JP2008116890A

JP2008116890A - 光ファイバへの紫外レーザ光入射装置

Info

Publication number: JP2008116890A
Application number: JP2006328766A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Endo; 智裕遠藤; Masao Yajima; 正男矢島
Original assignee: Takano Co Ltd
Current assignee: Takano Co Ltd
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】紫外レーザ光の光ファイバ入射は、紫外レーザ光による光ファイバの入射端面損傷、あるいは内部損傷、あるいは長時間紫外レーザ光を導光したことによる経時的な劣化の問題がある。上記光ファイバの内部損傷は、入射した紫外レーザ光がエネルギー分布に強いピークを持つために、光ファイバ内部反射による自己収束によって局所的に強い光電場が発生することにより生じると考えられている。
【解決手段】紫外レーザ発振装置１と導光用の光ファイバ５との光路上に光散乱構造体４を設け、前記紫外レーザ光２のエネルギー分布を散乱、あるいは均一化することで前記光ファイバ５に損傷を与えることなく入射することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は光ファイバへの紫外レーザ光入射装置に関する。

従来、レーザ光の光ファイバ入射方法は図２に示されているように、レーザ光６を集光レンズ３により光ファイバ５の一端に入射するが、レーザ光６は光ファイバ５に対し透過率が高く、損傷が起きにくい赤外レーザ光、あるいは可視レーザ光が一般的である。また、レーザ光のエネルギーが高く光ファイバ入射端面に損傷の恐れがある集光点７に対し、光ファイバ入射端面８をデフォーカス位置で入射させる配置がとられる場合もある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−２４２２９２号公報（第１５頁、図１）

紫外レーザ光の光ファイバ入射は、図３に示すように、紫外レーザ光２による光ファイバ５の入射端面損傷、あるいは内部損傷、あるいは長時間紫外レーザ光を導光したことによる経時的な劣化の問題がある。上記光ファイバの内部損傷は、入射した紫外レーザ光がエネルギー分布に強いピークを持つために、光ファイバ内部反射による自己収束によって局所的に強い光電場が発生することにより生じると考えられている。なお、レーザ光は光ファイバ中を導光するにしたがってエネルギー分布が平坦化に均一化されていくため、前記レーザ光集中箇所は入射端近くに発生することが多い。

上記損傷は紫外レーザ光エネルギーが高いほど、また、光ファイバコア径が小さいほど顕著であるため、紫外レーザ光エネルギーを高くすることによる加工のスループット向上や難加工材の加工が困難になるという問題がある。また、上記損傷を避けるため光ファイバを太くすると光ファイバの曲率に制限が生じ、加工の自由度が低下するという問題がある。

通常、レーザ光のビーム径は光ファイバコア径よりも大きいので、集光して前記ビーム径を光ファイバより小さくして入射する。レーザ光軸のばらつきや入射軸調整不足などにより、レーザ光が光ファイバクラッド面、あるいはコアとクラッド界面、あるいは光ファイバ被覆を加工・加熱する危険があり、最悪の場合光ファイバが焼損するという問題がある。

光ファイバ中をレーザ光が導光すると前記光ファイバの内部反射によりエネルギー分布が次第に均一化し、光ファイバ断面のエネルギー分布が導光方向によらず一定、あるいは微小な変化にとどまる定常状態となる。また、光ファイバの曲率によって内部反射回数が異なるため、定常状態に至る光ファイバの長さが異なる。よって、光ファイバの長さが十分にない場合、光ファイバ使用時に曲率変化が生じると前記光ファイバから出射したレーザ光のエネルギー分布にばらつきが生じるという問題がある。よって、均一なエネルギー分布を求める場合、通常は実験的に求めた所定の長さ以上に光ファイバを長くすることが必要である。

赤外レーザ光、あるいは可視レーザ光の光ファイバ入射により前記光ファイバが損傷を受けることは少ないが、光子エネルギーの高い紫外レーザ光については光ファイバ入射端面損傷、あるいは内部損傷、あるいは長時間紫外レーザ光を導光したことによる経時的な劣化の問題を引き起こす。したがって、紫外レーザ光と赤外レーザ光、あるいは可視レーザ光を組み合わせたレーザ光の光ファイバへの入射は紫外レーザ光による上記問題が生じる。

本発明の目的は、従来問題点であった上述の克服を意図しており、紫外レーザ光エネルギーと光ファイバ光結合効率を低下させることなく、光ファイバの損傷や光損失を抑え、加工性に優れた紫外レーザ光を自由度に優れた光ファイバにより均一なエネルギー分布でレーザ発振器から離れた加工部位へ供給することができる方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、紫外レーザ発振装置と光ファイバとの間におけるレーザ光の光路に設けた請求項２または請求項３に記載の光散乱構造体を備える。前記光散乱構造体により前記紫外レーザ光のエネルギー分布を散乱、あるいは均一化することで前記光ファイバに損傷を与えることなく前記紫外レーザ光を入射することを特徴とする。

請求項２に記載の光散乱構造体を通過するレーザ光軸は中空であるため、前記光散乱構造体入射面に紫外レーザ光に対しデフォーカスせずに集光することができる。集光によって前記紫外レーザ光のビーム径が小さくなるため、前記光散乱構造体入射面とレーザ光路のずれに対する許容幅が広がって光軸を合わせる調整が容易になる。また、レーザ発振媒体や光学素子の熱レンズ効果、あるいはレーザ発振器周囲の外気温度、あるいはレーザ発振器周囲の振動によるレーザ光路のずれに対しても影響を受けにくくなる。

また、請求項３に記載の光散乱構造体は導光用の光ファイバよりもコア径の大きい光ファイバである。光ファイバはコア径が大きいほど紫外レーザ光に対する損傷閾値が高く、また、導光用の光ファイバと同様に内部反射によりレーザ光を伝播することでエネルギー分布を散乱、あるいは均一化するため、前記導光用の光ファイバに損傷を与えることなく前記紫外レーザ光を入射する方法及び装置を提供する。

光ファイバから出射するレーザ光のエネルギー分布は前記光ファイバの内部反射により次第に均一化し定常状態となる。請求項１の機構を備えることによりエネルギー分布が散乱、あるいは均一化したレーザ光を光ファイバへ入射することとなるため、従来より短い光ファイバで光ファイバから出射するレーザ光のエネルギー分布を定常状態にできる。光ファイバから出射する紫外レーザ光のエネルギー分布の均一性が求められる場合に有効である方法及び装置を提供する。

紫外レーザ光と他の波長のレーザ光を組み合わせて光散乱構造体に入射することで、全ての波長のレーザ光は前記光散乱構造体内で散乱または均一化される。前記光散乱構造体内で散乱または均一化された全ての波長のレーザ光を光ファイバに入射することで、前記光ファイバから紫外レーザ光を含む多波長のレーザ光が出射する方法及び装置を提供する。

本発明によれば、紫外レーザ光エネルギーと光ファイバ光結合効率を低下させることなく、光ファイバの損傷や光損失を抑え、加工性に優れた紫外レーザ光を自由度に優れた光ファイバにより均一なエネルギー分布で供給することができる方法及び装置を提供する。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態にかかる光ファイバへの紫外レーザ光入射方法及びその装置の構成図である。紫外レーザ発振装置１から出力された紫外レーザ光２を光ファイバ５に入射する際、前記レーザ発振装置１と前記光ファイバ５との間における前記紫外レーザ光２の光路に設けた集光レンズ３により光散乱構造体４に集光による入射、あるいは集光点からデフォーカスし入射する。前記光散乱構造体４から出射した前記紫外レーザ光２は前記光ファイバ５に入射する。

図４にエネルギー分布に強いピークを持つ紫外レーザ光２を集光レンズ３により光散乱構造体４に入射し、前記光散乱構造体４から出射したときのエネルギー分布の変化を示す。

図５、図６に光散乱構造体４と光ファイバ５の結合方法を示す。光散乱構造体４の導光径が光ファイバ５のコア径よりも同等、あるいは小さい場合（図５）、光散乱構造体４と光ファイバ５は接合または紫外レーザ光２の漏れが無い様近接配置する。上記導光径がコア径よりも大きい場合（図６）には紫外レーザ光２を結合レンズ８で集光し、光ファイバ５に入射する。

上記光ファイバは紫外レーザ光を透過する石英をコアとする。また、コア径が小さく、ＮＡが大きい光ファイバは最小曲率が小さくなるため、引き回しの自由度が大きくなる。

パルス幅が６から１０ｎｓｅｃ、ビーム径が２ｍｍ、エネルギー分布がガウス型、波長が３５５ｎｍの紫外レーザ光を焦点距離が１００ｍｍの石英凸レンズにより集光し、１０ｍｍデフォーカスしてコア径が０．６ｍｍ、ＮＡが０．２２の光ファイバへ入射すると、パルスエネルギー１ｍＪ程度で前記光ファイバ内部に損傷が生じる。集光レンズやデフォーカス量を変えても損傷が生じるが損傷位置が異なる。請求項１に記載する手段を用いることでパルスエネルギー３ｍＪ以上の紫外レーザ光の入射が可能となる。

図７に光散乱構造体４を経て光ファイバ５から出射した紫外レーザ光２のエネルギー分布を示す。ファイバ形状を反映した円形であり、エネルギー分布が均一な紫外レーザ光である。

なお、この発明は、前述した発明の実施の形態に限定されることなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で適宜な変形あるいは変更を行うことにより、その他の態様で実施し得るものである。

この発明の光ファイバーへの紫外レーザ光入射装置である。従来のレーザ光の光ファイバ入射方法である。紫外レーザ光による光ファイバの損傷例である。光散乱構造体光入射前、出射後の紫外レーザ光のエネルギー分布である。光散乱構造体光と光ファイバの直接結合方法である。光散乱構造体光と光ファイバの結合に結合レンズを用いた方法である。光ファイバ出射後の紫外レーザ光のエネルギー分布である。

符号の説明

１紫外レーザ光発振装置
２紫外レーザ光
３集光レンズ
４光散乱構造体
５光ファイバ
６レーザ光
７集光点
８光ファイバ入射端面
９結合レンズ

Claims

紫外レーザ発振装置と導光用の光ファイバとの光路上に光散乱構造体を設け、前記紫外レーザ光のエネルギー分布を散乱、あるいは均一化することで前記光ファイバに損傷を与えることなく前記紫外レーザ光を入射することを特徴とする、光ファイバへの紫外レーザ光入射装置。
前記光散乱構造体として、レーザ光軸に対し中空構造の円柱あるいは角柱であり、紫外レーザ光を内部反射により伝播し、エネルギー分布を散乱、あるいは均一化することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバへの紫外レーザ光入射装置。
導光用の光ファイバよりもコア径の大きい光ファイバを前記光散乱構造体として用い、エネルギー分布を散乱、あるいは均一化することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバへの紫外レーザ光入射装置。
請求項２または請求項３に記載の光散乱構造体と光ファイバを接合、あるいは紫外レーザ光の漏れが無い様、前記光散乱構造体と光ファイバを近接配置することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバへの紫外レーザ光入射装置。
請求項２または請求項３に記載の光散乱構造体と光ファイバは光散乱構造体から出射した紫外レーザ光を集光し光ファイバへ入射する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバへの紫外レーザ光入射装置。
紫外レーザ発振装置として、ランプ励起パルス動作レーザ、あるいはＬＤ励起擬似連続動作レーザであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバへの紫外レーザ光入射装置。
請求項２または請求項３に記載の光散乱構造体によりエネルギー分布が散乱、あるいは均一化した後に光ファイバに入射することで、前記光ファイバからの出射レーザ光のエネルギー分布はファイバ長を要することなく均一化されることを特徴とする、光ファイバへの紫外レーザ光入射装置。
赤外レーザ光、あるいは可視レーザ光を紫外レーザ光と組み合わせ、同軸にて光散乱構造体に入射した後、光ファイバに入射することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバへの紫外レーザ光入射装置。