JP6644839B2

JP6644839B2 - レーザ装置

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Publication number: JP6644839B2
Application number: JP2018144403A
Authority: JP
Inventors: 真一阪本; 航清山
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2020-02-12
Anticipated expiration: 2038-07-31
Also published as: WO2020027184A1; JP2020020652A

Description

本発明は、光検出装置及び当該光検出装置を備えるレーザ装置に関する。

ファイバレーザ装置は、集光性に優れ、パワー密度が高く、小さなビームスポットとなる光が得られることから、レーザ加工分野、医療分野等の様々な分野において用いられている。このような高効率なレーザ装置によって良好な加工品質を実現するためには、光ファイバを伝搬する光の強度を検出することが求められる。また、ファイバレーザ装置から出射する光が、加工体で反射されて、光の出射口から再び入射して、光ファイバを逆方向に伝搬することが知られている。この光ファイバを逆方向に伝搬する光の強度が強いと、光源等が損傷する場合があるため、ファイバレーザ装置には、当該光が強い場合に装置の動作を止めるインターロック機構が備えられる場合がある。この場合、光ファイバを逆方向に伝搬する光の強度を検出することが求められる。

例えば、下記特許文献１には、クラッドを伝搬するクラッド光を除去した後に、コアを伝搬する光の一部をクラッドに漏洩させて、コアからクラッドに漏洩した光がさらにクラッドから漏洩する光を検出して、光ファイバを伝搬する光の強度を検知している。このような光の検出により、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度をモニタすることができる。

特開２０１７−２１０９９号公報

上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置では、上記のようにクラッド光を除去している。しかし、例えば、上記の反射光は、光ファイバのコアとクラッドのそれぞれに入射してコア及びクラッドを伝搬する傾向がある。このように反射光がコアとクラッドとを光が伝搬する場合、コアとクラッドとの断面積の差からクラッドを伝搬する光の量はコアを伝搬する光の量よりも多くなる傾向がある。このため、クラッドを所定の方向に伝搬する光の強度をモニタしたいという要請がある。

そこで、本発明は、クラッドを所定の方向に伝搬する光の強度を検出し得る光検出装置、及び当該光検出装置を備える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、本発明の光検出装置は、所定の間隔をあけて光ファイバに設けられる第１クラッドモードストリッパ及び第２クラッドモードストリッパと、前記第１クラッドモードストリッパと前記第２クラッドモードストリッパとの間において、前記光ファイバから漏洩する光の強度を検出する第１光検出器と、前記第２クラッドモードストリッパを基準とした前記第１クラッドモードストリッパ側と反対側において、前記光ファイバから漏洩する光の強度を検出する第２光検出器と、を備えることを特徴とするものである。

所定の間隔をあけて第１クラッドモードストリッパが光ファイバの一方側に設けられ第２クラッドモードストリッパが光ファイバの他方側に設けられる場合、光ファイバのクラッドを一方側から他方側に伝搬する光は、第１クラッドモードストリッパで吸収され、光ファイバのクラッドを他方側から一方側に伝搬する光は、第２クラッドモードストリッパで吸収される。このため、光ファイバの第１クラッドモードストリッパと第２クラッドモードストリッパとの間においては、クラッドにおける光の伝搬が抑制される。しかし、この区間において、光は、コアを一方側から他方側、及び、他方側から一方側に伝搬し得る。つまり、この区間に配置される第１光検出器は、光ファイバのコアを伝搬する光の一部が当該光ファイバから漏洩する光の強度を検出する。また、第２クラッドモードストリッパを基準とした第１クラッドモードストリッパ側と反対側、すなわち第２光検出器が設けられる位置では、光は、クラッドを他方側から一方側に伝搬し得、さらに、コアを一方側から他方側、及び、他方側から一方側に伝搬し得る。このため、第２光検出器は、これらの光の一部が当該光ファイバから漏洩する光の強度を検出する。つまり、第１光検出器が検出する光の強度と、第２光検出器が検出する光の強度との差は、クラッドを他方側から一方側に伝搬する光の光ファイバからの漏洩光の強度となる。光ファイバを伝搬する光の強度と光ファイバから漏洩する光の強度とは相関性を有する。このため、第１光検出器が検出する光の強度と第２光検出器が検出する光の強度とを用いて、クラッドを他方側から一方側に伝搬する光の強度を検出し得る。こうして、本発明の光検出装置によれば、クラッドを所定の方向に伝搬する光の強度を検出し得る。

また、上記光検出装置は、前記第１光検出器が検出する光の強度と、前記第２光検出器が検出する光の強度との差を求める減算器を更に備えることが好ましい。

上記のように、第１光検出器が検出する光の強度と、第２光検出器が検出する光の強度との差は、クラッドを他方側から一方側に伝搬する光の光ファイバからの漏洩光の強度となる。従って、上記減算器により、当該漏洩光の強度を算出し得、クラッドを他方側から一方側に伝搬する光の強度を求め得る。

また、上記光検出装置は、前記第１光検出器から出力する前記第１光検出器が検出する光の強度を示す信号、及び、前記第２光検出器から出力する前記第２光検出器が検出する光の強度を示す信号の少なくとも一方のレベルを調整する調整部を更に備えることが好ましい。

一般に光検出器はフォトダイオード（ＰＤ）等から構成され、光ファイバに対する光検出器の取り付けに誤差がある場合、光検出器が検出する光の強度の誤差が生じる。そこで、上記のように、調整部が、第１光検出器が検出する光の強度を示す信号、及び、第２光検出器が検出する光の強度を示す信号の少なくとも一方のレベルを調整することで、第１光検出器が検出する光の強度と第２光検出器が検出する光の強度とのバランスを調整し得る。

また、前記第１光検出器及び前記第２光検出器の少なくとも一方は、前記第１クラッドモードストリッパ及び前記第２クラッドモードストリッパと熱的に離間されることが好ましい。

フォトダイオード等の一般的な光検出器は、熱の影響により検出する光の強度に誤差が生じる傾向にある。そこで、発熱する傾向にあるクラッドモードストリッパと光検出器とが熱的に離間されることで、クラッドモードストリッパと光検出器とが熱的に離間されない場合と比べて、光検出器はより正確に光の強度を検出し得る。

また、本発明のレーザ装置は、前記光ファイバと、上記のいずれかに記載の光検出装置と、前記光ファイバを伝搬する光を出射する少なくとも一つの光源と、を備えることを特徴とするものである。

このようなレーザ装置は、光ファイバのクラッドを所定の方向に伝搬する光の強度を検出することで、当該光の強度に応じた動作を行うことができる。

また、このレーザ装置において、前記第２光検出器は、前記第１光検出器よりも前記光ファイバの出射端側に配置されることが好ましい。

この場合、レーザ装置から出射して被加工体で反射して、光ファイバを逆方向に伝搬する光のうち、クラッドを伝搬する光の強度を検出し得る。従って、クラッドを伝搬する光の強度が所定の強度以上である場合等にインターロック機構等を動作させ得る。なお、通常、反射光は光ファイバのコアも伝搬する。従って、クラッドを伝搬する光の強度を検出することで、コアを逆方向に伝搬する光の強度も推定し得る。このように推定されたコアを逆方向に伝搬する光の強度が所定の強度以上である場合等にインターロック機構等を動作させても良い。

以上のように、本発明によれば、クラッドを所定の方向に伝搬する光の強度を検出し得る光検出装置、及び当該光検出装置を備えるレーザ装置が提供される。

本発明の実施形態に係るレーザ装置の構成を概略的に示す図である。図１に示す光検出装置を概略的に示す図である。

以下、本発明に係る光検出装置及びレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。従って、本発明は、その趣旨を逸脱することなく、以下の実施形態から変更、改良することができる。なお、理解の容易のため、それぞれの図に記載のスケールと、以下の説明に記載のスケールとが異なる場合がある。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ装置の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、本実施形態のレーザ装置１は、光検出装置２、光源５、及び制御部ＣＰを主な構成として備える。

光源５は、励起光源５０、光コンバイナ５３、増幅用光ファイバ５５、増幅用光ファイバ５５の一方側に接続される光ファイバ５４、光ファイバ５４に設けられる第１ＦＢＧ５７、増幅用光ファイバ５５の他方側に接続される光ファイバ５６、及び光ファイバ５６に設けられる第２ＦＢＧ５８を主な構成として備える。また、増幅用光ファイバ５５と第１ＦＢＧ５７と第２ＦＢＧ５８とで共振器を構成している。

励起光源５０は、複数のレーザダイオード５１から構成され、レーザダイオード５１は、本実施形態においては、例えば、ＧａＡｓ系半導体を材料としたファブリペロー型半導体レーザであり中心波長が９１５ｎｍの励起光を出射する。また、励起光源５０のそれぞれのレーザダイオード５１は光ファイバ５２に接続されており、レーザダイオード５１から出射する励起光は光ファイバ５２を伝搬する。

増幅用光ファイバ５５は、コアと、コアの外周面を隙間なく囲む内側クラッドと、内側クラッドの外周面を被覆する外側クラッドと、外側クラッドを被覆する被覆層とを主な構成として備え、いわゆるダブルクラッド構造とされている。内側クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低く、外側クラッドの屈折率は内側クラッドの屈折率よりも低くされている。増幅用光ファイバ５５のコアを構成する材料としては、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム（Ｇｅ）等の元素、及び、励起光源５０から出射される励起光により励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）等の活性元素が添加された石英が挙げられる。増幅用光ファイバ５５の内側クラッドを構成する材料としては、例えば、ドーパントが添加されていない純粋石英を挙げることができる。なお、内側クラッドの材料には、屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等の元素が添加されてもよい。外側クラッドは、樹脂または石英から成り、樹脂としては例えば紫外線硬化性樹脂が挙げられ、石英としては例えば内側クラッドよりもさらに屈折率が低くなるように屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等のドーパントが添加された石英が挙げられる。増幅用光ファイバ５５の被覆層を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂が挙げられ、外側クラッドが樹脂の場合、外側クラッドを構成する樹脂とは異なる紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂とされる。

増幅用光ファイバ５５の一方側に接続される光ファイバ５４は、活性元素が添加されていないコアと、このコアの外周面を隙間なく囲む内側クラッドと、この内側クラッドの外周面を被覆する外側クラッドと、外側クラッドを被覆する被覆層とを主な構成として備える。光ファイバ５４のコアは、活性元素が添加されていないことを除いて増幅用光ファイバ５５のコアと略同様の構成とされる。光ファイバ５４のコアは増幅用光ファイバ５５のコアと接続され、光ファイバ５４の内側クラッドは増幅用光ファイバ５５の内側クラッドと接続されている。また、光ファイバ５４のコアには、第１ミラーとしての第１ＦＢＧ５７が設けられている。こうして第１ＦＢＧ５７は、増幅用光ファイバ５５の一方側に設けられている。第１ＦＢＧ５７は、光ファイバ５４の長手方向に沿って周期的に屈折率が高くなる部分が繰り返されており、この周期が調整されることにより、励起状態とされた増幅用光ファイバ５５の活性元素が放出する光うち少なくとも一部の波長の光を反射するように構成されている。第１ＦＢＧ５７の反射率は、後述の第２ＦＢＧ５８の反射率よりも高く、活性元素が放出する光うち所望の波長の光を９０％以上で反射することが好ましく、９９％以上で反射することがより好ましい。また第１ＦＢＧ５７が反射する光の波長は、上述のように活性元素がイッテルビウムである場合、例えば１０９０ｎｍとされる。

増幅用光ファイバ５５の他方側に接続される光ファイバ５６は、活性元素が添加されていないコアと、このコアの外周面を隙間なく囲むクラッドと、このクラッドの外周面を被覆する被覆層とを主な構成として備える。光ファイバ５６のコアは、活性元素が添加されていないことを除いて増幅用光ファイバ５５のコアと略同様の構成とされる。また、当該コアは増幅用光ファイバ５５のコアと接続され、光ファイバ５６のクラッドは増幅用光ファイバ５５の内側クラッドと接続されている。また、光ファイバ５６のコアには、第２ミラーとしての第２ＦＢＧ５８が設けられている。こうして第２ＦＢＧ５８は、増幅用光ファイバ５５の他方側に設けられている。第２ＦＢＧ５８は、光ファイバ５６の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、第１ＦＢＧ５７が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を第１ＦＢＧ５７よりも低い反射率で反射するように構成される。第２ＦＢＧ５８は、第１ＦＢＧ５７が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を５％〜５０％の反射率で反射することが好ましく、５％〜１０％の反射率で反射することがより好ましい。

光コンバイナ５３では、それぞれの光ファイバ５２のコアと光ファイバ５４の内側クラッドとが接続されている。従って、それぞれのレーザダイオード５１から出射する励起光が伝搬する光ファイバ５２と増幅用光ファイバ５５の内側クラッドとは、光ファイバ５４の内側クラッドを介して光学的に結合されている。

図２は、図１に示す光検出装置２の一部を概略的に示す図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の光検出装置２は、光ファイバ１０、第１クラッドモードストリッパ２１、第２クラッドモードストリッパ２２、第１光検出器３１、第２光検出器３２、第１レベル調整部３３、第２レベル調整部３４、及び減算器４０を主な構成として備える。

光ファイバ１０は、コア１１、コア１１を囲うクラッド１２、クラッド１２を囲う被覆層１３を有し、光ファイバ５６の増幅用光ファイバ５５側と反対側の端部に接続されている。コア１１は、光ファイバ５６のコアと同様の構成とされ、クラッド１２はコア１１より屈折率が低い材料からなる。被覆層１３はクラッド１２より屈折率が低い材料からなる。被覆層１３を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化性樹脂が挙げられる。なお、光ファイバ５６が延長されて、光ファイバ１０は光ファイバ５６の一部とされても良い。

第１クラッドモードストリッパ２１は、光ファイバ１０のクラッド１２の外側に設けられている。第１クラッドモードストリッパ２１は、クラッド１２を伝搬するクラッドモード光を光ファイバ１０の外側に放出できるように構成されるものであれば特に限定されない。本実施形態の第１クラッドモードストリッパ２１は、クラッド１２よりも屈折率が高い樹脂からなる高屈折率部１３ｈがクラッド１２の外側に断続的に複数設けられることによって構成される。

第２クラッドモードストリッパ２２は、光ファイバ１０のクラッド１２の外側において、第１クラッドモードストリッパ２１と所定の間隔をあけて設けられている。第２クラッドモードストリッパ２２は、クラッド１２を伝搬するクラッドモード光を光ファイバ１０の外側に放出できるように構成されるものであれば特に限定されない。本実施形態では、第２クラッドモードストリッパ２２は、第１クラッドモードストリッパ２１と同様の構成とされる。

第１光検出器３１は、第１クラッドモードストリッパ２１と第２クラッドモードストリッパ２２との間における光ファイバ１０の側方に配置され、光ファイバ１０から漏洩する光の強度を検出し、検出した光の強度に対応する信号を出力する。第１光検出器３１が検出する光は、光ファイバ１０を伝搬する光がレイリー散乱して光ファイバ１０から漏洩する光を含む。第１光検出器３１は、例えば、フォトダイオードから構成され、入射した光の強度に対応する電圧を出力する。この場合、当該電圧が検出した光の強度を示す信号となる。また、第１光検出器３１が、例えば、フォトダイオードとＡ／Ｄ変換部とを有する場合には、第１光検出器３１は、検出した光の強度を示すデジタル信号を出力する。

第２光検出器３２は、第２クラッドモードストリッパ２２を基準とした第１クラッドモードストリッパ２１側と反対側における光ファイバ１０の側方に配置され、光ファイバ１０から漏洩する光の強度を検出する。第２光検出器３２が検出する光は、第１光検出器３１が検出する光と同様に、光ファイバ１０を伝搬する光がレイリー散乱して光ファイバ１０から漏洩する光を含む。第２光検出器３２は、第１光検出器３１の例示と同様に、例えば、フォトダイオードから構成され、入射した光の強度に対応する電圧を出力する。この場合、当該電圧が検出した光の強度を示す信号となる。また、第２光検出器３２が、第１光検出器３１の例示と同様に、例えば、フォトダイオードとＡ／Ｄ変換部とを有する場合には、第２光検出器３２は、検出した光の強度を示すデジタル信号を出力する。

なお、本実施形態では、第１光検出器３１及び第２光検出器３２は、光ファイバ１０に対して所定の間隔をあけて配置される。このように第１光検出器３１及び第２光検出器３２と光ファイバ１０との間に空間が形成されることで、第１光検出器３１及び第２光検出器３２と光ファイバ１０とは熱的に離間される。光ファイバ１０のクラッドの外側には、第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２が設けられるため、第１光検出器３１及び第２光検出器３２と光ファイバ１０とが熱的に離間されることで、第１光検出器３１及び第２光検出器３２と第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２とが熱的に離間される。なお、第１光検出器３１及び第２光検出器３２と光ファイバ１０との間に光透過性かつ遮熱性の部材が配置されても良い。このような部材としては、例えば、空気、石英、及び光透過性樹脂等を挙げることができる。このように遮熱性の部材が配置される構成であっても、第１光検出器３１及び第２光検出器３２と第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２とが熱的に離間される。また、例えば、第１クラッドモードストリッパ２１に熱的に接触し、第１クラッドモードストリッパ２１で生じた熱を外部に放熱する第１放熱板と、第２クラッドモードストリッパ２２に熱的に接触しており、第２クラッドモードストリッパ２２で生じた熱を外部に放熱する第２放熱板とを備え、第１放熱板と第２放熱板とが離間している構成であっても、第１光検出器３１及び第２光検出器３２と第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２とが熱的に離間し得る。この場合、第１放熱板と第１クラッドモードストリッパ２１とが接し、第２放熱板と第２クラッドモードストリッパ２２とが接することが、それぞれのクラッドモードストリッパで生じる熱が放熱板に効率的に伝導し得るためより好ましい。このように第１光検出器３１及び第２光検出器３２と第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２とを熱的に離間する構成は、上記の限りではない。

第１レベル調整部３３は、入力した信号のレベルに対して所定の関係にあるレベルの信号を出力する。具体的には、入力した信号のレベルの所定倍のレベルの信号を出力したり、入力した信号のレベルに所定のレベルを加算したレベルの信号を出力したりする。第１レベル調整部３３には、第１光検出器３１が検出した光の強度を示す信号が入力する。従って、第１光検出器３１からの信号が電圧である場合には、第１レベル調整部３３は、入力する電圧に対して、例えば、所定のバイアスをかけた電圧を出力する。また、第１光検出器３１からの信号がデジタル信号で場合には、第１レベル調整部３３は、例えば、入力するデジタル信号が示す第１光検出器３１が検出した光の強度に対する所定倍数の強度を示す信号を出力する。

第２レベル調整部３４は、上記第１レベル調整部３３と同様に、入力した信号のレベルに対して所定の関係にあるレベルの信号を出力する。第２レベル調整部３４には、第２光検出器３２が検出した光の強度を示す信号が入力する。従って、第２光検出器３２からの信号が電圧である場合には、第２レベル調整部３４は、入力する電圧に対して、例えば、所定のバイアスをかけた電圧を出力する。また、第２光検出器３２からの信号がデジタル信号で場合には、第２レベル調整部３４は、例えば、入力するデジタル信号が示す第２光検出器３２が検出した光の強度に対する所定倍数の強度を示す信号を出力する。

本実施形態では、第１光検出器３１が設けられる光ファイバ１０の部位と、第２光検出器３２が設けられる光ファイバ１０の部位とで、光ファイバ１０から同じ強度の光が漏洩する場合に、第１レベル調整部３３と第２レベル調整部３４とが同じレベルの信号を出力するように、第１レベル調整部３３及び第２レベル調整部３４は調整される。つまり、第１光検出器３１が設けられる第１クラッドモードストリッパ２１と第２クラッドモードストリッパ２２との間と、第２光検出器３２が設けられる第２クラッドモードストリッパ２２を基準とした第１クラッドモードストリッパ２１側と反対側とで、光ファイバ１０を同じ強度の光が伝搬する場合に、第１レベル調整部３３と第２レベル調整部３４とが同じレベルの信号を出力するように、第１レベル調整部３３及び第２レベル調整部３４は調整される。このように第１レベル調整部３３と第２レベル調整部３４を調整するには、次のように行えば良い。つまり、光ファイバ１０のコア１１に一方側から他方側に光を伝搬させる。このときクラッド１２には光が伝搬しないようにする。コア１１を伝搬する光の一部は、レイリー散乱により、クラッド１２を介して光ファイバ１０から漏洩する。この光ファイバ１０から漏洩する光の強度は、第１光検出器３１が設けられる第１クラッドモードストリッパ２１と第２クラッドモードストリッパ２２との間と、第２光検出器３２が設けられる第２クラッドモードストリッパ２２を基準とした第１クラッドモードストリッパ２１側と反対側とで、概ね同じ強度である。従って、このときに第１レベル調整部３３から出力する信号のレベルと第２レベル調整部３４から出力する信号のレベルとが同じレベルの信号となるように、第１レベル調整部３３及び第２レベル調整部３４を調整する。こうして、第１レベル調整部３３と第２レベル調整部３４とは、上記のように同じレベルの信号を出力するように調整される。

減算器４０は、第１光検出器３１が検出する光の強度と、第２光検出器３２が検出する光の強度との差を求める。本実施形態では、第１光検出器３１が検出する光の強度を示す信号のレベルは第１レベル調整部３３で調整され、第２光検出器３２が検出する光の強度を示す信号のレベルは第２レベル調整部３４で調整される。従って、本実施形態では、減算器４０には、レベルが調整された状態の第１光検出器３１が検出する光の強度を示す信号、及び、レベルが調整された状態の第２光検出器３２が検出する光の強度を示す信号が入力し、減算器４０は、レベルが調整された状態の第１光検出器３１が検出する光の強度と第２光検出器３２が検出する光の強度との差を求める。減算器４０に入力する第１光検出器３１及び第２光検出器３２が検出する光の強度を示す信号が電圧である場合には、減算器４０は、電圧の差から第１光検出器３１が検出する光の強度と第２光検出器３２が検出する光の強度との差を示す信号を出力する。減算器４０に入力する第１光検出器３１及び第２光検出器３２が検出する光の強度を示す信号がデジタル信号である場合には、減算器４０は、演算により第１光検出器３１が検出する光の強度と第２光検出器３２が検出する光の強度との差を示す信号を出力する。この差を示す信号は、デジタル信号であることが、後述のように制御部ＣＰが当該信号を受け付け易い観点から好ましい。

なお、第１光検出器３１及び第２光検出器３２からの信号が電圧である場合、必要に応じて、第１光検出器３１と減算器４０との間、及び、第２光検出器３２と減算器４０との間にＡ／Ｄ変換器が設けられても良い。

減算器４０から出力する信号は、図１に示す制御部ＣＰに入力する。制御部ＣＰは、光源５を制御する。具体的には、制御部ＣＰは、光源５の励起光源５０を制御して、それぞれのレーザダイオード５１のオン・オフや、それぞれのレーザダイオード５１から出射する光の強度を制御する。

次に、本実施形態のレーザ装置１及び光検出装置２の動作および作用について説明する。

まず、励起光源５０のそれぞれのレーザダイオード５１から励起光が出射されると、この励起光が光ファイバ５４の内側クラッドを介して、増幅用光ファイバ５５の内側クラッドに入射する。増幅用光ファイバ５５の内側クラッドに入射した励起光は主に増幅用光ファイバ５５の内側クラッドを伝搬して、増幅用光ファイバ５５のコアを通過する際に当該コアに添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、特定の波長の自然放出光を放出する。このときの自然放出光は、例えば活性元素がイッテルビウムである場合、１０９０ｎｍの波長を含み一定の波長帯域を有する光である。この自然放出光は、増幅用光ファイバ５５のコアを伝搬して、一部の波長の光が第１ＦＢＧ５７により反射され、反射された光のうち第２ＦＢＧ５８が反射する波長の光が第２ＦＢＧ５８で反射されて、共振器内を往復する。そして、第１ＦＢＧ５７及び第２ＦＢＧ５８で反射される光が増幅用光ファイバ５５のコアを伝搬するときに、誘導放出が生じてこの光が増幅され、共振器内における利得と損失が等しくなったところでレーザ発振状態となる。そして、第１ＦＢＧ５７と第２ＦＢＧ５８との間を共振する光のうち一部の光が第２ＦＢＧ５８を透過し、光ファイバ１０を順方向に伝搬する。

光源５から出射されて光ファイバ１０を順方向に伝搬する光は、主にコア１１を伝搬するが、光ファイバの接続部等で漏洩して一部の光がクラッド１２を順方向に伝搬する場合がある。しかし、光源５側からクラッド１２を順方向に伝搬する光は、第１クラッドモードストリッパ２１に吸収される。このため、第１クラッドモードストリッパ２１よりも光源５側と反対側では、クラッド１２を順方向に光が伝搬することが抑制される。一方、コア１１を順方向に伝搬する光は、光ファイバ１０から出射する。光ファイバ１０から出射する光は加工対象物等に照射される。

ところで、加工対象物等に照射される光の一部は加工対象物等の表面で反射され、さらにその反射光の一部が光ファイバ１０に戻ることがある。このようにして反射されて光ファイバ１０に戻る光は、光ファイバ１０のコア１１及びクラッド１２を逆方向に伝搬する傾向にある。しかし、クラッド１２を逆方向に伝搬する光は、第２クラッドモードストリッパ２２に吸収される。このため、第２クラッドモードストリッパ２２よりも光源５側では、クラッド１２を逆方向に光が伝搬することが抑制される。一方コア１１を逆方向に伝搬する光は、それぞれのクラッドモードストリッパが設けられる位置を通過して光源５に向かって伝搬する。

ここで、コア１１を順方向に伝搬する光の強度をＰｆcoreとし、クラッド１２を順方向に伝搬する光の強度をＰｆcladとし、コア１１を逆方向に伝搬する光の強度をＰｒcoreとし、クラッド１２を逆方向に伝搬する光の強度をＰｒcladとする。

上記のように、第１クラッドモードストリッパ２１よりも光源５側と反対側では、クラッド１２を順方向に光が伝搬することが抑制され、第２クラッドモードストリッパ２２よりも光源５側では、クラッド１２を逆方向に光が伝搬することが抑制される。従って、第１クラッドモードストリッパ２１と第２クラッドモードストリッパ２２との間では、クラッド１２を光が伝搬することが抑制される。一方、第１クラッドモードストリッパ２１と第２クラッドモードストリッパ２２との間において、コア１１を順方向及び逆方向に光が伝搬する。このため、第１クラッドモードストリッパ２１と第２クラッドモードストリッパ２２との間における光ファイバ１０を伝搬する光の強度Ｐ１は、以下の式（１）で示される。
Ｐ１＝Ｐｆcore ＋Ｐｒcore ・・・（１）

第１光検出器３１は、上記のように、第１クラッドモードストリッパ２１と第２クラッドモードストリッパ２２との間において光ファイバ１０から漏洩する光の強度を検出する。上記のように光ファイバ１０から漏洩する光はレイリー散乱により漏洩する光を含むため、光ファイバ１０から漏洩する光の強度と光ファイバ１０を伝搬する光の強度とは相関する。従って、第１光検出器３１は、第１クラッドモードストリッパ２１と第２クラッドモードストリッパ２２との間において光ファイバ１０を伝搬する光の強度Ｐ１に相関する光の強度を検出する。

また、第２クラッドモードストリッパ２２よりも光源５側と反対側では、クラッド１２を逆方向に光が伝搬し得、コア１１を順方向及び逆方向に光が伝搬する。このため、第２クラッドモードストリッパ２２よりも光源５側と反対側における光ファイバ１０を伝搬する光の強度Ｐ２は、以下の式（２）で示される。
Ｐ２＝Ｐｆcore ＋Ｐｒcore ＋Ｐｒclad ・・・（２）

第２光検出器３２は、第２クラッドモードストリッパ２２を基準とした第１クラッドモードストリッパ２１側と反対側において光ファイバ１０から漏洩する光の強度を検出する。従って、第２光検出器３２は、第２クラッドモードストリッパ２２を基準とした第１クラッドモードストリッパ２１側と反対側において光ファイバ１０を伝搬する光の強度Ｐ２に相関する光の強度を検出する。

第１光検出器３１及び第２光検出器３２から出力する信号は、第１レベル調整部３３及び第２レベル調整部３４でそれぞれレベルが調整されて、減算器４０に入力する。

減算器４０では、上記のように、第１光検出器３１が検出する光の強度と第２光検出器３２が検出する光の強度との差が求められる。また、上記のように、第１光検出器３１は、強度Ｐ１に相関する光の強度を検出し、第２光検出器３２は、強度Ｐ２に相関する光の強度を検出する。このため、減算器４０では、強度Ｐ１と強度Ｐ２との差に相関する値が求められる。つまり、減算器４０では、光ファイバ１０のクラッド１２を逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒcladに相関する強度が求められる。従って、クラッド１２を逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒcladを求めることができる。減算器４０は、光の強度Ｐｒcladに相関する強度を示す信号、或いは、強度Ｐｒcladを示す信号を出力する。

減算器４０から出力する信号は、制御部ＣＰに入力する。制御部ＣＰは、上記のように求められた光の強度Ｐｒcladに相関する強度、或いは、強度Ｐｒcladに基づいて、光源５に対して所定の制御を行うことができる。例えば、制御部ＣＰは、クラッド１２を逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒcladが所定の値以上である場合に、励起光源５０を制御して、それぞれのレーザダイオード５１の動作を停止させ、レーザ装置１から出射されるレーザ光を止めるインターロック動作を行わせることができる。或いは、制御部ＣＰは、クラッド１２を逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒcladが所定の値以上である場合に、励起光源５０を制御して、それぞれのレーザダイオード５１から出射する光の強度を下げて、レーザ装置１から出射されるレーザ光の強度を下げる制御を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態の光検出装置２は、所定の間隔をあけて光ファイバ１０に設けられる第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２と、第１クラッドモードストリッパ２１と第２クラッドモードストリッパ２２との間において、光ファイバ１０から漏洩する光の強度を検出する第１光検出器３１と、第２クラッドモードストリッパ２２を基準とした第１クラッドモードストリッパ２１側と反対側において、光ファイバ１０から漏洩する光の強度を検出する第２光検出器３２と、を備える。

上記のように、第１光検出器は、光ファイバ１０の第１クラッドモードストリッパ２１と第２クラッドモードストリッパ２２との間において、光ファイバのコアを伝搬する光の一部が光ファイバから漏洩する光の強度を検出し、第２光検出器は、第２クラッドモードストリッパを基準とした第１クラッドモードストリッパ側と反対側において、クラッド１２を逆方向に伝搬する光の一部とコアを伝搬する光の一部が光ファイバから漏洩する光の強度を検出する。このため、第１光検出器３１が検出する光の強度と第２光検出器３２が検出する光の強度とを用いて、クラッド１２を逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒcladや強度Ｐｒcladに相関する強度を求め得る。

また、本実施形態のレーザ装置１は、光検出装置２が光ファイバ１０のクラッド１２を逆方向に伝搬する光の強度を検出することで、当該光の強度に応じて、インターロック動作等の所定の動作を行うことができる。

また、本実施形態の光検出装置２は、第１光検出器３１が検出する光の強度と、第２光検出器３２が検出する光の強度との差を求める減算器４０を備えるため、クラッドを逆方向に伝搬する光の強度を容易に算出し得る。

また、本実施形態の光検出装置２は、第１光検出器３１から出力する第１光検出器３１が検出する光の強度を示す信号のレベルを調整する第１レベル調整部３３、及び、第２光検出器３２から出力する第２光検出器３２が検出する光の強度を示す信号のレベルを調整する第２レベル調整部３４を備える。フォトダイオード等の光検出器は、光ファイバ１０に対する取り付けに誤差がある場合、光検出器が検出する光の強度の誤差が生じる。そこで、本実施形態のように、第１レベル調整部３３が第１光検出器３１の検出する光の強度を示す信号のレベルを調整し、第２レベル調整部３４が第２光検出器３２の検出する光の強度を示す信号のレベルを調整することで、第１光検出器３１が検出する光の強度と第２光検出器３２が検出する光の強度とのバランスを調整し得る。

また、本実施形態では、第１光検出器３１及び第２光検出器３２は、第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２と熱的に離間されている。フォトダイオード等の一般的な光検出器は、熱の影響により検出する光の強度に誤差が生じる傾向にある。そこで、本実施形態のように、発熱する傾向にある第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２と第１光検出器３１及び第２光検出器３２とが熱的に離間されることで、クラッドモードストリッパと光検出器とが熱的に離間されない場合と比べて、第１光検出器３１及び第２光検出器３２はより正確に光の強度を検出し得る。

以上、本発明について、実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、光検出装置２が減算器４０を備え、減算器４０によりクラッド１２を逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒcladを求めた。しかし、減算器４０は必須では無い。例えは、第１光検出器３１が検出する光の強度を含む信号と、第２光検出器３２が検出する光の強度を含む信号とが、光検出装置２から個別に出力されても良い。この場合、制御部ＣＰは、それぞれの信号を用いて、上実施形態の制御をしても良い。

また、上記実施形態の光検出装置２は、第１レベル調整部３３及び第２レベル調整部３４を備える。しかし、第１レベル調整部３３及び第２レベル調整部３４は必須では無い。この場合、第１光検出器３１が設けられる光ファイバ１０の部位と、第２光検出器３２が設けられる光ファイバ１０の部位とで、光ファイバ１０から同じ強度の光が漏洩する場合に、第１光検出器３１と第２光検出器３２とが、同じレベルの信号を出力することが好ましい。また、上記実施形態と異なり、第１光検出器３１から出力する第１光検出器３１が検出する光の強度を示す信号、及び、第２光検出器３２から出力する第２光検出器が検出する光の強度を示す信号の一方のレベルを調整する調整部を備えても良い。

また、上記実施形態では、第１光検出器３１及び第２光検出器３２は、第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２と熱的に離間された。しかし、第１光検出器３１及び第２光検出器３２は、第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２と熱的に離間されなくても良く、第１光検出器３１及び第２光検出器３２の一方が、第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２と熱的に離間されても良い。ただし、第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２から発生する熱の影響を抑えるため、上記実施形態のように、第１光検出器３１及び第２光検出器３２が、第１クラッドモードストリッパ２１及び第２クラッドモードストリッパ２２と熱的に離間されることが好ましい。

また、上記実施形態では、第１光検出器３１を基準として、光ファイバ１０の光源５側に第１クラッドモードストリッパ２１が設けられ、光ファイバ１０の光源５側と反対側である出射端側に第２クラッドモードストリッパ２２が設けられ、光ファイバ１０のクラッド１２を逆方向に伝搬する光の強度が検出された。しかし、光ファイバ１０の光源５側に第２クラッドモードストリッパ２２が設けられ、光ファイバ１０の光源５側と反対側である出射端側に第１クラッドモードストリッパ２１が設けられ、第２光検出器３２が第２クラッドモードストリッパ２２を基準とした第１クラッドモードストリッパ２１側と反対側に設けられても良い。この場合、クラッド１２を順方向に伝搬する光の強度を検出し得る。

また、上記実施形態では、減算器４０と制御部ＣＰとが別々のブロックとされた。しかし、減算器４０と制御部ＣＰとは一体であっても良い。

また、上記実施形態では光源５が共振器型のファイバレーザ装置である例を挙げて説明したが、光源５は、他のファイバレーザ装置や固体レーザ装置であってもよい。光源５がファイバレーザ装置とされる場合、ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型のファイバレーザ装置であってもよい。また、光源５の数は特に限定されず、少なくとも１つ備えられていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、クラッドを所定の方向に伝搬する光の強度を検出し得る光検出装置、及び当該光検出装置を備えるレーザ装置が提供され、ファイバレーザ装置や光ファイバ通信等の分野で利用することが期待される。

１・・・レーザ装置
２・・・光検出装置
５・・・光源
１０・・・光ファイバ
１１・・・コア
１２・・・クラッド
２１・・・第１クラッドモードストリッパ
２２・・・第２クラッドモードストリッパ
３１・・・第１光検出器
３２・・・第２光検出器
３３・・・第１レベル調整部
３４・・・第２レベル調整部
４０・・・減算器
ＣＰ・・・制御部

Claims

光ファイバと、
光検出装置と、
前記光ファイバを伝搬する光を出射する少なくとも一つの光源と、
制御部と、
を備え、
前記光検出装置は、
所定の間隔をあけて前記光ファイバに設けられる第１クラッドモードストリッパ及び第２クラッドモードストリッパと、
前記第１クラッドモードストリッパと前記第２クラッドモードストリッパとの間において、前記光ファイバのコアから漏洩する光の強度を検出する第１光検出器と、
前記第２クラッドモードストリッパを基準とした前記第１クラッドモードストリッパ側と反対側において、前記光ファイバのコア及びクラッドから漏洩する光の強度を検出する第２光検出器と、
前記第１光検出器が検出する光の強度と、前記第２光検出器が検出する光の強度との差を求める減算器と、
を備え、
前記制御部は、前記減算器に接続されるとともに、前記減算器を介して前記第１光検出器及び前記第２光検出器に接続され、
前記減算器は、前記差に基づいて前記第２光検出器側から前記第１光検出器側に向かって前記クラッドを伝搬する光の強度を求めるとともに当該強度を示す信号を前記制御部に出力し、
前記制御部は、前記信号が前記第２光検出器側から前記第１光検出器側に向かって前記クラッドを伝搬する光の強度が所定の値以上であることを示す場合に、前記光源の動作を停止させる
ことを特徴とするレーザ装置。
光ファイバと、
光検出装置と、
前記光ファイバを伝搬する光を出射する少なくとも一つの光源と、
制御部と、
を備え、
前記光検出装置は、
所定の間隔をあけて前記光ファイバに設けられる第１クラッドモードストリッパ及び第２クラッドモードストリッパと、
前記第１クラッドモードストリッパと前記第２クラッドモードストリッパとの間において、前記光ファイバのコアから漏洩する光の強度を検出する第１光検出器と、
前記第２クラッドモードストリッパを基準とした前記第１クラッドモードストリッパ側と反対側において、前記光ファイバのコア及びクラッドから漏洩する光の強度を検出する第２光検出器と、
前記第１光検出器が検出する光の強度と、前記第２光検出器が検出する光の強度との差を求める減算器と、
を備え、
前記制御部は、前記減算器に接続されるとともに、前記減算器を介して前記第１光検出器及び前記第２光検出器に接続され、
前記減算器は、前記差に基づいて前記第２光検出器側から前記第１光検出器側に向かって前記クラッドを伝搬する光の強度を求めるとともに当該強度を示す信号を前記制御部に出力し、
前記制御部は、前記信号が前記第２光検出器側から前記第１光検出器側に向かって前記クラッドを伝搬する光の強度が所定の値以上であることを示す場合に、前記光源から出射する光の強度を下げる
ことを特徴とするレーザ装置。
前記第１光検出器から出力する前記第１光検出器が検出する光の強度を示す信号、及び、前記第２光検出器から出力する前記第２光検出器が検出する光の強度を示す信号の少なくとも一方のレベルを調整する調整部を更に備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
前記第１光検出器及び前記第２光検出器の少なくとも一方は、前記第１クラッドモードストリッパ及び前記第２クラッドモードストリッパと熱的に離間される
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
前記第２光検出器は、前記第１光検出器よりも前記光ファイバの出射端側に配置される
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ装置。