JP4287007B2

JP4287007B2 - LASER DEVICE, LASER PROCESSING DEVICE USING THE SAME, AND OPTICAL SIGNAL AMPLIFICATION DEVICE

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Publication number: JP4287007B2
Application number: JP37244599A
Authority: JP
Inventors: 均山浦; 宏関口
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP2001189509A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー装置並びにこれを用いたレーザー加工装置及び光信号増幅装置に係り、特に、光ファイバー内部に含まれるレーザー活性物質に励起光を供給することによりレーザー発振を行うレーザー装置並びにこのようなレーザー装置を用いたレーザー加工装置及び光信号増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光通信、レーザー加工等の技術分野においては、高出力で小型のレーザー装置の開発が望まれている。この要請を満たせる可能性が高いものとして、レーザー活性イオン、色素又はその他の発光中心（以下、レーザー活性物質という）がドープされたコアの周りに励起光を導光するためのクラッドが形成された光ファイバーを用いたレーザー装置が知られている。
このようなレーザー装置において、レーザー光の高出力化、高効率化を実現するためには、レーザー活性物質がドープされたコアに効率よく励起光を導入し、吸収させる必要がある。しかし、径の小さな光ファイバーの端部から効率よく励起光を導入するのは困難である。
【０００３】
これを克服するものとして、特開平１１−２８４２５５号には、図２２に示されるように、励起光を閉じ込める円柱又は円筒形状の励起光導入部材８２の円周面に光ファイバー８４が巻回されたレーザー装置８０が開示されている。このようなレーザー装置８０において、励起光導入部材８２にその軸方向の一端面より導入された励起光は、図２３に示されるように、円周面で全反射を繰り返しながら螺旋形状の光路を描いて軸方向に進行し、閉じ込められる。そして、この励起光は、光ファイバー８４が巻回されている円周面に達すると、この円柱面に巻回されている光ファイバー８４の側面より内部に導入される。このようなレーザー装置８０によれば、励起光は光ファイバー８２の端面よりはるかに面積の広い側面から導入されるので、励起光が端面から導入される場合に比べ、励起光の導入の効率を高めることが可能になる。
【０００４】
また、上記のような励起光導入部材を用いたレーザー装置の出力、効率を維持しつつ装置の小型化を図るため、図２４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材９２として上下面が平面である薄円盤形状のものを用い、この平面上に巻回された光ファイバー９４が配置されているレーザー装置９０も提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような薄円盤形状の励起光導入部材９２に励起光を閉じ込めようとする場合、励起光導入部材９２の上下面又は側面（円周面）に反射膜を形成することが考えられる。しかし、反射膜を用いると反射膜により励起光の一部が吸収され、反射に伴う励起光の損失が避けられないといった問題がある。特に、励起光導入部材９２の上下面に反射膜を形成する場合、上下面での反射回数が多くなるため、反射面での吸収による励起光の損失が大きくなってしまう。また、励起光導入部材９２の側面にのみ反射膜を形成すれば、反射に伴う励起光の損失は低減されるが、そもそも、薄板形状の励起光導入部材９２の側面にのみ反射膜を形成することは困難である。
【０００６】
そこで、励起光導入部材９２を薄円盤形状に形成する場合、励起光導入部材９２と外界（空気）との境界面における全反射により励起光を励起光導入部材９２に閉じ込めることが考えられる。
しかし、全反射により励起光の閉じ込めを行おうとする場合、励起光導入部材９２の屈折率が外界の空気の屈折率より高いという条件に加え、励起光導入部材９２内の励起光の光路全体にわたって境界面に対する入射角を所定の臨界角以上に保たなければならないという条件を満たさなければならない。そして、薄板形状の励起光導入部材９２でこのような条件を満たそうとする場合、励起光導入部材９２内で励起光が分布する範囲が制限され、また励起光の入射位置や入射角度の調整が困難になるといった問題がある。
【０００７】
例えば、図２４に示されるレーザー装置の励起光導入部材に全反射により励起光を閉じ込めようとする場合、励起光を平面の周縁部近傍の位置から側面に沿った方向から入射する必要がある。そして、この励起光は、図２５（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材９２の平面間で全反射を繰り返しながら直進し、励起光導入部材９２の側面で全反射されるということが繰り返される必要がある。
図２６（Ａ）、（Ｂ）は、直径１１０ｍｍ、厚さ３．５ｍｍ、上下面が平面である円盤形状の石英ガラス製励起光導入部材９２に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図である。励起光は平面の中心から５０ｍｍの位置に設けられた三角プリズム９６を介して、側面の接線方向と平行方向から、平面と励起光のなす角度が４５°となるように入射されている。光路上の黒点は上下面での反射位置を示す。
図２６（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材９２に導入された励起光は、励起光導入部材９２の周縁部近傍にのみ分布し、中心部近傍には分布していない。このため光ファイバーを配置する位置が周縁部に限定されてしまい、設計上の自由度を減少させる。
【０００８】
また、励起光は平面の周縁部近傍の狭い領域に配置されている光ファイバー９４からしか導入されないので、励起光導入の効率が悪くなり、高出力のレーザー光を得ることができなくなる。このような場合、励起光導入部材９２の径を大きく設定することにより励起光導入の効率を高めることが考えられるが、これではレーザー装置９０の小型化を図ることができない。
さらに、励起光は励起光導入部材９２の平面及び側面で反射されているが、励起光の一部は側面では全反射されず、励起光導入部材９２の外部に飛び出てしまっている。この場合、側面での全反射条件を満たそうとすると、励起光の入射位置や入射角度の調整が困難になると伴に、レーザー装置の設計上の自由度を減少させる。
【０００９】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、小型で高出力のレーザー光を得ることが可能であり、しかも設計上の自由度の高いレーザー装置並びにこのようなレーザー装置を用いたレーザー加工装置及び光信号増幅装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係るレーザー装置は以下のような内容を有する。まず、請求項１の発明は、レーザー活性物質を含むコアを有し、レーザー活性物質が励起されることにより少なくとも一端からレーザー光を出力する光ファイバーと、レーザー活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、励起光を光ファイバーに導入するための励起光導入部材とを備え、励起光導入部材は互いに対向する対向面を有する円盤状であり、励起光導入部材に入射された励起光は対向面で反射を繰り返しながら励起光導入部材の周方向に進行すると共に、励起光の少なくとも一部はその進路を励起光導入部材の内側方向に進行させるような進行制御手段によって励起光導入部材の内側方向に屈曲されながら進行して励起光分布領域を形成し、光ファイバーはその側面の少なくとも一部が励起光分布領域における対向面の少なくとも一方と直接又は光学媒質を介して間接的に接触するように配置されており、その接触した部分を通じて光ファイバーの側面より入射される励起光によりレーザー活性物質が励起されることを特徴とするレーザー装置である。
【００１１】
本発明においては、励起光源で発生された励起光は励起光導入部材に入射される。この励起光は励起光導入部材の対向面の間で反射を繰り返しながら、励起光導入部材の周方向に進行する。そして、この励起光は進行制御手段により励起光導入部材の内側方向に屈曲されながら進行して、励起光分布領域を形成する。従って、本発明では、励起光分布領域を励起光導入部材の内側方向にまで広く形成することが可能になる。
この励起光が励起光分布領域における対向面の光ファイバーが配置された部分に達すると、励起光はその側面より光ファイバー内に導入される。そして、この励起光はコアにドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は光ファイバー内を伝わって端部より出力される。
【００１２】
このように、本発明によれば、励起光分布領域をその励起光導入部材の内側方向にまで広く形成することができるので、光ファイバーを対向面の広い領域の任意の範囲に配置することが可能になり、光ファイバーの配置に関する自由度を増大することが可能になる。また、この広い領域に渡って配置された光ファイバーに励起光を導入することが可能になるので、薄板状の励起光導入部材を用いた場合でも高出力のレーザー装置を提供することが可能になる。
また、励起光導入部材に導入された励起光は、励起光分布領域の内側に屈曲されているので、全反射により励起光を閉じ込めるためには励起光導入部材の側面で反射させることは必ずしも必要なくなる。また、励起光が側面で反射される場合を想定しても、励起光の光路を励起光分布領域の内側に屈曲させることにより、側面に対する入射角を全反射条件である臨界角より大きくすることが容易になる。従って、励起光の入射位置や入射角度等の調整が容易になると伴に、レーザー装置の設計上の自由度を増大させることが可能になる。
さらに、本発明のレーザー装置によれば、光ファイバーは励起光分布領域における対向面に配置されているので、光ファイバーが円柱形状の励起光導入部材の側面に巻回されている従来のレーザー装置とは異なり、対向面間の距離（厚さ）を小さくすることができる。従って、レーザー光の出力を維持しつつ、装置の小型化を図ることが可能になる。
請求項２の発明は、前記進行制御手段は前記対向面間の厚さの変化により形成されている請求項１記載のレーザー装置である。本発明によれば、対向面間の厚さを変化させることにより進行制御手段を構成することができるので、励起光導入部材の製造が容易になる。
【００１３】
請求項３の発明は、レーザー活性物質を含むコアを有し、レーザー活性物質が励起されることにより少なくとも一端からレーザー光を出力する光ファイバーと、レーザー活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、励起光を前記光ファイバーに導入するための励起光導入部材とを備え、励起光導入部材は互いに対向する対向面を有する円盤状であり、励起光導入部材に入射された励起光は対向面で反射を繰り返しながら励起光導入部材を周回して励起光分布領域を形成し、励起光分布領域には励起光を励起光導入部材の内側方向に屈曲させるため対向面間の距離が励起光導入部材の内側に向かって拡大する拡厚部が形成されており、光ファイバーはその側面の少なくとも一部が励起光分布領域における対向面の少なくとも一方と直接又は光学媒質を介して間接的に接触するように配置されており、その接触した部分を通じて光ファイバーの側面より入射される励起光によりレーザー活性物質が励起されることを特徴とするレーザー装置である。本発明によれば、励起光は励起光導入部材の対向面の間で反射を繰り返しながら、励起光導入部材を周回して励起光分布領域を形成する。この励起光は、対向面間の距離が励起光導入部材の内側に向かって拡大する拡厚部により励起光導入部材の内側方向に屈曲されながら進行する。従って、請求項１のレーザー装置と同一の効果を得ることが可能になる。
【００１４】
請求項４の発明は、励起光導入部材は対向面間の距離が励起光導入部材の中心に向かって連続的に拡大する形状を有する請求項３記載のレーザー装置である。本発明によれば、励起光導入部材を、平凸レンズ形状、両凸レンズ形状、メニスカスレンズ形状、円錐形状等の各種の形状に形成することが可能になる。
請求項５の発明は、励起光導入部材は対向面間の距離が励起光導入部材の中心に向かって連続的に拡大する凸レンズ形状を有する請求項４記載のレーザー装置である。本発明によれば、励起光導入部材として製造、配置、取扱の容易な平凸レンズ形状や両凸レンズ形状を有するものを用いることが可能になる。
請求項６の発明は、光ファイバーは励起光分布領域における対向面の少なくとも一方に巻回された状態で配置されている請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザー装置である。本発明によれば、励起光分布領域に光ファイバーを高密度で配置することが可能になり、光ファイバーに対する励起光の導入を効率的に行うことが可能になる。また、対向面間の距離が増大する部分に光ファイバーを高密度かつ安定した状態で巻回することが可能になる。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載されたレーザー装置と、レーザー装置の光ファイバーの少なくとも一端より出力されるレーザー光を被加工対象に集光する集光光学系とを備えたレーザー加工装置である。本発明によれば、小型で高出力のレーザー装置を用いてレーザー加工装置を構成することが可能になる。
請求項８の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載されたレーザー装置を備え、前記光ファイバーの一端を信号光の入力端とし、他端を増幅光の出力端とする光信号増幅装置である。本発明によれば、小型で高出力のレーザー装置を用いて光信号増幅装置を構成することが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係るレーザー装置を示す図である。このレーザー装置１０は、レーザー活性物質の誘導放出効果を利用した光の発振装置又は光の増幅装置であり、レーザー加工、光通信、レーザー計測等で用いられる。
このレーザー装置１０は、レーザー活性物質を含むコアを有し、このレーザー活性物質が励起されると端部よりレーザー光を発する光ファイバー１２と、レーザー活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源１４と、励起光を光ファイバー１２に導入するための励起光導入部材１６とを備えている。
【００１７】
励起光導入部材１６としては、図１及び図２に示されるように、一面が平面１６ｂでこの平面１６ｂに対向する面が凸面１６ａであり、中心を通る回転軸の周りに回転対象な形状を有する円盤状の平凸レンズ形状の透明体が用いられる。励起光導入部材１６として、対向面の一面が平面１６ｂとなっているものを用いることにより、励起光導入部材を安定して設置することが可能になると伴に、放熱器等の付属品を設けることが容易になる。また、励起光導入部材１６を中心を通る回転軸の周りに回転対称な形状とすることにより、設計や光ファイバーの配置が容易となると伴に、装置の小型化を図ることが可能になる。
このような励起光導入部材１６では、凸面１６ａが励起光を励起光導入部材の内側に屈曲させる進行制御手段として作用することになる。
この励起光導入部材１６は、石英ガラス等の光学ガラス、光学樹脂、光学結晶等の光学材料で形成することができる。通常、光ファイバー１２との屈折率、熱膨張率のマッチングを考慮し、光ファイバー１２のクラッドと同一材料で形成される。
【００１８】
励起光導入部材１６の凸面１６ａの形状は、励起光導入部材１６に導入された励起光を中心方向に屈曲することができるものであれば特に限定されず、球面の一部、放物面、双曲面等が用いられる。また、この凸面１６ａと平面１６ｂの間の間隔は、励起光導入部材１６内での光路を減少させ、励起光を高密度で閉じ込めるため、必要な機械的強度を保てる範囲でできるだけ小さく設定される。
このような励起光導入部材１６には、図３（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、製造に必要な光学材料を低減し、熱放散性を向上させるため、光路とならない中央部に空間部１６ｃを形成してもよい。
【００１９】
上記のような励起光導入部材１６の周縁部近傍より励起光を導入すると、励起光は、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、平面１６ｂと凸面１６ａで反射を繰り返しながら励起光導入部材１６の周方向に進行する。そして、凸面で反射されるときに、励起光導入部材の中心方向に屈曲される。その結果、励起光は導入部材の周縁部近傍から中心部近傍の範囲でドーナツ形状を有する励起光分布領域内に分布することになる。
この励起光分布領域における凸面１６ａには、光ファイバー１２が、側面どうしが間隙なく密着する渦巻き状に巻回されている。この光ファイバー１２の巻回は、例えば、図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材１６の凸面１６ａの中心に仮立設された円筒１８に光ファイバー１２の巻き始めの一端を固定し、これを中心として光ファイバー１２を側面どうしが密着するよう順次外周方向に巻き付け、他端をレーザー光の出力端１２ａとして外部に引き出すことにより行われる。円筒１８は、巻き付けが行われた後、励起光導入部材１６より取り外される。このように、光ファイバー１２が間隙なく巻回されることにより、励起光導入部材１６上にコアを高密度に配置させることができ、励起光を光ファイバー１２に効率的に導入することが可能になる。
上記の方法で巻回された光ファイバー１２は、励起光導入部材１６からの励起光の導入を妨げないよう、励起光導入部材１６と同一又は近い屈折率を有する光学樹脂や低融点ガラス等の光学媒質による接着、炭酸ガスレーザー等を用いた溶融等の方法で凸面１６ａに固定される。
【００２０】
また、図５に示されるように、凸面１６ａに巻回された光ファイバー１２を覆うように光学媒質層２０を形成してもよい。このような光学媒質層２０として励起光導入部材１６と同一又は近い屈折率を有するものを用いれば、光ファイバー１２を固定するだけではなく、この光学媒質層２０を介して励起光を光ファイバー１２に導入することが可能になると共に、光ファイバー１２が外界の影響を受けにくくなり縦モードの周波数の安定化も図れる。
このような光ファイバー１２としては、レーザー活性物質がドープされているコアの周りに励起光をコアに導くためのクラッドが形成されているレーザーファイバーが用いられる。このレーザー活性物質は励起光による誘導放出効果によりレーザー光を発生する物質であり、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素等からレーザー装置の用途等に応じて適宜選択される。例えば、１．５５μｍ帯の信号光の増幅を行う場合には、この波長帯での光の増幅が可能なエルビウムが好適に用いられる。
【００２１】
この光ファイバー１２の材質は、石英ガラス、リン酸塩系ガラス等のガラスや、プラスチック等の光学材料からレーザー装置の用途に応じて選択される。例えば、高輝度動作を行う場合、レーザー光耐性の高い石英ガラスが用いられる。
この光ファイバー１２の断面形状は、クラッドに入射された励起光をコアに効率的に導入できるものであれば特に限定されず、円形、矩形、多角形、楕円等から適宜選択される。
励起光導入部材１６の中心側に固定されている光ファイバー１２の一端は破断面でもよいが、通常、光の反射時における損失を低減するため、レーザー光の反射率を高くするよう平面研磨されているか、又はレーザー光の反射率が１００％に近い回折格子や反射膜等の反射手段が設けられている。また、外部に引き出された出力端１２ａはレーザー光の取り出しが可能な垂直な破断面とされている。
また、励起光導入部材１６に巻回された光ファイバー１２の一端を信号入力端とし、他端を出力端とする場合や、両端を出力端とする場合は、図６に示されるように、両端１２ａ、１２ｂともに垂直破断した面とし、励起光導入部材１６に固定せず、外部に引き出される。
【００２２】
この光ファイバー１２のコア径は、レーザー装置の用途等に応じて適宜設定することが可能であり、例えば、コア径を小さく設定すれば、レーザー光密度を上げることができる。また、光ファイバー１２としては、径が一定以上に設定されており、複数のモード光を導くマルチモードファイバーを使用することもできるが、微細な加工を行うレーザー加工装置や信号光の増幅を行う信号増幅装置として用いる場合は、径が一定以下に設定されており単一の基本モード光のみを導くシングルモードファイバーが用いられる。
また、光ファイバー１２としては、レーザー活性物質がドープされたコアの周りに励起光を導入するための第１クラッドが形成され、さらにこの第１クラッドの周りに励起光を第１クラッドに閉じ込めるための第２クラッドが形成されている二重クラッド構造の光ファイバーを用いることも可能である。この場合、コアに対する励起光の吸収効率を向上させるため第１クラッドの断面が矩形に形成されたものを用いることが好ましい。
【００２３】
また、光ファイバー１２は励起光導入部材１６の平面１６ｂ又は両面１６ａ、１６ｂに巻回されてもよく、また、図７に示されるように、複数層に巻回されていてもよい。さらに、必要に応じ１本の光ファイバーのみでなく、複数本の光ファイバーが巻回されていてもよい。また、励起光導入部材１６に光ファイバー１２を配置する方法としては、光ファイバー１２を巻回することに限定されるものではなく、図８に示されるように、光ファイバー１２が繰り返し折り返された状態で配置することも可能である。
励起光導入部材１６の平面１６ｂの周縁部近傍には、励起光源１４で発せられた励起光を励起光導入部材１６に導入するための三角柱状のプリズム２２が設けられている。このプリズム２２は互いに平行な面である両側面を除く三面のうち、一面を入射面とし、他の一面が励起光導入部材１６の平面１６ｂに密着された状態で固定されている。
【００２４】
プリズム２２が設けられる位置は平面１６ｂに限定されるものではなく、凸面１６ａや側面に設けることも可能である。また、励起光源１４で発せられた励起光を励起光導入部材１６に導入するための手段としては、上述のプリズム２２の他に、励起光導入部材１６に形成された溝や、回折格子等を用いることができる。また、励起光の漏れを低減するため、励起光源１４で発せられた励起光を導く光ファイバー１４ａを直接励起光導入部材１６に融着接合することも可能である。
励起光源１４は、光ファイバー１２のコアにドープされているレーザー活性物質を励起させる波長の励起光を発することができるものであれば特に限定はされず、通常、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）等の半導体素子やフラッシュランプ等のランプ等が用いられる。特に、集光性や励起光の発生効率に優れた半導体素子を用いることが好ましい。この励起光源１４より発生された励起光は光ファイバー１４ａを通じて励起光導入部材１６に設けられたプリズム２２の入射面に導かれる。励起光導入部材１６内での励起光密度を高くしようとする場合、励起光源１４を複数設け、各々の励起光源１４からの励起光を複数の個所から励起光導入部材１６に導入するようにしてもよい。
【００２５】
以下、上記のレーザー装置１０の作用について説明する。
励起光源１４で発生された励起光は光ファイバー１４ａを介して励起光導入部材１６の平面１６ｂの周縁部近傍に設けられたプリズム２２に導かれ、このプリズム２２により所定角度で励起光導入部材１６内に導入される。
この励起光は、図９（Ｂ）に示されるように励起光導入部材１６の凸面１６ａと平面１６ｂで全反射を繰り返しながら進行するが、凸面１６ａで全反射される際には図９（Ａ）に示されるようにその進路が対向面の中心方向に屈曲される。
【００２６】
図１０（Ａ）、（Ｂ）は、直径１１０ｍｍ、周縁部の厚さ３．５ｍｍ、凸面の曲率半径５００ｍｍである石英ガラス製の平凸レンズ形状の励起光導入部材１６に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図である。励起光は平面の中心から５０ｍｍの位置に設けられた一辺３ｍｍの三角プリズム２２を介して、外周の接線方向と平行方向で、平面１６ｂと励起光のなす角度が４５°となるように入射されている。光路上の黒点は凸面１６ａ及び平面１６ｂでの反射位置を示す。
この場合、励起光は、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、平面１６ｂ及び凸面１６ａでの反射を繰り返しながら、励起光導入部材１６の中心方向に屈曲されて進行している。その結果、励起光導入部材１６の励起光分布領域は周縁部近傍から中心部近傍の広い範囲に渡って形成されたドーナツ形状を有している。
【００２７】
この励起光が、凸面１６ａの光ファイバー１２が巻回されている部分に達すると、励起光は光ファイバー１２の側面よりクラッド内に導入される。このように、励起光を光ファイバー１２の側面から導入することにより、励起光が端面から導入される場合に比べ、励起光の導入の効率を高めることが可能になる。
光ファイバー１２に導入された励起光はコアにドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は光ファイバー１２内を伝わって出力端１２ａより放出される。
【００２８】
このように、本発明においては、励起光導入部材１６の励起光分布領域は周縁部近傍から中心部近傍に渡って広い範囲で存在しているため、この広い領域の任意の範囲で光ファイバーを巻回することができる。その結果、光ファイバーの巻回可能な範囲が励起光導入部材の周縁部に限定される従来のレーザー装置と比べ、光ファイバー１２の巻回可能な範囲を広げることが可能になる。
また、広い範囲に渡って巻回された光ファイバー１２に励起光を導入することが可能になるので、光ファイバー１２に対する励起光の導入を効率的に行うことができ、その結果、薄板状の励起光導入部材１６を用いた場合でも高出力のレーザー装置を提供することが可能になる。
さらに、励起光導入部材１６に導入された励起光は、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材１６の中心方向に屈曲されているので、側面で反射されることがない。仮に励起光が側面で反射される場合を想定しても、励起光は励起光導入部材１６の中心方向に屈曲されているので、側面に対する励起光の入射角を全反射条件である臨界角より大きくすることが容易である。従って、励起光の入射位置や入射角度等の調整が容易になると伴に、レーザー装置の設計上の自由度を増大させることが可能になる。
【００２９】
次に、本発明の他の実施例について説明する。尚、以下の説明においては、上述した部材と同一のものについては同一の参照番号を付し、詳細な説明は省略する。
図１１は、本発明の他の実施の形態で用いられる励起光導入部材３０を示す断面図である。
この励起光導入部材３０は、一面が平面３０ｂで、この平面３０ｂに対向する面に２つの凸部３０ａが連続して形成されている円盤形状を有している。このような励起光導入部材３０では凸面３０ａが進行制御手段として作用する。
このような励起光導入部材３０の厚さδは、最大厚Ｔ，凹凸高さＨ、直径Ｄ、中心からの距離ｒとすると下記の式により表される。
【数１】

図１２（Ａ）、（Ｂ）は、最大厚Ｔ４．５ｍｍ，凹凸高さＨ４．０ｍｍ、直径Ｄ１１０ｍｍである石英ガラス製の励起光導入部材３０に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図である。励起光は平面３０ｂの中心から５０ｍｍの位置に設けられた一辺３ｍｍの三角プリズムを介して、側面の接線方向と平行方向で、平面３０ｂと励起光のなす角度が４５°となるように入射されている。
【００３０】
図１２（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材３０に導入された励起光は平面３０ｂ及び凸面３０ａでの反射を繰り返しながら、励起光導入部材３０の中心方向に屈曲されて進行している。その結果、励起光導入部材３０の励起光分布領域は周縁部近傍から中心部近傍の広い範囲に渡って存在するドーナツ形状を有している。
従って、この広い領域の任意の範囲で光ファイバーを巻回することができるので、光ファイバー１２の巻回位置の制限を緩和することが可能になる。
また、広い範囲に渡って巻回された光ファイバー１２に励起光を導入することが可能になるので、光ファイバー１２に対する励起光の導入を効率的に行うことができ、その結果、薄板状の励起光導入部材３０を用いた場合でも高出力のレーザー装置を提供することが可能になる。
また、励起光導入部材３０に導入された励起光は、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、励起光導入部材３０の中心方向に屈曲され、側面で反射されることがない。仮に励起光が側面で反射される場合を想定しても、励起光の光路を中心方向に屈曲させることにより、側面に対する入射角を全反射条件である臨界角より大きくすることが容易になる。従って、励起光の入射位置や入射角度等のレーザー装置の設計上の自由度を増大させることが可能になる。
【００３１】
図１３は本発明の他の実施の形態で用いられる励起光導入部材４０を示す断面図である。
この励起光導入部材４０は、一面が平面４０ｂで、この平面４０ｂに対向する面が平面に向かって凸な略円錐面で形成された凸面４０ａである略円錐形状を有している。このような励起光導入部材４０では、凸面４０ａが進行制御手段として作用する。
このような励起光導入部材の厚さδは、最大厚Ｔ，凹凸高さＨ、直径Ｄ、中心からの距離ｒとすると下記の式により表される。
【数２】

図１４（Ａ）、（Ｂ）は、最大厚Ｔ６．０ｍｍ，凹凸高さＨ５．５ｍｍ、直径Ｄ２００ｍｍである石英ガラス製の励起光導入部材４０に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図である。励起光は平面４０ｂの中心から５０ｍｍの位置に設けられた一辺３ｍｍの三角プリズムを介して、側面の接線方向と平行方向で、平面と励起光のなす角度が４５°となるように入射されている。
図１４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、上述の励起光導入部材４０に導入された励起光は平面４０ｂ及び凸面４０ａでの反射を繰り返しながら、励起光導入部材４０の中心方向に屈曲されて進行している。その結果、励起光導入部材４０の励起光分布領域は中心部近傍の広い範囲において形成されたドーナツ形状を有している。
【００３２】
従って、この広い領域の任意の範囲で光ファイバーを巻回することができ、光ファイバー１２の巻回位置の制限を緩和することが可能になる。
また、広い範囲に渡って巻回された光ファイバー１２に励起光を導入することが可能になるので、光ファイバー１２に対する励起光の導入を効率的に行うことができ、その結果、薄板状の励起光導入部材４０を用いた場合でも高出力のレーザー装置を提供することが可能になる
また、励起光導入部材４０に導入された励起光は、図１４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、側面で反射されることがない。また、仮に、励起光が側面で反射される場合を想定しても、励起光は励起光導入部材４０の中心方向に屈曲されているので、側面に対する励起光の入射角を全反射条件である臨界角より大きくするのが容易である。従って、励起光の入射位置や入射角度等の調整が容易になると伴に、レーザー装置の設計上の自由度を増大させることが可能になる。
【００３３】
以上の説明から明らかなように、励起光導入部材としては、励起光導入部材の内側、即ち中心方向に向かって厚さが拡大する部分を有し、励起光をその直進方向より励起光導入部材の内側に屈曲させることが可能なものであれば、特に限定されない。例えば、励起光導入部材５０として、図１５に示されるような一面が凸面でこの凸面に対向する面が凹面であるメニスカスレンズ形状を有するもの、図１６に示されるような一面が平面でこの平面に対向する凸面が円錐形状を有するもの、図１７に示されるような一面が平面でこの平面に対向する面が円錐面と曲面が混合する形状を有するもの、図１８に示されるような対向する面が両方とも凸面となっている両凸レンズ形状を有するもの又は図１９に示されるような平板の一部に凸面が形成されたもの等を用いることが可能である。
また、他の励起光導入部材６０として、図２０に示されるように、一面が平面６０ｂであり、対向する面６０ａに垂直面と曲面とからなる溝部６０ｃが形成されているフレネルレンズ形状を有するものを用いることも可能である。この場合、光ファイバー１２は平面６０ｂに巻回されているが、溝部６０ｃを渦巻き状に形成し、光ファイバー１２をこの溝部に巻回するようにしてもよい。
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更を加えることが可能である。
例えば、上述した実施の形態では、励起光導入部材と外界（空気）との屈折率の差による全反射により励起光を閉じ込める場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、励起光導入部材に反射率の高い反射コートを施し、この反射コートにより励起光の閉じ込めを行なってもよい。
また、上述した実施の形態では、励起光導入部材における対向面間の距離（厚さ）の変化によって励起光の光路を制御する進行制御手段を構成したが、対向面間の距離の変化に替え又はこれとともに、励起光導入部材に屈折率分布を形成することにより進行制御手段を構成することも可能である。このような屈折率分布は、例えば、励起光導入部材の所定領域にドープ材を添加することにより形成することができる。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
実施例１
図１に示されるレーザー装置１０を用いてレーザー光発振及びレーザー加工を行った。
励起光導入部材１６として、直径１１０ｍｍ、周縁部の厚さ３．５ｍｍ、凸部の曲率半径５００ｍｍである石英ガラス製の円盤平凸レンズ形状のものが用いられた。
この励起光導入部材１６の平面１６ｂの中心から５０ｍｍの位置に一辺３ｍｍの三角プリズム２２が設けられた。
励起光導入部材１６の凸面１６ａの内半径３２ｍｍ、外半径５２ｍｍの範囲に光ファイバー１２が側面どうしが間隙なく密着する渦巻き状に巻回された。この巻回は、図４に示されるように、励起光導入部材１６の中心に仮立設された外半径３２ｍｍのテフロン製の円筒１８を用い、光ファイバー１２の巻き始めの一端を円筒１８に固定し、これを中心として順次外周方向に巻き付けるようにして行われた。光ファイバーが巻回された後、この円筒１８は取り外された。
光ファイバー１２の巻き終わり側の他端はレーザー光の出力端１２ａとして外部に引き出された。このように巻回された光ファイバー１２は、硬化後の屈折率が１．４２である紫外線硬化型接着材により励起光導入部材１６に固定された。
【００３５】
光ファイバー１２として、クラッド径１２５μｍ、コア径約５０μｍであり、コアには０．５ａｔ％の濃度でネオジムイオン（Ｎｄ^３ ⁺）がドープされている石英ガラス製ファイバーが用いられた。この光ファイバー１２の中心側に固定された一端は平面研磨された後、レーザー発振波長１．０６μｍにおいて反射率が９８％以上である多層膜コートが施され、外部に引き出された出力端１２ａはレーザー発振波長１．０６μｍにおいて反射率が４％程度の破断面とされた。
励起光源１４としては、発振波長０．８μｍ、出力３０Ｗの励起光を直径６００μｍの光ファイバー１４ａで出力するファイバーカップル型半導体レーザー装置が用いられた。
この光ファイバー１４ａを励起光導入部材に設けられたプリズム２２に近接させ、励起光を外周の接線方向と平行方向で、平面１６ｂと励起光のなす角度が４５°となるように励起光導入部材１６内に導入した。その結果、励起光導入部材１６に巻回された光ファイバー１２の出力端１２ａから波長１．０６μｍ、レーザー出力１１Ｗの良好な出力レーザー光が得られた。
また、図２１に示されるように、レーザー装置１０にレーザー光を集光する焦点距離２５ｍｍのメニスカスレンズ１５を設けてレーザー加工装置７０を構成したところ、直径１５０μｍ以内に９０％以上のエネルギーを集光できた。この場合、出力レーザー光の集光径はレーザー出力や熱の状態によらず常に安定であった。
【００３６】
実施例２
図６に示されるレーザー装置を用いて光信号増幅を行った。
レーザー装置としては、光ファイバー１２としてコア径８μｍのものが用いられ、励起光導入部材１６に巻回された光ファイバー１２の両端部１２ａ，１２ｂが垂直破断面とされた点を除き、実施例１と同一のものが用いられた。
この光ファイバーの巻き始め側の一端１２ｂから波長１．０６μｍ、出力５００μＷの信号光を入射したところ、巻き終わり側の他端１２ａから３１０ｍＷの増幅光が出射され、２８ｄＢの利得が得られた。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、励起光導入部材に導入された励起光を励起光導入部材の内側方向に屈曲させることにより、励起光分布領域を広く形成することができる。従って、光ファイバーを広い領域の任意の範囲に配置することができ、その結果、光ファイバーの配置に関する自由度を増大することが可能になる。また、広い領域に渡って配置された光ファイバーに励起光を導入することができるので、薄板状の励起光導入部材を用いた場合でも高出力のレーザー装置を提供することが可能になる。
また、励起光導入部材に導入された励起光を励起光分布領域の内側に屈曲させることにより、励起光を全反射により励起光導入部材に閉じ込めるためには励起光を側面で反射させることは必ずしも必要なくなる。また、仮に励起光が側面で反射される場合でも、側面に対する入射角を全反射条件である臨界角より大きくすることが容易になる。従って、励起光の入射位置や入射角度等の調整が容易になると伴に、レーザー装置の設計上の自由度を増大させることが可能になる。
さらに、光ファイバーは励起光分布領域における対向面上に配置されているので、光ファイバーが円柱形状の励起光導入部材の側面に巻回されている従来のレーザー装置と比べた場合、対向面間の距離（厚さ）を小さくすることができる。従って、レーザー光の出力を維持しつつ、装置の小型化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザー装置を示す斜視図である。
【図２】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図３】励起光導入部材の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図４】光ファイバーが巻回されている状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図５】励起光導入部材に光ファイバーが配置された状態の一例を示す断面図である。
【図６】本発明に係るレーザー装置を示す斜視図である。
【図７】励起光導入部材に光ファイバーが配置された状態の一例を示す断面図である。
【図８】励起光導入部材に光ファイバーが配置された状態の一例を示す平面図である。
【図９】励起光導入部材に導入された励起光の光路を説明するための図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図１０】励起光導入部材に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図１１】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１２】励起光導入部材に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図１３】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１４】励起光導入部材に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図１５】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１６】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１７】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１８】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図１９】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図２０】励起光導入部材の一例を示す断面図である。
【図２１】本発明に係るレーザー加工装置の概略を示す図である。
【図２２】従来のレーザー装置の一例を示す斜視図である。
【図２３】従来のレーザー装置の励起光導入部材に導入された励起光の光路を示す斜視図である。
【図２４】従来のレーザー装置の一例を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。
【図２５】従来のレーザー装置の励起光導入部材に導入された励起光の光路を説明するための図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図２６】従来のレーザー装置の励起光導入部材に導入された励起光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１０レーザー装置
１２光ファイバー
１４励起光源
１６励起光導入部材
１６ａ凸面
１６ｂ平面
３０励起光導入部材
４０励起光導入部材
５０励起光導入部材
６０励起光導入部材
７０レーザー加工装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser apparatus, a laser processing apparatus and an optical signal amplification apparatus using the laser apparatus, and more particularly, a laser apparatus that performs laser oscillation by supplying excitation light to a laser active substance contained in an optical fiber, and such a laser. The present invention relates to a laser processing apparatus and an optical signal amplification apparatus using the apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in the technical fields such as optical communication and laser processing, development of a high-power and small-sized laser device has been desired. As a possibility that this requirement can be satisfied, a cladding for guiding excitation light was formed around a core doped with laser active ions, dyes or other emission centers (hereinafter referred to as laser active materials). A laser device using an optical fiber is known.
In such a laser device, in order to realize high output and high efficiency of laser light, it is necessary to efficiently introduce and absorb the excitation light into the core doped with the laser active substance. However, it is difficult to efficiently introduce excitation light from the end of an optical fiber having a small diameter.
[0003]
In order to overcome this, Japanese Patent Laid-Open No. 11-284255 discloses that an optical fiber 84 is wound around the circumferential surface of a cylindrical or cylindrical excitation light introducing member 82 for confining excitation light, as shown in FIG. A laser device 80 is disclosed. In such a laser device 80, as shown in FIG. 23, the excitation light introduced into the excitation light introducing member 82 from one end surface in the axial direction passes through a spiral optical path while repeating total reflection on the circumferential surface. It draws and advances in the axial direction and is confined. And when this excitation light reaches the circumferential surface around which the optical fiber 84 is wound, it is introduced into the inside from the side surface of the optical fiber 84 wound around this cylindrical surface. According to such a laser device 80, since the excitation light is introduced from a side surface having a much larger area than the end face of the optical fiber 82, the efficiency of introduction of the excitation light is increased as compared with the case where the excitation light is introduced from the end face. It becomes possible.
[0004]
In order to reduce the size of the apparatus while maintaining the output and efficiency of the laser apparatus using the excitation light introducing member as described above, as shown in FIGS. 24A and 24B, the excitation light introducing member is used. A laser device 90 is also proposed in which a thin disk shape having a flat upper and lower surface is used as 92, and an optical fiber 94 wound on the flat surface is disposed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When confining excitation light in such a thin disk-shaped excitation light introducing member 92, it is conceivable to form a reflective film on the upper and lower surfaces or side surfaces (circumferential surfaces) of the excitation light introducing member 92. However, when a reflective film is used, there is a problem that a part of the excitation light is absorbed by the reflective film, and loss of the excitation light due to reflection is unavoidable. In particular, when the reflective films are formed on the upper and lower surfaces of the excitation light introducing member 92, the number of reflections on the upper and lower surfaces increases, and the loss of excitation light due to absorption on the reflection surface increases. Further, if a reflection film is formed only on the side surface of the excitation light introducing member 92, the loss of excitation light due to reflection is reduced, but in the first place, a reflection film is formed only on the side surface of the thin plate-shaped excitation light introducing member 92. It is difficult.
[0006]
Therefore, when the excitation light introducing member 92 is formed in a thin disk shape, it is conceivable that the excitation light is confined in the excitation light introducing member 92 by total reflection at the boundary surface between the excitation light introducing member 92 and the outside (air).
However, when the excitation light is confined by total reflection, in addition to the condition that the refractive index of the excitation light introducing member 92 is higher than the refractive index of the external air, the entire optical path of the excitation light in the excitation light introducing member 92 is used. The condition that the angle of incidence on the interface must be kept above a certain critical angle must be met. When such a condition is satisfied by the thin plate-shaped excitation light introducing member 92, the range in which the excitation light is distributed in the excitation light introducing member 92 is limited, and the incident position and angle of the excitation light are adjusted. There is a problem that becomes difficult.
[0007]
For example, when the excitation light is to be confined to the excitation light introducing member of the laser device shown in FIG. 24 by total reflection, it is necessary to make the excitation light incident from the position near the peripheral edge of the plane from the direction along the side surface. Then, as shown in FIGS. 25A and 25B, the excitation light travels straight while repeating total reflection between the planes of the excitation light introducing member 92 and is totally reflected by the side surface of the excitation light introducing member 92. It needs to be repeated.
FIGS. 26A and 26B show the optical path of the excitation light introduced into the disc-shaped quartz glass excitation light introduction member 92 having a diameter of 110 mm, a thickness of 3.5 mm, and upper and lower surfaces by a ray tracing method. It is a figure which shows the result of having analyzed. Excitation light is incident through a triangular prism 96 provided at a position 50 mm from the center of the plane so that the angle formed by the plane and the excitation light is 45 ° from the tangential direction of the side surface. Black dots on the optical path indicate reflection positions on the upper and lower surfaces.
As shown in FIGS. 26A and 26B, the excitation light introduced into the excitation light introducing member 92 is distributed only in the vicinity of the peripheral portion of the excitation light introducing member 92 and is distributed in the vicinity of the central portion. Absent. For this reason, the position where the optical fiber is arranged is limited to the peripheral portion, and the degree of freedom in design is reduced.
[0008]
In addition, since the excitation light is introduced only from the optical fiber 94 disposed in a narrow region near the peripheral edge of the plane, the efficiency of introduction of the excitation light is deteriorated and high-power laser light cannot be obtained. In such a case, it is conceivable to increase the efficiency of introducing the excitation light by setting the diameter of the excitation light introducing member 92 to be large, but this makes it impossible to reduce the size of the laser device 90.
Further, although the excitation light is reflected on the plane and side surfaces of the excitation light introducing member 92, a part of the excitation light is not totally reflected on the side surfaces and jumps out of the excitation light introducing member 92. In this case, if the total reflection condition on the side surface is satisfied, it becomes difficult to adjust the incident position and angle of the excitation light, and the degree of freedom in designing the laser device is reduced.
[0009]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of obtaining a small, high-power laser beam and having a high degree of design freedom. It is an object of the present invention to provide a laser processing apparatus and an optical signal amplification apparatus used.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a laser apparatus according to the present invention has the following contents. First, the invention of claim 1 has a core including a laser active substance, an optical fiber that outputs laser light from at least one end when the laser active substance is excited, and excitation light for exciting the laser active substance. An excitation light source to be generated and an excitation light introducing member for introducing the excitation light into the optical fiber, and the excitation light introducing member has opposing surfaces facing each other.Disk shapeThe excitation light incident on the excitation light introducing member travels in the circumferential direction of the excitation light introducing member while being repeatedly reflected on the opposite surface, and at least a part of the excitation light travels in the direction toward the inside of the excitation light introducing member. The excitation light distribution member is formed while being bent in the direction of the inside of the excitation light introducing member by the progress control means, and at least a part of the side surface of the optical fiber is directly on at least one of the opposing surfaces in the excitation light distribution region. Or it is arrange | positioned so that it may contact indirectly through an optical medium, and a laser active substance is excited by the excitation light which injects from the side surface of an optical fiber through the contact part.
[0011]
In the present invention, the excitation light generated by the excitation light source is incident on the excitation light introducing member. The excitation light travels in the circumferential direction of the excitation light introducing member while being repeatedly reflected between the opposing surfaces of the excitation light introducing member. Then, the excitation light travels while being bent inward of the excitation light introducing member by the progress control means, thereby forming an excitation light distribution region. Therefore, according to the present invention, the excitation light distribution region can be formed widely in the inner direction of the excitation light introducing member.
When this excitation light reaches a portion where the optical fiber on the opposite surface in the excitation light distribution region is disposed, the excitation light is introduced into the optical fiber from the side surface. The excitation light excites the laser active substance doped in the core and generates laser light by the stimulated emission effect. This laser beam travels through the optical fiber and is output from the end.
[0012]
As described above, according to the present invention, the excitation light distribution region can be formed widely in the direction toward the inside of the excitation light introducing member, so that the optical fiber can be arranged in an arbitrary range of the wide region of the opposing surface. Thus, the degree of freedom regarding the arrangement of the optical fibers can be increased. In addition, since it becomes possible to introduce the excitation light into the optical fiber arranged over this wide area, it becomes possible to provide a high-power laser device even when a thin plate-like excitation light introduction member is used. .
Also, since the excitation light introduced into the excitation light introducing member is bent inside the excitation light distribution region, it is not always necessary to reflect it on the side of the excitation light introducing member in order to confine the excitation light by total reflection. Disappear. Even if the excitation light is reflected from the side, the incident angle with respect to the side is made larger than the critical angle, which is the total reflection condition, by bending the optical path of the excitation light inside the excitation light distribution region. Becomes easier. Therefore, it becomes possible to increase the degree of freedom in designing the laser device while facilitating adjustment of the incident position and angle of excitation light.
Further, according to the laser device of the present invention, since the optical fiber is disposed on the opposite surface in the excitation light distribution region, the conventional laser device in which the optical fiber is wound around the side surface of the cylindrical excitation light introducing member In contrast, the distance (thickness) between the opposing surfaces can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the size of the apparatus while maintaining the output of the laser beam.
A second aspect of the present invention is the laser apparatus according to the first aspect, wherein the progress control means is formed by a change in thickness between the opposing surfaces. According to the present invention, since the progress control means can be configured by changing the thickness between the opposing surfaces, the excitation light introducing member can be easily manufactured.
[0013]
The invention of claim 3 has a core containing a laser active substance, and generates an excitation light for exciting the laser active substance and an optical fiber that outputs laser light from at least one end when the laser active substance is excited. An excitation light source and an excitation light introducing member for introducing excitation light into the optical fiber, and the excitation light introducing member has opposing surfaces facing each other.Disk shapeThe excitation light incident on the excitation light introduction member circulates around the excitation light introduction member while repeating reflection on the opposite surface to form an excitation light distribution region, and the excitation light is distributed in the excitation light distribution region inside the excitation light introduction member. In order to bend in the direction, a thickened portion is formed in which the distance between the opposing surfaces increases toward the inside of the excitation light introducing member, and at least a part of the side surface of the optical fiber is at least one of the opposing surfaces in the excitation light distribution region A laser active material, wherein the laser active substance is excited by excitation light incident from the side surface of the optical fiber through the contact portion. is there. According to the present invention, the excitation light travels around the excitation light introduction member while repeating reflection between the opposing surfaces of the excitation light introduction member, thereby forming an excitation light distribution region. The excitation light travels while being bent inward of the excitation light introducing member by a thickened portion where the distance between the opposing surfaces expands toward the inside of the excitation light introducing member. Therefore, the same effect as that of the laser device of claim 1 can be obtained.
[0014]
The invention according to claim 4 is the laser device according to claim 3, wherein the excitation light introducing member has a shape in which the distance between the opposing surfaces continuously increases toward the center of the excitation light introducing member. According to the present invention, the excitation light introducing member can be formed in various shapes such as a plano-convex lens shape, a biconvex lens shape, a meniscus lens shape, and a conical shape.
The invention according to claim 5 is the laser device according to claim 4, wherein the excitation light introducing member has a convex lens shape in which the distance between the opposing surfaces continuously increases toward the center of the excitation light introducing member. According to the present invention, it is possible to use an excitation light introducing member having a plano-convex lens shape or a biconvex lens shape that is easy to manufacture, arrange, and handle.
The invention of claim 6 is the laser apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the optical fiber is arranged in a state of being wound around at least one of the opposing surfaces in the excitation light distribution region. According to the present invention, optical fibers can be arranged at high density in the excitation light distribution region, and excitation light can be efficiently introduced into the optical fiber. Further, the optical fiber can be wound in a high density and stable state on a portion where the distance between the opposing surfaces increases.
[0015]
A seventh aspect of the invention is a condensing optical system for condensing a laser beam output from at least one end of an optical fiber of the laser device according to any one of the first to sixth aspects and a laser device on a workpiece. Is a laser processing apparatus. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to comprise a laser processing apparatus using a small and high output laser apparatus.
An invention according to claim 8 is an optical signal comprising the laser device according to any one of claims 1 to 6, wherein one end of the optical fiber is used as an input end for signal light, and the other end is used as an output end for amplified light. It is an amplification device. According to the present invention, it is possible to configure an optical signal amplification device using a small and high-power laser device.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a laser apparatus according to the present invention. The laser device 10 is a light oscillation device or light amplification device that uses the stimulated emission effect of a laser active substance, and is used in laser processing, optical communication, laser measurement, and the like.
This laser device 10 has a core containing a laser active substance, and when this laser active substance is excited, an optical fiber 12 that emits laser light from an end thereof, and an excitation that generates excitation light for exciting the laser active substance. A light source 14 and an excitation light introducing member 16 for introducing excitation light into the optical fiber 12 are provided.
[0017]
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the excitation light introducing member 16 has a flat surface 16b and a convex surface 16a that faces the flat surface 16b. The excitation light introducing member 16 has a shape to be rotated around a rotation axis passing through the center. A disc-like transparent body having a plano-convex lens shape is used. By using a pumping light introducing member 16 whose one surface is a flat surface 16b, the pumping light introducing member can be stably installed, and an accessory such as a radiator is provided. It becomes easy. Further, by making the excitation light introducing member 16 rotationally symmetric around the rotation axis passing through the center, the design and the arrangement of the optical fiber can be facilitated, and the apparatus can be miniaturized.
In such an excitation light introducing member 16, the convex surface 16a acts as a progress control means for bending the excitation light to the inside of the excitation light introducing member.
The excitation light introducing member 16 can be formed of an optical glass such as quartz glass, an optical material such as an optical resin, or an optical crystal. Usually, it is formed of the same material as the clad of the optical fiber 12 in consideration of matching of the refractive index and thermal expansion coefficient with the optical fiber 12.
[0018]
The shape of the convex surface 16a of the excitation light introducing member 16 is not particularly limited as long as the excitation light introduced into the excitation light introducing member 16 can be bent in the central direction, and a part of a spherical surface, a parabolic surface, A hyperboloid or the like is used. Further, the distance between the convex surface 16a and the flat surface 16b is set as small as possible within a range in which necessary mechanical strength can be maintained in order to reduce the optical path in the excitation light introducing member 16 and confine the excitation light with high density. .
As shown in FIGS. 3A and 3B, the excitation light introducing member 16 has a central portion that does not serve as an optical path in order to reduce optical materials necessary for manufacturing and improve heat dissipation. The space 16c may be formed.
[0019]
When excitation light is introduced from the vicinity of the peripheral edge of the excitation light introducing member 16 as described above, the excitation light is excited while being repeatedly reflected on the plane 16b and the convex surface 16a as shown in FIGS. 10 (A) and 10 (B). It advances in the circumferential direction of the light introducing member 16. And when reflected by a convex surface, it is bent in the central direction of the excitation light introducing member. As a result, the excitation light is distributed in the excitation light distribution region having a donut shape in the range from the vicinity of the peripheral edge of the introduction member to the vicinity of the center.
On the convex surface 16a in this excitation light distribution region, the optical fiber 12 is wound in a spiral shape in which the side surfaces closely contact each other without a gap. For example, as shown in FIGS. 4 (A) and 4 (B), the optical fiber 12 is wound at the beginning of winding of the optical fiber 12 on a cylinder 18 temporarily provided at the center of the convex surface 16a of the excitation light introducing member 16. One end is fixed, the optical fiber 12 is wound around the outer periphery in order so that the side surfaces are in close contact with each other, and the other end is pulled out as a laser beam output end 12a. The cylinder 18 is removed from the excitation light introducing member 16 after being wound. As described above, the optical fiber 12 is wound without any gap, so that the cores can be arranged on the excitation light introducing member 16 with high density, and the excitation light can be efficiently introduced into the optical fiber 12. .
The optical fiber 12 wound by the above method is optical such as an optical resin or a low melting point glass having a refractive index that is the same as or close to that of the excitation light introducing member 16 so as not to prevent the introduction of the excitation light from the excitation light introducing member 16. It is fixed to the convex surface 16a by a method such as adhesion using a medium or melting using a carbon dioxide laser or the like.
[0020]
Further, as shown in FIG. 5, the optical medium layer 20 may be formed so as to cover the optical fiber 12 wound around the convex surface 16a. If such an optical medium layer 20 having the same or close refractive index as that of the excitation light introducing member 16 is used, not only the optical fiber 12 is fixed but also the excitation light is introduced into the optical fiber 12 through the optical medium layer 20. In addition, the optical fiber 12 is less susceptible to the influence of the outside world, and the longitudinal mode frequency can be stabilized.
As such an optical fiber 12, a laser fiber is used in which a cladding for guiding excitation light to the core is formed around a core doped with a laser active substance. This laser active substance is a substance that generates laser light by a stimulated emission effect by excitation light, and is appropriately selected from rare earth elements such as neodymium (Nd), ytterbium (Yb), erbium (Er), etc. Selected. For example, when amplifying signal light in the 1.55 μm band, erbium capable of amplifying light in this wavelength band is preferably used.
[0021]
The material of the optical fiber 12 is selected according to the use of the laser device from glass such as quartz glass and phosphate glass, and optical materials such as plastic. For example, when performing high brightness operation, quartz glass having high laser light resistance is used.
The cross-sectional shape of the optical fiber 12 is not particularly limited as long as excitation light incident on the clad can be efficiently introduced into the core, and is appropriately selected from circular, rectangular, polygonal, elliptical, and the like.
One end of the optical fiber 12 fixed to the center side of the excitation light introducing member 16 may have a fractured surface, but is usually subjected to planar polishing so as to increase the reflectance of the laser light in order to reduce the loss at the time of light reflection. Or a reflecting means such as a diffraction grating or a reflecting film having a reflectance of laser light close to 100% is provided. Further, the output end 12a drawn to the outside has a vertical fracture surface from which laser light can be extracted.
When one end of the optical fiber 12 wound around the excitation light introducing member 16 is used as a signal input end and the other end is used as an output end, or when both ends are used as output ends, as shown in FIG. Both the surfaces 12a and 12b are vertically fractured surfaces and are not fixed to the excitation light introducing member 16 but are drawn to the outside.
[0022]
The core diameter of the optical fiber 12 can be set as appropriate according to the application of the laser device. For example, if the core diameter is set small, the laser light density can be increased. Also, as the optical fiber 12, a multimode fiber that guides a plurality of mode lights can be used with a diameter set to a certain value or more. However, a laser processing apparatus that performs fine processing and a signal that amplifies signal light. When used as an amplifying device, a single mode fiber that has a diameter set to a certain value or less and guides only a single fundamental mode light is used.
Further, as the optical fiber 12, a first cladding for introducing excitation light is formed around a core doped with a laser active material, and further, the excitation light is confined around the first cladding in the first cladding. It is also possible to use an optical fiber having a double clad structure in which a second clad is formed. In this case, in order to improve the absorption efficiency of the excitation light with respect to the core, it is preferable to use the first clad having a rectangular cross section.
[0023]
The optical fiber 12 may be wound around the flat surface 16b or both surfaces 16a and 16b of the excitation light introducing member 16, and may be wound into a plurality of layers as shown in FIG. Furthermore, not only one optical fiber but also a plurality of optical fibers may be wound as necessary. Further, the method of disposing the optical fiber 12 on the excitation light introducing member 16 is not limited to winding the optical fiber 12, but is disposed in a state where the optical fiber 12 is repeatedly folded as shown in FIG. It is also possible to do.
In the vicinity of the periphery of the flat surface 16 b of the excitation light introducing member 16, a triangular prism 22 for introducing the excitation light emitted from the excitation light source 14 into the excitation light introducing member 16 is provided. The prism 22 is fixed in a state where one of the three surfaces excluding both side surfaces which are parallel to each other is an incident surface and the other surface is in close contact with the flat surface 16 b of the excitation light introducing member 16.
[0024]
The position where the prism 22 is provided is not limited to the flat surface 16b, but can be provided on the convex surface 16a or the side surface. Further, as means for introducing the excitation light emitted from the excitation light source 14 into the excitation light introducing member 16, in addition to the prism 22, the grooves formed in the excitation light introducing member 16, a diffraction grating, and the like are used. Can be used. Further, in order to reduce the leakage of the excitation light, the optical fiber 14 a that guides the excitation light emitted from the excitation light source 14 can be directly fused and joined to the excitation light introducing member 16.
The excitation light source 14 is not particularly limited as long as it can emit excitation light having a wavelength that excites the laser active substance doped in the core of the optical fiber 12, and is usually a light emitting diode (LED) or laser diode ( LD) or the like, or a lamp such as a flash lamp is used. In particular, it is preferable to use a semiconductor element having excellent light collecting properties and excitation light generation efficiency. The excitation light generated from the excitation light source 14 is guided to the incident surface of the prism 22 provided in the excitation light introducing member 16 through the optical fiber 14a. In order to increase the excitation light density in the excitation light introducing member 16, a plurality of excitation light sources 14 are provided, and excitation light from each excitation light source 14 is introduced into the excitation light introducing member 16 from a plurality of locations. Also good.
[0025]
Hereinafter, the operation of the laser device 10 will be described.
The excitation light generated by the excitation light source 14 is guided to the prism 22 provided in the vicinity of the peripheral edge of the flat surface 16b of the excitation light introducing member 16 through the optical fiber 14a. To be introduced.
The excitation light travels while repeating total reflection on the convex surface 16a and the flat surface 16b of the excitation light introducing member 16 as shown in FIG. 9B, but when totally reflected on the convex surface 16a, FIG. ), The course is bent toward the center of the opposing surface.
[0026]
10A and 10B show the excitation light introduced into the plano-convex lens-shaped excitation light introducing member 16 made of quartz glass having a diameter of 110 mm, a peripheral edge thickness of 3.5 mm, and a convex curvature radius of 500 mm. It is a figure which shows the result of having analyzed the optical path by the ray tracing method. The excitation light is incident through a triangular prism 22 having a side of 3 mm provided at a position 50 mm from the center of the plane so that the angle between the plane 16b and the excitation light is 45 ° in a direction parallel to the tangential direction of the outer periphery. ing. A black dot on the optical path indicates a reflection position on the convex surface 16a and the flat surface 16b.
In this case, as shown in FIGS. 10A and 10B, the excitation light is bent in the center direction of the excitation light introducing member 16 while being repeatedly reflected on the flat surface 16b and the convex surface 16a. . As a result, the excitation light distribution region of the excitation light introducing member 16 has a donut shape formed over a wide range from the vicinity of the peripheral portion to the vicinity of the central portion.
[0027]
When this excitation light reaches the portion of the convex surface 16 a where the optical fiber 12 is wound, the excitation light is introduced into the cladding from the side surface of the optical fiber 12. In this way, by introducing the excitation light from the side surface of the optical fiber 12, it is possible to increase the efficiency of introduction of the excitation light as compared to the case where the excitation light is introduced from the end surface.
The excitation light introduced into the optical fiber 12 excites the laser active substance doped in the core and generates laser light by the stimulated emission effect. This laser light travels through the optical fiber 12 and is emitted from the output end 12a.
[0028]
As described above, in the present invention, the excitation light distribution region of the excitation light introducing member 16 exists in a wide range from the vicinity of the peripheral portion to the vicinity of the central portion, and therefore the optical fiber is wound in an arbitrary range of this wide region. Can turn. As a result, the range in which the optical fiber 12 can be wound can be expanded as compared with the conventional laser device in which the optical fiber can be wound in the peripheral portion of the excitation light introducing member.
In addition, since the excitation light can be introduced into the optical fiber 12 wound over a wide range, the excitation light can be efficiently introduced into the optical fiber 12, and as a result, the thin plate-like excitation light can be introduced. Even when the introduction member 16 is used, a high-power laser device can be provided.
Furthermore, since the excitation light introduced into the excitation light introducing member 16 is bent toward the center of the excitation light introducing member 16 as shown in FIGS. There is nothing. Even if it is assumed that the excitation light is reflected on the side surface, the excitation light is bent in the central direction of the excitation light introducing member 16, so that the incident angle of the excitation light with respect to the side surface is larger than the critical angle that is the total reflection condition. Easy to enlarge. Therefore, it becomes possible to increase the degree of freedom in designing the laser device while facilitating adjustment of the incident position and angle of excitation light.
[0029]
Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same members as those described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an excitation light introducing member 30 used in another embodiment of the present invention.
The excitation light introducing member 30 has a disk shape in which one surface is a flat surface 30b and two convex portions 30a are continuously formed on a surface facing the flat surface 30b. In such an excitation light introducing member 30, the convex surface 30a acts as a progress control means.
The thickness δ of such an excitation light introducing member 30 is expressed by the following equation, assuming that the maximum thickness T, the uneven height H, the diameter D, and the distance r from the center.
[Expression 1]

FIGS. 12A and 12B show the optical path of excitation light introduced into the excitation light introducing member 30 made of quartz glass having a maximum thickness T4.5 mm, uneven height H4.0 mm, and diameter D110 mm by a ray tracing method. It is a figure which shows the result of having analyzed. The excitation light is incident through a triangular prism with a side of 3 mm provided at a position 50 mm from the center of the plane 30 b so that the angle between the plane 30 b and the excitation light is 45 ° in a direction parallel to the tangential direction of the side surface. ing.
[0030]
As shown in FIGS. 12A and 12B, the excitation light introduced into the excitation light introduction member 30 is bent toward the center of the excitation light introduction member 30 while being repeatedly reflected by the flat surface 30b and the convex surface 30a. It is progressing. As a result, the excitation light distribution region of the excitation light introducing member 30 has a donut shape existing over a wide range from the vicinity of the peripheral portion to the vicinity of the central portion.
Therefore, since the optical fiber can be wound in an arbitrary range of this wide area, it is possible to relax the restriction on the winding position of the optical fiber 12.
In addition, since the excitation light can be introduced into the optical fiber 12 wound over a wide range, the excitation light can be efficiently introduced into the optical fiber 12, and as a result, the thin plate-like excitation light can be introduced. Even when the introduction member 30 is used, a high-power laser device can be provided.
In addition, the excitation light introduced into the excitation light introducing member 30 is bent toward the center of the excitation light introducing member 30 and is not reflected from the side surfaces as shown in FIGS. 12 (A) and 12 (B). . Even assuming that the excitation light is reflected from the side surface, it is easy to make the incident angle with respect to the side surface larger than the critical angle, which is the total reflection condition, by bending the optical path of the excitation light in the central direction. Therefore, it is possible to increase the degree of freedom in designing the laser device such as the incident position and incident angle of the excitation light.
[0031]
FIG. 13 is a sectional view showing an excitation light introducing member 40 used in another embodiment of the present invention.
The excitation light introducing member 40 has a substantially conical shape in which one surface is a flat surface 40b and a surface facing the flat surface 40b is a convex surface 40a formed by a substantially conical surface convex toward the flat surface. In such an excitation light introducing member 40, the convex surface 40a acts as a progress control means.
The thickness δ of such an excitation light introducing member is expressed by the following formula, assuming that the maximum thickness T, the uneven height H, the diameter D, and the distance r from the center.
[Expression 2]

14A and 14B show the optical path of the excitation light introduced into the excitation light introducing member 40 made of quartz glass having the maximum thickness T 6.0 mm, the uneven height H 5.5 mm, and the diameter D 200 mm by the ray tracing method. It is a figure which shows the result of having analyzed. The excitation light is incident through a triangular prism with a side of 3 mm provided at a position 50 mm from the center of the plane 40 b so that the angle between the plane and the excitation light is 45 ° in a direction parallel to the tangential direction of the side surface. Yes.
As shown in FIGS. 14A and 14B, the excitation light introduced into the excitation light introducing member 40 described above is reflected in the plane 40b and the convex surface 40a, and in the central direction of the excitation light introducing member 40. It is bent and progressing. As a result, the excitation light distribution region of the excitation light introducing member 40 has a donut shape formed in a wide range near the center.
[0032]
Therefore, the optical fiber can be wound in an arbitrary range of this wide area, and the restriction on the winding position of the optical fiber 12 can be relaxed.
In addition, since the excitation light can be introduced into the optical fiber 12 wound over a wide range, the excitation light can be efficiently introduced into the optical fiber 12, and as a result, the thin plate-like excitation light can be introduced. Even when the introduction member 40 is used, a high-power laser device can be provided.
Further, the excitation light introduced into the excitation light introducing member 40 is not reflected by the side surfaces as shown in FIGS. 14 (A) and 14 (B). Further, even if it is assumed that the excitation light is reflected from the side surface, the excitation light is bent in the central direction of the excitation light introducing member 40, and therefore the incident angle of the excitation light with respect to the side surface is a total reflection condition. It is easy to make it larger than the critical angle. Therefore, it becomes possible to increase the degree of freedom in designing the laser device while facilitating adjustment of the incident position and angle of excitation light.
[0033]
As is clear from the above description, the excitation light introducing member has a portion that increases in thickness toward the inside of the excitation light introducing member, that is, toward the central direction, and the excitation light introducing member from the straight traveling direction. There is no particular limitation as long as it can be bent inward. For example, the excitation light introducing member 50 has a meniscus lens shape in which one surface as shown in FIG. 15 is convex and the surface opposite to the convex surface is concave, and one surface as shown in FIG. 17 has a conical shape, one surface is flat as shown in FIG. 17, and a surface opposite to this plane has a shape in which a conical surface and a curved surface are mixed, and as shown in FIG. It is possible to use a lens having a biconvex lens shape in which both surfaces are convex, or one having a convex surface formed on a part of a flat plate as shown in FIG.
Further, as shown in FIG. 20, another excitation light introducing member 60 has a Fresnel lens shape in which one surface is a flat surface 60b and a groove 60c composed of a vertical surface and a curved surface is formed on the opposing surface 60a. It is also possible to use one. In this case, although the optical fiber 12 is wound around the flat surface 60b, the groove portion 60c may be formed in a spiral shape, and the optical fiber 12 may be wound around the groove portion.
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A change can be added suitably.
For example, in the above-described embodiment, the case where the excitation light is confined by total reflection due to the difference in refractive index between the excitation light introducing member and the outside (air) is described, but the present invention is not limited to this. The excitation light introducing member may be provided with a reflective coat having a high reflectance, and the excitation light may be confined by this reflective coat.
In the above-described embodiment, the progress control unit that controls the optical path of the excitation light by changing the distance (thickness) between the opposing surfaces of the excitation light introducing member is configured. Alternatively, the progress control means can be configured by forming a refractive index distribution in the excitation light introducing member. Such a refractive index distribution can be formed, for example, by adding a doping material to a predetermined region of the excitation light introducing member.
[0034]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
Example 1
Laser light oscillation and laser processing were performed using the laser apparatus 10 shown in FIG.
As the excitation light introducing member 16, a quartz plano-convex lens shape having a diameter of 110 mm, a peripheral edge thickness of 3.5 mm, and a convex curvature radius of 500 mm was used.
A triangular prism 22 having a side of 3 mm was provided at a position 50 mm from the center of the flat surface 16 b of the excitation light introducing member 16.
The optical fiber 12 was wound in a spiral shape in which the side surfaces closely contact each other with no gap in the range of the inner radius 32 mm and the outer radius 52 mm of the convex surface 16 a of the excitation light introducing member 16. As shown in FIG. 4, this winding uses a Teflon cylinder 18 having an outer radius of 32 mm temporarily provided at the center of the excitation light introducing member 16, and fixes one end of the optical fiber 12 at the beginning of the winding to the cylinder 18. Then, it was carried out so as to wind around the outer periphery in order. After the optical fiber was wound, the cylinder 18 was removed.
The other end on the winding end side of the optical fiber 12 was drawn to the outside as a laser light output end 12a. The optical fiber 12 wound in this way was fixed to the excitation light introducing member 16 with an ultraviolet curable adhesive having a refractive index after curing of 1.42.
[0035]
The optical fiber 12 has a cladding diameter of 125 μm and a core diameter of about 50 μm, and the core has neodymium ions (Nd) at a concentration of 0.5 at%.³ ⁺) Doped silica glass fibers were used. One end fixed to the center side of the optical fiber 12 is flat-polished and then coated with a multilayer film having a reflectivity of 98% or more at a laser oscillation wavelength of 1.06 μm, and the output end 12a drawn to the outside is a laser. The fracture surface had a reflectivity of about 4% at an oscillation wavelength of 1.06 μm.
As the excitation light source 14, a fiber-coupled semiconductor laser device that outputs excitation light having an oscillation wavelength of 0.8 μm and an output of 30 W through an optical fiber 14a having a diameter of 600 μm was used.
The optical fiber 14a is brought close to the prism 22 provided on the excitation light introducing member, and the excitation light introducing member 16 is arranged so that the excitation light is parallel to the tangential direction of the outer periphery and the angle between the plane 16b and the excitation light is 45 °. Introduced in. As a result, a good output laser beam having a wavelength of 1.06 μm and a laser output of 11 W was obtained from the output end 12 a of the optical fiber 12 wound around the excitation light introducing member 16.
Further, as shown in FIG. 21, when the laser processing device 70 is configured by providing the laser device 10 with a meniscus lens 15 having a focal length of 25 mm for condensing the laser light, 90% or more energy is collected within a diameter of 150 μm. I was able to light. In this case, the converging diameter of the output laser beam was always stable regardless of the laser output and the heat state.
[0036]
Example 2
Optical signal amplification was performed using the laser apparatus shown in FIG.
As the laser device, one having a core diameter of 8 μm is used as the optical fiber 12, and both ends 12a and 12b of the optical fiber 12 wound around the excitation light introducing member 16 have vertical fracture surfaces. The same one was used.
When signal light having a wavelength of 1.06 μm and an output of 500 μW was incident from one end 12b on the winding start side of the optical fiber, 310 mW of amplified light was emitted from the other end 12a on the winding end side, and a gain of 28 dB was obtained.
[0037]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, the excitation light introduced into the excitation light introduction member can be bent in the inner direction of the excitation light introduction member, so that the excitation light distribution region can be formed widely. . Therefore, the optical fiber can be arranged in an arbitrary range of a wide area, and as a result, the degree of freedom regarding the arrangement of the optical fiber can be increased. In addition, since the excitation light can be introduced into the optical fiber arranged over a wide area, it is possible to provide a high-power laser device even when a thin plate-like excitation light introduction member is used.
Further, in order to confine the excitation light in the excitation light introduction member by total reflection by bending the excitation light introduced into the excitation light introduction member inside the excitation light distribution region, it is not always necessary to reflect the excitation light on the side surface. No longer needed. Further, even if the excitation light is reflected from the side surface, it is easy to make the incident angle with respect to the side surface larger than the critical angle that is the total reflection condition. Therefore, it becomes possible to increase the degree of freedom in designing the laser device while facilitating adjustment of the incident position and angle of excitation light.
In addition, since the optical fiber is disposed on the opposite surface in the excitation light distribution region, the distance between the opposite surfaces when compared with the conventional laser device in which the optical fiber is wound around the side surface of the cylindrical excitation light introducing member (Thickness) can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the size of the apparatus while maintaining the output of the laser beam.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a laser apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of an excitation light introducing member.
3A and 3B are diagrams showing an example of an excitation light introducing member, where FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a cross-sectional view.
4A and 4B are diagrams showing a state in which an optical fiber is wound, in which FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an example of a state in which an optical fiber is disposed on an excitation light introducing member.
FIG. 6 is a perspective view showing a laser device according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of a state in which an optical fiber is arranged on an excitation light introducing member.
FIG. 8 is a plan view showing an example of a state in which an optical fiber is arranged on an excitation light introducing member.
FIGS. 9A and 9B are diagrams for explaining an optical path of excitation light introduced into the excitation light introducing member, where FIG. 9A is a plan view and FIG. 9B is a cross-sectional view.
10A and 10B are diagrams showing the results of analyzing the optical path of excitation light introduced into the excitation light introducing member by a ray tracing method, where FIG. 10A is a cross-sectional view and FIG. 10B is a plan view.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of an excitation light introducing member.
FIGS. 12A and 12B are diagrams showing the results of analyzing the optical path of excitation light introduced into the excitation light introducing member by a ray tracing method, where FIG. 12A is a cross-sectional view and FIG. 12B is a plan view.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing an example of an excitation light introducing member.
14A and 14B are diagrams showing the results of analyzing the optical path of excitation light introduced into the excitation light introducing member by a ray tracing method, where FIG. 14A is a cross-sectional view and FIG. 14B is a plan view.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of an excitation light introducing member.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing an example of an excitation light introducing member.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing an example of an excitation light introducing member.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing an example of an excitation light introducing member.
FIG. 19 is a cross-sectional view showing an example of an excitation light introducing member.
FIG. 20 is a cross-sectional view illustrating an example of an excitation light introducing member.
FIG. 21 is a diagram schematically showing a laser processing apparatus according to the present invention.
FIG. 22 is a perspective view showing an example of a conventional laser device.
FIG. 23 is a perspective view showing an optical path of excitation light introduced into an excitation light introducing member of a conventional laser device.
FIGS. 24A and 24B are diagrams showing an example of a conventional laser device, in which FIG. 24A is a perspective view and FIG. 24B is a cross-sectional view.
FIGS. 25A and 25B are diagrams for explaining an optical path of excitation light introduced into an excitation light introducing member of a conventional laser device, where FIG. 25A is a plan view and FIG. 25B is a cross-sectional view.
FIGS. 26A and 26B are diagrams showing the results of analyzing the optical path of the excitation light introduced into the excitation light introducing member of the conventional laser apparatus by a ray tracing method, where FIG. 26A is a cross-sectional view and FIG. 26B is a plan view. .
[Explanation of symbols]
10 Laser equipment
12 Optical fiber
14 Excitation light source
16 Excitation light introducing member
16a Convex surface
16b plane
30 Excitation light introducing member
40 Excitation light introducing member
50 Excitation light introducing member
60 Excitation light introducing member
70 laser processing equipment

Claims

An optical fiber having a core containing a laser active substance, and outputting laser light from at least one end when the laser active substance is excited;
An excitation light source for generating excitation light for exciting the laser active substance;
In a laser apparatus comprising an excitation light introducing member for introducing the excitation light into the optical fiber,
The excitation light introducing member is a disc-shaped to have a surface facing each other, progress the excitation light incident on the excitation light introducing member in the circumferential direction of the excitation light introducing member while being repeatedly reflected by the opposite face In addition, at least a part of the excitation light travels while being bent in the inward direction of the excitation light introducing member by the progress control means that advances the path in the inward direction of the excitation light introducing member. Form the
The optical fiber is arranged such that at least a part of its side surface is in direct contact with at least one of the opposing surfaces in the excitation light distribution region directly or indirectly through an optical medium, and through the contact portion, The laser apparatus, wherein the laser active substance is excited by the excitation light incident from a side surface.

The laser apparatus according to claim 1, wherein the progress control means is formed by a change in thickness between the facing surfaces.

An optical fiber having a core containing a laser active substance, and outputting laser light from at least one end when the laser active substance is excited;
An excitation light source for generating excitation light for exciting the laser active substance;
In a laser apparatus comprising an excitation light introducing member for introducing the excitation light into the optical fiber,
The excitation light introducing member is a disc-shaped to have a facing surface that faces each other, wherein the excitation light introducing the excitation light incident on the member excited by circulating the excitation light introducing member while being repeatedly reflected by the opposite face Forming a light distribution region,
In the excitation light distribution region, a thickened portion is formed in which the distance between the opposing surfaces is expanded toward the inside of the excitation light introducing member in order to bend the excitation light in the inner direction of the excitation light introducing member,
The optical fiber is arranged such that at least a part of its side surface is in direct contact with at least one of the opposing surfaces in the excitation light distribution region directly or indirectly through an optical medium, and through the contact portion, The laser apparatus, wherein the laser active substance is excited by the excitation light incident from a side surface.

The laser apparatus according to claim 3, wherein the excitation light introducing member has a shape in which a distance between the opposing surfaces continuously increases toward a center of the excitation light introducing member.

The laser device according to claim 4, wherein the excitation light introducing member has a convex lens shape in which a distance between the opposing surfaces continuously increases toward a center of the excitation light introducing member.

The laser device according to claim 1, wherein the optical fiber is arranged in a state of being wound around at least one of the facing surfaces in the excitation light distribution region.

Laser processing comprising: the laser device according to any one of claims 1 to 6; and a condensing optical system that condenses laser light output from at least one end of an optical fiber of the laser device onto a workpiece. apparatus.

An optical signal amplifying apparatus comprising the laser device according to claim 1, wherein one end of the optical fiber is used as an input end for signal light, and the other end is used as an output end for amplified light.