光器件和激光装置

技术领域

本发明涉及光器件和激光装置。

本申请基于2019年2月20日向日本提出申请的日本特愿2019－028636号主张优先权，并将其内容引用到本说明书中。

背景技术

目前，激光装置被应用于加工领域、汽车领域、医疗领域等各种领域。近年来，在加工领域，与以往的激光装置(例如，二氧化碳激光装置)相比，光束品质和聚光性优异的光纤激光装置受到关注。这样的光纤激光装置的最大输出受相对于激光输出非线性地产生的受激拉曼散射(SRS：Stimulated Raman Scattering)的限制。

以下的专利文献1中公开了一种这样的技术：对于光纤激光装置，在纤芯形成倾斜型FBG(光纤布拉格光栅：Fiber Bragg Grating)，从而减少SRS光。采用这样的技术，能够针对在纤芯内传播的光有选择性地除去SRS光。由此，能够使在纤芯内传播的信号光稳定，防止激励光源的损伤。

专利文献1：美国专利第9634462号说明书

对于高输出的光纤激光装置，在纤芯上形成有倾斜型FBG的情况下，被从纤芯除去的高功率的SRS光在包层内导波。当高功率的SRS光例如集中照射于覆盖包层的保护包覆层时，该保护包覆层可能会发热而烧损。或者，当在包层内导波的SRS光到达激励光源时，有可能会损伤激励光源。

另外，对于高输出的光纤激光装置，在纤芯上形成有倾斜型FBG的情况下，在纤芯内传播的信号光的一部分会泄漏到包层，在包层内导波。当这样的信号光例如照射于覆盖包层的保护包覆层时，与高功率的SRS光集中照射的情况同样地，保护包覆层可能会发热而烧损。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而做成的，其提供一种在纤芯形成有倾斜型FBG的情况下能够有效地除去在包层内导波的光从而防止保护包覆层的因发热导致的烧损的光器件和激光装置。

为了解决上述课题，本发明的一形态的光器件(14)具备：纤芯(20a)；第1包层(20b)，其覆盖所述纤芯，且具有比所述纤芯的折射率低的折射率；第2包层(20c)，其覆盖所述第1包层，且具有比所述第1包层的折射率低的折射率；倾斜型FBG(14a)，其形成于所述纤芯，该倾斜型FBG(14a)使在所述纤芯传播的SRS光汇合于所述第1包层；和高折射率材料(21)，包含所述第1包层的覆盖所述纤芯的形成有所述倾斜型FBG的区域的部分(PT1)并且被除去看所述第2包层的除去部分(PT2)的外周面，被该高折射率材料(21)覆盖，该高折射率材料(21)具有比所述第2包层的折射率高的折射率。

本发明的一形态的光器件也可以是：所述高折射率材料具有比所述第1包层的折射率高的折射率。

本发明的一形态的光器件也可以具备将所述高折射率材料覆盖的散热部件(22)。

本发明的一形态的光器件也可以是：所述散热部件对因吸收经由所述高折射率材料射来的SRS光和信号光而产生的热量进行散热。

本发明的一形态的光器件也可以是：所述散热部件形成为在所述第1包层的长度方向上比所述除去部分的长度长，在所述除去部分的在所述第1包层的长度方向上的两端外侧具备加强材料(23)，所述加强材料(23)设于所述散热部件与所述第2包层之间。

本发明的一形态的光器件也可以具备将包层模式光从所述第1包层内除去的至少一个包层模式除去部(14b)，所述包层模式光包括因所述倾斜型FBG而从所述纤芯向所述第1包层汇合的SRS光。

本发明的一形态的激光装置(1、2)具备：激励光源(11a、11b)，其射出激励光；谐振器(13)，其利用从所述激励光源射出的激励光来生成作为激光的信号光；和上述任一种光器件(14)，其配置在所述谐振器与所述信号光的输出端(15)之间。

本发明的一形态的激光装置也可以是：所述光器件配置在从所述激励光源射出的激励光中的残余激励光实质上到达不了的区域。

本发明的一形态的激光装置也可以是：该激光装置是具备前侧激励光源(11a)和后侧激励光源(11b)来作为所述激励光源的双向激励型的光纤激光装置，该激光装置具备：第1合束器(12a)，其设在所述谐振器与所述前侧激励光源之间；和第2合束器(12b)，其设在所述谐振器与所述后侧激励光源之间，所述区域是位于比所述第2合束器靠所述输出端侧处的部分。

本发明的一形态的激光装置也可以是：该激光装置是前侧激励型的光纤激光装置，所述谐振器(13)具备：增幅用光纤(13a)，其是在纤芯添加有会因激励光而活性化的活性元素；第1FBG(13b)，其设在所述增幅用光纤第1端与所述激励光源之间；和第2FBG(13c)，其设在所述增幅用光纤的第2端与所述输出端之间，所述区域是位于比所述第2FBG靠所述输出端侧的部分。

采用本发明，在纤芯形成有倾斜型FBG的情况下，能够有效地除去在包层内导波的光，从而防止保护包覆层的因发热导致的烧损。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的激光装置的主要部分构成的图。

图2是表示本发明的第1实施方式的光器件的构成的局部的剖视图。

图3是表示本发明的第1实施方式中波长差Δλ与高折射率材料的折射率n之间的关系的图。

图4是示意性地表示本发明的第1实施方式中因倾斜型FBG而反射的信号光的行进路径的图。

图5是表示本发明的第1实施方式的光器件的变形例的剖视图。

图6是表示本发明的第1实施方式的激光装置的变形例的图。

图7是表示本发明的第2实施方式的激光装置的主要部分构成的图。

图8是表示本发明的第2实施方式的激光装置的变形例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式的光器件和激光装置详细进行说明。其中，对于在以下的说明中使用的附图，为了便于理解，有时将特征部分放大图示，各构成要素的尺寸比例等并不总是与实际相同。另外，本发明不受以下的实施方式所限定。

第1实施方式

〈激光装置〉

图1是表示本发明的第1实施方式的激光装置的主要部分构成的图。如图1所示，本实施方式的激光装置1具备激励光源11a(前侧激励光源)、激励光源11b(后侧激励光源)、第1合束器12a、第2合束器12b、谐振器13、光器件14和输出端15。这样的激光装置1是具备激励光源11a和激励光源11b的双向激励型的光纤激光装置。

以下，有时将激光装置1的光器件14所具备的光纤20(参照图2)的长度方向简称为“长度方向”。另外，从光纤20观察时，将长度方向的输出端15侧称为“+X侧”，谐振器13侧称为“－X侧”。另外，从谐振器13的增幅用光纤13a观察时，将激励光源11a侧称为“前侧”，激励光源11b侧称为“后侧”。

如图1所示，激励光源11a和激励光源11b隔着谐振器13各自配置有多个。激励光源11a朝向谐振器13射出激励光(前侧激励光)，激励光源11b朝向谐振器13射出激励光(后侧激励光)。这些激励光源11a和激励光源11b例如能够使用激光二极管。

第1合束器12a和第2合束器12b隔着谐振器13配置在两侧。第1合束器12a将各个激励光源11a射出的激励光汇合于一根光纤并引导向谐振器13。第2合束器12b将各个激励光源11b射出的激励光汇合于一根光纤并引导向谐振器13。

谐振器13具备增幅用光纤13a、HR－FBG(高反射率-光纤布拉格光栅：HighReflectivity-Fiber BraggGrating)13b和OC－FBG(输出耦合器-光纤布拉格光栅：Output Coupler-Fiber BraggGrating)13c。谐振器13利用从激励光源11a和激励光源11b射出的激励光来生成作为激光的信号光。

增幅用光纤13a具有：添加了一种或者两种以上的活性元素的纤芯、覆盖纤芯的第1包层、覆盖第1包层的第2包层、和覆盖第2包层的保护包覆层。即，增幅用光纤13a是双包层光纤。作为添加于纤芯的活性元素，例如使用铒(Er)、镱(Yb)、或者钕(Nd)等稀土类元素。这些活性元素在激励状态下会释放出光。作为纤芯和第1包层，能够使用二氧化硅玻璃等。作为第2包层，能够使用聚合物等树脂。作为保护包覆层，能够使用丙烯酸树脂、硅树脂等树脂材料。

HR－FBG(第1FBG)13b形成在与增幅用光纤13a的前侧的端部熔接连接的光纤的纤芯内。HR－FBG13b被调整为将成为激励状态的增幅用光纤13a的活性元素所释放出的光中的信号光的波长的光以大致100％的反射率反射。HR－FBG13b具有沿其长度方向高折射率的部分以既定的周期重复的构造。

OC－FBG(第2FBG)13c形成在与增幅用光纤13a的后侧的端部熔接的光纤的纤芯内。OC－FBG13c具有与HR－FBG13b大致相同的构造，且被调整为以低于HR－FBG13b的反射率反射光。例如，OC－FBG13c被调整为对信号光的波长的光的反射率为10％～20％左右。

在增幅用光纤13a内，由HR－FBG13b和OC－FBG13c反射的信号光在增幅用光纤13a的长度方向上往复。信号光伴随着该往复而被增幅，变成激光。像这样，在谐振器13内，对光增幅，生成激光。激光的一部分透过OC－FBG13c，并经由光器件14而到达输出端15，向外部输出。

〈光器件〉

光器件14具备倾斜型FBG14a和包层模式除去部14b。包层模式除去部14b分别设在倾斜型FBG14a的+X侧和－X侧，在长度方向上，使倾斜型FBG14a位于两者之间。这样的光器件14是为了除去包括在光纤20的纤芯20a(参照图2)中传播的SRS光和在光纤20的第1包层20b中传播的SRS光的包层模式光而设置的。

光器件14配置在谐振器13与输出端15之间。具体而言，配置在从激励光源11a和激励光源11b射出的激励光中的残余激励光实质上到达不了的区域。本实施方式中的“残余激励光实质上到达不了的区域”是指，例如激光装置1中位于比第2合束器12b靠+X侧处的部分。在该区域，激励光被构成谐振器13的增幅用光纤13a的纤芯充分吸收，因此能够避免激励光被光器件14意外除去这样的情况。

光器件14所具备的光纤20的－X侧的端部与其他光纤(谐振器侧光纤)熔接连接，+X侧的端部与其他光纤(输出侧光纤)熔接连接。以下，将光纤20与谐振器侧光纤间熔接连接部称为第1连接部A1，光纤20与输出侧光纤间熔接连接部称为第2连接部A2。

图2是表示本发明的第1实施方式的光器件的结构的局部的剖视图。图2所示的剖视图仅示出了形成有倾斜型FBG14a的部分及其附近。另外，在图2中，省略了形成有包层模式除去部14b的部分及其附近的图示。

如图2所示，光器件14具备光纤20、高折射率材料21和散热部件22。光纤20具有：形成有倾斜型FBG14a的纤芯20a、第1包层20b和第2包层20c。即，光纤20是具有形成有倾斜型FBG14a的纤芯20a的双包层光纤。

另外，光纤20具有覆盖第2包层20c的保护包覆层，在图2中省略了对保护包覆层的图示。

作为光纤20的纤芯20a和第1包层20b，例如能够使用二氧化硅玻璃等。作为光纤20的第2包层20c，能够使用聚合物等树脂。即，能够将具有由二氧化硅玻璃形成的玻璃包层和由聚合物材料形成的聚合物包层的双包层光纤用作光纤20。

第1包层20b覆盖纤芯20a，具有低于纤芯20a的折射率。第2包层20c覆盖第1包层20b，具有低于第1包层20b的折射率。另外，作为未图示的保护包覆层，能够使用丙烯酸树脂、硅树脂等树脂材料。用作保护包覆层的这些树脂材料通常会吸收光而发热。

倾斜型FBG14a形成于光纤20的纤芯20a，用于使在纤芯20a传播的SRS光汇合(模式汇合)于第1包层20b。对光纤20的纤芯20a的局部照射加工用光线(紫外线激光等)，调制纤芯20a在长度方向上的折射率，由此形成倾斜型FBG14a。在本实施方式中，为了形成倾斜型FBG14a，将第2包层20c和未图示的保护包覆层局部地除去，经由除去的部分向纤芯20a照射加工用光线。

倾斜型FBG14a构成为使作为激光使用的信号光的波段(例如，1070nm)的光透过，且使SRS光的波段(例如，1125nm)的光从纤芯20a转向第1包层20b。倾斜型FBG14a使在纤芯20a传播的信号光几乎全部透过，但也将信号光的一部分反射。由倾斜型FBG14a反射的信号光汇合到第1包层20b。

倾斜型FBG14a优选为折射率调制部彼此在长度方向上的间隔不均匀。由此，由倾斜型FBG14a从纤芯20a除去的光的波段变大。通过这样，能够进一步可靠地使SRS光转向第1包层20b。像这样，将SRS光从纤芯20a有选择性地除去并使其汇合于第1包层20b，从而能够使信号光的品质稳定，防止激励光源11a和激励光源11b的损伤。

上述的第2包层20c等被除去的部分(除去部分PT2)在形成有倾斜型FBG14a之后，利用高折射率材料21覆盖。即，包含第1包层20b的覆盖纤芯20a的形成有倾斜型FBG14a的区域的部分PT1并且被除去了第2包层20c的除去部分PT2的外周面被高折射率材料21覆盖。另外，在图2所示的例子中，配置于散热部件22的内部的第2包层20c的外周面也被高折射率材料21覆盖。

这样的高折射率材料21是为了防止因形成于纤芯20a的倾斜型FBG14a而汇合于第1包层20b的信号光入射到第2包层20c而设置的。如上所述，第2包层20c覆盖有保护包覆层，若汇合于第1包层20b的信号光入射到第2包层20c，则保护包覆层有可能会发热而烧损。为了不发生这样的保护包覆层的烧损，而设置了高折射率材料21。

作为高折射率材料21，能够使用具有高于第2包层20c的折射率且对信号光和SRS光的透射性高的树脂材料。构成高折射率材料21的树脂材料的折射率可以与第1包层20b的折射率同等或者更高。通过设置这样的高折射率材料21，能够防止汇合于第1包层20b的信号光入射到第2包层20c，对于该原理将在后面叙述。

散热部件22形成为在长度方向上比除去部分PT2的长度长，且设为将高折射率材料21覆盖。散热部件22是为了吸收经由高折射率材料21射来的SRS光和信号光并对因该吸收而产生的热量进行散热而设置的。散热部件22是例如方筒形状或者圆筒形状的部件，由例如内表面经黑色阳极氧化处理的铝等金属形成。散热部件22的内表面经黑色阳极氧化处理的原因在于，防止入射到内表面的SRS光和信号光的反射。

图1所示的包层模式除去部14b是所谓的包层模式剥离器。这里，包层模式剥离器例如是通过将光纤20的第2包层20c和未图示的保护包覆层沿长度方向断续地除去、并将除去的部分用高折射率树脂等覆盖而形成的。这样的包层模式剥离器能够将包含SRS光的包层模式光从第1包层20b内除去到高折射率树脂等。

〈设置高折射率材料的原理〉

设倾斜型FBG14a的基本反射波长为λ

在纤芯20a中传播的信号光在满足以下的式(1)的情况下，汇合于第1包层20b。

Δλ＜{(n

图3是表示本发明的第1实施方式中波长差Δλ与高折射率材料的折射率n之间的关系的图。其中，在图3所示的图表中，以波长差Δλ为纵轴，以高折射率材料21的折射率n为横轴。在图3中，倾斜型FBG14a的基本反射波长λ

区域R1是不满足上述式(1)的区域，区域R2、R3是满足上述式(1)的区域。即，区域R1是在纤芯20a传播的信号光不会汇合于第1包层20b的区域，区域R2、R3是在纤芯20a传播的信号光会汇合于第1包层20b的区域。这里，区域R2是汇合于第1包层20b的信号光入射到第2包层20c的区域，而区域R3是汇合于第1包层20b的信号光在第1包层20b中传播而不入射到第2包层20c的区域。

图4是示意性地表示本发明的第1实施方式中因倾斜型FBG而反射的信号光的行进路径的图。在波长差Δλ与高折射率材料21的折射率n之间的关系为区域R1所包含的关系的情况下，因倾斜型FBG14a而反射的信号光像例如图4所示的行进路径P1那样经由第1包层20b和高折射率材料21而入射到散热部件22。

在波长差Δλ与高折射率材料21的折射率n之间的关系为区域R2所包含的关系的情况下，因倾斜型FBG14a而反射的信号光像例如图4所示的行进路径P2那样在第1包层20b内传播，当到达第2包层20c时入射第2包层20c。在波长差Δλ与高折射率材料21的折射率n之间的关系为区域R3所包含的关系的情况下，因倾斜型FBG14a而反射的信号光像例如图4所示的行进路径P3那样在第1包层20b传播，不会入射到第2包层20c。

因倾斜型FBG14a而反射的信号光从图4所示的行进路径P1通过的情况下，会入射到散热部件22并被吸收。另外，因倾斜型FBG14a而反射的信号光从图4所示的行进路径P3通过的情况下，会在图1所示的包层模式除去部14b被除去。与此相对地，因倾斜型FBG14a而反射的信号光从图4所示的行进路径P2通过的情况下，覆盖第2包层20c的保护包覆层可能会发热而烧损。为了防止这样的因发热导致的烧损，只要使波长差Δλ与高折射率材料21的折射率n之间的关系不被图3所示的区域R2所包含即可。

若使高折射率材料21的折射率n为1.33，低于第2包层20c，则如图3所示，波长差Δλ与高折射率材料21的折射率n之间的关系有时会成为区域R2所包含的关系。

与此相对地，在高折射率材料21的折射率n高于第2包层20c的情况下，如图3所示，波长差Δλ与高折射率材料21的折射率n之间的关系不会成为区域R2所包含的关系。并且，在高折射率材料21的折射率n高于第1包层20b的情况下，如图3所示，波长差Δλ与高折射率材料21的折射率n之间的关系也不会被区域R3所包含。因此，高折射率材料21的折射率n高于第2包层20c的折射率。

如上所述，在本实施方式中，包含光纤20中所设有的第1包层20b的覆盖纤芯20a的形成有倾斜型FBG14a的区域的部分PT1并且被除去了第2包层20c的除去部分PT2的外周面由高折射率材料21覆盖。由此，能够有效地除去因倾斜型FBG14a而反射并汇合于第1包层20b的信号光(具体而言，从图4所示的行进路径P2通过这样的信号光)。结果，能够防止覆盖第2包层20c的未图示的保护包覆层的因发热导致的烧损。

另外，在本实施方式中，利用设于光器件14的倾斜型FBG14a和包层模式除去部14b的组合，将在第1包层20b传播的SRS光也除去。因此，抑制了保护包覆层因被SRS光照射而发热进而烧损、SRS光到达激励光源11a和激励光源11b而损伤这些激励光源11a和激励光源11的情况。

〈变形例〉

图5是表示本发明的第1实施方式的光器件的变形例的剖视图。图5所示的光器件14在除去部分PT2的长度方向上的两端外侧具备加强材料23，加强材料23设在散热部件22与第2包层20c之间。该加强材料23提高了散热部件22与第2包层20c之间的固定强度。作为该加强材料23，例如能够使用比第2包层20c折射率低的树脂。

图6是表示本发明的第1实施方式的激光装置的变形例的图。图6所示的激光装置1具备仅在倾斜型FBG14a的－X侧设有包层模式除去部14b的光器件14。即，对于激光装置1所设有的光器件14，可以仅在倾斜型FBG14a的－X侧设有包层模式除去部14b，也可以在倾斜型FBG14a的两侧(+X侧和－X侧)都设有包层模式除去部14b。

第2实施方式

图7是表示本发明的第2实施方式的激光装置的主要部分构成的图。其中，在图7中，对与图1所示的构成同样的构成标注同一附图标记。以下，对与使用图1进行了说明的构成同样的构成省略说明，仅对不同部分进行说明。

如图7所示，本实施方式的激光装置2具备激励光源11a、第1合束器12a、谐振器13、光器件14和输出端15。这样的激光装置2是不具有激励光源11b(后侧激励光源)的单侧激励型。即，激光装置2是前侧激励型的光纤激光装置。

谐振器13具备增幅用光纤13a、HR－FBG13b(第1FBG)和OC－FBG13c(第2FBG)。光器件14配置在输出端15与构成谐振器13的OC－FBG13c之间。在本实施方式中，也为了防止意外将激励光除去，而将光器件14配置在残余激励光实质上到达不了的区域。

本实施方式中的“残余激励光实质上到达不了的区域”是指，例如激光装置2的位于比OC－FBG13c靠输出端15侧处的部分。在该区域，激励光被构成谐振器13的增幅用光纤13a的纤芯充分吸收，因此特别适合作为设置光器件14的位置。另外，虽然省略了详细的说明，本实施方式的激光装置2也能够获得与第1实施方式同样的作用效果。

〈变形例〉

图8是表示本发明的第2实施方式的激光装置的变形例的图。图8所示的激光装置2是光器件14配置在增幅用光纤13a与OC－FBG13c之间、即配置在谐振器13内的结构。在本变形例的激光装置2中，也将光器件14配置在激励光被增幅用光纤13a的纤芯充分吸收、残余激励光实质上到达不了的区域，由此，能够获得与第2实施方式同样的作用效果。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，本发明不受上述实施方式的限制，能够在本发明的范围内自由地变更。例如，上述第1、第2实施方式的激光装置1、2具有一个输出端15，但也可以在输出端15的末端再连接光纤等。另外，也可以在输出端15的末端连接光束合束器，构成为将来自多个激光装置的激光合束。

另外，上述第1、第2实施方式的激光装置1、2所设有的光器件14也可以采用MOPA(主振荡器功率放大器：Master Oscillator Power Amplifier)方式的光纤激光装置。此外，光器件14也能够应用于像半导体激光(DDL：Direct Diode Laser)或者盘形激光器那样谐振器由非光纤构成并使从谐振器射出的激光聚光于光纤的激光装置。

附图标记说明

1、2…激光装置；11a、11b…激励光源；12a…第1合束器；12b…第2合束器；13…谐振器；13a…增幅用光纤；13b…HR－FBG；13c…OC－FBG；14…光器件；14a…倾斜型FBG；14b…包层模式除去部；15…输出端；20a…纤芯；20b…第1包层；20c…第2包层；22…散热部件；23…加强材料；PT1…部分；PT2…除去部分；21…高折射率材料。