CN102804007A - 光纤、以及使用该光纤的激光装置 - Google Patents

光纤、以及使用该光纤的激光装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种输入到包层的光容易辐射到包层外的光纤、以及使用了该光纤的激光装置。光纤（50）的特征在于，具备纤芯（51）、和覆盖纤芯（51）的包层（52），包层（52）具有折射率在从内周侧朝向外周侧的方向上增加的折射率变化区域（56）。通过这样构成，在光输入到包层（52）的情况下，传播到包层（52）的折射率变化区域（56）的光也从包层（52）的内周侧向外周侧折射并传播。因此，输入到包层（52）的光容易辐射到包层（52）外。

Description

光纤、以及使用该光纤的激光装置
技术领域
本发明涉及光纤，以及使用了该光纤的激光装置，具体地，涉及输入到包层的光容易辐射到包层外的光纤、以及使用了该光纤的激光装置。
背景技术
光纤激光装置是在加工机、医疗设备，测量器的领域等中被使用，输出在放大用光纤中被放大的光的装置。在这样的光纤激光装置中，存在如下的情况，即、从放大用光纤的纤芯输出的输出光被输入到传送光纤的纤芯，利用传送光纤传播到所希望的场所之后，再输出。
可是，存在从传送光纤输出的输出光被被加工体等反射，输入到传送光纤的包层，或者输入到传送光纤的光的一部分因熔接点中的、纤芯的轴向偏差、角度曲折、模场的不匹配、纤芯弯曲等，泄露到传送光纤的包层的情况。该情况下，产生输入到包层而传播的光被传送光纤的覆盖层吸收而使覆盖层烧损这样的问题。
在下述专利文献1中记载了这样的从光纤辐射输入到包层的光的系统。在该系统中，具备折射率是负的温度系数，适合包层的折射率的部件，通过该部件，覆盖光纤的包层的外周面。而且，在光输入到包层而进行传播的情况下，该光被传播至该部件而从包层除去
专利文献1:美国专利第7.349.596号说明书
可是，上述专利文献1所记载的系统，从包层向覆盖包层的部件传播光需要足够的长度。特别是光在与包层的长度方向平行较近的方向上传播的情况下，为了将光辐射到包层外，需要非常长的距离。因此，在该系统中，为了使光容易地从包层传播至该部件，在部件内弯曲光纤的一部分。可是，若弯曲光纤，则有可能在光纤的纤芯传播的光因泄露等而损失。
发明内容
于是，本发明的目的在于提供一种输入到包层的光容易辐射到包层外的光纤、以及使用了该光纤的激光装置。
为了解决上述课题，本发明的光纤的特征在于，具备纤芯、和覆盖上述纤芯的包层，上述包层具有折射率在从内周侧朝向外周侧的方向上，增加的折射率变化区域。
在物体中传播的光存在从折射率低的一方向折射率高的一方折射的性质。因此，根据这样的光纤，在输入到纤芯的光的一部分作为泄漏光输入到包层的情况、从纤芯输出的光的一部分作为反射光输入到包层的情况下，在包层的折射率变化区域中传播的光从包层的内周侧向外周侧折射并传播。因此，输入到包层的光容易辐射到包层外。
另外，优选在上述光纤中的上述折射率变化区域中，上述折射率逐渐地增加。
根据这样的光纤，在包层的折射率变化区域中，不存在光纤的径向中折射率差的急剧变化，所以几乎不存在在折射率变化区域中传播的光向包层内周方向反射的情况。因此，能够有效地使在包层的折射率变化区域中传播的光向包层外辐射。
或者，优选在上述光纤中的上述折射率变化区域，上述折射率阶段性地增加。
根据这样的光纤，在制成光纤用母材时，无需在成为包层的折射率变化区域的部分，从内周侧至外周侧，一边逐渐地变动使折射率变化的掺杂剂的添加量一边精密地控制，所以折射率的控制变得容易，能够容易地制成包层具有折射率变化区域的光纤。
另外，在上述光纤中，优选在上述折射率变化区域中，上述折射率在径向上的每单位长度的变化量，是上述内周侧的一方比上述外周侧大。
在包层的内周侧传播的光与在包层的外周侧传播的光相比，如果在光纤的径向不行进较长的距离，则不会辐射到包层外。于是，根据这样的光纤，能够使在内周侧传播的光比在外周侧传播的光急剧地折射，使在内周侧传播的光以更短的距离辐射到包层外。因此，能够整体以更短的距离使输入到包层的光辐射到包层外。
另外，在上述光纤中，优选上述包层的全部的区域成为上述折射率变化区域。
根据这样的光纤，能够使输入到包层的光全部向外周侧折射。因此，能够进一步辐射输入到包层的光。
或者，在上述光纤中，还优选上述包层中的与上述纤芯邻接的规定区域的折射率被设为恒定。
根据这样的光纤，包层中的与纤芯邻接的区域的折射率是恒定，所以能够防止在纤芯中传播的光向包层的外周侧靠近，而泄露出包层。
并且，在上述光纤中，优选上述包层中的上述规定区域以外的全部的区域成为上述折射率变化区域。
根据这样的光纤，能够防止在纤芯中传播的光朝向包层的外周侧靠近而泄露出包层，并且能够使输入到包层中的与纤芯邻接的规定区域以外的光全部向包层的外周侧折射。
另外，在上述光纤中，优选至少包层的一个端部的附近的外周面的至少一部分被具有上述包层的外周侧的折射率以上的折射率的光辐射部件覆盖。
根据这样的光纤，从包层的一个端部输入的光，在该端部的附近，向包层的外周面传播的情况下，传播到该外周面的光容易从包层向光辐射部件传播。因此，能够使输入到包层的光辐射到包层外。
并且，在上述光纤中，优选上述光辐射部件与热转换部件连接。
根据这样的光纤，能够使热转换部件吸收传播到光辐射部件的光，转换为热量，所以能够抑制向空间不必要地辐射光。
另外，本发明的激光装置的特征在于，具备上述的光纤，通过上述光纤来传播输出光。
根据这样的激光装置，能够通过光纤来传播输出光，并且即使在泄漏光、反射光输入到包层的情况下，也不使该光传播较长的距离而辐射到包层外。
如以上那样，根据本发明，提供一种输入到包层的光容易辐射到包层外的光纤、以及使用了该光纤的激光装置。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的激光装置的图。
图2是表示与图1的放大用光纤的长度方向垂直的剖面的构造的样子的图。
图3是表示与图1的传送光纤的长度方向垂直的剖面的样子的图。
图4是表示图1的传送光纤的输出端的样子的图。
图5是表示本发明的第2实施方式所涉及的激光装置中的与传送光纤的长度方向垂直的剖面的样子的图。
图6是表示本发明的第3实施方式所涉及的激光装置中的与传送光纤的长度方向垂直的剖面的样子的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明所涉及的光纤、以及使用了该光纤的激光装置的优选实施方式详细地进行说明。
第1实施方式
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的激光装置的图。
如图1所示，激光装置1是光纤激光装置，作为主要的构成具备输出种子光的种子光源10、输出激励光的激励光源20、输入种子光与激励光的放大用光纤30、将种子光源10以及激励光源20与放大用光纤30连接起来的合成器40，和一端与放大用光纤30连接的光纤（以下，称为传送光纤）50。
种子光源10由例如由激光二极管构成的激光源、法布里－珀罗型或光纤环型的光纤激光装置构成。从该种子光源10输出的种子光没有特别限制，但例如是波长为1070nm的激光。另外，种子光源10与由纤芯、以及覆盖纤芯的包层构成的种子光传播用光纤15连接，从种子光源10输出的种子光在种子光传播用光纤15的纤芯中传播。作为种子光传播用光纤15，例如例举单模光纤，该情况下，种子光作为单模光在种子光传播用光纤15中传播。
激励光源20由多个激光二极管21构成，如上述那样，在种子光的波长是1070nm的情况下，例如输出波长为915nm的激励光。另外，激励光源20的各个激光二极管21与激励光传播用光纤22连接，从激光二极管21输出的激励光在激励光传播用光纤22中传播。作为激励光传播用光纤22，例如例举多模光纤，该情况下，激励光作为多模光在激励光传播用光纤22中传播。
图2是表示与放大用光纤30的长度方向垂直的剖面的构造的图。如图2所示，放大用光纤30由纤芯31、覆盖纤芯31的包层、覆盖包层32的树脂包层、和覆盖树脂包层33的覆盖层34构成。包层32的折射率比纤芯31的折射率低，树脂包层33的折射率比包层32的折射率更低。纤芯31的直径例如为15μm，包层32的外径例如为400μm。作为这样的、构成纤芯31的材料例如例举添加了使折射率上升的锗等的元素、以及被从激励光源20输出的激励光激励的镱（Yb）等活性元素的石英。作为这样的活性元素例举稀土类元素，作为稀土类元素，除了上述Yb之外，例举铥（Tm）、铈（Ce）、钕（Nd）、铕（Eu）、铒（Er）等。进而，作为活性元素，除了稀土类元素之外，例举铋（Bi）等。另外，作为构成包层32的材料例如例举不添加任何掺杂剂的纯粹的石英。另外，作为构成树脂包层33的材料，例如例举紫外线固化树脂，作为构成覆盖层34的材料，例如例举与构成树脂包层33的树脂不同的紫外线固化树脂。
合成器40将种子光传播用光纤15以及各个激励光传播用光纤22、与放大用光纤30连接起来。具体而言，在合成器40中，种子光传播用光纤15的纤芯与放大用光纤30的纤芯31进行端面连接。进而，在合成器40中，各个激励光传播用光纤22的纤芯与包层32进行端面连接。因此，从种子光源10输出的种子光被输入到放大用光纤30的纤芯31，从激励光源20输出的激励光被输入到放大用光纤30的包层32。
图3是表示与图1的传送光纤50的长度方向垂直的剖面的样子的图。具体而言，图3的（A）是表示与长度方向垂直的剖面中的传送光纤50的构造的样子的图，图3的（B）是表示传送光纤50的直径方向的折射率的样子的图。
如图3的（A）所示，传送光纤50由纤芯51、覆盖纤芯51的包层52、和覆盖包层52的覆盖层53构成。纤芯51的直径例如为15μm，包层52的外径例如为400μm。
另外，如图3的（B）所示，包层52的折射率至少在内周侧比纤芯51低。而且，在本实施方式中，剖面中的包层52的全部区域成为折射率变化的折射率变化区域56，在该折射率变化区域56中，在从包层52的内周侧朝向外周侧的方向，折射率逐渐增加，表示相对于包层52的径向的折射率的线倾斜。而且，对于该折射率在径向上的每单位长度的变化量而言，折射率变化区域56的内周侧比外周侧大。因此，折射率在内周侧较大地增加，在外周侧与内周侧相比较小地增加。另外，覆盖层53的折射率比包层52的外周侧的折射率高。
作为这样的构成传送光纤50的纤芯51的材料，例如例举添加了使折射率上升的锗等元素的石英。而且，作为构成包层52的材料，例如例举在内周侧不添加掺杂剂，按照随着从内周侧朝向外周侧，使折射率上升的锗等元素的量增加的方式添加锗等元素的石英。另外，作为构成覆盖层53的材料，例如例举紫外线固化树脂。
此外，这样的传送光纤50用的母材能够通过PCVD法、VAD法等制成。例如，在通过PCVD法制成的情况下，使包括Ge等掺杂剂的石英的原料气体流入添加了Ge等掺杂剂的折射率高的石英管的孔，使添加了掺杂剂的石英堆积。而且，随着朝向内周侧，使掺杂剂的量逐渐减少，最终，使不添加掺杂剂的石英堆积。这样，传送光纤50用的母材的包层部分完成。之后，与添加了Ge等掺杂剂的传送光纤50用的母材的纤芯部分组合，通过塌缩而得到传送光纤50用的母材。而且，将该母材拉丝来形成覆盖层53，由此得到传送光纤50。
另外，如上述那样，该传送光纤50的一端与放大用光纤30连接，成为输入端58。而且，在图1所示另一端什么也未连接，成为输出端59。图4是表示传送光纤50的输出端59的样子的图。如图4所示，在输出端59的附近，剥离了覆盖层53。而且，包层52的外周面的至少一部分被光辐射部件61覆盖，光辐射部件61与热转换部件62连接。光辐射部件61由具有包层52的折射率以上的折射率材料构成。作为这样的材料，例如例举高折射率的硅树脂等。另外，如果热转换部件62是将光转换为热量的部件，则没有特别限定，但优选是散热性优异的部件，例如由不锈钢等金属构成。
接下来，对激光装置1的动作进行说明。
首先，从种子光源10输出种子光，并且从激励光源20输出激励光。此时，从种子光源10输出的种子光，如上述那样，例如波长为1070nm。从种子光源10输出的种子光在种子光传播用光纤15的纤芯中传播，输入到合成器40。
另一方面，如上述那样，从激励光源20的各个激光二极管21输出的激励光例如波长为915nm。从各个激光二极管21输出的激励光在激励光传播用光纤22中传播，并输入到合成器40。
这样，输入到合成器40的种子光输入到放大用光纤30的纤芯31，在纤芯31中传播。另一方面，输入到合成器40的激励光输入到放大用光纤30的包层32，主要在包层32中传播。
而且，在放大用光纤30中，激励光通过纤芯31时，被添加在纤芯31的活性元素吸收，激励活性元素。被激励的活性元素产生受激发射，通过该受激发射种子光被放大，并作为输出光从放大用光纤30的另一端39输出。
而且，从放大用光纤30的纤芯31输出的输出光从传送光纤50的输入端58输入到纤芯51，并在纤芯51中传播，并从传送光纤50的输出端59输出。
此时，如图4的虚线所示，存在从输出端59输出的输出光被被加工体等反射而输入到包层52的情况。该情况下，包层52整体成为折射率变化区域56，所以输入到包层52的反射光朝向折射率高的一方折射。即、输入到包层52的反射光从包层52的内周侧朝向外周侧，一边折射一边在包层52中传播。而且，在本实施方式中，对于折射率在径向上的每单位长度的变化量而言，折射率变化区域56的内周侧比外周侧大，所以如图4所示，输入到包层52的内周侧的反射光与输入到外周侧的反射光相比，急剧地折射，朝向外周侧传播。而且，到达了包层52的外周面的反射光被辐射到光辐射部件61，通过热转换部件62转换为热量而消失。
如以上说明，根据本实施方式的激光装置1，在从纤芯51输出的光的一部分作为反射光输入到包层52的情况下，反射光也从包层52的内周侧向外周侧折射并传播。因此，输入到包层52的光能够容易辐射到包层52外，输入到包层52的反射光不传播较长的距离而辐射到包层52外。
另外，折射率从内周侧朝向外周侧逐渐增加，所以在折射率变化区域56中，没有传送光纤50的径向中折射率差的急剧变化，所以几乎不存在在折射率变化区域56中传播的光向包层52的内周方向反射的情况。因此，能够有效地使在折射率变化区域56传播的光向包层52外辐射。
另外，在本实施方式的激光装置1中，传送光纤50的包层52整体成为折射率变化区域56，所以能够使输入到包层的反射光全部向外周侧折射。
并且，对于折射率变化区域56的折射率的径向上的每单位长度的变化量而言，内周侧比外周侧大，所以能够使在包层的内周侧传播的反射光比在外周侧传播的反射光急剧地折射，能够整体上以更短的距离，使光辐射到包层外。
此外，在本实施方式中，即使在输出端59发生反射，该反射光输入到包层52的情况下，也与被被加工体等反射而输入到包层52的反射光相同，能够辐射到包层52外。
并且，在本实施方式中，在输入端58中，从放大用光纤30输入的光的一部分因熔接点中的纤芯的轴向偏差、角度曲折、模场的不匹配、纤芯弯曲等泄露，作为泄漏光输入到包层52的情况下，泄漏光也从包层52的内周侧向外周侧折射并传播。因此，能够不会使输入到包层52的泄漏光传播较长的距离，辐射到包层52外。因此，优选地，在包层52的输入端的附近也剥离覆盖层53，包层52的外周面的至少一部分被与设置在输出端59的光辐射部件61相同的光辐射部件覆盖，光辐射部件与热转换部件连接。
第2实施方式
接下来，参照图5对本发明的第2实施方式详细地进行说明。此外，关于与第1实施方式相同或者同等的构成要素，标注相同的参照符号除了特别进行说明的情况之外，省略重复的说明。图5是表示本发明的第2实施方式所涉及的激光装置中的与传送光纤的长度方向垂直的剖面的样子的图。具体而言，图5的（A）是表示与长度方向垂直的剖面中的传送光纤50的构造的样子的图，图5的（B）是表示传送光纤50的直径方向的折射率的样子的图。
如图5所示，本实施方式的激光装置在如下这一点上，与第1实施方式的激光装置不同，即、在传送光纤50的包层52中，与纤芯51邻接的规定区域55的折射率为恒定，该规定区域55以外的全部区域成为折射率变化区域56。
根据本实施方式的激光装置，包层52中的与纤芯51邻接的规定区域55的折射率是恒定，所以能够防止在纤芯51中传播的光向包层52的外周侧靠近而泄露出包层52。
因此，从防止在纤芯51传播的光泄露出包层52的观点来看，优选该规定区域55的直径是在纤芯51传播的光的模场直径的2.5倍程度以上的大小。
第3实施方式
接下来，参照图6对本发明的第3实施方式详细地进行说明。此外，关于与第1实施方式相同或者同等的构成要素，标注相同的参照符号除了特别进行说明的情况之外，省略重复的说明。图6是表示本发明的第3实施方式所涉及的激光装置中的与传送光纤的长度方向垂直的剖面的样子的图。具体而言，图6的（A）是表示与长度方向垂直的剖面中的传送光纤50的构造的样子的图，图6的（B）是表示传送光纤50的直径方向的折射率的样子的图。
如图6所示，本实施方式的激光装置在如下这一点与第1实施方式的激光装置不同，即、传送光纤50的包层52全部成为折射率变化区域56，折射率在从包层52的内周侧朝向外周侧的方向上，阶段性地增加，表示相对于包层52的径向的折射率的线呈阶梯状。另外，优选该折射率的阶段性变化的量在各个阶梯的疆界中为恒定。换句话说，优选各个阶梯的疆界中的折射率差在各疆界为恒定。通过这样构成，没有折射率差变大的疆界，在折射率变化的各阶梯的疆界中，抑制光从包层52的外周侧向内周侧反射。
根据本实施方式的激光装置，在制成传送光纤50用的母材时，无需在成为折射率变化区域56的部分中，从内周侧至外周侧，一边使折射率变化的掺杂剂的添加量逐渐变动，一边精密地控制，所以折射率的控制变得容易，能够容易地制成包层52具有折射率变化区域56的传送光纤50。
以上，本发明以第1～第3实施方式为例，进行了说明，但本发明并不限于这些。
例如，在第1～第3实施方式中，以传送光纤50整体是本发明的光纤为例，进行了说明，但本发明并不限于此。例如，以仅除去来自被加工物的反射返回的光的为目的的情况下，可以取代第1实施方式的传送光纤50，使用包层的径向的折射率是一样的通常的光纤，在该传送光纤的前端连接本发明的光纤。此时，与传送光纤连接的本发明的光纤为数cm左右。通过成为这样的构成，能够防止较长地使用如本发明的这样的特殊光纤，能够廉价地制作激光装置。
另外，在第1实施方式～第3实施方式中，以光纤激光装置为例说明了激光装置，但本发明并不限于此，例如，作为固体激光装置的传送光纤，可以使用传送光纤50。
另外，在上述实施方式中，从传送光纤50输出输出光，但例如，可以在传送光纤的输出端配置由使输出光的直径放大的玻璃棒等构成的端盖。在这种情况下，即使输出光反射而从端盖入射，通过本发明的光纤，输入到包层的光被辐射到包层外。
另外，在第1～第3实施方式中，未必需要覆盖层53，进而，也未必需要光辐射部件61、热转换部件62。在这种情况下，输入到包层52的光能够迅速辐射到包层外。
另外，在第1、第3实施方式中，包层52的全部区域成为了折射率变化区域56，但未必需要包层52的全部区域是折射率变化区域。
另外，在第3实施方式中，可以如第2实施方式那样，与纤芯51邻接的规定区域的折射率为恒定。在这种情况下，从防止在纤芯51中传播的光泄露出包层52这一观点来看，优选该规定区域的直径是在纤芯51中传播的光的模场直径的2.5倍程度以上的大小。
产业上的可利用性
根据本发明，提供一种使输入到包层的光容易辐射到包层外的光纤、以及使用了该光纤的激光装置。
附图标记说明
1…激光装置，10…种子光源，15…种子光传播用光纤，20…激励光源，21…激光二极管，22…激励光传播用光纤，30…放大用光纤，31…纤芯，32…包层，33…树脂包层，34…覆盖层，40…合成器，50…传送光纤（光纤），51…纤芯，52…包层，53…覆盖层，56…折射率变化区域，61…光辐射部件，62…热转换部件

Claims (10)

1.一种光纤，其特征在于，
具备纤芯、和覆盖所述纤芯的包层，
所述包层具有折射率在从内周侧朝向外周侧的方向上增加的折射率变化区域。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
在所述折射率变化区域中，所述折射率逐渐地增加。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
在所述折射率变化区域中，所述折射率阶段性地增加。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的光纤，其特征在于，
在所述折射率变化区域中，所述折射率在径向上的每单位长度的变化量，是所述内周侧的一方比所述外周侧大。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的光纤，其特征在于，
所述包层的全部的区域成为所述折射率变化区域。
6.根据权利要求1～4中的任一项所述的光纤，其特征在于，
所述包层中的与所述纤芯邻接的规定区域的所述折射率被设为恒定。
7.根据权利要求6所述的光纤，其特征在于，
所述包层中的所述规定区域以外的全部的区域成为所述折射率变化区域。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的光纤，其特征在于，
至少包层的一个端部的附近的外周面的至少一部分被具有所述包层的外周侧的折射率以上的折射率的光辐射部件覆盖。
9.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于，
所述光辐射部件与热转换部件连接。
10.一种激光装置，其特征在于，
具备权利要求1～9中的任一项所述的光纤，
通过所述光纤来传播输出光。
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