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JP3944516B2 - Optical fiber laser - Google Patents
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JP3944516B2 - Optical fiber laser - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバ中に含有させたレーザ活性物質に励起光を供給することによってレーザ発振を行う光ファイバレーザに関する。   The present invention relates to an optical fiber laser that performs laser oscillation by supplying excitation light to a laser active substance contained in an optical fiber.

レーザ加工またはレーザプリントなどレーザエネルギーを利用する分野において、レーザダイオードの使用範囲が広がっているが、レーザビームの形状の問題や出力が比較的小さいという問題があってまだまだ使用できる対象が限られているため、より高出力でより安価なレーザ装置の開発が望まれている。この要請に応じ得るものとして光ファイバレーザが知られている。光ファイバレーザはある種の稀土類金属イオンを注入した光ファイバにより構成されるが、特にシリカをベースとしたクラッド励起ファイバは高度な光増幅能力を有し、しかも100MW/cm水準の光強度でも損傷を受けない。 Laser diodes have been used in a wide range of fields that utilize laser energy, such as laser processing or laser printing, but there are still problems with the shape of the laser beam and the problem that the output is relatively small. Therefore, development of a laser device with higher output and lower cost is desired. An optical fiber laser is known as one that can meet this demand. An optical fiber laser is composed of an optical fiber implanted with a certain rare earth metal ion. In particular, a silica-based clad pumping fiber has a high optical amplification capability and a light intensity of 100 MW / cm 2 level. But no damage.

現在でも数kW級の出力を得ることが可能であるが、このレベルを超える高出力光ファイバレーザを得るためには、ダイオードレーザの光を活性ファイバに効率良く注入するカップリング法が必要である。従来は、カップリング法としてファイバの一端または両端部から励起光を導入する端面励起方式が用いられることが多かった。
端面励起方式では、光ファイバの断面積が小さいため、クラッド励起ファイバ自体よりむしろ励起光の形状が問題となる。また、励起光を導入する場所が最大2カ所しかなく、励起用レーザダイオード(以下、LDと記す)の数を増やすことができないので、LDの輝度を増し出力を上げる他にレーザ装置の高出力化をする方法がなかった。
Even now, it is possible to obtain an output of several kW class, but in order to obtain a high-power optical fiber laser exceeding this level, a coupling method that efficiently injects the light of the diode laser into the active fiber is necessary. . Conventionally, as a coupling method, an end face pumping method in which pumping light is introduced from one end or both ends of a fiber is often used.
In the end face pumping method, since the cross-sectional area of the optical fiber is small, the shape of the pumping light becomes a problem rather than the cladding pumping fiber itself. In addition, there are only two places where pumping light is introduced, and the number of pumping laser diodes (hereinafter referred to as LDs) cannot be increased. There was no way to make it.

これに対し、ファイバ側面から励起光を導入する方式を用いて、端面励起方式より励起光の導入場所を多くすることにより、光ファイバレーザの高出力化が図られている。
レーザファイバの側面から励起光を導入する方法として、レーザファイバ側面にプリズムを融着する方法があるが、この方法は光学的アライメントの精度要求が高く実用的でない。また、レーザファイバのクラッドにV形の溝を設けてここから励起光を導入する方法もあるが、この方法も工作精度の要求が高くまたレーザファイバが折れやすくなる問題があった。
On the other hand, the output of the optical fiber laser is increased by using a method of introducing the pumping light from the side surface of the fiber and increasing the number of pumping light introduction sites as compared with the end face pumping method.
As a method for introducing the excitation light from the side surface of the laser fiber, there is a method of fusing a prism to the side surface of the laser fiber. However, this method is not practical because of high accuracy of optical alignment. In addition, there is a method in which a V-shaped groove is provided in the clad of the laser fiber and the excitation light is introduced from here, but this method also has a problem that the accuracy of the work is high and the laser fiber is easily broken.

これらの障害を克服する方法として、特許文献1に、励起光を導入すべき1本のレーザファイバの側面にフィーディングファイバと呼ばれるファイバを融着しこのフィーディングファイバから励起光の導入を行う方法が開示されている。
特許文献1に開示された方法で形成される結合部は、レーザファイバとフィーディングファイバが出合う位置で径が太くなり先に進むにつれて元の径に戻るようなテーパが付いている。このテーパ形状は励起光がレーザファイバの側面で反射を繰り返す間における損失をできるだけ小さくするためのものである。テーパ形状をしたフィーディングファイバにより励起光を導入する部分を本明細書ではアングルドカプラと呼ぶことにする。
As a method for overcoming these obstacles, Patent Document 1 discloses a method in which a fiber called a feeding fiber is fused to the side surface of one laser fiber into which pumping light is introduced, and pumping light is introduced from the feeding fiber. Is disclosed.
The coupling portion formed by the method disclosed in Patent Document 1 has a taper that increases in diameter at the position where the laser fiber and the feeding fiber meet and returns to the original diameter as it proceeds further. This taper shape is for reducing the loss as much as possible while the excitation light is repeatedly reflected on the side surface of the laser fiber. A portion where excitation light is introduced by a feeding fiber having a tapered shape is referred to as an angled coupler in this specification.

図15は、特許文献1に開示されたアングルドカプラを模式的に表した図面である。
アングルドカプラは直行するレーザファイバに所定の角度でフィーディングファイバを融着したものであり、図から分かるように、フィーディングファイバから供給された励起光がテーパ形状の部分で反射する度にテーパ角αだけ反射面に対する入射角(法線から見た入射方向の角度)が小さくなる。したがって、全反射を重ねて入射角が臨界角より小さくなると全反射が起こらず励起光が漏れ出すようになる。
FIG. 15 is a diagram schematically showing the angled coupler disclosed in Patent Document 1. In FIG.
The angled coupler is made by fusing a feeding fiber at a predetermined angle to an orthogonal laser fiber. As can be seen from the figure, the angled coupler tapers each time the excitation light supplied from the feeding fiber is reflected by the tapered portion. The incident angle with respect to the reflecting surface (angle in the incident direction viewed from the normal line) is reduced by the angle α. Therefore, when total reflection is repeated and the incident angle becomes smaller than the critical angle, total reflection does not occur and the excitation light leaks out.

このため、励起光の全反射条件が破れる前に励起光がテーパ形状の部分、すなわちアングルドカプラ部分を通過して、レーザファイバの励起光導波部分に取り込まれるようにすることが好ましい。
フィーディングファイバとレーザファイバのなす角度を一定にした場合、アングルドカプラにおける励起光の反射回数を少なくするためには、レーザファイバの径を基準としたフィーディングファイバの径をより小さくして、カプラ部分の長さを短くする必要がある。
For this reason, it is preferable that the excitation light passes through the tapered portion, that is, the angled coupler portion and is taken into the excitation light waveguide portion of the laser fiber before the total reflection condition of the excitation light is broken.
When the angle between the feeding fiber and the laser fiber is constant, in order to reduce the number of reflections of the excitation light in the angled coupler, the diameter of the feeding fiber based on the diameter of the laser fiber is made smaller, It is necessary to shorten the length of the coupler portion.

励起光の光源には半導体レーザあるいは半導体レーザアレイが用いられる場合が多いが、通常これらの出力はビーム広がり角が大きく、特に半導体レーザアレイの出力光では集光性が悪い。
したがって、フィーディングファイバの径を小さくすると、励起光源として半導体レーザアレイを使用した場合、半導体レーザアレイからフィーディングファイバへの入射光率が低下するので、ファイバレーザを高出力化することができないという問題があった。
In many cases, a semiconductor laser or a semiconductor laser array is used as a light source for the excitation light, but these outputs usually have a large beam divergence angle, and in particular, the output light of the semiconductor laser array has a poor light condensing property.
Therefore, if the diameter of the feeding fiber is reduced, when the semiconductor laser array is used as an excitation light source, the incident light rate from the semiconductor laser array to the feeding fiber is reduced, so that the output of the fiber laser cannot be increased. There was a problem.

また、広がり角の大きい励起光を小径のフィーディングファイバで伝送すると、フィーディングファイバから出射するときにはビーム広がり角はさらに大きくなるため、カプラからレーザファイバに導入された励起光は全反射条件が破れ易いという問題がある。
一方、カプラ部分での損失を低減させるためレーザファイバの径を太くすると、光ファイバが有する可撓性という特長が失われることになる。
In addition, when pump light with a large divergence angle is transmitted through a small-diameter feeding fiber, the beam divergence angle is further increased when it is emitted from the feeding fiber. Therefore, the pump light introduced from the coupler into the laser fiber breaks the total reflection condition. There is a problem that it is easy.
On the other hand, if the diameter of the laser fiber is increased in order to reduce the loss in the coupler portion, the feature of flexibility of the optical fiber is lost.

なお、励起光を供給するアングルドカプラを多数配設することにより光ファイバレーザの高出力化をすることができる。この場合にレーザの出力をより強化するには、アングルドカプラの間隔をできるだけ短くしてより多くのアングルドカプラを設けるようにすることが好ましい。
しかし、アングルドカプラからレーザファイバに導入された励起光が次のアングルドカプラ位置に到達すると、その部分で全反射条件が破れ、ある割合でファイバ外部に漏れ出てしまう。したがって、複数のアングルドカプラを短い間隔でカスケード状に配設した場合には、アングルドカプラ部分における励起光の漏れのため励起効率が低下する。
Note that by providing a number of angled couplers for supplying pumping light, the output of the optical fiber laser can be increased. In this case, in order to further enhance the laser output, it is preferable to provide as many angled couplers as possible by shortening the interval between the angled couplers.
However, when the excitation light introduced from the angled coupler into the laser fiber reaches the next angled coupler position, the total reflection condition is broken at that portion, and leaks out of the fiber at a certain rate. Therefore, when a plurality of angled couplers are arranged in a cascade at short intervals, excitation efficiency is reduced due to leakage of excitation light in the angled coupler portion.

なお、励起光が漏れる割合は、アングルドカプラの終る位置におけるレーザファイバの断面積に対するフィーディングファイバが融着された部分におけるレーザファイバの断面積の比が大きいほど大きくなる。
上述したように、アングルドカプラによりレーザファイバに励起光を導入するファイバレーザ装置でも、目的の性能を持った装置を製造する場合の条件が厳しく、高出力化しようとすると励起光の導入効率が低下してレーザ効率が劣化するという問題があった。
The rate at which the excitation light leaks increases as the ratio of the cross-sectional area of the laser fiber at the portion where the feeding fiber is fused to the cross-sectional area of the laser fiber at the end of the angled coupler increases.
As described above, even in a fiber laser device that introduces pumping light into a laser fiber by an angled coupler, the conditions for manufacturing a device having the desired performance are strict, and the efficiency of introducing the pumping light is increased when trying to increase the output. There was a problem that the laser efficiency deteriorated due to the decrease.

国際公開第96/20519号パンフレットInternational Publication No. 96/20519 Pamphlet

そこで、本発明が解決しようとする課題は、励起光を効率よく導波路に導入でき、レーザ効率が高く、容易に高出力化でき、かつより容易に設計製造できる光ファイバレーザを提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide an optical fiber laser that can efficiently introduce pumping light into a waveguide, has high laser efficiency, can easily increase output, and can be easily designed and manufactured. is there.

上記課題を解決するため、本発明の光ファイバレーザは、ファイバ中にレーザ活性物質を含み、該レーザ活性物質を励起する励起光とレーザ活性物質に起因するレーザ光とを伝搬し、1端に反射鏡を備え他端よりレーザ光を出力する、コアとクラッドを有して構成される1本のレーザファイバを備えた光ファイバレーザにおいて、レーザファイバは、コイル状に巻回されてコイルを形成し、該コイルの周において少なくとも1カ所で該レーザファイバの隣接部分同士が会合してクラッド同士を接合した接合部を形成し、接合部以外の部分では隣接部分のクラッド同士が相互に分離しており、該接合部の少なくとも1個において、励起光を搬送する光注入導波路の端部が光学的に接合されていて、該励起光をレーザファイバ中に導入することができるようにしたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, an optical fiber laser according to the present invention includes a laser active substance in a fiber, propagates excitation light for exciting the laser active substance and laser light resulting from the laser active substance, and has one end. In an optical fiber laser including a laser fiber that includes a reflecting mirror and outputs laser light from the other end and that includes a core and a cladding, the laser fiber is wound into a coil to form a coil. Then, adjacent portions of the laser fiber meet to join the clads to form a joined portion at least one place around the coil, and the adjacent portions of the clad are separated from each other in the portions other than the joined portion. cage, at least one of the joint portion, the end portion of the optical injection waveguide for conveying the excitation light is being optically joined, to introduce pump light into the laser fiber And it said that it has cut way.

本発明のファイバレーザは、接合部以外の相互に分離した部分はそれぞれ保護膜でコーティングされていることが好ましい。
また、上記接合部において会合させたレーザファイバは、コア同士が並列に配置され相互に接触しないようにすることが好ましい。
さらに、光注入導波路は、上記接合部における屈曲したコアの接線方向から前記励起光を導入するように接続されていてもよい。
The fiber laser of the present invention preferably mutually separated portions other than the joints that are coated with respective protective film.
Moreover, it is preferable that the cores of the laser fibers associated at the joint are arranged in parallel so as not to contact each other.
Furthermore, the light injection waveguide may be connected so as to introduce the excitation light from the tangential direction of the bent core at the joint.

本発明の光ファイバレーザは、コイル状に巻回した光ファイバの隣接部分同士を近寄せて会合する位置にクラッド同士を接合した接合部が形成されていて、光ファイバが会合した部分と分離した部分とを有する。この接合部に光注入導波路を光学的に接続して光ファイバレーザを構成する。
接合部から導入された励起光は、ファイバが分離した部分すなわち独立して保護膜に被覆された部分に達して伝播することになるから、伝播過程での効率的な励起光吸収が実現される。
In the optical fiber laser of the present invention, a joining portion in which the clads are joined is formed at a position where adjacent portions of the optical fibers wound in a coil shape are brought close to each other, and separated from the portion where the optical fibers are associated. And having a part. An optical fiber laser is configured by optically connecting a light injection waveguide to the joint.
The pumping light introduced from the joint part reaches the part where the fiber is separated, that is, the part covered with the protective film independently and propagates, so that efficient pumping light absorption in the propagation process is realized. .

また、光注入導波路はクラッド同士が接合された部分に直接に接続されているから、光注入導波路から供給される励起光は外に漏れず低損失でクラッドに注入され光エネルギの利用効率も向上する。
さらに、光ファイバが分離した部分では、光ファイバを進行する光のクロストークが防止されると共に、光ファイバの放熱性が向上する。
In addition, since the light injection waveguide is directly connected to the portion where the clads are joined together, the excitation light supplied from the light injection waveguide does not leak outside and is injected into the clad with a low loss, so that the utilization efficiency of light energy is improved. Will also improve.
Further, in the portion where the optical fiber is separated, crosstalk of light traveling through the optical fiber is prevented and the heat dissipation of the optical fiber is improved.

本発明の光ファイバレーザを製作するときには、光ファイバコイルの隣り合ったクラッド同士を接合した接合部に光注入導波路の端部を配置して接合すればよく、個々のファイバに励起光導入部材を接続する場合と比べて製造が格段に容易になる。
このように、本発明の光ファイバレーザは、励起光の導入効率が向上し、伝播過程のレーザ活性物質に対する励起光率が向上して、高出力化すると共に、製作がより容易になる。
When the optical fiber laser of the present invention is manufactured, the end of the light injection waveguide may be disposed and joined to the joint portion where the adjacent clads of the optical fiber coil are joined to each other. Manufacture becomes much easier compared to the case of connecting the two.
As described above, the optical fiber laser of the present invention improves the pumping light introduction efficiency, improves the pumping light rate with respect to the laser active material in the propagation process, increases the output, and makes it easier to manufacture.

なお、接合部に光ファイバを会合させるためには光ファイバを屈曲させる必要があるが、この屈曲部を利用してコアの接線方向から励起光を導入するように光注入導入路を接続することができる。クラッドに励起光が入射するときにコアの接線方向から入射させるようにすると、注入された励起光を無駄なく利用することができる。   It is necessary to bend the optical fiber in order to associate the optical fiber with the joint, but the light injection introduction path is connected so as to introduce the excitation light from the tangential direction of the core using this bent portion. Can do. If excitation light is incident on the clad from the tangential direction of the core, the injected excitation light can be used without waste.

以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の光ファイバレーザの1実施例の概略構成図、図2は本実施例における光学カプラ部分の構成を表す平面断面図、図3は図2の光学カプラの動作原理を示す線図、図4と図5は図2の光学カプラの異なる態様の一部断面斜視図、図6は本発明に用いる別の光学カプラの断面図、図7は本実施例における励起光の供給方法の1例を示す構成図、図8は図7における実施例に用いた光注入導波路部分の側面図、図9はその平面図、図10は図7の実施例に用いたレーザファイバの断面を表す斜視図、図11は本実施例に用いる光学カプラをカスケード接続した状態を示す構成図、図12は本発明の光ファイバレーザの別の態様を説明する構成図、図13は本発明のレーザ装置をレーザ加工装置として実施したときの概念図、図14は本発明のレーザ装置をレーザプリンタに適用した実施例の斜視図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of one embodiment of an optical fiber laser according to the present invention, FIG. 2 is a plan sectional view showing the configuration of an optical coupler portion in this embodiment, and FIG. 3 is a diagram showing the operation principle of the optical coupler of FIG. 4, FIG. 4 and FIG. 5 are partially sectional perspective views of different modes of the optical coupler of FIG. 2, FIG. 6 is a sectional view of another optical coupler used in the present invention, and FIG. 7 is a method of supplying excitation light in this embodiment. FIG. 8 is a side view of a light injection waveguide portion used in the embodiment of FIG. 7, FIG. 9 is a plan view thereof, and FIG. 10 is a cross section of the laser fiber used in the embodiment of FIG. FIG. 11 is a block diagram showing a state in which optical couplers used in this embodiment are cascade-connected, FIG. 12 is a block diagram for explaining another aspect of the optical fiber laser of the present invention, and FIG. FIG. 14 is a conceptual diagram when the laser device is implemented as a laser processing device. The laser device of the invention is a perspective view of an example of application to a laser printer.

本実施例の光ファイバレーザは、図1に示すように、何重かのコイル状に巻いた1本のレーザファイバ2から形成されている。レーザファイバ2は会合する適当な位置で保護膜を剥いでクラッド部分同士が接合され接合部4を形成する。接合部4には、光注入導波路1が上流側の股の部分に挿入され固定されて光学カプラが形成されていて、図外の光源で発生する励起光をレーザファイバ2の中に導入する。   As shown in FIG. 1, the optical fiber laser of this embodiment is formed of a single laser fiber 2 wound in a coil shape. In the laser fiber 2, the protective film is peeled off at an appropriate position where the laser fibers 2 meet, and the clad portions are bonded together to form a bonded portion 4. In the junction 4, the optical injection waveguide 1 is inserted and fixed in the crotch portion on the upstream side to form an optical coupler, and pump light generated by a light source (not shown) is introduced into the laser fiber 2. .

レーザファイバ2はマルチモードでもシングルモードでも良く、例えばシリカを主成分とし外周を屈折率の低いポリマーでコーティングしてある。
レーザファイバ2のコア3にはレーザ活性物質が含まれていて、光注入導波路1から注入されてレーザファイバ2中を伝搬する励起光によりレーザ光が励起される。レーザファイバ2中に発生したレーザ光は、レーザファイバ2の1端に設けられた反射鏡5で反射し、他端に設けられた放射口6から放出される。
光学カプラはレーザファイバ2が形成するコイルの随所に配設され、1カ所当たりでは比較的小さな励起光光源でも、総合すると十分大きな励起光エネルギーがレーザファイバ2中に導入できるようになっている。
The laser fiber 2 may be multimode or single mode, and for example, silica is the main component and the outer periphery is coated with a polymer having a low refractive index.
The core 3 of the laser fiber 2 contains a laser active substance, and the laser light is excited by the excitation light injected from the light injection waveguide 1 and propagating through the laser fiber 2. The laser light generated in the laser fiber 2 is reflected by a reflecting mirror 5 provided at one end of the laser fiber 2 and emitted from a radiation port 6 provided at the other end.
The optical couplers are disposed at various positions of the coil formed by the laser fiber 2, and a sufficiently large excitation light energy can be introduced into the laser fiber 2 as a whole even with a relatively small excitation light source per place.

本実施例の光ファイバレーザに用いられる光学カプラは2本のレーザファイバ2,2’が一旦接合してその後再び分離していて、図2に拡大して示すように、2本のレーザファイバ2,2’はクラッド部分で融着して接合部4を形成しているがコア部分3,3’は交差することなくそれぞれ独立に上流から下流に連続して光を伝搬するようになっている。励起光すなわちポンピングレーザを注入する光注入導波路1は、接合部4の上流側に光注入導波路1の中心軸がレーザファイバ2,2’の接合面に含まれるように配置され、それぞれレーザファイバ2,2’に接する部分で光学的に接合されている。
なお、レーザファイバ2,2’はポリマーコーティングを剥がして露出させたクラッド部分同士を接触させて、例えば融着することで接合される。接合後の境界は融合して明瞭でなくなる場合が多い。
The optical coupler used in the optical fiber laser of the present embodiment is such that the two laser fibers 2 and 2 'are once joined and then separated again. As shown in FIG. , 2 'are fused at the clad portion to form the joint 4, but the core portions 3 and 3' are configured to propagate light independently from upstream to downstream without crossing each other. . The light injection waveguide 1 for injecting pumping light, that is, a pumping laser, is arranged on the upstream side of the joint 4 so that the central axis of the light injection waveguide 1 is included in the joint surface of the laser fibers 2 and 2 ′. It is optically bonded at the portion in contact with the fibers 2 and 2 ′.
The laser fibers 2 and 2 ′ are bonded by bringing the clad portions exposed by peeling the polymer coating into contact with each other, for example, by fusing. The boundary after joining often merges and becomes unclear.

レーザファイバ2,2’には既に存在するレーザ光がコア3,3’の中を上流方向2、2’から下流方向に向かって流れている。光注入導波路1から注入されたポンピングレーザはレーザファイバ毎にほぼ半割されてそれぞれのレーザファイバ2,2’に導入され、主にクラッド部分を下流方向に流れ下る間にレーザ活性物質を励起してレーザ発光させ、レーザファイバ中のレーザ光を増幅させる。
なお、この光学カプラにおけるレーザファイバ2,2’は、1本のレーザファイバが同じ位置に戻ってきて接合されたものである。図1では2重に巻いた状態を示しているが、レーザファイバ2の必要長や励起光注入の必要回数などに基づいてコイルターン数を適当に選択することができる。
Laser light already present in the laser fibers 2 and 2 ′ flows through the cores 3 and 3 ′ from the upstream direction 2 and 2 ′ toward the downstream direction. The pumping laser injected from the optical injection waveguide 1 is almost halved for each laser fiber and introduced into the respective laser fibers 2 and 2 ', and the laser active material is mainly excited while flowing downstream in the cladding portion. The laser light is emitted to amplify the laser light in the laser fiber.
The laser fibers 2 and 2 ′ in this optical coupler are obtained by joining one laser fiber back to the same position. Although FIG. 1 shows a double-wound state, the number of coil turns can be appropriately selected based on the required length of the laser fiber 2 and the required number of excitation light injections.

また、本実施例における光学カプラでは、光注入導波路1はマルチモードの光導波路が好ましい。
レーザファイバ2,2’に含ませるレーザ活性物質には、イッテルビウムイオンYb3+、ネオジムイオンNd3+、エルビウムイオンEr3+を加えたイッテルビウムイオンYb3+/Er3+、あるいはツリウムイオンTm3+、ホルミウムイオンHo3+を加えたツリウムイオンTm3+/Ho3+、その他遷移金属類のイオンがよく用いられる。レーザ活性物質の濃度は普通10分の数mol%から数mol%である。
レーザ活性イオンはコア3に含有させても良いが、コア3を囲む鞘を形成し、その鞘部分に含有させてもよい。
In the optical coupler of this embodiment, the light injection waveguide 1 is preferably a multimode optical waveguide.
The laser active material to be contained in the laser fiber 2,2 ', ytterbium ion Yb 3+, neodymium ions Nd 3+, erbium ions Er 3+ was added ytterbium ion Yb 3+ / Er 3+, or thulium ions Tm 3+, holmium ions Ho 3+ Thrium ion Tm 3+ / Ho 3+ to which is added, and other transition metal ions are often used. The concentration of the laser active substance is usually from several mol% to several mol% for 10 minutes.
The laser active ion may be contained in the core 3, but a sheath surrounding the core 3 may be formed and contained in the sheath portion.

このようなレーザ活性イオンは光学カプラから注入されてレーザファイバ中を伝搬されている励起光によって励起されるとレーザを発生し、発生したレーザ光はコア中を伝搬し一方に進行したレーザ光は放射口6から射出し、他方に進行したレーザ光も終端に設置された反射鏡5で反射して再びコア3中を伝搬し同じ放射口6から射出される。   When such laser active ions are injected from the optical coupler and excited by the excitation light propagating through the laser fiber, a laser is generated. The generated laser light propagates through the core and the laser light that has traveled in one direction is The laser beam emitted from the radiation port 6 and proceeding to the other side is also reflected by the reflecting mirror 5 installed at the terminal, propagates through the core 3 again, and is emitted from the same radiation port 6.

光学カプラで注入するポンピングレーザの光強度が小さいときは、光ファイバコーティングの熱的安定性に対する要求が緩和される。ファイバレーザでは励起光強度は100kW/cm程度あれば十分であるから、ソフトガラスあるいは場合によっては高分子材料を使用して光ファイバを接合部に固定するようにしてもよい。
たとえば、シリカ製の光ファイバ2,2’の接合部分に、同じくシリカ製の励起光注入用光ファイバ1を紫外線硬化性接着剤を介してくさび状に差し込んで融着する。なお、光ファイバ1,2,2’を紫外線硬化型アクリル樹脂でコーティングしておいて、会合させて融着させることもできる。
When the light intensity of the pump laser injected by the optical coupler is low, the requirement for thermal stability of the optical fiber coating is relaxed. In the case of a fiber laser, it is sufficient that the excitation light intensity is about 100 kW / cm 2. Therefore, the optical fiber may be fixed to the joint using soft glass or, in some cases, a polymer material.
For example, the silica excitation light injection optical fiber 1 is inserted in a wedge shape through a UV curable adhesive and fused to the joining portion of the silica optical fibers 2 and 2 '. It is also possible to coat the optical fibers 1, 2, 2 ′ with an ultraviolet curable acrylic resin, and to associate and fuse them.

また、上記接着剤の代わりにシリカの屈折率に近い屈折率を持つフルオロフォスフェートやBK7などのソフトガラスを用いてシリカ製光ファイバ1,2,2’同士を融着させることもできる。
なお、レーザファイバ2,2’はコアとクラッドの間に、シリカにフッ素、ゲルマニウムあるいはリンなどを加えて形成したソフトな環状緩衝層を設けておいて、溶融時にコアが変形しないようにしても良い。緩衝層があると光受入ファイバ2,2’を融着して接合部を形成するときや、接合部に光注入ファイバ1を直接的に溶融接続させるときにコア形状が保全できるので安全である。
Further, the silica optical fibers 1, 2, 2 ′ can be fused to each other using soft phosphate such as fluorophosphate having a refractive index close to that of silica or BK7 instead of the adhesive.
The laser fibers 2 and 2 'are provided with a soft annular buffer layer formed by adding fluorine, germanium, phosphorus, or the like to silica between the core and the clad so that the core does not deform during melting. good. The buffer layer is safe because the core shape can be maintained when the light receiving fibers 2 and 2 'are fused to form a joint, or when the light injection fiber 1 is directly melt-connected to the joint. .

光学カプラにおける別の接合方法では、励起光を導入する光注入ファイバ1をソフトガラスで形成し、シリカを主成分とする光受入ファイバ2,2’の接合部分に挿入し、挿入部分先端を溶融して固定する。この方法は使用する材料の種類が少なくまた工法が簡単になる利点がある。   In another joining method in the optical coupler, the light injection fiber 1 for introducing the pumping light is formed of soft glass, inserted into the joining portion of the light receiving fibers 2 and 2 ′ mainly composed of silica, and the tip of the insertion portion is melted. And fix. This method has the advantage that the number of materials used is small and the construction method is simple.

レーザファイバ32の全長は数mから数100mにおよぶ。
従って、個々のレーザダイオードアレイの出力が小さくても光学カプラの数が多ければ十分強いレーザ光を得ることができる。
なお、同じ構成を伝搬中に信号光を増幅する光ファイバに適用することもできることは言うまでもない。
The total length of the laser fiber 32 ranges from several meters to several hundred meters.
Therefore, even if the output of each laser diode array is small, a sufficiently strong laser beam can be obtained if the number of optical couplers is large.
Needless to say, the same configuration can be applied to an optical fiber that amplifies signal light during propagation.

次に、図3を用いて本実施例の光学カプラにおいて高い光導入効率が得られる条件を説明する。
図3において、図面上側のレーザファイバ2と図面下側のレーザファイバ2’が接合している接合部分に光注入導波路1がくさび状に介装されている。レーザファイバ2と光注入導波路1がなす交差角をαとすると、レーザファイバ2は上流側で光注入導波路1と接する位置から緩やかな円弧を描いて接合面に達する。このときこの円弧を見込む角はαになる。
Next, conditions for obtaining high light introduction efficiency in the optical coupler of this embodiment will be described with reference to FIG.
In FIG. 3, a light injection waveguide 1 is interposed in a wedge shape at a joint portion where a laser fiber 2 on the upper side of the drawing and a laser fiber 2 ′ on the lower side of the drawing are joined. If the crossing angle formed by the laser fiber 2 and the light injection waveguide 1 is α, the laser fiber 2 reaches a joint surface by drawing a gentle arc from a position in contact with the light injection waveguide 1 on the upstream side. At this time, the angle at which this arc is viewed is α.

注入された光の全てがレーザファイバ2の下流側直線部分に達するようにすれば、最も有効にレーザファイバ2に供給することができる。すなわち、光注入導波路1からレーザファイバ2に入射する注入光が光学カップル部分が始まる位置Cから接合部が終わる位置Cまで走行する間に注入光の縁部がレーザファイバ2の壁に達しなければよい。 If all of the injected light reaches the downstream straight portion of the laser fiber 2, it can be supplied to the laser fiber 2 most effectively. That is, while the injection light incident on the laser fiber 2 from the light injection waveguide 1 travels from the position C 0 where the optical coupling portion starts to the position C 1 where the joint ends, the edge of the injection light reaches the wall of the laser fiber 2. If you don't reach it,

そこで、レーザファイバ2への注入光の広がり角(半分角)をβ、光注入導波路1の幅をTfeed、レーザファイバ2の幅をTfiberとすると、
tanβ<Tfiber−Tfeed/2
であればよい。
ところで、レーザファイバ2の曲率半径をrとすれば、
=rsinα。
また、
Tfeed/2=r(1−cosα)
であるから、
=Tfeed(sinα/2(1−cosα))
=(Tfeed/2)×tan(α/2)。
従って、R=Tfeed/Tfiberとおくと、
tanβ<tan(α/2)×(2/R−1)
であることが、注入された光を無駄なく利用するための十分条件であることが分かる。また、下側のレーザファイバ2’は接合面を挟んで対称であるから、全く同じ条件が成立する。
Therefore, when the spread angle (half angle) of the injection light into the laser fiber 2 is β, the width of the light injection waveguide 1 is Tfeed, and the width of the laser fiber 2 is Tfiber,
C 0 C 1 tanβ <Tfiber-Tfeed / 2
If it is.
By the way, if the radius of curvature of the laser fiber 2 is r,
C 0 C 1 = rsin α.
Also,
Tfeed / 2 = r (1-cosα)
Because
C 0 C 1 = Tfeed (sin α / 2 (1-cos α))
= (Tfeed / 2) x tan (α / 2).
Therefore, if R = Tfeed / Tfiber,
tanβ <tan (α / 2) × (2 / R-1)
It is understood that this is a sufficient condition for using the injected light without waste. Further, since the lower laser fiber 2 'is symmetrical with respect to the joining surface, exactly the same conditions are established.

上記の関係式から、交差角αが大きくなるほど、また幅比Rが小さいほど最大広がり角βが大きくなり、かなり大きな広がり角βを有する光でも、光導波路の幅や交差角を選択することにより効率よく光注入できることが分かる。
このように、本発明の光学カプラは個々の光導波路形状を問題とせず接合部の形状が重要になる。従って光学カプラにおけるレーザファイバや光導波路の設計が自由になる利点も有する。
From the above relational expression, the larger the crossing angle α and the smaller the width ratio R, the larger the maximum divergence angle β, and even for light having a considerably large divergence angle β, by selecting the width and crossing angle of the optical waveguide It can be seen that light can be injected efficiently.
Thus, in the optical coupler of the present invention, the shape of the joint is important without considering the shape of each optical waveguide. Therefore, there is an advantage that the design of the laser fiber and the optical waveguide in the optical coupler is free.

なお、上式における交差角αは、最終的にはレーザファイバ2が描く円弧に拘束されず、光注入導波路1の先端の角度を代表する指標になっている。したがってレーザファイバ2は円弧を描いて接合する必要はなく、光注入導波路1と平面で接触し接合していても良い。この場合は、光注入導波路1の幅Tfeedとして、レーザファイバ2との接合が始まる位置Cにおける幅を採用すればよい。 Note that the crossing angle α in the above formula is not constrained by the arc drawn by the laser fiber 2 in the end, and is an index representing the angle of the tip of the light injection waveguide 1. Therefore, the laser fiber 2 does not need to be joined by drawing an arc, and may be in contact with and joined to the light injection waveguide 1 in a plane. In this case, the width Tfeed light injector waveguide 1, may be employed width at the position C 0 where joining of the laser fiber 2 begins.

本実施例における最も簡単な光学カプラは、上下各1本のレーザファイバ2,2’の接合部4に光を供給する注入光ファイバ1を嵌入させたものである。受入光ファイバ2,2’は矩形断面を有し、中心にレーザ活性物質を含有するコア3,3’が配置され、2本の光ファイバ2,2’が接合する部分の上流にくさび状に注入光ファイバ1が嵌装されている。   The simplest optical coupler in the present embodiment is one in which an injection optical fiber 1 for supplying light is inserted into the joint 4 of each of the upper and lower laser fibers 2 and 2 '. The receiving optical fibers 2 and 2 ′ have a rectangular cross section, and a core 3 and 3 ′ containing a laser active substance is disposed at the center. The receiving optical fibers 2 and 2 ′ are wedge-shaped upstream of a portion where the two optical fibers 2 and 2 ′ are joined. An injection optical fiber 1 is fitted.

図4と図5は、本実施例で用いられる各種態様の光学カプラの一部断面斜視図である。図は、光学カプラの受入導波路と注入導波路が接合されている部分で切断した状態を示す。
図4に示すものは、上下1層の受入導波路にそれぞれ複数のレーザファイバが並列に接合されていて、それぞれのレーザファイバが1本の注入導波路に直接接触するようになっている光学カプラである。この態様の光学カプラでは1本の注入導波路1から各レーザファイバ2,2’に直接的に励起光が注入されるようになっている。
4 and 5 are partial sectional perspective views of various types of optical couplers used in this embodiment. The figure shows a state where the optical waveguide is cut at a portion where the receiving waveguide and the injection waveguide are joined.
FIG. 4 shows an optical coupler in which a plurality of laser fibers are joined in parallel to one upper and lower receiving waveguides, and each laser fiber is in direct contact with one injection waveguide. It is. In the optical coupler of this aspect, excitation light is directly injected from the single injection waveguide 1 into the laser fibers 2 and 2 '.

各レーザファイバはレーザプリンタに用いる場合のようにそれぞれ独立したものであってもよいが、1本の光ファイバが多重のループを形成しているときに光学カプラの位置で会合して接合部を形成するようにしても良い。後者のような使用方法は、ファイバレーザなどで必要な量の励起光を分割して注入するようにして、1カ所で注入する励起光エネルギーを小さくしながら積算した光量を大きくすることにより全体として大出力化する場合などに効果が大きい。   Each laser fiber may be independent as used in a laser printer. However, when one optical fiber forms a multiple loop, it joins at the position of the optical coupler to form a joint. You may make it form. In the latter method, the necessary amount of pumping light is divided and injected by a fiber laser or the like, and the integrated light quantity is increased while the pumping light energy injected at one place is reduced, so that the total amount is increased. Greatly effective when increasing output.

図5に示した光学カプラは、上下の光受入導波路2,2’にそれぞれ複数のレーザファイバが垂直方向に層状に接合されていて、1本の光注入ファイバ1から供給される励起光が内層から外層のレーザファイバに適当に配分されるようになっている。なお、通常はクラッド同士の接合面は融合して光学的な障壁にならないので、励起光は外層のレーザファイバまで容易に到達し、実質的に光受入導波路の幅が大きくなったと同じことになる。   In the optical coupler shown in FIG. 5, a plurality of laser fibers are joined in layers in the vertical direction to the upper and lower light receiving waveguides 2 and 2 ′, respectively, and excitation light supplied from one light injection fiber 1 is received. It is appropriately distributed from the inner layer to the outer layer laser fiber. Usually, the joint surfaces of the clads are not fused together to form an optical barrier, so that the excitation light easily reaches the outer layer laser fiber, which is substantially the same as the width of the light receiving waveguide is increased. Become.

励起光として半導体レーザから放射されるレーザ光を用いる場合は、レーザ光の広がり角βが光軸に対して対称でないので、広がり角の大きくなる方向にレーザファイバを積層すると受光効率が良くなりレーザ効率も向上する。
また、複数のレーザファイバ2を層状に接合し、各層間に光注入ファイバ1をくさび状に嵌入したものも使用できる。このような態様のものは励起光レーザの出力が小さい場合にも、総合した注入エネルギーが大きくなるのでレーザ効率が向上する。
When laser light emitted from a semiconductor laser is used as pumping light, the laser beam spread angle β is not symmetric with respect to the optical axis. Efficiency is also improved.
Further, a plurality of laser fibers 2 joined in layers and a light injection fiber 1 inserted in each layer in a wedge shape can be used. In such an embodiment, even when the output of the excitation light laser is small, the total injection energy becomes large, so that the laser efficiency is improved.

図6はより多数のレーザファイバを会合させて形成した光学カプラの1例における断面を表す図面である。レーザファイバ層2が多層に形成されていて、各層のレーザファイバ層にそれぞれ複数のレーザファイバが並列に接合されている。各層のレーザファイバ層2に挟まれてくさび形の光注入ファイバが設けられる。レーザファイバ同士の境界面7およびレーザファイバ層と光注入ファイバの境界面8は融合している。
このような構造により、多数のレーザファイバを会合させて1カ所で光導入することができる。
FIG. 6 is a sectional view showing an example of an optical coupler formed by associating a larger number of laser fibers. The laser fiber layer 2 is formed in multiple layers, and a plurality of laser fibers are bonded in parallel to each of the laser fiber layers. A wedge-shaped light injection fiber is provided between the laser fiber layers 2 of each layer. The boundary surface 7 between the laser fibers and the boundary surface 8 between the laser fiber layer and the light injection fiber are fused.
With such a structure, a large number of laser fibers can be assembled and light can be introduced at one place.

図7から図10は、本実施例のレーザファイバに光学カプラを用いて励起レーザ光を供給するようにした1構成例におけるレーザ光供給部分を表した図面である。
図7は、レーザ光供給部分を表した斜視図である。
光注入導波路11は、後端が集光レンズの機能を有する曲面15をなし、先端が先鋭なくさび状になったレンズダクトである。複数のレーザファイバ12が上下の層に分かれて集合し、層毎にそれぞれ並列に接合され、さらに上下層が接合されて接合部13を形成している。レンズダクト11のくさび状先端部は接合部13に嵌入して、先端から所定の領域部分14がレーザファイバ表面と融着している。
FIGS. 7 to 10 are diagrams showing a laser light supply portion in one configuration example in which excitation laser light is supplied to the laser fiber of this embodiment using an optical coupler.
FIG. 7 is a perspective view showing a laser beam supply portion.
The light injection waveguide 11 is a lens duct whose rear end is a curved surface 15 having a function of a condensing lens and whose tip is sharp and wedge-shaped. A plurality of laser fibers 12 are divided into upper and lower layers and assembled, and each layer is bonded in parallel, and the upper and lower layers are further bonded to form a bonded portion 13. The wedge-shaped tip end portion of the lens duct 11 is fitted into the joint portion 13, and a predetermined region portion 14 is fused to the laser fiber surface from the tip end.

レンズダクト11の後端部レンズ15の後ろには、レーザダイオードを縦横に重層したダイオードアレイ16が配設されている。ダイオードアレイ16は横L’縦L’の方形発光面を有し、面積で1cmから数cm程度の大きさがある。発光面に行列したレーザダイオードは幅1μm程度、長さ100から200μm程度の細長い発光領域を持っていて、レーザダイオードから放射されるレーザ光は発光領域に対して垂直方向に広がり角が大きい。発光面の前面に装着された円柱形や非球面形の収束用マイクロレンズ17がレーザダイオードの発光領域からのレーザ光をそれぞれ垂直方向に収束する。 A diode array 16 in which laser diodes are stacked vertically and horizontally is disposed behind the rear end lens 15 of the lens duct 11. The diode array 16 has a rectangular light emitting surface of horizontal L 1 'longitudinal L 2 ', and has an area of about 1 cm 2 to several cm 2 in area. The laser diodes lined up on the light emitting surface have an elongated light emitting region having a width of about 1 μm and a length of about 100 to 200 μm, and the laser light emitted from the laser diode spreads in a direction perpendicular to the light emitting region and has a large angle. A cylindrical or aspherical converging microlens 17 mounted on the front surface of the light emitting surface converges the laser light from the light emitting region of the laser diode in the vertical direction.

マイクロレンズ17を通過して適当な広がり角を持つようになったレーザ光は、さらに水平長さL垂直長さLのレンズ曲面15で収束してレンズダクト11内に取り込まれる。
ポンピングレーザがダイオードアレイ16からレンズ曲面15まで伝搬する間のパワー密度増幅率は、
Mlaunch=ηlaunch L'L'/L (1−a)
となる。ここで、ηlaunchは伝達効率で、通常0.95程度が見込める。
The laser beam that have become appropriate spread angle through the microlens 17 is incorporated in the lens duct 11 and further converged by the curved lens surface 15 of the horizontal length L 1 vertical length L 2.
The power density gain during the propagation of the pump laser from the diode array 16 to the lens curved surface 15 is
Mlaunch = ηlaunch L 1 'L 2 ' / L 1 L 2 (1-a)
It becomes. Here, ηlaunch is a transmission efficiency and is normally expected to be about 0.95.

図8はレンズダクト11部分の側面図である。垂直長さLの曲面レンズ15に入射する垂直方向に広がったポンピングレーザをレンズダクト11に取り込んで、直接にあるいはレンズダクト11の壁で反射して、くさび状になった先端部に集光する。
図9はレンズダクト11部分の平面図である。水平長さLの曲面レンズ15に入射する水平方向に広がったポンピングレーザをレンズダクト11に取り込んで、水平方向に収縮し先端部に集光する。
FIG. 8 is a side view of the lens duct 11 portion. Capturing a pumping laser spread vertically incident on the curved lens 15 of the vertical length L 2 in the lens duct 11, is reflected by directly or walls of the lens duct 11, the condenser to the tip becomes wedge To do.
FIG. 9 is a plan view of the lens duct 11 portion. Capturing a pumping laser spread horizontally incident on the curved lens 15 of the horizontal length L 1 in the lens duct 11 is condensed on the tip portion contracts in the horizontal direction.

レンズダクト11の先端部に到達したレーザ光は、光ファイバ表面と融着している領域部分14から光ファイバ12に注入される。
レンズダクト11からポンピングレーザは水平長さl垂直長さlの接合部13に注入されるから、レンズダクト11におけるパワー密度増幅率は、
Mduct=ηduct L/l (1−b)
となる。ここで、ηductはレンズダクトの伝達効率で、特殊な表面コーティングがなくても通常0.80以上が見込める。
The laser light that reaches the tip of the lens duct 11 is injected into the optical fiber 12 from the region portion 14 that is fused to the surface of the optical fiber.
Since the pumping laser is injected from the lens duct 11 into the junction 13 having the horizontal length l 1 and the vertical length l 2 , the power density amplification factor in the lens duct 11 is
Mduct = ηduct L 1 L 2 / l 1 l 2 (1-b)
It becomes. Here, ηduct is the transmission efficiency of the lens duct, and even if there is no special surface coating, 0.80 or more is normally expected.

また、図10はレーザファイバ12を切断して斜め上方から見た斜視図である。幅a高さaのクラッド部分の中心に直径2rのコアが通っている。
接合部に注入されたポンピングレーザは半径rのコアに吸収されてレーザ活性物質を励起するので、この間のパワー密度増幅率は、
Mcp=ηcp l /πr (1−c)
となる。ここで、ηcpはクラッドポンプ型結合部における伝達効率で、0.50程度の値が見込める。
FIG. 10 is a perspective view of the laser fiber 12 cut and viewed obliquely from above. Core diameter 2r runs through the center of the cladding portion of the width a 1 Height a 2.
Since the pumping laser injected into the junction is absorbed by the core of radius r and excites the laser active material, the power density gain during this period is
Mcp = ηcp l 1 l 2 / πr 2 (1-c)
It becomes. Here, ηcp is a transmission efficiency in the clad pump type coupling portion, and a value of about 0.50 can be expected.

結局、全体としてのパワー密度増幅率は、
M=Mlaunch×Mduct×Mcp
=ηlaunch×ηduct×ηcp×L'L'/πr (2)
と表すことができる。各効率の積だけ増幅率が小さくなるが、典型的な例では約40%の総合効率があり、面積1cm出力密度1kW/cmのダイオードアレイを用いたときに、半径25μm、面積約2×10−3mmのコアの出力密度は約20MW/cmとなる。
After all, the power density gain as a whole is
M = Mlaunch × Mduct × Mcp
= Ηlaunch × ηduct × ηcp × L 1 'L 2 ' / πr 2 (2)
It can be expressed as. The amplification factor is reduced by the product of each efficiency. In a typical example, the total efficiency is about 40%. When a diode array having an area of 1 cm 2 and an output density of 1 kW / cm 2 is used, a radius of 25 μm and an area of about 2 are used. The power density of the core of × 10 −3 mm 2 is about 20 MW / cm 2 .

上記のような光学カプラは、接合部にポンピングレーザを注入するので、従来の端面注入型カップリングのようにレーザファイバ自体の断面形状によらない利点がある。また、ポンピングレーザ注入位置におけるパワー密度が小さいため熱因的欠損が生じにくい。これら利点により、レーザファイバや光注入ファイバの設計や製造が容易である。   The optical coupler as described above has an advantage that it does not depend on the cross-sectional shape of the laser fiber itself, unlike the conventional end face injection type coupling, since the pumping laser is injected into the junction. Further, since the power density at the pumping laser injection position is small, heat-induced defects are unlikely to occur. These advantages make it easy to design and manufacture laser fibers and light injection fibers.

なお、接合部の最小寸法は開口数などから下記のようにして決められる。
1,min=LNA/NA (3−a)
2,min=LNA/NA (3−b)
ここで、NAは水平方向の入射光開口数で典型的には1程度、NAは垂直方向の入射光開口数で約10、NAはレーザファイバ12の開口数で屈折率1.45のシリカ製クラッドと屈折率1.38のコーティングを使用した普通の光ファイバで0.45程度である。
上式に従えば、マイクロレンズ17で垂直方向のコリメーションを行うことにより、大きなテーパを取れるようになる。
In addition, the minimum dimension of a junction part is determined as follows from numerical aperture.
l 1, min = L 1 NA s / NA (3-a)
l 2, min = L 2 NA f / NA (3-b)
Here, NA f is typically about 1 as the numerical aperture of the incident light in the horizontal direction, NA s is about 10 as the numerical aperture of the incident light in the vertical direction, and NA is the numerical aperture of the laser fiber 12 and has a refractive index of 1.45. An ordinary optical fiber using a silica clad and a coating with a refractive index of 1.38 is about 0.45.
According to the above formula, a large taper can be obtained by performing collimation in the vertical direction with the microlens 17.

上記光学カプラはカスケード状に配設することができる。光学カプラをカスケード状に配設して、1本の光ファイバに必要とされる導入光を分割して供給することにより、供給部1カ所当たりの注入エネルギーを小さくすることができる。注入エネルギーが小さければ励起光を発生するレーザダイオードアレイは小型でよく、また注入箇所におけるエネルギーの集中も緩和されるため構造上の条件も緩くなって製造が容易になる利点がある。   The optical couplers can be arranged in cascade. By arranging the optical couplers in a cascade and dividing and supplying the introduction light required for one optical fiber, the injection energy per one supply section can be reduced. If the injection energy is small, the laser diode array that generates the excitation light may be small, and the concentration of energy at the injection site is reduced, so that there are advantages in that the structural conditions are relaxed and the manufacture is facilitated.

図11は、レーザファイバに励起光を加算的に注入するために、光学カプラを直列に配設した状態を示す模式図である。
第1のレーザファイバ22は第2のレーザファイバ23と融着して第1の接合部24を形成した後に分離して、再び下流で第2の接合部24’を形成する。マルチモードの光注入ファイバ21,21’は第1接合部24と第2接合部24’にそれぞれ上流側から介装され融着等で固定されている。
接合部24,24’では第1のレーザファイバ22と第2のレーザファイバ23のクラッド同士は互いに融着しているが、第1レーザファイバ22のコア25と第2レーザファイバ23のコア26は互いに融合することなくそれぞれのレーザファイバの中に把持されている。
FIG. 11 is a schematic diagram showing a state in which optical couplers are arranged in series in order to additionally inject excitation light into a laser fiber.
The first laser fiber 22 is fused with the second laser fiber 23 to form the first joint 24, and then separated to form the second joint 24 'downstream again. The multi-mode light injection fibers 21 and 21 ′ are interposed from the upstream side in the first joint portion 24 and the second joint portion 24 ′, respectively, and fixed by fusion or the like.
In the joints 24 and 24 ′, the clads of the first laser fiber 22 and the second laser fiber 23 are fused to each other, but the core 25 of the first laser fiber 22 and the core 26 of the second laser fiber 23 are It is held in each laser fiber without fusing together.

第1の光注入ファイバ21から注入された光は第1レーザファイバ22と第2レーザファイバ23とに分割されて伝搬し、さらに第2の光注入ファイバ21’から注入される光を合体して増強されて下流に伝搬していく。第1レーザファイバ22と第2レーザファイバ23は1本の連続したレーザファイバであって、レーザファイバをループ状に巻回して会合したところに光学カプラを設けることにより、1カ所毎の励起光注入量は小さくてもレーザファイバ全長に亘って集積された励起光注入量が大きくなる。   The light injected from the first light injection fiber 21 is divided into the first laser fiber 22 and the second laser fiber 23 and propagates, and the light injected from the second light injection fiber 21 ′ is combined. It is enhanced and propagates downstream. The first laser fiber 22 and the second laser fiber 23 are one continuous laser fiber, and an optical coupler is provided at the place where the laser fibers are wound in a loop to meet each other, thereby injecting excitation light at each location. Even if the amount is small, the pumping light injection amount integrated over the entire length of the laser fiber becomes large.

レーザファイバでレーザ発振をさせるためには所定の閾値を超える光エネルギーを注入する必要がある。このエネルギーを1カ所で供給しようとすると出力の拡張性が得られないので高出力化が困難である。   In order to cause laser oscillation with a laser fiber, it is necessary to inject light energy exceeding a predetermined threshold. If this energy is to be supplied at one place, it is difficult to increase the output because the expandability of the output cannot be obtained.

図12に表したファイバレーザ装置は、1本のレーザファイバを多重のループに組んで形成したものである。
レーザファイバ32の一方の端点に反射鏡34が取り付けられ、他方の端点はレーザが放射されるレーザ放出口35となっている。レーザファイバ32は適当箇所で会合して融着し接合部33を形成するが、コア部分は接合部33において融合することなく形状を保全した状態で連続していて、反射鏡34からレーザ放出口35まで光を伝搬できるようになっている。通常、レーザファイバ32の全長は通常数mから数100mの範囲で使用される。
The fiber laser device shown in FIG. 12 is formed by assembling a single laser fiber into multiple loops.
A reflecting mirror 34 is attached to one end point of the laser fiber 32, and the other end point is a laser emission port 35 from which a laser is emitted. The laser fiber 32 meets and joins at an appropriate place to form a joint portion 33, but the core portion is continuous in a state in which the shape is maintained without being fused at the joint portion 33. Light can propagate up to 35. Usually, the total length of the laser fiber 32 is usually in the range of several meters to several hundred meters.

図示しないレーザダイオードアレイから放射される励起光を光学カプラ31からレーザファイバ32に注入し、この励起光がレーザファイバ32の中を伝搬する間にコア中のレーザ活性物質を活性化して放出される光を集積してレーザ放出口35から放射する。
従って、個々のレーザダイオードアレイの出力が小さくても光学カプラの数が多ければ十分強いレーザ光を得ることができる。
なお、同じ構成は、伝搬する信号光を増幅する光ファイバアンプに適用することもできることは言うまでもない。
Excitation light emitted from a laser diode array (not shown) is injected from the optical coupler 31 into the laser fiber 32, and the laser active substance in the core is activated and emitted while the excitation light propagates through the laser fiber 32. Light is collected and emitted from the laser emission port 35.
Therefore, even if the output of each laser diode array is small, a sufficiently strong laser beam can be obtained if the number of optical couplers is large.
Needless to say, the same configuration can also be applied to an optical fiber amplifier that amplifies propagating signal light.

ポンピングレーザの吸収をαにするために必要なファイバの全長Lはコア面積に対する接合部断面積の割合で決まり、
L=αl /σ12πr (4−a)
から求められる。ここで、σ12は吸収断面積、Nはレーザ活性イオンの濃度である。
一方、レーザファイバがループを形成している場合、αのポンピングレーザ吸収を行わせるために必要なレーザファイバのループ長Lloopは、コア面積に対するダブルクラッドファイバの断面積の比に基づいて、
Lloop=αa /σ12πr (4−b)
なる関係式から求めることができる。
The total length L of the fiber required to make the absorption of the pumping laser α is determined by the ratio of the joint cross-sectional area to the core area.
L = αl 1 l 2 / σ 12 N T πr 2 (4-a)
It is requested from. Here, σ 12 is the absorption cross section, and NT is the concentration of laser active ions.
On the other hand, when the laser fiber forms a loop, the loop length Lloop of the laser fiber necessary to perform pumping laser absorption of α is based on the ratio of the cross-sectional area of the double clad fiber to the core area.
Lloop = αa 1 a 2 / σ 12 N T πr 2 (4-b)
Can be obtained from the following relational expression.

上記のクラッドポンプ型結合部におけるパワー密度増幅率Mcpは1個の端面注入型ダブルクラッドファイバの値より大きいためファイバ長が長くなるが、本実施例のファイバレーザ装置ではファイバレーザの出力を桁違いに大きくすることができる。   The power density amplification factor Mcp in the above clad pump type coupling portion is larger than the value of one end injection type double clad fiber, so that the fiber length becomes long. However, in the fiber laser device of this embodiment, the output of the fiber laser is orders of magnitude. Can be large.

以下に、レーザファイバをループ状に巻回したファイバレーザ装置の1例における諸元を示す。
レンズダクトの入力側レンズ面の寸法は、ダイオードアレイの発光面の寸法(10mm×10mm)より若干大きく11mm×11mmとして、効率よく光ビームを入力させると共にアライメントを容易にする。
1,minとl2,minは、式(3)に基づいてそれぞれ2.13mmと0.213mmになる。これらの限界値に近付くほど効率が低下することを考慮して、接合部の寸法lとlをそれぞれ4.0mmと0.40mmにすると、レンズダクトの伝達効率ηductは約0.85の値となる。
Below, the specification in one example of the fiber laser apparatus which wound the laser fiber in the loop shape is shown.
The dimension of the lens surface on the input side of the lens duct is set to 11 mm × 11 mm, which is slightly larger than the dimension of the light emitting surface of the diode array (10 mm × 10 mm), so that the light beam can be efficiently input and alignment can be facilitated.
l 1, min and l 2, min are 2.13 mm and 0.213 mm, respectively, based on equation (3). Considering that the efficiency decreases as these limit values are approached, the transmission efficiency ηduct of the lens duct is about 0.85 when the joint dimensions l 1 and l 2 are set to 4.0 mm and 0.40 mm, respectively. Value.

また、ポンピングレーザの吸収係数αが20dB値で4.61m−1、吸収断面積σ12が2×10−24、レーザ活性イオンの濃度Nが4.4×1025−3すなわち2000ppmとすると、式(4−a)からファイバ全長Lは43mとなる。
レーザファイバの形状は比較的自由に選択でき、たとえば0.2mm×0.4mmの矩形断面を選択すれば式(4−b)から各ループの長さLloopは2.15mとなる。なお、ループに複数の光学カプラが配設されている場合は、上記ループ長Lloopはカプラ間の間隔を表す。
このようなファイバレーザ装置において1000W出力のダイオードアレイを用いることにより、出力404W、出力密度20.6MW/cmのレーザビームを得ることができる。
Further, the absorption coefficient α of the pumping laser is 4.61 m −1 at a 20 dB value, the absorption cross section σ 12 is 2 × 10 −24 m 2 , and the concentration NT of the laser active ions is 4.4 × 10 25 m −3. Assuming 2000 ppm, the total fiber length L is 43 m from the equation (4-a).
The shape of the laser fiber can be selected relatively freely. For example, if a rectangular cross section of 0.2 mm × 0.4 mm is selected, the length Lloop of each loop is 2.15 m from the equation (4-b). When a plurality of optical couplers are arranged in the loop, the loop length Lloop represents the interval between the couplers.
By using a 1000 W output diode array in such a fiber laser device, a laser beam with an output of 404 W and an output density of 20.6 MW / cm 2 can be obtained.

コア径を25μmから5μmに変えるとファイバの必要長は1.07kmになり、製作費用が大きくなるばかりでなく、バックグランド損失が大きくなって結合部における伝達効率ηcpが小さくなるので、装置の実用性がなくなる。このような場合は、接合部のテーパ部形状を適当に選ぶことで、実用的な装置にできる場合がある。たとえば、接合部のサイズを0.25mm×2.5mmにすると必要なファイバ長は418mに減少する。ただ、接合部の寸法はηductに影響を与えるので、大きな出力密度を必要とする場合はファイバ長とテーパ部サイズの間で勘案して妥当な値を決めなければならない。   When the core diameter is changed from 25 μm to 5 μm, the required length of the fiber becomes 1.07 km, which not only increases the manufacturing cost, but also increases the background loss and decreases the transmission efficiency ηcp at the joint, so that the device can be used practically. Sex is lost. In such a case, there may be a case where a practical device can be obtained by appropriately selecting the shape of the tapered portion of the joint. For example, if the size of the joint is 0.25 mm × 2.5 mm, the required fiber length is reduced to 418 m. However, since the size of the joint affects ηduct, when a large power density is required, an appropriate value must be determined by taking into consideration between the fiber length and the taper size.

図13は、本発明のファイバレーザ装置をレーザ加工装置に適用したときの構成例を表したものである。
レーザファイバ42の一方の端点に反射鏡44が取り付けられ、他方の端点はレーザ放出口45となっていて、レーザ放出口45の先端には集束レンズ47が設けられている。レーザファイバ42は多重ループを形成し適当箇所に接合部を有し、接合部の上流から光学カプラ41が挿入固定されている。
FIG. 13 shows a configuration example when the fiber laser apparatus of the present invention is applied to a laser processing apparatus.
A reflection mirror 44 is attached to one end point of the laser fiber 42, the other end point is a laser emission port 45, and a converging lens 47 is provided at the tip of the laser emission port 45. The laser fiber 42 forms a multiple loop, has a joint at an appropriate location, and an optical coupler 41 is inserted and fixed from the upstream of the joint.

光学カプラ41にはレーザダイオードアレイ46から放射される励起光が供給され、光学カプラ41を介してレーザファイバ42に注入される。この励起光がレーザファイバ42の中を伝搬する間にコア中のレーザ活性物質を活性化して放出される光を集積してレーザ放出口45から放射する。
集束レンズ47はレーザビームを集光して加工対象物48に照射し、必要なレーザ加工を行う。レーザ加工装置はファイバレーザ装置で高出力化されたレーザビームを用いて溶接や切断などを効率よく実施する。
Excitation light emitted from the laser diode array 46 is supplied to the optical coupler 41 and injected into the laser fiber 42 via the optical coupler 41. While this excitation light propagates through the laser fiber 42, the laser active substance in the core is activated and the emitted light is integrated and emitted from the laser emission port 45.
The converging lens 47 condenses the laser beam and irradiates the workpiece 48 with the necessary laser processing. The laser processing apparatus efficiently performs welding, cutting, and the like using the laser beam with high output by the fiber laser apparatus.

図14は、本発明のファイバレーザ装置をレーザプリンタに適用したときの構成例を表したものである。
レーザファイバ帯52は複数のレーザファイバを集束して帯状にしたもので、レーザファイバの1本ずつが独立していて末端に設けられた発光ダイオードアレイ54の素子毎に接続されている。レーザファイバ帯52はループを形成していてループが交差する位置で接合されている。
接合部には光学カプラ51が融着されていて、光学カプラ51にはレーザダイオードアレイ56からの励起光が供給される。レーザファイバ帯52のもう一方の端にはプリンタヘッド57が設備されている。プリンタヘッド57はレーザファイバ毎に対応した集光レンズを集積したもので、レーザビームの焦点が印刷用紙58の表面にくるように調整されている。
FIG. 14 shows a configuration example when the fiber laser device of the present invention is applied to a laser printer.
The laser fiber band 52 is a band obtained by converging a plurality of laser fibers, and each of the laser fibers is independent and connected to each element of the light emitting diode array 54 provided at the end. The laser fiber band 52 forms a loop and is bonded at a position where the loops intersect.
An optical coupler 51 is fused to the joint, and excitation light from the laser diode array 56 is supplied to the optical coupler 51. A printer head 57 is provided at the other end of the laser fiber band 52. The printer head 57 is an integrated condenser lens corresponding to each laser fiber, and is adjusted so that the focal point of the laser beam comes to the surface of the printing paper 58.

印刷するパターンに対応した駆動信号が発光ダイオードアレイ54に与えられると、発光素子毎に点滅しレーザファイバに光信号が注入される。レーザダイオードアレイ56から注入された励起光によりレーザファイバ中のレーザ活性物質が活性化されているので、レーザファイバに注入された光信号はコアを伝搬する間に増幅作用を受けて光強度を増し、プリンタヘッド57でさらに集束されて印刷用紙58上に与えられたパターンを印刷する。
このように構成されたレーザプリンタは、プリンタヘッド57に繋がるレーザファイバ帯52の可撓性が大きいためプリンタヘッド57が大きな印刷用紙58上の端から端までスムーズに移動することができることから、小型から大型まで各種のプリンタとして高速印刷が可能であり、また印刷面が大きい新聞などに用いることができる。
When a drive signal corresponding to the pattern to be printed is applied to the light emitting diode array 54, the light signal is blinked for each light emitting element and an optical signal is injected into the laser fiber. Since the laser active material in the laser fiber is activated by the excitation light injected from the laser diode array 56, the optical signal injected into the laser fiber is amplified during propagation through the core to increase the light intensity. Then, the pattern which is further converged by the printer head 57 and printed on the printing paper 58 is printed.
Since the laser fiber band 52 connected to the printer head 57 has a large flexibility, the laser printer configured in this way can move smoothly from one end to the other on the large printing paper 58. High-speed printing is possible as various printers from large to large, and it can be used for newspapers with a large printing surface.

以上説明した通り、本発明の光ファイバレーザは、光学カプラで導入する励起光に対するレーザ効率が高く、しかもカスケード接続により励起光を加算的に注入することができ、また光学カプラ部における漏れ出しが少ないため、出力の小さいダイオードアレイを用いても容易に高出力化でき、しかも構造上精密なアライメントを必要としないからより容易に設計製造できる。
したがって、本発明の光ファイバレーザを用いたレーザ加工装置やレーザプリンタなどのレーザ装置はより簡単に設計および製造ができ、かつ容易に必要な出力を備えることができる。
As described above, the optical fiber laser of the present invention has high laser efficiency with respect to the pumping light introduced by the optical coupler, can additionally pump the pumping light by cascade connection, and leaks in the optical coupler section. Therefore, even if a diode array with a small output is used, the output can be easily increased, and since it does not require precise alignment in structure, it can be designed and manufactured more easily.
Therefore, a laser apparatus such as a laser processing apparatus or a laser printer using the optical fiber laser of the present invention can be designed and manufactured more easily and can easily have a necessary output.

本発明の光ファイバレーザの1実施例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of one Example of the optical fiber laser of this invention. 本実施例における光学カプラ部分の構成を表す平面断面図である。It is a plane sectional view showing composition of an optical coupler part in this example. 図2の光学カプラの動作原理を示す線図である。FIG. 3 is a diagram showing an operation principle of the optical coupler of FIG. 2. 図2の光学カプラの態様を表す一部断面斜視図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional perspective view showing an aspect of the optical coupler of FIG. 2. 図2の光学カプラの別の態様を表す一部断面斜視図である。It is a partial cross section perspective view showing another aspect of the optical coupler of FIG. 図2の光学カプラのさらに別の態様を表す断面図である。It is sectional drawing showing another aspect of the optical coupler of FIG. 本実施例における励起光の供給方法の1例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the supply method of the excitation light in a present Example. 図7における光注入導波路部分の側面図である。It is a side view of the light injection waveguide part in FIG. 図7における光注入導波路部分の平面図である。It is a top view of the light injection waveguide part in FIG. 図7のレーザファイバの断面を表す斜視図である。It is a perspective view showing the cross section of the laser fiber of FIG. 本実施例に用いる光学カプラをカスケード接続した状態を示す構成図である。It is a block diagram which shows the state which connected the optical coupler used for a present Example in cascade. 本発明の光ファイバレーザの別の態様を説明する構成図である。It is a block diagram explaining another aspect of the optical fiber laser of this invention. 本発明のレーザ装置をレーザ加工装置として実施したときの概念図である。It is a conceptual diagram when implementing the laser apparatus of this invention as a laser processing apparatus. 本発明のレーザ装置をレーザプリンタに適用した実施例の斜視図である。It is a perspective view of the Example which applied the laser apparatus of this invention to the laser printer. 従来の光学カプラの作用を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the effect | action of the conventional optical coupler.

符号の説明Explanation of symbols

1 光注入導波路
2,2’ レーザファイバ
3,3’ コア
4 接合部
5 反射鏡
6 放射口
7 レーザファイバ同士の境界面
8 レーザファイバ層と光注入ファイバの境界面
11 光注入導波路(レンズダクト)
12 レーザファイバ
13 接合部
14 融着領域
15 レンズ曲面
16 ダイオードアレイ
17 収束用マイクロレンズ
21,21’ 光注入ファイバ
22,23 レーザファイバ
24,24’ 接合部
25,26 コア
31 光学カプラ
32 レーザファイバ
33 接合部
34 反射鏡
35 レーザ放出口
41 光学カプラ
42 レーザファイバ
44 反射鏡
45 レーザ放出口
46 レーザダイオードアレイ
47 集束レンズ
48 加工対象物
51 光学カプラ
52 レーザファイバ帯
54 発光ダイオードアレイ
56 レーザダイオードアレイ
57 プリンタヘッド
58 印刷用紙
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light injection waveguide 2,2 'Laser fiber 3,3' Core 4 Junction part 5 Reflector 6 Radiation port 7 Interface surface of laser fibers 8 Interface surface of laser fiber layer and light injection fiber 11 Optical injection waveguide (lens duct)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Laser fiber 13 Junction part 14 Fusion | fusion area | region 15 Lens curved surface 16 Diode array 17 Condensing microlens 21,21 'Light injection fiber 22,23 Laser fiber 24,24' Joint part 25,26 Core 31 Optical coupler 32 Laser fiber 33 Junction 34 Reflecting mirror 35 Laser emitting port 41 Optical coupler 42 Laser fiber 44 Reflecting mirror 45 Laser emitting port 46 Laser diode array 47 Focusing lens 48 Object 51 Optical coupler 52 Laser fiber band 54 Light emitting diode array 56 Laser diode array 57 Printer Head 58 printing paper

Claims (4)

ファイバ中にレーザ活性物質を含み、該レーザ活性物質を励起する励起光と前記レーザ活性物質に起因するレーザ光とを伝搬し、1端に反射鏡を備え他端より前記レーザ光を出力する、コアとクラッドを有して構成される1本のレーザファイバを備えた光ファイバレーザにおいて、
前記レーザファイバは、コイル状に巻回されてコイルを形成し、該コイルの周において少なくとも1カ所で該レーザファイバの隣接部分同士が会合してクラッド同士を接合した接合部を形成し、前記接合部以外の部分では隣接部分のクラッド同士が相互に分離しており、
該接合部の少なくとも1個において、前記励起光を搬送する光注入導波路の端部が光学的に接合されていて、該励起光を前記レーザファイバ中に導入することができることを特徴とする光ファイバレーザ。
Including a laser active substance in the fiber, propagating excitation light for exciting the laser active substance and laser light resulting from the laser active substance, and having a reflecting mirror at one end and outputting the laser light from the other end; In an optical fiber laser including a single laser fiber having a core and a clad,
The laser fiber is wound into a coil to form a coil, to form a joint joining the cladding together with at least one location is adjacent portions to each other of the laser fiber associated in periphery of the coil, the joint In the part other than the part, the clads in the adjacent part are separated from each other,
At least one of the joints is optically joined to an end of a light injection waveguide that carries the pumping light, and the pumping light can be introduced into the laser fiber. Fiber laser.
前記レーザファイバは、前記接合部以外の相互に分離した部分はそれぞれ保護膜でコーティングされていることを特徴とする請求項1記載の光ファイバレーザ。 The laser fiber is an optical fiber laser according to claim 1, characterized in that it is coated with mutually separate parts each protective film other than the joint portion. 前記接合部において会合させたレーザファイバは、コア同士が並列に配置され相互に接触しないことを特徴とする請求項1または2記載の光ファイバレーザ。   3. The optical fiber laser according to claim 1, wherein the cores of the laser fibers assembled at the joint are arranged in parallel and do not contact each other. 前記光注入導波路は、前記接合部における屈曲したコアの接線方向から前記励起光を導入するように接続されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光ファイバレーザ。
4. The optical fiber laser according to claim 1, wherein the light injection waveguide is connected so as to introduce the excitation light from a tangential direction of a bent core in the joint portion. 5.
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