WO2018110016A1 - ファイバ結合装置 - Google Patents

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light
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optical fiber
coupling device
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西尾　正敏
仁志 西村
静波 王
誠 龍堂
同慶 長安
秀明 山口
竹中　義彰
清隆 江泉
諒 石川
康士 向井
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fiber coupling device for condensing and entering laser light into an optical fiber.
  • Patent Document 1 discloses a configuration in which a propagation state of laser light in an optical fiber is changed using a plurality of condensing lenses having different focal lengths. Specifically, the condensing lens arranged in the optical path of the laser beam can be replaced, so that the focal length of the condensing lens in the optical path can be changed, and the NA (Numerical Aperture) of the incident light to the optical fiber can be changed. : Numerical aperture) is variable. In this way, the beam quality of the laser light emitted from the optical fiber is changed by switching the condenser lens.
  • the characteristics of the emitted light can be changed discretely, the characteristics of the emitted light cannot be changed continuously.
  • the present invention has been made in view of such points, and an object thereof is to provide a fiber coupling device capable of continuously changing the characteristics of light emitted from an optical fiber.
  • the fiber coupling device of the present invention includes a wedge plate that refracts incident light in a predetermined direction, a condensing lens that condenses the light that has passed through the wedge plate, and an incident end surface on which light collected by the condensing lens is incident An optical fiber.
  • the wedge plate is held rotatably about the optical axis of light incident on the wedge plate. Depending on the rotation angle of the wedge plate, the incident position of the light that passes through the wedge plate and is collected by the condenser lens and incident on the incident end face changes.
  • the present invention it is not necessary to stop the output of the laser light and replace the condenser lens, and the characteristics of the emitted light of the optical fiber can be continuously changed by simply rotating the wedge plate.
  • FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 2 when the rotation angle of the wedge plate is changed.
  • FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 2 when the rotation angle of the wedge plate is changed.
  • the coordinate axes (X axis, Y axis, and Z axis) shown in the drawings are orthogonal directions.
  • the Y axis is the vertical direction corresponding to the top and bottom, and the coordinate axes in each figure are drawn so as to correspond to the directions of the respective fields of view.
  • the laser output device 101 emits high-power laser light having a predetermined beam size as parallel light.
  • the parallel light emitted from the laser output device 101 enters the fiber coupling device 100.
  • the laser output device 101 outputs, for example, a multimode near-infrared laser beam having a wavelength of 1 ⁇ m and an output of 4 kW.
  • the beam size is assumed to be output at 3 mm.
  • a one-dot chain line in FIG. 1 indicates the optical axis 200 of the laser light emitted from the laser output device 101, and a two-dot chain line indicates the optical path 201 of the laser light.
  • the fiber coupling device 100 includes a wedge plate 102 that refracts incident light in a predetermined direction, a rotation drive unit 103 that rotates the wedge plate 102 around the optical axis 200 of the light incident on the wedge plate 102, and the wedge plate 102.
  • a condensing lens 104 that condenses the light that has passed through and an optical fiber 107 that has an incident end surface on which the light collected by the condensing lens 104 enters.
  • the wedge plate 102 is a plate-shaped optical member formed in a circular shape, and the exit surface is inclined with respect to the entrance surface. Thereby, the laser beam that has passed through the wedge plate 102 is refracted in a predetermined direction.
  • the wedge plate 102 is held inside a cylindrical tubular body 110.
  • a gear portion (not shown) is formed on the outer peripheral portion of the cylindrical body 110.
  • the rotation drive unit 103 is composed of a small motor, and a gear 112 that meshes with the gear unit of the cylindrical body 110 is attached to the drive shaft 111 of the rotation drive unit 103. Then, the rotational driving force is transmitted to the cylindrical body 110 by rotating the gear 112 by the rotational driving unit 103. As a result, the wedge plate 102 rotates about the optical axis 200 of the light incident on the wedge plate 102 as the rotation center. The rotation angle of the wedge plate 102 can be adjusted by adjusting the rotation angle of the gear 112.
  • rotational driving force of the rotational driving unit 103 may be transmitted to the cylindrical body 110 by a belt or the like (not shown) instead of the gear 112.
  • the condensing lens 104 is optically designed such that the spot diameter of the multimode laser light used is about 80 ⁇ m and the numerical aperture during condensing satisfies NA ⁇ 0.2.
  • the condensing lens 104 is structured to be fixed at a predetermined position without distortion by being held by the adjustment holding unit 105.
  • the adjustment holding unit 105 is fixed so that the position of the condensing lens 104, which is an important precision component, does not shift, thereby reducing the risk of damage to the incident end face of the optical fiber 107 due to the shift of the condensing position.
  • the optical fiber 107 is configured to have a waveguide for transmitting two lights on concentric circles. Specifically, the optical fiber 107 is provided on the core 300 provided at a position including the center of the incident end face, the first clad 301 provided on the outer peripheral side of the core 300, and the outer peripheral side of the first clad 301. It is comprised by the double clad fiber which has the 2nd clad 302 (refer FIG. 3).
  • the core 300 has a diameter of 100 ⁇ m
  • the first cladding 301 has an outer diameter of 400 ⁇ m
  • the core 300 has an NA of 0.2
  • the first cladding 301 has an NA of 0.4.
  • the optical fiber 107 is structured to be held at a predetermined position by the receptable 106 in order to prevent the incident position from shifting. Although different from the illustrated configuration, if the insertion port of the optical fiber 107 is provided vertically downward (Y-axis minus direction), an effect of preventing dust accumulation can be expected.
  • the light propagated through the optical fiber 107 by the fiber coupling device 100 is output as the outgoing light 202.
  • the wedge plate 102 when the wedge plate 102 is positioned at the first rotation angle that is a predetermined rotation angle, the light that has passed through the wedge plate 102 is reflected between the center of the condenser lens 104 and the optical fiber 107. It is disposed so as to pass through the center of the incident end face.
  • the light incident in the Z-axis horizontal direction with respect to the fiber coupler 100 is given a declination a by the wedge plate 102.
  • the wedge plate 102 for example, it is conceivable to use a low-loss one having an AR coating (antireflection film).
  • a material having a refractive index nw 1.45 made of fused silica.
  • the deflection angle a of the wedge plate 102 can be expressed by the following equation (1) when sin ( ⁇ w) ⁇ 1.
  • the deflection angle a of the emitted light can be set to 1 ° by setting the wedge angle ⁇ w to 2 °.
  • the center of the condensing lens 104 and the center of the incident end face of the optical fiber 107 are arranged coaxially, and the optical axis 200 is the center of the condensing lens 104 and the central axis of the optical fiber 107.
  • a state where the wedge plate 102 is overlapped is set as a reference rotation position of the wedge plate 102. That is, the first rotation angle is set as the reference rotation position.
  • the light condensed by the condenser lens 104 enters the core 300 of the optical fiber 107 when the wedge plate 102 is positioned at the reference rotation position.
  • the spot diameter of light incident on the core 300 is smaller than the diameter of the core 300.
  • the wedge plate 102 when high-power laser light passes through the wedge plate 102, there is an influence due to the thermal lens effect.
  • the wedge plate 102 is not replaced. Therefore, if the output of the laser light does not change, the focal length of the lens action by the wedge plate 102 generated by the thermal lens effect is constant.
  • an optical design can be performed in consideration of the thermal lens effect at an arbitrary output, and a decrease in the coupling efficiency of the laser light to the optical fiber 107 can be prevented.
  • the laser light since the laser light always passes through the center of the wedge plate 102, scattering and absorption loss outside the effective diameter can be reduced.
  • the wedge angle ⁇ w of the wedge plate 102 and the deflection angle a given to the optical axis by the wedge plate 102 are in the relationship of the above-described equation (1), and therefore are appropriate for each wavelength, output, and beam quality of the handled light The same effect can be obtained by selecting a wedge plate.
  • the light passing through the wedge plate 102 is given a declination a with respect to the optical axis 200 of the light incident on the wedge plate 102.
  • the optical path 204 changes in a conical shape with an apex angle 2 a centering on the optical axis 200 of the light incident on the wedge plate 102 as the wedge plate 102 rotates.
  • the traveling direction of light incident on the condenser lens 104 changes according to the rotation angle of the wedge plate 102.
  • the incident position of the light that passes through the wedge plate 102 and is collected by the condenser lens 104 and incident on the incident end face of the optical fiber 107 changes. That is, when the wedge plate 102 is at a different rotation angle, light is incident on different incident positions on the incident end face of the optical fiber 107.
  • FIG. 4 shows a state in which the wedge plate 102 is rotated 180 ° from the reference rotation position. This state is called a reverse position.
  • the reverse position is a second rotation angle different from the first rotation angle.
  • FIG. 4 shows the optical path 205 at the inversion position. Further, for comparison, an optical path 204 when the wedge plate 102 is positioned at the reference rotation position is also described.
  • the light that has passed through the wedge plate 102 enters the center of the condenser lens 104 in the vertical direction on the optical path 204 when the wedge plate 102 is positioned at the reference rotation position.
  • the light collected by the condenser lens 104 is incident only on the core 300 of the optical fiber 107. That is, when the wedge plate 102 is positioned at the first rotation angle, light enters only the core 300 of the optical fiber 107.
  • the optical path 205 at the inverted position changes, so that both the incident position and the incident angle of the light passing through the wedge plate 102 to the condenser lens 104 change.
  • the light that has passed through the wedge plate 102 is incident on the upper portion (Y-axis direction plus side) of the condenser lens 104.
  • the incident angle to the condensing lens 104 at this time can be expressed by 90-2a [°].
  • the light collected by the condenser lens 104 is only the first cladding 301, not the core 300 of the optical fiber 107. Is incident on. That is, when the wedge plate 102 is positioned at the second rotation angle, light is incident only on the first cladding 301 of the optical fiber 107. Then, the outgoing light 206 from the optical fiber 107 is emitted in a mode different from the outgoing light 202 from the optical fiber 107 when the wedge plate 102 is at the reference rotation position.
  • the light condensing point of the light condensed by the condensing lens 104 changes along the one-dot chain line 207 as the wedge plate 102 rotates. To do. Thereby, the condensing point can be continuously changed so that the condensed light sequentially passes through the condensing points 208a, 208b, 208d, and 208c.
  • the wedge plate 102 is positioned at the reference rotation position, that is, the first rotation angle, and the laser beam is focused and incident only on the core 300.
  • the laser light is condensed and incident on the core 300, but a part of the laser light is also incident on the first cladding 301. That is, light is incident across the core 300 and the first clad 301 at the condensing point 208b. Therefore, the modes propagated in the clad are mixed.
  • the wedge plate 102 is positioned at the inversion position, that is, the second rotation angle, and the laser light is focused and incident only on the first clad 301.
  • the laser light is condensed and incident on the first clad 301, but a part of the laser light is also incident on the core 300. That is, light enters the core 300 and the first cladding 301 at the condensing point 208c. Therefore, the modes propagated in the clad are mixed.
  • the distance between the condensing points 208a to 208d is made larger than 140 ⁇ m, so that the light is focused and incident only on the core 300 and only the first clad 301. It is possible to select a state in which the light is incident.
  • the wedge plate 102 is rotated and the condensing position on the optical fiber 107 is designed to change along the alternate long and short dash line 207, the incident position and incident angle on the optical fiber 107 are continuously selected.
  • the energy of the incident light to each of the core 300 and the first cladding 301 can be made variable. That is, the ratio of the energy of the incident light to the core 300 and the energy of the incident light to the first cladding 301 can be made variable.
  • the energy of incident light can be selectively distributed to the core 300 and the first clad 301, whereby the light propagation mode in the optical fiber 107 can be changed.
  • FIG. 6A shows intensity distributions 209a, 209b, 209c, and 209d of emitted light corresponding to the condensing points 208a, 208b, 208c, and 208d (see FIG. 5).
  • the vertical axis represents the energy E of light emitted from the optical fiber 107, and the horizontal axis represents the distance r from the center of the core 300.
  • the refractive index distribution of the optical fiber 107 is shown.
  • the vertical axis represents the refractive index n of the waveguide, and the horizontal axis represents the distance r from the center of the core 300.
  • the boundary surface between the core 300 and the first cladding 301 of the optical fiber 107 and the boundary surface between the first cladding 301 and the second cladding 302 are indicated by broken lines.
  • the NA of the emitted light is small. However, as the wedge plate 102 rotates, the NA of the emitted light gradually increases (209b, 209c, 209d).
  • the energy emitted from the first cladding 301 is larger than the energy emitted from the core 300.
  • the output light has a donut-shaped intensity distribution with a small intensity at the center of the beam.
  • the top hat type intensity distribution may be obtained as the ratio of the energy incident on the core 300 of the optical fiber 107 decreases. I understand.
  • the incident position of the light incident on the incident end face of the optical fiber 107 changes according to the rotation angle of the wedge plate 102. Therefore, by adjusting the rotation angle of the wedge plate 102, the light propagation state in the optical fiber 107 can be changed. Moreover, since it is not necessary to stop the output of the laser light when changing the propagation state, the characteristics of the light emitted from the optical fiber 107 can be continuously changed.
  • the wedge plate 102 when the wedge plate 102 is positioned at the reference rotation position (first rotation angle), the light that has passed through the wedge plate 102 passes through the center of the condenser lens 104 and the center of the incident end face of the optical fiber 107. . Therefore, when the wedge plate 102 is positioned at the reference rotation position, light is incident on the center of the condenser lens 104, and the light passing through the wedge plate 102 is collected by adjusting the rotation angle of the wedge plate 102. The incident position on the lens 104 changes.
  • the incident position and the incident angle of light with respect to the incident end face of the optical fiber 107 change, and the proportion of energy propagating through the core 300 and the first cladding 301 of the optical fiber 107 changes.
  • the propagation mode of light in the optical fiber 107 is changed, and the characteristics of the light emitted from the optical fiber 107 can be continuously changed.
  • the rotation position of the wedge plate 102 is adjusted to, for example, the opposite position (second rotation angle) so that the laser beam is incident only on the first clad 301, the intensity of the donut shape with a small beam center intensity A beam having a distribution can be emitted. Therefore, the output density of the emitted light from the optical fiber 107 can be lowered and irradiated over a wide range, and the laser processed surface can be covered over a wide range even when the position accuracy of laser irradiation is poor.
  • the configuration using a double clad fiber as the optical fiber 107 has been described.
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • a PANDA fiber or a double core fiber may be used as the optical fiber 107.
  • a special beam such as polarization control or a holed beam can be obtained.
  • the laser beam as the light source is multi-mode near-infrared parallel light
  • the present invention is not limited to this mode.
  • a laser beam having a different wavelength or a single mode may be used.
  • the fiber coupling device 100 includes the rotation driving unit 103 that rotates the wedge plate 102.
  • the rotation driving unit 103 it is not always necessary to provide the rotation drive unit, and it is sufficient if the wedge plate 102 can rotate around the optical axis of the incident light.
  • the wedge plate 102 is at a different rotation angle, light is incident on different positions on the incident end face of the optical fiber 107. Therefore, the characteristics of the light emitted from the optical fiber 107 in accordance with the rotation angle of the wedge plate 102. Can be changed continuously.
  • the present invention can continuously change the characteristics of the laser light emitted from the optical fiber, and thus is useful in a fiber coupling device that focuses and enters the laser light into the optical fiber.

Abstract

ファイバ結合装置（１００）は、入射した光を所定方向に屈折させるウェッジ板（１０２）と、ウェッジ板（１０２）を通過した光を集光させる集光レンズ（１０４）と、集光レンズ（１０４）で集光された光が入射する入射端面を有する光ファイバ（１０７）とを備える。ウェッジ板（１０２）は、ウェッジ板（１０２）に入射する光の光軸（２００）を回転中心として回転可能に保持されている。ファイバ結合装置（１００）は、ウェッジ板（１０２）の回転角度に応じて、ウェッジ板（１０２）を通過し集光レンズ（１０４）で集光され入射端面に入射する光の入射位置が変化する。

Description

ファイバ結合装置
　本発明は、レーザ光を光ファイバに集光入射させるファイバ結合装置に関するものである。
　従来より、高出力のレーザ光を光ファイバに伝搬させるとともに、光ファイバからの出射光の特性を変化させることで、同一の光源を用いて様々な加工を行うようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１には、焦点距離の異なる複数の集光レンズを用いて、光ファイバ内におけるレーザ光の伝搬状態を変化させるようにした構成が開示されている。具体的には、レーザ光の光路中に配置する集光レンズを取り替え可能な構成とすることで、光路中の集光レンズの焦点距離を可変とし、光ファイバへの入射光のＮＡ（Numerical Aperture：開口数）を可変としている。このように、集光レンズの切り替えを行うことで、光ファイバから出射されるレーザ光のビーム品質を変化させるようにしている。
米国特許第５２４５６８２号明細書
　しかしながら、従来のファイバ結合装置では、離散的に出射光の特性を変化させることはできても、連続的に出射光の特性を変化させることはできない。
　なぜなら、レーザ光の光路中に配置された集光レンズを取り替えるためには、集光レンズの切り替えが完了するまでの間、レーザ光の出力を停止させる必要がある。仮に、レーザ光の出力を停止させずに集光レンズを取り替えると、集光レンズの有効径外における散乱光によって熱が発生したり、意図した集光位置にレーザ光が集光されなくなったりする。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバから出射される光の特性を連続的に変化させることが可能なファイバ結合装置を提供することにある。
　本発明のファイバ結合装置は、入射した光を所定方向に屈折させるウェッジ板と、ウェッジ板を通過した光を集光させる集光レンズと、集光レンズで集光された光が入射する入射端面を有する光ファイバとを備える。ウェッジ板は、ウェッジ板に入射する光の光軸を回転中心として回転可能に保持されている。ウェッジ板の回転角度に応じて、ウェッジ板を通過し集光レンズで集光され入射端面に入射する光の入射位置が変化する。
　本発明によれば、レーザ光の出力を停止させて集光レンズを取り替える必要がなく、ウェッジ板を回転させるだけで、光ファイバの出射光の特性を連続的に変化させることができる。
本実施形態に係るファイバ結合装置の構成を示す一部破断側面図である。 ウェッジ板、集光レンズ、及び光ファイバの配置を示す一部破断側面図である。 ウェッジ板の回転角度の変化に伴う光路の変化を示す一部破断斜視図である。 ウェッジ板の回転角度を変化させたときの図２相当図である。 光ファイバの入射端面を示す正面図である。 光ファイバの出射光の強度分布及び光ファイバの屈折率分布を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
　また、図面中に示される座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸）は、それぞれ直交する方向である。ここで、Ｙ軸は、上下に対応した鉛直方向であり、各図の座標軸はそれぞれの視野の方向に対応するように描いている。
　〈ファイバ結合装置の主要構成〉
　図１に示すように、レーザ出力装置１０１は、所定のビームサイズを持った高出力のレーザ光を平行光として出射する。レーザ出力装置１０１から出射された平行光は、ファイバ結合装置１００に入射する。
　なお、本実施形態では、レーザ出力装置１０１は、例えば、波長１μｍ、出力４ｋＷのマルチモードの近赤外レーザ光を出力するものとする。また、ビームサイズは、３ｍｍで出力されるものとする。また、図１における一点鎖線は、レーザ出力装置１０１から出射されたレーザ光の光軸２００を示し、二点鎖線は、レーザ光の光路２０１を示している。
　ファイバ結合装置１００は、入射した光を所定方向に屈折させるウェッジ板１０２と、ウェッジ板１０２に入射する光の光軸２００を回転中心としてウェッジ板１０２を回転させる回転駆動部１０３と、ウェッジ板１０２を通過した光を集光させる集光レンズ１０４と、集光レンズ１０４で集光された光が入射する入射端面を有する光ファイバ１０７とを備えている。
　ウェッジ板１０２は、円形状に形成された板状の光学部材であり、入射面に対して出射面が傾斜している。これにより、ウェッジ板１０２を通過したレーザ光は、所定方向に屈折するようになっている。ウェッジ板１０２は、円筒状の筒状体１１０の内部に保持されている。筒状体１１０の外周部分には、図示しないギア部が形成されている。
　回転駆動部１０３は、小型のモータで構成されており、回転駆動部１０３の駆動軸１１１には、筒状体１１０のギア部に噛み合う歯車１１２が取り付けられている。そして、回転駆動部１０３により歯車１１２を回転させることで、筒状体１１０に回転駆動力が伝達される。その結果、ウェッジ板１０２は、ウェッジ板１０２に入射する光の光軸２００を回転中心として回転する。ウェッジ板１０２の回転角度は、歯車１１２の回転角度を調整することで調整可能である。
　なお、歯車１１２の代わりに、図示しないベルト等によって、回転駆動部１０３の回転駆動力を筒状体１１０に伝達するようにしても良い。
　集光レンズ１０４としては、例えば、ｆ＝２０～５０ｍｍ程度の焦点距離のレンズを使用することが考えられる。集光レンズ１０４には、使用するマルチモードのレーザ光のスポット径が８０μｍ程度となり、集光時の開口数がＮＡ＜０．２を満たす、光学設計が施されている。
　集光レンズ１０４は、調整保持部１０５により保持されることで、歪みなく所定の位置に固定される構造となっている。調整保持部１０５は、重要精度部品である集光レンズ１０４の位置がずれないように固定することで、集光位置のずれによる光ファイバ１０７の入射端面の損傷リスクを低減している。
　光ファイバ１０７は、同心円上に二つの光を伝送させる導波路を有するように構成されている。具体的に、光ファイバ１０７は、入射端面の中心を含む位置に設けられたコア３００と、コア３００の外周側に設けられた第１クラッド３０１と、第１クラッド３０１の外周側に設けられた第２クラッド３０２とを有するダブルクラッドファイバで構成されている（図３参照）。
　そして、光ファイバ１０７のコア３００、第１クラッド３０１、及び第２クラッド３０２の屈折率をそれぞれｎｃ、ｎ１、ｎ２としたとき、各屈折率の関係は、ｎｃ＞ｎ１＞ｎ２となっている。また、本実施形態では、コア３００の径を１００μｍ、第１クラッド３０１の外径を４００μｍとし、コア３００のＮＡを０．２、第１クラッド３０１のＮＡを０．４としている。
　光ファイバ１０７は、入射位置のずれを防ぐために、レセプタブル１０６により既定の位置に保持される構造になっている。また、図示した構成とは異なるが、仮に光ファイバ１０７の差込口を鉛直方向下向き（Ｙ軸マイナス方向）に備え付ければ、塵埃の堆積を防ぐ効果も期待できる。
　ファイバ結合装置１００により光ファイバ１０７内を伝搬した光は、出射光２０２として出力される。
　図２に示すように、ウェッジ板１０２は、所定の回転角度である第１の回転角度に位置付けられたときに、ウェッジ板１０２を通過した光が、集光レンズ１０４の中心と光ファイバ１０７の入射端面の中心とを通過するように配設されている。
　具体的に、ファイバ結合装置１００に対してＺ軸水平方向に入射した光は、ウェッジ板１０２により偏角ａを与えられる。ウェッジ板１０２としては、例えば、ＡＲコーティング（反射防止膜）を有する低損失なものを使用することが考えられる。一例として、例えば、フューズドシリカで作られた屈折率ｎｗ＝１．４５のものを使用することが考えられる。
　ここで、ウェッジ角θｗとすると、ウェッジ板１０２の偏角ａは、ｓｉｎ（θｗ）＜＜１のときに、下記（１）式で表すことができる。
　ａ≒（ｎｗ－１）・θｗ　・・・（１）
　例えば、ウェッジ角θｗを２°に設定することで、出射光の偏角ａを１°に設定することができる。
　そして、図２に示すように、集光レンズ１０４の中心と光ファイバ１０７の入射端面の中心を同軸上に配置し、且つ、光軸２００が集光レンズ１０４の中心と光ファイバ１０７の中心軸に重なる状態を、ウェッジ板１０２の基準回転位置とする。すなわち、第１の回転角度を基準回転位置とする。集光レンズ１０４により集光される光は、ウェッジ板１０２が基準回転位置に位置付けられているときに、光ファイバ１０７のコア３００内に入射する。コア３００に入射する光のスポット径は、コア３００の径よりも小さい。
　次に、ファイバ結合装置１００をレーザ光が通過した際の効果について説明する。図１及び図２に示すように、ウェッジ板１０２が基準回転位置にあるときには、レーザ出力装置１０１から出射されたレーザ光は、平行光のままウェッジ板１０２により屈折されて、集光レンズ１０４の中心を通り、光ファイバ１０７のコア３００へ集光入射する。
　ここで、高出力のレーザ光がウェッジ板１０２を透過する際には、熱レンズ効果による影響が存在する。しかしながら、本実施形態のファイバ結合装置１００では、ウェッジ板１０２の取り替え行われない。そのため、レーザ光の出力が変化しなければ、熱レンズ効果によって生じるウェッジ板１０２によるレンズ作用の焦点距離は一定である。
　そこで、任意の出力での熱レンズ効果を考慮した光学設計を行うことができ、光ファイバ１０７へのレーザ光の結合効率の低下を防ぐことができる。
　また、レーザ光は、常に、ウェッジ板１０２の中心を通るため、有効径外における散乱や吸収損失を低減できる。
　なお、ウェッジ板１０２のウェッジ角θｗと、ウェッジ板１０２により光軸に与えられる偏角ａは、上述した（１）式の関係にあるため、取り扱う光の波長や出力、ビーム品質ごとに適切なウェッジ板を選択することで、同様の効果が得られる。
　〈ファイバ結合装置の動作〉
　以下、ファイバ結合装置１００の動作について説明する。図３に示すように、ウェッジ板１０２に入射する光の光軸２００を回転中心として、ウェッジ板１０２の回転角度を調整すると、ウェッジ板１０２から出射される光の進行方向が変化する。
　ウェッジ板１０２を通過した光は、ウェッジ板１０２に入射する光の光軸２００に対して偏角ａを与えられる。これにより、光路２０４は、ウェッジ板１０２の回転に伴って、ウェッジ板１０２に入射する光の光軸２００を回転中心とした頂角２ａの円錐状に変化することとなる。
　すなわち、ウェッジ板１０２の回転角度に応じて、集光レンズ１０４に入射する光の進行方向が変化する。これにより、ウェッジ板１０２を通過し集光レンズ１０４で集光され光ファイバ１０７の入射端面に入射する光の入射位置が変化する。すなわち、ウェッジ板１０２が異なる回転角度にあるとき、光ファイバ１０７の入射端面の異なる入射位置に光が入射することになる。
　図４は、ウェッジ板１０２を基準回転位置から１８０°回転させた状態を示している。この状態を反転位置という。反転位置は、第１の回転角度とは異なる第２の回転角度である。図４には、反転位置における光路２０５が記載されている。更に、比較説明のため、ウェッジ板１０２が基準回転位置に位置付けられている場合の光路２０４も記載されている。
　図４にも示すように、ウェッジ板１０２が基準回転位置に位置付けられている場合の光路２０４上では、ウェッジ板１０２を通過した光が集光レンズ１０４の中心に垂直方向に入射する。そして、集光レンズ１０４で集光された光は、光ファイバ１０７のコア３００のみに入射する。すなわち、ウェッジ板１０２が第１の回転角度に位置付けられた場合は、光ファイバ１０７のコア３００のみに光が入射する。
　一方、ウェッジ板１０２を基準回転位置から反転させると、その反転位置における光路２０５が変化するため、ウェッジ板１０２を通過した光の集光レンズ１０４への入射位置及び入射角度が共に変化する。具体的に、ウェッジ板１０２を通過した光は、集光レンズ１０４の上部（Ｙ軸方向プラス側）へ入射する。このときの集光レンズ１０４への入射角は、９０－２ａ［°］で表すことができる。
　そして、図３及び図４に示すように、ウェッジ板１０２が反転位置に位置付けられている場合、集光レンズ１０４で集光された光は、光ファイバ１０７のコア３００ではなく第１クラッド３０１のみに入射する。すなわち、ウェッジ板１０２が第２の回転角度に位置付けられた場合は、光ファイバ１０７の第１クラッド３０１のみに光が入射する。そして、光ファイバ１０７からの出射光２０６は、ウェッジ板１０２が基準回転位置にあるときの光ファイバ１０７からの出射光２０２とは異なるモードで出射される。
　図５に示すように、光ファイバ１０７の入射端面では、ウェッジ板１０２の回転に伴い、集光レンズ１０４で集光された光の集光点が、一点鎖線２０７に沿って移動するように変化する。これにより、集光された光が集光点２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｃを順に経由するように、集光点を連続的に変化させることができる。
　集光点２０８ａでは、ウェッジ板１０２が基準回転位置すなわち第１の回転角度に位置付けられており、コア３００のみにレーザ光が集光入射する。
　集光点２０８ｂでは、レーザ光の大半はコア３００に集光入射するが、一部は第１クラッド３０１にも集光入射する。すなわち、集光点２０８ｂでは、コア３００及び第１クラッド３０１に跨って光が入射る。そのため、クラッド伝搬されるモードは混在している。
　集光点２０８ｄでは、ウェッジ板１０２が反転位置すなわち第２の回転角度に位置付けられており、第１クラッド３０１のみにレーザ光が集光入射する。
　集光点２０８ｃでは、レーザ光の大半は第１クラッド３０１に集光入射するが、一部はコア３００にも集光入射する。すなわち、集光点２０８ｃでは、コア３００及び第１クラッド３０１に跨って光が入射る。そのため、クラッド伝搬されるモードは混在している。
　ここで、例えば、レーザ光のスポット径を８０μｍとしたとき、集光点２０８ａ～２０８ｄ間の距離を１４０μｍより大きくすることで、コア３００のみに集光入射する状態と、第１クラッド３０１のみに集光入射する状態とを選択することができる。
　このように、ウェッジ板１０２を回転させ、光ファイバ１０７への集光位置が一点鎖線２０７に沿って変化するように設計すれば、光ファイバ１０７への入射位置及び入射角度を連続的に選択して、コア３００と第１クラッド３０１のそれぞれへの入射光のエネルギーを可変とすることができる。すなわち、コア３００への入射光のエネルギーと第１クラッド３０１への入射光のエネルギーの比率を、可変とすることができる。
　その結果、入射光のエネルギーを、コア３００と第１クラッド３０１とに選択的に配分することができ、これにより、光ファイバ１０７内における光の伝搬モードを変化させることができる。
　以下、光ファイバ１０７内における光の伝搬モードの変化について説明する。
　図６における（ａ）の部分には、集光点２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｃ，２０８ｄ（図５参照）に対応した出射光の強度分布２０９ａ，２０９ｂ，２０９ｃ，２０９ｄを示している。縦軸は、光ファイバ１０７からの出射光のエネルギーＥを示し、横軸は、コア３００中心からの距離ｒを示している。
　図６における（ｂ）の部分には、光ファイバ１０７の屈折率分布を示している。縦軸は、導波路の屈折率ｎを示し、横軸は、コア３００中心からの距離ｒを示している。また、光ファイバ１０７のコア３００と第１クラッド３０１との境界面、及び第１クラッド３０１と第２クラッド３０２との境界面を破線で示している。
　集光点２０８ａに対応する強度分布２０９ａでは、出射光のＮＡが小さい。しかしながら、ウェッジ板１０２の回転に伴って、出射光のＮＡが次第に大きくなっていく（２０９ｂ，２０９ｃ，２０９ｄ）。
　集光点２０８ｄに対応する強度分布２０９ｄでは、第１クラッド３０１から出射されるエネルギーが、コア３００から出射されるエネルギーよりも大きい。これにより、ビーム中心の強度が小さいドーナツ型の強度分布を持つ出射光であることが分かる。
　また、集光点２０８ｂ，２０８ｃに対応する出射光の強度分布２０９ｂ，２０９ｃを比較すると、光ファイバ１０７のコア３００へ入射するエネルギーの割合が減少するほど、トップハット型の強度分布となることが分かる。
　以上のように、本実施形態に係るファイバ結合装置１００によれば、ウェッジ板１０２の回転角度に応じて、光ファイバ１０７の入射端面に入射する光の入射位置が変化する。したがって、ウェッジ板１０２の回転角度を調整することで、光ファイバ１０７内における光の伝搬状態を変化させることができる。しかも、伝搬状態を変化させる際にレーザ光の出力を停止する必要がないため、光ファイバ１０７から出射される光の特性を連続的に変化させることができる。
　さらに、ウェッジ板１０２が基準回転位置（第１の回転角度）に位置付けられた場合、ウェッジ板１０２を通過した光は、集光レンズ１０４の中心と光ファイバ１０７の入射端面の中心とを通過する。したがって、ウェッジ板１０２が基準回転位置に位置付けられたときには、集光レンズ１０４の中心に光が入射する一方、ウェッジ板１０２の回転角度を調整することで、ウェッジ板１０２を通過した光の集光レンズ１０４への入射位置が変化する。
　その結果、光ファイバ１０７の入射端面に対する光の入射位置及び入射角度が変化して、光ファイバ１０７のコア３００と第１クラッド３０１を伝搬するエネルギーの割合が変化する。これにより、光ファイバ１０７内における光の伝搬モードが変化して、光ファイバ１０７から出射される光の特性を連続的に変化させることができる。
　また、第１クラッド３０１のみにレーザ光が入射するように、ウェッジ板１０２の回転位置を例えば反対位置（第２の回転角度）に調整した場合には、ビーム中心の強度が小さいドーナツ型の強度分布を持つビームを出射することができる。そのため、光ファイバ１０７の出射光の出力密度を下げて広範囲に照射させることができ、レーザ照射の位置精度が悪い場合であっても、レーザ加工面を広範囲にカバーすることができる。
　さらに、ウェッジ板１０２を回転させることにより、光ファイバ１０７の入射端面に対する光を、コア３００のみ又は第１クラッド３０１のみだけでなく、コア３００及び第１クラッド３０１に跨って入射させることもできる。
　なお、本実施形態では、光ファイバ１０７としてダブルクラッドファイバを用いた構成について説明したが、この形態に限定するものではなく、例えば、光ファイバ１０７として、ＰＡＮＤＡファイバやダブルコアファイバを用いても良い。この場合には、さらに、偏光制御や穴あきビームという特殊なビームを得ることができる。
　また、本実施形態では、光源であるレーザ光が、マルチモードの近赤外平行光である場合について説明したが、この形態に限定するものではなく、例えば、異波長やシングルモードのレーザ光であっても良く、伝搬形式は問わない。
　また、本実施形態のファイバ結合装置１００は、ウェッジ板１０２を回転させる回転駆動部１０３を備えていた。しかし、本発明では、必ずしも回転駆動部を備えている必要はなく、ウェッジ板１０２が入射した光の光軸を回転中心として回転可能であれば足りる。そして、ウェッジ板１０２が異なる回転角度にあるとき、光ファイバ１０７の入射端面の異なる位置に光が入射されるので、ウェッジ板１０２の回転角度に応じて、光ファイバ１０７から出射される光の特性を連続的に変化させることができる。
　以上説明したように、本発明は、光ファイバから出射されるレーザ光の特性を連続的に変化させることができるので、レーザ光を光ファイバに集光入射させるファイバ結合装置において有用である。
　１００　　ファイバ結合装置
　１０２　　ウェッジ板
　１０３　　回転駆動部
　１０４　　集光レンズ
　１０７　　光ファイバ
　２００　　光軸
　３００　　コア
　３０１　　第１クラッド
　３０２　　第２クラッド

Claims (5)

  1. 　入射した光を所定方向に屈折させるウェッジ板と、
    　前記ウェッジ板を通過した光を集光させる集光レンズと、
    　前記集光レンズで集光された光が入射する入射端面を有する光ファイバとを備え、
    　前記ウェッジ板は、前記ウェッジ板に入射する光の光軸を回転中心として回転可能に保持されており、
    　前記ウェッジ板の回転角度に応じて、前記ウェッジ板を通過し前記集光レンズで集光され前記入射端面に入射する光の入射位置が変化することを特徴とするファイバ結合装置。
  2. 　前記光ファイバは、前記入射端面の中心を含む位置に設けられたコアと、前記コアの外周側に設けられた第１クラッドと、前記第１クラッドの外周側に設けられた第２クラッドとを有し、
    　前記ウェッジ板は、前記コア及び前記第１クラッドの少なくとも一方に光が入射するように、その回転角度が調整可能に保持されていることを特徴とする請求項１に記載のファイバ結合装置。
  3. 　前記ウェッジ板が第１の回転角度に位置付けられた場合、前記ウェッジ板を通過した光は、前記集光レンズの中心と前記光ファイバの前記入射端面の中心とを通過することを特徴とする請求項２に記載のファイバ結合装置。
  4. 　前記ウェッジ板が前記第１の回転角度とは異なる第２の回転角度に位置付けられた場合、前記ウェッジ板を通過し前記集光レンズで集光された光は、前記第１クラッドのみに入射することを特徴とする請求項３に記載のファイバ結合装置。
  5. 　前記光軸を回転中心として前記ウェッジ板を回転させる回転駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のファイバ結合装置。
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