【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光収束機構及び高出力のレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ媒質を用いた光励起固体レーザは、レーザ光の出力を高めるためには、励起用光源の光強度を高める必要があり、この励起用光源に関する技術が多数提案されている。近年では、固体レーザの励起用光源として高出力の半導体レーザアレイを用いたものが広く利用されている。半導体レーザアレイは、複数の発光点を有し、それぞれの発光点から光が出力されるようになっており、この半導体レーザアレイからの複数の出力光を収束することによって、高出力の励起用光源として利用できる。
前記半導体レーザアレイからの複数の出力光を収束する技術として、光ファイバを用いた光収束機構が提案されている（特許文献１参照。）。この光収束機構は、複数の光ファイバがその一方の端部側で束ねられた状態で備えられ、各光ファイバの他方の端部から入射した光が、収束された状態で前記一方の端部より出射されるようになっている。
光ファイバの他方の端部を半導体レーザアレイの各出力端に配置することによって、半導体レーザアレイからの複数の出力光を、光ファイバの一方の端部から収束した状態で出射することができる。
【０００３】
前記光ファイバから構成された光収束機構では、半導体レーザアレイからの出力光の光ファイバへの結合効率が重要となる。半導体レーザアレイからの出力光のビーム広がり角よりも大きい値となるように、光ファイバの開口数を設定し、結合効率を高めることによって、低損失で半導体レーザアレイからの出力光を収束することができる。
一般に半導体レーザアレイの出力端は長方形状であり、出力端の縦方向と横方向とで出力光のビーム広がり角が異なる。このため、光ファイバを用いた光収束機構では、出力光のビーム広がり角の最大値に対応させて開口数を決定することになる。
【０００４】
前記光ファイバの開口数を大きくするためには、開口数に比例してコアとクラッドの屈折率差を大きくする必要があり、所望の屈折率が得られるようにコアとクラッドの材料を選択しなければならない。前記した半導体レーザアレイの出力光のビーム広がり角よりも大きい値の開口数を得るためには、比較的大きな屈折率差を必要とし、石英ガラスから構成された光ファイバでは、必要とする屈折率差を形成することが困難である。
石英ガラスから構成されたコアを樹脂で被覆した樹脂クラッド構造を有する光ファイバでは、樹脂の材質を選択することで、必要となるコアとクラッドの屈折率差を形成することができる。しかし、半導体レーザアレイ等の光源は光出力に伴って発熱するため、この熱によって樹脂クラッドが熱変質する場合がある。また、光収束機構とするためには、光ファイバを一方の端部側で束ねる際、この一方の端部の樹脂クラッドを除去しなければならず、光収束機構の形成に係る作業工程が増えることとなる。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第４８１８０６２号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち結合効率に優れ、半導体レーザアレイからの出力光を効率良く結合して収束でき、かつ出力光によって熱劣化することのない光収束機構と、この光収束機構を有し、光強度の高い光が出射できる半導体レーザ装置及び光励起固体レーザを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、複数の光ファイバがその一方の端部側で束ねられた状態で設けられ、光ファイバの他方の端面から入射した光が、光ファイバの束ねられた一方の端面より収束した状態で出射される光収束機構であって、前記光ファイバがエアークラッド構造を有することを特徴とする光収束機構である。
請求項２に係る発明は、前記光ファイバのコアの断面形状が長方形であることを特徴とする請求項１に記載の光収束機構である。
請求項３に係る発明は、前記光ファイバの長さが７ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光収束機構である。
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光収束機構と、複数の発光点を有する半導体レーザアレイを有し、前記半導体レーザアレイの各光出力端に、前記光収束機構の各光ファイバの他方の端部が配置されたことを特徴とする半導体レーザ装置である。
請求項５に係る発明は、０．７〜１．０μｍの光を出射することを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置である。
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置から出射された光によって励起される固体レーザ媒質を有することを特徴とする光励起固体レーザ装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の光収束機構１の一例を示す概略図である。この光収束機構１は、エアクラッド構造を有する複数の光ファイバ２と、光ファイバ用保持体３から構成されている。
光ファイバ用保持体３は、矩形状の本体３１と、この本体３１の一方の端部３１ａ側に設けられ、光ファイバ固定用の溝部３２ａが１本形成された出力側固定部３２と、本体３１の他方の端部３１ｂ側に設けられ、光ファイバ固定用の複数の溝部３３ａが並列して形成された入力側固定部３３とから構成される。ここで、図中、本体３１の端部のうち、紙面上奥側を一方の端部３１ａとし、手前側を他方の端部３１ｂとする。
エアクラッド構造を有する光ファイバ２は、コアのみから構成され、コアの周囲の空気がクラッドの役割を果たす。前記コアとしては、石英ガラス等が挙げられる。
【０００９】
図１において、前記エアクラッド構造を有する複数の光ファイバ２は、一方の端部２ａ側で束ねられた状態で、この一方の端部２ａ（以下、出射端とも言い、また束ねられた状態の一方の端部をバンドル部とも言う。）が前記光ファイバ用保持体３の出力側固定部３２の溝部３２ａに収容されている。また、複数の光ファイバ２の他方の端部２ｂ（以下、入射端とも言う。）は、光ファイバ用支持体３の入力側固定部３３のそれぞれの溝部３３ａに収容されている。
前記光ファイバ２の出射端２ａ及び入射端２ｂを溝部３２ａ，３３ａに固定する方法としては、光ファイバ２上に押さえ板を載せて、クランプなどでこの押さえ板と矩形状の本体３１とを固定する方法等の機械的手段による固定方法や、接着剤による接着固定等が適用できる。また、光ファイバ２の出射端２ａは、複数重ねた状態で溝部３２ａに収納して固定する方法や、加熱溶融して１本のコアとして溝部３２ａに収容して固定する方法等が適用できる。
【００１０】
本実施形態の光集束機構１は、エアクラッド構造を有する光ファイバ２から構成され、コアの周囲の空気がクラッドの役割を果たす。空気の屈折率は１であり、石英ガラス等の固体媒体より小さい値であるため、光ファイバ２の開口数を大きな値とすることができ、優れた結合効率で光源からの光６１を光ファイバ２に結合させることができる。このため、光源からの光６１を低損失で収束できる。また、空気をクラッドとして用いるため、従来のように光源の光出力に伴う発熱によってクラッドが熱変質することがなく、高い光強度のレーザ光等を安定して収束することができる。
更に、光ファイバ２の開口数を大きな値とすることができるため、光ファイバ２の入射端２ｂを光源の出力端に対向配置する際、配置位置の公差が大きく、配置作業が容易に行える。
また、エアクラッド構造を有する光ファイバ２の長さは、７ｃｍ以下が好ましく、これにより、光ファイバ２をその両端部２ａ，２ｂが溝部に収納された状態で固定したとき、光ファイバ２がたわみにくくなり、長手方向途中で光ファイバ２が破断することをほとんど無くすることができる。更に、光ファイバ２は、曲がりが無く真直ぐな状態で光ファイバ用保持体３に固定することが好ましく、これにより更に光ファイバ２が破断することを無くすることができる。
【００１１】
また、エアクラッド構造を有する光ファイバ２のコアの断面形状は長方形や正方形等の矩形状であることが好ましい。図２は、コアの断面が長方形であり、かつエアクラッド構造を有する光ファイバ２の一例を示す概略図である。このような光ファイバ２は束ねやすく、光ファイバ２の出射端２ａ側で束ねたとき、各出射端２ａ間にほとんど隙間がなく、互いに接触した状態とすることができる。この状態で光ファイバ２の出射端２ａ側を出力側固定部３２の溝部３２ａに収容した場合、光ファイバ２の出射端２ａ間にほとんど隙間が無いため、光ファイバ２に入射した光６１を高い結合効率で収束でき、高出力で、コリメート性に優れた光として出射できる。
特に、半導体レーザ装置４の出力端４２の端面形状が矩形状の場合、光ファイバ２のコアの断面を前記出力端４２と同一寸法とすることが好ましい。これにより、光ファイバ２の入射端２ｂの面積は、半導体レーザ装置４の出力端４２と同一であり最小の面積で、出力端４２からの光６１を外方に漏れることなく光ファイバ２に結合させることができる。このため優れた光６１の結合効率が実現でき、かつ、光ファイバ２の入射端２ｂの単位面積当たりの光強度（以下、光ファイバ２に結合後の光６１のパワー密度とも言う。）を高い値とすることができる。
【００１２】
次に、前記光収束機構１を用いた半導体レーザ装置４及び光励起固体レーザ装置５について説明する。
図３は、本実施形態の光励起固体レーザ装置５の一例を示す概略図である。この光励起固体レーザ装置５は、励起用光源の半導体レーザ装置４と、固体レーザ媒質５１から構成されている。
前記半導体レーザ装置４は、複数の発光点を有する半導体レーザアレイ４１と前述した光収束機構１から構成されている。前記複数の発光点を有する半導体レーザアレイ４１は、基板の同一の端面４１ａに複数の出力端４２が設けられ、それぞれの出力端４２から光６１が出力されるものである。例えば、基板上に複数の活性層が形成され、基板の同一の端面４１ａに複数の出力端４２が設けられたものや、複数の半導体レーザ素子がその出力端４２を同一方向に向けた状態でアレイ基板上に配列、固定されたもの等が挙げられる。
【００１３】
光収束機構１の構成は、図１に示された本実施形態の一例と同一であるため説明を省略する。この光収束機構１は、半導体レーザアレイ４１の出力端４２に対向配置したとき、光収束機構１の光ファイバ２の入射端２ｂが半導体レーザアレイ４のそれぞれの出力端４２に対向し、この出力端４２から出射された出力光６１を、光ファイバ２のそれぞれの入力端２ｂに結合できるようになっている。
また、光ファイバ２の断面形状は、半導体レーザアレイ４１の出力端４２と同一形状である。これにより、半導体レーザアレイ４１からの出力光６１を優れた結合効率で光ファイバ２の入射端２ｂに結合できるようになっている。
【００１４】
次に、固体レーザ媒質５１は、例えばＹＡＧ（Ｙ３ Ａｌ５ Ｏ１２）やＮｄ：ＹＶＯ４ 等の結晶から構成され、Ｅｒ，Ｔｂ，Ｎｄ，Ｔｍ，Ｈｏ，Ｐｒから選ばれた１以上の元素が含有されたものなどが挙げられる。この固体レーザ媒質５１は、前記光収束機構１の光ファイバ２の出射端２ａ側に設けられる。
光ファイバ２の出射端２ａから出射された光６２は、固体レーザ媒質５１に入射し、これにより固体レーザ媒質５１で共振動作が起こり、発信レーザが出射される。
【００１５】
本実施形態の半導体レーザ装置４は、前記した光収束機構１を用いることによって、優れた結合効率で、半導体レーザアレイ４１から出射された複数の出力光６１をそれぞれの光ファイバ２に結合でき、半導体レーザアレイ４１から出射された出力光６１を低損失で収束でき、高出力の光６２として出射できる。
また、エアークラッド構造の光ファイバ２のコアは、石英ガラスから構成され、０．７〜１．０μｍの波長帯において比較的光損失が小さいため、この波長帯の光を低損失で出射できる。
【００１６】
本実施形態の光励起固体レーザ装置５は、前記半導体レーザ装置４を励起用光源として用いることによって、高出力の励起光６２を固体レーザ媒質５１に入射でき、これにより高強度のレーザ光を出射することができる。
このように、本実施形態の光励起固体レーザ装置５は、高出力のレーザ光が出射できるため、例えば金属溶接等にも利用することができる。
【００１７】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
図４は、本実施形態の光励起固体レーザ装置の他の一例を示す概略図である。光収束機構１１の光ファイバ２の入射端２ｂ側と出射端２ａ側には、それぞれ集光用のレンズ７が設けられている。レンズ７としては、球状レンズ、円柱状レンズや、また複数のレンズ７が配置されたレンズアレイ等が適用できる。
光収束機構１１の光ファイバ２の入射端２ｂ側では、光源となる半導体レーザアレイ４１の各出力端４２に対向する位置にレンズ７が配置されており、これにより、半導体レーザアレイ４１の各出力端４２から出射された出力光６１を集光して、コリメート性に優れた光として光ファイバ２に結合させることができる。このため、光源からの出力光６１の光ファイバ２への結合効率を更に高めることができ、低損失で光源からの出力光６１を収束できる光収束機構１１が実現できる。
また、光収束機構１１の光ファイバ２の出射端２ａ側にレンズ７を配置することによって、光収束機構１１にて収束された光６２は、レンズ７によって集光されてコリメート性に優れた光として出射できる。
【００１８】
前記した光収束装置１１を用いた半導体レーザ装置１４は、高出力でコリメート性に優れた光６２を低損失で出射できる。また、この半導体レーザ装置１４を励起用光源として用いた光励起固体レーザ装置１５は、高強度のレーザ光を効率良く出射することができる。
【００１９】
図５は、本実施形態の光励起固体レーザ装置の更に他の一例を示す概略図である。光収束機構２１の光ファイバ２の出射端２ａ側には、１本の出射用光ファイバ８が設けられている。この出射用光ファイバ８としては、開口数が、半導体レーザアレイ４１と固定レーザ媒質５１の開口数の平均値となるように調整された光ファイバが用いられる。
前記出射用光ファイバ８が設けられたことによって、半導体レーザ装置２４の出射端となる出射用光ファイバ８は、半導体レーザアレイ４１から十分離れた位置にあり、半導体レーザアレイ４１の光出力に伴って発せられた熱が、光収束機構２１を介して出射用光ファイバ８の出射端面にまで伝わることがない。このため、図５に示された光励起固体レーザ装置２５では、半導体レーザアレイ４１の光出力に伴なう発熱が、光収束機構２１を介して固体レーザ媒質５１に伝わることを防止でき、熱によって固体レーザ媒質５１の共振動作が不安定になることを無くすることができ、安定したレーザ発振が可能となる。
【００２０】
また、光励起固体レーザ装置５では、固体レーザ媒質５１での共振動作を効率良く行えるように、固体レーザ媒質５１を介在して対向する１対の反射鏡を備えたレーザ共振器を設けた構成や、固体レーザ媒質５１のレーザ出射端側に非線形光学結晶素子を設け、固体レーザ媒質５１から出射された基本波の発振レーザ光が非線形光学結晶素子を通過することにより、波長変換されたレーザ光として出力される構成としても構わない。
【００２１】
次に本実施形態の具体例を以下に示す。
具体例の光励起固体レーザ装置５は、図３に示された本実施形態と同様の構成であるため、詳細の説明は省略する。半導体レーザアレイ４１は、基板の同一の端面に１９個の出力端４２が配列して設けられたものである。この出力端４２の形状は、長方形であり、長辺が１５０μｍ、短辺が１μｍである。
【００２２】
次に光収束機構１のエアークラッド構造を有する光ファイバ２について説明する。光収束機構１は、図３に示された本実施形態と同様の構成となる。光ファイバ２のコアの断面形状は、長方形であり、長辺が１６０μｍ、短辺が１０μｍである。また光ファイバ２の長さは７ｃｍ以下である。
光ファイバ用保持体３の入力側固定部３３と出力側固定部３２との間の距離は５ｃｍであり、光ファイバ２はその両端２ａ，２ｂが溝部３２ａ，３３ａに収納固定された状態で光ファイバ用保持体３に固定されている。
【００２３】
コアの断面が長方形であるため、光ファイバ２は束ねやすく、光ファイバ２の出射端２ａは、ほとんど隙間が無く、互いに接触した状態に束ねられている。このため、光ファイバ２に入射した光６１を高い結合効率で収束でき、高出力で、コリメート性に優れた光６２として出射できる。
また、光ファイバ２は、エアクラッド構造であるため、光ファイバ２の入射端２ｂの開口数を、半導体レーザアレイ４１の出力端４２からの光６１のビーム広がり角よりも大きい値とすることができる。
【００２４】
以上により、半導体レーザアレイ４１からの出力光６１を優れた結合効率で光ファイバ２の入射端２ｂに結合できる。また、半導体レーザアレイ４１の出力端４２の大きさに比べて、光収束機構１の光ファイバ２のコアの方が大きいため、光ファイバ２の入射端２ｂを半導体レーザアレイ４１の出力端４２に対向配置する際、配置位置の公差が大きく、配置作業が容易に行える。
【００２５】
また、光ファイバ２の長さが７ｃｍ以下であるため、光ファイバ２をその両端２ａ，２ｂが溝部３２ａ，３３ａに収納された状態で光ファイバ用保持体３に固定したとき、光ファイバ２がたわみにくくなり、長手方向途中で光ファイバ２が破断することをほとんど無くすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の光集束機構は、エアクラッド構造を有する光ファイバから構成され、光ファイバの開口数を大きな値とすることができ、優れた結合効率で光源からの光を光ファイバの他方の端面に結合させることができる。このため、光源からの光を低損失で収束できる。また、空気をクラッドとして用いるため、従来のように光源の光出力に伴う発熱によってクラッドが熱変質することがなく、高い光強度のレーザ光等を安定して収束することができる。
また、光ファイバの開口数を大きな値とすることができるため、光ファイバの他方の端面を光源の出力端に対向配置する際、配置位置の公差が大きく、配置作業が容易に行える。
【００２７】
また、本発明の半導体レーザ装置は、前記した光収束機構を用いることによって、優れた結合効率で、半導体レーザアレイから出射された複数の光をそれぞれの光ファイバに結合でき、半導体レーザアレイから出射された光を低損失で収束でき、高出力の光として出射できる。
本発明の光励起固体レーザ装置は、前記半導体レーザ装置を励起用光源として用いることによって、高出力の励起光を固体レーザ媒質に入射でき、これにより高強度のレーザ光を出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光収束機構の一例を示す概略図である。
【図２】エアクラッド構造を有する光ファイバの一例を示す概略図である。
【図３】本実施形態の光励起固体レーザ装置の一例を示す概略図である。
【図４】本実施形態の光励起固体レーザ装置の他の一例を示す概略図である。
【図５】本実施形態の光励起固体レーザ装置の更に他の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１，１１，２１‥‥光収束機構、２‥‥光ファイバ、２ａ‥‥光ファイバの一方の端部、２ｂ‥‥光ファイバの他方の端部、４，１４，２４‥‥半導体レーザ装置、５，１５，２５‥‥光励起固体レーザ装置、７‥‥レンズ、８‥‥出射用光ファイバ、４１‥‥半導体レーザアレイ、４２‥‥半導体レーザアレイの光出射端、５１‥‥固体レーザ媒質、６１‥‥光ファイバに入射する光、６２‥‥半導体レーザ装置から出射された光[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light focusing mechanism and a high-power laser device.
[0002]
[Prior art]
In a light-pumped solid-state laser using a solid-state laser medium such as Nd: YAG, it is necessary to increase the light intensity of a pumping light source in order to increase the output of laser light, and many techniques related to the pumping light source have been proposed. . In recent years, a light source using a high-output semiconductor laser array has been widely used as a light source for exciting a solid-state laser. The semiconductor laser array has a plurality of light emitting points, and light is output from each of the light emitting points. By converging a plurality of output lights from the semiconductor laser array, a high output pumping light is obtained. Can be used as a light source.
As a technique for converging a plurality of output lights from the semiconductor laser array, a light converging mechanism using an optical fiber has been proposed (see Patent Document 1). The light converging mechanism is provided in a state where a plurality of optical fibers are bundled at one end thereof, and light incident from the other end of each optical fiber is converged at the one end. The light is emitted more.
By arranging the other end of the optical fiber at each output end of the semiconductor laser array, a plurality of output lights from the semiconductor laser array can be emitted from one end of the optical fiber in a converged state.
[0003]
In the light converging mechanism constituted by the optical fiber, the coupling efficiency of the output light from the semiconductor laser array to the optical fiber becomes important. Converging the output light from the semiconductor laser array with low loss by setting the numerical aperture of the optical fiber so as to have a value larger than the beam spread angle of the output light from the semiconductor laser array and increasing the coupling efficiency. Can be.
Generally, the output end of a semiconductor laser array has a rectangular shape, and the beam divergence angle of the output light differs in the vertical and horizontal directions of the output end. Therefore, in a light focusing mechanism using an optical fiber, the numerical aperture is determined in accordance with the maximum value of the beam divergence angle of the output light.
[0004]
In order to increase the numerical aperture of the optical fiber, it is necessary to increase the refractive index difference between the core and the clad in proportion to the numerical aperture, and select the material of the core and the clad so as to obtain a desired refractive index. There must be. In order to obtain a numerical aperture having a value larger than the beam divergence angle of the output light of the semiconductor laser array, a relatively large refractive index difference is required, and in an optical fiber composed of quartz glass, the required refractive index is required. It is difficult to make a difference.
In an optical fiber having a resin clad structure in which a core made of quartz glass is covered with a resin, a necessary refractive index difference between the core and the clad can be formed by selecting a material of the resin. However, since a light source such as a semiconductor laser array generates heat in accordance with the light output, the heat may cause the resin clad to thermally deteriorate. Further, in order to form a light converging mechanism, when the optical fibers are bundled at one end, the resin clad at the one end must be removed, and the number of work steps related to the formation of the light converging mechanism increases. It will be.
[0005]
[Patent Document 1]
US Patent No. 4,818,062 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances. That is, the light converging mechanism is excellent in coupling efficiency, can efficiently couple and converge the output light from the semiconductor laser array, and does not thermally degrade due to the output light. It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser device and a photo-excitation solid-state laser capable of emitting light.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the invention according to claim 1, a plurality of optical fibers are provided in a bundled state at one end thereof, and light incident from the other end surface of the optical fiber is transmitted from one bundled end surface of the optical fiber. A light converging mechanism for emitting light in a converged state, wherein the optical fiber has an air clad structure.
The invention according to claim 2 is the light converging mechanism according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the core of the optical fiber is rectangular.
The invention according to claim 3 is the light converging mechanism according to claim 1 or 2, wherein the length of the optical fiber is 7 cm or less.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the light converging mechanism according to any one of the first to third aspects, and a semiconductor laser array having a plurality of light emitting points. A semiconductor laser device wherein the other end of each optical fiber of the converging mechanism is arranged.
The invention according to claim 5 is the semiconductor laser device according to claim 4, which emits light of 0.7 to 1.0 μm.
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an optically-pumped solid-state laser device comprising: the semiconductor laser device according to the fifth aspect; and a solid-state laser medium that is excited by light emitted from the semiconductor laser device.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of the light focusing mechanism 1 of the present embodiment. The light converging mechanism 1 includes a plurality of optical fibers 2 having an air clad structure and an optical fiber holder 3.
The optical fiber holder 3 includes a rectangular main body 31, an output side fixing section 32 provided on one end 31 a side of the main body 31, and having one optical fiber fixing groove 32 a formed therein. An input-side fixing portion 33 is provided on the other end 31b side of the base 31 and a plurality of grooves 33a for fixing an optical fiber are formed in parallel. Here, in the drawing, among the ends of the main body 31, the back side on the paper surface is defined as one end 31a, and the near side is defined as the other end 31b.
The optical fiber 2 having the air clad structure is composed of only the core, and the air around the core plays the role of the clad. Examples of the core include quartz glass.
[0009]
In FIG. 1, a plurality of optical fibers 2 having the air clad structure are bundled on one end 2a side, and the one end 2a (hereinafter, also referred to as an emission end, also in a bundled state). One end is also referred to as a bundle portion) is accommodated in the groove 32a of the output-side fixing portion 32 of the optical fiber holder 3. The other ends 2 b (hereinafter, also referred to as “incident ends”) of the plurality of optical fibers 2 are accommodated in respective grooves 33 a of the input-side fixing portion 33 of the optical fiber support 3.
As a method of fixing the output end 2a and the input end 2b of the optical fiber 2 to the grooves 32a and 33a, a pressing plate is placed on the optical fiber 2 and the pressing plate and the rectangular main body 31 are fixed by a clamp or the like. For example, a fixing method using mechanical means such as a fixing method, an adhesive fixing using an adhesive, or the like can be applied. In addition, a method in which a plurality of emission ends 2a of the optical fiber 2 are housed and fixed in the groove 32a in a stacked state, a method in which the fiber is heated and melted and housed in the groove 32a as one core, and the like can be applied.
[0010]
The light focusing mechanism 1 of the present embodiment includes an optical fiber 2 having an air clad structure, and the air around the core plays the role of the clad. Since the refractive index of air is 1, which is smaller than that of a solid medium such as quartz glass, the numerical aperture of the optical fiber 2 can be made large, and the light 61 from the light source can be transmitted with excellent coupling efficiency. 2 can be combined. Therefore, the light 61 from the light source can be converged with low loss. Further, since air is used as the clad, the clad is not thermally deteriorated due to heat generated by the light output of the light source as in the related art, and a laser beam or the like having a high light intensity can be stably converged.
Furthermore, since the numerical aperture of the optical fiber 2 can be set to a large value, when the incident end 2b of the optical fiber 2 is arranged to face the output end of the light source, the tolerance of the arrangement position is large and the arrangement work can be easily performed.
The length of the optical fiber 2 having the air clad structure is preferably 7 cm or less, so that when the optical fiber 2 is fixed in a state where both ends 2a and 2b are housed in the grooves, the optical fiber 2 bends. This makes it difficult to break the optical fiber 2 halfway in the longitudinal direction. Further, it is preferable that the optical fiber 2 is fixed to the optical fiber holder 3 in a straight state without any bending, thereby further preventing the optical fiber 2 from being broken.
[0011]
Also, the cross-sectional shape of the core of the optical fiber 2 having the air clad structure is preferably a rectangular shape such as a rectangle or a square. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the optical fiber 2 having a rectangular cross section of a core and having an air clad structure. Such optical fibers 2 are easily bundled, and when bundled on the side of the output end 2a of the optical fiber 2, there is almost no gap between the respective output ends 2a, and the optical fibers 2 can be brought into contact with each other. In this state, when the emission end 2a side of the optical fiber 2 is accommodated in the groove 32a of the output side fixing portion 32, since there is almost no gap between the emission ends 2a of the optical fiber 2, the light 61 incident on the optical fiber 2 is high. The light can be converged with coupling efficiency, emitted with high output, and excellent in collimation.
In particular, when the end face shape of the output end 42 of the semiconductor laser device 4 is rectangular, it is preferable that the cross section of the core of the optical fiber 2 has the same dimensions as the output end 42. Accordingly, the area of the incident end 2b of the optical fiber 2 is the same as the output end 42 of the semiconductor laser device 4, and the light 61 from the output end 42 is coupled to the optical fiber 2 without leaking to the outside with a minimum area. Can be done. For this reason, excellent coupling efficiency of the light 61 can be realized, and the light intensity per unit area of the incident end 2b of the optical fiber 2 (hereinafter, also referred to as the power density of the light 61 after coupling to the optical fiber 2) is high. It can be a value.
[0012]
Next, the semiconductor laser device 4 and the light-pumped solid-state laser device 5 using the light converging mechanism 1 will be described.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of the photo-excitation solid-state laser device 5 of the present embodiment. The optically pumped solid-state laser device 5 includes a semiconductor laser device 4 as a light source for excitation, and a solid-state laser medium 51.
The semiconductor laser device 4 includes a semiconductor laser array 41 having a plurality of light emitting points and the above-described light focusing mechanism 1. In the semiconductor laser array 41 having a plurality of light emitting points, a plurality of output terminals 42 are provided on the same end surface 41a of the substrate, and light 61 is output from each output terminal 42. For example, in the case where a plurality of active layers are formed on a substrate and a plurality of output terminals 42 are provided on the same end surface 41a of the substrate, or in a state where a plurality of semiconductor laser elements have their output terminals 42 oriented in the same direction. Examples thereof include those arrayed and fixed on an array substrate.
[0013]
The configuration of the light converging mechanism 1 is the same as that of the example of the embodiment shown in FIG. When the light converging mechanism 1 is disposed to face the output end 42 of the semiconductor laser array 41, the incident end 2b of the optical fiber 2 of the light converging mechanism 1 faces each output end 42 of the semiconductor laser array 4, and this output The output light 61 emitted from the end 42 can be coupled to each input end 2 b of the optical fiber 2.
The cross-sectional shape of the optical fiber 2 is the same as the output end 42 of the semiconductor laser array 41. Thereby, the output light 61 from the semiconductor laser array 41 can be coupled to the incident end 2b of the optical fiber 2 with excellent coupling efficiency.
[0014]
Next, the solid-state laser medium 51 is made of, for example, a crystal such as YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) or Nd: YVO 4 , and one or more elements selected from Er, Tb, Nd, Tm, Ho, and Pr. And the like. The solid-state laser medium 51 is provided on the emission end 2a side of the optical fiber 2 of the light focusing mechanism 1.
The light 62 emitted from the emission end 2a of the optical fiber 2 enters the solid-state laser medium 51, whereby a resonance operation occurs in the solid-state laser medium 51, and a transmission laser is emitted.
[0015]
The semiconductor laser device 4 of the present embodiment can couple the plurality of output lights 61 emitted from the semiconductor laser array 41 to the respective optical fibers 2 with excellent coupling efficiency by using the light converging mechanism 1 described above, The output light 61 emitted from the semiconductor laser array 41 can be converged with low loss, and can be emitted as high-output light 62.
Further, the core of the optical fiber 2 having the air clad structure is made of quartz glass, and has a relatively small optical loss in a wavelength band of 0.7 to 1.0 μm, so that light in this wavelength band can be emitted with low loss.
[0016]
The light-pumped solid-state laser device 5 of the present embodiment can use the semiconductor laser device 4 as a light source for pumping so that high-power pumping light 62 can be incident on the solid-state laser medium 51, thereby emitting high-intensity laser light. be able to.
As described above, the photo-excitation solid-state laser device 5 of the present embodiment can emit high-power laser light, and can be used for, for example, metal welding.
[0017]
Note that the technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating another example of the photoexcitation solid-state laser device of the present embodiment. Condensing lenses 7 are provided on the input end 2b side and the output end 2a side of the optical fiber 2 of the light converging mechanism 11, respectively. As the lens 7, a spherical lens, a cylindrical lens, a lens array in which a plurality of lenses 7 are arranged, or the like can be applied.
On the incident end 2b side of the optical fiber 2 of the light converging mechanism 11, the lens 7 is disposed at a position facing each output end 42 of the semiconductor laser array 41 serving as a light source. The output light 61 emitted from the end 42 can be collected and coupled to the optical fiber 2 as light having excellent collimation. For this reason, the coupling efficiency of the output light 61 from the light source to the optical fiber 2 can be further increased, and the light converging mechanism 11 capable of converging the output light 61 from the light source with low loss can be realized.
In addition, by disposing the lens 7 on the emission end 2 a side of the optical fiber 2 of the light converging mechanism 11, the light 62 converged by the light converging mechanism 11 is condensed by the lens 7 and has excellent collimation properties. Can be emitted.
[0018]
The semiconductor laser device 14 using the above-described light converging device 11 can emit light 62 with high output and excellent collimation with low loss. Further, the photo-excitation solid-state laser device 15 using the semiconductor laser device 14 as a light source for excitation can efficiently emit high-intensity laser light.
[0019]
FIG. 5 is a schematic diagram showing still another example of the photo-excitation solid-state laser device of the present embodiment. One outgoing optical fiber 8 is provided on the outgoing end 2 a side of the optical fiber 2 of the light converging mechanism 21. An optical fiber whose numerical aperture is adjusted to be an average value of the numerical apertures of the semiconductor laser array 41 and the fixed laser medium 51 is used as the emission optical fiber 8.
With the provision of the emission optical fiber 8, the emission optical fiber 8, which is the emission end of the semiconductor laser device 24, is located at a position sufficiently distant from the semiconductor laser array 41, The generated heat is not transmitted to the output end face of the output optical fiber 8 via the light converging mechanism 21. For this reason, in the light-pumped solid-state laser device 25 shown in FIG. 5, heat generated by the light output of the semiconductor laser array 41 can be prevented from being transmitted to the solid-state laser medium 51 via the light converging mechanism 21. The resonance operation of the solid-state laser medium 51 can be prevented from becoming unstable, and stable laser oscillation can be achieved.
[0020]
In addition, in the light-pumped solid-state laser device 5, a configuration in which a laser resonator including a pair of reflecting mirrors facing each other with the solid-state laser medium 51 interposed therebetween is provided so that the resonance operation in the solid-state laser medium 51 can be performed efficiently. A non-linear optical crystal element is provided on the laser emission end side of the solid-state laser medium 51, and the oscillation laser light of the fundamental wave emitted from the solid-state laser medium 51 passes through the non-linear optical crystal element, so that the laser light is wavelength-converted. The output may be performed.
[0021]
Next, a specific example of the present embodiment will be described below.
The photo-excitation solid-state laser device 5 of the specific example has the same configuration as that of the present embodiment shown in FIG. The semiconductor laser array 41 has 19 output terminals 42 arranged on the same end surface of the substrate. The shape of the output end 42 is rectangular, with a long side of 150 μm and a short side of 1 μm.
[0022]
Next, the optical fiber 2 having the air clad structure of the light converging mechanism 1 will be described. The light converging mechanism 1 has the same configuration as that of the present embodiment shown in FIG. The cross-sectional shape of the core of the optical fiber 2 is rectangular, with a long side of 160 μm and a short side of 10 μm. The length of the optical fiber 2 is 7 cm or less.
The distance between the input-side fixing portion 33 and the output-side fixing portion 32 of the optical fiber holder 3 is 5 cm, and the optical fiber 2 has its ends 2a and 2b housed and fixed in the grooves 32a and 33a. It is fixed to the fiber holder 3.
[0023]
Since the core has a rectangular cross section, the optical fibers 2 are easily bundled, and the emission ends 2a of the optical fibers 2 are bundled in a state where they have little gap and are in contact with each other. Therefore, the light 61 incident on the optical fiber 2 can be converged with high coupling efficiency, and can be output as light 62 having high output and excellent collimation.
Further, since the optical fiber 2 has an air clad structure, the numerical aperture of the incident end 2 b of the optical fiber 2 is set to a value larger than the beam divergence angle of the light 61 from the output end 42 of the semiconductor laser array 41. it can.
[0024]
As described above, the output light 61 from the semiconductor laser array 41 can be coupled to the incident end 2b of the optical fiber 2 with excellent coupling efficiency. Further, since the core of the optical fiber 2 of the light focusing mechanism 1 is larger than the size of the output end 42 of the semiconductor laser array 41, the incident end 2b of the optical fiber 2 is connected to the output end 42 of the semiconductor laser array 41. When facing each other, the tolerance of the arrangement position is large, and the arrangement work can be easily performed.
[0025]
Further, since the length of the optical fiber 2 is 7 cm or less, when the optical fiber 2 is fixed to the optical fiber holder 3 with both ends 2a and 2b being housed in the grooves 32a and 33a, the optical fiber 2 It becomes difficult to bend, and the optical fiber 2 can hardly be broken in the middle of the longitudinal direction.
[0026]
【The invention's effect】
As described in detail above, the light focusing mechanism of the present invention is constituted by an optical fiber having an air-clad structure, the numerical aperture of the optical fiber can be set to a large value, and the light from the light source can be excellently coupled. Can be coupled to the other end face of the optical fiber. Therefore, light from the light source can be converged with low loss. Further, since air is used as the clad, the clad is not thermally deteriorated due to heat generated by the light output of the light source as in the related art, and a laser beam or the like having a high light intensity can be stably converged.
In addition, since the numerical aperture of the optical fiber can be set to a large value, when the other end face of the optical fiber is arranged to face the output end of the light source, the tolerance of the arrangement position is large, and the arrangement work can be easily performed.
[0027]
Further, the semiconductor laser device of the present invention can couple a plurality of lights emitted from the semiconductor laser array to respective optical fibers with excellent coupling efficiency by using the above-mentioned light focusing mechanism, and can emit the light from the semiconductor laser array. The converged light can be converged with low loss, and can be emitted as high-output light.
The light-pumped solid-state laser device of the present invention can use the semiconductor laser device as a pumping light source to make high-power pumping light incident on the solid-state laser medium, thereby emitting high-intensity laser light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a light focusing mechanism according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic view showing an example of an optical fiber having an air clad structure.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of a photo-excitation solid-state laser device according to the present embodiment.
FIG. 4 is a schematic view showing another example of the photo-excitation solid-state laser device of the present embodiment.
FIG. 5 is a schematic diagram showing still another example of the photo-excitation solid-state laser device of the present embodiment.
[Explanation of symbols]
1,11,21} optical converging mechanism, 2} optical fiber, 2a} one end of optical fiber, 2b {other end of optical fiber, 4, 14, 24} semiconductor laser device, 5, 15 and 25 ° optically pumped solid-state laser device, 7 ° lens, 8 ° emitting optical fiber, 41 ° semiconductor laser array, 42 ° light emitting end of semiconductor laser array, 51 ° solid-state laser medium, 61 ° Light incident on optical fiber, 62 ° Light emitted from semiconductor laser device