JP6560978B2 - 拡がり角測定装置、拡がり角測定方法、及びファイバレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、拡がり角測定装置、拡がり角測定方法、及びファイバレーザ装置に関する。

近年、産業分野で用いられる高出力レーザ装置として、ファイバレーザ装置が注目されている。このファイバレーザ装置は、従来の高出力レーザ装置（例えば、炭酸ガスレーザ装置）に比べて、ビーム品質（ＢＰＰ或いはＭ^２）が優れており集光性が高いという特徴を有する。このため、従来の炭酸ガスレーザ装置等に代えてファイバレーザ装置を用いれば、加工時間を短縮することができ、省エネルギーを図ることが可能である。

このようなファイバレーザ装置では、例えば経時劣化等によって、射出されるレーザ光の拡がり角が大きくなる可能性が考えられる。レーザ光の拡がり角が大きくなると、ビーム品質が悪化して加工特性が変化してしまう。このため、ファイバレーザ装置の性能を維持するためには、レーザ光の拡がり角をモニタし、モニタ結果に応じてファイバレーザ装置のメンテナンスを行う必要がある。

以下の特許文献１には、レーザビームの拡がり角を測定する従来技術の一例が開示されている。具体的に、以下の特許文献１には、測定対象のレーザビームの一部をビームスプリッタで分岐して測定用レンズ（焦点距離ｆ）で集光し、集光位置におけるビーム直径ｄをＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）カメラで計測し、ビーム拡がり角θを、θ＝ｄ／ｆなる計算式によって求める技術が開示されている。

特開平１０−４７９３８号公報

ところで、現状において、ファイバレーザ装置は、出力パワーが数十［Ｗ］程度の低出力のもの、数百［Ｗ］程度の中出力のもの、数［ｋＷ］程度の高出力ものものが実現されている。今後、高出力のファイバレーザ装置の研究開発は、出力パワーをより高める方向で行われると考えられ、将来的には数十〜百［ｋＷ］程度の出力パワーを有するファイバレーザ装置が実現される可能性がある。

上述した特許文献１に開示された技術では、測定対象のレーザビームの一部をビームスプリッタで分岐する必要があることから、高出力化されたファイバレーザ装置から射出されるレーザ光の拡がり角を、実動作状態でモニタすることは難しいという問題がある。また、上述した特許文献１に開示された技術では、ビームスプリッタ及び測定レンズ等の光学素子に加えて、ＣＣＤカメラ等の撮像素子が必要になることから、測定装置が大型化してしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡便な構成で高出力のレーザ光の拡がり角を測定することが可能な拡がり角測定装置、拡がり角測定方法、及びファイバレーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本出願の発明者は、光ファイバ内を伝搬するレーザ光の拡がり角が大きいほど光ファイバから射出されるレーザ光の拡がり角が大きいことに着目した。
即ち、本発明の拡がり角測定装置は、光ファイバ内を伝搬するレーザ光（Ｌ）の拡がり角をモニタする拡がり角測定装置（１４）であって、前記レーザ光を伝搬させるコア（Ｃ）、クラッド（ＣＬ１）、及び被覆（ＣＶ）を有する光ファイバ（１３、ＦＢ）と、少なくとも前記光ファイバの長手方向における第１位置及び第２位置で前記クラッドから漏出する前記レーザ光を受光する受光部（２３）と、前記第１位置で漏出する前記レーザ光の受光量と前記第２位置で漏出する前記レーザ光の受光量との比に基づいて、前記レーザ光の拡がり角を求める演算部（２４）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の本発明の拡がり角測定装置は、前記光ファイバにおいて前記受光部よりも光入力側に設けられ、前記コアを伝搬する前記レーザ光の一部を前記コアから前記クラッドに漏洩させる漏洩部（２２）を備えることを特徴としている。
また、本発明の本発明の拡がり角測定装置は、前記光ファイバにおいて前記漏洩部よりも光入力側に設けられ、前記クラッドを伝搬するクラッド光を除去するクラッド光除去部（２１）を備えることを特徴としている。
また、本発明の本発明の拡がり角測定装置は、前記漏洩部が、前記光ファイバが曲線状に湾曲した湾曲部（Ｑ）を備える事を特徴としている。
また、本発明の本発明の拡がり角測定装置は、前記クラッド光除去部が、前記光ファイバの周方向の少なくとも一部の前記被覆が除去された被覆除去領域（３１）を備えることを特徴としている。
また、本発明の本発明の拡がり角測定装置は、前記受光部が、前記第１位置に設けられた第１受光素子（ＰＤ１）と、前記第２位置に設けられた第２受光素子（ＰＤ２）と、前記第１受光素子及び前記第２受光素子に対向して設けられ、前記光ファイバの周方向の少なくとも一部の前記被覆が除去された被覆除去領域（４１）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の本発明の拡がり角測定装置は、前記演算部で求められた前記レーザ光の拡がり角を示す第１情報、或いは前記演算部で求められた前記レーザ光の拡がり角が予め規定された範囲内であるか否かを示す第２情報を表示する表示部（２５）を備えることを特徴としている。
本発明の拡がり角測定方法は、光ファイバ内を伝搬するレーザ光（Ｌ）の拡がり角をモニタする拡がり角測定方法であって、前記レーザ光を伝搬させるコア（Ｃ）、クラッド（ＣＬ１）、及び被覆（ＣＶ）を有する光ファイバ（１３、ＦＢ）の、少なくとも長手方向における第１位置及び第２位置で前記クラッドから漏出する前記レーザ光を受光する受光ステップと、前記第１位置で漏出する前記レーザ光の受光量と前記第２位置で漏出する前記レーザ光の受光量との比に基づいて、前記レーザ光の拡がり角を求める演算ステップとを有することを特徴としている。
本発明のファイバレーザ装置は、上記の何れかに記載の拡がり角測定装置を備えることを特徴としている。
また、本発明のファイバレーザ装置は、複数のファイバレーザユニット（１１）と、前記複数のファイバレーザユニットから射出された複数の出力光を光学的に結合させる出力コンバイナ（１２）とを備え、前記拡がり角測定装置が、前記出力コンバイナの光出力側に設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、少なくとも光ファイバの長手方向における第１位置及び第２位置でクラッドから漏出するレーザ光を受光し、第１位置で漏出するレーザ光の受光量と第２位置で漏出するレーザ光の受光量との比に基づいて、レーザ光の拡がり角を求めるようにしているため、簡便な構成で高出力のレーザ光の拡がり角を測定することが可能であるという効果がある。

本発明の第１実施形態による拡がり角測定装置を備えるファイバレーザ装置の全体構成を示すブロック図である。 ファイバレーザ装置で用いられる光ファイバの断面図である。 本発明の第１実施形態による拡がり角測定装置に設けられる出力クラッド光除去部の平面図である。 図３中のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図である。 本発明の第１実施形態による拡がり角測定装置に設けられる受光部の平面図である。 図５中のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図である。 拡がり角測定装置の受光部においてクラッドから漏出するレーザ光の漏れ光の分布を示すシミュレーション結果である。 拡がり角測定装置の受光部においてクラッドから漏出するレーザ光の漏れ光の計測結果の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態による拡がり角測定装置の漏洩部の構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による拡がり角測定装置、拡がり角測定方法、及びファイバレーザ装置について詳細に説明する。尚、以下で参照する図面では、理解を容易にするために、必要に応じて各部材の寸法の縮尺を適宜変えて図示することがある。

〔第１実施形態〕
〈ファイバレーザ装置の全体構成〉
図１は、本発明の第１実施形態による拡がり角測定装置を備えるファイバレーザ装置の全体構成を示すブロック図である。図１に示す通り、ファイバレーザ装置１は、複数のファイバレーザユニット１１、出力コンバイナ１２、デリバリファイバ１３、拡がり角測定装置１４、及びコネクタ１５を備えており、コネクタ１５から外部に向けてレーザ光Ｌを射出する。尚、ファイバレーザ装置１が、例えばレーザ加工に用いられるものである場合には、レーザ光Ｌはコネクタ１５の先のヘッド（図示省略）から被加工面に向けて射出される。

ファイバレーザユニット１１は、内部に光共振器（図示省略）を備えており、光共振器により増幅されたレーザ光Ｌを出力する。ファイバレーザ装置１にファイバレーザユニット１１が複数設けられているのは、高出力のレーザ光Ｌを得るためである。尚、ファイバレーザユニット１１の内部に設けられる光共振器は、例えば周知の光共振器を用いることができるため、ここでの詳細な説明は省略する。

出力コンバイナ１２は、複数のファイバレーザユニット１１から出力される複数の出力光を光学的に結合する。具体的に、出力コンバイナ１２の内部では、ファイバレーザユニット１１の各々から延びる光ファイバが束ねられて１本にされており（溶融延伸により１本にされており）、その１本にされた光ファイバがデリバリファイバ１３の一端に融着接続されている。デリバリファイバ１３は、伝送媒体として機能する光ファイバであり、出力コンバイナ１２で結合されたレーザ光Ｌを伝送する。

拡がり角測定装置１４は、出力コンバイナ１２の光出力側に設けられており、デリバリファイバ１３内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角をモニタし、レーザ光Ｌの拡がり角を示す情報（第１情報）、或いはレーザ光Ｌの拡がり角が予め規定された範囲内であるか否かを示す情報（第２情報）を表示する。ここで、上記のレーザ光Ｌの拡がり角を示す情報は、レーザ光Ｌの拡がり角そのものを示す情報であっても良く、レーザ光Ｌの拡がり角を開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）に換算した値であっても良い。尚、拡がり角測定装置１４の詳細については後述する。コネクタ１５は、レーザ光Ｌの射出端として機能するものであり、デリバリファイバ１３の他端に接続されている。

上記「レーザ光Ｌの拡がり角」は、レーザ光Ｌの伝播方向と光ファイバの中心軸とのなす角（角度θ）をいう。デリバリファイバ１３内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角が大きいほどデリバリファイバ１３（コネクタ１５）から射出されるレーザ光の拡がり角が大きくなる傾向があるため、デリバリファイバ１３内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角を求めることによりデリバリファイバ１３（コネクタ１５）から射出されるレーザ光の拡がり角を求めることができる。また、上記「拡がり角を開口数に換算した値」とは、ｓｉｎθにより定義される値である。

ここで、ファイバレーザ装置１で用いられる光ファイバについて説明する。図２は、ファイバレーザ装置で用いられる光ファイバの断面図である。図２に示す通り、ファイバレーザ装置１内の各部の光ファイバには、ダブルクラッドファイバが用いられる。光ファイバＦＢは、円柱状のコアＣ、コアＣの外側面を覆う円筒状のインナークラッドＣＬ１、インナークラッドＣＬ１の外側面を覆う円筒状のアウタークラッドＣＬ２、及びアウタークラッドＣＬ２の外側面を覆う円筒状の外被ＦＪを有する。

光ファイバＦＢの構成要素のうち、コアＣとインナークラッドＣＬ１とは、例えばガラスにより構成されている。アウタークラッドＣＬ２と外被ＦＪとは、例えば樹脂により構成されている。以下、アウタークラッドＣＬ２と外被ＦＪとをまとめて、被覆ＣＶということもある。また、インナークラッドＣＬ１を単にクラッドということもある。

ここで、デリバリファイバ１３を構成する光ファイバＦＢの諸元は、例えば以下の通りである。
コアＣ：組成…石英ガラス、直径…１００［μｍ］、屈折率…１．４６
インナークラッドＣＬ１：組成…フッ素添加石英ガラス、外径…３６０［μｍ］、屈折率…１．４４
アウタークラッドＣＬ２：組成…シリコン、外径…５００［μｍ］、屈折率…３．９

〈拡がり角測定装置の構成〉
図１に示す通り、拡がり角測定装置１４は、デリバリファイバ１３を構成する光ファイバＦＢ、出力クラッド光除去部２１（クラッド光除去部）、漏洩部２２、受光部２３、演算部２４、及び表示部２５を備える。このような拡がり角測定装置１４は、前述の通り、デリバリファイバ１３内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角のモニタ等を行う。

出力クラッド光除去部２１は、デリバリファイバ１３内を、出力コンバイナ１２からコネクタ１５に向かう方向（以下、出力方向Ｄという）に伝搬するレーザ光Ｌのクラッド光を除去する。この出力クラッド光除去部２１は、光ファイバＦＢ上の漏洩部２２及び受光部２３の位置よりも光入力側に設けられている。漏洩部２２は、コアＣを伝搬するレーザ光Ｌの一部をコアＣからクラッドに漏洩させる。この漏洩部２２は、光ファイバＦＢ上の出力クラッド光除去部２１と受光部２３との間に設けられている。

受光部２３は、光ファイバＦＢのクラッドから漏出したレーザ光Ｌの漏れ光を受光する。具体的に、受光部２３は、光ファイバＦＢの長手方向における異なる位置（第１位置及び第２位置）でクラッドから漏出したレーザ光Ｌの漏れ光を受光する。レーザ光Ｌの漏れ光を、光ファイバＦＢの長手方向における異なる位置で受光するのは、光ファイバＦＢ内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角をモニタするためである。尚、受光部２３は、光ファイバＦＢ上の出力クラッド光除去部２１及び漏洩部２２の位置よりも光出力側に設けられている。

ここで、上述した出力クラッド光除去部２１、漏洩部２２、及び受光部２３の詳細を順に説明する。図３は、本発明の第１実施形態による拡がり角測定装置に設けられる出力クラッド光除去部の平面図である。図４は、図３中のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図である。これら図３，図４に示す通り、出力クラッド光除去部２１は、上面に溝３０Ｍを有する筐体３０と、光ファイバＦＢの周方向の少なくとも一部の被覆ＣＶが除去された被覆除去領域３１とを備える。

筐体３０は、例えば黒アルマイト処理が施されたアルミニウム等の金属材料で構成されている。但し、筐体３０の構成材料は特に限定されない。溝３０Ｍの内部に、被覆除去領域３１が設けられた光ファイバＦＢが収容されている。光ファイバＦＢは、被覆除去領域３１が溝３０Ｍの開口側（図４における上方）を向くように配置されている。溝３０Ｍの形状及び寸法は、特に限定されない。

被覆除去領域３１においては、被覆ＣＶの一部又は全部が、光ファイバＦＢの長手方向及び周方向の双方において除去されている。被覆ＣＶが除去された箇所では、光ファイバＦＢのインナークラッドＣＬ１が溝３０Ｍの開口側に露出した露出部３２となり、被覆除去領域３１の上面が封止材３３（詳細は後述する）により覆われた状態となる。

図４に示す例は、光ファイバＦＢの周方向における被覆ＣＶの一部が除去された例である。光ファイバＦＢの周方向における被覆ＣＶの一部を除去する場合には、光ファイバＦＢの全周のうちのどの程度の被覆ＣＶを除去するか、即ち、全周３６０°のうちの何度分にあたる被覆ＣＶを除去するかは、必要とされるクラッド光除去能力に応じて適宜設定される。

また、光ファイバＦＢの長手方向については、図３に示す例の通り、被覆ＣＶが連続的に除去され、インナークラッドＣＬ１が連続的に露出していてもよい。或いは、図示は省略するが、被覆が断続的に除去され、インナークラッドＣＬ１の露出部分と非露出部分とが交互に設けられていてもよい。光ファイバＦＢの長手方向の被覆を除去する部分の長さについても、必要とされるクラッド光除去能力に応じて適宜設定される。

溝３０Ｍの内部における光ファイバＦＢの周囲の空間には、封止材３３が充填されている。封止材３３は、例えば光透過性を有するシリコーン樹脂により構成される。これにより、溝３０Ｍの内部における光ファイバＦＢの位置が固定される。封止材３３は、インナークラッドＣＬ１の屈折率と等しい屈折率、或いはインナークラッドＣＬ１の屈折率よりも高い屈折率を有する材料で構成されている。即ち、被覆除去領域３１において、インナークラッドＣＬ１は、インナークラッドＣＬ１の屈折率と等しい屈折率、或いはインナークラッドＣＬ１の屈折率よりも高い屈折率を有する封止材３３と接する。そのため、インナークラッドＣＬ１内を伝搬してきた光は、インナークラッドＣＬ１から封止材３３を経て外部に漏出する。

図３に示す通り、溝３０Ｍの長手方向の両端には、シール材３４が設けられている。これにより、光ファイバＦＢは、筐体３０の長手方向の端部において筐体３０に固定される。シール材３４は、例えばシリコーン樹脂により構成される。シール材３４を構成するシリコーン樹脂は、光透過性を有していてもよいし、光透過性を有していなくてもよい。

漏洩部２２は、図１に示す通り、光ファイバＦＢが曲線状に湾曲した湾曲部Ｑを備えている。本実施形態の場合、湾曲部Ｑにおいては、光ファイバＦＢがコイル状に複数回巻回されている。例えば、コイルの直径は１１０［ｍｍ］であり、コイルを構成する光ファイバＦＢの全長は２０［ｍ］である。光ファイバＦＢのコアＣを伝搬してきたレーザ光Ｌの一部は、漏洩部２２においてクラッドに漏洩する。そのため、漏洩部２２の出力側においては、光ファイバＦＢのコアＣを伝搬する光とクラッドを伝搬するクラッド光とが存在する。

尚、本実施形態では、一例としてコイルの直径を１１０［ｍｍ］としたが、コイルの直径は、例えば１１０〜１３０［ｍｍ］程度にすることが望ましい。コイルの直径が１１０［ｍｍ］未満であると、コアＣの伝搬損失が大きくなる場合がある。コイルの直径が１３０［ｍｍ］よりも大きいと、コアＣからクラッドへの光の漏洩量が少なすぎて、受光部２３で検出するのに充分な量のクラッド光が得られない場合がある。

図５は、本発明の第１実施形態による拡がり角測定装置に設けられる受光部の平面図である。図６は、図５中のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図である。尚、図５は、図６中の蓋４５を開けた状態を示している。これら図５，図６に示す通り、受光部２３は、上面に溝４０Ｍを有する筐体４０、光ファイバＦＢの周方向の少なくとも一部の被覆ＣＶが除去された被覆除去領域４１、フォトダイオードＰＤ１（第１受光素子）、フォトダイオードＰＤ２（第２受光素子）、及び蓋４５を備える。

筐体４０は、図３，図４に示す筐体３０と同様のものであり、例えば黒アルマイト処理が施されたアルミニウム等の金属材料で構成されている。但し、筐体４０の構成材料は特に限定されない。溝４０Ｍの内部に、被覆除去領域４１が設けられた光ファイバＦＢが収容されている。光ファイバＦＢは、被覆除去領域４１が溝４０Ｍの開口側（図６における上方）を向くように配置されている。溝４０Ｍの形状及び寸法は、特に限定されない。

被覆除去領域４１においては、被覆ＣＶの一部又は全部が、光ファイバＦＢの長手方向及び周方向の双方において除去されている。被覆ＣＶが除去された箇所では、光ファイバＦＢのインナークラッドＣＬ１が溝４０Ｍの開口側に露出した露出部４２となり、被覆除去領域４１の上面が封止材４３により覆われた状態となる。尚、封止材４３は、例えば光透過性を有するシリコーン樹脂により構成される。

フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、例えば赤外線フォトダイオードであり、光ファイバＦＢの長手方向における異なる位置に設けられており、各々の位置においてクラッドから漏出するレーザ光Ｌの漏れ光を受光する。図６に示す通り、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、蓋４５側に取り付けられている。被覆除去領域４１は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の受光面Ｒに対向して設けられている。受光部２３は、漏洩部２２においてコアＣからクラッドに漏洩したクラッド光を被覆除去領域４１においてクラッドの外部に漏出させ、そのクラッド光をフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に入射させることでレーザ光Ｌの拡がり角を測定する機能を有する。

図５に示す通り、光ファイバＦＢの中心軸に垂直な方向から見て、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、被覆除去領域４１と重なる位置に設けられている。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、被覆除去領域４１の長手方向において、互いの位置が異なるのであればどの位置に設けられていてもよい。但し、詳細は後述するが、クラッドから漏出するレーザ光Ｌの漏れ光の分布（光ファイバＦＢの長手方向における分布）は、レーザ光Ｌの拡がり角に応じて異なる。このため、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、レーザ光Ｌの漏れ光の分布を考慮した位置に設けるのが好ましい。

受光部２３には、図６に示す通り、筐体４０の溝４０Ｍの上方を覆う蓋４５が設けられている。蓋４５の材料は特に限定されないが、例えば筐体４０と同じアルミニウムで構成されている。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、蓋４５を貫通するように取り付けられることにより、光ファイバＦＢの被覆除去領域４１の上方に位置する。即ち、光ファイバＦＢに被覆除去領域４１が設けられたことにより、光ファイバＦＢのインナークラッドＣＬ１はフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の受光面Ｒと対向する。この構成により、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、光ファイバＦＢから漏出したクラッド光の多くを受光することができる。

但し、被覆除去領域４１は、必ずしもフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の受光面Ｒと対向していなくてもよい。このような構成にしても、光ファイバＦＢから漏出したクラッド光は溝４０Ｍの内面で反射、散乱するため、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２はクラッド光を受光することができる。

演算部２４は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から出力される受光信号に基づいて、光ファイバＦＢ内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角を求める。具体的には、フォトダイオードＰＤ１から出力される受光信号で示される受光量（レーザ光Ｌの受光量）と、フォトダイオードＰＤ２から出力される受光信号で示される受光量との比に基づいてレーザ光Ｌの拡がり角を求める。また、演算部２４は、ファイバレーザ装置１で許容し得るレーザ光Ｌの拡がり角の最大値である閾値を記憶しており、レーザ光Ｌの拡がり角が閾値を超えたか否かを判断する。

表示部２５は、例えばランプや液晶表示装置等の表示装置を備えており、演算部２４で求められたレーザ光Ｌの拡がり角を示す情報、或いはレーザ光Ｌの拡がり角が予め規定された範囲内であるか否かを示す情報を表示する。例えば、表示部２５は、レーザ光Ｌの拡がり角そのものを表示し、或いはレーザ光Ｌの拡がり角を開口数（ＮＡ）に換算した値を表示する。また、表示部２５は、レーザ光Ｌの拡がり角が、上記の閾値を超えた場合には、例えばランプを点灯させる。

〈拡がり角の測定原理〉
次に、拡がり角測定装置１４によるレーザ光Ｌの拡がり角の測定原理について説明する。図７は、拡がり角測定装置の受光部においてクラッドから漏出するレーザ光の漏れ光の分布を示すシミュレーション結果である。尚、図７に示すグラフは、拡がり角測定装置１４に設けられた被覆除去領域４１（図５参照）の出力方向Ｄにおける位置を横軸にとり、レーザ光Ｌの漏れ光量を縦軸にとってある。尚、縦軸は、被覆除去領域４１の光入力側における端部（図５中に示す位置Ｘ１）におけるレーザ光Ｌの漏れ光量を基準として正規化している。

図７を参照すると、レーザ光Ｌの漏れ光量の出力方向Ｄにおける分布は、レーザ光Ｌの拡がり角（ＮＡ）に応じて、異なる分布になるのが分かる。具体的には、レーザ光Ｌの漏れ光量は、レーザ光Ｌの拡がり角（ＮＡ）が大きい場合には、被覆除去領域４１の光入力側における端部（位置Ｘ１）の近傍で急激に減少する分布になり、レーザ光Ｌの拡がり角（ＮＡ）が小さい場合には、出力方向Ｄに進むに従ってレーザ光Ｌの漏れ光量がなだらかに減少する分布になることが分かる。

例えば、レーザ光Ｌの拡がり角が、ＮＡ換算で０．２である場合には、レーザ光Ｌの漏れ光量は、位置Ｘの近傍で急激に減少し、位置Ｘ１の近傍以外の位置では殆ど零となる分布になる。これに対し、レーザ光Ｌの拡がり角が、ＮＡ換算で０．０２である場合には、レーザ光Ｌの漏れ光量は、出力方向Ｄに進むに従ってレーザ光Ｌの漏れ光量がなだらかに減少していき、被覆除去領域４１の光出力側における端部（位置Ｘ２）では、位置Ｘ１での漏れ光量の約半分程度となる分布になる。

つまり、光ファイバＦＢのコアＣを伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角が大きいと、漏洩部２２においてコアＣからクラッドに漏洩するレーザ光Ｌの拡がり角も大きくなり、位置Ｘ１の近傍でレーザ光Ｌの漏れ光量が多くなる分布となる。これに対し、光ファイバＦＢのコアＣを伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角が小さいと、漏洩部２２においてコアＣからクラッドに漏洩するレーザ光Ｌの拡がり角も小さくなるため、出力方向Ｄに沿って少しずつレーザ光Ｌが漏れる分布となる。

このように、光ファイバＦＢのコアＣを伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角と、受光部２３においてクラッドから漏出するレーザ光Ｌの漏れ光の分布との間には相関があり、出力方向Ｄにおけるレーザ光Ｌの漏れ光の減り方は、レーザ光Ｌの拡がり角に応じて大きく異なる。拡がり角測定装置１４は、このような相関を利用して光ファイバＦＢのコアＣを伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角を測定している。

図８は、拡がり角測定装置の受光部においてクラッドから漏出するレーザ光の漏れ光の計測結果の一例を示す図である。尚、図８に示すグラフは、図７に示すグラフと同様に、拡がり角測定装置１４に設けられた被覆除去領域４１（図５参照）の出力方向Ｄにおける位置を横軸にとり、レーザ光Ｌの漏れ光量を縦軸にとってある。尚、縦軸は、漏れ光量のピーク値を基準として正規化している。

図８に示すグラフは、受光部２３の蓋４５（図６参照）を取り外した状態で、計測用フォトダイオードを出力方向Ｄに沿って移動させつつ、計測用フォトダイオードの受光信号を計測して得られたものである。計測用フォトダイオードを用いた計測は、レーザ光Ｌの拡がり角がＮＡ換算で０．０９３である場合と、ＮＡ換算で０．１３８である場合とで行った。尚、レーザ光Ｌの拡がり角の切り替えは、出力コンバイナ１２に設けられた複数の入力ポートのうち、レーザ光を入射させる入力ポートを変えることによって行った。

図８を参照すると、図７に示すシミュレーション結果とは異なり、位置Ｘ１，Ｘ２の間における位置Ｘ１１でピークが現れ、出力方向Ｄに進むに従ってレーザ光Ｌの漏れ光量がなだらかに減少する分布が得られた。このような分布が得られたのは、計測用フォトダイオードの受光面がある程度の面積を有するためであると考えられる。つまり、計測用フォトダイオードの受光面の中央部が位置Ｘ１の近傍に配置されている場合には、受光面には被覆除去領域４１に対向しない領域（被覆ＣＶに対向する領域）が生ずるが、受光面の中央部が位置Ｘ１１に配置される場合にはこのような領域が生じなくなり受光面に入射する漏れ光の光量が多くなることから、ピークが現れると考えられる。

また、図８に示すグラフでは、漏れ光量のピーク値を基準として正規化していることから、ピークが現れる位置Ｘ１１では、レーザ光Ｌの拡がり角がＮＡ換算で０．０９３である場合と、ＮＡ換算で０．１３８である場合とでは、漏れ光量がほぼ同じ値「１」になることが分かる。また、図８を参照すると、出力方向Ｄにおけるレーザ光Ｌの漏れ光の減り方（位置Ｘ１１からＸ２までの漏れ光の変化の仕方）は、レーザ光Ｌの拡がり角がＮＡ換算で０．０９３である場合と、ＮＡ換算で０．１３８である場合とでは、大きく異なることが分かる。

図８に示す計測結果は、図７にシミュレーション結果とはさほど一致しないが、レーザ光Ｌの拡がり角に応じて出力方向Ｄにおけるレーザ光Ｌの漏れ光の減り方が大きく異なっているため、前述の相関が得られていることには変わらない。このため、計測用レーザダイオードを用いて、レーザ光Ｌの拡がり角と、出力方向Ｄにおけるレーザ光Ｌの漏れ光の分布との関係を予め求めておけば、出力方向Ｄにおけるレーザ光Ｌの漏れ光の分布を測定することにより、レーザ光Ｌの拡がり角を求めることができる。

ここで、上述の通り、出力方向Ｄにおけるレーザ光Ｌの漏れ光の減り方は、レーザ光Ｌの拡がり角に応じて大きく異なる。このため、レーザ光Ｌの拡がり角と、光ファイバＦＢの長手方向における少なくとも２点の漏れ光量との関係を予め求めておき、その２点における漏れ光量をそれぞれ測定することによってもレーザ光Ｌの拡がり角を求めることが可能である。拡がり角測定装置１４は、光ファイバＦＢの長手方向における異なる位置に配置された２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から出力される受光信号に基づいて、光ファイバＦＢ内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角を求めるようにしている。

光ファイバＦＢの長手方向における点の漏れ光量を測定する場合には、フォトダイオードＰＤ１から出力される受光信号で示される受光量と、フォトダイオードＰＤ２から出力される受光信号で示される受光量との比が、レーザ光Ｌの拡がり角に応じて大きく変化することが望ましい。このため、受光部２３のフォトダイオードＰＤ１は、例えば図８に示すピークが現れる位置Ｘ１１に設けられ、フォトダイオードＰＤ２は、例えば図８に示す漏れ光量の差が顕著となる位置Ｘ１２に設けられる。

拡がり角測定装置１４の演算部２４は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から出力される受光信号で示される受光量の比と、レーザ光Ｌの拡がり角とが対応付けられたテーブルを予め記憶している。そして、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から出力される受光信号を用いて受光量の比を求め、求めた比に対応付けられているレーザ光Ｌの拡がり角をテーブルから得ることで、レーザ光Ｌの拡がり角を求める。

〈ファイバレーザ装置の動作〉
ファイバレーザ装置１の電源が投入されると、ファイバレーザユニット１１の各々からのレーザ光の射出が開始される。ファイバレーザユニット１１から射出されたレーザ光Ｌは、出力コンバイナ１２で光学的に結合されてデリバリファイバ１３を構成する光ファイバＦＢに入射する。尚、出力コンバイナ１２から出力される光には、光ファイバＦＢのコアＣ内を伝搬するレーザ光Ｌと、インナークラッドＣＬ１内を伝搬する迷光Ｌ１とがある。迷光Ｌ１には、例えばファイバレーザユニット１１内で吸収しきれなかった励起光が含まれる。

出力コンバイナ１２から出力された光は、最初に出力クラッド光除去部２１に到達する。ここで、光ファイバＦＢのコアＣを伝搬するレーザ光Ｌは、出力クラッド光除去部２１を通過するが、インナークラッドＣＬ１を伝搬する迷光Ｌ１は、出力クラッド光除去部２１の被覆除去領域３１（図３，図４参照）から光ファイバＦＢの外部空間に漏れ、除去される。

光ファイバＦＢのコアＣを伝搬するレーザ光Ｌが漏洩部２２に到達すると、光ファイバＦＢがコイル状に巻回されていることによってレーザ光Ｌの一部がコアＣからインナークラッドＣＬ１に漏洩する。ここでの漏洩量は、コアＣを伝搬するレーザ光Ｌのパワーに比例する。即ち、レーザ光Ｌのパワーが大きい程、漏洩量が多くなり、レーザ光Ｌのパワーが小さい程、漏洩量が少なくなる。コアＣからインナークラッドＣＬ１に漏洩した光Ｌ２は、光ファイバＦＢの被覆ＣＶによりインナークラッドＣＬ１に閉じ込められながら出力方向に伝搬する。以下、説明の便宜上、コアＣからインナークラッドＣＬ１に漏洩した光Ｌ２を漏洩クラッド光という。

漏洩クラッド光Ｌ２は、受光部２３の被覆除去領域４１（図５，図６参照）から光ファイバＦＢの外部空間に漏れ、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に入射する（受光ステップ）。出力クラッド光除去部２１において、インナークラッドＣＬ１内の迷光Ｌ１は既に除去されているため、受光部２３に入射する前のクラッド光の大部分は、漏洩部２２で生じた漏洩クラッド光Ｌ２となる。尚、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の各々における漏洩クラッド光Ｌ２の受光量は、漏洩クラッド光Ｌ２の拡がり角（コアＣを伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角）に応じたものとなる。

フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からは、漏洩クラッド光Ｌ２の受光量に応じた受光信号が出力される。この受光信号が入力されると、演算部２４では、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からの受光信号を用いて受光量の比を求め、求めた比に対応付けられているレーザ光Ｌの拡がり角をテーブルから取得する処理が行われる。このような処理が行われることでコアＣを伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角が求められる（演算ステップ）。求められたレーザ光Ｌの拡がり角（或いは、ＮＡ換算値）は、表示部２５に表示される。

また、レーザ光Ｌの拡がり角が求められた場合には、求められた拡がり角が予め設定された閾値（ファイバレーザ装置１で許容し得るレーザ光Ｌの拡がり角の最大値）を超えているか否かが、演算部２４で判断される。仮に、求められた拡がり角が閾値を超えていると判断された場合には、例えば表示部２５がランプを点灯させる。このランプが点灯することによって、レーザ光Ｌの拡がり角がファイバレーザ装置１で許容し得るレーザ光Ｌの拡がり角の最大値を超えた旨を知ることができる。

以上の通り、本実施形態では、受光部２３において光ファイバＦＢのクラッドから漏出するレーザ光を、光ファイバＦＢの長手方向における異なる位置に設けられたフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２で受光し、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の受光量の比に基づいてレーザ光Ｌの拡がり角を求めるようにしている。このため、簡便な構成で高出力のレーザ光Ｌの拡がり角を測定することが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による拡がり角測定装置について説明する。本実施形態の拡がり角測定装置の基本構成は、第１実施形態と同様であるが、漏洩部の構成が第１実施形態と異なる。図９は、本発明の第２実施形態による拡がり角測定装置の漏洩部の構成例を示す図である。尚、図９において、図１に示す構成要素には同一の符号を付してある。

本実施形態の拡がり角測定装置は、図９（ａ）に示す通り、光ファイバＦＢの融着接合点からなる漏洩部２２を備える。即ち、図９（ａ）に示す漏洩部２２は、２本の光ファイバＦＢが互いの端面を突き合わせた状態で、且つ僅かに偏心させた状態で融着接合されたものである。このような漏洩部２２では、光ファイバＦＢのコアを伝搬するレーザ光Ｌの一部がクラッドに漏洩して、漏洩クラッド光Ｌ２となる。

或いは、本実施形態の拡がり角測定装置は、図９（ｂ）に示す通り、外径が異なる光ファイバＦＢ１が光ファイバＦＢに介挿された漏洩部２２を備える。即ち、図９（ｂ）に示す漏洩部２２は、２本の光ファイバＦＢの間に外径が異なる光ファイバＦＢ１が配置され、一方の光ファイバＦＢと光ファイバＦＢ１とが、互いの端面を突き合わせた状態で融着接合され、且つ、他方の光ファイバＦＢと光ファイバＦＢ１とが、互いの端面を突き合わせた状態で融着接合されたものである。このような漏洩部２２でも、光ファイバＦＢのコアを伝搬するレーザ光Ｌの一部がクラッドに漏洩して、漏洩クラッド光Ｌ２となる。

或いは、本実施形態の拡がり角測定装置は、図９（ｃ）に示す通り、光ファイバＦＢの一部に形成されたテーパー部ＴＰからなる漏洩部２２を備える。即ち、図９（ｃ）に示す漏洩部２２は、光ファイバＦＢの外径が徐々に絞られていき、その後に再び元の外径に戻るテーパー部ＴＰが光ファイバＦＢの一部に形成されたものである。このような漏洩部２２でも、光ファイバＦＢのコアを伝搬するレーザ光Ｌの一部がクラッドに漏洩して、漏洩クラッド光Ｌ２となる。

本実施形態においても、簡便な構成で高出力のレーザ光Ｌの拡がり角を測定することが可能である。また、本実施形態では、図１に示す通り、光ファイバＦＢが曲線状に湾曲した湾曲部Ｑを備える必要がないため、第１実施形態よりも簡便な構成であり、且つ小型化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、光ファイバＦＢ内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角をモニタするだけであったが、ファイバレーザユニット１１の発光及び非発光を制御しつつ、光ファイバＦＢ内を伝搬するレーザ光Ｌの拡がり角をモニタするようにしても良い。このようにすることで、性能が劣化しているファイバレーザユニット１１を特定することが可能である。

また、上記実施形態では、拡がり角測定装置１４が出力コンバイナ１２よりも光出力側に設けられている例について説明した。しかしながら、拡がり角測定装置１４は、ファイバレーザユニット１１内にそれぞれ設けられていても良い。

また、上記実施形態では、拡がり角測定装置１４が１つの出力クラッド光除去部２１を備える例について説明したが、拡がり角測定装置１４は、複数個の出力クラッド光除去部２１を備えていても良い。このように、複数個の出力クラッド光除去部２１を設けることで、例えばファイバレーザ装置が更に高出力化された場合であっても、レーザ光Ｌの拡がり角を測定することが可能になる。

また、上記実施形態では、光ファイバＦＢの長手方向における異なる位置でクラッドから漏出したレーザ光Ｌの漏れ光を、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２を用いて測定する例について説明した。しかしながら、光ファイバＦＢの長手方向における異なる位置でクラッドから漏出したレーザ光Ｌの漏れ光を、１つのフォトダイオードのみを用いて測定するようにしても良い。また、漏れ光の測定位置は２点に限られる訳ではなく、３点以上であっても良い。

また、上記実施形態では、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から出力される受光信号で示される受光量の比とレーザ光Ｌの拡がり角とが対応付けられたテーブルを用いて、レーザ光Ｌの拡がり角を求めるようにしていた。しかしながら、必ずしもレーザ光Ｌの拡がり角を求める必要は無く、レーザ光Ｌの拡がり角の悪化だけを判定するようにしても良い。例えば、ファイバレーザ装置１で許容し得るレーザ光Ｌの拡がり角の最大値に対応する比（フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から出力される受光信号で示される受光量の比）を予め記憶しておき、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から出力される受光信号を用いて求めた受光量の比が、予め記憶している比を超えたか否かを判定することで、レーザ光Ｌの拡がり角が悪化下か否かを判定するようにしても良い。

その他、ファイバレーザ装置の各構成要素の形状、寸法、配置、材料等に関する具体的な記載は、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。例えば上記実施形態では、光ファイバとしてダブルクラッドファイバを用いた例を示したが、シングルクラッドファイバを用いてもよい。

１…ファイバレーザ装置、１１…ファイバレーザユニット、１２…出力コンバイナ、１３…デリバリファイバ、１４…拡がり角測定装置、２１…出力クラッド光除去部、２２…漏洩部、２３…受光部、２４…演算部、２５…表示部、３１…被覆除去領域、４１…被覆除去領域、Ｃ…コア、ＣＬ１…インナークラッド、ＣＶ…被覆、ＦＢ…光ファイバ、Ｌ…レーザ光、ＰＤ１…フォトダイオード、ＰＤ２…フォトダイオード、Ｑ…湾曲部

Claims (9)

1. 光ファイバ内を伝搬するレーザ光の拡がり角をモニタする拡がり角測定装置であって、
   前記レーザ光を伝搬させるコア、クラッド、及び被覆を有する光ファイバと、
   前記コアを伝搬する前記レーザ光の一部を前記コアから前記クラッドに漏洩させる漏洩部と、
   前記光ファイバにおいて前記漏洩部よりも光出力側に設けられ、少なくとも前記光ファイバの長手方向における異なる位置である第１位置及び第２位置で前記クラッドから漏出する前記レーザ光を受光する受光部と、
   前記第１位置で漏出する前記レーザ光の受光量と前記第２位置で漏出する前記レーザ光の受光量との比に基づいて、前記レーザ光の拡がり角を求める演算部と
   を備えることを特徴とする拡がり角測定装置。
2. 前記光ファイバにおいて前記漏洩部よりも光入力側に設けられ、前記クラッドを伝搬するクラッド光を除去するクラッド光除去部を備えることを特徴とする請求項１記載の拡がり角測定装置。
3. 前記漏洩部は、前記光ファイバが曲線状に湾曲した湾曲部を備える事を特徴とする請求項１記載の拡がり角測定装置。
4. 前記クラッド光除去部は、前記光ファイバの周方向の少なくとも一部の前記被覆が除去された被覆除去領域を備えることを特徴とする請求項２記載の拡がり角測定装置。
5. 前記受光部は、前記第１位置に設けられた第１受光素子と、
   前記第２位置に設けられた第２受光素子と、
   前記第１受光素子及び前記第２受光素子に対向して設けられ、前記光ファイバの周方向の少なくとも一部の前記被覆が除去された被覆除去領域と
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の拡がり角測定装置。
6. 前記演算部で求められた前記レーザ光の拡がり角を示す第１情報、或いは前記演算部で求められた前記レーザ光の拡がり角が予め規定された範囲内であるか否かを示す第２情報を表示する表示部を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の拡がり角測定装置。
7. 光ファイバ内を伝搬するレーザ光の拡がり角をモニタする拡がり角測定方法であって、
   前記レーザ光を伝搬させるコア、クラッド、及び被覆を有する光ファイバの漏洩部において、前記コアを伝搬する前記レーザ光の一部を前記コアから前記クラッドに漏洩させる漏洩ステップと、
   前記光ファイバの前記漏洩部よりも光出力側に設けられた受光部において、少なくとも前記光ファイバの長手方向における異なる位置である第１位置及び第２位置で前記クラッドから漏出する前記レーザ光を受光する受光ステップと、
   前記第１位置で漏出する前記レーザ光の受光量と前記第２位置で漏出する前記レーザ光の受光量との比に基づいて、前記レーザ光の拡がり角を求める演算ステップと
   を有することを特徴とする拡がり角測定方法。
8. 請求項１から請求項６の何れか一項に記載の拡がり角測定装置を備えることを特徴とするファイバレーザ装置。
9. 複数のファイバレーザユニットと、
   前記複数のファイバレーザユニットから射出された複数の出力光を光学的に結合させる出力コンバイナとを備え、
   前記拡がり角測定装置は、前記出力コンバイナの光出力側に設けられている
   ことを特徴とする請求項８記載のファイバレーザ装置。

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