CN115087896B - 光纤及光纤激光装置 - Google Patents

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Abstract

光纤激光装置(1)的光纤构成为，在纤芯中传播的波长为1070nm的基本模式的光的有效截面积Aeff为500μm2以上，当纤芯的半径设定为a(m)、且包层的半径设定为b(m)时，纤芯的数值孔径NA满足下述式子(AA)，光纤的波导参数即V值满足下述式子(BB)，NA≥(1.3×10‑11×a4/b6)1/6(AA)，V≤1.3583×b‑0.2555(BB)。

Description

光纤及光纤激光装置
技术领域
本发明涉及一种光纤及光纤激光装置。
背景技术
光纤激光装置能够获得聚光性优异、功率密度高且光斑点小的光。因此，近年来在激光加工领域、医疗领域等各种领域得到应用，并相应地要求提高射出光的输出。但是，如果这样提高输出，则在光纤的纤芯中传播的光的功率密度增大，因此容易发生受激拉曼散射。如果发生受激拉曼散射而使在纤芯中传播的光的波长发生转换，则有可能导致光纤激光装置的性能降低等。因此要求在光纤激光装置中抑制受激拉曼散射的发生。
作为抑制受激拉曼散射发生的方法，可举出：使在纤芯中传播的光的有效截面积Aeff增大来减小光的能量密度。作为增大有效截面积Aeff的方法，可举出：增大纤芯的直径；减小纤芯的数值孔径NA。但是有如下倾向：如果增大纤芯的直径，则在纤芯中传播的光的模式数量会增加。另外，在不改变包层的直径而增大纤芯的直径来减小纤芯的数值孔径NA的情况下，在纤芯中传播的光向包层的渗出增大，并且包层的厚度相对地变薄，从而有可能容易发生外部干扰引起的模式耦合。这样，当使在纤芯中传播的光的有效截面积Aeff增大时，在纤芯中传播的光的模式数量增加，有可能导致光纤激光装置的光束品质恶化。此外，光束品质例如用M2(M平方)来表示，M2的值越接近1，光束品质就越好。
这样，在使光纤激光装置高输出化的情况下，为了抑制受激拉曼散射的发生、以及光束品质的恶化，需要适当地设计：光纤的纤芯直径、包层直径、纤芯的数值孔径NA等。
下述非专利文献1记载了从使用如下的光纤制作的光纤激光装置输出的光的M2的值为1.04，所述光纤设计为：纤芯的直径为52μm、包层的直径为750μm、纤芯的数值孔径NA为0.025、有效截面积Aeff为1000μm2。
现有技术文献
非专利文献1：V.Petit,R.P.Tumminelli,J.D.Minelly,and V.Khitrov,“Extremely low NA Yb doped preforms(<0.03)fabricated by MCVD,”presented atthe SPIE LASE,San Francisco,California,United States,2016,p.97282R。
发明内容
(一)要解决的技术问题
但是，对于上述非专利文献1的光纤而言，为了传播基本模式的光，必须使光纤的弯曲直径为600mm以上。因此，在使用非专利文献1的光纤来构成例如光纤激光装置的情况下，有可能导致该光纤激光装置大型化，不利于向加工装置的安装等。
因此，本发明的目的在于，提供一种光纤以及具备该光纤的光纤激光装置，其能够抑制光束品质的恶化以及受激拉曼散射的发生，并且容许曲率较大的弯曲。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明提供一种光纤，其具有纤芯及包层，在所述纤芯中传播的波长为1070nm的基本模式的光的有效截面积Aeff为500μm2以上，当所述纤芯的半径设定为a(m)、且所述包层的半径设定为b(m)时，所述纤芯的数值孔径NA满足下述式子：
NA≥(1.3×10-11×a4/b6)1/6，
所述光纤的波导参数即V值满足下述式子：
V≤1.3583×b-0.2555。
当在光纤的纤芯中传播的光仅为基本模式的光时M2的值为1，当在光纤中传播时，光的模式数量越多则M2的值就越大。因此，对于测量的光束品质的恶化，可以利用向光纤入射时的光的M2的值与从该光纤射出时的光的M2的值的差ΔM2来表示，ΔM2的值越大就表示光束品质越差。
在通常的光纤激光装置中，在谐振器内产生的光进行波导的部分的光纤的长度大致为40m以下。在谐振器内振荡并从光纤激光装置射出的光中包含在如下的部分往复的光，所述部分是在谐振器内产生的光进行波导的部分。因此有如下倾向：从光纤激光装置射出的光的M2的值与不在上述部分往复而仅单程传播40m并射出时的M2的值相比较大。但是，如果该单程传播时的光的ΔM2的值为0.1以下，则从光纤激光装置射出的光的M2的值有可能大致为1.5。如果M2的值大致为1.5，则能够满足在通常的光纤激光装置中所要求的性能。
本案发明人发现：当在纤芯中传播的光的波长为1070nm时，如果纤芯的数值孔径NA满足上述式子，则能够使光纤的单位长度1m内的ΔM2的值为0.0025以下。如上所述，在通常的光纤激光装置中，由于在谐振器内产生的光进行波导的部分的单程的长度大致为40m以下，因此如果数值孔径NA满足上述式子，则能够使上述单程传播时的光的ΔM2的值为0.1以下。因此，能够将光束品质的恶化抑制为从光纤激光装置射出的光的M2的值不超过1.5的程度。
另外，在光纤激光装置中，通常存在例如放大用光纤与传输光纤的熔接部等光纤彼此之间的熔接部。对于这样的熔接部而言，即使在假设没有光纤彼此之间的轴偏移、角度偏移的情况下，也存在基本模式的光与LP03模式等轴对称的高次模式发生耦合的倾向。因此，在光纤激光装置中需要使光纤以规定的弯曲半径进行弯曲以除去轴对称的高次模式。另外，在光纤激光装置中，通常基于降低光纤的断裂概率等理由而优选使包层的半径相对于光纤的弯曲半径的比率为2％以下。
本案发明人发现：当在纤芯中传播的光的波长为1070nm时，在以使得包层的半径相对于光纤的弯曲半径的比率为1％以下的弯曲半径来弯曲光纤的情况下，若光纤的波导参数即V值满足上述式子，则能够截止LP03模式的光。因此，采用以V值满足上述式子的方式形成的上述光纤，能够截止LP03模式的光，抑制光束品质的恶化。
另外，在射出波长为1070nm的光的光纤激光装置中，通常存在如下倾向：若波长为1070nm的基本模式的光的有效截面积Aeff为500μm2以上，则不易发生受激拉曼散射。如上所述，对于上述光纤而言，由于在纤芯中传播的波长为1070nm的基本模式的光的有效截面积Aeff为500μm2以上，因此能够抑制受激拉曼散射的发生。
另外，在对上述非专利文献1公开的包层的半径为325μm的光纤，以使得包层的半径相对于该光纤的弯曲半径的比率为0.09％的350mm的弯曲直径进行弯曲的情况下，LP01模式的光也会大致损失10dB/m，因此不容许这样的光纤弯曲。本案发明人以与非专利文献1记载的条件同样的条件对本发明的光纤进行弯曲，并调查了在该光纤的纤芯中传播的LP01模式的光的损失。其结果为，在本实施方式的光纤中传播的LP01模式的光的损失大致为0.001dB/m。0.001dB/m的光的损失与非专利文献1的光纤中的光的损失10dB/m相比而言极小。因此，采用本发明的光纤，容许对于非专利文献1而言不容许的上述弯曲。
这样，采用该光纤，能够抑制光束品质的恶化以及受激拉曼散射的发生，并且容许曲率较大的弯曲。
另外，更优选所述有效截面积Aeff为600μm2以上。
在这种情况下，与有效截面积Aeff为500μm2以上且比600μm2小的情况相比，能够抑制受激拉曼散射。
另外，更优选所述有效截面积Aeff为800μm2以上。
在这种情况下，与有效截面积Aeff为600μm2以上且比800μm2小的情况相比，能够抑制受激拉曼散射。
另外，优选所述V值满足下述式子：
V≤1.6509×b-0.1992。
在满足该式子的情况下，通过以使得上述比率为1％以下的弯曲半径来弯曲光纤，从而除了能够截止LP03模式的光之外还能够截止LP02模式的光，能够进一步提高光束品质。
另外，优选所述数值孔径NA为0.05以上。
在这种情况下，与数值孔径NA比0.05小的情况相比，能够抑制外部干扰引起的模式耦合。
另外，为了实现上述目的，本发明的光纤激光装置的特征在于，具备上述任一所述的光纤。
该光纤激光装置具备上述任一所述的光纤。因此，采用该光纤激光装置，能够抑制光束品质的恶化以及受激拉曼散射的发生，并且容许以较大的曲率弯曲光纤。另外，由于能够以较大的曲率弯曲光纤来构成光纤激光装置，因此能够抑制光纤激光装置的大型化。
(三)有益效果
如上所述，根据本发明，能够提供一种光纤以及具备该光纤的光纤激光装置，其能够抑制光束品质的恶化以及受激拉曼散射的发生，并且容许曲率较大的弯曲。
附图说明
图1是概要地表示本发明实施方式的光纤激光装置的图。
图2是表示放大用光纤的垂直于长度方向的剖面的状态的图。
图3是表示包层的半径为2.0×10-4(m)时的实施方式的用于构成光纤的参数范围的图。
图4是表示包层的半径为3.0×10-4(m)时的实施方式的用于构成光纤的参数范围的图。
图5是表示包层的半径为4.0×10-4(m)时的实施方式的用于构成光纤的参数范围的图。
图6是表示包层的半径为2.0×10-4(m)时的用于构成有效截面积Aeff为600μm2以上的光纤的参数范围的图。
图7是表示包层的半径为3.0×10-4(m)时的用于构成有效截面积Aeff为600μm2以上的光纤的参数范围的图。
图8是表示包层的半径为4.0×10-4(m)时的用于构成有效截面积Aeff为600μm2以上的光纤的参数范围的图。
图9是表示包层的半径为2.0×10-4(m)时的用于构成有效截面积Aeff为800μm2以上的光纤的参数范围的图。
图10是表示包层的半径为3.0×10-4(m)时的用于构成有效截面积Aeff为800μm2以上的光纤的参数范围的图。
图11是表示包层的半径为4.0×10-4(m)时的用于构成有效截面积Aeff为800μm2以上的光纤的参数范围的图。
图12是表示相对于实施方式变更了V值的范围且包层的半径为2.0×10-4(m)时的用于构成有效截面积Aeff为500μm2以上的光纤的参数范围的图。
图13是表示相对于实施方式变更了V值的范围且包层的半径为3.0×10-4(m)时的用于构成有效截面积Aeff为500μm2以上的光纤的参数范围的图。
图14是表示相对于实施方式变更了V值的范围且包层的半径为4.0×10-4(m)时的用于构成有效截面积Aeff为500μm2以上的光纤的参数范围的图。
具体实施方式
以下参照附图来例示本发明实施方式的光纤及光纤激光装置。以下例示的实施方式用于使本发明容易理解而非限定解释本发明。本发明能够在不脱离其主旨的范围内对以下的实施方式进行变更、改进。另外，在本说明书中有时为了容易理解而夸张表示各部件的尺寸。
图1是表示本实施方式的光纤激光装置的图。如图1所示，作为主要结构，本实施方式的光纤激光装置1具备：放大用光纤10、激励光源20、光纤30、设置于光纤30的第一FBG35、传输光纤40、设置于传输光纤40的第二FBG45、光合并器50。另外，在传输光纤40的与第二FBG侧为相反侧的端部连接有输出端51。
在本实施方式的光纤激光装置1中，从第一FBG35到输出端51的长度为40m以下。
放大用光纤10在熔接部FP1与光纤30熔接，并且在熔接部FP2与传输光纤40熔接。
图2是表示这样的放大用光纤10的剖面状态的图。如图2所示，放大用光纤10是所谓的双包层结构，作为主要结构，具备：纤芯11、无间隙地包围纤芯11外周面的内侧包层12、包覆内侧包层12外周面的外侧包层13、以及包覆外侧包层13的被覆层14。内侧包层12的折射率比纤芯11的折射率低，外侧包层13的折射率比内侧包层12的折射率低。
此外，在本说明书中，例如在对于如放大用光纤那样具有内侧包层和外侧包层的光纤仅记为包层的情况下，若无特别说明，是指内侧包层。
在本实施方式中，纤芯11例如由将镱(Yb)作为活性元素添加了大致1wt％的石英构成，该镱(Yb)可被从激励光源20射出的激励光激励。另外，内侧包层12例如由未添加任何掺杂剂的纯石英构成。利用这样的结构，在本实施方式中，纤芯11的折射率n1与包层12的折射率n2的相对折射率差Δ为0.06％的程度以上且为0.15％的程度以下。上述相对折射率差Δ用以下的式子(1)表示。
Δ＝(n1 2-n2 2)/2n1 2···(1)
另外，纤芯的数值孔径NA用下述的式子(2)表示，
NA＝(n1 2-n2 2)1/2···(2)
当纤芯11的半径为a(m)、且包层12的半径为b(m)时，本实施方式的数值孔径NA满足下述的式子(3)。
NA≥(1.3×10-11×a4/b6)1/6···(3)
此外，对于式子(3)将在后面详细说明。
另外，在本实施方式中，在纤芯11中传播的光由于后述的第一FBG35、第二FBG45的结构而包含波长为1070nm的光，在纤芯11中至少传播基本模式即LP01模式的光。此外，当在纤芯11中传播的光仅为LP01模式的光时，表示光的光束品质的M2的值为1，M2的值随着在纤芯11中传播的光的模式数量增加而增大。因此，向光纤入射时的光的M2的值与从该光纤射出时的光的M2的值的差ΔM2的值越大，就表示从光纤射出的光的光束品质越差。
外侧包层13由树脂或石英构成，作为树脂例如可举出热固化树脂、紫外线固化树脂，作为石英例如可举出：添加有使折射率降低的氟(F)等掺杂剂以使得折射率比内侧包层12更低的石英。另外，作为构成被覆层14的材料，例如可举出热固化树脂、紫外线固化树脂，当外侧包层13为树脂时，被覆层14可以是与构成外侧包层13的树脂不同的热固化树脂、紫外线固化树脂。
放大用光纤10包含以规定的弯曲半径R(m)弯曲的折曲部。在本实施方式中，包层12的半径b(m)相对于折曲部的弯曲半径R的比率大致为1％，折曲部的弯曲半径R的大小是包层12的半径b的大致100倍。
另外，可在光纤的纤芯中传播的光的模式数量可利用由下述式子(4)规定的V值来判断。该V值被称为波导参数，V值越大就表示可能在纤芯中传播的光的模式数量越多。另外，该V值具有随着光纤的折曲部的曲率增大而变小的倾向。
V＝(2πaNA)/λ···(4)
此外，在式子(4)中，λ表示在纤芯中传播的光的波长，在本实施方式中为1070nm。
在本实施方式中，放大用光纤10构成为使得上述V值满足下述式子(5)。
V≤1.3583×b-0.2555···(5)
此外，对于式子(5)将在后面详细说明。
另外，放大用光纤10构成为使得波长为1070nm的LP01模式的光的有效截面积Aeff为500μm2以上。
如图1所示，激励光源20具有：多个激光二极管21、以及分别连接于激光二极管21的光纤25。各激光二极管21例如射出波长为900nm波段的光。光纤25是所谓的单包层结构，包含：纤芯、无间隙地包围该纤芯外周面且折射率比纤芯低的包层、以及覆盖包层的被覆。各光纤25经由光合并器50而光学连接于光纤30的一端。
光纤30与放大用光纤10同样地为双包层结构。光纤30的纤芯例如由添加了使折射率上升的锗(Ge)等元素的石英形成。另外，内侧包层例如由未添加任何掺杂剂的纯石英形成。另外，外侧包层由树脂或石英构成。作为形成外侧包层的树脂，例如可举出热固化树脂或者紫外线固化树脂。作为形成外侧包层的石英，例如可举出添加有使折射率降低的氟(F)等掺杂剂的石英，以使得折射率比内侧包层更低。被覆例如由紫外线固化树脂、热固化树脂形成。此外，当被覆层14由树脂形成时，例如可使用与构成外侧包层的树脂不同的紫外线固化树脂、热固化树脂。
光纤30的内侧包层的一侧端部经由光合并器50与光纤25各自的纤芯光学连接。另一方面，光纤30的内侧包层的另一侧端部与放大用光纤10的包层12光学连接。
在本实施方式中，光纤30构成为，纤芯的半径a、包层的半径b、数值孔径NA、以及有效截面积Aeff分别与放大用光纤10的纤芯的半径a、包层的半径b、数值孔径NA、以及有效截面积Aeff相同，且构成为满足上述式子(3)。
传输光纤40是单包层结构，包含：纤芯、无间隙地包围该纤芯的外周面且折射率比纤芯低的包层、以及覆盖包层的被覆。传输光纤40的包层的一侧端部光学连接于放大用光纤10的包层12。另外，传输光纤40的纤芯的一侧端部光学连接于放大用光纤10的纤芯。另一方面，在传输光纤40的另一侧端部安装有例如由石英构成的输出端51。
在本实施方式中，传输光纤40构成为，纤芯的半径a、包层的半径b、数值孔径NA、有效截面积Aeff分别与放大用光纤10的纤芯的半径a、包层的半径b、数值孔径NA、有效截面积Aeff相同，且构成为满足上述式子(3)。另外，传输光纤40包含以与放大用光纤10大致相同的弯曲半径R弯曲的折曲部，且构成为满足上述式子(5)。
第一FBG35设置于光纤30的纤芯。该第一FBG35与放大用光纤10的纤芯11光学耦合，且具有的如下结构：折射率变高的部分沿着光纤30的长度方向周期性地重复。通过调整该周期，从而对成为激励状态的放大用光纤10的活性元素发射的光中的、至少一部分波长的光进行反射。第一FBG35的反射率比后述的第二FBG45的反射率高，例如将活性元素发射的光中的期望波长的光反射99％以上。在本实施方式中，第一FBG35反射的光的波长大致为1070nm。
第二FBG45设置于传输光纤40的纤芯。该第二FBG45与放大用光纤10的纤芯11光学耦合，具有如下结构：折射率变高的部分沿着传输光纤40的长度方向以一定的周期重复。第二FBG45以比第一FBG35低的反射率对第一FBG35反射的光中的至少一部分波长的光进行反射。在本实施方式中，第二FBG45例如以5％～50％的反射率对第一FBG35反射的波长为1070nm的光进行反射。
接着，对本实施方式的光纤激光装置1的动作进行说明。
在光纤激光装置1中，首先，从激励光源20的各激光二极管21射出激励光。并且，从各激光二极管21射出的激励光在光纤25的纤芯中传播，并在光合并器50中合波。合波后的激励光在光纤30的内侧包层中传播。
上述激励光向放大用光纤10的包层12入射并成为包层模式光。该包层模式光主要在包层12中传播，并通过放大用光纤10的纤芯11。这样，向该纤芯11入射的包层模式光的一部分被添加于纤芯11的活性元素即镱吸收，其结果为，该活性元素被激励。这样，向放大用光纤10入射的包层模式光成为激励光，利用该激励光而成为激励状态的活性元素发射特定波长的自然发射光。就此时的自然发射光而言，在活性元素为镱的状态下，主要是1070nm波长带的光。该自然发射光在放大用光纤10的纤芯11中传播，主要利用第一FBG35反射波长为1070nm的光。另外，第一FBG35所反射的波长为1070nm的光被第二FBG45反射。这样，由放大用光纤10、第一FBG35、第二FBG45构成谐振器，在该谐振器内主要往复波长为1070nm的光。并且，当被第一FBG35及第二FBG45反射的光在放大用光纤10的纤芯11中传播时，产生受激发射，主要放大波长为1070nm的光，当谐振器内的增益和损失相等时成为激光振荡状态。并且，在这样的谐振器内振荡的波长为1070nm的光的一部分透射第二FBG72，作为激光在传输光纤40的纤芯中传播。最终，该激光从输出端51向外部射出，例如照射于加工对象物等，有助于加工对象物的加工。
这样的光纤激光装置1的放大用光纤10、光纤30、以及传输光纤40构成为如上所述满足式子(3)。利用这样的结构，将光束品质的恶化抑制为使得从光纤激光装置1射出的波长为1070nm的光的M2的值不超过1.5的程度。下面对此进行说明。
本案发明人深入研究了在光纤的纤芯中传播的光的模式耦合并发现：这样的模式耦合具有与纤芯的半径、包层的半径、以及纤芯的数值孔径NA有关的倾向，为了对此进行实证而持续深入研究。
在非专利文献2(R.Olshansky，“Distortion Losses in Cabled OpticalFibers，”Appl.Opt.14，(1975))中记载了：受到规定的外部干扰时的单模光纤的损失γ用下述的式子(6)表示。
γ∝Δ-3×(a4/b6)×(kg×Ee/Ef)3/2···(6)
在式子(6)中，kg是常数，Ee是光纤的被覆的杨氏弹性模量，Ef是由光纤的纤芯及包层构成的玻璃部的杨氏弹性模量。此外，相对折射率差Δ基于上述式子(1)和上述式子(2)，可用下述式子(7)表示。
Δ＝NA2/2n1 2···(7)
这里，当波长为1070nm的光在纤芯中传播且如上所述相对折射率差Δ是0.06％的程度以上且0.15％的程度以下那样的微小值时，可以认为式子(7)中的纤芯的折射率n1是1.45。
另外，本案发明人认为：在少模光纤中，在沿着规定的长度传播期间受到的外部干扰所引起的基本模式的损失所对应的功率会与高次模式发生耦合。当基本模式与高次模式耦合时，光束品质会恶化，存在ΔM2的值增大的倾向。因此，本案发明人认为：上述式子(6)中的单模光纤的损失γ在少模光纤中可以表示为光的光束品质的差ΔM2。另外，本案发明人认为：对于少模光纤而言，光纤越长则基本模式与高次模式的耦合程度就越大，ΔM2与光纤的长度L(m)成正比。此外确认了：被覆的杨氏弹性模量Ee的不同以及玻璃部的杨氏弹性模量Ef的不同对少模光纤中的模式耦合基本无影响，且对ΔM2的变化基本无影响。
根据这些情况，本案发明人基于将上述式子(7)代入上述式子
(6)而消去了Δ的式子，假定了表示ΔM2的下述式子(8)。
ΔM2＝A×NA-6×(a4/b6)×L···(8)
在式子(8)中，A为常数，并将n1、kg、Ee、以及Ef作为成分。此外，n1的值如上所述为1.45。另外，如上所述，Ee、Ef对ΔM2的变化基本无影响，因此可将Ee、Ef视为常数。
接着，准备纤芯的直径2a为28×10-6m、包层的直径2b为320×10-6m、纤芯的数值孔径NA为0.071、全长L为26m的光纤，实测了使该光纤传播波长为1070nm的光时的ΔM2。其结果为，ΔM2的值为0.015。因此，向式子(8)代入a＝14×10-6m、b＝160×10-6m、NA＝0.071、L＝26m，求出常数A，该常数A为3.24×10-14。将该常数A的值代入式子(8)，得到下述式子(9)。
ΔM2＝3.24×10-14×NA-6×(a4/b6)×L···(9)
接着，准备下述表1所示的光纤的样本1～4，对使这些样本1～4传播波长为1070nm的光时的ΔM2的实测值、与利用式子(9)算出的ΔM2的估计值进行了比较。
表1
该比较结果如以下表2所示。
表2
如表2所示，各样本1～4中的实测值与估计值大致相同。因此，确认了能够基于式子(9)来计算光纤的ΔM2。
在通常的光纤激光装置中，在谐振器内产生的光进行波导的部分的光纤的长度大致为40m以下。对于本实施方式的光纤激光装置1而言，在谐振器内产生的光进行波导的部分相当于从第一FBG35到输出端51的部分。在谐振器内振荡并从光纤激光装置射出的光包含在如下的部分往复的光，所述部分是在谐振器内产生的光进行波导的部分。因此存在如下倾向：从光纤激光装置射出的光的M2的值与不在上述部分往复而仅单程传播40m并射出时的M2的值相比较大。但是，如果该单程传播时的光的ΔM2的值为0.1以下，则从光纤激光装置射出的光的M2的值有可能大致为1.5。如果射出的光的M2的值大致为1.5，则能够满足在通常的光纤激光装置中所要求的性能。因此，向式子(9)中代入L＝40m、ΔM2≦0.1，得到上述式子(3)。
如果以满足该式子(3)的方式对纤芯的半径a、包层的半径b、以及数值孔径NA进行调整，则能够使在纤芯中传播了40m之后的波长为1070nm的光的ΔM2的值为0.1以下，能够使单位长度1m内的光束品质的恶化为0.0025以下。因此，能够将光束品质的恶化抑制为从光纤激光装置射出的光的M2的值不超过1.5的程度。
另外，如上所述，光纤激光装置1的放大用光纤10及传输光纤40构成为满足上述式子(5)。利用这样的结构，能够在使放大用光纤10及传输光纤40各自的折曲部的弯曲半径R为包层的半径b的100倍以上时截止LP03模式的光，能够抑制光束品质的恶化。下面对此进行说明。
在光纤激光装置中，通常存在例如放大用光纤与传输光纤的熔接部等光纤彼此之间的熔接部。此外，作为本实施方式的熔接部，可举出上述的熔接部FP1、熔接部FP2。对于这样的熔接部而言，即使在假设没有光纤彼此之间的轴偏移、角度偏移的情况下，也存在基本模式的光与LP03模式等轴对称的高次模式发生耦合的倾向。因此，在光纤激光装置中需要使光纤以规定的弯曲半径进行弯曲以除去轴对称的高次模式。此外，在光纤激光装置中，通常基于降低光纤的断裂概率等观点而优选使包层的半径b(m)相对于光纤的弯曲半径R(m)的比率为2％以下。这样的弯曲半径R相当于包层的半径b的50倍以上的弯曲半径。
在非专利文献3(R.T.Schermer,“Mode scalability in bent optical fibers,”Optics Express,vol.15,no.24,p.15674,Nov.2007.)中记载了：当以规定的弯曲半径R弯曲光纤时，标准化传播常数BR用下述式子(10)表示。
此外，在式子(10)中，kclad是包层的波数，n2是包层的折射率，Bs是光纤未弯曲的直线状态下的标准化传播常数。另外，式子(10)中的V表示上述的V值，能够利用上述式子(4)算出。
在此，直线状态下的标准化传播常数Bs可按照在纤芯中传播的光的模式，根据纤芯的半径a(m)、以及纤芯与包层的相对折射率差Δ，通过实测求出。当标准化传播常数BR为0时，该模式不能在纤芯中进行波导，而是被截止。因此，基于将实测求出的LP03模式的光的Bs的值代入式子(10)得到的式子，使V值变化，并计算了BR的值相对于光纤的弯曲半径R的变化。之后，在将包层的半径设定为b(m)时，以使上述比率为1％以下的弯曲半径R来求出BR的值为0时的V值的范围，得到上述式子(5)。因此，如果以满足式子(5)的方式形成光纤，则当以包层的半径b的100倍以上的弯曲半径R来弯曲光纤时，能够截止波长为1070nm的LP03模式的光。
另外，在对上述非专利文献1公开的包层的半径为325μm的光纤，以使得包层的半径相对于该光纤的弯曲半径的比率为0.09％的350mm的弯曲直径来进行弯曲的情况下，LP01模式的光也会大致损失10dB/m，因此不容许这样的光纤弯曲。本案发明人以与非专利文献1记载的条件同样的条件对本实施方式的光纤进行弯曲，并调查了在该光纤的纤芯中传播的LP01模式的光的损失。其结果为，在本实施方式的光纤中传播的LP01模式的光的损失大致为0.001dB/m。0.001dB/m的光的损失与非专利文献1的光纤中的光的损失10dB/m相比而言极小。因此，采用本发明的光纤，容许对于非专利文献1而言不容许的上述弯曲。
另外，如上所述，光纤激光装置1的放大用光纤10、光纤30、以及传输光纤40构成为，使得波长为1070nm的光的基本模式的有效截面积Aeff为500μm2以上。如果有效截面积Aeff为500μm2以上，则具有不易发生受激拉曼散射的倾向。因此，采用光纤激光装置1，能够抑制在放大用光纤10、光纤30、以及传输光纤40中发生受激拉曼散射。
另外，当包层的半径b为常数时，式子(3)、式子(5)、以及有效截面积Aeff能够用将横轴设为纤芯的半径a(m)、将纵轴设为纤芯的数值孔径NA的坐标系表示。图3至图5示出了包层的半径b(m)分别为2.0×10-4、3.0×10-4、4.0×10-4时的式子(3)、式子(5)、以及Aeff。在图3至图5中，粗线表示Aeff＝500μm2时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系，细线表示在式子(5)中为左边＝右边时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系，虚线表示在式子(3)中为左边＝右边时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系。将满足式子(3)、式子(5)、以及有效截面积Aeff≧500μm2的范围用由这些粗线、细线、以及虚线包围的区域S表示。
此外，更优选有效截面积Aeff为600μm2以上。此时，与有效截面积Aeff为500μm2以上且小于600μm2时相比，能够抑制受激拉曼散射。图6至图8示出了包层的半径b(m)分别为2.0×10-4、3.0×10-4、4.0×10-4时的式子(3)、式子(5)、以及Aeff。在图6至图8中，粗线表示Aeff＝600μm2时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系，细线表示在式子(5)中为左边＝右边时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系，虚线表示在式子(3)中为左边＝右边时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系。将满足式子(3)、式子(5)、以及有效截面积Aeff≧600μm2的范围用由这些粗线、细线、以及虚线包围的区域S表示。
另外，更优选有效截面积Aeff为800μm2以上。此时，与有效截面积Aeff为600μm2以上且小于800μm2时相比，能够抑制受激拉曼散射。图9至图11示出了包层的半径b(m)分别为2.0×10-4、3.0×10-4、4.0×10-4时的式子(3)、式子(5)、以及Aeff。在图9至图11中，粗线表示Aeff＝800μm2时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系，细线表示在式子(5)中为左边＝右边时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系，虚线表示在式子(3)中为左边＝右边时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系。将满足式子(3)、式子(5)、以及有效截面积Aeff≧800μm2的范围用由这些粗线、细线、以及虚线包围的区域S表示。
根据本实施方式，以满足图3至图11所示的区域S范围的方式来弯曲光纤，从而能够截止LPC模式的光，并且在纤芯中传播LP01模式的光。
另外，V值可以满足下述式子(11)。
V≤1.650g×b-0.1992···(11)
式子(11)表示以使得包层的半径b相对于光纤的弯曲半径的比率为1％以下的弯曲半径R(m)弯曲光纤时截止波长为1070nm的LP02模式的光的V值范围。因此，通过满足式子(11)，除了能够截止LP03模式的光之外，还能够截止LP02模式的光。因此，通过满足式子(11)，能够进一步提高光束品质。
图12至图14示出了包层的半径b(m)分别为2.0×10-4、3.0×10-4、4.0×10-4时的式子(3)、式子(11)、以及Aeff。在图12至图14中，粗线表示Aeff＝500μm2时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系，细线表示在式子(11)中为左边＝右边时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系，虚线表示在式子(3)中为左边＝右边时的纤芯的半径a(m)与数值孔径NA的关系。将满足式子(3)、式子(11)、以及有效截面积Aeff≧500μm2的范围用由这些粗线、细线、以及虚线包围的区域T表示。
根据本实施方式的光纤激光装置1，通过以满足图12至图14所示的区域T范围的方式弯曲光纤，从而截止了LP03模式的光及LP02模式的光，并且在纤芯中传播LP01模式的光。
另外，优选纤芯的数值孔径NA为0.05以上。如果这样构成光纤，则与数值孔径NA比0.05小的情况相比，能够抑制外部干扰引起的模式耦合。
以上对本发明以上述实施方式为例进行了说明，但是本发明不限于此。
例如，也可以在光纤30的比第一FBG35靠近放大用光纤10侧的部分设置满足式子(5)及式子(11)中一方的折曲部。由此，能够进一步提高光束品质。
另外，光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40的纤芯的半径a可以不相同，光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40的包层的半径b可以不相同，光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40的数值孔径NA可以不相同，光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40的有效截面积Aeff也可以不相同。
另外，以满足式子(3)并满足式子(5)及式子(11)中一方且有效截面积Aeff为500μm2以上的方式构成的光纤例如可以仅是放大用光纤10，也可以仅是传输光纤40。
另外，放大用光纤10的结构不限于上述实施方式。可以在纤芯11中添加使折射率上升的锗(Ge)等元素，也可以在包层12中添加使折射率降低的氟(F)等元素。另外，向纤芯11添加的活性元素不限于镱，也可以是其它的稀土类元素。作为这样的稀土类元素，可举出铥(Tm)、铈(Ce)、钕(Nd)、铕(Eu)、铒(Er)等。此外，作为活性元素，除了稀土类元素之外，还可举出铋(Bi)等。
另外，光纤激光装置的结构不限于上述实施方式，例如也可以是MOPA型的光纤激光装置。
接着，举出实施例及比较例对上述实施方式更具体地进行说明，但是本发明不限于以下的内容。
(实施例1)
使用具有与上述实施方式同样结构的光纤激光装置1进行本例。该光纤激光装置1的光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40的纤芯的直径2a分别为31μm，包层的直径2b分别为400μm，数值孔径NA分别为0.071。光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40形成为满足式子(3)。另外，光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40的有效截面积Aeff分别为550μm2。另外，在放大用光纤10及传输光纤40的一部分形成了弯曲半径R为20mm的折曲部。放大用光纤10及传输光纤40形成为满足式子(5)。使用该光纤激光装置1使波长为1070nm的光振荡，测量了从输出端51射出的激光的M2的值，为1.3。这样，本例的M2的值比1.5小。
此外，在本例中，未在光纤30形成折曲部。因此认为，通过在光纤30的比第一FBG35靠近放大用光纤10侧的部分形成与放大用光纤10及传输光纤40同样的折曲部，可使M2的值更接近1。
(实施例2)
使用具有与上述实施方式同样结构的光纤激光装置1进行本例。该光纤激光装置1的光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40的纤芯的直径2a分别为36μm，包层的直径2b分别为400μm，数值孔径NA分别为0.077。光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40形成为满足式子(3)。另外，光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40的有效截面积Aeff分别为620μm2。另外，在放大用光纤10及传输光纤40的一部分形成了弯曲半径R为20mm的折曲部。放大用光纤10以及传输光纤40形成为满足式子(5)。使用该光纤激光装置1使波长为1070nm的光振荡，测量了从输出端51射出的激光的M2的值，为1.4。这样，本例的M2的值比1.5小。
此外，在本例中，未在光纤30形成折曲部。因此认为，通过在光纤30的比第一FBG35靠近放大用光纤10侧的部分形成与放大用光纤10及传输光纤40同样的折曲部，可使M2的值更接近1。
(比较例)
使用具有与上述实施方式同样结构的光纤激光装置1进行本例。该光纤激光装置1的光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40的纤芯的直径2a为55μm，包层的直径2b为700μm，数值孔径NA为0.082。本例中的光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40形成为不满足式子(3)。另外，对于本例中的光纤30、放大用光纤10、以及传输光纤40，未设置满足式子(5)及式子(11)中一方的折曲部。使用该光纤激光装置1使波长为1070nm的光振荡，测量了从输出端51射出的激光的M2的值，为1.9。这样，本例的M2的值比1.5大，也比实施例1、2的M2的值大。
如上所述，实证了：在不满足式子(3)且不满足式子(5)及式子(11)的比较例中，从光纤激光装置射出的波长为1070nm的光的M2的值比1.5大，与此相对，在满足式子(3)及式子(5)的实施例1及实施例2中，该光的M2的值比1.5小。
根据本发明，能够提供一种光纤以及具备该光纤的光纤激光装置，其能够抑制光束品质的恶化以及受激拉曼散射的发生，并且容许曲率较大的弯曲，例如可用于激光加工领域等。

Claims (6)

1.一种光纤，其具有纤芯及包层，其特征在于，
在所述纤芯中传播的波长为1070nm的基本模式的光的有效截面积Aeff为500μm2以上，
当所述纤芯的半径设定为a(m)、且所述包层的半径设定为b(m)时，所述纤芯的数值孔径NA满足下述式子：
NA≥(1.3×10-11×a4/b6)1/6，
所述光纤的波导参数即V值满足下述式子：
V≤1.3583×b-0.2555。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述有效截面积Aeff为600μm2以上。
3.根据权利要求2所述的光纤，其特征在于，
所述有效截面积Aeff为800μm2以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤，其特征在于，
所述V值满足下述式子：
V≤1.6509×b-0.1992。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤，其特征在于，
所述数值孔径NA为0.05以上。
6.一种光纤激光装置，其特征在于，
具备权利要求1至5中任一项所述的光纤。
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