JP2009186775A

JP2009186775A - 光源装置

Info

Publication number: JP2009186775A
Application number: JP2008026815A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Shima; 研介島
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】光ファイバを細径化せずに、高出力でビーム品質の良いレーザ光を得ることができ、機械的信頼性を損なうことのない光源装置の提供。
【解決手段】複数の光源と、それぞれの光源から出射光を導く光ファイバと、それぞれの該光ファイバの先端に接続された屈折率分布型レンズとを有し、それぞれの屈折率分布型レンズを束ねてなり、該屈折率分布型レンズは、光ファイバから直接ビームを出射したときと比してビームの広がり角が小さくなるような長さと屈折率分布を有していることを特徴とする光源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工やレーザ医療に用いられ、複数の光源から光ファイバを通して出射光を出力し、光ファイバ端部を束ねて高出力光を得る光源装置に関し、特に、高出力でビーム品質の良いレーザ光を得るための光源装置に関する。

レーザ加工等においては、ビーム品質の良い光が好まれる。ここで言うビーム品質とは、ビームの広がり角度とビームの最小径の積で表される数値（ＢＰＰ）である。ＢＰＰが小さなビームであるほど、ビームを細径に絞ることが可能であることが知られており、ＢＰＰが小さいほど加工面において光のエネルギー密度を高くすることが可能で、レーザ加工に好適である。

特許文献１には、Ｎ個の発光素子と、Ｎ個の集光レンズと、Ｎ本の光ファイバとが１対１の組み合わせにより構成され、光源装置の発光素子側には、出力される光のパワーを制御する制御部が設けられ、光源装置の出力側には、光ファイバが束ねられ、フェルールにより保持され、光ファイバは大径部と小径部とから構成され、大径部と小径部との間の境界部分は、その外径が大径部から小径部にかけて緩やかに変化するように形成された光源装置が開示されている。この特許文献１の従来技術にあっては、細径の光ファイバ、すなわちファイバの断面積に対するコアの面積が大きな光ファイバを束ねることにより、光ファイバを束ねた部分の断面において高パワー密度の光を得るようになっている。
特開２００６−３０１１２１号公報

しかし、単に光ファイバを束ねただけでは、出射端面からの光ビーム品質は、ファイバ束径にほぼ比例して悪化してしまう。なぜなら、ファイバ束から出射される光の広がり角度は、ファイバ束中の個々の光ファイバから出射される光の広がり角度に等しくなるため、ファイバ束の径が太くなった分だけ出射端面でのビーム径が広がり、ＢＰＰを大きくしてしまうからである。

特許文献１に開示された構成でも、好ましくは細径ファイバのクラッド厚を可能な限り薄くすれば、ファイバ束の径を小さくできるため、クラッド厚が厚いときに比して、ＢＰＰを小さくすることが可能である。しかし、クラッド径の薄いファイバを用いた場合、光ファイバが細くなりすぎるために、細径光ファイバ部の機械的強度が低下するという欠点がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、光ファイバを細径化せずに、高出力でビーム品質の良いレーザ光を得ることができ、機械的信頼性を損なうことのない光源装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、複数の光源と、それぞれの光源から出射光を導く光ファイバと、それぞれの該光ファイバの先端に接続された屈折率分布型レンズとを有し、それぞれの屈折率分布型レンズを束ねてなり、該屈折率分布型レンズは、光ファイバから直接ビームを出射したときと比してビームの広がり角が小さくなるような長さと屈折率分布を有していることを特徴とする光源装置を提供する。

本発明の光源装置において、光源は、ファイバレーザであることが好ましい。

本発明の光源装置において、光源は、シングルモード出力が可能な光源であることが好ましい。

本発明の光源装置において、光源は、半導体レーザであってもよい。

本発明の光源装置において、屈折率分布型レンズと光ファイバとの接続は、加熱による融着によることが好ましい。

本発明の光源装置において、屈折分布型レンズと光ファイバとが同系の材料で作製されたものであることが好ましい。

本発明の光源装置において、束ねた屈折率分布型レンズ同士を接着剤で接着したことが好ましい。

本発明の光源装置において、束ねた屈折率分布型レンズ同士を熱により溶着したことが好ましい。

本発明の光源装置において、束ねた屈折率分布型レンズを冷却する冷却部を有することが好ましい。

本発明の光源装置は、複数の光源に接続された光ファイバの端に屈折率分布型レンズを接続し、それぞれの屈折率分布型レンズを束ねてなり、該屈折率分布型レンズは、光ファイバから直接ビームを出射したときと比してビームの広がり角が小さくなるような長さと屈折率分布を有する構成としたので、光ファイバを細径化せずに、高出力でビーム品質の良いレーザ光を得ることができ、機械的信頼性を損なうことのない光源装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
本発明の光源装置は、複数の光源と、それぞれの光源から出射光を導く光ファイバと、それぞれの該光ファイバの先端に接続された屈折率分布型レンズとを有し、それぞれの屈折率分布型レンズを束ねてなり、該屈折率分布型レンズは、光ファイバから直接ビームを出射したときと比してビームの広がり角が小さくなるような長さと屈折率分布を有することを特徴としている。
図１は、本発明の光源装置の要部拡大斜視図であり、図中、符号１０１はファイバ束、１０２はレンズ束、１０３は光ファイバ、１０４は屈折率分布型レンズである。

複数の光源にそれぞれ接続された光ファイバを束にすることに関しては、特許文献１に開示された従来技術と同様であるが、本発明ではファイバ束１０１中の個々の光ファイバ１０３の端（出射端）に屈折率分布型レンズ１０４（いわゆるＧＲＩＮレンズ）が接続され、この屈折率分布型レンズ１０４を束ねた構成としている点で異なっている。

屈折率分布型レンズ１０４は、棒状の光透過体からなり、その中心線の屈折率が高く、棒状の外周に向かって徐々に屈折率が低くなるような屈折率構造を有している。この屈折率分布型レンズ１０４の長さと屈折率分布を好適に選ぶことにより、図２に示したように、接続された光ファイバ１０３からのビーム１０６の広がり角度を小さくすることが可能である。図２中、符号１０５は光ファイバのコア、１０６はビームを示している。

本発明の構成によれば、個々の光ファイバ１０３からのビーム１０６は、屈折率分布型レンズ１０４の作用により広がり角が抑えられ、ひいてはレンズ束１０２から出力されるビームのＢＰＰを小さく抑えることが可能となる。これにより、レーザ加工等に好適なＢＰＰの小さい高出力光を発生可能な光源装置を提供できる。

図３は、光ファイバ１０３端部と屈折率分布型レンズ１０４を接続した部分を模式的に示したものであり、図中の符号１０６は屈折率分布型レンズ中を伝搬するビーム、１０７は光ファイバ中を伝搬するビームを表している。屈折率分布型レンズ１０４中において、ビーム１０６の径は、図３に模式的に示したように、拡大と縮小を繰り返す。ビーム径の拡大と縮小の周期をΛとしたとき、屈折率分布型レンズ１０４の長さがおよそΛ／２となった場合に、ビーム径が最大となり、かつ最もビーム１０６の開き角度が小さくなる。屈折率分布型レンズ１０４の長さをこの長さ（Λ／２）とすることが、本発明の構成には好適である。

図４は、本発明の光源装置全体の模式図であり、図中、符号２００は光源装置、２０１は光源である。この光源装置２００は、ｎ個（ｎ≧２）の光源２０１と、それぞれに接続された光ファイバ１０３（ファイバ１〜ｎ）と、図１に示すファイバ束１０１とレンズ束１０２とを有する端部とからなっている。光源２０１には、それぞれの、または複数（光源１〜ｎ全部を含む）の光源２０１を一括に制御する図示していない制御系が付設されており、これにより出射される光強度の調整が可能になっている。

図１または図２において、各光ファイバ１０３と屈折率分布型レンズ１０４との接続は、加熱による融着（融着接続）であることが望ましい。なぜなら、高エネルギーの光が接続面を通過するため、接着剤などを用いた接続の場合には、接着剤の焦げなどが生じる可能性があるからである。

光ファイバ１０３と屈折率分布型レンズ１０４とを融着接続する場合、屈折率分布型レンズ１０４の材質は、光ファイバ１０３の材質に近いものが望ましい。例えば、光ファイバ１０３に石英ガラス系光ファイバを用いた場合、屈折率分布型レンズ１０４も石英ガラス系のレンズを用いることが望ましい。なぜなら、融着接続の際に材質間の熱膨張係数差が大きいと、融着接続部に大きな歪みが生じて、信頼性に問題が生じるからである。
光ファイバ１０３と屈折率分布型レンズ１０４との融着接続方法としては、アーク放電で加熱する方法や、炭酸ガスレーザ光で加熱する方法が挙げられる。

屈折率分布型レンズ１０４は、光ファイバ１０３からのビームを平行光に近くするために好適な規定長のレンズを光ファイバ１０３の端に接続する方法と、融着接続後に光ファイバ端面から規定長で切断する方法とがある。
光を出射するレンズ束１０２の端面は、光の乱反射を避けるために研磨されていることが望ましい。

光源２０１としては、ファイバレーザを用いることができる。特に、シングルモード出力（または準シングルモード出力）が可能なファイバレーザは、レーザ光を出力するファイバのコア径が小さい（数μｍ〜３０μｍ）という特徴があるため、本発明の構成が有効である。
また、光源２０１として、光ファイバビグテール付きの半導体レーザを用いることもできる。

図５は、レンズ束１０２を端面側から見た例である。本例示において、レンズ束１０２は、複数の屈折率分布型レンズ１０４を束ねてキャピラリ１０８に挿入し、その隙間に接着剤１０９を注入し硬化させた構造になっている。各屈折率分布型レンズ１０４は、接着剤１０９により互いに接着されている。

複数の屈折率分布型レンズ１０４を束ねて固定する方法としては、前記接着剤による固定方法の他、複数の屈折率分布型レンズ１０４を束ね、酸水素火炎などで加熱し、それぞれの外周部を互いに溶着させる方法でも構わない。

本発明によれば、個々の光ファイバ１０３の端に屈折率分布型レンズ１０４が接続されているため、個々の光ファイバ１０３からの出射ビームの広がり角度が小さくなるので、光ファイバ１０３を束ねた際に、レンズ無しの場合に比して、出射ビームのＢＰＰを小さくすることが可能であり、ひいてはレーザ加工やレーザ治療の際に、ビームを細く絞って加工箇所のエネルギー密度を高くすることができ、効率よくレーザ加工や治療を行うことが可能となる。

一方、従来の技術では、ビームの広がり角度は小さくなっていないので、光ファイバを束ねて、束ねた径が大きくなった分だけＢＰＰが悪化する。本発明はこれを解決するものである。

従来の技術では、コアの細い光ファイバを束ねた状態では、クラッドの厚さの分だけ、束ねた後の束の径が太くなってしまう。それを回避するために、クラッドを薄くすると、コアが細い場合には、光ファイバの径が細くなりすぎて、光ファイバ部の機械的信頼性が低下する。一方、本発明によると、光ファイバ１０３の径が細い場合でも、最後に屈折率分布型レンズ１０４によりビーム径を拡大するため、光ファイバ１０３を細くする必要がなく、機械的信頼性を損なうことがないという利点がある。

図６はそれを説明する図である。図６（ａ）は屈折率分布型レンズのない状態のファイバ束１０１における出力ビームの広がりを示し、（ｂ）は、光ファイバ１０３の端に屈折率分布型レンズ１０４を接続してそれを束ねたレンズ束１０２における出力ビームの広がりを示す模式図である。
ビーム径Ｄｎ（ｎ＝１または２）は、Ｄｎ＝（光ファイバの径）×｛（ファイバの並んでいる本数）−１｝＋（１本のファイバのビーム径）で概略表される。
図６（ｂ）に示す本発明の構造では、レンズ束１０２の出射端からのビーム広がり角度θ_２が、レンズを使用していない図６（ａ）の場合の広がり角度θ_１よりも小さくなり、その結果、本発明の構造ではＢＰＰを小さくすることができる。

図７は、本発明の光源装置の別の実施形態を示す要部斜視図である。この例では、レンズ束１０２の一部又は全部を、多段の冷却フィン３０１を有する放熱器３００に収容した構成になっている。この放熱器３００は、レンズ束１０２においてレーザ光の漏れ光により、レンズ束１０２が発熱し、レンズ束１０２が損傷するのを防ぐために、効率よくレンズ束１０２を冷却する目的で取り付けられている。この放熱器３００は、熱伝導性の良い金属で構成することが好ましく、例えば、アルミニウムなどが用いられる。
この放熱器３００を更に有効に冷却するために、冷却フィン３０１に送風して空冷する送風ファンを適所に取り付けた構成としてもよい。
また、このレンズ束１０２の冷却は、前述した空冷方式に限らず、水冷方式で行っても良い。図８は、本発明の光源装置のさらに別の実施形態を示す概略構成図であり、レンズ束１０２を水冷する場合を例示している。この例では、レンズ束１０２を囲んで設けられた冷却水の流路４０１内に、外部に設けられたチラー４０１により冷却された冷却水を循環供給することで、冷却部内のレンズ束１０２を水冷できるようになっている。
レンズ束１０２で生じる熱は、レーザ光の出力の大きさにしたがって大きくなるので、これらの冷却機構は、１００Ｗ以上の高出力レーザ光源を構成する際に特に有効である。

ここで、一例を挙げる。外径２５０μｍ、波長１．０６μｍにおいてシングルモード動作し、波長１．０６μｍの光のモードフィールド径が１０μｍの光ファイバ１０３を備えた波長１．０６μｍの光源を用いた。この光源を１９台用意し、出力の光ファイバ１０３を六方最密に並べ（図５に示した並べ方）、図６（ａ）に示すファイバ束１０１による出射端を作製した。
このとき、θ_１は３５ｍｒａｄ（ミリラジアン）であった。また、Ｄ_１は上の式から、Ｄ_１＝１．０１０である。したがってＢＰＰは１．０１×３５≒３５ｍｍ・ｍｒａｄである。

一方、前記光ファイバ１０３の出射端にそれぞれ屈折率分布型レンズ１０４を融着接続し、これらの屈折率分布型レンズ１０４を束ね、図５及び図６（ｂ）に示す構造のレンズ束１０２を作製した。
この出射端は、屈折率分布型レンズ１０４の作用により、出射端での光のモードフィールド径が１００μｍ、θ_２＝４ｍｒａｄであった。このときのＤ_２は１１００ｍｍであり、ＢＰＰは４．４ｍｍ・ｍｒａｄと算出される。

以上、実例で説明したように、本発明によれば、多数のファイバ出力光源からの光を束ねて高出力光源を構成した場合、従来技術に比べてＢＰＰを格段に改善することが可能である。

本発明の光源装置の要部拡大斜視図である。屈折率分布型レンズによる作用を示す模式図である。屈折率分布型レンズの長さとビームの径との関係を示す模式図である。本発明の光源装置の一例を示す構成図である。レンズ束の一例を示す端面図である。光源装置の出射端からのビームの広がりを示し、（ａ）は従来技術の光源装置の出射端、（ｂ）は本発明の光源装置の出射端を示す模式図である。本発明の光源装置の別の実施形態を示す要部斜視図である。本発明の光源装置のさらに別の実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１０１…ファイバ束、１０２…レンズ束、１０３…光ファイバ、１０４…屈折率分布型レンズ、１０５…コア、１０６，１０７…ビーム、２００…光源装置、２０１…光源、３００…放熱器（冷却部）、３０１…冷却フィン、４００…チラー、４０１…流路。

Claims

複数の光源と、それぞれの光源から出射光を導く光ファイバと、それぞれの該光ファイバの先端に接続された屈折率分布型レンズとを有し、それぞれの屈折率分布型レンズを束ねてなり、該屈折率分布型レンズは、光ファイバから直接ビームを出射したときと比してビームの広がり角が小さくなるような長さと屈折率分布を有していることを特徴とする光源装置。
光源が、ファイバレーザであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
光源が、シングルモード出力が可能な光源であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
光源が、半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
屈折率分布型レンズと光ファイバとの接続が加熱による融着によりなされたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光源装置。
屈折分布型レンズと光ファイバとが同系の材料で作製されたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置。
束ねた屈折率分布型レンズ同士を接着剤で接着したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光源装置。
束ねた屈折率分布型レンズ同士を熱により溶着したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光源装置。
束ねた屈折率分布型レンズを冷却する冷却部を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光源装置。