JP5945733B2 - コンバイナ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は複数のレーザ光を加算するコンバイナ及びその製造方法に関するものである。

近年、ファイバレーザ加工機の光源であるファイバレーザ発振器は、高出力化、高ビーム品質化を要求されている。そのため、複数のファイバを結合することで複数のレーザ光を加算し、レーザを高出力化するコンバイナが提案されている。

従来のファイバレーザ発振器のコンバイナについて説明する。

図６に示すように、従来のファイバレーザ発振器のコンバイナ１０１は、複数のシングルモードファイバ１０２を１つのマルチモードファイバ１０３に結合させている。複数のシングルモードファイバ１０２はキャピラリ１０４内部で束ねられており、それぞれのシングルモードファイバ１０２は、直径が減少するように先端が細くなっている。すなわち、シングルモードファイバ１０２の先端はテーパ形状をしている。このように、シングルモードファイバ１０２の先端を細くすることで、複数のシングルモードファイバ１０２を１つのマルチモードファイバ１０３に接続できる。複数のシングルモードファイバ１０２のそれぞれにレーザを入射し、複数のレーザを結合させることで、マルチモードファイバ１０３から高出力のレーザを出射することができる。（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、非特許文献１参照。）。

米国特許第８１６０４１５号明細書 特表２０１２−５２４３０２号公報 特開２００９−１４５８８８号公報

Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｌｉｇｈｔ ｐｕｌｓｅｓ ｉｎ ｔａｐｅｒｅｄ ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ

従来のコンバイナでは、複数のシングルモードファイバが１つのマルチモードファイバに接続できるように、シングルモードファイバの先端の直径を、マルチモードファイバの直径に合わせるように細くするものであった。すなわち、複数のシングルモードファイバの束が、１つのマルチモードファイバの入射端に収まるように、シングルモードファイバの本数および直径だけを管理していた。しかし、シングルモードファイバの先端の直径を小さくするためのテーパ形状については、これまでは特に注目されていなかった。そして、本願発明者は、シングルモードファイバのテーパ形状によって、マルチモードファイバから出力されるレーザの安定性、効率、出力、品質が低下するという課題を新たに見出した。

上記課題を解決するために、本発明のコンバイナは、それぞれが、第１の出射端と、第１の入射端と、第１のコアと、第１のコアを囲む第１のクラッドと、を有する複数のシングルモードファイバを有する。第２の出射端と、第２の入射端とを有するマルチモードファイバを有する。第１の出射端と第２の入射端とが接続部において接続されている。第１のコアは、第１の直径Ｒ１および第１の屈折率ｎ１であり、第１のクラッドは、第２の直径Ｒ２および第２の屈折率ｎ２である。第１の直径に対する前記第２の直径の比率をＳ（＝Ｒ２／Ｒ１）とする。第１の入射端に、波長λの光が入射される。複数のシングルモードファイバのそれぞれは、第１の出射端側に、第１の出射端側に近づくにつれて第１のコアの直径および第１のクラッドの直径が減少するテーパ領域を有する。テーパ領域には、第１のコアの半径ｒ（ｚ）が以下の数１を満たす基準点が存在する。

基準点と第１の出射端との距離は、第１の出射端における第１のクラッドの直径の８０倍以下である。

本発明のコンバイナの製造方法は、挿入工程と、延伸工程と、切断工程と、接続工程とを有する。挿入工程は、第１のコアと、第１のコアを囲む第１のクラッドと、を有する複数のシングルモードファイバを、両端が開口した筒状のキャピラリに挿入する工程である。延伸工程は、キャピラリの中央部とキャピラリの内部に位置する複数のシングルモードファイバとを延伸する工程である。切断工程は、キャピラリおよび複数のシングルモードファイバを第１の出射端で切断する工程である。接続工程は、第１の出射端にマルチモードファイバの第２の入射端を接続する工程である。第１のコアは、第１の直径Ｒ１および第１の屈折率ｎ１であり、第１のクラッドは、第２の直径Ｒ２および第２の屈折率ｎ２である。第１の直径に対する前記第２の直径の比率をＳ（＝Ｒ２／Ｒ１）とする。第１の入射端に、波長λの光が入射される。複数のシングルモードファイバのそれぞれは、第１の出射端側に、第１の出射端側に近づくにつれて第１のコアの直径および第１のクラッドの直径が減少するテーパ領域を有する。テーパ領域には、第１のコアの半径ｒ（ｚ）が以下の数１を満たす基準点が存在する。

切断工程では、基準点と第１の出射端との距離が、第１の出射端における第１のクラッドの直径の８０倍以下になるように第１の出射端で切断する。

以上のように、本発明のコンバイナは、シングルモードファイバのテーパ形状を規定することにより、安定し、効率よく、高出力で、高品質なレーザを出力できる。

図１は、本実施の形態のコンバイナの概念図であり、（ａ）はコンバイナの全体図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面図、（ｄ）は（ａ）のＩｄ−Ｉｄ線における断面図である。 図２は、本実施の形態のコンバイナにおけるシングルモードファイバの出射端付近の拡大図であり、（ａ）はシングルモードファイバの出射端付近の全体図、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＩＩｃ−ＩＩｃ線における断面図である。 図３は、シングルモードファイバの出射端から出力されるレーザの測定結果を示す図である。 図４は、本実施の形態のコンバイナの製造方法を示すフローチャート図である。 図５の（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態のコンバイナの製造方法を示す工程図である。 図６は、従来のコンバイナを示す図である。

（実施の形態）
図１（ａ）は、本実施の形態におけるコンバイナの全体図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面図である。図１（ｄ）は、図１（ａ）のＩｄ−Ｉｄ線における断面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態のコンバイナは、複数のシングルモードファイバ１と、マルチモードファイバ２と、キャピラリ３とを有する。

シングルモードファイバ１は、レーザが入射される入射端（第１の入射端、図示せず）と、内部を伝播したレーザが出射される出射端（第１の出射端）とを有する。シングルモードファイバ１の入射端には、レーザ発振器（図示せず）から出射されたレーザが入射される。

また、図１（ｂ）に示すように、シングルモードファイバ１はシングルクラッド構造の石英ガラスファイバであり、中心のコア１１（第１のコア）と、コア１１の周囲に形成されたクラッド１２（第１のクラッド）と、ファイバ被覆とを有する。シングルモードファイバ１のファイバ被覆は、キャピラリ３内部およびキャピラリ３近傍では除去されている。コア１１の屈折率ｎ１（第１の屈折率）は、クラッド１２の屈折率ｎ２（第２の屈折率）よりも高く、これにより、シングルモードファイバ１を伝播するレーザをコア１１に閉じ込める効果を有する。本実施の形態では、例えば、コア１１の屈折率ｎ１は１．４８１、コア１１の直径Ｒ１は８．２μｍ、クラッド１２の屈折率ｎ２は１．４７５、クラッド１２の直径Ｒ２は１２５μｍである。第１の直径に対する前記第２の直径の比率をＳ（＝Ｒ２／Ｒ１）とする。なお、図１（ｂ）では、理解を容易にするために、コア１１の直径Ｒ１は実際よりも大きく描かれている。

マルチモードファイバ２は、レーザが入射される入射端（第２の入射端）と、内部を伝播したレーザが出射される出射端（第２の出射端、図示せず）とを有する。マルチモードファイバ２の入射端は、複数のシングルモードファイバ１の出射端に接続され、複数のシングルモードファイバ１からのレーザが入射される。複数のシングルモードファイバ１の出射端とマルチモードファイバ２の入射端とは接続部において融着されており、光学的に接続されて、コンバイナを構成する。

図１（ｄ）に示すように、マルチモードファイバ２は、シングルクラッド構造の石英ガラスファイバであり、中心のコア２１（第２のコア）と、コア２１の周囲に形成されたクラッド２２（第２のクラッド）と、ファイバ被覆とを有する。マルチモードファイバ２のファイバ被覆は、マルチモードファイバ２の入射端近傍では除去されている。コア２１の屈折率ｎ３（第３の屈折率）は、クラッド２２の屈折率ｎ４（第４の屈折率）よりも高く、これにより、マルチモードファイバ２を伝播するレーザをコア２１に閉じ込める効果を有する。本実施の形態では、例えば、コア２１の直径は１２５μｍ、クラッド２２の直径は１４０μｍ、開口数（ＮＡ）は０．２２である。開口数ＮＡとは、√（ｎ３^２−ｎ４^２）で表される。

キャピラリ３は、入射開口端３１と、出射開口端３２とを有し、入射開口端３１の径は出射開口端３２の径よりも大きい筒形状である。キャピラリ３は石英でできており、キャピラリ３の屈折率はシングルモードファイバ１のクラッド１２の屈折率ｎ２と等しい。本実施の形態では、キャピラリ３の屈折率は１．４７５、入射開口端３１の内径は７００μｍ、入射開口端３１の外径は８００μｍである。キャピラリ３の出射開口端３２は、シングルモードファイバ１の出射端と面一である。

図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線の断面図である。キャピラリ３の入射開口端３１付近では、ファイバ被覆が除去された１９本のシングルモードファイバ１がキャピラリ３の内径に挿入されている。本実施の形態では、キャピラリ３の内径が７００μｍであり、シングルモードファイバ１のクラッド１２の直径が１２５μｍである。１９本のシングルモードファイバ１を密に束ねると、キャピラリ３の内径の直径方向では、図１（ｂ）に示すように、５本のシングルモードファイバ１が並び、直径の和は６２５μｍである。キャピラリ３の内径が７００μｍであるから、１９本のシングルモードファイバ１に余裕を持って挿入できる。

図１（ｃ）は、図１（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線の断面図である。図１（ｃ）に示すように、キャピラリ３の出射開口端３２付近では、キャピラリ３の入射開口端３１付近に比べて、１９本のシングルモードファイバ１の直径とキャピラリ３の直径が縮小されている。すなわち、シングルモードファイバ１は、出射端付近（キャピラリ３の内部）において、テーパ形状で細くなっている。このテーパ形状については、後で詳細に説明する。

図１（ｄ）は、図１（ａ）のＩｄ−Ｉｄ線の断面図である。図１（ｄ）に示すように、ファイバ被覆が除去されたマルチモードファイバ２だけが存在している。

次に、図２および図３を用いて、シングルモードファイバ１の出射端の構造およびシングルモードファイバ１の出射端から出力されるレーザについて説明する。図２は、１本のシングルモードファイバ１の出射端付近の拡大図である。図３は、シングルモードファイバ１の出射端から出力されるレーザの測定結果を示す図である。図３は、中心ボートにのみシングルモード光を入射した場合の近視野像である。

図２（ａ）に示すように、シングルモードファイバ１は、コア１１の直径とクラッド１２の直径とは、同じ割合で小さくなっている。シングルモードファイバ１に入射する光の波長をλ、クラッド１２の直径をコア１１の直径で除した値をＳ（第１の直径に対する前記第２の直径の比率）とし、シングルモードファイバ１のコア１１の半径をｒ（ｚ）、コア１１の屈折率ｎ１、クラッド１２の屈折率ｎ２とする。コア１１の半径ｒ（ｚ）は、シングルモードファイバ１に沿い、出射端側を正とするＺ軸を定めると、ｚの関数であらわされる。

本実施の形態では、前述したように、Ｓ＝１５．２（１２５μｍ／８．２μｍ）、ｎ１＝１．４７５、ｎ２＝１．４８１とし、シングルモードファイバ１に入射する光の波長をλ＝１０６４ｎｍとして以下の数１を計算すると、コア１１の半径ｒ（ｚ）は１．０４μｍとなる。

コア１１の半径が１．０４μｍの箇所を、図２に示す基準点Ｏとし、この基準点ＯをＺ軸の原点とする。すなわち、ｒ（０）＝１．０４μｍである。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における断面図、言い換えると、基準点Ｏ（ｚ＝０）における断面図である。この基準点Ｏでは、コア１１の半径が１．０４μｍなので、コア１１の直径は２．０８μｍ、クラッド１２の直径は、３１．６μｍである。

また、シングルモードファイバ１の出射端は、コア２１の直径が１２５μｍであるマルチモードファイバ２の入射端に接続される。図１（ｃ）に示すように、キャピラリ３の内径の直径方向では５本のシングルモードファイバ１が並ぶので、１本のシングルモードファイバ１のクラッド１２の直径は２５μｍ以下にしなければならない。図２（ｃ）は、図２（ａ）のＩＩｃ−ＩＩｃ線における断面図、言い換えると、シングルモードファイバ１の出射端（ｚ＝ｚＬ）における断面図である。

次に、１９本のシングルモードファイバ１の中心の１本のみにレーザを入射し、基準点Ｏから出射端までの距離ｚＬ（ｍｍ）として、シングルモードファイバ１から出射されるレーザの像を確認した。ｚＬ＝１．４２、ｚＬ＝１．８１、ｚＬ＝２．００、ｚＬ＝２．３６、ｚＬ＝２．５１、ｚＬ＝２．８５、ｚＬ＝３．８２、ｚＬ＝４．２８の場合の結果を図３に示す。

図３に示すように、ｚＬ＝２．００以下では、レーザを入射した中心のシングルモードファイバ１から、隣接するファイバへの顕著なレーザの漏れは確認されなかった。しかし、ｚＬ＝２．３６以上になると、レーザを入射した中心のシングルモードファイバ１から隣接するファイバへのレーザの漏れが確認された。すなわち、シングルモードファイバ１の出射端の直径が同じであっても、基準点Ｏから出射端までの距離ｚＬが所定の値よりも大きくなるにつれて、シングルモードファイバ１からのレーザの漏れが顕著になっていくことがわかる。

レーザの漏れの原理とそれによる弊害について、以下に説明する。

シングルモードファイバ１に入射されたレーザは、コア１１に閉じ込められて出射端に向かって伝播する。コア１１内のレーザはｚ軸方向に伝播するが、テーパ部においては、コア１１の直径は徐々に小さくなっている。基準点Ｏを通過してからは、特にコア１１の閉じ込め効果が小さくなり、レーザはコア１１からクラッド１２への漏れ出しが顕著になり始める。基準点Ｏからシングルモードファイバ１の出射端までの距離が長いと、漏れ出すレーザの量も多くなる。

さらに、シングルモードファイバ１のコア１１からのレーザの漏れ出しについて、詳細に説明する。基準点Ｏを通過したレーザは、拡がるようにコア１１から漏れ出し始める。そして、コア１１から漏れ出したレーザが隣接するシングルモードファイバ１に達すると、図３に示すように、レーザが入射されていない、隣接するシングルモードファイバ１からも出射される。すなわち、本実施の形態の場合では、クラッド１２の直径が２５μｍであるため、レーザは、基準点Ｏから２．００ｍｍ進むと、幅２５μｍに拡がっていることがわかる。すなわち、基準点Ｏを通過したレーザの拡がりの全角θは、ｔａｎθ＝０．０１２５であることが分かる。言い換えると、漏れ出したレーザ光は、基準点Ｏから、出射端のクラッド１２の直径の約８０倍の距離だけ進むと、隣接するシングルモードファイバ１へ漏れることになる。このレーザの漏れが、外周に位置するシングルモードファイバ１で発生すると、キャピラリ３に漏れ出すことになる。これにより、マルチモードファイバ２へのレーザの入射が不安定になり、出力や品質が低下するのである。

以上のことから、シングルモードファイバ１のテーパ部の構造は、クラッド１２の直径が３１．６μｍである基準点Ｏから、クラッド１２の直径が２５μｍ以下である出射端までの距離ｚＬが２．００ｍｍ以下であることが望ましい。言い換えると、基準点Ｏからシングルモードファイバ１の出射端までの距離ｚＬは、出射端のクラッド１２の直径の８０倍以下であることが望ましい。また、基準点Ｏからシングルモードファイバ１の出射端までの距離ｚＬは１．８０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

次に、本実施の形態のコンバイナの製造方法について、説明する。

図４は、本実施の形態のコンバイナの製造方法を示すフローチャート図であり、図５は、本実施の形態のコンバイナの製造方法を示す工程図である。

まず、図４のステップ１において、シングルモードファイバ１およびマルチモードファイバ２の仕様から、コンバイナの形状を求める。具体的には、シングルモードファイバ１のコア１１の直径、コア１１の屈折率ｎ１、クラッド１２の直径、クラッドの屈折率ｎ２から、前述の数１により、基準点Ｏおよび基準点Ｏでのクラッド１２の直径を求める。また、マルチモードファイバ２のコア２１の直径から、マルチモードファイバ１の出射端におけるクラッド１２の直径を求める。そして、これらから、基準点Ｏからシングルモードファイバ１の出射端までの距離を決定し、コンバイナの形状を求める。

次に、図４のステップ２において、複数のシングルモードファイバ１をキャピラリ３に挿入する（挿入工程）。図５（ａ）は、ステップ２におけるシングルモードファイバ１とキャピラリ３の状態を示す工程図である。

次に、図４のステップ３において、キャピラリ３の両端をホールドする。

次に、図４のステップ４において、キャピラリ３およびキャピラリ３内部のシングルモードファイバ１を加熱し、キャピラリ３とシングルモードファイバ１の直径を縮めるようにキャピラリ３の両端を外側に引っ張る（延伸工程）。図５（ｂ）は、ステップ４におけるシングルモードファイバ１とキャピラリ３の状態を示す工程図である。

ステップ５において、ステップ４の延伸工程におけるキャピラリ３の形状をモニターする。コンバイナがステップ１で求めた形状のテーパを有するように、ステップ４の延伸工程を行い、所望のテーパになると、延伸工程を終了する。

次に、ステップ６において、コンバイナがステップ１で求めた形状になるように、不要な部分を切断する（切断工程）。これにより、シングルモードファイバ１の出射端とキャピラリ３が完成する。図５（ｃ）は、ステップ６におけるシングルモードファイバ１とキャピラリ３の状態を示す工程図である。

最後に、ステップ７において、マルチモードファイバ２の入射端をシングルモードファイバ１の出射端に接続し、図１に示すコンバイナが完成する。

以上のように、テーパ部形状をモニターしながら縮径したテーパ部を製造することにより、レーザ光源を接続することなく、より安定して効率よく高出力、高ビーム品質レーザ光を実現できるコンバイナを提供することができる。また、テーパ形状に基づき、入力ファイバ束から出射するレーザ光を推定することが可能になり、歩留まり良くコンバイナを製造することが可能になる。さらに、キャピラリ外径をテーパ部の傾き計測に用いることにより、容易にテーパ部の傾きを計測できる。

本発明のコンバイナ及びその製造方法は、より安定して効率よく高出力、高ビーム品質レーザ光を実現できるコンバイナを提供することができ、レーザ光を加算するコンバイナ及びその製造などに有用である。

１，１０２ シングルモードファイバ
２，１０３ マルチモードファイバ
３，１０４ キャピラリ
１１，２１ コア
１２，２２ クラッド
３１ 入射開口端
３２ 出射開口端
１０１ コンバイナ

Claims (5)

1. それぞれが、第１の出射端と、第１の入射端と、第１のコアと、前記第１のコアを囲む第１のクラッドと、を有する複数のシングルモードファイバと、
   第２の出射端と、第２の入射端とを有するマルチモードファイバと、を備え、
   前記第１の出射端と前記第２の入射端とが接続部において接続され、
   前記第１のコアは、第１の直径Ｒ１および第１の屈折率ｎ１であり、
   前記第１のクラッドは、第２の直径Ｒ２および第２の屈折率ｎ２であり、
   前記第１の直径に対する前記第２の直径の比率をＳ（＝Ｒ２／Ｒ１）とし、
   前記第１の入射端に、波長λの光が入射され、
   前記複数のシングルモードファイバのそれぞれは、前記第１の出射端側に、前記第１の出射端側に近づくにつれて前記第１のコアの直径および前記第１のクラッドの直径が減少するテーパ領域を有し、
   前記テーパ領域には、前記第１のコアの半径ｒ（ｚ）が以下の数１を満たす基準点が存在し、
   前記基準点と前記第１の出射端との距離は、前記第１の出射端における前記第１のクラッドの直径の８０倍以下であるコンバイナ。
2. 第１の開口径を有する第１の開口端と、前記第１の開口端と反対側に位置する第２の開口径を有する第２の開口端とを有するキャピラリをさらに備え、
   前記接続部は、前記第２の開口端に位置している請求項１に記載のコンバイナ。
3. 前記第１の出射端における前記第１のクラッドの直径は２５μｍ以下であり、前記基準点と前記第１の出射端との距離は、２．００ｍｍ以下である請求項１または２に記載のコンバイナ。
4. 前記基準点と前記第１の出射端との距離は、１．８０ｍｍ以下である請求項３に記載のコンバイナ。
5. 第１のコアと、前記第１のコアを囲む第１のクラッドと、を有する複数のシングルモードファイバを、両端が開口した筒状のキャピラリに挿入する挿入工程と、
   前記キャピラリの中央部と前記キャピラリの内部に位置する前記複数のシングルモードファイバとを延伸する延伸工程と、
   前記キャピラリおよび前記複数のシングルモードファイバを第１の出射端で切断する切断工程と、
   前記第１の出射端にマルチモードファイバの第２の入射端を接続する接続工程と、を備え、
   前記第１のコアは、第１の直径Ｒ１および第１の屈折率ｎ１であり、
   前記第１のクラッドは、第２の直径Ｒ２および第２の屈折率ｎ２であり、
   前記第１の直径に対する前記第２の直径の比率をＳ（＝Ｒ２／Ｒ１）とし、
   前記第１の入射端に、波長λの光が入射され、
   前記複数のシングルモードファイバのそれぞれは、前記第１の出射端側に、前記第１の出射端側に近づくにつれて前記第１のコアの直径および前記第１のクラッドの直径が減少するテーパ領域を有し、
   前記テーパ領域には、前記第１のコアの半径ｒ（ｚ）が以下の数１を満たす基準点が存在し、
   前記切断工程では、前記基準点と前記第１の出射端との距離が、前記第１の出射端における前記第１のクラッドの直径の８０倍以下になるように前記第１の出射端で切断するコンバイナの製造方法。