JPWO2003067723A1 - Multimode optical fiber, fiber laser amplifier and fiber laser oscillator - Google Patents
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Abstract
励起光を吸収して利得を発生する利得媒質をマルチモードコアのコア中心領域にドープするとともに、クラッドに接するマルチモードコアのコア周辺領域と、マルチモードコアに接するクラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質をドープする。The core medium region of the multimode core is doped with a gain medium that absorbs excitation light and generates gain, and at least a core peripheral region of the multimode core in contact with the cladding and a cladding central region of the cladding in contact with the multimode core One side is doped with an absorbing medium that absorbs signal light.
Description
技術分野
この発明は、高ピークパワー出力を実現するための構造を持ったマルチモード光ファイバに係るものである。また、この発明は、このマルチモード光ファイバを適用したファイバレーザ増幅器およびファイバレーザ発振器に関するものである。
背景技術
まず始めに、光ファイバ中をレーザ光が単一モードのみで伝搬する場合、すなわち光ファイバがシングルモード(以下、SMと略す)光ファイバであるための条件と、光ファイバ中をレーザ光が複数モードで伝搬する場合、すなわち光ファイバがマルチモード(以下、MMと略す)光ファイバであるための条件とについて、簡単に説明する。
光ファイバの正規化周波数Vは、次の式(1)で表される。
V=(2πa/λ)・√(n1 2−n2 2) (1)
式(1)において、aは光ファイバのコア半径、λは光ファイバを伝搬するレーザ光の波長、n1は光ファイバのコアの屈折率、n2はコア周りのクラッドの屈折率である。
光ファイバがSM光ファイバであるための条件はV<2.405で表され、この条件を満たす光ファイバをレーザ光は単一モードのみで伝播する。一方、V>2.405の条件を満たす光ファイバはMM光ファイバであり、複数の伝搬モードが存在する。MM光ファイバの伝搬モードの数Nは、近似的に以下の式(2)で表される。
N=V2/2 (2)
SM光ファイバは、希土類などの活性イオンがそのコアにドープ(dope[英])され、ファイバレーザ発振器やファイバレーザ増幅器(以下、ファイバレーザと称す)にしばしば適用される。これらのファイバレーザでは、レーザ出力光のビームモードがSM光ファイバの基本モードのみに制限されるため、ほぼ回折限界のビーム品質を有するレーザ光を実現することができる。
ところで、高出力、特にレーザ光をパルス状にする場合などの高ピークパワー出力をファイバレーザで実現したい場合がある。しかしながら、SM光ファイバを適用したファイバレーザでは、SM光ファイバの小さなコアにレーザ光を閉じ込めるため、光ファイバ内部での誘導ブリルアン散乱や光ファイバ端面の損傷などによって最大出力が制約されてしまう。
この最大出力の制約上限を緩和するために、光ファイバのコア半径aを拡大することが考えられる。コア半径aを大きくすることによって、光ファイバ内部および光ファイバ端面におけるパワー密度を相対的に低下できるからである。だが式(1)から分かるように、SM光ファイバの場合、同じ正規化周波数Vを保って(SM光ファイバの条件V<2.405を満たして)コア半径aを大きくするには、コア屈折率n1とクラッド屈折率n2との差を小さくする必要がある。
例えば波長1.5μmにおけるSM光ファイバでコア直径を15μm程度まで拡大した報告はあるものの、コア半径aをさらに大きくして最大出力の制約上限を緩和するためには、コア屈折率n1とクラッド屈折率n2との差を一層小さくする必要があり、製造が難しくなるとともに、大きな曲げ損失を発生させてしまう原因となる。つまり、SM光ファイバを用いたファイバレーザでは、高ピークパワー出力を得ることは困難であった。
光ファイバのコア半径aを大きくしてパワー密度を低減するために、希土類などの活性イオンをコアにドープしたMM光ファイバをファイバレーザに適用するという別の発想もある。前述したように、MM光ファイバの条件はV>2.405なので、コア屈折率n1とクラッド屈折率n2との差を考慮する必要がなく、コア半径aを拡大する点に関しては問題が生じないからである。
しかし、MM光ファイバは多数の伝搬モードを有するため、MM光ファイバを使ってファイバレーザ発振器を構成した場合、複数のモードでレーザ発振が生じてしまい、ほぼ回折限界のレーザ出力光を得ることは困難である。
また、MM光ファイバをファイバレーザ増幅器に用いた場合、入射光として回折限界のレーザ光を入射しても、光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードへエネルギーが変換されて高次モードが発生し増幅されてしまうため、ファイバレーザ増幅器からの出力として、ほぼ回折限界のレーザ出力光を実現することは困難である。
さらに、MM光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器では、自然放出光が多数の伝搬モードに結合して増幅され、ASE(Amplified Spontaneous Emission[英])を発生するため、入射する信号光に対して大きな雑音成分が付加されるとともに、ASEが増幅されてコア内に蓄えられたエネルギーを消費するため、増幅効率が低下してしまう。
さらに加えて、MM光ファイバは、伝搬モードによって異なる伝搬速度(群速度)を有するため、大きな分散が生じてしまう。
このような問題を解決する手法として、次の第1図に示すような構造を持った従来のMM光ファイバが提案されている。この従来のMM光ファイバは、特開平11−74593号公報に開示されたものである。
第1図A〜第1図Cは従来のMM光ファイバの構造を示す図である。第1図AはMM光ファイバの正面構造図、第1図BはMM光ファイバの屈折率プロファイル・ドーパントプロファイル、第1図CはMM光ファイバの側面構造図である。正面とはMM光ファイバの光軸と直交した平面によるMM光ファイバの切断面を、側面とはMM光ファイバの光軸を含んだ平面によるMM光ファイバの切断面をそれぞれ意味している。
第1図A〜第1図Cにおいて、100は従来のMM光ファイバ、101はMMコア、102はクラッドである。MMコア101とクラッド102とからMM光ファイバ100が構成されている。また、MMコア101において、101Aは希土類をドープしたコア中心領域、101Bは希土類をドープしていないコア周辺領域である。MMコア101は、コア中心領域101Aと、コア中心領域101A周りのコア周辺領域101Bとによって構成されており、コア中心領域101Aの屈折率とコア周辺領域101Bの屈折率とは一致するように調整されている。
次に動作について説明する。
コア中心領域101Aにドープされた希土類によって吸収される励起光をMM光ファイバ100へ入射すると、コア中心領域101Aのみに利得が発生する。このとき、MM光ファイバ100における複数の伝搬モードのうち、コア中心領域101Aに強い強度分布を持った伝搬モードに対する利得が、他の伝搬モードに対する利得に比べて大きくなる。
基本モードのレーザ光の強度分布はガウス分布で近似的に表され、コア中心付近の強度分布が強くなっている。したがって、MM光ファイバ100では、コア中心付近の強度が小さい高次モードに比べて、基本モードの利得が大きくなる。この結果、MM光ファイバ100を使ったファイバレーザ増幅器へ基本モードのレーザ光を信号光として入射した場合、高次の伝搬モードで増幅されるレーザ光は減少し、基本モードで増幅されるレーザ光が大きくなる。
ここで、MM光ファイバ100内の伝搬モードに発生する利得の計算結果の一例を次の第2図に示す。この利得の計算結果は、基本モードLP01と、基本モードLP01の強度分布形状に比較的近い強度分布を持った高次のモードLP02と、高次のモードの中で最も次数の低い低次モードLP11とに対して行なったものである。
第2図は第1図のMM光ファイバ100の伝搬モードに発生する利得を示す図である。第2図の横軸はコア中心領域101Aの半径であり、MMコア101の半径で規格化している。また、第2図の縦軸は各モードLP01,LP02,LP11に発生する利得であり、伝搬モードの強度分布が存在する全領域が利得を持つ場合の各モードに発生する利得で規格化してある。
第2図を見ると、コア中心領域101Aの半径によらず、各モードLP01,LP02,LP11ともに利得が発生していることが分かる。特に高次のモードLP02では、コア中心領域101Aの半径が小さいところで、基本モードLP01よりも大きな利得が生じている。
したがって、従来のMM光ファイバ100では、基本モードLP01から高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生すると、高次モードも増幅されてしまうことになる。
また、高次のモードを持ったビーム品質の低いレーザ光が第1図のMM光ファイバ100へ信号光として入射した場合には、高次のモードまでもが増幅されてしまう。
さらに、MM光ファイバ100では、ASEも同様に増幅されるため、信号光に対して大きな雑音成分が付加されてしまうとともに、ASEに対しての増幅によってコア内に蓄えられたエネルギーが消費されるため、増幅効率が低下してしまう。
従来のマルチモード光ファイバは以上のように構成されているので、基本モードのみを選択的に増幅することができず、高次モードと、高次のモードに結合するASEとを抑制することができないという課題があった。
従来のシングルモード光ファイバを用いたファイバレーザ発振器やファイバレーザ増幅器は、光ファイバ端面の損傷や誘導ブリルアン散乱などにより出力が制限されるため、高出力、特にレーザ光をパルス状に出力する場合などの高ピークパワー出力を実現することができないという課題があった。
従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器は、高次のモードに対しても利得を有するため、回折限界のレーザ光を信号光として入射しても、光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生し増幅されるため、高次のモードを抑制することができず、ほぼ回折限界の出方を実現することができないという課題があった。
また、従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器は、高次の伝搬モードの一部でコア中心付近の強度分布が強くなるため、基本モードと同様に大きな利得が発生してしまい、基本モードのみを選択的に増幅することができないという課題があった。
さらに、従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器は、自然放出光が高次のモードに結合して同様に増幅されるため、ASEによる雑音成分と、ASEによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを完全に抑制できず、増幅効率が低下してしまうという課題があった。
さらに、従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器は、光ファイバ内の散乱による基本モードから高次モードへのエネルギーの変換を減少させるため、光ファイバ内の散乱が小さくなるような特殊な製造方法を用いなければならないという課題があった。
さらに、従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器は、曲げなどの応力による基本モードから高次モードへのエネルギーの変換を減少させるため、クラッドの厚みを大きくしなければならないという課題があった。
従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ発振器は、高次のモードに対しても利得を持つために高次モードのレーザ発振が生じ、ほぼ回折限界のレーザ出力光を得ることができないという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、基本モードのみを選択的に増幅し、高次モードと、高次のモードに結合するASEとを抑制することが可能なマルチモード光ファイバを提供することを目的とする。
また、この発明は、高ピークパワー出力を実現することが可能なファイバレーザ増幅器およびファイバレーザ発振器を提供することを目的とする。
発明の開示
この発明に係るマルチモード光ファイバは、励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、クラッドに接するマルチモードコアのコア周辺領域と、マルチモードコアに接するクラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされるようにしたものである。
このことにより、マルチモード光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもマルチモード光ファイバ内でほとんど増幅されないので、高次のモードをほぼ完全に抑制でき、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
また、このことにより、高次のモードに結合して増幅される自然放出光を抑制でき、ASEによる雑音成分と、ASEによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅を抑制でき、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってマルチモード光ファイバを製造できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅を抑制でき、クラッドの厚みを小さくできるという効果が得られる。
この発明に係るマルチモード光ファイバは、マルチモードコアよりも屈折率が小さく、マルチモードコア周りに設けられた第1のクラッドと、第1のクラッドよりも屈折率が小さく、第1のクラッド周りに設けられた第2のクラッドとからクラッドが構成されるようにしたものである。
このことにより、大パワーの励起光をマルチモード光ファイバへ入射できるようになり、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。
この発明に係るマルチモード光ファイバは、光軸と直交する平面で切断した際の第1のクラッドの正面外形が多角形に形成されるようにしたものである。
このことにより、利得媒質に吸収されない励起光を減少させることができ、増幅効率を向上できるという効果が得られる。
この発明に係るマルチモード光ファイバは、光軸と直交する平面で切断した際の第1のクラッドの正面外形が円形に対して凹凸を有する形状に形成されるようにしたものである。
このことにより、利得媒質に吸収されない励起光を減少させることができ、増幅効率を向上できるという効果が得られる。
この発明に係るマルチモード光ファイバは、利得媒質としてエルビウムがドープされるとともに、吸収媒質としてコバルトがドープされるようにしたものである。
このことにより、1.53μm〜1.6μmの波長帯でほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
この発明に係るマルチモード光ファイバは、利得媒質としてネオジウムがドープされるとともに、吸収媒質としてプラセオジウムまたはサマリウムがドープされるようにしたものである。
このことにより、1.05μm付近の波長帯でほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ増幅器は、信号光の基本モードに対して利得を与え、信号光の高次モードに対して損失を与えるマルチモード光ファイバと、ほぼ回折限界の信号光を出力するシングルモードレーザ発振器と、マルチモード光ファイバの一端に設けられ、シングルモードレーザ発振器から出力した信号光をマルチモード光ファイバの基本モードにほぼ一致させてマルチモード光ファイバの一端へ入射する第1の光学系と、励起光を出力する励起光源と、マルチモード光ファイバの他端に設けられ、励起光源から出力した励起光をマルチモード光ファイバの他端へ入射するとともに、マルチモード光ファイバの他端から出射した信号光を透過する第2の光学系とを備えるようにしたものである。
このことにより、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ増幅器は、シングルモードレーザ発振器がほぼ回折限界の信号光をパルス状にして出力するとともに、シングルモードレーザ発振器から出力したパルス状の信号光のパルス幅を拡大するパルス幅拡大器を第1の光学系が備え、マルチモード光ファイバの他端から出射した信号光のパルス幅を圧縮するパルス幅圧縮器を第2の光学系が備えるようにしたものである。
このことにより、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力がパルス状の信号光で実現できるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ増幅器は、マルチモード光ファイバが、励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、クラッドに接するマルチモードコアのコア周辺領域と、マルチモードコアに接するクラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされるようにしたものである。
このことにより、マルチモード光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもマルチモード光ファイバ内でほとんど増幅されないので、高次のモードをほぼ完全に抑制でき、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
また、このことにより、高次のモードに結合して増幅される自然放出光を抑制でき、ASEによる雑音成分と、ASEによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅を抑制でき、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってマルチモード光ファイバを製造できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅を抑制でき、クラッドの厚みを小さくできるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ発振器は、信号光の基本モードに対して利得を与え、信号光の高次モードに対して損失を与えるマルチモード光ファイバと、マルチモード光ファイバの一端に設けられ、マルチモード光ファイバの一端から出射した発振光を反射してマルチモード光ファイバの一端へ入射する全反射ミラーと、マルチモード光ファイバの他端に設けられ、マルチモード光ファイバの他端から出射した発振光を部分反射する部分反射ミラーと、励起光を出力する励起光源と、励起光源から出力した励起光を全反射ミラーまたは部分反射ミラーを介してマルチモード光ファイバの一端または他端へ入射する第2の光学系とを備えるようにしたものである。
このことにより、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ発振器は、全反射ミラーとマルチモード光ファイバとの間、部分反射ミラーとマルチモード光ファイバとの間、またはマルチモード光ファイバ中のうちのいずれかの位置にレーザ発振としてパルスを発生させるパルス発生手段を備えるようにしたものである。
このことにより、ほぼ回折限界、高ピークパワー出力のパルス状レーザ発振を実現できるという効果が得られる。
この発明に係るファイバレーザ発振器は、マルチモード光ファイバが、励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、クラッドに接するマルチモードコアのコア周辺領域と、マルチモードコアに接するクラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされるようにしたものである。
このことにより、マルチモード光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもマルチモード光ファイバ内でほとんど増幅されないので、高次のモードをほぼ完全に抑制でき、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
また、このことにより、高次のモードに結合して増幅される自然放出光を抑制でき、ASEによる雑音成分と、ASEによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅を抑制でき、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってマルチモード光ファイバを製造できるという効果が得られる。
さらに、このことにより、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅を抑制でき、クラッドの厚みを小さくできるという効果が得られる。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について添付の図面に従って説明する。
実施の形態1.
第3図A〜第3図Cはこの発明の実施の形態1によるMM光ファイバの構造を示す図である。第3図AはMM光ファイバの正面構造図、第3図BはMM光ファイバの屈折率プロファイル・利得プロファイル・損失プロファイル、第3図CはMM光ファイバの側面構造図をそれぞれ表している。正面とはMM光ファイバの光軸と直交した平面によるMM光ファイバの切断面を、側面とはMM光ファイバの光軸を含んだ平面によるMM光ファイバの切断面をそれぞれ意味する。
第3図A〜第3図Cにおいて、10はこの実施の形態1のMM光ファイバ、11はMMコア、12はクラッドである。MMコア11とクラッド12とからMM光ファイバ10が構成されている。
また、MMコア11において、11Aはコア中心領域、11Bはコア中間領域、11Cはコア周辺領域である。MMコア11は、コア中心領域11Aと、コア中心領域11A周りのコア中間領域11Bと、コア中間領域11B周りのコア周辺領域11Cとによって構成されている。
コア中心領域11Aには希土類などの利得媒質をドープしている。この利得媒質は、励起光を吸収することにより、MMコア11を伝搬する信号光に対して利得を発生する。また、コア周辺領域11Cには希土類などの吸収媒質をドープしている。この吸収媒質は、励起光をほとんど吸収せず、MMコア11を伝搬する信号光のうちコア周辺領域11Cに拡がった成分を吸収するものである。これらのコア中心領域11A,コア周辺領域11Cに対して、コア中間領域11Bには利得媒質・吸収媒質をドープしていない。コア中心領域11Aの屈折率と、コア中間領域11Bの屈折率と、コア周辺領域11Cの屈折率とはほぼ一致するように調整されている。
次に、MM光ファイバ10を用いてファイバレーザ増幅器を構成した場合を一例として、MM光ファイバ10の動作について説明する。
第4図はこの発明の実施の形態1によるファイバレーザ増幅器の構成例を示す図であり、第3図のMM光ファイバ10を用いたファイバレーザ増幅器の構成例を表している。第3図A〜第3図Cと共通の符号は同一または相当する構成を示している。
第4図において、21はSMレーザ発振器、22はSMレーザ発振器21から出力されたほぼ回折限界のSMの信号光、23は励起光源、24は励起光源23から出力された励起光、25はダイクロイックミラー、L1〜L4はレンズである。ダイクロイックミラー25は、励起光24の波長を反射し、信号光22の波長を透過する。
励起光源23から出力した励起光24は、レンズ(第2の光学系)L4によって平行光に変換された後にダイクロイックミラー(第2の光学系)25で反射され、さらにレンズ(第2の光学系)L3で集光されてMM光ファイバ10へと入射する。MM光ファイバ10へ入射した励起光24は、MM光ファイバ10のコア中心領域11Aにドープした利得媒質によって吸収され、MM光ファイバ10のMMコア11の中心付近に利得を発生する。
一方、SMレーザ発振器21から出力した信号光22は、レンズ(第1の光学系)L1によって平行光に変換された後、MM光ファイバ10の基本モードにほぼ一致するようにレンズ(第1の光学系)L2で集光され、MM光ファイバ10へと入射する。MM光ファイバ10へ入射した信号光22は、MM光ファイバ10のコア中心領域11Aで発生した利得媒質の利得によって増幅されるとともに、MM光ファイバ10のコア周辺領域11Cにドープされた吸収媒質によって、コア周辺領域11Cに拡がった成分が吸収される。
MM光ファイバ10内で生じる利得は、MM光ファイバ10の伝搬モードによって異なり、基本モードに対しては損失に比べて利得の方が大きく、高次のモードに対しては利得に比べて損失の方が大きくなる。信号光22はMM光ファイバ10の基本モードとほぼ一致するようにMM光ファイバ10へ入射しているので、MM光ファイバ10では基本モードのみを選択的に増幅でき、高次のモードをほとんど発生させずにすむ。
また、SMレーザ発振器21自身のビーム品質の低下や、レンズなどの光学系で発生する収差によって高次のモードが信号光22に発生し、MM光ファイバ10の基本モードと一致せずに信号光22がMM光ファイバ10へ入射した場合であっても、MM光ファイバ10では、この信号光22のうち基本モードのみが選択的に増幅され、信号光22の高次モードは増幅されないか、または吸収により減少するようになる。このため、MM光ファイバ10で信号光22が伝搬している間に基本モードのみを増幅することができ、高次モードを抑制できる。
さらに、曲げなどの応力によりMM光ファイバ10内で発生する屈折率分布や、MM光ファイバ10内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生した場合でも、高次のモードは増幅されないか、または吸収により減少してしまうため、高次のモードはMM光ファイバ10からほとんど出力されない。
さらに、MM光ファイバ10内のASEのうち、高次のモードに結合した成分も同様に増幅されないか、または吸収により減少してしまうため、信号光22に対する雑音成分を抑制でき、コア内に蓄えられたエネルギーがASEによって消費されてしまうことも抑制できる。MM光ファイバ10により増幅された信号光22は、ほぼ基本モードの成分のみを持つレーザ出力光としてMM光ファイバ10の反対側から出力し、レンズL3で平行光に変換された後、ダイクロイックミラー25を透過して出力する。
このとき、MM光ファイバ10で増幅される信号光22に発生する利得を考える。第5図は第3図のMM光ファイバ10の光軸に垂直な断面内における伝搬モードの強度分布を示す図である。ここでは正規化周波数Vを10としており、MM光ファイバ10内の基本モードLP01と、基本モードLP01の強度分布形状に比較的近い強度分布を持った高次のモードLP02と、高次のモードの中で最も次数の低い低次モードLP11との各強度分布を第5図にそれぞれ表している。
なお、第5図の横軸はMM光ファイバ10の中心からの距離r(MMコア11の半径で規格化)であり、第5図の縦軸は強度である。厳密には、LPモードはMMコア11の屈折率n1とクラッド12の屈折率n2との差が小さいときに成り立つ近似であるが、MM光ファイバ10の動作において問題となる差は生じないと考えて良い。
第5図において、高次のモードLP02は中心(r=0)で最大となるが、中心からr=0.5程度までの積分値で考えると、基本モードLP01に比べてその強度は小さい。一方、コア外周付近(r〜1)においては、基本モードLP01に比べてモードLP02は大きな強度を持つ。
また、モードLP11については、中心(r=0)の強度は0となるため、中心付近の強度分布は基本モードLP01に比べて小さい。コア外周付近(r〜1)においては、基本モードLP01に比べてモードLP11が大きな強度分布を持つ。各モードLP02,LP11よりもさらに高次のモードについては、この傾向が大きくなる。
したがって、MM光ファイバ10の中心付近(r〜0)に利得を与えるとともに、コア外周付近(r〜1)に損失を与え、利得/損失比を適当に設定することにより、基本モードLP01では損失に比べて利得が大きくなるように、その他の高次モードに対しては利得に比べて損失が大きくなるように設定可能であり、MM光ファイバ10で基本モードLP01のみを選択的に増幅することが可能となる。正規化周波数Vが大きくなるにしたがって、外周付近の基本モードの強度分布と、高次のモードの強度分布との差が小さくなっていくが、傾向は同じであり、利得/損失比を適当に設定することにより基本モードのみを選択的に増幅することが可能である。
ここで、MM光ファイバ10の伝搬モードに発生する利得・損失の一例として、基本モードLP01,高次のモードLP02,低次モードLP11に対する利得の計算結果を次の第6図に示す。なお、参考のために、同じ条件でコア周辺領域11Cを設けない場合の基本モードLP01に対する利得の計算結果も合せて示している。
第6図は第3図のMM光ファイバ10の伝搬モードに発生する利得を示す図である。第6図の横軸はコア中心領域11Aの規格化半径であり、MMコア11の半径で規格化している。また、第6図の縦軸は各モードに発生する利得であり、伝搬モードの強度分布が存在する全領域が利得を持ち、コア周辺領域11Cが存在しない場合の各モードに発生する利得で規格化してある。利得の値が負のときは損失が発生していることを示す。なお、コア周辺領域11Cの内径はMMコア11の半径の0.9倍とし、利得/損失比として最適な値を選んでいる。
第6図から、コア中心領域11Aの規格化半径0.47以下において、高次のモードに対する利得は0以下、すなわち高次のモードに対しては損失が発生するため、MM光ファイバ10では高次のモードは抑制されることが分かる。ここで、高次のモードとしてLP02およびLP11を示したが、さらに高次のモードではモードLP02およびモードLP11の利得よりも大きくなることは少なくともない。コア周辺領域11Cは基本モードLP01に対しても損失を発生するが、コア周辺領域11Cに存在する基本モードLP01の強度分布は小さいため、この損失の影響は小さい。
したがって、この条件においては、コア中心領域11Aの規格化半径を0.47以下にすることにより、基本モードLP01のみが利得を持つようになり、基本モードLP01のみを選択的に増幅することが可能になる。
一般的なファイバレーザ発振器やファイバレーザ増幅器に使用される利得媒質としては、例えば次の(a)〜(c)が挙げられる。
(a) エルビウム(Er)
吸収波長:0.98μm,1.48μm
発振波長:1.53μm〜1.6μm
(b) ネオジウム(Nd)
吸収波長:0.8μm
発振波長:1.06μm,1.3μm
(c) イッテリビウム(Yb)
吸収波長:約0.98μm
発振波長:約1.02μm〜1.1μm
一方、コア周辺領域11Cにドープした吸収媒質の材料は、コア中心領域11Aにドープした利得媒質を励起するための励起光24をほとんど吸収せず、信号光22に対して吸収性を有する材料であればどのような材料であっても良い。
例えば(a)のエルビウムを利得媒質として用いた場合には、1.5μm付近に吸収帯を持ち、0.98μm付近に吸収帯を持たないコバルト(Co)などを吸収媒質として使用することができる。
また、(b)のネオジウムを利得媒質として用いた場合には、1.06μm付近に吸収帯を持ち、0.8μm付近に吸収帯を持たないプラセオジウム(Pr)やサマリウム(Sm)などを吸収媒質として使用することができる。
さらに、(c)のイッテリビウムを利得媒質として用いた場合、吸収波長と発振波長とが近いため材料の選定が難しいが、1.02〜1.1μm付近に吸収帯を持ち、0.98μm付近に吸収帯を持たない吸収材料を用いれば、同様の効果が得られる。
このように、MM光ファイバ10では、高次モードに対して利得がほとんど発生せず、基本モードに対してのみ大きな利得を有するので、MM光ファイバ10内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもMM光ファイバ10内でほとんど増幅されないので、高次のモードがほぼ完全に抑制され、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を得ることが可能である。
また、高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制されるため、ASEによる雑音成分と、ASEによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制することが可能になる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅が抑制されるため、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってMM光ファイバ10を製造することができる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅が抑制されるため、クラッド12の厚みを小さくすることができる。
なお、MMコア11のコア中心領域11A,コア中間領域11Bおよびコア周辺領域11Cの屈折率はほぼ一致させるものとしたが、MMコア11の中心から外周へ向かって屈折率が小さくなるように、すなわちコア中心領域11Aに比べてコア中間領域11Bの屈折率が小さく、コア中間領域11Bに比べてコア周辺領域11Cの屈折率が小さくなるように構成しても良い。このとき、MMコア11を伝搬する信号光22のモード形状は変化するが、コア中心領域11Aの半径、コア周辺領域11Cの半径および利得/損失比を適当に設定することにより、基本モードのみを選択的に増幅することが可能であり、同様の効果が得られる。
以上のように、この実施の形態1によれば、利得媒質をドープしたコア中心領域11Aと、コア中心領域11A周りのコア中間領域11Bと、吸収媒質がドープされ、コア中間領域11B周りのコア周辺領域11CとからなるMMコア11と、クラッド12とからMM光ファイバ10を構成するようにしたので、MM光ファイバ10内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもMM光ファイバ10内でほとんど増幅されないので、高次のモードをほぼ完全に抑制でき、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
また、高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制できるので、ASEによる雑音成分と、ASEによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、この高次モードの増幅を抑制でき、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってMM光ファイバ10を製造できるという効果が得られる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅を抑制でき、クラッド12の厚みを小さくできるという効果が得られる。
また、この実施の形態1によれば、MM光ファイバ10と、ほぼ回折限界のSMの信号光22を出力するSMレーザ発振器21と、MM光ファイバ10の一端に設けられ、SMレーザ発振器21からの信号光22をMM光ファイバ10の基本モードにほぼ一致させてMM光ファイバ10へ入射するレンズL1,L2と、MM光ファイバ10のMMコア11の利得媒質に吸収される励起光24を出力する励起光源23と、MM光ファイバ10の他端に設けられ、励起光源23からの励起光24をMM光ファイバ10へ入射するとともに、MM光ファイバ10からの信号光22を外部へ透過するダイクロイックミラー25,レンズL3,L4とからファイバレーザ増幅器を構成するようにしたので、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態1によれば、利得媒質としてエルビウム(Er)をドープするとともに、吸収媒質としてコバルト(Co)をドープするようにしたので、1.53μm〜1.6μmの波長帯でほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態1によれば、利得媒質としてネオジウム(Nd)をドープするとともに、吸収媒質としてプラセオジウム(Pr)またはサマリウム(Sm)をドープするようにしたので、1.05μm付近の波長帯でほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。
実施の形態2.
第7図はこの発明の実施の形態2によるファイバレーザ増幅器の構成を示す図であり、第3図のMM光ファイバ10を用いたファイバレーザ増幅器の構成例を表している。第4図と共通の符号は同一または相当する構成を示している。
第7図において、26はSMパルスレーザ発振器(SMレーザ発振器)、27はSMパルスレーザ発振器26から出力されるパルス状の信号光、28はパルス幅拡張器(第1の光学系)、29はパルス幅圧縮器(第2の光学系)である。
次に動作について説明する。
励起光源23から出力した励起光24は、レンズL4によって平行光に変換された後にダイクロイックミラー25で反射され、さらにレンズL3で集光されてMM光ファイバ10へと入射する。MM光ファイバ10へ入射した励起光24は、MM光ファイバ10のコア中心領域11Aにドープされた利得媒質によって吸収され、MM光ファイバ10のMMコア11の中心付近に利得を発生する。
一方、SMパルスレーザ発振器26から出力したパルス状の信号光27は、レンズL1によって平行光に変換された後、パルス幅拡張器28によってパルス幅が拡げられ、MM光ファイバ10の基本モードにほぼ一致するようにレンズL2で集光され、MM光ファイバ10へと入射する。
ファイバレーザ増幅器においてパルス状で高出力を制限するのは、主にパルスのピークパワーによる光ファイバ端面の損傷である。信号光27のパルス幅はパルス幅拡張器28によって拡大されて長いパルス幅を有するようになるので、信号光27のピークパワーは低下し、MM光ファイバ10の端面の損傷による制限を抑制することができる。
MM光ファイバ10へ入射した信号光27は、基本モードのみが選択的に増幅される。MM光ファイバ10により増幅された信号光27は、ほぼ基本モードの成分のみを持つレーザ出力光としてMM光ファイバ10の反対側から出力し、レンズL3で平行光に変換された核、ダイクロイックミラー25を透過し、パルス幅圧縮器29により信号光27のパルス幅が圧縮されて出力する。
このように、第7図のファイバレーザ増幅器では、パルス状の信号光27のパルス幅をパルス幅拡張器28によって拡大してMM光ファイバ10へ入射し、MM光ファイバ10から出射した信号光27のパルス幅をパルス幅圧縮器29によって圧縮して出力するので、ほぼ回折限界の出力が得られるとともに、さらに高ピークパワー出力を得ることが可能になる。
以上のように、この実施の形態2によれば、MM光ファイバ10と、パルス状の信号光27を出力するSMパルスレーザ発振器26と、MM光ファイバ10の一端に設けられ、SMパルスレーザ発振器26からの信号光27をMM光ファイバ10の基本モードにほぼ一致させてMM光ファイバ10へ入射するとともに、SMパルスレーザ発振器26からの信号光27のパルス幅を拡大するレンズL1,L2,パルス幅拡大器28と、MM光ファイバ10のMMコア11の利得媒質に吸収される励起光24を出力する励起光源23と、MM光ファイバ10の一端に設けられ、励起光源23からの励起光24をMM光ファイバ10へ入射するとともに、MM光ファイバ10からの信号光27のパルス幅を圧縮して外部へ透過するダイクロイックミラー25,レンズL3,L4,パルス幅圧縮器29とからファイバレーザ増幅器を構成するようにしたので、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力がパルス状の信号光27で実現できるという効果が得られる。
実施の形態3.
第8図はこの発明の実施の形態3によるファイバレーザ発振器の構成例を示す図であり、第3図のMM光ファイバ10を用いたファイバレーザ発振器の構成例を表している。第4図と共通の符号は同一または相当する構成を示している。
第8図において、30はMM光ファイバ10の一端に設けられた全反射ミラー、31はMM光ファイバ10の他端に設けられた部分反射ミラーである。全反射ミラー30はMM光ファイバ10で生じたレーザ発振による発振光を全て反射し、部分反射ミラー31はMM光ファイバ10で生じたレーザ発振による発振光の一部を透過して残りを反射する(部分反射)。
励起光24は部分反射ミラー30または全反射ミラー31のどちら側からMM光ファイバ10へ入射しても良く、励起光24が入射する側の全反射ミラー30または部分反射ミラー31は、励起光24がほぼ全て透過するような特性を有する。全反射ミラー30および部分反射ミラー31としては、ガラス表面に誘電体膜を蒸着したものや、光ファイバに回折格子を書き込んだファイバグレーティングが用いられる。
次に動作について説明する。
励起光源23から出力した励起光24は、レンズ(第2の光学系)L4によって平行光に変換された後にダイクロイックミラー(第2の光学系)25で反射され、さらにレンズ(第2の光学系)L3で集光されて部分反射ミラー31を透過し、MM光ファイバ10へと入射する。MM光ファイバ10へ入射した励起光24は、MM光ファイバ10のコア中心領域11Aにドープした利得媒質によって吸収され、MM光ファイバ10のMMコア11の中心付近に利得を発生する。
励起されたMM光ファイバ10のMMコア11内では自然放出光が発生し、自然放出光のうちの基本モードに結合する光が全反射ミラー30と部分反射ミラー31との間を伝搬して増幅されレーザ発振し、このレーザ発振による発振光の一部が部分反射ミラー31を透過してファイバレーザ発振器のレーザ出力光として外部へ出力する。
このように、MM光ファイバ10では、基本モードにのみ利得が発生し、高次のモードに対しては利得が発生しないので、MM光ファイバ10内で生じるレーザ発振のモードは基本モードのみとなり、高次モードのレーザ発振は発生しないようになる。したがって、ほぼ回折限界、高ピークパワー出力のレーザ発振を実現することが可能である。
なお、第8図には図示していないが、全反射ミラー30とMM光ファイバ10との間、部分反射ミラー31とMM光ファイバ10との間、またはMM光ファイバ10中の任意の位置に、Qスイッチや過飽和吸収体などのような、レーザ発振としてパルスを発生させるための光学素子(パルス発生手段)を挿入しても良い。このような構成要素を追加することで、第8図のファイバレーザ発振器において、ほぼ回折限界、高ピークパワー出力のパルス状レーザ発振を実現することが可能になる。
以上のように、この実施の形態3によれば、MM光ファイバ10と、MM光ファイバ10の一端に設けられ、MM光ファイバ10からの発振光を全反射する全反射ミラー30と、MM光ファイバ10の他端に設けられ、MM光ファイバ10からの発振光を部分反射する部分反射ミラー31と、MM光ファイバ10のMMコア11の利得媒質に吸収される励起光24を出力する励起光源23と、励起光源23からの励起光24を全反射ミラー30または部分反射ミラー31を介してMM光ファイバ10へ入射するダイクロイックミラー25,レンズL3,L4とからファイバレーザ発振器を構成するようにしたので、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。
また、この実施の形態3によれば、全反射ミラー30とMM光ファイバ10との間、部分反射ミラー31とMM光ファイバ10との間、またはMM光ファイバ10中のうちのいずれかの位置にレーザ発振としてパルスを発生させるQスイッチや過飽和吸収体などのパルス発生手段を備えるようにしたので、ほぼ回折限界、高ピークパワー出力のパルス状レーザ発振を実現できるという効果が得られる。
実施の形態4.
第9図A〜第9図Cはこの発明の実施の形態4によるMM光ファイバの構造を示す図である。第9図AはMM光ファイバの正面構造図、第9図BはMM光ファイバの屈折率プロファイル・利得プロファイル・損失プロファイル、第9図CはMM光ファイバの側面構造図をそれぞれ表している。
第9図A〜第9図Cにおいて、40はこの実施の形態4のMM光ファイバ、41はMMコア、42はクラッドである。MMコア41とクラッド42とからMM光ファイバ41が構成されている。
また、MMコア41において、41Aはコア中心領域、41Bはコア周辺領域である。MMコア41は、希土類などの利得媒質をドープしたコア中心領域41Aと、利得媒質・吸収媒質をドープしていないコア周辺領域41Bとによって構成されており、コア中心領域41A周りにコア周辺領域41Bが設けられている。コア中心領域41A,コア周辺領域41Bの屈折率はほぼ一致するように調整されている。
さらに、クラッド42において、42Aはクラッド42の希土類などの吸収媒質がドープされているクラッド中心領域である。クラッド42が有するクラッド中心領域42Aは、MMコア41周りに設けられている。
コア中心領域41Aにドープした利得媒質は、励起光を吸収することにより、MMコア41を伝搬する信号光に対して利得を発生する。また、クラッド中心領域42Aにドープした吸収媒質は、励起光をほとんど吸収せず、MMコア41を伝搬する信号光のうちクラッド中心領域42Aにしみだした成分を吸収するものである。
第5図で示したように、MMコア41と接しているクラッド42側の領域では、値は小さいものの、高次のモードLP02,LP11が基本モードLP01よりも大きな強度を持っている。したがって、MMコア41の中心領域41Aに利得媒質をドープして利得を与えるとともに、クラッド42のクラッド中心領域42Aに吸収媒質をドープして損失を与え、利得/損失比を適当に設定することにより、基本モードLP01では損失に比べて利得が大きくなるように、その他の高次モードに対しては利得に比べて損失が大きくなるように設定可能であり、実施の形態1に示したMM光ファイバ10と同様に、基本モードLP01のみを選択的に増幅することが可能である。
もちろん、実施の形態1で示したファイバレーザ増幅器(第4図)、実施の形態2で示したファイバレーザ増幅器(第7図)、実施の形態3で示したファイバレーザ発振器(第8図)に対して、この実施の形態4のMM光ファイバ40を適用することができる。
このようなMM光ファイバ40では、高次モードに対して利得が発生せず、基本モードに対してのみ利得を有するので、光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもMM光ファイバ40内でほとんど増幅されないので、高次のモードがほぼ完全に抑制され、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を得ることが可能である。
また、高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制されるため、ASEによる雑音成分と、ASEによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制することが可能になる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅は抑制されるため、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってMM光ファイバ40を製造することができる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅は抑制されるため、クラッド42の厚みを小さくすることができる。
なお、この実施の形態4のクラッド中心領域42Aを実施の形態1で示したMM光ファイバ10に適用しても良い。つまり、利得媒質をドープしたコア中心領域11Aと、ドープされていないコア中間領域11Bと、吸収媒質をそれぞれドープしたコア周辺領域11Cおよびクラッド中心領域42Aとを備えたMM光ファイバを構成する。このようにすることで、実施の形態1,実施の形態4の効果をより一層大きくすることができる。
以上のように、この実施の形態4によれば、利得媒質をドープしたコア中心領域41Aと、コア中心領域41A周りのコア周辺領域41CとからなるMMコア41と、吸収媒質がドープされ、MMコア41周りのクラッド中心領域42Aを有するクラッド42とからMM光ファイバ40を構成するようにしたので、MM光ファイバ40内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもMM光ファイバ40内でほとんど増幅されないので、高次のモードがほぼ完全に抑制され、ほぼ回折限界の高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。
また、高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制されるため、ASEによる雑音成分と、ASEによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅は抑制されるため、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によってMM光ファイバ40を製造できるという効果が得られる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても、高次モードの増幅は抑制されるため、クラッド42の厚みを小さくできるという効果が得られる。
実施の形態5.
ファイバレーザ増幅器やファイバレーザ発振器で大きな出力を得るためには、高出力の励起光をMM光ファイバ内へ入射して利得媒質に吸収させる必要がある。一般的に、高出力の半導体レーザを励起光源として用いた場合、半導体レーザからの励起光は高次のモードを含み、ビーム品質が低くなる。ビーム品質の低いビームは、集光してもビーム径が大きくなってしまうため、MMコア11に効率良く入射させることは困難となる。この実施の形態5では、このような問題を解決するダブルクラッド構造のMM光ファイバについて述べる。
第10図A〜第10図Cはこの発明の実施の形態5によるMM光ファイバの構造を示す図であり、ダブルクラッドMM光ファイバを示している。第10図AはMM光ファイバの正面構造図、第10図BはMM光ファイバの屈折率プロファイル・利得プロファイル・損失プロファイル、第10図CはMM光ファイバの側面構造図をそれぞれ表している。第4図A〜第4図Cと共通の符号は同一または相当する構成を示している。
第10図A〜第10図Cにおいて、50はこの実施の形態5のMM光ファイバ、52はMM光ファイバ50のクラッド、52Aは信号光をMMコア11内に閉じこめる第1のクラッド、52Bは励起光を第1のクラッド52Aに閉じ込めるための第2のクラッドである。クラッド52は、MMコア11周りに設けられた第1のクラッド52Aと、第1のクラッド51A周りに設けられた第2のクラッド52Bとから構成されている。第1のクラッド52Aの屈折率はMMコア11の屈折率よりも小さく、第2のクラッド52Bの屈折率は第1のクラッド52Aの屈折率よりも小さい。
次に動作について説明する。
信号光は第1のクラッド52AによってMMコア11内に閉じ込められ、基本モードのみが選択的に増幅される。励起光は第2のクラッド52Bによって第1のクラッド52A内に閉じ込められ、MMコア11のコア中心領域11Aを通過した成分が利得媒質に吸収され、利得を発生する。このとき、コア周辺領域11Cの吸収媒質には励起光はほとんど吸収されない。
したがって、MMコア11に比べて大きな半径を有する第1のクラッド52Aへ励起光を入射すれば、励起光は第2のクラッド52Bにより第1のクラッド52A内に閉じ込められて利得媒質に吸収されるので、ビーム品質の低い励起光を用いた場合でも利得媒質に効率良く励起光を吸収させることが可能である。
このようなダブルクラッド構造のMM光ファイバ50では、高次モードに対して利得が発生せず、基本モードに対してのみ利得を有するので、光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、曲げなどの応力により発生する屈折率分布、光ファイバ内の散乱などにより、基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生してもMM光ファイバ50内で増幅されないので、高次のモードがほぼ完全に抑制されるとともに、ビーム品質の低い高出力の半導体レーザを励起光として用いることができるため、ほぼ回折限界の、高出力、高ピークパワー出力を実現することができる。
また、高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制されるため、ASEによる雑音成分と、ASEによるコア内に蓄積されたエネルギーの消費とを抑制することが可能である。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅は抑制されるため、特に光ファイバ内の散乱が小さくなるような製造方法を用いる必要がなく、ほぼ通常の製造方法によりMM光ファイバ50を製造することができる。
さらに、基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても高次モードの増幅は抑制されるため、クラッド52の厚みを小さくすることが可能である。
なお、ここでの説明では、MMコア11のコア周辺領域11Cに吸収媒質をドープするようにしているが、実施の形態4と同様に、第1のクラッド52AのMMコア11と接する付近(第1のクラッドのクラッド中心領域)に吸収媒質をドープしても良く、同様の効果が得られる。
また第10図では、第1のクラッド52Aの正面の外形は円形として図示しているが、この実施の形態5はこれに限定されるものではなく、多角形や、円形に対して凹凸を有する花びら形など、第1のクラッド52Aの正面の外形を任意に選択することができる。
第1のクラッド52Aの外形が円形の場合には、第1のクラッド52Aを伝搬する励起光の一部は、MMコア11のコア中心領域11Aを通過せずに伝搬するスキュー光となるため、コア中心領域11Aの利得媒質に吸収されず、増幅効率が低下してしまう。これに対して、第1のクラッド52Aの外形を多角形や花びら形にした場合、このスキュー光の割合が減少するため、コア中心領域11Aの利得媒質に吸収される割合が増加し、増幅効率を向上することが可能になる。
以上のように、この実施の形態5によれば、MMコア11よりも屈折率が小さく、MMコア11周りに設けられた第1のクラッド52Aと、第1のクラッド52Aよりも屈折率が小さく、第1のクラッド51A周りに設けられた第2のクラッド52Bとから構成されるクラッド52をMM光ファイバ50が備えるようにしたので、大パワーの励起光をMM光ファイバ50へ入射できるようになり、ほぼ回折限界の高平均出力、高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。
また、この実施の形態5によれば、第1のクラッド51は、光軸と直交する平面で切断した際の正面外形が多角形に形成されるようにしたので、利得媒質に吸収されない励起光を減少させることができ、増幅効率を向上できるという効果が得られる。
さらに、この実施の形態5によれば、第1のクラッド51は、光軸と直交する平面で切断した際の正面外形が円形に対して凹凸を有する形状に形成されるようにしたので、利得媒質に吸収されない励起光を減少させることができ、増幅効率を向上できるという効果が得られる。
産業上の利用可能性
以上のように、この発明に係るマルチモード光ファイバは、レーザレーダ用レーザ光源や加工用レーザ光源など、高ビーム品質・高出力パワーが要求されるファイバレーザ発振器やファイバレーザ増幅器に適している。
【図面の簡単な説明】
第1図A〜第1図Cは従来のマルチモード光ファイバの構造を示す図である。
第2図は第1図のマルチモード光ファイバの伝搬モードに発生する利得を示す図である。
第3図A〜第3図Cはこの発明の実施の形態1によるマルチモード光ファイバの構造を示す図である。
第4図はこの発明の実施の形態1によるファイバレーザ増幅器の構成を示す図である。
第5図は第3図のマルチモード光ファイバの光軸に垂直な断面内における伝搬モードの強度分布を示す図である。
第6図は第3図のマルチモード光ファイバの伝搬モードに発生する利得を示す図である。
第7図はこの発明の実施の形態2によるファイバレーザ増幅器の構成を示す図である。
第8図はこの発明の実施の形態3によるファイバレーザ発振器の構成を示す図である。
第9図A〜第9図Cはこの発明の実施の形態4によるマルチモード光ファイバの構造を示す図である。
第10図A〜第10図Cはこの発明の実施の形態5によるマルチモード光ファイバの構造を示す図である。Technical field
The present invention relates to a multimode optical fiber having a structure for realizing a high peak power output. The present invention also relates to a fiber laser amplifier and a fiber laser oscillator to which the multimode optical fiber is applied.
Background art
First, when laser light propagates in an optical fiber only in a single mode, that is, a condition for the optical fiber to be a single mode (hereinafter abbreviated as SM) optical fiber, and a plurality of laser lights in the optical fiber. In the case of propagation in a mode, that is, conditions for an optical fiber to be a multimode (hereinafter abbreviated as MM) optical fiber will be briefly described.
The normalized frequency V of the optical fiber is expressed by the following formula (1).
V = (2πa / λ) · √ (n1 2-N2 2(1)
In Equation (1), a is the core radius of the optical fiber, λ is the wavelength of the laser light propagating through the optical fiber, and n1Is the refractive index of the core of the optical fiber, n2Is the refractive index of the cladding around the core.
The condition for the optical fiber to be an SM optical fiber is represented by V <2.405, and the laser light propagates only in a single mode through the optical fiber satisfying this condition. On the other hand, an optical fiber satisfying the condition of V> 2.405 is an MM optical fiber, and there are a plurality of propagation modes. The number N of propagation modes of the MM optical fiber is approximately expressed by the following equation (2).
N = V2/ 2 (2)
The SM optical fiber is often applied to a fiber laser oscillator or a fiber laser amplifier (hereinafter referred to as a fiber laser) by doping an active ion such as a rare earth into its core (dope [English]). In these fiber lasers, the beam mode of the laser output light is limited to only the fundamental mode of the SM optical fiber, so that it is possible to realize a laser beam having a beam quality almost in the diffraction limit.
By the way, there is a case where it is desired to realize a high output, particularly a high peak power output in a case where the laser beam is pulsed, with a fiber laser. However, in a fiber laser to which an SM optical fiber is applied, the laser beam is confined in a small core of the SM optical fiber, so that the maximum output is restricted due to stimulated Brillouin scattering inside the optical fiber, damage to the end face of the optical fiber, or the like.
In order to relax this upper limit of the maximum output constraint, it is conceivable to increase the core radius a of the optical fiber. This is because by increasing the core radius a, the power density in the optical fiber and at the end face of the optical fiber can be relatively reduced. However, as can be seen from Equation (1), in the case of the SM optical fiber, in order to increase the core radius a while maintaining the same normalized frequency V (satisfying the condition V <2.405 of the SM optical fiber), the core refraction Rate n1And cladding refractive index n2It is necessary to reduce the difference between
For example, although there is a report that the core diameter is expanded to about 15 μm with an SM optical fiber at a wavelength of 1.5 μm, in order to further increase the core radius a and relax the upper limit of the maximum output, the core refractive index n1And cladding refractive index n2The difference between the two is required to be further reduced, which makes manufacturing difficult and causes a large bending loss. That is, it is difficult to obtain a high peak power output with a fiber laser using an SM optical fiber.
In order to increase the core radius a of the optical fiber and reduce the power density, there is another idea that an MM optical fiber doped with active ions such as rare earths in the core is applied to the fiber laser. As described above, since the condition of the MM optical fiber is V> 2.405, the core refractive index n1And cladding refractive index n2This is because there is no problem with respect to the point of increasing the core radius a.
However, since the MM optical fiber has many propagation modes, when a fiber laser oscillator is configured using the MM optical fiber, laser oscillation occurs in a plurality of modes, and it is possible to obtain a laser output light that is almost diffraction limited. Have difficulty.
Also, when a MM optical fiber is used for a fiber laser amplifier, even if a diffraction-limited laser beam is incident as incident light, the refractive index generated by a slight refractive index distribution or bending stress existing in the optical fiber. The energy is converted from the fundamental mode to the higher order mode due to the distribution, scattering in the optical fiber, etc., and the higher order mode is generated and amplified. Therefore, the output from the fiber laser amplifier is almost the diffraction limit laser output light. It is difficult to realize.
Furthermore, in a fiber laser amplifier using an MM optical fiber, spontaneous emission light is coupled and amplified in a number of propagation modes to generate ASE (Amplified Spontaneous Emission). As noise components are added and ASE is amplified and energy stored in the core is consumed, amplification efficiency is lowered.
In addition, since the MM optical fiber has different propagation speeds (group speeds) depending on the propagation modes, large dispersion occurs.
As a method for solving such a problem, a conventional MM optical fiber having a structure as shown in FIG. 1 has been proposed. This conventional MM optical fiber is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-74593.
1A to 1C are diagrams showing the structure of a conventional MM optical fiber. FIG. 1A is a front structural view of an MM optical fiber, FIG. 1B is a refractive index profile / dopant profile of the MM optical fiber, and FIG. 1C is a side structural view of the MM optical fiber. The front means a cut surface of the MM optical fiber by a plane orthogonal to the optical axis of the MM optical fiber, and the side means a cut surface of the MM optical fiber by a plane including the optical axis of the MM optical fiber.
1A to 1C, 100 is a conventional MM optical fiber, 101 is an MM core, and 102 is a clad. The MM
Next, the operation will be described.
When excitation light absorbed by the rare earth doped in the core
The intensity distribution of the fundamental mode laser light is approximately represented by a Gaussian distribution, and the intensity distribution near the core center is strong. Therefore, in the MM
Here, an example of the calculation result of the gain generated in the propagation mode in the MM
FIG. 2 is a diagram showing a gain generated in the propagation mode of the MM
FIG. 2 shows that each mode LP regardless of the radius of the core central region 101A.01, LP02, LP11It can be seen that a gain is generated. Higher order mode LP02Then, when the radius of the
Therefore, in the conventional MM
Further, when a laser beam having a high-order mode and low beam quality is incident as signal light on the MM
Further, in the MM
Since the conventional multimode optical fiber is configured as described above, it is not possible to selectively amplify only the fundamental mode, and it is possible to suppress higher-order modes and ASE coupled to higher-order modes. There was a problem that it was not possible.
Conventional fiber laser oscillators and fiber laser amplifiers that use single-mode optical fibers are limited in output due to damage to the end face of the optical fiber or stimulated Brillouin scattering, so high output, especially when laser light is output in pulses There was a problem that it was not possible to realize a high peak power output.
Since conventional fiber laser amplifiers using multimode optical fibers have gain even for higher-order modes, even if a diffraction-limited laser beam is incident as signal light, the slight refraction that exists in the optical fiber is present. The higher-order modes are generated and amplified by the energy conversion from the fundamental mode to the higher-order modes due to the refractive index distribution, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and scattering in the optical fiber. There was a problem that the mode could not be suppressed and the diffraction limit could not be realized.
Also, fiber laser amplifiers using conventional multimode optical fibers generate a large gain in the same way as in the fundamental mode because the intensity distribution near the center of the core increases in some higher-order propagation modes. There was a problem that only the mode could not be selectively amplified.
Furthermore, in the conventional fiber laser amplifier using a multimode optical fiber, spontaneous emission light is coupled to a higher-order mode and amplified in the same manner, so that noise components caused by ASE and energy accumulated in the core caused by ASE are stored. There is a problem that the amplification efficiency cannot be completely suppressed and the amplification efficiency is lowered.
In addition, conventional fiber laser amplifiers using multimode optical fibers reduce the energy conversion from fundamental mode to higher order modes due to scattering in the optical fiber, so that special scattering can be achieved in the optical fiber. There was a problem that a manufacturing method had to be used.
Furthermore, the conventional fiber laser amplifier using a multimode optical fiber has a problem that the thickness of the cladding has to be increased in order to reduce the energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode due to stress such as bending. It was.
A conventional fiber laser oscillator using a multimode optical fiber has a gain even with respect to a higher-order mode, so that a laser oscillation of a higher-order mode occurs and a laser output light almost in a diffraction limit cannot be obtained. was there.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and can selectively amplify only the fundamental mode and suppress the higher-order mode and the ASE coupled to the higher-order mode. An object is to provide a multimode optical fiber.
Another object of the present invention is to provide a fiber laser amplifier and a fiber laser oscillator capable of realizing a high peak power output.
Disclosure of the invention
In the multimode optical fiber according to the present invention, a gain medium that absorbs pumping light and generates a gain is doped in the core central region of the multimode core, and the core peripheral region of the multimode core in contact with the cladding, and the multimode At least one of the cladding central region of the cladding contacting the core is doped with an absorbing medium that absorbs signal light.
As a result, energy is converted from the fundamental mode to a higher-order mode due to the slight refractive index distribution existing in the multimode optical fiber, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and scattering in the optical fiber. Even if a higher order mode is generated, it is hardly amplified in the multimode optical fiber, so that the higher order mode can be suppressed almost completely, and an effect that a high peak power output almost in the diffraction limit can be realized.
In addition, this can suppress the spontaneous emission light that is amplified by being coupled to the higher-order mode, and the effect that the noise component due to ASE and the consumption of energy accumulated in the core due to ASE can be suppressed can be obtained. .
In addition, this makes it possible to suppress amplification of higher-order modes even when energy conversion from the fundamental mode to higher-order modes occurs, and it is not necessary to use a manufacturing method that particularly reduces scattering in the optical fiber. The effect that a multimode optical fiber can be manufactured by a normal manufacturing method is obtained.
Further, this can provide an effect that even when energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, amplification of the higher order mode can be suppressed and the thickness of the cladding can be reduced.
The multimode optical fiber according to the present invention has a refractive index smaller than that of the multimode core, a first clad provided around the multimode core, a refractive index smaller than that of the first clad, and around the first clad. The clad is constituted by the second clad provided in the.
As a result, high-power excitation light can be made incident on the multimode optical fiber, and an effect that a high average output and a high peak power output almost in the diffraction limit can be realized.
In the multimode optical fiber according to the present invention, the front outer shape of the first cladding when cut along a plane orthogonal to the optical axis is formed into a polygon.
As a result, the pumping light that is not absorbed by the gain medium can be reduced, and the amplification efficiency can be improved.
The multimode optical fiber according to the present invention is such that the front outer shape of the first cladding when cut along a plane orthogonal to the optical axis is formed in a shape having irregularities with respect to a circle.
As a result, the pumping light that is not absorbed by the gain medium can be reduced, and the amplification efficiency can be improved.
The multimode optical fiber according to the present invention is such that erbium is doped as a gain medium and cobalt is doped as an absorption medium.
As a result, an effect that a high average output and a high peak power output almost in a diffraction limit can be realized in a wavelength band of 1.53 μm to 1.6 μm can be obtained.
The multimode optical fiber according to the present invention is doped with neodymium as a gain medium and doped with praseodymium or samarium as an absorption medium.
As a result, an effect that a high average output and a high peak power output almost in a diffraction limit can be realized in a wavelength band near 1.05 μm can be obtained.
A fiber laser amplifier according to the present invention includes a multimode optical fiber that gives a gain to a fundamental mode of signal light and a loss to a higher-order mode of signal light, and a single mode that outputs a signal light that is almost diffraction limited. A laser oscillator and a first optical system that is provided at one end of a multimode optical fiber and that makes signal light output from the single mode laser oscillator substantially coincide with the fundamental mode of the multimode optical fiber and enters one end of the multimode optical fiber A pumping light source that outputs pumping light, and is provided at the other end of the multimode optical fiber. The pumping light output from the pumping light source is incident on the other end of the multimode optical fiber and from the other end of the multimode optical fiber. And a second optical system that transmits the emitted signal light.
As a result, an effect that a high average output and a high peak power output almost in diffraction limit can be realized.
In the fiber laser amplifier according to the present invention, the single mode laser oscillator outputs a substantially diffraction-limited signal light in the form of a pulse, and the pulse width is expanded to increase the pulse width of the pulsed signal light output from the single mode laser oscillator. The first optical system includes a pulse width compressor that compresses the pulse width of the signal light emitted from the other end of the multimode optical fiber.
As a result, an effect that a high average output and a high peak power output almost in diffraction limit can be realized with pulsed signal light is obtained.
In the fiber laser amplifier according to the present invention, the multimode optical fiber is doped with a gain medium that generates a gain by absorbing pumping light in the core central region of the multimode core, and around the core of the multimode core in contact with the clad. At least one of the region and the cladding central region of the cladding in contact with the multimode core is doped with an absorbing medium that absorbs signal light.
As a result, energy is converted from the fundamental mode to a higher-order mode due to the slight refractive index distribution existing in the multimode optical fiber, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and scattering in the optical fiber. Even if a higher order mode is generated, it is hardly amplified in the multimode optical fiber, so that the higher order mode can be suppressed almost completely, and an effect that a high peak power output almost in the diffraction limit can be realized.
In addition, this can suppress the spontaneous emission light that is amplified by being coupled to the higher-order mode, and the effect that the noise component due to ASE and the consumption of energy accumulated in the core due to ASE can be suppressed can be obtained. .
In addition, this makes it possible to suppress amplification of higher-order modes even when energy conversion from the fundamental mode to higher-order modes occurs, and it is not necessary to use a manufacturing method that particularly reduces scattering in the optical fiber. The effect that a multimode optical fiber can be manufactured by a normal manufacturing method is obtained.
Further, this can provide an effect that even when energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, amplification of the higher order mode can be suppressed and the thickness of the cladding can be reduced.
A fiber laser oscillator according to the present invention is provided at one end of a multimode optical fiber that gives a gain to a fundamental mode of signal light and gives a loss to a higher order mode of signal light, and a multimode optical fiber. A total reflection mirror that reflects the oscillation light emitted from one end of the mode optical fiber and enters one end of the multimode optical fiber, and the oscillation emitted from the other end of the multimode optical fiber. A partial reflection mirror that partially reflects light; an excitation light source that outputs excitation light; and an excitation light that is output from the excitation light source is incident on one end or the other end of the multimode optical fiber via a total reflection mirror or a partial reflection mirror. 2 optical system.
As a result, an effect that a high average output and a high peak power output almost in the diffraction limit can be realized.
The fiber laser oscillator according to the present invention provides laser oscillation at any position between the total reflection mirror and the multimode optical fiber, between the partial reflection mirror and the multimode optical fiber, or in the multimode optical fiber. Pulse generation means for generating a pulse is provided.
As a result, it is possible to achieve the effect of realizing pulsed laser oscillation with a diffraction limit and a high peak power output.
In the fiber laser oscillator according to the present invention, the multimode optical fiber is doped with a gain medium that generates a gain by absorbing pumping light in the core central region of the multimode core, and the periphery of the multimode core in contact with the cladding At least one of the region and the cladding central region of the cladding in contact with the multimode core is doped with an absorbing medium that absorbs signal light.
As a result, energy is converted from the fundamental mode to a higher-order mode due to the slight refractive index distribution existing in the multimode optical fiber, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and scattering in the optical fiber. Even if a higher order mode is generated, it is hardly amplified in the multimode optical fiber, so that the higher order mode can be suppressed almost completely, and an effect that a high peak power output almost in the diffraction limit can be realized.
In addition, this can suppress the spontaneous emission light that is amplified by being coupled to the higher-order mode, and the effect that the noise component due to ASE and the consumption of energy accumulated in the core due to ASE can be suppressed can be obtained. .
In addition, this makes it possible to suppress amplification of higher-order modes even when energy conversion from the fundamental mode to higher-order modes occurs, and it is not necessary to use a manufacturing method that particularly reduces scattering in the optical fiber. The effect that a multimode optical fiber can be manufactured by a normal manufacturing method is obtained.
Further, this can provide an effect that even when energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, amplification of the higher order mode can be suppressed and the thickness of the cladding can be reduced.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings in order to explain the present invention in more detail.
3A to 3C are views showing the structure of the MM optical fiber according to the first embodiment of the present invention. 3A is a front structural view of an MM optical fiber, FIG. 3B is a refractive index profile / gain profile / loss profile of the MM optical fiber, and FIG. 3C is a side structural view of the MM optical fiber. The front means a cut surface of the MM optical fiber by a plane orthogonal to the optical axis of the MM optical fiber, and the side means a cut surface of the MM optical fiber by a plane including the optical axis of the MM optical fiber.
3A to 3C, 10 is the MM optical fiber of the first embodiment, 11 is the MM core, and 12 is the cladding. An MM
In the
The
Next, the operation of the MM
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the fiber laser amplifier according to the first embodiment of the present invention, and shows a configuration example of a fiber laser amplifier using the MM
In FIG. 4, 21 is an SM laser oscillator, 22 is an approximately diffraction-limited SM signal light output from the
The
On the other hand, the signal light 22 output from the
The gain generated in the MM
Further, a high-order mode is generated in the signal light 22 due to a deterioration in the beam quality of the
Furthermore, when a higher-order mode is generated by energy conversion from a fundamental mode to a higher-order mode due to a refractive index distribution generated in the MM
Further, among the ASE in the MM
At this time, a gain generated in the signal light 22 amplified by the MM
5 is the distance r from the center of the MM optical fiber 10 (normalized by the radius of the MM core 11), and the vertical axis in FIG. 5 is the strength. Strictly speaking, the LP mode is the refractive index n of the MM core 11.1And the refractive index n of the
In FIG. 5, higher order mode LP02Is maximum at the center (r = 0), but considering the integral value from the center to about r = 0.5, the fundamental mode LP01Its strength is small compared to On the other hand, in the vicinity of the core periphery (r to 1), the basic mode LP01Mode LP compared to02Has great strength.
Mode LP11Since the intensity at the center (r = 0) is 0, the intensity distribution near the center is the fundamental mode LP.01Smaller than Near the outer periphery of the core (r to 1), the basic mode LP01Mode LP compared to11Has a large intensity distribution. Each mode LP02, LP11This tendency is greater for higher order modes.
Therefore, the fundamental mode LP is obtained by giving a gain to the vicinity of the center (r to 0) of the MM
Here, as an example of the gain / loss generated in the propagation mode of the MM
FIG. 6 is a diagram showing a gain generated in the propagation mode of the MM
From FIG. 6, since the gain for the higher-order mode is 0 or less when the normalized radius of the
Therefore, in this condition, the fundamental mode LP is reduced by setting the normalized radius of the
Examples of gain media used in general fiber laser oscillators and fiber laser amplifiers include the following (a) to (c).
(A) Erbium (Er)
Absorption wavelength: 0.98μm, 1.48μm
Oscillation wavelength: 1.53 μm to 1.6 μm
(B) Neodymium (Nd)
Absorption wavelength: 0.8μm
Oscillation wavelength: 1.06μm, 1.3μm
(C) Ytterbium (Yb)
Absorption wavelength: about 0.98μm
Oscillation wavelength: about 1.02 μm to 1.1 μm
On the other hand, the material of the absorbing medium doped in the core
For example, when erbium of (a) is used as the gain medium, cobalt (Co) having an absorption band near 1.5 μm and no absorption band near 0.98 μm can be used as the absorption medium. .
When neodymium (b) is used as the gain medium, praseodymium (Pr) or samarium (Sm) having an absorption band near 1.06 μm and no absorption band near 0.8 μm is used as the absorption medium. Can be used as
Furthermore, when ytterbium of (c) is used as a gain medium, it is difficult to select a material because the absorption wavelength and the oscillation wavelength are close to each other, but there is an absorption band in the vicinity of 1.02 to 1.1 μm, and in the vicinity of 0.98 μm. Similar effects can be obtained by using an absorbent material having no absorption band.
As described above, in the MM
In addition, since spontaneous emission light that is amplified by being coupled to a higher-order mode is similarly suppressed, it is possible to suppress noise components caused by ASE and consumption of energy accumulated in the core due to ASE. .
Further, even if the energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, amplification of the higher order mode is suppressed, so that it is not necessary to use a manufacturing method that particularly reduces scattering in the optical fiber. The MM
Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher-order mode occurs, amplification of the higher-order mode is suppressed, so that the thickness of the clad 12 can be reduced.
Although the refractive indexes of the core
As described above, according to the first embodiment, the
Further, since spontaneous emission light that is amplified by being coupled to a higher-order mode can be similarly suppressed, it is possible to obtain an effect of suppressing noise components caused by ASE and consumption of energy accumulated in the core due to ASE.
Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, it is possible to suppress the amplification of the higher order mode, and it is not necessary to use a manufacturing method that particularly reduces scattering in the optical fiber. The effect that the MM
Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, the effect of suppressing the amplification of the higher order mode and reducing the thickness of the
Further, according to the first embodiment, the MM
Furthermore, according to the first embodiment, since erbium (Er) is doped as a gain medium and cobalt (Co) is doped as an absorption medium, the wavelength band of 1.53 μm to 1.6 μm is almost obtained. The effect of realizing a diffraction-limited high average output and high peak power output can be obtained.
Furthermore, according to the first embodiment, since neodymium (Nd) is doped as a gain medium and praseodymium (Pr) or samarium (Sm) is doped as an absorption medium, the wavelength band near 1.05 μm Thus, it is possible to achieve a high average output and a high peak power output which are almost diffraction limited.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a fiber laser amplifier according to
In FIG. 7, 26 is an SM pulse laser oscillator (SM laser oscillator), 27 is a pulsed signal light output from the SM
Next, the operation will be described.
The
On the other hand, the pulsed signal light 27 output from the SM
It is the damage of the end face of the optical fiber mainly due to the peak power of the pulse that limits the high output in a pulse shape in the fiber laser amplifier. Since the pulse width of the signal light 27 is expanded by the
Only the fundamental mode of the signal light 27 incident on the MM
As described above, in the fiber laser amplifier of FIG. 7, the pulse width of the pulsed signal light 27 is expanded by the
As described above, according to the second embodiment, the MM
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a fiber laser oscillator according to the third embodiment of the present invention, and shows a configuration example of a fiber laser oscillator using the MM
In FIG. 8, 30 is a total reflection mirror provided at one end of the MM
The
Next, the operation will be described.
The
Spontaneous emission light is generated in the
As described above, in the MM
Although not shown in FIG. 8, it is located between the
As described above, according to the third embodiment, the MM
Further, according to the third embodiment, any position between the
Embodiment 4 FIG.
9A to 9C are views showing the structure of an MM optical fiber according to Embodiment 4 of the present invention. 9A is a front structural view of the MM optical fiber, FIG. 9B is a refractive index profile / gain profile / loss profile of the MM optical fiber, and FIG. 9C is a side structural view of the MM optical fiber.
9A to 9C,
In the
Furthermore, in the clad 42, 42A is a clad center region doped with an absorbing medium such as rare earth of the clad 42. A
The gain medium doped in the core
As shown in FIG. 5, in the region on the clad 42 side in contact with the
Of course, the fiber laser amplifier shown in the first embodiment (FIG. 4), the fiber laser amplifier shown in the second embodiment (FIG. 7), and the fiber laser oscillator shown in the third embodiment (FIG. 8). On the other hand, the MM
In such an MM
In addition, since spontaneous emission light that is amplified by being coupled to a higher-order mode is similarly suppressed, it is possible to suppress noise components caused by ASE and consumption of energy accumulated in the core due to ASE. .
Further, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, amplification of the higher order mode is suppressed, so that it is not necessary to use a manufacturing method that particularly reduces scattering in the optical fiber. The MM
Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, the amplification of the higher order mode is suppressed, so that the thickness of the clad 42 can be reduced.
The
As described above, according to the fourth embodiment, the
In addition, since spontaneous emission light that is amplified by being coupled to a higher-order mode is similarly suppressed, an effect of suppressing noise components caused by ASE and consumption of energy accumulated in the core due to ASE can be obtained. .
Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, amplification of the higher order mode is suppressed, so that it is not necessary to use a manufacturing method that particularly reduces scattering in the optical fiber, and it is almost normal. The effect that the MM
Furthermore, even if the energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, the amplification of the higher order mode is suppressed, so that the thickness of the clad 42 can be reduced.
Embodiment 5. FIG.
In order to obtain a large output with a fiber laser amplifier or a fiber laser oscillator, it is necessary to make high-power excitation light enter the MM optical fiber and absorb it in the gain medium. In general, when a high-power semiconductor laser is used as an excitation light source, the excitation light from the semiconductor laser includes higher-order modes and the beam quality is lowered. A beam having a low beam quality has a large beam diameter even if it is condensed, so that it is difficult to efficiently enter the
FIGS. 10A to 10C are views showing the structure of an MM optical fiber according to Embodiment 5 of the present invention, and show a double-clad MM optical fiber. FIG. 10A is a front structural view of the MM optical fiber, FIG. 10B is a refractive index profile / gain profile / loss profile of the MM optical fiber, and FIG. 10C is a side structural view of the MM optical fiber. Reference numerals common to FIGS. 4A to 4C indicate the same or corresponding configurations.
10A to 10C, 50 is the MM optical fiber of the fifth embodiment, 52 is the cladding of the MM
Next, the operation will be described.
The signal light is confined in the
Therefore, if the excitation light is incident on the
In the MM
Further, since spontaneous emission light that is amplified by being coupled to a higher-order mode is similarly suppressed, it is possible to suppress noise components caused by ASE and consumption of energy accumulated in the core due to ASE. .
Further, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, amplification of the higher order mode is suppressed, so that it is not necessary to use a manufacturing method that particularly reduces scattering in the optical fiber. The MM
Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher order mode occurs, the amplification of the higher order mode is suppressed, so that the thickness of the clad 52 can be reduced.
In the description here, the core
In FIG. 10, the outer shape of the front surface of the first clad 52A is shown as a circle, but the fifth embodiment is not limited to this, and has a polygonal shape or irregularities with respect to the circle. The external shape of the front surface of the
When the outer shape of the
As described above, according to the fifth embodiment, the refractive index is smaller than that of the
Further, according to the fifth embodiment, the first clad 51 is formed in a polygonal shape when viewed from a plane perpendicular to the optical axis, so that the excitation light that is not absorbed by the gain medium As a result, the amplification efficiency can be improved.
Furthermore, according to the fifth embodiment, the first cladding 51 is formed such that the front outer shape when cut along a plane orthogonal to the optical axis is formed in a shape having irregularities with respect to a circle. The excitation light that is not absorbed by the medium can be reduced, and the effect that the amplification efficiency can be improved is obtained.
Industrial applicability
As described above, the multimode optical fiber according to the present invention is suitable for fiber laser oscillators and fiber laser amplifiers that require high beam quality and high output power, such as laser light sources for laser radar and laser light sources for processing.
[Brief description of the drawings]
1A to 1C are diagrams showing the structure of a conventional multimode optical fiber.
FIG. 2 is a diagram showing a gain generated in the propagation mode of the multimode optical fiber of FIG.
FIGS. 3A to 3C are views showing the structure of a multimode optical fiber according to
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the fiber laser amplifier according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the intensity distribution of propagation modes in a cross section perpendicular to the optical axis of the multimode optical fiber of FIG.
FIG. 6 is a diagram showing a gain generated in the propagation mode of the multimode optical fiber of FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a fiber laser amplifier according to
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the fiber laser oscillator according to the third embodiment of the present invention.
9A to 9C are views showing the structure of a multimode optical fiber according to Embodiment 4 of the present invention.
FIGS. 10A to 10C are views showing the structure of a multimode optical fiber according to Embodiment 5 of the present invention.
Claims (12)
上記励起光を吸収して上記利得を発生する利得媒質が上記マルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、
上記クラッドに接する上記マルチモードコアのコア周辺領域と、上記マルチモードコアに接する上記クラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に上記信号光を吸収する吸収媒質がドープされることを特徴とするマルチモード光ファイバ。In a multimode optical fiber comprising a multimode core that gives gain to signal light that is pumped and propagated by pumping light, and a cladding provided around the multimode core,
A gain medium that absorbs the excitation light and generates the gain is doped in the core central region of the multimode core, and
At least one of a core peripheral region of the multimode core in contact with the clad and a clad central region of the clad in contact with the multimode core is doped with an absorption medium that absorbs the signal light Optical fiber.
マルチモードコアよりも屈折率が小さく、上記マルチモードコア周りに設けられた第1のクラッドと、
上記第1のクラッドよりも屈折率が小さく、上記第1のクラッド周りに設けられた第2のクラッドとから構成されることを特徴とする請求の範囲第1項記載のマルチモード光ファイバ。Clad
A first cladding having a lower refractive index than the multimode core and provided around the multimode core;
2. The multimode optical fiber according to claim 1, wherein the multi-mode optical fiber has a refractive index smaller than that of the first clad and is composed of a second clad provided around the first clad.
光軸と直交する平面で切断した際の正面外形が多角形に形成されることを特徴とする請求の範囲第2項記載のマルチモード光ファイバ。The first cladding is
The multimode optical fiber according to claim 2, wherein the front outer shape when cut along a plane orthogonal to the optical axis is formed into a polygon.
光軸と直交する平面で切断した際の正面外形が円形に対して凹凸を有する形状に形成されることを特徴とする請求の範囲第2項記載のマルチモード光ファイバ。The first cladding is
The multimode optical fiber according to claim 2, wherein the front outer shape when cut along a plane orthogonal to the optical axis is formed in a shape having irregularities with respect to a circle.
ほぼ回折限界の上記信号光を出力するシングルモードレーザ発振器と、
上記マルチモード光ファイバの一端に設けられ、上記シングルモードレーザ発振器から出力した上記信号光を上記マルチモード光ファイバの基本モードにほぼ一致させて上記マルチモード光ファイバの一端へ入射する第1の光学系と、
励起光を出力する励起光源と、
上記マルチモード光ファイバの他端に設けられ、上記励起光源から出力した上記励起光を上記マルチモード光ファイバの他端へ入射するとともに、上記マルチモード光ファイバの他端から出射した上記信号光を透過する第2の光学系とを備えることを特徴とするファイバレーザ増幅器。A multimode optical fiber that gives gain to the fundamental mode of signal light and gives loss to higher order modes of the signal light;
A single-mode laser oscillator that outputs the signal light of almost diffraction limit;
A first optical system provided at one end of the multimode optical fiber, and that makes the signal light output from the single mode laser oscillator substantially coincide with the fundamental mode of the multimode optical fiber and is incident on one end of the multimode optical fiber. The system,
An excitation light source that outputs excitation light;
Provided at the other end of the multimode optical fiber, the pumping light output from the pumping light source enters the other end of the multimode optical fiber, and the signal light emitted from the other end of the multimode optical fiber A fiber laser amplifier comprising: a second optical system that transmits light.
ほぼ回折限界の信号光をパルス状にして出力するとともに、
第1の光学系は、
上記シングルモードレーザ発振器から出力した上記パルス状の信号光のパルス幅を拡大するパルス幅拡大器を備え、
第2の光学系は、
マルチモード光ファイバの他端から出射した上記信号光のパルス幅を圧縮するパルス幅圧縮器を備えることを特徴とする請求の範囲第7項記載のファイバレーザ増幅器。Single mode laser oscillator
While outputting almost diffraction-limited signal light in pulses,
The first optical system is
A pulse width expander that expands the pulse width of the pulsed signal light output from the single mode laser oscillator;
The second optical system is
8. The fiber laser amplifier according to claim 7, further comprising a pulse width compressor for compressing a pulse width of the signal light emitted from the other end of the multimode optical fiber.
励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、
クラッドに接する上記マルチモードコアのコア周辺領域と、上記マルチモードコアに接する上記クラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされることを特徴とする請求の範囲第7項記載のファイバレーザ増幅器。Multimode optical fiber
A gain medium that absorbs excitation light and generates gain is doped in the core central region of the multimode core, and
The absorption medium that absorbs signal light is doped in at least one of the core peripheral region of the multimode core in contact with the cladding and the cladding central region of the cladding in contact with the multimode core. 8. The fiber laser amplifier according to item 7.
上記マルチモード光ファイバの一端に設けられ、上記マルチモード光ファイバの一端から出射した発振光を反射して上記マルチモード光ファイバの一端へ入射する全反射ミラーと、
上記マルチモード光ファイバの他端に設けられ、上記マルチモード光ファイバの他端から出射した上記発振光を部分反射する部分反射ミラーと、
励起光を出力する励起光源と、
上記励起光源から出力した上記励起光を上記全反射ミラーまたは上記部分反射ミラーを介して上記マルチモード光ファイバの一端または他端へ入射する第2の光学系とを備えることを特徴とするファイバレーザ発振器。A multimode optical fiber that gives gain to the fundamental mode of signal light and gives loss to higher order modes of the signal light;
A total reflection mirror that is provided at one end of the multimode optical fiber, reflects the oscillation light emitted from one end of the multimode optical fiber, and enters the one end of the multimode optical fiber;
A partially reflecting mirror that is provided at the other end of the multimode optical fiber and partially reflects the oscillation light emitted from the other end of the multimode optical fiber;
An excitation light source that outputs excitation light;
A fiber laser comprising: a second optical system configured to make the excitation light output from the excitation light source incident on one end or the other end of the multimode optical fiber through the total reflection mirror or the partial reflection mirror. Oscillator.
励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域にドープされるとともに、
クラッドに接する上記マルチモードコアのコア周辺領域と、上記マルチモードコアに接する上記クラッドのクラッド中心領域との少なくとも一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされることを特徴とする請求の範囲第10項記載のファイバレーザ発振器。Multimode optical fiber
A gain medium that absorbs excitation light and generates gain is doped in the core central region of the multimode core, and
The absorption medium that absorbs signal light is doped in at least one of the core peripheral region of the multimode core in contact with the cladding and the cladding central region of the cladding in contact with the multimode core. 11. A fiber laser oscillator according to item 10.
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