JP2014219523A - 光学部品及びファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長選択性を必要とすることなく、強い紫外線を照射されてもその機能を失わない、光反射機能を有する光学部品を提供することにある。【解決手段】 光ファイバの端面に、光ファイバと同様のコア／クラッド構造を有し、そのコアの屈折率とクラッドの屈折率がそれぞれ、光ファイバのコアの屈折率とクラッドの屈折率より大きい光学部品を取り付ける。【選択図】 図２

Description

本発明は、主にファイバレーザ装置において、光ファイバの端面に取り付けられることによって、光ファイバを伝搬する光を反射させる機能を有する、光学部品に関する。

レーザ加工や医療用途などへの適用を目的として、ファイバレーザは、高効率でしかも高ビーム品質のレーザ光を簡単に取り出せるという理由で注目を集めている。
一般的なファイバレーザ装置は、図１に示すような構成をしている。
すなわち、信号光源１から発生した信号光２と、励起光源３から発生する励起光４を、光結合器５を介して希土類元素を添加したコアを有する増幅用光ファイバ７へ入力し、励起光４がコアに添加された希土類元素に作用することで、増幅用光ファイバ７のコアを伝搬する信号光２を増幅し、高エネルギーを有するレーザ光１０を得る。

増幅用光ファイバ７の出射端にはＦＢＧ８、あるいは反射膜、ミラーなどが設けられ、出射端に到達した光の数％を反射するよう構成されていることが多い。これは励起光４、及び増幅が不十分な信号光２を反射させて増幅用光ファイバ７内へ戻し、再度増幅させるためである。なお、増幅用光ファイバ７内に戻った光は増幅用光ファイバの入射端に設けられたＦＧＢ６などによって反射され、再び増幅用光ファイバ７の出射端側へと向かう。

ところで、増幅用光ファイバの出射端に設けられるＦＢＧは特許文献１に記載されたように、感光剤が添加された材料に紫外線を照射し、グレーティング構造を形成することによって作られるものが多い。紫外線に反応する材料で構成されているため、誤って強い紫外線を照射された際にグレーティング構造が破壊され、ＦＢＧとしての機能が失われてしまうという欠点がある。

また、反射膜、ミラーなどは特許文献２、３に記載のように、特定の波長を透過し、特定の波長を反射させるなど、波長選択性を有するものが多い。このため、ファイバレーザ装置の使用波長に合わせた設計が都度必要であり、設計の手間・コストが掛かると共に、他の装置に転用しにくいといった問題がある。

特開平１１−３２６６６９ 特開２００７−２５０９５１ 特開２００５−１０９１５０

本発明の課題は、強い紫外線を照射されてもその機能を失わず、波長選択性も必要としない、光反射機能を有する光学部品を提供することにある。

本発明者は、光ファイバの端面に、光ファイバと同様のコア／クラッド構造を有し、そのコアの屈折率とクラッドの屈折率がそれぞれ、光ファイバのコアの屈折率とクラッドの屈折率より大きい光学部品を取り付けることで、従来の問題を解消できることを究明した。

本発明によって提供される光学部品は、光ファイバに接続されて使用され、光ファイバと同様のコア／クラッド構造を有し、この光学部品のコア径とクラッド径は接続される光ファイバのコア径、クラッド径と略等しく、さらに光学部品のコアの屈折率とクラッドの屈折率はそれぞれ、該光ファイバのコアの屈折率とクラッドの屈折率より大きいことを特徴とする。

本発明の光学部品にあっては、以下に記載した優れた効果が期待できる。

（１）反射機能が周期的構造によるものではないため、強い紫外線を照射されても反射機能が失われない。

（２）屈折率の差を利用して光を反射させるため、使用波長に依存しない反射機能を得ることができる。

一般的なファイバレーザ装置の一例である。 本発明の光学部品を、光ファイバに取り付けた図である。 屈折率調整領域を介して、本発明の光学部品を導光部材と接続した図である 。 屈折率調整領域を介して、本発明の光学部品を導光部材と接続した際の、各部材の屈折率の変化の様子を示したグラフである。

以下、本発明の基本的構成を、添付図面を参照しながら説明する。
図２において、１１は光学部品、１２は光学部品のコア、１３は光学部品のクラッド、１４は光ファイバ、１５は光ファイバのコア、１６は光ファイバのクラッドである。
本発明で特徴的なことは、光学部品１１のコア１２、クラッド１３の屈折率がそれぞれ、光ファイバ１４のコア１５、クラッド１６の屈折率より大きいことである。

異なった屈折率を有する媒質が接触する境界面に光が入射する際、その境界面で一部の光が反射する、フレネル反射が発生する。フレネル反射率は、接触した物質の屈折率の差と入射角によって決まる。
屈折率ｎの媒質からｎ’の媒質に向かって、その境界面に垂直に光が入射するときのフレネル反射率Ｒ（％）は、以下の（１）式で表される。

本発明はこのフレネル反射を利用して、光ファイバを伝搬してきた光の一部を反射させるものである。

光学部品１１のコア１２及びクラッド１３の材料の屈折率を、光ファイバ１４のコア１５及びクラッド１６の材料の屈折率より高いものとすることで、フレネル反射が発生する。また屈折率の低い材料から高い材料に光が入射する際は全反射が起きないため、一部の光を反射させるのに好ましい。

加えて、光学部品１１のコア１２の屈折率とクラッド１３の屈折率の差と、光ファイバ１４のコア１５の屈折率とクラッド１６の屈折率の差を、略等しくすると好ましい。略等しいというのは、完全に等しい場合だけでなく、製造ばらつきによる誤差以下の差が存在する場合も含む。

屈折率差を略等しくすることで光学部品１１と光ファイバ１４の開口数が同程度となり、光ファイバ１４のコア１５から光学部品１１のコア１２への光の伝搬がスムーズに行われる。開口数の差が大きい場合、光が光学部品１１から漏れたり、多モードになってしまったりするなどの不都合が発生する。

本発明の光学部品１１に使用される材料としては、レーザ光を通すという用途が想定されるため、耐熱性・耐久性・光学特性に優れた石英ガラスを使用するのが好ましい。石英ガラスはゲルマニウムなどの添加剤を加えることによって屈折率を上げることができ、使用条件に適した屈折率を得ることができる。

フレネル反射率は接触した媒質の屈折率の差と接触面への入射角によって決まるため、使用波長に依存することなく一定の反射率を有する。このため所望する反射率が同じであれば、使用波長が異なる光学系にも使用できるという利点があり、反射膜やミラーのように使用波長ごとに設計を変更する必要が無い。

加えて、反射機能を材料固有の値である屈折率を基に得ているため、ＦＢＧのように強い紫外線によって反射機能が失われることも無い。

本発明の光学部品１１は、実際の使用環境において、その出射側にレーザ出射用光ファイバ、光学窓と言った、別の導光部材１７が接続されることがある。この場合、光学部品１１と導光部材１７との境界面でもフレネル反射が発生すると共に、光学部品１１を構成する材料の屈折率よりも導光部材１７を構成する材料の屈折率が小さい場合が殆どであるため、全反射も発生しやすい条件である。この光学部品１１と導光部材１７との境界面における反射は、必要な光を導光部材１７へと伝搬させる観点から、少ない方が好ましい。

そのため、光学部品１１と導光部材１７とを接続する際は、その境界面における反射を減らすために、光学部品１１と導光部材１７との間に屈折率調整領域２０を設けるのが好ましい。この屈折率調整領域２０の光学部品１１と接する側は、光学部品１１と略等しい屈折率を有し、導光部材１７側に進むにつれてその屈折率は変化し、導光部材１７と接する側は導光部材１７と略等しい屈折率を有する。

すなわち、屈折率調整領域２０と、光学部品１１、もしくは導光部材１７との境界面における屈折率の差を実質０とし、フレネル反射を低減し、全反射が発生しないようにする。
このような屈折率調整領域２０を設けることにより、光学部品１１と導光部材１７との境界面での反射が低減され、光学部品１１から導光部材１７への光の伝搬が十分に行われる。

この屈折率減少領域２０を設ける方法としては、長さ方向に屈折率が変化する光ファイバを接続する、各層毎に屈折率を変えてガラス層を堆積させるといった方法が挙げられるが、光学部品１１がコア／クラッド構造を有していることから、光学部品側のコア２１、クラッド２２の屈折率が、光学部品１１のコア１２、クラッド１３の屈折率に略等しい、長さ方向に屈折率が変化する光ファイバを使用するのが好ましい。

また、図３に示したように屈折率調整領域２０、導光部材１７とも光ファイバである場合は、屈折率調整領域２０として使用される光ファイバの導光部材１７に接する側のコア２１、クラッド２２の屈折率を、導光部材１７として使用される光ファイバのコア１８、クラッド１９の屈折率に略等しくする。すなわち、光ファイバ１４から導光部材１７に至るまでの、各部材における屈折率は、図４に示したように変化する。

光ファイバ１４として、コア径２０μｍ、クラッド径４００μｍ、ＮＡ＝０．０６の光ファイバを用意した。この光ファイバ１４のコア１５の屈折率は１．４５１５、クラッド１６の屈折率は１．４５である。この光ファイバ１４はコア１５にＹｂが添加されており、ファイバレーザ装置の増幅用光ファイバとして使用できるものである。

この光ファイバ１４に取り付ける光学部品１１として、コア径２０μｍ、クラッド径４００μｍ、長さ１０ｍｍ、コア１２の屈折率１．９、クラッド１３の屈折率１．８９８５のものを使用した。
この光学部品１１はＮＡ＝０．０７であり、ＮＡ＝０．０６の光ファイバ１４に接続されても光の伝搬がスムーズに行われる範囲である。

以上の光ファイバ１４と光学部品１１を光学接続し、さらに光ファイバを使用した屈折率調整領域２０を介して光学部品１１とレーザ出射用ファイバ９を光学接続して、図１と同様のファイバレーザ装置に組み込んだ。すなわち、図１において、ＦＢＧ８の代わりに光学部品１１と屈折率調整領域１７を使用した状態となる。
光ファイバ１４と光学部品１１の接続面におけるフレネル反射率は、接続面に対して垂直に入光する光で１．８％となる。

本発明を使用したファイバレーザ装置のレーザ照射試験を行ったところ、安定したレーザ光が得られ、本発明の光学部品は、反射膜、ミラー、ＦＢＧといった従来の反射手段と比較して遜色無い反射機能を有し、ファイバレーザ装置に使用される部品として十分な性能が確保できていることが確認できた。

以上の例は、本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、種々の変更および応用が可能であることは言うまでもない。例えば、本発明の光学部品は、使用されるファイバレーザ装置などに応じて、長さを増減したり、使用材料を変更したりするなど、種々変形されて供されることは言うまでもない。

１ 信号光源
２ 信号光
３ 励起光源
４ 励起光
５ 光結合器
６ ＦＢＧ
７ 増幅用光ファイバ
８ ＦＢＧ
９ レーザ出射用光ファイバ
１０ レーザ光
１１ 光学部品
１２ 光学部品のコア
１３ 光学部品のクラッド
１４ 光ファイバ
１５ 光ファイバのコア
１６ 光ファイバのクラッド
１７ 導光部材（光ファイバ）
１８ 導光部材のコア
１９ 導光部材のクラッド
２０ 屈折率調整領域
２１ 屈折率調整領域のコア
２２ 屈折率調整領域のクラッド

Claims (4)

1. 光ファイバの端面に接続されて使用される、光ファイバと同様のコア／クラッド構造を有する光学部品であって、該光学部品のコア径とクラッド径は該光ファイバのコア径、最も外周に存在するクラッド径と略等しく、該光学部品のコアの屈折率とクラッドの屈折率がそれぞれ、該光ファイバのコアの屈折率と最も外周に存在するクラッドの屈折率より大きいことを特徴とする、光学部品。
2. 該光学部品のコアの屈折率とクラッドの屈折率の差が、該光ファイバのコアの屈折率とクラッドの屈折率の差に略等しいことを特徴とする、請求項１に記載の光学部品。
3. 屈折率調整領域を介して導光部材に光学接続されることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学部品。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光学部品を使用したファイバレーザ装置。
   

Images