光纤激光器、供给方法、以及制造方法与流程

本发明涉及双向激励型光纤激光器。另外，涉及在这种光纤激光器中供给激励光的供给方法、以及制造这种光纤激光器的制造方法。

背景技术：

作为用于进行激光加工的激光装置，广泛使用有光纤激光器。光纤激光器是一种具备共振器的激光装置，该共振器由向纤芯添加了稀土类元素后的放大用光纤、连接于放大用光纤的一端的高反射镜、以及连接于放大用光纤的另一端的低反射镜构成。被放大用光纤放大的激光经由低反射镜而被输出。

光纤激光器根据激励光源的配置，大致区分为单向激励型和双向激励型。

在单向激励型光纤激光器中，激励光源经由高反射镜或者低反射镜连接于放大用光纤的一端。在使用多个激励光源的情况下，从各激励光源输出的激励光通过连接于高反射镜的激励合束器合波。经由高反射镜输入至放大用光纤的激励光用于使添加于放大用光纤的纤芯的稀土类元素转变为粒子数反转状态。

另一方面，在双向激励型光纤激光器中，前方激励光源经由高反射镜连接于放大用光纤的一端，后方激励光源经由低反射镜连接于放大用光纤的另一端。在使用多个前方激励光源的情况下，从各前方激励光源输出的激励光通过连接于高反射镜的前方激励合束器合波，在使用多个后方激励光源的情况下，从各后方激励光源输出的激励光通过连接于低反射镜的后方激励合束器合波。透过高反射镜而入射至放大用光纤的激励光被称为前方激励光，透过低反射镜而入射至放大用光纤的激励光被称为后方激励光。在双向激励型光纤激光器中，稀土类元素的激励能够使用前方激励光以及后方激励光这两方，因而与单向激励型光纤激光器相比，高输出化较容易。作为公开了双向激励型光纤激光器(光纤放大器)的文献，可举出专利文献1。

此外，在双向激励型光纤激光器中，从放大用光纤输出的激光透过对后方激励光进行合波的后方激励合束器。因此，在双向激励型光纤激光器中，通常采用将后方激励光的功率设为前方激励光的功率以下的结构。这是为了避免从放大用光纤输出的激光的光束品质由于后方激励光的影响而劣化。

然而，在加工用的光纤激光器中，存在被加工对象物反射的激光再次入射至放大用光纤，从而产生故障的情况。例如，若向在放大用光纤沿顺向传播的正向激光加入被加工对象物反射后在放大用光纤内沿逆向传播的方向激光，则放大用光纤的各点处的激光的功率密度显著增高。这样，会促进放大用光纤中的受激拉曼散射。另外，被加工对象物反射的反射光中包含的斯托克斯光成为促进受激拉曼散射的籽光，该籽光随着在放大用光纤传播而被放大使得放大用光纤中的受激拉曼散射受到进一步促进。这样，若受激拉曼散射受到促进，则有时引起斯托克斯光的振荡。众所周知，若在放大用光纤中产生斯托克斯的振荡，则光纤激光器的动作变得不稳定，导致光纤激光器的可靠性降低(参照专利文献2)。

专利文献1：日本公开专利公报“日本特开平5-145161号公报”(1993年6月11日公开)

专利文献2：日本公开专利公报“日本特开2015-95641号公报”(2015年5月18日公开)

为了不牺牲输出地实现耐反射性高的光纤激光器，需要使由放大用光纤生成的斯托克斯光的功率降低，而不使从放大用光纤输出的激光的功率降低。这里，“耐反射性高”是指，即使被加工对象物反射的激光再次入射，也难以产生斯托克斯光的振荡。

例如，若将放大用光纤的纤芯直径扩大，则能够使由放大用光纤生成的斯托克斯光的功率降低，而不使从放大用光纤输出的激光的功率降低。然而，若将放大用光纤的纤芯直径扩大，则会带来放大用光纤的传播模的模数增加、输出的激光的光束品质恶化的副作用。另外，若将放大用光纤的长度缩短，则能够降低由放大用光纤生成的斯托克斯光的功率。然而，为了缩短放大用光纤的长度而不使从放大用光纤输出的激光的功率降低，产生提高添加于放大用光纤的纤芯的稀土类元素的密度的需要。因此，会带来放大用光纤的每单位长度的发热量增加的副作用。

技术实现要素：

本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的在于，提供一种难以在放大用光纤中产生斯托克斯光的双向激励型光纤激光器。

为了实现上述的目的，本发明所涉及的光纤激光器为双向激励型光纤激光器，其特征在于，后方激励光的功率大于前方激励光的功率。

另外，为了实现上述的目的，本发明所涉及的供给方法是在双向激励型光纤激光器中供给激励光的供给方法，其特征在于，包括将前方激励光经由高反射镜输入至放大用光纤，并且将后方激励光经由低反射镜输入至上述放大用光纤的工序，上述后方激励光的功率大于上述前方激励光的功率。此外，无需同时进行将前方激励光经由高反射镜输入至放大用光纤的动作、以及将后方激励光经由低反射镜输入至上述放大用光纤的动作。即，这些动作可以同时进行，也可以不同时进行。

另外，为了实现上述的目的，本发明所涉及的制造方法是制造双向激励型光纤激光器的制造方法，其特征在于，包括如下工序：对生成前方激励光的前方激励光源的功率、以及生成后方激励光的后方激励光源的功率进行设定，其中，上述前方激励光经由高反射镜输入至放大用光纤，上述后方激励光经由低反射镜输入至上述放大用光纤，上述后方激励光的功率设定为大于上述前方激励光的功率。

根据本发明，能够提供一种难以在放大用光纤中产生斯托克斯光的双向激励型光纤激光器。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的光纤激光器的结构的框图。

图2是以该放大用光纤的中心轴为横轴示意性地表示添加于图1所示的光纤激光器所具备的放大用光纤的纤芯的稀土类元素的粒子数反转率的图表。虚线表示进行对称激励时的粒子数反转率，实线表示进行非对称激励时的粒子数反转率。

图3是以该放大用光纤的中心轴为横轴示意性地表示在图1所示的光纤激光器所具备的放大用光纤的纤芯传播的激光的功率的图表。虚线表示进行对称激励的情况下的功率，实线表示进行非对称激励的情况下的功率。

图4是表示针对进行非对称激励的情况和进行对称激励的情况，对图1所示的光纤激光器所具备的放大用光纤的输出光的相对功率的波长依赖性进行实测而得的结果的图表。

图5是示意性地表示图1所示的光纤激光器装置所具备的放大用光纤的卷绕方式的图。

具体实施方式

〔光纤激光器的结构〕

参照图1对本发明的一实施方式所涉及的光纤激光器fl的结构进行说明。图1是表示光纤激光器fl的结构的框图。

光纤激光器fl是双向激励型光纤激光器，如图1所示，由n个前方激光二极管ld11～ld1n、前方激励合束器pc1、高反射光纤布拉格光栅fbg1、放大用光纤af、低反射光纤布拉格光栅fbg2、后方激励合束器pc2、m个后方激光二极管ld21～ld2m、以及输送光纤df构成。n、m是满足n＜m的自然数。这里，双向激励型光纤激光器是指将至少大于0w的前方激励光以及至少大于0w的后方激励光这两方输入至放大用光纤af的光纤激光器。

各前方激光二极管ld1i(i＝1、2、…、n)是作为生成前方激励光的激励光源而发挥作用的激光二极管。由各前方激光二极管ld1i生成的激光的功率均为p[w]。各前方激光二极管ld1i连接于前方激励合束器pc1的输入端口中的任一个。由各前方激光二极管ld1i生成的前方激励光经由该输入端口输入至前方激励合束器pc1。

前方激励合束器pc1将由前方激光二极管ld11～ld1n分别生成的前方激励光进行合波。被前方激励合束器pc1合波后的前方激励光的功率pf为pf＝p×n[w]。前方激励合束器pc1的输出端口经由高反射光纤布拉格光栅fbg1连接于放大用光纤af。被前方激励合束器pc1合波后的前方激励光透过高反射光纤布拉格光栅fbg1，被输入至放大用光纤af。

放大用光纤af是在纤芯添加有稀土类元素的光纤。在本实施方式中，将具有2个以上传播模的少模光纤(具体而言，具有4个传播模的4模光纤)用作放大用光纤af。在放大用光纤af的一端连接有作为高反射镜发挥作用的高反射光纤布拉格光栅fbg1，在放大用光纤af的另一端连接有作为低反射镜发挥作用的低反射光纤布拉格光栅fbg2。放大用光纤af与这些光纤布拉格光栅fbg1～fbg2共同构成振荡激光的激光振荡器。上述的前方激励光以及后述的后方激励光用于使上述的稀土类元素转变为粒子数反转状态。放大用光纤af的出射端经由低反射光纤布拉格光栅fbg2连接于后方激励合束器的输出端口。由放大用光纤af生成的激光中的、透过了低反射光纤布拉格光栅fbg2的激光经由该输出端口输入至后方激励合束器pc2。

各后方激光二极管ld2j(j＝1、2、…、m)是作为生成后方激励光的激励光源而发挥作用的激光二极管。由各后方激光二极管ld2j生成的激光的功率是与由各前方激光二极管ld1i生成的激光的功率相同的p[w]。各后方激光二极管ld2j连接于后方激励合束器pc2的周边输入端口(中心输入端口以外的输入端口)中的任一个。由各后方激光二极管ld2j生成的后方激励光经由该周边输入端口输入至后方激励合束器pc2。

后方激励合束器pc2将由后方激光二极管ld21～ld2m分别生成的后方激励光进行合波。被后方激励合束器pc2合波后的后方激励光的功率pb为pb＝p×m[w]，大于被前方激励合束器pc1合波后的前方激励光的功率pf＝p×n。如上述那样，后方激励合束器pc2的输出端口经由低反射光纤布拉格光栅fbg2连接于放大用光纤af。被后方激励合束器pc2合波后的后方激励光透过低反射光纤布拉格光栅fbg2，被输入至放大用光纤af。另一方面，后方激励合束器pc2的中心输入端口连接于输送光纤df。经由输出端口输入至后方激励合束器pc2的激光经由中心输入端口而从后方激励合束器pc2输出，并输入至输送光纤df。

〔光纤激光器的特征〕

光纤激光器fl中的最大的特征为如下方面：采用使后方激励光的功率pb大于前方激励光的功率pf的结构(以下，也记载为“非对称激励”)。由此，与不改变总功率pb+pf地使后方激励光的功率pb与前方激励光的功率pf相等的结构(以下，也记载为“对称激励”)相比，能够减小光纤激光器fl中由受激拉曼散射生成的斯托克斯光的功率。

能够通过采用非对称激励来减小斯托克斯光的功率的理由如下。

即，若不改变总功率pb+pf地从对称激励(pb＝pf)变更为非对称激励(pb＞pf)，则如图2所示，添加于放大用光纤af的纤芯的稀土类元素的粒子数反转率在位于后方激励光的入口侧的低反射光纤布拉格光栅fbg2的附近增加，在作为前方激励光的入口的高反射光纤布拉格光栅fbg1的附近减少。图2是将添加于放大用光纤af的纤芯的稀土类元素的粒子数反转率设为纵轴、将放大用光纤af的中心轴设为横轴的示意性的图表。在图2中，虚线表示进行对称激励时的粒子数反转率，实线表示进行非对称激励时的粒子数反转率。

而且，若添加于放大用光纤af的纤芯的稀土类元素的粒子数反转率如上述那样发生变化，则如图3所示，在放大用光纤af的纤芯传播的激光的功率在作为正向激光的出口的低反射光纤布拉格光栅fbg2、以及作为反向激光的出口的高反射光纤布拉格光栅fbg1的最近处保持为大致不变，在其他区域中减少。图3是以放大用光纤af的中心轴为横轴示意性地表示在放大用光纤af的纤芯传播的激光的功率的图表。在图3中，虚线表示进行对称激励时的功率，实线表示进行非对称激励时的功率。

而且，若在放大用光纤af的纤芯传播的激光的功率如上述那样发生变化，则放大用光纤af的纤芯中由受激拉曼散射生成的斯托克斯光的功率减少。这是因为，在放大用光纤af的纤芯的各点由受激拉曼散射生成的斯托克斯光的功率与在该点传播的激光的功率具有较强的正相关。以上是能够通过进行非对称激励来减小斯托克斯光的功率的理由。

在图3中，在放大用光纤af的纤芯传播的激光的功率在低反射光纤布拉格光栅fbg2的最近处保持为大致不变。这样，能够将从放大用光纤af输出的激光的功率的降低抑制为较小，并且使由放大用光纤af生成的斯托克斯光的功率降低。

为了对能够通过进行非对称激励来减小斯托克斯光的功率的情况进行确认，本申请发明人一边改变后方激励光与前方激励光的功率分配一边对放大用光纤af的输出光的相对功率(将光纤激光器fl的振荡波长λl的功率设为0db)的波长依赖性进行了实测。图4是针对以pb：pf＝57：43进行非对称激励的情况和以pb：pf＝50：50进行对称激励的情况，表示其实测结果的图表。在图4所示的图表中，将相当于拉曼位移的波长加入到振荡波长λl而得到的斯托克斯波长λs的相对功率，相当于由光纤激光器fl生成的斯托克斯光的相对功率。根据图4能够确认，与进行对称激励相比，通过进行非对称激励，斯托克斯光的相对功率降低5db左右。若总功率pb+pf中的后方激励光的功率pb的比率大于57％，则可得到与上述同等或者超过上述的效果。若总功率pb+pf中的后方激励光的功率pb的比率为60％以上，则更加优选，若后方激励光的功率pb的比率为65％以上，则进一步优选。此外，总功率pb+pf中的后方激励光的功率pb的比率不足100％。

此外，在本实施方式所涉及的光纤激光器fl中，为了使后方激励光的功率pb大于前方激励光的功率pf，采用在使各后方激光二极管ld2j的输出与各前方激光二极管ld1i的输出相等的基础上，使后方激光二极管ld21～ld2m的个数m多于前方激光二极管ld11～ld1n的个数n的结构，但本发明并不限定于此。例如，也可以采用在后方激光二极管ld21～ld2m的个数m与前方激光二极管ld11～ld1n的个数n相等的基础上，使供给至各后方激光二极管ld2j的驱动电流大于供给至各前方激光二极管ld1i的驱动电流的结构。但是，与采用后者的结构相比，采用前者的结构能够将在各后方激光二极管ld2j产生故障的概率抑制为较低。这是因为，与采用后者的结构相比，采用前者的结构能够将各后方激光二极管ld2j的输出抑制为较小，另外，能够将入射至各后方激光二极管ld2j的激光(不从后方激励合束器pc2的中心输入端口输出，而从后方激励合束器pc2的周边输入端口输出的激光)的功率抑制为较小。

另外，在本实施方式所涉及的光纤激光器fl中，采用将少模光纤用作放大用光纤af的结构，但本发明并不限定于此。例如，也可以采用将单模光纤用作放大用光纤af的结构。但是，与采用后者的结构相比，采用前者的结构能够将放大用光纤af中由受激拉曼散射生成的斯托克斯光的功率抑制为较小。这是因为，由于少模光纤的纤芯直径大于单模光纤的纤芯直径，所以采用前者的结构能够将放大用光纤af的纤芯中的激光的光密度抑制为较小。

另外，在本实施方式所涉及的光纤激光器fl中，优选放大用光纤af以连接于低反射光纤布拉格光栅fbg2的一方的端部配置于外周侧的方式卷绕为螺旋状。若对如上述那样卷绕的放大用光纤af进行例示，则如图5那样。在放大用光纤af中，因为后方激励光的功率pb大于前方激励光的功率pf，所以与位于后方激励光的入口侧的低反射光纤布拉格光栅fbg2连接的一方的端部的发热量，大于与位于前方激励光的入口侧的高反射光纤布拉格光栅fbg1连接的一方的端部的发热量。在如上述那样卷绕的放大用光纤af中，因为发热量相对较大的一方的端部配置于散热效率较高的螺旋的外侧，发热量相对较小的一方的端部配置于散热效率较低的螺旋的内侧，所以整体实现效率较高的散热。

另外，在本实施方式所涉及的光纤激光器fl的启动时序中，优选采用使前方激光二极管ld11～ld1n的点亮时机与后方激光二极管ld21～ld2m的点亮时机不同的方法。在采用同时点亮前方激光二极管ld11～ld1n和后方激光二极管ld21～ld2m的方法的情况下，在前方激光二极管ld11～ld1n点亮时产生的前方激励光的峰值与在后方激光二极管ld21～ld2m点亮时产生的后方激励光的峰值在放大用光纤af重叠。这样，在放大用光纤af的包层传播的激励光的功率瞬间增大，其结果是，由放大用光纤af生成的激光的功率瞬间增大。此时，在放大用光纤af产生大量的斯托克斯光，使得光纤激光器fl的动作不稳定化。与此相对地，通过采用使前方激光二极管ld11～ld1n的点亮时机与后方激光二极管ld21～ld2m的点亮时机不同的方法，能够避免在前方激光二极管ld11～ld1n点亮时产生的前方激励光的峰值与在后方激光二极管ld21～ld2m点亮时产生的后方激励光的峰值在放大用光纤af重叠。因此，能够避免由上述的机理产生的光纤激光器fl的动作的不稳定化。

〔总结〕

本发明的实施方式所涉及的光纤激光器(fl)为双向激励型光纤激光器(fl)，其特征在于，后方激励光的功率(pb)大于前方激励光的功率(pf)。

本发明的实施方式所涉及的供给方法是在双向激励型光纤激光器(fl)中供给激励光的供给方法，其特征在于，包括将前方激励光经由高反射镜(fbg1)输入至放大用光纤(af)、并且将后方激励光经由低反射镜(fbg2)输入至上述放大用光纤(af)的工序，上述后方激励光的功率大于上述前方激励光的功率。此外，无需同时进行将前方激励光经由高反射镜输入至放大用光纤的动作、以及将后方激励光经由低反射镜输入至上述放大用光纤的动作。即，这些动作可以同时进行，也可以不同时进行。

本发明的实施方式所涉及的制造方法是制造双向激励型的光纤激光器(fl)的制造方法，其特征在于，包括如下工序：对生成前方激励光的前方激励光源(ld11～ld1n)的功率(pf)、以及生成后方激励光的后方激励光源(ld21～ld2m)的功率(pb)进行设定，其中，上述前方激励光经由高反射镜(fbg1)输入至放大用光纤(af)，上述后方激励光经由低反射镜(fbg2)输入至上述放大用光纤(af)，上述后方激励光的功率(pb)设定为大于上述前方激励光的功率(pf)。

根据上述的结构，能够使由放大用光纤生成的斯托克斯光的功率降低。

本发明的实施方式所涉及的光纤激光器例如构成为包括：放大用光纤(af)；高反射镜(fbg1)，其设置于上述放大用光纤(af)的一端侧；低反射镜(fbg2)，其设置于上述放大用光纤(af)的另一端侧；前方激励光源(ld11～ld1n)，其生成上述前方激励光；以及后方激励光源(ld21～ld2m)，其生成上述后方激励光。在该情况下，经由上述低反射镜输入至上述放大用光纤的上述后方激励光的功率大于经由上述高反射镜输入至上述放大用光纤的上述前方激励光的功率，从而可得到上述的效果。

在本发明的实施方式所涉及的光纤激光器(fl)中，优选上述放大用光纤(af)为少模光纤。

根据上述的结构，与放大用光纤为单模光纤的情况相比，能够将放大用光纤中由受激拉曼散射生成的斯托克斯光的功率抑制为较小。

在本发明的实施方式所涉及的光纤激光器(fl)中，优选上述放大用光纤(af)卷绕为如下方式：上述放大用光纤(af)的靠上述低反射镜(fbg2)侧的端部配置于光纤卷绕部分的外周侧。

根据上述的结构，与以连接于低反射镜的端部配置于内侧的方式卷绕的情况相比，能够更高效地进行放大用光纤的散热。

在本发明的实施方式所涉及的光纤激光器(fl)中，优选在该光纤激光器(fl)的启动时序中，上述前方激励光源(ld11～ld1n)的点亮时机与上述后方激励光源(ld21～ld2m)的点亮时机不同。

根据上述的结构，与同时点亮前方激励光源和后方激励光源的情况相比，能够避免将前方激励光源以及后方激励光源点亮时可产生的光纤激光器的动作的不稳定化。

在本发明的实施方式所涉及的光纤激光器(fl)中，优选构成上述后方激励光源(ld21～ld2m)的激光二极管(ld2j)的个数多于构成上述前方激励光源(ld11～ld1n)的激光二极管(ld1i)的个数。

根据上述的结构，与将构成后方激励光源的激光二极管的个数设为构成前方激励光源的激光二极管的个数以下的情况相比，能够将每个激光二极管的输出抑制为较小。其结果是，能够使构成后方激励光源的各激光二极管长寿命化。

〔附注事项〕

本发明并不限定于上述的实施方式，而能够在权利要求示出的范围内进行各种变更。即，将在权利要求示出的范围内适当变更后的技术手段组合而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。

附图标记的说明：

fl…光纤激光器；ld11～ld1n…前方激光二极管；pc1…前方激励合束器；fbg1…高反射光纤布拉格光栅；af…放大用光纤；fbg2…低反射光纤布拉格光栅；ld21～ld2m…后方激光二极管；pc2…后方激励合束器。