CN101689745B - 光放大器、光纤激光器以及反射光去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光放大器、光纤激光器、以及反射光去除方法。在将振荡器和具有光放大用光纤的放大器耦合而成的MO-PA方式的光放大器中设置：反射光波长变换用光纤，其设置在振荡器和放大器之间，借助感应拉曼散射进行朝向振荡器侧的反射光的波长变换；和去除被波长变换后的光的滤光器。

Description

光放大器、光纤激光器以及反射光去除方法

技术领域

本发明涉及将振荡器和具有光放大用光纤的放大器耦合而成的MO-PA方式的光放大器。特别是涉及能够防止由反射光导致的振荡器破损的光放大器、以及使用其的光纤激光器、MO-PA方式的光放大器中的反射光去除方法。

背景技术

近年来，作为分析、测量、治疗、加工等的光源，光纤激光器受到瞩目。在该光纤激光器中，尤其脉冲激光器作为加工用、测量用的光源被广泛地使用。

在用光纤激光器构成脉冲振荡的激光器的情况下，一般多采用MO-PA(Master Oscillator-Power Amp或者振荡器+放大器)这样的构成。该MO-PA方式的优点在于，由于能够分别构成振荡器和放大器，因此部件数多的振荡器中使用低输出用的光学部件，部件数较少的放大器中使用大输出用的光学部件。部件分开使用成为优点是因为大输出用的部件一般与低输出用的部件相比较价格高。另外，MO-PA方式的优点在于，通过将因光学部件的损失而使增益受到较大影响的放大器与振荡器分开，从而作为全体能够有效地获得高输出。

发明内容

然而，MO-PA方式的高功率光放大器和光纤激光器，具有不抗反射光的缺点。返回到光放大器和光纤激光器的反射光，例如即使其是微弱的光，在逆向地通过装置内部的PA部(放大部)时被放大而具有较大的功率，该功率有可能破坏MO部。到目前为止，作为抑制这样的功率的手段，存在使用光隔离器的情况。然而光隔离器为了在激光器中使用而需要具有耐功率性，因此一般大且价格高而且光的损失也往往增大。另外，发明人也研究了使用控制电路等来抑制反射光的影响的方法，然而除了控制变复杂以外在所有的状况下抑制反射也是困难的。

因此，本发明的课题在于提供一种能够防止因反射光导致的振荡器破损的光放大器、使用它的光纤激光器、MO-PA方式的光放大器的反射光去除方法。

为了解决上述课题，本发明的第一方式(aspect)，是一种MO-PA方式的光放大器，包括：振荡器、和包含光放大用光纤的放大器，其特征在于，包括：反射光波长变换用光纤，其设置在振荡器和放大器之间的光路上，借助感应拉曼散射进行朝向振荡器侧的反射光的波长变换；滤光器，其设置在振荡器和放大器之间的光路上，用于去除被波长变换了的光。

本发明的第二方式，是在第一方式的基础上，上述滤光器包括从由光纤光栅、光纤耦合器、电介质多层膜滤光器、法布里-珀罗标准具滤光器构成的组中所选择的一种或两种以上。

本发明的第三方式，是在第一方式的基础上，上述滤光器包括利用光纤的弯曲损失的部件及/或利用向光纤中添加了杂质的波导的波长依存损失的部件。

本发明的第四方式，是在第一至第三方式任意一个的基础上，上述反射光波长变换用光纤的长度和芯径被调整成：在反射光的峰值变换波长，并且在向放大器入射的信号光的峰值不进行波长变换的范围。

本发明的第五方式，是一种光纤激光器，其具有第一方式至第四方式中任意一方式的光放大器。

本发明的第六方式，是一种反射光去除方法，防止MO-PA方式的光放大器中因反射光引起的振荡器的破损，所述MO-PA方式的光放大器包括振荡器、和包含光放大用光纤的放大器，其特征在于包括如下步骤：将朝向振荡器侧的高峰值的反射光引导到反射光波长变换用光纤借助感应拉曼散射进行波长变换；以及借助滤光器去除该波长变换的光。

本发明的第七方式，是在第六方式的基础上，上述滤光器包括从由光纤光栅、光纤耦合器、电介质多层膜滤光器、法布里-珀罗标准具滤光器构成的组中所选择的一种或两种以上。

本发明的第八方式，是在第六方式或者第七方式的基础上，上述反射光波长变换用光纤的长度和芯径被调整成：在反射光的峰值变换波长，并且在向放大器入射的信号光的峰值不进行波长变换的范围。

发明效果

根据本发明的光放大器，将朝向振荡器侧的高峰值的反射光引导到反射光波长变换用光纤，在借助感应拉曼散射进行波长变换后，借助滤光器去除该波长变换的光，由此防止由反射光引起的振荡器的破损。

另外，从光放大器放射的光，由于未实施特别的处理，即，振荡波长和脉冲宽度等不受反射应对的影响，因此不会对以往的光放大器的功能、特性等有任何损害。因此能够进行与以往同样的系统设计。

另外，对于反射光来说，对控制电路完全不加变更，也仅用光电路的构成就能够只去除有害的高能(高功率)的脉冲光。另外波长变换无需控制，只要满足条件则理论上100％发生，因此不产生由控制引起的错误。

另外，部件数是也只对通常的光纤附加数米左右的长波长用滤光器，因此对成本几乎没有影响。用于输出的耐功率性光隔离器是50万日元左右，与此相对，光纤和滤光器的价格合计才1万日元左右，其差是非常明显的。

这些光部件是低损失光部件，而且由于插入PA部的前级，因此是低损失长寿命。例如，与将光隔离器安装于输出部的情况相比较，光输出的损失为1/50以下(在光隔离器中产生10％以上的损失，然而在本发明中是0.2％以下)，寿命是10倍以上。(光隔离器的寿命是5万小时左右，与此相对本发明的部件均为50万小时以上)。

另外在研究本发明的阶段作为附带效果，包含在MO部输出光中，在PA部成为感应拉曼散射的种光的波长的光，被本发明的滤光器去除，因此从PA部到激光束放射的位置不易产生感应拉曼散射。因此，以往激光输出部的光纤长度被限制在不产生感应拉曼散射的范围内，然而在本发明中该限制被大幅度缓和。

本发明的光纤激光器，具备本发明的光放大器，因此能够获得与上述光放大器同样的效果。

本发明的反射光去除方法，借助在以往的光放大器和光纤激光器附设反射光波长变换用光纤和滤光器的简单的改进，从而能够防止由反射光导致的振荡器的破损。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式涉及的光纤激光器的整体概略构成图。

图2是示意地表示本发明的一个实施方式涉及的反射光波长变换用光纤的反射光的波长变换的状态的图。

图3是示意地表示本发明的一个实施方式涉及的滤光器的特性的图。

图4是表示通过计算求出的波长变换的状态的图。

图5是本发明的另一实施方式涉及的光纤激光器的整体概略构成图。

附图标记说明：1-光纤激光器，2-MO部，3-PA部，4-反射光波长变换用光纤，5-滤光器，6-被加工物，7-反射光，8-输出光纤。

具体实施方式

在MO-PA(Master Oscillator-Power Amplifier(主振荡器功率放大器)或者振荡器+放大器)方式的光放大器和光纤激光器中，当将被PA(Power Amplifier：功率放大器)部放大的输出光照射到被加工物上时，如果反射返回到激光器内部的光的波长与激光器振荡的波长相同，则难以有效地仅去除反射光。在本发明中，将该出射光波长的问题，用只对反射光进行波长变换的方法来实现。

以下，参照附图说明本发明的多个实施方式。

图1是表示本发明涉及的光放大器以及光纤激光器的一个实施方式即MO-PA方式的光纤激光器的概略构造的构成图。

本实施方式的光纤激光器1，包括：作为振荡部的MO(MasterOscillator：主振荡器)部2、作为放大部的PA部3、在MO部2和PA部3之间的PA部3侧借助感应拉曼散射进行朝向振荡器侧的反射光的波长变换的反射光波长变换用光纤4、在MO部2侧去除被波长变换后的光的滤光器5。

在本发明中只对反射光进行波长变换的方法，是如图1所示在光纤激光器1内的MO部2和PA部3之间，插入将芯的实际截面积设定为适当的值的反射光波长变换用光纤4，借助该光纤内部的感应拉曼散射即使在反射光中也只对具有大的峰值功率的光进行波长变换。

图2示意地表示波长变换的状态。在本实施方式中，反射光的波长变换使用感应拉曼散射，因此波长必然变换为长波长。在变换时变化的波长，因原始波长、材料而各种各样，例如，如果是石英类玻璃中的波长＝1.06μm，则在利用感应拉曼散射的变换后成为波长＝1.11μm～1.13μm的光。

而且，将去除被变换后的波长的光的滤光器5设在MO-PA间的MO部2侧，为去除被变换后的光的构成。另一方面，通过了滤光器5的MO输出光，由于峰值功率小，因此不受利用感应拉曼散射的波长变换的影响。

在图3中示意地表示该滤光器5的透射特性。返回来的反射光穿过PA部3并具有能够破坏MO部2程度的较大的功率。具有该较大功率的反射光，在反射光波长变换用光纤4中被波长变换，波长变换了的光在滤光器5中被去除。反射光的波长和变换光的波长通常分别相隔0.02μm以上，因此能够用廉价的滤光器元件容易地分离。

作为滤光器5，可以使用光栅光纤或者WDM(光纤)耦合器，另外，可以使用电介质多层膜滤光器、法布里-珀罗标准具滤光器(EtalonFilter)。或者可以使用通过光纤的弯曲加工被赋予滤光器功能的部件，和因杂质的添加等被赋予滤光器功能的部件。

在本实施方式的光纤激光器1中，从MO部2输出的振荡光由于波长不同，因此不受滤光器5的影响。另外，由于功率小，在反射光波长变换用光纤4中也不接受波长变换。这样既不受滤光器5的影响也不接受波长变换的振荡光，入射到PA部3并在此被放大之后射到激光器外部。

然而，通过PA部3后的反射光中的峰值功率较小的反射光，在反射光波长变换用光纤4中未被波长变换，而保持与激光器放射光相同的波长。因此不被滤光器去除而通过并入射到MO部2。然而由于该入射光的功率较小，因此不会导致破坏MO部2。即，应用上不成为问题。

在MO部2和PA部3之间设置因感应拉曼散射进行朝向MO部侧的反射光的波长变换的反射光变换用光纤4，和去除被波长变换了的光的滤光器5的本实施方式的光纤激光器1中，朝向MO部2侧的高峰值的反射光被反射光波长变换用光纤4变换波长，该被变换了波长的光由滤光器5去除。由此，能够有效地避免因反射光导致的MO部2破损的可能性。

另外，从激光器放射的光，关于振荡波长和脉冲宽度等都不受反射应对的影响。因此，关于反射光的特性等，能够与以往的光纤激光器同样地进行处理。

另外，对于反射光来说，对控制电路完全不加变更，也仅用光电路的构成就能够只去除有害的高能的脉冲光。另外波长变换只要满足条件则理论上100％发生，因此不产生因控制的原因的错误。

另外，部件数由于只对通常的光纤附加数米左右程度的长波长用滤光器，因此成本略微上升即可。

另外，由于从MO部2的输出光中去除借助感应拉曼散射被变换的波长的光，因此在激光输出部(到从PA部3放射激光束为止)中的感应拉曼散射难以产生。因此，以往激光输出部的光纤长度被限制在不产生感应拉曼散射的范围内，然而在本发明中该限制被大幅度缓和。

本发明的反射光去除方法，例如在图1所示构成的光纤激光器1中，其特征在于，将朝向振荡器(MO部2)侧的高峰值的反射光引导到反射光变换用光纤4借助感应拉曼散射进行波长变换后，由滤光器5去除该被波长变换后的光。

如图1所示，在从光纤激光器1的输出光纤8端射出的高峰值的激光照射到被加工物6时，来自被加工物6的反射光7从输出光纤8端进入光纤激光器1内。该反射光7与光纤激光器1的输出光是相同的波长。反射光7一边在PA部3中逆向地前进一边被放大，在从PA部3向MO部2返回时，通过反射光波长变换用光纤4，在该光纤内借助感应拉曼散射被变换波长。波长变换到长波长侧的光，由滤光器5通过反射、转移或者吸收而被去除，而不入射到MO部2。

于是，本发明的反射光去除方法，通过在以往的光放大器和光纤激光器中附设反射光波长变换用光纤4和滤光器5的简单的改进，从而能够有效地防止由反射光导致的振荡器的破损。

此外，在本发明的方法中，还能够期待如下的附带的效果。由于在MO部2之后长波长进入滤光器5，因此在射出MO部2的光的成分中，长波长的成分被去除。通常，即使是激光器振荡的光，在振荡波长周边也包括少量自然放出光。该自然放出光中长波长的成分引起在PA部3放大的激光的感应拉曼散射。在以往的激光器中，由于存在该感应拉曼散射因此到被PA部3放大后放射到激光器外部为止的距离(光纤长度)受到较大的限制。然而在本发明中，自然放出光的长波长成分被滤光器5大幅度衰减，因此难于引起感应拉曼散射。因此，能够大幅度地缓和距放射到激光器外部的距离的限制。

根据本发明，如果是高功率的光放大器，则在任何波长的放大器中都能够使用。在光纤激光器那样输出较高的脉冲的放大器中特别有效，然而近年的通信用高输出放大器的峰值也变大，因此应用本发明的效果大。

例如，用Er渗杂光纤等进行1550nm的放大时本发明也是有效的。此时，由于在1640nm附近产生利用感应拉曼散射的波长变换，因此可以使用透射1550nm而不透射1640nm附近的滤光器。

实施例

根据本发明，验证了光纤激光器的反射光抑制。

作为光纤激光器，利用在1064nm具有振荡波长的图1所示的构造的光纤激光器。作为激励波长使用976nm的LD，激励的光输出为40W。此时，激光器输出平均是18W，脉冲峰值最大是6kW。

在该光纤激光器1的MO部2和PA部3之间，作为反射光波长变换用光纤4，插入了20m芯直径5μm的单模光纤。另外，在该单模光纤与MO部2之间，插入使用1064nm的透射率为0.1dB、1110～1180nm的透射率为30dB的光纤光栅的长波长滤光器5。

在该状态下，将激光器输出的0.5％(峰值为30W)作为反射光7，向激光器内部入射。此时，反射光7在激光器内部的PA部3逆向地传播，在通过PA部3后，峰值到达3kW。

在本实施例使用的MO部2中，用瞬间耐输入500W的部件，将3kW的光直接入射时，MO部2破损。然而当测量穿过反射光波长变换用光纤4的光的波长时，在长波长侧波长变换为1120nm±15nm，该波长变换的光被滤光器5去除99.9％，因此MO部2不会破损。

图4表示通过计算求出的波长变换的状态。

在本实施例中，将3kW的峰值的脉冲进行了波长变换，然而根据图4的曲线图可知，如果反射光波长变换用光纤4的长度为8m以上，则能够充分地进行波长变换。如果在峰值稍低的2kW的情况下，光纤长为11m以上，在峰值1kW的情况下，光纤长为20m以上，则能够进行波长变换。

在本实施例中，根据MO部2的耐功率性和反射光强度的关系，将芯径5μm的20m单模光纤作为反射光波长变换用光纤4来使用使得峰值500W以上的光无法透射。然而，例如若MO部2的耐功率性低，则缩小反射光波长变换用光纤4的芯径，或者延长光纤长度即可。然而当芯径与前后的传播用光纤的芯径极端不同时则产生连接损失，因此优选直径为3μm以上20μm以下的范围。

另外，反射光波长变换用光纤4的长度，即使是长度越长峰值越低的光也能够波长变换，因此优选较长者，然而优选为将从MO部2输出的脉冲的光实质上不变换的程度的长度。在本实施例中，由于从MO部2输出的脉冲光作为峰值为60W以下，因此作为光纤长优选为100m以下。另外即使是该范围，如果反射光波长变换用光纤变长则高峰值的光也多次接受利用感应拉曼散射的波长变换，而变换成更长的波长，因此当反射光波长变换用光纤过度变长，则需要扩宽滤光器5的阻带。因此，如本实施例所示，优选将要去除的反射光峰值的最小值定为基准的反射光波长变换用光纤4的长度。

在图5中表示本发明的另一实施方式涉及的光纤激光器。该光纤激光器构成为具备与图1所示的光纤激光器同样的构成要素。在上述实施方式中，进行调整以便只对较大的峰值的反射光变换波长，然而在本实施方式中可构成为：进行光纤长度的调整使得弱光也进行变换，对来自MO部2的输出光和反射光两者进行波长变换(参照图5)。此时，作为滤光器5的波长，设定为相对于原始波长波长变换两次偏移成长波长的波长。

Claims (8)

1.一种MO-PA方式的光放大器，包括：

振荡器、和

包含光放大用光纤的放大器，其特征在于，包括：

反射光波长变换用光纤，其设置在振荡器和放大器之间的光路上，借助感应拉曼散射进行朝向振荡器侧的反射光的波长变换；

滤光器，其设置在振荡器和上述反射光波长变换用光纤之间的光路上，用于去除波长变换了的光。

2.根据权利要求1所述的光放大器，其特征在于，

上述滤光器包括从由光纤光栅滤光器、光纤WDM耦合器、电介质多层膜滤光器、法布里-珀罗标准具滤光器构成的组中所选择的一种或两种以上。

3.根据权利要求1所述的光放大器，其特征在于，

上述滤光器包括利用光纤的弯曲损失的部件及/或利用向光纤中添加了杂质的波导的波长依存损失的部件。

4.根据权利要求1所述的光放大器，其特征在于，

上述反射光波长变换用光纤的长度和芯径被调整成：在反射光的峰值变换波长，并且在向放大器入射的信号光的峰值不进行波长变换的范围。

5.一种光纤激光器，其特征在于，具有权利要求1～权利要求4中任一项所述的光放大器。

6.一种反射光去除方法，是MO-PA方式的光放大器中的防止由反射光引起的振荡器的破损的反射光去除方法，所述MO-PA方式的光放大器包括振荡器、和包含光放大用光纤的放大器，该反射光去除方法的特征在于，包括如下步骤：

将朝向振荡器侧的高峰值的反射光引导到反射光波长变换用光纤借助感应拉曼散射进行波长变换；以及

借助滤光器去除被波长变换了的该反射光。

7.根据权利要求6所述的反射光去除方法，其特征在于，

上述滤光器包括从由光纤光栅滤光器、光纤WDM耦合器、电介质多层膜滤光器、法布里-珀罗标准具滤光器构成的组中所选择的一种或两种以上。

8.根据权利要求6或7所述的反射光去除方法，其特征在于，

上述反射光波长变换用光纤的长度和芯径被调整成：在反射光的峰值变换波长，并且在向放大器入射的信号光的峰值不进行波长变换的范围。

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