JP2005303166A - 光ファイバ端面構造、光ファイバレーザ及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高出力レーザ光を出力する光ファイバの端面損傷を防止する低コストの端面構造の提供。
【解決手段】 光ファイバ２１の出射端面にコアレスファイバ２５が融着接続され、該コアレスファイバの周囲にコアレスファイバの屈折率よりも高い屈折率を有する被覆材２４が設けられたことを特徴とする光ファイバ端面構造。この端面構造において、コアレスファイバの長さを、光ファイバから出射されコアレスファイバ中を伝播する光がコアレスファイバの側面に一度も到達せずにコアレスファイバから出射されるような長さに設定することが好ましい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザ光を出射する光ファイバ端面構造、その端面構造を有する光ファイバレーザ及び該光ファイバレーザを搭載したレーザ加工装置に関する。

近年、レーザは加工機や医療機器、測定器などのさまざまな分野で利用されるようになってきている。特に加工機の分野においては、レーザ光が集光性に優れ、パワー密度の高い微小なビームスポットが得られるため精密加工が可能であること、また、非接触加工であるのでワークへのダメージが少ないこと、レーザ光の吸収可能な硬い物質への加工も可能であることから用途が拡大している。具体的には溶接、切断、マーキング、微細加工などである。
従来、これらの加工用レーザには用途に応じて炭酸ガスをレーザ媒体とした炭酸ガスレーザや、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を利得媒質とした固体レーザやそのレーザ光を非線形光学結晶を用いて波長変換したレーザなどが使用されている。
その一方で、ＥｒやＮｄ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｔｍなどの希土類元素を添加した石英ガラスやフッ化物ガラスをホストガラスとした光ファイバ（以下、希土類添加光ファイバという。）をレーザ媒質とした光ファイバレーザが最近注目を集めている。光ファイバレーザは高効率でレーザ光を発生でき、レーザ媒質が光ファイバであるため表面積が大きく空冷で動作できるため装置がコンパクトにでき、レーザ媒質とレーザ光伝播媒質が同じにできるといった利点を有しており、加工機や医療機器などに利用されている。
このような分野において利用されるレーザの出力パワーは、用途に応じて平均出力が数ｋＷ以上もあるようなレーザが使用されるが、光ファイバレーザは平均出力が１００Ｗ以下の比較的低出力な用途（マーキング等）で実用化されている。

図１は、一般的なパルスファイバレーザ装置の概略構成を示す図である。この光ファイバレーザは、主に励起部と共振器部で構成される。励起部は、励起光源１及び集光レンズ３から構成されており、励起光源１から出力された励起光２は集光レンズ３を介して入射端面５に集光され、レーザ媒質である希土類添加光ファイバ６に入射される。共振器部は、希土類添加光ファイバ６、共振器ミラー４、出力カプラ１１、コリメートレンズ８、Ｑスイッチ１０などから構成される。共振器ミラー４には、励起光２は反射せず、レーザ光は反射するような特性を持った誘電体多層膜が設けられ、また出力カプラ１１は、レーザ光の一部は反射し、残りは透過するような特性を持った誘電体多層膜が設けられる。希土類添加光ファイバ６は、所望の出力特性が得られるように長さが調整されており、その両端は光学研磨が施されている。希土類添加光ファイバ６に入射された励起光２は、希土類添加光ファイバ６のコアに添加された希土類元素に吸収され、励起光２を吸収した希土類元素は特定の波長の光を放出する。希土類元素から放出された光は希土類添加光ファイバ６中を増幅されながら伝播し、出射端面７から出射される。出射端面７からの出射光９は、コリメートレンズ８でコリメートされ、Ｑスイッチ１０によって所望のパルス形状となり、出力カプラ１１によって一部が反射される。反射された出射光９は、再び希土類添加光ファイバへと入射され、共振器ミラー４で反射され、出射端面７から出射される動作を繰り返しながら、共振器中を往復する。１往復する間に出力光９が受ける損失よりも多く増幅されれば、出力カプラ１１からレーザ光１２が出力される。またＱスイッチ１０を用いなければ連続光レーザとして出力される。

このとき、希土類添加光ファイバは、そのコア直径が一般的に数μｍ〜数十μｍであることから、光ファイバ内を伝播する光のパワー密度は非常に高くなる。例えば、出力が１ｋＷでコア径が１０μｍの場合、コアから出力する光のパワー密度はおよそ１．３ＧＷ／ｃｍ^２にも達する。このような高パワー密度では、ごみや汚れの付着による焼き付きから光ファイバ端面が破壊されてしまい、致命的な損傷を受ける可能性がある。このように、図１に示すファイバレーザにおいては、出射端面７で端面損傷が生じることがあり、レーザ出力の高出力化を妨げる大きな要因になっている。

このような端面損傷を防止するためには、出射端面７におけるパワー密度を低下させる、すなわちスポット径を拡大させればよいことが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
図２は、その具体的な端面構造を例示する図であり、光ファイバ１３はフェルール１５に接着固定され、コア１４を含む光ファイバ端面が光学研磨される。光ファイバ１３がセットされたフェルール１５は、さらにキャピラリ１６の途中まで挿入され、このキャピラリ１６の残りの中空部には光学充填剤１７、例えば紫外線（ＵＶ）硬化樹脂が充填されている。このような構造とすると、光ファイバ１３からの出射光は、光学充填剤１７中をスポット径を広げながら伝播し、光学充填剤１７の端面に到達したときにはコア径よりも大きなスポット径を有するようになる。例えば、光学充填剤１７の端面におけるスポット径がコア径の２倍であったとすると、光学充填剤１７端面でのパワー密度は光ファイバ１３端面でのパワー密度の４分の１に下げることができ、パルス光、連続光を問わずにより高出力なレーザ出力でも焼き付きを防止することができる。

また、パルスレーザの場合には出力パルスの尖頭値が高いことが望まれるが、尖頭値を高くするためには希土類添加光ファイバ端面において信号光に対する無反射処理を施すことが重要となる。例えば図１に示すような装置では、希土類添加光ファイバに励起光が入射されると、希土類添加光ファイバのコアに添加された希土類イオンが励起され、反転分布が形成される。このとき希土類添加光ファイバの出射端面に無反射処理が施されていなければ、希土類イオンから放出された自然放出光が出射端面で反射され、その反射光がコア内を伝播する間に増幅され、場合によってはレーザ発振してしまい、反転分布を低下させることになる。一方、出射端面に無反射処理が施されている場合においても、やはり自然放出光の発生とその増幅が生じるが、レーザ発振にはいたらず、反転分布は高く保つことができる。この状態でＱスイッチの損失を急激に小さくすると、出力カプラからの反射光が希土類添加光ファイバを伝播することにより一気にレーザ発振が起こり、尖頭値の高いパルスを得ることができる。一般的には、光ファイバ端面にレーザ光を反射しない特性を持った誘電体多層膜を設けることで無反射処理が施される。
特開２００２−４０２７１号公報

しかしながら、図２に示す従来技術による光ファイバ端面構造では、光ファイバ端面での反射を防止するために、光ファイバと屈折率の等しい光学充填剤を使用しなければならず、材料選択の自由度が低く、高価な充填剤が必要となり、その結果製品コストが上昇してしまう問題があった。
また紫外線硬化樹脂を使用する場合には、図２中に示す光学充填剤１７の長さＬが長いと、紫外光が樹脂内部まで届かず、十分な硬化ができないことや、気泡などの存在により完全に光学的に連続した状態を実現するのは困難であり、また樹脂自体の耐光パワー性が低く、樹脂が燃焼してしまうといった問題があった。
さらに、無反射処理として誘電体多層膜を設ける場合には、真空プロセスが必要となり、作製に時間がかかり、高コストになる問題があった。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、高出力レーザ光を出力する光ファイバの端面損傷を防止する低コストの端面構造、その端面構造を有する光ファイバレーザ及び該光ファイバレーザを搭載したレーザ加工装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、光ファイバの出射端面にコアレスファイバが融着接続され、該コアレスファイバの周囲にコアレスファイバの屈折率よりも高い屈折率を有する被覆材が設けられたことを特徴とする光ファイバ端面構造を提供する。
本発明の光ファイバ端面構造において、コアレスファイバの長さを、光ファイバから出射されコアレスファイバ中を伝播する光がコアレスファイバの側面に一度も到達せずにコアレスファイバから出射されるような長さに設定することが好ましい。
本発明の光ファイバ端面構造において、光ファイバとコアレスファイバが同一材料であることが好ましい。
本発明の光ファイバ端面構造において、光ファイバとコアレスファイバが石英系光ファイバ又はフッ化物系光ファイバであることが好ましい。
本発明の光ファイバ端面構造において、被覆材が紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂であることが好ましい。
本発明の光ファイバ端面構造において、被覆材の出射光の波長における光減衰率が５０％以上であることが好ましい。
本発明の光ファイバ端面構造において、光ファイバが希土類添加光ファイバであることが好ましい。
本発明の光ファイバ端面構造において、希土類添加光ファイバがダブルクラッド構造を有していることが好ましい。
本発明の光ファイバ端面構造において、希土類添加光ファイバの添加元素が、Ｅｒ，Ｙｂ，Ｈｏ，Ｔｍ，Ｎｄからなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。
また本発明は、前述した本発明に係る光ファイバ端面構造を有する光ファイバレーザを提供する。
本発明の光ファイバレーザは、パルス光を出力することが好ましい。
また本発明は、前述した本発明に係る光ファイバレーザを搭載したレーザ加工装置を提供する。

本発明の光ファイバの端面構造によれば、希土類添加光ファイバなどのレーザ光を出射する光ファイバの出射端面にコアレスファイバを融着接続し、その周囲に屈折率の高い被覆材を設けるだけで、耐光パワー性が高く、かつ特別な無反射処理を必要とせずにピークパワーの高いパルスを得ることが可能である。

以下、図面を参照して本発明の光ファイバ端面構造の実施形態を説明する。
図３〜５は本発明の光ファイバ端面構造の一実施形態を示す図であり、図３は光ファイバ端面構造の断面図、図４は光ファイバ端面からの光の広がりを示す断面図、図５はコアレスファイバ２５の端面で反射した反射光の拡散状態を示す断面図である。これらの図中、符号２１は希土類添加光ファイバ、２２はコア、２３はクラッド、２４は被覆材、２５はコアレスファイバ、２６は希土類添加光ファイバ端面、２７は出射端面、２８はレーザ光、２９は反射光を示す。

この光ファイバ端面構造は、希土類添加光ファイバ２１の出射端面にコアレスファイバ２５を融着接続し、コアレスファイバ２５の周囲に、コアレスファイバ２５の屈折率よりも大きな屈折率を有する被覆材２４を設けた構成になっている。希土類添加光ファイバ端面２６に融着接続されたコアレスファイバ２５の長さＬは、希土類添加光ファイバ２１から出射されたレーザ光２８が、図４に示すように、コアレスファイバ２５内を伝播する間に、コアレスファイバ２５と被覆材２４の境界に一度も到達しない長さに設定されている。また、希土類添加光ファイバ２１とコアレスファイバ２５は同一材料で作られている。

希土類添加光ファイバ２１は、ホストガラスがフッ化物ガラスで、コア２２とその外周のクラッド２３とからなっており、希土類添加光ファイバ端面２６からレーザ光２８が出力される。希土類添加光ファイバ端面２６には、希土類添加光ファイバ２１と同一材質のコアレスファイバ２５が融着されており、その出射端面２７は光学研磨されている。希土類添加光ファイバ２１と同一材料のコアレスファイバ２５を融着するので、耐パワー性の問題が無く、気泡なども存在しない。また、コアレスファイバ２５の外周と、融着接続部付近の希土類添加光ファイバ２１の外周面には、被覆材２４が設けられている。

希土類添加光ファイバ端面２６から出射されたレーザ光２８は、図４に示すように、光軸に対してＮＡ／ｎ（ここで、ＮＡは希土類添加光ファイバ２１のコア２２の開口数、ｎはコアレスファイバ２５の屈折率を表す。）の角度で広がりながら、コアレスファイバ２５内を伝播し、出射端面２７に達する。

図５に示すように、出射端面２７に達したレーザ光は、その大部分が出射端面２７から出射されるが、一部は反射されて反射光２９となって、さらに広がりながらコアレスファイバ２５内を伝播し、コアレスファイバ２５と被覆材２４の境界面へと達する。
このとき、被覆材２４の屈折率がコアレスファイバ２５の屈折率より高ければ、境界面に達した光は被覆材２４へと抜けることとなる。すなわち、反射光２９の大部分は、境界面から被覆材へと抜けることとなるが、ごく一部の光は再び希土類添加光ファイバ２１のコア２２に入射され、コア２２内を伝播することになる。

コア２２に戻る光は、増幅されながら伝播していくので、希土類添加光ファイバ２１の反転分布を劣化させる要因となる。コア２２内に戻る光の量は、希土類添加光ファイバ２１のコア径をａ、出射端面２７でのスポット径をｒとすると、反射光２９が希土類添加光ファイバ端面２６まで戻ってきたときのスポット径は、元のコア径のａ^２／ｒ^２倍となり、ｒはＬ・ｔａｎ（ＮＡ／ｎ）で表すことができるので、コアレスファイバ２５の長さＬによって変化することになる。この長さＬを適切な長さに設定することで、反転分布への影響をなくすことができ、出射端面に特別な無反射処理を施さなくてもよくなる。

なお、被覆材２４の屈折率がコアレスファイバ２５の屈折率より低い場合には、コアレスファイバ２５と被覆材２４の境界面で反射が生じ、被覆材へと光が抜けないので、コアに戻る割合は上述のａ^２／ｒ^２倍よりも大きくなり、反転分布への影響が大きくなる。被覆材２４が無い場合（コアレスファイバ２５の周囲が空気の場合）やコアレスファイバ２５ではなく通常のコアとクラッドを有し、コア内を光が伝播するような光ファイバを用いた場合も同様である。

さらに、被覆材２４の屈折率がコアレスファイバ２５の屈折率よりも高い場合においても、被覆材２４の周囲に設けられる材質が被覆材２４の屈折率よりも低ければ、その境界面で反射が生じることとなる。つまり、前述の被覆材２４の屈折率がコアレスファイバ２５の屈折率より低い場合と同様にコア２２に戻る光の割合が増加することとなる。これを防止するために、被覆材２４は反射光２９の大部分を十分に減衰させることができるだけの厚みを有していることが望ましい。また、被覆材２４の表面を粗研磨などして、被覆材２４の表面に達した光が散乱するような構造としてもよい。

この光ファイバ端面構造は、希土類添加光ファイバ２１の端面にコアレスファイバ２５を融着接続し、その周囲に屈折率の高い被覆材２４を設けるだけで、耐光パワー性が高く、かつ特別な無反射処理を必要とせずにピークパワーの高いパルスを得ることが可能である。

また本発明は、前述した光ファイバ端面構造を有する光ファイバレーザを提供する。本発明の光ファイバレーザは、例えば、図１に示す前述した一般的な光ファイバレーザの出射端面に前述した本発明に係る光ファイバ端面構造を設けて構成することができる。
本発明の光ファイバレーザは、連続光レーザとすることもできるが、加工性能のよさなどからパルス光を出力する構成とすることが好ましい。
さらに、本発明は前述した本発明に係る光ファイバレーザを搭載したレーザ加工装置を提供する。このレーザ加工装置は、前述した本発明に係る光ファイバレーザを搭載していればよく、駆動装置、集光手段、制御装置などは従来公知のレーザ加工機において用いられているものを適宜選択して適用することができる。

希土類添加光ファイバとしてエルビウム添加光ファイバを使用した。このエルビウム添加光ファイバは、ダブルクラッド構造を有しており、コア径４０μｍ、第１クラッド径４００μｍ、第２クラッド径５３０μｍである。また、第２クラッドはポリマークラッドであり、融着接続部の第２クラッドは有機溶剤に浸漬することで除去した。コアレスファイバとして直径が２８０μｍのものを使用した。これらの屈折率は１．５３である。
また、被覆材には屈折率が１．５６の紫外線硬化樹脂を使用した。本実施例では紫外線硬化樹脂を使用したが、これに限るものではなく、熱硬化樹脂なども利用できる。励起光源として９８０ｎｍのレーザダイオードを使用し、ＱスイッチとしてＡＯ変調器を使用して、６００Ｈｚ、Ｄｕｔｙ２０％のパルスが得られるように動作させた。

コアレスファイバを融着接続した時（融着あり）と融着接続していない時（融着無し）のレーザ光の出力特性を図６に示す。なお、耐光パワー性を比較するために、融着していない場合の測定では、エルビウム添加光ファイバの出射端面に誘電体多層膜を設けることで無反射処理を施してある。
図６に示すように、コアレスファイバを融着接続しない場合には、ピークパワーが６０Ｗほどでエルビウム添加光ファイバの端面に損傷が生じたため、出力が飽和してしまっている。一方、コアレスファイバを融着接続した場合には希土類添加光ファイバに入射される励起光パワーを増加させるほどレーザ出力も増加し、１００Ｗを超えても損傷が生じていない。

また、図７は、コアレスファイバ又はマルチモードファイバを融着し、融着部の長さ（融着接続したコアレスファイバ又はマルチモードファイバの長さＬ）を変化させた時の出力特性を示したものである。マルチモードファイバは、エルビウム添加光ファイバと同一材質でコア径が３００μｍ、クラッド径が３８０μｍのものを使用した。図７において「コアレス融着」とはコアレスファイバを融着接続した実施例であり、「マルチモード融着」とはマルチモードファイバを融着接続した比較例である。また融着部の長さがゼロとは、融着しない場合のことを示す。

マルチモードファイバを融着した場合（マルチモード融着）は、出射端面からの反射光のエルビウム添加光ファイバ端面でのスポット径がマルチモードファイバのコアよりも小さい場合は、融着部の長さが長いほどコア内に戻る反射光が少なくなるため、ピークパワーは増加する。スポット径がマルチモードファイバのコアより大きくなった場合は、出射端面からの反射光がコア−クラッド界面で反射されるので、コア内に戻る反射光が増加し、ピークパワーは減少する。さらに融着部が長くなり、出射端面におけるスポット径がマルチモードファイバのコアよりも大きくなると、出射端面から出力されるアウトプットカプラで反射されて戻ってくるレーザ光のエルビウム添加光ファイバのコアへの結合効率が低下するため、ピークパワーは減少する。

本実施例で使用したマルチモードファイバの場合は、融着部の長さが４３０μｍで出射端面からの反射光のエルビウム添加光ファイバ端面でのスポット径がマルチモードファイバのコア径と等しくなるので、融着部の長さが４３０μｍまではピークパワーが増加し、４３０μｍより長くなるとピークパワーが低下することになり、実験結果とよく一致している。

一方、コアレスファイバを融着した場合（コアレス融着）は、出射端面からの反射光のエルビウム添加光ファイバ端面でのスポット径がコアレスファイバの径よりも大きくなり、コアレスファイバ−紫外線硬化樹脂界面に到達しても、コアレスファイバよりも紫外線硬化樹脂の屈折率が高いため、界面で反射されることは無く、融着ファイバ長が長いほど出射端面からの反射光がエルビウム添加光ファイバのコア内に戻る光が少なくなる。

しかし、マルチモードファイバの場合と同じく、出射端面におけるスポット径がコアレスファイバの径よりも大きくなると、出射端面から出力されアウトプットカプラで反射されて戻ってくるレーザ光のエルビウム添加光ファイバのコアへの結合効率が低下するため、ピークパワーは減少する。

本実施例で使用したコアレスファイバの場合は、融着部の長さが８００μｍで出射端面におけるスポット径がコアレスファイバの径と等しくなるので、融着部の長さが８００μｍまではピークパワーが増加し、８００μｍより長くなると、ピークパワーが低下することになり、実験結果とよく一致している。

以上より、本発明の構造によれば、希土類添加光ファイバの出射端面にコアレスファイバを融着するだけで、耐光パワー性が高く、かつ特別な無反射処理を必要とせずに、ピークパワーの高いパルスレーザを得ることが可能である。

一般的な光ファイバレーザを説明するための構成図である。 従来の光ファイバ端面構造を例示する断面図である。 本発明の光ファイバ端面構造の一実施形態を示す断面図である。 本発明の光ファイバ端面構造における光軸の広がりを示す断面図である。 本発明の光ファイバ端面構造における端面反射光の伝播状態を示す断面図である。 本発明に係る実施例の結果を示し、コアレスファイバを融着したときと融着していないときのレーザの出力特性を示すグラフである。 本発明に係る実施例の結果を示し、コアレスファイバ又はマルチモードファイバを融着し、融着部の長さを変化させたときの出力特性を示すグラフである。

符号の説明

１…励起光源、２…励起光、３…集光レンズ、４…共振器ミラー、５…入射端面、６…希土類添加光ファイバ、７…出射端面、８…コリメートレンズ、９…出射光、１０…Ｑスイッチ、１１…出力カプラ、２１…希土類添加光ファイバ、２２…コア、２３…クラッド、２４…被覆材、２５…コアレスファイバ、２６…希土類添加光ファイバ端面、２７…出射端面、２８…レーザ光、２９…反射光。

Claims (12)

1. 光ファイバの出射端面にコアレスファイバが融着接続され、該コアレスファイバの周囲にコアレスファイバの屈折率よりも高い屈折率を有する被覆材が設けられたことを特徴とする光ファイバ端面構造。
2. コアレスファイバの長さが、光ファイバから出射されコアレスファイバ中を伝播する光がコアレスファイバの側面に一度も到達せずにコアレスファイバから出射されるように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ端面構造。
3. 光ファイバとコアレスファイバが同一材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ端面構造。
4. 光ファイバとコアレスファイバが石英系光ファイバ又はフッ化物系光ファイバであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバ端面構造。
5. 被覆材が紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ端面構造。
6. 被覆材の出射光の波長における光減衰率が５０％以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバ端面構造。
7. 光ファイバが希土類添加光ファイバであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバ端面構造。
8. 希土類添加光ファイバがダブルクラッド構造を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバ端面構造。
9. 希土類添加光ファイバの添加元素が、Ｅｒ，Ｙｂ，Ｈｏ，Ｔｍ，Ｎｄからなる群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項７又は８に記載の光ファイバ端面構造。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の光ファイバ端面構造を有する光ファイバレーザ。
11. パルス光を出力することを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバレーザ。
12. 請求項１０又は１１に記載の光ファイバレーザを搭載したレーザ加工装置。
    

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