放大光纤及激光射出装置

技术领域

本公开涉及放大光纤及激光射出装置，例如，涉及具有从可见区域的激励光产生激光的芯和包围该芯的包层的放大光纤及使用了该放大光纤的激光射出装置。

背景技术

近年来，使用了激光的加工装置逐渐被加以利用，但是该激光被放大地射出。例如，日本特开2010-80927号公报的激光装置具备射出340～500nm的波长的激励光的激励光源、使激励光通过而产生激光的振荡光纤、在振荡光纤的一个端部配置的第一反射镜、及在振荡光纤的另一个端部配置的第二反射镜。

并且，日本特开2010-80927号公报的激光装置中的振荡光纤具备从激励光产生激光的芯。这样的振荡光纤的芯以氟化物玻璃或氟化物晶体为母材，并向该母材添加Er

发明内容

本申请人发现了以下的课题。日本特开2010-80927号公报的激光装置在理论上能够使可见区域的激光振荡，但是振荡光纤中的作为芯的母材使用的氟化物玻璃或氟化物晶体对于可见光的高输出化的耐性不充分。

本公开是鉴于这样的问题而作出的发明，实现即便使用石英玻璃作为放大光纤的芯的母材也能够产生可见区域的激光的放大光纤及激光射出装置。

本公开的一方式涉及的放大光纤具有从可见区域的激励光产生激光的芯和包围所述芯的包层，其中，

所述芯由芯材构成，

该芯材含有：

Dy；

从Al、Ge及P中选择的一种以上；及

石英玻璃。

由此，能够使用石英玻璃作为放大光纤的芯的母材，并产生可见区域的激光。

在上述的放大光纤中，优选的是，

在所述芯材中，原子数比为Al/Dy：0～135.1，Ge/Dy：0～309.5，P/Dy：0～408.5。

在上述的放大光纤中，优选的是，

在所述芯材中，原子数比为Al/Dy：5.4～12.6，Ge/Dy：6.2～58.6。

在上述的放大光纤中，所述芯材优选还含有从Ce、F及OH中选择的一种以上。

上述放大光纤优选产生具有480～600nm的波长带的激光。

在上述的放大光纤中，所述激励光优选为400～460nm的激励光。

本公开的一方式的激光射出装置具备：

射出可见区域的激励光的光源；及

使所述激励光通过而产生激光的上述的放大光纤。

由此，能够使用石英玻璃作为放大光纤的芯的母材，并产生可见区域的激光。

在上述的激光射出装置中，优选的是，

所述激光射出装置具备：

在所述放大光纤的一个端部配置的第一反射镜；及

在所述放大光纤的另一个端部以与所述第一反射镜面对的方式配置的第二反射镜，

使所述激励光通过所述放大光纤从而产生所述激光，

所述激光在所述第一反射镜与所述第二反射镜之间反复反射而振荡。

在上述的激光射出装置中，所述光源优选为射出400～460nm的激励光的蓝色激光二极管。

在上述的激光射出装置中，所述激光优选具有480～600nm的波长带。

根据本公开，能够实现即便使用石英玻璃作为放大光纤的芯的母材也能够产生可见区域的激光的放大光纤及激光射出装置。

通过下文给出的详细描述和仅作为说明给出的附图，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加充分，因此不应被视为限制本发明。

附图说明

图1是示意性地表示实施方式1的激光射出装置的图。

图2是表示实施方式1的放大光纤的结构的图。

图3是示意性地表示实施方式2的激光射出装置的图。

图4是表示实施例1的激励光的输入与激光的振荡输出的关系的坐标图。

图5是表示实施例1的激光的振荡前后的波长与输出的关系的坐标图。

图6是表示实施例2的激励光的输入与激光的振荡输出的关系的坐标图。

图7是表示实施例2的激光的振荡前后的波长与输出的关系的坐标图。

图8是表示不同的放大光纤的结构的图。

图9是表示原子数比Al/Dy与振荡效率的关系的坐标图。

图10是表示原子数比Ge/Dy与振荡效率的关系的坐标图。

具体实施方式

以下，关于适用了本公开的具体的实施方式，参照附图进行详细说明。但是，本公开没有限定为以下的实施方式。而且，为了使说明明确，以下的记载及附图被适当简化。

<实施方式1>

首先，说明使用了本实施方式的放大光纤的激光射出装置的基本结构。图1是示意性地表示本实施方式的激光射出装置的图。本实施方式的激光射出装置1具备光源单元2、激励光合成器3、放大光纤4、第一反射镜5及第二反射镜6。

光源单元2具备一组或多组(例如，三组)光源2a、透镜2b及反射镜2c。光源2a射出可见区域的激励光。光源2a例如是蓝色激光二极管，射出400～460nm的激励光。从光源2a射出的激励光经由透镜2b及反射镜2c向激励光合成器3射出。本实施方式的激光射出装置1只要具备至少一个这样的光源单元2即可。

从多个光源2a射出的激励光向激励光合成器3入射。并且，激励光合成器3为了将该激励光向放大光纤4射出而对多个激励光进行聚光。但是，在光源2a为一个的情况下，可以省略激励光合成器3。

放大光纤4由从激励光合成器3入射的激励光产生激光，详情在后文说明。在此，图2是表示本实施方式的放大光纤的结构的图。如图2所示，放大光纤4具备芯4a、第一包层4b及第二包层4c。

芯4a由含有作为母材的石英玻璃(SiO

第一反射镜5配置在放大光纤4中的位于激励光合成器3一侧的一个端部。第一反射镜5是使激励光透过并对激光进行全反射的FBG(Fiber Bragg Grating)。第二反射镜6配置在放大光纤4的另一个端部。第二反射镜6是对激光的一部分进行反射并使激光的其余的一部分透过的FBG。

在这样的激光射出装置1中，当从光源单元2的各个光源2a射出激励光时，多个激励光向激励光合成器3入射。并且，激励光合成器3对多个激励光进行聚光，经由第一反射镜5向放大光纤4射出。

入射到放大光纤4的激励光在第一包层4b与第二包层4c的界面处进行反射而向放大光纤4的另一个端部侧传播且被芯4a的Dy吸收。由此，放大光纤4的芯4a产生激光。并且，产生的激光在第一反射镜5与第二反射镜6之间反复反射而振荡，被高输出化而射出。

接下来，说明本实施方式的放大光纤4的详情。本实施方式的放大光纤4的特征在于，具有从激励光产生激光的芯和包围该芯的包层，芯由含有Dy、从Al、Ge及P选择的一种以上及石英玻璃的芯材构成。

近年来，电动化急速发展，铜材料成为电池、电动机等电动部件的主要材料。电动部件由于加工数、部件数多，因此激光加工成为最优加工法，另一方面，铜材料在以往的加工用激光的波长下光吸收率为几％左右，因此无法进行有效的、稳定的激光加工。

本发明者们为了将使用了放大光纤的激光射出装置适用于加工用激光而进行了高输出化的研究。然而，以氟化物玻璃或氟化物晶体为母材的光纤对于光强度有时得不到充分的耐性。本发明者们从耐光强度的观点出发，使用石英玻璃进行了能够使可见区域的光放大的放大光纤的研究。

然而，在使用了石英玻璃的情况下，与氟化物玻璃等相比，稀土类元素的非辐射缓和速度容易增大，有时无法充分地维持稀土类元素的激励状态而得不到高输出的激光。这样的问题虽然在红外线激光中几乎不会成为问题，但是随着处理短波长(可见～紫外区域)而成为大的问题。

本发明者们进行了仔细研究的结果是，发现了如下情况：选择Dy作为向芯的石英玻璃掺杂的稀土类元素，而且通过与从Al、Ge及P选择的一种以上组合，即使在母材为石英玻璃的情况下，也能抑制非辐射缓和速度的增大，输出可见区域的激光。

这样，根据本实施方式，实现了如下的放大光纤4，其使用通常作为芯的母材使用的石英玻璃作为芯4a的母材，并能够射出能提高光吸收率的可见区域的激光。

本实施方式的放大光纤4的芯4a包含作为母材的石英玻璃、作为荧光剂的Dy、及作为分散剂的Al、Ge和P中的至少一个，还可以包含Ce、F、OH，在不损害上述效果的范围内可以还包含其他的元素。以下，依次说明向上述石英玻璃掺杂的各成分。

Dy是吸收激励光并通过感应放出而输出激光的成分。通过使用Dy，能够在可见区域中吸收400～460nm的激励光，在可见区域的激光中将具有480～600nm的波长带的激光以高输出进行输出。

Dy的含量只要在发挥上述效果的范围内适当调整即可。相对于其中包含添加成分的芯材100wt％，Dy的含量优选为0.01～2wt％，更优选为0.07～0.93％，进一步优选为0.46～0.93wt％。通过将Dy的含量设为0.01wt％以上，能够良好地产生激光。另一方面，通过将Dy的含量设为2wt％以下，能抑制浓度消光。

Al是抑制Dy的凝集并使Dy良好地分散的成分。Al的含量只要在发挥该效果的范围内适当调整即可。相对于其中包含添加成分的芯材100wt％，Al的含量优选为0.1～2wt％，更优选为0.15～1.57wt％，进一步优选为0.4～0.54wt％。通过将Al的含量设为0.1wt％以上，能够将Dy向石英玻璃内良好地分散。另一方面，通过将Al的含量设为2wt％以下，能抑制以Al为起因的光暗化，抑制后述的Ge的含量，能够抑制放大光纤4的NA(数值孔径)。

Ge是抑制光暗化的成分。Ge的含量只要在发挥该效果的范围内适当调整即可。相对于其中包含添加成分的芯材100wt％，Ge的含量优选为0.88～10wt％，更优选为1～10wt％或0.88～9.68wt％。该Ge的含量进一步优选为1.8～2.18wt％。通过将Ge的含量设为1wt％以上，能够有效地抑制光暗化。另一方面，通过将Ge的含量设为10wt％以下，能抑制以Ge为起因的石英玻璃内的构造缺陷的产生，使激光的输出稳定。而且，通过将Ge与Al组合使用，也能抑制以Al为起因的光暗化。

P是与Al同样地能抑制Dy的凝集的成分。由于与石英玻璃中的氧空穴中心(OHC：oxygen hole center)的结合比Al难以产生，因此通过将P组合使用能抑制以Al-OHC为起因的光暗化。另一方面，在抑制Dy的凝集的效果上，Al优异，因此只要Al的含量为上述范围内即可，P可以为0wt％。从以上的观点出发，相对于芯材100wt％，P的含量优选为0～6wt％，更优选为0～2wt％。

在本实施方式的放大光纤4中，芯4a还可以包含Ce、F、OH。Ce在激励光中通过Ce的价数变化而具有抑制光暗化的效果，例如，优选0～1wt％的含量。而且，F具有切断二氧化硅网络，抑制光暗化的效果，例如，优选为0～3wt％的含量。OH具有切断二氧化硅网络，抑制光暗化的效果，例如，优选为0～1wt％的含量。在此，OH表示在石英玻璃的末端配置的Si-OH的OH基。

需要说明的是，芯4a如果不包含Tb，则基于激光射出装置1的激光振荡可以稳定化。具体而言，相对于芯材100wt％，Tb的含量优选限制为0～0.20wt％，更优选限制为0～0.10wt％。

另外，芯4a如果同时含有Dy、Ge及Al，则基于激光射出装置1的激光振荡可以稳定化。

这样，本实施方式的放大光纤4及激光射出装置1中，放大光纤4的芯4a包含作为母材的石英玻璃、作为荧光剂的Dy及作为分散剂的Al、Ge和P中的至少一个。因此，能够使用石英玻璃作为放大光纤4的芯4a的母材，并从激励光产生可见区域(例如，480～600nm)的激光。

而且，本实施方式的放大光纤4使用通常作为共振光纤的芯的母材使用的石英玻璃作为芯4a的母材，因此能够廉价地实现高输出的激光射出装置1。

另外，作为本实施方式的光源2a，要求高输出且价格比较实际，但是通过使用蓝色激光二极管，能够廉价地实现高输出的激光射出装置1。

<实施方式2>

图3是示意性地表示本实施方式的激光射出装置的图。如图3所示，本实施方式的激光射出装置21设为使激光不谐振地射出的结构。详细而言，激光射出装置21具备光源单元22、种子光源23及放大光纤24。

光源单元22设为与实施方式1的光源单元2等同的结构，射出可见区域的激励光。从种子光源23射出种子光。放大光纤24设为与实施方式1的放大光纤4等同的结构，放大光纤24吸收从一个端部入射的光源单元22的激励光，将同样从一个端部入射的来自种子光源23的光放大而从另一个端部射出。

这样的激光射出装置21也是放大光纤24的芯包含作为母材的石英玻璃、作为荧光剂的Dy、及作为分散剂的Al、Ge和P中的至少一个。因此，能够使用石英玻璃作为放大光纤24的芯的母材，并从激励光产生可见区域的激光。

<实施例1>

在实施例1中，将放大光纤的芯的组成设为Dy的含量：0.46wt％，Al的含量：0.54wt％，Ge的含量：1.80wt％，将该放大光纤使用于实施方式1的激光射出装置1而从光源2a射出可见区域的激励光。

其结果是，如图4及图5所示，在激励光的输入为40nw以上的情况下，在作为可见区域的583nm带下能够确认到良好的激光振荡。此时，振荡效率为20.3％。在此，图4是表示激励光的输入与激光的振荡输出的关系的坐标图，图5是表示激光的振荡前后的波长与输出的关系的坐标图。需要说明的是，图5的纵轴是将峰值设为1的相对输出值。

<实施例2>

在实施例2中，将放大光纤的芯的组成设为Dy的含量：0.93wt％，Al的含量：0.40wt％，Ge的含量：2.18wt％，将该放大光纤使用于实施方式1的激光射出装置1而从光源2a射出可见区域的激励光。

其结果是，如图6及图7所示，在激励光的输入为90nw以上的情况下，在作为可见区域的583nm带下能够确认到良好的激光振荡。此时，振荡效率为9.8％。在此，图6是表示激励光的输入与激光的振荡输出的关系的坐标图，图7是表示激光的振荡前后的波长与输出的关系的坐标图。需要说明的是，图7的纵轴是将峰值设为1的相对输出值。

<实施例1～14>

接下来，将实施例3～14和上述的实施例1、2一并说明。

在实施例1～14中，将放大光纤的芯的组成设为Dy的含量：0.07～0.93wt％。除此之外，在使该芯含有Al、Ge或P的情况下，将该放大光纤的芯的组成设为Al的含量：0.15～1.57wt％，Ge的含量：0.88～9.68wt％，P的含量：5.45wt％。在实施例1～14中，该放大光纤的芯未添加Tb。将该放大光纤使用于实施方式1的激光射出装置1而从光源2a射出可见区域的激励光。

其结果是，分别在实施例1～14中在激励光的输入为规定的值的情况下，在作为可见区域的规定的波长带域中能够确认到良好的激光振荡。表1示出各实施例的放大光纤的芯的组成和振荡效率。

【表1】

如表1所示，放大光纤的芯在除了Dy之外还含有Al及Ge的情况下，振荡效率为10％，为良好的值。即，放大光纤的芯当一并含有Al及Ge时，能够得到良好的振荡效率。

接下来，算出实施例1～14的原子数比Al/Dy、Ge/Dy、P/Dy，并将该算出的结果表示在表2中。原子数比Al/Dy、Ge/Dy、P/Dy的Max(组合)是实施例1～14的Al、Ge、P的含量的最大值与实施例1～14的Dy的含量的最小值之商和Dy与Al、Ge或P的原子量之比的积。具体而言，原子数比Al/Dy的Max135.1是实施例7的Al的含量1.57[wt％]与实施例14的Dy的含量0.07[wt％]之商和Dy原子量162.5与Al原子量26.98之比的积。原子数比Ge/Dy的Max309.5是实施例8的Ge的含量9.68[wt％]与实施例14的Dy的含量0.07[wt％]之商和Dy原子量162.5与Ge原子量72.61之比的积。原子数比P/Dy的Max408.5是实施例6的P的含量5.45[wt％]与实施例14的Dy的含量0.07[wt％]之商和Dy原子量162.5与P原子量30.97之比的积。

【表2】

如表1及表2所示，当原子数比为Al/Dy：0～135.1，Ge/Dy：0～309.5，P/Dy：0～408.5时，如果激励光的输入为适当的值，则在作为可见区域的规定的波长带域能确认到良好的激光振荡。当原子数比为Al/Dy：0～135.1，Ge/Dy：0～309.5，P/Dy：0～408.5时，能确认到可见区域中的良好的激光振荡。

接下来，参照图9，说明原子数比Al/Dy与振荡效率的关系。实施例1～14的相对于振荡效率的原子数比Al/Dy如图9所示。如图9所示，如果原子数比Al/Dy为规定的范围内，则振荡效率大致良好。具体而言，如果原子数比Al/Dy为2.6以上且23.6以下，则振荡效率为10％以上，因此可进行稳定的激光振荡。如果原子数比Al/Dy为5.4以上且12.6以下，则振荡效率为14％以上，因此更优选。如果原子数比Al/Dy为6.8以上且10.0以下，则振荡效率能超过20％，因此进一步优选。

接下来，参照图10，说明原子数比Ge/Dy与振荡效率的关系。实施例1～14的相对于振荡效率的原子数比Ge/Dy如图10所示。如图10所示，如果原子数比Ge/Dy为规定的范围内，则振荡效率大致良好。具体而言，如果原子数比Ge/Dy为5.2以上且58.6以下，则振荡效率为10％以上，因此能进行稳定的激光振荡。如果原子数比Ge/Dy为6.2以上且58.6以下，则振荡效率为14％以上，因此优选。如果原子数比Ge/Dy为8.8以上且20.9以下，则振荡效率能超过20％，因此优选。

<原子数比Al/Dy与振荡效率的关系>

接下来，说明对于如果将原子数比Al/Dy限制为规定的范围内则振荡效率良好这一点能够想到的理由。

如上所述，Dy是吸收激励光并通过感应放出而输出激光的成分。输出Dy原子的激光的程度、即荧光截面积根据Dy原子的周围处于何种环境而变化。而且，Al是抑制Dy原子的凝集而使Dy原子良好地分散的成分。

因此，在原子数比Al/Dy为规定的范围的下限值以上的情况下，位于Dy原子的周围的Al会增加。当位于Dy原子的周围的Al原子的数目增加时，抑制Dy原子的凝集，而使Dy原子向作为芯的母材的石英玻璃内良好地分散。因此，芯整体的以Dy为起因的荧光截面积增加，激光的输出升高。通过以上，当原子数比Al/Dy为规定的范围的下限值以上时，激光的输出升高，振荡效率能取得良好的值。

另一方面，当原子数比Al/Dy进一步增加时，Al在石英玻璃内生成缺陷，或者产生以Al为起因的光暗化。由此，振荡效率会下降。由此，在原子数比Al/Dy为规定的范围的上限值以下时，可以抑制以Al为起因的缺陷或光暗化，抑制振荡效率的下降。

通过以上所述，当将原子数比Al/Dy限制为规定的范围内时，振荡效率良好。

<原子数比Ge/Dy与振荡效率的关系>

接下来，说明对于如果将原子数比Ge/Dy限制为规定的范围内则振荡效率良好这一点能够想到的理由。

如上所述，Ge是抑制光暗化的成分。而且，Ge与Al相比，在石英玻璃内难以生成缺陷。而且，以Ge为起因的石英玻璃内的缺陷与以Al为起因的石英玻璃内的缺陷相比，对振荡效率难以造成不良影响。

因此，在原子数比Ge/Dy为规定的范围的下限值以上的情况下，能想到位于Dy原子的周围的Ge的数目能确保一定的量。位于Dy原子的周围的Ge原子抑制光暗化。而且，位于Dy原子的周围的Ge原子与Al相比，在石英玻璃内未生成缺陷，或者虽然产生该缺陷但是对振荡效率几乎不会造成不良影响。因此，当原子数比Ge/Dy为规定的范围的下限值以上时，振荡效率能取得良好的值。

另一方面，当原子数比Ge/Dy进一步增加而超过规定的范围的上限值时，产生以Ge为起因的石英玻璃内的构造缺陷。由此，激光的输出变得不稳定，振荡效率会下降。由此，在原子数比Ge/Dy为规定的范围的上限值以下的情况下，能想到能抑制以Ge为起因的构造缺陷或光暗化，因此可抑制振荡效率的下降。

通过以上所述，如果将原子数比Ge/Dy限制为规定的范围内，则振荡效率良好。

接下来，说明对于如表1所示放大光纤的芯同时含有Al及Ge时振荡效率良好这一点能够想到的理由。

放大光纤的芯同时含有Al及Ge时，可想到位于Dy的周围的Al原子及Ge原子增加。于是，除了以Al为起因的缺陷之外，在石英玻璃内也会生成以Ge为起因的缺陷。这样的情况下，能想到，缺陷的起因是Al和Ge，因此与缺陷的起因仅为Al的情况相比，对振荡效率的不良影响小。由此，放大光纤的芯同时含有Al及Ge时，振荡效率良好。

本公开并不局限于上述实施方式，在不脱离主旨的范围内可以适当变更。

上述实施方式的放大光纤是具备第一包层4b及第二包层4c的所谓双包层构造，但也可以是图8所示的放大光纤41那样不具备第二包层4c的所谓单包层构造。

根据这样描述的公开，显而易见的是，公开的实施例可以以许多方式改变。此类变化不应被视为背离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员来说显而易见的所有此类修改旨在包含在技术方案的范围内。