JP2009210609A - 光導波体 - Google Patents

Abstract

【課題】 高いパワー密度のレーザ光を導波させた場合に、入射端面又は出射端面における損傷が少ない光導波体を提供する。
【解決手段】 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３０ａに入力され、光ファイバ３０_ｎにより入射端３０ａから出射端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。このうち、光導波体４０中のコア領域４１の出射端面側のコア領域面４１ｂは出射端面４０ｂより手前に設けられる。したがってコア領域４１を導波するレーザ光はコア領域面４１ｂから出力され、クラッド４２中を出射端面４０ｂへ伝播する。この結果、出射端面４０ｂにおけるレーザ光の断面はコア領域面４１ｂにおけるレーザ光の断面よりも大きく、レーザ光のパワー密度が低くなっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光導波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から入射される。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出射されて被照射物に向けて照射される構造を持っている。ここで用いられる導波部材は直方体の光学媒体であり、入射端面と出射端面とを除く導波部材の側面に導波部材に対して屈折率の小さなクラッドを設ける構成が開示されている。
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高エネルギーでパワー密度の高いレーザ光を導波させた場合、導波部材の入射端面や出射端面にごみや汚れが付着しているとレーザ光によって焼き付きが発生し、入射端面や出射端面に大きな損傷が発生するという問題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、高いパワー密度のレーザ光を導波させた場合に、入射端面又は出射端面における損傷が少ない光導波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、第１端面と第２端面とを有し、第１端面側と第２端面側との間に延在するコアによって光を導波させる光導波体であって、コアの第１端面側の終端と第１端面との間に間隙を有することを特徴とする。

また、本発明の光導波体は、コアの第２端面側の終端と第２端面との間に間隙を有することを特徴とする。

本発明の光導波体は、コアを導波した光が間隙を伝播して、第１端面側から出力されるときに、第１端面を含む平面における光のビーム断面が、第１端面に含まれることを特徴とする。

本発明の光導波体を用いた光照射装置では、レーザ光源から出力される光は結合光学系を経て、光導波体の第１端面又は第２端面から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た後、光導波体から被照射物へ向けて照射される。上記のように、本発明に係る光導波体の第１端面及び第２端面のいずれか一方が入射端面として、他方が出射端面として、それぞれ機能する。以下、上記の本発明に係る光導波体の第１端面が出射端面として被照射物に対向しているとする。また、光導波体の第２端面が入射端面として結合光学系に対向しているとする。よって、レーザ光源から出力される光は結合光学系を経て光導波体の第２端面から入力され、第１端面から出力されるとする。

本発明に係る光導波体は、コアの終端と第１端面との間に間隙を有している。このため、光導波体に入力された光が光導波体を出射端面である第１端面に向けて導波するとき、コアの終端と第１端面との間は間隙を伝播する。光は、間隙を伝播するときはコアを多重反射されながら導波する際に比べて広がりながら進むため、間隙を伝播中の光のビーム断面は、コアを導波するときに比べて大きくなる。

第２端面から光導波体に入射された光は、光導波体のコアを導波した後に間隙を経て第１端面に到達する。このとき、第１端面における光のビーム断面は、光導波体のコアにおけるビーム断面よりも大きくなっていて、パワー密度が低くなっている。これによって、高エネルギーと高いパワー密度を持つ光を導波する光導波体であっても、第１端面から出力される際にはパワー密度を低くすることができる。

本発明に係る光導波体としては間隙を第１端面に限らず、第２端面においても備えることができる。これによれば、光導波体の入射端面及び出射端面のいずれの面においてもレーザ光の焼き付きによる損傷を減らすことができるため、本発明による効果をさらに高めることができる。

また、コアを導波した光が間隙を伝播して、第１端面側から出力されるときの第１端面を含む平面における光のビーム断面が第１端面に含まれていれば、光が光導波体の第１端面及び第２端面を除く側面に到達したときの反射や散乱等による損失を軽減し、高エネルギーを維持した光を被照射物へ照射することができる。

本発明によれば、高いパワー密度のレーザ光を導波させた場合に、入射端面又は出射端面における損傷が少ない光導波体が提供される。

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導波体を用いた光照射装置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および結像光学系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３０ａに集光して、そのレーザ光を該入射端３０ａから光ファイバ３０_ｎ内に入力させる。

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および光ファイバ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に入力させ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および出射端面４０ｂを有していている。なお、この図１および以降の各図には、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照射対象物２の表面上に結像する。

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および出射端面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の手前まで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。コア４１の入射端面４０ａ側の終端であるコア領域面４１ａは、入射端面４０ａに含まれている。一方、コア４１の出射端面４０ｂ側の終端であるコア領域面４１ｂは、出射端面４０ｂよりも手前（−ｚ方向）で終端し、コア領域面４１ｂと出射端面４０ｂとの間には間隙が設けられている。本実施形態においては、コア領域面４１ｂと出射端面４０ｂとの間の間隙はクラッド４２と同じ組成であり同じ屈折率である。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である。また、コア４１のｚ方向の長さは数十ｍｍであり、コア４１の出射端面４０ｂ側の終端と出射端面４０ｂとの長さは数百μｍ〜数ｍｍである。

図３は、本実施形態に係る光導波体を用いた光照射装置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。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、接着剤による結合やレンズを介した光結合でもよい。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導波体を用いた光照射装置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。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３０ｂも精度よく配置され得る。

このように本実施形態に係る光導波体を用いて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３０ａに集光されて、この入射端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により導波された後、光ファイバ３０_ｎの出射端３０ｂから出力されて、光導波体４０の入射端面４０ａから光導波体４０内に導入される。光導波体４０内のコア４１を導波したレーザ光は、出射端面４０ｂから出力され、結像光学系５０によりレーザ光の像が照射対象物２の表面上に形成される。

ここで、従来の光導波体においては、入射端面４０ａ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まで達して該出射端面４０ｂから出力される。従来の光導波体では、コア４１は入射端面４０ａから出射端面４０ｂまで延在しているため、出射端面４０ｂにおけるレーザ光のビーム断面は出射端面４０ｂにおけるコア４１の面積と等しくなる。光導波体４０のコア４１中に高エネルギーでパワー密度の高いレーザ光を導波させた場合、パワー密度の高いレーザ光を出射端面４０ｂから出力するために、出射端面４０ｂにごみや汚れが付着しているとレーザ光によって焼き付きが発生するという問題があった。

そのため、本実施形態ではこの問題を解消するために、コア４１における出射端面４０ｂ側のコア領域面４１ｂを出射端面４０ｂよりも手前に設けてコア領域面４１ｂと出射端面４０ｂとの間に間隙を設けることにより、出射端面４０ｂから出射される光の出射端面４０ｂにおけるビーム断面積を大きくするという工夫を行った。

図５は、本実施形態に係る光導波体４０において、出射端面４０ｂ側のコア領域面４１ｂから出力された光の伝播を模式的に示す図である。図５では、光導波体４０を＋ｙ方向から見た図である。このように、入射端面４０ａ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され、コア領域面４１ｂから出力される。コア領域面４１ｂと出射端面４０ｂとの間には間隙が設けられており、コア領域面４１ｂから出力されたレーザ光Ｌはクラッド４２からなる間隙を出射端面４０ｂ方向へ進む。クラッド４２内を伝播するレーザ光Ｌは、出射端面４０ｂまで達して該出射端面４０ｂから出力される。クラッド４２内を伝播するレーザ光Ｌは、コア領域面４１ｂから出力された時点から広がりをもって進み、レーザ光Ｌのビーム断面が出射端面４０ｂに含まれた状態で出射端面４０ｂから出力される。出射端面４０ｂから出力されるときのレーザ光Ｌのｘ軸方向のビームの幅は、出射端面４０ｂ側のコア領域面４１ｂにおけるｘ軸方向のビームの幅よりも大きくなる。この結果、出射端面４０ｂから出力されるときのレーザ光Ｌのパワー密度を、出射端面４０ｂ側のコア領域面４１ｂにおけるパワー密度より低くすることができるため、レーザ光Ｌによる焼き付きを低減させることができる。

図５では光導波体４０においてコア４１から出力されたレーザ光Ｌのクラッド４２における伝播についてｘｚ平面図を用いて説明したが、ｙｚ平面についても同様にレーザ光Ｌは伝播し、レーザ光Ｌのビーム断面が出射端面４０ｂに含まれた状態で出射端面４０ｂから出力される。これにより、出射端面４０ｂから出力されるときのレーザ光Ｌのｙ軸方向のビームの幅は、出射端面４０ｂ側のコア領域面４１ｂにおけるｙ軸方向のビームの幅よりも大きくなる。このため、出射端面４０ｂから出力されるレーザ光Ｌの出射端面４０ｂにおけるビーム断面積は、出射端面４０ｂ側のコア領域面４１ｂから出力されるときのビーム断面積よりも大きく、レーザ光Ｌのパワー密度の小さくして出射端面４０ｂから出力することができる。

なお、本実施形態に係る光導波体４０に代わって、従来の光導波体にさらにコアが無いクラッドを融着接続するという手段も考えられる。しかしながら、上記手段を実現するためには従来の光導波体とコア無しクラッドを製造した後に、それらを融着接続する必要がある。一方、本実施形態に係る光導波体４０は一般的な光導波体の製造方法により作製することができる。光導波体の一般的な製造方法としては、下地基板上に、アンダークラッド層、コア４１となるコア層を順次形成する。その後コア層の上面にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィによりレジスト膜によるパターンを形成し、エッチングを行ってレジスト膜が形成されていない部分のコア層を除去する。これによってコア４１が形成され、さらにオーバークラッド層を積層することにより、光導波体４０が得られる。本実施形態に係る光導波体４０は、上記の光導波体の一般的な製造方法のうち、レジスト膜のパターンの形状を変更することにより作製することができる。このように、本実施形態に係る光導波体４０は、従来の光導波体の製造方法から工程数を変更することがないため、設備投資や作業コスト等の増加がなくレーザ光による焼き付きを低減させ、損傷を減少させる効果を得ることができる。

以上のように、本実施形態に係る光導波体を用いた光照射装置１によれば、光導波体４０のコア４１において、出射端面４０ｂ側のコア領域面４１ｂを出射端面４０ｂより手前に設けて、出射端面４０ｂとコア領域面４１ｂとの間に間隙を設けることにより、高いパワー密度のレーザ光を導波させた場合に、出射端面４０ｂにおける損傷を減らすことができる。

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、本実施形態では光導波体４０におけるコア４１の入射端面４０ａ側の端面（コア領域面４１ａ）は入射端面４０ａに達しているが、入射端面４０ａ側のコア領域面４１ａと入射端面４０ａとの間に間隙を設けて、本実施形態と同様に間にクラッド４２を設ける構造としてもよい。この構造は、光ファイバ３０_ｎの出射端３０ｂにおけるコア３１と、光導波体４０の入射端面４０ａ側のコア領域面４１ａとが、レンズを介して互いに光結合しているときに好適である。

本実施形態に係る光導波体を用いた光照射装置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導波体を用いた光照射装置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導波体を用いた光照射装置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導波体４０において、出射端面４０ｂ側のコア領域面４１ｂから出力されたレーザ光Ｌの伝播を模式的に示す図である。

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、５０…結像光学系。

Claims (3)

1. 第１端面と第２端面とを有し、前記第１端面側と前記第２端面側との間に延在するコアによって光を導波させる光導波体であって、
   前記コアの前記第１端面側の終端と前記第１端面との間に間隙を有する
   ことを特徴とする光導波体。
2. 前記コアの前記第２端面側の終端と前記第２端面との間に間隙を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の光導波体。
3. 前記コアを導波した光が前記間隙を伝播して、前記第１端面側から出力されるときに、
   前記第１端面を含む平面における前記光のビーム断面が、前記第１端面に含まれる
   ことを特徴とする請求項１記載の光導波体。
   

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