(57)【要約】【課題】光ファイバに損傷が生じることを防止した小型の光伝送装置を提供することを課題とする。【解決手段】光伝送装置１０は、コア１２とクラッド１４とを有する光ファイバ１６を備えている。また、光伝送装置１０は、クラッド１４へ入射するレーザ光の入射角を大きくする光路変換部１４を備えている。更に、光伝送装置１０は、屈折率がクラッド１４と同じ以上で、クラッド１４の周囲に設けられてクラッド１４に光学的に結合され、クラッド１４の周壁に到達した光をクラッド外部へ放射する光放射部２２を備えている。これにより、従来ではクラッドを長距離にわたって伝播するような入射角でクラッド１４に入射していたレーザ光は、光路変換部１４によって、クラッド中を短い距離で伝播するレーザ光にされて光放射部２２から光ファイバ外部へ放射される。従って、光放射部２２が短くても、着火等によって光ファイバが損傷することが回避される。【選択図】図１
2007171876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を伝送するコアと前記コアの周囲に設けられたクラッドとを有する光ファイバと、
前記光ファイバの入射端部又は出射端部の少なくとも一方に設けられ、前記クラッドへ入射するレーザ光の入射角を大きくする光路変換手段と、
屈折率が前記クラッドと同じ以上で、前記クラッドの周囲に設けられて前記クラッドに光学的に結合され、前記クラッドの側壁に到達した光をクラッド外部へ放射する光放射手段と、
を備えたことを特徴とする光伝送装置。
【請求項２】
前記光路変換手段が、臨界角よりも大きい入射角で前記コアに向かうレーザ光の入射角を大きくする機能を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の光伝送装置。
【請求項３】
前記光放射手段の周囲に設けられた筺体と、
前記筺体を冷却する放熱手段と、を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝送装置。
【請求項４】
前記光路変換手段として、前記クラッドに入射するレーザ光の光路を前記クラッドの外側へ向ける変換部材が設けられたことを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載の光伝送装置。
【請求項５】
前記光路変換手段として、前記クラッドの入射端部にテーパ面が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載の光伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に高出力のレーザ光を伝送するのに最適な光伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を用いた加工などでは、一般に高出力のレーザ光を光ファイバで伝送している。
【０００３】
ところで、光ファイバへの入射光のうち、開口数の範囲内で入射し、かつ、コア領域に入射したレーザ光のみが光ファイバ中を有効に伝播する。このため、それ以外の入射光は、クラッドを経由し、被覆部で吸収されて熱に変換され、着火等を起こし、光ファイバが損傷するという問題があった。しかも、小さな入射角でクラッドに入射した光は、かなりの長い距離を伝播した後、被覆部に到達し、被覆部が着火する。
【０００４】
この対策として、特許文献１〜３に開示された構造が提案されている。しかし、特許文献１〜３では、クラッド中を長い距離で伝播する光に対して小型の構成で対処することは開示されていない。
【特許文献１】特開平７−３１８７３３号公報
【特許文献２】特開２００４−１７０７４１号公報
【特許文献３】特開２００１−１６６１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮して、光ファイバに損傷が生じることを防止した小型の光伝送装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、レーザ光を伝送するコアと前記コアの周囲に設けられたクラッドとを有する光ファイバと、前記光ファイバの入射端部又は出射端部の少なくとも一方に設けられ、前記クラッドへ入射するレーザ光の入射角を大きくする光路変換手段と、屈折率が前記クラッドと同じ以上で、前記クラッドの周囲に設けられて前記クラッドに光学的に結合され、前記クラッドの側壁に到達した光をクラッド外部へ放射する光放射手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、従来ではクラッドを長距離にわたって伝播するような入射角でクラッドに入射していたレーザ光は、光路変換手段によって、クラッド中を短い距離で伝播するレーザ光にされ、光放射手段によって光ファイバ外部へ放射される。従って、着火等によって光ファイバが損傷することが回避される。しかも、クラッド中を短い距離で伝播する光にされるので、光放射手段を長く設ける必要がない。従って、光ファイバに損傷が生じることを防止した小型の光伝送装置とすることができる。
【０００８】
なお、レーザ光の入射端部に限らず、ワークなどからの戻り光が出射端から入射しても、同様の作用、効果を奏することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記光路変換手段が、臨界角よりも大きい入射角で前記コアに向かうレーザ光の入射角を大きくする機能を更に備えたことを特徴とする。
【００１０】
これにより、コアからクラッドへ突き抜けるレーザ光の入射角を大きくすることができる。従って、コアからクラッドへ突き抜けるレーザ光についてもクラッド中を短い距離で伝播する光にすることができるので、光伝送装置を更に小型化し易い。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記光放射手段の周囲に設けられた筺体と、前記筺体を冷却する放熱手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
これにより、筺体を介して冷却することができ、コンパクトな光伝送装置とすることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記光路変換手段として、前記クラッドに入射するレーザ光の光路を前記クラッドの外側へ向ける変換部材が設けられたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、クラッド外側へ通過した光はそのまま放散される。また、クラッド側壁面で反射してクラッド内側に向かう光は、光ファイバに対してなす角度が大きい。
【００１５】
請求項４に記載の発明により、光路変換手段の構成をより簡素で小型にすることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、前記光路変換手段として、前記クラッドの入射端部にテーパ面が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載の発明では、クラッドに入射した光はテーパ部を通過することによって、光ファイバ長手方向に対してなす角度が大きい光にされる。
【００１８】
請求項５に記載の発明により、請求項４に記載の発明と同様、光路変換手段の構成をより簡素で小型にすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は上記構成としたので、以下の効果を奏することができる。
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、光ファイバに損傷が生じることを防止した小型の光伝送装置とすることができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、コアからクラッドへ突き抜けるレーザ光についてもクラッド中を短い距離で伝播する光にすることができるので、光伝送装置を更に小型化し易い。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、筺体を介して冷却することができ、コンパクトな光伝送装置とすることができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、光路変換手段の構成をより簡素で小型にすることができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明と同様、光路変換手段の構成をより簡素で小型にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、実施形態を挙げ、本発明の実施の形態について説明する。なお、第２実施形態以下では、既に説明した構成要素と同様のものには同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００２６】
［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る光伝送装置１０は、レーザ光を伝送するコア１２と、コア１２の周囲に設けられたクラッド１４とを有する光ファイバ１６を備えている。
【００２７】
また、光伝送装置１０は、光ファイバ１６の入射端部に光学的に結合され、クラッド１４へ入射する光の入射角を大きくする光路変換部２０を有する。光路変換部２０と光ファイバ１６との間で反射光が発生するのを防止する上で、光路変換部２０の屈折率は光ファイバ１６の屈折率と同程度であることが好ましい。本実施形態では、光路変換部２０の表面には無反射膜がコーティングされている。
【００２８】
そして、光伝送装置１０は、クラッド１４に光学的に結合されてクラッド１４から入った光を放射する光放射部２２を有する。光放射部２２を構成する光学材料は、屈折率がクラッド１４と同程度かそれよりも高い材料であり、例えば、石英ガラスやサファイアである。
【００２９】
更に、光伝送装置１０は、光放射部２２の周囲に設けられた筺体２４と、筺体２４を冷却する放熱部２６と、を備えている。筺体２４は、熱伝導率の高い材質（例えばステンレス）で構成されている。本実施形態では、熱抵抗を小さくするために、光放射部２２と筺体２４、及び、筺体２４と放熱部２６は、それぞれ面接触している。筺体２４から放熱部２６に伝達される熱量が大きい場合、必要に応じて放熱部２６の冷却方式を水冷方式にする。筺体２４から放熱部２６に伝達される熱量が小さい場合には、放熱部２６の冷却方式は筺体２４を自然冷却する方式であってもよい。
【００３０】
本実施形態では、レーザ光の入射端部で、従来ではクラッド１４を長距離にわたって伝播するような入射角でクラッドに入射していたレーザ光を、光路変換部２０によって、クラッド１４を短い距離で伝播するレーザ光にすることができる。そして、光放射部２２によって光ファイバ１６の外部へ放射される。従って、クラッドモードが励振されず、着火等によって光ファイバ等が損傷することが回避される。しかも、クラッド１４を短い距離で伝播する光にされるので、光放射部２２を長く設ける必要がない。従って、光ファイバ１６の入射端部でミスアライメント等が生じていても光ファイバ１６に損傷が生じない小型の光伝送装置１０とすることができる。
【００３１】
また、光放射部２２の周囲に設けられた筺体２４と、筺体２４を冷却する放熱部２６と、が設けられている。そして、熱抵抗を小さくするために、光放射部２２と筺体２４、及び、筺体２４と放熱部２６は、それぞれ面接触している。従って、コンパクトな構成で光放射部２２及び筺体２４を効率良く冷却することができる。
【００３２】
以上の説明では、光ファイバ１６の入射端部に光路変換部２０、筺体２４、光放射部２２及び放熱部２６が設けられている形態で説明したが、光ファイバ１６の出射端部にこれらが設けられていても良い。これにより、ワークなどからの戻り光が光ファイバ１６の出射端部から入射しても、同様の作用、効果を奏することができる。
【００３３】
（光伝送装置が小型化されることの追加説明）
以下、光路変換部２０を仮に設けない場合を説明し、光路変換部２０によって光伝送装置１０が大幅に小型化されていることを詳細に説明する。
【００３４】
図２に示すように、入射角θｉでクラッド１４に入射したレーザ光は、スネルの法則に従い、光ファイバ１６に対して角度θｐの方向に伝播する。ここで、コア１２の屈折率をｎｇとすると、クラッド１４の屈折率ｎｃはｎｇとほぼ同じ値であり、θｉ、θｐ、ｎｇは以下の式を満たす。
【００３５】
【数１】
2007171876.tif 000003
この光がクラッド１４を突き抜けて最初に光放射手段に到達するまでの距離の最大値Ｌは、クラッドの外径（光ファイバの外径）をｄとすると、近似的に以下の式を満たす。
【００３６】
【数２】
2007171876.tif 000004
また、θｉ、θｐ、ｎｇは以下の式を満たす。
【００３７】
【数３】
2007171876.tif 000005
これらの式により、Ｌは近似的に以下のように算出される。
【００３８】
【数４】
2007171876.tif 000006
ＮＡ（開口数）が０．１以内の光を光ファイバ１６に結合させる場合、現実的な数値としてｄ＝０．７ｍｍ、ｎｇ（≒ｎｃ）＝１．４５と仮定し、θｉの値をパラメータとして変化させてＬの値を算出すると、以下の値となる。
【００３９】
Ｌ≒０．０１ｍ（１０ｍｍ）  （θｉ＝５．６°のとき）
Ｌ≒０．０５ｍ（５０ｍｍ）  （θｉ＝１°のとき）
Ｌ≒０．５ｍ（５００ｍｍ）  （θｉ＝０．１°のとき）
Ｌ≒５ｍ                    （θｉ＝０．０１°のとき）
Ｌ≒５０ｍ                  （θｉ＝０．００１°のとき）
このように、光路変換部２０を設けない場合では、Ｌの値が著しく大きくなる場合があり、光放射部２２、更には放熱部２６の必要長さが妥当な範囲を超えてしまう。本実施形態では、光路変換部２０を設けることにより、光放射部２２や放熱部２６の必要長さを大幅に短くすることができ、光伝送装置１０の小型化に大きく寄与している。
【００４０】
なお、光路変換部２０は、臨界角（開口数を満たす入射角）よりも大きい入射角でコア１２に向かうレーザ光の入射角を大きくする機能を更に備えていてもよい。光路変換部２０がこのような機能を備えることにより、コア１２を伝播するレーザ光を除外することなく、コア１２からクラッド１４へ突き抜けるレーザ光の入射角を大きくすることができる。従って、従来では臨界角よりも若干大きい角度でコア１２に入射してクラッドへ突き抜けていたレーザ光を、臨界角よりも充分に大きい角度でコア１２に入射させてクラッドへ突き抜けさせることができるので、光伝送装置１０を更に小型化し易い。
【００４１】
＜第１実施形態の実施例＞
本実施例では、光路変換部２０として、図３、図４に示すような断面が略楔状の光学部材３０が設けられている。
【００４２】
この光学部材３０の入射面側は、コア１２の端面と同じ領域ではコア１２の端面と平行な中央平面部３２にされ、クラッド１４の端面の投影領域では中央平面部３２に向けてすり鉢状にとなった凹面部３４にされている。また、光学部材３０の出射面側は、クラッド端面やコア端面と平行な裏面側平面部３６にされている。
【００４３】
この構成により、外部から凹面部３４に向かうレーザ光Ｌｉの光路をクラッド１４の外側へ向けたレーザ光ＬＡに変換できる。また、このレーザ光Ｌｉは、クラッド端面１４Ｆに対し、凹面部３４を通過する前の角度θｉに比べて大きな入射角θＡとなったレーザ光ＬＡに変換されている。
【００４４】
クラッド１４に入射したレーザ光ＬＡのうち、クラッド１４の外側へ通過した光はそのまま放散され、クラッド側壁面２２Ｓで反射してクラッド１４の内側に向かう光は、光ファイバ１６に対してなす角度が大きい。
【００４５】
本実施例では、光学部材３０の裏面側平面部３６と凹面部３４とのなす角度をθｗとすると、ｎｗ＝ｎｇである場合、以下の式を満たす。ここで、ｎｗとは光学部材３０の屈折率のことである。
【００４６】
【数５】
2007171876.tif 000007
よって、Ｌの値は以下のように算出される。
【００４７】
【数６】
2007171876.tif 000008
θｗ＝１２°とした場合、レーザ光の入射角θｉが５．６°よりも小さい範囲において、Ｌは概ね１０ｍｍ程度となる。
【００４８】
本実施例により、光路変換部２０の構成をより簡素で小型にしても上記実施形態による効果を奏することができる。
【００４９】
なお、凹面部３４に角度分布を形成するなどして凹面部３４の角度調整を行うことにより、臨界角以下でコア１２に向かうレーザ光をそのままコア１２に入射させ、臨界角よりも大きい入射角でコア１２に向かうレーザ光の入射角を大きくしてもよい。これにより、コア１２からクラッド１４へ突き抜けるレーザ光の入射角を大きくすることができる。従って、コア１２からクラッド１４へ突き抜けるレーザ光についてもクラッド１４の中を短い距離で伝播する光にすることができるので、光伝送装置を更に小型化することができる。
【００５０】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態に比べ、光路変換部２０を設けずに、図５、図６に示すように、入射端部にテーパ面４４Ｔが加工によって形成されたクラッド４４をクラッド１４に代えて設けている。
【００５１】
本実施形態では、コア１２の端面とテーパ面４４Ｔとのなす角度をθｔとすると、以下の式を満たす。
【００５２】
【数７】
2007171876.tif 000009
よって、Ｌの値は以下のように算出される。
【００５３】
【数８】
2007171876.tif 000010
θｔ＝１２°とした場合、レーザ光の入射角θｉが５．６°よりも小さい範囲において、Ｌは概ね１０ｍｍ程度となる。
【００５４】
本実施例では、このテーパ面４４Ｔをレーザ光が通過することにより、通過前に比べ、光ファイバに対してなす角度が大きくなる。従って、第１実施形態で説明した光路変換部２０を設けることなく構成が著しく簡素で小型な光伝送装置とすることができる。
【００５５】
以上、実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲がこれらの実施形態に限定されないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１実施形態に係る光伝送装置の構成を示す側面断面図である。
【図２】第１実施形態に係る光伝送装置が小型化されることを説明するための説明図である。
【図３】図３（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、第１実施形態の実施例の光伝送装置の構成を示す模式的な正面図及び側面断面図である。
【図４】第１実施形態の実施例の光伝送装置の光路変換部の側面図である。
【図５】図５（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、第２実施形態に係る光伝送装置の構成を示す模式的な正面図及び側面断面図である。
【図６】図５（Ｂ）の部分拡大図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０    光伝送装置
１２    コア
１４    クラッド
１６    光ファイバ
２０    光路変換部（光路変換手段）
２２    光放射部（光路変換手段）
２４    筺体
２６    放熱部（放熱手段）
３０    光学部材（変換部材）
４４    クラッド
４４Ｔ  テーパ面
【図１】
2007171876.tif 000011
【図２】
2007171876.tif 000012
【図３】
2007171876.tif 000013
【図４】
2007171876.tif 000014
【図５】
2007171876.tif 000015
【図６】
2007171876.tif 000016