专利名称：光纤激光器及光纤激光器的激发方法
技术领域：
本发明涉及从具有成为增益介质的芯(增益芯)的光纤的侧面入射激发光 的光纤激光器及光纤激光器的激发方法，尤其涉及使激发光有效地结合到增益 芯中的光纤激光器及光纤激光器的激发方法。
背景技术：
以向激光加工或医疗用途的应用为目的，要求开发出输出功率更高且廉价 的光源。对于这些要求，光纤激光器或光纤放大器等光放大器，因效率高且能 够容易输出单模的激光而引人注目。
光纤激光器一般使用具有已添加成为增益介质的稀土类的芯的双包层光
纤(DCF)。作为对该双包层光纤入射激发光的光纤激光器的激发方法，在使 用激光杆激发的场合，例如有使用组合器从多个激发光源入射激发光的方法、 热粘接光纤束光纤并从各光纤入射激发光的方法、使用微型透镜进行端面激发 的方法、使用锥状的光波导入射激发光的方法等。
另外，作为与该申请的发明有关的现有技术文献信息，有如下专利文献1: 曰本特开2001 - 36170号公报。
光纤、微型透镜、光波导等光学器件。在需要介于它们之间的光学器件的场合， 存在的问题是光学器件为高价以及在用该光学器件从激光杆发出的光到达双 包层光纤之前发生光的损失。
发明内容
于是，本发明的目的是提供一种能高效地进行向双包层光纤的侧面激发的 光纤激光器及光纤激光器的激发方法。
本发明为达到上述目的而完成，方案1的发明是一种光纤激光器，具备在 已添加稀土类元素的芯的周围具有包层的光纤和从该光纤的侧面入射激发光 的激发光源，上述光纤在上述包层的外周部沿长度方向具有凹凸形状，并且以上述包层的侧面彼此互相接触的方式巻绕和集束。
方案2的发明是才艮据方案1记载的光纤激光器，并且将上述光纤以上述包 层的凹部和凸部的位置不重叠的方式巻绕。
方案3的发明是根据方案1或2记载的光纤激光器，并且上述包层的凹凸 形状的凹凸变化量是上述包层的直径的10%以下。
方案4的发明是一种光纤激光器的激发方法，对在已添加稀土类元素的芯 的周围具有包层的光纤从其侧面入射激发光，使上述芯的稀土类元素激发，从 而输出激光起振光，从光纤的侧面入射激发光，该光纤在上述包层的外周部沿 长度方向具有凹凸形状，并且以上述包层的侧面彼此互相接触的方式巻绕和集 束。
本发明具有以下效果。
根据本发明，能够高效地进行向双包层光纤的侧面激发。
图l是涉及本实施方式的光纤激光器的主要部分剖视图。
剖视图，图2 (b)是图2 (a)的2B-2B线剖视图。
图3是表示涉及本实施方式的光纤激光器的一个例子的概略图。 图4是光纤的制造装置的概略图。
图5是说明凹凸形成部和图2所示的光纤的制造方法的一个例子的概略
图。 图中
1-光纤激光器，21-光纤，22-芯，23-包层。
具体实施例方式
以下，根据
本发明的适当的实施方式。
如图1所示，光纤激光器1具有使用沿包层23的长度方向具有凹凸形 状的光纤21，并将该光纤21以侧面彼此互相接触的方式集束的光纤束3;和 从该光纤束3的侧面入射激发光的作为激发光源的激光杆2。
光纤21具备已添加成为增益介质的稀土类元素的芯(增益芯)22、和包围该芯22并接受激发光(泵浦光)使其沿芯22的长度方向传播的包层23， 该包层23具有沿芯22的长度方向形成凹凸部24而成的凹凸形状。
即，光纤21是具备芯22和形成于芯22的外周的包层23，并将在包层23 传播的激发光吸收到芯22中并使其放大的光纤。
芯22是在石英中添加Ge等提高折射率的材料，并已添加Nd、 Yb、 Er、 Th等稀土类元素(稀土类材料)的部件。
在本实施方式中，包层23由具有凹凸形状的内侧包层25和设在内侧包层 25的外周的外层包层(未图示)构成。即，涉及本实施方式的光纤21是在芯 22的外周设置内侧包层25，并在其外周设置外层包层的双包层光纤。设定内 侧包层25的折射率比芯22的折射率还低，外层包层的折射率比内侧包层25 的折射率更低。
在这里，所谓凹凸形状是指，在内侧包层25的外周部，以沿长度方向直 径连续变细或变粗的方式，形成周期性的波形的形状。凹凸部24至少形成在 内侧包层25的两侧外周部即可，也可以在内侧包层25的整个圓周范围内形成。
内侧包层25的凹凸形状的变化量(凹凸变化量)d是内侧包层25的最大 外径和最小外径的差(参照图2 (a))。在本实施方式中，内侧包层25的凹凸 变化量d设定为内侧包层25的直径(最大外径)的10%以下。这是因为，若 内側包层25的凹凸变化量d超过10%，则在光纤21的制造时难以进行凹凸变 化量d及凹凸周期D的控制。
另夕卜，光纤21的芯22与内侧包层25同样，沿该芯22的长度方向具有凹 凸形状。
光纤束3将上述光纤21以螺旋状巻绕和集束而形成即可。在该光纤束3 中，为了相邻的光纤21的凹凸部24的位置不重叠，将各光纤21的凹凸部24 的位置沿长度方向错开。
另外，激光杆2是将一体形成于同一基板上的发光元件(激光发射器)2a 一维地进行排列的部件。
该激光杆2设置在光纤束3的作为侧面的外周的一部分上，来自激光杆2 的激发光从光纤束3的侧面入射。
作为光纤激光器1的一个例子，说明图3的光纤激光器31。如图3所示，光纤激光器31是在俯视为大致矩形(将角部弄圆的矩形) 的光纤巻绕用部件32上巻绕光纤21并集束，并且在该集束成大致矩形的光纤 束33的外周的各边，作为激光光源分别设置了四个激光杆34的部件。
在从光纤束33的内周部引出的光纤21的一端部i殳置高反射率的谐振器
35, 在从光纤束33的外周部引出的光纤21的另 一端部设置低反射率的谐振器
36。 作为这些谐振器35、 36，例如使用光纤布拉格光栅(FBG)即可。 以下，说明涉及本实施方式的光纤激光器的激发方法。 涉及本实施方式的光纤激光器的激发方法是从光纤21的侧面入射激发光
的方法，是使用沿内侧包层25的长度方向具有凹凸形状的光纤21，将该光纤 21以侧面彼此互相接触的方式集束，并从集束的光纤21的侧面入射激发光的 方法。
更详细地说，首先，用作为激发光源的激光杆2发生激发光。用激光杆2 的各发光元件2a发出的激发光从光纤束3的第一层光纤21 (在图1中为最左 侧)的侧面入射。
此时，就光纤21而言，内侧包层25作为透镜起作用，从侧面入射的激发 光向光纤21的轴向摄入。用第一层的光纤21未摄入而通过的激发光从第二层 光纤21(在图1中为从左第二个)的侧面入射，向第二层光纤21的轴向摄入。
而且，通过了第二层的光纤21的激发光从第三层光纤3 (在图1中为从 左第三个)的侧面入射。对于第三层以后也是同样的。
向光纤21的轴向摄入的激发光在于内侧包层25传播的过程中被芯22吸 收，因此芯22发出荧光。所发出的荧光用以高反射率的谐振器和低反射率的 谐振器作为一对的谐振器构造引起共振，并从低反射率的谐振器侧(光纤21 的另一端侧)作为激光射出。
以下说明本实施方式的作用。
涉及本实施方式的光纤激光器的激发方法，使用沿内侧包层25的长度方 向具有凹凸形状的光纤21,将该光纤21以侧面彼此互相接触的方式集束，并 从集束的光纤21的侧面入射激发光。
通过使用沿内侧包层25的长度方向具有凹凸形状的光纤21,从侧面(光 纤21的径向)入射的激发光用内侧包层25的凹凸部24折射，能够将激发光容易向光纤21的轴向摄入。因此，与现有的双包层光纤(无凹凸)比较，能 够使更多的激发光结合在内侧包层25内，其结果，可以使激发光高效地结合 于光纤21的芯22。
另外，通过将光纤21以侧面彼此互相接触的方式集束，并从集束的光纤 21的侧面入射激发光，从而能够将用第一层光纤21未能向内侧包层25结合 的激发光用后一层的光纤21使其结合，能够进一步提高光结合的效率。
还有，由于将激光杆2的激发光直接从光纤21的侧面入射，所以不需要 介于激光杆2与光纤21之间的光学器件。由此，介于它们之间的光学器件所 引起的光损失消失，还能够减少成本。
另外，涉及本实施方式的光纤激光器的激发方法，为了使相邻的光纤21 的凹凸部24的位置不重叠而错开。
这是因为，若相邻的光纤21的凹凸部24的位置重叠，则例如通过作为内 侧包层25的最大外径的位置(凸部的顶点)，并向光纤21的径向前进的激发 光总是通过凸部的顶点，难以使该激发光折射并向光纤21的轴向摄入。
即，通过〗吏相邻的光纤21的凹凸部24的位置不重叠，能够将用第一层光 纤21未能向内侧包层25结合的激发光用后一层的光纤21可靠地使其结合。
在本实施方式中，将光纤21巻绕成螺旋状并作为光纤束3,但是并不局 限于此，例如，既可以将光纤21反复折回后作为光纤束3，也可以将光纤21 以侧面彼此互相接触的方式曲折而作为光纤束3。
另外，在本实施方式中，作为激发光源使用了激光杆2，但是并不局限于 此，例如，既可以使用发光元件2a单体，也可以使用层叠了激光杆2的激光 堆件。
在这里，进一步详细说明涉及本实施方式的光纤激光器的激发方法所使用 的光纤21。
图2 ( a)是光纤21的纵剖视图，图2 (b)是图2 ( a)的2B - 2B线剖视图。
如图2所示，光纤21在芯22的外周，沿长度方向设置具有凹凸形状的内 侧包层25，在其外周设置外层包层(未图示)的双包层光纤。
内侧包层25的凹凸形状的周期(凹凸周期)D,设定为在光纤21内传播的激发光不会向光纤21外(向内侧包层25外部)放射而衰减的光栅周期。例 如，在作为稀土类元素将Yb添加在芯22中的场合，激发光的波长按照其吸 收特性在卯0~ lOOOnm (尤其是按照吸收峰值为915nm或975nm)的范围内 使用。由此，将凹凸部24的长度方向的周期设定为在900 1000nm的范围使 用的激发光不放射，而是全反射并在内侧包层25内传播的光栅周期即可。
当制作该光纤21时，使用图4的光纤制造装置41即可。如图4所示，光 纤制造装置41除了后述的凹凸形成部51,具有与惯用的光纤制造装置大致相 同的结构。
光纤制造装置41具备加热光纤母材42的拉丝炉43;测定用拉丝炉43 熔融并拉丝的凹凸形成前光纤21a的外径的第一外径测定器44a;在经过了第 一外径测定器44a的凹凸形成前光纤21a上形成图2的凹凸部24，并作为凹 凸形成光纤21b的凹凸形成部51;用于对凹凸形成光纤21b包覆成为外侧包 层的包覆材料的模(光纤包覆树脂用模)45;使包覆材料硬化，并作为图2 的光纤21的硬化部(包覆树脂硬化装置)46;测定经过了硬化部46的光纤 21的外径的第二外径测定器44b;将光纤21转换方向并向下游侧输送的转弯 滑轮47;以及巻绕来自转弯滑轮47的光纤21的巻绕装置48。
硬化部46根据包覆材料的种类可以适当变更，如聚酰亚胺之类的热固性 树脂的场合使用加热器，UV (紫外线)硬化树脂的场合使用UV灯等。巻绕 装置48还兼作用于对拉丝中的凹凸形成光纤21b或光纤21施加张力的张力施 加构件。
在这里，利用图5更详细地说明凹凸形成部51的一个例子。
如图5所示，凹凸形成部51用于对拉丝中的凹凸形成前光纤21a周期性 地提供脉冲激光L。该凹凸形成部51具备用于照射脉冲激光L的脉冲激光 装置52、和在各脉冲激光装置51与拉丝中的凹凸形成前光纤21a之间进退自 如地设置，并会聚脉沖激光L的聚光透镜53 。
作为内装在脉沖激光装置52内的激光器，可以使用C02激光器、YAG激 光器、半导体激光器、光纤激光器等，只要是能够对拉丝中的凹凸形成前光纤 21a局部地供给(提供)，且具有聚光性的激光器即可。
脉沖激光装置52考虑到拉丝速度,通过输入具有相当于凹凸周期D的1/2的脉沖宽度且具有与凹凸变化量对应的脉沖高度的脉冲信号p,从而周期性地
对拉丝中的凹凸形成前光纤21a提供高输出功率的热能。
若对拉丝中的凹凸形成前光纤21 a局部地提供高输出功率的热能，则凹凸 形成前光纤21a其部分熔融，并变软(软化)。此时，由于在凹凸形戍前光纤 21a上用巻绕装置38施加了张力T，因此该熔融的地方拉伸变细。
由此，在芯22和内侧包层25的外周部分别形成沿长度方向的凹凸部24 而得到凹凸形成光纤21b,通过在该凹凸形成光纤21b上包覆成为外侧包层的 包覆材料，得到光纤21。
当形成凹凸部24之际，凹凸周期D和凹凸变化量d可以用脉沖周期、激 光能量、张力T等来改变，通过适当变更这些来改变凹凸周期D和凹凸变化 量d，能够将激发光的吸收效率改变为所希望的值。
9
权利要求
1. 一种光纤激光器，具备在已添加稀土类元素的芯的周围具有包层的光纤和从该光纤的侧面入射激发光的激发光源，其特征在于，上述光纤在上述包层的外周部沿长度方向具有凹凸形状，并且以上述包层的侧面彼此互相接触的方式卷绕和集束。
2. 根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于， 将上述光纤以上述包层的凹部和凸部的位置不重叠的方式巻绕。
3. 根据权利要求1或2所述的光纤激光器，其特征在于，上述包层的凹凸形状的凹凸变化量是上述包层的直径的10°/。以下。
4. 一种光纤激光器的激发方法，对在已添加稀土类元素的芯的周围具有 包层的光纤从其侧面入射激发光，使上述芯的稀土类元素激发，从而输出激光 起振光，其特征在于，从光纤的侧面入射激发光，该光纤在上述包层的外周部沿长度方向具有凹 凸形状，并且以上述包层的侧面彼此互相接触的方式巻绕和集束。
全文摘要
本发明提供一种能高效地进行向双包层光纤的侧面激发的光纤激光器及光纤激光器的激发方法。光纤激光器具备在已添加稀土类元素的芯(22)的周围具有包层(23)的光纤(21)、和从该光纤(21)的侧面入射激发光的激发光源，光纤(21)在包层(23)的外周部沿长度方向具有凹凸形状，并且以包层(23)的侧面彼此互相接触的方式卷绕和集束。
文档编号H01S3/067GK101453097SQ20081017634
公开日2009年6月10日 申请日期2008年11月20日 优先权日2007年11月20日
发明者井上大介, 伊藤博, 佐藤彰生, 大薗和正, 兵 姚, 小岛正嗣, 市川正, 斋藤和也, 本乡晃史, 谷中耕平, 长谷川和男 申请人:日立电线株式会社;丰田自动车株式会社;学校法人丰田学园