CN100502173C - 光纤激光器用光纤、光纤激光器及激光器起振方法 - Google Patents

光纤激光器用光纤、光纤激光器及激光器起振方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可实现高输出功率的光纤激光器，并且在作为光源的同时兼作作为传导激光的传输路径的新型光纤激光器用光纤。光纤激光器用光纤(1)具备中空纤芯区域(11)、具有在光纤长度方向上延伸且包围上述中空纤芯区域(11)的多个空孔(12)的内侧包层区域(15)以及包围该内侧包层区域(15)的外侧包层区域(14)，上述内侧包层区域(15)的填充部(13)由部分地或整个范围内地添加稀土类元素的石英材料构成，上述外侧包层区域(14)的折射率低于上述内侧包层区域(15)的填充部(13)的折射率。

Description

光纤激光器用光纤、光纤激光器及激光器起振方法
技术领域
本发明涉及起振在激光加工及医疗等中应用的大输出功率激光的光纤激光器用光纤及使用该光纤的光纤激光器和激光器起振方法。
背景技术
现有的光纤激光器主要使用图3所示的双重包层构造的光纤41。
纤芯区域42中添加有钕(Nd)、镱(Yb)、铒(Er)、钍(Th)等稀土类元素。该纤芯区域42被内侧包层区域44所包围，并且该内侧包层区域44被外侧包层区域45所包围。
入射到光纤41中的激发光46以多模在内侧包层区域44内传输，并且逐渐被纤芯区域42吸收而减弱。在该激发光46被吸收时，稀土类元素被激发而起振激光48(例如，参照专利文献1)。
使用此类双重包层构造的光纤41的光纤激光器每年皆可增大输出，现已实现数百W的起振。
【专利文献1】特开2002—055239号公报
【专利文献2】特开2002—055240号公报
【专利文献3】特开2002—277669号公报
【专利文献4】特开2002—359420号公报
【专利文献5】特开2002—541507号公报
但是，如果要实现更大输出功率起振，则在纤芯区域42内功率密度变得非常高，会有纤芯区域42损坏的可能性。这是因为由于非线形光学效果使得纤芯区域42的折射率随着激光器能量的增加而上升从而产生了激光器能量的自身会聚作用。
这样，现有的光纤激光器的极限是数百W左右的起振，为了以更大输出功率的起振为目标，必须扩大纤芯区域。然而，如果扩大纤芯区域，则不能单模起振而变成了多模起振，从而不能得到高品质的激光束。
如果在扩大纤芯区域、降低激光器的能量密度(功率密度)的同时，为抑制以高次模的起振而使光纤激光器用光纤为圆形，并利用高次模的弯曲损耗大于最低次模的弯曲损耗，则即使纤芯大到某种程度也可实现单模起振。但是，可维持单模起振的纤芯区域的大小是有限度的。而且，必须使光纤激光器用光纤为圆形，为了用于激光加工或医疗用，除作为光源的光纤激光器以外需要从光源到被照射物的传导激光的传输路径，所以不但光学系统变复杂，而且还导致连接部的端面损坏或起振激光束的质量的恶化。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种解决上述问题、可实现高输出功率的光纤激光器，并且在作为光源的同时兼作作为传导激光的传输路径的新型光纤激光器用光纤。
为达到上述目的，本发明的光纤激光器用光纤具备中空纤芯区域、具有在光纤长度方向上延伸且包围上述中空纤芯区域的多个空孔的内侧包层区域以及包围该内侧包层区域的外侧包层区域，上述内侧包层区域的填充部由部分地或整个范围内地添加稀土类元素的石英材料构成，并且上述外侧包层区域的折射率低于上述内侧包层区域的填充部的折射率。
理想的是上述外侧包层区域由含氟的石英材料或高分子树脂构成。
理想的是设定上述内侧包层区域的空孔的孔径和间隔以在激光的起振波段上形成带隙。
为实现上述目的，本发明在方案1—3中任一项所述的光纤激光器用光纤的一端或两端上设有用于反射激光的起振波段的光的反射器。
为实现上述目的，本发明在方案1—3中任一项所述的光纤激光器用光纤的一端或两端上连接有形成由添加锗的石英材料构成的纤芯区域的填充型光纤。
理想的是在上述填充型光纤的纤芯区域形成有用于反射激光的起振波段的光的光纤光栅。
理想的是上述填充型光纤的纤芯区域的直径与上述内侧包层区域的外径大体相等。
为实现上述目的，本发明的激光器起振方法是使用方案1—7中任一项所述的光纤激光器用光纤，向该光纤激光器用光纤入射激发光，使该激发光封闭在上述光纤激光器用光纤的中空纤芯区域及内侧包层区域中并传输，使通过上述内侧包层区域的填充部的稀土类元素而发光的激光封闭到上述中空纤芯区域中并起振和传输。
为实现上述目的，本发明的激光器起振方法是使用方案1—3中任一项所述的光纤激光器用光纤，在该光纤激光器用光纤的两端上分别设有用于反射激光的起振波段的光的反射器，由这些反射器构成共振器，向上述光纤激光器用光纤入射激发光，使该激发光封闭在上述光纤激光器用光纤的中空纤芯区域及内侧包层区域中并传输，使通过上述内侧包层区域的填充部的稀土类元素而发光的激光封闭在上述中空纤芯区域中并起振和传输。
理想的是作为上述反射器，使用在形成有由添加锗的石英材料构成的纤芯区域的同时、在该纤芯区域形成用于反射上述激光的起振波段的光的光纤光栅的填充型光纤。
为实现上述目的，本发明的光纤激光器具备方案1—7中任一项所述的光纤激光器用光纤和激发光源。
根据本发明，可发挥以下的优良效果。
(1)由于起振激光器能量的大部分在中空纤芯区域传输，所以损耗阈值增高，可实现kW级的大输出功率光纤激光器。
(2)即使不做成圆形来抑制高次模，由于可以选择地只使最低次模起振，所以在得到高品质的激光束的同时可兼作光源和传输路径。
附图说明
图1(a)表示根据本发明的一个实施例的光纤激光器用光纤的剖视图。图1(b)表示其它实施例的光纤激光器用光纤的剖视图。
图2(a)表示第二实施例的光纤激光器用光纤的侧视图。图2(b)表示图2(a)的沿A—A线剖视图。图2(c)表示图2(a)的沿B—B线剖视图。
图3表示现有的双重包层构造的光纤的侧视图。
图中：
1、2、3光纤激光器用光纤，11中空纤芯区域，12空孔，13填充部，14外侧包层区域，15内侧包层区域，21中空纤芯光纤，22a、22b填充型光纤，25纤芯区域，26包层区域，27a、27b光纤光栅
具体实施方式
下面根据附图来详细叙述本发明的优选实施例。
图1(a)表示根据本发明的一个实施例的光纤激光器用光纤的剖视图。
本实施例的光纤激光器用光纤使用具有中空纤芯区域的中空纤芯光纤。
如图1(a)所示，光纤激光器用光纤1具备中空纤芯区域11、包围该中空纤芯区域11的内侧包层区域15以及包围该内侧包层区域15的外侧包层区域14。再有，内侧包层区域15具有在光纤激光器用光纤(光纤)1的长度方向延伸且包围中空纤芯区域11的多个空孔12和填充部13。
在图1(a)中，将空孔12大体呈最密地配置在中空纤芯区域11周围。中空纤芯区域11的直径可以比激光的波长大，将其对应于激光功率、激光直径适宜地设定。这些空孔12的孔径及各空孔12间的间隔被设定成相对于所起振的激光的波长(起振波段)形成有带隙。这样，能以低损耗在中空区域中传输激光的起振波段的光。再有，如图1(b)所示，空孔12也可在以纤芯中心为中心的多个同心圆上排列配置。但并不限于此，只要空孔12的形状及配置设定成对应于激光的波长形成带隙即可。
对激发光没有特别限定，可使用例如波长从0.8μm到0.98μm的大输出功率多模半导体激光。虽然对激光的波长(起振波段)没有特别限定，但是，要设定空孔12的孔径及空孔12间的间隔以起振例如1.06μm或1.0μm带的激光。
在光纤激光器用光纤1中，包围中空纤芯区域11及其外侧的多个空孔12的填充部13由部分地或整个范围内地添加稀土类元素的石英材料构成。稀土类元素可使用例如Nd及Yb。根据使起振激光器的波长，添加Er、Th等稀土类元素也有效。
比内侧包层区域15更靠近径向外侧的外侧包层区域14是填充的，由添加氟的石英材料形成。外侧包层区域14的折射率比内侧包层区域15的填充部13的折射率低。再有，也可使用添加氟的高分子树脂来做为外侧包层区域。
接着说明本实施例的光纤激光器用光纤1的作用。
如果向光纤激光器用光纤1入射激发光，则该激发光在中空纤芯区域11及内侧包层区域15中传输。虽然激发光也在中空纤芯区域11中传输，但是其在内侧包层区域15的填充部13内被吸收而逐渐减弱。这时，通过内侧包层区域15的稀土类元素吸收激发光而起振激光。
起振的激光被封闭于中空纤芯区域11内并在中空纤芯区域11中传输。如上所述，在本实施例中，将具有中空纤芯区域11和包围该中空纤芯区域11的多个空孔12的中空纤芯光纤作为光纤激光器用光纤1使用，并且形成带隙以使相对于激光的起振波长呈低损耗。因此，对于激光器的起振波段的光而言，虽然高次模也以较低损耗进行传输，但由于高次模的传输损耗比最低次模的传输损耗大，所以只选择最低次模来进行起振，从而可保持接近于单模起振的高光束质量。
一方面，激发光被封闭到中空纤芯区域11及内侧包层区域15中进行传输。由于外侧包层区域14使用添加氟的石英材料，与内侧纤芯区域15的填充部13相比较折射率相对较低，所以激发光可不会向外侧包层区域14泄漏地进行传输。这里的折射率是关于激发光的波长的折射率，就关于激发光的波长的折射率而言，使外侧包层区域14的折射率与内侧包层区域15的填充部13相比相对较低。
这样，对于本实施例的光纤激光器用光纤1，由于起振激光器能量的大部分在中空纤芯区域11中传输，所以损耗阈值高且即使激光器能量密度非常高也难以损耗。因此，可实现kW级的大输出功率光纤激光器。
而且，即使不通过做成圆形来抑制高次模，由于可只选择最低次模进行起振，所以在可得到高品质的激光束的同时，还可兼做光源和传输路径。
图2用于说明用于激光器起振的本发明的第二实施例。
如图2所示，第二实施例的光纤激光器用光纤2在具有与第一实施例的光纤激光器用光纤1同样的构造的中空纤芯光纤21的两端部上分别设有填充型光纤22a、22b。
中空纤芯光纤21中与第一实施例同样形成有中空纤芯区域11和包围该中空纤芯区域11的多个空孔12。该中空纤芯光纤21通过根据激光器起振的波长调整空孔12的孔径及空孔12间的间隔而形成带隙。
中空纤芯光纤21的两端上分别熔敷有细长的石英系的填充型光纤22a、22b。该细长的填充型石英系光纤22具备有由添加锗的石英材料所形成的纤芯区域25、及比该纤芯区域25折射率低的包层区域26。
在纤芯区域25内形成有受激准分子激光器照射而使纤芯区域25的折射率周期性地变化的光纤光栅27。该光纤光栅27成为用于反射激光器的起振波段的光的反射器(滤光器)。两端的光纤光栅27a、27b的反射中心波长与激光器的起振波长一致。但是，一端(图2中左端)的光纤光栅27a的反射率约为99％或以上，另一端的(图2中右端)的光纤光栅27b的反射率约为96％。
光纤激光器用光纤2中，由反射这些激光器起振波长的光的光纤光栅27a、27b构成了共振器，激光器起振的输出光29从形成有反射率低的光纤光栅27b一侧的光纤激光器用光纤2的端面2b出射。
激发光28从形成有反射率高的光纤光栅27a一侧的端面2a入射。由于激发光28不被光纤光栅27a反射，所以其从光纤激光器用光纤2的端面2a高效率地入射并在中空纤芯光纤21中边衰减边传输。
形成有光纤光栅27的填充型光纤21的纤芯区域25的直径与内侧包层区域15的外径(直径)大体相等。这样，激发光28可通过细长填充型光纤22高效率地入射到中空纤芯光纤21中，可提高从激发光28到起振光的转换效率。
在本实施例中，可得到与第一实施例同样的效果，再有，通过连接中空纤芯光纤21和具有光纤光栅27的细长的填充型光纤22，可容易地形成共振器构造。因此可简化激光加工或医疗用激光治疗器的系统。
在本实施例中，中空纤芯光纤21的两端上分别连接有细长的填充型光纤22a、22b，且在这些两端的填充型光纤22a、22b中分别形成有光纤光栅27a、27b，虽然在这两个光纤光栅27a、27b之间构成共振器进行激光器起振，但是也可不形成一方的光纤光栅而在一个光纤光栅和菲涅耳反射面之间形成共振器。
再有，反射构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纤光栅也可以用多层膜反射滤光器。
而且，也可使填充型光纤只与中空纤芯光纤的一端连接。
此外，在本实施例中，虽然使激发光28从形成关于激光器起振的波长反射率较大的光纤光栅27a一侧的端面2a入射，但也可从两侧的端面2a、2b入射。
再有，除了使激发光从单侧的端面2a或两端面2a、2b入射以外，也可使其从中空纤芯光纤的侧面入射。
此外，在图1(a)的光纤激光器用光纤1、图1(b)的光纤激光器用光纤3以及图2(a)的光纤激光器用光纤2上连接激发光源，也可以构成光纤激光器。

Claims (12)

1.一种光纤激光器用光纤，具备中空纤芯区域、具有在光纤长度方向上延伸且包围所述中空纤芯区域的多个空孔的内侧包层区域以及包围该内侧包层区域的外侧包层区域，其特征在于：
所述内侧包层区域的填充部由整个范围内添加稀土类元素的石英材料构成；
所述外侧包层区域的折射率低于所述内侧包层区域的填充部的折射率。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器用光纤，其特征在于：
所述外侧包层区域由含氟的石英材料或高分子树脂构成。
3.根据权利要求1或2所述的光纤激光器用光纤，其特征在于：
设定所述内侧包层区域的空孔的孔径和间隔以在激光的起振波段上形成带隙。
4.根据权利要求1所述的光纤激光器用光纤，其特征在于：
在光纤激光器用光纤的一端或两端上设有用于反射激光的起振波段的光的反射器。
5.根据权利要求1所述的光纤激光器用光纤，其特征在于：
在光纤激光器用光纤的一端或两端上连接有填充型光纤，该填充型光纤具有由添加锗的石英材料构成的纤芯区域。
6.根据权利要求5所述的光纤激光器用光纤，其特征在于：
在所述填充型光纤的纤芯区域形成有用于反射激光的起振波段的光的光纤光栅。
7.根据权利要求6所述的光纤激光器用光纤，其特征在于：
所述填充型光纤的纤芯区域的直径与所述内侧包层区域的外径大体相等。
8.根据权利要求5所述的光纤激光器用光纤，其特征在于：
所述填充型光纤的纤芯区域的直径与所述内侧包层区域的外径大体相等。
9.一种激光器起振方法，其特征在于：
使用根据权利要求1—8中任一项所述的光纤激光器用光纤，向该光纤激光器用光纤入射激发光，使该激发光封闭在所述光纤激光器用光纤的中空纤芯区域及内侧包层区域中并传输，使通过所述内侧包层区域的填充部的稀土类元素而发光的激光封闭在所述中空纤芯区域中并起振和传输。
10.一种激光器起振方法，其特征在于：
使用根据权利要求1—3中任一项所述的光纤激光器用光纤，该光纤激光器用光纤的两端上分别设有用于反射激光的起振波段的光的反射器，由这些反射器构成共振器，向所述光纤激光器用光纤入射激发光，使该激发光封闭在所述光纤激光器用光纤的中空纤芯区域及内侧包层区域中并传输，使通过所述内侧包层区域的填充部的稀土类元素而发光的激光封闭在所述中空纤芯区域中并起振和传输。
11.根据权利要求10所述的激光器起振方法，其特征在于：
使用具有由添加锗的石英材料构成的纤芯区域、且在该纤芯区域形成用于反射所述激光的起振波段的光的光纤光栅的填充型光纤，所述光纤光栅作为所述反射器。
12.一种光纤激光器，其特征在于：
配备有根据权利要求1—8中任一项所述的光纤激光器用光纤和激发光源。
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