RU2740005C1

RU2740005C1 - Оптоволоконное лазерное устройство

Info

Publication number: RU2740005C1
Application number: RU2020115235A
Authority: RU
Inventors: Кадзуо ХАСЭГАВА; Даисукэ ИНОУЭ; Сатору КАТО; Томоя ОКАДЗАКИ; Кадзуя САИТО; Ариндам ГАЛЬДЕР
Original assignee: Тойота Дзидося Кабусики Кайся; Тойота Скул Фаундейшн
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2020-12-30
Also published as: EP3736921A2; EP3736921B1; JP2020184565A; JP7136534B2; US20200358245A1; EP3736921A3; BR102020008924A2; KR20200129044A; US11424589B2; MX2020004701A; CN111916980A

Abstract

Изобретение относится к лазерной волоконной технике. Оптоволоконное лазерное устройство содержит первое волокно, содержащее первую волоконную брэгговскую решетку, второе волокно, содержащее вторую волоконную брэгговскую решетку, отражательная способность которой ниже, чем у первой волоконной брэгговской решетки, и третье волокно, легированное редкоземельным элементом, первый конец которого соединен с первым волокном, а второй конец соединен со вторым волокном. При этом центральная часть сердечника третьего волокна в большей степени легирована редкоземельным элементом, чем периферийная часть сердечника. Кроме того, выполняется следующее выражение, в котором Da представляет собой диаметр центральной части, легированной редкоземельным элементом, а Db представляет собой диаметр сердечника Db / 2 ≤ Da ≤ (3 ⋅ Db) / 4. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности одномодового лазерного излучения. 2 з.п. ф-лы, 22 ил.

Description

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Изобретение относится к оптоволоконным лазерным устройствам.

2. Раскрытие предшествующего уровня техники

[0002] В японской патентной заявке №2007-273600 (JP 2007-273600 A) раскрыто оптоволоконное лазерное устройство, испускающее лазерное излучение. В этом оптоволоконном лазерном устройстве оптические волокна, каждое из которых имеет волоконную брэгговскую решетку (ВБР), соединены с обоими концами волокна, легированного редкоземельными элементами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] В волокне, легированном редкоземельными элементами и входящем в состав оптоволоконного лазерного устройства, редкоземельный элемент равномерно распределен по всей сердцевине волокна. Если испускаемое лазерное излучение высокой интенсивности, использующее легированное редкоземельным элементом волокно, в котором редкоземельный элемент равномерно распределен по всей сердцевине, лазерное излучение является не одномодовым (одной моды), а многомодовым лазерным излучением с низким эффектом конденсации спектра.

[0004] Изобретение относится к технике для более эффективного испускания одномодового лазерного излучения по сравнению с вариантом, в котором редкоземельный элемент равномерно распределен по всему сердечнику.

[0005] Оптоволоконное лазерное устройство согласно первому аспекту изобретения содержит: первое волокно, содержащее первую волоконную брэгговскую решетку, второе волокно, содержащее вторую волоконную брэгговскую решетку, отражательная способность которой ниже, чем у первой волоконной брэгговской решетки, и третье волокно, легированное редкоземельным элементом, первый конец которого соединен с первым волокном, а второй конец соединен со вторым волокном. Центральная часть сердечника третьего волокна в большей степени легирована редкоземельным элементом, чем периферийная часть сердечника.

[0006] В вышеуказанной конфигурации излучение возбуждения, поступившее в первое волокно, возбуждает редкоземельный элемент, добавленный к сердечнику третьего волокна. После этого возбужденный редкоземельный элемент самопроизвольно испускает излучение с определенной длиной волны. Самопроизвольно испускаемое излучение поступает во второе волокно и отражается от второй волоконной брэгговской решетки.

[0007] Излучение, отраженное второй волоконной брэгговской решеткой, усиливается возбужденным редкоземельным элементом, поскольку оно перемещается многократно возратно-поступательно между первой волоконной брэгговской решеткой и второй волоконной брэгговской решеткой. Усиленное излучение, будучи усиленным, и таким образом превысившее условия возбуждения колебаний, проходит через вторую волоконную брэгговскую решетку и выходит наружу в виде лазерного излучения.

[0008] Центральная часть сердечника в большей степени легирована редкоземельным элементом, чем периферийная часть сердечника. Соответственно, излучение, проходящее через центральную часть сердечника, усиливается, поскольку оно многократно возратно-поступательно перемещается между первой волоконной брэгговской решеткой и второй волоконной брэгговской решеткой. В результате выходит наружу одномодовое лазерное излучение. Таким образом, оптоволоконное лазерное устройство более эффективно испускает одномодовое лазерное излучение по сравнению с вариантом, в котором редкоземельный элемент равномерно распределен по всему сердечнику.

[0009] В оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому аспекту изобретения центральная часть сердечника может быть легирована редкоземельным элементом, периферийная часть сердечника может не быть легирована редкоземельным элементом, и может выполняться следующее условие, где Da представляет собой диаметр центральной части, легированной редкоземельным элементом, а Db представляет собой диаметр сердечника

Db / 2 ≤ Da ≤ (3 ⋅ Db) / 4.

[0010] В вышеприведенной конфигурации степень усиления моды LP01, представляющей собой одномодовое излучение, является выше, чем в варианте, в котором диаметр Da легированной части является большим, чем (3 ⋅ Db) / 4 или меньшим, чем Db / 2. Таким образом, оптоволоконное лазерное устройство эффективно испускает одномодовое лазерное излучение.

[0011] В оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому аспекту изобретения периферийная часть сердечника может содержать поглощающую часть, которая поглощает излучение в диапазоне длины волны выходного излучения.

[0012] В вышеописанной конфигурации усиление излучения, выходящего из периферийной части сердечника, снижается за счет того, что периферийная часть сердечника содержит часть, которая поглощает излучение в диапазоне длины волны выходного излучения. Таким образом, оптоволоконное лазерное устройство более эффективно выводит одномодовое лазерное излучение по сравнению с вариантом, в котором периферийная часть сердечника не содержит поглощающей части, поглощающей излучение в диапазоне длины волны выходного излучения.

[0013] В оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому аспекту изобретения редкоземельный элемент может представлять собой иттербий, а в качестве поглощающей части может быть кварц, легированный самарием.

[0014] Согласно изобретению, оптоволоконное лазерное устройство более эффективно излучает одномодовое лазерное излучение по сравнению с вариантом, в котором редкоземельный элемент равномерно распределен по всему сердечнику.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0015] Отличительные признаки, преимущества, техническая и промышленная значимость примеров осуществления настоящего изобретения раскрыты ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых одинаковые числа относятся к одинаковым элементам, и где:

На ФИГ. 1 изображен разрез легированного редкоземельным элементом волокна, входящего в состав оптоволоконного лазерного устройства согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 2 изображена схема, демонстрирующая распределение коэффициента преломления, легированного редкоземельным элементом волокна, входящего в состав оптоволоконного лазерного устройства согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 3А изображен разрез оптоволокна, используемого в оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 3B изображен разрез легированного редкоземельным элементом волокна, используемого в оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 4А изображен разрез первой волоконной брэгговской решетки, сформированной в оптоволокне, используемом в оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 4B изображен разрез второй волоконной брэгговской решетки, сформированной в оптоволокне, используемом в оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 5 изображена схема компоновки оптоволоконного лазерного устройства согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 6 изображен график, демонстрирующий результаты анализа образцов легированного редкоземельным элементом волокна, входящих в состав оптоволоконного лазерного устройства согласно первому варианту осуществления изобретения, и легированного редкоземельным элементом волокна согласно сравнительному примеру;

На ФИГ. 7А изображена мода лазерного излучения в оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 7B изображена мода лазерного излучения в оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 8А изображена мода лазерного излучения в оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 8B изображена мода лазерного излучения в оптоволоконном лазерном устройстве согласно первому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 9А изображен разрез легированного редкоземельным элементом волокна, используемого в оптоволоконном лазерном устройстве согласно сравнительной форме первого варианта осуществления изобретения;

На ФИГ. 9B изображен увеличенный фрагмент ФИГ. 9A;

На ФИГ. 10 изображена схема компоновки оптоволоконного лазерного устройства согласно сравнительной форме первого варианта осуществления изобретения;

На ФИГ. 11А изображен разрез легированного редкоземельным элементом волокна, используемого в оптоволоконном лазерном устройстве согласно второму варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 11B изображен увеличенный фрагмент ФИГ. 11A;

На ФИГ. 12 изображена схема, демонстрирующая распределение коэффициента преломления, легированного редкоземельным элементом волокна, входящего в состав оптоволоконного лазерного устройства согласно второму варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 13 изображена схема компоновки оптоволоконного лазерного устройства согласно второму варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 14 изображена схема, демонстрирующая распределение коэффициента преломления, легированного редкоземельным элементом волокна, входящего в состав оптоволоконного лазерного устройства согласно другому варианту осуществления изобретения;

На ФИГ. 15 изображена схема, демонстрирующая распределение коэффициента преломления, легированного редкоземельным элементом волокна, входящего в состав оптоволоконного лазерного устройства согласно другому варианту осуществления изобретения; и

На ФИГ. 16 изображена схема, демонстрирующая распределение коэффициента преломления, легированного редкоземельным элементом волокна, входящего в состав оптоволоконного лазерного устройства согласно другому варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первый вариант осуществления

[0016] Сначала будет рассмотрен пример оптоволоконного лазерного устройства согласно первому варианту осуществления изобретения со ссылкой на ФИГ. 1-10. Стрелка H, изображенная на фигурах, обозначает направление вверх-вниз (вертикальное направление) для устройства, а стрелка W, изображенная на фигурах, обозначает поперечное направление устройства (горизонтальное направление).

Конфигурация системы

[0017] Как показано на ФИГ. 5, оптоволоконное лазерное устройство 10 содержит источник 20 возбуждающего излучения, испускающий возбуждающее излучение в заранее заданном диапазоне длины волны, оптоволокно 30 с первой волоконной брэгговской решеткой 32 (далее упоминаемая, как «первая ВБР 32») и легированное редкоземельным элементом волокно 50. Оптоволоконное лазерное устройство 10 дополнительно содержит оптоволокно 80 со второй волоконной брэгговской решеткой 82 (далее упоминаемой, как «вторая ВБР 82»).

[0018] Источник 20 возбуждающего излучения, оптоволокно 30, легированное редкоземельным элементом волокно 50 и оптоволокно 80 размещены в указанном порядке вдоль поперечного направления устройства от одной стороны до другой. Оптоволокно 30 служит примером первого волокна, а оптоволокно 80 является примером второго волокна.

Источник 20 возбуждающего излучения

[0019] Источником 20 возбуждающего излучения является, например, полупроводниковый лазер и т.п. Как показано на ФИГ. 5, источник 20 возбуждающего излучения размещен таким образом, чтобы он был обращен к одному концу оптоволокна 30. Источник 20 возбуждающего излучения испускает возбуждающее излучение на один конец оптоволокна 30. В данном варианте осуществления источник 20 возбуждающего излучения испускает, например, возбуждающее излучение с длиной волны 975 нм.

Оптоволокно 30 и оптоволокно 80

Оптоволокно 30

[0020] Как показано на ФИГ. 5, оптоволокно 30 линейно размещено таким образом, чтобы один его конец был обращен к источнику 20 возбуждающего излучения, и таким образом, чтобы оптоволокно 30 было вытянуто вдоль поперечного направления устройства. Оптоволокно 30 имеет один его конец, соединенный с источником 20 возбуждающего излучения. Как показано на ФИГ. 3A, оптоволокно 30 имеет сердечник 34, оболочку 36, покрывающую сердечник 34, и полимерную оболочку 38, покрывающую оболочку 36.

[0021] Показатель преломления оболочки 36 ниже, чем у сердечника 34, а показатель преломления полимерной оболочки 38 значительно ниже, чем у оболочки 36. Сердечник 34 изготовлен из кварца, легированного германием, фосфором или алюминием, а оболочка 36 выполнена из кварца без каких-либо легирующих добавок. Полимерная оболочка 38 изготовлена из отверждаемого ультрафиолетом полимера.

[0022] В данном варианте осуществления сердечник 34 имеет диаметр 40 μм, оболочка имеет диаметр 36 – 400 μм, а полимерная оболочка имеет диаметр 38 – 800 μм.

[0023] Как показано на ФИГ. 4A, первая ВБР 32, сформированная в оптоволокне 30, имеет дифракционную решетку 40. Дифракционная решетка 40 имеет участки 40а с высоким показателем преломления и участки 40b с низким показателем преломления в сердечнике 34 оптоволокна 30. Участки 40а с высоким показателем преломления расположены через равные промежутки в продольном направлении оптоволокна 30 и имеют более высокий показатель преломления, чем сердечник 34. Каждый из участков 40b с низким показателем преломления находится между парой участков 40a с высоким показателем преломления и имеет показатель преломления, как у сердечника 34. Направление влево-вправо на ФИГ. 4A и 4B (стрелка z на фигурах) указывает продольное направление волокна, а направление вверх-вниз на ФИГ. 4A и 4B (стрелка r на фигурах) обозначает радиальное направление волокна.

[0024] В данном варианте осуществления центральная длина волны отражения (длина волны Брэгга) излучения, отраженного первой ВБР 32, составляет, например, 1080 нм. Размеры каждой части, значения физических свойств и т.п. определяются таким образом, чтобы первая ВБР 32 отражала излучение с отражательной способностью 99 % и более.

Оптоволокно 80

[0025] Как показано на ФИГ. 5, оптоволокно 80 линейно размещено таким образом, чтобы оно простиралось вдоль поперечного направления устройства. Как показано на ФИГ. 3A, оптоволокно 80 имеет сердечник 84, оболочку 86, покрывающую сердечник 84, и полимерную оболочку 88, покрывающую оболочку 86.

[0026] Диаметр и материал каждого компонента оптоволокна 80 аналогичен диаметру и материалу соответствующего компонента оптоволокна 30.

[0027] Как показано на ФИГ. 4B, вторая ВБР 82, сформированная в оптоволокне 80, имеет дифракционную решетку 90. Дифракционная решетка 90 имеет участки 90а с высоким показателем преломления и участки 90b с низким показателем преломления в сердечнике 84 оптоволокна 80. Участки 90а с высоким показателем преломления расположены через равные промежутки в продольном направлении оптоволокна 80 и имеют более высокий показатель преломления, чем сердечник 84. Каждый из участков 90b с низким показателем преломления находится между парой участков 90a с высоким показателем преломления и имеет показатель преломления, как и сердечник 84.

[0028] В данном варианте осуществления центральная длина волны отражения (длина волны Брэгга) излучения, отраженного второй ВБР 82, составляет, например, 1080 нм (подобно первой ВБР 32). Отражательная способность излучения, отраженного второй ВБР 82 ниже, чем таковая для излучения, отраженного первой ВБР 32. Например, в данном варианте осуществления размеры каждой части, значения физических свойств и т.п. определяются таким образом, чтобы вторая ВБР 82 отражала излучение с отражательной способностью по свету 10%.

Легированное редкоземельным элементом волокно 50

[0029] Как показано на ФИГ. 5, легированное редкоземельным элементом волокно 50 размещено между оптоволокном 30 и оптоволокном 80 в поперечном направлении устройства. Легированное редкоземельным элементом волокно 50 намотано в форме катушки большого диаметра, таким образом, чтобы никаких нагрузок не возникало в легированном редкоземельным элементом волокне 50.

[0030] Как показано на ФИГ. 3B, легированное редкоземельным элементом волокно 50 содержит сердечник 54, легированный редкоземельным элементом, оболочку 56, покрывающую сердечник 54, и полимерную оболочку 58, покрывающую оболочку 56.

[0031] Показатель преломления оболочки 56 ниже, чем у сердечника 54, а показатель преломления полимерной оболочки 58 значительно ниже, чем у оболочки 56. Сердечник 54 изготовлен из кварца, легированного иттербием (Yb), служащим примером редкоземельного элемента, а оболочка 56 выполнена из кварца без каких-либо легирующих добавок. Полимерная оболочка 58 изготовлена из отверждаемого ультрафиолетом полимера. Сердечник 54, легированный редкоземельным элементом, будет подробно описан ниже.

[0032] В данном варианте осуществления сердечник 54 имеет диаметр 40 μм, оболочка имеет диаметр 56 – 400 μм, а полимерная оболочка имеет диаметр 58 – 500 μм. Легированное редкоземельным элементом волокно 50 имеет длину 9 м и более.

[0033] Легированное редкоземельным элементом волокно 50 имеет один его конец, соединенный с другим концом оптоволокна 30 посредством обработки дуговой сваркой (см. ФИГ. 5). В частности, сердечник 34 и оболочка 36 оптоволокна 30, а также сердечник 54 и оболочка 56 легированного редкоземельным элементом волокна 50 соединены вместе посредством обработки дуговой сваркой (см. ФИГ. 3A и 3B).

[0034] Другой конец легированного редкоземельным элементом волокна 50 соединен с одним концом оптоволокна 80 посредством обработки дуговой сваркой (см. ФИГ. 5). В частности, сердечник 84 и оболочка 86 оптоволокна 80, а также сердечник 54 и оболочка 56 легированного редкоземельным элементом волокна 50 соединены вместе посредством обработки дуговой сваркой (см. ФИГ. 3A и 3B).

Конфигурация основной части

[0035] В дальнейшем сердечник 54, легированный редкоземельным элементом, будет раскрыт со ссылкой на ФИГ. 1 и 2. На ФИГ. 1 изображено сечение легированного редкоземельным элементом волокна 50, выполненное перпендикулярно продольному направлению этого волокна 50. На ФИГ. 2 изображена диаграмма, иллюстрирующая распределение показателя преломления волокна 50, легированного редкоземельным элементом. Направление вверх-вниз на ФИГ. 2 (стрелка n на фигуре) указывает на уровень показателя преломления, который тем выше, чем больше высота на фигуре. Направление влево-вправо на ФИГ. 2 (стрелка r на фигуре) указывает на радиальное направление легированного редкоземельным элементом волокна 50. Для удобства описания размерные соотношения на фигурах преувеличены и могут отличаться от фактических размерных соотношений.

[0036] Как указано выше, сердечник 54 легированного редкоземельным элементом волокна 50 изготовлен из кварца, легированного редкоземельным элементом, и имеет диаметр 40 μм.

[0037] Как показано на ФИГ. 1 и 2, центральная часть сердечника 54 легирована редкоземельным элементом, как изображено, в продольном направлении легированного редкоземельным элементом волокна 50, а часть 54а, легированная редкоземельным элементом, имеет круглое сечение. Легированная часть 54а отмечена на фигуре точками.

[0038] Под «центральной частью сердечника 54» в данном случае понимают часть, содержащую центр С сердечника 54 и расположенную вдали от оболочки 56, если смотреть в продольном направлении легированного редкоземельным элементом волокна 50.

[0039] В данном варианте осуществления часть 54а, легированная редкоземельным элементом, представляет собой цилиндрическую часть, соосную сердечнику 54 и имеющую заранее заданный диаметр Da 20 μм или более и 30 μм или менее. Иными словами, часть 54а, легированная редкоземельным элементом, представляет собой цилиндрическую часть заранее заданного диаметра Da, равного Db / 2 или более, и (3 ⋅ Db) / 4 или менее, где Db представляет собой диаметр сердечника 54. Как было описано выше, в данном варианте осуществления центральная часть сердечника 54 в большей степени легирована редкоземельным элементом, чем периферийная часть сердечника 54.

[0040] Легированная часть 54а легирована редкоземельным элементом в заранее заданной концентрации в диапазоне 0,5 мас.% или более, и 10 мас.% или менее. Предпочтительно, чтобы концентрация редкоземельного элемента была достаточно высока для того, чтобы редкоземельный элемент возбуждался и самопроизвольно испускал излучение с определенной длиной волны, и была достаточно низкой для того, чтобы концентрация редкоземельного элемента в легированной части 54a была равномерной. Предпочтительно, чтобы легированная часть 54а была легирована редкоземельным элементом в концентрации 1 мас.% или более, и 2 мас.% или менее.

[0041] Часть 54а сердечника 54, легированная редкоземельным элементом, может быть определена на электронно-зондовом микроанализаторе (EPMA).

Функции

[0042] Далее будут рассмотрены функции оптоволоконного лазерного устройства 10 в сравнении с оптоволоконным лазерным устройством 510 согласно сравнительной форме. Сначала конфигурация оптоволоконного лазерного устройства 510 раскрывается, преимущественно, в части отличий от оптоволоконного лазерного устройства 10. Функции оптоволоконного лазерного устройства 510 также будут раскрыты, преимущественно, в части отличий от оптоволоконного лазерного устройства 10.

Конфигурация оптоволоконного лазерного устройства 510

[0043] Как показано на ФИГ. 10, оптоволоконное лазерное устройство 510 содержит источник 20 возбуждающего излучения, оптоволокно 30, легированное редкоземельным элементом волокно 550 и оптоволокно 80. Легированное редкоземельным элементом волокно 550 размещено между оптоволокном 30 и оптоволокном 80 в поперечном направлении устройства. Легированное редкоземельным элементом волокно 550 намотано в форме катушки большого диаметра, таким образом, чтобы никакая нагрузка не возникала в легированном редкоземельным элементом волокне 550.

[0044] Как показано на ФИГ. 9A, легированное редкоземельным элементом волокно 550 содержит сердечник 554, легированный редкоземельным элементом, оболочку 56, покрывающую сердечник 554, и полимерную оболочку 58, покрывающую оболочку 56. Сердечник 554 изготовлен из кварца, легированного редкоземельным элементом, и имеет диаметр 40 μм. Весь сердечник 554 равномерно легирован редкоземельным элементом. Иными словами, редкоземельный элемент равномерно распределен по всему сердечнику 554. В данном варианте осуществления сердечник 554 легирован редкоземельным элементом в концентрации 0,5 мас.% или более, и 10 мас.% или менее.

Анализ мод излучения

[0045] Легированные редкоземельным элементом волокна 50, 550 были проанализированы путем моделирования степени усиления каждой моды излучения. Этот анализ будет описан ниже.

[0046] Сначала будут описаны моды излучения. В данном анализе использовались следующие четыре моды: мода LP01, мода LP02, мода LP03 и мода LP04.

[0047] На ФИГ. 7A, 7B, 8A и 8B изображены графики, на которых оси X и Y являются осями координат, указывающими положение в сечении сердечника, а ось Z отражает интенсивность излучения.

[0048] Как показано на ФИГ. 7A, мода LP01 является одномодовой (с одной модой), в которой мощность максимальна в центре сердечника, и экстремальное значение, то есть мощность, превышающая мощность в окружающих точках, возникает в одной точке. Как показано на ФИГ. 7B, мода LP02 является многомодовой, в которой мощность максимальна в центре сердечника, а экстремальные значения, то есть мощность, превышающая мощность в окружающих точках, возникают в точках, расположенных кольцом вокруг центра сердечника.

[0049] Как показано на ФИГ. 8А, мода LP03 является многомодовой, в которой мощность максимальна в центре сердечника, а экстремальные значения, то есть мощность, превышающая мощность в окружающих точках, возникают в точках, расположенных двойным кольцом вокруг центра сердечника. Как показано на ФИГ. 8B, мода LP04 является многомодовой, в которой мощность максимальна в центре сердечника, а экстремальные значения, то есть мощность, превышающая мощность в окружающих точках, возникают в точках, расположенных тройным кольцом вокруг центра сердечника.

Параметры анализа

[0050] 1. Легированное редкоземельным элементом волокно 50, в котором часть 54а, соосная сердечнику 54 и имеющая диаметр 20 μм, была легирована редкоземельным элементом, было использовано в качестве примера 1.

[0051] 2. Легированное редкоземельным элементом волокно 50, в котором часть 54а, соосная сердечнику 54 и имеющая диаметр 25 μм, была легирована редкоземельным элементом, было использовано в качестве примера 2.

[0052] 3. Легированное редкоземельным элементом волокно 50, в котором часть 54а, соосная сердечнику 54 и имеющая диаметр 30 μм, была легирована редкоземельным элементом, было использовано в качестве примера 1

[0053] 4. Легированное редкоземельным элементом волокно 550, в котором весь сердечник 554 равномерно легирован редкоземельным элементом, было использовано в качестве сравнительного примера.

Результаты анализа

[0054] На ФИГ. 6 изображен график, в котором на оси абсцисс представлена мода излучения, а на оси ординат представлена степень усиления моды излучения (далее иногда просто «степень усиления»). Сплошная линия на графике обозначает результаты анализа примера 1, штрих-пунктирная линия – результаты анализа примера 2, а штрих-пунктирная линия с двойным штрихом – результаты анализа примера 3. Штриховая линия на графике обозначает результаты анализа сравнительного примера.

[0055] Как показано на графике (ФИГ. 6), степени усиления моды LP01, моды LP02, моды LP03 и моды LP04 в сравнительном примере были схожи. То есть в сравнительном примере все моды были усилены в одинаковой степени.

[0056] В примерах 1, 2 и 3, как показано на графике (ФИГ. 6), степень усиления моды LP01 превышала степень усиления других мод излучения. В этом случае коэффициент усиления описывает отношение степени усиления моды LP01 к степени усиления моды LP02. Коэффициент усиления в первом варианте осуществления составляет 1,4, во втором варианте – 1,6, в третьем варианте – 1,2. Коэффициент усиления в сравнительном примере составляет 1,0.

[0057] Таким образом, коэффициент усиления наиболее высок, когда диаметр части, легированной редкоземельным элементом, составляет 25 μм, и уменьшается, когда диаметр части, легированной редкоземельным элементом, превышает или не достигает 25 μм. То есть коэффициент усиления наиболее высок, когда диаметр Da части, легированной редкоземельным элементом, составляет (5 ⋅ Db) / 8, и уменьшается, когда диаметр Da части, легированной редкоземельным элементом, превышает или не достигает (5 ⋅ Db) / 8, причем Db – диаметр сердечника 54. Учитывая, что степень усиления каждой моды зависит от соотношения между диаметром сердечника и диаметром части, легированной редкоземельным элементом, часть, легированная редкоземельным элементом, была представлена без размеров.

Рассмотрение результатов анализа

[0058] В сравнительном примере весь сердечник 554 равномерно легирован редкоземельным элементом, как описано выше. Поэтому считается, что степень усиления каждой моды одинакова.

[0059] В примерах 1, 2 и 3 редкоземельным элементом легирована центральная часть сердечника 54, как описано выше. При этом считается, что степень усиления моды LP01 превышает степень усиления других мод.

Функции оптоволоконных лазерных устройств 10, 510

[0060] Ниже будут описаны функции оптоволоконных лазерных устройств 10, 510.

[0061] Источник 20 возбуждающего излучения, показанный на ФИГ. 5 и 10, испускает возбуждающее излучение с длиной волны 975 нм в направлении одного конца оптоволокна 30. Это возбуждающее излучение попадает на оболочку 36 и сердечник 34 оптоволокна 30 (см. ФИГ. 3A). Возбуждающее излучение, пропущенное через оптоволокно 30, входит в волокно 50, 550, легированное редкоземельным элементом.

[0062] Возбуждающее излучение, вошедшее в легированное редкоземельным элементом волокно 50, 550, поглощается редкоземельным элементом, добавленным к сердечнику 54, 554 легированного редкоземельным элементом волокна 50, 550. После этого редкоземельный элемент возбуждается и самопроизвольно испускает излучение с определенной длиной волны. Самопроизвольно испускаемое излучение, пропущенное через сердечник 54, 554 легированного редкоземельным элементом волокна 50, 550 (см. ФИГ. 3B), входит в оптоволокно 80.

[0063] Из самопроизвольно испускаемого излучения, поступившего в оптоволокно 80, излучение в диапазоне длин волн отражения (1080 нм в настоящем варианте осуществления) второй ВБР 82, отражается второй ВБР 82. Излучение, отражаемое второй ВБР 82, возвращается в легированное редкоземельным элементом волокно 50, 550.

[0064] Излучение, возвращенное в легированное редкоземельным элементом волокно 50, 550, усиливается индуцированным излучением редкоземельного элемента. После этого усиленное излучение поступает в оптоволокно 30.

[0065] Из излучения, поступившего в оптоволокно 30, излучение в диапазоне длин волн отражения (1080 нм в данном варианте осуществления) первой ВБР 32, отражается первой ВБР 32. Излучение, отраженное первой ВБР 32, возвращается в легированное редкоземельным элементом волокно 50, 550. Излучение, возвращаемое в легированное редкоземельным элементом волокно 50, 550, усиливается индуцированным излучением редкоземельного элемента. После этого усиленный свет поступает в оптоволокно 80.

[0066] Как было описано выше, распространяющееся излучение постепенно усиливается по мере своего возвратно-поступательного перемещения между первой ВБР 32 и второй ВБР 82. Излучение, превысившее условия возбуждения колебаний, проходит через вторую ВБР 82 и испускается в виде лазерного луча из оптоволоконного лазерного устройства 10, 510.

[0067] В оптоволоконном лазерном устройстве 510 весь сердечник 554 равномерно легирован редкоземельным элементом. Таким образом, степень усиления каждой моды схожа, как описано выше в связи с результатами анализа. Соответственно, избирательный вывод одномодового лазерного излучения затруднен даже тогда, когда излучение многократно возвратно-поступательно перемещается между первой ВБР 32 и второй ВБР 82.

[0068] С другой стороны, в оптоволоконном лазерном устройстве 10 редкоземельным элементом легирована центральная часть сердечника 54. Таким образом, степень усиления моды LP01 превышает степень усиления других мод, как описано выше в связи с результатами анализа.

[0069] Соответственно, излучение моды LP01 усиливается сильнее других мод излучения по мере того, как излучение многократно возвратно-поступательно перемещается между первой ВБР 32 и второй ВБР 82. Таким образом, оптоволоконное лазерное устройство 10 испускает лазерное излучение моды LP01. Иными словами, оптоволоконное лазерное устройство 10 испускает одномодовый лазерный луч.

Сущность изобретения

[0070] Как было описано выше, оптоволоконное лазерное устройство 10 более эффективно испускает одномодовое лазерное излучение по сравнению с оптоволоконным лазерным устройством 510, в котором весь сердечник 554 равномерно легирован редкоземельным элементом.

[0071] Иными словами, оптоволоконное лазерное устройство 10 испускает одномодовое лазерное излучение с улучшенной конденсацией спектра по сравнению с оптоволоконным лазерным устройством 510, в котором весь сердечник 554 равномерно легирован редкоземельным элементом.

[0072] В оптоволоконном лазерном устройстве 10 диаметр Da части, легированной редкоземельным элементом, удовлетворяет следующему выражению, в котором Db выражает диаметр сердечника 54.

[0073] Db / 2 ≤ Da ≤ (3 ⋅ Db) / 4

[0074] Соответственно, оптоволоконное лазерное устройство 10 более эффективно излучает одномодовое лазерное излучение по сравнению с вариантом, в котором диаметр Da больше (3 ⋅ Db) / 4 или меньше Db / 2.

Второй вариант осуществления

[0075] Пример оптоволоконного лазерного устройства согласно второму варианту осуществления изобретения будет рассмотрен со ссылкой на ФИГ. 11A- ФИГ. 13. Второй вариант осуществления будет описан в основном в части отличий от первого варианта осуществления.

[0076] Как показано на ФИГ. 13, оптоволоконное лазерное устройство 210 согласно второму варианту осуществления содержит источник 20 возбуждающего излучения, оптоволокно 30, легированное редкоземельным элементом волокно 250 и оптоволокно 80. Легированное редкоземельным элементом волокно 250 размещено между оптоволокном 30 и оптоволокном 80 в поперечном направлении устройства. Легированное редкоземельным элементом волокно 250 намотано в форме катушки большого диаметра, так что в легированном редкоземельным элементом волокне 250 не возникает нагрузок.

[0077] Как показано на ФИГ. 11A, легированное редкоземельным элементом волокно 250 содержит сердечник 254, легированный редкоземельным элементом, оболочку 56, покрывающую сердечник 254, и полимерную оболочку 58, покрывающую оболочку 56.

[0078] Как описано выше, сердечник 254 изготовлен из кварца, легированного редкоземельным элементом, и имеет диаметр 40 μм. В частности, как показано на ФИГ. 11B и 12, центральная часть сердечника 254 легирована редкоземельным элементом, и часть 254а, легированная редкоземельным элементом, имеет круглое сечение. В частности, часть 54а, легированная редкоземельным элементом, представляет собой цилиндрическую часть, соосную сердечнику 54 и имеющую заранее заданный диаметр Da равный 20 μм или более и 30 μм или менее.

[0079] Сердечник 254 содержит поглощающую часть 254b на периферической части сердечника 254. Поглощающая часть 254b сформирована в части, отличающейся от легированной части 54a, и поглощает излучение в диапазоне длин волн, выводимых без поглощения возбуждающего излучения. Поглощающая часть 254b сформирована по всей окружности сердечника 254. Например, когда длина волны возбуждающего излучения составляет 975 нм, а в качестве редкоземельного элемента используется иттербий (Yb), поглощающая часть 254b представляет собой полую цилиндрическую часть, изготовленную из легированного самарием (Sm) кварца и поглощающую около 20% или излучение в диапазоне длины волны выходного излучения по сравнению с оставшейся частью сердечника 254.

[0080] Поскольку поглощающая часть 254b, поглощающая излучение в диапазоне длины волны выходного излучения, сформирована в периферийной части сердечника 254, то излучение, испускаемое периферийной частью сердечника 254, отличается пониженной интенсивностью излучения. Таким образом, оптоволоконное лазерное устройство 210 более эффективно испускает одномодовое лазерное излучение по сравнению с вариантом, в котором сердечник 254 не имеет поглощающей части 254b.

[0081] Прочие функции второго варианта осуществления аналогичны функциям первого варианта осуществления.

[0082] Несмотря на то, что изобретение подробно раскрыто выше в связи с конкретными вариантами осуществления, изобретение не ограничивается такими вариантами и возможна реализация множества иных вариантов в рамках сущности и объема изобретения. Например, в первом и втором варианте осуществления центральная часть сердечника 54, 254 легирована редкоземельным элементом, а периферийная часть сердечника 54, 254 не легирована редкоземельными элементами. Тем не менее, периферийная часть сердечника может быть легирована редкоземельным элементом. Условие заключается в том, что центральная часть сердечника 54, 254 должна быть в большей степени легирована редкоземельным элементом, чем периферийная часть сердечника 54, 254.

[0083] В первом и втором варианте осуществления части 54а, 254а, легированные редкоземельным элементом, имеют круглое сечение. Тем не менее, легированные части 54a, 254a могут иметь другую форму сечения, в частности, прямоугольную. Легированные части 54а, 254а должны быть расположены на удалении от оболочки 56. В этом случае функция, выполняемая легированными частями 54a, 254a круглого сечения, не реализуется.

[0084] В первом и втором варианте осуществления сердечники 54, 254 из легированного редкоземельным элементом волокна 50, 250 легированы иттербием (Yb). Тем не менее, в качестве редкоземельного элемента можно использовать эрбий (Er), диспрозий (Dy) или тулий (Tm), если, например, в качестве источника 20 возбуждающего излучения используется полупроводниковый лазер на основе нитрида галлия (GaN), имеющий длину волны в диапазоне 400 нм и т.п.

[0085] Во втором варианте осуществления поглощающая часть 254b легирована самарием (Sm). Тем не менее, поглощающая часть 254b может быть также легирована европием (Eu) и т.д., в зависимости от того, какая длина волны лазерного излучения должна поглощаться поглощающей частью 254b.

[0086] Хотя это конкретно не описано в первом варианте осуществления, легированная часть 54а может иметь более высокий коэффициент преломления, чем сердечник 54, исключая легированную часть 54а, как показано на ФИГ. 14, или может иметь более низкий коэффициент преломления, чем сердечник 54, исключая легированную часть 54а, как показано на ФИГ. 15.

[0087] Хотя это конкретно не описано в первом варианте осуществления, легированная часть 54а может иметь более низкий коэффициент преломления, чем сердечник 54, исключая легированную часть 54а, как показано на ФИГ. 16. Цилиндрическая центральная часть 54с, являющаяся центром сердечника 54 и имеющая диаметр 1 μм или более и 2 μм или менее, не легирована редкоземельным элементом и имеет более высокий коэффициент преломления, чем легированная часть 54а. Центральная часть 54c может иметь более высокий коэффициент преломления, чем часть сердечника 54, не легированная редкоземельным элементом. Условие заключается в том, что центральная часть сердечника 54 должна быть в большей степени легирована редкоземельным элементом, чем периферийная часть сердечника 54.

Claims

1. Оптоволоконное лазерное устройство, содержащее:

первое волокно, содержащее первую волоконную брэгговскую решетку;

второе волокно, содержащее вторую волоконную брэгговскую решетку, отражательная способность которой ниже, чем у первой волоконной брэгговской решетки, и

третье волокно, легированное редкоземельным элементом, первый конец которого соединен с первым волокном, а второй конец соединен со вторым волокном, в котором

центральная часть сердечника третьего волокна в большей степени легирована редкоземельным элементом, чем периферийная часть сердечника,

выполняется следующее выражение, в котором Da представляет собой диаметр центральной части, легированной редкоземельным элементом, а Db представляет собой диаметр сердечника

Db / 2 ≤ Da ≤ (3 ⋅ Db) / 4.

2. Оптоволоконное лазерное устройство по п. 1, в котором периферийная часть сердечника содержит поглощающую часть, поглощающую излучение в диапазоне длины волны выходного излучения.

3. Оптоволоконное лазерное устройство по п. 2, в котором: в качестве редкоземельного элемента используют иттербий; и поглощающая часть выполнена из кварца, легированного самарием.