光纤激光光源的制作方法

专利名称：光纤激光光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种获得可自激振荡的脉冲光纤激光的光纤激光光源。
背景技术：
目前，作为产生Iym带的光的激光光源，Nd:YAG激光器、Nd:YV04激光器等固体 激光器已成为主流。利用这些固体激光器的激光加工机、或以这些固体激光器的光为基波 (fundamental wave)的可见光光源等得以实现。然而，在使用固体激光器时，输出越大越需 要激光介质的冷却，存在装置大型化的问题。因此，通过简单的冷却即可实现W级的高输出 的光纤激光光源，作为用于焊接用途、或获得波长转换光源的基波的光源备受瞩目。在此，对该光纤激光光源的基本的激光动作进行说明。首先，来自泵浦激光光 源的泵浦光从光纤的一端入射。入射的泵浦光，被光纤中所含的激光活性物质(laser activematerial)吸收，从而在光纤的内部产生基波的种光(seed light)。该基波的种光， 在以形成于光纤中的光纤光栅(fiber grating)和其他的光纤的光纤光栅作为一对反射镜 的谐振器(resonator)中多次反射而往返。与此同时，种光通过基于光纤中所含的激光活 性物质的增益(gain)而被增幅，光强度增大，并经波长选择而达到激光振荡。另外，光纤与 光纤之间由连接部连接，泵浦激光光源受到泵浦激光电流源的电流驱动。另外，输出光的一部分被分束器(beam splitter)分离，由用于监视输出光的受光 元件接收后，转换为电信号来加以利用。基于该转换的信号的强度，输出控制部用泵浦激光 电流源调整泵浦激光光源的驱动电流，以便达到可获得所希望的输出的强度。这样，来自泵 浦激光光源的泵浦光的强度被调整，光纤激光器的基波的输出强度得以调整。由此，波长转 换装置的输出强度保持恒定的所谓自动功率控制(automatic power control)(以下简称 “APC”)得以运作。作为激光光源，若为具有高峰值功率的脉冲光源，则开孔等激光加工、高效率波长 转换等的用途得以扩展。但是，作为具有高峰值功率的光源而处于实用阶段的光源为连续 振荡型，因此其用途被限定在激光焊接等。作为通过使用光纤的光源实现脉冲振荡的结构， 用光纤放大器(fiber amplifier)将调制后的种光源进行增幅的结构已成为主流。此外，即使在通过波长转换装置而从光纤激光器中产生的基波中产生谐波时，在 相同的平均输出下，与对连续光进行波长转换相比，产生具有高峰值功率的脉冲状基波光 可提高从基波向谐波的转换效率。即，光纤激光器的脉冲振荡，对提高波长转换效率具有很 大贡献。关于光纤激光器的脉冲化，在通信应用等方面也被加以讨论。具体而言，在日本专 利公报特许2577785号(以下称作“专利文献1”)中公开了一种方法，设置主谐振器和副 谐振器，在谐振器内插入光调制器，通过光调制器让主谐振器和副谐振器的拍频相位(beat phase)匹配，产生脉冲。此外，还公开有以下的方法，即，向具有异常色散特性(anomalous dispersion characteristic)的光纤输入高强度的脉冲光，通过频移效应(frequency shift effect)，产生窄带域脉冲光的方法(日本专利公开公报特开平8-146474号(以下称作“专利文献2”))，以及使光纤激光谐振器的光纤光栅部具有过饱和吸收效应的方法(日本专利公开公报特开2005-174993号(以下称作“专利文献3”))。然而，以往例的专利文献1和2所示的方法，虽然可以产生超窄带域的脉冲光，但 由于需在谐振器内插入调制器、或泵浦效率低，所以存在作为光源的效率低下的问题。此 夕卜，即使像专利文献3那样在谐振器内设过饱和吸收层时，也由于谐振器内损耗大，成为效 率低下的主要原因。另外，在专利文献1至3的任一情况下，除了产生连续光的光纤激光谐 振器的结构之外，都还要添加新的部件，因此存在成本提高的问题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种无需追加新的部件即可实现脉冲振荡的光纤激光光 源。本发明提供的一种光纤激光光源，包括含有激光活性物质的光纤、向所述光纤 射入泵浦光的泵浦激光光源，以及具备在含有所述激光活性物质的光纤的两侧与所述 光纤光学连接的一组光纤光栅的激光谐振器，其中，所述激光谐振器通过偏振保持光纤 (polarization maintaining fiber)和单一偏振化机构而射出单一偏振光，激光射出侧的 所述光纤光栅的反射中心波长被设定在使靠近所述泵浦激光光源的所述光纤光栅的反射 率为80%以上且98%以下的波长范围内。根据本发明，可通过让光纤光栅的折射率变化，使各光纤光栅的反射带域 (reflectionband)的重叠部发生变化，从而来实现激光器的自激振荡。


图1是本发明第一实施例所涉及的光纤激光光源的结构图。图2是表示图1所示的光纤光栅的反射带域的绘制图。图3是表示本发明第二实施例所涉及的泵浦光的输出波形和与其对应的基波的 输出波形的关系绘制图。图4是表示本发明第三实施例所涉及的光纤光栅的反射带域的绘制图。图5是表示本发明第四实施例所涉及的谐振器延长光纤的结构图。图6是表示通过采用图5所示的谐振器延长光纤而使脉冲峰值增大的绘制图。图7是表示通过构成本发明第五实施例所涉及的靠近泵浦激光光源的宽带光纤 光栅的光纤的光的模场直径较大的绘制图。图8是表示采用了作为本发明第五实施例的宽带光纤光栅的取样光纤光栅结构 的示意图。图9是表示以光纤长度为参数的泵浦波长的吸收率的绘制图。图10是表示测量光纤激光器的温度特性时的结构的示意图。图11是表示泵浦光的波长为973nm时光纤激光器输出的温度特性的绘制图。图12是表示泵浦光的波长为977nm时光纤激光器输出的温度特性的绘制图。图13是表示本发明实施例所涉及的光纤激光器输出的温度特性的绘制图。图14是表示将本发明第一至第五实施例所涉及的光纤激光光源应用于图像显示 装置时的一个例子的示意图。
具体实施例方式下面参照附图对本发明的实施例进行说明。以下的实施例是将本发明具体化的一 个例子，并非是对本发明技术范围的限定。另外，对图中标注了相同符号的有时会省略说 明。(第一实施例)图1表示本实施例的一个例子。光纤激光光源100包括在芯部掺杂有稀土类的Yb 的双包层偏振保持光纤(double clad polarization maintaining fiber) 103 (本实施例 中，光纤长为10m)，向光纤103射入泵浦光的泵浦用LD (pump LD) 101，以及具备在光纤103 的两侧与光纤103光学连接的一组光纤光栅(fiber grating) 102、104的激光谐振器。光纤激光光源100，通过泵浦用LDlOl激发光纤103，在具备一组光纤光栅102、104 的谐振器内使激光(基波)振荡。由于光纤103采用掺杂Yb的双包层偏振保持光纤，因此 可通过操作光纤光栅的特性，使1050nm以上1170nm以下的光任意地振荡，光纤激光光源 100可应用于加工用途或波长转换光源等。因此，选择了 Yb作为光纤103的激光活性物质。在本实施例中，作为泵浦用LD101，使用振荡波长为975nm的单发射激光二级管 (single emitter laser diode)(最大输出为8W的有三个)。光纤光栅102被形成在通过 掺杂锗(germanium)而提高了对紫外线的灵敏度的双包层偏振保持光纤106的芯部，具有 中心波长为 1064nm、反射波谱(reflectance spectrum)的半值宽度(full widthat half maximum)为lnm、反射率为98%的特性。此外，光纤光栅104被形成在一般的单模偏振保 持光纤107 (芯径6 μ m、包层外径125 μ m)的掺杂有锗的芯部，具有中心波长为1064nm、反 射波谱半值宽度为0. 05nm、反射率为10%以上15%以下的特性。关于反射波谱半值宽度， 在作为波长转换光源的基波使用时，若考虑在波长转换模块内基波向可见光转换的转换效 率，较为理想的是在0. Inm以下，具体而言是在O.Olnm以上0. 06nm以下的范围内，而在本 研究中证实了光纤光栅104的反射带域在0. 05nm以下时，更稳定地进行自激振荡。尤其证 实了光纤光栅102的反射带域在Inm以上，且光纤光栅104的反射带域在0. 05nm以下时， 可更加稳定地进行激光的自激振荡。此外，也证实了在掺杂稀土类的双包层光纤的振荡激光的模场直径(mode fielddiameter)为8μπι以上13μπι以下时，可以更稳定地进行激光的自激振荡。作为其理 由，例如，即使作为激光活性物质的稀土类离子的密度为相同，激光活性物质的添加量也要 增加模场直径增加的部分。另外，在使用光纤激光光源100作为波长转换光源的基波时，最好将光纤激光光 源100的偏振方向调整为单一偏振(single polarization)(直线偏振)。调整为直线偏 振的理由在于，SHG模块(SHG module)内的波长转换晶体只对一方的偏振成分进行波长转 换。然后，通过让振荡的1064nm附近的基波光传输的光偏振保持光纤，将基波光导入SHG 模块，通过第二谐波发生(second harmonic generation)而产生532nm的光。在本实施例中，通过向输出侧的光纤光栅104射入高强度的光(例如，向芯径5 μ m 以上10 μ m以下的光纤射入IW的光)，使反射中心波长根据光纤光栅104的折射率的变化 而向短波长一侧或长波长一侧变化。图2表示本实施例的一组光纤光栅的反射中心波长的变化。图2表示光纤光栅102的反射波谱203和光纤光栅104的反射波谱201。例如，反射波谱201，随着所述高强度光的入射会如箭头Yl所示向短波长一侧的反射波谱202移动(shift)。这样，通过反射波谱201的反射中心波长向反射波谱202的反射中心波长的变化， 可以减小光纤光栅104的反射带域和泵浦侧的光纤光栅102的反射带域的重叠积分(重叠 部分)。例如，如图2所示，通过进行设定以使光纤光栅104变化前的反射波谱201与光纤 光栅102的反射波谱在短波长一侧重叠，然后使反射波谱201从该状态起向箭头Yl所示的 短波长一侧变化而成为反射波谱202，从而可以减小光纤光栅102的反射带域和光纤光栅 104的反射带域的重叠积分。所述重叠积分一旦减小，在光纤激光谐振器内的封闭能量减少，从而基波的峰值 输出下降。当所述封闭能量减小，由于光纤光栅104的反射中心波长(反射波谱202)如箭 头Y2所示返回变化前的状态(反射波谱201)，因此基波的峰值输出再度增大。如此，通过 反射中心波长的反复变化，实现自激脉冲振荡。脉冲振荡的周期取决于谐振器长、即从泵浦 侧的光纤光栅102的中央位置到射出侧的光纤光栅104的中央位置的光纤长(即激光谐振 器的谐振器长)。在本实施例中，由于光纤长约为10m，所以脉冲振荡的周期约为100ns。为了获得上述的反射中心波长随光强度而变化的特性(光折射率变化的特性)， 需要在构成光纤光栅104的光纤的芯部掺杂铅(Pb)、锡(Sn)、锑(Sb)、铋(Bi)、锗(Ge)等 元素。另外，为了增大在光纤激光谐振器内的封闭能量的变化量，需要在宽带域侧的光 纤光栅102的反射率为80%以上且98%以下的反射波谱的反射带域端，重叠窄带域侧的光 纤光栅104的反射波谱。S卩，需要设定成使光纤光栅104的反射中心波长在使光纤光栅102的反射率为 80%以上且98%以下的波长范围El内。更为理想的是，可以被调整成使光纤光栅104的反射中心波长处于图2所示波形 的向右上方向的倾斜线中反射率为80%以上且98%以下的波长范围E2内，或图2所示波 形的向右下方向的倾斜线中反射率为80%以上且98%以下的波长范围E3内。如果这样，只要反射波谱201的反射中心波长稍加变化(折射率变化)，反射波谱 201的反射中心波长就会偏离光纤光栅104的反射率较大的范围，故所述封闭能量的变化 容易发生。具体而言，当光纤光栅102的反射中心波长处于波长范围E2内时，可通过让反 射中心波长如箭头Yl所示向短波长一侧变化，使所述封闭能量发生变化。另一方面，当光 纤光栅102的反射中心波长处于波长范围E3内时，可通过让反射中心波长如箭头Y2所示 向长波长一侧变化，使所述封闭能量发生变化。反射波谱201是向短波长一侧移动还是向 长波长一侧移动，可根据各种条件来设定。另外，在上述的说明中，将波长范围El至E3规定为反射率为80%以上98%以下 的范围，但这些波长范围El至E3的上限值，是根据光纤光栅102所具有的反射率的上限来 决定的。换言之，作为光纤光栅102而采用反射率为99%的光纤光栅时，上述的波长范围 El至E3可被规定为反射率80%以上99%以下的范围。(第二实施例)在第一实施例所述的结构中，光输出波形可能会含有直流成分。本实施例，对通过 配合基波的脉冲振荡周期来调制泵浦光来降低直流成分的方法进行说明。图3是比较泵浦光的光输出和振荡的基波光的输出波形的绘制图。图3(A)表示连续振荡的泵浦光的输出， 和基于该泵浦光的输出仅通过输出侧的光纤光栅104的反射中心波长变化(折射率变化) 进行自激振荡时的基波的输出的关系。如图3(A)所示，在使泵浦光连续振荡时，因光纤光栅104的折射率变化而产生周 期为Pl (例如，100ns)的基波的脉冲振荡。此时，基波的光输出中含有直流成分(图3(A) 的波峰以外(基底值)的值)。如图3(B)所示，通过使基于泵浦用LDlOl的泵浦光的输出 为按初期周期Pl以IOMHz经过调制的输出，可使上述基波的周期Pl和泵浦光的周期P2相 一致。如果像这样使基波的自激振荡周期Pl和泵浦光的周期P2相一致，则如图3(B)所 示，与图3(A)相比，可以减少基波输出中的直流成分。另外，图3(B)中基波的周期P3，与图 3(A)中基波的周期Pl相同。此外，如图3(C)所示，通过使 光纤激光器的振荡阈值以下的光量的泵浦光以上述 周期P2振荡，并且以上述周期P2的整数倍的周期P4产生具有超出所述振荡阈值的光量的 脉冲状泵浦光的方法，也可降低基波的输出中的直流成分。具体而言，例如，可使光纤激光 器的振荡阈值以下的光量的泵浦光以IOOns的周期P2振荡，并以300ns的周期P4产生具 有超出所述振荡阈值的光量的泵浦光。如此，可使基波产生这样的脉冲振荡，即以IOOns的 周期P3出现小波峰，并以与周期P4相同的周期P5出现最大峰值的脉冲振荡。然而，在将采用这种光纤激光光源的波长转换光源用作显示器用光源，使用 DMD(digital micro-mirror device，数字调制微镜器件)和一个调制元件作为空间调制元 件进行全色彩(full color)图像的显示时，若以60Hz的周期依次发出红、绿、蓝色的光，则 会发生人眼可以分辨出不同颜色的现象(色彩断裂(color breaking))，导致画质下降。因 此，通常以倍速驱动较为普遍。一般，数据显示用投影仪(projector)以6倍速(360Hz)到 12 倍速(720Hz)驱动，背投式显示器(rear projection display)以 36 (2160Hz)到 48 倍 速(2880Hz)驱动。作为在显示器中的应用，若考虑为了配合上述倍速驱动来改善对比度而 追加光控制(light control)功能的情况，为了使亮度以8等级(8比特(bits))变化，需 要进一步能以8倍的速度、即6倍速时约3kHz，48倍速时约25kHz以上的速度发光。由于 若增大该比特(bit)数，可实现更为细致的光量控制，因此较为理想的是确保8比特以上的 分辨率。考虑到以上各点，在将本发明的光纤激光器应用于显示器时，以脉冲周期在20kHz 以上IOMHz以下为宜。(第三实施例)在第三实施例中，对通过使光纤光栅的反射带域具有波动(ripple)，即使光纤光 栅部稍微发生折射率变化也可产生脉冲振荡的结构进行说明。本实施例所涉及的结构基本 上与图1相同。即，光纤激光光源100，包括在芯部掺杂有稀土类的Yb的双包层偏振保持光 纤103 (本实施例中，光纤长20m)，向光纤103射入泵浦光的泵浦用LD101，以及具有在光纤 103的两侧与光纤103光学连接的一组光纤光栅102、104的激光谐振器。光纤激光光源100，通过泵浦用LD101激发光纤103，在具备一组光纤光栅102、104 的谐振器内使激光(基波)振荡。泵浦用LD，使用振荡波长为975nm的单发射激光二级管 (有一个最大输出为20W)。此外，作为光纤103，采用掺杂Yb的双包层偏振保持光纤。通过 决定光纤光栅102、104的反射波长，实现lOeOnm的激光振荡。光纤光栅102形成在掺杂了 锗的双包层偏振保持光纤的芯部。光纤光栅102具有中心波长为1064nm、反射波谱半值宽度为1. 5nm、峰值反射率为98%的特性。图4表示本发明第三实施例所涉及的光纤光栅的反射带域。图4中，用401表示 光纤光栅102的反射谱，用402表示光纤光栅104的反射谱。光纤光栅102的波动深度为 15%，波动的间隔约为0. 04nm。此外，光纤光栅104形成在掺杂了锗的一般的单模偏振保持 光纤(芯径6 μ m、包层外径125 μ m)的芯部，具有中心波长为1064nm、反射波谱半值宽度为 0. 04nm、反射率为15%的特性。本第三实施例与第一实施例不同，通过向光纤光栅102中射入高强度的光，光纤 光栅102的反射中心波长发生变化。通过光纤光栅102反射中心波长的变化，与射出侧的 光纤光栅104的反射带域的重叠积分减小。即，在光纤激光谐振器内的封闭能量减少，从而 基波的峰值输出下降。当所述封闭能量减小后，由于光纤光栅102的反射中心波长返回变 化前的状态，因此基波的峰值输出再度增大。如此通过反射中心波长的反复变化，实现自激 脉冲振荡。脉冲振荡的周期取决于谐振器长、即从泵浦侧的光纤光栅102的中央位置到射 出侧的光纤光栅104的中央位置的光纤长。在本实施例中，由于光纤长约为20m，故脉冲振 荡的周期约为200ns。通过采用以上的结构，可获得能得到10倍于CW(连续振荡)时的基 波的波峰输出的自激振荡脉冲光纤激光器。另外，本实施例中，使光纤光栅102的波动为15%，但并不局限于此。例如，也可以 使光纤光栅102的波动为20%，从而获得15倍于CW时的基波的波峰输出。像本实施例这样，通过使泵浦侧的光纤光栅102具有波动，则不需要使其波长与 射出侧的光纤光栅104的波长严格地吻合，很简便，工业上的实用价值高。(第四实施例)在第四实施例中，对通过延长谐振器可获得更大的峰值输出的脉冲的结构进行说 明。本实施例所涉及的结构大致与图1相同。在第一实施例所述的结构(参照图5(A))中， 脉冲振荡的周期取决于谐振器长。即，可通过延长从构成谐振器的泵浦侧的光纤光栅102 的中央位置到射出侧的光纤光栅104的中央位置的光纤103的长度(谐振器长)，增长脉冲 振荡的周期。当脉冲振荡的周期增长，在光纤激光谐振器内的封闭能量增大，从而射出的脉 冲的峰值输出增大。因此，在本实施例中，如图5(B)所示，在光纤光栅102、104之间，除了上述光纤 103以外还插入谐振器延长光纤501。由此，与没有谐振器延长光纤501的图6(A)的比较 例相比，如图6(B)所示，脉冲的周期增长，脉冲的峰值输出增大。在本实施例中，作为泵浦 用LD101，使用振荡波长为915nm的单发射激光二级管(有三个最大输出为6. 5W)。光纤光 栅102，形成在双包层偏振保持光纤的芯部，具有中心波长为1064nm、反射波谱半值宽度为 0. 5nm、反射率为99%的特性。光纤光栅104形成在一般的单模偏振保持光纤(芯径10 μ m、 光纤外径125 μ m)的芯部，具有中心波长为1064nm、反射波谱半值宽度为0. 05nm、反射率为 10%的特性。芯部掺杂有作为稀土类的Yb的双包层偏振保持光纤103的芯径为6 μ m(例 如，NUFERN PM-YDF130/5)。在泵浦用LDlOl以泵浦功率为19W进行激发的条件下，为使CW 运作时的平均输出达到最大，光纤103的光纤长度为20m。在上述条件下的输出为9. 5W。在 脉冲运作时，峰值输出达到相当于CW运作时平均输出的约10倍的94W。进而，当插入20m 谐振器延长光纤501时，峰值输出达到相当于CW运作时平均输出的约20倍的190W，成功地 实现了脉冲的高峰值化。作为谐振器延长光纤501，不含激光活性物质的偏振保持光纤较为王困相(第五实施例)在第五实施例中，对可抑制作为光纤激光谐振器的构成部件的光纤光栅因光的功率而被破坏的结构进行说明。本实施例所涉及的结构与图1相同。本实施例的光纤激光光 源100因脉冲运作，与CW运作的情况相比，在时间和空间上光的功率密度都增高。尤其是 泵浦侧的光纤光栅102，因具有接近100%的反射率，入射光和反射光重叠，光的功率密度 容易增高。因此，以高输出运作时，作为光纤激光谐振器的构成部件的光纤光栅可能因光的 功率而被破坏。因此，在本实施例，为了抑制上述的破坏，采用图7所示的模场直径703较大的光 纤作为构成光纤光栅的光纤。具体而言，通过将模场直径703设为8μπι(图7(A))以上 13μπι(图7(B))以下，可以使空间上的光功率密度降低约四分之一。在含有激光活性物质 的光纤的模场直径在8 μ m以上13 μ m时，若考虑到熔接损失(fusion loss)，则构成光纤光 栅的光纤的模场直径在9μπι以上15 μ m以下最合适。另外，作为泵浦侧的光纤光栅102， 可采用图8所示的包括多个光纤光栅801的取样光纤光栅(sampledfiber grating)结构。 由此，可通过在多处发生反射，降低每个光纤光栅的光功率密度。另外，从第一到第四实施例中，作为光纤激光器的泵浦激光光源(pump laser lightsource)，虽采用波长为915nm和波长976nm的激光，但为了更有效地激发光纤激光， 采用波长为976nm的激光较为理想。然而可知，由于掺杂Yb的光纤对波长976nm的吸收波 谱的带域窄，且半导体激光器的振荡波长随着环境温度或供应电流而变化，因此存在温度 特性恶化的问题。为了避免上述问题，较为理想的是，本实施例所涉及的光纤激光光源，包 括含有激光活性物质的光纤、向光纤射入泵浦光的泵浦激光光源，以及具备在所述光纤的 两侧与所述光纤光学连接的一组光纤光栅的激光谐振器，以随着温度的上升，其振荡中心 波长向长波长一侧移动，同时输出下降为特征，含有所述激光活性物质的光纤的长度，为吸 收95%以上含有所述激光活性物质的光纤的吸收峰(absorptionpeak)波长的光的光纤长 度的1.5倍以上2倍以下。图9表示以光纤长度为参数的吸收率与泵浦光波长的关系绘制图。图9表示光纤 采用模场直径为6μπι的掺杂Yb的双包层偏振保持光纤(例如，NUFERN PM-YDF130/5)时 的情况。在以下的说明中，对各光纤长度，比较吸收率达到峰值的90%的波长幅度(以下， 定义为泵浦光波长允许幅度)。由该图可知，在将泵浦光波长固定在976nm，且环境温度为 250C的情况下，当采用作为吸收Yb光纤的吸收峰波长的光95%以上的Yb光纤的最佳长度 (以下，定义为最佳长度)的9m的Yb掺杂光纤时，泵浦光波长允许幅度约为6nm，而Yb光纤 长度为约1. 5倍的15m时的泵浦光波长允许幅度，为相当于9m的Yb光纤的2倍的12nm左 右。另外，Yb光纤的长度为两倍的18m时的泵浦光波长允许幅度，与Yb光纤的长度为1.5 倍时的情况相比变化不大，约为14nm。由该结果可知，泵浦光波长允许幅度，较为理想的是 在最佳长度的1. 5倍以上且2倍以下。对Yb掺杂光纤的光纤长度为最佳长度或最佳长度的1. 5倍时的光纤激光谐振器， 分别测定环境温度发生了变化时的温度特性。图10是表示测定光纤激光器的温度特性时的结构的示意图。泵浦用LD101被 固定在散热器(heat sink)1001上，通过冷却风扇(cooling fan) 1002而被强制空冷(aircooled) 0光纤激光谐振器，如上述那样包括光纤光栅102、104和掺杂Yb光纤。将它 们全部配置在恒温槽内，在可以自由地改变环境温度的状态下，进行了温度特性的测定。图11和图12表示，光纤激光器的长度为最佳长度，在不同的环境温度条件下测定 的相对于泵浦用LD的供应电流值的光纤激光器的输出。图11表示，光纤激光器的长度为 最佳长度，泵浦激光(泵浦用LD)的振荡波长为973nm(环境温度25°C供应电流9A 7W输 出时)时相对于泵浦用LD的供应电流值的光纤激光器输出的值。相对于Yb掺杂光纤的吸 收峰值的976nm，在使用短波长一侧的振荡波长973nm的激光进行激发时，由于泵浦激光的 振荡波长随环境温度的上升而变长，所以光纤激光器输出的值有上升的倾向。环境温度为 25°C时最高输出可得3. 2W，而在环境温度为35°C时可得3. 6W的输出。即，可知最大输出值 随环境温度而变动。反之，在长波长一侧的977nm(环境温度25°C供应电流9A 7W输出时) 时，相对于泵浦用LD的供应电流值的光纤激光器输出的值如图12所示。如图12所示，环 境温度为25°C时可得到3. 8W的输出，而环境温度为35°C时反而下降至3W，可知没有发现温 度特性的改善。即可以说，对于最佳长度的Yb光纤，如果泵浦用LD的振荡波长在任何情况 下都不是976nm，则不能获得温度特性的改善。另一方面，图13表示Yb光纤的长度为最佳长度的1. 5倍即15m时相对于泵浦用 LD的供应电流值的光纤激光器输出的值。图13表示泵浦激光的振荡波长为977nm时的情 况。如图13所示，环境温度为25°C时输出3. 8W，环境温度为35°C时输出3. 75W，温度变化 引起的输出变动降低2%以下。上述讨论虽使用振荡波长在970nm以上980nm以下的半导 体激光器进行激发，但已证实在任何情况下，都能使输出变动在5%以下，可获得温度特性 的改善效果。另外，尤其是泵浦用的半导体激光光源的振荡波长在970以上976nm以下时， 对激光二级管的供应电流值为恒定时因环境温度引起的输出下降，可通过Yb光纤中的泵 浦光吸收率的改善加以补偿，故可进一步减小温度引起的输出变动。通过采用上述的结构，无需在使用976nm波带半导体激光时所必须的珀尔贴 (Peltier)元件等冷却机构，仅靠散热器和冷却风扇的强制空冷，即可实现能够在室温(例 如，20°C或25°C )至40°C或50°C左右的环境下加以使用的脉冲光源。另外，在第一至第五实施例中，光纤103使用掺杂有稀土类元素的Yb的光纤，但也 可以使用选自其它稀土类元素、例如Nd、Er、Dy、Pr、Tb、Eu等的至少一种稀土类元素。此 夕卜，根据振荡波长或输出，还可以改变稀土类元素的掺杂量，或掺杂多种稀土类元素等。此外，图14表示本发明提出的使用光纤激光光源的投影系统的光学引擎的示意 图。本实施例所涉及的二维图像显示装置1400，是将上述的光纤激光光源应用于液 晶3板式投影仪的光学引擎的一个例子。具体而言，二维图像显示装置1400包括图像 处理部1402，激光输出控制器(控制器)1403，LD电源1404，红色、绿色、蓝色激光光源 1405R、1405G、1405B，射束形成棒透镜(rod lens) 1406R、1406G、1406B，中继透镜(relay lens) 1407R、1407G、1407B，折回镜(bending mirror) 1408G、1408B，用于显示图像的二维调 制元件 1409R、1409G、1409B，偏振器(polarizer) 1410R、1410G、1410B，合波棱镜 1411 及投 影透镜1412。绿色激光光源1405G，由控制绿色光源输出的控制器1403和LD电源1404控制。 具体而言，绿色激光光源1405G，包括上述的脉冲光纤激光光源100(参照图1)和用于将从脉冲光纤激光光源100射出的基波转换为谐波的波长转换元件(未图示)。各光源1405R、1405G、1405B发出的激光，由棒透镜1406R、1406G、1406B整形为矩 形，通过中继透镜1407R、1407G、1407B分别被导入二维调制元件1409R、1409G、1409B。各 色的二维调制元件1409R、1409G、1409B，由从中继透镜1407R、1408G、1408B引导的激光照 明。通过二维调制元件1409R、1409G、1409B而被调制为二维的各色图像，由合波棱镜1411 合成，再由投影透镜1412投影在屏幕上。由此，在屏幕上显示影像。此外，绿色激光光源1405G，由于激光谐振器封闭在光纤内，因此可以抑制谐振 器的光损失因外部灰尘入侵或反射面的未对齐(out of alignment of a reflection surface)等而增加。因此，可以抑制输出随时间下降及/或输出变动。另一方面，图像处理部1402的功能是，生成根据输入的影像信号1413的辉度信息 使激光输出变动的光量(optical power)控制信号，并传送给激光输出控制器1403。通过 根据辉度信息来控制光量，可以改善对比度。此时，还可采取通过脉冲驱动激光使激光的发光时间的占空比(发光时间/ (发光 时间+不发光时间)的值)发生变化来改变平均光量的控制方法(PWM控制)。此外，也可以是该投影系统所使用的绿色光源射出波长为510nm到550nm的绿色 激光的结构。根据该结构，可以获得视觉感度高(high luminosity)的绿色激光输出光，作 为色彩再现性好的显示器，可实现更接近原色的色彩表现。此外，为达成上述目的，本发明的二维图像显示装置包括屏幕、多个激光光源和扫 描激光光源的扫描部，激光光源具有使用至少分别射出红色、绿色和蓝色的光源的结构，激 光光源中，至少绿色光源为使用上述的任一种波长转换装置的结构。根据该结构，由于可以获得发光率高的绿色激光输出光，因此可用于色彩再现性 好的显示器等中，实现更接近原色的色彩表现。如上所述，在本发明中，作为使激光脉冲振荡的一种手段，采用的方法是，通过使 构成谐振器的反射镜(光纤光栅)的反射特性发生变化，取代由光强度引起的谐振器内损 失的变化，来控制谐振器内的Q值。具体而言，通过让光折射率发生变化而使反射中心频率移动，来改变光纤光栅的 反射特性。另外，也可采用配合自激振荡的频率注入泵浦光以降低光输出波形中的直流成分 的控制方法。此外，为了防止作为光纤激光谐振器的构成部件的光纤光栅的损坏，可通过增大 光纤的模场直径或使光纤光栅为取样光纤光栅结构，来降低光的功率密度。 此外，由于在上述的光纤激光光源中，无需追加新的部件即可实现脉冲振荡，因此 可实现高效的激光加工机或波长转换光源等。另外，还可防止脉冲振荡光纤激光光源的实现过程中成为问题的构成部件的破 坏，可实现可靠性更高的光纤激光光源。上述的具体实施例中，主要包含有具有以下结构的发明。本发明所提供的一种光纤激光光源，包括包含激光活性物质的光纤，向所述光纤 射入泵浦光的泵浦激光光源，以及具有在含有所述激光活性物质的光纤的两侧与所述光纤 光学连接的一组光纤光栅的激光谐振器，上述激光谐振器，通过偏振保持光纤和单一偏振化机构而射出单一偏振光，激光射出侧的所述光纤光栅的反射中心波长被设定在使靠近所述泵浦激光光源的所述光纤光栅的反射率为80%以上且98%以下的波长范围内。根据本发明，可通过改变光纤光栅的折射率，使各光纤光栅的反射带域的重叠积 分发生变化，来实现激光器的自激振荡。其理由如下所述。通过向光纤光栅射入高强度的光，使该光纤光栅的折射率变化，光纤光栅的反射 中心波长随该折射率的变化而变化。这样，通过反射中心波长变化，两光纤光栅的反射带域 的重叠部分减小，激光谐振器内的封闭能量会减少，激光的峰值输出下降。然后，由于当所 述封闭能量减小，光纤光栅的反射中心波长返回变化前的状态，故激光的峰值输出再度增 大。如此通过反射中心波长的反复变化，实现自激脉冲振荡。在所述光纤激光光源中，较为理想的是，靠近所述泵浦激光光源的光纤光栅的带 域在Inm以上，所述激光射出侧的光纤光栅的带域在0. 05nm以下，所述激光谐振器使激光 脉冲振荡。在所述光纤激光光源中，较为理想的是，由所述激光谐振器产生的光通过包含所 述激光活性物质的光纤时的模场直径在8 μ m以上且13 μ m以下。根据上述这些结构，可以进行更加稳定的激光的自激振荡。在所述光纤激光光源中，较为理想的是，在构成所述激光射出侧的光纤光栅的光 纤中，掺杂有选自铅、锡、锑、铋、锗中的一种以上的金属或金属化合物。通过采用这样的光纤作为构成光纤光栅的光纤，可得到具有反射中心波长随光强 度而变化的特性(折射率变化的特性)的光纤光栅。在所述光纤激光光源中，较为理想的是，由所述激光谐振器的谐振器长决定的自 激振荡周期，与所述泵浦激光光源的发光周期一致。根据该结构，可以降低激光谐振器射出的激光的直流成分。在所述光纤激光光源中，较为理想的是，靠近所述泵浦激光光源的宽带光纤光栅 的反射带域的波动在15%以上。根据该结构，由于即使光纤光栅的折射率变化微小时，也可使两光纤光栅的反射 带域的重叠部分发生变化，因此容易产生脉冲振荡。此外，由于可利用与多个波动的关系使 反射带域的重叠部分发生变化，故可容易地进行两光纤光栅的反射带域的初始设定。在所述光纤激光光源中，较为理想的是，还包括插入所述激光谐振器内的谐振器 延长光纤。根据该结构，可以增长脉冲振荡周期，并且增大脉冲的峰值输出。在所述光纤激光光源中，较为理想的是，构成靠近所述泵浦激光光源的宽带光纤 光栅的光纤在光栅的反射波长的模场直径在9 μ m以上15 μ m以下。根据该结构，可通过降低构成光纤光栅的光纤内的光功率密度，抑制光纤的恶化。 尤其是，在使用模场直径在8μπι以上13 μ m以下的光纤作为激光谐振器间的光纤时，即使 考虑与该光纤之间的熔接连接损失，也可确保充分的模场直径。在所述光纤激光光源中，较为理想的是，靠近所述泵浦激光光源的宽带光纤光栅， 具有取样光纤光栅的结构。根据该结构，由于采用包括多个光纤光栅的取样光纤光栅结构，因此可在多处发 生反射，从而降低每个光纤光栅的光功率密度。
在所述光纤激光光源中，较为理想的是，所述泵浦激光光源，随着温度的上升，其 振荡中心波长向长波长一侧移动，并且输出下降，含有所述激光活性物质的光纤的长度，在 吸收95%以上含有所述激光活性物质的光纤的吸收峰波长的光的光纤长度的1. 5倍以上2 倍以下。根据该结构，可通过使含有激光活性物质的光纤的长度在吸收95%以上吸收峰波 长的光的光纤长度的1. 5倍以上2倍以下，扩大泵浦光的波长范围，该波长范围作为含有激 光活性物质的光纤以指定的吸收率以上吸收泵浦光的条件。因此，根据上述结构，即使从泵 浦激光光源射出的泵浦光的波长随环境温度的变化而变化时，也可抑制光纤的泵浦光的吸 收率的下降。在所述光纤激光光源中，较为理想的是，环境温度为25°C时的所述泵浦激光光源 的振荡波长在970nm以上980nm以下。根据该结构，可以改善激光输出。尤其是，在利用长度为吸收95%以上含有激光活 性物质的光纤的吸收峰波长的光的光纤长度的1. 5倍的光纤时，可以有效地抑制温度变化 引起的输出变动。在所述光纤激光光源中，较为理想的是，还包括用于冷却所述泵浦激光光源的散 热器和冷却风扇。根据该结构，仅靠散热器和冷却风扇的强制空冷，即可实现能在室温(例如，20°C 或25°C )至40°C或50°C左右的环境下使用的光纤激光光源。产业上的利用可能性采用本发明所涉及的光纤激光光源，可以获得高效且高峰值功率的脉冲光源，故 通过将光纤激光光源应用于加工用途或用作波长转换光源的基波，可以改善激光应用装置 本身的效率。此外，由于光纤激光光源的温度特性也能一起获得改善，因此，即使在外气温等变 化的情况下，光纤激光光源也能稳定地作为高效率的脉冲光源加以使用。尤其是，泵浦用LD 的冷却无需使用珀尔贴元件等冷却机构，仅靠散热器和冷却风扇的强制空冷，即可实现能 在室温(例如，20°C或25°C)至40°C或50°C左右的环境下使用的脉冲光源，故可改善总的 从投入电力到光输出的转换效率。
权利要求
一种光纤激光光源，其特征在于包括光纤，包含激光活性物质；泵浦激光光源，向所述光纤射入泵浦光；以及激光谐振器，具有在含有所述激光活性物质的光纤的两侧与所述光纤光学连接的一组光纤光栅；其中，所述激光谐振器，通过偏振保持光纤和单一偏振化机构而射出单一偏振光，激光射出侧的所述光纤光栅的反射中心波长，被设定在使靠近所述泵浦激光光源的所述光纤光栅的反射率为80％以上且98％以下的波长范围内。
2.根据权利要求1所述的光纤激光光源，其特征在于靠近所述泵浦激光光源的光纤光栅的带域在Inm以上；所述激光射出侧的光纤光栅的带域在0. 05nm以下；所述激光谐振器使激光脉冲振荡。
3.根据权利要求1或2所述的光纤激光光源，其特征在于所述激光谐振器产生的光 通过包含所述激光活性物质的光纤时的模场直径在8 μ m以上且13 μ m以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤激光光源，其特征在于在形成所述激光 射出侧的光纤光栅的光纤中，掺杂有选自铅、锡、锑、铋、锗中的一种以上的金属或金属化合 物。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤激光光源，其特征在于由所述激光谐振 器的谐振器长决定的自激振荡周期，与所述泵浦激光光源的发光周期相一致。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤激光光源，其特征在于靠近所述泵浦激 光光源的宽带光纤光栅的反射带域的波动在15%以上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤激光光源，其特征在于还包括插入在所 述激光谐振器内的谐振器延长光纤。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光纤激光光源，其特征在于构成靠近所述泵 浦激光光源的宽带光纤光栅的光纤在光栅的反射波长的模场直径在9 μ m以上15 μ m以下。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光纤激光光源，其特征在于靠近所述泵浦激 光光源的宽带光纤光栅具有取样光纤光栅的结构。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤激光光源，其特征在于所述泵浦激光光源，随着温度的上升其振荡中心波长向长波长一侧移动，并且输出下降；包含所述激光活性物质的光纤的长度，在吸收95%以上包含所述激光活性物质的光纤 的吸收峰波长的光的光纤长度的1. 5倍以上2倍以下。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光纤激光光源，其特征在于环境温度为 25°C时的所述泵浦激光光源的振荡波长在970nm以上980nm以下。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光纤激光光源，其特征在于还包括用于冷 却所述泵浦激光光源的散热器和冷却风扇。
全文摘要
本发明提供一种光纤激光器光源，包括具有在光纤的两侧与所述光纤光学连接的一组光纤光栅的激光谐振器，激光射出侧的光纤光栅的反射中心波长在使靠近泵浦激光光源的光纤光栅的反射率为80％以上98％以下的波长范围内。
文档编号H01S3/094GK101842946SQ200880114398
公开日2010年9月22日 申请日期2008年10月30日 优先权日2007年10月31日
发明者古屋博之, 山本和久, 岛研介, 柏木正浩, 门胁慎一 申请人:松下电器产业株式会社;株式会社藤仓