JPH0668006U - 高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザビームの集光位置の変動による光ファ
イバの損焼を防止し、しかもレーザ発振器への反射光の
入射を防止した高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装
置を提供する。 【構成】 コア部１１及びクラッド部１２を有する光フ
ァイバ１０の端面に於いて、少なくともクラッド部１２
を覆う保護部材１を設け、レーザビーム照射によるクラ
ッド部１２の熱損焼を防止する。保護部材１は４つのセ
グメント１ａ〜１ｄによって構成され、各セグメント１
ａ〜１ｄには熱電対４ａ〜４ｄが設けられている。保護
部材１には開口部５から略円錐状に広がるテーパー面２
を設けて反射光のレーザ発振器への入射を防止する。テ
ーパー面２及び保護部材１と光ファイバ１０との接触面
８には高反射膜を形成し、レーザビーム照射による温度
上昇を防止する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、レーザ加工用の高出力レーザビームを光ファイバに入射させるに際 し、該光ファイバの端面を保護するために使用される端面保護装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

レーザ加工用の装置に於いては、レーザ加工用ノズル等にレーザ光を供給する ため、光ファイバが多用されている。このレーザ光供給用の光ファイバに於いて は、エネルギーロスを生じないようにレーザビームをその端面のコア部に正確に 集光させることが必要となる。

【０００３】 しかしながら、レーザビームを長時間使用していると、徐々に光ファイバの集 光位置がコア部から外れてクラッド部にレーザビームが照射されることがある。

【０００４】 特にレーザビームの使用開始直後にこの傾向が著しい。このような集光位置の変 動が生じると、加工用のレーザビームのエネルギーは非常に大きいため、光ファ イバの端面には熱による損焼が生じることになる。

【０００５】 このような損焼を防止するため、従来より以下に示すような種々の工夫が試み られている。即ち、 （１）図５に示すように、コア部５１及びクラッド部５２を有する光ファイバ ５０の端部の周囲を熱伝導性の高い金属部材５３で覆うことにより、レーザビー ム照射による熱を放散させて損焼を防止するもの、 （２）クラッド部の外周に熱伝導性の高い表面保護部材をコーティングするこ とにより、光ファイバの温度上昇による損焼を防止するもの（特開昭５８−１３ ９１０２号公報、特開昭５８−１３８５８７号公報）、 等が知られている。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上記の（１）の構成では、レーザビームＢの集光位置が図５の Ｂ’に示すように光軸Ｘから外れて、入射レーザビームがクラッド部５２及び金 属部材５３を直接照射する場合には、金属部材５３がクラッド部５２の熱を放散 させることができなくなり、光ファイバの端面に損焼が生じてしまう。また、図 ５の構成では、金属部材５３による反射光が再びレーザ発振器に入射し、レーザ 光の特性が変化してしまうという問題点がある。

【０００７】 また、（２）の構成によれば、光ファイバの端面以外の部分では表面保護部材 の放熱による効果が期待できるが、レーザビームの集光位置の変動によって光フ ァイバの端面に生ずる多量の熱を除去することはできない。

【０００８】 本考案は、このような従来の問題点を解決するために為されたものであり、本 考案の目的は、光ファイバの端面に於いて該光ファイバに入射するレーザビーム の集光位置がコア部から外れた場合に、光ファイバの損焼を防止し得て、しかも 反射光がレーザ発振器へ再び入射することのない高出力レーザ用の光ファイバ端 面保護装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

本考案に係る高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置は、レーザビームを入 射させる光ファイバの端面に於いて少なくともクラッド部を覆う保護部材を備え た高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置であって、前記保護部材は、前記光 ファイバの端面に於ける光軸を中心とし、前記光ファイバのコア部の直径ｄ_c に 対してｄ_c ≧ｄ_o の関係を満たす直径ｄ_o を有する開口部と、前記光ファイバの 開口数ＮＡにより定まる角度２θ以上の開き角を有すると共に、その表面に高反 射膜を形成した略円錐状のテーパー面とを有することを特徴とする。

【００１０】 また、前記保護部材に於ける前記光ファイバとの接触面に、高反射膜を形成し た構成としてもよい。

【００１１】 また、前記保護部材は前記光ファイバの周囲に配された複数のセグメントによ り構成され、前記各セグメントには温度センサが設けられている構成を付加して もよい。

【００１２】 更に、前記保護部材には、冷媒を循環させる冷却管を設けてもよい。

【００１３】

【作用】

上記の構成よりなる高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置は、レーザ加工 用の高出力のレーザビームを加工用ノズル等へ導く光ファイバの端面に使用する ものである。この端面保護装置は光ファイバの端面を保護する保護部材を有して おり、この保護部材は光ファイバの端面に於いて少なくともクラッド部を覆って いる。即ち、この保護部材は、光ファイバの端面に於ける光軸を中心とする開口 部を有し、この開口部の直径ｄ_o は、光ファイバのコア部の直径ｄ_c に対して、 ｄ_c ≧ｄ_o の関係を満たしている。この構成により、レーザビームの集光位置が変動した場 合に於いても、レーザビームが光ファイバのクラッド部を直接照射することはな いので、光ファイバの熱による損焼を防止することができる。

【００１４】 また、保護部材は上述の開口部からレーザビームの光源側に徐々に開いた略円 錐状のテーパー面を有しており、このテーパー面の開き角２αは、光ファイバの 開口数ＮＡにより定まる角度２θ以上となるように設定されている。この構成に より、レーザビームの集光位置が所定の位置から外れた場合にも、保護部材によ る反射光が再びレーザ発振器に入射してレーザ光の特性を変化させることはない 。

【００１５】 また、テーパー面の表面には、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、誘電体 多層膜等からなる高反射膜が形成されている。この構成により、レーザビームの 集光位置が変動しても、テーパー面はこれを直接照射するレーザビームを反射す るので保護部材の温度上昇は小さく、光ファイバに熱損焼は生じない。

【００１６】 光ファイバに開口数ＮＡにより定まる角度２θより大きな角度でレーザビーム が入射すると、光ファイバの端面に比較的近い部分からレーザビームが漏れ出し てしまうことが知られている。このような漏れ光が生じると、光ファイバの端部 に損焼が生じることになる。この損焼を防止するため、本考案では保護部材と光 ファイバとの接触面に、上記と同様のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、誘電体多 層膜等からなる高反射膜が形成されている。この構成により、光ファイバの端部 に於ける漏れ光は高反射膜によって反射され、保護部材の温度上昇が防止される 。

【００１７】 また、保護部材を光ファイバの周囲に配した複数のセグメントにより構成し、 各セグメントに温度センサを設けることにより、レーザビームの集光位置の変動 方向を検出することができる。即ち、レーザビームの集光位置が光軸上で移動し てレーザビームスポットが大きくなった場合には、全てのセグメントの検出温度 の上昇として検出される。また、レーザビームの集光位置が光軸から外れた場合 には、各セグメントに設けられた温度センサのうちの一部の温度センサのみが温 度上昇を検出する。この場合には、高い温度を検出している温度センサが設けら れているセグメントの方向が、レーザビームの集光位置の移動方向である。

【００１８】 更に、冷媒を循環させる冷却管を保護部材に設けた構成では、レーザビームの 集光位置の変動によってレーザビームが保護部材を照射した場合にも保護部材の 温度上昇は抑制されるので、光ファイバの熱損焼は生じない。

【００１９】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図面に基づいてより詳細に説明する。

【００２０】 図１に本考案の第１の実施例に係る高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置 の断面構成を示す。本実施例の端面保護装置は、コア部１１及びクラッド部１２ を有する光ファイバ１０の端部を覆う保護部材１を有している。本実施例の装置 が使用される光ファイバ１０には石英が用いられており、保護部材１には熱伝導 性の高いＣｕが用いられている。また、保護部材１には開口部５が設けられてお り、この開口部５に固定された光ファイバ１０の端面１０ａには、集光レンズ６ を介して集光するレーザビームＢが入射している。本実施例では、光ファイバ１ ０及びその端面１０ａの中心、並びに集光レンズ６の中心は、光軸Ｘ上に位置し ている。

【００２１】 この保護部材１をレーザビームＢの光源側から見た平面図を図２に示す。同図 に示すように、保護部材１は４つのセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ及び１ｄによっ て構成され、各セグメント１ａ〜１ｄの間には低熱伝導性材料であるＳＵＳ等の 金属、又はセラミックスからなる分離層７，７…がそれぞれ挟まれている。各分 離層７は、各セグメントを構成する金属材料とそれぞれ接合されている。各セグ メント１ａ，１ｂ，１ｃ及び１ｄにはそれぞれ温度測定孔３ａ，３ｂ，３ｃ及び ３ｄが設けられ、各温度測定孔３ａ〜３ｄには、温度センサとして熱電対４ａ， ４ｂ，４ｃ及び４ｄが設けられている。

【００２２】 また、図２に示すように、保護部材１の中央には開口部５が形成され、この開 口部５の中心は図１に示す光軸Ｘと一致している。ここで、開口部５の直径ｄ_o は、光ファイバ１０のコア部１１の直径をｄ_c とすると、 ｄ_c ≧ｄ_o の関係を満たすように設定されている。即ち、保護部材１は、光ファイバ１０の 端面１０ａに於いて、少なくとも光ファイバ１０のクラッド部１２を覆い、更に はコア部１１の周縁部をも覆っている。

【００２３】 また、保護部材１は、図１に示すように、開口部５から入射レーザビームＢの 側に略円錐状に広がるテーパー面２を有しており、このテーパー面２の開き角２ α、即ち光軸Ｘを含む平面で保護部材１を切断した断面に於けるテーパー面２の 成す角度は、光ファイバ１０の開口数ＮＡ（＝Ｓｉｎθ）によって定まる角度２ θ以上となるように設定されている。石英からなる光ファイバ１０の場合には、 ＮＡ＝０．２であり、従って、開き角２αは、 ２α≧２θ＝２３゜ である。

【００２４】 更に、本実施例では、テーパー面２にＡｕからなる高反射膜が形成されている 。また、保護部材１と光ファイバ１０との接触面８にも、Ａｕからなる高反射膜 が形成されている。

【００２５】 本実施例の端面保護装置を取り付けた光ファイバ１０の端面には、図３に示す ような、中心部で最も光強度の大きいガウス型（つり鐘型）の光エネルギー分布 を有するレーザビームＢが入射する。レーザビームＢが端面１０ａと光軸Ｘとの 交わる位置に集光している場合には、レーザビームＢの殆ど全てが光ファイバ１ ０に入射する。ところが、レーザビームＢの集光位置が光軸Ｘ上で移動した場合 や、更に光軸Ｘ上から外れた場合には、レーザビームＢは保護部材１のテーパー 面２を照射することになる。

【００２６】 本実施例では保護部材１は光ファイバ１０の端面１０ａに於いて少なくともク ラッド部１２を覆っているので、レーザビームＢの集光位置が変動してもレーザ ビームＢが光ファイバ１０のクラッド部１２を直接照射することはなく、光ファ イバ１０の熱による損焼は生じない。しかも、テーパー面２に施されたＡｕのコ ーティングがレーザビームを反射するので保護部材１の温度上昇は小さく、保護 部材１の温度上昇による光ファイバ１０の熱損焼も生じない。

【００２７】 また、保護部材１は２θ以上の開き角２αを有する略円錐状のテーパー面２を 有しているので、レーザビームＢの集光位置が変動した場合にも、テーパー面２ からの反射光が再びレーザ発振器に入射してレーザ光の特性を変化させることは ない。

【００２８】 更に、保護部材１の光ファイバ１０との接触面８にＡｕのコーティングを施す ことにより、角度２θより大きな角度で入射するレーザビームに起因する保護部 材１と光ファイバ１０との接触面からの漏れ光がある場合にも、この漏れ光によ る保護部材１の温度上昇をが抑制される。

【００２９】 また、本実施例では保護部材１を構成する各セグメント１ａ〜１ｄの温度測定 孔３ａ〜３ｄに設けた熱電対４ａ〜４ｄにより、レーザビームＢの集光位置の変 動を検出することができる。即ち、レーザビームＢの集光位置が光軸Ｘ上で移動 した場合には端面１０ａ上のスポットが大きくなるので、全ての熱電対４ａ〜４ ｄに於いて温度上昇が検出される。また、レーザビームＢの集光位置が光軸Ｘ上 から外れた場合には、熱電対４ａ〜４ｄのうちの一部の熱電対のみが温度上昇を 検出する。この場合には、高い温度を検出している熱電対を設けたセグメントの 方向が、レーザビームＢの集光位置の移動方向である。この検出結果をレーザビ ームＢを調整する光学系にフィードバックすることにより、常に入射レーザビー ムを適正な状態に保つことができる。

【００３０】 なお、本実施例では温度センサとして熱電対４ａ〜４ｄを用いたが、これらに 代えて温度上昇に伴う弾性波を検出する圧電素子を用いてもよい。

【００３１】 図４に本発明の第２の実施例に係る高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置 の断面構成の概略を示す。本実施例の端面保護装置では、光ファイバ１０の端部 を取り付けるためのファイバ取付部２３が保護部材２１に設けられている。光フ ァイバ１０はこのファイバ取付部２３の取付穴２４にネジ２９，２９によって固 定されている。また、本実施例では保護部材２１は前述の第１の実施例のように 複数のセグメントには分割されておらず、一体として形成されている。そして、 保護部材２１には冷媒としての冷却水を循環させる冷却管２７が形成されている 。

【００３２】 保護部材２１は、集光レンズ２８によって集束するレーザビームＢの円錐形状 とほぼ同じ開き角を成す集束面２６と、集束面２６の成す開き角よりも大きな開 き角を有するテーパー面２２とを有している。本実施例に於いても、テーパー面 ２２の開き角２αは、光ファイバ１０の開口数ＮＡによって定まる角度２θ以上 となっている。集束面２６とテーパー面２２とには、Ａｕによるコーティングが 施されている。

【００３３】 更に、保護部材２１の集束面２６の中央には、開口部２５が形成されている。

【００３４】 開口部２５の中心は光軸Ｘに一致している。本実施例に於いても、開口部２５の 直径ｄ_o は、光ファイバ１０のコア部１１の直径ｄ_c と、ｄ_c ≧ｄ_o の関係を満 たしている。

【００３５】 本実施例では、レーザビームＢの集光位置が変動し、開口部２５に入射するこ とができなくなった光は、端面１０ａに到達する前にテーパー面２２によって反 射される。従って、レーザビームＢが光ファイバ１０のクラッド部１２を直接照 射することはなく、光ファイバ１０の熱による損焼は生じない。また、冷却管２ ７には冷却水が循環しているので、保護部材２１のレーザビーム照射による温度 上昇も抑制される。

【００３６】 また、テーパー面２２の開き角２αは２θ以上となっているので、レーザビー ムＢの集光位置が変動した場合にも、テーパー面２による反射光が再びレーザ発 振器に入射してレーザ光の特性を変化させることはない。

【００３７】

【考案の効果】

本考案に係る高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置は、光ファイバの端面 に於けるクラッド部が保護部材によって覆われているので、レーザビームの集光 位置が変動してもレーザビームが光ファイバのクラッド部を直接照射することは なく、従って、光ファイバの熱損焼が防止される。

【００３８】 また、保護部材は光ファイバの開口数ＮＡにより定まる角度２θ以上の開き角 を成す略円錐状のテーパー面を有しているので、レーザビームの集光位置が変動 してもこのテーパー面からの反射光によるレーザ光の特性変化は生じない。

【００３９】 更に、テーパー面の表面には高反射膜が形成され、このテーパー面に直接入射 するレーザビームは反射されるので、保護部材の温度上昇による光ファイバの熱 損焼は生じない。これに加えて、保護部材と光ファイバとの接触面にも高反射膜 を形成することにより、光ファイバの端面近傍からの漏れ光がある場合にも、こ の漏れ光による保護部材の温度上昇を防止することができる。

【００４０】 更に、本考案に係る高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置では、保護部材 は光ファイバの周囲に配した複数のセグメントにより構成され、各セグメントに 設けた温度センサにより、レーザビームの集光位置の変動方向を検出することが できる。この検出結果をレーザビームの光学系にフィードバックすることにより 、安定したレーザビームを提供することが可能となる。

【００４１】 更に、保護部材に冷媒を循環させる冷却管を形成した構成では、レーザビーム が保護部材を照射した場合にも保護部材の温度上昇は抑制されるので、光ファイ バの熱損焼を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例に係る高出力レーザ用の光フ
ァイバ端面保護装置の概略構成を示す断面図である。

【図２】図１の端面保護装置に於ける保護部材のレーザ
ビームＢの光源側から見た平面図である。

【図３】入射レーザビームの光エネルギー分布を示す図
である。

【図４】本発明の第２の実施例に係る高出力レーザ用の
光ファイバ端面保護装置の概略構成を示す断面図であ
る。

【図５】従来に於ける光ファイバの端面保護を施した光
ファイバの断面図である。

【符号の説明】

１，２１…保護部材 １ａ〜１ｄ…セグメント ２，２２…テーパー面 ３ａ〜３ｄ…温度測定孔 ４ａ〜４ｄ…熱電対 ５，２５…開口部 ８…接触面 １０…光ファイバ １０ａ…端面 １１…コア部 １２…クラッド部 ２６…集束面 ２７…冷却管

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームを入射させる光ファイバの
   端面に於いて少なくともクラッド部を覆う保護部材を備
   えた高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置であっ
   て、前記保護部材は、 前記光ファイバの端面に於ける光軸を中心とし、前記光
   ファイバのコア部の直径ｄ_c に対してｄ_c ≧ｄ_o の関係
   を満たす直径ｄ_o を有する開口部と、 前記光ファイバの開口数ＮＡにより定まる角度２θ以上
   の開き角を有すると共に、その表面に高反射膜を形成し
   た略円錐状のテーパー面とを有することを特徴とする高
   出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置。
2. 【請求項２】 前記保護部材に於ける前記光ファイバと
   の接触面に、高反射膜を形成したことを特徴とする請求
   項１記載の高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置。
3. 【請求項３】 前記保護部材は、前記光ファイバの周囲
   に配された複数のセグメントにより構成され、前記各セ
   グメントには温度センサが設けられていることを特徴と
   する請求項１又は２記載の高出力レーザ用の光ファイバ
   端面保護装置。
4. 【請求項４】 前記保護部材には、冷媒を循環させる冷
   却管が設けられていることを特徴とする請求項１又は２
   記載の高出力レーザ用の光ファイバ端面保護装置。