(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源を収容する筐体と、
前記筐体に設けられた、前記筐体の内外に通気可能な単一の開口部とを備え、
前記開口部は、前記筐体の内向きの開口部面積より、前記筐体の外向きの開口部面積が小さい、
光学装置。
【請求項２】
前記開口部は、前記筐体の下部に設けられる、
請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記開口部の開口方向は、前記レーザ光源の放射方向でない、
請求項１または２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記筐体は、二重壁構造を備え、
前記開口部は、前記二重壁の隙間で形成される、
請求項１〜３のいずれかに記載の光学装置。
【請求項５】
前記開口部は、開口部内に遮蔽板をさらに備える、
請求項１〜４のいずれかに記載の光学装置。
【請求項６】
前記開口部は、開口部内にメッシュをさらに備える、
請求項１〜５のいずれかに記載の光学装置。
【請求項７】
レーザ光源と、
前記レーザ光源を収容する筐体と、
前記筐体に設けられた、前記筐体の内外に通気可能な単一の開口部とを備え、
前記開口部による分子流コンダクタンスＣと、前記筐体の内容積Ｖとが、前記筐体内で発生するガスの拡散係数ｋ、前記開口部の開口部面積Ｓ、前記開口部の開口部深度ｈを用いて、
【数８】
0005523046.tif 000010
Ｃ／Ｖ＞９×１０-4［１／ｓ］の関係を満たす、
光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学装置に関し、特に半導体レーザとレンズ、ミラー、光ファイバ等を有する光学装置において、レーザ入出端、レンズなどの光路部分への汚染物付着の抑制に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光源を使用する光学装置においては、外周環境中の汚染物の付着を防ぐため気密構造の筐体内にレーザ光源が収納されていた。しかしながら、その気密環境の内部で発生したガスが汚染物（硫酸アンモニウムや有機物等）となって光学部品に付着し、レーザ出力低下等の不具合が発生する可能性があった。
【０００３】
近年、高エネルギーレーザの普遍に伴い、その高エネルギー特性による汚染物の付着が顕著になってきている。汚染物の付着が起きると、レーザ出力が低下する。レーザが短波長、高出力になるほど、この影響は強くなる。
【０００４】
そのため、光学装置内部の汚染対策が強く望まれている。光学装置の筺体における排気構造の設置や、内部への非活性ガスの充填および吸着剤の使用などによる物理的、化学的な内部環境の浄化手段が用いられている。
【０００５】
例えば特許文献１では、レーザ照射の際の発熱による対流現象を利用して、レーザ光源の筺体に設けられた吸気口から同様に設けられた排気口へ至る内部発生ガスの対流を発生させ、煙突効果によって内部発生ガスが排気口から排出され、筺体内の内部発生ガスの濃度が減少し、光学部品への汚染物付着が抑制される方法が示されている。
【０００６】
また特許文献２では、気密構造の筐体内に吸着剤を配置し、吸着剤によって内部発生ガスによる汚染物を吸着し、その内部洗浄効果により集塵を防止する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−８８０６６号公報
【特許文献２】特開２００６−２８４６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１の方法は、実際には煙突効果による内部発生ガスの排気効果は小さいという問題があった。また、吸気口、排気口それぞれを筐体に設けなくてはならないという問題があった。
【０００９】
特許文献２の方法は、筐体内に配置する吸着剤を新たに用意する必要があり、また内部発生ガスを可能な限り発生させないため、依然として光学部品の材料選択に制限があるという問題があった。
【００１０】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、光学装置の光学部品表面への汚染物付着による出力低下を抑制し、かつ外部浮遊物質の流入や光漏れを抑制できる光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様にかかる光学装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源を収容する筐体と、前記筐体に設けられた、前記筐体の内外に通気可能な単一の開口部とを備え、前記開口部は、前記筐体の内向きの開口部面積より、前記筐体の外向きの開口部面積が小さい。
また、本発明の別の態様にかかる光学装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源を収容する筐体と、前記筐体に設けられた、前記筐体の内外に通気可能な単一の開口部とを備え、前記開口部による分子流コンダクタンスＣと、前記筐体の内容積Ｖとが、前記筐体内で発生するガスの拡散係数ｋ、前記開口部の開口部面積Ｓ、前記開口部の開口部深度ｈを用いて、
【数８】
0005523046.tif 000002
Ｃ／Ｖ＞９×１０-4［１／ｓ］の関係を満たす。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかる光学装置によれば、筐体内外のガス濃度差による拡散現象により開口部から内部発生ガスを排気でき、また開口部は１つであるため、外部浮遊物質の流入、開口部からの光漏れも抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１にかかる光学装置の構成図である。
【図２】１ｍｍΦと２ｍｍΦの開口部による光ファイバ端面における汚染物の付着結果を示す図である。
【図３】実施の形態２にかかる光学装置の構成図である。
【図４】実施の形態３にかかる光学装置の構成図である。
【図５】実施の形態３にかかる光学装置の断面図である。
【図６】光学装置の開口部の断面図である。
【図７】光学装置の開口部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜Ａ．実施の形態１＞
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本発明では、レーザ光源として半導体レーザを用いる。
【００１５】
＜Ａ−１．構成＞
図１は本発明にかかる光学装置の構成図（側面図）の一例である。図１に示すように、レーザ光源である半導体レーザ２を収容する筐体１内にレンズ等の光学部品５が配置され、半導体レーザ２から出射される光は、光学部品５を通って前方の光ファイバ４に導入される。光学部品５および光ファイバ４は、半導体レーザ２の光軸上に配置されるものである。
【００１６】
この筐体１の下部に、図に示すような単一の開口部３が設けられている。この開口部３は、筐体１の内外に通気可能な開口である。
【００１７】
＜Ａ−２．動作＞
光学装置において、内部の光学部品５や筐体１内面からガスが発生する（内部発生ガス）。このガスが筐体１内部において発生すると、当該ガス濃度は筐体１内部の方が筐体１外部より高くなるため、濃度勾配を駆動力とするガスの拡散現象により、内部発生ガスは開口部３を通って外部に放出される。
【００１８】
開口部３は筐体１の下部に設けられることにより、埃、塵等の外部浮遊物質は筐体１内部への流入確率が低くなる。
【００１９】
ここで開口部３の開口面積をＳ、開口部の深さをｈ、拡散係数ｋとすると、分子流コンダクタンスＣは以下の関係式で示すことができる。
【００２０】
【数１】
0005523046.tif 000003
【００２１】
内部発生ガスを開口部３から外部に放出し、光学部品５への汚染物の付着を抑制するためには、筐体１の内容積Ｖに応じて一定値以上の分子流コンダクタンスＣを有するように開口部３を設ける必要がある。本発明の実験に使用されるモデルの分子流コンダクタンスＣについて、汚染物の付着抑制に必要な内容積Ｖと分子流コンダクタンスＣの関係は次の通りである。
【００２２】
【数２】
0005523046.tif 000004
【００２３】
ここで、ｄは開口部３の直径であり、この実験における開口部３（図１参照）は円筒状である。図１に示す概略構成の光学装置の内容積を４０ｃｃとして作製し、１ｍｍΦ、および２ｍｍΦの開口部３を設けた場合の、１０００時間通電後の光ファイバ４端面の様子を図２（ａ）（ｂ）にそれぞれ示す。ここで開口部３の深度は、筐体１の厚みである２ｍｍである。
【００２４】
図２（ａ）に示されるように、１ｍｍΦの開口部３を設けた場合は、光ファイバ４端面に汚染物（硫酸アンモニウム）の付着が認められるのに対し、図２（ｂ）に示されるように、２ｍｍΦの開口部３を設けた場合では、光ファイバ４端面に汚染物の付着は認められない。このことから、汚染物付着の抑制には、内容積が４０ｃｃ、開口部深度が２ｍｍ、汚染物が硫酸アンモニウム（ＮＨ4）2ＳＯ4の場合において、少なくとも２ｍｍΦの開口部３（円形）が必要であることがわかる。
【００２５】
この結果は通常通り製造された汚染が少ない部材構成の筐体１において得られたものであるため、汚染レベルが高い部材を使用した筐体内である場合はさらに大きな開口部が必要になる。
【００２６】
図２（ａ）で付着している汚染物は硫酸アンモニウム（ＮＨ4）2ＳＯ4であるので、内部発生ガスとして例えばアンモニアを想定すると、アンモニア拡散係数が２３ｍｍ2／ｓ（日本化学会、化学便覧基礎編改定４版参照）であることから、以下の結果が得られる。
【００２７】
【数３】
0005523046.tif 000005
【００２８】
筐体１内部において発生可能性の高いガスは、接着剤から放出されるガスであるイソボニルアクリレート（Ｃ13Ｈ20Ｏ2）、ダイキャストから放出されるガスである硫酸アンモニウム（ＮＨ4）2ＳＯ4等がある。硫酸アンモニウム（ＮＨ4）2ＳＯ4は分子量１３２、イソボニルアクリレート（Ｃ13Ｈ20Ｏ2）は分子量２０８で、分子量が大きいために拡散係数ｋが相対的に低い。拡散係数ｋは圧力や温度に依存し、気体が２成分系、３成分系であったり、周りのガス種が違ったりしても変化するが、その拡散係数ｋはアンモニアの拡散係数２３［ｍｍ2／ｓ］より低いため、分子流コンダクタンスＣ／内容積Ｖは（３）式の値より低いものとなると考えられる。よって、少なくとも以下の関係を満たす必要があるといえる。
【００２９】
【数４】
0005523046.tif 000006
【００３０】
（４）式の条件を満たすように開口部３を形成することで、内部発生ガスが光学装置の筺体１内部に留まらずに開口部３から排気され、光ファイバ４端面への汚染物の付着を抑制することが可能となる。
【００３１】
＜Ａ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態１によれば、光学装置において、レーザ光源である半導体レーザ２と、半導体レーザ２を収容する筐体１と、筐体１に設けられた、筐体１の内外に通気可能な単一の開口部３とを備えることで、筐体１内外のガス濃度差による拡散現象により、開口部３から内部発生ガスを排気し、筐体１内の光学部品５に汚染物が付着することを抑制することができる。
【００３２】
また、本発明では拡散現象による内部発生ガスの排気を行っているため、吸気口、排気口の区別なく単一の開口部３で当該排気を実現でき、またレーザ照射時の熱を利用しないので、発熱がほとんど生じない光学系であっても適用可能である。さらに、単一の開口部３を設けるだけでよいので、設計上の制限も軽減される。
【００３３】
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、光学装置において、開口部３は、筐体１の下部に設けられることで、外部浮遊物質ガスの流入を抑制することが可能となる。
【００３４】
また、本発明にかかる実施の形態１によれば、光学装置において、開口部３による分子流コンダクタンスＣと、筐体１の内容積Ｖとが、（１）式および（４）式の関係を満たすことで、筐体１内の光ファイバ４端面に汚染物が付着することを抑制するのに十分な分子流コンダクタンスＣを得ることができる。
【００３５】
＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
光学装置の筐体１に開口部を設けた場合、分子流コンダクタンスＣを保ちつつも、外部浮遊物質の流入を抑制する必要がある。そこで、開口部３ａを以下のような形状にすることができる。
【００３６】
図３（ａ）は本発明の光学装置の構成図（側面図）であり、図３（ｂ）は開口部３ａの拡大図である。図３（ａ）（ｂ）にその断面を示すように、外部浮遊物質の流入を防ぐための開口部３ａを円錐台形とする。開口部３ａの外向きの開口半径をａ、内向きの開口半径をｂとし、ｂはａより大きいものとする。このように形成することにより、外向きに開口する面積が小さいことで外部浮遊物質の流入確率は低く抑えつつも、内向きに開口する面積が大きいことで分子流コンダクタンスＣはより大きく保つことができる。
【００３７】
＜Ｂ−２．動作＞
上記筺体１の場合、内容積４０ｃｃ、円錐台の上下半径ａ、ｂをそれぞれａ＝１ｍｍ、ｂ＝２ｍｍとすると、実施の形態１の場合と同様に以下の式が得られる。
【００３８】
【数５】
0005523046.tif 000007
【００３９】
上記の値を代入すると、以下の結果が得られる。
【００４０】
【数６】
0005523046.tif 000008
【００４１】
上記（６）式の結果は、（４）式の条件を満たすものであり、このような開口部３ａを設けることにより、内部発生ガスが筺体１内部に留まらず開口部３ａから排気され、かつ外部浮遊物質の流入も抑制される。
【００４２】
＜Ｂ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態２によれば、光学装置において、開口部３ａが、筐体１の内向きの開口部面積より、筐体１の外向きの開口部面積が小さいことで、外向きに開口する面積が小さいことで外部浮遊物質の流入確率は低く抑えつつも、内向きに開口する面積が大きいことで分子流コンダクタンスＣはより大きく保つことができる。よって、外部浮遊物質の流入を抑制しつつ、内部発生ガスを排気し光学部品５に汚染物が付着することを抑制できる。
【００４３】
＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成＞
図４は本発明にかかる光学装置の構成図（側面図）である。図５は図４構造の断面図である。筐体は円筒型で、直径が４０ｍｍ、長さが１００ｍｍとする。
【００４４】
図５に示すように、筺体は上下の半筒状構造（筐体１ａ、１ｂ）を向かい合わせた形状であり、開口部３ｂは上下筒の重ね部分（二重壁構造）にある隙間構造により形成される。よって開口部３ｂの開口方向は、半導体レーザ２の放射方向とは平行とならず、光漏れを抑制することが可能となる。
【００４５】
＜Ｃ−２．動作＞
本実施の形態３における筐体１ａ、１ｂの二重壁部分は全円周の１／８程度でこれが開口部３ｂの開口部深度に相当し、その隙間の間隔が１ｍｍである場合、実施の形態１、２の場合と同様に以下の式が得られる。
【００４６】
【数７】
0005523046.tif 000009
【００４７】
上記の値は（４）式の条件を満たすものであり、開口部３ｂによって十分な拡散効果が得られ、汚染物が光学部品５に付着することを抑制できることが分かる。
【００４８】
なお、筺体の材料はアルミ、銅など高熱伝導部材を使用する。また、実施の形態１〜３では円筒の筺体を使用しているが、特にこの形状に限定されるものではない。開口部３、３ａ、３ｂの形状も限定されることがなく、筺体の形状とレーザ光源部分の構造によって、例えば断面円形穴、矩形槽などの形状をとることが考えられる。
【００４９】
図６に開口部の断面図の例を示す。図中の矢印の方向に沿って、内部発生ガスが外部へと拡散していく様子を示している。開口部の形状に対応する遮蔽板６を開口部内を設け、筐体の内部からの内部発生ガスの拡散が実現すると同時に、迂回経路によって外部浮遊物質の流入防止および散乱光等の光漏れを防ぐことができる。当該開口部には、本実施の形態３で示す開口部３ｂを用いることができるが、実施の形態１の開口部３、および実施の形態２の開口部３ａであっても適用可能である。
【００５０】
また、図７に示すようなメッシュ７を開口部内に設けることも可能である。図中の矢印の方向に沿って、内部発生ガスが外部へと拡散していく様子を示している。メッシュ７によって、外部浮遊物質の流入防止効果がある。当該開口部には、本実施の形態３で示す開口部３ｂを用いることができるが、実施の形態１の開口部３、および実施の形態２の開口部３ａであっても適用可能である。
【００５１】
＜Ｃ−３．効果＞
本発明にかかる実施の形態３によれば、光学装置において、開口部３の開口方向は、半導体レーザ２の放射方向でないことで、半導体レーザ２の光が筐体から漏れることを抑制することが可能となる。
【００５２】
また、本発明にかかる実施の形態３によれば、光学装置において、筐体１ａ、１ｂは、二重壁構造を備え、開口部３は、二重壁の隙間で形成されることで、半導体レーザ２の光が筐体から漏れることを抑制することが可能となる。
【００５３】
また、本発明にかかる実施の形態３によれば、光学装置において、開口部３は、開口部内に遮蔽板６をさらに備えることで、迂回経路によって外部浮遊物質の流入防止および散乱光等の光漏れを防ぐことができる。
【００５４】
また、本発明にかかる実施の形態３によれば、光学装置において、開口部３は、開口部内にメッシュ７をさらに備えることで、外部浮遊物質の流入を防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００５５】
１，１ａ，１ｂ  筺体、２  半導体レーザ、３，３ａ，３ｂ  開口部、４  光ファイバ、５  光学部品、６  遮蔽板、７  メッシュ。
【図１】
0005523046.tif 000011
【図３】
0005523046.tif 000012
【図４】
0005523046.tif 000013
【図５】
0005523046.tif 000014
【図６】
0005523046.tif 000015
【図７】
0005523046.tif 000016
【図２】
0005523046.tif 000017