JP4209554B2 - Laser light generator and optical amplifier - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いるレーザ光発生装置及び光アンプに関し、特に光ファイバ内のレーザ活性物質に励起光を導入することによってレーザ光の発生、或いは光の増幅を行うレーザ光発生装置及び光アンプに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、光通信または光加工技術分野において、安価で高出力のレーザ光発生装置の実用化が望まれている。
【0003】
そのような中、光ファイバレーザ発振器または光導波路型レーザ発振器は、コア径及びコアとクラッドの屈折率差を調節して設計、作製することで容易に発振モードを単一にでき、かつ光を高密度に閉じ込めることでレーザ活性物質と光との相互作用を高め、かつ長さを長くすることで相互作用長を大きくとれるので高い効率で空間的に高品質のレーザ光を発生することができることが知られている。
【0004】
ここで、レーザ光の高出力化または高効率化を実現するには、いかに光ファイバまたは光導波路のレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心添加領域(通常はコア部)に効率よく励起光を導入するかが課題となる。
【0005】
しかし、通常単一モードの導波条件にコア径を設定するとその径はレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域(通常はコア部)の十数μm以下に限定され、この径に効率よく励起光を導入するのは一般に困難である。
【0006】
そこで、クラッド部の外側にクラッド部よりもさらに屈折率が低い透明物質で構成される第2クラッド部を設け、第2クラッド部とクラッド部の屈折率差に起因する全反射によって端面より導入された励起光を第一クラッド部及びコア部内に閉じ込め、レーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域(通常はコア部)を閉じ込められた励起光が通過するにしたがって徐々にレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心に励起光を吸収させ、高出力のレーザ光を出力する方法が知られている。これが2重クラッド型ファイバレーザである。(E.Snitzer、H.Po、FHakimi、R.Tumminelli、and B.C.McCllum、in Optical Fiber Sensors、Vol.2 of 1988 OSA Tecnical Digest Series(Optical Society of America、Washington、D.C.、1988)、paper PD5.)。
【0007】
しかし、2重クラッド型ファイバレーザの場合、内部のクラッド部の断面形状が円形であるとレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域(通常はコア部)付近を選択的に透過する励起光のみが効率よくレーザ活性物質に吸収され、そうでない部分の吸収効率が非常に低い。すなわち、モードによる吸収飽和が起こるといった問題があった。
【0008】
そこで、内部のクラッド部の形状を矩形にするような工夫がおこなわれているが、一般に円形以外の断面形状の光ファイバを作製するのは困難であり、かつ機械的な強度にも不足しがちである。
【0009】
これらの問題を解決するものとして、光ファイバにおけるレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域(通常はコア部)に対し、側面から励起光を導入する光ファイバレーザ装置(特開平10−135548)及びレーザ装置(特開平10−190097)が提案されている。
【0010】
側面から励起光をレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域(通常はコア部)に励起光を導入する場合は、通常レーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域(通常はコア部)の直径(d)に比べて導波路長(L)が非常に長く、L/dは106以上もとれるので導波路の断面方向から励起光を導入する方法よりも非常に多くの励起エネルギーを光ファイバまたは導波路内に導入することが可能となる。
【0011】
このような光ファイバレーザ装置(特開平10−135548)及びレーザ装置(特開平10−190097)では、励起光が光ファイバを横切る形で伝播していくため、各光ファイバ間の隙間を光学的に品質が高い低損失な構成とする必要がある。そのため従来は、光ファイバを光学接着剤に埋め込む構成或いは光ファイバ間を熱融着させる構成等をとることにより、このような低損失な構成を実現していた。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平10−135548及び特開平10−190097で開示されているレーザ光発生装置では、励起光が光ファイバを横切る方向に導入され、励起光がコアの列を横切るように伝搬しながら励起を行うこととしているため、コアとクラッド間における励起光の散乱が大きくなり、励起光の吸収効率が低下し、結果としてレーザ光発生装置の効率低下につながるという問題点がある。
【0013】
また、特開平10−135548及び特開平10−190097で開示されている光ファイバを光学接着剤に受け込む方法では、有機物である光学接着剤を用いることとしているため、強励起下での耐光性に劣るという問題点もある。
【0014】
さらに、特開平10−135548及び特開平10−190097で開示されている光ファイバを熱融着させる方法では、ある程度の高さを有する光ファイバの束を1500℃以上の高温で熱融着することとしているが、これほどの高温に耐えうる融着型の選択が困難であるため、融着後に光ファイバ束の形状を保持することが困難であった。
【0015】
また、特開平10−135548及び特開平10−190097で開示されている光ファイバを熱融着させる方法では、ある程度の厚みを有する光ファイバの束を熱融着することとしていたため、熱融着時に光ファイバ束の外部と内部で温度差が生じ、均一な熱融着が困難であるという問題点もある。
【0016】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであり、励起光を効率良く導入することができ、耐光性に優れ、製造が容易なレーザ光発生装置及び光アンプを提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、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光を発生させるレーザ光発生装置において、前記レーザ活性物質と前記レーザ活性物質を覆う外周部とを有し、少なくとも一部を互いに略平行に配列することにより平面上に配置された束状の一つながりの光ファイバと、光の屈折率が前記外周部と略等しく、前記光ファイバの両端以外の部位を挟み込む2枚のガラス平板と、前記ガラス平板上に設けられ、前記光ファイバに略平行に励起光を導入する励起光導入部と、前記ガラス平板の前記光ファイバに接触しない側を覆う前記外周部より屈折率の小さい透明樹脂と、を有することを特徴とするレーザ光発生装置が提供される。
【0019】
また、レーザ活性物質に励起光を供給することによって入力光を増幅させる光アンプにおいて、前記レーザ活性物質と前記レーザ活性物質を覆う外周部とを有し、少なくとも一部を互いに略平行に配列することにより平面上に配置された束状の一つながりの光ファイバと、光の屈折率が前記外周部と略等しく、前記光ファイバの両端以外の部位を挟み込む2枚のガラス平板と、前記ガラス平板上に設けられ、前記光ファイバに略平行に励起光を導入する励起光導入部と、前記ガラス平板の前記光ファイバに接触しない側を覆う前記外周部より屈折率の小さい透明樹脂と、を有することを特徴とする光アンプが提供される。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
まず、第1の実施の形態について説明する。
【0022】
図1は、第1の実施の形態におけるレーザ光発生装置1の平面図である。
レーザ光発生装置1は、レーザ活性物質を含む一つながりの光ファイバ2、レーザ光の反射を行う反射ミラー3、光ファイバ2に励起光7を導入するプリズム4a、4b、及び光ファイバ2を平面状に挟み込むガラス平板5によって構成されている。
【0023】
光ファイバ2は複数箇所で折り返され、両端に折り返し部分を有する光ファイバ2の束を構成する。光ファイバ2の束の折り返し部分に挟まれた部分において、各光ファイバ2は直線状に配置され、直線状に配置された各光ファイバ2を互いに略平行に配列することにより、平面状の光ファイバ2の束を構成する。ここで、光ファイバ2を平面状に整列させるには、まず、光ファイバ巻き取り機を用いて光ファイバ2を適当な大きさの巻き取りドラムに重なることなく密に巻き付ける。この巻き取りドラムは巻かれた光ファイバ2がその列を乱すことなく引き抜けるような工夫が施してある。巻かれた光ファイバ2にはその列を保つための剥離可能な粘着テープが数箇所貼られ、巻かれた光ファイバ2はその列を保ったまま巻き取りドラムから引き抜かれる。ここで引き抜かれた光ファイバ2は、その列を保ったまま側面方向に押しつぶし、直線的な帯状にまとめる。この直線部分はあらかじめ溝の掘ってある薄い石英板で形状を保持する。この工程において、光ファイバ2の破断を防ぐため光ファイバ2には機械的強度を保てる程度の樹脂コーティングがなされていることが望ましく、コーティングに用いられるコーティング樹脂は有機溶剤で容易に除去できる方が望ましい。また、このコーティング樹脂を除去するほかの手段としてプラズマ処理による乾式の除去も可能である。コーティング樹脂の除去は全体にわたってのみならず、一部であってもよい。例えば、励起光吸収部分のみを除去し、ループ部分はそのまま樹脂のついたままということも可能である。この場合、コーティング樹脂にクラッドよりも屈折率の低い透明樹脂を用いると、後述する励起光が光ファイバ2の内部を周回しながらコアに吸収される形態を簡単に構成することができるため、より望ましい。また、光ファイバ2の折り返し部分も平面状に配置され、この際、折り返し部分の光ファイバ2の重なりは3層以下とすることが望ましい。
【0024】
光ファイバ2としては、石英系或いは非石英系のどちらのファイバを使用してもよいが、フッ化物ガラス、カルコゲナイトガラス、テルライトガラス等の非石英系ファイバを用いた場合、その低いマルチフェノン吸収によって、石英系ファイバでは実現できない波長を含む中赤外域のレーザ発振が可能となる。例えば、非石英系ファイバにおいてCe3+をコアとして用いた場合、波長5μmのレーザ光を発振することができる。非石英系ファイバにおいてその他の材質をコアとして用いた場合のレーザ波長を羅列すると、Pr3+:5μm、1.3μm、2.3μm/Nd3+:5μm、2.5μm/Tb3+:5μm/Dy3+:3μm、1.34μm、1.7μm/Ho3+:5μm、4μm、3μm、2μm/Er3+:3μm、3.5μm、4μm/Tm3+:5.5μm、4μm、2μm、1.2μmのようになる。また、一般にフッ化物ガラス、カルコゲナイトガラス、テルライトガラス等は、ESA(励起準位からの吸収)による多光子吸収の強度も石英系ファイバに比べて大きく、長波長から短波長への振動周波数上方変換が可能である。この例としては、コアとしてEr3+を用いた場合の緑色レーザ、Pr3+を用いた場合の赤、緑、青色レーザ、Tm3+を用いた場合の青色レーザ等がある。また、フッ化物ガラス或いはカルコゲナイトガラスを用い、Pr3+をコアとして光アンプを構成する場合、石英系ファイバでは増幅困難な波長1.3μm帯の光信号を増幅することが可能となる。さらに、多成分アルミノシリケートガラスやテルライトガラスを用い、Er3+をコアとして光アンプを構成した場合、1.5μm帯域での光信号増幅における増幅利得の波長依存性が石英系ファイバに比べてより平坦で、多重波長光通信において非常に広帯域の増幅が可能となる。
【0025】
また、光ファイバ2の断面形状は、円形、矩形等どのようなものでもよいが、光ファイバ2の断面形状が円形である場合、光ファイバ2の束の直線部分と折り返し部分の接点部分における励起光7の受け渡し効率は70〜90%程度と低い。また、光ファイバ2の断面形状が円形である場合、折り返し部分の光ファイバ2の内部を進む励起光7はほとんどコアに吸収されない。そのため、光ファイバ2の断面形状は、矩形等、円形形状以外のものが望ましい。
【0026】
このように構成された光ファイバ2の束は、その上下を光ファイバ2のクラッドと光の屈折率がほぼ等しいガラス平板5によって挟み込まれ、光ファイバ2の束を平面状に配置する。この際、光ファイバ2の両端面は、ガラス平板5の外部に配置する。ガラス平板5の外部に配置された光ファイバ2の両端面のうち一端面には、反射ミラー3が取り付けられる。
【0027】
次に、ガラス平板5によって挟み込まれた光ファイバ2の束を熱融着することにより一体化する。ここで、光ファイバ2の束の折り返し部分については、熱融着をすることとしてもよいし、しないこととしてもよいが、熱融着された折り返し部分は強度が低下する可能性が大きいため、熱融着しないことが望ましい。
【0028】
熱融着後、励起光の吸収効率を上げるため、ガラス平板5の表面を光学的精度で研磨する。ここで、研磨後のガラス平板5の表面における研磨精度が十分でない場合には、研磨後のガラス平板5の表面に透明弗素樹脂を塗布するか、クラッドよりも屈折率の低い透明オイルをガラス平板5の表面に塗布、或いは流動させることとしてもよい。なお、研磨のみで十分な精度が保てる場合には、研磨後の表面状態のままとしてもよい。
【0029】
表面研磨及び透明フッ素樹脂塗布等の表面処理が終了したガラス平板5の上面には、プリズム4a、4bが配置される。ここで、プリズム4a、4bは、光ファイバ2が形成する平面状の束が有する直線部分の上部に構成される。なお、プリズム4a、4bの光の屈折率はクラッドの光の屈折率よりも大きいことが望ましい。
【0030】
図2は、図1のA−A断面図である。
光ファイバ2は、レーザ活性物質であるコア2aを中心とし、その周りをクラッド2bが取り囲む同軸構造を取るが、本形態のレーザ光発生装置1のA−A断面部分は、各光ファイバ2のクラッド2bを熱融着しているため、熱融着されたクラッド2bの中に複数のコア2aが点在する構成となる。熱融着されたクラッド2bは、上下からガラス平板5で挟み込まれ、ガラス平板5の上下を透明フッ素樹脂層6が覆っている。以上、光ファイバの束が平面状の場合について説明したが、励起光の閉じこめが可能であり、励起光導入部を設けることができる形状ならば、光ファイバの束を曲面状にしてもよい。
【0031】
次に、本形態におけるレーザ光発生装置1の全体の動作について説明する。
図示していない励起光源により出射された励起光7は、図示していないシリンドリカルレンズ等によって平行光に変換され、平行光に変換された励起光7は、石英ガラス等により構成されたプリズム4a、4bを介して光ファイバ2の束の直線部分に導入される。ここで励起光源としては、波長1.5μm、0.98μm、0.9μm、0.8μm、0.67μm等のLD(レーザダイオード)を使用することができる。また、LD励起の個体レーザを励起光源とすることもできる。この場合、波長選択幅が広がり、1.06μm、1.1μm、0.53μm等の波長の励起光も選択することが可能となる。
【0032】
このような励起光7を後述する条件で導入することで、導入された励起光7はガラス平板5の内側で全反射を繰り返しながらコア2aに達する。ここで、導入される励起光7の70%以上がこの直線部分における光ファイバ2のコア2aで吸収されるようにすることが好ましい。なお、直線部分で吸収しきれなかった励起光7が光ファイバ2の折り返し部分を介し、再び直線部分に達するように周回しながらコア2aに吸収されることとしてもよい。
【0033】
励起光7が導入されたコア2aはレーザ光を発生し、レーザ光はコア2aとクラッド2bの境界部分で全反射しながらコア2a内部を進み、光ファイバ2の両端部に達する。この際、光ファイバ2の両端部のうち反射ミラー3が取り付けられている側に達したレーザ光は、反射ミラー3により反射され、光ファイバ2のコア2a内部を進み、反射ミラー3が取り付けられていない光ファイバ2の一端(フレネル反射のみ存在)へ達する。反射ミラー3が取り付けられていない光ファイバ2の一端に達したレーザ光はその断面部から取り出される。
【0034】
図3は、励起光7がコア2aに導入される様子を示した構成図である。
プリズム4aの光の屈折率がクラッド2bの光の屈折率よりも大きい場合、プリズム4aに入射した励起光7は、励起光7の進行方向とコア2aの長手方向とでなす角度がより小さくなるようにプリズム4aとクラッド2bとの境界部で屈折する。一般に、励起光7がコア2aに照射される際における励起光7の散乱量は、励起光7の進行方向とコア2aの長手方向とでなす角度が90°の際に最大となり、その角度が小さくなるほど散乱量も小さくなる。そのため、励起光7がこのように屈折してコア2aに導入されることにより、励起光7のコア2aでの散乱を小さく抑えることが可能となる。また、励起光7の進行方向とコア2aとでなす角度が小さくなることにより、一回あたりに励起光7がコア2aを横切る距離が長くなり、これによって、より効率よく励起光7をコア2aに導入することが可能となる。
【0035】
図4は、励起光7の入射条件を示した図である。
この図で、dはガラス平板5に挟まれた光ファイバ2の束の厚みを、n1はプリズム4aの光の屈折率を、n2はクラッド2bの光の屈折率を、n3はガラス平板5の屈折率を示している。また、θ0はプリズム4a、4bに入射する励起光7が光ファイバ2の束となす角度を、θ1は屈折後の励起光7が光ファイバ2の束となす角度を、Δx1はクラッド2b内部で反射する励起光7が1つの反射から次ぎの反射までに進む距離の光ファイバ2の長手方向成分を、Δx0は励起光7のクラッド2bへの入射点からプリズム4aのエッジ部分までの距離を示している。
【0036】
以下にθ0、θ1、n1、n2、n3、d、及びガラス平板5での全反射角θmaxについての関係式を表す。
【0037】
【数1】
θ1=cos-1(n2・(cosθ0)/n1)
【0038】
【数2】
Δx1=d/tanθ1
【0039】
【数3】
θmax=90°−sin-1(n3/n2)
ここで、励起光7がガラス平板5の内部を全反射しながら進んで行くためには、θ1<θmaxの条件を満たさなければならない。また、プリズム4aから導入された励起光7がガラス平板5で反射し、再びプリズム4aから外部に漏れ出すことのないよう、2Δx1>Δx0の条件を満たさなければならない。具体例として、d=0.125mm、n1=n2=1.458、n3=1.33、θ0=5°の場合、θ1=5°、θmax=24.2°、2Δx0≒2.9mmとなり、Δx0<2.9mmとすることで条件を満たす。
【0040】
このように、本形態では、一つながりの光ファイバ2を複数回折り返し、光ファイバ2の一部が互いに略平行になるように配置された平坦面を有する束を形成し、その上面から光ファイバ2と略平行に励起光7を導入することとしたため、光ファイバ2での励起光7の散乱を低減させることが可能となり、励起光7の導入効率が向上する。
【0041】
また、本形態では、一つながりの光ファイバ2を複数回折り返し、平面状の束を構成し、この束を熱融着してレーザ光発生装置1を構成することとしたため、光ファイバ2の束を容易に熱融着することが可能となり、耐光性の高いレーザ光発生装置1を容易に構成することが可能となる。
【0042】
さらに、光ファイバ2を平面状の束としたため、光ファイバ2の冷却能力が高く、特別な冷却装置を必要としない。
なお、本形態では光ファイバ2の束を熱融着することとしたが、無機或いは有機の透明な接着剤を塗布して光ファイバ2同士を接着することとしてもよい。
【0043】
また、本形態では平面状の光ファイバ2の束を一枚のみ構成することとしたが、複数枚の光ファイバ2の平面束を構成し、そのうち少なくとも2枚以上の平面束を直列に結合することとしてもよい。
【0044】
さらに、本形態では本構成をレーザ光発生装置1として用いたが、反射ミラー3を取り外し、光アンプとして用いることとしてもよい。
【0045】
【実施例1】
第1の実施の形態において、光ファイバとして、一つながりのコア径50μm、クラッド径125μm、開口数0.2の石英系ガラスファイバのコア内部に0.5at%のNd3+イオンをドープしたものを用いた。光ファイバは複数回折り返され、折り返し部分に挟まれた中央部分が200×15mmの平板状になるように厚さ0.15mmの石英薄板上に密に並べた。光ファイバは2枚の石英薄板で挟み込み、減圧下(10-4Pa以下)で1550℃、30分の加熱処理を行なった。ここで、石英薄板のサイドには光ファイバのばらけを防止するため、厚さ0.10mmの石英の帯状治具を設置し、石英薄板のサイドを保持した。
【0046】
その結果、全ガラスタイプの平板型レーザ構造体が作成された。この平板型構造体を30wt%のHF水溶液でエッチングして、厚みを0.12mmまで薄くした。その後、酸水素バーナーにて構造体の表面をファイヤーポリッシュして鏡面に整えた。この平板型構造体に石英製のプリズムを耐熱性の光学接着剤で取り付け、プリズム以外の部分には屈折率1.33の透明弗素樹脂をコーティングした。さらにプリズム部分を残して金膜を蒸着した。
【0047】
プリズムからは平行光に成形された発振波長0.8μmの励起光を合計で40W投入した。光ファイバの片端面は反射率99%の反射ミラーを押し付け、もう一端面は破断面のままとした。結果、8Wの波長1.06μm帯のレーザ発振を確認できた。以上のように、光ファイバのコアとクラッドの境界における励起光の散乱損失を低減することができる。
【0048】
次に、第2の実施の形態について説明する。
図5は、本形態におけるレーザ光発生装置10の構成を示した平面図である。レーザ光発生装置10は、光ファイバ12、ガラス平板13、プリズム15によって構成されている。
【0049】
光ファイバ12は、第1の実施の形態で述べた光ファイバ巻き取り機を用い、適当な大きさの巻き取りドラムに重なることなく密に巻き付けられ、その形状を維持したまま取り出される。取り出された光ファイバ12は円筒形状を形成しており、その円筒を斜めに押し倒すことにより光ファイバ12を平面状に配置する。
【0050】
このように平面状に配置された光ファイバ12は、ガラス平板13によって挟み込まれ、そのまま熱融着される。この際、光ファイバ12の両端はガラス平板13の外部に引き出された状態で配置される。
【0051】
光ファイバ12を挟み込んだガラス平板13の上面には励起光14を導入するプリズム15が配置される。プリズム15は、その長手方向の中心軸がすべての光ファイバ12と垂直に交わる位置に配置され、その直下に位置する光ファイバ12と略平行に励起光14を導入する。
【0052】
励起光14が導入された光ファイバ12は第1の実施の形態と同様にレーザ光を発生し、発生したレーザ光は光ファイバ12のコア内部を進み、光ファイバ12の両断面から取り出される。
【0053】
このように、本形態のように光ファイバ12を配置することとしても第1の実施の形態と同様な効果が得られる。
なお、本形態では本構成をレーザ光発生装置10として用いたが、同一の構成を光アンプとして用いることとしてもよい。
【0054】
【実施例2】
第2の実施の形態において、コア径50μm、クラッド径125μm、開口数0.2の石英系ガラスファイバのコア内部に0.5at%のNd3+イオンをドープした一つながりの光ファイバを用いた。前述の図5に示したように光ファイバを配置した後、直径250mmφ、厚さ0.5mmのほう珪酸塩系ガラス板(屈折率1.47)2枚で光ファイバを挟みこんだ。これを減圧下(10-4Pa以下)、900℃で30分加熱し、泡の入らない一体型の構成を作成した。これを両面から研削、研磨し、厚みを130μmに整えた(以下平面構造体)。
【0055】
平板円形構造体の中央部には長さ240mmの石英プリズムを設置した。このプリズムは両側に励起光投入面(斜めの面)を持つ。その後、プリズム部分を除いて屈折率1.33の透明弗素樹脂をコーティングし、さらに金を蒸着した。
【0056】
そして設置された中心に設置されたプリズムの両側から発振波長0.8μmのレーザダイオードからの励起光を合計で100W投入した。レーザファイバの両端面は破断面のままとした。結果、合計で40Wの波長1.06μm帯のレーザ発振を確認できた。以上のように、光ファイバのコアとクラッドの境界における励起光の散乱損失を低減させることができる。
【0057】
次に、第3の実施の形態について説明する。
図6は本形態におけるレーザ光発生装置20の構成を示した平面図である。
レーザ光発生装置20は、光ファイバ21、反射ミラー22、ガラス平板23a、23b、及び光ファイバ21に励起光を導入するテープ状ガラス板24によって構成される。
【0058】
光ファイバ21は、第1の実施の形態で述べた光ファイバ巻き取り機を用い、適当な大きさの巻き取りドラムに重なることなく密に巻き付けられ、その形状を維持したまま取り出される。取り出された光ファイバ21は円筒形状を形成しており、その円筒側面での光ファイバ21束の配列を維持したまま、円筒側面方向から押さえ込んで配置される。この際、押さえ込む方向に位置する円筒の向かい合う側面は、互いに重ならないように配置され、これらの部分に位置する光ファイバ21は直線状に配置される。このように配置された光ファイバ21の直線部分は、ガラス平板23a、23bによってはさみこまれ、そのまま熱融着される。この際、光ファイバ21において、ガラス平板23a、23bにはさみ込まれていない部分には第2クラッドを設ける。また、光ファイバ21の直線部分の一端には、励起光25導入のためのテープ状ガラス板24が取り付けられる。テープ状ガラス板24はその外部にクラッド層を有しており、励起光25は、このクラッド層の内部で全反射しながらテープ状ガラス板24の内部を進み、光ファイバ21の直線部分に導入される。また、光ファイバ21の両端部はガラス平板23a、23bの外部に配置され、外部に配置された光ファイバ21の両端部の一端には反射ミラー22が取り付けられる。なお、ガラス平板23a、23bは、同一平面上にあってもよいし、同一平面上になくてもよい。
【0059】
図7は、光ファイバ21に導入される励起光25の入射条件を示した断面図である。
ここで、Lはテープ状ガラス板24の厚みを、dは直線状に配置される光ファイバ21の厚みを、θ0はテープ状ガラス板と直線状に配置された光ファイバ21とでなす角度を、θ1は光ファイバ21の直線部分へ導入される励起光25の導入最大角度を、x0はテープ状ガラス板24と光ファイバ21との接触部の長さを、x1は光ファイバ21に導入された励起光25の光ファイバ21への入射位置から2回目の反射位置までの距離を示しており、n1、n2、n3はそれぞれ、テープ状ガラス板24のクラッド層の屈折率、光ファイバ21のクラッドの屈折率、ガラス平板23a、23bの屈折率を示している。また、θmaxfはテープ状ガラス板24内部での励起光臨界反射角を示している。以下に、L、d、θ0、θ1、x0、x1、n1、n2、n3、θmaxf、及びガラス平板23aに挟まれた光ファイバ21の直線部分における励起光臨界反射角であるθmaxsの関係式を示す。
【0060】
【数4】
θ1=θmaxf+θ0
【0061】
【数5】
x0=L/sinθ0
【0062】
【数6】
x1=2d/tanθ1
【0063】
【数7】
θmaxf=cos-1(n1/n2)
【0064】
【数8】
θmaxs=cos-1(n3/n2)
ここで、テープ状ガラス板24から導入された励起光25が、ガラス平板23aに挟まれた光ファイバ21の直線部分を全反射しながら進んでいくためには、θ1<θmaxsの条件を満たさなければならない。また、一旦テープ状ガラス板24から光ファイバ21に導入された励起光25がガラス平板23aで反射し、テープ状ガラス板24と光ファイバ21との接点部分から漏れ出すことのないよう、x1>x0の条件を満たさなければならない。具体例として、L=152μm、d=125μm、θ0=15.9°、n1=1.4428、n2=1.458、n3=1.33の場合、θmaxf=8.3°、θ1=24.18°、θmaxs=24.19°、x0=555μm、x1=557μmとなり、θ1<θmaxs及びx1>x0の条件を満たす。
【0065】
このように導入された励起光25は、光ファイバ21内部のコアに達し、励起光25が達した光ファイバ21はレーザ光を発生する。発生したレーザ光は光ファイバ21の両端部に達し、反射ミラー22が取り付けられている側の一端に達したレーザ光は、反射ミラー22で反射される。これにより、発生したレーザ光は反射ミラー22が取り付けられていない一端側から集中して取り出される。
【0066】
このように、本形態のようにレーザ光発生装置20を構成することとしても第1の実施の形態と同様な効果が得られる。
なお、本形態では本構成をレーザ光発生装置20として用いたが、反射ミラー22を取り外し、光アンプとして用いることとしてもよい。
【0067】
【実施例3】
第3の実施の形態において、光ファイバとして、コア径40μm、クラッド径125×125μmの正方形断面形状を持つ開口数0.2の石英系ガラスファイバを用い、コア内部に0.4at%のNd3+イオンをドープした。また、光ファイバの表面を屈折率1.38の紫外線硬化樹脂でコーティングした。光ファイバが直線状に配置される部分を2箇所形成し、それぞれの直線部分が形成する平面の大きさが100×12mmの平板状になるように0.1mmのほう珪酸塩系ガラス板2枚でその直線部分を挟み込んだ。
【0068】
両端のループ部分をコーティングごと耐熱性接着剤で固め、直線部分を有機溶媒に浸して被覆を除去し、ほう珪酸塩系ガラス板の上で再配列させることにより形成した。そして全体を減圧容器に入れ、平板状のヒータを使用して直線部分だけを900℃に加熱し、上下よりヒータでプレスして石英ファイバをほう珪酸塩系ガラス板中に挟み込んだ。この際、ほう珪酸塩系ガラスからはみ出している光ファイバのコーティングまたは接着剤の付いていない部分に改めて接着剤を塗布した。その後、この平板型構造体を30wt%のHF水溶液でエッチングして厚みを0.12mmまで薄くし、さらにガラス部分の表面に薄く屈折率1.47の光学用透明接着剤を塗布して表面の凹凸を無くした。
【0069】
この平板型構造体に厚さ0.12mm、長さ150mm、幅12mmのほう珪酸塩系ガラスのテープ状ガラス板を接着した。この際、テープ状ガラス板の接着部分に角度10°の斜め研磨を施した。また、テープ状ガラス板の側面には屈折率1.46の励起光波長で透明な紫外線硬化樹脂を塗布した。
【0070】
その後、励起光導入用ガラス板以外の構造体の部分に屈折率1.33の透明弗素樹脂をコーティングし、さらに金膜を蒸着した。2枚の励起光導入用テープ状ガラス板の端面から発振波長0.8μmの励起光を合計で20W投入した。励起光は直線部分だけでは吸収しきれなかったが、吸収しきれなかった励起光の90%は、ループ部分を介してもう一方の直線部分に投入されていることが観測された。
【0071】
光ファイバの片端面は反射率99%の反射ミラーを押し付け、もう一端面は破断面のままとした。結果、4Wの波長1.06μm帯のレーザ発振を確認できた。以上のように、光ファイバのコアとクラッドの境界における励起光の散乱損失を低減することができる。
【0072】
【実施例4】
第3の実施の形態において、光ファイバとして、コア径40μm、クラッド径125×125μmの正方形断面形状を持つ開口数0.2の石英系ガラスファイバを用い、コア内部に0.4at%のYb3+イオンをドープした。また、光ファイバの表面を屈折率1.38の紫外線硬化樹脂でコーティングした。光ファイバが直線状に配置される部分を2箇所形成し、それぞれの直線部分が形成する平面の大きさが100×12mmの平板状になるように0.1mmのほう珪酸塩系ガラス板2枚でその直線部分を挟み込んだ。
【0073】
両端のループ部分をコーティングごと耐熱性接着剤で固め、直線部分を有機溶媒に浸して被覆を除去し、ほう珪酸塩系ガラス板の上で再配列させることにより形成した。そして全体を減圧用気に入れ、平板状のヒータを使用して直線部分だけを900℃に加熱し、上下よりヒータでプレスして石英ファイバをほう珪酸塩系ガラス板中に挟み込んだ。この際、ほう珪酸塩系ガラスからはみ出している光ファイバのコーティングまたは接着剤の付いていない部分に改めて接着剤を塗布した。その後、この平板型構造体を30wt%のHF水溶液でエッチングして厚みを0.12mmまで薄くし、さらにガラス部分の表面に薄く屈折率1.47の光学用透明接着剤を塗布して表面の凹凸を無くした。
【0074】
この平板型構造体に厚さ0.12mm、長さ150mm、幅12mmのほう珪酸塩系ガラスのテープ状ガラス板を接着した。この際、テープ状ガラス板の接着部分に角度10°の斜め研磨を施した。また、テープ状ガラス板の側面には屈折率1.46の励起光波長で透明な紫外線硬化樹脂を塗布した。
【0075】
その後、励起光導入用ガラス板以外の構造体の部分に屈折率1.33の透明弗素樹脂をコーティングし、さらに金膜を蒸着した。励起光導入用テープ状ガラス板の端面から発振波長0.9μmの励起光を合計で20W投入した。励起光は直線部分だけでは吸収しきれなかったが、吸収しきれなかった励起光の90%は、ループ部分を介してもう一方の直線部分に投入されていることが観測された。
【0076】
光ファイバの片端面は反射率99%のミラーを押し付け、もう一端面は破断面のままとした。結果、10Wの波長1.03μm帯のレーザ発振を確認できた。以上のように、光ファイバのコアとクラッドの境界における励起光の散乱損失を低減することができる。
【0077】
【実施例5】
第3の実施の形態において、光ファイバとして、コア径450μm、クラッド径500×500μmの正方形断面形状を持つ開口数0.2のAlF3−ZrF4系ガラスファイバを用い、コア内部に15at%のEr3+イオンをドープした。また、光ファイバの表面を屈折率1.38の紫外線硬化樹脂でコーティングした。光ファイバが直線状に配置される部分を2箇所形成し、それぞれの直線部分が形成する平面の大きさが50×12mmの平板状になるように配置した。
【0078】
コーティングしたファイバの両端のループ部分をコーティングごと耐熱性接着剤で固め、直線部分を有機溶剤に浸して被覆を除去して再配列した。その後、全体を雰囲気制御可能な容器(グローブボックス)に入れ、光ファイバの直線部分のみを400℃の平面状のヒータによりプレスし、フッ化物ファイバ同士を融着した。この際、融着部分からはみ出した光ファイバのうちコーティング或いは接着剤の付いていない部分に改めて樹脂を塗布した。その後、この平板型構造体の表面を20wt%の硝酸アルミニウム、及び5wt%の硼酸を含む5Nの硝酸を用いて5μm程度エッチングし、表面に発生した結晶粒を除去した。その後、平板型構造体のガラス部分に屈折率1.44の光学用透明樹脂を薄く塗布して表面の凹凸を無くした。そして、その表面に、光ファイバのクラッドと同じ組成で、厚さ0.12mm、長さ150mm、幅12mmのAlF3−ZrF4製テープ状板を接着した。ここで、テープ状板の側面には励起光波長で透明で、屈折率1.43の紫外線硬化樹脂を塗布しておく。また、テープ状板の接着部分に角度10°の斜め研磨を施した。その後、平板型構造体におけるテープ状板以外の部分を屈折率1.33の透明弗素樹脂でコーティングした。
【0079】
このように構成されたレーザ発生装置のテープ状板の端面から、レーザダイオードから発振された励起光をパルス的に合計1W導入した(10pps、パルス幅500μs)。光ファイバの片端面には波長2.8μmの光に対する反射率が99%のミラーを取り付け、もう一端面は破断面のままとした。結果、0.1W(10mJ/puls、10pps)の波長2.8μm帯のパルスレーザを確認できた。以上のように、光ファイバのコアとクラッドの境界における励起光の散乱損失を低減することができる。
【0080】
【実施例6】
本件実施例では、光ファイバとして、コア径8μm、クラッド径125μm、開口数0.1の石英系ガラスファイバを用い、コア内部に0.5at%のNd3+イオンをドープした。また、光ファイバの表面を屈折率1.38の紫外線硬化樹脂でコーティングした。光ファイバが直線状に配置される部分を2箇所形成し、それぞれの直線部分が形成する平面の大きさが1000×12mmの平板状になるように0.1mmのほう珪酸塩系ガラス板2枚でその直線部分を挟み込んだ。その後の作成工程は実施例3と同様である。
【0081】
励起光導入用ガラス板の端面から発振波長0.8μmの励起光を合計で10W投入した。光ファイバの片端面から波長1.06μmの信号光(0dBm)を投入した。そしてもう一端面からの出力信号をパワーメータで測定したところ、信号光は30dBmに増幅していた。以上のように、光ファイバのコアとクラッドの境界における励起光の散乱損失を低減することができる。
【0082】
次に、第4の実施の形態について説明する。
図8は、第4の実施の形態におけるレーザ光発生装置30の構成を示した平面図である。
【0083】
レーザ光発生装置30は、プリズム31、光ファイバ32、ガラス平板33、により構成されている。光ファイバ32は、中心から外部に向けて平面かつ渦巻き状に配置され、ガラス平板33で挟み込んで融着する。ここで、渦巻きの最外部に配置される光ファイバ32の一端はガラス平板33の外部に配置される。
【0084】
ガラス平板33の上部には、励起光34を導入するプリズム31が配置される。この際、プリズム31の一部が、光ファイバ32が形成する渦巻きの中心の上部に位置するようにプリズム31を配置する。
【0085】
プリズム31を介して導入された励起光34は、渦巻きを形成する光ファイバ32と略平行方向に光ファイバ32に導入される。励起光34を導入された光ファイバ32はレーザ光を発生し、発生したレーザ光はガラス平板33の外部に配置された光ファイバ32の一端から取り出される。
【0086】
このように、本形態のようにレーザ光発生装置30を構成することとしても第1の実施の形態と同様な効果が得られる。
【0087】
【実施例7】
第4の実施の形態において、光ファイバとして、コア径50μm、クラッド径125μm、開口数0.2の石英系ガラスファイバを用い、コア内部に0.5at%のNd3+イオンをドープした。光ファイバを渦巻き状に配置し、直径250mmφ厚さ0.5mmのほう珪酸塩系ガラス板(屈折率1.47)2枚で挟み込んだ。これを減圧下(10-4Pa以下)、900℃で30分加熱し、泡の入らない一体型の構成を作成した。これを両面から研削、研磨して厚みを130μmに整えた(以下平板円形構造体)。
【0088】
平板円形構造体の中央部には長さ240mmの石英プリズムを設置した。このプリズムは両側に励起光投入面(斜めの面)を持つ。その後、プリズム部分を除いて屈折率1.33の透明弗素樹脂をコーティングし、さらに金を蒸着した。そして、中心に設置されたプリズムの両側から発振波長0.8μmの励起光を合計で100W投入した。光ファイバの両端面は破断面のままとした。結果、合計で40Wの波長1.06μm帯のレーザ発振を確認できた。以上のように、光ファイバのコアとクラッドの境界における励起光の散乱損失を低減することができる。
【0089】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ光発生装置では、一つながりの光ファイバ複数回折り返し、光ファイバの一部が互いに略平行になるように配置された平坦面を有する束を形成し、その上面或いは下面から励起光を導入することとしたため、光ファイバでの励起光の散乱を低減させることが可能となり、励起光の導入効率が向上する。
【0090】
また、一つながりの光ファイバを複数回折り返し、平面状の束を構成し、この束を熱融着してレーザ光発生装置を構成することとしたため、耐光性の高いレーザ光発生装置を容易に構成することが可能となる。
【0091】
さらに、光ファイバを平面状の束としたため、光ファイバの冷却能力が高く、特別な冷却装置を必要としないレーザ光発生装置を構成することが可能となる。また、本発明の光アンプでは、一つながりの光ファイバ複数回折り返し、光ファイバの一部が互いに略平行になるように配置された平坦面を有する束を形成し、その上面或いは下面から励起光を導入することとしたため、光ファイバでの励起光の散乱を低減させることが可能となり、励起光の導入効率が向上する。
【0092】
さらに、一つながりの光ファイバを複数回折り返し、平面状の束を構成し、この束を熱融着して光アンプを構成することとしたため、耐光性の高い光アンプを容易に構成することが可能となる。
【0093】
また、光ファイバを平面状の束としたため、光ファイバの冷却能力が高く、特別な冷却装置を必要としない光アンプを構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態におけるレーザ光発生装置の平面図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】励起光がコアに導入される様子を示した構成図である。
【図4】励起光の入射条件を示した図である。
【図5】第2の実施の形態におけるレーザ光発生装置の構成を示した平面図である。
【図6】第3の実施の形態におけるレーザ光発生装置の構成を示した平面図である。
【図7】光ファイバに導入される励起光の入射条件を示した断面図である。
【図8】第4の実施の形態におけるレーザ光発生装置の構成を示した平面図である。
【符号の説明】
1 レーザ光発生装置
2 光ファイバ
3 反射ミラー
4a プリズム
4b プリズム
5 ガラス平板
7 励起光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser light generator and an optical amplifier using an optical fiber, and more particularly to a laser light generator and a light that generate laser light or amplify light by introducing excitation light into a laser active material in the optical fiber. Regarding amplifiers.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in the field of optical communication or optical processing technology, it is desired to put into practical use an inexpensive and high-power laser light generator.
[0003]
Under such circumstances, an optical fiber laser oscillator or an optical waveguide type laser oscillator can be easily made into a single oscillation mode by adjusting and adjusting the core diameter and the refractive index difference between the core and the clad, and can emit light. Enhancing the interaction between the laser active substance and light by confining at a high density, and increasing the interaction length by increasing the length, it is possible to generate spatially high-quality laser light with high efficiency. It has been known.
[0004]
Here, in order to achieve high output or high efficiency of the laser beam, how to efficiently introduce the excitation light into the laser active ion or dye or other emission center addition region (usually the core) of the optical fiber or optical waveguide It will be a challenge.
[0005]
However, when the core diameter is usually set in the waveguide mode of single mode, the diameter is limited to less than a dozen μm or less of the addition region (usually the core portion) of the laser active ion or dye or other light emission center. It is generally difficult to introduce excitation light well.
[0006]
Therefore, a second clad portion made of a transparent material having a lower refractive index than the clad portion is provided outside the clad portion, and is introduced from the end face by total reflection due to the refractive index difference between the second clad portion and the clad portion. The pumped light is confined in the first cladding part and the core part, and gradually the laser active ions or dyes pass as the confined pumping light passes through the added region (usually the core part) of the laser active ions or dyes or other emission centers. There is known a method in which excitation light is absorbed by other emission centers and high-power laser light is output. This is a double clad fiber laser. (E. Snitzer, H. Po, FHakimi, R. Tumminelli, and BCMcCllum, in Optical Fiber Sensors, Vol. 2 of 1988 OSA Tecnical Digest Series (Optical Society of America, Washington, DC, 1988), paper PD5.).
[0007]
However, in the case of a double-clad fiber laser, if the cross-sectional shape of the inner cladding part is circular, excitation light that selectively transmits near the active region of the laser-active ion or dye or other emission center (usually the core part) Only the laser active material is efficiently absorbed, and the absorption efficiency of the other part is very low. That is, there is a problem that absorption saturation occurs due to the mode.
[0008]
Therefore, a device has been devised to make the shape of the inner cladding portion rectangular, but it is generally difficult to produce an optical fiber having a cross-sectional shape other than a circle, and the mechanical strength tends to be insufficient. It is.
[0009]
In order to solve these problems, an optical fiber laser device (Japanese Patent Laid-Open No. 10-135548) that introduces excitation light from the side surface into an addition region (usually a core portion) of a laser active ion or dye or other emission center in an optical fiber. ) And a laser device (Japanese Patent Laid-Open No. 10-190097) have been proposed.
[0010]
When excitation light is introduced from the side into the laser active ion or dye or other emission center addition region (usually the core), the laser active ion or dye or other emission center addition region (usually the core portion) ), The waveguide length (L) is very long compared to the diameter (d), and L / d is 10 6 Therefore, much more excitation energy can be introduced into the optical fiber or the waveguide than the method of introducing the excitation light from the cross-sectional direction of the waveguide.
[0011]
In such an optical fiber laser device (Japanese Patent Laid-Open No. 10-135548) and a laser device (Japanese Patent Laid-Open No. 10-190097), the excitation light propagates across the optical fiber. In addition, it is necessary to have a low loss configuration with high quality. Therefore, conventionally, such a low-loss configuration has been realized by adopting a configuration in which the optical fiber is embedded in an optical adhesive or a configuration in which the optical fibers are thermally fused.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the laser beam generators disclosed in JP-A-10-135548 and JP-A-10-190097, pumping light is introduced in a direction crossing the optical fiber, and pumping light is propagated so as to cross the core row. Therefore, there is a problem that the scattering of the excitation light between the core and the clad is increased, the absorption efficiency of the excitation light is lowered, and as a result, the efficiency of the laser light generator is lowered.
[0013]
Further, in the method of receiving optical fibers disclosed in JP-A-10-135548 and JP-A-10-190097 into an optical adhesive, an optical adhesive that is an organic substance is used, so that light resistance under strong excitation is used. There is also a problem that it is inferior.
[0014]
Further, in the method of thermally fusing optical fibers disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-135548 and 10-190097, a bundle of optical fibers having a certain height is heat-fused at a high temperature of 1500 ° C. or higher. However, since it is difficult to select a fusion type that can withstand such a high temperature, it is difficult to maintain the shape of the optical fiber bundle after the fusion.
[0015]
Further, in the method of heat-sealing optical fibers disclosed in JP-A-10-135548 and JP-A-10-190097, a bundle of optical fibers having a certain thickness is heat-sealed. There is also a problem that a temperature difference sometimes occurs between the outside and inside of the optical fiber bundle, and uniform heat fusion is difficult.
[0016]
The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a laser light generator and an optical amplifier that can efficiently introduce excitation light, have excellent light resistance, and are easy to manufacture. .
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, in a laser beam generator for generating laser beam by supplying excitation light to a laser active substance, Said By having a laser active substance and an outer peripheral portion that covers the laser active substance, and arranging at least some of them substantially parallel to each other Bundles arranged on a plane A single optical fiber, Excitation that introduces excitation light substantially parallel to the optical fiber, the refractive index of light being substantially equal to the outer periphery, two glass flat plates sandwiching a portion other than both ends of the optical fiber, and the glass flat plate A transparent resin having a refractive index smaller than that of the outer peripheral portion covering the light introduction portion and the side of the glass plate that does not contact the optical fiber; There is provided a laser beam generator characterized by comprising:
[0019]
Also, In an optical amplifier that amplifies input light by supplying excitation light to a laser active material, the laser active material has an outer peripheral portion that covers the laser active material, and at least a part thereof is arranged substantially parallel to each other A bundle of optical fibers arranged on a plane, two glass flat plates sandwiching a portion other than both ends of the optical fiber, the refractive index of light being substantially equal to the outer peripheral portion, and the glass flat plate An excitation light introducing portion that introduces excitation light substantially parallel to the optical fiber, and a transparent resin having a refractive index smaller than that of the outer peripheral portion that covers the side of the glass plate that does not contact the optical fiber. Features optical amplifier Is provided.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the first embodiment will be described.
[0022]
FIG. 1 is a plan view of a laser beam generator 1 according to the first embodiment.
The laser beam generator 1 includes a flat optical fiber 2 including a laser active substance, a
[0023]
The optical fiber 2 is folded at a plurality of locations, and constitutes a bundle of optical fibers 2 having folded portions at both ends. In the portion sandwiched between the folded portions of the bundle of optical fibers 2, the optical fibers 2 are arranged in a straight line, and the optical fibers 2 arranged in a straight line are arranged substantially parallel to each other, thereby obtaining a planar light. A bundle of fibers 2 is formed. Here, in order to align the optical fibers 2 in a planar shape, first, the optical fibers 2 are tightly wound using an optical fiber winder without overlapping an appropriate-sized winding drum. The winding drum is devised so that the wound optical fiber 2 can be pulled out without disturbing the row. Several peelable adhesive tapes for keeping the row are affixed to the wound optical fiber 2, and the wound optical fiber 2 is pulled out from the winding drum while keeping the row. The optical fibers 2 drawn here are crushed in the lateral direction while keeping the row and gathered into a linear strip shape. This straight line portion retains its shape with a thin quartz plate that is pre-grooved. In this step, in order to prevent the optical fiber 2 from being broken, it is desirable that the optical fiber 2 is coated with a resin coating that can maintain the mechanical strength, and the coating resin used for coating can be easily removed with an organic solvent. desirable. Further, dry removal by plasma treatment is possible as another means for removing the coating resin. The removal of the coating resin is not limited to the whole, but may be a part. For example, it is possible to remove only the excitation light absorbing portion and leave the loop portion as it is with the resin. In this case, if a transparent resin having a refractive index lower than that of the clad is used as the coating resin, it is possible to easily configure a form in which excitation light, which will be described later, is absorbed by the core while circulating inside the optical fiber 2. desirable. Further, the folded portion of the optical fiber 2 is also arranged in a planar shape. At this time, it is desirable that the overlap of the folded portion of the optical fiber 2 is three layers or less.
[0024]
As the optical fiber 2, either a silica-based fiber or a non-quartz-based fiber may be used. However, when a non-silica-based fiber such as fluoride glass, chalcogenite glass, tellurite glass, or the like is used, its low Phenon absorption enables laser oscillation in the mid-infrared region including wavelengths that cannot be realized with silica-based fibers. For example, Ce in non-quartz fiber 3+ Is used as the core, it is possible to oscillate laser light having a wavelength of 5 μm. When laser wavelengths when other materials are used as the core in the non-quartz fiber are listed, Pr 3+ : 5 μm, 1.3 μm, 2.3 μm / Nd 3+ : 5 μm, 2.5 μm / Tb 3+ : 5 μm / Dy 3+ : 3 μm, 1.34 μm, 1.7 μm / Ho 3+ : 5 μm, 4 μm, 3 μm, 2 μm / Er 3+ : 3 μm, 3.5 μm, 4 μm / Tm 3+ : 5.5 μm, 4 μm, 2 μm, and 1.2 μm. In general, fluoride glass, chalcogenite glass, tellurite glass, etc. also have a higher multiphoton absorption intensity due to ESA (absorption from the excited level), and vibration from a long wavelength to a short wavelength. Frequency up-conversion is possible. In this example, Er as the core 3+ Green laser, Pr when used 3+ Red, green and blue lasers with Tm 3+ There is a blue laser or the like when using. Also, using fluoride glass or chalcogenite glass, Pr 3+ In the case where an optical amplifier is configured with the core as a core, it becomes possible to amplify an optical signal having a wavelength band of 1.3 μm, which is difficult to amplify with a silica fiber. In addition, using multi-component aluminosilicate glass or tellurite glass, Er 3+ When the optical amplifier is configured with the core as the core, the wavelength dependence of the amplification gain in the optical signal amplification in the 1.5 μm band is flatter than that of the silica-based fiber, and amplification in a very wide band is possible in the multi-wavelength optical communication. Become.
[0025]
The cross-sectional shape of the optical fiber 2 may be any shape such as a circle or a rectangle. However, when the cross-sectional shape of the optical fiber 2 is a circle, excitation at the contact portion between the linear portion of the bundle of optical fibers 2 and the folded portion. The delivery efficiency of the
[0026]
The bundle of optical fibers 2 configured as described above is sandwiched between the upper and lower sides of the optical fiber 2 by a
[0027]
Next, the bundle of optical fibers 2 sandwiched between the glass
[0028]
After heat fusion, the surface of the glass
[0029]
[0030]
2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
The optical fiber 2 has a coaxial structure in which the
[0031]
Next, the overall operation of the laser beam generator 1 in this embodiment will be described.
[0032]
By introducing
[0033]
The
[0034]
FIG. 3 is a configuration diagram showing how the
When the refractive index of the light of the
[0035]
FIG. 4 is a diagram showing the incident conditions of the
In this figure, d is the thickness of the bundle of optical fibers 2 sandwiched between the glass
[0036]
The relational expressions for θ0, θ1, n1, n2, n3, d and the total reflection angle θmax at the glass
[0037]
[Expression 1]
θ1 = cos -1 (N2 · (cos θ0) / n1)
[0038]
[Expression 2]
Δx1 = d / tan θ1
[0039]
[Equation 3]
θmax = 90 ° -sin -1 (N3 / n2)
Here, in order for the
[0040]
As described above, in this embodiment, the optical fiber 2 connected to the optical fiber 2 is folded a plurality of times to form a bundle having a flat surface arranged so that a part of the optical fibers 2 are substantially parallel to each other. Since the
[0041]
Further, in this embodiment, since the optical fiber 2 connected in a plurality of times is folded back to form a planar bundle, and this bundle is heat-sealed to constitute the laser light generating device 1, the bundle of optical fibers 2 is formed. Can be easily heat-sealed, and the laser light generator 1 having high light resistance can be easily configured.
[0042]
Furthermore, since the optical fiber 2 is a flat bundle, the optical fiber 2 has a high cooling capacity and does not require a special cooling device.
In this embodiment, the bundle of optical fibers 2 is heat-sealed. However, an inorganic or organic transparent adhesive may be applied to bond the optical fibers 2 together.
[0043]
Further, in this embodiment, only one bundle of the planar optical fibers 2 is configured. However, a planar bundle of a plurality of optical fibers 2 is configured, and at least two of the planar bundles are coupled in series. It is good as well.
[0044]
Furthermore, in the present embodiment, this configuration is used as the laser light generating device 1, but the
[0045]
[Example 1]
In the first embodiment, as an optical fiber, 0.5 at% Nd is formed inside the core of a silica glass fiber having a continuous core diameter of 50 μm, a cladding diameter of 125 μm, and a numerical aperture of 0.2. 3+ What doped ion was used. A plurality of optical fibers were folded back and closely arranged on a quartz thin plate having a thickness of 0.15 mm so that the central portion sandwiched between the folded portions became a plate shape of 200 × 15 mm. The optical fiber is sandwiched between two thin quartz plates and is subjected to reduced pressure (10 -Four The heat treatment was performed at 1550 ° C. for 30 minutes. Here, in order to prevent the optical fiber from being scattered on the side of the quartz thin plate, a quartz strip jig having a thickness of 0.10 mm was installed to hold the side of the quartz thin plate.
[0046]
As a result, an all glass type flat plate laser structure was produced. This flat structure was etched with a 30 wt% HF aqueous solution to reduce the thickness to 0.12 mm. Thereafter, the surface of the structure was fire polished with an oxyhydrogen burner to prepare a mirror surface. A quartz prism was attached to the flat structure with a heat-resistant optical adhesive, and a transparent fluorine resin having a refractive index of 1.33 was coated on the portion other than the prism. Further, a gold film was deposited leaving the prism portion.
[0047]
A total of 40 W of excitation light with an oscillation wavelength of 0.8 μm formed into parallel light was input from the prism. One end face of the optical fiber was pressed with a reflection mirror having a reflectance of 99%, and the other end face was left as a broken surface. As a result, it was possible to confirm laser oscillation of 8 W wavelength in the 1.06 μm band. As described above, the scattering loss of excitation light at the boundary between the core and the clad of the optical fiber can be reduced.
[0048]
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 5 is a plan view showing the configuration of the
[0049]
The
[0050]
The
[0051]
A
[0052]
The
[0053]
As described above, even when the
In the present embodiment, this configuration is used as the
[0054]
[Example 2]
In the second embodiment, 0.5 at% Nd is contained in the core of a silica glass fiber having a core diameter of 50 μm, a cladding diameter of 125 μm, and a numerical aperture of 0.2. 3+ A series of optical fibers doped with ions was used. After placing the optical fiber as shown in FIG. 5 described above, the optical fiber was sandwiched between two borosilicate glass plates (refractive index: 1.47) having a diameter of 250 mmφ and a thickness of 0.5 mm. This is reduced pressure (10 -Four Pa or less), and heated at 900 ° C. for 30 minutes to create an integrated structure without bubbles. This was ground and polished from both sides, and the thickness was adjusted to 130 μm (hereinafter referred to as planar structure).
[0055]
A quartz prism having a length of 240 mm was installed at the center of the flat plate structure. This prism has excitation light input surfaces (oblique surfaces) on both sides. Thereafter, a transparent fluororesin having a refractive index of 1.33 was coated except for the prism portion, and gold was further evaporated.
[0056]
Then, a total of 100 W of excitation light from a laser diode having an oscillation wavelength of 0.8 μm was input from both sides of the prism installed at the installed center. Both end faces of the laser fiber were left as fractured surfaces. As a result, a total of 40 W of laser oscillation in a wavelength 1.06 μm band could be confirmed. As described above, the scattering loss of the excitation light at the boundary between the core and the clad of the optical fiber can be reduced.
[0057]
Next, a third embodiment will be described.
FIG. 6 is a plan view showing the configuration of the
The
[0058]
The
[0059]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an incident condition of the
Here, L is the thickness of the tape-shaped
[0060]
[Expression 4]
θ1 = θmaxf + θ0
[0061]
[Equation 5]
x0 = L / sin θ0
[0062]
[Formula 6]
x1 = 2d / tan θ1
[0063]
[Expression 7]
θmaxf = cos -1 (N1 / n2)
[0064]
[Equation 8]
θmaxs = cos -1 (N3 / n2)
Here, in order for the
[0065]
The pumping
[0066]
Thus, even when the
In the present embodiment, this configuration is used as the
[0067]
[Example 3]
In the third embodiment, a quartz glass fiber having a numerical aperture of 0.2 having a square cross section with a core diameter of 40 μm and a cladding diameter of 125 × 125 μm is used as the optical fiber, and 0.4 at% Nd is provided inside the core. 3+ Doped with ions. The surface of the optical fiber was coated with an ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.38. Two borosilicate glass plates of 0.1 mm are formed so that two portions where the optical fibers are arranged in a straight line are formed, and the size of the plane formed by each straight line portion is a flat plate of 100 × 12 mm. I sandwiched the straight line.
[0068]
The loop portions at both ends were solidified with a heat-resistant adhesive together with the coating, the linear portions were immersed in an organic solvent to remove the coating, and rearranged on a borosilicate glass plate. Then, the whole was put into a vacuum vessel, and only a straight portion was heated to 900 ° C. using a flat heater, and the quartz fiber was sandwiched in a borosilicate glass plate by pressing with a heater from above and below. At this time, an adhesive was applied again to the portion of the optical fiber protruding from the borosilicate glass and having no adhesive or adhesive. Thereafter, this flat plate structure is etched with a 30 wt% HF aqueous solution to reduce the thickness to 0.12 mm, and a thin optical transparent adhesive having a refractive index of 1.47 is applied to the surface of the glass portion. Unevenness was lost.
[0069]
A tape-shaped glass plate of borosilicate glass having a thickness of 0.12 mm, a length of 150 mm, and a width of 12 mm was bonded to the flat plate-type structure. At this time, the bonded portion of the tape-shaped glass plate was obliquely polished at an angle of 10 °. Further, a transparent ultraviolet curable resin was applied to the side surface of the tape-shaped glass plate with an excitation light wavelength of a refractive index of 1.46.
[0070]
Thereafter, a transparent fluororesin having a refractive index of 1.33 was coated on a portion of the structure other than the glass plate for introducing excitation light, and a gold film was further deposited. A total of 20 W of excitation light having an oscillation wavelength of 0.8 μm was input from the end surfaces of the two tape-like glass plates for introducing excitation light. It was observed that the excitation light could not be absorbed by the straight line portion alone, but 90% of the excitation light that could not be absorbed was input to the other straight line portion through the loop portion.
[0071]
One end face of the optical fiber was pressed with a reflection mirror having a reflectance of 99%, and the other end face was left as a broken surface. As a result, it was possible to confirm laser oscillation in a 4 W wavelength band of 1.06 μm. As described above, the scattering loss of excitation light at the boundary between the core and the clad of the optical fiber can be reduced.
[0072]
[Example 4]
In the third embodiment, a quartz glass fiber having a numerical aperture of 0.2 having a square cross-sectional shape with a core diameter of 40 μm and a cladding diameter of 125 × 125 μm is used as the optical fiber, and 0.4 at% Yb is provided inside the core. 3+ Doped with ions. The surface of the optical fiber was coated with an ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.38. Two pieces of 0.1 mm borosilicate glass plates are formed so that two portions where the optical fibers are arranged in a straight line are formed, and the size of the plane formed by each straight line portion is a flat plate of 100 × 12 mm. I sandwiched the straight line.
[0073]
The loop portions at both ends were solidified with a heat-resistant adhesive together with the coating, the linear portions were immersed in an organic solvent to remove the coating, and rearranged on a borosilicate glass plate. Then, the whole was put into a vacuum atmosphere, and only the straight portion was heated to 900 ° C. using a flat heater, and the quartz fiber was sandwiched between borosilicate glass plates by pressing from above and below with the heater. At this time, an adhesive was applied again to the portion of the optical fiber protruding from the borosilicate glass and having no adhesive or adhesive. Thereafter, this flat plate structure is etched with a 30 wt% HF aqueous solution to reduce the thickness to 0.12 mm, and a thin optical transparent adhesive having a refractive index of 1.47 is applied to the surface of the glass portion. Unevenness was lost.
[0074]
A tape-shaped glass plate of borosilicate glass having a thickness of 0.12 mm, a length of 150 mm, and a width of 12 mm was bonded to the flat plate-type structure. At this time, the bonded portion of the tape-shaped glass plate was obliquely polished at an angle of 10 °. Further, a transparent ultraviolet curable resin was applied to the side surface of the tape-shaped glass plate with an excitation light wavelength of a refractive index of 1.46.
[0075]
Thereafter, a transparent fluororesin having a refractive index of 1.33 was coated on a portion of the structure other than the glass plate for introducing excitation light, and a gold film was further deposited. A total of 20 W of excitation light having an oscillation wavelength of 0.9 μm was input from the end face of the tape-like glass plate for introducing excitation light. It was observed that the excitation light could not be absorbed by the straight line portion alone, but 90% of the excitation light that could not be absorbed was input to the other straight line portion through the loop portion.
[0076]
One end face of the optical fiber was pressed with a mirror having a reflectance of 99%, and the other end face was left as a broken surface. As a result, it was possible to confirm laser oscillation in a 10 W wavelength band of 1.03 μm. As described above, the scattering loss of excitation light at the boundary between the core and the clad of the optical fiber can be reduced.
[0077]
[Example 5]
In the third embodiment, an AlF3-ZrF4 glass fiber with a numerical aperture of 0.2 having a square cross-sectional shape with a core diameter of 450 μm and a cladding diameter of 500 × 500 μm is used as the optical fiber, and Er of 15 at% is contained in the core. 3+ Doped with ions. The surface of the optical fiber was coated with an ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.38. Two portions where the optical fibers are arranged in a straight line are formed, and the flat surfaces formed by the respective straight portions are arranged in a flat plate shape of 50 × 12 mm.
[0078]
The loop portions at both ends of the coated fiber were hardened with a heat-resistant adhesive together with the coating, and the straight portions were immersed in an organic solvent to remove the coating and rearranged. Thereafter, the whole was put in a container (glove box) capable of controlling the atmosphere, and only the straight portion of the optical fiber was pressed with a flat heater at 400 ° C., and the fluoride fibers were fused. At this time, the resin was applied again to the portion of the optical fiber that protruded from the fused portion and that did not have a coating or adhesive. Thereafter, the surface of the flat structure was etched by about 5 μm using 5N nitric acid containing 20 wt% aluminum nitrate and 5 wt% boric acid to remove crystal grains generated on the surface. Thereafter, an optical transparent resin having a refractive index of 1.44 was thinly applied to the glass portion of the flat plate structure to eliminate surface irregularities. Then, an AlF3-ZrF4 tape-shaped plate having the same composition as the cladding of the optical fiber and having a thickness of 0.12 mm, a length of 150 mm, and a width of 12 mm was bonded to the surface. Here, the side surface of the tape-like plate is coated with an ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.43, which is transparent at the excitation light wavelength. Further, the bonded portion of the tape-like plate was subjected to oblique polishing at an angle of 10 °. Thereafter, the portion other than the tape-like plate in the flat plate structure was coated with a transparent fluorine resin having a refractive index of 1.33.
[0079]
A total of 1 W of excitation light oscillated from the laser diode was introduced in a pulse manner from the end face of the tape-shaped plate of the laser generator thus configured (10 pps, pulse width 500 μs). A mirror having a reflectance of 99% with respect to light having a wavelength of 2.8 μm was attached to one end face of the optical fiber, and the other end face was left as a broken surface. As a result, a pulse laser with a wavelength of 2.8 μm at 0.1 W (10 mJ / puls, 10 pps) was confirmed. As described above, the scattering loss of excitation light at the boundary between the core and the clad of the optical fiber can be reduced.
[0080]
[Example 6]
In this example, a quartz glass fiber having a core diameter of 8 μm, a cladding diameter of 125 μm, and a numerical aperture of 0.1 was used as the optical fiber, and 0.5 at% Nd3 + ions were doped inside the core. The surface of the optical fiber was coated with an ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.38. Two borosilicate glass plates of 0.1 mm are formed so that two portions where the optical fibers are arranged in a straight line are formed, and the size of the plane formed by each straight line portion is a flat plate of 1000 × 12 mm. I sandwiched the straight line. Subsequent production steps are the same as in Example 3.
[0081]
A total of 10 W of excitation light having an oscillation wavelength of 0.8 μm was input from the end face of the glass plate for introducing excitation light. Signal light (0 dBm) having a wavelength of 1.06 μm was introduced from one end face of the optical fiber. When the output signal from the other end surface was measured with a power meter, the signal light was amplified to 30 dBm. As described above, the scattering loss of excitation light at the boundary between the core and the clad of the optical fiber can be reduced.
[0082]
Next, a fourth embodiment will be described.
FIG. 8 is a plan view showing the configuration of the
[0083]
The
[0084]
A
[0085]
The excitation light 34 introduced through the
[0086]
Thus, even when the
[0087]
[Example 7]
In the fourth embodiment, a quartz glass fiber having a core diameter of 50 μm, a cladding diameter of 125 μm, and a numerical aperture of 0.2 is used as the optical fiber, and 0.5 at% Nd is formed inside the core. 3+ Doped with ions. The optical fibers were arranged in a spiral shape and sandwiched between two borosilicate glass plates (refractive index: 1.47) having a diameter of 250 mm and a thickness of 0.5 mm. This is reduced pressure (10 -Four Pa or less), and heated at 900 ° C. for 30 minutes to create an integrated structure without bubbles. This was ground and polished from both sides to adjust the thickness to 130 μm (hereinafter referred to as flat plate circular structure).
[0088]
A quartz prism having a length of 240 mm was installed at the center of the flat plate structure. This prism has excitation light input surfaces (oblique surfaces) on both sides. Thereafter, a transparent fluororesin having a refractive index of 1.33 was coated except for the prism portion, and gold was further evaporated. Then, a total of 100 W of excitation light having an oscillation wavelength of 0.8 μm was input from both sides of the prism installed at the center. Both end faces of the optical fiber were left as fractured surfaces. As a result, a total of 40 W of laser oscillation in a wavelength 1.06 μm band could be confirmed. As described above, the scattering loss of excitation light at the boundary between the core and the clad of the optical fiber can be reduced.
[0089]
【The invention's effect】
As described above, in the laser light generating apparatus of the present invention, a bundle of optical fibers is folded back multiple times, a bundle having a flat surface arranged so that parts of the optical fibers are substantially parallel to each other is formed, Since the excitation light is introduced from the upper surface or the lower surface, the scattering of the excitation light in the optical fiber can be reduced, and the introduction efficiency of the excitation light is improved.
[0090]
In addition, a series of optical fibers are folded back multiple times to form a flat bundle, and the bundle is heat-sealed to constitute a laser light generator, so that a laser light generator with high light resistance can be easily formed. It can be configured.
[0091]
Furthermore, since the optical fiber is a flat bundle, it is possible to configure a laser light generator that has a high cooling capacity of the optical fiber and does not require a special cooling device. In the optical amplifier according to the present invention, a bundle of optical fibers is folded back multiple times to form a bundle having a flat surface arranged so that parts of the optical fibers are substantially parallel to each other. Therefore, it is possible to reduce the scattering of the excitation light in the optical fiber, and the introduction efficiency of the excitation light is improved.
[0092]
Furthermore, since a series of optical fibers are folded back multiple times to form a planar bundle, and the bundle is thermally fused to form an optical amplifier, an optical amplifier with high light resistance can be easily configured. It becomes possible.
[0093]
In addition, since the optical fiber is a flat bundle, it is possible to configure an optical amplifier that has a high cooling capacity of the optical fiber and does not require a special cooling device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a laser beam generator according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating how excitation light is introduced into a core.
FIG. 4 is a diagram showing an incident condition of excitation light.
FIG. 5 is a plan view showing a configuration of a laser beam generator according to a second embodiment.
FIG. 6 is a plan view showing a configuration of a laser beam generator according to a third embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an incident condition of excitation light introduced into an optical fiber.
FIG. 8 is a plan view showing a configuration of a laser beam generator according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Laser beam generator
2 Optical fiber
3 Reflection mirror
4a prism
4b prism
5 Glass flat plate
7 Excitation light
Claims (7)
前記レーザ活性物質と前記レーザ活性物質を覆う外周部とを有し、少なくとも一部を互いに略平行に配列することにより平面上に配置された束状の一つながりの光ファイバと、
光の屈折率が前記外周部と略等しく、前記光ファイバの両端以外の部位を挟み込む2枚のガラス平板と、
前記ガラス平板上に設けられ、前記光ファイバに略平行に励起光を導入する励起光導入部と、
前記ガラス平板の前記光ファイバに接触しない側を覆う前記外周部より屈折率の小さい透明樹脂と、
を有することを特徴とするレーザ光発生装置。In a laser light generator for generating laser light by supplying excitation light to a laser active substance,
And a peripheral portion that covers the laser active material as the laser active material, and an optical fiber bundle of a stretch disposed on a plane by arranging substantially parallel to each other at least partially,
Two glass flat plates sandwiching a portion other than both ends of the optical fiber, the refractive index of light being substantially equal to the outer peripheral portion;
An excitation light introduction unit that is provided on the glass plate and introduces excitation light substantially parallel to the optical fiber;
A transparent resin having a smaller refractive index than the outer peripheral portion covering the side of the glass plate that does not contact the optical fiber;
A laser light generator characterized by comprising:
前記レーザ活性物質と前記レーザ活性物質を覆う外周部とを有し、少なくとも一部を互いに略平行に配列することにより平面上に配置された束状の一つながりの光ファイバと、 A continuous optical fiber having a bundle shape arranged on a plane by arranging the laser active material and an outer peripheral portion covering the laser active material, and arranging at least a part thereof substantially parallel to each other;
光の屈折率が前記外周部と略等しく、前記光ファイバの両端以外の部位を挟み込む2枚のガラス平板と、 Two glass flat plates sandwiching a portion other than both ends of the optical fiber, the refractive index of light being substantially equal to the outer peripheral portion;
前記ガラス平板上に設けられ、前記光ファイバに略平行に励起光を導入する励起光導入部と、 An excitation light introduction unit that is provided on the glass plate and introduces excitation light substantially parallel to the optical fiber;
前記ガラス平板の前記光ファイバに接触しない側を覆う前記外周部より屈折率の小さい透明樹脂と、 A transparent resin having a smaller refractive index than the outer peripheral portion covering the side of the glass plate that does not contact the optical fiber;
を有することを特徴とする光アンプ。 An optical amplifier comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18436099A JP4209554B2 (en) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | Laser light generator and optical amplifier |
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