JP6436963B2 - 検出装置、ファイバレーザ、ファイバレーザシステム - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を検出する検出装置に関する。また、そのような検出装置を備えたファイバレーザ及びファイバレーザシステムに関する。

材料加工の分野では、近年、ファイバレーザが広く用いられている。ファイバレーザは、コアに希土類が添加された光ファイバ（以下、「増幅ファイバ」と呼ぶ）を増幅媒質するレーザ装置であり、レーザ光を連続的に出力する連続発振型（共振器型）のファイバレーザと、レーザ光を間欠的に出力するパルス発振型（ＭＯＰＡ型）のファイバレーザとがそれぞれ広く用いられている。また、ファイバレーザには、連続的又は間欠的なレーザ光を出力光とするものの他に、連続発振型又はパルス発振型のファイバレーザの後段に接続された光ファイバ（以下、「ラマンファイバ」と呼ぶ）における誘導ラマン散乱により生じたストークス光を出力光とするものがある。何れの場合も、出力光は、デリバリファイバにより加工対象物の近傍に導かれ、デリバリファイバの先端に接続されたヘッド部を介して加工対象物に照射される。

ところで、加工用のファイバレーザでは、フィードバック制御や異常検知などを行うために、出力光のパワーをモニタする必要がある。出力光のパワーをモニタする方法としてとしては、（１）デリバリファイバに入射した出力光をカプラによって照射用出力光とモニタ用出力光とに分岐し、モニタ用出力光を光検出器によって検出する方法や、（２）デリバリファイバに入射した出力光の一部を屈曲部又は融着点から漏出させ、漏出した光を光検出器によって検出する方法が広く用いられている。

しかしながら、前者の方法には、カプラという部品が増えたこと、及び、デリバリファイバにカプラを挿入するという工程が増えたことに伴い、製造コストが上昇するという問題があった。また、後者の方法には、デリバリファイバに屈曲部又は融着点を形成するという工程が増えたことに伴い、製造コストが上昇するという問題（モニタ用出力光を漏出させるための屈曲部又は融着点を新たに形成する場合）、又は、出力光を検出する箇所が屈曲部又は融着点の近傍に限られるという問題（既存の屈曲部又は融着点からモニタ用出力光を漏出させる場合）があった。さらに、これらの方法は、出力光のパワーをモニタするために、出力光の一部を消費する方法である。したがって、これらの方法には、出力光のパワーをモニタするために、出力光の損失が不可避的に生じるという共通の問題があった。

これらの問題を生じさせることなく、出力光のパワーをモニタするための方法としては、デリバリファイバを伝播する出力光自体を検出するのではなく、出力光を被散乱光とするレイリー散乱の散乱光（以下、「レイリー散乱光」と呼ぶ）を検出する方法が知られている。デリバリファイバを伝播する出力光のパワーと、デリバリファイバにて生じるレイリー散乱光のパワーとの間には一定の対応関係があるので、レイリー散乱光のパワーから出力光のパワーを算出することができる。

特許文献１には、光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を検出するセンサユニットが開示されている。このセンサユニットでは、底面が光検出器の受光面と対向するよう凹部を配置し、光ファイバの側面から光検出器側と反対側に漏出したレイリー散乱光を凹部底面にて反射する構成が採用されている。凹部底面の曲率は、反射したレイリー散乱光が受光素子の受光面上で合焦するように決められている。このため、光検出器には、光ファイバの側面から光検出器側に漏出したレイリー散乱光に加えて、光ファイバの側面から光検出器と反対側に漏出したレイリー散乱光が入射する。これにより、パワーを精度良く測定するために十分な量のレイリー散乱光を光検出器に入射させることができる。

特表２０１５−５２５３４２号公報（２０１５年９月３日公開）

しかしながら、特許文献１に記載のセンサユニットのように、光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を反射して光検出器に入射させる場合、光ファイバの側面から漏出するレイリー散乱光の光量が一定であっても、光ファイバ、反射体、及び光検出器の位置関係が変化すると、光検出器に入射するレイリー散乱光の光量が変化する。

特に、特許文献１に記載のセンサユニットにおいては、反射したレイリー散乱光が受光素子の受光面上で合焦するように、反射体の反射面を凹面化する構成が採用されている。このため、光ファイバ、反射体、及び光検出器の位置関係の僅かな変化により、光検出器に入射するレイリー散乱光の光量が有意に変化する。すなわち、光ファイバ、反射体、及び光検出器の位置関係の僅かな変化により、モニタ値（検出したレイリー散乱光のパワーから算出した出力光のパワー）に含まれる誤差が有意に増加する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を検出する検出装置において、光ファイバ、反射体、及び光検出器の相対位置の変化に伴う、モニタ値に含まれる誤差の増加を、従来よりも小さく抑えた検出装置を実現することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る検出装置は、光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を検出する検出装置において、受光面を有する受光素子と、上記光ファイバを介して上記受光面と対向する反射面を有する反射体と、を備えており、上記反射体の上記反射面は、平坦である。

上記の構成によれば、受光素子の受光面と反射体の反射面とが光ファイバを介して互いに対向している。このため、光ファイバの側面から受光素子に向かって漏出したレイリー散乱光に加えて、光ファイバの側面から反射体に向かって漏出した後、反射体の反射面にて受光素子に向かって反射されたレイリー散乱光を、受光素子の受光面に入射させることができる。すなわち、反射体が存在しない場合よりも、光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を効率的に受光素子に受光させることができる。しかも、上記の構成によれば、反射体の反射面が平坦である。したがって、反射体の反射面が凹面である場合よりも、光ファイバ、反射体、及び受光素子の相対位置の変化に伴って生じる、モニタ値に含まれる誤差の増加を小さく抑えることができる。

本発明の一態様に係る検出装置において、上記反射体の上記反射面には、金メッキが施されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、反射体の反射面に金メッキが施されていない場合よりも、光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を効率的に受光素子に受光させることが可能になる。

本発明の一態様に係る検出装置において、上記受光素子を保持する受光素子ホルダを更に備えており、上記受光素子ホルダの表面には、黒アルマイト加工が施されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光以外の光（例えば、融着点から漏出した光）が、受光素子ホルダの表面にて反射されて受光素子に入射することを抑制できる。したがって、光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光以外の光が受光素子に受光されることに伴って生じる、モニタ値に含まれる誤差の増加を小さく抑えることができる。

本発明の一態様に係る検出装置において、上記受光素子の上記受光面は、上記レイリー散乱光を反射する枠体により取り囲まれている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記枠体にて上記反射体に向かって反射された後、反射体の反射面にて受光素子に向かって反射されたレイリー散乱光を、受光素子の受光面に入射させることができる。これにより、光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を更に効率的に受光素子に受光させることができる。

本発明の一態様に係る検出装置において、上記光ファイバの融着点を含む区間を保持するファイバホルダを更に備えており、上記受光素子ホルダは、上記ファイバホルダと一体化されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、光ファイバの融着点から漏出した光をファイバホルダにおいて熱に変換して外部に拡散させることができる。

本発明の一態様に係る検出装置において、上記ファイバホルダの表面には、黒アルマイト加工が施されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、光ファイバの融着点から漏出した光が、ファイバホルダにて反射されて受光素子に入射することを抑制できる。したがって、光ファイバの融着点から漏出した光が受光素子に受光されることに伴って生じる、モニタ値に含まれる誤差の増加を小さく抑えることができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るファイバレーザは、増幅ファイバ、及び、該増幅ファイバの両端に接続された１対のファイバブラッググレーティングにより構成された共振器と、上記共振器にて生成されたレーザ光を導波するデリバリファイバと、を備えたファイバレーザにおいて、上記デリバリファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を検出する検出装置として、本発明の一態様に係る検出装置を備えている。

上記の構成によれば、従来よりも精度の高いモニタ値を出力することが可能なファイバレーザ、あるいは、従来よりも精度の高いモニタ値に基づいて、従来よりも精度の高い制御を実行するファイバレーザを実現することができる。

本発明の一態様に係るファイバレーザにおいて、上記デリバリファイバは、上記検出装置よりも出力端側に、クラッドモードストリッパを含んでいる、ことが好ましい。

上記の構成によれば、モニタ値に対する反射光の影響を小さくすることができる。

本発明の一態様に係るファイバレーザにおいて、出力光のパワーの変動を小さくするように、上記検出装置にて検出されたレイリー散乱光のパワーに基づいて、励起光のパワーを制御する制御部を更に備えている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、従来よりも精度の高いモニタ値に基づいて、従来よりも精度の高いパワー制御を実行するファイバレーザを実現することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るファイバレーザシステムは、複数のファイバレーザと、上記複数のファイバレーザの各々にて生成されたレーザ光を合波するコンバイナと、上記コンバイナにて得られた出力光を導波する出力ファイバと、を備えたファイバレーザシステムにおいて、上記出力ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を検出する検出装置として、本発明の一態様に係る検出装置を備えている。

上記の構成によれば、従来よりも精度の高いモニタ値を出力することが可能なファイバレーザシステム、あるいは、従来よりも精度の高いモニタ値に基づいて、従来よりも精度の高い制御を実行するファイバレーザシステムを実現することができる。

本発明によれば、光ファイバ、反射体、及び光検出器の相対位置の変化に伴う、モニタ値に含まれる誤差の増加を、従来よりも小さく抑えた検出装置を実現することができる。

本発明に係る検出装置の第１の実施形態を示す図である。（ａ）は、その検出装置の分解斜視図であり、（ｂ）は、その検出装置の断面図である。 本発明に係る検出装置の第２の実施形態を示す図である。（ａ）は、その検出装置の分解斜視図であり、（ｂ）は、その検出装置の断面図である。 （ａ）は、実施例に係る検出装置を用いて検出されたレイリー散乱光のパワーから算出されたモニタ値に含まれる誤差の光出力依存性を示すグラフである。（ｂ）は、比較例に係る検出装置を用いて検出されたクラッドモード光のパワーから算出されたモニタ値に含まれる誤差の光出力依存性を示すグラフである。 図２に示す検出装置２において、反射プレートの上面が無加工の場合（アルミニウム素材が露出している場合）と、黒アルマイト加工（無反射加工）されている場合と、金メッキ加工（反射加工）されている場合とに関して、光ファイバの基準位置からのオフセット量と、フォトダイオードから出力される光電流の変化率（絶対値）との関係を示すグラフである。 図１又は図２に示す検出装置を備えたファイバレーザのブロック図である。 図１又は図２に示す検出装置を備えたファイバレーザシステムのブロック図である。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る検出装置１について、図１に基づいて説明する。図１において、（ａ）は、検出装置１の分解斜視図であり、（ｂ）は、検出装置１のＡ−Ａ’断面図である。

検出装置１は、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を検出するための装置であり、光検出器１１、ベースプレート１２、ＰＤホルダ１３、トッププレート１４、フロントプレート１５、及びリアプレート１６を備えている。

光検出器１１は、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を検出するための構成である。本実施形態においては、光検出器１１として、フォトダイオード１１ａと、フォトダイオード１１ａを収容するＤＯ（Diode Outline）パッケージ１１ｂとを有する光検出器を用いている。ＤＯパッケージ１１ｂの一方の底面には、円形の貫通孔１３ａが形成されており、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光は、この貫通孔１３ａを介してフォトダイオード１１ａの受光面１１ａ１に入射する。フォトダイオード１１ａのアノード端子１１ａ２及びカソード端子１１ａ３は、ＤＯパッケージ１１ｂの他方の底面からＤＯパッケージ１１ｂの外部に引き出されている。

ベースプレート１２は、板状の部材であり、例えば、アルミニウムなどの金属により構成されている。ＰＤホルダ１３は、直方体状の部材であり、例えば、アルミニウムなどの金属により構成されている。ＰＤホルダ１３には、上面から下面に至る、断面が円形の貫通孔１３ａが形成されている。また、ＰＤホルダ１３の下面には、前面から後面に至る、断面が三角形の溝１３ｂが形成されている。ＰＤホルダ１３は、その下面がベースプレート１２の上面１２ａに当接するよう、ボルト（例えば、六角穴付ボルト）を用いてベースプレート１２に固定される。

光ファイバＯＦは、ＰＤホルダ１３に形成された溝１３ｂに収容され、ベースプレート１２とＰＤホルダ１３のとの間に挟み込まれる。光検出器１１は、フォトダイオード１１ａの受光面１１ａ１が光ファイバＯＦを介してベースプレート１２の上面１２ａと対向し、かつ、ＤＯパッケージ１１ｂの他方の底面（アノード端子１１ａ２及びカソード端子１１ａ３が引き出される方の底面）がＰＤホルダ１３の上面と面一になるように、ＰＤホルダ１３に形成された貫通孔１３ａに嵌挿される。

トッププレート１４は、円形の開口１４ａが形成された板状の部材であり、例えば、アルミニウムなどの金属により構成されている。トッププレート１４は、フォトダイオード１１ａのアノード端子１１ａ２及びカソード端子１１ａ３が開口１４ａを通るように、かつ、開口１４ａの周辺がＤＯパッケージ１１ｂの底面（アノード端子１１ａ２及びカソード端子１１ａ３が引き出される方の底面）を上方から押さえるように、ネジ（例えば、皿ネジ）を用いてＰＤホルダ１３に固定されている。

フロントプレート１５は、切り込み１５ａが形成された板状の部材を、側面から見てＬ字型になるように折り曲げたものであり、例えば、アルミニウムなどの金属により構成されている。フロントプレート１５は、山側の表面のうち稜線で隔てられた２つの領域の一方がＰＤホルダ１３の前面に当接し、他方がベースプレート１２の上面１２ａに当接するように、ボルト（例えば、六角穴付ボルト）を用いてＰＤホルダ１３の前面に固定されている。光ファイバＯＦは、切り込み１５ａを通ってＰＤホルダ１３の前方に引き出される。

リアプレート１６は、切り込み１６ａが形成された板状の部材を、側面から見てＬ字型になるように折り曲げたものであり、例えば、アルミニウムなどの金属により構成されている。リアプレート１６は、山側の表面のうち稜線で隔てられた２つの領域の一方がＰＤホルダ１３の背面に当接し、他方がベースプレート１２の上面１２ａに当接するように、ボルト（例えば、六角穴付ボルト）を用いてＰＤホルダ１３の背面に固定されている。光ファイバＯＦは、切り込み１６ａを通ってＰＤホルダ１３の後方に引き出される。

フロントプレート１５及びリアプレート１６は、光ファイバＯＦから漏出した光を吸収することによりＰＤホルダ１３において発生した熱をベースプレート１２に逃がすための放熱経路として機能する。このため、フロントプレート１５及びリアプレート１６を設けることによって、ＰＤホルダ１３の温度上昇を抑えることができる。

以上のように、検出装置１においては、フォトダイオード１１ａ（特許請求の範囲における「受光素子」の一例）の受光面１１ａ１とベースプレート１２（特許請求の範囲における「反射体」の一例）の上面１２ａ（特許請求の範囲における「反射面」の一例）とが、光ファイバＯＦを介して互いに対向している。このため、光ファイバＯＦの側面から上方に向かって漏出したレイリー散乱光に加えて、光ファイバＯＦの側面から下方に向かって漏出した後、ベースプレート１２の上面１２ａにて上方に向かって反射されたレイリー散乱光を、フォトダイオード１１ａの受光面１１ａ１に入射させることができる。すなわち、反射体であるベースプレート１２が存在しない場合よりも、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を効率的にフォトダイオード１１ａに受光させることができる。しかも、検出装置１においては、ベースプレート１２の上面１２ａ、すなわち、光ファイバＯＦの側面から漏出した光を反射する反射面が平坦である。したがって、ベースプレート１２の上面１２ａが凹面である場合よりも、光ファイバＯＦ、ベースプレート１２、及びフォトダイオード１１ａの相対位置の変化に伴うモニタ値に含まれる誤差の増加を小さく抑えることができる。

また、検出装置１においては、ＤＯパッケージ１１ｂにおいてフォトダイオード１１ａの受光面１１ａ１を取り囲む部分（特許請求の範囲における「枠体」の一例）が光ファイバＯＦの側面から上方に向かって漏出したレイリー散乱光を下方に向かって反射する。そして、ＤＯパッケージ１１ｂの当該部分にて下方に向かって反射されたレイリー散乱光の一部は、ベースプレート１２の上面１２ａにて上方に向かって反射され、フォトダイオード１１ａの受光面１１ａ１に入射する。このため、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を更に効率的にフォトダイオード１１ａに受光させることができる。

なお、ＰＤホルダ１３の厚みは、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー光が最も効率的にフォトダイオード１１ａの受光面１１ａ１に入射するように設定されていることが好ましい。本実施形態において、ＰＤホルダ１３の厚みは、光ファイバＯＦの光軸からＤＯパッケージ１１ｂの一方の底面（貫通孔１３ａが形成されている方の底面）までの距離が０．７ｍｍとなるように設定されている。

また、ベースプレート１２の上面１２ａには、金メッキ加工などの反射加工が施されていることが好ましい。これにより、ベースプレート１２の上面１２ａに反射加工が施されていない場合よりも、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を効率的に上方に反射することが可能になる。したがって、ベースプレート１２の上面１２ａに反射加工が施されていない場合よりも、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を効率的にフォトダイオード１１ａに受光させることが可能になる。上面１２ａに施す反射加工としては、金メッキ加工の他、ガラスを反射防止膜（ＡＲコーティング）によりコートする加工、ステンレス加工、アルミニウムに白アルマイトの表面処理（アルミニウム酸化防止のため）をする加工等が考えられる。ただし、ベースプレート１２の上面１２ａそれ自体の反射率が十分に高い場合には、反射加工を省略しても構わない。

また、ＰＤホルダ１３、フロントプレート１５、及びリアプレート１６の表面には、黒アルマイト加工などの無反射加工が施されていることが好ましい。これにより、ＰＤホルダ１３、フロントプレート１５、及びリアプレート１６の表面に無反射加工が施されていない場合よりも、光ファイバＯＦから漏出したレイリー散乱光以外の光がＰＤホルダ１３、フロントプレート１５、又はリアプレート１６の表面にて反射されてフォトダイオード１１ａに入射することを抑制できる。したがって、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光以外の光がフォトダイオード１１ａに受光されることに伴って生じる、モニタ値に含まれる誤差の増加を小さく抑えることができる。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る検出装置２について、図２に基づいて説明する。図２において、（ａ）は、検出装置２の分解斜視図であり、（ｂ）は、検出装置２のＡ−Ａ’断面図である。

検出装置２は、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を検出するための装置であり、光検出器２１、ファイバホルダ２２、ＰＤホルダ２３、反射プレート２４、及びトッププレート２５を備えている。

光検出器２１は、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を検出するための構成である。本実施形態においては、光検出器２１として、フォトダイオード２１ａ（特許請求の範囲における「受光素子」の一例）と、フォトダイオード２１ａを収容するＤＯ（Diode Outline）パッケージ２１ｂとを有する光検出器を用いている。ＤＯパッケージ２１ｂの一方の底面には、円形の開口２３ａが形成されており、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光は、この開口２３ａを介してフォトダイオード２１ａの受光面２１ａ１に入射する。フォトダイオード２１ａのアノード端子２１ａ２及びカソード端子２１ａ３は、ＤＯパッケージ２１ｂの他方の底面からＤＯパッケージ２１ｂの外部に引き出されている。

ファイバホルダ２２は、直方体状の部材であり、例えば、アルミニウムなどの金属により構成されている。ファイバホルダ２２は、上面に段差２２ａが形成されており、段差２２ａよりも前方にある部分（以下、「肉薄部」と呼ぶ）の厚みが、段差２２ａよりも後方にある部分（以下、「肉厚部」と呼ぶ）の厚みよりも薄くなっている。ファイバホルダ２２の肉薄部には、上面から下面に至る、断面が円形の貫通孔２２ｂが形成されている。また、ファイバホルダ２２の上面には、前面から後面に至る、断面が長方形の溝２２ｃが形成されている。

ＰＤホルダ２３は、上面視形状がファイバホルダ２２の肉薄部と略一致する板状の部材であり、例えば、アルミニウムなどの金属により構成されている。ＰＤホルダ２３には、上面から下面に至る、円形の開口２３ａが形成されている。ＰＤホルダ２３は、その下面がファイバホルダ２２の上面に当接するように、かつ、その開口２３ａがファイバホルダ２２の貫通孔２２ｂと連通するように、ボルト（例えば、六角穴付ボルト）を用いてファイバホルダ２２の肉薄部に固定される。ＰＤホルダ２３の厚みは、段差２２ａの高さと略一致しており、ＰＤホルダ２３の上面は、ファイバホルダ２２の肉厚部の上面と面一になる。

光ファイバＯＦは、ファイバホルダ２２に形成された溝２５ｃに収容され、ファイバホルダ２２とＰＤホルダ２３との間に挟み込まれる。この際、ファイバホルダ２２とＰＤホルダ２３との間に挟み込まれるのは、光ファイバＯＦのうち、融着を含まない区間である。光検出器２１は、ＤＯパッケージ２１ｂの他方の底面（アノード端子２１ａ２及びカソード端子２１ａ３が引き出される方の底面）がＰＤホルダ２３の上面と面一になるように、ＰＤホルダ２３に形成された開口２３ａに上方から嵌挿される。光検出器２１は、ボルト２６ａを用いてＰＤホルダ２３に固定されたワッシャ２６ｂによって、上方から押さえられる。

反射プレート２４は、円盤上の部材であり、例えば、アルミニウムなどの金属により構成されている。反射プレート２４は、その上面２４ａが光ファイバＯＦを介してフォトダイオード２１ａの受光面２１ａ１と対向するように、ファイバホルダ２２に形成された貫通孔２２ｂに下方から嵌挿される。この際、反射プレート２４から左右に突出した凸部２４ｂを、ファイバホルダ２２の下面に形成された凹部２２ｄと嵌合させることで、反射プレート２４の位置決めがなされる。

トッププレート２５は、上面視形状がファイバホルダ２２の肉厚部と略一致する板状の部材であり、例えば、アルミニウムなどの金属によって構成されている。トッププレート２５は、その下面がファイバホルダ２２の上面に当接するように、ボルト（例えば、六角穴付ボルト）を用いてファイバホルダ２２の肉厚部に固定される。これにより、光ファイバＯＦは、ファイバホルダ２２とトッププレート２５との間に挟み込まれる。この際、ファイバホルダ２２とトッププレート２５との間に挟み込まれるのは、光ファイバＯＦのうち、融着点Ｐを含む区間である。光ファイバＯＦの融着点Ｐから漏出した光（不要な残留励起光など）は、ファイバホルダ２２に吸収されて熱に代わる。

以上のように、検出装置２においては、フォトダイオード２１ａ（特許請求の範囲における「受光素子」の一例）の受光面２１ａ１と反射プレート２４（特許請求の範囲における「反射体」の一例）の上面２４ａ（特許請求の範囲における「反射面」の一例）とが、光ファイバＯＦを介して互いに対向している。このため、光ファイバＯＦの側面から上方に向かって漏出したレイリー散乱光に加えて、光ファイバＯＦの側面から下方に向かって漏出した後、反射プレート２４の上面２４ａにて上方に向かって反射されたレイリー散乱光を、フォトダイオード２１ａの受光面２１ａ１に入射させることができる。すなわち、反射体である反射プレート２４が存在しない場合よりも、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を効率的にフォトダイオード２１ａに受光させることができる。しかも、検出装置２において、反射プレート２４の上面２４ａ、すなわち、光ファイバＯＦの側面から漏出した光を反射する反射面は、平坦である。したがって、反射プレート２４の上面２４ａが凹面である場合よりも、光ファイバＯＦ、反射プレート２４、及びフォトダイオード２１ａの相対位置の変化に伴うモニタ値に含まれる誤差の増加を小さく抑えることができる。

また、検出装置２においては、ＤＯパッケージ２１ｂにおいてフォトダイオード２１ａの受光面２１ａ１を取り囲む部分（特許請求の範囲における「枠体」の一例）が光ファイバＯＦの側面から上方に向かって漏出したレイリー散乱光を下方に向かって反射する。そして、ＤＯパッケージ２１ｂの当該部分にて下方に向かって反射されたレイリー散乱光の一部は、反射プレート２４の上面２４ａにて上方に向かって反射され、フォトダイオード２１ａの受光面２１ａ１に入射する。このため、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を更に効率的にフォトダイオード２１ａに受光させることができる。

なお、ＰＤホルダ２３の厚みは、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー光が最も効率的にフォトダイオード２１ａの受光面２１ａ１に入射するように設定されていることが好ましい。本実施形態において、ＰＤホルダ２３の厚みは、光ファイバＯＦの光軸からＤＯパッケージ２１ｂの一方の底面（開口２３ａが形成されている方の底面）までの距離が０．４ｍｍとなるように設定されている。

また、反射プレート２４の上面２４ａには、金メッキ加工などの反射加工が施されていることが好ましい。これにより、反射プレート２４の上面２４ａに反射加工が施されていない場合よりも、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を効率的に上方に反射することが可能になる。したがって、反射プレート２４の上面２４ａに反射加工が施されていない場合よりも、光ファイバＯＦの側面から漏出したレイリー散乱光を効率的にフォトダイオード２１ａに受光させることが可能になる。上面２４ａに施す反射加工としては、第１の実施形態と同様に、金メッキ加工の他、ガラスを反射防止膜（ＡＲコーティング）によりコートする加工、ステンレス加工、アルミニウム酸化防止のためにアルミニウムに白アルマイトの表面処理をする加工等が考えられる。ただし、反射プレート２４の上面２４ａそれ自体の反射率が十分に高い場合には、反射加工を省略しても構わない。

また、ファイバホルダ２２、ＰＤホルダ２３、及びトッププレート２５の表面には、黒アルマイト加工などの無反射加工が施されていることが好ましい。これにより、ファイバホルダ２２、ＰＤホルダ２３、及びトッププレート２５の表面に無反射加工が施されていない場合よりも、光ファイバＯＦの融着点Ｐから漏出した光がファイバホルダ２２、ＰＤホルダ２３、又はトッププレート２５に反射されてフォトダイオード２１ａに入射することを抑制できる。したがって、光ファイバＯＦの融着点Ｐから漏出した光がフォトダイオード２１ａに受光されることに伴って生じる、モニタ値に含まれる誤差の増加を小さく抑えることができる。特に、本実施形態において、ＰＤホルダ２３は、ファイバホルダ２２の肉薄部の上面に載置されており、ＰＤホルダ２３の下面は、ファイバホルダ２２の肉厚部の上面に載置されたトッププレート２５の下面よりも下方に位置する。このため、光ファイバＯＦから漏出した後、溝２２ｃ内を伝播する光の一部は、ＰＤホルダ２３の後端２３ｂによって遮られる。すなわち、ＰＤホルダ２３は、その後端２３ｂが光ファイバＯＦの融着点Ｐから漏出した光を遮り、フォトダイオード２１ａへの入射を防ぐように配置されている。このため、上記の効果がより顕著になる。

また、光ファイバＯＦの融着点Ｐは、ファイバホルダ２２に形成された溝２２ｃの内部で、光ファイバＯＦのクラッドよりも屈折率の高い樹脂２７に埋設されていることが好ましい。これにより、クラッドモード光（クラッドを伝播する光）を除去することができ、その結果、ファイバホルダ２２よりも出力側に配置されたフォトダイオード２１ａにクラッドモード光が入射することを抑制することができる。したがって、モニタ値に含まれる誤差の増加を更に小さく抑えることができる。なお、クラッドモード光としては、光ファイバＯＦの融着点においてコアからクラッドに漏れた光や、残留励起光などを挙げることができる。

〔検出装置の特性〕
第２の実施形態に係る検出装置２の特性について、図３〜４に基づいて説明する。なお、第１の実施形態に係る検出装置１の特性についても、第２の実施形態に係る検出装置２の特性と同等である。

まず、レイリー散乱光をモニタする実施例に係る検出装置２と、クラッドモード光をモニタする比較例に係る検出装置とに関して、モニタ値に含まれる誤差の光出力依存性を比較した結果を図３に示す。図３において、（ａ）は、実施例に係る検出装置２にて得られたレイリー散乱光のパワーから算出されたモニタ値に含まれる誤差の推定値を示すグラフであり、（ｂ）は、比較例に係る検出装置にて得られたクラッドモード光のパワーから算出されたモニタ値に含まれる誤差の推定値を示すグラフである。

レイリー散乱光のパワーから算出されたモニタ値に含まれる誤差は、図３の（ａ）に示すとおり、±１％以下であるのに対して、クラッドモード光のパワーから算出されたモニタ値に含まれる誤差は、図３の（ｂ）に示すとおり、±１０％以上である。この結果は、レイリー散乱光をモニタする実施例に係る検出装置２を用いることによって、クラッドモード光をモニタする比較例に係る検出装置を用いるよりも精度の高いモニタ値を得られることを示している。

次に、実施例に係る検出装置２の反射プレート２４の上面２４ａが無加工の場合（アルミニウム素材が露出している場合）と、黒アルマイト加工（無反射加工）されている場合、金メッキ加工（反射加工）されている場合とに関して、光ファイバＯＦの基準位置（光軸がフォトダイオード２１ａの受光面２１ａ１の中心と重なる位置）からのオフセット量と、フォトダイオード１１ａから出力される光電流（レイリー散乱光のパワーに比例）の変化率（絶対値）との関係を示すグラフである。

反射プレート２４の上面２４ａが無加工である場合、光ファイバＯＦを基準位置から１ｍｍオフセットすると、フォトダイオード１１ａから出力される光電流が１５％変化すると推定される。

これに対して、反射プレート２４の上面２４ａが黒アルマイト加工されている場合、フォトダイオード１１ａから出力される光電流は、オフセット量が０ｍｍのとき５２．２０μＡであり、オフセット量が１ｍｍのとき４２．７５μＡであった。すなわち、光ファイバＯＦが基準位置から１ｍｍオフセットすると、フォトダイオード１１ａから出力される光電流が１８．１％変化することが確かめられた。この結果は、光ファイバＯＦのオフセットに伴うモニタ値に含まれる誤差の増加が、反射プレート２４の上面２４ａの反射率を下げることによって促進されることを意味する。

また、反射プレート２４の上面２４ａが金メッキ加工されている場合、フォトダイオード１１ａから出力される光電流は、オフセット量が０ｍｍのとき９４．６５μＡであり、オフセット量が１ｍｍのとき８９．５５μＡであった。すなわち、光ファイバＯＦが基準位置から１ｍｍオフセットすると、フォトダイオード１１ａから出力される光電流が５．４％変化することが確かめられた。この結果は、光ファイバＯＦのオフセットに伴うモニタ値に含まれる誤差の増加が、反射プレート２４の上面２４ａの反射率を上げることによって抑制されることを意味する。

〔適用例１〕
第１の実施形態に係る検出装置１及び第２の実施形態に係る検出装置２は、ファイバレーザＦＬに適用することができる。図５は、ファイバレーザＦＬのブロック図である。

ファイバレーザＦＬは、コアに希土類が添加された増幅ファイバＡＦと、増幅ファイバＡＦの一端に接続された、ミラーとして機能する第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧ１と、増幅ファイバＡＦの他端に接続された、ハーフミラーとして機能する第２のファイバブラッググレーティングＦＢＧ２と、により構成された共振器を有する連続発振型のファイバレーザである。第１のファイバブラッググレーティングＦＢＧ１には、ポンプコンバイナＰＣを介して、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６が接続されており、第２のファイバブラッググレーティングＦＢＧ２には、デリバリファイバＤＦが接続されている。レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６は、共振器に供給する励起光を生成するための構成であり、デリバリファイバＤＦは、共振器にて生成されたレーザ光を加工対象物に導くための構成である。共振器にて生成されたレーザ光は、デリバリファイバＤＦを導波された後、デリバリファイバＤＦの先端に設けられたヘッドＨを介して加工対象物に照射される。

デリバリファイバＤＦには、デリバリファイバＤＦから漏出したレイリー散乱光を検出するための検出装置ＤＤが装着されている。第１の実施形態に係る検出装置１及び第２の実施形態に係る検出装置２は、この検出装置ＤＤとして用いることができる。

ファイバレーザＦＬは、更に、不図示の制御部を備えている。この制御部は、検出装置ＤＤにて検出されたレイリー散乱光のパワーから、出力光のパワーを示すモニタ値を算出する。また、この制御部は、出力光のパワーの変動を小さくするように、検出装置ＤＤにて検出されたレイリー散乱光のパワーに基づいて、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６にて生成される励起光のパワーを制御する。

なお、デリバリファイバＤＦから漏出するレイリー散乱光には、デリバリファイバＤＦを順方向に伝播する出力光に由来するものの他に、デリバリファイバＤＦを逆方向に伝播する戻光に由来するものが含まれる。このため、出力光のパワーを精度良くモニタするためには、戻光に由来するレイリー散乱光が検出装置ＤＤへの入射を抑制することが好ましい。

このため、ファイバレーザＦＬにおいては、デリバリファイバＤＦの検出装置ＤＤよりも出力端側にクラッドモードストリッパＣＭＳを設ける構成を採用している。ここで、クラッドモードストリッパＣＭＳとは、デリバリファイバＤＦの被覆を除去し、その最外殻クラッド（シングルクラッドファイバにおけるクラッドやダブルクラッドファイバにおける外側クラッドなど）を、その最外殻クラッドよりも屈折率の高い樹脂等で覆った構造のことを指す。クラッドモードストリッパＣＭＳを設けることによって、デリバリファイバＤＦの最外殻クラッドを導波される戻光（クラッドモード光）が、検出装置ＤＤにノイズとして入射することを抑制できる。なお、クラッドモードストリッパＣＭＳを設ける構成の他に、デリバリファイバＤＦの被覆の一部を除去することによって、被覆の内部を導波される光を被覆の外部に漏出させる構成を採用してもよい。これにより、デリバリファイバＤＦの被覆を導波される光が、検出装置ＤＤにノイズとして入射することを抑制できる。

なお、デリバリファイバＤＦのコアを導波される戻光は、クラッドモードストリッパＳＭＳによっても除去することができない。しかしながら、戻光に由来するレイリー散乱光と出力光に由来するレイリー散乱光とでは、その波形が異なる。より具体的には、戻光に由来するレイリー散乱光の波形の幅（例えば、半値幅）は、出力光に由来するレイリー散乱光の波形の幅よりも小さくなる。したがって、（１）検出装置ＤＤにて検出されたレイリー散乱光が戻光に由来するものであるのか出力光に由来するものであるのかを、その波形に基づいて（例えば、その波形の幅を予め定められた基準値と比較することによって）判定し、（２）出力光に由来すると判定されたレイリー散乱光のパワーをモニタすることによって、出力光及び反射光のパワーを精度良くモニタすることができる。

なお、ここでは、デリバリファイバＤＦから漏出したレイリー散乱光のパワーを参照して出力光のパワーをモニタする構成について説明したが、デリバリファイバＤＦから漏出したレイリー散乱光のパワーを参照して戻光のパワーをモニタする構成を採用することもできる。この場合、上述したクラッドモードストリッパＣＭＳを省略することによって、デリバリファイバＤＦのコアを導波される戻光のみならず、デリバリファイバＤＦのクラッドを導波される戻光を検出装置ＤＤに入射させる構成を採用してもよいし、上述したクラッドモードストリッパＣＭＳを省略せずに、デリバリファイバＤＦのコアを導波される戻光のみを検出装置ＤＤに入射させる構成を採用してもよい。（１）検出装置ＤＤにて検出されたレイリー散乱光が戻光に由来するものであるのか出力光に由来するものであるのかを、その波形に基づいて（例えば、その波形の幅を予め定められた基準値と比較することによって）判定し、（２）戻光に由来すると判定されたレイリー散乱光のパワーをモニタすることによって、戻光のパワーを精度良くモニタすることができる。

〔適用例２〕
第１の実施形態に係る検出装置１及び第２の実施形態に係る検出装置２は、ファイバレーザシステムＦＬＳにも適用することができる。図６は、ファイバレーザシステムＦＬＳのブロック図である。

ファイバレーザシステムＦＬＳは、複数のファイバレーザＦＬ１〜ＦＬ６と、各ファイバレーザＦＬｉにて生成されたレーザ光を合波することによって出力光を得る出力コンバイナＯＣと、出力コンバイナＯＣにて得られた出力光を加工対象物へと導く出力ファイバＯＦと、により構成されている。

出力ファイバＯＦには、出力ファイバＯＦから漏出したレイリー散乱光を検出するための検出装置ＤＤが装着されている。ファイバレーザシステムＦＬＳの制御部（不図示）は、検出装置ＤＤにて検出されたレイリー散乱光のパワーから、出力光のパワーを示すモニタ値を算出する。第１の実施形態に係る検出装置１及び第２の実施形態に係る検出装置２は、この検出装置ＤＤとして用いることができる。

ファイバレーザシステムＦＬＳの制御部は、個々のファイバレーザＦＬｉの出力光のパワーを調整して、ファイバレーザシステムＦＬＳ全体の出力光のパワーをコントロールする。制御部は、例えば、ファイバレーザシステムＦＬＳ全体の出力光のパワーが下がった場合、個々のファイバレーザＦＬｉの出力光のパワーを均等に上昇させることによって、ファイバレーザシステムＦＬＳ全体の出力光のパワーを定格出力に維持する。

ここで、ファイバレーザＦＬＳ全体の出力光のパワーを定格出力に維持するために、個々のファイバレーザＦＬｉの出力光のパワーを均等に上昇させる構成の代わりに、劣化の程度が小さいファイバレーザＦＬｉの出力光のパワーを優先的に上昇させる構成を採用してもよい。これにより、ファイバレーザシステムＦＬＳ全体の長寿命化を図ることができる。

なお、ファイバレーザＦＬｉの劣化の程度の評価する方法として、制御部が、ファイバレーザＦＬの出力光のパワーの劣化度合いを、ある時点の出力光のパワーと、その時点から所定の期間経過した後の出力光のパワーとを比較することで判定する方法が挙げられる。例えば、制御部は、システム稼働時の出力光のパワーと、システム稼働時から所定の期間経過した後の出力光のパワーとを比較し、出力光のパワーの落ち幅を検出することで、ファイバレーザＦＬの出力光のパワーの劣化度合いを判断してもよい。制御部は、出力光のパワーの落ち幅が大きい程、ファイバレーザＦＬの出力光のパワーが劣化していると判断する。

１ 検出装置（第１の実施形態）
１１ 光検出器
１１ａ フォトダイオード（受光素子）
１１ａ１ フォトダイオードの受光面
１１ｂ ＤＯパッケージ（枠体）
１２ ベースプレート（反射体）
１２ａ ベースプレートの上面（反射面）
１３ ＰＤホルダ
１４ トッププレート
１５ フロントプレート
１６ リアプレート
２ 検出装置（第２の実施形態）
２１ 光検出器
２１ａ フォトダイオード（受光素子）
２１ａ１ フォトダイオードの受光面
２１ｂ ＤＯパッケージ（枠体）
２２ ファイバホルダ
２３ ＰＤホルダ
２４ 反射プレート（反射体）
２４ａ 反射プレートの上面（反射面）
２５ トッププレート
ＦＬ ファイバレーザ
Ｐ 融着点（反射光を除去するための構造）
ＦＬＳ ファイバレーザシステム

Claims (10)

1. 光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を検出する検出装置において、
   受光面を有する受光素子と、上記光ファイバを介して上記受光面と対向する平坦な反射面を有する反射体と、を備えており、
   上記受光素子の上記受光面は、上記レイリー散乱光を反射する枠体により取り囲まれており、上記枠体にて反射された上記レイリー散乱光は、上記反射面にて更に反射された後、上記受光面に入射する、
   ことを特徴とする検出装置。
2. 上記反射体の上記反射面には、金メッキ加工が施されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 上記受光素子を保持する受光素子ホルダを更に備えており、
   上記受光素子ホルダの表面には、黒アルマイト加工が施されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の検出装置。
4. 上記光ファイバの融着点を含む区間を保持するファイバホルダを更に備えており、
   上記受光素子ホルダは、上記ファイバホルダに固定されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
5. 上記ファイバホルダの表面には、黒アルマイト加工が施されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
6. 光ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を検出する検出装置において、
   受光面を有する受光素子と、
   上記光ファイバの融着点を含まない区間を介して上記受光面と対向する平坦な反射面を有する反射体と、
   上記光ファイバの融着点を含む区間を保持するファイバホルダと、を備えている、
   ことを特徴とする検出装置。
7. 増幅ファイバ、及び、該増幅ファイバの両端に接続された１対のファイバブラッググレーティングにより構成された共振器と、上記共振器にて生成されたレーザ光を導波するデリバリファイバと、を備えたファイバレーザにおいて、
   上記デリバリファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を検出する検出装置として、請求項１〜６の何れか１項に記載の検出装置を備えている、ことを特徴とするファイバレーザ。
8. 上記デリバリファイバは、上記検出装置よりも出力端側に、クラッドモードストリッパを含んでいる、ことを特徴とする請求項７に記載のファイバレーザ。
9. 出力光のパワーの変動を小さくするように、上記検出装置にて検出されたレイリー散乱光のパワーに基づいて、励起光のパワーを制御する制御部を更に備えている、
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載のファイバレーザ。
10. 複数のファイバレーザと、上記複数のファイバレーザの各々にて生成されたレーザ光を合波するコンバイナと、上記コンバイナにて得られた出力光を導波する出力ファイバと、を備えたファイバレーザシステムにおいて、
    上記出力ファイバの側面から漏出したレイリー散乱光を検出する検出装置として、請求項１〜６の何れか１項に記載の検出装置を備えている、
    ことを特徴とするファイバレーザシステム。

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