JP5596021B2 - ファイバまたは他の光学部品を結合および先細にするための装置 - Google Patents

Description

本発明は、主請求項の序文のとおりファイバおよび／または好ましくは円筒状の光学部品を結合および先細にするための装置に関する。

個々の光学部品、とりわけファイバや好ましくは他の円筒状のまたは回転対称の光学部品を、例えば溶接、接合（splicing、スプライシング）、溶解およびテーパリング（tapering、先細する、テーパーにする）などにより結合する（joining）ための装置が知られている。それらの中には、エネルギ入力が、熱放射によって本質的に達成され、特別な形状をした電熱線、いわゆるフィラメントにより、または電気アークによって生じるものがある。熱放射により光ファイバへのエネルギ入力を達成するために、ファイバは電熱線または電気アークにしっかりと寄せて配置されなければならない。これによる問題は、フィラメントの付着またはガス残留物さえもが光ファイバを不純にするということである。さらに、電熱線の寿命はあまり長くない。ここで改良を達成するために、より大きくてより高性能で、また他の材料からなるフィラメントを用いる試みがなされる。これは、しかしながら、間接加熱のため非効率的である。しかしながら、例えばグラファイト材料では徐々に加熱する必要があるなど、他の材料では新たな問題も生じる。さらに、様々なファイバの直径のために、様々な電熱線の配置を用いなければならない。

それゆえに、直接的なエネルギ入力がＣＯ_２レーザのレーザ波長の吸収によって行われるスプライシング装置（splicing devices、接合装置）が考えられる。二つの光ファイバ部（optical fibre portions、光ファイバポーション）の端部を接合するための装置であって、端部を接触させて、二つのファイバ部を共通の軸に沿って一直線に整列する手段を備えた装置が、ＥＰ０５０５０４４Ａ２で知られている。さらに、ファイバ部を溶接する手段が設けられ、この手段はレーザ光源と発散した円錐状のビームを放物面境に向ける手段とを備え、放物面境の軸は一直線に整列した光ファイバ部の軸に一致する。この装置では、スキャナミラーの一つがファイバの光軸に位置しているので、処理されるパーツの長さが制限される。

発明の根底にある目的は、ファイバおよび／または好ましくは円筒状の光学部品を、結合および先細にする（テーパリングする）ための装置であり、既知の先行技術を改良し、比較的単純な構成を備え、処理されるワークピースの様々な直径および長さの処理ができる装置を提供することにある。

この目的は、本願発明による序文の特性と合わせて、特徴のある主請求項の特性によって達成される。

有利な進歩および改良が、従属項で示された手段により可能である。

環状光（annual radiation、環状放射）を生じさせるための少なくとも一つの第一ビーム形成要素（first beam-forming element、第一ビーム形成素子）が、レーザ光源から放射されるレーザビームのビーム経路に挿入される結果として、そして処理位置（processing position）においてファイバおよび／または円筒状の光学部品上への環状光の入射角を特定するための追加のビーム形成要素（further beam-forming element、追加のビーム形成素子）が設けられる結果として、均一な円錐状のエネルギ入力が、選択可能な入射角を備えた単純な方法で利用でき、結果として吸収の後に均一な熱伝導が可能になり、これによって均一で、空間的に非常に制限された溶解になる。処置の可能性は、結合、テーパリング、研磨、清掃などである。

環状光は、第一ビーム形成要素としての二つの反射アキシコン（reflex axicon）またはダブルアキシコン（double axicon）を用いるだけで生じる。ダブルアキシコンのパーツまたは二つのアキシコンの間隔は環状の直径を規定する。

特に好ましい実施形態では、間隔は、それゆえに、様々な環状の直径を達成するために調節できる。結果として、さまざまなワークピースのサイズがたった一つの装置構成で処理され、ワークピースの形状は＜１００μｍから＞１５００μｍまでの範囲の直径を有してもよい。あらゆるサイズの光学部品、例えば機能的な要素、またはエンドキャップ、くさびプレートなどの平面平行プレートは、接合によってあらゆるファイバの直径と結合できる。溶接パートナーの直径の連続的な変化は、較正なしに簡単に達成できる。さらに、例えば他の光学部品のような、他の円筒形状の要素も処理できる。接合される部品の機械的な受容手段および利用可能な、すぐに再現できるレーザ出力（readily reproducible laser power）により制限が設けられる。

処理部位（processing site）における入射角の可変調節のための手段によって、例えばダブルアキシコンまたは二つの反射アキシコンと併用したステップ状のアキシコン（stepped axicon）または放物面鏡によって、様々な処理プロセス（テーパリング、スプライシング）に対して、入射角を多様に調節できる。

好ましくは、レーザの入射角は、処理部位が例えばＣＣＤカメラによって、ファイバの軸などのワークピースの軸に対して常に垂直に観察できるように選択され、結果として、処理されるワークピースの二つの直交する平面への調節が許容され、または容易になる。

さらに、入射角は、処理部位と平面鏡との規定された間隔が設けられるように選択される。設けられた間隔は、平面鏡が処理プロセスによって、例えば煙またはガスなどによって影響を受けない、すなわち汚染されないように規定される。間隔の好ましい値は、１０ｍｍ以上である。

用いられるアキシコンまたはダブルアキシコンは、反射または透過の機能を果たす。

好ましい実施形態では、入射角を調節するための第二ビーム形成要素は、環状光を結合またはテーパリング部位（joining or tapering site）へ向ける追加のアキシコンである。ステップ形状の追加のダブルアキシコンを用いることが好ましく、結果として、とりわけ第一ビーム形成要素としてダブルアキシコンを用いる場合、入射角の調節ができる。

焦点の合っていないレーザビームを、処理、すなわち接合またはテーパリング部位へ投影し、処理される表面上の出力密度を低下するために、好ましい実施形態では、入射角を調節するためのステップ状のアキシコンに、発散／収束した反射光（reflected radiation、反射された放射）を生じさせる追加の球面の、非球面のまたは回折の構造が設けられる。当然ながら、これは、介在される追加の光学素子（optical element、光学要素）によっても達成できる。レーザ光のより良い均一化は、全体として、均一化したテーパリングまたはスプライシング結果と、同時により緩和された公差（relaxed tolerances、緩和された許容誤差）、すなわち互いにおよびレーザリングと関連したファイバのより緩和された調節をもたらす。結果として、処理の安定性および再現性が全体的に改善される。

入射角を特定するための第二ビーム形成要素の他の実施形態では、放物面鏡を用いる。結果として、光の入射を掠める状態から垂直まで変化できるようになる。放物面鏡では、出力密度を変化することに関して、上述したものが適用される。

第二ビーム形成要素のさらにもう一つの実施形態は、ダブルアキシコンに次いで接続された集光レンズである。さまざまな直径のワークピースが、平面鏡で偏向し円錐状に先細になるレーザリングによって処理できる。

好ましくは、すべての実施例で用いることができる平面鏡は、上記のように処理されるワークピースまたはそれらの取付けを供給するために、細長い穴（slot、スロット）があけられまたは分割されており、そして同様に分割されたボーリング穴（hole boring、ホールボーリング）が設けられている。これは、第二ビーム形成要素として設けられるステップアキシコンまたは放物鏡に同様に適用される。

処理部位の前で平面鏡を用いることによって、前もって配置された焦点調節光学素子（focusing optical device）（二つ反射アキシコン、ダブルアキシコン）とビーム偏向との機能的な分離が平面鏡によって達成されるので、調節が単純化される。レーザリングがワークピースを均一に囲むことを目的としているので、同様に分割されたボーリング穴を備えた分割平面鏡は、一方では、連続したレーザリングを提供する。他方では、ボーリング穴を備えた分割平面鏡をヒンジなどにより開けることによって、ワークピースのとても好ましい取付けがもたらされる。とりわけ、光ファイバのような長いワークピースは、どのような長さでもよく、処理のためにボーリング穴に“通す”（threaded）必要がない。

好ましい改良では、レーザビームの直径および場合により（possibly、可能な限り）処理すなわち結合またはテーパリング部位における出力密度の調整のためのテレスコープが、レーザ光源に次いで配置される。

要約すると、本発明に係るこの普遍的で、比較的コンパクトな装置構成では、同時に調整される処理管理（process management、プロセスマネージメント）を、すなわち、形状のすなわち処理されるワークピースの形状の調整を備えた均一なエネルギ入力に関する既存の制限が著しく拡張されたといえる。

個々のアキシコンの取付けのための好ましい改良は、例えば、ＡＲ（反射防止）の銀メッキを備えたセレン化亜鉛などレーザ光に対して高い透過性のある材料からなり、アキシコンの頂点を固定するためのボーリング穴を備えた平面鏡がアキシコンの頂点を保持する要素として用いられることにある。結果として、レーザビーム形状（すなわち、リング）は乱されず、レーザ光は遮られない。

本願発明に係る装置は、新たな較正なしにさまざまな直径を有するワークピースに用いることができる。純粋なシリカガラス／石英ガラスに加えて、ドープシリカおよび石英ガラス、および用いられる波長域で吸収性のある他のガラス、そしてその派生物であり、例えばイオン交換によって作られ、ホウケイ酸ガラスに基づくグリンレンズなどは、結合パートナーの膨張係数がこれを許す限り、融解される。かなり厚いガラスが対称的なエネルギ入力によって処理できるので、例えば光ファイバなどの対称的な形状した本体のテーパリング対しても、ＣＯ_２レーザに新たな可能性が生じる。それゆえに、この波長域でレーザ光を吸収する他の円筒状の材料の処理が可能である。

透明性の高いプレートであって、好ましくはセレン化亜鉛からなり、アキシコンの円錐状の頂点を受容し、適切に固定するための穴を備えたものが、ダブルアキシコンのまたは２つの反射アキシコンの１つの取付けのために用いられる結果として、レーザ光は乱されない。

発明の実施形態が、図面に示され、後の記述により詳細に説明される。

第一ビーム形成要素としてダブルアキシコンを、第二ビーム形成要素としてステップ状のアキシコンを備えた本願発明に係る装置の第一実施形態の構成図である。 第一ビーム形成要素としてダブルアキシコンを、第二ビーム形成要素として放物面鏡を備えた本願発明に係る装置の第二実施形態の構成図である。 第一ビーム形成要素としてダブルアキシコンを、第二ビーム形成要素として集光レンズを備えた本願発明に係る装置の第二実施形態の構成図である。

図１に示される装置は、第一レンズ２および第二レンズ３を備えたテレスコープ上にレーザビームを投射するＣＯ_２レーザ１を有し、テレスコープはレーザビームの直径を調整する役割を果たす。テレスコープ２、３に次いで、反射の機能を果たし、環形状の負の第一アキシコン（negative first axicon、ネガティブ第一アキシコン）５と、円錐形状の正の第二アキシコン（positive second axicon、ポジティブ第二アキシコン）６とをスペースＡＡを開けて備えるダブルアキシコン４が配置され、二つのアキシコン５、６は一定の環状の直径を生じさせるために同じ絶対角を有する。アキシコン５は、テレスコープ２、３から来て第二アキシコン６に作用するレーザビームの通過のための通路を備える。二つのアキシコン５、６の間のスペースＡＡは連続的に調節でき、これにより伝達されるレーザ光の環状の直径を決定する。図１では、第二アキシコン６が二つの異なる位置で示されており、結果として、破線で示されるレーザ環状直径Φ１のビーム経路と、点線で示されるレーザ環状直径Φ２のビーム経路とが生成される。第二アキシコン６に作用する光は、円錐状の表面で反射して第一アキシコン５に作用し、そこで同様に反射される。

溶接パートナーとして結合されるワークピース部７、８は、例えば、光ファイバや他の光学部品、好ましくは円筒状の光学部品で構成され、ホルダ９、１０の駆動軸にそれぞれ受容され、互いに関連して一直線に整列される。環状のビーム経路には、細長い穴のあいた平面鏡１１、または二分割でき、互いに関連するように調節でき、その半分はヒンジによって個々に接続できる平面鏡１１が設けられ、第一溶接パートナー７は平面鏡１１の細長い穴を通るようにはめ込まれる。分割の実施形態では、平面鏡１１は、ワークピースが通るために同様に分割されたボーリング穴を有する。

ステップ状のアキシコン１４が、本実施形態では平面鏡１１により９０度偏向した環状光を溶接部位１２、１３に集結するために設けられ、大きい方の環状の直径のレーザ光はステップ状のアキシコン１４の第一アキシコン１５の円錐表面上で反射し、溶接部位１２または結合部位に作用する。小さい方の環状の直径のレーザ光は、より円錐鋭角でステップ状のアキシコン１４の第二アキシコン１６に向けられ、図に示されるように、溶接部位または結合部位１３に向かって反射する。ステップ状のアキシコン１４は平面鏡のような細長い穴があけられた、または分割の構成を備えてもよい。

細長い穴のあいた平面鏡および細長い穴のあいたステップ状のアキシコンを用いる場合、矢印１７およびボックス１８に示されるように、ホルダ９、１０の取付けができるようにするために、この配置を図の左側へ移動できる。この配置は、レーザによる処理のために再度戻すことができる。しかしながら、ボーリング穴を有する分割平面鏡１１および場合により分割ステップ状のアキシコン１４が、保持装置を取付けるために開け閉めするだけでも十分である。平面鏡１１の穴は、例えば光ファイバの軸に対しての、調節可能な最大入射角を規定する。

この配置に示されるように、ダブルアキシコン４の第一および第二アキシコンの間隔ＡＡと、ステップ状のアキシコン１４の第一および第二アキシコン１５、１６の円錐状の表面の傾きとを調節することで、溶接または結合部位１２，１３および、溶接または接合部位１２、１３上へのレーザ光の入射角を変化できる。追加の球面、非球面または回折構造、またはこれらの複数を、ステップ状のアキシコン１４の表面に組み込むことができ、結果として、溶接または結合部位１２、１３での反射光の出力密度が、明確に影響される。しかしながら、分離した光学部品（a separate optical component）をこの目的のために設けてもよい。

図２では、本発明に係る配置の第二実施形態が示さており、実施形態は、ワークピースの通過のために同様に穴があけられまたは分割した放物面鏡１９が、図１のステップ状のアキシコン１４の代わりに用いられる点で第一の配置と異なる。動作モードは、基本的に、本質的には図１と同様である。

図３では、集光レンズ２０が次いで接続されるダブルアキシコン４が今度は用いられ、結合部位へ光を向ける平面鏡１１に、集束環状光が同じように作用する。

この実施形態では、ダブルアキシコン４の第一アキシコン５と第二アキシコン６との間隔は、好ましくはしっかりと調節され、集光レンズ２０はこの調節に割り当てられる。

それぞれの実施形態で、テレスコープ２、３は、レーザビームの直径を調整する役割を果たす。テレスコープ２、３は、また溶接または接合部位での出力密度を調整するのにある程度貢献する。

ダブルアキシコンまたは反射アキシコンのための取付けが示されていない。それぞれのアキシコンは、レーザ光の乱れを生じさせないように取付けられることが重要である。これは、例えば 反射防止コーティングされたセレン化亜鉛などからなり、アキシコンのコーン頂点を受容するための穴が設けられた透過平面平行プレート(transmittive plane-parallel plate)を用いることで達成され、これによってホルダとしての役割を果たす。円錐状の頂点は、例えば取付手段または接着によってプレートに接続される。

Claims (13)

1. ファイバおよび／または円筒状の光学部品を結合および先細にするための装置であって、処置位置で前記ファイバおよび／または前記光学部品を保持するための保持装置と、レーザビームを放射するためのレーザ光源と、前記レーザビームを処理部位へ向けるためのビーム形成要素とを備えたものにおいて、
   環状光を生じさせるための少なくとも一つの第一ビーム形成要素がビーム経路に挿入され、
   前記処理位置における前記ファイバおよび／または前記光学部品上への前記環状光の入射角を特定するための追加の第二ビーム形成要素が設けられ、
   前記第一ビーム形成要素は、互いに間隔をあけて設けられた第一アキシコンと第二アキシコンとからなり、前記第一アキシコンと前記第二アキシコンとの間隔は、前記環状光の環状の直径を規定しており、
   前記第二ビーム形成要素は、前記環状光を前記入射角で処理部位へ向けるステップ状のアキシコンであり、
   前記第一アキシコンと前記第二アキシコンとの間隔は、前記環状光の前記環状の直径を変化させるために調整可能であり、それによって、前記ファイバおよび／または前記光学部品上への前記環状光の前記入射角を可変調整することを特徴とする装置。
2. 前記ステップ状のアキシコンは、分割されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記環状光を偏向するための平面鏡が、前記第一ビーム形成要素と前記追加の第二ビーム形成要素との間に配置され、
   前記平面鏡および前記ステップ状のアキシコンが、前記保持装置を取り付けるために、移動可能であり、および／または開閉できることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記環状光を偏向するための平面鏡が、前記第一ビーム形成要素と前記追加の第二ビーム形成要素との間に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
5. 前記平面鏡は、２つに分割されており、そして、分割されたボーリング穴を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の装置。
6. 前記処理部位と前記平面鏡との間隔は、前記平面鏡が処理工程によって汚染されることがないように規定した値より大きいことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記処理部位と前記平面鏡との間隔は、１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記第一アキシコンと前記第二アキシコンとの間隔は、連続的に調整可能であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記処理部位を前記ファイバおよび／または前記光学部品の軸に対して垂直な方向から観測できるように、前記入射角を調節できることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記処理部位における前記光の出力密度を低下または変化するための手段が前記ビーム経路に設けられることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記レーザビームの直径および前記処理部位における出力密度の調整のためのテレスコープが、前記レーザ光源に次いで配置されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記レーザ光源は、ＣＯ_２レーザで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記第一アキシコンおよび前記第二アキシコンの少なくとも一方は、前記レーザビームを乱さない程度にレーザの波長域で透明性が高く、円錐状の頂点を取り付けるための穴を有するプレートを、ホルダとして備えることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の装置。

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