CN104737048B - 光纤以及使用该光纤的光纤激光装置 - Google Patents

光纤以及使用该光纤的光纤激光装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供光纤以及使用该光纤的光纤激光装置。光纤(10)至少以LP01模式以及LP02模式传播规定波长的光，该光纤(10)的特征在于，在LP02模式的光的强度大于LP01模式的光的强度的区域(11a、11c)中的、相比LP01模式的光的强度大于LP02模式的光的强度的区域(11b)靠外周侧的芯的区域(11c)的至少一部分的杨氏模量，比LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域(11b)的杨氏模量小。

Description

光纤以及使用该光纤的光纤激光装置
技术领域
本发明涉及即便在芯的直径较大的情况下也能够射出光束品质良好的光的光纤、以及使用该光纤的光纤激光装置。
背景技术
作为在加工机等中使用的光纤激光装置之一，公知有通过具有增幅用光纤的增幅器(PA：Power Amplifier)来对由激光振荡器(MO：Master Oscillator)等的种子光源产生的光进行增幅并射出的MO-PA(Master Oscillator-Power Amplifier)式光纤激光装置。这样的光纤激光装置通过波长转换元件将具有近红外光的波段的光转换为短波长侧，从而射出具有可见光的波段的光。
当进行这样的波长转换时，若进行波长转换前的光存在多种模式，则存在无法高效地进行波长转换的趋势。因此，优选射入波长转换元件的光尽量只含有基本模式的光而不含有高阶模式的光。另一方面，伴随着光纤激光装置的高输出化，为了传播能量更大的光，迫切期望增幅用光纤等光纤使用芯的直径比单模光纤大的多模光纤。而且，迫切期望即便在这样的情况下也能够射出包含基本模式的光且高阶模式的光减少的光束品质良好的光。
下述专利文献1记载了一种具有能够传播多模光的增幅用双包覆层光纤的光纤激光装置。在该光纤激光装置中，为了使射入芯的光仅包含LP01模式(基本模式)的光，配置仅激振出LP01模式的光的模式转换器，能够在传播多模光的增幅用双包覆层光纤中以LP01模式的光为中心进行增幅。
专利文献1：美国专利第5,818,630号说明书
然而，即便向能够以多模的方式传播光的光纤仅射入LP01模式的光的情况下，除激振出LP01模式的光以外，还会激振出LP02模式的光等高阶模式的光。若在专利文献1所记载的增幅用光纤中激振出LP02模式等高阶模式的光，则除LP01模式的光被增幅之外，上述高阶模式的光也被增幅，从而射出光束品质不良的光。这样一来，若射出包含高阶模式的光在内的光，则存在射出的光难以聚光的问题、如上述那样无法在波长转换元件中高效地进行波长转换的问题。与其他高阶模式的光相比，LP02模式的光具有能量较大的趋势，所以即便在高阶模式的光中，也是抑制LP02模式的光比较重要。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供即便在芯的直径较大的情况下也能够射出光束品质良好的光的光纤以及使用该光纤的光纤激光装置。
为了解决上述课题，本发明的光纤具有芯和包围上述芯的包覆层，并至少以LP01模式以及LP02模式传播规定波长的光，上述光纤的特征在于，在上述LP02模式的光的强度大于上述LP01模式的光的强度的区域中的、相比上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域靠外周侧的上述芯的区域的至少一部分的杨氏模量，比上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小。
受激布里渊散射是因在光纤中传播的光与声波的相互作用而产生的。该声波具有集中在杨氏模量较小的部位的趋势。因此，根据这样的光纤，声波集中在芯之内、比LP01模式的光的强度大于LP02模式的光的强度的区域更靠外周侧的区域。该区域还是LP02模式的光的强度比上述LP01模式的光的强度大且LP02模式的第二峰部所存在的区域，因此在该区域中，与LP01模式的光相比，LP02模式的光受到受激布里渊散射的影响较大。因此，与LP01模式的光相比，能够衰减LP02模式的光并对其进行传播。另外，在该区域中，LP01模式的光的强度较小，因此LP01模式的因受激布里渊散射导致的损失不比LP02模式的光大。因此，根据上述光纤，即便在芯直径较大的情况下，也能够抑制LP01模式的光的损失并能够使LP02模式的光损失，从而能够射出光束品质良好的光。
另外，优选在上述LP02模式的光的强度大于上述LP01模式的光的强度的区域中的、相比上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域靠外周侧的上述芯的全部区域的杨氏模量，比上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小。
根据这样的光纤，能够进一步使LP02模式的光损失并进行传播。
另外，上述芯的折射率在径向上可以是恒定的。
另外，优选上述包覆层中的传播上述规定波长的光的波导区域的至少一部分的杨氏模量，比上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小。
通常，在芯中传播的光的模场直径比芯的直径大。即，在光纤中传播的光从芯露出而传播至包覆层的与芯邻接的区域。在该包覆层的光的波导区域中，LP02模式的光的强度比LP01模式的光的强度大。因此，使该包覆层的波导区域的杨氏模量减小，从而声波也集中在该区域，由此能够使LP02模式的光比LP01模式的光更加损失。
另外，优选上述包覆层中的全部上述波导区域的杨氏模量，比上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小。
根据这样的光纤，能够在包覆层的波导区域进一步使LP02模式的光损失并进行传播。
在该情况下，优选在上述LP02模式的光的强度大于上述LP01模式的光的强度的区域中的、相比上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域靠外周侧的上述芯的区域的至少一部分的杨氏模量，比上述包覆层中的上述波导区域的杨氏模量小。
这样一来，芯的一部分与包覆层的一部分的杨氏模量被确定，由此与包覆层的波导区域相比，能够进一步使声波集中在LP02模式的光的强度大于LP01模式的光的强度的区域中的、比LP01模式的光的强度大于LP02模式的光的强度的区域更靠外周侧的芯的区域。对LP02模式的光的强度与LP01模式的光的强度之差而言，上述芯的区域比包覆层的波导区域大。因此，与包覆层的波导区域相比，能够进一步使声波集中在上述芯的区域，从而与包覆层的波导区域相比，在上述芯的区域能够能增大受激布里渊散射的影响。因此，与LP01模式的光的损失相比，能够进一步增大LP02模式的光的损失。这样一来，能够进一步提高光束品质。
另外，上述包覆层的折射率在径向上也可以是恒定的。
另外，优选在杨氏模量形成为比上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小的区域，一同添加提高折射率并减小杨氏模量的掺杂剂、和降低折射率并减小杨氏模量的掺杂剂。
通过一同添加提高折射率并减小杨氏模量的掺杂剂、和降低折射率并减小杨氏模量的掺杂剂，从而能够减小杨氏模量并能够使折射率为所希望的状态。例如，在杨氏模量形成为比LP01模式的光的强度大于LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小的区域为芯的区域的情况下，能够减小该区域的杨氏模量，并能够使该区域与芯的其他区域的折射率相同。同样，在杨氏模量形成为比LP01模式的光的强度大于LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小的区域为包覆层的波导区域的情况下，能够减小该波导区域的杨氏模量，并能够使该波导区域与包覆层的其他区域的折射率相同。
另外，可以在上述芯的至少一部分，添加受激发射上述规定波长的光的活性元素，在该情况下，能够实现可使LP02模式的光损失的增幅用光纤。
并且，优选在上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域的至少一部分，添加浓度高于杨氏模量形成为比上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小的上述芯的区域的上述活性元素。
杨氏模量形成为比LP01模式的光的强度大于LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小的芯的区域，是欲因受激布里渊散射使光损失的区域。因此，与该区域相比，在LP01模式的光的强度比LP02模式的光的强度大的区域，使光增幅，由此能够高效地使LP01模式的光增幅。
另外，优选在杨氏模量形成为比上述LP01模式的光的强度大于上述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小的上述芯的区域，不添加上述活性元素。
在欲通过受激布里渊散射使LP02模式的光损失的区域不添加活性元素，从而能够进一步使LP02模式的光损失。
另外，优选在上述包覆层内，设置有一对夹着上述芯的应力施加部。通过设置这样的应力施加部能够使在芯传播的光为单一偏振光。从光纤射出这样的单一偏振光，由此在将从光纤射出的光射入波长转换元件而进行波长转换时，能够高效地对光进行波长转换。
另外，本发明的光纤激光装置的特征在于，具备：在芯的至少一部分添加有活性元素的上述所记载的任一光纤；种子光源，其射出射入上述芯的上述规定波长的种子光；以及激发光源，其射出激发上述活性元素的激发光。
根据这样的光纤激光装置，在光纤中，既能够使LP02模式的光损失，并能够使LP01模式的光增幅，因此能够射出光束品质良好的光。
另外，在这样的光纤激光装置中，优选上述种子光仅激振上述光纤的轴对称的模式。
根据这样的光纤激光装置，在光纤中，不传播非轴对称的高阶模式，因此非轴对称的高阶模式不会被增幅而射出，从而能够射出聚光容易的光束品质良好的光。
另外，本发明的光纤激光装置的特征在于，具备：在芯的至少一部分添加有活性元素的上述所记载的任一光纤；激发光源，其射出激发上述活性元素的激发光；第一FBG，其设置于上述光纤的一侧，并对被上述激发光激发后的上述活性元素所释放的光中的上述规定波长的光进行反射；以及第二FBG，其设置于上述光纤的另一侧，并以比上述第一FBG低的反射率对波长与上述第一FBG所反射的光相同的光进行反射。
根据这样的光纤激光装置，在光的共振中，当光在光纤的芯传播时，能够使LP02模式的光损失并能够使LP01模式的光增幅，因此能够射出光束品质良好的光。
如上所述，根据本发明，提供即便在芯的直径较大的情况下也能够射出光束品质良好的光的光纤以及使用该光纤的光纤激光装置。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的光纤的垂直于长度方向的剖面的样子的图。
图2是表示图1的光纤的折射率、光的强度、杨氏模量、活性元素的分布的样子的图。
图3是表示使用图1的光纤的光纤激光装置的图。
图4是表示使用图1的光纤的另一光纤激光装置的图。
图5是表示图2(D)所示的杨氏模量的大小的分布的另一例子的图。
图6是表示图2(D)所示的杨氏模量的大小的分布的又一例子的图。
图7是表示在增幅用光纤的第三区域添加活性元素的情况下的活性元素的浓度分布的图。
图8是表示增幅用光纤的变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地对本发明所涉及的光纤以及使用该光纤的光纤激光装置的优选的实施方式进行说明。此外，为了容易理解，存在各图的比例尺与下文说明所记载的比例尺不同的情况。
<对增幅用光纤的说明>
图1是表示垂直于本发明的第一实施方式所涉及的光纤的长度方向的剖面的样子的图。
本实施方式的光纤是增幅用光纤，如图1所示，增幅用光纤10作为主要结构具备芯11、无间隙地包围芯11的外周面的包覆层12、覆盖包覆层12的外周面的外部包覆层13、以及覆盖外部包覆层13的覆盖层14。芯11的直径比普通的单模光纤的芯的直径大，例如为30μm。另外，包覆层12的外径例如为420μm，外部包覆层13的外径例如为440μm。
图2是表示图1的增幅用光纤10的芯11及其周围的样子的图。具体而言，图2(A)是表示在图1的虚线所示的区域的芯11与包覆层12，图2(B)表示在图2(A)所示的区域的折射率分布，图2(C)表示在按照能量标准化增幅用光纤10传播规定波长的光时的LP01模式的光与LP02模式的光的情况下的LP01模式的光以及LP02模式的光的强度分布，图2(D)表示在图2(A)所示的区域的杨氏模量的大小的分布，图2(E)表示在图2(A)所示的区域的活性元素的浓度分布。
如图2(B)所示，包覆层12的折射率比芯11的折射率低。此外，虽未特别图示，但外部包覆层13的折射率比包覆层12的折射率低。另外，在本实施方式的增幅用光纤10中，芯11的折射率在径向上是恒定的，包覆层12的折射率在径向上也是恒定的。芯11与包覆层12的相对折射率差例如为0.15％。芯11以及包覆层12例如如后所述那样由添加了必要的掺杂剂的石英构成。外部包覆层13例如由紫外线固化树脂、添加了降低折射率的掺杂剂的石英构成。覆盖层例如由与外部包覆层不同的紫外线固化树脂构成。
如上所述那样增幅用光纤10的芯11的直径比单模光纤的直径大，增幅用光纤10是对在芯11传播的光除基本模式即LP01模式的光之外还包含轴对称的高阶模式的光在内的光进行传播的多模光纤。因此，例如存在仅包含LP01模式的光的光射入芯11的情况、轴对称的高阶模式的光进行激振的情况。在该情况下，若向芯11射入规定波长的光，则作为在芯11传播的光的模式，除LP01模式之外，还存在LP02模式、LP03模式等。即便在高阶模式之中，一般LP02模式的光的强度比其他高阶模式的光的强度大，其影响较大，因此在本实施方式中，对于高阶模式的光考虑LP02模式的光，影响比LP02模式的光小的LP03模式以上的高阶模式的光不特别进行考虑。
这样一来，若在芯11传播包括LP01模式的光以及LP02模式的光在内的光，则在按照能量标准化LP01模式的光与LP02模式的光的情况下，LP01模式的光以及LP02模式的光以具有图2(C)所示的强度分布的方式进行传播。该光的波长例如在图2(E)所示的活性元素处于被激发状态的情况下，成为该活性元素产生受激发射的波长。各个模式的光具有在芯11的中心变得最强的强度分布，在中心处，LP02模式的光的强度比LP01模式的光的强度大。而且，若沿径向远离芯11的中心，则LP01模式的光的强度变得比LP02模式的强度大。这里，在图2(C)中，将从芯11的中心至LP01模式的光的强度变得比LP02模式的光的强度大的径向上的区域作为第一区域11a。因此，在第一区域11a中，LP02模式的光的强度比LP01模式的光的强度大。而且，若沿径向进一步远离第一区域11a，则LP02模式的光的强度再次变得比LP01模式的光的强度大。因此，将在与第一区域11a邻接的外周侧的区域中LP01模式的光的强度比LP02模式的光的强度大的区域作为第二区域11b。而且，若沿径向进一步远离第二区域11b，则到达芯11的外周面。因此，在芯11中，在与第二区域11b相比靠外周侧的位置，LP02模式的光的强度比LP01模式的光的强度大。因此，将芯11中的与第二区域11b邻接的外周侧的区域作为第三区域11c。
另外，如图2(C)所示，在光纤中传播的光从芯露出而传播至包覆层的与芯邻接的区域。因此，光的波导区域扩展至包覆层12的与芯11邻接的区域。在本实施方式中，将图2(C)中的包覆层12中的光的波导区域作为第四区域12a。该第四区域12a中，LP02模式的光的强度变得比LP01模式的光的强度大。
另外，在增幅用光纤10中，如图2(D)所示，芯11的第三区域11c的杨氏模量比第二区域11b的杨氏模量小。而且，在本实施方式中，第四区域12a的杨氏模量与第三区域11c的杨氏模量相同，比第二区域11b的杨氏模量小。另外，在本实施方式中，第一区域11a的杨氏模量与第二区域11b的杨氏模量相同，包覆层12的与第四区域12a相比靠外周侧的杨氏模量比第四区域12a的杨氏模量大。
作为减小杨氏模量的掺杂剂，能够举出锗(Ge)、氟(F)、硼(B)、磷(P)等。作为增大杨氏模量的掺杂剂，能够举出铝(Al)。其中，锗、铝、磷作为提高折射率的掺杂剂而被公知，氟、硼作为降低折射率的掺杂剂而被公知。
因此，如上所述，为了使芯11的在径向上的折射率恒定并且使第三区域11c的杨氏模量比第一区域11a以及第二区域11b的杨氏模量小，例如按照如下方式进行即可。即，由添加了规定浓度的锗的石英构成第一区域11a以及第二区域11b，由添加了浓度比第一区域11a以及第二区域11b高的锗且添加了氟的石英构成第三区域11c，分别调整锗以及氟的添加量以使第三区域11c的折射率与第一区域11a以及第二区域11b的折射率相同即可。此时也可以根据需要，向第一区域11a以及第二区域11b添加上述以外的掺杂剂。
另外，如上所述，为了使包覆层12的在径向上的折射率一定并使第四区域12a的杨氏模量与第三区域11c的杨氏模量相同，还使包覆层12的第四区域12a的外周侧的区域的杨氏模量比第四区域12a的杨氏模量大，例如以如下方式进行。即，由未特别添加掺杂剂的纯石英构成包覆层12的比第四区域12a更靠外周侧的区域，由添加了氟以及锗的石英构成第四区域12a，分别调整氟以及锗的添加量，以使第四区域12a的折射率为纯石英的折射率并使第四区域12a的杨氏模量与第三区域11c的杨氏模量相同。此外也可以根据需要在第四区域12a添加上述以外的掺杂剂。
如上述第三区域11c、第四区域12a那样，一同添加提高折射率并减小杨氏模量的掺杂剂、和降低折射率并减小杨氏模量的掺杂剂，由此能够减小杨氏模量并能够使折射率为所希望的状态。
另外，如图2(E)所示，在本实施方式的增幅用光纤10中，在第一区域11a、第二区域11b添加活性元素，不在第三区域11c以及包覆层添加活性元素。该活性元素是能够被激发光激发而处于激发状态的元素，代表性地能够举出镱(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)、铒(Er)等稀土类元素。而且，作为活性元素，除稀土类元素之外，还能够举出铋(Bi)。此外，例如在活性限度为镱的情况下，添加到第一区域11a、第二区域11b的活性元素的浓度为16×1025(个/m3)。
若向这样的增幅用光纤10的芯11射入光，则光以如下方式进行传播。该光的波长为如上所述那样处于激发状态的活性元素产生受激发射的规定波长，在活性元素为镱的情况下，例如为1070nm。
芯11能够将射入的光作为包括LP01模式的光以及LP02模式的光在内的光进行传播，因此若输入至少包括LP01模式的光在内的光，则至少LP02模式被激振。因此，在按照能量标准化LP01模式的光与LP02模式的光的情况下，LP01模式的光以及LP02模式的光成为图2(C)的强度分布，并在增幅用光纤10中传播。然而，第三区域11c以及第四区域12a的杨氏模量比第一区域11a以及第二区域11b小，因此声波集中在第三区域11c以及第四区域12a。另外，在本实施方式中，包覆层12的比第四区域靠外周侧的杨氏模量比第四区域12a大。因此，能够抑制声波分散传递至包覆层12的第四区域12a以外，从而声波处于集中在第四区域12a以及第三区域11c的趋势。因此，受激布里渊散射主要在第三区域11c以及第四区域12a产生。因此，在上述区域传播的光因受激布里渊散射而损失。如上所述，在上述区域中，LP02模式的光的强度比LP01模式的光的强度大，因此LP02模式的光因受激布里渊散射而导致的损失比LP01模式的光的损失大。这样一来，与LP01模式的光相比LP02模式的光更加损失，并且射入芯11的光更加进行传播。另外，在第三区域11c、第四区域12a中，LP01模式的光的强度不那么大。因此，在射入芯11的光中LP01模式的光不怎么损失。
另外，如上所述，若向增幅用光纤10的芯11射入规定波长的光、并向包覆层12射入激发活性元素的波长的光，则射入芯11的光以如下方式被增幅。即，射入包覆层12的激发光主要在包覆层12中传播，当该激发光通过芯11时，添加至芯11的活性元素被激发。被激发后的活性元素因射入芯11并在芯11中传播的规定波长的光而产生受激发射，由此在芯11中传播的规定波长的光因该受激发射而被增幅。此时，在芯11的第一区域11a以及第二区域11b添加活性元素，而不在LP02模式的光的强度比LP01模式的光的强度大的第三区域11c添加活性元素，进而，如上所述，与LP01模式的光相比，LP02模式的光更加损失，并且更加传播光。因此，在与在芯整体均匀地添加有活性元素的增幅用光纤相比的情况下，根据本实施方式的增幅用光纤10，LP01模式的光比LP02模式的光更高效地被增幅而射出。
此时，优选满足下述式(1)。
其中，r是距芯11的径向上的中心的距离，I01(r)是图2(C)所示的LP01模式的光在距芯11的径向上的中心的距离为r处的强度，I02(r)是图2(C)所示的LP02模式的光在距芯11的径向上的中心的距离为r处的强度，n(r)是活性元素在距芯11的径向上的中心的距离为r处的添加浓度，b是芯11的半径。此外，r的单位为(m)，I01(r)、I02(r)的单位为(W/m2)，n(r)的单位为(个/m3)，b的单位为(m)。
在满足式(1)的情况下，以使射出的光的LP01模式的光的能量比LP02模式的光的能量大的方式对光进行增幅，因此射出的光的光束品质进一步变好。
如上所述，根据本实施方式的增幅用光纤10，能够抑制LP01模式的光的损失，并能够使LP02模式的光损失，而使射入芯11的光增幅，因此能够射出光束品质良好的光。
<对光纤激光装置的说明>
接下来参照图3对使用了上述增幅用光纤10的光纤激光装置进行说明。图3是表示本实施方式的光纤激光装置的图。如图3所示，本实施方式的光纤激光装置1作为主要结构具备：种子光源20，其射出成为种子光的光；激发光源30，其射出激发光；光合成器40，其供种子光以及激发光输入；以及图1的增幅用光纤10，其供从光合成器40射出的种子光以及激发光输入。
种子光源20例如由半导体激光装置、法布里珀罗式光纤激光装置、光纤环式光纤激光装置构成。该种子光源20构成为能够从光纤射出包含LP01模式的光在内的规定波长的光。另外，该规定波长并未特别限制，但是能够使添加至增幅用光纤10的活性元素受激发射的波长，例如，如上所述，在活性元素为镱(Yb)的情况下，该规定波长为1070nm。
另外，种子光源20射出的光从由芯以及覆盖芯的包覆层构成的单模光纤25射出。该单模光纤25将从种子光源20射出的光作为由LP01模式的光构成单模光进行传播。该单模光纤25的结构未特别限制，但例如，在种子光的波长如上述那样为1070nm的情况下，芯的直径为10μm，芯与包覆层的相对折射率差为0.13％。
激发光源30由多个激光二极管31构成，在本实施方式中，激光二极管31例如是以GaAs系半导体为材料的法布里珀罗式半导体激光，射出中心波长为915nm的光。另外，激发光源30的各个激光二极管31连接于多模光纤35，从而从激光二极管31射出的激发光作为多模光在多模光纤35中传播。
连接有多模光纤35以及单模光纤25的光合成器40通过以单模光纤25为中心在其周围配置有多模光纤的部分被熔融延伸并成为一体而构成。单模光纤25的芯与增幅用光纤10的芯11光学结合，多模光纤35的芯与增幅用光纤10的包覆层12光学结合。
接下来，对光纤激光装置1的动作进行说明。
首先，从种子光源20射出的种子光从单模光纤25射出。如上所述，该种子光的波长例如为1070μm。此时，通过上述单模光纤25的结构传播包含LP01模式的种子光。然后，在单模光纤25中传播的种子光射入光合成器40。
另外，从激发光源30射出有激发添加至增幅用光纤10的芯11的活性元素的激发光。如上所述，此时的波长例如为915μm的波长。然后，从激发光源30射出的激发光在多模光纤35中传播，并射入光合成器40。
从光合成器40射入增幅用光纤10的芯11的种子光在芯11中传播。从光合成器40射入增幅用光纤10的包覆层12的激发光主要在包覆层12中传播，使添加至芯11的活性元素处于激发状态。然后，处于激发状态的活性元素因种子光而产生受激发射，使种子光增幅。此时，如上述增幅用光纤10的说明那样，存在种子光激振轴对称模式的光的情况，即便在LP02模式的光进行激振的情况下，在增幅用光纤10的第三区域11c以及第四区域12a中，也主要损失LP02模式的光，整体来看，与LP01模式的光相比，更加损失LP02模式的光。而且，与在芯整体均匀地添加有活性元素的增幅用光纤相比，LP01模式的光比LP02模式的光更高效地被增幅而射出。因此，抑制了LP02模式的光的强度的光束品质良好的光从增幅用光纤10射出。
如上所述，根据本实施方式的光纤激光装置1，增幅用光纤10能够使LP02模式的光损失，并能够使LP01模式的光增幅，因此能够射出光束品质良好的光。
另外，在本实施方式的光纤激光装置1中，将由LP01模式的光构成的单模光作为种子光输入增幅用光纤10，因此能够将被激振的LP02模式的能量抑制得较小，能够将LP01模式更大地增幅。因此，能够射出良好的光束品质的光。
<对光纤激光装置的其它例的说明>
接下来参照图4对光纤激光装置的另一例详细地进行说明。此外，对与上述光纤激光装置1的说明相同或等同的结构要素标注相同的附图标记，除特别说明的情况之外省略重复的说明。
图4是表示本实施方式的光纤激光装置的另一例的图。如图4所示，本实施方式的光纤激光装置2作为主要结构具备激发光源30、增幅用光纤10、光合成器40、设置于增幅用光纤10与光合成器40之间的双包覆层光纤65、设置于双包覆层光纤65的第一FBG61、设置于增幅用光纤10的双包覆层光纤65侧的相反侧的多模光纤66、以及设置于多模光纤66的第二FBG62。
双包覆层光纤65的在垂直于长度方向上的剖面的构造与增幅用光纤10相同，包括芯、无间隙地包围芯的外周面的包覆层、覆盖包覆层的外周面的外部包覆层、以及覆盖外部包覆层的覆盖层。双包覆层光纤65的芯、，包覆层、以及外部包覆层的外径、折射率、杨氏模量等与增幅用光纤10的芯、包覆层、以及外部包覆层的外径、折射率、杨氏模量等相同。然而，在未在双包覆层光纤65的芯添加活性元素这点上，双包覆层光纤65与增幅用光纤10不同。双包覆层光纤65的芯以及包覆层具有与增幅用光纤10的芯以及包覆层相同的杨氏模量，因此若包含LP01模式的光以及LP02模式的光在内的光在双包覆层光纤65的芯传播，则与增幅用光纤10的说明相同，与LP01模式的光相比，LP02模式的光更加损失。即，在本发明的光纤中，添加至芯的活性元素不是必须的，不仅增幅用光纤10是本发明的光纤，双包覆层光纤65也是本发明的光纤。
双包覆层光纤65的一端与光纤激光装置1中增幅用光纤10连接于光合成器40的情况相同，连接于光合成器40，而将多模光纤35的芯与双包覆层光纤65的包覆层光学连接。另外，双包覆层光纤65的另一端连接于增幅用光纤10的一端，而将双包覆层光纤65的芯与增幅用光纤10的芯11连接，将双包覆层光纤65的包覆层与增幅用光纤10的包覆层12连接。
另外，在双包覆层光纤65的芯设置有第一FBG61。这样一来，第一FBG61设置于增幅用光纤10的一侧。在第一FBG61中，折射率高的部分沿双包覆层光纤65的长度方向按照恒定的周期重复。第一FBG61构成为通过调整该周期，而对处于激发状态的增幅用光纤10的活性元素所释放的光的至少一部分的波长进行反射。对第一FBG61而言，如上所述，在活性元素为镱的情况下，例如在1070nm，反射率例如为100％。
另外，设置于增幅用光纤10的双包覆层光纤65侧的相反侧的多模光纤66具有芯、以及无间隙地包围芯的外周面的包覆层，多模光纤66的芯、包覆层的外径、折射率、杨氏模量等与增幅用光纤10的芯、包覆层的外径、折射率、杨氏模量等相同，但不在多模光纤66的芯添加活性元素。即，多模光纤66在不在芯添加活性元素并不具有外部包覆层这点上与增幅用光纤10不同。然而，多模光纤66的芯以及包覆层具有与增幅用光纤10的芯以及包覆层相同的杨氏模量，因此若包含LP01模式的光以及LP02模式的光在内的光在多模光纤66的芯传播，则与增幅用光纤10的说明相同，与LP01模式的光相比，LP02模式的光更加损失。即，不仅增幅用光纤10、双包覆层光纤65是本发明的光纤，多模光纤66也是本发明的光纤。
多模光纤66的一端连接于增幅用光纤10的另一端，而将增幅用光纤10的芯11与多模光纤66的芯连接。另外，在本实施方式中，多模光纤66的另一端什么也没有连接而成为自由端。
另外，在多模光纤66的芯设置有第二FBG62。这样一来，第二FBG62设置于增幅用光纤10的另一侧。在第二FBG62中，折射率高的部分沿多模光纤66的长度方向按照恒定的周期重复的第二FBG62构成为以比第一FBG61低的反射率对坡长与第一FBG61所反射的光相同的光进行反射，例如，构成为以50％的反射率对波长与第一FBG61所反射的光具有相同的光进行反射。
在这样的光纤激光装置2中，若从激发光源30的各个激光二极管31射出激发光，则该激发光在光合成器40输入双包覆层光纤65的包覆层，并从双包覆层光纤65的包覆层输入增幅用光纤10的包覆层。而且，与光纤激光装置1相同，使添加至增幅用光纤10的芯11的活性元素处于激发状态。进而，处于激发状态的活性元素释放出特定波长的自发发射光。此时的自发发射光例如是包含1070nm的波长且具有恒定的波段的光。该自发发射光在增幅用光纤10的芯11中传播，被设置于双包覆层光纤65的芯的第一FBG61反射，反射后的光被第二FBG62反射，而产生光的共振，共振的光在增幅用光纤10的芯11中传播时被增幅。此时，在增幅用光纤10中，与光纤激光装置1相同，能够抑制在芯11中传播的LP01模式的光的损失，并使LP02模式的光损失。因此，与在芯整体均匀地添加有活性元素的增幅用光纤相比，LP01模式的光比LP02模式的光更高效地被增幅。另外，共振的光在双包覆层光纤65以及多模光纤66各自的芯传播时，也能够抑制在芯11中传播的LP01模式的光的损失，并使LP02模式的光损失。这样一来，使LP02模式的光损失，使共振的光增幅。而且，一部分的光透过第二FBG，从多模光纤66射出。此时，在透过第二FBG后的光中，在多模光纤66中传播的期间，也使LP02模式的光损失。
在本例的光纤激光装置2中，当光在增幅用光纤10的芯11传播时、以及光在双包覆层光纤65的芯以及多模光纤66的芯传播时，与LP01模式的光相比，LP02模式的光更加损失，因此能够射出光束品质良好的光。
此外，如图3、图4中虚线所示，也可以在从光纤激光装置1、2射出的光的路径，配置有对射出的光的波长进行转换的波长转换元件50。
波长转换元件50是将入射的光的波长转换为长波长侧并将波长转换后的光射出的元件，例如，在射入波长为1070nm之类的近红外光的情况下，将该光进行波长转换并射出波长为535nm的可见光。作为这样的波长转换元件50，能够举出产生受激拉曼散射的光纤。作为该产生受激拉曼散射的光纤，能够举出在芯添加有使非线形光学常量上升的掺杂剂的光纤。作为这样的掺杂剂，能够举出锗、磷。在该情况下，对波长转换元件50而言，一般在射入规定强度以上的光的情况下进行波长转换，进行波长转换的入射光的强度的阈值能够根据芯的直径、掺杂剂的添加浓度、长度等进行改变。或者，作为波长转换元件50，能够举出由铌酸锂与钽酸锂的单结晶构成的波长转换元件。
在配置有这样的波长转换元件50的情况下，从增幅用光纤10、多模光纤66射出的光被未图示的透镜聚光，并射入波长转换元件50。此时，从增幅用光纤10、多模光纤66如上述那样射出光束品质良好的光，因此能够提高射入波长转换元件50的光的聚光性。这样一来，通过提高光的聚光性，从而能够提高光的能量密度，使波长转换元件50的转换效率提高。
以上，以实施方式为例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此。
例如，在上述实施方式的光纤中，第三区域11c的全部区域的杨氏模量比第二区域11b的杨氏模量小，但本发明并不局限于此，第三区域11c的一部分的杨氏模量比第二区域11b的杨氏模量小即可。即，作为本发明的光纤，列举增幅用光纤10、双包覆层光纤65、多模光纤66为例，但本发明并不局限于此，只要是能够至少以LP01模式以及LP02模式传播规定波长的光的光纤，且第三区域11c的至少一部分的杨氏模量比第二区域11b杨氏模量小，就能够适当地进行变更。因此，本发明的光纤也可以传播LP01模式以及LP02模式以外的光。
另外，在上述实施方式的增幅用光纤10、双包覆层光纤65、多模光纤66中，第三区域11c的杨氏模量与第四区域12a的杨氏模量相互相等，但各自的杨氏模量也可以相互不同。图5是表示增幅用光纤10的第三区域11c的杨氏模量与第四区域12a的杨氏模量相互不同的情况下的杨氏模量的大小的分布的一个例子的图，是相当于图2(D)的图。如图5所示，在本例中，第三区域11c的杨氏模量比第四区域12a的杨氏模量小，而且第四区域12a的杨氏模量比第一区域11a、第二区域11b的杨氏模量小。此外，双包覆层光纤65、多模光纤66的杨氏模量的大小的分布也可以设定为这样的分布。为了形成这样的杨氏模量的大小的分布，例如，在第四区域12a添加增大杨氏模量的掺杂剂即可。或者，也可以减少应该添加至第四区域12a的减小杨氏模量的掺杂剂的量。这样一来，第三区域11c的杨氏模量比第四区域12a的杨氏模量小，由此，与第四区域12a相比，在第三区域11c更能够集中声波。从图2(C)也可知，对LP02模式的光的强度与LP01模式的光的强度之差而言，第三区域11c比第四区域12a大。因此，与第四区域12a相比，在第三区域11c能够更加集中声波，从而与第四区域12a相比，在第三区域11c能够增大受激布里渊散射的影响，由此与LP01模式的光的损失相比，能够进一步增大LP02模式的光的损失。这样一来，能够进一步提高光束品质。
另外，图6是表示增幅用光纤10的第三区域11c的杨氏模量与第四区域12a的杨氏模量相互不同的情况下的杨氏模量的大小的分布的又一例子的图，是相当于图2(D)的图。如图6所示，在本例中，第四区域12a的杨氏模量比第三区域11c的杨氏模量小。此外，双包覆层光纤65、多模光纤66的杨氏模量的大小的分布也可以设定为这样的分布。为了形成这样的杨氏模量的大小的分布，例如，与第三区域11c的杨氏模量和第四区域12a的杨氏模量相同的情况相比，只要在第四区域12a大量添加减小杨氏模量的掺杂剂即可。第三区域11c与第二区域11b相比，杨氏模量较小，因此能够集中声波，但这样第四区域12a的杨氏模量比第三区域11c的杨氏模量小，由此能够使声波更加远离第二区域11b，能够减小第二区域11b的受激布里渊散射的影响。
另外，在本发明的光纤中，可以使比第四区域12a更靠外周侧的包覆层的杨氏模量与第四区域12a的杨氏模量相同，或者，也可以使第四区域12a的杨氏模量与比第四区域更靠外周侧的包覆层的杨氏模量相同。但是，为了能够抑制声波分散传递至比包覆层的第四区域12a更靠外周侧的区域，并使声波被第四区域12a进一步集中，优选如上述实施方式那样，比第四区域12a更靠外周侧的包覆层的杨氏模量比第四区域12a的杨氏模量大。
另外，在增幅用光纤10、双包覆层光纤65、多模光纤66中，第一区域11a的杨氏模量与第二区域11b的杨氏模量也可以相互不同。
另外，在增幅用光纤10中，在第一区域11a以及第二区域11b添加活性元素，而未在第三区域11c添加活性元素，但本发明并不局限于此。图7是表示在增幅用光纤10的第三区域11c添加有活性元素的情况下的活性元素的浓度分布的图。如图7所示，也可以在第三区域11c添加活性元素。在该情况下，优选添加至第三区域11c的活性元素的浓度至少比添加至第二区域11b的活性元素的浓度小，更优选满足上述式(1)。例如，添加的活性元素Yb的浓度在第一区域11a以及第二区域11b为16×1025(个/m3)，在第三区域11c为8×1025(个/m3)。
另外，在上述实施方式中，芯11的折射率在径向上是恒定的，但本发明并不局限于此，也可以是第一区域11a、第二区域11b以及第三区域11c中的至少一个与其他区域的折射率不同。例如，第三区域11c的折射率也可以比第一区域11a以及第二区域11b的折射率高。在该情况下，由添加了规定浓度的锗的石英构成第一区域11a以及第二区域11b，由添加了浓度比第一区域11a以及第二区域11b高的锗的石英构成第三区域11c即可。在这样的方式中，不需要一同添加用于使第三区域11c的折射率与第一区域11a、第二区域11b的折射率相同的掺杂剂，因此光纤的制造变容易。或者，也可以使第三区域11c的折射率比第一区域11a以及第二区域11b的折射率低，且比作为芯11的一部分而发挥功能的包覆层12的折射率高。在该情况下，也可以在第三区域11c的杨氏模量比第二区域11b的杨氏模量小的范围内，减少按照上述实施方式添加至第三区域11c的锗的量，或者按照上述实施方式添加至第三区域11c的氟的量。
此外，在上述实施方式中，包覆层12的折射率在径向上是恒定的，但比第四区域12a更靠外周侧的区域的折射率与第四区域12a的折射率可以不同。例如，在第四区域12a的外周侧的区域由未添加任何掺杂剂的纯石英构成的情况下，在第四区域12a添加能够减小杨氏模量且能够减小折射率的掺杂剂，从而能够使第四区域12a的折射率比第四区域的外周侧的折射率低。另外，也可以在第四区域12a一同添加减小杨氏模量且降低折射率的掺杂剂、和减小杨氏模量且提高折射率的掺杂剂，在第四区域12a作为包覆层而发挥功能的范围内，使第四区域12a的折射率比第四区域12a的外周侧的区域的折射率高。
另外，上述的实施方式的增幅用光纤10是在包覆层12内仅配置有芯11的构造，但本发明并不局限于此。例如，也可以在增幅用光纤10的包覆层12内设置有一对应力施加部。图8是表示这样的增幅用光纤10的变形例的图。此外，对上述实施方式相同或等同的结构要素标注相同的附图标记，除特别说明情况之外省略重复的说明。
在图8中，增幅用光纤15在夹着芯11的一对应力施加部18设置于包覆层12内这点上与第一实施方式的增幅用光纤10不同。即，本变形例的增幅用光纤15是保偏光纤(PANDAfiber)。例如，如上述那样，在芯11的直径为30μm，芯11与包覆层12的相对折射率差为0.15％的情况下，对各个应力施加部18而言，例如直径为35μm，与包覆层12的相对折射率差为-1％，距芯11的外周面空开5μm的间隔而设置。作为构成应力施加部18的材料，例如能够举出添加硼(B)作为掺杂剂的石英。通过设置这样的应力施加部18能够传播单一偏振光。这样的增幅用光纤15能够使输入芯11的光与从芯11射出的光的偏振消光比为20dB左右。
通过射出该单一偏振光，从而与射出非单一偏振的光的情况相比，能够与射出的光高效地进行波长转换。例如，在图3的光纤增幅器1中，在代替增幅用光纤10而使用增幅用光纤15的情况下，在波长转换元件50能够高效地进行波长转换。另外，在图4所示的共振器中，代替增幅用光纤10而使用增幅用光纤15，在双包覆层光纤65、多模光纤66的包覆层配置相同的应力施加部，由此也能够获得在波长转换元件50高效地进行波长转换后的光。
工业上的可利用性
如上所述，根据本发明，提供即便在芯的直径较大的情况下也能够射出光束品质良好的光的光纤以及使用该光纤的光纤激光装置，并能够期待在加工用的光纤激光装置等中的利用。
附图标记说明：
1、2...光纤激光装置；10...增幅用光纤；11...芯；11a...第一区域；11b...第二区域；11c...第三区域；12...包覆层；12a...第四区域；13...外部包覆层；14...覆盖层；15...增幅用光纤；18...应力施加部；20...种子光源；25...单模光纤；30...激发光源；31...激光二极管；35...多模光纤；40...光合成器；50...波长转换元件；65...双包覆层光纤；66...多模光纤。

Claims (16)

1.一种光纤，其具有芯和包围所述芯且折射率比所述芯的折射率低的包覆层，并至少以LP01模式以及LP02模式传播规定波长的光，
所述光纤的特征在于，
在所述LP02模式的光的强度大于所述LP01模式的光的强度的区域中的、相比所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域靠外周侧的所述芯的区域的至少一部分的杨氏模量，比所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
在所述LP02模式的光的强度大于所述LP01模式的光的强度的区域中的、相比所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域靠外周侧的所述芯的全部区域的杨氏模量，比所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述芯的折射率在径向上恒定。
4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述包覆层中的传播所述规定波长的光的波导区域的至少一部分的杨氏模量，比所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小。
5.根据权利要求4所述的光纤，其特征在于，
所述包覆层中的全部所述波导区域的杨氏模量，比所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小。
6.根据权利要求5所述的光纤，其特征在于，
在所述LP02模式的光的强度大于所述LP01模式的光的强度的区域中的、相比所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域靠外周侧的所述芯的区域的至少一部分的杨氏模量，比所述包覆层中的所述波导区域的杨氏模量小。
7.根据权利要求4所述的光纤，其特征在于，
所述包覆层的折射率在径向上恒定。
8.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
在杨氏模量形成为比所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小的区域，一同添加提高折射率并减小杨氏模量的掺杂剂、和降低折射率并减小杨氏模量的掺杂剂。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的光纤，其特征在于，
在所述芯的至少一部分，添加受激发射所述规定波长的光的活性元素。
10.根据权利要求9所述的光纤，其特征在于，
在所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域的至少一部分，添加浓度高于杨氏模量形成为比所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小的所述芯的区域的所述活性元素。
11.根据权利要求10所述的光纤，其特征在于，
在杨氏模量形成为比所述LP01模式的光的强度大于所述LP02模式的光的强度的区域的杨氏模量小的所述芯的区域，不添加所述活性元素。
12.根据权利要求9所述的光纤，其特征在于，
在所述包覆层内，设置有一对夹着所述芯的应力施加部。
13.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于，
在所述包覆层内，设置有一对夹着所述芯的应力施加部。
14.一种光纤激光装置，其特征在于，具备：
权利要求9所述的光纤；
种子光源，其射出射入所述芯的所述规定波长的种子光；以及
激发光源，其射出激发所述活性元素的激发光。
15.根据权利要求14所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述种子光仅激振所述光纤的轴对称的模式。
16.一种光纤激光装置，其特征在于，具备：
权利要求9所述的光纤；
激发光源，其射出激发所述活性元素的激发光；
第一FBG，其设置于所述光纤的一侧，并对被所述激发光激发后的所述活性元素所释放的光中的所述规定波长的光进行反射；以及
第二FBG，其设置于所述光纤的另一侧，并以比所述第一FBG低的反射率对波长与所述第一FBG所反射的光相同的光进行反射。
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