CN105849987B - 激光器装置以及光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

一种激光器装置，具备：多个多模半导体激光器，以多种模式输出激光；光合波器，对该激光进行合波后输出；多模光纤，连接多个多模半导体激光器与光合波器连接，且具备纤芯部、形成于该纤芯部的外周的包层部以及覆盖该包层部的外周的涂覆部；第1弯曲部，形成于所述多模光纤中，以规定的弯曲长度和规定的第1弯曲半径进行了弯曲；散热部，在第1弯曲部中形成于涂覆部的外侧，释放该光纤的热；和第2弯曲部，形成于第1弯曲部与光合波器之间的多模光纤中，是以规定的第2弯曲半径弯曲的，通过散热部的散热，抑制第2弯曲部中的温度上升。由此，提供一种可靠性高且能实现小型化的激光器装置。

Description

激光器装置以及光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光器装置以及光纤激光器。
背景技术
近几年，各种高输出的激光器装置得到了广泛应用。特别是，作为高输出的激光器装置，正在关注以在纤芯部添加了稀土族元素的光纤作为放大介质的光纤激光器，将其用于金属的加工等中。在这样的高输出的激光器装置中，向光纤输入超过10W的高强度的激光。
在此，存在以下的问题：若向光纤输入高强度的激光，则有时会在光纤的弯曲部发生光纤的加热、损伤。这是因为，在光纤中传播的光在光纤的弯曲部，作为弯曲损耗而泄漏到光纤的涂覆部，吸收了该漏光的涂覆部被加热，进而发生损伤。认为这样的因弯曲损耗引起的光纤的加热、损伤是因输入到光纤的光之中在与光纤的包层部耦合的包层模下传播的光而产生。因此，公开了减少在包层模下传播的光的技术(例如，参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2010-2608号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，发明人发现即使减少了在包层模下传播的光，有时也会在光纤的弯曲部中发生加热、损伤。
本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于，提供一种可靠性高且可实现小型化的激光器装置以及光纤激光器。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题而达成目的，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，具备：多个多模半导体激光器，以多种模式输出激光；光合波器，对多个所述激光进行合波后输出；多模光纤，连接多个所述多模半导体激光器与所述光合波器，该多模光纤具备纤芯部、形成于所述纤芯部的外周的包层部以及覆盖所述包层部的外周的涂覆部；第1弯曲部，形成于所述多模光纤中，以规定的弯曲长度和规定的第1弯曲半径进行了弯曲；散热部，在所述第1弯曲部中形成于所述涂覆部的外侧，且释放所述多模光纤的热；和第2弯曲部，形成于所述第1弯曲部与所述光合波器之间的所述多模光纤中，是以规定的第2弯曲半径弯曲的，通过所述散热部的散热，抑制所述第2弯曲部中的温度上升。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述第2弯曲部中的温度上升的抑制量是10℃以上。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，温度上升相对于所述第2弯曲半径的变化的变化比例在以该第2弯曲半径为中心值的5mm的范围内被抑制到30℃/5mm以下。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，温度上升相对于所述第2弯曲半径的变化的变化比例在以该第2弯曲半径为中心值的5mm的范围内被抑制到10℃/5mm以下。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，温度上升相对于所述第2弯曲半径的变化的变化比例在以该第2弯曲半径为中心值的5mm的范围内残留2℃/5mm以上。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，若将所述多模光纤的比所述第1弯曲部更靠近所述多模半导体激光器侧的部分的最小弯曲半径设为R0，将所述第1弯曲半径设为R1，将所述第2弯曲半径设为R2，则R1≤R2＜R0成立。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述弯曲长度为π×所述第1弯曲半径以上。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述第1弯曲部中的光损耗为0.2dB以下。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述第2弯曲半径是根据所述多模光纤的规格确定的容许弯曲半径。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，具备：多个多模半导体激光器，以多种模式输出激光；光合波器，对多个所述激光进行合波后输出；多模光纤，连接多个所述多模半导体激光器与所述光合波器，该多模光纤具备纤芯部、形成于所述纤芯部的外周的包层部以及覆盖所述包层部的外周的涂覆部；第1弯曲部，形成于所述多模光纤中，以规定的弯曲长度和规定的第1弯曲半径进行了弯曲；散热部，在所述第1弯曲部中形成于所述涂覆部的外侧，释放所述多模光纤的热；和第2弯曲部，形成于所述第1弯曲部与所述光合波器之间的所述多模光纤中，是以规定的第2弯曲半径弯曲的，若将所述多模光纤的比所述第1弯曲部更靠近所述多模半导体激光器侧的部分的最小弯曲半径设为R0，将所述第1弯曲半径设为R1，将所述第2弯曲半径设为R2，则R1-5mm≤R2且R1＜R0成立，R0、R1、R2的单位是mm。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，R1≤R2且R1＜R0成立。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，R1≤R2＜R0成立。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述第1弯曲半径为50mm以下。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述弯曲长度为πR1以上。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，在所述第1弯曲部中，在从所述多模半导体激光器输入到所述多模光纤的光之中，去除在所述纤芯部中传播的高次纤芯模的光。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述第1弯曲部中的光损耗为0.2dB以下。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，在所述第2弯曲部中，抑制因在所述多模光纤中传播的光的弯曲损耗引起的所述涂覆部的加热或损伤。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述第2弯曲半径是根据所述多模光纤的规格确定的容许弯曲半径。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述涂覆部的折射率比所述包层部的折射率高。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，多个所述多模半导体激光器之中的1个以上的多模半导体激光器所输出的所述激光的光强度为10W以上。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述光合波器具有光纤带(optical fiber band)构造。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述散热部具备在所述涂覆部的外周形成的散热材、和经由所述散热材与所述多模光纤相接的散热体。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述散热材使用树脂，所述散热材的折射率比所述涂覆部的折射率高。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述散热材包含硅酮系的导热性化合物。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述散热体是具有导热性的板状构件，所述第1弯曲部配置在形成于板状的所述散热体的圆形槽中。
此外，本发明的一个方式涉及的激光器装置的特征在于，在上述发明中，所述散热体是具有导热性的圆筒状构件，所述第1弯曲部卷绕在所述圆筒的外周。
此外，本发明的一个方式涉及的光纤激光器具备：上述发明的激光器装置；放大用光纤，输入所述激光器装置的输出光；和光反射器，配置在所述放大用光纤的两端侧，且构成根据所述放大用光纤所产生的光使激光进行激光振荡的光谐振器。
发明效果
根据本发明，能够提供可靠性高且可实现小型化的激光器装置以及光纤激光器。
附图说明
图1是从侧面侧观察本发明的实施方式涉及的激光器装置的示意性结构图。
图2是图1所示的激光器装置的激励激光器部的示意性结构图。
图3是图2所示的激励激光器部的散热部的示意性结构图。
图4是表示图1所示的激光器装置的结构的示意图。
图5是表示对多模光纤(multi-mode fiber)的弯曲半径与温度上升之间的关系进行测定的实验系统的结构的示意图。
图6是表示在第1弯曲部中不使多模光纤弯曲时的涂敷长度与多模光纤的温度上升值之间的关系的图。
图7是表示涂敷长度为30mm时的多模光纤的第1弯曲半径R1与多模光纤的温度上升值之间的关系的图。
图8是表示多模光纤的第1弯曲半径R1为25mm或30mm时的弯曲长度与多模光纤的温度上升值之间的关系的图。
图9是表示有第1弯曲部的情况和没有第1弯曲部的情况下多模光纤的第2弯曲半径R2与多模光纤的温度之间的关系的图。
图10是表示NA为0.15的多模光纤的激光器输出的不同对光纤温度上升值带来的影响的图。
图11是表示NA为0.22的多模光纤的激光器输出的不同对光纤温度上升值带来的影响的图。
图12是表示NA为0.15时相对于第2弯曲半径R2的光纤温度上升值的图。
图13是表示NA为0.22时相对于第2弯曲半径R2的光纤温度上升值的图。
图14是表示多模光纤中的光的传播形式的说明图。
图15是变形例涉及的激励激光器部的散热部的示意性结构图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明涉及的激光器装置以及光纤激光器的实施方式。另外，并不是通过本实施方式来限定本发明。此外，在附图的记载中，对相同或对应的要素适当附加同一符号。此外，附图是示意性的，需要留意有时各要素的尺寸的关系、各要素的比率等不同于实际情况。在附图彼此之间也有时包含尺寸的关系、比率相互不同的部分。
(实施方式)
首先，说明作为本发明的实施方式涉及的光纤激光器的激光器装置。图1是从侧面侧观察本发明的实施方式涉及的激光器装置的示意性结构图。如图1所示，激光器装置100具备：基板10；配置于基板10的背面的激励激光器部20；与激励激光器部20连接的多模光纤30；配置于基板10的表面且与多模光纤30连接的光合波器40；和配置于基板10的表面且被依次连接的双包层光纤50、稀土族添加光纤60、双包层光纤70、熔合连接部80、单模光纤90。
基板10通过在其两面固定各种元件，从而能够比仅在单面固定各种元件的激光器装置100更加小型化。此外，基板10虽然可以是铝等各种金属板，但并不限于此。基板10也可以与用于容纳激光器装置100的未图示的框体一体构成。此外，对于基板10来说，为了抑制激光器装置100内的温度上升，优选具有导热性，更优选由铝(Al)等导热性高的材质构成。此外，基板10可以是具备使冷却水在内部循环的循环路径的水冷结构，也可以是具备送风路径(管道)的强制气冷结构，其中，送风路径形成为从侧面的某个部位贯通到该侧面或其他侧面的另一部位，且在其内壁具有翼。
激励激光器部20具备多个多模半导体激光器(multi-mode semicond uctorlaser)，被固定于基板10的背面且以多个模式(多个横模)输出激光。图2是图1所示的激光器装置的激励激光器部的示意性结构图。如图2所示，激励激光器部20具备12个多模半导体激光器21-1～12，各个多模半导体激光器21-1～12被固定在基板10上。各个多模半导体激光器21-1～12的输出光强度可以是10W以上。进一步地，各个多模半导体激光器21-1～12的输出光强度可以是更高的强度，例如，可以是20W以上或50W以上。另外，多模半导体激光器的数目例如是12个，但也可以是6个或18个等，能够适当选择数目。
多模光纤30具有12根多模光纤30-1～12，各个多模光纤30-1～12分别将多模半导体激光器21-1～12与光合波器40连接。
各个多模光纤30-1～12是具备纤芯部、形成于纤芯部的外周的包层部以及覆盖包层部外周的涂覆部的多模光纤。涂覆部的折射率例如被设定成比包层部的折射率高。
此外，将根据多模光纤30-1～12的规格确定的容许弯曲半径设为Rmin。该容许弯曲半径Rmin是配置光纤时的光损耗充分少的最小的弯曲半径，是由光纤的制造者等针对规定波长确定的值。容许弯曲半径Rmin有各种定义，例如，可将容许弯曲半径Rmin定义为如下的弯曲半径：以弯曲半径Rmin将光纤卷绕10次时，规定波长的光的弯曲损耗在0.5dB以下。此外，各个多模光纤30-1～12的NA(Numerical Aperture，数值孔径)例如可以是0.15或0.22。
如图2所示，在基板10上捆成束而固定多个(例如各3根)与各个多模半导体激光器21-1～12连接的多模光纤30-1～12。但是，在此，各个多模光纤30-1～12只不过是按每个涂覆部被捆成束，在光学结构上并没有相互耦合。此外，多模光纤30-1～12不限于以被捆成束的状态固定于基板10上，也可以单独固定于基板10。接着，按照以下方式将12根多模光纤30-1～12捆成束：多模光纤30-1～3经由光去除部30a-1，多模光纤30-4～6经由光去除部30a-2，多模光纤30-7～9经由光去除部30a-3，多模光纤30-10～12经由光去除部30a-4。但是，在此，各个多模光纤30-1～12也只是按每个涂覆部被捆成束，在光学结构上并没有相互耦合。
如图2所示，光去除部30a-1～4形成在各个多模光纤30-1～12中，具备以规定的弯曲长度和规定的第1弯曲半径R1进行了弯曲的第1弯曲部30aa-1～4。在图2中，多模光纤30-1～12中弯曲成圆形的部分是第1弯曲部30aa-1～4。各光去除部30a-1～4的弯曲长度以及第1弯曲半径R1可以相同，但也可以是互不相同的值，例如，可以配合输入到多模光纤30-1～12的光强度来进行调整。
第1弯曲部30aa-1～4的弯曲长度例如可以为πR1以上，更优选可以为2πR1以上。对于第1弯曲部30aa-1～4的弯曲长度来说，在图2中，在多模光纤30-1～12将第1弯曲部30aa-1～4绕半圈的情况下，第1弯曲部30aa-1～4的弯曲长度是πR1，在多模光纤30-1～12将第1弯曲部30aa-1～4绕1.5圈的情况下，第1弯曲部30aa-1～4的弯曲长度是3πR1。但是，通过适当变更多模光纤30-1～12以及第1弯曲部30aa-1～4的配置，能够将弯曲长度设定成例如2πR1等任意的值。第1弯曲半径R1例如可以在50mm以下，更优选是在25mm以下。此外，通过适当地设定弯曲长度以及第1弯曲半径R1，各第1弯曲部30aa-1～4中的光损耗例如可以被设为0.2dB以下，更优选被设为0.1dB以下。
进一步地，光去除部30a-1～4具备形成于第1弯曲部30aa-1～4的多模光纤30-1～12的涂覆部的外侧且释放多模光纤30-1～12的热的散热部。并且，散热部具备：形成于多模光纤30-1～12的涂覆部的外周的散热材；和经由散热材与多模光纤30-1～12相接的散热体。图3是图2所示的激励激光器部的散热部的示意性结构图。图3对应于图2的A-A线剖视图。如图3所示，在散热部11的散热体11a中设置槽11aa。如图2所示的光去除部30a-1～4那样，该槽11aa形成为半径约为第1弯曲半径R1的圆形。并且，在槽11aa的内部配置有多模光纤30-1～3。进一步地，通过散热材11b在槽11aa的内部固定多模光纤30-1～3。例如，散热体11a与具有导热性的板状构件即基板10一体地构成，在该槽内配置多模光纤30-1～3。此时，多模光纤30-1～3发出的热经由散热材11b而释放到散热体11a。另外，在本实施方式中，光去除部30a-1～4全都具有图3所示的结构的散热部11，散热部的结构可以在光去除部30a-1～4中互不相同。
散热部11的散热材11b使用树脂，而散热材11b的折射率比多模光纤30-1～12的涂覆部的折射率高。由此，涂覆部高效地吸收从多模光纤30-1～12的纤芯部泄漏的光。此外，散热材11b例如可以是包含硅酮系的导热性化合物的材料。进一步地，散热材11b可以是导热系数为0.5W/m·K以上的材料。此时，因涂覆部的光吸收引起的热被高效地传递到散热体11a，使得多模光纤30-1～12的加热以及损伤得到抑制。此外，优选散热材11b对多模半导体激光器21-1～12输出的激光的吸收系数小。由此，因散热材11b的光吸收引起的温度上升得到抑制，多模光纤30-1～12的加热以及损伤进一步得到抑制。
散热部11的散热体11a可以是铝等金属，但只要是具有导热性的材料即可，无特别限定。此外，散热体11a可以与基板10一体地构成，也可以是单独构成散热体11a与基板10且将散热体11a固定于基板10上的结构。
接着，如图1所示，具有12根多模光纤30-1～12的多模光纤30配置在激励激光器部20与光合波器40之间，且具备以规定的第2弯曲半径R2将多模光纤30弯曲的第2弯曲部30b。在利用多模光纤30连接基板10背面的激励激光器部20与基板10表面的激光器振荡部LO之间时，形成第2弯曲部。这样，通过在基板10的两个面固定各种元件，能够使激光器装置100实现小型化。第2弯曲半径R2例如可以在50mm以下，更优选在25mm以下。此外，第2弯曲半径R2可以是容许弯曲半径Rmin。在此，将各多模光纤30-1～12的比第1弯曲部30aa-1～4更靠近多模半导体激光器21-1～12侧的部分的最小弯曲半径设为R0，且与第1弯曲半径R1、第2弯曲半径R2进行比较时，R1≤R2且R1＜R0的关系成立，对此将在后面详述。另外，虽然图2所示的R0是相对于多模光纤30-1而画出的，但是对于各多模光纤30-1～12可同样定义R0。
光合波器40将从多模光纤30-1～12输入的多个激光合波后输出。对于光合波器40来说，只要是具备对输入光进行合波的功能即可，没有特别限定，但是例如可以是将12根多模光纤30-1～12捆成束的构造的光纤带构成。
图4是表示图1所示的激光器装置的结构的示意图。图中“×”表示光纤的熔合连接点。如图4所示，双包层光纤50以及70是形成有FBG(Fiber Bragg Grating)50a以及70a的双包层光纤。此外，稀土族添加光纤60是放大用光纤，且是在纤芯中添加了稀土族元素的双包层光纤。并且，FBG50a以及70a构成光谐振器，与稀土族添加光纤60一起构成激光器振荡部LO。
另外，添加到稀土族添加光纤60的纤芯中的稀土族元素例如是铒(Er)、镱(Yb)等，但只要是具有光放大作用的元素即可，没有特别限定。此外，多模半导体激光器21-1～12输出的激光的波长被设定成可对添加到稀土族添加光纤60的纤芯中的稀土族元素进行光激励的波长，在稀土族元素为Yb的情况下，激光的波长例如是915nm。此外，FBG50a以及70a具有如下的特性：以规定的反射率，选择性地反射应在激光器振荡部LO中产生激光振荡的波长。
双包层光纤70通过熔合连接部80而与单模光纤90熔合连接。并且，从单模光纤90的一端，射出作为激光器装置100的最终输出的激光。
接着，说明本实施方式涉及的激光器装置100的动作。首先，从外部施加了电流的激励激光器部20的多模半导体激光器21-1～12以多横模方式输出激光。从多模半导体激光器21-1～12输出的激光被输入到多模光纤30-1～12。在此，在激光器装置100中形成有光去除部30a-1～4。并且，在光去除部30a-1～4中，第1弯曲部30aa-1～4中的多模光纤30-1～12以第1弯曲半径R1被弯曲。于是，在多模光纤30-1～12中传播的光之中，因多模光纤30-1～12的弯曲而容易泄漏的成分会泄漏到涂覆部。涂覆部吸收泄漏的光的一部分，被吸收的光变成热。通过光去除部30a-1～4的散热部11来释放该热，使得光去除部30a-1～4中的多模光纤30-1～12的加热得到抑制。
接着，在具有12根多模光纤30-1～12的多模光纤30中传播的光通过第2弯曲部30b。在此，借助光去除部30a-1～4，在多模光纤30中传播的光之中因多模光纤30的弯曲而容易泄漏的成分的光强度已经被降低。此时，由于R1≤R2的关系成立，所以在多模光纤30的第2弯曲部30b中泄漏到涂覆部的光被充分抑制。由此，第2弯曲部30b中的多模光纤30的加热或损伤得到抑制。
然后，对于在多模光纤30中传播的光，借助光合波器40对其进行合波后输入到双包层光纤50。然后，将输入到双包层光纤50中的光作为激励光，稀土族添加光纤60和FBG50a以及70a所构成的激光器振荡部LO使激光振荡，从双包层光纤70输出振荡的激光。另外，振荡的激光的波长是包含在对稀土族添加光纤60的纤芯添加的稀土族元素的发光波段中的波长。例如，在稀土族元素为Yb的情况下，振荡的激光的波长例如是1.08μm。双包层光纤70的输出光经由熔合连接部80后被输入到单模光纤90，并从单模光纤90的一端作为最终的激光器装置100的输出而射出。
这样，激光器装置100通过配置在多模半导体激光器21-1～12与第2弯曲部30b之间的光去除部30a-1～4，降低了在第2弯曲部30b的多模光纤30中传播的光之中因多模光纤30的弯曲而容易泄漏的成分的光强度。此时，由于R1≤R2的关系成立，所以在第2弯曲部30b中泄漏到涂覆部的光被充分抑制。由此，多模光纤30的第2弯曲部30b中的加热或损伤得到抑制，因而能够成为可靠性高的激光器装置。此外，在未设置光去除部的情况下，若以第2弯曲半径R2配置多模光纤30，则恐怕多模光纤30会被加热或受损伤。但是，在本实施方式涉及的激光器装置100中，由于借助光去除部30a-1～4而减少了在多模光纤30中传播的光之中因多模光纤30的弯曲而容易泄漏的成分的光，所以能够以第2弯曲半径R2配置多模光纤30。由此，增加了激光器装置100的多模光纤的配置的自由度，例如能够将各种元件配置于基板10的两面。因此，激光器装置100能够成为小型化的激光器装置。
进一步地，若将多模光纤30-1～12的比第1弯曲部30aa-1～4更靠近多模半导体激光器21-1～12侧的部分的最小弯曲半径设为R0，则R1＜R0成立。由此，即使在多模光纤30-1～12的比第1弯曲部30aa-1～4更靠近多模半导体激光器21-1～12侧的部位存在弯曲部分，在该弯曲部分处，不会出现与光去除部30a-1～4相当的光的泄漏。因此，防止了该弯曲部位处的多模光纤30-1～12的加热、损伤，同时更靠地发挥了光去除部30a-1～4的效果。
以下，更详细地说明第1弯曲半径R1与第2弯曲半径R2之间的关系、第1弯曲半径R1与多模光纤30-1～12的比第1弯曲部30aa-1～4更靠近多模半导体激光器21-1～12侧的部分的最小弯曲半径R0之间的关系。
首先，如上所述，以往提出了通过去除以包层模在双包层光纤中传播的光，由此抑制双包层光纤的加热以及损伤的技术。
但是，本发明的发明人发现了以下问题：在输入到多模光纤中的光强度例如超过10W这样的高输出时，即使去除了以包层模传播的光，有时也会发生多模光纤的加热或损伤。因此，本发明的发明人利用如下方式研究了解决该问题的手段，由此想到了本发明。
首先，说明本发明的发明人进行实验的实验系统。图5是表示对多模光纤的弯曲半径与温度上升之间的关系进行测定的实验系统的结构的示意图。如图5所示，该实验系统具备：多模半导体激光器101、多模光纤102和功率表103。进一步地，该实验系统具备：光去除部102a，其具有形成于多模光纤102中且以规定的弯曲长度和规定的第1弯曲半径R1进行了弯曲的第1弯曲部102aa、和形成于多模光纤102的涂覆部的外侧且释放多模光纤102的热的散热部；和第2弯曲部102b，以第2弯曲半径R2弯曲了多模光纤102。另外，多模光纤102的涂覆部的折射率比包层部的折射率高。此外，作为散热部的散热材，使用硅酮系的导热性化合物。
首先，在该实验系统中，设置成弯曲长度和第1弯曲半径R1可变。此时，弯曲长度、和在多模光纤102上涂覆散热材的长度、即涂敷长度相同。接着，在该实验系统中，第2弯曲半径R2被固定成25mm。此时，对于未输入来自多模半导体激光器101的激光时的第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度、和输入了激光时的第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度进行比较，在输入了激光的情况下测定第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升了多少。另外，进行控制，使得来自多模半导体激光器101的激光输出为25W。此外，利用热摄像机来测量第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度。以下，多模光纤102的温度上升值是指，从输入了激光时的第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度中减去未输入激光时的第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度而得到的值。
首先，针对在第1弯曲部102aa中不弯曲多模光纤102而是将其设为直线且仅改变涂敷长度的情况进行测定。图6是表示在第1弯曲部102aa中不弯曲多模光纤的情况下涂敷长度与多模光纤的温度上升值之间的关系图。如图6所示，即使改变涂敷长度，第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升值也不发生变化。
在此，涂覆部的折射率比包层部的折射率高，所以包层模的光泄漏到涂覆部。由于在涂覆部的表面涂敷了散热材，因而这样的泄漏到涂覆部的模式的光会泄漏到涂覆部外，在散热材内部被转换成热而被释放。因此，在因包层模的光引起泄漏的情况下，应当是涂敷长度越长，则第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升值就越少。然而，如图6的结果所示，第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升值与涂敷长度无关，大致是固定的。该结果启示：在多模光纤102中传播的光之中，以包层模传播的光以外的光对2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升有贡献。
接着，针对将弯曲长度固定成30mm且改变第1弯曲半径R1的情况进行测定。图7是表示涂敷长度为30mm时的多模光纤的第1弯曲半径R1与多模光纤的温度上升值之间的关系的图。如图7所示，随着第1弯曲半径R1接近第2弯曲半径R2(25mm)，第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升值急剧变小。这意味着：若第1弯曲半径R1和第2弯曲半径R2是充分接近的值，则在第1弯曲部102aa中，在多模光纤102中传播的光之中对第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升有贡献的光被充分减少。
然后，针对在第1弯曲半径R1是与第2弯曲半径R2(25mm)相等的25mm、以及与第2弯曲半径R2充分接近的30mm的情况下，改变弯曲长度的情况进行了测定。图8是表示多模光纤的第1弯曲半径R1为25mm或30mm时弯曲长度与多模光纤的温度上升值之间的关系的图。
如图8所示，在第1弯曲半径R1充分接近第2弯曲半径R2的情况下，随着增大弯曲长度，第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升值变小。在此，在第1弯曲半径R1[mm]与第2弯曲半径R2[mm]之间满足R1-5[mm]≤R2这样的关系的情况下，认为第1弯曲半径R1充分接近第2弯曲半径R2。进一步地，可知：相比第1弯曲半径R1为30mm的情况，第1弯曲半径R1为25mm时的抑制第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升的效果更好。即，在第1弯曲半径R1与第2弯曲半径R2之间满足R1≤R2这样的关系的情况下，抑制多模光纤102的温度上升的效果更好。
此外，如图8所示，随着增大弯曲长度，第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升值变小，所以增加第1弯曲部102aa中的卷绕数的方法更能提高抑制多模光纤102的温度上升的效果。虽然将第1弯曲部102aa中的多模光纤102的卷绕数设为半圈(弯曲长度为πR1)以上就能得到充分的效果，但是若将卷绕数设为1圈(弯曲长度为2πR1)以上，则能够进一步提高效果。另外，更优选将第1弯曲部102aa中的多模光纤102的卷绕数设为2圈(弯曲长度为4πR1)以上。
接着，在有第1弯曲部102aa的情况和没有第1弯曲部102aa的情况下，将第2弯曲半径R2从60mm减少到25mm的同时，测定了第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度。图9是表示有第1弯曲部102aa的情况和没有第1弯曲部102aa的情况下的多模光纤的第2弯曲半径R2与多模光纤的温度之间的关系的图。在此，有第1弯曲部102aa的情况是指，将第1弯曲半径R1设定为25mm、将涂敷长度设定为157mm的情况。此外，在本实施例中，没有第1弯曲部102aa的情况是指，虽然涂敷长度为157mm，但在第1弯曲部102aa中不弯曲多模光纤102而是将其设为直线。
如图9所示，在有第1弯曲部102aa的情况下，在使第2弯曲半径R2从60mm减少到25mm的情况下观测了多模光纤102的温度上升，温度为55℃左右，处于容许范围内。另一方面，在没有第1弯曲部102aa的情况下，仅将第2弯曲半径R2从60mm减少到40mm，多模光纤102的温度就上升到了50℃。
另外，在NA为0.15时的实验中，针对没有第1弯曲部的情况，在与其对应的位置处涂敷了作为散热材的硅酮系导热化合物，但如参照图6所说明的上述实验结果那样，在没有第1弯曲部的情况下，实际上并没有确认到因该化合物的有无而引起的相对于光纤温度上升值的差异。因此，在以下所说明的NA为0.22的实验中，不进行该化合物的涂敷。
接着，验证多模光纤102的NA对第1弯曲部102aa的有无造成什么样的影响。图10是表示NA为0.15的多模光纤102中的激光器输出的不同对光纤温度上升值带来的影响的图。图11是表示NA为0.22的多模光纤102中的激光器输出的不同对光纤温度上升值带来的影响的图。另外，在图10所示的验证实验中，不设置第1弯曲部，针对激光器输出不同的情况(15W，25W)，测定相对于第2弯曲半径R2变化的光纤的温度上升值。另一方面，在图11所示的验证实验中，比较因第1弯曲部102aa的有无引起的光纤温度上升值，设置第1弯曲部102aa的情况是指，将第1弯曲半径R1设为25mm且环绕1圈(约157mm)，且将第2弯曲部102b的半径R2设为25mm。
如图10所示，在NA为0.15的多模光纤102中，若没有第1弯曲部102aa，则即使在比较低的激光器输出下，相对于第2弯曲半径R2减少的温度上升也会变大。另一方面，如图11所示，在NA为0.22的多模光纤102中，即使在没有第1弯曲部102aa的情况下，与NA为0.15的情况相比，光纤的温度上升被抑制得较低。实际上，比较图10和图11可知，当激光器输出同样都在约15W附近，且不设置第1弯曲部102aa、将第2弯曲部设为25mm时，对于NA为0.15的情况来说，若没有第1弯曲部102aa则温度上升会变大到约20℃以上，但是对于NA为0.22的情况来说，即使没有第1弯曲部102aa，也不太会发生温度上升。
但是，即使是NA为0.22的多模光纤102，若不断提高激光器输出，则光纤温度上升的问题也会显露出来。如图11所示，在没有第1弯曲部102aa的情况下，伴随激光器输出的上升，光纤温度的上升变得陡峭。因此，在将激光器输出上升到例如100几十W的情况下，即使是NA为0.22的多模光纤102，也可预料到会发生显著的光纤温度上升。此外，图13的虚线“高输出时的推测线”是通过以下方式得到的：对NA为0.15的实验结果与NA为0.22的实验结果进行比较，使用NA为0.22的光纤，不设置第1弯曲部，推测激光器输出变成100几十W时的R2与光纤温度上升值之间的关系。从该推测线还可知：在激光器输出进一步变大的情况下，即使NA为0.22，也有可能发生光纤温度上升的问题。即使是使用这样的高输出的激光器，如图11所示那样，只要使用本实施方式涉及的第1弯曲部102aa，就能够抑制光纤温度的陡峭的上升。
在此，研讨不论多模光纤102的NA的差异如何都共通的第1弯曲部102aa的性质。图12以及图13分别是表示NA为0.15和0.22时相对于第2弯曲半径R2的光纤温度上升值的图。在图12以及图13所示的验证实验中，将第1弯曲部102aa的第1弯曲半径R1设为25mm，将弯曲长度设为1圈(约157mm)。此外，在图12所示的验证实验中，对NA为0.15的多模光纤102输入输出为约25W的激光，在图13所示的验证实验中，对NA为0.22的多模光纤102输入输出为约64W的激光。
如图12以及图13所示，相比NA为0.22的情况，在NA为0.15的情况下以该第2弯曲半径R2为中心值的5mm范围的光纤温度上升相对于第2弯曲部102b的第2弯曲半径R2的变化比例更大。并且，在NA为0.15时，以该第2弯曲半径R2为中心值的5mm的范围内的光纤温度上升相对于第2弯曲部102b的第2弯曲半径R2的变化比例的最大值为30℃/5mm。因此，即使是第2弯曲部102b的第2弯曲半径R2因外部干扰等原因而发生了变化的情况下，也能将该外部干扰引起的光纤温度上升的变化比例抑制到30℃/5mm以下。
进一步地，如图12以及图13所示，通过适当地选择第1弯曲半径R1以及第2弯曲半径R2，不论NA是0.15还是0.22，都能够将以该第2弯曲半径R2为中心值的5mm的范围内的光纤温度上升相对于第2弯曲部102b的第2弯曲半径R2的变化比例设为10℃/5mm。由此，只要使用第1弯曲部102aa，就能够实现光纤温度上升相对于第2弯曲部102b的第2弯曲半径R2变动的变化少、这样的可靠性高的激光器装置。
此外，如图12以及图13所示，通过适当选择第1弯曲半径R1以及第2弯曲半径R2，不论NA是0.15还是0.22，第2弯曲部102b中的光纤温度上升值的抑制量都是10℃以上。在此，光纤温度上升值的抑制量是指，在有第1弯曲部102aa的情况和没有第1弯曲部102aa的情况的比较中，多模光纤102的温度上升值之差。
另外，如图12以及图13所示，以该第2弯曲半径R2为中心值的5mm的范围内的光纤温度上升相对于第2弯曲部102b的第2弯曲半径R2的变化比例残留有2℃/5mm以上。在第2弯曲部102b中被去除的光是包层模的情况下，推测光纤温度上升几乎不存在，但是这样去除高次纤芯模的激光的情况下，如参照图12以及图13等可知，随着弯曲半径的选择，会残留一些温度上升(温度梯度)。但是，只要具备本实施方式涉及的第1弯曲部102aa，就能够通过使温度上升的残留量足够低，从而得到即使多少存在弯曲半径的变化也不易受其影响的激光器装置。
根据以上结果可知：通过将第1弯曲半径R1与第2弯曲半径R2之间的关系设为R1≤R2，能够充分抑制第2弯曲部102b中的多模光纤102的温度上升。另外，若在多模光纤102的比第1弯曲部102aa更靠近多模半导体激光器101的一侧，存在弯曲半径比第1弯曲半径R1小的部分，则由于该部分有可能被加热或受损伤，所以并不优选。此外，如果将多模光纤102的比第1弯曲部102aa更靠近多模半导体激光器101侧的部分的最小弯曲半径设为R0，将第1弯曲半径设为R1，将第2弯曲半径设为R2，那么通过使R1＜R0，可防止多模光纤102的比第1弯曲部102aa更靠近多模半导体激光器101侧的部分的加热、损伤。进一步地，通过使R1≤R2＜R0的关系成立，比R0≤R2的情况更能提高多模光纤102的迂回性，因而是更加优选的。
在此，根据上述的实验结果来考察多模光纤中的光的传播。图14是表示多模光纤中的光的传播形式的说明图。如图14所示，向具备纤芯部201、包层部202和涂覆部203的多模光纤，输入激光。这样，被输入的激光在多模光纤内的传播模式由耦合的角度来决定。首先，激光L1是与纤芯部201耦合的在纤芯部201中传播的纤芯模的光。另一方面，激光L2是与包层部202耦合的在包层部202中传播的包层模的光。到目前为止，认为在高强度的光入射到多模光纤的情况下，多模光纤被加热或受损的原因在于如激光L2这样以包层模传播的光。
但是，本发明的发明人的实验结果例如图6的结果示出：多模光纤被加热或受损的原因不仅仅是因为激光L2这样以包层模传播的光。因此，本发明的发明人根据上述的实验结果设想了：多模光纤被加热或受损的原因是激光L3这样的与纤芯部201耦合的纤芯模的光，属于高次纤芯模的光。高次纤芯模的光是弯曲损耗大且弯曲多模光纤时容易从纤芯部201泄漏的光。
激光L3这样的高次纤芯模的光被认为是：对于多模光纤，以越小的弯曲半径弯曲，则从纤芯部201就会泄漏次数越低的纤芯模的光。因此，通过在第1弯曲半径R1与第2弯曲半径R2之间的关系中使R1≤R2成立，从而能够利用光去除部有效地去除泄漏的高次纤芯模的光，并且通过在光去除部设置散热部，从而能够对去除后的光的能量有效地进行散热处理。此时，例如，想要在激光器装置的某一位置以容许弯曲半径Rmin来配置多模光纤的情况下，可以在多模光纤的、比以容许弯曲半径Rmin弯曲的部分更靠近输入侧(激励激光器侧)的位置处，以容许弯曲半径Rmin以下的弯曲半径弯曲多模光纤，且设置具备不会使多模光纤受损的散热部的光去除部。
如以上所说明的，本实施方式涉及的激光器装置100的特征在于，具备：光去除部，其具有将多模光纤以规定的第1弯曲半径弯曲成规定的弯曲长度的第1弯曲部、以及在第1弯曲部形成于涂覆部的外侧且释放多模光纤的热的散热部；和第2弯曲部，其配置于光去除部与光合波器之间，且以规定的第2弯曲半径弯曲多模光纤而成，若将多模光纤的比第1弯曲部更靠近多模半导体激光器侧的部分的最小弯曲半径设为R0，将第1弯曲半径设为R1，将第2弯曲半径设为R2，则R1≤R2且R1＜R0。
另外，在上述实施方式中，虽然将激光器装置100记载为在稀土族添加光纤60的前级配置有光合波器40的前方激励型的激光器装置，但本发明并不限于此，能够应用于将光合波器40配置于稀土族添加光纤60的后级的后方激励型的激光器装置、将光合波器40分别配置于稀土族添加光纤60的前级和后级的双向激励型的激光器装置，还能够应用于以下激光器装置：该激光器装置在激光器振荡部的后级配置光合波器40和稀土族添加光纤60作为用于对该激光器振荡部输出的激光进行放大的光纤放大器，且还具备输出各种高输出的激光的光源和输入该激光的多模光纤，其中，上述光源是具有设置了经多模光纤30与光合波器40相连的激励激光器部20的结构的MOPA类型等光源。
此外，在上述实施方式中，散热体是板状构件，第1弯曲部由形成于板状散热体中的圆形槽构成，但本发明并不限于此。图15是变形例涉及的激励激光器部的散热部的示意性结构图。如图15所示，也可以是以下构成：散热部311的散热体311a是圆筒状构件，第1弯曲部311aa由该圆筒的外周构成，多模光纤30-1卷绕在圆筒状的散热体311a的外周。进一步地，多模光纤30-1借助散热材311b而被固定于第1弯曲部311aa的外周。另外，在图15中，为了避免图的繁杂性，仅记载了1根多模光纤30-1，但也可以将其他多模光纤30-2、30-3卷绕在散热体311a的外周。此外，其他多模光纤30-4～12也可以被卷绕在其他圆筒状的散热体的外周。这样，第1弯曲部只要是能够使多模光纤弯曲的结构即可，其构造没有特别限定。
此外，并不是通过上述实施方式来限定本发明。对上述各结构要素适当组合而构成的方式也包含于本发明。此外，本领域的技术人员容易导出进一步的效果、变形例。由此，本发明的更广泛的形态并不限于上述的实施方式，可进行各种变更。
工业可利用性
如以上所述，本发明涉及的激光器装置以及光纤激光器在使用高输出的激光的用途中是有用的。
符号说明
10 基板
11，311 散热部
11a，311a 散热体
11aa 槽
11b，311b 散热材
20 激励激光器部
21-1～12，101 多模半导体激光器
30，30-1～12，102 多模光纤
30a-1～4，102a 光去除部
30aa-1～4，102aa，311aa 第1弯曲部
30b，102b 第2弯曲部
40 光合波器
50，70 双包层光纤
50a，70a FBG
60 稀土族添加光纤
80 熔合连接部
90 单模光纤
100 激光器装置
103 功率表
201 纤芯部
202 包层部
203 涂覆部
R1 第1弯曲半径
R2 第2弯曲半径
L1，L2，L3 激光
LO 激光器振荡部

Claims (30)

1.一种激光器装置，其特征在于，具备：
多个多模半导体激光器，以多种模式输出激光；
光合波器，对多个所述激光进行合波后输出；
多模光纤，连接多个所述多模半导体激光器与所述光合波器，该多模光纤具备纤芯部、形成于所述纤芯部的外周的包层部以及覆盖所述包层部的外周的涂覆部；
第1弯曲部，形成于所述多模光纤中，以规定的弯曲长度和规定的第1弯曲半径进行了弯曲；
散热部，在所述第1弯曲部中形成于所述涂覆部的外侧，且释放所述多模光纤的热；和
第2弯曲部，形成于所述第1弯曲部与所述光合波器之间的所述多模光纤中，是以规定的第2弯曲半径弯曲的，
利用所述第1弯曲部以及所述散热部，通过降低所述第2弯曲部处的多模光纤中传播的光之中、因所述第1弯曲部处的多模光纤的弯曲而容易泄漏的成分的光强度，从而抑制所述第2弯曲部中的温度上升。
2.根据权利要求1所述的激光器装置，其特征在于，
所述第2弯曲部中的温度上升的抑制量是10℃以上。
3.根据权利要求1所述的激光器装置，其特征在于，
温度上升相对于所述第2弯曲半径的变化的变化比例在以该第2弯曲半径为中心值的5mm的范围内被抑制到30℃/5mm以下。
4.根据权利要求3所述的激光器装置，其特征在于，
温度上升相对于所述第2弯曲半径的变化的变化比例在以该第2弯曲半径为中心值的5mm的范围内被抑制到10℃/5mm以下。
5.根据权利要求2或3所述的激光器装置，其特征在于，
温度上升相对于所述第2弯曲半径的变化的变化比例在以该第2弯曲半径为中心值的5mm的范围内残留2℃/5mm以上。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
若将所述多模光纤的比所述第1弯曲部更靠近所述多模半导体激光器侧的部分的最小弯曲半径设为R0，将所述第1弯曲半径设为R1，将所述第2弯曲半径设为R2，则R1≤R2＜R0成立。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述弯曲长度为π×所述第1弯曲半径以上。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述第1弯曲部中的光损耗为0.2dB以下。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述第2弯曲半径是根据所述多模光纤的规格确定的容许弯曲半径。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
多个所述多模半导体激光器之中的1个以上的多模半导体激光器所输出的所述激光的光强度为10W以上。
11.根据权利要求1～4中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述光合波器具有光纤带构造。
12.根据权利要求1～4中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述散热部具备在所述涂覆部的外周形成的散热材和经由所述散热材与所述多模光纤相接的散热体。
13.一种激光器装置，其特征在于，具备：
多个多模半导体激光器，以多种模式输出激光；
光合波器，对多个所述激光进行合波后输出；
多模光纤，连接多个所述多模半导体激光器与所述光合波器，该多模光纤具备纤芯部、形成于所述纤芯部的外周的包层部以及覆盖所述包层部的外周的涂覆部；
第1弯曲部，形成于所述多模光纤中，以规定的弯曲长度和规定的第1弯曲半径进行了弯曲；
散热部，在所述第1弯曲部中形成于所述涂覆部的外侧，释放所述多模光纤的热；和
第2弯曲部，形成于所述第1弯曲部与所述光合波器之间的所述多模光纤中，是以规定的第2弯曲半径弯曲的，
若将所述多模光纤的比所述第1弯曲部更靠近所述多模半导体激光器侧的部分的最小弯曲半径设为R0，将所述第1弯曲半径设为R1，将所述第2弯曲半径设为R2，则R1-5mm≤R2且R1＜R0成立，R0、R1、R2的单位是mm，
利用所述第1弯曲部以及所述散热部，通过降低所述第2弯曲部处的多模光纤中传播的光之中、因所述第1弯曲部处的多模光纤的弯曲而容易泄漏的成分的光强度，从而抑制所述第2弯曲部中的温度上升。
14.根据权利要求13所述的激光器装置，其特征在于，
R1≤R2且R1＜R0成立。
15.根据权利要求14所述的激光器装置，其特征在于，
R1≤R2＜R0成立。
16.根据权利要求13～15中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述第1弯曲半径为50mm以下。
17.根据权利要求13～15中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述弯曲长度为πR1以上。
18.根据权利要求13～15中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
在所述第1弯曲部中，在从所述多模半导体激光器输入到所述多模光纤的光之中，去除在所述纤芯部中传播的高次纤芯模的光。
19.根据权利要求13～15中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述第1弯曲部中的光损耗为0.2dB以下。
20.根据权利要求13～15中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
在所述第2弯曲部中，抑制因在所述多模光纤中传播的光的弯曲损耗引起的所述涂覆部的加热或损伤。
21.根据权利要求13～15中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述第2弯曲半径是根据所述多模光纤的规格确定的容许弯曲半径。
22.根据权利要求13～15中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述涂覆部的折射率比所述包层部的折射率高。
23.根据权利要求13～15中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
多个所述多模半导体激光器之中的1个以上的多模半导体激光器所输出的所述激光的光强度为10W以上。
24.根据权利要求13～15中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述光合波器具有光纤带构造。
25.根据权利要求13～15中任一项所述的激光器装置，其特征在于，
所述散热部具备在所述涂覆部的外周形成的散热材和经由所述散热材与所述多模光纤相接的散热体。
26.根据权利要求25所述的激光器装置，其特征在于，
所述散热材使用树脂，所述散热材的折射率比所述涂覆部的折射率高。
27.根据权利要求25所述的激光器装置，其特征在于，
所述散热材包含硅酮系的导热性化合物。
28.根据权利要求25所述的激光器装置，其特征在于，
所述散热体是具有导热性的板状构件，
所述第1弯曲部配置在形成于板状的所述散热体的圆形的槽中。
29.根据权利要求25所述的激光器装置，其特征在于，
所述散热体是具有导热性的圆筒状构件，
所述第1弯曲部卷绕在所述圆筒的外周。
30.一种光纤激光器，其特征在于，具备：
权利要求1～29中任一项所述的激光器装置；
放大用光纤，输入所述激光器装置的输出光；和
光反射器，配置于所述放大用光纤的两端侧，且构成根据所述放大用光纤所产生的光使激光进行激光振荡的光谐振器。
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