JP2020201420A

JP2020201420A - 導光部材及びレーザ装置

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Publication number: JP2020201420A
Application number: JP2019109187A
Authority: JP
Inventors: 智之藤田; Tomoyuki Fujita
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-17

Abstract

【課題】出射する高次モード光の発散角を小さく抑えることができるレンズ部材を提供する。【解決手段】光コンバイナ３は、入力光ファイバ５０と、それぞれ中心部から半径方向外側の周縁部に向かって次第に屈折率が低下する屈折率分布を有する複数のレンズ部材１０と、光軸の方向に沿ってブリッジ入射面２２から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部２３を有するブリッジファイバ２０と、ブリッジファイバ２０のブリッジ出射面２４に接続される出力光ファイバ６０とを備える。レンズ部材１０のそれぞれは、光軸に沿って同一の長さを有する。レンズ部材１０の長さは、基本モードの光に対して１／４ピッチに相当する長さよりも短い。【選択図】図２

Description

本発明は、導光部材及びレーザ装置に係り、特に光コンバイナのような導光部材に関するものである。

近年、ファイバレーザなどの複数のレーザ光源を用いて高出力のレーザ光を出力するレーザ装置が開発されている。このようなレーザ装置においては、複数のレーザ光源から出力されたレーザ光が光コンバイナで結合されて出力光ファイバから出力されるが、複数のレーザ光源から光コンバイナに入射する光の発散角が大きい場合には、出力光ファイバにうまく結合せずに光損失が生じ得る。このような光損失を低減するために、導光部材としての光コンバイナの入射側に、所定の屈折率分布を有するＧＲＩＮ（Gradient Index）レンズを組み込み、光コンバイナに入射されるレーザ光の発散角を小さくすることも考えられている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、従来のＧＲＩＮレンズを含む導光部材の設計においては、高次モード光に対する検討が十分になされておらず、基本モード光の発散角は小さく抑えられても、高次モード光の発散角が大きくなってしまうという問題がある。このような発散角の大きな高次モード光は、下流側の光学系において光損失を生じる可能性があり、また、伝搬する光の強度分布の裾部が広がる原因ともなり得る。

特許第５２１６１５１号明細書

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、発散角の大きな高次モード光により生じる光損失を低減することができる導光部材を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、良好な強度分布のレーザ光を出力することができるレーザ装置を提供することを第２の目的とする。

本発明の第１の態様によれば、発散角の大きな高次モード光により生じる光損失を低減することができる導光部材が提供される。この導光部材は、複数の入力光ファイバと、それぞれ中心部から半径方向外側の周縁部に向かって次第に屈折率が低下する屈折率分布を有する複数のレンズ部材とを備える。上記複数のレンズ部材のそれぞれは、上記複数の入力光ファイバのうち対応する入力光ファイバが接続されるレンズ入射面と、光軸方向において上記レンズ入射面とは反対側のレンズ出射面とを有する。上記導光部材は、上記複数のレンズ部材の上記レンズ出射面に接続されるブリッジ入射面と、上記光軸方向に沿って上記ブリッジ入射面から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部と、上記光軸方向において上記ブリッジ入射面とは反対側のブリッジ出射面とを有するブリッジファイバと、上記ブリッジファイバの上記ブリッジ出射面に接続される出力光ファイバとを備える。上記複数のレンズ部材は、上記光軸に沿って同一の長さを有する。上記同一の長さは、基本モードの光に対して１／４ピッチに相当する長さよりも短い。

このような構成によれば、レンズ部材のレンズ出射面から出射する高次モード光の発散角を小さく抑えることができるため、導光部材の下流の光学系において発散角の大きな高次モード光により生じる光損失を低減することができる。

この場合において、上記入力光ファイバは、国際標準規格ＩＳＯ１１１４６に準拠したビーム品質因子Ｍ²の値が１．１よりも大きい光を伝搬可能であることが好ましい。このような光は、基本モード光に加えて高次モード光を含んでいる。

上記ブリッジファイバの上記ブリッジ出射面から出射する光の全パワーのうちその発散角以下の発散角を有する光のパワーが９９％となる発散角をブリッジファイバ最大発散角として定義すると、上記導光部材のブリッジファイバ最大発散角は、上記レンズ部材の光軸に沿った長さが基本モードの光に対して１／４ピッチに相当する長さであるときのブリッジファイバ最大発散角よりも小さいことが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、良好な強度分布のレーザ光を出力することができるレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、レーザ光を生成する少なくとも１つのレーザ光源と、上述した導光部材とを備える。上記少なくとも１つのレーザ光源からの上記レーザ光は、上記少なくとも１つのレーザ光源からのレーザ光が上記導光部材の上記少なくとも１つの入力光ファイバに入力される。

このような構成によれば、導光部材から出力される高次モード光の発散角が小さく抑えられるため、レーザ装置から出力されるレーザ光の強度分布を良好なものとすることができる。

本発明によれば、レンズ部材のレンズ出射面から出射する高次モード光の発散角を小さく抑えることができるため、導光部材の下流の光学系において発散角の大きな高次モード光により生じる光損失を低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態におけるレーザ装置の構成を示す模式的ブロック図である。図２は、図１のレーザ装置における光コンバイナを示す斜視図である。図３は、図２におけるレンズ部材の１つを屈折率分布とともに示す模式図である。図４は、図２におけるレンズ部材を従来のＧＲＩＮレンズの設計手法によって設計した場合の基本モード光と高次モード光の光路を説明する模式図である。図５は、図２におけるレンズ部材における基本モード光と高次モード光の光路を説明する模式図である。図６Ａは、レンズ部材の中心部と周縁部との屈折率差ΔをΔ₀₁とした場合とΔ₁₁とした場合におけるブリッジファイバのブリッジ出射面から出射する光の累積パワーと発散角との関係を示すグラフである。図６Ｂは、図６Ａの一部を拡大して示すグラフである。

以下、本発明に係る導光部材としての光コンバイナ及びこれを備えたレーザ装置の実施形態について図１から図６Ｂを参照して詳細に説明する。なお、図１から図６Ｂにおいて、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図６Ｂにおいては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。

図１は、本発明の一実施形態におけるレーザ装置１の構成を示す模式的ブロック図である。図１に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１は、レーザ光を生成する複数のレーザ光源２と、それぞれのレーザ光源２からのレーザ光が入力される導光部材としての光コンバイナ３と、光コンバイナ３の下流側の端部に設けられたレーザ出射部４とを備えている。それぞれのレーザ光源２と光コンバイナ３とは光ファイバ５により互いに接続されており、光コンバイナ３とレーザ出射部４とは光ファイバ６により互いに接続されている。レーザ光源２としては例えばファイバレーザや半導体レーザを用いることができる。

このようなレーザ装置１においては、それぞれのレーザ光源２において生成されたレーザ光が光ファイバ５を伝搬して光コンバイナ３に導入される。この光コンバイナ３では、複数のレーザ光源２からのレーザ光が結合されて光ファイバ６に出力される。光ファイバ６に出力された高出力のレーザ光はレーザ出射部４から例えば被加工物に向けて出射される。

図２は、光コンバイナ３を示す斜視図である。図２においては、理解を容易にするために、光コンバイナ３の構成要素が光軸方向に沿って互いに離間して示されているが、実際には、これらの構成要素は互いに融着接続されている。図２に示すように、本実施形態における光コンバイナ３は、上述した光ファイバ５の少なくとも一部を構成する入力光ファイバ５０と、入力光ファイバ５０から出射される光の発散角を小さくするためのレンズ部材１０と、レンズ部材１０の下流側に配置されるブリッジファイバ２０と、上述した光ファイバ６の少なくとも一部を構成する出力光ファイバ６０とを含んでいる。

図２に示すように、本実施形態においては、中心の入力光ファイバ５０の周囲を６本の入力光ファイバ５０が取り囲むように入力光ファイバ５０が配置されている。それぞれの入力光ファイバ５０は、コア５２と、コア５２の周囲を覆うクラッド５４とを有している。クラッド５４の屈折率はコア５２の屈折率よりも低くなっており、コア５２の内部には、レーザ光源２からのレーザ光が伝搬する光導波路が形成されている。例えば、入力光ファイバ５０のコア５２の外径は２８μｍであり、クラッド５４の外径は１２５μｍ、入力光ファイバ５０のコア５２とクラッド５４との屈折率差は０．１２％である。

レンズ部材１０は、入力光ファイバ５０に対応して入力光ファイバ５０と同数だけ設けられている。図３は、レンズ部材１０の１つを屈折率分布とともに示す模式図である。それぞれのレンズ部材１０は、円柱状の部材であり、図３に示すように、入力光ファイバ５０に接続されるレンズ入射面１２と、光軸Ｐの方向においてレンズ入射面１２とは反対側のレンズ出射面１４とを有している。

このレンズ部材１０は、いわゆるＧＲＩＮレンズと呼ばれるものであり、図３に示すように、中心部１６から半径方向外側の周縁部１８に向かって次第に屈折率が低下する屈折率分布を有している。このようなレンズ部材１０は、例えば、石英からなる円柱ガラスの中心部１６にゲルマニウム（Ｇｅ）などのドーパントを高濃度に添加することにより形成することができる。

レンズ部材１０の直径は、入力光ファイバ５０のコア５２よりも大きくなっている。本実施形態においては、レンズ部材１０の直径は、入力光ファイバ５０のクラッド５４の外径と同一（例えば１２５μｍ）となっており、レンズ部材１０の有効径Ｅと一致している。レンズ部材１０の光軸Ｐの方向に沿った長さＬ₁（レンズ入射面１２からレンズ出射面１４までの距離）は、すべてのレンズ部材１０で同一となっている。なお、本明細書では、レンズ部材１０の周縁部１８とは、レンズ部材１０の光軸Ｐから有効径の半分の距離にある部分をいうものとする。

レンズ部材１０のレンズ入射面１２には、入力光ファイバ５０のコア５２が融着接続されており、これにより入力光ファイバ５０のコア５２を伝搬した光がレンズ部材１０に入射し、上述したレンズ部材１０の屈折率分布により屈折され、発散角が小さくなった状態でレンズ部材１０のレンズ出射面１４から出射される。

図２に戻って、ブリッジファイバ２０は、光軸に沿って一定の外径を有する円筒部２１と、光軸に沿って次第に外径が小さくなる縮径部２３とを含んでいる。円筒部２１の端面は、それぞれのレンズ部材１０が接続されるブリッジ入射面２２となっており、光軸方向においてブリッジ入射面２２とは反対側に位置する縮径部２３の端面がブリッジ出射面２４となっている。

本実施形態におけるブリッジファイバ２０は、内部にコア−クラッド構造を有しておらず、ブリッジファイバ２０全体が光導波路となっている。ブリッジファイバ２０のブリッジ入射面２２には、それぞれのレンズ部材１０のレンズ出射面１４が融着接続されている。これにより、レンズ部材１０のレンズ出射面１４から出射した光は、ブリッジ入射面２２からブリッジファイバ２０に入射し、円筒部２１及び縮径部２３の外周面で反射しながらブリッジファイバ２０の内部を伝搬してブリッジ出射面２４から出射される。なお、レンズ部材１０からブリッジファイバ２０に入射する際の光の反射を抑えるために、ブリッジファイバ２０の屈折率は、レンズ部材１０の中心部１６の屈折率と略同一であることが好ましい。

出力光ファイバ６０は、コア６２と、コア６２の周囲を覆うクラッド６４と、クラッド６４の周囲を覆う被覆６６とを有している。出力光ファイバ６０のコア６２の外径は、ブリッジファイバ２０のブリッジ出射面２４の外径以上である。出力光ファイバ６０のコア６２には、ブリッジファイバ２０のブリッジ出射面２４が融着接続されている。これにより、ブリッジファイバ２０のブリッジ出射面２４から出射した光が出力光ファイバ６０のコア６２に入射するようになっている。出力光ファイバ６０のクラッド６４の屈折率はコア６２の屈折率よりも低くなっており、コア６２の内部には、ブリッジファイバ２０から出射した光が伝搬する光導波路が形成されている。なお、ブリッジファイバ２０から出力光ファイバ６０に入射する際の光の反射を抑えるために、この出力光ファイバ６０のコア６２の屈折率は、ブリッジファイバ２０の屈折率と略同一であることが好ましい。また、ブリッジファイバ２０との融着接続部の近傍では、出力光ファイバ６０の被覆６６が除去されている。

ここで、入力光ファイバ５０に入射する光、すなわちレーザ光源２から出射される光には、基本モード（ＬＰ０１）の光に加えて、高次のモード（ＬＰ１１、ＬＰ０２）の光も含まれている。換言すれば、国際標準規格ＩＳＯ１１１４６に準拠したビーム品質因子Ｍ²の値が１．０よりも大きい光が入力光ファイバ５０に入射する。本実施形態によるレンズ部材１０は、特にＭ²の値が１．１より大きい光に対してより効果的である。

従来のＧＲＩＮレンズの設計においては、高次モード光に対する検討が十分になされておらず、すべての光が基本モード光である（すなわちＭ²＝１．０である）ものとしてＧＲＩＮレンズが設計されている。このため、従来の設計手法でレンズ部材１０を設計する際には、基本モード光がレンズ部材１０のレンズ出射面１４の周縁部１８においてコリメート光になるように設計される。すなわち、図４に示すように、基本モード光ＬＰ０１がレンズ部材１０のレンズ出射面１４の周縁部１８においてコリメート光になるようにレンズ部材１０の中心部１６と周縁部１８との屈折率差Δ及びレンズ部材１０の光軸Ｐの方向に沿った長さＬ₀が決定される。例えば、このレンズ部材１０の長さＬ₀は、基本モード光ＬＰ０１に対して１／４ピッチに相当する長さとされる。一例として、本実施形態においてＭ²＝１．０の光に対してレンズ部材１０を設計するとΔ＝０．０５％、Ｌ₀＝２．６ｍｍとなる。

このような従来の設計によりレンズ部材１０を作製すると、図４に示すように、レンズ部材１０のレンズ入射面１２の中心部１６に入射した基本モード光ＬＰ０１は、レンズ部材１０を伝搬する間に屈折し、レンズ出射面１４では周縁部１８に至る。これにより、基本モード光ＬＰ０１はレンズ出射面１４でコリメート光となる。しかしながら、ＬＰ１１以上の高次モードの光が含まれる（すなわちＭ²が１．０よりも大きい）場合には、基本モード光ＬＰ０１よりも高次の光、例えば高次モード光ＬＰ１１は、図４に示すように、レンズ出射面１４に至る前に周縁部１８に至ってしまう。このような高次モード光ＬＰ１１は、レンズ部材１０の周縁部１８で反射するため、レンズ出射面１４から出射される際には発散角が大きくなってしまう。

このように高次モード光が大きな発散角でブリッジファイバ２０に入射すると、出力光ファイバ６０のコア６２に結合できずに光損失を生じる可能性がある。また、このような高次モード光が出力光ファイバ６０のコア６２に結合できたとしても、最終的にレーザ出射部４から出射されるレーザ光の強度分布の裾部が高次モード光の影響によって広がってしまう。このように裾部が広がった強度分布を有するレーザ光は、レーザ出射部４において損失になり易く、レーザ出射部４の損傷を招いたり、あるいはレーザ光による適切な加工が難しくなったりする。

このような観点から、本実施形態では、図５に示すように、レンズ部材１０の光軸Ｐの方向に沿った長さＬ₁を、入力光ファイバ５０からレンズ部材１０に入射する光に対して１／４ピッチに相当する長さＬ₀よりも短くしている。このような構成により高次モード光の発散角が大きくなることが抑制される。例えば、レンズ出射面１４から出射される高次モード光ＬＰ１１がコリメート光となるように、レンズ部材１０の光軸Ｐの方向に沿った長さＬ₁をＬ₀よりも短くする。例えば、入力光ファイバ５０に入射する光のＭ²が１．４であるとすると、Ｌ₁＝２．０ｍｍとする。

このように、レンズ部材１０の光軸Ｐの方向に沿った長さＬ₁を入力光ファイバ５０からレンズ部材１０に入射する光に対して１／４ピッチに相当する長さＬ₀よりも短くすれば、高次モード光のレンズ出射面１４での発散角が図４に示す場合に比べて小さくなる。図５の示す例では、レンズ部材１０のレンズ入射面１２の中心部１６に入射した高次モード光ＬＰ１１は、レンズ部材１０を伝搬する間に屈折し、レンズ出射面１４では周縁部１８に至る。これにより、高次モード光ＬＰ１１はレンズ出射面１４でコリメート光となる。したがって、レンズ部材１０のレンズ出射面１４から出射する高次モード光ＬＰ１１の発散角を小さく抑えることができる。

このように高次モード光がレンズ部材１０のレンズ出射面１４から出射する際の発散角を小さく抑えることにより、高次モード光が出力光ファイバ６０のコア６２に結合し易くなり、レーザ出射部４から出射されるレーザ光の強度分布における裾部の広がりが抑えられる。この場合において、基本モード光ＬＰ０１は、図５に示すように、レンズ部材１０のレンズ出射面１４では外側に広がりつつある状態となり、出力光ファイバ６０のコア６２に対する結合効率が低下するが、以下で述べるように、レンズ出射面１４から出射する光を（基本モード光と高次モード光とを含めて）全体としてみると、その最大発散角が小さく抑えられるため、レーザ出射部４から出射されるレーザ光の状態は改善される。

図６Ａは、レンズ部材１０の長さをＬ₀（＝２．６ｍｍ）とした場合とＬ₁（＝２．０ｍｍ）とした場合におけるブリッジファイバ２０のブリッジ出射面２４から出射する光の累積パワーと発散角（ＮＡで表される）との関係を示すグラフであり、図６Ｂは、図６Ａの一部を拡大して示すものである。図６Ａ及び図６Ｂのグラフから、例えば、レンズ出射面１４から出射する光の全パワーのうちその発散角以下の発散角を有する光のパワーが９６％となる発散角は、長さがＬ₀のレンズ部材１０の場合には約０．１であり、長さがＬ₁のレンズ部材１０の場合には約０．０９であることがわかる。すなわち、これらのグラフは、レンズ部材１０の長さＬ₀よりも短くすることで、レンズ出射面１４から出射する光の発散角が（基本モード光と高次モード光とを含めて）全体として小さく抑えられることを示している。

ここで、ブリッジファイバ２０のブリッジ出射面２４から出射する光の全パワーのうちその発散角以下の発散角を有する光のパワーが９９％となる発散角をブリッジファイバ最大発散角と定義する。高出力のレーザ光を用いた加工においてはこのブリッジファイバ最大発散角を小さくすることが非常に重要となる。したがって、レンズ部材１０の長さＬ₁を決定するに際しては、レンズ１０の長さがＬ₀であるときよりもブリッジファイバ最大発散角が小さくなるようにレンズ部材１０の長さＬ₁を選択することが好ましい。図６Ｂにおいては、長さＬ₀のレンズ部材１０のブリッジファイバ最大発散角は約０．１６、長さＬ₁のレンズ部材１０のブリッジファイバ最大発散角は約０．１４となっており、レンズ部材１０の長さがＬ₁であるときのブリッジファイバ最大発散角が、レンズ部材１０の長さがＬ₀であるときのブリッジファイバ最大発散角よりも小さくなっている。

上述した実施形態におけるレーザ装置１は光コンバイナ３を含んでいるが、光コンバイナ３を含まないレーザ装置の構成も考えられる。例えば、レーザ光源２からのレーザ光がレンズ部材１０のレンズ入射面１２に入射するように構成し、光ファイバ６の少なくとも一部を構成する出力光ファイバをレンズ部材１０のレンズ出射面１４に接続してもよい。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１レーザ装置
２レーザ光源
３光コンバイナ
４レーザ出射部
５，６光ファイバ
１０レンズ部材
１２レンズ入射面
１４レンズ出射面
１６中心部
１８周縁部
２０ブリッジファイバ
２１円筒部
２２ブリッジ入射面
２３縮径部
２４ブリッジ出射面
５０入力光ファイバ
６０出力光ファイバ

Claims

複数の入力光ファイバと、
それぞれ中心部から半径方向外側の周縁部に向かって次第に屈折率が低下する屈折率分布を有する複数のレンズ部材であって、
前記複数の入力光ファイバのうち対応する入力光ファイバが接続されるレンズ入射面と、
光軸方向において前記レンズ入射面とは反対側のレンズ出射面と
をそれぞれ有する複数のレンズ部材と
前記複数のレンズ部材の前記レンズ出射面に接続されるブリッジ入射面と、前記光軸方向に沿って前記ブリッジ入射面から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部と、前記光軸方向において前記ブリッジ入射面とは反対側のブリッジ出射面とを有するブリッジファイバと、
前記ブリッジファイバの前記ブリッジ出射面に接続される出力光ファイバと
を備え、
前記複数のレンズ部材は、前記光軸に沿って同一の長さを有し、
前記同一の長さは、基本モードの光に対して１／４ピッチに相当する長さよりも短い、
導光部材。
前記入力光ファイバは、国際標準規格ＩＳＯ１１１４６に準拠したビーム品質因子Ｍ²の値が１．１よりも大きい光を伝搬可能である、請求項１に記載の導光部材。
前記ブリッジファイバの前記ブリッジ出射面から出射する光の全パワーのうちその発散角以下の発散角を有する光のパワーが９９％となる発散角をブリッジファイバ最大発散角として定義すると、前記導光部材のブリッジファイバ最大発散角は、前記レンズ部材の光軸に沿った長さが基本モードの光に対して１／４ピッチに相当する長さであるときのブリッジファイバ最大発散角よりも小さい、請求項１又は２に記載の導光部材。
レーザ光を生成する少なくとも１つのレーザ光源と、
請求項１から３のいずれか一項に記載の導光部材であって、前記少なくとも１つのレーザ光源からの前記レーザ光が前記少なくとも１つの入力光ファイバに入力される導光部材と
を備える、レーザ装置。