光ファイバ形集光器およびそれを用いたレーザ装置
【課題】縮径領域先端部でのレーザ光の漏れを抑制して、ファイバ束先端部の外径を小さくでき、出力用ファイバのコア径も小さくできる光ファイバ形集光器を提供する。
【解決手段】複数の光ファイバ１１１の束からなる入力用ファイバ１１と、１つのコア１２２を有する光ファイバからなる出力用ファイバ１２との間に、複数の他の光ファイバ１３１の束からなるテーパ部ファイバ１３を備え、前記テーパ部ファイバ１３を構成する前記複数の他の光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の径は、前記入力用ファイバ１１を構成する前記複数の光ファイバ１１１のそれぞれのコア１１２の径よりも大きい構成にしたことにより、テーパ部ファイバ１３の先端領域での漏洩光の発生を抑制することができる。
【解決手段】複数の光ファイバ１１１の束からなる入力用ファイバ１１と、１つのコア１２２を有する光ファイバからなる出力用ファイバ１２との間に、複数の他の光ファイバ１３１の束からなるテーパ部ファイバ１３を備え、前記テーパ部ファイバ１３を構成する前記複数の他の光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の径は、前記入力用ファイバ１１を構成する前記複数の光ファイバ１１１のそれぞれのコア１１２の径よりも大きい構成にしたことにより、テーパ部ファイバ１３の先端領域での漏洩光の発生を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のレーザ光源から出射されたシングルモード光を１つの出力用ファイバに集光させることができる光ファイバ形集光器およびそれを用いたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ装置を高出力化する方法として、レーザ装置そのものを高出力化する方法以外に、単位レーザユニットを並列に設置し、各レーザユニットから出力されるレーザ光を集光、加算して高出力化する方法も用いられる。
【０００３】
後者の場合において、レンズ等を使用した空間結合系で光を集光しようとすると、光軸を合わせるための微調整を行う必要がある。また、微動装置を付加しなければならないので光学系が複雑になる。また、いつ、光軸ズレが発生するかわからず、一旦、光軸がずれてしまうと、再び微調整に時間を要してしまう。最悪の場合は、レーザ発振中に光軸がずれて空間結合系そのものを破壊してしまう恐れもある。
【０００４】
一方、光ファイバを集光器として用いた光ファイバ形集光器では、単位レーザユニットの出力ファイバと光ファイバ形集光器の入力用の光ファイバを融着結合することで対応できるので、微調整の必要がなくなる利点がある。しかも、装置構造を単純化できる。
【０００５】
光ファイバ形集光器は、複数の入力用の光ファイバを束ねて一端を一体化してテーパ形状を有する先細り構造の縮径領域を設け、これに出力用の光ファイバを結合させたものである。複数の入力用の光ファイバ内に入射された光は縮径領域で集光、加算され、１本の出力用の光ファイバに合波される。光ファイバ形集光器から発せられる光の光密度を向上させるには、先細り構造の先端部分の断面積と出力用の光ファイバのコア断面積の両者を小さくすることが求められる。
【０００６】
テーパ形状を有する光ファイバを用いて光を伝搬する装置が、例えば、特許文献１〜３に開示されている。
【０００７】
特許文献１には、マルチモード光を集光・加算する光ファイバ形集光器についての技術が記載されている。すなわち、複数の入力側光ファイバを束ね、テーパ状に縮径された領域を介して出射側光ファイバに結合するものである。
【０００８】
特許文献２には、シングルモード伝搬光のモードフィールド径を変換するダブルコアファイバについての技術が記載されている。すなわち、図１０に示されるように、コアを、中心の第１コア１とその周辺の第２コア２からなる二重構造にして、階段状屈折率分布を有する光ファイバの縮径領域３を設けている。なお、外周はクラッド層４で覆われている。これにより、縮径領域３でファイバ径が小さくなって中心の第１コア１の閉じ込め効果がなくなった状態では、周囲にある第２コア２で光の閉じ込め効果を機能させている。
【０００９】
特許文献３には、コア径を変化させずに、クラッドをテーパ状にしてコア同士を接近させることにより、光密度を向上させるレーザ装置について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６‐３３７３９８号公報
【特許文献２】特開平３‐１３２６０５号公報
【特許文献３】特許第３９３９８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、光ファイバ形集光器のテーパ状に縮径された領域がマルチモード構造であり、原理的に光がこの部分を伝搬していくにしたがって光の伝搬開口数が増加してしまう。そして、コア開口数よりも大きくなった光はコアから外部に漏洩して損失となり、伝送効率の悪化を招く。マルチモード構造の場合は、光密度を向上しようとして、より小さな径に集光しようとすればするほど、それに比例して光の伝搬開口数が増加して伝送効率が悪化してしまう。そのため、光密度の向上と伝送効率の低下を両立させることが困難である。
【００１２】
一方、シングルモードで伝搬する光を用いた場合、元々コア径が小さい状態であるので、光密度を向上させるために先細り構造の先端の断面積を小さくしていくと、縮径領域でコア径が必要以上に小さくなる。そのため、伝搬光は縮径領域の途中でコアの光の閉じ込め効果がなくなって漏洩光となり、伝送効率の低下、およびビーム品質悪化の原因となる。
【００１３】
特許文献２に開示された技術では、ダブルコア構造によって縮径領域内でもシングルモード伝搬させることができ、光ファイバ形集光器にも適用可能である。しかしながら、ダブルコアファイバへ入射した光は、特有の屈折率分布構造から第２のコアに結合する成分が発生し、この光が第２のコアをマルチモード伝搬する恐れがある。第２のコアを縮径領域においてシングルモード伝搬構造にしようとして、例えば第２のコア径を小さい構造にすると、上記のようなマルチモード伝搬光が大幅に増加する。逆にマルチモード伝搬光の発生を防止しようとして、例えば第２のコア径を大きい構造にすると、第２のコアがほとんど機能しない状態になる可能性がある。
【００１４】
特許文献３に開示された技術は、希土類元素が添加された複数の光ファイバのクラッドの一部をテーパ状になるように除去加工して、コア径が一定のままコアどうしを接近させることで発振器の光密度を向上させている。コア径縮小に対する対策を施す必要がないので理想的な構造であるが、ミクロンオーダーの細径ファイバのクラッドのみをテーパ形状に加工して整然と配列させることは困難である。
【００１５】
本発明は、これらの課題を解決するもので、シングルモードでレーザ光源から出射された光を効率よく集光できる光ファイバ形集光器と、この光ファイバ形集光器を用いた高光密度、高ビーム品質のレーザ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するために、複数の光ファイバの束からなる、一端をテーパ形状に縮径した入力用ファイバと、１つのコアを有する光ファイバからなる出力用ファイバと、前記入力用ファイバの一端と前記出力用ファイバとの間に設けられた、複数の他の光ファイバの束からなるテーパ部ファイバとを備え、前記テーパ部ファイバを構成する前記他の光ファイバの数は、前記入力用ファイバを構成する前記光ファイバの数と同じであり、前記テーパ部ファイバを構成する前記複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、前記入力用ファイバを構成する前記複数の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数より大きい光ファイバ形集光器である。
【００１７】
このような構成により、シングルモードでレーザ光源から出射された光を効率よく集光できる。
【００１８】
また、本発明は、上記発明において、前記テーパ部ファイバは、前記複数の他の光ファイバの束からなる複数のテーパ部ファイバ要素が結合されて構成され、前記テーパ部ファイバ要素を構成する前記複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、前記出力用ファイバに近い側に設けられた前記テーパ部ファイバ要素の方が前記入力用ファイバに近い側に設けられた前記テーパ部ファイバ要素よりも大きい構成を有する。
【００１９】
このような構成により、テーパ部ファイバでのレーザ光の漏れをさらに抑制できるので、光密度のさらなる向上、ビーム品質劣化のさらなる抑制が可能である。
【００２０】
また、本発明は、上記発明において、前記入力用ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の前記光ファイバの束から構成され、前記テーパ部ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の前記他の光ファイバの束から構成されている。
【００２１】
このような構成により、波長の異なる複数の光を、効率よく伝搬することができる。
【００２２】
また本発明は、上記発明において、前記入力用ファイバを構成する前記複数の光ファイバのコアの径またはコアの開口数、および前記テーパ部ファイバを構成する前記複数の他の光ファイバのコアの径またはコアの開口数は、中心側の方が外側より大きい構成を有する。
【００２３】
このような構成により、テーパ部ファイバの中心側の光ファイバを伝搬する光強度分布が高くなるので、伝搬する光をさらに効率よく出力用ファイバに伝搬することができる。
【００２４】
さらに、本発明は、上記いずれかの光ファイバ形集光器を備えたレーザ装置である。
【００２５】
このような構成によれば、シングルモードでレーザ光源から出射された光を効率よく集光して出力用ファイバに伝搬するので、高光密度、高ビーム品質のレーザ装置を提供できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は上記構成により、光を集光するためのテーパ部ファイバでのレーザ光の漏れを抑制できる。このことから、テーパ部ファイバの先端部の外径を従来より小さくでき、かつ出力用ファイバのコア径も小さくできる。したがって、光密度の向上、ビーム品質劣化の抑制が可能である。また、複雑なコア構造の光ファイバを製作する必要がなく、市販のファイバを使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施の形態における光ファイバ形集光器を示す構成図
【図２】（ａ）同実施の形態に用いる光ファイバの断面図（ｂ）同実施の形態の出力用ファイバに用いる光ファイバの断面図
【図３】同実施の形態の複合ファイバを示す側面図
【図４】同実施の形態の出力用ファイバのコア径を説明するための概略図
【図５】（ａ）同実施の形態の光ファイバ形集光器の固定方法を示す横断面構成図（ｂ）同実施の形態の光ファイバ形集光器の固定方法を示す縦断面構成図
【図６】（ａ）同実施の形態の光ファイバ形集光器の他の固定方法を示す横断面構成図（ｂ）同実施の形態の光ファイバ形集光器の他の固定方法を示す縦断面構成図
【図７】本発明の一実施の形態における光ファイバ形集光器を用いたレーザ装置を示す構成図
【図８】同実施の形態のファイバ束を示す断面図
【図９】（ａ）同実施の形態の出力用ファイバに入射するレーザ光を示す図（ｂ）同実施の形態の出力用ファイバに入射するレーザ光の比較例を示す図
【図１０】従来の縮径領域を有する光ファイバの構成図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
【００２９】
図１は、本発明の光ファイバ形集光器の一実施の形態を示す構成図である。図１において、本実施の形態の光ファイバ形集光器１０は、一端をテーパ形状に縮径した入力用ファイバ１１と、１つのコアを有する光ファイバからなる出力用ファイバ１２と、入力用ファイバ１１の一端と出力用ファイバ１２との間に設けられたテーパ部ファイバ１３とを備える。入力用ファイバ１１は、複数のシングルモード光ファイバ１１１の束からなる。テーパ部ファイバ１３は、複数の他のシングルモード光ファイバ１３１の束からなる。テーパ部ファイバ１３を構成する他のシングルモード光ファイバ１３１の数は、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１の数と同じである。入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１のそれぞれは、中心のコア１１２とその周囲のクラッド１１３とを有する。テーパ部ファイバ１３を構成する他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれは、中心のコア１３２とその周囲のクラッド１３３とを有する。テーパ部ファイバ１３を構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の径は、入力用ファイバ１１を構成する複数のシングルモード光ファイバ１１１のそれぞれのコア１１２の径よりも大きい。
【００３０】
テーパ部ファイバ１３は、それぞれ複数の他のシングルモード光ファイバ１３１の束からなる第１のテーパ部ファイバ要素１３ａと第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂとが結合されて構成される。テーパ部ファイバ要素１３ａ、１３ｂを構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の径は、出力用ファイバ１２に近い側に設けられた第１のテーパ部ファイバ要素１３ａの方が入力用ファイバ１１に近い側に設けられた第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂよりも大きい。
【００３１】
なお、上記構成における、他のシングルモード光ファイバ１３１のコア１３２の径とシングルモード光ファイバ１１１のコア１１２の径との関係は、コア１３２、１１２の開口数の関係に適用されてもよい。すなわち、次のような構成も適用できる。
【００３２】
テーパ部ファイバ１３を構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の開口数は、入力用ファイバ１１を構成する複数のシングルモード光ファイバ１１１のそれぞれのコア１１２の開口数よりも大きい。さらに、テーパ部ファイバ要素１３ａ、１３ｂを構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の開口数は、出力用ファイバ１２に近い側に設けられた第１のテーパ部ファイバ要素１３ａの方が入力用ファイバ１１近い側に設けられた第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂよりも大きい。
【００３３】
または、テーパ部ファイバ１３を構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の径および開口数は、入力用ファイバ１１を構成する複数のシングルモード光ファイバ１１１のそれぞれのコア１１２の径および開口数よりも大きい。さらに、テーパ部ファイバ要素１３ａ、１３ｂを構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の径および開口数は、出力用ファイバ１２に近い側に設けられた第１のテーパ部ファイバ要素１３ａの方が入力用ファイバ１１に近い側に設けられた第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂよりも大きい。
【００３４】
すなわち、テーパ部ファイバ１３と入力用ファイバ１１との接続点、および／またはテーパ部ファイバ要素１３ａ、１３ｂの接続点において、出力側の方が入力側に比べて次の３つの関係のうちの少なくとも１つの関係にあればよい。（１）コア径が大きくなるが、コア開口数が同じ、（２）コア径が同じであるが、開口数が大きくなる、（３）コア径と開口数の両方とも大きくなる。
【００３５】
なお、図１では、シングルモード光ファイバ１１１、１３１および出力用ファイバ１２の最外層に形成される被覆樹脂は省略してある。
【００３６】
以下、本実施の形態の光ファイバ形集光器１０について詳細に説明する。光ファイバ形集光器１０は、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１と、テーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１とを融着結合した複合ファイバ１４を複数本束ねたファイバ束１５を備えている。各複合ファイバ１４は、コア１１２、１３２とその周囲のクラッド１１３，１３３とから構成される。テーパ部ファイバ１３は、第１のテーパ部ファイバ要素１３ａと第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂと入力用ファイバ１１の一端部とを融着結合して構成される。ファイバ束１５のテーパ部ファイバ１３側が一体化されている。入力用ファイバ１１の一部とテーパ部ファイバ１３とがテーパ状の縮径領域１６を形成している。縮径領域１６の先端部分（図１では左部分）が、出力用ファイバ１２の端面と融着結合される。そのため、縮径領域１６の先端部分と出力用ファイバ１２の端面との結合部には融着結合部１７が形成されている。図１では、説明の便宜上、出力用ファイバ１２はコア１２２にのみ示している。
【００３７】
縮径領域１６のテーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１のコア１３２は、入力用ファイバを構成するシングルモード光ファイバ１１１のコア１１２と比較して同等以上のコア径、または同等以上のコア開口数を有する。したがって、光ファイバ形集光器１０のシングルモード光ファイバ１１１に入射されたシングルモード光は、縮径領域１６でコア径が小さくなっていくために、光の閉じ込め効果が弱くなる。そのために、モードフィールド径が増加していき光はクラッド１３３へ発散しようとする。しかし、本実施の形態では、縮径領域１６の適切な位置で、テーパ部ファイバ１３は、第１のテーパ部ファイバ要素１３ａと第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂとが接続されて構成されているので、光の閉じ込め効果を復元することができる。すなわち、出力用ファイバ１２に近い側に配置される第１のテーパ部ファイバ要素１３ａの方が、入力用ファイバ１１に近い側に配置される第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂよりも、コアの径またはコアの開口数が大きいので、光の閉じ込め効果が得られる。したがって、縮径領域１６において、光をコア１３２の領域内で伝搬させることが可能になる。
【００３８】
図２（ａ）は、シングルモード光ファイバ１１１（１３１）から構成される複合ファイバ１４に用いる光ファイバの代表的な断面図を示している。コア１１２（１３２）とクラッド１１３（１３３）は石英ガラスを用いる。クラッド１１３（１３３）の周囲には、石英ガラスを保護するために被覆樹脂１１４（１３４）が施されている。後述する単位レーザユニットの出力ファイバと接続することになるシングルモード光ファイバ１１１は、コア１１２がクラッド１１３に対して、光がシングルモード伝搬する条件である規格化周波数Ｖ値が、Ｖ≦２．４０５を満たしている。より良い条件は、シングルモード光ファイバ１１１の入力端（図１では右側）に接続する単位レーザユニットの出力ファイバと同じ構造（コア径、コア開口数、クラッド径等）のシングルモード光ファイバ１１１を使用することである。
【００３９】
テーパ部ファイバ１３は、シングルモード光ファイバ１１１が縮径領域１６でコア１１２の径が縮小するのを補償するものである。そのため、縮径領域１６での縮径サイズを事前に算出しておき、シングルモード光ファイバ、マルチモード光ファイバのどちらの種類でも構わないので、漏洩光にならない構造の光ファイバを適宜選択する。本実施の形態では、マルチモード光ファイバを用い、後述する縮径領域を形成する工程の後、シングルモード光しか伝搬しないシングルモード光ファイバとした。本実施の形態では、入力用ファイバ１１をシングルモード光ファイバ１１１で構成している。しかし、上記のように、テーパ部ファイバ１３でシングルモード光しか伝搬しなくなるので、本発明は、入力用ファイバ１１もシングルモード光ファイバ１１１に限ることはない。
【００４０】
テーパ部ファイバ１３の構造は、光閉じ込め効果を保持して光が伝搬するように、シングルモード光ファイバ１１１のコア１１２より径を同等以上大きくしたコア１３２を使用する。または、シングルモード光ファイバ１１１のコア１１２より開口数を同等以上大きくしたコア１３２（屈折率を大きくしたコア１３２）を使用する。クラッド１３３の径の制限はないが、シングルモード光ファイバ１１１のクラッド１１３の径と異なる場合、溶融延伸工程でクラッド径の小さい側の光ファイバが必要以上に大きく引き伸ばされ、逆に大きい側がほとんど延伸されないという状態になる可能性があるので注意が必要である。
【００４１】
図２（ｂ）は、出力用ファイバ１２に用いる光ファイバの代表的な断面図を示している。コア１２２は石英ガラスを使用し、クラッド１２３は、コア１２２よりも屈折率の低い石英ガラス、またはコア１２２よりも低屈折率の光学樹脂を使用する。高出力レーザを取り扱う場合は、耐熱性を考えて、コア１２２の材質を純粋石英ガラス、クラッド１２３の材質をフッ素またはホウ素をドープして屈折率を低下させた石英ガラスを使用するのが好ましい。
【００４２】
以上のように、本実施の形態は、テーパ部ファイバ１３を構成する縮径領域１６の途中部分でコア１３２の径、またはコア１３２の開口数を段階的に大きくしていく構造である。そのため、シングルモードで入射された光が縮径領域１６でのコア径縮小で光閉じ込め効果が減少することによる漏洩光の発生を抑制することができる。すなわち、シングルモードで光ファイバ形集光器１０の入力用ファイバ１１に入射された光は、縮径領域１６の先端領域のファイバ束１５の径が小さい場合、テーパ状の縮径領域１６でシングルモード光ファイバ１３１のコア１３２の径も小さくなっているために、従来では光の閉じ込め効果が弱くなり、モードフィールド径が増加しながら（ブロードな光強度分布になりながら）クラッド１３３へ発散していく。しかし、本実施の形態では、テーパ部ファイバ１３を構成する縮径領域１６の適切な位置でコア１３２の径、またはコア１３２の開口数を段階的に大きくすることで、光の閉じ込め効果を復元し、縮径領域１６の先細り部分の先端までコア１３２の近傍に光を伝搬させることが可能である。したがって、縮径領域１６の先端部の外径を従来以上に小さくできる。また、光強度分布はそれぞれのシングルモード光ファイバ１３１を伝搬する光のコア１３２の付近に分布しているので、接続する出力用ファイバ１２のコア１２２の径は、縮径領域１６の先細り部先端でファイバ束１５のクラッド１３３全体が含まれている必要がない。すなわち、出力用ファイバ１２のコア１２２の径は、複数のコア１３２の近傍領域全てが含まれるだけの径でよくなる。
【００４３】
縮径領域１６内が本実施の形態の構造を有しない場合、コア１３２の径が光閉じ込め効果がなくなるまで小さくなると、クラッド１３３へ光が漏洩し、この光はクラッド１３３内を伝搬する。この場合、接続する出力用ファイバ１２のコア１２２の径は、縮径領域１６の先細り部分の先端で、一体化されたファイバ束１５の各々のクラッド１３３の全てが含まれるだけの大きさが必要である。そのため、その分コア１２２の径を大きくしなければならないので、光密度が低下してしまう。さらに言えば、クラッド１３３に伝搬する光はマルチモード伝搬になるので、伝搬開口数が増加して要求値よりもビーム品質の悪化した光が含まれる可能性がある。また、縮径領域１６でクラッド１３３の外にも光が放射されて伝送効率が悪化する可能性がある。
【００４４】
本実施の形態の光ファイバ形集光器の製造方法は、ファイバ束１５を構成する複合ファイバ１４を製造することから始まる。まず、図３に示すように、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１と、テーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれの端部外周の被覆樹脂１１４、１３４を除去する。この時、被覆樹脂１１４、１３４を除去する長さは、後の工程で溶融延伸することを考慮して、あらかじめ通常の光ファイバどうしを融着結合する場合の長さよりも長めにする。除去する長さが短い場合、被覆樹脂１１４、１３４が延伸装置の加熱源の熱で溶融する恐れがある。また、被覆を除去した長さは、延伸工程で必要になるので記録しておく。なお、本実施の形態では、縮径工程前に、テーパ部ファイバ１３を構成する光ファイバとして、シングルモード光ファイバ１３１を用意したが、マルチモード光ファイバを用意してもよい。
【００４５】
次に、市販の融着装置によって、図３に示されるように、入力用ファイバ１１のシングルモード光ファイバ１１１とテーパ部ファイバ１３のシングルモード光ファイバ１３１とを融着結合する。テーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１は、縮径領域１６の先端部の外径に合わせて必要なだけ、直列に何連でも接続してもよい。本実施の形態では、第１のテーパ部ファイバ要素１３ａと第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂの２連を直列に接続してある。以上により縮径領域１６部分になる複合ファイバ１４が得られ、複数の複合ファイバ１４を用意することにより、光ファイバ形集光器１０を製造する準備ができたことになる。
【００４６】
次に、準備した複数の複合ファイバ１４を一般の延伸装置に並列に配列する。後の工程で出力用ファイバ１２と融着結合することになるので、出力用ファイバ１２のコア１２２の径を小さくして光密度を高くすることを考慮して、複数の複合ファイバ１４を束ねたファイバ束１５の断面形状は、最密充填構造となるように配列させるのが望ましい。長手方向には、事前に、被覆を除去した位置と融着結合部１７との距離を測定しておき、この距離をもとにしてテーパ部ファイバ１３の効果が得られる位置でファイバ束１５を把持する。配列完了後、バーナー等の加熱源で配列済みのファイバ束１５を溶融一体化して、軟化した部分を延伸する。延伸によってファイバ束１５は外径が縮小して、図３の拡大図に示されるように、長手方向に縮径領域１６を有するファイバ束１５が得られる。なお、図３では、１本の複合ファイバ１４について示しているが、模式的にはファイバ束１５も同様の構成になる。
【００４７】
延伸終了後は、一体化したファイバ束１５の最小断面積の部分に切り傷をつけ、張力を付加して分割する。これにより、一端がテーパ状に縮径しているファイバ束１５が２個できる。このようにして、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１とテーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１とから構成されるファイバ束１５が得られる。
【００４８】
次に、上記のようにして得られたファイバ束１５を、出力用ファイバ１２と融着結合部１７を介して結合する。図４は、出力用ファイバ１２のコア径１２２ａ、１２２ｂを説明する図であり、ファイバ束１５の端面を示す図である。図４において、ファイバ束１５は、７本のシングルモード光ファイバ１３１が束ねられており、これによりテーパ部ファイバ１３が構成されている。テーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１は、コア１３２とクラッド１３３とから構成される。ファイバ束１５の端面と出力用ファイバ１２の端面とを結合したときの出力用ファイバ１２のコア径は、図４の点線１２２ａに示されるように、ファイバ束１５の各コア１３２付近の光強度の高い領域が全て含まれるようにすればよい。すなわち、ファイバ束１５の各コア１３２の近傍に光が伝搬している場合の、出力用ファイバ１２に必要なコア１２２の径は、点線１２２ａに示す部分である。これは、ファイバ束１５の各クラッド１３３の全体を含めた場合の径よりも一回り小さい径であり、この大きさで十分である。すなわち、二点鎖線１２２ｂで示す、ファイバ束１５の各クラッド１３３にも光が伝搬している場合の、出力用ファイバ１２に必要なコア１２２の径よりも一回り小さい。なお、本来、縮径領域１６は、ガラスが溶融して表面張力よって隙間が埋まるので、光ファイバ単体の断面形状は円形から少し変形した状態になっている。
【００４９】
今、計算の便宜上、光ファイバ単体が円形断面を保っているとして、例えば先細り部先端でのコア伝搬光のモードフィールド径をφＡμｍ、クラッド径をφＢμｍとし、シングルモード光ファイバ１３１を７本束ねている状態とする。この場合、必要となる出力用ファイバ１２のコア１２２の径から算出される断面積比は次のようになる。
［漏洩光なし］：［漏洩光あり］＝［π（２Ｂ＋Ａ）２／４］：［π（３Ｂ）２／４］
【００５０】
シングルモード光ファイバ１３１のクラッド１３３へ漏洩する場合と比較して、出力用ファイバ１２のコア１２２の径を小さくすることで、伝搬する光密度をおよそ（３Ｂ）２／（２Ｂ＋Ａ）２倍高くすることが可能である。
【００５１】
以上のようにして、ファイバ束１５と出力用ファイバ１２とが結合された光ファイバ形集光器１０が得られる。
【００５２】
最後に、この光ファイバ形集光器１０の被覆を除去した部分の機械的強度を上げるために、固定治具を用いて外周に被覆樹脂を形成する。図５（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態の光ファイバ形集光器１０の固定方法の一例を説明するための固定治具の横断面図および縦断面図である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、溝２１を有する固定治具２２に、上記のようにして得られた光ファイバ形集光器１０をセットして、被覆を除去した部分全体に低屈折率の被覆樹脂２３を塗布し、硬化させる。これによって、光ファイバ形集光器１０が固定治具２２に安定に固定される。
【００５３】
また、その後、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、固定治具２２に固定した光ファイバ形集光器１０を、さらに金属製の筒２４等に挿入して筒２４の両端部分を、シングルモード光ファイバ１３１、出力用ファイバ１２と共にさらに樹脂２５で覆い、筒２４の内部を密閉した構造にしてもよい。これによって、光ファイバ形集光器１０が固定治具２２により安定に固定される。
【００５４】
さらに別の固定方法として、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、光ファイバ形集光器１０の被覆を除去した部分には被覆樹脂を塗布せず、ガラス部分がむき出しの状態にしておき、シングルモード光ファイバ１３１のファイバ束１５、出力用ファイバ１２の被覆部分の各１点のみを被覆樹脂２３で固定治具２２に固定する方法もある。この場合も、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、金属製の筒２４等を用いて、筒２４の内部を密閉した構造にしてもよい。
【００５５】
図７は、本発明のレーザ装置の一実施の形態を示す構成図である。上記のようにして製造した光ファイバ形集光器１０は、図７に示されるようにレーザ装置４０に装着される。図７において、光ファイバ形集光器１０の入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１（図７では３本のみを示している）は、それぞれ、レーザ光源となるシングルモード出力の３個の単位レーザユニット４１に接続する。それぞれのシングルモード光ファイバ１１１は、単位レーザユニット４１に備えられた出力ファイバ４１１と融着結合部４１２で接続される。光ファイバ形集光器１０の出力用ファイバ１２は、伝送用ファイバ４２と、融着結合部４２２で接続する。これにより、各単位レーザユニット４１から発せられたレーザ光は、光ファイバ形集光器１０を介して１つの伝送用ファイバ４２へと集光される。伝送用ファイバ４２の出力端には、高密度、高出力な特徴を活かして、例えば、溶接ヘッド４３等に接続し、ワーク４４を溶接するのに使用することができる。図７では、３個の単位レーザユニット４１により１個のレーザユニット４１３を構成しているが、レーザユニット４１３は任意のＮ個の単位レーザユニット４１から構成される。
【００５６】
各単位レーザユニット４１は同一仕様でなくてもよい。例えば、波長１．０６μｍの光に加えて波長０．９７μｍ、０．６４μｍ等の光を同時に出射する構成にしてもよい。この場合、図８に示すように、ファイバ束１５に使用する、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１およびテーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１を、それぞれの波長の伝搬特性に合致したものを組み込んでおく。また、ファイバ束１５の縮径領域１６の先端をさらに極細に延伸してコア間隔を接近させた場合、光増幅器で使用されている光ファイバカプラのようにコア間で光の乗り移り現象が発生しやすくなる。これを利用して、ファイバ束１５の配列の外側から中心に向かって光閉じ込め効果の強い光ファイバを配置し、ファイバ束１５の中心の光強度分布が高くなる構成にしてもよい。
【００５７】
すなわち、入力用ファイバ１１は、異なる径のコア１１２を有する複数のシングルモード光ファイバ１１１の束から構成され、テーパ部ファイバ１３は、異なる径のコア１３２を有する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１の束から構成されてもよい。この場合、コア１１２とコア１３２の径の関係を、コア１１２とコア１３２の開口数の関係としても同じ効果が得られる。すなわち、入力用ファイバ１１は、異なる開口数のコア１１２を有する複数のシングルモード光ファイバ１１１の束から構成され、テーパ部ファイバ１３は、異なる開口数のコア１３２を有する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１の束から構成されてもよい。
【００５８】
図８では、シングルモード光ファイバ１１１ａ（１３１ａ）のコア１１２ａ（１３２ａ）の径と、シングルモード光ファイバ１１１ｂ（１３１ｂ）のコア１１２ｂ（１３２ｂ）の径と、シングルモード光ファイバ１１１ｃ（１３１ｃ）のコア１１２ｃ（１３２ｃ）の径とはそれぞれ異なっている。
【００５９】
さらに、入力用ファイバ１１を構成する複数のシングルモード光ファイバ１１１のコア１１２の径、およびテーパ部ファイバ１３を構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のコア１３２の径は、中心側の方が外側よりも大きい構成であってもよい。この場合も、コア１１２とコア１３２の径の関係を、コア１１２とコア１３２の開口数の関係としても同じ効果が得られる。すなわち、入力用ファイバ１１を構成する複数のシングルモード光ファイバ１１１のコア１１２の開口数、およびテーパ部ファイバ１３を構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のコア１３２の開口数は、中心側の方が外側よりも大きい構成であってもよい。
【００６０】
図８では、最外周に配置されるシングルモード光ファイバ１１１ａ（１３１ａ）のコア１１２ａ（１３２ａ）の径よりも、中間に配置されるシングルモード光ファイバ１１１ｂ（１３１ｂ）のコア１１２ｂ（１３２ｂ）の径の方が大きい。さらに、中間に配置されるシングルモード光ファイバ１１１ｂ（１３１ｂ）のコア１１２ｂ（１３２ｂ）の径よりも、一番中心に配置されるシングルモード光ファイバ１１１ｃ（１３１ｃ）のコア１１２ｃ（１３２ｃ）の径の方が大きい。
【００６１】
本実施の形態の具体例を以下に説明するが、以下の具体例は本発明の単なる例示にすぎず、本発明を限定するものではない。
【００６２】
図１に示す光ファイバ形集光器１０を製作する際に使用した光ファイバは以下のとおりである。
入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１：コア径φ４μｍ、クラッド径φ１２５μｍ、コア開口数０．１２
テーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１：コア径φ９μｍ、クラッド径φ１２５μｍ、コア開口数０．１３
出力用ファイバ１２：コア径φ１００μｍ、クラッド材質：低屈折率樹脂、コア開口数０．４６
【００６３】
まず、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１とテーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１を融着結合して６本の複合ファイバ１４を作製した。また、１本だけのシングルモード光ファイバ１１１のみからなる光ファイバを準備した。これら７本の光ファイバで最密充填配列（中心の１本の光ファイバを囲むように６本の複合ファイバ１４を配列）になるように束ねて、ヒータで溶融させて一体化した。その後、単体でのシングルモード光ファイバ１１１の最小クラッド径がφ１２５μｍから約φ３０μｍになるまで延伸した。そして、ファイバ束１５の最小部で２つに分割した後、出力用ファイバ１２に融着結合した。その後、被覆を除去している部分にガラスよりも低屈折率の被覆樹脂を再塗布してガラス部を保護し、光ファイバ形集光器１０を完成した。
【００６４】
検証のため、レーザ光源を光ファイバ形集光器１０に接続して出力光の状態を観測した（この測定は出力用ファイバ１２を融着結合する前に実施した）。レーザ光源は、発振波長１．０６μｍ、出力１０ｍＷである。テーパ部ファイバ１３を溶着した入力用ファイバ１１とテーパ部ファイバ１３を溶着していない入力用ファイバ１１のそれぞれの一端にレーザ光を入射して、他端から出射されるレーザ光の形状を観測した。この観測は出力用ファイバ１２を融着結合する前に測定している。
【００６５】
図９（ａ）は、本実施の形態におけるテーパ部ファイバ１３の先端部から出射されるレーザ光の形状を示している。図９（ｂ）は、テーパ部ファイバ１３を融着していない入力用ファイバ１１の先端部から出射されるレーザ光の形状を示している。いずれの場合も、出射されたレーザ光は、図９（ａ）、（ｂ）に示すようにコア近傍に分布している。しかし、テーパ部ファイバ１３を融着した場合は、融着していない場合と比較してモードフィールド径が小さくなっており、光強度分布がブロード形状になっていない。この結果から、テーパ部ファイバ１３を融着している場合の出力用ファイバ１２のコア１２２に必要な断面積は、テーパ部ファイバ１３を融着していない場合の断面積と比較して、約１．３倍小さくできることが確認された。また、出力用ファイバ１２を結合した状態で、それぞれの出力値を確認したところ、同等の出力が得られた。
【００６６】
以上説明したように、本発明の光ファイバ形集光器は、複数のシングルモード光ファイバの束からなる、一端をテーパ形状に縮径した入力用ファイバと、１つのコアを有する光ファイバからなる出力用ファイバと、入力用ファイバの一端と出力用ファイバとの間に設けられた、複数の他の光ファイバの束からなるテーパ形状ファイバとを備え、テーパ形状ファイバを構成する他の光ファイバの数は、入力用ファイバを構成するシングルモード光ファイバの数と同じであり、テーパ形状ファイバを構成する複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、入力用ファイバを構成する複数のシングルモード光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数よりも大きい構成を有する。
【００６７】
このような構成により、光を集光するためのテーパ部ファイバでのレーザ光の漏れを抑制できる。このことから、ファイバ束先端部の外径を今まで以上に小さくでき、かつ出力用ファイバのコア径も小さくできる。したがって、光密度の向上、ビーム品質劣化の抑制が可能である。また、複雑なコア構造のファイバを製作する必要がなく、市販のファイバを使用することも可能である。
【００６８】
また本発明においては、テーパ部ファイバは、複数の他の光ファイバの束からなる複数のテーパ部ファイバ要素が結合されて構成され、テーパ部ファイバ要素を構成する複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、出力用ファイバに近い側に設けられたテーパ部ファイバ要素の方が入力用ファイバに近い側に設けられたテーパ部ファイバ要素よりも大きい構成を有する。
【００６９】
このような構成により、テーパ部ファイバでのレーザ光の漏れをさらに抑制できる。このことから、ファイバ束先端部の外径をさらに小さくでき、かつ出力用ファイバのコア径もさらに小さくできる。したがって、光密度のさらなる向上、ビーム品質劣化のさらなる抑制が可能である。
【００７０】
また本発明においては、入力用ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の光ファイバの束から構成され、テーパ部ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の他の光ファイバの束から構成されている。
【００７１】
このような構成により、異なる波長の光を出射する複数の単位レーザユニットのそれぞれの波長の伝搬特性に合致した、複数の光ファイバにより入力用ファイバを構成することができる。したがって、異なる波長の光を出射する複数の単位レーザユニットを、波長の伝搬特性に合致した複数の光ファイバのそれぞれに接続することにより、波長の異なる複数の光を、効率よく伝搬することができる。
【００７２】
また本発明においては、入力用ファイバを構成する複数の光ファイバのコアの径またはコアの開口数、およびテーパ形状ファイバを構成する複数の他の光ファイバのコアの径またはコアの開口数は、中心側の方が外側よりも大きい構成を備える。
【００７３】
このような構成により、テーパ部ファイバの先端をさらに極細に延伸してコア間隔を接近させた場合、コア間で光の乗り移り現象を利用して、テーパ部ファイバの中心側の光ファイバを伝搬する光強度分布が高くなるので、伝搬する光を、効率よく出力用ファイバに伝搬することができる。
【００７４】
さらに、本発明は、上記いずれかの光ファイバ形集光器を備えたレーザ装置である。
【００７５】
このような構成によれば、シングルモードでレーザ光源から出射された光を効率よく集光して出力用ファイバに伝搬するので、高光密度、高ビーム品質のレーザ装置を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の光ファイバ形集光器は、高い光密度で光を１つの光ファイバに集光することができ、またビーム品質の劣化を抑制できるので、高出力、高ビーム品質なレーザ装置に有用である。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 光ファイバ形集光器
１１ 入力用ファイバ
１２ 出力用ファイバ
１３ テーパ部ファイバ
１３ａ、１３ｂ テーパ部ファイバ要素
１４ 複合ファイバ
１５ ファイバ束
１６ 縮径領域
１７、４１２、４２２ 融着結合部
２１ 溝
２２ 固定治具
２３、１１４、１３４ 被覆樹脂
２４ 筒
２５ 樹脂
４０ レーザ装置
４１ 単位レーザユニット
４２ 伝送用ファイバ
４３ 溶接ヘッド
４４ ワーク
１１１、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１３１、１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ シングルモード光ファイバ
１１２、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１２２、１３２、１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ コア
１１３、１２３、１３３ クラッド
１２２ａ、１２２ｂ コア径
４１１ 出力ファイバ
４１３ レーザユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のレーザ光源から出射されたシングルモード光を１つの出力用ファイバに集光させることができる光ファイバ形集光器およびそれを用いたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ装置を高出力化する方法として、レーザ装置そのものを高出力化する方法以外に、単位レーザユニットを並列に設置し、各レーザユニットから出力されるレーザ光を集光、加算して高出力化する方法も用いられる。
【０００３】
後者の場合において、レンズ等を使用した空間結合系で光を集光しようとすると、光軸を合わせるための微調整を行う必要がある。また、微動装置を付加しなければならないので光学系が複雑になる。また、いつ、光軸ズレが発生するかわからず、一旦、光軸がずれてしまうと、再び微調整に時間を要してしまう。最悪の場合は、レーザ発振中に光軸がずれて空間結合系そのものを破壊してしまう恐れもある。
【０００４】
一方、光ファイバを集光器として用いた光ファイバ形集光器では、単位レーザユニットの出力ファイバと光ファイバ形集光器の入力用の光ファイバを融着結合することで対応できるので、微調整の必要がなくなる利点がある。しかも、装置構造を単純化できる。
【０００５】
光ファイバ形集光器は、複数の入力用の光ファイバを束ねて一端を一体化してテーパ形状を有する先細り構造の縮径領域を設け、これに出力用の光ファイバを結合させたものである。複数の入力用の光ファイバ内に入射された光は縮径領域で集光、加算され、１本の出力用の光ファイバに合波される。光ファイバ形集光器から発せられる光の光密度を向上させるには、先細り構造の先端部分の断面積と出力用の光ファイバのコア断面積の両者を小さくすることが求められる。
【０００６】
テーパ形状を有する光ファイバを用いて光を伝搬する装置が、例えば、特許文献１〜３に開示されている。
【０００７】
特許文献１には、マルチモード光を集光・加算する光ファイバ形集光器についての技術が記載されている。すなわち、複数の入力側光ファイバを束ね、テーパ状に縮径された領域を介して出射側光ファイバに結合するものである。
【０００８】
特許文献２には、シングルモード伝搬光のモードフィールド径を変換するダブルコアファイバについての技術が記載されている。すなわち、図１０に示されるように、コアを、中心の第１コア１とその周辺の第２コア２からなる二重構造にして、階段状屈折率分布を有する光ファイバの縮径領域３を設けている。なお、外周はクラッド層４で覆われている。これにより、縮径領域３でファイバ径が小さくなって中心の第１コア１の閉じ込め効果がなくなった状態では、周囲にある第２コア２で光の閉じ込め効果を機能させている。
【０００９】
特許文献３には、コア径を変化させずに、クラッドをテーパ状にしてコア同士を接近させることにより、光密度を向上させるレーザ装置について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６‐３３７３９８号公報
【特許文献２】特開平３‐１３２６０５号公報
【特許文献３】特許第３９３９８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、光ファイバ形集光器のテーパ状に縮径された領域がマルチモード構造であり、原理的に光がこの部分を伝搬していくにしたがって光の伝搬開口数が増加してしまう。そして、コア開口数よりも大きくなった光はコアから外部に漏洩して損失となり、伝送効率の悪化を招く。マルチモード構造の場合は、光密度を向上しようとして、より小さな径に集光しようとすればするほど、それに比例して光の伝搬開口数が増加して伝送効率が悪化してしまう。そのため、光密度の向上と伝送効率の低下を両立させることが困難である。
【００１２】
一方、シングルモードで伝搬する光を用いた場合、元々コア径が小さい状態であるので、光密度を向上させるために先細り構造の先端の断面積を小さくしていくと、縮径領域でコア径が必要以上に小さくなる。そのため、伝搬光は縮径領域の途中でコアの光の閉じ込め効果がなくなって漏洩光となり、伝送効率の低下、およびビーム品質悪化の原因となる。
【００１３】
特許文献２に開示された技術では、ダブルコア構造によって縮径領域内でもシングルモード伝搬させることができ、光ファイバ形集光器にも適用可能である。しかしながら、ダブルコアファイバへ入射した光は、特有の屈折率分布構造から第２のコアに結合する成分が発生し、この光が第２のコアをマルチモード伝搬する恐れがある。第２のコアを縮径領域においてシングルモード伝搬構造にしようとして、例えば第２のコア径を小さい構造にすると、上記のようなマルチモード伝搬光が大幅に増加する。逆にマルチモード伝搬光の発生を防止しようとして、例えば第２のコア径を大きい構造にすると、第２のコアがほとんど機能しない状態になる可能性がある。
【００１４】
特許文献３に開示された技術は、希土類元素が添加された複数の光ファイバのクラッドの一部をテーパ状になるように除去加工して、コア径が一定のままコアどうしを接近させることで発振器の光密度を向上させている。コア径縮小に対する対策を施す必要がないので理想的な構造であるが、ミクロンオーダーの細径ファイバのクラッドのみをテーパ形状に加工して整然と配列させることは困難である。
【００１５】
本発明は、これらの課題を解決するもので、シングルモードでレーザ光源から出射された光を効率よく集光できる光ファイバ形集光器と、この光ファイバ形集光器を用いた高光密度、高ビーム品質のレーザ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するために、複数の光ファイバの束からなる、一端をテーパ形状に縮径した入力用ファイバと、１つのコアを有する光ファイバからなる出力用ファイバと、前記入力用ファイバの一端と前記出力用ファイバとの間に設けられた、複数の他の光ファイバの束からなるテーパ部ファイバとを備え、前記テーパ部ファイバを構成する前記他の光ファイバの数は、前記入力用ファイバを構成する前記光ファイバの数と同じであり、前記テーパ部ファイバを構成する前記複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、前記入力用ファイバを構成する前記複数の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数より大きい光ファイバ形集光器である。
【００１７】
このような構成により、シングルモードでレーザ光源から出射された光を効率よく集光できる。
【００１８】
また、本発明は、上記発明において、前記テーパ部ファイバは、前記複数の他の光ファイバの束からなる複数のテーパ部ファイバ要素が結合されて構成され、前記テーパ部ファイバ要素を構成する前記複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、前記出力用ファイバに近い側に設けられた前記テーパ部ファイバ要素の方が前記入力用ファイバに近い側に設けられた前記テーパ部ファイバ要素よりも大きい構成を有する。
【００１９】
このような構成により、テーパ部ファイバでのレーザ光の漏れをさらに抑制できるので、光密度のさらなる向上、ビーム品質劣化のさらなる抑制が可能である。
【００２０】
また、本発明は、上記発明において、前記入力用ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の前記光ファイバの束から構成され、前記テーパ部ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の前記他の光ファイバの束から構成されている。
【００２１】
このような構成により、波長の異なる複数の光を、効率よく伝搬することができる。
【００２２】
また本発明は、上記発明において、前記入力用ファイバを構成する前記複数の光ファイバのコアの径またはコアの開口数、および前記テーパ部ファイバを構成する前記複数の他の光ファイバのコアの径またはコアの開口数は、中心側の方が外側より大きい構成を有する。
【００２３】
このような構成により、テーパ部ファイバの中心側の光ファイバを伝搬する光強度分布が高くなるので、伝搬する光をさらに効率よく出力用ファイバに伝搬することができる。
【００２４】
さらに、本発明は、上記いずれかの光ファイバ形集光器を備えたレーザ装置である。
【００２５】
このような構成によれば、シングルモードでレーザ光源から出射された光を効率よく集光して出力用ファイバに伝搬するので、高光密度、高ビーム品質のレーザ装置を提供できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は上記構成により、光を集光するためのテーパ部ファイバでのレーザ光の漏れを抑制できる。このことから、テーパ部ファイバの先端部の外径を従来より小さくでき、かつ出力用ファイバのコア径も小さくできる。したがって、光密度の向上、ビーム品質劣化の抑制が可能である。また、複雑なコア構造の光ファイバを製作する必要がなく、市販のファイバを使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施の形態における光ファイバ形集光器を示す構成図
【図２】（ａ）同実施の形態に用いる光ファイバの断面図（ｂ）同実施の形態の出力用ファイバに用いる光ファイバの断面図
【図３】同実施の形態の複合ファイバを示す側面図
【図４】同実施の形態の出力用ファイバのコア径を説明するための概略図
【図５】（ａ）同実施の形態の光ファイバ形集光器の固定方法を示す横断面構成図（ｂ）同実施の形態の光ファイバ形集光器の固定方法を示す縦断面構成図
【図６】（ａ）同実施の形態の光ファイバ形集光器の他の固定方法を示す横断面構成図（ｂ）同実施の形態の光ファイバ形集光器の他の固定方法を示す縦断面構成図
【図７】本発明の一実施の形態における光ファイバ形集光器を用いたレーザ装置を示す構成図
【図８】同実施の形態のファイバ束を示す断面図
【図９】（ａ）同実施の形態の出力用ファイバに入射するレーザ光を示す図（ｂ）同実施の形態の出力用ファイバに入射するレーザ光の比較例を示す図
【図１０】従来の縮径領域を有する光ファイバの構成図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
【００２９】
図１は、本発明の光ファイバ形集光器の一実施の形態を示す構成図である。図１において、本実施の形態の光ファイバ形集光器１０は、一端をテーパ形状に縮径した入力用ファイバ１１と、１つのコアを有する光ファイバからなる出力用ファイバ１２と、入力用ファイバ１１の一端と出力用ファイバ１２との間に設けられたテーパ部ファイバ１３とを備える。入力用ファイバ１１は、複数のシングルモード光ファイバ１１１の束からなる。テーパ部ファイバ１３は、複数の他のシングルモード光ファイバ１３１の束からなる。テーパ部ファイバ１３を構成する他のシングルモード光ファイバ１３１の数は、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１の数と同じである。入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１のそれぞれは、中心のコア１１２とその周囲のクラッド１１３とを有する。テーパ部ファイバ１３を構成する他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれは、中心のコア１３２とその周囲のクラッド１３３とを有する。テーパ部ファイバ１３を構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の径は、入力用ファイバ１１を構成する複数のシングルモード光ファイバ１１１のそれぞれのコア１１２の径よりも大きい。
【００３０】
テーパ部ファイバ１３は、それぞれ複数の他のシングルモード光ファイバ１３１の束からなる第１のテーパ部ファイバ要素１３ａと第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂとが結合されて構成される。テーパ部ファイバ要素１３ａ、１３ｂを構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の径は、出力用ファイバ１２に近い側に設けられた第１のテーパ部ファイバ要素１３ａの方が入力用ファイバ１１に近い側に設けられた第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂよりも大きい。
【００３１】
なお、上記構成における、他のシングルモード光ファイバ１３１のコア１３２の径とシングルモード光ファイバ１１１のコア１１２の径との関係は、コア１３２、１１２の開口数の関係に適用されてもよい。すなわち、次のような構成も適用できる。
【００３２】
テーパ部ファイバ１３を構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の開口数は、入力用ファイバ１１を構成する複数のシングルモード光ファイバ１１１のそれぞれのコア１１２の開口数よりも大きい。さらに、テーパ部ファイバ要素１３ａ、１３ｂを構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の開口数は、出力用ファイバ１２に近い側に設けられた第１のテーパ部ファイバ要素１３ａの方が入力用ファイバ１１近い側に設けられた第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂよりも大きい。
【００３３】
または、テーパ部ファイバ１３を構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の径および開口数は、入力用ファイバ１１を構成する複数のシングルモード光ファイバ１１１のそれぞれのコア１１２の径および開口数よりも大きい。さらに、テーパ部ファイバ要素１３ａ、１３ｂを構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれのコア１３２の径および開口数は、出力用ファイバ１２に近い側に設けられた第１のテーパ部ファイバ要素１３ａの方が入力用ファイバ１１に近い側に設けられた第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂよりも大きい。
【００３４】
すなわち、テーパ部ファイバ１３と入力用ファイバ１１との接続点、および／またはテーパ部ファイバ要素１３ａ、１３ｂの接続点において、出力側の方が入力側に比べて次の３つの関係のうちの少なくとも１つの関係にあればよい。（１）コア径が大きくなるが、コア開口数が同じ、（２）コア径が同じであるが、開口数が大きくなる、（３）コア径と開口数の両方とも大きくなる。
【００３５】
なお、図１では、シングルモード光ファイバ１１１、１３１および出力用ファイバ１２の最外層に形成される被覆樹脂は省略してある。
【００３６】
以下、本実施の形態の光ファイバ形集光器１０について詳細に説明する。光ファイバ形集光器１０は、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１と、テーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１とを融着結合した複合ファイバ１４を複数本束ねたファイバ束１５を備えている。各複合ファイバ１４は、コア１１２、１３２とその周囲のクラッド１１３，１３３とから構成される。テーパ部ファイバ１３は、第１のテーパ部ファイバ要素１３ａと第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂと入力用ファイバ１１の一端部とを融着結合して構成される。ファイバ束１５のテーパ部ファイバ１３側が一体化されている。入力用ファイバ１１の一部とテーパ部ファイバ１３とがテーパ状の縮径領域１６を形成している。縮径領域１６の先端部分（図１では左部分）が、出力用ファイバ１２の端面と融着結合される。そのため、縮径領域１６の先端部分と出力用ファイバ１２の端面との結合部には融着結合部１７が形成されている。図１では、説明の便宜上、出力用ファイバ１２はコア１２２にのみ示している。
【００３７】
縮径領域１６のテーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１のコア１３２は、入力用ファイバを構成するシングルモード光ファイバ１１１のコア１１２と比較して同等以上のコア径、または同等以上のコア開口数を有する。したがって、光ファイバ形集光器１０のシングルモード光ファイバ１１１に入射されたシングルモード光は、縮径領域１６でコア径が小さくなっていくために、光の閉じ込め効果が弱くなる。そのために、モードフィールド径が増加していき光はクラッド１３３へ発散しようとする。しかし、本実施の形態では、縮径領域１６の適切な位置で、テーパ部ファイバ１３は、第１のテーパ部ファイバ要素１３ａと第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂとが接続されて構成されているので、光の閉じ込め効果を復元することができる。すなわち、出力用ファイバ１２に近い側に配置される第１のテーパ部ファイバ要素１３ａの方が、入力用ファイバ１１に近い側に配置される第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂよりも、コアの径またはコアの開口数が大きいので、光の閉じ込め効果が得られる。したがって、縮径領域１６において、光をコア１３２の領域内で伝搬させることが可能になる。
【００３８】
図２（ａ）は、シングルモード光ファイバ１１１（１３１）から構成される複合ファイバ１４に用いる光ファイバの代表的な断面図を示している。コア１１２（１３２）とクラッド１１３（１３３）は石英ガラスを用いる。クラッド１１３（１３３）の周囲には、石英ガラスを保護するために被覆樹脂１１４（１３４）が施されている。後述する単位レーザユニットの出力ファイバと接続することになるシングルモード光ファイバ１１１は、コア１１２がクラッド１１３に対して、光がシングルモード伝搬する条件である規格化周波数Ｖ値が、Ｖ≦２．４０５を満たしている。より良い条件は、シングルモード光ファイバ１１１の入力端（図１では右側）に接続する単位レーザユニットの出力ファイバと同じ構造（コア径、コア開口数、クラッド径等）のシングルモード光ファイバ１１１を使用することである。
【００３９】
テーパ部ファイバ１３は、シングルモード光ファイバ１１１が縮径領域１６でコア１１２の径が縮小するのを補償するものである。そのため、縮径領域１６での縮径サイズを事前に算出しておき、シングルモード光ファイバ、マルチモード光ファイバのどちらの種類でも構わないので、漏洩光にならない構造の光ファイバを適宜選択する。本実施の形態では、マルチモード光ファイバを用い、後述する縮径領域を形成する工程の後、シングルモード光しか伝搬しないシングルモード光ファイバとした。本実施の形態では、入力用ファイバ１１をシングルモード光ファイバ１１１で構成している。しかし、上記のように、テーパ部ファイバ１３でシングルモード光しか伝搬しなくなるので、本発明は、入力用ファイバ１１もシングルモード光ファイバ１１１に限ることはない。
【００４０】
テーパ部ファイバ１３の構造は、光閉じ込め効果を保持して光が伝搬するように、シングルモード光ファイバ１１１のコア１１２より径を同等以上大きくしたコア１３２を使用する。または、シングルモード光ファイバ１１１のコア１１２より開口数を同等以上大きくしたコア１３２（屈折率を大きくしたコア１３２）を使用する。クラッド１３３の径の制限はないが、シングルモード光ファイバ１１１のクラッド１１３の径と異なる場合、溶融延伸工程でクラッド径の小さい側の光ファイバが必要以上に大きく引き伸ばされ、逆に大きい側がほとんど延伸されないという状態になる可能性があるので注意が必要である。
【００４１】
図２（ｂ）は、出力用ファイバ１２に用いる光ファイバの代表的な断面図を示している。コア１２２は石英ガラスを使用し、クラッド１２３は、コア１２２よりも屈折率の低い石英ガラス、またはコア１２２よりも低屈折率の光学樹脂を使用する。高出力レーザを取り扱う場合は、耐熱性を考えて、コア１２２の材質を純粋石英ガラス、クラッド１２３の材質をフッ素またはホウ素をドープして屈折率を低下させた石英ガラスを使用するのが好ましい。
【００４２】
以上のように、本実施の形態は、テーパ部ファイバ１３を構成する縮径領域１６の途中部分でコア１３２の径、またはコア１３２の開口数を段階的に大きくしていく構造である。そのため、シングルモードで入射された光が縮径領域１６でのコア径縮小で光閉じ込め効果が減少することによる漏洩光の発生を抑制することができる。すなわち、シングルモードで光ファイバ形集光器１０の入力用ファイバ１１に入射された光は、縮径領域１６の先端領域のファイバ束１５の径が小さい場合、テーパ状の縮径領域１６でシングルモード光ファイバ１３１のコア１３２の径も小さくなっているために、従来では光の閉じ込め効果が弱くなり、モードフィールド径が増加しながら（ブロードな光強度分布になりながら）クラッド１３３へ発散していく。しかし、本実施の形態では、テーパ部ファイバ１３を構成する縮径領域１６の適切な位置でコア１３２の径、またはコア１３２の開口数を段階的に大きくすることで、光の閉じ込め効果を復元し、縮径領域１６の先細り部分の先端までコア１３２の近傍に光を伝搬させることが可能である。したがって、縮径領域１６の先端部の外径を従来以上に小さくできる。また、光強度分布はそれぞれのシングルモード光ファイバ１３１を伝搬する光のコア１３２の付近に分布しているので、接続する出力用ファイバ１２のコア１２２の径は、縮径領域１６の先細り部先端でファイバ束１５のクラッド１３３全体が含まれている必要がない。すなわち、出力用ファイバ１２のコア１２２の径は、複数のコア１３２の近傍領域全てが含まれるだけの径でよくなる。
【００４３】
縮径領域１６内が本実施の形態の構造を有しない場合、コア１３２の径が光閉じ込め効果がなくなるまで小さくなると、クラッド１３３へ光が漏洩し、この光はクラッド１３３内を伝搬する。この場合、接続する出力用ファイバ１２のコア１２２の径は、縮径領域１６の先細り部分の先端で、一体化されたファイバ束１５の各々のクラッド１３３の全てが含まれるだけの大きさが必要である。そのため、その分コア１２２の径を大きくしなければならないので、光密度が低下してしまう。さらに言えば、クラッド１３３に伝搬する光はマルチモード伝搬になるので、伝搬開口数が増加して要求値よりもビーム品質の悪化した光が含まれる可能性がある。また、縮径領域１６でクラッド１３３の外にも光が放射されて伝送効率が悪化する可能性がある。
【００４４】
本実施の形態の光ファイバ形集光器の製造方法は、ファイバ束１５を構成する複合ファイバ１４を製造することから始まる。まず、図３に示すように、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１と、テーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１のそれぞれの端部外周の被覆樹脂１１４、１３４を除去する。この時、被覆樹脂１１４、１３４を除去する長さは、後の工程で溶融延伸することを考慮して、あらかじめ通常の光ファイバどうしを融着結合する場合の長さよりも長めにする。除去する長さが短い場合、被覆樹脂１１４、１３４が延伸装置の加熱源の熱で溶融する恐れがある。また、被覆を除去した長さは、延伸工程で必要になるので記録しておく。なお、本実施の形態では、縮径工程前に、テーパ部ファイバ１３を構成する光ファイバとして、シングルモード光ファイバ１３１を用意したが、マルチモード光ファイバを用意してもよい。
【００４５】
次に、市販の融着装置によって、図３に示されるように、入力用ファイバ１１のシングルモード光ファイバ１１１とテーパ部ファイバ１３のシングルモード光ファイバ１３１とを融着結合する。テーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１は、縮径領域１６の先端部の外径に合わせて必要なだけ、直列に何連でも接続してもよい。本実施の形態では、第１のテーパ部ファイバ要素１３ａと第２のテーパ部ファイバ要素１３ｂの２連を直列に接続してある。以上により縮径領域１６部分になる複合ファイバ１４が得られ、複数の複合ファイバ１４を用意することにより、光ファイバ形集光器１０を製造する準備ができたことになる。
【００４６】
次に、準備した複数の複合ファイバ１４を一般の延伸装置に並列に配列する。後の工程で出力用ファイバ１２と融着結合することになるので、出力用ファイバ１２のコア１２２の径を小さくして光密度を高くすることを考慮して、複数の複合ファイバ１４を束ねたファイバ束１５の断面形状は、最密充填構造となるように配列させるのが望ましい。長手方向には、事前に、被覆を除去した位置と融着結合部１７との距離を測定しておき、この距離をもとにしてテーパ部ファイバ１３の効果が得られる位置でファイバ束１５を把持する。配列完了後、バーナー等の加熱源で配列済みのファイバ束１５を溶融一体化して、軟化した部分を延伸する。延伸によってファイバ束１５は外径が縮小して、図３の拡大図に示されるように、長手方向に縮径領域１６を有するファイバ束１５が得られる。なお、図３では、１本の複合ファイバ１４について示しているが、模式的にはファイバ束１５も同様の構成になる。
【００４７】
延伸終了後は、一体化したファイバ束１５の最小断面積の部分に切り傷をつけ、張力を付加して分割する。これにより、一端がテーパ状に縮径しているファイバ束１５が２個できる。このようにして、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１とテーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１とから構成されるファイバ束１５が得られる。
【００４８】
次に、上記のようにして得られたファイバ束１５を、出力用ファイバ１２と融着結合部１７を介して結合する。図４は、出力用ファイバ１２のコア径１２２ａ、１２２ｂを説明する図であり、ファイバ束１５の端面を示す図である。図４において、ファイバ束１５は、７本のシングルモード光ファイバ１３１が束ねられており、これによりテーパ部ファイバ１３が構成されている。テーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１は、コア１３２とクラッド１３３とから構成される。ファイバ束１５の端面と出力用ファイバ１２の端面とを結合したときの出力用ファイバ１２のコア径は、図４の点線１２２ａに示されるように、ファイバ束１５の各コア１３２付近の光強度の高い領域が全て含まれるようにすればよい。すなわち、ファイバ束１５の各コア１３２の近傍に光が伝搬している場合の、出力用ファイバ１２に必要なコア１２２の径は、点線１２２ａに示す部分である。これは、ファイバ束１５の各クラッド１３３の全体を含めた場合の径よりも一回り小さい径であり、この大きさで十分である。すなわち、二点鎖線１２２ｂで示す、ファイバ束１５の各クラッド１３３にも光が伝搬している場合の、出力用ファイバ１２に必要なコア１２２の径よりも一回り小さい。なお、本来、縮径領域１６は、ガラスが溶融して表面張力よって隙間が埋まるので、光ファイバ単体の断面形状は円形から少し変形した状態になっている。
【００４９】
今、計算の便宜上、光ファイバ単体が円形断面を保っているとして、例えば先細り部先端でのコア伝搬光のモードフィールド径をφＡμｍ、クラッド径をφＢμｍとし、シングルモード光ファイバ１３１を７本束ねている状態とする。この場合、必要となる出力用ファイバ１２のコア１２２の径から算出される断面積比は次のようになる。
［漏洩光なし］：［漏洩光あり］＝［π（２Ｂ＋Ａ）２／４］：［π（３Ｂ）２／４］
【００５０】
シングルモード光ファイバ１３１のクラッド１３３へ漏洩する場合と比較して、出力用ファイバ１２のコア１２２の径を小さくすることで、伝搬する光密度をおよそ（３Ｂ）２／（２Ｂ＋Ａ）２倍高くすることが可能である。
【００５１】
以上のようにして、ファイバ束１５と出力用ファイバ１２とが結合された光ファイバ形集光器１０が得られる。
【００５２】
最後に、この光ファイバ形集光器１０の被覆を除去した部分の機械的強度を上げるために、固定治具を用いて外周に被覆樹脂を形成する。図５（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態の光ファイバ形集光器１０の固定方法の一例を説明するための固定治具の横断面図および縦断面図である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、溝２１を有する固定治具２２に、上記のようにして得られた光ファイバ形集光器１０をセットして、被覆を除去した部分全体に低屈折率の被覆樹脂２３を塗布し、硬化させる。これによって、光ファイバ形集光器１０が固定治具２２に安定に固定される。
【００５３】
また、その後、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、固定治具２２に固定した光ファイバ形集光器１０を、さらに金属製の筒２４等に挿入して筒２４の両端部分を、シングルモード光ファイバ１３１、出力用ファイバ１２と共にさらに樹脂２５で覆い、筒２４の内部を密閉した構造にしてもよい。これによって、光ファイバ形集光器１０が固定治具２２により安定に固定される。
【００５４】
さらに別の固定方法として、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、光ファイバ形集光器１０の被覆を除去した部分には被覆樹脂を塗布せず、ガラス部分がむき出しの状態にしておき、シングルモード光ファイバ１３１のファイバ束１５、出力用ファイバ１２の被覆部分の各１点のみを被覆樹脂２３で固定治具２２に固定する方法もある。この場合も、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、金属製の筒２４等を用いて、筒２４の内部を密閉した構造にしてもよい。
【００５５】
図７は、本発明のレーザ装置の一実施の形態を示す構成図である。上記のようにして製造した光ファイバ形集光器１０は、図７に示されるようにレーザ装置４０に装着される。図７において、光ファイバ形集光器１０の入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１（図７では３本のみを示している）は、それぞれ、レーザ光源となるシングルモード出力の３個の単位レーザユニット４１に接続する。それぞれのシングルモード光ファイバ１１１は、単位レーザユニット４１に備えられた出力ファイバ４１１と融着結合部４１２で接続される。光ファイバ形集光器１０の出力用ファイバ１２は、伝送用ファイバ４２と、融着結合部４２２で接続する。これにより、各単位レーザユニット４１から発せられたレーザ光は、光ファイバ形集光器１０を介して１つの伝送用ファイバ４２へと集光される。伝送用ファイバ４２の出力端には、高密度、高出力な特徴を活かして、例えば、溶接ヘッド４３等に接続し、ワーク４４を溶接するのに使用することができる。図７では、３個の単位レーザユニット４１により１個のレーザユニット４１３を構成しているが、レーザユニット４１３は任意のＮ個の単位レーザユニット４１から構成される。
【００５６】
各単位レーザユニット４１は同一仕様でなくてもよい。例えば、波長１．０６μｍの光に加えて波長０．９７μｍ、０．６４μｍ等の光を同時に出射する構成にしてもよい。この場合、図８に示すように、ファイバ束１５に使用する、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１およびテーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１を、それぞれの波長の伝搬特性に合致したものを組み込んでおく。また、ファイバ束１５の縮径領域１６の先端をさらに極細に延伸してコア間隔を接近させた場合、光増幅器で使用されている光ファイバカプラのようにコア間で光の乗り移り現象が発生しやすくなる。これを利用して、ファイバ束１５の配列の外側から中心に向かって光閉じ込め効果の強い光ファイバを配置し、ファイバ束１５の中心の光強度分布が高くなる構成にしてもよい。
【００５７】
すなわち、入力用ファイバ１１は、異なる径のコア１１２を有する複数のシングルモード光ファイバ１１１の束から構成され、テーパ部ファイバ１３は、異なる径のコア１３２を有する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１の束から構成されてもよい。この場合、コア１１２とコア１３２の径の関係を、コア１１２とコア１３２の開口数の関係としても同じ効果が得られる。すなわち、入力用ファイバ１１は、異なる開口数のコア１１２を有する複数のシングルモード光ファイバ１１１の束から構成され、テーパ部ファイバ１３は、異なる開口数のコア１３２を有する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１の束から構成されてもよい。
【００５８】
図８では、シングルモード光ファイバ１１１ａ（１３１ａ）のコア１１２ａ（１３２ａ）の径と、シングルモード光ファイバ１１１ｂ（１３１ｂ）のコア１１２ｂ（１３２ｂ）の径と、シングルモード光ファイバ１１１ｃ（１３１ｃ）のコア１１２ｃ（１３２ｃ）の径とはそれぞれ異なっている。
【００５９】
さらに、入力用ファイバ１１を構成する複数のシングルモード光ファイバ１１１のコア１１２の径、およびテーパ部ファイバ１３を構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のコア１３２の径は、中心側の方が外側よりも大きい構成であってもよい。この場合も、コア１１２とコア１３２の径の関係を、コア１１２とコア１３２の開口数の関係としても同じ効果が得られる。すなわち、入力用ファイバ１１を構成する複数のシングルモード光ファイバ１１１のコア１１２の開口数、およびテーパ部ファイバ１３を構成する複数の他のシングルモード光ファイバ１３１のコア１３２の開口数は、中心側の方が外側よりも大きい構成であってもよい。
【００６０】
図８では、最外周に配置されるシングルモード光ファイバ１１１ａ（１３１ａ）のコア１１２ａ（１３２ａ）の径よりも、中間に配置されるシングルモード光ファイバ１１１ｂ（１３１ｂ）のコア１１２ｂ（１３２ｂ）の径の方が大きい。さらに、中間に配置されるシングルモード光ファイバ１１１ｂ（１３１ｂ）のコア１１２ｂ（１３２ｂ）の径よりも、一番中心に配置されるシングルモード光ファイバ１１１ｃ（１３１ｃ）のコア１１２ｃ（１３２ｃ）の径の方が大きい。
【００６１】
本実施の形態の具体例を以下に説明するが、以下の具体例は本発明の単なる例示にすぎず、本発明を限定するものではない。
【００６２】
図１に示す光ファイバ形集光器１０を製作する際に使用した光ファイバは以下のとおりである。
入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１：コア径φ４μｍ、クラッド径φ１２５μｍ、コア開口数０．１２
テーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１：コア径φ９μｍ、クラッド径φ１２５μｍ、コア開口数０．１３
出力用ファイバ１２：コア径φ１００μｍ、クラッド材質：低屈折率樹脂、コア開口数０．４６
【００６３】
まず、入力用ファイバ１１を構成するシングルモード光ファイバ１１１とテーパ部ファイバ１３を構成するシングルモード光ファイバ１３１を融着結合して６本の複合ファイバ１４を作製した。また、１本だけのシングルモード光ファイバ１１１のみからなる光ファイバを準備した。これら７本の光ファイバで最密充填配列（中心の１本の光ファイバを囲むように６本の複合ファイバ１４を配列）になるように束ねて、ヒータで溶融させて一体化した。その後、単体でのシングルモード光ファイバ１１１の最小クラッド径がφ１２５μｍから約φ３０μｍになるまで延伸した。そして、ファイバ束１５の最小部で２つに分割した後、出力用ファイバ１２に融着結合した。その後、被覆を除去している部分にガラスよりも低屈折率の被覆樹脂を再塗布してガラス部を保護し、光ファイバ形集光器１０を完成した。
【００６４】
検証のため、レーザ光源を光ファイバ形集光器１０に接続して出力光の状態を観測した（この測定は出力用ファイバ１２を融着結合する前に実施した）。レーザ光源は、発振波長１．０６μｍ、出力１０ｍＷである。テーパ部ファイバ１３を溶着した入力用ファイバ１１とテーパ部ファイバ１３を溶着していない入力用ファイバ１１のそれぞれの一端にレーザ光を入射して、他端から出射されるレーザ光の形状を観測した。この観測は出力用ファイバ１２を融着結合する前に測定している。
【００６５】
図９（ａ）は、本実施の形態におけるテーパ部ファイバ１３の先端部から出射されるレーザ光の形状を示している。図９（ｂ）は、テーパ部ファイバ１３を融着していない入力用ファイバ１１の先端部から出射されるレーザ光の形状を示している。いずれの場合も、出射されたレーザ光は、図９（ａ）、（ｂ）に示すようにコア近傍に分布している。しかし、テーパ部ファイバ１３を融着した場合は、融着していない場合と比較してモードフィールド径が小さくなっており、光強度分布がブロード形状になっていない。この結果から、テーパ部ファイバ１３を融着している場合の出力用ファイバ１２のコア１２２に必要な断面積は、テーパ部ファイバ１３を融着していない場合の断面積と比較して、約１．３倍小さくできることが確認された。また、出力用ファイバ１２を結合した状態で、それぞれの出力値を確認したところ、同等の出力が得られた。
【００６６】
以上説明したように、本発明の光ファイバ形集光器は、複数のシングルモード光ファイバの束からなる、一端をテーパ形状に縮径した入力用ファイバと、１つのコアを有する光ファイバからなる出力用ファイバと、入力用ファイバの一端と出力用ファイバとの間に設けられた、複数の他の光ファイバの束からなるテーパ形状ファイバとを備え、テーパ形状ファイバを構成する他の光ファイバの数は、入力用ファイバを構成するシングルモード光ファイバの数と同じであり、テーパ形状ファイバを構成する複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、入力用ファイバを構成する複数のシングルモード光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数よりも大きい構成を有する。
【００６７】
このような構成により、光を集光するためのテーパ部ファイバでのレーザ光の漏れを抑制できる。このことから、ファイバ束先端部の外径を今まで以上に小さくでき、かつ出力用ファイバのコア径も小さくできる。したがって、光密度の向上、ビーム品質劣化の抑制が可能である。また、複雑なコア構造のファイバを製作する必要がなく、市販のファイバを使用することも可能である。
【００６８】
また本発明においては、テーパ部ファイバは、複数の他の光ファイバの束からなる複数のテーパ部ファイバ要素が結合されて構成され、テーパ部ファイバ要素を構成する複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、出力用ファイバに近い側に設けられたテーパ部ファイバ要素の方が入力用ファイバに近い側に設けられたテーパ部ファイバ要素よりも大きい構成を有する。
【００６９】
このような構成により、テーパ部ファイバでのレーザ光の漏れをさらに抑制できる。このことから、ファイバ束先端部の外径をさらに小さくでき、かつ出力用ファイバのコア径もさらに小さくできる。したがって、光密度のさらなる向上、ビーム品質劣化のさらなる抑制が可能である。
【００７０】
また本発明においては、入力用ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の光ファイバの束から構成され、テーパ部ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の他の光ファイバの束から構成されている。
【００７１】
このような構成により、異なる波長の光を出射する複数の単位レーザユニットのそれぞれの波長の伝搬特性に合致した、複数の光ファイバにより入力用ファイバを構成することができる。したがって、異なる波長の光を出射する複数の単位レーザユニットを、波長の伝搬特性に合致した複数の光ファイバのそれぞれに接続することにより、波長の異なる複数の光を、効率よく伝搬することができる。
【００７２】
また本発明においては、入力用ファイバを構成する複数の光ファイバのコアの径またはコアの開口数、およびテーパ形状ファイバを構成する複数の他の光ファイバのコアの径またはコアの開口数は、中心側の方が外側よりも大きい構成を備える。
【００７３】
このような構成により、テーパ部ファイバの先端をさらに極細に延伸してコア間隔を接近させた場合、コア間で光の乗り移り現象を利用して、テーパ部ファイバの中心側の光ファイバを伝搬する光強度分布が高くなるので、伝搬する光を、効率よく出力用ファイバに伝搬することができる。
【００７４】
さらに、本発明は、上記いずれかの光ファイバ形集光器を備えたレーザ装置である。
【００７５】
このような構成によれば、シングルモードでレーザ光源から出射された光を効率よく集光して出力用ファイバに伝搬するので、高光密度、高ビーム品質のレーザ装置を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の光ファイバ形集光器は、高い光密度で光を１つの光ファイバに集光することができ、またビーム品質の劣化を抑制できるので、高出力、高ビーム品質なレーザ装置に有用である。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 光ファイバ形集光器
１１ 入力用ファイバ
１２ 出力用ファイバ
１３ テーパ部ファイバ
１３ａ、１３ｂ テーパ部ファイバ要素
１４ 複合ファイバ
１５ ファイバ束
１６ 縮径領域
１７、４１２、４２２ 融着結合部
２１ 溝
２２ 固定治具
２３、１１４、１３４ 被覆樹脂
２４ 筒
２５ 樹脂
４０ レーザ装置
４１ 単位レーザユニット
４２ 伝送用ファイバ
４３ 溶接ヘッド
４４ ワーク
１１１、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１３１、１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ シングルモード光ファイバ
１１２、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１２２、１３２、１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ コア
１１３、１２３、１３３ クラッド
１２２ａ、１２２ｂ コア径
４１１ 出力ファイバ
４１３ レーザユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光ファイバの束からなる、一端をテーパ形状に縮径した入力用ファイバと、１つのコアを有する光ファイバからなる出力用ファイバと、前記入力用ファイバの一端と前記出力用ファイバとの間に設けられ、前記入力用ファイバ側よりも前記出力用ファイバ側の方がより縮径された、複数の他の光ファイバの束からなるテーパ部ファイバとを備え、前記テーパ部ファイバを構成する前記他の光ファイバの数は、前記入力用ファイバを構成する前記光ファイバの数と同じであり、前記テーパ部ファイバを構成する前記複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、前記入力用ファイバを構成する前記複数の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数より大きい光ファイバ形集光器。
【請求項２】
前記テーパ部ファイバは、前記複数の他の光ファイバの束からなる複数のテーパ部ファイバ要素が結合されて構成され、前記テーパ部ファイバ要素を構成する前記複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、前記出力用ファイバに近い側に設けられた前記テーパ部ファイバ要素の方が前記入力用ファイバに近い側に設けられた前記テーパ部ファイバ要素よりも大きい請求項１に記載の光ファイバ形集光器。
【請求項３】
前記入力用ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の前記光ファイバの束から構成され、前記テーパ部ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の前記他の光ファイバの束から構成されている請求項１に記載の光ファイバ形集光器。
【請求項４】
前記入力用ファイバを構成する前記複数の光ファイバのコアの径またはコアの開口数、および前記テーパ部ファイバを構成する前記複数の他の光ファイバのコアの径またはコアの開口数は、中心側の方が外側より大きい請求項３に記載の光ファイバ形集光器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイバ形集光器を備えたレーザ装置。
【請求項１】
複数の光ファイバの束からなる、一端をテーパ形状に縮径した入力用ファイバと、１つのコアを有する光ファイバからなる出力用ファイバと、前記入力用ファイバの一端と前記出力用ファイバとの間に設けられ、前記入力用ファイバ側よりも前記出力用ファイバ側の方がより縮径された、複数の他の光ファイバの束からなるテーパ部ファイバとを備え、前記テーパ部ファイバを構成する前記他の光ファイバの数は、前記入力用ファイバを構成する前記光ファイバの数と同じであり、前記テーパ部ファイバを構成する前記複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、前記入力用ファイバを構成する前記複数の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数より大きい光ファイバ形集光器。
【請求項２】
前記テーパ部ファイバは、前記複数の他の光ファイバの束からなる複数のテーパ部ファイバ要素が結合されて構成され、前記テーパ部ファイバ要素を構成する前記複数の他の光ファイバのそれぞれのコアの径またはコアの開口数は、前記出力用ファイバに近い側に設けられた前記テーパ部ファイバ要素の方が前記入力用ファイバに近い側に設けられた前記テーパ部ファイバ要素よりも大きい請求項１に記載の光ファイバ形集光器。
【請求項３】
前記入力用ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の前記光ファイバの束から構成され、前記テーパ部ファイバは、異なる径のコアまたは異なる開口数のコアを有する複数の前記他の光ファイバの束から構成されている請求項１に記載の光ファイバ形集光器。
【請求項４】
前記入力用ファイバを構成する前記複数の光ファイバのコアの径またはコアの開口数、および前記テーパ部ファイバを構成する前記複数の他の光ファイバのコアの径またはコアの開口数は、中心側の方が外側より大きい請求項３に記載の光ファイバ形集光器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイバ形集光器を備えたレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１８６２６７（Ｐ２０１１−１８６２６７Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２６９７（Ｐ２０１０−５２６９７）
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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