CN113474952A - 活性元素添加光纤、谐振器、以及光纤激光装置 - Google Patents

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Abstract

纤芯(11)包含第一区域(11a)和第二区域(11b)。第一区域(11a)是从中心轴到半径ra的区域，添加有可通过激励光进行激励的活性元素，第二区域(11b)是无间隙地包围第一区域(11a)并到纤芯(11)的外周面的区域，未添加活性元素，在将纤芯(11)的半径设定为d的情况下，0.1d＜ra＜d，在将纤芯(11)的径向上的距中心轴的距离设定为r的情况下，在0≦r≦0.1d的区域中的活性元素的浓度的平均值比0.1d＜r≦ra的区域中的活性元素的浓度的平均值高，在0.2d＜r≦0.9d的区域中，至少存在一处折射率比0≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值高且折射率极大的极大值位置。

Description

活性元素添加光纤、谐振器、以及光纤激光装置
技术领域
本发明涉及一种能够抑制光束品质劣化的活性元素添加光纤、谐振器、以及光纤激光装置。
背景技术
光纤激光装置因聚光性优异、功率密度高且能够获得光斑点小的光而应用于激光加工领域、医疗领域等各领域。就这种光纤激光装置而言，其射出光正在高输出化。但是，如果光纤内的光功率密度提高，则容易产生由受激拉曼散射引起的光波长转换，射出非目标波长的光。在这种情况下，由被加工体等反射的光会再次回到光纤激光装置中并放大，从而导致在设计上应放大的波长的光的放大不稳定而引发输出不稳定。
作为抑制光纤中的受激拉曼散射的方法，可举出使在纤芯中传播的光的有效截面积增大的方法。作为增大该有效截面积的方法之一，可举出增大纤芯直径的方法。因此，为了抑制光纤中的受激拉曼散射，例如使用具有能够以少模来传播光的纤芯的光纤。
在光纤激光装置中，从聚光性的观点等出发，优选射出的光的光束品质优异，因此即使在如上述这样通过使用具有能够以少模来传播光的纤芯的光纤来增大光的有效截面积的情况下，也要求希望抑制基本模式以外的模式的光被激励的情况。此外，光束品质例如用M2(M平方)等来表示。因此，使用如下述专利文献1所记载的活性元素添加光纤那样的，具有能够以少模来传播光的纤芯的活性元素添加光纤，并且抑制高次模的光的放大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5124701号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
但是，需要能够进一步抑制光束品质劣化的活性元素添加光纤。因此，本发明的目的在于，提供一种能够抑制光束品质劣化的活性元素添加光纤、谐振器、以及光纤激光装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明是一种活性元素添加光纤，其具备纤芯，其特征在于，所述纤芯包含第一区域和第二区域，所述第一区域是从中心轴到半径ra的区域，在该第一区域中添加有可通过激励光进行激励的活性元素，所述第二区域是无间隙地包围所述第一区域并到所述纤芯的外周面的区域，在该第二区域中未添加所述活性元素，在将所述纤芯的半径设定为d的情况下，0.1d＜ra＜d，在将所述纤芯的径向上的距中心轴的距离设定为r的情况下，在0.2d＜r≦0.9d的区域中，至少存在一处折射率比0≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值高且折射率极大的极大值位置。
本发明人关于活性元素添加光纤发现了以下情况。即，通过在上述范围的第一区域中添加活性元素，在上述范围的第二区域中不添加活性元素，能够放大在纤芯中传播的LP01模式的光，并且能够抑制高次模的光的放大。另一方面，在0.2d＜r≦0.9d的区域中，至少存在一处折射率比0≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值高且折射率极大的极大值位置，从而抑制了LP01模式的光过度集中于中心轴附近，能够增大LP01模式的光的有效截面积。因此，能够抑制受激拉曼散射的发生。因此，根据本发明的活性元素添加光纤，能够抑制光束品质劣化。
另外，优选0≦r≦0.1d的区域中的所述活性元素的浓度的平均值比0.1d＜r≦ra的区域中的所述活性元素的浓度的平均值高。
在这种情况下，能够进一步放大在纤芯中传播的LP01模式的光。
可以是，0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值比1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值高。
在这种情况下，通过增大0.2d＜r＜0.9d的范围中的折射率的极大值，从而能够进一步扩大在纤芯中传播的光的有效截面积。
另外，可以是，0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值比1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值低。
在这种情况下，通过增大r＜0.1d的范围中的折射率的极大值，从而能够减小在纤芯中传播的光的有效截面积。
另外，可以是，0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值与1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值相等。
此外，“0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值与1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值相等”是指：0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值与1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值的差为－0.0077％以上且0.0089％以下的情况。在这种情况下，如果r＜0.1d的范围中的折射率的极大值使有效截面积减小的效果与0.2d＜r＜0.9d的范围中的折射率的极大值使有效截面积扩大的效果相等，则能够将本发明的光纤与具有矩形的折射率分布的光纤连接并抑制光损失。
另外，进一步优选ra≦0.75d。
在这种情况下，与ra＞0.75d的情况相比，能够显著地抑制在纤芯中传播的高次模的光的放大，并能够更加显著地抑制光束品质劣化。
另外，进一步优选ra≦0.7d。
在这种情况下，与0.7d＜ra≦0.75d的情况相比，能够显著地抑制在纤芯中传播的高次模的光的放大，并能够更加显著地抑制光束品质劣化。
另外，进一步优选ra＜0.7d。
在这种情况下，与ra≧0.7d的情况相比，能够显著地抑制在纤芯中传播的高次模的光的放大，并能够更加显著地抑制光束品质劣化。
另外，优选0.4d＜ra。
在这种情况下，与ra≦0.4d的情况相比，能够进一步提高光的放大效率。
而且，进一步优选0.5d＜ra。
在这种情况下，能够进一步提高光的放大效率。另外，能够抑制高次模的放大，并且能够高效地放大基本模式。
另外，优选0≦r≦0.1d的区域中的折射率的平均值比r＝0.2d的区域中的折射率高。
在这种情况下，能够进一步提高LP01模式的光的放大效率。
另外，所述活性元素可以是镱。
另外，在所述活性元素是镱的情况下，优选在0.338d＜r≦0.614d的区域中，至少存在一处所述极大值位置。
在这种情况下，能够进一步抑制LP01模式的光过度集中于纤芯的中心，并且抑制LP01模式的光从第一区域的溢出量，能够高效地放大LP01模式的光。另外，通过极大值位置存在于这样的范围，从而能够有效地扩大活性元素添加光纤中的LP01模式的光的有效截面积，能够抑制受激拉曼散射的发生，能够抑制光束品质劣化。
另外，在所述活性元素是镱的情况下，优选0.595d≦ra≦0.716d。
通过使纤芯的第一区域成为这样的范围，从而能够有效地扩大活性元素添加光纤中的LP01模式的光的有效截面积，能够抑制受激拉曼散射的发生，能够抑制光束品质劣化。
另外，优选1.1ra＜r≦0.9d的区域的相对折射率差的标准偏差为0.004以下。
纤芯的外周侧的折射率容易对在纤芯中传播的光的功率分布产生影响。因此，根据这样的结构，能够抑制光功率意外地紊乱。因此，能够进一步抑制光束品质的降低。
在这种情况下，优选至少1.1ra＜r≦0.9d的区域由仅添加有锗的石英构成。
在1.1ra＜r≦d的区域由仅添加有锗的石英构成的情况下，容易使1.1ra＜r≦0.9d的区域的相对折射率差的标准偏差为0.01以下。
另外，可以是，所述极大值位置位于所述第一区域，在所述第一区域的至少一部分中还添加有使所述纤芯的折射率上升的上升掺杂剂，所述上升掺杂剂的浓度在所述极大值位置最大。
利用这样的结构，能够在第一区域形成极大值位置。
另外，可以是，所述极大值位置位于所述第一区域，在所述第一区域的至少一部分中还添加有使所述纤芯的折射率降低的降低掺杂剂，所述降低掺杂剂的浓度在所述极大值位置最小。
利用这样的结构，能够在第一区域形成极大值位置。
或者，可以是，所述极大值位置位于所述第一区域，在所述第一区域的至少一部分中还添加有使所述纤芯的折射率上升的上升掺杂剂和使所述纤芯的折射率降低的降低掺杂剂，所述上升掺杂剂与所述降低掺杂剂的浓度差在所述极大值位置最大。
利用这样的结构，能够在第一区域形成极大值位置。
另外，可以是，该活性元素添加光纤还具备无间隙地包围所述纤芯的外周面的包层，所述纤芯中的0≦r≦0.1d的区域中的相对于所述包层的相对折射率差的平均值为所述极大值位置的相对折射率差的值以下，所述纤芯的相对于所述包层的相对折射率差的平均值为0.10％以上，所述极大值位置为0.45d以上。
此外，也可以存在多个极大值位置。这里，存在多个极大值时的“极大值位置的相对折射率差的值以下”是指：多个极大值位置中的与最大的相对折射率差的值对应的极大值位置的相对折射率差的值以下。另外，在光纤具备无间隙地包围纤芯的内侧包层和无间隙地包围该内侧包层的外侧包层的情况下，有时仅将内侧包层称为包层。
通过例如这样构成活性元素添加光纤，从而能够增大上述有效截面积。
或者，可以是，该活性元素添加光纤还具备无间隙地包围所述纤芯的外周面的包层，所述纤芯中的0.055d≦r≦0.1d的区域中的相对于所述包层的相对折射率差的平均值为所述极大值位置的相对折射率差的值以上，所述纤芯的相对于所述包层的相对折射率差的平均值比0％大且为0.18％以下，所述极大值位置为0.55d以下。
此外，在这种情况下，也可以存在多个极大值位置。这里，存在多个极大值时的“极大值位置的相对折射率差的值以上”是指：多个极大值位置中的与最大的相对折射率差的值对应的极大值位置的相对折射率差的值以上。
通过例如这样构成活性元素添加光纤，从而能够增大上述有效截面积。
另外，可以是，所述纤芯具有折射率随着从所述极大值位置至少朝向所述纤芯的内侧而逐渐降低的折射率分布。
关于这样的折射率分布，例如与矩形的折射率分布、或相对于矩形的折射率分布而言折射率以极大值位置和其附近呈上凸状的方式突出的折射率分布相比，极大值位置附近的折射率分布中的端部附近容易进一步远离纤芯的中心轴。这样，通过使极大值位置附近的折射率分布的端部附近远离纤芯的中心轴，从而能够进一步抑制LP01模式的光过度集中于纤芯中心轴附近，并且能够进一步增大LP01模式的光的有效截面积。因此，能够抑制受激拉曼散射的发生，且抑制了光束品质劣化并能够放大光。
另外，为了解决上述技术问题，本发明的谐振器的特征在于，具备：上述任一项的活性元素添加光纤；第一反射镜，其在所述活性元素添加光纤的一侧，与所述活性元素添加光纤的所述纤芯进行光学耦合，并对被激励的所述活性元素放出的光的至少一部分的波长的光进行反射；以及第二反射镜，其在所述活性元素添加光纤的另一侧，与所述活性元素添加光纤的所述纤芯进行光学耦合，并以比所述第一反射镜低的反射率对所述第一反射镜反射的光中的至少一部分的波长的光进行反射。
根据该谐振器，能够在第一反射镜与第二反射镜之间往来的光中，放大LP01模式的光，并且抑制高次模的光的放大。因此，能够射出抑制了光束品质劣化的光。
另外，为了解决上述技术问题，本发明的光纤激光装置的特征在于，具备：上述任一的活性元素添加光纤；以及光源，其射出对所述活性元素进行激励的光。
由于能够如上述这样通过该活性元素添加光纤来抑制光束品质劣化并能够放大光，因此使用该光纤激光装置能够射出抑制了光束品质劣化的光。
(三)有益效果
如上所述，根据本发明，提供一种能够抑制光束品质劣化的活性元素添加光纤、谐振器、以及光纤激光装置。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的光纤激光装置的图。
图2是表示活性元素添加光纤的垂直于长度方向的剖面状态图。
图3是表示活性元素添加光纤的纤芯中所添加的活性元素的浓度分布的图。
图4是表示活性元素添加光纤的纤芯的折射率分布状况的图。
图5是表示纤芯半径与第一区域半径之比、和从活性元素添加光纤射出的光的光束品质的关系的图。
图6是表示纤芯半径与第一区域半径之比、和从入射到活性元素添加光纤的激励光转换为从活性元素添加光纤射出的光的转换效率的关系的图。
图7是表示光纤激光装置的变形例的图。
图8是包层的直径与断裂概率的关系的图。
图9是表示添加到纤芯的第一区域中的铝的浓度分布的图。
图10是表示添加到纤芯的第一区域中的磷的浓度分布的图。
图11是表示添加到纤芯的第一区域中的铝与磷的浓度差分布的一例的图。
图12是表示添加到纤芯的第一区域中的铝与磷的浓度差分布的另一例的图。
图13是表示在纤芯的第一区域添加有铝而未添加磷的情况下的铝的浓度分布的一例的图。
图14是表示在纤芯的第一区域添加有磷而未添加铝的情况下的磷的浓度分布的一例的图。
图15是表示在纤芯的第一区域添加有硼的情况下的浓度分布的一例的图。
图16是表示比较例的活性元素添加光纤的纤芯的折射率分布的一例的图。
图17是表示本发明的活性元素添加光纤的有效截面积与阶跃型光纤的有效截面积的差、和本发明的活性元素添加光纤的纤芯中的极大值位置的关系的一例的图。
图18是表示本发明的活性元素添加光纤的有效截面积与阶跃型光纤的有效截面积的差、和本发明的活性元素添加光纤的纤芯中的极大值位置的关系的另一例的图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的光纤及激光装置的优选实施方式进行详细说明。以下所例示的实施方式用于使本发明容易理解而非限定解释本发明。本发明能够不脱离其宗旨地进行变更、改进。此外，为了容易理解，各图中的比例有可能与在以下说明中记载的比例不同。另外，以下有时存在这样的情况，即：用折射率进行说明的部位也可以用相对折射率差来进行说明，用相对折射率差进行说明的部位也可以用折射率差来进行说明。
图1是表示本实施方式的激光装置的图。如图1所示，本实施方式的光纤激光装置1是谐振器型的光纤激光装置，作为主要结构而具备：活性元素添加光纤10、激励光源20、第一光纤30、设置于第一光纤30的第一FBG35、第二光纤40、设置于第二光纤40的第二FBG45、光合并器50、第三光纤60。
＜活性元素添加光纤的结构＞
图2是表示图1所示的活性元素添加光纤10的剖面状态的剖视图。如图2所示，作为主要结构，活性元素添加光纤10具备：纤芯11、无间隙地包围纤芯11的外周面的内侧包层12、包覆内侧包层12的外周面的外侧包层13、以及包覆外侧包层13的包覆层14。内侧包层12的折射率比纤芯11的折射率低，外侧包层13的折射率比内侧包层12的折射率低。也就是说，活性元素添加光纤10是所谓的双包层光纤。
纤芯11具有第一区域11a和第二区域11b。以下将纤芯11的半径设定为d，并将纤芯11的径向上的距中心轴C的距离设定为r，来进行说明。第一区域11a是从中心轴C到半径ra的区域。也就是说，第一区域11a是0≦r≦ra的区域。但是，第一区域11a的半径ra比纤芯11的半径d的10％大且为75％以下。也就是说，0.1d＜ra≦0.75d。另外，第二区域11b是包围第一区域11a并从第一区域11a的外周面到纤芯11的外周面的区域。也就是说，第二区域11b是无间隙地包围第一区域11a且ra＜r≦d的区域。
在纤芯11的一部分中添加有可通过从激励光源20射出的激励光进行激励的活性元素。图3是表示活性元素添加光纤10的纤芯11中所添加的活性元素的浓度分布的图。如图3所示，第一区域11a由整体添加有上述活性元素的石英玻璃构成，第二区域11b由未添加上述活性元素的石英玻璃构成。因此，如果假设活性元素添加到径向的规定区域，则在本实施方式中，第一区域11a为该规定区域，该规定区域的半径为ra。
此外，添加有活性元素的区域是指添加有0.5wt％以上的活性元素的区域，由于在制造活性元素添加光纤时活性元素扩散等，检出活性元素的浓度低于0.5wt％的区域不称为添加有活性元素的区域，而是未添加活性元素的区域。因此，在第一区域11a中整体添加0.5wt％以上的活性元素，即使从第二区域11b中检出活性元素，那也是噪声、制造时误差等，检出量是低于0.5wt％的量。
第一区域11a的中心附近的活性元素的浓度比其周围的添加有活性元素的区域中的该活性元素的平均浓度高。如图3所示，其中心附近是指纤芯的半径的10％的区域。也就是说，0≦r≦0.1d的区域中的活性元素的浓度的平均值比0.1d＜r≦ra的区域中的所述活性元素的浓度的平均值高。
在本实施方式中，添加于第一区域11a的活性元素为镱(Yb)，为了提高针对光暗化的耐性，在第一区域11a中还添加有铝及磷。另外，在第二区域11b添加有例如使折射率上升的锗(Ge)等掺杂剂。图4是表示活性元素添加光纤10的纤芯11的折射率分布状况的图。根据这样的添加物及其浓度分布，第一区域11a及第二区域11b成为图4所示的折射率分布。
此外，为了调整折射率，可以至少在一部分中添加氟(F)、硼(B)等掺杂剂。另外，虽然与本实施方式不同，添加于第一区域11a的活性元素也可以是镱以外的其它活性元素。作为这样的活性元素，且作为稀土类元素，除了镱之外可举出铥(Tm)、铈(Ce)、钕(Nd)、铕(Eu)、铒(Er)等，此外，作为活性元素，除了稀土类元素之外，还可举出铋(Bi)等。
如图4所示，纤芯11是从中心轴C到相对于内侧包层12相对折射率差为0.05％的区域，是相对于内侧包层12相对折射率差为0.05％的部分的内侧。在图4中，用虚线表示相对折射率差为0.05％的位置、即纤芯11的外周面的位置。此外，这样定义纤芯11的区域的理由是，即使相对折射率差不足0.05％的区域的形状发生一些变化，也几乎不会对活性元素添加光纤10的光学特性带来影响。此外，纤芯的相对折射率差是指：纤芯相对于包层中的与纤芯相邻的区域而言的相对折射率差。
在本实施方式中，在第二区域11b中，折射率从与第一区域11a的边界到内周附近上升，在从内周附近到外周附近的区域中，相对折射率差大致恒定，在外周附近的区域中，朝向内侧包层12，相对折射率差降低。在本实施方式中，1.1ra＜r≦0.9d的区域的相对折射率差的标准偏差为0.01以下，并且至少在第二区域11b中的1.1ra＜r≦d的区域中，仅添加锗来调节折射率。
在本实施方式中，0≦r≦0.1d的区域中的折射率的平均值比0.1d＜r≦ra的区域中的折射率的平均值高。另外，0≦r≦0.1d的区域中的折射率的平均值比r＝0.2d的区域中的折射率高。
另外，在0.2d＜r≦0.9d的区域中，至少存在一处折射率比0≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值高且折射率极大的极大值位置。更具体而言，极大值位置是指：具有比0≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值γ高的折射率的区域的径向长度γw是沿活性元素添加光纤10传播的光的波长的1/10以上的区域中的折射率的极大值的位置。如图4所示，在本实施方式中，这样的极大值位置存在两处，另外，折射率成为极小的位置存在两处。各个极大值位置存在于第一区域11a内，在第二区域11b内不存在这样的极大值位置。一个极大值位置存在于中心轴上，另一个极大值位置存在于0.4d＜r≦ra的区域内。在图4所示的例子中，另一个极大值位置存在于大致r＝0.5d的位置。在本实施方式中，该另一个极大值位置附近的折射率分布为，折射率随着从该极大值位置至少朝向所述纤芯的内侧而逐渐地降低。该折射率分布具有从极大值位置朝向纤芯11的中心轴侧折射率的单调减少结束的一个临界点，该一个临界点存在于从纤芯11的中心轴到极大值位置之间。此外，该折射率分布具有从极大值位置朝向包层侧折射率的单调减少结束的另一个临界点。另外，这些极大值位置上的折射率比标准偏差为0.01以下的1.1ra＜r≦0.9d的区域中的折射率高。
该活性元素添加光纤10是少模光纤，在至少波长为1070nm的光沿纤芯11传播的情况下，针对该光而言，除了基本模式的LP01模式的光之外至少能够传播LP11模式的光。因此，与活性元素添加光纤10是单模光纤的情况相比，能够增大光的有效截面积。此外，本实施方式的活性元素添加光纤10即使在传播波长为1030nm到1090nm的任意波长的光的情况下，除了基本模式的LP01模式的光之外，也至少能够传播LP11模式的光。
在此，对第一区域11a的半径ra进行说明。
图5是表示纤芯11的半径d与第一区域的半径ra的比和从活性元素添加光纤10射出的光的光束品质(M2)的关系的图。更具体而言，图5是通过数值模拟来估计在改变半径d与半径ra的比ra/d时沿纤芯11传播的光的模式被放大的程度，并将其换算成光束品质(M2)的图。如图5所示，得知，如果纤芯11的半径d与整体添加有活性元素的第一区域11a的半径ra的比ra/d超过0.7，即，在ra＞0.7d的情况下，光束品质开始稍微劣化。换言之，如果ra≦0.7d，则能够抑制光束品质劣化。另外，得知，在ra/d比0.7小的情况下，即，在ra＜0.7d的情况下，M2大致收敛为1，光束品质劣化被进一步抑制。另一方面，得知，如果上述比ra/d超过0.75，则高次模的放大变大，光束品质急剧劣化。也就是说，如上述这样，在活性元素添加光纤10的纤芯11中，通过使ra/d为0.75以下，即，通过使第一区域11a的半径ra为0＜ra≦0.75d，从而在活性元素添加光纤10中抑制高次模的放大，并抑制射出的光的光束品质劣化。这样，如果第一区域11a的半径ra为0＜ra≦0.75d，则在活性元素添加光纤10中抑制高次模的放大，并抑制射出的光的光束品质劣化。另外，如果0＜ra≦0.7d，则在活性元素添加光纤10中进一步抑制高次模的放大，并进一步抑制射出的光的光束品质劣化。
此外，在第一区域11a的半径ra比0.1d大的情况下，能够容易使用液浸法等已有的制造方法来制造活性元素添加光纤。
图6是表示纤芯11的半径d与第一区域11a的半径ra的比与从入射到活性元素添加光纤10的激励光转换为从活性元素添加光纤10射出的光的转换效率的关系的图。转换效率用“从活性元素添加光纤10射出的光的功率/入射到活性元素添加光纤10的激励光的功率”来表示。如图6所示，如果纤芯11的半径d与第一区域11a的半径ra的比(ra/d)是0.4，则为最大的转换效率的大致90％，另外，如果ra/d比0.4大，即，如果0.4d＜ra，则相对于转换效率的最大值的比率比90％大。此外，如上所述，在ra/d是0.75以下的情况下，抑制了射出的光的光束品质劣化。也就是说，如果ra/d是0.75以下，则通过使ra/d比0.4大，从而抑制转换效率降低并且能够制作光束品质良好的激光。因此，对于转换效率而言，优选纤芯11的半径d与第一区域11a的半径ra的比大于0.4的。也就是说，从能够提高光的放大效率的观点出发，优选0.4d＜ra。而且，如果纤芯11的半径d与第一区域11a的半径ra的比是0.5，则为最大的转换效率的大致97％。因此，对于转换效率而言，纤芯11的半径d与第一区域11a的半径ra的比大于0.5是更优选的。也就是说，从能够进一步提高光的放大效率的观点出发，优选0.5d＜ra。另外，如果0.5d＜ra，则能够抑制高次模的放大，并且能够高效地放大基本模式。
＜活性元素添加光纤以外的结构＞
第一光纤30是纤芯的结构不同于活性元素添加光纤10的纤芯11的结构的双包层光纤。第一光纤30连接于活性元素添加光纤10的一个端部。因此，活性元素添加光纤10的纤芯11与第一光纤30的纤芯进行光学耦合，活性元素添加光纤10的内侧包层12与第一光纤30的内侧包层光学耦合。
第一光纤30的纤芯主要在未添加有活性元素这一点与活性元素添加光纤10的纤芯11不同。第一光纤30为少模光纤，并传播与活性元素添加光纤10的纤芯11传播的光同样的光。因此，沿活性元素添加光纤10的纤芯11传播的各LP模式的光能够直接沿第一光纤30的纤芯传播。此外，第一光纤30的纤芯的定义与活性元素添加光纤10的纤芯11的定义相同。
如上所述，在第一光纤30中设置有第一FBG35。这样，第一FBG35配置于活性元素添加光纤10的一侧，并与活性元素添加光纤10的纤芯11光学耦合。对于第一FBG35而言，折射率比纤芯中的第一FBG35以外的部分高的高折射率部和折射率与纤芯中的第一FBG35以外的部分相同的低折射率部沿着纤芯的长度方向周期性重复。该高折射率部的重复图案例如通过对作为高折射率部的部位照射紫外线而形成。这样形成的第一FBG35作为第一反射镜构成，该第一反射镜对活性元素添加光纤10的纤芯11中所添加的活性元素成为激励状态时所放出的光中的含有规定波长的光进行反射。例如，在如本实施方式那样活性元素添加光纤10的纤芯11中所添加的活性元素是镱的情况下，上述规定波长例如为1030nm到1090nm，可举出1070nm等。另外，第一FBG35的反射率比后述的第二FBG45的反射率高，例如以99％以上的反射率对包含上述规定波长的光进行反射。
第二光纤40在不具有外侧包层这一点与第一光纤30不同，第二光纤40的其它结构与第一光纤30的外侧包层以外的结构相同。因此，第二光纤40的结构为，包层包围纤芯，包覆层包覆该包层。第二光纤40连接于活性元素添加光纤10的另一端部。因此，活性元素添加光纤10的纤芯11与第二光纤40的纤芯进行光学耦合，活性元素添加光纤10的内侧包层12与第二光纤40的包层光学耦合。因此，沿活性元素添加光纤10的纤芯11传播的少模的光以保持少模的方式沿第二光纤40的纤芯传播。此外，在图1所示的光纤激光装置1的结构的情况下，活性元素添加光纤10的内侧包层12与第二光纤40的包层可以不光学耦合。
在第二光纤40的芯线上如上述方式那样设置有第二FBG45。这样，第二FBG45配置于活性元素添加光纤10的另一侧，并与活性元素添加光纤10的纤芯11光学耦合。与第一FBG35同样地，第二FBG45通过高折射率部和低折射率部周期性重复而形成。第二FBG45作为第二反射镜构成，所述第二反射镜以比第一FBG35低的反射率对包含第一FBG35所反射的规定波长的光进行反射。在入射第一FBG35反射的光的情况下，第二FBG45以例如10％左右的反射率反射该光。这样，由第一FBG35、活性元素添加光纤10、第二FBG45来形成谐振器。另外，在本实施方式中，在第二光纤40的活性元素添加光纤10侧的相反侧的另一端没有特别连接任何部件，单页可以连接有直径比第二光纤40的纤芯大的玻璃棒等。
激励光源20由多个激光二极管21构成。在本实施方式中，激光二极管21是以例如GaAs类半导体为材料的法布里-珀罗型半导体激光器，射出中心波长为915nm的激励光。另外，激励光源20的各个激光二极管21连接于光纤25，从激光二极管21射出的激励光例如作为多模式光沿光纤25传播。
各个光纤25在光合并器50中连接于第一光纤30的一端。具体而言，各个光纤25的纤芯与第一光纤30的内侧包层连接，以便各个光纤25的纤芯与第一光纤30的内侧包层光学耦合。因此，各个激光二极管21射出的激励光经由光纤25入射到第一光纤30的内侧包层，并从第一光纤30的内侧包层入射到活性元素添加光纤10的内侧包层12。
第三光纤60是具有纤芯及包层的光纤。第三光纤60的纤芯在光合并器50中连接于第一光纤30的纤芯。因此，沿着第一光纤30的纤芯朝向光合并器50传播的光入射到第三光纤60的纤芯。另外，在第三光纤60的与第一光纤30连接的侧的相反的一侧，设置有将光转换成热的终端部65。
接着，对光纤激光装置1的操作进行说明。
首先，从激励光源20的各个激光二极管21射出激励光。该激励光从光纤25经由第一光纤30的内侧包层入射到活性元素添加光纤10的内侧包层12，并主要沿该内侧包层12传播。沿内侧包层12传播的激励光在通过纤芯11时激励添加于纤芯11的活性元素。成为激励状态的活性元素放出含有规定波长的波长带的自然放出光。以该自然放出光为起点，在第一FBG35及第二FBG45中共同反射的含有规定波长的光在第一FBG35与第二FBG45之间谐振。当谐振的光沿活性元素添加光纤10的纤芯11传播时，激励状态的活性元素引起感应放出，谐振的光被放大。谐振的光中的一部分的光透射第二FBG45，并从第二光纤40射出。并且，在包含第一FBG35、活性元素添加光纤10、第二FBG45的谐振器内的增益和损失相等时而成为激光振荡状态，从第二光纤40射出恒定功率的光。
此外，从活性元素添加光纤10侧向第一光纤30传播并透射第一FBG35的光的大部分在终端部65中被转换成热而消灭。
另外，如上述这样，活性元素添加光纤10、第一光纤30以及第二光纤40是分别能够传播LP11模式的光的少模光纤。因此，在第一光纤30与活性元素添加光纤10的连接点、以及第二光纤40与活性元素添加光纤10的连接点或其它的位置上，能够激励LP11模式的光。但是，在活性元素添加光纤10中，LP01模式的光被放大，并抑制了高次模的光的放大。因此，从第二光纤40射出的光能够成为抑制了LP11模式的光的放大的光。因此，根据本实施方式的光纤激光装置1，能够射出抑制了光束品质劣化的光。
如以上说明的那样，在本实施方式的活性元素添加光纤10中，整体添加有活性元素的第一区域11a的半径ra是0.1d＜ra≦0.75d，第二区域11b未添加活性元素。并且，0≦r≦0.1d的区域中的活性元素的浓度的平均值比0.1d＜r≦ra的区域中的所述活性元素的浓度的平均值高，在0.2d＜r≦0.9d的区域中，以比0≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值高的折射率而至少存在一处极大值位置。
通过在上述半径的第一区域11a中添加活性元素，在第二区域11b中未添加活性元素，能够放大沿纤芯11传播的基本模式的光，并且能够抑制高次模的光的放大。另外，通过使0≦r≦0.1d的区域中的活性元素的浓度的平均值比0.1d＜r≦ra的区域中的活性元素的浓度的平均值高，从而能够进一步放大在纤芯中传播的LP01模式的光。另一方面，在0.2d＜r≦0.9d的区域中，以比0≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值高的折射率而至少存在一处极大值位置，从而抑制LP01模式的光过度集中于中心轴附近，并能够增大LP01模式的光的有效截面积。因此，能够抑制受激拉曼散射的发生。因此，根据本实施方式的活性元素添加光纤，抑制了光束品质劣化并能够放大光。
另外，如上所述，上述另一个极大值位置附近的折射率分布为，折射率随着从该极大值位置至少朝向所述纤芯的内侧而逐渐地降低。在这样的折射率分布中，例如，与相对于矩形的折射率分布而言折射率以极大值位置和其附近呈上凸状的方式突出的折射率分布的情况相比，极大值位置容易与折射率倾斜的程度相应地远离中心轴。这样，通过极大值位置远离中心轴，从而能够进一步抑制LP01模式的光过度集中于纤芯中心轴附近，并且能够进一步增大LP01模式的光的有效截面积。因此，能够抑制受激拉曼散射的发生，抑制了光束品质劣化并能够放大光。
因此，根据具有该活性元素添加光纤的谐振器、以及光纤激光装置1，能够射出抑制了光束品质劣化的光。
另外，在本实施方式的活性元素添加光纤10中，0≦r≦0.1d的区域中的折射率的平均值比r＝0.2d的区域中的折射率高。因此，能够进一步提高LP01模式的光的放大效率。但是，r＝0.2d的区域中的折射率可以是0≦r≦0.1d的区域中的折射率的平均值以上。
另外，在本实施方式的活性元素添加光纤10中，在0.4d＜r≦ra的区域中，至少存在一处极大值位置。因此，能够抑制LP01模式的光过度集中于纤芯11的中心，并且抑制LP01模式的光从第一区域11a溢出，能够高效地放大LP01模式的光。此外，极大值位置可以不存在于这样的范围。
另外，在本实施方式的活性元素添加光纤10中，1.1ra＜r≦0.9d的区域的相对折射率差的标准偏差为0.01以下。一般而言，纤芯的外周侧的折射率容易影响在纤芯中传播的光的功率分布。因此，根据这样的结构，能够抑制光功率意外地紊乱。此外，1.1ra＜r≦0.9d的区域的相对折射率差的标准偏差可以不是0.01以下。
另外，在本实施方式的活性元素添加光纤10中，1.1ra＜r≦d的区域由仅添加有锗的石英构成。因此，容易使1.1ra＜r≦0.9d的区域的相对折射率差的标准偏差为0.01以下。但是，只要不在第二区域11b中添加活性元素，也可以在1.1ra＜r≦d的区域添加锗以外的掺杂剂。
以上以实施方式为例对本发明进行了说明，但是本发明并不限于上述实施方式而解释，能够在实现本发明的目的的范围内适当变更结构。
例如，优选上述实施方式的活性元素添加光纤10的LP02模式的光的理论截止波长比1760nm短。通过这样设定LP02模式的光的理论截止波长，例如，在使活性元素添加光纤10以直径120mm弯曲并使1070nm的光在活性元素添加光纤10中传播的情况下，在该弯曲成直径120mm的活性元素添加光纤10的部位，能够使LP02模式的截止波长比1070nm短，能够传播LP01模式的光并使LP02模式的光泄漏。图7是表示光纤激光装置1的变形例的图。具体而言，图7是表示具有这样将活性元素添加光纤10以直径120mm弯曲的部位的光纤激光装置的图。此外，在图7的说明中，对与在上述实施方式中说明的结构同样的结构标注相同的附图标记，除了特别说明的情况外，省略重复的说明。在图7的光纤激光装置1中，活性元素添加光纤10的LP02模式的光的理论截止波长比1760nm短，且具有将活性元素添加光纤10以直径120mm弯曲的屈曲部15，在这些方面与上述实施方式的光纤激光装置不同。通过在该屈曲部15传播波长为1760nm的光，从而能够使LP02模式的光泄漏。因此，通过活性元素添加光纤10具有屈曲部15，从而能够传播LP01模式的光并抑制偶模式的高次模的光的传播。
另外，如果将活性元素添加光纤10以直径120mm弯曲，则活性元素添加光纤10有可能断裂。因此，在这种情况下，优选活性元素添加光纤10的由石英玻璃构成的包层的直径在规定的大小以内。就该由石英玻璃构成的包层而言，在外侧包层13由树脂构成的情况下是内侧包层12，在外侧包层13由石英玻璃构成的情况下是内侧包层12及外侧包层13。图8是表示包层的直径与断裂概率的关系的图。该断裂概率是在将具有由石英玻璃构成的包层的光纤以直径120mm卷绕1周并施加光纤的长度伸长1％的载荷的情况下，8万小时后的光纤的断裂概率。根据图8，如果包层的直径是430μm以下，则能够将8万小时后的光纤的断裂概率抑制在10－6以下。因此，在外侧包层13由树脂构成的情况下，优选内侧包层12的直径为430μm以下，在外侧包层13由石英玻璃构成的情况下，优选外侧包层13的直径为430μm以下。
另外，在上述实施方式中，作为光纤激光装置，以谐振器型的光纤激光装置为例进行了说明，但使用了本发明的活性元素添加光纤10的光纤激光装置例如可以是向活性元素添加光纤10入射激励光及种子光的MO－PA(Master Oscillator-Power Amplifier：主振功率放大器)型的光纤激光装置。
另外，在上述实施方式中，将从中心轴C到相对于内侧包层12相对折射率差为0.05％的区域设定为纤芯11，但对于纤芯的区域而言，只要是从光纤的中心轴开始相对于内侧包层相对折射率差比0％大的区域，也可以不是到相对折射率差成为0.05％的区域。
另外，在上述实施方式中，说明了0≦r≦0.1d的区域中的活性元素的浓度的平均值比0.1d＜r≦ra的区域中的所述活性元素的浓度的平均值高的例子，但0≦r≦0.1d的区域中的活性元素的浓度的平均值也可以不比0.1d＜r≦ra的区域中的所述活性元素的浓度的平均值高。即使在0≦r≦0.1d的区域中的活性元素的浓度的平均值不比0.1d＜r≦ra的区域中的所述活性元素的浓度的平均值高的情况下，也能够得到可抑制光束品质劣化的活性元素添加光纤。
另外，0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值可以比1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值高。在这种情况下，通过增大0.2d＜r＜0.9d的范围中的折射率的极大值，从而能够进一步扩大在纤芯中传播的光的有效截面积。
另外，0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值可以比1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值低。在这种情况下，能够抑制沿光纤中传播的光的电场分布的扩展，并且能够减小在纤芯中传播的光的有效截面积。因此，能够扩大LP01模式与LP11模式的传播常数差，并且能够抑制光束品质劣化。
另外，0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值可以与1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值相等。在这种情况下，如果r＜0.1d的范围中的折射率的极大值使有效截面积减小的效果与0.2d＜r＜0.9d的范围中的折射率的极大值使有效截面积扩大的效果相等，则能够抑制光损失来连接本发明的光纤与具有矩形的折射率分布的光纤。
另外，可以由添加于纤芯的活性元素以外的元素形成上述极大值位置。下面对这一点进行说明。
例如，可以在纤芯的第一区域的至少一部分中与活性元素一起添加铝及磷。通过与活性元素一起向纤芯添加铝或者磷，从而能够抑制光暗化。另外，在共添加铝和磷的情况下，在铝的浓度比磷的浓度高的情况下，铝作为使折射率上升的上升掺杂剂发挥作用，磷作为使折射率减少的降低掺杂剂发挥作用。另一方面，在磷的浓度比铝的浓度高的情况下，磷作为上升掺杂剂发挥作用，铝作为降低掺杂剂发挥作用。因此，通过使铝和磷具有浓度差来将其共添加，从而能够抑制纤芯的折射率过度上升，并且能够抑制光暗化。在这样在第一区域中进一步添加上升掺杂剂和降低掺杂剂的情况下，例如，可以以图9所示的浓度分布添加铝，以图10所示的浓度分布添加磷。在这种情况下，形成图11所示那样的铝与磷的浓度差的分布，在浓度差成为最大的0.5d附近形成极大值位置。另外，根据图12那样的铝与磷的浓度差的分布，也在0.5d附近形成极大值位置。此外，通过调整添加于第一区域的上升掺杂剂及降低掺杂剂各自的浓度分布，从而能够在第一区域中的不同于0.5d附近的位置形成极大值位置。
另外，可以向纤芯的第一区域与活性元素一起添加上升掺杂剂。例如，可以向第一区域的至少一部分进一步添加铝作为上升掺杂剂。例如，在图13所示的例子中，添加铝以使得在图11所示的0.5d附近的极大值位置铝的浓度成为最大。如果以这样的浓度分布添加作为上掺杂剂的铝，则在0.5d附近折射率进一步上升，容易在0.5d附近形成极大值位置。另外，在图14所示的例子中，添加磷以使得在图4所示的0.5d附近的极大值位置磷的浓度成为最大。如果以这样的浓度分布添加作为上升掺杂剂的磷，则在0.5d附近折射率进一步上升，容易在0.5d附近形成极大值位置。此外，通过调整添加于第一区域的上升掺杂剂的浓度分布，能够在第一区域中的不同于0.5d附近的位置形成极大值位置。
另外，可以在纤芯的第一区域的至少一部分中与活性元素一起添加降低掺杂剂。例如，可以在第一区域进一步添加硼作为降低掺杂剂。例如，在图15所示的例子中，添加硼以使得在图11所示的0.5d附近的极大值位置硼的浓度成为最小。如果以这样的浓度分布添加作为降低掺杂剂的硼，则抑制0.5d附近的折射率降低，容易在0.5d附近形成极大值位置。此外，通过调整添加于第一区域的降低掺杂剂的浓度分布，从而能够在第一区域中的不同于0.5d附近的位置形成极大值位置。
此外，上升掺杂剂不限于上述，例如可以是锗。另外，降低掺杂剂不限于上述，例如可以是氟。
以下，举出实施例及比较例更具体地说明本发明，但本发明并不限于以下的实施例。
(实施例1～33)
作为实施例1～33而准备了图2所示的活性元素添加光纤。在这些活性元素添加光纤中，向第一区域11a整体添加镱，不向第二区域11b添加活性元素。另外，向第一区域添加铝、磷、硼而调整了折射率。在表1中示出实施例1～30的活性元素添加光纤的如下值。A：0≦r≦0.1d的区域中的镱的浓度的平均值(wt％)、B：0.1d＜r≦ra的区域中的所述活性元素的浓度的平均值(wt％)、C：0≦r≦0.1d的区域中的相对于内侧包层12的相对折射率差的平均值(％)、D：r＝0.2d的区域中的相对于内侧包层12的相对折射率差(％)、E：在0.2d＜r≦0.9d的区域中的极大值位置上的相对于包层的相对折射率差(％)、F：d＝1的情况下的极大值位置、G：d＝1的情况下的第一区域11a的半径ra、H：0≦r≦0.9d的区域中的相对于内侧包层12的相对折射率差的平均值(％)、I：1.1ra＜r≦0.9d的区域中的相对于内侧包层12的相对折射率差的分布的标准偏差。此外，实施例4的活性元素添加光纤的相对折射率分布如图4所示，添加于该活性元素添加光纤的纤芯的镱的浓度分布如图3所示。另外，各个活性元素添加光纤可以是LP02模式的理论截止波长比1760nm短的光纤。
表1
A B C D E F G H I
实施例1 2.54 2.11 0.184 0.121 0.18 0.529 0.676 0.142 0.002
实施例2 2.48 2.01 0.165 0.107 0.17 0.514 0.643 0.138 0.004
实施例3 2.44 2.01 0.160 0.108 0.17 0.529 0.662 0.135 0.003
实施例4 2.53 1.95 0.168 0.112 0.16 0.515 0.647 0.139 0.001
实施例5 2.56 1.94 0.155 0.112 0.15 0.515 0.632 0.137 0.002
实施例6 2.77 2.14 0.169 0.124 0.17 0.514 0.671 0.146 0.002
实施例7 2.71 2.15 0.190 0.138 0.18 0.458 0.639 0.156 0.001
实施例8 2.56 2.06 0.150 0.115 0.15 0.485 0.647 0.131 0.001
实施例9 2.79 2.14 0.160 0.119 0.15 0.471 0.662 0.134 0.001
实施例10 2.57 2.13 0.156 0.116 0.16 0.478 0.716 0.133 0.001
实施例11 2.64 2.07 0.164 0.120 0.15 0.471 0.632 0.134 0.001
实施例12 2.68 2.04 0.168 0.118 0.16 0.463 0.642 0.134 0.001
实施例13 2.39 2.02 0.178 0.133 0.19 0.514 0.639 0.149 0.001
实施例14 2.36 1.98 0.149 0.106 0.14 0.529 0.662 0.123 0.001
实施例15 2.54 1.93 0.148 0.110 0.15 0.537 0.672 0.126 0.001
实施例16 2.60 2.11 0.165 0.110 0.16 0.493 0.657 0.129 0.001
实施例17 2.05 1.70 0.182 0.117 0.14 0.500 0.632 0.131 0.001
实施例18 2.08 1.83 0.162 0.112 0.13 0.448 0.657 0.126 0.001
实施例19 2.15 1.79 0.164 0.118 0.14 0.463 0.642 0.131 0.001
实施例20 2.15 1.81 0.151 0.111 0.14 0.463 0.627 0.126 0.001
实施例21 2.21 1.82 0.148 0.107 0.14 0.463 0.627 0.121 0.002
实施例22 2.02 1.66 0.151 0.113 0.14 0.493 0.627 0.125 0.001
实施例23 2.06 1.73 0.152 0.112 0.15 0.530 0.652 0.129 0.001
实施例24 2.86 2.25 0.195 0.118 0.18 0.543 0.700 0.143 0.001
实施例25 2.57 2.06 0.171 0.106 0.17 0.529 0.643 0.134 0.001
实施例26 2.43 1.96 0.176 0.117 0.18 0.521 0.662 0.137 0.000
实施例27 2.12 1.76 0.186 0.117 0.16 0.507 0.597 0.142 0.001
实施例28 2.51 2.01 0.185 0.116 0.17 0.500 0.647 0.143 0.001
实施例29 2.37 1.86 0.171 0.116 0.18 0.507 0.627 0.143 0.001
实施例30 2.19 1.75 0.171 0.115 0.13 0.347 0.639 0.129 0.000
实施例31 2.20 1.79 0.161 0.120 0.14 0.338 0.606 0.130 0.001
实施例32 1.31 1.10 0.135 0.091 0.13 0.509 0.595 0.119 0.000
实施例33 1.37 1.00 0.125 0.103 0.11 0.614 0.667 0.104 0.000
(比较例1～33)
图16是表示比较例的活性元素添加光纤的纤芯的折射率分布的一例的图。在各个比较例中，0≤r≤0.9d的区域中的相对于包层的相对折射率差恒定，假设从r＝0.9d开始朝向外周侧该相对折射率差逐渐地降低，在r＝d的区域中，相对于包层的相对折射率差为0.05％。这表示，在0≦r≦0.9d的区域中，活性元素以恒定的浓度被添加，从r＝0.9d开始朝向外周侧活性元素的浓度逐渐地降低。在各个比较例的0≦r≦0.9d的区域中的相对于包层的相对折射率差与对应的实施例的H：0≦r≦0.9d的区域中的相对于内侧包层12的相对折射率差的平均值相同。因此，例如，在比较例1的0≦r≦0.9d的区域中的相对于包层的相对折射率差是与实施例1的H相同的值，是0.141(％)。以这样的条件进行了以下的模拟。
接着，通过模拟求出了使波长为1070nm的光在实施例1～33的活性元素添加光纤及比较例1～33的活性元素添加光纤各自的纤芯中传播的情况下的LP01模式的光的有效截面积(μm2)。在表2中示出其结果。
表2
实施例 比较例
1 397.2 336.2
2 439.2 352.7
3 433.1 346.8
4 429.9 341.7
5 437.5 346.0
6 401.5 354.2
7 389.5 347.5
8 434.9 344.2
9 401.6 341.2
10 393.6 337.8
11 405.9 341.9
12 403.9 337.8
13 383.0 362.3
14 391.4 351.8
15 438.8 345.0
16 425.2 344.2
17 404.5 348.3
18 405.0 345.0
19 413.0 344.2
20 409.8 341.8
21 434.0 344.4
22 427.2 346.8
23 403.2 335.2
24 392.8 355.5
25 404.9 357.7
26 397.2 362.5
27 384.5 332.9
28 402.3 336.9
29 401.7 330.2
30 412.7 389.4
31 401.6 379.8
32 894.6 890.8
33 1023.4 892.2
如表2所示，其结果为，实施例1～33的活性元素添加光纤中的LP01模式的光的有效截面积比对应的比较例1～33的活性元素添加光纤中的LP01模式的光的有效截面积大。可以考虑这是因为在实施例1～33的活性元素添加光纤中，在0.2d＜r≤0.9d的区域中，以比0≤r≤0.9d的区域中的相对折射率差的平均值高的相对折射率差而至少存在一处极大值位置。
另外，通过模拟求出了在使波长为1070nm的光在实施例1～33的活性元素添加光纤及比较例1～33的活性元素添加光纤各自的纤芯中传播的情况下从该活性元素添加光纤射出的光的光束品质(M2)。在表3中示出其结果。
表3
实施例 比较例
1 1.32 1.89
2 1.28 1.76
3 1.3 1.84
4 1.33 1.88
5 1.27 1.9
6 1.28 1.92
7 1.28 1.75
8 1.32 1.83
9 1.31 1.87
10 1.32 1.9
11 1.26 1.93
12 1.29 1.78
13 1.3 1.81
14 1.25 1.85
15 1.28 1.77
16 1.26 1.91
17 1.29 1.84
18 1.34 1.89
19 1.33 1.94
20 1.34 1.79
21 1.32 1.81
22 1.35 1.8
23 1.33 1.85
24 1.32 1.77
25 1.35 1.91
26 1.29 1.83
27 1.3 1.89
28 1.27 1.79
29 1.26 1.88
30 1.30 1.88
31 1.28 1.88
32 1.28 2.03
33 1.34 2.09
如表3所示，从实施例1～33的活性元素添加光纤射出的光的光束品质的值是比从对应的比较例1～33的活性元素添加光纤射出的光的光束品质的值小的值。即，其结果为，根据实施例1～30的活性元素添加光纤，与对应的比较例1～30的活性元素添加光纤相比，抑制了光束品质劣化。
此外，在表1～3所示的活性元素是镱的实施例1～33中，0≦r≦0.1d的区域中的镱的浓度的平均值是1.31wt％以上且为2.86wt％。另外，0.1d＜r≦ra的区域中的镱的浓度的平均值是1.00wt％以上且为2.25wt％。另外，0≦r≦0.1d的区域中的纤芯相对于包层的相对折射率差的平均值是0.125％以上且0.195％以下。另外，r＝0.2d的区域中的纤芯相对于包层的相对折射率差为0.091％以上且0.138％以下。另外，0.2d＜r≦0.9d的区域中的在极大值位置上的相对于包层的相对折射率差为0.11％以上且0.19％以下。另外，0≦r≦0.9d的区域中的相对于包层的相对折射率差的平均值是0.104％以上且0.156％以下。另外，1.1ra＜r≦0.9d的区域的相对折射率差的标准偏差为0.004以下。
接着，通过模拟对在如上述这样折射率极大的极大值位置存在于纤芯的活性元素添加光纤的该纤芯中传播的光的有效截面积、与在具有纤芯相对于包层的相对折射率差恒定的如图16所示那样的阶跃型的折射率分布的活性元素添加光纤的纤芯中传播的光的有效截面积的关系进行了调查。
具体而言，以阶跃型的活性元素添加光纤中的一个活性元素添加光纤的相对折射率差与具有极大值的多个活性元素添加光纤中的一个活性元素添加光纤的相对折射率差的平均值相同的、阶跃型的活性元素添加光纤和具有极大值的活性元素添加光纤的组作为上述模拟的对象。也就是说，以具有共同的平均值的光纤组作为模拟的对象。此外，多个光纤组各自中的共同的平均值按照光纤组而不同。
在上述模拟中，计算出了构成上述组的阶跃型的活性元素添加光纤及具有极大值的活性元素添加光纤各自的有效截面积，并求出了这些有效截面积的差。具体而言，进行了模拟1和模拟2，其中，所述模拟1使用具有以距纤芯的中心轴的距离r为0.055d以上且0.1d以下的区域中的上述平均值成为上述极大值位置的相对折射率差的值以上的方式所形成的极大值的活性元素添加光纤来求出有效截面积的差，所述模拟2使用具有以上述距离r为0以上且0.1d以下的区域中的上述平均值成为上述极大值位置的相对折射率差的值以下的方式所形成的极大值的活性元素添加光纤来求出有效截面积的差。
分别在图17中示出模拟1的结果，在图18中示出模拟2的结果。此外，图17及图18示出了具有极大值的活性元素添加光纤的纤芯的相对折射率差的平均值Δ分别为0.10％、0.14％、以及0.18％的情况下的极大值位置与有效截面积的差的关系。此外，如上所述，具有极大值的活性元素添加光纤的纤芯的相对折射率差的平均值Δ与和具有该极大值的活性元素添加光纤一起构成上述光纤组的阶跃型光纤的纤芯的相对折射率差相等。
如图17所示，得知，根据使用了具有0.055d以上且0.1d以下的区域中的相对折射率差的平均值为上述极大值以上的极大值的活性元素添加光纤的模拟1，在纤芯的相对折射率差的平均值比0％大且为0.18％以下的情况下，通过使极大值位置为0.55d以下，从而与构成上述光纤组的具有相同的相对折射率差的阶跃型光纤的情况相比，有效截面积增大。也就是说，根据具有这样的极大值的活性元素添加光纤，能够增大有效截面积，因此能够进一步抑制受激拉曼散射。此外，纤芯的相对折射率差的平均值比0％大且为0.18％以下的情况是指：纤芯的折射率高至光能够传导的折射率的情况，例如，纤芯的相对折射率差的平均值可以是0.05％以上且0.18％以下。
另外，如图18所示，得知，根据使用了具有0以上且0.1d以下的区域中的相对折射率差的平均值是上述极大值以下的极大值的活性元素添加光纤的模拟2，在纤芯的相对折射率差的平均值是0.10％以上的情况下，通过使极大值位置为0.45d以上，从而与构成上述光纤组的具有相同的相对折射率差的阶跃型光纤的情况相比，有效截面积增大。也就是说，根据具有这样的极大值的活性元素添加光纤，能够增大有效截面积，因此能够进一步抑制受激拉曼散射。此外，在该模拟2中，只要极大值位置为0.45d以上，则实现有效截面积增大的效果的相对折射率差的平均值的上限不特别受到限定，例如，可以将相对折射率差的平均值的上限设定为0.18％。
如上所述，根据本发明，可提供一种能够抑制光束品质劣化的活性元素添加光纤、谐振器、以及光纤激光装置，可供在加工用的激光装置等中使用。

Claims (24)

1.一种活性元素添加光纤，其具备纤芯，其特征在于，
所述纤芯包含第一区域和第二区域，
所述第一区域是从中心轴到半径ra的区域，在该第一区域中添加有可通过激励光进行激励的活性元素，
所述第二区域是无间隙地包围所述第一区域并到所述纤芯的外周面的区域，在该第二区域中未添加所述活性元素，
在将所述纤芯的半径设定为d的情况下，0.1d＜ra＜d，
在将所述纤芯的径向上的距中心轴的距离设定为r的情况下，在0.2d＜r≦0.9d的区域中，至少存在一处折射率比0≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值高且折射率极大的极大值位置。
2.根据权利要求1所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
0≦r≦0.1d的区域中的所述活性元素的浓度的平均值比0.1d＜r≦ra的区域中的所述活性元素的浓度的平均值高。
3.根据权利要求1或2所述的活性元素添加光纤，其特征在于，0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值比1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值高。
4.根据权利要求1或2所述的活性元素添加光纤，其特征在于，0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值比1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值低。
5.根据权利要求1或2所述的活性元素添加光纤，其特征在于，0.1d≦r≦0.8ra的区域中的折射率的平均值与1.1ra≦r≦0.9d的区域中的折射率的平均值相等。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
ra≦0.75d。
7.根据权利要求6所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
ra≦0.7d。
8.根据权利要求7所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
ra＜0.7d。
9.根据权利要求1至8的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
0.4d＜ra。
10.根据权利要求9所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
0.5d＜ra。
11.根据权利要求1至10的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
0≦r≦0.1d的区域中的折射率的平均值比r＝0.2d的区域中的折射率高。
12.根据权利要求1至11的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
所述活性元素是镱。
13.根据权利要求12所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
在0.338d≦r≦0.614d的区域中，至少存在一处所述极大值位置。
14.根据权利要求12或13所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
0.595d≦ra≦0.716d。
15.根据权利要求1至14的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
1.1ra＜r≦0.9d的区域的相对折射率差的标准偏差为0.004以下。
16.根据权利要求15所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
至少1.1ra＜r≦0.9d的区域由仅添加有锗的石英构成。
17.根据权利要求1至16的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
所述极大值位置位于所述第一区域，
在所述第一区域的至少一部分中还添加有使所述纤芯的折射率上升的上升掺杂剂，
所述上升掺杂剂的浓度在所述极大值位置最大。
18.根据权利要求1至16的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
所述极大值位置位于所述第一区域，
在所述第一区域的至少一部分中还添加有使所述纤芯的折射率降低的降低掺杂剂，
所述降低掺杂剂的浓度在所述极大值位置最小。
19.根据权利要求1至16的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
所述极大值位置位于所述第一区域，
在所述第一区域的至少一部分中还添加有使所述纤芯的折射率上升的上升掺杂剂和使所述纤芯的折射率降低的降低掺杂剂，
所述上升掺杂剂与所述降低掺杂剂的浓度差在所述极大值位置最大。
20.根据权利要求1至19的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
还具备无间隙地包围所述纤芯的外周面的包层，
所述纤芯中的0≦r≦0.1d的区域中的相对于所述包层的相对折射率差的平均值为所述极大值位置的相对折射率差的值以下，
所述纤芯的相对于所述包层的相对折射率差的平均值为0.10％以上，
所述极大值位置为0.45d以上。
21.根据权利要求1至19的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
还具备无间隙地包围所述纤芯的外周面的包层，
所述纤芯中的0.055d≦r≦0.1d的区域中的相对于所述包层的相对折射率差的平均值为所述极大值位置的相对折射率差的值以上，
所述纤芯的相对于所述包层的相对折射率差的平均值比0％大且为0.18％以下，
所述极大值位置为0.55d以下。
22.根据权利要求1至21的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
所述纤芯具有折射率随着从所述极大值位置至少朝向所述纤芯的内侧而逐渐降低的折射率分布。
23.一种谐振器，其特征在于，具备：
权利要求1至22的任一项所述的活性元素添加光纤；
第一反射镜，其在所述活性元素添加光纤的一侧，与所述活性元素添加光纤的所述纤芯进行光学耦合，并对被激励的所述活性元素放出的光的至少一部分的波长的光进行反射；以及
第二反射镜，其在所述活性元素添加光纤的另一侧，与所述活性元素添加光纤的所述纤芯进行光学耦合，并以比所述第一反射镜低的反射率对所述第一反射镜反射的光中的至少一部分的波长的光进行反射。
24.一种光纤激光装置，其特征在于，具备：
权利要求1至22的任一项所述的活性元素添加光纤；以及
光源，其射出对所述活性元素进行激励的光。
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