KR101853775B1 - 펄스 파이버 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

펄스 파이버 레이저 장치가, 적어도 광 증폭기를 포함하는 섬유 레이저 장치 본체와, 상기 광 증폭기의 출력으로부터 출사단(出射端)까지의 사이에 설치된 광 스위치를 구비하고, 상기 광 스위치는, 입사광의 사출 방향을 제1 방향과 제2 방향으로 시간적으로 전환 가능하게 된 광 편향 소자와, 상기 제1 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광을 신호광으로서 전반(傳搬)하는 신호광 전반용 파이버와, 상기 제2 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제2 방향으로 사출된 광을 불필요 광으로서 상기 광 스위치의 외부에 전반하는 불필요 광 전반용 파이버를 구비한다.

Description

펄스 파이버 레이저 장치{PULSE FIBER LASER DEVICE}
본 발명은, 펄스 파이버 레이저 장치에 관한 것이다.
하기의 특허 문헌 1에는, 펄스 광을 발생시키기 위한 광 스위치를 구비한 펄스 파이버 레이저 장치에 대하여 개시하고 있다. 이 펄스 파이버 레이저 장치는, 광 스위치를 구성하는 광 편향 소자로서, 음향 광학 변조기를 구비하고 있다. 이 광 편향 소자를 고속으로 ON/OFF 동작시키고, 광 편향 소자에 입사한 광을 편향시켜 신호광 인출용의 광섬유에 광학적으로 결합시키는 기간과 입사광을 편향시키지 않고 광섬유에 광학적으로 결합시키지 않는 기간을 교호적(交互的)으로 만드는 것에 의해, 펄스 광을 생성할 수 있다.
국제 공개 제2010/002003호 공보
특허 문헌 1의 펄스 파이버 레이저 장치에 있어서, 광 편향 소자를 통과한 광을 광섬유에 광학적으로 결합시키지 않는 기간에서는, 광은 광섬유의 입사단면(入射端面)의 주변 영역에 조사(照射)된다.
광섬유의 주변 영역에는 수지, 금속 등으로 구성된 광 스위치의 각종 부품이 존재하고, 이들 각종 부품이 광의 조사에 의해 발열한다. 이 발열에 기인하여 광 스위치의 신뢰성이 저하되는 문제가 있다. 이 문제는, 고출력의 펄스 파이버 레이저 장치에 있어서 특히 현저하며, 경우에 따라서는 광 스위치가 손상될 우려가 있다.
본 발명에 따른 일 태양은, 상기한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 신뢰성이 높고, 열에 의한 손상이 쉽게 생기지 않는 광 스위치를 구비한 펄스 파이버 레이저 장치를 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 일 태양의 펄스 파이버 레이저 장치는, 적어도 광 증폭기를 포함하는 섬유 레이저 장치 본체와, 상기 광 증폭기의 출력으로부터 출사단(出射端)까지의 사이에 설치된 광 스위치를 구비하고, 상기 광 스위치는, 입사광의 사출(射出) 방향을 제1 방향과 제2 방향으로 시간적으로 전환 가능하게 된 광 편향 소자와, 상기 제1 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광을 신호광으로서 전반(傳搬)하는 신호광 전반용 파이버와, 상기 제2 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제2 방향으로 사출된 광을 불필요 광으로서 상기 광 스위치의 외부에 전반하는 불필요 광 전반용 파이버를 구비한다.
상기 태양에 따른 펄스 파이버 레이저 장치에 있어서는, 광 스위치가 불필요 광 전반용 파이버를 구비하고 있으므로, 불필요 광 전반용 파이버에 의해 불필요 광이 광 스위치의 외부에 전반되어, 광 스위치 내의 불필요 광의 진행 방향으로 존재하는 부품 등으로의 불필요 광의 조사가 억제된다. 이로써, 광 스위치 내에서의 발열이 억제되고, 신뢰성이 높으며, 열에 의한 손상이 쉽게 생기지 않는 광 스위치를 구비한 펄스 파이버 레이저 장치를 실현할 수 있다.
상기 태양에 따른 펄스 파이버 레이저 장치는, 상기 불필요 광 전반용 파이버에 의해 전반되는 상기 불필요 광 중 적어도 일부를 처리하는 불필요 광 처리부를 더 구비할 수도 있다.
상기 태양에 의하면, 불필요 광 처리부에 있어서 불필요 광 중 적어도 일부를, 예를 들면 흡수시킴으로써, 확실하게 처리할 수 있다.
상기 태양에 따른 펄스 파이버 레이저 장치는, 상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버와 상기 광 편향 소자의 사이에 설치되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광과 상기 제2 방향으로 사출된 광을 서로 근접하는 방향으로 집광시키는 하나 또는 복수의 집광 소자를 더 구비할 수도 있다. 그럴 경우, 상기 신호광 전반용 파이버와 상기 불필요 광 전반용 파이버는, 서로의 측면의 주위 방향의 일부끼리 접촉하고 있어도 된다.
상기 태양에 의하면, 신호광 전반용 파이버와 불필요 광 전반용 파이버를 임의의 지지 부재 등에 의해 일괄적으로 배치할 수 있어, 장치의 간소화 및 소형화를 도모할 수 있다.
상기 불필요 광 전반용 파이버의 입사단면은, 상기 신호광 전반용 파이버의 입사단면보다 상기 집광 소자에 가까운 쪽에 위치하고, 상기 불필요 광 전반용 파이버의 입사단면을 포함하는 가상 평면 내에서의 상기 제1 방향으로 사출된 광의 입사 위치와 상기 제2 방향으로 사출된 광의 입사 위치의 사이의 거리는, 상기 신호광 전반용 파이버의 반경보다 큰 구성이라도 된다.
하나 또는 복수의 집광 소자를 사용하여 제1 방향으로 진행되는 광과 제2 방향으로 진행되는 광을 집광시켰을 경우, 2개의 광은 진행되는 거리가 길어질수록, 서로 접근한다. 이 때문에, 경우에 따라, 신호광와 함께 불필요 광이 신호광 전반용 파이버에 입사할 우려가 있다. 이 문제에 대하여, 상기 태양에 의하면, 불필요 광 전반용 파이버의 입사단면이 신호광 전반용 파이버의 입사단면보다 집광 소자에 가까운 쪽에 위치하고 있으므로, 신호광과 불필요 광과의 간격이 이격되어 있는 동안에 불필요 광을 불필요 광 전반용 파이버에 입사시키는 것이 가능하다. 또한, 불필요 광 전반용 파이버의 입사단면을 포함하는 가상 평면 내에서의 신호광의 입사 위치와 불필요 광의 입사 위치의 사이의 거리가 신호광 전반용 파이버의 반경보다 크기 때문에, 신호광을 신호광 전반용 파이버에 광학적으로 결합시켰을 때 불필요 광이 신호광 전반용 파이버에 광학적으로 결합하는 것을 억제할 수 있다.
상기 태양에 따른 펄스 파이버 레이저 장치는, 상기 신호광 전반용 파이버의 입사단면에, 공기의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 도광(導光) 부재를 구비할 수도 있다.
상기 태양에 의하면, 도광 부재에 입사한 신호광을, 공기와 도광 부재와의 굴절율 차에 의해, 신호광 전반용 파이버의 코어에 대한 입사각이 작아지는 방향으로 굴절시키고, 신호광 전반용 파이버의 입사단면으로 안내할 수 있다. 이로써, 신호광 전반용 파이버에 대한 신호광의 결합 효율을 높일 수 있다.
상기 태양에 따른 펄스 파이버 레이저 장치는, 상기 신호광 전반용 파이버와 상기 불필요 광 전반용 파이버를 삽통(揷通)시키는 삽통공(揷通孔)을 가지는 페룰(ferrule)을 구비하고, 상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버와 상기 삽통공의 내벽의 사이에, 상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버의 가장 바깥쪽 클래드(clad)의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지는 저굴절율재가 설치되어 있어도 된다.
상기 태양에 의하면, 각 섬유의 가장 바깥쪽 클래드에 누출된 광이, 페룰의 삽통공 내부의 저굴절율재에 의해 가두어진다. 이로써, 광 스위치의 내부에서 불필요한 발열이 생기는 것이 억제된다.
상기 신호광 전반용 파이버는, 더블 클래드 파이버로 구성되어 있어도 된다.
상기 태양에 의하면, 코어에 결합되지 않았던 신호광을 이너 클래드에 가둘 수 있다. 이로써, 신호광이 신호광 전반용 파이버의 외부로 누출하는 것을 억제할 수 있다. 신호광 전반용 파이버가 피복을 가지는 경우에는, 신호광이 피복에 입사하여 발열하는 것을 억제할 수 있다.
상기 태양에 따른 펄스 파이버 레이저 장치에 있어서, 상기 불필요 광 전반용 파이버는, 더블 클래드 파이버로 구성되어 있어도 된다.
상기 태양에 의하면, 코어에 결합되지 않았던 불필요 광을 이너(inner) 클래드에 가둘 수 있다.. 이로써, 불필요 광이 불필요 광 전반용 파이버의 외부로 누출하는 것을 억제할 수 있다. 불필요 광 전반용 파이버가 피복을 가지는 경우에는, 불필요 광이 피복에 입사하여 발열하는 것을 억제할 수 있다.
상기 태양에 의하면, 신뢰성이 높고, 열에 의한 손상이 쉽게 생기지 않는 광 스위치를 구비한 펄스 파이버 레이저 장치를 실현할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 따른 펄스 파이버 레이저 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 광 스위치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 신호광 전반용 파이버와 불필요 광 전반용 파이버와의 접합부를 나타낸 단면도이다.
도 4는 신호광 전반용 파이버와 불필요 광 전반용 파이버와의 접합부의 단면도이며, 섬유 중심축을 지나고, 중심축에 평행한 평면에서 절단한 단면도이다.
도 5는 신호광 전반용 파이버와 불필요 광 전반용 파이버와의 접합부를 광의 입사 방향으로부터 본 정면도이다.
도 6은 종래의 광 스위치의 개략적인 구성도이다.
도 7은 종래의 문제점을 설명하기 위한 도면이며, 섬유 중심축을 지나고, 중심축에 평행한 평면에서 절단한 단면도이다.
도 8은 종래의 문제점을 설명하기 위한 도면이며, 섬유 중심축에 대하여 수직인 평면에서 절단한 단면도이다.
이하에서, 본 발명의 제1 실시형태에 대하여, 도 1∼도 5를 참조하여 설명한다.
본 실시형태에 따른 펄스 파이버 레이저 장치는, 예를 들면, 레이저 가공 등의 용도에 바람직하다. 단, 용도는 레이저 가공으로 한정하는 것은 아니다.
도 1은, 본 실시형태의 펄스 파이버 레이저 장치의 개략적인 구성도이다. 도 2는, 광 스위치의 개략적인 구성도이다.
이하의 각각의 도면에 있어서는 각각의 구성 요소를 보기 쉽게 하기 위하여, 구성 요소에 따라 치수의 축척을 상이하게 하여 나타내는 경우가 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 따른 펄스 파이버 레이저 장치(1)는, 펄스 발진기(2)와, 제1 파장 필터(3)와, 파장 변환기(4)와, 제2 파장 필터(5)와, 광 증폭기(6)와, 광 스위치(7)를 구비한다. 펄스 발진기(2), 제1 파장 필터(3), 파장 변환기(4), 제2 파장 필터(5), 광 증폭기(6) 및 광 스위치(7)는, 1개의 하우징에 수용되고, 섬유 레이저 장치 본체(8)를 구성한다. 그 외에, 펄스 파이버 레이저 장치(1)는, 딜리버리 파이버를 통하여 섬유 레이저 장치 본체(8)와 접속되고, 피가공면을 향해 펄스 광을 출력하기 위한 레이저 헤드(도시하지 않음) 등을 구비하고 있어도 된다.
펄스 발진기(2)는, 펄스 광을 출력한다. 펄스 발진기(2)에는, 예를 들면, 파브리 페로형(Fabry-Perot type) 파이버 레이저, 파이버 링 레이저 등을 포함하는 주지의 펄스 발진기가 사용된다.
상세한 설명은 생략하지만, 펄스 발진기(2)에 있어서는, 예를 들면, 여기 광원으로부터의 여기광에 의해 희토류 첨가 파이버 중의 희토류 이온이 여기 상태로 되어, 자연 방출광이 방출된다.
자연 방출광은 증폭되면서 광섬유 내를 전반한 후, 광 스위치에 의해 스위칭되어 펄스 광이 된다.
그리고, 펄스 발진기(2)는, 전술한 공진기의 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 펄스 발진기(2)로서 LD(레이저 다이오드)를 사용할 수도 있다.
제1 파장 필터(3)는, 펄스 발진기(2)와 광학적으로 결합된 밴드 패스(band pass) 필터로 구성된다. 제1 파장 필터(3)는, 펄스 발진기(2)로부터의 출력광의 파장과 일치하는 파장의 광을 투과시키고, 펄스 발진기(2)로부터의 출력광의 파장 이외의 파장의 광을 차단한다. 또한, 제1 파장 필터(3)는, 피가공면으로부터 펄스 발진기(2)를 향해 돌아오는 반사광을 차단한다.
파장 변환기(4)는, 제1 파장 필터(3)와 광학적으로 결합되어 있다. 파장 변환기(4)는, 제1 파장 필터(3)로부터 출력된 광의 파장을 장파장 측으로 시프트한다. 파장 변환기(4)는, 예를 들면, 고파워의 광이 입사했을 때에 유도 라만 산란 효과를 발현하는 광섬유로 구성되어 있다.
제2 파장 필터(5)는, 파장 변환기(4)와 광학적으로 결합된 밴드 패스 필터로 구성된다. 제2 파장 필터(5)는, 파장 변환기(4)로부터의 출력광의 파장과 일치하는 파장의 광을 투과시키고, 파장 변환기(4)로부터의 출력광의 파장 이외의 파장의 광을 차단한다. 환언하면, 제2 파장 필터(5)는, 파장 변환기(4)에 의해 파장 변환된 광을 투과시키고, 파장 변환기(4)에 의해 파장 변환되지 않은 광을 차단한다.
광 증폭기(6)는, 제2 파장 필터(5)와 광학적으로 결합되어 있다. 광 증폭기(6)는, 제2 파장 필터(5)로부터 출력된 광을 증폭한다. 상세한 설명은 생략하지만, 광 증폭기(6)는, 예를 들면, 복수의 레이저 다이오드를 포함하는 여기 광원과, 희토류 원소로서 Yb가 도핑된 Yb 도핑 섬유로 이루어지는 증폭용 파이버를 구비하고 있다. 여기 광원으로부터의 여기광이 증폭용 파이버 중의 Yb에 흡수되어 반전 분포가 형성되고, 유도 방출이 생긴다. 이로써, 코어 내를 전반하는 레이저광이 증폭되어 펄스 레이저 출력으로서 출력된다.
광 스위치(7)는, 광 증폭기(6)(광 공진기)로부터 출력된 펄스 레이저광의 일부를 시간적으로 추출하거나 또는 차단한다. 광 스위치(7)의 구체적인 구성에 대하여, 이하에서 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 광 스위치(7)는, 음향 광학 소자(광 편향 소자)(10)와, 콜리메이트 렌즈(11)와, 집광 렌즈(집광 소자)(12)와, 신호광 전반용 파이버(13)와, 불필요 광 전반용 파이버(14)와, 하우징(15)을 구비하고 있다. 음향 광학 소자(10), 콜리메이트 렌즈(11) 및 집광 렌즈(12)는, 하우징(15)의 내부에 수용되어 있다. 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)는, 하우징(15)의 입력용 광섬유(16)가 접속된 면과 대향하는 면에 고정되어 있다. 불필요 광 전반용 파이버(14)의 하우징(15)에 고정된 측과는 반대측의 단부(端部)는, 불필요 광 처리부(17)와 광학적으로 결합되어 있다.
음향 광학 소자(10)는, 음향 광학 효과를 발현하는 강유전체 결정 등에 고주파 신호를 입력함으로써 입사한 광 Li를 회절시키는 것이 가능한 소자이다. 음향 광학 소자(10)에 있어서는, 고주파 신호를 제어함으로써 1차 회절광과 0차 광을 발생시킬 수 있다.
이로써, 음향 광학 소자(10)는, 광의 출력 방향을, 1차 회절광(L1)의 진행 방향인 제1 방향과, 0차 광(L0)의 진행 방향인 제2 방향으로 시간적으로 전환할 수 있다. 1차 회절광(L1)과 0차 광(L0)은, 1차 회절광(L1)의 광로와 0차 광(L0)의 광로가 소정 각도 θ를 이루도록, 음향 광학 소자(10)로부터 출력된다.
콜리메이트 렌즈(11)는, 입력용 광섬유(16)로부터 음향 광학 소자(10)를 향하는 광 Li의 광로 상에 배치되어 있다. 콜리메이트 렌즈(11)는, 입력용 광섬유(16)로부터 출력된 광 Li를 평행화하여, 음향 광학 소자(10)의 입사단면에 안내한다. 콜리메이트 렌즈(11)는, 임의의 지지 부재 등에 의해 하우징(15)에 고정시키는 구성으로 할 수도 있다. 또는, 콜리메이트 렌즈(11)는, 임의의 지지 부재 등에 의해 입력용 광섬유(16)와 일체화된 구성으로 할 수도 있다.
집광 렌즈(12)는, 음향 광학 소자(10)로부터 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)의 입사단면을 향하는 광의 광로 상에 배치되어 있다. 집광 렌즈(12)는, 음향 광학 소자(10)로부터 제1 방향으로 사출된 1차 회절광(L1)과 제2 방향으로 사출된 0차 광(L0)을, 서로의 광축이 가까워지는 방향으로 집광시킨다. 이와 같이, 집광 렌즈(12)는, 1차 회절광(L1)과 0차 광(L0)을 집광시키고, 1차 회절광(L1)을 신호광 전반용 파이버(13)의 입사단면에 안내하고, 0차 광(L0)을 불필요 광 전반용 파이버(14)의 입사단면에 안내한다.
본 실시형태에서는, 1개의 집광 렌즈(12)에서 1차 회절광(L1)과 0차 광(L0)을 집광시키는 구성을 나타냈으나, 이 구성 대신, 1차 회절광(L1)의 광로와 0차 광(L0)의 광로의 각각에 다른 집광 렌즈를 배치하는 구성으로 할 수도 있다. 집광 렌즈(12)는, 임의의 지지 부재 등에 의해 하우징(15)에 고정시키는 구성으로 할 수도 있다. 또는, 집광 렌즈(12)는, 후술하는 통형체에 의해 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)로 일체화되어, 유닛화되어 있어도 된다.
1차 회절광(L1)은, 신호광으로서 선택된 광이며, 신호광 전반용 파이버(13)의 내부를 전반한다. 한편, 0차 광(L0)은, 신호광으로서 선택되지 않은 광, 즉 불필요 광이며, 불필요 광 전반용 파이버(14)의 내부를 전반한다.
불필요 광은, 불필요 광 전반용 파이버(14)를 통하여 불필요 광 처리부(17)에 안내된다. 불필요 광 처리부(17)는, 예를 들면, 블랙 알루마이트 처리가 행해진 알루미늄, 동 등의 금속제 블록, 또는 고굴절율 수지가 충전된 용기 등으로 구성되어 있다. 불필요 광 처리부(17)는, 불필요 광 전반용 파이버(14)에 의해 전반된 불필요 광이 금속제 블록 또는 고굴절율 수지에 입사되도록 구성되어 있다. 불필요 광 처리부(17)는, 불필요 광을 금속제 블록이나 고굴절율 수지에 흡수시켜 열로 변환하고, 이 열을 방산(放散)시킴으로써 불필요 광을 제거한다. 불필요 광 처리부(17)는, 섬유 레이저 장치 본체(8)의 외부에 설치될 수도 있고, 섬유 레이저 장치 본체(8)의 내부에 설치될 수도 있다. 예를 들면, 섬유 레이저 장치 본체(8)의 내부에 열용량이 큰 히트싱크(heatsink) 등이 있는 경우, 이 히트싱크를 불필요 광 처리부(17)로서 이용할 수도 있다.
도 3은, 신호광 전반용 파이버(13)와 불필요 광 전반용 파이버(14)와의 접합부를 나타낸 단면도이다.
본 실시형태에 따른 광 스위치(7)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 신호광 전반용 파이버(13)와 불필요 광 전반용 파이버(14)를 일괄적으로 고정시키기 위한 유리제의 페룰(19)을 구비하고 있다. 페룰(19)은, 신호광 전반용 파이버(13)와 불필요 광 전반용 파이버(14)를 삽통시키는 삽통공(19h)을 가진다. 삽통공(19h)의 내벽과 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)의 사이에, 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)의 가장 바깥쪽 클래드의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지는 저굴절율재(25)가 설치되어 있다. 저굴절율재(25)로서, 예를 들면, 수지 재료가 충전되어 있다. 페룰(19)은, SUS제의 경통(鏡筒)(20)에 삽입된 상태로 하우징(15)에 고정되어 있다.
도 2에서는, 집광 렌즈(12)가 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)로부터 이격된 위치에 배치되어 있지만, 실제로는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 집광 렌즈(12)는 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)로부터 소정 거리를 두고 경통(20)에 지지되어 있다. 이와 같이 통형체(20)를 사용함으로써, 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)의 입사단면과 집광 렌즈(11)를 확실하게 위치를 맞출 수 있다.
도 4는, 신호광 전반용 파이버(13)와 불필요 광 전반용 파이버(14)와의 접합부의 단면도이며, 섬유의 중심축을 지나고, 중심축에 평행한 평면에서 절단한 단면도이다.
본 실시형태에 있어서, 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)는, 코어, 이너 클래드, 아우터 클래드를 포함하는 더블 클래드 파이버로 구성되어 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 신호광 전반용 파이버(13)와 불필요 광 전반용 파이버(14)는, 서로의 측면의 주위 방향의 일부끼리 접촉하고 있다. 불필요 광 전반용 파이버(14)의 입사단면(14a)은, 신호광 전반용 파이버(13)의 입사단면(13a)보다 집광 렌즈(12)에 가까운 쪽에 위치하고 있다. 신호광 전반용 파이버(13)와 불필요 광 전반용 파이버(14)의 임의의 기준 위치(K)로부터 신호광 전반용 파이버(13)의 입사단면(13a)까지의 신호광 전반용 파이버(13)의 길이를 Ls라 하고, 상기한 기준 위치(K)로부터 불필요 광 전반용 파이버(14)의 입사단면(14a)까지의 불필요 광 전반용 파이버(14)의 길이를 Lf라 하면, 신호광 전반용 파이버(13)의 길이 Ls는 불필요 광 전반용 파이버(14)의 길이 Lf보다 짧다(Ls<Lf).
신호광 전반용 파이버(13)의 입사단면(13a)에, 엔드 캡(도광 부재)(22)이 광학적으로 결합되어 있다. 엔드 캡(22)은, 예를 들면, 석영 유리제의 로드(rod)로 구성되며, 입사한 신호광을 신호광 전반용 파이버(13)의 입사단면(13a)으로 안내한다. 엔드 캡(22)의 굴절율은, 공기의 굴절율보다 높다. 엔드 캡(22)의 직경은, 신호광 전반용 파이버(13)의 직경과 일치하고 있다. 엔드 캡(22)의 길이 Le는, 불필요 광 전반용 파이버(14)의 길이 Lf와 신호광 전반용 파이버(13)의 길이 Ls와의 차이와 일치한다(Le=Lf-Ls). 따라서, 엔드 캡(22)의 입사단면(22a)과 불필요 광 전반용 파이버(14)의 입사단면(14a)의 위치는 동일 평면 상에 모여 있다. 엔드 캡(22)의 입사단면(22a)과 불필요 광 전반용 파이버(14)의 입사단면(14a)에는, 반사 방지막(23)이 코팅되어 있다.
도 5는, 신호광 전반용 파이버(13)와 불필요 광 전반용 파이버(14)와의 접합부를 광의 입사 방향으로부터 본 정면도이다.
불필요 광 전반용 파이버(13)의 입사단면(13a)과 엔드 캡(22)의 입사단면(22a)을 포함하는 가상 평면(F)(도 4 참조)을 상정한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 가상 평면(F) 내에 있어서, 신호광(1차 회절광)의 입사 위치 Ps와 불필요 광(0차 광)의 입사 위치 Pf의 사이의 거리(B)는, 신호광 전반용 파이버(13)의 반경 Ds(=엔드 캡(22)의 반경)보다 크다. 이 조건을 충족하면, 신호광이 엔드 캡(22)의 입사단면(22a)의 중심에 입사되도록 입사 위치를 조정했을 때, 불필요 광이 엔드 캡(22), 즉 신호광 전반용 파이버(13)에 입사하지는 않는다. 도 5의 예에서는, 신호광의 입사 위치 Ps와 불필요 광의 입사 위치 Pf의 사이의 거리(B)는, 신호광 전반용 파이버(13)의 반경 Ds와 불필요 광 전반용 파이버(14)의 반경 Df의 합계와 거의 동일하다. 따라서, 신호광이 엔드 캡(22)의 입사단면(22a)의 대략 중심에 입사했을 때, 불필요 광은 불필요 광 전반용 파이버(14)의 입사단면(14a)의 대략 중심에 입사한다. 그러나, 도 5는 일례이며, 거리(B)는, 신호광 전반용 파이버(13)의 반경 Ds와 불필요 광 전반용 파이버(14)의 반경 Df의 합계와 반드시 동일하지 않아도 된다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 종래의 광 스위치(107)는, 신호광 전반용 파이버(113)만을 구비하고, 불필요 광 전반용 파이버를 구비하지 않았다. 그리고, 도 6에 있어서, 부호 "116"은 입력용 광섬유, 부호 "110"은 음향 광학 소자, 부호 "115"는 하우징이다. 따라서, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 신호광의 선택 기간에는, 1차 회절광(L1)을 신호광 전반용 파이버(113)의 코어(120)에 결합시키고, 신호광의 비선택 기간에는, 0차 광(L0)을 신호광 전반용 파이버(113)의 코어(120)에 결합시키지 않는 구성으로 하고 있다. 따라서, 1차 회절광(L1)이 신호광 전반용 파이버(113)의 코어(120)에 조사되었을 때(부호 Ps의 위치), 신호광 전반용 파이버(113)의 0차 광(L0)이 신호광 전반용 파이버(113)의 주변부(부호 Pf의 위치)에 조사된다. 이 때, 광 스위치(107)의 각종 부품을 구성하는 금속이나 수지의 일부가 발열하여, 광 스위치(107)의 신뢰성이 저하되고, 경우에 따라서는 광 스위치(107)가 손상되는 등의 문제를 초래했다.
전술한 문제에 대하여, 본 실시형태의 광 스위치(7)는, 불필요 광 전반용 파이버(14)를 구비하고, 신호광의 비선택 기간에는, 불필요 광 전반용 파이버(14)를 통하여 불필요 광을 광 스위치(7)의 외부의 불필요 광 처리부(17)에 전반하는 구성을 가지고 있다. 이로써, 광 스위치(7)의 각종 부품을 구성하는 금속이나 수지 부분에 불필요 광이 조사되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 광 스위치(7)의 발열이 억제되어, 광 스위치(7)의 신뢰성 저하나 손상을 억제할 수 있다.
또한, 불필요 광은, 불필요 광 처리부(17)에 흡수되어 열로서 방산시킴으로써 제거된다.
본 실시형태에 의하면, 신뢰성이 높고, 열에 의한 손상이 쉽게 생기지 않는 광 스위치(7)를 구비한 펄스 파이버 레이저 장치(1)를 실현할 수 있다.
본 실시형태에서는, 음향 광학 소자(10)로부터 출력되는 1차 회절광(L1)과 0차 광(L0)을 서로 근접하는 방향으로 집광시키는 집광 소자로서, 1차 회절광 측과 0차 광 측으로 공통의 1개의 집광 렌즈(12)가 사용되고 있다. 또한, 신호광 전반용 파이버(13)와 불필요 광 전반용 파이버(14)는, 서로의 측면의 주위 방향의 일부끼리가 접촉하도록 페룰(19)에 의해 고정되어 있다. 이로써, 신호광 전반용 파이버(13)와 불필요 광 전반용 파이버(14)를 1개소(箇所)에 모아서 배치할 수 있어, 광 스위치(7)의 구성의 간소화 및 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 신호광(1차 회절광)과 불필요 광(0차 광)은 집광 렌즈(12)에 의해 서로 근접하는 방향으로 집광되므로, 2개의 광은 진행되는 거리가 길어질수록, 서로 접근한다. 이 때문에, 경우에 따라서는, 불필요 광이 신호광 전반용 파이버(13)에 입사할 우려가 있다. 이 문제에 대하여, 본 실시형태의 구성에 따르면, 불필요 광 전반용 파이버(14)의 입사단면(14a)이 신호광 전반용 파이버(13)의 입사단면(13a)보다 집광 렌즈(12)에 가까운 쪽에 위치하고, 또한 입사단면(14a)을 포함하는 가상 평면(F) 내에 있어서, 신호광의 입사 위치와 불필요 광의 입사 위치의 사이의 거리가 신호광 전반용 파이버(13)의 반경보다 크다. 이에 따라, 신호광을 신호광 전반용 파이버(13)의 코어에 광학적으로 결합시킬 때, 불필요 광이 신호광 전반용 파이버(13)에 광학적으로 결합하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 광 스위치(7)는, 신호광 전반용 파이버(13)의 입사단면(13a)에, 공기의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 엔드 캡(22)을 구비하고 있으므로, 엔드 캡(22)에 입사한 신호광은, 공기와 엔드 캡(22)과의 굴절율 차이에 의해, 신호광 전반용 파이버(13)의 코어에 대한 입사각이 작아지는 방향으로 굴절한다. 이로써, 신호광 전반용 파이버(13)에 대한 신호광의 결합 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 광 스위치(7)에 있어서는, 페룰(19)의 삽통공(19h)의 내부에 저굴절율재(25)가 충전되어 있으므로, 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)의 아우터 클래드에 누출된 광은, 저굴절율재(25)에 의해 아우터 클래드 내에 가두어진다. 이로써, 광 스위치(7)의 내부에서 불필요한 발열이 생기는 것이 억제된다.
또한, 신호광 전반용 파이버(13) 및 불필요 광 전반용 파이버(14)가 더블 클래드 파이버로 구성되어 있으므로, 코어에 결합되지 않았던 신호광 및 불필요 광을 이너 클래드에 가둘 수 있다.. 이로써, 신호광 및 불필요 광이 각각의 광섬유의 외부로 누출하는 것을 억제할 수 있다.
그리고, 본 발명의 기술 범위는 상기 실시형태로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에 있어서 각종 변경을 가할 수 있다.
본 실시형태에서는, 신호광 전반용 파이버의 입사측에 엔드 캡(도광 부재)을 구비한 예를 나타냈으나, 본 발명의 광 스위치는 반드시 엔드 캡을 구비하고 있지 않아도 된다. 단, 엔드 캡을 구비하고 있지 않은 경우라도, 불필요 광 전반용 파이버의 입사단면을 신호광 전반용 파이버의 입사단면보다 집광 소자 측으로 돌출시켜 두는 것이 바람직하다. 불필요 광 전반용 파이버의 입사단면을 신호광 전반용 파이버의 입사단면보다 집광 소자 측으로 돌출시킴으로써, 신호광과 불필요 광과의 간격이 이격되어 있는 동안(접근하기 전)에 불필요 광을 불필요 광 전반용 파이버에 입사시키는 것이 가능하다. 이로써, 신호광으로부터 불필요 광을 확실하게 분리하여, 제거할 수 있다.
적어도 광 증폭기를 포함하는 펄스 파이버 레이저 장치에 본 발명의 광 스위치는 적용할 수 있다.
또한, 예를 들면, 상기 실시형태에 따른 펄스 파이버 레이저 장치에서는, 광 증폭기의 후단(後段)에 본 발명에 따른 광 스위치가 배치되어 있지만, 이것으로 한정되지 않는다. 이 구성 대신, 예를 들면, 펄스 발진기 내의 광 스위치에 본 발명을 적용할 수도 있다. 펄스 발지기가 공진기인 경우에는, 예를 들면, 본 발명에 따른 광 스위치를 저반사 미러와 겸용할 수도 있다. 즉 광 공진기의 출력으로부터 출사단까지의 사이에 존재하는 어느 하나의 광 스위치에 본 발명을 적용할 수도 있다. 다만, 펄스 파이버 레이저 장치에서는, 일반적으로 상류에서 하류로 진행함에 따라 광 파워가 커진다. 광 파워가 큰 하류측에서 발열의 문제가 현저하게 되므로, 하류측의 광 스위치에 본 발명을 적용하는 것이 보다 효과적이다.
또한, 상기 실시형태에서는, 광 스위치를 구성하는 광 편향 소자로서 음향 광학 소자를 사용하였지만, 광의 진행 방향을 고속으로 전환할 수 있는 것이면, 음향 광학 소자로 한정하지 않는다.
그 외에, 섬유 레이저 장치의 각각의 구성 요소의 형상, 배치, 재료 등에 관한 구체적인 기재는, 상기 실시형태로 한정되지 않으며, 적절하게 변경할 수 있다.
본 발명은, 예를 들면, 재료 가공 등에 사용하는 펄스 파이버 레이저 장치에 이용이 가능하다.
1: 펄스 파이버 레이저 장치 7: 광 스위치
8: 섬유 레이저 장치 본체 10: 음향 광학 소자(광 편향 소자)
12: 집광 렌즈(집광 소자) 13: 신호광 전반용 파이버
14: 불필요 광 전반용 파이버 17: 불필요 광 처리부
19: 페룰 22: 엔드 캡(도광 부재)

Claims (12)

  1. 적어도 광 증폭기를 포함하는 섬유 레이저 장치 본체; 및
    상기 광 증폭기의 출력으로부터 출사단(出射端)까지의 사이에 설치된 광 스위치
    를 포함하고,
    상기 광 스위치는,
    입사광의 사출(射出) 방향을 제1 방향과 제2 방향으로 시간적으로 전환 가능하게 된 광 편향 소자;
    상기 제1 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광을 신호광으로서 전반(傳搬)하는 신호광 전반용 파이버;
    상기 제2 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제2 방향으로 사출된 광을 불필요 광으로서 상기 광 스위치의 외부에 전반하는 불필요 광 전반용 파이버; 및
    상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버와 상기 광 편향 소자의 사이에 설치되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광과 상기 제2 방향으로 사출된 광을 서로 근접하는 방향으로 집광시키는 하나 또는 복수의 집광 소자
    를 포함하고,
    상기 신호광 전반용 파이버와 상기 불필요 광 전반용 파이버는, 서로의 측면의 주위 방향의 일부끼리가 접촉하고 있는,
    펄스 파이버 레이저 장치.
  2. 적어도 광 증폭기를 포함하는 섬유 레이저 장치 본체; 및
    상기 광 증폭기의 출력으로부터 출사단(出射端)까지의 사이에 설치된 광 스위치
    를 포함하고,
    상기 광 스위치는,
    입사광의 사출(射出) 방향을 제1 방향과 제2 방향으로 시간적으로 전환 가능하게 된 광 편향 소자;
    상기 제1 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광을 신호광으로서 전반(傳搬)하는 신호광 전반용 파이버;
    상기 제2 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제2 방향으로 사출된 광을 불필요 광으로서 상기 광 스위치의 외부에 전반하는 불필요 광 전반용 파이버; 및
    상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버와 상기 광 편향 소자의 사이에 설치되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광과 상기 제2 방향으로 사출된 광을 서로 근접하는 방향으로 집광시키는 하나 또는 복수의 집광 소자
    를 포함하는, 펄스 파이버 레이저 장치.
  3. 광 공진기를 포함하는 섬유 레이저 장치 본체; 및
    상기 광 공진기의 출력으로부터 출사단(出射端)까지의 사이에 설치된 광 스위치
    를 포함하고,
    상기 광 스위치는,
    입사광의 사출(射出) 방향을 제1 방향과 제2 방향으로 시간적으로 전환 가능하게 된 광 편향 소자;
    상기 제1 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광을 신호광으로서 전반(傳搬)하는 신호광 전반용 파이버;
    상기 제2 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제2 방향으로 사출된 광을 불필요 광으로서 상기 광 스위치의 외부에 전반하는 불필요 광 전반용 파이버; 및
    상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버와 상기 광 편향 소자의 사이에 설치되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광과 상기 제2 방향으로 사출된 광을 서로 근접하는 방향으로 집광시키는 하나 또는 복수의 집광 소자
    를 포함하고,
    상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버는, 서로의 측면의 주위 방향의 일부끼리가 접촉하고 있는,
    펄스 파이버 레이저 장치.
  4. 광 공진기를 포함하는 섬유 레이저 장치 본체; 및
    상기 광 공진기의 출력으로부터 출사단(出射端)까지의 사이에 설치된 광 스위치
    를 포함하고,
    상기 광 스위치는,
    입사광의 사출(射出) 방향을 제1 방향과 제2 방향으로 시간적으로 전환 가능하게 된 광 편향 소자;
    상기 제1 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광을 신호광으로서 전반(傳搬)하는 신호광 전반용 파이버;
    상기 제2 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제2 방향으로 사출된 광을 불필요 광으로서 상기 광 스위치의 외부에 전반하는 불필요 광 전반용 파이버; 및
    상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버와 상기 광 편향 소자의 사이에 설치되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광과 상기 제2 방향으로 사출된 광을 서로 근접하는 방향으로 집광시키는 하나 또는 복수의 집광 소자
    를 포함하는, 펄스 파이버 레이저 장치.
  5. 펄스 발진기를 포함하는 섬유 레이저 장치 본체; 및
    상기 펄스 발진기의 출력으로부터 출사단(出射端)까지의 사이에 설치된 광 스위치
    를 포함하고,
    상기 광 스위치는,
    입사광의 사출(射出) 방향을 제1 방향과 제2 방향으로 시간적으로 전환 가능하게 된 광 편향 소자;
    상기 제1 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광을 신호광으로서 전반(傳搬)하는 신호광 전반용 파이버;
    상기 제2 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제2 방향으로 사출된 광을 불필요 광으로서 상기 광 스위치의 외부에 전반하는 불필요 광 전반용 파이버; 및
    상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버와 상기 광 편향 소자의 사이에 설치되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광과 상기 제2 방향으로 사출된 광을 서로 근접하는 방향으로 집광시키는 하나 또는 복수의 집광 소자
    를 포함하고,
    상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버는, 서로의 측면의 주위 방향의 일부끼리가 접촉하고 있는,
    펄스 파이버 레이저 장치.
  6. 펄스 발진기를 포함하는 섬유 레이저 장치 본체; 및
    상기 펄스 발진기의 출력으로부터 출사단(出射端)까지의 사이에 설치된 광 스위치
    를 포함하고,
    상기 광 스위치는,
    입사광의 사출(射出) 방향을 제1 방향과 제2 방향으로 시간적으로 전환 가능하게 된 광 편향 소자;
    상기 제1 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광을 신호광으로서 전반(傳搬)하는 신호광 전반용 파이버;
    상기 제2 방향으로 사출된 광이 광학적으로 결합되고, 상기 제2 방향으로 사출된 광을 불필요 광으로서 상기 광 스위치의 외부에 전반하는 불필요 광 전반용 파이버; 및
    상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버와 상기 광 편향 소자의 사이에 설치되고, 상기 제1 방향으로 사출된 광과 상기 제2 방향으로 사출된 광을 서로 근접하는 방향으로 집광시키는 하나 또는 복수의 집광 소자
    를 포함하는, 펄스 파이버 레이저 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불필요 광 전반용 파이버에 의해 전반되는 상기 불필요 광 중 적어도 일부를 처리하는 불필요 광 처리부를 더 포함하는, 펄스 파이버 레이저 장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불필요 광 전반용 파이버의 입사단면(入射端面)은, 상기 신호광 전반용 파이버의 입사단면보다 상기 집광 소자에 가까운 쪽에 위치하고,
    상기 불필요 광 전반용 파이버의 입사단면을 포함하는 가상 평면 내에서의 상기 제1 방향으로 사출된 광의 입사 위치와 상기 제2 방향으로 사출된 광의 입사 위치의 사이의 거리는, 상기 신호광 전반용 파이버의 반경보다 큰, 펄스 파이버 레이저 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 신호광 전반용 파이버의 입사단면에, 공기의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 도광(導光) 부재를 포함하는, 펄스 파이버 레이저 장치.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호광 전반용 파이버와 상기 불필요 광 전반용 파이버를 삽통(揷通)시키는 삽통공(揷通孔)을 가지는 페룰(ferrule)을 포함하고,
    상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버와 상기 삽통공의 내벽의 사이에, 상기 신호광 전반용 파이버 및 상기 불필요 광 전반용 파이버의 가장 바깥쪽 클래드(clad)의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지는 저굴절율재가 설치된, 펄스 파이버 레이저 장치.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호광 전반용 파이버는, 더블 클래드 파이버로 구성되어 있는, 펄스 파이버 레이저 장치.
  12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불필요 광 전반용 파이버는, 더블 클래드 파이버로 구성되어 있는, 펄스 파이버 레이저 장치.
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