KR20200129044A - 광 파이버 레이저 장치 - Google Patents

Abstract

희토류 원소가 첨가된 제3 파이버(50)의 제1 단에 제1 파이버(30)가 접속되고, 제2 단에 제2 파이버(80)가 접속되어 있다. 희토류 원소가 첨가된 제3 파이버(50)에 있어서, 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 비율에 대해서는, 코어(54)의 중심측의 부분이 코어(54)의 에지측의 부분에 비해 높다.

Description

광 파이버 레이저 장치{OPTICAL FIBER LASER DEVICE}

본 발명은, 광 파이버 레이저 장치에 관한 것이다.

일본 특허 공개 제2007-273600호 공보에는, 희토류 첨가 파이버의 양단에, FBG(파이버 브래그 그레이팅)가 형성된 광 파이버를 각각 접속하여, 레이저광을 출력하는 광 파이버 레이저 장치가 기재되어 있다.

광 파이버 레이저 장치에 구비된 희토류 첨가 파이버에서는, 희토류 원소가 코어 전체에 균일하게 분포되어 있다. 이와 같이, 희토류 원소가 전체에 균일하게 분포되어 있는 코어를 갖는 희토류 첨가 파이버를 사용하여 고강도의 레이저광을 출력하려고 하면, 싱글 모드(＝단봉성)의 레이저광으로는 되지 않고, 집광 특성이 낮은 멀티 모드의 레이저광이 되어 버린다.

본 발명은, 희토류 원소가 코어 전체에 균일하게 분포되어 있는 경우와 비교하여, 싱글 모드의 레이저광을 효과적으로 출력하는 기술에 관한 것이다.

본 발명의 제1 태양에 관한 광 파이버 레이저 장치는, 제1 파이버 브래그 그레이팅이 형성되어 있는 제1 파이버와, 상기 제1 파이버 브래그 그레이팅의 반사율과 비교하여 낮은 반사율의 제2 파이버 브래그 그레이팅이 형성되어 있는 제2 파이버와, 제1 단에 상기 제1 파이버가 접속되고, 제2 단에 상기 제2 파이버가 접속되는 희토류 원소가 첨가된 제3 파이버를 구비한다. 제3 파이버의 코어의 중심측의 부분에 있어서의 희토류 원소의 첨가 비율이 상기 코어의 에지측의 부분에 비해 높다.

상기 구성에 의하면, 제1 파이버에 입력된 여기광은, 제3 파이버의 코어에 첨가된 희토류 원소를 여기시킨다. 이에 의해, 여기 상태가 된 희토류 원소는, 특정 파장의 자연 방출 광을 방출한다. 이 자연 방출 광은, 제2 파이버에 입력되고, 제2 파이버 브래그 그레이팅에 의해 반사된다.

제2 파이버 브래그 그레이팅에 의해 반사된 광은, 제1 파이버 브래그 그레이팅과 제2 파이버 브래그 그레이팅 사이를 왕복함으로써, 여기 상태가 된 희토류 원소에 의해 증폭된다. 또한, 증폭됨으로써 발진 조건을 초과한 광은, 제2 파이버 브래그 그레이팅을 통과하여 레이저광으로서 출력된다.

여기서, 희토류 원소의 첨가 비율에 대해서는, 코어의 중심측의 부분이 상기 코어의 에지측의 부분에 비해 높게 되어 있다. 이 때문에, 제1 파이버 브래그 그레이팅과 제2 파이버 브래그 그레이팅 사이를 광이 복수 회 왕복함으로써, 코어의 중심측의 부분을 통과하는 광이 증폭되어, 싱글 모드의 레이저광이 출력된다. 이와 같이, 희토류 원소가 코어 전체에 균일하게 분포되어 있는 경우와 비교하여, 싱글 모드의 레이저광을 효과적으로 출력할 수 있다.

상기 제1 태양에 관한 광 파이버 레이저 장치는, 상기 희토류 원소는, 상기 코어의 중심측의 부분에 첨가되어 있고, 상기 코어의 에지측의 부분에 첨가되어 있지 않고, 상기 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 부분의 직경을 Da라고 하고, 상기 코어의 직경을 Db라고 하면, 하기 식을 만족시켜도 된다.

Db/2≤Da≤(3·Db)/4

상기 구성에 의하면, 첨가 부분의 직경 Da가, (3·Db)/4보다 큰 경우, 또는 Db/2보다 작은 경우와 비교하여, 싱글 모드인 LP01 모드의 증폭 정도가 높아짐으로써, 싱글 모드의 레이저광을 효과적으로 출력할 수 있다.

상기 제1 태양에 관한 광 파이버 레이저 장치는, 상기 코어의 에지측의 부분은, 출력되는 파장대의 광을 흡수하는 흡수부가 형성되어 있어도 된다.

상기 구성에 의하면, 출력되는 파장대의 광을 흡수하는 흡수부가 코어의 에지측의 부분에 형성되어 있음으로써, 코어의 에지측의 부분으로부터 출력되는 광의 이득이 낮아진다. 이 때문에, 출력되는 파장대의 광을 흡수하는 흡수부가 코어의 에지측의 부분에 형성되어 있지 않은 경우와 비교하여, 싱글 모드의 레이저광을 효과적으로 출력할 수 있다.

상기 제1 태양에 관한 광 파이버 레이저 장치에 있어서, 상기 희토류 원소는 이테르븀이어도 되고, 상기 흡수부는 사마륨이 첨가된 석영이어도 된다.

본 발명에 따르면, 희토류 원소가 코어 전체에 균일하게 분포되어 있는 경우와 비교하여, 싱글 모드의 레이저광을 효과적으로 출력할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 구비된 희토류 첨가 파이버를 도시한 단면도다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 구비된 희토류 첨가 파이버의 굴절률의 분포를 도시한 굴절률 분포도다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 사용된 광 파이버를 도시한 단면도다.
도 3b는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 사용된 희토류 첨가 파이버를 도시한 단면도다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 사용된 광 파이버에 형성된 제1 FBG를 도시한 단면도다.
도 4b는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 사용된 광 파이버에 형성된 제2 FBG를 도시한 단면도다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치를 도시한 개략 구성도다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태의 광 파이버 레이저 장치에 구비된 실시예에 관한 희토류 첨가 파이버, 및 비교예에 관한 희토류 첨가 파이버의 해석 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 7a는 본 발명의 제1 실시 형태의 광 파이버 레이저 장치에 있어서, 레이저광의 발진 모드를 설명하는 데 사용한 도면이다.
도 7b는 본 발명의 제1 실시 형태의 광 파이버 레이저 장치에 있어서, 레이저광의 발진 모드를 설명하는 데 사용한 도면이다.
도 8a는 본 발명의 제1 실시 형태의 광 파이버 레이저 장치에 있어서, 레이저광의 발진 모드를 설명하는 데 사용한 도면이다.
도 8b는 본 발명의 제1 실시 형태의 광 파이버 레이저 장치에 있어서, 레이저광의 발진 모드를 설명하는 데 사용한 도면이다.
도 9a는 본 발명의 제1 실시 형태에 대한 비교 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 사용된 희토류 첨가 파이버를 도시한 단면도다.
도 9b는 도 9a의 확대 단면도다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 형태에 대한 비교 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치를 도시한 개략 구성도다.
도 11a는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 사용된 희토류 첨가 파이버를 도시한 단면도다.
도 11b는 도 11a의 확대 단면도다.
도 12는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 구비된 희토류 첨가 파이버의 굴절률의 분포를 나타낸 굴절률 분포도다.
도 13은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치를 도시한 개략 구성도다.
도 14는 본 발명의 실시 형태에 대한 변형 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 구비된 희토류 첨가 파이버의 굴절률의 분포를 도시한 굴절률 분포도다.
도 15는 본 발명의 실시 형태에 대한 변형 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 구비된 희토류 첨가 파이버의 굴절률의 분포를 도시한 굴절률 분포도다.
도 16은 본 발명의 실시 형태에 대한 변형 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치에 구비된 희토류 첨가 파이버의 굴절률의 분포를 도시한 굴절률 분포도다.

제1 실시 형태

본 발명의 제1 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치의 일례에 대해 도 1 내지 도 10을 사용하여 설명한다. 또한, 도면 중에 나타내는 화살표 H는, 장치 상하 방향(연직 방향)을 나타내고, 화살표 W는, 장치 폭 방향(수평 방향)을 나타낸다.

전체 구성

광 파이버 레이저 장치(10)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 소정의 파장 영역의 여기광을 출력하는 여기 광원(20)과, 제1 파이버 브래그 그레이팅(32)(이하 「제1 FBG(32)」)이 형성되어 있는 광 파이버(30)와, 희토류 첨가 파이버(50)를 갖고 있다. 또한, 광 파이버 레이저 장치(10)는, 제2 파이버 브래그 그레이팅(82)(이하 「제2 FBG(82)」)이 형성되어 있는 광 파이버(80)를 갖고 있다.

그리고 여기 광원(20), 광 파이버(30), 희토류 첨가 파이버(50), 및 광 파이버(80)는, 장치 폭 방향의 일방측으로부터 타방측으로 이 순번으로 배열되어 있다. 광 파이버(30)는 제1 파이버의 일례이며, 광 파이버(80)는 제2 파이버의 일례이다.

여기 광원(20)

여기 광원(20)은, 예를 들어 반도체 레이저 등이며, 도 5에 도시된 바와 같이, 광 파이버(30)의 일단에 대향하도록 배치되어 있다. 그리고 여기 광원(20)은, 광 파이버(30)의 일단을 향해, 여기광을 출력하도록 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 여기 광원(20)은, 예를 들어 파장이 975〔㎚〕인 여기광을 출력하도록 되어 있다.

광 파이버(30), 광 파이버(80)

광 파이버(30)

광 파이버(30)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 일단이 여기 광원(20)과 대향하고, 장치 폭 방향으로 연장되도록 직선상으로 배치되어 있다. 그리고 광 파이버(30)의 일단은, 여기 광원(20)에 융착되어 있다. 이 광 파이버(30)는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 코어(34)와, 코어(34)를 피복하고 있는 클래드(36)와, 클래드(36)를 피복하고 있는 수지 클래드(38)를 갖고 있다.

클래드(36)의 굴절률은, 코어(34)의 굴절률보다 낮게 되어 있고, 수지 클래드(38)의 굴절률은, 클래드(36)의 굴절률보다 대폭 낮게 되어 있다. 또한, 코어(34)를 구성하는 재료로서는, 게르마늄, 인, 또는 알루미늄이 첨가된 석영을 들 수 있고, 클래드(36)를 구성하는 재료로서는, 도펀트가 첨가되어 있지 않은 석영을 들 수 있다. 또한, 수지 클래드(38)를 구성하는 재료로서는, 자외선 경화 수지를 들 수 있다.

본 실시 형태에서는, 코어(34)의 직경이 40〔㎛〕로 되어 있고, 클래드(36)의 직경이 400〔㎛〕로 되어 있고, 수지 클래드(38)의 직경이 800〔㎛〕로 되어 있다.

또한, 광 파이버(30)에 형성되어 있는 제1 FBG(32)는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 회절 격자(40)를 갖고 있다. 또한, 회절 격자(40)는, 광 파이버(30)의 코어(34)에 있어서, 광 파이버(30)의 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 배치됨과 함께 코어(34)와 비교하여 굴절률이 높은 고굴절률부(40a)와, 한 쌍의 고굴절률부(40a) 사이에서 코어(34)와 동일한 굴절률인 저굴절률부(40b)를 갖고 있다. 또한, 도 4a, 도 4b의 좌우 방향(도면 중 화살표 z)은, 파이버의 길이 방향을 나타내고, 상하 방향(도면 중 화살표 r)은, 반경 방향을 나타낸다.

본 실시 형태에서는, 제1 FBG(32)에 의해 반사되는 광의 반사 중심 파장(브래그 파장)은, 예를 들어 1080〔㎚〕로 되어 있다. 또한, 제1 FBG(32)에 의해 99〔％〕이상의 반사율로 광이 반사되도록, 각 부의 치수 및 물성값 등이 정해져 있다.

광 파이버(80)

광 파이버(80)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 장치 폭 방향으로 연장되도록 직선상으로 배치되어 있다. 이 광 파이버(80)는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 코어(84)와, 코어(84)를 피복하고 있는 클래드(86)와, 클래드(86)를 피복하고 있는 수지 클래드(88)를 갖고 있다.

광 파이버(80)의 각 부재의 직경은, 광 파이버(30)의 각 부재의 직경과 마찬가지로 되어 있고, 광 파이버(80)의 각 부재를 구성하는 재료는, 광 파이버(30)의 각 부재를 구성하는 재료와 마찬가지로 되어 있다.

또한, 광 파이버(80)에 형성되어 있는 제2 FBG(82)는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 회절 격자(90)를 갖고 있다. 또한, 회절 격자(90)는, 광 파이버(80)의 코어(84)에 있어서, 광 파이버(80)의 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 배치됨과 함께 코어(84)와 비교하여 굴절률이 높은 고굴절률부(90a)와, 한 쌍의 고굴절률부(90a) 사이에서 코어(84)와 동일한 굴절률인 저굴절률부(90b)를 갖고 있다.

본 실시 형태에서는, 제2 FBG(82)에 의해 반사되는 광의 반사 중심 파장(브래그 파장)은, 제1 FBG(32)와 마찬가지이며, 예를 들어 1080〔㎚〕로 되어 있다. 또한, 제2 FBG(82)에 의해 반사되는 광의 반사율은, 제1 FBG(32)에 의해 반사되는 광의 반사율과 비교하여 낮게 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 예를 들어 제2 FBG(82)에 의해 10〔％〕의 반사율로 광이 반사되도록, 각 부의 치수 및 물성값 등이 정해져 있다.

희토류 첨가 파이버(50)

희토류 첨가 파이버(50)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 장치 폭 방향에 있어서, 광 파이버(30)와 광 파이버(80) 사이에 배치되어 있다. 또한, 희토류 첨가 파이버(50)는, 내부에 응력이 발생하지 않도록 큰 직경으로 코일형으로 권취되어 있다.

이 희토류 첨가 파이버(50)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 희토류 원소가 첨가된 코어(54)와, 코어(54)를 피복하고 있는 클래드(56)와, 클래드(56)를 피복하고 있는 수지 클래드(58)를 갖고 있다.

클래드(56)의 굴절률은, 코어(54)의 굴절률보다 낮게 되어 있고, 수지 클래드(58)의 굴절률은, 클래드(56)의 굴절률보다 대폭 낮게 되어 있다. 또한, 코어(54)를 구성하는 재료로서는, 희토류 원소의 일례인 이테르븀(Yb)이 첨가된 석영을 들 수 있고, 클래드(56)를 구성하는 재료로서는, 도펀트가 첨가되어 있지 않은 석영을 들 수 있다. 또한, 수지 클래드(58)를 구성하는 재료로서는, 자외선 경화 수지를 들 수 있다. 또한, 희토류 원소가 첨가되어 있는 코어(54)의 부분에 대해서는, 상세를 후술한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 코어(54)의 직경이 40〔㎛〕로 되어 있고, 클래드(56)의 직경이 400〔㎛〕로 되어 있고, 수지 클래드(58)의 직경이 500〔㎛〕로 되어 있다. 또한, 희토류 첨가 파이버(50)의 길이는, 9〔m〕 이상으로 되어 있다.

또한, 희토류 첨가 파이버(50)의 일단은, 아크 방전 가공에 의해 광 파이버(30)의 타단에 융착되어 있다(도 5 참조). 구체적으로는, 광 파이버(30)의 코어(34) 및 클래드(36)와, 희토류 첨가 파이버(50)의 코어(54) 및 클래드(56)가 아크 방전에 의해 융착되어 있다(도 3a, 도 3b 참조).

또한, 희토류 첨가 파이버(50)의 타단은, 아크 방전 가공에 의해 광 파이버(80)의 일단에 융착되어 있다(도 5 참조). 구체적으로는, 광 파이버(80)의 코어(84) 및 클래드(86)와, 희토류 첨가 파이버(50)의 코어(54) 및 클래드(56)가 아크 방전에 의해 융착되어 있다(도 3a, 도 3b 참조).

주요부 구성

다음으로, 희토류 원소가 첨가되어 있는 코어(54)의 부분에 대해, 도 1, 도 2를 사용하여 설명한다. 도 1에는, 희토류 첨가 파이버(50)의 길이 방향에 대해 직교하는 방향으로 희토류 첨가 파이버(50)를 절단한 단면이 도시되어 있다. 또한, 도 2에는, 희토류 첨가 파이버(50)의 굴절률의 분포를 나타낸 굴절률의 분포도가 도시되어 있다. 도 2의 상하 방향(도면 중 화살표 n)은, 굴절률의 고저를 나타내며, 높이가 높을수록, 굴절률이 높게 되어 있다. 또한, 도 2의 좌우 방향(도면 중 화살표 r)은, 희토류 첨가 파이버(50)의 반경 방향을 나타내고 있다. 또한, 도면의 치수 비율은, 설명의 편의상 과장되어 있어, 실제의 비율과는 다른 경우가 있다.

희토류 첨가 파이버(50)의 코어(54)는, 전술한 바와 같이, 희토류 원소가 첨가된 석영이며, 코어(54)의 직경은, 40〔㎛〕로 되어 있다.

또한, 희토류 원소는, 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 희토류 첨가 파이버(50)의 길이 방향에서 보아, 코어(54)의 중심측의 부분에 첨가되어 있고, 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 부분(54a)은, 단면 원형으로 되어 있다. 또한, 첨가 부분(54a)에 대해서는, 도면 내에서 도트를 부여하여 나타내고 있다.

여기서, 「코어(54)의 중심측의 부분」이란, 희토류 첨가 파이버(50)의 길이 방향에서 보아, 코어(54)의 중심 C를 포함하고, 또한 클래드(56)와 이격된 부분이다.

그리고 본 실시 형태에서는, 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 부분(54a)은, 코어(54)와 동심원으로 된 직경 20〔㎛〕 이상이고, 30〔㎛〕 이하인 미리 정해진 직경 Da의 원기둥형의 부분이다. 바꾸어 말하면, 코어(54)의 직경을 Db라고 하면, 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 부분(54a)은, Db/2 이상이고, (3·Db)/4 이하의 미리 정해진 직경 Da의 원기둥형의 부분이다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는, 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 비율에 대해서는, 코어(54)의 중심측의 부분이 코어(54)의 에지측의 부분에 비해 높게 되어 있다.

그리고 첨가 부분(54a)에 있어서의 희토류 원소의 첨가 비율은, 0.5〔질량％〕 이상이고, 10〔질량％〕 이하의 미리 정해진 값으로 되어 있다. 또한, 희토류 원소의 첨가 비율에 대해서는, 여기 상태가 되어 특정 파장의 자연 방출 광을 방출한다는 관점에서 많은 쪽이 바람직하고, 농도를 부분적으로 치우치게 하지 않는다는 관점에서 적은 쪽이 바람직하다. 이 때문에, 희토류 원소의 첨가 비율에 대해서는, 1〔질량％〕 이상이고, 2〔질량％〕 이하가 바람직하다.

또한, 코어(54)에 있어서 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 부분(54a)에 대해서는, 전자 프로브 마이크로 애널라이저(Electron Probe Micro Analyzer; EPMA)를 사용하여 분석함으로써 특정할 수 있다.

작용

다음으로, 광 파이버 레이저 장치(10)의 작용에 대해, 비교 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치(510)와 비교하면서 설명한다. 우선, 광 파이버 레이저 장치(510)의 구성에 대해, 광 파이버 레이저 장치(10)와 다른 부위를 주로 설명한다. 또한, 광 파이버 레이저 장치(510)의 작용에 대해서도, 광 파이버 레이저 장치(10)와 다른 부위를 주로 설명한다.

광 파이버 레이저 장치(510)의 구성

광 파이버 레이저 장치(510)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 여기 광원(20)과, 광 파이버(30)와, 희토류 첨가 파이버(550)와, 광 파이버(80)를 갖고 있다. 또한, 희토류 첨가 파이버(550)는, 장치 폭 방향에 있어서, 광 파이버(30)와 광 파이버(80) 사이에 배치되어 있다. 또한, 희토류 첨가 파이버(550)는, 내부에 응력이 발생하지 않도록 큰 직경으로 코일형으로 권취되어 있다.

이 희토류 첨가 파이버(550)는, 도 9a에 도시된 바와 같이, 희토류 원소가 첨가된 코어(554)와, 코어(554)를 피복하고 있는 클래드(56)와, 클래드(56)를 피복하고 있는 수지 클래드(58)를 갖고 있다. 코어(554)는, 희토류 원소가 첨가된 석영이며, 코어(554)의 직경은, 40〔㎛〕로 되어 있다. 그리고 희토류 원소는, 코어(554) 전체에 균일하게 첨가되어 있다. 바꾸어 말하면, 희토류 원소는, 코어(554) 전체에 균일하게 분포되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 코어(554)에 있어서의 희토류 원소의 첨가 비율은, 0.5〔질량％〕 이상이고, 10〔질량％〕 이하로 되어 있다.

발진 모드 해석

다음으로, 희토류 첨가 파이버(50, 550)에 대해, 각 발진 모드에 대한 증폭 정도에 대해 시뮬레이션에 의해 해석하였으므로, 이 해석에 대해 설명한다.

우선, 발진 모드에 대해 설명한다. 본 해석에 있어서의 발진 모드는, LP01 모드, LP02 모드, LP03 모드, 및 LP04 모드의 4종이다.

도 7a, 도 7b, 도 8a, 도 8b에는, X축 및 Y축을 코어의 단면에 있어서의 위치를 나타내는 좌표 축으로 하고, Z축을 방사 강도로 한 그래프가 나타나 있다.

LP01 모드란, 도 7a에 도시된 바와 같이, 코어의 중심에서 출력이 가장 높고, 주위에 비해 출력이 높은 극값이 1개소인 싱글 모드(＝단봉성)이다. 또한, LP02 모드란, 도 7b에 도시된 바와 같이, 코어의 중심에서 출력이 가장 높아지지만, 코어의 중심을 둘러싸도록, 주위에 비해 출력이 높은 극값이 환형으로 발생하는 멀티 모드이다.

또한, LP03 모드란, 도 8a에 도시된 바와 같이, 코어의 중심에서 출력이 가장 높아지지만, 코어의 중심을 둘러싸도록, 주위에 비해 출력이 높은 극값이 이중의 환형으로 발생하는 멀티 모드이다. LP04 모드란, 도 8b에 도시된 바와 같이, 코어의 중심에서 출력이 가장 높아지지만, 코어의 중심을 둘러싸도록, 주위에 비해 출력이 높은 극값이 삼중의 환형으로 발생하는 멀티 모드이다.

해석 사양

1. 실시예 1로서, 희토류 원소가, 코어(54)와 동심원으로 된 직경 20〔㎛〕의 첨가 부분(54a)에 첨가되어 있는 희토류 첨가 파이버(50)를 사용하였다.

2. 실시예 2로서, 희토류 원소가, 코어(54)와 동심원으로 된 직경 25〔㎛〕의 첨가 부분(54a)에 첨가되어 있는 희토류 첨가 파이버(50)를 사용하였다.

3. 실시예 3으로서, 희토류 원소가, 코어(54)와 동심원으로 된 직경 30〔㎛〕의 첨가 부분(54a)에 첨가되어 있는 희토류 첨가 파이버(50)를 사용하였다.

4. 비교예로서, 희토류 원소가, 코어(554) 전체에 균일하게 첨가되어 있는 희토류 첨가 파이버(550)를 사용하였다.

해석 결과

도 6에는, 횡축을 발진 모드로 하고, 종축을 발진 모드의 증폭 정도(이하, 단순히 「증폭 정도」라고 기재하는 경우가 있음)로 한 그래프가 나타나 있다. 그래프 내의 실선이, 실시예 1의 해석 결과이고, 그래프 내의 일점쇄선이, 실시예 2의 해석 결과이고, 그래프 내의 이점쇄선이, 실시예 3의 해석 결과이다. 또한, 그래프 내의 파선이, 비교예의 해석 결과이다.

비교예에 대해서는, 도 6의 그래프에 나타낸 바와 같이, LP01 모드의 증폭 정도와, LP02 모드의 증폭 정도와, LP03 모드의 증폭 정도와, LP04 모드의 증폭 정도가 마찬가지가 되는 결과가 얻어졌다. 즉, 비교예에서는, 모든 모드가 마찬가지의 정도로 증폭되는 결과가 얻어졌다.

실시예 1, 2, 3에 대해서는, 도 6의 그래프에 나타낸 바와 같이, LP01 모드의 증폭 정도가, 다른 발진 모드의 증폭 정도와 비교하여 높아지는 결과가 얻어졌다. 여기서, LP02 모드의 증폭 정도에 대한 LP01 모드의 증폭 정도의 비를 증폭 비라고 한다. 그렇게 하면, 실시예 1의 증폭 비는 1.4가 되고, 실시예 2의 증폭 비는 1.6이 되고, 실시예 3의 증폭 비는 1.2가 된다. 비교예의 증폭 비는 1.0이 된다.

즉, 희토류 원소가 첨가되어 있는 부분의 직경이 25〔㎛〕인 경우의 증폭 비가 가장 높고, 희토류 원소가 첨가되어 있는 부분의 직경이 25〔㎛〕보다 크거나 또는 작아지면, 증폭 비가 낮아진다. 즉, 코어(54)의 직경을 Db라고 하면, 희토류 원소가 첨가되어 있는 부분의 직경 Da가, (5·Db)/8인 경우의 증폭 비가 가장 높고, 희토류 원소가 첨가되어 있는 부분의 직경이, (5·Db)/8보다 크거나 또는 작아지면 증폭 비가 낮아진다. 또한, 코어의 직경과 희토류 원소가 첨가되어 있는 부분의 직경의 비에 따라, 각 발진 모드의 증폭 정도가 변화된다고 하는 지견에 기초하여, 희토류 원소가 첨가되어 있는 부분을 무차원화하였다.

해석 결과에 대한 고찰

비교예에 대해서는, 전술한 바와 같이, 희토류 원소가 코어(554) 전체에 균일하게 첨가되어 있다. 이 때문에, 각 발진 모드의 증폭 정도가 마찬가지가 된다고 생각된다.

실시예 1, 2, 3에 대해서는, 전술한 바와 같이, 희토류 원소가 코어(54)의 중심측의 부분에 첨가되어 있다. 이 때문에, LP01 모드의 증폭 정도가, 다른 발진 모드의 증폭 정도와 비교하여 높아졌다고 생각된다.

광 파이버 레이저 장치(10, 510)의 작용

다음으로, 광 파이버 레이저 장치(10, 510)의 작용에 대해 설명한다.

도 5, 도 10에 도시한 여기 광원(20)이, 파장이 975〔㎚〕인 여기광을 광 파이버(30)의 일단을 향해 출력한다. 이 여기광은, 광 파이버(30)의 클래드(36) 및 코어(34)(도 3a 참조)에 입력된다. 그리고 광 파이버(30)를 통해 전파된 여기광은, 희토류 첨가 파이버(50, 550)에 입력된다.

희토류 첨가 파이버(50, 550)에 입력된 여기광은, 희토류 첨가 파이버(50, 550)의 코어(54, 554)에 첨가된 희토류 원소에 흡수된다. 이에 의해, 희토류 원소는 여기 상태가 되고, 여기 상태가 된 희토류 원소는, 특정 파장의 자연 방출 광을 방출한다. 그리고 희토류 첨가 파이버(50, 550)의 코어(54, 554)(도 3b 참조)를 통해 전파된 자연 방출 광은, 광 파이버(80)에 입력된다.

또한, 광 파이버(80)에 입력된 자연 방출 광 중 제2 FBG(82)의 반사 파장대(본 실시 형태에서는, 1080〔㎚〕)의 광은, 제2 FBG(82)에 의해 반사된다. 제2 FBG(82)에 의해 반사된 광은, 다시 희토류 첨가 파이버(50, 550)에 입력된다.

희토류 첨가 파이버(50, 550)에 다시 입력된 광은, 희토류 원소의 유도 방출에 의해 증폭된다. 그 후, 증폭된 광은, 다시 광 파이버(30)에 입력된다.

광 파이버(30)에 입력된 광 중 제1 FBG(32)의 반사 파장대(본 실시 형태에서는, 1080〔㎚〕)의 광은, 제1 FBG(32)에 의해 반사된다. 또한, 제1 FBG(32)에서 반사된 광은, 다시 희토류 첨가 파이버(50, 550)에 입력된다. 희토류 첨가 파이버(50, 550)에 다시 입력된 광은, 희토류 원소의 유도 방출에 의해 증폭된다. 그 후, 증폭된 광은, 광 파이버(80)에 입력된다.

이와 같이, 광이 제1 FBG(32)와 제2 FBG(82) 사이를 왕복함으로써, 전파되는 광은, 점차 증폭된다. 그리고 발진 조건을 초과한 광이, 제2 FBG(82)를 투과하여, 광 파이버 레이저 장치(10, 510)로부터 레이저광으로서 출력된다.

여기서, 광 파이버 레이저 장치(510)에 대해서는, 희토류 원소는, 코어(554) 전체에 균일하게 첨가되어 있다. 이 때문에, 상술한 해석 결과에서 설명한 바와 같이, 각 발진 모드의 증폭 정도가 마찬가지로 되어 있다. 그래서 제1 FBG(32)와 제2 FBG(82) 사이를 광이 복수 회 왕복해도, 싱글 모드의 레이저광을 선택적으로 출력하는 것은 곤란하다.

이에 비해, 광 파이버 레이저 장치(10)에 대해서는, 희토류 원소는, 코어(54)의 중심측의 부분에 첨가되어 있다. 이 때문에, 상술한 해석 결과에서 설명한 바와 같이, LP01 모드의 증폭 정도가, 다른 발진 모드의 증폭 정도와 비교하여 높게 되어 있다.

그래서 제1 FBG(32)와 제2 FBG(82) 사이를 광이 복수 회 왕복함으로써, LP01 모드가 다른 발진 모드와 비교하여 증폭되어, LP01 모드의 레이저광이, 광 파이버 레이저 장치(10)로부터 출력된다. 바꾸어 말하면, 싱글 모드의 레이저광이, 광 파이버 레이저 장치(10)로부터 출력된다.

정리

이상 설명한 바와 같이, 광 파이버 레이저 장치(10)에서는, 희토류 원소가 코어(554) 전체에 균일하게 첨가되어 있는 광 파이버 레이저 장치(510)를 사용하는 경우와 비교하여, 싱글 모드의 레이저광을 효율적으로 출력할 수 있다.

또한, 바꾸어 말하면, 광 파이버 레이저 장치(10)에서는, 희토류 원소가 코어(554) 전체에 균일하게 첨가되어 있는 광 파이버 레이저 장치(510)를 사용하는 경우와 비교하여, 집광 특성이 높은 레이저광을 출력할 수 있다.

또한, 광 파이버 레이저 장치(10)에서는, 코어(54)의 직경을 Db라고 하면, 희토류 원소가 첨가되어 있는 부분의 직경 Da는, 하기 식을 만족시킨다.

Db/2≤Da≤(3·Db)/4

이 때문에, 직경 Da가, (3·Db)/4보다 큰 경우, 또는 직경 Da가, Db/2보다 작은 경우와 비교하여, 싱글 모드의 레이저광을 효율적으로 출력할 수 있다.

제2 실시 형태

본 발명의 제2 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치의 일례에 대해 도 11a 내지 도 13을 사용하여 설명한다. 또한, 제2 실시 형태에 대해서는, 제1 실시 형태와 다른 부분을 주로 설명한다.

제2 실시 형태에 관한 광 파이버 레이저 장치(210)는, 도 13에 도시된 바와 같이, 여기 광원(20)과, 광 파이버(30)와, 희토류 첨가 파이버(250)와, 광 파이버(80)를 갖고 있다. 또한, 희토류 첨가 파이버(250)는, 장치 폭 방향에 있어서, 광 파이버(30)와 광 파이버(80) 사이에 배치되어 있다. 또한, 희토류 첨가 파이버(250)는, 내부에 응력이 발생하지 않도록 큰 직경으로 코일형으로 권취되어 있다.

이 희토류 첨가 파이버(250)는, 도 11a에 도시된 바와 같이, 희토류 원소가 첨가된 코어(254)와, 코어(254)를 피복하고 있는 클래드(56)와, 클래드(56)를 피복하고 있는 수지 클래드(58)를 갖고 있다.

코어(254)는, 전술한 바와 같이, 희토류 원소가 첨가된 석영이며, 코어(254)의 직경은, 40〔㎛〕로 되어 있다. 구체적으로는, 희토류 원소는, 도 11b, 도 12에 도시된 바와 같이, 코어(254)의 중심측의 부분에 첨가되어 있고, 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 부분(254a)은 단면 원형으로 되어 있다. 구체적으로는, 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 부분(54a)은, 코어(54)와 동심원으로 된 직경 20〔㎛〕 이상이고, 30〔㎛〕 이하인 미리 정해진 직경 Da의 원기둥형의 부분이다.

또한, 코어(254)의 에지측의 부분이며, 또한 첨가 부분(54a)과는 다른 부분에는, 여기광을 흡수하지 않고 출력되는 파장대의 광을 흡수하는 흡수부(254b)가 형성되어 있다. 흡수부(254b)는, 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있으며, 여기광의 파장이 975〔㎚〕이고, 희토류 원소로서 이테르븀(Yb)이 사용되어 있는 경우에는, 일례로서, 사마륨(Sm)이 석영에 첨가되어 있는 원통형의 부분이며, 다른 부분과 비교하여, 출력되는 파장대의 광을 20〔％〕 정도 흡수하도록 되어 있다.

이와 같이, 코어(254)의 에지측의 부분에, 출력되는 파장대의 광을 흡수하는 흡수부(254b)가 형성됨으로써, 코어(254)의 에지측의 부분으로부터 출력되는 광의 방사 강도가 약해진다. 이 때문에, 흡수부(254b)가 형성되어 있지 않은 경우와 비교하여, 싱글 모드의 레이저광을 효율적으로 출력할 수 있다.

다른 제2 실시 형태의 작용은, 제1 실시 형태의 작용과 동일하다.

또한, 본 발명을 특정 실시 형태에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에서 다른 다양한 실시 형태를 취하는 것이 가능한 것은 당업자에게 있어서 분명하다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 실시 형태에서는, 희토류 원소는, 코어(54, 254)의 중심측의 부분에 첨가되고, 코어(54, 254)의 에지측의 부분에는, 희토류 원소가 첨가되지 않았지만, 코어의 에지측의 부분에, 희토류 원소가 첨가되어도 된다. 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 비율에 대해, 코어(54, 254)의 중심측의 부분이 코어(54, 254)의 에지측의 부분에 비해 높으면 된다.

또한, 상기 제1, 제2 실시 형태에서는, 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 부분(54a, 254a)은, 단면 원형이었지만, 단면 직사각형 등의 다른 형상이어도 된다. 첨가 부분(54a, 254a)이, 클래드(56)와 이격되어 있으면 된다. 그러나 이 경우에는, 첨가 부분(54a, 254a)이, 단면 원형임으로써 발현되는 작용은 발현되지 않는다.

또한, 상기 제1, 제2 실시 형태에서는, 희토류 첨가 파이버(50, 250)의 코어(54, 254)에 이테르븀(Yb)이 첨가되었지만, 예를 들어 여기 광원(20)으로서, 400〔㎜〕대의 파장을 갖는 질화갈륨(GaN)의 반도체 레이저의 등을 사용하는 경우에는, 에르븀(Er), 디스프로슘(Dy) 또는 툴륨(Tm)을 희토류 원소로서 사용해도 된다.

또한, 상기 제2 실시 형태에서는, 흡수부(254b)에는, 일례로서 사마륨(Sm)이 첨가되었지만, 흡수하는 레이저광의 파장에 따라서는, 유로퓸(Eu) 등을 첨가해도 된다.

또한, 상기 제1 실시 형태에서는 특별히 설명하지 않았지만, 도 14에 도시된 바와 같이, 첨가 부분(54a)의 굴절률이, 코어(54)에 있어서 첨가 부분(54a)을 제외한 부분의 굴절률과 비교하여 높아도 되고, 도 15에 도시된 바와 같이 낮아도 된다.

또한, 상기 제1 실시 형태에서는 특별히 설명하지 않았지만, 도 16에 도시된 바와 같이, 첨가 부분(54a)의 굴절률이, 코어(54)에 있어서 첨가 부분(54a)을 제외한 부분의 굴절률과 비교하여 낮아도 된다. 또한, 코어(54)의 중심이며, 직경 1〔㎛〕 이상이고, 2〔㎛〕 이하인 원기둥형의 중심 부분(54c)에 대해서는, 희토류 원소가 첨가되어 있지 않고, 첨가 부분(54a)과 비교하여 굴절률이 높게 되어 있다. 또한, 중심 부분(54c)에 대해서는, 코어(54)에 있어서 희토류 원소가 첨가되어 있지 않은 부분과 비교하여 굴절률이 높아도 된다. 희토류 원소가 첨가되어 있는 첨가 비율에 대해, 코어(54)의 중심측의 부분이 코어(54)의 에지측의 부분에 비해 높으면 된다.

Claims (4)

1. 광 파이버 레이저 장치에 있어서,
   제1 파이버 브래그 그레이팅이 형성되어 있는 제1 파이버(30)와,
   상기 제1 파이버 브래그 그레이팅의 반사율과 비교하여 낮은 반사율의 제2 파이버 브래그 그레이팅이 형성되어 있는 제2 파이버(80)와,
   제1 단에 상기 제1 파이버(30)가 접속되고, 제2 단에 상기 제2 파이버(80)가 접속되는 희토류 원소가 첨가된 제3 파이버(50)를 포함하고,
   상기 제3 파이버(50)의 코어(54)의 중심측의 부분에 있어서의 상기 희토류 원소의 첨가 비율이 상기 코어의 에지측의 부분에 비해 높은, 광 파이버 레이저 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 희토류 원소는, 상기 코어(54)의 중심측의 부분에 첨가되어 있고, 상기 코어(54)의 에지측의 부분에 첨가되어 있지 않고,
   상기 희토류 원소가 첨가되어 있는 상기 중심측의 부분의 직경을 Da라고 하고, 상기 코어(54)의 직경을 Db라고 하면, 하기 식을 만족시키는, 광 파이버 레이저 장치.
   Db/2≤Da≤(3·Db)/4
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 코어(54)의 에지측의 부분은, 출력되는 파장대의 광을 흡수하는 흡수부(254b)를 포함하는, 광 파이버 레이저 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 희토류 원소는 이테르븀이고,
   상기 흡수부(254b)는 사마륨이 첨가된 석영인, 광 파이버 레이저 장치.

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