JP2016012660A

JP2016012660A - Optical fiber device

Info

Publication number: JP2016012660A
Application number: JP2014133571A
Authority: JP
Inventors: 政二清水; Seiji Shimizu; 政直村上; Masanao Murakami; クリスチャンシェーファー; Sheaffer Cristian; 尚久林; Naohisa Hayashi; 茂樹時田; Shigeki Tokita
Original assignee: Osaka University NUC; Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Osaka University NUC; Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2016-01-21

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-output laser oscillator by increasing power of excitation light that can be introduced, while suppressing damage or the like in a fluoride fiber.SOLUTION: An optical fiber device includes a first fluoride fiber 3 and a quartz fiber 4. A tip of the quartz fiber 4 is obliquely connected to a side surface of the first fluoride fiber 3. The quartz fiber 4 has a first end to or from which light is incident or emitted, and includes a coating layer 8 on a tip surface 4b of a second end, the coating layer allowing light to transmit and restricting migration of moisture into the first fluoride fiber 3. The quartz fiber 4 is connected by fusing a side surface of the first fluoride fiber 3 to the coating layer 8.

Description

本発明は、光ファイバ装置、特に、フッ化物ガラスによって形成された光ファイバを有する光ファイバ装置に関する。 The present invention relates to an optical fiber device, and more particularly to an optical fiber device having an optical fiber formed of fluoride glass.

中赤外光のレーザ光を発振させるために、フッ化物系のガラスで形成されたアクティブファイバ（以下、「フッ化物ファイバ」と記す）を有するレーザ発振器が用いられている。この種のレーザ発振器では、レーザ発振させるために、励起光がファイバ端面から導入される。励起光がフッ化物ファイバに導入されると、励起光はレーザ媒質が添加されたコア部分で吸収され、これにより発光される。このとき、励起光がコアに吸収されることにより、コアが発熱する。 In order to oscillate mid-infrared laser light, a laser oscillator having an active fiber (hereinafter referred to as “fluoride fiber”) formed of fluoride glass is used. In this type of laser oscillator, excitation light is introduced from the end face of the fiber for laser oscillation. When the excitation light is introduced into the fluoride fiber, the excitation light is absorbed by the core portion to which the laser medium is added, and is emitted thereby. At this time, the core generates heat by the excitation light being absorbed by the core.

フッ化物ファイバは、石英製ファイバと比較して耐熱性に乏しいため、励起光が強い場合、発熱によって変形、あるいは損傷が生じ、レーザ発振ができなくなる。このため、ファイバ端面から励起光を導入する構成では、レーザ出力が制限される。 Fluoride fibers have poor heat resistance compared to quartz fibers, and therefore, when excitation light is strong, deformation or damage occurs due to heat generation, and laser oscillation cannot be performed. For this reason, in the configuration in which the excitation light is introduced from the fiber end face, the laser output is limited.

そこで、特許文献１に示されるような光結合器を利用することが考えられる。特許文献１の装置は、利得ファイバと、利得ファイバの側面に接続された励起光ファイバと、を有している。そして、励起光ファイバは、励起光源からの励起光を利得ファイバに導く。このように、利得ファイバの側面に励起光ファイバを接続した複数のユニットを接続してレーザ発振器を構成すれば、複数個所から励起光を導入することができる。このため、導入できる励起光のパワーを増加でき、利得ファイバの発熱が抑えつつ、レーザ出力を高くすることができる。 Therefore, it is conceivable to use an optical coupler as disclosed in Patent Document 1. The device of Patent Document 1 has a gain fiber and a pumping optical fiber connected to the side surface of the gain fiber. The pumping optical fiber guides pumping light from the pumping light source to the gain fiber. As described above, if a laser oscillator is configured by connecting a plurality of units each having a pumping optical fiber connected to the side surface of the gain fiber, pumping light can be introduced from a plurality of locations. For this reason, the power of the pumping light that can be introduced can be increased, and the laser output can be increased while suppressing the heat generation of the gain fiber.

特開２００９−１２９９４０号公報JP 2009-129940 A

以上のような構成は、特許文献１のように、石英製ファイバの側面に石英製の励起光ファイバを接続する場合は、特に問題は生じない。しかし、中赤外光のレーザ光を発振させる場合、石英製ファイバでは成立しない。 The configuration as described above causes no particular problem when a quartz excitation optical fiber is connected to the side surface of a quartz fiber as in Patent Document 1. However, when a laser beam of mid-infrared light is oscillated, it cannot be established with a quartz fiber.

ここで、中赤外光のレーザ光を発振可能なフッ化物ファイバは潮解性を有する。したがって、フッ化物ファイバに石英製ファイバ（励起光ファイバ）を接続すると、石英製ファイバの表面や内部の水分によってフッ化物ファイバが劣化し、透過性能が低下するという問題がある。 Here, a fluoride fiber capable of oscillating mid-infrared laser light has deliquescence. Therefore, when a quartz fiber (excitation optical fiber) is connected to the fluoride fiber, there is a problem that the fluoride fiber is deteriorated by moisture on the surface or inside of the quartz fiber and the transmission performance is lowered.

本発明の課題は、フッ化物ファイバの損傷等を抑えつつ、導入できる励起光のパワーを増加させ、高出力のレーザ発振器を得ることができる光ファイバ装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical fiber device that can increase the power of pumping light that can be introduced while suppressing damage to the fluoride fiber and obtain a high-power laser oscillator.

本発明の一側面に係る光ファイバ装置は、第１フッ化物ファイバと、石英ファイバと、を備えている。石英ファイバは、先端が第１フッ化物ファイバの側面に斜めに接続されている。石英ファイバは、第１端から光が入射または出射されるとともに、第２端の先端面に光が透過可能でかつ第１フッ化物ファイバへの水分の移行を規制するコーティング層を有している。石英ファイバは、コーティング層に第１フッ化物ファイバの側面が融着されることにより接続されている。 An optical fiber device according to one aspect of the present invention includes a first fluoride fiber and a quartz fiber. The tip of the quartz fiber is obliquely connected to the side surface of the first fluoride fiber. The quartz fiber has a coating layer that allows light to enter or exit from the first end, and allows light to pass through the distal end surface of the second end, and restricts the movement of moisture to the first fluoride fiber. . The quartz fiber is connected to the coating layer by fusing the side surface of the first fluoride fiber.

この装置を光結合器として使用した場合は、励起光源からの励起光は、石英ファイバを通して第１フッ化物ファイバに導入される。このような石英ファイバ及び第１フッ化物ファイバからなるユニットを複数接続することによって、複数個所から励起光を導入することができる。したがって、励起光が導入される端面の発熱を抑えつつ、高出力のレーザ光を得ることができる。
また、この装置を光分配器として使用することもでき、この場合は、第１フッ化物ファイバ内を導光される光は分配されて、石英ファイバの第１端から出射される。 When this apparatus is used as an optical coupler, excitation light from an excitation light source is introduced into the first fluoride fiber through a quartz fiber. By connecting a plurality of such units made of quartz fiber and first fluoride fiber, excitation light can be introduced from a plurality of locations. Therefore, it is possible to obtain high-power laser light while suppressing heat generation at the end face where the excitation light is introduced.
The device can also be used as an optical distributor, in which case the light guided in the first fluoride fiber is distributed and emitted from the first end of the quartz fiber.

また、石英ファイバの端面にはコーティング層が設けられており、このコーティング層によって、石英ファイバから第１フッ化物ファイバへの水分の移行が抑えられる。このため、第１フッ化物ファイバの潮解性による劣化を抑えることができる。 Moreover, the coating layer is provided in the end surface of the quartz fiber, and the migration of moisture from the quartz fiber to the first fluoride fiber is suppressed by this coating layer. For this reason, the deterioration by the deliquescence property of the first fluoride fiber can be suppressed.

本発明の別の側面に係る光ファイバ装置では、第１フッ化物ファイバはコアを有し、第１フッ化物ファイバの少なくとも一端に接続され、レーザ媒質が添加されたコアを有する第２フッ化物ファイバをさらに備えている。そして、石英ファイバにはレーザ媒質に対応する励起光が入射される。 In the optical fiber device according to another aspect of the present invention, the first fluoride fiber has a core, is connected to at least one end of the first fluoride fiber, and has a core to which a laser medium is added. Is further provided. Then, excitation light corresponding to the laser medium is incident on the quartz fiber.

ここでは、第１フッ化物ファイバの少なくとも一端に第２フッ化物ファイバを接続することにより、第２フッ化物ファイバ内に励起光と出力光とを導くことができる。 Here, by connecting the second fluoride fiber to at least one end of the first fluoride fiber, the excitation light and the output light can be guided into the second fluoride fiber.

本発明のさらに別の側面に係る光ファイバ装置では、第１フッ化物ファイバのコアにはレーザ媒質がドープされていない。 In the optical fiber device according to still another aspect of the present invention, the laser medium is not doped in the core of the first fluoride fiber.

ここでは、コアにレーザ媒質がドープされていないので、励起光の吸収による発熱を避けることができる。 Here, since the core is not doped with a laser medium, heat generation due to absorption of excitation light can be avoided.

本発明のさらに別の側面に係る光ファイバ装置では、コーティング層は、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３のいずれかにより形成されている。 In the optical fiber device according to still another aspect of the present invention, the coating layer is formed of any one of MgF2, TiO2, and Y2O3.

このようなコーティング層を石英ファイバの先端面に設け、かつ厚みを適切に設定することによって、融着界面での励起光の反射を抑制できる。このため、励起光を効率的にフッ化物ファイバ内に導くことができる。
本発明のさらに別の側面に係る光ファイバ装置では、第１フッ化物ファイバはＺＢＬＡＮガラスにより形成されている。 By providing such a coating layer on the tip surface of the quartz fiber and appropriately setting the thickness, reflection of excitation light at the fusion interface can be suppressed. For this reason, excitation light can be efficiently guided into the fluoride fiber.
In the optical fiber device according to still another aspect of the present invention, the first fluoride fiber is made of ZBLAN glass.

以上のような本発明を光結合器に利用した場合は、フッ化物ファイバの損傷等を抑えつつ、導入できる励起光のパワーを増加させ、高出力のレーザ発振器を得ることができる。 When the present invention as described above is used for an optical coupler, it is possible to obtain a high-power laser oscillator by increasing the power of pumping light that can be introduced while suppressing damage to the fluoride fiber.

本発明の一実施形態による光ファイバ装置の構成図。The block diagram of the optical fiber apparatus by one Embodiment of this invention. 図１の装置の石英ファイバを抽出して示す図。The figure which extracts and shows the quartz fiber of the apparatus of FIG. 図１の装置の石英ファイバを抽出して示す図。The figure which extracts and shows the quartz fiber of the apparatus of FIG. 石英ファイバを第１フッ化物ファイバに融着する際の説明図。Explanatory drawing at the time of fusing a quartz fiber to the 1st fluoride fiber. 図１の装置を接続して得られるレーザ発振器の構成図。The block diagram of the laser oscillator obtained by connecting the apparatus of FIG.

図１は本発明の一実施形態による光ファイバ装置を示している。この光ファイバ装置１は、レーザ発振器を構成する１つのユニットであり、励起光源２と、光結合器としての第１フッ化物ファイバ３と、石英ファイバ４と、アクティブファイバとしての第２フッ化物ファイバ５及び第３フッ化物ファイバ６と、を有している。この光ファイバ装置１に、反射鏡及び出力鏡等を追加することによって、ファイバレーザ発振器を構成することができる。 FIG. 1 shows an optical fiber device according to an embodiment of the present invention. The optical fiber device 1 is a unit constituting a laser oscillator, and includes a pumping light source 2, a first fluoride fiber 3 as an optical coupler, a quartz fiber 4, and a second fluoride fiber as an active fiber. 5 and a third fluoride fiber 6. A fiber laser oscillator can be configured by adding a reflecting mirror and an output mirror to the optical fiber device 1.

励起光源２は、中赤外光の励起光を発振するものであり、例えば半導体レーザなどによって構成することができる。励起光源２にて発振された励起光は、石英ファイバ４を介して出力される。 The excitation light source 2 oscillates mid-infrared excitation light, and can be constituted by, for example, a semiconductor laser. Excitation light oscillated by the excitation light source 2 is output through the quartz fiber 4.

第１フッ化物ファイバ３は、コア３１と、コア３１を覆うように形成されたクラッド３２と、を有している。 The first fluoride fiber 3 has a core 31 and a clad 32 formed so as to cover the core 31.

コア３１は、レーザ媒質がドープされていないフッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮ（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF）ガラスによって形成されている。コア３１にレーザ媒質がドープされていないことにより、このコア３１においてレーザ光は生成されないが、励起光吸収による発熱を避けることができる。クラッド３２は、フッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮガラスによって形成されている。なお、クラッド３２は、コア３１よりも屈折率が低く、また、レーザ媒質がドープされていない。 The core 31 is made of fluoride glass that is not doped with a laser medium, and is preferably made of ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF) glass. Since the core 31 is not doped with a laser medium, no laser light is generated in the core 31, but heat generation due to absorption of excitation light can be avoided. The clad 32 is made of fluoride glass, and is preferably made of ZBLAN glass. The clad 32 has a refractive index lower than that of the core 31 and is not doped with a laser medium.

石英ファイバ４は石英ガラスによって形成されている。石英ファイバ４の一端は励起光源２に接続されており、他端は第１フッ化物ファイバ３の側面に融着されている。この融着部分について以下に詳細に説明する。 The quartz fiber 4 is made of quartz glass. One end of the quartz fiber 4 is connected to the excitation light source 2, and the other end is fused to the side surface of the first fluoride fiber 3. This fused portion will be described in detail below.

石英ファイバ４の先端（第１フッ化物ファイバ３に接続する側の端部）は、図２に示すように、所定の角度を有するように斜めに研磨されている。図２において、斜線部分４ａが研磨によって除去される部分である。そして、この研磨された端面４ｂに、コーティング層８（図３に模式的に示している）が形成されている、コーティング層８としては、中赤外光の励起光を透過し、かつ石英ファイバ４の表面や内部の水分が第１フッ化物ファイバ３側に移行するのを抑える材質のものであればよい。例えば、コーティング層８として、ＭｇＦ２や、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３等の材料を用いることができる。 As shown in FIG. 2, the tip of the quartz fiber 4 (the end connected to the first fluoride fiber 3) is polished obliquely so as to have a predetermined angle. In FIG. 2, the shaded portion 4a is a portion removed by polishing. A coating layer 8 (schematically shown in FIG. 3) is formed on the polished end face 4b. The coating layer 8 transmits the excitation light of mid-infrared light and is a quartz fiber. 4 may be made of a material that suppresses the moisture on the surface or inside 4 from moving to the first fluoride fiber 3 side. For example, a material such as MgF2, TiO2, or Y2O3 can be used for the coating layer 8.

以上のようにして得られた石英ファイバ４を加熱した状態で、石英ファイバ４の先端（コーティング層８）を第１フッ化物ファイバ３の側面に斜めに押し当てる。これにより、コーティング層８に第１フッ化物ファイバ３の側面が融着される。なお、第１フッ化物ファイバ３であるＺＢＬＡＮファイバは融点が低いため、石英ファイバ４を構成する石英ガラスが軟化しない程度の温度で融着が可能である。また、コーティング層８に融着するに際しては、大気中の水分によるＺＢＬＡＮファイバの劣化を抑制するために、窒素雰囲気中や真空中で融着するようにしてもよい。 While the quartz fiber 4 obtained as described above is heated, the tip (coating layer 8) of the quartz fiber 4 is obliquely pressed against the side surface of the first fluoride fiber 3. Thereby, the side surface of the first fluoride fiber 3 is fused to the coating layer 8. Since the ZBLAN fiber that is the first fluoride fiber 3 has a low melting point, it can be fused at a temperature that does not soften the quartz glass constituting the quartz fiber 4. Further, when fusing to the coating layer 8, the fusing may be performed in a nitrogen atmosphere or in vacuum in order to suppress deterioration of the ZBLAN fiber due to moisture in the air.

第２フッ化物ファイバ５は第１フッ化物ファイバ３の一方の端面に融着されて接続されている。第２フッ化物ファイバ５は、それぞれコア５１と、コア５１を覆うように形成されたクラッド５２と、を有している。 The second fluoride fiber 5 is fused and connected to one end face of the first fluoride fiber 3. Each second fluoride fiber 5 has a core 51 and a clad 52 formed so as to cover the core 51.

コア５１は、希土類元素がレーザ媒質としてドープされたフッ化物ガラスから形成されており、好ましくはエルビウムがドープされたＺＢＬＡＮ（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF）ガラスによって形成されている。クラッド５２は、フッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮガラスによって形成されている。なお、クラッド５２は、コア５１よりも屈折率が低く、また、レーザ媒質がドープされていない。 The core 51 is made of fluoride glass doped with a rare earth element as a laser medium, and is preferably made of ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF) glass doped with erbium. The clad 52 is made of fluoride glass, and is preferably made of ZBLAN glass. The clad 52 has a refractive index lower than that of the core 51 and is not doped with a laser medium.

第３フッ化物ファイバ６は第１フッ化物ファイバ３の他方の端面に融着されて接続されている。第３フッ化物ファイバ６の構成は、第２フッ化物ファイバ５とまったく同様である。すなわち、第３フッ化物ファイバ６はコア６１とクラッド６２とを有し、コア６１は、好ましくはエルビウムがドープされたＺＢＬＡＮガラスによって形成され、クラッド６２は、好ましくはレーザ媒質がドープされていないＺＢＬＡＮガラスによって形成されている。 The third fluoride fiber 6 is fused and connected to the other end face of the first fluoride fiber 3. The configuration of the third fluoride fiber 6 is exactly the same as that of the second fluoride fiber 5. That is, the third fluoride fiber 6 has a core 61 and a clad 62, the core 61 is preferably made of ZBLAN glass doped with erbium, and the clad 62 is preferably ZBLAN not doped with a laser medium. It is made of glass.

以上のようにして得られた光ファイバ装置１を、図５に示すように、複数個直列に接続し、一端側に反射鏡１０を、他端側に出力鏡１１を配置することによって、レーザ発振器を構成することができる。ここでは、励起光を、ファイバの端面以外の複数個所から導入することができるため、ＺＢＬＡＮファイバが熱損傷しない範囲で、出力の高いレーザ発振器を得ることができる。 As shown in FIG. 5, a plurality of the optical fiber devices 1 obtained as described above are connected in series, and a reflecting mirror 10 is arranged on one end side and an output mirror 11 is arranged on the other end side, thereby making a laser An oscillator can be configured. Here, since the excitation light can be introduced from a plurality of locations other than the end face of the fiber, a high-power laser oscillator can be obtained within a range in which the ZBLAN fiber is not thermally damaged.

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。 [Other Embodiments]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes or modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

（ａ）前記実施形態では、第１フッ化物ファイバとして、レーザ媒質がドープされていないＺＢＬＡＮファイバを用いたが、レーザ媒質がドープされたＺＢＬＡＮファイバを用いてもよい。この場合は、アクティブファイバを設けることなくレーザ発振器を構成することができる。 (A) In the above embodiment, a ZBLAN fiber not doped with a laser medium is used as the first fluoride fiber, but a ZBLAN fiber doped with a laser medium may be used. In this case, a laser oscillator can be configured without providing an active fiber.

（ｂ）石英ファイバ先端のコーティング層に第１フッ化物ファイバを融着する際に、第１フッ化物ファイバの側面の一部を研磨し、コーティング層に融着し易い形状にしてもよい。
（ｃ）前記実施形態では、本発明をレーザ発振器として利用したが、他の装置にも適用することができる。 (B) When the first fluoride fiber is fused to the coating layer at the tip of the quartz fiber, a part of the side surface of the first fluoride fiber may be polished so as to be easily fused to the coating layer.
(C) In the above embodiment, the present invention is used as a laser oscillator. However, the present invention can also be applied to other apparatuses.

（ｄ）前記実施形態では、各フッ化物ファイバをシングルクラッドファイバとしたが、これらをダブルクラッドファイバとしてもよい。
（ｅ）前記実施形態では、石英ファイバに入射された光をコアを有するフッ化物ファイバに導光する光結合器について説明したが、コアのないフッ化物ファイバを用いてもよい。また、フッ化物ファイバ内で導光される光を石英ファイバに分配して出射する光分配器として使用することができる。 (D) In the embodiment, each fluoride fiber is a single clad fiber, but these may be double clad fibers.
(E) Although the optical coupler which guides the light incident on the quartz fiber to the fluoride fiber having the core has been described in the embodiment, a fluoride fiber without a core may be used. Further, it can be used as an optical distributor that distributes the light guided in the fluoride fiber to the quartz fiber and emits it.

１光ファイバ装置
２励起光源
３第１フッ化物ファイバ
４石英ファイバ
５第２フッ化物ファイバ
６第３フッ化物ファイバ
８コーティング層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber apparatus 2 Excitation light source 3 1st fluoride fiber 4 Quartz fiber 5 2nd fluoride fiber 6 3rd fluoride fiber 8 Coating layer

Claims

光を導光する第１フッ化物ファイバと、
先端が前記第１フッ化物ファイバの側面に斜めに接続された石英ファイバと、
を備え、
前記石英ファイバは、第１端から光が入射または出射されるとともに、第２端の先端面に光が透過可能でかつ前記第１フッ化物ファイバへの水分の移行を規制するコーティング層を有し、
前記石英ファイバは、前記コーティング層に前記第１フッ化物ファイバの側面が融着されることにより接続されている、
光ファイバ装置。 A first fluoride fiber that guides light;
A quartz fiber having a tip obliquely connected to a side surface of the first fluoride fiber;
With
The quartz fiber has a coating layer that allows light to enter or exit from the first end, allows light to pass through the tip end surface of the second end, and restricts the movement of moisture to the first fluoride fiber. ,
The quartz fiber is connected to the coating layer by fusing a side surface of the first fluoride fiber.
Optical fiber device.

前記第１フッ化物ファイバはコアを有し、
前記第１フッ化物ファイバの少なくとも一端に接続され、レーザ媒質が添加されたコアを有する第２フッ化物ファイバをさらに備え、
前記石英ファイバには前記レーザ媒質に対応する励起光が入射される、請求項１に記載の光ファイバ装置。 The first fluoride fiber has a core;
A second fluoride fiber having a core connected to at least one end of the first fluoride fiber and doped with a laser medium;
The optical fiber device according to claim 1, wherein excitation light corresponding to the laser medium is incident on the quartz fiber.

前記第１フッ化物ファイバのコアにはレーザ媒質がドープされていない、請求項２に記載の光ファイバ装置。 The optical fiber device according to claim 2, wherein the core of the first fluoride fiber is not doped with a laser medium.

前記コーティング層は、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３のいずれかにより形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ装置。 The optical fiber device according to any one of claims 1 to 3, wherein the coating layer is formed of any one of MgF2, TiO2, and Y2O3.

前記第１フッ化物ファイバは、ＺＢＬＡＮガラスにより形成されている、請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバ装置。 The optical fiber device according to any one of claims 1 to 4, wherein the first fluoride fiber is formed of ZBLAN glass.