WO2015115636A1 - 余剰光除去構造及びファイバレーザ - Google Patents

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WO2015115636A1
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cladding
light
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弘範 田中
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株式会社フジクラ
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Definitions

  • the present invention relates to an excess light removal structure, and more particularly to an excess light removal structure that removes excess light from light propagating through an optical fiber of a fiber laser.
  • pumping light that has not been absorbed by the core propagates in the cladding also at the emission part of the resonator.
  • pumping light having a certain level of power is supplied, so that excess pumping light is likely to be generated at the emission part of the resonator.
  • Such surplus excitation light is propagated in multimode, and hence the beam quality is not good. Therefore, when such excess pumping light is emitted from the fiber laser together with the signal light, the quality of the output beam of the fiber laser deteriorates, and fine processing using the output beam becomes impossible.
  • emission optical systems such as isolators and collimators are designed only for the propagation of signal light in terms of quality controllability and cost. Therefore, if excessive excitation light enters these emission optical systems, unintended light absorption may occur, and serious accidents such as heat generation and ignition may occur.
  • the coating material of the double clad fiber is removed over the entire circumference to expose the cladding, and the exposed cladding has a refractive index of 2 higher than that of the coating material.
  • One sandwiched between two optical substrates is known (see, for example, Patent Document 1). By sandwiching the clad between the optical substrates having a high refractive index in this way, excess excitation light can be emitted to the optical substrate at the contact portion between the exposed portion of the clad and the optical substrate.
  • FIG. 1 a structure as shown in FIG. 1 is also considered.
  • two double clad fibers 510 and 610 are fused in a space surrounded by a reinforcing member 500.
  • the downstream end portion of the coating material 520 of the double clad fiber 510 is removed over the entire circumference, so that the cladding 530 is exposed from the coating material 520.
  • the upstream end portion of the covering material 620 of the double clad fiber 610 is removed over the entire circumference, so that the cladding 630 is exposed from the covering material 620.
  • the exposed end of the clad 530 of the double clad fiber 510 and the end of the clad 630 of the double clad fiber 610 are fused at a fusion point 700.
  • a resin 540 having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the clad 530, 630 is filled around the exposed clads 530, 630 (and around the covering materials 520, 630).
  • the exposed clad 530 is in contact with the resin 540 over the entire circumference, and the contact area between the clad 530 and the resin 540 is large, so that excess excitation light is emitted from the clad 530 to the resin 540. Efficiency is improved.
  • the surplus excitation light propagating through the cladding 530 and the core is the most upstream part of the portion where the covering material 520 is removed.
  • the light is incident on the resin 540 locally. Therefore, surplus excitation light is locally absorbed by the resin 540 in the most upstream portion 542, and the amount of heat generation increases.
  • Such local heat generation may cause the double-clad fiber 510 to have a high temperature locally and greatly impair its reliability.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and efficiently removes excess light and reduces surplus heat generated by the radiation of excess light to improve reliability. It is a first object to provide a light removal structure.
  • the second object of the present invention is to provide a highly reliable fiber laser capable of emitting a high-quality laser beam.
  • the excess light removing structure includes a core, a clad that covers the core and has a lower refractive index than the core (inner clad), and a coating material that covers the clad and has a lower refractive index than the clad (outer clad).
  • the excess light removing structure includes: a fiber accommodating portion that accommodates a part of the double clad fiber; and a portion of the entire circumference of the clad that is covered along the longitudinal direction of the double clad fiber in the fiber accommodating portion.
  • the refractive index of the first resin is greater than or equal to the refractive index of the clad.
  • Surplus light is incident on and emitted from the first resin. This prevents deterioration of the quality of the laser beam due to the surplus light being emitted together with the signal light, and also prevents the generation of heat and ignition caused by the surplus excitation light on the downstream side of the surplus light removal structure, and the emission optical system Reliability can be improved.
  • the amount of excess light radiated to the first resin at the most upstream portion of the cladding exposed portion is the entire circumference. Compared to the conventional structure in which the clad is exposed. Therefore, local heat generation due to excess light being absorbed by the first resin can be mitigated, and the reliability of the excess light removal structure can be improved.
  • a highly reliable fiber laser capable of emitting a high-quality laser beam includes a signal light generator that generates signal light, a pump laser diode that generates pump light, and a cladding pump fiber.
  • the clad pump fiber has a core through which the signal light propagates, a clad that covers the core and through which the excitation light propagates, and a coating material that coats the clad and has a lower refractive index than the clad.
  • the fiber laser includes the surplus light removing structure configured to remove surplus light in the clad pump fiber.
  • the clad exposed portion is formed at an angle of less than 180 ° around the axis in a cross section perpendicular to the axis of the double clad fiber.
  • the coating material works in the direction of pressing the coating material against the clad at any point of the coating material. Therefore, the covering material is difficult to peel off.
  • the fiber housing portion includes a heat radiating plate that is arranged to face the clad exposed portion and has good heat radiation. Further, a second resin having a refractive index lower than the refractive index of the covering material may be filled in the upstream end of the cladding exposed portion in the fiber housing portion.
  • the surplus light removing structure it is possible to efficiently remove the surplus light and to reduce the local heat generation due to the radiation of the surplus light, thereby improving the reliability.
  • the fiber laser of the present invention it is possible to provide a highly reliable fiber laser that can emit a high-quality laser beam.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a surplus light removing structure in a conventional double clad fiber.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a fiber laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the cladding pump fiber in the fiber laser of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an excess light removing structure in the fiber laser of FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the force applied to the coating when the cladding exposed portion is exposed at an angle of 180 ° or more.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing the force applied to the coating when the clad exposed portion is exposed at an angle of less than 180 °.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an apparatus for forming a cladding exposed portion of the cladding pump fiber of FIG.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an excess light removing structure in the second embodiment
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the fiber laser 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the fiber laser 1 includes a signal light generator 10 that generates signal light, a plurality of pump laser diodes (LDs) 20 that generate pump light, signal light from the signal light generator 10, and pump light from the pump LD 20.
  • LDs pump laser diodes
  • a cladding pump fiber 40 whose end is connected to the output end 32 of the optical coupler 30, and an output-side optical fiber 50 connected to the output end 42 of the cladding pump fiber 40.
  • an isolator 52 provided on the output side optical fiber 50.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the cladding pump fiber 40.
  • the cladding pump fiber 40 includes a core 60 that propagates the signal light generated by the signal light generator 10, a cladding (inner cladding) 62 that covers the core 60, and a coating that covers the cladding 62. And a material (external cladding) 64.
  • the core 60 is made of SiO 2 to which a rare earth element such as Yb is added, for example, and serves as a signal optical waveguide that propagates signal light.
  • the clad 62 is made of a material having a refractive index lower than that of the core 60 (for example, SiO 2 ).
  • the covering material 64 is made of a resin having a refractive index lower than that of the clad 62 (for example, a low refractive index polymer). Thereby, the clad 62 becomes a pumping optical waveguide that propagates pumping light.
  • the signal light from the signal light generator 10 propagates in the core 60
  • the pump light from the pump LD 20 propagates in the clad 62 and the core 60.
  • the excitation light propagates through the core 60
  • the rare earth element ions added to the core 60 are excited by absorbing the excitation light, and the signal light propagating through the core 60 is amplified by stimulated emission.
  • the pumping light is absorbed and absorbed by the core 60 as it propagates through the cladding pump fiber 40.
  • the pumping light (excess pumping light) that has not been absorbed by the core is absorbed by the cladding pump fiber 40. Will occur on the exit side.
  • the excessive light as shown in FIG.
  • a light removal structure 70 is provided in the vicinity of the emission end of the cladding pump fiber 40.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the excess light removing structure 70 in the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG.
  • the surplus light removing structure 70 includes a substantially rectangular parallelepiped fiber accommodating portion 72 that accommodates a part of the cladding pump fiber 40. Inside the fiber accommodating portion 72, a part of the entire circumference of the cladding pump fiber 40, for example, a cross section perpendicular to the axis of the cladding pump fiber 40 (FIG. 5) has an angle of less than 180 ° (for example, 60 °) around this axis. ), The covering material 64 is removed.
  • the clad 62 is exposed from the coating material 64 in this range, and the clad exposed portion 74 is formed. As shown in FIG. 4, the cladding exposed portion 74 extends by a predetermined length along the longitudinal direction of the cladding pump fiber 40.
  • the fiber accommodating portion 72 is filled with a resin 76 (for example, thermosetting resin) having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the cladding 62, and the cladding exposed portion 74 is covered with the resin 76.
  • symbol 77 shown in FIG. 4 is a hard resin material, and has sealed the inside of the fiber accommodating part 72.
  • the surplus excitation light propagating through the clad 62 reaches the interface between the clad exposed portion 74 and the resin 76, the surplus excitation light is greater than the refractive index of the clad 62 because the refractive index of the resin 76 is greater than or equal to the refractive index.
  • the light enters the resin 76.
  • surplus excitation light is radiated to the outside (resin 76) of the cladding pump fiber 40. This prevents deterioration of the quality of the laser beam due to the excess excitation light being emitted together with the signal light, and also prevents the heat generation and ignition caused by the excess excitation light on the downstream side of the excess light removal structure 70 and emits it.
  • the reliability of the optical system can be improved.
  • the excess excitation light radiated to the resin 76 at the most upstream portion of the clad exposed portion 74 is reduced compared to the conventional structure shown in FIG. 1 where the cladding is exposed all around. Therefore, local heat generation due to the excess excitation light being absorbed by the resin 76 can be alleviated, and the reliability of the excess light removal structure 70 can be improved.
  • the clad exposed portion 74 may be any one that exposes a part of the entire circumference of the clad 62, but in a cross section (FIG. 5) perpendicular to the axis of the clad pump fiber 40 as in the present embodiment. It is preferable to form the cladding exposed portion 74 at an angle of less than 180 ° with the axis as the center. As shown in FIG. 6, when the clad exposed portion 74 is formed at an angle of 180 ° or more around the axis of the clad pump fiber 40, for example, if a force F is applied to the point P of the covering material 64.
  • this force F can be decomposed into a radial force f 1 and tangential force f 2, this time, as can be seen from FIG. 6, the radial force f 1 is a coating material 64 from the clad 62 Working in the direction of peeling. This is not limited to the point P, and the radial force obtained by decomposing the force F at any point of the covering material 64 acts in the direction of peeling the covering material 64 from the clad 62.
  • FIG. 7 when the clad exposed portion 74 is formed at an angle of less than 180 ° around the axis of the clad pump fiber 40, for example, a force F is applied to the point Q of the covering material 64.
  • this radial force f 3 acts in the direction of pressing the coating material 64 against the cladding 62. That is, when the clad exposed portion 74 is formed at an angle of less than 180 ° with the axis of the clad pump fiber 40 as the center, a force is exerted in a direction in which the clad material 64 is pressed against the clad 62 in at least a part of the clad material 64. Will work.
  • the coating material 64 is less likely to peel than when formed at an angle of 180 ° or more. There is an advantage.
  • a part of the fiber accommodating portion 72 is composed of a heat radiating plate 78 having good heat radiation.
  • the heat radiating plate 78 is disposed so as to face the clad exposed portion 74.
  • the heat of the resin 76 generated by the excess excitation light entering the resin 76 is effective through the heat radiating plate 78. Heat can be released.
  • the metal plate which gave the anodizing process by the aluminum or aluminum alloy to the surface is mentioned, for example.
  • the above-described clad exposed portion 74 can be formed using, for example, an apparatus 80 as shown in FIG.
  • the apparatus 80 includes a holding portion 82 that holds both ends of the cladding pump fiber 40 and a cannular blade 84 that scrapes off the surface of the cladding pump fiber 40.
  • the blade 84 When forming the cladding exposed portion 74 using the apparatus 80, first, the blade 84 is brought into contact with the surface of the cladding pump fiber 40 in a state where the cladding pump fiber 40 is held by the holding portion 82, and the cladding pump fiber 40 is contacted. Is moved by a predetermined distance in the longitudinal direction. As a result, the covering material 64 on the surface of the cladding pump fiber 40 is peeled off by the predetermined distance, and the cladding 62 is exposed from the covering material 64.
  • the clad pump fiber 40 held by the holding part 82 is rotated about the axis by 20 °, for example, and the blade 84 is returned to the initial position. Then, the blade 84 is brought into contact with the surface of the cladding pump fiber 40 again and moved in the longitudinal direction of the cladding pump fiber 40 by the same distance as before. Accordingly, the covering material 64 is similarly peeled off by the predetermined distance, and the clad 62 is exposed from the covering material 64. For example, the above-described operation is repeated once more to expose the cladding 62 from the coating material 64 in a range of 60 ° around the axis in the cross section perpendicular to the axis of the cladding pump fiber 40 (FIG. 5), and the above-described cladding exposed portion 74. Form.
  • the size of the cladding exposed portion 74 can be controlled by the number of times of cutting by the blade 84 and the rotation angle of the cladding pump fiber 40.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an excess light removing structure 170 according to the second embodiment of the present invention.
  • the cladding pump fiber 40 is fused to the output-side optical fiber 140 located on the downstream side in the fiber housing portion 72. That is, the coating material 64 at the downstream end of the cladding pump fiber 40 is removed over the entire circumference, and the coating material 164 at the upstream end of the output side optical fiber 140 is also removed over the entire circumference.
  • the exposed end portion of the cladding 62 of the cladding pump fiber 40 and the end portion of the cladding 162 of the output side optical fiber 140 are fused at a fusion point 180.
  • the output side optical fiber 140 for example, a double clad fiber in which a rare earth is not added to the core can be used.
  • the covering material 164 is removed at an angle of less than 180 ° (for example, 60 °) about the axis. Therefore, the clad 162 is exposed from the covering material 164 in this range, and the clad exposed portion 174 is formed. As shown in FIG. 9, the cladding exposed portion 174 extends by a predetermined length along the longitudinal direction of the output side optical fiber 140.
  • a resin (for example, UV curable resin) 175 having a refractive index lower than the refractive index of the covering material 164 is formed at the upstream end of the clad exposed portion 174.
  • the space sealed by the resin 175 and the fiber housing portion 72 is filled with a resin (for example, a thermosetting resin) 176 having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the clad 162.
  • the clad exposed part 174 is covered.
  • surplus pumping light propagating through the clad 62 of the clad pump fiber 40 is clad by the air clad 182 formed in the fiber accommodating portion 72 and the clad 62 of the clad pump fiber 40 and the output side optical fiber 140. 162 is propagated. Then, when the surplus excitation light reaches the interface between the cladding exposed portion 174 of the output side optical fiber 140 and the resin 176, the refractive index of the resin 176 is equal to or higher than the refractive index of the clad 162. The excess excitation light is radiated to the outside (resin 176) of the output side optical fiber 140. Accordingly, it is possible to improve the reliability of the emission optical system by preventing heat generation and ignition caused by excess excitation light on the downstream side of the excess light removing structure 170, for example, the isolator 52 in FIG.
  • the resin is formed at the most upstream portion of the clad exposed portion 174.
  • the amount of excess excitation light radiated to 176 is reduced compared to the conventional structure shown in FIG. 1 in which the cladding is exposed over the entire circumference. Therefore, local heat generation due to absorption of excess excitation light by the resin 176 can be reduced, and the reliability of the excess light removal structure 170 can be improved.
  • the resin 175 having a refractive index equal to or lower than the refractive index of the covering material 164 is disposed between the air clad 182 and the resin 176, the excess excitation radiated from the clad 162 to the resin 176. Light and resin 176 are prevented from leaking to the air clad 182 side.
  • the example in which the air clad 182 is formed in the fiber accommodating portion 72 has been described.
  • a material having a lower refractive index than the clads 62 and 162 may be used instead of the air clad 182.
  • the clad exposure part 174 mentioned above can be formed using the apparatus 80 as shown in FIG. 8 similarly to the clad exposure part 74 of 1st Embodiment.
  • a conventional excess light removing structure shown in FIG. 1 was prepared as a comparative example.
  • the double clad fibers 510 and 610 those having a core diameter of 10 ⁇ m and clads 530 and 630 having a diameter of 400 ⁇ m were used.
  • the ends of the respective coating materials 520 and 620 of the double clad fibers 510 and 610 were removed by 20 mm along the axial direction to expose the clads 530 and 630.
  • the exposed surfaces of the claddings 530 and 630 were cleaned by ultrasonic cleaning using ethanol.
  • the clads 530 and 630 of these double clad fibers 510 and 610 were butted and fused in a reinforcing member 500 made of a ceramic member having a linear expansion coefficient combined with quartz glass.
  • the surplus pumping light propagating in the clads 530 and 630 was about 6 W when calculated from the length of the double clad fiber (cladding pump fiber) 510 and the cladding absorption amount of the pumping light.
  • the both ends of the reinforcing member 500 and the double clad fibers 510 and 610 were fixed with a hard UV curable resin. Further, as the resin 540 filled around the exposed claddings 530 and 630, a thermosetting resin having a refractive index of 1.54 was used.
  • the most upstream part 542 of the exposed part of the cladding 530 locally generated heat as expected, and the temperature rose to about 85 ° C.
  • the resin 540 is thermally deteriorated, the amount of light absorption increases, and further the temperature of the resin 540 increases. End up. According to calculations from experiments, the lifetime of the resin 540 used at this time was about 30,000 hours, and it was found that the lifetime was very short.
  • the surplus light removal structure 170 according to the second embodiment shown in FIG. 9 was produced by the same method.
  • the resin 176 a thermosetting resin having a refractive index of 1.54 was used, and as the resin 175, a UV curable resin having a refractive index of 1.37 was used.
  • Other members used were the same as those used in the conventional surplus light removing structure.
  • the clad exposure part 174 was produced using the apparatus 80 shown in FIG. That is, the blade 84 was brought into contact with the surface of the output side optical fiber 140 held by the holding unit 82 and moved by 30 mm in the longitudinal direction of the output side optical fiber 140 to expose the clad 162 from the coating material 164. Then, the angle of the output-side optical fiber 140 was rotated by 20 ° around the axis, and a total of three cuts were performed to expose the clad 162 at a total angle of 60 °.
  • the temperature rise of the resin 176 was 45 ° C. even at the highest point, and the local temperature rise was reduced.
  • the lifetime of the resin 176 is calculated on the basis of the temperature rise result, it is 100,000 hours or more, and it has been found that the lifetime can be overwhelmingly longer than that of the conventional excess light removing structure.
  • a core 60 having a diameter of 10 ⁇ m and a cladding 62 having a diameter of 400 ⁇ m was used as the cladding pump fiber 40.
  • the coating material 64 in the vicinity of the exit end of the cladding pump fiber 40 was cut using an apparatus 80 shown in FIG. That is, the blade 84 was brought into contact with the surface of the cladding pump fiber 40 and moved by 30 mm in the longitudinal direction of the cladding pump fiber 40 to expose the cladding 62 from the coating material 64. Then, the angle of the clad pump fiber 40 was rotated by 20 ° around the axis, and a total of three cuts were performed so that the clad pump fiber 40 was exposed at a total angle of 60 °.
  • the fiber housing portion 72 As the fiber housing portion 72, a ceramic member having a linear expansion coefficient combined with quartz glass was used, and as the resin 77 disposed at both ends of the fiber housing portion 72, a hard UV curable resin was used. Further, as the resin 76 filled around the exposed clad 62, a thermosetting resin having a refractive index of 1.54 was used.
  • the present invention is suitably used for an excess light removing structure that removes excess light from light propagating through an optical fiber of a fiber laser.

Abstract

　余剰光除去構造７０は、コア６０と、コア６０よりも屈折率の低いクラッド６２と、クラッド６２よりも屈折率の低い被覆材６４とを有するダブルクラッドファイバ４０における余剰光を除去するために用いられる。余剰光除去構造７０は、ダブルクラッドファイバ４０の一部を収容するファイバ収容部７２と、ファイバ収容部７２内で、ダブルクラッドファイバ４０の長手方向に沿ってクラッド６２の全周のうち一部を被覆材６４から露出させたクラッド露出部７４と、ファイバ収容部７２内に充填され少なくともクラッド露出部７４を被覆する樹脂７６とを備えている。樹脂７６は、クラッド６２の屈折率以上の屈折率を有している。例えば、クラッド露出部７４は、ダブルクラッドファイバ４０の軸に垂直な断面において該軸を中心として１８０°未満の角度で形成される。

Description

余剰光除去構造及びファイバレーザ
　本発明は、余剰光除去構造に係り、特にファイバレーザの光ファイバを伝搬する光のうち余剰な光を除去する余剰光除去構造に関するものである。
　ダブルクラッドファイバを用いたクラッド励起型のファイバレーザにおいて、コアに吸収されなかった励起光（余剰励起光）は、共振器の出射部においてもクラッド内を伝搬する。特に高出力のファイバレーザでは、ある程度のパワーの励起光が供給されるため、共振器の出射部において余剰励起光が生じやすい。このような余剰励起光はマルチモードで伝搬しているためにビーム品質が良くない。したがって、このような余剰励起光が信号光とともにファイバレーザから出射されると、ファイバレーザの出力ビームの品質が悪化してしまい、出力ビームを用いた微細な加工ができなくなってしまう。
　また、アイソレータやコリメータなどの出射光学系は、品質の制御性やコストの面から信号光の伝搬のみを目的として設計されている。したがって、これらの出射光学系に余剰励起光が入射すると意図せぬ光吸収を引き起こし、発熱や発火などの重大な事故が生じるおそれがある。
　したがって、余剰励起光はレーザ出射端に至る前に光ファイバの外部に放射させる必要がある。このような余剰励起光を光ファイバの外部に放射させる構造として、ダブルクラッドファイバの被覆材を全周にわたって除去してクラッドを露出させ、露出させたクラッドを、被覆材よりも屈折率の高い２枚の光学基板で挟んだものが知られている（例えば特許文献１参照）。このようにクラッドを屈折率の高い光学基板で挟むことで、クラッドの露出部と光学基板との接触部において余剰励起光を光学基板に放射させることができる。
　しかしながら、この構造では、クラッドと光学基板との間の接触が線接触であるため、余剰励起光を十分に除去するためには、この接触長を非常に長くする必要があり効率的ではない。また、長い距離にわたって被覆材を除去する必要があるため、被覆材の除去過程でクラッドを傷つけ易く、信頼性を欠くことになる。
　このような観点から、図１に示すような構造も考えられている。図１に示される構造においては、補強部材５００で囲まれた空間内で２つのダブルクラッドファイバ５１０，６１０が融着されている。ダブルクラッドファイバ５１０の被覆材５２０の下流側端部が全周にわたって除去されており、これによりクラッド５３０が被覆材５２０から露出している。同様に、ダブルクラッドファイバ６１０の被覆材６２０の上流側端部が全周にわたって除去されており、これによりクラッド６３０が被覆材６２０から露出している。露出されたダブルクラッドファイバ５１０のクラッド５３０の端部とダブルクラッドファイバ６１０のクラッド６３０の端部とが融着点７００で融着されている。
　これらの露出したクラッド５３０，６３０の周囲（及び被覆材５２０，６３０の周囲）には、クラッド５３０，６３０の屈折率以上の屈折率を有する樹脂５４０が充填されている。この構造では、露出したクラッド５３０がその全周にわたって樹脂５４０に接触しており、クラッド５３０と樹脂５４０との間の接触面積が大きいために、余剰励起光がクラッド５３０から樹脂５４０に放射される効率が向上する。
　しかしながら、図１に示す構造では、被覆材５２０の一部が全周にわたって除去されているため、クラッド５３０及びコアを伝搬してきた余剰励起光は、被覆材５２０が除去された部分の最上流部５４２において局所的に樹脂５４０に入射することとなる。したがって、この最上流部５４２で余剰励起光が局所的に樹脂５４０に吸収され、発熱量が多くなってしまう。このような局所的な発熱は、ダブルクラッドファイバ５１０を局所的に高温にし、その信頼性を大きく損なうおそれがある。
特開２０１０－１８１５７４号公報
　本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、余剰光を効率的に除去するとともに、余剰光の放射による局所的な発熱を緩和して信頼性を向上させた余剰光除去構造を提供することを第１の目的とする。
　また、本発明は、高品質のレーザビームを出射することのできる信頼性の高いファイバレーザを提供することを第２の目的とする。
　本発明の第１の態様によれば、余剰光を効率的に除去するとともに、余剰光の放射による局所的な発熱を緩和して信頼性を向上させた余剰光除去構造が提供される。この余剰光除去構造は、コアと、上記コアを被覆し上記コアよりも屈折率の低いクラッド（内部クラッド）と、上記クラッドを被覆し上記クラッドよりも屈折率の低い被覆材（外部クラッド）とを有するダブルクラッドファイバにおける余剰光を除去するために用いられる。上記余剰光除去構造は、上記ダブルクラッドファイバの一部を収容するファイバ収容部と、上記ファイバ収容部内で、上記ダブルクラッドファイバの長手方向に沿って上記クラッドの全周のうち一部を上記被覆材から露出させたクラッド露出部と、上記ファイバ収容部内に充填され少なくとも上記クラッド露出部を被覆する第１の樹脂とを備えている。この第１の樹脂は、上記クラッドの屈折率以上の屈折率を有している。
　このような構成により、ダブルクラッドファイバ内のクラッドを伝搬してきた余剰光がクラッド露出部と第１の樹脂との界面に至ると、第１の樹脂の屈折率がクラッドの屈折率以上であるため、余剰光が第１の樹脂に入射し放射される。これにより、余剰光が信号光とともに出射されることによるレーザビームの品質悪化を防止するとともに、余剰光除去構造の後流側で余剰励起光が原因で生じる発熱や発火を防止して出射光学系の信頼性を向上することができる。
　このとき、クラッド露出部においては、上記クラッドの全周のうち一部のみが露出しているため、クラッド露出部の最上流部で第１の樹脂に放射される余剰光の量が、全周にわたってクラッドが露出している従来構造に比べて低減される。したがって、余剰光が第１の樹脂で吸収されることによる局所的な発熱を緩和することができ、余剰光除去構造の信頼性を向上させることができる。
　本発明の第２の態様によれば、高品質のレーザビームを出射することのできる信頼性の高いファイバレーザが提供される。このファイバレーザは、信号光を発生させる信号光発生器と、励起光を発生させる励起レーザダイオードと、クラッドポンプファイバとを備えている。上記クラッドポンプファイバは、上記信号光が伝搬するコアと、上記コアを被覆し上記励起光が伝搬するクラッドと、上記クラッドを被覆し上記クラッドよりも屈折率の低い被覆材とを有している。上記ファイバレーザは、上記クラッドポンプファイバにおける余剰光を除去するように構成された上記余剰光除去構造を備えている。
　ここで、上記ダブルクラッドファイバの軸に垂直な断面において該軸を中心として１８０°未満の角度で上記クラッド露出部を形成することが好ましい。このように全周のうち軸を中心として１８０°未満の角度の範囲でのみクラッドを露出させることにより、被覆材に力がかかった場合に、この力を分解して得られる半径方向の力が、被覆材のいずれかの点で被覆材をクラッドに押しつける方向に働くこととなる。したがって、被覆材が剥がれにくくなる。
　上記ファイバ収容部は、上記クラッド露出部に対向するように配置された、熱放射のよい放熱板を含んでいることが好ましい。また、上記被覆材の屈折率より低い屈折率を有する第２の樹脂を、上記ファイバ収容部内の上記クラッド露出部の上流端に充填してもよい。
　本発明に係る余剰光除去構造によれば、余剰光を効率的に除去するとともに、余剰光の放射による局所的な発熱を緩和して信頼性を向上させることができる。また、本発明に係るファイバレーザによれば、高品質のレーザビームを出射することのできる信頼性の高いファイバレーザを提供することができる。
図１は、従来のダブルクラッドファイバにおける余剰光除去構造を模式的に示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態におけるファイバレーザを示す模式図である。 図３は、図２のファイバレーザにおけるクラッドポンプファイバの構造を模式的に示す断面図である。 図４は、図２のファイバレーザにおける余剰光除去構造を模式的に示す図である。 図５は、図４のV-V線断面図である。 図６は、クラッド露出部が１８０°以上の角度で露出している場合に被覆に加わる力を模式的に示す図である。 図７は、クラッド露出部が１８０°未満の角度で露出している場合に被覆に加わる力を模式的に示す図である。 図８は、図４のクラッドポンプファイバのクラッド露出部を形成するための装置を示す模式図である。 図９は、本発明の第２の実施形態における余剰光除去構造を示す模式図である。
　以下、本発明に係る余剰光除去構造の実施形態について図２から図９を参照して詳細に説明する。なお、図２から図９において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
　図２は、本発明の第１の実施形態におけるファイバレーザ１を示す模式図である。このファイバレーザ１は、信号光を発生させる信号光発生器１０と、励起光を発生させる複数の励起レーザダイオード（ＬＤ）２０と、信号光発生器１０からの信号光と励起ＬＤ２０からの励起光とを結合して出力する光カプラ３０と、光カプラ３０の出力端３２に端部が接続されたクラッドポンプファイバ４０と、クラッドポンプファイバ４０の出力端４２に接続された出力側光ファイバ５０と、出力側光ファイバ５０に設けられたアイソレータ５２とを備えている。
　図３は、クラッドポンプファイバ４０を模式的に示す断面図である。図３に示すように、クラッドポンプファイバ４０は、信号光発生器１０により生成された信号光を伝搬するコア６０と、コア６０を被覆するクラッド（内部クラッド）６２と、クラッド６２を被覆する被覆材（外部クラッド）６４とを備えている。コア６０は、例えばＹｂなどの希土類元素が添加されたＳｉＯ2からなり、信号光を伝搬する信号光導波路となっている。クラッド６２は、コア６０の屈折率よりも低い屈折率の材料（例えばＳｉＯ2）からなる。被覆材６４は、クラッド６２の屈折率よりも低い屈折率の樹脂（例えば低屈折率ポリマー）からなる。これにより、クラッド６２は励起光を伝搬する励起光導波路となる。
　このような構成のクラッドポンプファイバ４０において、信号光発生器１０からの信号光はコア６０の内部を伝搬し、励起ＬＤ２０からの励起光はクラッド６２及びコア６０の内部を伝搬する。励起光がコア６０を伝搬する際に、コア６０に添加された希土類元素イオンが励起光を吸収して励起され、誘導放出によってコア６０中を伝搬する信号光が増幅される。
　このように、励起光はクラッドポンプファイバ４０中を伝搬するにつれてコア６０により吸収されるため減衰するが、上述したように、コアに吸収されなかった励起光（余剰励起光）がクラッドポンプファイバ４０の出射側に生じることとなる。本実施形態では、このような余剰励起光が出力ビームの品質を悪化させたり、アイソレータ５２などの出射光学系の発熱や発火を引き起こしたりすることを防止するために、図４に示すような余剰光除去構造７０をクラッドポンプファイバ４０の出射端近傍に設けている。
　図４は、本発明の第１の実施形態における余剰光除去構造７０を模式的に示す図であり、図５は図４のV-V線断面図である。図４及び図５に示すように、余剰光除去構造７０は、クラッドポンプファイバ４０の一部を収容する略直方体状のファイバ収容部７２を備えている。ファイバ収容部７２の内部では、クラッドポンプファイバ４０の全周のうち一部、例えばクラッドポンプファイバ４０の軸に垂直な断面（図５）においてこの軸を中心として１８０°未満の角度（例えば６０°）で被覆材６４が除去されている。したがって、この範囲でクラッド６２が被覆材６４から露出しており、クラッド露出部７４が形成されている。図４に示すように、このクラッド露出部７４は、クラッドポンプファイバ４０の長手方向に沿って所定の長さだけ延びている。
　また、ファイバ収容部７２の内部には、クラッド６２の屈折率以上の屈折率を有する樹脂（例えば熱硬化性樹脂）７６が充填されており、この樹脂７６により上記クラッド露出部７４が覆われている。なお、図４に示す符号７７は硬質の樹脂材であり、ファイバ収容部７２の内部を封止している。
　このような構成により、クラッド６２を伝搬してきた余剰励起光がクラッド露出部７４と樹脂７６との界面に至ると、樹脂７６の屈折率がクラッド６２の屈折率以上であるため、余剰励起光は樹脂７６に入射することとなる。このように、余剰励起光はクラッドポンプファイバ４０の外部（樹脂７６）に放射される。これにより、余剰励起光が信号光とともに出射されることによるレーザビームの品質悪化を防止するとともに、余剰光除去構造７０の後流側で余剰励起光が原因で生じる発熱や発火を防止して出射光学系の信頼性を向上することができる。
　ここで、本実施形態のクラッド露出部７４においては、クラッド６２の全周のうち一部のみが露出しているため、クラッド露出部７４の最上流部で樹脂７６に放射される余剰励起光の量が、全周にわたってクラッドが露出している図１に示す従来構造に比べて低減される。したがって、余剰励起光が樹脂７６で吸収されることによる局所的な発熱を緩和することができ、余剰光除去構造７０の信頼性を向上させることができる。
　このとき、クラッド露出部７４は、クラッド６２の全周のうち一部を露出するものであればよいが、本実施形態のようにクラッドポンプファイバ４０の軸に垂直な断面（図５）においてこの軸を中心として１８０°未満の角度でクラッド露出部７４を形成することが好ましい。図６に示すように、クラッド露出部７４がクラッドポンプファイバ４０の軸を中心として１８０°以上の角度で形成されている場合には、例えば、被覆材６４の点Ｐに力Ｆが加わったとすると、この力Ｆは半径方向の力ｆ1と接線方向の力ｆ2に分解することができるが、このとき、図６からわかるように、半径方向の力ｆ1はクラッド６２から被覆材６４を剥がす方向に働いている。これは点Ｐに限られるものではなく、被覆材６４のいずれの点においても力Ｆを分解して得られる半径方向の力はクラッド６２から被覆材６４を剥がす方向に働く。一方、図７に示すように、クラッド露出部７４がクラッドポンプファイバ４０の軸を中心として１８０°未満の角度で形成されている場合には、例えば、被覆材６４の点Ｑに力Ｆが加わったとすると、この力Ｆは半径方向の力ｆ3と接線方向の力ｆ4に分解できるが、この半径方向の力ｆ3は、被覆材６４をクラッド６２に押しつける方向に働く。すなわち、クラッド露出部７４がクラッドポンプファイバ４０の軸を中心として１８０°未満の角度で形成されている場合には、被覆材６４の少なくとも一部において被覆材６４をクラッド６２に押しつける方向に力が働くこととなる。したがって、クラッド露出部７４がクラッドポンプファイバ４０の軸を中心として１８０°未満の角度で形成されている場合には、１８０°以上の角度で形成されている場合に比べて被覆材６４が剥がれにくいという利点がある。
　図５に示すように、ファイバ収容部７２の一部は熱放射の良い放熱板７８で構成されている。この放熱板７８は、クラッド露出部７４に対向するように配置されている。このように熱放射のよい放熱板７８をクラッド露出部７４に対向するように配置することで、余剰励起光が樹脂７６に入射することにより生じた樹脂７６の熱を放熱板７８を介して効果的に放熱することができる。このような放熱板７８としては、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金による陽極酸化処理を表面に施した金属板が挙げられる。
　上述したクラッド露出部７４は、例えば図８に示されるような装置８０を用いて形成することができる。この装置８０は、クラッドポンプファイバ４０の両端部を保持する保持部８２と、クラッドポンプファイバ４０の表面を削り取るカンナ状の刃８４とを備えている。
　この装置８０を用いてクラッド露出部７４を形成する際には、まず、保持部８２によりクラッドポンプファイバ４０を保持した状態で、刃８４をクラッドポンプファイバ４０の表面に接触させ、クラッドポンプファイバ４０の長手方向に所定の距離だけ移動させる。これにより、クラッドポンプファイバ４０の表面にある被覆材６４が上記所定の距離だけ剥離され、クラッド６２が被覆材６４から露出する。
　その後、保持部８２で保持したクラッドポンプファイバ４０を軸周りに例えば２０°回転させるとともに、刃８４を最初の位置に戻す。そして、刃８４を再度クラッドポンプファイバ４０の表面に接触させ、クラッドポンプファイバ４０の長手方向に先ほどと同じ距離だけ移動させる。これにより、同じように被覆材６４が上記所定の距離だけ剥離され、クラッド６２が被覆材６４から露出する。例えば、上記動作をもう１回繰り返してクラッドポンプファイバ４０の軸に垂直な断面（図５）において軸を中心として６０°の範囲でクラッド６２を被覆材６４から露出させて上述したクラッド露出部７４を形成する。このように、クラッド露出部７４の大きさは、刃８４による切削の回数とクラッドポンプファイバ４０の回転角度によって制御することができる。
　図９は、本発明の第２の実施形態における余剰光除去構造１７０を示す模式図である。図９に示すように、本実施形態では、ファイバ収容部７２内でクラッドポンプファイバ４０をその下流側に位置する出力側光ファイバ１４０に融着させている。すなわち、クラッドポンプファイバ４０の下流端部の被覆材６４が全周にわたって除去されており、出力側光ファイバ１４０の上流端部の被覆材１６４も全周にわたって除去されている。露出されたクラッドポンプファイバ４０のクラッド６２の端部と出力側光ファイバ１４０のクラッド１６２の端部とが融着点１８０で融着されている。なお、出力側光ファイバ１４０としては、例えばコアに希土類が添加されていないダブルクラッドファイバを用いることができる。
　ここで、ファイバ収容部７２の内部における融着点１８０の下流側では、第１の実施形態におけるクラッドポンプファイバ４０と同様に、出力側光ファイバ１４０の全周のうち一部、例えば出力側光ファイバ１４０の軸に垂直な断面においてこの軸を中心として１８０°未満の角度（例えば６０°）で被覆材１６４が除去されている。したがって、この範囲でクラッド１６２が被覆材１６４から露出しており、クラッド露出部１７４が形成されている。図９に示すように、このクラッド露出部１７４は、出力側光ファイバ１４０の長手方向に沿って所定の長さだけ延びている。
　ここで、このクラッド露出部１７４の上流端には、被覆材１６４の屈折率より低い屈折率を有する樹脂（例えばＵＶ硬化性樹脂）１７５が形成されている。この樹脂１７５とファイバ収容部７２とで封止された空間内には、クラッド１６２の屈折率以上の屈折率を有する樹脂（例えば熱硬化性樹脂）１７６が充填されており、この樹脂１７６によって上記クラッド露出部１７４が覆われている。
　このような構成において、クラッドポンプファイバ４０のクラッド６２を伝搬してきた余剰励起光は、ファイバ収容部７２内に形成されるエアクラッド１８２によってクラッドポンプファイバ４０のクラッド６２及び出力側光ファイバ１４０のクラッド１６２を伝播する。そして、その余剰励起光が、出力側光ファイバ１４０のクラッド露出部１７４と樹脂１７６との界面に至ると、樹脂１７６の屈折率がクラッド１６２の屈折率以上であるため、余剰励起光は樹脂１７６に入射することとなり、余剰励起光が出力側光ファイバ１４０の外部（樹脂１７６）に放射される。したがって、余剰光除去構造１７０の後流側、例えば図２のアイソレータ５２などにおいて余剰励起光が原因で生じる発熱や発火を防止して出射光学系の信頼性を向上することができる。
　ここで、本実施形態のクラッド露出部１７４においては、全周のうち軸を中心として１８０°未満の角度の範囲でのみクラッド１６２が露出しているため、クラッド露出部１７４の最上流部で樹脂１７６に放射される余剰励起光の量が、全周にわたってクラッドが露出している図１に示す従来構造に比べて低減される。したがって、余剰励起光が樹脂１７６で吸収されることによる局所的な発熱を緩和することができ、余剰光除去構造１７０の信頼性を向上させることができる。
　また、本実施形態では、エアクラッド１８２と樹脂１７６との間に、被覆材１６４の屈折率以下の屈折率を有する樹脂１７５を配置しているので、クラッド１６２から樹脂１７６に放射された余剰励起光や樹脂１７６がエアクラッド１８２側に漏れ出すことが防止される。なお、本実施形態では、ファイバ収容部７２内にエアクラッド１８２が形成されている例を説明したが、エアクラッド１８２の代わりにクラッド６２，１６２よりも屈折率の低い材料を用いることもできる。
　なお、上述したクラッド露出部１７４は、第１の実施形態のクラッド露出部７４と同様に図８に示されるような装置８０を用いて形成することができる。
　まず、比較例として図１に示す従来の余剰光除去構造を作製した。ダブルクラッドファイバ５１０，６１０としてコアの径が１０μｍ、クラッド５３０，６３０の径が４００μｍのものを用いた。ダブルクラッドファイバ５１０，６１０のそれぞれの被覆材５２０，６２０の端部を軸方向に沿って２０ｍｍずつ除去し、クラッド５３０，６３０を露出させた。エタノールを用いた超音波洗浄を行なって露出したクラッド５３０，６３０の表面を清浄した。
　石英ガラスと線膨張係数を合わせたセラミック部材からなる補強部材５００内に、これらのダブルクラッドファイバ５１０，６１０のクラッド５３０，６３０を突き合わせ融着した。クラッド５３０，６３０内を伝搬する余剰励起光はダブルクラッドファイバ（クラッドポンプファイバ）５１０の長さと励起光のクラッド吸収量から計算すると、約６Ｗであった。
　補強部材５００の両端とダブルクラッドファイバ５１０，６１０との間は硬質のＵＶ硬化性樹脂で固定した。また、露出したクラッド５３０，６３０の周囲に充填される樹脂５４０としては、屈折率１．５４の熱硬化性樹脂を用いた。
　この状態でファイバレーザを駆動させたところ、想定通りクラッド５３０の露出部の最上流部５４２が局所的に発熱し、約８５℃まで温度が上昇した。樹脂５４０の耐熱性にもよるが、製造時の樹脂５４０の温度が上がると樹脂５４０が熱劣化し、光の吸収量が増え、さらに樹脂５４０の温度が上昇してしまうというネガティブフィードバックが発生してしまう。実験からの計算によると、このとき用いた樹脂５４０の寿命は約３万時間であり、非常に短い寿命であることがわかった。
　同様の方法で、図９に示す第２の実施形態に係る余剰光除去構造１７０を作製した。樹脂１７６としては屈折率１．５４の熱硬化性樹脂を用い、樹脂１７５としては屈折率が１．３７のＵＶ硬化性樹脂を用いた。他の部材は上記従来の余剰光除去構造で使用した部材と同様のものを使用した。
　クラッド露出部１７４は、図８に示す装置８０を用いて作製した。すなわち、保持部８２により保持された出力側光ファイバ１４０の表面に刃８４を接触させ、出力側光ファイバ１４０の長手方向に３０ｍｍだけ移動させてクラッド１６２を被覆材１６４から露出させた。そして、出力側光ファイバ１４０の角度を軸周りに２０°ずつ回転させて合計３回の切削を行って合計６０°の角度でクラッド１６２を露出させるようにした。
　そして、従来の余剰光除去構造に対する試験と同等の条件でファイバレーザを運転したところ、樹脂１７６の温度上昇は最も高い箇所でも４５℃となり、局所的な温度上昇が低減されることがわかった。この温度上昇結果に基づいて樹脂１７６の寿命を計算すると１０万時間以上となり、従来の余剰光除去構造と比べると寿命を圧倒的に長くすることができることがわかった。
　実施例２として、図４に示す余剰光除去構造７０を作製した。クラッドポンプファイバ４０としては、コア６０の径が１０μｍ、クラッド６２の径が４００μｍのものを用いた。このクラッドポンプファイバ４０の出射端近傍の被覆材６４を図８に示す装置８０を用いて切削した。すなわち、クラッドポンプファイバ４０の表面に刃８４を接触させ、クラッドポンプファイバ４０の長手方向に３０ｍｍだけ移動させてクラッド６２を被覆材６４から露出させた。そして、クラッドポンプファイバ４０の角度を軸周りに２０°ずつ回転させて合計３回の切削を行って合計６０°の角度で露出するようにした。
　ファイバ収容部７２としては、石英ガラスと線膨張係数を合わせたセラミック部材を用い、ファイバ収容部７２の両端に配置される樹脂７７としては、硬質のＵＶ硬化性樹脂を用いた。また、露出したクラッド６２の周囲に充填される樹脂７６としては、屈折率１．５４の熱硬化性樹脂を用いた。
　この状態で実施例１の試験と同等の条件でファイバレーザを運転したところ、温度上昇は最も高い箇所でも４２℃となった。この結果を基に樹脂７６の寿命を計算すると、樹脂７６の寿命は１０万時間以上となり、従来の余剰光除去構造と比べると寿命を圧倒的に長くすることができることがわかった。
　これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
　本発明は、ファイバレーザの光ファイバを伝搬する光のうち余剰な光を除去する余剰光除去構造に好適に用いられる。
　　１　　ファイバレーザ
　１０　　信号光発生器
　２０　　励起ＬＤ
　３０　　光カプラ
　３２　　出力端
　４０　　クラッドポンプファイバ
　４２　　出力端
　５０　　出力側光ファイバ
　５２　　アイソレータ
　６０　　コア
　６２　　クラッド
　６４　　被覆材
　７０　　余剰光除去構造
　７２　　ファイバ収容部
　７４　　クラッド露出部
　７８　　放熱板
１４０　　出力側光ファイバ
１６２　　クラッド
１６４　　被覆材
１７０　　余剰光除去構造
１７４　　クラッド露出部
１８０　　融着点
１８２　　エアクラッド

Claims (5)

  1. 　コアと、前記コアを被覆し前記コアよりも屈折率の低いクラッドと、前記クラッドを被覆し前記クラッドよりも屈折率の低い被覆材とを有するダブルクラッドファイバにおける余剰光を除去するための余剰光除去構造であって、
    　前記ダブルクラッドファイバの一部を収容するファイバ収容部と、
    　前記ファイバ収容部内で、前記ダブルクラッドファイバの長手方向に沿って前記クラッドの全周のうち一部を前記被覆材から露出させたクラッド露出部と、
    　前記ファイバ収容部内に充填され少なくとも前記クラッド露出部を被覆する第１の樹脂であって、前記クラッドの屈折率以上の屈折率を有する第１の樹脂と、
    を備えた、余剰光除去構造。
  2. 　前記クラッド露出部は、前記ダブルクラッドファイバの軸に垂直な断面において該軸を中心として１８０°未満の角度で形成されている、請求項１に記載の余剰光除去構造。
  3. 　前記ファイバ収容部は、前記クラッド露出部に対向するように配置された、熱放射のよい放熱板を含む、請求項１又は２に記載の余剰光除去構造。
  4. 　前記ファイバ収容部内の前記クラッド露出部の上流端に充填される第２の樹脂であって、前記被覆材の屈折率よりも低い屈折率を有する第２の樹脂をさらに備えた、請求項１から３のいずれか一項に記載の余剰光除去構造。
  5. 　信号光を発生させる信号光発生器と、
    　励起光を発生させる励起レーザダイオードと、
    　前記信号光が伝搬するコアと、前記コアを被覆し前記励起光が伝搬するクラッドと、前記クラッドを被覆し前記クラッドよりも屈折率の低い被覆材とを有するクラッドポンプファイバと、
    　前記クラッドポンプファイバにおける余剰光を除去するように構成された請求項１から４のいずれか一項に記載された余剰光除去構造と、
    を備えた、ファイバレーザ。
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