BR102020008924A2

BR102020008924A2 - Dispositivo a laser de fibra óptica

Info

Publication number: BR102020008924A2
Application number: BR102020008924-2A
Authority: BR
Inventors: Kazuo Hasegawa; Daisuke Inoue; Satoru Kato; Tomoya Okazaki; Kazuya Saito; Arindam Halder
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha; Toyota School Foundation
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2020-12-01
Also published as: EP3736921A2; EP3736921B1; JP2020184565A; JP7136534B2; US20200358245A1; EP3736921A3; KR20200129044A; US11424589B2; MX2020004701A; RU2740005C1; CN111916980A

Abstract

uma primeira fibra (30) é conectada a uma primeira extremidade de uma terceira fibra (50) dopada com um elemento terroso raro, e uma segunda fibra (80) é conectada a uma segunda extremidade da terceira fibra (50). na terceira fibra (50) dopada com o elemento terroso raro, uma porção central de um núcleo (54) é dopada mais pesadamente com o elemento terroso raro do que uma porção periférica do núcleo (54).

Description

DISPOSITIVO A LASER DE FIBRA ÓPTICA

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO 1. CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção refere-se a dispositivos a laser de fibra óptica.

2. DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

[002] Publicação de Pedido de Patente Japonesa sob no 2007-273600 (JP 2007-273600 A) descreve um dispositivo a laser de fibra óptica que emite luz de laser. Nesse dispositivo a laser de fibra óptica, sendo que cada uma das fibras ópticas tem uma grade Bragg de fibra (FBG) e são conectadas a ambas as extremidades de uma fibra dopada com terroso raro.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[003] Na fibra dopada com terroso raro inclusa no dispositivo a laser de fibra óptica, um elemento terroso raro é distribuído uniformemente em seu núcleo inteiro. Quando se emite luz de laser de alta intensidade usando-se a fibra dopada com terroso raro em que o elemento terroso raro é distribuído uniformemente em seu núcleo inteiro, a luz de laser não é luz de laser de único modo (unimodal), mas luz de laser de multimodos com propriedades de condensação insatisfatórias.

[004] A invenção se refere a uma técnica para emitir de modo eficaz luz de laser de único modo em comparação ao caso em que um elemento terroso raro é distribuído uniformemente no núcleo inteiro.

[005] Um dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com um primeiro aspecto da invenção inclui: uma primeira fibra que tem uma grade de Bragg de primeira fibra; uma segunda fibra que tem uma grade de Bragg de segunda fibra com reflectância menor do que a grade de Bragg de primeira fibra; e uma terceira fibra dopada com um elemento terroso raro, tendo uma primeira extremidade conectada com a primeira fibra, e tendo uma segunda extremidade conectada com a segunda fibra. Uma porção central de um núcleo da terceira fibra é mais pesadamente dopada com o elemento terroso raro do que uma porção periférica do núcleo.

[006] De acordo com a configuração acima, a luz de excitação que entrou na primeira fibra excita o elemento terroso raro adicionado ao núcleo da terceira fibra. O elemento terroso raro excitado emite, portanto, espontaneamente luz com um comprimento de onda específico. A luz emitida espontaneamente entre na segunda fibra e é refletida pela grade de Bragg de segunda fibra.

[007] A luz refletida pela grade de Bragg de segunda fibra é amplificada pelo elemento terroso raro excitado à medida que vai e volta entre a grade de Bragg de primeira fibra e a grade de Bragg de segunda fibra. A luz amplificada que foi amplificada e, portanto, que excedeu as condições de oscilação atravessa a grade de Bragg de segunda fibra e é emitida como luz de laser.

[008] A porção central do núcleo é dopada mais pesadamente com o elemento terroso raro do que a porção periférica do núcleo. Consequentemente, a luz que atravessa a porção central do núcleo é amplificada à medida que vai e volta entre a grade de Bragg de primeira fibra e a grade de Bragg de segunda fibra uma pluralidade de vezes. A luz de laser de único modo é, portanto, emitida. O dispositivo a laser de fibra óptica emite, portanto, de modo eficaz a luz de laser de único modo em comparação ao caso em que o elemento terroso raro é distribuído uniformemente no núcleo inteiro.

[009] No dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com o primeiro aspecto, a porção central do núcleo pode ser dopada com o elemento terroso raro, a porção periférica do núcleo pode não ser dopada com o elemento terroso raro, e a seguinte expressão pode ser satisfeita, em que Da representa um diâmetro da porção central dopada com o elemento terroso raro e Db representa um diâmetro do núcleo
Db / 2 ≤ Da ≤ (3 · Db) / 4.

[010] De acordo com a configuração acima, o grau de amplificação de um modo de LP01, que é um único modo, é maior do que no caso em que o diâmetro Da da porção dopada é maior do que (3 · Db) / 4 ou menor do que Db / 2. O dispositivo a laser de fibra óptica, portanto, emite de modo eficaz a luz de laser de único modo.

[011] No dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com o primeiro aspecto, a porção periférica do núcleo pode incluir uma porção de absorção que absorve luz em uma banda de comprimento de onda de saída.

[012] De acordo com the configuração acima, o ganho de luz que é emitida da porção periférica do núcleo é reduzido na medida em que a porção periférica do núcleo inclui a porção de absorção que absorve luz na banda de comprimento de onda de saída. O dispositivo a laser de fibra óptica, portanto, emite de modo eficaz a luz de laser de único modo em comparação ao caso em que a porção periférica do núcleo não inclui a porção de absorção que absorve luz na banda de comprimento de onda de saída.

[013] No dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com o primeiro aspecto, o elemento terroso raro pode ser itérbio, e a porção de absorção pode ser quartzo dopado com samário.

[014] De acordo com a invenção, o dispositivo a laser de fibra óptica emite de modo eficaz a luz de laser de único modo em comparação ao caso em que o elemento terroso raro é distribuído uniformemente no núcleo inteiro.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[015] As particularidades, vantagens e a significância técnica e industrial das modalidades exemplificativas da invenção serão descritas abaixo com referência aos desenhos anexos, em que como numerais semelhantes denotam elementos semelhantes, e em que:

[016] A Figura 1 é uma vista em corte de uma fibra dopada com terroso raro inclusa em um dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com uma primeira modalidade da invenção;

[017] A Figura 2 é um diagrama de distribuição de índice refrativo que mostra a distribuição do índice refrativo da fibra dopada com terroso raro inclusa no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção;

[018] A Figura 3A é uma vista em corte de uma fibra óptica usada no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção;

[019] A Figura 3B é uma vista em corte da fibra dopada com terroso raro usada no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção;

[020] A Figura 4A é uma vista em corte de uma primeira FBG formada na fibra óptica usada no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção;

[021] A Figura 4B é uma vista em corte de uma segunda FBG formada na fibra óptica usada no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção;

[022] A Figura 5 é um diagrama de configuração esquemática do dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção;

[023] A Figura 6 é um gráfico que mostra os resultados de análise de fibras dopadas com terroso raro dos exemplos inclusos no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção e uma fibra dopada com terroso raro de um exemplo comparativo;

[024] A Figura 7A ilustra um modo de oscilação de luz de laser no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção;

[025] A Figura 7B ilustra um modo de oscilação de luz de laser no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção;

[026] A Figura 8A ilustra um modo de oscilação de luz de laser no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção;

[027] A Figura 8B ilustra um modo de oscilação de luz de laser no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção;

[028] A Figura 9A é uma vista em corte de uma fibra dopada com terroso raro usada em um dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com uma forma comparativa para a primeira modalidade da invenção;

[029] A Figura 9B é uma vista em corte ampliada da Figura 9A;

[030] A Figura 10 é um diagrama de configuração esquemática do dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a forma comparativa para a primeira modalidade da invenção;

[031] A Figura 11A é uma vista em corte de uma fibra dopada com terroso raro usada em um dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com uma segunda modalidade da invenção;

[032] A Figura 11B é uma vista em corte ampliada da Figura 11A;

[033] A Figura 12 é um diagrama de distribuição de índice refrativo que mostra a distribuição do índice refrativo da fibra dopada com terroso raro inclusa no dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a segunda modalidade da invenção;

[034] A Figura 13 é um diagrama de configuração esquemática do dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a segunda modalidade da invenção;

[035] A Figura 14 é um diagrama de distribuição de índice refrativo que mostra a distribuição do índice refrativo de uma fibra dopada com terroso raro inclusa em um dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com uma modificação da modalidade da invenção;

[036] A Figura 15 é um diagrama de distribuição de índice refrativo que mostra a distribuição do índice refrativo de uma fibra dopada com terroso raro inclusa em um dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com uma modificação da modalidade da invenção; e

[037] A Figura 16 é um diagrama de distribuição de índice refrativo que mostra a distribuição do índice refrativo de uma fibra dopada com terroso raro inclusa em um dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com uma modificação da modalidade da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PRIMEIRA MODALIDADE

[038] Um exemplo de um dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a primeira modalidade da invenção será descrito com referência às Figuras 1 a 10. A seta H mostrada nas figuras indica a direção cima-baixo do dispositivo (direção vertical), e a seta W mostrada nas figuras indica a direção lateral do veículo (direção horizontal).

CONFIGURAÇÃO GERAL

[039] Conforme mostrado na Figura 5, um dispositivo a laser de fibra óptica 10 inclui uma fonte de luz de excitação 20 que emite luz de excitação em uma banda de comprimento de onda predeterminada, uma fibra óptica 30 com uma grade de Bragg de primeira fibra 32 (doravante referida como a "primeira FBG 32”), e uma fibra dopada com terroso raro 50. O dispositivo a laser de fibra óptica 10 inclui adicionalmente uma fibra óptica 80 com uma grade de Bragg de segunda fibra 82 (doravante referida como a "segunda FBG 82”).

[040] A fonte de luz de excitação 20, a fibra óptica 30, a fibra dopada com terroso raro 50 e a fibra óptica 80 são dispostas nessa ordem a partir de um lado até o outro lado na direção lateral do dispositivo. A fibra óptica 30 é um exemplo da primeira fibra, e a fibra óptica 80 é um exemplo da segunda fibra.

FONTE DE LUZ DE EXCITAÇÃO 20

[041] A fonte de luz de excitação 20 é, por exemplo, um laser semicondutor etc. Conforme mostrado na Figura 5, a fonte de luz de excitação 20 é disposta de modo a estar voltada para uma extremidade da fibra óptica 30. A fonte de luz de excitação 20 emite a luz de excitação em direção a uma extremidade da fibra óptica 30. Na presente modalidade, a fonte de luz de excitação 20 emite, por exemplo, luz de excitação com um comprimento de onda de 975 nm.

FIBRA ÓPTICA 30 E FIBRA ÓPTICA 80 FIBRA ÓPTICA 30

[042] Conforme mostrado na Figura 5, a fibra óptica 30 é disposta linearmente de modo que sua uma extremidade fique voltada para a fonte de luz de excitação 20 e que a fibra óptica 30 se estenda na direção lateral do dispositivo. A fibra óptica 30 tem sua uma extremidade fundida à fonte de luz de excitação 20. Conforme mostrado na Figura 3A, a fibra óptica 30 tem um núcleo 34, um revestimento 36 que cobre o núcleo 34, e um revestimento de resina 38 que cobre o revestimento 36.

[043] O índice refrativo do revestimento 36 é menor do que aquele do núcleo 34, e o índice refrativo do revestimento de resina 38 é significativamente menor do que aquele do revestimento 36. O núcleo 34 é produzido a partir de quartzo dopado com germânio, fósforo, ou alumínio, e o revestimento 36 é produzido a partir de quartzo não dopado com qualquer dopante. O revestimento de resina 38 é produzido a partir de uma resina curável em ultravioleta.

[044] Na presente modalidade, o núcleo 34 tem um diâmetro de 40 μm, o revestimento 36 tem um diâmetro de 400 μm, e o revestimento de resina 38 tem um diâmetro de 800 μm.

[045] Conforme mostrado na Figura 4A, a primeira FBG 32 formada na fibra óptica 30 tem uma grade de difração 40. A grade de difração 40 tem porções de alto índice refrativo 40a e porções de baixo índice refrativo 40b no núcleo 34 da fibra óptica 30. As porções de alto índice refrativo 40a são dispostas em intervalos regulares na direção longitudinal da fibra óptica 30 e têm um índice refrativo maior do que o núcleo 34. Cada uma das porções de baixo índice refrativo 40b está localizada entre um par de porções de alto índice refrativo 40a e tem o mesmo índice refrativo que o núcleo 34. A direção esquerda-direita nas Figuras 4A e 4B (seta z nas figuras) indica a direção longitudinal da fibra, e a direção cima-baixo nas Figuras 4A e 4B (seta r nas figuras) indica a direção radial da fibra.

[046] Na presente modalidade, o comprimento de onda de centro de reflexão (comprimento de onda de Bragg) da luz refletida pela primeira FBG 32 é, por exemplo, 1080 nm. As dimensões de cada parte, valores de propriedade física etc. são determinados de modo que a primeira FBG 32 reflita a luz com refletância de 99% ou mais.

FIBRA ÓPTICA 80

[047] Conforme mostrado na Figura 5, a fibra óptica 80 é disposta linearmente com a finalidade de estender na direção lateral do dispositivo. Conforme mostrado na Figura 3A, a fibra óptica 80 tem um núcleo 84, um revestimento 86 que cobre o núcleo 84, e um revestimento de resina 88 que cobre o revestimento 86.

[048] Cada membro da fibra óptica 80 tem um diâmetro semelhante àquele de cada membro da fibra óptica 30 e é produzido a partir de um material semelhante àquele de cada membro da fibra óptica 30.

[049] Conforme mostrado na Figura 4B, a segunda FBG 82 formada na fibra óptica 80 tem uma grade de difração 90. A grade de difração 90 tem porções de alto índice refrativo 90a e porções de baixo índice refrativo 90b no núcleo 84 da fibra óptica 80. As porções de alto índice refrativo 90a são dispostas em intervalos regulares na direção longitudinal da fibra óptica 80 e têm um índice refrativo maior do que o núcleo 84. Cada uma das porções de baixo índice refrativo 90b está localizada entre um par de porções de alto índice refrativo 90a e tem o mesmo índice refrativo que o núcleo 84.

[050] Na presente modalidade, o comprimento de onda de centro de reflexão (comprimento de onda de Bragg) da luz refletida pela segunda FBG 82 é, por exemplo, 1080 nm como a primeira FBG 32. A refletância da luz refletida pela segunda FBG 82 é menor do que aquela da luz refletida pela primeira FBG 32. Por exemplo, na presente modalidade, as dimensões de cada parte, valores de propriedade física etc. são determinadas de modo que a segunda FBG 82 reflita luz com refletância de 10%.

FIBRA DOPADO COM TERROSO RARO 50

[051] Conforme mostrado na Figura 5, a fibra dopada com terroso raro 50 é disposta entre a fibra óptica 30 e a fibra óptica 80 na direção lateral do dispositivo. A fibra dopada com terroso raro 50 é enrolada em um formato de bobina com um diâmetro grande de modo que nenhum estresse seja produzido na fibra dopada com terroso raro 50.

[052] Conforme mostrado na Figura 3B, a fibra dopada com terroso raro 50 tem um núcleo 54 dopado com um elemento terroso raro, um revestimento 56 que cobre o núcleo 54, e um revestimento de resina 58 que cobre o revestimento 56.

[053] O índice refrativo do revestimento 56 é menor do que aquele do núcleo 54, e o índice refrativo do revestimento de resina 58 é significativamente menor do que aquele do revestimento 56. O núcleo 54 é produzido a partir de quartzo dopado com itérbio (Yb) que é um exemplo do elemento terroso raro, e o revestimento 56 é produzido a partir de quartzo não dopado com qualquer dopante. O revestimento de resina 58 é produzido a partir de uma resina curável em ultravioleta. O núcleo 54 dopado com o elemento terroso raro será descrito em detalhes posteriormente.

[054] Na presente modalidade, o núcleo 54 tem um diâmetro de 40 μm, o revestimento 56 tem um diâmetro de 400 μm, e o revestimento de resina 58 tem um diâmetro de 500 μm. A fibra dopada com terroso raro 50 tem um comprimento de 9 m ou mais.

[055] A fibra dopada com terroso raro 50 tem sua uma extremidade fundida à outra extremidade da fibra óptica 30 por usinagem de descarga em arco (consulte a Figura 5). Especificamente, o núcleo 34 e o revestimento 36 da fibra óptica 30 e o núcleo 54 e o revestimento 56 da fibra dopada com terroso raro 50 são fundidos juntos por descarga em arco (consulte as Figuras 3A e 3B).

[056] A outra extremidade da fibra dopada com terroso raro 50 é fundida a uma extremidade da fibra óptica 80 por usinagem de descarga em arco (consulte a Figura 5). Especificamente, o núcleo 84 e o revestimento 86 da fibra óptica 80 e o núcleo 54 e o revestimento 56 da fibra dopada com terroso raro 50 são fundidos juntos por descarga em arco (consulte as Figuras 3A e 3B).

CONFIGURAÇÃO DE PARTE PRINCIPAL

[057] A seguir, o núcleo 54 dopado com o elemento terroso raro será descrito com referência às Figuras 1 e 2. A Figura 1 mostra uma seção da fibra dopada com terroso raro 50 tomada em uma direção perpendicular à direção longitudinal da fibra dopada com terroso raro 50. A Figura 2 é um diagrama de distribuição de índice refrativo que mostra a distribuição do índice refrativo da fibra dopada com terroso raro 50. A direção cima-baixo na Figura 2 (seta n na figura) indica o nível do índice refrativo, e quanto maior a altura na figura, maior é o índice refrativo. A direção esquerda-direita na Figura 2 (seta r na figura) indica a direção radial da fibra dopada com terroso raro 50. As razões dimensionais nas figuras são exageradas para conveniência da descrição e podem ser diferentes das razões dimensionais reais.

[058] Como descrito acima, o núcleo 54 da fibra dopada com terroso raro 50 é produzido a partir de quartzo dopado com o elemento terroso raro e tem um diâmetro de 40 μm.

[059] Conforme mostrado nas Figuras 1 e 2, a porção central do núcleo 54 é dopada com o elemento terroso raro como visto na direção longitudinal da fibra dopada com terroso raro 50, e uma porção 54a dopada com o elemento terroso raro tem uma seção circular. A porção dopada 54a é sombreada com pontos na figura.

[060] A "porção central do núcleo 54” no presente documento se refere a uma porção que inclui o centro C do núcleo 54 e está localizada distante do revestimento 56 como visto na direção longitudinal da fibra dopada com terroso raro 50.

[061] Na presente modalidade, a porção 54a dopada com o elemento terroso raro é uma porção cilíndrica concêntrica com o núcleo 54 e que tem um diâmetro predeterminado Da de 20 μm ou mais e 30 μm ou menos. Em outras palavras, a porção 54a dopada com o elemento terroso raro é uma porção cilíndrica com um diâmetro predeterminado Da de Db / 2 ou mais e (3 · Db) / 4 ou menos, em que Db representa o diâmetro do núcleo 54. Como descrito acima, na presente modalidade, a porção central do núcleo 54 é dopada mais pesadamente com o elemento terroso raro do que a porção periférica do núcleo 54.

[062] A porção dopada 54a é dopada com o elemento terroso raro em uma concentração predeterminada na faixa de 0,5% em massa ou mais e 10% em massa ou menos. A concentração do elemento terroso raro é preferencialmente alta para o elemento terroso raro ser excitado e emite espontaneamente luz com um comprimento de onda específico e é, de preferência, baixo para a porção dopada 54a ter uma concentração uniforme do elemento terroso raro. A porção dopada 54a é, portanto, de preferência, dopada com o elemento terroso raro na concentração de 1% em massa ou mais e 2% em massa ou menos.

[063] A porção 54a do núcleo 54 que é dopada com o elemento terroso raro pode ser especificada por análise usando-se um microanalisador de sonda de elétron (EPMA).

FUNÇÕES

[064] A seguir, as funções do dispositivo a laser de fibra óptica 10 serão descritas em comparação com um dispositivo a laser de fibra óptica 510 de acordo com uma forma comparativa. Primeiramente, a configuração do dispositivo a laser de fibra óptica 510 será descrita principalmente em relação a diferenças do dispositivo a laser de fibra óptica 10. As funções do dispositivo a laser de fibra óptica 510 também serão descritas principalmente em relação a diferenças do dispositivo a laser de fibra óptica 10.

CONFIGURAÇÃO DE DISPOSITIVO A LASER DE FIBRA ÓPTICA 510

[065] Conforme mostrado na Figura 10, o dispositivo a laser de fibra óptica 510 inclui a fonte de luz de excitação 20, a fibra óptica 30, uma fibra dopada com terroso raro 550 e a fibra óptica 80. A fibra dopada com terroso raro 550 é disposta entre a fibra óptica 30 e a fibra óptica 80 na direção lateral do dispositivo. A fibra dopada com terroso raro 550 é enrolada em um formato de bobina com um diâmetro grande de modo que nenhum estresse seja produzido na fibra dopada com terroso raro 550.

[066] Conforme mostrado na Figura 9A, a fibra dopada com terroso raro 550 tem um núcleo 554 dopado com um elemento terroso raro, a revestimento 56 que cobre o núcleo 554, e a revestimento de resina 58 que cobre o revestimento 56. O núcleo 554 é produzido a partir de quartzo dopado com o elemento terroso raro e tem um diâmetro de 40 μm. O núcleo inteiro 554 é dopado uniformemente com o elemento terroso raro. Em outras palavras, o elemento terroso raro é distribuído uniformemente no núcleo inteiro 554. Na presente modalidade, o núcleo 554 é dopado com o elemento terroso raro na concentração de 0,5% em massa ou mais e 10% em massa ou menos.

ANÁLISE DE MODOS DE OSCILAÇÃO

[067] As fibras dopadas com terroso raro 50, 550 foram analisadas por simulação para o grau de ampliação de cada modo de oscilação. Essa análise será descrita abaixo.

[068] Primeiramente, os modos de oscilação serão descritos. Os seguintes quatro modos de oscilação foram usados nessa análise: Modo LP01, modo LP02, modo LP03 e modo LP04.

[069] As Figuras 7A, 7B, 8A e 8B são gráficos em que o eixo geométrico X e o eixo geométrico Y são eixos de coordenada que indicam a posição em uma seção do núcleo e o eixo geométrico Z representa intensidade radiante.

[070] Conforme mostrado na Figura 7A, o modo LP01 é um modo singular (unimodal) em que a saída é a maior no centro do núcleo e um valor extremo, a saber, a saída maior do que em localizações adjacentes, aparece em uma localização. Conforme mostrado na Figura 7B, o modo LP02 é um multimodo em que a saída é a maior no centro do núcleo e valores extremos, a saber, a saída maior do que em localizações adjacentes, aparecem em um padrão de círculo em torno do centro do núcleo.

[071] Conforme mostrado na Figura 8A, o modo LP03 é um multimodo em que a saída é a maior no centro do núcleo e valores extremos, a saber, a saída maior do que em localizações adjacentes, aparecem em um padrão de círculo duplo em torno do centro do núcleo. Conforme mostrado na Figura 8B, o modo LP04 é um multimodo em que a saída é a maior no centro do núcleo e valores extremos, a saber, a saída maior do que em localizações adjacentes, aparecem em um padrão de círculo triplo em torno do centro do núcleo.

ESPECIFICAÇÕES DE ANÁLISE

[072] 1. A fibra dopada com terroso raro 50, em que a porção 54a é concêntrica com o núcleo 54 e que tem um diâmetro de 20 μm foi dopada com o elemento terroso raro, foi usada como Exemplo 1.

[073] 2. A fibra dopada com terroso raro 50, em que a porção 54a é concêntrica com o núcleo 54 e que tem um diâmetro de 25 μm foi dopada com o elemento terroso raro, foi usada como Exemplo 2.

[074] 3. A fibra dopada com terroso raro 50, em que a porção 54a é concêntrica com o núcleo 54 e que tem um diâmetro de 30 μm foi dopada com o elemento terroso raro, foi usada como Exemplo 3.

[075] 4. A fibra dopada com terroso raro 550 em que o núcleo inteiro 554 foi dopado uniformemente com o elemento terroso raro foi usada como um exemplo comparativo.

RESULTADO DE ANÁLISE

[076] A Figura 6 é um gráfico em que a abscissa representa o modo de oscilação e a ordenada representa o grau de ampliação do modo de oscilação (doravante, algumas vezes, referido simplesmente como "grau de ampliação”). A linha contínua no gráfico indica os resultados de análise do Exemplo 1, a linha tracejada curta-tracejada longa no gráfico indica os resultados de análise do Exemplo 2, e a linha tracejada curta dupla-tracejada longa no gráfico indica os resultados de análise do Exemplo 3. A linha tracejada no gráfico indica os resultados de análise do exemplo comparativo.

[077] Como mostrado no gráfico da Figura 6, os graus de ampliação do modo LP01, do modo LP02, do modo LP03 e do modo LP04 foram semelhantes no exemplo comparativo. Isto é, todos os modos foram ampliados no mesmo grau no exemplo comparativo.

[078] Para os Exemplos 1, 2, e 3, como mostrado no gráfico da Figura 6, o grau de ampliação do modo LP01 foi maior do que os graus de ampliação dos outros modos de oscilação. A razão de ampliação no presente documento se refere à razão entre o grau de ampliação do modo LP01 e o grau de ampliação do modo LP02. A razão de ampliação da primeira modalidade é 1,4, a razão de ampliação da segunda modalidade é 1,6, e a razão de ampliação da terceira modalidade é 1,2. A razão de ampliação do exemplo comparativo é 1,0.

[079] Isto é, a razão de ampliação é a mais alta quando o diâmetro da porção dopada com o elemento terroso raro for 25 μm, e a razão de ampliação se torna menor quando o diâmetro da porção dopada com o elemento terroso raro for maior ou menor do que 25 μm. Isto é, a razão de ampliação é a mais alta quando o diâmetro Da da porção dopada com o elemento terroso raro for (5 · Db) / 8, e a razão de ampliação se torna menor quando o diâmetro Da da porção dopada com o elemento terroso raro for maior ou menor do que (5 · Db) / 8, em que Db representa o diâmetro do núcleo 54. Com base no conhecimento que o grau de ampliação de cada modo de oscilação muda de acordo com a razão entre o diâmetro do núcleo e o diâmetro da porção dopada com o elemento terroso raro, a porção dopada com o elemento terroso raro não foi dimensionalizada.

CONSIDERAÇÃO PARA RESULTADOS DE ANÁLISE

[080] No exemplo comparativo, o núcleo inteiro 554 é dopado uniformemente com o elemento terroso raro, conforme descrito acima. É, portanto, considerado que o grau de ampliação de cada modo de oscilação é semelhante.

[081] Nos Exemplos 1, 2 e 3, a porção central do núcleo 54 é dopada com o elemento terroso raro, conforme descrito acima. É, portanto, considerado que o grau de ampliação do modo LP01 é maior do que os graus de ampliação dos outros modos de oscilação.

FUNÇÕES DE DISPOSITIVOS A LASER DE FIBRA ÓPTICA 10, 510

[082] A seguir, as funções dos dispositivos a laser de fibra óptica 10, 510 serão descritas.

[083] A fonte de luz de excitação 20 mostrada nas Figuras 5 e 10 emite luz de excitação com um comprimento de onda de 975 nm em direção àquela extremidade da fibra óptica 30. Essa luz de excitação entra no revestimento 36 e no núcleo 34 da fibra óptica 30 (consulte a Figura 3A). A luz de excitação que se propagou através da fibra óptica 30 entra na fibra dopada com terroso raro 50, 550.

[084] A luz de excitação que entrou na fibra dopada com terroso raro 50, 550 é absorvida pelo elemento terroso raro adicionado ao núcleo 54, 554 da fibra dopada com terroso raro 50, 550. O elemento terroso raro é, portanto, excitado, e o elemento terroso raro excitado emite espontaneamente luz com um comprimento de onda específico. A luz emitida espontaneamente que se propagou através do núcleo 54, 554 da fibra dopada com terroso raro 50, 550 (consulte a Figura 3B) entra na fibra óptica 80.

[085] A luz emitida espontaneamente que entrou na fibra óptica 80, a luz na banda de comprimento de onda de reflexão (1080 nm na presente modalidade) da segunda FBG 82 é refletida pela segunda FBG 82. A luz refletida pela segunda FBG 82 retorna para a fibra dopada com terroso raro 50, 550.

[086] A luz que retornou para a fibra dopada com terroso raro 50, 550 é ampliada pela emissão estimulada do elemento terroso raro. A luz amplificada entra, então, na fibra óptica 30.

[087] Da luz que entrou na fibra óptica 30, a luz na banda de comprimento de onda de reflexão da primeira FBG 32 (1080 nm na presente modalidade) é refletida pela primeira FBG 32. A luz refletida pela primeira FBG 32 retorna para a fibra dopada com terroso raro 50, 550. A luz que retornou para a fibra dopada com terroso raro 50, 550 é ampliada pela emissão estimulada do elemento terroso raro. A luz amplificada entra, então, na fibra óptica 80.

[088] Como descrito acima, a luz de propagação é gradualmente amplificada na medida em que vai e volta entre a primeira FBG 32 e a segunda FBG 82. A luz que excedeu as condições de oscilação atravessa a segunda FBG 82 e é emitida na medida em que a luz de laser do dispositivo a laser de fibra óptica 10, 510.

[089] No dispositivo a laser de fibra óptica 510, o núcleo inteiro 554 é uniformemente dopado com o elemento terroso raro. O grau de ampliação de cada modo de oscilação é, portanto, semelhante, conforme descrito em relação aos resultados de análise acima. Consequentemente, é difícil emitir seletivamente a luz de laser de único modo até mesmo quando a luz vai e volta entre a primeira FBG 32 e a segunda FBG 82 uma pluralidade de vezes.

[090] No dispositivo a laser de fibra óptica 10, por outro lado, a porção central do núcleo 54 é dopada com o elemento terroso raro. O grau de ampliação do modo LP01 é, portanto, maior do que os graus de ampliação dos outros modos de oscilação, conforme descrito em relação aos resultados de análise acima.

[091] Consequentemente, a luz do modo LP01 é ampliada mais que a luz dos outros modos de oscilação na medida em que a luz vai e volta entre a primeira FBG 32 e a segunda FBG 82 uma pluralidade de vezes. A luz de laser do modo LP01 é, portanto, emitida a partir do dispositivo a laser de fibra óptica 10. Em outras palavras, a luz de laser de único modo é emitida a partir do dispositivo a laser de fibra óptica 10.

SUMÁRIO

[092] Como descrito acima, o dispositivo a laser de fibra óptica 10 emite de modo eficaz a luz de laser de único modo em comparação ao dispositivo a laser de fibra óptica 510 em que o núcleo inteiro 554 é dopado uniformemente com o elemento terroso raro.

[093] Em outras palavras, o dispositivo a laser de fibra óptica 10 emite a luz de laser com melhor propriedades de condensação em comparação ao dispositivo a laser de fibra óptica 510 em que o núcleo inteiro 554 é dopado uniformemente com o elemento terroso raro.

[094] No dispositivo a laser de fibra óptica 10, o diâmetro Da da porção dopada com o elemento terroso raro satisfaz a seguinte expressão, em que Db representa o diâmetro do núcleo 54.
Db / 2 ≤ Da ≤ (3 · Db) / 4

[095] Consequentemente, o dispositivo a laser de fibra óptica 10 emite de modo eficaz uma luz de laser de único modo em comparação ao caso em que o diâmetro Da é maior do que (3 · Db) / 4 ou menor do que Db / 2.

SEGUNDA MODALIDADE

[096] Um exemplo de um dispositivo a laser de fibra óptica de acordo com a segunda modalidade da invenção será descrito com referência às 11A a 13. A segunda modalidade será descrita principalmente em relação às diferenças da primeira modalidade.

[097] Conforme mostrado na Figura 13, um dispositivo a laser de fibra óptica 210 de acordo com a segunda modalidade inclui a fonte de luz de excitação 20, a fibra óptica 30, a fibra dopada com terroso raro 250 e a fibra óptica 80. A fibra dopada com terroso raro 250 é disposta entre a fibra óptica 30 e a fibra óptica 80 na direção lateral do dispositivo. A fibra dopada com terroso raro 250 é enrolada em um formato de bobina com um diâmetro grande de modo que nenhum estresse seja produzido na fibra dopada com terroso raro 250.

[098] Conforme mostrado na Figura 11A, a fibra dopada com terroso raro 250 tem um núcleo 254 dopado com um elemento terroso raro, a revestimento 56 que cobre o núcleo 254, e a revestimento de resina 58 que cobre o revestimento 56.

[099] Como descrito acima, o núcleo 254 é produzido a partir de quartzo dopado com o elemento terroso raro e tem um diâmetro de 40 μm. Especificamente, como mostrado nas Figuras 11B e 12, a porção central do núcleo 254 é dopada com o elemento terroso raro, e uma porção 254a dopada com o elemento terroso raro tem uma seção circular. Especificamente, a porção 54a dopada com o elemento terroso raro é uma porção cilíndrica concêntrica com o núcleo 54 e que tem um diâmetro predeterminado Da de 20 μm ou mais e 30 μm ou menos.

[0100] O núcleo 254 tem uma porção de absorção 254b na porção periférica do núcleo 254. A porção de absorção 254b é formada em uma porção diferente da porção dopada 54a e absorve luz em uma banda de comprimento de onda a ser emitida sem absorver a luz de excitação. A porção de absorção 254b é formada ao longo da circunferência inteira do núcleo 254. Por exemplo, quando o comprimento de onda da luz de excitação for 975 nm e o elemento terroso raro for itérbio (Yb), a porção de absorção 254b é uma porção cilíndrica oca produzida a partir de quartzo dopado com samário (Sm) e absorve cerca de 20% da luz na banda de comprimento de onda de saída em comparação à porção restante do núcleo 254.

[0101] Visto que a porção de absorção 254b que absorve luz na banda de comprimento de onda de saída é formada na porção periférica do núcleo 254, a luz que é emitida a partir da porção periférica do núcleo 254 reduziu a intensidade radiante. O dispositivo a laser de fibra óptica 210, portanto, emite de modo eficaz a luz de laser de único modo em comparação ao caso em que o núcleo 254 não tem a porção de absorção 254b.

[0102] As outras funções da segunda modalidade são iguais às funções da primeira modalidade.

[0103] Embora a invenção seja descrita acima em detalhes em relação às modalidades específicas, a invenção não se limita a essas modalidades, e várias outras modalidades são possíveis no espírito e escopo da invenção. Por exemplo, na primeira e segunda modalidades, a porção central do núcleo 54, 254 é dopada com o elemento terroso raro, e a porção periférica do núcleo 54, 254 não é dopada com o elemento terroso raro. Entretanto, a porção periférica do núcleo pode ser dopada com o elemento terroso raro. A porção central do núcleo 54, 254 precisa apensar ser dopado mais pesadamente com o elemento terroso raro do que a porção periférica do núcleo 54, 254.

[0104] Na primeira e segunda modalidades, as porções 54a, 254a dopadas com o elemento terroso raro têm uma seção circular. Entretanto, as porções dopadas 54a, 254a podem ter outros formatos na seção como uma seção retangular. As porções dopadas 54a, 254a apenas precisam estar localizadas distantes do revestimento 56. Nesse caso, a função que é implantada pelas porções dopadas 54a, 254a que têm uma seção circular não é implantada.

[0105] Na primeira e segunda modalidades, os núcleos 54, 254 das fibras dopadas com terroso raro 50, 250 são dopados com itérbio (Yb). Entretanto, o elemento terroso raro pode ser érbio (Er), disprósio (Dy), ou túlio (Tm) quando, por exemplo, um semicondutor de laser com nitrito de gálio (GaN) que tem um comprimento de onda na banda de 400 nm etc. for usada como a fonte de luz de excitação 20.

[0106] Na segunda modalidade, a porção de absorção 254b é dopada com samário (Sm). Entretanto, a porção de absorção 254b pode ser dopada com európio (Eu) etc. dependendo do comprimento de onda da luz de laser a ser absorvida pela porção de absorção 254b.

[0107] Embora não seja particularmente descrito na primeira modalidade, a porção dopada 54a pode ter um índice refrativo maior do que o núcleo 54 exceto pela porção dopada 54a como mostrado na Figura 14 ou pode ter um índice refrativo menor do que o núcleo 54 exceto pela porção dopada 54a como mostrado na Figura 15.

[0108] Embora não seja particularmente descrita na primeira modalidade, a porção dopada 54a pode ter um índice refrativo menor do que o núcleo 54 exceto pela porção dopada 54a como mostrado na Figura 16. Uma porção cilíndrica central 54c, que é o centro do núcleo 54 e tem um diâmetro de 1 μm ou mais e 2 μm ou menos, não é dopada com um elemento terroso raro e tem um índice refrativo maior do que a porção dopada 54a. A porção central 54c pode ter um índice refrativo maior do que a porção do núcleo 54 que não é dopada com um elemento terroso raro. A porção central do núcleo 54 precisa apensar ser dopado mais pesadamente com o elemento terroso raro do que a porção periférica do núcleo 54.

Claims

Dispositivo de laser de fibra óptica (10; 210), CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
uma primeira fibra (30) que tem uma grade de Bragg de primeira fibra;
uma segunda fibra (80) que tem uma grade de Bragg de segunda fibra com refletância menor do que a grade de Bragg de primeira fibra; e
uma terceira fibra (50) dopada com um elemento terroso raro, que tem uma primeira extremidade conectada à primeira fibra (30), e que tem uma segunda extremidade conectada à segunda fibra (80), em que
uma porção central de um núcleo (54) da terceira fibra (50) é mais pesadamente dopada com o elemento terroso raro do que é uma porção periférica do núcleo.
Dispositivo de laser de fibra óptica (10; 210), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que:
a porção central do núcleo (54) é dopada com o elemento terroso raro e a porção periférica do núcleo (54) não é dopada com o elemento terroso raro; e
a seguinte expressão é satisfeita, em que Da representa um diâmetro da porção central dopada com o elemento terroso raro e Db representa um diâmetro do núcleo (54)
Db / 2 ≤ Da ≤ (3 · Db) / 4.
Dispositivo de laser de fibra óptica (210), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a porção periférica do núcleo (54) inclui uma porção de absorção (254b) que absorve luz em uma banda de comprimento de onda de saída.
Dispositivo de laser de fibra óptica (210), de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que:
o elemento terroso raro é o itérbio; e
a porção de absorção (254b) é quartzo dopado com samário.