CN101109835A - 光纤用激光入射光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种光纤用激光入射光学装置。在屏蔽容器16内，用聚焦透镜17对激光振荡器12输出的激光L进行聚焦，并使激光入射到配置在比激光L的焦点A更后方的光纤13的入射端面。用换气单元19调换屏蔽容器16内的保护气，除去在激光L的焦点A附近发生电离的保护气，抑制空气击穿的发生。

Description

光纤用激光入射光学装置
相关申请的交义参照
本申请根据并要求先前2006年7月19日提交的日本专利申请第2006-196715号的优先权益，其全部内容通过参考结合于此。
发明领域
本发明涉及使激光入射到光纤的光纤用激光入射光学装置。
背景技术
以往，在例如激光应用，激光诱起荧光分析，激光喷射(peening)等领域中，使用以峰值功率为1MW以上的巨脉冲振荡方式得到的激光。
在这种大功率激光的传送中，使用芯径1mm左右的石英材质的阶梯折射率型的光纤，如果是连续振荡光，则用1条光纤传送几kW是可能的。然而，用脉冲宽度为几ns程度的短脉冲激光，脉冲能量达几十mJ以上时，峰值功率为几MW以上。即是说，峰值功率相对于连续振荡光大3位数以上，因此在将激光入射到光纤之际，峰值密度变得非常高，达10-1～GW/cm2。因此，发生因电子的“喇叭口”现象和多光子吸收引起的损伤，使光纤瞬间破坏，激光传送困难(例如参照《激光手册》，激光学会著，OHM社，p463，p473)。因此，激光的光纤传送，主要使用连续振荡光，具有几MW以上峰值功率的短脉冲激光不适合于光纤传送。
以往的一般的入射方式中，用入射透镜使激光振荡器出射的激光入射到光纤上，但这时为采取对光纤入射端面的芯径的激光的空间匹配，为了不超过芯径的入射孔径且不超过光纤的入射NA(数值孔径)，相对于光纤聚焦激光并入射(例如参照《激光加工技术》，川澄博通著，日刊工业新闻社，p34～p37)。
有报告称由石英玻璃材质的脉冲激光引起的损伤阀值，在脉冲宽度约5ns时为100GW/cm2左右(例如参照《激光手册》，激光学会著，OHM社，p463，p473)，但在具有空间、时间分布的激光的光纤中的实用界限低得很。以往的入射方式中，在脉冲宽度为5ns、振荡重复频率为10Hz的钕:YAG激光入射到芯径为φ1mm的光纤时，用脉冲能量30～40mJ程度即峰值能量6～8MW(作为相对于芯径φ1mm的峰值密度为0.76～1.0GW/cm2)，光纤特别在内部发生损伤，不能进行10MW以上的激光传送。
因此，作为回避光纤损伤的一种手段，有通过使在光纤前面形成由聚焦透镜产生的激光的焦点，使对光纤入射发散的激光，来防止由于在光纤的入射端面及内部形成焦点引起的光纤损伤的方法。(例如，参照特开2005-242292号公报(第5页、图1))
但是，为了回避在光纤的入射端面及内部的损伤，在使由聚焦透镜产生的激光焦点形成在光纤面前的构成中，用聚焦透镜聚焦峰值功率为几MW以上的脉冲激光入射到芯径φ1mm左右的光纤时，虽可传送激光振荡开始之后稳定的激光，但随着时间的经过，聚焦透镜产生的激光焦点附近的空气逐步成电离状态。因此，存在的问题是：频频发生空气击穿，因空气击穿发生的等离子体的影响而不能传送稳定的激光。
发明内容
本发明鉴于上述的问题而作，其目的在于提供抑制因聚集透镜产生的激光焦点附近的保护气电离而引起的空气击穿的发生，能传送光纤产生的稳定的激光的光纤用激光入射光学装置。
本发明的光纤用激光入射光学装置，包括：屏蔽容器；将激光输出到所述屏蔽容器内的激光振荡器；配置在所述屏蔽容器内、并对所述激光振荡器输出的激光进行聚焦的聚焦透镜；在所述屏蔽容器内，将光纤的入射端面配置在比所述聚焦透镜产生的激光焦点更后方，使所述激光扩散地入射到光纤的入射端面的光纤位置调整机构；以及调换所述屏蔽容器内保护气的换气单元。
根据本发明，通过在屏蔽容器内，利用聚焦透镜聚焦激光振荡器输出的激光，使激光扩散地入射到配置在比聚焦透镜产生的激光焦点更后方的光纤的入射端面，而且，用换气单元调换屏蔽容器内的保护气，从而除去在聚焦透镜产生的激光焦点附近发生电离的保护气，抑制空气击穿的发生，能传送光纤产生的稳定的激光。
本发明的附加优点将在下面的说明中提出，部分将从该说明中显而易见，或可通过本发明的实践中学得。通过下面特别指出的手段和组合，可实现和取得本发明的优点。
附图说明
归入并构成本说明书的一部分的附图，说明的本发明实施例，以及上面给出的一般说明和下面给出的实施例的详细说明，一起用来解释本发明的原理。
图1为示出本发明的一实施形态的光纤用激光入射光学装置的构成图。
图2为将激光入射调整装置应用于所述光纤用激光入射光学装置中的构成图。
图3为应用了所述光纤用激光入射光学装置的激光诱起荧光分析装置的构成图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的一实施形态。
如图1所示，光纤用激光入射光学装置11，将利用峰值功率1MW～25MW左右的巨脉冲振荡方式的固体激光振荡器即激光振荡器12发生的脉冲激光即激光L，不损伤该光纤13而且可能传送由光纤13产生的稳定的激光地入射到规定的芯径及包层厚的光纤13的入射端面14。另外，当激光L的峰值功率比25MW更大时，存在芯径φ1mm左右的光纤13被破坏的危险，因此以25MW左右以下为好。
该光纤用激光入射光学装置11具有屏蔽容器16，在屏蔽容器16的一端，将输出激光L的激光振荡器12配置在屏蔽容器16内，在屏蔽容器16内配置聚焦激光振荡器12输出的激光L的聚焦透镜17，在屏蔽容器16的另一端，配置调整聚焦透镜17与光纤13的入射端面14的位置关系的光纤位置调整机构18，此外，屏蔽容器16中配置调换屏蔽容器内的保护气的换气单元19。
屏蔽容器16只要是能屏蔽从外部向屏蔽容器16内侵入尘埃的结构就行。
聚焦透镜17是凸透镜，只要是能耐受因入射激光振荡器12出射激光L产生的热，其材质和形状不受特别的限制。另外，聚焦透镜17，根据需要也可以是2片薄透镜组合的合成透镜。
光纤位置调整机构18，在屏蔽容器16内保持光纤13的端部，具有：或相对于由聚焦透镜17聚焦的激光L的光轴，进行对准光纤13的入射端面14的中心轴的调整、或调整聚焦透镜17与光纤13的入射端面14的相对间隔的例如XYZ平台。
利用光纤位置调整机构18，光纤13进行调整，使得光纤13的入射端面14在聚焦透镜17形成的激光L的焦点位置即焦点A的更后方，定位于只离开规定距离的位置上。另外，光纤位置调整机构18可能利用手动或电动机和齿轮机构等作任意调整。
另外，将光纤13的入射端面14在聚焦透镜17的焦点位置即焦点A的更后方配置在只离开规定距离的规定位置上，是使入射到光纤13的入射端面14的激光L具有发散性。即，通过使光纤13的入射端面14与聚焦透镜17之间的距离最佳化，入射到光纤13的入射端面14的激光L具有发散性，从而入射到光纤13内的激光L在光纤13内特定位置会聚，结果，在光纤13的特定位置的峰值功率的密度增高，光纤13损伤得以抑止。
换气单元19具有将保护气导入屏蔽容器16内的导入口21、排出屏蔽容器16内的保护气的排气口22，并设置导入口21和排气口22使夹着聚焦透镜17产生的激光L的焦点互相对置。导入口21和排气口22中配设例如HEPA(高效粒子空气过滤器)过滤器等的滤尘器23。导入口21中配置向屏蔽容器16送入保护气的风扇24。作为保护气，除空气外，也可以用空气以外的气体。
可是，对光纤13有必要用适当的入射NA入射激光。入射NA过小时，不能抑制在光纤13内部的激光L的会聚。
反之，入射NA过大时，光纤13的出射角度变得过大，产生在出射光照射对象物之际照射光学***增大的问题。这是因为，为了用折射率1.5左右的玻璃材料，以1以下的成像倍率，用1片平凸透镜对对象物形成光纤13的出口的像，条件是入射NA约为0.25rad以下的缘故。
另外，当入射NA大时，因包层与纤芯的折射率差变大，机械强度下降，包层变得脆弱易折。这是因为，设纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2时，存在入射NA＝√[(n1)2-(n2)2]的关系，为此为增大入射NA，有必要降低包层折射率，因此有机物层必要增加对包层材料掺杂的氟、硼的缘故。
因此，为缩小光纤入射光学***的全长，和作为适当的入射NA即0.06～0.22rad左右进行入射，有必要用焦点距离50mm左右以下的较短焦距的聚焦透镜17。
另外，在使激光L的焦点A位于光纤13的前面时，当保护气中尘埃多时，它们在焦点A位置蒸发，不能稳定的传送。因此，通过在屏蔽容器16内配置包含从聚焦透镜17到光纤13的光路空间的光纤入射***，能阻断尘埃。
另外，在用焦距短的聚焦透镜17时，因激光L的聚焦束径为几十μm全100μm量级，很小，因此功率密度为发生空气击穿的阀值即100～200GW/cm2程度。于是，激光振荡开始后虽可传送稳定的激光，但随着时间的过去，聚焦透镜17产生的激光L的焦点A附近的保护气逐渐成为电离状态，空气击穿频频发生，受空气击穿而发生等离子体的影响，不能传送稳定的激光。
因此，使换气单元19的风扇24动作，从屏蔽容器16的导入口21导入新鲜保护气到屏蔽容器16内，同时从屏蔽容器16的排气口22排出屏蔽容器16内的保护气，调换屏蔽容器16内的保护气，这样一来，排出激光L的焦点A附近发生的电离跟前的保护气，能抑制空气击穿的发生，传送由光纤13产生的稳定的激光。
特别是设置导入口21与排气22使夹着聚焦透镜17产生的激光L的焦点A互相对置，因此保护气流过聚焦透镜17产生的激光L的焦点A的位置，能可靠地调换该焦点A位置的保护气。
而在调换保护气之际，有必要防止尘埃的混入。因此，通过在导入口21设置滤尘器23，能提高导入屏蔽容器16内的保护气的清洁度。另通过在排气口22也设置滤尘器23，能防止在换气单元19停止时尘埃的侵入。
下面，示出光纤用激光入射光学装置11的具体实施例。
激光振荡器12采用GP振荡方式Nd:YAG激光，聚焦透镜17采用f＝40mm的平凸透镜，光纤13采用阶梯折射率型石英材质光纤，滤尘器23采用HEPA过滤器，使焦点A位于光纤13的入射端面14的5mm前，以入射NA0.08rad入射激光脉冲宽度5ns、脉冲能量110mJ(峰值功率22MW＝110mJ/5ns)、束径6mm的巨脉冲振荡方式Nd:YAG激光，这样，得到光纤出射能量100mJ。
下面，示出在图2中调整对光纤13的激光L的入射位置的激光入射调整装置27。
该激光入射调整装置27是在屏蔽容器16外面进行作业的装置，在激光振荡器12与聚焦透镜17之间，配置减弱激光的入射光量调整用的ND滤光器28，和作为从激光振荡器12向聚焦透镜17的激光中分离出由光纤13的入射端面14反射的反射激光(返回激光)R的半透明镜的分束器(采样反射镜)29。
用成像透镜30将分束器29分离的反射激光R成像在CCD摄像机31的受光面上，使CCD摄像机31摄影的图像显示于监示器32上。用ND滤光器28实施摄像机31的光量调整。
然后，一面用监示器32观测光纤13的入射端面14、一面用光纤位置调整机构18将光纤13的入射端面14对准激光L，调整设定对光纤13的激光L的入射位置。
下面，图3中说明光纤用激光入射光学装置11用于激光诱起荧光分析装置***的实施例。
激光诱起荧光分析装置41具有：光纤用激光入射光学装置11、照射光学***42、荧光导光光学***43、分光器44、CCD摄像机45、定时调整机构46、以及计算机47等。
照射光学***42，将由光纤用激光入射光学装置11入射到光纤13并从该光纤13的出射端面出射的激光L，聚焦并照射试样S的规定范围。
荧光导光光学***43，捕获来自试样S的荧光，使该捕获的荧光入射到导入后级分光器44用的光纤48。
分光器44，例如利用光栅等，具有配合试样S的荧光特性的波长检测范围和波长分辨力。
CCD摄像机45，接受利用分光器44选出的特定范围波长的光(荧光)，输出对应于各自的光强度的电信号。
定时调整机构46是脉冲发生器或激光诱起荧光分析装置41的主控装置，控制供给激光振荡器12的未图示的电源装置的驱动脉冲的输出定时与CCD摄像机45的动作定时等，在规定的定时使摄像试样S发生的荧光。
计算机47，暂时存储CCD摄像机45输出的图像或分光光谱等，根据对预先存储的“元素识别程序”、“元素定量程序”或CCD摄像机供给的图像数据等加上规定的处理的算法，分析试样S的特性或作为其前阶段进行处理数据。
然后，在激光诱起荧光分析装置41中，利用定时调整机构46，在规定时刻使激光振荡器12振荡，使峰值功率1MW～25MW的巨脉冲振荡方式的激光L入射到芯径φ1mm左右的光纤13，进行传送，该光纤13传送的激光L从照射光学***42照射试样S。
当照射光学***42以几百μm的直径对试样S照射激光L时，照射功率密度为几～几十GW/cm2，试样S瞬间被等离子体化。接受该等离子体的能量，试样S中存在的各元素各自发出固有的荧光光谱。该发光光谱由荧光导光光学***43引导至分光器44，由CCD摄像机45计测光谱。这时，因荧光光谱从等离子体发光起晚发光几μs～几百μs，所以用定时调整机构46对CCD摄像机45的计测时间设定延时与选通，使得只能计测必要的荧光光谱。用数据收集用计算机47收集计测结果，分析试样S中所含的元素。
该激光诱起荧光分析中，几乎不要对ICP发光分析那样的试样S的前处理，迅速测定是可能的。
这时，如能对试样S自由地导光并照射激光L，且装置小型化，则能带装置到工厂等的现场，可能当场分析，相当方便。
由于用小型光纤用激光入射光学装置11传送激光诱起荧光分析必要的峰值功率1MW～25MW左右的短脉冲激光到芯径φ1mm左右的光纤13是可能的，因此能提供小型的、对测定对象能自由地照射激光L的激光诱起荧光分析装置41。
对本专业中熟练的技术人员而言，附加的优点和改进是容易的。因此，本发明在更广阔方面不受此处示出的和说明的具体细节和有代表性的实施例的限制。因而，在不偏离由后附的权利要求及其等效体限定的一般发明概念的精神和范围和情况下，可做出各种改进。

Claims (6)

1.一种光纤用激光入射光学装置，其特征在于，包括：
屏蔽容器；
将激光输出到所述屏蔽容器内的激光振荡器；
配置在所述屏蔽容器内、并对所述激光振荡器输出的激光进行聚焦的聚焦透镜；
在所述屏蔽容器内，将光纤的入射端面配置在比所述聚焦透镜产生的激光焦点更后方，使所述激光扩散地入射到光纤的入射端面的光纤位置调整机构；以及
对所述屏蔽容器内保护气进行换气的换气单元。
2.如权利要求1所述的光纤用激光入射光学装置，其特征在于，
激光振荡器以峰值功率为1MW～25MW的巨脉冲振荡方式输出激光。
3.如权利要求1所述的光纤用激光入射光学装置，其特征在于，
换气单元具备将保护气导入屏蔽容器内的导入口，排出屏蔽容器内保护气的排气口，以及安装于这些导入口和排气口上的滤尘器。
4.如权利要求2所述的光纤用激光入射光学装置，其特征在于，
换气单元具备将保护气导入屏蔽容器内的导入口，排出屏蔽容器内保护气的排气口，以及安装于这些导入口和排气口上的滤尘器。
5.如权利要求3所述的光纤用激光入射光学装置，其特征在于，
换气单元的导入口和排气口，夹着聚焦透镜产生的激光焦点互相对置。
6.如权利要求4所述的光纤用激光入射光学装置，其特征在于，
换气单元的导入口和排气口，夹着聚焦透镜产生的激光焦点互相对置。
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