JP2000304982A - レーザ光照射装置及びレーザ光照射装置用光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】一体化されたレーザ光を簡単な光学系でコリメ
ートして、複数の対象物に照射可能なレーザ光照射装置
及び、その装置に用いるレーザ光照射装置用光学系を提
供することにある。 【解決手段】複数のレーザ光源１ａ，…，１ｇから出射
されたレーザ光は、複数の光ファイバの出射端６が束ね
られている光ファイバ束４に入射する。光ファイバ束４
の出射端６側には、単芯光ファイバ７の入射端８側が近
接して配置される。平凸レンズ１２の凸側が、単芯光フ
ァイバ７の出射端１０側に配置され、単芯光ファイバの
出射端から出射されたレーザ光をコリメートする。コリ
メートされたレーザ光の光路は、ビームスプリッタ１
６，１７，１８によって分割され、光路分割されたレー
ザ光は、それぞれ、複数の対象物２４，２５，２６，２
７に照射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光照射装置
及びレーザ光照射装置用光学系に係り、特に、複数のレ
ーザ発振器からのレーザ光を光ファイバ束で伝送後、一
体化し、さらに、複数の対象物に照射する装置に用いる
に好適なレーザ光照射装置及びレーザ光照射装置用光学
系に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、植物の生育状況を研究するため
には、人工太陽等からの光を植物に照射して、その照射
される光強度や波長による植物の生育状況の依存性を研
究するようにしている。しかしながら、従来の人工太陽
は、その光強度がそれほど強くないため、植物の生育に
時間を要することとなり、研究そのものにも長期間を要
するものであった。植物に照射する光強度を大きくでき
れば、植物の生育も加速されるため、研究を短期間で行
うことができる。

【０００３】そこで、本発明者らは、植物へ光を照射す
る光源として、従来の人工太陽の光強度よりも強いレー
ザ発振器を用いたレーザ光照射装置について検討を行っ
てきた。人工太陽に代わるレーザ光照射装置としては、
複数の植物等の対象物に照射する光強度が十分に大きい
ことや、複数の光強度の光を、それぞれ、複数の植物等
の対象物に照射できることや、照射する光の波長を変え
られること等の条件を満たすためには、複数のレーザ発
振器を用いる必要がある。

【０００４】ここで、従来の複数のレーザ発振器からの
レーザ光を一体化するものとしては、例えば、特開平５
−３０７１２７号公報や、特開平７−２７９５０号公報
に記載されているように、光ファイバ束で伝送後、単芯
の光ファイバやパイプを用いて一体化するものが知られ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
５−３０７１２７号公報や、特開平７−２７９５０号公
報に記載されているものは、医療機器や機械加工に用い
られるものであるため、一体化されたレーザ光は、一体
化されたまま、被照射物に照射されるものである。

【０００６】一方、植物等の生育の研究のためには、一
体化したレーザ光を、複数の対象物に同時に照射できる
ように、再度光路を分割する必要がある。そのために
は、一体化したレーザ光をコリメートした後、ビームス
プリッタにより光路分割する。ここで、従来の方式で
は、光ファイバ束から出射されるレーザ光は、ファイバ
束を構成している個々の単芯ファイバに加えられている
ストレスの違いにより、進行方向（光軸）及び広がり角
の異なる複数のレーザ光の集合体として出射されるた
め、簡単な光学系で、平行な光の集合体として空間伝送
することが難しいという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、一体化されたレーザ光を
簡単な光学系でコリメートして、複数の対象物に照射可
能なレーザ光照射装置及び、その装置に用いるレーザ光
照射装置用光学系を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、複数のレーザ光源と、複数の光フ
ァイバの出射端が束ねられて構成されるとともに、上記
複数のレーザ光源から出射されたレーザ光が、複数の光
ファイバの入射端から入射される光ファイバ束と、この
光ファイバ束の出射端側に、その入射端側が近接して配
置された単芯光ファイバと、この単芯光ファイバの出射
端側に配置され、単芯光ファイバの出射端から出射され
たレーザ光をコリメートするコリメート用光学素子と、
このコリメート用光学素子によってコリメートされたレ
ーザ光の光路を分割するビームスプリッタとを備え、こ
のビームスプリッタによって光路分割されたレーザ光
を、それぞれ、複数の対象物に照射するようにしたもの
である。かかる構成により、複数のレーザ発振器からの
レーザ光を複数の単芯ファイバの一端を結束した光ファ
イバ束に光ファイバ束の一端に入射し、 光ファイバ束
から進行方向及び広がり角の異なる複数のレーザ光の集
合体として出射されるレーザ光を、光ファイバ束に近接
して配置した単芯光ファイバ中を伝播させて進行方向
（光軸）を揃えることができ、簡単な光学系でコリメー
トし得るものとなる。

【０００９】（２）上記（１）において、好ましくは、
上記光ファイバ束の最大径をｄとし、単芯光ファイバの
コア径をＤとするとき、ｄ＜Ｄとしたものである。

【００１０】（３）上記（１）において、好ましくは、
上記コリメート用光学素子は、平凸レンズであり、上記
単芯光ファイバの出射光を、この平凸レンズの凸面側か
ら入射し、平面側から出射するよう配置したものであ
る。

【００１１】（４）上記（１）において、好ましくは、
さらに、上記ビームスプリッタによって光路分割された
レーザ光の光強度分布を平坦化する平坦化光学素子を備
えるようにしたものである。

【００１２】（５）また、上記目的を達成するために、
本発明は、複数のレーザ光源から出射されるレーザ光を
出射端が束ねられた複数の光ファイバからなる光ファイ
バ束に入射し、この光ファイバ束からの出射光を、光フ
ァイバ束の出射端に近接して配置された単芯光ファイバ
に入射させ、この単芯光ファイバの出射光を、コリメー
ト用光学素子に入射するように構成するようにしたもの
である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図５を用いて、本発
明の一実施形態によるレーザ光照射装置の構成について
説明する。最初に、図１を用いて、本実施形態によるレ
ーザ光照射装置の全体構成について説明する。

【００１４】レーザ発振器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１
ｅ，１ｆ，１ｇは、波長可変レーザ発振器であり、それ
ぞれ、例えば、６８０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長の光を
出射するとともに、その波長を可変できるものである。
例えば、複数の対象物に同一の波長の光を照射する場合
には、レーザ発振器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１
ｆ，１ｇは、同一の波長の光を出射するように制御され
る。また、複数の対象物にある波長範囲の光を照射する
場合には、レーザ発振器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１
ｅ，１ｆ，１ｇは、それぞれ、異なる波長の光を出射す
るように制御される。さらに、例えば、複数の対象物に
６８０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲の光を照射する場
合には、６８０ｎｍの波長の光や１０００ｎｍの波長の
光のように、波長可変範囲の両端では光強度が低くなる
ため、レーザ発振器１ａ，１ｂは６８０ｎｍの波長の光
を出射し、レーザ発振器１ｆ，１ｇは１０００ｎｍの波
長の光を出射し、残りのレーザ発振器１ｃ，１ｄ，１ｅ
は、それぞれ、６８０〜１０００ｎｍの間の異なる波長
の光を出射するように、複数台を１グループとして、グ
ループ毎に発振波長が異なる発振器となるように制御す
ることもできる。

【００１５】レーザ発振器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１
ｅ，１ｆ，１ｇから出射されたレーザ光２ａ，２ｂ，２
ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇは、入射光学系３ａ，３
ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇにより光ファイバ束
４の入射端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ
に導かれる。光ファイバ束４の中の各光ファイバ中を進
んだレーザ光は、光ファイバ束４の出射端６から出射
し、近接して配置された単芯光ファイバ７の入射端８か
ら、単芯光ファイバ７に導かれる。

【００１６】ここで、図２〜図４を用いて、光ファイバ
束４の出射端６に単芯光ファイバ７を近接して配置した
理由について説明する。図２は、本実施形態によるレー
ザ光照射装置に用いる光ファイバ束の出射端から出射さ
れるレーザ光の状態説明図であり、図３は、本実施形態
によるレーザ光照射装置に用いる光ファイバ束の断面図
であり、図４は、本実施形態によるレーザ光照射装置に
用いる単芯光ファイバの断面図である。

【００１７】図２に示すように、光ファイバ束の出射端
６から出射されるレーザ光９は、ファイバ束４を構成し
ている個々の単芯ファイバ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５
ｅ，５ｆ，５ｇに加えられているストレスの違いによ
り、進行方向（光軸）及び広がり角の異なる複数のレー
ザ光の集合体９として出射される。それゆえ、光学素子
により一点に集光するのが困難なものである。

【００１８】図３は、光ファイバ束４の断面構成を示し
ているが、光ファイバ束４は、その出射端において単芯
ファイバ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇは
束ねられた上で、カバー４Ｂによって固定されている。
ここで、光ファイバ束４の最大径，即ち、光ファイバ束
４を構成するコアとクラッドから構成される単芯ファイ
バ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇの最大
径，例えば、単芯ファイバ５ｂから単芯ファイバ５ｅま
での径をｄとする。

【００１９】また、図４は、単芯光ファイバ７の断面構
成を示しているが、単芯光ファイバ７は、コアとクラッ
ドから構成される光ファイバ本体７Ａの外周をカバー７
Ｂによって被覆されている。ここで、単芯光ファイバ７
のコア径をＤとする。

【００２０】そして、本実施形態では、光ファイバ束４
の出射端６から出射される進行方向（光軸）及び広がり
角の異なる複数のレーザ光の集合体９を効率よく受光す
るため、図３に示す光ファイバ束４の最大径ｄと、図４
に示す単芯光ファイバ７のコア径Ｄの関係を、ｄ＜Ｄと
なるように選定している。光ファイバ束４の出射端６と
単芯光ファイバ７入射端８を近接して配置することによ
り、出射端６からの出射光９の大半が単芯光ファイバ７
に入射することになる。

【００２１】ここで、例えば、光ファイバ束４が、コア
径＝0.2mmの単芯ファイバを７本結束した光ファイバ束
の場合は、ｄ 0.65mmである。それに対して、単芯光フ
ァイバ７のコア径Ｄを、Ｄ＝0.7mmとする。このとき、
単芯光ファイバ７のコア径ＤをＤ＝0.8mmや、Ｄ＝0.9mm
のものを用いてもよいが、光ファイバは、断面積が大き
くなるほど高価になるため、Ｄ＝0.7mmのものを用いる
ことにより、安価に構成することができる。

【００２２】また、光ファイバ束４が、コア径＝0.2mm
の単芯ファイバを１９本結束した光ファイバ束の場合
は、ｄ 1.1mmである。それに対して、単芯光ファイバ
７のコア径Ｄを、Ｄ＝1.2mmとする。

【００２３】なお、出射端６と入射端８は、密着あるい
は、接合してもよいものである。また、使用レーザ光に
対して、透明で光ファイバのコアと屈折率がほぼ等しい
媒体を充填してもよいものである。

【００２４】再び、図１に戻り、単芯光ファイバ７の出
射端１０から出射したレーザ光１１は、単芯光ファイバ
７の出射端１０付近に焦点位置があるコリメート用光学
素子である平凸レンズ１２の凸面側１３から入射され、
平行光にする。

【００２５】ここで、図５を用いて、本実施形態による
レーザ光照射装置に用いる平凸レンズの作用について説
明する。図５は、単芯光ファイバ７の出射端１０付近を
拡大した様子を示している。単芯ファイバ７中の伝播に
より、出射レーザ光１１は、広がり角は異なるが、進行
方向（光軸）が揃った複数（例えば、７個）の光の集合
体として出射する。出射レーザ光１１は、コリメート用
光学素子である平凸レンズ１２の凸面側１３から入射さ
せるが、これは、出射レーザ光１１が広がり角が異なる
複数の光の集合体であるため、レンズの球面収差を利用
して、ほぼ平行な光に戻すためである。すなわち、大ビ
ーム径の平行光を平凸レンズの平面側から入射し、凸面
側から出射させた場合、出射光は球面収差により一点に
集光しないが、この現象を逆に利用するものである。

【００２６】本発明者らの実験では、レーザ発振器とし
て７台のHe-Neレーザを使用し、光ファイバ束の最大径
ｄ＝0.73mm、単芯光ファイバ７のコア径Ｄ＝1.2mm、平
凸レンズの焦点距離ｆ＝200mmの条件で、平凸レンズの
平面側から800〜2000mmの範囲でビーム径 50mmのほぼ
平行なレーザ光が実現できた。

【００２７】なお、球面収差は平凸レンズの平面側から
の入射、両凸レンズ、平凸レンズの凸面側からの入射の
順で大きいこと、平面側からの入射が、両凸レンズ若し
くは平凸レンズ側からの入射の場合に比べて、はるかに
大きいことから、単芯光ファイバからの出射光をコリメ
ートする（平行状態にする）には、平凸レンズの凸面側
からの入射が好適で、両凸レンズ、平凸レンズの平面側
からの入射の順で適用できる。なお、これらレンズの組
み合わせでも、同様の目的は達成できるものである。

【００２８】再び、図１に戻り、平凸レンズ１２によっ
てコリメートされたほぼ平行な光の集合体である出射光
１５は、ビームスプリッタ１６，１７，１８及び反射鏡
１９によって光路分割される。光路分割されたレーザ光
は、それぞれ、蝿の目レンズ２０，２１，２２，２３に
よりレーザ光の強度分布を平坦化されたのち、複数の対
象物（例えば、植物プランクトンが収められた容器）２
４，２５，２６，２７に照射される。

【００２９】ここで、ビームスプリッタ１６，１７，１
８は、例えば、入射した光の６０％を反射し、残りの４
０％を透過する特性を有するものを用いる。レーザ発振
器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇの各出力
を１Ｗとすると、単芯光ファイバ７の出射端１０から出
射されるレーザ光の強度は約７Ｗである。従って、ビー
ムスプリッタ１６によって反射され、対象物２４に照射
されるレーザ光の強度は、約４．２Ｗである。また、ビ
ームスプリッタ１６を透過して、ビームスプリッタ１７
によって反射された後、対象物２５に照射されるレーザ
光の強度は、約１．７Ｗとなる。さらに、ビームスプリ
ッタ１７を透過して、ビームスプリッタ１８によって反
射された後、対象物２６に照射されるレーザ光の強度
は、約０．６Ｗとなる。また、さらに、ビームスプリッ
タ１８を透過して、反射鏡１９によって反射された後、
対象物２７に照射されるレーザ光の強度は、約０．４Ｗ
となる。このようにして、対象物２４，２５，２６，２
７には、同じ性質のレーザ光（例えば、同一波長のレー
ザ光や、同一波長範囲のレーザ光）を照射しつつ、その
光強度を変えることができる。従って、同一の対象物の
光強度の相違による発芽や生育等の変化を研究して、ス
レッシュホールドレベルを容易に求めることができる。
しかも、光源としてレーザ発振器を用いるため、その出
射光の光強度が大きいため、対象物に照射される光強度
も大きくでき、対象物の変化を加速して、短期間で研究
することができる。

【００３０】なお、ビームスプリッタ１６，１７，１８
としては、クロム薄膜を蒸着したビームスプリッタや、
多層干渉膜を形成したビームスプリッタを用いることが
できる。クロム薄膜を蒸着したビームスプリッタは、反
射率（若しくは透過率）の波長依存性が少ないため、波
長を変えて研究を行う場合に適している。また、ビーム
スプリッタ１６，１７，１８の反射率と透過率の比は
６：４に限らず、対象物２４，２５，２６，２７に照射
したい光強度との関係において、任意の比率のものを用
いることができる。

【００３１】なお、各光ファイバ５ａ，…，５ｇ，７の
入出射端面には、使用波長域での反射損失が低減される
コーティング膜を施すことにより、光損失を低減するこ
とができる。

【００３２】本実施形態によれば、光ファイバ束の出射
光を単芯光ファイバに導き、単芯光ファイバの出射光を
平凸レンズでコリメートするだけであるので、一体化さ
れたレーザ光を簡単な光学系でコリメートして、複数の
対象物に照射できるものとなる。また、複数のレーザ発
振器からのレーザ光を、ほぼ平行な複数本の光の集合体
とすることができるので、一台の発振器では実現できな
い大きな強度を有するレーザ光を対象物に照射すること
ができる。さらに、波長の異なるレーザ光を同一対象物
に同時に照射することができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、一体化されたレーザ光
を簡単な光学系でコリメートして、複数の対象物に照射
できるものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によるレーザ光照射装置の
全体構成を示す説明図である。

【図２】本発明の一実施形態によるレーザ光照射装置に
用いる光ファイバ束の出射端から出射されるレーザ光の
状態説明図である。

【図３】本発明の一実施形態によるレーザ光照射装置に
用いる光ファイバ束の断面図である。

【図４】本発明の一実施形態によるレーザ光照射装置に
用いる単芯光ファイバの断面図である。

【図５】本発明の一実施形態によるレーザ光照射装置に
用いる平凸レンズの作用の説明図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ…レーザ発
振器 ４…光ファイバ束 ７…単芯光ファイバ １２…平凸レンズ ２４，２５，２６，２７…対象物

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のレーザ光源と、 複数の光ファイバの出射端が束ねられて構成されるとと
   もに、上記複数のレーザ光源から出射されたレーザ光
   が、複数の光ファイバの入射端から入射される光ファイ
   バ束と、 この光ファイバ束の出射端側に、その入射端側が近接し
   て配置された単芯光ファイバと、 この単芯光ファイバの出射端側に配置され、単芯光ファ
   イバの出射端から出射されたレーザ光をコリメートする
   コリメート用光学素子と、 このコリメート用光学素子によってコリメートされたレ
   ーザ光の光路を分割するビームスプリッタとを備え、 このビームスプリッタによって光路分割されたレーザ光
   を、それぞれ、複数の対象物に照射することを特徴とす
   るレーザ光照射装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のレーザ光照射装置におい
   て、 上記光ファイバ束の最大径をｄとし、単芯光ファイバの
   コア径をＤとするとき、ｄ＜Ｄとしたことを特徴とする
   レーザ光照射装置。
3. 【請求項３】請求項１記載のレーザ光照射装置におい
   て、 上記コリメート用光学素子は、平凸レンズであり、 上記単芯光ファイバの出射光を、この平凸レンズの凸面
   側から入射し、平面側から出射するよう配置したことを
   特徴とするレーザ光照射装置。
4. 【請求項４】請求項１記載のレーザ光照射装置におい
   て、さらに、 上記ビームスプリッタによって光路分割されたレーザ光
   の光強度分布を平坦化する平坦化光学素子を備えたこと
   を特徴とするレーザ光照射装置。
5. 【請求項５】複数のレーザ光源から出射されるレーザ光
   を出射端が束ねられた複数の光ファイバからなる光ファ
   イバ束に入射し、この光ファイバ束からの出射光を、光
   ファイバ束の出射端に近接して配置された単芯光ファイ
   バに入射させ、この単芯光ファイバの出射光を、コリメ
   ート用光学素子に入射するように構成したことを特徴と
   するレーザ光装置用光学系。