JP2005242292A - レーザ光入射光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピークパワーが１０ＭＷよりも大きなジャイアントパルス発振方式のレーザ光Ｌを、光ファイバ101で伝送できるレーザ光入射光学装置11を提供する。
【解決手段】石英を含む材質で、コア径に対するクラッドの厚さを０．０３５〜０．１倍、開口数ＮＡを０．０６〜０．２２のステップインデックス型である光ファイバ101を用いる。光ファイバ101の入射端面102にピークパワー１０ＭＷを超えるジャイアントパルス発振方式の固体レーザ発振器111からのレーザ光Ｌを発散性として入射させる。光ファイバ101を損傷させることなく、レーザ光Ｌを伝送できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピークパワーが１０ＭＷ以上となるジャイアントパルス発振方式のレーザ光を光ファイバに安定に入射させるレーザ光入射光学装置に関する。

従来、レーザアブレーションやレーザ誘起蛍光分析あるいはレーザピーニング等においては、ピークパワーが数ＭＷ以上となるジャイアントパルス（ＧＰ）発振方式の固体レーザ発振器から得られるレーザ光が使用される。

このようなパワーの大きなレーザ光の伝送には、例えば石英を材質としたステップインデックス型の光ファイバが用いられる。

そして、石英を材質とした光ファイバは、連続発振（ＣＷ）レーザ光の場合、数ｋＷまで伝送が可能である。しかし、パルス幅が数ｎｓｅｃ程度の短パルスレーザ光でパルスエネルギーが数十ｍＪを超えるレーザ光は、ピークパワーが数ＭＷ以上となる。

短パルスレーザ光のパルスエネルギーは、連続発振光のパルスエネルギーに比較して３桁以上大きく、ピークパワー密度も１０^-1〜ＧＷ／ｃｍ²オーダーと非常に高くなる。このため、電子なだれ現象や多光子吸収による損傷が発生し、光ファイバが破壊して、レーザ光を伝送できなくなることが知られている。なお、石英（石英ガラス）材のパルスレーザ光により損傷するしきい値は、パルス幅約５ｎｓｅｃで、約１００ＧＷ／ｃｍ²程度との報告がある（例えば、非特許文献１参照。）。

そのため、空間的、時間的に分布を持つレーザ光すなわち短パルスレーザ光を光ファイバにより伝送する場合の実用的な限界は、例えばパルス幅５ｎｓｅｃ、発振繰り返し１０ＨｚのＮｄ：ＹＡＧレーザ光を、コア径が１ｍｍの光ファイバに入射する場合を例に説明すると、パルスエネルギーで３０〜４０ｍＪ程度すなわちピークパワーで６〜８ＭＷ（コア径に対するピークパワー密度は、０．７６〜１．０ＧＷ／ｃｍ²）となる。

このことから、現状では、１０ＭＷ以上の短パルスレーザ光を伝送しようとする場合、光ファイバの内部が損傷して、実質的にレーザ光を伝送できない。すなわち、光ファイバを用いる伝送を前提とした固体レーザ発振器によるレーザ光は、主に連続発振（ＣＷ）レーザ光であり、ピークパワーが数ＭＷを超える短パルスレーザ光は、光ファイバにより伝送することが困難とされている。

なお、レーザ光を光ファイバにより伝送するためにレーザ光を光ファイバに入射させる例として、レーザ光と光ファイバの空間的マッチングをとることが報告されている。この場合、レーザ光の光ファイバへの入射口径を、光ファイバのコア径以内かつ光ファイバの開口数ＮＡ以内に制限するために、光ファイバの入射端面にレーザ光を集光して入射させる報告がある（例えば、非特許文献２参照。）。

しかしながら、ピークパワーの高いレーザ光を集光して光ファイバに入射させると、光ファイバの内部においてレーザ光の部分的な収束が生じて、光ファイバの特定の部分でパワー密度が高くなり、光ファイバの内部が損傷することが知られている。また、光ファイバの内部でのレーザ光の収束を防ぐ目的でレーザ光の集光の程度を浅くする方法も知られているが、ピークパワーが数ＭＷを超える場合には、光ファイバの内部におけるレーザ光の収束を完全に防止することは困難である。

なお、非特許文献２における報告から光ファイバの内部においてレーザ光が収束することで、光ファイバが損傷する要因は、ピークパワーが高いレーザ光ではその電界強度も高くなるため、光ファイバの石英材の屈折率が強い電界により部分的に変化し、一種のレンズ効果による自己収束が生じることによる、と考えることが妥当である。

また、ピークパワー１０ＭＷを超えるレーザ光伝送を可能とするには、拡大したレーザ光をアレイ状の分割レンズに入射して空間的に数十分割した後、全分割数をアレイの後方に設けた集光レンズで光ファイバに入射させる方法がある。
「レーザハンドブック」、レーザ学会 著、オーム社、pp．463，473 「レーザ加工技術」、川澄博通 著、日刊工業新聞社、pp．34-37

ピークパワー１０ＭＷを超えるレーザ光伝送を可能とするには、拡大したレーザ光をアレイ状の分割レンズに入射して空間的に数十分割した後、全分割数をアレイの後方に設けた集光レンズで光ファイバに入射する方法があるが、アレイ状に配列された分割レンズの製造可能な大きさが２ｍｍ程度であることから、例えば分割数を８１分割（＝９×９）とするためには、２ｍｍ角の凸レンズを、縦横９個並べて１８ｍｍ×１８ｍｍとした分割レンズ群（複眼レンズ）が必要となる。しかしながら、分割レンズ群すなわち複眼レンズは、非常に高価になる問題がある。

また、分割数８１（＝９×９）を、例えば幅２ｍｍ×長さ１８ｍｍで幅２ｍｍの方向に曲率を持たせたシリンドリカルレンズを９個縦に並べて横方向の分割レンズ群とし、同様のレンズを９個横に並べて縦方向の分割レンズ群とし、これら２つのレンズ群を組み合わせることにより、上述した複眼レンズと同様の効果を得ることも可能である。しかしながら、レンズのコストは僅かに低減されるものの、部品点数の増加およびその保持のための構造部材等によりトータルコストが増大する問題がある。

また、複眼レンズを用いる場合、レンズの大きさを、分割数８１＝９×９で、１８ｍｍ角とした場合であっても、レーザ光の断面サイズ（ビーム径）は、一辺が１８ｍｍの正方形の対角線である約２６ｍｍに拡大することが要求される。

さらに、複眼レンズを用いる場合、上述したコストの増大に加えて、個々のレンズの境界部分で生じる反射損失の影響により、伝送効率が１０〜２０％程度低下するという問題、複眼レンズの位置を調整しなければならないという問題がある。

本発明は、ピークパワーが１０ＭＷよりも大きなジャイアントパルス発振方式の固体レーザ発振器からのレーザ光を光ファイバの入射端面に入射させるレーザ光入射光学装置において、光ファイバを損傷させることなくレーザ光を伝送でき、伝送効率が低下したり調整が複雑になることなく、安価に提供することを目的とする。

本発明は、ピークパワーが１０ＭＷよりも大きなジャイアントパルス発振方式の固体レーザ発振器からのレーザ光を光ファイバの入射端面に入射させるレーザ光入射光学装置であって、前記固体レーザ発振器からのレーザ光を集光する集光レンズと、この集光レンズによるレーザ光の集光点より後方の所定位置に光ファイバの入射端面を設置し、前記レーザ光を発散性として光ファイバの入射端面に入射させる光ファイバ位置調整機構とを備え、前記光ファイバは、石英を含む材質で、コア径に対するクラッドの厚さが０．０３５〜０．１倍、開口数ＮＡが０．０６〜０．２２のステップインデックス型であるものである。

そして、石英を含む材質で、コア径に対するクラッドの厚さが０．０３５〜０．１倍、開口数ＮＡが０．０６〜０．２２のステップインデックス型である光ファイバを用いること、この光ファイバの入射端面にピークパワー１０ＭＷを超えるジャイアントパルス発振方式の固体レーザ発振器からのレーザ光を発散性として入射させることにより、光ファイバを損傷させることなくレーザ光が伝送される。

本発明によれば、石英を含む材質で、コア径に対するクラッドの厚さが０．０３５〜０．１倍、開口数ＮＡが０．０６〜０．２２のステップインデックス型である光ファイバを用いること、この光ファイバの入射端面にピークパワー１０ＭＷを超えるジャイアントパルス発振方式の固体レーザ発振器からのレーザ光を発散性として入射させることにより、光ファイバを損傷させることなくレーザ光を伝送でき、伝送効率が低下したり調整が複雑になることなく、安価に提供できる。

以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。

図１ないし図９において、レーザ光入射光学装置の第１の実施の形態を説明する。

図１に示すように、レーザ光入射光学装置11は、ピークパワーが１０ＭＷよりも大きなジャイアントパルス発振方式の固体レーザ発振器（レーザ装置）111により発生されたパルスレーザ光を、所定のコア径およびクラッド厚の光ファイバ101の入射端面102に、光ファイバ101を損傷することなく、しかも僅かな損失で入射可能とするものである。

レーザ光入射光学装置11は、固体レーザ発振器111により供給される断面ビーム径が所定の大きさのレーザ光Ｌを集光する集光レンズ13と、集光レンズ13と光ファイバ101の入射端面102との間の距離を一定の距離に維持する光ファイバ位置調整機構15とを有する。

集光レンズ13は、安価で容易に入手可能な凸レンズであり、固体レーザ発振器111から出射されたレーザ光Ｌが入射されることで生じる熱に耐える材質および形状であれば、特別な制限を受けない。なお、集光レンズ13は、必要に応じて２枚の薄肉レンズが組み合わせられた合成レンズであってもよい。

光ファイバ位置調整機構15は、集光レンズ13を保持する集光レンズ保持部16と、光ファイバ101を保持する光ファイバ保持部17と、集光レンズ保持部16に保持されている集光レンズ13に対して光ファイバ101の入射端面102が対向する間隔を調整する調整部18を有する。この調整部18により、光ファイバ101は、光ファイバ101の入射端面102が集光レンズ13の焦点位置つまり集光点Ａより後方に所定距離だけ離れた位置に位置されるように調整されている。なお、調整部18は、手動や、モータおよびギヤ機構等による移動機構などにより、光ファイバ保持部17における集光レンズ保持部16との間の距離を任意の位置に設定可能としている。

なお、光ファイバ101の入射端面102を集光レンズ13の焦点位置つまり集光点Ａより後方に所定距離だけ離れた所定位置に配置することは、光ファイバ101の入射端面102に入射されるレーザ光Ｌを発散性とすることである。すなわち、光ファイバ101の入射端面102と集光レンズ13との間の距離を最適化して光ファイバ101の入射端面102に入射されるレーザ光Ｌを発散性とすることにより、光ファイバ101内に入射されたレーザ光Ｌが光ファイバ101内の特定の位置で収束し、その結果、光ファイバ101の特定の位置におけるピークパワーの密度が高くなり、光ファイバ101が損傷することが抑止される。

また、集光レンズ13と光ファイバ101の入射端面102との間の位置関係を最適化することにより、レーザ光Ｌのピークパワー密度が所定の大きさ、例えば１００ＧＷ／ｃｍ²を超えた際に、集光レンズ13の集光点Ａにて発生するエアーブレークダウンの影響で、レーザ光Ｌが安定に伝送できなくなること、およびエアーブレークダウンが発生することで生じたプラズマが光ファイバ101の入射端面102に到達して光ファイバ101の入射端面102が損傷することを防止できる。

具体的には、図２ないし図４により説明するが、集光レンズ13でレーザ光Ｌが集光される集光点Ａと光ファイバ101の入射端面102との間の距離は、例えば１〜１０数ｍｍである。

すなわち、レーザ光ＬのパルスエネルギーをＥ［Ｗｔ］、レーザ光Ｌのパルス幅をｔ［ｓｅｃ］、エアーブレークダウンが発生するしきい値のピークパワー密度をＰｔｈ［Ｗｔ／ｃｍ²］、集光レンズ13により集光されたレーザ光Ｌの集光径（半径）をω［ｍｍ］とすると、集光径ωは、
ω＝√［Ｅ／（Ｐｔｈ×π×ｔ）］ …(1)
で表される。

また、伝送されるレーザ光ＬのピークパワーをＰ［Ｗ］とすると、(1)式は、
ω＝√［Ｐ／（Ｐｔｈ×π）］ …(2)
となる。

一方、集光レンズ13に入射するレーザ光Ｌの発散角をθ₁（半角）［ｒａｄ］、集光レンズ13の焦点距離をｆ［ｍｍ］とすると、集光径（半径）ωは、
ｆ×θ₁＝ω …(3)
により表される。

また、レーザ光Ｌの断面ビーム径（口径）をｒ（半径）［ｍｍ］、固体レーザ発振器111から集光レンズ13までの距離をＤ₁［ｍｍ］とすれば、集光レンズ13の焦点距離ｆ［ｍｍ］と集光レンズ13に入射するレーザ光Ｌの発散角θ₁（半角）とにより、集光レンズ13により集光されたレーザ光Ｌの集光角（つまり集光レンズ13により集光されたレーザ光Ｌが光ファイバ101に入射する際の入射角）θ₂（半角）［ｒａｄ］は、
θ₂＝−ｒ／ｆ＋（１−Ｄ1／ｆ）×θ₁ …(4)
で求められる。

従って、(2)〜(4)式から、レンズ焦点距離ｆ、レーザ口径（断面ビーム径）ｒ、光ファイバ101に入射するレーザ光Ｌの入射角θ₂、固体レーザ発振器111から集光レンズ13までの距離Ｄ₁、レーザ光ＬのピークパワーＰ、およびエアーブレークダウンの発生しきい値のピークパワー密度Ｐｔｈは、
ｆ＝［−（ｒ−α）＋√｛（ｒ−α）²−４×θ₂×α×Ｄ₁｝］／（２×θ₂）
：α＝√［Ｐ／（Ｐｔｈ×π）］ …(5)
により規定される関係を持つ。

(5)式により、集光レンズ13の集光点Ａにおいてエアーブレークダウンが生じることのない集光レンズ13の焦点距離ｆを求めることができる。すなわち、(5)式より求められる集光レンズ13の焦点距離ｆおよび(3)式と(1)式もしくは(2)式から集光レンズ13に入射するレーザ光Ｌの入射角（すなわち発散角）θ₁を求めることができるため、集光レンズ13に入射するレーザ光Ｌの入射角をθ₁になるように設定すれば、エアーブレークダウンを発生させることなく、効率よく、光ファイバ101にレーザ光Ｌを入射することが可能となる。

一例として、レーザ光Ｌの口径（直径）を２〜１３ｍｍの範囲とし、集光レンズ13と固体レーザ発振器111との間の距離を１０〜５００ｍｍの範囲で変化させた場合に利用可能な集光レンズ13の焦点距離ｆを計算した結果を図３に、集光レンズ13に入射するレーザ光Ｌの入射角（発散角）θ₁を計算した結果を図４に、それぞれ示す。

例えば、レーザ光Ｌの口径をｒ＝３ｍｍ（直径６ｍｍ）、固体レーザ発振器111から集光レンズ13までの距離Ｄ₁をＤ₁＝１００ｍｍ、集光レンズ13から光ファイバ101へ入射するレーザ光Ｌの入射角（集光角）をθ₂＝０．１５ｒａｄ、ピークパワーをＰ＝２０ＭＷ、エアーブレークダウンの発生しきい値のピークパワー密度をＰｔｈ＝１００ＧＷ／ｃｍ²として、集光レンズ13の焦点距離ｆと集光レンズ13に入射するレーザ光の入射角θ₁を求めると、ｆ＝２４．９ｍｍ、θ₁＝３．２ｍｒａｄ（全角で６．４ｍｒａｄ）となる。

例えば、実測より設定した集光レンズ13の焦点距離ｆを(4)式に代入し、光ファイバ101の入射角θ₂の大きさを、レーザ光Ｌが入射される光ファイバ101のＮＡを超えない範囲に、集光レンズ13の焦点距離ｆを設定する必要がある（図３参照）。

すなわち、図３は、光ファイバ101にレーザ光Ｌを入射する際の集光角（光ファイバ101への入射角）θ₂を変化させた際にエアーブレークダウンが発生する集光レンズ13の焦点位置を示しているが、レーザ光Ｌの口径（断面ビーム径）と集光レンズ13の設置位置を変化させた結果、下限値は、０．０６ｒａｄ程度となる。

しかしながら、レーザ光Ｌの質（空間モードや波面等）や集光レンズ13の収差の影響等により、理想的な集光径よりも実際の集光径の方が大きくなる場合がある。

このような場合には、(2)式で求められるエアーブレークダウンを起こさない集光径と実際の集光径が同等になるまで集光レンズ13の焦点距離ｆを短くし、レーザ光Ｌが光ファイバ101へ入射する際の開口数ＮＡを大きくすることが好ましい（図４参照）。なお、レーザ光Ｌが光ファイバ101へ入射する際の開口数ＮＡと発散入射方式に適した集光レンズ13への入射角θ₁との関係から光ファイバ101へ入射されるレーザ光Ｌの入射角θ₂の下限値は、０．０６ｒａｄ程度より大きいことが好ましい。

また、集光レンズ13の集光点Ａと光ファイバ101の設置位置（入射端面102の位置）は、集光点Ａでの集光径（半径）をω［ｍｍ］、集光点Ａと光ファイバ101の入射端面102との間の距離をＬｆ［ｍｍ］、レーザ光Ｌが光ファイバ101のコアへ入射する際の断面ビーム径、すなわち入射径をＷｉ（直径）［ｍｍ］、レーザ光Ｌが光ファイバ101へ入射する際の入射角θ₂（半角）［ｒａｄ］とすると、
Ｌｆ＝（Ｗｉ−２ω）／（２×ｔａｎθ₂）…(6)
関係で表される。

(6)式を用いて、集光レンズ13の焦点位置（集光点Ａ）と光ファイバ101の入射端面102との間の距離Ｌｆは、例えば０．２５〜１６ｍｍに設定される。詳細には、光ファイバ101のコアへ入射するレーザ光Ｌの入射径の最小値を、例えば４２０μｍ（光ファイバ101により伝送すべきレーザ光Ｌのパワーつまりエネルギーまたはピークパワーにより決まるコア径の最小値）、また、最大値を、例えば容易に入手可能な光ファイバ101の最大コア径１５００μｍの９０％である１３５０μｍとして、Ｗｉ＝４２０〜１３５０μｍ、ω＝１００μｍ（ピークパワー３０ＭＷ、エアーブレークダウン発生しきい値１００ＧＷ／ｃｍ²における最低集光径）、θ₂＝０．０６〜０．２２ｒａｄ（後述）として、好適なＬｆの範囲を計算すると、Ｌｆの範囲は、上述したとおり０．２５〜１６ｍｍの範囲となる。

実用上、光ファイバ101の入射端面102を設定可能な最小距離を１ｍｍとして、集光点Ａから光ファイバ101の入射端面102までの距離は１〜１６ｍｍの範囲と定める。しかしながら、距離Ｌｆが必要以上に大きくなると、光ファイバ101に入射しないレーザ光Ｌも増大されることから、例えば上限値は、１０ｍｍ程度でよい。

より好ましくは、集光レンズ13と光ファイバ101の入射端面102との間の距離Ｌｆは、実際の組み立て調整の結果に基づくと、ほとんどの場合、１．５〜５ｍｍの範囲である。

次に、光ファイバ101のコア径およびクラッド層の厚さから光ファイバ101に入射可能なレーザ光Ｌの強度について説明する。

先に説明した通り、ジャイアントパルス発振方式により得られるピークパワーが数ＭＷ（ピークパワー密度で１０^-1〜ＧＷ／ｃｍ²）を超えるレーザ光Ｌを光ファイバ101に入射しようとした場合、光ファイバ101が損傷してレーザ光Ｌが伝送できないことが知られている。

このため、図１、図２ないし図４により説明した集光レンズ13と光ファイバ101の入射端面102との間の距離Ｌｆならびに集光レンズ13にレーザ光Ｌが入射される際の入射角θ₁および集光レンズ13により集光されたレーザ光Ｌを光ファイバ101の入射端面102に入射させる際の集光角θ₂を規定するのみでは、光ファイバ101が損傷する場合がある。

以下、好適な光ファイバ101の構造上の特徴およびレーザ光Ｌの伝送特性について説明する。

図５に、コアの径が１０００μｍ、クラッド層の厚さが５０μｍ、開口数ＮＡが０．２の光ファイバ101に、パルス幅が５ｎｓｅｃでレーザ光Ｌの口径（断面ビーム径）が７００μｍのレーザ光Ｌを、入射角を０．０２ｒａｄとして図２により説明した発散入射方式と一般的な収束入射方式とにより、入射した実験結果を示す。

図５から、収束入射方式では、伝送エネルギー３０ｍＪ（ピークパワー６ＭＷ）で、光ファイバ101が損傷することが認められる。これに対し、発散入射方式を適用することで、伝送エネルギー７０ｍＪ（ピークパワー１４ＭＷ）でも光ファイバ101が損傷しないことが確認されている。

また、光ファイバ101の構造上の特徴としては、コア材質の純度が高いことからレーザ光Ｌのエネルギーによる損傷に強いことが知られている図６に示すような構造のステップインデックス型の石英材質とする。光ファイバ101は、コア103、このコア103の周囲に形成されたクラッド104、クラッド104の周囲に形成された被覆層105で構成されている。

なお、クラッド104の厚さについては、所定の厚さよりも厚くなるにつれて光ファイバ101を曲げた際に機械的応力による破損が生じ易くなることが知られており、反面、クラッド104の層の厚みが薄いと、数ＭＷレベルのピークパワーのレーザ光Ｌを入射した際に、コア103からクラッド104に漏れるレーザ光Ｌによって光ファイバ101が破損することが知られている。

また、クラッド104の厚さは、コア103の径に比べて薄く、例えばコア103の径の０．０５〜０．１倍程度である。このため、クラッド104に漏れたわずかなレーザ光Ｌであっても、ピークパワー密度がコア103の部分よりも１桁程度高くなる。なお、クラッド104とコア103との境界部における通常のレーザ光Ｌの伝送においても生じる回折の影響によりあたかも定在波が存在するかのように、部分的にピークパワーが高くなることから、クラッド104の厚さを薄くすることにも下限値が存在する。

図７に、コア径が１０００μｍ、開口数ＮＡが０．２の光ファイバ101に、パルス幅が５ｎｓｅｃで口径（断面ビーム径）が７００μｍのレーザ光Ｌを、入射角を０．０２ｒａｄとして図２により説明した発散入射方式により入射し、クラッド104の厚さを変化させた実験結果を示す。

図７から明らかなように、クラッド104の厚さが増すにつれて大きなエネルギーが伝送可能となることが認められる。すなわち、図７から、クラッド104の厚さが２０μｍである場合には、４０ｍＪ（ピークパワー８ＭＷ）が限界であったが、クラッド104の厚さを５０μｍとすることで、７０ｍＪ（ピークパワー１４ＭＷ）でも光ファイバ101が損傷しないことが認められる。

従って、図７から、ピークパワー１０ＭＷ以上のレーザ光Ｌを伝送可能とするためには、クラッド104の厚さは３５μｍ以上必要であることが認められる。また、クラッド104が１００μｍより厚くなると、硬くもろくなり、光ファイバ101が曲がりにくく、曲げ半径が大きくなるため、１００μｍ以下とする。

一方、コア径については、光ファイバ101により伝送すべきレーザパワー密度との関係で、下限値が設定されるが、コア径の上限値は、図８により以下に説明する通り、例えば入射するレーザ光Ｌの口径（断面ビーム径）に対する割合として判断できる。

図８に、クラッド104の厚さを一定とし、コア径を変化させた光ファイバ101に、光ファイバ101に入射する際のレーザ光Ｌの口径（断面ビーム径）を変えてレーザ光Ｌを入射した実験結果を示す。

図８から、コア径と入射するレーザ光Ｌの断面ビーム径（口径）との間に差があったとしてもクラッド104の厚さが同じであれば、この範囲の入射口径であれば同じ１０ＭＷのピークパワーのレーザ光Ｌを伝送できる結果を得た。

すなわち、図８に示される通り、ピークパワー１０ＭＷ以上を伝送可能とするためには集光径は４２０μｍ以上が必要であるという結果を得た。このため、集光径に対して８０％程度の裕度を持たせることを考慮してコア径は５００μｍ以上が好ましい。

また、図９に示すように、コア径が１０００μｍ、クラッド104の厚さが５０μｍ、開口数ＮＡが０．２の光ファイバ101に、発散入射方式により、口径（断面ビーム径）が７００μｍでパルス幅が５ｎｓｅｃのレーザ光Ｌを入射させる際に、光ファイバ101へ入射するレーザ光Ｌの入射角θ₂を変化させて実験した結果から、ピークパワーが１５ＭＷ（エネルギー換算で８０ｍＪ）前後のレーザ光Ｌを低損失で入射させるためには、０．０６ｒａｄ程度の入射角θ₂が必要となる。なお、入射角θ₂が大きくなるにつれて大きなエネルギーが伝送可能となり、入射角θ₂を０．１２ｒａｄ程度とすることで、ピークパワーが２０ＭＷのレーザ光Ｌを伝送できる結果を得た。

一方、光ファイバ101には、コア103とクラッド104との境界部における回折により光ファイバ101に入射したレーザ光Ｌが光ファイバ101内を伝送されることに依存して、レーザ光Ｌが入射する際の開口数ＮＡの上限が存在する。すなわち、光ファイバ101の開口数ＮＡは、小さすぎると発散入射方式において、光ファイバ101への入射角θ₂が小さくなり十分な効果が得られない。このことは、先に説明した通り、光ファイバ101に入射したレーザ光Ｌが、光ファイバ101の内部の特定の位置で収束し、光ファイバ101の損傷を引き起こす。

また、光ファイバ101の開口数ＮＡが大きくなると、光ファイバ101から出射されるレーザ光Ｌの角度を増大させることから、レーザ光Ｌを所定の断面ビーム径で対象物に照射するために用いられる照射光学系の大きさも増大する。例えば、屈折率ｎがｎ＝１．５程度のガラス材による１枚の平凸レンズを用いて、１以下の結像倍率で光ファイバ101から出射されたレーザ光Ｌを対象物に集光するためには、レンズ曲率に対するレンズ口径の製作限界の観点から、光ファイバ101の開口数ＮＡは、ＮＡ≒０．２５ｒａｄ以下であるとされる。

なお、前述した光ファイバ101は、クラッド104の厚さが一般的な光ファイバのクラッド厚さよりも厚いことから、機械的強度（抗曲げ性）の低下を考慮すると、コア103の屈折率をｎ₁、クラッド104の屈折率をｎ₂とすると、開口数ＮＡは、
ＮＡ＝√［（ｎ₁）²−（ｎ₂）²］
より規定される。

また、光ファイバ101は、開口数ＮＡを大きくするためにクラッド104層の屈折率を下げる方法として広く利用され、クラッド104層にドープされるフッ素やホウ素の量が増大されることにより、脆く、折れやすくなる。なお、図７により求められたクラッド104の厚さを考慮すると、上述した照射光学系に依存して規定される開口数ＮＡの上限は、さらに低下されて、概ね０．２２ｒａｄとなる。

従って、光ファイバ101の開口数ＮＡの上限は、０．２２となる。なお、上限値は、実際に用いられる光ファイバ101の構造上の特徴および物性に従って変化するので、発散入射方式において光ファイバ101に設定可能な開口数ＮＡの上限は、必ずしも０．２２に限らず、光ファイバ101の構造上の特徴および物性により規定される数値とする。

なお、下限値は、図３および図４により集光レンズ13の焦点位置と光ファイバ101へ入射するレーザ光Ｌの入射角θ₂と、図８により説明した光ファイバ101のコア径と光ファイバ101へ入射するレーザ光Ｌの口径（断面ビーム径）によりコア径が制約を受けないという実験結果、ならびに図９により説明したエネルギー伝送能力の確認結果から、レーザ光Ｌの入射角θ₂と同等であればよいことが認められるので、開口数ＮＡ＝０．０６〜０．２２ｒａｄとなる。

以上のことから、発散入射方式により２０ＭＷ（ピークパワー密度で１００ＧＷ／ｃｍ²）程度のジャイアントパルス発振方式のレーザ光Ｌを伝送できる光ファイバ101は、
コア103の径が５００〜１５００μｍ
クラッド104の厚さが３５〜１００μｍ
光ファイバ101の開口数ＮＡが０．０６〜０．２２
の範囲であることが好ましい。

なお、光ファイバ101にレーザ光Ｌを入射する際のレーザ光Ｌの入射角θ₂は、レーザ光入射光学装置11の構成に許容される範囲内でできるだけ大きな角度であることが好ましい。

以上から、ピークパワーが１０ＭＷ以上のパルスレーザ光Ｌもしくはピークパワーが１０ＭＷ以下であっても短パルスレーザ光Ｌを安定に伝送を可能とするためには、例えば光ファイバ101の開口数ＮＡ＝０．２とした場合、光ファイバ101に入射するレーザ光Ｌの入射角θ₂は、０．２ｒａｄ（光ファイバ101の開口数ＮＡの上限値）までとすることが好ましい。

次に、レーザ光入射光学装置11の具体的な一例を説明する。

なお、以下に示す数値は、図９により前に説明したピークパワーが２２ＭＷのレーザ光Ｌのデータであり、ジャイアントパルス発振方式のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器を固体レーザ発振器111を用い、パルス幅が５ｎｓｅｃ、パルスエネルギーが１１０ｍＪ（ピークパワー２２ＭＷ＝１１０ｍＪ／５ｎｓｅｃ）、直径６ｍｍのレーザ光Ｌを、ステップインデックス型の石英材質の光ファイバ101に以下の条件で伝送させた結果である。

集光レンズ13への入射角（入射発散角）θ₁＝１．８ｍｒａｄ（半角）、
レーザ口径（断面ビーム径）ｒ（半径）＝３ｍｍ（直径６ｍｍ）、
集光レンズ13と固体レーザ発振器111との間隔Ｄ₁＝６００ｍｍ、
集光レンズ13の焦点距離ｆ＝３１ｍｍ、
光ファイバ101のコア径１０００μｍ、クラッド104の厚さ５０μｍ、開口数ＮＡ＝０．２ｒａｄ、
光ファイバ101へのレーザ光Ｌの入射角θ₂＝０．１３ｒａｄ（半角）、
集光レンズ13の集光点Ａから光ファイバ101の入射端面102までの距離Ｌｆ＝２ｍｍ、
光ファイバ101へのレーザ光Ｌの入射口径（断面ビーム径）：７００μｍ（直径）。

なお、上述したそれぞれの数値、すなわち集光レンズ13への入射角（入射発散角）θ₁＝１．８ｍｒａｄ、集光レンズ13と固体レーザ発振器111との間隔Ｄ₁＝６００ｍｍ、レーザ入射口径（断面ビーム径）ｒ（半径）＝３ｍｍ、集光レンズ13の焦点距離ｆ＝３１ｍｍから(4)式を用いて先に説明した光ファイバ101への入射角θ₂を求めたところ、入射角θ₂＝０．１３ｒａｄとなり、本発明で利用可能とした光ファイバ101の開口数の範囲であるＮＡ＝０．０６〜０．２２ｒａｄの範囲であることが確認されている。

なお、発散入射方式によれば、ｍ×ｎに分割された複合レンズを用いる周知の例に比較して、個々のレンズの境界部分で生じる反射損失の影響が除去されるので、集光レンズ13の入射側から光ファイバ101の出射側への伝送効率が約１０％向上できる。

また、発散入射方式では、光学要素の個数が低減されるので、レーザ光入射光学装置11全体のコストが低減される。

従って、石英を含む材質で、コア径に対するクラッドの厚さが０．０３５〜０．１倍、開口数ＮＡが０．０６〜０．２２のステップインデックス型である光ファイバ101を用いること、この光ファイバ101の入射端面102にピークパワー１０ＭＷを超えるジャイアントパルス発振方式の固体レーザ発振器111からのレーザ光Ｌを発散性として入射させることにより、光ファイバ101を損傷させることなくレーザ光Ｌを伝送でき、伝送効率が低下したり調整が複雑になることなく、安価に提供できる。

次に、図１０において、レーザ光入射光学装置11の第２の実施の形態を説明する。

なお、第１の実施の形態により既に説明した構成と同じ、または類似した構成には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

レーザ光入射光学装置11は、固体レーザ発振器111からのレーザ光Ｌに所定の集光性を与える集光レンズ13、集光レンズ13と光ファイバ101の入射端面102との間の距離を一定の距離に維持する光ファイバ位置調整機構15、固体レーザ発振器111と集光レンズ13との間に設けられ、光ファイバ101の入射端面102で反射された反射レーザ光（戻りレーザ光）Ｒを、固体レーザ発振器111から集光レンズ13に向かうレーザ光Ｌから分離する半透明鏡としてのビームスプリッタ（サンプリングミラー）31、このビームスプリッタ31により分離された反射レーザ光Ｒを受光してその強度に対応する電気信号を出力する、例えば光電変換素子を有する観測手段としてのＣＣＤカメラ32を有する。なお、ＣＣＤカメラ32とビームスプリッタ31との間には、ビームスプリッタ31により分離された反射レーザ光ＲをＣＣＤカメラ32の図示しない受光面に結像する結像レンズ33が設けられ、また、結像レンズ33とＣＣＤカメラ32との間には、必要に応じて、ＣＣＤカメラ32に入射される反射レーザ光Ｒの強度を調整する減衰フィルタ等である光量調整装置34が設けられている。

ＣＣＤカメラ32には、光ファイバ101の入射端面102に入射するレーザ光Ｌの入射位置に起因する情報が結像される。従って、ＣＣＤカメラ32により得られた入射端面102の画像に基づいて、例えば光ファイバ位置調整機構15の光ファイバ保持部17の位置を、例えば詳述しない移動機構により変位させることで、光ファイバ101の入射端面102の位置と結像レンズ13との間の距離を、図２〜図４により説明した所望の位置に設定することができる。

なお、集光レンズ13の焦点距離をｆ₁、結像レンズ33の焦点距離をｆ₂、光ファイバ101の入射端面102から結像レンズ13までの距離をａとすると、ＣＣＤカメラ32を設置すべき位置（光ファイバ101の入射端面102からの距離）をｂ、集光レンズ13と結像レンズ33との間の距離ｄは、倍率をｍとするとき、
ｂ＝（１＋ｍ）×ｆ₂−ｍ²×ａ …(11）
ｍ＝ｆ₂／ｆ₁ …(12)
ｄ＝ｆ₂＋ｆ₁ …(13）
で表される。

よって、(12)式を用いて、集光レンズ13の焦点距離ｆ₁および観測したい像倍率ｍから結像レンズ33の焦点距離ｆ₂を定め、次に(13)式および(11)式より２つのレンズ相互の間隔（距離ｄ）およびＣＣＤカメラ32の位置等を決めることで、光ファイバ101の入射端面102の観測が可能となる。

一例を示すと、集光レンズ13の焦点距離をｆ₁＝３１ｍｍとし、ビームスプリッタ（サンプリングミラー）31を、固定レーザ発振器111から集光レンズ13に向かうレーザ光Ｌの主光線に対して４５度の角度で配置し、結像レンズ33の後方の所定位置にＣＣＤカメラ32を位置させて、光ファイバ101の入射端面102からの反射レーザ光ＲをＣＣＤカメラ32に結像し、図示しないＴＶモニタにて観測しながら入射調整を実施した。

なお、像倍率ｍを概ね３倍とする場合、(12)式より、結像レンズ33の焦点距離を例えばｆ₂＝１００ｍｍとすると、（13）式より、集光レンズ13と結像レンズ33との間の距離ｄは、概ね１３１ｍｍである。また、集光レンズ13と光ファイバ101の入射端面102との間の距離ａが約３３ｍｍであることから、結像レンズ33とＣＣＤカメラ32との間の距離は、約７９ｍｍとなる。このとき、像倍率ｍは、(11)式より、約３．２倍となる。

光ファイバ位置調整機構15による光ファイバ101の入射端面102と集光レンズ13との間の距離ａの調整は、レーザ光入射光学装置11の組立調整時を除いて必ずしも必要ではないことから、ビームスプリッタ31、ＣＣＤカメラ32および結像レンズ33等の入射状態のモニタに利用される構成は、固体レーザ発振器111と集光レンズ13との間の光路から取り外しできるように構成されてもよい。

次に、図１１において、レーザ光入射光学装置11の第３の実施の形態を説明する。

この第３の実施の形態では、レーザ光入射光学装置11をレーザ誘起蛍光分析装置（Laser Induced Breakdown Spectroscopyを利用した高速の分析装置）に用いた例を示す。レーザ誘起蛍光分析装置は、分析可能な試料（分析対象物）の種類に僅かな制限を含むが、試料を準備する前処理段階が簡素化できること、高速であること、分析対象物が固体である場合にそのまま適用可能であること、等の様々な利点を有し、広範囲な利用が期待されている。

図１１に示されるように、レーザ誘起蛍光分析装置301は、ジャイアントパルス（ＧＰ）発振方式の固体レーザ発振器111、レーザ光入射光学装置（レーザ光伝送システム：導光光学系）11、照射光学系331、蛍光検出光学系341、モノクロメータ（光検出器または分光器）351、撮像機構361、タイミング調整機構371、およびデータ処理装置381等を有する。

固体レーザ発振器111としては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ等である。なお、固体レーザ発振器111から出力されるレーザ光Ｌの大きさは、例えば、パルス幅が５ｎｓｅｃ前後、ピークパワーが１４〜２０ＭＷ、伝送エネルギーが７０〜１００ｍＪ（ピークパワー密度で８０ＧＷ／ｃｍ²）程度である。また、固体レーザ発振器111は、多くの場合、発振制御装置、電源装置、冷却装置等を含むが、詳細な説明は省略する。

レーザ光入射光学装置11は、図１または図１０により説明したと同様に、固体レーザ発振器111からのレーザ光Ｌを、光ファイバ101の入射端面102に発散性の光として入射させる集光レンズ13などを含む。なお、集光レンズ13と光ファイバ101の入射端面102との間の距離は、上述した実施の形態に従って設定されている。

光ファイバ101は、例えばコア径が１０００μｍで、クラッド層の厚さが５０μｍであり、集光レンズ13により集光され、集光点を通過することにより発散性を示し、広がり角が０．０６〜０．２２ｒａｄに断面ビーム径が変化されたレーザ光Ｌが効率よく入射可能に、０．０６〜０．２２の開口数ＮＡを有する。

照射光学系331は、レーザ光入射光学装置11の光ファイバ101の出射端面106から出射されて一旦発散性を示すパルスレーザ光Ｌを、試料Ｓまたは試料Ｓを保持した試料保持部399の所定の範囲に集光する集光レンズ333を有する。なお、集光レンズ333の特性は、試料Ｓの大きさや形状にあわせて任意に設定される。

蛍光検出光学系（検出光導光光学系）341は、試料保持部399上に位置された試料Ｓからの蛍光を捕獲する集光レンズ343と、集光レンズ343により捕獲された蛍光を後段の分光器（モノクロメータ）に入射するための光ファイバ345を有する。

モノクロメータ351は、例えばグレーティング（回折格子）や波長フィルタ等を含む周知の分光計または試料Ｓの特性に合わせた検出機構が任意に組み合わせられている。

撮像機構361は、モノクロメータ351により抜き出された特定の波長の光（蛍光）を受光してその光強度に対応する電気信号を出力するもので、例えば周知のＣＣＤカメラやフォトマルチプライヤもしくはＦＦＴアナライザ等が、試料Ｓの特性に合わせて任意に選択される。

タイミング調整機構371は、例えばパルス発生器またはレーザ誘起蛍光分析装置301の主制御装置であり、固体レーザ発振器111の図示しない電源装置に供給される駆動パルスの出力タイミングとＣＣＤカメラ、例えばゲート制御型のＩ−ＣＣＤの動作タイミング等を制御して、試料Ｓから発生される蛍光を、所定のタイミングで撮像させる。

データ処理装置381は、撮像機構361から出力される画像あるいは分光スペクトル等を一時的に記憶し、予め記憶されている「元素同定プログラム」や「元素定量プログラム」もしくは撮像機構361から供給される画像データ等に所定の処理を加えるアルゴリズム等に従って、試料Ｓの特性を解析またはその前段階としてデータを処理する。

図１１に示したレーザ誘起蛍光分析装置301においては、主制御装置391（図１１に示す例では、タイミング調整装置371と一体化されている）により、所定タイミングで駆動パルスが生成され、この駆動パルスに基づいて固体レーザ発振器111から、所定パルス幅で、ピークパワーが１４〜２０ＭＷのＧＰ方式のパルスレーザ光Ｌが出力される。

固体レーザ発振器111から出力されたパルスレーザ光Ｌは、集光レンズ13により発散性に変換され、光ファイバ101に効率よく入射され、光ファイバ101の出射端面106に伝送される。

光ファイバ101から出射されたレーザ光Ｌは、照射光学系331の集光レンズ333により、試料Ｓに照射される。なお、レーザ光Ｌは、既に説明した通り、ピークパワーが１４〜２０ＭＷであり、集光レンズ333により、例えば数百μｍの直径に集光されることで、試料Ｓに照射される時点で、ピークパワー密度が８０ＧＷ／ｃｍ²である。これにより、試料Ｓが、プラズマ化し、このプラズマエネルギーにより、試料中に存在する各元素から、それぞれ固有の蛍光（蛍光を含むスペクトル）が放射される。

この発光（蛍光を含むスペクトル）は、蛍光検出光学系341の集光レンズ343で捕獲され、光ファイバ345を介してモノクロメータ351に入射される。

以下、モノクロメータ351で、試料Ｓ本体からのスペクトル成分等が除去され、試料Ｓに含まれる元素に固有のスペクトルが抽出される。

モノクロメータ351により抽出されたスペクトルは、撮像機構361により光電変換され、データ処理部381に供給され、データ処理部381で、試料Ｓに含まれる元素が特定される。例えば、撮像機構361が、例えばＦＦＴアナライザである場合には、作業者の目視により、試料Ｓに含まれる元素が特定可能である。

なお、試料Ｓに含まれる元素に固有の蛍光スペクトルが得られるまでに、プラズマ発光（すなわちレーザ光Ｌの照射）から数μｓｅｃ〜数百μｓｅｃ遅れることが知られているため、タイミング調整機構371（主制御装置391）により、撮像機構361の動作が制御される。例えば撮像機構361がゲート付きＣＣＤカメラである場合には、計測時間に所定のディレイ（遅延）が付加されるとともに所定のタイミングでゲートがオンされることで、必要な蛍光スペクトルのみが計測可能となる。

また、上述したレーザ誘起蛍光分析装置301では、ＩＣＰ発光分析のような試料の前処理がほとんど不要であり、迅速な測定が可能である。なお、レーザ誘起蛍光分析装置11では、試料にレーザ光Ｌを照射する際の空間的な（場所や大きさの）制約が少ないので、ユニット化することにより、測定対象物のある任意の場所で、測定対象物を分析が可能となる。

以上のように、レーザ誘起蛍光分析装置11によれば、光学部品の数が少なく、安価で、高効率で、ビーム拡大用コリメータとビーム分割用アレイレンズを使用せず、集光レンズ（凸レンズ）１枚もしくは２枚で光ファイバへ入射させることができる。

また、ピークパワー１０ＭＷを超えるジャイアントパルス発振方式のレーザ光Ｌを用いる例えばレーザ誘起蛍光分析、レーザアブレーション、レーザピーニング等のプロセスに利用されるレーザ光入射光学装置11が、小型で、安価に提供できる。

なお、前記各実施の形態に限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々な変形もしくは変更が可能である。また、各実施の形態は、可能な限り適宜組み合わせて実施されてもよく、その場合、組み合わせによる効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態を示すレーザ光入射光学装置の構成図である。 発散入射方式を適用した集光光学系の伝送モデルの説明図である。 光ファイバへの入射角と集光レンズの焦点距離との関係を示すグラフグラフである。 光ファイバへの入射角と集光レンズの入射発散角との関係を示すグラフである。 光ファイバへの入射方式と伝送エネルギーとの関係を示すグラフである。 光ファイバの構成を示し、(a)は図６(b)ａ−ａ断面図、(b)は断面図である。 クラッド厚さと伝送エネルギーとの関係を示すグラフである。 コア径と伝送エネルギーとの関係を示す説明図である。 光ファイバへの入射角と伝送エネルギーとの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態を示すレーザ光入射光学装置の構成図である。 本発明の第３の実施の形態を示すレーザ光入射光学装置を組み込んだレーザ誘起蛍光分析装置の構成図である。

符号の説明

11 レーザ光入射光学装置
13 集光レンズ
15 光ファイバ位置調整機構
31 半透明鏡としてのビームスプリッタ
32 観測手段としてのＣＣＤカメラ
101 光ファイバ
102 入射端面
103 コア
104 クラッド
111 固体レーザ発振器
Ａ 集光点
Ｌ レーザ光

Claims (6)

1. ピークパワーが１０ＭＷよりも大きなジャイアントパルス発振方式の固体レーザ発振器からのレーザ光を光ファイバの入射端面に入射させるレーザ光入射光学装置であって、
   前記固体レーザ発振器からのレーザ光を集光する集光レンズと、
   この集光レンズによるレーザ光の集光点より後方の所定位置に光ファイバの入射端面を設置し、前記レーザ光を発散性として光ファイバの入射端面に入射させる光ファイバ位置調整機構とを備え、
   前記光ファイバは、石英を含む材質で、コア径に対するクラッドの厚さが０．０３５〜０．１倍、開口数ＮＡが０．０６〜０．２２のステップインデックス型である
   ことを特徴とするレーザ光入射光学装置。
2. 光ファイバは、コア径が５００〜１５００μｍ、クラッドの厚さが３５〜１００μｍである
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光入射光学装置。
3. レーザ光は、光ファイバの入射端面に、半角で０．０６〜０．２２ｒａｄ、および光ファイバに固有の入射限界の角度のいずれか一方で入射させる
   ことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光入射光学装置。
4. 光ファイバ位置調整機構は、光ファイバの入射端面を集光レンズによるレーザ光の集光点の後方１〜１６ｍｍに設置する
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載のレーザ光入射光学装置。
5. 光ファイバ位置調整機構は、光ファイバの入射端面を集光レンズによるレーザ光の集光点の後方１．５〜５ｍｍに設置する
   ことを特徴とする請求項４記載のレーザ光入射光学装置。
6. 固体レーザ発振器と集光レンズとの間に設けられた半透明鏡を有し、この半透明鏡を通じて光ファイバの入射端面の光像を観測する観測手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載のレーザ光入射光学装置。

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