JP7015989B2 - 光伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を光ファイバに集光入射させて伝送する、光伝送装置に関するものである。

近年、高出力のレーザ光を光ファイバに伝送させて加工に用いる技術が広く受け入れられようとしている。その中でも、レーザダイオード（以降、ＬＤという）の高効率化、高出力化に伴い、ＬＤからの光を直接加工に使用させる技術への要望が存在する。

この課題に対する従来技術の一例を図を用いて説明する。図８は従来技術に係る合波装置の構成図である。

ヒートブロック１０上に配列固定されたＬＤ１～７より照射されるレーザ光２１～２７を、集光レンズ２０によってマルチモード光ファイバ３０へ集光入射させる。集光レンズ２０は、コリメータレンズ部と集光レンズ部が共通の部材から一体的に形成されており、各ＬＤ１～７を既定の位置に設置することで、光路Ｂ１～７を成しファイバのコア３０ａにカップリングされる。その結果、光ファイバ３０からはＬＤ１～７の出力が合算されたレーザ光が出射され、単一のファイバから高出力のレーザ光の照射を可能にしている（例えば特許文献１参照）。

特許第４２１３４０２号公報

しかしながら、従来の光伝送装置では、レーザ光の合波用のファイバと、最終的に使用するレーザ光を伝送させるファイバのコア径が同じであるために、出射時に要求される開口数（ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）という）を超えた光をファイバにカップリングさせることができない。

また、非常に繊細な調整が必要であり、複数の光源を備える場合には、更に調整が複雑になる。加えて、コア径が小さなファイバへの集光時には、ファイバの入射端面に高い集光強度のレーザ光が照射されることから、ファイバの焼損リスクが問題となる。

そこで本発明は、以上の問題を解決し、多光源を合波し、かつ、ファイバへの集光時のリスクを低減させる光伝送装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光伝送装置は、複数のレーザ光源と、光の合波を行うコア径がＤｃｃで開口数がＮＡｃの合波用ファイバと、レーザ光源からの光を合波用ファイバへ集光入射させるレンズと、合波された光を伝送するコア径がＤｃｔで開口数がＮＡｔの伝送用ファイバと、合波用ファイバから出射される光を前記伝送用光ファイバへ集光入射させるレンズを備え、Ｄｃｃ≧Ｄｃｔ、かつ、ＮＡｃ＞ＮＡｔ、であるものである。

上記の構成により、本発明に係る光伝送装置は、ファイバへの集光時の焼損リスクを低減させることができる。

本発明の実施形態における光伝送装置の構成図 レーザ光源からの出射光が合波用ファイバに入射するまでのレーザ光伝搬図 レーザ光源からの出射光の最外伝搬成分が合波用ファイバに入射するまでのレーザ光伝搬図 レーザ光源から合波用ファイバにレーザ光が入射する際の説明図 合波用ファイバからレーザ光が出射する際の説明図 合波用ファイバから伝送用ファイバへのレーザ光の伝搬図 伝送用ファイバからレーザ光が出射する際の説明図 従来技術におけるレーザ光合波装置の構成図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。また、図面中に示されるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸はそれぞれ直行する方向である。ここで、Ｙ軸は上下にあたる鉛直方向であり、各図の座標軸はそれぞれの視野の方向に対応するように描いている。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施形態における光伝送装置の概略構成図を示す。光伝送装置は、規定のレーザ出力特性を得るために選定された伝送用ファイバ１０７と、伝送用ファイバ１０７よりも入射光特性に裕度のある合波用ファイバ１０４と、合波用ファイバ１０４からの出射光１０５を、伝送用ファイバ１０７へカップリングするための集光レンズ１０６と、複数の光源を合波用ファイバ１０４へ集光入射させる光学系であるレーザ出力部１０９を備える。

図１において、レーザ光源１００ａ、１００ｂは、最終的に用いるレーザ特性によってのみ制限され、半導体レーザや利得媒質を備えたレーザ光源であっても構わない。また、マルチモードのレーザや波長の異なるレーザ光源であっても適用することができ、レーザ光源１００ａ、１００ｂはそれぞれが別の特性を持っていても合波することが可能である。

光ファイバにおいてはイオンのドープに関わらず合波を行うことができる。イオンドープされているものを用いた場合、波長変換やアンプに使用することができ、合波用ファイバ１０４と伝送用ファイバ１０７の間に偏光制御素子や、モード制御機構を設置することで調短パルスレーザを用いた応用分野での利用も期待できる。

本実施形態として、レーザ出力部１０９に２つのレーザ光源が設置され、同一の波長１μｍ、ＢＰＰ（Ｂｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）＝４ｍｍ・ｍｒａｄの円形のマルチモードレーザを１ｋＷにて出力するものとする。合波用ファイバ１０４はコア径２００μｍ、開口数ＮＡｃ＝０．３、伝送用ファイバ１０７はコア径１００μｍ、開口数ＮＡｔ＝０．２とし、どちらもイオンのドープは無いシリカファイバとする。

レーザ光源１００ａ、１００ｂから出射されたレーザ光は、それぞれのコリメートレンズ１０２ａ、１０２ｂを通過することで平行光として伝搬され、集光レンズ１０３により、合波用ファイバ１０４へ集光入射する。レーザ光は合波用ファイバ１０４中で合波され
るが、この時ファイバをループさせておくことで、短いファイバ長で合波を行うことができる。

合波された出射光１０５は、合波用ファイバ１０４から単一の光軸で出射され、集光レンズ１０６によって、伝送用ファイバ１０７へ集光入射される。伝送用ファイバ１０７を伝搬する光は、出射光１０８として出力され、ファイバによる吸収損失や、高次モードへのエネルギー推移を除けば、基本的にはレーザ光源１００ａ、１００ｂの出力合算値と同等のビーム品質を得ることができる。

次に各部の詳細を説明する。

図２に、レーザ光源１００ａ、１００ｂから出射されるレーザ光が、合波用ファイバ１０４に入射するまでのレーザ光伝搬図を示す。

レーザ光源１００ａ、１００ｂから出射されたレーザ光の集光レンズ１０３への入射ビーム直径をそれぞれＤ１，合波用ファイバ１０４への入射集光直径をｄｃ、合波用ファイバ１０４への集光レンズ１０３の焦点距離をｆ１とすると，これらの関係式は（式１）のように示される。

ｄｃ＝（４・ｆ１／Ｄ１）×ＢＰＰ （１）

マルチモードのレーザ光を使用するため、合波用ファイバ１０４への焼損リスクを低減するために、入射集光直径ｄｃを１００μｍとし、集光レンズ１０３の焦点距離ｆ１＝１００ｍｍを採用すると、（式１）より集光レンズへの入射ビーム直径Ｄ１は１６ｍｍに設定する必要があることがわかる。

また、ファイバ内で入射させたレーザ光がすべて伝搬するためには、ファイバの規定ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）を満たす必要があり、条件を満たしていればビーム間距離Ｌ１を任意に設定でき３個以上の光源からの光を合波することも可能である。

図３に、レーザ光源１００ａからの出射光１０１ａの最外伝搬成分が、合波用ファイバ１０４に入射するまでのレーザ光伝搬図を示す。

合波用ファイバ１０４の入射端面との垂直軸と、合波用ファイバ１０４への入射光のなす角をθ１、合波用ファイバ１０４の入射許容最外部１１０と出射光１０１ａの最外伝搬成分１１１ａの平行伝搬時の距離をｘｔ１とすると、幾何光学の計算から（式２）が導き出される。

ｔａｎθ１≧ｘｔ１／ｆ１ （２）

本実施形態では、θ１＝ａｒｃＳｉｎ（ＮＡｃ）であるので、平行伝搬時の距離ｘｔ１は、ｘｔ１≦２９ｍｍを満たせばよいことがわかる。よって、集光レンズ１０３の有効径が５８ｍｍまでのものを選定すればよい。

図４にレーザ光の合波用ファイバ１０４への入射時の状態を、図５に合波用ファイバ１０４からのレーザ光の出射時の状態を示す。

図４において、レーザ光源１００ａ、１００ｂのそれぞれからの合波用ファイバ１０４へ入射する出射光１０１ａ、１０１ｂは、合波用ファイバ１０４のコア径２００μｍの半
分の１００μｍにて集光入射されている。これは、レーザ光の強度分布の裾部分が、クラッド１１３へダメージを負わせないようにするためである。

図５において、ファイバ内で合波されたレーザ光は出射光１０５として、合波用ファイバ１０４のコア１１２より、単一の光軸を持つ光として出射される。出力は、レーザ光源１００ａ、１００ｂの合算値が得られ、ＢＰＰは保存されるため、（式３）の関係で示される。

ＢＰＰ＝θ２・ｗ （３）

θ２は、合波用ファイバ１０４から出射される光の広がり角、ｗはビームウエスト半径であり、ファイバ内でレーザ強度が均一に広がっている場合はコア全体から光が出射され、コア径が２００μｍなのでビームウエストの直径（２・Ｗ）も２００μｍとなる。

（式３）より出射光１０５の広がり角θ２は、２．３°（ＮＡ＝０．０４）の出射特性が得られることがわかる。

ファイバが短いほど光の減衰は低減するが、完全に合波されず出射モードごとにＮＡがまちまちになるおそれがある。そのため、ファイバをループさせたり、意図的にカーブをつけて配置等し、レーザ光がファイバのコア全体を伝搬させるようにする必要がある。

図６に、合波用ファイバ１０４から伝送用ファイバ１０７へのレーザ光の伝搬図を示す。伝送用ファイバ１０７はコア１１６とクラッド１１７を有する。

合波用ファイバ１０４から出射された光１１４は、集光レンズ１０６により任意の集光径に設定し、伝送用ファイバ１０７にカップリングされる。この時のレンズの焦点距離をｆ２、合波用ファイバ１０４と集光レンズ１０６との間の距離をＬ２、集光レンズ１０６と伝送用ファイバ１０７の間の距離をＬ３とすると（式４）の関係に示される。

１／Ｌ２＋１／Ｌ３＝１／ｆ２ （４）

また、結像系の関係は、合波用ファイバ１０４からの出射ビーム径ｄ２、伝送用ファイバ１０７への集光入射径ｄ３を用い、（式５）で表すことができる。

ｄ３／ｄ２＝Ｌ３／Ｌ２ （５）

本実施形態では、伝送用ファイバ１０７への入射時の焼損リスクの低減のため結像率を１／３とし、集光径ｄ３ = ６７μｍと設定する。その際、Ｌ２がＬ３の３倍であることに加え、伝送用ファイバ１０７への入射ＮＡが、ＮＡｔ＝０．２（入射角１１.５°）を満たす必要があることを考慮し、集光レンズ１０６を選定する。合波用ファイバ１０４への入射時と同様に幾何光学の計算を用い、集光レンズ１０６への入射ビーム径に関して（式６）を満たせばよいことが示される。

Ｌ３・ｔａｎ１１.５°≦Ｌ２・ｔａｎ２．３° （６）

本実施形態の集光レンズ１０６に関しては、有効径がＬ２・ｔａｎ２．３°より大きく、焦点距離に関して（式４）～（式６）を満たす、例えばｆ２＝４０ｍｍを選定することができる。

図７に伝送用ファイバ１０７からの出射光の状態を示す。伝送用ファイバ１０７を伝搬
する光は、合波用ファイバ１０４にて単一光軸を持った光が入射しているため、伝送用ファイバ１０７からの出射光１０８も単一光軸を持った光が出力される。その際、ビーム品質は保存されるため、ＢＰＰ＝４ｍｍ・ｍｒａｄは変わらず、（式３）と同様に、（式７）で示される。

ＢＰＰ＝θ３・Ｗｏｕｔ （７）

ただし、伝送用ファイバ１０７の取り回し方によっては出射時のビームウエスト半径Ｗｏｕｔが小さくなり、広がり角θ３が大きくなる場合がある。加工に使用する際には、伝送用ファイバ１０７の出射端面の移動があり、その移動のたびに広がり角が変わってしまう可能性がある。広がり角が変われば加工点のパワー密度に影響を与えるので、合波用ファイバ同様、ループを作ったり、意図的にカーブをつけて配置する必要がある。

出射光１０８は、基本的にはレーザ光源１００ａ、１００ｂの出力値の合算値２ｋＷが得られるが、ファイバの損失を考慮する必要がある。一般的なシリカファイバの１μｍ帯レーザの損失は０．５ｄＢ／ｋｍ、光学素子による損失は３％程度なので、ファイバの長さが１０ｍとすると、損失の合計は１割程度と考えられる。

以上に述べたように、本実施の形態の光伝送装置によれば、レーザ光源１００ａ、１００ｂより出射された光は、コリメートレンズ１０２ａ、１０２ｂを通過することで平行光として伝搬され、集光レンズ１０３により、集光入射時の焼損リスクの少ない合波用ファイバ１０４へ集光入射され、合波用ファイバ１０４中の伝搬に伴い、単一の光軸を持つ光として出射される。合波用ファイバ１０４から出射された光は集光レンズ１０６により伝送用ファイバ１０７へ集光入射され、入力された光の出力合算値が得られる。

なお、本実施の形態では、マルチモードのレーザ光源を２つ使用し、合波用ファイバ、伝送用ファイバ共にマルチモードのノンドープファイバを用いた場合を説明したが、レーザ光源は合波用ファイバへの入射ＮＡが許容する限りの個数と入射方式を用いることができる。また、複数回合波させることで、高出力の出射光を得ることも可能である。

また、レーザ光源に関しても、波長、モード、形状、ビーム品質等における制限はなく任意の特性のレーザ光で、本発明を適用することができ、それぞれの光源の持つ波長特性やビーム品質が異なる場合でも用いることができる。ファイバにおいても、材質やファイバのコア形式に依存せず任意のものを使用することができ、ドープファイバを用いることによりアンプとして使用することができる。

加えて、いずれかのファイバの入射前に、偏光制御素子や、アパーチャを挿入することにより、モード制御を行うことも可能であるため、ＣＷレーザだけへの使用でなく超短パルスレーザの発生機構や増幅機構としても利用することが可能である。

本発明における光伝送装置は、低い焼損リスクで複数の光源からの光を合波出射するのでレーザ加工機やレーザ溶接機等において有用である。

１００ａ、１００ｂ レーザ光源
１０１ａ、１０１ｂ 出射光
１０２ａ、１０２ｂ コリメートレンズ
１０３、１０６ 集光レンズ
１０４ 合波用ファイバ
１０５、１０８ 出射光
１０７ 伝送用ファイバ
１０９ レーザ出力部
１１２、１１６ コア
１１３、１１７ クラッド

Claims (1)

1. 複数のレーザ光源と、
   前記レーザ光源からの光の合波を行うコア径がＤｃｃで開口数がＮＡｃの合波用ファイバと、
   前記レーザ光源からの光を前記合波用ファイバへ集光入射させる集光光学系と、
   合波された光を伝送するコア径がＤｃｔで開口数がＮＡｔの伝送用ファイバと、
   前記合波用ファイバから出射される光を前記伝送用ファイバへ集光入射させる集光光学系を備え、
   Ｄｃｃ≧Ｄｃｔ、かつ、ＮＡｃ＞ＮＡｔ、である、
   光伝送装置。

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