專利名稱：光纖激光器用光纖、光纖激光器及激光器起振方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及起振在激光加工及醫(yī)療等中應(yīng)用的大輸出功率激光的光纖激光器用光纖及使用該光纖的光纖激光器和激光器起振方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的光纖激光器主要使用圖3所示的雙重包層構(gòu)造的光纖41。
纖芯區(qū)域42中添加有釹(Nd)、鐿(Yb)、鉺(Er)、釷(Th)等稀土類元素。該纖芯區(qū)域42被內(nèi)側(cè)包層區(qū)域44所包圍，并且該內(nèi)側(cè)包層區(qū)域44被外側(cè)包層區(qū)域45所包圍。
入射到光纖41中的激發(fā)光46以多模在內(nèi)側(cè)包層區(qū)域44內(nèi)傳輸，并且逐漸被纖芯區(qū)域42吸收而減弱。在該激發(fā)光46被吸收時(shí)，稀土類元素被激發(fā)而起振激光48(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。
使用此類雙重包層構(gòu)造的光纖41的光纖激光器每年皆可增大輸出，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)數(shù)百W的起振。
專利文獻(xiàn)1特開2002-055239號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開2002-055240號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3特開2002-277669號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4特開2002-359420號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)5特開2002-541507號(hào)公報(bào)但是，如果要實(shí)現(xiàn)更大輸出功率起振，則在纖芯區(qū)域42內(nèi)功率密度變得非常高，會(huì)有纖芯區(qū)域42損壞的可能性。這是因?yàn)橛捎诜蔷€形光學(xué)效果使得纖芯區(qū)域42的折射率隨著激光器能量的增加而上升從而產(chǎn)生了激光器能量的自身會(huì)聚作用。
這樣，現(xiàn)有的光纖激光器的極限是數(shù)百W左右的起振，為了以更大輸出功率的起振為目標(biāo)，必須擴(kuò)大纖芯區(qū)域。然而，如果擴(kuò)大纖芯區(qū)域，則不能單模起振而變成了多模起振，從而不能得到高品質(zhì)的激光束。
如果在擴(kuò)大纖芯區(qū)域、降低激光器的能量密度(功率密度)的同時(shí)，為抑制以高次模的起振而使光纖激光器用光纖為圓形，并利用高次模的彎曲損耗大于最低次模的彎曲損耗，則即使纖芯大到某種程度也可實(shí)現(xiàn)單模起振。但是，可維持單模起振的纖芯區(qū)域的大小是有限度的。而且，必須使光纖激光器用光纖為圓形，為了用于激光加工或醫(yī)療用，除作為光源的光纖激光器以外需要從光源到被照射物的傳導(dǎo)激光的傳輸路徑，所以不但光學(xué)系統(tǒng)變復(fù)雜，而且還導(dǎo)致連接部的端面損壞或起振激光束的質(zhì)量的惡化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種解決上述問題、可實(shí)現(xiàn)高輸出功率的光纖激光器，并且在作為光源的同時(shí)兼作作為傳導(dǎo)激光的傳輸路徑的新型光纖激光器用光纖。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的光纖激光器用光纖具備中空纖芯區(qū)域、具有在光纖長度方向上延伸且包圍上述中空纖芯區(qū)域的多個(gè)空孔的內(nèi)側(cè)包層區(qū)域以及包圍該內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的外側(cè)包層區(qū)域，上述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的填充部由部分地或整個(gè)范圍內(nèi)地添加稀土類元素的石英材料構(gòu)成，并且上述外側(cè)包層區(qū)域的折射率低于上述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的填充部的折射率。
理想的是上述外側(cè)包層區(qū)域由含氟的石英材料或高分子樹脂構(gòu)成。
理想的是設(shè)定上述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的空孔的孔徑和間隔以在激光的起振波段上形成帶隙。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在方案1-3中任一項(xiàng)所述的光纖激光器用光纖的一端或兩端上設(shè)有用于反射激光的起振波段的光的反射器。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在方案1-3中任一項(xiàng)所述的光纖激光器用光纖的一端或兩端上連接有形成由添加鍺的石英材料構(gòu)成的纖芯區(qū)域的填充型光纖。
理想的是在上述填充型光纖的纖芯區(qū)域形成有用于反射激光的起振波段的光的光纖光柵。
理想的是上述填充型光纖的纖芯區(qū)域的直徑與上述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的外徑大體相等。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的激光器起振方法是使用方案1-7中任一項(xiàng)所述的光纖激光器用光纖，向該光纖激光器用光纖入射激發(fā)光，使該激發(fā)光封閉在上述光纖激光器用光纖的中空纖芯區(qū)域及內(nèi)側(cè)包層區(qū)域中并傳輸，使通過上述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的填充部的稀土類元素而發(fā)光的激光封閉到上述中空纖芯區(qū)域中并起振·傳輸。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的激光器起振方法是使用方案1-3中任一項(xiàng)所述的光纖激光器用光纖，在該光纖激光器用光纖的兩端上分別設(shè)有用于反射激光的起振波段的光的反射器，由這些反射器構(gòu)成共振器，向上述光纖激光器用光纖入射激發(fā)光，使該激發(fā)光封閉在上述光纖激光器用光纖的中空纖芯區(qū)域及內(nèi)側(cè)包層區(qū)域中并傳輸，使通過上述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的填充部的稀土類元素而發(fā)光的激光封閉在上述中空纖芯區(qū)域中并起振·傳輸。
理想的是作為上述反射器，使用在形成有由添加鍺的石英材料構(gòu)成的纖芯區(qū)域的同時(shí)、在該纖芯區(qū)域形成用于反射上述激光的起振波段的光的光纖光柵的填充型光纖。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的光纖激光器具備方案1-7中任一項(xiàng)所述的光纖激光器用光纖和激發(fā)光源。
根據(jù)本發(fā)明，可發(fā)揮以下的優(yōu)良效果。
(1)由于起振激光器能量的大部分在中空纖芯區(qū)域傳輸，所以損耗閾值增高，可實(shí)現(xiàn)kW級(jí)的大輸出功率光纖激光器。
(2)即使不做成圓形來抑制高次模，由于可以選擇地只使最低次模起振，所以在得到高品質(zhì)的激光束的同時(shí)可兼作光源和傳輸路徑。


圖1(a)表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光纖激光器用光纖的剖視圖。圖1(b)表示其它實(shí)施例的光纖激光器用光纖的剖視圖。
圖2(a)表示第二實(shí)施例的光纖激光器用光纖的側(cè)視圖。圖2(b)表示圖2(a)的沿A-A線剖視圖。圖2(c)表示圖2(a)的沿B-B線剖視圖。
圖3表示現(xiàn)有的雙重包層構(gòu)造的光纖的側(cè)視圖。
圖中1、2、3 光纖激光器用光纖，11 中空纖芯區(qū)域，12 空孔，13 填充部，14 外側(cè)包層區(qū)域，15 內(nèi)側(cè)包層區(qū)域，21 中空纖芯光纖，22a、22b 填充型光纖，25 纖芯區(qū)域，26 包層區(qū)域，27a、27b 光纖光柵具體實(shí)施方式
下面根據(jù)附圖來詳細(xì)敘述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1(a)表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光纖激光器用光纖的剖視圖。
本實(shí)施例的光纖激光器用光纖使用具有中空纖芯區(qū)域的中空纖芯光纖。
如圖1(a)所示，光纖激光器用光纖1具備中空纖芯區(qū)域11、包圍該中空纖芯區(qū)域11的內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15以及包圍該內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15的外側(cè)包層區(qū)域14。再有，內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15具有在光纖激光器用光纖(光纖)1的長度方向延伸且包圍中空纖芯區(qū)域11的多個(gè)空孔12和填充部13。
在圖1(a)中，將空孔12大體呈最密地配置在中空纖芯區(qū)域11周圍。中空纖芯區(qū)域11的直徑可以比激光的波長大，將其對(duì)應(yīng)于激光功率、激光直徑適宜地設(shè)定。這些空孔12的孔徑及各空孔12間的間隔被設(shè)定成相對(duì)于所起振的激光的波長(起振波段)形成有帶隙。這樣，能以低損耗在中空區(qū)域中傳輸激光的起振波段的光。再有，如圖1(b)所示，空孔12也可在以纖芯中心為中心的多個(gè)同心圓上排列配置。但并不限于此，只要空孔12的形狀及配置設(shè)定成對(duì)應(yīng)于激光的波長形成帶隙即可。
對(duì)激發(fā)光沒有特別限定，可使用例如波長從0.8μm到0.98μm的大輸出功率多模半導(dǎo)體激光。雖然對(duì)激光的波長(起振波段)沒有特別限定，但是，要設(shè)定空孔12的孔徑及空孔12間的間隔以起振例如1.06μm或1.0μm帶的激光。
在光纖激光器用光纖1中，包圍中空纖芯區(qū)域11及其外側(cè)的多個(gè)空孔12的填充部13由部分地或整個(gè)范圍內(nèi)地添加稀土類元素的石英材料構(gòu)成。稀土類元素可使用例如Nd及Yb。根據(jù)使起振激光器的波長，添加Er、Th等稀土類元素也有效。
比內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15更靠近徑向外側(cè)的外側(cè)包層區(qū)域14是填充的，由添加氟的石英材料形成。外側(cè)包層區(qū)域14的折射率比內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15的填充部13的折射率低。再有，也可使用添加氟的高分子樹脂來做為外側(cè)包層區(qū)域。
接著說明本實(shí)施例的光纖激光器用光纖1的作用。
如果向光纖激光器用光纖1入射激發(fā)光，則該激發(fā)光在中空纖芯區(qū)域11及內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15中傳輸。雖然激發(fā)光也在中空纖芯區(qū)域11中傳輸，但是其在內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15的填充部13內(nèi)被吸收而逐漸減弱。這時(shí)，通過內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15的稀土類元素吸收激發(fā)光而起振激光。
起振的激光被封閉于中空纖芯區(qū)域11內(nèi)并在中空纖芯區(qū)域11中傳輸。如上所述，在本實(shí)施例中，將具有中空纖芯區(qū)域11和包圍該中空纖芯區(qū)域11的多個(gè)空孔12的中空纖芯光纖作為光纖激光器用光纖1使用，并且形成帶隙以使相對(duì)于激光的起振波長呈低損耗。因此，對(duì)于激光器的起振波段的光而言，雖然高次模也以較低損耗進(jìn)行傳輸，但由于高次模的傳輸損耗比最低次模的傳輸損耗大，所以只選擇最低次模來進(jìn)行起振，從而可保持接近于單模起振的高光束質(zhì)量。
一方面，激發(fā)光被封閉到中空纖芯區(qū)域11及內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15中進(jìn)行傳輸。由于外側(cè)包層區(qū)域14使用添加氟的石英材料，與內(nèi)側(cè)纖芯區(qū)域15的填充部13相比較折射率相對(duì)較低，所以激發(fā)光可不會(huì)向外側(cè)包層區(qū)域14泄漏地進(jìn)行傳輸。這里的折射率是關(guān)于激發(fā)光的波長的折射率，就關(guān)于激發(fā)光的波長的折射率而言，使外側(cè)包層區(qū)域14的折射率與內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15的填充部13相比相對(duì)較低。
這樣，對(duì)于本實(shí)施例的光纖激光器用光纖1，由于起振激光器能量的大部分在中空纖芯區(qū)域11中傳輸，所以損耗閾值高且即使激光器能量密度非常高也難以損耗。因此，可實(shí)現(xiàn)kW級(jí)的大輸出功率光纖激光器。
而且，即使不通過做成圓形來抑制高次模，由于可只選擇最低次模進(jìn)行起振，所以在可得到高品質(zhì)的激光束的同時(shí)，還可兼做光源和傳輸路徑。
圖2用于說明用于激光器起振的本發(fā)明的第二實(shí)施例。
如圖2所示，第二實(shí)施例的光纖激光器用光纖2在具有與第一實(shí)施例的光纖激光器用光纖1同樣的構(gòu)造的中空纖芯光纖21的兩端部上分別設(shè)有填充型光纖22a、22b。
中空纖芯光纖21中與第一實(shí)施例同樣形成有中空纖芯區(qū)域11和包圍該中空纖芯區(qū)域11的多個(gè)空孔12。該中空纖芯光纖21通過根據(jù)激光器起振的波長調(diào)整空孔12的孔徑及空孔12間的間隔而形成帶隙。
中空纖芯光纖21的兩端上分別熔敷有細(xì)長的石英系的填充型光纖22a、22b。該細(xì)長的填充型石英系光纖22具備有由添加鍺的石英材料所形成的纖芯區(qū)域25、及比該纖芯區(qū)域25折射率低的包層區(qū)域26。
在纖芯區(qū)域25內(nèi)形成有受激準(zhǔn)分子激光器照射而使纖芯區(qū)域25的折射率周期性地變化的光纖光柵27。該光纖光柵27成為用于反射激光器的起振波段的光的反射器(濾光器)。兩端的光纖光柵27a、27b的反射中心波長與激光器的起振波長一致。但是，一端(圖2中左端)的光纖光柵27a的反射率約為99％或以上，另一端的(圖2中右端)的光纖光柵27b的反射率約為96％。
光纖激光器用光纖2中，由反射這些激光器起振波長的光的光纖光柵27a、27b構(gòu)成了共振器，激光器起振的輸出光29從形成有反射率低的光纖光柵27b一側(cè)的光纖激光器用光纖2的端面2b出射。
激發(fā)光28從形成有反射率高的光纖光柵27a一側(cè)的端面2a入射。由于激發(fā)光28不被光纖光柵27a反射，所以其從光纖激光器用光纖2的端面2a高效率地入射并在中空纖芯光纖21中邊衰減邊傳輸。
形成有光纖光柵27的填充型光纖21的纖芯區(qū)域25的直徑與內(nèi)側(cè)包層區(qū)域15的外徑(直徑)大體相等。這樣，激發(fā)光28可通過細(xì)長填充型光纖22高效率地入射到中空纖芯光纖21中，可提高從激發(fā)光28到起振光的轉(zhuǎn)換效率。
在本實(shí)施例中，可得到與第一實(shí)施例同樣的效果，再有，通過連接中空纖芯光纖21和具有光纖光柵27的細(xì)長的填充型光纖22，可容易地形成共振器構(gòu)造。因此可簡(jiǎn)化激光加工或醫(yī)療用激光治療器的系統(tǒng)。
在本實(shí)施例中，中空纖芯光纖21的兩端上分別連接有細(xì)長的填充型光纖22a、22b，且在這些兩端的填充型光纖22a、22b中分別形成有光纖光柵27a、27b，雖然在這兩個(gè)光纖光柵27a、27b之間構(gòu)成共振器進(jìn)行激光器起振，但是也可不形成一方的光纖光柵而在一個(gè)光纖光柵和菲涅耳反射面之間形成共振器。
再有，反射構(gòu)成共振器的激光器的起振波段的光的反射器不但可以是光纖光柵也可以用多層膜反射濾光器。
而且，也可使填充型光纖只與中空纖芯光纖的一端連接。
此外，在本實(shí)施例中，雖然使激發(fā)光28從形成關(guān)于激光器起振的波長反射率較大的光纖光柵27a一側(cè)的端面2a入射，但也可從兩側(cè)的端面2a、2b入射。
再有，除了使激發(fā)光從單側(cè)的端面2a或兩端面2a、2b入射以外，也可使其從中空纖芯光纖的側(cè)面入射。
此外，在圖1(a)的光纖激光器用光纖1、圖1(b)的光纖激光器用光纖3以及圖2(a)的光纖激光器用光纖2上連接激發(fā)光源，也可以構(gòu)成光纖激光器。
權(quán)利要求
1.一種光纖激光器用光纖，具備中空纖芯區(qū)域、具有在光纖長度方向上延伸且包圍所述中空纖芯區(qū)域的多個(gè)空孔的內(nèi)側(cè)包層區(qū)域以及包圍該內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的外側(cè)包層區(qū)域，其特征在于所述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的填充部由部分地或整個(gè)范圍內(nèi)地添加稀土類元素的石英材料構(gòu)成；所述外側(cè)包層區(qū)域的折射率低于所述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的填充部的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光器用光纖，其特征在于所述外側(cè)包層區(qū)域由含氟的石英材料或高分子樹脂構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖激光器用光纖，其特征在于設(shè)定所述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的空孔的孔徑和間隔以在激光的起振波段上形成帶隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的光纖激光器用光纖，其特征在于在光纖激光器用光纖的一端或兩端上設(shè)有用于反射激光的起振波段的光的反射器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的光纖激光器用光纖，其特征在于在光纖激光器用光纖的一端或兩端上連接有形成由添加鍺的石英材料構(gòu)成的纖芯區(qū)域的填充型光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖激光器用光纖，其特征在于在所述填充型光纖的纖芯區(qū)域形成有用于反射激光的起振波段的光的光纖光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光纖激光器用光纖，其特征在于所述填充型光纖的纖芯區(qū)域的直徑與所述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的外徑大體相等。
8.一種激光器起振方法，其特征在于使用根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的光纖激光器用光纖，向該光纖激光器用光纖入射激發(fā)光，使該激發(fā)光封閉在所述光纖激光器用光纖的中空纖芯區(qū)域及內(nèi)側(cè)包層區(qū)域中并傳輸，使通過所述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的填充部的稀土類元素而發(fā)光的激光封閉在所述中空纖芯區(qū)域中并起振·傳輸。
9.一種激光器起振方法，其特征在于使用根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的光纖激光器用光纖，該光纖激光器用光纖的兩端上分別設(shè)有用于反射激光的起振波段的光的反射器，由這些反射器構(gòu)成共振器，向所述光纖激光器用光纖入射激發(fā)光，使該激發(fā)光封閉在所述光纖激光器用光纖的中空纖芯區(qū)域及內(nèi)側(cè)包層區(qū)域中并傳輸，使通過所述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域的填充部的稀土類元素而發(fā)光的激光封閉在所述中空纖芯區(qū)域中并起振·傳輸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光器起振方法，其特征在于作為所述反射器，使用在形成有由添加鍺的石英材料構(gòu)成的纖芯區(qū)域的同時(shí)、在該纖芯區(qū)域形成用于反射所述激光的起振波段的光的光纖光柵的填充型光纖。
11.一種光纖激光器，其特征在于配備有根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的光纖激光器用光纖和激發(fā)光源。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)高輸出功率的光纖激光器，并且在作為光源的同時(shí)兼作作為傳導(dǎo)激光的傳輸路徑的新型光纖激光器用光纖。光纖激光器用光纖(1)具備中空纖芯區(qū)域(11)、具有在光纖長度方向上延伸且包圍上述中空纖芯區(qū)域(11)的多個(gè)空孔(12)的內(nèi)側(cè)包層區(qū)域(15)以及包圍該內(nèi)側(cè)包層區(qū)域(15)的外側(cè)包層區(qū)域(14)，上述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域(15)的填充部(13)由部分地或整個(gè)范圍內(nèi)地添加稀土類元素的石英材料構(gòu)成，上述外側(cè)包層區(qū)域(14)的折射率低于上述內(nèi)側(cè)包層區(qū)域(15)的填充部(13)的折射率。
文檔編號(hào)G02B6/036GK1767281SQ20051011664
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者本鄉(xiāng)晃史 申請(qǐng)人:日立電線株式會(huì)社