CN110036320A - 光纤耦合装置 - Google Patents

Abstract

光纤耦合装置(100)具备：使入射的光向给定方向折射的楔形板(102)；使通过楔形板(102)的光会聚的会聚透镜(104)；和具有入射由会聚透镜(104)会聚的光的入射端面的光纤(107)。楔形板(102)被保持成能以向楔形板(102)入射的光的光轴(200)为旋转中心进行旋转。在光纤耦合装置(100)中，通过楔形板(102)并由会聚透镜(104)会聚而向入射端面入射的光的入射位置对应于楔形板(102)的旋转角度进行变化。

Description

光纤耦合装置

技术领域

本发明涉及使激光向光纤会聚入射的光纤耦合装置。

背景技术

过去以来，已知如下技术：通过使光纤传播高输出的激光，并且使来自光纤的出射光的特性变化，从而使用相同的光源进行各种加工(例如参考专利文献1)。

在专利文献1中公开了使用焦距不同的多个会聚透镜来使光纤内的激光的传播状态变化的结构。具体地，通过设为能对配置于激光的光路中的会聚透镜进行切换的结构，来使光路中的会聚透镜的焦距可变，并使向光纤入射的入射光的NA(Numerical Aperture：数值孔径)可变。如此地，通过进行会聚透镜的切换来使从光纤出射的激光的光束品质变化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第5245682号说明书

发明内容

发明要解决的课题

但是，在现有的光纤耦合装置中，能离散地使出射光的特性变化，却不能连续地使出射光的特性变化。

这是因为，为了切换配置于激光的光路中的会聚透镜，在直到会聚透镜的切换完成为止的期间，都需要使激光的输出停止。假设在不停止激光的输出的情况下切换会聚透镜，就会因会聚透镜的有效直径外的散射光而产生热，或者，激光不会会聚在期望的会聚位置。

本发明鉴于这样的点而完成，其目的在于，提供能使从光纤出射的光的特性连续变化的光纤耦合装置。

用于解决课题的手段

本发明的光纤耦合装置具备：使入射的光向给定方向折射的楔形板；使通过楔形板的光会聚的会聚透镜；和具有入射由会聚透镜会聚的光的入射端面的光纤。楔形板被保持成能以向楔形板入射的光的光轴为旋转中心进行旋转。通过楔形板并被会聚透镜会聚而向入射端面入射的光的入射位置对应于楔形板的旋转角度进行变化。

发明效果

根据本发明，不需要停止激光的输出来切换会聚透镜，仅使楔形板旋转就能使光纤的出射光的特性连续地进行变化。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的光纤耦合装置的结构的部分断裂侧视图。

图2是表示楔形板、会聚透镜以及光纤的配置的部分断裂侧视图。

图3是表示与楔形板的旋转角度的变化相伴的光路的变化的部分断裂立体图。

图4是使楔形板的旋转角度变化时的与图2相当的图。

图5是表示光纤的入射端面的主视图。

图6是表示光纤的出射光的强度分布以及光纤的折射率分布的图。

具体实施方式

以下参考附图来说明本发明的实施方式。在以下的附图中，对相同的结构要素标注相同的附图标记，因此有时会省略说明。

另外，附图中所示的坐标轴(X轴、Y轴、以及Z轴)是分别正交的方向。在此，Y轴是与上下对应的铅垂方向，各图的坐标轴对应于各自的视野的方向进行描绘。

<光纤耦合装置的主要结构>

如图1所示那样，激光输出装置101将具有给定的光束尺寸的高输出的激光作为平行光出射。从激光输出装置101出射的平行光向光纤耦合装置100入射。

另外，在本实施方式中，激光输出装置101例如输出波长为1μm且输出为4kW的多模式的近红外激光。另外，光束尺寸设为以3mm输出的尺寸。另外，图1中的一点划线表示从激光输出装置101出射的激光的光轴200，两点划线表示激光的光路201。

光纤耦合装置100具备：使入射的光向给定方向折射的楔形板102；以向楔形板102入射的光的光轴200为旋转中心使楔形板102进行旋转的旋转驱动部103；使通过楔形板102的光会聚的会聚透镜104；和具有入射由会聚透镜104会聚的光的入射端面的光纤107。

楔形板102是形成为圆形状的板状的光学构件，出射面相对于入射面倾斜。由此，通过了楔形板102的激光向给定方向折射。楔形板102被保持在圆筒状的筒状体110的内部。在筒状体110的外周部分形成未图示的齿轮部。

旋转驱动部103由小型的电动机构成，在旋转驱动部103的驱动轴111安装与筒状体110的齿轮部咬合的齿轮112。并且，通过旋转驱动部103使齿轮112旋转，来对筒状体110传递旋转驱动力。其结果，楔形板102以向楔形板102入射的光的光轴200为旋转中心进行旋转。楔形板102的旋转角度能通过调整齿轮112的旋转角度进行调整。

另外，也可以取代齿轮112，通过未图示的传动带等将旋转驱动部103的旋转驱动力传递到筒状体110。

作为会聚透镜104，例如考虑使用f＝20～50mm左右的焦距的透镜。对会聚透镜104实施光学设计，使得所使用的多模式的激光的光点直径成为80μm左右，且会聚时的数值孔径满足NA＜0.2。

会聚透镜104成为由调整保持部105保持而没有形变地固定在给定的位置的构造。调整保持部105通过固定成使作为重要精度部件的会聚透镜104的位置没有偏离，来降低会聚位置的偏离所引起的光纤107的入射端面的损伤风险。

光纤107构成为具有在同心圆上传送两道光的波导。具体地，光纤107由双包层光纤构成，该双包层光纤具有：设置在包含入射端面的中心的位置的纤芯300；设置在纤芯300的外周侧的第1包层301；和设置在第1包层301的外周侧的第2包层302(参考图3)。

并且，在将光纤107的纤芯300、第1包层301以及第2包层302的折射率分别设为nc、n1、n2时，各折射率的关系成为nc＞n1＞n2。另外，在本实施方式中，将纤芯300的直径设为100μm，将第1包层301的外径设为400μm，将纤芯300的NA设为0.2，将第1包层301的NA设为0.4。

光纤107为了防止入射位置的偏离而成为被插座106保持在既定的位置的构造。另外，虽与图示的结构不同，但若假设将光纤107的插入口在铅垂方向上朝下(Y轴负方向)配置，就还能期待防止尘埃堆积的效果。

通过光纤耦合装置100在光纤107内传播的光作为出射光202被输出。

如图2所示那样，楔形板102在定位在给定的旋转角度即第1旋转角度时，被配设成使通过了楔形板102的光通过会聚透镜104的中心和光纤107的入射端面的中心。

具体地，在Z轴水平方向上对光纤耦合装置100入射的光被楔形板102赋予偏角a。作为楔形板102，例如考虑使用具有AR涂层(防反射膜)的低损耗的楔形板。作为一例，例如考虑使用由熔融石英制作的折射率nw＝1.45的楔形板。

在此，若设为楔角θw，则楔形板102的偏角a能在sin(θw)＜＜1时以下述(1)式表征。

a≈(nw-1)·θw…(1)

例如，通过将楔角θw设定为2°，能将出射光的偏角a设定为1°。

并且，如图2所示那样，将会聚透镜104的中心和光纤107的入射端面的中心配置在同轴上，且将光轴200与会聚透镜104的中心和光纤107的中心轴重合的状态设为楔形板102的基准旋转位置。即，将第1旋转角度设为基准旋转位置。在将楔形板102定位在基准旋转位置时，由会聚透镜104会聚的光向光纤107的纤芯300内入射。向纤芯300入射的光的光点直径小于纤芯300的直径。

接下来，说明激光通过光纤耦合装置100时的效果。如图1以及图2所示那样，在楔形板102位于基准旋转位置时，从激光输出装置101出射的激光保持平行光不变地被楔形板102折射，通过会聚透镜104的中心，向光纤107的纤芯300会聚入射。

在此，在高输出的激光透过楔形板102时，存在由热透镜效应带来的影响。但是，在本实施方式的光纤耦合装置100中，不进行楔形板102的切换。因此，若激光的输出不变化，则因热透镜效应产生的基于楔形板102的透镜作用的焦距就是恒定的。

因此，能进行考虑了任意的输出下的热透镜效应的光学设计，能防止朝向光纤107的激光的耦合效率的降低。

另外，由于激光始终通过楔形板102的中心，因此能降低有效直径外的散射和吸收损耗。

另外，由于楔形板102的楔角θw和由楔形板102赋予给光轴的偏角a处于上述(1)式的关系，因此通过按要处理的光的每个波长和输出、每个光束品质来选择合适的楔形板，可得到同样的效果。

<光纤耦合装置的动作>

以下说明光纤耦合装置100的动作。如图3所示那样，若以向楔形板102入射的光的光轴200为旋转中心来调整楔形板102的旋转角度，则从楔形板102出射的光的行进方向就会发生变化。

通过了楔形板102的光相对于向楔形板102入射的光的光轴200被赋予偏角a。由此，光路204伴随楔形板102的旋转而按照以向楔形板102入射的光的光轴200为旋转中心的顶角2a的圆锥状进行变化。

即，向会聚透镜104入射的光的行进方向对应于楔形板102的旋转角度进行变化。由此，通过楔形板102并由会聚透镜104会聚而向光纤107的入射端面入射的光的入射位置发生变化。即，在楔形板102处于不同的旋转角度时，光向光纤107的入射端面的不同的入射位置入射。

图4表示使楔形板102从基准旋转位置旋转180°的状态。将该状态称作反转位置。反转位置是与第1旋转角度不同的第2旋转角度。在图4中，记载了反转位置上的光路205。进而，为了比较说明，还记载了将楔形板102定位在基准旋转位置的情况下的光路204。

如图4中也示出的那样，在将楔形板102定位于基准旋转位置的情况下的光路204上，通过了楔形板102的光在垂直方向上向会聚透镜104的中心入射。并且，由会聚透镜104会聚的光仅向光纤107的纤芯300入射。即，在将楔形板102定位于第1旋转角度的情况下，光仅向光纤107的纤芯300入射。

另一方面，由于若使楔形板102从基准旋转位置反转，则其反转位置上的光路205就会发生变化，因此通过了楔形板102的光向会聚透镜104入射的入射位置以及入射角度都会发生变化。具体地，通过了楔形板102的光向会聚透镜104的上部(Y轴方向正侧)入射。这时向会聚透镜104入射的入射角能以90-2a[°]表征。

并且，如图3以及图4所示那样，在将楔形板102定位于反转位置的情况下，由会聚透镜104会聚的光不向光纤107的纤芯300入射，而是仅向第1包层301入射。即，在将楔形板102定位于第2旋转角度的情况下，光仅向光纤107的第1包层301入射。并且，来自光纤107的出射光206以与楔形板102处于基准旋转位置时的来自光纤107的出射光202不同的模式出射。

如图5所示那样，在光纤107的入射端面，伴随楔形板102的旋转，由会聚透镜104会聚的光的会聚点以沿着一点划线207移动的方式进行变化。由此，能使会聚点连续地变化，以使得被会聚的光依次经由会聚点208a、208b、208d、208c。

在会聚点208a，楔形板102被定位于基准旋转位置即第1旋转角度，激光仅向纤芯300会聚入射。

在会聚点208b，激光的大部分向纤芯300会聚入射，但一部分也向第1包层301会聚入射。即，在会聚点208b，光跨纤芯300以及第1包层301地入射。因此，在包层传播的模式混合存在。

在会聚点208d，楔形板102被定位于反转位置即第2旋转角度，激光仅向第1包层301会聚入射。

在会聚点208c，激光的大部分向第1包层301会聚入射，但一部分也向纤芯300会聚入射。即，在会聚点208c，光跨纤芯300以及第1包层301地入射。因此，在包层传播的模式混合存在。

因此，例如在将激光的光点直径设为80μm时，通过使会聚点208a～208d间的距离大于140μm，能对仅向纤芯300会聚入射的状态、和仅向第1包层301会聚入射的状态进行选择。

如此地，若设计成使楔形板102旋转而使向光纤107会聚的会聚位置沿着一点划线207进行变化，就能连续地选择向光纤107入射的入射位置以及入射角度，从而能使分别向纤芯300和第1包层301入射的入射光的能量可变。即，能使向纤芯300入射的入射光的能量与向第1包层301入射的入射光的能量的比率可变。

其结果，能将入射光的能量选择性地分配给纤芯300和第1包层301，由此，能使光纤107内的光的传播模式变化。

以下说明光纤107内的光的传播模式的变化。

在图6中的(a)的部分示出与会聚点208a、208b、208c、208d(参考图5)对应的出射光的强度分布209a、209b、209c、209d。纵轴表示来自光纤107的出射光的能量E，横轴表示距纤芯300中心的距离r。

在图6中的(b)的部分示出光纤107的折射率分布。纵轴表示波导的折射率n，横轴表示距纤芯300中心的距离r。另外，用虚线示出光纤107的纤芯300与第1包层301的边界面、以及第1包层301与第2包层302的边界面。

在与会聚点208a对应的强度分布209a中，出射光的NA小。但是，伴随楔形板102的旋转，出射光的NA逐渐变大(209b、209c、209d)。

在与会聚点208d对应的强度分布209d中，从第1包层301出射的能量大于从纤芯300出射的能量。由此，可知是光束中心的强度小的具有圆环型的强度分布的出射光。

另外，若比较与会聚点208b、208c对应的出射光的强度分布209b、209c，则可知，向光纤107的纤芯300入射的能量的比例越减少，则越成为礼帽型的强度分布。

如以上那样，根据本实施方式所涉及的光纤耦合装置100，向光纤107的入射端面入射的光的入射位置对应于楔形板102的旋转角度进行变化。因此，通过调整楔形板102的旋转角度，能使光纤107内的光的传播状态变化。并且，由于在使传播状态变化时不需要将激光的输出停止，因此能使从光纤107出射的光的特性连续地变化。

进而，在将楔形板102定位于基准旋转位置(第1旋转角度)的情况下，通过了楔形板102的光通过会聚透镜104的中心和光纤107的入射端面的中心。因此，在将楔形板102定位于基准旋转位置时，光向会聚透镜104的中心入射，另一方面，通过调整楔形板102的旋转角度，从而通过了楔形板102的光向会聚透镜104入射的入射位置就发生变化。

其结果，光相对于光纤107的入射端面的入射位置以及入射角度发生变化，在光纤107的纤芯300和第1包层301中传播的能量的比例发生变化。由此，光纤107内的光的传播模式发生变化，能使从光纤107出射的光的特性连续地变化。

另外，在将楔形板102的旋转位置调整到例如相反位置(第2旋转角度)，以使得激光仅向第1包层301入射的情况下，能出射光束中心的强度小的具有圆环型的强度分布的光束。因此，能降低光纤107的出射光的输出密度而向大的范围进行照射，在激光照射的位置精度差的情况下，也能大范围地覆盖激光加工面。

进而，通过使楔形板102旋转，不仅能使针对光纤107的入射端面的光仅向纤芯300入射或仅向第1包层301入射，还能跨纤芯300以及第1包层301地入射。

另外，在本实施方式中，作为光纤107而说明了利用双包层光纤的结构，但并不限定于该形态，例如作为光纤107，也可以使用PANDA光纤或双芯光纤。在该情况下，能进一步得到偏振控制或开孔光束这样特殊的光束。

另外，在本实施方式中，说明了作为光源的激光是多模式的近红外平行光的情况，但并不限定于该形态，例如也可以是不同波长或单模式的激光，传播形式没有限定。

另外，本实施方式的光纤耦合装置100具备使楔形板102旋转的旋转驱动部103。但是，在本发明中，不一定非要具备旋转驱动部，楔形板102能以入射的光的光轴为旋转中心进行旋转即足够。并且，由于在楔形板102处于不同的旋转角度时，光向光纤107的入射端面的不同的位置入射，因此能使从光纤107出射的光的特性对应于楔形板102的旋转角度连续地变化。

产业上的可利用性

如以上说明的那样，本发明由于能使从光纤出射的激光的特性连续地进行变化，因此在使激光向光纤会聚入射的光纤耦合装置中有用。

附图标记的说明

100 光纤耦合装置

102 楔形板

103 旋转驱动部

104 会聚透镜

107 光纤

200 光轴

300 纤芯

301 第1包层

302 第2包层

Claims (5)

1.一种光纤耦合装置，具备：

使入射的光向给定方向折射的楔形板；

使通过所述楔形板的光会聚的会聚透镜；和

具有入射由所述会聚透镜会聚的光的入射端面的光纤，

所述楔形板被保持成能以向所述楔形板入射的光的光轴为旋转中心进行旋转，

通过所述楔形板并由所述会聚透镜会聚而向所述入射端面入射的光的入射位置对应于所述楔形板的旋转角度进行变化。

2.根据权利要求1所述的光纤耦合装置，其中，

所述光纤具有：

设置在包含所述入射端面的中心的位置的纤芯；

设置在所述纤芯的外周侧的第1包层；和

设置在所述第1包层的外周侧的第2包层，

所述楔形板被保持成能调整其旋转角度，以使得光向所述纤芯以及所述第1包层的至少一者入射。

3.根据权利要求2所述的光纤耦合装置，其中，

在所述楔形板定位于第1旋转角度的情况下，通过所述楔形板的光通过所述会聚透镜的中心和所述光纤的所述入射端面的中心。

4.根据权利要求3所述的光纤耦合装置，其中，

在所述楔形板定位于与所述第1旋转角度不同的第2旋转角度的情况下，通过所述楔形板并由所述会聚透镜会聚的光仅向所述第1包层入射。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的光纤耦合装置，其中，

所述光纤耦合装置还具备：

以所述光轴为旋转中心使所述楔形板旋转的旋转驱动部。