JP5235525B2 - レーザ光伝送装置およびそれを備えたファイバレーザ発振器 - Google Patents

Description

この発明は、光ファイバの光ガイド効果によりレーザ光を伝送するレーザ光伝送装置およびそれを備えたファイバレーザ発振器に関するものである。

従来のレーザ光伝送装置は、望ましくないクラッド層伝播光成分を除去するために、光ファイバの被覆の一部を除去してクラッド層を露出させ、クラッド層の屈折率よりも高屈折率のゲルにクラッド露出部分を接触させることにより、クラッド伝播光を外部へ散逸させるように構成されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、他の従来装置は、光ファイバ端部の被覆を除去して露出したクラッド層に、クラッド層と同等以上の屈折率を有するモードストリッパを接触させることにより、クラッド伝播光を外部へ散逸させ、クーラントを循環させて排熱するように構成されている（たとえば、特許文献２参照）。
特許文献２の構成では、クラッドに接するモードストリッパは、外部のクーラントへ光を伝導させているので、光ファイバ自体が発熱することがなく、過熱ダメージの対策が講じられている。

特開平３−２６９５０５号公報（第１図） 特表２０００−５１４９３０号公報

従来のレーザ光伝送装置は、特許文献１の構成例では、クラッド層が露出した光ファイバがゲル中に曲げて収納されており、曲げについては特に具体的な記載はないものの、一般に被覆が除去された光ファイバは非常に脆いので、信頼性の確保が困難になるという課題があった。
また、高パワーレーザ光を伝送する際には、クラッド層に接するゲルが発熱するので、光ファイバ自身が発熱して、過熱によるダメージを受ける可能性があるという課題があった。

一方、特許文献２の構成例では、過熱ダメージの対策が講じられているものの、完全にクラッド伝播モードを除去するためには、クラッド層に沿って、長い距離に渡ってモードストリッパを設置する必要があるので、モードストリッパ部が大形化するうえコストアップを招くという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、１ｋＷ以上の高パワー伝送が可能でコンパクトなクラッド伝播成分除去機能を有するレーザ光伝送装置およびそれを備えたファイバレーザ発振器を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザ光伝送装置は、レーザ光の伝送方向に延長された光透過性のコアと、コアの外側に設けられた光透過性のクラッドと、クラッドの外側に設けられた被覆とからなる光ファイバを備えたレーザ光伝送装置において、光ファイバは、被覆の一部が所定長さにわたって除去されたクラッド露出部分と、クラッドと同等以上の屈折率を有し、クラッド露出部分の外側に設けられた光透過性部材とを備え、クラッド露出部分は、強度的に耐え得る範囲内の曲率半径で曲げられて光透過性部材に接触しており、クラッドの直径は、１２５μｍ以上４００μｍ以下であり、クラッド露出部分の曲率半径は、１００ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲内に設定され、クラッド露出部分の所定長さは、２０ｍｍ以下に設定されているものである。

この発明によれば、光ファイバのクラッド露出部分（被覆除去部）に適切な曲率が与えられることにより、短い長さで、ほぼ完全なクラッド伝播光除去効果が得られる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るレーザ光伝送装置を示す全体構成図であり、図２は図１内のクラッド伝播光除去部２（破線枠内）を拡大して示す断面図である。
図１および図２において、光ファイバ１は、外部保護用の被覆３と、光透過性のクラッド４およびコア５とにより構成されており、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光Ｌを伝送する。

コア５は、光ファイバ１の中心部に位置し、レーザ光Ｌの伝送方向に延長されている。
クラッド４は、コア５よりも低い屈曲率を有し、コア５の外側に設けられており、被覆３は、クラッド４の外側に設けられている。

光ファイバ１の途中（一部）には、被覆３の一部が除去されたクラッド伝播光除去部（クラッド露出部分）２が設けられている。
また、クラッド伝播光除去部２の外側には、クラッド４と同等以上の屈折率を有する光透過性部材６が設けられておる。
さらに、光透過性部材６の外側には、光吸収部材７を介して冷却部材８が設けられている。

クラッド伝播光除去部２は、光ファイバ１のクラッド４中を伝送する望ましくないクラッド層伝播光成分を除去するために、強度的に耐え得る範囲内で、クラッド伝播光除去部２の所定長さＤに応じた曲率半径Ｒで曲げられるとともに、光透過性部材６に接触している。
ここでは、クラッド伝播光除去部２の曲率半径Ｒは、光ファイバ１の曲げ強度を考慮して、クラッド直径１２５μｍ〜４００μｍの光ファイバに対し、曲率半径１００ｍｍ以上の緩い曲げを与えるものとする。

ここで、光ファイバ１としては、たとえば、コア５の直径が２０μｍ、クラッド４の直径が４００μｍ、被覆３の直径が５５０μｍ、の石英製マルチモード光ファイバを想定しており、伝送されるレーザ光Ｌは、波長が１μｍのＹＡＧレーザを想定している。

光ファイバ１のクラッド伝播光除去部２においては、樹脂製の被覆３が、所定長さＤ（たとえば、Ｄ＝１５ｍｍ）にわたって除去されている。
また、クラッド伝播光除去部２に露出されたクラッド４は、所定の曲率半径Ｒ（たとえば、Ｒ＝１５０ｍｍ）を保持した状態のまま、周囲が光透過性部材６で覆われて固定されている。

光透過性部材６は、たとえば、ゾル（光学オイル）からなる。
光透過性部材６の周囲を覆う光吸収部材７は、良熱伝導性の材料であり、たとえば、黒色メッキされた金属（アルミ、銅）などからなる。
光吸収部材７の周囲を覆う冷却部材８は、良熱伝導性の金属（アルミ、銅）などからなり、望ましくは、水冷式あるいは空冷式の冷却機構により構成される。
なお、光吸収部材７および冷却部材８は、一体化して構成されてもよい。

図１および図２の構成において、光ファイバ１中のクラッド４を伝播する望ましくないクラッド層伝播光成分は、クラッド伝播光除去部２に到達すると、所定の曲率半径Ｒ（たとえば、Ｒ＝１５０ｍｍ）で曲げられることにより、効率よくクラッド４から光透過性部材６（屈折率が同等以上）の中に漏れ出る。

なお、クラッド伝播光除去部２における光ファイバ１は、所定長さＤ（＝１５ｍｍ）にわたって被覆３が除去されていることから、前述のように脆い状態にあるが、光ファイバ１の上記条件（コア５の直径が２０μｍ、クラッド４の直径が４００μｍ）においては、曲率半径Ｒが１００ｍｍ以上に設定されていれば、全く問題なく安全に使用できることが発明者の実験により確かめられている。

この結果、クラッド伝播光除去部２の所定長さＤ＝１５ｍｍという短い距離で、ほぼ完全にクラッド伝播光は、光ファイバ１の外部へ散逸する。
以下、漏れ出た光成分は、光吸収部材７に吸収され、このときの光吸収によって生じる光吸収部材７の発熱は、冷却部材８によって冷却される。
また、クラッド伝播光除去部２におけるクラッド４の表面は、光透過性部材６を介して光吸収部材７に接触しているので、光吸収部材７の発熱が、クラッド４に直接影響することもない。したがって、光ファイバ１自体が発熱することはない。

図３はクラッド伝播光除去部２での光残余率の実験結果を示す特性図であり、横軸は光ファイバ１の曲げ半径（曲率半径Ｒ）の逆数［ｍ＾（−１）］を示し、縦軸はクラッド伝播光残余率［％］を示している。
図３の横軸（曲率半径Ｒの逆数）において、「５」は、曲率半径Ｒ＝２００ｍｍに対応し、「６．７」は、曲率半径Ｒ＝１５０ｍｍに対応し、「１０」は、曲率半径Ｒ＝１００ｍｍに対応する。

また、図３内の各特性曲線は、クラッド伝播光除去部２を各所定長さＤ（＝２０ｍｍ、１５ｍｍ、１０ｍｍ）に設定した状態で、クラッド伝播光除去部２での光ファイバ１の曲率とクラッド伝播光残余率との関係を実測した結果を示している。

図３から明らかなように、曲率半径Ｒ＝２００ｍｍにおいては、所定長さＤ＝２０ｍｍで、ほぼ完全にクラッド伝播光が除去可能（残余率＝０）であり、曲率半径Ｒ＝１５０ｍｍにおいては、所定長さＤ＝１５ｍｍで、ほぼ完全にクラッド伝播光が除去可能であることが分かる。

つまり、クラッド伝播光除去部２の所定長さＤが２０ｍｍに設定された場合には、曲率半径Ｒを２００ｍｍ以下に設定し、所定長さＤが１５ｍｍに設定された場合には、曲率半径Ｒを１５０ｍｍ以下に設定すれば、クラッド伝播光の除去が可能となる。

また、曲率半径Ｒ＝１００ｍｍにおいては、所定長さＤ＝１０ｍｍで、約９８％のクラッド伝播光が除去可能（残余率＝２［％］）であり、実験的に光ファイバ１がダメージを受けないことも実証されている。この場合、被覆３を除去する部分の長さを短く設定することができる。
さらに、クラッド直径が４００μｍよりも小径の光ファイバ（クラッド直径１２５μｍ〜４００μｍ）の場合は、より緩い曲げ（より大きい曲率半径）で同等のクラッド伝播光除去効果が得られることを実験的に確認している。

以上のように、この発明の実施の形態１に係るレーザ光伝送装置は、レーザ光Ｌの伝送方向に延長された光透過性のコア５と、コア５よりも低い屈曲率を有し、コア５の外側に設けられた光透過性のクラッド４と、クラッド４の外側に設けられた被覆３とからなる光ファイバ１を備えている。

光ファイバ１は、被覆３の一部が所定長さＤにわたって除去されたクラッド伝播光除去部（クラッド露出部分）２と、クラッド４と同等以上の屈折率を有し、クラッド伝播光除去部２の外側に設けられた光透過性部材６とを備えており、クラッド伝播光除去部２は、強度的に耐え得る範囲内の曲率半径Ｒで曲げられて光透過性部材６に接触している。
すなわち、光ファイバ１の一部の被覆３を除去して適切な値の曲率半径Ｒで曲げることによりクラッド伝播光除去部２を形成し、クラッド伝播光除去部２の外側に光透過性部材６が取り付けられている。

このように、被覆３を除去した光ファイバ１の一部（所定長さＤ）に対して、強度的に耐え得る（問題のない）レベルの曲率半径Ｒで曲げを与え、クラッド伝播光除去部２を構成することにより、短い所定長さＤでクラッド伝播光をほぼ完全に除去することができ、従来装置では実現し得なかった、コンパクトで効率の良いクラッド伝播光除去能力を備えたレーザ光伝送装置を実現することができる。
また、クラッド伝播光除去部２で露出したクラッド４には、光透過性部材６が接触しており、光吸収部材７（発熱部材）が直接接触することがないので、クラッド４が過熱される可能性も回避することができる。

また、光透過性部材６の外側に設けられた光吸収部材７と、光吸収部材７を外側から冷却するための冷却部材（冷却機構）８とを備えているので、高パワーのレーザ光伝送装置において、クラッド伝播光パワーが高い状況にあっても、光ファイバ１自体の温度上昇を抑制しつつ、クラッド伝播光を除去することができる。

また、具体的には、光ファイバ１は、コア５の直径が２０μｍ、クラッド４の直径が４００μｍの石英製マルチモード光ファイバであり、クラッド伝播光除去部２の所定長さＤ＝２０ｍｍ、曲率半径Ｒ≦２００ｍｍに設定されている。または、所定長さＤ＝１５ｍｍ、曲率半径Ｒ≦１５０ｍｍに設定されている。

これにより、クラッド伝播光除去部２において、ほぼ完全にクラッド伝播光が除去可能となる。
また、クラッド伝播光除去部２の所定長さＤ＝１０ｍｍ、曲率半径Ｒ≦１００ｍｍに設定した場合には、所定長さＤ＝１０ｍｍであっても、約９８％のクラッド伝播光を除去することができる。
さらに、クラッド直径が４００μｍよりも小径の光ファイバ（クラッド直径１２５μｍ〜４００μｍ）の場合は、より緩い曲げ（より大きい曲率半径）で同等のクラッド伝播光除去効果が得られることを実験的に確認している。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１、図２）では、単層のクラッド４を有する光ファイバ１の場合を示したが、２層のクラッド４を有する光ファイバ（ＤＣＦＦ：ダブルクラッドファイバ）を用いて、高出力マルチモードレーザーダイオード光を励起光として利用可能な構成としてもよい。
この場合、ダブルクラッドファイバに対しても、前述と同様の効果を奏する。

また、クラッド伝播光除去部２を有する光ファイバ１を、ファイバレーザ発振器の構成の一部とし、上記実施の形態１（図１、図２）の光ファイバ１を用いてファイバレーザ発振器を構成してもよい。
図４はクラッド伝播光除去部１２を有する光ファイバ１１を用いたこの発明の実施の形態２に係るファイバレーザ発振器１０Ａを示す構成図である。

図４において、ファイバレーザ発振器１０Ａは、前述（図１）のレーザ発振器１０に対応しており、光ファイバ１１およびクラッド伝播光除去部１２は、前述の光ファイバ１およびクラッド伝播光除去部２にそれぞれ対している。

ファイバレーザ発振器１０Ａは、ダブルクラッドファイバからなる光ファイバ１１と、光ファイバ１１の一部（レーザ光Ｌの出射端の近傍）に設けられたクラッド伝播光除去部１２と、光ファイバ１１の一部に形成されたコイル状巻回部１１ａと、光ファイバ１１の一端に設けられたレーザダイオード１３と、コイル状巻回部１１ａの前後に設けられたＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）１４とを備えている。

ファイバレーザ発振器１０Ａは、レーザ光Ｌを出射するレーザ発振器自体が、クラッド伝播光除去部１２を有する光ファイバ１１で構成されている。
また、ファイバレーザ発振器１０Ａに使用される光ファイバ１１としては、クラッドに励起光を閉じ込めるように構成されたダブルクラッドファイバで構成されることが多い。

図４のように、ファイバレーザ発振器１０Ａのレーザ光Ｌの出射端の近傍に、クラッド伝播光除去部１２を設けることにより、ファイバレーザ発振器１０Ａから出射されるレーザ光Ｌとして、クラッド伝播成分を含まない品質のよいビームを得ることができる。
特に、ダブルクラッドファイバからなる光ファイバ１１の場合には、前述の通常の光ファイバ１のクラッド４を第１クラッド、被覆３を第２クラッドと考えて適用することが可能である。

以上のように、この発明の実施の形態２に係るファイバレーザ発振器１０Ａによれば、クラッド伝播光除去部１２を有する光ファイバ１１を用いることにより、特段の構成を付加することなく、ファイバレーザ発振器１０Ａから出射されるレーザ光Ｌとして、クラッド伝播成分を含まない品質のよいビームを得ることができる。
また、ダブルクラッドファイバからなる光ファイバ１１を用いた場合、ファイバレーザ発振器１０Ａの出射部近傍にクラッド伝播光除去部１２を配置することにより、第１クラッドを伝播してくる余分な励起光を合わせて除去することが可能となる。
したがって、クラッド伝播光が除去されたクリーンなモードのレーザ光Ｌを得りことができる。

この発明の実施の形態１に係るレーザ光伝送装置を示す全体構成図である。 図１内のクラッド伝播光除去部を拡大して示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るクラッド伝播光除去部での光ファイバ曲率とクラッド伝播光残余率との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係るファイバレーザ発振器を示す構成図である。

符号の説明

１、１１ 光ファイバ、２、１２ クラッド伝播光除去部（クラッド露出部分）、３ 被覆、４ クラッド、５ コア、６ 光透過性部材、７ 光吸収部材、８ 冷却部材、１０Ａ ファイバレーザ発振器、１１ａ コイル状巻回部、１３ レーザダイオード、１４ ＦＢＧ。

Claims (7)

1. レーザ光の伝送方向に延長された光透過性のコアと、
   前記コアの外側に設けられた光透過性のクラッドと、
   前記クラッドの外側に設けられた被覆と
   からなる光ファイバを備えたレーザ光伝送装置において、
   前記光ファイバは、
   前記被覆の一部が所定長さにわたって除去されたクラッド露出部分と、
   前記クラッドと同等以上の屈折率を有し、前記クラッド露出部分の外側に設けられた光透過性部材とを備え、
   前記クラッド露出部分は、強度的に耐え得る範囲内の曲率半径で曲げられて前記光透過性部材に接触しており、
   前記クラッドの直径は、１２５μｍ以上４００μｍ以下であり、
   前記クラッド露出部分の曲率半径は、１００ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲内に設定され、
   前記クラッド露出部分の所定長さは、２０ｍｍ以下に設定されていることを特徴とするレーザ光伝送装置。
2. 前記光透過性部材の外側に設けられた光吸収部材と、
   前記光吸収部材を外側から冷却するための冷却機構と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光伝送装置。
3. 前記クラッドの直径は、４００μｍに設定されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ光伝送装置。
4. 前記クラッド露出部分の曲率半径は、１００ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲内に設定され、
   前記クラッド露出部分の所定長さは、１５ｍｍ以下に設定されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーザ光伝送装置。
5. 前記クラッド露出部分の曲率半径は、１００ｍｍに設定され、
   前記クラッド露出部分の所定長さは、１０ｍｍ以下に設定されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザ光伝送装置。
6. 前記光ファイバは、ダブルクラッドファイバにより構成されたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のレーザ光伝送装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のレーザ光伝送装置を備えたファイバレーザ発振器。

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