JP6874083B2 - 光検出装置及びレーザ装置 - Google Patents

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正確に検出することが求められる。

例えば、下記特許文献１には、光ファイバ同士の接続部から漏れる光を検出することによって光ファイバを伝搬する光の強度を推定するファイバレーザ装置が記載されている。また、下記特許文献２には、光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱を検出することによって光ファイバを伝搬する光の強度を推定するセンサユニットが記載されている。

国際公開第２０１２／０７３９５２号公報 国際公開第２０１４／０３５５０５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、光ファイバ同士の接続部からの漏れ光が利用されており、その漏れ光が光ファイバの外に取り出される際に熱が生じる。このような発熱は、光ファイバを伝搬する光のエネルギーが高くなるにつれてより顕著になる。このため、上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置では、光ファイバを伝搬する光のエネルギーが高くなるにつれて、検出器及び検出器までの経路において熱の影響が大きくなり、検出結果と当該検出結果から推定される光ファイバを伝搬する光の強度との関係の線形性が失われる傾向にある。よって、光ファイバを伝搬する光の強度を正確に検出することが難しくなる。

また、上記特許文献２に記載のセンサユニットでは光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱が検出されているが、レイリー散乱は全方位に生じるため、光ファイバをどちらの方向に伝搬する光のレイリー散乱であるかを判別することが難しい。このため、上記特許文献２に記載のセンサユニットは、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を精度よく検出することが難しい。特に金属加工等の高反射材加工ではレーザの出力方向とは逆方向に伝搬する反射光が発生しうるため、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を精度よく検出することが難しくなる。

そこで、本発明は、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度の検出精度を向上し得る光検出装置、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、複数の第１光ファイバと、一方の端面にそれぞれの前記第１光ファイバの一方の端面が接続される光コンバイナと、前記光コンバイナの他方の端面に一方の端面が接続される第２光ファイバと、少なくとも一つの前記第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出する第１光検出器と、前記第２光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱を検出する第２光検出器と、前記第１光検出器の検出結果及び前記第２光検出器の検出結果から、前記第１光ファイバまたは前記第２光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を計算する計算部と、を備えることを特徴とする。

上記本発明の光検出装置では、光コンバイナの一方の端面に複数の第１光ファイバが接続され、光コンバイナの他方の端面に第２光ファイバが接続される。このように光コンバイナを介して複数の第１光ファイバと第２光ファイバとが光学的に結合されると、複数の第１光ファイバから第２光ファイバに伝搬する光の割合と第２光ファイバから複数の第１光ファイバに伝搬する光の割合とに差が生じる。つまり、光コンバイナの第２光ファイバが接続される側の端面から第２光ファイバのコアへは光を伝搬させ易いが、光コンバイナの第１光ファイバが接続される側の端面から第１光ファイバのコアへは光が伝搬し難い。これは、光コンバイナの端面に複数の第１光ファイバが接続されると、第２光ファイバ側からの光は光コンバイナの端面において互いに隣り合う第１光ファイバの隙間や第１光ファイバのクラッドに入射するからであると考えられる。ところで、第１光検出器は、少なくとも１つの第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出する。複数の第１光ファイバに光が伝搬する場合、少なくとも１つの第１光ファイバを伝搬する光の強度を知ることができれば、積算することによって複数の第１光ファイバを伝搬する光の強度を推定し得る。また、第２光検出器は、第２光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱を検出することによって、第２光ファイバを伝搬する光の強度を検出する。このように光コンバイナを挟むように配置される第１光検出器及び第２光検出器の検出結果には、上記割合の差に起因する差が生じる。この検出結果の差は、第１光ファイバから第２光ファイバ側へ伝搬する光の強度及び第２光ファイバから第１光ファイバ側へ伝搬する光の強度に依存する。このため、計算部は、第１光検出器の検出結果及び第２光検出器の検出結果から、第１光ファイバから第２光ファイバ側に伝搬する光の強度または第２光ファイバから第１光ファイバ側に伝搬する光の強度を計算することができる。すなわち、計算部は、第１光ファイバまたは第２光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を計算することができる。

また、上記本発明の光検出装置において、少なくとも第２光検出器はレイリー散乱を検出する。このため、上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置のように漏れ光を検出する場合に比べて、第２光ファイバを伝搬する光の強度が強い場合であっても検出結果と当該検出結果から推定される第２光ファイバを伝搬する光の強度との関係の線形性が保たれ得る。なお、第１光ファイバを伝搬する光の強度の第１光検出器による検出方法は、特に限定されない。第２光ファイバには複数の第１光ファイバを伝搬する光が入射するのに対して、それぞれの第１光ファイバを伝搬する光の強度は第２光ファイバを伝搬する光の強度より弱い。そのため、例えば第１光検出器が漏れ光を検出する場合であっても検出結果と当該検出結果から推定される第１光ファイバを伝搬する光の強度との関係の線形性が保たれ易い。したがって、上記本発明の光検出装置は、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度の検出精度を向上し得る。

また、前記第１光検出器が全ての前記第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出することが好ましい。

上記のように、第１光検出器が少なくとも１つの第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出することによって複数の第１光ファイバを伝搬する光の強度を推定し得る。ただし、複数の第１光ファイバに光が伝搬する場合、第１光検出器が全ての第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出することによって、上記のように複数の第１光ファイバを伝搬する光の強度を推定する必要がなく、複数の第１光ファイバを伝搬する光の強度の検出が容易になる。また、第１光検出器に用いられるセンサの大きさに対して第１光ファイバが十分に細い場合、複数の第１光ファイバを並列させることで１つのセンサによって全ての第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出することができ、当該センサの配置が容易になる。

また、複数の前記第１光ファイバのうち一部の前記第１光ファイバの他方の端面に光源が光学的に結合され、複数の前記第１光ファイバのうち他の一部の前記第１光ファイバの前記他方の端面には光源が非接続とされ、前記第１光検出器は、前記光源に非接続とされる前記第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出することが好ましい。

複数の第１光ファイバのうち一部の第１光ファイバの他方の端面に光源が光学的に結合され、光源が光を出射する場合、光源に非接続とされる第１光ファイバには、第２光ファイバ側からの光のみが伝搬する。この場合、第２光検出器は第２光ファイバを双方向に伝搬する光の強度を検出するのに対して、第１光検出器は第１光ファイバを第２光ファイバ側から伝搬する光の強度を検出する。したがって、第１光検出器の検出結果と第２光検出器の検出結果との差分から第１光ファイバ及び第２光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を計算することが容易になる。

また、前記第１光検出器は、前記光源に非接続とされる前記第１光ファイバの前記他方の端面から出射する光の強度を検出することが好ましい。

第１光ファイバの端面から出射する光の強度を検出することによって、第１光ファイバを第２光ファイバ側から伝搬する光の強度を正確に検出し易くなる。

また、それぞれの前記第１光ファイバの他方の端面に光源が光学的に結合され、それぞれの前記光源は光を出射する状態と光を非出射とする状態とに切り替えられ、前記第１光検出器は、少なくとも１つの前記光源が光を出射している状態のときに、光を非出射の状態の前記光源に光学的に結合される前記第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出することが好ましい。

それぞれの第１光ファイバの他方の端面に光源が光学的に結合され、それぞれの光源が光を出射する状態と光を非出射とする状態とに切り替えられる場合において、少なくとも１つの光源が光を出射し、他の光源が光を出射しない場合を考える。このとき、複数の第１光ファイバのうち一部の第１光ファイバは光コンバイナ側に光を伝搬する状態とされ、他の一部の第１光ファイバは光コンバイナ側に光を伝搬しない状態とされる。この場合、光を非出射の状態の光源に光学的に結合される第１光ファイバでは、光コンバイナ側に光を伝搬しておらず、第２光ファイバ側からの光のみが伝搬する。第１光検出器が光コンバイナ側に光を伝搬していない第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出することによって、第１光検出器は第１光ファイバを第２光ファイバ側から伝搬する光の強度を検出する。したがって、第１光検出器の検出結果と第２光検出器の検出結果との差分から第１光ファイバ及び第２光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を計算することが容易になる。

また、クラッドモードストリッパが前記第２光ファイバに設けられ、前記第２光検出器は、前記クラッドモードストリッパよりも前記光コンバイナ側に配置されることが好ましい。

第２光ファイバから出射して第２光ファイバに戻ってくる光のうちクラッドモード光となる割合は不定であり、当該クラッドモード光は第２光検出器の検出結果に対する不確定要素となり得る。第２光検出器がクラッドモードストリッパよりも光コンバイナ側に設けられることによって、第２光ファイバから出射して第２光ファイバに戻ってくる光のうちクラッドモード光は当該クラッドモードストリッパによって第２光ファイバの外側に放出され得る。そのため、第２光検出器によって第２光ファイバを伝搬する光の強度を正確に検出することが容易になり得る。

また、上記課題を解決するため、本発明のレーザ装置は、上記のいずれかの光検出装置と、少なくとも一つの第１光ファイバの他方の端面に入射する光を出射する光源と、を備えることを特徴とする。

上記のように、上記本発明の光検出装置によれば、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度の検出精度を向上し得る。よって、当該光検出装置を備えるレーザ装置によれば、光ファイバを伝搬する光の強度に基づく制御の正確性を向上し得る。

以上のように、本発明によれば、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度の検出精度を向上し得る光検出装置、及び当該光検出装置を備えるレーザ装置が提供される。

本発明の第１実施形態に係るレーザ装置を概略的に示す図である。 図１に示す光ファイバと光コンバイナとの接続部を拡大して示す斜視図である。 図１に示す光検出装置を概略的に示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光検出装置を図３と同様に示す図である。 本発明の第３実施形態に係るレーザ装置を図１と同様に示す図である。

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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ装置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、複数の光源２、複数の第１光ファイバ３、光検出装置４、第２光ファイバ５、及び制御部ＣＰを主な構成として備える。

それぞれの光源２は、所定の波長の信号光を出射するレーザ装置とされ、例えば、ファイバレーザ装置や固体レーザ装置とされる。光源２がファイバレーザ装置とされる場合、共振器型のファイバレーザ装置であったり、ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型のファイバレーザ装置であったりする。それぞれの光源２から出射する光は、例えば、１０７０ｎｍの波長の光とされる。それぞれの光源２には、光源２から出射する光を伝搬する第１光ファイバ３が接続されている。

それぞれの第１光ファイバ３の一方の端面は、光コンバイナ１０の一方の端面に接続され、第１光ファイバ３の他方の端面は光源２に光学的に結合される。したがって、第１光ファイバ３は、光源２が出射する光を光コンバイナ１０に入力するための入力用光ファイバである。

図２は、図１に示す光ファイバと光コンバイナとの接続部を拡大して示す斜視図である。

図２に示すように、本実施形態の場合、１本の第１光ファイバ３は光コンバイナ１０の一方の端面の中心に接続される。また、他の６本の第１光ファイバ３は、当該１本の第１光ファイバ３の周りを囲むように配置され、光コンバイナ１０の一方の端面に接続される。

それぞれの第１光ファイバ３は、コア３１と、コア３１を囲むクラッド３２と、クラッド３２の外周面を被覆する被覆層３３とを有する。なお、図２では、便宜上、１つの第１光ファイバ３の被覆層３３だけが示され、他の第１光ファイバ３については光コンバイナ１０側とは反対側が切断されている。また、それぞれの第１光ファイバ３における光コンバイナ１０側の端部では被覆層３３が剥離される。

第１光ファイバ３において、コア３１の屈折率は、クラッド３２の屈折率よりも高くされる。例えば、屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加される石英でコア３１が形成され、純粋な石英でクラッド３２が形成される。ドーパントが添加されていない純粋石英でコア３１が形成され、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でクラッド３２が形成されてもよい。被覆層３３はクラッド３２より屈折率が低い材料からなる。被覆層３３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。

図３は、図１に示す光検出装置を概略的に示す断面図である。図３に示すように、本実施形態の光検出装置４は、複数の第１光ファイバ３、光コンバイナ１０、第２光ファイバ５、第１光検出器２１、第２光検出器２２、第１ＡＤ変換部２３、第２ＡＤ変換部２４、及び計算部２５を主な構成として備える。

本実施形態の光コンバイナ１０は、第１光ファイバ３側の一部では外径が一定で第２光ファイバ５側の他の一部では外径が縮径されているテーパファイバである。すなわち、光コンバイナ１０は、外径が一定である非縮径部１３と、非縮径部１３と一体に形成され、当該非縮径部１３から離れるほど外径が縮径されるテーパ部１４とで構成される。このような光コンバイナ１０において、非縮径部１３側の一方の端面にそれぞれの第１光ファイバ３の一方の端面が融着され、テーパ部１４側の他方の端面に第２光ファイバ５の一方の端面が融着される。

また、本実施形態の光コンバイナ１０は、コア−クラッド構造を有している。すなわち本実施形態の光コンバイナ１０は、複数の第１光ファイバ３及び第２光ファイバ５が光学的に結像されるコア１１と、コア１１よりも屈折率が低くコア１１を囲うクラッド１２とを有している。光コンバイナ１０の屈折率は特に限定されるものではないが、第１光ファイバ３から光コンバイナ１０のコア１１に入射する光の反射を抑制する観点では、コア１１の屈折率は第１光ファイバ３の中心軸付近と同程度の屈折率とされることが好ましい。例えば、光コンバイナ１０のコア１１は第１光ファイバ３のコア３１と同様の材料で構成され、光コンバイナ１０のクラッド１２は第１光ファイバ３のクラッド３２と同様の材料で構成される。

ただし、光コンバイナ１０は、コア−クラッド構造を有しておらず、光コンバイナ１０の全体が、光を伝搬する部位とされてもよい。この場合、光コンバイナ１０の全体がコア１１からなると考えることができ、光コンバイナ１０の周囲の空気をクラッドと考えることができる。また、この場合、光コンバイナ１０は、例えば全体が第１光ファイバ３のコア３１と同様の材料で構成される。

なお、光検出装置４が有する第１光ファイバ３は、光源２に光学的に結合される上記第１光ファイバ３の一部であってもよく、上記第１光ファイバ３に光学的に結合される上記第１光ファイバ３と同様の構成の他の光ファイバであってもよい。

第２光ファイバ５は、光コンバイナ１０から出射する光を後段に出力するための出力用光ファイバである。第２光ファイバ５は、コア５１と、コア５１を囲むクラッド５２と、クラッド５２の外周面を被覆する被覆層５３とを有する。例えば、第２光ファイバ５のコア５１は第１光ファイバ３のコア３１と同様の材料で構成され、第２光ファイバ５のクラッド５２は第１光ファイバ３のクラッド３２と同様の材料で構成され、第２光ファイバ５の被覆層５３は第１光ファイバ３の被覆層３３と同様の材料で構成される。また、本実施形態の第２光ファイバ５はマルチモードファイバとされる。

本実施形態の場合、第２光ファイバ５のコア５１の直径は、光コンバイナ１０のコア１１のテーパ部１４側の端面の直径と同じとされ、第２光ファイバ５のクラッド５２の外径は光コンバイナ１０のクラッド１２のテーパ部１４側の端面の外径と同じとされる。そして、第２光ファイバ５と光コンバイナ１０とは中心軸が一致するように互いの端面が融着される。なお、第２光ファイバ５において光コンバイナ１０と融着される端面の近傍では、被覆層５３が剥離されている。

また、本実施形態の第２光ファイバ５は、クラッドモードストリッパ５５を有する。クラッドモードストリッパ５５は、第２光ファイバ５のクラッド５２の外側に設けられている。クラッドモードストリッパ５５は、クラッド５２を伝搬するクラッドモード光を第２光ファイバ５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。本実施形態のクラッドモードストリッパ５５は、クラッド５２よりも屈折率が高い樹脂からなる高屈折率部５５ｈがクラッド５２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。

なお、図１では第２光ファイバ５の光コンバイナ１０側と反対側の端面には特に何も接続されていないが、第２光ファイバ５の光コンバイナ１０側と反対側の端面には他の光ファイバや第２光ファイバ５のコア５１の直径より大径のガラスロッド等が接続されても良い。

第１光検出器２１は、光コンバイナ１０よりも光源２からの光の伝搬方向の上流側に配置され、第２光検出器２２は、光コンバイナ１０よりも光源２からの光の伝搬方向の下流側に配置される。本実施形態において、第１光検出器２１は、１つの第１光ファイバ３の外側に配置され、１つの第１光ファイバ３を伝搬する光のレイリー散乱を検出する。また、第２光検出器２２は、第２光ファイバ５の外側に配置され、第２光ファイバ５を伝搬する光のレイリー散乱を検出する。このような第１光検出器２１及び第２光検出器２２は、それぞれ例えばフォトダイオードからなる。

また、本実施形態の第２光検出器２２は、クラッドモードストリッパ５５よりも光コンバイナ１０側に配置され、クラッドモードストリッパ５５から熱的に離間して配置される。第２光検出器２２がクラッドモードストリッパ５５から熱的に離間して配置されることによって、第２光検出器２２がクラッドモードストリッパ５５で生じる熱の影響を受けることが抑制され得る。

なお、レイリー散乱は全方位に生じるため、ただ単にレイリー散乱を検出するだけでは、光ファイバをどちらの方向に伝搬する光のレイリー散乱であるかを判別することが難しい。例えば、金属加工等の高反射材加工にレーザ装置１を用いる場合、第２光ファイバ５には、第２光ファイバ５から出射される光の出力方向とは逆方向に伝搬する反射光も伝搬する場合がある。このような場合において、本実施形態の光検出装置４では、後に詳述するように、第１光ファイバ３及び第２光ファイバ５の双方向に伝搬するそれぞれの光の強度の検出精度を向上し得る。

第１ＡＤ変換部２３は、第１光検出器２１からの信号をＡＤ変換して計算部２５へと送る。また、第２ＡＤ変換部２４は、第２光検出器２２からの信号をＡＤ変換して計算部２５へと送る。

計算部２５は、第１ＡＤ変換部２３を介して送られる第１光検出器２１での検出結果及び第２ＡＤ変換部２４を介して送られる第２光検出器２２での検出結果に基づく計算によって、後述するようにして第１光ファイバ３を伝搬する光の強度及び第２光ファイバ５を伝搬する光の強度を推定する。

図１に示す制御部ＣＰは、計算部２５からの信号に基づいて、後述するように光源２を制御する。なお、計算部２５、第１ＡＤ変換部２３、及び第２ＡＤ変換部２４は、制御部ＣＰの一部とされてもよい。すなわち、１つのＣＰＵによって計算部２５、第１ＡＤ変換部２３、及び第２ＡＤ変換部２４の少なくともいずれか１つと制御部ＣＰとが一体に構成されてもよい。

次に、本実施形態のレーザ装置１及び光検出装置４の動作および作用について説明する。

まず、それぞれの光源２から光が出射されると、この光は第１光ファイバ３を介して光コンバイナ１０の一方の端面からコア１１に入射する。第１光ファイバ３から光コンバイナ１０のコア１１に入射する光は、光コンバイナ１０のテーパ部１４に達する。このテーパ部１４では、光の少なくとも一部が光コンバイナ１０のコア１１とクラッド１２との界面で反射しながら伝搬する。この反射を繰り返す毎に、テーパ形状とされた光コンバイナ１０のコア１１の外周面により光の発散角が大きくされる。つまり、光コンバイナ１０のコア１１の外周面で反射する光は、光コンバイナ１０の軸方向に対する角度が大きくなる。そして、テーパ部１４を伝搬する光は、光コンバイナ１０の出射面であるテーパ部１４側の端面から所定の発散角で出射し、第２光ファイバ５の一方の端面からコア５１に入射して第２光ファイバ５を伝搬する。このようにして光源２から出射される光は第１光ファイバ３、光コンバイナ１０、及び第２光ファイバ５を順次伝搬し、第２光ファイバ５の他方の端面から出射される。

上記のように第２光ファイバ５の他方の端面から出射する光は加工対象物等に照射される。また、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は第２光ファイバ５に戻ることがある。以下の説明では、第１光ファイバ３から第２光ファイバ５側へと向かう方向を順方向といい、第２光ファイバ５から第１光ファイバ３側へと向かう方向を逆方向という場合がある。

それぞれの第１光ファイバ３を順方向に伝搬する光は、光コンバイナ１０によって効率良く第２光ファイバ５に入射する。よって、次の計算では第１光ファイバ３を順方向に伝搬する光の損失を無視している。第１光ファイバ３を順方向に伝搬する光の強度をＰｆ、第２光ファイバ５を逆方向に伝搬する光の強度をＰｒとすると、第２光検出器２２で検出されるレイリー散乱から求められる光の強度Ｍ２は下記式（１）で表すことができる。
Ｍ２＝ＮＰｆ＋Ｐｒ ・・・（１）
することができる。
ここで、Ｎは光源２からの光を伝搬する第１光ファイバ３の数である。本実施形態では全ての第１光ファイバ３に光源２が接続されており、光源２からの光が全ての第１光ファイバ３を伝搬するとすれば、Ｎ＝７である。なお、ここでは全ての第１光ファイバ３において光源２から同程度の強さの光が伝搬していると仮定しているが、それぞれの第１光ファイバ３において伝搬する光の強度が異なる場合は、Ｐｆに適切な係数を掛けて計算してもよい。

一方、第２光ファイバ５を逆方向に伝搬する光の一部は光コンバイナ１０を介して第１光ファイバ３に入射する場合もあるが、他の一部は第１光ファイバ３に入射しない。よって、第２光ファイバ５を逆方向に伝搬する光のうち第１光ファイバ３へ入射する光の割合をαとすると、第１光検出器２１で検出されるレイリー散乱から求められる光の強度Ｍ１は下記式（２）で表すことができる。すなわち、第１光ファイバ３を逆方向に伝搬する光の強度をαＰｒとすることができる。
Ｍ１＝Ｐｆ＋αＰｒ ・・・（２）

第１光検出器２１での検出結果は第１ＡＤ変換部２３介して計算部２５へ入力され、第２光検出器２２での検出結果は第２ＡＤ変換部２４を介して計算部２５へと入力される。そして、計算部２５において上記式（１）、（２）の計算が行われる。さらに、上記式（１）、（２）から、第１光ファイバ３を順方向に伝搬する光の強度Ｐｆ及び第２光ファイバ５を逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒが下記式（３）、（４）のように求められる。
Ｐｒ＝（Ｍ２−ＮＭ１）／（１−Ｎα） ・・・（３）
Ｐｆ＝（αＭ２−Ｍ１）／（Ｎα−１） ・・・（４）

上記αは、事前に第１光ファイバ３及び第２光ファイバ５に逆方向に光を伝搬させる試験を行うことによって求めることができる。具体的には、まず、第１光ファイバ３の上流側の端面から出射する光のエネルギーを測定するカロリーメータを配置する。そして、第２光ファイバ５の下流側から逆方向に光を伝搬させ、このように第２光ファイバ５に入射させた光のエネルギーとカロリーメータで測定されるエネルギーとの比をαとすることができる。

また、第１光ファイバ３を順方向に伝搬する光が第１光検出器２１によって強度を検出される箇所から第２光検出器２２によって強度を検出される箇所まで伝搬する間で損失することを考慮する場合は、次のように考えることができる。第２光検出器２２で検出されるレイリー散乱から求められる光の強度Ｍ２は、下記式（５）で表すことができる。ここで、βは、順方向に伝搬する光が第１光検出器２１によって強度を検出される箇所から第２光検出器２２によって強度を検出される箇所まで伝搬する割合である。すなわち、第２光ファイバ５を順方向に伝搬する光の強度をＮβＰｆとすることができる。
Ｍ２＝ＮβＰｆ＋Ｐｒ ・・・（５）

そして、上記式（２）、（５）から、第１光ファイバ３を順方向に伝搬する光の強度Ｐｆ及び第２光ファイバ５を逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒが下記式（６）、（７）のように求められる。
Ｐｒ＝（ＮβＭ１−Ｍ２）／（Ｎαβ−１） ・・・（６）
Ｐｆ＝（αＭ２−Ｍ１）／（Ｎαβ−１） ・・・（７）

上記βは、事前に第１光ファイバ３及び第２光ファイバ５に順方向に光を伝搬させる試験を行うことによって求めることができる。具体的には、まず、第２光ファイバ５の下流側の端面から出射する光のエネルギーを測定するカロリーメータを配置する。そして、第１光ファイバ３の上流側から順方向に光を伝搬させ、このように第１光ファイバ３に入射させた光のエネルギーとカロリーメータで測定されるエネルギーとの比をβとすることができる。

上記のようにして計算部２５で順方向の光の強度Ｐｆ及び逆方向の光の強度Ｐｒを求めた後、この計算結果に基づいて制御部ＣＰによってレーザ装置１に対して所定の制御を行うことができる。例えば、順方向の光の強度Ｐｆに応じて光源２からの出力を調整する制御を行ったり、逆方向の光の強度Ｐｆが許容値を超える場合にレーザ装置１から出射される光を止める制御を行ったりすることができる。また、制御部ＣＰは、不図示の表示装置に警告を表示したり、不図示のスピーカーから警告音を発したりしてもよい。

以上のように、本実施形態の光検出装置４は、複数の第１光ファイバ３と、一方の端面にそれぞれの第１光ファイバ３の一方の端面が接続される光コンバイナ１０と、光コンバイナ１０の他方の端面に一方の端面が接続される第２光ファイバ５と、を備える。また、本実施形態の光検出装置４は、一つの第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出する第１光検出器２１と、第２光ファイバ５を伝搬する光のレイリー散乱を検出する第２光検出器２２と、計算部２５と、を備える。

このような本実施形態の光検出装置４において、光コンバイナ１０を介して複数の第１光ファイバ３と第２光ファイバ５とが光学的に結合されると、複数の第１光ファイバ３から第２光ファイバ５に伝搬する光の割合と第２光ファイバ５から複数の第１光ファイバ３に伝搬する光の割合とに差が生じる。つまり、光コンバイナ１０の第２光ファイバ５が接続される側の端面から第２光ファイバ５のコア５１へは光を伝搬させ易いが、光コンバイナ１０の第１光ファイバ３が接続される側の端面から第１光ファイバ３のコア３１へは光が伝搬し難い。これは、光コンバイナ１０の端面に複数の第１光ファイバ３が接続されると、第２光ファイバ５側からの光は光コンバイナ１０の端面において互いに隣り合う第１光ファイバ３の隙間や第１光ファイバ３のクラッド３２に入射するからであると考えられる。

ところで、本実施形態の第１光検出器２１は、１つの第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出する。複数の第１光ファイバ３に光が伝搬する場合、少なくとも１つの第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を知ることができれば、積算することによって複数の第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を推定し得る。また、第２光検出器２２は、第２光ファイバ５を伝搬する光のレイリー散乱を検出することによって、第２光ファイバ５を伝搬する光の強度を検出する。このように光コンバイナ１０を挟むように配置される第１光検出器２１及び第２光検出器２２の検出結果には、上記割合の差に起因する差が生じる。この検出結果の差は、第１光ファイバ３から第２光ファイバ５側へ伝搬する光の強度及び第２光ファイバ５から第１光ファイバ３側へ伝搬する光の強度に依存する。このため、計算部２５は、上記のように、第１光検出器２１の検出結果及び第２光検出器２２の検出結果から、第１光ファイバ３から第２光ファイバ５側に伝搬する光の強度または第２光ファイバ５から第１光ファイバ３側に伝搬する光の強度を計算することができる。すなわち、計算部２５は、第１光ファイバ３または第２光ファイバ５を所定の方向に伝搬する光の強度を計算することができる。

また、本実施形態の光検出装置４において、少なくとも第２光検出器２２はレイリー散乱を検出する。このため、上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置のように漏れ光を検出する場合に比べて、第２光ファイバ５を伝搬する光の強度が強い場合であっても検出結果と当該検出結果から推定される第２光ファイバ５を伝搬する光の強度との関係の線形性が保たれ得る。なお、第１光ファイバ３を伝搬する光の強度の第１光検出器２１による検出方法は、特に限定されない。したがって、例えば、第１光検出器２１は、第１光ファイバ３を伝搬する光のレイリー散乱を検出してもよく、第１光ファイバ３から分岐させた光を直接検出してもよい。第２光ファイバ５には複数の第１光ファイバ３を伝搬する光が入射するのに対して、それぞれの第１光ファイバ３を伝搬する光の強度は第２光ファイバ５を伝搬する光の強度より弱い。そのため、例えば第１光検出器２１が漏れ光を検出する場合であっても検出結果と当該検出結果から推定される第１光ファイバ３を伝搬する光の強度との関係の線形性が保たれ易い。したがって、本実施形態の光検出装置４は、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度の検出精度を向上し得る。

また、本実施形態の光検出装置４では、クラッドモードストリッパ５５が第２光ファイバ５に設けられ、第２光検出器２２は、クラッドモードストリッパ５５よりも光コンバイナ１０側に配置される。第２光ファイバ５から出射して第２光ファイバ５に戻ってくる光のうちクラッドモード光となる割合は不定であり、当該クラッドモード光は第２光検出器２２の検出結果に対する不確定要素となり得る。第２光検出器２２がクラッドモードストリッパ５５よりも光コンバイナ１０側に設けられることによって、第２光ファイバ５から出射して第２光ファイバ５に戻ってくる光のうちクラッドモード光は当該クラッドモードストリッパ５５によって第２光ファイバ５の外側に放出され得る。そのため、第２光検出器２２によって第２光ファイバ５を伝搬する光の強度を正確に検出することが容易になり得る。

また、本実施形態のレーザ装置１は、上記光検出装置４と、それぞれの第１光ファイバ３の他方の端面に入射する光を出射する光源２と、を備える。上記のように、本実施形態の光検出装置４によれば、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度の検出精度を向上し得る。よって、本実施形態の光検出装置４を備えるレーザ装置１によれば、光ファイバを伝搬する光の強度に基づく制御の正確性を向上し得る。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。

図４は、本発明の第２実施形態に係る光検出装置を図３と同様に示す図である。図４に示すように、本実施形態の光検出装置４は、第１光検出器２１が全ての第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出する点において上記第１実施形態の光検出装置４と異なる。

上記第１実施形態のように、第１光検出器２１が少なくとも１つの第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出することによって、複数の第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を推定し得る。ただし、複数の第１光ファイバ３に光が伝搬する場合、第１光検出器２１が全ての第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出することによって、上記のように複数の第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を推定する必要がなく、複数の第１光ファイバ３を伝搬する光の強度の検出が容易になる。また、第１光検出器２１に用いられるセンサの大きさに対して第１光ファイバ３が十分に細い場合、複数の第１光ファイバを並列させることで１つのセンサによって全ての第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出することができ、当該センサの配置が容易になる。

なお、本実施形態では第１光検出器２１が全ての第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出するため、上記式（１）〜（７）において、Ｐｆを全ての第１光ファイバ３を伝搬する光の強度の総和とし、Ｎ＝１として計算することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。

図５は、本発明の第３実施形態に係るレーザ装置を図１と同様に示す図である。図５に示すように、本実施形態のレーザ装置１に備えられる光検出装置４では、複数の第１光ファイバ３のうち一部の第１光ファイバ３の他方の端面に光源２が光学的に結合され、複数の第１光ファイバ３のうち他の一部の第１光ファイバ３の他方の端面には光源２が非接続とされる。また、第１光検出器２１は、光源２に非接続とされる第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出する。

図５には、光コンバイナ１０のコア１１の中心に接続される第１光ファイバ３の他方の端面に光源２が非接続とされ、他の第１光ファイバ３の他方の端面に光源２が接続とされる例を示している。ただし、光コンバイナ１０のコア１１の中心に接続される第１光ファイバ３以外の第１光ファイバ３の他方の端面に光源２が非接続とされてもよく、複数の第１光ファイバ３の他方の端面に光源２が非接続とされてもよい。

複数の第１光ファイバ３のうち一部の第１光ファイバ３の他方の端面に光源２が光学的に結合され、光源２が光を出射する場合、光源２に非接続とされる第１光ファイバ３には、第２光ファイバ５側からの光のみが伝搬する。この場合、第２光検出器２２は第２光ファイバ５を双方向に伝搬する光の強度を検出するのに対して、第１光検出器２１は第１光ファイバ３を第２光ファイバ５側から伝搬する光の強度を検出する。すなわち、本実施形態では、上記式（２）においてＰｆ＝０として計算することができる。したがって、第１光検出器２１の検出結果と第２光検出器２２の検出結果との差分から第１光ファイバ３及び第２光ファイバ５を所定の方向に伝搬する光の強度を計算することが容易になる。

また、本実施形態の第１光検出器２１は、光源２に非接続とされる第１光ファイバ３の他方の端面から出射する光の強度を検出することが好ましい。この場合、第１光検出器２１は、例えば、第１光ファイバ３の他方の端面から出射する光を直接検出するフォトダイオードとされる。第１光ファイバ３の端面から出射する光の強度を検出することによって、第１光ファイバ３を第２光ファイバ５側から伝搬する光の強度を正確に検出し易くなる。

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、光源２に接続される全ての第１光ファイバ３に光源２から出射する光が伝搬する場合について説明した。しかし、それぞれの第１光ファイバ３の他方の端面に光源２が光学的に結合され、それぞれの光源２は光を出射する状態と光を非出射とする状態とに切り替えられてもよい。このとき、複数の第１光ファイバ３は、光コンバイナ１０側に光を伝搬する状態と伝搬しない状態とに切り替えられる。すなわち、それぞれの光源２は個別に光の出射と停止とを制御され、複数の光源２に接続されるそれぞれの第１光ファイバ３のうち一部の第１光ファイバ３には光源２からの光が伝搬し、他の一部の第１光ファイバ３には光源２からの光が伝搬していなくてもよい。この場合、第１光検出器２１は、少なくとも１つの光源２が光を出射している状態のときに、光を非出射の状態の光源２に光学的に結合される第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出することが好ましい。すなわち、光コンバイナ１０側に光を伝搬していない第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出することが好ましい。このようにして第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出するためには、例えば、それぞれの第１光ファイバ３に対して、第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出する第１光検出器２１を設ける。そして、複数の第１光検出器２１のうち、光を非出射の状態の光源２に光学的に結合される第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出する第１光検出器２１のみを作動させる。この場合、第１光検出器２１は、第１光ファイバ３を伝搬する光のレイリー散乱を検出することが好ましい。

上記のように複数の第１光ファイバ３のうち一部の第１光ファイバ３は光コンバイナ１０側に光を伝搬する状態とされ、他の一部の第１光ファイバ３は光コンバイナ１０側に光を伝搬しない状態とされる場合、光コンバイナ１０側に光を伝搬していない第１光ファイバ３には、第２光ファイバ５側からの光のみが伝搬する。第１光検出器２１が光コンバイナ１０側に光を伝搬していない第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出することによって、第１光検出器２１は第１光ファイバ３を第２光ファイバ５側から伝搬する光の強度を検出する。したがって、上記第３実施形態と同様に、第１光検出器２１の検出結果と第２光検出器２２の検出結果との差分から第１光ファイバ３及び第２光ファイバ５を所定の方向に伝搬する光の強度を計算することが容易になる。

また、光コンバイナ１０の一方の端面に接続される第１光ファイバ３の数は複数であれば特に限定されない。そして、第１光検出器２１は、少なくとも１つの第１光ファイバ３を伝搬する光の強度を検出すればよい。

また、上記実施形態ではクラッドモードストリッパ５５が第２光ファイバ５に設けられ、第２光検出器２２は、クラッドモードストリッパ５５よりも光コンバイナ１０側に配置される例を挙げて説明した。しかし、クラッドモードストリッパは、第２光ファイバ５において第２光検出器２２よりも光コンバイナ１０側に設けられてもよく、第１光ファイバ３に設けられてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度の検出精度を向上し得る光検出装置及び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・・・光源
３・・・第１光ファイバ
４・・・光検出装置
５・・・第２光ファイバ
１０・・・光コンバイナ
２１・・・第１光検出器
２２・・・第２光検出器
２５・・・計算部
ＣＰ・・・制御部

Claims (6)

1. 複数の第１光ファイバと、
   一方の端面にそれぞれの前記第１光ファイバの一方の端面が接続される光コンバイナと、
   前記光コンバイナの他方の端面に一方の端面が接続される第２光ファイバと、
   少なくとも一つの前記第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出する第１光検出器と、
   前記第２光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱を検出する第２光検出器と、
   前記第１光検出器の検出結果及び前記第２光検出器におけるレイリー散乱光の強度に基づく検出結果から、前記第１光ファイバまたは前記第２光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を計算する計算部と、
   を備え、
   前記第２光ファイバを前記第２光ファイバから前記第１光ファイバへと向かう逆方向に伝搬する光のうち前記第１光ファイバへ入射する光の割合をα、前記第１光ファイバの数をＮ、前記第１光検出器で検出される光の強度をＭ１、前記第２光検出器で検出されるレイリー散乱から求められる光の強度をＭ２として、
   前記計算部は、前記第２光ファイバを前記逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒと、前記第１光ファイバを前記第１光ファイバから前記第２光ファイバへと向かう順方向に伝搬する光の強度Ｐｆとを下記の式に基づいて計算する
   Ｐｒ＝（Ｍ２−ＮＭ１）／（１−Ｎα）
   Ｐｆ＝（αＭ２−Ｍ１）／（Ｎα―１）
   ことを特徴とする光検出装置。
2. 複数の第１光ファイバと、
   一方の端面にそれぞれの前記第１光ファイバの一方の端面が接続される光コンバイナと、
   前記光コンバイナの他方の端面に一方の端面が接続される第２光ファイバと、
   少なくとも一つの前記第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出する第１光検出器と、
   前記第２光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱を検出する第２光検出器と、
   前記第１光検出器の検出結果及び前記第２光検出器におけるレイリー散乱光の強度に基づく検出結果から、前記第１光ファイバまたは前記第２光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を計算する計算部と、
   を備え、
   前記第２光ファイバを前記第２光ファイバから前記第１光ファイバへと向かう逆方向に伝搬する光のうち前記第１光ファイバへ入射する光の割合をα、前記第１光ファイバを前記第１光ファイバから前記第２光ファイバへと向かう順方向に伝搬する光が前記第１光検出器によって強度を検出される箇所から前記第２光検出器によって強度を検出される箇所まで伝搬する割合をβ（ただし、β≠１）、前記第１光ファイバの数をＮ、前記第１光検出器で検出される光の強度をＭ１、前記第２光検出器で検出されるレイリー散乱から求められる光の強度をＭ２として、
   前記計算部は、前記第２光ファイバを前記逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒと、前記第１光ファイバを前記第１光ファイバから前記第２光ファイバへと向かう順方向に伝搬する光の強度Ｐｆとを下記の式に基づいて計算する
   ことを特徴とする光検出装置。
   Ｐｒ＝（ＮβＭ１−Ｍ２）／（Ｎαβ−１）
   Ｐｆ＝（αＭ２−Ｍ１）／（Ｎαβ−１）
3. 前記第１光検出器が全ての前記第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出装置。
4. 前記第１光検出器は、複数の前記第１光ファイバのうち一部の前記第１光ファイバを伝搬する光の強度を検出し、
   前記計算部は、前記第１光検出器による検出結果から複数の前記第１光ファイバの全てを伝搬する光の強度を計算するとともに、複数の前記第１光ファイバの全てを伝搬する光の強度及び前記第２光検出器における前記検出結果から、前記第１光ファイバまたは前記第２光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を計算する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出装置。
5. クラッドモードストリッパが前記第２光ファイバに設けられ、
   前記第２光検出器は、前記クラッドモードストリッパよりも前記光コンバイナ側に配置される
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光検出装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光検出装置と、
   少なくとも一つの前記第１光ファイバの他方の端面に入射する光を出射する光源と、
   を備える
   ことを特徴とするレーザ装置。

Images