JPH0774417A - Solid-state laser device using optical fiber - Google Patents

Solid-state laser device using optical fiber

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JPH0774417A
JPH0774417A JP15983793A JP15983793A JPH0774417A JP H0774417 A JPH0774417 A JP H0774417A JP 15983793 A JP15983793 A JP 15983793A JP 15983793 A JP15983793 A JP 15983793A JP H0774417 A JPH0774417 A JP H0774417A
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JP
Japan
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optical fiber
light
excitation light
laser medium
laser
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Application number
JP15983793A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomoyoshi Abe
知好 阿部
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Topcon Corp
Original Assignee
Topcon Corp
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Publication date
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Publication of JPH0774417A publication Critical patent/JPH0774417A/en
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Abstract

PURPOSE:To improve input output characteristic by combining resonator mode and excitation light mode of a solid-state laser device effectively. CONSTITUTION:A light projection edge face 1c of an optical fiber 1 which propagates excitation light from a semiconductor laser 4 to laser medium 2 is formed to a lens form and its focal distance is in a range of three to ten times as large as a radius of a fiber core. Laser medium is arranged in contact or in proximity to a light projection end of optical fiber. A core radius of optical fiber is about the same as a resonator mode radius in the neighborhood of an excitation light injection part.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は励起光が光ファイバで導
かれレーザ媒質に入射される固体レーザ装置に関わる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state laser device in which pumping light is guided by an optical fiber and is incident on a laser medium.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の光ファイバを励起光の導光手段に
用いた固体レーザ装置を図13に示す。半導体レーザ4
からの励起レーザ光を光ファイバ1に導通する。光ファ
イバ1から出射した励起光はある程度の広がりを持つの
で、凸レンズ等の光学系11を用いて収束させレーザ媒
質2に入射させる。レーザ媒質2は光を誘導放出によっ
て増幅するはたらきをもつ。また増幅された光は出力鏡
5とレーザ媒質2の光ファイバ出射光の入射する側に設
定された全反射鏡3との間を共振するようになってい
る。
2. Description of the Related Art FIG. 13 shows a conventional solid-state laser device using an optical fiber as a pumping light guide means. Semiconductor laser 4
The pumping laser light from is conducted to the optical fiber 1. Since the excitation light emitted from the optical fiber 1 has a certain spread, it is converged by the optical system 11 such as a convex lens and made incident on the laser medium 2. The laser medium 2 has a function of amplifying light by stimulated emission. The amplified light resonates between the output mirror 5 and the total reflection mirror 3 set on the side of the laser medium 2 on which the light emitted from the optical fiber enters.

【0003】また、部品点数を少なくすることによりこ
の装置を小型化し、光軸、焦点の調整を容易にするた
め、その光ファイバ1の光出射端を凸レンズ状に形成し
(1c)、他の光学系を用いずに励起光をレーザ媒質2
に導くことを特徴とした固体レーザ装置は特開平2−1
50087号公報(図12)により知られている。
Further, in order to reduce the size of the device by reducing the number of parts and to facilitate the adjustment of the optical axis and the focus, the light emitting end of the optical fiber 1 is formed in a convex lens shape (1c), and other parts are formed. Excitation light is used as laser medium 2 without using an optical system.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-1.
It is known from the publication No. 50087 (FIG. 12).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、図12の構成
は、以下のような性格を有している。
However, the configuration of FIG. 12 has the following characteristics.

【0005】光ファイバ1を通る光は、レンズ部分1
cにとってはレンズ径と等しい面光源であるため、収差
は光学系を用いる場合に比べて更に大きくなること、
光ファイバの光出射端のレンズ部分1cは平凸レンズと
等価であり、面光源がレンズの物側焦点よりレンズ側に
あるため、光ファイバの照明系の特性は発散系であるこ
と、相対的に大きい面光源であるためレンズの曲率に
より実質的な開口数(NA)が変化することの3点が挙
げられる。
Light passing through the optical fiber 1 is reflected by the lens portion 1.
For c, since it is a surface light source having the same diameter as the lens diameter, the aberration will be larger than when an optical system is used.
The lens portion 1c at the light emitting end of the optical fiber is equivalent to a plano-convex lens, and since the surface light source is on the lens side of the object-side focal point of the lens, the characteristic of the optical fiber illumination system is that it is a diverging system. Since it is a large surface light source, there are three points that the substantial numerical aperture (NA) changes depending on the curvature of the lens.

【0006】このことから、以下のような不都合があ
る。
Therefore, there are the following inconveniences.

【0007】(a) 光ファイバ出射光状態は、そのレ
ンズの焦点距離が短すぎると、光ファイバ端面からの励
起光の集光範囲は短く、集光後直ちに励起光が大きく発
散してしまう。また、レンズの曲率が大きくなると、光
ファイバのコアの外周付近を通るめ、出射直前の励起光
束は、出射端面に対して入射角が大きくなり、レーザ媒
質2側に入射されることなく、光出射端面1cの表面で
反射され、光ファイバ内にもどる光束が多い。そのた
め、半導体レーザ4による励起光のうちレーザ媒質2の
共振器モードの部分に吸収されるものの比率(以下、吸
収の割合という)は当然低くなり、励起光モードが共振
器モードに効率よく結合されている割合(以下、結合効
率という)も低下する。ここで、共振器モードとは、共
振するレーザ光の分布の状態をいう。
(A) In the state of light emitted from an optical fiber, if the focal length of the lens is too short, the converging range of the excitation light from the end face of the optical fiber is short, and the excitation light diverges largely immediately after the condensing. Further, when the curvature of the lens becomes large, it passes near the outer periphery of the core of the optical fiber, so that the excitation light flux immediately before emission has a large incident angle with respect to the emission end face, and the excitation light flux is not incident on the laser medium 2 side, Many light beams are reflected by the surface of the emission end face 1c and return to the optical fiber. Therefore, the ratio of the excitation light from the semiconductor laser 4 that is absorbed by the resonator mode portion of the laser medium 2 (hereinafter referred to as the absorption ratio) is naturally low, and the excitation light mode is efficiently coupled to the resonator mode. The ratio (hereinafter, referred to as coupling efficiency) also decreases. Here, the resonator mode refers to a state of distribution of resonating laser light.

【0008】逆に焦点距離が長すぎると、レンズ部分1
cは発散系であることから、励起光は集光せずに穏やか
に発散するため、光ファイバの中心付近の励起光の強度
と光ファイバのコアの外周付近を通る励起光の強度の差
は小さい。 そのため、励起光モードの曲線は穏やかな
曲線を描き、共振器モード曲線の形と極端に異なるよう
な場合には結合効率は大きく減少する。
On the contrary, if the focal length is too long, the lens portion 1
Since c is a divergent system, the excitation light does not collect and diverges gently, so the difference between the intensity of the excitation light near the center of the optical fiber and the intensity of the excitation light passing near the outer periphery of the core of the optical fiber is small. Therefore, the curve of the excitation light mode draws a gentle curve, and the coupling efficiency is greatly reduced when the shape of the resonator mode curve is extremely different.

【0009】(b) また、励起光がレーザ媒質2に入
射する付近の共振器モードのスポットサイズ(以下、単
に共振器モード半径という)が光ファイバのコア半径に
比して大き過ぎると、共振器モード内に取込む励起光量
は多いが、共振器におけるレーザ光の分布の拡がりに対
し、レーザ媒質に入射する励起光の分布の広がりが小さ
くなるため、共振器モード径を適当な大きさとした場合
に比し、結合効率は低いものになる。
(B) Further, if the spot size of the resonator mode (hereinafter, simply referred to as the resonator mode radius) near the excitation light entering the laser medium 2 is too large as compared with the core radius of the optical fiber, resonance occurs. Although the amount of pumping light that is taken into the cavity mode is large, the spread of the pumping light incident on the laser medium becomes smaller compared to the spread of the laser light distribution in the resonator, so the resonator mode diameter was set to an appropriate size. The binding efficiency is lower than in the case.

【0010】逆に、共振器モード径が小さ過ぎると共振
器モード内に取り込む励起光量が少ないので吸収の割合
は低下し、やはり結合効率は高くない。
On the other hand, if the resonator mode diameter is too small, the amount of pumping light taken into the resonator mode is small, so the absorption rate decreases, and the coupling efficiency is not high.

【0011】これらの特性のため、レーザ媒質中の光フ
ァイバ出射光状態を示す励起光モードを固体レーザの共
振器モードに効率良く結合するのは困難である。結合効
率を高めるには、これらの特性を考慮して、レンズの焦
点距離、光ファイバのコア半径、共振器モード径、各構
成部分の相対的な位置関係等を数値的に特定する必要が
あるが、結合効率を左右する要因は数多くあるため、こ
れらを適当な値に組み合わせて最高の結合効率を得るの
は容易ではない。
Due to these characteristics, it is difficult to efficiently couple the pumping light mode showing the optical fiber emission light state in the laser medium to the resonator mode of the solid-state laser. In order to improve the coupling efficiency, it is necessary to numerically specify the focal length of the lens, the core radius of the optical fiber, the mode diameter of the resonator, the relative positional relationship of each component, etc. in consideration of these characteristics. However, since there are many factors that influence the coupling efficiency, it is not easy to combine these with appropriate values to obtain the maximum coupling efficiency.

【0012】この発明は、従来技術において問題とされ
ていなかった結合効率の向上という点に着目し、結合効
率のよい固体レーザ装置を提供することを目的としたも
のである。
The present invention aims to provide a solid-state laser device having a high coupling efficiency, focusing on the improvement of the coupling efficiency which has not been a problem in the prior art.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、励起光を発生させるための光源
と、前記光源からの励起光をレーザ媒質へ導光するため
の、光出射端面をレンズ状に形成した光ファイバと、こ
の光ファイバから励起光を受けとるレーザ媒質とを有
し、前記光ファイバの光出射端面のレンズ部分の焦点距
離は光ファイバコア半径の3倍から10倍の範囲であ
り、前記レーザ媒質は前記光ファイバの光出射端と密着
または近接されて配置され、前記光ファイバのコア半径
は、前記レーザ媒質の励起光入射部付近の共振器モード
半径と同程度であることを特徴としている。
In order to achieve such an object, the present invention provides a light source for generating excitation light, and a light source for guiding the excitation light from the light source to a laser medium. The optical fiber has an emission end face formed in a lens shape and a laser medium that receives excitation light from the optical fiber. The focal length of the lens portion of the light emission end face of the optical fiber is 3 to 10 times the radius of the optical fiber core. The laser medium is arranged in close contact with or close to the light emitting end of the optical fiber, and the core radius of the optical fiber is the same as the cavity mode radius near the pumping light incident part of the laser medium. It is characterized by the degree.

【0014】[0014]

【作用】これらの条件によって、励起光モードが固体レ
ーザの共振器モードに効率良く結合した結合効率の高い
レーザ装置が成立する。即ち、光ファイバ出射端面をレ
ーザ媒質入射端面に近接又は密着したことで、たとえ光
ファイバ出射光の拡がりが比較的大きくても、レーザ媒
質2の励起光入射端面付近では、励起光モードのスポッ
トサイズはまだ小さいので励起光の拡がりを考慮する必
要がなくなる。
With these conditions, a laser device having a high coupling efficiency in which the pumping light mode is efficiently coupled to the resonator mode of the solid-state laser is established. That is, even if the spread of the optical fiber output light is relatively large, the spot size of the pumping light mode is close to the pumping light mode of the laser medium 2 because the output end face of the optical fiber is close to or in close contact with the input end surface of the laser medium. Is still small, there is no need to consider the spread of the excitation light.

【0015】また、その場合において焦点距離を限定し
た事で、励起光モードの拡がりを押さえ、吸収の割合を
高くすることができる。
Further, in this case, by limiting the focal length, it is possible to suppress the spread of the excitation light mode and increase the absorption rate.

【0016】共振器モード径を光ファイバコア径と同程
度にする事で、レーザ装置の結合効率が大きくなる。即
ち、共振器モードと励起光の分布状態が同程度となり、
両者を効率よく結合することができる。これらの3つの
条件は、同時に満たされることが必要である。
By making the resonator mode diameter to be approximately the same as the optical fiber core diameter, the coupling efficiency of the laser device is increased. That is, the resonator mode and the distribution state of the excitation light are about the same,
Both can be efficiently combined. These three conditions need to be met at the same time.

【0017】[0017]

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0018】[実施例1]本発明の第一の実施例を図1
に示す。
[Embodiment 1] A first embodiment of the present invention is shown in FIG.
Shown in.

【0019】図1は、ステップインデックス型のマルチ
モード光ファイバの出射端を球面研磨しレンズ状に形成
し、半導体レーザの励起光を導き、エンド端面励起型の
固体レーザ共振器に励起光を導光・励起したときの例で
ある。
In FIG. 1, the exit end of a step index type multimode optical fiber is spherically polished and formed into a lens shape to guide the pumping light of a semiconductor laser, and the pumping light is guided to an end facet pumping type solid-state laser resonator. This is an example when light is excited.

【0020】半導体レーザ4から放出される励起光8
が、主にコア部1aとクラッド部1bより構成される光
ファイバ1に入射され、コア部1a内を反射しながら進
行する。
Excitation light 8 emitted from the semiconductor laser 4
Is incident on the optical fiber 1 mainly composed of the core portion 1a and the cladding portion 1b, and travels while reflecting inside the core portion 1a.

【0021】光ファイバ1の出射端面は後述する限定さ
れた範囲の曲率半径rでもって、球面研磨されている。
The emission end face of the optical fiber 1 is spherically polished with a radius of curvature r in a limited range described later.

【0022】光ファイバ1の出射端面1cはレーザ媒質
2の入射端面3に近接または接触している。接触してい
るほうが効率の面では望ましいが、接触させることによ
りレーザ媒質の一端に設けられた反射鏡3を傷付けるお
それもあるので、効率に影響のない範囲で近接させてお
くのも構わない。
The emission end face 1c of the optical fiber 1 is close to or in contact with the incidence end face 3 of the laser medium 2. It is desirable to make contact with each other in terms of efficiency, but since contact may cause damage to the reflecting mirror 3 provided at one end of the laser medium, it is possible to place them in close proximity within a range that does not affect efficiency.

【0023】励起光は平凸レンズ1cの焦点距離f付近
まで集光され、それ以降大きく拡がっていく。つまり焦
点距離は、励起光の拡がりが大きく変化するまでのおお
よその距離と、集光・拡がりの度合いを表している。
The excitation light is condensed to the vicinity of the focal length f of the plano-convex lens 1c, and spreads greatly thereafter. That is, the focal length represents the approximate distance until the spread of the excitation light changes greatly, and the degree of condensing / spreading.

【0024】この焦点距離fの限定範囲は、ファイバコ
ア半径dcの3倍以上10倍以下である。
The limited range of the focal length f is 3 times or more and 10 times or less of the fiber core radius dc.

【0025】平凸レンズの凸部の曲率半径rは、焦点距
離fとレンズの屈折率nで以下の式で表され、レンズの
曲率も限定されることになる。
The radius of curvature r of the convex portion of the plano-convex lens is expressed by the following formula with the focal length f and the refractive index n of the lens, and the curvature of the lens is also limited.

【0026】−r=f(1−n) 一方固体レーザ共振器は、レーザ媒質2の一端面に形成
された全反射鏡3と、出力鏡5によって組まれている。
レーザ入出力特性を良くするために、出力鏡5に曲率を
持たせることが多い。この出力鏡の曲率半径の大きさ、
全反射鏡3と出力鏡5の間の距離によって、共振器モー
ドが決まる。
-R = f (1-n) On the other hand, the solid-state laser resonator is composed of a total reflection mirror 3 formed on one end surface of the laser medium 2 and an output mirror 5.
In order to improve laser input / output characteristics, the output mirror 5 is often provided with a curvature. The size of the radius of curvature of this output mirror,
The distance between the total reflection mirror 3 and the output mirror 5 determines the resonator mode.

【0027】この場合、出力鏡5に曲率を持たせている
ことから、共振器モード6のモード径dlは、励起光と
の結合部分である全反射鏡3付近で最も小さくなり、光
ファイバ1のコア径dcと同程度となるように設定され
る。
In this case, since the output mirror 5 has a curvature, the mode diameter dl of the resonator mode 6 becomes the smallest in the vicinity of the total reflection mirror 3 which is the coupling portion with the excitation light, and the optical fiber 1 The core diameter dc is set to be approximately the same.

【0028】ステップインデックス型のマルチモード光
ファイバの代表的な仕様は、コア半径dc=0.2mm、
コア部屈折率n=1.5、NA=0.2程度である。
Typical specifications of the step index type multimode optical fiber are: core radius dc = 0.2 mm;
The core part has a refractive index n = 1.5 and NA = 0.2.

【0029】この場合、光ファイバ出射端に形成された
平凸レンズの焦点距離fは、光ファイバのコア半径の3
倍以上10倍以下でするので、fの取り得る範囲は以下
となる。
In this case, the focal length f of the plano-convex lens formed at the exit end of the optical fiber is 3 of the core radius of the optical fiber.
Since it is set to be not less than 10 times and not more than 10 times, the range that f can take is as follows.

【0030】0.6mm≦f≦2.0mm また前述の式より、レンズの凸部の曲率半径rの取り得
る範囲は以下となる。 0.3mm≦r≦1.0mm そして光ファイバ出射端面をレーザ媒質入射端面に近接
または接触させる。近接させる場合には、レーザ媒質と
光ファイバ出射端面の間の距離の許される範囲は、焦点
距離fの大きさにより異なる。
0.6 mm ≦ f ≦ 2.0 mm From the above equation, the range of the radius of curvature r of the convex portion of the lens is as follows. 0.3 mm ≦ r ≦ 1.0 mm Then, the exit end face of the optical fiber is brought close to or in contact with the entrance end face of the laser medium. When they are brought close to each other, the allowable range of the distance between the laser medium and the emission end face of the optical fiber differs depending on the size of the focal length f.

【0031】共振器モード半径dlは光ファイバのコア
径と同じとするので、dl=0.2mmに設定する。ここ
では広く利用されているYAGレーザ結晶をレーザ媒質
とする。
Since the resonator mode radius dl is the same as the core diameter of the optical fiber, it is set to dl = 0.2 mm. Here, a widely used YAG laser crystal is used as the laser medium.

【0032】一般的な波長拡がりをもった高出力半導体
レーザを励起光源とする。またYAGレーザ結晶に対す
る励起光の吸収係数は0.6mm-1である。
A high-power semiconductor laser having a general wavelength spread is used as an excitation light source. The absorption coefficient of the excitation light for the YAG laser crystal is 0.6 mm -1 .

【0033】ここで、このような範囲に限定すべき理由
を、理論計算と共に説明する。
Here, the reason why the range should be limited to this range will be explained together with theoretical calculation.

【0034】本発明から導かれる上記の設定で、共振器
モード半径dlを持ったYAGレーザ結晶の円筒内に、
ファイバ中を伝搬する励起光がレーザ媒質の共振器モー
ドの部分に吸収される割合ηを数値計算した。共振器モ
ード体積は最大値の1/e2以上のところを主要部分と
して計算した。共振器モード半径d1は光ファイバのコ
ア径dcと同じd1=0.2ミリに設定され、光ファイ
バの出射端面はレーザ媒質と近接または接触している場
合である。その結果が図2(a)である。焦点距離fが
短いと、吸収の割合が小さくなっている。吸収の割合が
小さいと、結合効率も減少する。
With the above settings derived from the present invention, in a cylinder of a YAG laser crystal having a cavity mode radius dl,
The ratio η at which the pumping light propagating in the fiber is absorbed in the cavity mode part of the laser medium is numerically calculated. The resonator mode volume was calculated with the main part being 1 / e 2 or more of the maximum value. The resonator mode radius d1 is set to d1 = 0.2 mm, which is the same as the core diameter dc of the optical fiber, and the emission end face of the optical fiber is close to or in contact with the laser medium. The result is shown in FIG. When the focal length f is short, the absorption rate is small. If the absorption rate is small, the binding efficiency also decreases.

【0035】焦点距離fが大きい場合には、吸収の割合
は依然として比較的大きいが、吸収の割合が大きくても
焦点距離fが大きすぎるとレーザ媒質に吸収された光で
あっても共振器モードの外に射出してしまい、共振に寄
与しないため、結合効率は高くならない。
When the focal length f is large, the absorption ratio is still relatively large. However, even if the absorption ratio is large, if the focal length f is too large, even the light absorbed by the laser medium is in the resonator mode. The coupling efficiency does not increase because it is emitted outside the cavity and does not contribute to resonance.

【0036】次に、結合係数Cp (共振器モードと励起
モードの結合度合いを表した係数)とレンズの焦点距離
fの関係を図2(b)に示す。結合係数は、結合効率の
良否を表す指標の一つであり、その計算式は、Az をレ
ーザ媒質による励起光の吸収が50%となるところの励
起光の有効断面積として、次のようになる。
Next, FIG. 2B shows the relationship between the coupling coefficient Cp (coefficient representing the degree of coupling between the resonator mode and the excitation mode) and the focal length f of the lens. The coupling coefficient is one of the indexes showing the quality of the coupling efficiency, and its calculation formula is as follows, where Az is the effective cross section of the excitation light at which the absorption of the excitation light by the laser medium is 50%. Become.

【0037】Cp =η/Az 図2(b)から分かるように、結合係数はレンズの焦点
距離fが1.0MM付近で最大となり、焦点距離fが短い
場合も、長い場合も結合係数は大きく低下する。
Cp = η / Az As can be seen from FIG. 2 (b), the coupling coefficient becomes maximum when the focal length f of the lens is around 1.0 MM, and the coupling coefficient is large both when the focal length f is short and when it is long. descend.

【0038】図3から図6は、各焦点距離での空気中に
おける励起光のファイバ出射状態を示している。励起光
の出射状態は、レンズ部分をある焦点距離に特定した場
合の光の進行方向を屈折の法則(スネルの法則)により
計算したものである。
FIG. 3 to FIG. 6 show the fiber emission states of the excitation light in the air at each focal length. The emission state of the excitation light is calculated by the law of refraction (Snell's law) of the traveling direction of light when the lens portion is specified at a certain focal length.

【0039】空気中の光の出射状態を計算したため、光
ファイバ出射端面をレーザ媒質入射端面に接触した場
合、実際のレーザ媒質中の焦点位置は、空気中での焦点
距離にレーザ媒質の屈折率をかけた位置に対応し、拡が
りも違ってはいるが、励起光モードが各焦点距離により
どの様に変わるかは同様の関係にある。
Since the emission state of light in air was calculated, when the emission end face of the optical fiber is in contact with the incident end face of the laser medium, the actual focal position in the laser medium is the refractive index of the laser medium at the focal length in air. Corresponding to the position multiplied by, the spread is different, but how the excitation light mode changes with each focal length has a similar relationship.

【0040】図3は焦点距離fが上記の設定の範囲外で
ある光ファイバコア半径の2倍のf=0.4mmでの励起
光のファイバ出射状態を示しており、励起光は焦点位置
付近で集光することがわかる。
FIG. 3 shows a state in which the excitation light is emitted from the fiber at a focal length f of 0.4 mm, which is twice the radius of the optical fiber core, which is outside the above-mentioned setting range. You can see that the light is condensed at.

【0041】ここでファイバコア外周付近を通る励起光
は、レンズ部分1cの曲率の大きさのため、端面1cで
反射して出射されない。
The excitation light passing near the outer circumference of the fiber core is not emitted by being reflected by the end face 1c because of the size of the curvature of the lens portion 1c.

【0042】また遠方での励起光の発散はかなり大き
い。
Further, the divergence of the excitation light in the distance is quite large.

【0043】図2(a)より吸収の割合は約48%と低
い。また図2(b)より、結合係数は約3.1mm-1と小
さい。
As shown in FIG. 2A, the absorption rate is low at about 48%. Further, as shown in FIG. 2B, the coupling coefficient is as small as about 3.1 mm -1 .

【0044】図4は焦点距離fが上記の設定の範囲内で
ある焦点距離f=0.6mmでの励起光のファイバ出射状
態を示している。
FIG. 4 shows a state in which the excitation light is emitted from the fiber when the focal length f is within the range of the above setting and the focal length f is 0.6 mm.

【0045】励起光はある程度集光される範囲が長く、
有効なスポット径も小さい。
Excitation light has a long condensing range,
The effective spot diameter is also small.

【0046】前記と同様な計算で、吸収の割合は約76
%とf=0.4mmの場合に比較して大きい。結合係数も
4.4mm-1と若干増加する。
According to the same calculation as above, the absorption rate is about 76.
% And f = 0.4 mm are larger than the case. The coupling coefficient also increases slightly to 4.4 mm -1 .

【0047】図5は上記の設定の範囲内の焦点距離f=
1.0mmでの励起光のファイバ出射状態を示している。
FIG. 5 shows the focal length f = within the above setting range.
The fiber output state of the excitation light at 1.0 mm is shown.

【0048】スポット径はファイバコア径と同程度だ
が、発散の始まりが遠方にあり、レーザ媒質の吸収率
0.6mm-1からすれば十分である。
The spot diameter is about the same as the fiber core diameter, but the beginning of divergence is distant, and it is sufficient if the absorption rate of the laser medium is 0.6 mm -1 .

【0049】同じ計算により、吸収の割合は最高値、約
85%が得られる(図2(a))。また、結合係数も最
大の7.5mm-1となる(図2(b))。
With the same calculation, the maximum absorption rate of about 85% is obtained (FIG. 2 (a)). The maximum coupling coefficient is 7.5 mm -1 (Fig. 2 (b)).

【0050】図6は上記の設定の範囲内の焦点距離f=
1.6mmでの励起光のファイバ出射状態である。
FIG. 6 shows the focal length f = within the range of the above setting.
This is a state where the excitation light is emitted from the fiber at 1.6 mm.

【0051】励起光はある程度まではレンズ径とほぼ同
じスポット径で進行し、その後は発散するのでもはや光
ファイバコアのコアの直径より小さくスポットを結ぶこ
とはなくなるが、吸収の割合は約83%ある。また、結
合係数はかなり減少するがf=0.6mmの場合に近いC
p=4.2mm-1となる。
The excitation light travels to a spot diameter approximately the same as the lens diameter up to a certain degree, and thereafter diverges, so that the spot is no longer smaller than the diameter of the core of the optical fiber core, but the absorption rate is about 83%. is there. Also, the coupling coefficient is considerably reduced, but it is close to the case of f = 0.6 mm C
p = 4.2 mm −1 .

【0052】図7は上記の設定の範囲の上限である焦点
距離f=2.0mmの場合である。励起光はレンズ近傍か
ら穏やかに発散し、出射光はレンズ径よりも大きくひろ
がる。吸収の割合はまだ80%あるが、結合係数は約
3.7mm-1と小さくなるため、結合効率は低くなる。
FIG. 7 shows the case where the focal length f = 2.0 mm, which is the upper limit of the range set above. The excitation light is gently diverged from the vicinity of the lens, and the emitted light is wider than the lens diameter. Although the absorption rate is still 80%, the coupling coefficient is small at about 3.7 mm -1, and the coupling efficiency is low.

【0053】図8、図9は上記の設定の範囲外である焦
点距離f=4.0mm、f=140mmの場合である。出射
光の拡がりは、レンズ近郊からf=2.0mmの場合より
も更に大きく発散し、出射光はレンズ径よりも大きく広
がる。そのため、吸収の割合が低下はf=0.6未満の
場合よりも著しくないが、レーザ媒質に吸収された光で
あっても共振器モードの外に射出するものが多くなるた
め、図2結合係数は2.8mm-1以下に低下する(図2
(b)。
FIGS. 8 and 9 show the cases where the focal lengths f = 4.0 mm and f = 140 mm, which are out of the range of the above setting. The spread of the emitted light diverges further from the suburbs of the lens than when f = 2.0 mm, and the emitted light spreads larger than the lens diameter. Therefore, the decrease in the absorption rate is not so remarkable as in the case where f is less than 0.6. However, even if the light absorbed in the laser medium is emitted to the outside of the resonator mode, there are many cases. The coefficient drops below 2.8 mm -1 (Fig. 2
(B).

【0054】このように、焦点距離が光ファイバコア半
径の5倍付近(f=1.0mm)の場合に吸収の割合ひい
ては結合効率が最も高くなる範囲であり、10倍(f=
2.0mm)、3倍(f=0.6mm)付近が、上記の効果
が期待できる境界点といえる。
As described above, when the focal length is about 5 times the radius of the optical fiber core (f = 1.0 mm), the absorption ratio and thus the coupling efficiency are the highest, and 10 times (f =
It can be said that the boundary point where the above effects can be expected is around 2.0 mm) and 3 times (f = 0.6 mm).

【0055】また光ファイバ出射端面をレーザ媒質入射
端面から遠ざけた場合、図2の曲線はその吸収の割合ピ
ークが下がり、結合効率も低下する。
Further, when the emission end face of the optical fiber is moved away from the incidence end face of the laser medium, the curve of FIG. 2 has a lower absorption rate peak and a lower coupling efficiency.

【0056】従って、上記のように焦点距離を限定する
こと、光ファイバ出射端面をレーザ媒質入射端面に近接
または密着して配置することの2つの条件を満たして初
めて結合効率の向上が達成される。
Therefore, the improvement of the coupling efficiency can be achieved only when the two conditions of limiting the focal length and arranging the optical fiber emitting end face close to or in close contact with the laser medium incident end face as described above are satisfied. .

【0057】更に、上記2条件を満たしても、共振器モ
ード径を光ファイバコア径より大きくした場合、図2の
曲線は上方にシフトするようになるが、共振器モード径
に対する励起光密度が小さくなるため、結合効率は低下
する。
Furthermore, even if the above two conditions are satisfied, when the resonator mode diameter is made larger than the optical fiber core diameter, the curve of FIG. 2 shifts upward, but the pumping light density with respect to the resonator mode diameter is Since the size becomes smaller, the coupling efficiency decreases.

【0058】逆に共振器モード径を小さくした場合、励
起光密度は大きくなるが図2の曲線は下方にシフトし、
やはり結合効率は低下する。
Conversely, when the resonator mode diameter is reduced, the excitation light density increases, but the curve in FIG. 2 shifts downward,
After all, the coupling efficiency is reduced.

【0059】従って、上記2条件を満たしたうえで、更
に共振器モード径を光ファイバコア径を同程度にすると
結合効率は高く保たれる。
Therefore, if the resonator mode diameter and the optical fiber core diameter are set to the same degree after satisfying the above two conditions, the coupling efficiency can be kept high.

【0060】なお、本実施例においてはステップインデ
ックス型のマルチモードの光ファイバを用いたが、本発
明はこれに限られるものではなく、グレーテッド型の光
ファイバでもよい。
Although the step index type multimode optical fiber is used in this embodiment, the present invention is not limited to this, and a graded type optical fiber may be used.

【0061】[実施例2]本発明の第2の実施例を図1
0に示す。これは多端面励起型の固体レーザ装置であ
る。
[Embodiment 2] A second embodiment of the present invention is shown in FIG.
It shows in 0. This is a multi-edge pumped solid-state laser device.

【0062】なお、第一の実施例と同じ構成の箇所には
同じ符号を付してある。
The parts having the same structures as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals.

【0063】光ファイバのレンズ部分の焦点距離、共振
器モード半径の大きさ等は、図1の実施例と同様な条件
となっている。光ファイバから出射した光は、レーザ媒
質の両面に付された1064mm高反射鏡間を経て出力鏡
5と全反射鏡3の間で共振する。当実施例では複数の光
ファイバから入射する励起光が同一の共振器モード内で
共振するためトータルの励起光量が増え、結合効率が高
い高出力レーザ光が取り出せる。
The focal length of the lens portion of the optical fiber, the size of the resonator mode radius, and the like are the same as those in the embodiment of FIG. The light emitted from the optical fiber resonates between the output mirror 5 and the total reflection mirror 3 after passing through the 1064 mm high reflection mirrors provided on both sides of the laser medium. In this embodiment, since the pumping lights incident from a plurality of optical fibers resonate in the same resonator mode, the total pumping light amount increases and a high output laser light with high coupling efficiency can be extracted.

【0064】[実施例3]本発明の第3の実施例を図1
1に示す。第一実施例と同様の構成は同一の符号を付し
て説明する。これは第一実施例において、光ファイバ出
射端のレンズ部分を平面状のレンズ機能を持つ光学素子
に置き換えた構成である。
[Embodiment 3] A third embodiment of the present invention is shown in FIG.
Shown in 1. The same configurations as those in the first embodiment will be described with the same reference numerals. This is a configuration in which the lens portion at the exit end of the optical fiber is replaced with an optical element having a planar lens function in the first embodiment.

【0065】この光学素子はフレネルレンズ、フォログ
ラムレンズ、屈折率分布型レンズなどである。このレン
ズの場合レンズの収差を取る事が比較的容易なので、励
起高モードを固体レーザの共振器モードに効率良く結合
することができる。
This optical element is a Fresnel lens, a phorogram lens, a gradient index lens, or the like. In the case of this lens, it is relatively easy to remove the aberration of the lens, so that the pumping high mode can be efficiently coupled to the resonator mode of the solid-state laser.

【0066】[0066]

【発明の効果】本発明により、励起光の共振器モードに
対する結合効率を高くすることができる。
According to the present invention, the coupling efficiency of pumping light with respect to the resonator mode can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第一の実施例における光ファイバを用
いた固体レーザ装置の構成図、
FIG. 1 is a configuration diagram of a solid-state laser device using an optical fiber according to a first embodiment of the present invention,

【図2】(a)は、光ファイバの光出射端面のレンズ部
分の焦点距離とレーザ装置の吸収の割合との関係を示す
グラフ、(b)は、光ファイバの光出端面のレンズ部分
の焦点距離とレーザ装置の結合係数との関係を示すグラ
フ、
FIG. 2A is a graph showing the relationship between the focal length of the lens portion of the light emitting end surface of the optical fiber and the absorption rate of the laser device, and FIG. 2B is the graph of the lens portion of the light emitting end surface of the optical fiber. A graph showing the relationship between the focal length and the coupling coefficient of the laser device,

【図3】焦点距離f=0.4mmでの空気中における励起
光のファイバ出射状態を示す図、
FIG. 3 is a diagram showing a fiber emission state of excitation light in air at a focal length f = 0.4 mm,

【図4】焦点距離f=0.6mmでの空気中における励起
光のファイバ出射状態を示す図、
FIG. 4 is a diagram showing a fiber emission state of excitation light in air at a focal length f = 0.6 mm,

【図5】焦点距離f=1.0mmでの空気中における励起
光のファイバ出射状態を示す図、
FIG. 5 is a diagram showing a fiber emission state of excitation light in air at a focal length f = 1.0 mm,

【図6】焦点距離f=1.6mmでの空気中における励起
光のファイバ出射状態を示す図、
FIG. 6 is a diagram showing a fiber emission state of excitation light in air at a focal length f = 1.6 mm,

【図7】焦点距離f=2.0mmでの空気中における励起
光のファイバ出射状態を示す図、
FIG. 7 is a diagram showing a fiber emission state of excitation light in air at a focal length f = 2.0 mm,

【図8】焦点距離f=4.0mmでの空気中における励起
光のファイバ出射状態を示す図、
FIG. 8 is a diagram showing a fiber emission state of excitation light in air at a focal length f = 4.0 mm,

【図9】焦点距離f=140mmでの空気中における励起
光のファイバ出射状態を示す図、
FIG. 9 is a diagram showing a fiber emission state of excitation light in air at a focal length f = 140 mm,

【図10】本発明の他の実施例における多端面励起光の
固体レーザ装置の構成図、
FIG. 10 is a configuration diagram of a solid-state laser device for pumping multi-end facet light according to another embodiment of the present invention,

【図11】本発明の他の実施例における光ファイバ出射
端に平面上のレンズ機能を持つ光学素子(フレネルレン
ズ、フォログラムレンズ、屈折率分布型レンズ等)を形
成したエンド端面型の固体レーザ共振器の構成図、
FIG. 11 is an end facet type solid-state laser resonance in which an optical element having a lens function on a plane (Fresnel lens, phorogram lens, gradient index lens, etc.) is formed at the exit end of the optical fiber in another embodiment of the present invention. Configuration diagram of the vessel,

【図12】従来例の光ファイバの出射端をレンズ上形成
したレーザ装置の基本的構成図、
FIG. 12 is a basic configuration diagram of a laser device in which an emission end of an optical fiber of a conventional example is formed on a lens,

【図13】従来例の光ファイバ結合型固体レーザの構成
図。
FIG. 13 is a configuration diagram of a conventional optical fiber coupled solid-state laser.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…光ファイバ 1a…コア部 1b…クラッド部 1c…平凸レンズ 2…レーザ媒質 3…全反射鏡 4…半導体レーザ 5…出力鏡 6…共振器モード 7…励起光モード 8…励起光 9…1064mm高反射鏡 10…フレネルレンズ 11…レンズ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical fiber 1a ... Core part 1b ... Clad part 1c ... Plano-convex lens 2 ... Laser medium 3 ... Total reflection mirror 4 ... Semiconductor laser 5 ... Output mirror 6 ... Resonator mode 7 ... Excitation light mode 8 ... Excitation light 9 ... 1064mm High reflecting mirror 10 ... Fresnel lens 11 ... Lens

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 励起光を発生する光源と、共振器を有し
前記励起光の入射により共振器モードにおいてレーザ光
を励起するレーザ媒質と、前記光源とレーザ媒質との間
に配置され前記光源からの励起光を前記レーザ媒質へ導
光するための光出力端面をレンズ部とし、主にコアとク
ラッドで形成された光ファイバとを具備する光ッファイ
バを用いた固体レーザ装置において、前記光ファイバの
光出射端面のレンズ部の焦点距離は光ファイバコア半径
の3倍から10倍の範囲であり、前記レーザ媒質は前記
光ファイバの光出射端と密着または近接されて配置さ
れ、前記光ファイバのコア半径は、前記レーザ媒質の励
起光入射部付近の共振器モード半径と同程度であること
を特徴とする光ファイバを用いた固体レーザ装置。
1. A light source that generates excitation light, a laser medium that has a resonator and that excites laser light in a resonator mode by the incidence of the excitation light, and the light source that is disposed between the light source and the laser medium. In the solid-state laser device using an optical fiber having an optical output end face for guiding excitation light from the laser medium to the laser medium as a lens part and mainly including an optical fiber formed of a core and a clad, the optical fiber The focal length of the lens portion of the light emitting end surface of the optical fiber is in the range of 3 to 10 times the radius of the optical fiber core, and the laser medium is arranged in close contact with or close to the light emitting end of the optical fiber. A solid-state laser device using an optical fiber, wherein the core radius is about the same as the cavity mode radius near the pumping light incident part of the laser medium.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006147987A (en) * 2004-11-24 2006-06-08 Keyence Corp Laser oscillator

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