CN114207486A - 活性元素添加光纤、活性元素添加光纤用母材、谐振器、光纤激光装置 - Google Patents

活性元素添加光纤、活性元素添加光纤用母材、谐振器、光纤激光装置 Download PDF

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Abstract

关于活性元素添加光纤(10)的纤芯(11)，半径设定为d，包含第一区域(11a)和第二区域(11b)。第一区域(11a)是从中心轴C到半径ra的区域，添加有活性元素即镱。第二区域(11b)是无间隙地包围第一区域(11a)的到半径d的区域，在第二区域(11b)中添加锗，并且在第二区域(11b)中的从半径rc到半径d的区域中未添加活性元素。在第一区域(11a)中的从中心轴C到半径rb的区域中未添加锗，在第二区域(11b)中添加的掺杂剂的浓度中的锗的浓度最大。

Description

活性元素添加光纤、活性元素添加光纤用母材、谐振器、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、活性元素添加光纤用母材、谐振器、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。通常，光纤激光装置具备为了放大光而在纤芯中添加有活性元素即稀土类元素的活性元素添加光纤。但是，如果活性元素添加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，有可能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。
作为抑制这样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，而作为增大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，也希望能够抑制基模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。
但是，公知有如下的光暗化现象，即：在纤芯中添加有稀土类元素的活性元素添加光纤中，随着激励光的入射/传播，放大用光纤的纤芯部分的透射损失逐渐增加，输出的激光的强度随着时间而降低。作为抑制该光暗化的方法之一，例如向纤芯中添加铝。例如下述非专利文献1公开了一种结构：仅向纤芯的位于中央部的第一区域添加镱，并向包含包围第一区域的第二区域的纤芯整体添加铝。在下述非专利文献1的光纤中，在第二区域添加的元素中铝的浓度最大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5124701号公报
非专利文献
非专利文献1：Proc.of SPIE Vol.7580 758016-1具有限制掺杂和定制的折射率分布的使用掺镱大模面积光纤的光纤放大器(Fiberamplifier utilizing an Yb-dopedlarge-mode-area fiber with confined doping and tailored refractive indexprofile).
发明内容
(一)要解决的技术问题
但是，即使在如上述专利文献1那样能够以少模传播光的情况下，也希望能够进一步抑制光束品质的劣化。
另外，在为了使上述非专利文献1的光纤与例如另一光纤熔接而进行加热的情况下，由于玻璃中的铝的扩散系数较大，因此纤芯外侧存在的铝会向包层扩散，玻璃的折射率分布有可能相对于加热前的折射率分布而言发生变化。如果纤芯及包层的折射率分布这样发生变化，则可能会在熔接部激励不需要的高次模，导致光束品质劣化。
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、活性元素添加光纤用母材、谐振器、光纤激光装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种活性元素添加光纤，其具备纤芯以及无间隙地包围该纤芯的外周面的包层，能够以少模传播光，其特征在于，关于所述纤芯，半径设定为d，包含第一区域和第二区域，所述第一区域是所述纤芯的从中心轴到半径ra的区域，添加有可通过激励光进行激励的活性元素即镱，所述第二区域是无间隙地包围所述第一区域的到半径d的区域，在所述第二区域中添加锗，并且在所述第二区域中的从半径rc到半径d的区域中未添加所述活性元素，在所述第一区域中的从所述中心轴到半径rb的区域中未添加所述锗，在所述第二区域中添加的掺杂剂的浓度中的所述锗的浓度最大。
在上述活性元素添加光纤中，由于仅在纤芯的中心侧添加活性元素即镱，因此与高次模的光相比而言，容易放大基模的光。因此，与向纤芯整体添加活性元素相比，能够抑制光束品质的劣化。
另外，玻璃中的锗的扩散系数比玻璃中的铝的扩散系数小。在上述活性元素添加光纤中，在向纤芯的外侧区域即第二区域添加的掺杂剂中，锗的浓度最大。因此，在为了使上述活性元素添加光纤例如与另一光纤熔接而进行加热的情况下，与向纤芯的外侧添加的主要掺杂剂是铝的上述非专利文献1的光纤相比而言，向纤芯的外侧添加的掺杂剂不易向包层扩散，其结果为，能够抑制加热引起的纤芯及包层的折射率分布的变化。因此，不易在熔接部激励不需要的高次模，能够进一步抑制光束品质的劣化。
另外，可以是，在从半径rb到半径rc的第一扩散区域中添加所述活性元素及所述锗，在所述第一扩散区域中，所述活性元素的浓度随着朝向所述纤芯的外侧而减少，并且所述锗的浓度随着朝向所述纤芯的外侧而增加，所述第一扩散区域中的所述活性元素及所述锗的各浓度是大于0的浓度且一致的第一一致点的所述活性元素及所述锗的各浓度为从所述中心轴到半径0.5ra以下的区域中的所述活性元素的平均浓度的70％以下。
根据光纤的制造条件，在构成为第二区域中的活性元素的浓度随着从第一区域侧朝向第二区域侧而减少的情况下，在上述结构中，第二区域的锗的浓度随着从第一区域侧朝向第二区域侧而增加。根据这样的结构，在活性元素的添加量较少的区域中，锗的添加量也较多，因此能够抑制活性元素的添加量少所引起的折射率的降低，能够使纤芯的折射率分布接***坦的形状。因此，能够减小第一扩散区域的折射率的变动。另外，在第一扩散区域中，与活性元素的浓度和锗的浓度以0wt％一致的情况相比而言，在活性元素的浓度和锗的浓度在大于0wt％的第一一致点一致的情况下，能够使折射率分布接近更平坦的形状。而且，第一一致点的活性元素及所述锗的浓度为纤芯的从中心轴到半径0.5ra以下的区域中的活性元素的平均浓度的70％以下，从而能够抑制活性元素及锗的浓度高过所需的浓度，能够抑制折射率分布背离平坦的形状。
另外，可以是，在所述纤芯的从中心轴到所述第二区域中的半径rd的区域中，添加至少一种使折射率上升的活性元素以外的上升掺杂剂，从半径rb到半径rd的区域是添加所述上升掺杂剂和所述锗的第二扩散区域，在所述第二扩散区域中，所述上升掺杂剂的浓度随着朝向所述纤芯的外侧而减少，并且所述锗的浓度随着朝向所述纤芯的外侧而增加，所述第二扩散区域中的所述上升掺杂剂的总量及所述锗的各浓度是大于0的浓度且一致的第二一致点的所述上升掺杂剂的总量及所述锗的各浓度为从所述中心轴到半径0.5ra以下的区域中的所述上升掺杂剂的总量的平均浓度的50％以下。
根据光纤的制造条件，在构成为第二区域中的上升掺杂剂的浓度随着从第一区域侧朝向第二区域侧而减少的情况下，在上述结构中，第二区域的锗的浓度随着从第一区域侧朝向第二区域侧而增加。根据这样的结构，在上升掺杂剂的添加量较少的区域中，锗的添加量也较多，因此能够抑制上升掺杂剂的添加量少所引起的折射率的降低，能够使纤芯的折射率分布接***坦的形状。因此，能够减小第二扩散区域的折射率的变动。另外，在第二扩散区域中，与上升掺杂剂的总量浓度和锗的浓度以0wt％一致的情况相比而言，在上升掺杂剂的总量浓度和锗的浓度在大于0wt％的第二一致点一致的情况下，能够使折射率分布接近更平坦的形状。而且，第二一致点的上升掺杂剂的总量浓度为第一区域的0≦r≦0.5ra中的上升掺杂剂的平均浓度的50％以下，从而能够抑制上升掺杂剂和锗的浓度高过所需的浓度，能够抑制折射率分布背离平坦的形状。
在向从上述中心轴到半径rd的区域添加上述上升掺杂剂的情况下，优选在从所述第二区域中的半径rc及半径rd中的较大的一方到半径d的区域仅添加所述锗。
在这种情况下，能够进一步抑制活性元素添加光纤的纤芯及包层的加热所引起的折射率分布的变化。
另外，优选所述纤芯的半径d的折射率分布的倾斜为-0.035％/μm以下。
在这种情况下，当使本发明的活性元素添加光纤与具有阶跃折射率状的折射率分布的另一光纤连接时，能够使光纤间的连接损失的推定值为0.01dB以下。
优选地，还具备无间隙地包围所述纤芯的外周面的包层，在所述包层中未添加所述锗。
通过这样在包层中不添加锗，从而与在包层中添加锗的情况相比，能够抑制包层内的掺杂剂向纤芯扩散。因此，能够更有效地抑制折射率分布变化。此外，如果在包层中不添加锗、上升掺杂剂、以及使纤芯的折射率降低的降低掺杂剂，则能够进一步抑制折射率分布变化。
另外，优选地，所述纤芯具有阶跃折射率状的折射率分布，所述纤芯的V值为5以上且12以下，0.39d≦ra≦0.78d。
根据这样的结构，能够比高次模优先放大LP01模式的光，能够进一步提高光束品质。另外，根据上述结构，在为了抑制微弯损耗而不减小相对折射率差且增大纤芯直径的情况下，能够增大V值，并能够增大有效截面积，结果是，能够抑制受激拉曼散射。
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。
另外，优选地，0.1d＜ra＜d，在将所述纤芯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。
本案发明人对于活性元素添加光纤有如下见解。即，通过在上述范围的第一区域中添加活性元素，且在上述范围的第二区域中添加不足0.5wt％的活性元素，从而能够使在纤芯中传播的LP01模式的光放大，并且抑制高次模的光的放大。另一方面，由于在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，当存在上述极大值位置时，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，抑制了LP01模式的光过度集中于纤芯的中心，并且抑制了LP01模式的光从第一区域溢出的量，能够高效地放大LP01模式的光。另外，由于极大值位置存在于这样的范围，从而能够有效地使活性元素添加光纤中的LP01模式的光的有效截面积扩大，能够抑制受激拉曼散射的发生，并抑制光束品质劣化。
另外，当存在上述极大值位置时，优选0.595d≦ra≦0.716d。
通过使纤芯的第一区域成为这样的范围，从而能够比高次模的光优先放大活性元素添加光纤中的LP01模式的光，抑制光束品质的劣化。
另外，当存在上述极大值位置时，优选在0.4d＜r≦ra的区域中，至少存在一处所述极大值位置。
根据这样的结构，抑制了LP01模式的光过度集中于纤芯11的中心，并且抑制了LP01模式的光从第一区域溢出，能够高效地放大LP01模式的光。
另外，当存在上述极大值位置时，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。
另外，当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时，可以是，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，当存在上述极大值位置时，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，当存在上述极大值位置时，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，当存在上述极大值位置时，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，则能够抑制光损失，并使本发明的光纤与具有矩形的折射率分布的光纤连接。
或者，当存在上述极大值位置时，关于该活性元素添加光纤，可以是，所述纤芯中的0.055d≦r≦0.1d的区域中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，以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。另外，以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。
通过例如这样来形成活性元素添加光纤，从而能够增大上述有效截面积。
另外，当存在上述极大值位置时，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、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的中心轴附近，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，能够放大光。
另外，为了解决上述技术问题，本发明提供一种活性元素添加光纤用母材，其具备通过进行拉线而成为纤芯的纤芯玻璃体，其特征在于，关于所述纤芯玻璃体，半径设定为d，包含第一区域和第二区域，所述第一区域是所述纤芯玻璃体的从中心轴到半径ra的区域，添加有可通过激励光进行激励的活性元素，所述第二区域是无间隙地包围所述第一区域的到半径d的区域，在所述第二区域中添加锗，并且在所述第二区域中的从半径rc到半径d的区域中未添加所述活性元素，在所述第一区域中的从所述中心轴到半径rb的区域中未添加所述锗，在所述第二区域中添加的掺杂剂的浓度中的所述锗的浓度最大。
在这样的活性元素添加光纤用母材中，在向纤芯玻璃体的外侧区域即第二区域添加的掺杂剂中，锗的浓度最大。因此，在对上述活性元素添加光纤用母材进行拉线的情况下，与向纤芯玻璃体的外侧添加的主要掺杂剂是铝的活性元素添加光纤用母材相比而言，向纤芯玻璃体的外侧添加的元素不易向包层玻璃体扩散。因此，进行拉线之后的纤芯及包层的折射率分布不易发生变化，容易制造具有接近设计值的折射率分布的活性元素添加光纤。另外，在由这样的活性元素添加光纤用母材制造的活性元素添加光纤中，由于如上述那样抑制了折射率分布的变化，因此即使在与另一光纤熔接的情况下，也能够抑制因加热引起的折射率分布的变化，抑制光束品质的劣化。
另外，可以是，在从半径rb到半径rc的第一扩散区域中添加所述活性元素及所述锗，在所述第一扩散区域中，所述活性元素的浓度随着朝向所述纤芯玻璃体的外侧而减少，并且所述锗的浓度随着朝向所述纤芯玻璃体的外侧而增加，所述第一扩散区域中的所述活性元素及所述锗的各浓度是大于0的浓度且一致的第一一致点的所述活性元素及所述锗的各浓度为从所述中心轴到半径0.5ra以下的区域中的所述活性元素的平均浓度的70％以下。
在这种情况下，与没有第一扩散区域的情况相比，能够抑制第一区域与第二区域的界面上的变形，因此能够抑制所述纤芯玻璃体破裂。
另外，可以是，在所述纤芯玻璃体的从中心轴到所述第二区域中的半径rd的区域中，添加至少一种使折射率上升的活性元素以外的上升掺杂剂，从半径rb到半径rd的区域是添加所述上升掺杂剂和所述锗的第二扩散区域，在所述第二扩散区域中，所述上升掺杂剂的浓度随着朝向所述纤芯玻璃体的外侧而减少，并且所述锗的浓度随着朝向所述纤芯玻璃体的外侧而增加，所述第二扩散区域中的所述上升掺杂剂的总量及所述锗的各浓度是大于0的浓度且一致的第二一致点的所述上升掺杂剂的总量及所述锗的各浓度为从所述中心轴到半径0.5ra以下的区域中的所述上升掺杂剂的总量的平均浓度的50％以下。
在这种情况下，与没有第二扩散区域的情况相比，能够抑制第一区域与第二区域的界面上的变形，因此能够抑制所述纤芯玻璃体破裂。
另外，在向从上述中心轴到半径rd的区域添加上述上升掺杂剂的情况下，优选在从所述第二区域中的半径rc及半径rd中的较大的一方到半径d的区域仅添加所述锗。
在这种情况下，能够进一步抑制活性元素添加光纤用母材的纤芯玻璃体及包层玻璃体的加热所引起的折射率分布的变化。
另外，优选地，还具备无间隙地包围所述纤芯玻璃体的外周面的包层玻璃体，在所述包层玻璃体中未添加所述锗。
通过这样在包层玻璃体中不添加锗，从而与在包层玻璃体中添加锗的情况相比，能够抑制包层玻璃体内的掺杂剂向纤芯玻璃体扩散。因此，能够更有效地抑制折射率分布变化。此外，如果在包层玻璃体中不添加锗、上升掺杂剂、以及使纤芯玻璃体的折射率降低的降低掺杂剂，则能够进一步抑制折射率分布变化。
另外，为了解决上述技术问题，本发明提供一种谐振器，其特征在于，具备：上述任一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，能够在往来于第一反射镜与第二反射镜之间的光中，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，本发明提供一种光纤激光装置，其特征在于，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，可提供一种抑制了光束品质劣化并能够放大光的活性元素添加光纤、活性元素添加光纤用母材、谐振器、光纤激光装置。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的光纤激光装置的图。
图2是表示第一实施方式的活性元素添加光纤的垂直于长度方向的剖面状况图。
图3是表示第一实施方式的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是表示图3所示的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是表示添加到纤芯的第一区域中的铝的浓度分布一例的图。
图8是表示添加到纤芯的第一区域中的磷的浓度分布一例的图。
图9是表示添加到纤芯的第一区域中的铝与磷的浓度差分布一例的图。
图10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11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一例的图。
图12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一例的图。
图13是表示在纤芯的第一区域添加有硼的情况下的浓度分布一例的图。
图14是表示本发明的第二实施方式的活性元素添加光纤的纤芯中所添加的掺杂剂的浓度分布的图。
图15是表示第二实施方式的活性元素添加光纤的纤芯的折射率分布状况的图。
图16是表示铝的扩散系数与锗的扩散系数的关系的图。
图17是表示纤芯与包层的边界上的折射率分布的倾斜与在纤芯中传播的LP01模式的光的连接损失的关系的图。
图18是表示阶跃折射率状的折射率分布、和这种情况下的LP01模式的强度分布的图。
图19是表示纤芯与包层的边界倾斜的折射率分布、和这种情况下的LP01模式的强度分布的图。
图20是V值为6的情况下的第一区域的半径与第二区域的半径之间的比与在纤芯中传播的各模式的光的强度的关系的图。
图21是表示各V值下的第一区域的半径与第二区域的半径之间的比的优选的范围的图。
图22是用与图2同样的视点表示适用了第二实施方式的活性元素添加光纤用母材的图。
图23是表示光纤激光装置的变形例的图。
图24是包层的直径与断裂概率的关系的图。
图25是表示比较例的活性元素添加光纤的纤芯的折射率分布一例的图。
图26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一例的图。
图27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，各图中的比例与在以下说明中记载的比例有可能不同。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。
(第一实施方式)
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的剖面状况的剖视图。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由添加不足0.5wt％的上述活性元素的石英玻璃构成。在这样的石英玻璃中，包含未添加活性元素的石英玻璃。因此，如果假设活性元素以0.5wt％以上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，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，检出量也是低于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，该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临界点，该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。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。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，对于该光而言，除了基模的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的任一波长的光的情况下，除了基模的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所示可知如果纤芯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，可知在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，可知如果上述比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模。
＜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的纤芯与活性元素添加光纤10的纤芯11的主要不同点在于未添加活性元素。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，在活性元素添加光纤10的纤芯11中传播的各LP模式的光能够直接在第一光纤30的纤芯中传播。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构成为第一反射镜，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的构成为，包层包围纤芯，且包覆层包覆该包层。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，在活性元素添加光纤10的纤芯11中传播的少模的光以保持少模的方式在第二光纤40的纤芯中传播。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构成为第二反射镜，该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，但也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在光纤25中传播。
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，是以各个光纤25的纤芯与第一光纤30的内侧包层光学耦合的方式将各个光纤25的纤芯与第一光纤30的内侧包层连接。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，在第一光纤30的纤芯中朝向光合并器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，并主要在该内侧包层12中传播。在内侧包层12中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。当谐振的光在活性元素添加光纤10的纤芯11中传播时，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，整体添加活性元素即镱的第一区域11a的半径ra是0.1d＜ra≦0.75d，第二区域11b以低于0.5wt％的浓度添加活性元素。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中以低于0.5wt％的浓度添加活性元素，能够放大在纤芯11中传播的基模的光，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，抑制受激拉曼散射的发生，能够抑制光束品质的劣化。
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，如果极大值位置存在于第一区域，则与极大值位置未存在于第一区域的情况相比，能够更可靠地抑制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。
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，只要第二区域11b的活性元素不足0.5wt％，也可以在1.1ra＜r≦d的区域添加锗以外的掺杂剂。
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，能够抑制在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。这能通过增大r＜0.1d的范围中的折射率的极大值来实现。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，并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，在同时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，通过以具有浓度差的方式同时添加铝和磷，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7所示的浓度分布添加铝，以图8所示的浓度分布添加磷。在这种情况下，形成图9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10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和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11所示的例子中，添加铝以使得在图9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升掺杂剂的铝，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12所示的例子中，添加磷以使得在图9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，在图13所示的例子中，添加硼以使得在图9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。
(第二实施方式)
接着，对第二实施方式进行说明。图14是表示第二实施方式的活性元素添加光纤的纤芯中所添加的掺杂剂的浓度分布的图。图15是表示第二实施方式的活性元素添加光纤的纤芯的折射率分布状况的图。此外，关于与第一实施方式相同或者同等的结构要素，除了特别地说明的情况外，都标记相同的参照附图标记并省略重复的说明。
本实施方式的活性元素添加光纤10与第一实施方式的活性元素添加光纤10同样地，具有图2所示的结构，纤芯11包含从纤芯11的中心轴C到半径ra的区域即第一区域11a、以及无间隙地包围第一区域11a的到半径d的区域即第二区域11b。但是，本实施方式的活性元素添加光纤10的添加于纤芯的掺杂剂与第一实施方式的活性元素添加光纤不同。
如图14所示，在本实施方式的纤芯11中添加有作为活性元素的镱(Yb)、铝(Al)、磷(P)、硼(B)、锗(Ge)。在本实施方式中，铝的浓度比磷的浓度高。因此，铝作为上升掺杂剂发挥作用，磷及硼作为降低掺杂剂发挥作用。此外，本实施方式中的半径ra的位置是镱的浓度为0.5wt％的位置，大致是0.65d的位置。
作为活性元素的镱添加到第一区域11a、和第二区域11b中的从半径ra到半径rc的区域，不添加到第二区域11b中的从半径rc到半径d的区域。此外，在本实施方式中不添加是指各掺杂剂的浓度是0.1wt％以下。该镱的浓度在纤芯11的从中心轴C到第一区域11a中的半径rb的区域大概是2.5wt％，随着从半径rb朝向半径rc而减少。这样，镱具有的浓度分布为，在从半径rb到半径rc的区域朝向外侧扩散，在rc的外侧不添加。从半径rb到半径rc的区域是活性元素朝向外侧扩散的第一扩散区域。此外，本实施方式中的半径rb的位置大致是0.42d的位置，半径rc的位置大致是0.70d的位置。
此外，本实施方式的ra、rb、rc、以及d的从中心轴C起的各个距离是0＜rb＜d以及0＜ra≦rc＜d。
作为上升掺杂剂的铝添加在第一区域11a、和第二区域11b中的从半径ra到半径rd的区域。另一方面，第二区域11b中的从半径rd到半径d的区域中的铝的浓度大致是0.1wt％以下。该铝的浓度在纤芯11的从中心轴C到半径rb的区域大致是4.5wt％，随着从半径rb朝向半径rd而减少。这样，铝具有的浓度分布为，在从半径rb到半径rd的区域朝向外侧扩散，在rd的外侧大致不添加。从半径rb到半径rd的区域是上升掺杂剂朝向外侧扩散的第二扩散区域。此外，磷也是以与铝大致同样的浓度分布添加。
此外，在本实施方式中，以半径rc与半径rd为大致相同的值的方式调整各掺杂剂的浓度。因此，上述第一扩散区域与上述第二扩散区域一致。因此，以下，有时会不区别第一扩散区域和第二扩散区域而简称为扩散区域。但是，也可以以半径rc与半径rd为不同的值的方式调整浓度，并不使第一扩散区域和第二扩散区域一致。
硼在大致从中心轴C到半径0.50d的区域微量添加，浓度最大值大致是0.5wt％。另外，第二区域11b中的硼的浓度大致是0.1wt％以下。
锗以以下的浓度分布添加。从中心轴C到半径rb的区域中的锗的浓度是0.1wt％以下，不添加锗。在从半径rb到半径rc、rd的区域，锗的浓度随着朝向纤芯11的外侧而增加，在从半径rc、rd的区域起大致到半径0.95d的区域大致恒定为1.6wt％。另外，大致从半径0.95d的区域朝向外侧逐渐减少，在半径d的区域大致是1.0wt％。
在此，如上述那样，在扩散区域，相对于锗的浓度随着朝向纤芯的外侧而增加而言，镱、铝、以及磷的各浓度随着朝向纤芯的外侧而减少。因此，在扩散区域中包含：锗以及作为活性元素的镱的各浓度以大于0的浓度一致的第一一致点、锗以及上升掺杂剂的总量浓度以大于0的浓度一致的第二一致点、以及锗以及降低掺杂剂的总量浓度以大于0的浓度一致的第三一致点。在本实施方式中，由于铝的浓度比磷的浓度大，因此如上述那样，上升掺杂剂是铝这一个种类。因此，在本实施方式中的第二一致点，锗以及铝的各浓度以大于0的浓度一致。另外，如上述那样，本实施方式的降低掺杂剂是磷以及硼。但是，在本实施方式中，成为图14所示的第三一致点的部位以及其周边的硼的浓度比起磷的浓度而言极小。因此，在本实施方式中，可以将磷的浓度与锗的浓度一致的部位解释为第三一致点。在本实施方式中，这些第一一致点、第二一致点、以及第三一致点位于第一区域11a内，第一一致点大致位于0.61d，第二一致点大致位于0.65d，以及第三一致点大致位于0.63d。第一一致点的镱以及锗的各浓度是从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的镱的平均浓度的70％以下。但是，第一一致点的镱以及锗的各浓度可以是从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的镱的平均浓度的例如70.6％以下，也可以是46.1％以下，也可以是45.1％以下，还可以是40％以下。另外，在该第一一致点上，镱的浓度比上升掺杂剂的浓度小。另外，第二一致点的铝以及锗的各浓度是从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的铝的平均浓度的50％以下。但是，第二一致点的铝以及锗的各浓度是从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的铝的平均浓度的例如34.4％以下。
这样，通过第一一致点、第二一致点、以及第三一致点位于第一区域11a内，从而在第二区域11b中添加的掺杂剂的浓度中的锗的浓度最大。但是，在本实施方式中，第一一致点、第二一致点、以及第三一致点位于第一区域11a内不是必须的。
通过以这样的浓度分布在纤芯中添加镱、铝、磷、硼、以及锗，从而纤芯的折射率分布成为图15所示的折射率分布。图15所示的纤芯11的折射率分布与第一实施方式的纤芯11的折射率分布同样地，在第一区域11a中的大致半径0.8ra附近具有极大值位置。但是，在本实施方式中，纤芯的折射率分布具有极大值位置不是必须的。此外，在图15中纵轴用相对折射率差表示，也可以用折射率表示纵轴。
如以上那样，关于本实施方式的活性元素添加光纤10的纤芯11，半径设定为d，包含第一区域11a和第二区域11b，第一区域11a是从纤芯11的中心轴C到半径ra的区域，添加活性元素，第二区域11b是无间隙地包围第一区域11a的到半径d的区域，在第二区域11b中添加锗，并且在第二区域11b中的从半径rc到半径d的区域中不添加活性元素，在第一区域11a中的从中心轴C到半径rb的区域中不添加锗，在第二区域11b中添加的掺杂剂的浓度中的锗的浓度最大。
如上述那样，在本实施方式的活性元素添加光纤10中，在第二区域11b中的从半径rc到半径d的区域中，不添加活性元素。这样，在该活性元素添加光纤10中仅在纤芯11的中心侧添加活性元素。因此，与高次模的光相比，容易放大基模的光，与在纤芯11整体添加活性元素的情况相比，能够抑制光束品质的劣化。
另外，如上述那样，本实施方式的活性元素添加光纤10与第一实施方式的活性元素添加光纤10同样地在第一区域11a具有极大值位置。因此，与第一实施方式同样地，能够抑制基模的光过于集中于中心轴附近，能够进一步抑制光束品质的劣化。但是，如上述那样，在本实施方式中具有极大值位置不是必须的。
另外，图16是表示玻璃中的锗的扩散系数与玻璃中的铝的扩散系数的关系的图。在图16中，横轴表示绝对温度的倒数，纵轴表示锗及铝的各自的扩散系数的对数。如图16所示，玻璃中的锗的扩散系数比玻璃中的铝的扩散系数大。
如上所述，在本实施方式的活性元素添加光纤10中，在纤芯11的外侧区域即第二区域11b中添加的元素中的锗的浓度最大。因此，在使活性元素添加光纤10为了例如与另一光纤熔接而进行加热的情况下，与在纤芯的外侧添加的主要掺杂剂是铝的光纤比较，在纤芯的外侧添加的掺杂剂不易向包层扩散。因此，能够抑制由于加热引起的纤芯及包层的折射率分布的变化。因此，不易在熔接部激励不需要的高次模，能够抑制光束品质的劣化。另外，由于在从中心轴C到半径rb的区域不添加使折射率提高的锗，因此添加元素数量减少的分量与不添加锗的分量相应。因此，能够抑制多种添加元素引起的折射率分布的设计的复杂化，能够实现具有更接近设计值的折射率分布的活性元素添加光纤。
另外，如上所述，在本实施方式的活性元素添加光纤10中，在从半径rb到半径rc的第一扩散区域中添加活性元素及锗。另外，在第一扩散区域中，活性元素的浓度随着朝向纤芯11的外侧而减少，并且锗的浓度随着朝向纤芯11的外侧而增加。另外，第一扩散区域中的活性元素及锗的各浓度以大于0的浓度一致的第一一致点的活性元素及锗的各浓度是从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的活性元素的平均浓度的70％以下。
根据光纤的制造条件，在构成为第二区域11b中的活性元素的浓度随着从第一区域11a侧朝向第二区域11b侧而减少的情况下，在该结构中，第二区域11b的锗的浓度随着从第一区域11a侧朝向第二区域11b侧而增加。根据这样的结构，由于也在活性元素的添加量较少的区域中锗的添加量较多，因此抑制活性元素的添加量减少引起的折射率的降低，能够接近纤芯11的折射率分布平坦的形状。因此，能够减小第一扩散区域的折射率的变动。另外，在第一扩散区域中，与活性元素的浓度和锗的浓度以0wt％一致的情况相比，活性元素的浓度和锗的浓度在大于0wt％的第一一致点上一致的一方能够接近折射率分布更平坦的形状。而且，通过使第一一致点的活性元素及锗的浓度是纤芯11的从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的活性元素的平均浓度的70％以下，从而能够抑制活性元素及锗的浓度高过所需的浓度，能够抑制背离折射率分布平坦的形状。
此外，在从半径rb到半径rc的第一扩散区域中添加活性元素及锗，在第一扩散区域中，活性元素的浓度随着朝向纤芯11的外侧而减少，并且锗的浓度随着朝向纤芯11的外侧而增加，第一扩散区域中的活性元素及锗的各浓度以大于0的浓度一致的第一一致点的活性元素及锗的各浓度是从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的活性元素的平均浓度的70％以下，这样的结构不是必须的。即使不具有这样的结构，只要包含纤芯11的从中心轴C到半径ra的区域即添加有可通过激励光进行激励的活性元素即镱的第一区域11a、以及无间隙地包围第一区域11a的到半径d的区域即第二区域11b，在第二区域11b中添加锗，并且在第二区域11b中的从半径rc到半径d的区域中不添加活性元素，在第一区域11a中的从中心轴C到半径rb的区域不添加锗，在第二区域11b添加的掺杂剂的浓度中的锗的浓度最大，就能够抑制光束品质的劣化。
另外，如上所述，在本实施方式的活性元素添加光纤10中，在纤芯11的从中心轴C到半径rd的区域中，添加至少一种使折射率上升的上升掺杂剂。另外，从半径rb到半径rd的区域是添加上升掺杂剂和锗的第二扩散区域。另外，在第二扩散区域中，上升掺杂剂的浓度随着朝向纤芯11的外侧而减少，并且锗的浓度随着朝向纤芯11的外侧而增加。另外，第二扩散区域中的上升掺杂剂的总量及锗的各浓度以大于0的浓度一致的第二一致点的上升掺杂剂的总量及锗的各浓度是从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的所述上升掺杂剂的总量的平均浓度的50％以下。
根据光纤的制造条件，在构成为第二区域11b中的上升掺杂剂的浓度随着从第一区域11a侧朝向第二区域11b侧而减少的情况下，在上述结构中，第二区域11b的锗的浓度随着从第一区域11a侧朝向第二区域11b侧而增加。根据这样的结构，由于也在上升掺杂剂的添加量较少的区域中锗的添加量较多，因此抑制上升掺杂剂的添加量减少引起的折射率的降低，能够接近纤芯11的折射率分布平坦的形状。
因此，能够减小第二扩散区域的折射率的变动。另外，在第二扩散区域中，与上升掺杂剂的总量浓度和锗的浓度以0wt％一致的情况相比，上升掺杂剂的总量浓度和锗的浓度在大于0wt％的第二一致点上一致的一方能够接近折射率分布更平坦的形状。而且，通过使第二一致点的上升掺杂剂的总量浓度是第一区域的0≦r≦0.5ra中的上升掺杂剂的平均浓度的50％以下，从而能够抑制上升掺杂剂和锗的浓度高过所需的浓度，能够抑制背离折射率分布平坦的形状。
此外，在纤芯11的从中心轴C到半径rd的区域中，添加至少一种使折射率上升的上升掺杂剂，从半径rb到半径rd的区域是添加上升掺杂剂和锗的第二扩散区域，在第二扩散区域中，上升掺杂剂的浓度随着朝向纤芯11的外侧而减少，并且锗的浓度随着朝向纤芯11的外侧而增加，第二扩散区域中的上升掺杂剂的总量及锗的各浓度以大于0的浓度一致的第二一致点的上升掺杂剂的总量及锗的各浓度是从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的所述上升掺杂剂的总量的平均浓度的50％以下，这样的结构不是必须的。即使不具有这样的结构，只要包含纤芯11的从中心轴C到半径ra的区域即添加有可通过激励光进行激励的活性元素即镱的第一区域11a、以及无间隙地包围第一区域11a的到半径d的区域即第二区域11b，在第二区域11b中添加锗，并且在第二区域11b中的从半径rc到半径d的区域中不添加活性元素，在第一区域11a中的从中心轴C到半径rb的区域不添加锗，在第二区域11b添加的掺杂剂的浓度中的锗的浓度最大，就能够抑制光束品质的劣化。
此外，在本实施方式中，在从中心轴C到半径rd的区域添加上升掺杂剂的情况下，优选在第二区域11b中的从半径rc及半径rd中的较大的一方到半径d的区域仅添加锗。
在这种情况下，能够进一步抑制活性元素添加光纤的纤芯及包层的加热引起的折射率分布的变化。
另外，优选纤芯的半径d上的折射率分布的倾斜是-0.035％/μm以下。下面对这一点进行说明。
在纤芯及包层呈理想的阶跃折射率状的折射率分布的光纤上熔接连接活性元素添加光纤的情况下，优选该活性元素添加光纤的纤芯及包层也具有阶跃折射率状的折射率分布。但是，活性元素添加光纤的在纤芯及包层中添加的掺杂剂由于制造时的拉线等而扩散，能够在纤芯与包层的边界上的折射率分布中产生倾斜。以图15的折射率分布为例，上述边界上的折射率分布的倾斜为折射率分布的半径d上的切线L相对于图15的纵轴的倾斜。
纤芯相对于包层的相对折射率差是0.14％，本案发明人推定了在熔接连接了纤芯半径是28um的光纤中的具有理想的阶跃折射率状的折射率分布的基准光纤与具有在纤芯与包层的边界上具有倾斜的折射率分布的光纤的情况下的LP01模式的光的连接损失。在图17中示出其结果。如图17所示，可知，如果上述边界的倾斜是-0.035％/μm以下，则在熔接连接于基准光纤的情况下，LP01模式的光的连接损失是0.01dB以下。在ITU-T建议L.12中记载，使熔接连接了同种的光纤彼此的情况下的连接损失平均不足0.1dB。上述的光的连接损失是0.01dB以下，比上述ITU-T建议中记载的0.1dB小一个数量级。因此，如果连接损失的推定值是0.01dB以下，则能够充分经受住实用。
图18是表示上述基准光纤的折射率分布、和在这种情况下的LP01模式的强度分布的图。图19是表示纤芯与包层的边界倾斜是-0.035％/um的折射率分布、和这种情况下的LP01模式的强度分布的图。如图18及图19所示，可知，沿具有上述边界的倾斜是-0.035％/um的折射率分布的光纤的纤芯传播的LP01模式的强度分布与沿具有理想的阶跃折射率状的折射率分布的光纤的纤芯传播的LP01模式的光的强度分布大致一致。因此，通过以纤芯与包层的边界的倾斜为-0.035％/μm以下的方式调整折射率分布，从而能够有效地抑制产生连接损失。
另外，优选在内侧包层12中不添加锗。
通过这样在内侧包层12中不添加锗，从而与在内侧包层12中添加锗的情况相比，能够抑制内侧包层12内的掺杂剂向纤芯扩散。因此，能够更有效地抑制折射率分布变化。此外，如果在内侧包层12中不添加锗、上升掺杂剂、以及降低掺杂剂，则能够进一步抑制折射率分布变化。
另外，优选纤芯11具有阶跃折射率状的折射率分布，纤芯11的V值是5以上且12以下，0.39d≦ra≦0.78d。下面对这一点进行说明。
V值是用于判断能够在光纤的纤芯中传播的光的模式数量的值，V值的值越大表示能够在纤芯中传播的光的模式数量越多。图20表示计算出具有V值是6的阶跃折射率状的折射率分布的光纤中的、第一区域的半径ra与第二区域的半径d的比ra/d、与沿设定LP01模式的强度为1时的纤芯传播的各传播模式的强度的关系的结果。在图20中，ρ01表示LP01模式的光，ρ11表示LP11模式的光，ρ21表示LP21模式的光，ρ31表示LP31模式的光，ρ12表示LP12模式的光。根据图20可知，为了比高次模优先放大基模，优选使添加稀土类元素的第一区域11a成为基模的强度比高次模大的范围即A点以上且B点以下的范围。接着，在图21中示出计算出具有V值是2.5～12的阶跃折射率状的折射率分布的光纤中的A点及B点的结果。此外，A点是基模的强度比高次模大的范围中的下限，B点是该范围中的上限。根据图21可知，在V值是5以上且12以下的情况下，A点的比ra/d以及B点的比ra/d不取决于V值而大致恒定，优选ra/d的值是0.4以上且0.7以下。另外，在以下的表1中示出图21的属于2.4以上且12以下的范围的各V值上的A点的比ra/d以及B点的比ra/d。
表1
v值 A点(下限) B点(上限)
2.4 0 1
3 0 0.99
4 0 0.84
5 0.39 0.78
6 0.41 0.75
7 0.4 0.73
8 0.4 0.72
9 0.4 0.71
10 0.39 0.7
11 0.39 0.7
12 0.39 0.69
以下文中也明确地示出各V值下ra/d可取的范围。即，在V值是2.4的情况下，0≤ra/d≤1，在V值是3的情况下，0≤ra/d≤0.99，在V值是4的情况下，0≤ra/d≤0.84，在V值是5的情况下，0.39≤ra/d≤0.78，在V值是6的情况下，0.41≤ra/d≤0.75，在V值是7的情况下，0.4≤ra/d≤0.73，在V值是8的情况下，0.4≤ra/d≤0.72，在V值是9的情况下，0.4≦ra/d≦0.71，在V值是10的情况下，0.39≦ra/d≦0.7，在V值是11的情况下，0.39≦ra/d≦0.7，在V值是12的情况下，0.39≦ra/d≦0.69。在此，参照上述表1可知，在V值是5以上且12以下的情况下，A点的比ra/d以及B点的比ra/d不取决于V值而大致恒定，更优选ra/d的值是0.39以上且0.78以下。
因此，在纤芯11具有阶跃折射率状的折射率分布，纤芯11的V值是5以上且12以下的情况下，如果0.39d≦ra≦0.78d，则能够比高次模优先放大LP01模式的光，能够提高光束品质。另外，在上述的情况下，在为了抑制微弯损耗而不减小相对折射率差而增大纤芯直径的情况下，能够增大V值，并能够增大有效截面积，其结果为，能够抑制受激拉曼散射。
另外，本实施方式也能够适用于具备通过拉线而成为纤芯的纤芯玻璃体、和通过拉线而成为包层的包层玻璃体的活性元素添加光纤用母材。图22是用与图2同样的视点表示适用了本实施方式的活性元素添加光纤用母材100的图。如图22所示，活性元素添加光纤用母材100包含纤芯玻璃体110、包层玻璃体120。关于纤芯玻璃体110，半径设定为d，包含第一区域110a和第二区域110b。第一区域110a是纤芯玻璃体110的从中心轴C到半径ra的区域，添加激励光激励的活性元素即镱。第二区域110b是无间隙地包围第一区域110a的到半径d的区域。。在第二区域110b中添加锗，并且在第二区域110b中的从半径rc到半径d的区域中不添加活性元素。另外，在第一区域110a中的从中心轴C到半径rb的区域中不添加锗。另外，在第二区域110b中添加的掺杂剂的浓度中的锗的浓度最大。
根据这样的结构，在纤芯玻璃体110的外侧区域即第二区域110b中添加的掺杂剂中的锗的浓度最大。因此，在对活性元素添加光纤用母材100进行拉线的情况下，与在纤芯玻璃体的外侧添加的主要掺杂剂是铝的活性元素添加光纤用母材比较，在纤芯玻璃体的外侧添加的元素不易向包层玻璃体扩散。因此，拉线后的纤芯及包层的折射率分布不易变化，容易制造具有接近设计值的折射率分布的活性元素添加光纤。另外，在利用这样的活性元素添加光纤用母材100制造的活性元素添加光纤中，由于如上述那样抑制折射率分布的变化，因此纤芯的外侧的锗的浓度能够变得最大。因此，即使在将利用活性元素添加光纤用母材100制造的活性元素添加光纤熔接于另一光纤的情况下，也能够抑制加热引起的折射率分布的变化，能够抑制光束品质的劣化。另外，由于在从中心轴C到半径rb的区域不添加使折射率提高的锗，因此添加元素数量减少的量与不添加锗的量相应。因此，能够抑制多种添加元素引起的折射率分布的设计的复杂化，能够实现具有更接近设计值的折射率分布的活性元素添加光纤用母材。
另外，在该活性元素添加光纤用母材100中，在从半径rb到半径rc的第一扩散区域中添加活性元素及锗。另外，在第一扩散区域中，活性元素的浓度随着朝向纤芯玻璃体的外侧而减少，并且锗的浓度随着朝向纤芯玻璃体的外侧而增加，第一扩散区域中的活性元素及锗的各浓度以大于0的浓度一致的第一一致点的活性元素及锗的各浓度是从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的活性元素的平均浓度的70％以下。因此，能够接近芯玻璃体的折射率分布平坦的形状。另外，在这种情况下，与没有第一扩散区域的情况相比，因为能够抑制第一区域与第二区域的界面上的变形，因此能够抑制所述纤芯玻璃体破裂。此外，该结构不是必须与活性元素添加光纤的情况相同。
另外，在该活性元素添加光纤用母材100中，在纤芯玻璃体110的从中心轴C到第二区域110b中的半径rd的区域中，添加至少一种使折射率上升的上升掺杂剂。另外，从半径rb到半径rd的区域是添加上升掺杂剂和锗的第二扩散区域，在第二扩散区域中，上升掺杂剂的浓度随着朝向纤芯玻璃体的外侧而减少，并且锗的浓度随着朝向纤芯玻璃体110的外侧而增加。另外，第二扩散区域中的上升掺杂剂的总量及锗的各浓度以大于0的浓度一致的第二一致点的上升掺杂剂的总量及锗的各浓度是从中心轴C到半径0.5ra以下的区域中的上升掺杂剂的总量的平均浓度的50％以下。因此，能够接近芯玻璃体的折射率分布平坦的形状。在这种情况下，与没有第二扩散区域的情况相比，因为能够抑制第一区域与第二区域的界面上的变形，因此能够抑制所述纤芯玻璃体破裂。此外，该结构不是必须与活性元素添加光纤的情况相同。
此外，从进一步抑制因活性元素添加光纤用母材的玻璃加热引起的折射率分布的变化的观点出发，优选在第二区域110b中的从半径rc及半径rd中的较大的一方到半径d的区域仅添加锗。
另外，从抑制包层玻璃体120内的掺杂剂向纤芯玻璃体110扩散的观点出发，优选在包层玻璃体120中不添加锗。
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的解释，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23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23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23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24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24，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。
以下，关于具有上述极大值位置的活性元素添加光纤等，举出实施例及比较例进行更具体地说明，但本发明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2中示出实施例1～33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2
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25是表示比较例的活性元素添加光纤的纤芯的折射率分布一例的图。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3中示出其结果。
表3
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3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4中示出其结果。
表4
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4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。即，其结果为，根据实施例1～33的活性元素添加光纤，与对应的比较例1～33的活性元素添加光纤相比，抑制了光束品质劣化。
此外，在表2～4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25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上述模拟的对象。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26中示出模拟1的结果，在图27中示出模拟2的结果。此外，图26及图27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26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：纤芯的折射率高至能够传导光的折射率的情况，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27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效果的相对折射率差的平均值的上限没有特别限定，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、活性元素添加光纤用母材、谐振器、光纤激光装置，可期待在加工用的激光装置等中使用。

Claims (18)

1.一种活性元素添加光纤，其具备纤芯以及无间隙地包围该纤芯的外周面的包层，能够以少模传播光，其特征在于，
关于所述纤芯，半径设定为d，包含第一区域和第二区域，
所述第一区域是所述纤芯的从中心轴到半径ra的区域，添加有可通过激励光进行激励的活性元素即镱，
所述第二区域是无间隙地包围所述第一区域的到半径d的区域，在所述第二区域中添加锗，并且在所述第二区域中的从半径rc到半径d的区域中未添加所述活性元素，
在所述第一区域中的从所述中心轴到半径rb的区域中未添加所述锗，
在所述第二区域中添加的掺杂剂的浓度中的所述锗的浓度最大。
2.根据权利要求1所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
在从半径rb到半径rc的第一扩散区域中添加所述活性元素及所述锗，
在所述第一扩散区域中，所述活性元素的浓度随着朝向所述纤芯的外侧而减少，并且所述锗的浓度随着朝向所述纤芯的外侧而增加，
所述第一扩散区域中的所述活性元素及所述锗的各浓度是大于0的浓度且一致的第一一致点的所述活性元素及所述锗的各浓度为从所述中心轴到半径0.5ra以下的区域中的所述活性元素的平均浓度的70％以下。
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，
在所述纤芯的从中心轴到所述第二区域中的半径rd的区域中，添加至少一种使折射率上升的活性元素以外的上升掺杂剂，
从半径rb到半径rd的区域是添加所述上升掺杂剂和所述锗的第二扩散区域，
在所述第二扩散区域中，所述上升掺杂剂的浓度随着朝向所述纤芯的外侧而减少，并且所述锗的浓度随着朝向所述纤芯的外侧而增加，
所述第二扩散区域中的所述上升掺杂剂的总量及所述锗的各浓度是大于0的浓度且一致的第二一致点的所述上升掺杂剂的总量及所述锗的各浓度为从所述中心轴到半径0.5ra以下的区域中的所述上升掺杂剂的总量的平均浓度的50％以下。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
所述纤芯的半径d的折射率分布的倾斜为-0.035％/μm以下。
5.根据权利要求1至4的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
所述纤芯具有阶跃折射率状的折射率分布，
所述纤芯的V值为5以上且12以下，
0.39d≦ra≦0.78d。
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，
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。
7.根据权利要求1至6的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
0.1d＜ra＜d，
在将所述纤芯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。
8.根据权利要求7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。
9.根据权利要求7或8所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
0.595d≦ra≦0.716d。
10.根据权利要求7至9的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
在0.4d＜r≦ra的区域中，至少存在一处所述极大值位置。
11.根据权利要求7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。
12.根据权利要求11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。
13.根据权利要求7至12的任一项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。
14.根据权利要求7至12的任一项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。
15.根据权利要求7至12的任一项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。
16.根据权利要求7至15的任一项所述的活性元素添加光纤，其特征在于，
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。
17.一种谐振器，其特征在于，具备：
权利要求1至16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。
18.一种光纤激光装置，其特征在于，具备：
权利要求1至16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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