JP2007279228A - 光部品 - Google Patents

Abstract

【課題】より確実にレーザ光の出射端面の損傷を防止すること。
【解決手段】本発明の光部品１は、純シリカガラスによって形成されたコア１５と、クラッド１７とを有する第１光ファイバ１１と、純シリカガラスによって形成された柱状のエンドキャップ１３であって一方の端面が第１光ファイバ１１の一方の端面に融着接続されると共にコア１５の直径よりも大きい直径を有するエンドキャップ１３と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光部品に関する。

電子・機械関係の加工レーザ装置、医療用レーザメス、測長等の計測用途などの産業用レーザ光源として、パルス発振レーザ光源が広く普及している。このパルス発振レーザ光源から出力されるレーザ光のパワー又はエネルギが高いために、レーザ光を出力する光ファイバの出射端面が損傷するという問題がある。

そこで、光ファイバのコアの直径より大きい直径を有する円柱状のエンドキャップを光ファイバの先端に装着して、エンドキャップからレーザ光を出射する技術がある（下記特許文献１参照）。
特開２００５−３０３１６６号公報

上記特許文献１に記載の技術は、レーザ光の出射端面の面積を大きくして出射端面におけるモード面積を大きくすることにより、出射端面の損傷を低減するものである。よって、よりパワーの大きいレーザ光を出力するには、エンドキャップの出射面積を大きくし、かつ、エンドキャップを長くする必要がある。しかしながら、製造コスト及び強度等の問題から出射端面の面積が制限されて、十分に出射端面の損傷を防止できない場合がある。

そこで本発明は、より確実にレーザ光の出射端面の損傷を防止することが可能な光部品を提供することを目的とする。

本発明の光部品は、純シリカガラスによって形成されたコアと、コアよりも屈折率が小さいクラッドとを有する光ファイバと、純シリカガラスによって形成され、一方の端面が光ファイバの一方の端面に融着接続され、コアよりも大きい端面を有するエンドキャップとを備えることを特徴とする。

本発明の光部品によれば、光ファイバの一方の端面にエンドキャップが接続されているので、エンドキャップの先端面が出射端面として機能する。そして、エンドキャップが純シリカガラスによって形成されているので、不純物が添加されたガラスによって形成される場合よりも、破壊が生じるレーザ光の単位面積当たりのエネルギ閾値を大きくすることができる。よって、より確実にレーザ光の出射端面の損傷を防止することができる。さらに、本発明では、融着接続されたエンドキャップ及びコアが純シリカガラスによって形成されているので、エンドキャップとコアとの接触面における反射を防止することができる。よって、コアとエンドキャップとの接触面における反射によって生じる損傷を防止することができる。

また、本発明の光部品は、光ファイバとエンドキャップとが融着接続された接続部分において、クラッドの外径とエンドキャップの直径とが互いに等しく、エンドキャップの直径は２８０μｍ以上であることも好ましい。

光ファイバとエンドキャップとの接続部分において、クラッドの外径とエンドキャップの直径とを互いに等しくすることにより、接続部分の強度を強化することができる。また、エンドキャップの直径を２８０μｍ以上とすることにより、所定のエネルギを有するレーザ光をエンドキャップから出力した場合であっても、エンドキャップの損傷を防止すると共に、ビーム品質の劣化を防止することができる。

また、本発明の光部品は、光ファイバの先端部分及びエンドキャップの側面を覆うと共に光ファイバの先端部分及びエンドキャップを保持するフェルールを備えることも好ましい。このようにすることにより、エンドキャップを保護すると共に、エンドキャップと光ファイバとの接続部分の強度を強化することができる。

また、本発明の光部品は、エンドキャップの先端面が斜めに研磨されていることも好ましい。このようにすることにより、エンドキャップの出射端面における反射を低減することができる。よって、反射によるエンドキャップの損傷を防止することができる。

また、本発明の光部品は、外径が１２５μｍ以上１３０μｍ以下であるクラッドと、コアとを有し、一方の端面が光ファイバの他方の端面に接続されている第２光ファイバを備えることも好ましい。このように、標準的な直径１２５以上１３０μｍ以下である第２光ファイバを用いることにより、標準より直径の大きい上記光ファイバを用いる長さを短くすることができ、コストを削減することができる。

本発明によれば、より確実にレーザ光の出射端面の損傷を防止することが可能な光部品を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る光部品を示す概略断面図である。図２は、本実施形態に係る光部品の先端部分の断面図である。なお、図２において、フェルールを省略している。

本実施形態に係る光部品１は、パルス発振レーザ光源に接続してレーザ光を出射する部品である。光部品１は、第１光ファイバ（光ファイバ）１１と、円柱状のエンドキャップ１３と、第２光ファイバ２１と、被覆樹脂２３と、ジャケット２５と、フェルール３０と、を備えて構成される。

第１光ファイバ１１は、コア１５とクラッド１７とを有する。第２光ファイバ２１は、図示しないコアとクラッドとを有する。第１光ファイバ１１の一方の端面は、エンドキャップ１３の一方の端面と融着接続され、他方の端面は、第２光ファイバ２１の一方の端面と融着接続されている。第２光ファイバ２１の他方の端面はジャケット２５と接続され、ジャケット２５が光源に接続されることとなる。光源から出力されたレーザ光が、第２光ファイバ２１に入射し、第１光ファイバ１１を通ってエンドキャップ１３の先端面から出射される。

エンドキャップ１３は、先端面がエンドキャップ１３の中心軸に対して斜めに研磨されている。すなわち、エンドキャップ１３は、出射端面から出力されるレーザ光の光軸に対して斜めに研磨されている。このようにすることにより、エンドキャップ１３から出力されるレーザ光の出射端面における反射を低減することができる。

また、第１光ファイバ１１のコア１５とエンドキャップ１３とは、純シリカガラスによって形成されている。純シリカガラスとは、ガラスを化学反応で製造する過程で若干の塩素、窒素等が混入したものも含む。その混入量はシリカの屈折率に対し、０．０５％以下となる程度の量である。

純シリカガラス（例えば住友電工製Zファイバのコアの組成）の融点Ｔｍは１６１０℃である。通常の単一モードファイバのコアは、シリカガラスにドーパントが含まれている。ドーパントを含むシリカガラスの融点Ｔｍは、純シリカガラスの融点Ｔｍより低い。例えば、通常の単一モードファイバのコアには、Geを10wt%含んだシリカガラスが用いられるが、Geを10wt%含むシリカガラスの融点Ｔｍは、純シリカガラスの融点Ｔｍに対して４％程低くなる。

文献（R.M. Wood著、”Laser-Induced damage of optical materials”、Institute of Physics(2003)のp.65表4.1）によれば、レーザ光により誘起される破壊が生じる閾値となる単位面積あたりエネルギ（損傷閾値）Ｅ_Ｄは、式（１）によって示される。ここでＣは比熱、Ｔmは融点温度、Ｔaは環境温度、αは吸収係数である。

式（１）によれば、融点温度Ｔｍが高い物質ほど損傷閾値Ｅ_Ｄが高い。すなわち、エンドキャップ１３及びコア１５を純シリカガラスによって形成することにより、エンドキャップ１３及びコア１５の融点温度を高くすることができ、エンドキャップ１３及びコア１５の損傷閾値Ｅ_Ｄを高くすることができる。

また、エンドキャップ１３とコア１５とを互いに同じ材質で形成することにより、エンドキャップ１３とコア１５との接触面において生じるレーザ光の反射を防止することができる。なお、クラッド１７は、フッ素が添加されたシリカガラスで形成されているので、コア１５の屈折率を、クラッド１７の屈折率より高くすることができる。

更に、エンドキャップ１３の直径は、コア１５の直径より大きい。この場合、図２に示すようにコア１５に入射したレーザ光のモードフィールド径Ｌは、コア１５からエンドキャップ１３へ入射して出射端面側へ進むに従って放射状に広がり、出射端面におけるレーザ光のモードフィールド径が大きくなる。よって、レーザ光のエネルギに対して、出射端面における単位面積当たりのエネルギを小さくすることができる。

また、エンドキャップ１３の直径は２８０μｍ以上であることが好ましい。光部品１を溶接・切断・穴あけ等に用いる場合、レーザ光のエネルギが１０ｍＪ程度必要であり、一般的なレーザ光のパルス幅は１００ｎｓ程度である。この場合のエンドキャップ１３の長さｚと、上限パルスエネルギと、エンドキャップ１３の半径ｒとの関係を表１に示す。

上限パルスエネルギは、エンドキャップ１３の損傷閾値となる値である。上限パルスエネルギは、パルス幅が１００ｎｓのレーザ光に対して、純シリカガラスの損傷閾値３５０Ｊ／ｃｍ^２であることから算出している。モードフィールド半径ω_０は、エンドキャップ１３の入射面におけるモードフィールド半径を示し、一定である。モードフィールド半径ωは、出射端面におけるモードフィールド半径であり、式（２）によって示される。

レーザ光の波長λは、１０６０ｎｍである。エンドキャップ１３の半径ｒは、モードフィールド半径ωのレーザ光を出射する場合にビーム品質の劣化を防止するように設定されたエンドキャップ１３の半径であり、モードフィールド半径ωの２．５倍の値に設定されている。

表１によれば、上限パルスエネルギが１０ｍＪ程度となる場合、エンドキャップ１３の長さｚは８００μｍであり、エンドキャップ１３の半径ｒが１３６μｍである。すなわち、エンドキャップ１３の直径を２８０μｍ以上にすることにより、１０［ｍＪ］程度のエネルギを有するレーザ光を出力した場合であってもエンドキャップ１３の損傷を防止すると共に、ビーム品質の劣化を防止することができる。

また、クラッド１７の外径は、エンドキャップ１３の直径と等しい。本実施形態では、クラッド１７の外径及びエンドキャップ１３の直径は、５００μｍ程度である。この場合、第１光ファイバ１１とエンドキャップ１３との接続部分における段差をなくすことができる。このようにすることにより、エンドキャップの直径がクラッドの直径より大きい場合と比較して、第１光ファイバ１１とエンドキャップ１３との接続部分の強度を高めることができる。

第２光ファイバ２１は、直径が１２５μｍ以上１３０μｍ以下の標準的な光ファイバである。第２光ファイバ２１、第２光ファイバ２１と第１光ファイバ１１との接続部分、及び先端部分を除く第１光ファイバ１１は、被覆樹脂２３で覆われている。また、被覆樹脂２３の先端側から第１光ファイバ１１の先端部及びエンドキャップ１３の側面は、フェルール３０によって覆われている。

フェルール３０は、キャピラリ３１とフランジ３３とを備えて構成される。キャピラリ３１は、第１光ファイバ１１とエンドキャップ１３とを挿通した円筒状のジルコニア製部品である。キャピラリ３１の先端側の開口は、直径がエンドキャップ１３及び第１光ファイバ１１の直径と等しい円形状である。キャピラリ３１の先端部の内側面が、エンドキャップ１３及び第１光ファイバ１１の先端部分の側面と接触して、エンドキャップ１３及び第１光ファイバ１１の先端部分を保持している。

キャピラリ３１の他方の開口は、内径が被覆樹脂２３の外径と等しい円形状で、他方の端部はフランジ３３と接着されている。フランジ３３の内側面の一部が、被覆樹脂２３の外側面と接着されている。

引き続いて、本実施形態に係る光部品１による作用効果について説明する。本実施形態に係る光部品１によれば、第１光ファイバ１１の一方の先端面にエンドキャップ１３が融着接続されているので、エンドキャップ１３の先端面が出射端面として機能する。そして、エンドキャップ１３が純シリカガラスによって形成されているので、不純物が添加されたガラスによって形成される場合よりも、破壊が生じるレーザ光の単位面積当たりのエネルギ閾値を大きくすることができる。よって、より確実にレーザ光の出射端面の損傷を防止することができる。また、本発明では、融着接続されたエンドキャップ１３及びコア１５が純シリカガラスによって形成されているので、エンドキャップ１３とコア１５との接触面における反射を防止することができる。よって、エンドキャップ１３とコア１５との接触面における反射によって生じる損傷を防止することができる。

また、第１光ファイバ１１とエンドキャップ１３との接続部分において、第１光ファイバ１１のクラッド１７の外径とエンドキャップ１３の直径とを互いに等しくすることにより、接続部分の強度を強化することができる。また、エンドキャップ１３の直径を２８０μｍ以上とすることにより、所定のエネルギを有するレーザ光をエンドキャップ１３から出力した場合であっても、エンドキャップ１３の損傷を防止すると共に、ビーム品質の劣化を防止することができる。

また、第１光ファイバ１１の先端部分及びエンドキャップ１３の側面を覆うと共に第１光ファイバ１１の先端部分及びエンドキャップ１３を保持するフェルールを備えるので、エンドキャップ１３を保護すると共に、エンドキャップ１３と第１光ファイバ１１との接続部分の強度を強化することができる。

また、エンドキャップ１３の先端面が斜めに研磨されているので、エンドキャップ１３の出射端面における反射を低減することができる。よって、反射によるエンドキャップ１３の損傷を防止することができる。

また、光部品１は、外径が１２５μｍ以上１３０μｍ以下であるクラッドと、コアとを有する第２光ファイバ２１であって、一方の端面が第１光ファイバ１１の他方の端面に接続されている第２光ファイバ２１を備える。すなわち、標準的な直径１２５μｍ以上１３０μｍ以下である第２光ファイバ２１を用いることにより、標準より直径の大きい第１光ファイバ１１を用いる長さを短くすることができ、コストを削減することができる。

本実施形態に係る光部品を示す概略断面図である。 本実施形態に係る光部品の先端部分の概略断面図である。

符号の説明

１…光部品、１１…光ファイバ、１３…エンドキャップ、１５…コア、１７…クラッド、２１…光ファイバ、２３…被覆樹脂、２５…ジャケット、３０…フェルール、３１…キャピラリ、３３…フランジ。

Claims (5)

1. 純シリカガラスによって形成されたコアと、コアよりも屈折率が小さいクラッドとを有する光ファイバと、
   純シリカガラスによって形成され、一方の端面が前記光ファイバの一方の端面に融着接続され、前記コアよりも大きい端面を有するエンドキャップと
   を備えることを特徴とする光部品。
2. 前記光ファイバと前記エンドキャップとが融着接続された接続部分において、前記クラッドの外径と前記エンドキャップの直径とが互いに等しく、
   前記エンドキャップの直径は２８０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光部品。
3. 前記光ファイバの先端部分及び前記エンドキャップの側面を覆うと共に前記光ファイバの先端部分及び前記エンドキャップを保持するフェルールを備えることを特徴とする請求項２に記載の光部品。
4. 前記エンドキャップの先端面が斜めに研磨されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光部品。
5. 外径が１２５μｍ以上１３０μｍ以下であるクラッドと、コアとを有し、一方の端面が前記光ファイバの他方の端面に接続されている第２光ファイバを備えることを特徴とする請求項２に記載の光部品。
   

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