光纤激光装置的制作方法

1.本发明涉及光纤激光装置，特别涉及使用激励光生成高输出的激光的光纤激光装置。


背景技术：

2.与以往为了切断金属而使用的二氧化碳激光相比，光纤激光装置的光束品质较好，并能够减小光束点，且功率密度也较大，因此近年来更多地应用于金属材料的切断、焊接等加工。在这样的光纤激光装置中，向包含添加有稀土类元素的纤芯的放大用光纤供给激励光，使放大用光纤的纤芯吸收激励光，由此将激光放大。利用供给至放大用光纤的激励光而被放大的激光在传输光纤中传播并从出射端部输出(例如，参照专利文献1)。
3.在现有的光纤激光装置中，放大用光纤和出射端部被收纳于互不相同的收纳单元，因此，对于从放大用光纤向出射端部延伸的传输光纤而言，该传输光纤从收纳放大用光纤的收纳单元向外部引出，并在希望的路径中布置后向设置出射端部的收纳单元导入。在这样布置传输光纤时由于空间上的制约而不得不将传输光纤弯曲配置。在弯曲的传输光纤的纤芯上会作用侧压，因此有可能导致在其内部传播的激光的光束品质恶化。另外，弯曲的传输光纤的形状容易变化，激光的光束品质也难以稳定。现有技术文献专利文献
4.专利文献1：日本特开第2017-168772号公报


技术实现要素：

(一)要解决的技术问题
5.本发明是针对这样的现有技术问题而完成的，其目的在于，提供一种光纤激光装置，其抑制了输出的激光的光束品质恶化并可得到稳定的光束品质。(二)技术方案
6.根据本发明的一方式，提供一种光纤激光装置，其抑制了输出的激光的光束品质恶化并可得到稳定的光束品质。该光纤激光装置具备：放大用光纤，其能够对激光进行放大；至少一个激励光源，其能够生成向上述放大用光纤供给的激励光；输出光纤，其包含传播由上述放大用光纤放大的激光的第一纤芯、和折射率比上述第一纤芯低且覆盖上述第一纤芯的周围的第一包层；传输光纤，其包含与上述输出光纤的上述第一纤芯光学耦合的第二纤芯、和折射率比上述第二纤芯低且覆盖上述第二纤芯的周围的第二包层；以及第一收纳单元，其在内部收纳上述放大用光纤和上述输出光纤。上述传输光纤的上述第二包层的外径比上述输出光纤的上述第一包层的外径大。上述传输光纤从上述第一收纳单元的内部向上述第一收纳单元的外部延伸。
附图说明
7.图1为示意地表示本发明一实施方式的光纤激光装置的整体结构的图。图2为示意地表示图1所示的光纤激光装置中的放大用光纤的剖视图。图3为示意地表示图1所示的光纤激光装置中的前方光合并器和前方激励光纤的剖视图。图4为示意地表示图1所示的光纤激光装置中的后方光合并器和后方激励光纤的剖视图。
具体实施方式
8.以下，参照图1至图4对本发明的光纤激光装置的实施方式进行详细说明。在图1至图4中对于相同或相当的构成要素标注相同的附图标记并省略重复说明。另外，图1至图4中存在如下情况：对各构成要素的比例尺或尺寸进行夸张表示；或者省略了一部分构成要素。在以下的说明中，若无特别说明，“第一”、“第二”等用语仅用于将构成要素相互区别，并不表示特定的位次、顺序。
9.图1为示意地表示本发明一实施方式的光纤激光装置1的整体结构的图。如图1所示，光纤激光装置1包含上下层叠的多个收纳单元11～14。在图1中为了容易理解而将这些收纳单元11～14以相互分离的状态表示，但实际上，收纳单元11～14以相互接触的方式上下层叠。
10.如图1所示，光纤激光装置1具备：放大用光纤20，其能够对激光进行放大；高反射部21，其以高反射率反射规定波段的光；低反射部22，其将该波段的光以比高反射部21低的反射率反射；多个前方激励光源30，其从放大用光纤20的一端侧(前方)向放大用光纤20供给激励光；前方光合并器31，其将从前方激励光源30输出的激励光耦合并向放大用光纤20导入；多个后方激励光源40，其从放大用光纤20的另一端侧(后方)向放大用光纤20供给激励光；后方光合并器41，其将从后方激励光源40输出的激励光耦合并向放大用光纤20导入；以及光束输出端50，其输出利用供给至放大用光纤20的激励光而被放大的激光。另外，在本说明书中，若无特别说明，将从放大用光纤20朝向光束输出端50的方向称为“下游侧”，并将与其相反的方向称为“上游侧”。
11.作为前方激励光源30和后方激励光源40，例如可使用波长975nm的高输出多模半导体激光器(ld)。由前方激励光源30生成的激光的波长与由后方激励光源40生成的激光的波长可以相同，也可以不同。另外，高反射部21和低反射部22例如由周期性地使光纤的折射率变化而形成的光纤布拉格光栅、反射镜构成。
12.在上数第二层的收纳单元12中收纳有：放大用光纤20、高反射部21、低反射部22、前方光合并器31、以及后方光合并器41。在该收纳单元12的内部，高反射部21通过熔接连接部23与放大用光纤20连接，并通过熔接连接部25与前方光合并器31连接。另外，低反射部22通过熔接连接部24与放大用光纤20连接，并通过熔接连接部26与后方光合并器41连接。
13.图2为示意地表示放大用光纤20的剖视图。如图2所示，放大用光纤20例如由双包层光纤构成，例如具有：添加了镱(yb)、铒(er)、铥(tr)、钕(nd)等稀土类元素的纤芯201；在纤芯201的周围形成的内侧包层202；在内侧包层202的周围形成的外侧包层203。内侧包层202由折射率比纤芯201的折射率低的材料(例如sio2)构成，纤芯201的内部成为传播激光
(信号光)的光波导。另外，外侧包层203由折射率比内侧包层202的折射率低的树脂(例如低折射率聚合物)构成，纤芯201和内侧包层202的内部成为传播激励光p的光波导。
14.在上数第三层的收纳单元13(第三收纳单元)中收纳有前方激励光源30。前方激励光纤33分别从第三层的收纳单元13内的前方激励光源30延伸到第二层的收纳单元12内的前方光合并器31。另外，在最下层的收纳单元14(第三收纳单元)中收纳有后方激励光源40。后方激励光纤43分别从最下层的收纳单元14内的后方激励光源40延伸到第二层的收纳单元12内的后方光合并器41。
15.图3为示意地表示前方光合并器31和前方激励光纤33的剖视图。如图3所示，前方激励光纤33包含：纤芯331、覆盖纤芯331的周围的包层332、以及覆盖包层332的周围的被覆(未图示)，包层332的折射率比纤芯331的折射率低。因此，前方激励光纤33的纤芯331的内部成为传播来自前方激励光源30的激励光的光波导。
16.前方光合并器31具有：纤芯311、覆盖纤芯311的周围的包层312、以及覆盖包层312的周围的被覆313。包层312的折射率比纤芯311的折射率低，在纤芯311的内部形成有传播激励光的光波导。各前方激励光纤33以使得前方激励光纤33的纤芯331位于前方光合并器31的纤芯311的区域内的方式与前方光合并器31熔接连接。在前方激励光纤33与前方光合并器31的熔接连接部的附近，除去了前方激励光纤33的被覆和前方光合并器31的被覆313。由此，由前方激励光源30生成的激励光在前方激励光纤33的纤芯331中传播并导入前方光合并器31的纤芯311，并在前方光合并器31的纤芯311中传播。此外，也可以在前方光合并器31的纤芯311的周围形成空气层，将该空气层用作包层312。
17.本实施方式的高反射部21由形成有光纤布拉格光栅的双包层光纤构成。即，高反射部21具有：纤芯、覆盖纤芯的周围的内侧包层、以及覆盖内侧包层的周围的外侧包层。在熔接连接部25(参照图1)，前方光合并器31的纤芯311(参照图3)与高反射部21的内侧包层光学耦合。另外，在熔接连接部23(参照图1)，放大用光纤20的纤芯201(参照图2)与高反射部21的纤芯光学耦合，放大用光纤20的内侧包层202(参照图2)与高反射部21的内侧包层光学耦合。
18.图4为示意地表示后方光合并器41和后方激励光纤43的剖视图。如图4所示，后方激励光纤43包含：纤芯431、覆盖纤芯431的周围的包层432、以及覆盖包层432的周围的被覆(未图示)，包层432的折射率比纤芯431的折射率低。因此，后方激励光纤43的纤芯431的内部成为传播来自后方激励光源40的激励光的光波导。
19.后方光合并器41具有：纤芯411、覆盖纤芯411的周围的内侧包层412、覆盖内侧包层412的周围的外侧包层413、以及覆盖外侧包层413的周围的覆盖层414。内侧包层412的折射率比纤芯411的折射率低，纤芯411的内部成为传播信号光的光波导。另外，外侧包层413的折射率比内侧包层412的折射率低，纤芯411和内侧包层412的内部成为传播激励光的光波导。各后方激励光纤43以使得后方激励光纤43的纤芯431位于后方光合并器41的内侧包层412的区域内的方式与后方光合并器41熔接连接。在后方激励光纤43与后方光合并器41的熔接连接部的附近，除去了后方激励光纤43的被覆和后方光合并器41的被覆414。另外，也可以在后方光合并器41的内侧包层412的周围形成空气层，将该空气层用作外侧包层413。
20.本实施方式的低反射部22由形成有光纤布拉格光栅的双包层光纤构成。即，低反
射部22具有：纤芯、覆盖纤芯的周围的内侧包层、以及覆盖内侧包层的周围的外侧包层。在熔接连接部26(参照图1)，后方光合并器41的纤芯411(参照图4)与低反射部22的纤芯光学耦合，后方光合并器41的内侧包层412与低反射部22的内侧包层光学耦合。另外，在熔接连接部24(参照图1)，放大用光纤20的纤芯201(参照图2)与低反射部22的纤芯光学耦合，放大用光纤20的内侧包层202(参照图2)与低反射部22的内侧包层光学耦合。
21.如图4所示，在后方光合并器41的端面中央部连接有输出光纤60。该输出光纤60包含：纤芯601(第一纤芯)、和覆盖纤芯601的周围的包层602(第一包层)。包层602的折射率比纤芯601的折射率低，纤芯601的内部成为传播信号光的光波导。例如，输出光纤60的纤芯601的外径为40μm，包层602的外径为125μm。输出光纤60以使得后方光合并器41的纤芯411位于输出光纤60的纤芯601的区域内的方式与后方光合并器41熔接连接。该输出光纤60与后方光合并器41一起收纳于收纳单元12(参照图1)。
22.如图4所示，在输出光纤60的端部连接有传输光纤70。该传输光纤70具有：纤芯701(第二纤芯)、覆盖纤芯701的周围的包层702(第二包层)、以及覆盖包层702的周围的被覆703。包层702的折射率比纤芯701的折射率低，纤芯701的内部成为传播信号光的光波导。例如，传输光纤70的纤芯701的外径为40μm，包层702的外径为400μm。传输光纤70以使得输出光纤60的纤芯601位于传输光纤70的纤芯701的区域内的方式与输出光纤60熔接连接。在输出光纤60与传输光纤70的熔接连接部的附近，除去了传输光纤70的被覆703。
23.传输光纤70的输出光纤60侧的端部收纳于收纳单元12(第一收纳单元)，该传输光纤70从收纳单元12向外部延伸，并在规定的路径中布置后导入收纳单元11(第二收纳单元)。此外，为了减少传输光纤70的损伤，优选在传输光纤70从收纳单元11、12向外部伸出的部分具有被覆703。
24.在收纳单元11中收纳有除去包层模光的作为包层模除去部的包层模除去器80，导入收纳单元11的传输光纤70的端部在熔接连接部81与包层模除去器80连接。作为该包层模除去器80，可采用各种公知的包层模除去结构，利用该包层模除去器80将在传输光纤70的包层702中传播的不需要的包层模光除去。收纳单元11内的包层模除去器80在熔接连接部82与光纤83连接。该光纤83延伸至光束输出端50。
25.在这样的结构中，由各前方激励光源30生成的激励光在前方激励光纤33的纤芯331中传播并导入前方光合并器31的纤芯311。向前方光合并器31的纤芯311导入的激励光通过高反射部21导入放大用光纤20的内侧包层202。另外，由各后方激励光源40生成的激励光在后方激励光纤43的纤芯431中传播并导入到后方光合并器41的内侧包层412。向后方光合并器41的内侧包层412导入的激励光通过低反射部22导入到放大用光纤20的内侧包层202。
26.如图2所示，从前方激励光源30和后方激励光源40导入放大用光纤20的激励光p在放大用光纤20的内侧包层202和纤芯201的内部传播。该激励光p在通过纤芯201时被稀土类元素离子吸收，使该稀土类元素离子被激励而产生自发辐射光。该自发辐射光在高反射部21与低反射部22之间被循环地反射，使特定波长(例如1064nm)的光被放大而产生激光振荡。这样进行了放大的激光(信号光)在放大用光纤20的纤芯201的内部传播，且一部分透过低反射部22。透过了低反射部22的信号光在后方光合并器41的纤芯411中传播，并通过输出光纤60的纤芯601导入传输光纤70的纤芯701。该信号光在传输光纤70的纤芯701中传播并
到达收纳单元11内的包层模除去器80，利用该包层模除去器将不需要的包层模光除去，之后信号光从光束输出端50例如朝向加工对象物射出。
27.在此，为了减少信号光的损失，优选传输光纤70的纤芯701的外径(例如40μm)与输出光纤60的纤芯601的外径(例如40μm)相等。另一方面，传输光纤70的包层702的外径(例如400μm)比输出光纤60的包层602的外径(例如125μm)大。相对于传输光纤70的纤芯701的外径而言，包层702的外径优选为4倍以上25倍以下，更优选为5倍以上14倍以下，进一步优选为约10倍。另外，如果考虑传输光纤70的布置，则传输光纤70的包层702的外径优选为1mm以下。
28.通常，光纤的包层的外径越大，则相对于光纤的弯曲而言的光束品质恶化的程度就越小。在本实施方式中，传输光纤70的包层702的外径比输出光纤60的包层602的外径大，因此即使传输光纤70以在收纳单元12的外部弯曲的状态配置，也能够抑制在传输光纤70的纤芯701中传播的激光的光束品质的恶化，并使光束品质稳定。
29.尤其是对于本实施方式的光纤激光装置1而言，具有后方光合并器41，在该后方光合并器41上除了输出光纤60之外还连接有多个后方激励光纤43。因此，输出光纤60的包层602的外径与后方光合并器41的内侧包层412相比较小。因此，通过如上所述将输出光纤60与具有外径较大的包层702的传输光纤70连接，从而能够有效地抑制在传输光纤70的纤芯701中传播的激光的光束品质的恶化。
30.另外，在本实施方式中，传输光纤70从收纳单元12朝向收纳单元11延伸，因此传输光纤70在收纳单元12与收纳单元11之间弯曲的情况增多。尤其是如本实施方式这样，将收纳单元11和收纳单元12沿上下方向层叠时，需要将传输光纤70弯曲布置。即使这样将传输光纤70以在收纳单元12与收纳单元11之间弯曲的状态配置，也会由于如上述那样传输光纤70的包层702的外径比输出光纤60的包层602的外径大，因此能够抑制在传输光纤70的纤芯701中传播的激光的光束品质的恶化。另外，即使在伴随着维护或装置的移动而产生了振动等干扰的情况下，也会由于传输光纤70的包层702的外径比输出光纤60的包层602的外径大，从而使光束品质不易变动，并成为抗干扰性强的结构。
31.另外，通过如本实施方式这样将收纳单元11～14在上下方向上相邻配置，从而能够减少收纳单元11～14的占用空间。而且，由于将收纳单元11～14在上下方向上相邻配置，因此例如通过将这些收纳单元11～14在框体内以可拉出的方式配置等，从而能够容易地对这些收纳单元11～14进行维护。并且，已知通过缩短光纤的长度能够减少受激拉曼散射，如本实施方式这样将收纳单元11与收纳单元12相邻配置，从而能够缩短从输出光纤60到包层模除去器80的光纤的长度，因此能够减少受激拉曼散射。
32.也可以通过单独的冷却系统对上述收纳单元11～14进行冷却。由此，能够对各收纳单元11～14所收纳的构成要素相互独立地进行冷却。因此，能够有效地减少由于这些构成要素的温度变化而引起的光学特性的变化，并且提高了光纤激光装置的效率。
33.另外，本实施方式的光纤激光装置1具有多个后方激励光源40和后方光合并器41，但是也可以省略后方激励光源40和后方光合并器41。在这种情况下，低反射部22与输出光纤60相互连接。
34.另外，在图示的例子中，收纳单元11～14在上下方向上层叠，但是也可以将收纳单元11～14在水平方向上层叠。
35.作为光纤激光装置，已知还有利用来自激励光源的激励光对来自种子光源的种子光进行放大的mopa光纤激光装置，本发明也能够应用于这样的mopa光纤激光装置。
36.至此，对本发明的优选实施方式进行了说明，但是本发明不限于上述实施方式，当然可以在其技术思想的范围内以各种不同的方式进行实施。
37.如上所述，根据本发明的一方式，提供一种光纤激光装置，其抑制了输出的激光的光束品质恶化并可得到稳定的光束品质。该光纤激光装置具备：放大用光纤，其能够对激光进行放大；至少一个激励光源，其能够生成向上述放大用光纤供给的激励光；输出光纤，其包含传播由上述放大用光纤放大的激光的第一纤芯；和折射率比上述第一纤芯低且覆盖上述第一纤芯的周围的第一包层；传输光纤，其包含与上述输出光纤的上述第一纤芯光学耦合的第二纤芯、和折射率比上述第二纤芯低且覆盖上述第二纤芯的周围的第二包层；以及第一收纳单元，其在内部收纳上述放大用光纤和上述输出光纤。上述传输光纤的上述第二包层的外径比上述输出光纤的上述第一包层的外径大。上述传输光纤从上述第一收纳单元的内部向上述第一收纳单元的外部延伸。
38.根据本发明的一方式，传输光纤的第二包层的外径比输出光纤的第一包层的外径大，因此即使传输光纤以在第一收纳单元的外部弯曲的状态配置，也能够抑制在传输光纤的第二纤芯中传播的激光的光束品质的恶化，并使光束品质稳定。
39.关于上述光纤激光装置，可以是，还具备第二收纳单元，该第二收纳单元在内部收纳将包层模光除去的包层模除去部。该第二收纳单元与上述第一收纳单元分别独立。可以是，上述传输光纤从上述第一收纳单元的内部向上述第一收纳单元的外部延伸，并与上述第二收纳单元的上述包层模除去部连接。在这样的结构中，传输光纤在第一收纳单元与第二收纳单元之间弯曲的情况增多，但是如上所述，即使传输光纤以在第一收纳单元与第二收纳单元之间弯曲的状态配置，也能够抑制在传输光纤的第二纤芯中传播的激光的光束品质的恶化，并使光束品质稳定。
40.在这种情况下，可以将上述第一收纳单元与上述第二收纳单元相邻配置。已知通过缩短光纤的长度能够减少受激拉曼散射，通过这样将第一收纳单元和第二收纳单元相邻配置，从而能够缩短从输出光纤到包层模除去部的光纤的长度，因此能够减少受激拉曼散射。
41.另外，可以是，上述第二收纳单元在上述第一收纳单元的上方或下方相邻配置。如果这样将第一收纳单元和第二收纳单元在上下方向上相邻配置，则能够通过例如将这些收纳单元在框体内以可拉出的方式配置等，从而容易对这些收纳单元进行维护。
42.可以是，上述至少一个激励光源包含在上述放大用光纤的下游侧设置的多个后方激励光源。可以是，上述光纤激光装置还具备：多个后方激励光纤，其传播由上述多个后方激励光源生成的上述激励光；以及后方光合并器，其将由上述多个后方激励光源生成的上述激励光耦合并导入上述放大用光纤。上述后方光合并器具有将上述多个后方激励光纤与上述输出光纤光学耦合的端面。根据这样的结构，在后方光合并器上除了输出光纤之外还连接有多个后方激励光纤，因此输出光纤的第一包层的外径比后方光合并器的上游侧的光纤小。因此，通过如上所述将输出光纤与具有外径较大的第二包层的传输光纤连接，从而能够有效地抑制在传输光纤的第二纤芯中传播的激光的光束品质的恶化。
43.关于上述光纤激光装置，可以是，还具备第三收纳单元，该第三收纳单元在内部收
纳上述至少一个激励光源。该第三收纳单元与上述第一收纳单元分别独立。也可以将第一收纳单元和上述第三收纳单元相邻配置。另外，第三收纳单元也可以与上述第二收纳单元分别独立。根据这样的结构，能够使第一收纳单元和第三收纳单元的冷却系统分别独立，因此能够使第一收纳单元所收纳的放大用光纤和输出光纤、与第三收纳单元所收纳的激励光源相互独立地冷却。因此，能够减少由于这些构成要素的温度变化而引起的光学特性的变化，并且提高了光纤激光装置的效率。
44.根据本发明的一方式，传输光纤的第二包层的外径与输出光纤的第一包层的外径相比较大，因此即使传输光纤以在第一收纳单元的外部弯曲的状态配置，也能够抑制在传输光纤的第二纤芯中传播的激光的光束品质的恶化。
45.本技术基于2020年3月10日提出的日本专利申请特愿2020-041303号，主张该申请的优先权。该申请公开的全部内容通过引用并入本说明书中。工业实用性
46.本发明可应用于使用激励光生成高输出的激光的光纤激光装置。附图标记说明
47.1-光纤激光装置；11-(第二)收纳单元；12-(第一)收纳单元；13-(第三)收纳单元；14-(第三)收纳单元；20-放大用光纤；21-高反射部；22-低反射部；30-前方激励光源；31-前方光合并器；33-前方激励光纤；40-后方激励光源；41-后方光合并器；43-后方激励光纤；50-光束输出端；60-输出光纤；70-传输光纤；80-包层模除去器(包层模除去部)；201、311、331、411、431-纤芯；202、412-内侧包层；203、413-外侧包层；312、332、432-包层；601-(第一)纤芯；602-(第一)包层；701-(第二)纤芯；702-(第二)包层。