(57)【要約】【課題】  レーザ装置において反射光による特性劣化を抑制することができる光デバイス及び当該光デバイスを備えるレーザ装置を提供する。【解決手段】  コア３１ａ及びコア３１ａの外周を囲うクラッド３１ｂを有する第１ファイバ３１と、コア３２ａ及びコア３２ａの外周を囲うクラッド３２ｂを有し、第１ファイバ３１の一方の端面３１ｆａに一方の端面３２ｆｂが接続される第２ファイバ３２と、第２ファイバ３２の他方の端面３２ｆａに接続される石英ブロック３５と、を備える第２ファイバ３２の他方の端面３２ｆａは、第２ファイバ３２が接続される石英ブロック３５の面３５ｆｂより小さく、第１ファイバ３１の一方の端面３１ｆａより大きい。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア及び前記コアの外周を囲うクラッドを有する第１ファイバと、
コア及び前記コアの外周を囲うクラッドを有し、一方の端面に前記第１ファイバの一方の端面が接続される第２ファイバと、
前記第２ファイバの他方の端面に接続される石英ブロックと、
を備え、
前記第２ファイバの前記他方の端面は、前記石英ブロックの前記第２ファイバが接続される面より小さく、前記第１ファイバの前記一方の端面より大きい
ことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記第２ファイバは、前記第２ファイバの前記クラッドを伝搬する光を外周面から出射させる
ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記第２ファイバの前記クラッドは、長手方向に非平行に延在する溝を外周面に有する
ことを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記第２ファイバの前記クラッドのうち前記溝が形成された部位の外径は、前記第１ファイバの前記クラッドの外径より小さい
ことを特徴とする請求項３に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記第２ファイバの前記クラッドは、前記第２ファイバの前記クラッドより屈折率が高い高屈折率層によって外周面の少なくとも一部が被覆される
ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記第２ファイバの前記一方の端面は、前記第１ファイバの前記一方の端面より大きく、
前記第２ファイバの前記一方の端面のうち前記第１ファイバに接していない部位は、少なくとも前記第２ファイバを伝搬する光と同じ波長の光を透過する樹脂で被覆され、
前記樹脂は、前記第２ファイバを伝搬する光と同じ波長の光を吸収する部材に接している
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項７】
少なくとも１つの光源と、
前記光源から出射される光を伝搬する光ファイバと、
前記光ファイバの出射端に設けられる請求項１から６のいずれか１項に記載の光デバイスと、
を備える
ことを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光デバイス及び当該光デバイスを備えるレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバレーザ装置は、集光性に優れ、パワー密度が高く、小さなビームスポットとなる光が得られることから、レーザ加工分野、医療分野等の様々な分野において用いられている。
【０００３】
ファイバレーザ装置は、発振器から出力される高出力のレーザ光を光ファイバに伝搬させて出射し、レーザ光を目的の照射位置に照射する。このようなファイバレーザ装置におけるレーザ光の出射端の構造は、例えば下記特許文献１に開示されている。下記特許文献１に開示されているファイバレーザ装置では、レーザ光の出射端において、レーザ光を伝搬する光ファイバの端面が石英ブロック（ディスク）に融着されている。この石英ブロックの外径は、融着される光ファイバの外径に対して十分に大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０００−５１４９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようなファイバレーザ装置において、光ファイバから出射されるレーザ光は、石英ブロックに通されることにより、開口数に従って広がりながら石英ブロック内を伝搬してビーム密度が低減される。以下、石英ブロックのうち光ファイバが接続される側の面を入射面といい、その反対側の面を出射面ということがある。石英ブロックの出射面から出射されるレーザ光は、集光レンズを有する加工ヘッドに通されることによって集光され、加工対象物に照射される。加工対象物に照射されたレーザ光は、加工対象物に吸収されることによって熱となり、加工に寄与する。
【０００６】
しかし、加工対象物に照射されるレーザ光のうち一部は、加工対象物の表面で反射され、さらにその反射された光の一部は石英ブロックに入射することがある。加工点に理想的に集光されたレーザ光が加工対象物の表面に垂直に入射して垂直に反射される場合、その反射光は加工ヘッドで再度集光され、石英ブロックの入射面側において石英ブロックに接続される光ファイバに再結合する。しかし、実際には加工ヘッドのレンズの収差や熱レンズ効果などにより、理想的な集光は難しい。さらに加工対象物の表面には、一般的に微小な凹凸や斜面が形成されているため、加工対象物の表面で反射されて石英ブロック側に戻ってくる反射光は、石英ブロックの入射面において光ファイバが接続されている部位以外の位置に集光する場合がある。
【０００７】
本発明者は、上記のように石英ブロックの入射面において光ファイバが接続されている部位以外の位置に反射光が集光すると、その反射光によって石英ブロックが加熱され、レーザ装置の特性を劣化させる等の問題を生じる場合があることを見出した。
【０００８】
そこで本発明は、レーザ装置において反射光による特性劣化を抑制することができる光デバイス及び当該光デバイスを備えるレーザ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】
【０００９】
本発明の光デバイスは、コア及び前記コアの外周を囲うクラッドを有する第１ファイバと、コア及び前記コアの外周を囲うクラッドを有し、一方の端面に前記第１ファイバの一方の端面が接続される第２ファイバと、前記第２ファイバの他方の端面に接続される石英ブロックと、を備え、前記第２ファイバの前記他方の端面は、前記石英ブロックの前記第２ファイバが接続される面より小さく、前記第１ファイバの前記一方の端面より大きいことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のレーザ装置は、少なくとも１つの光源と、前記光源から出射される光を伝搬する光ファイバと、前記光ファイバの出射端に設けられる上記光デバイスと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
レーザ装置において、レーザ光を伝搬する光ファイバは、取り回しを容易にする等の観点から、ある程度細いものが好ましい。従来のレーザ装置の出射端では、このように細く形成された光ファイバと石英ブロックとが直接接続される。すなわち、従来のレーザ装置の出射端では、上記光デバイスにおける第１ファイバに相当する光ファイバと石英ブロックとが直接接続される。一方、上記光デバイスでは、第１ファイバと石英ブロックとの間に第２ファイバが備えられる。石英ブロックに接続される第２ファイバの端面は、第１ファイバの端面より大きい。従って、第１ファイバが第２ファイバを介さずに石英ブロックに接続される場合に比べて、レーザ装置から出射されて加工対象物の表面で反射されるレーザ光を光ファイバ（第２ファイバ）に入射させやすくなる。その結果、反射光によって石英ブロックが加熱されることを抑制することができ、石英ブロックが加熱されることによるレーザ装置の特性劣化を抑制することができる。また、石英ブロックから第２ファイバ及び第１ファイバへと順に外径が小さくなることによって、石英ブロックに入射する反射光のパワー密度を分散させながら段階的に処理することができる。さらに、石英ブロック、第２ファイバ、第１ファイバが順に接続されることによって、接続される部材同士の外径の差が小さくなるため、各部材が融着される際の熱容量差を小さくすることができる。その結果、第１ファイバ及び第２ファイバが融着される際に第１ファイバ及び第２ファイバのコアに曲がりが生じることを抑制できるので、第１ファイバ及び第２ファイバのコアの曲がりに起因するビーム品質の悪化を抑制することができる。
【００１２】
また、前記第２ファイバは、前記第２ファイバの前記クラッドを伝搬する光を外周面から出射させることが好ましい。
【００１３】
レーザ装置から出射されて加工対象物の表面で反射されるレーザ光は、第２ファイバのクラッドに入射して当該クラッドを伝搬するクラッドモード光となることがある。クラッドを伝搬する光を外周面から出射できるように第２ファイバが構成されることによって、上記のようなクラッドモード光を外周面から出射させることができる。このように意図的にクラッドモード光を出射させることによって、クラッドモード光による熱を適切な方法で放熱させやすくなる。
【００１４】
また、前記第２ファイバの前記クラッドは、長手方向に非平行に延在する溝を外周面に有することが好ましい。
【００１５】
第２ファイバのクラッドの外周面に長手方向に非平行な溝が形成されることによって、当該溝の側面に入射するクラッドモード光の一部をクラッドの外に出射させることができるので、クラッドモード光を第２ファイバのクラッドから外に出射させやすくなる。
【００１６】
また、前記第２ファイバの前記クラッドのうち前記溝が形成される部位の外径は、前記第１ファイバの前記クラッドの外径より小さいことが好ましい。
【００１７】
上記のように石英ブロックに接続される第２ファイバの端面が第１ファイバの端面より大きくされることによって、第１ファイバが石英ブロックに直接接続される場合に比べて多くの反射光を光ファイバ（第２ファイバ）に入射させやすくなる。ただし、光ファイバのクラッドが厚い場合、クラッドモード光を外周面から出射させ難くなる。そこで、上記のように第２ファイバの端面が第１ファイバの端面より大きくされつつ、溝を形成することで第２ファイバの外径を部分的に第１ファイバより細くすることによって、第２ファイバのクラッドに反射光が入射されやすくなると共に、第２ファイバのクラッドの外径が第１ファイバのクラッドの外径のように細い場合と同等にクラッドモード光を第２ファイバのクラッドの外に出射させることができる。
【００１８】
また、前記第２ファイバの前記クラッドは、前記第２ファイバの前記クラッドより屈折率が高い高屈折率層によって外周面の少なくとも一部が被覆されることが好ましい。
【００１９】
第２ファイバのクラッドが高屈折率層に被覆されることによって、クラッドモード光はクラッドから高屈折率層に入射しやすくなるで、高屈折率層を介してクラッドモード光を第２ファイバの外に出射させることが容易になる。
【００２０】
また、前記第２ファイバの前記一方の端面は、前記第１ファイバの前記一方の端面より大きく、前記第２ファイバの前記一方の端面のうち前記第１ファイバに接していない部位は、少なくとも前記第２ファイバを伝搬する光と同じ波長の光を透過する樹脂で被覆され、前記樹脂は、前記第２ファイバを伝搬する光と同じ波長の光を吸収する部材に接していることが好ましい。
【００２１】
上記のように第２ファイバの端面が樹脂で被覆されて当該樹脂が光を吸収する部材に接していることによって、第２ファイバの端面のうち第１ファイバに接していない部位に到達する反射光を、当該樹脂を介して光を吸収する部材へと伝えることができる。さらに、光を吸収する部材へと伝えられた反射光を熱に変えて光デバイスの外に放出させ、光デバイスが反射光によって加熱されることを抑制することができる。また、上記のように第２ファイバの端面が樹脂で被覆されることによって、当該端面が汚れることを抑制することができ、第２ファイバの端面の汚れがクラッドモード光を吸収して発熱することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように本発明によれば、レーザ装置において反射光による特性劣化を抑制することができる光デバイス及び当該光デバイスを備えるレーザ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ装置を示す概念図である。
【図２】図１に示す光デバイスを概略的に示す断面図である。
【図３】図２に示す第１ファイバ、第２ファイバ、及び石英ブロックを概略的に示す断面図である。
【図４】従来の光デバイスに備えられる石英ブロックと石英ブロックに接続される光ファイバの一部との断面図及び反射光の光路例を概略的に示す図である。
【図５】従来の光デバイスに備えられる石英ブロックと石英ブロックに接続される光ファイバの一部との断面図及び反射光の他の光路例を概略的に示す図である。
【図６】従来の光デバイスに備えられる石英ブロックと石英ブロックに接続される光ファイバの一部との断面図及び反射光の更なる他の光路例を概略的に示す図である。
【図７】従来の光デバイスに備えられる石英ブロックと石英ブロックに接続される光ファイバの一部との断面図及び反射光の更なる他の光路例を概略的に示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る光デバイスに備えられる石英ブロックと石英ブロックに接続される第２ファイバの一部との断面図及び反射光の光路例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る光デバイス及びレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
＜レーザ装置＞
まず、本実施形態のレーザ装置の構成について説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ装置を示す概念図である。図１に示すように、本実施形態のレーザ装置１は、複数の光源１０と、光コンバイナ２０と、光デバイス３０とを主な構成として備える。
【００２７】
それぞれの光源１０は、所定の波長の光を出射するレーザ装置とされ、例えば、ファイバレーザ装置や固体レーザ装置とされる。光源１０がファイバレーザ装置とされる場合、共振器型のファイバレーザ装置であったり、ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型のファイバレーザ装置であったりする。それぞれの光源１０から出射する光は、例えば、１０５０ｎｍの波長の光とされる。
【００２８】
それぞれの光源１０には、光源１０から出射する光を伝搬する光ファイバ１１が接続されている。それぞれの光ファイバ１１は、例えば、コアの直径が２０μｍ程度のフューモードファイバとされる。従って、それぞれの光源１０から出射する光は、２から４程度のＬＰモードで、それぞれの光ファイバ１１を伝搬する。
【００２９】
光コンバイナ２０は、それぞれの光ファイバ１１のコアと光ファイバ２１のコアとを接続する部材であり、例えば、それぞれの光ファイバ１１と、光ファイバ１１よりも直径の大きい光ファイバ２１とが端面接続されてなる。光ファイバ２１は、例えば、コアの直径が５０μｍから１００μｍ程度とされるマルチモードファイバとされる。
【００３０】
図２は、図１に示す光デバイス３０を概略的に示す断面図である。図２に示す光デバイス３０は、第１ファイバ３１、第２ファイバ３２、石英ブロック３５、筐体４０、及び樹脂被覆部４５を主な構成として備える。図３は、図２に示す第１ファイバ３１、第２ファイバ３２、及び石英ブロック３５を拡大して示す断面図である。
【００３１】
第１ファイバ３１は、光ファイバ２１の一部または光ファイバ２１に接続される光ファイバ２１と同様の構成の他の光ファイバとされる。第１ファイバ３１は、ケーブル被覆５５に収容されており、コア３１ａ、コア３１ａを囲うクラッド３１ｂ、及びクラッド３１ｂを覆う被覆層３１ｃを有する。第１ファイバ３１の一方の端面３１ｆａ側の端部では、端面３１ｆａから２０ｍｍ程度の範囲で被覆層３１ｃが剥がされており、端面３１ｆａは第２ファイバ３２に融着接続されている。このような第１ファイバ３１は、例えば、コア３１ａの直径が１００μｍ程度、クラッド３１ｂの外径が３６０μｍ程度の光ファイバとされる。
【００３２】
第２ファイバ３２は、コア３２ａ、コア３２ａを囲うクラッド３２ｂを有する光ファイバである。第２ファイバ３２は、一方の端面３２ｆｂが第１ファイバ３１の一方の端面３１ｆａに融着接続され、他方の端面３２ｆａが石英ブロック３５の入射面３５ｆｂに融着接続される。第２ファイバ３２の一方の端面３２ｆｂは、第１ファイバ３１の一方の端面３１ｆａより大きい。従って、第２ファイバ３２の一方の端面３２ｆｂは、第１ファイバ３１の一方の端面３１ｆａに接続されていない部位を有する。また、第２ファイバ３２の他方の端面３２ｆａは、石英ブロック３５の入射面３５ｆｂより小さい。従って、石英ブロック３５の入射面３５ｆｂは、第２ファイバ３２の他方の端面３２ｆａに接続されていない部位を有する。なお、第２ファイバ３２の外径は後述するクラッドモードストリッパが形成される部位を除いて概ね一定であり、第２ファイバ３２の一方の端面３２ｆａと他方の端面３２ｆｂとは概ね大きさが同じである。従って、第２ファイバ３２の他方の端面３２ｆａは、第１ファイバ３１の一方の端面３１ｆａより大きい。
【００３３】
第２ファイバ３２のクラッド３２ｂは、第２ファイバ３２の周方向に沿った溝３２ｄを外周面に有している。溝３２ｄは、第２ファイバ３２の周方向に沿って形成される溝であり、第２ファイバ３２の長手方向に沿って複数並列されている。これらの溝３２ｄがクラッドモードストリッパとして機能する。すなわち、複数の溝３２ｄがクラッド３２ｂの外周面に形成されることによって、溝３２ｄの側面に入射するクラッドモード光の一部がクラッド３２ｂの外に出射される。このような溝３２ｄは、例えば、ＣＯ２レーザ加工等によって形成することができる。溝３２ｄが形成される前の第２ファイバ３２を中心軸周りに回転させつつＣＯ２レーザを照射することによって、溝３２ｄを形成することができる。また、このようにＣＯ２レーザによって溝３２ｄを形成する場合、ＣＯ２レーザ加工後に酸水素バーナによるファイアポリッシュ等で加工跡を滑らかにすることにより、第２ファイバ３２の強度低下を抑制することができる。
【００３４】
第２ファイバ３２のコア３２ａは、直径が第１ファイバ３１のコア３１ａの直径以上の大きさであることが好ましい。第２ファイバ３２は、例えば、コア３２ａの直径が１００μｍ程度、クラッド３２ｂの外径が２ｍｍ程度、長さが６０ｍｍ程度の光ファイバとすることができる。この場合、クラッドモードストリッパは、例えば、第２ファイバ３２の他方の端面３２ｆａから長手方向に５ｍｍの位置から４５ｍｍの位置までの範囲において、周方向に沿って形成される深さ０．７ｍｍ程度の溝３２ｄが第２ファイバ３２の長手方向に沿って１ｍｍ間隔で４６本形成することによって構成される。第２ファイバ３２と石英ブロック３５との融着点近傍には後述する反射光が集中する可能性があるため、溝３２ｄは、当該融着点から所定の距離を離して形成されることが好ましい。従って、上記例のように、第２ファイバ３２のうち石英ブロック３５側の端面３２ｆａから５ｍｍ程度の位置には溝３２ｄを形成しないことが好ましい。
【００３５】
また、クラッドモード光を溝３２ｄの側面に入射させやすくする観点からは、溝３２ｄは深い方が好ましい。ただし、溝３２ｄが形成されている部位における第２ファイバ３２の直径は、コア３２ａの直径の５倍以上であることが好ましい。このように溝３２ｄが形成される部分における第２ファイバ３２の直径がある程度太くされることによって、溝３２ｄを形成する加工を行う際にコア３２ａが熱で歪むことを抑制することができ、コア３２ａを伝搬するビームの品質が悪化することを抑制できる。従って、例えば、溝３２ｄが形成されていない部位の第２ファイバ３２の外径が２ｍｍ、コア３２ａの直径が１００μｍである場合、溝３２ｄの深さを７５０μｍ以下とし、溝３２ｄが形成されている部位の第２ファイバ３２の直径を５００μｍ以上とすることが好ましい。
【００３６】
石英ブロック３５は、ガラスから成る柱状体である。石英ブロック３５は、例えば、直径８ｍｍ、長さ２３ｍｍ程度の合成石英から成る円柱状体とすることができる。石英ブロック３５の一方の面３５ｆｂには、第２ファイバ３２のうち第１ファイバ３１とは反対側の端面３２ｆａが酸水素バーナ等によって融着接続される。石英ブロック３５に接続される第２ファイバ３２の端面３２ｆａは、上記のように、石英ブロック３５の入射面３５ｆｂより小さく、第１ファイバ３１の端面３１ｆａより大きい。
【００３７】
樹脂被覆部４５は、第２ファイバ３２の第１ファイバ３１側の端面３２ｆｂのうち第１ファイバ３１に接していない部位、及び第１ファイバ３１の第２ファイバ３２側の端部の外周面を覆う樹脂から成る。第１ファイバ３１の第２ファイバ３２側の端部は被覆層３１ｃが剥がされており、第１ファイバ３１のクラッド３１ｂの少なくとも一部は、樹脂被覆部４５によって覆われている。このような樹脂被覆部４５を構成する樹脂としては、少なくとも第２ファイバ３２を伝搬する光と同じ波長の光を透過する樹脂であることが好ましく、例えばシリコーン樹脂等があげられる。
【００３８】
筐体４０は、第１ファイバ３１の一部、第２ファイバ３２、及び石英ブロック３５を収容する部材である。筐体４０は筒状に形成されており、中空部に第１ファイバ３１、第２ファイバ３２、及び石英ブロック３５が収容される。筐体４０は、例えば、熱伝導性に優れる銅等の金属によって構成される。筐体４０は、レーザ装置１から出射されるレーザ光のパワー等に応じて水冷されても良く、空冷されても良い。
【００３９】
筐体４０内において、石英ブロック３５は、外周面が接着剤等によって筐体４０の内周面に固定されることにより、位置が固定される。
【００４０】
また、筐体４０内において、第２ファイバ３２は、一方の端部が石英ブロック３５に接続されることによって固定され、他方の端部は第１スペーサ５０によって固定される。第１スペーサ５０は、第１ファイバ３１及び第２ファイバ３２を筐体４０内に固定すると共に、第１ファイバ３１と第２ファイバ３２との融着点において第１ファイバ３１及び第２ファイバ３２の位置ずれを抑制する金属製の部材である。第１スペーサ５０は筒状に形成されると共に外周面に外側に突出する突起部５０ａ，５０ｂを有している。第１スペーサ５０の内周面側には、第１ファイバ３１及び第２ファイバ３２のうち第１ファイバ３１と第２ファイバ３２との融着点を含む部位が収容される。また、第１ファイバ３１及び第２ファイバ３２と第１スペーサ５０の内周面との間は、樹脂被覆部４５を構成する樹脂で充填される。このようにして、第１ファイバ３１と第２ファイバ３２との融着点が補強される。また、このように第１スペーサ５０の内周面によって第１ファイバ３１及び第２ファイバ３２が保持されると共に、突起部５０ａ，５０ｂが筐体４０の内周面に当接することによって、第１ファイバ３１及び第２ファイバ３２の位置ずれが抑制されると共に、第１ファイバ３１及び第２ファイバ３２が筐体４０内において固定される。
【００４１】
また、筐体４０内において、第１ファイバ３１は、第２ファイバ３２との融着点側の端部が上記のように第１スペーサ５０によって固定されると共に、他の部位が第２スペーサ５２によって固定される。第２スペーサ５２は、第１ファイバ３１の位置ずれを抑制する金属製の部材である。第２スペーサ５２は、第１ファイバ３１が挿通される貫通孔を有する筒状の部材であって、第２ファイバ３２側の端部は内径及び外径が大きくなるように形成され、他端は外径が小さくなるように形成されている。第２スペーサ５２のうち内径及び外径が大きくなっている方の端部では、内周面が第１スペーサ５０の端部の外周面に接すると共に外周面が筐体４０の内周面に接している。一方、外径が小さくなるように形成されている端部は、外周面がケーブル被覆５５の内周面に接するように、ケーブル被覆５５に挿入されている。
【００４２】
次に、本実施形態のレーザ装置１の動作及び作用について説明する。
【００４３】
それぞれの光源１０から所定の波長の光が出射すると、それぞれの光は光ファイバ１１を伝搬して、光コンバイナ２０で合波され光ファイバ２１を介して光デバイス３０から出射する。光デバイス３０において、レーザ光は、第１ファイバ３１のコア３１ａ及び第２ファイバ３２のコア３２ａを伝搬し、石英ブロック３５を通って出射される。石英ブロック３５に入射したレーザ光は、開口数に従って広がりながら石英ブロック３５内を伝搬して出射面３５ｆａから出射され、図示されていない加工ヘッドによって集光されて加工対象物に照射される。加工対象物に照射されたレーザ光は、加工対象物に吸収されることによって熱となり、加工に寄与する。
【００４４】
しかし、加工対象物に照射されるレーザ光のうち一部は、加工対象物の表面で反射され、さらにその反射された光の一部は、石英ブロック３５に入射することがある。以下、このような反射光によるレーザ装置１の特性劣化を光デバイス３０が抑制できる理由について説明する。
【００４５】
まず、従来の光デバイスを用いる場合において、上記のような反射光によってレーザ装置の特性劣化が生じる原因について説明する。図４から図７は、それぞれ従来の光デバイスに備えられる石英ブロック１３５と石英ブロック１３５に接続される光ファイバ１３１の一部との断面図及び反射光の光路例を概略的に示す図である。
【００４６】
図４から図７に示す石英ブロック１３５は上記石英ブロック３５と同様の部材である。また、光ファイバ１３１は上記第１ファイバ３１と同様の光ファイバであり、コア１３１ａ及びコア１３１ａの外周を囲うクラッド１３１ｂを有する。従来の光デバイスでは、第２ファイバ３２に相当する光ファイバを介さずに、第１ファイバ３１に相当する光ファイバ１３１が石英ブロック１３５に直接接続される。このような光デバイスにおいて、石英ブロック１３５から出射されて加工点に理想的に集光されたレーザ光が加工対象物の表面に垂直に入射して垂直に反射される場合、その反射光Ｌ１は図４に示されるような光路を経る。すなわち、反射光Ｌ１は、図示されていない加工ヘッドで集光され、石英ブロック１３５の入射面１３５ｆｂ側において、光ファイバ１３１のコア１３１ａに焦点ｆ１を形成する。このように反射光Ｌ１が光ファイバ１３１のコア１３１ａに再結合する場合は、その反射光Ｌ１の強さを検知することが容易であるため、安全にレーザ光の出射を止めて問題が生じることを未然に防ぎやすい。また、この場合は反射光Ｌ１が熱に変換され難く、反射光Ｌ１による発熱等の問題は生じ難い。
【００４７】
しかし、実際には加工ヘッドのレンズの収差や熱レンズ効果などにより、理想的な集光は難しい。さらに加工対象物の表面には一般的に微小な凹凸や斜面が形成されているため、加工対象物の表面で反射されて石英ブロック１３５側に戻ってくる反射光は、光ファイバ１３１のコア１３１ａからずれた位置に焦点を形成する。図５に示されるように、反射光Ｌ２の焦点ｆ２が光ファイバ１３１のクラッド１３１ｂに形成される場合は、反射光Ｌ２がクラッド１３１ｂを伝搬するクラッドモード光となる。この場合は、クラッドモードストリッパを設ける等して、クラッドモード光となった反射光Ｌ２を意図的に所定の場所から放出させることができるので、適切な方法で放熱することが可能であり、反射光Ｌ２に起因する発熱の問題が生じることを抑制できる。
【００４８】
反射光の焦点位置が光ファイバ１３１の中心からさらにずれて、図６に示すように光ファイバ１３１の外縁部に反射光Ｌ３の焦点ｆ３が形成されたり、図７に示すように石英ブロック１３５の入射面１３５ｆｂのうち光ファイバ１３１が接していない部位に反射光Ｌ４の焦点ｆ４が形成されたりすると、石英ブロック１３５が反射光Ｌ３、Ｌ４によって加熱され、レーザ装置の特性を劣化させる等の問題を生じる場合がある。
【００４９】
一方、上記光デバイス３０では、第１ファイバ３１と石英ブロック３５との間に第２ファイバ３２が備えられる。石英ブロック３５に接続される第２ファイバ３２の端面３２ｆａは、上記のように、第１ファイバ３１の端面３１ｆａより大きい。従って、従来のレーザ装置に比べて、レーザ装置１から出射されて加工対象物の表面で反射されるレーザ光を光ファイバ（第２ファイバ３２）に入射させやすくなる。その結果、反射光によって石英ブロック３５が加熱されることを抑制することができ、石英ブロック３５が加熱されることによるレーザ装置１の特性劣化を抑制することができる。
【００５０】
上記のように反射光を光ファイバに入射させる観点からは、上記従来の光デバイスにおいて光ファイバ１３１を太くすればよいとも考えられる。しかし、光ファイバ１３１を太くすると、取り回しが非常に難しくなる。上記光デバイス３０では、第１ファイバ３１は細く形成することができるため、取り回しのし易さが犠牲されることを抑制しつつ、上記のように反射光を第２ファイバ３２に入射させ、反射光による加熱に起因したレーザ装置１の特性劣化を抑制することができる。
【００５１】
また、反射光を第２ファイバ３２により多く入射させる観点からは、石英ブロック３５の入射面３５ｆｂにおいて、石英ブロック３５の側面で反射せずに反射光が入射し得る領域全体を覆うように第２ファイバ３２が接続されることが好ましい。ただし、石英ブロック３５の入射面３５ｆｂには反射光が入射しにくい領域ができる。図８は、本実施形態に係る光デバイス３０に備えられる石英ブロック３５と石英ブロック３５に接続される第２ファイバ３２の一部との断面図及び反射光の光路例を概略的に示す図である。図８に示されるように、焦点位置ｆ５が石英ブロック３５の入射面３５ｆｂの中心から大きくずれるように石英ブロック３５に入射する反射光Ｌ５は、斜線で示される反射光Ｌ５の一部Ｌ５ａが石英ブロック３５の出射面３５ｆａに入射しづらい。このように、反射光の入射位置が入射面３５ｆｂの中心から所定距離遠ざかると入射する反射光の量が減り、反射光による発熱量は抑えられる。また、入射面３５ｆｂの外周近傍にはほとんど反射光は入射しない。従って、第２ファイバ３２の外径を石英ブロック３５の外径より小さくすることができる。
【００５２】
また、上記光デバイス３０では、上記のように、第２ファイバ３２のクラッド３２ｂが外周面からクラッドモード光を出射させることができるように構成されている。従って、第２ファイバ３２のクラッド３２ｂに入射する反射光を、第２ファイバ３２のクラッド３２ｂの外周面から意図的に出射させることができる。このように意図的に所定の位置でクラッドモード光を出射させることによって、クラッドモード光による熱を適切な方法で放熱させやすくなる。
【００５３】
なお、光ファイバのクラッドが厚い場合、クラッドに入射した光を外周面まで伝搬させるためには、その光を長い距離伝搬させる必要がある。よって、クラッドの外周面に設けられるクラッドモードストリッパによってクラッドモード光を除去する場合、太い光ファイバでは、細い光ファイバに比べて相対的にクラッドモード光を除去し難くなる。そのため、太い光ファイバでは、長手方向に沿って長い距離にクラッドモードストリッパを形成することが考えられる。しかし、上記光デバイス３０では、第２ファイバ３２は、端面等のクラッドモードストリッパが形成されている部分を除く部分は第１ファイバより太く形成されているが、クラッドモードストリッパは第２ファイバ３２の外径を小さくする溝３２ｄによって構成されている。従って、第２ファイバ３２のうち溝３２ｄが形成されている部分では外径が細くなるため、外径が細い光ファイバを用いる場合と同等にクラッドモード光をクラッド３２ｂの外に出射させることができる。
【００５４】
クラッドモード光をクラッド３２ｂの外に出射させやすくする観点からは、第２ファイバ３２のうち外径が最も細い部位の外径は、第１ファイバ３１の外径より小さいことが好ましい。上記のように石英ブロック３５に接続される第２ファイバ３２の端面３２ｆａが第１ファイバ３１の端面３１ｆａより大きくされることによって、第１ファイバ３１が石英ブロック３５に直接接続される場合に比べて多くの反射光を光ファイバ（第２ファイバ３２）に入射させやすくなる。ただし、光ファイバのクラッドが厚い場合、上記のようにクラッドモード光を外周面から出射させ難くなる。そこで、上記のように第２ファイバ３２の端面３２ｆａが第１ファイバ３１の端面３１ｆａより大きくされつつ、溝３２ｄが形成されることによって第２ファイバ３２の外径が部分的に細くされることによって、第２ファイバ３２のクラッド３２ｂに反射光が入射されやすくなると共に、第１ファイバ３１のような細い光ファイバを石英ブロック３５に直接する接続する場合と同等にクラッドモード光を第２ファイバ３２のクラッド３２ｂの外に出射させることができる。
【００５５】
また、上記光デバイス３０では、第２ファイバ３２の端面３２ｆｂのうち第１ファイバ３１に接していない部位が樹脂被覆部４５で被覆される。このように第２ファイバ３２の端面３２ｆｂが樹脂で被覆されることによって、端面３２ｆｂが汚れることを抑制することができ、端面３２ｆｂに付着した汚れがクラッドモード光を吸収して発熱することを抑制することができる。また、樹脂被覆部４５は第１スペーサ５０に接しており、第２ファイバ３２の端面３２ｆｂのうち第１ファイバ３１に接していない部位に到達するクラッドモード光（反射光）を、樹脂被覆部４５を介して第１スペーサ５０へと伝えることができる。ここで、第１スペーサ５０が第２ファイバ３２を伝搬する光と同じ波長の光を吸収する部材である場合、上記のように樹脂被覆部４５を介して伝えられるクラッドモード光を第１スペーサ５０において熱に変換することができる。さらに、第１スペーサ―５０は筐体４０に接しているので、上記のようにクラッドモード光が変換されて生じる熱を筐体４０に伝えて外に放出させることもできる。このような用途に樹脂被覆部４５が耐えうるようにするため、樹脂被覆部４５には耐熱性に優れるシリコーン樹脂を用いることが好ましい。
【００５６】
上記のように、第２ファイバ３２のクラッド３２ｂに入射する反射光は、複数の溝３２ｄからなるクラッドモードストリッパ又は樹脂被覆部４５によってクラッド３２ｂの外に出射される。このとき、クラッド３２ｂが太く形成されていることによって、クラッドモード光のエネルギー密度が低減しているため、クラッドモード光を効率良く処理することができる。また、石英ブロック３５から第２ファイバ３２及び第１ファイバ３１へと順に外径が小さくなることによって、石英ブロック３５に入射する反射光のパワー密度を分散させながら段階的に処理することができる。さらに、石英ブロック３５、第２ファイバ３２、第１ファイバ３１が順に接続されることによって、接続される部材同士の外径の差が小さくなるため、各部材が融着される際の熱容量差を小さくすることができる。その結果、第１ファイバ３１及び第２ファイバ３２が融着される際に第１ファイバ３１及び第２ファイバ３２のコアに曲がりが生じることを抑制できるので、第１ファイバ３１及び第２ファイバ３２のコアの曲がりに起因するビーム品質の悪化を抑制することができる。
【００５７】
以上、本発明について、上記実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５８】
例えば、上記実施形態ではクラッドモードストリッパとして周方向に沿った複数の溝３２ｄが形成される例を示したが、クラッドモード光をクラッドの外の出射させるクラッドモードストリッパの形態はこれに限定されない。クラッドモードストリッパとしてクラッド３２ｂの外周面に溝を形成する場合、当該溝は長手方向に非平行な方向に延在していれば良く、例えば溝が螺旋状に延在しても良い。また、クラッド３２ｂの表面を粗くしてクラッドモードストリッパとすることや、クラッド３２ｂより屈折率が高い高屈折率層によってクラッド３２ｂの外周面の少なくとも一部が被覆することによって、当該高屈折率層をクラッドモードストリッパとすることもできる。第２ファイバ３２のクラッド３２ｂが高屈折率層に被覆されることによって、クラッドモード光を高屈折率層に入射させやすくなるので、高屈折率層を介してクラッドモード光をクラッド３２ｂの外に出射させることが容易になる。ただし、本発明においてクラッドモードストリッパは必須の構成要素ではない。
【００５９】
また、上記実施形態では樹脂被覆部４５が備えられる形態を例示して説明したが、樹脂被覆部４５は必須の構成要素ではない。
【００６０】
また、上記実施形態では、第１ファイバ３１と第２ファイバ３２とが別々に形成されて接続される場合を例示して説明したが、第１ファイバ３１と第２ファイバ３２とは一体に形成されてもよい。第１ファイバ３１と第２ファイバ３２とが一体に形成される場合、例えば、第２ファイバ３２の端部に石英管を被せて外径を大きくし、第２ファイバ３２の端部を第１ファイバ３１とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ装置において反射光による特性劣化を抑制できる光デバイス、及び当該光デバイスを備えるレーザ装置が提供され、加工機や医療用レーザ装置等の分野で利用することが期待される。
【符号の説明】
【００６２】
１・・・レーザ装置
１０・・・光源
２０・・・光コンバイナ
３０・・・光デバイス
３１・・・第１ファイバ
３２・・・第２ファイバ
３５・・・石英ブロック
４０・・・筐体
４５・・・樹脂被覆部
【図１】
2018004771.tif 000003
【図２】
2018004771.tif 000004
【図３】
2018004771.tif 000005
【図４】
2018004771.tif 000006
【図５】
2018004771.tif 000007
【図６】
2018004771.tif 000008
【図７】
2018004771.tif 000009
【図８】
2018004771.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月6日(2017.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア及び前記コアの外周を囲うクラッドを有する第１ファイバと、
コア及び前記コアの外周を囲うクラッドを有し、一方の端面に前記第１ファイバの一方の端面が接続される第２ファイバと、
前記第２ファイバの他方の端面に接続される石英ブロックと、
を備え、
前記第２ファイバの前記他方の端面は、前記石英ブロックの前記第２ファイバが接続される面より小さく、前記第１ファイバの前記一方の端面より大きく、
前記第２ファイバは、前記第２ファイバの前記クラッドを伝搬する光を外周面から出射させ、
前記第２ファイバの前記クラッドは、長手方向に非平行に延在する溝を前記外周面に有し、
前記第２ファイバの前記クラッドのうち前記溝が形成された部位の外径は、前記第１ファイバの前記クラッドの外径より小さい
ことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記第２ファイバの前記クラッドは、前記第２ファイバの前記クラッドより屈折率が高い高屈折率層によって外周面の少なくとも一部が被覆される
ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記第２ファイバの前記一方の端面は、前記第１ファイバの前記一方の端面より大きく、
前記第２ファイバの前記一方の端面のうち前記第１ファイバに接していない部位は、少なくとも前記第２ファイバを伝搬する光と同じ波長の光を透過する樹脂で被覆され、
前記樹脂は、前記第２ファイバを伝搬する光と同じ波長の光を吸収する部材に接している
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項４】
少なくとも１つの光源と、
前記光源から出射される光を伝搬する光ファイバと、
前記光ファイバの出射端に設けられる請求項１から３のいずれか１項に記載の光デバイスと、
を備える
ことを特徴とするレーザ装置。