JP6122912B2 - Optical circuit device for fiber laser and fiber laser - Google Patents
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Description
本発明は、ファイバレーザ用光回路装置およびファイバレーザに関する。 The present invention relates to an optical circuit device for a fiber laser and a fiber laser.
ファイバレーザを発振させるために用いられている希土類元素の誘導放出帯域は、近赤外光である。そのため、一般的なファイバレーザは、その射出光を目視することができない。そこで、加工用のファイバレーザでは、レーザが射出される加工箇所を目視するために、加工用のレーザ光とは別に、ガイド光を射出することが一般的である。 The stimulated emission band of rare earth elements used for oscillating fiber lasers is near infrared light. Therefore, a general fiber laser cannot visually observe the emitted light. Therefore, in a processing fiber laser, it is common to emit guide light separately from the processing laser beam in order to visually check the processing site where the laser is emitted.
特許文献1には、デリバリファイバを介して不可視レーザ光を出力するファイバレーザ装置において、不可視レーザ光が出力される出力ファイバとデリバリファイバとの接合部の近傍のクラッドに、可視レーザ光源によって発生された前記可視レーザ光を導入する導入部を設け、加工対象物に対する不可視レーザ光の照射の位置決めを行う場合に、クラッドを介して加工対象物の加工位置に可視レーザ光を照射するファイバレーザ装置が記載されている。 In Patent Document 1, in a fiber laser device that outputs invisible laser light through a delivery fiber, a visible laser light source generates a clad near the joint between the output fiber from which the invisible laser light is output and the delivery fiber. And a fiber laser device that irradiates the processing position of the processing object through the clad with the visible laser light when the introduction portion for introducing the visible laser light is provided and positioning of the irradiation of the invisible laser light to the processing object is performed Have been described.
特許文献2には、発光源からの光を伝搬する複数本の光ファイバを備える光源部と、複数の光ファイバから射出される光束を1本の光束に集束して被照射物に照射する光学系とを備え、光ファイバの端面が配置された位置と、光ファイバの射出する光束の強度分布との組合せにより、1本の光束が所望の光強度プロファイルとなるようにした光照射装置が記載されている。 In Patent Document 2, a light source unit including a plurality of optical fibers that propagate light from a light emitting source, and an optical that irradiates an irradiated object by converging the light beams emitted from the plurality of optical fibers into one light beam. And a light irradiation device in which one light beam has a desired light intensity profile by combining the position where the end face of the optical fiber is disposed and the intensity distribution of the light beam emitted from the optical fiber. Has been.
特許文献3には、複数のレーザ発振器から射出されるレーザ光を伝送する光ファイバは、一端が複数の単芯光ファイバから成り、他端が複数の単芯光ファイバを集合したバンドルファイバで構成され、バンドルファイバは中心にアライメント用可視レーザ光を射出する単芯光ファイバを、周辺にレーザ光を伝送する複数の単芯光ファイバを配置したレーザ光照射装置が記載されている。 In Patent Document 3, an optical fiber that transmits laser light emitted from a plurality of laser oscillators is configured with a bundle fiber in which one end includes a plurality of single-core optical fibers and the other end includes a plurality of single-core optical fibers. In addition, there is described a laser beam irradiation apparatus in which a bundle fiber includes a single-core optical fiber that emits alignment visible laser light at the center and a plurality of single-core optical fibers that transmit laser light to the periphery.
レーザからの射出光のビーム品質を表す指標の一つに、M2がある。M2の値が小さいほど、加工精度が高くなる。ファイバレーザにおいて、M2の値を悪化させる主な要因は、光ファイバへの外乱や、光学系の構成の複雑さである。よって、M2の悪化を防ぐためには、レーザ共振器から射出端までの光学系の構成には、必要以上に複雑な構成を含めることは好ましくない。そのため、ファイバレーザのガイド光は、共振器を構成する光ファイバ中を、レーザ発振光と共に導波し、射出されることが望ましい。 One indicator of the beam quality of the emitted light from the laser, there are M 2. As the value of M 2 is small, the processing accuracy is high. In the fiber laser, the main factors that deteriorate the value of M 2 are disturbance to the optical fiber and the complexity of the configuration of the optical system. Therefore, in order to prevent deterioration of the M 2 is the configuration of the optical system from the laser resonator and the exit end, the inclusion of complex configuration than necessary is not preferable. Therefore, it is desirable that the guide light of the fiber laser is guided through the optical fiber constituting the resonator together with the laser oscillation light and emitted.
ファイバレーザの共振器に使用されるファイバの内、Yb(イッテルビウム)添加光ファイバに代表される希土類添加光ファイバは、光通信用の光ファイバとは異なり、ファイバレーザの特性向上のために様々な元素が添加されていることが多い。そのため、レイリー散乱や、添加元素の吸収などにより、可視光領域に大きな伝送損失を生じる。よって、M2の上昇を抑制するためにガイド光が共振器中を導波する構成にすると、大きな伝送損失を伴う。このため、ファイバレーザの射出端でガイド光の十分な輝度を確保するためには、高出力な可視光源が必要となる。 Among the fibers used for the fiber laser resonator, rare-earth-doped optical fibers represented by Yb (ytterbium) -doped optical fibers are different from optical fibers for optical communication in order to improve the characteristics of fiber lasers. Elements are often added. Therefore, a large transmission loss occurs in the visible light region due to Rayleigh scattering, absorption of additive elements, and the like. Therefore, the guide light is a configuration for guiding the resonator in order to suppress the increase of M 2, with a large transmission loss. For this reason, a high-power visible light source is required in order to ensure sufficient luminance of the guide light at the emission end of the fiber laser.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、M2の悪化を抑制できるファイバレーザ用光回路装置およびファイバレーザを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fiber laser optical circuit device and a fiber laser can suppress deterioration of M 2.
前記課題を解決するため、本発明は、光源の出力を伝搬する複数のデリバリファイバと、前記複数のデリバリファイバの出力を合波するカプラ部とを備える、ファイバレーザ用光回路装置であって、前記カプラ部は、前記複数のデリバリファイバに接続される第1の端部と、前記カプラ部により合波された出力を射出する第2の端部を有し、前記第1の端部と前記第2の端部との間には、前記複数のデリバリファイバのすべてから出力が入射される単一のコアが設けられ、前記単一のコアは、前記複数のデリバリファイバの出力のうち赤外光である出力を特定の位置で入射したときにM2の上昇が抑制可能な屈折率分布を有し、前記特定の位置以外のいずれかの位置から入射させた可視光である出力を、前記特定の位置から入射させた前記赤外光である出力と合波することを特徴とするファイバレーザ用光回路装置を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention is an optical circuit device for a fiber laser, comprising: a plurality of delivery fibers that propagate the output of a light source; and a coupler unit that combines the outputs of the plurality of delivery fibers. The coupler unit includes a first end connected to the plurality of delivery fibers, and a second end that emits an output combined by the coupler unit, and the first end and the A single core is provided between the second end and an output from all of the plurality of delivery fibers, and the single core is an infrared ray of the outputs of the plurality of delivery fibers. the has a refractive index distribution elevated M 2 is capable of suppressing when the output is light incident at a particular position, a visible light input from any position other than the specific position output, the The red light incident from a specific position Provided is an optical circuit device for a fiber laser characterized by being combined with an output which is external light.
前記特定の位置以外のいずれかの位置が、前記単一のコアの断面における中心部であることが好ましい。
前記可視光である出力を、M2の上昇が実測で最も高い箇所から、前記カプラ部に入射させたことが好ましい。
前記赤外光である出力が、加工用のレーザ光であり、前記可視光である出力が、加工位置確認用のガイド光であることが好ましい。
It is preferable that any position other than the specific position is a central portion in a cross section of the single core.
It is preferable that the output, which is visible light, is incident on the coupler unit from a location where the increase in M 2 is the highest in actual measurement.
It is preferable that the output that is infrared light is laser light for processing, and the output that is visible light is guide light for confirming the processing position.
また、本発明は、前記ファイバレーザ用光回路装置を備えたファイバレーザを提供する。
前記赤外光である出力を伝搬する前記デリバリファイバが、希土類元素が添加された光ファイバを含むファイバレーザ共振器に接続されており、前記可視光を導波する経路は、前記可視光を出力する可視光源から、前記ファイバレーザの射出端までの全長にわたり、希土類元素が添加されていない光ファイバから構成されていることが好ましい。
The present invention also provides a fiber laser including the fiber laser optical circuit device.
The delivery fiber that propagates the output that is the infrared light is connected to a fiber laser resonator including an optical fiber to which a rare earth element is added, and the path that guides the visible light outputs the visible light. It is preferable that the optical fiber is composed of an optical fiber to which a rare earth element is not added over the entire length from the visible light source to the emission end of the fiber laser.
本発明によれば、カプラ部の単一のコアが、複数のデリバリファイバの出力のうち赤外光である出力を特定の位置で入射したときにM2の上昇が抑制可能な屈折率分布を有するので、M2の悪化を抑制できるファイバレーザ用光回路装置およびファイバレーザを提供することができる。 According to the present invention, a single core coupler portion, a raised refractive index distribution capable of suppressing the M 2 when entering the output is infrared light among the outputs of the delivery fiber at a particular location Therefore, it is possible to provide an optical circuit device for fiber laser and a fiber laser that can suppress the deterioration of M 2 .
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。 Hereinafter, based on a preferred embodiment, the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、ファイバレーザの一例を模式的に示す。ファイバレーザ10は、加工用のレーザ光を発振する、1または複数のファイバレーザユニット11を備える。ファイバレーザユニット11の出力は、デリバリファイバ12により、カプラ部20に伝搬される。ファイバレーザユニット11が複数存在する場合、各ファイバレーザユニット11の出力が、それぞれ異なるデリバリファイバ12により伝搬されてもよい。
FIG. 1 schematically shows an example of a fiber laser. The
また、ファイバレーザ10は、ガイド用の可視光を出力する可視光源14を備える。可視光源14の出力は、デリバリファイバ12とは異なるデリバリファイバ13により、カプラ部20に伝播される。ファイバレーザ10は、デリバリファイバ13および可視光源14を、それぞれ1ずつ有すればよい。可視光源14としては、レーザダイオード(LD)、発光ダイオード(LED)等が挙げられる。コヒーレント光により高精度が得られることから、レーザダイオードが好ましい。
The
カプラ部20は、デリバリファイバ12,13の出力を合波する。カプラ部20の出力は、出力用光ファイバ21を介してヘッド等の射出端30から射出される。出力用光ファイバ21は、筐体19の内側から外側へと通じている。筐体19内には、ファイバレーザユニット11、デリバリファイバ12,13、可視光源14などが収容されている。射出端30は、加工等の対象物に向けて配置することができる。ファイバレーザ10は、カプラ部20および出力用光ファイバ21を、それぞれ1ずつ有すればよい。
The
デリバリファイバ12,13の構造は特に限定されないが、シングルモードファイバ(SMF)等の一般的なファイバ構造を採用することが可能である。一般的なファイバ構造は、断面の中心部に配置されるコアと、断面の外周部に配置されるクラッドとを備え、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高くされた屈折率分布を有する。コアおよびクラッドは、石英系ガラスから構成される。石英系ガラスとしては、ドーパントが添加されないシリカ(SiO2)ガラス、屈折率を高くするゲルマニウム(Ge)等のドーパントが添加されたシリカガラス、屈折率を低くするフッ素(F)等のドーパントが添加されたシリカガラスが挙げられる。
The structure of the
図2に、ファイバレーザ用光回路装置の一例を示す。図2(a)の斜視図に示すように、カプラ部20は、複数のデリバリファイバ12,13に接続される第1の端部24と、カプラ部20により合波された出力を射出する第2の端部25を有する。カプラ部20のうち第1の端部24側の部分は、外径が略一定の太径部22とされている。また、カプラ部20のうち第2の端部25側の部分は、太径部22から第2の端部25に向けて、外径が徐々に縮小するテーパ部23とされている。
FIG. 2 shows an example of an optical circuit device for fiber laser. As shown in the perspective view of FIG. 2A, the
図2(b)に示すように、第1の端部24は一つの端面から構成され、同一端面上に複数のデリバリファイバ12,13が接続されている。カプラ部20とデリバリファイバ12,13との接続構造は、出力が光学的に結合すれば特に限定されないが、融着接続は、界面反射の低減と機械的強度の向上を図れることから好ましい。
As shown in FIG. 2 (b), the
カプラ部20は、第1の端部24と第2の端部25との間に、単一のコアを有する。このコアは、複数のデリバリファイバ12,13のすべてから出力を入射させることが可能な断面積および領域を有する。カプラ部20は、コア−クラッド構造を有せず、断面全体が光を伝搬可能な単一のコアを構成してもよい。カプラ部20がコア−クラッド構造を有する場合は、単一のコアの周囲にクラッドを有してもよい。カプラ部20は、上述の石英系ガラスから構成されることが好ましい。
The
カプラ部20のコアは、複数のデリバリファイバ12,13の出力のうち赤外光である出力を特定の位置で入射したときにM2の上昇が抑制可能な屈折率分布を有する。具体的には、第1の端部24における入射位置に対応して、M2が上昇しやすい箇所とM2が上昇しにくい箇所とが生じるような屈折率分布である。M2が上昇しにくい箇所には、加工用のレーザ光を伝搬するデリバリファイバ12が接続され、M2が上昇しやすい箇所には、ガイド光を伝搬するデリバリファイバ13が接続される。
The core of the
M2は、ガウシアンビームからのズレを示す因子として知られている。例えば、真空中の光の波長をλ0、屈折率nの媒質中における光の波長をλ、ビームウエスト直径をd0、遠視野拡がり角をΘとして、M2=(π/4λ)d0Θにより表すことができる(ただし、πは円周率)。ガウシアンビームからのズレがない場合、M2=1となる。 M 2 is known as a factor indicating a deviation from the Gaussian beam. For example, M 2 = (π / 4λ) d 0 , where λ 0 is the wavelength of light in vacuum, λ is the wavelength of light in a medium having a refractive index n, d 0 is the beam waist diameter, and Θ is the far-field divergence angle. It can be expressed by Θ (where π is the circumference). When there is no deviation from the Gaussian beam, M 2 = 1.
加工用のレーザ光は、ファイバレーザユニット11の共振器からの射出光として得られる。ファイバレーザ共振器は、活性元素を含む光ファイバを増幅媒体としたレーザ共振器である。増幅媒体用光ファイバとしては、例えばYb,Nd,Er,Pr,Tm等の希土類元素が添加された希土類添加光ファイバが挙げられる。希土類元素以外の活性元素としては、例えば、ビスマス(Bi)が挙げられる。
The laser beam for processing is obtained as light emitted from the resonator of the
ファイバレーザ共振器の構成としては、光ファイバの両端にファイバブラッググレーティング(FBG)等の反射部を設けたファブリ・ペロ型共振器、光ファイバを環状に形成したリング型共振器が挙げられる。希土類添加光ファイバは、ファイバレーザ共振器を構成する光ファイバの少なくとも一部の区間に使用される。 Examples of the configuration of the fiber laser resonator include a Fabry-Perot resonator in which reflection parts such as fiber Bragg gratings (FBG) are provided at both ends of an optical fiber, and a ring resonator in which an optical fiber is formed in an annular shape. The rare earth doped optical fiber is used in at least a part of the optical fiber constituting the fiber laser resonator.
共振器の励起光源としては、レーザダイオード(LD)等の半導体レーザ光源が好ましい。励起光の波長は、ファイバレーザの発振波長、特に、活性元素の種類に応じて選択することができる。例えば、Yb添加光ファイバを用いる場合、励起光の波長として、例えば915nmが挙げられる。 As the excitation light source for the resonator, a semiconductor laser light source such as a laser diode (LD) is preferable. The wavelength of the excitation light can be selected according to the oscillation wavelength of the fiber laser, particularly the type of active element. For example, when using a Yb-doped optical fiber, the wavelength of the excitation light is, for example, 915 nm.
ファイバレーザの発振波長は、希土類元素の種類にもよるが、一般に近赤外(波長1〜3μm程度)などの赤外領域である。このため、赤外光のレーザ光が射出される加工箇所を目視するために、加工位置確認用のガイド光として可視光が用いられる。ガイド光がファイバレーザ共振器中を導波する構成にすると、希土類添加光ファイバ中で、ガイド光に大きな伝送損失を伴う。 The oscillation wavelength of a fiber laser is generally in the infrared region such as near infrared (wavelength of about 1 to 3 μm), although it depends on the type of rare earth element. For this reason, visible light is used as guide light for confirming the processing position in order to visually check the processing location where the infrared laser beam is emitted. When the guide light is guided in the fiber laser resonator, the guide light has a large transmission loss in the rare earth-doped optical fiber.
このため、本実施形態では、ガイド光が希土類添加光ファイバ中を導波することなく、異なるデリバリファイバ13からカプラ部20に入射し、加工用のレーザ光と合波させる。カプラ部20は、特定の位置で入射したときにM2の上昇が抑制可能な屈折率分布を有することから、加工用の赤外光は特定の位置からカプラ部20に入射させ、ガイド用の可視光は、特定の位置以外のいずれかの位置からカプラ部20に入射させる。
Therefore, in this embodiment, the guide light is incident on the
M2が上昇しにくい箇所(特定の位置)としては、カプラ部20のコアの断面における外周部が挙げられる。また、M2が上昇しやすい箇所(特定の位置以外のいずれかの位置)としては、カプラ部20のコアの断面における中心部が挙げられる。M2が悪化しやすい箇所からガイド光を入射し、M2が悪化しにくい箇所からレーザ光を入射させるようにすることで、ガイド光がYbなどの希土類添加ファイバ中を伝搬することがないため、ガイド光の損失が抑制され、かつM2の良好な射出光を得ることができる。
As a portion (specific position) where M 2 is difficult to rise, an outer peripheral portion in the cross section of the core of the
実際の製造では、製造ばらつきが生じるため、カプラ部の中心において最もM2が悪くなるように設計したとしても、ガイド光をカプラ部の中心から入射させたときに最もM2が悪くなるとは限らない。このため、可視光であるガイド光を、M2の上昇が実測で最も高い箇所から、カプラ部に入射させることが好ましい。カプラ部に光を入射させるポートとして、複数のデリバリファイバが設けられる場合は、これらのデリバリファイバの中から、実測によるM2の上昇が最も高いデリバリファイバからガイド光を入射させることが好ましい。 In actual manufacturing, manufacturing variations occur, so even if the design is such that M 2 is the worst at the center of the coupler part, the M 2 is not necessarily the worst when the guide light is incident from the center of the coupler part. Absent. For this reason, it is preferable that the guide light, which is visible light, is incident on the coupler unit from a location where the increase in M 2 is the highest in actual measurement. In the case where a plurality of delivery fibers are provided as the ports through which light enters the coupler section, it is preferable that the guide light is incident from a delivery fiber having the highest rise in M 2 by actual measurement among these delivery fibers.
また、加工用のレーザ光をカプラ部20に入射させる位置を決定する際、M2が実測で最も低い箇所を選択することができる。また、射出端30における開口数(NA)の値が小さいほど、M2の上昇量は小さく、ビーム品質が良くなることから、カプラ部20に対する加工用のレーザ光の入射位置を、射出端30におけるNAが小さい位置に対応させることが好ましい。
Further, when determining the position at which the processing laser light is incident on the
出力用光ファイバ21は、カプラ部20の射出端である第2の端部25に接続されている。出力用光ファイバ21の構成は特に限定されないが、SMF等のコア−クラッド構造を有する光ファイバが挙げられる。出力用光ファイバ21は、上述の石英系ガラスから構成されてもよい。カプラ部20と出力用光ファイバ21との間の接続構造は、出力が光学的に結合すれば特に限定されないが、上述のように融着接続が好ましい。出力用光ファイバ21のコアは、カプラ部20から入射する光の屈折を抑制する観点から、カプラ部20のコアと同等の屈折率を有することが好ましい。
The output
デリバリファイバ12,13および出力用光ファイバ21の外周面には、ガラスから構成される光ファイバのコアおよびクラッドを保護するため、樹脂、金属メッキ、カーボンなどの被覆層(図示せず)を設けることができる。融着接続を行う箇所では、融着接続の前に被覆層が剥離されてもよい。融着接続の終了後、樹脂の塗布等により再び被覆層を形成することもできる。
On the outer peripheral surfaces of the
所望の屈折率分布を有するカプラ部20は、カプラ部と同様に半径方向の屈折率分布を設けたガラス母材を、溶融延伸により線引きして製造することができる。半径方向の屈折率分布を有するガラス母材は、特に限定されないが、例えば、CVD法(化学気相蒸着法)、OVD法(外付け法)、VAD法(気相軸付法)、RIT法(ロッドインチューブ法)など、光ファイバ母材と同様の方法により製造することができる。
The
CVD法は、ガラス管(チューブ)の内表面にガラス層を積層させた後、加熱によりガラス管の径を縮小させ、ガラス層内部の空洞を潰して中実化(コラップス)する方法である。
OVD法は、ガラス棒(ロッド)の外表面にガラス微粒子を堆積させてガラススート層を形成した後、ガラススート層を加熱により焼結して透明ガラスを得る方法である。
VAD法は、ガラス棒等の出発部材の先端部からガラス微粒子の堆積を開始して、円柱状のガラススートを形成した後、ガラススートを加熱により焼結させることで、透明ガラスを得る方法である。
RIT法は、1または複数のガラス棒をガラス管の中に挿入し、加熱により隙間を潰してガラス棒およびガラス管を一体化させる方法である。
The CVD method is a method of laminating a glass layer on the inner surface of a glass tube (tube), then reducing the diameter of the glass tube by heating, and crushing a cavity inside the glass layer to make it solid (collapse).
The OVD method is a method in which glass fine particles are deposited on the outer surface of a glass rod (rod) to form a glass soot layer, and then the glass soot layer is sintered by heating to obtain transparent glass.
The VAD method is a method for obtaining transparent glass by starting the deposition of glass particles from the tip of a starting member such as a glass rod to form a cylindrical glass soot and then sintering the glass soot by heating. is there.
The RIT method is a method in which one or a plurality of glass rods are inserted into a glass tube and the gap is closed by heating to integrate the glass rod and the glass tube.
ガラス母材の屈折率分布は、各部のガラスが生成する際またはガラスを合成した後に、ドーパント元素またはドーパント元素を含む化合物を、ガラスまたはガラス原料に添加することにより制御することができる。ドーパント元素を含む化合物としては、フッ化物、塩化物、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、リン酸塩などが挙げられる。ドーパント元素をガラスまたはガラス原料に添加する際の形態は特に限定されないが、気体、蒸気、溶液等が挙げられる。 The refractive index distribution of the glass base material can be controlled by adding a dopant element or a compound containing the dopant element to the glass or the glass raw material when the glass of each part is generated or after the glass is synthesized. Examples of the compound containing a dopant element include fluorides, chlorides, oxides, carbonates, sulfates, and phosphates. Although the form at the time of adding a dopant element to glass or a glass raw material is not specifically limited, Gas, vapor | steam, a solution, etc. are mentioned.
ガラス母材からカプラ部を形成する方法としては、ガラス母材の軸方向を上下に配置し、ガラス母材の下部を、加熱により溶融させた状態で下方に引っ張ることにより、繊維(ファイバ)状の細いガラスを引き出すことができる。引き出されたガラスファイバは、線引きの間、空中で徐々に冷却される。線引きによりガラスの直径が太径部22と同程度まで延伸された後、さらにガラスの端部を延伸することにより、テーパ部23を形成することができる。ガラスを延伸しても、半径方向の屈折率分布は略相似的に変形されるため、光軸中心に対する相対的な屈折率分布は、実質的に変化しない。
As a method of forming the coupler portion from the glass base material, the glass base material is arranged in the vertical direction, and the lower part of the glass base material is pulled downward in a state of being melted by heating, thereby forming a fiber (fiber) shape. Can pull out thin glass. The drawn glass fiber is gradually cooled in the air during drawing. After the glass has been drawn to the same extent as the
本実施形態によれば、カプラ部20の単一のコアが、複数のデリバリファイバ12,13の出力のうち赤外光である出力を特定の位置で入射したときにM2の上昇が抑制可能な屈折率分布を有する。そこで、加工用のレーザ光を特定の位置から、ガイド光を特定の位置以外の位置から、それぞれカプラ部20に入射させることにより、M2の悪化を抑制することができる。
According to the present embodiment, when a single core of the
加工用のレーザ光を伝搬するデリバリファイバ12は、加工用のレーザ光を発振するファイバレーザ共振器に接続されるが、ガイド光を伝搬するデリバリファイバ13は、ファイバレーザ共振器に接続されることなく、直接、可視光源14に接続される。これにより、ガイド光がデリバリファイバ13およびカプラ部20を伝搬する間に、ガイド光の減衰を抑制することができるので、高出力な可視光源を用いなくとも、射出端30でガイド光の十分な輝度を確保することができる。
The
以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention has been demonstrated based on suitable embodiment, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
赤外光である出力を伝搬するデリバリファイバ12は、Ybが添加された光ファイバ(Yb添加ファイバ)を含むファイバレーザ共振器に接続される。これに対し、可視光である出力を伝搬するデリバリファイバ13は、Ybが添加されていない光ファイバであることが好ましい。Yb添加ファイバは、可視光領域に大きな伝送損失を生じる。このため、ガイド光は、Yb添加ファイバ中を伝搬することなく、可視光源14から射出端30まで到達することが好ましい。すなわち、可視光を導波する経路が、可視光源14から射出端30までの全長にわたり、Yb等の希土類元素が添加されていない光ファイバから構成されることが好ましい。
The
デリバリファイバ12,13、カプラ部20および出力用光ファイバ21のそれぞれのコアまたはクラッドを構成する材料として、例えば、Geが添加されたSiO2、純SiO2、Fが添加されたSiO2が挙げられる。
コアおよびクラッドを有する光ファイバの構成としては、特に限定されないが、(1)Geが添加されたSiO2のコアと、純SiO2のクラッドとの組み合わせ、(2)Geが添加されたSiO2のコアと、Fが添加されたSiO2のクラッドとの組み合わせ、(3)純SiO2のコアと、Fが添加されたSiO2のクラッドとの組み合わせが挙げられる。 The configuration of the optical fiber having a core and a clad is not particularly limited, but (1) a combination of a SiO 2 core doped with Ge and a pure SiO 2 clad, and (2) SiO 2 doped with Ge. And a combination of a SiO 2 clad to which F is added, and (3) a combination of a pure SiO 2 core and a SiO 2 clad to which F is added.
ドーパントに起因する伝送損失を抑制するため、コアおよびクラッドを構成する材料は、SiO2に添加されるドーパントがGe、F等のいずれか1種類であるか、ドーパントを含まない純SiO2であることが好ましい。コアが純SiO2である場合、Geによるレイリー散乱等の損失を低減することができる。クラッドが純SiO2である場合、クラッドに使用する添加元素のコストを低減することができる。 In order to suppress transmission loss caused by the dopant, the material constituting the core and the clad is either one of the dopants added to SiO 2 such as Ge, F, or pure SiO 2 containing no dopant. It is preferable. When the core is pure SiO 2 , loss such as Rayleigh scattering due to Ge can be reduced. When the clad is pure SiO 2 , the cost of the additive element used for the clad can be reduced.
ただし、SiO2中に、他の元素がさらに不可避の不純物として含まれる場合も、ドーパントが1種類である、またはドーパントを含まないということができる。例えば、SiO2系ガラスの製造工程において、SOCl2、Cl2等の脱水ガスを用いてガラススートの脱水および焼結を行った場合、Clが不可避の不純物としてSiO2中に添加されることがある。 However, when another element is further contained as an inevitable impurity in SiO 2 , it can be said that the dopant is one kind or does not contain the dopant. For example, when glass soot is dehydrated and sintered using a dehydrating gas such as SOCl 2 or Cl 2 in the production process of SiO 2 glass, Cl may be added to SiO 2 as an inevitable impurity. is there.
デリバリファイバ12,13の端面とカプラ部20の第1の端部24との間には、GRINレンズ(図示せず)等の光学レンズが挿入されてもよい。光学レンズは、上述の石英系ガラスから構成されてもよい。デリバリファイバと光学レンズとの間、および光学レンズとカプラ部との間の接続構造は、出力が光学的に結合すれば特に限定されないが、上述のように融着接続が好ましい。
An optical lens such as a GRIN lens (not shown) may be inserted between the end faces of the
GRIN(Graded Index)レンズは、半径方向において中心から外周に向けて屈折率が低くなる屈折率分布を有する。この屈折率分布により、GRINレンズ中を伝搬する光は、一定の周期(ピッチ)で収束と発散を繰り返すようになる。GRINレンズの長さが0.25ピッチ長の奇数倍である場合、デリバリファイバ12,13から射出される光をコリメート光にしてカプラ部20の第1の端部24に入射させることができるため、好ましい。
A GRIN (Graded Index) lens has a refractive index distribution in which the refractive index decreases from the center toward the outer periphery in the radial direction. Due to this refractive index distribution, the light propagating through the GRIN lens repeats convergence and divergence at a constant period (pitch). When the length of the GRIN lens is an odd multiple of the 0.25 pitch length, the light emitted from the
GRINレンズを介在させた場合、デリバリファイバからGRINレンズを介してカプラ部に入射する光の発散角は、デリバリファイバから直接カプラ部に光を入射させた場合の発散角と比べて小さくなる。これにより、カプラ部から出力用光ファイバに射出される光の発散角を小さく抑制して、出力用光ファイバに出力を入射させるときの光の損失を低減することができる。 When a GRIN lens is interposed, the divergence angle of light incident on the coupler portion from the delivery fiber via the GRIN lens is smaller than the divergence angle when light is directly incident on the coupler portion from the delivery fiber. Thereby, the divergence angle of the light emitted from the coupler unit to the output optical fiber can be suppressed to be small, and the loss of light when the output is incident on the output optical fiber can be reduced.
デリバリファイバから射出する光の発散角を小さくする構成は、GRINレンズに限られない。例えば、コアに含まれるGe等のドーパントが、加熱によりコアの周囲のクラッドに拡散された熱拡散コア(TEC)ファイバを採用することもできる。デリバリファイバのコアがGe等のドーパントを含む場合、デリバリファイバの端部を加熱して部分的にTEC部を形成することにより、デリバリファイバと一体にTECファイバを設けることができる。 The configuration for reducing the divergence angle of light emitted from the delivery fiber is not limited to the GRIN lens. For example, a heat diffusion core (TEC) fiber in which a dopant such as Ge contained in the core is diffused into the cladding around the core by heating can be adopted. When the core of the delivery fiber contains a dopant such as Ge, the TEC fiber can be integrally formed with the delivery fiber by heating the end of the delivery fiber to partially form the TEC portion.
本実施形態のファイバレーザは、高出力で、位置精度を高くすることができるため、切断、溶接、マーキング、穿孔、彫刻、パターニング、加熱、その他の加工、あるいは手術の医療など、各種の産業に利用することができる。レーザの発振モードとしては、パルス波などの変調波、連続波のいずれも選択可能である。 Since the fiber laser of this embodiment has high output and high position accuracy, it can be used in various industries such as cutting, welding, marking, drilling, engraving, patterning, heating, other processing, and medical treatment for surgery. Can be used. As a laser oscillation mode, either a modulated wave such as a pulse wave or a continuous wave can be selected.
(実施例)
カプラ部のコアに、微小閉じ込め構造を有する屈折率分布を持たせた。これにより、カプラ部の中心部にレーザ光を入射させたときにM2が悪化しやすく、カプラ部の外周部にレーザ光を入射させたときにM2が悪化しにくく、光回路構造を構成した。カプラ部の入射端には、ガイド光またはレーザ光を伝搬させるデリバリファイバを複数接続した。
M2が悪化しやすいカプラ部の中心部(すなわち、該中心部に接続されたデリバリファイバ)からガイド光を入射させ、M2が悪化しにくいカプラ部の外周部(すなわち、該外周部に接続されたデリバリファイバ)から加工用のレーザ光を入射させた。これにより、M2の上昇を抑制可能なファイバレーザを構成することができた。
(Example)
The core of the coupler part has a refractive index distribution having a micro confinement structure. As a result, M 2 is likely to deteriorate when laser light is incident on the central part of the coupler part, and M 2 is less likely to deteriorate when laser light is incident on the outer peripheral part of the coupler part. did. A plurality of delivery fibers for propagating guide light or laser light were connected to the incident end of the coupler section.
Guide light is incident from the central part of the coupler part where M 2 is likely to deteriorate (ie, the delivery fiber connected to the central part), and the outer part of the coupler part where M 2 is difficult to deteriorate (ie, connected to the outer peripheral part). Laser beam for processing was made incident from the delivered delivery fiber). Thus, it was possible to configure the fiber laser capable of suppressing an increase in M 2.
(比較例)
カプラ部のコアに、フラットな屈折率分布を持たせた。これにより、カプラ部の中心部にレーザ光を入射させた場合と、カプラ部の外周部にレーザ光を入射させた場合のいずれにおいても、M2の上昇が同程度となる光回路構造を構成した。この光回路構造を用いて、レーザ光およびガイド光を、それぞれ別々のデリバリファイバからカプラ部に入射させると、ガイド光をレーザ光と同じデリバリファイバからカプラ部に入射させた場合に比べて、M2が上昇(悪化)した。
(Comparative example)
The core of the coupler part has a flat refractive index distribution. As a result, an optical circuit structure in which the rise in M 2 is the same both when the laser beam is incident on the central portion of the coupler portion and when the laser beam is incident on the outer peripheral portion of the coupler portion is configured. did. Using this optical circuit structure, when laser light and guide light are incident on the coupler part from separate delivery fibers, the guide light is incident on the coupler part from the same delivery fiber as the laser light. 2 increased (deteriorated).
(実施例と比較例との対比)
図3に示す屈折率分布を有するカプラ部について、開口数(NA)の分布を数値計算により求めた結果を図4に示す。図3に示す屈折率分布は、図2の太径部22(コア)における中心からの位置(μm)に対する比屈折率差(Δ)の値である。太径部22の半径は、実施例と比較例のいずれでも200μmである。比較例では、太径部22(コア)全体でΔ=0%である。実施例の屈折率分布は、中心からの位置が約65〜200μmの範囲で、Δが最大0.02%となる微小閉じ込め構造を有し、それより中心に近い領域では比較例と同じくΔ=0%である。図4は、図2のテーパ部23を経て縮径後の射出端からのNAの値を示す。実施例によれば、中心からの位置が約90〜140μmの範囲に、比較例よりもNAの値が小さい領域を有することから、このNAが下がった領域に加工用のレーザ光を入射させることにより、M2の上昇量を小さくし、ビーム品質を改善することができる。微小閉じ込め構造は周囲より屈折率が高いので、入射光を周囲から微小閉じ込め構造に集めることができる。
(Contrast between Example and Comparative Example)
FIG. 4 shows the result of numerical calculation of the numerical aperture (NA) distribution for the coupler portion having the refractive index distribution shown in FIG. The refractive index distribution shown in FIG. 3 is the value of the relative refractive index difference (Δ) with respect to the position (μm) from the center in the large diameter portion 22 (core) of FIG. The radius of the large-
10…ファイバレーザ、11…ファイバレーザユニット、12,13…デリバリファイバ、14…可視光源、19…筐体、20…カプラ部、21…出力用光ファイバ、22…太径部、23…テーパ部、24…第1の端部、25…第2の端部、30…射出端。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記カプラ部は、前記複数のデリバリファイバに接続される第1の端部と、前記カプラ部により合波された出力を射出する第2の端部を有し、
前記第1の端部と前記第2の端部との間には、前記複数のデリバリファイバのすべてから出力が入射される単一のコアが設けられ、
前記単一のコアは、前記複数のデリバリファイバの出力のうち赤外光である出力を特定の位置で入射したときにM2の上昇が抑制可能な屈折率分布を有し、前記特定の位置以外のいずれかの位置から入射させた可視光である出力を、前記特定の位置から入射させた前記赤外光である出力と合波し、
前記特定の位置は、前記単一のコアの断面における外周部で周囲よりも屈折率が高くされた位置である
ことを特徴とするファイバレーザ用光回路装置。 An optical circuit device for a fiber laser, comprising: a plurality of delivery fibers that propagate the output of a light source; and a coupler that combines the outputs of the plurality of delivery fibers,
The coupler unit has a first end connected to the plurality of delivery fibers, and a second end that emits the output combined by the coupler unit,
Between the first end portion and the second end portion, a single core is provided in which output is incident from all of the plurality of delivery fibers,
It said single core has a refractive index distribution capable increase in M 2 is suppressed when incident at a particular position output is infrared light among the outputs of said plurality of delivery fiber, the specific position Combining the output that is visible light incident from any position other than the output that is infrared light incident from the specific position ,
The specific position is a position where the refractive index is higher than that of the periphery at the outer periphery of the cross section of the single core.
For fiber laser beam circuit and wherein the.
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