專利名稱：光纖的端面結(jié)構(gòu)、光纖激光器和激光處理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)射激光光的光纖的端面結(jié)構(gòu)，涉及一種包括這樣的端面結(jié)構(gòu)的光纖激光器，以及涉及一種包括這樣的光纖激光器的激光處理設(shè)備。
要求2004年4月15日提交的日本專利申請No.2004-120006的優(yōu)先權(quán)，其在此被引入作為參考。
背景技術(shù)：
近年來，激光已被采用在各種領(lǐng)域，包括材料處理設(shè)備，醫(yī)學(xué)治療裝置，以及測量儀器。尤其是在材料處理設(shè)備領(lǐng)域，激光光已被廣泛地使用，這是因為由于激光光展現(xiàn)極好的聚焦特性，具有很小束斑和高功率密度的激光光使高精度加工成為可能；因為對工件幾乎沒有損壞的非接觸處理是可能的；且因為對吸收激光光的硬材料的處理是可能的。具體而言，激光光被用于焊接，切割，激光打標(biāo)，高精度處理等。
使用二氧化碳氣體作為激光介質(zhì)的CO2激光，使用Nd:YAG晶體作為激光介質(zhì)的固態(tài)激光，通過使用非線性光學(xué)晶體來轉(zhuǎn)換固態(tài)激光的激光光的波長而獲得的激光等，根據(jù)特定的應(yīng)用在常規(guī)上已被用作用于處理的激光。
另一方面，采用其中摻有如Er，Nd，Yb，Ho，Tm等的至少一種稀土元素(或離子)的石英玻璃被用作基質(zhì)玻璃(host glass)的光纖(以下被稱為“稀土摻雜光纖”)或者由氟化物玻璃制造的光纖作為激光介質(zhì)的光纖激光器是吸引注意的。光纖激光器具有以下優(yōu)點它具有高的激光光產(chǎn)生效率；因為被用作激光介質(zhì)的光纖具有大的表面面積并且可被冷卻，可以減小激光設(shè)備的尺寸；且相同的材料可被用于激光介質(zhì)和激光光傳播介質(zhì)。因此，光纖激光器正被用于材料處理設(shè)備，醫(yī)學(xué)治療裝置等。
在這樣的領(lǐng)域中，雖然具有千瓦等級的平均輸出的高輸出功率的激光器被使用在某些應(yīng)用中，具有100W或者以下的相對低的平均輸出功率的光纖激光器被使用在激光打標(biāo)等領(lǐng)域。
圖1為典型的脈沖纖激光設(shè)備的示意圖。該光纖激光器通常包括泵浦部分和腔部分。泵浦部分包括泵浦光源1和聚光透鏡3。從泵浦光源1輸出的泵浦光2被聚光透鏡3聚焦在入射端面5上，且入射在稀土摻雜光纖6上，該光纖是激光介質(zhì)。腔部分包括稀土摻雜光纖6，腔鏡4，輸出耦合器11，準(zhǔn)直透鏡8以及Q開關(guān)10。選擇性地反射激光光而不反射泵浦光2的電介質(zhì)多層膜被提供在腔鏡4上。另一個反射一些激光光并發(fā)送其它激光光的電介質(zhì)多層膜被提供在輸出耦合器11上。稀土摻雜光纖6被調(diào)節(jié)其長度以獲得所需輸出特性，且稀土摻雜光纖6的兩端被光學(xué)拋光。入射在稀土摻雜光纖6上的泵浦光2被已摻雜到稀土摻雜光纖6的芯中的稀土元素或多種稀土元素的離子吸收，且吸收泵浦光2的稀土元素或多種稀土元素的離子發(fā)射具有特定波長的光。從稀土元素或多種稀土元素的離子發(fā)射的光通過稀土摻雜光纖6傳播同時被放大，并從發(fā)射端面7被發(fā)射。來自發(fā)射端面7的發(fā)射光9由準(zhǔn)直透鏡8準(zhǔn)直，且通過Q開關(guān)10而成形為所需脈沖形狀。發(fā)射光9的一些被輸出耦合器11反射。所反射的發(fā)射光9被回饋到稀土摻雜光纖6，被腔鏡4反射，且從發(fā)射端面7被發(fā)射。在這個循環(huán)中，被反射的發(fā)射光9在腔內(nèi)往返。在一個來回的路徑中，如果輸出光的放大大于輸出光9的損失，則激光光12從輸出耦合器11被輸出。此外，如果Q開關(guān)10沒有被采用，這樣的光被輸出為連續(xù)激光。
由于稀土摻雜光纖的芯的直徑通常在幾個到幾十個微米的范圍，通過光纖芯傳播的光的功率密度相當(dāng)高。例如，在輸出功率為1kW且芯的直徑為10μm的情況下，從芯輸出的光的功率密度可高達大約1.3GW/cm2。以這樣的高功率密度，由粘附的粉塵或者污染物引起的老化(burn-in)可破壞光纖的端面，這可導(dǎo)致關(guān)鍵損壞。這樣，發(fā)射端面7可在圖1所示的纖激光器中被損壞，這是抑制高輸出光纖激光器的實現(xiàn)的主導(dǎo)因素之一。
一種用于防止這種對端面的損壞的技術(shù)是公知的。在這種技術(shù)中，功率密度被減小，即斑直徑在發(fā)射端面7處被擴大(例如，日本未審查的專利申請，第一出版No.2002-40271)。
圖2是詳細示出這種端面結(jié)構(gòu)的截面圖。在該圖中，光纖13用粘合劑緊固在套筒15中，且包括芯14的光纖的端面被光學(xué)拋光。光纖13被緊固在其中的套筒15被半插入細管16，且細管16剩余的空部分被光學(xué)填料17填充，例如紫外光(UV)固化樹脂。在這種結(jié)構(gòu)中，從光纖13發(fā)射的光通過光學(xué)填料17傳播，同時其斑直徑被擴大，且當(dāng)光到達光學(xué)填料17的端面時，斑直徑被增加以至大于芯的直徑。例如，如果在光學(xué)填料17的端面處的斑直徑是芯直徑的兩倍大，光學(xué)填料17的端面處的功率密度被減小到光纖13端面處的功率密度的四分之一。因此，即使當(dāng)高輸出功率激光器被采用時，亦可防止老化，而不管激光的類型，即脈沖光或者連續(xù)光。
此外，在脈沖激光的情況下，需要輸出脈沖的高峰值功率，且為了增加峰值功率，稀土摻雜光纖的端面經(jīng)歷對激光光的抗反射處理是基本的。例如，在如圖1所示的激光設(shè)備中，當(dāng)泵浦光入射在稀土摻雜光纖上時，被摻雜到稀土摻雜光纖的芯中的稀土離子被泵浦，由此引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果稀土摻雜光纖的發(fā)射端面未被提供有抗反射處理，從稀土離子發(fā)射的自發(fā)性發(fā)射光被發(fā)射端面反射，且這樣的反射光在通過芯傳播時被放大。在一些情況下，導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的減小的激光振蕩可發(fā)生。相反，即使在抗反射處理被提供在發(fā)射端面的情況下，亦發(fā)生自發(fā)性發(fā)射光的產(chǎn)生和放大，然而這不會導(dǎo)致激光振蕩。因此高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可被維持。當(dāng)Q開關(guān)的損失被突然減小時，從輸出耦合器反射的光在稀土摻雜光纖中傳播且激光振蕩劇烈地發(fā)生。這樣，具有高峰值功率的脈沖可被獲得?？狗瓷涮幚淼湫偷赝ㄟ^在光纖端面上提供不反射激光光的電介質(zhì)多層膜來應(yīng)用。
但是，在圖2所示的光纖的常規(guī)端面結(jié)構(gòu)中，為了防止在光纖端面處的反射，具有與該光纖相同折射率的光學(xué)填料應(yīng)該被使用。因此，由于對填料的材料沒有許多選擇，昂貴的填料被使用，這導(dǎo)致增加的生產(chǎn)成本。
此外，當(dāng)紫外固化樹脂被使用時，如果圖2所示的光學(xué)填料17的長度L是長的，則由于紫外光沒有到達遠離表面的區(qū)域并且存在空氣泡，固化樹脂沒有被完全固化。難以形成光學(xué)上完全的連續(xù)結(jié)。此外，所述樹脂展現(xiàn)對光學(xué)功率的差的耐受性，且樹脂可被灼燒。
此外，在抗反射處理中提供電介質(zhì)多層膜需要真空處理，這是耗時且昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮到上面提及的背景而被構(gòu)思，且其目的是提供一種防止對輸出高功率激光光的光纖端面的損壞的低成本端面結(jié)構(gòu)和光纖連接，一種具有這種端面結(jié)構(gòu)的光纖激光器，以及一種包括這種光纖激光器的激光處理設(shè)備。
為了達到上面提及的目的，本發(fā)明的第一方面提供一種光纖的端面結(jié)構(gòu)，包括熔接到光纖發(fā)射端面的無芯纖；以及布置在無芯纖周圍的涂覆材料，該涂覆材料的折射率高于無芯纖的折射率。
在根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)中，無芯纖的長度可被選擇成使從光纖發(fā)射并在無芯纖內(nèi)傳播的光從無芯纖被發(fā)射而沒有光到達無芯纖與涂覆材料之間的邊界。
在根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)中，光纖和無芯纖可以由相同材料制成。
在根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)中，光纖和無芯纖可以是石英基光纖和氟化物基光纖之一。
在根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)中，涂覆材料可以是紫外固化樹脂和熱固化樹脂之一。
在根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)中，涂覆材料可以在發(fā)射光的波長處具有50％或者以上的光學(xué)衰減系數(shù)。
在根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)中，光纖可以是稀土摻雜光纖。
在根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)中，稀土摻雜光纖可以具有雙包層結(jié)構(gòu)。
在根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)中，被摻雜到稀土摻雜光纖中的元素可以是從由Er，Yb，Ho，Tm和Nd組成的組里選擇的至少一種元素。光纖中存在的這些離子的示例性離子電荷數(shù)可以是“3+”；即離子可以是Er3+，Yb3+，Ho3+，Tm3+和Nd3+。
本發(fā)明提供一種光纖激光器，其包括上述本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的光纖激光器可輸出脈沖光。
此外，本發(fā)明提供包括本發(fā)明的上述光纖激光器的激光處理設(shè)備。
根據(jù)依照本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)，耐光學(xué)功率并具有高峰值功率而不需要光纖端面上的專門抗反射處理的脈沖可以通過以下獲得簡單地借助任何常規(guī)上公知的過程將光纖的發(fā)射端面熔接到無芯纖，且在光纖周圍和任選地，相鄰于光纖的無芯纖的一部分的周圍布置具有高折射率的涂覆材料。光纖的示例性實施例是發(fā)射激光光的稀土摻雜光纖。


圖1是示出典型光纖激光器的示意圖；圖2是光纖的常規(guī)端面結(jié)構(gòu)的實例的橫截面視圖；圖3是橫截面視圖，示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)的實施例；圖4是橫截面視圖，示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)的擴展(spreading)光軸；圖5是橫截面視圖，示出來自根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)的光的傳播路徑；圖6是曲線圖，其比較無芯纖被熔接的實例和沒有無芯纖被熔接的比較例的激光輸出特性的結(jié)果；圖7是曲線圖，其示出在改變被熔接部分的長度時無芯纖或者多模纖被熔接的實例的激光輸出特性的結(jié)果；以及圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的示例光纖激光器的示意圖，。
具體實施例方式
以下將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
圖3到5是橫截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖的端面結(jié)構(gòu)的實施例。圖3是光纖的端面結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。圖4是光纖的端面和來自該端面的光的路徑的橫截面視圖。圖5是橫截面視圖，示出了被無芯纖25的端面反射的光的路徑。在這些圖中，參考數(shù)字21表示稀土摻雜光纖，參考數(shù)字22表示稀土摻雜光纖的芯，參考數(shù)字23表示稀土摻雜光纖的包層，參考數(shù)字24表示涂覆材料，參考數(shù)字25表示無芯纖，參考數(shù)字26表示稀土摻雜光纖的端面，參考數(shù)字27表示無芯纖的發(fā)射端面，參考數(shù)字28表示激光光，并且參考數(shù)字29表示被反射的光。
在光纖的端面結(jié)構(gòu)中，無芯纖25被熔接到稀土摻雜光纖21的發(fā)射端面26。具有比無芯纖25的折射率高的折射率的涂覆材料24被提供在至少無芯纖25的周圍。被熔接到稀土摻雜光纖的端面26的無芯纖25的長度L被設(shè)置到適當(dāng)?shù)闹狄允箯南⊥翐诫s光纖21發(fā)射的激光光28在傳播于無芯纖25內(nèi)時從不到達無芯纖25與涂覆材料24之間的邊界，如圖4所示。此外，稀土摻雜光纖21和無芯纖25由相同材料制成。摻雜到稀土摻雜光纖的元素(離子)可以是至少一種從由Er，Yb，Ho，Tm和Nd組成的組里選擇的元素。這些離子的示例性離子電荷數(shù)可以是“3+”；即離子可以是Er3+，Yb3+，Ho3+，Tm3+和Nd3+。
稀土摻雜光纖21的基質(zhì)玻璃可以是氟化物玻璃，且稀土摻雜光纖21包括芯22和被布置在芯22的外周邊的包層23。激光光28從稀土摻雜光纖的端面26被輸出。稀土摻雜光纖的端面26被熔接到無芯纖25，所述無芯纖由與稀土摻雜光纖21相同的材料制成，且無芯纖25的發(fā)射端面27被光學(xué)拋光。由于稀土摻雜光纖21被熔接到由與稀土摻雜光纖21相同的材料制成的無芯纖25，對功率的耐受性沒有被折衷且空氣泡沒有被產(chǎn)生。涂覆材料24被提供在無芯纖25的外周邊和相鄰于拼接部分的稀土摻雜光纖21的外周邊兩者處。
從稀土摻雜光纖的端面26發(fā)射的激光光28在無芯纖25內(nèi)傳播，如圖4所示，同時以NA/n(其中NA代表稀土摻雜光纖21的芯22的數(shù)值孔徑，而“n”代表無芯纖25的折射率)的角度相對于光軸而擴展，并到達無芯纖的發(fā)射端面27。
雖然已到達無芯纖發(fā)射端面27的激光光的大部分被從發(fā)射端面27發(fā)射，一些被反射為反射光29，如圖5所示，且在無芯纖25內(nèi)傳播，同時進一步擴展以到達無芯纖25與涂覆材料24之間的邊界。
如果涂覆材料24的折射率大于無芯纖25的折射率，已到達該邊界的光出射到涂覆材料24。換句話說，大多數(shù)反射光29通過該邊界出射到涂覆材料，而小部分的光入射回到稀土摻雜光纖21的芯22，并在芯22內(nèi)傳播。返回到芯22的光在被放大時傳播，這可導(dǎo)致稀土摻雜光纖21的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的降低。被回饋到稀土摻雜光纖的端面26的反射光29的斑直徑在從端面26發(fā)射之前是芯直徑的a2/r2倍，其中“a”是稀土摻雜光纖21的芯直徑而“r”是無芯纖發(fā)射端面27的斑直徑。因此，返回到芯22的光量依賴于無芯纖25的長度L而變化，這是因為“r”被表達為L·tan(NA/n)。通過適當(dāng)?shù)剡x擇無芯纖25的長度L，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的不利作用可被消除，且不需要對發(fā)射端面的專門抗反射處理。
應(yīng)指出，如果涂覆材料24的折射率小于無芯纖25的折射率，則反射發(fā)生在無芯纖25和涂覆材料24的邊界，且較少的光從涂覆材料出射。因此，返回到芯的光的比率大于a2/r2，這可進一步不利地影響粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這在沒有涂覆材料24被提供(例如無芯纖25被暴露且被空氣包圍)或者典型的具有芯和包層的光纖代替無芯纖25而被使用的情況下保持為真。
此外，即使當(dāng)涂覆材料24的折射率大于無芯纖25的折射率時，如果布置在涂覆材料24周圍的材料的折射率小于涂覆材料24的折射率，則反射發(fā)生在該材料和涂覆材料24之間的邊界。這種情況下，返回到芯22的光的比率被增加，如在涂覆材料24的折射率小于無芯纖25的折射率的上述情況下。為了避免這種情況，涂覆材料24優(yōu)選地具有足夠的厚度以衰減大部分反射光29。涂覆材料24可在發(fā)射光的波長處具有50％或者以上的光學(xué)衰減系數(shù)。
此外，涂覆材料24可被粗略地拋光以使到達涂覆材料24的光被充分散射。
在上述光纖端面結(jié)構(gòu)中，具有高峰值功率而不需要耐光學(xué)功率的專門抗反射處理的脈沖可以通過以下獲得簡單地將稀土摻雜光纖21的一個端面熔接到無芯纖25，且在稀土摻雜光纖21和相鄰于稀土摻雜光纖21的無芯纖25的一部分的周圍布置具有高折射率的涂覆材料24。
本發(fā)明還提供一種具有上述光纖端面結(jié)構(gòu)的光纖激光器。例如，通過提供本發(fā)明的上述光纖端面結(jié)構(gòu)到如圖1所示的典型光纖激光器的發(fā)射端面，可以構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的光纖激光器。
根據(jù)本發(fā)明的光纖激光器可以是任何激光器，包括連續(xù)激光器。但是，因為較好的處理性能等原因，本發(fā)明的光纖激光器優(yōu)選地輸出脈沖光。
將參考圖8來說明根據(jù)本發(fā)明的光纖激光器。圖8是根據(jù)本發(fā)明的示例性光纖激光器30的示意圖。光纖激光器30可包括泵浦光源(LD)模塊31，聚光透鏡32，后鏡(rear mirror)33，鉺摻雜光纖(EDF)34，無芯纖35，準(zhǔn)直透鏡36，聲光(AO)裝置37以及輸出鏡38。
從泵浦LD模塊31輸出的光被聚光透鏡32聚焦在EDF 34的泵浦光入射端面。作為EDF，具有雙包層結(jié)構(gòu)的EDF可被使用，且這樣的具有雙包層結(jié)構(gòu)的光纖包括第一包層和第二包層。相對于第二包層，第一包層起到芯的作用，而相對于芯，起到包層的作用。當(dāng)具有單包層結(jié)構(gòu)的典型EDF被使用時，泵浦光需要入射在芯上。然而小直徑的芯僅準(zhǔn)許小量的泵浦光被耦合到芯，導(dǎo)致基本的損失量。相反，具有雙包層結(jié)構(gòu)的EDF允許較多的泵浦光被耦合，這是因為泵浦光可耦合到具有相對大的直徑的第一包層，以及芯。因此，泵浦光被聚光透鏡32聚焦在EDF 34的泵浦光入射端面上的第一包層上。當(dāng)泵浦光在通過第一包層傳播的同時橫向于芯而入射在第一包層上時，泵浦光被例如已摻雜到芯中的Er離子吸收。吸收泵浦光的Er離子自發(fā)地發(fā)射光(即自發(fā)性發(fā)射)，該光具有與泵浦光的波長不同的波長，且通過芯傳播的一部分自發(fā)性發(fā)射的光在傳播過程中被放大，且作為放大的自發(fā)性發(fā)射(ASE)被發(fā)射。
兩個腔鏡被提供在EDF 34的兩端。一個是提供在激光的發(fā)射側(cè)的輸出鏡38，且雖然輸出鏡38反射一部分具有特定波長的自發(fā)性發(fā)射，但反射比不是100％且被調(diào)節(jié)以獲得所需輸出。另一個是后鏡33，其具有相同的反射波長但是具有近100％的反射比，且不影響在泵浦波長處的光。
AO裝置37被控制成使其透射周期性地循環(huán)在大透射損失狀態(tài)和小透射損失狀態(tài)之間。當(dāng)AO裝置的透射損失在大透射損失狀態(tài)和小透射損失狀態(tài)之間改變時，從EDF 34發(fā)射的ASE被腔中的后鏡33和輸出鏡38來回反射，且在每次通過EDF 34時被放大，由此引起振蕩。一部分激光光通過輸出鏡38，由此產(chǎn)生脈沖激光束。
EDF的激光輸出端面經(jīng)歷與圖3所示一樣的處理。
此外，本發(fā)明提供包括本發(fā)明的上述光纖激光器的激光處理設(shè)備。該激光處理設(shè)備包括本發(fā)明的上述光纖激光器，并且根據(jù)要求，任選地包括用在常規(guī)激光處理設(shè)備中的任何其他機構(gòu)，如驅(qū)動機構(gòu)，聚焦機構(gòu)，控制設(shè)備等。
實例本發(fā)明的端面結(jié)構(gòu)被制造。鉺摻雜光纖被用作稀土摻雜光纖。該鉺摻雜光纖具有雙包層結(jié)構(gòu)，具有第一和第二包層，其中芯的直徑是40μm，第一包層的直徑是400μm，且第二包層的直徑是530μm。此外，第二包層是聚合體包層，且在熔接-拼接部分處的第二包層通過將其浸泡在有機溶劑中被剝離。具有280μm直徑的無芯纖被使用。鉺摻雜光纖的芯和無芯纖的折射率是1.53。
此外，具有1.56折射率的紫外固化樹脂被用作涂覆材料。雖然紫外固化樹脂被用在這個實例中，涂覆材料沒有被局限于紫外固化樹脂，且其他樹脂可被使用，如熱固化樹脂。980-nm的激光二極管被用作泵浦光源且聲光(OA)調(diào)制器被用作Q開關(guān)，且激光器被操作以使具有600Hz和20％占空的脈沖被獲得。
在無芯纖被熔接(以圖6所示的“有無芯纖熔接”標(biāo)記指示)時和在沒有無芯纖被熔接(以圖6所示的“沒有無芯纖”標(biāo)記指示)時，激光的激光光輸出特性被比較。結(jié)果被示出在圖6中。為了比較對光學(xué)功率的耐受性，在沒有無芯纖被熔接的情況下，鉺摻雜光纖的發(fā)射端面通過提供電介質(zhì)多層膜而經(jīng)歷抗反射處理。
如圖6所示，當(dāng)沒有無芯纖被熔接時由于鉺摻雜光纖的端面被損壞，輸出在大約60W的峰值功率處飽和。相反，當(dāng)無芯纖被熔接時，激光輸出被增加到使入射在稀土摻雜光纖上的泵浦光功率被增加的程度。此外，鉺摻雜光纖的端面在峰值功率超過100W時沒有被損壞。
此外，本發(fā)明的端面結(jié)構(gòu)通過熔接無芯纖(實例)或者多模纖(比較例)來制造。然后，相對于熔接部分長度(拼接的無芯或者多模纖的長度L)的輸出特性被確定。結(jié)果被示在圖7中。由與鉺摻雜光纖的材料相同的材料制成，具有300μm的芯直徑且具有380μm的包層直徑的多模纖被使用。在圖7的圖例中，標(biāo)記“有無芯纖熔接”指示實例的結(jié)果(當(dāng)無芯纖被熔接時)，而標(biāo)記“有多模纖熔接”指示比較例的結(jié)果(當(dāng)多模纖被熔接時)。熔接部分的零長度意味著沒有纖被熔接。
在多模纖的情況下(圖7中由“有多模纖熔接”指示)，當(dāng)從發(fā)射端面反射的光在鉺摻雜光纖的端面處的斑直徑小于多模纖的芯直徑時，峰值功率隨熔接部分長度的增加而增加，這是因為較少的反射光返回到芯。當(dāng)從發(fā)射端面反射的光在鉺摻雜光纖的端面處的斑直徑超過多模纖的芯直徑時，從發(fā)射端面反射的光被芯與包層之間的界面反射，且較多的反射光返回到芯。因此，峰值功率隨熔接部分長度的增加而降低。此外，當(dāng)熔接部分的長度進一步增加而相應(yīng)地在發(fā)射端面處的斑直徑變得大于多模纖的芯直徑時，從發(fā)射端面輸出和被輸出耦合器反射到鉺摻雜光纖的芯的激光光的拼接效率被降低，這導(dǎo)致峰值功率的降低。
在比較例的多模纖的情況下(圖7的“有多模纖熔接”)，在430μm的熔接部分的長度處，來自發(fā)射端面的反射光在鉺摻雜光纖的端面處的斑直徑變成等于多模纖的芯直徑。因此，當(dāng)熔接部分的長度為430μm或者以下時，峰值功率隨熔接部分長度的增加而增加。當(dāng)熔接部分的長度為430μm或者以上時，峰值功率隨熔接部分長度的增加而降低，這與實驗結(jié)果相當(dāng)一致。
相反，在無芯纖的情況下(圖7中的“有無芯纖熔接”)，來自發(fā)射端面的反射光在鉺摻雜光纖的端面處的斑直徑變得大于無芯纖的芯直徑。因此，沒有反射光在無芯纖與紫外固化樹脂之間的界面被反射，即使是當(dāng)反射光到達界面時，這是因為紫外固化樹脂的折射率大于無芯纖的折射率。因此，隨著熔接纖的長度增加，較少的從發(fā)射端面反射的光返回到鉺摻雜光纖的芯。
此外，因為在多模纖的情況下，在發(fā)射端面處的斑直徑變得大于無芯纖的直徑，從發(fā)射端面輸出和被輸出耦合器反射到鉺摻雜光纖的芯的激光光的拼接效率降低，這導(dǎo)致峰值功率的降低。
在這個實例使用無芯纖的情況下，在800μm的熔接部分長度處，來自發(fā)射端面的反射光的斑直徑變成等于多模纖的芯直徑。因此，當(dāng)熔接部分的長度是800μm或者以下時，峰值功率隨著熔接部分長度的增加而增加。當(dāng)熔接部分的長度是800μm或者以上時，峰值功率隨著熔接部分長度的增加而降低，這與實驗結(jié)果相當(dāng)一致。
如先前所述，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，具有高峰值功率而不需要耐光學(xué)功率的專門抗反射處理的脈沖可通過將稀土摻雜光纖的一個端面熔接到無芯纖而獲得。
雖然本發(fā)明的優(yōu)選實施例已在上面被描述和示出，應(yīng)該理解這些是本發(fā)明的實例且不應(yīng)被認為是限制?？稍诒景l(fā)明的精神或者范圍內(nèi)進行添加、省略、替換和其他修改。因此，本發(fā)明不應(yīng)被認為由以上描述限制，而僅被所附權(quán)利要求的范圍所限制。
權(quán)利要求
1.一種光纖的端面結(jié)構(gòu)，包括無芯纖，其被熔接到光纖的發(fā)射端面；以及涂覆材料，其至少布置在無芯纖周圍，其中該涂覆材料的折射率高于無芯纖的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中無芯纖的長度被選擇成使從光纖發(fā)射并在無芯纖內(nèi)傳播的光從無芯纖被發(fā)射而沒有光到達無芯纖與涂覆材料之間的邊界。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中光纖和無芯纖由相同材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中光纖和無芯纖每個都從石英基光纖和氟化物基光纖組成的組中選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中涂覆材料是從紫外固化樹脂和熱固化樹脂組成的組中選擇的樹脂。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中涂覆材料在發(fā)射光的波長處具有50％或者以上的光學(xué)衰減系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中光纖是稀土摻雜光纖。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中稀土摻雜光纖具有雙包層結(jié)構(gòu)，其具有第一和第二包層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中摻雜到稀土摻雜光纖中的至少一種元素是從由Er，Yb，Ho，Tm和Nd組成的組中選擇的元素。
10.一種光纖激光器，其包括根據(jù)權(quán)利要求9的光纖的端面結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的光纖激光器，其中所述光纖激光器輸出脈沖光。
12.一種激光處理設(shè)備，其包括根據(jù)權(quán)利要求10的光纖激光器。
13.根據(jù)權(quán)利要求4的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中摻雜到稀土摻雜光纖中的元素的至少一種離子是從Er3+，Yb3+，Ho3+，Tm3+和Nd3+組成的組中選擇的離子。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中摻雜到稀土摻雜光纖中的元素是Er。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中無芯纖基本上不包含空氣泡。
16.根據(jù)權(quán)利要求2的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中入射到光纖芯并且被回饋到光纖端面的反射光的斑直徑在從端面發(fā)射之前是芯直徑的a2/r2倍，其中a是光纖的芯直徑，而r是發(fā)射端面的斑直徑。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中涂覆材料被粗略地拋光。
18.根據(jù)權(quán)利要求8的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中第二包層是聚合物包層。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中Er摻雜光纖的芯的折射率是1.53。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)光纖的熔接部分的長度處于大約0.5mm和0.8mm之間時獲得光纖的峰值功率。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中涂覆材料布置在無芯纖和光纖周圍。
22.一種光纖連接，其包括光纖的端面結(jié)構(gòu)，其中無芯纖被熔接到光纖的發(fā)射端面以實現(xiàn)大約60W或以上的峰值功率，而無需將抗反射處理應(yīng)用于光纖的端面。
23.根據(jù)權(quán)利要求10的光纖激光器，其中光纖激光器包括泵浦光源、聚光透鏡、后鏡、稀土摻雜光纖、無芯纖、準(zhǔn)直透鏡、聲光裝置、和輸出鏡，其中泵浦光由稀土離子吸收在稀土摻雜光纖中，所述離子自發(fā)地發(fā)射具有與泵浦光不同的波長的光。
全文摘要
光纖的端面結(jié)構(gòu)包括被熔接到纖光纖的發(fā)射端面的無芯纖和布置在至少無芯纖周圍的涂覆材料，該涂覆材料的折射率高于無芯纖的折射率。
文檔編號H01S3/06GK1690743SQ200510064549
公開日2005年11月2日 申請日期2005年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月15日
發(fā)明者北林和大, 酒井哲彌 申請人:株式會社藤倉