JP5054189B2 - 光ファイバからの出力を伝達するシステム - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバからの出力を伝達するシステムに関するものである。本発明は特に、高出力ファイバレーザからの出力を伝達するシステムに関するものであるが、これに限定されない。

クラッド層ポンプ・ファイバレーザは、より一般的になりつつある。これらの種類のレーザでは、光ファイバのコアに希土類元素をドーピングして能動的な利得媒質にし、クラッド層を介してポンプ放射を与える。このポンプ放射は通常、半導体レーザダイオードによって生成され、これらの半導体レーザダイオードの入力を、希土類をドーピングしたファイバのクラッド内に結合させる手段が設けられている。光ファイバのコア内に形成されたブラッググレーティング（ブラッグ格子）をミラーとして用いてレーザ共振器を形成する。発生したレーザビームは、光ファイバを通して伝送され、出力端でワークピース（加工片）に伝達される。

一般に、大部分のファイバレーザは、回折限界に近い光源として動作するように設計され、その結果、基本モードの視野径は５０μm未満であり、より一般に、１μmファイバレーザについては１０μm未満である。ファイバレーザは、このモードの視野径内に含まれる何百W、さらには何kWものパワーを生成することができる。この大きさのパワーによって生成され、かつ、こうした小さい領域内に含まれる強度は、ファイバ／空気の境界面でファイバ表面を損傷させ得るレベルである。

さらに、経路を外れた放射を生成することがあり、この放射は多くの形をとり得る。例えば、ファイバレーザからの出力で材料を処理する際に、ファイバの端部に入射する、ある割合の後方（戻り）反射光が存在する。可能性として、この光は、ファイバ内を戻って進むことができるならば、ビーム伝達アセンブリの一部を損傷し得る。これに加えて、後方反射光の一部は、伝達ファイバのクラッド層に入射し得る（光ファイバは、コア及び１つ以上のクラッド層を有する）。後方反射光は、クラッド層内をこの逆方向に伝搬することができるならば、ファイバレーザ自体に入ることができ、これにより大きな損傷が生じ得る。

低減することが有利である、他の種類の不所望な放射が存在する。本発明は、ファイバアセンブリに対する損傷を低減して性能を改善する、改良された終端またはファイバ伝達出力部を提供する試みにおいて生じたものである。

本発明によれば、第１の態様では、光ファイバ用の終端が提供され、この終端は、ファイバの出力端に光学的に接続されたエンドキャップと、ボア（筒径）を有するキャピラリと、このキャピラリの上流に配置されたクラッディングモード（クラッドモード）除去器とを含み、このエンドキャップは、その近端に向けてテーパーが付けられて、ファイバが出力する信号ビームを拡大し、上記キャピラリは、上記エンドキャップ及び伝達ファイバの端部が上記ボア内に装着されるように設けられ、当該キャピラリ内の不所望な放射をファイバから離れる向きに反射するように角度を付けた端を、上記出力端の上流に有する。

このキャピラリは、約４５°〜５５°、好適には４９°の角度を付けられていることが好ましく、この角度で内部反射が発生して、放射がキャピラリに捕捉されて、ファイバアセンブリから離れた所に安全に伝送される。

本発明は、さらに、上述した終端を設けた出力端を有する光ファイバ装置を提供する。

この光ファイバ装置またはシステムは、ファイバレーザであることが好ましいが、他のあらゆる種類の光ファイバにとっても有益である。例えば、本発明は、あらゆる構成の独立したレーザ装置から信号またはビームを伝達する光ファイバとすることができ、あるいは、レーザ信号であれ他の信号であれ、あらゆる種類の信号またはビームを伝送する光ファイバとすることができる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明し、これらの実施例は一例に過ぎない。

光ファイバのビーム出力端を示す図である。 図１の端を上から見た図である。 クラッディングモード除去器の概略図である。 ビーム拡大の効果を示す図である。 角度を付けたキャピラリの、中心を外れた後方反射光に対する影響を示す図である。 中心に近い後方反射に対する影響を示す図である。 本発明により形成した出力端の複合効果を示す図である。 ファイバに装着したエンドキャップ及びキャピラリを示す図である。 ファイバに装着した、代案の、テーパーなしのエンドキャップ及びキャピラリを示す図である。 取り付けたキャピラリを示す図である。 代案の、取り付けたキャピラリを示す図である。

図１を参照すれば、光ファイバ１の出力端が示され、この出力端は、信号ビームを拡大する手段と、ファイバの入力端に戻るか、またはファイバのレーザ発生部内に戻り得る放射の量を低減する手段とを設けられている。

以下に説明する例では、ファイバ（信号ファイバ）は、１０μmのコアＡ、１２５μmのガラスクラッド１２、及び外側クラッドを形成する直径２５０μmのポリマーコーティング（重合体被覆）１１から成る。他の実施例では、もちろん、これらの寸法を変化させることができる。

光学素子（本明細書ではエンドキャップとも称する）２、角度を付けたキャピラリ管（キャピラリチューブ）３、及びクラッディングモード除去器４が、それぞれファイバの出力端１に装着されているか、出力端１の付近にある。

エンドキャップは一般に、ガラス製であり、そして図４〜７、及び図８にも２ａとして概略的に示すようにテーパー付きにすることができ、あるいはまた、図９に示すように、テーパーなしにすることもでき、この場合は、円柱形のガラス要素２ｂとすることができる。エンドキャップ（光学素子）の最大径は、キャピラリのボアの内径と同じか少し小さくすることが好ましく、これにより、エンドキャップは、このボア内にはまることができる。

一部の実施例では、ガラス製エンドキャップが、約４００μmの直径を有する遠端から１２５μmの（即ち、ファイバ１の内側ガラスクラッド層の直径に等しい）直径を有する近端までテーパーが付いている。エンドキャップのテーパー付きの近端２ａは、ファイバの端１ａに融着されて、ガラス製エンドキャップのテーパー付きの性質は、信号ビームがファイバを出る際に、信号ビームの拡大を可能にする。このことは、ガラス−空気の境界面の強度を、ビーム品質の最小の損失で、安全なレベルまで低下させる働きをする。テーパー付きのエンドキャップは、伝達ファイバのエンドキャップへの効率的な接合も可能にする。伝達ファイバへのより良好な接合は、境界面間での破断の機会を最小化する。

キャピラリは、ガラス材料製、一般に石英ガラス製とすることができ（エンドキャップも石英ガラス製とすることができ）、一実施例では、４１０μmのボアを有する内径１．８mmのキャピラリである。エンドキャップは、約１mmの距離にわたって（直径）４００μmから直径１２５μmまで変化するテーパー付きである。あるいはまた、エンドキャップは上述したように円柱形にすることができ、ここでも、約４００μmの直径である。ファイバレーザ自体からの信号は、１０μmのコア内に含まれる。従って、信号がコアを出ると、この信号はテーパー付きのエンドキャップ内で拡大されることができる。

キャピラリボアの直径はファイバのクラッドの直径より大きいので、信号ファイバは、キャピラリの壁面から離れて保持される。エンドキャップの拡大された部分が、間隔を空けるのに役立ち得る。この間隔は、信号ファイバを歪ませることなしに、高熱下でキャピラリとエンドキャップとを互いに融着することを可能にする。キャピラリとエンドキャップ材料との接合処理は、透明な光境界面を形成する処理である。エンドキャップとキャピラリを融着したアセンブリを洗浄し研磨して、高品質の光出力面を形成する。図１に示すように、伝達ファイバの端とエンドキャップとの間の距離は、一般的な実施例では約２．７５mmとすることができる。この距離は、信号ビームが拡大されてエンドキャップの直径の約半分を満たすことができるように選定する。このことは、信号が、エンドキャップ／キャピラリ出口開口の直径のような制限開口からの大きな回折が生じない、光学的に完全な空気中への経路を見ることを保証する。拡大されたビームを、図５にビーム１０として示す。

クラッディングモード除去器４は、信号ファイバのクラッド内で搬送されたパワーを除去して安全に放出するように設計されている。このことを概略的に図３に示す。信号ファイバの端部より上流にある部分では、外側ポリマークラッド層１１が除去されてクラッド１２が露出している。このファイバは、外側ポリマークラッド層を除去した部分を含めて、高屈折率材料１３に内に入り込んでいる。これにより、クラッド層１２内を導光される迷放射の大部分が、高屈折率材料１３内に取り除かれることになる。迷放射はヒートシンク体１４を通過し、ヒートシンク体１４は、例えば、銅またはアルミニウムとすることができ、迷放射はこのヒートシンク体１４で安全に除去される。

この高屈折率材料は、ノーランド（Norland）社のＵＶ（紫外）硬化型光接着剤または同様のものとすることができ、これらの光接着剤は、１０６４nmの波長で１．５５の屈折率を有し、約−１５０°Ｃ〜約＋１２５°Ｃの温度に耐えることができる。あるいはまた、この高屈折率材料は、−５０°Ｃ以下〜２００°Ｃ以上の動作範囲を有するシリコンエラストマーまたはシリコンゲルとすることができる。

図３に示すように、クラッディングモード除去器は、後方反射した放射Ｌ₃をクラッド層から除去する働きもする。従って、後方反射してクラッド層に入るあらゆる放射を、この装置によってほとんど除去することができる。

なお、標準的な二重クラッドファイバ上のコーティングの反射率は約１．３７である。

信号ファイバは一般に、１０μmのコア、１２５μmの内側ガラスクラッド、及び直径２５０μmのポリマーコーティングで構成することができる。低屈折率の外側クラッドを除去してむき出したファイバを高屈折率コーティング内に入れ込むことは、クラッドを導光されたあらゆる光が除去されて高屈折率コーティング内に入ることを意味する。従って、むき出して再コーティングしたファイバを入れ込む銅ヒートシンクは、あらゆる過剰な熱を除去する。こうしたクラッディングモード除去器は、不所望な光をクラッドから、９９％以上の効率で除去することができることが判明している。すなわち、図３に示すように、クラッディングモード除去器に入力されるクラッド層の光Ｌ₁のほとんど全てが除去され、出力Ｌ₂は、無視できる量の放射しかクラッド層内に含まない。

ファイバクラッド層が１２５μmの直径を有する場合は、クラッディングモード除去器は、効率的に除去するために、少なくとも４ｃｍの長さ（すなわち、ファイバの除去長さ）を有するのが好ましい。ファイバクラッドが４００μmの直径を有する場合は、効率的除去のために好適なクラッディングモード除去器の最小長は８cmである。

図４〜６に、本発明の各特長の有利な効果を示し、図７に組み合わせた効果を示す。全ての図中の信号はもちろん、左向きに進み、後方反射のようなあらゆる不所望な放射は一般に、右向きに進む。

まず、図４に、順方向信号のビーム拡大を示す。

前進するビームは何百ワットものパワーを有することができ、ビーム拡大エンドキャップ２なしで（コアの直径である）１０μmビームの形で放出され、この放出は、１００Wの出力パワー当たり１３０MW／cm²の強度に等しい。この放出は非常に高い光強度であり、特に非クリーンルーム環境で使用する際は、ファイバの表面に損傷を生じさせやすい。従って、エンドキャップの主要な機能は、ガラス−空気の境界面５における強度を許容範可能にするスポット径までビームを拡大できるようにすることにある。１０μmのコアサイズ（コア径）を有する一般的なシングルモードファイバについては、ビームは、（１μｍの）ガラス中では１mm当たり９０μmの速度で拡大し、これは、１０μmの場合に約１／（８１×Ｌ²）の強度の低減に等しく、ここにＬはmm単位である。２．７５mmのエンドキャップは、強度を、１００Wのパワー当たり０．２１MW／cm²に低減する。切り出したシングルモードファイバによる伝達に比べてほぼ３桁減らすこの低減は、強度を、ガラス／空気の境界面において損傷を生じさせるのに必要な強度より十分小さく低下させる。

エンドキャップの面積を、この場合は直径約１．８mmに拡大する他の利点は、エンドキャップ２をＡＲ（反射防止）コーティングすることを可能にすることにあり、これにより、さらに、４％のフレネルロス（フレネル損失）を０付近まで低減することができる。光がガラスから空気中に進行する所では、小さい割合の光が常に境界面でガラス中に後方反射する。このことはフレネルロスとして知られ、光の約４％である。反射防止コーティングをエンドキャップに加えることは、このフレネルロスをさらに、０付近まで低減する。

図５に、キャピラリの利点を示す。光ファイバを通したファイバレーザからの出力による材料処理時には、後方反射光のうちエンドキャップに入射する光が、ある割合で存在する。材料および処理条件次第では、この後方反射光は、ファイバ伝達システムから前進する光の大きな割合で存在し得る。後方反射光は、エンドキャップ上で広範囲の入射角を有する。この光は、ビーム伝達アセンブリのどこかの部分を損傷する可能性がある。こうした経路を外れた放射に対処するために、キャピラリの後端（即ち、上流の端）３ａに角度を付け、好適には約４４〜５５°の角度にし、最も好適には約４９°の角度にして、図に示すように、この経路を外れた放射Ｌ_bを安全に、アセンブリ外に反射させる。このようにして、キャピラリ内に入ろうとする後方反射光または他の経路を外れた放射を安全に、アセンブリ外に反射させることができる。この反射光は、例えばヒートシンク体（図示せず）に向けて反射される。

図６に、中心に近い後方反射を、クラッディングモード除去器４によって除去する方法を示す。

後方反射光の一部は、キャピラリの軸に近い低角度でエンドキャップに入射して、二重クラッド伝達ファイバのクラッド内を導光される。この光を光Ｌ_cとして概略的に示す。この光を取り除いてファイバレーザ自体に入れないために、この光をクラッディングモード除去器４内に取り除く。このことを点２０に示し、ここで伝達ファイバのクラッド層内に捕捉された後方反射光がクラッド領域を出て、高屈折率の埋め込み（ポッティング）用樹脂を通ってヒートシンク体１４内に入る。

このキャピラリ管は、取り付け具の孔内に取り付けることができ、この取り付け具はあらゆる適切な形態をとることができる。図１０及び１１に２つの実施例を示すが、もちろん、他の取り付け方法を用いることができる。図１０は、キャピラリ管３を、分割型金属クランプ３０内に保持する具体例を示す。このクランプは孔を有し、この孔の周囲を部分的に、軸方向に除去して、管との接触を減らしている。

図１０の実施例では、取り付け具３０が６つの突起を含み、そのうちの３つ３１、３２、３３は概ね、取り付け具の一端に設けられ、この端でキャピラリを強固に保持する。同様の３つの突起は取り付け具の後方を向き、図にはそのうちの１つ３４を示し、これらの突起は取り付け具３０の後部でキャピラリを保持する。従って、実際には、点接触のみ（あるいは、少なくとも可能な限り小さい接触）がキャピラリを保持して、キャピラリとの接触を低減する。従って、この例の管は、３点で一端に向けて保持され、さらに３点で後ろ向きに保持される。もちろん、他の数の点接触を、軸方向及び周方向共に接触を減らす目的で用いて、管を位置決めすべく管との強固な接触を保ったままで、管との接触を最小限に減らすことができる。分割クランプは、ピン、ボルトまたは他の手段３５を用いて一緒に保持され、この手段３５は、好適にはアクセス凹部３６を通して緊締されて、キャピラリを強固にクランプする。

図１１に代案実施例を示し、この例では、キャピラリを、取り付け具の孔内の定位置に接着する。キャピラリ３は、接着ポート３７、３８を介して接着剤を塗布することによって、取り付け具内に接着する（任意数の接着ポートが存在し得る）。使用する接着剤は、ガラスキャピラリより低い屈折率のものとして、キャピラリ内に含まれる光は導光されたままにすることができる。

図７に示すように、テーパー付きのエンドキャップ、角度を付けたキャピラリ、及びクラッディングモード除去器を含むエンドキャップ／終端装置の複合効果は、継続して放出されるレーザビームの出力強度を低減することにあり、そして、反射した放射または他の経路を外れた放射によって生じる影響及び損傷を低減することにある。高角度の端面反射は、角度を付けたキャピラリ３によって安全に方向転換され、低角度の放射は、クラッド層内でクラッディングモード除去器に向けて後方反射され、また、ＡＲコーティングを設けることによって、端面の後方反射が低減され、従って、光量の低減された反射光がコア自体によって捕捉される。こうして、全体の設計により、コアまたはクラッドを経由してレーザ内に戻る光の量を大幅に低減することができる。次の有利な効果が注目される：
Ａ．高角度の光線は、角度を付けたキャピラリを経由してアセンブリ外に導かれる。
Ｂ．中角度の光線は、伝達ファイバのクラッドによって捕捉されて、クラッディングモード除去器内に除去される。
Ｃ．エンドキャップとファイバの端との間の距離により、ごくわずかな割合の光しか、逆反射して伝達ファイバのコア内に戻ることができない。
Ｄ．エンドキャップ及び／またはキャピラリの端面（出力面）上に反射防止コーティングを設けるか、その代わりに、あるいはこれに加えて、出力面５に角度を付けることによって、フィードバックがさらに低減される。従って、出力面は、ファイバの長軸に対して９０°以外の角度をなすことができる。

Claims (25)

1. 光ファイバの出力端に光学的に接続された光学素子と、ボアを有するキャピラリと、前記出力端の上流に配置されたクラッディングモード除去器とを具え、前記キャピラリは、前記光学素子及び前記光ファイバの端部が前記ボア内に装着されるように設けられ、当該キャピラリ内の不所望な放射を前記ファイバから離れる向きに反射するように角度を付けた端を有することを特徴とする光ファイバ用の終端。
2. 請求項１に記載の終端において、前記光学素子が、前記光ファイバのコアの端及び前記光ファイバのクラッドに共に光学的に接続されていることを特徴とする終端。
3. 請求項１または２に記載の終端において、前記光学素子は、その近端に向けてテーパーが付けられて、前記光ファイバが出力するビームを拡大することを特徴とする終端。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の終端において、前記キャピラリは、前記光学素子及び前記光ファイバが前記ボア内に長軸方向に配置されるように設けられ、前記ファイバの長軸に対して０°以外または９０°以外の角度をなす端を、前記光ファイバが前記ボアに入る点に有することを特徴とする終端。
5. 請求項４に記載の終端において、前記角度が約４５°〜５５°であることを特徴とする終端。
6. 請求項４に記載の終端において、前記角度が４９°であることを特徴とする終端。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の終端において、前記クラッディングモード除去器が、前記光ファイバの少なくとも１つの外側クラッド層を除去した部分と、前記外側クラッド層を除去した部分に接触しているより高い屈折率の材料と、前記より高い屈折率の材料に接触しているヒートシンクとで構成されることを特徴とする終端。
8. 請求項７に記載の終端において、前記光ファイバの前記外側クラッド層が１２５μmの直径を有し、前記クラッディングモード除去器が少なくとも４cmの長さを有することを特徴とする終端。
9. 請求項７に記載の終端において、前記光ファイバの前記外側クラッド層が４００μmの直径を有し、前記クラッディングモード除去器が少なくとも８cmの長さを有することを特徴とする終端。
10. 請求項４に記載の終端において、前記光学素子の遠端及び前記キャピラリが、光放射を伝える出力面を形成する単一平面内にあり、この単一平面が反射防止コーティングでコーティングされていることを特徴とする終端。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の終端において、前記光学素子が前記キャピラリに融着されて、透明な光境界面を形成することを特徴とする終端。
12. 請求項１１に記載の終端において、前記光学素子を前記キャピラリに融着したアセンブリを洗浄し研磨して、高品質の光出力面を形成したことを特徴とする終端。
13. 請求項１１に記載の終端において、前記光学素子は、約１mmの長さにわたるテーパー付きであることを特徴とする終端。
14. 請求項１３に記載の終端において、前記光学素子は、直径約４００μmから直径約１２５μmまで変化するテーパー付きであることを特徴とする終端。
15. 請求項１４に記載の終端において、前記光ファイバは、直径１０μmのコア及び直径１２５μmのクラッドを有することを特徴とする終端。
16. 請求項１３または１４に記載の終端において、１．８mmの外径を有する前記キャピラリと、直径４１０μmの前記ボアとを具えていることを特徴とする終端。
17. 請求項１〜１６のいずれかに記載の終端において、前記光ファイバが、前記キャピラリの前記ボアの直径未満の外径を有して、前記光ファイバを歪ませることなしに、前記キャピラリと前記光学素子とを互いに融着することができることを特徴とする終端。
18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の終端において、前記光ファイバの前記出力端と前記光学素子との間の距離が、前記光ファイバが出力するビームが拡大されて前記光学素子の直径の約半分を満たすのに十分な距離であることを特徴とする終端。
19. 請求項１〜１８のいずれかに記載の終端において、前記光学素子の遠端及び前記キャピラリが形成する出力面が、前記光ファイバの長軸に対して９０°以外の角度をなすことを特徴とする終端。
20. 請求項１〜１９のいずれかに記載の終端において、前記キャピラリが、取り付け具の孔内に取り付けられていることを特徴とする終端。
21. 請求項２０に記載の終端において、前記取り付け具は、離散した複数の、前記キャピラリとの接触点を有することを特徴とする終端。
22. 請求項２０または２１に記載の終端において、前記取り付け具は孔を有する分割型クランプであり、前記孔の周囲を部分的に、軸方向に除去して、前記キャピラリとの接触面積を減らしたことを特徴とする終端。
23. 請求項２０に記載の終端において、前記キャピラリが、当該キャピラリの屈折率より低い屈折率の接着剤によって保持されていることを特徴とする終端。
24. 請求項１〜２３のいずれかに記載の終端を設けた出力端を有する光ファイバ装置。
25. 請求項１〜２４のいずれかに記載の終端を具えた、光ファイバからの出力を伝達するシステム。

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