JP4988747B2 - 光ファイバと、その製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバコア、該ファイバコア内でレーザビームを案内するためのファイバコアを囲む内部ファイバマントル、該内部ファイバマントルを囲む第１の外側ファイバマントル、該第１の外側ファイバマントルを囲む第２の外側ファイバマントルを有しており、第１の外側ファイバマントルは、長手方向に配向されたガス充填されたキャピラリを用いて内部ファイバマントルよりも小さな屈折率を有しており、第１の外側ファイバマントルは、キャピラリなしの長手方向部分を有している、高出力レーザビームの伝送用光ファイバに関する。

そのような光ファイバは、例えば、米国登録特許２００５／０１１７８６０から公知である。

光ファイバは、レーザのレーザビームを、所定区間を介して適用装置、例えば、材料加工装置に案内するために、高出力レーザと共に光導波路として利用されている。キロワット電力範囲内のレーザビームを電送するための光導波路（光導波ファイバ）は、通常、水晶ガラスコア（光導波路コア）と水晶ガラスマントル（光導波路マントル、クラッディング(cladding)）から形成されており、この水晶ガラスマントルは、適切なドーピング又はマイクロコ構造化によって、光導波路コアよりも小さな（実効）屈折率を有している。

光導波路コアは、レーザビームを最大アクセプタンス角度迄、全反射を用いて案内する。光導波路マントルは、光伝搬のために用いられず、全反射に必要な小さな屈折率を提供する。水晶ガラスマントル上には、光ファイバの保護のために、フレキシブルな材料（例えば、シリコン、アクリラート）からなる保護被覆部が設けられており、この保護被覆部は、一般的に、水晶ガラスマントルよりも小さな屈折率を有しており、レーザビームを部分的に吸収する。

マイクロ構造化された水晶ガラスマントルを有する光ファイバ（「フォトニック・結晶（クリスタル）・ファイバ」とも呼ばれる）は、水晶ガラスマントルを有しており、この水晶ガラスマントルは、水晶ガラスマントルの実効屈折率を低下させるために、長手方向のエア充填キャピラリを有している。キャピラリは、ファイバコアに対して平行に延びている。各キャピラリの間隔及び直径によって、ファイバコアの開口数が決められる。各キャピラリの直径が大きくなればなるほど、各キャピラリが相互に狭く設けられれば設けられるほど、ファイバコアの開口数も高くなる。ファイバコアの開口数を介して、伝送ビームのビーム質が制御される。高出力レーザビームの伝送用の光導波路の新規な技術思想は、中空ファイバを提起しており、この中空ファイバは、中実の水晶ガラスコアの代わりに、エア充填中空コアを有している。この中空ファイバでは、コアは、同様に、キャピラリを貫通する水晶ガラスマントルによって囲まれている。

光導波路ファイバ内に入力結合するために、レーザビームは、例えば、ファイバの入口端上にフォーカシングされる。その際、レーザビームの一部分は、ファイバのマントル領域内にも達することがある。これは、特に、レーザビームと光ファイバとを相互に所要のように調整する際に生じる。同様に、ビーム出力は、マントル領域内で加工される部材による後方散乱及び反射によって達成することができる。光導波路ファイバが、マントル領域の屈折率よりも小さな屈折率を有している反射保護被覆によって囲まれている場合、レーザビームの、ファイバマントル内に達した成分は、ファイバコアの外側でも全反射によって案内することができる。例えば、ファイバ曲がり部又は継ぎ結合部で、マントル領域の全反射が妨害されると、レーザビームは、水晶ガラスマントルから保護被覆内に浸透することがあり、乃至、保護被覆を透過することがある。保護被覆内でのビーム吸収により、保護被覆が加熱して破壊されることがある。ファイバコア内で案内されないビームは、殊に、光導波路の端領域に損傷を及ぼすことがある。付加的に、伝送されるレーザビームのビーム質が損なわれ、それにより、後続の光学系及び加工の質に否定的な作用を及ぼすことがある。

冒頭に記載した米国登録特許２００５／０１１７８６０から公知の光ファイバでは、光が、内部ファイバマントル内に入力結合し、又は、内部ファイバマントルから出力結合するために、キャピラリなしの長手方向部分がサイドウィンドウを形成している。キャピラリなしの長手方向部分は、光ファイバの区間によって形成することができ、それによって、キャピラリは、そこで潰れ(kollabieren)、それと同時に、ファイバコアが細くなる。この細くなったファイバコア部分で、ファイバコア内で伝搬される高次モードが取り去られ、即ち、細くなったファイバコア部分は、モードフィルタとして作用し、その際、取り去られた高次モードは、内側ファイバマントル内で伝搬される。

米国登録特許４６３７６８８からは、内側ファイバマントルを囲む外側ファイバマントルを有する光ファイバが公知であり、この外側ファイバマントルの全長上に、ファイバマントル内で伝搬される光の散乱又は吸収用の物質を有している。外側ファイバマントルは、内側ファイバマントルよりも高い屈折率を有しており、その結果、光は、内側ファイバマントル内では、全反射を用いて案内されず、外側ファイバマントル内に入り、外側ファイバマントルで、直ぐに散乱又は吸収される。

米国登録特許２００４／００７１４２０からは、更に、１つ又は複数のゾーンが定常的に変化する屈折率を有していて、それにより、ファイバコア内で伝搬される光がファイバマントル内に漏れ出ることがある。

最後に、欧州特許庁公開特許１２１３５９４からは、更にファイバマントルが散乱要素を有している光ファイバが公知である。

それに対して、本発明の課題は、冒頭に記載した形式の光ファイバで、マントル領域内に達したレーザビームによる否定的な作用を、できる限り簡単なやり方で、ファイバコアのビーム案内特性に作用を及ぼさずに、回避することにある。

この課題は、本発明によると、第２の外側ファイバマントルは、少なくとも、キャピラリなしの長手方向部分の領域内に、キャピラリなしの長手方向部に沿って内部ファイバマントルから放射されたレーザビームの散乱のための散乱中心部を有していることにより解決される。キャピラリなしの長手方向部分は、全周に渡って環状に延びているか、又は、光ファイバの部分周に渡ってのみ延びているようにするとよい。

そのような本発明の光導波路ファイバでは、内部ファイバマントル内に入力結合されるビームが、キャピラリなしの長手方向部分に入る迄ずっと確実に案内される。そこでは、内部ファイバマントル内に案内されたビームが、第２の外側ファイバマントル内に入り、散乱中心部では、角度が変えられ、そのようにして、ファイバから所期のように出力結合される。ファイバコアのビーム案内特性は、キャピラリなしの長手方向部分に沿ってあまり影響されない。

ファイバコアは、ドーピングされた水晶ガラス又はドーピングされていない水晶ガラスから形成することができ、又は、ガス充填された、殊に、空気が充填された、中空ファイバの中空空間によって形成することができる。

有利な実施例では、内部ファイバマントルは、ドーピングされた水晶ガラスから形成されており、当該水晶ガラスのドーピングは、内部ファイバマントルがファイバコアよりも小さな屈折率を有しているように選定されている。内部ファイバマントルの屈折率を低減するために適切なドーピングは、水晶ガラスの場合、例えば、フッ素イオンから形成されている。

別の有利な実施例では、内部ファイバマントルは、長手方向に配向されたガス充填された、有利には、空気が充填されたキャピラリを用いて、ファイバコアよりも小さな屈折率を有している。第１の外側ファイバマントル内に設けられたキャピラリは、内部ファイバマントルのキャピラリよりも大きな直径を有しており、相互に狭く隣接して設けられており、その結果、第１の外側ファイバマントルの屈折率の場合に、空気と同様の値が得られる。このようにして、内部ファイバマントル内に入力結合されるレーザビームは、内部ファイバマントル内で、全反射され、所期のように所定の個所で出力結合することができる。

有利には、第１及び第２の外側ファイバマントルは、水晶ガラス製である。

有利には、第２の外側ファイバマントルは、当該マントルの全長上に散乱中心部を有している。択一的に、散乱中心部は、光導波路の限定された長手方向部分に亘ってのみ、即ち、所期のように外側ファイバマントル内への出力結合個所として取り付けられている。散乱中心は、空気が充填された泡又はマイクロクリスタルにするとよく、相応の構造化されたプリフォーム（泡又はマイクロクリスタルを有する水晶ガラス）又は、超短長レーザパルスを用いてファイバの照射により第２の外側ファイバマントル内に取り付けることができる。第２の外側ファイバマントルの全長に亘ってガスの泡を形成するために、光導波ファイバのプリフォームは、不透明水晶、即ち、水晶の中に空気泡を含む水晶からなる最外側層を有する。第２の外側ファイバマントル内にマイクロクリスタルを形成するために、ファイバのプリフォーム用の合成水晶ガラスの製造時に、処理は、マイクロクリスタル（クリスタライト）が形成されるように制御することができる。光導波路ファイバの引き出し時に、このマイクロクリスタルは、散乱中心部として得られる。択一的に、ナノ粒子がプリフォームの領域内に導入され、ナノ粒子は、引き出し処理後、第２の外側ファイバマントルを形成する。有利には、散乱中心部は、第２の外側ファイバマントルの表面から離れた、内側容積内にのみ設けられており、その結果、第１の外側マントルに接した境界面及び第２の外側マントルの表面は、何ら妨害部を有していない。つまり、光導波路の機械的な負荷耐性は、できる限り僅かしか損なわれない。既に引き出したファイバの所定の長さ部分内に所期のように散乱中心部を形成するために、ファイバに超短長パルスレーザが照射される。レーザビームの波長は、ファイバ材料が、ビームの所定の電力密度に至る迄、レーザビームに対してほぼ透明であるように選定されている。この電力密度がレーザビームの焦点内に達すると、水晶材料のマイクロ損傷によって散乱中心部が形成する。レーザビームは、レーザビームの焦点が第２の外側ファイバマントル内に位置している光導波路ファイバ上に向けられる。

光導波路ファイバが、充分な電力適性を有していない保護被覆によって囲まれている場合、光導波路ファイバは、キャピラリなしの長手方向部分に沿って取り除くことができる。それから、第２の外側ファイバマントルは、有利には、キャピラリなしの長手方向部分に沿って吸収器によって囲まれている。更に、キャピラリなしの長手方向部分に、電力測定用のセンサを設けて、内部のファイバマントル内に案内されたビーム出力を測定することができる。これは、殊に、レーザビームと光導波路を相互に調整する場合に有利である。

本発明は、上述のように構成された高電力光導波路の製造方法にも関しており、ファイバコア、ファイバコアを囲む内部ファイバマントル、該内部ファイバマントルを囲む、長手方向に配向されたガス充填されたキャピラリを用いて、内部ファイバマントルよりも小さな屈折率を有している第１の外側ファイバマントル、該第１の外側ファイバマントルを囲む、長手方向部分上又は全長上に散乱中心部を有する第２の外側ファイバマントルを有しているファイバを長手方向部分上で加熱し、該加熱により、長手方向部分内に形成されている、第１の外側ファイバマントルのキャピラリを除去するのである。つまり、所望の長さ部分で、第１の外側ファイバマントルのキャピラリ構造は、加熱によって潰れ、残りのファイバ層の構造は、大して損なわれない。光導波路の加熱は、例えば、ガス炎内で行われ、抵抗加熱部材の熱ビームによって、又は、レーザを用いて行われる。第１の外側ファイバマントルのキャピラリ構造が潰れると、この個所で、内部ファイバマントル内に案内されたビームが全反射されなくなり、ビームは、第２の外側ファイバマントル内に過剰に結合される。そこでは、ビームは、散乱中心部で光導波路から散乱される。第１の外側ファイバマントルのキャピラリ構造の潰れは、有利には、光導波路の全周囲に亘って行われる。

本発明は、高出力レーザビームの伝送用の、上述のような光ファイバの使用にも関している。その際、内部ファイバマントル内に達したレーザビームは、確実に、内部ファイバマントル内に、キャピラリなしの長手方向部分の領域に至る迄案内される。そこで、レーザビームは、内部ファイバマントルから第２の外側ファイバマントル内に入り、散乱中心部で、光導波路から散乱され、光導波路を囲む吸収器内で吸収される。

本発明の光ファイバは、レーザビームをレーザから加工個所に伝送するための光導波路として利用されるのみならず、レーザ共振器又はレーザ増幅器内部で直接利用されもする。そこでは、光ファイバは、ファイバのキャピラリなしの長手方向部分に所期のように出力結合される比較的高いレーザモード用の損失要素として作用する。

本発明の対象となるさらなる特徴、実施形態および利点は明細書、図面および特許請求の範囲から得られる。上述した特徴および後述する特徴を単独であるいは任意に組み合わせて適用することも可能である。以下において説明する図面に示された実施形態は網羅的に列記したものではなく、むしろ本発明を説明するために例示的に示されたものに過ぎない。

図面：
図１は、本発明の光ファイバの、キャピラリなしの長手方向領域を長手方向断面で示した図であり、
図２は、図１に示した光ファイバの横断面図であり、
図３及び４は、図１に示した本発明の光ファイバの別の２つの横断面の実施例を示す。

図１及び図２に示された光ファイバ１は、高電力（＞５００Ｗ）のレーザビームの伝送用に使われる。ファイバ１は、非ドーピング又はドーピングされた水晶ガラス製のファイバコア２を有しており、ファイバコア２を囲む内部ファイバマントル３を有しており、この内部ファイバマントル３は、ドーピングされた、殊に、フルオドーピングされた、ファイバコア２よりも小さな屈折率を有する水晶ガラス製であり、内部ファイバマントル３を囲む、水晶ガラス製の第１の外側ファイバマントル４を有しており、該第１の外側ファイバマントル４は、長手方向に配向された、エア充填キャピラリ５を用いて、内側のファイバマントル３よりも小さな屈折率を有し、第１の外側ファイバマントル５を囲む、水晶ガラス製の第２の外側ファイバマントル６を有しており、該第２の外側ファイバマントル６は、当該第２の外側ファイバマントル６の全長に散乱中心部７を有している。第１の外側ファイバマントル４は、比較的薄い、キャピラリなしの長手方向部分８を有しており、この長手方向部分８上では、第２の外側のファイバマントル６が吸収器９によって囲まれている。

ファイバコア２は、レーザビームを最大アクセプタンス角度迄、全反射を用いて案内する。内部ファイバマントル３は、光伝搬のために使われず、全反射に必要な、小さな屈折率を提供し、この屈折率は、ドーピングを介して相応に調整される。それらも拘わらず、例えば、レーザビームをファイバコア２内に入力結合する際に、内部ファイバマントル３内に達するレーザビームは、ファイバマントル内で全反射を用いて案内される。と言うのは、第１の外側ファイバマントル４は、その長手方向に配向された、エア充填キャピラリ５に基づいて、内部ファイバマントル３よりも小さな屈折率を有している。キャピラリ５は、ファイバコア２に対して平行に延びている。キャピラリなしの長手方向部分８上では、内部ファイバマントル３内を案内されるレーザビームが全反射されない。従って、レーザビームは、キャピラリなしの長手方向部分８に沿って、第２の外側ファイバマントル６内に出て行き、そこの散乱中心部７で、角度が変わり、光導波路１から吸収部９に出力結合される。ファイバコア２のビーム案内特性は、キャピラリなしの長手方向部分８に沿ってあまり影響されない。

図３に示したファイバ１’は、以下の点でのみ、光ファイバ１から異なる。つまり、図３に示したファイバ１’では、内部ファイバマントル３’が、長手方向に配向された、エア充填キャピラリ１０の形状で、従って、ファイバコア２よりも小さな屈折率を有しているマイクロ構造部を有している。キャピラリ１０は、内部ファイバマントル３’に対して平行に延びている。この各キャピラリは、典型的には、１μｍの範囲内の直径を有しており、直径をほぼ１オーダだけ超過する相互の間隔を有しており、その結果、ファイバコアには、０．０５〜０．２の開口数が得られる。つまり、光ファイバ内で、０．２ｍｍ ｍｒａｄ 〜 ２０ｍｍ ｍｒａｄ（ミリラド）のビーム質（ビームクオリティ）のレーザビームを伝送することができる。ファイバ１’の安定性を高めるために、内部ファイバマントル１’と第１の光軸外ファイバマントル５との間に、別の、構造化されていない水晶層（図示していない）を設けるとよい。

光ファイバ１’から、図４に図示したファイバ１"が異なるのは、ファイバコア２"が、エア充填中空ファイバの中空空間によって形成されている点にある。

本発明の光ファイバの、キャピラリなしの長手方向領域を長手方向断面で示した図 図１に示した光ファイバの横断面図 図１に示した本発明の光ファイバの別の横断面の実施例を示す図 図１に示した本発明の光ファイバの別の２つの横断面の実施例を示す図

Claims (12)

1. 高出力レーザビームの伝送用光ファイバ（１；１’；１"）であって、
   該伝送光ファイバは、
   ファイバコア（２；２"）と、
   該ファイバコア（２；２"）内でレーザビームを案内するための、前記ファイバコア（２；２"）を囲む内部ファイバマントル（３；３’）と、
   該内部ファイバマントル（３；３’）を囲む第１の外側ファイバマントル（４）と、
   該第１の外側ファイバマントル（４）を囲む第２の外側ファイバマントル（６）とを有しており、
   ただし前記第１の外側ファイバマントル（４）は、長手方向に配向されかつガスが充填されたキャピラリ（５）により、前記内部ファイバマントル（３；３’）よりも屈折率が低く、前記第１の外側ファイバマントル（４）は、キャピラリのない長手方向部分（８）を有している、高出力レーザビームの伝送用光ファイバ（１；１’；１"）において、
   前記の第２の外側ファイバマントル（６）は、少なくとも前記のキャピラリのない長手方向部分（８）の領域内に、前記のキャピラリのない長手方向部分（８）に沿って内部ファイバマントル（３；３’）から放射されるレーザビームを散乱するための散乱中心部（７）を有しており、
   前記の第２の外側ファイバマントル（６）内の散乱中心部（７）は、当該第２の外側ファイバマントル（６）の、境界面とは離れた内側の容積部内にのみ設けられていることを特徴とする
   光ファイバ。
2. 前記のファイバコア（２）は、水晶ガラスから形成されている、
   請求項１記載の光ファイバ。
3. 前記のファイバコア（２"）は、中空ファイバの内部中空空間を通るように形成されている、
   請求項１記載の光ファイバ。
4. 前記の内部ファイバマントル（３）は、ドーピングされた水晶ガラスから形成されており、
   該水晶ガラスの前記ドーピング材料を選定して、前記の内部ファイバマントル（３）がファイバコア（２；２"）よりも小さな屈折率を有するようにした、
   請求項１又は２のいずれか１記載の光ファイバ。
5. 前記の内部ファイバマントル（３’）は、長手方向に配向されかつガスが充填されたキャピラリ（１０）によってレーザ（２"）を案内するように形成されている、
   請求項１から４迄の何れか１記載の光ファイバ。
6. 前記の第１の外側ファイバマントル（４）は、水晶ガラスから形成されている、
   請求項１から５迄の何れか１記載の光ファイバ。
7. 前記の第２の外側ファイバマントル（６）は、水晶ガラスから形成されている、
   請求項１から６迄の何れか１記載の光ファイバ。
8. 前記の第２の外側ファイバマントル（６）は、当該第２の外側ファイバマントル（６）の全長に散乱中心部（７）を有している、
   請求項１から７迄の何れか１記載の光ファイバ。
9. 前記の第２の外側ファイバマントル（６）は、前記のキャピラリのない長手方向部分（８）に沿って吸収器（９）によって囲まれている、
   請求項１から８迄の何れか１記載の光ファイバ。
10. 請求項１から９迄の何れか１記載の光ファイバ（１；１’；１"）の製造方法において、
    ファイバは、
    ファイバコア（２；２"）と、
    該ファイバコア（２；２"）を囲む内部ファイバマントル（３；３’）と、
    該内部ファイバマントル（３；３’）を囲む第１の外側ファイバマントル（４）と、
    該第１の外側ファイバマントル（４）を囲む第２の外側ファイバマントル（６）とを有しており、
    ただし、
    前記の第１の外側ファイバマントル（４）は、長手方向に配向されかつガスが充填されたキャピラリ（５）により、前記内部ファイバマントル（３；３’）よりも屈折率が小さく、
    前記の第２の外側ファイバマントル（６）は、長手方向部分（８）に又は当該の第２の外側ファイバマントル（６）全長に散乱中心部（７）を有しており、
    前記のファイバの前記長手方向部分（８）を加熱し、
    該加熱により、前記長手方向部分（８）内に形成されている前記の第１の外側ファイバマントル（４）のキャピラリ（５）を除去することを特徴とする、
    光ファイバ（１；１’；１"）の製造方法。
11. 光ファイバ（１；１’；１"）を使用する方法において、
    前記の内部ファイバマントル（３；３’）内で案内されるレーザビームは、
    前記のキャピラリのない長手方向部分（８）の領域内で、前記内部ファイバマントル（３；３’）から第２の外側ファイバマントル（６）内に入り、
    当該の第２の外側ファイバマントルの前記の散乱中心部（７）で散乱されて前記の光ファイバ（１；１’；１"）から放出され、
    該光ファイバ（１；１’；１"）を囲むように設けられた吸収器（９）内に吸収される、
    高出力レーザビームを伝送するために請求項１から８迄の何れか１記載の光ファイバ（１；１’；１"）を使用する方法。
12. 光ファイバ（１；１’；１"）を使用する方法において、
    レーザ共振器又はレーザ増幅器における高次レーザモードを出力結合するための損失要素として請求項１から８迄の何れか１記載の光ファイバ（１；１’；１"）を使用することを特徴とする、
    光ファイバの使用方法。

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