光纖、以及使用該光纖的雷射裝置的製作方法

2023-06-06 19:37:11

專利名稱：光纖、以及使用該光纖的雷射裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖，以及使用了該光纖的雷射裝置，具體地，涉及輸入到包層的光容易輻射到包層外的光纖、以及使用了該光纖的雷射裝置。
背景技術：
光纖雷射裝置是在加工機、醫療設備，測量器的領域等中被使用，輸出在放大用光纖中被放大的光的裝置。在這樣的光纖雷射裝置中，存在如下的情況，即、從放大用光纖的纖芯輸出的輸出光被輸入到傳送光纖的纖芯，利用傳送光纖傳播到所希望的場所之後，再輸出。可是,存在從傳送光纖輸出的輸出光被被加工體等反射,輸入到傳送光纖的包層，或者輸入到傳送光纖的光的一部分因熔接點中的、纖芯的軸向偏差、角度曲折、模場的不匹配、纖芯彎曲等，洩露到傳送光纖的包層的情況。該情況下，產生輸入到包層而傳播的光被傳送光纖的覆蓋層吸收而使覆蓋層燒損這樣的問題。在下述專利文獻I中記載了這樣的從光纖輻射輸入到包層的光的系統。在該系統中，具備折射率是負的溫度係數，適合包層的折射率的部件，通過該部件，覆蓋光纖的包層的外周面。而且，在光輸入到包層而進行傳播的情況下，該光被傳播至該部件而從包層除去專利文獻I:美國專利第7. 349. 596號說明書可是，上述專利文獻I所記載的系統，從包層向覆蓋包層的部件傳播光需要足夠的長度。特別是光在與包層的長度方向平行較近的方向上傳播的情況下，為了將光輻射到包層外，需要非常長的距離。因此，在該系統中，為了使光容易地從包層傳播至該部件，在部件內彎曲光纖的一部分。可是，若彎曲光纖，則有可能在光纖的纖芯傳播的光因洩露等而損失。

發明內容
於是，本發明的目的在於提供一種輸入到包層的光容易輻射到包層外的光纖、以及使用了該光纖的雷射裝置。為了解決上述課題，本發明的光纖的特徵在於，具備纖芯、和覆蓋上述纖芯的包層，上述包層具有折射率在從內周側朝向外周側的方向上，增加的折射率變化區域。在物體中傳播的光存在從折射率低的一方向折射率高的一方折射的性質。因此，根據這樣的光纖，在輸入到纖芯的光的一部分作為洩漏光輸入到包層的情況、從纖芯輸出的光的一部分作為反射光輸入到包層的情況下，在包層的折射率變化區域中傳播的光從包層的內周側向外周側折射並傳播。因此，輸入到包層的光容易輻射到包層外。另外，優選在上述光纖中的上述折射率變化區域中，上述折射率逐漸地增加。根據這樣的光纖，在包層的折射率變化區域中，不存在光纖的徑向中折射率差的急劇變化，所以幾乎不存在在折射率變化區域中傳播的光向包層內周方向反射的情況。因此，能夠有效地使在包層的折射率變化區域中傳播的光向包層外輻射。
或者，優選在上述光纖中的上述折射率變化區域，上述折射率階段性地增加。根據這樣的光纖，在製成光纖用母材時，無需在成為包層的折射率變化區域的部分，從內周側至外周側，一邊逐漸地變動使折射率變化的摻雜劑的添加量一邊精密地控制，所以折射率的控制變得容易，能夠容易地製成包層具有折射率變化區域的光纖。另外，在上述光纖中，優選在上述折射率變化區域中，上述折射率在徑向上的每單位長度的變化量，是上述內周側的一方比上述外周側大。在包層的內周側傳播的光與在包層的外周側傳播的光相比，如果在光纖的徑向不行進較長的距離，則不會輻射到包層外。於是，根據這樣的光纖，能夠使在內周側傳播的光比在外周側傳播的光急劇地折射，使在內周側傳播的光以更短的距離輻射到·包層外。因此，能夠整體以更短的距離使輸入到包層的光輻射到包層外。另外，在上述光纖中，優選上述包層的全部的區域成為上述折射率變化區域。根據這樣的光纖，能夠使輸入到包層的光全部向外周側折射。因此，能夠進一步輻射輸入到包層的光。或者，在上述光纖中，還優選上述包層中的與上述纖芯鄰接的規定區域的折射率被設為恆定。根據這樣的光纖，包層中的與纖芯鄰接的區域的折射率是恆定，所以能夠防止在纖芯中傳播的光向包層的外周側靠近，而洩露出包層。並且，在上述光纖中，優選上述包層中的上述規定區域以外的全部的區域成為上述折射率變化區域。根據這樣的光纖，能夠防止在纖芯中傳播的光朝向包層的外周側靠近而洩露出包層，並且能夠使輸入到包層中的與纖芯鄰接的規定區域以外的光全部向包層的外周側折射。另外，在上述光纖中，優選至少包層的一個端部的附近的外周面的至少一部分被具有上述包層的外周側的折射率以上的折射率的光輻射部件覆蓋。根據這樣的光纖，從包層的一個端部輸入的光，在該端部的附近，向包層的外周面傳播的情況下，傳播到該外周面的光容易從包層向光輻射部件傳播。因此，能夠使輸入到包層的光輻射到包層外。並且，在上述光纖中，優選上述光輻射部件與熱轉換部件連接。根據這樣的光纖，能夠使熱轉換部件吸收傳播到光輻射部件的光，轉換為熱量，所以能夠抑制向空間不必要地輻射光。另外，本發明的雷射裝置的特徵在於，具備上述的光纖，通過上述光纖來傳播輸出光。根據這樣的雷射裝置，能夠通過光纖來傳播輸出光，並且即使在洩漏光、反射光輸入到包層的情況下，也不使該光傳播較長的距離而輻射到包層外。如以上那樣，根據本發明，提供一種輸入到包層的光容易輻射到包層外的光纖、以及使用了該光纖的雷射裝置。


圖I是表示本發明的第I實施方式所涉及的雷射裝置的圖。
圖2是表示與圖I的放大用光纖的長度方向垂直的剖面的構造的樣子的圖。圖3是表示與圖I的傳送光纖的長度方向垂直的剖面的樣子的圖。圖4是表示圖I的傳送光纖的輸出端的樣子的圖。圖5是表示本發明的第2實施方式所涉及的雷射裝置中的與傳送光纖的長度方向垂直的剖面的樣子的圖。圖6是表示本發明的第3實施方式所涉及的雷射裝置中的與傳送光纖的長度方向垂直的剖面的樣子的圖。
具體實施例方式以下，參照附圖，對本發明所涉及的光纖、以及使用了該光纖的雷射裝置的優選實施方式詳細地進行說明。 第I實施方式圖I是表示本發明的第I實施方式所涉及的雷射裝置的圖。如圖I所示，雷射裝置I是光纖雷射裝置，作為主要的構成具備輸出種子光的種子光源10、輸出激勵光的激勵光源20、輸入種子光與激勵光的放大用光纖30、將種子光源10以及激勵光源20與放大用光纖30連接起來的合成器40，和一端與放大用光纖30連接的光纖(以下，稱為傳送光纖)50。種子光源10由例如由雷射二極體構成的雷射源、法布裡一珀羅型或光纖環型的光纖雷射裝置構成。從該種子光源10輸出的種子光沒有特別限制，但例如是波長為1070nm的雷射。另外，種子光源10與由纖芯、以及覆蓋纖芯的包層構成的種子光傳播用光纖15連接，從種子光源10輸出的種子光在種子光傳播用光纖15的纖芯中傳播。作為種子光傳播用光纖15，例如例舉單模光纖，該情況下，種子光作為單模光在種子光傳播用光纖15中傳播。激勵光源20由多個雷射二極體21構成，如上述那樣，在種子光的波長是1070nm的情況下，例如輸出波長為915nm的激勵光。另外，激勵光源20的各個雷射二極體21與激勵光傳播用光纖22連接，從雷射二極體21輸出的激勵光在激勵光傳播用光纖22中傳播。作為激勵光傳播用光纖22，例如例舉多模光纖，該情況下，激勵光作為多模光在激勵光傳播用光纖22中傳播。圖2是表示與放大用光纖30的長度方向垂直的剖面的構造的圖。如圖2所示，放大用光纖30由纖芯31、覆蓋纖芯31的包層、覆蓋包層32的樹脂包層、和覆蓋樹脂包層33的覆蓋層34構成。包層32的折射率比纖芯31的折射率低，樹脂包層33的折射率比包層32的折射率更低。纖芯31的直徑例如為15 μ m，包層32的外徑例如為400 μ m。作為這樣的、構成纖芯31的材料例如例舉添加了使折射率上升的鍺等的元素、以及被從激勵光源20輸出的激勵光激勵的鐿(Yb)等活性元素的石英。作為這樣的活性元素例舉稀土類元素，作為稀土類元素，除了上述Yb之外，例舉銩(Tm)、鈰(Ce)、釹(Nd)、銪(Eu)、鉺(Er)等。進而，作為活性元素，除了稀土類元素之外，例舉鉍(Bi)等。另外，作為構成包層32的材料例如例舉不添加任何摻雜劑的純粹的石英。另外，作為構成樹脂包層33的材料，例如例舉紫外線固化樹脂，作為構成覆蓋層34的材料，例如例舉與構成樹脂包層33的樹脂不同的紫外線固化樹脂。
合成器40將種子光傳播用光纖15以及各個激勵光傳播用光纖22、與放大用光纖30連接起來。具體而言，在合成器40中，種子光傳播用光纖15的纖芯與放大用光纖30的纖芯31進行端面連接。進而，在合成器40中，各個激勵光傳播用光纖22的纖芯與包層32進行端面連接。因此，從種子光源10輸出的種子光被輸入到放大用光纖30的纖芯31，從激勵光源20輸出的激勵光被輸入到放大用光纖30的包層32。圖3是表示與圖I的傳送光纖50的長度方向垂直的剖面的樣子的圖。具體而言，圖3的(A)是表示與長度方向垂直的剖面中的傳送光纖50的構造的樣子的圖，圖3的(B)是表示傳送光纖50的直徑方向的折射率的樣子的圖。如圖3的(A)所不,傳送光纖50由纖芯51、覆蓋纖芯51的包層52、和覆蓋包層52的覆蓋層53構成。纖芯51的直徑例如為15 μ m,包層52的外徑例如為400 μ m。另外，如圖3的(B)所示，包層52的折射率至少在內周側比纖芯51低。而且，在本實施方式中，剖面中的包層52的全部區域成為折射率變化的折射率變化區域56，在該折射率變化區域56中，在從包層52的內周側朝向外周側的方向，折射率逐漸增加，表示相對 於包層52的徑向的折射率的線傾斜。而且，對於該折射率在徑向上的每單位長度的變化量而言，折射率變化區域56的內周側比外周側大。因此，折射率在內周側較大地增加，在外周側與內周側相比較小地增加。另外，覆蓋層53的折射率比包層52的外周側的折射率高。作為這樣的構成傳送光纖50的纖芯51的材料，例如例舉添加了使折射率上升的鍺等元素的石英。而且，作為構成包層52的材料，例如例舉在內周側不添加摻雜劑，按照隨著從內周側朝向外周側，使折射率上升的鍺等元素的量增加的方式添加鍺等元素的石英。另外，作為構成覆蓋層53的材料，例如例舉紫外線固化樹脂。此外，這樣的傳送光纖50用的母材能夠通過PCVD法、VAD法等製成。例如，在通過PCVD法製成的情況下，使包括Ge等摻雜劑的石英的原料氣體流入添加了 Ge等摻雜劑的折射率高的石英管的孔，使添加了摻雜劑的石英堆積。而且，隨著朝向內周側，使摻雜劑的量逐漸減少，最終，使不添加摻雜劑的石英堆積。這樣，傳送光纖50用的母材的包層部分完成。之後，與添加了 Ge等摻雜劑的傳送光纖50用的母材的纖芯部分組合，通過塌縮而得到傳送光纖50用的母材。而且，將該母材拉絲來形成覆蓋層53，由此得到傳送光纖50。另外，如上述那樣，該傳送光纖50的一端與放大用光纖30連接,成為輸入端58。而且，在圖I所示另一端什麼也未連接，成為輸出端59。圖4是表示傳送光纖50的輸出端59的樣子的圖。如圖4所示，在輸出端59的附近，剝離了覆蓋層53。而且，包層52的外周面的至少一部分被光輻射部件61覆蓋，光輻射部件61與熱轉換部件62連接。光輻射部件61由具有包層52的折射率以上的折射率材料構成。作為這樣的材料，例如例舉高折射率的矽樹脂等。另外，如果熱轉換部件62是將光轉換為熱量的部件，則沒有特別限定，但優選是散熱性優異的部件，例如由不鏽鋼等金屬構成。接下來，對雷射裝置I的動作進行說明。首先，從種子光源10輸出種子光，並且從激勵光源20輸出激勵光。此時，從種子光源10輸出的種子光,如上述那樣,例如波長為1070nm。從種子光源10輸出的種子光在種子光傳播用光纖15的纖芯中傳播，輸入到合成器40。另一方面，如上述那樣，從激勵光源20的各個雷射二極體21輸出的激勵光例如波長為915nm。從各個雷射二極體21輸出的激勵光在激勵光傳播用光纖22中傳播，並輸入到合成器40。這樣，輸入到合成器40的種子光輸入到放大用光纖30的纖芯31，在纖芯31中傳播。另一方面，輸入到合成器40的激勵光輸入到放大用光纖30的包層32,主要在包層32中傳播。而且,在放大用光纖30中，激勵光通過纖芯31時,被添加在纖芯31的活性兀素吸收，激勵活性元素。被激勵的活性元素產生受激發射，通過該受激發射種子光被放大，並作為輸出光從放大用光纖30的另一端39輸出。而且,從放大用光纖30的纖芯31輸出的輸出光從傳送光纖50的輸入端58輸入至IJ纖芯51，並在纖芯51中傳播，並從傳送光纖50的輸出端59輸出。此時，如圖4的虛線所示，存在從輸出端59輸出的輸出光被被加工體等反射而輸入到包層52的情況。該情況下，包層52整體成為折射率變化區域56，所以輸入到包層52 的反射光朝向折射率高的一方折射。即、輸入到包層52的反射光從包層52的內周側朝向外周側，一邊折射一邊在包層52中傳播。而且，在本實施方式中，對於折射率在徑向上的每單位長度的變化量而言，折射率變化區域56的內周側比外周側大，所以如圖4所示，輸入到包層52的內周側的反射光與輸入到外周側的反射光相比，急劇地折射，朝向外周側傳播。而且，到達了包層52的外周面的反射光被輻射到光輻射部件61，通過熱轉換部件62轉換為熱量而消失。如以上說明，根據本實施方式的雷射裝置1，在從纖芯51輸出的光的一部分作為反射光輸入到包層52的情況下，反射光也從包層52的內周側向外周側折射並傳播。因此，輸入到包層52的光能夠容易輻射到包層52外，輸入到包層52的反射光不傳播較長的距離而輻射到包層52外。另外，折射率從內周側朝向外周側逐漸增加，所以在折射率變化區域56中，沒有傳送光纖50的徑向中折射率差的急劇變化，所以幾乎不存在在折射率變化區域56中傳播的光向包層52的內周方向反射的情況。因此，能夠有效地使在折射率變化區域56傳播的光向包層52外福射。另外，在本實施方式的雷射裝置I中，傳送光纖50的包層52整體成為折射率變化區域56，所以能夠使輸入到包層的反射光全部向外周側折射。並且，對於折射率變化區域56的折射率的徑向上的每單位長度的變化量而言，內周側比外周側大，所以能夠使在包層的內周側傳播的反射光比在外周側傳播的反射光急劇地折射，能夠整體上以更短的距離，使光輻射到包層外。此外,在本實施方式中，即使在輸出端59發生反射,該反射光輸入到包層52的情況下，也與被被加工體等反射而輸入到包層52的反射光相同，能夠輻射到包層52外。並且，在本實施方式中，在輸入端58中，從放大用光纖30輸入的光的一部分因熔接點中的纖芯的軸向偏差、角度曲折、模場的不匹配、纖芯彎曲等洩露，作為洩漏光輸入到包層52的情況下，洩漏光也從包層52的內周側向外周側折射並傳播。因此，能夠不會使輸入到包層52的洩漏光傳播較長的距離，輻射到包層52外。因此，優選地，在包層52的輸入端的附近也剝離覆蓋層53，包層52的外周面的至少一部分被與設置在輸出端59的光輻射部件61相同的光輻射部件覆蓋，光輻射部件與熱轉換部件連接。第2實施方式
接下來，參照圖5對本發明的第2實施方式詳細地進行說明。此外，關於與第I實施方式相同或者同等的構成要素，標註相同的參照符號除了特別進行說明的情況之外，省略重複的說明。圖5是表示本發明的第2實施方式所涉及的雷射裝置中的與傳送光纖的長度方向垂直的剖面的樣子的圖。具體而言，圖5的(A)是表示與長度方向垂直的剖面中的傳送光纖50的構造的樣子的圖，圖5的(B)是表示傳送光纖50的直徑方向的折射率的樣子的圖。如圖5所示，本實施方式的雷射裝置在如下這一點上，與第I實施方式的雷射裝置不同，即、在傳送光纖50的包層52中，與纖芯51鄰接的規定區域55的折射率為恆定，該規定區域55以外的全部區域成為折射率變化區域56。根據本實施方式的雷射裝置，包層52中的與纖芯51鄰接的規定區域55的折射率是恆定，所以能夠防止在纖芯51中傳播的光向包層52的外周側靠近而洩露出包層52。因此，從防止在纖芯51傳播的光洩露出包層52的觀點來看，優選該規定區域55的直徑是在纖芯51傳播的光的模場直徑的2. 5倍程度以上的大小。 第3實施方式接下來，參照圖6對本發明的第3實施方式詳細地進行說明。此外，關於與第I實施方式相同或者同等的構成要素，標註相同的參照符號除了特別進行說明的情況之外，省略重複的說明。圖6是表示本發明的第3實施方式所涉及的雷射裝置中的與傳送光纖的長度方向垂直的剖面的樣子的圖。具體而言，圖6的(A)是表示與長度方向垂直的剖面中的傳送光纖50的構造的樣子的圖，圖6的(B)是表示傳送光纖50的直徑方向的折射率的樣子的圖。如圖6所示，本實施方式的雷射裝置在如下這一點與第I實施方式的雷射裝置不同，即、傳送光纖50的包層52全部成為折射率變化區域56，折射率在從包層52的內周側朝向外周側的方向上，階段性地增加，表示相對於包層52的徑向的折射率的線呈階梯狀。另夕卜，優選該折射率的階段性變化的量在各個階梯的疆界中為恆定。換句話說，優選各個階梯的疆界中的折射率差在各疆界為恆定。通過這樣構成，沒有折射率差變大的疆界，在折射率變化的各階梯的疆界中，抑制光從包層52的外周側向內周側反射。根據本實施方式的雷射裝置，在製成傳送光纖50用的母材時，無需在成為折射率變化區域56的部分中，從內周側至外周側，一邊使折射率變化的摻雜劑的添加量逐漸變動，一邊精密地控制，所以折射率的控制變得容易，能夠容易地製成包層52具有折射率變化區域56的傳送光纖50。以上，本發明以第I 第3實施方式為例，進行了說明，但本發明並不限於這些。例如,在第I 第3實施方式中，以傳送光纖50整體是本發明的光纖為例,進行了說明，但本發明並不限於此。例如，以僅除去來自被加工物的反射返回的光的為目的的情況下，可以取代第I實施方式的傳送光纖50，使用包層的徑向的折射率是一樣的通常的光纖，在該傳送光纖的前端連接本發明的光纖。此時，與傳送光纖連接的本發明的光纖為數cm左右。通過成為這樣的構成，能夠防止較長地使用如本發明的這樣的特殊光纖，能夠廉價地製作雷射裝置。另外，在第I實施方式 第3實施方式中，以光纖雷射裝置為例說明了雷射裝置，但本發明並不限於此，例如，作為固體雷射裝置的傳送光纖，可以使用傳送光纖50。
另外,在上述實施方式中，從傳送光纖50輸出輸出光,但例如,可以在傳送光纖的輸出端配置由使輸出光的直徑放大的玻璃棒等構成的端蓋。在這種情況下，即使輸出光反射而從端蓋入射，通過本發明的光纖，輸入到包層的光被輻射到包層外。另外，在第I 第3實施方式中，未必需要覆蓋層53，進而，也未必需要光輻射部件61、熱轉換部件62。在這種情況下，輸入到包層52的光能夠迅速輻射到包層外。另外，在第I、第3實施方式中，包層52的全部區域成為了折射率變化區域56，但未必需要包層52的全部區域是折射率變化區域。另外，在第3實施方式中，可以如第2實施方式那樣，與纖芯51鄰接的規定區域的折射率為恆定。在這種情況下，從防止在纖芯51中傳播的光洩露出包層52這一觀點來看，優選該規定區域的直徑是在纖芯51中傳播的光的模場直徑的2. 5倍程度以上的大小。 產業上的可利用性根據本發明，提供一種使輸入到包層的光容易輻射到包層外的光纖、以及使用了該光纖的雷射裝置。附圖標記說明I…雷射裝置，10…種子光源，15…種子光傳播用光纖，20…激勵光源，21…雷射二極體，22…激勵光傳播用光纖，30…放大用光纖，31…纖芯，32…包層，33…樹脂包層，34···覆蓋層，40…合成器,50…傳送光纖(光纖),51…纖芯,52…包層,53…覆蓋層,56···折射率變化區域，61···光輻射部件，62…熱轉換部件
權利要求
1.一種光纖，其特徵在於， 具備纖芯、和覆蓋所述纖芯的包層， 所述包層具有折射率在從內周側朝向外周側的方向上增加的折射率變化區域。
2.根據權利要求I所述的光纖，其特徵在於， 在所述折射率變化區域中，所述折射率逐漸地增加。
3.根據權利要求I所述的光纖，其特徵在於， 在所述折射率變化區域中，所述折射率階段性地增加。
4.根據權利要求I 3中的任一項所述的光纖,其特徵在於， 在所述折射率變化區域中，所述折射率在徑向上的每單位長度的變化量，是所述內周側的一方比所述外周側大。
5.根據權利要求I 4中的任一項所述的光纖,其特徵在於， 所述包層的全部的區域成為所述折射率變化區域。
6.根據權利要求I 4中的任一項所述的光纖,其特徵在於， 所述包層中的與所述纖芯鄰接的規定區域的所述折射率被設為恆定。
7.根據權利要求6所述的光纖,其特徵在於， 所述包層中的所述規定區域以外的全部的區域成為所述折射率變化區域。
8.根據權利要求I 7中的任一項所述的光纖，其特徵在於， 至少包層的一個端部的附近的外周面的至少一部分被具有所述包層的外周側的折射率以上的折射率的光輻射部件覆蓋。
9.根據權利要求8所述的光纖，其特徵在於， 所述光輻射部件與熱轉換部件連接。
10.一種雷射裝置，其特徵在於， 具備權利要求I 9中的任一項所述的光纖， 通過所述光纖來傳播輸出光。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種輸入到包層的光容易輻射到包層外的光纖、以及使用了該光纖的雷射裝置。光纖(50)的特徵在於，具備纖芯(51)、和覆蓋纖芯(51)的包層(52)，包層(52)具有折射率在從內周側朝向外周側的方向上增加的折射率變化區域(56)。通過這樣構成，在光輸入到包層(52)的情況下，傳播到包層(52)的折射率變化區域(56)的光也從包層(52)的內周側向外周側折射並傳播。因此，輸入到包層(52)的光容易輻射到包層(52)外。
文檔編號H01S3/06GK102804007SQ201180014558
公開日2012年11月28日 申請日期2011年3月11日 優先權日2010年3月30日
發明者田中弘範 申請人:株式會社藤倉