(57)【要約】【課題】高ピーク出力のパルスレーザ光を高い自由度の伝送経路で効率良く伝送することのできるパルスレーザ装置および光ファイババンドルを提供する。【解決手段】パルスレーザ光２を発生するレーザ共振器３と、前記パルスレーザ光２を伝送する光ファイババンドル６とを備え、前記光ファイババンドル６は、前記パルスレーザ光２を伝送するコア１１と前記コア１１を囲むクラッド１２とからなる素線ファイバ１３の複数本が集束されてなり、前記パルスレーザ光２の入射側の端部において前記素線ファイバ１３は相互に融着され各素線ファイバ１３のコア１１が六角形の断面形状を有する構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ光を発生するレーザ共振器と、前記パルスレーザ光を伝送する光ファイババンドルとを備え、前記光ファイババンドルは、前記パルスレーザ光を伝送するコアと前記コアを囲むクラッドとからなる素線ファイバの複数本が集束されてなり、前記パルスレーザ光の入射側の端部において前記素線ファイバは相互に融着され各素線ファイバのコアが六角形の断面形状を有することを特徴とするパルスレーザ装置。
【請求項２】
前記光ファイババンドルの前記融着された端面が前記レーザ共振器の一端を構成していることを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ装置。
【請求項３】
前記パルスレーザ光が加工対象物に照射されてレーザ加工部で発生するプラズマ光と前記パルスレーザ光を分離するダイクロイックミラーと、前記分離されたプラズマ光の光量を測定する光検出器とを備えていることを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ装置。
【請求項４】
前記光ファイババンドルは、両端面で素線ファイバの相互の位置関係が同じであることを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ装置。
【請求項５】
光を伝送するコアと前記コアを囲むクラッドとからなる素線ファイバの複数本が集束されてなり、前記光の入射側の端部において前記素線ファイバは相互に融着され各素線ファイバのコアが六角形の断面形状を有することを特徴とする光ファイババンドル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高ピーク出力のパルスレーザ光を発生し伝送するパルスレーザ装置および光ファイババンドルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば、原子力発電所の廃止措置に際しての建屋内部のコンクリート壁面等の除染を目的として、レーザクリーニング技術の開発が行われており、一部適用が検討されている。このレーザクリーニング技術では、ピーク出力が、例えば１０ＭＷ以上の、極めて大きいパルスレーザ光が使用される。また、このような高ピーク出力のパルスレーザ光を用いて、美術品等のクリーニング、あるいは、元素の微量分析等を行う技術も開発が進められている。
【０００３】
上記のような、例えば、レーザクリーニング装置等の高ピーク出力のパルスレーザ光を使用するパルスレーザ装置においては、パルスレーザ光の伝送手段として、一般的に、反射ミラーを用いた空間伝送が採用されている。しかしながら、例えば、伝送経路が複雑で長い場合や、あるいは、伝送経路に自由度が要求される場合等においては、多数の反射ミラーを使用し、それらの位置、および、角度を精密に管理、または、制御する必要があるため、装置が複雑化する問題が生じている。特に、天井面のような高所やＵ字形に屈曲した配管内部の除染を行うレーザクリーニング装置では装置が複雑化する。
【０００４】
上記の問題を解決するために、伝送経路の自由度の高い光伝送が容易に実現できる光ファイバを用いた伝送が要望されている。しかしながら光ファイバ伝送においては、高ピーク出力のパルスレーザ光を光ファイバの内部に導入する際、光ファイバ自身が損傷を受けてしまう恐れがある。これを回避する手段として、例えば、ビームホモジナイザを利用した光ファイバ導光装置、あるいは、光ファイバを多数束ねた光ファイババンドルの使用が近年検討されている。
【０００５】
ビームホモジナイザを利用した光ファイバ導光装置は下記の特許文献１で詳細に説明されている。これは、パルスレーザ発振器からのレーザ光をＦＯＰ（光ファイバプレート）、カライドスコープ、拡散板、マイクロアレイレンズ等のビームホモジナイザを介して集光し、光ファイバのコア端面に導光するものである。レーザ光はビームホモジナイザを通過することにより空間的なコヒーレンスが低くなり、光ファイバに導光してもレーザ光は細く集束しないため、光ファイバを損傷することなく高ピーク出力のパルスレーザ光を光ファイバにより伝送することができる。
【０００６】
しかしながら、この場合、伝送用の光ファイバはコア径がφ１ｍｍ以上の太いものとなるため、光ファイバの許容曲げ半径は通常３００ｍｍ以上となり、自由度の高い光伝送は困難である。
【０００７】
次いで、光ファイババンドルを使用した光伝送装置についていえば、光ファイババンドルは、通常、コア径５０〜２００μｍ程度の光ファイバ素線を数千本束ねて、直径数ｍｍ程度にし、その両端部のみを接着剤により固定したものが使用されている。パルスレーザ発振器からのレーザ光を集光し、光ファイババンドルの片方の端面に照射すると、レーザ光は各々の素線ファイバのコアを伝送して光ファイババンドルの反対側の端面から出射する。レーザ光を導入する端面において、レーザスポットを直径数ｍｍ程度に大きくすることが可能であるため，ピーク出力密度が低くなり、光ファイババンドルを損傷することなく高ピーク出力のパルスレーザ光を伝送することが可能となる。また、各々の素線ファイバは細径であるため、許容曲げ半径は１００ｍｍ程度となり、伝送経路の自由度の高い光伝送も可能である。
【０００８】
しかしながら、従来の光ファイババンドルはレーザ光導入端面におけるコア占有率（素線ファイバコア面積の総和を全面積で除した値）は０．５〜０．６程度であり、また、レーザ光は素線ファイバのコアに入射したものしか伝送できないため、伝送効率が極めて低い。また、端部で素線ファイバを結合している接着剤のレーザ強度耐性はコアやクラッド等に使用されているガラス素材と比較して低いため、あまり高出力のレーザ光を導入することもできない。したがって、レーザクリーニング装置に適用することは困難である。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１３８４０９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、最近、高ピーク出力のパルスレーザ光を光ファイバを用いて高い自由度の伝送経路で効率良く伝送することが要望されているが、かかる要望を実現するための手段は未だ知られていない。
【００１１】
本発明はかかる事情に対処してなされたものであり、その目的は高ピーク出力のパルスレーザ光を高い自由度の伝送経路で効率良く伝送することのできるパルスレーザ装置および光ファイババンドルを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明のパルスレーザ装置は、パルスレーザ光を発生するレーザ共振器と、前記パルスレーザ光を伝送する光ファイババンドルとを備え、前記光ファイババンドルは、前記パルスレーザ光を伝送するコアと前記コアを囲むクラッドとからなる素線ファイバの複数本が集束されてなり、前記パルスレーザ光の入射側の端部において前記素線ファイバは相互に融着され各素線ファイバのコアが六角形の断面形状を有する構成とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記光ファイババンドルの前記融着された端面が前記レーザ共振器の一端を構成している構成とする。
請求項３に記載の発明は、前記パルスレーザ光が加工対象物に照射されてレーザ加工部で発生するプラズマ光と前記パルスレーザ光を分離するダイクロイックミラーと、前記分離されたプラズマ光の光量を測定する光検出器とを備えている構成とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、前記光ファイババンドルは、両端面で素線ファイバの相互の位置関係が同じである構成とする。
請求項５に記載の発明の光ファイババンドルは、光を伝送するコアと前記コアを囲むクラッドとからなる素線ファイバの複数本が集束されてなり、前記光の入射側の端部において前記素線ファイバは相互に融着され各素線ファイバのコアが六角形の断面形状を有する構成とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るパルスレーザ装置の構成図である。この実施の形態のパルスレーザ装置１ａは、パルスレーザ光２を発振するレーザ共振器３と、パルスレーザ光２を増幅する光増幅用アンプ４と、パルスレーザ光２を集光するレンズ５と、パルスレーザ光２を伝送する光ファイババンドル６から構成されている。レーザ共振器３としては、例えばフラッシュランプを励起光源とするＱスイッチやＮｄ：ＹＡＧレーザ等が使用される。
【００１６】
光ファイババンドル６は、図２に示すように、細径の素線ファイバ１３を複数束ねたものである。素線ファイバ１３はコア１１とそれを取り巻くクラッド１２から構成され、コア１１の材質には、例えば、溶融石英が使用される。光ファイババンドル６の一端１０ａは図２（ａ）に示すように、融着により複数の素線ファイバ１３が相互に結合されていて、その融着部７では、クラッド１２が一体化し、コア１１は断面が六角形の形状を有して隙間無く整列した状態となっている。光ファイババンドル６の他端１０ｂは、図２（ｂ）に示すように、素線ファイバ１３を任意に配列し接着剤１４で固定することにより、例えば、矩形、円形、線状、ドーナツ状などの所定の形状に整形されている。
【００１７】
次に、このパルスレーザ装置の作用を説明する。レーザ共振器３からは、時間幅が短く平均出力に対するピーク出力の比が大きいパルスレーザ光２が出射される。このパルスレーザ光２は光増幅用アンプ４に伝送されて、ピーク出力が非常に高いパルスレーザ光２に増幅される。この増幅されたパルスレーザ光２はレンズ５で集光されて、光ファイババンドル６の融着部７の端面１０ａに、ほぼ同径のスポットで照射される。
【００１８】
このパルスレーザ装置では照射スポット径が大きいのでピーク出力密度は低くなる。また、レーザ入射側の端部では素線ファイバ１３の結合に接着剤１４を使用していないためレーザ強度耐性は高く、したがって、パルスレーザ光２は、端部を損傷することなく、光ファイババンドル６の内部に導入される。パルスレーザ光２は各素線１３のコア１１内部を別々に伝送して他端１０ｂから出射する。
【００１９】
レーザ入射部である融着部７の端面１０ａではコア占有率（素線ファイバコア面積の総和を全面積で除した値）が高いため伝送効率も高くなる。また、各々の素線ファイバ１３は細径であるため、許容曲げ半径が小さい。また、光ファイババンドル６のレーザ出射端面１０ｂでは、所定の形状に整形されているため、イメージレンズ８を使用して、加工対象物９の表面に所定のスポット形状でレーザを照射することができ、レーザクリーニング等のレーザ加工を加工対象物９の形状に応じて効率的に施工することができる。
【００２０】
以上説明したように、本実施の形態によれは、光伝送系に入射端部１０ａを融着した光ファイババンドル６を使用するので、高ピーク出力のパルスレーザ光２を、光伝送系を損傷することなく、高い伝送効率で、しかも、許容曲げ半径の小さい高い自由度を有して、伝送することができる。また、光ファイババンドル６のレーザ出射端面１０ｂを所定の形状に整形するので、加工対象物９の形状に応じて、レーザ加工を効率的に施工することができる。
【００２１】
なお、上記においては、光増幅用アンプ４を使用した場合について説明したが、光増幅用アンプ４を使用しない場合であっても、同様の作用および効果を得ることができる。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。すなわち、図３に示すように、この第２の実施の形態のパルスレーザ装置１ｂは、パルスレーザ光２を発振するレーザ共振器３と、光増幅用アンプ４と、パルスレーザ光２を集光するレンズ５と、光ファイババンドル６と、ダイクロイックミラー２３と、プラズマ光２０を集光するレンズ５ａと、光検出器２４から構成されている。
【００２３】
レーザ共振器３としては、例えばフラッシュランプを励起光源とするＱスイッチやＮｄ：ＹＡＧレーザ等が使用される。光ファイババンドル６およびその上端面１０ａと下端面１０ｂの構成は、図２に示した第１の実施の形態におけると同じである。
【００２４】
ダイクロイックミラー２３には、パルスレーザ光２とプラズマ光２０とが混合した光から、波長選択的にプラズマ光２０、あるいはプラズマ光２０の一部を抽出するミラーが使用される。例えば、レーザ共振器３としてＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する場合には、パルスレーザ光２の波長は１０６４ｎｍであるのに対し、プラズマ光２０は通常、可視光（波長４００〜８００ｎｍ）であるため、ダイクロイックミラー２３として、１０６４ｎｍの光は透過し、可視光は反射する特性を有するミラーを使用する。光検出器２４には、ダイクロイックミラー２３で反射して伝送されたプラズマ光２０の波長域に感度を持つセンサー、例えば可視波長域（４００〜８００ｎｍ）に感度を持つフォトダイオードなどを使用する。
【００２５】
次に、この第２の実施の形態のパルスレーザ装置の作用を説明する。前記第１の実施の形態で説明した作用に加えて以下の作用がある。加工対象物９上の加工部で発生したプラズマ光２０は、イメージレンズ８で集光されて、光ファイババンドル６の端面１０ｂから導入され、光ファイババンドル６を構成する素線ファイバ１３のコア１１を伝送して、端面１０ａから放出される。放出されたプラズマ光２０はレンズ５を介してダイクロイックミラー２３に至り、ダイクロイックミラー２３の波長選択特性により、パルスレーザ光２から分離された後、レンズ５ａで集光されて光検出器２４に導入され、プラズマ光２０の光量が測定される。
【００２６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、前記の第１の実施の形態の効果に加えて、施工中に加工部で発生するプラズマ光２０の光量をリアルタイムでモニタすることができる。加工部で発生するプラズマ光２０の光量は、加工状態と密接な関係があるため、加工状態が正常か否かリアルタイムでモニタしながら施工することが可能となる。
【００２７】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。すなわち、図４に示すように、本実施の形態のパルスレーザ装置１ｃは、パルスレーザ光２を発振するレーザ共振器３と、光増幅用アンプ４と、パルスレーザ光２を集光するレンズ５と、光ファイババンドル６と、照明装置２９と、イメージレンズ８と、ダイクロイックミラー２３と、レンズ２７と、ＣＣＤカメラ２８から構成されている。レーザ共振器３としては、例えばフラッシュランプを励起光源とするＱスイッチやＮｄ：ＹＡＧレーザ等が使用される。
【００２８】
光ファイババンドル６は、図２に示したように、細径の素線ファイバ１３を複数束ねたものである。素線ファイバ１３はコア１１とそれを取り巻くクラッド１２から構成され、コア１１の材質には、例えば、溶融石英が使用される。光ファイババンドル６の両端は、融着により複数の素線ファイバ１３が相互に結合されていて、その融着端部では、図２（ａ）に示したように、クラッド１２が一体化し、コア１１は断面が六角形の形状を有して隙間無く整列した状態となっている。さらに、その両端部では、素線ファイバ１３が同じ相対位置に配置されており、端面１０ｂの像は端面１０ａに正確に伝送される。
【００２９】
照明装置２９は可視光の照明光３０を発する。ダイクロイックミラー２３には、パルスレーザ光２と可視光２５とを波長的に分離するミラーが使用される。例えば、レーザ共振器３としてＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する場合には、パルスレーザ光２の波長は１０６４ｎｍであるのに対し、可視光２５の波長は４００〜８００ｎｍであるため、ダイクロイックミラー２３として、１０６４ｎｍの光は透過し、可視光２５は反射する特性を有するミラーを使用する。レンズ２６とレンズ２７は、この２組のレンズでイメージレンズを構成し、端面１０ａの像がＣＣＤカメラ２８の受光面上に結像される。
【００３０】
次に、この第３の実施の形態のパルスレーザ装置の作用を説明する。前記第１の実施の形態で説明した作用に加えて以下の作用がある。照明装置２９から発せられた照明光３０は加工対象物９上の加工部を照らす。加工部の像は、イメージレンズ８によって光ファイババンドル６の端面１０ｂに結像し、その像は細かく分解されて多数の素線ファイバ１３によって個別に伝送され、素線ファイバ１３が同じ位置関係に配列された反対側の端面１０ａに至る。この像は、イメージレンズを構成するレンズ２６とレンズ２７およびダイクロイックミラー２３を介してＣＣＤカメラ２８の受光面上に結像される。
【００３１】
この第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、レーザ加工の前後において、加工部の画像を遠隔でモニタすることができる。したがって、加工前に加工位置を確認するとともに、加工後に加工が正常に行われたか否かを画像で確認することが可能となる。
【００３２】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。すなわち、図５に示すように、この実施の形態のパルスレーザ装置１ｄは、リアミラー１５とＱスイッチ１６とオシレータ１７と光ファイババンドル６から構成されている。オシレータ１７としては、例えばフラッシュランプを励起光源とするＹＡＧレーザロッド等が使用される。また、リアミラー１５には、例えば平面反射ミラー等が使用される。光ファイババンドル６の構成は、図２に示した第１、第２の実施の形態におけると同じであるが、融着部７の端面１０ａには部分反射コーティング部１８が設けられており、この部分反射コーティング部１８とリアミラー１５とによりレーザ共振器３ａが形成されている。
【００３３】
次に、この第４の実施の形態のパルスレーザ装置の作用を説明する。すなわち、光ファイババンドル６の融着部７の端面１０ａに設けられた部分反射コーティング部１８とリアミラー１５とから構成されるレーザ共振器３ａからは、Ｑスイッチ１６の作用により、時間幅が短くピーク出力が高いパルスレーザ光２が発振する。このようにして発振したパルスレーザ光２は直接、光ファイババンドル６に導入される。
【００３４】
光ファイババンドル６へ導入されるパルスレーザ光２の照射スポット径が大きいのでピーク出力密度は低くなる。また、融着部７においては素線ファイバ１３の結合に接着剤を使用していないためレーザ強度耐性は高く、したがって、パルスレーザ光２は、端部１０ａを損傷することなく、光ファイババンドル６の内部に導入される。
【００３５】
パルスレーザ光２は各素線ファイバ１３のコア１１内部を別々に伝送して他端１０ｂから出射する。レーザ入射部である融着端面１０ａではコア占有率（素線ファイバコア面積の総和を全面積で除した値）が高いため、光ファイババンドル６の他端１０ｂから取り出されるパルスレーザ光２の出力も高くなる。また、各々の素線ファイバ１３は細径であるため、許容曲げ半径が小さい。
【００３６】
また、光ファイババンドル６のレーザ出射端面１０ｂでは、所定の形状に整形されているため、イメージレンズ８を使用して、加工対象物９の表面に所定のスポット形状でレーザを照射することができ、レーザクリーニング等のレーザ加工を加工対象物９の形状に応じて効率的に施工することができる。
【００３７】
本実施の形態によれば、端部７を融着した光ファイババンドル６の端面１０ａをレーザ共振器３ａの部分透過鏡として作用させ、この光ファイババンドル６を光伝送系としても使用するので、光伝送系を損傷することなく、高ピーク出力のパルスレーザ光２を、高出力で、しかも、許容曲げ半径の小さい高い自由度を有する光ファイババンドル６から取り出すことができる。また、光ファイババンドル６のレーザ出射面１０ｂを所定の形状に整形するので、加工対象物９の形状に応じて、レーザ加工を効率的に施工することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、高ピーク出力のパルスレーザ光を高い自由度の伝送経路で効率良く伝送することのできるパルスレーザ装置および光ファイババンドルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のパルスレーザ装置の構成図。
【図２】本発明の実施の形態の光ファイババンドルの構造を示し、（ａ）は入射端、（ｂ）は出射端を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態のパルスレーザ装置の構成図。
【図４】本発明の第３の実施の形態のパルスレーザ装置の構成図。
【図５】本発明の第４の実施の形態のパルスレーザ装置の構成図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…パルスレーザ装置、２…パルスレーザ光、３，３ａ…レーザ共振器、４…光増幅用アンプ、５，５ａ…レンズ、６…光ファイババンドル、７…融着部、８…イメージレンズ、９…加工対象物、１０ａ，１０ｂ…光ファイババンドルの端面、１１…コア、１２…クラッド、１３…素線ファイバ、１４…接着剤、１５…リアミラー、１６…Ｑスイッチ、１７…オシレータ、１８…部分反射コーティング部、１９…プラズマ、２０…プラズマ光、２３…ダイクロイックミラー、２４…光検出器、２５…可視光、２６，２７…レンズ、２８…ＣＣＤカメラ、２９…照明装置、３０…照明光。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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