JP7804482B2 - Fiber laser device - Google Patents
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Description
本発明は、ファイバレーザ装置に係り、特にレーザ光を出力するデリバリファイバを含むファイバレーザ装置に関するものである。 The present invention relates to a fiber laser device, and more particularly to a fiber laser device that includes a delivery fiber that outputs laser light.
ファイバレーザは、従来から金属材料の加工に用いられてきた炭酸ガスレーザと比べると、そのビーム品質が良く、ビームスポットを小さくすることができ、またパワー密度も大きいため、近年、金属材料などの切断や溶接、切削などの加工を行うために用いられることが多くなってきている。しかし、銅やアルミニウムなどの材料は、ファイバレーザの発振波長の光に対する吸収率が鉄などと比べて低く、これらの材料を加工するためには高いパワー密度のビームを照射する必要があり、従来から広く普及しているマルチモードファイバレーザでは加工が難しい。このため、銅やアルミニウムなどの材料を加工する際には、発振されるレーザ光の大部分が基本モードからなり、マルチモードファイバレーザに比べて高いパワー密度のレーザ光を出射可能なシングルモードファイバレーザを使用することが考えられる(例えば、特許文献1参照)。 Compared to carbon dioxide lasers, which have traditionally been used to process metal materials, fiber lasers offer better beam quality, allow for a smaller beam spot, and have higher power density. Therefore, in recent years, they have been increasingly used to process metal materials, including cutting, welding, and machining. However, materials such as copper and aluminum have a lower absorption rate for light at the oscillation wavelength of fiber lasers than materials such as iron. Processing these materials requires the irradiation of a high-power-density beam, which makes processing difficult with the widely used multimode fiber lasers. For this reason, when processing materials such as copper and aluminum, it is considered to use a single-mode fiber laser, which emits a laser beam with a higher power density than a multimode fiber laser, with the majority of the emitted laser light consisting of the fundamental mode (see, for example, Patent Document 1).
一般的に、シングルモードファイバレーザから出力されるレーザ光は、図4Aに示すようなガウシアン形のビームプロファイルを有しているが、このようなガウシアン形のビームプロファイルにおいてはビームの中心部分のパワー密度が特に高くなる。しかしながら、中心部分のパワー密度が高くなることで、レーザ加工を行う際にレーザ光の照射により溶融した金属がさらに蒸発して加工スポットの周囲に飛散する現象(スパッタ)が生じやすくなる。このようなスパッタ現象が発生すると、金属材料の強度の低下や外観的な不良が生じ、レーザ加工の品質が低下する。このため、ファイバレーザから出力されるレーザ光の集光性を高く維持しつつも、レーザ光の中心部分のパワーが過度に高くならないようにビーム特性を改善できる技術が求められている。 Generally, laser light output from a single-mode fiber laser has a Gaussian beam profile as shown in Figure 4A. In such a Gaussian beam profile, the power density is particularly high in the center of the beam. However, the high power density in the center makes it more likely that metal melted by laser light irradiation during laser processing will further evaporate and scatter around the processing spot (sputtering). Such sputtering reduces the strength of the metal material, results in cosmetic defects, and reduces the quality of the laser processing. Therefore, there is a need for technology that can improve beam characteristics so that the power in the center of the laser light does not become excessively high while maintaining high focusing capabilities of the laser light output from a fiber laser.
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、出力されるレーザ光の集光性を高く維持しつつ、ビーム特性を改善することができるファイバレーザ装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these problems with the prior art, and aims to provide a fiber laser device that can improve beam characteristics while maintaining high focusing of the output laser light.
本発明の一態様によれば、出力されるレーザ光の集光性を高く維持しつつ、ビーム特性を改善することができるファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、活性元素が添加されたコアを含む増幅用光ファイバと、上記活性元素を励起する励起光を出射可能な励起光源と、上記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光の波長においてシングルモード又はフューモードの光を伝搬させることが可能なコアを含み、上記レーザ光を出力可能な出力端を有するデリバリファイバとを備える。上記デリバリファイバは、少なくとも上記出力端において、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域により構成される多段屈折率構造を有する。この多段屈折率構造は、上記多段屈折率構造の中心に位置し、第1の屈折率を有する中心コア領域と、上記中心コア領域の周囲を覆い、上記第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する外側コア領域と、上記外側コア領域の周囲を覆い、上記第1の屈折率よりも低い第3の屈折率を有するクラッド領域とを含む。上記クラッド領域に対する上記外側コア領域の比屈折率差は0.1%~0.15%である。 According to one aspect of the present invention, there is provided a fiber laser device capable of improving beam characteristics while maintaining high focusing of output laser light. The fiber laser device includes an amplification optical fiber including a core doped with an active element, a pumping light source capable of emitting pumping light for exciting the active element, and a delivery fiber including a core capable of propagating single-mode or multi-mode light at the wavelength of laser light generated in the amplification optical fiber and having an output end capable of outputting the laser light. The delivery fiber has a multi-step refractive index structure at least at the output end, which is composed of multiple regions whose refractive index varies along a radial direction. The multi-step refractive index structure includes: a central core region located at the center of the multi-step refractive index structure and having a first refractive index; an outer core region surrounding the central core region and having a second refractive index higher than the first refractive index; and a cladding region surrounding the outer core region and having a third refractive index lower than the first refractive index. The relative refractive index difference of the outer core region with respect to the cladding region is 0.1% to 0.15%.
以下、本発明に係るファイバレーザ装置の実施形態について図1から図7を参照して詳細に説明する。図1から図7において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図1から図7においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第1」や「第2」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。 Embodiments of a fiber laser device according to the present invention will be described in detail below with reference to Figures 1 to 7. In Figures 1 to 7, identical or corresponding components are designated by the same reference numerals, and duplicate descriptions will be omitted. Furthermore, in Figures 1 to 7, the scale and dimensions of each component may be exaggerated, or some components may be omitted. In the following description, unless otherwise specified, terms such as "first" and "second" are used merely to distinguish components from one another, and do not represent a specific order or ranking.
図1は、本発明の第1の実施形態におけるファイバレーザ装置1の構成を模式的に示す図である。図1に示すように、ファイバレーザ装置1は、光共振器2と、光共振器2の一端側(上流側)から光共振器2に励起光を供給する複数の励起光源3と、複数の励起光源3から出力される励起光を結合して光共振器2に導入する光コンバイナ4と、光共振器2の他端側(下流側)に接続されるデリバリファイバ5とを含んでいる。デリバリファイバ5は、レーザ光Lを出力可能な出力端6を有している。なお、本明細書では、特に言及がない場合には、光共振器2からデリバリファイバ5の出力端6に向かってレーザ光が伝搬する方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。 Figure 1 is a diagram schematically illustrating the configuration of a fiber laser device 1 according to a first embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the fiber laser device 1 includes an optical resonator 2, multiple pumping light sources 3 that supply pumping light to the optical resonator 2 from one end (upstream side) of the optical resonator 2, an optical combiner 4 that combines the pumping light output from the multiple pumping light sources 3 and introduces it into the optical resonator 2, and a delivery fiber 5 connected to the other end (downstream side) of the optical resonator 2. The delivery fiber 5 has an output end 6 that can output laser light L. In this specification, unless otherwise specified, the direction in which the laser light propagates from the optical resonator 2 toward the output end 6 of the delivery fiber 5 will be referred to as the "downstream side," and the opposite direction will be referred to as the "upstream side."
光共振器2は、レーザ光を増幅可能な増幅用光ファイバ10と、所定の波長帯(例えば1070nm)の光を高い反射率(例えば100%近い反射率)で反射する高反射部21と、この波長の光を高反射部21よりも低い反射率(例えば10%の反射率)で反射する低反射部22とを含んでいる。高反射部21及び低反射部22は、例えば、光の伝搬方向に沿って周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成したファイバブラッググレーティング(FBG)やミラーにより構成される。図1に示す例では、高反射部21及び低反射部22をファイバブラッググレーティングにより構成している。 The optical resonator 2 includes an amplifying optical fiber 10 capable of amplifying laser light, a high-reflection section 21 that reflects light in a predetermined wavelength band (e.g., 1070 nm) with a high reflectivity (e.g., close to 100%), and a low-reflection section 22 that reflects light of this wavelength with a lower reflectivity (e.g., 10%) than the high-reflection section 21. The high-reflection section 21 and low-reflection section 22 are formed, for example, by fiber Bragg gratings (FBGs) or mirrors formed by periodically changing the refractive index of the optical fiber along the light propagation direction. In the example shown in Figure 1, the high-reflection section 21 and low-reflection section 22 are formed by fiber Bragg gratings.
高反射部21と増幅用光ファイバ10とは融着接続部31において互いに融着接続されており、高反射部21と光コンバイナ4の光ファイバ4Aとは融着接続部32において互いに融着接続されている。また、低反射部22と増幅用光ファイバ10とは融着接続部33において互いに融着接続されており、低反射部22とデリバリファイバ5とは融着接続部34において互いに融着接続されている。 The high-reflection section 21 and the amplification optical fiber 10 are fusion-spliced together at the fusion splice section 31, and the high-reflection section 21 and the optical fiber 4A of the optical combiner 4 are fusion-spliced together at the fusion splice section 32. The low-reflection section 22 and the amplification optical fiber 10 are fusion-spliced together at the fusion splice section 33, and the low-reflection section 22 and the delivery fiber 5 are fusion-spliced together at the fusion splice section 34.
図2は、増幅用光ファイバ10の構造を模式的に示す断面図である。図2に示すように、増幅用光ファイバ10は、コア11と、コア11の周囲を覆う内側クラッド層12と、内側クラッド層12の周囲を覆う外側クラッド層13とを有している。コア11は、例えば、石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加し、さらにその少なくとも一部に活性元素を添加することにより形成される。コア11に添加される活性元素としては、例えばイッテルビウム(Yb)やエルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、ネオジム(Nd)などの希土類元素、ビスマス(Bi)やクロム(Cr)などが挙げられる。本実施形態では、Ybを増幅用光ファイバ10のコア11に添加する例について説明するが、これに限られるものではない。 Figure 2 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of the amplification optical fiber 10. As shown in Figure 2, the amplification optical fiber 10 has a core 11, an inner cladding layer 12 that surrounds the core 11, and an outer cladding layer 13 that surrounds the inner cladding layer 12. The core 11 is formed, for example, by doping quartz with an element such as aluminum that increases the refractive index, and then doping at least a portion of the core with an active element. Examples of active elements that can be doped into the core 11 include rare earth elements such as ytterbium (Yb), erbium (Er), thulium (Tm), and neodymium (Nd), as well as bismuth (Bi) and chromium (Cr). In this embodiment, an example is described in which Yb is doped into the core 11 of the amplification optical fiber 10, but the present invention is not limited to this.
内側クラッド層12は、例えばドーパントが添加されない石英から形成される。内側クラッド層12の屈折率はコア11の屈折率よりも低くなっており、コア11の内側には光導波路が形成される。外側クラッド層13は、例えば紫外線硬化樹脂から形成される。外側クラッド層13の屈折率は内側クラッド層12の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層12の内側にも光導波路が形成される。 The inner cladding layer 12 is formed, for example, from quartz without any dopants. The refractive index of the inner cladding layer 12 is lower than that of the core 11, and an optical waveguide is formed inside the core 11. The outer cladding layer 13 is formed, for example, from an ultraviolet-curing resin. The refractive index of the outer cladding layer 13 is lower than that of the inner cladding layer 12, and an optical waveguide is also formed inside the inner cladding layer 12.
励起光源3のそれぞれは、例えばGaAs系半導体を材料とするファブリペロー型の半導体レーザ素子を含むものであり、例えば中心波長915nmの励起光を生成するものである。励起光源3から延びる光ファイバ3Aは、融着接続部35において光コンバイナ4の光ファイバ4Bと融着接続されている。光コンバイナ4は、複数の励起光源3から出力される励起光を結合してこの励起光を増幅用光ファイバ10の内側クラッド層12に導入するように構成されている。 Each of the pumping light sources 3 includes a Fabry-Perot semiconductor laser element made of, for example, a GaAs-based semiconductor, and generates pumping light with, for example, a center wavelength of 915 nm. The optical fiber 3A extending from the pumping light source 3 is fusion-spliced to the optical fiber 4B of the optical combiner 4 at the fusion splicer 35. The optical combiner 4 is configured to combine the pumping light output from the multiple pumping light sources 3 and introduce this pumping light into the inner cladding layer 12 of the amplification optical fiber 10.
図3は、デリバリファイバ5の構造を屈折率とともに模式的に示す断面図である。図3に示すように、デリバリファイバ5は、コア50と、コア50の周囲を覆うクラッド51と、クラッド51の周囲を覆う被覆層52とを有している。クラッド51の屈折率はコア50の屈折率よりも低くなっており、コア50の内側には光導波路が形成される。例えば、コア50は石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加することにより形成され、クラッド51は石英から形成される。クラッド51の屈折率は例えば1.45である。 Figure 3 is a cross-sectional view showing the structure of the delivery fiber 5 along with its refractive index. As shown in Figure 3, the delivery fiber 5 has a core 50, a cladding 51 that surrounds the core 50, and a coating layer 52 that surrounds the cladding 51. The refractive index of the cladding 51 is lower than that of the core 50, and an optical waveguide is formed inside the core 50. For example, the core 50 is formed by adding an element such as aluminum that increases the refractive index to quartz, and the cladding 51 is made of quartz. The refractive index of the cladding 51 is, for example, 1.45.
本実施形態におけるデリバリファイバ5は、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域から構成される多段屈折率構造60を有している。具体的には、図3に示すように、デリバリファイバ5は、コア50の中心に位置し、クラッド51の屈折率以上の屈折率を有する中心コア領域61と、中心コア領域61の周囲を覆い、中心コア領域61の屈折率よりも高い屈折率を有する外側コア領域62と、外側コア領域62の周囲を覆い、中心コア領域61の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド領域63とから構成される多段屈折率構造60を有している。例えばクラッド領域63に対する中心コア領域61の比屈折率差は0.01%~0.09%、クラッド領域63に対する外側コア領域62の比屈折率差は0.1%~0.15%である。 The delivery fiber 5 in this embodiment has a multi-step refractive index structure 60 composed of multiple regions whose refractive index changes along the radial direction. Specifically, as shown in FIG. 3, the delivery fiber 5 has a multi-step refractive index structure 60 composed of a central core region 61 located at the center of the core 50 and having a refractive index equal to or higher than that of the cladding 51, an outer core region 62 surrounding the central core region 61 and having a refractive index higher than that of the central core region 61, and a cladding region 63 surrounding the outer core region 62 and having a refractive index lower than that of the central core region 61. For example, the relative refractive index difference of the central core region 61 with respect to the cladding region 63 is 0.01% to 0.09%, and the relative refractive index difference of the outer core region 62 with respect to the cladding region 63 is 0.1% to 0.15%.
光共振器2において、増幅用光ファイバ10の内側クラッド層12を伝搬する励起光は、コア11を通過する際にYbに吸収され、このYbが励起されて自然放出光が生じる。Ybの励起により生じた自然放出光は、高反射部21と低反射部22との間で再帰的に反射され、特定の波長(例えば1064nm)の光が増幅されてレーザ発振が生じる。光共振器2で増幅されたレーザ光は、増幅用光ファイバ10のコア11内を伝搬し、その一部が低反射部22を透過して下流側に伝搬する。低反射部22を透過したレーザ光Lは、デリバリファイバ5を通って出力端6から例えば金属材料などの加工対象物Wに向けて出射される。 In the optical resonator 2, pumping light propagating through the inner cladding layer 12 of the amplification optical fiber 10 is absorbed by Yb as it passes through the core 11, exciting the Yb and generating spontaneous emission. The spontaneous emission light generated by the excitation of Yb is retroreflected between the high-reflection section 21 and the low-reflection section 22, amplifying light of a specific wavelength (e.g., 1064 nm) and generating laser oscillation. The laser light amplified by the optical resonator 2 propagates within the core 11 of the amplification optical fiber 10, with a portion of it passing through the low-reflection section 22 and propagating downstream. The laser light L that has passed through the low-reflection section 22 passes through the delivery fiber 5 and is emitted from the output end 6 toward the workpiece W, such as a metal material.
本実施形態におけるデリバリファイバ5のコア50は、増幅用光ファイバ10において増幅されるレーザ光の波長(例えば1064nm)の光が伝搬する場合に、シングルモードの光又はフューモードの光が伝搬できるように構成されている。例えば、フューモードの光が伝搬できるようにコア50が構成されている場合、基本モードであるLP01モードの光に加えて、LP11モードの光もコア50を伝搬する。ここで、フューモードとは2から10程度のLP(Linearly Polarized)モードを意味する。このように、デリバリファイバ5のコア50にシングルモードの光又はフューモードの光を伝搬させるようにすることで、デリバリファイバ5のコア50にマルチモードの光を伝搬させる場合と比較して、出力されるレーザ光のパワー密度を上げることができる。 In this embodiment, the core 50 of the delivery fiber 5 is configured to allow single-mode light or few-mode light to propagate when light of the wavelength (e.g., 1064 nm) of the laser light to be amplified in the amplification optical fiber 10 propagates. For example, if the core 50 is configured to allow the propagation of few-mode light, in addition to the fundamental mode LP01 mode light, LP11 mode light also propagates through the core 50. Here, few modes refers to LP (Linearly Polarized) modes of approximately 2 to 10. In this way, by propagating single-mode light or few-mode light through the core 50 of the delivery fiber 5, the power density of the output laser light can be increased compared to when multi-mode light is propagated through the core 50 of the delivery fiber 5.
本実施形態におけるデリバリファイバ5は、上述したような多段屈折率構造60を有しており、クラッド領域63に対する中心コア領域61の比屈折率差が外側コア領域62の比屈折率差よりも小さいため、外側コア領域62における光の閉じ込め効果が中心コア領域61における光の閉じ込め効果よりも高くなる。したがって、このような多段屈折率構造60にレーザ光を伝搬させると、図4Aに示すようなガウシアン形のビームプロファイルに比べて中心コア領域61におけるパワー密度を低くすることができる。このため、デリバリファイバ5の出力端6からは、図4Bに示すようなリング形のビームプロファイルや図4Cに示すようなトップハット形のビームプロファイルのレーザ光Lを出射することができる。 The delivery fiber 5 in this embodiment has the multi-step refractive index structure 60 described above, and because the relative refractive index difference of the central core region 61 with respect to the cladding region 63 is smaller than the relative refractive index difference of the outer core region 62, the light confinement effect in the outer core region 62 is greater than the light confinement effect in the central core region 61. Therefore, when laser light is propagated through such a multi-step refractive index structure 60, the power density in the central core region 61 can be lowered compared to the Gaussian beam profile shown in FIG. 4A. As a result, laser light L with a ring-shaped beam profile as shown in FIG. 4B or a top-hat beam profile as shown in FIG. 4C can be emitted from the output end 6 of the delivery fiber 5.
図5は、同一のパワーを有するレーザ光におけるビームプロファイル(光強度分布)の違いを説明するための模式図である。図5では、従来のシングルモードファイバレーザから出射されるガウシアン形のビームプロファイルと、上述した多段屈折率構造60を有するデリバリファイバ5を用いたファイバレーザ装置1から出射されるリング形のビームプロファイルとが示されている。図5に示すように、ガウシアン形のビームプロファイルを有するレーザ光では、中心部分の光強度が半径方向外側の光強度に比べて特に高い(図5のAで示す部分参照)。上述したように、この中心部分のパワー密度の高さがスパッタ現象及びレーザ加工の品質の低下につながる。 Figure 5 is a schematic diagram illustrating the difference in beam profile (light intensity distribution) between laser beams having the same power. Figure 5 shows a Gaussian beam profile emitted from a conventional single-mode fiber laser and a ring-shaped beam profile emitted from a fiber laser device 1 using a delivery fiber 5 having the above-mentioned multi-stage refractive index structure 60. As shown in Figure 5, in laser beams having a Gaussian beam profile, the light intensity in the central portion is particularly high compared to the light intensity at the radially outer edges (see the portion indicated by A in Figure 5). As mentioned above, this high power density in the central portion leads to sputtering and reduced quality in laser processing.
一方、同一のパワーでリング形のビームプロファイルを有するレーザ光を照射したとき、中心部分のパワー密度はガウシアン形のビームプロファイルよりも下がり、半径方向外側のパワー密度はガウシアン形のビームプロファイルよりも高くなる(図5のBで示す部分参照)。このように、リング形のビームプロファイルにおいてはパワー密度のピークをリング状にすることができる。したがって、レーザエネルギーの大部分が照射される領域をガウシアン形のビームプロファイルの場合と大きく変えることなく、中心部分における局所的なパワー密度をガウシアン形のビームプロファイルに比べて下げることができる。したがって、レーザ光の集光性を高く維持しつつも、レーザ光の中心部分のパワーが過度に高くならないようにビーム特性を改善することができる。これによってスパッタ現象が発生することが抑制される。 On the other hand, when laser light having a ring-shaped beam profile is irradiated at the same power, the power density in the central portion is lower than that in a Gaussian beam profile, and the power density in the radially outer portion is higher than that in a Gaussian beam profile (see the part marked B in Figure 5). In this way, with a ring-shaped beam profile, the power density peak can be made ring-shaped. Therefore, the area where most of the laser energy is irradiated does not change significantly from that in the case of a Gaussian beam profile, and the local power density in the central portion can be lowered compared to a Gaussian beam profile. Therefore, while maintaining high focusing ability of the laser light, the beam characteristics can be improved so that the power in the central portion of the laser light does not become excessively high. This suppresses the occurrence of sputtering.
また、上述したリング形のビームプロファイルは、裾の部分に関してもガウス形のビームプロファイルに対して利点を有している。裾の部分の傾きが小さいと、照射されるレーザエネルギーが周囲に広がりやすいため、照射されたレーザ光による熱が周囲に影響を及ぼすことが考えられる。一方、裾の部分の傾きが大きいと、照射されるレーザエネルギーが周囲に広がりにくいため、意図する領域に集中的にレーザ光を照射することができる。図5に示すように、リング形のビームプロファイルの裾の部分は、ガウス形のビームプロファイルの裾の部分に比べて傾きが大きいので(図5のCで示す部分参照)、このようなリング形のビームプロファイルを有するレーザ光を用いることで、意図する領域に集中的にレーザエネルギーを照射することができ、また周囲への熱の影響を低減することができる。 The ring-shaped beam profile described above also has an advantage over a Gaussian beam profile in terms of its base. If the base slope is small, the irradiated laser energy tends to spread to the surrounding area, which could potentially affect the heat from the irradiated laser light. On the other hand, if the base slope is large, the irradiated laser energy is less likely to spread to the surrounding area, allowing the laser light to be irradiated in a concentrated manner on the intended area. As shown in Figure 5, the base of a ring-shaped beam profile has a larger slope than the base of a Gaussian beam profile (see the area indicated by C in Figure 5). Therefore, by using laser light with such a ring-shaped beam profile, the laser energy can be irradiated in a concentrated manner on the intended area, and the thermal impact on the surrounding area can be reduced.
上述した実施形態においては、デリバリファイバ5は、その全長にわたって上述した多段屈折率構造60を有しているものとして説明したが、上述したようにファイバレーザ装置1から出力されるレーザ光Lの集光性を高く維持しつつ、ビーム特性を改善するためには、少なくともデリバリファイバ5の出力端6において上述した多段屈折率構造60を有していればよい。また、図6に示すように、デリバリファイバ5と低反射部22との間に、多段屈折率構造60を有していないデリバリファイバ7を接続してもよい。図6に示す例では、デリバリファイバ7と低反射部22とが融着接続部36で互いに融着接続され、デリバリファイバ7とデリバリファイバ5とが融着接続部37で互いに融着接続される。 In the above-described embodiment, the delivery fiber 5 has been described as having the above-described multi-step refractive index structure 60 along its entire length. However, in order to improve the beam characteristics while maintaining high focusing of the laser light L output from the fiber laser device 1 as described above, it is sufficient for the delivery fiber 5 to have the above-described multi-step refractive index structure 60 at least at the output end 6. Also, as shown in FIG. 6 , a delivery fiber 7 that does not have the multi-step refractive index structure 60 may be connected between the delivery fiber 5 and the low-reflection section 22. In the example shown in FIG. 6 , the delivery fiber 7 and the low-reflection section 22 are fusion-spliced to each other at the fusion splice section 36, and the delivery fiber 7 and the delivery fiber 5 are fusion-spliced to each other at the fusion splice section 37.
上述した実施形態におけるファイバレーザ装置1は、光共振器2の上流側から励起光を導入する前方励起型のファイバレーザ装置であったが、本発明は、光共振器2の下流側から励起光を導入する後方励起型のファイバレーザ装置にも適用できるものである。さらに、本発明は、図7に示すような光共振器2の両側から励起光を導入する双方励起型のファイバレーザ装置201にも適用できるものである。 The fiber laser device 1 in the above-described embodiment is a forward-pumped fiber laser device in which pumping light is introduced from the upstream side of the optical resonator 2. However, the present invention can also be applied to a backward-pumped fiber laser device in which pumping light is introduced from the downstream side of the optical resonator 2. Furthermore, the present invention can also be applied to a dual-pumped fiber laser device 201 in which pumping light is introduced from both sides of the optical resonator 2, as shown in Figure 7.
図7に示すファイバレーザ装置201は、図1に示す構成に加えて、光共振器2の下流側から光共振器2に励起光を供給する複数の励起光源8と、複数の励起光源8から出力される励起光を結合して光共振器2に導入する光コンバイナ9とを含んでいる。低反射部22と光コンバイナ9の光ファイバ9Aとは融着接続部234において互いに融着接続されている。また、励起光源8から延びる光ファイバ8Aは、融着接続部235において光コンバイナ9の光ファイバ9Bと融着接続されている。光コンバイナ9の光ファイバ9Cと上述したデリバリファイバ5とは融着接続部236において互いに融着接続されている。光コンバイナ9は、複数の励起光源8から出力される励起光を結合してこの励起光を増幅用光ファイバ10の内側クラッド層12に導入するとともに、光共振器2で増幅され、低反射部22を透過したレーザ光をデリバリファイバ5のコア50に導入するように構成されている。このような構成においても、デリバリファイバ5の少なくとも出力端6において上述した多段屈折率構造60を採用することで、レーザ光の集光性を高く維持しつつ、レーザ光の中心部分のパワーが過度に高くならないようにビーム特性を改善することができる。 The fiber laser device 201 shown in Figure 7 includes, in addition to the configuration shown in Figure 1, multiple pumping light sources 8 that supply pumping light to the optical resonator 2 from downstream of the optical resonator 2, and an optical combiner 9 that combines the pumping light output from the multiple pumping light sources 8 and introduces it into the optical resonator 2. The low-reflection section 22 and the optical fiber 9A of the optical combiner 9 are fusion-spliced to each other at a fusion splice section 234. The optical fiber 8A extending from the pumping light source 8 is fusion-spliced to the optical fiber 9B of the optical combiner 9 at a fusion splice section 235. The optical fiber 9C of the optical combiner 9 and the above-mentioned delivery fiber 5 are fusion-spliced to each other at a fusion splice section 236. The optical combiner 9 is configured to combine the pumping light output from the multiple pumping light sources 8 and introduce this pumping light into the inner cladding layer 12 of the amplification optical fiber 10, and to introduce laser light amplified in the optical resonator 2 and transmitted through the low-reflection section 22 into the core 50 of the delivery fiber 5. Even in this configuration, by employing the above-described multi-stage refractive index structure 60 at least at the output end 6 of the delivery fiber 5, it is possible to maintain high focusing of the laser light while improving the beam characteristics so that the power in the central portion of the laser light does not become excessively high.
上述したそれぞれの例において、デリバリファイバ5に加えて、増幅用光ファイバ10も多段屈折率構造を有していてもよい。すなわち、増幅用光ファイバ10のコア11が、コア11の中心に位置し、内側クラッド層12の屈折率以上の屈折率を有する中心コア領域と、この中心コア領域の周囲を覆い、中心コア領域の屈折率よりも高い屈折率を有する外側コア領域とによって構成され、増幅用光ファイバ10の内側クラッド層12が、コア11の外側コア領域の周囲を覆い、コア11の中心コア領域の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド領域によって構成されていてもよい。このように、増幅用光ファイバ10も多段屈折率構造を有することで、コア11を伝搬する光を外周側に引き寄せることができるので、実効コア断面積を大きくすることができる。したがって、コア11を伝搬する光のパワー密度を下げることができ、非線形光学効果による影響を抑制することができる。 In each of the above examples, in addition to the delivery fiber 5, the amplification optical fiber 10 may also have a multi-step refractive index structure. That is, the core 11 of the amplification optical fiber 10 may be composed of a central core region located at the center of the core 11 and having a refractive index equal to or greater than that of the inner cladding layer 12, and an outer core region surrounding the central core region and having a refractive index higher than that of the central core region, and the inner cladding layer 12 of the amplification optical fiber 10 may be composed of a cladding region surrounding the outer core region of the core 11 and having a refractive index lower than that of the central core region of the core 11. In this way, by having the amplification optical fiber 10 also have a multi-step refractive index structure, light propagating through the core 11 can be drawn toward the outer periphery, thereby increasing the effective core cross-sectional area. This allows the power density of light propagating through the core 11 to be reduced, suppressing the effects of nonlinear optical effects.
また、レーザ光は、光共振器2の高反射部21からデリバリファイバ5の出力端6に至るまでの導波路を伝搬するが、この導波路は複数の光ファイバ部品を接続することで構成されている。これらの異なる光ファイバ部品間では光損失が生じると考えられるため、光共振器2の高反射部21からデリバリファイバ5の出力端6に至るまでの導波路をすべて上述した多段屈折率構造とし、光ファイバ部品間での光損失を低減してもよい。具体的には、図1に示す例では、高反射部21を含む光ファイバ、増幅用光ファイバ10、低反射部22を含む光ファイバ、及びデリバリファイバ5を多段屈折率構造としてもよい。また、図7に示す例では、高反射部21を含む光ファイバ、増幅用光ファイバ10、低反射部22を含む光ファイバ、光コンバイナ9、及びデリバリファイバ5を多段屈折率構造としてもよい。 In addition, laser light propagates through a waveguide from the high-reflection portion 21 of the optical resonator 2 to the output end 6 of the delivery fiber 5, and this waveguide is constructed by connecting multiple optical fiber components. Because optical loss is likely to occur between these different optical fiber components, the entire waveguide from the high-reflection portion 21 of the optical resonator 2 to the output end 6 of the delivery fiber 5 may have the multi-stage refractive index structure described above to reduce optical loss between the optical fiber components. Specifically, in the example shown in FIG. 1, the optical fiber including the high-reflection portion 21, the amplification optical fiber 10, the optical fiber including the low-reflection portion 22, and the delivery fiber 5 may have a multi-stage refractive index structure. In the example shown in FIG. 7, the optical fiber including the high-reflection portion 21, the amplification optical fiber 10, the optical fiber including the low-reflection portion 22, the optical combiner 9, and the delivery fiber 5 may have a multi-stage refractive index structure.
以上述べたように、本発明の一態様によれば、出力されるレーザ光の集光性を高く維持しつつ、ビーム特性を改善することができるファイバレーザ装置が提供される。このファイバレーザ装置は、活性元素が添加されたコアを含む増幅用光ファイバと、上記活性元素を励起する励起光を出射可能な励起光源と、上記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光の波長においてシングルモード又はフューモードの光を伝搬させることが可能なコアを含み、上記レーザ光を出力可能な出力端を有するデリバリファイバとを備える。上記デリバリファイバは、少なくとも上記出力端において、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域により構成される多段屈折率構造を有する。この多段屈折率構造は、上記多段屈折率構造の中心に位置し、第1の屈折率を有する中心コア領域と、上記中心コア領域の周囲を覆い、上記第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する外側コア領域と、上記外側コア領域の周囲を覆い、上記第1の屈折率よりも低い第3の屈折率を有するクラッド領域とを含む。 As described above, one aspect of the present invention provides a fiber laser device that can improve beam characteristics while maintaining high focusing of output laser light. This fiber laser device includes an amplification optical fiber including a core doped with an active element, a pumping light source capable of emitting pumping light that excites the active element, and a delivery fiber including a core capable of propagating single-mode or multi-mode light at the wavelength of the laser light generated in the amplification optical fiber and having an output end capable of outputting the laser light. The delivery fiber has a multi-step refractive index structure at least at the output end, which is composed of multiple regions whose refractive index varies along the radial direction. The multi-step refractive index structure includes a central core region located at the center of the multi-step refractive index structure and having a first refractive index, an outer core region surrounding the central core region and having a second refractive index higher than the first refractive index, and a cladding region surrounding the outer core region and having a third refractive index lower than the first refractive index.
このようなファイバレーザ装置によれば、デリバリファイバの少なくとも出力端が多段屈折率構造を有しているため、デリバリファイバの少なくとも出力端において外側コア領域における光の閉じ込め効果が中心コア領域における光の閉じ込め効果よりも高くなる。したがって、このような多段屈折率構造にレーザ光を伝搬させることにより、ガウシアン形のビームプロファイルに比べて中心コア領域におけるパワー密度を低くしたレーザ光を出射することができる。これにより、レーザ光の集光性を高く維持しつつ、レーザ光の中心部分のパワーが過度に高くならないようにビーム特性を改善することができる。 With this type of fiber laser device, at least the output end of the delivery fiber has a multi-step refractive index structure, so the light confinement effect in the outer core region at least at the output end of the delivery fiber is greater than the light confinement effect in the central core region. Therefore, by propagating laser light through such a multi-step refractive index structure, it is possible to emit laser light with a lower power density in the central core region compared to a Gaussian beam profile. This improves the beam characteristics by preventing the power of the central portion of the laser light from becoming excessively high while maintaining high focusing of the laser light.
上記デリバリファイバは、上記デリバリファイバの全長にわたって上記多段屈折率構造を有していてもよい。 The delivery fiber may have the multi-stage refractive index structure over the entire length of the delivery fiber.
上記増幅用光ファイバが上記多段屈折率構造を有していてもよい。このように多段屈折率構造を有する増幅用光ファイバを用いることで、増幅用光ファイバのコアを伝搬する光を外周側に引き寄せることができるので、実効コア断面積を大きくすることができる。したがって、増幅用光ファイバのコアを伝搬する光のパワー密度を下げることができ、非線形光学効果による影響を抑制することができる。 The amplification optical fiber may have the multi-step refractive index structure. By using an amplification optical fiber with such a multi-step refractive index structure, the light propagating through the core of the amplification optical fiber can be drawn toward the outer periphery, thereby increasing the effective core cross-sectional area. This allows the power density of the light propagating through the core of the amplification optical fiber to be reduced, and the effects of nonlinear optical effects to be suppressed.
上記ファイバレーザ装置は、上記増幅用光ファイバの上流側に接続され、上記増幅用光ファイバで増幅される光を第1の反射率で反射する高反射部と、上記増幅用光ファイバの下流側に接続され、上記増幅用光ファイバで増幅される光を上記第1の反射率よりも低い第2の反射率で反射する低反射部とをさらに備えていてもよい。少なくとも上記高反射部から上記デリバリファイバの上記出力端に至るまでの光導波路が上記多段屈折率構造を有していてもよい。このように少なくとも高反射部からデリバリファイバの出力端に至るまでの光導波路を同一の構造とすることで、異なる光ファイバ部品間での光損失を低減することができる。 The fiber laser device may further include a high-reflection section connected to the upstream side of the amplification optical fiber and reflecting the light amplified by the amplification optical fiber at a first reflectance, and a low-reflection section connected to the downstream side of the amplification optical fiber and reflecting the light amplified by the amplification optical fiber at a second reflectance lower than the first reflectance. The optical waveguide extending from at least the high-reflection section to the output end of the delivery fiber may have the multi-step refractive index structure. By providing the same structure for the optical waveguides extending from at least the high-reflection section to the output end of the delivery fiber in this manner, optical loss between different optical fiber components can be reduced.
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。 While the preferred embodiments of the present invention have been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments and may be embodied in a variety of different forms within the scope of its technical concept.
1,201 ファイバレーザ装置
2 光共振器
3,8 励起光源
4,9 光コンバイナ
5,7 デリバリファイバ
6 出力端
10 増幅用光ファイバ
11 コア
12 内側クラッド層
13 外側クラッド層
21 高反射部
22 低反射部
31~37,234~236 融着接続部
50 コア
51 クラッド
52 被覆層
60 多段屈折率構造
61 中心コア領域
62 外側コア領域
63 クラッド領域
1, 201 Fiber laser device 2 Optical resonator 3, 8 Pumping light source 4, 9 Optical combiner 5, 7 Delivery fiber 6 Output end 10 Amplification optical fiber 11 Core 12 Inner cladding layer 13 Outer cladding layer 21 High reflectivity portion 22 Low reflectivity portion 31 to 37, 234 to 236 Fusion splice portion 50 Core 51 Cladding 52 Coating layer 60 Multi-stage refractive index structure 61 Central core region 62 Outer core region 63 Cladding region
Claims (4)
前記活性元素を励起する励起光を出射可能な励起光源と、
前記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光の波長においてシングルモード又はフューモードの光を伝搬させることが可能なコアを含み、前記レーザ光を出力可能な出力端を有するデリバリファイバと
を備え、
前記デリバリファイバは、少なくとも前記出力端において、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域により構成される多段屈折率構造を有し、
前記多段屈折率構造は、
前記多段屈折率構造の中心に位置し、第1の屈折率を有する中心コア領域と、
前記中心コア領域の周囲を覆い、前記第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する外側コア領域と、
前記外側コア領域の周囲を覆い、前記第1の屈折率よりも低い第3の屈折率を有するクラッド領域と
を含み、
前記クラッド領域に対する前記外側コア領域の比屈折率差は0.1%~0.15%である、
ファイバレーザ装置。 an amplifying optical fiber including a core doped with an active element;
an excitation light source capable of emitting excitation light for exciting the active element;
a delivery fiber including a core capable of propagating single-mode or multi-mode light at the wavelength of the laser light generated in the amplification optical fiber, and having an output end capable of outputting the laser light;
the delivery fiber has, at least at the output end, a multi-step refractive index structure formed by a plurality of regions whose refractive index changes along a radial direction;
The multi-stage refractive index structure is
a central core region located at the center of the multi-stage refractive index structure and having a first refractive index;
an outer core region surrounding the central core region and having a second refractive index higher than the first refractive index;
a cladding region surrounding the outer core region and having a third refractive index lower than the first refractive index ;
the relative refractive index difference of the outer core region with respect to the cladding region is 0.1% to 0.15% ;
Fiber laser device.
前記増幅用光ファイバの下流側に接続され、前記増幅用光ファイバで増幅される光を前記第1の反射率よりも低い第2の反射率で反射する低反射部と
をさらに備え、
少なくとも前記高反射部から前記デリバリファイバの前記出力端に至るまでの光導波路は前記多段屈折率構造を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。 a high-reflection portion connected to the upstream side of the amplification optical fiber and reflecting the light amplified by the amplification optical fiber at a first reflectance;
a low-reflection portion connected to a downstream side of the amplification optical fiber and reflecting the light amplified by the amplification optical fiber at a second reflectance lower than the first reflectance,
4. The fiber laser device according to claim 1, wherein at least an optical waveguide from the high-reflection portion to the output end of the delivery fiber has the multi-stage refractive index structure.
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