JP2006010961A - フォトニッククリスタルファイバおよびレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】 出射側の開口数を小さくしたフォトニッククリスタルファイバに関し、レンズを使用せずに出射端のＮＡを小さくでき、レーザ加工機等の部品点数を少なくすることができる。
【解決手段】 コア１１の周囲を覆う多孔部の細孔１３が出射端に向かってテーパ状に孔径が小さくなるように形成されるので、出射端１０ｂにおけるＮＡが小さくなる。とりわけ、細孔径が変化する領域であるテーパ部１４の長さを２００μｍ以上とすることによって、実際にファイバ中を伝播する光の特性がテーパ部１４における細孔径の変化に追従して変化するために、出射端１０ｂにおいて出射角が絞られた出射光を安定的に得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、出射側の開口数（以下、ＮＡと称す）を小さくしたフォトニッククリスタルファイバ（以下、ＰＣＦと称する）およびレーザ加工機に関する。

近年、光増幅技術等の進歩により、光ファイバへ入射させる光のパワーが大きくなっている。例えば、レーザ加工装置等において、レーザ光の伝送に用いる光ファイバであるレーザガイドにおいては、レーザ光が高出力になると、光源本体から出射されるビーム径が大きくなるので、光ファイバのコアに入射させるために、レンズ系で絞ってビーム径を小さくする必要が生じている。レンズ系によりビーム径を小さくしたレーザ光を光ファイバに入射する場合、光ファイバの入射端のＮＡを大きくする程、結合効率が高くなるために好ましい。

ところで、従来の光ファイバは、長手方向に渡って一様な構造であるために、通常、入射端と出射端のＮＡは同じである。そのため、入射端のＮＡが大きい光ファイバは、当然出射端のＮＡも大きいファイバとなり、このような光ファイバにレーザ光を入射すると、出射端から出射されるビームの出射角が大きくなり、そのままでは微小なレーザ加工には適さないという問題が生じる。そこで、光ファイバから出射されたビームを再びレンズで絞ることが必要となっている（例えば、特許文献１参照）。

また、ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔がシリカガラス中に設けられたクラッドを有する光ファイバを、高出力レーザ光の伝送に用いることが公知である（例えば、特許文献２参照）。このようなクラッドを有する光ファイバは、中実構造の光ファイバでは不可能であったような、シングルモード動作と大きなＭＦＤ、高いＮＡを同時に達成できる。出射光がシングルモードであると、波面が揃うために、ＮＡが高く、かつＭＦＤが大きくても、レンズ系によって容易に絞ることができる。ＭＦＤが大きいと、ファイバ中の光エネルギーの密度が低くなるので、よりパワーの大きいレーザ光を伝送できる。ＮＡが高いと、レンズで出射光を絞ることが容易となるため、入出射光学系装置を小型化し、光路長も短く設計することができ、加工装置の小型化を図ることが可能となる。
特開２００１−１７９４７６号公報 特開２００２−２１４４６６号公報

前記特許文献１、特許文献２に記載の光ファイバを用いた場合、光ファイバへの入射効率を高めるために高ＮＡとすると、出射端のＮＡも高くなるために、レーザ加工機等の用途においては光ファイバからの出射光を絞るためのレンズ系が必要となり、部品点数が多くなっていた。

したがって、本発明においては、レンズを使用せずに出射端のＮＡを小さくでき、レーザ加工機等の部品点数を少なくすることができるＰＣＦおよびレーザ加工機を提供することを解決すべき課題としている。

本発明のＰＣＦは、ファイバ中心軸方向に延びる中実状に形成されたコアと、該コアの周囲を覆うように設けられ、上記ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔がファイバ横断面において六方格子状に配列された多孔部を有するクラッドとを備え、伝送される光が出射される端部の近傍に、２００μｍ以上に渡って上記細孔の孔径が上記端部に向かってテーパ状に小さくなるように形成されたテーパ部が設けられてなるものである。

本発明のレーザ加工機は、上記ＰＣＦを備えたものである。

本発明のＰＣＦおよびレーザ加工機によると、クラッドに形成された細孔の孔径が上記端部に向かってテーパ状に小さくなるように形成されており、レンズを用いることなくＰＣＦの出射端におけるＮＡを小さくすることができてビーム径を絞ることができるため、レーザ加工機用のレーザガイドに用いると、部品点数を削減することが可能となる。

本発明のＰＣＦは、コアの周囲を覆う多孔部の細孔が出射端に向かってテーパ状に孔径が小さくなるように形成されるので、出射端におけるＮＡが小さくなる。とりわけ、細孔径が変化する領域であるテーパ部の長さを２００μｍ以上とすることによって、実際にファイバ中を伝播する光の特性がテーパ部における細孔径の変化に追従して変化するために、出射端において出射角が絞られた出射光を安定的に得ることができる。また、本発明のレーザ加工機は、光ファイバからの出射光を絞るためのレンズ系が不要となり部品点数を少なくすることができる。

図１は本発明の一実施形態に係るＰＣＦの断面図、図２はその横断面図を示している。なお、図１は図２のＩ−Ｉ断面図に相当している。

本実施形態におけるＰＣＦ１０であり、コア１１と、コア１１を覆うと共に、コア１１より屈折率の低い多孔部を有するクラッド１２との２層構造を有している。コア１１は、多孔部の最も内側の細孔に囲まれた領域である。これらコア１１およびクラッド１２の素材は、例えば石英からなる。

多孔部は、クラッド１２に、コア１１を取り囲むように配列された多数の細孔１３が設けられた領域である。各細孔１３は、ＰＣＦ１０の入射端１０ａから出射端１０ｂの近傍にまで渡ってファイバ軸方向に延設されている。ファイバ横断面において、多孔部の細孔１３の配列は六方格子状に配列されており、細孔１３のそれぞれは直径ｄの実質的に円形状の断面を有している。六方格子状配列における、各細孔１３の中心間の距離がΛである。多孔部において、細孔１３がコア１１の周囲を３層以上取り囲んでいれば、ＰＣＦ１０の光伝送特性はコア１１および多孔部の性質によって実質的に決定される。すなわち、ＰＣＦ１０の伝送特性は、無限に大きい多孔部に取り囲まれたコアの伝送特性で略近似され、多孔部よりも外側の領域の影響をほとんど受けなくなる。

ＰＣＦ１０は、出射側１０ｂ近傍を熱することにより、出射側１０ｂ近傍に、細孔１３の孔径が端部に向かってテーパ状に小さくなるように変化している領域であるテーパ部１４を形成している。加熱方法は、アーク放電、抵抗加熱、バーナ等が挙げられ、さらに加熱しながらＰＣＦ１０を延伸してもよい。

このように、テーパ部１４においては、出射端１０ｂに向かって細孔径ｄが小さくなり、すなわちｄ／Λが小さくなり、その結果、ＮＡが小さくなる。これは、ｄ／Λが小さいほど、コア部の屈折率と多孔部の実効的な屈折率との、相対的な差が小さくなるためである。

図１のＰＣＦ１０は、出射端１０ｂにて細孔径がゼロとなる態様、すなわちテーパ部１４の端部（以下「テーパ端」という）と出射端１０ｂが一致する態様を示したものであるが、図３に示すように、テーパ端が出射部１０ｂよりも入射端１０ａに近い側となるように、すなわち、テーパ端と出射端１０ｂとの間に細孔１３が存在しない充実領域（以下「充実領域」という。）１５が形成されるように、テーパ部１４を設けてもよい。この場合、充実領域１５の長さｔ（μｍ）が次の式１の関係を満たせば、充実領域１５において伝播光のＭＦＤがファイバ外径を超えることはなく、伝播光は充実領域１５の内部を伝播して出射端１０ｂから出射される。

ＮＡ：充実領域１５が存在しない場合の出射端１０ｂにおけるＮＡ
ｄ：充実領域１５におけるファイバ外径
ａ：ＰＣＦ１０のコア半径（最内層の細孔に内接する円の直径）
ｎ：ＰＣＦ１０の材料の屈折率
このとき、出射端１０ｂにおける出射光の出射角は、テーパ端ＮＡによって決定される。すなわち、テーパ部１４の構成が同じで、充実領域１５が存在しない場合の、出射端１０ｂにおける出射角と実質的に同じとなる。

レーザガイド用ファイバの典型的な寸法は、ファイバ外径２５０μｍ、コア直径１５μｍであるが、かかる寸法のＰＣＦを石英（屈折率１．４５）で作製し、テーパ端ＮＡが０．１となるようにテーパ部１４を形成したとき、充実領域１５の長さｔが１．７ｍｍよりも短ければ、出射端１０ｂにおけるＮＡはテーパ端と同じく、略０．１となる。

現実的には、テーパ端と出射端１０ｂを完全に一致させることは不可能であるため、問題が生じない範囲で充実領域１５を設けることが好ましい。充実領域１５を設けると細孔１３が封止され、細孔１３への異物混入などが抑制されるため、汚染防止のためにも好ましい。

一方、テーパ端が形成されない、すなわち、細孔１３が出射端１０ｂにおいて開放状態となるようにテーパ部１４を形成する態様も、本発明の実施態様のひとつである。

入射側１０ａのＮＡをＮＡ_１、出射側１０ｂのＮＡをＮＡ_２とすると、ＮＡ_１＞ＮＡ_２となる。好ましくは、ＮＡ_１＞２×ＮＡ_２、ＮＡ_１＞０．１かつＮＡ_２＜０．１あるいはＮＡ_１＞０．１５かつＮＡ_２＜０．１５等の関係となる。

図４に示すように、テーパ部１４の長さをテーパ長Ｌとすると、Ｌを長くするにつれ、テーパ部１４において伝播光の性質もファイバ構造の変化に追随して変化するために、ＮＡ_２が小さくなる。ＮＡ_２の好ましい値はＰＣＦ１０の使用目的に応じて様々であるが、ＮＡ_２が小さい程好ましい用途、例えば、出射光の出射角が小さい程好ましいレーザ加工機の出射部にＰＣＦ１０を用いる場合には、テーパ長Ｌは長い方が望ましく、好ましくは２００μｍ以上、より好ましくは４００μｍ以上、さらに好ましくは６００μｍ以上である。テーパ長Ｌが長い程、テーパ長の変動に対する、出射光の出射角の変動が小さくなるため、安定した出射角が得られる。テーパ長Ｌが２００μｍよりも小さいと、細孔径の変化に追随して伝播光の性質が変わらないために、テーパ部１４によるＮＡの低下が十分に生じ難くなる。また、テーパ長Ｌの僅かな変化によって、出射光の出射角が大きく変化するので、特性が安定しなくなる傾向がある。テーパ長Ｌは、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下、さらに好ましくは１ｍｍ以下である。テーパ長が５ｍｍを超えると、テーパ部分のテーパ端側で光が漏れ出し易くなるという点で好ましくない。

ＰＣＦ１０はシングルモード伝送型または４次以下の低次のモードが伝播するマルチモード伝送型である。シングルモード伝送型とするためには、ＰＣＦ１０のＶ_ｅｆｆ値が４．１となるように設計すればよい（例えば、三菱電線工業時報第９９号第１頁ないし第９頁、論文名「フォトニック結晶ファイバ（１）−光学特性−」、２００２年７月発行参照）。

ＰＣＦ１０の材料は石英ガラス、多成分ガラス、プラスチック（例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート、フッ素樹脂等）等が好ましく用い得る。

大パワー伝送のためには、コア１１の直径（最内層の細孔に内接する円の直径）が大きい方が好ましく、１０μｍ以上、特に２０μｍ以上とすることが好ましい。大パワー伝送用に適した材料は石英ガラスであり、特に波長４００ｎｍ以下の近紫外〜紫外域の光を伝播させる場合には、１０ｐｐｍ以上のヒドロキシル基および／または重量濃度が０．２％以上のフッ素を含んだものを用いることが好ましい。

次に、図４ないし図７を用いて、細孔１３のテーパ形状とＮＡの関係についてシミュレーションにて検証した結果について述べる。

このシミュレーションでは、ｄ／ΛとΛの組み合わせを、表１に示す３通りとした。

実際のテーパ部１４のテーパ形状は図４に示すごとく完全に直線的とはならないが、本シミュレーションでは直線的なテーパ形状をモデルとした。クラッド１２の構造は、無限に大きい多孔部がコア１１を取り囲んだ構造とした。コア１１は、六方格子状に配列された細孔１３のひとつが、クラッド１２と同じ屈折率の材料で埋め込まれた部分とした。クラッド１２の屈折率は石英と同じとし、細孔１３の屈折率は１（空気）とした。また、出射端１０ｂとテーパ端が完全に一致した構造とした。

図５に、上記モデルのテーパ長（コラプス長）ＬとＮＡの関係を示す。横軸はテーパ長Ｌ（μｍ）、縦軸はＮＡを示している。このＮＡは、モデルファイバ中を伝播する所定波長の光が出射端から出射されるときの、出射角から算出している。３つの曲線は、それぞれ、伝播光の波長が１．５５μｍ、０．６３３μｍ、０．４０５μｍの場合のテーパ長ＬとＮＡの関係である。

図５より、いずれの波長においても、テーパ長Ｌを長くすると、ＮＡが小さくなることが判る。特に、テーパ長Ｌが０〜２００μｍの範囲でＮＡが大きく低下しており、２００μｍ以上になると、ＮＡの低下が進み、曲線の傾きが緩やかとなっている。すなわち、テーパ長Ｌの変化に対するＮＡの変化が小さくなっている。

また、図６，図７に、ｄ／Λ＝０．７の例を示す。なお、図６はΛ＝２μｍ、図７はΛ＝５μｍの例を示している。

図５の例はｄ＝１．２２（μｍ）、図６の例はｄ＝１．４（μｍ）と、ｄの値は略同程度であるが、Λを小さくしてｄ／Λを大きくすると、テーパ長Ｌが短い領域のＮＡが大きくなる。また、図６の例と図７の例とでは、ｄ／Λが同じで、Λの値が異なっているが、Λが小さい図６の例の方が、テーパ長Ｌが短い領域のＮＡが大きくなる。また、図５〜図７のいずれにおいても、伝播光の波長が長い程、ＮＡが大きくなる。このように、ｄ／ΛやΛの値、あるいは伝播光の波長によるＮＡの違いはあるが、どの場合も、テーパ長Ｌが０〜２００μｍの範囲でＮＡが大きく低下し、テーパ長Ｌが２００μｍ以上、４００μｍ以上、６００μｍ以上、と大きくなるに従い、ＮＡが低下し、またそのテーパ長Ｌに対する変化率が小さくなっている。

＜ＰＣＦの作製＞
準備工程
石英製の円筒状のサポート管を１本と、石英製の円筒キャピラリを多数本と、キャピラリと同外径の石英製のコアロッドを１本とを準備する。円筒状のサポート管の内径と、円筒キャピラリの外径は、後のコアロッド挿入工程において挿入されるコアが、３層以上の円筒キャピラリに取り囲まれるように選ぶ。また、円筒状のサポート管の内径と外径は、作製しようとするＰＣＦのｄやΛに応じて選択する。

キャピラリ充填工程
サポート管内にキャピラリを充填する。このとき、１本のキャピラリの周囲に６本のキャピラリが配設されるように、すなわち、サポート管内にキャピラリが六方格子状に充填されるようにする。キャピラリの径は、後述するプリフォームから外径１２５μｍのファイバを線引きしたときに、細孔の径が１．２２μｍとなるように選択する。

コアロッド挿入工程
サポート管内に形成されたキャピラリ束の中心位置の１本のキャピラリの一端部にコアロッドの一端部を当接させ、そのキャピラリをサポート管から押し出すようにコアロッドをサポート管内に挿入する。そして、そのキャピラリをコアロッドで置換することにより、中心軸位置に配置されたコアロッドと、そのコアロッドの周囲にそれに沿って配設された多数の円筒キャピラリ、それを保持するサポート管とからなる、プリフォームが得られる。

線引き工程
上記プリフォームを線引き炉にセットし、それを加熱して延伸する線引き加工により、外径１２５μｍとなるように細径化（ファイバ化）する。このとき、隣接するキャピラリ同士、キャピラリとコアロッド及びキャピラリとサポート管は相互に融着一体化するが、キャピラリ管の隙間を減圧した状態で線引き加工を行うと、キャピラリ管の隙間に由来する細孔のないＰＣＦが得られる。

被覆工程
線引き加工と連続して、細径化されたファイバの外周に紫外線硬化樹脂が被覆される。
＜テーパ部の形成＞
テーパ部の形成は、次の２つの方法によった。
（１）ＰＣＦ１０の端部周辺の被覆を除去し、アーク放電で加熱する。加熱時の放電電流と放電時間を変化させることにより、テーパ長Ｌを５０μｍ〜１ｍｍの間で変化させることができる。アーク放電を用いると、テーパ部分よりも端の側に約５００μｍの充実領域１５が形成される。この充実領域１５を５０μｍ残して、ファイバカッターにより切断する。
（２）ＰＣＦ１０の端部周辺の被覆を除去し、セラミックヒータで加熱する。加熱時の温度と加熱時間を変化させることにより、テーパ長Ｌを１ｍｍ〜５ｍｍの間で変化させることができる。
＜ＮＡの測定＞
ファーフィールドパターン法を用いて、光の強度分布の最大値から５％の値となる角度をθとし、ＮＡ＝ｓｉｎθで求めた。

上記方法にて表２の実施例１〜３、比較例１のＰＣＦを作製した。

上記実施例１〜３、比較例１のＰＣＦについて、入射端および出射端のＮＡを測定した。その結果を表３に示す。

実施例１〜３、比較例１のＰＣＦのＮＡは、前記シミュレーションと比較的良い一致を示している。なお、比較例１の出斜端におけるＮＡは、実施例１〜３の出斜端におけるＮＡに比べ大きくなっており、テーパ長Ｌは２００μｍ以上であることが好ましいことがわかった。

本発明のＰＣＦ１０は、レンズを用いることなく出射端１０ｂにおけるＮＡを小さくすることができ、ビーム径を絞ることができるため、レーザ加工機用のレーザガイドに用いると、部品点数を削減することが可能となる。また、レンズを用いる場合には、その絞りが小さくて済むために、レンズ設計上の制約を小さくすることができる。

また、本発明のＰＣＦ１０は、ＮＡの大きな光ファイバとＮＡの小さな光ファイバを接続し、ＮＡの大きなファイバからＮＡの小さな光ファイバに向かって光を伝播させる場合に、その間に挿入することで、接続ロスを低減する目的にも好適に使用し得る。すなわち、ＮＡの大きなファイバから出射される光を本発明のＰＣＦ１０に一端入射させると、出射端１０ｂではＮＡが小さくなって、被接続光ファイバであるＮＡの小さな光ファイバとのＭＦＤのマッチングが良くなるためである。従来、このような目的には複数のレンズを組み合わせてなるコリメータが用いられているが、本発明のＰＣＦは極めて単純な構造ながら、このような光学部品と同様の効果を得ることができる。

本発明は、レーザ加工機用レーザガイド、コリメータ光学部品等として有用である。

本発明の実施の形態におけるＰＣＦの断面図 本発明の実施の形態におけるＰＣＦの横断面図 本発明の実施の形態におけるＰＣＦの部分拡大断面図 本発明のシミュレーションにおける細孔のテーパ形状を示す図 本発明のシミュレーションにおけるテーパ長ＬとＮＡの関係を示すグラフ 本発明のシミュレーションにおけるテーパ長ＬとＮＡの関係を示すグラフ 本発明のシミュレーションにおけるテーパ長ＬとＮＡの関係を示すグラフ

符号の説明

１０ ＰＣＦ
１０ａ 入射端
１０ｂ 出射端
１１ コア
１２ クラッド
１３ 細孔
１４ テーパ部
１５ 充実領域

Claims (12)

1. ファイバ中心軸方向に延びる中実状に形成されたコアと、該コアの周囲を覆うように設けられ、上記ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔がファイバ横断面において六方格子状に配列された多孔部を有するクラッドとを備え、伝送される光が出射される端部の近傍に、２００μｍ以上に渡って上記細孔の孔径が上記端部に向かってテーパ状に小さくなるように形成されたテーパ部が設けられてなるフォトニッククリスタルファイバ。
2. 前記細孔が前記コアの周囲を３層以上に取り囲んでいることを特徴とする請求項１に記載のフォトニッククリスタルファイバ。
3. シングルモード伝送型であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフォトニッククリスタルファイバ。
4. 前記テーパ部のテーパ長が４００μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバ。
5. 前記テーパ部のテーパ長が６００μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバ。
6. 伝送される光が出射される前記出射端と、前記テーパ部の前記出射端側におけるテーパ端との間に、前記細孔が存在しない充実領域が形成されており、前記充実領域の長さｔが、
   

   

   を満たすことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバ。
7. 入射側のＮＡをＮＡ_１、出射側のＮＡをＮＡ_２とすると、ＮＡ_１＞０．１かつＮＡ_２＜０．１の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバ。
8. 入射側のＮＡをＮＡ_１、出射側のＮＡをＮＡ_２とすると、ＮＡ_１＞０．１５かつＮＡ_２＜０．１５の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバ。
9. 入射側のＮＡをＮＡ_１、出射側のＮＡをＮＡ_２とすると、ＮＡ_１＞２×ＮＡ_２の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバ。
10. 石英ガラスからなり、１０ｐｐｍ以上のヒドロキシル基および／または重量濃度が０．２％以上のフッ素を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバ。
11. 前記コアの直径を１０μｍ以上としたことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバ。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバを備えたレーザ加工機。

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