CN102334247B - 光纤激光器装置和光放大方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤激光器装置和光放大方法，光纤激光器装置具备多芯构造的光放大光纤(20)，该多芯构造的光放大光纤(20)利用入射激励光并传送激励光的第一光波导(21)、由添加有激光介质且产生激光的纤芯及传送激励光的包覆层构成的第二光波导(22)、包含第一光波导(21)及第二光波导(22)的第三光波导而构成，光放大光纤(20)通过一边改变曲率半径一边卷绕，得到小型且高输出功率的光纤激光器装置。
Description
技术领域
本发明涉及使用添加有激光介质的光纤的光纤激光器装置和光放大方法。
背景技术
近年来，在材料加工领域，激光加工作为加工方法之一通常应用广泛。例如，已知激光焊接或激光切割相比于其他方法加工品质高。因此，市场上寻求更高品质、高速加工。即，市场上寻求产生高输出功率、高效率、且聚光性更高的所谓的高光束品质的单模激光且将其射出的激光振荡装置或激光放大装置。
以往的激光振荡装置为实现高输出功率，而将添加了激光介质的光纤和传送激励光的光纤接近配置而制成多芯(多个光波导)结构，由具有规定的折射率的物质对其间进行填充(例如参照专利文献1、专利文献2)。
另外，已知如果将光纤以某种曲率半径卷绕，则产生弯曲损失，能够选择传送的光的模式(例如参照专利文献3)。
另一方面，已知有将单纤芯(单一光波导)的光纤一边改变其卷绕曲率半径一边一体化，且从其外部照射激励光(例如专利文献4)。
图7A是表示上述以往的光纤激光器装置的构成图。图7B是图7A的7B-7B线剖面图。图7A、图7B中，传送激励光的激励光传送光纤101、和添加了激光介质的激光放大光纤102被接近而设置。耦合光纤103包含激励光传送光纤101和激光放大光纤102，且由具有规定的折射率的物质充满。
在激光放大光纤102的一端配置有反射激光的未图示的终段镜，在另一端配置有取出一部分激光且将剩余的激光进行反射的未图示的输出镜。利用这些终段镜及输出镜激光进行多重反馈(帰還)放大并产生激光。
对于如上构成的以往的激光振荡装置说明其动作。在激励光传送光纤101传播的激励光在耦合光纤103中向激光放大光纤102入射，对激光介质进行激励。通过该激励和多重反馈放大，产生激光并将其从输出镜射出。
以往的光纤激光器装置中，为了高输出功率化而使用多芯构成的耦合 光纤103，但该耦合光纤103由树脂系的填充剂充满。该树脂限制从激励光传送光纤101向激光放大光纤102的高输出功率光入射。因此，为了可以进行从激励光传送光纤101向激光放大光纤102的高输出功率光入射，光纤长度变长，不能够提供小型且高输出功率的光纤激光器装置。
专利文献1：特开昭59-114883号公报
专利文献2：美国专利第4938561号说明书
专利文献3：特开平1-203938号公报
专利文献4：特开2001-36170号公报
发明内容
本发明提供一种小型高输出功率的光纤激光器装置和光放大方法。本发明的光纤激光器装置具有下述构成，即具备多芯构造的光放大光纤，该多芯构造的光放大光纤由第一光波导、第二光波导和第三光波导构成，所述第一光波导入射激励光并传送所述激励光，所述第二光波导由添加了激光介质且产生激光的纤芯及传送所述激励光的包覆层构成，所述第三光波导对所述第一光波导及所述第二光波导进行包含，所述光放大光纤一边改变曲率半径一边进行卷绕。由此，能够得到小型高输出功率的激光光纤激光器装置。
本发明的光放大方法，具备使用具备多芯构造的光放大光纤，并将所述光放大光纤一边改变曲率半径一边进行卷绕，从而将光进行放大，该多芯构造的光放大光纤由第一光波导、第二光波导和第三光波导构成，所述第一光波导入射激励光并传送所述激励光，所述第二光波导由添加了激光介质且产生激光的纤芯及传送所述激励光的包覆层构成，所述第三光波导对所述第一光波导及所述第二光波导进行包含。根据该方法，能够利用小型的光纤激光器装置得到高输出功率的激光。
附图说明
图1A是本发明实施方式1的光纤激光器装置的构成图。
图1B是图1A的1B-1B线剖面图。
图1C是同图1C-1C线剖面图。
图1D是同实施方式的主要部分侧面图。
图2是本发明实施方式2的光纤激光器装置的构成图。
图3A是本发明实施方式3的光纤激光器装置的构成图。
图3B是图3A的3B-3B线剖面图。
图3C是同图的3C-3C线剖面图。
图4A是本发明实施方式4的光纤激光器装置的构成图。
图4B是图4A的4B-4B线剖面图。
图4C是同4C-4C线剖面图。
图5A是本发明实施方式5的光纤激光器装置的构成图。
图5B是图5A的5B-5B线剖面图。
图5C是同5C-5C线剖面图。
图6是本发明实施方式6的光纤激光器装置的结构图。
图7A是以往的光纤激光器装置的结构图。
图7B是图7A的7B-7B线剖面图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1A是本实施方式的光纤激光器装置的结构图。图1B是图1A的1B-1B线剖面图。图1C是同图1C-1C线剖面图。图1D是同实施方式的主要部分侧面图。图1A～图1C为以半导体激光器10为激励光源，具备传送其激光的半导体激光器传送光纤15的软辫型的光纤激光器装置。波长为能够激励激光介质的波长，在本实施方式中，由于激光介质为作为稀土类的镱(イツテルビウム)，因此，希望是能够稳定地激励镱的915纳米的波长。
透镜11为抑制产生的激光的发散且期望将其转换成平行光将其导向由具有高反射率的反射镜构成的终段镜12的透镜。由透镜11和终段镜12构筑激光的反馈系的一部分。
光放大光纤20在局部含有激光介质，剖面形状在激光射出方向即光轴方向除两端部外均相同。
光放大光纤20的构成具有利用入射激励光并传送激励光的第一光波导21、由添加有激光介质而产生激光的纤芯23及传送激励光的包覆层24构成的第二光波导22、以及包含第一光波导21及第二光波导22的第三光波导25构成的多芯(多个光波导)构造。
详细而言，第一光波导21为由入射激励光并传送该激励光的由石英玻璃制成的直径125微米的激励光波导。第二光波导22以石英玻璃为母材，剖面为D字型状，吸收激励光并产生激光。第三光波导25填充有被调整为将激励光高效地从第一光波导21导入第二光波导22并封入在第二光波导22的折射率的填充剂，优选为UV固化丙烯酸系粘接剂。另外，在本实施方式中，在第三光波导25的外表面具有封入折射率调整填充剂而提高激励光的封入效率的树脂外层26。
光放大光纤20的长度依赖于由添加于纤芯23的激光介质即镱的浓度、第一光波导21、第二光波导22、第三光波导25的剖面形状等所决定的波长为915纳米的激励光的吸收系数等，通常为约20米。
第二光波导22由内部添加有作为激光介质的镱并传送多模的直径30微米的纤芯23、和将由激励产生的激光封入的作为石英玻璃母材的代表直径125微米的包覆层24构成。其构成为，如果设第一光波导21的折射率为n1、第二光波导22的包覆层24的折射率为n2、纤芯23的折射率为n3、第三光波导25的折射率为n4、外层26的折射率为n5，则相对于激励波长915纳米的光为n5＜n1＜n4＜n2＜n3。
上述光放大光纤20的两端将第三光波导25的一部分除去，第一光波导21和第二光波导22从第三光波导25露出。光放大光纤20的半导体激光器10侧的一端为不能将激光作为光输出而取出的反射端，另一端为将激光作为光输出而取出的出射端。
除了光放大光纤20的两端以外的大部分，优选为从各端面离开1米以上的部分以某种希望的、不固定的曲率半径卷绕。随着从反射端朝向出射端，曲率半径减小，并卷绕成螺旋状。即，曲率半径随着激励光的传播而减小。
曲率半径的优选的最小值为可仅传送单模激光的曲率半径。如图1D所示，卷绕成螺旋状的部分31的大部分处于同一平面内。至少卷绕成螺旋状的部分31的大部分通过散热剂32，优选为导热性硅腻子(パテ)固定。另外，在冷却盘33上隔着散热腻子34而进行设置。因此，可进行卷绕成螺旋状的部分31的高效的冷却。
另外，在光放大光纤20的反射端，第一光波导21通过接合(スプラ イス)(熔焊)与半导体激光传送光纤15连接(以下，在各图中由S表示)。由此，将波长915纳米的激励光传送至光放大光纤20内。在反射端的第二光波导22的端面进行无反射端处理，其与由透镜11、终段镜12构成的反馈系相面对。
另一方面，在光放大光纤20的出射端，第一光波导21的端面进行无反射端处理，优选从相对于光轴垂直的面倾斜8度进行研磨。在出射端的第二光波导22的端面被劈开(クリ一ブ)。通过劈开的部分的菲涅耳反射，与由设于反射端的透镜11、终段镜12构成的反馈系一同构成反馈激光的谐振器。
对如上构成的本实施方式的光纤激光器装置说明其动作。首先，激励源即半导体激光器10由通常未图示的电源、冷却装置、控制装置所驱动，将镱的激励光即波长915纳米的激光通过半导体激光传送光纤15射出。
半导体激光传送光纤15与光放大光纤20的第一光波导21接合(スプライス)，射出的激光被导向光放大光纤20的第一光波导21。该激光为镱的激励波长，以下称作激励光。
将第一光波导21的折射率n1，和包围第一光波导21的第三光波导25的折射率n4进行比较，如之前所定义那样，由于n1＜n4，所以激励光随着在第一光波导21传播，向第三光波导25高效地漏出。
该激励光一边在第一光波导21传播一边向第三光波导25漏出的比例不仅由折射率决定，而且还由第一光波导21和第三光波导25的曲率半径决定。即，由于依赖于光放大光纤20的曲率半径而决定第一光波导21的可传送的光的模式，由此决定激励光从第一光波导21向第三光波导25漏出的比例。
本实施方式中，由于为曲率半径从反射端朝向出射端减小的构成，所以，从反射端朝向出射端，能够在第一光波导21传送的光的模式，从高次模式依次变为不能够在第一光波导21进行传播，并漏出到第三光波导25。
随着曲率半径从反射端朝向出射端减小，更高次的模式不能够在第一光波导21传播，而向第三光波导25漏出。
即，通过从反射端朝向出射端改变曲率半径，可以不使高输出功率的激励光在填充于第三光波导25的填充剂的窄的区域内一度通过，而使用遍及光放大光纤20的长度方向整体的较广的区域使高输出功率的激励光通过。因此，激励光通过的填充剂的体积增加，填充剂的每单位体积的激励光通过输出减小。
对于向第三光波导25漏出的激励光而言，由于将外层26的折射率n5和第三光波导25的折射率n4进行比较时为n5＜n4，因此，其被封入在第三光波导25且在第三光波导25中边多级反射边传播。对于在第三光波导25中传播的激励光的一部分而言，由于将第二光波导22的包覆层24的折射率n2和第三光波导25的折射率n4进行比较时n2＞n4，所以其向包覆层24入射，被封入第二光波导22，在第二光波导22中边多级反射边传播。
对于在第二光波导22中传播的一部分激励光而言，由于将纤芯23的折射率n3和第二光波导22的包覆层24的折射率n2进行比较时n3＞n2，所以其向纤芯23入射。此时，由于第二光波导22的包覆层24的剖面为D字型形状，所以在包覆层24内重复多级反射后完全被纤芯23吸收，激励作为激光介质的镱。
通常，为提高激光效率，重要的是不使稀土类元素的激励光吸收效率降低，作为其一个方法，多采用使激励光的歪斜(スキユ一)成分紊乱的例如剖面为D型形状的泵调节器剖面形状。本实施方式中，也因此将第二光波导22的包覆层24的剖面设为D字型形状，但本发明不限于此，也可以为适合与激励光的耦合的剖面圆形等对称形状。
即，从第一光波导21的一端入射的激励光通过上述吸收过程而一边在第二光波导22中衰减一边进行传播，几乎被纤芯23中的镱吸收，对镱进行激励。通过激励而产生的光通过设于纤芯23的两端的终段镜12和输出镜13和传送多模的由纤芯23构成的光谐振器的多级放大反馈、和光放大光纤20的卷绕，而进行模式选择。由此，成为具有波长1085纳米的单模的激光，且从纤芯23的输出镜13作为激光输出而射出。
另外，在本实施方式中，构成光放大光纤20且传送激励光的第一光波导为1条，但也可以有多条。
如上，可以提供一种光纤激光器装置，其通过将以能够使激励光向纤芯23入射的方式包含传送激励光的第一光波导21和具备传送多模的纤芯23的第二光波导22的、多芯构成的光放大光纤20，以从反射端朝向出射端而减小曲率半径的方式卷绕成螺旋状而使用，能够射出高光束品质的激光。
(实施方式2)
本实施方式中，对于与实施方式1相同的构成标注相同的符号并省略详细的说明。图2是本发明实施方式2的光纤激光器装置的结构图。本实施方式与实施方式1的不同之处在于，具备圆锥形的冷却锥40，其以螺旋状按照所希望的曲率半径对光放大光纤20进行保持，并在内部设置有冷却水通路(未图示)而进行水冷。将光放大光纤20在冷却锥40上以反射端接近冷却锥40的底面的方式从此处朝向冷却锥顶点螺旋状地卷绕，并进行保持、冷却。
对于如上构成的光纤激光器装置说明其动作。首先，作为激励源的半导体激光器10由未图示的电源、冷却装置、控制装置所驱动，将镱的激励光即波长915纳米的激光通过半导体激光传送光纤15射出。
半导体激光传送光纤15与光放大光纤20的第一光波导21接合，射出的激光被导向光放大光纤20的第一光波导21。该激光为镱的激励光。
将第一光波导21的折射率n1、和包围第一光波导21的第三光波导25的折射率n4进行比较时，如实施方式1所定义为n1＜n4，因此，激励光随着在第一光波导21传播而向第三光波导25漏出。
在激励光一边在第一光波导21传播一边向第三光波导25漏出的比例由第一光波导21和第三光波导25的曲率半径所决定。即第一光波导21可传送的光的模式依赖于光放大光纤20的曲率半径而被决定。不能传送的光模式向第三光波导25漏出。
本实施方式中，由于为从反射端朝向出射端使曲率半径减小的构成，所以，从反射端朝向出射端可传送第一光波导21的光的模式依次变得不能够由高次的模式在第一光波导21进行传播，而向第三光波导25漏出。
由于从反射端朝向出射端螺旋状地使曲率半径减小，因此，如实施方式1，通过在同一平面内螺旋状地配置，能够缓慢改变曲率半径。随着曲率半径减小，更高次的模式不能在第一光波导21传送，而向第三光波导 25漏出。
即，通过从反射端朝向出射端改变上述曲率半径，能够使得在填充于第三光波导25的填充剂窄的区域内不使高输出功率的激励光一次通过，而使用遍及光放大光纤20的长度方向整体的较广的区域使高输出功率的激励光通过。此时产生的热由冷却锥40进行冷却。
对于向第三光波导25漏出的激励光而言，由于将外层26的折射率n5和第三光波导25的折射率n4进行比较时为n5＜n4，所以被封入在第三光波导25内，在第三光波导25中一边多级反射一边进行传播。
对于在第三光波导25中传播的一部分激励光而言，由于将第二光波导22的包覆层24的折射率n2和第三光波导25的折射率n4进行比较时n2＞n4，所以其向包覆层24入射，被封入第二光波导22，在第二光波导22中一边多级反射一边传播。
对于在第二光波导22中传播的一部分激励光而言，由于将纤芯23的折射率n3和第二光波导22的包覆层24的折射率n2进行比较时n3＞n2，因此，向纤芯23入射。此时，由于第二光波导22的包覆层24的剖面为D字型形状，所以，在包覆层24内重复多级反射后完全被纤芯23吸收，对激光介质即镱进行激励。
即，从第一光波导21的一端入射的激励光因吸收过程而在第二光波导22中一边衰减一边传播，几乎被纤芯23中的镱吸收，对镱进行激励。通过激励而产生的光通过由设于纤芯23的两端的终段镜12和输出镜13和传送多模的纤芯23构成的光谐振器的多级放大反馈、和光放大光纤20的卷绕，而进行模式选择。由此，成为具有波长1085纳米的单模的激光，从纤芯23的输出镜13作为激光输出而射出。
如上，在本实施方式中，将以激励光能够向纤芯23入射的方式包含传送激励光的第一光波导21和具备在多模传送的纤芯23的第二光波导22的光放大光纤20，在圆锥形的冷却锥40上以反射端接近冷却锥底面的方式卷绕成螺旋状使用。由此，可以提供高输出功率且射出高光束品质的激光的光纤激光器装置。在本实施方式中，圆锥形状的冷却锥40未图示，但形状也可以不是圆锥台形状。
(实施方式3)
本实施方式中，对于与实施方式1相同的构成标注相同的符号并省略详细的说明。图3A是本实施方式的光纤激光器装置的结构图。图3B是图3A中3B-3B线剖面图。图3C是同图3C-3C线剖面图。
本实施方式中，局部包含激光介质的光放大光纤60的剖面形状在激光射出方向、即光轴方向除两端部外为相同的构造。光放大光纤60为由第一光波导61、第二光波导62、第三光波导65、外层66构成的多芯(多个光波导)构造。第一光波导61为传送激励光的由石英玻璃制成的直径125微米的激励光波导。第二光波导62为以石英玻璃为母材，吸收激励光并产生激光的剖面呈D字型的光波导。第三光波导65为将激励光高效地从第一光波导61导向第二光波导62且填充了调整为封入第二光波导62的折射率的填充剂，优选为UV固化丙烯酸系粘接剂的光波导。外层66为由封入上述折射率调整填充剂并提高激励光的封入效果的树脂构成的层。
光放大光纤60的长度依赖于由向第二光波导62的纤芯63添加的激光介质即镱浓度、第一光波导61、第二光波导62、及第三光波导65的剖面形状等决定的波长915纳米的激励光的吸收系数等，通常约为20米。
另外，第二光波导62，由内部添加有作为激光介质的镱并传送多模的直径30微米的纤芯63、和封入由激励产生的激光的作为石英玻璃母材的代表直径125微米的包覆层64构成。如果将第一光波导61的折射率设为n1、第二光波导62的包覆层64的折射率设为n2、纤芯63的折射率设为n3、第三光波导65的折射率设为n4、外层66的折射率设为n5，则可以构成为相对于激励波长915纳米的光为n5＜n1＜n4＜n2＜n3。
对于光放大光纤60的两端而言，第一光波导61和第二光波导62从第三光波导65露出。接近半导体激光器10的一端为不能将激光作为光输出而取出的反射端，另一端为将激光作为光输出而取出的出射端。
除光放大光纤60的两端之外的大部分、优选离开端面1米以上的部分以某种希望的并不固定的曲率半径卷绕，随着从反射端朝向出射端，曲率半径减小，被卷绕成螺旋状。曲率半径的优选的最小值为仅可传送单模激光的曲率半径。卷绕成螺旋状的部分的大部分处于同一平面内，至少卷绕成螺旋状的部分的大部分与实施方式1相同，在冷却盘上隔着导热剂、 优选为导热性硅腻子设置。由此，可高效地减小卷绕成螺旋状的部分的冷却。
在光放大光纤60的两端，第一光波导61和第二光波导62从第三光波导65露出。在反射端侧的第一光波导61上接合并连接具备透过波长915纳米的激励光且反射波长1085纳米的激光的光纤布拉格光栅71的光纤76、优选为掺锗石英光纤。在反射端侧的第二光波导62上接合连接有具备反射波长915纳米的激励光且反射激光的波长1085纳米的光的光纤布拉格光栅72的光纤77、优选为掺锗石英光纤。在出射端侧的第一光波导61上接合连接有具备透过波长915纳米的激励光且反射激光的波长1085纳米的光的光纤布拉格光栅73的光纤78、优选为掺锗石英光纤。在出射端侧的第二光波导62上接合连接有具备反射波长915纳米的激励光且透过激光的波长1085纳米的光的一部分的光纤布拉格光栅74的光纤79、优选为掺锗石英光纤。
这样，在本实施方式中，具备下述构成：具备从第三光波导的端部露出的第一、第二光波导61、62，相对于规定波长的光接合具有规定的反射率、透射率且具有反射、透过激光的光纤布拉格光栅的光纤76、77、78、79。各反射率、透射率根据光放大光纤60的增益等而定，反射率优选为95％以上。
对于如上构成的光纤激光器装置说明其动作。首先，作为激励源的半导体激光器10将通过未图示的电源、冷却装置、控制装置驱动的镱的激励光即波长915纳米的激光通过半导体激光传送光纤15射出。
半导体激光传送光纤15经由具备光纤布拉格光栅71的光纤76与光放大光纤60的第一光波导61接合。射出的激光被导向光放大光纤60的第一光波导61。该激光为镱的激励光。
由于将第一光波导61的折射率n1、和包围第一光波导61的第三光波导65的折射率n4进行比较时n1＜n4，因此，激励光随着在第一光波导61传播而向第三光波导65漏出。激励光一边在第一光波导61传播一边向第三光波导65漏出的比例依赖于第一光波导61和第三光波导65的曲率半径即光放大光纤60的曲率半径，决定第一光波导61可传送的光的模式。不能进行传送的光模式向第三光波导65漏出。
在本实施方式中，由于为从反射端朝向出射端使曲率半径减小的构成，因此，随着从反射端朝向出射端，能够传送第一光波导61的光的模式，依次从高次的模式变得不能够在第一光波导61进行传播，而向第三光波导65漏出。
随着曲率半径从反射端朝向出射端减小，更高次的模式不能在第一光波导61传送，而向第三光波导65漏出。即，通过从反射端朝向出射端改变曲率半径，能够使得在填充于第三光波导65的填充剂的窄的区域内不使高输出功率的激励光一次通过，而使用遍及光放大光纤60的长度方向整体的较广的区域使高输出功率的激励光通过。因此，激励光所通过的填充剂的体积增加，填充剂的每单位体积的激励光通过输出减小。
对于向第三光波导65漏出的激励光而言，由于将外层66的折射率n5和第三光波导65的折射率n4进行比较时n5＜n4，因此，被封入第三光波导65，在第三光波导65中一边多级反射一边进行传播。对于在第三光波导65中传播的一部分激励光而言，由于在将第二光波导62的包覆层64的折射率n2和第三光波导65的折射率n4进行比较时n2＞n4，因此，其向包覆层64入射，并被封入在第二光波导62，在第二光波导62中一边多级反射一边进行传播。
对于在第二光波导62中传播的一部分激励光而言，由于将纤芯63的折射率n3和第二光波导62的包覆层64的折射率n2进行比较时n3＞n2，因此，其向纤芯63入射。此时，由于二光波导62的包覆层64的剖面为D字型形状，因此，在包覆层64内重复多级反射后，全部被纤芯63吸收，对作为激光介质的镱进行激励。
即，从第一光波导61的一端入射的激励光通过该吸收过程而在第二光波导62中一边減衰一边传播，几乎被纤芯63中的镱吸收，对镱进行激励。通过激励产生的光通过多级放大反馈、和光放大光纤60的卷绕而进行模式选择，成为具有波长1085纳米的单模的激光并从纤芯63射出。
如上，在本实施方式中，将以激励光可以向纤芯63入射的方式包含传送激励光的第一光波导61和具备传送多模的纤芯63的第二光波导62的光放大光纤60卷绕成螺旋状使用。由此，可以提供输出高输出功率、高光束品质的激光的光纤激光器装置。
(实施方式4)
本实施方式中，对于与实施方式1相同的构成标注相同的符号并省略详细的说明。图4A是本实施方式的光纤激光器装置的结构图。图4B是图4A的4B-4B线剖面图。图4C是同图4C-4C线剖面图。
本实施方式中，局部含有激光介质的光放大光纤80的剖面形状在激光射出方向、即光轴方向除两端部外为相同的构造。光放大光纤80为由第一光波导81和第二光波导82和第三光波导85以及外层86构成的多芯(多个光波导)构造。
光第一光波导81为传送激励光的可由石英玻璃实现的直径125微米的激励光波导。第二光波导82为以石英玻璃为母材且剖面为D字型并吸收激励光而产生激光的光波导。第三光波导85为填充了调整为将激励光高效地从第一光波导81导向第二光波导82，且封入在第二光波导82的折射率的填充剂，优选为UV固化丙烯酸系粘接剂的光波导。外层86为封入折射率调整填充剂且由提高激励光的封入效率的树脂构成的表层。
第二光波导82，其由内部添加有激光介质即镱且传送多模的直径30微米的纤芯83、和封入通过激励产生的激光的作为石英玻璃母材的代表直径125微米的包覆层84构成。如果将第一光波导81的折射率设为n1、第二光波导82的包覆层84的折射率设为n2、纤芯83的折射率设为n3、第三光波导85的折射率设为n4、外层86的折射率设为n5，则构成为相对于激励波长915纳米的光为n5＜n1＜n4＜n2＜n3。光放大光纤80的长度依赖于由添加到纤芯83的激光介质即镱浓度、第一光波导81、第二光波导82、及第三光波导85的剖面形状等决定的波长915纳米的激励光的吸收系数等，通常为约20米。
光放大光纤80的一端为不能将激光作为光输出而取出的反射端，另一端为将激光作为光输出而取出的出射端。除光放大光纤80的两端以外的大部分、优选为离开端面1米以上的部分，以某种希望的不固定的曲率半径卷绕，随着从反射端朝向出射端，曲率半径减小，卷绕成螺旋状。曲率半径的优选的最小值为可仅传送单模的激光的曲率半径。
卷绕成螺旋状的部分的大部分处于同一平面内，至少卷绕成螺旋状的部分的大部分与实施方式1相同，在冷却盘上隔着导热剂、优选导热性硅 腻子设置。因此，可以高效地进行卷绕成螺旋状的部分的冷却。
光放大光纤80的两端为第一光波导81和第二光波导82不从第三光波导85露出的构成，反射端侧的第一光波导81通过接合(熔焊)而与半导体激光传送光纤15连接，将波长915纳米的激励光向光放大光纤80内传送。
虽然省略图示，但是在构成反射端侧的第二光波导82的纤芯83中设有如实施方式3中所说明的反射波长915纳米的激励光且反射激光的波长1085纳米的光的光纤布拉格光栅。同样，在出射端侧的第二光波导82中设有反射波长915纳米的激励光且透过激光的波长1085纳米的光的一部分的光纤布拉格光栅。各反射率、透射率根据光放大光纤80的长度等而定，反射率优选为95％以上。
对如上构成的光纤激光器装置说明动作。首先，作为激励源的半导体激光器10由未图示的电源、冷却装置、控制装置进行驱动，将镱的激励光即波长915纳米的激光通过半导体激光传送光纤15射出。
半导体激光传送光纤15与光放大光纤80的第一光波导81接合，射出的激光被导向光放大光纤80的第一光波导81。该激光为镱的激励光。
由于将第一光波导81的折射率n1、和包围第一光波导81的第三光波导85的折射率n4进行比较时n1＜n4，因此，激励光随着在第一光波导81传播而向第三光波导85漏出。该激励光一边在第一光波导81传播一边向第三光波导85漏出的比例依赖于第一光波导81和第三光波导85的曲率半径、即光放大光纤80的曲率半径，决定了第一光波导81可传送的光的模式。不能传送的光模式向第三光波导85漏出。
本实施方式4中，由于为从反射端朝向出射端使曲率半径减小的构成，因此，从反射端朝向出射端，你在第一光波导81传送的光的模式依次从高次的模式变为不能够在第一光波导81进行传播，而向第三光波导85漏出。随着从反射端朝向出射端，曲率半径减小，更高次的模式不能在第一光波导81进行传送，而向第三光波导85漏出。
即，通过从反射端朝向出射端改变曲率半径，能够使得在填充于第三光波导85的填充剂的窄的区域内不使高输出功率的激励光一次通过，而使用遍及光放大光纤80的长度方向整体的较广的区域使高输出功率的激 励光通过。
对于向第三光波导85漏出的激励光而言，由于在将外层86的折射率n5和第三光波导85的折射率n4进行比较时n5＜n4，因此，其被封入第三光波导85，在第三光波导85中一边多级反射一边进行传播。
对于在第三光波导85中传播的一部分激励光而言，由于在将第二光波导82的包覆层84的折射率n2和第三光波导85的折射率n4进行比较时n2＞n4，因此，其向包覆层84入射，且被封入第二光波导82，在第二光波导82中一边多级反射一边进行传播。
对于在第二光波导中传播的一部分激励光而言，在将纤芯83的折射率n3和第二光波导82的包覆层84的折射率n2进行比较时n3＞n2，因此其向纤芯83入射。
此时，由于第二光波导82的包覆层84的剖面为D字型形状，因此，在包覆层84内重复多级反射后，完全被纤芯83吸收，对作为激光介质的镱进行激励。
利用设于纤芯83的反射端的反射波长915纳米的激励光且反射激光的波长1085纳米的光的省略图示的光纤布拉格光栅、和设于纤芯83的出射端的反射波长915纳米的激励光且透过激光的波长1085纳米的光的一部分的省略了图示的光纤布拉格光栅，构成光谐振器。因此，通过上述的激励产生的光通过光谐振器的多级放大反馈、和光放大光纤80的卷绕，而进行模式选择，成为波长1085纳米的具有单模的激光，从纤芯83射出。
如上，在本实施方式中，通过将以激励光可向纤芯83入射的方式包含传送激励光的第一光波导81、和具备传送多模的纤芯83的第二光波导82的光放大光纤80卷绕成螺旋状而使用，得到射出高输出功率、高光束品质的激光的光纤激光器装置。
(实施方式5)
本实施方式中，对于与实施方式4相同的构成标注相同的符号并省略详细的说明。图5A是本实施方式的光纤激光器装置的结构图。图5B是图5A的5B-5B线剖面图。图5C是同图5C-5C线剖面图。
本实施方式中，具备含有激光介质的光放大光纤90的剖面形状在激光射出方向、即光轴方向除两端部外为相同的构造。光放大光纤90为由 第一光波导91和第二光波导92和第三光波导95和外层96构成的多芯(多个光波导)构造。
第一光波导91为传送激励光的可由石英玻璃实现的直径125微米的激励光波导。第二光波导92为以石英玻璃为母材，剖面为D字型且吸收激励光而产生激光的光波导。第三光波导95为填充了被调整为将激励光高效地从第一光波导91导向第二光波导92且封入第二光波导92的折射率的填充剂、优选为UV固化丙烯酸系粘接剂的光波导，外层96为由封入折射率调整填充剂而提高激励光的封入效率的树脂构成的表层。
第二光波导92在其内部添加了作为激光介质的镱，其由传送多模的直径30微米的纤芯93，和封入通过激励而产生的激光的、作为石英玻璃母材的代表直径125微米的包覆层94构成。如果将第一光波导91的折射率设为n1、第二光波导92的包覆层94的折射率设为n2、纤芯93的折射率设为n3、第三光波导95的折射率设为n4、外层96的折射率设为n5，则构成为相对于激励波长915纳米的光为n2＜n3。光放大光纤90的一端为不能将激光作为光输出而取出的反射端，另一端为将激光作为光输出而取出的出射端。
除光放大光纤90的两端以外的大部分、优选为离开端面1米以上的部分以某种所希望的不固定的曲率半径卷绕，随着从其反射端朝向出射端，曲率半径减小，卷绕成螺旋状。卷绕成螺旋状的部分的大部分处于同一平面内，至少卷绕成上述螺旋状的部分的大部分与实施方式1相同，在冷却盘上隔着导热剂设置。由此，可以进行卷绕成螺旋状的部分的高效的冷却。
光放大光纤90的两端为第一光波导91和第二光波导92不从第三光波导95露出的构成。反射端侧的第一光波导91通过接合(熔焊)而与半导体激光传送光纤15连接，将波长915纳米的激励光向光放大光纤90内传送。
在构成反射端侧的第二光波导92的纤芯93上设置有反射波长915纳米的激励光且反射激光的波长1085纳米的光的光纤布拉格光栅。同样，在出射端侧的第二光波导92上设置有反射波长915纳米的激励光且透过激光的波长1085纳米的光的一部分的光纤布拉格光栅。各反射率、透射率根据光放大光纤90的长度等而定，反射率优选为95％以上。
对于如上构成的光纤激光器装置说明动作。首先，激励源即半导体激光器10由未图示的电源、冷却装置、控制装置驱动，将镱的激励光即波长915纳米的激光通过半导体激光传送光纤15射出。
半导体激光传送光纤15与光放大光纤90的第一光波导91接合，射出的激光被导向光放大光纤90的第一光波导91。该激光为镱的激励光。激励光随着在第一光波导91传播而第一光波导91的曲率半径减小，随之，逐渐从高次模式的光向第三光波导95漏出。激励光一边在第一光波导91传播一边向第三光波导95漏出的比例依赖于光放大光纤90的曲率半径。
即，如果适宜选择光放大光纤90的曲率半径，则与第一光波导91的折射率n1和第三光波导95的折射率n4的大小关系无关，决定第一光波导91可传送的光的模式。不能传送的光模式向第三光波导95漏出。
在本实施方式中，由于为从反射端朝向出射端使曲率半径减小的构成，因此，从反射端朝向出射端，能够在第一光波导91传送的光的模式，依次从高次的模式变为不能够在第一光波导91传播，而向第三光波导95漏出。随着从反射端朝向出射端，曲率半径减小，更高次的模式不能在第一光波导91进行传送，而向第三光波导95漏出。
即，通过从反射端朝向出射端改变曲率半径，能够使得在填充于第三光波导95的填充剂的窄的区域内不能使高输出功率的激励光一次通过，而使用遍及光放大光纤90的长度方向整体的较广的区域使高输出功率的激励光通过。
向第三光波导95漏出的激励光通过具有比周围的环境、优选空气的折射率高的折射率的外层96封入并进行传播。与上述相同，如果适宜选择光放大光纤90的曲率半径，则激励光的一部分向包覆层94入射，进而其一部分激励光被纤芯93吸收，对作为激光介质的镱进行激励。
利用设于纤芯93的反射端的反射波长915纳米的激励光且反射激光的波长1085纳米的光的省略图示的光纤布拉格光栅、和设于纤芯93的出射端的反射波长915纳米的激励光且透过激光的波长1085纳米的光的一部分的省略图示的光纤布拉格光栅，构成光谐振器。因此，通过上述的激励而产生的光通过光谐振器的多级放大反馈、和光放大光纤90的卷绕而 进行模式选择，成为具有波长1085纳米的单模的激光且从纤芯93射出。
如上，在本实施方式中，通过将以激励光可以向纤芯93入射的方式包含传送激励光的第一光波导91、和具备传送多模的纤芯93的第二光波导92的光放大光纤90卷绕成螺旋状使用，得到输出高输出功率、高光束品质的激光的光纤激光器装置。
(实施方式6)
本实施方式中，对于与实施方式1相同的构成标注相同的符号并省略详细的说明。图6是本实施方式的光纤激光器装置的结构图。与实施方式1不同之处在于，将从一边改变曲率半径一边卷绕的两条光放大光纤20a、20b的端部露出的各第二光波导22a、22b接合连接。进而还有在两条光放大光纤20a、20b的各自的一端具备半导体激光器10a、10b作为激励光源这一点。即，将实施方式1的光放大光纤20分两段构成进行光放大这一点。
另外，图6中，半导体激光器10a、10b、及半导体激光传送光纤15a、15b与实施方式1的半导体激光器10及半导体激光传送光纤15具有相同的功能。
对如上构成的光纤激光器装置说明动作。在各段的激励光进行的镱激励的过程与实施方式1相同。通过镱激励产生的光由第一段的光放大光纤20a中的第二光波导22a端面上设置的透镜11和终段镜12、及第二段的光放大光纤20b中的第二光波导22b的端面的劈开得到的菲涅耳反射进行多级放大反馈。由此，成为波长1085纳米的激光，从第二段的光放大光纤20b的第二光波导22b的另一端射出。
如上，根据本实施方式，如果将两条光放大光纤20a、20b的各第二光波导22a、22b接合连接并分两段构成，则可以得到射出高输出功率激光的光纤激光器装置。另外，在本实施方式中，为光放大光纤20a、20b的二段的构成，因此，重要增加段数构成，即可得到更高输出功率的激光。
另外，在上述的实施方式1～6中，一边改变曲率半径一边卷绕的光放大光纤20、20a、20b、60、80、90的卷绕的各光放大光纤间以不进行光学耦合的方式光学分离。例如，将光放大光纤的最外周通过折射率低的材料进行涂层或进行固定。另外，作为其它构造，在各光放大光纤间配置光学上不可见或減衰率高的部件的隔板。进而作为其它构造，在螺旋状形成槽和壁的光学上不可见或減衰率高的部件的容器内配置并固定光放大光纤。通过这些构成，可将光放大光纤设定在规定的位置并保持其配置。
产业上的可利用性
本发明的光纤激光器装置和光放大方法可以实现小型、高输出功率，因此，在激光加工机等用途方面有用。
符号说明
10、10a、10b半导体激光器
11透镜
12终段镜
15、15a、15b半导体激光器传送光纤
20、60、80、90光放大光纤
21、21a、21b、61、81、91第一光波导
22、22a、22b、62、82、92第二光波导
23、63、83、93纤芯
24、64、84、94包覆层
25、65、85、95第三光波导
26、66、86、96外层
31卷绕成螺旋状的部分
32散热剂
33冷却盘
34散热腻子
40冷却锥
71、72、73、74光纤布拉格光栅
76、77、78、79光纤
Claims (13)
1.一种光纤激光器装置，其中，
具备多芯构造的光放大光纤，该多芯构造的光放大光纤由第一光波导、第二光波导和第三光波导构成，所述第一光波导入射激励光并传送所述激励光，所述第二光波导由添加了激光介质且产生激光的纤芯及传送所述激励光的包覆层构成，所述第三光波导对所述第一光波导及所述第二光波导进行包含，所述光放大光纤一边改变曲率半径一边进行卷绕，
所述曲率半径随着所述激励光的传播而减小，
在将所述第一光波导的折射率设为n1、所述第二光波导的包覆层的折射率设为n2、所述第二光波导的纤芯的折射率设为n3、所述第三光波导的折射率设为n4时，n1<n4<n2<n3。
2.如权利要求1所述的光纤激光器装置，其特征在于，
所述光放大光纤卷绕成螺旋状。
3.如权利要求2所述的光纤激光器装置，其特征在于，
所述光放大光纤沿圆形状卷绕。
4.如权利要求1所述的光纤激光器装置，其特征在于，
所述光放大光纤通过散热剂而一体化。
5.如权利要求1所述的光纤激光器装置，其特征在于，
使所述光放大光纤的至少一端的、所述第一光波导及所述第二光波导中至少一方从所述第三光波导露出。
6.如权利要求5所述的光纤激光器装置，其特征在于，
在所述露出的所述第二光波导上接合有具有光纤布拉格光栅的光纤。
7.如权利要求5所述的光纤激光器装置，其特征在于，
在所述露出的所述第一光波导上接合有具有光纤布拉格光栅的光纤。
8.如权利要求5所述的光纤激光器装置，其特征在于，
使所述光放大光纤的至少一端的所述第二光波导从所述第三光波导露出，在所述露出的所述第二光波导上连接其它光纤激光器装置。
9.一种光放大方法，其中，
使用具备多芯构造的光放大光纤，并将所述光放大光纤一边改变曲率半径一边进行卷绕，从而将光进行放大，该多芯构造的光放大光纤由第一光波导、第二光波导和第三光波导构成，所述第一光波导入射激励光并传送所述激励光，所述第二光波导由添加了激光介质且产生激光的纤芯及传送所述激励光的包覆层构成，所述第三光波导对所述第一光波导及所述第二光波导进行包含，
所述曲率半径随着所述激励光的传播而减小，
在将所述第一光波导的折射率设为n1、所述第二光波导的包覆层的折射率设为n2、所述第二光波导的纤芯的折射率设为n3、所述第三光波导的折射率设为n4时，n1<n4<n2<n3。
10.如权利要求9所述的光放大方法，其特征在于，
使所述光放大光纤的至少一端的、所述第一光波导及所述第二光波导中至少一方从所述第三光波导露出。
11.如权利要求10所述的光放大方法，其特征在于，
在所述露出的所述第二光波导上接合有具有光纤布拉格光栅的光纤。
12.如权利要求10所述的光放大方法，其特征在于，
在所述露出的所述第一光波导上接合有具有光纤布拉格光栅的光纤。
13.如权利要求10所述的光放大方法，其特征在于，
使所述光放大光纤的至少一端的所述第二光波导从所述第三光波导露出，在所述露出的所述第二光波导上连接其它的光纤激光器装置。
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