CN105980894A - 剩余光除去构造以及光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

剩余光除去构造(70)用于将双包层光纤(40)中的剩余光除去，该双包层光纤(40)具有：芯部(60)；包层(62)，其折射率比芯部(60)的折射率低；以及包覆件(64)，其折射率比包层(62)的折射率低。剩余光除去构造(70)具备：光纤收容部(72)，其对双包层光纤(40)的一部分进行收容；包层露出部(74)，其在光纤收容部(72)内使包层(62)的整周中的一部分沿双包层光纤(40)的长度方向而从包覆件(64)露出；以及树脂(76)，其填充于光纤收容部(72)内且至少将包层露出部(74)包覆。树脂(76)具有包层(62)的折射率以上的折射率。例如，包层露出部(74)在与双包层光纤(40)的轴垂直的截面中以该轴为中心且以小于180°的角度而形成。

Description

剩余光除去构造以及光纤激光器
技术领域
本发明涉及剩余光除去构造，尤其涉及将在光纤激光器的光纤中传输的光中的剩余的光除去的剩余光除去构造。
背景技术
在使用了双包层光纤的包层激发型的光纤激光器中，未被芯部吸收的激发光(剩余激发光)在共振器的射出部处也在包层内传输。尤其在高输出的光纤激光器中，由于某种程度的功率的激发光被供给，所以容易在共振器的射出部处产生剩余激发光。这样的剩余激发光以多模的方式传输，从而光束品质不良。因此，若这样的剩余激发光与信号光一起从光纤激光器射出，则光纤激光器的输出光束的品质恶化，从而无法实现使用输出光束的微细加工。
另外，对于隔离器(isolator)、准直器(collimator)等射出光学系统而言，从品质的控制性、成本的方面来看，仅以信号光的传输为目的而进行设计。因此，若剩余激发光向这些射出光学系统入射，则引起意外的光的吸收，从而有可能产生发热、起火等重大事故。
因此，需要使剩余激发光在到达激光器射出端之前向光纤的外部辐射。作为这种使剩余激发光向光纤的外部辐射的构造，公知有如下构造：遍及整周地将双包层光纤的包覆件除去而使包层露出，并利用折射率比包覆件的折射率高的两个光学基板对露出的包层进行夹持(例如参照专利文献1)。通过这样利用折射率较高的光学基板对包层进行夹持，能够在包层的露出部与光学基板的接触部处使剩余激发光向光学基板辐射。
然而，在该构造中，由于包层与光学基板之间的接触为线接触，所以为了充分除去剩余激发光，需要使该接触长度非常长，从而效率不高。另外，由于需要遍及较长距离地将包覆件除去，所以在包覆件的除去过程中容易使包层受损，从而欠缺可靠性。
根据这种观点，还考虑了图1所示那样的构造。在图1所示的构造中，两个双包层光纤510、610在由加强部件500包围的空间内熔接。遍及整周地将双包层光纤510的包覆件520的下游侧端部除去，由此使得包层530从包覆件520露出。同样，遍及整周地将双包层光纤610的包覆件620的上游侧端部除去，由此使得包层630从包覆件620露出。露出的双包层光纤510的包层530的端部与双包层光纤610的包层630的端部在熔接点700处熔接。
在上述露出的包层530、630的周围(以及包覆件520、630的周围)，填充有具有包层530、630的折射率以上的折射率的树脂540。该构造中，露出的包层530遍及其整周地与树脂540接触，包层530与树脂540之间的接触面积较大，从而使得剩余激发光从包层530向树脂540辐射的效率提高。
然而，在图1所示的构造中，由于遍及整周地将包覆件520的一部分除去，所以在包层530以及芯部中传输来的剩余激发光在包覆件520被除去的部分的最上游部542处且在局部向树脂540入射。因此，在该最上游部542，剩余激发光在局部被树脂540吸收，从而发热量增大。这样的局部的发热使得双包层光纤510在局部形成为高温，从而有可能导致其可靠性大幅受损。
专利文献1：日本特开2010－181574号公报
发明内容
本发明是鉴于这样的现有技术的问题点而完成的，其第一目的在于提供一种剩余光除去构造，该剩余光除去构造有效地将剩余光除去，并且使因剩余光的辐射所引起的局部的发热得到缓和而提高可靠性。
另外，本发明的第二目的在于提供一种能够将高品质的激光束射出的可靠性较高的光纤激光器。
根据本发明的第一方式，提供一种剩余光除去构造，其有效地将剩余光除去，并且使因剩余光的辐射所引起的局部的发热得到缓和而提高可靠性。该剩余光除去构造用于将双包层光纤中的剩余光除去，所述双包层光纤具有：芯部；包层(内部包层)，其将上述芯部包覆、且折射率比上述芯部的折射率低；以及包覆件(外部包层)，其将上述包层包覆、且折射率比上述包层的折射率低。上述剩余光除去构造具备：光纤收容部，其对上述双包层光纤的一部分进行收容；包层露出部，其在上述光纤收容部内使上述包层的整周中的一部分沿上述双包层光纤的长边方向而从上述包覆件露出；以及第一树脂，其是填充于上述光纤收容部内且至少将上述包层露出部包覆的第一树脂。该第一树脂具有上述包层的折射率以上的折射率。
根据这样的结构，若在双包层光纤内的包层中传输来的剩余光到达包层露出部与第一树脂的界面，则由于第一树脂的折射率为包层的折射率以上，所以剩余光向第一树脂入射而辐射。由此，能够防止因剩余光与信号光一起射出而引起的激光束的品质恶化，并且能够防止在剩余光除去构造的下游侧因剩余激发光的原因而产生的发热、起火，从而能够提高射出光学系统的可靠性。
此时，在包层露出部中，由于只有上述包层的整周中的一部分露出，所以与包层遍及整周地露出的现有构造相比，在包层露出部的最上游部向第一树脂辐射的剩余光的量减小。因此，能够使因剩余光被第一树脂吸收而产生的局部的发热得到缓和，从而能够提高剩余光除去构造的可靠性。
根据本发明的第二方式，提供一种能够将高品质的激光束射出的、可靠性较高的光纤激光器。该光纤激光器具备：信号光产生器，其产生信号光；激发激光二极管，其产生激发光；以及包层泵浦光纤。上述包层泵浦光纤具有芯部、包层以及包覆件，上述信号光在上述芯部中传输，上述包层将上述芯部包覆、且上述激发光在上述包层中传输，上述包覆件将上述包层包覆、且折射率比上述包层的折射率低。上述光纤激光器具备构成为将上述包层泵浦光纤中的剩余光除去的上述剩余光除去构造。
此处，优选地，在与上述双包层光纤的轴垂直的截面中以该轴为中心、且以不足180°的角度而形成上述包层露出部。通过这样使包层仅在整周中的、以将轴为中心且小于180°的角度的范围内露出，在力施加于包覆件的情况下，使得将该力分解而得到的径向的力在包覆件的任一点处都作用于将包覆件按压于包层的方向。因此，包覆件难以剥离。
优选地，上述光纤收容部包括热辐射性良好的散热板，该散热板配置为与上述包层露出部对置。另外，可以将第二树脂填充于上述光纤收容部内的上述包层露出部的上游端，该第二树脂具有比上述包覆件的折射率低的折射率。
根据本发明所涉及的剩余光除去构造，能够有效地将剩余光除去，并且能够使因剩余光的辐射而产生的局部的发热得到缓和，从而能够提高可靠性。另外，根据本发明所涉及的光纤激光器，可提供能够将高品质的激光束射出的可靠性较高的光纤激光器。
附图说明
图1是示意性地示出以往的双包层光纤的剩余光除去构造的图。
图2是示出本发明的第一实施方式的光纤激光器的示意图。
图3是示意性地示出图2的光纤激光器的包层泵浦光纤的构造的剖视图。
图4是示意性地示出图2的光纤激光器的剩余光除去构造的图。
图5是图4的V-V线剖视图。
图6是示意性地示出在包层露出部以180°以上的角度露出的情况下对包覆所施加的力的图。
图7是示意性地示出在包层露出部以小于180°的角度露出的情况下对包覆所施加的力的图。
图8是示出用于形成图4的包层泵浦光纤的包层露出部的装置的示意图。
图9是示出本发明的第二实施方式的剩余光除去构造的示意图。
具体实施方式
以下，参照图2至图9对本发明所涉及的剩余光除去构造的实施方式进行详细说明。此外，在图2至图9中，对于相同或者相当的构成要素标注相同的附图标记，并将重复的说明省略。
图2是示出本发明的第一实施方式的光纤激光器1的示意图。该光纤激光器1具备：信号光产生器10，其产生信号光；多个激发激光二极管(LD)20，它们产生激发光；光耦合器30，其对来自信号光产生器10的信号光与来自激发LD20的激发光进行耦合输出；包层泵浦光纤40，其端部与光耦合器30的输出端32连接；输出侧光纤50，其与包层泵浦光纤40的输出端42连接；以及隔离器52，其设于输出侧光纤50。
图3是示意性地示出包层泵浦光纤40的剖视图。如图3所示，包层泵浦光纤40具备：芯部60，由信号光产生器10生成的信号光在该芯部60传输；包层(内部包层)62，其将芯部60包覆；以及包覆件(外部包层)64，其将包层62包覆。芯部60例如由添加有Yb等稀土类元素的SiO2构成，并成为供信号光传输的信号光导波路。包层62由折射率比芯部60的折射率低的材料(例如SiO2)构成。包覆件64由折射率比包层62的折射率低的树脂(例如低折射率聚合物)构成。由此，包层62成为供激发光传输的激发光导波路。
在这种结构的包层泵浦光纤40中，来自信号光产生器10的信号光在芯部60的内部传输，来自激发LD20的激发光在包层62以及芯部60的内部传输。当激发光在芯部60传输时，添加至芯部60的稀土类元素离子吸收激发光而被激发，从而在芯部60中传输的信号光因受激发射而增幅。
这样，随着在包层泵浦光纤40中传输，激发光被芯部60吸收而衰减，如上所述，在包层泵浦光纤40的射出侧产生未被芯部吸收的激发光(剩余激发光)。在本实施方式中，为了防止这样的剩余激发光导致输出光束的品质恶化、或者引起隔离器52等射出光学系统的发热、起火，将图4所示那样的剩余光除去构造70设置于包层泵浦光纤40的射出端附近。
图4是示意性地示出本发明的第一实施方式的剩余光除去构造70的图，图5是图4的V-V线剖视图。如图4及图5所示，剩余光除去构造70具备对包层泵浦光纤40的一部分进行收容的近似长方体状的光纤收容部72。在光纤收容部72的内部，在包层泵浦光纤40的整周中的一部分、例如在与包层泵浦光纤40的轴垂直的截面(图5)中以该轴为中心、且以小于180°的角度(例如60°)将包覆件64除去。因此，包层62在该范围从包覆件64露出，从而形成包层露出部74。如图4所示，该包层露出部74以规定的长度沿包层泵浦光纤40的长度方向延伸。
另外，在光纤收容部72的内部，填充有具有包层62的折射率以上的折射率的树脂(例如热固化性树脂)76，并利用该树脂76将上述包层露出部74覆盖。此外，图4中示出的附图标记77是硬质的树脂材料，其将光纤收容部72的内部密封。
根据这样的结构，若在包层62中传输来的剩余激发光到达包层露出部74与树脂76的界面，则由于树脂76的折射率为包层62的折射率以上，所以剩余激发光向树脂76入射。这样，剩余激发光向包层泵浦光纤40的外部(树脂76)辐射。由此，能够防止因剩余激发光与信号光一起被射出而引起的激光束的品质恶化，并且能够防止在剩余光除去构造70的下游侧因剩余激发光的原因而产生的发热、起火，从而能够提高射出光学系统的可靠性。
此处，在本实施方式的包层露出部74中，由于只有包层62的整周中的一部分露出，所以与包层遍及整周地露出的图1所示的现有构造相比，在包层露出部74的最上游部向树脂76辐射的剩余激发光的量减少。因此，能够使因剩余激发光被树脂76吸收而引起的局部的发热得到缓和，从而能够提高剩余光除去构造70的可靠性。
此时，包层露出部74只要使包层62的整周中的一部分露出即可，但优选如本实施方式那样在与包层泵浦光纤40的轴垂直的截面(图5)中以该轴为中心且以小于180°的角度而形成包层露出部74。如图6所示，在包层露出部74以包层泵浦光纤40的轴为中心、且以180°以上的角度形成的情况下，例如若对包覆件64的点P施加有力F，则该力F能够分解为径向的力f1与切线方向的力f2，此时，根据图6可知，径向的力f1作用于使包覆件64从包层62剥离的方向。这并不限定于点P，在包覆件64中的任一点处，将力F分解而得到的径向的力都作用于使包覆件64从包层62剥离的方向。另一方面，如图7所示，在包层露出部74以包层泵浦光纤40的轴为中心、且以小于180°的角度形成的情况下，例如若对包覆件64的点Q施加有力F，则该力F能够分解为径向的力f3与切线方向的力f4，该径向的力f3作用于将包覆件64按压于包层62的方向。即，在包层露出部74以包层泵浦光纤40的轴为中心、且以小于180°的角度形成的情况下，在包覆件64的至少一部分，力作用于将包覆件64按压于包层62的方向。因此，在包层露出部74以包层泵浦光纤40的轴为中心、且以小于180°的角度形成的情况下，与以180°以上的角度形成的情况相比，具有包覆件64难以剥离的优点。
如图5所示，光纤收容部72的一部分由热辐射性良好的散热板78构成。该散热板78配置为与包层露出部74对置。通过这样将热辐射性良好的散热板78配置为与包层露出部74对置，能够使因剩余激发光向树脂76入射而产生的树脂76的热经由散热板78而有效地散发。作为这样的散热板78，例如可以举出对表面实施了基于铝或者铝合金的阳极氧化处理的金属板。
上述的包层露出部74例如能够利用图8所示那样的装置80而形成。该装置80具备：保持部82，其对包层泵浦光纤40的两端部进行保持；以及刨刀状的刀刃84，其对包层泵浦光纤40的表面进行切削。
当利用该装置80形成包层露出部74时，首先在由保持部82对包层泵浦光纤40进行保持的状态下，使刀刃84与包层泵浦光纤40的表面接触，并使之在包层泵浦光纤40的长度方向上移动规定的距离。由此，处于包层泵浦光纤40的表面的包覆件64以上述规定的距离而剥离，从而使得包层62从包覆件64露出。
然后，使由保持部82保持的包层泵浦光纤40绕轴例如旋转20°，并且使刀刃84返回至最初的位置。而且，使刀具84再次与包层泵浦光纤40的表面接触，并使之在包层泵浦光纤40的长度方向上移动与上述距离相同的距离。由此，同样使包覆件64以上述规定的距离而剥离，从而使得包层62从包覆件64露出。例如，再一次重复上述动作，从而在与包层泵浦光纤40的轴垂直的截面(图5)中以该轴为中心、且在60°的范围内使包层62从包覆件64露出而形成上述的包层露出部74。这样，包层露出部74的大小能够由刀刃84切削的次数以及包层泵浦光纤40的旋转角度来控制。
图9是示出本发明的第二实施方式的剩余光除去构造170的示意图。如图9所示，在本实施方式中，在光纤收容部72内，使包层泵浦光纤40与位于其下游侧的输出侧光纤140熔接。即，遍及整周地将包层泵浦光纤40的下游端部的包覆件64除去，且遍及整周地将输出侧光纤140的上游端部的包覆件164也除去。露出的包层泵浦光纤40的包层62的端部与输出侧光纤140的包层162的端部在熔接点180处熔接。此外，作为输出侧光纤140，例如能够使用在芯部中未添加稀土类的双包层光纤。
此处，在光纤收容部72的内部的熔接点180的下游侧，与第一实施方式的包层泵浦光纤40相同，在输出侧光纤140的整周中的一部分、例如在与输出侧光纤140的轴垂直的截面中以该轴为中心、且以小于180°的角度(例如60°)将包覆件164除去。因此，包层162在该范围内从包覆件164露出而形成包层露出部174。如图9所示，该包层露出部174以规定的长度沿输出侧光纤140的长度方向延伸。
此处，在该包层露出部174的上游端，形成有具有比包覆件164的折射率低的折射率的树脂(例如UV固化性树脂)175。在由该树脂175以及光纤收容部72密封的空间内，填充有具有包层162的折射率以上的折射率的树脂(例如热固化性树脂)176，并利用该树脂176将上述包层露出部174覆盖。
在这样的结构中，在包层泵浦光纤40的包层62中传输来的剩余激发光因形成于光纤收容部72内的空气包层182而在包层泵浦光纤40的包层62以及输出侧光纤140的包层162中传输。而且，若该剩余激发光到达输出侧光纤140的包层露出部174与树脂176的界面，则由于树脂176的折射率为包层162的折射率以上，所以剩余激发光向树脂176入射，从而使得剩余激发光向输出侧光纤140的外部(树脂176)辐射。因此，能够防止在剩余光除去构造170的下游侧、例如在图2的隔离器52等中因剩余激发光的原因而产生的发热、起火，从而能够提高射出光学系统的可靠性。
此处，在本实施方式的包层露出部174中，由于包层162仅在整周中的以轴为中心、且小于180°的角度的范围内露出，所以与包层遍及整周地露出的图1所示的现有构造相比，在包层露出部174的最上游部向树脂176辐射的剩余激发光的量减小。因此，能够使因剩余激发光被树脂176吸收而产生的局部的发热得到缓和，从而能够提高剩余光除去构造170的可靠性。
并且，在本实施方式中，由于在空气包层182与树脂176之间配置有具有包覆件164的折射率以下的折射率的树脂175，所以能够防止从包层162辐射至树脂176的剩余激发光、树脂176向空气包层182侧漏出。此外，在本实施方式中，对在光纤收容部72内形成有空气包层182的例子进行了说明，但也能够取代空气包层182而使用折射率比包层62、162的折射率低的材料。
此外，与第一实施方式的包层露出部74相同，上述的包层露出部174能够使用图8所示那样的装置80而形成。
实施例1
首先，作为比较例，制作了图1所示的现有的剩余光除去构造。作为双包层光纤510、610，采用了芯部的直径为10μm、包层530、630的直径为400μm的双包层光纤。沿轴向将双包层光纤510、610各自的包覆件520、620的端部每次除去20mm，由此使得包层530、630露出。进行使用了乙醇的超声波清洗而对露出的包层530、630的表面进行了清洁。
在由线膨胀系数与石英玻璃的线膨胀系数一致的陶瓷部件构成的加强部件500内，对上述的双包层光纤510、610的包层530、630进行了对接熔接。根据双包层光纤(包层泵浦光纤)510的长度和激发光的包层吸收量而对在包层530、630内传输的剩余激发光进行计算，结果约为6W。
利用硬质的UV固化性树脂将加强部件500的两端与双包层光纤510、610之间固定。另外，作为在露出的包层530、630的周围填充的树脂540，采用了折射率为1.54的热固化性树脂。
在该状态下对光纤激光器进行驱动，如设想的那样，包层530的露出部的最上游部542在局部发热，温度上升至约85℃。虽然还取决于树脂540的耐热性，但若制造时的树脂540的温度上升，则树脂540会产生热劣化，光的吸收量增加，进而产生树脂540的温度进一步上升的所谓的负反馈(negative feedback)。根据实验中的计算，此时所采用的树脂540的寿命约为3万小时，由此可知其寿命非常短。
以相同的方法制作了图9所示的第二实施方式的剩余光除去构造170。作为树脂176而采用了折射率为1.54的热固化性树脂，且作为树脂175而采用了折射率为1.37的UV固化性树脂。其它部件使用了与在上述现有的剩余光除去构造中所使用的部件相同的部件。
利用图8所示的装置80而制作了包层露出部174。即，使刀刃84与由保持部82保持的输出侧光纤140的表面接触，并使之在输出侧光纤140的长度方向上移动30mm，由此使得包层162从包覆件164露出。而且，使输出侧光纤140的角度绕轴每次旋转20°并进行共计三次的切削，从而使得包层162以共计60°的角度露出。
而且，以与针对现有的剩余光除去构造的试验同等的条件而使光纤激光器运转，树脂176的温度上升至最高位置也仅为45℃，由此可知局部的温度上升的幅度减小。基于该温度上升结果而对树脂176的寿命进行了计算，其寿命为10万小时，由此可知能够使寿命绝对长于现有的剩余光除去构造的寿命。
实施例2
作为实施例2，制作了图4所示的剩余光除去构造70。作为包层泵浦光纤40，采用芯部60的直径为10μm、包层62的直径为400μm的包层泵浦光纤。利用图8所示的装置80对该包层泵浦光纤40的射出端附近的包覆件64进行了切削。即，使刀刃84与包层泵浦光纤40的表面接触，并使之在包层泵浦光纤40的长度方向上移动30mm，从而使得包层62从包覆件64露出。而且，使包层泵浦光纤40的角度绕轴每次旋转20°而进行共计三次的切削，从而使其以共计60°的角度露出。
作为光纤收容部72而采用了线膨胀系数与石英玻璃的线膨胀系数一致的陶瓷部件，且作为在光纤收容部72的两端配置的树脂77而采用了硬质的UV固化性树脂。并且，作为在露出的包层62的周围填充的树脂76，采用了折射率为1.54的热固化性树脂。
在该状态下以与实施例1的试验同等的条件而使光纤激光器运转，温度上升至最高的位置也仅为42℃。基于该结果对树脂76的寿命进行了计算，树脂76的寿命为10万小时，由此可知能够使其寿命绝对长于现有的剩余光除去构造的寿命。
至此对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，当然可以在其技术思想的范围内以各种不同的方式来实施。
产业上的可利用性
本发明优选用于将在光纤激光器的光纤中传输的光中的剩余的光除去的剩余光除去构造。
附图标记的说明：
1…光纤激光器；10…信号光产生器；20…激发LD；30…光耦合器；32…输出端；40…包层泵浦光纤；42…输出端；50…输出侧光纤；52…隔离器；60…芯部；62…包层；64…包覆件；70…剩余光除去构造；72…光纤收容部；74…包层露出部；78…散热板；140…输出侧光纤；162…包层；164…包覆件；170…剩余光除去构造；174…包层露出部；180…熔接点；182…空气包层。

Claims (5)

1.一种剩余光除去构造，其用于将双包层光纤中的剩余光除去，所述双包层光纤具有：芯部；包层，其将所述芯部包覆、且折射率比所述芯部的折射率低；以及包覆件，其将所述包层包覆、且折射率比所述包层的折射率低，其中，
所述剩余光除去构造具备：
光纤收容部，其对所述双包层光纤的一部分进行收容；
包层露出部，其在所述光纤收容部内使所述包层的整周中的一部分沿所述双包层光纤的长边方向而从所述包覆件露出；以及
第一树脂，其是填充于所述光纤收容部内且至少将所述包层露出部包覆的第一树脂，该第一树脂具有所述包层的折射率以上的折射率。
2.根据权利要求1所述的剩余光除去构造，其中，
所述包层露出部在与所述双包层光纤的轴垂直的截面中以该轴为中心、且以不足180°的角度而形成。
3.根据权利要求1或2所述的剩余光除去构造，其中，
所述光纤收容部包括热辐射性良好的散热板，该散热板配置为与所述包层露出部对置。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的剩余光除去构造，其中，
还具备第二树脂，该第二树脂是填充于所述光纤收容部内的所述包层露出部的上游端的第二树脂，该第二树脂具有比所述包覆件的折射率低的折射率。
5.一种光纤激光器，其中，
所述光纤激光器具备：
信号光产生器，其产生信号光；
激发激光二极管，其产生激发光；
包层泵浦光纤，其具有芯部、包层以及包覆件，所述信号光在所述芯部中传输，所述包层将所述芯部包覆、且所述激发光在所述包层中传输，所述包覆件将所述包层包覆、且折射率比所述包层的折射率低；以及
权利要求1～4中任一项所述的剩余光除去构造，其构成为将所述包层泵浦光纤中的剩余光除去。
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