CN114846701A - 光器件和光纤激光装置 - Google Patents

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Abstract

光器件具备：具有HR‑FBG的谐振器用光纤；具有OC‑FBG的谐振器用光纤；以及放大用光纤，该放大用光纤具有与谐振器用光纤连接的端部和与谐振器用光纤连接的端部，且标准化频率为5.13以上，放大用光纤以在一个平面上不交叉且端部位于内侧的方式卷绕，并且具有：外侧区间，其卷绕为圆状；以及内侧区间，其以形成至少两个圆弧部的方式卷绕，所述圆弧部以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。

Description

光器件和光纤激光装置
技术领域
本发明涉及一种光器件和光纤激光装置。
本申请基于2020年4月15日在日本提出的特愿2020-072971号专利申请主张优先权，并在此引用其内容。
背景技术
近年来，在加工领域、汽车领域、医疗领域等各种领域中，光纤激光装置受到关注。光纤激光装置与现有的激光装置(例如二氧化碳激光装置)相比，具有光束品质和聚光性优异的特征。另外，光纤激光装置不需要空间光学部件，因此还具有不存在对准等问题、不需要维护等优点。
专利文献1公开了一种光纤激光装置，其对纤芯中添加有稀土类离子的放大用光纤设置滤波部，使得除了基本模式之外，仅传播特定的高阶模式。在该光纤激光装置中，通过传播特定的高阶模式，从而使得分布于除了纤芯的中心和纤芯的中心附近之外的区域(即纤芯的外周部附近的区域)的稀土类离子也能够有助于光的放大。因此，能够保持出射光的光束品质并提高稀土类离子的放大效率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-190834号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
但是，在高输出的光纤激光装置中，有可能产生TMI(Transverse ModeInstability(横模不稳定)，也称为Thermal Modal Instability(热模态不稳定))现象。TMI现象是指：如果增大向放大用光纤射入的激发光的功率，则会产生由量子损失引起的周期性的热栅，发生从基本模式向高阶模式的模间耦合，使信号光(激光)的输出受到抑制，或导致信号光的光束品质降低。在专利文献1中完全没有考虑TMI现象，在提高从激发光到信号光的转换效率方面存在改善的余地。
本发明是针对上述情况提出的，其目的在于，提供一种光器件和光纤激光装置，能够提高从激发光到信号光的转换效率。
(二)技术方案
为了解决上述课题，本发明第一方式的光器件具备：第一光纤(13)，其具有第一反射部(13a)；第二光纤(15)，其具有第二反射部(15a)；以及放大用光纤(14)，其具有与所述第一光纤连接的第一端(14a)和与所述第二光纤连接的第二端(14b)，且标准化频率为5.13以上，所述放大用光纤以在一个平面上不交叉且所述第一端位于内侧的方式卷绕，并且具有：外侧区间(SC1)，其卷绕为圆状；以及内侧区间(SC2)，其以形成至少两个第一圆弧部(AR1)的方式卷绕，所述第一圆弧部(AR1)以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。
在上述方式的光器件中，放大用光纤以在一个平面上不交叉且所述第一端位于内侧的方式卷绕。该放大用光纤具有：外侧区间，其卷绕为圆状；以及内侧区间，其以形成至少两个第一圆弧部的方式卷绕，所述第一圆弧部以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。通过使在第一光纤与放大用光纤的第一端的连接点产生的比LP11模式更高阶的模式在内侧区间的第一圆弧部被除去，从而抑制热栅的形成，防止产生TMI现象。其结果为，能够提高从激发光到信号光的转换效率。另外，由于放大用光纤在一个平面上不交叉(通过以第一端位于内侧的方式卷绕)，因此与放大用光纤交叉的情况相比，放大用光纤的温度不易上升，从而能够提高转换效率。
另外，在上述方式的光器件中，可以是，所述内侧区间以所述第一圆弧部和曲率半径比所述第一圆弧部大的第二圆弧部(AR2)交替呈现的方式卷绕。
另外，在上述方式的光器件中，可以是，所述内侧区间卷绕为椭圆形状。
另外，在上述方式的光器件中，可以是，至少两个所述第一圆弧部形成于距所述第一端的距离比相干长度短的位置。
另外，在上述方式的光器件中，可以是，所述放大用光纤是能够传播多个模式的光的少模光纤，所述第一圆弧部以使得比规定的模式更高阶的模式的光被从所述放大用光纤的纤芯除去的方式弯曲。
另外，在上述方式的光器件中，可以是，所述第一反射部的反射率比所述第二反射部的反射率高。
另外，在上述方式的光器件中，可以是，具备：第一加强部(Q1)，其收纳所述第一端；以及第二加强部(Q2)，其收纳所述第二端。
另外，在上述方式的光器件中，可以是，所述第二端配置于所述外侧区间的外侧，在所述外侧区间与所述第二端之间形成有至少两个第三圆弧部(AR3)，所述第三圆弧部(AR3)以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。
本发明第二方式的光纤激光装置(1至3)具备：上述任一项所述的光器件；多个激发光源(11、18)；以及合束器(12、19)，其使从所述多个激发光源射出的激发光与所述光器件耦合。
另外，在上述方式的光纤激光装置中，可以是，所述合束器使所述激发光与所述光器件的所述第一光纤和所述第二光纤中的至少一方耦合。
(三)有益效果
根据本发明的上述方式，具有能够提高从激发光到信号光的转换效率的效果。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的光纤激光装置的主要部位结构的图。
图2是本发明第一实施方式的光器件的俯视图。
图3是在本发明第一实施方式中表示施加了永久性扭转的放大用光纤的说明图。
图4是表示本发明第二实施方式的光纤激光装置的主要部位结构的图。
图5是本发明第二实施方式的光器件的俯视图。
图6是表示本发明第三实施方式的光纤激光装置的主要部位结构的图。
图7A是比较例的光纤激光装置所具备的光器件的俯视图。
图7B是另一比较例的光纤激光装置所具备的光器件的俯视图。
图8是表示实施例和比较例的光纤激光装置的输入电流与转换效率的关系的图表。
图9是在表示实施例和比较例中使用的激发光源的光谱的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明实施方式的光器件和光纤激光装置进行详细说明。另外，本发明不限于以下的实施方式。
(第一实施方式)
(光纤激光装置)
图1是表示本发明第一实施方式的光纤激光装置的主要部位结构的图。如图1所示，本实施方式的光纤激光装置1具备多个激发光源11、合束器12、谐振器用光纤13(第一光纤)、放大用光纤14、谐振器用光纤15(第二光纤)、传输光纤16以及输出端17。这样的光纤激光装置1是所谓前方激发型的光纤激光装置。
在此，谐振器用光纤13、放大用光纤14以及谐振器用光纤15构成了光器件R。光器件R是利用激发光源11输出的激发光来生成激光即信号光的谐振器。另外，光器件R也可以包含其他构成要素(例如传输光纤16、输出端17等)。
另外，在本说明书中，从放大用光纤14观察，有时将激发光源11侧称为“前方”，将输出端17侧称为“后方”。
另外，在图1中，用×标记表示各种光纤的熔接连接部。该熔接连接部实际上配置于加强部Q1、Q2(参照图2)的内部而被保护。加强部Q1、Q2例如具备：光纤收容体，其形成有能够收容光纤的槽；以及树脂，其在熔接连接部收容于光纤收容体的槽的状态下将各种光纤固定于光纤收容体。另外，在图1之外的图中，也用×标记表示各种光纤的熔接连接部。
激发光源11输出激发光(前方激发光)。激发光源11的数量能够根据从光纤激光装置1的输出端17输出的激光的功率而设为任意的数量。作为激发光源11，例如可以使用激光二极管。合束器12使各激发光源11输出的激发光与光器件R的前方的端部(谐振器用光纤13的前方的端部)耦合。
谐振器用光纤13的前方的端部与合束器12熔接连接，谐振器用光纤13的后方的端部与放大用光纤14的前方的端部14a(第一端)熔接连接。另外，以下将谐振器用光纤13与放大用光纤14的熔接连接部称为“熔接连接部F1”。在谐振器用光纤13的纤芯内形成有HR-FBG(High Reflectivity-Fiber Bragg Grating，高反射光纤布拉格光栅)13a(第一反射部)。HR-FBG13被调整为以大致100％的反射率反射激发状态下的放大用光纤14的活性元素放出的光中的信号光的波长的光。HR-FBG13a是沿着其长边方向以一定的周期重复高折射率的部分的结构。
放大用光纤14具有添加了一种或两种以上的活性元素的纤芯、覆盖纤芯的第一包层、覆盖第一包层的第二包层、以及覆盖第二包层的被覆。即，放大用光纤14是双包层光纤。作为添加于纤芯的活性元素，例如使用铒(Er)、镱(Yb)或钕(Nd)等稀土类元素。这些活性元素在激发状态下放出光。
作为纤芯和第一包层，可以使用氧化硅玻璃等。作为第二包层，可以使用聚合物等的树脂。作为被覆，可以使用丙烯酸树脂、有机硅树脂等树脂材料。放大用光纤14是所谓的少模光纤，能够传播多个模式。少模光纤传播的模式的数量例如为2以上25以下。
放大用光纤14的标准化频率优选为3.83以上。优选地，期望放大用光纤14的标准化频率为5.13以上。标准化频率为5.13以上的放大用光纤与标准化频率为3.83以上的放大用光纤相比，能够扩大纤芯直径，能够增大光纤的执行截面积，因此能够抑制非线性光学效应。在此，标准化频率是表示光纤规格的一个指标，规定了在光纤中传播的模式的数量。标准化频率越大则能够在光纤中传播的模式的数量越多，标准化频率越小则能够在光纤中传播的模式的数量越少。
当标准化频率小于5.13(有效数字为3位)时，能够在光纤内传播的模式是合计4个模式，即：作为高阶模式的LP02模式、LP21模式、LP11模式、和作为基本模式的LP01模式。当放大用光纤14的标准化频率为5.13以上时，除了上述4个模式之外，更高阶的模式也能够在放大用光纤14中传播。
此外，当标准化频率小于3.83(有效数字为3位)时，能够在光纤内传播的模式是合计两个模式，即LP11模式和LP01模式。当标准化频率小于2.40(有效数字为3位)时，能够在光纤内传播的模式仅为LP01模式。另外，关于标准化频率的详细情况，例如请参照前述的专利文献1。
在放大用光纤14内的熔接连接部F1附近设置有模式滤波器MF1。设置该模式滤波器MF1是为了除去在谐振器用光纤13与放大用光纤14的熔接连接部F1处产生的高阶模式(可能产生TMI现象的高阶模式)，抑制TMI现象。模式滤波器MF1例如通过将放大用光纤14的一部分弯曲来实现，并设计为能够除去比LP11模式更高阶的模式(例如LP02模式、LP21模式等)。即，模式滤波器MF1设计为使得LP01模式和LP11模式能够通过。另外，对于包含模式滤波器MF1的光器件R的具体结构，将在后面叙述。
谐振器用光纤15的前方的端部与放大用光纤14的后方的端部14b(第二端)熔接连接，谐振器用光纤15的后方的端部与传输光纤16的前方的端部熔接连接。另外，以下将谐振器用光纤15与放大用光纤14的熔接连接部称为“熔接连接部F2”。在谐振器用光纤15的纤芯内形成有OC-FBG(Output Coupler-Fiber Bragg Grating，输出耦合光纤布拉格光栅)15a(第二反射部)。OC-FBG15a具有与HR-FBG13a大致相同的结构，被调整为以比HR-FBG13a低的反射率对光进行反射。例如，OC-FBG15a被调整为对信号光的波长的光的反射率为10～20％的程度。
在放大用光纤14内，HR-FBG13a和OC-FBG15a所反射的信号光在放大用光纤14的长度方向上。信号光随着该往复而被放大，成为激光。这样，在光器件R内，光被放大而生成信号光(激光)。
传输光纤16传输在光器件R内生成的激光。传输光纤16具备：纤芯、包围纤芯的包层、以及覆盖包层的被覆。作为传输光纤16，例如可以使用单模光纤。传输光纤16例如可以是多模光纤，也可以是少模光纤。
输出端17与传输光纤16的后方的端部连接，使由传输光纤16传输来的激光射出。输出端17具备柱状体(光透过柱状部件)，其使由传输光纤16传输来的激光透过。该部件是所谓的端盖。
(光器件)
图2是本发明第一实施方式的光器件的俯视图。此外，在图2中，针对与图1所示的结构相同的结构标注相同的附图标记。如图2所示，光器件R具备：谐振器用光纤13、放大用光纤14、以及谐振器用光纤15，光器件R搭载于散热板P上。散热板P例如是由导热性能高的材料(例如铝、铜等)形成的平板状的部件。设置散热板P是为了冷却光器件R。另外，散热板P可以在内部具有能够流通制冷剂的流路。
放大用光纤14卷绕为在一个平面上(散热板P上)不交叉。具体而言，放大用光纤14以端部14a(第一端)位于最内周、端部14b(第二端)位于最外周且在一个平面上(散热板P上)不交叉的方式沿一个方向(在图2示例中，从端部14b向右(顺时针))卷绕。即，放大用光纤14以放大用光纤14与谐振器用光纤13的熔接连接部F1位于最内周、放大用光纤14与谐振器用光纤15的熔接连接部F2位于最外周的方式卷绕。
与放大用光纤14连接的谐振器用光纤13以与放大用光纤14交叉的方式向放大用光纤14的外侧(在图2示例中为纸面左侧)延伸。此外，在图2示例中，HR-FBG13a配置于放大用光纤14的外侧，但是HR-FBG13a也可以配置于放大用光纤14的内侧。与放大用光纤14连接的谐振器用光纤15向纸面右侧延伸。
在此，谐振器用光纤13、15实质上不含稀土类元素，与放大用光纤14相比不易发热。因此，如图2所示，即使谐振器用光纤13以与放大用光纤14交叉的方式配置，也能够实质上保持作为光器件R整体的散热效果。因此，能够减少由在放大用光纤14产生的热造成的损伤。
另外，可以设置用于加强熔接连接部F1的加强部Q1(第一加强部)，也可以设置用于加强熔接连接部F2的加强部Q2(第二加强部)。为了防止熔接连接部F1、F2和熔接连接部F1、F2附近的破损，如图2例示的那样，加强部Q1、Q2也可以具有一定的直线部分。
另外，放大用光纤14具有外侧区间SC1和内侧区间SC2。外侧区间SC1是绕轴O呈圆状(涡旋状)卷绕为而形成为在内侧具有空间的线圈状的区间。在外侧区间SC1中，放大用光纤14的曲率半径从端部14b到端部14a逐渐减小，在外侧区间SC1的最内周(外侧区间SC1与内侧区间SC2的边界)为最小。
内侧区间SC2配置于呈线圈状(涡旋状)的外侧区间SC1的内侧的空间。内侧区间SC2是以形成至少两个圆弧部的方式卷绕有放大用光纤14的区间，所述圆弧部以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。在此，放大用光纤14的端部14a规定了内侧区间SC2的终点，且如上所述位于放大用光纤14的最内周。因此可以说，放大用光纤14卷绕为端部14a比被放大用光纤14的内侧区间SC2包围的区域更靠内侧。
图2例示的内侧区间SC2呈椭圆状卷绕1周半。即，图2例示的内侧区间SC2从端部14a到外侧区间SC1卷绕为交替地呈现：圆弧部AR1(第一圆弧部)，其以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的的方式设定曲率半径；以及圆弧部AR2(第二圆弧部)，其与比圆弧部AR1相比曲率半径较大。
内侧区间SC2的圆弧部AR1是作为如图1所示的模式滤波器MF1发挥功能的部位。即，设置内侧区间SC2的圆弧部AR1是为了将在谐振器用光纤13与放大用光纤14的熔接连接部F1处产生的高阶模式(可能产生TMI现象的高阶模式)除去。在内侧区间SC2设置至少两个这样的圆弧部AR1是为了充分地除去上述的高阶模式。另外，通过以圆弧部AR1、AR2交替呈现的方式卷绕，从而能够形成放大用光纤14不与加强部Q1接触并能够使高阶模式充分地损失的模式滤波器MF1。
如图2例示的那样，通过将内侧区间SC2卷绕为椭圆状，能够使圆弧部AR1的合计长度(圆弧部AR1的弧长合计)为具有圆弧部AR1的曲率半径的圆的1周长度以上，并且能够在卷绕的放大用光纤14的内侧配置具有直线部分的加强部Q1。通过将圆弧部AR1的合计长度设为具有圆弧部AR1的曲率半径的圆的1周长度以上，能够使高阶模式充分地损失。在此，例如当圆弧部AR1的长度仅为紧接在熔接连接部F1之后的半周量时，需要考虑如果放大用光纤14成为高温，则有可能无法使高阶模式充分地损失。另外，圆弧部AR2的曲率半径只要比圆弧部AR1的曲率半径大即可，可以比外侧区间SC1的曲率半径的最小值大，也可以比其小。或者，圆弧部AR2也可以是直线状。
在此，圆弧部AR1的曲率半径的最小值rmin可以为不使在放大用光纤14内传播的光束品质降低且能够满足放大用光纤14的机械可靠性的曲率半径rs的2倍以下。不使在放大用光纤14内传播的光束品质降低的曲率半径rb能够定义为：可从放大用光纤14的纤芯除去比规定的模式更高阶的模式的光的曲率半径。例如，当该规定的模式为比LP11模式更高阶的模式光时，曲率半径rb是能够使比LP11模式更高阶的模式光从放大用光纤的纤芯除去(承受损失)的曲率半径。
满足放大用光纤14的机械可靠性的曲率半径rs能够定义为：将放大用光纤14弯曲时发生断裂的曲率半径。如果将曲率半径rb和曲率半径rs中的较大一方设为曲率半径rf，则能够以满足rf＜rmin≤2rs的方式设定圆弧部AR1的曲率半径的最小值rmin。通过以满足上述式子的方式设定圆弧部AR1的曲率半径的最小值rmin，从而能够确保所希望的光束品质、机械强度。另外，还能够进一步减小放大用光纤14的占用空间。即，能够确保所希望的光束品质、机械强度，并且能够提供更小型的光学部件。
模式滤波器MF1(圆弧部AR1)优选配置在产生高阶模式的部位即熔接连接部F1附近。其原因如下。即，关于如本实施方式这样的光纤激光装置1，通常为了抑制非线性光学效应，纵模(振荡波长)也为多模。因此，在熔接连接部F1，与波长无关地产生从基本模式(LP01模式)向高阶模式的模间的耦合。在熔接连接部F1产生的高阶模式会由于对应于波长的传播速度不同而导致短时进行波导即失去相干性。
即，在从熔接连接部F1离开相干长度(因模间干涉而产生的差拍的持续长度)以上之处，各基本模式和高阶模式失去了相干性，因此热栅变小，结果是向高阶模式的耦合变小。即使在离开相干长度以上之处去除了高阶模式，由于在到达该处之前产生向高阶模式的耦合，因此也难以获得抑制效率降低的效果。由于这样的原因，模式滤波器MF1(圆弧部AR1)优选配置在熔接连接部F1附近。
据此，熔接连接部F1(端部14a)与模式滤波器MF1(圆弧部AR1)之间的间隔对于在放大用光纤14中传播的信号光的波长的光而言比相干长度短即可。另外，虽然模式滤波器MF1的长度(圆弧部AR1的合计长度)越长越好，但是模式滤波器MF1(至少两个圆弧部AR1)可以配置于熔接连接部F1(端部14a)与从熔接连接部F1(端部14a)离开相干长度的位置之间的区域。
另外，在设置有对熔接连接部F1进行加强的加强部Q1的情况下，模式滤波器MF1(圆弧部AR1)优选紧接在加强部Q1的后方的端部之后设置。另外，放大用光纤14的靠近熔接连接部F1的部位有可能因发热而导致光学特性容易变化。在这样的情况下，优选使熔接连接部F1(端部14a)与模式滤波器MF1(圆弧部AR1)之间的间隔较长。但是该间隔可以比上述的相干长度短。
在此，如果将在放大用光纤14中传播的任意两个模式的有效折射率Neff之差设为ΔNeff，将放大用光纤14的传播波长设为λ，将波长幅度设为Δλ，则由模间干涉产生的差拍的持续长度即相干长度Lc由以下的(1)式表示。
Lc＝2/ΔNeff×λ2/Δλ…(1)
例如，在相对折射率差为0.3％、纤芯介质折射率为1.45、纤芯直径为50μm的放大用光纤14的纤芯中，使传播波长λ为1070nm、波长幅度Δλ为1nm的LP01模式和LP02模式在放大用光纤14中传播。此时的LP01模式与LP02模式的有效折射率差ΔNeff为0.00028。根据上述(1)式，求出因模间干涉而产生的差拍的持续长度即相干长度Lc为8.18m。
在此，也可以对放大用光纤14施加永久性扭转。图3是表示在本发明第一实施方式中施加了永久性扭转的放大用光纤的说明图。在图3示例中，放大用光纤14是双包层光纤，其具有：纤芯21、覆盖纤芯21外侧的第一包层22、以及覆盖第一包层22外侧的第二包层23。在与放大用光纤14的长度方向垂直的截面中，第一包层22的截面为正七边形(非圆形包层)。
由于第一包层22与第二包层23的边界是非2次轴对称的正七边形，因此能够抑制在包层中波导而不到达纤芯、不作为激发光发挥作用的光、所谓斜光。但是，如果仅将第一包层22的截面形状设为多边形，则仍然残留有斜光。为了进一步减少斜光，进一步提高激发光的利用效率，放大用光纤14卷绕为以放大用光纤14的中心轴为中心沿周向扭转。
由于扭转了放大用光纤14，因此第一包层22的正七边形的朝向会因放大用光纤14的位置而不同。因此，如图3所示，斜光Ls的入射角θ1、θ2、θ3(反射角)在放大用光纤14的长度方向上根据位置而变化。即，θ1≠θ2≠θ3。由于该入射角以及反射角的变化，倾斜光Ls在第一包层22内行进的过程中能够入射至纤芯21，作为激发光起作用。由此，能够提高激发光的利用效率，并能够提高输出光的功率。
如果放大用光纤14的扭转量过大，会产生光束品质降低的问题。因此，放大用光纤14的扭转量优选为3周旋转/m以下。在这种情况下，能够抑制波束品质的劣化，具体而言，能够抑制M2值的上升。M2值是定量地表示偏离高斯光束的指标，表示能够将光束收敛至衍射极限的几倍。此外，扭转量可以在放大用光纤14的全长范围内恒定。或者，也可以将放大用光纤14的扭转量设定为随着接近HR-FBG13a而变大。
在此，TMI现象的发生与热栅的产生有密切的关系。作为对热栅的产生产生影响的参数，例如可举出以下的参数。
αpump：放大用光纤14中的激发光的吸收率；
Ppump：向放大用光纤14输入的激发光的功率；
a：信号光密度与激发光密度的比率；
ω：差拍调制度(因模间干涉而产生的放大用光纤14内的光强度的起伏中的峰部与谷部之差或比)。
对于TMI现象而言，αpump、Ppump、ω越大则越容易显现，a越小则越容易显现。
如上所述，在本实施方式中，将标准化频率为5.13以上的放大用光纤14卷绕为在一个平面上不交叉且端部14a位于最内周。该放大用光纤14具有：呈圆状卷绕的外侧区间SC1、和在外侧区间SC1的内侧卷绕的内侧区间SC2。在内侧区间SC2形成有至少两个圆弧部AR1，该圆弧部AR1以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径，该圆弧部AR1作为模式滤波器MF1发挥功能。
在谐振器用光纤13与放大用光纤14的熔接连接部F1处产生的高阶模式(可能产生TMI现象的高阶模式)被在放大用光纤14内的熔接连接部F1附近设置的模式滤波器MF1除去。例如，比在放大用光纤14的纤芯中传播的LP11模式更高阶的模式(例如LP02模式、LP21模式等)被模式滤波器MF1除去。
由此，能够减小上述参数中的差拍调制度ω，因此能够抑制TMI现象的发生，其结果为，能够提高从激发光向信号光的转换效率。另外，在本实施方式中，能够在卷绕的放大用光纤14的内侧配置具有直线部分的加强部Q1，因此能够提高可靠性(机械可靠性)。另外，通过使放大用光纤在一个平面上不交叉(通过以第一端位于内侧的方式卷绕)，与放大用光纤交叉的情况相比，能够抑制放大用光纤的温度上升，因此能够提高转换效率。
(第二实施方式)
(光纤激光装置)
图4是表示本发明第二实施方式的光纤激光装置的主要部位结构的图。此外，在图4中，针对与图1所示的结构相同的结构标注相同的附图标记。本实施方式的光纤激光装置2与图1所示的光纤激光装置1的不同点在于，放大用光纤14除了模式滤波器MF1之外还形成有模式滤波器MF2。
模式滤波器MF2设置在放大用光纤14内的熔接连接部F2附近。该模式滤波器MF2将在放大用光纤14与谐振器用光纤15的熔接连接部F2处产生的高阶模式除去。模式滤波器MF2与模式滤波器MF1同样地，例如通过将放大用光纤14的一部分弯曲来实现，且设计为将比LP11模式更高阶的模式(例如LP02模式、LP21模式等)除去。即模式滤波器MF2也设计为仅有LP01模式和LP11模式能够通过。
(光器件)
图5是本发明第二实施方式的光器件的俯视图。此外，在图5中，针对与图2所示的结构相同的结构标注相同的附图标记。关于图5所示的光器件R，在放大用光纤14的外侧区间SC1与端部14b之间，形成有至少两个圆弧部AR3(第三圆弧部)，该圆弧部AR3以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。
圆弧部AR3是作为图4所示的模式滤波器MF2发挥功能的部位。即，设置圆弧部AR3是为了将在放大用光纤14与谐振器用光纤15的熔接连接部F2处产生的高阶模式除去。设置至少两个这样的圆弧部AR3是为了充分地除去上述的高阶模式。圆弧部AR3例如形成为与形成于内侧区间SC2的圆弧部AR1相同的曲率半径。
在图5所示的例子中，光器件R形成为从外侧区间SC1到端部14b依次呈现：圆弧部AR3、曲率半径比圆弧部AR3大的圆弧部AR4、以及圆弧部AR3。在此，圆弧部AR4是为了连接两个圆弧部AR3而设置的部位，并设置为在一个平面上自身无交叉且与两个圆弧部AR3也不交叉。即，模式滤波器MF2可以由呈圆状(涡旋状)卷绕的放大用光纤14构成。圆弧部AR3的合计长度例如为具有圆弧部AR3的曲率半径的圆的1周长度以上。
模式滤波器MF2(圆弧部AR3)优选配置在高阶模式的产生之处即熔接连接部F2附近。另外，熔接连接部F2(端部14b)与模式滤波器MF2(圆弧部AR3)之间的间隔对于在放大用光纤14中传播的信号光的波长的光而言比上述的相干长度短即可。另外，虽然模式滤波器MF2的长度(圆弧部AR3的合计长度)越长越好，但是模式滤波器MF2(圆弧部AR3)可以配置于熔接连接部F2(端部14b)与从熔接连接部F2(端部14b)离开相干长度的位置之间的区域。
另外，在设置有对熔接连接部F2进行加强的加强部Q2的情况下，模式滤波器MF2(圆弧部AR3)优选紧接在加强部Q2的前方的端部之前设置。另外，与第一实施方式同样地，也可以对放大用光纤14施加永久性扭转。
另外，在本实施方式中，标准化频率为5.13以上的放大用光纤14也卷绕为在一个平面上不交叉且端部14a位于最内周。该放大用光纤14具有：呈圆状(涡旋状)卷绕的外侧区间SC1、和在外侧区间SC1的内侧卷绕的内侧区间SC2。在内侧区间SC2形成有至少两个圆弧部AR1，该圆弧部AR1以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。该圆弧部AR1作为模式滤波器MF1发挥功能，比LP11模式更高阶的模式(例如LP02模式、LP21模式等)被模式滤波器MF1除去。
另外，在本实施方式中，在放大用光纤14的外侧区间SC1与端部14b之间，形成有至少两个圆弧部AR3，该圆弧部AR3以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。该圆弧部AR3作为模式滤波器MF2发挥功能，比LP11模式更高阶的模式(例如LP02模式、LP21模式等)被模式滤波器MF2除去。
如上所述，能够减小前述的差拍调制度ω，因此能够抑制TMI现象的发生，其结果为，能够提高从激发光向信号光的转换效率。另外，在本实施方式中，也能够在卷绕的放大用光纤14的内侧配置具有直线部分的加强部Q1，因此能够提高可靠性(机械可靠性)。另外，由于放大用光纤在一个平面上不交叉(通过以第一端位于内侧的方式卷绕)，与放大用光纤交叉的情况相比，放大用光纤的温度不易上升，因此能够提高转换效率。
(第三实施方式)
(光纤激光装置)
图6是表示本发明第三实施方式的光纤激光装置的主要部位结构的图。此外，在图6中，针对与图4所示的结构相同的结构标注相同的附图标记。本实施方式的光纤激光装置3与图4所示的光纤激光装置2的不同点在于，具备多个激发光源18以及合束器19。这样的光纤激光装置3是所谓双向激发型的光纤激光装置。
激发光源18输出激发光(后方激发光)。激发光源18的数量能够根据从光纤激光装置3的输出端17输出的激光的功率设为任意数量。作为激发光源18，与激发光源11同样地，例如可以使用激光二极管。合束器19使各激发光源18输出的激发光，耦合于光器件R的后方的端部(谐振器用光纤15的后方的端部)。
本实施方式的光纤激光装置3所具备的光器件R是与第二实施方式的光纤激光装置2所具备的光器件R相同的结构。但是，本实施方式的光纤激光装置3所具备的光器件R与第二实施方式的光纤激光装置2所具备的光器件R的不同点在于，不仅供给前方激发光，还供给后方激发光。
另外，在本实施方式中，也将标准化频率为5.13以上的放大用光纤14卷绕为在一个平面上不交叉且端部14a位于最内周。该放大用光纤14具有：呈圆状(涡旋状)卷绕的外侧区间SC1、和在外侧区间SC1的内侧卷绕的内侧区间SC2。在内侧区间SC2形成有至少两个圆弧部AR1，该圆弧部AR1以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。该圆弧部AR1作为模式滤波器MF1发挥功能，比LP11模式更高阶的模式(例如LP02模式、LP21模式等)被模式滤波器MF1除去。
另外，在本实施方式中，在放大用光纤14的外侧区间SC1与端部14b之间，形成有至少两个圆弧部AR3，该圆弧部AR3以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。该圆弧部AR3作为模式滤波器MF2发挥功能，比LP11模式更高阶的模式(例如LP02模式、LP21模式等)被模式滤波器MF2除去。
如上所述，能够减小前述的差拍调制度ω，因此能够抑制TMI现象的发生，其结果为，能够提高从激发光向信号光的转换效率。另外，在本实施方式中，也能够在卷绕的放大用光纤14的内侧配置具有直线部分的加强部Q1，因此能够提高可靠性(机械可靠性)。另外，由于放大用光纤在一个平面上不交叉(通过以第一端位于内侧的方式卷绕)，与放大用光纤交叉的情况相比，放大用光纤的温度不易上升，因此能够提高转换效率。
实施例
本案发明人准备了上述第一实施方式的光纤激光装置1作为实施例。即，作为实施例，准备了具备光器件R的光纤激光装置1，该光器件R由形成有模式滤波器MF1的放大用光纤14和谐振器用光纤13、15构成。关于放大用光纤14，标准化频率为5.13以上，且在纤芯中添加有Yb。放大用光纤14如图2所示那样卷绕，具有：线圈状(涡旋状)的外侧区间SC1、和形成有作为模式滤波器MF1发挥功能的圆弧部AR1的内侧区间SC2。
圆弧部AR1的曲率半径设定为使得比LP11模式更高阶的模式(例如LP02模式、LP21模式等)承受损失(被除去)。将谐振器用光纤13中的HR-FBG13a的反射率设为99％，将谐振器用光纤15中的OC-FBG15a的反射率设为10％。图9是表示在实施例和比较例中使用的激发光源的光谱的图。如图9所示，从激发光源11射出的激发光的强度达到峰值的波长为975nm。
作为比较例，准备了具备图7A、图7B所示结构的光器件R1、R2的光纤激光装置。其他结构与上述实施例的光纤激光装置1相同。图7A、图7B是比较例的光纤激光装置所具备的光器件的俯视图。另外，图7A所示的光器件R1设置于比较例1的光纤激光装置，图7B所示的光器件R2设置于比较例2的光纤激光装置。
如图7A所示，比较例1的光纤激光装置所具备的光器件R1不具有曲率半径设定为使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的圆弧部AR1。另外，谐振器用光纤13与放大用光纤14的熔接连接部F1以及加强部Q1配置于卷绕的放大用光纤14的外侧。
如图7B所示，在比较例2的光纤激光装置所具备的光器件R2中，仅在1处形成有曲率半径设定为使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的圆弧部AR1。另外，圆弧部AR1的长度是具有圆弧部AR1的曲率半径的圆的半周长度。
图8是表示实施例、比较例的光纤激光装置中的输入电流与转换效率的关系的图表。图8所示的图表的横轴是输入至激发光源11的电流[A]，纵轴是从激发光到激光的转换效率[％]。另外，横轴的值越大，向放大用光纤14输入的激发光的功率越大。
如图8所示确认了：对于比较例1的光纤激光装置而言，当输入电流超过36A时，输入电流与转换效率的线性被破坏，转换效率急剧降低。并确认：转换效率的急剧降低直至输入电流达到40A为止。另外，对于比较例2的光纤激光装置而言，即使输入电流超过36A也基本维持输入电流与转换效率的线性，能够抑制转换效率的降低。但是确认了：当输入电流超过40A时，转换效率会急剧降低。与此相对，在实施例的光纤激光装置中，即使输入电流超过40A也未见转换效率的急剧降低。
在本实施例及比较例中，使用达到强度峰值的波长为975nm的激发光。该波长(975nm)与添加有Yb的放大用光纤14中的吸收峰值波长一致，因此认为在比较例1中产生了由差拍引起的热分级，由于前述的TMI现象而引起了转换效率的降低。
在此认为，在比较例2中，能够利用图7B所示的圆弧部AR1在一定程度上将多余的高阶模式除去，从而抑制由差拍引起的热栅的形成。但是，在比较例2中，圆弧部AR1不是足够的长度，高阶模式的除去不充分，因此认为当输入电流超过40A时，会产生由差拍引起的热分级，由于上述的TMI现象而导致转换效率的降低。
与此相对，在实施例中，认为能够利用模式滤波器MF1(多个圆弧部AR1)除去多余的高阶模式，从而抑制由差拍引起的热栅的形成。由此认为，即使当输入电流超过40A时，也能够抑制由差拍引起的热栅的形成，不会因前述的TMI现象而导致转换效率急剧降低。这样能够确认：使用模式滤波器MF1(多个圆弧部AR1)将不需要的高阶模式充分地除去所带来的效果。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明不限于上述实施方式，能够在本发明的范围内自由地变更。
例如，在图2、图5所示的光设备R中可以调换HR-FBG13a和OC-FBG15a。即，也可以是：在谐振器用光纤13中形成OC-FBG15a，在谐振器用光纤15中形成HR-FBG13a。
另外，上述的实施方式的光纤激光装置1～3具有一个输出端17，但是也可以在输出端17之前进一步连接光纤等。另外，也可以构成为，在输出端17之前连接光合束器，使来自多个激光装置的激光集束。
另外，上述的第一、第二实施方式的光纤激光装置是所谓前方激发型的光纤激光装置，上述的第三实施方式的光纤激光装置是所谓双向激发型的光纤激光装置。但是，光纤激光装置也可以是省略了第三实施方式的光纤激光装置3(参照图6)所具备的激发光源11以及合束器12的、所谓后方激发型的光纤激光装置。
此外，在不脱离本发明主旨的范围内，能够适当地将上述实施方式中的构成要素置换为公知的构成要素，另外，也可以适当地组合上述的实施方式、变形例。
附图标记说明
1～3…光纤激光装置；11…激发光源；12…合束器；13…谐振器用光纤(第一光纤)；13a…HR-FBG(第一反射部)；14…放大用光纤；14a、14b…端部；15…谐振器用光纤(第二光纤)；15a…OC-FBG(第二反射部)；18…激发光源；19…合束器；AR1～AR3…圆弧部；Q1、Q2…加强部；R…光器件；SC1…外侧区间；SC2…内侧区间。

Claims (10)

1.一种光器件，具备：
第一光纤，其具有第一反射部；
第二光纤，其具有第二反射部；以及
放大用光纤，其具有与所述第一光纤连接的第一端和与所述第二光纤连接的第二端，且标准化频率为5.13以上，
所述放大用光纤以在一个平面上不交叉且所述第一端位于内侧的方式卷绕，并且具有：
外侧区间，其卷绕为圆状；以及
内侧区间，其以形成至少两个第一圆弧部的方式卷绕，所述第一圆弧部以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。
2.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，
所述内侧区间以所述第一圆弧部和曲率半径比所述第一圆弧部大的第二圆弧部交替呈现的方式卷绕。
3.根据权利要求1或2所述的光器件，其特征在于，
所述内侧区间卷绕为椭圆形状。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光器件，其特征在于，
至少两个所述第一圆弧部形成于距所述第一端的距离比相干长度短的位置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光器件，其特征在于，
所述放大用光纤是能够传播多个模式的光的少模光纤，
所述第一圆弧部以使得比规定的模式更高阶的模式的光被从所述放大用光纤的纤芯除去的方式弯曲。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光器件，其特征在于，
所述第一反射部的反射率比所述第二反射部的反射率高。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光器件，其特征在于，具备：
第一加强部，其收纳所述第一端；以及
第二加强部，其收纳所述第二端。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光器件，其特征在于，
所述第二端配置于所述外侧区间的外侧，
在所述外侧区间与所述第二端之间形成有至少两个第三圆弧部，所述第三圆弧部以使得比LP11模式更高阶的模式承受损失的方式设定曲率半径。
9.一种光纤激光装置，具备：
权利要求1至8中任一项所述的光器件；
多个激发光源；以及
合束器，其使从所述多个激发光源射出的激发光与所述光器件耦合。
10.根据权利要求9所述的光纤激光装置，其特征在于，
所述合束器使所述激发光与所述光器件的所述第一光纤和所述第二光纤中的至少一方耦合。
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