JP2005279702A

JP2005279702A - レーザ融解装置及びレーザ融解方法

Info

Publication number: JP2005279702A
Application number: JP2004096387A
Authority: JP
Inventors: Koichi Inoue; 耕一井上; Hiroshi Sato; 洋佐藤; Isao Suzuki; 功鈴木; Hironori Tanaka; 弘範田中; Takaaki Matsuura; 隆明松浦
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】良好な光学特性を有し、物体を適切に融解可能なレーザ融解装置及びレーザ融解方法を提供する。
【解決手段】全反射ミラー７ｂ及び７ｃにより炭酸ガスレーザ光５を光ファイバ２ａと２ｂの接続部分に向けて反射させ、この接続部分の発光状態をＣＣＤカメラ９ａ及び９ｂにより観測し、制御部１１によりレーザ発振器４のレーザパワーと全反射ミラー７ｂ及び７ｃの角度の内の少なくとも一方を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザ光等により物体を融解させるレーザ融解装置及びレーザ融解方法に関する。

光ファイバやロッドレンズ等の石英ガラス同士を融着接続する際の熱源は、アーク放電や炭酸ガスレーザ光が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

アーク放電により融着接続を行う場合、放電が発せられる（陽極と陰極の２対で構成される）電極棒の位置により放電路（放電位置）を確認することが可能である。

また、アーク放電自身を目視したり、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラに映すことにより放電路を確認することも可能である。

しかしながら、炭酸ガスレーザ光により融着接続を行う場合は、炭酸ガスレーザ発振器やミラー・集光レンズ類のどこからどの方向にレーザ光が出射するのか分かりにくい（分からない）。

また、波長が１０．６μｍである炭酸ガスレーザ光自身を目視したり、ＣＣＤカメラに映すこともできない（一般的にＣＣＤカメラの感知可能波長の上限は約８００ｎｍ〜１０００ｎｍ）。

そのため、従来の手法では、炭酸ガスレーザ光と光路を同じくした可視光ポインタをレーザ光路の途中に取り付けて、この可視光ポインタに基いて光路を調整したり、感熱紙あるいはアクリル板にレーザ光を照射してそのレーザ痕の位置から光路を調整していた。
特開平５−３４６５１７号公報

しかしながら、上記の従来技術には以下に示す解決すべき課題が存在する。
まず、前記のポインタの光軸と炭酸ガスレーザ光の光軸とを完全に一致させるには困難が伴う。

また、上記の感熱紙やアクリル板のレーザ痕の位置と物体上の照射位置とを完全に一致させるのは困難が伴う。

また、炭酸ガスレーザ光の照射対象である物体が光ファイバである場合、この光ファイバは非常に細く、また融着接続中の温度が非常に高いため、測定器により光ファイバ上の正確な温度もしくは温度分布を測定するには困難が伴う。

また、レーザ光のスポット径は小であるため、光ファイバ内で温度分布が不均一になりやすい。したがって、レーザ光の照射角度の調整をより的確に行う必要がある。

またアーク放電を用いる際は、アーク放電自身をＣＣＤカメラが感知するため、光ファイバが加熱され、これが発熱して発光した状態を正確に測定することができない場合がある。

上記の点から融着（融解）を適切に行うことができない場合があり、このような事情に鑑み本発明は、物体を適切に融解可能なレーザ融解装置及びレーザ融解方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、レーザ光により物体を融解させるレーザ融解装置であって、物体にレーザ光が照射された際に物体から発せられる光の状態を観測する観測手段と、観測された光の状態に基いて、レーザ光の光路の向きとレーザパワーの内の少なくとも一方を調整する調整手段とを有することを要旨とする。

請求項２に記載の本発明は、レーザ光により物体を融解させるレーザ融解方法であって、物体にレーザ光が照射された際に物体から発せられる光の状態を観測する観測工程と、観測された光の状態に基いて、レーザ光の光路の向きとレーザパワーの内の少なくとも一方を調整する調整工程とを有することを要旨とする。

本発明においては、レーザ光を物体に照射し、この際に物体から発せられる光の状態を観測し、観測された光の状態に基いて、レーザ光の光路の向きとレーザパワーの内の少なくとも一方を調整する。
このため、物体を適切に融解させることが可能となる。

以下、図面を用いつつ本発明についての説明を行う。
なお、以下の実施例においては、本発明のレーザ融解装置の一例として、レーザ光により光ファイバ等の光部品を融着するレーザ融着装置を示すが、以下の実施例は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素又は全要素を含んだ各種の実施例を採用することが可能であるが、これらの実施例も本発明の範囲に含まれる。
また、実施例を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付与し、これに関する反復説明は省略する。

図１は、本発明の一実施例に係るレーザ融着装置１の構成を示す図である。なお、本図においては、光ファイバ同士を融着させる場合を示す。
レーザ融着装置１は、不可視レーザ光である炭酸ガス（ＣＯ₂）レーザ光５を出力するレーザ発振器４と、この炭酸ガスレーザ光５を二分岐するハーフミラー６と、炭酸ガスレーザ光５を全反射する全反射ミラー７ａ、７ｂ及び７ｃ（以下、適宜これらを“全反射ミラー７“と総称する）と、全反射ミラー７ｂの位置及び角度を変更するための駆動部８ａと、全反射ミラー７ｃの位置及び角度を変更するための駆動部８ｂと（以下、適宜これらを“駆動部８”と総称する）、ＣＣＤカメラ９ａ及び９ｂ（以下、適宜これらを“ＣＣＤカメラ９”と総称する）と、演算部１０と、制御部１１とを少なくとも有する。

また、光ファイバ２ａ及び２ｂ（以下、適宜これらを“光ファイバ２”と総称する）は、この装置内に図示しない固定具により対向且つ接触した状態で固定される。

また、光ファイバ２の先端部は、被覆が一定長剥がされて光ファイバ素線が露出されている。

上記のハーフミラー６は、レーザ発振器４の出射口近傍に配置され、出力された炭酸ガスレーザ光を５０％ずつに分岐させるものである。全反射ミラー７は、ハーフミラー６で分岐された２本（光束）の炭酸ガスレーザ光５を光ファイバ２の接触部にまで反射させながら伝播させる。なお、炭酸ガスレーザ光５の波長は、例えば１０、６μｍである。

上記の光ファイバ２は、炭酸ガスレーザ光５が照射されると、その部分が加熱され、発光する。ＣＣＤカメラ９は、この発光状態を観測する。

また、上記のＣＣＤカメラ９ａ及び９ｂは、図２に示すように、光ファイバ２を互いに直交する２方向から観測可能な位置に配置されている。

図１の演算部１０は、ＣＣＤカメラ９の観測結果を数値化する。
また、制御部１１は、演算部１０により数値化されたデータに基いて、駆動部８を制御することにより全反射ミラー７の角度・位置等を変更し、炭酸ガスレーザ光５の照射角度、換言すれば光路（光軸）の向きを制御する。

また、制御部１１は、演算部１０により数値化されたデータに基いて、レーザ発振器４のレーザ照射のＯＮ・ＯＦＦ、レーザパワー（出力）等を調整する。

なお、上記の発光状態の観測、数値化、炭酸ガスレーザ光５の光路の向きの調整等の詳細については後述する。

また、本実施例においては、光ファイバ２の主成分が石英ガラスであり、その直径が約１２５μｍである場合を例としている。

また、２本の光ファイバ同士あるいは２本のロッドレンズ同士を融着させることもでき、さらに、これらの直径が異なっていてもよい。

また、全反射ミラー７により反射された炭酸ガスレーザ光５を集光する集光レンズを有する構成とすることもできる。

次に、上記のＣＣＤカメラ９（図１）により観測される光ファイバ２の発光状態について説明する。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、対向して配置された光ファイバ２ａ及び２ｂの接触部分に炭酸ガスレーザが照射されると発熱により図中の１２に示すようにその部分が発光する。

ただし、炭酸ガスレーザ光が適切な角度、出力で照射されていない場合、換言すれば炭酸ガスレーザ光が均一に照射されていない場合は、図３（ａ）に示すように、発光分布に偏りが生じ、融着が適切になされない。

一方、炭酸ガスレーザ光が適切な角度、出力で照射されている場合、換言すれば炭酸ガスレーザ光が均一に照射されている場合は、図３（ｂ）に示すように、発光分布に偏りが生じず、融着が適切になされる。

次に、上記の演算部１０（図１）による数値化ならびに制御部１１（図１）による制御動作の詳細について説明する。
本実施例においては、数値化ならびに制御の方法が３種類存在し、これらの内のいずれかが実行される。

まず、第１の方法においては、図４（ａ）に示すように、演算部１０は、光ファイバ２ａと光ファイバ２ｂの接触部分から等距離、且つ光ファイバ２ａ及び２ｂの中心線Ｕから等距離にあるＡ、Ｂ、Ｃ及びＤの４個の点の明るさを数値化する。つまり、４個の点の輝度を求める。

なお、本図においては、点Ｂと点Ｄが明るく、これらより点Ａや点Ｃが暗い場合を示している。

制御部１１は、求められた輝度に基いて全反射ミラー７ｂ及び７ｃの角度を変更することにより、上記の点全ての輝度が同じとなるように炭酸ガスレーザ光５の光路の向き、つまり照射角度を調整したり、上記の点全ての輝度が予め定められた適切な値となるようにレーザ発振器４の出力を調整する。

なお、上記の数値化動作は、ＣＣＤカメラ９ａ及び９ｂから得られた画像其々に対して行われる。これにより制御動作をより適切に行うことが可能となる。

また、第２の方法においては、図４（ｂ）に示すように、演算部１０は、光ファイバ２ａと光ファイバ２ｂの接触部分から等距離、且つ光ファイバ２ａ及び２ｂの中心線Ｕから等距離にあるＥ、Ｆ、Ｇ及びＨの４個の区画の明るさを数値化する。つまり、４個の区画の輝度を求める。

なお、上記の処理において求められる輝度は、其々の区画に複数個存在する画素の輝度の合計値である。

また、本図においては、区画Ｆと区画Ｈが明るく、これらより区画Ｅや区画Ｇが暗い場合を示している。

制御部１１は、求められた輝度に基いて全反射ミラー７ｂ及び７ｃの角度を変更することにより、上記の区画全ての輝度が同じとなるように炭酸ガスレーザ光５の光路の向き、つまり照射角度を調整したり、上記の区画全ての輝度が予め定められた適切な値となるようにレーザ発振器４の出力を調整する。

また、第３の方法においては、図４（ｃ）に示すように、演算部１０は、光ファイバ２ａ及び２ｂの長手方向に沿った線Ｉ及び線Ｊ上の光ファイバ２ａと光ファイバ２ｂの接触部分もしくはその近傍の最も明るい点（点Ｋ及びＬ）から任意の明るさを有する点（点Ｍ、Ｎ、Ｏ及びＰ）までの距離、つまり線Ｑ、Ｒ、Ｓ及びＴの長さを測定する。

なお、線Ｉ及びＪ上では、発光部分の中央部近傍が最も明るく、そこから外側に向かうに従って暗くなる。

制御部１１は、測定された長さに基いて全反射ミラー７ｂ及び７ｃの角度を変更することにより、上記の線全ての長さが同じとなるように炭酸ガスレーザ光５の光路の向き、つまり照射角度を調整したり、上記の線全ての長さが予め定められた適切な値となるようにレーザ発振器４の出力を調整する。

また、本実施例においては、演算部１０による数値化ならびに制御部１１による制御の方法を３種類示したが、これに限定されず、他の方法を用いる構成としてもよい。

以上の制御動作を経ると、全反射ミラー７ｂ及び７ｃは、図５に示すように最も望ましい角度で固定され、その後は、図示した位置関係で融着が行われる。

また、図１には２本の光ファイバ２ａ及び２ｂ同士を融着させる場合を示したが、図６に示すように、２本の光ファイバ２ａ及び２ｂと、ロッドレンズ３とを融着させることにより光ファイバコリメータを作製することもできる。

また、レーザ発振器４の出力を調整する場合は、予め物体の発光部分における発光強度の適正値ならびにその際の出力値を確認しておき、この標準発光強度と発光強度の実測値とを比較し、これに基いて出力値の増減ならびにその幅を決定する。

また、本実施例においては、融解ならびに融着される物体が光ファイバ２やロッドレンズ３といった光部品である場合を示したが、これに限定されず、本発明は、炭酸ガスレーザ光５が照射されることによりＣＣＤカメラ９により感知できる光学的変化、つまり発光や変色等がおこるあらゆる物質に適用可能である。

また、本実施例においては、不可視レーザ光として炭酸ガスレーザ光を用いる場合を示したが、これに限定されず、紫外線レーザ光やＹＡＧ（Yttrium Aluminium Garnet）レーザ光を用いる構成とすることもできる。

また、上記の不可視レーザ光のみならず、波長が可視波長域（約３６０ｎｍから約８３０ｎｍ）にある可視レーザ光を用いる構成とすることもできる。

また、本発明は、物体同士を融着させる場合だけでなく、例えば、物体の鋭角部分を融解させることにより丸みを帯びた形状へと加工する場合、物体の一部を融解させることにより除去する場合、あるいは物体を融解させることにより切断する場合などにも適用可能である。

なお、上記のＣＣＤカメラ９は、請求項に記載の観測手段に含まれ、駆動部８、演算部１０及び制御部１１は、請求項に記載の調整手段に含まれる。

また、上記のレーザ融解（融着）装置を用いたレーザ融解（融着）方法も本発明の範囲に含まれる。

以上のとおり本発明においては、物体にレーザ光を照射することにより加熱し、この際に物体から発せられる光を観測し、この発光状態に基いてレーザ光の光路の向き（照射角度）とレーザパワー（出力）の内の少なくとも一方を調整するため、時として融解（融着）を不確実にする前記のポインタ、感熱紙、アクリル板を用いる必要がない。

また、発光状態を観測し、これに基いてレーザ光の光路の向きとレーザパワーの内の少なくとも一方を調整するため、測定が困難な温度分布を測定することなしに融解（融着）を行うことができる。

また、発光状態を観測し、これに基いてレーザ光の光路の向きとレーザパワーの内の少なくとも一方を調整するため、照射角度の調整を的確に行うことができる。

また、炭酸ガスレーザ光は不可視光であり、物体から発せられる光（可視光）のみを観測するため、融解（融着）状態を正確に観測することができる。

また、物体から発せられる光は、この物体が加熱されることにより発するため、融着（融解）に必要な「熱」そのものを観測できる。

上記の点から、物体を適切に融解可能なレーザ融解装置及びレーザ融解方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施例に係るレーザ融着装置の斜視図である。ＣＣＤカメラと光ファイバとの位置関係を示す図である。光ファイバの発光状態を示す図である。演算部による数値化を説明するための図である。光ファイバ同士を融着させる際の全反射ミラーの状態を示す図である。光ファイバとロッドレンズとを融着させる際の全反射ミラーの状態を示す図である。

符号の説明

１レーザ融着装置
２ａ、２ｂ光ファイバ
３ロッドレンズ
４レーザ発振器
５炭酸ガスレーザ光
６ハーフミラー
７ａ、７ｂ、７ｃ全反射ミラー
８ａ、８ｂ駆動部
９ａ、９ｂＣＣＤカメラ
１０演算部
１１制御部

Claims

レーザ光により物体を融解させるレーザ融解装置であって、
前記物体に前記レーザ光が照射された際に該物体から発せられる光の状態を観測する観測手段と、
観測された光の状態に基いて、前記レーザ光の光路の向きとレーザパワーの内の少なくとも一方を調整する調整手段と
を有することを特徴とするレーザ融解装置。
レーザ光により物体を融解させるレーザ融解方法であって、
前記物体に前記レーザ光が照射された際に該物体から発せられる光の状態を観測する観測工程と、
観測された光の状態に基いて、前記レーザ光の光路の向きとレーザパワーの内の少なくとも一方を調整する調整工程と
を有することを特徴とするレーザ融解方法。