JP2009210608A - 光導波体及び光照射体 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光の戻り光による損傷が少ない光導波体及び光照射体を提供する。
【解決手段】 光ファイバ及び光導波体からなる光照射体を含む光照射装置１では、各レーザ光源１０_ｎから出力されたレーザ光は、レンズ２０_ｎにより光ファイバ３０_ｎの入射端面３０ａに入力され、光ファイバ３０_ｎにより入射端面３０ａから出射端面３０ｂへ導波し、さらに、光導波体４０の入射端面４０ａから出射面４０ｂへ導波し、出射端面４０ｂから出力される。入射端面４０ａには光反射部４３と光透過部４４を備えていて、被照射物から反射されて出射端面４０ｂから光導波体４０に入力される戻り光は光反射部４３又は光透過部４４に到達する。このうち光反射部４４に到達した場合は、光反射部４４で反射される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射端面に入力される光をスラブ導波路により導波させて出射端面から出力する光導波体、ならびに、このような光導波体を備える光照射体に関するものである。

光導波体を用いた光照射装置として、例えば、特許文献１にレーザ照射装置が開示されている。特許文献１に記載のレーザ照射装置は以下の通りである。まず、レーザ光源から出射されたレーザビームは光ファイバに入射される。光ファイバの出射端面から出射された光は、結合レンズを経て、平板状の導波部材の入射端面へ入射される。その後、導波部材に入射された光は、多重反射されながら導波し導波部材の出射端面から被照射物に向けて出射される構造を持っている。
特開２００７−１１５７２９号公報

しかしながら、特許文献１のレーザ照射装置を用いて、レーザビームを被照射物に照射すると、以下の問題が発生する。すなわち、被照射物によって反射された光の一部が、戻り光として導波部材の出射端面から入射され、出射端面から入射端面へ向けて多重反射されながら導波する。導波後、導波部材の入射端面から出射される戻り光は、導波部材の入射端面近傍のレーザ照射装置、光ファイバを被覆している樹脂部又は光ファイバの配置を固定している接着剤等に照射されるため、被照射部が光損傷するという問題がある。また、導波部材の入射端面から出射される戻り光が光ファイバのクラッド領域に入射された場合には、光ファイバのクラッド領域を光が導波することにより、導波部材の入射端面近傍以外の領域においても、光ファイバを被覆している樹脂部等が光損傷する。この光損傷は、特に、高エネルギーのレーザ光を用いるレーザ照射装置の場合に大きくなりやすい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、レーザ光の戻り光による損傷が少ない光導波体及び光照射体を提供することを目的とする。

本目的を達成するため、本発明の光導波体は、入射端面に入力される光をスラブ導波路によって導波させて出射端面から出力する光導波体であって、入射端面におけるスラブ導波路のコア領域面に、入射端面に入力される光と同じ波長の光を透過する光透過部と、入射端面に入力される光と同じ波長の光を反射する光反射部とを備えることを特徴とする。

また、本発明の光導波体は、光反射部が銀またはアルミニウムを主成分とする金属からなることを特徴とする。

本発明の光照射体は、コア領域とコア領域の外周にクラッド領域とを備え、入射端面に入力される光をコア領域によって導波させて出射端面から出力する光ファイバと、上記の光導波体と、を備え、光ファイバの出射端面におけるコア領域と、光導波体の入射端面における光透過部とが対向して設けられ、光ファイバの出射端面におけるコア領域から出力される光が、光導波体の入射端面における光透過部に入力されることを特徴とする。

本発明の光導波体、光照射体を含む光照射装置では、レーザ光源から出力される光は光ファイバの入射端面に入力され、光ファイバのコア領域を導波して出射端面から出力される。光ファイバの出射端面から出力される光は、光ファイバの出射端面におけるコアと対向して設けられている光導波体の入射端面における光透過部を経て光導波体に入力される。光導波体に入力された光は、スラブ導波路によって導波して出射端面から被照射物へ向けて照射される。

被照射物によって反射された光の一部は戻り光として、光導波体の出射端面から入射され、入射端面へ向けて多重反射されながら導波した後に入射端面に到達する。しかしながら、本発明に係る光導波体は、入射端面に含まれるスラブ導波路のコア領域面に光透過部と光反射部とを備える。このことにより、戻り光が入射端面に到達した場合でも、入射端面に設けられた光反射部に到達した場合には光導波体の入射端面から光導波体の外部へ出射されることがない。この結果、光反射部に到達した戻り光は光導波体の入射端面近傍に光を照射することがないため、光損傷を減らすことができる。また、戻り光が光反射部によって反射された場合は、反射された戻り光は再度スラブ導波路のコア領域を出射端面に向けて導波した後に光導波体の出射端面から出力されるため、光導波体が出力する光の強度を高めるという効果も有している。

また、本発明の光導波体は、光反射部が光の反射率が高い銀またはアルミニウムを主成分とする金属からなることで本発明による効果をさらに高めることができる。

本発明によれば、レーザ光の戻り光による損傷が少ない光導波体及び光照射体が提供される。

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または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る光照射体を含む光照射装置１の構成を示す図である。この図に示される光照射装置１は、Ｎ個のレーザ光源１０_１〜１０_Ｎ、Ｎ個のレンズ２０_１〜２０_Ｎ、Ｎ本の光ファイバ３０_１〜３０_Ｎ、光導波体４０及び結像光学系５０を備える。ここで、Ｎは１以上の整数であり、また、以下に登場するｎは１以上Ｎ以下の整数である。

各レーザ光源１０_ｎは、レーザ光を出力するものである。各レーザ光源１０_ｎとして、任意のタイプのものが用いられ得るが、小型化の点で有利な半導体レーザ光源が好適に用いられる。Ｎ個のレーザ光源１０_１〜１０_Ｎそれぞれから出力されるレーザ光の波長は、互いに略同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。各レンズ２０_ｎは、レーザ光源１０_ｎと光ファイバ３０_ｎの入射端面３０ａとの間に設けられていて、レーザ光源１０_ｎから出力されるレーザ光を光ファイバ３０_ｎの入射端面３０ａに集光して、そのレーザ光を入射端面３０ａから光ファイバ３０_ｎ内に入力する。

各光ファイバ３０_ｎは、レンズ２０_ｎから出力されて入射端面３０ａに入力されるレーザ光を導波させて、そのレーザ光を出射端面３０ｂから出力する。各光ファイバ３０_ｎは、レーザ光源１０_ｎから出力されるレーザ光の波長において伝搬損失が小さいのが好ましく、例えば、純石英ガラスからなるコアを有するものであるのが好ましい。各光ファイバ３０_ｎは、シングルモード光ファイバであってもよいし、マルチモード光ファイバであってもよい。各光ファイバ３０_ｎの出射端面３０ｂは、光導波体４０の入射端面４０ａと光学的に接続されている。レンズ２０_１〜２０_Ｎ及び光ファイバ３０_１〜３０_Ｎは、レーザ光源１０_１〜１０_Ｎから出力されるレーザ光を光導波体４０の入射端面４０ａに入力する結合光学系を構成している。

光導波体４０は、互いに対向する面に入射端面４０ａ及び出射端面４０ｂを有していている。本実施形態に係る光照射体は、上記の光ファイバ３０_ｎ及び光導波体から構成される。なお、この図１及び以降の各図には、光導波体４０について説明する際の便宜のためにｘｙｚ直交座標系が示されている。光導波体４０は、Ｎ本の光ファイバ３０_１〜３０_Ｎそれぞれの出射端面３０ｂから出力されて入射端面４０ａに入力されるレーザ光をスラブ導波路により導波させて、そのレーザ光を出射端面４０ｂから出力する。結像光学系５０は、光導波体４０の出射端面４０ｂから出力されるレーザ光を被照射物２の表面上に結像する。なお、光導波体４０の入射端面４０ａに備える光反射部及び光透過部は、本図では図示していない。

図２は、本実施形態に係る光導波体４０の構成を示す斜視図である。光導波体４０は、コア４１と、このコア４１を包囲するクラッド４２と、を有する。コア４１の屈折率はクラッド４２の屈折率より高い。光導波体４０は、レーザ光源１０_１〜１０_Ｎから出力されるレーザ光の波長において伝搬損失が小さいのが好ましく、石英ガラスからなるのが好ましい。また、クラッド４２の一部（例えばコア４１に対して＋ｙ方向側の部分）は空気であってもよい。

入射端面４０ａ及び出射端面４０ｂそれぞれはｘｙ平面に平行である。コア４１は、ｘｚ平面に平行な方向に延在していて、入射端面４０ａから出射端面４０ｂまでｚ方向に沿って設けられていてスラブ導波路を構成している。例えば、コア４１のｘ方向の幅は数百μｍ〜１０ｍｍであり、コア４１のｙ方向の高さは数μｍ〜１０μｍであり、また、コア４１のｚ方向の長さは数十ｍｍである。

コア領域面４１ａはコア４１のうち入射端面４０ａに含まれる部分である。また、コア４１のうち出射端面４０ｂに含まれる部分がコア領域面４１ｂである。Ｎ本の光ファイバ３０_１〜３０_Ｎそれぞれの出射端面３０ｂから出力されて入射端面４０ａのコア領域面４１ａに入力された光は、コア４１内を導波して出射端面４０ｂのコア領域面４１ｂから出力される。

なお、本実施形態に係る光導波体４０では、入射端面４０ａにおけるコア領域面４１ａに光反射部と光透過部とを備えているが、図２では図示していない。

図３は、本実施形態に係る光照射体に含まれる光ファイバ３０_ｎと光導波体４０との光結合を説明する断面図である。各光ファイバ３０_ｎは、コア３１と、このコア３１を包囲するクラッド３２と、を有する。コア３１の屈折率はクラッド３２の屈折率より高い。例えば、コア３１の径は数μｍ〜１０μｍであり、クラッド３２の径は５０μｍ〜１２５μｍである。一般に光ファイバのクラッド径は１２５μｍであるが、各光ファイバ３０_ｎのクラッド３２の径を小さくすることにより、光導波体４０の入射端面４０ａにおいてコア領域面４１ａに対して、より多数の光ファイバを光結合させることができる。なお、この構成は全ての光ファイバ３０_１〜３０_Ｎにおいて共通である。

各光ファイバ３０_ｎの出射端面３０ｂにおけるコア３１と、光導波体４０の入射端面４０ａにおけるコア領域面４１ａとは、互いに対向して光学的に結合している。両者は、融着接続されているのが低損失の点で好ましいが、レンズを介して光結合されていてもよい。また、融着接続される場合、各光ファイバ３０_ｎのコア３１の径は、光導波体４０のコア４１のｙ方向の高さ（コア領域面４１ａのｙ方向の高さと同一である）と比べて同程度または小さいのが好ましく、このようにすることにより、各光ファイバ３０_ｎから光導波体４０への光結合が低損失となる。

図４は、本実施形態に係る光照射体に含まれる光ファイバ３０_ｎと光導波体４０との光結合部における光ファイバ３０_１〜３０_Ｎの配列を説明する図である。この図は、光結合部において並列配置された光ファイバ３０_１〜３０_Ｎの出射端面３０ｂを見たものである。光導波体４０の入射端面４０ａにおけるコア領域面４１ａはｙ方向の高さが限られていてｘ方向に長い形状となっているので、このようなコア領域面４１ａの形状に合わせて光ファイバ３０_１〜３０_Ｎのそれぞれの出射端面３０ｂもｘ方向に配列される必要がある。そこで、この配列を容易にするために保持部材３３が用いられる。この保持部材３３は全体的には平板状の部材であって、その一方の主面上のＮ本のＶ溝は精度よく形成され得るので、各Ｖ溝に光ファイバ３０_ｎを配置することで、光ファイバ３０_１〜３０_Ｎのそれぞれの出射端面３０ｂも精度よく配置され得る。さらに、出射端面の近傍ではＶ溝に配置された光ファイバ３０_１〜３０_Ｎを固定するために接着剤が用いられている。

上述の光照射体を含んで構成される光照射装置１では、各レーザ光源１０_ｎから出力されたレーザ光は、レンズ２０_ｎにより光ファイバ３０_ｎの入射端面３０ａに集光されて、この入射端面３０ａから光ファイバ３０_ｎ内に導入される。各光ファイバ３０_ｎ内に導入されたレーザ光は、光ファイバ３０_ｎにより導波した後、光ファイバ３０_ｎの出射端面３０ｂから出力されて、光導波体４０の入射端面４０ａにおけるコア領域面４１ａから光導波体４０内に導入される。コア領域面４１ａから光導波体４０内に導入されたレーザ光は、コア４１に閉じ込められて導波し、出射端面４０ｂまで達して出射端面４０ｂにおけるコア領域面４１ｂから出力される。そして、結像光学系５０により、光導波体４０の出射端面４０ｂから出力されるレーザ光の像が被照射物２の表面上に形成される。

しかし、被照射物２で反射されたレーザ光が、結像光学系５０を経て光導波体４０の出射端面４０ｂにおけるコア領域面４１ｂへ到達する場合がある。このとき、コア領域面４１ｂへ到達したレーザ光は、コア領域面４１ｂからコア４１へ入力される。コア４１へ入力された光は、戻り光としてコア４１内を出射端面４０ｂから入射端面４０ａの方向へ導波し、入射端面４０ａにおけるコア領域面４１ａへ到達する。従来の光照射装置の場合は、戻り光として入射端面４０ａにおけるコア領域面４１ａへ到達した光は、コア領域面４１ａから出力される。このコア領域面４１ａから出力される戻り光が、光導波体４０の入射端面４０ａの近傍の樹脂や接着剤等に照射されることによって、光損傷が発生するという問題があった。このため、本発明に係る実施形態では、光導波体４０のコア領域面４１ａに光反射部及び光透過部を設け、コア領域面４１ａから出射端面４０ａの近傍へ出力される戻り光を減らす工夫を行った。

図５は、本実施形態に係る光反射部４３及び光透過部４４を説明する図である。このように光反射部４３及び光透過部４４は入射端面４０ａに設けられている。また、図５における光反射部４３と光透過部４４とからなる領域は図２における入射端面４０ａにおけるコア領域面４１ａに相当する大きさとなっている。すなわち、コア領域面４１ａには光反射部４３又は光透過部４４のいずれかが設けられているという構成を持つ。これによって、戻り光として入射端面４０ａにおけるコア領域面４１ａへ到達した光は、光反射部４３又は光透過部４４に到達するという構成を持つ。このうち光反射部４３へ到達した光は、光反射部４３によって反射され、再びコア４１を導波し、出射端面４０ｂにおけるコア領域面４１ｂから出力される。光反射部４３としては、例えば銀やアルミニウム等のレーザ光を反射させることができる材料が好ましい。レーザ光は例えば中心波長３９５ｎｍ〜４１５ｎｍ、或いは中心波長４３５ｎｍ〜４５５ｎｍのものが好ましく、この場合には、上記波長帯の光反射率の高い銀またはアルミニウムを主成分とする金属、具体的には、銀、アルミニウム、銀−ビスマス系合金、銀−パラジウム系合金、銀−マグネシウム系合金、銀−パラジウム−銅系合金、アルミニウムを主成分とする合金、更にはこれらの合金等が好適である。光透過部４４としてはレーザ光を透過する材料であればよい。また光透過部４４として開口部を設けることも好ましい。

図６は、本実施形態に係る光反射部４３及び光透過部４４と光ファイバ３０_１〜３０_３との配置を模式的に示した図である。図６では、光反射部４３及び光透過部４４と、光ファイバ３０_１〜３０_３との結合部を、出射端面４０ｂ側から−ｚ方向へ見た状態を示している。図６では本発明に係る光ファイバ３０_１〜３０_Ｎのうち、Ｎ＝３である場合として３本の光ファイバ（３０_１〜３０_３）が並列配置されている。光ファイバ３０_１〜３０_３はコア３１及びクラッド３２を有し、保持部材３３に設けられたＶ溝上に配置されていて、さらに接着剤によって固定されている。

一方、図６中の破線で示すように、光導波体４０の入射端面４０ａにおける光反射部４３及び光透過部４４は光ファイバ３０_１〜３０_３に対向している。このうち、光透過部４４は光ファイバ３０_１〜３０_３のコア３１と同一の径を有する開口部として設けられている。

上記のように、本実施形態に係る光導波体４０の出射端面４０ｂにおけるコア領域面４１ｂから入力され、スラブ導波路を逆行する戻り光のうち光反射部４３に到達する光は、光反射部４３により反射された後、再び光導波体４０のコア４１を出射端面４０ｂへ向けて導波する。この結果、光ファイバ３０_１〜３０_３のクラッド３２や光ファイバ３０_１〜３０_３の近傍の接着剤塗布部分への戻り光の照射量が減るため、戻り光による光損傷を減少することができる。同時に、光ファイバ３０のコア３１に対向して光透過部４４を設けることで、光ファイバ３０_１〜３０_３のコア３１から出力され光導波体４０のコア４１へ入力されるレーザ光の損失を防ぐことができる。

以上のように、本実施形態に係る光照射体を含む光照射装置１によれば、光反射部４３を設けることによってレーザ光の戻り光による損傷が少なくなると同時に、光透過部４４を設けることによって、各光ファイバ３０_ｎのコア３１から出力され光導波体４０のコア４１へ入力されるレーザ光の損失を防ぐことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では光透過部の大きさは光ファイバのコアと同じ大きさとしたが、光ファイバと光導波体との間にレンズを介している等により光導波体に入力する光の照射範囲が光ファイバのコアの大きさと異なる場合は、光透過部の大きさを適宜変更することができる。

本実施形態に係る光照射体を含む光照射装置１の構成を示す図である。 本実施形態に係る光導波体４０の構成を示す斜視図である。 本実施形態に係る光照射体を含む光照射装置１に含まれる光ファイバ３０_ｎと光導波体４０との光結合を説明する断面図である。 本実施形態に係る光照射体を含む光照射装置１に含まれる光ファイバ３０_ｎと光導波体４０との光結合部における光ファイバ３０_１〜３０_Ｎの配列を説明する図である。 本実施形態に係る光反射部４３及び光透過部４４を説明する図である。 本実施形態に係る光反射部４３及び光透過部４４と光ファイバ３０_１〜３０_３との配置を模式的に示した図である。

符号の説明

１…光照射装置、１０_１〜１０_Ｎ…レーザ光源、２０_１〜２０_Ｎ…レンズ、３０_１〜３０_Ｎ…光ファイバ、４０…光導波体、４１…コア、４２…クラッド、４３…光反射部、４４…光透過部、５０…結像光学系。

Claims (3)

1. 入射端面に入力される光をスラブ導波路によって導波させて出射端面から出力する光導波体であって、
   前記入射端面における前記スラブ導波路のコア領域面に、前記入射端面に入力される光と同じ波長の光を透過する光透過部と、前記入射端面に入力される光と同じ波長の光を反射する光反射部とを備えることを特徴とする光導波体。
2. 前記光反射部が銀またはアルミニウムを主成分とする金属からなることを特徴とする請求項１に記載の光導波体。
3. コア領域と前記コア領域の外周にクラッド領域とを備え、入射端面に入力される光を前記コア領域によって導波させて出射端面から出力する光ファイバと、
   請求項１又は２に記載の光導波体と、
   を備え、
   前記光ファイバの前記出射端面における前記コア領域と、前記光導波体の前記入射端面における前記光透過部とが対向して設けられ、
   前記光ファイバの前記出射端面における前記コア領域から出力される光が、前記光導波体の前記入射端面における前記光透過部に入力されることを特徴とする光照射体。

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