CN1949007B - 光导以及光照射装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种光导以及具有该光导的光照射装置，该光导在光纤束的端部具有熔接部，且与光纤线的中心轴平行地引入光导末端部处的入射到光纤束的光。光导的特征在于：具有由多根光纤线构成、且至少光入射侧的端部被热熔接了的光纤束；位于比光纤束的中心轴更靠外侧的各光纤线的中心轴，在上述被热熔接了的光纤束端部处，相对于光纤束的中心轴具有倾角；光纤束的光入射端面的形状为凹面形状。

Description

光导以及光照射装置

技术领域

本发明涉及传输光并照射被照射物的光导以及具有该光导的光照射装置。

背景技术

以往，作为用于将从激光振荡器等发光体放射的光传输到被照射物的任意位置的机构，采用了光导。

对这样的光导而言，通常有以单体形式采用光纤线的场合、和集束多根光纤线作为光纤束来采用的场合，而且根据所需光量和发光体的特性来分开使用。

其中，在采用光纤束的场合下，需要将其端部集束并固化，一般是采用利用有机类或无机类的粘接剂，或者是利用低熔点玻璃将各光纤线粘着的方法。

然而，已知在采用激光加工机和高输出功率灯的装置中，为了入射从发光体放射的强光，需要提高其端部的耐热性，有利用高频加热或氢氧燃烧器等的加热机构，从外部施加热来熔化光纤线自身，从而相互熔接的方法。

这里，作为如上所述的从外部对光纤束端部施加热来熔接的方法，可列举出专利文献1所示的方法。

专利文献1：JP特开昭57-97503号公报

该专利文献1示出了如下方法：集束由多根构成的石英类的光纤线的端部，并将集束了的端部插入到玻璃管内后，从玻璃管外周施加热来熔接玻璃管和各光纤线，并且减小或消除这些玻璃管和各光纤线相互间的间隙。

从而，用上述方法制造的光导，即便不采用耐热性差的粘接剂也可以形成各光纤线被牢固地粘着了的光导末端部，且即便对于以传输较大光量为目的的来自大型光源等的热，也可以确保该末端部具有足够的耐热性。

另外，由于减小或消除该末端部中的光纤线之间的间隙，因此提高了纤芯在其端面中的占有率，可以提高相对光源的光入射效率。

然而，利用上述方法形成的熔接部，由于通过光纤线自身变形为大致六角形来减小或消除光纤线之间的间隙，所以，进行了熔接的部分的光纤束直径，与未进行熔接的部分的光纤束直径相比，仅减小在光纤线之间减小或消除了的间隙的比例。

其结果，在光导末端部中，配置在靠近光纤束的外周部位置的光纤线，从未进行熔接的部分(远离光纤束末端的一侧)到进行了熔接的部分(光纤束的末端侧)，其中心轴向光纤束的中心轴方向倾斜，该倾角是光纤线越远离光纤束的中心轴越大，相反，光纤线越靠近光纤束的中心轴越小，而大致在光纤束的中心轴上，光纤线的中心轴与光纤束的中心轴平行。

如图2所示，在以与光导末端部中的光纤束的中心轴垂直相交的平面A来切断、研磨光导末端的熔接部的场合下，如图4所示，由于光纤线的中心轴14与各光纤线的端面32并不垂直，所以垂直入射到这样的端面32的光50，入射到端面32后，无法沿光纤线的中心轴14传输，而在构成光纤线10的包层12内面反复进行全反射，到达光纤线的出射端面36。

其结果，存在如下问题：从光导的出射端面出射的光包括相对于光纤束的中心轴具有倾角的光，而无法维持向光导的入射端入射的光的入射角度。

发明内容

基于上述事实，本发明的目的是提供一种光导以及具有该光导的光照射装置，该光导在光纤束的端部具有熔接部，可与光纤线的中心轴平行地引入入射到光纤束的光。

为了达到上述目的，本发明提供：

(1)一种光导，其特征在于，具有由多根光纤线构成、且至少光入射侧的端部被热熔接了的光纤束，

位于比光纤束的中心轴更靠外侧的各光纤线的中心轴，在上述被热熔接了的光纤束端部处，相对于光纤束的中心轴具有倾角，

光纤束的光入射端面的形状为凹面形状；

(2)根据上述(1)所述的光导，其中，上述凹面形状为球面形状；

(3)根据上述(1)或(2)所述的光导，其中，上述光纤线的至少一部分按照下述方式对光入射面进行加工，该方式为：光纤线的光入射面和与入射到该光入射面的光垂直相交的面形成的角度θ2满足下述式，

θ2＝cot^-1(cotθ1-(n2/(n1sinθ1)))

其中，θ1是入射到光纤线的光入射面的光与光纤线的中心轴形成的角度，n1是构成光纤线的纤芯的折射率，n2是光纤线外部的空间的折射率；

(4)根据上述(1)～(3)的任意一项所述的光导，其中，光纤线是由石英、多组分玻璃或塑料构成的；

(5)一种光照射装置，具有放射光的发光体、以及用于将来自该发光体的放射光照射到被照射物的光导，该光照射装置的特征在于，上述光导是上述(1)～(4)的任意一项所述的光导。

根据本发明，可以提供一种光导以及具有该光导的光照射装置，该光导通过熔接来使光纤束的端部固化，且可与光纤线的中心轴平行引入入射到光纤束的光。

附图说明

图1(a)是表示本发明的光导的第一实施方式中的光导末端部构造的剖视图、图1(b)是光纤线的剖视图。

图2是表示为了在光纤束末端的熔接部形成光入射端面而进行切断、研磨的位置A的图。

图3是表示在位置A进行切断后的光导末端的图。

图4是表示光入射面加工前的光纤线中的入射光与出射光的图。

图5是表示用于测定倾斜角θ1的测定装置的图。

图6是表示出射光的光强度分布的图。

图7是表示用于说明倾斜角θ2的计算方法的光纤线截面的图。

图8(a)是表示从光纤束的中心轴离开规定距离的位置处的各θ1和θ2的图，图8(b)是表示为了满足得到的各θ2，而对光纤束的入射端面进行加工形成为非球面状的图。

图9是表示用于测定向光导入射了激光时的出射光的强度分布的装置的图。

图10是表示在向光导入射了激光时的出射光的强度分布的图。

图11是用于说明本发明的光导的末端部构造的图。

图12是表示本发明的光照射装置的实施方式的图。

图中符号说明：

1光导         2光纤束     10光纤线            11纤芯    12包层

13包覆层                  14光纤线的中心轴    15光入射面

16与光入射面正交的直线    20套筒              21台阶部

30光导末端部              31熔接部            32端面

33光纤束的中心轴          34非球面            35球面

36出射端面                101光导             101a光入射端面

101b光出射端面            110激光振荡器       130光强度仪

具体实施方式

以下，通过附图详细地说明本发明涉及的光导以及光照射装置的实施方式。关于附图说明，对同一要素赋予相同符号并省略重复说明。另外，附图的尺寸比例未必与在说明书中举例数值而说明的尺寸比例一致。

本发明的光导的特征是，

具有由多根光纤线构成、且至少光入射侧的端部被热熔接了的光纤束，

位于比光纤束的中心轴更靠外侧的各光纤线的中心轴，在上述被热熔接了的光纤束端部处，相对于光纤束的中心轴具有倾角，

光纤束的光入射端面的形状为凹面形状。

图1(a)是表示本发明光导的第一实施方式中的光导末端部构造的剖视图。

光导1由多根光纤线10所构成的光纤束2以及套筒20构成，并具有光导末端部30，该光导末端部30是在对光入射侧的末端部进行了热熔接之后，在规定的位置切断熔接部分，并进一步对切断面实施了后述的凹面形状的加工而形成的。

另外，，光纤线10的构成包括：如图1(b)所示的由高纯度石英构成的外径为190μm的纤芯11；对石英实施了氟掺杂的外径为200μm的包层12、以及由紫外线硬化树脂构成的外径为220μm的包覆层13，另一方面，套筒20采用了与光纤线10所采用的石英的热膨胀系数、软化温度大致相等的外径为12mm、内径为10mm、全长为35mm的石英管。

下面，说明图1的光导中的光入射端面的形成方法。

如图2所示，将利用溶剂熔解除去了端部附近的包覆层13的约2000根光纤线10，以前端突出5mm左右的状态插入到套筒20中后，用氢氧燃烧器对从套筒20的前端约10mm的范围进行加热，由此，各光纤线10软化而相互熔接的同时，与套筒20熔接成一体，而形成在套筒20的外周面具有平缓的台阶部21的光导末端部30。

这里，由于熔接部31在越靠近前端(图2的右侧)的区域，各光纤线10的相互熔接越紧密，所以提高了牢固性，但是在这样的区域中，光纤线10的纤芯11与包层12之间的界线因软化而可能变得不清楚，在光入射时，入射的光在纤芯11以及包层12的边界面处发生漫反射，而存在导致作为光导的光传输效率降低的担忧。

因此，对于通过熔接所形成的光导末端部30而言，有必要切断消除上述纤芯11与包层12之间的界线不清楚的部分，该切断是在套筒20的内部的光纤线10相互熔接了的范围中最靠近台阶部21的位置进行的。

在图2所示的光导1中，将该位置设为包括熔接部31的套筒20的外径为约11mm的A位置，且在该位置进行切断。

其结果，如图3所示，在光导末端部30处，光纤线10的中心轴14在光纤束2的中心轴33的方向上具有倾斜角θ1的状态下被切断。该倾斜角θ1，在光导末端部30处，越靠近配置在光纤束2的外周附近的光纤线10越大；相反越靠近光纤束2的中心轴33越小，在中心轴33附近的光纤线的中心轴14与光导末端部30处的光纤束2的中心轴33几乎平行。

如图4所示，在光50垂直入射到切断面32的场合下，入射后的光51，以与光纤线10的中心轴14和入射光50之间的倾角即θ1相等的θ1a的倾斜角度，一边反复全反射一边传输，且在出射端面36处，因折射其与光纤线的中心轴14之间的角度进一步扩大，而以θ3的角度出射。

如后所述，在本实施方式中，光导1是通过对光导末端部30的切断面32实施规定的凹面加工，来在光纤线10的入射端面设置补偿因上述倾斜角θ1而产生的影响的倾斜角θ2，而与光纤线的中心轴14平行地引入入射到光纤线10的光。该倾斜角θ2可以通过中心轴14的倾斜角θ1求出。

这里，说明求出倾斜角θ1的方法、与由求得的倾斜角θ1导出倾斜角θ2的方法。

图5表示用于测定倾斜角θ1的装置构成。

该测定装置，是将矫正了光束直径的激光140入射到被测定用的光导101中，并测定出射光141的出射角度θ3(对应于图4的θ3)，由此来求出光入射端面处的倾斜角θ1的。

并且，光导101是按照上述的顺序熔接了入射端面101a后，在图2的A位置切断并进行了平面研磨的，且入射端面处的光纤束的外径是9mm。

另外，光出射端面101b代替热熔接而利用有机类粘接剂来粘着，且与光入射端面101a同样实施了平面研磨。

将来自He-Cd激光振荡器110的放射光，利用狭缝120矫正为光束直径0.5mm的激光140，入射到该入射端面101a。

激光140向光入射端面101a的入射位置，是将入射端面101a顺着沿光纤束的半径方向延伸的X1轴各移动1mm的位置，从各个入射位置的光出射端面101b出射的光的强度分布，是通过将光强度仪130设置于从光出射端面101b离开150mm的位置，并使该光强度仪130顺着与光导101的中心轴垂直的X2轴移动来测定的。

如图6所示，由于测定的光强度分布呈具有两个峰值的形状，故可由该峰值之间的距离D，且利用式1来计算从图5的光出射端面101b出射的光的倾斜角度θ3。

θ3＝tan^-1(D/2)/L    ……式1

(其中，D是测定的光强度分布图中的两个峰值之间的距离，L是从出射端面到设置有光强度仪130的面的距离)

接下来，利用在上面求出的角度θ3，求出如图4所示的在光纤线内传播的光51的角度θ1a以及倾斜角θ1。

这里，对图4的光出射端面36处的出射前的光51与出射后的光52的关系而言，根据斯涅耳定律，下述式成立，即：

n1sinθ1a＝n2sinθ3

(其中，n1是纤芯的折射率，n2是光纤线10外部的空间的折射率)，因此，在光纤线内传播的光51的角度θ1a可由下述式表示，即：

θ1a＝sin^-1((n2/n1)×sinθ3)

另外，由于光纤线10的中心轴14的倾斜角θ1，从图4可知，是与在上述光纤线内传播的光51的角度θ1a相等的角度，所以，下述式成立：

θ1＝θ1a＝sin^-1((n2/n1)×sinθ3)    ……式2

作为例子，如果以图6所示的测定结果为基础来具体求出θ1，则如下所示。图6表示将激光140的入射位置设为从入射端面101a的中心顺着X1轴离开4mm的位置的场合下的出射光的光强度分布。

在图6中，横轴表示顺着X2轴的距离，纵轴表示光强度的相对值。

由图6可知，两个峰值位于间隔35mm的距离的位置，通过将该峰值之间距离D＝35mm、和从出射端面到光强度仪130的距离L＝150mm代入到式1中，可以求出出射光的倾角θ3是约6.65°。

这里，构成光纤线10的纤芯折射率n1为约1.5，故由式2可知，光纤线的中心轴14的倾斜角θ1是4.43°。

以上，说明了因熔接而倾斜了的光纤线的倾斜角θ1的求出方法，接下来通过图7说明用于补偿因该倾角θ1对出射角θ3造成的影响的光入射面15的倾斜角θ2的求出方法。

图7表示光纤线10和入射后的光51的传播状态，该光纤线10中，其中心轴14相对于入射到光入射面15的光(与光纤束的中心轴平行的入射光)50具有倾斜角θ1，且光入射面15相对于与入射到该光入射面15的光50垂直相交的面61具有倾斜角θ2。

虚线16是与光入射面15垂直相交的直线，在该交点处入射前的光50相对于虚线16以入射角θ5的角度来入射。如果入射后的光51在光入射面15折射，并顺着光纤线的中心轴14传播，则入射前的光50与入射后的光51的关系，根据斯涅耳定律，满足式3。

n1sinθ4＝n2sinθ5    ……式3

其中，n1是纤芯的折射率，n2是光纤线10外部的空间的折射率。另外，θ4是入射后的光51的折射角，并与从入射前的光50的入射角θ5减去倾斜角θ1得到的值相等，因此，如式4所示，式3可以转换为入射角θ5与θ1的关系式，即：

n1sin(θ5-θ1)＝n2sinθ5    ……式4

另外，光入射面15相对于与入射前的光50垂直相交的面61的倾角即倾斜角θ2，与入射前的光50的入射角θ5相等，因此可将θ5替换为θ2，并用式5来表示。

n1sin(θ2-θ1)＝n2sinθ2    ……式5

其结果，倾斜角θ2可以根据下述式求出，即：

θ2＝cot^-1(cotθ1-(n2/(n1sinθ1)))    ……式6

通过将在前面求出的θ1＝4.43°、和n1＝1.5、n2＝1.0代入到式6中，可以得到θ2＝13.16°，可知通过将从光纤束的光入射端面的中心离开4mm的位置处的光纤线的入射面的倾角设为13.16°，可将在该位置入射到光纤线的光顺着光纤线的中心轴引入。

另外，为了更加简便地求出θ2，在导出上述式6时，可以采用公知的近似式等来适当简化式6，并采用该式。

图8(a)中，表示将图5中的激光140的入射位置，分别设在顺着X1轴距离入射端面101a的中心1mm、2mm、3mm、4mm时的θ1和θ2。

图8中，表示了离开入射端面101a的中心轴各1mm的点处的θ1和θ2，但更优选的是从入射端面101a的中心顺着X1轴增加测定部位，并根据在各测定点求出的θ2，来加工光纤线的光入射面。

在本实施方式中，光导1是在上述被熔接了的光导末端部30的切断面32上，以其中心轴33为中心同心圆状地设置倾斜角θ2的，如图8(b)所示，其形状形成为伴随从中心轴33靠近外周部而倾角变大的非球面34。在图8(b)所示的光导中，除了从入射端面101a的中心轴各离开1mm的点之外，从入射端面101a的中心顺着X1轴在多个位置处测定θ2，且根据在各测定点得到的θ2，来加工光纤线的光入射面。

作为进行这样的非球面34的凹面加工的装置，采用基于加工自由度较高的数值控制的超高精度加工机来进行，但为了提高加工面的镜面度，也可以采用ELID磨削法。

以上，说明了对本实施方式的光导1的熔接部31实施的加工形状，接下来，通过图9、图10来说明激光入射到上述光导的整个光入射端面时的、从出射端面出射的光的强度分布。

图9所示的装置中，为了使均匀的激光入射到光导的光入射端面，代替图5所示装置的狭缝120而设置了光束扩展器150，激光入射到光导1的整个光入射端面32、34，且采用光强度仪120来测定从光导1的光出射端面36离开150mm的位置的光强度分布。

图10表示利用上述装置测定的来自光导1的出射光的强度分布，实线表示向对光入射端面实施了非球面加工的光导入射了激光时的出射光的强度分布，虚线表示向对入射端面未实施非球面加工的以往的光导入射了激光时的出射光的强度分布。

将用实线表示的对光入射端面实施了非球面加工的光导的光强度分布、与用虚线表示的对光入射端面未实施非球面加工的光导的光强度分布进行比较可知，对光入射端面实施了非球面加工的光导，其出射光不扩散而照射比较狭窄的范围。并且，可知被照射的中心部分的光强度也比未实施非球面加工的光导高约4倍。

如上所述，根据本实施方式的光导，在被熔接了的光导末端部的切断面上，以光纤束的中心轴为中心，同心圆状地设置用于补偿因光纤线的中心轴的倾角而产生的影响的倾斜角θ2，由此，可以与各光纤线的中心轴平行地引入光导末端部处的与光纤束的中心轴平行地入射的光，可以抑制光纤束的出射端面处的光的扩散。

另外，在本实施方式中，采用与光纤束的中心轴平行地入射的光，来说明了向光纤线的光入射面的入射光，但本发明的光导中的入射光不一定限于与光纤束的中心轴平行地入射的光，即使是相对于光纤束的中心轴具有倾角的光、聚光于光纤线的光入射面的具有多个角度成分的光的场合下，也可获得相同的效果。另外，在利用聚光于光纤线的光入射面的具有多个角度成分的光的场合下，优选是采用成为其中心的光或强度最强的光的入射角度来求出θ2。

此外，本发明的光导，光纤线的光入射面和与入射到该光入射面的光垂直相交的面形成的角度θ2未必与式6一致，如后述发明的第二实施方式所示的光导，通过将角度θ2设为近似于由式6求出的值的角度，也可以得到相同的效果。

图11是表示本发明的光导的第二实施方式中的光导的末端部构造的剖视图。

本实施方式中的光导的光入射端面形状，是将光纤束熔接后的切断面加工成与图11中的点线所示的非球面34近似的半径为30mm的球面形状35，构成光导的光纤线10以及套筒20，采用了与第一实施方式所示的部件相同的部件。

通过将光导的光入射端面加工成这样的形状，可知引入到光纤线的光的相对于各光纤线的中心轴14的平行度，与加工成非球面形状的光导相比略微低一点，关于激光入射到光纤束的光入射端面时的出射光的强度分布，如图10的点划线所示，峰值降低20％左右，但如果与图10的虚线所示的对光入射端面未实施球面加工的以往的光导的峰值相比，则与实施了非球面加工的光导同样，出射光不扩散，可以得到较高的光强度。

此外，通过加工成球面形状，即使是采用由以往的具有球面形状的研磨盘来进行研磨的方法也可以进行加工，因此可以抑制加工成本。

另外，在第一实施方式以及第二实施方式中所示的光导中，都采用了由石英构成的光纤线，但本发明的光导，也可以适用于采用了由多组分玻璃或者塑料构成的光纤线的光导。

此外，在第一实施方式以及第二实施方式中，作为放射光的发光体，采用激光振荡器来进行了说明，但并不限于此，本发明的光导中，作为发光体也可以采用短弧灯或者卤素灯等。

下面，对本发明的光照射装置进行说明。

本发明的光照射装置具有放射光的发光体、以及用于将来自该发光体的放射光照射到被照射物的光导，该光照射装置的特征在于，上述光导是本发明的光导。

图12是表示本发明的光照射装置的实施方式的图。

在本实施方式中，光照射装置的构成包括：使激光起振的激光振荡器210；对激光进行聚光的透镜220；传输聚光了的光的光导230；用于将从光导230出射的光聚光于被照射物W的聚光透镜241；具有该聚光透镜241的加工头部240。

作为激光振荡器210，使用Q开关YAG激光器，该Q开关YAG激光器放射将闪光灯作为激励光源的紫外光。

在该光照射装置中，由于激光聚光在光导230的光入射端面230a，所以与第一实施方式中的光导一样，采用了对由石英制光纤线构成的光纤束的光入射端部进行了熔接的光导，光导230的光入射面230a如图8所示，被加工成非球面形状。

在采用了如上所述的入射端面被加工成非球面形状的光导的场合下，从光导出射的光250，与对入射端面未实施非球面加工的光导相比，出射角度变得更小，因此，聚光透镜241也可以采用与该角度φ对应的小口径的透镜，加工头部240的大小也可以更紧凑些。

另外，本发明实施方式所示的光照射装置中，作为放射光的发光体采用了激光振荡器，但不限于此，本发明的光照射装置中作为发光体也可以采用短弧灯或卤素灯等。

(产业上的可利用性)

本发明的光导中，熔接了光纤束的端部，且在光导末端部处，可以与光纤线的中心轴平行地引入入射到光纤束的光，因此可以适用于具有该光导的光照射装置中。

Claims (3)

1.一种光导，其特征在于，

具有由多根光纤线构成、且至少光入射侧的端部被热熔接了的光纤束，

位于比光纤束的中心轴更靠外侧的各光纤线的中心轴，在上述被热熔接了的光纤束端部处，相对于光纤束的中心轴具有倾角，光纤束的光入射端面的形状为凹面形状，其中，

上述位于比光纤束的中心轴更靠外侧的光纤线的至少一部分按照下述方式对光入射端面进行加工，该方式为：光纤线的光入射端面和与入射到该光入射端面的光垂直相交的面形成的角度θ2满足下述式，即：

θ2＝c o t^-1 (c o t θ1-(n 2/ (n 1 s i n θ1 ) ) )

其中，θ1是入射到光纤线的光入射端面的光与光纤线的中心轴形成的倾斜角度，其中不包括零度，n1是构成光纤线的纤芯的折射率，n2是光纤线外部的空间的折射率。

2.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，光纤线是由石英、多组分玻璃或塑料构成的。

3.一种光照射装置，具有放射光的发光体、以及用于将来自该发光体的放射光照射到被照射物的光导，该光照射装置的特征在于，上述光导是权利要求1或2所述的光导。

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