(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファラデー回転子およびその両側の第１と第２の複屈折結晶くさび偏光子から成り、前記第１の複屈折結晶くさび偏光子側から入射する入射コリメート光は前記ファラデー回転子と前記第２の複屈折結晶くさび偏光子を通過後出射コリメート光として進行し、逆に前記第２の複屈折結晶くさび偏光子側から前記出射コリメート光と反対方向に平行に入る戻り光は前記第１の複屈折結晶くさび偏光子を通過した後、前記入射コリメート光とある角度をもち逆方向に進行する第１の逆方向コリメート光と前記入射コリメート光とある角度をもち逆方向に進行する第２の逆方向コリメート光の２本に分離し、かつ前記第１の逆方向コリメート光の光軸と前記第２の逆方向コリメート光の光軸とが前記入射コリメート光の光軸のまわりに１８０度回転対称であるような非相反部を有し、さらにレンズと第１、第２、および第３のファイバーを有し、前記第１のファイバーの一方の端面を前記レンズの焦点の一方に配置し、該ファイバー端面から出射し前記レンズを通過したのちに形成するコリメート光が前記非相反部の前記第１の複屈折結晶くさび偏光子の側から入射するように配置し、前記第１と第２の逆方向コリメート光が前記レンズを通過後それぞれ焦点を結ぶ点に前記第２と第３のファイバーの端面の一方を配置して受光するように配置し、前記第１、第２、および第３のファイバーを固定具をもって固定し、前記レンズの外周部と前記第１、第２、および第３のファイバーの前記先端を含む一部および前記固定具とを１個のホルダーに収容して固定し、前記第２と第３のファイバーに入射する前記戻り光を前記ホルダーの外部に導くことを特徴とする光アイソレータ装置。
【請求項２】
前記ホルダーの外部に存在する前記第２および第３のファイバーの他端の近傍に該他端から出射する光を散乱あるいは吸収する物体を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ装置。
【請求項３】
前記第２および第３の光ファイバーのコア径は前記第１の光ファイバーのコア径より１．１倍より大きいことを特徴とする請求項１および請求項２に記載の光アイソレータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は溶接、切断あるいはマーキングなどの加工に用いるファイバーレーザーの光を被加工物体まで導く伝送用ファイバーの先端に用いられるコリメータ付き光アイソレータに関するものであり、伝送用ファイバーおよびレーザーへの戻り光を防止するために使用するものである。
【背景技術】
【０００２】  以前は金属の溶接、切断およびマーキングに固体ＹＡＧレーザーが使用されてきたが、最近波長１．０から１．１μｍにおけるファイバーレーザーが実用化されることになりＹＡＧレーザーを代替するものとして着目されている。【０００３】  被加工物である金属の上記波長領域での光反射率は金、銀、銅あるいはアルミニウムでは９０％以上と大きく、比較的反射率が低く上記波長領域でのレーザー加工に適していると言われる鉄、ニッケル、およびコバルトでさえ５０％以上の光反射率である。被加工物は鏡のようなものではないため、照射したエネルギーの全てがレーザーに戻るわけではないが、かなりの量がレーザーに反射することを考慮しなければならない。【０００４】  ＹＡＧなどの固体レーザーでは共振体が結晶であるのに比較し、ファイバーレーザーの共振体は石英ガラスでありその光学破壊閾値は低く壊れやすい。そのためとりわけレーザーへの戻り光を防がなくてはならず、垂直入射を避けるなどの注意が必要であるが、究極的には光アイソレータが効果があり、ファイバーレーザーのように光の偏波面が特定されない場合には特に偏波面無依存型光アイソレータが有効である。【０００５】  偏波面無依存光アイソレータは偏光子とファラデー回転子から構成されているデバイスであるが、使用する複屈折結晶製偏光子の種類により平板型と楔型の二種類に大別することが出来る。【０００６】  ファラデー素子に必要な断面積は光アイソレータに入射する光のビーム径をφとすると、平板型の場合は平板型の場合は平板偏光子によって分離された二本のビームがファラデー素子を平行に進行するため少なくとも２φの直径が必要である。一方楔型の場合はビームの分離は楔により常光と異常光が角度θを持って分離するため必要なファラデー素子の直径は、偏光子間距離をｄとするとφ＋ｄ×ｔａｎθとなる。どちらが有利かはビーム径、偏光子間距離と分離角の設計いかんによるが一般的にはビーム径が大きいほど楔型光アイソレータのほうが有利と云える。今後ファイバーレーザーがより高出力となってゆくと、ますますビーム径が大きくなってゆくことを考慮すると楔型光アイソレータの需要が高まることが予想され、楔型光アイソレータでの耐高出力化が必要となってくると考えられる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  従来用いられてきた通信用の光アイソレータに比較して溶接や切断、あるいはマーキングに用いられるファイバーレーザーの光アイソレータについては注意すべき特徴がある。それは光パワーが強いため戻り光を安全に逃がす方法が必要となることである。
【０００８】  楔型偏光子を用いた光アイソレータにおいてはレンズの焦点距離をｆ、戻り光の角度をθとすると、戻り光は入射光から距離ｆ×ｔａｎθだけ離れた位置に焦点を結ぶことになる。
【０００９】  通信用の光アイソレータの場合はこの戻り光が入射光ファイバーのコアと光結合しないように十分な距離が取れるようにインライン光アイソレータのレンズ焦点距離ｆおよび戻り光角度θを設計しておけばよい。クラッド部分に戻り光が入ることも許容される。
【００１０】  ところがハイパワー用−ファイバーレーザーにおいては戻り光のパワーが大きいため、コアと光結合しないように設計するだけでなく、少なくともファイバーのクラッドにも戻り光が入射しないように十分距離がとれるようにｆ×ｔａｎθを大きく取っておかなくてはならない。さもなくば光ファイバーあるいはその有機保護材料、フェルール、あるいは光アイソレータの内壁を加熱することになり、ついにはレーザー本体やコリメータなどの破壊を引き起こしてしまう。
【００１１】  この難点に対する対策としては例えば米国特許ＵＳ７，４２６，３２５Ｂ２の偏波面無依存型インライン光アイソレータのコリメータには米国特許ＵＳ７，３０６，３７６Ｂ２に示すようなファイバー、エンドキャップあるいはエンドキャップ兼用レンズ、およびフェルール一体型のコリメータが用いられている。  その特許の方法によるコリメータに楔型光アイソレータを取り付けると戻り光はレーザー本体に戻ることはなく、光ファイバー、あるいはコリメータを損傷することはない。
【００１２】  ところがこの場合でもやはり戻り光はコリメータの周りに熱を放散することになり、コリメータのホルダーや光アイソレータのホルダーを加熱することになる。これは光アイソレータの部品のなかでも温度依存性に敏感なマグネットを加熱することになり性能の温度依存性を引き起こすことになる。光反射率の高い物質にレーザー光を照射する場合には水冷などの冷却が必要になり過度の場合はやはり使用を制限されることになる。
【００１３】  このような状況に鑑み照射物体からの反射光をコリメータおよびその周囲のホルダーあるいは光アイソレータに蓄熱することなく安全に孤立させ、外部に取り出して熱と替えて放散する仕組みをつくることが課題となる。
【課題解決のための手段】
【００１４】  このような課題を解決するために本発明者は光アイソレータからの戻り光をファイバーで受光してコリメータおよび光アイソレータさらにレーザー発振器から分離し、熱として安全に放散する機構を作り上げた。
【００１５】  すなわち、ファイバーを３本等間隔に並べて固定し、中央の１本のファイバーを光をレーザー光源から出てレンズを介して光アイソレータに導く光を通すために用い、外側の２本のファイバーは逆の方向に光アイソレータから戻る光の受光に用い受光した光はレーザー光源から離れた場所に導き高温に耐えるセラミックスなど安全に熱エネルギーに変換して空気あるいは水で冷却する。ファイバーの固定には３個の穴を穿ったフェルールあるいは等間隔に切ったＶ溝などを用いればよい。
【作用】
【００１６】  図１に全体像を示す。ファイバーレーザー１から発光したレーザー光を中央に固定した第１のファイバー２に導いて先端部からレンズ５に向け発射する。先端部は光損傷を防ぐため光通過面積を大きくすることが望ましくコア拡大を行うかあるいは純粋石英ガラスでできた部分すなわちエンドキャップを溶接することがのぞましい２８。レンズに向かった光はレンズを通して平行ビームとする。この平行ビームを楔型光アイソレータを通過した後集光用レンズ１４で集光し加工する物体１５に焦点１６を結ばせ照射する。
【００１７】  照射した光は全部が物体に吸収され切断あるいは加工のエネルギーとして全部が被加工物体に吸収されるわけでなく、被照射物体の物性によって定まる反射率で反射する。反射光は第２のレンズ１４を通過して平行光となり、アイソレータを逆方向に通過すると光アイソレータのくさび角に応じたある角度θだけ入射光の軸とは逆方向を向いた角度傾斜して進行する。図２の詳細図に示すように、この光はレンズを通過後レンズの焦点距離をｆとすると第１のファイバーからｆ×ｔａｎθだけ離れた位置１９および２０に集光することになる。ちょうどこの位置に第２および第３のファイバー２２および２３を配置しておけば被加工物体１５からの反射光エネルギーは有効に第２および第３のファイバー２２および２３に導くことができ第１のファイバー２あるいはそのファイバーにつながるレーザー光源１にもどることはなくなる。これら第２および第３の光ファイバー２２および２３は光を受光するだけであるのでコア径は第１のファイバーと同じかあるいは大きい方が望ましくその先端は第１のファイバーと同じく光損傷を防ぐためにコア拡大あるいはエンドキャップ２８を付与することが望ましい。第２および第３のファイバーに入射した光は耐高温物体のたとえば片側を閉じた内側にセラミックスチューブ２４に導きさらにその外側を片側の閉じたステンレス管２５で覆い空冷あるいは水冷をして熱放散すればよい。
【発明の効果】
【００１８】  上記のように被加工物体に照射して吸収されることなく反射した光は本発明の光アイソレータと３芯フェルールコリメータによって第１のファイバーおよびファイバーレーザー発振器からは完全に孤立化され、第２および第３のファイバーに導かれ耐熱管の中で熱となって放散し、ファイバーレーザー本体および伝送ファイバーを損傷することが無くなる。
【発明を実施するための最良の方法】
【００１９】  ファイバーを位置精度よく固定するには従来よりジルコニアフェルールが用いられており、最近ジルコニアフェルールに複数個の穴を精度よく開けたものも市販されている。ここで３本の穴を開けた３芯ジルコニアフェルールを用いた例を以下の実施例に例示する。
【実施例】
【００２０】  図３は本実施例の断面図である。３本のファイバーを３芯ジルコニアフェルールに取り付けレンズ５を用いてコリメータを楔型偏光子であるローションプリズム８を用いた光アイソレータと組み合わせている。【００２１】  図４にコリメータ部分の詳細を示す。プラグ３１に取り付けたジルコニアフェルール２１に３本のファイバー２、２２、および２３を通して固定している。第１のファイバー２にはコア径１０μｍクラッド径１２５μｍのファイバーの先端をコア拡大してコア径２０μｍとしたものを用いた。このファイバーの開口数ＮＡは０．０５である。第２のファイバー２２と第３のファイバー２３にはコア径６２．５μｍ、クラッド径１２５μｍのファイバーを用いた。コア径を第１のファイバーより大きくしているのは受光を容易にするためである。直径２．５ｍｍのジルコニアフェルール２１には中心の１２５μｍ用の穴の外両側に同じく径１２５μｍ用の穴が２個あけている。図４右側の側面図に示すように３本のファイバーは一直線上に並べ、第１のファイバー２と第２のファイバー２２の間隔および第１のファイバー２と第３のファイバー２３の間隔は共に２５０μｍとしてある。【００２２】  図３に示すようにプラグ３１はホルダー３２を介して焦点距離８ｍｍのレンズ５と固定した。フェルール２１の先端のファイバーに対してレンズは焦点に配しコリメータを形成した。この３本のファイバーと１個のレンズにより１本の平行ビームの両側に角度１．８度の角度をなす平行ビームをなす計３本の光ビームを出射あるいは受光するコリメータを形成した。このコリメータ部を光アイソレータと取り付けている。【００２３】  光アイソレータは本発明者の以前の楔型偏光子を用いた発明である特許第２７７５５４７号（同内容の米国特許ＵＳＰ５４０８３５４）、および特開２００９−１６８８９４と同等のものであり、本発明では楔型偏光子としてルチル製ローションプリズム６を用いた。【００２４】
マグネット１０は互いにＮＳの極性を逆にした５個のマグネットの組を用いた。第１の偏光子６および第２の偏光子１１には共にルチル製ローションプリズムを用いている。ファラデー素子９にはＴＧＧ結晶を使用している。素子１２はビーム合成用複屈折平板でここでは２個に分けてローションプリズムの両側に配置した。光アイソレータホルダーには内径をコリメータホルダー３２の外径より少し大きくした筒状のコリメータホルダー保持具３３を取り付けている。このホルダーに１２０度毎に３本ずつ２箇所計６本のネジを取付けコリメータの角度と位置をおよび軸の周りの回転を調整するようにした。
【００２５】  ローションプリズムには角度６度４５分のルチルプリズムを用いている。このプリズムにより光アイソレータの逆方向戻り光は角度１．８度の２本の平行ビームとなる。加工物から反射した光は光アイソレータを逆戻りしてコリメータに入射して第１のファイバーからちょうど２５０μｍ離れた第２および第３のファイバーの中心に入射することになる。【００２６】  プリズムの角度は戻光が第２および第３のファイバーで受光するためのプリズムを加工する際の重要な数値となる。上記プリズム角６度４５分、戻り光角度１．８度に対し、たとえば角度が３０分ずれて６度１５分の角度であると逆方向戻り光の角度は１．６４度となる。しかしこの角度でさえ第１のファイバーからの距離は２２３μｍであってその差は２１μｍであり、受光ファイバーの中心からコア径６２．５μｍの範囲に十分入っている。角度３０分の精度はプリズムの加工が容易な角度でありこのように本３芯コリメータと光アイソレータを結合するのは容易と考えてよい。【００２７】
戻り光を受光するためにはコリメータを軸の回りに回転して戻り光の位置を第２および第３のファイバーの中心に一致させなくてはならない。たとえば中心から２５０μｍ離れた第２および第３のファイバーのコア径６２．５μｍの半径３１．２５μｍの半分の１５．６μｍの範囲内に調整する角度はａｒｃｔａｎ（１５．６／２５０）＝３．６度である。この角度精度も容易な調整角度である。以上本発明のコリメータおよび光アイソレータは製作ならびに調整が容易であることを数値例をもって示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の３芯コリメータと光アイソレータの第１の楔型偏光子への入射光と戻り光の光路の詳細図である。
【図３】本発明の３芯コリメータと光アイソレータの断面図である。
【図４】本発明の３芯コリメータのファイバーを取付けた３芯ジルコニアフェルールの図でａは断面図、ｂは側面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１：ファイバーレーザー発振器
２：伝送ファイバー
３：伝送ファイバー先端
４：ファイバー射出後レンズに向かい進行する光
５：第１のレンズ
６：第１の楔型偏光子
７：第１の楔型偏光子と第２の偏光子の間の一方の偏光成分の光ビーム
８：第１の楔型偏光子と第２の偏光子の間の他方の偏光成分の光ビーム
９：ファラデー物体
１０：マグネット
１１：第２の偏光子
１２：光ビーム合成分離用複屈折結晶平板
１３：合成した光ビーム
１４：第２のレンズ
１５：被加工物
１６：比加工物体上の集光点
１７：一方の戻り光ビーム
１８：他方の戻り光ビーム
１９：一方の戻り光受光ファイバーの端点
２０：他方の戻り光受光ファイバーの端点
２１：フェルールあるいはＶ溝などのファイバーの保持体
２２：一方の戻り光受光ファイバー
２３：他方の戻り光受光ファイバー
２４：セラミックチューブ
２５：一方を閉じたステンレス管
２６：ファイバーのコア
２７：ファイバーのクラッド
２８：光透過断面積拡大部
２９：光アイソレータホルダー
３０：コリメータ位置、角度ならびに回転調整用ネジ
３１：プラグ
３２：コリメータホルダー
３３：コリメータホルダー保持具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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