着剤１７の厚さ（ｄ）依存性を求めた。その結果を図１８に示す。図１８から分かるように、熱伝導接着剤１７の厚さｄが、ファイバレーザ用光ファイバ１が完全に熱伝導接着剤１７に埋まる厚さ（ｄ≧６００μｍ）よりも薄いと、第二クラッド４の最大温度は、熱伝導接着剤１７の厚さｄの減少に伴い、急激に上昇する。これに対して、熱伝導接着剤１７の厚さｄが６００μｍよりも厚くなると、第二クラッド４の最大温度の熱伝導接着剤１７の厚さ依存性は緩やかになっている。

従って、ファイバレーザ用光ファイバ１は、ファイバレーザ用光ファイバ１の冷却条件が向上してファイバレーザ用光ファイバ１の温度上昇をより抑制できるように、アルミ合金等の熱伝導部材製の冷却板１６に設けられた、少なくともファイバレーザ用光ファイバ１の外径よりも深い溝１６ａ内において、溝１６ａの底に接触させて、熱伝導接着剤１７あるいは熱伝導ペーストによって、完全に露出しないように敷設されることが望ましい。これにより、ファイバレーザ用光ファイバ１の冷却条件が向上し、ファイバレーザ用光ファイバ１の温度上昇をより効果的に抑制できる。

ところで、ファイバレーザ用光ファイバ１は長尺であり、ファイバレーザの小型化のために、図１３や図１４に示したようにループ状に多重に巻いて冷却板１６に敷設する必要がある。このため、ファイバレーザ用光ファイバ１が交差する部位が発生し、ファイバレーザ用光ファイバ１の全長に亘って、図１７に示したような冷却構造を採ることが困難な場合がある。このような場合には、ファイバレーザ用光ファイバ１が交差する部分に、図１９や図２０に例示する冷却構造を採用してもよい。

図１９に示す冷却構造は、一方向に延びる溝１６ａに加えて、この溝１６ａと交差する方向に延び、溝１６ａよりも深さの深い溝１６ｂが表面に形成された冷却板１６を使用するものである。深さの深い溝１６ｂは、深さの浅い溝１６ａを分断するように配置されている。このように、交差して配置される溝１６ａと溝１６ｂとの深さを異ならせた冷却板１６を使用し、交差するファイバレーザ用光ファイバ１、１のうちの一方を溝１６ａ内に敷設し、他方を溝１６ｂ内に敷設することによって、交差するファイバレーザ用光ファイバ１、１同士が接触しないように冷却することができる。

また、図２０に示す冷却構造は、一方向に延びる溝１６ａを有する冷却板１６の上面に、溝１６ａを跨いで溝１６ａと交差する方向に延びる架橋１６０を有するものである。架橋１６０は、冷却板１６と同じ熱伝導部材製である。架橋１６０の上面には、溝１６ａと交差する方向に延びるように溝１６０ａが形成されている。このように、溝１６ａの上に、この溝１６ａと交差する方向に延びる溝１６０ａを有する架橋１６０を設けた冷却板１６を使用し、交差するファイバレーザ用光ファイバ１、１のうちの一方を溝１６ａ内に敷設し、他方を溝１６０ａ内に敷設することによって、交差するファイバレーザ用光ファイバ１、１同士が接触しないように冷却することができる。

なお、図１９と図２０は、ファイバレーザ用光ファイバ１の冷却構造のうち、ファイバレーザ用光ファイバ１が交差している付近を切り取った状態で示している。また、図１９と図２０では、ファイバレーザ用光ファイバ１が見えるようにするため、熱伝導接着剤１７や熱伝導ペーストは図示していない。

図１９や図２０に示すような冷却構造を採用することにより、ファイバレーザ用光ファイバ１、１同士が交差する部分についても、ファイバレーザ用光ファイバ１、１同士を互いに接触しないように配置させて冷却することが可能である。すなわち、ファイバレーザ用光ファイバ１、１同士が交差している部分のうち、冷却板１６との間に他方のファイバレーザ用光ファイバ１が交差するように介在されているファイバレーザ用光ファイバ１の部分についても、冷却板１６によって冷却が可能となる。これにより、冷却板に接触していないために、あるいは、ファイバレーザ用光ファイバ１が溝内に設置されておらず熱伝導接着剤や熱伝導ペーストで完全に覆われていないために、冷却条件が良くなく、他の部分よりも高温になるようなファイバレーザ用光ファイバ１の範囲を極力短くしたり、殆ど無くしたりすることができる。

＜第６実施形態＞
図２１は、本発明の第６実施形態のファイバレーザの模式的な構成図である。
本実施形態のファイバレーザ２０５は、第３実施形態のファイバレーザ５を複数備えると共に、各ファイバレーザ５からのレーザ出力を一本の光ファイバに結合するビームコンバイナ１８を更に備えている。第３実施形態のファイバレーザ５は、前述したように長さ方向に温度が均一化されたファイバレーザ用光ファイバ１を有し、高出力レーザ光を出射可能である。そのため、本実施形態のファイバレーザ２０５は、ファイバレーザ５の光出力を、一つのビームコンバイナ１８で結合することにより、更に高出力なレーザ光１５を出射できる。

本実施形態では、３台のファイバレーザ５を備えたファイバレーザ２０５を図示しているが、ファイバレーザ２０５を構成するファイバレーザ５は２台でもよいし、３台以上でもよい。また、本実施形態のファイバレーザ２０５は、第３実施形態のような両側励起のファイバレーザ５の代わりに、第４実施形態のような前方励起（片側励起）のファイバレーザ１０５を複数台備え、各ファイバレーザ１０５からの光出力を一つのビームコンバイナ１８で結合するようにしてもよい。

＜第７実施形態＞
図２２Ａ〜図２２Ｇは、本発明のファイバレーザ用光ファイバ１の製造方法を説明するための製造工程の概略図である。本実施形態の製造方法は、第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１のように、コア２に対するＹｂの添加濃度と屈折率調整用元素の添加濃度とを長さ方向に変化させたファイバレーザ用光ファイバ１を製造するための製造方法の一例を示している。

まず、火炎堆積法（ＦＨＤ：Flame Hydrolysis Deposition）等で、ＳｉやＳｉＯ_２等の基板３０１の上に、例えば、ＳｉＯ_２−Ｙｂ_２Ｏ_３−ＧｅＯ_２微粒子（スート）３０２を堆積させ（図２２Ａ：ステップＳ１０１）、その後、更に温度を上げてスート３０２を透明ガラス化させ、基板３０１の上に透明ガラス化シリカ３０３を積層する（図２２Ｂ：ステップＳ１０２）。ステップＳ１０１で堆積させるスート３０２の厚さは、例えば、透明ガラス化した時点で厚さが３ｍｍになる厚さとする。また、基板３０１上にスート３０２を堆積させる際、透明ガラス化後のＹｂの添加濃度の厚み方向の分布が、図２に示したＹｂ添加濃度分布を長さ方向に１／１００００に圧縮した分布になり、Ｇｅの添加濃度の厚み方向の分布が、図６のＧｅ添加濃度分布を長さ方向に１／１００００に圧縮した分布になるように制御する。なお、添加する元素は、ＹｂやＧｅに限るものではなく、フォトダークニングを抑制するために、Ａｌを厚さ方向に均一な濃度で添加するようにしてもよい。次に、基板３０１をエッチング等で除去し（図２２Ｃ：ステップＳ１０３）、その後、基板３０１が除去された後の透明ガラス化シリカ３０３から、直径３．５ｍｍの円形のディスク３０４を切り抜く（図２２Ｄ：ステップＳ１０４）。このディスク３０４は、後工程の線引き後にコア２になる部分である。

次に、例えば外径６０ｍｍで肉厚が約１１ｍｍの中空円筒形のシリカガラス製のチューブ３０５を回転させながら、チューブ３０５の外側から酸水素バーナー３０６の火炎で加熱し、チューブ３０５を外径３５ｍｍ、内径３．５ｍｍ強に整形する（図２２Ｅ：ステップＳ１０５）。内径を正確に制御するために、チューブ３０５の中央に耐熱性の高い外径３．５ｍｍの棒を配置しておいてもよい。このチューブ３０５は、後工程の線引き後に第一クラッド３になる部分である。

ディスク３０４及び整形したチューブ３０５が製作された後、整形したチューブ３０５の内側に、コア２になるディスク３０４を多数積み上げる（図２２Ｆ：ステップＳ１０６）。その後、チューブ３０５の中心軸を垂直に保ったまま、図示しないが、再び、チューブ３０５を回転させながら、チューブ３０５の外側から酸水素バーナーの火炎でチューブ３０５を加熱する。これにより、チューブ３０５とディスク３０４とを互いに融着させて一体化し、光ファイバのプリフォーム３０７を製作する（図２２ＧステップＳ１０７）。

このようにして製作されたプリフォーム３０７を、ファイバ化工程（線引）によって線引きすることにより、外径３５０μｍの光ファイバを製作する。その過程で、光ファイバの外側にＵＶ硬化ポリマー等で第二クラッド４を形成する。なお、ファイバ化工程（線引）については、通常の良く知られた方法が適用できるので、詳細な説明を省略する。

以上の製造方法によって製作された光ファイバを３０ｍ毎に切断することによって、第二クラッド径が３５０μｍであり、コア径が３５μｍであり、コア２へのＹｂの添加濃度が、図２に示したＹｂ添加濃度分布となるように制御され、同じくコア２へのＧｅの添加濃度が、図６に示したＧｅ添加濃度分布となるように制御されたファイバレーザ用光ファイバ１を得ることができる。図２２ＧのステップＳ１０７の段階でプリフォーム３０７の有効長が６００ｍｍであれば、１本のプリフォーム３０７から長さ３０ｍのファイバレーザ用光ファイバ１を２００本製造できる。

なお、プリフォーム３０７から線引きされた光ファイバの切断位置が分かり易いようにするために、ディスク３０４の平坦な少なくとも片面に、光ファイバの外側から可視光あるいは紫外線の照射で識別可能なマーカーを形成し得る上記以外の元素を添加するようにしてもよい。また、ディスク３０４の平坦面にマーカーとなる元素を添加する代わりに、隣り合うディスク３０４、３０４の間に、マーカーを形成し得る元素を添加した外径３．５ｍｍの薄いＳｉＯ_２円板を挿入するようにしてもよい。

＜第８実施形態＞
図２３Ａ〜図２３Ｄは、本発明のファイバレーザ用光ファイバ１の製造方法を説明するための製造工程の概略図である。本実施形態の製造方法は、第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１のように、コア２へのＹｂの添加濃度と屈折率調整用元素の添加濃度をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に変化させたファイバレーザ用光ファイバ１を製造するための他の製造方法の一例を示している。

まず、気相軸付堆積法（ＶＡＤ：Vapor Axial-phase Deposition）によって、ガラス種棒４０１の軸方向に周期的にＹｂやＧｅの添加濃度を変化させながら多孔質母材（スート）を成長させてスート体４０２を合成する。このとき、スート体４０２の軸方向にＹｂやＧｅの添加濃度を変えることは、バーナー４０６からスート体４０２に向けて吹き出すガス中のＹｂＣｌ_３やＧｅＣｌ_４の混合比を変えることによって、行うことができる（図２３Ａ：ステップＳ２０１）。その後、合成されたスート体４０２を、ヒーター４０３によって１５００℃程度のヒートゾーンを持つ高温炉４０４に挿入し、透明ガラス化した円柱形のロッド４０５を製作する（図２３Ｂ：ステップＳ２０２）。このロッド４０５は、後工程の線引き後にコア２になる部分である。

次に、このようにして製作されたロッド４０５を、切削やエッチング等によって、例えば外径３．５ｍｍの細径なロッド４０５ａに加工あるいは成形した後、外径６０ｍｍで肉厚が約１１ｍｍの中空円筒形のシリカガラス製のチューブ４０７の中心に配置することによって、ロッドインチューブ４０８を構成する。その後、ロッドインチューブ４０８を酸水素バーナー４０９の火炎でコラップスする（図２３Ｃ：ステップＳ２０３）。チューブ４０７は、後工程の線引き後に第一クラッド３になる部分である。ロッドインチューブ４０８をコラップスすることにより、チューブ４０７とロッド４０５ａとを互いに融着させて一体化し、光ファイバのプリフォーム４１０を製作する（図２３Ｄ：ステップＳ２０４）。

このようにして製作されたプリフォーム４１０を、実施形態７と同様に、ファイバ化工程（線引）によって線引きすることにより、外径３５０μｍの光ファイバを製作する。その過程で、光ファイバの外側にＵＶ硬化ポリマー等で第二クラッド４を形成する。図２３ＣのステップＳ２０４の段階で、プリフォーム４１０の有効長が６００ｍｍ、外径が３５ｍｍであり、コア２になる部分の直径が３．５ｍｍであり、コア２になる部分に添加されているＹｂやＧｅの濃度分布の１周期が、第７実施形態のディスク１枚分に相当する３ｍｍとなるようにプリフォーム４１０を製作すれば、実施形態７と同様に、１本のプリフォーム４１０から、長さ３０ｍのファイバレーザ用光ファイバを２００本製造できる。この製造方法では、コア２になる部分をロッド４０５によって製作するため、第７実施形態のようなディスク３０４の積み上げ工程が不要である。

なお、コア２の半径方向のＹｂやＧｅの濃度は均一であることが必要であるため、スート体４０２のスート堆積面４０２ａの面形状は、スート体４０２の中心軸に垂直な平面であることが望ましい。このために、図２３ＡのステップＳ２０１に示すように、四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）を含む酸水素火炎加水分解法によってスート体４０２を堆積させるためのバーナー４０６を複数備え、更に、スート堆積面４０２ａの面形状をモニタリングする立体視撮像装置等の面形状モニタリング装置４１１を備えるようにしてもよい。面形状モニタリング装置４１１によるモニタリング結果をフィードバックすることにより、スート堆積面４０２ａの面形状がスート体４０２の中心軸に垂直な平面になるように、複数のバーナー４０６の火力を調節しながら、スート体４０２を堆積させることができる。また、スート堆積面４０２ａに沿ってレーザ光が走査されるようにしてもよい。レーザ光走査面より下側に堆積したスートをレーザ光によって再蒸発させ、スート堆積面４０２ａの面形状をスート体４０２の中心軸に垂直な平坦面に保つことができる。

＜第９実施形態＞
図２４Ａ〜図２４Ｃは、本発明のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。本実施形態の製造方法は、第１実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１のように、コア２に添加するＹｂの添加濃度と屈折率調整用元素の添加濃度をファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に変化させたファイバレーザ用光ファイバ１を製造するための更に他の製造方法の一例を示している。

例えば、内径１０ｍｍ、肉厚２．４ｍｍの中空円筒形のシリカガラス製のチューブ５０２を高周波キャビティ５０１内に配置させ、そのチューブ５０２の内壁に、プラズマ化学気相堆積法（ＰＣＶＤ：Plasma active Chemical Vapor Deposition）によって、３１μｍの厚さまでシリカガラスを堆積させて透明ガラス層５０３を形成する。チューブ５０２は、後工程の線引き後に第一クラッド３になる部分であり、チューブ５０２内の透明ガラス層５０３は、後工程の線引き後にコア２になる部分である。このとき、チューブ５０２内に発生した高周波誘導熱プラズマ５０４によってシリカガラスが堆積する位置の移動に合せて、例えばシリカガラスが堆積する位置がチューブ５０２の長さ方向に３０ｍｍ移動する時間の周期で、例えば、ＹｂＣｌ_３，ＧｅＣｌ_４の濃度を変化させた原料ガスを供給する（図２４Ａ：ステップＳ３０１）。その後、酸水素バーナー５０５の火炎によってチューブ５０２の中空部を潰して、すなわちコラップスして（図２４Ｂ：ステップＳ３０２）、光ファイバのプリフォーム５０６を製作する（図２４Ｃ：ステップＳ３０３）。

このようにして製作されたプリフォーム５０６を、ファイバ化工程（線引）で線引きすることによって１０００倍の長さに引き伸ばし、外径３５０μｍの光ファイバを製作する。ファイバ化工程によって、コア径は３５μｍになる。ファイバ化工程内で、光ファイバの外側にＵＶ硬化ポリマー等で第二クラッド４を形成する。

プラズマ化学気相堆積法では、スートではなく、直接シリカガラスが堆積する。このため、幅の狭い高周波キャビティ５０１で高周波誘導熱プラズマ５０４を局所的に発生させれば、チューブ５０２の長さ方向に、ＹｂやＧｅの添加濃度が制御されたシリカガラスからなる透明ガラス層５０３を形成することが可能である。本実施形態の場合、Ｙｂの添加濃度は、図２に示したＹｂ添加濃度分布を長さ方向に１／１０００に圧縮した分布とし、Ｇｅの添加濃度は、図６に示したＧｅ添加濃度分布を長さ方向に１／１０００に圧縮した分布とすることで、所望の濃度分布を持ったファイバレーザ用光ファイバ１を製作可能である。また、本実施形態の場合、図２４ＣのステップＳ３０３の段階でプリフォーム５０６の有効長が９００ｍｍであれば、１本のプリフォーム５０６から長さ３０ｍのファイバレーザ用光ファイバ１を３０本製造できる。

本実施形態において１本のプリフォーム５０６から製作できるファイバレーザ用光ファイバ１の本数は、第７実施形態や第８実施形態の製造方法よりも少ないが、コア２の半径方向にも希土類元素の添加濃度の制御が可能になるというメリットがある。コア２の半径方向に添加濃度を制御する必要がない場合には、チューブ５０２の長さ方向に添加濃度を変化させる周期（距離）と同じ間隔で複数のプラズマ発生用キャビティを設けることによって、製作時間を短縮できるようにしてもよい。

＜第１０実施形態＞
図２５は、本発明のファイバレーザ用光ファイバの製造方法を説明するための製造工程の概略図である。本実施形態の製造方法は、第２実施形態のファイバレーザ用光ファイバ１のように、コア２に添加するＹｂの添加濃度と第一クラッド３に添加する開口数調整用元素の添加濃度とをファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に変化させたファイバレーザ用光ファイバ１を製造するための製造方法の一例を示している。

まず、第８実施形態の製造方法における図２３ＡのステップＳ２０１と図２３ＢのステップＳ２０２と同じ工程で、気相軸付堆積法（ＶＡＤ：Vapor Axial-phase Deposition）によって、軸方向に周期的にＹｂの添加濃度を変化させながら多孔質母材（スート）を成長させ、スート体を合成する（ステップＳ４０１）。その後、合成されたスート体を、ヒーターによって１５００℃程度のヒートゾーンを持つ高温炉に挿入して透明ガラス化し、シリカガラスからなる円柱形のロッドを製作する（ステップＳ４０２）。このロッドは、後工程の線引き後にコア２になる部分である。なお、ステップＳ４０１とステップＳ４０２の図は、図２３ＡのステップＳ２０１と図２３ＢのステップＳ２０２と同じになるので省略する。本実施形態におけるロッドの中心軸方向のＹｂの添加濃度分布は、図２に示したＹｂ添加濃度分布を距離的に１／１００００に圧縮した分布とする。

次に、製作されたロッドを、切削やエッチング等によって外径３．５ｍｍのロッドに加工あるいは成形した後、一旦、酸水素バーナーの火炎で加熱して約１０倍の長さに引き伸ばすことにより、外径を１．１ｍｍまで細くした細径のロッド６０１に整形する（図２５Ａ：ステップＳ４０３）。このロッド６０１をコア母材として、コア母材の外面上に、プラズマ外付化学気相堆積法（ＰＯＶＤ：Plasma active Outside Vapor Deposition）によってシリカガラスを堆積させ、シリカガラス層６０２を形成する。このシリカガラス層６０２は、後工程の線引き後に第一クラッド３になる部分である。

シリカガラス層６０２の形成は、コア母材に含まれる３０ｍｍ周期の細径のロッド６０１の軸方向のＹｂ添加濃度分布に一致させて、プラズマトーチ６０３に供給される原料ガスに含まれる開口数調整用元素である弗化化合物の濃度を、例えば、図５に示したＦ添加濃度分布を長さ方向に１／１０００に圧縮した濃度分布になるように変化させながら行う。プラズマトーチ６０３は、プラズマ外付化学気相堆積法の実施中、シリカガラス層６０２を形成する領域に亘って往復移動させる（図２５Ｂ：ステップＳ４０４）。これにより、外径が１１ｍｍの光ファイバのプリフォーム６０４を製作する（図２５Ｃ：ステップＳ４０５）。

次に、このようにして製作されたプリフォーム６０４を、ファイバ化工程（線引）で線引きすることによって１０００倍の長さに引き伸ばし、外径３５０μｍの光ファイバを製作する。ファイバ化工程によって、コア径は３５μｍになる。ファイバ化工程内で、光ファイバの外側にＵＶ硬化ポリマー等で第二クラッド４を形成する。図２５ＣのステップＳ４０５が終わった段階でプリフォーム６０４の有効長が９００ｍｍであれば、１本のプリフォーム６０４から長さ３０ｍのファイバレーザ用光ファイバを３０本製造できる。

この製造方法によれば、ファイバレーザ用光ファイバ１の長さ方向に希土類元素の添加濃度が変化しているコア２の周囲に、希土類元素の添加濃度の変化に対応して屈折率を変えることができる開口数調整用元素の添加濃度が制御された第一クラッド３を容易に形成することができる。

１ ファイバレーザ用光ファイバ
２ コア
３ 第一クラッド（励起クラッド）
４ 第二クラッド
５，１０５，２０５ ファイバレーザ
６ 発振器部
７ 前方励起部
８ 後方励起部
９ レーザダイオードモジュール（ＬＤＭ）
１０ テーパーファイババンドル（ＴＦＢ）
１１ 高反射ファイバブラッググレーティング（ＨＲＦＢＧ）
１２ 出力カプラー・ファイバブラッググレーティング（ＯＣＦＢＧ）
１３ ビームデリバリ部
１４ デリバリファイバ
１５ レーザ光
１６ 冷却板
１７ 熱伝導接着剤
１８ ビームコンバイナ
３０１ 基板
３０２ スート
３０３シリカガラス
３０４ ディスク
３０５，４０７，５０２ シリカチューブ
３０６，４０９，５０５ 酸水素バーナー
３０７，４１０，５０６，６０４ プリフォーム
４０１ ガラス種棒
４０２ スート体
４０２ａ スート堆積面
４０３ ヒーター
４０４ 高温炉
４０５、４０５ａ，６０１ ロッド
４０６ バーナー
４０８ ロッドインチューブ
４１１ 面形状モニタリング装置
５０１ 高周波キャビティ
５０３，６０２ シリカガラス層
５０４ 高周波誘導熱プラズマ
６０３ プラズマトーチ

Claims (13)

1. 希土類元素が添加されたコアと、前記コアの周囲に形成された第一クラッドと、前記第一クラッドの周囲に形成された第二クラッドと、を備え、前記第一クラッドの少なくとも一方の端部から励起光を導光し、前記希土類元素を励振させてレーザ発振光を出力するファイバレーザ用光ファイバにおいて、
   前記コアへの前記希土類元素の添加濃度は、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向における励起光を導光する前記端部に近い領域ほど、他の領域と比較して低く、
   前記ファイバレーザ用光ファイバのコア径は、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定であり、且つ、前記ファイバレーザ用光ファイバの開口数は、前記コアの屈折率を変化させる屈折率調整用元素が、前記コアへの前記希土類元素の添加濃度の変化による前記コアの屈折率の変化を打ち消して、前記コアの屈折率を前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定に保つように、前記コアに添加されることによって、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定である、ファイバレーザ用光ファイバ。
2. 希土類元素が添加されたコアと、前記コアの周囲に形成された第一クラッドと、前記第一クラッドの周囲に形成された第二クラッドと、を備え、前記第一クラッドの少なくとも一方の端部から励起光を導光し、前記希土類元素を励振させてレーザ発振光を出力するファイバレーザ用光ファイバにおいて、
   前記コアへの前記希土類元素の添加濃度は、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向における励起光を導光する前記端部に近い領域ほど、他の領域と比較して低く、
   前記ファイバレーザ用光ファイバのコア径は、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定であり、且つ、前記ファイバレーザ用光ファイバの開口数は、前記第一クラッドの屈折率を変化させる開口数調整用元素が、前記コアへの前記希土類元素の添加濃度の変化による前記コアの屈折率の変化によって発生する前記ファイバレーザ用光ファイバの開口数の変化に対して、前記ファイバレーザ用光ファイバの開口数を前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定に保つように、前記第一クラッドに添加されることによって、前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って一定である、ファイバレーザ用光ファイバ。
3. 請求項１又は２に記載のファイバレーザ用光ファイバと、
   前記ファイバレーザ用光ファイバの端部に接続されたテーパーファイババンドルと、
   前記テーパーファイババンドルを介して前記ファイバレーザ用光ファイバの前記第一クラッドに導光させる励起光を出射する複数個の光源と、を備える、ファイバレーザ。
4. 前記ファイバレーザ用光ファイバは、定格光出力時あるいは最大光出力時に、前記ファイバレーザ用光ファイバの温度が前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って均一になるように、前記希土類元素の添加濃度分布が前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って制御されたものである、請求項３に記載のファイバレーザ。
5. 前記第一クラッドに励起光を一方向から導光するファイバレーザであって、
   前記ファイバレーザ用光ファイバは、定格光出力時あるいは最大光出力時に、前記ファイバレーザ用光ファイバの温度が、前記ファイバレーザ用光ファイバの全長のうち、励起光を導光する前記端部側から５０％以上の長さの部分で一定温度になり、残りの長さの部分で前記一定温度よりも低温になるように、前記希土類元素の添加濃度分布が前記ファイバレーザ用光ファイバの長さ方向に沿って制御されたものである、請求項３に記載のファイバレーザ。
6. 前記ファイバレーザ用光ファイバの少なくとも一部が、熱伝導部材製の冷却板に形成された溝であって少なくとも前記ファイバレーザ用光ファイバの外径よりも深い溝の内側に、熱伝導接着剤あるいは熱伝導ペーストによって敷設されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載のファイバレーザ。
7. 前記ファイバレーザ用光ファイバは互いに交差する部分を有し、
   前記冷却板は、前記ファイバレーザ用光ファイバが交差する部分において、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバのうちの一方が敷設される前記溝と他方が敷設される前記溝との深さを異ならせることによって、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバ同士が接触しないように構成されているか、又は、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバのうちの一方が敷設される前記溝を跨ぐように熱伝導部材製の架橋が設けられ、前記架橋上に、交差する前記ファイバレーザ用光ファイバのうちの他方が敷設されるように構成されている、請求項６に記載のファイバレーザ。
8. 請求項３〜７のいずれか１項に記載のファイバレーザを複数備えると共に、前記複数のファイバレーザからそれぞれ出射されるレーザ出力を一本の光ファイバに結合するビームコンバイナを更に備える、ファイバレーザ。
9. 請求項１に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、
   中空のシリカガラス製のチューブの内側に、前記希土類元素の添加濃度及び前記コアの屈折率を変化させる前記屈折率調整用元素を厚さ方向に変化させたシリカガラス製のディスクを複数枚積層し、
   次いで、加熱によって前記チューブと前記ディスクとを互いに融着させてプリフォームを製作し、
   次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする、ファイバレーザ用光ファイバの製造方法。
10. 請求項１に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、
    気相軸付堆積法によって、前記希土類元素の添加濃度及び前記コアの屈折率を変化させる前記屈折率調整用元素を軸方向に周期的に変化させながらスートを成長させてスート体を製作し、
    次いで、前記スート体をシリカガラス化することによりロッドを製作し、
    次いで、前記ロッドを中空のシリカガラス製のチューブの内側に配置してロッドインチューブを製作し、
    次いで、前記ロッドインチューブをコラップスしてプリフォームを製作し、
    次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする、ファイバレーザ用光ファイバの製造方法。
11. 請求項１に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、
    中空のシリカガラス製のチューブの内側に、プラズマ化学気相堆積法によって、前記チューブ内に発生した高周波誘導熱プラズマによりシリカガラスが堆積する位置の前記チューブの長さ方向の移動に合せて周期的に前記希土類元素の濃度及び前記コアの屈折率を変化させる前記屈折率調整用元素を変化させた原料ガスを供給して前記シリカガラスを堆積させ、
    次いで、前記チューブをコラップスしてプリフォームを製作し、
    次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする、ファイバレーザ用光ファイバの製造方法。
12. 請求項２に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法であって、
    気相軸付堆積法によって、軸方向に周期的に前記希土類元素の添加濃度を変化させながらスートを成長させてスート体を製作し、
    次いで、前記スート体をシリカガラス化してロッドを製作し、
    次いで、前記ロッドをコア母材として、前記コア母材の外面上に、前記コア母材に含まれる前記希土類元素の添加濃度変化の前記ロッドの軸方向の周期に一致させて、原料ガスに含まれる開口数調整用元素の濃度を変化させながら、プラズマ外付化学気相堆積法によって、前記第一クラッドになるシリカガラスを軸方向に堆積させてプリフォームを製作し、
    次いで、前記プリフォームを加熱しながら線引きする、ファイバレーザ用光ファイバの製造方法。
13. 前記スート体を製造する製造装置は、四塩化珪素の酸水素火炎加水分解法によって前記スートを堆積させるためのバーナーと、スート堆積面の面形状をモニタリングする面形状モニタリング装置と、を備え、
    前記面形状モニタリング装置によるモニタリング結果をフィードバックして、前記スート堆積面の面形状が前記スート体の中心軸に垂直な平面になるように、前記バーナーの火力を調節しながら、前記スートを堆積させる、請求項１０又は１２に記載のファイバレーザ用光ファイバの製造方法。

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