JP2001208924A - 光ファイバ - Google Patents
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- JP2001208924A JP2001208924A JP2000015041A JP2000015041A JP2001208924A JP 2001208924 A JP2001208924 A JP 2001208924A JP 2000015041 A JP2000015041 A JP 2000015041A JP 2000015041 A JP2000015041 A JP 2000015041A JP 2001208924 A JP2001208924 A JP 2001208924A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は光ファイバ端面における損傷を生じ
ることなく、大出力のレーザービームを導光することが
可能な光ファイバを提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明による光ファイバは、屈折率がｎ
1 のコア部と、前記コア部を覆う屈折率がｎ2 のクラッ
ド部を有し前記コア部の端面から入射する集光ビームを
伝送する光ファイバにおいて、少なくとも前記コア部の
端面を覆い前記集光ビームが入射する入射端面において
前記コア部よりも大きい径を有する光学素子を設けたこ
とを特徴とするものである。
ることなく、大出力のレーザービームを導光することが
可能な光ファイバを提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明による光ファイバは、屈折率がｎ
1 のコア部と、前記コア部を覆う屈折率がｎ2 のクラッ
ド部を有し前記コア部の端面から入射する集光ビームを
伝送する光ファイバにおいて、少なくとも前記コア部の
端面を覆い前記集光ビームが入射する入射端面において
前記コア部よりも大きい径を有する光学素子を設けたこ
とを特徴とするものである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、レーザビームを
導光する光ファイバの構造に関する。
導光する光ファイバの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】図７に一般的な光ファイバの構成を示
す。図７において２はコア部、３はクラッド部、４は被
覆部、６はレーザービームＬを集光する集光レンズであ
る。図示しないレーザ発振器より出射されるレーザビー
ムＬは集光レンズ６によって集光ビームｌに変換され
る。この集光ビームｌが光ファイバのコア部２に入射
し、光ファイバ内を伝搬していく。レーザビームｌが光
ファイバ内を導光するには、コア部２とクラッド部３の
境界面に入射する集光ビームｌの入射角が全反射条件を
満たす必要がある。つまりコア部２を導光する集光ビー
ムｌは全反射条件を満たす臨界角φよりも小さい入射角
で境界面に入射しなければならない。この臨界角φはコ
ア部２とクラッド部３の屈折率をそれぞれｎ1 ，ｎ2と
すると以下の式により与えられる。
す。図７において２はコア部、３はクラッド部、４は被
覆部、６はレーザービームＬを集光する集光レンズであ
る。図示しないレーザ発振器より出射されるレーザビー
ムＬは集光レンズ６によって集光ビームｌに変換され
る。この集光ビームｌが光ファイバのコア部２に入射
し、光ファイバ内を伝搬していく。レーザビームｌが光
ファイバ内を導光するには、コア部２とクラッド部３の
境界面に入射する集光ビームｌの入射角が全反射条件を
満たす必要がある。つまりコア部２を導光する集光ビー
ムｌは全反射条件を満たす臨界角φよりも小さい入射角
で境界面に入射しなければならない。この臨界角φはコ
ア部２とクラッド部３の屈折率をそれぞれｎ1 ，ｎ2と
すると以下の式により与えられる。
【０００３】
【数２】
【０００４】これにより、集光ビームｌの集光角度の最
大値が決定される。この最大集光角度Ｓｉｎθmax はま
た開口数ＮＡと呼ばれ、次式によって表される。
大値が決定される。この最大集光角度Ｓｉｎθmax はま
た開口数ＮＡと呼ばれ、次式によって表される。
【０００５】
【数３】
【０００６】図７に示すようにθmax により表される最
大集光角度の範囲内でコア部２に入射する集光ビームｌ
ａはコア部２内を導光するが、θmax より大きい角度で
入射する集光ビームｌｂはコア部２からクラッド部３へ
抜けてしまう。
大集光角度の範囲内でコア部２に入射する集光ビームｌ
ａはコア部２内を導光するが、θmax より大きい角度で
入射する集光ビームｌｂはコア部２からクラッド部３へ
抜けてしまう。
【０００７】図７に示すような構成の光ファイバ１にお
いては、コア部２に入射する集光ビームのビーム径がほ
ぼコア径に等しいため、コア部２における集光ビームｌ
の強度は相当高い。例えばコア径３００μｍの光ファイ
バを用い、レーザービームＬの出力を１ｋＷとすると、
集光ビーム強度は１．４ＭＷ／ｃｍ2 にも達する。コア
部２の端面は空気と接触しているため、端面に微小なゴ
ミ等が付着した状態でこうした高強度の集光ビームｌが
照射されるとその部分が加熱し損傷が生じる。
いては、コア部２に入射する集光ビームのビーム径がほ
ぼコア径に等しいため、コア部２における集光ビームｌ
の強度は相当高い。例えばコア径３００μｍの光ファイ
バを用い、レーザービームＬの出力を１ｋＷとすると、
集光ビーム強度は１．４ＭＷ／ｃｍ2 にも達する。コア
部２の端面は空気と接触しているため、端面に微小なゴ
ミ等が付着した状態でこうした高強度の集光ビームｌが
照射されるとその部分が加熱し損傷が生じる。
【０００８】こうした問題の対策として光ファイバの入
射光学系を空気清浄度の高い部屋に設置することにより
ゴミの付着を防いだり、コア径の大きい光ファイバを用
いて集光強度を低減したり、あるいはレーザビームの出
力を制限するなどの処置がされていた。この他にレーザ
ービームＬの出力を制限せずに光ファイバ端面での集光
強度を低減させる方法として、図８に示すように入射端
側にテーパ部Ｔを設けレーザ光の入射面積をできるだけ
大きくする方法があった。
射光学系を空気清浄度の高い部屋に設置することにより
ゴミの付着を防いだり、コア径の大きい光ファイバを用
いて集光強度を低減したり、あるいはレーザビームの出
力を制限するなどの処置がされていた。この他にレーザ
ービームＬの出力を制限せずに光ファイバ端面での集光
強度を低減させる方法として、図８に示すように入射端
側にテーパ部Ｔを設けレーザ光の入射面積をできるだけ
大きくする方法があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図８に示す光ファイバ
においてテーパー部Ｔは１〜３ｍ程度に構成されており
集光ビームｌはテーパー部Ｔ内で反射しながらコア部２
を導光していく。このとき、テーパー部Ｔと非テーパー
部の境界部Ａに入射する伝搬光は乱反射され、これによ
る反射光ｌ’のうち式（１）による全反射条件を満たさ
ないものは対向するクラッド部３に抜けてしまう。これ
により境界部Ａの付近ではクラッド部に抜ける反射光に
より発熱が生じ被覆が劣化するという問題があった。本
発明は上記のような問題に鑑みてなされたもので光ファ
イバ端面における損傷を生じることなく、大出力のレー
ザービームを導光することが可能な光ファイバを提供す
ることを目的とする。
においてテーパー部Ｔは１〜３ｍ程度に構成されており
集光ビームｌはテーパー部Ｔ内で反射しながらコア部２
を導光していく。このとき、テーパー部Ｔと非テーパー
部の境界部Ａに入射する伝搬光は乱反射され、これによ
る反射光ｌ’のうち式（１）による全反射条件を満たさ
ないものは対向するクラッド部３に抜けてしまう。これ
により境界部Ａの付近ではクラッド部に抜ける反射光に
より発熱が生じ被覆が劣化するという問題があった。本
発明は上記のような問題に鑑みてなされたもので光ファ
イバ端面における損傷を生じることなく、大出力のレー
ザービームを導光することが可能な光ファイバを提供す
ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明による光ファイバ
は、屈折率がｎ1 のコア部と、前記コア部を覆う屈折率
がｎ2 のクラッド部を有し前記コア部の端面から入射す
る集光ビームを伝送する光ファイバにおいて、少なくと
も前記コア部の端面を覆い前記集光ビームが入射する入
射端面において前記コア部よりも大きい径を有する光学
素子を設けたことを特徴とするものである。また、光学
素子を介してコア部に入射する集光ビームの前記コア部
の端面におけるビーム径をＢとし、前記光学素子の厚さ
をｔとして前記光学素子の入射端面の径Ｄが以下の式に
より表される条件を満たすものである。
は、屈折率がｎ1 のコア部と、前記コア部を覆う屈折率
がｎ2 のクラッド部を有し前記コア部の端面から入射す
る集光ビームを伝送する光ファイバにおいて、少なくと
も前記コア部の端面を覆い前記集光ビームが入射する入
射端面において前記コア部よりも大きい径を有する光学
素子を設けたことを特徴とするものである。また、光学
素子を介してコア部に入射する集光ビームの前記コア部
の端面におけるビーム径をＢとし、前記光学素子の厚さ
をｔとして前記光学素子の入射端面の径Ｄが以下の式に
より表される条件を満たすものである。
【００１１】
【数４】
【００１２】上述の光ファイバにおいて光学素子は円柱
状または円錐台状である。また、上式においてコア部の
端面における集光ビームのビーム径Ｂがコア部の径に略
等しいものである。また、光学素子はコア部と同一の材
質により構成されるものである。また、光学素子の集光
ビームの入射端面に無反射膜を設けたものである。ま
た、光学素子の周囲に冷却部材を設けたものである。
状または円錐台状である。また、上式においてコア部の
端面における集光ビームのビーム径Ｂがコア部の径に略
等しいものである。また、光学素子はコア部と同一の材
質により構成されるものである。また、光学素子の集光
ビームの入射端面に無反射膜を設けたものである。ま
た、光学素子の周囲に冷却部材を設けたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明における光ファイバ
を実施の形態に基づいて図面を参照しながら説明する。
尚、従来と同一またはこれに相当するものについては同
一符号を付して説明を省略する。
を実施の形態に基づいて図面を参照しながら説明する。
尚、従来と同一またはこれに相当するものについては同
一符号を付して説明を省略する。
【００１４】実施の形態１．図１に実施の形態１による
光ファイバの構成を示す。図１において１１は光ファイ
バ１の端部に配設された円錐台状の光学素子である。光
学素子１１はコア部２と同一の材質により構成されてお
り、光学的に密接に取り付けられているので、コア部２
と光学素子１１との境界に屈折率差は存在しない。
光ファイバの構成を示す。図１において１１は光ファイ
バ１の端部に配設された円錐台状の光学素子である。光
学素子１１はコア部２と同一の材質により構成されてお
り、光学的に密接に取り付けられているので、コア部２
と光学素子１１との境界に屈折率差は存在しない。
【００１５】図示しないレーザ発振器から出射されたレ
ーザビームＬは集光レンズ６により集光され、光学素子
１１を介して光ファイバ１のコア部２に入射する。集光
レンズ６の最大集光角φ4 は、コア部２の端面における
集光ビーム径Ｂがコア部２の径とほぼ同じになるように
設定される。このとき光学素子１１の入射端面における
集光ビームｌのビーム径Ｄは以下の式により表される。
ただしｔおよびｎ3 はそれぞれ光学素子１１の屈折率お
よび厚さである。
ーザビームＬは集光レンズ６により集光され、光学素子
１１を介して光ファイバ１のコア部２に入射する。集光
レンズ６の最大集光角φ4 は、コア部２の端面における
集光ビーム径Ｂがコア部２の径とほぼ同じになるように
設定される。このとき光学素子１１の入射端面における
集光ビームｌのビーム径Ｄは以下の式により表される。
ただしｔおよびｎ3 はそれぞれ光学素子１１の屈折率お
よび厚さである。
【００１６】
【数５】
【００１７】よって光学素子１１の入射端面の径をコア
径よりも大きく構成することが可能となる。また、光学
素子１１をコア部２と同じ材質により構成してもよい。
この場合、コア部２と光学素子１１との屈折率差がなく
なるので、ｎ1 ＝ｎ3となり、光学素子の入射端面にお
けるビーム径Ｄは以下の式により表される。
径よりも大きく構成することが可能となる。また、光学
素子１１をコア部２と同じ材質により構成してもよい。
この場合、コア部２と光学素子１１との屈折率差がなく
なるので、ｎ1 ＝ｎ3となり、光学素子の入射端面にお
けるビーム径Ｄは以下の式により表される。
【００１８】
【数６】
【００１９】図１に示す光ファイバにおいて、集光ビー
ムｌの入射径Ｄをコア径の２倍となるように光学素子１
１を形成した場合、伝送される光の強度は図７に示すよ
うな従来の光ファイバを用いた場合の４倍となる。つま
りコア径が３００μｍの光ファイバにおいて集光強度が
１．４ＭＷ／ｃｍ2 の集光ビームを用いた場合、図７に
示すような従来型のものでは出力光の強度は最大約１ｋ
Ｗであるのに対し図１に示す光ファイバによれば入射ビ
ーム径Ｄをコア径の２倍とすることにより出力光の強度
は約４ｋＷまで上昇させることができる。
ムｌの入射径Ｄをコア径の２倍となるように光学素子１
１を形成した場合、伝送される光の強度は図７に示すよ
うな従来の光ファイバを用いた場合の４倍となる。つま
りコア径が３００μｍの光ファイバにおいて集光強度が
１．４ＭＷ／ｃｍ2 の集光ビームを用いた場合、図７に
示すような従来型のものでは出力光の強度は最大約１ｋ
Ｗであるのに対し図１に示す光ファイバによれば入射ビ
ーム径Ｄをコア径の２倍とすることにより出力光の強度
は約４ｋＷまで上昇させることができる。
【００２０】光学素子１１の厚さｔはコア部２と光学素
子１１の直径の関係上、長さ１０ｍｍを越えると光学素
子１１の保持が困難になることから、１０ｍｍ以下とす
ることが望ましい。尚、光学素子１１は光ファイバを製
造するときに同じ母材により形成してもよく、また光フ
ァイバと光学素子１１を別々に製造し、光学的接触や融
着接触させてもよい。さらに、光学素子１１とコア部２
の境界部における集光ビーム径Ｂより径が大きい入射端
面を有するものであれば図２および３に示す円柱状のも
のやラッパ状の光学素子１２または１３を用いてもよ
い。
子１１の直径の関係上、長さ１０ｍｍを越えると光学素
子１１の保持が困難になることから、１０ｍｍ以下とす
ることが望ましい。尚、光学素子１１は光ファイバを製
造するときに同じ母材により形成してもよく、また光フ
ァイバと光学素子１１を別々に製造し、光学的接触や融
着接触させてもよい。さらに、光学素子１１とコア部２
の境界部における集光ビーム径Ｂより径が大きい入射端
面を有するものであれば図２および３に示す円柱状のも
のやラッパ状の光学素子１２または１３を用いてもよ
い。
【００２１】実施の形態２．実施の形態１に示す光ファ
イバおいて、図４のように光学素子１１の入射端面に無
反射膜２１を配設することにより光ファイバ１の光伝送
効率をさらに増加させることができる。例えば、光ファ
イバ１にステップインデックスファイバを用い、コア部
２に純粋石英を用い、レーザビームＬに波長１．０６４
μｍのＹＡＧレーザーを用いた場合の光ファイバ端面で
のビーム反射損は約３．４％である。従って、光ファイ
バ１の両端面での反射損は６．８％となるので無反射膜
２１を設けない場合、理論的に伝送効率は９３．２％と
なる。図４に示すように、光学素子１１の端面に無反射
膜２１を配設すると理想的な伝送効率は３．４％増加す
ることになる。また、ファイバー端面からの反射光がレ
ーザ発振器の方に戻るとその戻り光がレーザ発振器の発
振モードに悪影響を与えることがあるが、無反射膜２１
を施すことでその悪影響も低減することができる。
イバおいて、図４のように光学素子１１の入射端面に無
反射膜２１を配設することにより光ファイバ１の光伝送
効率をさらに増加させることができる。例えば、光ファ
イバ１にステップインデックスファイバを用い、コア部
２に純粋石英を用い、レーザビームＬに波長１．０６４
μｍのＹＡＧレーザーを用いた場合の光ファイバ端面で
のビーム反射損は約３．４％である。従って、光ファイ
バ１の両端面での反射損は６．８％となるので無反射膜
２１を設けない場合、理論的に伝送効率は９３．２％と
なる。図４に示すように、光学素子１１の端面に無反射
膜２１を配設すると理想的な伝送効率は３．４％増加す
ることになる。また、ファイバー端面からの反射光がレ
ーザ発振器の方に戻るとその戻り光がレーザ発振器の発
振モードに悪影響を与えることがあるが、無反射膜２１
を施すことでその悪影響も低減することができる。
【００２２】実施の形態３．実施の形態１ないしは２に
示す光ファイバにおいて、図５に示すように光学素子１
１の周囲にサファイア等からなる冷却手段３１を設けて
もよい。これによりコア部２またはクラッド部３に発熱
が生じた場合の被覆４の劣化を防ぐことができ、安全性
の高い光ファイバを実現することができる。
示す光ファイバにおいて、図５に示すように光学素子１
１の周囲にサファイア等からなる冷却手段３１を設けて
もよい。これによりコア部２またはクラッド部３に発熱
が生じた場合の被覆４の劣化を防ぐことができ、安全性
の高い光ファイバを実現することができる。
【００２３】実施の形態４．図６に上述の実施の形態１
〜３によるいずれかの光ファイバをレーザビーム導光手
段に用いた固体レーザ加工機の構成図を示す。図６にお
いて、４１は固体レーザ発振器、４３は実施の形態１〜
３によるいずれかの光ファイバ、４４はレーザビームＬ
を光ファイバ１へ導光させるための転写集光光学系、４
５は光ファイバから出射されたレーザビームＬをコリメ
ートし集光する加工ヘッド、４６は被加工材料である。
〜３によるいずれかの光ファイバをレーザビーム導光手
段に用いた固体レーザ加工機の構成図を示す。図６にお
いて、４１は固体レーザ発振器、４３は実施の形態１〜
３によるいずれかの光ファイバ、４４はレーザビームＬ
を光ファイバ１へ導光させるための転写集光光学系、４
５は光ファイバから出射されたレーザビームＬをコリメ
ートし集光する加工ヘッド、４６は被加工材料である。
【００２４】以下、図６に示す固体レーザー加工機の動
作を説明する。固体レーザ発振器４１から出射されたレ
ーザビームＬは転写集光光学系４４に導かれ、集光ビー
ムｌに変換される。集光ビームｌは光ファイバ内４３を
導光して一方の端面から出射される。出射されたレーザ
ビームは加工ヘッド４５で再度集光ビームに変換され、
被加工材料４６上に照射される。
作を説明する。固体レーザ発振器４１から出射されたレ
ーザビームＬは転写集光光学系４４に導かれ、集光ビー
ムｌに変換される。集光ビームｌは光ファイバ内４３を
導光して一方の端面から出射される。出射されたレーザ
ビームは加工ヘッド４５で再度集光ビームに変換され、
被加工材料４６上に照射される。
【００２５】このように、実施の形態１〜３によるいず
れかの光ファイバを固体レーザ加工機の導光手段として
用いることにより出力光を増加させることができるので
加工精度を向上させることができる。
れかの光ファイバを固体レーザ加工機の導光手段として
用いることにより出力光を増加させることができるので
加工精度を向上させることができる。
【００２６】
【発明の効果】本発明の実施の形態による光ファイバ
は、コア部の端面を覆い集光ビームが入射する入射端面
においてコア部よりも大きい径を有する光学素子を設け
たので、大出力のレーザービームを導光することができ
る。また上述の光ファイバを導光手段として用いたレー
ザー加工機によれば、出力光の強度を増加させることに
より加工精度を向上させることができる。
は、コア部の端面を覆い集光ビームが入射する入射端面
においてコア部よりも大きい径を有する光学素子を設け
たので、大出力のレーザービームを導光することができ
る。また上述の光ファイバを導光手段として用いたレー
ザー加工機によれば、出力光の強度を増加させることに
より加工精度を向上させることができる。
【図１】 本発明の実施の形態１の構成を示す図であ
る。
る。
【図２】 本発明の実施の形態１の構成を示す図であ
る。
る。
【図３】 本発明の実施の形態１の構成を示す図であ
る。
る。
【図４】 本発明の実施の形態２の構成を示す図であ
る。
る。
【図５】 本発明の実施の形態３の構成を示す図であ
る。
る。
【図６】 本発明の実施の形態３の構成を示す図であ
る。
る。
【図７】 従来の光ファイバの構成を示す図である。
【図８】 従来の光ファイバの構成を示す図である。
１，４３ 光ファイバ、２ コア部、３ クラッド部、
４ 被覆部、６ 集光レンズ、１１，１２，１３ 光学
素子、２１ 無反射膜、３１ 冷却手段、４１ 固体レ
ーザ発振器、４４ 転写集光光学系、４５ 加工ヘッ
ド、４６ 被加工材料。
４ 被覆部、６ 集光レンズ、１１，１２，１３ 光学
素子、２１ 無反射膜、３１ 冷却手段、４１ 固体レ
ーザ発振器、４４ 転写集光光学系、４５ 加工ヘッ
ド、４６ 被加工材料。
Claims (8)
- 【請求項１】 屈折率がｎ1 のコア部と、前記コア部を
覆う屈折率がｎ2のクラッド部を有し前記コア部の端面
から入射する集光ビームを伝送する光ファイバにおい
て、少なくとも前記コア部の端面を覆い前記集光ビーム
が入射する入射端面において前記コア部よりも大きい径
を有する光学素子を設けたことを特徴とする光ファイ
バ。 - 【請求項２】 請求項１に記載の光ファイバにおいて、
光学素子を介してコア部に入射する集光ビームの前記コ
ア部の端面におけるビーム径をＢとし、前記光学素子の
厚さおよび屈折率をそれぞれｔおよびｎ3 として前記光
学素子の入射端面の径Ｄが以下の式により表される条件
を満たすことを特徴とする光ファイバ。 【数１】 - 【請求項３】 請求項１ないしは２のいずれかに記載の
光ファイバにおいて、光学素子は円柱状または円錐台状
であることを特徴とする光ファイバ。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の光ファ
イバにおいて、コア部の端面における集光ビームのビー
ム径Ｂがコア部の径に略等しいことを特徴とする光ファ
イバ。 - 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の光ファ
イバにおいて、光学素子はコア部と同一の材質により構
成されていることを特徴とする光ファイバ。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の光ファ
イバにおいて、光学素子の集光ビームの入射端面に無反
射膜を設けたことを特徴とする光ファイバ。 - 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載の光ファ
イバにおいて、光学素子の周囲に冷却部材を設けたこと
を特徴とする光ファイバ。 - 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の光ファ
イバにより導光される出力光を被加工部材に照射するこ
とを特徴とするレーザー加工機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000015041A JP2001208924A (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 光ファイバ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000015041A JP2001208924A (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 光ファイバ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001208924A true JP2001208924A (ja) | 2001-08-03 |
Family
ID=18542399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000015041A Pending JP2001208924A (ja) | 2000-01-24 | 2000-01-24 | 光ファイバ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001208924A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007279289A (ja) * | 2006-04-05 | 2007-10-25 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | レーザーガイド |
| WO2009037744A1 (ja) * | 2007-09-19 | 2009-03-26 | Mitsubishi Cable Industries, Ltd. | 光ファイバ構造体及びその製造装置、並びに、それに用いられるブロック状チップ |
| JP2012518210A (ja) * | 2009-02-17 | 2012-08-09 | フォロ エナジー インコーポレーティッド | 長距離に亘って高パワーレーザーエネルギを伝達するための光ケーブル |
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