JP6477209B2

JP6477209B2 - 合波レーザ光源及びファイバ調整方法

Info

Publication number: JP6477209B2
Application number: JP2015092598A
Authority: JP
Inventors: 次郎齊川; 隼規坂本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2035-04-30
Also published as: JP2016212138A

Description

本発明は、互いに独立した複数の光源からのレーザ光を合波して高輝度化を図る合波レーザ光源及びファイバ調整方法に関する。

従来、レーザの高出力化を図る方法として、複数の光源からの複数のレーザ光を一本の光ファイバ等に合波させる方法（特許文献１）や複数の光源が結合されたファイバをバンドルして一本のファイバへ結合させる方法が知られている。

特開２００２−２０２４４２号公報

しかしながら、複数の独立パッケージ型の半導体レーザが有するエミッタサイズとビーム広がり角との乗算値と同等かあるいは数倍の値を持つ一本の光ファイバへ合波させる場合には、複数のレーザ光を調芯が困難なコアサイズを持つファイバへ効率良く結合させることは容易ではなかった。また、このような場合には、複数のレーザ光がクラッドに入射され、クラッド内をクラッドモード光が伝搬してしまうため、クラッドモード光を吸収する必要があった。

本発明の課題は、複数のレーザ光を調芯が困難なコアサイズを持つファイバへ容易に結合させることができ、クラッドモード光を吸収できる合波レーザ光源及びファイバ調整方法を提供することにある。

本発明に係る合波レーザ光源は、上記課題を解決するために、各々がレーザ光を出力する複数のレーザ光源と、コアとクラッドとを有し、前記レーザ光の入射側に、クラッドモード光を取り除くモードストリッパ機構を有するファイバと、前記複数のレーザ光源からのレーザ光を集光することにより前記ファイバに結合させる結合レンズと、前記ファイバの出力をモニタする出力モニタと、前記ファイバの前記入射側に取り付けられ、前記クラッドモード光を吸収するフェルールと、前記フェルールの温度をモニタする温度モニタと、前記出力モニタの出力が最大となり且つ前記温度モニタの温度が最小となるための移動制御信号を出力する制御部と、前記制御部からの移動制御信号に基づき前記フェルールを移動させる移動機構とを備え、前記制御部は、前記温度モニタでモニタされた温度が所定値を超えたとき、前記複数のレーザ光源を停止させることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光の入射側にクラッドモード光を取り除くモードストリッパ機構を有するファイバを用いて、出力モニタでレーザ光出力をモニタするとともに、フェルールがクラッドモード光を吸収すると、温度モニタでフェルールの温度上昇をモニタし、出力モニタの出力が最大となり且つ温度モニタの温度が最小となるための移動制御信号を制御部が出力し、制御部からの移動制御信号に基づき移動機構がフェルールを移動させるので、複数のレーザ光を調芯が困難なコアサイズを持つファイバへ容易に結合させることができる。さらに、クラッドモード光やコアに結合されなかった不要光を吸収し、反射を防ぐため不要光による損傷を抑制でき、フェルールは放熱器として機能する。また、制御部は、温度モニタでモニタされた温度が所定値を超えたとき、複数のレーザ光源を停止させることができる。

本発明の実施例１の合波レーザ光源の構成を示す図である。本発明の実施例１の合波レーザ光源の光ファイバの先端に取り付けられたウィンドウを示す図である。

以下、本発明の合波レーザ光源及びファイバ調整方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１の合波レーザ光源の構成を示す図である。図１に示す実施例１の合波レーザ光源は、半導体レーザ１ａ〜１ｅ、レンズ２ａ〜２ｅ、結合レンズ３、光ファイバ４、銅フェルール５、温度モニタ７、出力モニタ８、制御部９、移動機構１０を備えている。ここで、各要素番号は添字として振ったａ〜eは５個という意味ではなく５個以外でも良い。

半導体レーザ１ａ〜１ｅは、所定間隔毎に配置されており、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生されたレーザ光を出力する。半導体レーザとして、バー状の半導体に複数のレーザ発光機構を持ったアレイレーザでも良いし、面発光レーザあるいはバー状のアレイレーザを積層したスタックレーザのような平面的に発光分布するレーザでも良い。

半導体レーザ１ａ〜１ｅとしては、所定の波長としての６００ｎｍ以下のレーザ光を出力する半導体レーザが用いられる。

レンズ２ａ〜２ｅは、半導体レーザ１ａ〜１ｅに対向して所定間隔毎に配置され、半導体レーザ１ａ〜１ｅからのレーザ光を結合レンズ３に導く。半導体レーザのようにビームの広がり角が大きい場合はある程度の平行光が得られるコリメート配置にするのが良い。広がり角が小さなレーザの場合は必ずしもレンズ２ａ〜２ｃが必要ではない。

結合レンズ３は、集光レンズの役目をしており、半導体レーザ１ａ〜１ｅからの複数のレーザ光を集光することにより光ファイバ４に合波させる。

光ファイバ４は、例えば１００ｕｍ以下の調芯が困難なコアサイズを持つコア４ａと、コア４ａの外側に配置されたクラッド４ｂを有し、結合レンズ３からの複数のレーザ光をコア４ａとクラッド４ｂに導き、コア４ａ内のレーザ光を光ファイバ４の出力端まで伝送する。

また、光ファイバ４は、レーザ光の入射側に、クラッドモード光を取り除くモードストリッパ機構（クラッドモードストリッパともいう。）を有する。即ち、モードストリッパ機構は、光ファイバ４のクラッドに接して配置され且つ光学的に結合された高屈折率材料の層を有し、クラッド４ｂ内を伝搬するクラッドモード光をクラッド４ｂの外側に出力する機能を有する。

銅フェルール５は、光ファイバ４の入射側にギャップ６を介して取り付けられており、クラッド４ｂからのクラッドモード光をギャップ６を介して吸収する。銅フェルール５は、６００ｎｍ以下の波長を持つレーザ光の吸収が高いので、銅フェルール５の温度上昇が大きい。なお、銅フェルール５に代えて、吸収率の高い金、銀などのフェルールを用いても良い。

温度モニタ７は、例えば温度センサを有し、銅フェルール５の温度を検出してモニタする。出力モニタ８は、フォトダイオード等であり、光ファイバ８の出射端に対向する位置に配置され、光ファイバ８からのレーザ光出力をモニタする。

制御部９は、出力モニタ８の出力が最大となり且つ温度モニタ７の温度が最小となるようにするための移動制御信号を移動機構１０に出力する。移動機構１０は、制御部９からの移動制御信号に基づき銅フェルール５を３次元方向（互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）に移動させる。

次に、このように構成された実施例の合波レーザ光源の動作を説明する。まず、半導体レーザ１ａ〜１ｅからの複数のレーザ光は、レンズ２ａ〜２ｅを介して結合レンズ３に導かれ、結合レンズ３により集光されて、光ファイバ４に合波させる。

光ファイバ４のレーザ光の入射側には、クラッドモード光を取り除くモードストリッパ機構を有する光ファイバ４が用いられ、クラッド４ｂに入射されたクラッドモード光は、ギャップ６を通って、銅フェルール５で吸収される。このため、銅フェルール５の温度が上昇する。

温度モニタ７は銅フェルール５の温度上昇をモニタし、出力モニタ８は、レーザ光出力をモニタする。制御部９は、出力モニタ８の出力が最大となり且つ温度モニタ７の温度が最小となるようにするための移動制御信号を移動機構１０に出力する。

移動機構１０は、制御部９からの移動制御信号に基づき銅フェルール５を３次元方向（互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）に移動させることにより光ファイバ４の位置を調整する。このため、出力モニタ８の出力が最大となり且つ温度モニタ７の温度が最小となる。即ち、複数のレーザ光を調芯が困難なコアサイズを持つファイバへ容易に結合させることができる。

さらに、クラッドモード光やコアに結合されなかった不要光を吸収し、反射を防ぐため不要光による損傷を抑制できる。また、銅フェルール５は放熱器として機能することができる。

また、レーザ光のパワー密度が所定のレベルよりも大きくなった場合には、図２に示すように、光ファイバ４の端面にウィンドウ１１を取り付け、このウィンドウ１１によりレーザ光のパワー密度を低下させても良い。

なお、制御部９は、温度モニタ７でモニタされた温度が所定値を超えたとき、即ち、温度が異常になったときには、半導体レーザ１ａ〜１ｅを停止させるようにしても良い。

なお、ここではレーザ光源として半導体レーザの場合を例に挙げて説明したが、通常のレーザ装置を複数台設置したものや、複数のファイバをバンドルしたようなレーザ光束など離散的な状態を示すどのようなレーザ光源でも実施が可能である。

本発明に係る合波レーザ光源は、特に、レーザ加工装置、レーザ照明、レーザ露光装置、蛍光材励起、レーザ計測、レーザ医療等に適用可能である。

１ａ〜１ｅ半導体レーザ
２ａ〜２ｅレンズ
３結合レンズ
４光ファイバ
４ａコア
４ｂクラッド
５銅フェルール
６ギャップ
７温度モニタ
８出力モニタ
９制御部
１０移動機構

Claims

各々がレーザ光を出力する複数のレーザ光源と、
コアとクラッドとを有し、前記レーザ光の入射側に、クラッドモード光を取り除くモードストリッパ機構を有するファイバと、
前記複数のレーザ光源からのレーザ光を集光することにより前記ファイバに結合させる結合レンズと、
前記ファイバの出力をモニタする出力モニタと、
前記ファイバの前記入射側に取り付けられ、前記クラッドモード光と前記コアに結合されなかった不要光を吸収するフェルールと、
前記フェルールの温度をモニタする温度モニタと、
前記出力モニタの出力が最大となり且つ前記温度モニタの温度が最小となるための移動制御信号を出力する制御部と、
前記制御部からの移動制御信号に基づき前記フェルールを移動させる移動機構と、
を備え、
前記制御部は、前記温度モニタでモニタされた温度が所定値を超えたとき、前記複数のレーザ光源を停止させることを特徴とする合波レーザ光源。
前記複数のレーザ光源は、各々が所定の波長以下のレーザ光を出力し、
前記フェルールは、前記所定の波長の吸収が高い銅フェルールからなることを特徴とする請求項１記載の合波レーザ光源。
前記ファイバの端面にレーザ光のパワー密度を調整するためのウィンドウを取り付けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の合波レーザ光源。
コアとクラッドとを有しレーザ光の入射側に、クラッドモード光を取り除くモードストリッパ機構を有するファイバを備え、
結合レンズを用いて複数のレーザ光源からのレーザ光を集光することにより前記ファイバに結合させ、
前記ファイバの出力を出力モニタでモニタし、
前記ファイバの前記入射側に取り付けられたフェルールで、前記クラッドモード光と前記コアに結合されなかった不要光を吸収し、
前記フェルールの温度を温度モニタでモニタし、
前記出力モニタの出力が最大となり且つ前記温度モニタの温度が最小となるための移動制御信号を制御部から出力し、
前記制御部からの移動制御信号に基づき移動機構で前記フェルールを移動させることにより前記ファイバの位置を調整し、
前記複数のレーザ光を前記ファイバへ結合させ、
前記制御部は、前記温度モニタでモニタされた温度が所定値を超えたとき、前記複数のレーザ光源を停止させることを特徴とするファイバ調整方法。