CN1574514A - 光放大介质纤维的光激励方法和激励光入射结构及其应用 - Google Patents

Abstract

通过去除在内侧包层(2)和外侧包层(4)之间具有孔隙层(3)的光放大介质纤维(10)的外侧包层(4)的长度方向的一部分，形成露出内侧包层(2)而成的内侧包层露出部(14)，在此露出的内侧包层(2)的外周(15)接合激励光入射用光纤(20)的端面(23)(接合部16)。将激励光(24)从激励光入射用光纤(20)入射到光放大介质纤维(10)中。将这样的激励光入射结构(13)用于光纤放大器和光纤激光器的激励光的入射。本发明能够提供能以高的效率向光放大介质纤维入射激励光、并得到优异的放大特性的光放大介质纤维的光激励方法、针对光放大介质纤维的激励光入射结构、以及光纤放大器和光纤激光器。

Description

光放大介质纤维的光激励方法和激励光入射结构及其应用

本申请发明是以在日本专利厅的专利申请特愿2003-151260号(2003年5月23日申请)和特愿2003-179850号(2003年6月24日申请)为基础，编入其内容的申请发明。

技术领域

本发明涉及在信息通信、激光医疗、激光加工等领域被利用的光放大介质纤维的光激励方法、针对光放大介质纤维的激励光入射结构、以及光纤放大器和光纤激光器。

另外，本发明涉及光纤激光器。

背景技术

过去，作为光放大介质纤维的一种，如图12所示那样，有在添加了稀土类元素的芯101的外周设有内侧包层102、在该内侧包层102的外围通过孔隙层103设有外侧包层104，再在其上面设有覆盖层105的纤维。孔隙层103通过在圆周方向交替地形成孔隙106、和连结内侧包层102和外侧包层104的连结部107而构成。

(参看J.K Sahu等、“Jacketed air clad cladding pumpedytterbium-doped fiber laser with wide tuning range”、ElectronicsLetters、(英国)、2001年第37卷p.1116-1117页)。

具有这样的孔隙纤维结构的光放大介质纤维110，由于内侧包层102与孔隙层103的折射率差大，因此从该光放大介质纤维110端面入射开口数大的激励光是可能的，有能够构成大输出的光纤激光器的优点。光激励这种光放大介质纤维110的情况下，当从该光放大介质纤维110的侧方入射激励光时，由于孔隙层103的作用，激励光被散射，入射效率差，因此一般地要从光放大介质纤维110端面入射。

图13是表示现有的光放大介质纤维的光激励方法的一例的概略图。该光激励方法是，通过聚光透镜127使从激光二极管126(激励光源)输出的激励光124的光线聚光到光放大介质纤维110的端面111，据此从光放大介质纤维110的内侧包层102入射激励光124，使添加到光放大介质纤维110的芯101中的稀土类元素激励的方法。

图14是表示现有的光纤放大器的第1例的概略构成图。在该光纤放大器140A中，从信号光入射用光纤141的端面142输出的信号光143，被聚光透镜144聚光，通过滤光器145入射到光放大介质纤维110的端面111。另外，激励光124被聚光透镜127聚光，被滤光器145反射，入射到光放大介质纤维110的端面111。在光放大介质纤维110内，信号光通过因吸收激励光124而激励的稀土类元素放大，从光放大介质纤维110的相反一侧的端面112以输出信号光146的形式输出。

图15是表示现有的光纤放大器的第2例的概略构成图。该光纤放大器140B，为了提高入射到光放大介质纤维110的激励光124的强度，使用了多个激光二极管(激励光源)126、126、…。其次，成为下述的构成：将从这些激励光源126、126、…输出的激励光124采用由石英玻璃等构成的光集波元件128集波，通过聚光透镜127和滤光器145入射到光放大介质纤维110的端面111。据此，该光纤放大器140B，能够得到比使用1个激励光源的情况还高的放大率。

图16是表示现有的光纤放大器的第3例的概略构成图。该光纤放大器140C为下述的构成：将多个光放大介质纤维110a、110b、110c通过聚光透镜144以及将激励光124和信号光143、147集波的滤光器145串联地结合。即，从信号光入射用光纤141的端面142输出的信号光143，顺序地入射到第1、第2、第3光放大介质纤维110a、110b、110c，于是被放大。在各自的光放大介质纤维110a、110b、110c之间，信号光变为空间束147，在空间传播，与激励光集波，入射到下一个的光放大介质纤维110b、110c。据此，能够得到高强度的输出信号光146。

图17是表示现有的光纤放大器的光激励方法的其他例子的概略图。在该方法中使用的光放大介质纤维210，是具有芯201、设在该芯201的外周上、由石英玻璃等构成的内侧包层202、在该内侧包层202的外周上形成的外侧包层203的双包层型的光纤。外侧包层203是折射率比内侧包层202低一些(例如相对于内侧包层202的折射率1.45，外侧包层203的折射率为1.42)的树脂覆盖层。利用该折射率差，内侧包层202内的波导成为可能。

在该光激励方法中，光放大介质纤维210的外侧包层203在长度方向的一部分被去除，而且在该被覆去除部211露出的内侧包层202的外周一部分被研磨，变为平面状的研磨部212。激励光入射用光纤220的端面223被倾斜地切断，与上述研磨部212接合。而且为了保护该接合部213和研磨部212，设有保护树脂层214。

根据该光激励方法，在激励光入射用光纤220中传播的激励光224，通过从接合部213入射到光放大介质纤维210，完成光放大介质纤维210的光激励。(参照美国专利第6370297号说明书)

使用了上述的孔隙纤维结构的光放大介质纤维110的光纤放大器140A-140C的场合，信号光143、147和激励光124有必要以空间束形式入射到光放大介质纤维110中，因此，聚光透镜144和滤光器145等光学系统成为必需，而且，有必要将信号光入射用光纤141和激励光源126同时调心。为此，对光线的光学轴等的调整等要求非常繁杂的作业。另外，即使调整了光学轴后，由于振动和冲击等机械外干扰、和温度变化等其他外干扰的作用，光学轴也偏移，有得不到所希望的放大特性等的问题。

另外，使用了双包层型的光放大介质纤维210的场合，由于内侧包层202和外侧包层203的折射率之差小，因此从激励光入射用光纤220入射的激励光224之中，只有入射角θ小的成分能够在光放大介质纤维210中传播。入射角θ大的成分从内侧包层202经由外侧包层203泄漏到光放大介质纤维210外，变为光损耗。即，有激励光224对光放大介质纤维210的入射效率低、光损耗大这一问题。

另外，近年，盛行地研究：将添加了铒(Er)、钕(Nd)、镱(Yb)、钬(Ho)等稀土类元素的石英玻璃或氟化物玻璃制成了热解玻璃，将该热解玻璃的光纤(以下称为“添加稀土类的纤维”)作为激光振荡媒质的光纤激光器和光纤放大器。

光纤激光器具有这样的特征：能够高效率并使装置小型化，能同时作为激光振荡媒质和传输媒质。充分利用该特征，光纤激光器在光通信、光传感器、材料加工、医疗等非常宽广的产业领域被利用。特别是在光通信和材料加工的领域，希望开发更高输出功率的激光器。

光纤激光器为了实现高输出，在添加了激光活性媒质(稀土类离子)的区域(通常为芯)如何地能够导入较多的激励光成为课题。

通常进行的从添加稀土类的纤维的端面导入激励光的方式的光纤激光器，其激光活性媒质的添加区域、即芯的外径为10μm左右以下。因此，效率好地向该芯导入激励光极为困难。另外，在添加稀土类的纤维中，当激励光入射的端面上附着有尘埃等时，有时烧损该端面。

于是，作为效率好地向芯内导入激励光的方法，提出了这样的方法：作为激光媒质使用具有由第一包层和第二包层组成的包层的双包层型纤维，从该双包层型纤维的端面或侧面导入激励光。

对于从双包层型纤维的端面导入激励光的方法，例如构成图22所示的光纤激光器。

在该光纤激光器中，从激励激光二极管模块(以下还有时简称为“激励LD模块”)201射出的激励光被聚光透镜202、203聚光，通过谐振器镜204从一个端面导入到双包层型的添加稀土类的纤维205中，在其内部振荡。然后，振荡的激励光从添加稀土类的纤维205的另一个端面射出，通过谐振器镜206，以激光的形式输出到外部。

添加稀土类的纤维205，第一包层的断面积比不是双包层型纤维的光纤的芯大，因此能够将更多的激励光导入到纤维内，因此能够使光纤激光器高输出化。

作为从双包层型纤维的侧面导入激励光的方法，例如从多个的光纤被集束、并通过光学媒质而一体化的结构体的周边对该结构体照射激励光，由此构成从光纤的端面输出激光的光纤激光器(例如，参照特开平10-190097号公报。)。

根据这样的光纤激光器，由于从多个光纤的侧面向其内部导入激励光，因此激励光导入的面积特别大。

可是，从双包层型纤维的端面导入激励光的方法，依然是高强度的激励光被聚光于添加稀土类的纤维的端面，因此有向双包层型纤维导入激励光的激励光导入部烧损之忧。当该激励光导入部烧损时，激励光不被导入到添加稀土类的纤维内，在添加稀土类的纤维内的激励光的振荡停止，有不能输出激光的问题。

另一方面，对于从双包层型纤维的侧面导入激励光的方法，由于激励光在多根光纤中按横穿的方式传输，因此在光纤彼此的间隙上，产生激励光的传输衰减和散射损耗。

为了防止这样的传输衰减和散射损耗，将光纤埋入到有机粘接剂中，但有机粘接剂的耐光能力低。当为了得到高输出的激光而提高激励光的强度时，有机粘接剂改性，透明性被损害，而且，机械强度降低，因此往往激光的输出功率极端地降低。另外，有时多个光纤集束而成的结构体整体烧损，激光不能输出。

发明内容

因此，本发明的课题是：提供能够以高的效率向光放大介质纤维入射激励光，并得到优异的放大特性的光放大介质纤维的光激励方法、针对光放大介质纤维的激励光入射结构、以及光纤放大器和光纤激光器。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供在从激励光源向添加稀土类的纤维导入激励光的激励光导入部，即使该激励光导入部的一部分烧损，振荡也不会停止的光纤激光器。

为了解决上述课题，本发明提供一种光放大介质纤维的光激励方法，该方法的特征是，它是具有添加了稀土类元素的芯、在该芯的外周上设置的内侧包层、在该内侧包层的外围上形成的孔隙层、在孔隙层的外周上设置的外侧包层的光放大介质纤维的光激励方法，去除光放大介质纤维的外侧包层的长度方向的一部分，形成内侧包层被露出而成的内侧包层露出部，在该内侧包层露出部露出的内侧包层的外周接合激励光入射用光纤的端面，从该激励光入射用光纤将激励光入射到光放大介质纤维中。

上述光放大介质纤维在外侧包层的外周具有覆盖层的场合，上述内侧包层露出部可通过去除上述覆盖层和外侧包层的长度方向的一部分而形成。

对于该光放大介质纤维的光激励方法，可采取下述方法：在光放大介质纤维的长度方向的多个部位形成上述内侧包层露出部，在上述多个的内侧包层露出部各自接合不同的激励光入射用光纤的端面，从该激励光入射用光纤将激励光入射到光放大介质纤维中。

另外，本发明提供一种针对光放大介质纤维的激励光入射结构，其特征是，它是用于向具有添加了稀土类元素的芯、在该芯的外周上设置的内侧包层、在该内侧包层的外围上形成的孔隙层、在孔隙层的外周上设置的外侧包层的光放大介质纤维入射激励光的针对所述光放大介质纤维的激励光入射结构，在上述光放大介质纤维上形成外侧包层的长度方向的一部分被去除而形成内侧包层露出部，在该内侧包层露出部露出的内侧包层的外周接合着激励光入射用光纤的端面。

上述光放大介质纤维在外侧包层的外周具有覆盖层的场合，上述内侧包层露出部可通过去除上述覆盖层和外侧包层的长度方向的一部分而形成。

该针对光放大介质纤维的激励光入射结构，可制成下述的结构：在上述光放大介质纤维的长度方向的多个部位形成上述内侧包层露出部，在上述多个内侧包层露出部各自接合不同的激励光入射用光纤的端面。

进一步地，本发明提供具有上述的针对光放大介质纤维的激励光入射结构的光纤放大器和光纤激光器。

进一步地，本发明提供一种光放大介质纤维，它是在上述的针对光放大介质纤维的激励光入射结构中使用的光放大介质纤维，在内侧包层具有多边形状的断面的同时，上述外侧包层具有圆环状的断面，上述内侧包层的外周面的棱角线与上述外侧包层的内面接合。

本发明为了解决上述课题提供一种这样的光纤激光器：该光纤激光器至少具备：具有由添加了稀土类元素离子的玻璃构成的芯、在该芯的周围设置的传输激励光的第一包层、以及在该第一包层周围设置的第二包层的添加稀土类离子的纤维、和向该添加稀土类离子的纤维入射激励光的激励激光二极管模块，在该光纤激光器中，从上述激励激光二极管模块射出的激励光入射到上述第一包层内，上述添加稀土类离子的纤维和上述激励激光二极管模块通过至少2根导向纤维(guide fiber)被连接。

在上述构成的光纤激光器中，上述导向纤维的一个端面优选与上述添加稀土类离子的纤维的侧面连接。

在上述构成的光纤激光器中，上述导向纤维的一个端面优选与上述添加稀土类离子的纤维的端面连接。

在上述构成的光纤激光器中，上述导向纤维的一个端面优选与上述添加稀土类离子的纤维的端面中的第一包层部连接。

在上述构成的光纤激光器中，上述稀土类元素的离子优选是铒离子。

如以上说明的那样，根据本发明的光放大介质纤维的光激励方法以及激励光入射结构，能够可靠地维持光放大介质纤维和激励光入射用光纤的连接状态，还不会因机械外干扰、和温度变化等其他外干扰的作用而引起光学轴偏移。由于激励光入射用光纤与光放大介质纤维直接接合，因此不需要聚光透镜，能够减少部件数，削减成本，还能够避免信号光在空间中传播引起的损失。而且，由于存在孔隙层，因此激励光的入射角的上限比过去大，能够提高激励光从激励光入射用光纤到光放大介质纤维的入射效率。

进一步地，在上述光放大介质纤维的长度方向的多个部位形成内侧包层露出部，在上述多个内侧包层露出部各自接合不同的激励光入射用光纤的端面的情况下，即使是光放大介质纤维的长度比激励光衰减的长度长的情况，也能够在光放大介质纤维的全部长度范围内供给激励光。因此，能够效率好地向光放大介质纤维供给来自多个激励光源的激励光，能够以更高的效率激励光放大介质纤维。另外，由于不需要在中途将信号光以空间束形式取出，因此能够降低信号光的损耗。另外，由于不需要光集波元件，因此除了能够减少部件数削减成本以外，还能够使激励光从激励光源以低损耗入射到光放大介质纤维中。

根据本发明的光纤放大器，能够得到放大特性和可靠性高的光纤放大器。

根据本发明的光纤激光器，能够以高效率得到高强度的光纤激光器。

如以上说明的那样，本发明的光纤激光器，通过设置多处的从激励LD模块到添加稀土类离子的纤维的激励光导入部，即使激励光导入部之中的1个部位因附着尘埃等而烧损，如果其他的激励光导入部不会烧损，则添加稀土类离子的纤维中的激励光的振荡也不会停止，能够从光纤激光器长时间输出激光。

此外，由于即使万一某1个部位的激励光导入部烧损，对其他的激励光导入部也不造成影响，因此能够抑制激光的输出降低。

附图说明

图1是表示本发明的针对光放大介质纤维的激励光入射结构的一个实施方案的概略构成图。

图2是表示在图1中示出的激励光入射结构中使用的光放大介质纤维的断面图。

图3是表示在图2中示出的光放大介质纤维的制造中使用的母材的一例的断面图。

图4是说明制造图3所示的母材的制造装置的一例的概略图。

图5是表示在图2所示的光放大介质纤维中形成了内侧包层露出部的状态的一例的斜视图。

图6是表示在图2所示的光放大介质纤维中形成了内侧包层露出部的装置的一例的概略构成图。

图7是表示第1实施方案的光纤放大器的概略构成图。

图8是表示第2实施方案的光纤放大器的概略构成图。

图9是表示第1实施方案的光纤激光器的概略构成图。

图10是表示第2实施方案的光纤激光器的概略构成图。

图11是表示第3实施方案的光纤激光器的概略构成图。

图12是表示光放大介质纤维的一例的断面图。

图13是表示现有的光放大介质纤维的光激励方法的一例的概略图。

图14是表示现有的光纤放大器的第1例的概略构成图。

图15是表示现有的光纤放大器的第2例的概略构成图。

图16是表示现有的光纤放大器的第3例的概略构成图。

图17是表示现有的光放大介质纤维的光激励方法的其他例子的概略图。

图18是表示本发明的光纤激光器的第二实施方案的模式图。

图19是表示本发明的光纤激光器的第二实施方案中的激励光导入部的概略断面图。

图20是表示本发明的光纤激光器的第三实施方案的模式图。

图21是表示本发明的光纤激光器的第三实施方案中的激励光导入部的概略断面图。

图22是表示现有的光纤激光器的模式图。

具体实施方式

以下基于实施方案详细地说明本发明。

图1是表示本发明的针对光放大介质纤维的激励光入射结构(以下往往仅称为“激励光入射结构”)的一个实施方案的概略构成图。另外，图2是表示图1所示的激励光入射结构中使用的光放大介质纤维的断面图。

如图2所示，在本实施方案的激励光入射结构中使用的光放大介质纤维10，具有：添加了稀土类元素的芯1、在该芯1的外周上设置的内侧包层2、在该内侧包层2的外围上形成的孔隙层3、在孔隙层3的外周上设置的外侧包层4、和在该外侧包层4的外周设置的覆盖层5。在内侧包层2和外侧包层4之间在圆周方向交替地形成4处的具有大致弓形的断面形状的孔隙6、和连结内侧包层2的外侧和外侧包层4的内侧的连结部7，利用它们构成孔隙层3。孔隙6是在光放大介质纤维10的长度方向延长而形成。

在此，内侧包层2具有大致方形的断面，同时，外侧包层4具有圆环状的断面。其次，对于连结部7，内侧包层2的外侧面2a的棱角线与外侧包层4的内侧面4a接合。

再者，内侧包层2的断面形状，并不特别限定为方形。为了使与激励光入射用光纤20的接合容易，作为临近内侧包层2的孔隙66的外侧面2a优选有平面部，例如也能形成为具有三角形、五边形、六边形等多边形的断面的内侧包层2。可是，只要是充分地进行与激励光入射用光纤20的接合，内侧包层2的外侧面2a也可以是曲面。

芯1可以用在石英系玻璃中添加了稀土类元素的添加稀土类元素的玻璃构成。作为稀土类元素，如果是过去用于光放大介质纤维的元素就好，例如有铒(Er)、铥(Tm)、钇(Y)、镱(Yb)、钬(Ho)、钐(Sm)、镨(Pr)、钕(Nd)等。

内侧包层2或外侧包层4例如可由石英、或在石英中添加了锗和氟等公知的搀杂物的石英系玻璃构成。稀土类元素，例如按质量比能添加100-2000ppm左右。另外，不仅芯1，在接近内侧包层2之中的芯1的部分也能够添加稀土类元素。此外，作为光放大介质纤维10的材料，采用用于公知的石英玻璃系光纤和氟化物系光纤等的材料是可以的。

图3是表示在上述光放大介质纤维10的制造中使用的母材的一例的断面图。此外，图4是说明制造图3所示的母材的工序的概略图。

图3所示的母材60，相应于光放大介质纤维10的芯1、内侧包层2、孔隙层3、外侧包层4，分别具有芯部61、内侧包层部62、孔隙层63、外侧包层部64。另外，图4所示的母材制造装置70至少具备：备有把持玻璃管64的卡盘72的一对玻璃旋床71、71和加热玻璃管64的燃烧器73。

该母材60例如可如图4显示的那样来制造。

首先，向成为母材60的外侧包层部的玻璃管64内插入成为芯部61和内侧包层部62的四棱柱状的玻璃棒68。作为该玻璃棒68，例如可使用这样的玻璃棒：在成为芯部61的中心部以添加了用于光放大的稀土类元素和用于提高折射率的锗的圆柱状的石英玻璃棒为基础，并且切削和研磨其外周而加工成棱柱状。

接着，利用玻璃旋床71的卡盘72把持插入了玻璃棒68的玻璃管64的两端。进一步地，一边利用玻璃旋床71使玻璃管64沿中心转轴旋转，一边利用配置于玻璃管64的外方的燃烧器73的火焰73a加热玻璃管64。加热时，燃烧器73在玻璃管64的长度方向(图4的左右方向)横移。外侧的玻璃管64随着被氢氧焰73a加热而软化，该玻璃管64的内径和外径收缩，玻璃管64(外侧包层部)的内面64a与玻璃棒68的侧面(内侧包层部的外侧面)的棱角线68a附着，并一体化。

这样，附着有玻璃管64和玻璃棒68的部位成为连结部67，玻璃管64的内面64a、和未附着在玻璃管64内面的玻璃棒68的外侧面62a之间成为孔隙66，可得到具有孔隙层63的母材60。

具有孔隙层63的母材60，使用在通常的光纤引线中使用的拉丝装置加热并拉丝，缩径到光纤10的直径。在拉丝时，用树脂被覆纺丝的光纤，设置树脂覆盖层5。如以上那样，可得到图2所示的光放大介质纤维10。

如图1所示，在本实施方案的激励光入射结构13中，光放大介质纤维10在长度方向的一部分中除去了覆盖层5和外侧包层4，在该内侧包层露出部14露出了内侧包层2。在内侧包层露出部14两侧残留有孔隙层3和外侧包层4。然后，在作为露出的内侧包层2外侧15的一部分的接合部16接合着激励光入射用光纤20的端面23。

在内侧包层露出部14，连结部7及其附近的外侧包层4的部分，只要不对与激励光入射用光纤20的接合，和激励光24的入射造成不利影响，也可以分别部分地残留在内侧包层露出部14，另外，也可以从内侧包层露出部14上完全去除。

另外，虽未图示，但本激励光入射结构13，为了保护内侧包层露出部14和接合部16，可使之附着海绵和橡胶等柔软的保护材料并粘合，或采用由塑料和金属等构成的壳和筐体等设置覆盖层。此情况下，能够提高激励光入射结构13的机械稳定性和耐久性。

在此，激励光入射用光纤20，是传播从激励光源(例如激光二极管等)输出的激励光，并使之入射到光放大介质纤维10中的光纤。作为激励光入射用光纤20，例如可使用在裸光纤21的外周设置了树脂覆盖层22的通常的石英系单模光纤导线等。作为树脂覆盖层22用的树脂，可列举出丙烯系树脂等紫外线固化树脂等。

激励光入射用光纤20的端面23，相对于该光纤20的光学轴倾斜地形成，能够入射相对于光放大介质纤维10以入射角θ倾斜的激励光。

下面说明该激励光入射结构的制造方法的一例。

图5是表示在光放大介质纤维10上形成了内侧包层露出部14的状态的一例的斜视图。图6是表示用于在光放大介质纤维10上形成内侧包层露出部14的腐蚀装置的一例的概略构成图。

图6所示的腐蚀装置30具备：容纳氟化氢水溶液等的腐蚀液34的水槽33、和2个空气泵31、31。

水槽33使用不被腐蚀液34侵蚀的材质的材料。腐蚀液34例如为氟化氢水溶液的情况下，优选聚四氟乙烯(PTFE)等。

虽未特别图示，但可设置用于将腐蚀液34的温度保持为恒定的温度调节器。

为了使用图6所示的腐蚀装置30在光放大介质纤维10上形成内侧包层露出部14，首先，去除成为内侧包层露出部14的部分的覆盖层5，形成了覆盖层去除部17后，在光放大介质纤维10的两端分别通过连结管32连接空气泵31，向光放大介质纤维10的孔隙6内压送空气，施加内压。在该状态下，将上述覆盖层去除部17浸渍于腐蚀液34中。据此，光放大介质纤维10的外侧包层4被腐蚀而去除，形成内侧包层露出部14。此时，由于对孔隙6施加内压，因此在外侧包层被去除、孔隙6的开口暴露于腐蚀液34中时，防止了因毛细管现象导致的腐蚀液34向孔隙6的侵入。

作为将激励光入射用光纤20的端面23与内侧包层露出部14接合的方法，例如有这样的方法：去除激励光入射用光纤20的端面23侧的覆盖层5，露出裸光纤21，倾斜地切断该端面23后，与内侧包层露出部14熔合连接。另外，代替熔合连接，也可以使用粘合剂粘接。激励光入射用光纤20，按激励光24(参照图1)入射到光放大介质纤维10的内侧包层2，通过孔隙层3波导的方式接合。在此，内侧包层2为棱柱状的情况下，由于内侧包层2与激励光入射用光纤20的端面23接合的接合部16为平面，因此将激励光入射用光纤20与内侧包层露出部14接合的操作变得简单，并且还容易确保接合强度。

下面，说明使用本实施方案的激励光入射结构13进行光放大介质纤维10的光激励的方法。

如图1所示，在激励光入射用光纤20的与光放大介质纤维10接合的一侧的端面23相反侧的端面(略去图示)连接激光二极管等激励光源(略去图示)，使从该激励光源输出的激励光24传播到激励光入射用光纤20中，并使之从激励光入射用光纤20的端面23射出。因此，激励光24入射到光放大介质纤维10的内侧包层2中。

由于在内侧包层2的外周存在孔隙层3，因此内侧包层2和孔隙层3的折射率差与图17所示的情况比较，十分地大。因此，可在内侧包层2中传播的激励光24的入射角θ上限比过去大，使更多的成分传播到内侧包层2中成为可能。因此，能够提高从激励光入射用光纤20到光放大介质纤维10的激励光的入射效率。

另外，与图13所示的光激励方法比较，根据本实施方案的光激励方法，由于直接接合激励光入射用光纤20和光放大介质纤维10，因此光损耗少。由于不需要聚光透镜，因此能够减少部件数削减成本。此外，通过振动和冲击等机械外干扰、和温度变化等其他外干扰的作用，难以使光学轴偏移，能够切实地维持所希望的特性。

图7是表示本发明的光纤放大器(以下往往只称为“光纤放大器”)的第1实施方案的概略构成图。

该光纤放大器40A具有接合在光放大介质纤维10的长度方向的一部分上形成的内侧包层露出部14的外侧15、和激励光入射用光纤20的裸光纤21的一个端面23而成的、上述的激励光入射结构13。

在与激励光入射用光纤20的上述一个端面23相反侧的端面25连接着激励光源26。

而且，在光放大介质纤维10的输入端11熔合连接信号光入射用光纤41的端面42，成为熔合连接部44。

光放大介质纤维10与信号光入射用光纤41的熔合连接，例如可通过下述方法来进行：在使信号光传播到信号光入射用光纤41中的状态下，按该信号光输入到光放大介质

纤维10的芯1的方式将这些光纤10、41调心，一边保持调心后的状态，一边加热这些光纤10、41的端面11、42，使之熔合。

根据这样的光纤放大器40A，采用从激励光源26经由激励光入射结构13入射到光放大介质纤维10中的激励光，激励添加到光放大介质纤维10的芯1中的稀土类元素，再通过被激励的稀土类元素，将从信号光入射用光纤41输入到光放大介质纤维10中的信号光放大，从光放大介质纤维10的另一端(输出端)12可得到被放大了的输出信号光43。

即，在光纤放大器40A的制造中，光纤的调心只对信号光入射用光纤41进行即可，能显著地节省制造时的劳动力。另外，一旦熔合连接，则信号光入射用光纤41、激励光入射用光纤20都能够切实地维持与光放大介质纤维10的连接状态，通过机械外干扰和温度变化等其他外干扰的作用，也不会引起光学轴偏移。而且，如上述那样，由于存在孔隙层3，所以能够提高从激励光入射用光纤20到光放大介质纤维10的激励光的入射效率。因此，成为放大特性和可靠性高的光纤放大器。

图8表示本发明的第2实施方案的光纤放大器的概略构成图。在该光纤放大器40B中，为了大大地取得放大率，将光放大介质纤维10的长度增长。从激励光入射用光纤20入射的激励光，随着在光放大介质纤维10中传播而衰减，因此在光放大介质纤维10的长度方向，按照激励光的衰减不显著的程度的间隔，设置多个激励光入射结构13、13(在此为2处)。各个激励光入射结构13的构成与上述的第1实施方案的光纤放大器相同，激励光源26在每个激励光入射结构13上配设。

根据本实施方案的光纤放大器40B，即使光放大介质纤维10的长度比激励光衰减的长度长的情况下，也能够在光放大介质纤维10的全长范围供给激励光，能够构成放大率大的光纤放大器。

另外，由于激励光从多个部位被分散地输入，因此伴随激励光的吸收等的发热也被分散，能够避免光放大介质纤维10局部过热。

将本实施方案的光纤放大器40B与图15、图16所示的现有的光纤放大器140B、140C比较，本实施方案的光纤放大器40B不需要在中途以空间束的形式取出信号光，能够减低信号光的损耗。另外，由于不需要用于集波激励光的光集波元件，因此除了能削减部件数外，还具有能够使激励光以低损耗从激励光源26入射到光放大介质纤维10中的优点。

下面说明本发明的光纤激光器。

图9是表示本发明第1实施方案的光纤激光器的概略构成图。该光纤激光器50A具有：接合在光放大介质纤维10上形成的内侧包层露出部14、和激励光入射用光纤20的裸光纤21的一个端面23而成的、上述的激励光入射结构13。

在与激励光入射用光纤20的上述一个端面23相反侧的另一端面25连接着激励光源26。

而且，在光放大介质纤维10的一个端面11配设着全反射镜51。另外在作为端面11的相反侧的另一端面12配设着透射一部分光的输出镜52。全反射镜51和输出镜52例如通过粘接剂固定于光放大介质纤维10的端面11、12。作为这些镜51、52，合适的是使用选自众所周知的激光发送器等中使用的、适合于从激励光和光放大介质纤维10放出的光的波长的镜。

在图9中，激励光入射结构13在全反射镜51侧的端面11附近形成，激励光入射用光纤20在朝向输出镜52侧的方向(图9的右朝向)接合。可是，本发明的光纤激光器并不特别限定于此，相反，也可以在输出镜52侧的端面12附近形成激励光入射结构13，在朝向全反射镜51侧的方向(图9的左朝向)接合激励光入射用光纤20。

根据这样的光纤激光器50A，从激励光入射用光纤20入射到光放大介质纤维10中的激励光，激励光放大介质纤维10的芯1的稀土类元素。被激励的稀土类元素自发放出相应于能量单位的所规定的波长的光，该自发放出的光一边在全反射镜51和输出镜52之间反复反射，一边在光放大介质纤维10内传播，被反复放大，因此发生激光振荡。这样地振荡的激光的一部分从输出镜52输出，据此可得到激光53的输出。

这样，通过使用能够以高的结合效率将激励光入射到光放大介质纤维10中的上述激励光入射结构13，能够以比较简单的结构构成高效率的光纤激光器。

图10是表示本发明光纤激光器的第2实施方案的概略构成图。该光纤激光器50B，与上述第1实施方案的光纤激光器50A一样地具备：在一个端面11具有全反射镜51、且在另一个端面12具有输出镜52的光放大介质纤维10。

该光放大介质纤维10的长度，为了得到高强度的激光而制得比较长。从激励光入射用光纤20入射的激励光，随着在光放大介质纤维10中传播而衰减，因此在光放大介质纤维10的长度方向，按照激励光的衰减不显著的程度的间隔，设置多个激励光入射结构13、13。

各个激励光入射结构13的构成与上述的激励光入射结构一样，激励光源26在每个激励光入射结构13上配设。

根据本实施方案的光纤激光器50B，即使是光放大介质纤维10的长度比激励光在该光放大介质纤维10中衰减的长度长的情况下，也能够在光放大介质纤维10的全长范围供给激励光，因此能够得到高强度的激光53。

图11是表示本发明光纤激光器的第3实施方案的概略构成图。该光纤激光器50C，与上述第1实施方案的光纤激光器50A一样地具备：在一个端面11具有全反射镜51、且在另一个端面12具有输出镜52的光放大介质纤维10。

该光放大介质纤维10在长度方向的中间部形成了内侧包层露出部14。光放大介质纤维10在内侧包层露出部14的两侧具有足够光激励的长度。

在内侧包层露出部14接合着2根激励光入射用光纤20、20，分别在朝向输出镜52侧和全反射镜51侧的方向接合。在激励光入射用光纤20的与光放大介质纤维10接合的端面23相反侧的端面25，分别结合着激励光源26。

根据本实施方案的光纤激光器50C，由于能够在1处的内侧包层露出部14接合2根激励光入射用光纤20，因此能够激励比起内侧包层露出部更靠近输出镜52侧的光放大介质纤维10的部分、和比内侧包层露出部更靠近全反射镜51侧的光放大介质纤维10的部分这两者，因此能够得到高强度的激光53。

以上基于优选的实施方案说明了本发明，但本发明并不只限定于此实施方案，在不脱离本发明的要旨的范围内可进行种种的改变。

在1根光放大介质纤维上设置激励光入射结构的个数、以及在1个激励光入射结构中接合激励光入射用光纤的根数，如果是1以上，则没有特别限定，也可以是2以上的多数。

另外，作为本发明所使用的在包层中具有孔隙层的光放大介质纤维，不限定于图2所示的结构，也可以是图12所示的光放大介质纤维。孔隙的断面形状和孔隙的个数未特别限定，但在采用腐蚀等去除外侧包层时，为了容易地露出内侧包层的外周，内侧包层与外侧包层的连结部的宽(断面的周向的尺寸)比较小为好。

另外，光放大介质纤维也可以是在包层的径向具有2层以上(例如内侧和外侧)孔隙层的。此情况下，在内侧包层露出部，包层被去除到某个孔隙层为止。其次，所谓外侧包层位于该孔隙层的外侧，在内侧包层露出部，是被去除部分的包层，所谓内侧包层是位于该孔隙层的内侧，在内侧包层露出部，是露出外侧部分的包层。也就是说，除了在内侧包层露出部成为包层去除的边界的孔隙层以外，还可以在内侧包层和外侧包层的一方或两方中设有其他孔隙层。

另外，光放大介质纤维有树脂覆盖层的情况下，针对来自外部的外力和冲击等达到光纤的保护，能够抑制损伤，故优选。可是，在防止来自外部的损伤的环境下使用的情况下，覆盖层未必需要。不设覆盖层、外侧包层露出的情况下，在形成内侧包层露出部时，具有可省略去除覆盖层的工序这一优点。

以下通过实施例说明本发明。

[光放大介质纤维的制造]

准备了由芯部直径2mm、包层部外径40mm的石英玻璃构成的圆棒。该玻璃棒的芯部是添加了1500ppm(质量比)的铒和约10摩尔％的锗的石英玻璃，包层部是石英玻璃。

通过切削和研磨来加工该圆棒，制作了断面为正方形、该正方形的一边长为约25mm的玻璃棒。

将得到的棱柱状玻璃棒插入到外径44mm、壁厚4mm的石英管中，使用图4所示的母材制造装置70，使玻璃棒和石英管一体化，因此制作了具有图3所示的断面的母材60。

将得到的母材60采用用于通常的光纤拉丝的拉丝装置进行拉丝，纺丝成为包层径达到300μm，涂覆紫外线固化树脂，再照射紫外线形成树脂覆盖层，据此可制造本发明的光放大介质光纤。

得到的光放大介质纤维具有图2所示的断面，是良好地形成了孔隙层的光纤。

以下更详细地说明本发明。

图18是表示本发明的光纤激光器的第二实施方案的模式图。

在图18中，符号211表示添加稀土类离子的纤维，212、213表示谐振器镜，214表示激励LD模块，215表示导向纤维。

在该实施方案的光纤激光器中，在添加稀土类离子的纤维211的两端面分别配置着谐振器镜212、213，另外，这些导向纤维215分别隔开规定的间隔连接于添加稀土类离子的纤维211的的侧面的不同部位。以下将添加稀土类离子的纤维211和导向纤维215的连接部称为激励光导入部217。在该激励光导入部217，激励光从导向纤维215导入到添加稀土类离子的纤维211。

图19是表示此实施方案的光纤激光器中的激励光导入部的概略断面图。

在此激励光导入部217，沿添加稀土类离子的纤维211的长度方向，第二包层211c和缓冲层211d被去除，露出第一包层211b的一部分，设置了露出部211e。该露出部211e的一部分被平面研磨，形成平坦面211f。另一方面，去除导向纤维215的端头部的缓冲层215b，倾斜研磨该端头部，形成平坦面215c。然后，导向纤维215的平坦面215通过由折射率匹配剂构成的粘接剂与第一包层211b的平坦面211f连接。

另外，如图18所示，多个激励光导入部217，隔开规定的间隔设置于添加稀土类离子的纤维211的侧面的不同部位。设置激励光导入部217的间隔优选为入射到添加稀土类离子的纤维211中的激励光被吸收3dB以上的长度，更优选为吸收6dB以上的长度，最优选为吸收10dB以上的长度。

当激励光导入部217的间隔过短时，例如在图18中，经第一激励光导入部217a入射的激励光，从设于比第一激励光导入部217a更靠近激光的输出方向的后段的第二激励光导入部217b漏出，因此激励效率降低。

添加稀土类离子的纤维211，如图19所示，是由芯211a、设于芯211a周围并传输激励光的第一包层211b、设于第一包层211b周围的第二包层211c、设于第二包层211c周围的缓冲层211d组成的光纤。再者，缓冲层211d不设置也可以。

作为添加稀土类离子的纤维211，例如使用芯211a直径30μm、第一包层211b直径300μm、第二包层211c直径340μm的光纤。

芯211a用添加了稀土类元素的离子的氟化物玻璃或石英玻璃形成。

作为稀土类元素的离子，可列举出镱(Yb)、钕(Nd)、镨(Pr)、铥(Tm)、铒(Er)、钬(Ho)等。

另外，稀土类元素离子的添加量通常为1000ppm-50000ppm(摩尔比)。

具体讲，芯211a用添加了20000ppm的铒的氟化物玻璃形成。

第一包层211b用与芯211a同样的氟化物玻璃形成。

第二包层211c用折射率比第一包层211b稍低的塑料形成。

例如，将第一包层211b的折射率定为1.51，将第二包层211c的折射率定为1.42。

谐振器镜212、213是交替地层叠由氧化钛(TiO₂)构成的薄膜、和由氧化钽(Ta₂O₅)构成的薄膜而成的电介质多层膜镜，是具有按规定的比例反射规定波长的光的性质的镜。

作为谐振器镜212，例如使用在与添加稀土类离子的纤维211连接的一侧的面反射100％的波长为2.7μm的光的镜。作为谐振器镜213，例如使用在与添加稀土类离子的纤维211连接的一侧的面反射10％的波长为2.7μm的光的镜。

激励LD模块214是光纤激光器的激励光源，例如使用输出波长982nm的激励光，备有8根用于将激励光导向外部的导向光纤的激励LD模块。

导向纤维215，如图19所示，是由塑料包层纤维215a和缓冲层215b构成的光纤，所述的塑料包层纤维215a由芯和包层构成，所述的芯由设于中心的石英系玻璃构成，所述的包层由设于芯周围的塑料构成。

作为导向纤维215，例如使用芯直径80μm、包层直径100μm的导向光纤。

对于该实施方案的光纤激光器，从激励LD模块214输出的激励光，通过4根导向纤维215，从隔开规定的间隔而设置于添加稀土类离子的纤维211的侧面的4个激励光导入部217被导入到其内部。因此，即使某个激励光导入部217因尘埃附着等而烧损，如果其他的激励光导入部217不烧损，并确保添加稀土类离子的纤维211与导向纤维215的连接，则添加稀土类离子的纤维211内的激励光的振荡不停止，从该光纤激光器能够长时间输出激光。

另外，即使万一某1个部位的激励光导入部217烧损，激光的输出降低也就为25％左右。如果增加导向纤维215的根数，则能够进一步抑制输出的降低。

再者，该实施方案的光纤激光器，使用了4根导向纤维215，但本发明的光纤激光器不限定于此，可以使用2根以上的导向纤维。

图20是表示本发明的光纤激光器的第三实施方案的模式图。

在图20中，符号221表示添加稀土类离子的纤维，222、223表示谐振器镜，224表示激励LD模块，225表示导向纤维，226表示激光输出纤维。

在该实施方案的光纤激光器中，在添加稀土类离子的纤维221的两端面分别配置了谐振器镜222、223，另外，从激励LD模块224延伸出8根导向纤维225，在谐振器镜222、223的未与添加稀土类离子的纤维221连接的一侧的表面分别独立地(未被集束)连接着4根导向纤维225。

以下将添加稀土类离子的纤维221与导向纤维225的连接部称为激励光导入部227。在该激励光导入部227，激励光从导向纤维225导入到添加稀土类离子的纤维221。另外，在谐振器镜223的未与添加稀土类离子的纤维221连接的一侧的表面连接着激光输出纤维226。

图21是表示该实施方案的光纤激光器中的激励光导入部的概略断面图。

如图21所示，对于该激励光导入部227，在添加稀土类离子的纤维221的端面221e接合了谐振器镜222(223)，在不与该谐振器镜222(223)的端面221e接合的一侧的表面中的相当于第一包层221b的部分，连接着4根导向纤维225的一个端面。

据此，在添加稀土类离子的纤维221的端面221e，不向芯221a入射激励光，只向第一包层221b入射激励光。

如果向芯221a入射激励光，则添加到芯221a中的稀土类离子导致的激励光的吸收集中于添加稀土类离子的纤维221的端面221e。被吸收的激励光因非放射缓和而转换成热，因此端面221e的温度上升，烧损的可能性变高。另外，该情况下，由于芯221a过烧，谐振器镜222、223也起不到其功能，激光的输出停止。

另一方面，如果只向第一包层221b入射激励光，则激励光的吸收在添加稀土类离子的纤维221的长度方向被分散，因此能够抑制温度上升。

例如，添加铒离子的纤维，只向芯入射激励光的情况下，波长982nm的激励光的吸收量为110dB/m，在离入射端面3cm之间激励光约一半被铒吸收。

另一方面，只向包层入射激励光的情况下，波长982nm的激励光的吸收量为1dB/m。也就是说，激励光的平均单位长度的吸收量为向芯入射激励光的情况的100分之1，能够抑制激励光的吸收导致的温度上升。即使万一添加铒离子的纤维与导向纤维的连接部烧损，对芯和谐振器镜也不造成损害，因此虽然激光的输出降低，但不会停止输出。

添加稀土类离子的纤维221、谐振器镜222、223、激励LD模块224、导向纤维225，与在上述的第二实施方案中所使用的相同。

对于该实施方案的光纤激光器，从激励LD模块224射出的激励光，通过8根导向纤维225以及谐振器镜222、223，从添加稀土类离子的纤维221的两端面导入到其内部。其次，从各个导向纤维225导入的激励光在添加稀土类离子的纤维221内结合，以高输出激光的形式从激光高输出纤维226输出到外部。

在该实施方案的光纤激光器中，由于4根导向纤维225分别独立地(相互不干涉地)连接着谐振器镜222、223，因此激励光的输出被分割8份，从谐振器镜222、223各自的不同的4个部位导入到添加稀土类离子的纤维221内。为此，即使导向纤维225与谐振器镜222、223的连接部(激励光导入部227)之中某一个部位烧损，如果其他的激励光导入部227不烧损，并确保添加稀土类离子的纤维221与导向纤维225的连接，则添加稀土类离子的纤维221内的激励光的振荡不停止，从该光纤激光器能够长时间输出激光。

另外，即使万一激励光导入部227之中某1个部位烧损，由于不对其他导向纤维225造成影响，因此能够抑制激光的输出降低。

再者，对于该实施方案的光纤激光器，导向纤维225使用了8根，但本发明的光纤激光器不限定于此，使用2根以上的导向纤维即可。另外，激励光向添加稀土类离子的纤维221的导入，优选从该纤维的两端面完成，但本发明的光纤激光器不限定于此，从一个端面导入激励光也可以。

另外，在本发明的光纤激光器中，作为添加稀土类离子的纤维可使用裸线纤维、光纤芯线、光纤导线。

Claims (14)

1.一种光放大介质纤维的光激励方法，其特征是，它是具有添加了稀土类元素的芯、在该芯的外周上设置的内侧包层、在该内侧包层的外周上形成的孔隙层、在该孔隙层的外周上设置的外侧包层的光放大介质纤维的光激励方法，去除光放大介质纤维的外侧包层的长度方向的一部分，形成露出内侧包层而成的内侧包层露出部，在该内侧包层露出部露出的内侧包层的外周接合激励光入射用光纤的端面，从该激励光入射用光纤将激励光入射到光放大介质纤维中。

2.根据权利要求1所记载的光放大介质纤维的光激励方法，其特征是，上述光放大介质纤维是在上述外侧包层的外周具有覆盖层的，上述内侧包层露出部是去除上述覆盖层和外侧包层的长度方向的一部分而形成的。

3.根据权利要求1或2所记载的光放大介质纤维的光激励方法，其特征是，上述内侧包层露出部在上述光放大介质纤维的长度方向的多个部位形成，在上述多个的内侧包层露出部分别接合不同的激励光入射用光纤的端面，从激励光入射用光纤将激励光入射到光放大介质纤维中。

4.一种针对光放大介质纤维的激励光入射结构，其特征是，它是用于向光放大介质纤维入射激励光的针对光放大介质纤维的激励光入射结构，所述光放大介质纤维具有添加了稀土类元素的芯、在该芯的外周上设置的内侧包层、在该内侧包层的外周上形成的孔隙层、在孔隙层的外周上设置的外侧包层，在上述光放大介质纤维的长度方向的一部分上形成去除外侧包层的长度方向的一部分而成的内侧包层露出部，在露出该内侧包层露出部的内侧包层的外周接合着激励光入射用光纤的端面。

5.根据权利要求4所记载的针对光放大介质纤维的激励光入射结构，其特征是，上述光放大介质纤维在上述外侧包层的外周具有覆盖层，上述内侧包层露出部是去除上述覆盖层和外侧包层的长度方向的一部分而形成的。

6.根据权利要求4或5所记载的针对光放大介质纤维的激励光入射结构，其特征是，上述内侧包层露出部在上述光放大介质纤维的长度方向的多个部位形成，在上述多个内侧包层露出部分别接合不同的激励光入射用光纤的端面。

7.一种光纤放大器，其特征是，具有针对权利要求4-6的任一项所记载的光放大介质纤维的激励光入射结构。

8.一种光纤激光器，其特征是，具有针对权利要求4-6的任一项所记载的光放大介质纤维的激励光入射结构。

9.一种光放大介质纤维，其特征是，它是在针对权利要求4-6的任一项所记载的光放大介质纤维的激励光入射结构中使用的光放大介质纤维，在内侧包层具有多边形状的断面的同时，上述外侧包层具有圆环状的断面，上述内侧包层的外周面的棱角线与上述外侧包层的内面接合着。

10.一种光纤激光器，其特征是，该光纤激光器至少具备：具有由添加了稀土类元素离子的玻璃构成的芯、在该芯的周围设置并传输激励光的第一包层、以及在该第一包层周围设置的第二包层的添加稀土类离子的纤维、和向该添加稀土类离子的纤维入射激励光的激励激光二极管模块，在该光纤激光器中，从上述激励激光二极管模块射出的激励光入射到上述第一包层内，上述添加稀土类离子的纤维和上述激励激光二极管模块通过至少2根导向纤维被连接。

11.根据权利要求10所记载的光纤激光器，其特征是，上述导向纤维的一个端面与上述添加稀土类离子的纤维的侧面连接。

12.根据权利要求10所记载的光纤激光器，其特征是，上述导向纤维的一个端面与上述添加稀土类离子的纤维的端面连接。

13.根据权利要求12所记载的光纤激光器，其特征是，上述导向纤维的一个端面连接于上述添加稀土类离子的纤维的端面中的第一包层部。

14.根据权利要求10所记载的光纤激光器，其特征是，上述稀土类元素的离子是铒离子。

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