CN101902008B

CN101902008B - 光纤激光装置

Info

Publication number: CN101902008B
Application number: CN2010101939771A
Authority: CN
Inventors: 岛研介
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd; Viscas Corp
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: EP2256878A3; JP4672071B2; JP2010278265A; CN101902008A; EP2256878A2; US8571074B2; US20100303103A1

Abstract

本发明一种光纤激光装置，其输出的激光的强度稳定。光纤激光装置(100)具有：输出激发光的激发光源(11)；被输入激发光的稀土元素掺杂光纤(20)；对在稀土元素掺杂光纤(20)中被放大的光进行反射的形成于稀土元素掺杂光纤(20)一侧的第1FBG(30)和形成于稀土元素掺杂光纤(20)另一侧的第2FBG(40)，所述第2FBG(40)的反射率比第1FBG(30)的反射率低，所述第2FBG(40)的反射波段在第1FBG(30)的反射波段内，所述第2FBG(40)的布拉格波长是在比第1FBG30的布拉格波长短的短波长侧。

Description

光纤激光装置

技术领域

本发明涉及一种光纤激光装置。

背景技术

目前，光纤激光装置之一的法布里珀罗型光纤激光装置已经被应用于实际。在该法布里珀罗型光纤激光装置中，从激发光源发出的规定波长的激发光输入到稀土元素掺杂光纤中，稀土元素掺杂光纤发出比输入的激发光的波长长的光。而且，该稀土元素掺杂光纤发出的光被形成于稀土元素掺杂光纤的两侧的FBG(Fiber Bragg Grating：光隔离器)中的一个反射。反射后的光再次输入到稀土元素掺杂光纤并被放大。被放大后的光下一次被另一FBG反射，该另一FBG相对于之前发生反射的FBG位于稀土元素掺杂光纤的另一侧。这样，光被形成于稀土元素掺杂光纤的两侧的FBG反射，每通过稀土元素掺杂光纤一次都会放大一次，放大后的光的一部分作为激光从一侧的FBG输出。

下述专利文献1中已公开这样一种光纤激光装置。在下述专利文献1所公开的光纤激光装置中，被FBG反射的光的中心波长即布拉格波长在2个FBG中互为相同的波长。这样，波长与各个FBG的布拉格波长相同的光在2个FBG间发生共振，作为激光从一侧的FBG输出。

专利文献1：日本特许第3219415号公报

但是，在上述专利文献1所述的光纤激光装置中存在输出激光的输出强度不稳定的情况。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种输出激光强度稳定的光纤激光装置。

为了解决上述问题，本发明对专利文献1公开的光纤激光装置输出的激光不稳定的原因进行了深入的研究。结果发现该原因是：在上述专利文献1所述的光纤激光装置中未考虑被FBG反射的光的分散，而使得输出的激光的输出强度不稳定。

即，通常在2个FBG间发生共振的光不仅是波长与FBG的布拉格波长相同的光，还包括在FBG的反射波段中波长稍微偏离布拉格波长的光。当输入到FBG的光被FBG反射时，波长与FBG的布拉格波长相同的光从光的输入侧观察时，在FBG的正面侧发生反射。另一方面，虽然在FBG的反射波段中，但是自FBG的布拉格波长偏离到长波长侧或者短波长侧这些波长的光，在从光的输入侧观察的情况下，在FBG的背面侧被反射。因此，对于波长与FBG的布拉格波长相同的光，光输入到FBG后反射光会迅速返回，波长自FBG的中心波长越偏向波长长的一侧或者越偏向波长短的一侧的光，光输入到FBG后反射光返回得越慢。因此，反射所需的时间在与FBG的布拉格波长相同的波长下取最小值。

这里，光的速度与光所通过的介质的折射率成正比例。因此，在将FBG作为光通过的介质的情况下，反射所需的时间在与FBG的布拉格波长相同的波长下为最小值，这一情况与下述情况相同：当输入到FBG的光的波长与FBG的布拉格波长相同时，FBG的折射率为最小，波长偏离FBG的布拉格波长越长，FBG的折射率越大。由此，对于输入FBG的光，波长从FBG的布拉格波长越偏向短波长一侧或越偏向长波长一侧，FBG所显示出的折射率就越大。因此，对于输入FBG的光，由于从FBG的布拉格波长到短波长一侧，波长越短FBG的折射率就越大，所以FBG呈现正常分散，而从FBG的中心波长到长波长一侧，波长越长FBG的折射率就越大，所以FBG呈现异常分散。

此外，公众有如下特征：在随时间变化的光射入到异常分散介质中的情况下，由于被称为调制不稳定性的非线性光学现象，输入光的微小的强度变化被强化输出。因此，对于使FBG呈现出异常分散性质的波长的光，通过输入FBG的光的微小变化，利用调制不稳定性使得激光的输出发生较大变化。这样，得出结论为：存在输出的激光强度不稳定的情况。

因此，本发明的发明人深入研究了抑制FBG对于被输入光所表现出的调制不稳定性的情况的光纤激光装置，提出了本发明。

即，本发明的光纤激光装置的特征在于，其具有输出激发光的激发光源；输入所述激发光的稀土元素掺杂光纤；对在所述稀土元素掺杂光纤中被放大的光进行反射的形成于所述稀土元素掺杂光纤一侧的第1FBG、形成于所述稀土元素掺杂光纤另一侧的第2FBG，所述第2FBG的反射率比所述第1FBG的反射率低，所述第2FBG的反射波段在所述第1FBG的反射波段内，所述第2FBG的布拉格波长在比所述第1FBG的布拉格波长短的短波长侧。

根据这种光纤激光装置，从激发光源输出的激发光输入到稀土元素掺杂光纤时，稀土元素掺杂光纤的稀土元素就会呈现出激发状态。呈激发状态的稀土元素发出波长比激发光长的光。上述光从稀土元素掺杂光纤输入到第2FBG并在第2FBG被反射。发生反射的光作为反射光再次输入稀土元素掺杂光纤。并且，在稀土元素掺杂光纤中，通过由反射光引起的稀土元素的受激辐射放大反射光的强度。此外，反射光输入到第1FBG并被反射。并且，再次输入到稀土元素掺杂光纤并被放大。通过重复该过程，使得光在第1FBG和第2FBG间进行放大并发生共振。并且，边放大边发生共振的光的一部分从反射率低的第2FBG侧作为激光输出。

这时，第2FBG的反射波段位于第1FBG的反射波段内，第2FBG的反射率比第1FBG的反射率低，因此，在第1FBG和第2FBG间发生共振的光的中心波长是与第2FBG的布拉格波长相同的波长。此外，第2FBG的布拉格波长是在比第1FBG的布拉格波长短的短波长侧，因此，在第1FBG和第2FBG间发生共振的光的中心波长是在比第1FBG的布拉格波长短的短波长侧的波长。这样，在第1FBG上发生反射的光是比第1FBG的布拉格波长短的短波长侧的波长，因此，第1FBG对输入的光表现出正常分散的性质。因此，会抑制在第1FBG中表现出的调制不稳定性的情况。这样，从第2FBG作为激光输出的光的强度变为稳定。

此外，在上述光纤激光装置中，优选所述第1FBG的在反射波段内的规定波段中的反射率实质上恒定。

此外，在上述光纤激光装置中，优选所述第2FBG的布拉格波长为所述第1FBG的反射率实质上恒定的所述规定波段的最短波长侧的波长与所述第1FBG的布拉格波长之间的波长。

发明效果

如上所述，本发明提供一种输出激光强度稳定的光纤激光装置。

附图说明

图1是表示本发明实施方式的光纤激光装置的图。

图2是示意性地表示在与图1所示光纤的长度方向垂直的方向上的截面构造的图。

图3是示意性地表示在与图1所示稀土元素掺杂光纤的长度方向垂直的方向上的截面构造的图。

图4是示意性地表示沿着图1所示的形成有第1FBG光纤的长度方向的截面构造的图。

图5是示意性地表示沿着图1所示的形成有第2FBG光纤的长度方向的截面构造的图。

图6是表示第1FBG以及第2FBG中的波长与反射率的关系的图。

图7是表示从稀土元素掺杂光纤输出的激光的时间强度的图。

符号说明

10...激发光源部；11...激发光源；20...稀土元素掺杂光纤；21...芯部；22...包层；23...树脂包层；30...第1FBG；35、45...光纤；36、46...芯部；37、47...包层；38、48...树脂包层；31、41...高折射率部；32、42...低折射率部；40...第2FBG；100...光纤激光装置。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明光纤激光装置的最佳的实施方式进行详细地说明。

图1是表示本发明实施方式中的光纤激光装置的图。

如图1所示，光纤激光装置100具有：激发光源部10；熔接连接在激发光源部10上并形成有第1FBG30的光纤35，与光纤35熔接连接的稀土元素掺杂光纤20，与稀土元素掺杂光纤20熔接连接并形成有第2FBG40的光纤45。此外，图1中省略了光纤35及光纤45与稀土元素掺杂光纤20的连接部。

激发光源部10具有输出波长为λp的激发光的激发光源11和传播从激发光源11输出的激发光的光纤12。光纤12将激发光作为多模(Multi Mode)光进行传播。

图2是示意性地表示在与图1所示光纤35及光纤45的长度方向垂直的方向上的截面构造的图。此外，光纤35和光纤45是同样的构造，因此只对光纤35进行说明。光纤35由芯部36、包覆芯部36的包层37、包覆包层37的树脂包层38构成。包层37的折射率比芯部36的折射率低，树脂包层38的折射率比包层37的折射率低很多。作为上述光纤35，可以列举出例如芯部36的直径为10μm，包层37的外径为125μm，树脂包层38的外径为250μm的光纤。此外，作为构成芯部36的材料，可以列举出例如添加有1mol％二氧化锗的石英；作为构成包层37的材料，可以列举出例如未掺杂任何掺杂物的石英；作为构成树脂包层38的材料，可以列举出例如紫外线固化树脂。

图3是示意性地表示在与连接于光纤35及光纤45的稀土元素掺杂光纤20的长度方向垂直的方向上的截面构造的图。稀土元素掺杂光纤20由掺杂有稀土元素芯部21、包覆芯部21的包层22、包覆包层22的树脂包层23构成。包层22的折射率比芯部21的折射率低，树脂包层23的折射率比包层22的折射率低很多。作为上述稀土元素掺杂光纤20，可以列举出例如芯部21的直径为10μm，包层22的外径为125μm，树脂包层23的外径为150μm的光纤。此外，作为构成芯部21的材料，可以列举出例如添加有镱的石英；作为构成包层22的材料，可以列举出例如未掺杂任何掺杂物的石英；作为构成树脂包层23的材料，可以列举出例如紫外线固化树脂。

下面，对第1FBG30、第2FBG40进行说明。图4是示意性地表示第1FBG30的沿着光纤35的长度方向的截面构造的图，图5是示意性地表示第2FBG40的沿着光纤45的长度方向的截面构造的图。此外，图6是表示被第1FBG30以及第2FBG40反射的光的波长与反射率的关系的图。并且，图6中省略了旁瓣(Side Lobe)。

如图4所示，第1FBG30形成于光纤35上，所述光纤35连接于稀土元素掺杂光纤20的激发光源部10侧。第1FBG30在光纤35的芯部36中具有沿着光纤35的长度方向按一定周期增大折射率的高折射率部31、及在高折射率部31之间折射率与芯部36相同的低折射率部32。

此外，如图6的曲线34所示，第1FBG30的布拉格波长为λ₁，在反射波段内的波段λ₁₁～λ₁₂中，反射呈饱和状态，以99％以上的反射率反射光。因此，在所述波段λ₁₁～λ₁₂中反射率的变动幅度低于1％。这样，如图6的曲线34所示，第1FBG30在反射波段的包括布拉格波长λ₁的规定波段λ₁₁～λ₁₂中的反射率实质上是恒定的。

在上述第1FBG30中，高折射率部31和低折射率部32的周期λ₁满足λ₁＝2n_effλ₁。其中，n_eff1为光纤35的第1FBG30的有效折射率。

作为第1FBG30，可以列举出例如图6的曲线34所示的，布拉格波长λ₁为1064.0nm，以99％以上的反射率反射波长为1063.7nm～1064.3nm的FBG。作为这种FBG，可以列举出例如高折射率部31和低折射率部32的周期为336nm，高折射率部31和低折射率部32的折射率差为5.5×10^-4，长度为3.0mm的FBG。

另一方面，如图5所示，第2FBG40形成于光纤45上，所述光纤45连接在稀土元素掺杂光纤20的与光纤35相反的一侧。第2FBG40在光纤45的芯部46中具有沿着光纤45的长度方向按一定周期增大折射率的高折射率部41以及低折射率部42。

此外，如图6的曲线44所示，第2FBG40的布拉格波长为比第1FBG30的布拉格波长λ₁短的短波长侧的波长λ₂。此外，如图6所示，第2FBG40的反射波段为第1FBG30的反射波段内，第2FBG40的光的反射率为比第1FBG30的反射率低的反射率。而且，第2FBG40的布拉格波长λ₂优选为在第1FBG30的反射率为实质性上恒定的反射波段λ₁₁～λ₁₂中的最短波长侧的波长λ₁₁与第1FBG30的布拉格波长λ₁之间的波长。由此，利用光纤45的折射率的温度依存性等，使得即使在第2FBG40的反射波段发生变化的情况下，第2FBG40的布拉格波长λ₂在比第1FBG30的布拉格波长λ₁短的短波长侧也容易保持第1FBG30的反射率在固定波段内的状态。

在上述第2FBG40中，高折射率部41和低折射率部42的周期A₂满足A₂＝2n_eff2λ₂。其中，n_eff2为光纤45的第2FBG40的有效折射率。

作为第2FBG40，可以列举出例如在第1FBG30具有上述的布拉格波长λ₁及反射波段的情况下，布拉格波长λ₂为1063.8nm，布拉格波长下的反射率为10％，反射率的半值全宽(FWHM)为0.2nm的FBG。作为这种FBG，可以列举出例如高折射率部41和低折射率部42的周期为336nm，高折射率部31和低折射率部32的折射率差为4×10^-5，长度为1.8mm的FBG。

下面，对光纤激光装置100的激光输出进行说明。

首先，激发光源11输出激发光。输出的激发光的波长为例如916nm。从激发光源11输出的激发光通过光纤12以及光纤35的第1FBG30输入到稀土元素掺杂光纤20。在稀土元素掺杂光纤20中，激发光被添加在稀土元素掺杂光纤20的芯部21中的稀土元素吸收。因此，稀土元素呈现激发状态。并且，呈激发状态的稀土元素发出特定波长的自然放射光。此时的自然放射光为例如中心波长为1070nm，具有固定波段的光。所述自然放射光在稀土元素掺杂光纤20中传播，输入到光纤45的第2FBG40。输入到第2FBG40的自然放射光中的处于第2FBG40的反射波段的光在第2FBG40中被反射。此外，此时在第2FBG40中被反射的光的中心波长为第2FBG40的布拉格波长λ₂。这样，输入到第2FBG40的自然放射光中在第2FBG40被反射的光再次在稀土元素掺杂光纤20中通过稀土元素的受激辐射而放大。然后，放大后的光到达第1FBG30。由于第1FBG30的反射波段比第2FBG的反射波段宽，所以第1FBG30对输入的光进行反射。这样，在第1FBG30上反射的光再次在稀土元素掺杂光纤20中被放大。然后，被放大后的光再次输入到第2FBG40，一部分光透过第2FBG40。上述透过第2FBG40的光作为激光从光纤激光装置100输出。

此时，如上所述，第1FBG30的布拉格波长λ₁为1064.0nm，其以99％以上的折射率反射波长为1063.7～1064.3nm的光；第2FBG40的布拉格波长λ₂为1063.8nm，其反射波段在第1FBG30的反射波段内，此外，当其反射率为10％时，在第1FBG30与第2FBG40间发生共振的光的一部分透过第2FBG40，光纤激光装置100输出中心波长为1063.8nm的激光。

根据本实施方式的光纤激光装置100，激光光源11发出的激发光输入到稀土元素掺杂光纤20时，稀土元素掺杂光纤20的稀土元素就会呈现激发状态。呈激发状态的稀土元素发出比激发光波长长的光。上述光从稀土元素掺杂光纤20输入到第2FBG40并在第2FBG40被反射。被反射的光作为反射光再次输入到稀土元素掺杂光纤20。而且，在稀土元素掺杂光纤20中利用由激发光引发的稀土元素的受激辐射增大反射光的强度。接着，反射光被输入到第1FBG30并被反射。并且，其再次输入到稀土元素掺杂光纤20被放大。通过重复该过程，使得光在第1FBG30与第2FBG40间边被放大被共振。这样边被放大边共振的光的一部分从反射率低的第2FBG40侧作为激光输出。

此时，第2FBG40的反射波段在第1FBG30的反射波段中，第2FBG40的反射率比第1FBG30的反射率低。因此，在第1FBG30与第2FBG40间发生共振的光的中心波长为与第2FBG40的布拉格波长相同的波长。此外，因为第2FBG40的布拉格波长位于比第1FBG30的布拉格波长短的短波长侧，所以在第1FBG30被反射的光的波长位于比第1FBG30的布拉格波长短的短波长侧。第1FBG30如果将波长比其布拉格波长短的短波长一侧的光反射，则对于输入的光，第1FBG30会显示正常分散值。由此，抑制了第1FBG30表现出的调制不稳定性的情况。这样，从光纤激光装置100的第2FBG40侧作为激光输出的光的强度稳定。

上面，以上述实施方式为例对本发明进行了说明，但是，本发明不受此限制。

例如，第1FBG30形成于光纤35上，所述光纤35熔接连接在稀土元素掺杂光纤20的激发光源部10侧，第2FBG40形成于光纤45上，所述光纤45熔接连接在稀土元素掺杂光纤20的与第1FBG30相反的一侧，但是，本发明并不受此限制。例如，还可以在稀土元素掺杂光纤20的两端部形成第1FBG30和第2FBG40。

此外，第1FBG30及第2FBG40为具有周期固定的高折射率部和低折射率部的FBG，但是，在对反射不产生影响的范围内，可以不固定高折射率部及低折射率部的周期。

实施例

下面，列举实施例及比较例，对本发明的内容进行更具体地说明，但是，本发明不应受此限制。

(实施例1)

首先，准备了芯部直径为10μm，包层外径为125μm，树脂包层外径为150μm，长度为9m的稀土元素掺杂光纤。对于该稀土元素掺杂光纤的芯部使用添加有镱和铝的石英，对于在包层使用未添加任何掺杂物的石英，对于树脂包层使用紫外线固化树脂。

接着，准备由添加有1mol％二氧化锗的直径为10μm的芯部、包覆芯部的外径为125μm包层、包覆包层的外径为250μm的树脂包层构成的光纤，在该光纤上形成第1FBG。在第1FBG的形成过程中，利用相位掩模法照射波长为248nm、强度为2mW/mm²的紫外线500秒。这样，第1FBG设置为高折射率部与低折射率部的周期为366nm、布拉格波长为1064.0nm、对1063.7～1064.3nm的波长进行99％以上地反射的FBG。

接着，准备与形成有第1FBG的光纤相同的光纤，在该光纤上形成第2FBG。第2FBG的形成除照射了紫外线40秒以外，其他与第1FBG的形成相同。这样，第2FBG设置为高折射率部与低折射率部的周期为366nm、布拉格波长为1063.8nm、反射率为10％、反射率的半值宽度为0.2nm的FBG。

接着，将形成有第1FBG的光纤熔接连接到稀土元素掺杂光纤一端，并且将形成有第2FBG的光纤熔接连接到稀土元素掺杂光纤的另一端。

(比较例1)

除将第2FBG的布拉格波长设置为与第1FBG的布拉格波长相同的波长以外，与实施例1相同地，在稀土元素掺杂光纤的两端熔接连接形成有第1FBG的光纤以及形成有第2FBG的光纤。

接着，分别向实施例1的稀土元素掺杂光纤与比较例1的稀土元素掺杂光纤输入波长为915nm的激发光，使其输出波长为1063.8nm的激光。并且，测定从稀土元素掺杂光纤输出的激光的强度。在图7中示出该结果。图7是表示从稀土元素掺杂光纤输出的激光的时间强度的图。此外，在图7中，纵轴没有单位。如图7所示，从实施例1的稀土元素掺杂光纤输出的激光的强度稳定。与此相反，从比较例1的稀土元素掺杂光纤输出的激光的强度发生变化，不稳定。

从上述内容可以得出：利用根据本发明的光纤激光装置，会使输出的激光的强度稳定。

产业上应用的可能性

本发明提供一种使输出的激光的强度稳定的光纤激光装置。

Claims

1.一种光纤激光装置，其特征在于，具有：

输出激发光的激发光源；

被输入所述激发光的稀土元素掺杂光纤；及

对在所述稀土元素掺杂光纤中被放大的光进行反射的形成于所述稀土元素掺杂光纤一侧的第1FBG、形成于所述稀土元素掺杂光纤另一侧的第2FBG，

所述第2FBG的反射率比所述第1FBG的反射率低，所述第2FBG的反射波段是在所述第1FBG的反射波段内，所述第2FBG的布拉格波长是在比所述第1FBG的布拉格波长短的短波长侧，

在上述第1FBG中，对由第2FBG反射而输入的光表现出正常分散，抑制调制不稳定性。

2.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，

所述第1FBG在反射波段中的反射率实质上恒定。

3.根据权利要求2所述的光纤激光装置，其特征在于，

所述第2FBG的布拉格波长为所述第1FBG的反射波段的最短波长侧的波长与所述第1FBG的布拉格波长之间的波长。