CN114127599B - 光纤、激光生成装置、激光加工装置以及光纤的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够简单地以低损耗输出具有期望的光学特性的光的光纤。光纤(1)具备：中心纤芯(10)；内侧环层(20)，其位于中心纤芯(10)的半径方向外侧；外侧纤芯(30)，其位于内侧环层(20)的半径方向外侧；以及外侧环层(40)，其位于外侧纤芯(30)的半径方向外侧。内侧环层(20)具有比中心纤芯(10)的折射率低的折射率。外侧环层(40)具有比外侧纤芯(30)的折射率低的折射率。在沿着长度方向的至少一个位置上，中心纤芯(10)与内侧环层(20)之间的相对折射率差ΔCF比外侧纤芯(30)与和外侧纤芯(30)的半径方向外侧相邻的外侧环层(40)之间的相对折射率差ΔPF小。

Description

光纤、激光生成装置、激光加工装置以及光纤的制造方法
技术领域
本发明涉及光纤、激光生成装置、激光加工装置以及光纤的制造方法，特别涉及用于调整激光的光学特性的光纤。
背景技术
光纤激光装置与现有的激光装置相比，聚光性高，且能够利用可操作性良好的光纤，因此在标记、材料加工等各种领域中迅速普及。例如，在使用光纤激光装置进行金属加工的情况下，对加工对象物照射高功率的激光而使加工对象物加热熔融，并且进行焊接、切断等加工。在这样的激光加工中，在提高加工速度、加工品质等加工性能方面，根据加工对象物的材料变更所照射的激光的光学特性是很重要的。
这样，为了根据加工对象物的材料变更激光的光学特性，已知在光纤中形成多个光波导层并调整从各个光波导层输出的激光的功率之比的技术。例如，已知通过在射出激光的光纤与具有多个光波导层的光纤之间插拔楔形的玻璃部件而将激光选择性导入至特定的光波导层的技术(例如参照专利文献1)、通过透镜使从光纤射出的激光偏转而引导至下游侧的光纤的特定的光波导层的技术(例如参照专利文献2)等。
然而，在这样的现有的方法中，由于在上游侧的光纤与下游侧的光纤之间配置有玻璃部件、透镜，因此结构容易变得复杂。另外，在一旦从上游侧的光纤射出激光之后，通过玻璃部件、透镜变更激光的光路，因此玻璃部件、透镜的位置、朝向的微小的变化，会导致激光向下游侧的光纤入射的位置大幅变化。因此，难以将激光准确地引导至下游侧的光纤的期望的光波导层。并且，由于激光向下游侧的光纤的端面、附着于光纤的异物的照射而引起发热，也有可能引起下游侧的光纤的损伤。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第6244308号说明书
专利文献2：国际公开第2011/124671号
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明鉴于这样的现有技术的问题点而做出，其第一目的在于提供一种能够简单地以低损耗输出具有期望的光学特性的光的光纤。
另外，本发明的第二目的在于，提供一种能够简单地以低损耗输出具有期望的光学特性的激光的激光生成装置。
并且，本发明的第三目的在于，提供一种能够进行与加工对象物对应的高品质的加工的激光加工装置。
另外，本发明的第四目的在于，提供一种能够容易地制造能以低损耗输出具有期望的光学特性的光的光纤的方法。
(二)技术方案
根据本发明的第一方式，提供一种能够简单地以低损耗输出具有期望的光学特性的光的光纤。该光纤具备：中心纤芯、位于上述中心纤芯的半径方向外侧的内侧环层、位于上述内侧环层的半径方向外侧的一个以上的外侧纤芯、以及位于上述一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧的一个以上的外侧环层。上述内侧环层具有比上述中心纤芯的折射率低的折射率。上述一个以上的外侧纤芯具有比上述内侧环层的折射率高的折射率。上述一个以上的外侧环层具有比上述一个以上的外侧纤芯的折射率低的折射率。上述中心纤芯与上述内侧环层之间的相对折射率差ΔCF沿着长度方向变化，且在沿着该长度方向的至少一个位置上，比上述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPF小。
根据本发明的第二方式，提供一种能够简单地以低损耗输出具有期望的光学特性的激光的激光生成装置。该激光生成装置具备：至少一个激光光源，其生成激光；上述的光纤；以及光纤弯曲部，其构成为使上述光纤在上述至少一个位置上弯曲。上述光纤与上述激光光源的下游侧连接，以使来自上述至少一个激光光源的上述激光导入上述中心纤芯。
根据本发明的第三方式，提供一种能够进行与加工对象物对应的高品质的加工的激光加工装置。该激光加工装置具备：上述的激光生成装置；以及激光照射部，其将从上述激光生成装置输出的激光朝向加工对象物照射。
根据本发明的第四方式，提供一种能够容易地制造能以低损耗输出具有期望的光学特性的光的光纤的方法。在该方法中，准备基材光纤，该基材光纤包括：中心纤芯；内侧环层，其位于上述中心纤芯的半径方向外侧；一个以上的外侧纤芯，其位于上述内侧环层的半径方向外侧；以及一个以上的外侧环层，其位于上述一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧。上述内侧环层包含具有使折射率降低的性质的掺杂剂，且具有比上述中心纤芯的折射率低的折射率。上述一个以上的外侧环层具有比和该一个以上的外侧环层的半径方向内侧相邻的上述外侧纤芯的折射率低的折射率。上述一个以上的外侧纤芯具有比上述内侧环层的折射率高的折射率。在该方法中，对沿着上述基材光纤的长度方向的至少一个部位进行加热，使上述内侧环层中的上述掺杂剂扩散，并使上述中心纤芯与上述内侧环层之间的相对折射率差ΔCF小于上述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPF。上述掺杂剂可以是氟。
根据本发明的第五方式，提供一种能够容易地制造能以低损耗输出具有期望的光学特性的光的光纤的方法。在该方法中，准备基材光纤，该基材光纤包括：中心纤芯，其包括具有使折射率上升的性质的掺杂剂；内侧环层，其位于上述中心纤芯的半径方向外侧，具有比上述中心纤芯的折射率低的折射率；一个以上的外侧纤芯，其位于上述内侧环层的半径方向外侧；以及一个以上的外侧环层，其位于上述一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧。上述一个以上的外侧环层具有比和该一个以上的外侧环层的半径方向内侧相邻的上述外侧纤芯的折射率低的折射率。上述一个以上的外侧纤芯具有比上述内侧环层的折射率高的折射率。在该方法中，对沿着上述基材光纤的长度方向的至少一个部位进行加热，使上述中心纤芯中的上述掺杂剂扩散，并使上述中心纤芯与上述内侧环层之间的相对折射率差ΔCF小于上述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPF。上述掺杂剂可以是锗。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的第一实施方式中的光纤的剖视图。
图2是图1的A-A线剖面。
图3是表示图1的A-A线剖面中的半径方向的折射率分布的曲线图。
图4是表示图1的B-B线剖面中的半径方向的折射率分布的曲线图。
图5是表示图1的C-C线剖面中的半径方向的折射率分布的曲线图。
图6是示意性地表示图1所示的光纤的使用方式的一例的剖视图。
图7A是表示图1所示的光纤的制造工序的示意性剖视图。
图7B是表示图1所示的光纤的制造工序的示意性剖视图。
图8是示意性地表示本发明的第二实施方式中的光纤的剖视图。
图9是图8的D-D线剖面。
图10是表示图8的D-D线剖面中的半径方向的折射率分布的曲线图。
图11是表示图8的E-E线剖面中的半径方向的折射率分布的曲线图。
图12是表示图8的F-F线剖面中的半径方向的折射率分布的曲线图。
图13是表示使用了本发明的光纤的激光加工装置的结构的示意图。
具体实施方式
以下，参照图1-图13详细说明本发明的光纤的实施方式。另外，在图1-图13中，对相同或相当的构成要素赋予相同的附图标记并省略重复的说明。此外，在图1-图13中，存在夸张地示出各构成要素的比例尺或尺寸的情况、省略一部分构成要素的情况。
图1是示意性地表示本发明的第一实施方式中的光纤1的剖视图，图2是图1的A-A线剖视图。如图1所示，光纤1包括：光输入部2，其与光纤激光器等激光光源连接；光处理部3，其具有能够将从光输入部2输入的光分配到多个光波导层的构造；以及光输出部4，其传播由光处理部3分配的光。
如图1及图2所示，本实施方式的光纤1具有中心纤芯10、覆盖中心纤芯10的内侧环层20、覆盖内侧环层20的外侧纤芯30、覆盖外侧纤芯30的外侧环层40、以及覆盖外侧环层40的树脂层50。中心纤芯10和外侧纤芯30例如由SiO2构成。在内侧环层20以及外侧环层40中分别添加有具有使折射率降低的性质的掺杂剂(例如氟(F)、硼(B))。例如，中心纤芯10的外径为100μm，内侧环层20的外径为110μm，外侧纤芯30的外径为200μm，外侧环层40的外径为360μm。
图3是表示图1的A-A剖面中的光输入部2的半径方向的折射率分布的曲线图。如上所述，由于在内侧环层20和外侧环层40中添加有具有使折射率降低的性质的掺杂剂，因此如图3所示，内侧环层20和外侧环层40的折射率比中心纤芯10和外侧纤芯30的折射率低。这样，与中心纤芯10的半径方向外侧相邻的内侧环层20的折射率比中心纤芯10的折射率低，由此，中心纤芯10成为将光封闭在内部进行传播的光波导层。另外，与外侧纤芯30的半径方向内侧相邻的内侧环层20的折射率以及与外侧纤芯30的半径方向外侧相邻的外侧环层40的折射率分别比外侧纤芯30的折射率低，由此，外侧纤芯30成为将光封闭在内部进行传播的光波导层。在本实施方式中，使用氟作为上述掺杂剂，例如，中心纤芯10与内侧环层20之间的相对折射率差ΔC1为1.0％，外侧纤芯30与外侧环层40之间的相对折射率差ΔP1也为1.0％。此外，在图3所示的例子中，外侧纤芯30与外侧环层40之间的相对折射率差ΔP1和中心纤芯10与内侧环层20之间的相对折射率差ΔC1相同，但外侧纤芯30与外侧环层40之间的相对折射率差ΔP1也可以比中心纤芯10与内侧环层20之间的相对折射率差ΔC1大。
如图1所示，在光处理部3中树脂层50被去除，外侧环层40露出到外部。图4是表示图1的B-B线剖面中的光处理部3的半径方向的折射率分布的曲线图。如图4所示，在光处理部3中，内侧环层20的折射率也比中心纤芯10的折射率低，但光处理部3中的中心纤芯10与内侧环层20之间的相对折射率差ΔCF比光输入部2中的相对折射率差ΔC1小。另外，外侧环层40的折射率比外侧纤芯30的折射率低，但光处理部3中的外侧纤芯30与外侧环层40之间的相对折射率差ΔPF与光输入部2中的相对折射率差ΔP1相同或比其小。例如，相对折射率差ΔCF为0.6％，相对折射率差ΔPF为1.0％。
图5是表示图1的C-C线剖面中的光输出部4中的半径方向的折射率分布的曲线图。如图5所示，光输出部4中的折射率分布与光输入部2中的折射率分布相同。例如，中心纤芯10与内侧环层20之间的相对折射率差ΔC2为1.0％，外侧纤芯30与外侧环层40之间的相对折射率差ΔP2为1.0％。此外，在图5所示的例子中，外侧纤芯30与外侧环层40之间的相对折射率差ΔP2和中心纤芯10与内侧环层20之间的相对折射率差ΔC2相同，但外侧纤芯30与外侧环层40之间的相对折射率差ΔP2也可以比中心纤芯10与内侧环层20之间的相对折射率差ΔC2大。
这样，内侧环层20的折射率沿着长度方向变化。即，光处理部3中的内侧环层20A的折射率比光输入部2中的内侧环层20B的折射率高，光输出部4中的内侧环层20C的折射率比光处理部3中的内侧环层20A的折射率低。由此，中心纤芯10与内侧环层20之间的相对折射率差也沿着长边方向变化。即，光处理部3中的中心纤芯10与内侧环层20A之间的相对折射率差ΔCF比光输入部2中的中心纤芯10与内侧环层20B之间的相对折射率差ΔC1小，光输出部4中的中心纤芯10与内侧环层20C之间的相对折射率差ΔC2比光处理部3中的中心纤芯10与内侧环层20A之间的相对折射率差ΔCF大。由于本实施方式中的光纤1具有这样的结构，因此通过以如下所述的方式进行使用，能够将输入到光输入部2的中心纤芯10的光以期望的功率比引导至光输出部4的中心纤芯10和外侧纤芯30。
图6是示意性地表示光纤1的使用方式的一例的剖视图。如图6所示，上述光纤1在光处理部3的部分弯曲而使用。光纤1的光输入部2与光纤激光器等激光光源连接，来自该激光光源的激光导入光输入部2的中心纤芯10。另外，也可以在光处理部3的外侧环层40的外周面涂布树脂来保护光处理部3。
如上所述，光处理部3中的中心纤芯10与内侧环层20A之间的相对折射率差ΔCF比光输入部2中的相对折射率差ΔC1小，因此，在光处理部3中，中心纤芯10中的光的封闭效果比光输入部2弱。因此，通过使光纤1在光处理部3弯曲，能够使在光输入部2的中心纤芯10中传播来的激光的一部分L在光处理部3中从中心纤芯10向外侧纤芯30泄漏。并且，能够将泄漏到该外侧纤芯30的激光的一部分L引导至光输出部4的外侧纤芯30。另外，在光输入部2的中心纤芯10中传播来的激光的一部分在光处理部3中泄漏到外侧纤芯30之后返回到中心纤芯10，或者在中心纤芯10中直接传播而引导至光输出部4的中心纤芯10。
在光输出部4中，中心纤芯10与内侧环层20C之间的相对折射率差ΔC2比光处理部3中的相对折射率差ΔCF大，因此，如上述那样被分配至光输出部4的中心纤芯10和外侧纤芯30的激光在之后不会泄漏，而分别在中心纤芯10和外侧纤芯30中传播。因此，通过适当地调整光处理部3中的光纤1的弯曲直径，能够将光输出部4中的在中心纤芯10中传播的激光的光量和在外侧纤芯30中传播的激光的光量调整为期望的比例。
接着，对这样的光纤1的制造方法进行说明。在制造光纤1时，首先，如图7A所示，准备具有与上述的光输入部2或光输出部4相同的构造的基材光纤101。即，该基材光纤101具有中心纤芯110、覆盖中心纤芯110的内侧环层120、覆盖内侧环层120的外侧纤芯130、覆盖外侧纤芯130的外侧环层140、以及覆盖外侧环层140的树脂层150。中心纤芯110以及外侧纤芯130例如由SiO2构成，内侧环层120以及外侧环层140分别添加有具有使折射率降低的性质的掺杂剂(在该例子中为氟)。因此，该基材光纤101的折射率分布与图3、图5所示的折射率分布相同。例如，中心纤芯110的外径为100μm，内侧环层120的外径为110μm，外侧纤芯130的外径为200μm，外侧环层140的外径为360μm。此外，作为基材光纤101，也可以使用具有外侧纤芯130与外侧环层140之间的相对折射率差Δ比中心纤芯110与内侧环层120之间的相对折射率差大的折射率分布的光纤。
然后，去除该基材光纤101的树脂层150的一部分150A而使外侧环层140露出，如图7B所示，使用例如燃烧器190、电弧放电从周围将该露出的部分103加热到例如1000℃以上。例如，使燃烧器190在长度方向上移动50mm而对露出的部分103进行加热。通过该加热，添加到内侧环层120以及外侧环层140的氟扩散，其结果为，内侧环层120以及外侧环层140的折射率上升。在此，外侧环层140的厚度(80μm)与内侧环层120的厚度(5μm)相比非常大，除此之外，外侧环层140中的氟也在空气中扩散，因此外侧环层140的折射率不太会上升，内侧环层120的折射率上升得更大。其结果为，在加热部分103中，折射率分布变化为图4所示的分布，与未被加热的部分102、104相比，中心纤芯110与内侧环层120之间的相对折射率差变小。由此，图1所示的光纤1完成。此时，基材光纤101的加热部分103成为光纤1的光处理部3，未被加热的部分102、104分别成为光输入部2以及光输出部4。另外，氟等掺杂剂的扩散距离根据加热温度、加热时间而变化，因此，通过适当调整上述的加热工序中的加热温度、加热时间，能够控制内侧环层120的折射率的上升的程度，并能够在加热部分103得到期望的折射率分布。
在上述的例子中，在沿着长度方向的一个部位对基材光纤101进行加热，但也可以在沿着长度方向的多个部位对基材光纤101进行加热，在多个部位形成使内侧环层120的折射率上升的部分。另外，在上述例子中，在基材光纤101的中间部去除树脂层150的一部分150A而进行加热，但例如也可以在基材光纤101的端部去除树脂层150，使基材光纤101的端部与其他光纤对接，对与该其他光纤对接的部分进行加热。在这种情况下，在上述的内侧环层120中的折射率上升的同时，能够实现基材光纤101(光纤1)与其他光纤的熔接。
另外，也可以代替在基材光纤101的内侧环层120中添加具有使折射率降低的性质的掺杂剂，而在基材光纤101的中心纤芯110中添加使折射率上升的掺杂剂(例如锗(Ge)、磷(P))。在这种情况下，通过对基材光纤101进行加热，添加至中心纤芯110的掺杂剂向内侧环层120扩散，其结果为，内侧环层120的折射率上升，因此能够得到与上述的光纤1相同的构造的光纤。
在上述的例子中，利用由加热引起的掺杂剂的扩散来制造光纤1，但也可以通过加热来释放基材光纤101的中心纤芯110与内侧环层120之间的应力，由此使内侧环层120的折射率上升。例如，如果使用软化温度比内侧环层120低的材料(例如添加了锗的石英玻璃)作为中心纤芯110，则在光纤的拉制(纺丝)时内侧环层120承受纺丝张力，因此压缩应力残留在中心纤芯110从而折射率上升。如果对这样的基材光纤101进行加热，则上述残留应力被释放，中心纤芯110与内侧环层120之间的相对折射率差变小，因此能够得到与上述的光纤1相同的构造的光纤。
另外，已知添加有锗的石英玻璃在照射250nm附近的波长的紫外线时折射率上升。因此，也可以使用添加了锗的玻璃作为基材光纤101的内侧环层120，通过对基材光纤101照射紫外线来使内侧环层120的折射率上升。此外，在这种情况下，如果在石英中添加锗，则折射率与石英相比会上升，因此，在内侧环层120中，除了添加锗以外，为了使折射率降低还需要添加氟、硼。
图8是示意性地表示本发明的第二实施方式中的光纤201的剖视图，图9是图8的D-D线剖面。如图8所示，与第一实施方式中的光纤1同样地，光纤201包括：光输入部202，其与光纤激光器等激光光源连接；光处理部203，其具有能够将从光输入部202输入的光分配到多个光波导层中的期望的光波导层的构造；以及光输出部204，其传播由光处理部203分配的光。如图8及图9所示，本实施方式的光纤201具有中心纤芯210、覆盖中心纤芯210的内侧环层220、覆盖内侧环层220的第一外侧纤芯230、覆盖第一外侧纤芯230的第一外侧环层240、覆盖第一外侧环层240的第二外侧纤芯250、覆盖第二外侧纤芯250的第二外侧环层260、以及覆盖第二外侧环层260的树脂层270。
中心纤芯210、第一外侧纤芯230以及第二外侧纤芯250例如由SiO2构成。在内侧环层220、第一外侧环层240以及第二外侧环层260中分别添加有具有使折射率降低的性质的掺杂剂(例如氟(F)、硼(B))，如图10所示，内侧环层220、第一外侧环层240以及第二外侧环层260的折射率比中心纤芯210、第一外侧纤芯230以及第二外侧纤芯250的折射率低。这样，与中心纤芯210的半径方向外侧相邻的内侧环层220的折射率比中心纤芯210的折射率低，由此，中心纤芯210成为将光封闭在内部进行传播的光波导层。另外，与第一外侧纤芯230的半径方向内侧相邻的内侧环层220的折射率和与第一外侧纤芯230的半径方向外侧相邻的第一外侧环层240的折射率分别比第一外侧纤芯230的折射率低，由此，第一外侧纤芯230成为将光封闭在内部进行传播的光波导层。并且，与第二外侧纤芯250的半径方向内侧相邻的第一外侧环层240的折射率和与第二外侧纤芯250的半径方向外侧相邻的第二外侧环层260的折射率分别比第二外侧纤芯250的折射率低，由此，第二外侧纤芯250成为将光封闭在内部进行传播的光波导层。在图10所示的例子中，中心纤芯210与内侧环层220之间的相对折射率差ΔC1、第一外侧纤芯230与第一外侧环层240之间的相对折射率差ΔP11、以及第二外侧纤芯250与第二外侧环层260之间的相对折射率差ΔP12相同。
如图8所示，在光处理部203中去除树脂层270，第二外侧环层260露出到外部。图11是表示图8的E-E线剖面中的光处理部203的半径方向的折射率分布的曲线图。如图11所示，在光处理部203中，内侧环层220的折射率也比中心纤芯210的折射率低，但光处理部203中的中心纤芯210与内侧环层220之间的相对折射率差ΔCF比光输入部202中的相对折射率差ΔC1小。另外，第一外侧环层240的折射率比第一外侧纤芯230的折射率低，但光处理部203中的第一外侧纤芯230与第一外侧环层240之间的相对折射率差ΔPF1比光输入部202中的相对折射率差ΔP11小。并且，第二外侧环层260的折射率比第二外侧纤芯250的折射率低，但光处理部203中的第二外侧纤芯250与第二外侧环层260之间的相对折射率差ΔPF2与光输入部202中的相对折射率差ΔP11相同或比其小。在此，相对折射率差ΔPF1比相对折射率差ΔCF大，相对折射率差ΔPF2比相对折射率差ΔPF1大，纤芯与环层之间的相对折射率差随着朝向半径方向外侧而逐渐变大。
图12是表示图8的F-F线剖面中的光输出部204中的半径方向的折射率分布的曲线图。如图12所示，光输出部204中的折射率分布与光输入部202中的折射率分布相同。在图12所示的例子中，中心纤芯210与内侧环层220之间的相对折射率差ΔC2、第一外侧纤芯230与第一外侧环层240之间的相对折射率差ΔP21、以及第二外侧纤芯250与第二外侧环层260之间的相对折射率差ΔP22相同。
在本实施方式中，中心纤芯210与内侧环层220之间的相对折射率差沿着长边方向变化，并且第一外侧纤芯230与第一外侧环层240之间的相对折射率差也沿着长边方向变化。即，光处理部203中的中心纤芯210与内侧环层220A之间的相对折射率差ΔCF小于光输入部202中的中心纤芯210与内侧环层220B之间的相对折射率差ΔC1以及光输出部204中的中心纤芯210与内侧环层220C之间的相对折射率差ΔC2，光处理部203中的第一外侧纤芯230与第一外侧环层240A之间的相对折射率差ΔPF1小于光输入部202中的第一外侧纤芯230与第一外侧环层240B之间的相对折射率差ΔP11以及光输出部204中的第一外侧纤芯230与第一外侧环层240C之间的相对折射率差ΔP21。
在这样的光纤201中，光处理部203中的中心纤芯210与内侧环形层220A之间的相对折射率差ΔCF比光输入部202中的相对折射率差ΔC1小，因此，在光处理部203中，中心纤芯210中的光的封闭效果比光输入部202弱。另外，光处理部203中的第一外侧纤芯230与第一外侧环层240A之间的相对折射率差ΔPF1比光输入部202中的相对折射率差ΔP11小，因此，在光处理部203中，第一外侧纤芯230中的光的封闭效果比光输入部202弱。
因此，通过在光处理部203将这样的光纤201弯曲而使用，能够使在光输入部202的中心纤芯10中传播来的激光的一部分在光处理部203中从中心纤芯210向第一外侧纤芯230泄漏，使泄漏到第一外侧纤芯230的激光的一部分进一步向第二外侧纤芯250泄漏。由此，通过适当地调整光处理部203中的弯曲直径，能够将光输出部204中的在中心纤芯210中传播的激光的光量、在第一外侧纤芯230中传播的激光的光量、以及在第二外侧纤芯250中传播的激光的光量调整为期望的比例。
在此，在本实施方式的光处理部203中，由于相对折射率差ΔPF1比相对折射率差ΔCF大，因此在光处理部203的弯曲直径大时，激光仅泄漏到第一外侧纤芯230，但通过进一步减小光处理部203的弯曲直径，激光从第一外侧纤芯230泄漏到第二外侧纤芯250。这样，纤芯与环层之间的相对折射率差随着朝向半径方向外侧而逐渐增大，通过适当地调整光处理部203中的弯曲直径，能够控制将光从中心纤芯导入外侧纤芯中的哪一个外侧纤芯。
这样的光纤201能够通过与第一实施方式中的光纤1同样的方法来制造。即，通过将具有上述的光输入部202或光输出部204的构造的基材光纤的树脂层270的一部分去除而使第二外侧环层260露出，并对该露出的部分进行加热，从而使添加至内侧环层220、第一外侧环层240及第二外侧环层260中的氟扩散，由此能够制造光纤201。在此，为了使光处理部203中的中心纤芯210与内侧环层220之间的相对折射率差ΔCF比第一外侧纤芯230与第一外侧环层240之间的相对折射率差ΔPF1小，优选使基材光纤中的内侧环层220的厚度比第一外侧环层240的厚度薄。另外，为了使光处理部203中的第一外侧纤芯230与第一外侧环层240之间的相对折射率差ΔPF1比第二外侧纤芯250与第二外侧环层260之间的相对折射率差ΔPF2小，优选使基材光纤中的第一外侧环层240的厚度比第二外侧环层260的厚度薄。
本实施方式中的光纤201包括两层外侧纤芯230、250和两层外侧环层240、260，但本发明当然也能够应用包括三层以上的外侧纤芯和三层以上的外侧环层的光纤。
本发明的光纤能够如以下所述那样应用于激光加工装置。通过将本发明的光纤用于激光加工装置，能够根据加工对象物的材料简单且安全地变更向加工对象物照射的激光的光学特性。
图13是表示使用了本发明的光纤的激光加工装置501的结构的示意图。图13所示的激光加工装置501具备：台510，其保持加工对象物W；激光生成装置520；激光照射部530，其朝向台510上的加工对象物W照射从激光生成装置520输出的激光；过程监视器540，其检测加工对象物W的加工状态；以及控制部550，其接收过程监视器540的检测信号来控制激光生成装置520。
激光生成装置520包括多个激光光源521、将来自这些激光光源521的激光耦合的光合波器522、从光合波器522延伸的传输光纤523、与传输光纤523连接的光纤524、以及用于使光纤524以规定的弯曲直径弯曲的光纤弯曲部525。激光光源521分别生成规定的波长(例如1100nm)的输出激光，例如能够由主振荡器功率放大器(MOPA)型的光纤激光器、谐振器型的光纤激光器构成。
激光光源521和光合波器522分别通过光纤526相互连接。传输光纤523与光合波器522的下游侧连接。传输光纤523与光纤524通过熔接连接部527相互熔接连接。作为该光纤524，能够使用上述的光纤1或201。以下，对使用上述光纤1作为光纤524的例子进行说明。
光纤524(光纤1)的一部分以弯曲的状态收容于光纤弯曲部525。该光纤弯曲部525构成为能够调整光纤1的弯曲直径。例如，光纤弯曲部525也可以具备固定部601和能够在轨道602上移动的可动部603。在固定部601与可动部603之间光将纤1的光处理部3以弯曲的状态夹入，并使可动部603相对于固定部601移动，由此能够改变固定部601与可动部603之间的距离从而调整光处理部3的弯曲直径。此外，这样的调整光纤1的弯曲直径的机构并不限定于图示的机构。
控制部550接收过程监视器540的检测信号，根据加工对象物W的加工状态控制激光光源521以及光纤弯曲部525。例如，控制部550能够根据加工对象物W的加工状态，通过控制向激光光源521供给的电流来调整从激光光源521输出的激光的输出，或者通过移动光纤弯曲部525的可动部603来调整从激光照射部530输出的激光的光学特性。另外，控制部550也可以按照规定的程序控制激光光源521以及光纤弯曲部525。
例如，在加工对象物W的加工部较薄且将其高速地切断的情况下，控制部550使光纤弯曲部525的可动部603移动从而提高从光纤1的中心纤芯10输出的激光的比例。另一方面，在加工对象物W的加工部较厚且将其切断的情况下，控制部550也可以使光纤弯曲部525的可动部603向另一方向移动从而提高从光纤1的外侧纤芯30输出的激光的比例。
在上述的例子中，将光纤1在一个部位弯曲，但也可以将光纤1在多个部位弯曲。在高功率的激光的情况下，如果使在中心纤芯10中传播的激光在一个部位泄漏到外侧纤芯30，则认为激光过度泄漏到外侧纤芯30而产生光损耗，但通过使在中心纤芯10中传播的激光在多个部位逐渐泄漏到外侧纤芯30，能够降低这样的光损耗。
至此，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，当然可以在其技术思想的范围内以各种不同的方式进行实施。
如上所述，根据本发明的第一方式，提供一种能够简单地以低损耗输出具有期望的光学特性的光的光纤。该光纤具备：中心纤芯、位于上述中心纤芯的半径方向外侧的内侧环层、位于上述内侧环层的半径方向外侧的一个以上的外侧纤芯、以及位于上述一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧的一个以上的外侧环层。上述内侧环层具有比上述中心纤芯的折射率低的折射率。上述一个以上的外侧纤芯具有比上述内侧环层的折射率高的折射率。上述一个以上的外侧环层具有比上述一个以上的外侧纤芯的折射率低的折射率。上述中心纤芯与上述内侧环层之间的相对折射率差ΔCF沿着长度方向变化，且在沿着该长度方向的至少一个位置上，比上述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPF小。
根据这样的结构，在沿着长度方向的至少一个位置上，中心纤芯中的光的封闭效果减弱，因此，通过在该位置弯曲光纤，能够使在中心纤芯中传播的光从中心纤芯泄漏到外侧纤芯。因此，通过适当地调整光纤的弯曲直径，能够将在中心纤芯中传播的光的光量和在外侧纤芯中传播的光的光量调整为期望的比例，从而简单地以低损耗输出具有期望的光学特性的光。
为了更有效地使相对折射率差ΔCF小于相对折射率差ΔPF，优选上述内侧环层的厚度比上述一个以上的外侧环层的厚度薄。
上述一个以上的外侧纤芯可以包括多个外侧纤芯，上述一个以上的外侧环层可以包括与上述一个以上的外侧纤芯的数量相同的多个外侧环层。在这种情况下，由于能够将在中心纤芯中传播的光分配至中心纤芯和多个外侧纤芯而传播，因此能够更精细地控制输出的光的光学特性。
在这种情况下，优选地，在上述至少一个位置上，上述多个外侧纤芯与和该外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPFn随着朝向半径方向外侧而逐渐变大。通过这样设置，随着光纤的弯曲直径变小，在中心纤芯中传播的光容易向半径方向的更外侧泄漏，因此，通过调整光纤的弯曲直径而容易控制输出的光的光学特性。
如上所述，可以将上述光纤在上述至少一个位置上弯曲。另外，上述至少一个位置也可以包括沿着上述长度方向的多个位置。
优选地，上述相对折射率差ΔCF比上述长度方向上的上述至少一个位置的上游侧的位置上的、上述中心纤芯与上述内侧环层之间的相对折射率差ΔC1小。在这种情况下，在上述至少一个位置的上游侧，光难以从中心纤芯泄漏。
优选地，上述相对折射率差ΔCF比上述长度方向上的上述至少一个位置的下游侧的位置上的、上述中心纤芯与上述内侧环层之间的相对折射率差ΔC2小。在这种情况下，在上述至少一个位置的下游侧，分配至中心纤芯和外侧纤芯的光难以泄漏到另一个纤芯。
根据本发明的第二方式，提供一种能够简单地以低损耗输出具有期望的光学特性的激光的激光生成装置。该激光生成装置具备：至少一个激光光源，其生成激光；上述的光纤；以及光纤弯曲部，其构成为使上述光纤在上述至少一个位置上弯曲。上述光纤与上述激光光源的下游侧连接，以使来自上述至少一个激光光源的上述激光导入上述中心纤芯。
根据这样的结构，通过在光纤弯曲部弯曲光纤，能够使在光纤的中心纤芯中传播的来自激光光源的激光从中心纤芯泄漏至外侧纤芯。因此，通过在光纤弯曲部适当地调整光纤的弯曲直径，能够将在中心纤芯中传播的激光的光量和在外侧纤芯中传播的激光的光量调整为期望的比例，从而简单地以低损耗输出具有期望的光学特性的激光。
优选地，上述光纤弯曲部构成为能够调整上述光纤的弯曲直径，以使得能够根据需要调整输出的激光的光学特性。
根据本发明的第三方式，提供一种能够进行与加工对象物对应的高品质的加工的激光加工装置。该激光加工装置具备：上述的激光生成装置；以及激光照射部，其将从上述激光生成装置输出的激光朝向加工对象物照射。
根据这样的结构，能够对加工对象物照射具有与加工对象物对应的期望的光学特性的激光，因此激光加工的品质提高。
优选地，上述激光加工装置具备：过程监视器，其检测上述加工对象物的加工状态；以及，控制部，其根据来自上述过程监视器的输出调整上述激光生成装置的上述光纤弯曲部中的上述光纤的曲率。根据这样的结构，能够根据加工对象物的加工状态调整照射于加工对象物的激光的光学特性，因此激光加工的品质进一步提高。
根据本发明的第四方式，提供一种能够容易地制造能以低损耗输出具有期望的光学特性的光的光纤的方法。在该方法中，准备基材光纤，该基材光纤包括：中心纤芯、位于上述中心纤芯的半径方向外侧的内侧环层、位于上述内侧环层的半径方向外侧的一个以上的外侧纤芯、以及位于上述一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧的一个以上的外侧环层。上述内侧环层包含具有使折射率降低的性质的掺杂剂，且具有比上述中心纤芯的折射率低的折射率。上述一个以上的外侧环层具有比和该一个以上的外侧环层的半径方向内侧相邻的上述外侧纤芯的折射率低的折射率。上述一个以上的外侧纤芯具有比上述内侧环层的折射率高的折射率。在该方法中，对沿着上述基材光纤的长度方向的至少一个部位进行加热，使上述内侧环层中的上述掺杂剂扩散，并使上述中心纤芯与上述内侧环层之间的相对折射率差ΔCF小于上述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPF。上述掺杂剂可以是氟。
根据本发明的第五方式，提供一种能够容易地制造能以低损耗输出具有期望的光学特性的光的光纤的方法。在该方法中，准备基材光纤，该基材光纤包括：中心纤芯，其包括具有使折射率上升的性质的掺杂剂；内侧环层，其位于上述中心纤芯的半径方向外侧，具有比上述中心纤芯的折射率低的折射率；一个以上的外侧纤芯，其位于上述内侧环层的半径方向外侧；以及一个以上的外侧环层，其位于上述一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧。上述一个以上的外侧环层具有比和该一个以上的外侧环层的半径方向内侧相邻的上述外侧纤芯的折射率低的折射率。上述一个以上的外侧纤芯具有比上述内侧环层的折射率高的折射率。在该方法中，对沿着上述基材光纤的长度方向的至少一个部位进行加热，使上述中心纤芯中的上述掺杂剂扩散，并使上述中心纤芯与上述内侧环层之间的相对折射率差ΔCF小于上述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPF。上述掺杂剂可以是锗
根据这些方法，能够容易地制造能以低损耗输出具有期望的光学特性的光的上述光纤。
上述至少一个部位可以是与其他光纤对接的上述基材光纤的端部。在这种情况下，能够同时实现内侧环层中的折射率的上升和基材光纤与其他光纤的熔接。
在对上述至少一个部位进行加热之前的上述基材光纤中，上述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差可以为上述中心纤芯与上述内侧环层之间的相对折射率差以上。
根据本发明的一个方式，在沿着长度方向的至少一个位置上，中心纤芯中的光的封闭效果变弱，因此通过在该位置使光纤弯曲，能够使在中心纤芯中传播的光从中心纤芯向外侧纤芯泄漏。因此，通过适当地调整光纤的弯曲直径，能够将在中心纤芯中传播的光的光量和在外侧纤芯中传播的光的光量调整为期望的比例，能够简单地以低损耗输出具有期望的光学特性的光。
本申请基于2019年9月6日提交的日本专利申请特愿2019-163375，并要求该申请的优先权。该申请的公开内容通过引用将其全文并入本说明书中。
产业可利用性
本发明适用于用于调整激光的光学特性的光纤。
附图标记
1-光纤，2-光输入部，3-光处理部，4-光输出部，10-中心纤芯，20-内侧环层，30-外侧纤芯，40-外侧环层，50-树脂层，101-基材光纤，103-加热部分，110-中心纤芯，120-内侧环层，130-外侧纤芯，140-外侧环层，150-树脂层，190-燃烧器，201-光纤，202-光输入部，203-光处理部，204-光输出部，210-中心纤芯，220-内侧环层，230-第一外侧纤芯，240-第一外侧环层，250-第二外侧纤芯，260-第二外侧环层，270-树脂层，501-激光加工装置，510-台，520-激光生成装置，521-激光光源，522-光合波器，523-传输光纤，524-光纤，525-光纤弯曲部，530-激光照射部，540-过程监视器，550-控制部，601-固定部，602-轨道，603-可动部，W-加工对象物。

Claims (13)

1.一种光纤，其为长度方向上连续的一根光纤，具备：
中心纤芯；
内侧环层，其位于所述中心纤芯的半径方向外侧，具有比所述中心纤芯的折射率低的折射率；
一个以上的环状的外侧纤芯，其位于所述内侧环层的半径方向外侧，且具有比所述内侧环层的折射率高的折射率；以及
一个以上的外侧环层，其位于所述一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧，且具有比所述一个以上的外侧纤芯的折射率低的折射率，
所述中心纤芯与所述内侧环层之间的相对折射率差ΔCF沿着长度方向变化，且在沿着该长度方向的至少一个位置上，比所述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPF小，
所述相对折射率差ΔCF比所述长度方向上的所述至少一个位置的上游侧的位置上的、所述中心纤芯与所述内侧环层之间的相对折射率差ΔC1小，
所述相对折射率差ΔCF比所述长度方向上的所述至少一个位置的下游侧的位置上的、所述中心纤芯与所述内侧环层之间的相对折射率差ΔC2小。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述内侧环层的厚度比所述一个以上的外侧环层的厚度薄。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其特征在于，
所述一个以上的外侧纤芯包括多个外侧纤芯，
所述一个以上的外侧环层包括与所述一个以上的外侧纤芯的数量相同的多个外侧环层。
4.根据权利要求3所述的光纤，其特征在于，
在所述至少一个位置上，所述多个外侧纤芯与和该外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPFn随着朝向半径方向外侧而逐渐变大。
5.根据权利要求1或2所述的光纤，其特征在于，
在所述至少一个位置上弯曲。
6.一种激光生成装置，其具备：
至少一个激光光源，其生成激光；
根据权利要求1-5中任一项所述的光纤，所述光纤与所述至少一个激光光源的下游侧连接，以使来自所述至少一个激光光源的所述激光导入所述中心纤芯；以及
光纤弯曲部，其构成为使所述光纤在所述至少一个位置上弯曲。
7.一种激光加工装置，其具备：
权利要求6所述的激光生成装置；
激光照射部，其将从所述激光生成装置输出的激光朝向加工对象物照射；
过程监视器，其检测所述加工对象物的加工状态；以及，
控制部，其根据来自所述过程监视器的输出调整所述激光生成装置的所述光纤弯曲部中的所述光纤的曲率。
8.一种光纤的制造方法，其包括：
准备基材光纤，该基材光纤为长度方向上连续的一根光纤，包括：中心纤芯；内侧环层，其位于所述中心纤芯的半径方向外侧，包括具有使折射率降低的性质的掺杂剂，且具有比所述中心纤芯的折射率低的折射率；一个以上的环状的外侧纤芯，其位于所述内侧环层的半径方向外侧，且具有比所述内侧环层的折射率高的折射率；以及一个以上的外侧环层，其位于所述一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧，且具有比和该一个以上的外侧环层的半径方向内侧相邻的所述一个以上的外侧纤芯的折射率低的折射率，
对沿着所述基材光纤的长度方向的至少一个部位进行加热，使所述内侧环层中的所述掺杂剂扩散，并使所述中心纤芯与所述内侧环层之间的相对折射率差ΔCF小于所述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPF，使所述相对折射率差ΔCF小于所述长度方向上的所述至少一个位置的上游侧的位置上的、所述中心纤芯与所述内侧环层之间的相对折射率差ΔC1，使所述相对折射率差ΔCF小于所述长度方向上的所述至少一个位置的下游侧的位置上的、所述中心纤芯与所述内侧环层之间的相对折射率差ΔC2。
9.根据权利要求8所述的光纤的制造方法，其特征在于，
所述掺杂剂是氟。
10.一种光纤的制造方法，其包括：
准备基材光纤，该基材光纤为长度方向上连续的一根光纤，包括：中心纤芯，其包括具有使折射率上升的性质的掺杂剂；内侧环层，其位于所述中心纤芯的半径方向外侧，具有比所述中心纤芯的折射率低的折射率；一个以上的环状的外侧纤芯，其位于所述内侧环层的半径方向外侧，且具有比所述内侧环层的折射率高的折射率；以及一个以上的外侧环层，其位于所述一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧，且具有比和该一个以上的外侧环层的半径方向内侧相邻的所述外侧纤芯的折射率低的折射率，
对沿着所述基材光纤的长度方向的至少一个部位进行加热，使所述中心纤芯中的所述掺杂剂扩散，并使所述中心纤芯与所述内侧环层之间的相对折射率差ΔCF小于所述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差ΔPF，使所述相对折射率差ΔCF小于所述长度方向上的所述至少一个位置的上游侧的位置上的、所述中心纤芯与所述内侧环层之间的相对折射率差ΔC1，使所述相对折射率差ΔCF小于所述长度方向上的所述至少一个位置的下游侧的位置上的、所述中心纤芯与所述内侧环层之间的相对折射率差ΔC2。
11.根据权利要求10所述的光纤的制造方法，其特征在于，
所述掺杂剂是锗。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的光纤的制造方法，其特征在于，
所述至少一个部位是与其他光纤对接的所述基材光纤的端部。
13.根据权利要求8至11中任一项所述的光纤的制造方法，其特征在于，
在对所述至少一个部位进行加热之前的所述基材光纤中，所述一个以上的外侧纤芯与和该一个以上的外侧纤芯的半径方向外侧相邻的外侧环层之间的相对折射率差为所述中心纤芯与所述内侧环层之间的相对折射率差以上。
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