JP2018163014A - 拡がり角測定装置、拡がり角測定方法、レーザ装置、及びレーザシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で高出力のレーザ光の拡がり角を測定することが可能な拡がり角測定装置、拡がり角測定方法、レーザ装置、及びレーザシステムを提供する。【解決手段】拡がり角測定装置１５は、コア及びクラッドを有する光ファイバＦのクラッドから漏出するレーザ光を検出する光検出器３１と、光検出器３１の検出結果と、光ファイバＦ内を伝搬するレーザ光のパワーを示すパワー情報とに基づいて、光ファイバＦ内を伝搬するレーザ光の拡がり角を求める演算部３３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、拡がり角測定装置、拡がり角測定方法、レーザ装置、及びレーザシステムに関する。

近年、産業分野で用いられる高出力レーザ装置として、ファイバレーザ装置が注目されている。このファイバレーザ装置は、従来の高出力レーザ装置（例えば、炭酸ガスレーザ装置）に比べて、ビーム品質（ＢＰＰ或いはＭ^２）が優れており集光性が高いという特徴を有する。このため、従来の炭酸ガスレーザ装置等に代えてファイバレーザ装置を用いれば、加工時間を短縮することができ、省エネルギーを図ることが可能である。

このようなファイバレーザ装置では、例えば経時劣化等によって、射出されるレーザ光の拡がり角が大きくなる可能性が考えられる。レーザ光の拡がり角が大きくなると、ビーム品質が悪化して加工特性が変化してしまう。このため、ファイバレーザ装置の性能を維持するためには、レーザ光の拡がり角をモニタし、モニタ結果に応じてファイバレーザ装置のメンテナンスを行う必要がある。

以下の特許文献１，２には、レーザビームの拡がり角を測定する従来技術の一例が開示されている。具体的には、以下の特許文献１には、測定対象のレーザビームの一部をビームスプリッタで分岐して測定用レンズ（焦点距離ｆ）で集光し、集光位置におけるビーム直径ｄをＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）カメラで計測し、ビーム拡がり角θを、θ＝ｄ／ｆなる計算式によって求める技術が開示されている。また、以下の特許文献２には、光ファイバの末端から予め定められた距離で放射赤外線エネルギーをエネルギーのより短い波長に変換し、この短い波長のエネルギー分布を記録して光ファイバの開口数を計算する技術が開示されている。

特開平１０−４７９３８号公報 特表昭６４−５００５３９号公報

ところで、現状において、ファイバレーザ装置は、出力パワーが数十［Ｗ］程度の低出力のもの、数百［Ｗ］程度の中出力のもの、数［ｋＷ］程度の高出力ものものが実現されている。今後、高出力のファイバレーザ装置の研究開発は、出力パワーをより高める方向で行われると考えられ、将来的には数十〜百［ｋＷ］程度の出力パワーを有するファイバレーザ装置が実現される可能性がある。

上述した特許文献１に開示された技術では、測定対象のレーザビームの一部をビームスプリッタで分岐する必要があることから、高出力化されたファイバレーザ装置から射出されるレーザ光の拡がり角を、実動作状態でモニタすることは難しいという問題がある。また、上述した特許文献１に開示された技術では、ビームスプリッタ及び測定レンズ等の光学素子に加えて、ＣＣＤカメラ等の撮像素子が必要になることから、測定装置が大型化してしまうという問題がある。

上述した特許文献２に開示された技術では、光ファイバの末端から予め定められた距離にアップ変換スクリーンを配置して、光ファイバの末端から射出される赤外光の波長変換が必要になる。このため、上述した特許文献１に開示された技術と同様に、高出力化されたファイバレーザ装置から射出されるレーザ光の拡がり角を、実動作状態でモニタすることは難しいという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡便な構成で高出力のレーザ光の拡がり角を測定することが可能な拡がり角測定装置、拡がり角測定方法、レーザ装置、及びレーザシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の拡がり角測定装置は、コア（Ｃ）及びクラッド（ＣＬ１）を有する光ファイバ（１２、Ｆ）内を伝搬するレーザ光の拡がり角をモニタする拡がり角測定装置（１５、４０、５０）であって、前記光ファイバの前記クラッドから漏出する前記レーザ光を検出する第１検出器（３１）と、前記第１検出器の検出結果と、前記光ファイバ内を伝搬する前記レーザ光のパワーを示すパワー情報とに基づいて、前記レーザ光の拡がり角を求める演算部（３３）と、を備える。
また、本発明の拡がり角測定装置は、前記光ファイバには、前記クラッドを伝搬するクラッド光を漏出させて除去するクラッド光除去部（１３）が設けられており、前記第１検出器が、前記クラッド光除去部に配置されて、前記クラッド光除去部で除去される前記クラッド光を検出する。
また、本発明の拡がり角測定装置は、前記光ファイバの近傍に配置され、前記光ファイバ内を伝搬する前記レーザ光のレイリー散乱光を検出する第２検出器（３２）を更に備え、前記演算部が、前記第２検出器の検出結果を前記パワー情報として用いて前記レーザ光の拡がり角を求める。
また、本発明の拡がり角測定装置は、前記光ファイバの近傍に配置され、前記光ファイバ内を伝搬する前記レーザ光のレイリー散乱光を検出する第２検出器を更に備え、前記第２検出器が、前記光ファイバにおいて前記クラッド光除去部よりも光入力側に設けられる。
或いは、本発明の拡がり角測定装置は、前記クラッド光除去部における温度を検出する温度検出器（４１）を更に備え、前記演算部が、前記温度検出器の検出結果を前記パワー情報として用いて前記レーザ光の拡がり角を求める。
或いは、本発明の拡がり角測定装置は、前記演算部が、前記光ファイバ内を伝搬する前記レーザ光を出力するレーザ光源に供給される駆動電流を検出する電流検出器（ＣＤ）の検出結果を前記パワー情報として用いて前記レーザ光の拡がり角を求める。
また、本発明の拡がり角測定装置は、前記演算部で求められた前記レーザ光の拡がり角を示す第１情報、或いは前記演算部で求められた前記レーザ光の拡がり角が予め規定された範囲内であるか否かを示す第２情報を出力する出力部（３４）を備える。
本発明の拡がり角測定方法は、コア（Ｃ）及びクラッド（ＣＬ１）を有する光ファイバ（１２、Ｆ）内を伝搬するレーザ光の拡がり角をモニタする拡がり角測定方法であって、前記光ファイバの前記クラッドから漏出する前記レーザ光を検出する検出ステップと、前記検出ステップの検出結果と、前記光ファイバ内を伝搬する前記レーザ光のパワーを示すパワー情報とに基づいて、前記レーザ光の拡がり角を求める演算ステップと、を有する。
本発明のレーザ装置（１〜４）は、レーザ光源（１１）と、コア（Ｃ）及びクラッド（ＣＬ１）を有し、前記レーザ光源から出力されるレーザ光を伝搬させる光ファイバ（１２、Ｆ）と、上記の何れかに記載の拡がり角測定装置と、を備える。
また、本発明のレーザ装置は、前記光ファイバ内を伝搬するレーザ光の拡がり角を調整する調整装置（６１）と、前記拡がり角測定装置の測定結果に応じて、前記調整装置を制御する制御装置（６０）と、を備える。
本発明のレーザシステムは、複数のレーザ装置（７１）と、該複数のレーザ装置から出力される光を合波する合波装置（７２）と、該合波装置で合波された光を導波する出力光ファイバ（１２、Ｆ）と、を備えるレーザシステム（ＬＳ）において、前記出力光ファイバ内を伝搬するレーザ光の拡がり角をモニタする上記の何れかに記載の拡がり角測定装置を備える。

本発明によれば、コア及びクラッドを有する光ファイバのクラッドから漏出するレーザ光を第１検出器で検出し、第１検出器の検出結果と、光ファイバ内を伝搬するレーザ光のパワーを示すパワー情報とに基づいて、レーザ光の拡がり角を求めているため、簡便な構成で高出力のレーザ光の拡がり角を測定することが可能であるという効果がある。

本発明の第１実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態によるレーザ装置で用いられるデリバリファイバの一例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態によるレーザ装置に設けられるクラッド光除去部の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態において、光出力が一定である場合におけるレーザ光の拡がり角とクラッド光の検出結果とのおおよその関係を示す図である。 本発明の第１実施形態において、レーザ光の拡がり角が一定である場合における光出力と光検出器の検出結果との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態において、レーザ光の拡がり角が変化した場合における光出力と光検出器の検出結果との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態におけるＮＡ調整装置の一例を説明するための図である。 本発明の第５実施形態によるレーザシステムの要部構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による拡がり角測定装置、拡がり角測定方法、レーザ装置、及びレーザシステムについて詳細に説明する。尚、以下で参照する図面では、理解を容易にするために、必要に応じて各部材の寸法の縮尺を適宜変えて図示することがある。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態のレーザ装置１は、レーザ光源１１、デリバリファイバ１２、クラッド光除去部１３、コネクタ１４、及び拡がり角測定装置１５を備えており、コネクタ１４から外部に向けてレーザ光Ｌを射出する。尚、レーザ装置１が、例えばレーザ加工に用いられるものである場合には、レーザ光Ｌはコネクタ１４の先のヘッド（図示省略）から被加工面に向けて射出される。

レーザ光源１１は、例えば複数の励起光源を備えたファイバレーザであり、励起光源から出力される励起光によって光増幅ファイバのコアに添加された希土類イオンが励起されてレーザ光を出力する。尚、レーザ光源１１に設けられる励起光源の種類及び数は、レーザ光Ｌの波長及びパワーに応じて適宜選択される。デリバリファイバ１２は、レーザ光源１１から出力されるレーザ光を伝送する伝送媒体として機能する光ファイバであり、一端がレーザ光源１１に接続されるとともに他端がコネクタ１４に接続されている。コネクタ１４は、レーザ光Ｌの射出端として機能するものであり、デリバリファイバ１２の他端に接続されている。

ここで、レーザ装置１で用いられるデリバリファイバ１２について説明する。図２は、本発明の第１実施形態によるレーザ装置で用いられるデリバリファイバの一例を示す断面図である。図２に示す通り、デリバリファイバとして用いられる光ファイバＦは、例えばダブルクラッドファイバである。光ファイバＦは、円柱状のコアＣ、コアＣの外側面を覆う円筒状のインナークラッドＣＬ１、インナークラッドＣＬ１の外側面を覆う円筒状のアウタークラッドＣＬ２、及びアウタークラッドＣＬ２の外側面を覆う円筒状の外被ＦＪを有する。

図２に示す光ファイバＦの構成要素のうち、コアＣとインナークラッドＣＬ１とは、例えばガラスにより構成されている。アウタークラッドＣＬ２と外被ＦＪとは、例えば樹脂により構成されている。以下、アウタークラッドＣＬ２と外被ＦＪとをまとめて、被覆ＣＶということもある。また、インナークラッドＣＬ１を単にクラッドということもある。

ここで、デリバリファイバ１２を構成する光ファイバＦの諸元は、例えば以下の通りである。
コアＣ：組成…石英ガラス、直径…１００［μｍ］、屈折率…１．４６
インナークラッドＣＬ１：組成…フッ素添加石英ガラス、外径…３６０［μｍ］、屈折率…１．４４
アウタークラッドＣＬ２：組成…シリコーン、外径…５００［μｍ］、屈折率…３．９

クラッド光除去部１３は、デリバリファイバ１２の途中に設けられており、デリバリファイバ１２内を、レーザ光源１１からコネクタ１４に向かう方向（以下、出力方向Ｄという）に伝搬するレーザ光Ｌのクラッド光を除去するものである。図３は、本発明の第１実施形態によるレーザ装置に設けられるクラッド光除去部の構成を示す図であって、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）中のＡ−Ａ線断面矢視図である。

図３に示す通り、クラッド光除去部１３は、上面に溝２０Ｍを有する筐体２０、光ファイバＦの周方向の少なくとも一部の被覆ＣＶが除去された被覆除去領域２１とを備える。筐体２０は、例えば黒アルマイト処理が施されたアルミニウム等の金属材料で構成されている。但し、筐体２０の構成材料は特に限定されない。溝２０Ｍの内部に、被覆除去領域２１が設けられた光ファイバＦが収容されている。光ファイバＦは、被覆除去領域２１が溝２０Ｍの開口側（図３（ｂ）における上方）を向くように配置されている。溝２０Ｍの形状及び寸法は、特に限定されない。

被覆除去領域２１においては、被覆ＣＶの一部又は全部が、光ファイバＦの長手方向及び周方向の双方において除去されている。被覆ＣＶが除去された箇所では、光ファイバＦのインナークラッドＣＬ１が溝２０Ｍの開口側に露出した露出部２２となり、被覆除去領域２１の上面が封止材２３（詳細は後述する）により覆われた状態となる。

図３に示す例は、光ファイバＦの周方向における被覆ＣＶの一部が除去された例である。光ファイバＦの周方向における被覆ＣＶの一部を除去する場合には、光ファイバＦの全周のうちのどの程度の被覆ＣＶを除去するか、即ち、全周３６０°のうちの何度分にあたる被覆ＣＶを除去するかは、必要とされるクラッド光除去能力に応じて適宜設定される。

また、光ファイバＦの長手方向については、図３に示す例の通り、被覆ＣＶが連続的に除去され、インナークラッドＣＬ１が連続的に露出していてもよい。或いは、図示は省略するが、被覆が断続的に除去され、インナークラッドＣＬ１の露出部分と非露出部分とが交互に設けられていてもよい。光ファイバＦの長手方向の被覆を除去する部分の長さについても、必要とされるクラッド光除去能力に応じて適宜設定される。

溝２０Ｍの内部における光ファイバＦの周囲の空間には、封止材２３が充填されている。封止材２３は、例えば光透過性を有するシリコーン樹脂により構成される。これにより、溝２０Ｍの内部における光ファイバＦの位置が固定される。封止材２３は、インナークラッドＣＬ１の屈折率と等しい屈折率、或いはインナークラッドＣＬ１の屈折率よりも高い屈折率を有する材料で構成されている。即ち、被覆除去領域２１において、インナークラッドＣＬ１は、インナークラッドＣＬ１の屈折率と等しい屈折率、或いはインナークラッドＣＬ１の屈折率よりも高い屈折率を有する封止材２３と接する。そのため、インナークラッドＣＬ１内を伝搬してきた光は、インナークラッドＣＬ１から封止材２３を経て外部に漏出する。

図３（ａ）に示す通り、溝２０Ｍの長手方向の両端には、シール材２４が設けられている。これにより、光ファイバＦは、筐体２０の長手方向の端部において筐体２０に固定される。シール材２４は、例えばシリコーン樹脂により構成される。シール材２４を構成するシリコーン樹脂は、光透過性を有していてもよいし、光透過性を有していなくてもよい。

また、クラッド光除去部１３には、拡がり角測定装置１５の光検出器３１が設けられる。光検出器３１は、例えば赤外線フォトダイオードであり、光ファイバＦのクラッドから漏出するレーザ光Ｌの漏れ光を受光する。図３（ｂ）に示す通り、光検出器３１は、蓋２５側に取り付けられている。被覆除去領域２１は、光検出器３１の受光面Ｒに対向して設けられている。クラッド光除去部１３は、コアＣからクラッドに漏洩したクラッド光を被覆除去領域２１においてクラッドの外部に漏出させ、そのクラッド光を光検出器３１に入射させることでレーザ光Ｌの拡がり角を測定する機能を有する。図３（ａ）に示す通り、光ファイバＦの中心軸に垂直な方向から見て、光検出器３１は、被覆除去領域２１と重なる位置に設けられている。光検出器３１は、被覆除去領域２１の長手方向において、互いの位置が異なるのであればどの位置に設けられていてもよい。

光検出器３１が取り付けられている蓋２５は、図３（ｂ）に示す通り、筐体２０の溝２０Ｍの上方を覆ように設けられている。蓋２５の材料は特に限定されないが、例えば筐体２０と同じアルミニウムで構成されている。光検出器３１は、蓋２５を貫通するように取り付けられることにより、光ファイバＦの被覆除去領域２１の上方に位置する。即ち、光ファイバＦに被覆除去領域２１が設けられたことにより、光ファイバＦのインナークラッドＣＬ１は光検出器３１の受光面Ｒと対向する。この構成により、光検出器３１は、光ファイバＦから漏出したクラッド光の多くを受光することができる。

但し、被覆除去領域２１は、必ずしも光検出器３１の受光面Ｒと対向していなくてもよい。このような構成にしても、光ファイバＦから漏出したクラッド光は溝２０Ｍの内面で反射、散乱するため、光検出器３１はクラッド光を受光することができる。

拡がり角測定装置１５は、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角をモニタし、レーザ光Ｌの拡がり角を示す情報（第１情報）、或いはレーザ光Ｌの拡がり角が予め規定された範囲内であるか否かを示す情報（第２情報）を出力する。ここで、上記のレーザ光Ｌの拡がり角を示す情報は、レーザ光Ｌの拡がり角そのものを示す情報であっても良く、レーザ光Ｌの拡がり角を開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）に換算した値であっても良い。

上記「レーザ光Ｌの拡がり角」は、レーザ光Ｌの伝播方向と光ファイバの中心軸とのなす角（角度θ）をいう。デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角が大きいほどデリバリファイバ１２（コネクタ１４）から射出されるレーザ光の拡がり角が大きくなる傾向があるため、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角を求めることによりデリバリファイバ１２（コネクタ１４）から射出されるレーザ光の拡がり角を求めることができる。また、上記「拡がり角を開口数に換算した値」とは、ｓｉｎθにより定義される値である。

拡がり角測定装置１５は、図１に示す通り、光検出器３１（第１検出器）、光検出器３２（第２検出器）、演算部３３、及びモニタ信号出力部３４（出力部）を備えており、光検出器３１，３２の検出結果に基づいて、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角のモニタ等を行う。光検出器３１は、前述の通り、デリバリファイバ１２に設けられたクラッド光除去部１３に配置され、光ファイバＦのクラッドから漏出するレーザ光Ｌの漏れ光を受光する。

光検出器３２は、デリバリファイバ１２の近傍に配置され、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光を検出する。ここで、レイリー散乱光は、デリバリファイバ１２内におけるレーザ光の導波方向とは関係なく、光ファイバＦによって伝搬される光のパワーに応じたパワーを有する。上記の光検出器３２としては、例えばＰＩＮフォトダイオードを用いることができる。光検出器３２としてＰＩＮフォトダイオードを用いた場合には、光検出器３２は、例えば光ファイバＦの側面から（被覆樹脂から）数［ｍｍ］程度離間した位置に配置される。

光検出器３２は、デリバリファイバ１２のクラッド光除去部１３よりも光入力側に設けられる。これは、クラッド光除去部１３で除去されたクラッド光が、光検出器３２の検出結果に与える影響を極力小さくするためである。尚、クラッド光除去部１３で除去されたクラッド光の影響が小さければ、光検出器３２をクラッド光除去部１３よりも光出力側に設けることができる。つまり、光検出器３２は、外乱（例えば、迷光等）に影響されることなく、光ファイバＦによって伝搬されるレーザ光のレイリー散乱光を検出できるのであれば、任意の位置に配置することが可能である。

演算部３３は、光検出器３１の検出結果と光検出器３２の検出結果とに基づいて、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角のモニタ等を行う。具体的に、演算部３３は、光検出器３２の検出結果から光ファイバＦによって伝搬されるレーザ光のパワーを求め、このパワーと検出値特性情報ＩＦとに基づいて、レーザ光Ｌの拡がり角を求める。ここで、上記の検出値特性情報ＩＦは、レーザ装置１から出力される出力光のパワー毎に用意され、光検出器３１，３２の検出結果の比とレーザ光Ｌの拡がり角を示す情報とが対応付けられた情報である。また、演算部３３は、レーザ装置１で許容し得るレーザ光Ｌの拡がり角の最大値である閾値を記憶しており、レーザ光Ｌの拡がり角が閾値を超えたか否かを判断する。

ここで、演算部３３におけるレーザ光Ｌの拡がり角の測定原理について説明する。図４は、本発明の第１実施形態において、光出力が一定である場合におけるレーザ光の拡がり角とクラッド光の検出結果とのおおよその関係を示す図である。尚、図４に示すグラフは、レーザ光Ｌの拡がり角（ＮＡ）を横軸にとり、光検出器３１の検出結果（クラッドモニタ出力）を縦軸にとってある。尚、図４に示すグラフの横軸及び縦軸の何れも任意単位である。図４を参照すると、レーザ光Ｌの拡がり角と光検出器３１の検出結果（クラッドモニタ出力）との関係は、光出力（レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌのパワー）が一定である場合には、レーザ光Ｌの拡がり角が大きくなるにつれ、光検出器３１の検出結果（クラッドモニタ出力）が大きくなる傾向があることが分かる。

図５は、本発明の第１実施形態において、レーザ光の拡がり角が一定である場合における光出力と光検出器の検出結果との関係を示す図である。尚、図５に示すグラフは、レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌのパワー（光出力）を横軸にとり、光検出器３１，３２の検出結果（クラッドモニタ出力、レイリーモニタ出力）を縦軸にとってある。尚、図５の縦軸は、光検出器３１，３２の検出結果をパワー［Ｗ］に変換した値としている。また、図５においては、比較のため、レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌのパワーを示すグラフ（レーザ出力）も図示している。このグラフは、横軸の値と縦軸の値とが同じ点をプロットしたグラフである。

図５を参照すると、光出力と光検出器３１，３２の検出結果との関係は、レーザ光Ｌの拡がり角が一定である場合には、光出力が増大するに正比例して光検出器３１の検出結果（クラッドモニタ出力）及び光検出器３２の検出結果（レイリーモニタ出力）が共に増大する関係にあることが分かる。ここで、光検出器３１，３２の検出結果は、光出力が増大するにつれて直線的に増加することから、レーザ光Ｌの拡がり角が一定である場合には、光検出器３１，３２の検出結果の比は、光出力に拘わらず一定になることが分かる。また、レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌのパワーは、概ね光検出器３２の検出結果（レイリーモニタ出力）から、光検出器３１の検出結果（クラッドモニタ出力）を差し引いたものとなっていることが分かる。

図６は、本発明の第１実施形態において、レーザ光の拡がり角が変化した場合における光出力と光検出器の検出結果との関係を示す図である。尚、図６に示すグラフは、図５に示すグラフと同様に、レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌのパワー（光出力）を横軸にとり、光検出器３１，３２の検出結果（クラッドモニタ出力、レイリーモニタ出力）を縦軸にとり、縦軸は、光検出器３１，３２の検出結果をパワー［Ｗ］に変換した値としている。また、図６においておいても、比較のため、レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌのパワーを示すグラフ（レーザ出力）も図示している。

図６中の凡例に示されているＮＡ１，ＮＡ２，ＮＡ３は、レーザ光の拡がり角を示しており、ＮＡ１＜ＮＡ２＜ＮＡ３なる関係がある。図６を参照すると、光出力と光検出器３１，３２の検出結果との関係は、レーザ光Ｌの拡がり角の大小に拘わらず、光出力が増大するに正比例して光検出器３１の検出結果（クラッドモニタ出力）及び光検出器３２の検出結果（レイリーモニタ出力）が共に増大する関係にあることが分かる。

また、光検出器３１の検出結果（クラッドモニタ出力）及び光検出器３２の検出結果（レイリーモニタ出力）は何れも、光出力の大小に拘わらず、レーザ光の拡がり角が大きいほど、大きくなる関係にあることも分かる。具体的に、理解を容易にするために、光出力が例えば８００［Ｗ］であるとすると、光検出器３１の検出結果（クラッドモニタ出力）は、レーザ光の拡がり角ＮＡ１，ＮＡ２，ＮＡ３の順で大きくなり、光検出器３２の検出結果（レイリーモニタ出力）も、レーザ光の拡がり角ＮＡ１，ＮＡ２，ＮＡ３の順で大きくなる。ここで、図６に示す通り、光検出器３１，３２の検出結果は、光出力が増大するにつれて直線的に増加するが、その増加率（傾き）はレーザ光の拡がり角に応じて異なる。このため、光検出器３１，３２の検出結果の比は、レーザ光の拡がり角に応じて異なることとなる。

以上の通り、図４から、レーザ光Ｌの拡がり角が大きいほど、光ファイバＦのコアＣからクラッドに多くのレーザ光が漏洩するため、光検出器３１の検出結果（クラッドモニタ出力）は大きくなる傾向がある。また、図５，図６から、レーザ光Ｌの拡がり角が同じであっても、レーザ光Ｌのパワーが大きいほど、光検出器３１の検出結果（クラッドモニタ出力）は大きくなる傾向がある。更に、図５から、光検出器３１，３２の検出結果の比は、レーザ光の拡がり角に応じて異なっている。

そこで、レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌの拡がり角を予め測定し、その際のレーザ光Ｌのパワーを光検出器３２で検出するとともに、クラッド光（光ファイバＦのクラッドから漏出するレーザ光Ｌ）を光検出器３１で検出しておく。そして、レーザ装置１から出力される出力光のパワー毎に、光検出器３１，３２の検出結果の比とレーザ光Ｌの拡がり角を示す情報とが対応付けられた情報である検出値特性情報ＩＦを予め用意しておく。このようにすれば、光検出器３２の検出結果から光ファイバＦによって伝搬されるレーザ光のパワーを求め、このパワーと検出値特性情報ＩＦとに基づいて、レーザ光Ｌの拡がり角を求めることができる。演算部３３はこのような原理によって、レーザ光Ｌの拡がり角を求めるようにしている。

モニタ信号出力部３４は、演算部３３で求められたレーザ光Ｌの拡がり角を示す情報、或いはレーザ光Ｌの拡がり角が予め規定された範囲内であるか否かを示す情報を外部に出力する。例えば、モニタ信号出力部３４は、液晶表示装置等の表示装置を備えており、演算部３３で求められたレーザ光Ｌの拡がり角を示す情報、或いはレーザ光Ｌの拡がり角が予め規定された範囲内であるか否かを示す情報を表示装置に表示する。或いは、モニタ信号出力部３４は、外部出力端子を備えており、演算部３３で求められたレーザ光Ｌの拡がり角を示す情報、或いはレーザ光Ｌの拡がり角が予め規定された範囲内であるか否かを示す情報を外部出力端子から外部に出力する。

次に、上記構成におけるレーザ装置１の動作について説明する。レーザ装置１の電源が投入されると、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌの射出が開始される。レーザ光源１１から射出されたレーザ光Ｌは、デリバリファイバ１２を構成する光ファイバＦの一端から光ファイバＦ内に入射する。光ファイバＦに入射したレーザ光Ｌは、光ファイバＦ内を伝搬する。ここで、レーザ光Ｌが光ファイバＦ内を出力方向Ｄに伝搬すると、レーザ光Ｌのパワーに応じたレイリー散乱光が生ずる。このため、拡がり角測定装置１５の光検出器３２では、レーザ光Ｌのパワーに応じたレイリー散乱光が検出される。

また、光ファイバＦ内を出力方向Ｄに伝搬するレーザ光Ｌがクラッド光除去部１３に達すると、クラッド光が除去される。ここで、光ファイバＦのコアＣを伝搬するレーザ光Ｌは、クラッド光除去部１３を通過するが、インナークラッドＣＬ１を伝搬するレーザ光（クラッド光）は、クラッド光除去部１３の被覆除去領域２１（図３参照）から光ファイバＦの外部空間に漏れて除去され、拡がり角測定装置１５の光検出器３１で検出される（検出ステップ）。

クラッド光除去部１３を通過したレーザ光Ｌは、光ファイバＦの他端に接続されたコネクタ１４から出力される。ここで、コネクタ１４の前方にワーク等が配置されている場合には、コネクタ１４から出力されたレーザ光は、そのワークの加工面に照射され、これによりワークの加工が行われる。

拡がり角測定装置１５に設けられた光検出器３２からは、レイリー散乱光の光量に応じた検出信号が出力され、光検出器３１からは、クラッド光の光量に応じた検出信号が出力される。これら光検出器３１，３２から出力される検出信号は演算部３３に入力され、演算部３３では、光検出器３１の検出信号と光検出器３２の検出信号とに基づいて、レーザ光Ｌの拡がり角を求める演算が行われる（演算ステップ）。

具体的に、演算部３３では、まず光検出器３２の検出結果から光ファイバＦによって伝搬されるレーザ光のパワーを求める演算が行われ、次に求めたパワーと検出値特性情報ＩＦとに基づいて、レーザ光Ｌの拡がり角を求める演算が行われる。求められたレーザ光Ｌの拡がり角（或いは、ＮＡ換算値）を示す情報は、モニタ信号出力部３４から外部に出力される（例えば、不図示の表示装置に表示される）。

以上の通り、本実施形態では、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光を検出する光検出器３２と、クラッド光除去部１３で除去されるクラッド光を検出する光検出器３１とを設け、これら光検出器３１，３２の検出結果に基づいて演算部３３がレーザ光Ｌの拡がり角を求めるようにしている。このため、簡便な構成で高出力のレーザ光Ｌの拡がり角を測定することが可能である。

〔第２実施形態〕
図７は、本発明の第２実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。図７に示す通り、本実施形態のレーザ装置２は、図１に示すレーザ装置１の拡がり角測定装置１５に代えて拡がり角測定装置４０を設けた構成である。この拡がり角測定装置４０は、図１に示すレーザ装置１の拡がり角測定装置１５の光検出器３２を温度検出器４１に代えたものである。

温度検出器４１は、クラッド光除去部１３の特定箇所における温度（例えば、図３に示す筐体２０や蓋２５の予め規定された位置の温度）における温度を検出する検出器である。クラッド光除去部１３で除去されるクラッド光のパワーは、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌのパワーに概ね比例する。このため、クラッド光除去部１３で除去されたクラッド光がクラッド光除去部１３で吸収されることによって生ずるクラッド光除去部１３の温度上昇は、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌのパワーに応じたものとなる。

以上の通り、本実施形態では、クラッド光除去部１３における温度を検出する温度検出器４１と、クラッド光除去部１３で除去されるクラッド光を検出する光検出器３１とを設け、演算部３３が、温度検出器４１の検出結果に基づいてデリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌのパワーを求め、求めたパワーと光検出器３１の検出結果に基づき、検出値特性情報ＩＦを用いてレーザ光Ｌの拡がり角を求めている。このため、簡便な構成で高出力のレーザ光Ｌの拡がり角を測定することが可能である。

〔第３実施形態〕
図８は、本発明の第３実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。図８に示す通り、本実施形態のレーザ装置３は、図１に示すレーザ装置１の拡がり角測定装置１５に代えて拡がり角測定装置５０を設けた構成である。この拡がり角測定装置５０は、図１に示すレーザ装置１の拡がり角測定装置１５の光検出器３２を省略し、レーザ光源１１に設けられた電流検出器ＣＤの検出結果を、演算部３３に入力するようにしたものである。

電流検出器ＣＤは、レーザ光源１１の駆動電流（例えばレーザ光源１１に設けられた励起光源を駆動するための電流）を検出するものである。レーザ光源１１から射出されるレーザ光のパワーは、レーザ光源１１の駆動電流に概ね比例する。このため、電流検出器ＣＤで検出される電流値は、レーザ光源１１から射出されるレーザ光（デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌ）のパワーに応じたものとなる。

以上の通り、本実施形態では、電流検出器ＣＤの検出結果を演算部３３に入力するようにし、演算部３３が、電流検出器ＣＤの検出結果に基づいてデリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌのパワーを求め、求めたパワーと光検出器３１の検出結果に基づき、検出値特性情報ＩＦを用いてレーザ光Ｌの拡がり角を求めている。このため、簡便な構成で高出力のレーザ光Ｌの拡がり角を測定することが可能である。

〔第４実施形態〕
図９は、本発明の第４実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。図９に示す通り、本実施形態のレーザ装置４は、図１に示すレーザ装置１に対して制御装置６０及びＮＡ調整装置６１（調整装置）を追加した構成であり、拡がり角測定装置１５の測定結果に応じて、制御装置６０がレーザ光源１１やＮＡ調整装置６１を制御するようにしたものである。

制御装置６０は、拡がり角測定装置１５の測定結果を参照しつつ、レーザ光Ｌの拡がり角が予め設定された閾値を超えないようにＮＡ調整装置６１を制御する。また、制御装置６０は、拡がり角測定装置１５の測定結果に応じて、必要であればレーザ光源１１の出力を低下させる制御（又は、レーザ光源１１を停止させる制御）を行い、或いはアラームを発報する。

ＮＡ調整装置６１は、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光ＬのＮＡを調整する装置である。図１０は、本発明の第４実施形態におけるＮＡ調整装置の一例を説明するための図である。図１０に例示するＮＡ調整装置６１は、千鳥状に配列された複数の引っ張り部材ＴＭを備え、図示の通りにデリバリファイバ１２が引っ張り部材ＴＭに掛け回されるものである。ＮＡ調整装置６１に設けられる引っ張り部材ＴＭは、例えば円柱形状（或いは、円筒形状）の部材であり、図中矢印方向に移動可能である。

引っ張り部材ＴＭが、図中矢印方向に沿う方向において、互いに離れるように移動すると、デリバリファイバ１２が引っ張り部材ＴＭによって引っ張られて曲げ径が小さくなる。すると、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌのうち、拡がり角の大きなレーザ光Ｌは、拡がり角の小さなレーザ光Ｌに比べて外部に漏れやすくなる。このようにして、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角が調整される。

以上の通り、本実施形態では、制御装置６０及びＮＡ調整装置６１を設け、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角の調整等を可能としているが、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光を検出する光検出器３２と、クラッド光除去部１３で除去されるクラッド光を検出する光検出器３１とを設け、これら光検出器３１，３２の検出結果に基づいて演算部３３がレーザ光Ｌの拡がり角を求める点は第１実施形態と同様である。このため、簡便な構成で高出力のレーザ光Ｌの拡がり角を測定することが可能である。

〔第５実施形態〕
図１１は、本発明の第５実施形態によるレーザシステムの要部構成を示すブロック図である。図１１に示す通り、本実施形態のレーザシステムＬＳは、図１に示すレーザ装置１のレーザ光源１１に代えて複数のレーザ装置７１及びコンバイナ７２（合波装置）を設けた構成である。

レーザ装置７１は、図１に示すレーザ光源１１と同様に、励起光源から出力される励起光によって光増幅ファイバのコアに添加された希土類イオンが励起されてレーザ光を出力する。尚。このレーザ装置７１として、例えば上述した第１〜第４実施形態によるレーザ装置１〜４を用いることもできる。尚、レーザ装置７１としては、レーザ光源１１やレーザ装置１〜４に限られる訳ではなく、レーザ光を出力するものであれば、任意のものを用いることができる。

コンバイナ７２は、複数のレーザ装置７１から出力される複数のレーザ光を光学的に結合する。具体的に、コンバイナ７２の内部では、レーザ装置７１の各々から延びる光ファイバＦＢが束ねられて１本にされており（溶融延伸により１本にされており）、その１本にされた光ファイバがデリバリファイバ１２としての光ファイバＦの一端に融着接続されている。

本実施形態のレーザシステムＬＳのコンバイナ７２よりも光出力側の構成は、第１実施形態のレーザ装置１のレーザ光源１１よりも光出力側の構成と同様である。このため、第１実施形態と同様に、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光を検出する光検出器３２と、クラッド光除去部１３で除去されるクラッド光を検出する光検出器３１との検出結果に基づき、演算部３３によってレーザ光Ｌの拡がり角が求められる。このため、簡便な構成で高出力のレーザ光Ｌの拡がり角を測定することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、光ファイバＦ内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角を測定するだけであったが、例えば第５実施形態のレーザシステムＬＳに設けられたレーザ装置７１の各々で光ファイバ内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角を測定するようにしても良い。このようにすることで、レーザ光の拡がり角が大きくなったレーザ装置７１を特定することが可能である。

また、上記第５実施形態では、拡がり角測定装置１５がコンバイナ７２よりも光出力側に設けられている例について説明した。しかしながら、コンバイナ７２よりも光入力側に拡がり角測定装置１５を設け、光ファイバＦＢ内を伝搬するレーザ光の拡がり角を測定するようにしても良い。また、拡がり角測定装置１５に設けられる光検出器３１，３２の何れか一方をコンバイナ７２よりも光入力側に設け、何れか他方をコンバイナ７２よりも光出力側に設けるようにしても良い。例えば、光検出器３１をコンバイナ７２よりも光入力側に設け、光検出器３２をコンバイナ７２よりも光出力側に設けるといった具合である。

また、上記実施形態において、クラッド光除去部１３は、光ファイバＦの周方向の少なくとも一部の被覆ＣＶが除去された被覆除去領域２１を備える構成であった。しかしながら、クラッド光除去部１３は、光ファイバと光ファイバとが融着された構成(融着接続点）であっても良い。また、上述した実施形態において、光検出器３２は、デリバリファイバ１２内を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光を検出するものであった。しかしながら、光検出器３２は、例えばデリバリファイバ１２のコアに形成されたスラント型ＦＢＧで反射されるレーザ光を検出するものであっても良い。

また、本発明の拡がり角測定装置は、上述した第１〜第５実施形態によるレーザ装置以外のレーザ装置にも適用可能である。例えば、ファイバレーザ装置に適用可能なのは勿論のこと、半導体レーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）やディスクレーザのように、共振器が光ファイバ以外で構成され、共振器から射出されるレーザ光を光ファイバに集光するレーザ装置にも適用可能である。

その他、レーザ装置の各構成要素の形状、寸法、配置、材料等に関する具体的な記載は、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。例えば上記実施形態では、光ファイバとしてダブルクラッドファイバを用いた例を示したが、シングルクラッドファイバを用いてもよい。

１〜４…レーザ装置、１１…レーザ光源、１２…デリバリファイバ、１３…クラッド光除去部、１５…拡がり角測定装置、３１，３２…光検出器、３３…演算部、３４…モニタ信号出力部、４０…拡がり角測定装置、４１…温度検出器、５０…拡がり角測定装置、６０…制御装置、６１…ＮＡ調整装置、７１…レーザ装置、７２…コンバイナ、Ｃ…コア、ＣＤ…電流検出器、ＣＬ１…クラッド（インナークラッド）、ＣＶ…被覆、Ｆ…光ファイバ、ＬＳ…レーザシステム

Claims (11)

1. コア及びクラッドを有する光ファイバ内を伝搬するレーザ光の拡がり角をモニタする拡がり角測定装置であって、
   前記光ファイバの前記クラッドから漏出する前記レーザ光を検出する第１検出器と、
   前記第１検出器の検出結果と、前記光ファイバ内を伝搬する前記レーザ光のパワーを示すパワー情報とに基づいて、前記レーザ光の拡がり角を求める演算部と、
   を備える拡がり角測定装置。
2. 前記光ファイバには、前記クラッドを伝搬するクラッド光を漏出させて除去するクラッド光除去部が設けられており、
   前記第１検出器は、前記クラッド光除去部に配置されて、前記クラッド光除去部で除去される前記クラッド光を検出する、
   請求項１記載の拡がり角測定装置。
3. 前記光ファイバの近傍に配置され、前記光ファイバ内を伝搬する前記レーザ光のレイリー散乱光を検出する第２検出器を更に備え、
   前記演算部は、前記第２検出器の検出結果を前記パワー情報として用いて前記レーザ光の拡がり角を求める、
   請求項１又は請求項２記載の拡がり角測定装置。
4. 前記光ファイバの近傍に配置され、前記光ファイバ内を伝搬する前記レーザ光のレイリー散乱光を検出する第２検出器を更に備え、
   前記第２検出器は、前記光ファイバにおいて前記クラッド光除去部よりも光入力側に設けられる、請求項２記載の拡がり角測定装置。
5. 前記クラッド光除去部における温度を検出する温度検出器を更に備え、
   前記演算部は、前記温度検出器の検出結果を前記パワー情報として用いて前記レーザ光の拡がり角を求める、
   請求項２記載の拡がり角測定装置。
6. 前記演算部は、前記光ファイバ内を伝搬する前記レーザ光を出力するレーザ光源に供給される駆動電流を検出する電流検出器の検出結果を前記パワー情報として用いて前記レーザ光の拡がり角を求める、請求項２記載の拡がり角測定装置。
7. 前記演算部で求められた前記レーザ光の拡がり角を示す第１情報、或いは前記演算部で求められた前記レーザ光の拡がり角が予め規定された範囲内であるか否かを示す第２情報を出力する出力部を備える、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の拡がり角測定装置。
8. コア及びクラッドを有する光ファイバ内を伝搬するレーザ光の拡がり角をモニタする拡がり角測定方法であって、
   前記光ファイバの前記クラッドから漏出する前記レーザ光を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップの検出結果と、前記光ファイバ内を伝搬する前記レーザ光のパワーを示すパワー情報とに基づいて、前記レーザ光の拡がり角を求める演算ステップと、
   を有する拡がり角測定方法。
9. レーザ光源と、
   コア及びクラッドを有し、前記レーザ光源から出力されるレーザ光を伝搬させる光ファイバと、
   請求項１から請求項７の何れか一項に記載の拡がり角測定装置と、
   を備えるレーザ装置。
10. 前記光ファイバ内を伝搬するレーザ光の拡がり角を調整する調整装置と、
    前記拡がり角測定装置の測定結果に応じて、前記調整装置を制御する制御装置と、
    を備える請求項９記載のレーザ装置。
11. 複数のレーザ装置と、該複数のレーザ装置から出力される光を合波する合波装置と、該合波装置で合波された光を導波する出力光ファイバと、を備えるレーザシステムにおいて、
    前記出力光ファイバ内を伝搬するレーザ光の拡がり角をモニタする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の拡がり角測定装置を備えるレーザシステム。

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