JP2006305580A - Method for cutting-off wire material, and method for re-forming end face of wire material - Google Patents

Method for cutting-off wire material, and method for re-forming end face of wire material Download PDF

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JP2006305580A JP2005128183A JP2005128183A JP2006305580A JP 2006305580 A JP2006305580 A JP 2006305580A JP 2005128183 A JP2005128183 A JP 2005128183A JP 2005128183 A JP2005128183 A JP 2005128183A JP 2006305580 A JP2006305580 A JP 2006305580A
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Masafumi Okuno
雅史 奥野
Hiroshi Tsugita
浩 次田
Akira Watabe
明 渡部
Satomi Sumiyoshi
哲実 住吉
Minoru Yoshida
実 吉田
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HIKARI PHYSICS KENKYUSHO KK
Kinki University
Cyber Laser Inc
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HIKARI PHYSICS KENKYUSHO KK
Kinki University
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a flat end face of the cut-off end face produced by cutting-off a wire material, such as photonic crystal fiber (PCF), and further to achieve an excellent optical property by preventing polishing abrasive grains from intruding into pores exposed on the end face. <P>SOLUTION: The wire material is cut off along a locus of a machining spot caused by a converged light point by forming the converged light point of a femto second laser beam on the surface portion or the inside of the wire material, such as PCF, along a required scanning path. Further, the end face of the wire material is smoothed by irradiating the end face with the femto second laser beam. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本願発明は、レーザビームを照射して線材の軸方向に対して垂直または斜めの方向に当該線材を切断する切断方法、並びに線材の端面整形方法に係り、特にフォトニッククリスタルファイバ(PCF)等の光ファイバの切断方法並びに端面整形方法に関する。ここで、線材とは、光ファイバ等のケ−ブル状のモノや、棒状のモノ等、細長い素材を広く表す用語として用いるものとする。   The present invention relates to a cutting method for irradiating a laser beam to cut the wire in a direction perpendicular or oblique to the axial direction of the wire, and a method for shaping the end face of the wire, and in particular, a photonic crystal fiber (PCF), etc. The present invention relates to an optical fiber cutting method and an end face shaping method. Here, the term “wire material” is used as a term that widely expresses a long and narrow material such as a cable-shaped object such as an optical fiber or a rod-shaped object.

従来の光ファイバはコア・クラッド構造を有していて、その伝播原理は全反射であった。近年、当該原理と異なる原理に基づいて光を伝播する光ファイバの研究が盛んに為されている。フォトニッククリスタルファイバ(PCF)と呼ばれる光ファイバでは、フォトニック結晶の原理が光ファイバに応用されている。PCFは周期的な空孔を有し、一般的には純粋なガラスのみから形成される。PCFは2種類あり、空孔によりクラッド部の等価屈折率が低下したことにより従来と同じ全反射により光が伝播するものと、フォトニック結晶と同じく空孔の周期性に起因するフォトニックバンドギャップ(PBG)により光が伝播するものとがある。後者を、フォトニックバンドギャップ(PBG)型光ファイバと呼ぶことがある。PBG−PCFは全反射を用いていないため、種々の点で従来の光ファイバの制限を受けなくなる。例えば、反射角が全反射条件を満たす必要がないため急峻な曲げが可能で、高密度な光配線に用いることが可能となる。また、コア自身が空孔(ホローコア)である光ファイバを実現できる。さらに、全反射を利用したPCFでも、従来の光ファイバでは実現できなかった伝播特性が得られる。例えば、広波長帯域での単一モード化、単一モードかつ大きな断面積、大きな波長分散、大きな比屈折率、並びに高非線形性等の特性を得ることが可能となる。なお、PCFはマイクロ構造光ファイバまたはホーリーファイバと呼ばれることもある。   Conventional optical fibers have a core-cladding structure, and the propagation principle is total reflection. In recent years, research on optical fibers that propagate light based on a principle different from the principle has been actively conducted. In an optical fiber called a photonic crystal fiber (PCF), the principle of a photonic crystal is applied to an optical fiber. PCF has periodic vacancies and is generally formed from pure glass only. There are two types of PCFs: one that propagates light by the same total reflection as before due to the decrease in the equivalent refractive index of the cladding due to holes, and the photonic band gap that results from the periodicity of holes as in the photonic crystal Some (PBG) light propagates. The latter may be referred to as a photonic band gap (PBG) type optical fiber. Since PBG-PCF does not use total reflection, it is not subject to the limitations of conventional optical fibers at various points. For example, since the reflection angle does not need to satisfy the total reflection condition, it can be bent sharply and can be used for high-density optical wiring. Also, an optical fiber in which the core itself is a hole (hollow core) can be realized. Furthermore, even with PCF using total reflection, propagation characteristics that cannot be realized with conventional optical fibers can be obtained. For example, it is possible to obtain characteristics such as a single mode in a wide wavelength band, a single mode and a large cross-sectional area, a large chromatic dispersion, a large relative refractive index, and a high nonlinearity. PCF may also be referred to as a microstructured optical fiber or holey fiber.

これらのPCFは、単純なコアとクラッドとから構成される従来型の光ファイバとは異なる。材料分散特性に支配されない光伝送特性を得るために、ファイバの中心付近に周期的な構造分散を構築することで、伝送特性の設計の自由度を高めた光ファイバが得られる。このような特徴を有することから、近年、PCFの開発が盛んに行われている。構造的に、PCFはコアの周囲に、同心円状に複数の穴を配置した構造を有している。穴の位置、寸法、数等を適宜変更することで、伝送特性を制御することが可能となる。このように、従来の光ファイバに比べて、伝送する光を制御する点では優れているが、ファイバの切断が容易ではないという欠点を有している。従来のファイバは、単に切断すればよく、専用のカッター(クリーバとも呼ぶ)も製造されている。しかし、PCF、PBGは、中空部分を備えた構造を有するために、従来の切断方法では、端面をきれいな状態とする切断作業は容易でないことが知られている。さらに、従来の光ファイバでは、ファイバ端面の反射を防ぐために端面を斜め(一般的に8度)に形成する場合には、研磨加工という手法で対応することが可能であった。しかし、ホーリーファイバでは、研磨剤が穴に侵入するために、基本的には研磨による加工方法を採用するのが困難であり、斜めにホーリーファイバを切断する装置は存在しなかった。また、ファイバ径は多様になり、特に大口径ファイバとなった場合や穴の数が多い場合に平滑な切断面を形成する切断が困難となる。さらに、口径の小さなファイバ(ファイバ径60μm以下程度)についても、従来技術では切断が極めて困難であった。
These PCFs are different from conventional optical fibers composed of a simple core and cladding. In order to obtain an optical transmission characteristic that is not governed by the material dispersion characteristic, an optical fiber having a higher degree of freedom in designing the transmission characteristic can be obtained by constructing a periodic structural dispersion near the center of the fiber. In recent years, PCF has been actively developed because of such characteristics. Structurally, the PCF has a structure in which a plurality of holes are concentrically arranged around the core. The transmission characteristics can be controlled by appropriately changing the position, size, number, etc. of the holes. As described above, it is superior to the conventional optical fiber in controlling the light to be transmitted, but has a drawback that the fiber is not easily cut. A conventional fiber may be simply cut, and a dedicated cutter (also called a cleaver) is also manufactured. However, since PCF and PBG have a structure with a hollow portion, it is known that the cutting operation to clean the end face is not easy with the conventional cutting method. Further, in the conventional optical fiber, when the end surface is formed obliquely (generally 8 degrees) in order to prevent reflection of the fiber end surface, it is possible to cope with a technique called polishing. However, in the holey fiber, since the abrasive enters the hole, it is basically difficult to adopt a processing method by polishing, and there is no device for cutting the holey fiber obliquely. In addition, the fiber diameters are diversified. In particular, when a large-diameter fiber is formed or when the number of holes is large, it becomes difficult to cut to form a smooth cut surface. Furthermore, it is very difficult to cut a fiber having a small diameter (fiber diameter of about 60 μm or less) by the conventional technique.

現在実施されているホーリーファイバの切断方法では、従来の光ファイバと同様の切断方法が採られている。この方法では、曲げ、引張り等の機械的外力を加えて応力歪を発生させ、応力歪発生領域の一部に刃物を用いて切開又は切除による加工痕を形成し、当該加工痕を起点にしてクラックを伝播させ、破断することにより切断する。   Currently used holey fiber cutting methods employ the same cutting method as conventional optical fibers. In this method, a mechanical strain such as bending and tension is applied to generate stress strain, and a processing trace is formed by cutting or excision using a blade in a part of the stress strain generation region. The crack is propagated and cut by breaking.

また、良好な品質の光ファイバを製造するとともに、切削、研磨等の作業を効率的に実施するために、光ファイバを安定的に保持して切断並びに切断端面の研磨を実施する方法も提案されている。例えば、特開2004−142016号公報に記載されている発明では、回転ブレ−ドをスピンドルに搭載して、固定された光ファイバの軸方向に角度を付けて相対的に走査して切断、研磨を行う。   In addition, in order to manufacture an optical fiber of good quality and efficiently perform operations such as cutting and polishing, a method of holding the optical fiber stably and performing cutting and polishing of the cut end face has also been proposed. ing. For example, in the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-142016, a rotating blade is mounted on a spindle, and an angle is formed in the axial direction of a fixed optical fiber, which is relatively scanned and cut and polished. I do.

特開2004−142016号公報JP 2004-142016 A 特開2003−313045号公報JP 2003-313045 A 実用新案登録第3015852号公報Utility Model Registration No. 3015852

上記の加工痕を起点にしてへき開破壊を実施して破断する方法では、ホーリーファイバのようにコアの周辺部分に多くの空孔がある場合には、空孔の端にバリやヒダ状の凹凸が残るとともに、端面が一様な面内で分割されず不揃いの端面が形成されるという課題があった。また、光ファイバを固定して回転ブレ−ドを用いて切断及び研磨を実施する方法では、端面に表出する空孔に研磨用砥粒が侵入して端面近傍の光学特性の劣化を招くという課題があった。   In the method of cleaving by carrying out cleavage fracture starting from the above-mentioned processing mark, if there are many holes in the peripheral part of the core like holey fiber, burrs and pleats on the edge of the hole In addition, there is a problem that the end face is not divided in a uniform plane and an irregular end face is formed. Further, in the method of cutting and polishing using a rotating blade while fixing the optical fiber, the abrasive grains enter the vacancies exposed on the end face, leading to deterioration of the optical characteristics in the vicinity of the end face. There was a problem.

本願発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、線材の切断により生成される切断端面について、光学面等に関して良好な特性を得ることを可能とする線材の切断方法並びに線材の端面整形方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is possible to obtain a good characteristic with respect to an optical surface and the like for a cutting end surface generated by cutting a wire, and an end surface of the wire. An object is to provide a shaping method.

上記の技術的課題を解決するために、本願発明によれば、フェムト秒レーザのレーザビームを照射して、所定の走査経路に沿ってレーザビームの集光点を線材の表面部または内部に形成して線材を切断する。また、線材内にある所定の断面上に設定される走査経路に沿って透過性波長を有するレーザビームの集光点を移動することで、当該断面に沿って線材を切断する。さらに、屈折率整合媒体内に線材を設置した状態で、屈折率整合媒体外からレーザビームを照射して線材を切断する。   In order to solve the above technical problem, according to the present invention, a laser beam of a femtosecond laser is irradiated, and a condensing point of the laser beam is formed on the surface portion or inside of the wire along a predetermined scanning path. And cut the wire. In addition, by moving a condensing point of a laser beam having a transmission wavelength along a scanning path set on a predetermined cross section in the wire, the wire is cut along the cross section. Further, the wire is cut by irradiating a laser beam from the outside of the refractive index matching medium in a state where the wire is installed in the refractive index matching medium.

本願発明によれば、線材の端面に対して、フェムト秒レーザのレーザビームを照射することで、端面を平坦化する。また、端面に照射するレーザビームのビーム分布強度を均一化する。さらに、レーザビームの照射される端面に対して加工促進ガスを作用させる。   According to the present invention, the end face is flattened by irradiating the end face of the wire with a laser beam of a femtosecond laser. Further, the beam distribution intensity of the laser beam applied to the end face is made uniform. Further, a processing promoting gas is applied to the end face irradiated with the laser beam.

本願発明による切断方法によれば、フェムト秒レーザを照射して線材を切断するように構成したので、多光子吸収現象に基づくエネルギ吸収により改質領域が形成され、レーザビームの走査経路に沿って形成される改質領域が延びる方向に線材を切断することができるから、加工軌跡に沿って平坦な切断面が形成される。また、砥粒を使用しないで平坦な切断面を得ることができるので、PCF等の線材の端面に表出する空孔に研磨用砥粒が侵入することがない。これにより、切断端面近傍の領域において良好な光学特性を得ることができるという効果を奏する。   According to the cutting method of the present invention, since the wire is cut by irradiating the femtosecond laser, the modified region is formed by energy absorption based on the multiphoton absorption phenomenon, and along the scanning path of the laser beam. Since the wire can be cut in the direction in which the modified region to be formed extends, a flat cut surface is formed along the processing locus. In addition, since a flat cut surface can be obtained without using abrasive grains, the abrasive grains for polishing do not enter the pores exposed on the end face of a wire such as PCF. Thereby, there is an effect that good optical characteristics can be obtained in a region in the vicinity of the cut end face.

本願発明による切断方法によれば、透明材料を用いた線材におけるレーザビームの多光子吸収を利用して、集光点の位置を線材内の所定の断面上に設定される走査経路に沿って移動し、当該断面に沿って線材を切断するように構成したので、上記と同様の効果が得られるとともに、レーザビームの照射位置に対してPCF等の線材を相対的に回転させることなく線材を切断することもでき、線材の切断装置の構造を簡略化することができるという効果を奏する。   According to the cutting method of the present invention, the position of the condensing point is moved along a scanning path set on a predetermined cross section in the wire by using multiphoton absorption of the laser beam in the wire using the transparent material. Since the wire is cut along the cross section, the same effect as described above can be obtained, and the wire can be cut without rotating the wire such as PCF relative to the irradiation position of the laser beam. It is also possible to achieve the effect that the structure of the wire cutting device can be simplified.

本願発明による切断方法によれば、線材の軸の垂直方向に対して任意の角度を有する断面上におおよそ集光点が形成されるようにレーザビームを照射する構成としたので、傾斜端面を切断工程のみで形成することができ、加工時間の短縮が可能になるという効果を奏する。また、屈折率整合媒体内に線材を設置した状態でレーザ光線を照射するように構成したので、入射レーザビームの線材表面での屈折率が異なることに起因する焦点のピンボケを防止して集光点におけるパワー密度の低下を防止できるから、レーザビーム照射光学系の簡素化並びに加工位置精度の向上を実現できるという効果を奏する。   According to the cutting method of the present invention, since the laser beam is irradiated so that the condensing point is formed on a cross section having an arbitrary angle with respect to the vertical direction of the axis of the wire, the inclined end face is cut. It can be formed only by the process, and the processing time can be shortened. In addition, since it is configured to irradiate the laser beam with the wire placed in the refractive index matching medium, it is possible to prevent focusing out of focus due to the difference in the refractive index of the incident laser beam on the wire surface. Since it is possible to prevent the power density from being lowered at the point, the laser beam irradiation optical system can be simplified and the processing position accuracy can be improved.

本願発明による端面整形方法によれば、フェムト秒レーザのレーザビームを端面に照射するように構成したので、多光子吸収による凸部加工速度が高められて端面が平坦化されるから、PCF等の研磨加工が困難な線材の端面を平坦化することが可能になるという効果を奏する。ここで、レーザビームのビーム分布強度を均一化することにより、あるいはレーザビームが照射される端面に対して加工促進ガスを作用させることで、加工効率を向上することができる。   According to the end face shaping method according to the present invention, since the end face is irradiated with the laser beam of the femtosecond laser, the convex part processing speed by multiphoton absorption is increased and the end face is flattened. There is an effect that it is possible to flatten the end face of the wire which is difficult to polish. Here, the processing efficiency can be improved by making the beam distribution intensity of the laser beam uniform, or by applying a processing promoting gas to the end face irradiated with the laser beam.

以下、本発明に従って構成されたPCF切断方法並びに端面整形方法の好適な実施形態を添付図面を参照して、更に詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of a PCF cutting method and an end face shaping method configured according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、フェムト秒レーザを用いたPCFの加工方法を実施するための構成の例を示す図である。フェムト秒レーザ発振器1は、パルス幅が10〜500フェムト秒(fs)にある短パルスのレーザビームを出力する。これをミラーなどのビーム伝送光学系2を用いて出力ビーム3を導き、必要に応じてパルス幅の補正用の分散補償光学系4を通して、その出力ビーム5を集光光学系6に入射させる。集光光学系6は、入射されたレーザビーム5から収束ビーム7を生成し、収束ビーム7を加工対象であるホーリーファイバ等の光ファイバ8に照射して、加工痕9を形成する。   FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration for carrying out a PCF processing method using a femtosecond laser. The femtosecond laser oscillator 1 outputs a short pulse laser beam having a pulse width of 10 to 500 femtoseconds (fs). The output beam 3 is guided by using a beam transmission optical system 2 such as a mirror, and the output beam 5 is incident on the condensing optical system 6 through a dispersion compensation optical system 4 for correcting the pulse width as necessary. The condensing optical system 6 generates a convergent beam 7 from the incident laser beam 5, and irradiates the converged beam 7 to an optical fiber 8 such as a holey fiber to be processed to form a processing mark 9.

加工装置の基礎台15には、制御部17から出力される制御信号16に応じてX方向13において所定の距離だけ移動するXステージ12と制御信号16に応じてY方向11において所定の距離だけ移動するYステージ10とから成るXYステージが載置されている。加工対象物であるPCFは、XYステージに取り付けられてXY面内で移動可能であるとともに、必要であれば回転手段の動作を受けてファイバの軸周りに回転可能となっている。制御部17は、PCFに形成される加工痕がPCF上あるいはPCF内で所定の軌跡を描くように、XYステージ、並びに必要であれば回転手段を駆動させる制御信号を出力する。制御部17は、一方で、PCFの移動に同期して、所望のエネルギを有するフェムト秒レーザを加工部位に照射するように、フェムト秒レーザ発振器1に制御信号18を出力して、フェムト秒レーザの発振ないしは照射の開始、停止等を制御する。符号Aは、幾つかのホーリーファイバの断面の例を示している。光ファイバの断面に蓮根状の空孔が多数設けられていることで、屈折率分布ないしはフォトニックバンドギャップを形成している。このような空孔を有するガラス体に対して非接触でフェムト秒レーザパルスを照射して、透明材料であるPCFに多光子吸収現象に基づくエネルギ吸収を引き起こさせて加工を実施する。また、図1では示していないが、XY平面に垂直なZ軸方向の移動も考慮する必要がある。単純に光ファイバ8を移動しても良いが、集光光学系6を制御して移動することも可能である。これを行うことにより3次元的に微細な加工が可能となる。このようにすることで、ホーリーファイバ端面を平面に加工するだけではなく、ある曲率をもって局面を形成することができ、光ファイバ端面にレンズを形成することが可能となる。そうすると、通常、光ファイバ端面から出射された光は、別途結合系のレンズを用いて、別光学部品に光を結合するが、このレンズつきホーリーファイバ端面を設けることで、この別途レンズが不要となる。   The base 15 of the processing apparatus has an X stage 12 that moves by a predetermined distance in the X direction 13 according to a control signal 16 output from the control unit 17 and a predetermined distance in the Y direction 11 according to the control signal 16. An XY stage composed of a moving Y stage 10 is placed. The PCF, which is the object to be processed, is attached to the XY stage and can move in the XY plane, and can be rotated around the fiber axis by receiving the operation of the rotating means if necessary. The control unit 17 outputs a control signal for driving the XY stage and, if necessary, the rotating means so that the processing trace formed on the PCF draws a predetermined locus on the PCF or in the PCF. On the other hand, the control unit 17 outputs a control signal 18 to the femtosecond laser oscillator 1 so as to irradiate the processing site with the femtosecond laser having a desired energy in synchronization with the movement of the PCF. Controls oscillation start or stop of irradiation. Reference numeral A shows examples of cross sections of several holey fibers. A large number of lotus-like holes are provided in the cross section of the optical fiber, thereby forming a refractive index distribution or a photonic band gap. A femtosecond laser pulse is irradiated in a non-contact manner on a glass body having such holes to cause the PCF, which is a transparent material, to absorb energy based on a multiphoton absorption phenomenon, thereby performing processing. Although not shown in FIG. 1, it is necessary to consider the movement in the Z-axis direction perpendicular to the XY plane. The optical fiber 8 may be simply moved, but it is also possible to move by controlling the condensing optical system 6. By doing this, three-dimensionally fine processing becomes possible. By doing so, it is possible not only to process the end face of the holey fiber into a flat surface, but also to form a phase with a certain curvature and to form a lens on the end face of the optical fiber. Then, normally, the light emitted from the end face of the optical fiber is coupled to another optical component using a separate coupling lens. However, by providing the end face with the holey fiber with this lens, this extra lens is unnecessary. Become.

図2は、PCFを分割する際の加工軌跡を示す図である。ここでは、PCF21を軸方向に対して垂直な方向に切断して上部22と下部23とに分割する例、並びにPCF21を軸方向に対して斜めの方向に切断して上部25と下部26とに分割する例について示す。PCF21を光軸に対して垂直な方向に切断する場合には、破線24に示される経路に沿うようにレーザビームを走査して、外部から透明な光ファイバ21の表面部または内部に向けて短パルスのレーザビームを照射する。また、PCF21を光軸に対して斜めな方向に切断する場合には、例えば破線27に示される経路に沿うようにレーザビームを走査する。   FIG. 2 is a diagram illustrating a processing locus when the PCF is divided. Here, the PCF 21 is cut in a direction perpendicular to the axial direction and divided into an upper part 22 and a lower part 23, and the PCF 21 is cut in an oblique direction with respect to the axial direction to be divided into an upper part 25 and a lower part 26. An example of division will be described. When the PCF 21 is cut in a direction perpendicular to the optical axis, the laser beam is scanned along the path indicated by the broken line 24 so as to be short from the outside toward the surface portion or the inside of the transparent optical fiber 21. Irradiate a pulsed laser beam. Further, when the PCF 21 is cut in a direction oblique to the optical axis, the laser beam is scanned along a path indicated by a broken line 27, for example.

PCFのファイバ直径が太い場合には、外周面上に所定の加工痕を形成するように設定される走査経路に沿うように外側から光ファイバの表面部または内部にレーザビームを照射する必要があるため、ファイバを回転させるか、あるいはレーザビームの照射位置を光ファイバ周りに回転させる。走査経路に沿ってレーザビームを光ファイバの表面部あるいは内部に集光することで、破線24または破線27に示されるような加工軌跡に沿って光ファイバを分割することができる。   When the fiber diameter of the PCF is thick, it is necessary to irradiate the surface or the inside of the optical fiber from the outside along the scanning path set so as to form a predetermined processing mark on the outer peripheral surface. Therefore, the fiber is rotated or the irradiation position of the laser beam is rotated around the optical fiber. By focusing the laser beam on the surface or inside of the optical fiber along the scanning path, it is possible to divide the optical fiber along the processing locus as shown by the broken line 24 or the broken line 27.

光ファイバの表面部にレーザビームを集光した場合、レーザビームの波長が吸収性波長である場合には、主に熱吸収を生じさせて溶融作用による加工溝または変質作用による改質領域が形成される。また、レーザビームの波長が透過性波長である場合には、主に多光子吸収を生じさせて変質作用による改質領域が形成される。光ファイバの内部にレーザビームを集光すると、この多光子吸収が生じて改質領域が形成される。レーザビームが集光された部位には、圧縮応力が作用するとともにその周辺領域には引張り応力が作用して熱応力による残留応力が発生する。この応力発生領域では、容易にクラックが伝播して、光ファイバが分割される。   When the laser beam is focused on the surface of the optical fiber, if the wavelength of the laser beam is an absorptive wavelength, heat absorption is mainly generated to form a processed groove due to melting action or a modified region due to alteration action Is done. Further, when the wavelength of the laser beam is a transmissive wavelength, multi-photon absorption is mainly generated to form a modified region due to the alteration action. When the laser beam is focused inside the optical fiber, this multiphoton absorption occurs and a modified region is formed. A compressive stress is applied to a portion where the laser beam is focused, and a tensile stress is applied to the peripheral region to generate a residual stress due to thermal stress. In this stress generation region, cracks easily propagate and the optical fiber is divided.

上記のように、従来の方法では光ファイバの表面の一部に加工痕を形成して当該加工痕を起点にしてへき開破壊を発生させて光ファイバを分割していたのと比較すると、本願発明では走査経路に沿ってフェムト秒レーザを照射して、これにより形成された加工痕の軌跡に沿って光ファイバを分割することが可能となった。加工軌跡に沿って分割できることで、破線27に示されるように光ファイバの光軸に対して垂直な面から傾斜する面上に設定された走査経路に沿ってレーザビームを照射することで、PCFにおいて傾斜した切断端面を形成することが可能となった。また、傾斜端面の形成については、従来の方法ではへき開破壊により分割した後に砥粒研磨を用いて光ファイバを傾斜方向に研磨していたのと比較すると、本願発明ではフェムト秒レーザを照射することでそのまま傾斜端面を形成できるので、加工時間を短縮することが可能となった。   As described above, in the conventional method, compared with the case where the optical fiber is divided by forming a processing trace on a part of the surface of the optical fiber and generating the cleavage fracture starting from the processing trace, the present invention Then, it became possible to divide the optical fiber along the trajectory of the processing mark formed by irradiating the femtosecond laser along the scanning path. Since the laser beam can be divided along the processing locus, the PCF is irradiated with a laser beam along a scanning path set on a plane inclined from a plane perpendicular to the optical axis of the optical fiber as indicated by a broken line 27. It became possible to form a cut end face inclined at. In addition, regarding the formation of the inclined end face, the present invention irradiates the femtosecond laser in comparison with the conventional method in which the optical fiber is polished in the inclined direction using abrasive polishing after being divided by cleavage fracture. Since the inclined end face can be formed as it is, the processing time can be shortened.

本願発明はレーザビームを照射してPCF等の線材を分割するので、端面に表出する空孔に侵入する砥粒に係る対策が不要となる。したがって、PCFに限らず、切断した際に得られる切断端面の形態が問題となって加工するのが困難となっていた多くの素材に対して本願発明を適用することが可能である。   In the present invention, since the laser beam is irradiated to divide the wire such as PCF, a measure relating to the abrasive grains entering the vacancies appearing on the end face becomes unnecessary. Therefore, the present invention can be applied not only to the PCF but also to many materials that have been difficult to process due to the problem of the shape of the cut end face obtained when cutting.

フェムト秒レーザを用いれば、照射するレーザビームの波長に対して透明である光学材料に対しても、多光子吸収に基づく改質領域の形成により、光ファイバの内部にまで加工部を形成することが可能である。したがって、光ファイバに対してレーザビームの照射位置を相対的に外周方向に沿って回転させなくても、集光光学系を調整して光ファイバの表面部および内部において収束ビームの集光点の位置を適宜移動させることで、光ファイバを切断することが可能である。すなわち、集光光学系を制御して、集光点の位置を光ファイバ内の所定の断面上に適宜設定された走査経路に沿って移動させることで、残留応力の発生する改質領域を面内に形成して、当該断面に沿って光ファイバを切断することができる。   If a femtosecond laser is used, a processed part can be formed even inside an optical fiber by forming a modified region based on multiphoton absorption even for optical materials that are transparent to the wavelength of the laser beam to be irradiated. Is possible. Therefore, even if the irradiation position of the laser beam is not relatively rotated with respect to the optical fiber along the outer circumferential direction, the condensing optical system is adjusted to adjust the converging point of the convergent beam on the surface and inside of the optical fiber. The optical fiber can be cut by appropriately moving the position. That is, by controlling the condensing optical system and moving the position of the condensing point along a scanning path appropriately set on a predetermined cross section in the optical fiber, the modified region where the residual stress occurs is surfaced. The optical fiber can be cut along the cross section.

光ファイバの外周面は円筒面状であるので、内部に微細な集光点を形成するためには、レーザビームの入射面が曲面であることを考慮に入れて集光光学系を構成することが必要になる場合がある。この場合には、光ファイバの光軸方向と直交する方向の収束度を補正する。また、レーザビームの照射側で補正をしない場合には、屈折率の整合された透明液体等に光ファイバを浸すことで入射面を平坦面にして、透明液体を介して集光ビームを照射する方法も有効である。また、空孔内部に屈折率の整合された透明液体を含浸させることにより、穴によるレンズ効果やレーザビームの反射などの散乱を解消することができ、光ファイバの中心付近までフェムト秒レーザを到達させることが可能となる。含浸された液体は、加工終了後に乾燥または洗浄することで、光学的信頼性に問題のない程度まで除去する。これによって、光ファイバ内部に形成するレーザ集光点におけるパワー密度の低下を防止できるので、レーザビーム照射光学系の簡素化と加工能率の向上、加工位置精度の向上が図れる。   Since the outer peripheral surface of the optical fiber is cylindrical, in order to form a fine condensing point inside, the condensing optical system should be constructed taking into consideration that the incident surface of the laser beam is a curved surface. May be required. In this case, the convergence degree in the direction orthogonal to the optical axis direction of the optical fiber is corrected. When correction is not performed on the laser beam irradiation side, the incident surface is flattened by immersing the optical fiber in a transparent liquid having a matched refractive index, and the condensed beam is irradiated through the transparent liquid. The method is also effective. Also, by impregnating the hole with a transparent liquid whose refractive index is matched, scattering such as lens effect and laser beam reflection due to the hole can be eliminated, and the femtosecond laser reaches the center of the optical fiber. It becomes possible to make it. The impregnated liquid is removed to the extent that there is no problem in optical reliability by drying or washing after completion of processing. As a result, it is possible to prevent a reduction in power density at the laser condensing point formed inside the optical fiber, so that the laser beam irradiation optical system can be simplified, the processing efficiency can be improved, and the processing position accuracy can be improved.

PCFには空孔が多数含まれているので、空間的に不均一性が存在する。PCFに対して多光子吸収を生じさせる波長を用いてレーザビーム照射による切断を実施したとしても、平坦さに欠ける切断端面が形成される場合がある。このような場合には、分割加工を実施した後に、切断端面にフェムト秒レーザパルスを照射することで、端面を平坦化することが可能である。   Since PCF contains many holes, spatial nonuniformity exists. Even when cutting by laser beam irradiation is performed using a wavelength that causes multiphoton absorption in PCF, a cut end face that is not flat may be formed. In such a case, it is possible to flatten the end face by irradiating the cut end face with a femtosecond laser pulse after performing the dividing process.

図3は、PCFの端面をフェムト秒レーザを照射して平坦化する端面整形方法を示す図である。この方法では、フェムト秒レーザ30の断面内強度分布を周知のビーム強度均一化光学系を用いて均一化分布36を有するレーザビームに変換した後に、光ファイバの端面34に対して垂直方向31または斜めにレーザビームを照射する。照射エリア32におけるレーザビームの集光パワー密度を適切なレベルに設定して、光ファイバ33の端面34と照射ビーム30との相対的な走査を端面34に平行な面内(XY)35で行うと、光ファイバの端面34上に形成されている凸部の加工が凹部の加工よりも高速に進行するので、照射時間が経過するのに応じて加工端面34が平坦化される。これにより、PCFファイバの切断端面のように不均一な表面形態を有する端面についても、フェムト秒レーザを用いることで、表面を平坦化させることが可能となる。   FIG. 3 is a diagram showing an end face shaping method for flattening the end face of the PCF by irradiating a femtosecond laser. In this method, after the intensity distribution in the cross section of the femtosecond laser 30 is converted into a laser beam having a uniformization distribution 36 using a known beam intensity homogenization optical system, the vertical direction 31 or the optical fiber end face 34 or The laser beam is irradiated obliquely. The condensing power density of the laser beam in the irradiation area 32 is set to an appropriate level, and the relative scanning of the end face 34 of the optical fiber 33 and the irradiation beam 30 is performed in an in-plane (XY) 35 parallel to the end face 34. Then, since the processing of the convex portion formed on the end face 34 of the optical fiber proceeds faster than the processing of the concave portion, the processing end surface 34 is flattened as the irradiation time elapses. Thereby, even for an end face having a non-uniform surface shape such as a cut end face of the PCF fiber, the surface can be flattened by using the femtosecond laser.

また、レーザビーム照射による表面平坦化の加工速度を高めるために、光ファイバ端面近傍に加工促進ガスを補助ガスとして噴射させるか、あるいは雰囲気ガスを形成するのが好適である。なお、上記の端面整形方法は、PCFの端面整形における使用に限定されるものではなく、加工痕を起点としてへき開破壊により形成された端面の整形等、線材端面の整形に広く適用できるものである。   In order to increase the processing speed of surface flattening by laser beam irradiation, it is preferable to inject a processing promoting gas as an auxiliary gas in the vicinity of the end face of the optical fiber or to form an atmospheric gas. The end face shaping method described above is not limited to use in PCF end face shaping, but can be widely applied to shaping of the end face of a wire, such as shaping of an end face formed by cleavage fracture starting from a processing mark. .

PCFは、光通信用の部品、GaAs,Si(800nm領域)デバイスでの高速伝送、可視光領域での高速ソリトン伝送、さまざまな帯域での分散マネージメント、光パルス圧縮、フォトニックス結晶などの超小型デバイスとの結合、ワイヤリング、白色光発生、光周波数標準、非線形光ファイバデバイス、光パワー伝送、空気コアによる低い分散素子等への用途が期待されている。本願発明の適用例としては、PCFの切断並びに端面整形に限定されるものではなく、通常の光ファイバ等の透明線材の切断並びに端面整形に広く適用できるものである。   PCFs are ultra-compact parts such as optical communication parts, high-speed transmission in GaAs and Si (800 nm region) devices, high-speed soliton transmission in the visible light region, dispersion management in various bands, optical pulse compression, and photonics crystals. Applications are expected for coupling to devices, wiring, white light generation, optical frequency standards, nonlinear optical fiber devices, optical power transmission, low dispersion elements with air cores, and the like. Application examples of the present invention are not limited to PCF cutting and end face shaping, but can be widely applied to cutting and end face shaping of transparent wires such as ordinary optical fibers.

フェムト秒レーザを用いたPCFの加工方法を実施するための構成の例を示す図。The figure which shows the example of a structure for enforcing the processing method of PCF using a femtosecond laser. PCFを分割する際の加工軌跡を示す図。The figure which shows the process locus at the time of dividing | segmenting PCF. PCFの端面をフェムト秒レーザを照射して平坦化する端面整形方法を示す図。The figure which shows the end surface shaping method which irradiates and planarizes the end surface of PCF by femtosecond laser.

符号の説明Explanation of symbols

1:フェムト秒レーザ発振器、4:分散補償光学系、6:集光光学系(レンズ)、7:収束ビーム、8:加工対象物(ホーリーファイバ:PCF)、10,12:XYステージ、17:レーザ発振制御装置、24:PCFを垂直方向に切断する際のフェムト秒レーザ走査経路、27:PCFを斜めの方向に切断する際のフェムト秒レーザ走査経路 1: femtosecond laser oscillator, 4: dispersion compensation optical system, 6: condensing optical system (lens), 7: convergent beam, 8: object to be processed (holey fiber: PCF), 10, 12: XY stage, 17: Laser oscillation control device, 24: femtosecond laser scanning path for cutting PCF in vertical direction, 27: femtosecond laser scanning path for cutting PCF in oblique direction

Claims (9)

フェムト秒レーザのレーザビームの照射位置に対して線材を相対的に回転し、所定の走査経路に沿ってレーザビームの集光点を線材の表面部または内部に形成し、レーザビームによる加工の軌跡に沿って線材を切断する線材の切断方法。   The wire rod is rotated relative to the irradiation position of the laser beam of the femtosecond laser, and the focal point of the laser beam is formed on the surface or inside of the wire along a predetermined scanning path. A method of cutting a wire along the line. 線材に照射されるフェムト秒レーザのレーザビームを集光させる集光光学系を制御して、線材の表面部および内部に形成される集光点の位置を所定の断面上に設定される走査経路に沿って移動し、該断面に沿って線材を切断する線材の切断方法。   A scanning path in which the condensing optical system for condensing the laser beam of the femtosecond laser irradiated to the wire is controlled, and the position of the condensing point formed on the surface portion and inside of the wire is set on a predetermined cross section The cutting method of the wire which moves along and cut | disconnects a wire along this cross section. 線材がフォトニッククリスタルファイバ(PCF)であり、該PCFについて単一光子吸収あるいは多光子吸収領域にある波長のレーザビームをPCFに照射して、PCF内部に形成した改質領域に沿ってPCFを切断することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の線材の切断方法。   The wire is a photonic crystal fiber (PCF), and the PCF is irradiated with a laser beam having a wavelength in a single photon absorption region or a multiphoton absorption region, and the PCF is applied along the modified region formed inside the PCF. It cuts, The cutting method of the wire rod of Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned. フェムト秒レーザのレーザビームを線材の軸の垂直方向に対して任意の角度を有する断面上におおよそ集光点が形成されるように照射して、該断面に沿って線材を切断する請求項1または請求項2に記載の線材の切断方法。   The laser beam of a femtosecond laser is irradiated so that a condensing point is formed on a cross section having an arbitrary angle with respect to a direction perpendicular to the axis of the wire, and the wire is cut along the cross section. Or the cutting method of the wire rod of Claim 2. 線材の屈折率と整合する屈折率を有する屈折率整合媒体内に線材を設置した状態で、屈折率整合媒体外からレーザビームを照射することで線材を切断することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の線材の切断方法。   The wire is cut by irradiating a laser beam from the outside of the refractive index matching medium in a state where the wire is installed in a refractive index matching medium having a refractive index that matches the refractive index of the wire. The method for cutting a wire according to claim 2. フェムト秒レーザが、モードロックされたEr,Yb等添加のファイバレーザ、Ti添加のファイバモードロックレーザ、あるいはこれらの短パルスレーザ出力の波長変換レーザであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の線材の切断方法。   The femtosecond laser is a mode-locked fiber laser doped with Er, Yb or the like, a fiber mode-locked laser doped with Ti, or a wavelength conversion laser of these short pulse laser outputs. The cutting method of the wire according to 2. 線材の端面に対して、フェムト秒レーザのレーザビームを照射することで、該端面を平坦化する線材の端面整形方法。   A method for shaping an end face of a wire, wherein the end face of the wire is flattened by irradiating the end face of the wire with a laser beam of a femtosecond laser. レーザビームのビーム分布強度を均一化して、該レーザビームを端面に対して照射することを特徴とする請求項7に記載の線材の端面整形方法。   8. The method of shaping an end face of a wire rod according to claim 7, wherein the beam distribution intensity of the laser beam is made uniform and the end face is irradiated with the laser beam. レーザビームの照射される端面に対して加工促進ガスを作用させることを特徴とする請求項7に記載の線材の端面整形方法。   8. The method of shaping an end face of a wire according to claim 7, wherein a processing promoting gas is applied to the end face irradiated with the laser beam.
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