JP4581746B2 - 光検出装置および光源モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光検出装置および光源モジュールに関するものである。

光検出装置は、例えば、光源から出力される光の一部を分岐して取り出し、その取り出した光のパワーを光検出器により検出することで、光源から出力される光のパワーをモニタするものである。このような光検出装置において、光の一部を分岐するために光ファイバカプラが好適に用いられる。なお、光検出装置は光検出器および光ファイバカプラを含む。また、この光検出装置および光源を含むものを光源モジュールと呼ぶ。

光ファイバカプラは、第１光ファイバと第２光ファイバとが溶融延伸されて互いに光学的に結合されたものである。第１光ファイバの一端に光源が結合され、第２光ファイバの一端に光検出器が結合される。光源モジュールでは、光源から出力された光が第１光ファイバを伝搬する間に、その光の一部が光ファイバカプラにより第２光ファイバへ分岐される。その分岐された光は、第２光ファイバを伝搬して、光検出器により検出される。そして、この光検出器による検出結果に基づいて、光源から出力される光のパワーがモニタされる。

しかし、上記のような従来の光源モジュールが加工用途等に用いられるような複数の横モードの光を出力する光源である場合には、光源から出力される光のパワーが一定であっても、光検出装置による検出結果が変動する場合があり、光源から出力される光のパワーのモニタが正確に行われない場合がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、加工用途等に用いられる場合であっても光パワーをより正確にモニタすることができる光検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光検出装置は、(1) 所定波長において検出感度を有する光検出器と、(2) 各々所定波長において複数のモードの光を伝搬し得る第１光ファイバと第２光ファイバとが互いに光学的に結合され、上記所定波長において第１光ファイバのコア径と開口数との積より第２光ファイバのコア径と開口数との積が大きく、第２光ファイバの第１光ファイバと光学的に結合されていない端に光検出器が光学的に結合されている光ファイバカプラとを備え、光検出器は第１光ファイバからの伝搬光を検出することを特徴とする。

この光検出装置では、第１光ファイバを導波する光の一部は、光ファイバカプラにおいて分岐されて第２光ファイバを導波していき、光検出器により検出される。この光検出器による検出結果に基づいて、第１光ファイバを導波する光のパワーがモニタされる。ここで、分岐前の第１光ファイバのコア径と開口数との積より分岐後の第２光ファイバのコア径と開口数との積が大きい。すなわち、第１光ファイバの伝播可能モード数より、第２光ファイバの伝播可能モード数を大きい。これにより、第１光ファイバから第２光ファイバへの光結合は安定したものとなる。

ここで、光検出装置に含まれる光ファイバカプラにおいて、第１光ファイバのＮＡが０.０６以下であり、第１光ファイバの光軸と第２光ファイバの光軸とが互いになす角度が６.９°以下であるのが好適であり、第１光ファイバと第２光ファイバとが樹脂により接続されているのが好適であり、第１光ファイバと第２光ファイバとが溶融接続されているのが好適であり、また、第１光ファイバのコア径が１５μｍ以上であって、ＮＡが０.０６以下（クラッドに対するコアの比屈折率差が０.０８％以下）であるのが好適である。

本発明に係る光源モジュールは、上記の本発明に係る光検出装置と、上記所定波長の波長の光を出力する光源とを備え、光検出装置に含まれる第１光ファイバの第２光ファイバと光学的に結合された位置を介し光検出器と対向する端に光源が光学的に結合されていることを特徴とする。この光源モジュールでは、光検出装置により、光源から出力される光のパワーが光検出器によりモニタされ、或いは、これとは逆方向に第１光ファイバを導波する光（例えば反射光など）のパワーが光検出器によりモニタされる。

ここで、光源が増幅用光ファイバを光増幅媒体として含むファイバレーザ光源であり、この増幅用光ファイバから第１光ファイバまでの光導波経路は空間結合部品を含まない形態で構成されているのが好適である。

本発明によれば、光源モジュールが加工用途等に用いられる場合であっても光パワーをより正確にモニタすることができる。

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源モジュール１および光検出装置１０の構成図である。この図に示される光源モジュール１は、加工対象物２にレーザ光を照射して該加工対象物２を加工するものであって、光検出装置１０、光源２０、コリメータ３０および集光レンズ４０を備える。光検出装置１０は、光ファイバカプラ１１、光検出器１２および光検出器１３を含む。また、光ファイバカプラ１１は、第１光ファイバ１１ａおよび第２光ファイバ１１ｂからなる。

光源２０は、加工対象物２に照射すべきレーザ光を出力するものである。光源２０から出力されるレーザ光は、連続光であってもよいし、パルス光であってもよい。また、光源２０から出力されるレーザ光の波長は、加工対象物２の材料（例えば金属や樹脂）に応じて適切に選ばれ、例えば１μｍ帯である。例えば、光源２０は、Ｎｄ添加ＹＡＧロッドやＹｂ添加ファイバなどをレーザ媒質として含み、また、このレーザ媒質に添加された活性元素（Ｎｄ，Ｙｂなど）を励起する励起光を出力する励起光源としてレーザダイオードを含む。

第１光ファイバ１１ａの第１端には光源２０が光学的に結合され、第１光ファイバ１１ａの第２端にはコリメータ３０が設けられている。第１光ファイバ１１ａは、光源２０から出力されたレーザ光を第１端に入力して第２端まで導波し、その導波したレーザ光をコリメータ３０を介して外部へ出力する。コリメータ３０は、その出力光を平行光とする。また、集光レンズ４０は、コリメータ３０により平行光とされたレーザ光を収斂して加工対象物２の加工面に集光照射する。

第１光ファイバ１１ａと第２光ファイバ１１ｂとは、溶融延伸されて互いに光学的に結合され、これにより光ファイバカプラ１１を構成している。第２光ファイバ１１ｂの第１端には光検出器１２が光学的に結合され、第２光ファイバ１１ｂの第２端には光検出器１３が光学的に結合されている。

光源２０は、増幅用光ファイバを光増幅媒体として含むファイバレーザ光源であるのが好適である。また、この増幅用光ファイバから第１光ファイバ１１ａまでの光導波経路は、全て光ファイバで構成されているのが好適である。なお、第１光ファイバ１１ａは、光源２０側の第１端からコリメータ３０側の第２端まで、一連長のものであってもよいし、複数本の類似の光ファイバが融着接続されたものであってもよい。同様に、第２光ファイバ１１ｂは、光検出器１２側の第１端から光検出器１３側の第２端まで、一連長のものであってもよいし、複数本の類似の光ファイバが融着接続されたものであってもよい。

この光源モジュール１では、光源２０から出力されたレーザ光は、第１光ファイバ１１ａの第１端に入射して第１光ファイバ１１ａにより導波され、第１光ファイバ１１ａの第２端から出射されてコリメータ３０により平行光とされ、集光レンズ４０により収斂されて加工対象物２の加工面に集光照射される。このレーザ光の集光照射により加工対象物２が加工される。

このとき、光源２０から出力されて第１光ファイバ１１ａの第１端に入射して第１光ファイバ１１ａを導波する光の一部は、光ファイバカプラ１１において分岐されて第２光ファイバ１１ｂを導波していき、光検出器１２により検出される。この光検出器１２による検出結果に基づいて、光源２０から出力される光のパワーがモニタされる。

また、加工対象物２へのレーザ光照射に伴って発生した光（反射光や熱放射）は、集光レンズ４０およびコリメータ３０を経て第１光ファイバ１１ａの第２端に入射する場合がある。第１光ファイバ１１ａの第２端に入射して第１光ファイバ１１ａを導波する光の一部は、光ファイバカプラ１１において分岐されて第２光ファイバ１１ｂを導波していき、光検出器１３により検出される。この光検出器１３による検出結果に基づいて、加工対象物２へのレーザ光照射の状況が監視される。

ところで、一般に、レーザ加工においては、回折限界に近い良好なビーム品質が要求されることが多く、第１光ファイバ１１ａの伝搬可能なモード数は少ないほうがよい。しかし、その一方で、ファイバ端面の損傷やファイバ中の非線形効果による出力低下を避ける為には、第１光ファイバ１１ａのモードフィールドは広い方がよい。両者を満たすためには、第１光ファイバ１１ａのコアの開口数（ＮＡ）をなるべく小さくして、第１光ファイバ１１ａのコア径をなるべく大きくする必要がある。

第１光ファイバ１１ａのＮＡを０.０６まで小さくしたとき、第１光ファイバ１１ａを導波するレーザ光の波長が１.０６μｍ帯とすると、第１光ファイバ１１ａのコア径が１４μｍ以下であれば、単一モード（すなわち、回折限界）は維持できる。しかし、パワー１００Ｗを超えるような高出力のレーザ加工装置の場合は、第１光ファイバ１１ａのコア径は更に大きいことが望ましい。また、第１光ファイバ１１ａ自体の損傷を防ぐために、第１光ファイバ１１ａの材料は石英系ガラスであることが望ましい。第１光ファイバ１１ａとしてＮＡが０.０６の光ファイバを用いた場合、光軸方向の放射角は極めて小さく、側面に接続した光ファイバによるモニタは容易ではない。

本実施形態に係る光検出装置１０に含まれる光ファイバカプラ１１は、例えば、二本の光ファイバ１１ａ，１１ｂの溶融延伸により実現可能である。ただし、このとき、レーザ光の波長が１μｍ帯であり、ＮＡが０.０６の同種のものを光ファイバ１１ａ，１１ｂとして使用した場合、溶融部分におけるコア径に対するコア間のクラッド部分の厚みの比率を１.２７とすれば、約２０ｄＢ程度の分岐モニタが実現できる。もし、第２光ファイバ１１ｂにもっと高いＮＡの光ファイバを用いれば、クラッド部の厚みはもっと厚くてよく、溶融延伸に要する時間は短縮できる。また、溶融時間など製造条件がバラついた場合でも、第２光ファイバ１１ｂによる光の導波が確実に行なえる。

また、第１光ファイバ１１ａのＮＡを０.０６としコア径を非線形効果回避のために２０μｍにした場合、伝播可能なモード数は６と複数である。しかし、これは飽くまで、伝播可能なモード数であって、常にこれだけの数のモードが伝播している訳ではない。伝播しているモード数や各モードへの光パワーの配分は、光ファイバに印加される応力や曲げ、更に温度などの影響で経時的に変動しうる。この場合、第２光ファイバ１１ｂの伝播可能なモード数は、第１光ファイバ１１ａの伝播可能なモード数と等しい程度では、光ファイバカプラ１１の製造バラつきや上記の第１光ファイバ１１ａ伝播光の経時変化などにより、結合し得ないモードが生じる危険性があり、モニタされる光パワー比率の経時変化が起こり得る。

そこで、このような問題を解決するために、本実施形態では、光検出器１２，１３が検出感度を有する所定波長域において、第１光ファイバ１１ａおよび第２光ファイバ１１ｂそれぞれが複数のモードの光を伝搬し得るものとして、第１光ファイバ１１ａのコア径と開口数との積より第２光ファイバ１１ｂのコア径と開口数との積を大きくする。すなわち、第１光ファイバ１１ａの伝播可能モード数より第２光ファイバ１１ｂの伝播可能モード数を大きくする。このようにすることにより、第１光ファイバ１１ａから第２光ファイバ１１ｂへの光結合は安定したものとなる。第１光ファイバ１１ａの伝播可能モード数に対して、第２光ファイバ１１ｂの伝播可能モード数が１０倍以上であれば、統計的な変化にも対応し得る。

あるいは、本実施形態に係る光検出装置１０は、図２に示されるような構成としてもよい。図２は、本実施形態に係る光検出装置１０の他の構成例を示す側面図である。この図に示される構成では、光ファイバカプラ１１Ａは、第１光ファイバ１１ａの側面に第２光ファイバ１１ｂの端面が結合されている。すなわち、この光ファイバカプラ１１Ａでは、第１光ファイバ１１ａの側面の一部が平坦に研磨されるとともに、第２光ファイバ１１ｂの端面が斜めに研磨されて、第１光ファイバ１１ａの研磨された側面の平坦部に第２光ファイバ１１ｂの斜め研磨された端面が光学的に結合されている。このときの結合の方法は、樹脂による接着でも良いし、アーク放電やレーザ加熱による溶融接続でも良い。

この場合、第１光ファイバ１１ａの光軸と第２光ファイバ１１ｂの光軸とが互いになす角度θは、第１光ファイバ１１ａのＮＡに対応した放射角以内にするのが好適である。第１光ファイバ１１ａのＮＡが０.０６である場合は、角度θは±６.９°以内であることが望ましい。しかし、角度θが６.９°以下である接合は、第２光ファイバ１１ｂの研磨を含め、製造が困難である。第２光ファイバ１１ｂのＮＡが第１光ファイバ１１ａのＮＡより大きい場合は、第２光ファイバ１１ｂのＮＡに対応した放射角内であればよい。例えば、第２光ファイバ１１ｂのＮＡが０.３である場合は、角度θは３５°以下であればよい。

なお、第２光ファイバ１１ｂの伝搬可能なモード数が多いと、第１光ファイバ１１ａに本来伝搬している光以外の迷光（例えば、光源２０において使用された励起光の残留成分など）を光検出器１２が受光する危険性もある。これを防ぐ為に、第１光ファイバ１１ａを完全なシングルクラッド構造にしたり、光検出器１２の直前にレーザ発振光のみを透過させ励起光を遮断するＷＤＭフィルタを設けたり、等の手段を併用するのが好適である。このとき、ＷＤＭフィルタは誘電体多層膜フィルタであってもよい。通常、誘電体多層膜フィルタは、光損傷が起きやすいので、加工用レーザ用途などでは忌避されるが、この場合、分岐後の光が入射するので、光ファイバカプラ１１の分岐比を最適化すれば、光損傷を回避することが可能である。

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、図２では、光源２０から出力された光をモニタするための構成が示されていたが、加工対象物２へのレーザ光照射に伴って発生した光（反射光や熱放射）をモニタするための構成として、第１光ファイバ１１ａに第２光ファイバ１１ｂを逆角度に結合すればよい。

本実施形態に係る光源モジュール１および光検出装置１０の構成図である。 本実施形態に係る光検出装置１０の他の構成例を示す側面図である。

符号の説明

１…光源モジュール、２…加工対象物、１０…光検出装置、１１…光ファイバカプラ、１１ａ…第１光ファイバ、１１ｂ…第２光ファイバ、１２，１３…光検出器、２０…光源、３０…コリメータ、４０…集光レンズ。

Claims (7)

1. 所定波長において検出感度を有する光検出器と、
   各々前記所定波長において複数のモードの光を伝搬し得る第１光ファイバと第２光ファイバとが互いに光学的に結合され、前記所定波長において前記第１光ファイバのコア径と開口数との積より前記第２光ファイバのコア径と開口数との積が大きく、前記第２光ファイバの前記第１光ファイバと光学的に結合されていない端に前記光検出器が光学的に結合されている光ファイバカプラと
   を備え、
   前記光検出器は前記第１光ファイバからの伝搬光を検出する
   ことを特徴とする光検出装置。
2. 前記第１光ファイバのＮＡが０.０６以下であり、前記第１光ファイバの光軸と前記第２光ファイバの光軸とが互いになす角度が６.９°以下であることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
3. 前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとが樹脂により接続されていることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
4. 前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとが溶融接続されていることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
5. 前記第１光ファイバのコア径が１５μｍ以上であって、前記第１光ファイバのＮＡが０.０６以下であることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の光検出装置と、前記所定波長の波長の光を出力する光源とを備え、
   前記光検出装置に含まれる前記第１光ファイバの前記第２光ファイバと光学的に結合された位置を介し前記光検出器と対向する端に前記光源が光学的に結合されている
   ことを特徴とする光源モジュール。
7. 前記光源が増幅用光ファイバを光増幅媒体として含むファイバレーザ光源であり、前記増幅用光ファイバから前記第１光ファイバまでの光導波経路は空間結合部品を含まない形態で構成されていることを特徴とする請求項６記載の光源モジュール。
   

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