CN100345347C - 光纤激光器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种光纤激光器装置(1)，具有用激励光激励芯(2a、3a)内的激光活性物质使激光发生、使激光在芯(2a、3a)内传播、从端部(2c、3c)输出的多个光纤激光器(2、3)，其特征在于，各光纤激光器(2、3)，在两端部(2b、2c、3b、3c)具有反射激光的谐振器(4、5)，同时形成使芯(2a、3a)的一部分直径细化的结构，并使各芯(2a、3a)的直径细化部分接近，利用例子来自芯(2a、3a)内的激光，在谐振器(4、5)内实施注入同步。采用该光纤激光器装置(1)，使芯(2a、3a)间相互接近，利用从芯(2a、3a)透出的激光使其实现注入同步，以这样的简单构成，可实现相加效率非常高的，激光器间的相干相加。

Description

光纤激光器装置

                           技术领域

本发明涉及具有多个光纤激光器的光纤激光器装置。

                           背景技术

人们正致力于各种激光器的开发，期望获得高输出、且空间相干性高的激光器。作为实现这一目的的一种方法，已知有对多个激光器的输出进行相干相加(耦合)以提高输出的方法。作为其一例，由激光器阵列间的不稳定(evanescent)耦合以及用塔尔波特(Talbot)镜产生的衍射耦合形成的激光器间的相干相加(耦合)的研究正在进行着。作为不稳定耦合的一个例子，可见于[D.Botez and D.R.Scifres“Diode Laser Arrays”，Cambridge Studiesin Modern Optics，1994，p.1]，作为塔尔波特谐振器的例子，有关固体激光器的例子，可见于[Y.Kono，M.Takeoka，K.Uto，A.Uchida，and F.Kannari，“A Coherent All-Solid-State Laser Array Using the Talbot Effect in aThree-Mirror Cavity”，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.36，2000，p.1-8]，作为有关激光二极管阵列的例子，可见于[V.V.Apollonov，S.I.Derzhavin，V.I.Kislov，V.V.Kuzminov，D.A.Mashkovsky，andA.M.Prokhorov，“Phase-locking of the 2D structures”，Opt.Express4，1999，p.19-26]。

                           发明内容

但是，如前所述采用已有的方法进行的相干相加，除了相干相加的超模激光器外，也容易激励各种各样的超模激光器。此外，被相干相加的远视野像也具有与激光器阵列的空间频率对应的干扰条纹(fringe)，光束图形不好。因此，已有的方法中，存在由此引起的损耗增大而导致不能得到高相加效率等诸多问题，未能实现实用化。特别是采用塔尔波特谐振器的情况下，为了产生相位耦合，必须进行非常精密的调整，这在工业上是不适用的。

因此，本发明的课题是，提供使相干相加的相加效率优异的光纤激光器装置。

本发明的光纤激光器装置，具有用激励光激励芯内的激光活性物质使激光发生并向芯内传播、并且将其从端部输出的多个光纤激光器，其特征在于，各光纤激光器在两端部具有反射激光的谐振器构造，并具有使芯的部分直径细化的构造；使各光纤激光器的芯的直径细化的部分相互接近，利用来自任意光纤激光器的芯内射出的激光，在别的光纤激光器的谐振器内实施注入同步。

采用这种光纤激光器装置，激光从各光纤激光器的芯透出，该透出的激光侵入相互接近配置的别的光纤激光器的芯内，与该芯内传播的激光耦合，在谐振器内实施注入同步。这时，如果形成能使激光从多个光纤激光器中的一个光纤激光器输出，则在该光纤激光器的谐振器内，激光就以高相加效率相干相加，并从端部输出相干相加的激光。并且采用这种光纤激光器装置，通过使芯细直径化使激光大量透出，促进注入同步。

本发明的上述光纤激光器装置，也可用光纤耦合器构成直径细化部分及相互接近部分。

采用这种该光纤激光器装置，由于用光纤耦合器构成芯的直径细化部分及芯的相互接近部分，可简单地构成整个装置。

本发明的上述光纤激光器装置，也可以对多个光纤激光器中一个光纤激光器以外的光纤激光器的端口部赋予损耗。

采用这种光纤激光器装置，由于对一个光纤激光器以外的光纤激光器的端口部赋予弯曲损耗等损耗，可规定输出相干相加的激光的光纤激光器。这样就可以实现光纤激光器装置的输出端口的切换。

                           附图说明

图1是本发明的光纤激光器装置的原理图。

图2是具有N个本发明的光纤激光器的光纤激光器装置的相干相加的示意图。

图3是本发明的实施形态的光纤激光器装置的构成图。

图4A是图3的光纤耦合器的侧面图。

图4B是图3的光纤耦合器的熔融延伸部的平面图。

图4C是沿图4B的I-I线的剖面图。

图5是图3的光纤激光器装置的输出光谱图。

图6A表示从端口A输出时的Y模式下的输出图形。

图6B表示从端口B输出时的Y模式下的输出图形。

图7表示图3的光纤激光器装置中，改变施加于端口A的损耗时的端口A及端口B的输出变化。

图8是用整体成型的光纤耦合器构成使本发明的芯的直径细化并相互接近的部分的情况下的光纤激光器装置的示意图。

图9是通过级联连接构成本发明的芯的直径细化并相互接近的部分的情况下的示意图。

                         具体实施方式

以下参照附图对本发明的光纤激光器装置的实施形态进行说明。

本发明为实现高相加效率的相干相加，构成使多个光纤激光器的芯的一部份直径细化，使激光从芯内透出，并使该透出的激光侵入相互接近配置的别的光纤激光器的芯内，实施注入同步的光纤激光器装置。而且在该光纤激光器装置中，通过对端口部赋予弯曲损耗，一旦形成激光从一个激光器输出的状态，就能够从该一个光纤激光器获得与别的光纤激光器的激光相干相加的输出。

本实施形态在对本发明的概念进行说明后，将对使用本发明的具有二个光纤激光器的光纤激光器装置作详细说明。此外，在本实施形态中，也将对本发明中直径细化并且相互接近的部分的构成用2个图形予以说明。

下面参照图1及图2，对本发明的光纤激光器装置的概念进行说明。图1是本发明的光纤激光器装置的原理图。图2是具有N个本发明的光纤激光器的光纤激光器装置的相干相加的示意图。

光纤激光器装置1具有二个光纤激光器2、3。各光纤激光器2、3是将铒(Er)等激光活性物质添加于芯2a、3a内的单模光纤激光器，分别构成由一端部2b、3b对激光完全反射，而另一端部2c、3c对激光部分反射的谐振器4、5。又，各光纤激光器2、3在中间部2d、3d将芯2a、3a的直径做得细。而且，在光纤激光器装置1中，芯2a、3a直径细化的中间部2d、3d相互接近配置。这一接近配置，是达到接近激光振荡波长的程度(数μm)的接近配置，此外，在光纤激光器装置1中，中间部2d、3d的输出侧(以光纤耦合器构成的情况下，光纤耦合器的输出侧)为光纤激光器2、3的端口部。

在如上所述构成的光纤激光器装置1中，对各光纤激光器2、3的芯2a、3a照射激励光时，激光活性物质被激励，引起激光振荡，发生各不相同的振荡波长的激光。此时，在光纤激光器装置1中，由于在光纤激光器2、3的中间部2d、3d处芯2a、3a的直径被细化，大量激光从这一部分透出。又，这些透出的激光的一部分侵入其他光纤激光器2、3的芯2a、3a内，在所侵入的芯2a、3a中与发生的激光耦合，在谐振器4、5内实施注入同步。这时，一旦对光纤激光器2、3中的任一方的端口部赋予损耗，从不被赋予损耗的另一光纤激光器2、3的另一端部2c、3c输出相干相加的激光。该相干相加的输出，大体为光纤激光器2、3独立输出激光时的各激光的输出值的相加值。

又，通过使芯2a、3a细直径化，促使激光透出，但芯2a、3a即使不将直径细化，从芯2a、3a也透出激光，所以不特地使芯2a、3a细直径化也行。最重要的是将芯2a、3a相互接近配置。芯2a、3a间的距离越短，接近场相互作用就越强，使芯2a、3a相互接近的区间可缩短(以光纤耦合器构成时，可缩短光纤耦合器的长度)。另外，即使芯2a、3a间的距离长，通过加长使芯2a、3a相互接近的区间，也能得到同样的作用。

按上述原理进行的相干相加，可与光纤激光器的个数无关地实现。如图2所示，具有N个光纤激光器12、…的光纤激光器装置11，各光纤激光器12、…具有与上述光纤激光器2、3同样的构成，将各光纤激光器12、…独立输出激光时的输出值记为P。在该光纤激光器装置11中，如果对除一个外的其他光纤激光器12、…的端口部赋予损耗，则可从不赋予损耗的一个光纤激光器12获得N×P的输出(但实际上损耗会造成数个百分点的输出下降)。

下面参照图3对本实施形态的光纤激光器装置21的构成进行说明。图3是本发明的实施形态的光纤激光器装置的构成图。

光纤激光器装置21具有二个光纤激光器22、23，可将二个光纤激光器22、23的激光相干相加得到的输出从一方的光纤激光器输出。在光纤激光器装置21中，为了使二个光纤激光器22、23耦合，在其中间部22d、23d设置光纤耦合器28，利用该光纤耦合器28使二个光纤激光器22、23间的激光相干耦合。

光纤激光器22是在石英单模光纤22e的芯内添加铒的单模光纤激光器，以整支光纤22e构成谐振器24，同时利用WDM(Wavelength DivisionMultiplexing；波分多路复用)耦合器26导入激励光。而且，光纤激光器22将振荡波长为1556.9nm的激光从另一端部22c的端口A输出，在非耦合时独立输出的情况下为1.36W的输出值。此外，光纤激光器22为使激光器间偏振相同，获得高相加效率，在一端部22b一侧设置极化控制器30。还有，相干相加由于多个电场的干涉，偏振不同时得不到高相加效率，所以在光纤激光器装置21中采用极化控制器30，也可以设置于光纤激光器23，而不是光纤激光器22。此外，如果采用保存极化的光纤，可省略极化控制器30。

谐振器24由设置在光纤激光器22的一端部22b的光纤衍射光栅(FBG，即光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating))24a及设置在另一端部22c的反射端面24b构成。光纤衍射光栅24a具有以大于99％的反射率(几乎100％的反射率)反射波长为1556.9nm的光，并使其他波长的光透过的特性。反射端面24b具有以3.4％的反射率反射波长1556.9nm的光，并使其余部分透过的特性。

WDM耦合器26使波长1484nm、2.05W的激励光与谐振器24内的芯耦合。

光纤激光器23是在石英单模光纤23e的芯内添加铒的单模光纤激光器，以整支光纤23e构成谐振器25，同时通过WDM耦合器27导入激励光。又，光纤激光器23将振荡波长为1557.1nm的激光从另一端部23c的端口B输出，在非耦合时独立输出的情况下为1.47W的输出值。

谐振器25由设置在光纤激光器23的一端部23b的光纤衍射光栅(FBG)25a及设置在另一端部23c的反射端面25b构成。光纤衍射光栅25a具有以大于99％的反射率(几乎100％的反射率)反射波长为1557.1nm的光，并使其他波长的光透过的特性。反射端面25b具有以3.4％的反射率反射波长1557.1nm的光，并使其余部分透过的特性。

WDM耦合器27使波长1484nm、2.05W的激励光与谐振器25内的芯耦合。

下面参照图4A、图4B、及图4C对光纤耦合器28进行说明。图4A是图3的光纤耦合器的侧面图。图4B是图3的光纤耦合器的熔融延伸部的平面图。图4C是沿图4B的I-I线的剖面图。

光纤耦合器28是2×2、分路比为50∶50的光纤耦合器，具有使激光从两支光纤22e、23e的芯22a、23a透出，并使该透出的激光在另一芯22a、23a内耦合的功能。为此，光纤耦合器28具有使两支光纤22e、23e的中间部22d、23d熔融、延伸，使该两支光纤22e、23e的包层22f、23f间相互接合的熔融延伸部28a。熔融延伸部28a中，光纤22e、23e(芯22a、23a)直接细化，形成芯22a、23a相互非常接近地配置的状态。

光纤耦合器28中，将熔融延伸部28a固定于石英基片28b上，并密封在以殷钢28c、28c及密封材料28d、28d形成的热膨胀系数小的空间内。

此外，光纤激光器装置21为了将相干相加的激光从一方的光纤激光器22、23输出，对另一方的光纤22e、23e的端口部赋予损耗。为此，光纤激光器装置21中，为了主动增加一方的光纤22e、23e的端口部的弯曲损耗，在光纤22e、23e的一方的端口部设置弯曲损耗部29，以增加光纤22e、23e的一方的端口部的弯曲次数，强制增加弯曲损耗。图3中，由于增加光纤23e的端口部的弯曲损耗，相干相加的激光从光纤激光器22的端口部A输出。

下面参照图5对光纤激光器装置21的作用进行说明。图5表示光纤激光器装置输出的光谱。

光纤激光器装置21中，使激励光从各WDM耦合器26、27耦合于各光纤22e、23e的芯22a、23a内时，芯22a、23a内的铒呈激发状态，在各谐振器24、25内往来。且在各谐振器24、25内受到激光放大，分别在各谐振器24、25内产生不同振荡波长(1556.9nm及1557.1nm)的激光，各激光在芯22a、23a内传播。

此时，在光纤耦合器28的熔融延伸部28a，由于芯22a、23a的直接细化，激光从芯22a、23a透出。而且由于一方的光纤23e在弯曲损耗部29受到因弯曲引起的损耗，所以在光纤耦合器28的熔融延伸部28a，从芯23a透出的激光被引入相互接近配置的芯22a内，该被引入的激光在芯22a中传播。而且该被引入的激光在谐振器24内往来时与谐振器24内发生并在芯22a内传播的激光相干耦合，只以相位同步的模式振荡。然后，该相干耦合(相加)的激光透过反射端面24b从端口A输出。

从端口A输出的相干相加的激光，其输出值为2.57W，是各光纤激光器22、23独立输出时(端口A：1.36W，端口B：1.47W)的近2倍。如如图5所示，从各光纤激光器22、23独立输出激光时，对应于各谐振器24、25的波长特性，有不同的输出光谱，但相干耦合输出时，得到在各光纤激光器22、23的各振荡波长的中间波长1557.05nm附近呈现单峰的输出光谱。顺便说明，在相干耦合时，从端口B输出的激光有0.17W的输出值，与端口A的输出光谱一样，是在中间波长1557.05nm附近呈现单峰的输出光谱。在这种情况下，相干相加的相加效率为91％，是足以实用的相加效率。此外，图5中横轴为波长(nm)，纵轴为光的输出(W/nm)、实线为端口A的输出光谱，虚线为端口B的输出光谱，粗线为相干耦合时的输出光谱，细线为各光纤激光器独立时的输出光谱。

下面参照图6A、图6B及图7，对光纤激光器装置21中的耦合原理及施加的损耗作简要说明。图6A表示从端口A输出时的Y模式下的输出图形。图6B表示从端口B输出时的Y模式下的输出图形。图7表示光纤激光器装置中改变赋予端口A的损耗时的端口A及端口B的输出的变化。

光纤激光器装置21中，二个光纤激光器22、23在谐振器长度和光纤传输常数完全平衡时，根据超模激光器理论，可对角化为在端口A和端口B具有等效的输出，仅相对相位不同的2种模式。但是，在使谐振器长度不同等不平衡状态的情况下，如图6A及图6B所示那样，光纤激光器装置21中，存在利用复合谐振器的效果，仅在一方的端口集中输出，以各端口部为轴的2种Y模式。通过使两个端口A、B的损耗不平衡或使一方的反射消失，可造成2种Y模式的阈值差异，可有选择地激励以损耗少的端口部为轴的Y模式。

因此，在光纤激光器装置21中，为了使两种Y模式的阈值不同并有选择地激励其中的某一Y模式，强制加大一方的端口部的弯曲损耗。图7中，横轴为弯曲损耗(％)，纵轴为从端口的输出(W)，表示出端口B侧的弯曲损耗为9％时使端口A侧的弯曲损耗变化的情况下的端口A及端口B的输出。赋予端口A侧的弯曲损耗小于9％时，在光纤激光器装置21中、相干相加的激光从端口A输出。另一方面，赋予端口A侧的弯曲损耗大于9％时，在光纤激光器装置21中，相干相加的激光从端口B输出。而在赋予端口A侧的弯曲损耗为9％左右时，在光纤激光器装置21中，在端口A侧和端口B侧弯曲损耗大体相等，从端口A及端口B输出相同程度的激光。因此，在光纤激光器装置21中，通过在光纤22e、23e的端口部形成损耗，可实现输出端口的切换。

下面对通过利用光纤激光器将激光相干相加来获得高相加效率的理由进一步作简要说明。光纤激光器由于谐振器长达10米左右，纵模(mode)间隔不过10MHz左右，所以形成由该两个长度不同的谐振器构成的复合谐振器的固有模式(mode)、即在可能振荡的带域中存在多个Y模式，不用控制光纤的长度就可实现稳定的高相加效率。又，由光纤的高增益特性产生的低Q值动作，使多个光纤激光器的相干相加变得容易。还可以认为，作为光纤激光器的优点的横模的控制性能也有助于获得如此空前的高相加效率。

采用这种光纤激光器装置21，利用光纤耦合器28，使芯22a、23a直径细化并相互接近配置，另一方面只对一方的光纤22e、23e的端口部赋予损耗，以这样的简单构成，即可实现激光的相干相加，而且相加效率非常高。此外，在该光纤激光器装置21中，通过对一方的光纤22e、23e的端口部赋予损耗，可实现输出端口的切换。又，在该光纤激光器装置21中，利用从一方的芯内透出的激光对另一方的谐振器实施注入同步，自动地激励相加的Y模式，不用为了相位耦合而进行精密的调整。

下面参照图8对利用一体型光纤耦合器构成芯的直径细化并相互接近的部分时的光纤激光器装置31进行说明。图8是利用一体型光纤耦合器构成进行芯的直径细化及相互接近配置的部分的示意图。

光纤激光器装置31具有8个光纤激光器32～39，对八个光纤激光器32～39的激光进行相干相加的输出可从一个光纤激光器输出。因此，在光纤激光器装置31中设置光纤耦合器40，利用该光纤耦合器40进行八个光纤激光器32～39间的激光的相干耦合。八个光纤激光器32～39，具有与上述光纤激光器22、23同样的构成。此外，也可以各光纤激光器32～39的激光的振荡波长不同，但各谐振器的能够振荡的带域必须重合。

光纤耦合器40是8×8、等分路比的光纤耦合器，具有使激光从八支光纤32e～39e的芯内透出，并使这些透出的激光在别的芯内耦合的功能。为此，光纤耦合器40具有使八支光纤32e～39e熔融、延伸，并在这八支光纤32e～39e的包层间接合的熔融延伸部。在熔融延伸部，八支光纤32e～39e(芯部)直径细化，形成八支芯相互非常接近配置的状态。

又，光纤激光器装置31为使相干相加的激光从一个光纤激光器输出，对另外七支光纤赋予损耗。在图8的例中，为了从光纤激光器35输出，对另外的七支光纤32e～34e，36e～39e赋予损耗。这样构成时，在光纤激光器装置31中，可从光纤激光器35获得相当于从各光纤激光器32～39独立输出时的输出值的八倍不到一些的激光输出。

采用光纤激光器装置31，以利用8×8的光纤耦合器40使八个光纤激光器32～39耦合的简单的构成，就能以高相加效率获得高激光输出。在这一例子中，对利用8×8的光纤耦合器40获得八倍不到一些的激光输出的构成进行说明。但是不限于此数，利用N×N的光纤耦合器可获得N倍不到一些的激光输出。

下面参照图9对通过级联连接构成芯的直径细化并相互接近的部分的情况下的光纤激光器装置51进行说明。图8是通过级联连接构成芯的直径细化并相互接近的部分的情况的示意图。

光纤激光器装置51具有八个光纤激光器52～59，将八支光纤激光器52～59的激光相干相加的输出可从一个光纤激光器输出。为此，在光纤激光器装置51中，作为第一阶层，利用四个2×2的光纤耦合器60～63使光纤激光器52～59每二个进行耦合。又，在光纤激光器装置51中，作为第二阶层，利用二个2×2的光纤耦合器64、65使输出相干相加的激光的四支光纤激光器53、54、57、58每二支进行耦合。又，在光纤激光器装置51中，作为第三阶层，利用一个2×2的光纤耦合器66，使输出相干相加的激光的二个光纤激光器54、57进行耦合。八个光纤激光器52～59采用与上述光纤激光器22、23同样的构成。此外，也可以是各光纤激光器52～59的激光的振荡波长不同，但各谐振器的可振荡频带必须重合。此外，光纤激光器60～66具有与上述光纤耦合器28同样的构成。

此外，光纤激光器装置51为使相干相加的激光从一个光纤激光器输出，对另外七支光纤分级赋予损耗。在图9的例中，首先，在第一阶层，为了从光纤激光器53、54、57、58输出，对另外四支光纤52e、55e、56e、59e赋予损耗，又，在第二阶层，为了从光纤激光器54、57输出，对另外二支光纤53e、58e赋予损耗，在第三阶层，为了从光纤激光器54输出，对另外一支光纤57e赋予损耗。这样构成时，在光纤激光器装置51中，可从光纤激光器54获得相当于从各光纤激光器52～59独立输出时的八倍不到一些的激光输出。

采用光纤激光器装置51，通过用7个2×2的光纤耦合器60～66进行级联连接，可实现八个光纤激光器52～59的相干耦合，并以高相加效率获得高激光输出。此例中，对采用7个2×2的光纤耦合器60～66使八个光纤激光器52～59相干耦合的构成进行说明，不限于此数，可利用简单的构成进行多级相干相加。此外，通过用4×4、3×3的光纤耦合器等进行级联连接，也可进行多级相干相加。

以上对本发明的实施形态作了说明。但本发明不限于上述实施形态，而是可以各种形态实施。

例如，在本实施形态中，对光纤激光器装置中具有二个光纤激光器的构成作了详细说明，但即使是具有三个或三个以上光纤激光器的光纤激光器装置，也有同样的作用效果，可利用许多个光纤激光器获得高激光输出。

此外，本实施形态中，损耗是通过赋予弯曲损耗实现的，但通过对端面进行处理等其他手段也可赋予损耗。

此外，在本实施形态中，在芯的直径细化部分使用光纤耦合器、作为谐振器使用FBG、以及为进行激励光的导入使用WDM耦合器等，但不限于这些构成，也可以采用其他手段构成各部。特别是芯的直径细化部分，也可不用光纤耦合器，可以采用光束分离器。

又，本实施形态中，使用铒作为激光活性物质，但也可使用其他稀土元素等。

还有，本实施形态中，二个光纤激光器的激光采用不同的振荡波长(1556.9nm及1557.1nm)，但波长相同也行。采用不同波长时，各谐振器的可振荡频带必须重合。

[产业上的可利用性]

本发明的光纤激光器装置，采用使芯之间相互接近，利用从芯内透出的激光实施注入同步的简单构成，可实现相加效率非常高的，激光器间的相干相加。此外，这种光纤激光器装置利用从一方的芯内透出的激光对另一方的谐振器实施注入同步，相加Y模式自动激励，不用为相位耦合而进行精密的调整。因此、该光纤激光器装置可广泛用于工业领域。

又，本发明的光纤激光器装置，通过用光纤耦合器构成芯的直径细化部分及芯间的相互接近部分，可简单地构成整个装置。此外，本发明的光纤激光器装置通过对要使其输出的光纤激光器以外的光纤激光器的端口部赋予损耗，可对输出目的地进行控制、切换。

Claims (3)

1.一种光纤激光器装置，具有用激励光激励芯内的激光活性物质使激光发生、并使激光在芯内传播、从端部输出的多个光纤激光器，其特征在于，

所述各光纤激光器，在两端部具有反射激光的谐振器构造，并具有使芯的部分直径细化的构造；

使所述各光纤激光器的芯的直径细化的部分相互接近，利用来自任意光纤激光器的芯内的激光，在别的光纤激光器的谐振器内实施注入同步。

2.如权利要求1所述的光纤激光器装置，其特征在于，

用光纤耦合器构成所述直径细化部分及所述接近部分。

3.如权利要求1～2中的任一项所述的光纤激光器装置，其特征在于，

将损耗赋予所述多个光纤激光器中一个光纤激光器以外的光纤激光器的端口部。

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