JP2005352292A - レーザ融解装置及びレーザ融解方法 - Google Patents

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】レーザ光５により物体３Ａ、３Ｂを融解させるレーザ融解装置１であって、前記物体３Ａ、３Ｂに前記レーザ光５が照射された後の前記物体３Ａ、３Ｂの先端の溶けた形状を観測する観測手段２１Ａ、２１Ｂと、観測された物体３Ａ、３Ｂの先端の溶けた形状に基いて、前記レーザ光５の光路を調整する調整手段１７、１９、２３、２５と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、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およ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は不可視光であり、ＣＣＤカメラの感知範囲外であるので、レーザ光を調整することは非常に困難であった（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加熱対象（融着接続対象）上の照射位置とを完全に一致させるには困難が伴う。

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この発明は、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。

上記発明が解決しようとする課題を達成するために、この発明のレーザ融解装置は、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、前記物体に前記レーザ光が照射された後の前記物体の先端の溶けた形状を観測する観測手段と、観測された物体の先端の溶けた形状に基いて、前記レーザ光の光路を調整する調整手段とを有することを特徴とするものである。

この発明のレーザ融解方法は、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、前記物体に前記レーザ光が照射された後の前記物体の先端の溶けた形状を観測する観測工程と、観測された物体の先端の溶けた形状に基いて、前記レーザ光の光路を調整する調整工程とを有することを特徴とするものである。

この発明のレーザ融解方法は、前記レーザ融解方法において、前記観測された物体の先端の溶けた形状の傾きを基にしてレーザ光の光路を調整することが好ましい。

この発明のレーザ融解方法は、前記レーザ融解方法において、前記観測された物体の先端の溶けた形状の先端の頂点の位置を基にしてレーザ光の光路を調整することが好ましい。

この発明においては、レーザ光を物体に照射した後の物体の先端の溶けた形状を観測し、観測された物体の先端の溶けた形状に基いて、レーザ光の光路を調整することができる。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、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の実施の形態においては、この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、以下の実施の形態は、あくまでもこの発明の説明のためのものであり、この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の形態を採用することが可能であるが、これらの実施の形態もこの発明の範囲に含まれる。
また、実施の形態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、これに関する重複する説明は省略する。

図１は、この発明の一実施の形態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、光ファイバとしての裸光ファイバ３Ａと裸光ファイバ３Ｂ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７と、この炭酸ガスレーザ光５を二分岐するハーフミラー９と、炭酸ガスレーザ光５を全反射する全反射ミラー１１、１３、１５と、全反射ミラー１３の位置及び角度を変更するための駆動部１７と、全反射ミラー１５の位置及び角度を変更するための駆動部１９と、観測手段としてのＣＣＤカメラ２１Ａと２１Ｂと、演算部２３と、制御部２５とを少なくとも有する。

また、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂ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ている。

上記のハーフミラー９は、レーザ発振器７の出射口近傍に配置され、出力された炭酸ガスレーザ光５を５０％ずつに分岐させるものである。全反射ミラー１１、１３、１５は、ハーフミラー９で分岐された２本（光束）の炭酸ガスレーザ光５を裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂ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。

上記の裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの接触部は、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て溶ける。前記ＣＣＤカメラ２１Ａ、２１Ｂは、この溶けた先端の形状を観測する。

また、上記のＣＣＤカメラ２１Ａ、２１Ｂは、図２に示すように、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂ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２３は、ＣＣＤカメラ２１Ａ、２１Ｂの観測結果を数値化する。
また、制御部２５は、演算部２３により数値化されたデータに基いて、レーザ発振器７のレーザ照射のＯＮ・ＯＦＦ、レーザパワー（出力）等を調整する。

また、本実施の形態においては、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂ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、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂ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１３、１５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２１Ａ、２１Ｂ（図１）により観測される裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端が溶けた形状について説明する。

図１において、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端を相対向させた状態で融着接続位置の近傍にセットし、その位置でレーザ発振器７を発振させて炭酸ガスレーザ光５を出力せしめると、炭酸ガスレーザ光５はハーフミラー９で分岐され、一方の炭酸ガスレーザ光５は全反射ミラー１１で反射されると共に、全反射ミラー１３で反射されて裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端に照射される。また、ハーフミラー９で分岐された他方の炭酸ガスレーザ光５は全反射ミラー１５で反射されて裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端に照射される。その結果、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端が加熱されて溶けた形状になる。

その裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端の溶けた形状をＣＣＤカメラ２１Ａ、２１Ｂで観測した結果、例えば図３に示されているように、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端の溶けた形状（丸まる）が裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの中心軸に対して対称の形状となっていれば、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの光軸があっていることになる。

しかし、例えば図４に示されているように、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端の溶けた形状（丸まる）が裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの中心軸に対して対称になっていない形状となっていれば、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの光軸があっていないことになる。この場合にはレーザ光５の光路を調整する必要がある。すなわち、図４に示した状態から図３に示した状態になるようレーザ光５の光路を駆動部１７、１９により全反射ミラー１３、１５の位置および傾きを調整して行われる。なお、この調整をＸ／Ｙ両画面で行う。さらに、調整された後、全反射ミラー１３、１５の位置および傾きを固定することで、その後は裸光ファイバ３Ａと裸光ファイバ３Ｂとの融着接続が行われることになる。

図４に示されているように、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端の溶けた形状（丸まる）が裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの中心軸に対して対称になっていない形状となっていない場合の調整の仕方として、ＣＣＤカメラ２１Ａ、２１Ｂで観測した裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端の溶けた形状（丸まる）が例えば図５に示されているような場合には、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの中心軸Ｏがあっていれば、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端の上の曲線の点Ａにおける接線Ｌ１と裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの中心軸Ｏに対する傾きθ１と、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端の下の曲線の点Ｂにおける接線Ｌ２と裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの中心軸Ｏに対する傾きθ２を、θ１＝θ２となるように、かつ点Ａ、Ｂのファイバ中心軸からの距離を等しくなるようにレーザ光５の光路を駆動部１７、１９により全反射ミラー１３、１５の位置および傾きを調整して行われる。

また、ＣＣＤカメラ２１Ａ、２１Ｂで観測した裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの先端の溶けた形状（丸まる）が例えば図６に示されているような場合には、裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂの中心軸Ｏがあっていれば、裸光ファイバ３Ａの先端の頂点の位置Ｃと裸光ファイバ３Ａの中心軸Ｏの距離Ｌ３をＬ３＝０となるようにレーザ光５の光路を駆動部１７、１９により全反射ミラー１３、１５の位置および傾きを調整して行われる。

以上の制御動作を経ると、全反射ミラー１３及び１５は、図７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３Ａおよび３Ｂ同士を融着させる場合を示したが、図８に示すように、２本の裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂと、光機能素子としての例えばロッドレンズ２７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、本実施の形態においては、融解ならびに融着される物体が裸光ファイバ３Ａおよび３Ｂ２やロッドレンズ２７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、石英系以外の材質などであっても構わない。

また、本実施の形態においては、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、この発明は、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２１Ａ、２１Ｂは、請求項に記載の観測手段に含まれ、駆動部１７、１９、演算部２３及び制御部２５は、請求項に記載の調整手段に含まれる。

以上のとおりこの発明においては、物体にレーザ光を照射することにより加熱し、この際に物体の先端の溶けた形状を観測し、この溶けた形状に基いてレーザ光の光路の向き（照射角度）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、アクリル板をも同時に利用することも可能である。

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。

この発明の一実施の形態に係るレーザ融着装置の斜視図である。 ＣＣＤカメラと裸光ファイバとの位置関係を示す図である。 裸光ファイバの先端の形状が正常な状態を示した図である。 裸光ファイバの先端の形状が異常な状態を示した図である。 裸光ファイバの先端の形状が異常な状態を正常な状態に調整する一例の説明図である。 裸光ファイバの先端の形状が異常な状態を正常な状態に調整する他例の説明図である。 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（レーザ融解装置）
３Ａ、３Ｂ 裸光ファイバ
５ レーザ光
７ レーザ発振器
９ ハーフミラー
１１、１３、１５ 全反射ミラー
１７、１９ 駆動部
２１Ａ、２１Ｂ ＣＣＤカメラ
２３ 演算部
２５ 制御部
２７ ロッドレンズ

Claims (4)

1. 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後の前記物体の先端の溶けた形状を観測する観測手段と、
   観測された物体の先端の溶けた形状に基いて、前記レーザ光の光路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。
2. 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後の前記物体の先端の溶けた形状を観測する観測工程と、
   観測された物体の先端の溶けた形状に基いて、前記レーザ光の光路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。
3. 前記観測された物体の先端の溶けた形状の傾きを基にしてレーザ光の光路を調整することを特徴とする請求項２記載のレーザ融解方法。
4. 前記観測された物体の先端の溶けた形状の先端の頂点の位置を基にしてレーザ光の光路を調整することを特徴とする請求項２記載のレーザ融解方法。
   

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