CN110364919B - 光纤激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在光纤的长度方向的规定范围具备在光纤的长度方向上大致均匀地向外侧漏出光的光纤构造的光纤激光装置。一种具备光纤激光振荡器的光纤激光装置，该光纤激光振荡器利用来自至少一个激光二极管模块的激光进行激光振荡，该光纤激光装置具备环状光纤，所述环状光纤包括组合器和两端连接用光纤，所述组合器将至少两根输入侧光纤与具备一个输出端的一根输出侧光纤连接，所述两端连接用光纤将输出侧光纤的输出端和任意一根输入侧光纤的输入端连接，两端连接用光纤具备光泄漏单元，以随着从两端连接用光纤与输出端连接的一侧去向两端连接用光纤与输入端连接的一侧、两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径的值中的至少一个逐渐减少的方式构成了所述光泄漏单元。

Description

光纤激光装置
技术领域
本发明涉及一种光纤激光装置。详细地说，本发明涉及一种用于对被加工对象物进行切割、焊接等加工的高输出光纤激光装置，所述光纤激光装置具备：使以与输出激光相反的方向在光纤内传输的返回光以不伴随再次反射或局部发热的方式转换为热来完全消除所述返回光的构造、和/或、使用于使光纤激光振荡器振荡的激励光被信号光用光纤的芯均匀地吸收以使该激励光在放大用光纤中的发热大致均匀的激励构造。
背景技术
自以往以来，在光纤激光装置中采用如下等方法：对于如有可能对光纤激光振荡器等带来损伤的来自被加工对象物等的反射光、由于限制光纤激光装置的激光输出的受激拉曼散射(SRS：Stimulated Raman Scattering)等非线性感应散射引起的斯托克斯光(散射光)这样的、在光纤中以与输出激光相反的方向传播来的返回光，在返回光衰减部中对光纤轴偏移地进行熔接，由此通过在熔接部处的损耗将返回光转换为热。但是，在该方法中由于返回光在熔接部局部地损耗，因此具有如下等问题：熔接部的温度局部地上升；需要在多处设置熔接部；难以将在各熔接部处产生的热控制为同等程度，有时特定的熔接部的温度上升；以及返回光有可能在返回光衰减部内的光纤的末端反射而向光纤激光振荡器返回。
另一方面，关于光纤激光振荡器中的激励构造，当延长放大用光纤以使激励光(泵浦光)被光纤激光振荡器的信号光用光纤的添加有Yb等稀土元素的芯充分地吸收时，产生SRS等非线性感应散射，斯托克斯光增加使得激光输出饱和，招致高输出动作极限。当缩短放大用光纤时，SRS等非线性感应散射的产生得到抑制，但激励光无法被信号光用光纤的芯充分地吸收，激励光的吸收率下降使得激光发光效率下降。另外，当过度缩短放大用光纤时，与信号光用光纤的芯对激励光的吸收相伴的每单位长度的发热量增加，因此还存在由于温度上升而达到动作极限这个问题。因此，需要尽可能在光纤的长度方向上使信号光用光纤的芯对激励光的吸收量均匀，来将放大用光纤的温度保持得均匀。
还提出一种使激励光循环使得即使放大用光纤短也能够有效地利用激励光这样的构造，但没有使用光纤来使激励光循环，因此是失去了光纤的优点即挠性的构造或激励光在循环中未利用于激励而伴随损耗的构造，没有提出在制造技术等方面也实用的构造。另外，自以往以来，没有提出一种进行控制使得激励光的被信号光用光纤的芯吸收的激励光量在光纤的长度方向上均匀的激励构造。
在以往的光纤激光装置的返回光衰减部中，采用如下等方法：轴偏移地熔接光纤，由此通过在熔接部处的损耗使返回光转换为热。
例如，在专利文献1中公开了一种使用放大用光纤作为激光振荡器中的放大介质来产生激光的光纤激光装置。该光纤激光装置具备：输出用光纤，其向外部射出激光；返回光衰减部，其至少对在所述输出用光纤中以与所述激光相反的方向传播的返回光进行衰减处理；热转换单元，其设置于所述返回光衰减部，将所述返回光转换为热；温度监视单元，其测定由于所述热转换单元的发热引起的所述返回光衰减部的温度上升；以及控制部，其在所述温度监视单元测定出的温度达到规定的阈值以上的情况下，降低或停止所述激光的输出。另外，专利文献1还公开了一种通过将所述返回光衰减部中的光纤以轴偏移的方式熔接来构成所述热转换单元的光纤激光装置。在为该光纤激光装置的情况下，通过在轴偏移熔接部处的损耗使返回光衰减来转换为热，因此如前述的那样，具有轴偏移熔接部的温度局部地上升使得返回光衰减部受到损伤的可能性。另外，由于轴偏移熔接引起的损耗的大小根据轴偏移的程度的些微的差异而不同，因此难以高精度地控制衰减量。因此，在该光纤激光装置中，还具有如下的问题：为了使返回光充分地衰减，需要在光纤中串联地设置多个轴偏移熔接部，制造成本增加。
并且，在专利文献1中，还公开了由从设置于所述返回光衰减部的光纤的末端射出的所述返回光所照射的导热体的照射面来构成所述热转换单元的光纤激光装置，启示了只通过轴偏移熔接不能够使返回光充分地衰减，返回光到达设置于光衰减部的光纤的末端。因而，专利文献1示出了具有如下可能性：到达设置于光衰减部的光纤的末端的返回光被光纤的末端再次反射而向光纤激光振荡器返回。像这样，专利文献1中公开的返回光衰减部不是如下的构造：能够遍及设置于返回光衰减部的光纤的大致全长地以大致均匀的方式将返回光转换为热，返回光可靠地不会通过再次反射而返回。
另外，自以往以来，在光纤激光装置中，为了使激励光被信号光用光纤的芯高效地吸收，开发了各种端面激励(端面泵浦)构造、侧面激励(侧面泵浦)构造，但在许多情况下，由于包括SRS的光学非线性的产生使得高输出化受到限制。由于SRS的产生，斯托克斯光增加，另外，激光输出减少与该斯托克斯光的增加相应的量。为了提高光学非线性阈值，增大信号光用光纤的芯径，减少NA(数值孔径)，缩短非线性相互作用的有效长度是有效的。但是，芯径的扩大会招致对输出激光束的质量带来不良影响的高阶模数的增加。为了减小NA，需要减小芯与包层的折射率差，但难以制造折射率差小的高质量光纤，另外，对弯曲载荷变得敏感，由于光纤的弯曲损耗、因微弯曲引起的模式耦合导致的光束质量的恶化也成为问题。另一方面，非线性相互作用的有效长度取决于光纤的长度，但随着光纤长度变长，斯托克斯光急剧地增加。由于SRS的产生，斯托克斯光不仅在输送光纤内增加，还遍及包括光纤激光共振器部在内的光纤全长地增加。关于输送光纤，从加工设置的自由度这一点出发来决定所需的长度，因此在抑制光学非线性的产生的意义下，期望放大用光纤尽可能短。但是，当过度缩短放大用光纤时，每单位长度的发热量增加，因此产生如下问题：由于温度上升而到达动作极限、激励光不能够被信号光用光纤的芯充分地吸收。因而，如前述的那样，需要尽可能在光纤的长度方向上使被信号光用光纤的芯吸收的激励光量均匀，从而将放大用光纤的温度保持得均匀。
在为前述的端面激励的情况下，放大用光纤具备双重包层，激励光在非旋转对称形状的内侧包层中一边被模式混合一边进行传播的期间中，被掺杂于芯的Yb等稀土离子吸收并且进行激励。在理想地进行模式混合的情况下，激励光的有效的吸收系数为芯的吸收系数×(芯径/包层径)2，放大用光纤需要为有效吸收系数的倒数左右。但是，在实际的内侧包层内的模式混合不完全的情况下，NA大的激励光被放大用光纤的前半部以上述的吸收系数吸收，之后NA小的激励光以比上述的吸收系数小的吸收系数进行传播。因而，为了使激励光充分地吸收，必须使光纤长度增长。但是，由于延长光纤长度而带来的激励光吸收增加的效果有限，也有时激励光不能够被芯充分地吸收。
另外，如前述的那样，为了降低产生如SRS这样的非线性感应散射的可能性，期望缩短放大用光纤。因此，需要增大激励光的吸收系数。为了增大芯的吸收系数，针对芯的Yb等稀土元素的高添加浓度化、芯径/包层径的长宽比(aspect ratio)的降低是有效的。但是，即使激励光的吸收系数提高，但当过度缩短放大用光纤时，如前述的那样，每单位长度的发热量增加，由于温度上升而达到动作极限，因此能够注入的激励光功率受到限制。而且，还需要考虑：当为了增大芯的吸收系数而提高Yb等稀土元素的添加浓度时，每单位长度的激励光吸收量变大，伴随激励产生的每单位长度的发热量也增加，即使为小的激励光功率也由于温度上升而达到动作极限。像这样，关于放大用光纤，需要考虑各种原因在内的最优设计。
但是，不论在哪种情况下，当放大用光纤的每单位长度所吸收的激励光量不均匀时，充分地吸收激励光所需的放大用光纤的长度均变长。因此，引发产生如SRS这样的非线性感应散射的可能性变高、不能够充分吸收激励光这样的问题，并且引发由于每单位长度的发热量也不均匀、因此由于变为最高温的部分的温度上升使得能够注入的激励光功率受到限制这样的问题。因而，尽可能使放大用光纤的每单位长度所吸收的激励光量均匀是非常重要的。但是，在为端面激励的情况下，如前述的那样，越靠近激励光输入侧，被吸收的激励光量越大，伴随吸收产生的发热量也越多，因此在光纤长度方向上产生发热量的不均匀。
即使在为前述的侧面激励的情况下，也具有类似的问题。例如，在激励光用光纤与信号光用光纤大致紧密接触并且平行地延伸的构造的侧面激励构造中，当放大用光纤比较短时具有如下的问题：在激励光用光纤中传播的激励光的一部分不向信号光用光纤转移，不能够用于激励，因此激励光被芯吸收的吸收率下降。另外，当没有使激励光从激励光用光纤向信号光用光纤的传播在放大用光纤的长度方向上均匀的构造时，与端面激励的情况同样地，产生在放大用光纤的长度方向上吸收的激励光量的不均匀、发热量的不均匀。
例如，在专利文献2中公开了一种沿长度方向的光纤轴延伸的光纤。该光纤具备：沿所述光纤轴集中的至少一个覆层；以及细长的多模(MM)芯，其与所述一个覆层同轴且被所述一个覆层包围，其中，所述多模芯构成为：具有呈设为双重瓶颈的形状的截面，以使实质上提供仅基本模式的激励和没有失真的引导(guidance)。另外，专利文献2公开了一种包括以下的输入及输出模式转换部区域、中央区域、输入端区域以及输出端区域的光纤。输入及输出模式转换部区域的所述MM的具有所述双重的瓶颈的形状的截面分别具有彼此在轴向上分离且形状设定为圆锥台形的截面，以使所述转换部区域分别具有比较小的端和比较大的端。中央区域形成为桥接于所述输入及输出转换部区域的各个大的端的均匀的尺寸。输入端区域形成为进入所述输入转换部区域的小的端之中的均匀的尺寸，并且构成为：响应于射出至所述输入端区域的单一模式输入光束，在其中实质上只激励基本模式。输出端区域形成为从所述输出转换部延伸且从所述输出转换部接收所述基本模式的均匀的尺寸，以使实质上仅以所述基本模式输出辐射。而且，该光纤构成为：所述MM芯具备具有定位于中央的凹部的阶跃型折射率分布，所述输入端区域中的所述单一模式输入光束和所述基本模式具有被形状设定为各个模场直径彼此实质上匹配的各个实质上的高斯强度分布。该光纤通过设为双重的瓶颈的形状以及设为在中央具有凹部的阶跃型折射率分布，能够抑制高阶模的激励、放大，并且通过增大两瓶颈的中央部分的多模芯的直径，提高相对于非线性的阈值。但是，专利文献2关于由于芯径变大而对于弯曲载荷变得敏感这一点没有示出解决对策。另外，专利文献2提及到侧面激励用光纤的配置、端面激励技术的结构，但没有提及到针对激励光没有被芯充分地吸收、或激励光没有在放大用光纤的长度方向上被均匀地吸收而发热量不均匀的问题的解决对策。
另外，在专利文献3中公开了如下一种激光光源装置：使用半导体激光器从侧面向由芯部和包层部构成的光纤入射规定波长的激励光，激励该芯部内的激光活性物质来使该激光活性物质在该光纤内共振，从该光纤的输出端输出期望的波长的光。该激光光源装置具备：光波导路芯，其具有规定的截面和与所述包层部大致相等的折射率，并且形成为环形状；光波导路包层，其具有比所述光波导路芯低的折射率，并且包围该光波导路芯的周围；光纤，其沿着所述环形状使其一部分或全部被埋入所述光波导路芯内；以及至少一个导光部，其具有与所述光波导路芯相等的折射率，在所述光波导路包层内与该光波导路芯耦合，以使所述激励光在该光波导路芯内向固定方向绕转传输的方式进行导光。在专利文献3中记载了：该激光光源装置使从导光部导出的激励光在光波导路内高效地合流并且向固定方向沿环形状绕转传输，因此能够不浪费地利用激励光，得到高的耦合效率。但是，使激励光传播的介质不是自以往以来通常使用的光纤，因此相比于光纤，波导路芯内的吸收大，由激励光在绕转中的吸收引起的损耗大。而且，使激励光传播的介质不像光纤那样具有挠性，因此特别是当想要使放大用光纤稍微延长时，具有光波导路主体变得非常大等制造方面的问题。在专利文献3中记载了：关于信号光用光纤的长度，能够确保至少在环光波导路芯内一周左右的长度的光纤即可，但当想要实现高输出激光装置时，如前述的那样，每单位长度的发热量增加，因此由于温度上升而达到动作极限。因此，在专利文献3所记载的激光光源装置的构造中，不能够实现高输出激光装置。并且，在专利文献3中，作为环光波导路芯和环光波导路包层的材料记载了PMMA(丙烯酸)、PC(聚碳酸酯)、硅、苯乙烯丙烯腈(SAN)、玻璃等。但是，均呈传热率低、由信号光用光纤产生的热不易散热的构造，使得更不可能实现高输出激光装置。另外，在专利文献3中记载了：作为目的之一，使发热量在光纤长度方向上大致均匀。认为通过设置多个导光部，能够在某种程度上实现该目的，但越接近从导光部合流的激励光输入则激励光吸收越多，伴随吸收产生的发热量也越多。因此，专利文献3关于发热量在光纤长度方向上不均匀这个问题点也没有公开充分的解决方法。如前述的那样，专利文献3中公开的构造本来就是完全不适于实际上光纤的发热会成为问题这样的高输出光纤激光装置的构造。
另外，在专利文献4中公开了如下一种光纤激光装置，其具备：激励光源，其产生用于激励激光活性物质的激励光；输入体，其用于使从所述激励光源产生的所述激励光输入至所述激光活性物质；以及光纤，其具有所述激光活性物质，通过从所述输入体输入的所述激励光来激励所述激光活性物质，从端部输出激光。所述输入体为使在一端形成有接受来自所述激励光源的所述激励光的入射面的柱体弯曲为至少其一部分构成圆弧的形状。所述光纤与输入体的母线大致平行地卷绕于所述输入体的外周部，所述光纤的侧面的至少一部分与所述输入体接触。利用通过该接触的部分输入至所述光纤的所述激励光，来激励所述激光活性物质。另外，在专利文献4中还公开了如下构造：所述输入体的不是所述入射面的另一端经由具有比所述输入体高的折射率的高折射构件来与所述输入体的侧面抵接，所述激励光在所述输入体中循环。因而，专利文献4与前述的专利文献2同样地公开了使激励光循环的构造，但激励光仍然没有在光纤内传播。在专利文献4中例示了将直径6mm的石英系玻璃制的圆柱体弯曲为半径为50mm的圆环形状的输入体来作为使激励光传播的输入体。该输入体具有不像光纤那样具有挠性的构造。但是，如专利文献4中所图示的那样，在没有挠性的弯曲为圆环形状的圆柱体的表面架设多根光纤在制造技术上是非常困难的，为实现性低的构造。另外，该光纤激光装置构成为：输入体的不是入射面的另一端经由具有比输入体高的折射率的高折射构件来与输入体的侧面抵接，激励光在所述输入体中循环，但具有如下的问题：由于在折射率低的输入体与折射率高的高折射构件的界面中，很多激励光反射，因此当输入体的长度如例示的那样短时，有可能反射的激励光返回激励光源而给激励光源带来损伤。为了减少反射光返回激励光源或激励光未用于激励的比例，考虑到延长输入体的全长。但是，由于输入体不具有挠性，因此具有延长输入体的全长会招致装置的大型化等问题，是非现实的。另外，在接近输入体的入射面的光纤的部分中，激励光吸收多，伴随吸收产生的发热量也多，因此在光纤长度方向上产生发热量的不均匀。但是，专利文献4未提及到解决该问题的方法。
另外，在专利文献5中公开了如下一种光学部件，具备：放大用光纤，其具有添加有活性元素的芯和传播用于激励所述活性元素的激励光的包层；以及光耦合部，其在所述放大用光纤的长度方向上使彼此为非连续的多个包层部分间沿长度方向一体化，使得彼此光学耦合。该光学部件通过彼此为非连续的多个包层部分间彼此光学耦合而形成放大用光纤的环。因而，该光学部件看起来呈与所述专利文献3、4中公开的构造类似的形状。但是，在该专利文献5所公开的构造中，在光耦合部中的包层部分中传播的激励光的一部分一边在包层部分中传播其传播模式一边被扰乱，因此作为偏斜光到达光耦合部的光由于传播模式的紊乱而作为通常的激励光从光耦合部射出。因此，偏斜光减少，能够通过放大用光纤高效地吸收激励光。即，专利文献5中公开的光学部件呈如下的构造：传播到环状的放大用光纤中的激励光的至少大部分并不在环状放大用光纤的环内循环，而是传播至从环状放大用光纤光耦合部引出的放大用光纤的另一端。因此，由于环的存在，使得该光学部件看起来具备乍一看与专利文献3、4所公开的构造类似的构造，但功能和结构均与专利文献3、4所公开的构造完全不同。此外，在该专利文献5中，也是越接近激励光源则激励光吸收越多，伴随吸收产生的发热量也越多，因此在光纤长度方向上发热量不均匀，但没有提及到解决该问题的方法。
此外，除了上述以外，还公开了具备环状光纤的以往技术，例如具有如专利文献6这样的例子。在专利文献6中公开了如下一种光源装置，其具有输出具有第一波长的光的光源、非线性波导路、光分支元件、输出部、光放大部以及光耦合元件。所述非线性波导路通过光参量效应从具有所述第一波长的光生成包括具有第二波长的光和具有第三波长的光的光。所述光分支元件根据波长对从所述非线性波导路输出的、包括具有所述第一波长的光和具有所述第二波长的光和具有所述第三波长的光的光进行分支。所述输出部输出包括由所述光分支元件分支后的、具有所述第三波长的光的至少一部分的光。所述光放大部对包括由所述光分支元件分支后的、具有所述第二波长的光的至少一部分的光进行放大。所述光耦合元件对包括从所述光源输出的具有所述第一波长的光和由所述光放大部放大后的具有所述第二波长的光的光进行耦合，使所述光输入至所述非线性波导路。激光在环状的光纤内循环并且进行传播，因此看起来与在上述的专利文献所记载的技术类似，但也如根据在环内设置有对光进行分支的光分支元件这点所明确的那样，为课题/目的和结构均与上述的专利文献所记载的技术完全不同的技术。
专利文献1：日本再公表专利第2016/002947号公报
专利文献2：日本特表2013-504786号公报
专利文献3：日本特开2002-111101号公报
专利文献4：日本特开2005-217140号公报
专利文献5：日本特开2012-209431号公报
专利文献6：日本特开2017-83508号公报
发明内容
发明要解决的问题
如以上那样，关于以往的光纤激光装置的返回光衰减部，当利用返回光衰减部内的光纤的轴偏移熔接等构造使返回光衰减时，具有如下的可能性：在产生损耗的轴偏移熔接部处局部地发热，该部分的温度上升，返回光衰减部的可靠性下降。另外，具有如下的可能性：返回光没有通过轴偏移熔接部完全地衰减，返回光被返回光衰减部的光纤端再次反射而向光纤激光振荡器返回，使光纤激光振荡器的可靠性下降。因而，需要一种可靠性高的光纤激光装置，该光纤激光装置具备如下一种返回光消除模块而不是返回光衰减部，该返回光消除模块能够可靠地防止入射的返回光在光纤的末端等再次反射而再次向光纤激光振荡器返回，并且返回光从返回光消除模块内的光纤的长度方向的规定范围大致均匀地漏出，被转换为热，返回光消除模块内的光纤的规定范围的光纤的每单位长度的发热量大致均匀，从而返回光消除模块内的光纤的规定范围的光纤的温度也能够大致均匀。
另外，关于以往的光纤激光装置的光纤激光振荡器，在为端面激励的情况下，越接近激励光输入侧则吸收的激励光量越大，伴随吸收产生的发热量也越多，因此在光纤长度方向上产生发热量的不均匀。在为侧面激励的情况下，当没有使激励光从激励光的激励光用光纤向信号光用光纤的传播在放大用光纤的长度方向上均匀的构造时，与端面激励的情况相同，在放大用光纤的长度方向上产生吸收的激励光量的不均匀。其结果是，产生发热量的不均匀。当在放大用光纤的长度方向上产生发热量的不均匀时，具有如下的问题：由于成为最高温的部分的温度上升使得能够注入的激励光功率有限。另外，当在放大用光纤的长度方向上存在吸收的激励光量的不均匀从而存在吸收的激励光量少的部分时，具有注入的激励光的一部分未用于激励而丢失使得激励光被芯吸收的吸收率下降的可能性。另外，当在放大用光纤的长度方向上存在吸收的激励光量的不均匀从而存在吸收的激励光量少的部分时，为了减少未用于激励而丢失的激励光，需要与在放大用光纤的长度方向上吸收的激励光量均匀的情况相比延长放大用光纤。其结果是，产生SRS等非线性感应散射的可能性高。因而，需要一种高输出高效光纤激光装置，其具有具备如下激励构造的光纤振荡器：能够在放大用光纤的长度方向上使吸收的激励光量均匀，放大用光纤的长度方向的发热量和温度分布也均匀，能够使由于温度上升而达到动作极限的激励光功率高，并且不用使放大用光纤长度长到本来所需的长度以上就能够减少未用于激励而丢失的激励光，激励光被芯吸收的吸收率高，难以招致由SRS等非线性感应散射的产生引起的高输出动作极限。
因此，需要如下的光纤构造：从光纤的输入端入射于光纤的光能够在光纤的长度方向的规定范围内在光纤的长度方向上大致均匀地从光纤漏出到光纤的外侧，不发生入射的激光反射而返回到光纤的输入端或激光从光纤的输出端漏出，而是实质上光只从光纤的长度方向的所述规定范围的光纤漏出到外部。
因此，本发明的目的在于提供一种光纤激光装置，所述光纤激光装置具备如下的光纤构造：从光纤的输入端入射于光纤的光能够在光纤的长度方向的规定范围内在光纤的长度方向上大致均匀地从光纤漏出到光纤的外侧，不发生入射的光反射回来而返回到光纤的输入端或者在光纤的输入端以外还具有输出端而光从该输出端漏出，而是实质上光只从光纤的长度方向的所述规定范围的光纤漏出到外部。
用于解决问题的方案
(1)本发明所涉及的光纤激光装置(例如后述的光纤激光装置16)具备被来自至少一个激光二极管模块(例如后述的激光二极管模块22)的激光激励来进行激光振荡的光纤激光振荡器(例如后述的光纤激光振荡器17)，所述光纤激光装置具备环状光纤(例如后述的环状光纤1)，其由组合器(例如后述的组合器2)和两端连接用光纤(例如两端连接用光纤7)形成，所述组合器(combiner)将各自具备输入端(例如后述的输入端5)的至少两根输入侧光纤(例如后述的输入侧光纤3)与具备一个输出端(例如后述的输出端6)的一根输出侧光纤(例如后述的输出侧光纤4)连接，所述两端连接用光纤将所述组合器的所述输出侧光纤的所述输出端和多个所述输入侧光纤中的任一根所述输入侧光纤的所述输入端连接，所述两端连接用光纤具备光泄漏单元，以随着从所述两端连接用光纤与所述输出侧光纤的所述输出端连接的一侧去向所述两端连接用光纤与所述输入侧光纤的所述输入端连接的一侧、所述两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径的值中的至少一个值逐渐减少的方式构成了所述光泄漏单元。
(2)在(1)所记载的光纤激光装置中，也可以是，在所述环状光纤中，没有设置除所述光泄漏单元以外的、将在所述环状光纤内传播的光从所述环状光纤取出的光取出单元和光分支单元。
(3)在(1)或(2)所记载的光纤激光装置中，也可以是，所述组合器满足(所述输入侧光纤的束的整体的直径)×(所述输入侧光纤的数值孔径)≤(所述输出侧光纤的芯径)×(所述输出侧光纤的数值孔径)的关系。
(4)在(1)～(3)中的任一项所记载的光纤激光装置中，也可以是，所述环状光纤在如下的第一关系式组和第二关系式组中所述第一关系式组和所述第二关系式组中包括的所有的关系式成立，在分别用NA1、D1、MFD1来表示所述输出侧光纤与所述两端连接用光纤连接的位置处的所述输出侧光纤的数值孔径、芯径、模场直径并且分别用NA2、D2、MFD2表示所述输出侧光纤与所述两端连接用光纤连接的位置处的所述两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径的情况下，所述第一关系式组包括NA1≤NA2、D1≤D2、MFD1≤MFD2这三个关系式，在分别用NA3、D3、MFD3表示所述两端连接用光纤与所述输入侧光纤连接的位置处的所述两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径并且分别用NA4、D4、MFD4表示所述两端连接用光纤与所述输入侧光纤连接的位置处的所述输入侧光纤的数值孔径、芯径、模场直径的情况下，所述第二关系式组包括NA3≤NA4、D3≤D4、MFD3≤MFD4这三个关系式。
(5)在(1)～(4)中的任一项所记载的光纤激光装置中，也可以是，所述环状光纤形成多个环。
(6)在(1)～(5)中的任一项所记载的光纤激光装置中，也可以是，所述组合器的所述输入侧光纤的根数为在将所述输入侧光纤束成六方最密构造时束的截面外形呈近似于圆的形状的根数。
(7)在(1)～(6)中的任一项所记载的光纤激光装置中，也可以是，所述环状光纤应用于返回光消除模块(例如后述的返回光消除模块21)，所述返回光消除模块用于消除向与来自所述光纤激光振荡器的信号光用光纤(例如后述的信号光用光纤35)的输出激光相反的方向传播并且透过高反射光纤布拉格光栅(例如后述的高反射光纤布拉格光栅19)后的返回光。
(8)在(7)所记载的光纤激光装置中，也可以是，所述环状光纤的至少一部分热连接于与散热单元热连接的传热构件(例如后述的传热构件29)。
(9)在(7)或(8)所记载的光纤激光装置中，也可以是，具有光检测单元(例如后述的光检测单元28)，所述光检测单元检测从所述返回光消除模块与所述高反射光纤布拉格光栅之间的光纤漏出的光。
(10)在(1)～(6)中的任一项所记载的光纤激光装置中，也可以是，所述环状光纤应用于与所述光纤激光振荡器的信号光用光纤(例如后述的信号光用光纤35)相邻且平行地延伸的侧面激励用的激励光用光纤(例如后述的激励光用光纤34)。
(11)在(10)所记载的光纤激光装置中，相邻且平行地延伸的所述激励光用光纤和所述信号光用光纤的至少一部分被具有比所述信号光用光纤的包层(例如后述的包层11)的折射率低的折射率的套筒(例如后述的套筒36)覆盖。
(12)在(10)或(11)所记载的光纤激光装置中，也可以是，针对一根所述信号光用光纤相邻地配置有多根所述激励光用光纤。
(13)在(10)～(12)中的任一项所记载的光纤激光装置中，也可以是，针对一根所述信号光用光纤相邻地配置多根所述激励光用光纤，在多根所述激励光用光纤中的至少一根所述激励光用光纤中传播的光的方向为与在其它所述激励光用光纤中传播的光的方向相反的方向。
(14)在(1)～(6)中的任一项所记载的光纤激光装置中，也可以是，所述环状光纤应用于返回光消除模块(例如后述的返回光消除模块21)和侧面激励用的激励光用光纤(例如后述的激励光用光纤34)这两方，所述返回光消除模块用于消除向与来自所述光纤激光振荡器的信号光用光纤(例如后述的信号光用光纤35)的输出激光相反的方向传播并且透过高反射光纤布拉格光栅(例如后述的高反射光纤布拉格光栅19)后的返回光，侧面激励用的激励光用光纤与所述光纤激光振荡器的信号光用光纤相邻且平行地延伸。
发明的效果
根据本发明，提供一种光纤激光装置，其具备如下一种光纤构造：从光纤的输入端入射于光纤的光能够在光纤的长度方向的规定范围内在光纤的长度方向上大致均匀地从光纤漏出到光纤的外侧，不发生入射的光反射回来而返回到光纤的输入端或者在光纤的输入端以外还具有输出端而光从该输出端漏出，而是实质上光只从光纤的长度方向的所述规定范围的光纤漏出到外部。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器中使用的环状光纤的示意图。
图2是本发明的第二实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器中使用的环状光纤的示意图。
图3A是本发明的第三实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器中使用的环状光纤中的组合器的七根输入侧光纤被束起的位置的与光纤的中心线垂直的截面示意图。
图3B是本发明的第三实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器中使用的环状光纤中的组合器的十九根输入侧光纤被束起的位置的与光纤的中心线垂直的截面示意图。
图3C是有效的输入侧光纤为两根的情况下的环状光纤中的组合器的输入侧光纤被束起的位置的与光纤的中心线垂直的截面示意图。
图3D是有效的输入侧光纤为两根以及虚设光纤为两根的情况下的环状光纤中的组合器的输入侧光纤被束起的位置的与光纤的中心线垂直的截面示意图。
图4是表示本发明的第四实施方式的光纤激光装置的结构的示意图。
图5A是表示本发明的第四实施方式的光纤激光装置的返回光消除模块的构造的示意图。
图5B是图5A中的B-B线的位置的截面示意图。
图6是表示本发明的第五实施方式的光纤激光装置的结构的示意图。
图7是表示本发明的第六实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器的结构的示意图。
图8是从图7的相反侧观察本发明的第六实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器的情况下的示意图。
图9A是本发明的第六实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器中的侧面激励构造的截面示意图。
图9B是本发明的第七实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器中的侧面激励构造的截面示意图。
图10是表示本发明的第八实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器的结构的示意图。
图11是表示本发明的第九实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器的结构的示意图。
图12是表示本发明的第十实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器的结构的示意图。
图13是本发明的第十一实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器和返回光消除模块的示意图。
附图标记说明
1：环状光纤；2：(环状光纤的)组合器；3：(组合器的)输入侧光纤；4：(组合器的)输出侧光纤；5：(组合器的输入侧光纤的)输入端；6：(组合器的输出侧光纤的)输出端；7：两端连接用光纤；8：入射光；9：入射于两端连接用光纤的光从两端连接用光纤向两端连接用光纤的外侧漏出的范围、两端连接用光纤具备光泄漏单元的范围；10：(各光纤的)芯；11：(各光纤的)包层；12：(组合器的)光纤锥形部；13：入射用光纤；14：外包管；15：虚设光纤；16：光纤激光装置；17：光纤激光振荡器；18：放大用光纤；19：高反射光纤布拉格光栅(HRFBG)；20：输出耦合器光纤布拉格光栅(OCFBG)；21：返回光消除模块；22：激光二极管模块(LDM)；23：锥形纤维束(TFB)；24：激光光学系统；25：输送光纤；26：加工头；27：输出激光；28、28a、28b：光检测单元；29：传热构件；291：槽；30：温度传感器；31：传热性固着物；32：(输出激光耦合用)组合器；33：激励光；34：(侧面激励用的)激励光用光纤；35：信号光用光纤；36：套筒；37：套筒的端面。
具体实施方式
以下参照附图来说明本发明所涉及的具备环状光纤的光纤激光装置的实施方式。在各附图中，对相同构件标注相同参照标记。另外，在不同的附图中标注有相同的参照标记的结构要素是指具有相同功能的结构要素。此外，为了容易观察这些附图，适当地变更了比例尺。
另外，在本说明书中，将各光纤间连接这一用词被用作如下含义：以利用熔接将各光纤的端面与端面接合、使从一个光纤传输来的光向另一个光纤传播的方式进行光学耦合。
另外，在各附图中，空心的箭头示意性地表示光线。粗的涂黑的箭头线示意性地表示在各光纤内传输的光的平均的传播方向。细的双头箭头线为用于表示范围的辅助线。另外，与光纤垂直的粗的虚线表示光纤的熔接连接点。
<第一实施方式>
图1为本发明的第一实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器中使用的环状光纤的示意图。在图1中，以将包括光纤的中心线的平面设为截面的截面示意图来示出光纤部分。在图1中，为了说明环状光纤，省略光纤激光装置、光纤激光振荡器而不进行图示。
如图1所示，环状光纤1构成为包括组合器2、两端连接用光纤7。组合器2包括各自具备输入端5的多个输入侧光纤3以及具备一个输出端6的一根输出侧光纤4，并且所述组合器2具有如下的结构：多个输入侧光纤3与一根输出侧光纤4的同一输入端耦合地连接。本实施方式的组合器2具有两根输入侧光纤3、3，各输入侧光纤3、3与一根输出侧光纤4的同一输入端耦合地连接，由此构成为Y型。在输入侧光纤3、3与输出侧光纤4的连接部位设置有光纤锥形部12。
两端连接用光纤7将输出侧光纤4的输出端6与多个输入侧光纤3中的任一根输入侧光纤3的输入端5耦合连接为环状。由此构成为：从多个输入侧光纤3中的除与两端连接用光纤7连接的一根输入侧光纤3以外的至少任一根输入侧光纤3的输入端5入射于组合器2的入射光的至少一部分依次经由输出端6和两端连接用光纤7后从与两端连接用光纤7连接的输入端5再次入射于组合器2。
具体地说，组合器2的输出侧光纤4的输出端6的芯10的端面与两端连接用光纤7的输入端侧的芯10的端面通过以没有轴偏移的方式将端面间熔接来耦合连接。另外，组合器2的输入侧光纤3的输入端5的芯10的端面与两端连接用光纤7的输出端侧的芯10的端面通过以没有轴偏移的方式将端面间熔接来耦合连接。
多个输入侧光纤3中的、未与两端连接用光纤7连接的一根输入侧光纤3的输入端5与入射用光纤13耦合连接。入射用光纤13的芯10构成为没有轴偏移地与未与两端连接用光纤7连接的输入侧光纤3的输入端5的芯10的端面耦合连接，使入射光8入射于该输入侧光纤3。关于环状光纤1，来自该入射用光纤13的入射光8从输入侧光纤3的输入端5入射于组合器2，该入射光8的至少一部分依次经由输出端6和两端连接用光纤7后从与两端连接用光纤7连接的输入侧光纤3的输入端5再次入射于组合器2。
环状光纤1的两端连接用光纤7具备光泄漏单元，所述光泄漏单元构成为：使入射于组合器2的入射光8当在环状光纤1中循环的期间中从两端连接用光纤7的内侧向两端连接用光纤7的外侧漏出。图1中的双头箭头9所示的范围表示在两端连接用光纤7中具备光泄漏单元的范围。因而，两端连接用光纤7构成为使入射于组合器2的入射光8在该范围9内向两端连接用光纤7的外侧漏出。本实施方式所示的范围9遍及两端连接用光纤7的全长。
此外，本实施方式所示的两端连接用光纤7在芯10的外周具有包层11，但至少遍及范围9地剥离了通常为了保护光纤而形成于包层的外侧的保护包覆或原本就未形成有该保护包覆，使得不妨碍在包层11中传输的光向包层11的外侧漏出。另外，也可以对包层11的表面进行包层光去除处理，例如粗糙加工为稍微粗糙的状态、形成微细的图案等，使得光容易从包层11漏出。
以随着在两端连接用光纤7中从两端连接用光纤7与输出侧光纤4的输出端6连接的一侧去向两端连接用光纤7与输入侧光纤3的输入端5连接的一侧、两端连接用光纤7的数值孔径(NA)、芯径、模场直径的值中的至少一个值逐渐减少的方式构成了光泄漏单元。例如，在将两端连接用光纤7的芯径加工为随着从与输出侧光纤4的输出端6连接的一侧去向与输入侧光纤3的输入端5连接的一侧而逐渐从100μm缩径为50μm的情况下，当光以光纤NA从芯径为100μm的一侧向两端连接用光纤7入射时，随着芯径变小，光的一部分从两端连接用光纤7的芯10漏出。在光到达芯径为50μm的位置为止，入射的光的最大50％的光从芯10漏出。在如本实施方式的两端连接用光纤7那样具有光容易从包层11内漏出的构造的情况下，从芯10漏出到包层11的光进一步从包层11漏出到两端连接用光纤7的外侧。
此外，根据芯径和芯10及包层11的折射率来调整模场直径。在芯径小的单模光纤中，模场直径比芯径大，但在芯径大的多模光纤中，模场直径与芯径大致相等。另外，通过调整两端连接用光纤7的芯10及包层11的折射率来调整两端连接用光纤7的数值孔径。
将两端连接用光纤7制作为：数值孔径、芯径、模场直径的值中的至少一个值遍及两端连接用光纤7的全长地连续地、例如以大致固定的比例逐渐减少。由此，在两端连接用光纤7中传播的光能够遍及两端连接用光纤7的全长地大致均匀地从两端连接用光纤7的内侧向两端连接用光纤7的外侧漏出。
但是，光泄漏单元不限定为使在两端连接用光纤7中传播的光遍及两端连接用光纤7的全长地以大致固定的比例减少的条件。需要以遍及两端连接用光纤7的全长地连续地逐渐减少的方向控制两端连接用光纤7的数值孔径、芯径、模场直径中的至少一个值，来制作两端连接用光纤7，使得满足在两端连接用光纤7中传播的光遍及两端连接用光纤7的全长地大致均匀地向两端连接用光纤7的外侧漏出的规格。另外，光泄漏单元构成为两端连接用光纤7的数值孔径、芯径、模场直径的值中的至少一个值逐渐减少即可，但构成为这些值全部逐渐减少是最优选的。
没有从两端连接用光纤7漏出而返回到与两端连接用光纤7连接的输入侧光纤3的输入端5的光在组合器2中与从没有与两端连接用光纤7连接的输入侧光纤3的输入端5入射的入射光8合流(耦合)，从输出侧光纤4的输出端6再次在两端连接用光纤7中传播。像这样，从没有与两端连接用光纤7连接的输入侧光纤3的输入端5入射的入射光8在环状光纤1内循环。因而，在环状光纤1不具有除上述的光泄漏单元以外的、用于从环状光纤1将在环状光纤1内传播的光取出的光取出单元、光分支单元的情况下，如下的效果更明显：入射于环状光纤1的入射光8中的大致所有的光能够当在环状光纤1中循环的期间中在两端连接用光纤7的长度方向上大致均匀地从两端连接用光纤7的内侧向两端连接用光纤7的外侧漏出。即，不具有光取出单元、光分支单元的环状光纤1能够更显著地得到大致全部的入射光8能够遍及两端连接用光纤7的全长地大致均匀地从两端连接用光纤7向外侧漏出的效果。
组合器2也可以满足(所述输入侧光纤的束的整体的直径)×(所述输入侧光纤的数值孔径)≤(所述输出侧光纤的芯径)×(所述输出侧光纤的数值孔径)的关系。从入射端入射的入射光8按照输入侧光纤3的光纤径与数值孔径的乘积恒定的“亮度守恒定律”进行传播，因此在组合器2的光纤锥形部12中，入射光8的数值孔径同光纤径的减少成反比例地增加。但是，组合器2只要在满足上述的关系的范围内则能够以损耗少的条件将组合器2加工为锥形状，从而能够减小组合器2中的光损耗。
在此，将分别以NA1、D1、MFD1表示环状光纤1中的输出侧光纤4与两端连接用光纤7连接的位置处的输出侧光纤4的数值孔径、芯径、模场直径并且分别以NA2、D2、MFD2表示环状光纤1中的输出侧光纤4与两端连接用光纤7连接的位置处的两端连接用光纤7的数值孔径、芯径、模场直径的情况下的、NA1≤NA2、D1≤D2、MFD1≤MFD2这三个关系式设为第一关系式组。另一方面，将分别以NA3、D3、MFD3表示环状光纤1中的两端连接用光纤7与输入侧光纤3连接的位置处的两端连接用光纤7的数值孔径、芯径、模场直径并且分别以NA4、D4、MFD4表示环状光纤1中的两端连接用光纤与输入侧光纤3连接的位置处的输入侧光纤3的数值孔径、芯径、模场直径的情况下的、NA3≤NA4、D3≤D4、MFD3≤MFD4这三个关系式设为第二关系式组。此时，环状光纤1优选构成为在第一关系式组和第二关系式组中包括的全部的关系式成立。由此，能够减小输出侧光纤4与两端连接用光纤7连接的熔接连接点处的连接损耗、两端连接用光纤7与输入侧光纤3连接的熔接连接点处的连接损耗。
此外，以上的NA1～NA4均用作根据各光纤的芯和包层的折射率决定的光纤的数值孔径(NA)的含义，并不是指表示如下的入射角度条件的数值孔径(NA)：用于使从各光纤的端面的芯入射的光在芯内全反射地进行传播并且能够到达该光纤的另一个端面。如上述的那样，通过减小组合器2中的光耦合损耗和环状光纤1中的光纤的熔接连接点处的连接损耗这两方，能够使从入射用光纤13入射于环状光纤1的入射光8的大致全部入射光8遍及两端连接用光纤7的全长地大致均匀地从两端连接用光纤7的内部向两端连接用光纤7的外部漏出。
此外，关于包层直径，期望的是，在输出侧光纤4与两端连接用光纤7连接的位置和两端连接用光纤7与输入侧光纤3连接的位置处，光的传播方向的上游侧的光纤与下游侧的光纤的包层直径大致相等，并且期望至少上游侧的光纤的包层直径不比下游侧的光纤的包层直径大。
在组合器2中，当以满足前述的关系的方式将多根输入侧光纤3耦合于一根输出侧光纤4时，无法避免输出侧光纤4的数值孔径、芯径比输入侧光纤3的数值孔径、芯径大。另外，在光纤的熔接连接点处，当使光从数值孔径、芯径大的光纤侧向数值孔径、芯径相对小的光纤侧传播时，连接损耗变大。并且，如前述的那样，在加工成光纤的数值孔径、芯径逐渐变小的光纤中，所传播的光的一部分不能够留在芯内，而是从芯漏出。在本发明中，反过来利用这些可以说是光纤部件结构上的限制的前述的关系，将两端连接用光纤7制作成使两端连接用光纤7的数值孔径、芯径从至少等于或大于输出侧光纤4的数值孔径、芯径的值逐渐减小为至少等于或小于输入侧光纤3的数值孔径、芯径的值。由此，能够尽可能地减少组合器2中的光耦合损耗、熔接连接点处的连接损耗，从入射用光纤13入射于环状光纤1的入射光8的大致全部入射光8能够遍及两端连接用光纤7的全长地大致均匀地从两端连接用光纤7的内侧向两端连接用光纤7的外侧漏出。
<第二实施方式>
图2为本发明的第二实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器中使用的环状光纤的示意图。在图2中，除了多个光纤看起来交叉的部分以外以将包括光纤的中心线的平面设为截面的截面示意图来示出光纤部分。与图1同样地，没有图示光纤激光装置、光纤激光振荡器。如图2所示，环状光纤1的环不限定为一重，可以将环卷绕为多重。在本实施方式中例示出将环卷绕为二重的构造。在图2中，没有描绘成两端连接用光纤7的芯径沿着光纤的长度方向均匀地变化，应该理解为这只是示意性的附图。关于其它附图也同样。
另外，在图2中，为了容易理解环状光纤1的结构，通过改变环的第一重和第二重的直径来使环的位置错开。但是，可以设置为多个环的直径大致相同并且彼此重叠，这是自不必说的。在从正面观察图2时，关于看起来第一重的环与第二重的环交叉的部分，示意性地示出环径大的环相比于环径小的环配置在图面的里侧从而立体地交差的状态。如本实施方式那样，通过使环状光纤1的环多重化，在构成环状光纤1的光纤需要规定的长度的情况下，能够将环状光纤1紧凑地设置在光纤激光装置内。
<第三实施方式>
图3A、图3B为与本发明的第三实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器所使用的环状光纤中的组合器的输入侧光纤被束起的位置的与光纤的中心线垂直的截面示意图。如图3A、图3B所示，在多根输入侧光纤3被束为六方最密构造时，当组合器的输入侧光纤3的根数为使束的截面外形呈接近圆的形状的根数时，图1、图2所示的组合器2的光纤锥形部12的制作容易。
作为具体的根数，为图3A所示的七根以上。例如，也能够如图3B所示设为十九根。作为更多的根数，能够例示出三十七根或六十一根。输入侧光纤3的束被封入外包管(over-cladding tube)14中。此外，在使输入侧光纤为上述的根数的情况下，当输入侧光纤的根数为必要以上的根数时，可以将不需要的输入侧光纤作为虚设光纤而不进行利用。另外，虚设光纤可以不具备由芯和包层构成的光纤构造而是没有芯的简单的构造的光纤。
而且，图3C表示如图1、图2所示的那样束起两根输入侧光纤3、3的情形。另外，图3D表示束起四根输入侧光纤的情形。四根中的两根输入侧光纤3、3如图1、图2所示的那样为使光入射的光纤，其它两根光纤为实际上不使光入射的上述的虚设光纤15、15。此外，在将在内侧收纳有光纤的束的外包管14的外径呈锥状地缩小至与例如图1、图2所示的组合器2的输出侧光纤4的外径一致的阶段，外包管14的内侧的光纤之间的间隙、外包管14与光纤之间的间隙消失。
<第四实施方式>
图4为与本发明的第四实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器关联的光学系统的主要部分的示意图。在图4中，环状光纤1应用于返回光消除模块21，所述返回光消除模块21用于消除从光纤激光装置16中的光纤激光振荡器17的信号光用光纤35透过高反射光纤布拉格光栅(HRFBG)19后的返回光。此外，在图4中，为了简化附图，关于光纤，不图示芯、包层等详细构造，而用粗的实线来表示。
在本实施方式的光纤激光振荡器17中构成为：从多个激光二极管模块(LDM：LaserDiode Module)22射出的激励光在经由锥形纤维束(TFB：Tapered Fiber Bundle)23后注入于构成放大用光纤18的双包层光纤的内部包层，在进行传输的期间，被添加有稀土离子的芯逐渐吸收。省略了用于驱动LDM 22的激光电源部、用于控制光纤激光装置16的各部的控制部的图示。来自光纤激光振荡器17的输出激光27经由光纤耦合器等激光光学系统(OPTICS)24、输送光纤25后从加工头26射出。该光纤激光装置16利用环状光纤1，以利用返回光消除模块21来消除如射出的激光的一部分被加工对象物的表面反射而向与输出激光27相反的方向传输来的反射光、在光纤中传输的过程中产生的波长比光纤激光振荡器17振荡的激光的波长长的斯托克斯光等这样的、透过HRFBG 19后的返回光。环状光纤1的入射用光纤13经由TFB 23与信号光用光纤35连接。
图5A为本实施方式的光纤激光装置的返回光消除模块的详细示意图。在图5A中，以将包括光纤的中心线的平面设为截面的概念性的示意图来示出光纤部分。图5B为沿着图5A中的B-B线的位置的截面示意图。
在入射于环状光纤1的返回光在环状光纤1中循环的期间中，在两端连接用光纤7中传播的光在从两端连接用光纤7的内侧向两端连接用光纤7的外侧露出的范围9内在两端连接用光纤7的长度方向上大致均匀地从两端连接用光纤7漏出。返回光消除模块21中的环状光纤1被收容于在如铝板这样的传热构件29的一面形成的槽291。槽291内的环状光纤1通过传热化合物、传热粘接物等传热性固着物31以热连接的方式固定于传热构件29。在两端连接用光纤7的长度方向上大致均匀地从两端连接用光纤7漏出的返回光被转换为热，经由传热构件29来通过与传热构件29热连接的例如水冷板这样的散热单元(未图示)进行散热。
据此，透过HRFBG 19入射于返回光消除模块21的、有可能招致光纤激光振荡器17等的损伤的来自加工对象物等的反射光、限制光纤激光振荡器17的输出的由于拉曼散射等非线性感应散射产生的斯托克斯光(散射光)等返回光能够被返回光消除模块21完全地消除，从而能够完全地防止这些返回光再次返回到光纤激光振荡器17。
另外，返回光的消除、即来自两端连接用光纤7的漏出非局部地进行，返回光在入射于两端连接用光纤7的光从两端连接用光纤7的内侧向两端连接用光纤7的外侧漏出的范围9、即遍及两端连接用光纤7的大致全长地在两端连接用光纤7的长度方向上大致均匀地漏出，因此能够防止发生由于环状光纤1的一部分的温度局部地上升使得环状光纤1、返回光消除模块21损伤这样的故障。而且，能够在构造上完全地消除返回光自返回光消除模块21的反射。
并且，环状光纤1的至少一部分与传热构件29热连接，因此能够降低由于从环状光纤1漏出的返回光使得环状光纤1的温度上升而损伤环状光纤1的风险。
此外，期望的是，如本实施方式所示的两端连接用光纤7那样，至少在返回光在两端连接用光纤7的长度方向上大致均匀地从两端连接用光纤7漏出的范围9，为了保护光纤而通常以包围光纤的方式铺设于包层的外侧的保护包覆被剥离。另外，可以如前述的那样，对两端连接用光纤7的包层11的表面实施包层光去除处理，以使返回光容易漏出。另外，可以如图4所示那样设置用于检测从返回光消除模块21与HRFBG 19之间的信号光用光纤35漏出的光量的光检测单元(PD)28，监视入射于返回光消除模块21的返回光的光量。如果使用光电二极管来作为光检测单元28，则能够高速地检测反射光的光量，从而能够高速地反馈给由光纤激光装置16的控制部发出的光输出指令。可以如图4所示那样在激光光学系统24的前后等设置多个同样的光检测单元，如主要检测输出激光27的光检测单元28a、主要检测返回光的光检测单元28b等。另外，也可以为了监视传热构件29的温度，设置温度传感器30。
<第五实施方式>
图6为表示本发明的第五实施方式的光纤激光装置的结构的示意图。此外，在图6中，为了简化附图，不图示光纤的芯、包层等详细构造，而由粗的实线来表示光纤。
本实施方式所示的光纤激光装置16具有通过一个返回光消除模块21一并消除来自两个光纤激光振荡器17、17的返回光的构造。因此，环状光纤1的组合器2的输入侧光纤3为三根。从两个光纤激光振荡器17、17射出的激光通过输出激光耦合用组合器32耦合后从光纤激光装置16射出。在通过一个返回光消除模块21一并消除来自多个光纤激光振荡器17、17的返回光的本实施方式的构造中，光纤激光振荡器17的数量不限定于两个。通过利用一个返回光消除模块21一并消除来自多个光纤激光振荡器17的返回光，能够降低成本。
<第六实施方式>
图7、图8是表示本发明的第六实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器的结构的示意图。其中，省略了激光二极管模块，不进行图示。来自激光二极管模块22的激励光33通过如图4、图6所示的锥形纤维束23耦合，之后入射于组合器2的输入侧光纤3。在本实施方式中，环状光纤1应用于与光纤激光振荡器17的信号光用光纤35相邻且平行地延伸的侧面激励用的激励光用光纤34。此外，实施方式的项所记载的激励光用光纤34均为侧面激励用的激励光用光纤。
图7以将包括应用了环状光纤1的激励光用光纤34的中心线的平面设为截面的截面示意图来进行表示。在图7中，放大用光纤18的部分的信号光用光纤35配置在激励光用光纤34的背侧而未被看见。另一方面，图8为从背侧观察图7的截面示意图，以将包括信号光用光纤的中心线的平面设为截面的截面示意图进行表示。其中，以将包括图示面前的信号光用光纤35的中心线的平面设为截面的截面示意图来表示信号光用光纤35交叉的部分。
相邻且平行地延伸配置的激励光用光纤34和信号光用光纤35的大部分被套筒(sleeve)36覆盖。激励光用光纤34和信号光用光纤35内置于套筒36，套筒36由具有比信号光用光纤35的包层低的折射率的低折射率聚合物等材料制作，以使从激励光用光纤34漏出的激励光33被信号光用光纤35高效地吸收。
图9A为由被套筒36覆盖的激励光用光纤34和信号光用光纤35构成的放大用光纤18的截面示意图，是侧面激励构造的截面示意图。在本实施方式中，将激励光用光纤34的直径描绘得比信号光用光纤35的直径大，但激励光用光纤34的直径与信号光用光纤35的直径的大小关系不限定于本实施方式所示的关系。
像这样，相邻且平行地延伸配置的激励光用光纤34和信号光用光纤35的至少一部分被内置有激励光用光纤34和信号光用光纤35且具有比信号光用光纤35的包层11低的折射率的套筒36覆盖，由此从侧面激励用的激励光用光纤34漏出的激励光33被信号光用光纤35高效地吸收。
在将环状光纤1应用于激励光用光纤34的情况下，期望的是：构成激励光用光纤34的两端连接用光纤7的靠近两端的部分的数值孔径、芯径固定，使入射的激励光33从两端连接用光纤7的内侧向两端连接用光纤7的外侧漏出的范围9、即两端连接用光纤7具备光泄漏单元的范围比两端连接用光纤7的全长短，止于比被套筒36覆盖的范围靠内侧的范围。由此，激励光33不从未被套筒36覆盖的部分漏出，因此能够使信号光用光纤35更高效地吸收激励光33。也可以对套筒36的端面37的表面实施反射涂覆，以防止从套筒36的端面37泄漏激励光33。
此外，在图7、图8中，为了使附图简单，将环状光纤1设为单一环，但能够如图2所示那样设为多个环，因此在该情况下，(两端连接用光纤具备光泄漏单元的范围)/(两端连接用光纤的全长)也能够设为实质上接近1的值。因而，在激励光用光纤34的长度方向上大致均匀地从激励光用光纤34的内侧向激励光用光纤34的外侧漏出的激励光33被与该激励光用光纤34平行地延伸的信号光用光纤35的芯10吸收。由此，在放大用光纤18的长度方向上吸收的激励光量大致均匀，能够使放大用光纤18的长度方向的发热量和温度分布也大致均匀。另外，即使不延长光纤长度，也是几乎全部的入射于环状光纤1的激励光33向激励光用光纤1的外侧漏出并且被信号光用光纤35吸收，因此能够将放大用光纤18设定为作为激光共振器而言最适当的长度，并且能够减少无助于激励的激励光的比例。因此，能够实现难以招致由于放大用光纤18的温度上升引起的动作极限、由于SRS等非线性感应散射的产生引起的高输出动作极限并且可靠性高的高输出高效光纤激光装置。
<第七实施方式>
图9B为本发明的第七实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器中的侧面激励构造的截面示意图。在图9B中，多根(在本实施方式中为两根)激励光用光纤34、34与一根信号光用光纤35相邻地配置。在本实施方式中，在左右的激励光用光纤34、34中，激励光33的传输方向相同。本实施方式的光纤激光振荡器的示意图与图7所示的光纤激光振荡器17相同。在放大用光纤18的部分中具有如下的构造：在最靠前的激励光用光纤34的里侧存在未被看见的信号光用光纤35，并且在更里侧存在有与最靠前的激励光用光纤34为相同同形状并且也未被看见的激励光用光纤34。通过由多个激励光用光纤34、34包围信号光用光纤35，能够使信号光用光纤35以放大用光纤18的每单位长度吸收更多的激励光量。
<第八实施方式>
图10是表示本发明的第八实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器的结构的示意图，示出将包括应用了环状光纤1的最靠前的激励光用光纤34的中心线的平面设为截面的截面示意图。在图10中表示如下的构造：在放大用光纤18的部分中，在最靠前的激励光用光纤34的里侧配置有信号光用光纤35，在更里侧配置有呈将最靠前的激励光用光纤34翻转的状态的激励光用光纤34。侧面激励构造的截面示意图与图9B相同，但在左右的激励光用光纤34、34中，激励光33的传输方向为彼此相反的方向。
如本实施方式那样，设为如下的侧面激励构造：针对一根信号光用光纤35，相邻地配置多根激励光用光纤34、34，在多根激励光用光纤34、34中的至少一根激励光用光纤34内传播的光的方向与在相邻地配置的其它激励光用光纤34内传播的光的方向为相反方向，通过由多个侧面激励用的激励光用光纤包围信号光用光纤35，能够使信号光用光纤35吸收更多的激励光量。另外，能够从信号光用光纤35的HRFBG 19侧和激光输出侧的输出耦合器光纤布拉格光栅(OCFBG：Output Coupler-Fiber Bragg Grating)20侧均导入激励光33，因此能够增加激励用的LDM 22的个数，从而能够使光纤激光振荡器17高输出化。
<第九实施方式>
图11为表示本发明的第九实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器的结构的示意图。在图11中，示出将包括应用了环状光纤1的靠前的两个激励光用光纤34、34的中心线的平面设为截面的截面示意图。在放大用光纤18的部分中为在靠前的激励光用光纤34的里侧配置有信号光用光纤35的构造。
如本实施方式那样，通过将侧面激励构造分割为多个并且以使其位置错开的方式进行配置，伴随信号光用光纤35的芯10对激励光的吸收产生的热的散热变得容易。其结果是，容易避免由于侧面激励构造部分的温度上升而达到动作极限，从而能够实现光纤激光装置的高输出、高可靠化。
<第十实施方式>
图12为表示本发明的第十实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器的结构的示意图。图12表示将包括应用了环状光纤1的靠前的激励光用光纤34的中心线的平面设为截面的截面示意图。在放大用光纤18的部分中具有在靠前的激励光用光纤34的里侧配置有信号光用光纤35的构造。
在本实施方式中，环状光纤1的组合器2的输入侧光纤3的根数为三根，并且具有激励光能够从其中的两根输入侧光纤3、3入射于侧面激励构造的构造。通过增加输入侧光纤3的根数，更大的光量的激励光33容易入射于侧面激励构造，容易实现光纤激光装置的高输出化。在将环状光纤1应用于侧面激励构造的情况下也是，组合器2的输入侧光纤3的根数不限定为两根、三根。
<第十一实施方式>
图13为表示本发明的第十一实施方式的光纤激光装置的光纤激光振荡器和返回光消除模块的结构的示意图。在本实施方式中，环状光纤1应用于用于消除从光纤激光振荡器17的信号光用光纤35透过HRFBG 19后的返回光的返回光消除模块21以及与光纤激光振荡器17的信号光用光纤35相邻且平行地延伸的激励光用光纤34这两方。在图13中，为了容易理解附图，以将包括激励光用光纤34的中心线的平面设为截面的截面示意图来示出光纤激光振荡器17，以将包括返回光消除模块21内的环状光纤1的中心线的平面设为截面的截面示意图来示出返回光消除模块21。因而，图13相当于合成之前的图5A和图7而成的图。
在本实施方式的光纤激光装置中，能够防止返回光消除模块21中的局部的温度上升，并且能够完全地消除返回光，从而能够完全地防止有害的返回光从HRFBG 19侧再次返回光纤激光振荡器17。另外，在返回光消除模块21内，不局部地进行返回光的消除(来自光纤的漏出)，因此能够防止产生由于温度局部地上升使得环状光纤1、返回光消除模块21损伤这样的故障。放大用光纤18的温度分布均匀，放大用光纤的长度方向的发热量和温度分布也大致均匀。另外，即使不延长光纤长度，入射的激励光33也几乎全部被信号光用光纤35吸收，因此能够将放大用光纤18设为作为激光共振器而言最适当的长度，并且能够减少无助于激励的激光的比例。因而，光纤激光振荡器17不易受到由于放大用光纤18的温度上升引起的动作极限的限制、由于SRS等非线性感应散射的产生引起的输出的限制，因此能够抑制拉曼散射光的产生，并且能够通过高输出的激励光33高效地进行激励。因此，能够实现可靠性高且高输出高效率的光纤激光装置。

Claims (18)

1.一种光纤激光装置，具备光纤激光振荡器，所述光纤激光振荡器至少具有信号光用光纤和至少一个激光二极管模块，所述信号光用光纤入射来自至少一个所述激光二极管模块的激光，并且射出被所述激光激励而激光振荡出的输出激光，
所述光纤激光装置还具备返回光消除模块，所述返回光消除模块与所述光纤激光振荡器连接，用于消除在所述信号光用光纤中向与所述输出激光的射出方向相反的方向传播来的返回光，
所述返回光消除模块具备环状光纤，所述环状光纤包括组合器和两端连接用光纤，所述组合器将各自具备输入端的至少两根输入侧光纤与具备一个输出端的一根输出侧光纤连接，所述两端连接用光纤将所述组合器的所述输出侧光纤的所述输出端和多个所述输入侧光纤中的任一根所述输入侧光纤的输入端连接，
所述两端连接用光纤具备光泄漏单元，所述光泄漏单元构成为，随着从所述两端连接用光纤与所述输出侧光纤的所述输出端连接的一侧去向所述两端连接用光纤与所述输入侧光纤的所述输入端连接的一侧、所述两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径的值中的至少一个值逐渐减少，由此所述返回光的一部分从所述两端连接用光纤的内侧漏出到外侧，
至少两根所述输入侧光纤的所述输入端中的、未与所述两端连接用光纤连接的任一根所述输入侧光纤的所述输入端与所述信号光用光纤连接，以使所述返回光入射。
2.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述环状光纤的至少一部分热连接于与散热单元热连接的传热构件。
3.根据权利要求1或2所述的光纤激光装置，其特征在于，
具有光检测单元，所述光检测单元检测从所述返回光消除模块与所述光纤激光振荡器之间的所述信号光用光纤漏出的光。
4.根据权利要求1或2所述的光纤激光装置，其特征在于，
在所述环状光纤的所述两端连接用光纤中，没有设置除所述光泄漏单元以外的、将在所述两端连接用光纤内传播的光从所述两端连接用光纤取出的光取出单元和光分支单元。
5.根据权利要求1或2所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述组合器满足(所述输入侧光纤的束的整体的直径)×(所述输入侧光纤的数值孔径)≤(所述输出侧光纤的芯径)×(所述输出侧光纤的数值孔径)的关系。
6.根据权利要求1或2所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述环状光纤构成为在如下的第一关系式组和第二关系式组中所述第一关系式组和所述第二关系式组中包括的所有的关系式成立，在分别用NA1、D1、MFD1来表示所述输出侧光纤与所述两端连接用光纤连接的位置处的所述输出侧光纤的数值孔径、芯径、模场直径并且分别用NA2、D2、MFD2表示所述输出侧光纤与所述两端连接用光纤连接的位置处的所述两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径的情况下，所述第一关系式组包括NA1≤NA2、D1≤D2、MFD1≤MFD2这三个关系式，在分别用NA3、D3、MFD3表示所述两端连接用光纤与所述输入侧光纤连接的位置处的所述两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径并且分别用NA4、D4、MFD4表示所述两端连接用光纤与所述输入侧光纤连接的位置处的所述输入侧光纤的数值孔径、芯径、模场直径的情况下，所述第二关系式组包括NA3≤NA4、D3≤D4、MFD3≤MFD4这三个关系式。
7.根据权利要求1或2所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述环状光纤形成多个环。
8.根据权利要求1或2所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述组合器的所述输入侧光纤的根数为在将所述输入侧光纤束成六方最密构造时使束的截面外形呈近似于圆的形状的根数。
9.一种光纤激光装置，具备光纤激光振荡器，所述光纤激光振荡器至少具有信号光用光纤和至少一个激光二极管模块，所述信号光用光纤入射来自至少一个所述激光二极管模块的激光，并且射出被所述激光激励而激光振荡出的输出激光，
所述光纤激光装置还具备激励光用光纤，所述激励光用光纤设置于所述光纤激光振荡器，与所述信号光用光纤相邻且平行地延伸，被入射侧面激励用的激励光，
所述激励光用光纤具备环状光纤，所述环状光纤包括组合器和两端连接用光纤，所述组合器将各自具备输入端的至少两根输入侧光纤与具备一个输出端的一根输出侧光纤连接，所述两端连接用光纤将所述组合器的所述输出侧光纤的所述输出端和多个所述输入侧光纤中的任一根所述输入侧光纤的输入端连接，
所述两端连接用光纤具备光泄漏单元，所述光泄漏单元构成为，随着从所述两端连接用光纤与所述输出侧光纤的所述输出端连接的一侧去向所述两端连接用光纤与所述输入侧光纤的所述输入端连接的一侧、所述两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径的值中的至少一个值逐渐减少，由此所述侧面激励用的激励光的一部分从所述两端连接用光纤的内侧漏出到外侧，
向至少两根所述输入侧光纤的所述输入端中的、未与所述两端连接用光纤连接的任一根所述输入侧光纤的所述输入端入射所述侧面激励用的激励光。
10.根据权利要求9所述的光纤激光装置，其特征在于，
相邻且平行地延伸的所述激励光用光纤和所述信号光用光纤的至少一部分被具有比所述信号光用光纤的包层的折射率低的折射率的套筒覆盖。
11.根据权利要求9或10所述的光纤激光装置，其特征在于，
针对一根所述信号光用光纤相邻地配置有多根所述激励光用光纤。
12.根据权利要求9或10所述的光纤激光装置，其特征在于，
针对一根所述信号光用光纤相邻地配置有多根所述激励光用光纤，在多根所述激励光用光纤中的至少一根所述激励光用光纤中传播的光的方向为与在其它所述激励光用光纤中传播的光的方向相反的方向。
13.根据权利要求9或10所述的光纤激光装置，其特征在于，
在所述环状光纤的所述两端连接用光纤中，没有设置除所述光泄漏单元以外的、将在所述两端连接用光纤内传播的光从所述两端连接用光纤取出的光取出单元和光分支单元。
14.根据权利要求9或10所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述组合器满足(所述输入侧光纤的束的整体的直径)×(所述输入侧光纤的数值孔径)≤(所述输出侧光纤的芯径)×(所述输出侧光纤的数值孔径)的关系。
15.根据权利要求9或10所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述环状光纤构成为在如下的第一关系式组和第二关系式组中所述第一关系式组和所述第二关系式组中包括的所有的关系式成立，在分别用NA1、D1、MFD1来表示所述输出侧光纤与所述两端连接用光纤连接的位置处的所述输出侧光纤的数值孔径、芯径、模场直径并且分别用NA2、D2、MFD2表示所述输出侧光纤与所述两端连接用光纤连接的位置处的所述两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径的情况下，所述第一关系式组包括NA1≤NA2、D1≤D2、MFD1≤MFD2这三个关系式，在分别用NA3、D3、MFD3表示所述两端连接用光纤与所述输入侧光纤连接的位置处的所述两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径并且分别用NA4、D4、MFD4表示所述两端连接用光纤与所述输入侧光纤连接的位置处的所述输入侧光纤的数值孔径、芯径、模场直径的情况下，所述第二关系式组包括NA3≤NA4、D3≤D4、MFD3≤MFD4这三个关系式。
16.根据权利要求9或10所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述环状光纤形成多个环。
17.根据权利要求9或10所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述组合器的所述输入侧光纤的根数为在将所述输入侧光纤束成六方最密构造时使束的截面外形呈近似于圆的形状的根数。
18.一种光纤激光装置，具备光纤激光振荡器，所述光纤激光振荡器至少具有信号光用光纤和至少一个激光二极管模块，所述信号光用光纤入射来自至少一个所述激光二极管模块的激光，并且射出被所述激光激励而激光振荡出的输出激光，
所述光纤激光装置还具备：
返回光消除模块，其与所述光纤激光振荡器连接，用于消除在所述信号光用光纤中向与所述输出激光的射出方向相反的方向传播来的返回光；
激励光用光纤，其设置于所述光纤激光振荡器，与所述信号光用光纤相邻且平行地延伸，被入射侧面激励用的激励光，
所述返回光消除模块和所述激励光用光纤分别具备环状光纤，所述环状光纤包括组合器和两端连接用光纤，所述组合器将各自具备输入端的至少两根输入侧光纤与具备一个输出端的一根输出侧光纤连接，所述两端连接用光纤将所述组合器的所述输出侧光纤的所述输出端和多个所述输入侧光纤中的任一根所述输入侧光纤的输入端连接，
所述两端连接用光纤具备光泄漏单元，所述光泄漏单元构成为，随着从所述两端连接用光纤与所述输出侧光纤的所述输出端连接的一侧去向所述两端连接用光纤与所述输入侧光纤的所述输入端连接的一侧、所述两端连接用光纤的数值孔径、芯径、模场直径的值中的至少一个值逐渐减少，由此所述返回光的一部分或所述侧面激励用的激励光的一部分从所述两端连接用光纤的内侧漏出到外侧，
所述返回光消除模块的所述环状光纤的、至少两根所述输入侧光纤的所述输入端中的、未与所述两端连接用光纤连接的任一根所述输入侧光纤的所述输入端与所述信号光用光纤连接，以使所述返回光入射，
向所述激励光用光纤的所述环状光纤的、至少两根所述输入侧光纤的所述输入端中的、未与所述两端连接用光纤连接的任一根所述输入侧光纤的所述输入端入射所述侧面激励用的激励光。
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