JP5531589B2 - Double clad fiber and fiber laser device - Google Patents

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Description

本発明は、レーザに用いるダブルクラッドファイバ及びファイバレーザ装置に関するものである。   The present invention relates to a double clad fiber and a fiber laser device used for a laser.

近年、材料加工に用いられるレーザの光源としてファイバレーザ装置が注目されている。   In recent years, fiber laser devices have attracted attention as light sources for lasers used in material processing.

なかでも、ダブルクラッドファイバの採用により、従来では固体レーザでしか実現できなかった高出力レーザ光を要する材料加工分野への普及が見られている。   In particular, the use of double-clad fibers has led to widespread use in the field of material processing that requires high-power laser light that could only be achieved with a solid-state laser.

このようなファイバレーザ装置の場合、高品質なレーザ光を取り出す観点からコア径の大径化には限界があり、一方、高出力レーザ光を取り出す観点からは、高出力な励起光が必要となるが、高出力な励起光は集光性が悪く、大きな断面積をもつインナークラッドが必要とされている。   In the case of such a fiber laser device, there is a limit to increasing the core diameter from the viewpoint of extracting high-quality laser light. On the other hand, from the viewpoint of extracting high-power laser light, high-power excitation light is required. However, high-power excitation light has a poor light collecting property, and an inner clad having a large cross-sectional area is required.

そこで従来の高出力のファイバレーザ装置に用いているダブルクラッドファイバは、大きな断面積をもつインナークラッドとして励起光を導入する導波路とレーザ光を発生する導波路を一体として並行に設けているものもある(例えば特許文献1及び特許文献2参照)。   Therefore, the double-clad fiber used in the conventional high-power fiber laser device has a waveguide that introduces pumping light and a waveguide that generates laser light in parallel as an inner cladding having a large cross-sectional area. (For example, refer to Patent Document 1 and Patent Document 2).

また、大きな断面積をもつインナークラッドにおいて発生し易いスキュー光(レーザ光発生に寄与しない光)低減のためにインナークラッドの一部に平坦部を設けているものもある(例えば特許文献3参照)。   In some cases, a flat portion is provided in a part of the inner cladding in order to reduce skew light (light that does not contribute to laser light generation) that is easily generated in the inner cladding having a large cross-sectional area (see, for example, Patent Document 3). .

図10及び図11は従来のダブルクラッドファイバの断面を示す図で、レーザ媒質である希土類が添加され、発生するレーザ光を閉じ込めるコア101と、このコア101への励起光を伝播させるインナークラッド102がコア101の外部およびコア101を包むインナークラッド102と併設され、このインナークラッド102を包むように励起光を閉じ込めるアウタークラッド103を設けていた。   FIGS. 10 and 11 are cross-sectional views of a conventional double-clad fiber, in which a rare earth as a laser medium is added, a core 101 for confining the generated laser light, and an inner clad 102 for propagating excitation light to the core 101. However, the outer clad 103 and the inner clad 102 that encloses the core 101 are provided, and the outer clad 103 that confines the excitation light is provided so as to enclose the inner clad 102.

なお、インナークラッド102はコア101を包む発振領域と、励起光を導入する励起領域で構成され、その断面形状は図10に示したように励起領域と発振領域を略円形状としたり、図11に示したように発振領域は略円形とし、励起領域の一部に平坦部を設けた形状としており、図10、11に示すようにダブルクラッドファイバの全長に渡って同一形状としていた。   The inner clad 102 includes an oscillation region that wraps around the core 101 and an excitation region that introduces excitation light. The cross-sectional shape of the inner clad 102 is substantially circular as shown in FIG. As shown in FIGS. 10 and 11, the oscillation region has a substantially circular shape with a flat portion in a part of the excitation region, and has the same shape over the entire length of the double clad fiber as shown in FIGS.

以上のように構成されたダブルクラッドファイバについて、その動作を説明する。   The operation of the double clad fiber configured as described above will be described.

インナークラッド102に励起光を注入し、この注入された励起光はインナークラッド102を伝播する。   Excitation light is injected into the inner cladding 102, and the injected excitation light propagates through the inner cladding 102.

伝播中、励起光はコア101を横断してレーザ媒質である希土類を励起し、励起光を生じ、ダブルクラッドファイバ両端に設けられた光共振器(図示せず)によりレーザ光として取り出すようにしていた。   During propagation, the pumping light crosses the core 101 to pump the rare earth as a laser medium, generates pumping light, and is extracted as laser light by optical resonators (not shown) provided at both ends of the double clad fiber. It was.

特開2001−144350号公報(第1図)JP 2001-144350 A (FIG. 1) 特許第3827819号公報(第3図)Japanese Patent No. 3827819 (FIG. 3) 特表平10−510104号公報(第3図及び第4図)JP 10-510104 A (FIGS. 3 and 4)

しかし、従来のダブルクラッドファイバは、ファイバ長さ方向に対して同一断面形状であるため、レーザ光発生に寄与しないスキュー光が発生した場合、そのスキュー光が低減しないという課題を有していた。   However, since the conventional double clad fiber has the same cross-sectional shape in the fiber length direction, when skew light that does not contribute to generation of laser light is generated, there is a problem that the skew light is not reduced.

また、スキュー光低減のためにインナークラッド102の励起領域の一部に平坦部を設けた場合、導入する励起光の形状をインナークラッド102の形状に合わせる必要があるが、一部に平坦部を設けた形状に励起光を整形することが難しく、円形の励起光を用いらなければならないので、この平坦部の部分の励起光が反射されてしまい高効率な励起光導入が出来なかったり、または、励起光が反射さられないように励起光を細径化しなければならないという課題を有していた。   In addition, when a flat portion is provided in a part of the excitation region of the inner clad 102 to reduce skew light, it is necessary to match the shape of the excitation light to be introduced with the shape of the inner clad 102. Since it is difficult to shape the excitation light into the provided shape and circular excitation light must be used, the excitation light of this flat portion is reflected and high efficiency excitation light introduction cannot be performed, or The excitation light has to be reduced in diameter so that the excitation light is not reflected and exposed.

さらに、平坦部を形成するためにはファイバ母材を平面状に鏡面研削する必要があり、コスト的にも母材の大型化にも不利なものであった。   Further, in order to form the flat portion, it is necessary to mirror-polish the fiber preform in a flat shape, which is disadvantageous in terms of cost and enlargement of the preform.

本発明はこれら従来の課題に鑑み、スキュー光を低減させると同時に、励起光を効率よく導入できるダブルクラッドファイバを提供することを第1の目的とし、効率よくレーザ光を取り出すことができるファイバレーザ装置を提供することを第2の目的とする。   In view of these conventional problems, it is a first object of the present invention to provide a double-clad fiber that can efficiently introduce pumping light while reducing skew light, and a fiber laser that can efficiently extract laser light. A second object is to provide an apparatus.

上記課題を解決するために、本発明のダブルクラッドファイバおよびファイバレーザ装置は、レーザ媒質を含むコアと、前記コアへの励起光を伝播するインナークラッドと、前記励起光を閉じ込めるアウタークラッドを備え、前記インナークラッドは、前記励起光が導入される略円形の断面形状を持つ励起領域と、前記コアを含む概円形の断面形状を持つ発振領域から成り、前記励起領域と前記発振領域の接合部分の幅が長さ方向に沿って変化させたものである。   In order to solve the above problems, a double-clad fiber and a fiber laser device of the present invention include a core including a laser medium, an inner cladding that propagates excitation light to the core, and an outer cladding that confines the excitation light, The inner clad includes an excitation region having a substantially circular cross-sectional shape into which the excitation light is introduced, and an oscillation region having a substantially circular cross-sectional shape including the core, and a junction portion between the excitation region and the oscillation region. The width is changed along the length direction.

このようにダブルクラッドファイバの長さ方向に接合部分の幅が変化するのでインナークラッド内のスキュー光の光路が長さ方向に対して変化し、スキュー光を低減することができる。   As described above, since the width of the joint portion changes in the length direction of the double clad fiber, the optical path of the skew light in the inner clad changes in the length direction, and the skew light can be reduced.

以上のように本発明は、インナークラッドの励起領域と発振領域の接合部分の幅を長さ方向に沿って変化させることにより、高効率な励起光導入を実現するとともに簡単な構成でスキュー光を低減することができる。   As described above, the present invention realizes high-efficiency introduction of excitation light by changing the width of the junction between the excitation region and the oscillation region of the inner cladding along the length direction, and generates skew light with a simple configuration. Can be reduced.

本発明の実施の形態1におけるダブルクラッドファイバの断面図Sectional drawing of the double clad fiber in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1におけるダブルクラッドファイバの実施の形態における断面図Sectional drawing in embodiment of the double clad fiber in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1におけるファイバレーザ装置の概略構成図1 is a schematic configuration diagram of a fiber laser device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図Sectional drawing explaining the principle of the double clad fiber in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図Sectional drawing explaining the principle of the double clad fiber in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図Sectional drawing explaining the principle of the double clad fiber in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図Sectional drawing explaining the principle of the double clad fiber in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図Sectional drawing explaining the principle of the double clad fiber in Embodiment 1 of this invention 本発明のダブルクラッドファイバの他の実施の形態における断面図Sectional drawing in other embodiment of the double clad fiber of this invention 従来のダブルクラッドファイバ断面図Cross section of conventional double clad fiber 従来のダブルクラッドファイバ断面図Cross section of conventional double clad fiber

以下、本発明の実施の形態例について、図を用いて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1におけるダブルクラッドファイバの断面図、図2は本発明の実施の形態1におけるダブルクラッドファイバの実施の形態における断面図、図3は本発明の実施の形態1におけるファイバレーザ装置の概略構成図、図4から図8は本発明の実施の形態1におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図である。
(Embodiment 1)
1 is a cross-sectional view of a double-clad fiber according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of the embodiment of the double-clad fiber according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 3 is Embodiment 1 of the present invention. FIG. 4 to FIG. 8 are sectional views for explaining the principle of the double clad fiber according to the first embodiment of the present invention.

図1において、レーザ光を発生し、伝送するコア11はレーザ媒質である希土類、望ましくはイッテルビウム(Yb)を少なくとも添加した石英ガラスで構成し、その断面形状は、ほぼ円形で、本実施の形態では直径を10マイクロメートルにしているが、このコア11の直径は10マイクロメートルから30マイクロメートル程度まで選択することが可能で、コア11の直径が大きなほど励起光を吸収しやすい利点はあるが、反面出射されるレーザビームの品質低下を招くため、所望のレーザビーム品質となる様、コアの屈折率と併せて設計することができる。   In FIG. 1, a core 11 for generating and transmitting laser light is made of a rare earth, which is a laser medium, preferably quartz glass to which at least ytterbium (Yb) is added, and its cross-sectional shape is substantially circular. However, the diameter of the core 11 can be selected from about 10 micrometers to about 30 micrometers, and there is an advantage that the larger the diameter of the core 11 is, the easier it is to absorb the excitation light. On the other hand, since the quality of the emitted laser beam is deteriorated, it can be designed together with the refractive index of the core so as to obtain a desired laser beam quality.

また、コア11への励起光を伝播するインナークラッド12は石英ガラスで構成し、コア11を含み概ね円形の断面を有する発振領域12aと、励起光が導入される概ね円形断面を有する励起領域12bと、および、それぞれが溶融一体化した接合部分14から構成している。   The inner cladding 12 that propagates the excitation light to the core 11 is made of quartz glass, and includes an oscillation region 12a that includes the core 11 and has a substantially circular cross section, and an excitation region 12b that has a generally circular cross section into which the excitation light is introduced. And a joint portion 14 each of which is fused and integrated.

そして本実施の形態では、このように構成したダブルクラッドファイバの全長は数メートルから数十メートルであり、図2に示すように、その断面形状はダブルクラッドファイバ10の長さ方向に沿って変化させている。   In the present embodiment, the total length of the double clad fiber configured as described above is several meters to several tens of meters, and its cross-sectional shape changes along the length direction of the double clad fiber 10 as shown in FIG. I am letting.

このダブルクラッドファイバ10の両端面(1A点、及び、1E点)における、インナークラッド12の断面形状は二つの円を重ねた達磨形状であり、それぞれ直径400マイクロメートルの円形で、その接合部分14の幅は約20マイクロメートルである。   The cross-sectional shape of the inner clad 12 at both end faces (points 1A and 1E) of the double clad fiber 10 is a polished shape in which two circles are overlapped, each having a diameter of 400 micrometers, and its joining portion 14 Is about 20 micrometers wide.

図2に示すように1A点からダブルクラッドファイバ10の長さ方向中央付近(1C点)に向かってインナークラッド12の断面形状は、励起領域12bと発振領域12aの一部が溶融一体化した接合部分を有する形状であり、加えて、その溶融一体化した接合部分14の幅は、長さ方向中央付近(1C点)に近づくにつれて増加している。   As shown in FIG. 2, the cross-sectional shape of the inner cladding 12 from the point 1A toward the center in the length direction of the double-clad fiber 10 (point 1C) is a junction in which a part of the excitation region 12b and the oscillation region 12a are fused and integrated. In addition, the width of the fusion-bonded joint portion 14 increases as it approaches the center in the length direction (point 1C).

同様に、1E点から1C点に向かってインナークラッド12の形状は、励起領域12bと発振領域12aの一部が溶融一体化した接合部分を有する形状であり、加えて、その溶融一体化した接合部分14の幅は1C点に近づくにつれて増加している。   Similarly, the shape of the inner clad 12 from the point 1E to the point 1C is a shape having a joint part in which a part of the excitation region 12b and the oscillation region 12a are melted and integrated, and in addition, the melt-integrated joint The width of the portion 14 increases as it approaches the 1C point.

なお、インナークラッド12は、発振領域12aとなる円形断面クラッドに囲まれた希土類をドープしたコアを持つ希土類ドープファイバ母材と、励起領域12bとなる円形断面を持つ無水合成石英母材を一括線引することで得られる。   The inner clad 12 includes a rare-earth-doped fiber preform having a rare-earth-doped core surrounded by a circular cross-section clad serving as the oscillation region 12a and an anhydrous synthetic quartz preform having a circular cross-section serving as the excitation region 12b. It is obtained by subtracting.

そして、溶融一体化した接合部分の幅は、線引工程での紡糸炉温度や母材を炉に送る速度、線引張力などで、制御することが可能である。   The width of the melted and joined portion can be controlled by the spinning furnace temperature in the drawing process, the speed at which the base material is fed to the furnace, the drawing tension, and the like.

アウタークラッド13は上記線引き後のコーティングで用いる低屈折率ポリマーであり、ダブルクラッドファイバ10を保護する。   The outer clad 13 is a low refractive index polymer used in the coating after the drawing, and protects the double clad fiber 10.

また、その屈折率は、コア11、インナークラッド12、アウタークラッド13の順に低くなる構造である。インナークラッド12の屈折率は、発振領域12aと励起領域12bの屈折率が同じことが望ましい。   Moreover, the refractive index is a structure which becomes low in order of the core 11, the inner clad 12, and the outer clad 13. The refractive index of the inner cladding 12 is preferably the same as that of the oscillation region 12a and the excitation region 12b.

図3に示すファイバレーザ装置では、電源20は励起光を発生するファイバ付き半導体レーザ21に接続しており、ファイバ付き半導体レーザ21を駆動するようにしている。   In the fiber laser device shown in FIG. 3, the power source 20 is connected to a semiconductor laser 21 with a fiber that generates pumping light, and drives the semiconductor laser 21 with a fiber.

ファイバ付き半導体レーザ21のファイバは、コア直径400マイクロメートル、クラッド直径440マイクロメートルであり、ダブルクラッドファイバ10の端面1A点において、そのコアはインナークラッド12の励起領域12bに接続している。   The fiber of the semiconductor laser 21 with a fiber has a core diameter of 400 μm and a cladding diameter of 440 μm, and the core is connected to the excitation region 12 b of the inner cladding 12 at the point 1A of the end surface of the double cladding fiber 10.

同様に、電源25は励起光を発生するファイバ付き半導体レーザ26に接続しており、ファイバ付き半導体レーザ26を駆動するようにしている。   Similarly, the power supply 25 is connected to a semiconductor laser 26 with a fiber that generates excitation light, and drives the semiconductor laser 26 with a fiber.

ファイバ付き半導体レーザ26のファイバは、ダブルクラッドファイバ10の端面1E点において、そのコアをインナークラッド12の励起領域12bに接続している。   The fiber of the fiber-attached semiconductor laser 26 has its core connected to the excitation region 12b of the inner cladding 12 at the end face 1E of the double cladding fiber 10.

また、ダブルクラッドファイバ10の端面1A点においては、上記の接続に併せて、コア直径10マイクロメートル、クラッド直径400マイクロメートルのファイバ型の所望の波長の光を帰還する高反射端28を発振領域12aのコア11に接続している。   Further, at the point 1A of the end surface of the double clad fiber 10, in addition to the above connection, a highly reflective end 28 that feeds back a light of a desired wavelength of a fiber type having a core diameter of 10 micrometers and a clad diameter of 400 micrometers is provided in the oscillation region. It is connected to the core 11 of 12a.

一方、ダブルクラッドファイバ10の端面1E点においては、上記の接続に併せて、コア直径10マイクロメートル、クラッド直径400マイクロメートルのファイバ型のレーザ出力を取り出す伝送用ファイバ29を発振領域12aのコア11に接続している。   On the other hand, at the end face 1E point of the double clad fiber 10, the transmission fiber 29 for taking out a fiber type laser output having a core diameter of 10 micrometers and a clad diameter of 400 micrometers is connected to the core 11 of the oscillation region 12a. Connected to.

以上のように構成されたダブルクラッドファイバおよびファイバレーザ装置でのスキュー光低減の原理について、以下に図4から図8を用いて説明する。   The principle of reducing the skew light in the double clad fiber and the fiber laser device configured as described above will be described below with reference to FIGS.

一般に、スキュー光は光ファイバの伝播軸に沿って螺旋を描いて進むため、その光路を光ファイバの伝播軸と垂直に交差する面に投影すると、スキュー光はある内接円に沿った軌跡を描く。   In general, skew light travels in a spiral along the propagation axis of an optical fiber, so when its optical path is projected onto a plane perpendicular to the propagation axis of the optical fiber, the skew light follows a trajectory along a certain inscribed circle. Draw.

この内接円の直径がコア11よりわずかに大きい程度であり、非常に小さな直径の内接円に投影されるスキュー光は、コア11を通過しないものの、非常に子午線光に近いスキュー光に相当する。   The diameter of the inscribed circle is slightly larger than that of the core 11, and the skew light projected on the inscribed circle having a very small diameter does not pass through the core 11 but corresponds to the skew light very close to the meridian light. To do.

逆に、内接円の直径が励起領域12bの直径と同程度であり、非常に大きな直径の内接円に投影されるスキュー光は、インナークラッド12内で、コア11から最も離れた部分を通過するもので、子午線光から最もかけ離れたスキュー光に相当する。   On the contrary, the diameter of the inscribed circle is approximately the same as the diameter of the excitation region 12b, and the skew light projected on the inscribed circle having a very large diameter passes through the portion of the inner cladding 12 that is farthest from the core 11. It passes through and corresponds to the skew light farthest from the meridian light.

以下、様々な光路のスキュー光を、投影面に描かれる内接円の直径の大小により区別して表現する。   Hereinafter, the skew light of various optical paths is expressed by distinguishing the diameter of the inscribed circle drawn on the projection plane.

図4に示すものは、接合部分14が点で溶融一体化しておらず、いわゆる励起領域12b断面と発振領域12a断面が点で接しているだけの場合を示す。   FIG. 4 shows a case where the joint portion 14 is not fused and integrated at a point, and the cross section of the so-called excitation region 12b and the cross section of the oscillation region 12a are merely in contact at a point.

この場合、励起領域12bの光線が発振領域12aに伝播するときに通過する光路は接点部分のみである。図4において、ある大きな内接円51に沿ったスキュー光54が励起領域12bから発振領域12aに伝播する場合を考える。   In this case, the optical path through which the light beam in the excitation region 12b propagates to the oscillation region 12a is only the contact portion. In FIG. 4, a case is considered where skew light 54 along a certain large inscribed circle 51 propagates from the excitation region 12b to the oscillation region 12a.

スキュー光54が励起領域12bから発振領域12aに伝播しても、このスキュー光は発振領域12a内において内接円51と同じ直径の内接円56に沿ったスキュー光となる。   Even if the skew light 54 propagates from the excitation region 12b to the oscillation region 12a, this skew light becomes skew light along the inscribed circle 56 having the same diameter as the inscribed circle 51 in the oscillation region 12a.

そのため、内接円51と同じ直径の内接円56に沿ったスキュー光58が発振領域12aから励起領域12bに戻ってきた場合、再度、内接円51に沿ったスキュー光となる。   Therefore, when the skew light 58 along the inscribed circle 56 having the same diameter as the inscribed circle 51 returns from the oscillation region 12a to the excitation region 12b, the skew light again becomes along the inscribed circle 51.

また、小さな直径の内接円52に沿ったスキュー光53についても同様で、発振領域12a内において同じ直径の内接円55に沿ったスキュー光57になる。   The same applies to the skew light 53 along the inscribed circle 52 having a small diameter, and becomes the skew light 57 along the inscribed circle 55 having the same diameter in the oscillation region 12a.

従って、内接円の直径が変化しない限りスキュー光は同じ場所を通過しており、コアを横切ることがない。   Therefore, unless the diameter of the inscribed circle changes, the skew light passes through the same place and does not cross the core.

図5に示すものは、接合部分14に多少の幅が与えられ、励起領域12bと発振領域12aが緩やかに一体化している場合を示す。   FIG. 5 shows a case where a certain width is given to the joint portion 14 and the excitation region 12b and the oscillation region 12a are gently integrated.

この場合、励起領域12bの光線が発振領域12aに伝播するときに、接合部分14を通過する光路は前述の接点部分以外に幾多ものルートが考えられる。   In this case, when the light beam of the excitation region 12b propagates to the oscillation region 12a, there are many possible routes for the optical path passing through the joint portion 14 other than the above-described contact portion.

つまり、励起領域12bにおいて、ある内接円59に沿ったスキュー光60、61は、接合部分14を通過するルートによって発振領域12aでは大小異なる内接円63,64に沿ったスキュー光に変換される。   That is, in the excitation region 12b, skew light 60 and 61 along a certain inscribed circle 59 is converted into skew light along inscribed circles 63 and 64 that differ in magnitude in the oscillation region 12a by a route passing through the joint portion 14. The

接合部分14の中央を通過したスキュー光60は、発振領域12a内において、内接円59と同じ直径の内接円63に沿ったスキュー光になるが、スキュー光60より浅い角度で発振領域12aに伝播するスキュー光61では、発振領域12aにおいて、より大きな直径の内接円64に沿ったスキュー光に光路変換される。   The skew light 60 that has passed through the center of the joint portion 14 becomes skew light along the inscribed circle 63 having the same diameter as the inscribed circle 59 in the oscillation region 12 a, but the oscillation region 12 a has a shallower angle than the skew light 60. In the oscillating region 12a, the optical path of the skew light 61 propagating in the direction is converted into skew light along the inscribed circle 64 having a larger diameter.

逆に、接合部分14をスキュー光60より深い角度で発振領域12aに伝播するスキュー光62では、発振領域12aにおいて、小さな直径の内接円に沿ったスキュー光に光路変換され、図5の一点鎖線で示されるように、コア11を通過することが出来るスキュー光となり、発振領域12aにおいてコア11に吸収されてしまう。   On the other hand, the skew light 62 propagating through the joint portion 14 to the oscillation region 12a at an angle deeper than the skew light 60 is optically converted into skew light along the inscribed circle having a small diameter in the oscillation region 12a. As indicated by the chain line, it becomes skew light that can pass through the core 11 and is absorbed by the core 11 in the oscillation region 12a.

このように、接合部分14の幅が拡大したことにより、スキュー光の一部がコア11を通過することになる。   As described above, a part of the skew light passes through the core 11 by increasing the width of the joint portion 14.

次に、図6は、接合部分の幅が更に拡大した場合を示す。   Next, FIG. 6 shows a case where the width of the joint portion is further enlarged.

この場合、図5と同様の現象が起こるが、図5の場合と比較して、より大きな直径をもつ内接円65に沿ったスキュー光66がコア11を通過できるように光路変換されている。   In this case, the same phenomenon as in FIG. 5 occurs, but the optical path is changed so that the skew light 66 along the inscribed circle 65 having a larger diameter can pass through the core 11 as compared with the case of FIG. .

このように励起領域12bに存在するスキュー光のうち、より大きな直径の内接円に沿ったスキュー光の一部が、発振領域12aに伝播してコア11を通過することが出来るようになる。同時に励起領域12bに存在するスキュー光のうち、小さな直径の内接円に沿ったスキュー光であれば、より大きな確率でコア11を通過することが出来るようになることがわかる。   As described above, of the skew light existing in the excitation region 12b, part of the skew light along the inscribed circle having a larger diameter can propagate to the oscillation region 12a and pass through the core 11. At the same time, it can be seen that the skew light along the inscribed circle with a small diameter among the skew light existing in the excitation region 12b can pass through the core 11 with a greater probability.

最後に図7、図8について説明する。   Finally, FIG. 7 and FIG. 8 will be described.

図7は、図6より融一体化が更に進んだ場合を示す。   FIG. 7 shows a case where the fusion integration is further advanced than in FIG.

この場合、励起領域12bに存在するスキュー光67,68,69の全てが、つまり励起領域12bの円形断面に内接する、子午線光から最もかけ離れたスキュー光69でさえ、コア11を通過することが出来るようになる。   In this case, all of the skew light 67, 68, 69 existing in the excitation region 12b, that is, even the skew light 69 farthest from the meridian light inscribed in the circular cross section of the excitation region 12b may pass through the core 11. become able to do.

励起領域12bの内接接線がコア11を通過するためには、コア11と励起領域12bの双方に外接する接線がインナークラッド12に含まれるまで接合部分の幅70が拡大する必要がある。   In order for the inscribed tangent line of the excitation region 12 b to pass through the core 11, it is necessary to increase the width 70 of the junction until the inner cladding 12 includes a tangent line that circumscribes both the core 11 and the excitation region 12 b.

図8は、図7の特殊な場合で、励起領域12bと発振領域12a双方が、溶融一体化後にも正規な円形断面を維持している場合を示している。   FIG. 8 shows a special case of FIG. 7 in which both the excitation region 12b and the oscillation region 12a maintain a regular circular cross section even after fusion integration.

この場合、励起領域12bに内接する接線の接点は、励起領域12bと発振領域12aの境界上にあり、幾何学的計算で求まるとおり、励起領域12bと発振領域12aのそれぞれの円断面中心間距離74は、コア11の半径rと励起領域12bの半径Rを用いて、(r+R)×√2と表記できる。以上より、励起光のスキュー光成分が完全になくなるためには、接合部分14、70の幅を、図7あるいは図8の状態になるまで拡大することが必要であることがわかる。   In this case, the contact point of the tangent line inscribed in the excitation region 12b is on the boundary between the excitation region 12b and the oscillation region 12a, and the distance between the center of each circular cross section of the excitation region 12b and the oscillation region 12a is obtained by geometric calculation. 74 can be expressed as (r + R) × √2 using the radius r of the core 11 and the radius R of the excitation region 12b. From the above, it can be seen that in order to completely eliminate the skew light component of the excitation light, it is necessary to expand the width of the joint portions 14 and 70 until the state shown in FIG. 7 or FIG. 8 is reached.

以上のように構成されたダブルクラッドファイバ10と、これを用いたファイバレーザ装置について、図1、図2、図3を用いて、その動作を説明する。   The operation of the double clad fiber 10 configured as described above and the fiber laser device using the same will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 3.

まず、電源20により駆動されたファイバ付き半導体レーザ21は、コア11に添加したレーザ媒質である希土類を励起する波長の励起光を発生する。   First, a semiconductor laser 21 with a fiber driven by a power supply 20 generates pumping light having a wavelength for pumping rare earth, which is a laser medium added to the core 11.

励起光は断面が円形のファイバにより伝送され、1A点のインナークラッド12の励起領域12bに注入される。このとき、インナークラッド12の励起領域12bの断面形状が、平坦部を持たないので、励起光を効率よくインナークラッド12の励起領域12bに注入できる。   The excitation light is transmitted through a fiber having a circular cross section, and is injected into the excitation region 12b of the inner cladding 12 at the point 1A. At this time, since the cross-sectional shape of the excitation region 12b of the inner cladding 12 does not have a flat portion, the excitation light can be efficiently injected into the excitation region 12b of the inner cladding 12.

注入された励起光は、インナークラッド12の励起領域12bと発振領域12aを伝播する。1A点に注入された励起光はインナークラッド12の励起領域12bと発振領域12aを伝播しながら1B点を経由し、1C点に達する。この間に励起領域12bと発振領域12aの接合部分14の幅は増加し、コア11を通過できなかったスキュー光が前述の原理により光路の変更を受け、励起に寄与する光線となる。   The injected excitation light propagates through the excitation region 12b and the oscillation region 12a of the inner cladding 12. The excitation light injected at the point 1A reaches the point 1C via the point 1B while propagating through the excitation region 12b and the oscillation region 12a of the inner cladding 12. During this time, the width of the junction portion 14 between the excitation region 12b and the oscillation region 12a increases, and the skew light that could not pass through the core 11 undergoes a change in the optical path according to the principle described above, and becomes a light beam that contributes to excitation.

さらに、ダブルクラッドファイバの反対側端面についても同様に励起光が注入され、上記と同様にスキュー光の減少が図られる。   Further, the excitation light is similarly injected into the opposite end face of the double clad fiber, and the skew light is reduced as described above.

励起により生じた光は、高反射端28と伝送用ファイバ29の端面で構成する光共振器内で多重帰還増幅されてレーザ光となり、伝送用ファイバ29の端面から取り出される。   The light generated by the excitation is subjected to multiple feedback amplification in an optical resonator constituted by the high reflection end 28 and the end face of the transmission fiber 29 to become laser light, and is extracted from the end face of the transmission fiber 29.

なお、本実施の形態ではインナークラッド12に平坦部を設けていないが、図9のようにインナークラッド12の発振領域12aに平坦部を設ける構造としても同様の効果が得られる。   In this embodiment, the inner clad 12 is not provided with a flat portion, but the same effect can be obtained by providing a flat portion in the oscillation region 12a of the inner clad 12 as shown in FIG.

以上のように本実施の形態のダブルクラッドファイバおよびファイバレーザ装置は、レーザ媒質を含むコア11と、コア11への励起光を伝播するインナークラッド12と、励起光を閉じ込めるアウタークラッド13を備え、インナークラッド12は、励起光が導入される略円形の断面形状を持つ励起領域12bと、コア11を含む概円形の断面形状を持つ発振領域12aから成り、励起領域12bと発振領域12aの接合部分14の幅が長さ方向に沿って変化させたものである。
また、接合部分14の幅が最大になるときに、コア11と励起領域12bの双方に外接する接線が、インナークラッド12に含まれる形状とした。また、発振領域12bの接合部分14以外の部位に断面形状が平坦となる平坦部を設け、また、1つ以上の励起光入射端面を有し、励起光入射端面からの距離の増加に伴って接合部分14の幅を増加させた。
As described above, the double-clad fiber and the fiber laser apparatus according to the present embodiment include the core 11 including the laser medium, the inner cladding 12 that propagates the excitation light to the core 11, and the outer cladding 13 that confines the excitation light. The inner cladding 12 includes an excitation region 12b having a substantially circular cross-sectional shape into which excitation light is introduced, and an oscillation region 12a having a substantially circular cross-sectional shape including the core 11, and a junction portion between the excitation region 12b and the oscillation region 12a. width of 14 Ru der those varied along its length.
In addition, when the width of the joint portion 14 is maximized, a tangent line circumscribing both the core 11 and the excitation region 12 b is included in the inner clad 12 . Further, a flat portion having a flat cross-sectional shape is provided at a portion other than the joint portion 14 of the oscillation region 12b, and has one or more excitation light incident end faces, and the distance from the excitation light incident end face increases. The width of the joint portion 14 was increased .

このようにダブルクラッドファイバの長さ方向に接合部分の幅が変化するのでインナークラッド内のスキュー光の光路が長さ方向に対して変化し、スキュー光を低減することができるので、効率よくレーザ媒質である希土類を励起でき、効率よくレーザ光を取り出すことが出来る。   As described above, the width of the joint portion changes in the length direction of the double clad fiber, so that the optical path of the skew light in the inner clad changes in the length direction, and the skew light can be reduced. The rare earth that is the medium can be excited, and laser light can be extracted efficiently.

本発明にかかるダブルクラッドファイバ及びファイバレーザ装置は、励起領域と発振領域の接合部分の幅をダブルクラッドファイバの長さ方向に沿って変化させることにより、励起光を効率よく導入できると同時に、インナークラッドを伝播するスキュー光を低減することができるので、ダブルクラッドファイバ及びファイバレーザ装置として有用である。   The double-clad fiber and the fiber laser device according to the present invention can introduce pumping light efficiently by changing the width of the junction between the pumping region and the oscillation region along the length direction of the double-clad fiber, and at the same time, Since skew light propagating through the clad can be reduced, it is useful as a double clad fiber and a fiber laser device.

10 ダブルクラッドファイバ
11 コア
12 インナークラッドクラッド
12a 発振領域
12b 励起領域
13 アウタークラッド
14 接合部分
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Double clad fiber 11 Core 12 Inner clad clad 12a Oscillation area | region 12b Excitation area | region 13 Outer clad 14 Junction part

Claims (5)

レーザ媒質を含むコアと、前記コアへの励起光を伝播するインナークラッドと、前記励起光を閉じ込めるアウタークラッドを備え、前記インナークラッドは、前記励起光が導入される略円形の断面形状を持つ励起領域と、前記コアを含む概円形の断面形状を持つ発振領域から成り、前記励起領域と前記発振領域の接合部分の幅を長さ方向に沿って変化させたダブルクラッドファイバ。   A core including a laser medium, an inner cladding that propagates pumping light to the core, and an outer cladding that traps the pumping light, the inner cladding having a substantially circular cross-sectional shape into which the pumping light is introduced A double-clad fiber comprising a region and an oscillation region having a substantially circular cross-sectional shape including the core, wherein the width of the junction between the excitation region and the oscillation region is changed along the length direction. 前記接合部分の幅が最大になるときに、前記コアと前記励起領域の双方に外接する接線が、前記インナークラッドに含まれる形状とした請求項1記載のダブルクラッドファイバ。   The double clad fiber according to claim 1, wherein a tangent line circumscribing both the core and the excitation region is included in the inner clad when the width of the joint portion is maximized. 前記発振領域の前記接合部分以外の部位に断面形状が平坦となる平坦部を設けた請求項1記載のダブルクラッドファイバ。   The double clad fiber according to claim 1, wherein a flat portion having a flat cross-sectional shape is provided at a portion other than the joining portion of the oscillation region. 1つ以上の励起光入射端面を有し、前記励起光入射端面からの距離の増加に伴って前記接合部分の幅を増加させた請求項1から請求項のいずれかに記載のダブルクラッドファイバ。 Have one or more excitation light incident end surface, double clad fiber according to any one of claims 1 to 3, it increased the width of the joint portion with increasing distance from the excitation light incident end surface . 請求項1から請求項のいずれかに記載のダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザ装置。 A fiber laser device using the double clad fiber according to any one of claims 1 to 4 .
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