KR100804357B1 - Laser beam incident optical device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저광 입사 광학장치에 관한 것으로서, 석영을 포함하는 재질로 코어 직경에 대한 클래드의 두께를 0.035∼0.1배, 개구수(NA)를 0.06∼0.22로 한 스텝 인덱스형인 광파이버(101)를 이용하고, 광파이버의 입사 단면(102)에 피크 파워가 10MW를 초과하는 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기(111)로부터의 레이저광(L)을 발산성으로서 입사시켜 광파이버를 손상시키지 않고 레이저광을 전송할 수 있는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a laser beam incidence optical apparatus, comprising a quartz-containing material, and having a step index type optical fiber 101 having a clad thickness of 0.035 to 0.1 times the core diameter and a numerical aperture NA of 0.06 to 0.22. The laser beam L is emitted from the solid-state laser oscillator 111 of the giant pulse oscillation method having a peak power of more than 10 MW into the incident end surface 102 of the optical fiber as divergence, so as not to damage the optical fiber. It can be transmitted.

Description

레이저광 입사 광학장치{LASER BEAM INCIDENT OPTICAL DEVICE}LASER BEAM INCIDENT OPTICAL DEVICE

본 발명은 피크 파워가 10MW 이상이 되는 자이언트 펄스 발진 방식의 레이저광을 광파이버에 안정적으로 입사시키는 레이저광 입사 광학장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser beam incidence optical apparatus for stably injecting a laser beam of a giant pulse oscillation method into which an optical power has a peak power of 10 MW or more.

종래, 레이저 어블레이션이나 레이저 유기 형광 분석 또는 레이저 피닝 등에 서는 피크 파워가 수MW 이상이 되는 자이언트 펄스(GP) 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터 얻어지는 레이저광이 사용된다.Conventionally, in laser ablation, laser organic fluorescence analysis, laser peening, or the like, a laser beam obtained from a solid laser oscillator of a giant pulse (GP) oscillation system having a peak power of several MW or more is used.

이와 같은 파워가 큰 레이저광의 전송에는 예를 들면 석영을 재질로 한 스텝 인덱스형 광파이버가 이용된다.For example, a step index type optical fiber made of quartz is used to transmit such a large power laser beam.

그리고, 석영을 재질로 한 광파이버는 연속 발진(CW) 레이저광의 경우, 수 kW까지 전송이 가능하다. 그러나, 펄스폭이 수nsec 정도인 단(短) 펄스 레이저광으로 펄스 에너지가 수십 mJ를 초과하는 레이저광은 피크 파워가 수MW 이상이 된다.The optical fiber made of quartz can transmit up to several kW in the case of continuous oscillation (CW) laser light. However, a short pulse laser light having a pulse width of several nsec, the laser light of which pulse energy exceeds several tens of mJ has a peak power of several MW or more.

단 펄스 레이저광의 펄스 에너지는 연속 발진광의 펄스 에너지에 비교하여 3자리 이상 크고, 피크 파워 밀도도 10-1 내지 1.0GW/㎠ 오더로 매우 높아진다. 이 때문에 전자 애벌란시 현상이나 다광자 흡수에 의한 손상이 발생하고, 광파이버가 파괴되어 레이저광을 전송할 수 없어지는 것이 알려져 있다. 또한, 석영(석영 유리)재의 펄스 레이저광에 의해 손상되는 임계값은 펄스폭 약 5nsec에서, 약 100GW/㎠ 정도라는 보고가 있다(「레이저 핸드북」, 레이저 학회저, 오므사, pp.463, 473).The pulse energy of the short pulse laser light is three or more digits larger than the pulse energy of the continuous oscillation light, and the peak power density is also very high in the order of 10 −1 to 1.0 GW / cm 2. For this reason, it is known that damage by an electron avalanche phenomenon or multiphoton absorption occurs, and an optical fiber is destroyed and laser beam cannot be transmitted. In addition, it is reported that the threshold value damaged by the pulse laser light of quartz (quartz glass) material is about 100 GW / cm 2 at a pulse width of about 5 nsec ("Laser Handbook", Laser Society, Omsa, pp. 463, 473).

이 때문에 공간적, 시간적으로 분포를 갖는 레이저광, 즉 단 펄스 레이저광을 광파이버에 의해 전송하는 경우의 실용적인 한계는, 예를 들면 펄스폭 5nsec, 발진 반복 10Hz의 Nd:YAG 레이저광을 코어 직경이 1mm인 광파이버에 입사하는 경우를 예로 들어 설명하면, 펄스 에너지로 30∼40mJ 정도, 즉 피크 파워로 6∼8MW(코어 직경에 대한 피크 파워 밀도는 0.76∼1.0GW/㎠)가 된다.For this reason, the practical limitation in case of transmitting spatially and temporally distributed laser light, that is, short pulse laser light by optical fiber, is, for example, Nd: YAG laser light having a pulse width of 5 nsec and oscillation repeating 10 Hz, and a core diameter of 1 mm. Taking the case of incident on the phosphor optical fiber as an example, the pulse energy is about 30 to 40 mJ, that is, 6 to 8 MW at the peak power (peak power density with respect to the core diameter is 0.76 to 1.0 GW / cm 2).

이 때문에 현재로서는 10MW 이상의 단 펄스 레이저광을 전송하려고 하는 경우, 광파이버의 내부가 손상되어, 실질적으로 레이저광을 전송할 수 없다. 즉, 광파이버를 이용하는 전송을 전제로 한 고체 레이저 발진기에 의한 레이저광은 주로 연속 발진(CW) 레이저광이고, 피크 파워가 수MW를 초과하는 단 펄스 레이저광은 광파이버에 의해 전송하는 것이 곤란해지고 있다.For this reason, when trying to transmit short pulse laser light of 10 MW or more at present, the inside of an optical fiber will be damaged and a laser beam cannot be transmitted substantially. That is, laser light by a solid laser oscillator on the premise of transmission using an optical fiber is mainly a continuous oscillation (CW) laser light, and short pulse laser light having a peak power exceeding several MW has become difficult to transmit by the optical fiber. .

또한, 레이저광을 광파이버에 의해 전송하기 위해 레이저광을 광파이버에 입사시키는 예로서 레이저광과 광파이버의 공간적 매칭을 취하는 것이 보고되어 있다. 이 경우, 레이저광의 광파이버로의 입사 구경을 광파이버의 코어 직경 이내, 또 광파이버의 개구수(NA) 이내로 제한하여 광파이버의 입사 단면에 레이저광을 집광하여 입사시키는 보고가 있다(「레이저 가공 기술」, 가와스미 히로미치, 닛칸고교 신문사, pp.34-37).In addition, it has been reported to take a spatial match between the laser light and the optical fiber as an example in which the laser light is incident on the optical fiber to transmit the laser light by the optical fiber. In this case, there are reports of concentrating the laser beam to the optical fiber's incidence end face by limiting the aperture diameter of the laser beam to the optical fiber within the core diameter of the optical fiber and within the numerical aperture NA of the optical fiber ("Laser processing technology", Hiromi Kawasumi, Nikkan Kogyo Shimbun, pp.34-37).

그러나, 피크 파워가 높은 레이저광을 집광하여 광파이버에 입사시키면 광파이버의 내부에서 레이저광의 부분적인 수속이 발생하고, 광파이버의 특정 부분에서 파워 밀도가 높아져, 광파이버의 내부가 손상되는 것이 알려져 있다. 또한, 광파이버의 내부에서의 레이저광의 수속을 방지할 목적으로 레이저광의 집광의 정도를 얕게 하는 방법도 알려져 있지만, 피크 파워가 수 MW를 초과할 경우에는 광파이버의 내부에서의 레이저광의 수속을 완전히 방지하는 것은 곤란하다.However, it is known that when a laser beam with a high peak power is focused and incident on an optical fiber, partial convergence of the laser light occurs inside the optical fiber, power density increases at a specific portion of the optical fiber, and the interior of the optical fiber is damaged. In addition, a method of shallowing the concentration of laser light is also known for the purpose of preventing the convergence of laser light inside the optical fiber. However, when the peak power exceeds several MW, the convergence of the laser light inside the optical fiber is completely prevented. It is difficult.

또한, 비특허문헌 2의 보고에서 광파이버의 내부에서 레이저광이 수속되어, 광파이버가 손상되는 요인은 피크 파워가 높은 레이저광으로는 그 전계 강도도 높아지므로 광파이버의 석영재의 굴절률이 강한 전계에 의해 부분적으로 변화하고, 1 종류의 렌즈 효과에 의한 자기 수속이 생기는 것에 의한 것이라고 생각하는 것이 타당하다.In addition, in the report of Non-Patent Document 2, laser light is converged inside the optical fiber, and the reason that the optical fiber is damaged is that the high intensity of the electric field increases with the laser light having a high peak power, so that the refractive index of the quartz material of the optical fiber is partially caused by the strong electric field. It is reasonable to think that this is due to the fact that the magnetic procedure is caused by one kind of lens effect.

또한, 피크 파워 10MW를 초과하는 레이저광 전송을 가능하게 하는데에는 확대한 레이저광을 어레이상의 분할 렌즈에 입사하여 공간적으로 수십 분할한 후, 전체 분할수를 어레이의 후방에 설치한 집광 렌즈로 광파이버에 입사시키는 방법이 있다.In addition, in order to enable laser beam transmission exceeding the peak power of 10 MW, the enlarged laser beam is incident on the dividing lens on the array and spatially divided into several tens, and then the total number of dividing elements is collected on the optical fiber by a condenser lens provided at the rear of the array. There is a method of making an incident.

피크 파워 10MW를 초과하는 레이저광 전송을 가능하게 하는 데에는 확대한 레이저광을 어레이상의 분할 렌즈에 입사하여 공간적으로 수십 분할한 후, 전체 분할수를 어레이의 후방에 설치한 집광 렌즈로 광파이버에 입사하는 방법이 있지만, 어레이상에 배열된 분할 렌즈의 제조 가능한 크기가 2mm 정도이므로, 예를 들면 분할수를 81 분할(=9×9)로 하기 위해서는 2mm 각의 볼록 렌즈를 종횡 9개 나열하여 18mm×18mm로 한 분할 렌즈군(복안 렌즈)이 필요해진다. 그러나, 분할 렌즈군, 즉 복안 렌즈는 매우 고가가 되는 문제가 있다.In order to enable the laser beam transmission exceeding the peak power of 10 MW, the enlarged laser beam is incident on the dividing lens on the array and spatially divided by several tens, and then the incident light is incident on the optical fiber by the condensing lens having the total dividing number installed at the rear of the array. There is a method, but since the size of the dividing lens arranged on the array is about 2 mm, for example, in order to divide the number of dividing into 81 divisions (= 9 x 9), for example, 9 convex lenses of 2 mm angles are arranged in length and width and 18 mm x A divided lens group (focal lens) of 18 mm is required. However, there is a problem that the split lens group, that is, the compound eye lens, becomes very expensive.

또한, 분할수 81(=9×9)를, 예를 들면 폭 2mm×길이 18mm로 폭 2mm의 방향으로 곡률을 갖게 한 실린드리컬 렌즈를 9개 세로로 나열하여 횡방향의 분할 렌즈군으로 하고, 동일한 렌즈를 9 개 가로로 나열하여 종 방향의 분할 렌즈군으로 하고, 이들 2 개의 렌즈군을 조합함으로써 상기 복안 렌즈와 동일한 효과를 얻는 것도 가능하다. 그러나, 렌즈의 비용은 약간 저감되지만, 부품 점수의 증가 및 그 유지를 위한 구조 부재 등에 의해 토탈 비용이 증대하는 문제가 있다.In addition, nine cylindrical lenses having a dividing number 81 (= 9 × 9) having a curvature in a direction of 2 mm in width and 18 mm in length, for example, are arranged vertically to be a dividing lens group in the lateral direction. It is also possible to obtain the same effect as the above-mentioned compound eye lens by combining the same lenses in nine horizontally to form a split lens group in the longitudinal direction, and combining these two lens groups. However, although the cost of the lens is slightly reduced, there is a problem that the total cost is increased due to an increase in the number of parts and a structural member for maintaining the same.

또한, 복안 렌즈를 이용하는 경우, 렌즈의 크기를 분할수 81=9×9에서, 18mm각으로 한 경우에도 레이저광의 단면 사이즈(빔 직경)는 한변이 18mm인 정방형의 대각선인 약 26mm로 확대하는 것이 요구된다.In the case of using a compound lens, the cross-sectional size (beam diameter) of the laser beam is enlarged to about 26 mm, which is a diagonal of 18 mm on one side even when the size of the lens is set at a division number of 81 = 9 × 9 and an angle of 18 mm. Required.

또한, 복안 렌즈를 이용하는 경우, 상기 비용 증대뿐만 아니라 각각의 렌즈의 경계부분에서 생기는 반사 손실의 영향에의해 전송 효율이 10 내지 20% 정도 저하하는 문제, 복안 렌즈의 위치를 조정하지 않으면 안되는 문제가 있다.In addition, in the case of using the compound eye lens, not only the cost increase but also the problem that the transmission efficiency is reduced by about 10 to 20% due to the influence of the reflection loss occurring at the boundary portion of each lens, and the problem that the position of the compound eye lens must be adjusted have.

본 발명의 목적은 피크 파워가 10MW 보다도 큰 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 광파이버의 입사 단면에 입사시키는 레이저광의 입사 광학장치에서, 광파이버를 손상시키지 않고 레이저광을 전송할 수 있고, 전송 효율의 저하나 복잡한 조정을 불필요하게 하여 저렴한 가격으로 제공하는 것이다.An object of the present invention is to transmit the laser light without damaging the optical fiber in the incident optical apparatus of the laser light in which the laser light from the solid laser oscillator of the giant pulse oscillation type with a peak power greater than 10 MW is incident on the incident end face of the optical fiber, It is possible to provide a low cost by eliminating the need for lowering transmission efficiency and complicated adjustments.

본 발명은 피크 파워가 10MW 보다도 큰 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 광파이버의 입사 단면에 입사시키는 레이저광 입사 광학장치로서, 상기 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈에 의한 레이저광의 집광점보다 후방의 소정 위치에 광파이버의 입사 단면을 설치하고, 상기 레이저광을 발산성으로 하여 광파이버의 입사 단면에 입사시키는 광파이버 위치 조정 기구를 구비하고, 상기 광파이버는 석영을 포함하는 재질로 코어 직경에 대한 클래드의 두께가 0.035 내지 0.1배, 개구수(NA)가 0.06 내지 0.22의 스텝 인덱스형이다.The present invention provides a laser light incident optical apparatus for injecting laser light from a solid pulse oscillator of a giant pulse oscillation method having a peak power of more than 10 MW to an incident cross section of an optical fiber, comprising: a condensing lens for condensing laser light from the solid laser oscillator; And an optical fiber position adjusting mechanism for providing an incidence end face of the optical fiber at a predetermined position behind the condensing point of the laser light by the condensing lens, and making the laser light divergent to enter the incidence end face of the optical fiber. It is a material containing quartz and has a step index type of 0.035 to 0.1 times the thickness of the clad with respect to the core diameter, and the numerical aperture NA of 0.06 to 0.22.

그리고, 석영을 포함하는 재질로, 코어 직경에 대한 클래드의 두께가 0.035 내지 0.1배, 개구수(NA)가 0.06 내지 0.22의 스텝 인덱스형인 광파이버를 이용하고, 상기 광파이버의 입사 단면에 피크 파워 10MW를 초과하는 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 발산성으로 하여 입사시킴으로써 광파이버를 손상시키지 않고 레이저광이 전송된다.In addition, a material containing quartz includes an optical fiber having a step index type of 0.035 to 0.1 times the thickness of the clad with respect to the core diameter and a numerical aperture NA of 0.06 to 0.22, and a peak power of 10 MW is applied to the incident end surface of the optical fiber. The laser beam is transmitted without damaging the optical fiber by making the laser beam from the solid laser oscillator of the giant pulse oscillation system exceedingly divergent and incident.

도 1은 본 발명의 레이저광 입사 광학장치의 실시형태의 일례를 도시한 개략도,1 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of a laser beam incident optical device of the present invention;

도 2는 발산 입사 방식을 적용한 집광 광학계의 전송 모델을 설명하는 개략도,2 is a schematic diagram illustrating a transmission model of a light converging optical system to which a divergent incident system is applied;

도 3은 광파이버로의 입사각과 집광 렌즈의 초점 거리와의 관계를 나타낸 그래프,3 is a graph showing a relationship between an incident angle to an optical fiber and a focal length of a condenser lens;

도 4는 광파이버로의 입사각과 집광 렌즈의 입사 발산각과의 관계를 나타낸 그래프,4 is a graph showing a relationship between an incident angle into an optical fiber and an incident divergence angle of a condenser lens;

도 5는 광파이버로의 입사 방식과 전송 에너지와의 관계를 나타낸 그래프,5 is a graph showing a relationship between an incident method into an optical fiber and transmission energy;

도 6A는 광파이버의 축선 방향의 단면도,6A is a cross-sectional view in the axial direction of an optical fiber;

도 6B는 도 6A에 도시한 광파이버의 축선 방향과 직교하는 방향의 단면도,6B is a cross-sectional view of a direction orthogonal to the axial direction of the optical fiber shown in FIG. 6A;

도 7은 클래드 두께와 전송 에너지와의 관계를 나타내는 그래프,7 is a graph showing the relationship between clad thickness and transmission energy;

도 8은 코어 직경과 전송 에너지와의 관계를 나타내는 그래프,8 is a graph showing the relationship between core diameter and transmission energy;

도 9는 광파이버로의 입사각과 전송 에너지와의 관계를 나타내는 그래프,9 is a graph showing a relationship between an incident angle into an optical fiber and transmission energy;

도 10은 본 발명의 레이저광 입사 광학장치의 다른 실시 형태를 나타내는 개략도, 및10 is a schematic view showing another embodiment of the laser beam incident optical apparatus of the present invention; and

도 11은 본 발명의 레이저광 입사 광학장치를 조립한 레이저 유기 형광 분석장치의 일례를 나타내는 개략도이다.Fig. 11 is a schematic diagram showing an example of a laser organic fluorescence spectrometer incorporating the laser light incident optical apparatus of the present invention.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described with reference to drawings.

도 1 내지 도 9에서, 레이저광 입사 광학장치의 실시형태를 설명한다.1 to 9, an embodiment of a laser beam incidence optical device will be described.

도 1에 도시한 바와 같이, 레이저광 입사 광학장치(11)는 피크 파워가 10MW 보다도 큰 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기(레이저 장치)(111)에 의해 발생된 펄스 레이저광을 소정의 코어 직경 및 클래드 두께의 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 광파이버(101)를 손상시키지 않고, 또 약간의 손실로 입사 가능하게 한다.As shown in Fig. 1, the laser beam incidence optical device 11 receives a pulsed laser beam generated by a solid laser oscillator (laser device) 111 of a giant pulse oscillation method having a peak power of more than 10 MW. And the incident end face 102 of the clad-thickness optical fiber 101 without being damaged by the optical fiber 101, and being able to be incident with a slight loss.

레이저광 입사 광학장치(11)는 고체 레이저 발진기(111)에 의해 공급되는 단면 빔 직경이 소정의 크기의 레이저광(L)을 집광하는 집광 렌즈(13)와, 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리를 일정한 거리로 유지하는 광파이버 위치 조정 기구(15)를 갖는다.The laser beam incidence optical device 11 includes a condenser lens 13 for condensing a laser beam L having a predetermined size with a cross-sectional beam diameter supplied by the solid state laser oscillator 111, a condenser lens 13, and an optical fiber ( The optical fiber position adjustment mechanism 15 which maintains the distance between the incident end surface 102 of 101 by a fixed distance is provided.

집광 렌즈(13)는 저렴한 가격으로 용이하게 입수 가능한 볼록 렌즈이고, 고체 레이저 발진기(111)로부터 출사된 레이저광(L)이 입사되는 것에 의해 발생하는 열에 견디는 재질 및 형상이면 특별한 제한을 받지 않는다. 또한, 집광 렌즈(13)는 필요에 따라서 2 장의 얇은 두께 렌즈가 조합된 합성 렌즈라도 좋다.The condenser lens 13 is a convex lens that can be easily obtained at a low price, and is not particularly limited as long as it is a material and a shape that withstands heat generated by the incidence of the laser light L emitted from the solid state laser oscillator 111. The condensing lens 13 may be a synthetic lens in which two thin thickness lenses are combined as necessary.

광파이버 위치 조정 기구(15)는 집광 렌즈(13)를 유지하는 집광 렌즈 유지부(16), 광파이버(101)를 유지하는 광파이버 유지부(17), 및 집광 렌즈 유지부(16)에 유지되어 있는 집광 렌즈(13)에 대해 광파이버(101)의 입사 단면(102)이 대향하는 간격을 조정하는 조정부(18)를 갖는다. 이 조정부(18)에 의해 광파이버(101)는 광파이버(101)의 입사 단면(102)이 집광 렌즈(13)의 초점 위치, 즉 집광점(A) 보다도 후방에 소정 거리만큼 떨어진 위치에 위치되도록 조정되어 있다. 또한, 조정부(18)는 수동이나 모터 및 기어 기구 등에 의한 이동 기구 등에 의해 광파이버 유지부(17)의 집광 렌즈 유지부(16)와의 사이의 거리를 임의의 위치로 설정 가능하게 하고 있다.The optical fiber position adjusting mechanism 15 is held by the condenser lens holding unit 16 holding the condenser lens 13, the optical fiber holding unit 17 holding the optical fiber 101, and the condensing lens holding unit 16. It has the adjustment part 18 which adjusts the space | interval which the incident end surface 102 of the optical fiber 101 faces with respect to the condensing lens 13. By the adjusting unit 18, the optical fiber 101 is adjusted such that the incident end surface 102 of the optical fiber 101 is positioned at a focal position of the condenser lens 13, that is, a position away from the condensing point A by a predetermined distance. It is. Moreover, the adjustment part 18 enables the distance between the optical fiber holding part 17 and the condensing lens holding part 16 to be set to arbitrary positions by the movement mechanism by manual, a motor, a gear mechanism, etc., and the like.

또한, 광파이버(101)의 입사 단면(102)을 집광 렌즈(13)의 초점 위치, 즉 집광점(A) 보다 후방에 소정 거리만큼 떨어진 소정 위치에 배치하는 것은 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 입사되는 레이저광(L)을 발산성으로 하는 것이다. 즉, 광파이버(101)의 입사 단면(102)과 집광 렌즈(13)와의 사이의 거리를 최적화하여 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 입사되는 레이저광(L)을 발산성으로 함으로써 광파이버(101) 내에 입사된 레이저광(L)이 광파이버(101) 내의 특정 위치에서 수속되고, 그 결과 광파이버(101)의 특정 위치의 피크 파워의 밀도가 높아져, 광파이버(101)가 손상하는 것이 억지된다.Further, arranging the incident end surface 102 of the optical fiber 101 at a focal position of the condensing lens 13, that is, at a predetermined position away from the condensing point A by a predetermined distance, is the incident end surface 102 of the optical fiber 101. The laser beam L incident on the beam 1) is divergent. That is, by optimizing the distance between the incidence end surface 102 of the optical fiber 101 and the condensing lens 13, the laser light L incident on the incidence end surface 102 of the optical fiber 101 becomes divergent. The laser light L incident on the 101 is converged at a specific position in the optical fiber 101. As a result, the density of the peak power at the specific position of the optical fiber 101 is increased, thereby preventing the optical fiber 101 from being damaged.

또한, 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 위치 관계를 최적화함으로써 레이저광(L)의 피크 파워 밀도가 소정의 크기, 예를 들면 100GW/㎠를 초과했을 때, 집광 렌즈(13)의 집광점(A)에서 발생하는 에어 브레이크 다운의 영향으로 레이저광(L)을 안정적으로 전송할 수 없어지고, 에어브레이크 다운이 발생하는 것으로 생긴 플라즈마가 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 도달하여 광파이버(101)의 입사 단면(102)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.Further, by optimizing the positional relationship between the condenser lens 13 and the incident end surface 102 of the optical fiber 101, the peak power density of the laser light L exceeded a predetermined size, for example, 100 GW / cm 2. At this time, the laser light L cannot be transmitted stably under the influence of the air breakdown generated at the condensing point A of the condensing lens 13, and the plasma generated by the air breakdown is generated in the optical fiber 101. It is possible to prevent the incident end surface 102 of the optical fiber 101 from being damaged by reaching the incident end surface 102.

구체적으로는 도 2 내지 도 4에 의해 설명하지만, 집광 렌즈(13)로 레이저광(L)이 집광되는 집광점(A)과 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 거리는 예를 들면 1∼10수mm이다.Although specifically demonstrated with reference to FIGS. 2-4, the distance between the condensing point A where the laser beam L is condensed by the condensing lens 13, and the incident end surface 102 of the optical fiber 101 is 1, for example. 10 mm.

즉, 레이저광(L)의 펄스 에너지를 'E[Wt]', 레이저광(L)의 펄스폭을 't[sec]', 에어 브레이크다운이 발생하는 임계값의 피크 파워 밀도를 'Pth[Wt/㎠]', 집광 렌즈(13)에 의해 집광된 레이저광(L)의 집광 직경(반경))을 'ω[mm]'로 하면 집광 직경'ω'은,That is, the pulse energy of the laser light L is' E [Wt] ', the pulse width of the laser light L is' t [sec]', and the peak power density of the threshold at which air breakdown occurs is' Pth [ Wt / cm <2> '"and the condensing diameter (radius) of the laser beam L condensed by the condensing lens 13) are" ω [mm] ", the condensing diameter' ω 'is

Figure 112006053733012-pct00001
Figure 112006053733012-pct00001

로 표시된다.Is displayed.

또한, 전송되는 레이저광(L)의 피크 파워를 'P[Wt]'로 하면, 상기 수학식 1은,Further, when the peak power of the transmitted laser light L is 'P [Wt]', Equation 1 is

Figure 112006053733012-pct00002
Figure 112006053733012-pct00002

가 된다.Becomes

한편, 집광 렌즈(13)에 입사되는 레이저광(L)의 발산각을 'θ1(반각)[rad], 집광 렌즈(13)의 초점 거리를 'f[mm]'로 하면, 집광 직경(반경)(ω)은,On the other hand, when the divergence angle of the laser light L incident on the condenser lens 13 is' θ 1 (half angle) [rad] and the focal length of the condenser lens 13 is' f [mm] ', the condensing diameter ( Radius) (ω),

Figure 112006053733012-pct00003
Figure 112006053733012-pct00003

으로 표시된다.Is displayed.

또한, 레이저광(L)의 단면 빔 직경(구경)을 'r(반경)[mm]', 고체 레이저 발진기(111)로부터 집광 렌즈(13)까지의 거리를 'D1[mm]'로 하면, 집광 렌즈(13)의 초점 거리f[mm]와 집광 렌즈(13)에 입사되는 레이저광(L)의 발산각(θ1(반각))에 의해 집광 렌즈(13)에 의해 집광된 레이저광(L)의 집광각(즉, 집광 렌즈(13)에 의해 집광된 레이저광(L)이 광파이버(101)에 입사될 때의 입사각)(θ1(반각)[rad])는,Further, if the cross-sectional beam diameter (diameter) of the laser beam L is 'r (radius) [mm]', and the distance from the solid state laser oscillator 111 to the condenser lens 13 is 'D 1 [mm]' The laser beam focused by the condenser lens 13 by the focal length f [mm] of the condenser lens 13 and the divergence angle θ 1 (half angle) of the laser beam L incident on the condenser lens 13. The condensing angle of L (that is, the incident angle when the laser light L condensed by the condensing lens 13 is incident on the optical fiber 101) θ 1 (half angle) [rad] is

Figure 112006053733012-pct00004
Figure 112006053733012-pct00004

로 구해진다.Obtained by

따라서, 상기 수학식 2 내지 수학식 4는 렌즈 초점 거리(f), 레이저 구경(단면 빔 직경)(r), 광파이버(101)에 입사되는 레이저광(L)의 입사각(θ1), 고체 레이저 발진기(111)로부터 집광 렌즈(13)까지의 거리(D1), 레이저광(L)의 피크 파워(P), 및 에어 브레이크다운의 발생 임계값의 피크 파워 밀도(Pth)는,Accordingly, Equations 2 to 4 are the lens focal length f, the laser aperture (cross-beam diameter) r, the incident angle θ 1 of the laser light L incident on the optical fiber 101, and the solid state laser. The distance D 1 from the oscillator 111 to the condenser lens 13, the peak power P of the laser light L, and the peak power density Pth of the generation threshold of air breakdown are:

Figure 112006053733012-pct00005
Figure 112006053733012-pct00005

에 의해 규정되는 관계를 갖는다.Has a relationship defined by

상기 수학식 5에 의해 집광 렌즈(13)의 집광점(A)에서 에어 브레이크다운이 발생하지 않는 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)를 구할 수 있다. 즉, 상기 수학식 5에 의해 구해지는 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f) 및 상기 수학식 3과 수학식 1 또는 수학식 2로부터 집광 렌즈(13)에 입사되는 레이저광(L)의 입사각(즉, 발산각)(θ1)을 구할 수 있으므로 집광 렌즈(13)에 입사되는 레이저광(L)의 입사각을 θ1이 되도록 설정하면 에어 브레이크다운을 발생시키지 않고, 효율적으로 광파이버(101)에 레이저광(L)을 입사하는 것이 가능해진다.According to Equation 5, the focal length f of the light collecting lens 13 in which air breakdown does not occur at the light collecting point A of the light collecting lens 13 can be obtained. That is, the focal length f of the condenser lens 13 obtained by Equation 5 and the incident angle of the laser light L incident on the condenser lens 13 from Equation 3, Equation 1 or Equation 2 are determined. (Ie, the divergence angle) θ 1 can be obtained. When the incident angle of the laser light L incident on the condensing lens 13 is set to be θ 1 , the optical fiber 101 can be efficiently generated without generating an air breakdown. The laser beam L can be made to enter.

일례로서 레이저광(L)의 구경(직경)을 2∼13mm의 범위로 하고, 집광 렌즈(13)와 고체 레이저 발진기(111)와의 거리를 10∼500mm의 범위로 변화시킨 경우에 이용 가능한 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)를 계산한 결과를 도 3에, 집광 렌즈 (13)에 입사되는 레이저광(L)의 입사각(발산각)θ1을 계산한 결과를 도 4에 각각 나타낸다.As an example, the condensing lens usable when the aperture (diameter) of the laser beam L is in the range of 2 to 13 mm, and the distance between the condenser lens 13 and the solid state laser oscillator 111 is changed in the range of 10 to 500 mm. The result of having calculated the focal length f of (13) is shown in FIG. 3, and the result of having calculated the incident angle (diffusion angle) (theta) 1 of the laser beam L incident on the condensing lens 13 is shown in FIG.

예를 들면, 레이저광(L)의 구경을 'r=3mm(직경 6mm)', 고체 레이저 발진기(111)로부터 집광 렌즈(13)까지의 거리(D1)를 'D1=100mm', 집광렌즈(13)로부터 광파이버(101)로 입사되는 레이저광(L)의 입사각(집광각)을 'θ2=0.15rad', 피크 파워를 'P=20MW', 에어 브레이크 다운의 발생 임계값의 피크 파워 밀도를 'Pth=100GW/㎠'로 하고, 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)와 집광 렌즈(13)에 입사되는 레이저광의 입사각(θ1)을 구하면, f=24.9mm, θ1=3.2mrad(전각 6.4mrad)가 된다.For example, the diameter of the laser beam L is 'r = 3mm (diameter 6mm)', and the distance D 1 from the solid state laser oscillator 111 to the condenser lens 13 is 'D 1 = 100mm', condensing The incidence angle (condensing angle) of the laser light L incident from the lens 13 into the optical fiber 101 is 'θ 2 = 0.15rad', the peak power is 'P = 20MW', and the peak of the generation threshold of air breakdown When the power density is set to 'Pth = 100GW / cm 2' and the focal length f of the condenser lens 13 and the incident angle θ 1 of the laser beam incident on the condenser lens 13 are obtained, f = 24.9 mm and θ 1 = 3.2mrad (6.4mrad).

예를 들면, 실측으로 설정한 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)을 수학식 4에 대입하고, 광파이버(101)의 입사각(θ2)의 크기를 레이저광(L)이 입사되는 광파이버(101)의 NA를 초과하지 않는 범위로 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)를 설정할 필요가 있다(도 3 참조).For example, the focal length f of the condenser lens 13 set to the actual measurement is substituted into the equation (4), and the size of the incident angle θ 2 of the optical fiber 101 is determined by the optical fiber in which the laser light L is incident. It is necessary to set the focal length f of the condensing lens 13 in a range not exceeding the NA of 101 (see FIG. 3).

즉, 도 3은 광파이버(101)에 레이저광(L)을 입사할 때의 집광각(광파이버(101)로의 입사각)(θ1)을 변화시켰을 때 에어 브레이크다운이 발생하는 집광 렌즈(13)의 초점 위치를 도시하고 있지만, 레이저광(L)의 구경(단면 빔 직경)과 집광 렌즈(13)의 설치 위치를 변화시킨 결과, 하한값은 0.06rad 정도가 된다.That is, FIG. 3 shows the condensing lens 13 in which air breakdown occurs when the condensing angle (incidence angle into the optical fiber 101) θ 1 when the laser light L is incident on the optical fiber 101 is changed. Although the focal position is shown, the lower limit is about 0.06 rad as a result of changing the aperture (cross section beam diameter) of the laser beam L and the installation position of the condenser lens 13.

그러나, 레이저광(L)의 질(공간 모드나 파면 등)이나 집광 렌즈(13)의 수차(收差)의 영향 등에 의해 이상적인 집광 직경 보다도 실제 집광 직경이 커지는 경우 가 있다.However, the actual condensing diameter may be larger than the ideal condensing diameter due to the influence of the quality of the laser light L (space mode, wavefront, etc.), the aberration of the condensing lens 13, and the like.

이와 같은 경우에는 수학식 2로 구한 에어 브레이크다운을 일으키지 않는 집광 직경과 실제의 집광 직경이 동등해지까지 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)를 짧게 하고, 레이저광(L)이 광파이버(101)로 입사될 때의 개구수(NA)를 크게 하는 것이 바람직하다(도 4 참조). 또한, 레이저광(L)이 광파이버(101)로 입사될 때의 개구수(NA)와 발산 입사 방식에 적합한 집광 렌즈(13)로의 입사각(θ1)과의 관계 때문에 광파이버(101)로 입사되는 레이저광(L)의 입사각(θ2)의 하한값은 0.06rad 정도 보다 큰 것이 바람직하다.In such a case, the focal length f of the condensing lens 13 is shortened until the condensing diameter which does not cause air breakdown obtained by Equation 2 and the actual condensing diameter are equal, and the laser light L is the optical fiber 101. It is preferable to enlarge the numerical aperture NA when it enters into () (refer FIG. 4). Further, due to the relationship between the numerical aperture NA when the laser light L is incident on the optical fiber 101 and the incident angle θ 1 to the condensing lens 13 suitable for the divergent incidence method, it is incident on the optical fiber 101. It is preferable that the lower limit of the incident angle (theta) 2 of the laser beam L is larger than about 0.06 rad.

또한, 집광 렌즈(13)의 집광점(A)과 광파이버(101)의 설치 위치(입사 단면(102)의 위치)는 집광점(A)에서의 집광 직경(반경)을 'ω[mm]', 집광점(A)과 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리를 'Lf[mm]', 레이저광(L)이 광파이버(101)의 코어로 입사될 때의 단면 빔 직경, 즉 입사 직경을 'Wi(직경)[mm]', 레이저광(L)이 광파이버(101)로 입사될 때의 입사각을 'θ2(반각)[rad]'로 하면,Further, the condensing point A of the condensing lens 13 and the installation position of the optical fiber 101 (position of the incident end face 102) have a condensing diameter (radius) at the condensing point A as 'ω [mm]'. The cross-section beam diameter when the distance between the light-converging point A and the incident end face 102 of the optical fiber 101 is 'Lf [mm]' and the laser light L is incident on the core of the optical fiber 101. That is, when the incident diameter is 'Wi (diameter) [mm]' and the incident angle when the laser light L is incident on the optical fiber 101 is 'θ 2 (half angle) [rad]',

Figure 112006053733012-pct00006
Figure 112006053733012-pct00006

로 표시된다.Is displayed.

상기 수학식 6을 이용하여 집광 렌즈(13)의 초점 위치(집광점(A))와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리(Lf)는, 예를 들면 0.25∼16mm로 설정된다. 상세하게는 광파이버(101)의 코어로 입사되는 레이저광(L)의 입사 직경의 최 소값을, 예를 들면, 420㎛(광파이버(101)에 의해 전송해야 하는 레이저광(L)의 파워, 즉 에너지 또는 피크 파워에 의해 정해지는 코어 직경의 최소값), 또한 최대값을 예를 들면 용이하게 입수 가능한 광파이버(101)의 최대 코어 직경 1500㎛의 90%인 1350㎛로 하고, Wi=420∼1350㎛, ω=100㎛(피크 파워 30MW, 에어 브레이크다운 발생 임계값 100GW/㎠의 최저 집광 직경), θ2=0.06∼0.22rad(후술)로 하고, 바람직한 Lf의 범위를 계산하면 Lf의 범위는 상기한 바와 같이 0.25∼16mm의 범위가 된다.The distance Lf between the focal position (condensing point A) of the condensing lens 13 and the incident end surface 102 of the optical fiber 101 is 0.25 to 16 mm, for example, using the above equation (6). Is set. Specifically, the minimum value of the incident diameter of the laser light L incident on the core of the optical fiber 101 is, for example, 420 μm (the power of the laser light L to be transmitted by the optical fiber 101, that is, Minimum value of the core diameter determined by energy or peak power), and the maximum value is, for example, 1350 μm, which is 90% of the maximum core diameter 1500 μm of the readily available optical fiber 101, and Wi = 420 to 1350 μm. , ω = 100 µm (peak power 30 MW, the lowest condensing diameter of the air breakdown generation threshold 100 GW / cm 2 ), θ 2 = 0.06 to 0.22 rad (to be described later), and the range of Lf is calculated by calculating the preferred range of Lf. As mentioned above, it exists in the range of 0.25-16 mm.

실용상, 광파이버(101)의 입사 단면(102)을 설정 가능한 최소 거리를 1mm로하고, 집광점(A)에서 광파이버(101)의 입사 단면(102)까지의 거리는 1∼16mm의 범위로 정한다. 그러나, 거리(Lf)가 필요 이상으로 커지면 광파이버(101)에 입사되지 않는 레이저광(L)도 증대되므로, 예를 들면 상한값은 10mm 정도로 좋다.In practical use, the minimum distance at which the incident end face 102 of the optical fiber 101 can be set is 1 mm, and the distance from the light converging point A to the incident end face 102 of the optical fiber 101 is set in the range of 1 to 16 mm. However, when the distance Lf becomes larger than necessary, the laser light L that does not enter the optical fiber 101 also increases, so that the upper limit is, for example, about 10 mm.

더 바람직하게는 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리(lf)는 실제 조립 조정의 결과에 기초하면 대부분의 경우, 1.5∼5mm의 범위이다.More preferably, the distance lf between the condenser lens 13 and the incident end surface 102 of the optical fiber 101 is in the range of 1.5 to 5 mm in most cases based on the result of the actual assembly adjustment.

계속해서, 광파이버(101)의 코어 직경 및 클래드층의 두께로부터 광파이버(101)에 입사 가능한 레이저광(L)의 강도에 대해 설명한다.Next, the intensity of the laser light L that can be incident on the optical fiber 101 from the core diameter of the optical fiber 101 and the thickness of the clad layer will be described.

상기에서 설명한 바와 같이, 자이언트 펄스 발진 방식에 의해 얻어지는 피크 파워가 수MW(피크 파워 밀도로 10-1∼1.0GW/㎠)를 초과하는 레이저광(L)을 광파이버(101)에 입사하려고 한 경우, 광파이버(101)가 손상되어 레이저광(L)을 전송할 수 없는 것이 알려져 있다.As described above, when the laser beam L whose peak power obtained by the giant pulse oscillation method exceeds several MW (peak power density of 10 −1 to 1.0 GW / cm 2) is attempted to enter the optical fiber 101. It is known that the optical fiber 101 is damaged and the laser beam L cannot be transmitted.

이 때문에, 도 1, 도 2 내지 도 4에 의해 설명한 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리(Lf) 및 집광 렌즈(13)에 레이저광(L)이 입사될 때의 입사각(θ1) 및 집광 렌즈(13)에 의해 집광된 레이저광(L)을 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 입사시킬 때의 집광각(θ2)을 규정하는 것만으로는 광파이버(101)가 손상되는 경우가 있다.For this reason, the laser beam L is applied to the distance Lf between the condensing lens 13 described above with reference to FIGS. 1 and 2 to 4 and the incident end surface 102 of the optical fiber 101 and the condensing lens 13. defining a home wide angle (θ 2) at the time of incidence of the focused laser beam (L) on the entrance end face 102 of the optical fiber 101 by an incident angle (θ 1) and the condenser lens 13 in the time the incident Only the optical fiber 101 may be damaged.

이하, 바람직한 광파이버(101)의 구조상의 특징 및 레이저광(L)의 전송 특성에 대해 설명한다.Hereinafter, the structural features of the optical fiber 101 and the transmission characteristics of the laser light L will be described.

도 5에 코어의 직경이 1000㎛, 클래드층의 두께가 50㎛, 개구수(NA)가 0.2인 광파이버(101)에 펄스폭이 5nsec이고 레이저광(L)의 구경(단면 빔 직경)이 700㎛의 레이저광(L)을, 입사각을 0.02rad로 하여 도 2에 의해 설명한 발산 입사 방식과 일반적인 수속 입사 방식에 의해 입사한 실험 결과를 나타낸다.5, the optical fiber 101 having a diameter of 1000 µm, a thickness of a cladding layer of 50 µm, and a numerical aperture NA of 0.2 has a pulse width of 5 nsec and a diameter of the laser light L (cross-sectional beam diameter) of 700. The experimental results in which the micrometer laser beam L was incident by the divergent incidence method and the general converging incidence method described by FIG.

도 5에서 수속 입사 방식에서는 전송 에너지 30mJ(피크 파워 6MW)에서, 광파이버(101)가 손상되는 것이 인정된다. 이에 대해, 발산 입사 방식을 적용하는 것에 의해 전송 에너지 70mJ(피크 파워 14MW)에서도 광파이버(101)가 손상되지 않는 것이 확인되고 있다.In the convergence incident method in FIG. 5, it is recognized that the optical fiber 101 is damaged at a transmission energy of 30 mJ (peak power 6 MW). On the other hand, it is confirmed that the optical fiber 101 is not damaged even by transmission energy of 70 mJ (peak power of 14 MW) by applying the divergent incidence method.

또한, 광파이버(101)의 구조 상의 특징으로서는 코어 재질의 순도가 높으므로 레이저광(L)의 에너지에 의한 손상에 강하다고 알려져 있는 도 6에 도시한 구조의 스텝 인덱스형 석영 재질로 한다. 광파이버(101)는 코어(103), 상기 코어(103) 의 주위에 형성된 클래드(104), 클래드(104)의 주위에 형성된 피복층(105)으로 구성되어 있다.The optical fiber 101 is characterized by a step index type quartz material having the structure shown in FIG. 6, which is known to be resistant to damage caused by the energy of the laser light L because of high purity of the core material. The optical fiber 101 is composed of a core 103, a clad 104 formed around the core 103, and a coating layer 105 formed around the clad 104.

또한, 클래드(104)의 두께에 대해서는 소정의 두께 보다도 두꺼워질수록 광파이버(101)를 구부렸을 때 기계적 응력에 의한 파손이 생기기 쉬운 것이 알려져 있고, 그 반면, 클래드(104)의 층의 두께가 얇으면 수MW 레벨의 피크 파워의 레이저광(L)을 입사했을 때, 코어(103)로부터 클래드(104)로 새는 레이저광(L)에 의해 광파이버(101)가 파손되는 것이 알려져 있다.In addition, it is known that the thickness of the clad 104 is more prone to breakage due to mechanical stress when the optical fiber 101 is bent as the thickness becomes thicker than the predetermined thickness, whereas the thickness of the layer of the clad 104 is thin. It is known that the optical fiber 101 is damaged by the laser light L leaking from the core 103 to the clad 104 when the laser light L having a peak power of several MW level is incident.

또한, 클래드(104)의 두께는 코어(103)의 직경에 비해 얇고, 예를 들면 코어(103)의 직경의 0.05∼0.1배 정도이다. 이 때문에, 클래드(104)로 샌 약간의 레이저광(L)이라도 피크 파워 밀도가 코어(103) 부분 보다도 1 자리 정도 높아진다. 또한, 클래드(104)와 코어(103)와의 경계부에서의 통상의 레이저광(L)의 전송에 있어서도 발생하는 회절의 영향에 의해 마치 정재파가 존재하는 것처럼 부분적으로 피크 파워가 높아지므로 클래드(104)의 두께를 얇게 하는 것에도 하한값이 존재한다.In addition, the thickness of the clad 104 is thinner than the diameter of the core 103, and is about 0.05 to 0.1 times the diameter of the core 103, for example. For this reason, even the slight laser light L which leaked to the clad | rod 104 has a peak power density about 1 position higher than the core 103 part. In addition, since the peak power is partially increased as if standing waves exist due to the effect of diffraction, which is also generated in the transmission of normal laser light L at the boundary between the clad 104 and the core 103, the clad 104 is increased. There is also a lower limit for thinning the thickness of.

도 7에 코어 직경이 1000㎛, 개구수(NA)가 0.2인 광파이버(10)에 펄스폭이 5nsec이고 구경(단면 빔 직경)이 700㎛의 레이저광(L)을, 입사각을 0.02 rad로 하여 도 2에 의해 설명한 발산 입사 방식에 의해 입사하고, 클래드(104)의 두께를 변화시킨 실험 결과를 나타낸다.In Fig. 7, an optical fiber 10 having a core diameter of 1000 mu m and a numerical aperture NA of 0.2 has a laser beam L having a pulse width of 5 nsec and an aperture diameter (section beam diameter) of 700 mu m, with an incident angle of 0.02 rad. It enters by the divergent incidence system demonstrated by FIG. 2, and the experimental result which changed the thickness of the clad 104 is shown.

도 7에서 명확해진 바와 같이, 클래드(104)의 두께가 증가할수록 큰 에너지가 전송 가능해지는 것이 인정된다. 즉, 도 7에서 클래드(104)의 두께가 20㎛인 경우에는 40mJ(피크 파워 8MW)이 한계였지만, 클래드(104)의 두께를 50㎛로 하여 70mJ(피크 파워 14MW)에서도 광파이버(101)가 손상되지 않는 것이 인정된다.As is apparent from FIG. 7, it is recognized that as the thickness of the clad 104 increases, large energy can be transmitted. That is, in the case where the thickness of the clad 104 is 20 µm in FIG. 7, the limit was 40 mJ (peak power 8 MW). However, the optical fiber 101 was formed at 70 mJ (peak power 14 MW) with the thickness of the clad 104 at 50 µm. It is recognized that it is not damaged.

따라서, 도 7에서 피크 파워 10MW 이상의 레이저광(L)을 전송 가능하게 하기 위해서는 클래드(104)의 두께는 35㎛ 이상 필요한 것이 인정된다. 또한, 클래드(104)가 100㎛ 보다 두꺼워지면 단단해 약해지고, 광파이버(101)가 구부려지기 어렵고, 굴곡 반경이 커지므로 100㎛ 이하로 한다.Therefore, in FIG. 7, it is recognized that the thickness of the clad 104 is required to be 35 µm or more in order to enable transmission of the laser light L having a peak power of 10 MW or more. In addition, when the cladding 104 becomes thicker than 100 mu m, it becomes hard and weak, the optical fiber 101 is hard to bend, and the bending radius becomes large, so that it is 100 mu m or less.

한편, 코어 직경에 대해서는 광파이버(101)에 의해 전송해야 하는 레이저 파워 밀도와의 관계로 하한값이 설정되었지만 코어 직경의 상한값은 도 8에 의해 이하에 설명하는 바와 같이, 예를 들면 입사하는 레이저광(L)의 구경(단면 빔 직경)에 대한 비율로서 판단할 수 있다.On the other hand, for the core diameter, the lower limit is set in relation to the laser power density to be transmitted by the optical fiber 101, but the upper limit of the core diameter is, for example, incident laser light as described below with reference to FIG. It can judge as a ratio with respect to the aperture (cross section beam diameter) of L).

도 8에 클래드(104)의 두께를 일정하게 하고, 코어 직경을 변화시킨 광파이버(101)에, 광파이버(101)에 입사될 때의 레이저광(L)의 구경(단면 빔 직경)을 변하게 하여 레이저광(L)을 입사한 실험 결과를 나타낸다.In Fig. 8, the thickness of the clad 104 is made constant, and the aperture (section beam diameter) of the laser light L when the optical fiber 101 is incident on the optical fiber 101 having the core diameter changed is changed so that the laser is changed. The experimental result which incident light L is shown.

도 8에서 코어 직경과 입사하는 레이저광(L)의 단면 빔 직경(구경)과의 사이에 차가 있다고 해도 클래드(104)의 두께가 동일하면 그 범위의 입사 구경이면 동일한 10MW의 피크 파워의 레이저광(L)을 전송할 수 있는 결과를 얻었다.In FIG. 8, even if there is a difference between the core diameter and the cross-sectional beam diameter (diameter) of the incident laser light L, if the thickness of the clad 104 is the same, the laser beam of the same peak power of 10 MW is equal to the incident aperture in the range. The result that can transfer (L) was obtained.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 피크 파워 10MW 이상을 전송 가능하게 하기 위해서는 집광 직경은 420㎛ 이상이 필요하다는 결과를 얻었다. 이 때문에 집광 직경에 대해 80% 정도의 여유를 갖게 하는 것을 고려하여 코어 직경은 500㎛ 이상이 바람직하다.That is, as shown in Fig. 8, in order to be able to transmit 10MW or more of peak power, the result is that a condensing diameter is required to be 420 µm or more. For this reason, the core diameter is preferably 500 µm or more in consideration of allowing a margin of about 80% with respect to the condensing diameter.

또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 코어 직경이 100㎛, 클래드(104)의 두께가 50㎛, 개구수(NA)가 0.2인 광파이버(101)에 발산 입사 방식에 의해 구경(단면 빔 직경)이 700㎛이고 펄스폭이 5nsec인 레이저광(L)을 입사시킬 때, 광파이버(101)로 입사하는 레이저광(L)의 입사각(θ2)을 변화시켜 실험한 결과로부터 피크 파워가 15MW(에너지 환산으로 80mJ) 전후의 레이저광(L)을 저손실로 입사시키기 위해서는 0.06rad 정도의 입사각(θ2)이 필요해진다. 또한, 입사각(θ2)이 커질수록 큰 에너지가 전송 가능해지고, 입사각(θ2)을 0.12rad 정도로 하는 것에 의해 피크 파워가 20MW인 레이저광(W)을 전송할 수 있는 결과를 얻었다.In addition, as shown in FIG. 9, the aperture diameter (cross-section beam diameter) is applied to the optical fiber 101 having a core diameter of 100 m, a thickness of the clad 104 50 m, and a numerical aperture NA of 0.2 by an optical fiber 101. The peak power was 15 MW (energy) when the incident angle θ 2 of the laser light L incident on the optical fiber 101 was changed when the laser light L having 700 μm and a pulse width of 5 nsec was incident. An incident angle θ 2 of about 0.06 rad is required in order to inject the laser light L around 80 mJ with a low loss. Further, as the incident angle θ 2 is increased, large energy can be transmitted, and the incident angle θ 2 is about 0.12 rad, so that the laser beam W having a peak power of 20 MW can be transmitted.

한편, 광파이버(101)에는 코어(103)와 클래드(104)와의 경계부에서의 회절에 의해 광파이버(101)에 입사된 레이저광(L)이 광파이버(101) 내로 전송되는 것에 의존하여 레이저광(L)이 입사될 때의 개구수(NA)의 상한이 존재한다. 즉, 광파이버(101)의 개구수(NA)는 너무 작으면 발산 입사 방식에서 광파이버(101)로의 입사각(θ2)이 작아져 충분한 효과가 얻어지지 않는다. 이는 상기에서 설명한 바와 같이 광파이버(101)에 입사된 레이저광(L)이 광파이버(101)의 내부의 특정 위치에서 수속하고, 광파이버(101)의 손상을 일으킨다.On the other hand, in the optical fiber 101, laser light L incident on the optical fiber 101 by diffraction at the boundary between the core 103 and the clad 104 is transmitted into the optical fiber 101 depending on the transmission of the laser light L. There is an upper limit of the numerical aperture NA when) is incident. That is, if the numerical aperture NA of the optical fiber 101 is too small, the incident angle θ 2 to the optical fiber 101 becomes small in the divergent incidence method, and a sufficient effect is not obtained. As described above, the laser light L incident on the optical fiber 101 converges at a specific position inside the optical fiber 101, causing damage to the optical fiber 101.

또한, 광파이버(101)의 개구수(NA)가 커지면 광파이버(101)로부터 출사되는 레이저광(L)의 각도를 증대시킴으로 레이저광(L)을 소정의 단면 빔 직경으로 대상물에 조사하기 위해 이용되는 조사 광학계의 크기도 증대한다. 예를 들면, 굴절률(n)이 n=1.5 정도의 유리재에 의한 1 장의 평(平) 볼록 렌즈를 이용하여 1 이하의 결상 배율로 광파이버(101)로부터 출사된 레이저광(L)을 대상물에 집광하기 위해서는 렌즈 곡률에 대한 렌즈 구경의 제작 한계의 관점에서 광파이버(101)의 개구수(NA)는 NA≒0.25rad 이하가 된다.In addition, when the numerical aperture NA of the optical fiber 101 is increased, the angle of the laser light L emitted from the optical fiber 101 is increased to be used to irradiate the laser light L to the object with a predetermined cross-sectional beam diameter. The size of the irradiation optical system also increases. For example, the laser beam L emitted from the optical fiber 101 at an imaging magnification of 1 or less using one flat convex lens made of a glass material having a refractive index n of about n = 1.5 is applied to the object. For condensing, the numerical aperture NA of the optical fiber 101 becomes NA ≒ 0.25 rad or less from the viewpoint of the production limitation of the lens aperture with respect to the lens curvature.

또한, 상기 광파이버(101)는 클래드(104)의 두께가 일반적인 광파이버의 클래드 두께 보다도 두꺼우므로 기계적 강도(항굴곡성)의 저하를 고려하면 코어(103)의 굴절률을 'n1', 클래드(104)의 굴절률을 'n2'로 하면, 개구수(NA)는, In addition, since the thickness of the clad 104 is thicker than that of a general optical fiber, the optical fiber 101 has a refractive index of the core 103 'n1', and the clad 104 has a refractive index in consideration of a decrease in mechanical strength (anti-flexibility). When the refractive index is 'n2', the numerical aperture NA is

Figure 112006053733012-pct00007
Figure 112006053733012-pct00007

로 규정된다.It is prescribed.

또한, 광파이버(101)는 개구수(NA)를 크게 하기 위해 클래드(104)층의 굴절률을 낮추는 방법으로 널리 이용되고, 클래드(104)층에 도핑되는 불소나 붕소의 양이 증대됨으로써 약하고, 굴절되기 쉬워진다. 또한, 도 7에 의해 구해진 클래드(104)의 두께를 고려하면 상기 조사 광학계에 의존하여 규정되는 개구수(NA)의 상한은 더 저하되어 대략 0.22 rad가 된다.In addition, the optical fiber 101 is widely used as a method of lowering the refractive index of the clad 104 layer in order to increase the numerical aperture NA, and is weak due to an increase in the amount of fluorine or boron doped in the clad 104 layer. It becomes easy to be. In addition, considering the thickness of the clad 104 obtained by FIG. 7, the upper limit of the numerical aperture NA defined depending on the irradiation optical system is further lowered to be approximately 0.22 rad.

따라서, 광파이버(101)의 개구수(NA)의 상한은 0.22가 된다. 또한, 상한값은 실제로 이용되는 광파이버(101)의 구조상의 특징 및 물성에 따라서 변화하므로 발산 입사 방식에서 광파이버(101)에 설정 가능한 개구수(NA)의 상한은 반드시 0.22에 제한되지 않고, 광파이버(101)의 구조상의 특징 및 물성에 의해 규정되는 수치로 한다.Therefore, the upper limit of the numerical aperture NA of the optical fiber 101 is 0.22. In addition, since an upper limit changes according to the structural characteristic and physical property of the optical fiber 101 actually used, the upper limit of the numerical aperture NA which can be set to the optical fiber 101 in a divergent incident method is not necessarily limited to 0.22, and the optical fiber 101 The numerical value specified by the structural characteristic and physical property of) is taken.

또한, 하한값은 도 3 및 도 4에 의해 집광렌즈(13)의 초점 위치와 광파이버 (101)로 입사되는 레이저광(L)의 입사각(θ2)과, 도 8에 의해 설명한 광파이버(101)의 코어 직경과 광파이버(101)로 입사되는 레이저광(L)의 구경(단면 빔 직경)에 의해 코어 직경이 제약을 받지 않는다는 실험 결과, 및 도 9에 의해 설명한 에너지 전송 능력의 확인 결과로부터 레이저광(L)의 입사각(θ2)과 동등하면 좋다고 인정되므로 개구수(NA)=0.06∼0.22rad가 된다.In addition, the lower limit is the focal position of the condensing lens 13 and the incident angle θ 2 of the laser light L incident on the optical fiber 101 by FIGS. 3 and 4, and the optical fiber 101 described by FIG. 8. From the results of the experiment that the core diameter is not limited by the core diameter and the aperture (cross section beam diameter) of the laser light L incident on the optical fiber 101, and the result of confirming the energy transfer capability described with reference to FIG. Since it is recognized that it should just be equivalent to the incident angle (theta) 2 of L), numerical aperture NA will be 0.66-0.22rad.

상기와 같기 때문에 발산 입사 방식에 의해 20MW(피크 파워 밀도로 100GW/㎠) 정도의 자이언트 펄스 발진 방식의 레이저광(L)을 전송할 수 있는 광파이버(101)는,As described above, the optical fiber 101 capable of transmitting the laser light L of the giant pulse oscillation method of about 20 MW (100 GW / cm 2 at peak power density) by the divergent incidence method,

코어(103) 직경이 500∼1500 ㎛Core 103 diameter is 500-1500 μm

클래드(104)의 두께가 35∼100 ㎛The thickness of the clad 104 is 35-100 μm

광파이버(101)의 개구수(NA)는 0.06∼0.22The numerical aperture NA of the optical fiber 101 is 0.06 to 0.22

의 범위인 것이 바람직하다.It is preferable that it is the range of.

또한, 광파이버(101)에 레이저광(L)을 입사할 때의 레이저광(L)의 입사각(θ2)은 레이저광 입사 광학장치(11)의 구성에 허용되는 범위 내에서 가능한한 큰 각도인 것이 바람직하다.Incidentally, the incident angle θ 2 of the laser beam L when the laser beam L is incident on the optical fiber 101 is an angle as large as possible within the range allowed for the configuration of the laser beam incident optical apparatus 11. It is preferable.

상기와 같기 때문에 피크 파워가 10MW 이상의 펄스 레이저광(L) 또는 피크 파워가 10MW 이하라도 단(短) 펄스 레이저광(L)을 안정적으로 전송 가능하게 하기 위해서는, 예를 들면 광파이버(101)의 개구수(NA)=0.2로 한 경우, 광파이버(101)에 입사되는 레이저광(L)의 입사각(θ2)은 0.2rad(광파이버(101)의 개구수(NA)의 상한 값)까지로 하는 것이 바람직하다.As described above, in order to enable stable transmission of the pulsed laser light L having a peak power of 10 MW or more or the peak power of 10 MW or less, for example, the opening of the optical fiber 101 is possible. When the number NA is 0.2, the incidence angle θ 2 of the laser light L incident on the optical fiber 101 is set to 0.2 rad (the upper limit of the numerical aperture NA of the optical fiber 101). desirable.

계속해서, 레이저광 입사 광학장치(11)의 구체적인 일례를 설명한다.Subsequently, a specific example of the laser beam incident optical device 11 will be described.

또한, 이하에 나타내는 수치는 도 9에 의해 상기에서 설명한 피크 파워가 22MW의 레이저광(L)의 데이터이고, 예를 들면 자이언트 펄스 발진 방식의 Nd:YAG 레이저 발진기인 고체 레이저 발진기(111)를 이용하여 펄스폭이 5nsec, 펄스 에너지가 110mJ(피크 파워 22MW=110mJ/5nsec), 직경 6mm의 레이저광(L)을 스텝 인덱스형 석영 재질의 광파이버(101)에 이하의 조건으로 전송시킨 결과이다.In addition, the numerical values shown below are data of the laser light L of 22 MW of the peak power demonstrated above by FIG. 9, for example, using the solid-state laser oscillator 111 which is a Nd: YAG laser oscillator of a giant pulse oscillation system. The laser beam L having a pulse width of 5 nsec, pulse energy of 110 mJ (peak power 22 MW = 110 mJ / 5 nsec), and a diameter of 6 mm is transmitted to the optical fiber 101 of step index quartz material under the following conditions.

집광 렌즈(13)로의 입사각(입사 발산각)θ1=1.8mrad(반각),Angle of incidence (incidence divergence angle) θ 1 = 1.8 mrad (half angle) to the condenser lens 13,

레이저 구경(단면 빔 직경)r(반경)=3mm(직경 6mm),Laser aperture (cross-section beam diameter) r (radius) = 3 mm (diameter 6 mm),

집광 렌즈(13)와 고체 레이저 발진기(111)와의 간격(D1)=600mm,Spacing (D 1 ) between the condenser lens 13 and the solid state laser oscillator 111 = 600 mm,

집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)=31mm,Focal length f of the condenser lens 13 = 31 mm,

광파이버(101)의 코어 직경 1000㎛,The core diameter of the optical fiber 101 1000㎛,

클래드(104)의 두께 50㎛,The thickness of the clad 104 is 50 μm,

개구수(NA)=0.2rad,Numerical aperture (NA) = 0.2rad,

광파이버(101)로의 레이저광(L)의 입사각(θ2)=0.13rad(반각),Angle of incidence (θ 2 ) of the laser light L into the optical fiber 101 = 0.13rad (half angle),

집광 렌즈(13)의 집광점(A)에서 광파이버(101)의 입사 단면(102)까지의 거리(Lf)=2mm,Distance Lf from the light collecting point A of the light collecting lens 13 to the incident end surface 102 of the optical fiber 101,

광파이버(101)로의 레이저광(L)의 입사 구경(단면 빔 직경):700㎛(직경).Incidence aperture (cross section beam diameter) of the laser light L to the optical fiber 101: 700 micrometers (diameter).

또한, 상기 각각의 수치, 즉 집광 렌즈(13)로의 입사각(입사 발산각)θ 1=1.8mrad, 집광 렌즈(13)와 고체 레이저 발진기(111)와의 간격(D1)=600mm, 레이저 입사 구경(단면 빔 직경)r(반경)=3mm, 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f)=31mm로 수학식 4를 이용하여 상기에서 설명한 광파이버(101)로의 입사각(θ2)을 구한 바, 입사각(θ2)=0.13rad가 되고, 본 발명에서 이용 가능하게 한 광파이버(101)의 개구수의 범위인 NA=0.06∼0.22rad의 범위인 것이 확인되고 있다.Further, each of the above values, namely, the incident angle (incidence divergence angle) θ 1 = 1.8 mrad into the condenser lens 13, the distance D 1 between the condenser lens 13 and the solid state laser oscillator 111 = 600 mm, the laser incident aperture (Section beam diameter) r (radius) = 3 mm and the focal length f of the condenser lens 13 = 31 mm, the angle of incidence θ 2 into the optical fiber 101 described above was obtained using Equation 4, where the angle of incidence was obtained. (θ 2 ) = 0.13rad, and it is confirmed that it is the range of NA = 0.06-0.22rad which is the range of the numerical aperture of the optical fiber 101 made available in this invention.

또한, 발산 입사 방식에 의하면 m×n으로 분할된 복합 렌즈를 이용하는 주지의 예와 비교하여 각각의 렌즈의 경계 부분에서 생기는 반사 손실의 영향이 제거되므로 집광 렌즈(13)의 입사측에서 광파이버(101)의 출사측으로의 전송 효율이 약 10% 향상할 수 있다.In addition, according to the divergent incident method, the influence of the reflection loss occurring at the boundary portion of each lens is eliminated as compared with the known example using the composite lens divided by m × n, so that the optical fiber 101 on the incident side of the condensing lens 13 is eliminated. ), The transmission efficiency to the exit side can be improved by about 10%.

또한, 발산 입사 방식에서는 광학 요소의 개수가 저감되므로 레이저광 입사 광학장치(11) 전체의 비용이 저감된다.In addition, since the number of optical elements is reduced in the divergent incident method, the cost of the entire laser beam incident optical apparatus 11 is reduced.

따라서, 석영을 포함하는 재질로 코어 직경에 대한 클래드의 두께가 0.035∼0.1배, 개구수(NA)가 0.06∼0.22의 스텝 인덱스형인 광파이버(101)를 이용하고, 상기 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 피크 파워 10MW를 초과하는 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기(111)로부터의 레이저광(L)을 발산성으로서 입사시킴으로써 광파이버(101)를 손상시키지 않고 레이저광(L)을 전송할 수 있고, 전송 효율의 저하나 복잡한 조정을 불필요하게 하여 저렴한 가격으로 제공할 수 있다.Therefore, the incident cross section of the optical fiber 101 is made of a material containing quartz using a step index type optical fiber 101 having a thickness of 0.035 to 0.1 times the thickness of the core and a numerical aperture NA of 0.06 to 0.22. The laser beam L can be transmitted without damaging the optical fiber 101 by injecting as a divergence the laser beam L from the solid state laser oscillator 111 of the giant pulse oscillation method exceeding the peak power of 10 MW to 102. In this way, the transmission efficiency can be reduced and complicated adjustments can be made unnecessary, thereby providing a low cost.

계속해서, 도 10에 의해 레이저광 입사 광학장치(11)의 다른 실시형태를 설명한다.Subsequently, another embodiment of the laser beam incidence optical device 11 will be described with reference to FIG. 10.

또한, 도 1 내지 도 9에 도시한 실시 형태에 의해 이미 설명한 구성과 동일하거나, 또는 유사한 구성에는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the embodiment shown in FIGS. 1-9, the same code | symbol is attached | subjected to the structure similar to what was already demonstrated, or the similar description is abbreviate | omitted.

레이저광 입사 광학장치(11)는 고체 레이저 발진기(111)로부터의 레이저광(L)에 소정의 집광성을 부여하는 집광 렌즈(13), 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리를 일정한 거리로 유지하는 광파이버 위치 조정 기구(15), 고체 레이저 발진기(111)와 집광 렌즈(13)와의 사이에 설치되고, 광파이버(101)의 입사 단면(102)에서 반사된 반사 레이저광(복귀 레이저광)(R)을 고체 레이저 발진기(111)로부터 집광 렌즈(13)를 향해 레이저광(L)으로부터 분리하는 반투명경으로서의 빔 스플리터(샘플링 미러)(31), 상기 빔 스플리터(31)에 의해 분리된 반사 레이저광(R)을 수광하여 그 강도에 대응하는 전기 신호를 출력하고, 예를 들면 광전 변환 소자를 갖는 관측 수단으로서의 CCD 카메라(32)를 구비한다. 또한, CCD 카메라(32)와 빔스플리터(31)와의 사이에는 빔스플리터(31)에 의해 분리된 반사 레이저광(R)을 CCD 카메라(32)의 도시하지 않은 수광면에 결상하는 결상 렌즈(33)가 설치되고, 또한 결상 렌즈(33)와 CCD 카메라(32)와의 사이에는 필요에 따라서 CCD 카메라(32)에 입사되는 반사 레이저광(R)의 강도를 조정하는 감쇠 필터 등인 광량 조정 장치(34)가 설치되어 있다.The laser beam incidence optical apparatus 11 includes an incident end surface of the condenser lens 13, the condenser lens 13, and the optical fiber 101 which impart a predetermined condensing property to the laser beam L from the solid state laser oscillator 111. It is provided between the optical fiber positioning mechanism 15, the solid state laser oscillator 111, and the condenser lens 13, which maintains the distance between the optical fiber 102 and the constant distance, and at the incident end surface 102 of the optical fiber 101. A beam splitter (sampling mirror) 31 as a semi-transparent mirror which separates the reflected reflected laser light (return laser light) R from the solid laser oscillator 111 toward the condensing lens 13 from the laser light L; The reflected laser beam R separated by the beam splitter 31 is received and outputs an electric signal corresponding to the intensity thereof, and is provided with, for example, a CCD camera 32 as an observation means having a photoelectric conversion element. In addition, an imaging lens 33 for forming a reflection laser light R separated by the beam splitter 31 on the light receiving surface (not shown) of the CCD camera 32 between the CCD camera 32 and the beam splitter 31. Is provided, and the light amount adjusting device 34 which is an attenuation filter or the like that adjusts the intensity of the reflected laser light R incident on the CCD camera 32 as needed between the imaging lens 33 and the CCD camera 32. ) Is installed.

CCD 카메라(32)에는 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 입사되는 레이저광(L)의 입사 위치에 기인하는 정보가 결상된다. 따라서, CCD 카메라(32)에 의해 얻어진 입사 단면(102)의 화상에 기초하여, 예를 들면 광파이버 위치 조정 기구(15)의 광파이버 유지부(17)의 위치를, 예를 들면 상술하지 않은 이동 기구에 의해 변 위시켜 광파이버(101)의 입사 단면(102)의 위치와 결상 렌즈(103)와의 사이의 거리를 도 2 내지 도 4에 의해 설명한 원하는 위치로 설정할 수 있다.Information resulting from the incident position of the laser light L incident on the incident end surface 102 of the optical fiber 101 is imaged in the CCD camera 32. Therefore, based on the image of the incident end surface 102 obtained by the CCD camera 32, for example, the movement mechanism of the optical fiber holding part 17 of the optical fiber position adjustment mechanism 15 is not mentioned above, for example. The distance between the position of the incident end surface 102 of the optical fiber 101 and the imaging lens 103 can be set to the desired position described with reference to FIGS.

또한, 집광 렌즈(13)의 초점 거리를 'f1', 결상 렌즈(33)의 초점 거리를 'f2', 광파이버(101)의 입사 단면(102)으로부터 결상 렌즈(13)까지의 거리를 'a'로 하면, CCD 카메라(32)를 설치해야 하는 위치(광파이버(101)의 입사 단면(102)으로부터의 거리)를 'b', 집광 렌즈(13)와 결상 렌즈(33)와의 사이의 거리(d)는 배율을 'm'으로 할 때,Further, the focal length of the condenser lens 13 is 'f 1 ', the focal length of the imaging lens 33 is 'f 2 ', and the distance from the incident end surface 102 of the optical fiber 101 to the imaging lens 13 is determined. If it is set to 'a', the position (distance from the incident end surface 102 of the optical fiber 101) where the CCD camera 32 should be placed is set to 'b', between the condenser lens 13 and the imaging lens 33. The distance d is when the magnification is 'm',

Figure 112006053733012-pct00008
Figure 112006053733012-pct00008

Figure 112006053733012-pct00009
Figure 112006053733012-pct00009

Figure 112006053733012-pct00010
Figure 112006053733012-pct00010

으로 표시된다.Is displayed.

따라서, 상기 수학식 12를 이용하여 집광 렌즈(13)의 초점 거리(f1) 및 관측하고 싶은 상 배율(m)로 결상 렌즈(33)의 초점 거리(f2)를 정하고, 계속해서 수학식 13 및 수학식 14에 의해 2 개의 렌즈 상호간의 간격(거리(d)) 및 CCD 카메라(32)의 위치 등을 정하여 광파이버(101)의 입사 단면(102)의 관측이 가능해진다.Thus, by using the equation (12) establish the focal length (f 2) of the condenser lens 13, a focal length (f 1) and the imaging lens 33 to the observation, and the magnification (m) wants, the continuously formula 13 and Equation 14 determine the distance between the two lenses (distance d), the position of the CCD camera 32, and the like, so that the incident end surface 102 of the optical fiber 101 can be observed.

일례를 나타내면, 집광 렌즈(13)의 초점 거리를 'f1=31mm'로 하고, 빔 스플리터(샘플링 미러)(31)를 고정 레이저 발진기(111)로부터 집광 렌즈(13)를 향하는 레이저광(L)의 주 광선에 대해 45도의 각도로 배치하고, 결상 렌즈(33)의 후방의 소정 위치에 CCD 카메라(32)를 위치시키고, 광파이버(101)의 입사 단면(102)으로부터의 반사 레이저광(R)을 CCD 카메라(32)에 결상하고, 도시하지 않은 TV 모니터로 관측하면서 입사 조정을 실시했다.As an example, the focal length of the condenser lens 13 is set to 'f 1 = 31 mm', and the beam splitter (sampling mirror) 31 is directed toward the condenser lens 13 from the fixed laser oscillator 111. The CCD camera 32 is positioned at a predetermined position behind the imaging lens 33, and the reflected laser beam R from the incident end surface 102 of the optical fiber 101 ) Was imaged on the CCD camera 32, and the incident adjustment was performed while observing with a TV monitor (not shown).

또한, 상배율(m)을 대략 3 배로 할 경우, 수학식 12에 의해 결상 렌즈(33)의 초점 거리를 예로 들면 f2=100mm로 하면, 수학식 13에 의해 집광 렌즈(13)와 결상 렌즈(33)와의 사이의 거리(d)는 대략 131mm이다. 또한, 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리(a)가 약 33mm이므로 결상 렌즈(33)와 CCD 카메라(32)와의 사이의 거리는 약 79mm가 된다. 이 때, 상배율(m)은 수학식 11에 의해 약 3.2배가 된다.In addition, when the image magnification m is made approximately 3 times, if the focal length of the imaging lens 33 is f 2 = 100 mm, for example, by equation (12), the condensing lens 13 and the imaging lens are expressed by equation (13). The distance d between 33 is approximately 131 mm. Further, since the distance a between the condenser lens 13 and the incident end surface 102 of the optical fiber 101 is about 33 mm, the distance between the imaging lens 33 and the CCD camera 32 is about 79 mm. At this time, the phase magnification m is approximately 3.2 times by the equation (11).

광파이버 위치 조정 기구(15)에 의한 광파이버(101)의 입사 단면(102)과 집광 렌즈(13)와의 사이의 거리(a)의 조정은 레이저광 입사 광학장치(11)의 조립 조정시를 제외하고 반드시 필요하지 않으므로 빔스플리터(31)의 CCD 카메라(32) 및 결상 렌즈(33) 등의 입사 상태의 모니터에 이용되는 구성은 고체 레이저 발진기(111)와 집광 렌즈(13)와의 사이의 광로에서 벗어날 수 있도록 구성되어도 좋다.The adjustment of the distance a between the incident end face 102 of the optical fiber 101 and the condenser lens 13 by the optical fiber position adjusting mechanism 15 is carried out except when the assembly adjustment of the laser beam incident optical apparatus 11 is performed. Since it is not necessary, the configuration used for the monitoring of the incidence state of the CCD camera 32 and the imaging lens 33 of the beam splitter 31 may be removed from the optical path between the solid state laser oscillator 111 and the condenser lens 13. It may be configured so that.

계속해서, 도 11에 의해 레이저광 입사 광학장치(11)의 또 다른 실시 형태를 설명한다.Subsequently, another embodiment of the laser beam incidence optical device 11 will be described with reference to FIG. 11.

도 11은 레이저광 입사 광학장치(11)를 레이저 유기 형광 분석 장치(Laser Induced Breakdown Spectroscopy를 이용한 고속 분석 장치)에 이용한 예를 나타낸다. 레이저 유기 형광 분석 장치는 분석 가능한 시료(분석 대상물)의 종류에 약간 제한을 갖고 있지만, 시료를 준비하는 전처리 단계를 간소화할 수 있고, 고속이고, 분석 대상물이 고체인 경우에 그대로 적용 가능하다는 등의 이점을 갖고 있어, 광범위한 이용이 기대되고 있다.Fig. 11 shows an example in which the laser beam incident optical device 11 is used for a laser organic fluorescence analysis device (a high speed analysis device using Laser Induced Breakdown Spectroscopy). Laser organic fluorescence spectrometers have some limitations on the types of analytes (analytes) that can be analyzed, but can simplify the pretreatment step of preparing the samples, and can be applied at high speeds and when the analytes are solid. It has an advantage, and widespread use is expected.

도 11에 도시된 바와 같이, 레이저 유기 형광 분석 장치(301)는 자이언트 펄스(GP) 발진 방식의 고체 레이저 발진기(111), 레이저광 입사 광학장치(레이저광 전송 시스템:도광 광학계)(11), 조사 광학계(331), 형광 검출 광학계(341), 모노크로메타(광검출기 또는 분광기)(351), 촬상 기구(361), 타이밍 조정 기구(371) 및 데이터 처리 장치(381) 등을 구비한다.As shown in FIG. 11, the laser organic fluorescence analyzer 301 includes a solid laser oscillator 111 of a giant pulse (GP) oscillation method, a laser light incident optical device (laser light transmission system: a light guide optical system) 11, An irradiation optical system 331, a fluorescence detection optical system 341, a monochromator (photodetector or spectrometer) 351, an imaging mechanism 361, a timing adjustment mechanism 371, a data processing apparatus 381, and the like are provided.

고체 레이저 발진기(111)로서는, 예를 들면 Nd:YAG 레이저 등이다. 또한, 고체 레이저 발진기(111)로부터 출력되는 레이저광(L)의 크기는, 예를 들면 펄스폭이 5nsec 전후, 피크 파워가 14∼20MW, 전송 에너지가 70∼100mJ(피크 파워 밀도로 80GW/㎠)정도이다. 또한, 고체 레이저 발진기(111)는 대부분의 경우, 발진 제어장치, 전원 장치, 냉각 장치 등을 포함하지만, 상세한 설명은 생략한다.As the solid state laser oscillator 111, for example, Nd: YAG laser or the like. The size of the laser beam L output from the solid state laser oscillator 111 is, for example, about 5 nsec pulse width, peak power of 14 to 20 MW, transmission energy of 70 to 100 mJ (80 GW / cm 2 at peak power density). ) In addition, the solid state laser oscillator 111 includes, in most cases, an oscillation control device, a power supply device, a cooling device, and the like, and a detailed description thereof will be omitted.

레이저광 입사 광학장치(11)는 도 1 또는 도 10에 의해 설명한 바와 같이, 고체 레이저 발진기(111)로부터의 레이저광(L)을, 광파이버(101)의 입사 단면(102)에 발산성 광으로서 입사시키는 집광 렌즈(13) 등을 포함한다. 또한, 집광 렌즈(13)와 광파이버(101)의 입사 단면(102)과의 사이의 거리는 상기 실시형태에 의해 설정되어 있다.As described with reference to FIG. 1 or FIG. 10, the laser beam incidence optical device 11 uses the laser light L from the solid state laser oscillator 111 as divergent light to the incident end surface 102 of the optical fiber 101. And a condenser lens 13 to be incident. In addition, the distance between the condensing lens 13 and the incident end surface 102 of the optical fiber 101 is set by the said embodiment.

광파이버(101)는 예를 들면, 코어 직경이 1000㎛이고, 클래드층의 두께가 50㎛이며, 집광 렌즈(13)에 의해 집광되고, 집광점을 통과함으로써 발산성을 나타내고, 퍼짐각이 0.06∼0.22rad로 단면 빔 직경이 변화된 레이저광(L)이 효율적으로 입사 가능하게 0.06∼0.22의 개구수(NA)를 갖는다.For example, the optical fiber 101 has a core diameter of 1000 µm, a cladding layer thickness of 50 µm, condensed by the condenser lens 13, exhibits divergence by passing through a condensing point, and a spread angle of 0.06 to The laser beam L whose cross section beam diameter is changed to 0.22 rad has a numerical aperture NA of 0.06 to 0.22 so as to be able to be incident efficiently.

조사 광학계(331)는 레이저광 입사 광학장치(11)의 광파이버(101)의 출사 단면(106)에서 출사되어 일단 발산성을 나타내는 펄스 레이저광(L)을, 시료(S) 또는 시료(S)를 유지한 시료 유지부(399)의 소정 범위로 집광하는 집광 렌즈(333)를 갖는다. 또한, 집광 렌즈(333)의 특성은 시료(S)의 크기나 형상에 맞춰 임의로 설정된다.The irradiation optical system 331 emits the pulsed laser light L, which is emitted from the exit end surface 106 of the optical fiber 101 of the laser beam incident optical device 11 and exhibits divergence once, the sample S or the sample S. The condenser lens 333 condenses the light into a predetermined range of the sample holding unit 399 holding. In addition, the characteristic of the condensing lens 333 is arbitrarily set according to the magnitude | size or shape of the sample S. FIG.

형광 검출 광학계(검출광 도광 광학계)(341)는 시료 유지부(399)상에 위치된 시료(S)로부터의 형광을 포획하는 집광 렌즈(343)와, 집광 렌즈(343)에 의해 포획된 형광을 후단의 분광기(모노크로메타)로 입사하기 위한 광파이버(345)를 갖는다.The fluorescence detection optical system (detection light guide optical system) 341 includes a condenser lens 343 for capturing fluorescence from the sample S positioned on the sample holding unit 399, and a fluorescence captured by the condenser lens 343. It has an optical fiber 345 for injecting into the spectrometer (monochromator) of a later stage.

모노크로메타(351)는 예를 들면 그레이팅(회절격자)이나 파장 필터 등을 포함하는 주지의 분광계 또는 시료(S)의 특성에 맞춘 검출 기구가 임의로 조합되어 있다.The monochromator 351 is arbitrarily combined with a known spectrometer including a grating (diffraction grating), a wavelength filter, or the like, or a detection mechanism adapted to the characteristics of the sample S.

촬상 기구(361)는 모노크로메타(351)에 의해 추출되는 특정 파장의 광(형광)을 수광하여 그 광 강도에 대응하는 전기 신호를 출력하는 것으로, 예를 들면 주지의 CCD 카메라나 포토 멀티 플레이어 또는 FFT 분석기 등을 시료(S)의 특성에 맞춰 임의로 선택된다.The imaging mechanism 361 receives light (fluorescence) having a specific wavelength extracted by the monochromator 351 and outputs an electric signal corresponding to the light intensity. For example, a known CCD camera or a photo multiplayer Alternatively, an FFT analyzer or the like is arbitrarily selected according to the characteristics of the sample S.

타이밍 조정 기구(371)는 예를 들면 펄스 발생기 또는 레이저 유기 형광 분석장치(301)의 주 제어 장치이고, 고체 레이저 발진기(111)의 도시하지 않은 전원 장치에 공급되는 구동 펄스의 출력 타이밍과 CCD 카메라, 예를 들면 게이트 제어형 I-CCD의 동작 타이밍 등을 제어하여 시료(S)로부터 발생되는 형광을 소정의 타이밍으로 촬상시킨다.The timing adjustment mechanism 371 is, for example, a main control device of the pulse generator or the laser organic fluorescence analyzer 301, and output timing of the drive pulse supplied to the power supply device (not shown) of the solid state laser oscillator 111 and the CCD camera. For example, the operation timing of the gate-controlled I-CCD is controlled to capture the fluorescence generated from the sample S at a predetermined timing.

데이터 처리 장치(381)는 촬상 기구(361)로부터 출력되는 화상 또는 분광 스펙트럼 등을 일시적으로 기억하고, 미리 기억되어 있는 「원소 동정(同定) 프로그램」이나 「원소 정량 프로그램」또는 촬상 기구(361)로부터 공급되는 화상 데이터 등에 소정 처리를 더하는 알고리즘 등에 따라서 시료(S)의 특성을 해석 또는 그 전단계로서 데이터를 처리한다.The data processing device 381 temporarily stores an image, a spectral spectrum, or the like output from the imaging mechanism 361, and stores the "element identification program", the "element determination program", or the imaging mechanism 361, which are stored in advance. The data of the sample S is analyzed or processed as a previous step in accordance with an algorithm or the like which adds predetermined processing to image data supplied from the same.

도 11에 도시한 레이저 유기 형광 분석 장치(301)에서는 주 제어장치(391)(도 11에 도시한 예에서는 타이밍 조정 장치(371)와 일체화되어 있음)에 의해 소정 타이밍으로 구동 펄스가 생성되고, 이 구동 펄스에 기초하여 고체 레이저 발진기(111)로부터 소정 펄스폭으로 피크 파워가 14∼20MW의 GP 방식의 펄스 레이저광(L)이 출력된다.In the laser organic fluorescence analysis device 301 shown in FIG. 11, a driving pulse is generated at a predetermined timing by the main control unit 391 (in the example shown in FIG. 11, integrated with the timing adjustment device 371). On the basis of this drive pulse, a GP laser pulse laser light L having a peak power of 14 to 20 MW is output at a predetermined pulse width from the solid state laser oscillator 111.

고체 레이저 발진기(111)로부터 출력된 펄스 레이저광(L)은 집광 렌즈(13)에 의해 발산성으로 변환되고, 광파이버(101)에 효율적으로 입사되어, 광파이버(101)의 출사 단면(106)으로 전송된다.The pulsed laser light L output from the solid state laser oscillator 111 is converted into divergence by the condensing lens 13, is efficiently incident on the optical fiber 101, and exits to the exit cross section 106 of the optical fiber 101. Is sent.

광파이버(101)로부터 출사된 레이저광(L)은 조사 광학계(331)의 집광 렌즈(333)에 의해 시료(S)로 조사된다. 또한, 레이저광(L)은 이미 설명한 바와 같이, 피크 파워가 14∼20MW이고, 집광 렌즈(333)에 의해, 예를 들면 수백㎛의 직경으로 집광되어 시료(S)에 조사되는 시점에서 피크 파워 밀도가 80GW/㎠이다. 이에 의해 시료(S)가 플라즈마화되고, 이 플라즈마 에너지에 의해 시료 중에 존재하는 각 원소에서 각각 고유의 형광(형광을 포함하는 스펙트럼)이 방사된다.The laser light L emitted from the optical fiber 101 is irradiated onto the sample S by the condensing lens 333 of the irradiation optical system 331. As described above, the laser light L has a peak power of 14 to 20 MW, and is collected by the condenser lens 333 at, for example, a light having a diameter of several hundred μm and irradiated onto the sample S. The density is 80 GW / cm 2. As a result, the sample S is converted into plasma, and the fluorescence (spectrum containing fluorescence) inherent is emitted from each element present in the sample by the plasma energy.

이 발광(형광을 포함하는 스펙트럼)은 형광 검출 광학계(341)의 집광 렌즈(343)에서 포획되고, 광파이버(345)를 통해 모노크로메타(351)로 입사된다.This light emission (spectrum including fluorescence) is captured by the condensing lens 343 of the fluorescence detection optical system 341 and is incident on the monochromator 351 through the optical fiber 345.

이하, 모노크로메타(351)에서 시료(S) 본체로부터의 스펙트럼 성분 등이 제거되고, 시료(S)에 포함되는 원소에 고유의 스펙트럼이 추출된다.Hereinafter, the spectral component etc. from the sample S main body are removed by the monochromator 351, and the spectrum peculiar to the element contained in the sample S is extracted.

모노크로메타(351)에 의해 추출된 스펙트럼은 촬상 기구(361)에 의해 광전 변환되고, 데이터 처리부(381)에 공급되어, 데이터 처리부(381)에서 시료(S)에 포함되는 원소가 특정된다. 예를 들면, 촬상 기구(361)가 예를 들면 FFT 분석기인 경우에는 작업자의 눈에 의해 시료(S)에 포함되는 원소가 특정 가능하다.The spectrum extracted by the monochromator 351 is photoelectrically converted by the imaging mechanism 361, supplied to the data processing unit 381, and an element included in the sample S in the data processing unit 381 is identified. For example, when the imaging mechanism 361 is an FFT analyzer, for example, the element contained in the sample S can be specified by the eyes of an operator.

또한, 시료(S)에 포함되는 원소에 고유의 형광 스펙트럼이 얻어지기까지 플라즈마 발광(즉, 레이저광(L)의 조사)에서 수μsec∼수백μsec 지연되는 것이 알려져 있으므로 타이밍 조정 기구(371)(주 제어장치(391))에 의해 촬상 기구(361)의 동작이 제어된다. 예를 들면, 촬상 기구(361)가 게이트 부착 CCD 카메라인 경우에는 계측 시간에 소정의 딜레이(지연)이 부가되고, 또한 소정의 타이밍으로 게이트가 온되어 필요한 형광 스펙트럼만이 계측 가능해진다.In addition, since it is known to delay several microseconds-several hundred microseconds in plasma light emission (that is, irradiation of the laser beam L) until the fluorescence spectrum peculiar to the element contained in the sample S is obtained, timing adjustment mechanism 371 ( The operation of the imaging mechanism 361 is controlled by the main controller 391. For example, when the imaging mechanism 361 is a CCD camera with a gate, a predetermined delay (delay) is added to the measurement time, the gate is turned on at a predetermined timing, and only the necessary fluorescence spectrum can be measured.

또한, 상기 레이저 유기 형광 분석 장치(301)에서는 ICP 발광 분석과 같은 시료의 전처리가 거의 불필요하고, 신속한 측정이 가능하다. 또한, 레이저 유기 형광 분석 장치(11)에서는 시료에 레이저광(L)을 조사할 때의 공간적인(장소나 크기의) 제약이 적으므로 유닛화함으로써 측정 대상물이 있는 임의의 장소에서 측정 대상물의 분석이 가능해진다.In addition, in the laser organic fluorescence analyzer 301, pretreatment of a sample such as ICP emission analysis is almost unnecessary, and rapid measurement is possible. In addition, the laser organic fluorescence spectrometer 11 has little spatial (location or size) constraint when irradiating the laser light L to the sample, so that the unit is analyzed to determine the measurement object at any place where the measurement object is located. This becomes possible.

이상과 같이, 레이저 유기 형광 분석장치(11)에 의하면 광학 부품의 수가 적고, 저렴한 가격으로 고배율로 빔 확대용 코리메터와 빔 분할용 어레이렌즈를 사용하지 않고 집광 렌즈(볼록 렌즈) 1 장 또는 2 장으로 광파이버로 입사시킬 수 있다.As described above, according to the laser organic fluorescence spectrometer 11, one or two condensing lenses (convex lenses) are used without the use of a beam expanding corimeter and a beam splitting array lens at a high magnification at a low cost. It can enter into an optical fiber with a field.

또한, 피크 파워 10 MW를 초과하는 자이언트 펄스 발진 방식의 레이저광(L)을 이용하는 예를 들면 레이저 유기 형광 분석, 레이저 어블레이션, 레이저 피닝 등의 프로세스에 이용되는 레이저광 입사 광학장치(11)를 소형으로 저렴한 가격으로 제공할 수 있다.In addition, the laser beam incident optical apparatus 11 used in the process of laser organic fluorescence analysis, laser ablation, laser peening, etc. using the laser pulse L of the giant pulse oscillation system exceeding peak power 10 MW is also used. Small size and low price can be provided.

또한, 상기 각 실시형태에 한정되지 않고, 상기 실시 단계에서 그 요지를 이탈하지 않는 범위로 여러 가지 변형 또는 변경이 가능하다. 또한, 각 실시 형태는 가능한한 적절히 조합하여 실시되어도 좋고, 그 경우 조합에 의한 효과가 얻어진다.In addition, various deformation | transformation or a change are possible in the range which does not deviate from the summary in the said implementation step, without being limited to each said embodiment. In addition, each embodiment may be implemented in combination as suitably as possible, and the effect by a combination is acquired in that case.

본 발명에 의하면 석영을 포함하는 재질로 코어 직경에 대한 클래드의 두께가 0.035∼0.1배, 개구수(NA)가 0.06∼0.22의 스텝 인덱스형인 광파이버를 이용하고, 상기 광파이버의 입사 단면에 피크 파워 10MW를 초과하는 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 발산성으로서 입사시킴으로써 광파 이버를 손상시키지 않고 레이저광을 전송할 수 있고, 전송 효율의 저하나 복잡한 조정을 불필요하게 하여 저렴한 가격으로 제공할 수 있다.According to the present invention, a material containing quartz uses an optical fiber having a step index type of 0.035 to 0.1 times the thickness of the clad with respect to the core diameter and a numerical aperture (NA) of 0.06 to 0.22. By injecting the laser light from the solid laser oscillator of the giant pulse oscillation method exceeding as a divergence property, it is possible to transmit the laser light without damaging the optical fiber, and it is possible to provide a low cost by eliminating the reduction in transmission efficiency and complicated adjustment. Can be.

Claims (6)

피크 파워가 10MW보다도 큰 자이언트 펄스 발진 방식의 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 광파이버의 입사 단면에 입사시키는 레이저광 입사 광학장치에 있어서,In a laser beam incident optical apparatus in which a laser beam from a solid laser oscillator of a giant pulse oscillation type with a peak power larger than 10 MW is incident on an incident end face of an optical fiber, 상기 고체 레이저 발진기로부터의 레이저광을 집광하는 집광 렌즈, 및A condenser lens for condensing laser light from the solid state laser oscillator, and 상기 집광 렌즈에 의한 레이저광의 집광점 보다 후방의 소정 위치에 광파이버의 입사 단면을 설치하고, 상기 레이저광을 발산성으로서 광파이버의 입사 단면에 입사시키는 광파이버 위치 조정 기구를 구비하고,An optical fiber position adjusting mechanism for providing an incidence end face of the optical fiber at a predetermined position behind the condensing point of the laser light by the condensing lens, and injecting the laser light into the incidence end face of the optical fiber with divergence; 상기 광파이버는 석영을 포함하는 재질로 코어 직경에 대한 클래드의 두께가 0.035∼0.1배, 개구수(NA)가 0.06∼0.22의 스텝 인덱스형인 것을 특징으로 하는 레이저광 입사 광학장치.The optical fiber is a material containing quartz and has a step index type of 0.035 to 0.1 times the thickness of the clad with respect to the core diameter and the numerical aperture (NA) of 0.06 to 0.22. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광파이버는 코어 직경이 500∼1500㎛, 클래드의 두께가 35∼100㎛인 것을 특징으로 하는 레이저광 입사 광학장치.And the optical fiber has a core diameter of 500 to 1500 µm and a cladding thickness of 35 to 100 µm. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 광파이버의 입사 단면에 반각으로 0.06∼0.22rad 및 광파이버에 고유의 입사 한계의 각도 중 어느 한쪽에서 레이저광이 입사되는 것을 특징으로하는 레이 저광 입사 광학장치.A laser beam incidence optical device, characterized in that a laser beam is incident on any one of 0.06 to 0.22rad at an angle of incidence to the incident end face of the optical fiber, and an angle of inherent limit to the optical fiber. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 광파이버 위치 조정 기구는 광파이버의 입사 단면을 집광 렌즈에 의한 레이저광의 집광점의 후방 1∼16mm로 위치시키는 것을 특징으로 하는 레이저광 입사 광학장치.And the optical fiber position adjusting mechanism positions the incident end face of the optical fiber at 1 to 16 mm behind the condensing point of the laser beam by the condensing lens. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 광파이버 위치 조정 기구는 광파이버의 입사 단면을 집광 렌즈에 의한 레이저광의 집광점의 후방 1.5∼5mm에 설치하는 것을 특징으로 하는 레이저광 입사 광학장치.And the optical fiber position adjusting mechanism is provided with an incident end face of the optical fiber 1.5 to 5 mm behind the focusing point of the laser beam by the condensing lens. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 고체 레이저 발진기와 집광 렌즈와의 사이에 설치된 반투명경과, 상기 반투명경을 통해 광파이버의 입사 단면의 광상(光像)을 관측하는 관측 수단을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 레이저광 입사 광학장치.And a translucent mirror provided between the solid state laser oscillator and the condenser lens, and observation means for observing an optical image of an incident cross section of the optical fiber through the translucent mirror.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008250184A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Fujifilm Corp Fiber light source apparatus
FR2919720B1 (en) * 2007-08-01 2010-06-11 Commissariat Energie Atomique LASER SPECTROSCOPY DEVICE
JP2009178720A (en) * 2008-01-29 2009-08-13 Mitsubishi Electric Corp Laser beam machining apparatus
NL2004483A (en) 2009-05-26 2010-11-30 Asml Holding Nv PULSE STRETCHER WITH REDUCED ENERGY DENSITY ON OPTICAL COMPONENTS.
JP2019203946A (en) * 2018-05-22 2019-11-28 三菱重工業株式会社 Fiber coupling device and laser processing apparatus
DE102019123448B4 (en) * 2019-09-02 2024-01-25 Schott Ag Lighting system with a light guide and a radiating element
CN111504465A (en) * 2020-04-22 2020-08-07 上海精测半导体技术有限公司 Colorimeter matching method, colorimeter correction method and system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01153503U (en) * 1988-04-15 1989-10-23
JP2000138409A (en) * 1998-10-30 2000-05-16 Toshiba Corp Optical fiber transmission type laser device, pulse laser oscillator, optical fiber and light guide device thereof
JP2000286488A (en) * 1999-03-30 2000-10-13 Mitsubishi Electric Corp Laser system

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003344802A (en) * 2002-05-23 2003-12-03 Toshiba Corp Laser light irradiating device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01153503U (en) * 1988-04-15 1989-10-23
JP2000138409A (en) * 1998-10-30 2000-05-16 Toshiba Corp Optical fiber transmission type laser device, pulse laser oscillator, optical fiber and light guide device thereof
JP2000286488A (en) * 1999-03-30 2000-10-13 Mitsubishi Electric Corp Laser system

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