WO2003067723A1 - Multimode optical fiber, fiber laser amplifier, and fiber laser oscillator - Google Patents
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- H01S3/0804—Transverse or lateral modes
Definitions
- the present invention relates to a multimode optical fiber having a structure for realizing high peak power output.
- the present invention also relates to a fiber laser amplifier and a finolaser oscillator to which the multi-mode optical fiber is applied.
- SM single mode
- MM multimode
- the normalized frequency V of the optical fiber is expressed by the following equation (1).
- V (27T a / ⁇ ) ⁇ (n! 2 -n 2 2 ) (1)
- a is the core radius of the optical fiber
- human is the wavelength of the laser beam propagating through the optical fiber
- ni is The refractive index of the core of the optical fiber
- n 2 is the refractive index of the cladding around the core.
- the condition that the optical fiber is an SM optical fiber is represented by V ⁇ 2.405, and the laser beam propagates only in a single mode through the optical fiber satisfying this condition.
- an optical fiber that satisfies the condition of V> 2.405 is an MM optical fiber, and has multiple propagation modes.
- Propagation mode of MM optical fiber Is approximately expressed by the following equation (2).
- N V 2/2 (2 )
- SM optical fibers active ions such as rare earth elements are doped into the core (dope [UK]), and are often applied to fiber laser oscillators and fiber laser amplifiers (hereinafter referred to as fiber lasers).
- fiber lasers since the beam mode of the laser output light is limited to only the fundamental mode of the SM optical fiber, it is possible to realize laser light having almost diffraction-limited beam quality.
- the core diameter of a SM optical fiber at a wavelength of 1.5 ⁇ m has been increased to about 15 ⁇ m
- the core It is necessary to further reduce the difference between the refractive index ni and the cladding refractive index n 2, which makes manufacturing difficult and causes large bending loss.
- SM optical fiber It has been difficult to obtain high peak power with a fiber laser using a fiber.
- Another idea is to apply an MM optical fiber with an active ion, such as a rare earth element, to the core in order to reduce the power density by increasing the core radius a of the optical fiber.
- an active ion such as a rare earth element
- an MM optical fiber is used for a fiber laser amplifier, even if a diffraction-limited laser beam is incident as incident light, a slight refractive index distribution existing in the optical fiber or refraction generated by stress such as bending. Energy is converted from the fundamental mode to higher-order modes due to the rate distribution, scattering in the optical fiber, etc., and higher-order modes are generated and amplified, so the output from the fiber laser amplifier is It is difficult to achieve laser output light that is almost diffraction-limited.
- the spontaneous emission light is coupled to a number of propagation modes and amplified to generate ASE (Amplified Spontaneous Emulation).
- ASE Ampton-Specific Spontaneous Emulation
- a large noise component is added to the ASE, and the ASE is amplified and the energy stored in the core is consumed, resulting in reduced amplification efficiency.
- MM optical fibers have different propagation speeds depending on the propagation mode. Because of the degree (group velocity), large dispersion occurs.
- FIGS. 1A to 1C are diagrams showing the structure of a conventional MM optical fiber.
- FIG. 1A is a front structural view of the MM optical fiber
- FIG. 1B is a refractive index profile of the MM optical fiber, a dopant profile
- FIG. 1C is a side structural view of the MM optical fiber.
- the front means the cut surface of the MM optical fiber by a plane perpendicular to the optical axis of the MM optical fiber
- the side surface means the cut surface of the MM optical fiber by the plane including the optical axis of the MM optical fiber.
- 100 is a conventional MM optical fiber
- 101 is an MM core
- 102 is a clad
- An MM optical fiber 100 is composed of the MM core 101 and the clad 102.
- 101A is a core central region doped with a rare earth
- 101B is a core peripheral region not doped with a rare earth.
- the MM core 101 is composed of a core central region 101A and a core peripheral region 101B around the core central region 101A, and the refractive index of the core central region 101A and The refractive index is adjusted to match the refractive index of the core peripheral region 101B.
- the gain for the propagation mode having a strong intensity distribution in the core central region 101A is larger than the gain for the propagation mode of the Maya.
- the intensity distribution of the fundamental mode laser light is approximately represented by a Gaussian distribution, and the intensity distribution near the center of the core is strong. Therefore, MM optical fiber At 100, the gain in the fundamental mode is larger than in the higher-order mode in which the intensity near the center of the core is small.
- the fundamental mode laser light is input as signal light to the fiber laser amplifier using the MM optical fiber 10 °
- the laser light amplified in the higher-order propagation mode decreases, and the laser light is amplified in the fundamental mode.
- the laser light to be emitted increases.
- FIG. 1 An example of a calculation result of a gain generated in the propagation mode in the MM optical fiber 100 is shown in FIG.
- Calculation results of the gain is the fundamental mode LP 0 1, basic mode LP.
- FIG. 2 is a diagram showing a gain generated in a propagation mode of the MM optical fiber 100 in FIG.
- the horizontal axis in FIG. 2 is the radius of the core central region 101 A, which is normalized by the radius of the MM core 101.
- the vertical axis in Fig. 2 indicates each mode LP Q1 , LP. 2.
- the gain that occurs in LPii which is standardized by the gain that occurs in each mode when the entire region where the intensity distribution of the propagation mode exists has gain.
- each mode LP 0! Regardless of the radius of the core central area 101A. , LP. 2 , it can be seen that a gain is generated in both LP ⁇ and ⁇ . Especially higher mode LP. In 2 , the radius of the core central area 101 A is small, and the fundamental mode is LP. A larger gain has occurred.
- the MM optical fiber 100 in FIG. 1 when a laser beam having a high-order mode and low beam quality enters the MM optical fiber 100 in FIG. 1 as signal light, even the high-order mode is widened. Further, in the MM optical fiber 100, the ASE is similarly amplified, so that a large noise component is added to the signal light, and the energy stored in the core due to the amplification of the ASE is consumed. Therefore, the amplification efficiency is reduced.
- the conventional multimode optical fiber is configured as described above, it is not possible to selectively amplify only the fundamental mode, and it is necessary to suppress the higher-order mode and the ASE coupled to the higher-order mode. There is a problem that can not be done.
- the output of a conventional fiber-mode oscillator using a single-mode optical fiber is limited by damage such as damage to the end face of the optical fiber and stimulated Prillian scattering.
- damage such as damage to the end face of the optical fiber and stimulated Prillian scattering.
- high peak power output cannot be realized in the case where the power is output in a state like a circle.
- a conventional fiber amplifier using a multimode optical fiber has a gain even for higher-order modes, so even if a diffraction-limited laser beam is input as signal light, the slight Due to the refractive index distribution, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and the scattering in the optical fiber, energy is converted from the fundamental mode to a higher-order mode, and a higher-order mode is generated and amplified.
- high-order modes could not be suppressed, and a diffraction-limited output could not be realized.
- a conventional fiber-mode oscillator using a multi-mode optical fiber has high-order mode laser oscillation because it has gain even in higher-order modes, and it is possible to obtain almost diffraction-limited laser output light. There was a problem that we could not do it.
- the present invention has been made to solve the above-described problem, and selectively amplifies only the fundamental mode to suppress a higher-order mode and an ASE coupled to a higher-order mode.
- the purpose is to provide a possible multimode optical fiber.
- Another object of the present invention is to provide a fiber amplifier and a fiber laser oscillator capable of realizing a high peak power output. Disclosure of the invention
- the gain medium that absorbs the pump light and generates a gain is doped into the core central region of the multimode core.
- at least one of the core peripheral region of the multimode core in contact with the cladding and the cladding central region of the cladding in contact with the multimode core is doped with an absorbing medium that absorbs signal light.
- the refractive index distribution generated by stress such as bending, and the scattering in the optical fiber As a result, due to the slight refractive index distribution existing in the multimode optical fiber, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and the scattering in the optical fiber, the higher order Even if energy is converted to a mode and a higher-order mode is generated, it is hardly amplified in the multi-mode optical fiber, so that the higher-order mode can be almost completely suppressed, and the high peak power output, which is almost diffraction limited. The effect that it can be realized is obtained.
- This also suppresses spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes, and reduces noise components due to the ASE and consumption of energy stored in the core due to the ASE. Is obtained.
- this makes it possible to suppress the amplification of higher-order modes even when the energy is converted from the fundamental mode to higher-order modes, and particularly to a manufacturing method that reduces the dispersion in the optical fiber. There is no need to use it, and the advantage is that multimode optical fibers can be manufactured by almost ordinary manufacturing methods.o
- the multimode optical fiber according to the present invention has a smaller refractive index than the multimode core, and has a smaller refractive index than the first cladding provided around the multimode core and the first cladding. And a second cladding provided around the first cladding.
- the front outer shape of the first cladding when cut along a plane orthogonal to the optical axis is formed as a polygon.
- the front outer shape of the first cladding when cut along a plane orthogonal to the optical axis is formed into a shape having irregularities with respect to a circle.
- the multimode optical fiber according to the present invention is configured such that erbium is doped as a gain medium and cobalt is doped as an absorption medium.
- the multimode optical fiber according to the present invention is such that a neodymium is doped as a gain medium, and a placebo or a summary is doped as an absorbing medium.
- the fiber amplifier according to the present invention outputs a multimode optical fiber that gives a gain to the basic mode of the signal light and gives a loss to the higher-order mode of the signal light, and outputs a signal light that is almost diffraction-limited.
- Single mode laser An oscillator and a first light which is provided at one end of the multi-mode optical fiber and which is incident on one end of the multi-mode optical fiber so that the signal light output from the single-mode laser oscillator substantially matches the basic mode of the multi-mode optical fiber.
- a second optical system that transmits the signal light emitted from the end.
- the single-mode laser oscillator outputs substantially diffraction-limited signal light in the form of a pulse, and increases the pulse width of the pulse-like signal light output from the single-mode laser oscillator.
- the magnifier is provided in the first optical system, and the second optical system is provided with a pulse width compressor for compressing the pulse width of the signal light emitted from the other end of the multimode optical fiber.
- the multi-mode optical fiber has a multi-mode optical fiber, wherein a gain medium that absorbs pump light and generates a gain is dropped in a core central region of the multi-mode core, and a multi-mode At least one of the core peripheral region of the core and the cladding central region of the cladding that is in contact with the multimode core is provided with an absorbing medium that absorbs signal light.
- This also reduces spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes, and reduces noise components due to ASE and consumption of energy stored in the core due to ASE. The effect is obtained.
- this makes it possible to suppress the amplification of higher-order modes even when the energy is converted from the basic mode to higher-order modes, and in particular to manufacture such that dispersion in the optical fiber is reduced.
- the method does not need to be used, and the effect is that multimode optical fiber can be manufactured by almost a normal manufacturing method.
- this results in the conversion of energy from the basic mode to the higher-order mode.
- the effect of suppressing the amplification of higher-order modes and reducing the thickness of the cladding can be obtained.
- a fiber laser oscillator provides a gain for a fundamental mode of signal light and a loss for a higher-order mode of signal light, and a multimode optical fiber provided at one end of the multimode optical fiber.
- a total reflection mirror that reflects the oscillating light emitted from one end of the multimode optical fiber and enters one end of the multimode optical fiber, and is provided at the other end of the multimode optical fiber and emits from the other end of the multimode optical fiber
- a partial reflection mirror that partially reflects the generated oscillation light, an excitation light source that outputs the excitation light, and an excitation light output from the excitation light source through one end of a multi-mode optical fiber or another end via a total reflection mirror or a partial reflection mirror.
- a second optical system that enters the end.
- a fiber laser oscillator emits a laser at any position between a total reflection mirror and a multi-mode optical fiber, between a partial reflection mirror and a multi-mode optical fiber, or in a multi-mode optical fiber.
- a pulse generating means for generating a pulse as a vibration may be provided.
- a gain medium that absorbs pump light to generate a gain is dropped in a core central region of the multimode core, and the multimode core is in contact with the clad.
- At least one of the core peripheral region and the cladding central region that is in contact with the multi-mode core has an absorbing medium that absorbs signal light.
- the mode changes from a fundamental mode to a higher-order mode due to the slight refractive index distribution existing in the multimode optical fiber, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and scattering in the optical fiber.
- higher-order modes are generated by conversion of energy, they are hardly amplified in the multi-mode optical fiber, so that higher-order modes can be almost completely suppressed and high peak-power output almost at the diffraction limit can be realized. The effect is obtained.
- the width of the higher-order mode can be suppressed, and in particular, a manufacturing method that reduces the dispersion in the optical fiber is used.
- a manufacturing method that reduces the dispersion in the optical fiber is used.
- the advantage is that multimode optical fibers can be manufactured using almost normal manufacturing methods.
- the amplification of the higher-order mode can be suppressed and the thickness of the clad can be reduced.
- FIG. 1A to FIG. 1C are diagrams showing the structure of a conventional multimode optical fiber.
- FIG. 2 is a diagram showing gains generated in the propagation mode of the multimode optical fiber of FIG.
- FIGS. 3A to 3C are diagrams showing the structure of a multi-mode optical fiber according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a fiber amplifier according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 5 is a diagram showing an intensity distribution of a propagation mode in a cross section perpendicular to the optical axis of the multimode optical fiber of FIG.
- FIG. 6 is a diagram showing gains that occur in the propagation mode of the multimode optical fiber of FIG.
- FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a fiber laser amplifier according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a fiber laser oscillator according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIGS. 9A to 9C are diagrams showing the structure of a multimode optical fiber according to Embodiment 4 of the present invention. .
- FIGS. 10A to 10C are diagrams showing a structure of a multimode optical fiber according to Embodiment 5 of the present invention.
- Embodiment 1-FIGS. 3A to 3C are diagrams showing the structure of an MM optical fiber according to Embodiment 1 of the present invention.
- Fig. 3A is a front view of the MM optical fiber
- Fig. 3B is a refractive index profile of the MM optical fiber 'gain profile' loss profile
- Fig. 3C is a side view of the MM optical fiber.
- the front means the cut surface of the MM optical fiber by a plane orthogonal to the optical axis of the MM optical fiber
- the side surface means the cut surface of the MM optical fiber by the plane including the optical axis of the MM optical fiber.
- 10 is the MM optical fiber of the first embodiment, 11 is the MM core, and 12 is the clad.
- the MM optical fiber 10 is composed of the MM core 11 and the clad 12.
- 11A is a core central region
- 11B is a core intermediate region
- 11C is a core peripheral region.
- the MM core 11 includes a core central region 11 A, a core intermediate region 11 B around the core central region 11 A, and a core peripheral region 11 C around the core intermediate region 11 B. ing.
- the core central region 11 A is doped with a gain medium such as a rare earth.
- the gain medium generates a gain for the signal light propagating through the MM core 11 by absorbing the pump light.
- an absorbing medium such as a rare earth is doped in the core peripheral region 11C.
- the absorbing medium hardly absorbs the excitation light, but absorbs the component of the signal light propagating through the MM core 11 that has spread to the core peripheral region 11C.
- the core intermediate region 11 B has a gain medium and an absorption medium. Quality is not dominated.
- the refractive index of the core central region 11 A, the refractive index of the core intermediate region 11 B, and the refractive index of the core peripheral region 11 C are adjusted to be substantially the same.
- the operation of the MM optical fiber 10 will be described by taking as an example a case where a fiber amplifier is configured using the MM optical fiber 10.
- FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the fiber laser amplifier according to the first embodiment of the present invention, and shows a configuration example of the fiber laser amplifier using the MM optical fiber 10 of FIG. 3A to 3C denote the same or corresponding components.
- reference numeral 21 denotes an SM laser oscillator
- 22 denotes an almost diffraction-limited SM signal light output from the SM laser oscillator
- 23 denotes an excitation light source
- 24 denotes an output from the excitation light source 23.
- Excitation light, 25 is a dichroic mirror
- L1 to L4 are lenses. The dichroic mirror 25 reflects the wavelength of the excitation light 24 and transmits the wavelength of the signal light 22.
- the excitation light 24 output from the excitation light source 23 is converted into parallel light by the lens (second optical system) L4, and then reflected by the dichroic mirror (second optical system) 25. (Second optical system)
- the light is condensed by L 3 and enters the MM optical fino 10.
- the pump light 24 incident on the MM optical fiber 10 is absorbed by the gain medium doped in the core central region 11 A of the MM optical fiber 10 , and is absorbed by the MM core 11 of the MM optical fiber 1-10 . A gain is generated near the center.
- the signal light 22 output from the SM laser oscillator 21 is converted into parallel light by the lens (first optical system) L 1, and then substantially matched to the fundamental mode of the MM optical fiber 10.
- the light is condensed by L 2 and enters the MM optical fin 10.
- the signal light 22 incident on the MM optical fiber '10 was generated in the core central region 11A of the MM1 ⁇ 2 fiber 10 While being amplified by the gain of the gain medium, the component expanded in the core peripheral region 11 C is absorbed by the absorbing medium doped in the core peripheral region 11 C of the MM optical fiber 10.
- the gain generated in the MM optical fiber 10 depends on the propagation mode of the MM optical fiber 10, and the gain is larger than the loss for the basic mode and higher for higher modes. Therefore, the loss is larger than the gain. Since the signal light 22 enters the MM optical fiber 10 so that it substantially matches the fundamental mode of the MM optical fiber 10, the MM optical fiber 10 can selectively amplify only the fundamental mode. Occurrence of almost no higher-order modes o
- a higher-order mode is generated in the signal light 22 due to the deterioration of the beam quality of the SM laser oscillator 21 itself and aberrations generated in an optical system such as a lens.
- the energy is converted from the fundamental mode to a higher-order mode, resulting in higher-order modes. Even when a mode occurs, the higher-order mode is hardly amplified or is reduced by absorption, so that the higher-order mode is hardly output from the MM optical fiber 10.
- the components coupled to the higher-order modes are also not amplified or reduced by absorption, so that the noise component with respect to the signal light 22 can be suppressed. Energy stored in the core The consumption of lugi by ASE can also be suppressed.
- the signal light 22 amplified by the MM optical fiber 10 is output from the opposite side of the MM optical fiber 10 as a laser output light having substantially only the fundamental mode component, and is converted into a parallel light by the lens L3. Then, the light passes through the dichroic mirror 25 and is output.
- FIG. 5 is a diagram showing an intensity distribution of a propagation mode in a cross section perpendicular to the optical axis of the MM optical fiber 10 in FIG.
- the normalized frequency V is assumed to be 10
- the fundamental mode LP 01 in the MM optical fiber 10 and the higher-order mode having an intensity distribution relatively close to the intensity distribution shape of the fundamental mode LP Q i LP. 2 and the lowest order low order mode LP among the higher order modes! !
- Figure 5 shows the respective intensity distributions.
- the horizontal axis in FIG. 5 is the distance r from the center of the MM optical fiber 10 (normalized by the radius of the MM core 11), and the vertical axis in FIG. 5 is the intensity. Strictly speaking, although the LP mode is an approximation that holds when the difference between the refractive index n 2 of the refractive index n and the clad 1 2 MM core 1 1 is small, a problem in the operation of the MM optical fiber 1 0 differences Can be considered not to occur.
- the fundamental mode L ⁇ in the vicinity of the core outer circumference (r to l), the fundamental mode L ⁇ . Mode L ⁇ ⁇ compared to i. 2 has a large intensity.
- Mode LP ii has a larger intensity distribution than that of.
- Each mode LP. 2 more than LPH This tendency is greater for higher-order modes.
- Basic mode LP by giving a gain near the center (r to 0) of the MM optical fiber 10 and giving a loss near the outer periphery of the core (r to l) and setting the gain / loss ratio appropriately, Basic mode LP.
- the gain can be set to be larger than the loss, and for other higher-order modes, the loss can be set to be larger than the gain. Only i can be selectively amplified.
- V As the normalized frequency V increases, the difference between the intensity distribution of the fundamental mode near the outer periphery and the intensity distribution of the higher-order mode becomes smaller, but the tendency is the same, and the gain / loss ratio becomes the same.
- the fundamental mode LP is an example of the gain and loss that occur in the propagation mode of the MM optical fiber 10.
- the results of calculating the gain for the low-order mode LP i ⁇ are shown in Fig. 6 below.
- Fig. 6 shows calculation results of the gain be combined for the fundamental mode LP 0 1 of the case without the core peripheral region 1 1 C in the same conditions.
- FIG. 6 is a diagram showing a gain generated in a propagation mode of the MM optical fiber 10 of FIG.
- the horizontal axis in FIG. 6 is the normalized radius of the core central region 11 A, which is normalized by the radius of the MM core 11.
- the vertical axis in Fig. 6 is the gain that occurs in each mode, and the entire area where the intensity distribution of the propagation mode exists has gain and the core peripheral area 11C does not exist. It is normalized by the generated gain. A negative value of the gain indicates that a loss has occurred.
- the inner diameter of the core peripheral area 11 C is set to 0.9 times the radius of the MM core 11, and the optimal value is selected as the gain / loss ratio.
- the basic mode LP can be obtained by setting the normalized radius of the core central region 11 A to 0.47 or less. Only i now has a gain, the basic mode L P. Only i can be selectively amplified.
- Examples of the gain medium used in a general fiber laser oscillator ⁇ a fiber laser amplifier include the following (a) to (c).
- Oscillation wavelength 1.5 3 ⁇ m ⁇ l. 6 ⁇ m
- Oscillation wavelength 1.06 ⁇ m, 1.3
- Oscillation wavelength about 1.02 / m to l.lm
- the material of the absorbing medium doped in the core peripheral region 11 C hardly absorbs the pumping light 24 for pumping the gain medium doped in the core central region 11 A, and the signal light 22 2
- Any material may be used as long as the material has absorptivity.
- cobalt (C o) which has an absorption band near 1.5 / m and no absorption band near 0.98 m, is used as the absorption medium.
- C o cobalt
- neodymium of (b) When the neodymium of (b) is used as a gain medium, a placebo (Pr) or samarium (Pr) that has an absorption band near 1.06 / m and has no absorption band near 0.8 zm Sm) can be used as the absorption medium.
- the iterium beam of (c) is used as a gain medium, it is difficult to select a material because the absorption wavelength and the oscillation wavelength are close to each other, but it has an absorption band around 1.02 to 1.1 zm. The same effect can be obtained by using an absorbent material having no absorption band around 98 / m.
- the MM optical fiber 10 As described above, in the MM optical fiber 10, almost no gain is generated for the higher-order mode, and the MM optical fiber 10 has a large gain only for the fundamental mode. Due to the small refractive index distribution that is generated, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and the scattering in the optical fiber, the energy is converted from the basic mode to a higher-order mode. Since it is hardly amplified in the optical fiber 10, high-order modes are almost completely suppressed, and it is possible to obtain an almost diffraction-limited high peak power output.
- spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes is similarly suppressed, so that noise components due to ASE and consumption of energy stored in the core by ASE can be suppressed. Become.
- the MM optical fiber 10 can be manufactured by the manufacturing method described above. Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher-order mode occurs, amplification of the higher-order mode is suppressed, so that the thickness of the cladding 12 can be reduced.
- the refractive indices of the core central region 11 A, the core intermediate region 11 B, and the core peripheral region 11 C of the MM core 11 were assumed to be substantially the same, but the center of the MM core 11 was positioned from the outer periphery. So that the refractive index of the core intermediate region 11B is smaller than that of the core central region 11A, and the refractive index of the core peripheral region 11C is smaller than that of the core intermediate region 11B. You may comprise so that a refractive index may become small. At this time, the mode shape of the signal light 22 propagating through the MM core 11 changes, but the radius of the core central region 11 A, the radius of the core peripheral region 11 C, and the gain / loss ratio must be set appropriately.
- the core central region 11 A in which the gain medium is doped, the core intermediate region 11 B around the core central region 11 A, and the absorbing medium are doped.
- the MM optical fiber 10 is composed of the MM core 11 composed of the core intermediate region 11 1 C around the core intermediate region 11 B and the cladding 12, so that the MM optical fiber 1 Energy is converted from the fundamental mode to a higher-order mode due to a slight refractive index distribution existing in 0, a refractive index distribution generated by stress such as bending, or scattering in an optical fiber, and a higher-order mode is generated.
- high-order modes can be almost completely suppressed, and the effect of realizing a high peak power output almost in the diffraction limit can be obtained.
- the MM optical fiber 10 the SM laser oscillator 21 that outputs the signal light 22 of the SM having substantially the diffraction limit, and the MM optical fiber 10 are provided at one end,
- the signal light 22 from the SM laser oscillator 21 is made to be the MM optical fino, and the lenses L l and L 2 that are incident on the MM optical fino 10 with the fundamental mode almost matched to the “10 fundamental mode”.
- the pump light source 23 that outputs the pump light 24 absorbed by the gain medium of the MM core 11 of 10 and the pump light 24 provided at the other end of the MM optical fiber 10 and the pump light 24 from the pump light source 23
- erbium (E r) is doped as a gain medium and cobalt (Co) is doped as an absorption medium. It is possible to obtain an effect that a high average output and a high peak power output in a diffraction limit can be realized in a wavelength band of about 1.6 m.
- neodymium (N d) is used as a gain medium.
- praseodymium (Pr) or samarium (Sm) is used as the absorbing medium, so that the diffraction limit is almost high in the wavelength band around 1.05 m. Average output and high peak power output The effect that can be obtained is obtained.
- Embodiment 2 Embodiment 2
- FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a fiber amplifier according to Embodiment 2 of the present invention, and shows a configuration example of a fiber laser amplifier using the MM optical fiber 10 of FIG.
- the same reference numerals as those in FIG. 4 indicate the same or corresponding components.
- 26 is an SM pulse laser oscillator (SM laser oscillator)
- 27 is a pulse-like signal light output from the SM pulse laser oscillator 26
- 28 is a pulse width expander (first optical system).
- 29 are pulse width compressors (second optical system).
- the excitation light 24 output from the excitation light source 23 is converted into parallel light by the lens L4, reflected by the dichroic mirror 25, further condensed by the lens L3, and incident on the MM optical fiber 10. .
- the pumping light 24 incident on the MM optical fiber 10 is absorbed by the gain medium doped in the core central region 11 A of the MM optical fiber 10, and the center of the MM core 11 of the MM optical fiber 10 is Generates gain near.
- the pulse-like signal light 27 output from the SM pulse laser oscillator 26 is converted into parallel light by the lens L1, and then the pulse width is expanded by the pulse width expander 28, so that the MM optical , "Is condensed by the lens L2 so as to substantially coincide with the fundamental mode of 10 and enters the MM optical fiber 10.
- the limitation of high power in the pulsed form in fiber laser amplifiers is mainly the damage to the end face of the optical fiber due to the peak power of the pulse.
- the pulse width of the signal light 27 is expanded by a pulse width expander. As a result, the peak power of the signal light 27 is reduced, and the limitation due to damage to the end face of the MM optical fiber 10 can be suppressed.
- the signal light 27 amplified by the MM optical fiber 10 is output from the opposite side of the MM optical fiber 10 as a laser output light having almost only S mode components, and converted into a parallel light by the lens L3. After that, the signal light 27 passes through the dike mirror 25, and the pulse width of the signal light 27 is compressed by the pulse width compressor 29 to be output.
- the pulse width of the pulsed signal light 27 is expanded by the pulse width expander 28, and then is input to the MM optical fiber 10 and is output from the MM optical fiber 10 Since the pulse width of the signal light 27 obtained is compressed and output by the pulse width compressor 29, a nearly diffraction-limited output can be obtained and a higher peak power output can be obtained.
- the MM optical fiber 10 the SM pulse laser oscillator 26 that outputs the pulsed signal light 27, and the one end of the MM optical fiber 10 are provided.
- the signal light 27 from the SM pulse laser oscillator 26 is made substantially coincident with the fundamental mode of the MM optical fiber 10 and is incident on the MM optical laser 10 while the signal light 27 from the SM pulse laser oscillator 26 is provided.
- Lenses L 1 and L 2 that expand the pulse width of signal light 27, pulse width expander 28, and pump light that outputs pump light 24 that is absorbed by the gain medium of MM core 11 of MM optical fiber 10
- the light source 23 and one end of the MM optical fiber 10 are provided, and the excitation light 24 from the excitation light source 23 is incident on the MM optical fiber 10 and the signal light 27 from the MM optical fiber 10 is pulsed.
- the fiber laser amplifier was constructed from The effect that a high average output and a high peak power output at the diffraction limit can be realized by the pulsed signal light 27 is obtained.
- FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a fiber laser oscillator according to a third embodiment of the present invention, and shows a configuration example of a fiber laser oscillator using the MM optical fiber 10 of FIG.
- the same reference numerals as those in FIG. 4 indicate the same or corresponding components.
- reference numeral 30 denotes a total reflection mirror provided at one end of the MM optical fiber
- reference numeral 31 denotes a partial reflection mirror provided at the other end of the MM optical fiber 10.
- the total reflection mirror 30 reflects all the oscillation light generated by the laser oscillation generated by the MM optical fiber 10, and the partially reflected mirror 31 transmits a part of the oscillation light generated by the laser oscillation generated by the MM optical fiber 10. And reflect the rest (partial reflection).
- the pumping light 24 may be incident on the MM optical fiber 10 from either the partial reflection mirror 30 or the total reflection mirror 31, and the total reflection mirror 30 or the part on the side where the excitation light 24 is incident
- the reflection mirror 31 has such characteristics that almost all of the excitation light 24 is transmitted.
- a material obtained by depositing a dielectric film on a glass surface or a fiber grating in which a diffraction grating is written on an optical fiber is used as the total reflection mirror 30 and the partial reflection mirror 31 a material obtained by depositing a dielectric film on a glass surface or a fiber grating in which a diffraction grating is written on an optical fiber is used.
- the excitation light 24 output from the excitation light source 23 is converted into parallel light by a lens (second optical system) L4, reflected by a dichroic mirror (second optical system) 25, and further converted to a lens. (Second optical system)
- the light is condensed by L 3, passes through the partial reflection mirror 31, and enters the MM optical fiber 10.
- the excitation light 24 incident on the MM optical fiber 10 is transmitted through the core of the MM optical fiber 10 It is absorbed by the gain medium doped in the core region 11 A and generates a gain near the center of the MM core 11 of the MM optical fiber 10.
- Spontaneous emission light is generated in the MM core 11 of the excited MM optical fiber 10, and the light coupled to the fundamental mode of the spontaneous emission light is transmitted between the total reflection mirror 30 and the partial reflection mirror 31.
- the laser light is amplified by propagating through the gap and oscillates. A part of the oscillated light due to the laser oscillation passes through the partially reflecting mirror 31 and is output to the outside as laser output light of the fiber laser oscillator.
- gain is generated only in the basic mode, and no gain is generated in the higher-order mode.
- the mode of laser oscillation that occurs within 0 is only the basic mode, and no higher-order mode laser oscillation occurs. Therefore, it is possible to realize laser oscillation with almost diffraction-limited and high peak power output.
- An optical element (pulse generation means) for generating a pulse as laser oscillation such as a Q switch or a saturable absorber, may be inserted at an arbitrary position in the optical fiber 10. By adding such components, it becomes possible to realize a pulse-like laser oscillation with almost diffraction-limited and high peak power output in the fiber laser oscillator shown in FIG.
- the MM optical fiber 10 and the total reflection mirror provided at one end of the MM optical fiber 10 and totally reflecting the oscillation light from the MM optical fin 30, a partial reflection mirror 31 provided at the other end of the MM optical fiber 10 and partially reflecting the oscillation light from the MM optical fiber 10, and a gain of the MM core 11 of the MM optical fino 10.
- An excitation light source 23 that outputs excitation light 24 absorbed by the medium, and an excitation light 24 from the excitation light source 23 are transmitted through the total reflection mirror 30 or the partial reflection mirror 31 to the MM optical fiber 1. Since the fiber laser oscillator is composed of the dichroic mirror 25 and the lenses L3 and L4 that enter the zero, the effect of realizing a high average output and a high peak power output almost at the diffraction limit is obtained.
- a pulse generation means such as a Q switch or a saturable absorber that generates a pulse as laser oscillation is provided at any of the positions within 0, so that a pulse-like laser with almost diffraction-limited and high peak-to-peak output is provided. The effect that a single oscillation can be realized is obtained.
- FIGS. 9A to 9C are diagrams showing the structure of the MM optical fiber according to Embodiment 4 of the present invention.
- Fig. 9A shows the front view of the MM optical fiber
- Fig. 9B shows the refractive index profile, gain profile, and loss profile of the MM optical fiber
- Fig. 9C shows the side view of the MM optical fiber. .
- reference numeral 40 denotes an MM optical fiber according to the fourth embodiment
- 41 denotes an MM core
- 42 denotes a clad.
- the MM optical fino 41 is composed of the MM core 41 and the clad 42.
- MM core 41 41A is a core central region, and 41B is a core peripheral region.
- the MM core 41 is composed of a core central region 41 A doped with a gain medium such as a rare earth, and a core peripheral region 41 B not doped with a gain medium and an absorption medium.
- a core peripheral area 41B is provided around 1A. The refractive indices of the core central region 41 A and the core peripheral region 41 B are adjusted to be almost the same.
- 42 A is a rare earth of clad 42, etc. This is a cladding central region in which the absorption medium is doped.
- the center area 42A of the cladding 42 has a center area 42A provided around the MM core 41.
- the gain medium doped in the core central region 41 A generates a gain for the signal light propagating through the MM core 41 by absorbing the pump light.
- the absorbing medium doped in the cladding central region 42A hardly absorbs the excitation light, but absorbs the component of the signal light propagating through the MM core 41 that has soaked into the cladding central region 42A. It is.
- LP ⁇ has greater strength than the basic mode LP 0 1 . Therefore, a gain medium is applied to the central region 41 A of the MM core 41 to provide a gain, and an absorption medium is applied to the central region 42 A of the clad 42 to provide a loss.
- the gain / loss ratio appropriately, the gain is larger than the loss in the fundamental mode LPQ i, and the loss is larger than the gain in other higher-order modes. can be set such that, similarly to the MM light phi Roh 1 0 shown in the first embodiment, it is possible to selectively amplify only the fundamental mode LP 0 1.
- the fiber laser amplifier shown in the first embodiment (FIG. 4), the fiber laser amplifier shown in the second embodiment (FIG. 7), and the fiber laser oscillator shown in the third embodiment (FIG. 8), the MM optical fin 40 of the fourth embodiment can be applied.
- spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes is similarly suppressed, it is possible to suppress noise components due to ASE and consumption of energy stored in the core due to ASE. Become.
- the MM optical fiber 40 can be manufactured by an almost normal manufacturing method.
- the cladding center region 42 A of the fourth embodiment may be applied to the MM optical fiber 10 shown in the first embodiment.
- the MM core 4 includes the core central region 41 A in which the gain medium is doped, and the core peripheral region 41 C around the core central region 41 A. 1 and a cladding 42 having a cladding central region 42 A around the MM core 41, which is doped with an absorbing medium, constitutes a MM optical fiber 40 '.
- Slight refractive index distribution existing in the inside, refractive index distribution caused by stress such as bending, optical fiber Even if energy is converted from a fundamental mode to a higher-order mode due to scattering in the fiber and a higher-order mode occurs, it is hardly amplified in the MM optical fiber 40, so the higher-order mode is almost completely suppressed.
- the MM optical fiber 40 can be manufactured by an almost ordinary manufacturing method.
- the width of the higher-order mode is suppressed, so that the effect that the thickness of the clad 42 can be reduced can be obtained.
- the excitation light from the semiconductor laser contains higher-order modes and the beam quality is low.
- a beam having a low beam quality has a large beam diameter even if it is condensed, so that it is difficult to efficiently enter the MM core 11.
- an MM optical fiber having a double clad structure that solves such a problem will be described.
- FIGS. 10A to 10C are diagrams showing the structure of the MM optical fiber according to the fifth embodiment of the present invention, and show a double clad MM optical fiber.
- Fig. 10A shows the front view of the MM optical fiber
- Fig. 10B shows the refractive index profile of the MM optical fiber 'gain profile' loss profile
- Fig. 10 C shows the side view of the MM optical fiber. It represents. 4A to 4C denote the same or corresponding components.
- 50 is the MM optical fiber of the fifth embodiment
- 52 is the MM optical fiber 50
- 52 A is the signal light in the MM core 11.
- the first clad 52B is a second clad for confining the excitation light to the first clad 52A.
- the clad 52 includes a first clad 52 A provided around the MM core 11 and a second clad 52 B provided around the first clad 51 A. It has been.
- the refractive index of the first clad 52 A is smaller than the refractive index of the MM core 11, and the refractive index of the second clad 52 B is smaller than the refractive index of the first clad 52 A .
- the signal light is confined in the MM core 11 by the first clad 52A, and only the fundamental mode is selectively amplified.
- the pump light is confined in the first clad 52 A by the second clad 52 B, and the component passing through the core central region 11 A of the MM core 11 is absorbed by the gain medium to generate a gain. I do. At this time, the excitation light is hardly absorbed by the absorbing medium in the core peripheral region 11 C.
- the excitation light is incident on the first clad 52 A having a larger radius than that of the MM core 11, the excitation light is generated by the second clad 52 B inside the first clad 52 A. Since the light is confined in the gain medium and absorbed by the gain medium, it is possible for the gain medium to efficiently absorb the pump light even when using pump light with low beam quality. '
- the MM optical fiber 50 with such a double clad structure has a higher order mode. Since there is no gain in the optical fiber and only in the fundamental mode, there is a slight refractive index distribution existing in the optical fiber, a refractive index distribution generated by stress such as bending, Even if the higher-order mode is generated by converting the energy from the fundamental mode to a higher-order mode due to scattering of light, it is not amplified in the MM optical fiber 50, and the higher-order mode is almost completely suppressed. In addition, a high-power semiconductor laser with low beam quality can be used as the pump light, so that a high-power and high-peak power with almost diffraction limit can be realized.
- spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes is also suppressed, it is possible to suppress noise components due to ASE and consumption of energy stored in the core due to ASE. .
- the MM optical fiber 50 can be manufactured by the manufacturing method.
- the core surrounding region 11 C of the MM core 11 is doped with an absorbing medium.
- the first An absorption medium may be doped in the vicinity of the MM core 11 (the central region of the first clad), and the same effect can be obtained.
- the front outer shape of the first clad 52A is illustrated as a circle, but Embodiment 5 is not limited to this.
- the external shape of the front face of the first clad 52A such as a petal shape having irregularities, can be arbitrarily selected.
- the outer shape of the first clad 52 A When the outer shape of the first clad 52 A is circular, a part of the pump light propagating through the first clad 52 A does not pass through the core central region 11 A of the MM core 11. Since the skew light propagates to the core, the skew light is not absorbed by the gain medium in the core central region 11 A, and the amplification efficiency is reduced. On the other hand, when the outer shape of the first clad 52 A is polygonal or petal-shaped, the proportion of this skew light decreases, and the proportion absorbed by the gain medium in the core central region 11 A And the amplification efficiency can be improved.
- the first clad 5 2A which has a lower refractive index than the MM core 11 and is provided around the MM core 11, and the first clad 5
- the MM optical fiber 50 is provided with a clad 52 having a lower refractive index than that of 2 A and comprising a second clad 52 B provided around the first clad 51 A.
- the first clad 51 has a polygonal front outer shape when cut along a plane perpendicular to the optical axis. It is possible to reduce the amount of pumping light that is not absorbed by the laser beam, thereby improving the amplification efficiency.
- the first clad 51 is formed so that the front outer shape when cut along a plane perpendicular to the optical axis is formed into a shape having irregularities with respect to a circle.
- the multi-mode optical fiber according to the present invention has high beam quality and high output power, such as a laser light source for a laser radar and a laser light source for processing. -Suitable for fiber laser oscillators that require a fiber laser amplifier.
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Abstract
The core center region of a multimde core is doped with a gain medium which absorbs excitation light to generate a gain, and at least one of the core periphery region of the multimode core which contacts a clad and the clad center region of the clad which contacts the multimode core is doped with an absorption medium which absorbs signal light.
Description
明 細 書 マルチモード光ファイノ 、 Description Multi-mode optical finos,
フアイバレーザ増幅器およびフアイバレーザ発振器 技 fe分野 Fiber laser amplifier and fiber laser oscillator
この発明は、 高ピークパワー出力を実現するための構造を持ったマル チモード光ファイバに係るものである。 また、 この発明は、 このマルチ モード光フアイバを適用したフ アイバレーザ増幅器およびファイノ レー ザ発振器に関するものである。 背景技術 The present invention relates to a multimode optical fiber having a structure for realizing high peak power output. The present invention also relates to a fiber laser amplifier and a finolaser oscillator to which the multi-mode optical fiber is applied. Background art
まず始めに、 光ファイバ中をレーザ光が単一モードのみで伝搬する場 合、 すなわち光ファイバがシングルモー ド (以下、 SMと略す) 光ファ ィバであるための条件と、 光ファイバ中をレーザ光が複数モードで伝搬 する場合、 すなわち光ファイバがマルチモード (以下、 MMと略す) 光 ファイバであるための条件とについて、 簡単に説明する。 First, when laser light propagates in an optical fiber in only a single mode, that is, the conditions for the optical fiber to be a single mode (hereinafter abbreviated as SM) optical fiber, A brief description will be given of the case where the laser light propagates in multiple modes, that is, the conditions for the optical fiber to be a multimode (hereinafter abbreviated as MM) optical fiber.
光ファイバの正規化周波数 Vは、 次の式 ( 1 ) で表される。 The normalized frequency V of the optical fiber is expressed by the following equation (1).
V= ( 27T a/Λ) · ( n! 2 - n 2 2 ) ( 1 ) 式 ( 1 ) において、 aは光ファイバのコア半径、 人は光ファイバを伝 搬するレーザ光の波長、 n iは光ファイバのコアの屈折率、 n2はコア 周りのクラッ ドの屈折率である。 V = (27T a / Λ) · (n! 2 -n 2 2 ) (1) In equation (1), a is the core radius of the optical fiber, human is the wavelength of the laser beam propagating through the optical fiber, and ni is The refractive index of the core of the optical fiber, n 2, is the refractive index of the cladding around the core.
光ファイバが SM光ファイバであるための条件は V< 2. 40 5で表 され、 この条件を満たす光ファイバをレーザ光は単一モードのみで伝播 する。 一方、 V> 2. 40 5の条件を満たす光ファイバは MM光フアイ バであり、 複数の伝搬モードが存在する。 MM光ファイバの伝搬モード
の数 Nは、 近似的に以下の式 ( 2 ) で表される。 The condition that the optical fiber is an SM optical fiber is represented by V <2.405, and the laser beam propagates only in a single mode through the optical fiber satisfying this condition. On the other hand, an optical fiber that satisfies the condition of V> 2.405 is an MM optical fiber, and has multiple propagation modes. Propagation mode of MM optical fiber Is approximately expressed by the following equation (2).
N = V 2 / 2 ( 2 ) N = V 2/2 (2 )
S M光ファィバは、 希土類などの活性イオンがそのコアに ド一プ ( d o p e [英] ) され、 ファイバレーザ発振器やファイバレーザ増幅器 ( 以下、 ファイバレーザと称す) にしばしば適用される。 これらのフアイ バレ—ザでは、 レーザ出力光のビームモードが s M光ファイバの基本モ 一ドのみに制限されるため、 ほぼ回折限界のビーム品質を有するレーザ 光を実現することができる。 In SM optical fibers, active ions such as rare earth elements are doped into the core (dope [UK]), and are often applied to fiber laser oscillators and fiber laser amplifiers (hereinafter referred to as fiber lasers). In these fiber lasers, since the beam mode of the laser output light is limited to only the fundamental mode of the SM optical fiber, it is possible to realize laser light having almost diffraction-limited beam quality.
ところで、 高出力、 特にレーザ光をパルス状にする場合などの高ピ一 クパワー出力をファイバレーザで実現したい場合がある。 しかしながら 、 S M光ファイバを適用したファイノ レ一ザでは、 S M光ファイバの小 さなコアにレーザ光を閉じ込めるため、 光フアイバ内部での誘導ブリル アン散乱や光ファイバ端面の損傷などによって最大出力が制約されてし ま 。 By the way, there is a case where it is desired to realize a high output, particularly a high peak power output such as a case where a laser beam is pulsed, by a fiber laser. However, in a fin laser using an SM optical fiber, the laser beam is confined in the small core of the SM optical fiber, so the maximum output is limited by stimulated Brillouin scattering inside the optical fiber and damage to the end face of the optical fiber. It has been done.
この最大出力の制約上限を緩和するために、 光ファイバのコア半径 a を拡大することが考えられる。 コァ半径 aを大きくすることによって、 光ファイバ内部および光フアイバ端面におけるパワー密度を相対的に低 下できるからである。 だが式 ( 1 ) から分かるように、 S M光フアイバ の場合、 同じ正規化周波数 Vを保って ( S M光ファイバの条件 V < 2 . 4 0 5を満たして) コア半径 aを大きくするには、 コア屈折率 とク ラッ ド屈折率 n 2との差を小さくする必要がある。 In order to ease the upper limit of this maximum output, it is conceivable to increase the core radius a of the optical fiber. By increasing the core radius a, the power density inside the optical fiber and the end face of the optical fiber can be relatively reduced. However, as can be seen from equation (1), in the case of the SM optical fiber, to maintain the same normalized frequency V (and satisfy the condition V <2.405 of the SM optical fiber) and increase the core radius a, the difference between the core refractive index and click rat de refractive index n 2 must be reduced.
例えば波長 1 . 5 〃 mにおける S M光ファイバでコア直径を 1 5 〃 m 程度まで拡大した報告はあるものの、 コア半径 aをさらに大きく して最 大出力の制約上限を緩和するためには、 コァ屈折率 n iとクラッ ド屈折 率 n 2との差を一層小さくする必要があり、 製造が難しくなるとともに 、 大きな曲げ損失を発生させてしまう原因となる。 つまり、 S M光ファ
ィバを用いたファイバレーザでは、 高ピークパヮ一出力を得ることは困 難であつた。 For example, although there is a report that the core diameter of a SM optical fiber at a wavelength of 1.5 μm has been increased to about 15 μm, in order to further increase the core radius a and relax the upper limit of the maximum output, the core It is necessary to further reduce the difference between the refractive index ni and the cladding refractive index n 2, which makes manufacturing difficult and causes large bending loss. In other words, SM optical fiber It has been difficult to obtain high peak power with a fiber laser using a fiber.
光フアイバのコア半径 aを大きく してパワー密度を低減するために、 希土類などの活性ィオンをコアに ド一プした MM光ファイバをファイバ レーザに適用するという別の発想もある。 前述したように、 MM光ファ ィバの条件は V> 2. 40 5なので、 コア屈折率 n とクラヅ ド屈折率 n2との差を考慮する必要がなく、 コア半径 aを拡大する点に関しては 問題が生じないからである。 Another idea is to apply an MM optical fiber with an active ion, such as a rare earth element, to the core in order to reduce the power density by increasing the core radius a of the optical fiber. As described above, the conditions of MM light file I Bas V> 2. 40 5 So, the difference is not necessary to consider the core refractive index n and Kuradzu de refractive index n 2, in terms of expanding the core radius a Is not a problem.
しかし、 MM光ファイバは多数の伝搬モードを有するため、 MM光フ アイバを使ってフアイバレ一ザ発振器を構成した場合、 複数のモードで レ一ザ発振が生じてしまい、 ほぼ回折限界のレーザ出力光を得ることは 困難である。 However, since an MM optical fiber has many propagation modes, when a fiber oscillator is constructed using MM optical fibers, laser oscillation occurs in multiple modes, and the laser output light is almost diffraction-limited. It is difficult to obtain.
また、 MM光ファイバをファイバレーザ増幅器に用いた場合、 入射光 として回折限界のレーザ光を入射しても、 光ファイバ内に存在するわず かな屈折率分布や、 曲げなどの応力により発生する屈折率分布、 光ファ ィバ内の散乱などにより、 基本モ一ドから高次のモ一ドへエネルギーが 変換されて高次モードが発生し増幅されてしまうため、 ファイバレーザ 増幅器からの出力として、 ほぼ回折限界のレーザ出力光を実現すること は困難である。 In addition, when an MM optical fiber is used for a fiber laser amplifier, even if a diffraction-limited laser beam is incident as incident light, a slight refractive index distribution existing in the optical fiber or refraction generated by stress such as bending. Energy is converted from the fundamental mode to higher-order modes due to the rate distribution, scattering in the optical fiber, etc., and higher-order modes are generated and amplified, so the output from the fiber laser amplifier is It is difficult to achieve laser output light that is almost diffraction-limited.
さらに、 MM光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器では、 自然放 出光が多数の伝搬モードに結合して増幅され、 A S E ( Amp 1 i f i e d S p o n t a n e o u s Em i s s i o n し英」 ) を発生する ため、 入射する信号光に対して大きな雑音成分が付加されるとともに、 A S Eが増幅されてコア内に蓄えられたエネルギーを消費するため、 増 幅効率が低下してしまう。 Furthermore, in a fiber laser amplifier using an MM optical fiber, the spontaneous emission light is coupled to a number of propagation modes and amplified to generate ASE (Amplified Spontaneous Emulation). A large noise component is added to the ASE, and the ASE is amplified and the energy stored in the core is consumed, resulting in reduced amplification efficiency.
さらに加えて、 MM光ファイバは、 伝搬モードによって異なる伝搬速
度 (群速度) を有するため、 大きな分散が生じてしまう。 In addition, MM optical fibers have different propagation speeds depending on the propagation mode. Because of the degree (group velocity), large dispersion occurs.
このような問題を解決する手法として、 次の第 1図に示すような構造 を持った従来の MM光フアイバが提案されている。 この従来の MM光フ アイバは、 特開平 1 1— 74 5 9 3号公報に開示されたものである。 第 1図 A〜第 1図 Cは従来の MM光ファイバの構造を示す図である。 第 1図 Aは MM光フアイバの正面構造図、 第 1図 Bは MM光ファイバの 屈折率プロファイル ' ドーパン トプロファイル、 第 1図 Cは MM光ファ ィバの側面構造図である。 正面とは MM光フアイバの光軸と直交した平 面による MM光フアイバの切断面を、 側面とは MM光フアイバの光軸を 含んだ平面による MM光フアイバの切断面をそれそれ意味している。 第 1図 A〜第 1図 Cにおいて、 1 0 0は従来の MM光ファイバ、 1 0 1は MMコア、 1 02はクラッ ドである。 MMコア 1 0 1とクラッ ド 1 0 2とから MM光ファイバ 1 0 0が構成されている。 また、 MMコア 1 0 1において、 1 0 1 Aは希土類を ドープしたコア中心領域、 1 0 1 B は希土類を ド一プしていないコア周辺領域である。 MMコア 1 0 1は、 コア中心領域 1 0 1 Aと、 コア中心領域 1 0 1 A周りのコア周辺領域 1 0 1 Bとによって構成されており、 コア中心領域 1 0 1 Aの屈折率とコ ァ周辺領域 1 0 1 Bの屈折率とは一致するように調整されている。 As a method to solve such a problem, a conventional MM optical fiber having a structure as shown in Fig. 1 has been proposed. This conventional MM optical fiber is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-74593. FIGS. 1A to 1C are diagrams showing the structure of a conventional MM optical fiber. FIG. 1A is a front structural view of the MM optical fiber, FIG. 1B is a refractive index profile of the MM optical fiber, a dopant profile, and FIG. 1C is a side structural view of the MM optical fiber. The front means the cut surface of the MM optical fiber by a plane perpendicular to the optical axis of the MM optical fiber, and the side surface means the cut surface of the MM optical fiber by the plane including the optical axis of the MM optical fiber. . In FIGS. 1A to 1C, 100 is a conventional MM optical fiber, 101 is an MM core, and 102 is a clad. An MM optical fiber 100 is composed of the MM core 101 and the clad 102. In the MM core 101, 101A is a core central region doped with a rare earth, and 101B is a core peripheral region not doped with a rare earth. The MM core 101 is composed of a core central region 101A and a core peripheral region 101B around the core central region 101A, and the refractive index of the core central region 101A and The refractive index is adjusted to match the refractive index of the core peripheral region 101B.
次に動作について説明する。 Next, the operation will be described.
コア中心領域 1 0 1 Aにドープされた希土類によって吸収される励起 光を MM光ファイノ 1 0 0へ入射すると、 コア中心領域 1 0 1 Aのみに 利得が発生する。 このとき、 MM光ファイバ 1 0 0における複数の伝搬 モードのうち、 コア中心領域 1 0 1 Aに強い強度分布を持った伝搬モー ドに対する利得が、メ也の伝搬モードに対する利得に比べて大きくなる。 基本モードのレ一ザ光の強度分布はガウス分布で近似的に表され、 コ ァ中心付近の強度分布が強くなつている。 したがって、 MM光ファイバ
1 0 0では、 コア中心付近の強度が小さい高次モードに比べて、 基本モ ―ドの利得が大きくなる。 この結果、 MM光フアイノ 1 0 ◦を使ったフ アイバレーザ増幅器へ基本モードのレーザ光を信号光として入射した場 合、 高次の伝搬モードで増幅されるレーザ光は減少し、 基本モードで増 幅されるレーザ光が大きくなる。 When the excitation light absorbed by the rare earth doped in the core central region 101A enters the MM optical fin 100, a gain is generated only in the core central region 101A. At this time, of the multiple propagation modes in the MM optical fiber 100, the gain for the propagation mode having a strong intensity distribution in the core central region 101A is larger than the gain for the propagation mode of the Maya. . The intensity distribution of the fundamental mode laser light is approximately represented by a Gaussian distribution, and the intensity distribution near the center of the core is strong. Therefore, MM optical fiber At 100, the gain in the fundamental mode is larger than in the higher-order mode in which the intensity near the center of the core is small. As a result, when the fundamental mode laser light is input as signal light to the fiber laser amplifier using the MM optical fiber 10 °, the laser light amplified in the higher-order propagation mode decreases, and the laser light is amplified in the fundamental mode. The laser light to be emitted increases.
ここで、 MM光フアイバ 1 0 0内の伝搬モ一ドに発生する利得の計算 結果の一例を次の第 2図に示す。 この利得の計算結果は、 基本モード L P0 1と、 基本モー ド L P。 iの強度分布形状に比較的近い強度分布を持 つた高次のモード L P。 2と、 高次のモードの中で最も次数の低い低次 モード L P ^とに対して行なったものである。 Here, an example of a calculation result of a gain generated in the propagation mode in the MM optical fiber 100 is shown in FIG. Calculation results of the gain is the fundamental mode LP 0 1, basic mode LP. Higher-order mode LP with an intensity distribution relatively close to the intensity distribution shape of i. 2 and the lower-order mode LP ^ of the lowest order among the higher-order modes.
第 2図は第 1図の MM光ファイバ 1 0 0の伝搬モードに発生する利得 を示す図である。 第 2図の横軸はコア中心領域 1 0 1 Aの半径であり、 MMコア 1 0 1の半径で規格化している。 また、 第 2図の縦軸は各モ一 ド L PQ 1, L P。 2, L P i iに発生する利得であり、 伝搬モードの強度 分布が存在する全領域が利得を持つ場合の各モードに発生する利得で規 格化してある。 FIG. 2 is a diagram showing a gain generated in a propagation mode of the MM optical fiber 100 in FIG. The horizontal axis in FIG. 2 is the radius of the core central region 101 A, which is normalized by the radius of the MM core 101. The vertical axis in Fig. 2 indicates each mode LP Q1 , LP. 2. The gain that occurs in LPii, which is standardized by the gain that occurs in each mode when the entire region where the intensity distribution of the propagation mode exists has gain.
第 2図を見ると、 コア中心領域 1 0 1 Aの半径によらず、 各モー ド L P 0! , L P。 2, L P丄 丄ともに利得が発生していることが分かる。 特に 高次のモード L P。 2では、 コア中心領域 1 0 1 Aの半径が小さいとこ ろで、 基本モード L P。 よりも大きな利得が生じている。 Looking at Fig. 2, each mode LP 0! Regardless of the radius of the core central area 101A. , LP. 2 , it can be seen that a gain is generated in both LP 丄 and 丄. Especially higher mode LP. In 2 , the radius of the core central area 101 A is small, and the fundamental mode is LP. A larger gain has occurred.
したがって、 従来の MM光ファイノ 1 0 0では、 基本モード L P 0 1 から高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生すると、 高次モードも増幅されてしまうことになる。 Therefore, in the conventional MM light Faino 1 0 0, the higher order modes from the basic mode LP 0 1 is converted energy to higher modes are generated, so that even higher order mode will be amplified.
また、 高次のモードを持ったビーム品質の低いレーザ光が第 1図の M M光ファイバ 1 0 0へ信号光として入射した場合には、 高次のモードま でもが增幅されてしまう。
さらに、 M M光ファイバ 1 0 0では、 A S Eも同様に増幅されるため 、 信号光に対して大きな雑音成分が付加されてしまうとともに、 A S E に対しての増幅によってコア内に蓄えられたエネルギーが消費されるた め、 増幅効率が低下してしまう。 Further, when a laser beam having a high-order mode and low beam quality enters the MM optical fiber 100 in FIG. 1 as signal light, even the high-order mode is widened. Further, in the MM optical fiber 100, the ASE is similarly amplified, so that a large noise component is added to the signal light, and the energy stored in the core due to the amplification of the ASE is consumed. Therefore, the amplification efficiency is reduced.
従来のマルチモード光ファイバは以上のように構成されているので、 基本モードのみを選択的に増幅することができず、 高次モードと、 高次 のモードに結合する A S Eとを抑制することができないという課題があ つ τこ。 Since the conventional multimode optical fiber is configured as described above, it is not possible to selectively amplify only the fundamental mode, and it is necessary to suppress the higher-order mode and the ASE coupled to the higher-order mode. There is a problem that can not be done.
従来のシングルモ一ド光ファイバを用いたフアイバレ一ザ発振器ゃフ アイバレ一ザ増幅器は、 光フアイバ端面の損傷や誘導プリルアン散乱な' どにより出力が制限されるため、 高出力、 特にレーザ光をパルス状に出 力する場合などの高ピークパワー出力を実現することができないという 課題があった。 The output of a conventional fiber-mode oscillator using a single-mode optical fiber is limited by damage such as damage to the end face of the optical fiber and stimulated Prillian scattering. However, there is a problem that high peak power output cannot be realized in the case where the power is output in a state like a circle.
従来のマルチモード光ファイバを用いたフアイバレ一ザ増幅器は、 高 次のモードに対しても利得を有するため、 回折限界のレーザ光を信号光 として入射しても、 光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、 曲 げなどの応力により発生する屈折率分布、 光フアイバ内の散乱などによ り、 基本モードから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モード が発生し増幅されるため、 高次のモードを抑制することができず、 ほぼ 回折限界の出力を実現することができないという課題があった。 A conventional fiber amplifier using a multimode optical fiber has a gain even for higher-order modes, so even if a diffraction-limited laser beam is input as signal light, the slight Due to the refractive index distribution, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and the scattering in the optical fiber, energy is converted from the fundamental mode to a higher-order mode, and a higher-order mode is generated and amplified. However, high-order modes could not be suppressed, and a diffraction-limited output could not be realized.
また、 従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅器 は、 高次の伝搬モードの一部でコア中心付近の強度分布が強くなるため 、 基本モードと同様に大きな利得が発生してしまい、 基本モードのみを 選択的に増幅することができないという課題があつた。 Further, in a conventional fiber laser amplifier using a multimode optical fiber, a large gain is generated similarly to the fundamental mode because the intensity distribution near the center of the core is increased in a part of higher-order propagation modes. There was a problem that it was not possible to selectively amplify only the mode.
さらに、 従来のマルチモ一ド光ファイバを用いたファイバレーザ増幅 器は、 自然放出光が高次のモードに結合して同様に増幅されるため、 A
S Eによる雑音成分と、 A S Eによるコア内に蓄積されたエネルギーの 消費とを完全に抑制できず、 増幅効率が低下してしまうという課題があ つた o In addition, conventional fiber laser amplifiers using multi-mode optical fibers have the following characteristics: spontaneous emission light is coupled to higher-order modes and amplified similarly. There was a problem that the noise component due to SE and the consumption of energy stored in the core due to ASE could not be completely suppressed, resulting in a decrease in amplification efficiency.o
さらに、 従来のマルチモ一ド光ファイバを用いたファイバレーザ増幅 器は、 光フアイバ内の散乱による基本モ一ドから高次モードへのェネル ギ一の変換を減少させるため、 光ファイバ内の散乱が小さくなるような 特殊な製造方法を用いなければならないという課題があつた。 Furthermore, conventional fiber laser amplifiers using multi-mode optical fibers reduce the energy conversion from the fundamental mode to higher-order modes due to the scattering in the optical fiber. There was a problem that a special manufacturing method that would reduce the size had to be used.
さらに、 従来のマルチモード光ファイバを用いたファイバレーザ増幅 器は、 曲げなどの応力による基本モードから高次モードへのエネルギー の変換を減少させるため、 クラッ ドの厚みを大きく しなければならない という課題があつた。 In addition, conventional fiber laser amplifiers using multimode optical fibers have the problem that the thickness of the cladding must be increased to reduce the conversion of energy from the fundamental mode to higher-order modes due to stress such as bending. There was.
従来のマルチモード光フアイバを用いたフアイバレ一ザ発振器は、 高 次のモ一ドに対しても利得を持っために高次モードのレーザ発振が生じ 、 ほぼ回折限界のレーザ出力光を得ることができないという課題があつ た。 A conventional fiber-mode oscillator using a multi-mode optical fiber has high-order mode laser oscillation because it has gain even in higher-order modes, and it is possible to obtain almost diffraction-limited laser output light. There was a problem that we could not do it.
この発明は、 上記のような課題を解決するためになされたものであり 、 基本モードのみを選択的に増幅し、 高次モードと、 高次のモードに結 合する A S Eとを抑制することが可能なマルチモード光ファイバを提供 することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and selectively amplifies only the fundamental mode to suppress a higher-order mode and an ASE coupled to a higher-order mode. The purpose is to provide a possible multimode optical fiber.
また、 この発明は、 高ピークパワー出力を実現することが可能なファ ィバレ一ザ増幅器およびフアイバレーザ発振器を提供することを目的と する。 発明の開示 Another object of the present invention is to provide a fiber amplifier and a fiber laser oscillator capable of realizing a high peak power output. Disclosure of the invention
この発明に係るマルチモード光ファイバは、 励起光を吸収して利得を 発生する利得媒質がマルチモードコアのコア中心領域に ドープされると
ともに、 クラヅ ドに接するマルチモードコアのコア周辺領域と、 マルチ モードコアに接するクラッ ドのクラッ ド中心領域との少なく とも一方に 信号光を吸収する吸収媒質が ドープされるようにしたものである。 In the multimode optical fiber according to the present invention, when the gain medium that absorbs the pump light and generates a gain is doped into the core central region of the multimode core. In both cases, at least one of the core peripheral region of the multimode core in contact with the cladding and the cladding central region of the cladding in contact with the multimode core is doped with an absorbing medium that absorbs signal light. .
このことによ り、 マルチモード光ファイバ内に存在するわずかな屈折 率分布や、 曲げなどの応力によ り発生する屈折率分布、 光ファイバ内の 散乱などによ り、 基本モードから高次のモードにエネルギーが変換され て高次モー ドが発生してもマルチモー ド光ファイバ内でほとんど増幅さ れないので、 高次のモードをほぼ完全に抑制でき、 ほぼ回折限界の高ピ —クパワー出力を実現できるという効果が得られる。 As a result, due to the slight refractive index distribution existing in the multimode optical fiber, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and the scattering in the optical fiber, the higher order Even if energy is converted to a mode and a higher-order mode is generated, it is hardly amplified in the multi-mode optical fiber, so that the higher-order mode can be almost completely suppressed, and the high peak power output, which is almost diffraction limited. The effect that it can be realized is obtained.
また、 このことによ り、 高次のモードに結合して増幅される自然放出 光を抑制でき、 A S Eによる雑音成分と、 A S Eによるコア内に蓄積さ れたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。 This also suppresses spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes, and reduces noise components due to the ASE and consumption of energy stored in the core due to the ASE. Is obtained.
さらに、 このことによ り、 基本モー ドから高次モー ドへのエネルギー の変換が生じても高次モードの増幅を抑制でき、 特に光ファイバ内の散 乱が小さ くなるような製造方法を用いる必要がなく、 ほぼ通常の製造方 法によってマルチモー ド光フアイバを製造できるという効果が得られる o In addition, this makes it possible to suppress the amplification of higher-order modes even when the energy is converted from the fundamental mode to higher-order modes, and particularly to a manufacturing method that reduces the dispersion in the optical fiber. There is no need to use it, and the advantage is that multimode optical fibers can be manufactured by almost ordinary manufacturing methods.o
さらに、 このことによ り、 基本モー ドから高次モー ドへのエネルギー の変換が生じても、 高次モー ドの増幅を抑制でき、 クラッ ドの厚みを小 さ くできるという効果が得られる。 Furthermore, even if energy is converted from the basic mode to the higher-order mode, the effect of suppressing the amplification of the higher-order mode and reducing the thickness of the cloud can be obtained. .
この発明に係るマルチモード光ファイバは、 マルチモードコアよ り も 屈折率が小さ く、 マルチモードコア周りに設けられた第 1のクラッ ドと 、 第 1のクラッ ドよ り も屈折率が小さ く、 第 1のクラッ ド周りに設けら れた第 2のクラ ッ ドとからクラッ ドが構成されるようにしたものである o The multimode optical fiber according to the present invention has a smaller refractive index than the multimode core, and has a smaller refractive index than the first cladding provided around the multimode core and the first cladding. And a second cladding provided around the first cladding.
このことによ り、 大パワーの励起光をマルチモー ド光フアイバへ入射
できるようになり、 ほぼ回折限界の高平均出力、 高ビークパワー出力が 実現できるという効果が得られる。 This allows high-power pumping light to enter the multimode optical fiber. As a result, it is possible to obtain an effect of realizing a high average output and a high beak power which are almost diffraction-limited.
この発明に係るマルチモード光ファイバは、 光軸と直交する平面で切 断した際の第 1のクラッ ドの正面外形が多角形に形成されるようにした ものである。 In the multimode optical fiber according to the present invention, the front outer shape of the first cladding when cut along a plane orthogonal to the optical axis is formed as a polygon.
このことにより、 利得媒質に吸収されない励起光を減少させることが でき、 増幅効率を向上できるという効果が得られる。 As a result, it is possible to reduce the amount of pump light that is not absorbed by the gain medium, and it is possible to obtain an effect that the amplification efficiency can be improved.
この発明に係るマルチモード光ファイバは、 光軸と直交する平面で切 断した際の第 1のクラッ ドの正面外形が円形に対して凹凸を有する形状 に形成されるようにしたものである。 In the multimode optical fiber according to the present invention, the front outer shape of the first cladding when cut along a plane orthogonal to the optical axis is formed into a shape having irregularities with respect to a circle.
このことにより、 利得媒質に吸収されない励起光を減少させることが でき、 増幅効率を向上できるという効果が得られる。 As a result, it is possible to reduce the amount of pump light that is not absorbed by the gain medium, and it is possible to obtain an effect that the amplification efficiency can be improved.
この発明に係るマルチモード光フアイバは、 利得媒質としてエルビゥ ムがド一プされるとともに、 吸収媒質としてコバルトがド一プされるよ うにしたものである。 The multimode optical fiber according to the present invention is configured such that erbium is doped as a gain medium and cobalt is doped as an absorption medium.
このことにより、 1 . 5 3〃m〜 l . 6〃mの波長帯でほぼ回折限界 の高平均出力、 高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる ο As a result, it is possible to obtain an effect that a diffraction-limited high average output and a high peak power output can be realized in a wavelength band of 1.53 μm to 1.6 μm.ο
この発明に係るマルチモード光フアイバは、 利得媒質としてネオジゥ ムがド一プされるとともに、 吸収媒質としてプラセォジゥムまたはサマ リゥムが ド一プされるようにしたものである。 The multimode optical fiber according to the present invention is such that a neodymium is doped as a gain medium, and a placebo or a summary is doped as an absorbing medium.
このことにより、 1 . 0 5 / m付近の波長帯でほぼ回折限界の高平均 出力、 高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。 As a result, there is obtained an effect that a high average output and a high peak power output almost in a diffraction limit can be realized in a wavelength band around 1.05 / m.
•この発明に係るフアイバレ一ザ増幅器は、 信号光の基本モー ドに対し て利得を与え、 信号光の高次モードに対して損失を与えるマルチモード 光ファイバと、 ほぼ回折限界の信号光を出力するシングルモードレーザ
発振器と、 マルチモード光ファイバの一端に設けられ、 シングルモード レーザ発振器から出力した信号光をマルチモード光フアイバの基本モー ドにほぼ一致させてマルチモ一ド光フアイバの一端へ入射する第 1の光 学系と、 励起光を出力する励起光源と、 マルチモード光ファイバの他端 に設けられ、 励起光源から出力した励起光をマルチモード光ファイバの 他端へ入射するとともに、 マルチモード光フアイバの他端から出射した 信号光を透過する第 2の光学系とを備えるようにしたものである。 The fiber amplifier according to the present invention outputs a multimode optical fiber that gives a gain to the basic mode of the signal light and gives a loss to the higher-order mode of the signal light, and outputs a signal light that is almost diffraction-limited. Single mode laser An oscillator and a first light which is provided at one end of the multi-mode optical fiber and which is incident on one end of the multi-mode optical fiber so that the signal light output from the single-mode laser oscillator substantially matches the basic mode of the multi-mode optical fiber. A multi-mode optical fiber, an excitation light source that outputs the excitation light, and an excitation light output from the excitation light source that is provided at the other end of the multimode optical fiber. And a second optical system that transmits the signal light emitted from the end.
このことにより、 ほぼ回折限界の高平均出力、 高ピークパワー出力を 実現できるという効果が得られる。 As a result, an effect that a high average output and a high peak power output almost at the diffraction limit can be realized is obtained.
この発明に係るフアイバレーザ増幅器は、 シングルモードレーザ発振 器がほぼ回折限界の信号光をパルス状にして出力するとともに、 シング ルモードレーザ発振器から出力したパルス状の信号光のパルス幅を拡大 するパルス幅拡大器を第 1の光学系が備え、 マルチモード光ファイバの 他端から出射した信号光のパルス幅を圧縮するパルス幅圧縮器を第 2の 光学系が備えるようにしたものである。 In the fiber laser amplifier according to the present invention, the single-mode laser oscillator outputs substantially diffraction-limited signal light in the form of a pulse, and increases the pulse width of the pulse-like signal light output from the single-mode laser oscillator. The magnifier is provided in the first optical system, and the second optical system is provided with a pulse width compressor for compressing the pulse width of the signal light emitted from the other end of the multimode optical fiber.
このことにより、 ほぼ回折限界の高平均出力、 高ピークパワー出力が パルス状の信号光で実現できるという効果が得られる。 As a result, an effect that a high average output and a high peak power output almost at the diffraction limit can be realized with the pulsed signal light is obtained.
この発明に係るフアイバレーザ増幅器は、 マルチモ一ド光フアイバが 、 励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモ一ドコアのコア 中心領域に ド一プされるとともに、 クラッ ドに接するマルチモードコア のコア周辺領域と、 マルチモードコアに接するクラッ ドのクラッ ド中心 領域との少なく とも一方に信号光を吸収する吸収媒質がド一プされるよ うにしたものである。 In the fiber laser amplifier according to the present invention, the multi-mode optical fiber has a multi-mode optical fiber, wherein a gain medium that absorbs pump light and generates a gain is dropped in a core central region of the multi-mode core, and a multi-mode At least one of the core peripheral region of the core and the cladding central region of the cladding that is in contact with the multimode core is provided with an absorbing medium that absorbs signal light.
このことにより、 マルチモード光ファイバ内に存在するわずかな屈折 率分布や、 曲げなどの応力により発生する屈折率分布、 光ファイバ内の 散乱などにより、 基本モ一ドから高次のモードにエネルギーが変換され
て高次モード.が発生してもマルチモー ド光ファイバ内でほとんど増幅さ れないので、 高次のモー ドをほぼ完全に抑制でき、 ほぼ回折限界の高ピ ークパワー出力を実現できるという効果が得られる。 As a result, due to the slight refractive index distribution existing in the multimode optical fiber, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and the scattering in the optical fiber, energy is transferred from the basic mode to higher-order modes. Converted When a high-order mode is generated, it is hardly amplified in the multi-mode optical fiber, so that the high-order mode can be almost completely suppressed, and the effect of realizing a high diffraction-limited high peak power output can be obtained. Can be
また、 このことによ り、 高次のモー ドに結合して増幅される自然放出 光を抑制でき、 A S Eによる雑音成分と、 A S Eによるコア内に蓄積さ れたエネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。 This also reduces spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes, and reduces noise components due to ASE and consumption of energy stored in the core due to ASE. The effect is obtained.
さらに、 このことによ り、 基本モー ドから高次モー ドへのエネルギー の変換が生じても高次モ一ドの増幅を抑制でき、 特に光ファイバ内の散 乱が小さ くなるような製造方法を用いる必要がなく、 ほぼ通常の製造方 法によってマルチモード光フアイバを製造できるという効果が得られる さらに、 このことによ り、 基本モー ドから高次モー ドへのエネルギー の変換が生じても、 高次モードの増幅を抑制でき、 クラ ッ ドの厚みを小 さ くできるという効果が得られる。 In addition, this makes it possible to suppress the amplification of higher-order modes even when the energy is converted from the basic mode to higher-order modes, and in particular to manufacture such that dispersion in the optical fiber is reduced. The method does not need to be used, and the effect is that multimode optical fiber can be manufactured by almost a normal manufacturing method.Moreover, this results in the conversion of energy from the basic mode to the higher-order mode. However, the effect of suppressing the amplification of higher-order modes and reducing the thickness of the cladding can be obtained.
この発明に係るフアイバレーザ発振器は、 信号光の基本モードに対し て利得を与え、 信号光の高次モードに対して損失を与えるマルチモー ド 光ファイバと、 マルチモード光ファイバの一端に設けられ、 マルチモー ド光フアイバの一端から出射した発振光を反射してマルチモード光ファ ィバの一端へ入射する全反射ミラーと、 マルチモー ド光フアイバの他端 に設けられ、 マルチモー ド光ファイバの他端から出射した発振光を部分 反射する部分反射ミ ラーと、 励起光を出力する励起光源と、 励起光源か ら出力した励起光を全反射ミラーまたは部分反射ミラ一を介してマルチ モード光フアイバの一端または他端へ入射する第 2の光学系とを備える ようにしたものである。 A fiber laser oscillator according to the present invention provides a gain for a fundamental mode of signal light and a loss for a higher-order mode of signal light, and a multimode optical fiber provided at one end of the multimode optical fiber. A total reflection mirror that reflects the oscillating light emitted from one end of the multimode optical fiber and enters one end of the multimode optical fiber, and is provided at the other end of the multimode optical fiber and emits from the other end of the multimode optical fiber A partial reflection mirror that partially reflects the generated oscillation light, an excitation light source that outputs the excitation light, and an excitation light output from the excitation light source through one end of a multi-mode optical fiber or another end via a total reflection mirror or a partial reflection mirror. And a second optical system that enters the end.
このことによ り、 ほぼ回折限界の高平均出力、 高ピークパワー出力が 実現できるという効果が得られる。
この発明に係るフアイバレーザ発振器は、 全反射ミラーとマルチモー ド光ファイバとの間、 部分反射ミラーとマルチモー ド光ファイバとの間 、 またはマルチモ一 ド光ファイバ中のうちのいずれかの位置にレーザ発 振としてパルスを発生させるパルス発生手段を備えるようにしたもので める。 As a result, an effect that a high average output and a high peak power output almost at the diffraction limit can be realized is obtained. A fiber laser oscillator according to the present invention emits a laser at any position between a total reflection mirror and a multi-mode optical fiber, between a partial reflection mirror and a multi-mode optical fiber, or in a multi-mode optical fiber. A pulse generating means for generating a pulse as a vibration may be provided.
このことによ り、 ほぼ回折限界、 高ピークパワー出力のパルス状レ一 ザ発振を実現できるという効果が得られる。 This has the effect of realizing pulsed laser oscillation with a diffraction-limited and high peak power output.
この発明に係るファイバレーザ発振器は、 マルチモード光ファイバが 、 励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモ一 ドコアのコア 中心領域に ド一プされるとともに、 クラヅ ドに接するマルチモードコア のコア周辺領域と、 マルチモー ドコアに接するクラッ ドのクラ ヅ ド中心 領域との少なく とも一方に信号光を吸収する吸収媒質が ド一プされるよ うにしたものである。 In the fiber laser oscillator according to the present invention, in the multimode optical fiber, a gain medium that absorbs pump light to generate a gain is dropped in a core central region of the multimode core, and the multimode core is in contact with the clad. At least one of the core peripheral region and the cladding central region that is in contact with the multi-mode core has an absorbing medium that absorbs signal light.
このことによ り、 マルチモー ド光ファイバ内に存在するわずかな屈折 率分布や、 曲げなどの応力によ り発生する屈折率分布、 光ファイバ内の 散乱などにより、 基本モードから高次のモードにエネルギーが変換され て高次モードが発生してもマルチモ一 ド光フアイバ内でほとんど増幅さ れないので、 高次のモードをほぼ完全に抑制でき、 ほぼ回折限界の高ピ —クパワー出力を実現できるという効果が得られる。 As a result, the mode changes from a fundamental mode to a higher-order mode due to the slight refractive index distribution existing in the multimode optical fiber, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and scattering in the optical fiber. Even if higher-order modes are generated by conversion of energy, they are hardly amplified in the multi-mode optical fiber, so that higher-order modes can be almost completely suppressed and high peak-power output almost at the diffraction limit can be realized. The effect is obtained.
また、 このことにより、 高次のモー ドに結合して増幅される自然放出 光を抑制でき、 A S Eによる雑音成分と、 A S Eによるコア内に蓄積さ れたエネルギーの消費とを抑制で.きる という効果が得られる。 This also reduces spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes, thereby reducing noise components due to ASE and consumption of energy stored in the core by ASE. The effect is obtained.
さらに、 このことによ り、 基本モー ドから高次モードへのエネルギー の変換が生じても高次モードの增幅を抑制でき、 特に光ファイバ内の散 乱が小さ くなるような製造方法を用いる必要がなく、 ほぼ通常の製造方 法によってマルチモード光フアイバを製造できるという効果が得られる
さらに、 このことにより、 基本モードから高次モードへのエネルギー の変換が生じても、 高次モードの増幅を抑制でき、 クラッ ドの厚みを小 さくできるという効果が得られる。 図面の簡単な説明 Furthermore, even if the energy is converted from the fundamental mode to the higher-order mode, the width of the higher-order mode can be suppressed, and in particular, a manufacturing method that reduces the dispersion in the optical fiber is used. There is no need, and the advantage is that multimode optical fibers can be manufactured using almost normal manufacturing methods. Furthermore, even when energy is converted from the fundamental mode to the higher-order mode, the amplification of the higher-order mode can be suppressed and the thickness of the clad can be reduced. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
第 1図 A〜第 1図 Cは従来のマルチモード光フアイバの構造を示す図 である。 FIG. 1A to FIG. 1C are diagrams showing the structure of a conventional multimode optical fiber.
第 2図は第 1図のマルチモード光ファイバの伝搬モードに発生する利 得を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing gains generated in the propagation mode of the multimode optical fiber of FIG.
第 3図 A〜第 3図 Cはこの発明の実施の形態 1によるマルチモ一ド光 フアイバの構造を示す図である。 FIGS. 3A to 3C are diagrams showing the structure of a multi-mode optical fiber according to Embodiment 1 of the present invention.
第 4図はこの発明の実施の形態 1によるフアイバレ一ザ増幅器の構成 を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a fiber amplifier according to Embodiment 1 of the present invention.
第 5図は第 3図のマルチモード光ファイバの光軸に垂直な断面内にお ける伝搬モードの強度分布を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing an intensity distribution of a propagation mode in a cross section perpendicular to the optical axis of the multimode optical fiber of FIG.
第 6図は第 3図のマルチモード光ファイバの伝搬モードに発生する利 得を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing gains that occur in the propagation mode of the multimode optical fiber of FIG.
第 7図はこの発明の実施の形態 2によるフアイバレーザ増幅器の構成 を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a fiber laser amplifier according to Embodiment 2 of the present invention.
第 8図はこの発明の実施の形態 3によるファイバレーザ発振器の構成 を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a fiber laser oscillator according to Embodiment 3 of the present invention.
第 9図 A〜第 9図 Cはこの発明の実施の形態 4によるマルチモード光 ファイバの構造を示す図である。 . FIGS. 9A to 9C are diagrams showing the structure of a multimode optical fiber according to Embodiment 4 of the present invention. .
第 1 0図 A〜第 1 0図 Cはこの発明の実施の形態 5によるマルチモー ド光ファイバの構造を示す図である。
発明を実施するための最良の形態 FIGS. 10A to 10C are diagrams showing a structure of a multimode optical fiber according to Embodiment 5 of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 この発明をより詳細に説明するために、 この発明を実施するた めの最良の形態について添付の図面に従って説明する。 Hereinafter, in order to explain this invention in greater detail, the preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
実施の形態 1 - 第 3図 A〜第 3図 Cはこの発明の実施の形態 1による MM光ファイバ の構造を示す図である。 第 3図 Aは MM光ファイバの正面構造図、 第 3 図 Bは M M光ファイバの屈折率プロファイル '利得プロファイル '損失 プロファイル、 第 3図 Cは MM光フアイバの側面構造図をそれそれ表し ている。 正面とは MM光ファイバの光軸と直交した平面による MM光フ アイバの切断面を、 側面とは MM光フアイバの光軸を含んだ平面による MM光ファイバの切断面をそれぞれ意味する。 Embodiment 1-FIGS. 3A to 3C are diagrams showing the structure of an MM optical fiber according to Embodiment 1 of the present invention. Fig. 3A is a front view of the MM optical fiber, Fig. 3B is a refractive index profile of the MM optical fiber 'gain profile' loss profile, and Fig. 3C is a side view of the MM optical fiber. . The front means the cut surface of the MM optical fiber by a plane orthogonal to the optical axis of the MM optical fiber, and the side surface means the cut surface of the MM optical fiber by the plane including the optical axis of the MM optical fiber.
第 3図 A〜第 3図 Cにおいて、 1 0はこの実施の形態 1の MM光ファ ィバ、 1 1は MMコア、 1 2はクラッ ドである。 MMコア 1 1とクラッ ド 1 2とから MM光ファイク 1 0が構成されている。 In FIGS. 3A to 3C, 10 is the MM optical fiber of the first embodiment, 11 is the MM core, and 12 is the clad. The MM optical fiber 10 is composed of the MM core 11 and the clad 12.
また、 MMコア 1 1において、 1 1 Aはコア中心領域、 1 1 Bはコア 中間領域、 1 1 Cはコア周辺領域である。 MMコア 1 1は、 コア中心領 域 1 1 Aと、 コア中心領域 1 1 A周りのコア中間領域 1 1 Bと、 コア中 間領域 1 1 B周りのコア周辺領域 1 1 Cとによって構成されている。 In the MM core 11, 11A is a core central region, 11B is a core intermediate region, and 11C is a core peripheral region. The MM core 11 includes a core central region 11 A, a core intermediate region 11 B around the core central region 11 A, and a core peripheral region 11 C around the core intermediate region 11 B. ing.
コア中心領域 1 1 Aには希土類などの利得媒質を ドープしている。 こ の利得媒質は、 励起光を吸収することにより、 MMコア 1 1を伝搬する 信号光に対して利得を発生する。 また、 コア周辺領域 1 1 Cには希土類 などの吸収媒質を ド一プしている。 この吸収媒質は、 励起光をほとんど 吸収せず、 MMコア 1 1を伝搬する信号光のうちコァ周辺領域 1 1 Cに 拡がった成分を吸収するものである。 これらのコア中心領域 1 1 A, コ ァ周辺領域 1 1 Cに対して、 コア中間領域 1 1 Bには利得媒質 · 吸収媒
質を ド一プしていない。 コア中心領域 1 1 Aの屈折率と、 コア中間領域 1 1 Bの屈折率と、 コァ周辺領域 1 1 Cの屈折率とはほぼ一致するよう に調整されている。 The core central region 11 A is doped with a gain medium such as a rare earth. The gain medium generates a gain for the signal light propagating through the MM core 11 by absorbing the pump light. In addition, an absorbing medium such as a rare earth is doped in the core peripheral region 11C. The absorbing medium hardly absorbs the excitation light, but absorbs the component of the signal light propagating through the MM core 11 that has spread to the core peripheral region 11C. In contrast to the core central region 11 A and the core peripheral region 11 C, the core intermediate region 11 B has a gain medium and an absorption medium. Quality is not dominated. The refractive index of the core central region 11 A, the refractive index of the core intermediate region 11 B, and the refractive index of the core peripheral region 11 C are adjusted to be substantially the same.
次に、 MM光ファイバ 1 0を用いてフアイバレ一ザ増幅器を構成した 場合を一例として、 MM光ファイバ 1 0の動作について説明する。 Next, the operation of the MM optical fiber 10 will be described by taking as an example a case where a fiber amplifier is configured using the MM optical fiber 10.
第 4図はこの発明の実施の形態 1によるファイバレーザ増幅器の構成 例を示す図であり、 第 3図の MM光ファイバ 1 0を用いたファイバレ一 ザ増幅器の構成例を表している。 第 3図 A〜第 3図 Cと共通の符号は同 一または相当する構成を示している。 FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the fiber laser amplifier according to the first embodiment of the present invention, and shows a configuration example of the fiber laser amplifier using the MM optical fiber 10 of FIG. 3A to 3C denote the same or corresponding components.
第 4図において、 2 1は SMレーザ発振器、 2 2は SMレーザ発振器 2 1から出力されたほぼ回折限界の S Mの信号光、 2 3は励起光源、 2 4は励起光源 2 3から出力された励起光、 2 5はダイクロイツクミラ一 、 L 1〜 L 4はレンズである。 ダイクロイ ヅクミラー 2 5は、 励起光 2 4の波長を反射し、 信号光 2 2の波長を透過する。 In FIG. 4, reference numeral 21 denotes an SM laser oscillator, 22 denotes an almost diffraction-limited SM signal light output from the SM laser oscillator 21, 23 denotes an excitation light source, and 24 denotes an output from the excitation light source 23. Excitation light, 25 is a dichroic mirror, and L1 to L4 are lenses. The dichroic mirror 25 reflects the wavelength of the excitation light 24 and transmits the wavelength of the signal light 22.
励起光源 2 3から出力した励起光 24は、 レンズ (第 2の光学系) L 4によつて平行光に変換された後にダイクロイ ツクミラ一 (第 2の光学 系) 2 5で反射され、 さらにレンズ (第 2の光学系) L 3で集光されて MM光ファイノ 1 0へと入射する。 MM光ファイバ 1 0へ入射した励起 光 24は、 MM光ファイ ノ 1 0のコア中心領域 1 1 Aに ドープした利得 媒質によつて吸収され、 MM光ファイノ1 ? 1 0の MMコア 1 1の中心付近 に利得を発生する。 The excitation light 24 output from the excitation light source 23 is converted into parallel light by the lens (second optical system) L4, and then reflected by the dichroic mirror (second optical system) 25. (Second optical system) The light is condensed by L 3 and enters the MM optical fino 10. The pump light 24 incident on the MM optical fiber 10 is absorbed by the gain medium doped in the core central region 11 A of the MM optical fiber 10 , and is absorbed by the MM core 11 of the MM optical fiber 1-10 . A gain is generated near the center.
一方、 SMレーザ発振器 2 1から出力した信号光 2 2は、 レンズ (第 1の光学系) L 1によって平行光に変換された後、 MM光ファイバ 1 0 の基本モードにほぼ一致するようにレンズ (第 1の光学系) L 2で集光 され、 MM光ファイ ノ 1 0へと入射する。 MM光フア イ ノ ' 1 0へ入射し た信号光 2 2は、 MM½ファイバ 1 0のコア中心領域 1 1 Aで発生した
利得媒質の利得によって増幅されるとともに、 M M光ファイバ 1 0のコ ァ周辺領域 1 1 Cに ドープされた吸収媒質によって、 コア周辺領域 1 1 Cに拡がった成分が吸収される。 On the other hand, the signal light 22 output from the SM laser oscillator 21 is converted into parallel light by the lens (first optical system) L 1, and then substantially matched to the fundamental mode of the MM optical fiber 10. (First optical system) The light is condensed by L 2 and enters the MM optical fin 10. The signal light 22 incident on the MM optical fiber '10 was generated in the core central region 11A of the MM½ fiber 10 While being amplified by the gain of the gain medium, the component expanded in the core peripheral region 11 C is absorbed by the absorbing medium doped in the core peripheral region 11 C of the MM optical fiber 10.
M M光フアイパ 1 0内で生じる利得は、 M M光フアイバ 1 0の伝搬モ —ドによって異なり、 基本モ一ドに対しては損失に比べて利得の方が大 きく、 高次のモー ドに対しては利得に比べて損失の方が大きくなる。 信 号光 2 2は M M光ファイバ 1 0の基本モードとほぼ一致するように M M 光ファイ ノ 1 0へ入射しているので、 M M光ファイバ 1 0では基本モー ドのみを選択的に増幅でき、 高次のモードをほとんど発生させずにすむ o The gain generated in the MM optical fiber 10 depends on the propagation mode of the MM optical fiber 10, and the gain is larger than the loss for the basic mode and higher for higher modes. Therefore, the loss is larger than the gain. Since the signal light 22 enters the MM optical fiber 10 so that it substantially matches the fundamental mode of the MM optical fiber 10, the MM optical fiber 10 can selectively amplify only the fundamental mode. Occurrence of almost no higher-order modes o
また、 S Mレーザ発振器 2 1 自身のビ一ム品質の低下や、 レンズなど の光学系で発生する収差によって高次のモードが信号光 2 2に発生し、 M M光ファイ ノ 1 0の基本モードと一致せずに信号光 2 2が M M光ファ ィバ 1 0へ入射した場合であつても、 M M光ファイバ 1 0では、 この信 号光 2 2のうち基本モードのみが選択的に増幅され、 信号光 2 2の高次 モードは増幅されないか、 または吸収により減少するようになる。 この ため、 M M光ファイバ 1 0で信号光 2 2が伝搬している間に基本モード のみを増幅することができ、 高次モードを抑制できる。 In addition, a higher-order mode is generated in the signal light 22 due to the deterioration of the beam quality of the SM laser oscillator 21 itself and aberrations generated in an optical system such as a lens. Even if the signal light 22 enters the MM optical fiber 10 without matching, only the fundamental mode of the signal light 22 is selectively amplified by the MM optical fiber 10, The higher-order modes of the signal light 22 are not amplified or are reduced by absorption. For this reason, while the signal light 22 propagates through the MM optical fiber 10, only the fundamental mode can be amplified, and higher-order modes can be suppressed.
さらに、 曲げなどの応力により M M光フア イ ノ ' 1 0内で発生する屈折 率分布や、 M M光フアイバ 1 0内の散乱などにより、 基本モードから高 次のモードにエネルギーが変換されて高次モ一ドが発生した場合でも、 高次のモードは増幅されないか、 または吸収'によ り減少してしまうため 、 高次のモードは M M光ファイバ 1 0からほとんど出力されない。 Furthermore, due to the refractive index distribution generated in the MM optical fiber '10 due to stress such as bending, and the scattering in the MM optical fiber 10, the energy is converted from the fundamental mode to a higher-order mode, resulting in higher-order modes. Even when a mode occurs, the higher-order mode is hardly amplified or is reduced by absorption, so that the higher-order mode is hardly output from the MM optical fiber 10.
さらに、 M M光ファイ ノ 1 0内の A S Eのうち、 高次のモードに結合 した成分も同様に増幅されないか、 または吸収により減少してしまうた め、 信号光 2 2に対する雑音成分を抑制でき、 コア内に蓄えられたエネ
ルギ一が AS Eによって消費されてしまうことも抑制できる。 MM光フ アイバ 1 0により増幅された信号光 2 2は、 ほぼ基本モードの成分のみ を持つレーザ出力光として MM光ファイバ 1 0の反対側から出力し、 レ ンズ L 3で平行光に変換された後、 ダイクロイ ツクミラー 25を透過し て出力する。 Furthermore, among the ASEs in the MM optical fiber 10, the components coupled to the higher-order modes are also not amplified or reduced by absorption, so that the noise component with respect to the signal light 22 can be suppressed. Energy stored in the core The consumption of lugi by ASE can also be suppressed. The signal light 22 amplified by the MM optical fiber 10 is output from the opposite side of the MM optical fiber 10 as a laser output light having substantially only the fundamental mode component, and is converted into a parallel light by the lens L3. Then, the light passes through the dichroic mirror 25 and is output.
このとき、 MM光ファイバ 1 0で増幅される信号光 2 2に発生する利 得を考える。 第 5図は第 3図の MM光ファイバ 1 0の光軸に垂直な断面 内における伝搬モードの強度分布を示す図である。 ここでは正規化周波 数 Vを 1 0としており、 MM光フ 1 0内の基本モード L P 0 1と 、 基本モー ド L P Q iの強度分布形状に比較的近い強度分布を持つた高 次のモード L P。 2と、 高次のモードの中で最も次数の低い低次モー ド L P!!との各強度分布を第 5図にそれそれ表している。 At this time, consider the gain generated in the signal light 22 amplified by the MM optical fiber 10. FIG. 5 is a diagram showing an intensity distribution of a propagation mode in a cross section perpendicular to the optical axis of the MM optical fiber 10 in FIG. Here, the normalized frequency V is assumed to be 10, and the fundamental mode LP 01 in the MM optical fiber 10 and the higher-order mode having an intensity distribution relatively close to the intensity distribution shape of the fundamental mode LP Q i LP. 2 and the lowest order low order mode LP among the higher order modes! ! Figure 5 shows the respective intensity distributions.
なお、 第 5図の横軸は MM光ファイバ 1 0の中心からの距離 r (MM コア 1 1の半径で規格化) であり、 第 5図の縦軸は強度である。 厳密に は、 L Pモードは MMコア 1 1の屈折率 n とクラッ ド 1 2の屈折率 n 2との差が小さいときに成り立つ近似であるが、 MM光ファイバ 1 0の 動作において問題となる差は生じないと考えて良い。 The horizontal axis in FIG. 5 is the distance r from the center of the MM optical fiber 10 (normalized by the radius of the MM core 11), and the vertical axis in FIG. 5 is the intensity. Strictly speaking, although the LP mode is an approximation that holds when the difference between the refractive index n 2 of the refractive index n and the clad 1 2 MM core 1 1 is small, a problem in the operation of the MM optical fiber 1 0 differences Can be considered not to occur.
第 5図において、 高次のモー ド L P。 2は中心 ( r = 0 ) で最大とな るが、 中心から r = 0. 5程度までの積分値で考えると、 基本モード L P。 iに比べてその強度は小さい。 一方、 コア外周付近 ( r〜 l ) にお いては、 基本モード L Ρ。 iに比べてモード L Ρ。 2は大きな強度を持つ また、 モー ド L P 1丄については、 中心 ( r = 0 ) の強度は 0となる ため、 中心付近の強度分布は基本モード L P。 に比べて小さい。 コア 外周付近 ( r〜 l ) においては、 基本モード L Ρ。 に比べてモード L P i iが大きな強度分布を持つ。 各モー ド L P。2, L P Hよりもさらに
高次のモードについては、 この傾向が大きくなる。 In Fig. 5, high-order mode LP. 2 is maximum at the center (r = 0), but considering the integral from the center to r = 0.5, the fundamental mode is LP. Its intensity is smaller than i. On the other hand, in the vicinity of the core outer circumference (r to l), the fundamental mode L Ρ. Mode L 比 べ compared to i. 2 has a large intensity. For mode LP 1 丄, the intensity at the center (r = 0) is 0, so the intensity distribution near the center is the fundamental mode LP. Smaller than. In the vicinity of the core outer circumference (rl), the fundamental mode L Ρ. Mode LP ii has a larger intensity distribution than that of. Each mode LP. 2 , more than LPH This tendency is greater for higher-order modes.
したがって、 M M光ファイバ 1 0の中心付近 ( r〜 0 ) に利得を与え るとともに、 コア外周付近 (r〜 l ) に損失を与え、 利得/損失比を適 当に設定することによ り、 基本モード L P。 iでは損失に比べて利得が 大きくなるように、 その他の高次モードに対しては利得に比べて損失が 大きくなるように設定可能であり、 MM光ファイノ 1 0で基本モード L P。 iのみを選択的に増幅することが可能となる。 正規化周波数 Vが大 きくなるにしたがって、 外周付近の基本モードの強度分布と、 高次のモ ードの強度分布との差が小さくなつていくが、 傾向は同じであり、 利得 /損失比を適当に設定することによ り基本モードのみを選択的に増幅す るこ が可能である。 ' Therefore, by giving a gain near the center (r to 0) of the MM optical fiber 10 and giving a loss near the outer periphery of the core (r to l) and setting the gain / loss ratio appropriately, Basic mode LP. In i, the gain can be set to be larger than the loss, and for other higher-order modes, the loss can be set to be larger than the gain. Only i can be selectively amplified. As the normalized frequency V increases, the difference between the intensity distribution of the fundamental mode near the outer periphery and the intensity distribution of the higher-order mode becomes smaller, but the tendency is the same, and the gain / loss ratio becomes the same. By appropriately setting, it is possible to selectively amplify only the fundamental mode. '
ここで、 MM光フアイバ 1 0の伝搬モードに発生する利得 ·損失の一 例として、 基本モード L P。 1 3 高次のモード L P。 2, 低次モード L P i丄に対する利得の計算結果を次の第 6図に示す。 なお、 参考のために 、 同じ条件でコア周辺領域 1 1 Cを設けない場合の基本モード L P0 1 に対する利得の計算結果も合せて示している。 Here, the fundamental mode LP is an example of the gain and loss that occur in the propagation mode of the MM optical fiber 10. 1 3 Higher order mode LP. 2. The results of calculating the gain for the low-order mode LP i 丄 are shown in Fig. 6 below. For reference, shows calculation results of the gain be combined for the fundamental mode LP 0 1 of the case without the core peripheral region 1 1 C in the same conditions.
第 6図は第 3図の MM光ファイバ 1 0の伝搬モードに発生する利得を 示す図である。 第 6図の横軸はコア中心領域 1 1 Aの規格化半径であり 、 MMコア 1 1の半径で規格化している。 また、 第 6図の縦軸は各モ一 ドに発生する利得であり、 伝搬モードの強度分布が存在する全領域が利 得を持ち、 コァ周辺領域 1 1 Cが存在しない場合の各モードに発生する 利得で規格化してある。 利得の値が負のときは損失が発生していること を示す。 なお、 コァ周辺領域 1 1 Cの内径は MMコア 1 1の半径の 0. 9倍とし、 利得/損失比として最適な値を選んでいる。 FIG. 6 is a diagram showing a gain generated in a propagation mode of the MM optical fiber 10 of FIG. The horizontal axis in FIG. 6 is the normalized radius of the core central region 11 A, which is normalized by the radius of the MM core 11. The vertical axis in Fig. 6 is the gain that occurs in each mode, and the entire area where the intensity distribution of the propagation mode exists has gain and the core peripheral area 11C does not exist. It is normalized by the generated gain. A negative value of the gain indicates that a loss has occurred. The inner diameter of the core peripheral area 11 C is set to 0.9 times the radius of the MM core 11, and the optimal value is selected as the gain / loss ratio.
第 6図から、 コァ中心領域 1 1 Aの規格化半径 0. 47以下において 、 高次のモードに対する利得は 0以下、 すなわち高次のモードに対して
は損失が発生するため、 MM光ファイバ 1 0では高次のモードは抑制さ れることが分かる。 ここで、 高次のモードとして L P。 2および L P i i を示したが、 さらに高次のモードではモード L P Q 2およびモード L P丄 iの利得よりも大きくなることは少なく ともない。 コァ周辺領域 1 1 C は基本モード L P。 iに対しても損失を発生するが、 コア周辺領域 1 1 Cに存在する基本モード L P。 iの強度分布は小さいため、 この損失の 影響は小さい。 From Fig. 6, when the normalized radius of the core center area 11A is 0.47 or less, the gain for the higher-order mode is 0 or less, that is, for the higher-order mode. It can be seen that high-order modes are suppressed in the MM optical fiber 10 because a loss occurs. Where LP is the higher mode. 2 and LP ii are shown, but in higher order modes, the gains of the modes LPQ 2 and LP 丄 i are often larger than the gains. Core peripheral area 1 1 C is basic mode LP. Loss also occurs for i, but the fundamental mode LP exists in the core peripheral area 1 1 C. Since the intensity distribution of i is small, the effect of this loss is small.
したがって、 この条件においては、 コア中心領域 1 1 Aの規格化半径 を 0 . 4 7以下にすることにより、 基本モード L P。 iのみが利得を持 つようになり、 基本モード L P。 iのみを選択的に増幅することが可能 になる。 Therefore, in this condition, the basic mode LP can be obtained by setting the normalized radius of the core central region 11 A to 0.47 or less. Only i now has a gain, the basic mode L P. Only i can be selectively amplified.
一般的なフアイバレーザ発振器ゃフアイバレーザ増幅器に使用される 利得媒質としては、 例えば次の ( a ) 〜 ( c ) が挙げられる。 Examples of the gain medium used in a general fiber laser oscillator ゃ a fiber laser amplifier include the following (a) to (c).
( a ) エルビウム ( E r ) (a) Erbium (Er)
吸収波長: 0. 9 8 im, 1 . 4 8 rn Absorption wavelength: 0.98 im, 1.48 rn
発振波長 : 1 . 5 3〃m〜 l . 6〃m Oscillation wavelength: 1.5 3〃m ~ l. 6〃m
( b ) ネオジゥム ( N d ) (b) Neodymium (Nd)
吸収波長 : 0. 8 Absorption wavelength: 0.8
発振波長 : 1 . 0 6〃m, 1 . 3 Oscillation wavelength: 1.06〃m, 1.3
( c ) イ ツテリ ビゥム ( Y b ) (c) It's beam (Yb)
吸収波長 : 約 0 . 9 8 zm Absorption wavelength: about 0.98 zm
発振波長 : 約 1 . 0 2 /m〜 l . l m Oscillation wavelength: about 1.02 / m to l.lm
一方、 コア周辺領域 1 1 Cに ドープした吸収媒質の材料は、 コア中心 領域 1 1 Aに ド一プした利得媒質を励起するための励起光 2 4をほとん ど吸収せず、 信号光 2 2に対して吸収性を有する材料であればどのよう な材料であっても良い。
例えば ( a) のエルビウムを利得媒質として用いた場合には、 1. 5 /m付近に吸収帯を持ち、 0. 9 8 m付近に吸収帯を持たないコバル ト (C o ) などを吸収媒質として使用することができる。 On the other hand, the material of the absorbing medium doped in the core peripheral region 11 C hardly absorbs the pumping light 24 for pumping the gain medium doped in the core central region 11 A, and the signal light 22 2 Any material may be used as long as the material has absorptivity. For example, when erbium in (a) is used as the gain medium, cobalt (C o), which has an absorption band near 1.5 / m and no absorption band near 0.98 m, is used as the absorption medium. Can be used as
また、 (b) のネオジゥムを利得媒質として用いた場合には、 1. 0 6 /m付近に吸収帯を持ち、 0. 8 zm付近に吸収帯を持たないプラセ ォジゥム (P r) やサマリウム (Sm) などを吸収媒質として使用する ことができる。 When the neodymium of (b) is used as a gain medium, a placebo (Pr) or samarium (Pr) that has an absorption band near 1.06 / m and has no absorption band near 0.8 zm Sm) can be used as the absorption medium.
さらに、 ( c ) のイ ツテリ ビゥムを利得媒質として用いた場合、 吸収 波長と発振波長とが近いため材料の選定が難しいが、 1. 02〜 1. 1 zm付近に吸収帯を持ち、 0. 9 8 /m付近に吸収帯を持たない吸収材 料を用いれば、 同様の効果が得られる。 Furthermore, when the iterium beam of (c) is used as a gain medium, it is difficult to select a material because the absorption wavelength and the oscillation wavelength are close to each other, but it has an absorption band around 1.02 to 1.1 zm. The same effect can be obtained by using an absorbent material having no absorption band around 98 / m.
このように、 MM光フ ァ イ ク 1 0では、 高次モードに対して利得がほ とんど発生せず、 基本モードに対してのみ大きな利得を有するので、 M M光フアイバ 1 ◦内に存在するわずかな屈折率分布や、 曲げなどの応力 により発生する屈折率分布、 光ファイバ内の散乱などにより、 基本モー ドから高次のモードにエネルギーが変換されて高次モードが発生しても MM光ファイバ 1 0内でほとんど増幅されないので、 高次のモードがほ ぼ完全に抑制され、 ほぼ回折限界の高ピークパワー出力を得ることが可 能である。 As described above, in the MM optical fiber 10, almost no gain is generated for the higher-order mode, and the MM optical fiber 10 has a large gain only for the fundamental mode. Due to the small refractive index distribution that is generated, the refractive index distribution generated by stress such as bending, and the scattering in the optical fiber, the energy is converted from the basic mode to a higher-order mode. Since it is hardly amplified in the optical fiber 10, high-order modes are almost completely suppressed, and it is possible to obtain an almost diffraction-limited high peak power output.
また、 高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制さ れるため、 AS Eによる雑音成分と、 A S Eによるコア内に蓄積された エネルギーの消費とを抑制することが可能になる。 Also, spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes is similarly suppressed, so that noise components due to ASE and consumption of energy stored in the core by ASE can be suppressed. Become.
さらに、 基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても 高次モードの増幅が抑制されるため、 特に光ファイバ内の散乱が小さ く なるような製造方法を用いる必要がなく、 ほぼ通常の製造方法によって MM光ファイバ 1 0を製造することができる。
さらに、 基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても 高次モードの増幅が抑制されるため、 クラッ ド 1 2の厚みを小さくする ことができる。 Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher-order mode occurs, amplification of the higher-order mode is suppressed, so there is no need to use a manufacturing method that minimizes scattering in the optical fiber, and it is almost normal. The MM optical fiber 10 can be manufactured by the manufacturing method described above. Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher-order mode occurs, amplification of the higher-order mode is suppressed, so that the thickness of the cladding 12 can be reduced.
なお、 M Mコア 1 1のコア中心領域 1 1 A, コア中間領域 1 1 Bおよ ぴコア周辺領域 1 1 Cの屈折率はほぼ一致させるものとしたが、 M Mコ ァ 1 1の中心から外周へ向かって屈折率が小さくなるように、 すなわち コア中心領域 1 1 Aに比べてコア中間領域 1 1 Bの屈折率が小さく、 コ ァ中間領域 1 1 Bに比べてコア周辺領域 1 1 Cの屈折率が小さくなるよ うに構成しても良い。 このとき、 M Mコア 1 1を伝搬する信号光 2 2の モード形状は変化するが、 コア中心領域 1 1 Aの半径、 コア周辺領域 1 1 Cの半径および利得/損失比を適当に設定することにより、 基本モー ドのみを選択的に増幅することが可能であり、 同様の効果が得られる。 以上のように、 この実施の形態 1によれば、 利得媒質を ド一プしたコ ァ中心領域 1 1 Aと、 コア中心領域 1 1 A周りのコア中間領域 1 1 Bと 、 吸収媒質がド一プされ、 コア中間領域 1 1 B周りのコア周辺領域 1 1 Cとからなる M Mコア 1 1 と、 クラッ ド 1 2 とから M M光ファイク 1 0 を構成するようにしたので、 M M光ファイバ 1 0内に存在するわずかな 屈折率分布や、 曲げなどの応力により発生する屈折率分布、 光ファイバ 内の散乱などにより、 基本モードから高次のモードにエネルギーが変換 されて高次モードが発生しても M M光ファイバ 1 0内でほとんど増幅さ れないので、 高次のモードをほぼ完全に抑制でき、 ほぼ回折限界の高ピ ークパワー出力を実現できるという効果が得られる。 Note that the refractive indices of the core central region 11 A, the core intermediate region 11 B, and the core peripheral region 11 C of the MM core 11 were assumed to be substantially the same, but the center of the MM core 11 was positioned from the outer periphery. So that the refractive index of the core intermediate region 11B is smaller than that of the core central region 11A, and the refractive index of the core peripheral region 11C is smaller than that of the core intermediate region 11B. You may comprise so that a refractive index may become small. At this time, the mode shape of the signal light 22 propagating through the MM core 11 changes, but the radius of the core central region 11 A, the radius of the core peripheral region 11 C, and the gain / loss ratio must be set appropriately. Thus, only the basic mode can be selectively amplified, and the same effect can be obtained. As described above, according to the first embodiment, the core central region 11 A in which the gain medium is doped, the core intermediate region 11 B around the core central region 11 A, and the absorbing medium are doped. The MM optical fiber 10 is composed of the MM core 11 composed of the core intermediate region 11 1 C around the core intermediate region 11 B and the cladding 12, so that the MM optical fiber 1 Energy is converted from the fundamental mode to a higher-order mode due to a slight refractive index distribution existing in 0, a refractive index distribution generated by stress such as bending, or scattering in an optical fiber, and a higher-order mode is generated. However, since it is hardly amplified in the MM optical fiber 10, high-order modes can be almost completely suppressed, and the effect of realizing a high peak power output almost in the diffraction limit can be obtained.
また、 高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制で きるので、 A S Eによる雑音成分と、 A S Eによるコア内に蓄積された エネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。' In addition, since spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes can be similarly suppressed, the effect of suppressing noise components due to ASE and consumption of energy stored in the core due to ASE can be obtained. . '
さらに、 基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても
、 この高次モー ドの増幅を抑制でき、 特に光ファイバ内の散乱が小さ く なるような製造方法を用いる必要がなく、 ほぼ通常の製造方法によって MM光フ ァイク 1 0を製造できるという効果が得られる。 Furthermore, even if energy conversion from fundamental mode to higher mode occurs However, it is possible to suppress the amplification of this higher-order mode, and it is not necessary to use a manufacturing method that minimizes the scattering in the optical fiber, and it is possible to manufacture the MM optical fiber 10 by an almost normal manufacturing method. can get.
さらに、 基本モー ドから高次モ一ドへのエネルギーの変換が生じても 、 高次モードの増幅を抑制でき、 クラッ ド 1 2の厚みを小さくできると いう効果が得られる。 Furthermore, even if energy is converted from the basic mode to the higher mode, the effect of suppressing the amplification of the higher mode and reducing the thickness of the clad 12 can be obtained.
また、 この実施の形態 1によれば、 MM光ファイバ 1 0と、 ほぼ回折 限界の SMの信号光 2 2を出力する SMレーザ発振器 2 1と、 MM光フ ァイノ 1 0の一端に設けられ、 S Mレ一ザ発振器 2 1からの信号光 2 2 を MM光ファイノ、" 1 0の基本モードにほぼ一致させて MM光ファイノ 1 0へ入射するレンズ L l, L 2と、 MM光ファイノ、' 1 0の MMコア 1 1 の利得媒質に吸収される励起光 24を出力する励起光源 2 3と、 MM光 フ ァイバ 1 0の他端に設けられ、 励起光源 2 3からの励起光 2 4を MM 光ファイノ、" 1 0へ入射するとともに、 MM光フアイバ 1 0からの信号光 2 2を外部へ透過するダイクロイ ツク ミラ一 2 5 , レンズ L 3 , L 4と からフアイバレーザ増幅器を構成するようにしたので、 ほぼ回折限界の 高平均出力、 高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られる。 Further, according to the first embodiment, the MM optical fiber 10, the SM laser oscillator 21 that outputs the signal light 22 of the SM having substantially the diffraction limit, and the MM optical fiber 10 are provided at one end, The signal light 22 from the SM laser oscillator 21 is made to be the MM optical fino, and the lenses L l and L 2 that are incident on the MM optical fino 10 with the fundamental mode almost matched to the “10 fundamental mode”. The pump light source 23 that outputs the pump light 24 absorbed by the gain medium of the MM core 11 of 10 and the pump light 24 provided at the other end of the MM optical fiber 10 and the pump light 24 from the pump light source 23 A dichroic mirror 25, which transmits the signal light 22 from the MM optical fiber 10 to the outside while entering the MM optical fino, "10, and the lenses L3, L4, constitutes a fiber laser amplifier. As a result, it is possible to obtain an effect that a high average output and a high peak power output almost at the diffraction limit can be realized.
さらに、 この実施の形態 1によれば、 利得媒質としてエルビウム (E r ) を ド一プするとともに、 吸収媒質としてコバル ト ( C o) を ド一プ するようにしたので、 1. 5 3 m〜 l . 6 mの波長帯でほぼ回折限 界の高平均出力、 高ピークパワー出力を実現できるという効果が得られ さらに、 この実施の形態 1によれば、 利得媒質としてネオジゥム (N d ) を ド一プするとともに、 吸収媒質としてプラセォジゥム (P r) ま たはサマリ ウム ( S m ) を ド一プするようにしたので、 1. 0 5〃 m付 近の波長帯でほぼ回折限界の高平均出力、 高ピークパワー出力を実現で
きるという効果が得られる。 実施の形態 2 . Furthermore, according to the first embodiment, erbium (E r) is doped as a gain medium and cobalt (Co) is doped as an absorption medium. It is possible to obtain an effect that a high average output and a high peak power output in a diffraction limit can be realized in a wavelength band of about 1.6 m. Further, according to the first embodiment, neodymium (N d) is used as a gain medium. In addition to doping, praseodymium (Pr) or samarium (Sm) is used as the absorbing medium, so that the diffraction limit is almost high in the wavelength band around 1.05 m. Average output and high peak power output The effect that can be obtained is obtained. Embodiment 2
第 7図はこの発明の実施の形態 2によるフアイバレ一ザ増幅器の構成 を示す図であり、 第 3図の M M光ファイバ 1 0を用いたファイバレーザ 増幅器の構成例を表している。 第 4図と共通の符号は同一または相当す る構成を示している。 FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a fiber amplifier according to Embodiment 2 of the present invention, and shows a configuration example of a fiber laser amplifier using the MM optical fiber 10 of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 4 indicate the same or corresponding components.
第 7図において、 2 6は S Mパルスレーザ発振器 ( S Mレーザ発振器 ) 、 2 7は S Mパルスレーザ発振器 2 6から出力されるパルス状の信号 光、 2 8はパルス幅拡張器 (第 1の光学系) 、 2 9はパルス幅圧縮器 ( 第 2の光学系) である。 In FIG. 7, 26 is an SM pulse laser oscillator (SM laser oscillator), 27 is a pulse-like signal light output from the SM pulse laser oscillator 26, and 28 is a pulse width expander (first optical system). ) And 29 are pulse width compressors (second optical system).
次に動作について説明する。 Next, the operation will be described.
励起光源 2 3から出力した励起光 2 4は、 レンズ L 4によって平行光 に変換された後にダイクロイ ツクミラー 2 5で反射され、 さらにレンズ L 3で集光されて M M光ファイバ 1 0へと入射する。 M M光ファイバ 1 0へ入射した励起光 2 4は、 M M光ファイバ 1 0のコア中心領域 1 1 A に ド一プされた利得媒質によって吸収され、 M M光ファイバ 1 0の M M コア 1 1の中心付近に利得を発生する。 The excitation light 24 output from the excitation light source 23 is converted into parallel light by the lens L4, reflected by the dichroic mirror 25, further condensed by the lens L3, and incident on the MM optical fiber 10. . The pumping light 24 incident on the MM optical fiber 10 is absorbed by the gain medium doped in the core central region 11 A of the MM optical fiber 10, and the center of the MM core 11 of the MM optical fiber 10 is Generates gain near.
一方、 S Mパルスレーザ発振器 2 6から出力したパルス状の信号光 2 7は、 レンズ L 1によって平行光に変換された後、 パルス幅拡張器 2 8 によつてパルス幅が拡げられ、 M M光ファイノ、" 1 0の基本モードにほぼ 一致するようにレンズ L 2で集光され、 M M光ファイバ 1 0へと入射す る。 On the other hand, the pulse-like signal light 27 output from the SM pulse laser oscillator 26 is converted into parallel light by the lens L1, and then the pulse width is expanded by the pulse width expander 28, so that the MM optical , "Is condensed by the lens L2 so as to substantially coincide with the fundamental mode of 10 and enters the MM optical fiber 10.
ファイバレーザ増幅器においてパルス状で高出力を制限するのは、 主 にパルスのピークパワーによる光フアイバ端面の損傷である。 信号光 2 7のパルス幅はパルス幅拡張器.2 8によって拡大されて長いパルス幅を
有するようになるので、 信号光 2 7のピークパワーは低下し、 MM光フ アイバ 1 0の端面の損傷による制限を抑制することができる。 The limitation of high power in the pulsed form in fiber laser amplifiers is mainly the damage to the end face of the optical fiber due to the peak power of the pulse. The pulse width of the signal light 27 is expanded by a pulse width expander. As a result, the peak power of the signal light 27 is reduced, and the limitation due to damage to the end face of the MM optical fiber 10 can be suppressed.
MM光フアイバ 1 0へ入射した信号光 2 7は、 基本モードのみが選択 的に増幅される。 MM光ファイバ 1 0により増幅された信号光 2 7は、 ほぼ S本モ一ドの成分のみを持つレーザ出力光として MM光ファイバ 1 0の反対側から出力し、 レンズ L 3で平行光に変換された後、 ダイク口 イ ツクミラー 2 5を透過し、 パルス幅圧縮器 2 9により信号光 2 7のパ ルス幅が圧縮されて出力する。 Only the fundamental mode of the signal light 27 incident on the MM optical fiber 10 is selectively amplified. The signal light 27 amplified by the MM optical fiber 10 is output from the opposite side of the MM optical fiber 10 as a laser output light having almost only S mode components, and converted into a parallel light by the lens L3. After that, the signal light 27 passes through the dike mirror 25, and the pulse width of the signal light 27 is compressed by the pulse width compressor 29 to be output.
このように、 第 7図のファイバレーザ増幅器では、 パルス状の信号光 2 7のパルス幅をパルス幅拡張器 2 8によって拡大して MM光フアイバ 1 0へ入射し、 MM光フアイバ 1 0から出射した信号光 2 7のパルス幅 をパルス幅圧縮器 2 9によって圧縮して出力するので、 ほぽ回折限界の 出力が得られるとともに、 さらに高ピークパワー出力を得ることが可能 になる。 As described above, in the fiber laser amplifier shown in FIG. 7, the pulse width of the pulsed signal light 27 is expanded by the pulse width expander 28, and then is input to the MM optical fiber 10 and is output from the MM optical fiber 10 Since the pulse width of the signal light 27 obtained is compressed and output by the pulse width compressor 29, a nearly diffraction-limited output can be obtained and a higher peak power output can be obtained.
以上のように、 この実施の形態 2によれば、 MM光フア イ ノ ' 1 0と、 パルス状の信号光 2 7を出力する S Mパルスレーザ発振器 2 6と、 MM 光ファイバ 1 0の一端に設けられ、 S Mパルスレーザ発振器 2 6からの 信号光 2 7を MM光ファイバ 1 0の基本モードにほぼ一致させて MM光 フ ァ イ ノ 1 0へ入射するとともに、 S Mパルスレーザ発振器 2 6からの 信号光 2 7のパルス幅を拡大するレンズ L 1, L 2 , パルス幅拡大器 2 8と、 MM光ファイバ 1 0の MMコア 1 1の利得媒質に吸収される励起 光 2 4を出力する励起光源 2 3と、 MM光ファイバ 1 0の一端に設けら れ、 励起光源 2 3からの励起光 24を MM光ファイバ 1 0へ入射すると ともに、 MM光ファイバ 1 0からの信号光 2 7のパルス幅を圧縮して外 部へ透過するダイクロイ ツクミラ一 2 5, レンズ L 3, L 4 , パルス幅 圧縮器 2 9とからフアイバレーザ増幅器を構成するようにしたので、 ほ
ぼ回折限界の高平均出力、 高ピークパワー出力がパルス状の信号光 2 7 で実現できるという効果が得られる。 実施の形態 3 . As described above, according to the second embodiment, the MM optical fiber 10, the SM pulse laser oscillator 26 that outputs the pulsed signal light 27, and the one end of the MM optical fiber 10 are provided. The signal light 27 from the SM pulse laser oscillator 26 is made substantially coincident with the fundamental mode of the MM optical fiber 10 and is incident on the MM optical laser 10 while the signal light 27 from the SM pulse laser oscillator 26 is provided. Lenses L 1 and L 2 that expand the pulse width of signal light 27, pulse width expander 28, and pump light that outputs pump light 24 that is absorbed by the gain medium of MM core 11 of MM optical fiber 10 The light source 23 and one end of the MM optical fiber 10 are provided, and the excitation light 24 from the excitation light source 23 is incident on the MM optical fiber 10 and the signal light 27 from the MM optical fiber 10 is pulsed. The dichroic mirror 25, which compresses the width and transmits to the outside, the lenses L3 and L4, and the pulse width compressor 29 The fiber laser amplifier was constructed from The effect that a high average output and a high peak power output at the diffraction limit can be realized by the pulsed signal light 27 is obtained. Embodiment 3.
第 8図はこの発明の実施の形態 3によるフアイバレーザ発振器の構成 例を示す図であり、 第 3図の M M光ファイバ 1 0を用いたファイバレ一 ザ発振器の構成例を表している。 第 4図と共通の符号は同一または相当 する構成を示している。 FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a fiber laser oscillator according to a third embodiment of the present invention, and shows a configuration example of a fiber laser oscillator using the MM optical fiber 10 of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 4 indicate the same or corresponding components.
第 8図において、 3 0は M M光ファイバ 1 0の一端に設けられた全反 射ミラー、 3 1 は M M光ファイバ 1 0の他端に設けられた部分反射ミ ラ —である。 全反射ミラ一 3 0は M M光ファイバ 1 0で生じたレーザ発振 による発振光を全て反射し、 部分反射ミラ一 3 1は M M光ファイバ 1 0 で生じたレーザ発振による発振光の一部を透過して残りを反射する (部 分反射) 。 In FIG. 8, reference numeral 30 denotes a total reflection mirror provided at one end of the MM optical fiber 10, and reference numeral 31 denotes a partial reflection mirror provided at the other end of the MM optical fiber 10. The total reflection mirror 30 reflects all the oscillation light generated by the laser oscillation generated by the MM optical fiber 10, and the partially reflected mirror 31 transmits a part of the oscillation light generated by the laser oscillation generated by the MM optical fiber 10. And reflect the rest (partial reflection).
励起光 2 4は部分反射ミラー 3 0 または全反射ミ ラー 3 1のどちら側 から M M光ファイバ 1 0へ入射しても良く、 励起光 2 4が入射する側の 全反射ミラ一 3 0 または部分反射ミラ一 3 1は、 励起光 2 4がほぼ全て 透過するような特性を有する。 全反射ミラ一 3 0および部分反射ミラ一 3 1 としては、 ガラス表面に誘電体膜を蒸着したものや、 光ファイバに 回折格子を書き込んだファイバグレーティ ングが用いられる。 The pumping light 24 may be incident on the MM optical fiber 10 from either the partial reflection mirror 30 or the total reflection mirror 31, and the total reflection mirror 30 or the part on the side where the excitation light 24 is incident The reflection mirror 31 has such characteristics that almost all of the excitation light 24 is transmitted. As the total reflection mirror 30 and the partial reflection mirror 31, a material obtained by depositing a dielectric film on a glass surface or a fiber grating in which a diffraction grating is written on an optical fiber is used.
次に 作について説明する。 Next, the work will be described.
励起光源 2 3から出力した励起光 2 4は、 レンズ (第 2の光学系) L 4によって平行光に変換された後にダイクロイ ツク ミ ラー (第 2の光学 系) 2 5で反射され、 さらにレンズ (第 2の光学系) L 3で集光されて 部分反射ミラー 3 1 を透過し、 M M光ファイバ 1 0へと入射する。 M M 光ファイノ 1 0へ入射した励起光 2 4は、 M M光ファイバ 1 0のコア中
心領域 1 1 Aに ドープした利得媒質によって吸収され、 M M光フアイバ 1 0の M Mコア 1 1の中心付近に利得を発生する。 The excitation light 24 output from the excitation light source 23 is converted into parallel light by a lens (second optical system) L4, reflected by a dichroic mirror (second optical system) 25, and further converted to a lens. (Second optical system) The light is condensed by L 3, passes through the partial reflection mirror 31, and enters the MM optical fiber 10. The excitation light 24 incident on the MM optical fiber 10 is transmitted through the core of the MM optical fiber 10 It is absorbed by the gain medium doped in the core region 11 A and generates a gain near the center of the MM core 11 of the MM optical fiber 10.
励起された M M光ファイバ 1 0の M Mコア 1 1内では自然放出光が発 生し、 自然放出光のうちの基本モードに結合する光が全反射ミラー 3 0 と部分反射ミラ一3 1 との間を伝搬して増幅されレーザ発振し、 このレ —ザ発振によ.る発振光の一部が部分反射ミラー 3 1を透過してフアイバ レーザ発振器のレーザ出力光として外部へ出力する。 Spontaneous emission light is generated in the MM core 11 of the excited MM optical fiber 10, and the light coupled to the fundamental mode of the spontaneous emission light is transmitted between the total reflection mirror 30 and the partial reflection mirror 31. The laser light is amplified by propagating through the gap and oscillates. A part of the oscillated light due to the laser oscillation passes through the partially reflecting mirror 31 and is output to the outside as laser output light of the fiber laser oscillator.
このように、 M M光ファイノ 1 0では、 基本モ一ドにのみ利得が発生 し、 高次のモードに対しては利得が発生しないので、 M M光ファイバ 1 As described above, in the MM optical fiber 10, gain is generated only in the basic mode, and no gain is generated in the higher-order mode.
0内で生じるレーザ発振のモードは基本モードのみとなり、 高次モード のレーザ発振は発生しないようになる。 したがって、 ほぼ回折限界、 高 ピークパワー出力のレーザ発振を実現することが可能である。 なお、 第 8図には図示していないが、 全反射ミラ一 3 0 と M M光ファ ィバ 1 0 との間、 部分反射ミラー 3 1 と M M光ファイバ 1 0 との間、 ま たは M M光フアイバ 1 0中の任意の位置に、 Qスィ ツチや過飽和吸収体 などのような、 レーザ発振としてパルスを発生させるための光学素子 ( パルス発生手段) を揷入しても良い。 このような構成要素を追加するこ とで、 第 8図のファイバレーザ発振器において、 ほぼ回折限界、 高ピ一 クパワー出力のパルス状レーザ発振を実現することが可能になる。 The mode of laser oscillation that occurs within 0 is only the basic mode, and no higher-order mode laser oscillation occurs. Therefore, it is possible to realize laser oscillation with almost diffraction-limited and high peak power output. Although not shown in FIG. 8, between the total reflection mirror 30 and the MM optical fiber 10, between the partial reflection mirror 31 and the MM optical fiber 10, or between the MM optical fiber 10 and the MM optical fiber 10. An optical element (pulse generation means) for generating a pulse as laser oscillation, such as a Q switch or a saturable absorber, may be inserted at an arbitrary position in the optical fiber 10. By adding such components, it becomes possible to realize a pulse-like laser oscillation with almost diffraction-limited and high peak power output in the fiber laser oscillator shown in FIG.
以上のように、 この実施の形態 3によれば、 M M光ファイバ 1 0 と、 M M光ファイバ 1 0の一端に設けられ、 M M光ファイノ、' 1 0からの発振 光を全反射する全反射ミラー 3 0 と、 M M光ファイバ 1 0の他端に設け られ、 M M光ファイバ 1 0からの発振光を部分反射する部分反射ミラ一 3 1 と、 M M光ファイノ、 1 0の M Mコア 1 1の利得媒質に吸収される励 起光 2 4を出力する励起光源 2 3 と、 励起光源 2 3からの励起光 2 4を 全反射ミラ一 3 0または部分反射ミラ一 3 1を介して M M光ファイバ 1
0へ入射するダイクロイ ツクミラー 2 5, レンズ L 3, L 4とからファ ィバレーザ発振器を構成するようにしたので、 ほぼ回折限界の高平均出 力、 高ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。 As described above, according to the third embodiment, the MM optical fiber 10 and the total reflection mirror provided at one end of the MM optical fiber 10 and totally reflecting the oscillation light from the MM optical fin 30, a partial reflection mirror 31 provided at the other end of the MM optical fiber 10 and partially reflecting the oscillation light from the MM optical fiber 10, and a gain of the MM core 11 of the MM optical fino 10. An excitation light source 23 that outputs excitation light 24 absorbed by the medium, and an excitation light 24 from the excitation light source 23 are transmitted through the total reflection mirror 30 or the partial reflection mirror 31 to the MM optical fiber 1. Since the fiber laser oscillator is composed of the dichroic mirror 25 and the lenses L3 and L4 that enter the zero, the effect of realizing a high average output and a high peak power output almost at the diffraction limit is obtained.
また、 この実施の形態 3によれば、 全反射ミラ一 3 0と MM光フアイ バ 1 0との間、 部分反射ミラ一 3 1と MM光ファイバ 1 0との間、 また は MM光ファイバ 1 0中のうちのいずれかの位置にレーザ発振としてパ ルスを発生させる Qスィ ツチや過飽和吸収体などのパルス発生手段を備 えるようにしたので、 ほぼ回折限界、 高ピークパヮ一出力のパルス状レ 一ザ発振を実現できるという効果が得られる。 実施の形態 4. According to the third embodiment, between the total reflection mirror 30 and the MM optical fiber 10, between the partial reflection mirror 31 and the MM optical fiber 10, or the MM optical fiber 1 A pulse generation means such as a Q switch or a saturable absorber that generates a pulse as laser oscillation is provided at any of the positions within 0, so that a pulse-like laser with almost diffraction-limited and high peak-to-peak output is provided. The effect that a single oscillation can be realized is obtained. Embodiment 4.
第 9図 A〜第 9図 Cはこの発明の実施の形態 4による MM光フアイバ の構造を示す図である。 第 9図 Aは MM光ファイバの正面構造図、 第 9 図 Bは M M光ファイバの屈折率プロファイル ·利得プロファイル ·損失 プロファイル、 第 9図 Cは MM光ファイバの側面構造図をそれそれ表し ている。 9A to 9C are diagrams showing the structure of the MM optical fiber according to Embodiment 4 of the present invention. Fig. 9A shows the front view of the MM optical fiber, Fig. 9B shows the refractive index profile, gain profile, and loss profile of the MM optical fiber, and Fig. 9C shows the side view of the MM optical fiber. .
第 9図 A〜第 9図 Cにおいて、 40はこの実施の形態 4の MM光ファ ィバ、 4 1は MMコア、 42はクラッ ドである。 MMコア 4 1 とクラヅ ド 42とから MM光ファイノ 4 1が構成されている。 9A to 9C, reference numeral 40 denotes an MM optical fiber according to the fourth embodiment, 41 denotes an MM core, and 42 denotes a clad. The MM optical fino 41 is composed of the MM core 41 and the clad 42.
また、 M Mコア 4 1において、 4 1 Aはコア中心領域、 4 1 Bはコア 周辺領域である。 MMコア 4 1は、 希土類などの利得媒質をドープした コア中心領域 4 1 Aと、 利得媒質 · 吸収媒質を ドープしていないコア周 辺領域 4 1 Bとによって構成されており、 コア中心領域 4 1 A周りにコ ァ周辺領域 4 1 Bが設けられている。 コア中心領域 4 1 A, コァ周辺領 域 4 1 Bの屈折率はほぼ一致するように調整されている。 In the MM core 41, 41A is a core central region, and 41B is a core peripheral region. The MM core 41 is composed of a core central region 41 A doped with a gain medium such as a rare earth, and a core peripheral region 41 B not doped with a gain medium and an absorption medium. A core peripheral area 41B is provided around 1A. The refractive indices of the core central region 41 A and the core peripheral region 41 B are adjusted to be almost the same.
さらに、 クラヅ ド 42において、 4 2 Aはクラヅ ド 4 2の希土類など
の吸収媒質がドープされているクラヅ ド中心領域である。 クラッ ド 4 2 が有するクラッ ド中心領域 42 Aは、 MMコア 4 1周りに設けられてい ο Further, in clad 42, 42 A is a rare earth of clad 42, etc. This is a cladding central region in which the absorption medium is doped. The center area 42A of the cladding 42 has a center area 42A provided around the MM core 41.
コア中心領域 4 1 Aに ドープした利得媒質は、 励起光を吸収すること により、 MMコア 4 1を伝搬する信号光に対して利得を発生する。 また 、 クラッ ド中心領域 4 2 Aに ドープした吸収媒質は、 励起光をほとんど 吸収せず、 MMコア 4 1を伝搬する信号光のうちクラッ ド中心領域 4 2 Aにしみだした成分を吸収するものである。 The gain medium doped in the core central region 41 A generates a gain for the signal light propagating through the MM core 41 by absorbing the pump light. In addition, the absorbing medium doped in the cladding central region 42A hardly absorbs the excitation light, but absorbs the component of the signal light propagating through the MM core 41 that has soaked into the cladding central region 42A. It is.
第 5図で示したように、 MMコア 4 1と接しているクラヅ ド' 42側の 領域では、 値は小さいものの、 高次のモード L P。 2, L P ^が基本モ —ド L P 0 1より も大きな強度を持っている。 したがって、 MMコア 4 1の中心領域 4 1 Aに利得媒質を ド一プして利得を与えるとともに、 ク ラッ ド 42のクラッ ド中心領域 42 Aに吸収媒質を ド一プして損失を与 え、 利得/損失比を適当に設定することによ り、 基本モード L P Q iで は損失に比べて利得が大きくなるように、 その他の高次モ一ドに対して は利得に比べて損失が大きくなるように設定可能であり、 実施の形態 1 に示した MM光ファイ ノ 1 0と同様に、 基本モード L P 0 1のみを選択 的に増幅することが可能である。 As shown in FIG. 5, in the region on the side of the clad '42 which is in contact with the MM core 41, although the value is small, the higher-order mode LP is present. 2 , LP ^ has greater strength than the basic mode LP 0 1 . Therefore, a gain medium is applied to the central region 41 A of the MM core 41 to provide a gain, and an absorption medium is applied to the central region 42 A of the clad 42 to provide a loss. By setting the gain / loss ratio appropriately, the gain is larger than the loss in the fundamental mode LPQ i, and the loss is larger than the gain in other higher-order modes. can be set such that, similarly to the MM light phi Roh 1 0 shown in the first embodiment, it is possible to selectively amplify only the fundamental mode LP 0 1.
もちろん、 実施の形態 1で示したフ ァイ バレーザ増幅器 (第 4図) 、 実施の形態 2で示したフ ァイバレーザ増幅器 (第 7図) 、 実施の形態 3 で示したフ ァイ バレーザ発振器 (第 8図) に対して、 この実施の形態 4 の MM光ファイ ノ 40を適用することができる。 Of course, the fiber laser amplifier shown in the first embodiment (FIG. 4), the fiber laser amplifier shown in the second embodiment (FIG. 7), and the fiber laser oscillator shown in the third embodiment (FIG. 8), the MM optical fin 40 of the fourth embodiment can be applied.
このような MM光フアイバ 40では、 高次モ一ドに対して利得が発生 せず、 基本モードに対してのみ利得を有するので、 光ファイバ内に存在 するわずかな屈折率分布や、 曲げなどの応力により発生する屈折率分布 、 光ファイバ内の散乱などにより、 基本モードから高次のモードにエネ
ルギ一が変換されて高次モー ドが発生しても M M光ファイバ 4 0内でほ とんど増幅されないので、 高次のモードがほぼ完全に抑制され、 ほぼ回 折限界の高ピークパワー ·出力を得ることが可能である。 In such an MM optical fiber 40, no gain is generated in a higher-order mode and only the fundamental mode has a gain, so that there is a slight refractive index distribution existing in the optical fiber, bending, and the like. Energy changes from the fundamental mode to higher-order modes due to the refractive index distribution caused by stress and scattering in the optical fiber. Even if the power is converted and a higher-order mode is generated, it is hardly amplified in the MM optical fiber 40, so that the higher-order mode is almost completely suppressed and the high peak power almost at the diffraction limit It is possible to get output.
また、 高次のモー ドに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制さ れるため、 A S Eによる雑音成分と、 A S Eによるコア内に蓄積された エネルギーの消費とを抑制することが可能になる。 In addition, since spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes is similarly suppressed, it is possible to suppress noise components due to ASE and consumption of energy stored in the core due to ASE. Become.
さらに、 基本モ一 ドから高次モー ドへのエネルギーの変換が生じても 高次モードの増幅は抑制されるため、 特に光フアイバ内の散乱が小さ く なるような製造方法を用いる必要がなく、 ほぼ通常の製造方法によって M M光ファイバ 4 0を製造することができる。 Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher-order mode occurs, amplification of the higher-order mode is suppressed, so that it is not necessary to use a manufacturing method that reduces scattering in the optical fiber. However, the MM optical fiber 40 can be manufactured by an almost normal manufacturing method.
さらに、 基本モ一ドから高次モードへのエネルギーの変換が生じても 、 高次モードの増幅は抑制されるため、 クラッ ド 4 2の厚みを小さ く す ることができる。 Further, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher-order mode occurs, amplification of the higher-order mode is suppressed, so that the thickness of the clad 42 can be reduced.
なお、 この実施の形態 4のクラヅ ド中心領域 4 2 Aを実施の形態 1で 示した M M光ファイバ 1 0に適用しても良い。 つま り、 利得媒質を ドー プしたコア中心領域 1 1 Aと、 ド一プされていないコア中間領域 1 1 B と、 吸収媒質をそれそれドープしたコア周辺領域 1 1 Cおよびクラッ ド 中心領域 4 2 Aとを備えた M M光ファイバを構成する。 このようにする ことで、 実施の形態 1 , 実施の形態 4の効果をよ り一層大きくすること ができる。 Note that the cladding center region 42 A of the fourth embodiment may be applied to the MM optical fiber 10 shown in the first embodiment. In other words, the core central region 11 A doped with the gain medium, the core intermediate region 11 B not doped, the core peripheral region 11 C doped with the absorbing medium and the core central region 4. Construct an MM optical fiber with 2A. By doing so, the effects of the first and fourth embodiments can be further enhanced.
以上のように、 この実施の形態 4によれば、 利得媒質を ド一プしたコ ァ中心領域 4 1 Aと、 コア中心領域 4 1 A周りのコア周辺領域 4 1 Cと からなる M Mコア 4 1 と、 吸収媒質が ドープされ、 M Mコア 4 1周りの クラヅ ド中心領域 4 2 Aを有するクラッ ド 4 2 とから M M光ファイノ、' 4 0 を構成するようにしたので、 M M光ファイバ 4 0内に存在するわずか な屈折率分布や、 曲げなどの.応力により発生する屈折率分布、 光フアイ
バ内の散乱などにより、 基本モードから高次のモードにエネルギーが変 換されて高次モードが発生しても M M光フアイバ 4 0内でほとんど増幅 されないので、 高次のモードがほぼ完全に抑制され、 ほぼ回折限界の高 ピークパワー出力が実現できるという効果が得られる。 また、 高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制さ れるため、 A S Eによる雑音成分と、 A S Eによるコア内に蓄積された エネルギーの消費とを抑制できるという効果が得られる。 As described above, according to the fourth embodiment, the MM core 4 includes the core central region 41 A in which the gain medium is doped, and the core peripheral region 41 C around the core central region 41 A. 1 and a cladding 42 having a cladding central region 42 A around the MM core 41, which is doped with an absorbing medium, constitutes a MM optical fiber 40 '. Slight refractive index distribution existing in the inside, refractive index distribution caused by stress such as bending, optical fiber Even if energy is converted from a fundamental mode to a higher-order mode due to scattering in the fiber and a higher-order mode occurs, it is hardly amplified in the MM optical fiber 40, so the higher-order mode is almost completely suppressed. As a result, it is possible to obtain an effect that a high peak power output substantially at the diffraction limit can be realized. In addition, since spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes is also suppressed, there is an effect that noise components due to the ASE and consumption of energy stored in the core due to the ASE can be suppressed. .
さらに、 基本モ一ドから高次モードへのエネルギーの変換が生じても 、 高次モードの増幅は抑制されるため、 特に光ファイバ内の散乱が小さ くなるような製造方法を用いる必要がなく、 ほぼ通常の製造方法によつ て M M光フアイバ 4 0を製造できるという効果が得られる。 Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher-order mode occurs, amplification of the higher-order mode is suppressed, so that there is no need to use a manufacturing method that reduces scattering in the optical fiber. The advantage is that the MM optical fiber 40 can be manufactured by an almost ordinary manufacturing method.
さらに、 基本モードから高次モ一ドへのエネルギーの変換が生じても 、 高次モードの增幅は抑制されるため、 クラッ ド 4 2の厚みを小さくで きるという効果が得られる。 Furthermore, even if the energy is converted from the fundamental mode to the higher-order mode, the width of the higher-order mode is suppressed, so that the effect that the thickness of the clad 42 can be reduced can be obtained.
実施の形態 5 . Embodiment 5
フアイバレ一ザ増幅器ゃフアイバレ一ザ発振器で大きな出力を得るた めには、 高出力の励起光を M M光フアイバ内へ入射して利得媒質に吸収 させる必要がある。 一般的に、 高出力の半導体レーザを励起光源として 用いた場合、 半導体レーザからの励起光は高次のモードを含み、 ビーム 品質が低くなる。 ビーム品質の低いビームは、 集光してもビーム径が大 きくなつてしまうため、 M Mコア 1 1に効率良く入射させることは困難 となる。 この実施の形態 5では、 このような問題を解決するダブルクラ ヅ ド構造の M M光ファイバについて述べる。 In order to obtain a large output with the fiber amplifier and the fiber oscillator, it is necessary to input high-power pump light into the MM optical fiber and absorb it into the gain medium. In general, when a high-power semiconductor laser is used as an excitation light source, the excitation light from the semiconductor laser contains higher-order modes and the beam quality is low. A beam having a low beam quality has a large beam diameter even if it is condensed, so that it is difficult to efficiently enter the MM core 11. In the fifth embodiment, an MM optical fiber having a double clad structure that solves such a problem will be described.
第 1 0図 A〜第 1 0図 Cはこの発明の実施の形態 5による M M光ファ ィバの構造を示す図であり、 ダブルクラッ ド M M光ファイバを示してい
る。 第 1 0図 Aは MM光フアイバの正面構造図、 第 1 0図 Bは MM光フ アイバの屈折率プロファイル '利得プロファイル '損失プロファイル、 第 1 0図 Cは MM光フアイバの側面構造図をそれそれ表している。 第 4 図 A〜第 4図 Cと共通の符号は同一または相当する構成を示している。 第 1 0図 A〜第 1 0図 Cにおいて、 5 0はこの実施の形態 5の MM光 ファイバ、 5 2は MM光ファイバ 5 0のクラヅ ド、 5 2 Aは信号光を M Mコア 1 1内に閉じこめる第 1のクラッ ド、 5 2 Bは励起光を第 1のク ラ ヅ ド 5 2 Aに閉じ込めるための第 2のクラヅ ドである。 クラヅ ド 5 2 は、 MMコア 1 1周りに設けられた第 1のクラッ ド 5 2 Aと、 第 1のク ラッ ド 5 1 A周りに設けられた第 2のクラッ ド 5 2 Bとから構成されて いる。 第 1のクラッ ド 5 2 Aの屈折率は MMコア 1 1の屈折率よりも小 さく、 第 2のクラヅ ド 5 2 Bの屈折率は第 1のクラッ ド 5 2 Aの屈折率 よりも小さい。 FIGS. 10A to 10C are diagrams showing the structure of the MM optical fiber according to the fifth embodiment of the present invention, and show a double clad MM optical fiber. You. Fig. 10A shows the front view of the MM optical fiber, Fig. 10B shows the refractive index profile of the MM optical fiber 'gain profile' loss profile, and Fig. 10 C shows the side view of the MM optical fiber. It represents. 4A to 4C denote the same or corresponding components. In FIGS. 10A to 10C, 50 is the MM optical fiber of the fifth embodiment, 52 is the MM optical fiber 50, and 52 A is the signal light in the MM core 11. The first clad 52B is a second clad for confining the excitation light to the first clad 52A. The clad 52 includes a first clad 52 A provided around the MM core 11 and a second clad 52 B provided around the first clad 51 A. It has been. The refractive index of the first clad 52 A is smaller than the refractive index of the MM core 11, and the refractive index of the second clad 52 B is smaller than the refractive index of the first clad 52 A .
次に動作について説明する。 Next, the operation will be described.
信号光は第 1のクラッ ド 5 2 Aによって MMコア 1 1内に閉じ込めら れ、 基本モードのみが選択的に増幅される。 励起光は第 2のクラッ ド 5 2 Bによって第 1のクラッ ド 5 2 A内に閉じ込められ、 MMコア 1 1の コア中心領域 1 1 Aを通過した成分が利得媒質に吸収され、 利得を発生 する。 このとき、 コア周辺領域 1 1 Cの吸収媒質には励起光はほとんど 吸収されない。 The signal light is confined in the MM core 11 by the first clad 52A, and only the fundamental mode is selectively amplified. The pump light is confined in the first clad 52 A by the second clad 52 B, and the component passing through the core central region 11 A of the MM core 11 is absorbed by the gain medium to generate a gain. I do. At this time, the excitation light is hardly absorbed by the absorbing medium in the core peripheral region 11 C.
したがって、 MMコア 1 1に比べて大きな半径を有する第 1のクラヅ ド 5 2 Aへ励起光を入射すれば、 励起光は第 2のクラッ ド 5 2 Bにより 第 1のクラッ ド 5 2 A内に閉じ込められて利得媒質に吸収されるので、 ビーム品質の低い励起光を用いた場合でも利得媒質に効率良く励起光を 吸収させることが可能である。 ' Therefore, if the excitation light is incident on the first clad 52 A having a larger radius than that of the MM core 11, the excitation light is generated by the second clad 52 B inside the first clad 52 A. Since the light is confined in the gain medium and absorbed by the gain medium, it is possible for the gain medium to efficiently absorb the pump light even when using pump light with low beam quality. '
このようなダブルクラッ ド構造の MM光フアイバ 5 0では、 高次モー
ドに対して利得が発生せず、 基本モードに対してのみ利得を有するので 、 光ファイバ内に存在するわずかな屈折率分布や、 曲げなどの応力によ り発生する屈折率分布、 光ファイバ内の散乱などにより、 基本モードか ら高次のモ一ドにエネルギーが変換されて高次モードが発生しても M M 光ファイバ 5 0内で増幅されないので、 高次のモードがほぼ完全に抑制 されるとともに、 ビーム品質の低い高出力の半導体レーザを励起光とし て用いることができるため、 ほぼ回折限界の、 高出力、 高ピークパワー 出力を実現することができる。 The MM optical fiber 50 with such a double clad structure has a higher order mode. Since there is no gain in the optical fiber and only in the fundamental mode, there is a slight refractive index distribution existing in the optical fiber, a refractive index distribution generated by stress such as bending, Even if the higher-order mode is generated by converting the energy from the fundamental mode to a higher-order mode due to scattering of light, it is not amplified in the MM optical fiber 50, and the higher-order mode is almost completely suppressed. In addition, a high-power semiconductor laser with low beam quality can be used as the pump light, so that a high-power and high-peak power with almost diffraction limit can be realized.
また、 高次のモードに結合して増幅される自然放出光も同様に抑制さ れるため、 A S Eによる雑音成分と、 A S Eによるコア内に蓄積された エネルギーの消費とを抑制することが可能である。 In addition, since spontaneous emission light that is amplified by coupling to higher-order modes is also suppressed, it is possible to suppress noise components due to ASE and consumption of energy stored in the core due to ASE. .
さらに、 基本モードから高次モードへのエネルギーの変換が生じても 高次モードの増幅は抑制されるため、 特に光フアイバ内の散乱が小さく なるような製造方法を用いる必要がなく、 ほぼ通常の製造方法により M M光ファイバ 5 0を製造することができる。 Furthermore, even if energy conversion from the fundamental mode to the higher-order mode occurs, amplification of the higher-order mode is suppressed.Therefore, there is no need to use a manufacturing method that reduces scattering in the optical fiber, and almost normal The MM optical fiber 50 can be manufactured by the manufacturing method.
さらに、 基本モ一ドから高次モ一ドへめエネルギーの変換が生じても 高次モードの増幅は抑制されるため、 クラッ ド 5 2の厚みを小さくする ことが可能である。 Furthermore, even if energy conversion from the basic mode to the higher-order mode occurs, amplification of the higher-order mode is suppressed, so that the thickness of the clad 52 can be reduced.
なお、 ここでの説明では、 M Mコア 1 1のコア周辺領域 1 1 Cに吸収 媒質を ドープするようにしているが、 実施の形態 4と同様に、 第 1のク ラヅ ド 5 2 Aの M Mコア 1 1 と接する付近 (第 1のクラッ ドのクラッ ド 中心領域) に吸収媒質を ドープしても良く、 同様の効果が得られる。 また第 1 0図では、 第 1のクラッ ド 5 2 Aの正面の外形は円形として 図示しているが、 この実施の形態 5はこれに限定されるものではなく、 多角形や、 円形に対して凹凸を有する花びら形など、 第 1のクラッ ド 5 2 Aの正面の外形を任意に選択することができる。
第 1のクラッ ド 5 2 Aの外形が円形の場合には、 第 1のクラッ ド 5 2 Aを伝搬する励起光の一部は、 M Mコア 1 1のコア中心領域 1 1 Aを通 過せずに伝搬するスキュ一光となるため、 コア中心領域 1 1 Aの利得媒 質に吸収されず、 増幅効率が低下してしまう。 これに対して、 第 1のク ラッ ド 5 2 Aの外形を多角形や花びら形にした場合、 このスキュー光の 割合が減少するため、 コア中心領域 1 1 Aの利得媒質に吸収される割合 が増加し、 増幅効率を向上することが可能になる。 Note that, in the description here, the core surrounding region 11 C of the MM core 11 is doped with an absorbing medium. However, as in the fourth embodiment, the first An absorption medium may be doped in the vicinity of the MM core 11 (the central region of the first clad), and the same effect can be obtained. Further, in FIG. 10, the front outer shape of the first clad 52A is illustrated as a circle, but Embodiment 5 is not limited to this. The external shape of the front face of the first clad 52A, such as a petal shape having irregularities, can be arbitrarily selected. When the outer shape of the first clad 52 A is circular, a part of the pump light propagating through the first clad 52 A does not pass through the core central region 11 A of the MM core 11. Since the skew light propagates to the core, the skew light is not absorbed by the gain medium in the core central region 11 A, and the amplification efficiency is reduced. On the other hand, when the outer shape of the first clad 52 A is polygonal or petal-shaped, the proportion of this skew light decreases, and the proportion absorbed by the gain medium in the core central region 11 A And the amplification efficiency can be improved.
以上のように、 この実施の形態 5によれば、 M Mコア 1 1 よりも屈折 率が小さく、 M Mコア 1 1周りに設けられた第 1のクラッ ド 5 2 Aと、 第 1のクラッ ド 5 2 Aよりも屈折率が小さく、 第 1のクラッ ド 5 1 A周 りに設けられた第 2のクラッ ド 5 2 Bとから構成されるクラッ ド 5 2 を M M光ファイバ 5 0が備えるようにしたので、 大パワーの励起光を M M 光ファイバ 5 0へ入射できるようになり、 ほぼ回折限界の高平均出力、 高ピークパヮ一出力が実現できるという効果が得られる。 As described above, according to the fifth embodiment, the first clad 5 2A, which has a lower refractive index than the MM core 11 and is provided around the MM core 11, and the first clad 5 The MM optical fiber 50 is provided with a clad 52 having a lower refractive index than that of 2 A and comprising a second clad 52 B provided around the first clad 51 A. As a result, high-power pumping light can be made incident on the MM optical fiber 50, and the effect of achieving a high average output and a high peak power almost at the diffraction limit can be obtained.
また、 この実施の.形態 5によれば、 第 1のクラヅ ド 5 1は、 光軸と直 交する平面で切断した際の正面外形が多角形に形成されるようにしたの で、 利得媒質に吸収されない励起光を減少させることができ、 増幅効率 を向上できるという効果が得られる。 According to the fifth embodiment, the first clad 51 has a polygonal front outer shape when cut along a plane perpendicular to the optical axis. It is possible to reduce the amount of pumping light that is not absorbed by the laser beam, thereby improving the amplification efficiency.
さらに、 この実施の形態 5によれば、 第 1のクラッ ド 5 1は、 光軸と 直交する平面で切断した際の正面外形が円形に対して凹凸を有する形状 に形成されるようにしたので、 利得媒質に吸収されない励起光を減少さ せることができ、 増幅効率を向上できるという効果が得られる。 産業上の利用可能性 Further, according to the fifth embodiment, the first clad 51 is formed so that the front outer shape when cut along a plane perpendicular to the optical axis is formed into a shape having irregularities with respect to a circle. However, it is possible to reduce the amount of pump light that is not absorbed by the gain medium, and to obtain an effect that the amplification efficiency can be improved. Industrial applicability
以上のように、 この発明に係るマルチモード光ファイバは、 レーザレ ーダ用レーザ光源や加工用レーザ光源など、 高ビーム品質 '高出力パヮ
—が要求されるフアイバレーザ発振器ゃフアイバレーザ増幅器に適して いる。
As described above, the multi-mode optical fiber according to the present invention has high beam quality and high output power, such as a laser light source for a laser radar and a laser light source for processing. -Suitable for fiber laser oscillators that require a fiber laser amplifier.
Claims
1 . 励起光によって励起され、 伝播する信号光に利得を与えるマルチ モードコアと、 このマルチモードコア周りに設けらたクラッ ドとを備え たマルチモード光ファイバにおいて、 1. In a multimode optical fiber that includes a multimode core that is pumped by pumping light and provides a gain to the propagating signal light, and a cladding provided around the multimode core,
上記励起光を吸収し T上記利得を発生する利得媒質が上記マルチモ一 ドコアのコア中心領域に ド一プされるとともに、 A gain medium that absorbs the pumping light and generates the gain is dropped into the core central region of the multi-mode core,
上記クラッ ドに接する上記マルチモードコアのコア周辺領域と、 上記 マルチモードコアに接する上記クラヅ ドのクラヅ ド中心領域との少なく とも一方に上記信号光を吸収する吸収媒質が ドープされることを特徴と するマルチモ一 ド光ファイバ。 At least one of a core peripheral region of the multimode core in contact with the cladding and a cladding central region of the cladding in contact with the multimode core is doped with an absorbing medium that absorbs the signal light. Multi-mode optical fiber.
2 . クラッ ドは、 2. The cloud is
マルチモードコアよ り も屈折率が小さ く、 上記マルチモードコア周り に設けられた第 1のクラッ ドと、 A first cladding provided around the multimode core, having a lower refractive index than the multimode core,
上記第 1のクラッ ドよ りも屈折率が小さ く、 上記第 1のクラッ ド周り に設けられた第 2のクラッ ドとから構成されることを特徴とする請求の 範囲第 1項記載のマルチモード光ファイバ。 2. The multi-layer according to claim 1, wherein the first clad has a lower refractive index than the first clad, and comprises a second clad provided around the first clad. Mode optical fiber.
3 . 第 1のクラッ ドは、 3. The first class is
光軸と直交する平面で切断した際の正面外形が多角形に形成されるこ とを特徴とする請求の範囲第 2項記載のマルチモード光ファイバ。 3. The multimode optical fiber according to claim 2, wherein a front outer shape when cut along a plane perpendicular to the optical axis is formed in a polygonal shape.
4 . 第 1のクラッ ドは、 4. The first class is
光軸と直交する平面で切断した際の正面外形が円形に対して凹凸を有 する形状に形成されることを特徴とする請求の範囲第 2項記載のマルチ
モー ド光フ ァイノ 。 3. The multi-unit according to claim 2, wherein a front outer shape when cut along a plane perpendicular to the optical axis is formed in a shape having irregularities with respect to a circle. Mode light fiber.
5 . 利得媒質としてエルビウムがド一プされるとともに、 吸収媒質と してコバルトが ド一プされることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の マルチモード光ファイバ。 5. The multimode optical fiber according to claim 1, wherein erbium is doped as a gain medium, and cobalt is doped as an absorption medium.
6 . 利得媒質としてネオジゥムがドープされるとともに、 吸収媒質と してプラセォジゥムまたはサマリウムがドープされることを特徴とする 請求の範囲第 1項記載のマルチモード光ファイバ。 6. The multimode optical fiber according to claim 1, wherein neodymium is doped as a gain medium, and praseodymium or samarium is doped as an absorption medium.
7 . 信号光の基本モードに対して利得を与え、 上記信号光の高次モー ドに対して損失を与えるマルチモード光ファイバと、 7. A multimode optical fiber that provides gain for the fundamental mode of the signal light and loss for the higher-order modes of the signal light;
ほぼ回折限界の上記信号光を出力するシングルモードレーザ発振器と 上記マルチモ一ド光ファイバの一端に設けられ、 上記シングルモ一ド レーザ発振器から出力した上記信号光を上記マルチモード光ファイバの 基本モードにほぼ一致させて上記マルチモ一ド光フアイバの一端へ入射 する第 1の光学系と、 A single mode laser oscillator for outputting the signal light having substantially the diffraction limit; and a signal light output from the single mode laser oscillator provided at one end of the multi-mode optical fiber. A first optical system that is incident on one end of the multi-mode optical fiber so as to coincide with the first optical system;
励起光を出力する励起光源と、 An excitation light source that outputs excitation light;
上記マルチモ一ド光フアイバの他端に設けられ、 上記励起光源から出 力した上記励起光を上記マルチモード光フアイバの他端へ入射するとと もに、 上記マルチモード光ファイバの他端から出射した上記信号光を透 過する第 2の光学系とを備えることを特徴とするフ ァイバレーザ増幅器 The pump light, which is provided at the other end of the multi-mode optical fiber and is output from the pump light source, is incident on the other end of the multi-mode optical fiber and is output from the other end of the multi-mode optical fiber. A fiber laser amplifier, comprising: a second optical system that transmits the signal light.
8 シングルモードレーザ発振器は、
ほぼ回折限界の信号光をパルス状にして出力するとともに、 8 Single mode laser oscillator While outputting almost diffraction-limited signal light in pulse form,
第 1の光学系は、 The first optical system is
上記シングルモードレーザ発振器から出力した上記パルス状の信号光 のパルス幅を拡大するパルス幅拡大器を備え、 A pulse width expander for expanding a pulse width of the pulsed signal light output from the single mode laser oscillator,
第 2の光学系は、 The second optical system is
マルチモード光フアイバの他端から出射した上記信号光のパルス幅を 圧縮するパルス幅圧縮器を備えることを特徴とする請求の範囲第 7項記 載のフアイバレ一ザ増幅器。 8. The fiber laser amplifier according to claim 7, further comprising a pulse width compressor for compressing a pulse width of the signal light emitted from the other end of the multi-mode optical fiber.
9 . マルチモード光ファイバは、 9. Multimode optical fiber
励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア 中心領域に ド一プされるとともに、 A gain medium that absorbs pump light and generates gain is dropped into the core central region of the multimode core,
クラッ ドに接する上記マルチモ一ドコアのコア周辺領域と、 上記マル チモ一ドコァに接する上記クラッ ドのクラッ ド中心領域との少なく とも 一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされることを特徴とする請求 の範囲第 7項記載のフアイバレーザ増幅器。 At least one of the core peripheral region of the multimode core in contact with the cladding and the cladding central region of the cladding in contact with the multimode core is doped with an absorbing medium that absorbs signal light. The fiber laser amplifier according to claim 7, wherein
1 0 . 信号光の基本モードに対して利得を与え、 上記信号光の高次モ ードに対して損失を与えるマルチモード光ファイバと、 10. A multi-mode optical fiber that gives a gain to the fundamental mode of the signal light and gives a loss to the higher-order mode of the signal light;
上記マルチモード光ファイバの一端に設けられ、 上記マルチモード光 フアイバの一端から出射した発振光を反射して上記マルチモード光ファ ィバの一端へ入射する全反射ミラーと、 A total reflection mirror provided at one end of the multimode optical fiber, for reflecting oscillating light emitted from one end of the multimode optical fiber, and entering the one end of the multimode optical fiber;
上記マルチモ一ド光フアイバの他端に設けられ、 上記マルチモード光 フアイバの他端から出射した上記発振光を部分反射する部分反射ミラー と、 A partial reflection mirror provided at the other end of the multi-mode optical fiber and partially reflecting the oscillation light emitted from the other end of the multi-mode optical fiber;
励起光を出力する励起光源と、
上記励起光源から出力した上記励起光を上記全反射ミラーまたは上記 部分反射ミラーを介して上記マルチモード光フアイバの一端または他端 へ入射する第 2の光学系とを備えることを特徴とするファイバレーザ発 An excitation light source that outputs excitation light; A second optical system that causes the pump light output from the pump light source to enter one end or the other end of the multimode optical fiber via the total reflection mirror or the partial reflection mirror. Departure
1 1 . 全反射ミラーとマルチモード光ファイバとの間、 部分反射ミラ 一とマルチモード光ファイバとの間、 またはマルチモード光ファイバ中 のうちのいずれかの位置にレーザ発振としてパルスを発生させるパルス 発生手段を備えることを特徴とする請求の範囲第 1 0項記載のファイバ レーザ発振器。 1 1. A pulse that generates a pulse as laser oscillation at any position between the total reflection mirror and the multimode optical fiber, between the partial reflection mirror and the multimode optical fiber, or in the multimode optical fiber. 10. The fiber laser oscillator according to claim 10, further comprising generating means.
1 2 . マルチモード光ファイバは、 1 2. Multimode optical fiber
励起光を吸収して利得を発生する利得媒質がマルチモードコアのコア 中心領域にドープされるとともに、 A gain medium that absorbs pump light to generate gain is doped into the core central region of the multimode core, and
クラッ ドに接する上記マルチモ一ドコアのコア周辺領域と、 上記マル チモードコアに接する上記クラッ ドのクラッ ド中心領域との少なく とも 一方に信号光を吸収する吸収媒質がドープされることを特徴とする請求 の範囲第 1 0項記載のフアイバレーザ発振器。
An absorbing medium that absorbs signal light is doped into at least one of a core peripheral region of the multi-mode core in contact with the cladding and a cladding central region of the cladding in contact with the multi-mode core. 10. The fiber laser oscillator according to item 10 above.
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