CN103229370A - 光纤维激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明的光纤具备：包括高反射FBG的输入侧双包层光纤、振荡用双包层光纤、包括低反射FBG的输出侧双包层光纤。输出侧双包层光纤由芯部、第一包层、第二包层构成，在输出侧双包层光纤的低反射FBG与出射端之间的除去了一部分第二包层的部分上，配置有由折射率与第二包层的折射率同等或在其以上的高折射率树脂进行了再包覆的高折射率树脂包覆部。该高折射率树脂包覆部的折射率沿着在第一包层中传播的光的传播方向而逐渐变高。

Description

光纤维激光器
技术领域
本发明涉及一种在使用了双包层光纤的光纤维激光器中，在从光纤振荡器取出振荡光时将同时取出的残留激发光等不需要的光除去的光纤维激光器的结构。
背景技术
以往，作为用于除去光纤维激光器的双包层光纤内的残留激发光的技术，提出有下述这样的技术。
第一现有技术是设置光纤保护体的技术，该光纤保护体对将双包层光纤彼此熔接连接的熔接连接部进行保护。该保护体形成有对熔接连接部进行收容的收容槽和对熔接连接部附近的光纤包覆部进行支承的支承槽。并且，保护体具备将从熔接连接部漏出的光转换成热量而向外部放散的散热板，且通过树脂构件覆盖熔接连接部并将熔接连接部固定在收容槽内。树脂构件的材料由使从熔接连接部漏出的光透过的材质构成，使用UV固化树脂(例如，参照专利文献1)。
第二现有技术提出一种能够将在两根光纤的端部的熔接连接部处关入到光纤内的残留激发光除去的光纤熔接连接结构。作为该结构，将熔接连接部固定成直线状，通过具有比光纤的包层或包覆的折射率低的折射率的树脂对熔接连接部进行再包覆，并且通过加强套管包覆该树脂来对熔接连接部进行保持(例如，参照专利文献2)。
然而，在上述的现有技术中存在以下问题。
在第一现有技术所公开的结构中，将残留激发光集中除去。覆盖熔接连接部的UV固化树脂总的来说为高折射率。欲被除去的残留激发光集中在再包覆了该高折射率树脂的部分上，从而再包覆的高折射率树脂因热而烧损，关于这一点未进行充分考虑。
第二现有技术所公开的结构也同样，如在实施例中示出使用15W激发光的例子那样，为能够适用低输出的情况的结构。在几KW以上的高输出激发的情况下，在再包覆了树脂的部分，欲被除去的残留激发光集中在熔接连接部的附近。由此，再包覆的树脂因热而烧损，关于这一点未进行充分考虑。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2007-271786号公报
【专利文献2】日本特开2009-115918号公报
发明内容
本发明提供一种被再包覆的高折射率树脂不会因热而受到损伤且能够除去残留激发光的光纤维激光器。
为了解决上述课题，本发明的光纤维激光器由具备包括高反射FBG的输入侧双包层光纤、添加有稀土类元素的振荡用双包层光纤、包括低反射FBG的输出侧双包层光纤的结构构成。并且，在所述振荡用双包层光纤的两端连接所述输入侧双包层光纤和所述输出侧双包层光纤，并通过所述高反射FBG和所述低反射FBG夹着所述振荡用双包层光纤而构成激光共振器。并且，所述输出侧双包层光纤包括光传播的芯部、包围该芯部的第一包层及包围所述第一包层且形成外周的第二包层。并且，本发明的光纤维激光器在所述输出侧双包层光纤的所述低反射FBG与出射端之间的除去了一部分所述第二包层的部分上，配置有由折射率与所述第二包层的折射率同等或在其以上的高折射率树脂进行了再包覆的高折射率树脂包覆部。并且，在本发明的光纤维激光器中，所述高折射率树脂包覆部的折射率沿着在所述第一包层中传播的光的传播方向而逐渐变高。
根据该结构，尽管利用非常高的输出的激发光产生振荡，但由于残留激发光等不需要的光也从再包覆了高折射率树脂的部分以宽范围逐渐地泄漏，因此不用担心再包覆树脂局部地成为极高温度。因此，光纤维激光器组装后的光纤维激光器的可靠性提高。
附图说明
图1表示本发明的实施方式1的光纤维激光器的结构，是包括从振荡器到树脂包覆部的简要结构图。
图2表示本发明的实施方式1的光纤维激光器的结构，是高折射率树脂包覆部的详细的结构图。
图3是表示本发明的实施方式1的光纤维激光器的动作原理的一例的结构图。
图4是表示本发明的实施方式1的光纤维激光器的动作原理的另一例的结构图。
图5是在本发明的实施方式1的光纤维激光器的树脂包覆部上设置了散热用的金属部件的简要结构图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图中，存在对相同的结构要素标注相同的符号并省略说明的情况。
(实施方式1)
图1表示本发明的实施方式1的光纤维激光器的结构，是表示包括高折射率树脂再包覆结构的一实施方式的图，是包括从振荡器到树脂再包覆部的简要结构图。图2表示本发明的实施方式1的光纤维激光器的结构，是高折射率树脂包覆部的详细结构图。
如图1和图2所示，本实施方式1的光纤维激光器具备激发用的激光二极管1、激发光耦合器2、输入侧双包层光纤3、振荡用双包层光纤4、输出侧双包层光纤5、低反射FBG(Fiber Bragg Grating：光纤光栅)6、第二包层除去部7、高折射率树脂包覆部8、振荡光的出射端9。在此，输入侧双包层光纤3包括在光纤的芯部5c内形成的布拉格衍射格子作为高反射FBG3a。振荡用双包层光纤4添加有稀土类元素。输出侧双包层光纤5包括在光纤的芯部5c内形成的布拉格衍射格子作为低反射FBG6。另外，高折射率树脂包覆部8包括多个区域8a、8b等而构成，且朝向沿着箭头15的光的传送方向而使区域的折射率逐渐变高。即，区域8b的折射率比区域8a的折射率高。并且，在区域8b的内部，也可以形成为例如朝向沿着箭头15的光的传送方向而折射率变高的结构。
在振荡用双包层光纤4上连接有包括低反射FBG的输出侧双包层光纤5和包括高反射FBG的输入侧双包层光纤3，在它们之间形成共振器而引起激光振荡。
振荡的激光从低反射FBG6射出，但在从该低反射FBG6到出射端9之间的输出侧双包层光纤5中，振荡用双包层光纤4未完全吸收的激发光、从振荡用双包层光纤4的芯部玻璃泄漏的振荡光等不需要的光在第一包层5a中传播。
此时，若在再包覆的高折射率树脂包覆部8的特定部分中存在集中的光泄漏，则在该特定部分产生大的发热，从而再包覆树脂因热而损伤。因此，为了抑制产生特定部分处的大的发热，在本实施方式1的光纤维激光器中，在从高折射率树脂包覆部8的区域8a到区域8b之间以折射率逐渐变高的方式构成。即，将高折射率树脂包覆部8朝向沿着箭头15的光的传送方向而分为包括区域8a、8b在内的多个区域，从而避免不需要的光在特定的区域集中泄漏。因此，对于图2所示的区域8c而言，也可以分为多个区域，且随着接近出射端9而使折射率逐渐变高。
在此由折射率最低的高折射率树脂构成的区域8a的折射率可以为与输出侧双包层光纤5的第二包层5b相同的折射率。并且，以如下方式进行调整：朝向光的传送方向将从第二包层5b的折射率值逐渐变高的树脂顺次包覆在第二包层除去部上，最终直至包覆比第一包层5a的折射率高的树脂。
另外，输出侧双包层光纤5还可以通过将在芯部5c写入低反射FBG6的第一光纤和配置有高折射率树脂包覆部8的第二光纤连接而构成。通过该结构，将输出侧双包层光纤5分离为第一光纤和第二光纤，由此能够根据从出射端9射出的光输出的大小而使用高折射率树脂包覆部8的材料或结构不同的第二光纤。
通过图3和图4，对形成为上述结构的本实施方式1的光纤维激光器的动作原理进行说明。图3、图4分别是表示本发明的实施方式1的光纤维激光器的动作原理的一例的结构图。如图3的箭头所示，表示在输出侧双包层光纤5内传播的不需要的光中的低次模态的光10在第一包层5a内传播的情况。低次模态的光10在高折射率树脂包覆部8的包覆面8d以浅角度入射，因此在折射率比较低的区域8a中由包覆面8d反射，并在第一包层5a内传播。但是，在再包覆的高折射率树脂包覆部8的折射率变高的区域8b中，低次模态的光10如图3所示那样不反射而从输出侧双包层光纤5泄漏。即，低次模态的光10从第一包层5a穿过高折射率树脂包覆部8而从输出侧双包层光纤5向外部离开。
在图4中，除了图3所示的不需要的光中的低次模态的光10之外，将高次模态的光11的传播也一起图示。由虚线表示的光为不需要的光中的高次模态的光11。由实线表示的光为与图3相同的不需要的光中的低次模态的光10。
高次模态的光11与低次模态的光10相比，在高折射率树脂包覆部8的包覆面8d以深角度入射。因此，在折射率较低的区域8a中不反射而从输出侧双包层光纤5泄漏。
这样，根据不需要的光的模态是高次还是低次而从输出侧双包层光纤5泄漏的高折射率树脂包覆部8的区域不同。当然，不需要的光中更高次数的光在更靠近高折射率树脂包覆部8的区域8a的部分从输出侧双包层光纤5泄漏。
在此，高折射率树脂包覆部8的区域8a、8b、8c中，折射率最低的区域的折射率为与输出侧双包层光纤5的第二包层5b相同的折射率。并且，当朝向光的传送方向而从第二包层5b的折射率值逐渐变高时，在输出侧双包层光纤5的第一包层5a内传播的不需要的光中的最高次的模态的光从高折射率树脂包覆部8的区域8a的附近向输出侧双包层光纤5的外部泄漏。
并且，若最终调整成使高折射率树脂包覆部8的区域8b的折射率比第一包层5a的折射率高，则即使为不需要的光中的最低次的模态的光，也从输出侧双包层光纤5向外部泄漏。
如以上所示，在从高折射率树脂包覆部8的区域8a到区域8b之间，根据不需要的光的模态而逐渐产生光泄漏，其结果是，在高折射率树脂包覆部8的任意部分大范围地产生不需要的光的除去，光泄漏不会集中于一部分，能够防止光泄漏的集中。
需要说明的是，由再包覆树脂构成的高折射率树脂包覆部8的各区域8a、8b、8c的折射率既可以连续地变化，也可以阶段性地变化。
在此，向再包覆的高折射率树脂包覆部8引导的不需要的光作为热量而需要排出。
即，本实施方式1的光纤维激光器由具备包括高反射FBG3a的输入侧双包层光纤3、添加有稀土类元素的振荡用双包层光纤4、包括低反射FBG6的输出侧双包层光纤5的结构构成。并且，在振荡用双包层光纤4的两端连接输入侧双包层光纤3和输出侧双包层光纤5，并通过高反射FBG3a和低反射FBG6夹着振荡用双包层光纤4来构成激光共振器13。输出侧双包层光纤5包括光传播的芯部5c、包围该芯部5c的第一包层5a及包围第一包层5a且形成外周的第二包层5b。本实施方式1的光纤维激光器在输出侧双包层光纤5的低反射FBG6与出射端9之间的除去一部分第二包层5b的部分上，配置有由具有与第二包层5b的折射率同等或其以上的折射率的高折射率树脂进行了再包覆的高折射率树脂包覆部8。在本实施方式1的光纤维激光器中，高折射率树脂包覆部8的折射率沿着在第一包层5a中传播的光的传播方向而逐渐变高。
通过该结构，尽管通过非常高输出的激发光产生振荡，残留激发光等不需要的光也从再包覆了高折射率树脂的部分以宽范围逐渐地泄漏，因此不用担心再包覆树脂局部地成为极高温度。因此，光纤维激光器组装后的光纤维激光器的可靠性提高。
另外，作为激发用的光源，可以具备激光二极管1和激发光耦合器2，且激光二极管1和激发光耦合器2与输入侧双包层光纤3的输入端连接。
通过该结构，能够将激发光高效地向振荡用双包层光纤4供给，能够实现输出相对于输入的转换效率良好的光纤维激光器。
另外，高折射率树脂包覆部8可以由多个区域8a、8b、8c构成，且多个区域8a、8b、8c的折射率沿着在第一包层5a中传播的光的传播方向逐渐变高。
通过该结构，不需要的光不会在高折射率树脂包覆部8的特定部分集中，残留激发光等不需要的光从再包覆了高折射率树脂的宽范围的部分逐渐地泄漏，因此不用担心再包覆树脂局部地成为极高温度。因此，光纤维激光器组装后的光纤维激光器的可靠性提高。
图5是在本发明的实施方式1的作为光纤维激光器的树脂包覆部的高折射率树脂包覆部8上设置了散热用的金属部件12的简要结构图。为了使不需要的光作为热量而从金属部件12整体排出，如图5所示，优选使散热用的金属部件12的接触面12a大面积地与再包覆的高折射率树脂包覆部8的表面8f整体接触。优选接触的散热用的金属部件12使用被进行了黑色氧化铝膜处理等容易对不需要的光进行吸热的表面加工的部件，且具有通过散热结构、空冷风扇、热管、水冷等进行强制冷却的结构。通过该结构，金属部件12等热吸收构件吸收向树脂逸散的光并作为热量而接受，之后高效地向大气等散热。
需要说明的是，本发明中使用的双包层光纤3、4、5不仅是截面形状为圆形的光纤，即使使用非圆形或矩形截面的双包层光纤3、4、5也能得到同样的效果。
另外，本发明不拘于从振荡器射出的包层模态传播光的除去，在由光放大器产生的包层模态传播光的除去中使用也能够得到同样的效果。
【实施例1】
以下，对具体实施了本发明的一例进行详细地记载。
首先，激光二极管1使用19个单发射型且输出光的中心波长为915nm的标准输出12W的激光二极管。激发光耦合器2使用将19根NA＝0.15的石英光纤捆扎而向NA＝0.46的单线光纤输出的锥束(taper bundle)型光纤耦合器。
振荡用双包层光纤4使用具有添加了作为稀土类元素的Yb(镱)的单模芯部的双包层光纤。在振荡用双包层光纤4的两侧熔接连接分别写入了高反射FBG3a和低反射FBG6的输入侧双包层光纤3和输出侧双包层光纤5，形成将FBG3a和FBG6作为各自的反射镜的光纤维激光振荡器。
上述的双包层光纤3、4、5的第二包层5b的树脂是折射率为1.38的树脂，第一包层5a的NA约为0.46。将该第二包层5b的树脂所使用的低折射率树脂从表面除去约100mm左右，使第一包层5a露出，并在第一包层5a的表面再包覆高折射率树脂包覆部8。
再包覆的高折射率树脂使用折射率为1.38至1.50的光纤包覆用或光学部件用凝胶的硅酮树脂，并朝向光的传播方向顺次涂敷折射率从低至高的树脂并使其固化而形成为区域8a、8b、8c。即，高折射率树脂可以为硅酮树脂的结构。通过该结构，能够作为折射率接近光纤且加工性、涂敷性及耐热性良好的材料使用。
通过230W的激发光使这样制作的光纤维激光器振荡，从作为芯部的光纤维激光器的出射端9得到140W以上的振荡光。同时，在再包覆了高折射率树脂包覆部8的第二包层除去部7将约20W的不需要的光除去，而该部分的最高温度处于50度以下。在继续观察该状态的光纤维激光器时，经过100小时后也未发现再包覆树脂的劣化，在外观上也未确认出异常。由此认为，虽然不需要的光被高折射率树脂包覆部8吸收，但不会被一部分特定区域集中吸收，且发热也在高折射率树脂包覆部8整体同样地产生。由此，尽管通过230W这样非常高输出的激发光产生振荡，但由于残留激发光等不需要的光从再包覆了高折射率树脂的部分以宽范围逐渐地泄漏，因此不用担心再包覆树脂局部地成为极高温度。其结果是，光纤维激光器组装后的光纤维激光器的可靠性或寿命得以提高。
(比较例)
通过再包覆了第二包层除去部7的高折射率树脂仅使用折射率为1.46的光纤包覆用树脂的结构来进行比较实验。
在与上述实施例1同样地通过230W的激发光使光纤维激光器振荡时，从不需要的光的除去部的一部分集中地产生温度上升，温度几秒钟就达到100度以上。继续观察该状态的光纤维激光器，经过30分钟后确认了包覆树脂变黄这样的外观异常。从该比较例也可知，本实施方式1的光纤维激光器不用担心再包覆树脂局部地成为极高温度，光纤维激光器组装后的光纤维激光器的可靠性或寿命得以提高。
【工业实用性】
本发明的光纤维激光器即使经过长时间也不会产生光纤劣化，能够稳定地运转，作为加工用激光装置等在工业上有用。
【符号说明】
1   激光二极管
2   激发光耦合器
3   输入侧双包层光纤
3a  高反射FBG
4   振荡用双包层光纤
5   输出侧双包层光纤
5a  第一包层
5b  第二包层
5c  芯部
6   低反射FBG
7   第二包层除去部
8   高折射率树脂包覆部
8a、8b、8c   区域
8d  包覆面
8f  表面
9   出射端
10  低次模态的光
11  高次模态的光
12  金属部件
12a 接触面
13  激光共振器
15  箭头
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.(补正后)一种光纤维激光器，其具备：
包括高反射FBG的输入侧双包层光纤；
添加有稀土类元素的振荡用双包层光纤；以及
包括低反射FBG的输出侧双包层光纤，
在所述振荡用双包层光纤的两端连接所述输入侧双包层光纤和所述输出侧双包层光纤，并通过所述高反射FBG和所述低反射FBG夹着所述振荡用双包层光纤而构成激光共振器，
所述输出侧双包层光纤包括光传播的芯部、包围该芯部的第一包层及包围所述第一包层且形成外周的第二包层，其中，
在所述输出侧双包层光纤的所述低反射FBG与出射端之间具有除去了一部分所述第二包层的部分，
在所述输出侧双包层光纤的除去了所述第二包层的部分上，配置有由折射率与所述第二包层的折射率同等或在其以上的高折射率树脂进行了再包覆的高折射率树脂包覆部，
所述高折射率树脂包覆部的折射率从所述输出侧双包层光纤的所述低反射FBG侧朝向所述出射端侧的方向逐渐变高。
2.根据权利要求1所述的光纤维激光器，其中，
作为激发用的光源而具备激光二极管和激发光耦合器，所述激光二极管和所述激发光耦合器与所述输入侧双包层光纤的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的光纤维激光器，其中，
所述输出侧双包层光纤通过将在所述芯部写入低反射FBG的第一光纤和配置有所述高折射率树脂包覆部的第二光纤连接而构成。
4.根据权利要求1所述的光纤维激光器，其中，
所述高折射率树脂为硅酮树脂。
5.(补正后)根据权利要求1所述的光纤维激光器，其中，
所述高折射率树脂包覆部由多个区域构成，所述多个区域的折射率从所述输出侧双包层光纤的所述低反射FBG侧朝向所述出射端侧的方向逐渐变高。

Claims (5)

1.一种光纤维激光器，其具备：
包括高反射FBG的输入侧双包层光纤；
添加有稀土类元素的振荡用双包层光纤；以及
包括低反射FBG的输出侧双包层光纤，
在所述振荡用双包层光纤的两端连接所述输入侧双包层光纤和所述输出侧双包层光纤，并通过所述高反射FBG和所述低反射FBG夹着所述振荡用双包层光纤而构成激光共振器，
所述输出侧双包层光纤包括光传播的芯部、包围该芯部的第一包层及包围所述第一包层且形成外周的第二包层，
在所述输出侧双包层光纤的所述低反射FBG与出射端之间的除去了一部分所述第二包层的部分上，配置有由折射率与所述第二包层的折射率同等或在其以上的高折射率树脂进行了再包覆的高折射率树脂包覆部，
所述高折射率树脂包覆部的折射率沿着在所述第一包层中传播的光的传播方向而逐渐变高。
2.根据权利要求1所述的光纤维激光器，其中，
作为激发用的光源而具备激光二极管和激发光耦合器，所述激光二极管和所述激发光耦合器与所述输入侧双包层光纤的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的光纤维激光器，其中，
所述输出侧双包层光纤通过将在所述芯部写入低反射FBG的第一光纤和配置有所述高折射率树脂包覆部的第二光纤连接而构成。
4.根据权利要求1所述的光纤维激光器，其中，
所述高折射率树脂为硅酮树脂。
5.根据权利要求1所述的光纤维激光器，其中，
所述高折射率树脂包覆部由多个区域构成，所述多个区域的折射率沿着在所述第一包层中传播的光的传播方向而逐渐变高。
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