CN102265472B - 放大用光纤以及使用放大用光纤的光纤放大器和谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种放大用光纤以及使用其的光纤放大器和谐振器，该放大用光纤在LP01模式以外的轴对称的高次模式被激振的情况下，也能够输出光束质量良好的光。一种放大用光纤(50)，其具有纤芯(51)、覆盖纤芯(51)的包层(52)和覆盖包层(52)的外部包层(53)，该放大用光纤(50)的特征在于：纤芯(51)的折射率比包层(52)的折射率高，纤芯(51)至少以LP01模式以及LP02模式来传播规定波长的光，在纤芯(51)中，在LP02模式的强度为零的位置以比纤芯(51)的中心高的浓度添加有受激辐射出规定波长的光的活性元素。

Description

放大用光纤以及使用放大用光纤的光纤放大器和谐振器
技术领域
本发明涉及放大用光纤以及使用其的光纤放大器和谐振器，特别涉及能够提高光束质量的放大用光纤以及使用其的光纤放大器和谐振器。
背景技术
在加工机、医疗器械等所使用的光纤激光装置中，多使用光纤放大器，该光纤放大器利用放大用光纤来放大由激光振荡器(MO：MasterOscillator)等种子光源所产生的光。
作为该放大用光纤，有时会使用纤芯中添加有稀土元素等活性元素的双包层光纤。作为该双包层光纤，存在纤芯只传播单模光的双包层光纤和纤芯传播多模光的双包层光纤。而且，在纤芯只传播单模光的双包层光纤中，普遍地存在如下情况：由于纤芯的直径小，若想得到高输出的激光输出，则纤芯中传播的光的密度会变得过高。该情况下，光的能量会由于非线性光学效应而移向不想要的波长，所以得不到想要的激光输出。因此，随着近几年对光纤放大器的高输出化的要求，使用了纤芯传播多模光的双包层光纤的光纤放大器受到关注。
在专利文献1中公开了能够通过配置模式转换器而在传播多模光的放大用双包层光纤中也以LP01模式为中心进行放大的方案，其中，该模式转换器只激振在传播多模光的放大用双包层光纤的纤芯中传播的光的LP01模式。此外，在专利文献1中隐含公开了通过使用在双包层光纤的纤芯的中心部添加有活性元素而在纤芯的外周部未添加活性元素的放大用光纤，由于被称为增益波导的效应而LP01模式与高次模式相比有效地被放大的内容。另外，在专利文献2中记载了通过使用在双包层光纤的纤芯的中心部添加有活性元素、进而在纤芯的外周部添加有吸收光的吸收元素的放大用光纤来衰减不需要的高次模式的想法。
专利文献1：美国专利第5818630号说明书
专利文献2：美国专利第5121460号说明书
发明内容
但是，若将光能够进行多模传播的双包层光纤用作放大用光纤，则在传播的光中除了LP01模式(基本模式)之外，LP02模式等高次模式也会被激振。这样的高次模式的存在使所输出的光难以进行聚光等，从而会降低输出光的光束质量。
另外，为了使用专利文献1所记载的模式转换器来只激振LP01模式，需要使输入的种子光的模场形状与在放大用双包层光纤中传播的光的LP01模式的模场形状一致。根据本发明人的认知，即使在高次模式中，使作为非对称模式的LP11模式不激振这也比较容易，而使作为轴对称模式的LP02模式不激振比较困难。此外，发现：这种高次模式在输入时功率极小的情况或在放大用光纤内产生的情况下，普遍地与LP01模式相比被放大的比率也较高，因此在输出光中占有较高比率。特别是已知：光放大率越高，高次模式被放大的比率越高，从而存在输出光的光束质量降低的趋势。
另外，若使用专利文献2所记载的光纤放大器，则虽然能够预料到即使在轴对称的高次模式被激振的情况下该模式也会发生衰减，但是存在由于在放大介质中加入衰减物质，而增益相对于LP01模式也会发生下降的问题。
因而，本发明的目的在于，提供即使在LP01模式以外的轴对称的高次模式被激振的情况下，也能够输出光束质量良好的光的放大用光纤以及使用其的光纤放大器和谐振器。
本发明人对在所述专利文献1所记载的光纤放大器中以高放大率来放大LP02模式从而有时会输出光束质量差的光的情况的原因进行了深入研究。其结果得到下述结论：LP02模式在双包层光纤的纤芯的中心部强度很强，即使只在纤芯的中心部添加活性元素，LP02模式也会被放大，这就是原因所在。鉴于此，本发明人又进一步地进行了深入研究而得到了本发明。
即，本发明的放大用光纤是具有纤芯、覆盖所述纤芯的包层和覆盖所述包层的外部包层的放大用光纤，其特征在于：所述纤芯的折射率比所述包层的折射率高，所述纤芯至少以LP01模式以及LP02模式来传播规定波长的光；在所述纤芯中，在所述LP02模式的强度为零的位置以比所述纤芯的中心高的浓度添加有受激辐射出所述规定波长的光的活性元素。
根据这样的放大用光纤，通过向纤芯输入包含LP01模式(基本模式)的光、并且向包层输入激励光来利用激励光放大包含该LP01模式的光。这时，在向纤芯输入的包含LP01模式的光中包含LP02模式的情况下或在放大用光纤内LP02模式发生激振的情况下，也能够抑制作为轴对称的高次模式的LP02模式的放大。这样就能够输出光束质量良好的光。此外，本发明人认为：与在纤芯内均匀地添加活性元素的情况相比较，LP01模式的光输出与LP02模式的光输出之比较高的原因在于，通过在LP02模式的强度为零的位置相比于纤芯的中心添加更多的活性元素，能够抑制LP02模式的放大率，因此LP01模式的功率与输出光整体功率之比较高，从而提高了光束质量。
另外，本发明的放大用光纤是具有纤芯、覆盖所述纤芯的包层和覆盖所述包层的外部包层的放大用光纤，其特征在于：所述纤芯的折射率比所述包层的折射率高，所述纤芯至少以LP01模式以及LP02模式来传播规定波长的光，在所述纤芯中，在所述纤芯的中心以比所述LP02模式的强度为零的位置低的浓度添加有受激辐射出所述规定波长的光的活性元素。
在这样的放大用光纤中，在向纤芯输入的包含LP01模式的光中包含LP02模式的情况下或在放大用光纤内LP02模式发生激振的情况下，也能够抑制作为轴对称的高次模式的LP02模式的放大，能够输出光束质量良好的光。
此外，优选在所述放大用光纤中，在所述纤芯的所述中心，未添加所述活性元素。
根据这样的放大用光纤，与LP02模式相比能够更大地放大LP01模式，使输出光具有更好的光束质量。
另外，优选在所述放大用光纤中，在所述纤芯的外周区域，以比所述LP02模式的强度为零的位置低的浓度添加有所述活性元素。
在这样的放大用光纤中，也能够抑制相对于LP01模式的放大率的LP02模式的放大率，使输出的光具有更好的光束质量。
此外，优选在所述放大用光纤中，在所述纤芯的所述外周，未添加所述活性元素。
根据这样的放大用光纤，能够进一步地抑制LP02模式的放大，能够使输出的光具有好的光束质量。
另外，优选在所述LP01模式的强度强于所述LP02模式的强度的区域，与所述LP01模式的强度弱于所述LP02模式的强度的区域相比添加有较高浓度的活性元素。
根据这样的放大用光纤，能够抑制LP02模式的放大，能够使输出的光具有更好的光束质量。
另外，优选在所述放大用光纤中，所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
根据这样的放大用光纤，由于不存在LP03模式以上的高次模式被放大地输出的情况，所以能够输出光束质量更好的光。
另外，本发明的光纤放大器的特征在于，具备：所述所记载的放大用光纤；种子光源，其使包含LP01模式的种子光输入到所述放大用光纤中；和激励光源，其输出对所述放大用光纤的所述活性元素进行激励的激励光。
根据这样的光纤放大器，能够在LP02模式被输入到放大用光纤的情况下或在放大用光纤中产生LP02模式的情况下，也在放大用光纤中以比LP02模式高的放大率来放大所输入的种子光中的LP01模式，因此能够输出光束质量良好的光。
此外，优选在所述光纤放大器中，输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
根据这样的光纤放大器，在放大用光纤中由于不传播非轴对称的高次模式，所以不存在非轴对称的高次模式被放大地输出的情况，因此能够输出易于进行聚光的光束质量良好的光。
此外，优选在所述光纤放大器中，输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
根据这样的光纤放大器，在放大用光纤中，由于不传播非轴对称的高次模式，所以不存在非轴对称的高次模式放大地输出的情况，因此能够输出易于进行聚光的光束质量良好的光。
另外，本发明的谐振器的特征在于，具备：所述所记载的放大用光纤；激励光源，其输出对所述放大用光纤的所述活性元素进行激励的激励光；第1FBG(Fiber Bragg Grating)，其设置在所述放大用光纤的一侧，并反射被所述激励光激励的所述活性元素所辐射出的光的至少一部分波长的光；和第2FBG，其设置在所述放大用光纤的另一侧，并以比所述第1FBG低的反射率来反射波长与所述第1FBG反射的光相同的光。
根据这样的谐振器，在光的谐振中，当光在放大用光纤的纤芯中传播时，LP01模式比LP02模式的光更强地被放大，因此与使用活性元素被浓度均匀地添加到纤芯中的光纤的情况相比，LP01模式的光强度相对于LP02模式的光强度要强，能够输出光束质量良好的光。
如上所述，本发明提供一种能够以高强度输出光束质量良好的光的放大用光纤、以及使用其的光纤放大器和谐振器。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施方式的光纤放大器的图。
图2是示出图1的放大用光纤的与长度方向相垂直的截面的构造的图。
图3是示出图2的放大用光纤的纤芯的样子的图。
图4是示出本发明的第2实施方式的放大用光纤的纤芯的样子的图。
图5是示出本发明的第3实施方式的放大用光纤的纤芯的样子的图。
图6是示出本发明的第4实施方式的放大用光纤的纤芯的样子的图。
图7是示出本发明的第5实施方式的谐振器的图。
图8是示出向实施例1～5以及比较例1的放大用光纤中输入LP01模式的功率为70％、LP02模式的功率为30％的种子光的情况下，输出光的光束质量的图。
图9是示出向实施例4以及比较例1的放大用光纤中输入LP01模式的功率以及LP02模式的功率均为50％的种子光的情况下，输出光的光束质量的图。
图10是示出向实施例4以及比较例1的放大用光纤中输入LP01模式的功率为30％、LP02模式的功率为70％的种子光的情况下，输出光的光束质量的图。
具体实施方式
下面，边参照附图边对本发明的放大用光纤以及光纤放大器和谐振器的优选实施方式进行详细的说明。
(第1实施方式)
图1是示出本发明的第1实施方式的光纤放大器的图。
如图1所示，作为主要的构成，本实施方式的光纤放大器100具备：种子光源10，其输出种子光；激励光源20，其输出激励光；光合成器30，其供种子光以及激励光的输入；和放大用光纤50，其供从光合成器30输出的种子光以及激励光的输入。
种子光源10例如由半导体激光装置、或法布里-珀罗型或光纤环型的光纤激光装置构成。该种子光源10构成为从光纤输出包含LP01模式的光。作为输出包含该LP01模式的光的种子光源10，可以使用一般的半导体激光装置或光纤激光装置。另外，从种子光源10输出的种子光只要是包含LP01模式的光即可，没有特别限制，例如是波长为1070nm的激光。
另外，种子光源10的输出光被从单模光纤15输出，该单模光纤15由纤芯以及覆盖纤芯的包层构成。该单模光纤15将从种子光源10输出的种子光作为LP01模式的单模光来进行传播。该单模光纤15的构成没有特别限制，例如在种子光的波长是如所述那样的1070nm的情况下，纤芯的直径为10μm、纤芯与包层的相对折射率差为0.13％。
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例如是以GaAs系半导体为材料的法布里-珀罗型半导体激光器，输出中心波长为915nm的光。另外，激励光源20的各个激光二极管21与多模光纤22连接，由激光二极管21输出的激励光作为多模光在多模光纤22中传播。
连接多模光纤22以及单模光纤15的光合成器30通过以单模光纤15为中心、其周围配置有多模光纤22的部分溶融延伸地一体化而构成，并与放大用光纤50光学地连接。
图2是示出放大用光纤50的与长度方向相垂直的截面的构造的图。如图2所示那样，放大用光纤50由纤芯51、覆盖纤芯51的包层52和覆盖包层52的外部包层53构成。包层52的折射率比纤芯51的折射率低，外部包层53的折射率比包层52的折射率低。例如在本实施方式中，纤芯51与包层52的相对折射率差为0.15％。另外，纤芯51的直径例如为30μm、包层52的外径例如为420μm、外部包层53的外径例如为440μm。另外，作为构成纤芯51的材料，例如可以举出添加有提高石英折射率的铝等元素而成的石英，在纤芯51的至少一部分区域，添加有能被从激励光源20输出的激励光激励为激励状态的活性元素、即镱(Yb)。此外，作为这样的活性元素，除镱(Yb)之外，例如还能够举出钕(Nd)或铒(Er)等稀土元素。另外，作为构成包层52的材料，例如能够举出未添加掺杂剂的石英，作为构成外部包层53的材料，例如能够举出紫外线固化树脂。
通过所述那样的纤芯51与包层52的折射率差将来自种子光源的规定波长的光封闭在纤芯51中进行传播。作为在该纤芯51中传播的光的模式，除了基本模式LP01之外，还存在LP02作为高次模式。在本实施方式的放大用光纤50中，按照不传播LP03以上的高次模式的方式来设定种子光源光的波长、纤芯51和包层52的尺寸、以及纤芯51与包层52的相对折射率差。
下面，对放大用光纤50的纤芯51进一步详细地说明。图3是示出图2所示的放大用光纤50的纤芯51的样子的图。具体来说，图3的A是示出放大用光纤50的与长度方向相垂直的截面的纤芯51的构造的样子的图。另外，图3的B是示出用功率来对在纤芯51中传播的LP01模式以及LP02模式进行归一化的情况的LP01模式以及LP02模式的强度分布的图。另外，图3的C是示出在纤芯51中添加的活性元素的浓度分布的样子的图。
如图3的B所示，在图3的A所示的自纤芯51的中心距离为r的位置，LP02模式的光强度为零。另外，LP02模式具有在纤芯51的中心处最强的强度分布。另一方面，LP01模式虽然也是具有在纤芯51的中心处最强的强度分布的模式，但是与自纤芯51的中心距离为r的位置的强度相比，其强度比没有LP02模式那么大。在用功率来对在纤芯51中传播的LP01模式以及LP02模式进行归一化的情况下，在纤芯51的中心处，LP01模式比LP02模式的强度弱。这样，将在纤芯51的中心附近并且LP01模式比LP02模式强度还弱的区域称为中心区域55。
另外，将包围中心区域55的区域且LP01模式比LP02模式强度还强的区域称为中间区域56。该中间区域56如图3的A所示那样，在纤芯51的截面呈环状分布。
此外，将包围中间区域56的区域且LP01模式比LP02模式强度还弱的区域称为外周区域57。这些区域在用功率对在纤芯51中传播的LP01模式以及LP02模式进行归一化的情况，例如在如上述那样纤芯51的直径为30μm的情况下，中心区域55的直径为8μm、中间区域56的外径为22μm。
接下来，如图3的C所示，在本实施方式的放大用光纤50中，在纤芯51的整体中添加有活性元素Yb，但是在包含纤芯51中心的中心区域55中，与包含LP02模式的光强度为零的位置(自纤芯51的中心距离为r)的中间区域56相比以较低浓度添加有活性元素Yb。换句话说，在纤芯51中，活性元素Yb在LP02模式的强度为零的位置，比纤芯51的中心区域55添加的浓度高。例如在纤芯51的中心，该活性元素Yb相对于石英添加1.0wt％，在包含LP02模式的光强度为零的位置(自纤芯51的中心距离为r的位置)的中间区域56以及外周区域57，相对于石英添加2.0wt％。
下面，对光纤放大器100的动作进行说明。
首先，来自种子光源10的波长为1070μm的光从单模光纤15输出。这时基于所述的单模光纤15的构成，只传播LP01模式。接下来，在单模光纤15中传播的LP01模式的光输入到光合成器30。
另外，从激励光源20输出对在放大用光纤50的纤芯51中添加的活性元素Yb进行激励的激励光。这时的波长如上所述例如是915μm的波长。接下来，从激励光源20输出的激励光在多模光纤22中传播，并输入到光合成器30。
输入到光合成器30的种子光以及激励光输入到放大用光纤50中，种子光在放大用光纤50的纤芯51中传播，激励光在放大用光纤50的包层52与纤芯51中传播。种子光主要以LP01模式被输入，但是放大用光纤50的纤芯51能够使种子光波长的光以LP01模式以及LP02模式来传播，因此当输入LP01模式时，LP02模式被激振，从而以LP01模式以及LP02模式来传播。接下来，当激励光通过纤芯51时，在纤芯51中添加的活性元素Yb被激励。被激励的活性元素Yb因种子光而引起受激辐射，从而LP01模式以及LP02模式的种子光由于该受激辐射而被放大。
这时在纤芯51的LP02模式的光强度为零的位置(自纤芯51的中心距离为r)的活性元素Yb的浓度比纤芯51的中心的活性元素Yb的浓度高。在LP02模式的光强度为零的位置，LP01模式的光不为零而为规定的强度。接下来，LP01模式的光在LP02模式的光强度为零的位置(自纤芯51的中心为距离r)也引发受激辐射而被放大。另一方面，在自纤芯51的中心距离为r的位置，LP02模式的光的强度为零，因此LP02模式的光不会发生受激辐射从而不被放大。在LP02模式的光强度为零的位置的活性元素Yb不会被LP02模式的光受激辐射，仅有效地放大LP01模式的光。
在纤芯51的中心，活性元素Yb的浓度比LP02模式的光强度为零的位置的活性元素Yb的浓度低，因此在该区域的光的放大与LP02模式的光强度为零的位置的放大相比被抑制。
如上所述，通过在纤芯51的中心和LP02模式的光强度为零的位置的、对LP01模式与LP02模式的光的放大率的关系，能够使LP01模式比LP02模式的光大幅地放大，从而高效率地放大LP01模式的光。
即本实施方式的放大用光纤50与活性元素Yb以均匀的浓度添加到纤芯51中的光纤相比，能够输出LP01模式的光强度比LP02模式的光强度强的、光束质量良好的光。
因此，在本实施方式的放大用光纤50中混合了所有模式的光输出，与活性元素Yb以均匀的浓度添加到纤芯51的光纤相比为相同程度，能够通过抑制LP02模式的放大来使激励光的功率有利于LP01模式的放大，因此能够输出LP01模式光强度强且光束质量良好的光。
这样与活性元素Yb以均匀的浓度添加到纤芯51的光纤相比，能够从放大用光纤50输出光束质量良好的光。因此，能够从使用这样的放大用光纤50的本实施方式的光纤放大器100输出光束质量良好的光。
此外，在本实施方式中，放大用光纤50构成为不传输LP03以上的高次模式，因此能够输出光束质量良好的光。
另外，在本实施方式的光纤放大器100中，由于向放大用光纤50中输入由LP01模式构成的单模光作为种子光，所以与活性元素Yb以均匀的浓度添加到纤芯51的光纤的情况下放大率最高的LP02模式相比，LP01模式被大幅地放大，能够输出光束质量良好的光。
(第2实施方式)
下面，参照图4对本发明的第2实施方式详细地进行说明。此外，对与第1实施方式相同或等同的构成要素，除特别说明的情况之外，付与相同的参照符号并且省略重复说明。图4是示出本发明的第2实施方式的放大用光纤的纤芯的样子的图，是相当于第1实施方式的图3的图。
如图4的A所示，在本实施方式的放大用光纤中，使用纤芯51a来代替第1实施方式的纤芯51。如图4的C所示，该纤芯51a的中间区域56a以及外周区域57a具有与第1实施方式的放大用光纤50的纤芯51的中间区域56以及外周区域57同样的构成。然而，本实施方式的放大用光纤的纤芯51a在中心区域55a未添加活性元素的方面与第1实施方式的放大用光纤50的纤芯51不同。
根据本实施方式的放大用光纤，由于纤芯51a的中心区域55a未添加活性元素，所以在输入光中的LP02模式的强度较强的中心区域55a，光未被放大。而且，与第1实施方式同样地，在LP02模式的光强度为零的位置(自纤芯51a的中心距离为r的位置)，只有LP01模式的光被放大，LP02模式的光未被放大。所以，LP01模式比LP02模式被放得更大，能够输出光束质量更好的光。因此，能够通过使用本实施方式的放大用光纤来制成能够输出更高光束质量的光的光纤放大器。
(第3实施方式)
下面，参照图5对本发明的第3实施方式详细地进行说明。此外，对与第1实施方式相同或等同的构成要素，除特别说明的情况之外，付与相同的参照符号并且省略重复说明。图5是示出本发明的第3实施方式的放大用光纤的纤芯的样子的图，是相当于第1实施方式的图3的图。
如图5的A所示，在本实施方式的放大用光纤中，使用纤芯51b来代替第1实施方式的纤芯51。如图5的C所示，该纤芯51b的中心区域55b以及中间区域56b的构成，与第1实施方式的放大用光纤50的纤芯51的中心区域55以及中间区域56同样。而且，本实施方式的放大用光纤的纤芯51b在外周区域57b添加的活性元素的浓度比中间区域56b添加的活性元素的浓度低的方面，与第1实施方式的放大用光纤50的纤芯51不同。另外，该外周区域57b添加的活性元素的浓度与中心区域55b添加的活性元素的浓度大致相同。
根据本实施方式的放大用光纤，与第1实施方式同样地，由于在LP02模式的光强度为零的位置(自纤芯51b的中心距离为r的位置)添加的活性元素的浓度比在外周区域57b添加的活性元素的浓度高，所以抑制了LP02模式光的放大。另一方面，在自纤芯51的中心距离为r处，LP01模式的光被高效率地放大。所以，LP01模式比LP02模式被放得更大，能够输出更高光束质量的光。因此，能够通过使用本实施方式的放大用光纤来制成能够输出更高光束质量的光的光纤放大器。
(第4实施方式)
下面，参照图6对本发明的第4实施方式详细地进行说明。此外，对与第1实施方式相同或等同的构成要素，除特别说明的情况之外，付与相同的参照符号并且省略重复说明。图6是示出本发明的第4实施方式的放大用光纤的纤芯的样子的图，是相当于第1实施方式的图3的图。
如图6的A所示，在本实施方式的放大用光纤中，使用纤芯51c来代替第1实施方式的纤芯51。如图6的C所示，该纤芯51c的中间区域56c的构成与第1实施方式的放大用光纤50的纤芯51的中间区域56同样。而且在本实施方式的放大用光纤中，在中心区域55c以及外周区域57c中未添加活性元素的方面与第1实施方式的放大用光纤50不同。即，在本实施方式中只在中间区域56c中添加活性元素。
根据本实施方式的放大用光纤，由于只在包含LP02模式的光强度为零的位置(自纤芯51c的中心为距离r的位置)的中间区域56c中添加活性元素，所以在LP02模式的强度较强的中心区域55c、外周区域57c中光未被放大。而且，只在LP01模式的强度较强的中间区域56c中光被放大。所以，LP01模式比LP02模式被放得更大，能够输出更高光束质量的光。因此，能够通过使用本实施方式的放大用光纤来制成能够输出更高光束质量的光的光纤放大器。
(第5实施方式)
下面，参照图7对本发明的第5实施方式详细地进行说明。此外，对与第1实施方式相同或等同的构成要素，除特别说明的情况之外，付与相同的参照符号并且省略重复说明。图7是示出本发明的第5实施方式的谐振器的图。
如图7所示，作为主要构成，本实施方式的谐振器200具备：激励光源20；放大用光纤50；光合成器30；双包层光纤65，其设置在放大用光纤50与光合成器30之间；第1FBG 61，其设置在双包层光纤65中；多模光纤66，其设置在放大用光纤50的与双包层光纤65的相反侧；和第2FBG 62，其设置在多模光纤66中。
双包层光纤65的与长度方向相垂直的截面的构造与放大用光纤相同，由纤芯、覆盖纤芯的包层和覆盖包层的外部包层构成。双包层光纤65的纤芯、包层、以及外部包层的外径、折射率等被设置为与放大用光纤50的纤芯、包层、以及外部包层大致相同，并且与放大用光纤50同样地传播LP01模式和LP02模式，但是在双包层光纤65的纤芯中未添加活性元素。而且，与第1实施方式中放大用光纤50与光合成器30的连接同样地，双包层光纤65的一端与光合成器30连接，多模光纤22的纤芯与双包层光纤65的包层光学地连接。另外，双包层光纤65的另一端与放大用光纤50连接，双包层光纤65的纤芯与放大用光纤50的纤芯51连接，双包层光纤65的包层与放大用光纤50的包层52连接。
另外，在双包层光纤65的纤芯中设置有第1FBG 61。这样第1FBG61设置在放大用光纤50的一侧。第1FBG 61构成为：沿双包层光纤65的长度方向以一定的周期重复高折射率的部分，通过调整该周期来反射处于激励状态的放大用光纤50的活性元素所辐射出的至少一部分波长的光。第1FBG 61在所述那样活性元素为Yb的情况下，例如波长为1070nm的光的反射率为100％。
另外，在放大用光纤50的与双包层光纤65相反侧设置的多模光纤66与放大用光纤50同样地按照传播LP01模式和LP02模式的方式来设定纤芯的直径、纤芯以及包层的折射率。而且，多模光纤66的一端与放大用光纤50连接，另一端不连接任何部件地成为自由端，放大用光纤50的纤芯51与多模光纤66的纤芯连接。
另外，在多模光纤66的纤芯中设置有第2FBG 62。这样第2FBG 62设置在放大用光纤50的另一侧。第2FBG 62构成为：沿多模光纤66的长度方向以一定的周期重复高折射率的部分，并以低于第1FBG 61的反射率来反射波长与第1FBG 61所反射的光相同的光，例如第1FBG61构成为以50％的反射率来反射波长与第1FBG 61所反射的光相同的光。
在这样的谐振器200中，当从激励光源20的各个激光二极管21输出激励光时，该激励光在光合成器30处输入到双包层光纤65的包层中，并且从双包层光纤65的包层输入到放大用光纤50的包层中。而且，与第1实施方式同样地，使放大用光纤50的纤芯51中添加的活性元素处于激励状态。而且处于激励状态的活性元素辐射规定波长的自然辐射光。这时的自然辐射光例如是中心波长为1070nm且具有一定波段的光。该自然辐射光在放大用光纤50的纤芯51中传播，被在双包层光纤65的纤芯中设置的第1FBG 61所反射，被反射的光被第2FBG 62反射，从而产生光的谐振。而且光在放大用光纤50的纤芯51中传播时被放大，一部分光透过第2FBG从多模光纤66输出。
在本实施方式中，光在放大用光纤50的纤芯51中传播时，由于LP01模式比LP02模式的光被较强地放大，所以与使用活性元素Yb以均匀的浓度添加到纤芯51中的光纤的情况相比较，能够输出LP01模式的光强度相对于LP02模式的光强度强的、光束质量良好的光。
此外，在本实施方式中，作为放大用光纤使用了第1实施方式的放大用光纤50为例进行了说明，但是也可以使用第2实施方式～第4实施方式中所说明的放大用光纤50。
以上，以第1～第5实施方式为例对本发明进行了说明，但是本发明不限于这些实施方式。
例如，在第3实施方式中，也可以设置成在外周区域57b中不添加活性元素。在这样构成的情况下，输入光中的LP01模式与LP02模式相比以较高放大率被放大，因此能够输出光束质量良好的光。
另外，在第3实施方式中，也可以将中心区域55b以及外周区域57b中添加的活性元素设为不同的浓度。
另外，在第1～第4实施方式中，放大用光纤构成为不传播向纤芯中输入的光中的LP03以上的高次模式，但是也可以构成为传播LP03模式以上的高次模式。
另外，在第1～第4实施方式中，举例说明了从放大用光纤的与输出端相反的端面输入激励光的前方激励构成，但是也可以设为将激励光用的光合成器设置在放大用光纤的输出端，从放大用光纤的输出端的端面输入激励光的后方激励构成。
另外，作为与种子光源10连接的光纤，也可以使用多模光纤来向放大用光纤中输入多模光。这时，光合成器的种子光传播用光纤采用多模光纤，使与种子光源连接的多模光纤的中心轴与光合成器的种子光传播用光纤的中心轴大致一致地熔焊连接。通过这样设置，该多模光纤传播轴对称的模式，使向放大用光纤中输入的种子光成为由轴对称的模式构成的光。通过这样设置，向放大用光纤输入的种子光除了LP01模式之外，只有轴对称的高次模式。因此，与输入到放大用光纤的种子光包含非轴对称的高次模式的情况相比，能够输出容易聚光的光束质量良好的光。作为这样的多模光纤的一个例子，可以举出传播LP01模式以及LP02模式而不传播LP03模式以上的高次模式的多模光纤。作为这样的多模光纤，在纤芯中传播的光为1070μm的情况下，将纤芯的直径设为30μm、纤芯与包层的相对折射率差设为0.15％即可。
此外，在所述实施方式中说明的光纤放大器100和谐振器200能够直接用作光纤激光装置。
实施例
下面，举出实施例以及比较例对本发明的内容更具体地进行说明，但是本发明不限于此。
(实施例1)
为了通过模拟来验证输出光的光束质量，设想了与第1实施方式同样的放大用光纤。本实施方式的放大用光纤被设成：纤芯的直径为30μm，包层的外形为420μm，外部包层的外径为440μm。而且设纤芯与包层的相对折射率差为0.15％。此外，通过以下的实施例，按照在最大的激励光功率条件下放大效率最高的方式来设定各个放大用光纤的长度。
对这样的放大用光纤输入波长为1070nm的光，当用功率分别对该光的LP01模式以及LP02模式进行归一化时，则在纤芯的径向方向上：在直径为4μm的中心区域，LP02模式与LP01模式相比强度要强；在内径为4μm、外形为11μm的中间区域，LP01模式与LP02模式相比强度要强；在比该中间区域靠外侧的外周区域，LP02模式与LP01模式相比强度要强。
在此，在中心区域添加有1wt％Yb，而在中间区域与外周区域添加有2wt％Yb。
(实施例2)
设想与第2实施方式相同的放大用光纤，除了在中心区域不添加Yb之外，与实施例1同样。
(实施例3)
设想与第3实施方式相同的放大用光纤，除了在外周区域添加1wt％Yb之外，与实施例1同样。
(实施例4)
设想与第4实施方式相同的放大用光纤，除了在中心区域以及外周区域不添加Yb之外，与实施例1同样。
(实施例5)
将在中心区域添加的Yb的浓度设为1.6wt％、外周区域的Yb的浓度设为1.6wt％，除此之外，采用与实施例3相同的构成。
(比较例1)
除了纤芯整体均匀地添加2.0wt％Yb之外，采用与实施例1同样的构成。
下面对实施例1～实施例5以及比较例1的放大用光纤，输入功率比率为LP01模式是70％、LP02模式是30％并且整体功率为200mW强度的种子光，并且输入激励光，通过计算求出该激励光的功率变为10W、30W、50W、70W时的输出光的输出功率以及光束质量(M2)。通过波长λ、输出光的扩散角θ以及光束直径D将该光束质量M2定义为下式。
[公式1]
M 2 = Θ × D × π 4 × λ
其结果在图8中示出。如图8所示，在任何一种激励光功率下，实施例1～5以及比较例1的输出功率都不会产生差别。而且，实施例1在任何一种激励光功率下，表示光束质量的M2的数值均低于比较例1，表现出输出光束质量良好的光。而且得到了下述结果：实施例2输出了光束质量更好的光，实施例5输出了光束质量更好的光，实施例3输出了光束质量更好的光，实施例4输出了光束质量最好的光。
下面，对实施例4的放大用光纤以及比较例1的放大用光纤，输入LP01模式以及LP02模式的比率均为50％、功率为200mW强度的种子光，并且输入激励光，通过计算求出激励光的功率变为10W、30W、50W、70W时的输出光的输出功率以及光束质量(M2)。其结果在图9中示出。如图9所示，在实施例4与比较例1中，几乎没有产生激励光功率的差。另外，实施例4得到了输出光束质量优于比较例1的光的结果。
下面，对实施例4的放大用光纤以及比较例1的放大用光纤输入功率比率为LP01模式是30％、LP02模式是70％并且整体功率为200mW强度的种子光，并且输入激励光，通过计算求出该激励光功率变为10W、30W、50W、70W时的输出光的输出功率以及光束质量(M2)。其结果在图10中示出。如图10所示，在实施例4与比较例1中，几乎没有产生激励光功率的差。另外，实施例4得到了输出光束质量优于比较例1的光的结果。
综上所述，本发明证实了在用功率来对在纤芯中输入的光的LP01模式以及LP02模式进行归一化的情况下，根据在LP01模式的强度比LP02模式的强度强的区域中以高于纤芯中心区域的浓度添加活性元素的放大用光纤，就能够使LP01模式比LP02模式以高放大率被放大，输出光束质量良好的光。另外证实了不论在放大用光纤中传输的光的LP01模式与LP02模式的功率比率如何，都能够使LP01模式比LP02模式以高放大率被放大，输出光束质量良好的光。
这样，本发明的放大用光纤50与活性元素Yb以均匀的浓度添加到纤芯51中的光纤相比，LP01模式相对于LP02模式被较强地放大，因此与活性元素Yb被以均匀的浓度添加到纤芯51中的光纤相比，LP01模式的光被较强的输出。
这样与活性元素Yb以均匀的浓度添加到纤芯51中的光纤相比，放大用光纤50能够输出光束质量良好的光。因此，能够从使用这样的放大用光纤50的本发明的光纤放大器100输出光束质量良好的光。
根据本发明，提供了一种在LP01模式以外的轴对称的高次模式被激振的情况下，也能够输出光束质量良好的光的放大用光纤以及使用其的光纤放大器和谐振器。
附图标记说明
10…种子光源；11…激光二极管；13…稀土类添加光纤；15…单模光纤；20…激励光源；21…激光二极管；22、多模光纤，30…光合成器；50…放大用光纤；51、51a、51b、51c…纤芯；52…包层；53…外部包层；55、55a、55b、55c…中心区域；56、56a、56b、56c…中间区域；57、57a、57b、57c…外周区域；100…光纤放大器。

Claims (70)

1.一种放大用光纤，其具有纤芯、覆盖所述纤芯的内部包层和覆盖所述内部包层的外部包层，该放大用光纤的特征在于，
所述纤芯的折射率比所述内部包层的折射率高，
所述纤芯至少以LP01模式以及LP02模式来传播规定波长的光，
在所述纤芯中，在所述LP02模式的强度为零的位置以比所述纤芯的中心高的浓度添加有受激辐射出所述规定波长的光的活性元素。
2.根据权利要求1所述的放大用光纤，其特征在于，
在所述纤芯的所述中心，未添加所述活性元素。
3.根据权利要求1所述的放大用光纤，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，以比所述LP02模式的强度为零的位置低的浓度添加有所述活性元素。
4.根据权利要求3所述的放大用光纤，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，添加的所述活性元素的浓度为零。
5.根据权利要求2所述的放大用光纤，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，以比所述LP02模式的强度为零的位置低的浓度添加有所述活性元素。
6.根据权利要求5所述的放大用光纤，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，添加的所述活性元素的浓度为零。
7.根据权利要求1所述的放大用光纤，其特征在于，
当用功率对所述LP01模式以及所述LP02模式进行了归一化时，在所述LP01模式的强度强于所述LP02模式的强度的区域，与所述LP01模式的强度弱于所述LP02模式的强度的区域相比添加有较高浓度的活性元素。
8.根据权利要求1所述的放大用光纤，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
9.根据权利要求2所述的放大用光纤，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
10.根据权利要求3所述的放大用光纤，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
11.根据权利要求4所述的放大用光纤，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
12.根据权利要求5所述的放大用光纤，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
13.根据权利要求6所述的放大用光纤，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
14.根据权利要求7所述的放大用光纤，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
15.一种光纤放大器，其特征在于，具备：
具有纤芯、覆盖所述纤芯的内部包层和覆盖所述内部包层的外部包层的放大用光纤；
种子光源，其使包含LP01模式的种子光输入到所述放大用光纤中；和
激励光源，其输出对所述放大用光纤的活性元素进行激励的激励光，
所述纤芯的折射率比所述内部包层的折射率高，
所述纤芯至少以LP01模式以及LP02模式来传播规定波长的光，
在所述纤芯中，在所述LP02模式的强度为零的位置以比所述纤芯的中心高的浓度添加有受激辐射出所述规定波长的光的活性元素。
16.根据权利要求15所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
17.根据权利要求16所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
18.根据权利要求15所述的光纤放大器，其特征在于，
在所述纤芯的所述中心，未添加所述活性元素。
19.根据权利要求18所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
20.根据权利要求19所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
21.根据权利要求15所述的光纤放大器，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，以比所述LP02模式的强度为零的位置低的浓度添加有所述活性元素。
22.根据权利要求21所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
23.根据权利要求22所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
24.根据权利要求21所述的光纤放大器，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，添加的所述活性元素的浓度为零。
25.根据权利要求24所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
26.根据权利要求25所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
27.根据权利要求18所述的光纤放大器，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，以比所述LP02模式的强度为零的位置低的浓度添加有所述活性元素。
28.根据权利要求27所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
29.根据权利要求28所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
30.根据权利要求27所述的光纤放大器，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，添加的所述活性元素的浓度为零。
31.根据权利要求30所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
32.根据权利要求31所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
33.根据权利要求15所述的光纤放大器，其特征在于，
当用功率对所述LP01模式以及所述LP02模式进行了归一化时，在所述LP01模式的强度强于所述LP02模式的强度的区域，与所述LP01模式的强度弱于所述LP02模式的强度的区域相比添加有较高浓度的活性元素。
34.根据权利要求33所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
35.根据权利要求34所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
36.根据权利要求15所述的光纤放大器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
37.根据权利要求36所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
38.根据权利要求37所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
39.根据权利要求18所述的光纤放大器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
40.根据权利要求39所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
41.根据权利要求40所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
42.根据权利要求21所述的光纤放大器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
43.根据权利要求42所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
44.根据权利要求43所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
45.根据权利要求24所述的光纤放大器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
46.根据权利要求45所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
47.根据权利要求46所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
48.根据权利要求27所述的光纤放大器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
49.根据权利要求48所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
50.根据权利要求49所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
51.根据权利要求30所述的光纤放大器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
52.根据权利要求51所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
53.根据权利要求52所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
54.根据权利要求33所述的光纤放大器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
55.根据权利要求54所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光只对所述放大用光纤的轴对称的模式进行激振。
56.根据权利要求55所述的光纤放大器，其特征在于，
输入到所述放大用光纤中的种子光是单模光。
57.一种谐振器，其特征在于，具备：
具有纤芯、覆盖所述纤芯的内部包层和覆盖所述内部包层的外部包层的放大用光纤；
激励光源，其输出对所述放大用光纤的活性元素进行激励的激励光；
第1FBG，其设置在所述放大用光纤的一侧，并反射被所述激励光激励的所述活性元素所辐射出的光的至少一部分波长的光；和
第2FBG，其设置在所述放大用光纤的另一侧，并以比所述第1FBG低的反射率来反射波长与所述第1FBG反射的光相同的光，
所述纤芯的折射率比所述内部包层的折射率高，
所述纤芯至少以LP01模式以及LP02模式来传播规定波长的光，
在所述纤芯中，在所述LP02模式的强度为零的位置以比所述纤芯的中心高的浓度添加有受激辐射出所述规定波长的光的活性元素。
58.根据权利要求57所述的谐振器，其特征在于，
在所述纤芯的所述中心，未添加所述活性元素。
59.根据权利要求57所述的谐振器，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，以比所述LP02模式的强度为零的位置低的浓度添加有所述活性元素。
60.根据权利要求59所述的谐振器，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，添加的所述活性元素的浓度为零。
61.根据权利要求58所述的谐振器，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，以比所述LP02模式的强度为零的位置低的浓度添加有所述活性元素。
62.根据权利要求61所述的谐振器，其特征在于，
在所述纤芯的外周区域，添加的所述活性元素的浓度为零。
63.根据权利要求57所述的谐振器，其特征在于，
当用功率对所述LP01模式以及所述LP02模式进行了归一化时，在所述LP01模式的强度强于所述LP02模式的强度的区域，与所述LP01模式的强度弱于所述LP02模式的强度的区域相比添加有较高浓度的活性元素。
64.根据权利要求57所述的谐振器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
65.根据权利要求58所述的谐振器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
66.根据权利要求59所述的谐振器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
67.根据权利要求60所述的谐振器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
68.根据权利要求61所述的谐振器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
69.根据权利要求62所述的谐振器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
70.根据权利要求63所述的谐振器，其特征在于，
所述纤芯不传播所述规定波长的光的LP03以上的高次模式。
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