JP6970877B2 - ファイバ結合装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を光ファイバに集光入射させるファイバ結合装置に関するものである。

従来より、高出力のレーザ光を光ファイバに伝搬させるとともに、光ファイバからの出射光の特性を変化させることで、同一の光源を用いて様々な加工を行うようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、焦点距離の異なる複数の集光レンズを用いて、光ファイバ内におけるレーザ光の伝搬状態を変化させるようにした構成が開示されている。具体的には、レーザ光の光路中に配置する集光レンズを取り替え可能な構成とすることで、光路中の集光レンズの焦点距離を可変とし、光ファイバへの入射光のＮＡ（Numerical Aperture：開口数）を可変としている。このように、集光レンズの切り替えを行うことで、光ファイバから出射されるレーザ光のビーム品質を変化させるようにしている。

米国特許第５２４５６８２号明細書

しかしながら、従来のファイバ結合装置では、離散的に出射光の特性を変化させることはできても、連続的に出射光の特性を変化させることはできない。

なぜなら、レーザ光の光路中に配置された集光レンズを取り替えるためには、集光レンズの切り替えが完了するまでの間、レーザ光の出力を停止させる必要がある。仮に、レーザ光の出力を停止させずに集光レンズを取り替えると、集光レンズの有効径外における散乱光によって熱が発生したり、意図した集光位置にレーザ光が集光されなくなったりする。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバから出射される光の特性を連続的に変化させることが可能なファイバ結合装置を提供することにある。

本発明のファイバ結合装置は、入射した光を所定方向に屈折させるウェッジ板と、ウェッジ板を通過した光を集光させる集光レンズと、集光レンズで集光された光が入射する入射端面と、入射端面の中心を含む位置に設けられたコアと、コアの外周側に設けられた第１クラッドと、第１クラッドの外周側に設けられた第２クラッドとを有する光ファイバとを備える。ウェッジ板は、ウェッジ板に入射する光の光軸を回転中心として回転可能に保持されており入射面に対して出射面が傾斜している。ウェッジ板の回転角度に応じて、ウェッジ板を通過し集光レンズで集光され入射端面に入射する光の入射位置及び入射角度が連続的に変化し、ウェッジ板は、コア及び第１クラッドの少なくとも一方に光が入射するように、その回転角度が調整可能に保持されており、コアへの入射光のエネルギーと第１クラッドへの入射光のエネルギーの比率を、可変とし、ウェッジ板が第１の回転角度に位置付けられた場合、ウェッジ板を通過した光は、集光レンズの中心と光ファイバの入射端面の中心とを通過し、ウェッジ板が第１の回転角度とは異なる第２の回転角度に位置付けられた場合、ウェッジ板を通過し集光レンズで集光された光は、第１クラッドのみに入射する。

本発明によれば、レーザ光の出力を停止させて集光レンズを取り替える必要がなく、ウェッジ板を回転させるだけで、光ファイバの出射光の特性を連続的に変化させることができる。

本実施形態に係るファイバ結合装置の構成を示す一部破断側面図である。 ウェッジ板、集光レンズ、及び光ファイバの配置を示す一部破断側面図である。 ウェッジ板の回転角度の変化に伴う光路の変化を示す一部破断斜視図である。 ウェッジ板の回転角度を変化させたときの図２相当図である。 光ファイバの入射端面を示す正面図である。 光ファイバの出射光の強度分布及び光ファイバの屈折率分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。

また、図面中に示される座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸）は、それぞれ直交する方向である。ここで、Ｙ軸は、上下に対応した鉛直方向であり、各図の座標軸はそれぞれの視野の方向に対応するように描いている。

〈ファイバ結合装置の主要構成〉
図１に示すように、レーザ出力装置１０１は、所定のビームサイズを持った高出力のレーザ光を平行光として出射する。レーザ出力装置１０１から出射された平行光は、ファイバ結合装置１００に入射する。

なお、本実施形態では、レーザ出力装置１０１は、例えば、波長１μｍ、出力４ｋＷのマルチモードの近赤外レーザ光を出力するものとする。また、ビームサイズは、３ｍｍで出力されるものとする。また、図１における一点鎖線は、レーザ出力装置１０１から出射されたレーザ光の光軸２００を示し、二点鎖線は、レーザ光の光路２０１を示している。

ファイバ結合装置１００は、入射した光を所定方向に屈折させるウェッジ板１０２と、ウェッジ板１０２に入射する光の光軸２００を回転中心としてウェッジ板１０２を回転させる回転駆動部１０３と、ウェッジ板１０２を通過した光を集光させる集光レンズ１０４と、集光レンズ１０４で集光された光が入射する入射端面を有する光ファイバ１０７とを備えている。

ウェッジ板１０２は、円形状に形成された板状の光学部材であり、入射面に対して出射面が傾斜している。これにより、ウェッジ板１０２を通過したレーザ光は、所定方向に屈折するようになっている。ウェッジ板１０２は、円筒状の筒状体１１０の内部に保持されている。筒状体１１０の外周部分には、図示しないギア部が形成されている。

回転駆動部１０３は、小型のモータで構成されており、回転駆動部１０３の駆動軸１１１には、筒状体１１０のギア部に噛み合う歯車１１２が取り付けられている。そして、回転駆動部１０３により歯車１１２を回転させることで、筒状体１１０に回転駆動力が伝達される。その結果、ウェッジ板１０２は、ウェッジ板１０２に入射する光の光軸２００を回転中心として回転する。ウェッジ板１０２の回転角度は、歯車１１２の回転角度を調整することで調整可能である。

なお、歯車１１２の代わりに、図示しないベルト等によって、回転駆動部１０３の回転駆動力を筒状体１１０に伝達するようにしても良い。

集光レンズ１０４としては、例えば、ｆ＝２０〜５０ｍｍ程度の焦点距離のレンズを使用することが考えられる。集光レンズ１０４には、使用するマルチモードのレーザ光のスポット径が８０μｍ程度となり、集光時の開口数がＮＡ＜０．２を満たす、光学設計が施されている。

集光レンズ１０４は、調整保持部１０５により保持されることで、歪みなく所定の位置に固定される構造となっている。調整保持部１０５は、重要精度部品である集光レンズ１０４の位置がずれないように固定することで、集光位置のずれによる光ファイバ１０７の入射端面の損傷リスクを低減している。

光ファイバ１０７は、同心円上に二つの光を伝送させる導波路を有するように構成されている。具体的に、光ファイバ１０７は、入射端面の中心を含む位置に設けられたコア３００と、コア３００の外周側に設けられた第１クラッド３０１と、第１クラッド３０１の外周側に設けられた第２クラッド３０２とを有するダブルクラッドファイバで構成されている（図３参照）。

そして、光ファイバ１０７のコア３００、第１クラッド３０１、及び第２クラッド３０２の屈折率をそれぞれｎｃ、ｎ１、ｎ２としたとき、各屈折率の関係は、ｎｃ＞ｎ１＞ｎ２となっている。また、本実施形態では、コア３００の径を１００μｍ、第１クラッド３０１の外径を４００μｍとし、コア３００のＮＡを０．２、第１クラッド３０１のＮＡを０．４としている。

光ファイバ１０７は、入射位置のずれを防ぐために、レセプタブル１０６により既定の位置に保持される構造になっている。また、図示した構成とは異なるが、仮に光ファイバ１０７の差込口を鉛直方向下向き（Ｙ軸マイナス方向）に備え付ければ、塵埃の堆積を防ぐ効果も期待できる。

ファイバ結合装置１００により光ファイバ１０７内を伝搬した光は、出射光２０２として出力される。

図２に示すように、ウェッジ板１０２は、所定の回転角度である第１の回転角度に位置付けられたときに、ウェッジ板１０２を通過した光が、集光レンズ１０４の中心と光ファイバ１０７の入射端面の中心とを通過するように配設されている。

具体的に、ファイバ結合装置１００に対してＺ軸水平方向に入射した光は、ウェッジ板１０２により偏角ａを与えられる。ウェッジ板１０２としては、例えば、ＡＲコーティング（反射防止膜）を有する低損失なものを使用することが考えられる。一例として、例えば、フューズドシリカで作られた屈折率ｎｗ＝１．４５のものを使用することが考えられる。

ここで、ウェッジ角θｗとすると、ウェッジ板１０２の偏角ａは、ｓｉｎ（θｗ）＜＜１のときに、下記（１）式で表すことができる。

ａ≒（ｎｗ−１）・θｗ ・・・（１）
例えば、ウェッジ角θｗを２°に設定することで、出射光の偏角ａを１°に設定することができる。

そして、図２に示すように、集光レンズ１０４の中心と光ファイバ１０７の入射端面の中心を同軸上に配置し、且つ、光軸２００が集光レンズ１０４の中心と光ファイバ１０７の中心軸に重なる状態を、ウェッジ板１０２の基準回転位置とする。すなわち、第１の回転角度を基準回転位置とする。集光レンズ１０４により集光される光は、ウェッジ板１０２が基準回転位置に位置付けられているときに、光ファイバ１０７のコア３００内に入射する。コア３００に入射する光のスポット径は、コア３００の径よりも小さい。

次に、ファイバ結合装置１００をレーザ光が通過した際の効果について説明する。図１及び図２に示すように、ウェッジ板１０２が基準回転位置にあるときには、レーザ出力装置１０１から出射されたレーザ光は、平行光のままウェッジ板１０２により屈折されて、集光レンズ１０４の中心を通り、光ファイバ１０７のコア３００へ集光入射する。

ここで、高出力のレーザ光がウェッジ板１０２を透過する際には、熱レンズ効果による影響が存在する。しかしながら、本実施形態のファイバ結合装置１００では、ウェッジ板１０２の取り替え行われない。そのため、レーザ光の出力が変化しなければ、熱レンズ効果によって生じるウェッジ板１０２によるレンズ作用の焦点距離は一定である。

そこで、任意の出力での熱レンズ効果を考慮した光学設計を行うことができ、光ファイバ１０７へのレーザ光の結合効率の低下を防ぐことができる。

また、レーザ光は、常に、ウェッジ板１０２の中心を通るため、有効径外における散乱や吸収損失を低減できる。

なお、ウェッジ板１０２のウェッジ角θｗと、ウェッジ板１０２により光軸に与えられる偏角ａは、上述した（１）式の関係にあるため、取り扱う光の波長や出力、ビーム品質ごとに適切なウェッジ板を選択することで、同様の効果が得られる。

〈ファイバ結合装置の動作〉
以下、ファイバ結合装置１００の動作について説明する。図３に示すように、ウェッジ板１０２に入射する光の光軸２００を回転中心として、ウェッジ板１０２の回転角度を調整すると、ウェッジ板１０２から出射される光の進行方向が変化する。

ウェッジ板１０２を通過した光は、ウェッジ板１０２に入射する光の光軸２００に対して偏角ａを与えられる。これにより、光路２０４は、ウェッジ板１０２の回転に伴って、ウェッジ板１０２に入射する光の光軸２００を回転中心とした頂角２ａの円錐状に変化することとなる。

すなわち、ウェッジ板１０２の回転角度に応じて、集光レンズ１０４に入射する光の進行方向が変化する。これにより、ウェッジ板１０２を通過し集光レンズ１０４で集光され光ファイバ１０７の入射端面に入射する光の入射位置が変化する。すなわち、ウェッジ板１０２が異なる回転角度にあるとき、光ファイバ１０７の入射端面の異なる入射位置に光が入射することになる。

図４は、ウェッジ板１０２を基準回転位置から１８０°回転させた状態を示している。この状態を反転位置という。反転位置は、第１の回転角度とは異なる第２の回転角度である。図４には、反転位置における光路２０５が記載されている。更に、比較説明のため、ウェッジ板１０２が基準回転位置に位置付けられている場合の光路２０４も記載されている。

図４にも示すように、ウェッジ板１０２が基準回転位置に位置付けられている場合の光路２０４上では、ウェッジ板１０２を通過した光が集光レンズ１０４の中心に垂直方向に入射する。そして、集光レンズ１０４で集光された光は、光ファイバ１０７のコア３００のみに入射する。すなわち、ウェッジ板１０２が第１の回転角度に位置付けられた場合は、光ファイバ１０７のコア３００のみに光が入射する。

一方、ウェッジ板１０２を基準回転位置から反転させると、その反転位置における光路２０５が変化するため、ウェッジ板１０２を通過した光の集光レンズ１０４への入射位置及び入射角度が共に変化する。具体的に、ウェッジ板１０２を通過した光は、集光レンズ１０４の上部（Ｙ軸方向プラス側）へ入射する。このときの集光レンズ１０４への入射角は、９０−２ａ［°］で表すことができる。

そして、図３及び図４に示すように、ウェッジ板１０２が反転位置に位置付けられている場合、集光レンズ１０４で集光された光は、光ファイバ１０７のコア３００ではなく第１クラッド３０１のみに入射する。すなわち、ウェッジ板１０２が第２の回転角度に位置付けられた場合は、光ファイバ１０７の第１クラッド３０１のみに光が入射する。そして、光ファイバ１０７からの出射光２０６は、ウェッジ板１０２が基準回転位置にあるときの光ファイバ１０７からの出射光２０２とは異なるモードで出射される。

図５に示すように、光ファイバ１０７の入射端面では、ウェッジ板１０２の回転に伴い、集光レンズ１０４で集光された光の集光点が、一点鎖線２０７に沿って移動するように変化する。これにより、集光された光が集光点２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｃを順に経由するように、集光点を連続的に変化させることができる。

集光点２０８ａでは、ウェッジ板１０２が基準回転位置すなわち第１の回転角度に位置付けられており、コア３００のみにレーザ光が集光入射する。

集光点２０８ｂでは、レーザ光の大半はコア３００に集光入射するが、一部は第１クラッド３０１にも集光入射する。すなわち、集光点２０８ｂでは、コア３００及び第１クラッド３０１に跨って光が入射る。そのため、クラッド伝搬されるモードは混在している。

集光点２０８ｄでは、ウェッジ板１０２が反転位置すなわち第２の回転角度に位置付けられており、第１クラッド３０１のみにレーザ光が集光入射する。

集光点２０８ｃでは、レーザ光の大半は第１クラッド３０１に集光入射するが、一部はコア３００にも集光入射する。すなわち、集光点２０８ｃでは、コア３００及び第１クラッド３０１に跨って光が入射る。そのため、クラッド伝搬されるモードは混在している。

ここで、例えば、レーザ光のスポット径を８０μｍとしたとき、集光点２０８ａ〜２０８ｄ間の距離を１４０μｍより大きくすることで、コア３００のみに集光入射する状態と、第１クラッド３０１のみに集光入射する状態とを選択することができる。

このように、ウェッジ板１０２を回転させ、光ファイバ１０７への集光位置が一点鎖線２０７に沿って変化するように設計すれば、光ファイバ１０７への入射位置及び入射角度を連続的に選択して、コア３００と第１クラッド３０１のそれぞれへの入射光のエネルギーを可変とすることができる。すなわち、コア３００への入射光のエネルギーと第１クラッド３０１への入射光のエネルギーの比率を、可変とすることができる。

その結果、入射光のエネルギーを、コア３００と第１クラッド３０１とに選択的に配分することができ、これにより、光ファイバ１０７内における光の伝搬モードを変化させることができる。

以下、光ファイバ１０７内における光の伝搬モードの変化について説明する。

図６における（ａ）の部分には、集光点２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｃ，２０８ｄ（図５参照）に対応した出射光の強度分布２０９ａ，２０９ｂ，２０９ｃ，２０９ｄを示している。縦軸は、光ファイバ１０７からの出射光のエネルギーＥを示し、横軸は、コア３００中心からの距離ｒを示している。

図６における（ｂ）の部分には、光ファイバ１０７の屈折率分布を示している。縦軸は、導波路の屈折率ｎを示し、横軸は、コア３００中心からの距離ｒを示している。また、光ファイバ１０７のコア３００と第１クラッド３０１との境界面、及び第１クラッド３０１と第２クラッド３０２との境界面を破線で示している。

集光点２０８ａに対応する強度分布２０９ａでは、出射光のＮＡが小さい。しかしながら、ウェッジ板１０２の回転に伴って、出射光のＮＡが次第に大きくなっていく（２０９ｂ，２０９ｃ，２０９ｄ）。

集光点２０８ｄに対応する強度分布２０９ｄでは、第１クラッド３０１から出射されるエネルギーが、コア３００から出射されるエネルギーよりも大きい。これにより、ビーム中心の強度が小さいドーナツ型の強度分布を持つ出射光であることが分かる。

また、集光点２０８ｂ，２０８ｃに対応する出射光の強度分布２０９ｂ，２０９ｃを比較すると、光ファイバ１０７のコア３００へ入射するエネルギーの割合が減少するほど、トップハット型の強度分布となることが分かる。

以上のように、本実施形態に係るファイバ結合装置１００によれば、ウェッジ板１０２の回転角度に応じて、光ファイバ１０７の入射端面に入射する光の入射位置が変化する。したがって、ウェッジ板１０２の回転角度を調整することで、光ファイバ１０７内における光の伝搬状態を変化させることができる。しかも、伝搬状態を変化させる際にレーザ光の出力を停止する必要がないため、光ファイバ１０７から出射される光の特性を連続的に変化させることができる。

さらに、ウェッジ板１０２が基準回転位置（第１の回転角度）に位置付けられた場合、ウェッジ板１０２を通過した光は、集光レンズ１０４の中心と光ファイバ１０７の入射端面の中心とを通過する。したがって、ウェッジ板１０２が基準回転位置に位置付けられたときには、集光レンズ１０４の中心に光が入射する一方、ウェッジ板１０２の回転角度を調整することで、ウェッジ板１０２を通過した光の集光レンズ１０４への入射位置が変化する。

その結果、光ファイバ１０７の入射端面に対する光の入射位置及び入射角度が変化して、光ファイバ１０７のコア３００と第１クラッド３０１を伝搬するエネルギーの割合が変化する。これにより、光ファイバ１０７内における光の伝搬モードが変化して、光ファイバ１０７から出射される光の特性を連続的に変化させることができる。

また、第１クラッド３０１のみにレーザ光が入射するように、ウェッジ板１０２の回転位置を例えば反対位置（第２の回転角度）に調整した場合には、ビーム中心の強度が小さいドーナツ型の強度分布を持つビームを出射することができる。そのため、光ファイバ１０７の出射光の出力密度を下げて広範囲に照射させることができ、レーザ照射の位置精度が悪い場合であっても、レーザ加工面を広範囲にカバーすることができる。

さらに、ウェッジ板１０２を回転させることにより、光ファイバ１０７の入射端面に対する光を、コア３００のみ又は第１クラッド３０１のみだけでなく、コア３００及び第１クラッド３０１に跨って入射させることもできる。

なお、本実施形態では、光ファイバ１０７としてダブルクラッドファイバを用いた構成について説明したが、この形態に限定するものではなく、例えば、光ファイバ１０７として、ＰＡＮＤＡファイバやダブルコアファイバを用いても良い。この場合には、さらに、偏光制御や穴あきビームという特殊なビームを得ることができる。

また、本実施形態では、光源であるレーザ光が、マルチモードの近赤外平行光である場合について説明したが、この形態に限定するものではなく、例えば、異波長やシングルモードのレーザ光であっても良く、伝搬形式は問わない。

また、本実施形態のファイバ結合装置１００は、ウェッジ板１０２を回転させる回転駆動部１０３を備えていた。しかし、本発明では、必ずしも回転駆動部を備えている必要はなく、ウェッジ板１０２が入射した光の光軸を回転中心として回転可能であれば足りる。そして、ウェッジ板１０２が異なる回転角度にあるとき、光ファイバ１０７の入射端面の異なる位置に光が入射されるので、ウェッジ板１０２の回転角度に応じて、光ファイバ１０７から出射される光の特性を連続的に変化させることができる。

以上説明したように、本発明は、光ファイバから出射されるレーザ光の特性を連続的に変化させることができるので、レーザ光を光ファイバに集光入射させるファイバ結合装置において有用である。

１００ ファイバ結合装置
１０２ ウェッジ板
１０３ 回転駆動部
１０４ 集光レンズ
１０７ 光ファイバ
２００ 光軸
３００ コア
３０１ 第１クラッド
３０２ 第２クラッド

Claims (2)

1. 入射した光を所定方向に屈折させるウェッジ板と、
   前記ウェッジ板を通過した光を集光させる集光レンズと、
   前記集光レンズで集光された光が入射する入射端面と、前記入射端面の中心を含む位置に設けられたコアと、前記コアの外周側に設けられた第１クラッドと、前記第１クラッドの外周側に設けられた第２クラッドとを有する光ファイバとを備え、
   前記ウェッジ板は、前記ウェッジ板に入射する光の光軸を回転中心として回転可能に保持されており、入射面に対して出射面が傾斜しており、
   前記ウェッジ板の回転角度に応じて、前記ウェッジ板を通過し前記集光レンズで集光され前記入射端面に入射する光の入射位置及び入射角度が連続的に変化し、
   前記ウェッジ板は、前記コア及び前記第１クラッドの少なくとも一方に光が入射するように、その回転角度が調整可能に保持されており、前記コアへの入射光のエネルギーと前記第１クラッドへの入射光のエネルギーの比率を、可変とし、
   前記ウェッジ板が第１の回転角度に位置付けられた場合、前記ウェッジ板を通過した光は、前記集光レンズの中心と前記光ファイバの前記入射端面の中心とを通過し、
   前記ウェッジ板が前記第１の回転角度とは異なる第２の回転角度に位置付けられた場合、前記ウェッジ板を通過し前記集光レンズで集光された光は、前記第１クラッドのみに入射することを特徴とするファイバ結合装置。
2. 前記光軸を回転中心として前記ウェッジ板を回転させる回転駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のファイバ結合装置。
   

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