JP5885782B2 - 光学系 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の発光部位から放出される射出光を、光ファイバに導入する光学系に関するものである。
固体レーザの１種として、ファイバレーザが知られている。ファイバレーザは、発光点が小さく高品質な加工が可能であること、取扱いが容易であること、半導体レーザを励起光源として使用できるためメンテナンス性に優れていること、などの多様な特長を有している。近年ファイバレーザに対して高出力化が望まれており、高強度の励起光をファイバ内に導光することが考えられる。ただし、励起光源として用いている半導体レーザの単一の発光点から発する励起光の高出力化には限界がある。そこで、複数の発光点から発する光をファイバへ集光することが提案されている（特許文献１参照）。
特開２０１１−７６０９２号公報
しかし、特許文献１に記載の装置においては、装置寿命に関しては検討されておらず、寿命の長期化が望まれていた。
本発明は、かかる観点に鑑みてなされたもので、ファイバレーザ装置の構成要素の一つであるファイバの寿命を長期化させる光学系を提供することを目的とするものである。
上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による光学系は、
複数の発光部位、光学系及び光ファイバを備えたファイバレーザ装置に用いられる、光学系であって、
第１の方向に沿って並ぶように配置される前記複数の発光部位から放出される射出光を、少なくとも前記第１の方向に垂直な第２の方向においては、前記複数の発光部位から放出されるそれぞれの射出光の集光中心をずらして、単一の前記光ファイバに、入射させるように構成され、
前記光ファイバに最も近くに配置されることが定められた射出面が、複数のレンズ要素が前記第１の方向に沿って並ぶレンズアレイを有するとともに、前記複数の発光部位から放出される射出光を、前記第２の方向において該射出光別に異なる方向に屈折させるように構成されており、
前記射出面は、前記第１の方向に垂直な断面が円弧状であるトロイド面部を有する
ことを特徴とするものである。
また、第２の観点による光学系は、
複数の発光部位、光学系及び光ファイバを備えたファイバレーザ装置に用いられる、光学系であって、
第１の方向に沿って並ぶように配置される前記複数の発光部位から放出される射出光を、少なくとも前記第１の方向に垂直な第２の方向においては、前記複数の発光部位から放出されるそれぞれの射出光の集光中心をずらして、単一の前記光ファイバに、入射させるように構成され、
前記光ファイバに最も近くに配置されることが定められた射出面が、複数のレンズ要素が前記第１の方向に沿って並ぶレンズアレイを有するとともに、前記複数の発光部位から放出される射出光を、前記第２の方向において該射出光別に異なる方向に屈折させるように構成されており、
前記発光部位に最も近くに配置されることが定められた入射面が、前記第１の方向に垂直な断面が円弧状であるトロイド面部を有する
ことを特徴とするものである。
また、第４の観点による光学系において、
前記第２の方向から見て、隣接する２つの前記レンズ要素は、前記第１の方向および前記第２の方向のいずれにも垂直な方向において連続する
ことが好ましい。
また、第５の観点による光学系において、
任意の単一の前記レンズ要素以外のレンズ要素の光軸が、前記第２の方向において、前記単一のレンズ要素の光軸から偏心している
ことが好ましい。
また、第６の観点による光学系において、
任意の単一の前記レンズ要素以外のレンズ要素の光軸が、前記単一のレンズ要素の光軸に対して、前記第１の方向に平行な直線を軸にして、傾斜している
ことが好ましい。
また、第８の観点による光学系において、
前記射出面は、非球面を有する
ことが好ましい。
また、第９の観点による光学系において、
前記複数のレンズ要素は、前記複数の発光部位から放出される射出光を、前記第１の方向において、集光して前記単一の光ファイバに入射させる
ことが好ましい。
また、第１０の観点による光学系において、
任意の単一の前記レンズ要素以外のレンズ要素の光軸が、前記第１の方向において、前記単一のレンズ要素の光軸から偏心している
ことが好ましい。
また、第１１の観点による光学系において、
任意の単一の前記レンズ要素以外のレンズ要素の光軸が、前記単一のレンズ要素の光軸に対して、前記第２の方向に平行な直線を軸にして、傾斜している
ことが好ましい。
また、第１２の観点による光学系において、
前記発光部位に最も近くに配置されることが定められた入射面が、複数のレンズ要素が前記第１の方向において並ぶように配置されるレンズアレイを有する
ことが好ましい。
また、第１３の観点による光学系において、
前記発光部位に最も近くに配置されることが定められた入射面が、前記第１の方向に垂直な断面が円弧状であるトロイド面部を有する
ことが好ましい。
また、第１４の観点による光学系において、
前記発光部位に最も近くに配置されることが定められた入射面が、非球面または球面を有する
ことが好ましい。
また、第１５の観点による光学系において、
屈折率が１．７以上の硝子材料によって形成される
ことが好ましい。
本発明によれば、ファイバレーザに用いるファイバの寿命を長期化可能である。
本発明の第１の実施形態に係る光学系を有するファイバレーザ装置の構成を概略的に示す外観図である。 図１の光源ユニットおよび光学系の平面図である。 図２におけるＩＩＩ―ＩＩＩ線から見た断面図である。 図１の光学系による第１の方向に沿った集光状態を示す、図１のファイバレーザ装置の平面図である。 図１の光学系による第２の方向に沿った集光状態を示す、図１のファイバレーザ装置の側面図である 図１の光学系による第２の方向に沿った集光状態を示す、図１の光ファイバの入射面の正面図である。 第２の実施形態の光源ユニットおよび光学系の平面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学系を含む、ファイバレーザ装置を概略的に示す外観図である。
ファイバレーザ装置１０は、光源ユニット１１、光ファイバ１２および光学系１３を含んで構成される。光源ユニット１１は、励起光である射出光を放出する。光ファイバ１２は、放出光によりレーザ発振する。光学系１３は、光源ユニット１１から放出される射出光を光ファイバ１２に導光する。ファイバレーザ装置１０においては、互いに直交する第１の方向ｄ１、第２の方向ｄ２および第３の方向ｄ３が定められる。
光源ユニット１１は、任意の一方向に沿って並ぶ複数、例えば本実施形態では３箇所の発光部位ｅｐを有しており、各発光部位ｅｐから射出光を放出する。複数の発光部位ｅｐを有する光源ユニット１１は、例えば、任意の一方向に沿った発光部位ｅｐを有するレーザーバーである。なお、光源ユニット１１は、任意の一方向に沿って並べた複数のレーザチップであってもよい。光源ユニット１１は、発光部位ｅｐの配列方向が第１の方向ｄ１と平行になるように、配置される。
光ファイバ１２は、例えばコアに希土類元素をドープしたダブルクラッド構造を有しており、第１クラッドおよびコアに入射した射出光が第１クラッドおよび第２クラッドの界面で反射されながら光ファイバ１２内で伝播される。射出光は、両端間で伝播されながら、一部がコアに吸収される。射出光の一部が吸収されることにより、ドープした希土類元素が励起して、光ファイバ１２はレーザ発振する。
光学系１３は、屈折率が１．７以上である硝子材料によって、第１の光学素子１４および第２の光学素子１５を含んで、構成される。第１の光学素子１４および第２の光学素子１５は、例えば互いに離間するように、配置される。ただし、第１の光学素子１４および第２の光学素子１５を一体化させた形態で、光学系１３が形成されていてもよい。
第１の光学素子１４は、光学系１３の中で、発光部位ｅｐに最も近くに配置されることが定められた入射面ｉｓを有する。入射面ｉｓは、全部または一部にトロイド面部を有する。第１の光学素子１４は、円弧を描くトロイド面部の直交する２つの断面の中で曲率半径が小さい断面および大きい断面が、それぞれ第１の方向ｄ１および第２の方向ｄ２に直交するように、配置される。
図２に示すように、第１の光学素子１４の入射面ｉｓは、第１の方向ｄ１において、各発光部位ｅｐから放出される各射出光を、後述の、対応する各レンズ要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃを形成する面内に集光可能に形成される。また、図３に示すように、第１の光学素子１４の入射面ｉｓは、第２の方向ｄ２において、各発光部位ｅｐから放出される各射出光を、対応する各レンズ要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃを形成する面内に集光可能に形成される。
第２の光学素子１５は、光学系１３の中で、光ファイバ１２に最も近くに配置されることが定められた射出面ｅｓを有する（図１参照）。射出面ｅｓは、任意の一方向に沿って並ぶ、複数であって少なくとも発光部位ｅｐの数以上、例えば本実施形態では３つのレンズ要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃを有する。各レンズ要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、第１の光学素子１４に入射した射出光を、光ファイバ１２に向けて出射する。複数のレンズ要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃが、第１の方向ｄ１に沿って並ぶように、第２の光学素子１５に配置される。各レンズ要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃはトロイド面状に形成され、したがって、射出面ｅｓはトロイド面部を有する。各レンズ要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、円弧を描くトロイド面の直交する２つの断面がそれぞれ第１の方向ｄ１および第２の方向ｄ２に直交するように配置される。
図４に示すように、各レンズ要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、各発光部位ｅｐから放出される各射出光を、第１の方向ｄ１において、集光させ、射出面ｅｓから所定の距離だけ離間させた単一の光ファイバ１２に入射可能に、形成される。各射出光を光ファイバ１２に入射させるために、任意の単一のレンズ要素、例えば、第１の方向ｄ１において中央のレンズ要素１６ｂ以外のレンズ要素１６ａ、１６ｃの光軸が、第１の方向ｄ１において当該単一のレンズ要素１６ｂの光軸から偏心するように、各レンズ要素１６ａ、１６ｃは形成される。または、各射出光を光ファイバ１２に入射させるために、任意の単一の前記レンズ要素１６ｂ以外のレンズ要素１６ａ、１６ｃの光軸が、前記単一のレンズ要素１６ｂの光軸に対して、前記第２の方向に平行な直線を軸にして傾斜するように、各レンズ要素１６ａ、１６ｃが形成されてもよい。
なお、第１の方向ｄ１において光学系１３により集光される各射出光は、必ずしも１点に集光されるわけでなく、ある程度の幅を有する範囲内に集光されてもよく、さらには、当該幅が光ファイバ１２の第１クラッドの径を超えていてもよい。また、第１の方向ｄ１における、全射出光の集光範囲が必ずしも一致していなくてもよい。
図５に示すように、各レンズ要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、各発光部位ｅｐから放出される各射出光を、第２の方向ｄ２において、射出光毎に集光中心ｃｃをずらして（図６参照）、所定の距離だけ離間させた単一の光ファイバ１２に入射可能に、形成される。各射出光の集光中心ｃｃをずらして光ファイバ１２に入射させるために、各発光部位ｅｐから放出される各射出光を、第２の方向ｄ２において当該射出光別に異なる方向に屈折するように、各レンズ要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃは形成される（図５参照）。例えば、任意の単一のレンズ要素、例えば、第１の方向ｄ１における中央のレンズ要素１６ｂ以外のレンズ要素１６ａ、１６ｃの光軸が、第２の方向ｄ２において当該単一のレンズ要素１６ｂの光軸から偏心するように、各レンズ要素１６ａ、１６ｃは形成される。または、任意の単一の前記レンズ要素１６ｂ以外のレンズ要素１６ａ、１６ｃの光軸が、前記単一のレンズ要素１６ｂの光軸に対して、前記第１の方向ｄ１に平行な直線を軸にして傾斜するように、各レンズ要素１６ａ、１６ｃが形成されてもよい。
さらに、図２に示すように、第２の方向ｄ２から見て、互いに隣接する２つのレンズ要素（１６ａ、１６ｂ）、（１６ｂ、１６ｃ）は、第１の方向ｄ１および第２の方向ｄ２の何れにも垂直な方向、すなわち第３の方向ｄ３において連続するように、射出面ｅｓが形成される。
以上のような構成の第１の実施形態の光学系によれば、第２の方向ｄ２においては、複数の発光部位ｅｐから放出される、それぞれの射出光の集光中心ｃｃをずらして、単一の光ファイバ１２に入射させるので、光ファイバ１２の同じ位置への射出光の入射が防がれる。したがって、同一位置への入射による光ファイバ１２の入射面ｉｓの劣化が防がれるので、光ファイバ１２の寿命が長期化される。
また、第１の実施形態の光学系によれば、第２の方向ｄ２から見て、互いに隣接する２つのレンズ要素（１６ａ、１６ｂ）、（１６ｂ、１６ｃ）が第３の方向ｄ３において連続するので、隣接するレンズ要素（１６ａ、１６ｂ）、（１６ｂ、１６ｃ）間の段差が比較的小さい。隣接するレンズ要素（１６ａ、１６ｂ）、（１６ｂ、１６ｃ）間の段差が比較的小さいことは、次に説明するように、光学系１３を射出成型によって形成する場合に、有利な効果を奏する。射出成型においては、隣接するレンズ要素間に段差が大きくなるほど、当該段差部分にガラスを充填するためにより大きな成型荷重が必要となり、金型の劣化が生じやすいことが一般的である。さらに、金型には靭性が比較的低いタングステンカーバイドおよびセラミックスが材料として用いられることが一般的であり、段差があるとチッピングが発生しやすいという性質を有する。それゆえ、本実施形態のような段差が比較的小さい構成によれば、光学系１３を射出成型によって製造する場合に、金型の劣化が抑制される。
また、第１の実施形態の光学系によれば、屈折率が１．７以上の硝子材料を用いて光学系１３を形成するので、第１の光学素子１４の入射面ｉｓの、第１の方向ｄ１および第２の方向ｄ２それぞれに垂直な平面による断面における曲率半径を大きくしても、射出光が十分に集光可能となる。曲率半径が大きいので、光学系１３の製造が容易となる。
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態では、光学系の第１の光学素子の入射面および第２の光学素子の射出面の構成が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成を有する部位には同じ符号を付す。
第２の実施形態において、第１の実施形態と同様に、光学系１３０は、屈折率が１．７以上である硝子材料によって、図７に示すように、第１の光学素子１４０および第２の光学素子１５０を含んで、構成される。第１の光学素子１４０および第２の光学素子１５０は、例えば互いに離間するように、配置される。ただし、第１の光学素子１４０および第２の光学素子１５０を一体化させた形態で、光学系１３０が形成されていてもよい。
第１の光学素子１４０の入射面ｉｓは、第１の方向ｄ１に沿って並ぶ、複数であって少なくとも発光部位ｅｐの数以上、例えば本実施形態では３つのレンズ要素１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃを有する。入射面ｉｓの各レンズ要素１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃは非球面状に形成され、入射面ｉｓは非球面を有する。入射面ｉｓの各レンズ要素１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃは、各光軸が第１の方向ｄ１に垂直となるように配置される。入射面ｉｓの各レンズ要素１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃは、第１の方向ｄ１および第２の方向ｄ２において、各発光部位ｅｐから放出する射出光それぞれを、対応する射出面ｅｓの各レンズ要素１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃを形成する面内に集光する。
第１の実施形態と同様に、第２の光学素子１５０は、光学系１３０の中で、光ファイバ１２に最も近くに配置されることが定められた射出面ｅｓを有する。第１の実施形態と同様に、射出面ｅｓは、任意の一方向に沿って並ぶ、複数であって少なくとも発光部位ｅｐの数以上、例えば本実施形態では３つのレンズ要素１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃを有する。
第２の光学素子１５０には、複数のレンズ要素１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃが第１の方向ｄ１に沿って並ぶように、配置される。各レンズ要素１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃは、非球面状に形成される。各レンズ要素１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃの非球面は、各発光部位ｅｐから放出される各射出光を、第１の方向ｄ１において集光させ射出面ｅｓから所定の距離だけ離間させた単一の光ファイバ１２に入射させ、かつ第２の方向ｄ２において射出光毎に集光中心ｃｃをずらして、所定の距離だけ離間させた単一の光ファイバ１２に入射可能に、形成される。
以上のような構成の第２の実施形態の光学系によっても、第２の方向ｄ２においては、光ファイバ１２の同じ位置への射出光の導光が防がれるので、光ファイバ１２の寿命が長期化される。また、第２の実施形態の光学系によっても、第２の方向から見て、入射面ｉｓおよび射出面ｅｓにおいて、互いに隣接する２つのレンズ要素（１６０ａ、１６０ｂ）、（１６０ｂ、１６０ｃ）、（１７０ａ、１７０ｂ）、（１７０ｂ、１７０ｃ）が、第３の方向ｄ３において連続するように形成可能である。したがって、隣接するレンズ要素（１６０ａ、１６０ｂ）、（１６０ｂ、１６０ｃ）、（１７０ａ、１７０ｂ）、（１７０ｂ、１７０ｃ）間の段差が比較的小さく、光学系１３を射出成型によって製造する場合に金型の劣化が抑制される。また、第２の実施形態の光学系によっても、屈折率が１．７以上の硝子材料を用いて光学系１３０を形成するので、第１の光学素子１４０の入射面ｉｓを平面状に形成しても、射出光が十分に集光可能である。
本発明を諸図面や実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
例えば、第２の実施形態において、入射面は、非球面を有するが、球面または平面を有する構成であってもよい。平面である場合には、射出面ｅｓによって、各発光部位ｅｐから放出する射出光それぞれを、対応する射出面ｅｓの各レンズ要素１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃを形成する面内に集光させれば、本実施形態と同様の効果が得られる。
１０ ファイバレーザ装置
１１ 光源ユニット
１２ 光ファイバ
１３、１３０ 光学系
１４、１４０ 第１の光学素子
１５、１５０ 第２の光学素子
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ 射出面のレンズ要素
１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃ 入射面のレンズ要素
ｃｃ 集光中心
ｄ１ 第１の方向
ｄ２ 第２の方向
ｄ３ 第３の方向
ｅｐ 発光部位
ｅｓ 射出面
ｉｓ 入射面

Claims (13)

  1. 複数の発光部位、光学系及び光ファイバを備えたファイバレーザ装置に用いられる、光学系であって、
    第１の方向に沿って並ぶように配置される前記複数の発光部位から放出される射出光を、少なくとも前記第１の方向に垂直な第２の方向においては、前記複数の発光部位から放出されるそれぞれの射出光の集光中心をずらして、単一の前記光ファイバに、入射させるように構成され、
    前記光ファイバに最も近くに配置されることが定められた射出面が、複数のレンズ要素が前記第１の方向に沿って並ぶレンズアレイを有するとともに、前記複数の発光部位から放出される射出光を、前記第２の方向において該射出光別に異なる方向に屈折させるように構成されており、
    前記射出面は、前記第１の方向に垂直な断面が円弧状であるトロイド面部を有する
    ことを特徴とする光学系。
  2. 複数の発光部位、光学系及び光ファイバを備えたファイバレーザ装置に用いられる、光学系であって、
    第１の方向に沿って並ぶように配置される前記複数の発光部位から放出される射出光を、少なくとも前記第１の方向に垂直な第２の方向においては、前記複数の発光部位から放出されるそれぞれの射出光の集光中心をずらして、単一の前記光ファイバに、入射させるように構成され、
    前記光ファイバに最も近くに配置されることが定められた射出面が、複数のレンズ要素が前記第１の方向に沿って並ぶレンズアレイを有するとともに、前記複数の発光部位から放出される射出光を、前記第２の方向において該射出光別に異なる方向に屈折させるように構成されており、
    前記発光部位に最も近くに配置されることが定められた入射面が、前記第１の方向に垂直な断面が円弧状であるトロイド面部を有する
    ことを特徴とする光学系。
  3. 請求項１又は２に記載の光学系であって、
    前記第２の方向から見て、隣接する２つの前記レンズ要素は、前記第１の方向および前記第２の方向のいずれにも垂直な方向において連続する
    ことを特徴とする光学系。
  4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の光学系であって、
    任意の単一の前記レンズ要素以外のレンズ要素の光軸が、前記第２の方向において、前記単一のレンズ要素の光軸から偏心している
    ことを特徴とする光学系。
  5. 請求項１〜３の何れか１項に記載の光学系であって、
    任意の単一の前記レンズ要素以外のレンズ要素の光軸が、前記単一のレンズ要素の光軸に対して、前記第１の方向に平行な直線を軸にして、傾斜している
    ことを特徴とする光学系。
  6. 請求項２に記載の光学系であって、
    前記射出面は、非球面を有する
    ことを特徴とする光学系。
  7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の光学系であって、
    前記複数のレンズ要素は、前記複数の発光部位から放出される射出光を、前記第１の方向において、集光して前記単一の光ファイバに入射させる
    ことを特徴とする光学系。
  8. 請求項７に記載の光学系であって、
    任意の単一の前記レンズ要素以外のレンズ要素の光軸が、前記第１の方向において、前記単一のレンズ要素の光軸から偏心している
    ことを特徴とする光学系。
  9. 請求項７に記載の光学系であって、
    任意の単一の前記レンズ要素以外のレンズ要素の光軸が、前記単一のレンズ要素の光軸に対して、前記第２の方向に平行な直線を軸にして、傾斜している
    ことを特徴とする光学系。
  10. 請求項１から９の何れか１項に記載の光学系であって、
    前記発光部位に最も近くに配置されることが定められた入射面が、複数のレンズ要素が前記第１の方向において並ぶように配置されるレンズアレイを有する
    ことを特徴とする光学系。
  11. 請求項１に記載の光学系であって、
    前記発光部位に最も近くに配置されることが定められた入射面が、前記第１の方向に垂直な断面が円弧状であるトロイド面部を有する
    ことを特徴とする光学系。
  12. 請求項１に記載の光学系であって、
    前記発光部位に最も近くに配置されることが定められた入射面が、非球面または球面を有する
    ことを特徴とする光学系。
  13. 請求項１から１２の何れか１項に記載の光学系であって、
    屈折率が１．７以上の硝子材料によって形成される
    ことを特徴とする光学系。
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