CN103975263B - 光纤合成器以及使用了该光纤合成器的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够抑制光的损失的光纤合成器以及使用了该光纤合成器的激光装置。光纤合成器(1)具备：多个输入用光纤(20)；多个发散角降低部件(50)，被射入从各个输入用光纤(20)射出的光，并将来自输入用光纤(20)的光以发散角减小的状态射出；桥接光纤(30)，被射入从各个发散角降低部件(50)射出的光，具有随着光传播的部位远离发散角降低部件(50)侧而逐渐缩径的锥形部(34)；以及输出用光纤(40)，被射入从桥接光纤(30)的与发散角降低部件(50)侧相反侧射出的光。

Description

光纤合成器以及使用了该光纤合成器的装置

技术领域

本发明涉及能够高效地传播光的光纤合成器(combiner)以及使用了该光纤合成器的激光装置。

背景技术

由于激光装置能够进行非接触加工，所以被使用于加工领域、医疗领域等各种领域，要求更高的输出化。

作为实现这样的激光装置的高输出化的方法之一，有一种通过光纤合成器将从多个光纤输出的激光聚集，从1根光纤输出的方法。下述专利文献1中记载有一种能够在这样的激光装置中使用的光纤合成器。

在专利文献1所述的光纤合成器中，多个光纤被插入到具有多个贯通孔的毛细管(capillary)的各个贯通孔，毛细管的端部与桥接光纤连接。该桥接光纤具有外径从与毛细管连接的一侧朝向相反侧逐渐缩径的锥形部，外径变细一侧的端面与其他光纤连接。根据这样的光纤合成器，从各个光纤射出的光被桥接光纤聚集，成为大功率的光。而且，该大功率的光从桥接光纤入射至其他光纤。因此，能够将大功率的光入射至其他光纤，可从该其他光纤取出大功率的输出光。

专利文献1：日本特开2007－233292号公报

在专利文献1所记载的光纤合成器中，从多个光纤入射至桥接光纤的各个光在入射之后，立即在桥接光纤内一边直径逐渐增大一边传播。即，从各个光纤入射至桥接光纤的各个光以具有规定的发散角的方式入射，一边按照该发散角扩散一边传播。该发散角是该光相对于入射至桥接光纤的光的光轴扩展的方向的角度。而且，在桥接光纤内传播并到达锥形部的光在锥形部中通过桥接光纤的外周面反复反射而使发散角增大。若发散角如此变大后的光从桥接光纤入射至其他光纤，则有时一部分的光以超过其他光纤的数值孔径的角度入射，导致从其他光纤漏出。因此，需要能够更高效地传播光的光纤合成器。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于，提供能够高效地传播光的光纤合成器、以及使用了该光纤合成器的激光装置。

为了解决上述课题，本发明的光纤合成器具备：多个输入用光纤；多个发散角降低部件，被射入从各个上述输入用光纤射出的光，将来自上述输入用光纤的光以发散角比入射时小的状态射出；桥接光纤，被射入从各个上述发散角降低部件射出的光，具有随着光传播的部位远离上述发散角降低部件侧而逐渐缩径的锥形部；以及输出用光纤，被射入从上述桥接光纤的与上述发散角减少部材侧相反侧射出的光。

根据这样的光纤合成器，从发散角降低部件入射至桥接光纤的光的发散角小于从输入用光纤直接入射至桥接光纤的情况的发散角。因此，在锥形部中，即使在发散角因光反复进行反射并传播而变大的情况下，也能够将从桥接光纤射出的光的发散角抑制得小。从而，能够降低以超过输出用光纤的数值孔径的角度入射至输出用光纤的光，可抑制因光从输出用光纤漏出而引起的光的损失。因此，根据这样的光纤合成器，能够高效地传播光。

并且，优选上述桥接光纤具有纤芯和包层，从各个上述发散角降低部件入射的光在上述桥接光纤的上述纤芯中传播。

通过入射至桥接光纤的光在纤芯中传播，即使外部物与桥接光纤的表面接触，也会由于在光和物之间夹有包层，所以光无法到达该外部物。因此，能够防止外部物发热或者烧损。从而，能够成为安全性优异的光纤合成器。

进而，优选上述输出用光纤具有纤芯和包层，上述桥接光纤的上述纤芯和上述输出用光纤的上述纤芯熔接，并且上述桥接光纤的上述包层和上述输出用光纤的上述包层熔接。

通过桥接光纤的纤芯以及包层、和输出用光纤的纤芯以及包层熔接，能够扩大熔接面积。因此，能够成为机械强度优异的光纤合成器。

另外，优选上述发散角降低部件是GRIN透镜，上述GRIN透镜的长度为相对于从上述输入用光纤射出的光的0.5周期长度的n倍以外(其中，n是自然数)。

通过GRIN透镜的长度为相对于从上述输入用光纤射出的光的0.5周期长度的n倍以外，能够将从GRIN透镜射出的光的发散角抑制得较小。另外，由于GRIN透镜是圆柱形状，所以通过发散角降低部件使用GRIN透镜，即使在将与发散角降低部件光学性耦合的部件和发散角降低部件熔接的情况下，也能够容易地将它们熔接。

该情况下，优选上述GRIN透镜的长度为相对于从上述输入用光纤射出的光的0.25周期长度的奇数倍。

通过将GRIN透镜设为这样的长度，能够从GRIN透镜射出准直光。因此，能够进一步抑制因光从输出用光纤漏出而产生的光的损失。从而，能够更高效地传播光。

另外，优选从各个上述发散角降低部件射出的光是准直光。

通过从发散角降低部件射出的光是准直光，能够将从桥接光纤射出的光的发散角抑制得较小。因此，能够最大地降低以超过输出用光纤的数值孔径的角度入射至输出用光纤的光，可进一步抑制因光从输出用光纤漏出而产生的光的损失。从而，能够更高效地传播光。

另外，优选在将从上述发散角降低部件入射至上述桥接光纤的光的发散角设为θ_in，将桥接光纤的上述光传播的部位中的光的入射面的直径设为D_in，将上述桥接光纤的上述光传播的部位中的光的射出面的直径设为D_out，将上述输出用光纤允许的光的入射角的最大角设为θ_max的情况下，满足(数1)

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\max }\×\frac{D_{\mathrm{out}}}{D_{\mathrm{in}}}.$

通过发散角降低部件、桥接光纤以及输出光纤具有满足上述式的关系，即使在从发散角降低部件射出的光不是准直光的情况下，也能够防止从桥接光纤射出而入射至输出用光纤的光从输出用光纤漏出。

或者，优选在将上述桥接光纤的上述光传播的部位中的光的入射面的直径设为D_in，将上述桥接光纤的上述光传播的部位中的光的射出面的直径设为D_out，将上述输出用光纤允许的光的入射角的最大角设为θ_max，且波长λ的光从上述发散角降低部件入射至上述桥接光纤的情况下，满足(数2)

$d{\mathrm{\σ}}_0\≥2\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\×\frac{D_{\mathrm{in}}}{D_{\mathrm{out}}}\×\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\×M^2$

其中，dσ₀是从上述发散角降低部件输出的光的束腰直径，是以光的功率密度分布的二阶矩定义的值，M²是对与高斯光束的偏差进行表示的因子，是遵照ISO11146－1的值。

通过发散角降低部件、桥接光纤、以及输出光纤具有满足上述式的关系，即使在入射至输出用光纤的光的发散角超过θ_max的情况下，入射至桥接光纤的光的全部功率内M²＝1时至少约86.5％的光的发散角为θ_max以下。因此，即使在该情况下，与光从输入用光纤直接入射至桥接光纤的情况相比，也能够抑制光在输出用光纤中漏出。

另外，优选还具备被配设在各个上述发散角降低部件与上述桥接光纤之间且不具有折射率分布的多个中间杆，各个上述中间杆的一侧与各个上述发散角降低部件熔接，另一侧与上述桥接光纤熔接，从上述发散角降低部件射出的光经由上述中间杆入射至上述桥接光纤。

当光在两个部件间传播时，为了使因反射等而产生的光的损失降低，优选各个部件相互熔接。因此，在上述的光纤合成器中，为了降低光的损失，可考虑桥接光纤和发散角降低部件直接熔接。但是，由于对桥接光纤熔接多个发散角降低部件，所以相对于各个发散角降低部件的熔接面的面积，桥接光纤的与发散角降低部件的熔接面的面积较大。因此，桥接光纤的熔接面附近的热容量比发散角降低部件的熔接面附近的热容量大。因此，在熔接时，具有各个发散角降低部件的熔接面附近的温度高于桥接光纤的熔接面附近的温度的趋势。因此，发散角降低部件的熔接面附近有时在熔接时发生变形，发散角降低部件的光的折射特性有时因熔接而变化。另外，在发散角降低部件是GRIN透镜的情况下，由于添加到GRIN透镜的掺杂剂的作用，发散角降低部件的软化点有时降低，该情况下，发散角降低部件的特性更容易变化。

但是，通过如上述那样将各个发散角降低部件与各个中间杆熔接，与将发散角降低部件和桥接光纤熔接的情况相比，能够抑制发散角降低部件的变形。其理由如下。即，由于对桥接光纤熔接多个中间杆，所以各个中间杆的与发散角降低部件的熔接面的面积小于桥接光纤的熔接面。因此，中间杆的与发散角降低部件的熔接面附近的热容量小于桥接光纤的熔接面附近的热容量。即，发散角降低部件的熔接面附近和中间杆的熔接面附近的热容量之差小于发散角降低部件的熔接面附近和桥接光纤的熔接面附近的热容量之差。因此，与桥接光纤和发散角降低部件直接熔接的情况相比，能够抑制发散角降低部件变形。尤其在发散角降低部件是GRIN透镜，GRIN透镜的软化点因掺杂剂而降低的情况下，导入中间杆的效果大。另外，在中间杆的直径与发散角降低部件的直径相同的情况下，由于几乎没有两者的熔接面附近的热容量之差，所以能够进一步抑制发散角降低部件的变形。因此，可抑制发散角降低部件的光的折射特性变化。从而，能够成为更接近设计值的光纤合成器。此外，在中间杆和桥接光纤的熔接中，有时中间杆因各自的热容量的不同而变形。但由于中间杆不具有折射率分布，所以即使变形对于光的影响也较小。

另外，本发明的激光装置具备上述任意一个光纤合成器和将激光入射至各个上述输入用光纤的多个激光部。

根据这样的激光装置，由于在光纤合成器中，能够高效地传播光，所以能够高效地射出从激光部射出的光。因此，能够射出大功率的输出光。

如上所述，根据本发明，可提供能够高效地传播光的光纤合成器、以及使用了该光纤合成器的激光装置。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式涉及的光纤合成器的图。

图2是沿着图1的光纤合成器的中心轴的剖视图。

图3是表示本发明的第2实施方式涉及的光纤合成器的图。

图4是表示本发明的第3实施方式涉及的光纤合成器的图。

图5是表示本发明的激光装置的图。

图6是表示实施例1、比较例1中的与GRIN透镜的偏移量和连接损失之间的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图分别对本发明涉及的光纤合成器、以及使用了该光纤合成器的激光装置的优选实施方式进行详细说明。

(第1实施方式)

图1是表示本发明的第1实施方式涉及的光纤合成器的图。此外，在图1中，为了容易理解，按照构成光纤合成器的每一个配件空开间隔地进行了图示。

如图1所示，本实施方式的光纤合成器1具备多个输入用光纤20、分别作为发散角降低部件的多个GRIN透镜50、长边方向的一侧被缩径的桥接光纤30、以及输出用光纤40作为主要构成。

在本实施方式中，如图1所示，多个输入用光纤20被配置成6根输入用光纤20包围1根输入用光纤20的周围。各个输入用光纤20为相互相同的构成，具有纤芯21和包围纤芯21的包层22，纤芯21的折射率高于包层22的折射率。纤芯21例如由添加有提高折射率的锗(Ge)等掺杂剂的石英构成，包层22例如由纯粹的石英构成。另外，输入用光纤20没有特别限定，例如纤芯21的直径为10μm，包层22的外径为125μm，设为单模光纤。此外，输入用光纤20在远离GRIN透镜50的位置具有覆盖包层22的外周面的覆盖层，但在本实施方式的说明中，为了容易理解而省略了覆盖层。

GRIN透镜50与输入用光纤20为相同数量，各个GRIN透镜50为相互相同的构成。GRIN透镜50呈现具有一方端面56和另一方端面57的圆柱状的形状。GRIN透镜50的直径大于输入用光纤20的纤芯21的直径，例如为与输入用光纤20的包层22的外径相同大小的直径。而且，各个GRIN透镜50的一方端面56和各个输入用光纤20的端面27相互熔接。这样一来，各个GRIN透镜50与各个输入用光纤20的纤芯21光学性耦合。

GRIN透镜50构成为在径向具有折射率分布，在长度方向无折射率分布。径向的折射率分布构成为折射率从中心轴侧到外周面侧平稳变化，越靠近中心轴侧折射率越高，越靠近外周面侧折射率越低。GRIN透镜50例如由越靠近中心轴侧越高浓度地添加提高折射率的锗(Ge)等掺杂剂的石英构成。因此，输入至GRIN透镜50的光在GRIN透镜50的内部折射。该GRIN透镜50的长度为相对于从输入用光纤20射出的光的0.5周期(pitch)长度的n倍以外(其中，n是自然数)长度。因此，从GRIN透镜50射出的光与从输入用光纤20入射至GRIN透镜50的光相比，发散角被抑制得小。并且，若GRIN透镜50是相对于从输入用光纤20射出的光的0.25周期长度的奇数倍的长度，则由于能够使从GRIN透镜50射出的光成为准直光，所以优选。其中，该情况的发散角是从GRIN透镜50射出的光相对于该光的光轴扩展的方向的角度。

此外，GRIN透镜50没有特别限定，例如中心部分和侧面部分的折射率差是0.25％，直径为125μm。在从输入用光光纤20射出的光的波长例如为1.1μm的情况下，GRIN透镜50相对于该光的0.25周期长度为1.4mm。

桥接光纤30是一侧的外径不缩径而另一侧的外径缩径的锥形光纤。具体而言，桥接光纤30由在一侧保持恒定的外径的非缩径部33、和与非缩径部33一体形成且朝向另一侧外径逐渐缩径的锥形部34构成。因此，一方端面36不缩径，另一方端面37被最大地缩径。另外，在本实施方式中，桥接光纤30并不特别具有纤芯－包层构造，桥接光纤30的整体为传播光的部位。桥接光纤30的非缩径部33的直径只要能够如后述那样与各个GRIN透镜50光学性耦合即可，没有特别限定，例如为450μm，另一方端面37的直径例如为100μm。另外，桥接光纤30的锥形部34的长度并不特别限定，例如为30mm。

其中，桥接光纤30被设为与GRIN透镜50的中心轴附近大致相同的折射率，由于在如后述那样从GRIN透镜50入射至桥接光纤30的情况下，能够抑制光的反射，所以优选。因此，桥接光纤30例如由添加有提高折射率的锗(Ge)等掺杂剂的石英构成。

另外，桥接光纤30的一方端面36和各个GRIN透镜50的另一方端面57相互熔接，各个GRIN透镜50和桥接光纤30光学性耦合。其中，在如上述那样桥接光纤30由添加有锗的石英构成的情况下，由于锗的作用，使得桥接光纤30的软化点比纯粹的石英降低。因此，在将GRIN透镜50和桥接光纤30熔接时，能够抑制GRIN透镜50变形。

输出用光纤40具有纤芯41、包围纤芯41的包层42、以及覆盖包层42的外周面的覆盖层43，纤芯41的折射率高于包层42的折射率。出于抑制从桥接光纤30入射的光的折射的观点，优选纤芯41是与桥接光纤30相同的折射率。因此，纤芯41例如由添加有提高折射率的锗(Ge)等掺杂剂的石英构成，包层42例如由纯粹的石英构成。在本实施方式中，纤芯41的直径为桥接光纤30的缩径的另一端面37的直径以上，输出用光纤40的端面46处的纤芯41和桥接光纤30的另一端面37相互熔接。因此，如上述那样，在桥接光纤的另一端面37的直径是100μm的情况下，输出用光纤40的纤芯41的直径例如为100μm。这样一来，桥接光纤30和输出用光纤40的纤芯41相互光学性耦合。其中，在输出用光纤40中的与桥接光纤30熔接的端面46的附近，覆盖层43被剥离。

这样，通过输入用光纤20的纤芯21和GRIN透镜50被熔接，GRIN透镜50和桥接光纤30被熔接，桥接光纤30和输出用光纤40被熔接，使得输入用光纤20的纤芯21、GRIN透镜50、桥接光纤30、以及输出用光纤40相互光学性耦合。

接下来，对光纤合成器1的光学动作进行说明。

图2是沿着光纤合成器1的中心轴的剖视图。如图2所示，若光从输入用光纤20的纤芯21射出，并入射至GRIN透镜50，则在入射至GRIN透镜50之后，立即如图2中虚线所示，光根据GRIN透镜50的中心轴附近的数值孔径以规定的发散角扩展。但是，随着传播成接近于GRIN透镜50的外周面，光按照发散角变小的方式折射。而且，在GRIN透镜50中传播的光以发散角比入射时小的状态从GRIN透镜50射出，并从作为桥接光纤30的入射面的一方端面36入射至桥接光纤30。此时如以所述，由于GRIN透镜50的长度为相对于从输入用光纤20射出的光的0.5周期长度的n倍以外的长度，所以从GRIN透镜50射出的光的发散角与从输入用光纤20射出的光直接入射至桥接光纤30的情况的发散角相比，被抑制得较小。其中，在图2中，表示了GRIN透镜50的长度相对于从输入用光纤20射出的光的波长是0.25周期长度的情况。该情况下，从GRIN透镜50射出的光为准直光。

如图2所示，从GRIN透镜50射出的光在桥接光纤30中，在入射后成为规定的发散角，一边扩展一边传播。其中，为了容易理解，在图2中，用虚线仅表示了在桥接光纤30内传播的光中特定的光的传播的情况。在桥接光纤30中传播的光到达锥形部34，在锥形部34中，光的至少一部分一边被桥接光纤30的外周面反射一边传播。每当如此反复进行反射时，光的发散角便因成为锥形形状的外周面而变大。即，被桥接光纤30的外周面反射的光相对于桥接光纤30的轴向的角度变大。而且，在锥形部34中传播的光从桥接光纤30的作为射出面的另一方端面37以规定的发散角射出，入射至输出用光纤40的纤芯41，在输出用光纤40中传播。

如以上说明那样，根据本实施方式的光纤合成器1，从GRIN透镜50入射至桥接光纤30的光的发散角小于从输入用光纤20直接入射至桥接光纤30的情况的发散角。因此，即使在桥接光纤30的锥形部34中光通过反复反射而发散角变大的情况下，也能够将从桥接光30射出的光的发散角抑制得较小。因此，与光从输入用光纤20直接入射至桥接光纤30的情况相比，能够降低以超过输出用光纤40允许的光的入射角度的角度入射至输出用光纤40的光。因此，能够抑制因光从输出用光纤40漏出而引起的光的损失。即，根据本实施方式的光纤合成器1，能够高效地传播光。

尤其如上述那样，如果GRIN透镜50的长度是相对于从输入用光纤20射出的光的0.25周期长度的奇数倍的长度，则能够使从GRIN透镜50射出并入射至桥接光纤30的光成为准直光。这样，由于通过使入射至桥接光纤30的光是准直光，能够使从桥接光纤30入射至输出用光纤40的光的发散角最小，所以能够进一步抑制输出用光纤40中的光的损失。

这里，如图2所示，将从GRIN透镜50射出并输入至桥接光纤30的光的发散角设为θ_in，将从桥接光纤30射出的光的发散角设为θ_out，将输出用光纤40最大限度允许的光的入射角设为θ_max。该情况下，若从桥接光纤30射出的光的发散角θ_out为θ_max以下，则能够防止从桥接光纤30入射至输出用光纤40的光从输出用光纤40漏出。

将桥接光纤30的作为入射面的一方端面36的直径设为D_in，将作为光的出射面的另一方端面37的直径设为D_out。该情况下，发散角θ_in和发散角θ_out的关系如下述式(1)所示。

(数3)

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{out}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\×\frac{D_{\mathrm{in}}}{D_{\mathrm{out}}}...\left(1\right)$

因此，如上述那样，为了θ_out为θ_max以下，只要从GRIN透镜50射出并通过桥接光纤30发散的光的发散角θ_in满足下述式(2)即可。

(数4)

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\max }\×\frac{D_{\mathrm{out}}}{D_{\mathrm{in}}}...\left(2\right)$

即，即使在从GRIN透镜50射出的光不是准直光的情况下，若GRIN透镜50、桥接光纤30以及输出用光纤40构成为从GRIN透镜50入射至桥接光纤30的光的发散角满足式(2)，则也能够防止光从输出用光纤40漏出。

其中，本发明者们发现了：由于入射至桥接光纤30的光中发散角大的分量强度弱，所以即使该发散角大的分量的光不满足上述式(2)而在输出用光纤40中漏出的情况下，也能够抑制在输出用光纤40中漏出的光。通过允许入射至桥接光纤30的光中发散角大的分量在输出用光纤40漏出，能够使GRIN透镜50、桥接光纤30以及输出用光纤40的设计有富余。

这里，通过从输入用光纤20射出波长λ的光，在从GRIN透镜50入射至桥接光纤30的光的波长是λ的情况下，从GRIN透镜50入射至桥接光纤30的光的发散角θ_beam如下述式(3)所示。

(数5)

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{beam}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}\×{\mathrm{d\σ}}_0}\×2\×M^2...\left(3\right)$

其中，dσ₀是从GRIN透镜50射出的光的光束腰(beamwaist)直径，由光的功率密度分布的二阶矩定义。另外，M²是对与高斯光束的偏差进行表示的因子(BeamPropagationRatio：光束传播因子)，遵照ISO11146－1。

式(3)的θ_beam表示M²＝1时从GRIN透镜50入射至桥接光纤30的光中具有光束强度由峰值的1/e²定义的光束径的分量的发散角。1/e²约为13.5％。因此，入射至桥接光纤30的光中入射角包含于θ_beam内的光的功率成为入射至桥接光纤30的光的全部功率的(1－1/e²)。(1－1/e²)约为86.5％。当该包含于θ_beam内的光入射至输出用光纤40时，在其发散角为θ_max以下的情况下，与光从输入用光纤20直接入射至桥接光纤30的情况相比，能够抑制光在输出用光纤40中漏出。

该情况下，在上述的式(2)中，只要将θ_in置换成θ_beam即可。这样若在式(2)中将θ_in置换成θ_beam并进行变形，则得到下述式(4)。因此，通过将GRIN透镜50、桥接光纤30以及输出用光纤40构成为满足下述式(4)，能够抑制光在输出用光纤40中漏出。

(数6)

${\mathrm{d\σ}}_0\≥2\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\×\frac{D_{\mathrm{in}}}{D_{\mathrm{out}}}\×\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\×M^2...\left(4\right)$

另外，入射至桥接光纤30的光中、入射角包含于θ_beam的1.5倍的内侧的光变得包括入射至桥接光纤30的光的全部功率中的约98.9％。为了将该入射角包含于θ_beam的1.5倍的内侧的光入射至输出用光纤40来防止在输出用光纤40中漏出，只要使式(3)的θ_beam的1.5倍为θ_max以下即可。在该情况下，GRIN透镜50以及桥接光纤30只要构成为满足下述式(5)即可。

(数7)

${\mathrm{d\σ}}_0\≥3\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\×\frac{D_{\mathrm{in}}}{D_{\mathrm{out}}}\×\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\×M^2...\left(5\right)$

并且，入射至桥接光纤30的光中入射角包含于θ_beam的2倍的内侧的光变得包括入射至桥接光30的光的全部功率的约99.97％。为了将该入射角包含于θ_beam的2倍的内侧的光入射至输出用光纤40来防止在输出用光纤40中漏出，只要式(3)的θ_beam的2倍为θ_max以下即可。该情况下，GRIN透镜50以及桥接光纤30只哎哟构成为满足下述式(6)即可。

(数8)

${\mathrm{d\σ}}_0\≥4\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\×\frac{D_{\mathrm{in}}}{D_{\mathrm{out}}}\×\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\×M^2...\left(6\right)$

根据构成为满足式(6)的GRIN透镜50、桥接光纤30以及输出用光纤40，由于从输出用光纤40漏出的光很微少，所以满足该式(6)与满足式(2)近似相同。

如以上所述，即使在入射至桥接光纤30的光中发散角大的分量入射至输出用光纤40后漏出的情况下，与光从输入用光纤20直接输入至桥接光纤30的情况相比，也能够抑制在输出用光纤40中漏出的光。

(第2实施方式)

接下来，参照图3对本发明的第2实施方式进行详细说明。此外，对与第1实施方式相同或者同等的构成要素赋予相同的参照符号，除特别进行说明的情况之外省略重复的说明。

图3是表示本发明的第2实施方式涉及的光纤合成器的图。如图3所示，本实施方式的光纤合成器2与第1实施方式的光纤合成器1的不同之处在于，代替第1实施方式的桥接光纤30而使用桥接光纤30a。桥接光纤30a与第1实施方式的桥接光纤30的不同之处在于：具有纤芯－包层构造。具体而言，具有：与第1实施方式的桥接光纤30相同的构成的纤芯31、和无缝隙地包围纤芯31的外周面的包层32。包层32的折射率比纤芯31低，纤芯31在与第1实施方式的桥接光纤30同样地例如由锗等提高折射率的石英构成的情况下，例如由纯粹的石英构成。

各个GRIN透镜50在一方端面36与纤芯31熔接。因此，各个GRIN透镜50与纤芯31光学性耦合。另外，桥接光纤30a的另一方端面37中的纤芯31与输出用光纤40的纤芯41熔接，桥接光纤30a的另一方端面37中的包层32与输出用光纤40的包层42熔接。该情况下，桥接光纤30a的另一方端面37中的包层32的外径、以及输出用光纤40的包层42的外径没有特别限定，例如都为125μm。通过输出用光纤40的纤芯41以及包层42与桥接光纤30a如此熔接，与第1实施方式的光纤合成器1相比，能够提高桥接光纤30a和输出用光纤40的连接强度。因此，本实施方式的光纤合成器2即使在被施加冲击的情况下，也能够提高可靠性。

在这样的光纤合成器2中，从输入用光纤20射出的光经由GRIN透镜50入射至桥接光纤30a的纤芯31。即，一方端面36中的纤芯31的区域为光的入射面。此时光向纤芯31的入射与第1实施方式的光向桥接光纤30的入射相同。入射至桥接光纤30的纤芯31的光与第1实施方式的在桥接光纤30内传播的光同样地在纤芯31内传播。而且，在锥形部34内，以发散角变大的状态从桥接光纤30a的另一方端面37射出，入射至输出用光纤40的纤芯41。即，另一方端面37中的纤芯31的区域为光的射出面。

在本实施方式中，由于与光从输入用光纤20直接入射至桥接光纤30的纤芯31的情况的发散角相比，也在通过GRIN透镜50将发散角抑制得较小的状态下，光入射至桥接光纤30a的纤芯31，所以能够减小入射至输出用光纤40的光的发散角。因此，能够抑制输出用光纤40中的光的损失。另外，根据本实施方式的光纤合成器2，由于入射至桥接光纤30a的光在纤芯31和包层32的边界反射，所以能够防止光到达桥接光纤30a的外周面。因此，能够防止光被与桥接光纤30a的外周面接触的外部物体吸收而发热。从而，能够成为具有更优异的安全性的光纤合成器。

其中，在第1实施方式的式(1)～式(6)中，将桥接光纤30的作为入射面的一方端面36的直径设为D_in，将作为光的射出面的另一方端面37的直径设为D_out，将从GRIN透镜50射出并入射至桥接光纤30的光的发散角设为θ_in，将从桥接光纤30射出的光的发散角设为θ_out，将从GRIN透镜50入射至桥接光纤30的光中根据束腰直径计算出的光的发散角设为θ_beam。在本实施方式中，只要将第1实施方式的D_in作为桥接光纤30a的一方端面36中的纤芯31的直径，将第1实施方式的D_out作为桥接光纤30a的另一方端面37中的纤芯31的直径，将第1实施方式的θ_in作为从GRIN透镜50射出并入射至桥接光纤30a的纤芯31的光的发散角，将第1实施方式的θ_out作为从桥接光纤30a的纤芯31射出的光的发散角，将第1实施方式的θ_beam作为从GRIN透镜50入射至桥接光纤30a的纤芯31的光中根据束腰直径计算出的光的发散角，代入式(1)～式(6)即可。无论是该情况，还是入射至桥接光纤30a的纤芯31的光中发散角大的分量入射至输出用光纤40后漏出的情况，与光从输入用光纤20直接入射至桥接光纤30a的纤芯31的情况相比，都能够抑制在输出用光纤40中漏出的光。

(第3实施方式)

接下来，参照图4对本发明的第3实施方式进行详细说明。此外，对与第1实施方式相同或者同等的构成要素赋予相同的参照符号，除了特别说明的情况之外省略重复的说明。

图4是表示本发明的第3实施方式涉及的光纤合成器的图。如图4所示，本实施方式的光纤合成器3与第1实施方式的光纤合成器1的不同之处在于，具备在第1实施方式的各个GRIN透镜50和桥接光纤30之间配设的多个中间杆60。

中间杆60的折射率与桥接光纤30大致相同，成为具有与GRIN透镜50大致相同的直径的圆柱形状的玻璃杆。因此，中间杆60不具有折射率分布。而且，各个中间杆60的一方端面66与GRIN透镜50的另一方端面57熔接，中间杆60的另一方端面67与桥接光纤30的一方端面36熔接。

在这样的光纤合成器3中，从输入用光纤20射出的光经由GRIN透镜50入射至中间杆60。而且，入射至中间杆60的光从中间杆60入射至桥接光纤30。以后，与第1实施方式同样，光在桥接光纤30内传播并入射至输出用光纤40的纤芯41。

在本实施方式中，与光从输入用光纤20直接入射至桥接光纤30的情况的发散角相比，从输入用光纤20射出的光也以通过GRIN透镜50将发散角抑制得较小的状态，经由中间杆60入射至桥接光纤30。因此，能够减小入射至输出用光纤40的光的发散角。从而，能够抑制输出用光纤40中的光的损失。

其中，在第1实施方式的式(1)～式(6)中，只要将从GRIN透镜50射出并入射至桥接光纤30的光的发散角设为θ_in，将从GRIN透镜50入射至桥接光纤30的光中根据束腰直径计算出的光的发散角设为θ_beam。在本实施方式中，将第1实施方式的θ_in作为从GRIN透镜50射出并经由中间杆60入射至桥接光纤30的光的发散角，将第1实施方式的θ_beam作为从GRIN透镜50经由中间杆60入射至桥接光纤30的光中根据束腰直径计算出的光的发散角，代入式(1)～式(6)即可。在本实施方式中，入射至桥接光纤30的光中发散角大的分量入射至输出用光纤40后漏出的情况与光从输入用光纤20直接入射至桥接光纤30的情况相比，也能够抑制在输出用光纤40中漏出的光。

另外，在从GRIN透镜50射出的光入射至桥接光纤30的情况下，由于GRIN透镜50和桥接光纤30如第1实施方式的光纤合成器1那样相互熔接的情况与不相互熔接的情况相比，能够减少由于反射等而产生的光的损失，所以优选。但是，由于对桥接光纤30熔接有多个GRIN透镜50，所以相对于各个GRIN透镜50的作为熔接面的另一方端面57的面积，桥接光纤30的作为熔接面的一方端面36的面积较大。因此，桥接光纤30的熔接面附近的热容量比GRIN透镜50的熔接面附近的热容量大。从而，在将GRIN透镜50和桥接光纤30熔接时，具有各个GRIN透镜50的熔接面附近的温度高于桥接光纤30的熔接面附近的温度的趋势。因此，由于GRIN透镜50的熔接面附近的形状因熔接而变形，所以有时GRIN透镜50的折射特性变化。并且，为了使GRIN透镜50具有折射率分布而对其添加掺杂剂。根据被添加的掺杂剂的种类，存在GRIN透镜50的软化点降低的情况，GRIN透镜50的熔接点附近因熔接而更容易变形。

但是，通过如本实施方式的光纤合成器3那样，将各个GRIN透镜50与各个中间杆60熔接，能够抑制GRIN透镜50的变形。这是由于下述原因。即，由于多个中间杆60分别与桥接光纤30熔接，所以各个中间杆60的直径小于桥接光纤30的非缩径部33的直径。因此，中间杆60的一方端面66附近的热容量小于桥接光纤30的一方端面36附近的热容量。尤其在本实施方式中，由于中间杆60的直径和GRIN透镜50的直径相同，所以中间杆60的一方端面66附近的热容量与GRIN透镜50的另一方端面57附近的热容量几乎不变。因此，能够在GRIN透镜50的温度上升至必要以上之前进行熔接。从而，与如第1实施方式那样桥接光纤30和GRIN透镜50直接熔接的情况相比，能够抑制GRIN透镜50因熔接而变形的情况。尤其在如上述那样添加了具有使GRIN透镜50降低软化点的作用的锗等掺杂剂的情况下，导入中间杆60的效果很大。因此，本实施方式的光纤合成器3能够抑制GRIN透镜50的特性变化，可将更接近于设计值的光入射至输出用光纤40。

其中，在中间杆60和桥接光纤30的熔接中，有时中间杆60根据各个熔接面附近的热容量的差异而变形。但是，由于中间杆60没有折射率分布，所以即使变形对于光的影响也小。

接下来，利用图5对使用了上述光纤合成器的激光装置进行说明。其中，虽然这里的说明使用第1实施方式的光纤合成器1来进行说明，但也可以代替光纤合成器1而使用第2实施方式的光纤合成器2或者第3实施方式的光纤合成器3。

图5是表示本发明的激光装置的图。如图5所示，激光装置100具备射出激光的多个激光部10、传播从多个激光部10射出的激光的输入用光纤20、上述的光纤合成器1、输出用光纤40、以及光射出用端盖(endgap)45作为主要构成。

各个激光部10只要输出激光即可，并不特别限定，例如由光纤激光装置、半导体激光装置构成。这些激光部10的输出部与输入用光纤20连接，该输入用光纤20的至少一部分为上述光纤合成器1的输入用光纤20。另外，光纤合成器1的输出用光纤40被延长，作为激光装置100的输出用光纤，其端部与光射出用端盖45熔接。光射出用端盖45由直径比输出用光纤40的纤芯41大的玻璃杆构成，与熔接有输出用光纤40侧的端面相反侧的端面为射出面。

在这样的激光装置100中，若从各个激光部10射出激光，则激光在输入用光纤20中传播而到达光纤合成器1。在光纤合成器1中，如上述那样，激光从输入用光纤20入射至GRIN透镜50，并如上述那样发散角变小。而且，发散角变小后的激光入射至桥接光纤30，被桥接光纤30的锥形部34聚集而从桥接光纤30入射至输出用光纤40。此时如上述那样，在光纤合成器1中，由于光的损失在输出用光纤40中被抑制，所以从各个激光部10射出的激光高效地输入至输出用光纤40。而且，在输出用光纤40中传播的激光入射至光射出用端盖45，直径扩大，从光射出用端盖45的输出面射出。

根据本发明的激光装置100，由于在光纤合成器1中光的损失被抑制，所以能够将从各个激光部10射出的激光高效地从光射出用端盖45射出。此外，在激光装置100中，即使如上述那样代替光纤合成器1而使用光纤合成器2或者光纤合成器3，也能够将从各个激光部10射出的激光高效地从光射出用端盖45射出。

以上，以实施方式为例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于此。

例如，在第3实施方式的光纤合成器3中，也可以代替桥接光纤30而使用第2实施方式的桥接光纤30a。

另外，在第1实施方式、第2实施方式中，也可以不熔接输入用光纤20和GRIN透镜50地将纤芯21和GRIN透镜50光学性耦合，另外，GRIN透镜50和桥接光纤30也可以不熔接地光学性耦合。另外，在各个实施方式中，桥接光纤30和输出用光纤40也可以不熔接地光学性耦合。

另外，在上述实施方式中，以GRIN透镜50作为发散角降低部件为例进行了说明，但发散角降低部件只要是减小从输入用光纤20射出的光的发散角即可，并不限定于GRIN透镜50。例如，也可以使用因光纤发热而使包含于纤芯的让折射率上升的锗等掺杂剂扩散至包层的TEC光纤(Thermally-diffusedExpandedCoreFiber：热扩芯光纤)等。该情况下，通过加热输入用光纤20的端部而成为TEC光纤，能够使输入用光纤20和发散角降低部件成为一体。

另外，在上述的激光装置100中，光纤合成器1的各个输入用光纤20被延长，来自各个激光部10的激光直接入射，但激光也可以从各个激光部10经由其他光纤入射至输入用光纤20。另外，在上述的激光装置100中，光纤合成器1的输出用光纤40被延长，激光从输出用光纤40直接传播到光射出用端盖45，但也可以经由其他光纤而传播到光射出用端盖。

实施例

以下，列举实施例以及比较例来更具体地说明本发明的内容，但本发明并不局限于此。

(实施例1)

准备1根输入用光纤、一个GRIN透镜、桥接光纤、以及输出用光纤。输入用光纤是纤芯的直径为10μm，包层的外径为125μm的单模光纤。GRIN透镜的直径是125μm，长度相对于从输入用光纤输出的光的波长为0.25周期长度即1.4mm。桥接光纤是与第1实施方式相同的桥接光纤，不具有纤芯－包层构造，全长为60mm，锥形部的长度为30mm，成为光的入射面的非缩径部侧的端面的直径为450μm，成为光的射出面的锥形部的缩径侧的端面的直径为100μm。输出用光纤是纤芯的直径为100μm，包层的外径为125μm的多模光纤。

接下来，在输入用光纤的端面熔接GRIN透镜的端面。并且，将GRIN透镜的中心轴和桥接光纤的中心轴对准，使GRIN透镜的端面和桥接光纤的未被缩径侧的端面熔接。并且，在桥接光纤的被缩径侧的端面熔接输出用光纤的纤芯。其中，由于桥接光纤的被缩径侧的端面和输出用光纤的纤芯是相同的直径，所以在熔接点，桥接光纤和输出用光纤的纤芯的外周一致。

接下来，将GRIN透镜的长度成为0.25周期长度的波长的光入射至输入用光纤，并观察从输出用光纤射出的光的强度，来测定光的连接损失。

接下来，使GRIN透镜与桥接光纤熔接的位置从桥接光纤的中心轴逐渐偏移，与上述同样地测定光的连接损失。图6中表示了该GRIN透镜从桥接光纤的中心轴偏移的距离与连接损失的关系。

如图6所示，可知即使偏移量从桥接光纤的中心轴偏离150μm，对连接损失也没什么影响。这里，若考虑GRIN透镜的直径是125μm的情况，则即使对桥接光纤并列连接3个GRIN透镜，从各个GRIN透镜射出的光的连接损失也不怎么变化。因此，即使与第1实施方式同样地在中心配置1个与输入用光纤连接的GRIN透镜，并且在其周围配置6个与输入用光纤连接的GRIN透镜，从各个GRIN透镜射出的光的连接损失也不怎么变化。

鉴于此，分别准备7根实施例1的输入用光纤和7个GRIN透镜，在各个输入用光纤的端面熔接GRIN透镜，在一个GRIN透镜的周围配置6个GRIN透镜，将各个GRIN透镜与熔接了实施例1的输出用光纤的桥接光纤熔接来制成光纤合成器。接下来，将激光入射至各个输入用光纤，观察从输出用光纤射出的光的强度，来测定光的连接损失。结果，光的损失是3％。

(比较例1)

除了不经由GRIN透镜地将输入用光纤直接与桥接光纤熔接以外，与实施例1同样地测定了连接损失。在图6中表示其结果。

如图6所示，与实施例1相比，成为连接损失较大的结果。

接下来，准备7根实施例1的输入用光纤，在1根输入用光纤的周围配置6个输入用光纤，将各个输入用光纤与熔接了实施例1的输出用光纤的桥接光纤熔接，来制成光纤合成器。接下来，将激光入射至各个输入用光纤，观察从输出用光纤射出的光的强度，来测定光的连接损失。结果，光的损失是36％，成为光的损失比实施例1中制成的光纤合成器大的结果。

综上所述，根据本发明的光纤合成器，表示了连接损失被抑制的情况。因此，确认了根据本发明的光纤合成器能够高效地传播光。

工业上的可利用性

根据本发明，提供能够抑制光的损失的光纤合成器、以及使用了该光纤合成器的激光装置，能够利用于加工用激光装置、医疗用激光装置等。

附图标记说明：1～3...光纤合成器；10...激光部；20...输入用光纤；21...纤芯；22...包层；30、30a...桥接光纤；31...纤芯；32...包层；33...非缩径部；34...锥形部；40...输出用光纤；41...纤芯；42...包层；43...覆盖层；45...光射出用端盖；50...GRIN透镜(发散角降低部件)；60...中间杆；100...激光装置。

Claims (9)

1.一种光纤合成器，其特征在于，具备：

多个输入用光纤；

多个发散角降低部件，被射入从各个所述输入用光纤射出的光，并将来自所述输入用光纤的光以发散角比入射时小的状态射出；

桥接光纤，被射入从各个所述发散角降低部件射出的光，具有随着入射的光传播的部位远离所述发散角降低部件侧而逐渐缩径的锥形部；以及

输出用光纤，被射入从所述桥接光纤的与所述发散角降低部件侧相反侧射出的光，

在将所述桥接光纤的所述光传播的部位中的光的入射面的直径设为D_in，将所述桥接光纤的所述光传播的部位中的光的射出面的直径设为D_out，将所述输出用光纤允许的光的入射角的最大角设为θ_max，将入射至所述桥接光纤的光的波长设为λ的情况下，满足[数2]

${\mathrm{d\σ}}_0\≥2\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\×\frac{D_{\mathrm{in}}}{D_{\mathrm{out}}}\×\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\×M^2,$

其中，dσ₀是从所述发散角降低部件输出的光的束腰直径，是以光功率密度分布的二阶矩定义的值，M²是对与高斯光束的偏差进行表示的因子，是遵照ISO11146－1的值。

2.根据权利要求1所述的光纤合成器，其特征在于，

所述桥接光纤具有纤芯和包层，

从各个所述发散角降低部件入射的光在所述桥接光纤的所述纤芯中传播。

3.根据权利要求2所述的光纤合成器，其特征在于，

所述输出用光纤具有纤芯和包层，

所述桥接光纤的所述纤芯和所述输出用光纤的所述纤芯熔接，并且所述桥接光纤的所述包层和所述输出用光纤的所述包层熔接。

4.根据权利要求1所述的光纤合成器，其特征在于，

所述发散角降低部件是GRIN透镜，

所述GRIN透镜的长度为相对于从所述输入用光纤射出的光的0.5周期长度的n倍以外，其中，n是自然数。

5.根据权利要求4所述的光纤合成器，其特征在于，

所述GRIN透镜的长度为相对于从所述输入用光纤射出的光的0.25周期长度的奇数倍。

6.根据权利要求1所述的光纤合成器，其特征在于，

从各个所述发散角降低部件射出的光是准直光。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的光纤合成器，其特征在于，

在将入射至所述桥接光纤的光的发散角设为θ_in的情况下，满足[数1]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{in}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\max }\×\frac{D_{\mathrm{out}}}{D_{\mathrm{in}}}.$

8.根据权利要求1～6中任意一项所述的光纤合成器，其特征在于，

还具备被配设于各个所述发散角降低部件与所述桥接光纤之间且不具有折射率分布的多个中间杆，

各个所述中间杆的一侧与各个所述发散角降低部件熔接，另一侧与所述桥接光纤熔接，

从所述发散角降低部件射出的光经由所述中间杆入射至所述桥接光纤。

9.一种激光装置，其特征在于，具备：

权利要求1～6中任意一项所述的光纤合成器；和

多个激光部，使激光分别入射至各个所述输入用光纤。