JP2021534437A - トリプルクラッドファイバー - Google Patents

Abstract

レーザーと汚染物質の有害な相互作用を低減し、そして無くすためのマルチクラッドファイバーアセンブリ、及びそのようなアセンブリを作る方法が提供される。汚染物質を有し、レーザービームの伝送中に、レーザーと汚染物質との相互作用を防止することによって、有害な熱的効果が生じることから汚染物質を保護する光コネクタが提供される。レーザーと汚染物質の有害な相互作用を低減し、そして無くすためのマルチクラッドファイバーアセンブリ、及びそのようなアセンブリを作る方法が提供される。汚染物質を有し、レーザービームの伝送中に、レーザーと汚染物質との相互作用を防止することによって、有害な熱的効果が生じることから汚染物質を保護する光コネクタが提供される。【選択図】図４

Description

この出願は、米国特許法第３５条§１１９（ｅ）（１）に基づき、２０１８年５月４日に出願された米国仮出願第６２/６６７、３４５号の提出日の利益を主張し、その開示全体は参照によりここに組み込まれる。

本発明は、光ファイバー、光ファイバーへの光の結合器、及びファイバーへの光の結合を改善するための光ファイバーの構成に関する。

赤外（ＩＲ）（例えば、７００ｎｍより大きな波長、特に１、０００ｎｍより大きな波長を有する）に基づく積層造形システムは、とりわけ、形成物の体積と形成速度が制限されるという２つの欠点を抱えている。

ここでは、明示的に別段の定めのない限り、「ＵＶ」、「紫外」、「ＵＶスペクトラム」、「スペクトラムのＵＶ部分」、及び同様な用語は、最も広い意味が与えられるべきであり、約１０ｎｍから約４００ｎｍ、及び１０ｎｍから４００ｎｍの波長の光を含む。

ここでは、明示的に別段の定めのない限り、「ハイパワー」、「数キロワット」、及び「数ｋＷ」のレーザー及びレーザービーム並びに同様な用語は、少なくとも１ｋＷのパワー（ローパワーでない、例えば１ｋＷより小さくない）、少なくとも２ｋＷ（例えば、２ｋＷより小さくない）、少なくとも３ｋＷ（例えば、３ｋＷより小さくない）、１ｋＷより大きい、２ｋＷより大きい、３ｋＷより大きい、約１ｋＷから約３ｋＷ、約１ｋＷから約５ｋＷ、約２ｋＷから約１０ｋＷ、及びこれらの範囲内の他のパワー、さらにはそれより大きいパワーの、レーザービーム及びそのようなレーザービームを提供または伝送するシステムを意味し、また含む。

ここでは、明示的に別段の定めのない限り、「可視」、「可視スペクトラム」、「スペクトラムの可視部分」、及び同様な用語は、最も広い意味が与えられるべきであり、約３８０ｎｍから約７５０ｎｍ、及び４００ｎｍから７００ｎｍの波長の光を含む。

ここでは、明示的に別段の定めのない限り、「光コネクタ」、「ファイバー光コネクタ」、「コネクタ」及び同様な用語は、最も広い意味が与えられ、レーザービームがそこから伝送され得る如何なるコンポーネント、レーザービームがそこに伝送される如何なるコンポーネント、及び例えば自由空間（真空、ガス、液体、泡、及び他の非光学的なコンポーネント材料を含む）、光学的コンポーネント、導波部材、ファイバー、及びそれらの組み合わせに関係してレーザービームを伝送、受光、又はその両方を行う如何なるコンポーネントも含む。

ここでは、明示的に別段の定めのない限り、光ファイバーのようなコンポーネントの「近位端」は、そのコンポーネントがレーザー源に光接続したときにレーザー源に最も近い端部、例えば、レーザービームを受光する端部を指す。ここでは、明示的に別段の定めのない限り、光ファイバーのようなコンポーネントの「遠位端」は、そのコンポーネントがレーザー源に光接続したときにレーザー源から光学的に最も遠い端部、例えば、レーザービームがそこから出射または伝送される端部を指す。

ここでは、明示的に別段の定めのない限り、「青色レーザービーム」、「青色レーザー」、及び「青」は、最も広い意味が与えられるべきであり、概して約４００ｎｍから約５００ｎｍの波長を有するレーザービーム又は光を提供、例えば伝送する、レーザービームを提供するシステム、レーザービーム、レーザー源、例えばレーザーやダイオードレーザーを指す。

ここでは、明示的に別段の定めのない限り、「緑色レーザービーム」、「緑色レーザー」、及び「緑」は、最も広い意味が与えられるべきであり、概して約５００ｎｍから約５７５ｎｍの波長を有するレーザービーム又は光を提供、例えば伝送する、レーザービームを提供するシステム、レーザービーム、レーザー源、例えばレーザーやダイオードレーザーを指す。

概して、ここで使用される「約」は、明示的に別段の定めのない限り、±１０％の変化または範囲、記載した値を得るのに関連した実験又は装置のエラー、及び好ましくはそれらのうちの大きい方を包含することを意味する。

ここでは、明示的に別段の定めのない限り、ここでの値の範囲の参照はその範囲内にある各個別の値を別個に参照する簡便な方法としての役割であることを単に意図している。明示的に別段の定めのない限り、範囲内の各個別の値は、それらがここに個別に列挙されているものとして本明細書内に組み込まれている。

背景技術は、本発明の実施形態に関連するであろう技術の様々な態様を紹介することを意図している。よって、この項での上述の記載は本発明をよりよく理解するためのフレームワークを提供しており、従来技術の承認として見なされるべきではない。

本発明は技術進歩を促進し、光、特にハイパワーレーザービームを光ファイバーの中に効率的に結合してそのファイバーを通して光を伝送することに対する長年の要求を解決する。本発明は、とりわけ、技術進歩を促進し、ここに教示し開示された製造、装置、及びプロセスを提供することによりこれらの問題および要求を解決する。

ハウジングまたはその中の物質とのレーザー光相互作用を防止するためにトリプルクラッドファイバーを使用することが提供される。

また、熱的損傷、光学的損傷、又はクラッド界面での光相互作用に起因する汚染物質からの物質の放出によるファイバーの機能性の損傷につながる、汚染物質又は他の物質との光相互作用を防止するために第２のクラッドを使用することを提供する。

さらに、光エンドキャップを有するトリプルクラッドファイバー設計を提供する。

また、一つ以上の以下の特徴を有する方法、ファイバー、及びアセンブリを提供する。ここでクラッドは外表面を画定し、外表面は汚染物質を有している。

またさらに、間に長さ部分を画定する近位端及び遠位端を有し、コア、前記コアに直接接触する内側クラッド、前記内側クラッドに隣接する第２のクラッド、及び前記第２のクラッドに隣接する外側クラッド、を有するトリプルクラッドファイバーを備え；前記ファイバーの前記長さ部分の近位部分に沿って前記外側クラッドが除去されて、前記ファイバーの近位長さ部分を画定して、前記近位長さ部分に沿って前記第２のクラッドの外表面が露出され、前記外表面が汚染物質を有し；前記近位長さ部分はコネクタの内部空洞内に配置され、前記汚染物質が前記コネクタの内表面と前記第２のクラッドの前記外表面との間に位置しており；前記汚染物質が前記第２のクラッドによって前記内側クラッド内のレーザーエネルギーから保護され、それにより、レーザーと汚染物質の相互作用による有害な熱的作用を最小限に抑えるようにされた、ファイバー光コネクタアセンブリを提供する。

さらに、これらの方法、ファイバー、及びアセンブリは、以下の特徴の１つまたは複数を有する。前記コネクタがエンドキャップを有し、前記ファイバーの遠位端が前記エンドキャップに光学的に接続されている。前記ファイバーの前記近位端がシングルクラッドファイバーに光学的に接続されている。前記光学的な接続がスプライス（ｓｐｌｉｃｅ）である。前記シングルクラッドファイバーがモードストリッパを備える。前記汚染物質が、前記ファイバーの前記近位長さ部分の表面の約５％よりも多くを覆っている。前記汚染物質が、前記コネクタの内表面に接触したファイバーの外表面の約１０％よりも多くを覆っている。

さらに、間に長さ部分を画定する近位端及び遠位端を有し、コア、前記コアに直接接触する内側クラッド、及び前記内側クラッドに隣接する第２のクラッド、を有するファイバーを備え；前記第２のクラッドが前記ファイバーの前記長さ部分に沿った部分を有し、前記ファイバーの外表面が、レーザービームとの相互作用により前記ファイバーの熱劣化を生じさせる汚染物質によって汚染されていて、それにより汚染された外面部分を画定しており；前記汚染された外面部分はコネクタの内表面に直接接触し、前記汚染物質は前記第２のクラッドによって前記内側クラッド内のレーザーエネルギーから保護されていて、それにより前記ファイバーの熱劣化が防止されるようにされた、ファイバー光コネクタアセンブリを提供する。

加えて、これらのアセンブリを通してレーザービームを伝送する方法であって、前記レーザービームが以下の特徴の１つまたは複数を備える方法を提供する。約１Ｗから約１０ｋＷのパワー；約１Ｗから５０ｋＷのパワー；約５Ｗから２ｋＷのパワー；青の波長；青緑の波長；緑の波長；アセンブリの熱劣化が生じない。

さらには、レーザービームを伝送するときに熱的に劣化しない汚染された光コネクタを作る方法であって；コア、前記コアに隣接した内側クラッド、前記内側クラッドに隣接した第２のクラッド、及び前記第２のクラッドに隣接した外側クラッド、を有するトリプルクラッド光ファイバーを得るステップと；前記外側クラッドの一部を除去して、前記第２のクラッドの表面を露出させ、前記第２のクラッドの前記表面が汚染物質を有し、それにより汚染された外表面が画定されるようにするステップと；前記ファイバーの近位端をコネクタに挿入して、前記汚染された表面の少なくとも一部が前記コネクタの内表面と直接接触するようにするステップとを有し；前記汚染物質が前記第２のクラッドによって前記内側クラッド内のレーザーエネルギーから保護され、それによりレーザーと汚染物質の相互作用による有害な熱的作用を防止する、方法を提供する。

またさらに、約１０Ｗから約２０ｋＷのパワーを有するレーザービームをトリプルクラッドファイバーを備える汚染された光コネクタアセンブリを通して、前記アセンブリ内の汚染物質による有害な熱的作用を前記ファイバー又は前記コネクタに生じさせることなく、伝送することを提供する。

さらに、以下の特徴の１つまたは複数を備える方法、ファイバー、及びアセンブリを提供する。前記汚染物質が、ファイバーの外表面と前記コネクタの本体の内表面との間に位置する、請求項１１に記載の方法。

さらに、以下の特徴の１つまたは複数を備える方法、ファイバー、及びアセンブリを提供する。前記レーザーエネルギーが、少なくとも１，０００時間の総持続時間の間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される。前記レーザーエネルギーが、少なくとも１００時間の総持続時間の間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される。前記レーザーエネルギーが、少なくとも５００時間の総持続時間の間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される。前記レーザーエネルギーが、少なくとも１、０００時間の総持続時間の間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される。レーザービームが、レーザーシステムの１から５００のデューティーサイクルの間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される。レーザービームが、レーザーシステムの１から２０００のデューティーサイクルの間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される。レーザービームが、レーザーシステムの５００よりも多くのデューティーサイクルの間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される。レーザービームが、レーザーシステムの１０００よりも多くのデューティーサイクルの間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される。レーザービームが、レーザーシステムの５０００よりも多くのデューティーサイクルの間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される。

またさらに、レーザービームが約５０Ｗから約５０ｋＷのパワーを有するようにされたレーザーシステムで使用するためのコンポーネントを組み立てる方法であって；コア、前記コアを取り囲む第１のクラッド、前記第１のクラッドを取り囲む第２のクラッド、及び前記第２のクラッドを取り囲む外層、を有する光ファイバーを準備するステップと；前記外層を除去して、前記第２のクラッドの外表面を露出させ、汚染物質が前記外表面と関係するようにするステップと；前記ファイバーを内表面を画定する空洞を有する構造体の中に挿入するステップと；前記外表面に関連付けられた前記汚染物質の少なくとも約１００％を残すステップと；前記光ファイバーを前記空洞内に挿入して、前記汚染物質が前記外表面と前記内表面との間に位置するようにするステップと、を有し；前記ファイバーは、前記レーザービームと前記汚染物質との相互作用によって損傷することなく、約５０Ｗから約５０ｋＷのパワーを有するレーザービームを受光して伝送することができる、方法を提供する。

またさらには、以下の特徴の１つまたは複数を備える方法、ファイバー、及びアセンブリを提供する。前記外表面は洗浄することができない。前記外表面は研磨されていない。前記内表面が、該内表面に関係した汚染物質を有する。前記内表面が洗浄されていない。前記汚染物質の９０％が残される。前記汚染物質の８０％が残される。前記汚染物質の５０％が残される。前記汚染物質の２０％が残される。前記汚染物質が前記外表面上にある。前記汚染物質が前記外表面に埋め込まれている。挿入後に、前記汚染物質が前記内表面と前記外表面とに埋め込まれている。前記構造体がフェルールである。前記内表面と前記外表面が直接接触している。レーザーパワーが約５０Ｗから１ｋＷである。レーザーパワーが約１Ｗから１０Ｗである。前記パワーが約１００Ｗから約５００Ｗである。前記パワーが約１００Ｗから約２００Ｗである。前記パワーが約１５０Ｗである。前記パワーが約１ｋＷから約２０ｋＷである。

従来のファイバーの斜視図であり、そのファイバーの問題を示す図である。

本発明にかかる光ファイバーの一実施形態の斜視図である。

本発明にかかる光ファイバーコネクタの一実施形態の断面図である。

本発明にかかるファイバースプライスの一実施形態の断面図である。

本発明にかかるクラッド光モードストリッパの断面図である。

概して、本発明は、光ファイバー、特にハイパワーレーザービームを伝送するための光ファイバーの構成に関する。本発明の実施形態は、ファイバーのコアの外側に位置する汚染物質の決定的な効果を軽減するか無くすための、光ファイバー、光コネクタ、光結合器、及び光ファイバーのスプライス（接合部、ｓｐｌｉｃｅ）の構造に関する。

従って、概して、光ファイバーはコア、クラッドを有し、コーティング及び他の保護層だけでなく追加のクラッドも有することができる。ファイバーは、例えば、中空コアのフォトニック結晶又は中実コアのフォトニック結晶とすることができる。典型的には、ファイバークラッドはファイバーコアを取り囲み、もしあればコーティングがクラッドを取り囲み、もしあれば他の保護層がコーティングを取り囲む。コアは、典型的には、円形断面を有するが、四角のような他の形状も考えられる。実施形態において、ファイバー、又はファイバーの長さ部分の一部は、クラッドを有さない。

ファイバーはシングルモード又はマルチモードとすることができる。マルチモードの場合、実施形態での開口数（ＮＡ）は０．１から０．６の範囲とすることができる。

コアは溶融石英からなる。コアは、例えば、約５ミクロン（μｍ）から約１、５００μｍ、約１０μｍから約１、０００μｍ、及び約８μｍから約６５μｍの直径である断面を有することができ、この範囲内の全ての直径と、さらにはより大きい直径及びより小さい直径も含まれる。

クラッドは、フッ素をドープした溶融石英、または屈折率を変えるイオン（例えば、ゲルマニウム）を有する溶融石英のような他の材料からなることができる。クラッドの厚さはコアの直径にある程度依存するが、クラッドの厚さは約１０μｍから約３００μｍ、約４０μｍから約２５０μｍ、及び約２０μｍから約１５０μｍとすることができ、この範囲内の全ての厚さと、さらにはより大きい厚さ及びより小さい厚さも含まれる。マルチ層構造に関連してここでは、「厚さ」は層の内径（すなわち内表面）とその外径（すなわち外表面）との間の距離を意味する。クラッドの厚さはシングルモード構造かマルチモード構造かに依存し、コアの大きさ及び目的とする波長に関係する。概して、クラッドの外径はコアの外径より１．１から１．２倍またはそれ以上に大きくあるべきである。

典型的には、ステップ型ファイバーの実施形態においては、コアの屈折率は一定であり、クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも小さい。マルチクラッドファイバーにおいては、クラッドの屈折率は変化する。実施形態においては、ファイバーは勾配屈折率ファイバーであり、典型的にはコアの屈折率はファイバーの光軸（例えば、中心）からの距離が増加するにつれて低下する。

コーティングは、例えば、アクリレート重合体、ポリイミド、又は他の材料とすることができる。

概して、光、例えばレーザービーム、青色、青緑色、及び緑色のレーザービームが、結合され、例えば光ファイバー、例えば典型的なステップ型ファイバーの中に出射されるときに、いくらかの光がコアだけでなくクラッド層にも入る。光がクラッドの中に出射された結果、クラッド内、クラッドの表面上、又はその両方に存在する汚染物質と光が相互作用する。ファイバーがフェルール内に挿入されたときなどにコンポーネントの内表面が光ファイバーの外表面と直接接触する場合には、汚染物質はその内表面上にも存在するかもしれない。

例えば、様々なレーザー及び光学システムの組み立てにおいて、ファイバーは外側の非ガラスのクラッド材料、例えば、コーティング及び保護層が剥ぎ取られる。これは様々な理由で行われ、それにはレーザー光との相互作用による外側の非ガラス層の損傷を防止することが含まれる。この相互作用は、さらなる相互作用を生じさせる傷、熱的反応、ファイバーやシステムのコンポーネント及びその両方を損傷させ得る有害な現象を生じさせる可能性がある。

しかしながら、これらの層が取り除かれると、通常は汚染物質が後に残される。これらの汚染物質は、例えば、ファイバー内またはその上にとらわれるか、又はファイバーの外表面とファイバーが中に配置されるコンポーネント（例えば、フェルール）の内表面との間に存在する、ほこり、エポキシ樹脂、または研磨剤であり得る、したがって、例えば、これらの汚染物質はコネクタのフェルールとファイバーとの間に位置し得る。

これらの汚染物質を物理的に取り除くことや、ファイバーの物理的及び光学的特性を損なうことが無いように取り除くことは、非常に難しく、コストがかかり、時間的に現実的でないとされている。

あるシステムにおいては、ファイバーの近位端での出射条件又は遠位端での後方反射に起因して、かなりのパワーがファイバークラッド内に伝送される。これは、ファイバーの熱損傷、又はファイバーの劣化の原因となるフェルールからの物質のガス放出を引き起こす虞がある。ガス放出された物質はファイバーの面上に堆積し、ファイバーの機能性の消失の原因となりうる。

ファイバーの周りに捕らえられた物質は、施工工程のために簡単に軽減することはできない。

図１は従来の光ファイバーの実施形態の斜視概略図であり、クラッドのレーザーエネルギーがクラッドに関連している汚染物質と相互作用することに伴う問題を示している。光ファイバー１００は、クラッド１０２によって取り囲まれたコア１０１を有する。クラッドは外表面１０３を有し、汚染物質１０４ａ、１０４ｂが、表面１０３、クラッド１０２、もしくはその両方の上もしくはそれらの中に、又はそれらに機械的に、化学的に、もしくはその両方で関連して存在する。矢印１０６で示されたクラッド光エネルギーは、矢印１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、及び１０６ｄで示されるようにクラッドから逃れることができる。クラッドから逃れたこの光は、汚染物質１０４ａ、１０４ｂと相互作用して、ファイバーの品質を低下させ損傷させ得る望ましくない熱相互作用１０８を引き起こす。

本発明の実施形態は、そのような汚染物質と相互作用するクラッドのレーザーエネルギーを低下、好ましくは無くすことによって、この問題を解決する。このようにして、汚染物質を取り除く必要無しに、この有害な相互作用が回避される。

図２を参照すると、レーザーと汚染物質の有害な相互作用を対処し、軽減し、好ましくは無くすファイバー構造の実施形態の斜視概略図が示されている。その問題に対する解決は、トリプルクラッドファイバー２００の実施形態の使用によって成される。トリプルクラッドはアクリレートのような非ガラス材料を含む。この非ガラス層は、ファイバー光コネクタの組み立て工程中に、ファイバーの小さな領域（従って図面には示されていない）から取り除かれる。ファイバー２００は、コア２０１と、第１のクラッド２０２と、第２のクラッド２０３とを有し、第２のクラッド２０３は外表面２０４を有する。ファイバーは汚染物質２０５ａ、２０５ｂを有する。汚染物質２０５ａ、２０５ｂは、表面２０５、クラッド２０３、もしくはその両方の上にもしくはそれらの中に、又はそれらに機械的、化学的、もしくはその両方で関連して存在する。典型的には、汚染物質は表面２０５の上にあると理解される。第１及び第２のクラッドの寸法を、例えば、第１のクラッドを２３０μｍから２５０μｍの外径とし第２のクラッドを２８０μｍの直径とすることによって、ファイバー内に正しく出射され、又は後方反射によってファイバー内に正しく再び集められた光が、光の極めて少ない部分が第２のクラッド内にある状態で主として第１のクラッドによって閉じ込められる。比較的にハイパワーであるクラッドの光エネルギー２０７が第１のクラッド２０２内に出射され、非常に弱いクラッドの光エネルギー２０８が第２のクラッド２０３の中に出射される。第２のクラッド２０３は、汚染物質、例えば２０５ａ、２０５ｂをハイパワーのクラッドの光エネルギー２０７との相互作用から保護する。クラッド２０３はまた、コア２０１内に出射されて第１のクラッド２０２内にもれる可能性のある光エネルギーから汚染物質を保護する。第２のクラッド内でのパワーの移動の低減によって、ファイバーの使用に対する意図された、例えば、特定のパワーレベルでの、物質のガス放出またはファイバーに対する熱損傷の可能性が最小化、好ましくは無くされる。ファイバーのこの実施形態での構造は、ファイバーの外表面に関係する汚染物質によって生じていたであろう有害な熱的作用を、低減し、最小化し、好ましくは無くす。このようにして、他の実施形態及び本願の教示によって後にさらに説明されるように、このファイバーの実施形態は、コネクタ、結合器、及び他の光学デバイス又はインターフェースにおいて、それらの表面上の汚染物質、例えばファイバーに関連付けられた光学デバイスの表面に接触又は隣接するファイバーの表面上の汚染物質を有していながらも、安全に、成功裏に、そして効果的に使用することができる。したがって、複雑でコストがかかり、それでもそのような汚染物質を無くすことができないかも知れないような洗浄工程を回避することができる。また、いくつかの例、例えば、重要な使用用途においては、そのような洗浄工程は、要求はされないが、ファイバーのための品質向上の製造工程の一つとして用いることもできる。

本発明の実施形態では、このトリプルクラッドファイバー構造を、様々なレーザー及び光学システムにおける、ファイバーが他のコンポーネントに接続される場所、レーザービームが出射または受光される場所、後方反射を受光する場所、及びファイバーとファイバーが接続される場所などで、コンポーネント又は構造の一部として採用している。

図３を参照して、これらのレーザーと汚染物質の有害な相互作用を対処し、最小化し、好ましくは無くす、ファイバーコネクタ構造３００の実施形態の断面概略図が示されている。ファイバー３０９は、０．２２の名目上のＮＡを有する直径２００μｍの範囲内の光コア３１０を有し、光コア３１０は０．２４のＮＡを有する外径２５０μｍの第１のクラッド３１１によって取り囲まれている。第１のクラッド３１１は、出射されたハイパワーレーザービームがコア３１０の中を伝搬することを可能とする。第２のクラッド３１２は、２８０μｍの外径と、０．２６のＮＡを有する。第２のクラッド３１２は、光を第１のクラッド内に閉じ込めて、光が第１のクラッド内を伝送するようにし、第２のクラッド３１２内での光の伝搬を最小限にする。ファイバーの長さは、ファイバー光モードストリッパと相互作用することになる従来のシングルクラッドファイバーにスプライス（接続）される前に、関連した汚染物質３０３ａ、３０３ｂからファイバー光コネクタ３０２及びフェルール３０７の構造を保護するのに十分に長くされる。

トリプルクラッドファイバー３０９の外側の非ガラス層３７０が示されている。この層３７０はコネクタ本体３０２内にあるファイバー３０９の部分でファイバー３０９から剥ぎ取られている。

ファイバーコネクタ構造３００は、エンドキャップ３０１とフェルール３０７と光ファイバー３０９とを収容しているコネクタ本体３０２を有する。光ファイバー３０９はエンドキャップ３０１と光接続されている。好ましくは、光ファイバー３０９はエンドキャップ３０１に機械的及び光学的に接続されている。

汚染物質は、図面内において、黒い線と点、例えば３０３ａ、３０３ｂで描かれている。汚染物質は、ファイバーの第２のクラッド３１２の外表面３３０とフェルール３０７の内表面３４０との間に位置している。

図４を参照して、レーザーと汚染物質の有害な相互作用を対処し、最小化し、好ましくは無くす、ファイバースプライス構造４００の実施形態の断面概略図が示されている。この実施形態においては、ファイバーコネクタ構造４００ａがある。ファイバー４０９は、０．２２の名目上のＮＡを有する直径２００μｍの範囲内の光コア４１０を備え、光コア４１０は０．２４のＮＡを有する外径２５０μｍの第１のクラッド４１１によって取り囲まれている。第１のクラッド４１１は、出射されたハイパワーレーザービームがコア４１０の中を伝搬することを可能とする。第２のクラッド４１２は、２８０μｍの外径と、０．２６のＮＡを有する。第２のクラッド４１２は、光を第１のクラッド内に閉じ込めて、光が第１のクラッド内を伝送するようにし、第２のクラッド４１２内での光の伝搬を最小限にする。（他のコアの直径とクラッドの厚さは、例えばこの明細書に記載されているものとして使用できる。）

ファイバーコネクタ構造４００ａは、エンドキャップ４０１とフェルール４０７と光ファイバー４０９とを収容しているコネクタ本体４０２を有する。光ファイバー４０９はエンドキャップ４０１と光連通している。好ましくは、光ファイバー４０９はエンドキャップ３０１に機械的及び光学的に接続されている。

汚染物質は、図面内において、黒い線と点、例えば４０３ａ、４０３ｂで描かれている。汚染物質は、ファイバー４０９の外表面４３０とフェルール４０７の内表面４４０との間に位置している。

ファイバー４０９の長さは、（コア４１０ａとクラッド４５１を有する）従来のシングルクラッドファイバー４５０にスプライス４３０される前に、汚染物質４０３ａ、４０３ｂに関連付けられたファイバー光コネクタ４０２とフェルール４０７構造を保護するのに十分な長さである。

矢印４２０によって示されるように、クラッド４１１内での光エネルギーの伝送の方向は、エンドキャップ４０１から離れてスプライス４３０に向かい、スプライス４３０を通ってクラッド４５１内に至る。したがって、この実施形態においては、クラッドの光はスプライスを通して第２のファイバーのクラッド内に出射される。コアをより大きな直径として、デュアルクラッドファイバーの内側クラッドからのクラッド光がシングルクラッドファイバーのコア内に出射されるようにできることを理解されたい。

２つ、３つ、またはそれ以上（ｎ個）のクラッド層を有し、ｎ−１又はｎ−２個のクラッド層を有するファイバーに光学的に接続、例えばスプライスされて、レーザー光がより多くのクラッド層を有するファイバーからより少ないクラッド層を有するファイバーに適切に伝送されるようにした、ファイバーの全ての組み合わせが考えられる。実施形態は、互いに光学的に接続される両方のファイバーが同じ数のクラッド層を有するようにすることもできる。

図５は、モードストリッパ、及びレーザーと汚染物質の有害な相互作用を対処し、最小化し、好ましくは無くすスプライス構造の実施形態の断面概略図である。この実施形態においては、ファイバースプライス構造４００（図４の実施形態からの全ての構造が同じであり、指示線は簡素化のために削除され、同様は番号で同様な構造を参照している）は、モードストリッパ領域５００を有するシングルクラッドファイバー４５０を有している。領域５００はクラッド光をクラッドから取り除くモードストリッパ５１０を有し、その光をヒートシンク素子５０２に伝送させて、そこでエネルギーが熱に変換されて消費されるか、そうでなければ取り除かれるようにする。

図５に示す図の実施形態において、内側クラッド４１２から伝搬する光は、スプライス４５０に近接して配置されたモードストリッパ５００を介して取り除かれる。モードストリッパ５００を超えて、ファイバー４５０はアクリレート又はシリコーンクラッド及び緩衝材で保護されることができる。

本発明の実施形態は、ファイバーの外表面、例えばクラッド層の外表面、アセンブリの外表面を受け入れる空洞の内表面、及びその両方に関連した汚染物質を取り除くことの必要性を低減し、好ましくは無くす。このようにして、高価で、時間がかかり、並びに潜在的な洗浄及び研磨の要求に対する必要性が、アセンブリの製造において最小化され、低減され、好ましくは無くされる。

実施形態において、汚染物質の１００％、約５％から約９９％、約１０％、約２０％、約２５％から約９０％、約５０％以上、約７０％以上、約６０％から１００％、及びこれらの範囲内の全てのパーセンテージが、表面アセンブリの製造中に表面に関連して残されて、レーザービームの伝搬中にレーザーと汚染物質の相互作用を生じさせることなく、最終アセンブリに残されたままとすることができる。したがって、例えば、インターフェースデバイスの内表面、例えばフェルールの内表面又はコネクタの内表面に直接接触するファイバーの外表面の１％から１００％が、その上に汚染物質を有することができる。また、このファイバーの外表面の約１％から約２５％、約５％から約７０％、約１５％から約３０％、及び約２０％から約８０％が、レーザービームの伝搬中にレーザーと汚染物質の相互作用を生じさせることなく、その上に汚染物質を有することができる。

当該実施形態は、工業、製造、通信、及び医療のシステムを含む溶接、切断、積層造形、付加−除去加工、及び他のレーザー加工システムのような、ハイパワーレーザーシステムに応用される。当該実施形態は、全ての波長のレーザーエネルギー、とりわけ、紫外、可視、及び赤外の波長のレーザーエネルギーに応用される。当該実施形態は、様々なパワーのレーザービーム、例えば、０．０１ｋＷから０．１ｋＷ、０．１から０．５ｋＷ、０．５ｋＷ、約１ｋＷ、約５ｋＷ、約１０ｋＷ、約２０ｋＷ、約５０ｋＷ、約１ｋＷから約２０ｋＷ、約５ｋＷから約５０ｋＷ、約１０ｋＷから約４０ｋＷ、及びこれらの範囲内の全てのパワー、さらにはより高いパワー及びより低いパワー、のレーザーシステムに応用される。

これらのマルチクラッドファイバーの実施形態の例において、ファイバーのスプライス及びクラッド光モードストリッパは、１００から２００Ｗの範囲内の、好ましくは１５０Ｗのレーザーエネルギーを利用するシステムにおいて作動するように構成されている。このシステムは、例えば、レーザー溶接システム又は３−Ｄプリンター、レーザー溶接機、レーザー切断機、及び同様なタイプのレーザー製造システムであり得る。

実施形態において、当該ファイバー、接続構造、及びスプライス構造を使用するシステムに対して好ましい波長は、４５０ｎｍ、５１５ｎｍを含む青及び緑の波長範囲内の波長である。実施形態において、青及び緑の波長のビームは、２１から１２ｍｍ−ｍｒａｄ、１０から７０ｍｍ−ｍｒａｄ、１５ｍｍ−ｍｒａｄから１ｍｍ−ｍｒａｄ未満、約１５ｍｍ−ｍｒａｄ未満、約１０ｍｍ−ｍｒａｄ未満、約５ｍｍ−ｍｒａｄ未満、及び約１ｍｍ−ｍｒａｄ未満、並びにこれらの範囲内の全ての値、さらにはより大きい値及びより小さい値の、ビーム品質を有する。

本発明の実施形態の主題であるか、またはそれに関連する、新規で画期的なプロセス、材料、性能、または他の有益な特徴および特性の基礎となる理論を提供または対処する必要がないことに留意されたい。それにもかかわらず、この分野の技術をさらに進歩させるために、本明細書ではさまざまな理論が提供されている。本明細書に記載されている理論は、特に明記されていない限り、請求された発明に与えられる保護の範囲を決して限定、制限、または狭めない。これらの理論は、本発明を利用して必要とされたり、実施されたりすることはあまりない。さらに、本発明は、本発明の方法、物品、材料、デバイス、およびシステムの実施形態の機能特徴を説明するための、これまで知られていない新しい理論につながる可能性があることを理解されたい。そして、そのような後に開発された理論は、本発明に与えられた保護の範囲を制限しないものとする。

本明細書に記載されているシステム、機器、技術、方法、活動および操作の様々な実施形態は、本明細書に記載されているものに加えて、他の様々な活動および他の分野で使用され得る。さらに、これらの実施形態は、例えば、以下で使用することができる。将来開発される可能性がある他の機器または活動。そして、この仕様の教示に基づいて部分的に変更される可能性のある既存の機器または活動。さらに、本明細書に記載されている様々な実施形態は、異なる様々な組み合わせで互いに使用することができる。したがって、例えば、本明細書の様々な実施形態で提供される構成を互いに使用することができる。また、本発明が提供する保護の範囲は、特定の実施形態、例、または特定の図に記載されている特定の実施形態、構成または配置に限定されるべきではない。

本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書で具体的に開示されたもの以外の形態で具体化することができる。説明された実施形態は、あらゆる点で、例示的であり、限定的ではないと考えられるべきである。

Claims (35)

1. ａ．間に長さ部分を画定する近位端及び遠位端を有し、コア、前記コアに直接接触する内側クラッド、前記内側クラッドに隣接する第２のクラッド、及び前記第２のクラッドに隣接する外側クラッド、を有するトリプルクラッドファイバーを備え、
   ｂ．前記ファイバーの前記長さ部分の近位部分に沿って前記外側クラッドが除去されて、前記ファイバーの近位長さ部分を画定して、前記近位長さ部分に沿って前記第２のクラッドの外表面が露出され、前記外表面が汚染物質を有し、
   ｃ．前記近位長さ部分はコネクタの内部空洞内に配置され、前記汚染物質が前記コネクタの内表面と前記第２のクラッドの前記外表面との間に位置しており、
   ｄ．前記汚染物質が前記第２のクラッドによって前記内側クラッド内のレーザーエネルギーから保護され、それにより、レーザーと汚染物質の相互作用による有害な熱的作用を最小限に抑えるようにされた、ファイバー光コネクタアセンブリ。
2. 前記コネクタがエンドキャップを有し、前記ファイバーの前記近位端が前記エンドキャップに光学的に接続された、請求項１に記載のファイバーコネクタアセンブリ。
3. 前記ファイバーの前記近位端がシングルクラッドファイバーに光学的に接続されている、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記光学的な接続がスプライス（ｓｐｌｉｃｅ）である、請求項３に記載のアセンブリ。
5. 前記シングルクラッドファイバーがモードストリッパを備える、請求項２に記載のアセンブリ。
6. 前記汚染物質が、前記ファイバーの前記近位長さ部分の表面の約５％よりも多くを覆っている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
7. 前記汚染物質が、前記コネクタの内表面に接触したファイバーの外表面の約１０％よりも多くを覆っている、請求項１に記載のアセンブリ。
8. ａ．間に長さ部分を画定する近位端及び遠位端を有し、コア、前記コアに直接接触する内側クラッド、及び前記内側クラッドに隣接する第２のクラッド、を有するファイバーを備え、
   ｂ．前記第２のクラッドが前記ファイバーの前記長さ部分に沿った部分を有し、前記ファイバーの外表面が、レーザービームとの相互作用により前記ファイバーの熱劣化を生じさせる汚染物質によって汚染されていて、それにより汚染された外面部分を画定しており、
   ｃ．前記汚染された外面部分はコネクタの内表面に直接接触し、前記汚染物質は前記第２のクラッドによって前記内側クラッド内のレーザーエネルギーから保護されていて、それにより前記ファイバーの熱劣化が防止されるようにされた、ファイバー光コネクタアセンブリ。
9. 請求項１又は９に記載のアセンブリを通してレーザービームを伝送する方法であって、前記レーザービームが約１Ｗから約１０ｋＷのパワーと、青、青緑、又は緑の波長域内の波長を有し、前記アセンブリの熱劣化が生じないようにされた、方法。
10. レーザービームを伝送するときに熱的に劣化しない汚染された光コネクタを作る方法であって、
    ａ．コア、前記コアに隣接した内側クラッド、前記内側クラッドに隣接した第２のクラッド、及び前記第２のクラッドに隣接した外側クラッド、を有するトリプルクラッド光ファイバーを得るステップと、
    ｂ．前記外側クラッドの一部を除去して、前記第２のクラッドの表面を露出させ、前記第２のクラッドの前記表面が汚染物質を有し、それにより汚染された外表面が画定されるようにするステップと、
    ｃ．前記ファイバーの近位端をコネクタに挿入して、前記汚染された表面の少なくとも一部が前記コネクタの内表面と直接接触するようにするステップと、
    を有し、
    ｄ．前記汚染物質が前記第２のクラッドによって前記内側クラッド内のレーザーエネルギーから保護され、それによりレーザーと汚染物質の相互作用による有害な熱的作用を防止する、方法。
11. 約１０Ｗから約２０ｋＷのパワーを有するレーザービームをトリプルクラッドファイバーを備える汚染された光コネクタアセンブリを通して、前記アセンブリ内の汚染物質による有害な熱的作用を前記ファイバー又は前記コネクタに生じさせることなく、伝送すること。
12. 前記汚染物質が、ファイバーの外表面と前記コネクタの本体の内表面との間に位置する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記レーザーエネルギーが、少なくとも１，０００時間の総持続時間の間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記レーザーエネルギーが、少なくとも１００時間の総持続時間の間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される、請求項１１に記載の方法。
15. 前記レーザーエネルギーが、少なくとも５００時間の総持続時間の間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される、請求項１１に記載の方法。
16. 前記レーザーエネルギーが、少なくとも１、０００時間の総持続時間の間、有害な熱的作用を生じさせることなく伝送される、請求項１１に記載の方法。
17. レーザービームが約５０Ｗから約５０ｋＷのパワーを有するようにされたレーザーシステムで使用するためのコンポーネントを組み立てる方法であって、
    ａ．コア、前記コアを取り囲む第１のクラッド、前記第１のクラッドを取り囲む第２のクラッド、及び前記第２のクラッドを取り囲む外層、を有する光ファイバーを準備するステップと、
    ｂ．前記外層を除去して、前記第２のクラッドの外表面を露出させ、汚染物質が前記外表面と関係するようにするステップと、
    ｃ．前記ファイバーを内表面を画定する空洞を有する構造体の中に挿入するステップと、
    ｄ．前記外表面に関連付けられた前記汚染物質の少なくとも約１００％を残すステップと、
    ｅ．前記光ファイバーを前記空洞内に挿入して、前記汚染物質が前記外表面と前記内表面との間に位置するようにするステップと、
    を有し、
    ｆ．前記ファイバーは、前記レーザービームと前記汚染物質との相互作用によって損傷することなく、約５０Ｗから約５０ｋＷのパワーを有するレーザービームを受光して伝送することができる、方法。
18. 前記外表面は洗浄することができない、請求項１７に記載の方法。
19. 前記外表面は研磨されていない、請求項１７に記載の方法。
20. 前記内表面が、該内表面に関係した汚染物質を有する、請求項１７に記載の方法。
21. 前記内表面が洗浄されていない、請求項１７に記載の方法。
22. 前記汚染物質の９０％が残される、請求項１７に記載の方法。
23. 前記汚染物質の８０％が残される、請求項１７に記載の方法。
24. 前記汚染物質の５０％が残される、請求項１７に記載の方法。
25. 前記汚染物質の２０％が残される、請求項１７に記載の方法。
26. 前記汚染物質が前記外表面上にある、請求項１７に記載の方法。
27. 前記汚染物質が前記外表面に埋め込まれている、請求項１７に記載の方法。
28. 挿入後に、前記汚染物質が前記内表面と前記外表面とに埋め込まれている、請求項１７に記載の方法。
29. 前記構造体がフェルールである、請求項１７に記載の方法。
30. 前記内表面と前記外表面が直接接触している、請求項１７に記載の方法。
31. 前記パワーが約５０Ｗから１ｋＷである、請求項１７に記載の方法。
32. 前記パワーが約１００Ｗから約５００Ｗである、請求項１７に記載の方法。
33. 前記パワーが約１００Ｗから約２００Ｗである、請求項１７に記載の方法。
34. 前記パワーが約１５０Ｗである、請求項１７に記載の方法。
35. 前記パワーが約１ｋＷから約２０ｋＷである、請求項１７に記載の方法。
    

Images