WO2020105553A1 - クラッドモード光除去構造及びレーザ装置 - Google Patents

クラッドモード光除去構造及びレーザ装置

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WO2020105553A1
WO2020105553A1 PCT/JP2019/044848 JP2019044848W WO2020105553A1 WO 2020105553 A1 WO2020105553 A1 WO 2020105553A1 JP 2019044848 W JP2019044848 W JP 2019044848W WO 2020105553 A1 WO2020105553 A1 WO 2020105553A1
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clad
resin
mode light
optical fiber
cladding
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PCT/JP2019/044848
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Inventor
康人 千葉
Original Assignee
株式会社フジクラ
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/44—Mechanical structures for providing tensile strength and external protection for fibres, e.g. optical transmission cables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating

Definitions

  • the present invention relates to a clad mode light removing structure and a laser device, and more particularly to a clad mode light removing structure for removing clad mode light propagating through a clad of an optical fiber in a laser device such as a fiber laser.
  • FIG. 1 is a sectional view schematically showing such a conventional cladding mode light removing structure.
  • an optical fiber 920 is fixed on a fiber holding portion 910 by a resin 930, and a part of a covering material 922 of the optical fiber 920 is removed. There is. As a result, a clad exposed portion 926 where the clad 924 is exposed from the covering material 922 is formed.
  • a resin 940 having a refractive index higher than that of the clad 924 is formed so as to cover the clad exposed portion 926.
  • the clad mode light L propagating through the clad 924 of the optical fiber 920 is incident on the resin 940 at the clad exposed portion 926, propagates inside the resin 940, and is introduced into the air 950. Is emitted. In this way, the clad mode light is removed from the clad 924 of the optical fiber 920.
  • the refractive index of the air 950 is lower than that of the resin 940, a part of the clad mode light L propagating in the resin 940 is reflected at the interface between the resin 940 and the air 950 and is reflected light propagating in the resin 940 again. It becomes M. A part of the reflected light M is absorbed by the covering material 922, and the temperature of the covering material 922 rises. As described above, as the output of the fiber laser increases, the power of the cladding mode light also increases, so that the temperature of the coating material 922 increases due to the absorption of the reflected light M by the coating material 922. Such a temperature rise causes damage to the optical fiber 920, which is one of the factors that hinder the high output of the fiber laser.
  • the present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and it is a first object of the present invention to provide a cladding mode light removing structure capable of suppressing damage to an optical fiber due to cladding mode light. ..
  • a second object of the present invention is to provide a laser device capable of high output.
  • a cladding mode light removing structure capable of suppressing damage to an optical fiber due to cladding mode light.
  • This cladding mode light removing structure is used to remove the cladding mode light propagating in the cladding of the optical fiber.
  • the clad mode light removing structure has at least one clad exposed portion having a predetermined length along the longitudinal direction of the optical fiber and a part of the entire circumference of the clad exposed from the coating material, and at least the clad exposed portion.
  • a first resin that covers the portion The first resin has a refractive index higher than that of the clad.
  • the clad mode light removal structure includes a second resin that covers the first resin at a position facing the clad exposed portion of the optical fiber. The second resin has a refractive index higher than that of the first resin.
  • a laser device capable of increasing the output.
  • This laser device includes a laser light source, an optical fiber connected to the laser light source, and the cladding mode light removing structure described above.
  • the cladding mode light removing structure is configured to remove the cladding mode light propagating in the cladding of the optical fiber connected to the laser light source.
  • FIG. 1 is a sectional view schematically showing a conventional cladding mode light removing structure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the clad mode light elimination structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line AA of FIG.
  • FIG. 4 is a sectional view schematically showing a cladding mode light removing structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a sectional view schematically showing a cladding mode light removing structure according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view schematically showing a cladding mode light removing structure according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a sectional view schematically showing a conventional cladding mode light removing structure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the clad mode light elimination structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the
  • FIG. 7 is a sectional view schematically showing a cladding mode light removing structure according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a sectional view schematically showing a cladding mode light removing structure according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a sectional view schematically showing a cladding mode light removing structure according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a fiber laser to which the cladding mode light removing structure according to the present invention can be applied.
  • FIG. 11 is a schematic view showing another example of a fiber laser to which the cladding mode light removing structure according to the present invention can be applied.
  • FIG. 12 is a sectional view schematically showing an amplification optical fiber in the fiber laser shown in FIG.
  • FIGS. 2 to 12. 2 to 12 the same or corresponding components are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
  • the scale and dimensions of each component may be exaggerated or some components may be omitted.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the cladding mode light elimination structure 1 in the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • the cladding mode light removal structure 1 in the present embodiment includes a fiber housing portion 20 that houses a part of the optical fiber 10.
  • the fiber accommodating portion 20 is made of, for example, black anodized aluminum.
  • the optical fiber 10 includes a core 11, a clad 14 that covers the core 11, and a coating material 12 that covers the clad 14.
  • a groove 22 extending along the axial direction of the optical fiber 10 is formed in the center of the upper surface 21 of the fiber housing portion 20, and a part of the optical fiber 10 is formed inside the groove 22. It is housed.
  • the optical fiber 10 is fixed in the groove 22 by the resin 24 (see FIG. 2) formed in the groove 22.
  • the coating material 12 of the optical fiber 10 is removed by a predetermined length along the longitudinal direction, and a cladding exposed portion 16 is formed from the coating material 12 of the optical fiber 10 to expose the cladding 14. ing.
  • the clad exposed portion 16 is formed by removing a part of the covering material 12 along the circumferential direction, and in the clad exposed portion 16, a part of the entire circumference of the clad 14 is formed. Is exposed.
  • the first resin 30 having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the clad 14 of the optical fiber 10 is filled inside the groove 22 of the fiber housing portion 20, and the clad exposed portion 16 of the optical fiber 10 described above is It is covered with this first resin 30.
  • the groove 22 of the fiber housing portion 20 is filled with the second resin 40 so as to cover the upper portion of the first resin 30.
  • the second resin 40 has a refractive index higher than that of the first resin 30.
  • the surface of the second resin 40 is exposed in the air 50.
  • the second resin 40 preferably contains particles having a property of scattering light (for example, quartz beads, silica beads, alumina beads, etc.). As these particles, for example, submicron-order particles can be used.
  • the refractive index of the first resin 30 is equal to or higher than the refractive index of the clad 14 of the optical fiber 10
  • the clad mode light L propagating in the clad 14 of the optical fiber 10 is first reflected in the clad exposed portion 16. Incident on the resin 30 and propagates in the first resin 30.
  • the refractive index of the second resin 40 is equal to or higher than the refractive index of the first resin 30, the clad mode light L propagating through the first resin 30 is generated between the first resin 30 and the second resin 40. It is easy for the light to enter the second resin 40 without being reflected by the interface 35.
  • the cladding mode light L emitted from the cladding 14 of the optical fiber 10 is less likely to be reflected toward the coating material 12 of the optical fiber 10, and as a result, the temperature rise of the optical fiber 10 due to the cladding mode light L and thus the optical fiber.
  • the damage of 10 can be suppressed.
  • the clad mode light N incident on the second resin 40 from the first resin 30 is scattered by these particles. Therefore, it is possible to prevent the cladding mode light N from gathering at one place and locally generate heat.
  • the entire circumference of the clad 14 of the optical fiber 10 is not exposed, but a part of the entire circumference of the clad 14 is exposed.
  • the direction of the cladding mode light L emitted from the cladding 14 can be controlled by the cladding exposing portion 16. That is, the clad mode light L emitted from the clad 14 is directed to the second resin 40 by forming the clad exposed portion 16 only on the side facing the second resin 40 in the entire circumference of the clad 14. Therefore, the cladding mode light L can be effectively removed.
  • FIG. 3 showing a cross section perpendicular to the optical axis of the optical fiber 10, consider reference lines S1 and S2 that connect the center of the optical fiber 10 and both edges of the covering material 12 that defines the clad exposed portion 16. It is preferable that the first resin 30 and the second resin 40 extend at least between the reference lines S1 and S2.
  • the clad mode light L propagating through the clad 14 of the optical fiber 10 is emitted from the clad exposed portion 16 within an angle range between the reference line S1 and the reference line S2 (hereinafter, this angle is referred to as an “opening angle”). ..
  • the clad mode light L emitted from the clad 14 is supplied to the first resin 30 and the second resin 40. It can be effectively introduced into the resin 40.
  • the inner surface of the groove 22 easily absorbs light, so that the clad that has entered the first resin 30 and the second resin 40.
  • the mode light strikes the inner surface of the groove 22, it is absorbed by the inner surface of the groove 22 and converted into heat. This heat is radiated to the outside by, for example, a heat sink (not shown) connected to the fiber housing section 20.
  • FIG. 4 is a sectional view schematically showing a clad mode light elimination structure 101 according to the second embodiment of the present invention.
  • a groove 122 having a width wider than that of the groove 22 is formed above the groove 22 of the fiber housing portion 20, and the groove 122 having a wider width is filled with the second resin 40.
  • the width of the second resin 40 with which the groove 122 is filled is wider than the width of the first resin 30 with which the groove 22 is filled.
  • the light P passes through the second resin 40 and strikes the bottom surface 122A of the groove 122.
  • the cladding mode light P striking the bottom surface 122A of the groove 122 is absorbed by the bottom surface 122A of the groove 122, converted into heat, and emitted to the outside.
  • the width of the second resin 40 wider than the width of the first resin 30, the clad mode light P reflected at the interface between the second resin 40 and the air 50 reaches the optical fiber 10. Is suppressed more effectively.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a cladding mode light removal structure 201 according to the third embodiment of the present invention.
  • the lid member 260 is placed on the upper surface 21 of the fiber housing portion 20.
  • the lid member 260 is made of, for example, black anodized aluminum.
  • the clad mode light Q propagating through the second resin 40 can be absorbed by the lower surface 261 of the lid member 260 and can be converted into heat.
  • FIG. 6 is a sectional view schematically showing a clad mode light removal structure 301 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the lid member 260 according to the above-described third embodiment is placed on the upper surface 21 of the fiber housing portion 20 according to the second embodiment.
  • the area in which the lid member 260 is in contact with the second resin 40 is increased as compared with the third embodiment described above, and thus more clad mode light is absorbed by the lower surface 261 of the lid member 260. be able to. Therefore, it is possible to more effectively prevent the cladding mode light from returning to the first resin 30 or the optical fiber 10, and it is possible to more effectively suppress the temperature rise of the optical fiber 10.
  • the reflected clad mode light passes through the second resin 40. It hits the bottom surface 122A of the groove 122, is absorbed by the bottom surface 122A of the groove 122, and is converted into heat. As a result, the clad mode light returning to the optical fiber 10 can be reduced, and the temperature rise of the optical fiber 10 due to the clad mode light and the damage to the optical fiber 10 can be suppressed.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a cladding mode light removal structure 401 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the lid member 460 is placed on the upper surface 21 of the fiber housing portion 20 with the third resin 470 interposed therebetween.
  • the lid member 460 is formed of, for example, aluminum that has been subjected to black alumite treatment, and has a facing portion 462 that has a lower surface 461 that faces the second resin 40 filled in the groove 22 of the fiber housing portion 20,
  • the support portion 464 extends downward from the facing portion 462.
  • the third resin 470 is formed between the support portion 464 of the lid member 460 and the upper surface 21 of the fiber housing portion 20.
  • the thermal conductivity of the third resin 470 is lower than the thermal conductivity of the support portion 464 of the lid member 460.
  • Air 50 exists between the facing portion 462 of the lid member 460 and the second resin 40.
  • the support portion 464 of the lid member 460 is located outside the second resin 40, and the upper surface 21 of the fiber housing portion 20 is exposed to the air 50 between the second resin 40 and the support portion 464 of the lid member 460. Is exposed to.
  • the lid member 460 is fixed to the upper surface of the fiber housing portion 20 by the third resin 470, but instead of the third resin 470, the lid member 460 is fixed to the fiber housing portion 20 by screws or the like. May be. In this case, an air layer having a lower thermal conductivity than that of the lid member 460 is formed between the lid member 460 and the fiber accommodating portion 20.
  • a part of the clad mode light R incident on the second resin 40 is radiated into the air 50 and is irradiated on the lower surface 461 of the lid member 460.
  • the cladding mode light R striking the lower surface 461 of the lid member 460 is absorbed here and converted into heat. This heat is radiated to the outside by, for example, a heat sink (not shown) connected to the lid member 460.
  • a heat sink not shown
  • the lid member 460 is made of black anodized aluminum, the inner surface of the lid member 460 easily absorbs light, so that the cladding mode light R radiated to the lower surface 461 of the lid member 460 is more efficient. Can be converted into heat.
  • the air 50 has a lower refractive index than the second resin 40, when the cladding mode light R is radiated into the air 50, as shown by the arrow in FIG. The light is refracted outward (in the direction away from the optical fiber 10) at the interface with 50. Therefore, even if the clad mode light is reflected by the lower surface 461 of the lid member 460, the clad mode light is likely to be radiated to the upper surface 21 of the fiber housing portion 20 exposed to the outside of the second resin 40. It is easily absorbed and converted into heat. As described above, in the present embodiment, the clad mode light returning to the optical fiber 10 can be effectively reduced, and the temperature rise of the optical fiber 10 due to the clad mode light and the damage to the optical fiber 10 can be suppressed.
  • the air 50 and the third resin 470 which have lower heat conduction than the lid member 460, exist between the lid member 460 and the fiber housing portion 20, the heat generated in the lid member 460 is generated. Transmission to the fiber accommodating portion 20 is suppressed. Therefore, the temperature of the optical fiber 10 accommodated in the fiber accommodating portion 20 and the groove 22 thereof due to the heat generated in the lid member 460 is suppressed. In this way, the air 50 and the third resin 470 existing between the lid member 460 and the fiber accommodating portion 20 function as a heat conduction suppressing portion having lower heat conductivity than the lid member 460.
  • FIG. 8 is a sectional view schematically showing a clad mode light elimination structure 501 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the lid member 460 and the third resin 470 in the above-described fifth embodiment are applied to the fiber housing portion 20 in the second embodiment.
  • the reflected clad mode light is reflected by the second resin 40. It passes through and hits the bottom surface 122A of the groove 122, is absorbed by the bottom surface 122A of the groove 122, and is converted into heat.
  • the clad mode light returning to the optical fiber 10 can be reduced, and the temperature rise of the optical fiber 10 due to the clad mode light and the damage to the optical fiber 10 can be suppressed.
  • the clad mode light incident on the second resin 40 is not reflected at the interface between the second resin 40 and the air 50, it is refracted to the outside (in the direction away from the optical fiber 10) and enters the air 50. It is radiated and hits the lower surface 461 of the lid member 460, or is reflected by the lower surface 461 of the lid member 460 and hits the upper surface 21 of the fiber accommodating portion 20 to be easily converted into heat.
  • the clad mode light returning to the optical fiber 10 can be more effectively reduced, and the temperature rise of the optical fiber 10 due to the clad mode light and the damage to the optical fiber 10 can be suppressed. ..
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a cladding mode light removal structure 601 according to the seventh embodiment of the present invention.
  • two clad exposed portions 616A and 616B in which the clad 14 is exposed from the coating material 12 are formed.
  • the clad exposed portion 616A is located on the upstream side of the optical fiber 10 and the clad exposed portion 616B is located on the downstream side of the optical fiber 10.
  • Each of the clad exposed portions 616A and 616B is formed by removing a part of the cladding material 12 along the circumferential direction, and in the clad exposed portion 16, a part of the entire circumference of the clad 14 is exposed. There is.
  • These clad exposed portions 616A and 616B are covered with the first resin similarly to the clad exposed portion 16 described above.
  • the exposed area of the upstream cladding exposed portion 616A is smaller than the exposed area of the downstream cladding exposed portion 616B. Since the laser light propagating through the optical fiber 10 has higher power on the upstream side, the exposed area of the upstream clad exposed portion 616A is made smaller than the exposed area of the downstream clad exposed portion 616B.
  • the exposed portion 616A can suppress a large amount of the cladding mode light from being locally emitted to the first resin 30. Therefore, it is possible to prevent local heat generation of the optical fiber 10 due to the cladding mode light.
  • the opening of the upstream side clad exposed portion 616A is formed.
  • the exposed area of the upstream side clad exposed portion 616A can be made smaller than the exposed area of the downstream side clad exposed portion 616B.
  • the length D1 of the upstream clad exposed portion 616A along the optical axis is set to the downstream clad exposed portion.
  • the exposed area of the upstream clad exposed portion 616A can be made smaller than the exposed area of the downstream clad exposed portion 616B.
  • the clad mode light elimination structure in each of the above-described embodiments can be applied to a portion of a laser device such as a fiber laser where clad mode light is desired to be eliminated.
  • FIG. 10 is a schematic view showing an example of a laser device to which the cladding mode light removing structure according to the present invention can be applied.
  • a laser device 2101 shown in FIG. 10 is configured as a fiber laser, and includes an optical fiber amplifier 2102 as a laser light source and a laser emitting section 2160.
  • the optical fiber amplifier 2102 includes an optical resonator 2110, a plurality of front pumping light sources 2120A for introducing pumping light into the optical resonator 2110 from the front of the optical resonator 2110, and a front in-line combiner to which these front pumping light sources 2120A are connected.
  • the optical resonator 2110 includes an amplification optical fiber 2112 having a core to which rare earth ions such as yttrium (Yb) and erbium (Er) are added, and a high reflection fiber connected to the amplification optical fiber 2112 and the front in-line combiner 2122A.
  • Yb yttrium
  • Er erbium
  • the amplification optical fiber 2112 is configured by a double-clad fiber having an inner clad formed around the core and an outer clad formed around the inner clad.
  • the optical fiber amplifier 2102 includes a first delivery fiber 2130 extending from the rear in-line combiner 2122B and a second delivery fiber 2130 that is fusion-spliced to the first delivery fiber 2130 by a fusion splicing portion 2140.
  • the delivery fiber 2150 of FIG. A laser emission unit 2160 for emitting laser oscillation light from the amplification optical fiber 2112 toward, for example, an object to be processed is provided at the downstream end of the second delivery fiber 2150.
  • the front pumping light source 2120A and the rear pumping light source 2120B for example, a high output multimode semiconductor laser (LD) having a wavelength of 915 nm can be used.
  • the front in-line combiner 2122A and the rear in-line combiner 2122B couple the pumping lights output from the front pumping light source 2120A and the rear pumping light source 2120B, respectively, and introduce the pumping lights into the inner cladding of the amplification optical fiber 2112 described above. As a result, the pumping light propagates inside the inner cladding of the amplification optical fiber 2112.
  • HR-FBG2114 is formed by periodically changing the refractive index of the optical fiber, and reflects light in a predetermined wavelength band with a reflectance close to 100%.
  • the OC-FBG 2116 is formed by periodically changing the refractive index of the optical fiber, and a part (eg, 10%) of the light in the wavelength band reflected by the HR-FBG 2114 is formed. It passes through and reflects the rest.
  • the HR-FBG 2114, the amplification optical fiber 2112, and the OC-FBG 2116 recursively amplify light in a specific wavelength band between the HR-FBG 2114 and OC-FBG 2116 to generate laser oscillation.
  • the resonator 2110 is configured.
  • the above-mentioned cladding mode light removing structure is fused to the first delivery fiber 2130 and the second delivery fiber 2150 in the optical fiber amplifier 2102 by fusion splicing portion 2140.
  • Clad mode light such as laser light leaking from the core of the 2112 is converted into heat, and the heat converted from the clad mode light can be effectively treated.
  • the temperature rise of the optical fiber due to the heat generated by the cladding mode light is effectively suppressed, it is possible to prevent the reliability of the optical fiber from being impaired, and to increase the output while ensuring the reliability of the laser device. It can be realized.
  • the clad mode light removing structure according to the present invention is not limited to the fusion splicing portion 2140, and may be provided at any place where clad mode light is desired to be removed.
  • it may be applied to the front in-line combiner 2122A or the rear in-line combiner 2122B of the optical fiber amplifier 2102.
  • the pump light sources 2120A and 2120B and the combiners 2122A and 2122B are provided on both the HR-FBG 2114 side and the OC-FBG 2116 side, which is a bidirectional pump type fiber laser.
  • the excitation light source and the combiner may be installed only on one of the HR-FBG2114 side and the OC-FBG2116 side.
  • a mirror can be used instead of the FBG as a reflection means for causing laser oscillation in the optical resonator 2110.
  • FIG. 11 is a schematic view showing another example of a laser device to which the cladding mode light removal structure according to the present invention can be applied.
  • a laser device 3201 shown in FIG. 11 is configured as a fiber laser, and includes an optical fiber amplifier 3202 as a laser light source and a laser emitting section 3260.
  • the optical fiber amplifier 3202 combines a signal light generator 3210 for generating signal light, a plurality of pump light sources 3220 for generating pump light, a signal light from the signal light generator 3210, and pump light from the pump light source 3220.
  • the optical coupler 3222 that outputs the optical coupler 3222, the amplification optical fiber 3212 whose end is connected to the output end 3224 of the optical coupler 3222, and the delivery fiber 3250 that is fusion-spliced with the amplification optical fiber 3212 and the fusion splice 3240. Is equipped with.
  • a laser emission unit 3260 that emits laser oscillation light from the amplification optical fiber 3212 toward, for example, an object to be processed is provided.
  • FIG. 12 is a sectional view schematically showing the amplification optical fiber 3212.
  • the amplification optical fiber 3212 includes a core 3214 that propagates the signal light generated by the signal light generator 3210, an inner clad 3216 formed around the core 3214, and an inner clad 3216. And a double clad fiber having an outer clad 3218 formed in.
  • the core 3214 is made of SiO 2 to which a rare earth element such as Yb is added and serves as a signal optical waveguide that propagates signal light.
  • the inner clad 3216 is made of a material having a refractive index lower than that of the core 3214 (eg, SiO 2 ).
  • the outer cladding 3218 is made of a resin (for example, a low refractive index polymer) having a refractive index lower than that of the inner cladding 3216.
  • the inner cladding 3216 serves as a pumping optical waveguide that propagates pumping light.
  • the signal light from the signal light generator 3210 propagates inside the core 3214 of the amplification optical fiber 3212, and the excitation light from the pumping light source 3220 propagates inside the inner clad 3216 and the core 3214 of the amplification optical fiber 3212. .
  • the excitation light propagates in the core 3214
  • the rare earth element ions added to the core 3214 absorb the excitation light and are excited, and the signal light propagating in the core 3214 is amplified by stimulated emission.
  • the above-mentioned cladding mode light removing structure can be applied to the fusion splicing portion 3240 that fusion splices the amplification optical fiber 3212 and the delivery fiber 3250.
  • the cladding mode light elimination structure to the fusion splicing part 3240 of the optical fiber amplifier 3202, the pumping light not absorbed by the amplification optical fiber 3212 and the leakage from the core of the amplification optical fiber 3212 leak out.
  • the cladding mode light such as laser light can be effectively converted into heat and removed, and this heat can be effectively treated.
  • the clad mode light removing structure according to the present invention is not limited to the fusion splicing part 3240, and can be provided at any place where clad mode light is desired to be removed.
  • it may be applied to the optical coupler 3222 that combines and outputs the signal light from the signal light generator 3210 and the pump light from the pump light source 3220.
  • the present invention is not limited to the fiber laser, and the present invention can be applied to a laser device having a laser light source such as a semiconductor laser. Needless to say.
  • a cladding mode light removing structure capable of suppressing damage to the optical fiber due to the cladding mode light.
  • This cladding mode light removing structure is used to remove the cladding mode light propagating in the cladding of the optical fiber.
  • the clad mode light removing structure has at least one clad exposed portion having a predetermined length along the longitudinal direction of the optical fiber and a part of the entire circumference of the clad exposed from the coating material, and at least the clad exposed portion.
  • a first resin that covers the portion The first resin has a refractive index higher than that of the clad.
  • the clad mode light removal structure includes a second resin that covers the first resin at a position facing the clad exposed portion of the optical fiber. The second resin has a refractive index higher than that of the first resin.
  • the refractive index of the first resin is equal to or higher than the refractive index of the clad of the optical fiber
  • the clad mode light propagating in the clad of the optical fiber enters the first resin at the clad exposed portion, Propagate in the first resin.
  • the refractive index of the second resin is equal to or higher than the refractive index of the first resin, the clad mode light propagating through the first resin does not reflect at the interface between the first resin and the second resin. easily enters the second resin.
  • the clad mode light emitted from the clad of the optical fiber is less likely to be reflected toward the coating material of the optical fiber, and as a result, the temperature rise of the optical fiber due to the clad mode light and the damage to the optical fiber can be suppressed. it can.
  • the exposed clad portion the entire circumference of the clad of the optical fiber is not exposed from the coating material, but a part of the entire circumference of the clad is exposed, so that the clad emitted from the clad of the optical fiber is exposed.
  • the direction of the mode light can be controlled by the exposed clad portion. That is, by making the clad exposed portion of the optical fiber face the second resin, the clad mode light emitted from the clad can be directed to the second resin, and the clad mode light can be effectively removed. ..
  • the first resin and the second resin extend at least across a reference line that connects the center of the optical fiber and each of the circumferential edges of the coating material that defines the clad exposed portion. Is preferred. Since the clad mode light propagating in the clad of the optical fiber is emitted to the region between these reference lines, by forming the first resin and the second resin between these reference lines, the clad mode light is emitted from the clad. The emitted clad mode light can be effectively introduced into the first resin and the second resin.
  • the width of the second resin is preferably wider than the width of the first resin.
  • the “width” in the present specification means the length in the direction in which the first resin and the second resin overlap and in the direction perpendicular to both the optical axes of the optical fibers.
  • the second resin preferably contains particles having a property of scattering light.
  • the second resin preferably contains particles having a property of scattering light.
  • the at least one clad exposed portion may include an upstream clad exposed portion located upstream of the optical fiber and a downstream clad exposed portion located downstream of the optical fiber.
  • the exposed area of the exposed upstream cladding portion is smaller than the exposed area of the exposed downstream cladding portion. Since the laser light propagating through the optical fiber has higher power on the upstream side, the exposed area of the upstream clad exposed portion is made smaller than the exposed area of the downstream clad exposed portion, so that the upstream clad exposed portion It is possible to suppress local emission of a large amount of clad mode light to the first resin. Therefore, it is possible to prevent local heat generation of the optical fiber due to the cladding mode light.
  • the clad mode light removing structure may further include a fiber accommodating portion having a groove for accommodating the at least one clad exposed portion.
  • the inner surface of the groove of the fiber containing portion may be configured to absorb the clad mode light.
  • the clad mode light emitted from the clad exposed portion of the optical fiber can be absorbed by the inner surface of the groove of the fiber housing portion, converted into heat, and emitted to the outside.
  • the clad mode light removal structure may further include a lid member that covers the groove of the fiber housing portion.
  • the surface of the lid member facing the second resin may be configured to absorb the clad mode light.
  • the clad mode light emitted from the clad exposed portion of the optical fiber can be applied to the surface of the lid member facing the second resin, absorbed by this surface, converted into heat, and emitted to the outside. ..
  • An air layer may be formed between the second resin and the lid member.
  • the upper surface of the fiber housing portion is exposed to the air outside the second resin.
  • the clad mode light removal structure may include a heat conduction suppressing portion having a lower heat conductivity than the lid member.
  • the heat conduction suppressing portion is located between the fiber housing portion and the lid member. In this way, by arranging the heat conduction suppressing portion having lower heat conduction than the lid member between the fiber housing portion and the lid member, it is possible to suppress the heat generated in the lid member from being transferred to the fiber housing portion. It Therefore, it is possible to prevent the temperature of the fiber housing portion and the optical fibers housed therein from rising due to the heat generated in the lid member.
  • a laser device capable of increasing the output.
  • This laser device includes a laser light source, an optical fiber connected to the laser light source, and the cladding mode light removing structure described above.
  • the cladding mode light removing structure is configured to remove the cladding mode light propagating in the cladding of the optical fiber connected to the laser light source.
  • the above-mentioned cladding mode light elimination structure suppresses damage to the optical fiber due to the cladding mode light, and thus it is possible to realize high output while ensuring reliability of the laser device. ..
  • the clad mode light emitted from the clad of the optical fiber is less likely to be reflected toward the coating material of the optical fiber, the damage to the optical fiber due to the clad mode light is suppressed.
  • the present invention is preferably used for a clad mode light elimination structure for eliminating clad mode light propagating in the clad of an optical fiber in a laser device such as a fiber laser.

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Abstract

クラッドモード光による光ファイバの損傷を抑制することができるクラッドモード光除去構造を提供する。クラッドモード光除去構造１は、光ファイバ１０のクラッド１４内を伝搬するクラッドモード光Ｌを除去するために用いられる。クラッドモード光除去構造１は、光ファイバ１０の長手方向に沿って所定の長さでクラッド１４の全周のうち一部を被覆材１２から露出させたクラッド露出部１６と、少なくともクラッド露出部１６を覆う第１の樹脂３０とを備える。第１の樹脂３０は、クラッド１４の屈折率以上の屈折率を有する。また、クラッドモード光除去構造１は、光ファイバ１０のクラッド露出部１６に対向する位置で第１の樹脂３０を覆う第２の樹脂４０を備える。第２の樹脂４０は、第１の樹脂３０の屈折率以上の屈折率を有する。

Description

クラッドモード光除去構造及びレーザ装置
　本発明は、クラッドモード光除去構造及びレーザ装置に係り、特にファイバレーザなどのレーザ装置における光ファイバのクラッドを伝搬するクラッドモード光を除去するクラッドモード光除去構造に関するものである。
　近年、１０ｋＷを超える高い出力を得ることが可能な高出力ファイバレーザが実用化されている。しかしながら、このような高出力ファイバレーザ中に存在する融着部や出力コンバイナなどにおいては、光ファイバのコアに結合することなく光ファイバのクラッドに沿って伝搬するクラッドモード光が生じる。このクラッドモード光は、高出力ファイバレーザのシステムの出力によっては数１００Ｗに達することがあり、この場合、システムの動作が不安定になったり、システムの信頼性が低下したりする可能性がある。
　したがって、このようなクラッドモード光は効果的に除去されて安全に処理される必要があるが、このようなクラッドモード光を処理するための構造として、例えば特許文献１に開示されるような構造が知られている。図１は、このような従来のクラッドモード光除去構造を模式的に示す断面図である。図１に示すように、従来のクラッドモード光除去構造においては、ファイバ保持部９１０上に光ファイバ９２０が樹脂９３０により固定されており、この光ファイバ９２０の被覆材９２２の一部が除去されている。これにより、被覆材９２２からクラッド９２４が露出するクラッド露出部９２６が形成されている。このクラッド露出部９２６を覆うように、クラッド９２４の屈折率以上の屈折率を有する樹脂９４０が形成されている。
　このような従来のクラッドモード光除去構造において、光ファイバ９２０のクラッド９２４を伝搬してきたクラッドモード光Ｌは、クラッド露出部９２６において樹脂９４０に入射し、樹脂９４０内を伝搬して空気９５０中に放射される。このようにして光ファイバ９２０のクラッド９２４中からクラッドモード光が除去される。
　しかしながら、空気９５０の屈折率は樹脂９４０に比べて低いため、樹脂９４０を伝搬するクラッドモード光Ｌの一部は、樹脂９４０と空気９５０との界面で反射して再び樹脂９４０を伝搬する反射光Ｍとなる。このような反射光Ｍの一部は被覆材９２２に吸収され、被覆材９２２の温度が上昇することとなる。上述のようにファイバレーザの出力が高くなるにつれ、クラッドモード光のパワーも増加しているため、被覆材９２２に反射光Ｍが吸収されることによる被覆材９２２の温度上昇も大きくなっている。このような温度上昇は光ファイバ９２０の損傷を引き起こすため、ファイバレーザの高出力化を妨げる一因となっている。
特許第６０１０５６５号明細書
　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、クラッドモード光による光ファイバの損傷を抑制することができるクラッドモード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、高出力化が可能なレーザ装置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、クラッドモード光による光ファイバの損傷を抑制することができるクラッドモード光除去構造が提供される。このクラッドモード光除去構造は、光ファイバのクラッド内を伝搬するクラッドモード光を除去するために用いられる。上記クラッドモード光除去構造は、上記光ファイバの長手方向に沿って所定の長さで上記クラッドの全周のうち一部を被覆材から露出させた少なくとも１つのクラッド露出部と、少なくとも上記クラッド露出部を覆う第１の樹脂とを備える。上記第１の樹脂は、上記クラッドの屈折率以上の屈折率を有する。また、上記クラッドモード光除去構造は、上記光ファイバの上記クラッド露出部に対向する位置で上記第１の樹脂を覆う第２の樹脂を備える。上記第２の樹脂は、上記第１の樹脂の屈折率以上の屈折率を有する。
　本発明の第２の態様によれば、高出力化が可能なレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、レーザ光源と、上記レーザ光源に接続された光ファイバと、上述したクラッドモード光除去構造とを備える。上記クラッドモード光除去構造は、上記レーザ光源に接続された上記光ファイバのクラッド内を伝搬するクラッドモード光を除去するように構成される。
図１は、従来のクラッドモード光除去構造を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態におけるクラッドモード光除去構造を模式的に示す断面図である。 図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。 図４は、本発明の第２の実施形態におけるクラッドモード光除去構造を模式的に示す断面図である。 図５は、本発明の第３の実施形態におけるクラッドモード光除去構造を模式的に示す断面図である。 図６は、本発明の第４の実施形態におけるクラッドモード光除去構造を模式的に示す断面図である。 図７は、本発明の第５の実施形態におけるクラッドモード光除去構造を模式的に示す断面図である。 図８は、本発明の第６の実施形態におけるクラッドモード光除去構造を模式的に示す断面図である。 図９は、本発明の第７の実施形態におけるクラッドモード光除去構造を模式的に示す断面図である。 図１０は、本発明に係るクラッドモード光除去構造を適用可能なファイバレーザの一例を示す模式図である。 図１１は、本発明に係るクラッドモード光除去構造を適用可能なファイバレーザの他の例を示す模式図である。 図１２は、図１１に示すファイバレーザにおける増幅用光ファイバを模式的に示す断面図である。
　以下、本発明に係るクラッドモード光除去構造及びレーザ装置の実施形態について図２から図１２を参照して詳細に説明する。なお、図２から図１２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。また、図２から図１２においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。
　図２は、本発明の第１の実施形態におけるクラッドモード光除去構造１を模式的に示す断面図、図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。図２及び図３に示すように、本実施形態におけるクラッドモード光除去構造１は、光ファイバ１０の一部を収容するファイバ収容部２０を備えている。このファイバ収容部２０は、例えば、黒アルマイト処理が施されたアルミニウムから形成されている。光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１を被覆するクラッド１４と、クラッド１４を被覆する被覆材１２とを含んでいる。
　図３に示すように、ファイバ収容部２０の上面２１の中央には、光ファイバ１０の軸方向に沿って延びる溝２２が形成されており、この溝２２の内部に光ファイバ１０の一部が収容されている。光ファイバ１０は、この溝２２内に形成された樹脂２４（図２参照）によって溝２２内に固定される。
　図２に示すように、光ファイバ１０の被覆材１２は長手方向に沿って所定の長さで除去されており、光ファイバ１０の被覆材１２からクラッド１４が露出するクラッド露出部１６が形成されている。図３に示すように、このクラッド露出部１６は、被覆材１２の周方向に沿った一部分が除去されることによって形成されており、クラッド露出部１６においてはクラッド１４の全周のうち一部が露出している。
　ファイバ収容部２０の溝２２の内部には、光ファイバ１０のクラッド１４の屈折率以上の屈折率を有する第１の樹脂３０が充填されており、上述した光ファイバ１０のクラッド露出部１６は、この第１の樹脂３０によって覆われている。
　また、ファイバ収容部２０の溝２２には、第１の樹脂３０の上部を覆うように第２の樹脂４０が充填されている。この第２の樹脂４０は、第１の樹脂３０の屈折率以上の屈折率を有している。第２の樹脂４０の表面は空気５０中に露出している。この第２の樹脂４０は、光を散乱させる性質を有する粒子（例えば、石英ビーズ、シリカビーズ、アルミナビーズなど）を含んでいることが好ましい。これらの粒子としては、例えばサブミクロンオーダーのものを用いることができる。
　上述のように、第１の樹脂３０の屈折率は光ファイバ１０のクラッド１４の屈折率以上であるため、光ファイバ１０のクラッド１４を伝搬するクラッドモード光Ｌは、クラッド露出部１６において第１の樹脂３０に入射し、第１の樹脂３０内を伝搬する。また、第２の樹脂４０の屈折率は第１の樹脂３０の屈折率以上であるため、第１の樹脂３０を伝搬するクラッドモード光Ｌは、第１の樹脂３０と第２の樹脂４０との界面３５で反射せずに第２の樹脂４０に入射しやすい。したがって、光ファイバ１０のクラッド１４から出射されるクラッドモード光Ｌは、光ファイバ１０の被覆材１２に向かって反射しにくくなり、この結果、クラッドモード光Ｌによる光ファイバ１０の温度上昇ひいては光ファイバ１０の損傷を抑制することができる。
　また、上述のように光を散乱させる性質を有する粒子を第２の樹脂４０に分散させることにより、第１の樹脂３０から第２の樹脂４０に入射したクラッドモード光Ｎをこれらの粒子により散乱させることができ、クラッドモード光Ｎが一カ所に集まって局所的な発熱が生じることを抑制することができる。
　さらに、本実施形態におけるクラッド露出部１６では、光ファイバ１０のクラッド１４の全周が露出しているのではなく、クラッド１４の全周のうち一部が露出しているので、光ファイバ１０のクラッド１４から出射されるクラッドモード光Ｌの方向をクラッド露出部１６によって制御することができる。すなわち、クラッド１４の全周のうち、第２の樹脂４０に対向する側にのみクラッド露出部１６を形成することにより、クラッド１４から出射されるクラッドモード光Ｌを第２の樹脂４０に向けることができ、クラッドモード光Ｌを効果的に除去することができる。
　ここで、光ファイバ１０の光軸に垂直な断面を示す図３において、光ファイバ１０の中心とクラッド露出部１６を規定する被覆材１２の両縁部とを結ぶ基準線Ｓ１，Ｓ２を考えると、第１の樹脂３０及び第２の樹脂４０は、少なくともこの基準線Ｓ１とＳ２との間にわたって延びていることが好ましい。光ファイバ１０のクラッド１４を伝搬するクラッドモード光Ｌは、基準線Ｓ１と基準線Ｓ２との間の角度（以下、この角度を「開口角度」という）の範囲でクラッド露出部１６から出射される。したがって、基準線Ｓ１と基準線Ｓ２との間にわたって第１の樹脂３０及び第２の樹脂４０を形成することにより、クラッド１４から出射されるクラッドモード光Ｌを第１の樹脂３０及び第２の樹脂４０に効果的に導入することができる。
　上述したファイバ収容部２０を黒アルマイト処理が施されたアルミニウムから形成した場合には、溝２２の内面が光を吸収しやすくなるため、第１の樹脂３０や第２の樹脂４０に入射したクラッドモード光が溝２２の内面に当たると、溝２２の内面で吸収されて熱に変換される。この熱は、例えばファイバ収容部２０に接続されたヒートシンク（図示せず）によって外部に放出される。
　図４は、本発明の第２の実施形態におけるクラッドモード光除去構造１０１を模式的に示す断面図である。本実施形態では、ファイバ収容部２０の溝２２の上方に、溝２２よりも幅の広い溝１２２が形成されており、この幅の広い溝１２２に第２の樹脂４０が充填されている。このように、本実施形態では、溝１２２に充填された第２の樹脂４０の幅が、溝２２に充填された第１の樹脂３０の幅よりも広くなっている。このような構成によれば、図４に示すように、第２の樹脂４０に入射したクラッドモード光Ｐが第２の樹脂４０と空気５０との界面で反射した場合に、この反射したクラッドモード光Ｐが第２の樹脂４０を通って溝１２２の底面１２２Ａに当たることなる。溝１２２の底面１２２Ａに当たったクラッドモード光Ｐは、溝１２２の底面１２２Ａで吸収され熱に変換され、外部に放出される。このように、第２の樹脂４０の幅を第１の樹脂３０の幅よりも広くすることで、第２の樹脂４０と空気５０との界面で反射するクラッドモード光Ｐが光ファイバ１０に到達することがより効果的に抑制される。
　図５は、本発明の第３の実施形態におけるクラッドモード光除去構造２０１を模式的に示す断面図である。本実施形態では、ファイバ収容部２０の上面２１に蓋部材２６０が載置されている。この蓋部材２６０は、例えば、黒アルマイト処理が施されたアルミニウムから形成されている。このような蓋部材２６０をファイバ収容部２０の上面２１に載置することで、ファイバ収容部２０の溝２２が蓋部材２６０で覆われることになる。このような構成により、第２の樹脂４０を伝搬するクラッドモード光Ｑを蓋部材２６０の下面２６１で吸収することができ、熱に変換することができる。
　図６は、本発明の第４の実施形態におけるクラッドモード光除去構造３０１を模式的に示す断面図である。本実施形態は、上述した第３の実施形態における蓋部材２６０を第２の実施形態のファイバ収容部２０の上面２１に載置したものである。このような構成によれば、蓋部材２６０が第２の樹脂４０に接する面積が上述した第３の実施形態に比べて増えるので、より多くのクラッドモード光を蓋部材２６０の下面２６１で吸収することができる。したがって、クラッドモード光が第１の樹脂３０や光ファイバ１０に戻ることをより効果的に抑制することができ、光ファイバ１０の温度上昇をより効果的に抑えることができる。また、蓋部材２６０と第２の樹脂４０との間に残った空気や蓋部材２６０の下面２６１でクラッドモード光が反射したとしても、この反射したクラッドモード光が第２の樹脂４０を通って溝１２２の底面１２２Ａに当たり、溝１２２の底面１２２Ａで吸収されて熱に変換される。この結果、光ファイバ１０に戻るクラッドモード光を低減することができ、クラッドモード光による光ファイバ１０の温度上昇ひいては光ファイバ１０の損傷を抑制することができる。
　図７は、本発明の第５の実施形態におけるクラッドモード光除去構造４０１を模式的に示す断面図である。本実施形態では、ファイバ収容部２０の上面２１に第３の樹脂４７０を介して蓋部材４６０が載置されている。この蓋部材４６０は、例えば、黒アルマイト処理が施されたアルミニウムから形成されており、ファイバ収容部２０の溝２２に充填された第２の樹脂４０に対向する下面４６１を有する対向部４６２と、対向部４６２から下方に延びる支持部４６４とを含んでいる。第３の樹脂４７０は、蓋部材４６０の支持部４６４とファイバ収容部２０の上面２１との間に形成されている。この第３の樹脂４７０の熱伝導度は、蓋部材４６０の支持部４６４の熱伝導度よりも低くなっている。蓋部材４６０の対向部４６２と第２の樹脂４０との間には空気５０が存在している。また、蓋部材４６０の支持部４６４は第２の樹脂４０の外側に位置しており、第２の樹脂４０と蓋部材４６０の支持部４６４との間でファイバ収容部２０の上面２１が空気５０に露出している。
　本実施形態では、第３の樹脂４７０により蓋部材４６０をファイバ収容部２０の上面に固定しているが、第３の樹脂４７０に代えてネジ等によって蓋部材４６０をファイバ収容部２０に固定してもよい。この場合には、蓋部材４６０とファイバ収容部２０との間に、蓋部材４６０よりも熱伝導度が低い空気層が形成されることになる。
　このような構成によれば、図７に示すように、第２の樹脂４０に入射したクラッドモード光Ｒの一部は空気５０中に放射され、蓋部材４６０の下面４６１に照射される。蓋部材４６０の下面４６１に当たったクラッドモード光Ｒは、ここで吸収され熱に変換される。この熱は、例えば蓋部材４６０に接続されたヒートシンク（図示せず）によって外部に放出される。蓋部材４６０を黒アルマイト処理が施されたアルミニウムから形成した場合には、蓋部材４６０の内面が光を吸収しやすくなるため、蓋部材４６０の下面４６１に照射されるクラッドモード光Ｒをより効率的に熱に変換することができる。また、空気５０は第２の樹脂４０よりも屈折率が低いため、クラッドモード光Ｒが空気５０中に放射される際には、図７に矢印で示すように、第２の樹脂４０と空気５０との界面で外側（光ファイバ１０から遠ざかる方向）に屈折する。したがって、蓋部材４６０の下面４６１でクラッドモード光が反射したとしても、このクラッドモード光は、第２の樹脂４０の外側に露出しているファイバ収容部２０の上面２１に照射されやすくなり、ここで吸収され熱に変換されやすくなる。このように、本実施形態では、光ファイバ１０に戻るクラッドモード光を効果的に低減することができ、クラッドモード光による光ファイバ１０の温度上昇ひいては光ファイバ１０の損傷を抑制することができる。
　ここで、蓋部材４６０とファイバ収容部２０との間には、蓋部材４６０と比べて熱伝導が低い空気５０及び第３の樹脂４７０が存在しているため、蓋部材４６０で発生した熱がファイバ収容部２０に伝達することが抑制される。したがって、蓋部材４６０で生じた熱によりファイバ収容部２０及びその溝２２に収容された光ファイバ１０の温度が上昇することが抑制される。このように、蓋部材４６０とファイバ収容部２０との間に存在する空気５０及び第３の樹脂４７０は、蓋部材４６０よりも熱伝導度が低い熱伝導抑制部として機能する。
　図８は、本発明の第６の実施形態におけるクラッドモード光除去構造５０１を模式的に示す断面図である。本実施形態は、上述した第５の実施形態における蓋部材４６０及び第３の樹脂４７０を第２の実施形態のファイバ収容部２０に適用したものである。このような構成によれば、第２の樹脂４０に入射したクラッドモード光が第２の樹脂４０と空気５０との界面で反射したとしても、この反射したクラッドモード光が第２の樹脂４０を通って溝１２２の底面１２２Ａに当たり、溝１２２の底面１２２Ａで吸収され熱に変換される。この結果、光ファイバ１０に戻るクラッドモード光を低減することができ、クラッドモード光による光ファイバ１０の温度上昇ひいては光ファイバ１０の損傷を抑制することができる。また、第２の樹脂４０に入射したクラッドモード光が第２の樹脂４０と空気５０との界面で反射しなかった場合でも、外側（光ファイバ１０から遠ざかる方向）に屈折して空気５０中に放射され、蓋部材４６０の下面４６１に当たるか、あるいは蓋部材４６０の下面４６１で反射してファイバ収容部２０の上面２１に当たって熱に変換されやすくなる。このように、本実施形態では、光ファイバ１０に戻るクラッドモード光をより効果的に低減することができ、クラッドモード光による光ファイバ１０の温度上昇ひいては光ファイバ１０の損傷を抑制することができる。
　図９は、本発明の第７の実施形態におけるクラッドモード光除去構造６０１を模式的に示す断面図である。本実施形態の光ファイバ１０では、被覆材１２からクラッド１４が露出する２つのクラッド露出部６１６Ａ，６１６Ｂが形成されている。図９に示す例では、クラッド露出部６１６Ａが光ファイバ１０の上流側に位置しており、クラッド露出部６１６Ｂが光ファイバ１０の下流側に位置している。いずれのクラッド露出部６１６Ａ，６１６Ｂも、被覆材１２の周方向に沿った一部分が除去されることによって形成されており、クラッド露出部１６においてはクラッド１４の全周のうち一部が露出している。これらのクラッド露出部６１６Ａ，６１６Ｂは、上述したクラッド露出部１６と同様に第１の樹脂によって覆われている。
　ここで、上流側クラッド露出部６１６Ａの露出面積は下流側クラッド露出部６１６Ｂの露出面積よりも小さくなっている。光ファイバ１０を伝搬するレーザ光は上流側の方がより高パワーであるため、上流側クラッド露出部６１６Ａの露出面積を下流側クラッド露出部６１６Ｂの露出面積よりも小さくすることで、上流側クラッド露出部６１６Ａで多量のクラッドモード光が局所的に第１の樹脂３０に放射されることを抑制することができる。したがって、クラッドモード光による光ファイバ１０の局所的な発熱を防止することができる。
　例えば、上流側クラッド露出部６１６Ａの光軸に沿った長さＤ１と下流側クラッド露出部６１６Ｂの光軸に沿った長さＤ２とが同一である場合には、上流側クラッド露出部６１６Ａの開口角度を下流側クラッド露出部６１６Ｂの開口角度よりも小さくすることによって、上流側クラッド露出部６１６Ａの露出面積を下流側クラッド露出部６１６Ｂの露出面積よりも小さくすることができる。また、上流側クラッド露出部６１６Ａの開口角度と下流側クラッド露出部６１６Ｂの開口角度とが同一である場合には、上流側クラッド露出部６１６Ａの光軸に沿った長さＤ１を下流側クラッド露出部６１６Ｂの光軸に沿った長さＤ２よりも小さくすることによって、上流側クラッド露出部６１６Ａの露出面積を下流側クラッド露出部６１６Ｂの露出面積よりも小さくすることができる。
　上述した各実施形態におけるクラッドモード光除去構造は、ファイバレーザなどのレーザ装置においてクラッドモード光を除去したい箇所に適用することができる。
　図１０は、本発明に係るクラッドモード光除去構造を適用可能なレーザ装置の一例を示す模式図である。図１０に示すレーザ装置２１０１は、ファイバレーザとして構成されており、レーザ光源としての光ファイバ増幅器２１０２とレーザ出射部２１６０とを備えている。光ファイバ増幅器２１０２は、光共振器２１１０と、光共振器２１１０の前方から光共振器２１１０に励起光を導入する複数の前方励起光源２１２０Ａと、これらの前方励起光源２１２０Ａが接続された前方インラインコンバイナ２１２２Ａと、光共振器２１１０の後方から光共振器２１１０に励起光を導入する複数の後方励起光源２１２０Ｂと、これらの後方励起光源２１２０Ｂが接続された後方インラインコンバイナ２１２２Ｂとを備えている。光共振器２１１０は、イットリウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）などの希土類イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバ２１１２と、増幅用光ファイバ２１１２及び前方インラインコンバイナ２１２２Ａと接続される高反射ファイバブラッググレーディング（High Reflectivity Fiber Bragg Grating（ＨＲ－ＦＢＧ））２１１４と、増幅用光ファイバ２１１２及び後方インラインコンバイナ２１２２Ｂと接続される低反射ファイバブラッググレーディング（Output Coupler Fiber Bragg Grating（ＯＣ－ＦＢＧ））２１１６とから構成されている。例えば、増幅用光ファイバ２１１２は、コアの周囲に形成された内側クラッドと、内側クラッドの周囲に形成された外側クラッドとを有するダブルクラッドファイバによって構成される。
　また、図１０に示すように、光ファイバ増幅器２１０２は、後方インラインコンバイナ２１２２Ｂから延びる第１のデリバリファイバ２１３０と、この第１のデリバリファイバ２１３０と融着接続部２１４０で融着接続される第２のデリバリファイバ２１５０とをさらに有している。この第２のデリバリファイバ２１５０の下流側の端部には増幅用光ファイバ２１１２からのレーザ発振光を例えば被処理物に向けて出射するレーザ出射部２１６０が設けられている。
　前方励起光源２１２０Ａ及び後方励起光源２１２０Ｂとしては、例えば、波長９１５ｎｍの高出力マルチモード半導体レーザ（ＬＤ）を用いることができる。前方インラインコンバイナ２１２２Ａ及び後方インラインコンバイナ２１２２Ｂは、それぞれ前方励起光源２１２０Ａ及び後方励起光源２１２０Ｂから出力される励起光を結合して上述した増幅用光ファイバ２１１２の内側クラッドに導入するものである。これにより、増幅用光ファイバ２１１２の内側クラッドの内部を励起光が伝搬する。
　ＨＲ－ＦＢＧ２１１４は、周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成されるもので、所定の波長帯の光を１００％に近い反射率で反射するものである。ＯＣ－ＦＢＧ２１１６は、ＨＲ－ＦＢＧ２１１４と同様に、周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成されるもので、ＨＲ－ＦＢＧ２１１４で反射される波長帯の光の一部（例えば１０％）を通過させ、残りを反射するものである。このように、ＨＲ－ＦＢＧ２１１４と増幅用光ファイバ２１１２とＯＣ－ＦＢＧ２１１６とによって、ＨＲ－ＦＢＧ２１１４とＯＣ－ＦＢＧ２１１６との間で特定の波長帯の光を再帰的に増幅してレーザ発振を生じさせる光共振器２１１０が構成される。
　このような構成のレーザ装置２１０１において、上述したクラッドモード光除去構造を、例えば、光ファイバ増幅器２１０２において第１のデリバリファイバ２１３０と第２のデリバリファイバ２１５０とを融着接続する融着接続部２１４０に適用することができる。このように、融着接続部２１４０にクラッドモード光除去構造を適用することで、増幅用光ファイバ２１１２にて吸収されずに第１のデリバリファイバ２１３０のクラッドを伝搬する励起光や増幅用光ファイバ２１１２のコアから漏れ出たレーザ光などのクラッドモード光が熱に変換され、クラッドモード光から変換された熱を効果的に処理することができる。また、クラッドモード光により生じる熱による光ファイバの温度上昇が効果的に抑制されることにより、光ファイバの信頼性が損なわれることが防止され、レーザ装置の信頼性を確保しつつ高出力化を実現することが可能となる。
　なお、本発明に係るクラッドモード光除去構造は、融着接続部２１４０に限られず、クラッドモード光を除去したい任意の箇所に設けてよいことは言うまでもない。例えば、光ファイバ増幅器２１０２の前方インラインコンバイナ２１２２Ａや後方インラインコンバイナ２１２２Ｂに適用してもよい。
　また、図１０に示す例では、ＨＲ－ＦＢＧ２１１４側とＯＣ－ＦＢＧ２１１６側の双方に励起光源２１２０Ａ，２１２０Ｂとコンバイナ２１２２Ａ，２１２２Ｂが設けられており、双方向励起型のファイバレーザとなっているが、ＨＲ－ＦＢＧ２１１４側とＯＣ－ＦＢＧ２１１６側のいずれか一方にのみ励起光源とコンバイナを設置することとしてもよい。また、光共振器２１１０内でレーザ発振させるための反射手段としてＦＢＧに代えてミラーを用いることもできる。
　図１１は、本発明に係るクラッドモード光除去構造を適用可能なレーザ装置の他の例を示す模式図である。図１１に示すレーザ装置３２０１は、ファイバレーザとして構成されており、レーザ光源としての光ファイバ増幅器３２０２とレーザ出射部３２６０とを備えている。光ファイバ増幅器３２０２は、信号光を発生させる信号光発生器３２１０と、励起光を発生させる複数の励起光源３２２０と、信号光発生器３２１０からの信号光と励起光源３２２０からの励起光とを結合して出力する光カプラ３２２２と、光カプラ３２２２の出力端３２２４に端部が接続された増幅用光ファイバ３２１２と、増幅用光ファイバ３２１２と融着接続部３２４０で融着接続されるデリバリファイバ３２５０を備えている。デリバリファイバ３２５０の下流側の端部には、増幅用光ファイバ３２１２からのレーザ発振光を例えば被処理物に向けて出射するレーザ出射部３２６０が設けられている。
　図１２は、増幅用光ファイバ３２１２を模式的に示す断面図である。図１２に示すように、増幅用光ファイバ３２１２は、信号光発生器３２１０により生成された信号光を伝搬するコア３２１４と、コア３２１４の周囲に形成された内側クラッド３２１６と、内側クラッド３２１６の周囲に形成された外側クラッド３２１８とを有するダブルクラッドファイバによって構成される。コア３２１４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。内側クラッド３２１６は、コア３２１４の屈折率よりも低い屈折率の材料（例えばＳｉＯ2）からなる。外側クラッド３２１８は、内側クラッド３２１６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、内側クラッド３２１６は励起光を伝搬する励起光導波路となる。
　信号光発生器３２１０からの信号光は、増幅用光ファイバ３２１２のコア３２１４の内部を伝搬し、励起光源３２２０からの励起光は増幅用光ファイバ３２１２の内側クラッド３２１６及びコア３２１４の内部を伝搬する。励起光がコア３２１４を伝搬する際に、コア３２１４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３２１４中を伝搬する信号光が増幅される。
　このような構成のレーザ装置３２０１において、例えば増幅用光ファイバ３２１２とデリバリファイバ３２５０とを融着接続する融着接続部３２４０に上述したクラッドモード光除去構造を適用することができる。このように、光ファイバ増幅器３２０２の融着接続部３２４０にクラッドモード光除去構造を適用することで、増幅用光ファイバ３２１２にて吸収されなかった励起光や増幅用光ファイバ３２１２のコアから漏れ出たレーザ光などのクラッドモード光を効果的に熱に変換して除去することができ、この熱を効果的に処理することができる。
　なお、本発明に係るクラッドモード光除去構造は、融着接続部３２４０に限られず、クラッドモード光を除去したい任意の箇所に設けることができることは言うまでもない。例えば、信号光発生器３２１０からの信号光と励起光源３２２０からの励起光とを結合して出力する光カプラ３２２２に適用してもよい。
　また、上述の実施形態では本発明に係るクラッドモード光除去構造をファイバレーザに適用した例を説明したが、ファイバレーザに限られず、半導体レーザなど、レーザ光源を有するレーザ装置に本発明を適用できることは言うまでもない。
　なお、本明細書において使用した用語「下」、「下方」、「上」、「上方」、「底」、その他の位置関係を示す用語は、図示した実施形態との関連において使用されているのであり、装置の相対的な位置関係によって変化するものである。
　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。
　以上述べたように、本発明の第１の態様によれば、クラッドモード光による光ファイバの損傷を抑制することができるクラッドモード光除去構造が提供される。このクラッドモード光除去構造は、光ファイバのクラッド内を伝搬するクラッドモード光を除去するために用いられる。上記クラッドモード光除去構造は、上記光ファイバの長手方向に沿って所定の長さで上記クラッドの全周のうち一部を被覆材から露出させた少なくとも１つのクラッド露出部と、少なくとも上記クラッド露出部を覆う第１の樹脂とを備える。上記第１の樹脂は、上記クラッドの屈折率以上の屈折率を有する。また、上記クラッドモード光除去構造は、上記光ファイバの上記クラッド露出部に対向する位置で上記第１の樹脂を覆う第２の樹脂を備える。上記第２の樹脂は、上記第１の樹脂の屈折率以上の屈折率を有する。
　このような構成において、第１の樹脂の屈折率は光ファイバのクラッドの屈折率以上であるため、光ファイバのクラッドを伝搬するクラッドモード光は、クラッド露出部において第１の樹脂に入射し、第１の樹脂内を伝搬する。また、第２の樹脂の屈折率は第１の樹脂の屈折率以上であるため、第１の樹脂を伝搬するクラッドモード光は、第１の樹脂と第２の樹脂との界面で反射せずに第２の樹脂に入射しやすい。したがって、光ファイバのクラッドから出射されるクラッドモード光は、光ファイバの被覆材に向かって反射しにくくなり、この結果、クラッドモード光による光ファイバの温度上昇ひいては光ファイバの損傷を抑制することができる。
　また、クラッド露出部では、被覆材から光ファイバのクラッドの全周が露出しているのではなく、クラッドの全周のうち一部が露出しているので、光ファイバのクラッドから出射されるクラッドモード光の方向をクラッド露出部によって制御することができる。すなわち、光ファイバのクラッド露出部を第２の樹脂に対向させることにより、クラッドから出射されるクラッドモード光を第２の樹脂に向けることができ、クラッドモード光を効果的に除去することができる。
　上記第１の樹脂及び上記第２の樹脂は、上記光ファイバの中心と上記クラッド露出部を規定する上記被覆材の周方向における両縁部のそれぞれとを結んだ基準線の間にわたって少なくとも延びることが好ましい。光ファイバのクラッドを伝搬するクラッドモード光は、これらの基準線の間の領域に出射されるため、これらの基準線の間に第１の樹脂及び第２の樹脂を形成することにより、クラッドから出射されるクラッドモード光を第１の樹脂及び第２の樹脂に効果的に導入することができる。
　上記第２の樹脂の幅が上記第１の樹脂の幅よりも広いことが好ましい。ここで、本明細書における「幅」は、第１の樹脂と第２の樹脂とが重なる方向及び光ファイバの光軸の双方に垂直な方向の長さを意味する。このように、第２の樹脂の幅を第１の樹脂の幅よりも広くすることにより、第２の樹脂と空気との界面で反射するクラッドモード光が光ファイバに到達することがより効果的に抑制される。
　上記第２の樹脂は、光を散乱させる性質を有する粒子を含んでいることが好ましい。このように、光を散乱させる性質を有する粒子を第２の樹脂に含めることにより、第１の樹脂から第２の樹脂に入射したクラッドモード光をこれらの粒子により散乱させることができ、クラッドモード光が一カ所に集まって局所的な発熱が生じることを抑制することができる。
　上記少なくとも１つのクラッド露出部は、上記光ファイバの上流側に位置する上流側クラッド露出部と、上記光ファイバの下流側に位置する下流側クラッド露出部とを含んでいてもよい。この場合において、上記上流側クラッド露出部の露出面積は、上記下流側クラッド露出部の露出面積よりも小さいことが好ましい。光ファイバを伝搬するレーザ光は上流側の方がより高パワーであるため、上流側クラッド露出部の露出面積を下流側クラッド露出部の露出面積よりも小さくすることで、上流側クラッド露出部で多量のクラッドモード光が局所的に第１の樹脂に放射されることを抑制することができる。したがって、クラッドモード光による光ファイバの局所的な発熱を防止することができる。
　上記クラッドモード光除去構造は、上記少なくとも１つのクラッド露出部を収容する溝が形成されたファイバ収容部をさらに備えていてもよい。この場合において、上記ファイバ収容部の上記溝の内面が、上記クラッドモード光を吸収するように構成されていてもよい。これにより、光ファイバのクラッド露出部から出射されたクラッドモード光をファイバ収容部の溝の内面に吸収させて熱に変換し、外部に放出することができる。また、上記クラッドモード光除去構造は、上記ファイバ収容部の上記溝を覆う蓋部材をさらに備えていてもよい。この場合において、上記蓋部材の上記第２の樹脂に対向する面は、上記クラッドモード光を吸収するように構成されていてもよい。これにより、光ファイバのクラッド露出部から出射されたクラッドモード光を蓋部材の第２の樹脂に対向する面に照射してこの面で吸収させて熱に変換し、外部に放出することができる。
　上記第２の樹脂と上記蓋部材との間に空気の層が形成されていてもよい。この場合には、上記第２の樹脂の外側で上記ファイバ収容部の上面が上記空気に露出していることが好ましい。このような構成によれば、上述したクラッドモード光が空気中に放射される際に、第２の樹脂と空気との界面で外側に屈折するので、蓋部材の第２の樹脂に対向する面でクラッドモード光が反射したとしても、反射したクラッドモード光が第２の樹脂の外側に露出しているファイバ収容部の上面に照射されてここで吸収されやすくなる。したがって、光ファイバに戻るクラッドモード光を効果的に低減することができ、クラッドモード光による光ファイバの温度上昇ひいては光ファイバの損傷を抑制することができる。
　上記クラッドモード光除去構造は、上記蓋部材よりも熱伝導度が低い熱伝導抑制部を備えていてもよい。この熱伝導抑制部は、上記ファイバ収容部と上記蓋部材との間に位置している。このように、ファイバ収容部と蓋部材との間に、蓋部材よりも熱伝導が低い熱伝導抑制部を位置させることにより、蓋部材で発生した熱がファイバ収容部に伝達することが抑制される。したがって、蓋部材で生じた熱によりファイバ収容部及びこれに収容される光ファイバの温度が上昇することが抑制される。
　本発明の第２の態様によれば、高出力化が可能なレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、レーザ光源と、上記レーザ光源に接続された光ファイバと、上述したクラッドモード光除去構造とを備える。上記クラッドモード光除去構造は、上記レーザ光源に接続された上記光ファイバのクラッド内を伝搬するクラッドモード光を除去するように構成される。
　このような構成によれば、上述したクラッドモード光除去構造が、クラッドモード光による光ファイバの損傷を抑制するため、レーザ装置の信頼性を確保しつつ高出力化を実現することが可能となる。
　以上のように、本発明によれば、光ファイバのクラッドから出射されるクラッドモード光が、光ファイバの被覆材に向かって反射しにくくなるため、クラッドモード光による光ファイバの損傷を抑制することができる。
　本出願は、２０１８年１１月１９日に提出された日本国特許出願特願２０１８－２１６５７１号に基づくものであり、当該出願の優先権を主張するものである。当該出願の開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
　本発明は、ファイバレーザなどのレーザ装置における光ファイバのクラッドを伝搬するクラッドモード光を除去するクラッドモード光除去構造に好適に用いられる。
　　　１　　　クラッドモード光除去構造
　　１０　　　光ファイバ
　　１１　　　コア
　　１２　　　被覆材
　　１４　　　クラッド
　　１６　　　クラッド露出部
　　２０　　　ファイバ収容部
　　２２　　　溝
　　３０　　　第１の樹脂
　　４０　　　第２の樹脂
　　５０　　　空気
　１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１　　　クラッドモード光除去構造
　１２２　　　溝
　１２２Ａ　　底面
　２６０　　　蓋部材
　２６１　　　下面
　４６０　　　蓋部材
　４６１　　　下面
　４６２　　　対向部
　４６４　　　支持部
　４７０　　　第３の樹脂
６１６Ａ　　　上流側クラッド露出部
６１６Ｂ　　　下流側クラッド露出部
２１０１　　　レーザ装置
２１０２　　　光ファイバ増幅器
２１１０　　　光共振器
２１１２　　　増幅用光ファイバ
２１１４　　　ＨＲ－ＦＢＧ
２１１６　　　ＯＣ－ＦＢＧ
２１２０Ａ，２１２０Ｂ　　励起光源
２１２２Ａ，２１２２Ｂ　　インラインコンバイナ
２１３０　　　第１のデリバリファイバ
２１４０　　　融着接続部
２１５０　　　第２のデリバリファイバ
２１６０　　　レーザ出射部
３２０１　　　レーザ装置
３２０２　　　光ファイバ増幅器
３２１０　　　信号光発生器
３２１２　　　増幅用光ファイバ
３２１４　　　コア
３２１６　　　内側クラッド
３２１８　　　外側クラッド
３２２０　　　励起光源
３２２２　　　光カプラ
３２２４　　　出力端
３２４０　　　融着接続部
３２５０　　　デリバリファイバ
３２６０　　　レーザ出射部
　　　Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｐ，Ｑ，Ｒ　　クラッドモード光
　　Ｓ１，Ｓ２　　基準線

Claims (10)

  1. 　光ファイバのクラッド内を伝搬するクラッドモード光を除去するクラッドモード光除去構造であって、
    　前記光ファイバの長手方向に沿って所定の長さで前記クラッドの全周のうち一部を被覆材から露出させた少なくとも１つのクラッド露出部と、
    　少なくとも前記クラッド露出部を覆う第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、
    　前記光ファイバの前記クラッド露出部に対向する位置で前記第１の樹脂を覆う第２の樹脂であって、前記第１の樹脂の屈折率以上の屈折率を有する第２の樹脂と
    を備える、クラッドモード光除去構造。
  2. 　前記第１の樹脂及び前記第２の樹脂は、前記光ファイバの光軸に垂直な断面でみたときに、前記光ファイバの中心と前記クラッド露出部を規定する前記被覆材の周方向における両縁部のそれぞれとを結んだ基準線の間にわたって少なくとも延びる、請求項１に記載のクラッドモード光除去構造。
  3. 　前記第２の樹脂の幅が前記第１の樹脂の幅よりも広い、請求項１又は２に記載のクラッドモード光除去構造。
  4. 　前記第２の樹脂は、光を散乱させる性質を有する粒子を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のクラッドモード光除去構造。
  5. 　前記少なくとも１つのクラッド露出部は、前記光ファイバの上流側に位置する上流側クラッド露出部と、前記光ファイバの下流側に位置する下流側クラッド露出部とを含み、
    　前記上流側クラッド露出部の露出面積は、前記下流側クラッド露出部の露出面積よりも小さい、
    請求項１から４のいずれか一項に記載のクラッドモード光除去構造。
  6. 　前記少なくとも１つのクラッド露出部を収容する溝が形成されたファイバ収容部をさらに備え、
    　前記ファイバ収容部の前記溝の内面は、前記クラッドモード光を吸収するように構成される、
    請求項１から５のいずれか一項に記載のクラッドモード光除去構造。
  7. 　前記少なくとも１つのクラッド露出部を収容する溝が形成されたファイバ収容部と、
    　前記ファイバ収容部の前記溝を覆う蓋部材と
    をさらに備え、
    　前記蓋部材の前記第２の樹脂に対向する面は、前記クラッドモード光を吸収するように構成される、
    請求項１から５のいずれか一項に記載のクラッドモード光除去構造。
  8. 　前記第２の樹脂と前記蓋部材との間には空気の層が形成され、
    　前記第２の樹脂の外側で前記ファイバ収容部の上面が前記空気に露出している、
    請求項７に記載のクラッドモード光除去構造。
  9. 　前記蓋部材よりも熱伝導度が低い熱伝導抑制部であって、前記ファイバ収容部と前記蓋部材との間に位置する熱伝導抑制部をさらに備える、請求項７又は８に記載のクラッドモード光除去構造。
  10. 　レーザ光源と、
    　前記レーザ光源に接続された光ファイバと、
    　請求項１から９のいずれか一項に記載のクラッドモード光除去構造と
    を備え、
    　前記クラッドモード光除去構造は、前記レーザ光源に接続された前記光ファイバのクラッド内を伝搬するクラッドモード光を除去するように構成される、
    レーザ装置。
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