JP3520044B2 - ファイバ光伝導体アセンブリ保護装置及び方法、並びにファイバ光伝導体用端子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバ装置に関
する。特に、本発明は高出力レーザビームをワークピー
スへ送出するための光ファイバに関するが、これに限定
されない。また本発明は光ファイバアセンブリの入力又
は出力端部のいずれかの構成に関し、入力ビーム／ファ
イバの位置合わせずれのために、あるいは出力端部にお
いて、レーザビーム相互作用によりワークピースで発生
する広帯域光放射の後方結合やレーザ放射の後方反射の
ために、アセンブリが故障することを防ぐためのもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】材料処理作業でレーザビームをワークピ
ースへ送出するために光ファイバ送出システムを使用す
ることが一般的に好まれる。使用されるレーザは、典型
的には、１０６０ｎｍなどの波長で作動するＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザである。光ファイバ送出システムを使用する利
点はよく知られており、レーザビームをワークピース上
で容易に走査できること、レーザをワークピースからは
なれた位置に設置できること、単一のレーザから複数の
遠隔ワークステーションへ出力を分配できることなどが
ある。

【０００３】光ファイバの構造及び作用の原理はよく知
られている。レーザビームを伝送するための光ファイバ
は、一般的には、クラッディング層で包囲された円形断
面を有する中心コアを含む。通常、コア及びクラッディ
ング層を保護及び強化するためにバッファ層及び外側ジ
ャケット層も提供される。

【０００４】理想的には、レーザビームは、ファイバ入
力面でコア領域へ指向されることによって、光ファイバ
内ヘ導入される。しかしながら実際には、レーザビーム
の一部は意図せずにファイバ入力面のクラッディング領
域にも衝突する（入力する）ことが多く、この結果、か
なりのレーザ出力がクラッディング層に入る。これは、
ファイバ入力面におけるレーザビーム幅がコア幅を超え
ることによって、あるいは、レーザビーム軸がコア軸と
十分に位置合わせされていないことによって生じる。

【０００５】ビーム送出ファイバアセンブリは、一般的
に、端子中で各端部において終了する。ファイバの入力
面及び出力面がそれぞれ所定位置に配置され保持される
ように、端子はファイバを配置及び固定するのに役立
つ。これは、入射レーザビームとファイバコアとの間の
軸方向及び幅方向の位置合わせを保持するために、ファ
イバ入力面で特に重要である。端子の本体及び主要部品
は、剛性及び端子の放熱性を考慮慮し、一般的に金属製
である。ファイバは通常、ある種の接着剤、セメント、
又はグルーによって端子へ固定される。

【０００６】従来のファイバ設計では、ファイバのバッ
ファ及びジャケットの材料は、高レベル光放射耐性とは
別の特性のために選択されている。バッファ層は、例え
ば、クラッディング層表面の摩耗を防止し、クラッディ
ング層表面からの水蒸気を排除し、機械的衝撃を吸収す
るための弾性層を提供するように設計される。ジャケッ
トは更なる機械的保護及び強度を提供する。これは、高
レベルの光放射にさらされるとジャケット及びバッファ
層は両方とも損傷され得ることを意味する。従って、ジ
ャケット及びバッファ層への直接のレーザ放射は、さけ
るべきである。そのため、バッファ及びジャケットを瞬
間的な放射から隔てるため、及びファイバを端子へ固定
するプロセスを容易にするために、バッファ及びジャケ
ットは両方とも、ファイバの入力面及び遠位面（出力
面)から少なくとも一部が除去されるのが普通である。

【０００７】ファイバを端子へ固定するために通常使用
される接着剤は、クラッディングと端子の間、及び／又
はジャケットと端子の間に塗布することができる。クラ
ッディングと端子の間に塗布される場合、ファイバクラ
ッディングにはかなりのレーザビームパワーが存在でき
るので、このレーザパワーのいくらかはクラッディング
から接着剤へ移行し、次にそのパワーのいくらかは接着
剤から金属端子へ移行する。最も一般的に使用される接
着剤は適度なレベルのレーザパワーに対して耐性があ
り、レーザパワーを吸収せず、それゆえ、それ自体は加
熱されないが、隣接する金属部分はレーザパワーを容易
に吸収するために非常に熱くなる。これにより、接着剤
は過熱され、不具合が生じファイバに潜在的な大きな損
傷を引き起こす。入力放射がコア及びクラッディングを
逸れて接着剤に直接行われた場合も、同様の結果が発生
する。

【０００８】接着剤がジャケットと端子の間に直接提供
される場合、接着剤がクラッディングからより隔間する
程、より過熱されにくくなる。しかしながら、ジャケッ
ト自体はフレキシブル材料のバッファによってクラッデ
ィングから隔てられるので、ファイバ面を所定位置に正
確に保持する点においてこれはあまり満足できるもので
はない。

【０００９】現在、光ビーム送出システムは５キロワッ
トまでの連続波レーザパワーを伝送するために使用され
ている。間もなく１０キロワット平均のパワーと同等又
はそれ以上のパワーレベルが一般的になることが予測さ
れる。ビームパワーのほんのわずかな部分でさえもファ
イバのコア以外のどこかに存在すると、特に端子におい
て、明らかに大きな不具合が生じる可能性がある。

【００１０】過去において、両ファイバ面に入射してク
ラッディング層に直接入る光放射の問題を解決する幾つ
かの試みが成されているが、本発明の主題ではない。

【００１１】ファイバの入力端部では、例えばグロスビ
ームの位置合わせずれやオーバサイズビームのために、
ビームはクラッディングのエッジを通り超え、したがっ
てファイバ端子に衝突する、又は入る。クラッディング
のエッジを通り超え、クラッディング側面を進行する光
放射は、以下、放射源又はスピルオーバの理由に関係な
く「スピルオーバ（こぼれ）放射（spillover radiatio
n）」と称される。

【００１２】スピルオーバ放射は、光ファイバアセンブ
リ、特にファイバ端子アセンブリに対して非常に大きい
影響を有する。

【００１３】またスピルオーバ放射は、光ファイバの出
力面でも発生し得る。一般的に、光ファイバの出力面か
らのレーザ放射をワークピースへ結合させるために、図
１に示されるように２つのレンズＡ、Ｂを典型的に含む
光学系を用いて、その面はワークピース上へイメージン
グされる。レーザＣからのビームは、光ファイバＤによ
って、光学系を介してワークピースＥへ指向される。ワ
ークピースの焦点が合う、即ちワークピースがファイバ
面の画像平面にあると、レーザが入射するワークピース
領域もファイバ出力面上へ戻ってイメージングされる。
レーザ放射のワークピースへの結合は決して完全ではな
いので、いくらかのレーザ放射は常にワークピースによ
りファイバへ向かうように後方に反射される。レーザビ
ームのスイッチがオンされるとき、又はワークピースの
新しい領域へ初めて適用されるとき、且つ、レーザビー
ムがワークピースの表面反射率を低下させるのに必要な
時間を有するより前に、後方反射の度合いは一般的には
最高となる。しばしば、後方反射されて出力端子へ到達
するレーザ放射の量を減少させるために、ユーザは、光
学系に関してワークピースを傾斜させる方法をとる場合
もある。

【００１４】後方反射に加えて、レーザビームとワーク
ピースとの相互作用によって発生する広帯域光放射から
生じる問題もある。ビームと材料の相互作用が通常可視
炎に似た一部イオン化されたガス煙を形成することはよ
く知られており、これは典型的にはワークピース表面か
ら数ミリメートルに及ぶ。他の放射も相互作用によって
発生される。その結果、周波数範囲をカバーする光放射
が発生される。この発生した放射の多くは、ファイバイ
メージング光学系へ向かって伝播され、ファイバイメー
ジング光学系によって遮られ、したがってファイバの出
力面付近の領域に焦点が合わされる。しかしながら、焦
点が合わされたプロセス放射の横方向の広がりは、煙の
直径、色レンズの異常、及びワークピースの焦点が合わ
ないときなどの種々の理由のため、一般的にクラッディ
ング直径よりも大きい。これらは常に、結果的に、ファ
イバ端子に非常に大きな損傷を与え得る大きなスピルオ
ーバ放射をもたらす。

【００１５】優れた設計及び慎重な位置合わせによって
少なくとも部分的に訂正できるファイバ入力面でのレー
ザビーム位置合わせずれとは違って、ファイバの出力端
部におけるプロセス放射の入射（及び、従って、スピル
オーバ放射の入射）は、除去することができない。した
がって、ファイバの出力端部では多量のスピルオーバ放
射は避けられない。

【００１６】スピルオーバ放射の損傷効果を減少させる
ための試みが過去に成されている。例えば、独国特許第
２９７１０６７８号、米国特許第５，１７９，６１０
号、欧州特許第０６１９５０８号及び米国特許第５，２
９１，５７０号がある。これらの解決方法はスピルオー
バ放射の通路に反射体を使用する方法である。このよう
な反射体は製造及び配置が困難であり、製造が困難で光
損傷のしきい値が比較的低い材料から成るコーティング
を必要とする。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高出力ファ
イバアセンブリの入力及び出力端部の両方で、損傷を与
える可能性のある量のスピルオーバ放射の有害な影響を
回避するためのファイバ光伝導体アセンブリ保護装置及
び方法、並びにファイバ光伝導体用端子を提供するもの
である。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明によると、第１の
態様では、逸脱した放射エネルギ（光ファイバに提供さ
れる所望の放射エネルギ以外のエネルギ）からファイバ
光伝導体アセンブリを保護するための装置が提供され、
ファイバ光伝導体アセンブリは光ファイバを含み、該装
置は光ファイバによって画定される通路に近接する放射
エネルギのための代替通路を提供するようにファイバに
近接して取りつけられた少なくとも１つの本体を備え、
少なくとも１つの本体は、少なくとも１つの本体内の放
射エネルギが少なくとも１つの本体の外側へ再指向され
る（放射エネルギの向きが変更される）ように構成され
る。

【００１９】好ましくは、再指向された放射を吸収する
ために放射吸収手段が提供される。

【００２０】本発明によると、更なる態様では、近位端
部を有するファイバ光伝導体のための端子が提供され、
光ファイバの近位端部に入射しない放射エネルギのため
の代替光路を形成する少なくとも１つの本体を含み、少
なくとも１つの本体は、少なくとも１つの本体内の放射
エネルギが少なくとも１つの本体の外側へ再指向される
ように構成される。

【００２１】好ましくは、少なくとも１つの本体は、全
内面反射により放射エネルギを再指向させるように形成
される。あるいは、放射エネルギは、屈折又は回折によ
って少なくとも１つの本体から再指向されてもよい。

【００２２】少なくとも１つの本体は、毛細管などの管
であるのが最も好ましい。

【００２３】好ましくは、再指向された放射を分析する
ための手段が提供される。これは、ビームの焦点がワー
クピースに合っているかを決定したり、有害レベルのス
ピルオーバ放射がファイバ端子に存在するので材料処理
作業をいつ終了させるべきかを決定するなど、有用な情
報を得るために使用できる。

【００２４】本発明によると、更なる態様では、近位端
部を有するファイバ光伝導体アセンブリを、逸脱した放
射エネルギから保護する方法が提供され、近位端部に入
射しない放射エネルギのための代替光路を提供する少な
くとも１つの本体をファイバ伝導体に近接して提供する
ステップと、放射エネルギを少なくとも１つの本体の外
側へ再指向させるステップと、を含む。

【００２５】好ましくは、逸脱した放射エネルギが通過
する少なくとも１つの本体は、放射エネルギが全内面反
射され、少なくとも１つの本体の外側へ光ファイバから
離れるように再指向されるように角度がつけられた遠位
端部を有する。あるいは、放射エネルギは、屈折又は回
折によって少なくとも１つの本体から再指向されてもよ
い。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の実施例として、図面を参
照して、次に一例を説明する。

【００２７】図２は本発明の実施例を示す。光ファイバ
１は円筒形金属フェルール２の同軸孔内に付けられる。
ファイバは、ファイバジャケットとフェルール内壁の間
に取り付けられたエポキシセメントなどの接着剤によっ
て、フェルールへ固定される。ファイバは、コアと、ク
ラッディング層５と、バッファ層３と、ジャケット１２
と、を備える。フェルールは、各端部で短い距離２ｂ、
２ｃを除いて除去された外壁２ａを有し、そのために一
般的にダンベル形状である。フェルールは端子本体４の
同軸孔４ａ内にスライディングフィットするように取り
付けられる。本体壁を貫通して取り付けられフェルール
を押圧する止めねじ(図示せず)を提供するなど、適切な
手段によってフェルールは固定されてもよい。

【００２８】ファイバのジャケット１２はフェルール内
部で終了し、バッファ層３は、フェルールから短い長さ
(約１ｍｍ)突出する。この先の更に端子内へ、光ファイ
バのクラッディング層５は長さ４５ｍｍにわたって露出
している。フェルール内には長さ約４ｍｍの露出したバ
ッファ層があり、バッファ層とフェルール内壁との間の
空間は、シリコンゴム（１８２ＲＴＶ）１４で充填され
る。クラッディング及びコア(図示せず)は、ファイバの
長手軸に垂直な平坦で研磨された端面１３で終了する。

【００２９】端子がファイバの入力端部にある場合、レ
ーザ(図示せず)からのレーザビームは面１３で入力さ
れ、図面の右から左へファイバを通って前方へ移動す
る。端子が出力端部に取り付けられる場合、レーザビー
ムは図面の左から右へ移動し、表面１３から放射され
る。

【００３０】更に、溶融シリカ毛細管（フューズシリカ
キャピラリー管）６が提供される。これは同軸穴を有
し、光ファイバ（又は少なくとも光ファイバの露出クラ
ッディング部分５）は毛細管の同軸穴６ａを通過する。
ある例において、ファイバのコア径は、６００ミクロン
である。クラッディング径は典型的には７３０ミクロン
である。この場合、本発明の実施例では、毛細管の穴径
は、例えば７４０乃至７５０ミクロンでよい。これは、
ファイバの横方向位置を画定するのに十分小さく、結合
放射をクラッディングから管内へ回避させるのに十分大
きい隙間を残す。

【００３１】図示される例の毛細管は直径３．５ｍｍ、
全長２５ｍｍである。毛細管の入力面７は研磨され、平
坦であり、管軸に垂直である。毛細管の出力面８も研磨
され、平坦であるが、この実施例では管軸に対して４５
°の角度で傾斜している。ファイバ端面は管の入力面を
超えて約１ｍｍ突出する点に注意されたい。

【００３２】毛細管はマウント９の穴に取り付けられ、
マウント９は適切な任意の形状を有することができる
が、管との接触領域を少なくするために軸方向及び周方
向に除去された穴を有するスプリット金属クランプの形
を取る。しかしながら、毛細管はマウント９によってき
わめて確実に保持されなければならない。マウント９自
体は端子本体４の外側端部の同軸内部穴４ｂに取り付け
られ、端子本体端部にねじ止めされたねじ付きロックリ
ング１０によって内部ショルダ４ｃに対して固定され
る。マウント９の横方向の位置は、例えば端子壁を貫通
して取り付けられマウントを押圧する止めねじによって
ファイバ端面の相対位置を調整するために、端子本体に
対して変化させることができることが好ましい。

【００３３】また端子本体４は、毛細管の出力面８の近
傍において、壁に孔又はポート１６を備える。

【００３４】毛細管を通過せずバイパスする（例えば、
管及びファイバ間の隙間を介して）スピルオーバ放射か
ら、及び、ポート１６へ進まなかった毛細管内の放射か
ら、バッファ及びシリコンゴムプラグ１４を保護するた
めに、金属バッフル１５は、毛細管とフェルールの間の
領域にファイバと同軸的に取り付けられる。バッフルの
穴は、クラッディングの直径よりも典型的には約１ｍｍ
大きい。

【００３５】また図２のアセンブリは、ファイバの入力
面１３に隣接する入力アパーチャ１１ａを画定する本体
１１も備える。本体１１は「レシーバ」本体の一部であ
り、端子と形状が相補的であり、動作中においては、端
子が取り付けられている。

【００３６】端子本体４の外側端部をレシーバ本体の部
位１７と同軸的に配置するために、部位１７は端子本体
を受け入れるための円錐形の穴を有する。端子本体の端
部は相補的な形状を有し、端子本体は圧縮ばね(図示せ
ず)によってレシーバ(部位１７)へ付勢される。

【００３７】端子の金属部分及び入力アパーチャ本体
は、アルミニウム合金又は銅合金などの適切な材料で製
造される。

【００３８】端子アセンブリの作用は、毛細管６付近の
領域の拡大図である図３を参照して説明する。端子はフ
ァイバの入力端部に取り付けられると仮定する。アセン
ブリによって伝送されるべきレーザビームは、まず、端
子アセンブリ前方でビーム通路に取り付けられた入力光
学系によって調節されるので、ファイバ面におけるビー
ム径はコア径よりも小さく、ビームの円錐角はファイバ
の最大許容角度よりも小さい。ファイバに入力し損なっ
たレーザビーム放射、即ちスピルオーバ放射は、ライン
４１及び４２で示されるように毛細管６の入力面に入
る。放射は、管の円筒形外壁及び内壁における全内面反
射によって、毛細管内に閉じ込められる。この点で、毛
細管は大径の短い光ファイバのように作用すると言え
る。放射が管の先端(出力)部に到達すると、４５°傾斜
した出力面８で全内面反射される。これは、面の傾斜角
が臨界角を超えているからである。臨界角及び全内面反
射の概念はもちろん良く知られている。反射された放射
は次に、管軸にほぼ垂直な方向に管の円筒形側壁４３を
通って現れ、端子側壁のポート１６を通って端子の外へ
進む。

【００３９】ファイバコアへ正しく入力された放射（レ
ーザビーム）はもちろんコアを通り続け、毛細管６によ
る影響を受けない。

【００４０】図３では、スピルオーバ放射（４１、４２
で示される）は簡略化のために平行ビームで示されてい
る。これは、ファイバの入力面にビームウェストがあ
り、ビームはごくわずかな発散を有することを暗示す
る。一般的には、ビームウェストはファイバ入力面には
なく、ビームは毛細管内で発散する。排除された放射は
円筒形側壁を介して毛細管から現れるので、放射は扇状
のビームとして現れる。

【００４１】光ファイバの出力端部では、スピルオーバ
放射は、イメージング光学系（例えば、レンズＡ及びＢ
を含む図１の光学系）で収集されてファイバへ指向され
た広帯域光放射及び後方反射レーザ放射を含む。したが
って、出力端部で毛細管に入るスピルオーバ放射が平行
にされることはきわめてまれである。

【００４２】毛細管は必ずしも管軸に対して４５°傾斜
した出力面を有する必要はない。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
（１０６４ｎｍ波長）と溶融シリカ毛細管（屈折率ｎ＝
１．４５）の好ましい組み合わせでは臨界角は４３．６
°であり、これは、管軸に平行に移動する放射（レーザ
ビーム）の入射角４５°にきわめて近い。従って、管軸
とわずか２°だけ傾斜して移動する放射は、管の出力面
で反射されるよりは伝送され、これにより端子内へ流出
する。内部放射の反射率を高めるために出力面へ光学コ
ーティングを施すこともできるが、光学コーティングは
望ましくなく、劣化、性能低下、及び光損傷が起こりや
すいので、これは満足できる選択肢ではない。したがっ
て、本発明の実施例では、出力面で管から外部へ反射さ
れる内部放射の割合を高める代替の方法は、管軸に対す
る出力面の傾斜を増大させて管沿いに移動する放射の入
射角を増大させるか、あるいは、より高い屈折率を有す
る管の材料を選択するか、を含む。例えば、ｎを１．４
５から１．６へ変化させると、臨界角は４３．６°から
３８．７°へ低下する。このようにして、出力面８の角
度及び管の材料はいずれも、出力面で毛細管から外部へ
反射される放射（排除された放射）量を最大にするよう
に選択される。

【００４３】放射は、意図された出力面と反対の円筒形
壁以外の毛細管内から逃れられることがわかっている。
上記に予測されているように、出力面が管軸に対して４
５°で傾斜されていれば、いくらかのスピルオーバ放射
は出力面によって伝送される。出力面の傾斜を調整する
（好ましくは４９°へ）ことは、この結果を減少させる
１つの方法であることが証明された。しかしながら、い
くらかのスピルオーバ放射は、意図された方向とは全く
反対の方向に逃れることができ、それゆえ、この放射も
逃がすために端子本体に第２のポートを提供することが
必要とされる。

【００４４】図４は図２の装置を示すが、排除された放
射を受け、吸収、及び消失させるために配置される「ビ
ームダンプ」３０が追加されている。ビームダンプ３０
は、端子本体４と組合わされてポート１６を通して放射
を受けるために取りつけられた閉環状キャビティ３１を
画定する本体を含む。放射入力キャビティ３１はそのエ
ネルギを損失させて本体３０を加熱し、このエネルギは
水冷却手段(図示せず)などの冷却手段によって消失させ
られる。また図のビームダンプは、プローブ３３を挿入
できるポケット３２を含む。この理由は以下に更に説明
される。

【００４５】本発明の発明者は、排除放射の量を分析及
び／又は評価することにより、多量の有用な情報が得ら
れることを発見した。ファイバアセンブリの入力端部に
おいて、排除放射の割合を測定するための手段が提供さ
れれば、ファイバの位置合わせずれ(軸方向及び／又は
横方向)が入射レーザビームに関して増大するにつれて
測定される信号（排除放射）が増加することがわかる。
したがって、排除放射の信号を最小限にするようにファ
イバの入力端部の位置をレーザビームに関して調整する
ことによって、レーザビームに対するファイバの位置合
わせが最適化できる。排除放射は、例えば熱的、光学的
又は他の方法で直接測定できる。あるいは、排除放射
は、例えば、排除放射を吸収するための手段（例えば図
４のビームダンプ３０）の温度を測定したり、放射吸収
手段を冷却するために使用される冷却液(例えば水)の温
度(又は温度差)を測定するなどによって、間接的に測定
できる。したがって、ビームダンプの温度を測定して、
それにより排除放射の量を間接的に測定するために、温
度測定プローブ３３がポケット３２に挿入されてもよ
い。プローブ３３は適切な電子測定装置３４へ接続され
る。

【００４６】ファイバアセンブリの出力端部では、排除
放射は、プロセス放射、即ち、レーザビームとワークピ
ースの相互作用で発生し再指向されたレーザ放射及び広
帯域光放射の形態をとる。排除放射のレーザ放射成分
は、波長−分離光学要素、例えば光フィルタ、ダイクロ
イックミラー、位相板、回折格子、プリズムなどのよく
知られた手段を用いて、測定のために広帯域成分から分
離できる。あるいは、分離プロセス放射成分は、波長感
知検出器を用いて直接測定することができる。これらの
成分の全ては本質的に当該技術で既知である。

【００４７】ファイバの出力端部で排除放射を測定する
別なメリットは、レーザビームの焦点がワークピースに
合っているかどうかが判断できることである。ビームの
焦点が合っていると、最少量のプロセス放射が再指向さ
れファイバへ戻り、その結果スピルオーバ放射が最少に
なる。レーザビームの焦点がワークピースに合っていな
いと、スピルオーバ放射の量が増大する。

【００４８】図５は、焦点位置に対してワークピース位
置を変動させて排除放射レベルを調査するためのテスト
装置の一例を示す。レーザ、ファイバアセンブリ、及び
ファイバアセンブリをイメージングするための光学系を
備えた図１の構成要素に加えて、モータ駆動されるリニ
ヤテーブル５１上に取り付けられた傾斜金属プレート５
０の形態のワークピースが提供される。リニヤテーブル
は、レーザが動作している間、光学系に対して横方向
（図の矢印参照）に移動される。プレートの傾斜は、リ
ニアテーブルが移動されることによりプレートの軸方向
の位置を光学系に対して連続的に変化させるために形成
されている。

【００４９】図６は、シリコンフォトダイオードで発生
される信号の典型的な時間プロット６０を示す。特に、
アルミニウム合金プレートの移動中におけるファイバア
センブリの出力端部における排除放射に関連する信号、
時間に対する電圧を示す。レーザは、溶接に適用される
ｃｗＮｄ：ＹＡＧレーザであった。

【００５０】リニアテーブルの移動中、プレートは光学
系に接近する。プレートが焦点位置へ接近するにつれて
より多くのレーザ放射が光学系によって収集され、更に
レーザビームがプレート表面と相互作用を起こし始め、
したがって広帯域放射を引き起こすので、排除放射信号
は初めは増大する。結合（カップリング）が改良される
と、レーザ放射の反射は減少し、広帯域放射も減少し、
排除放射は最少レベルＭへ達する。続いて、プレートが
焦点位置を超えて移動すると、排除放射信号６０は、予
期されるように再び下がる前に最大まで再度上昇する。
プレートの物理的検査によって、プレートの焦点が合っ
たとき、即ち、排除放射信号が２つの最大値の間の最小
レベルＭであったときに、その時間に対応する位置にお
いて、最深部まで浸透する溶接が示された（即ち、溶融
プールがプレートの厚さ全体へ及んだ）。

【００５１】更に一般的には、光ファイバアセンブリの
出力端部における排除放射信号は、レーザパワー等の他
の臨界パラメータが、十分な材料処理作業のために、そ
の許可された範囲から外れているかどうかを示すために
使用できる。

【００５２】更なる実施例では、材料処理作業の最適化
についての更なる情報は、ＵＶ／可視帯域や近赤外帯域
などの２つ以上の選択された波長帯域内に存在する排除
放射の相対量をモニタすることによって得られる。これ
により、レーザビームにより照射された領域を直接包囲
するワークピースの温度プロファイルの表示を提供する
ことができ、そのため、プロセスがどのくらい最適に近
い状態で行われているかを表示をすることができる。

【００５３】毛細管自体は、好ましくは溶融（ヒュー
ズ）シリカ材料から成る。しかしながら、選択されたレ
ーザ波長における優れた光伝送、及び良好な熱強度を有
するという条件が満たされるのであれば、原則として多
数の光材料のどれでも使用することができる。しかしな
がら実際には、毛細管が使用される場合、材料の選択
は、毛細管へ「引き伸ばされる」ことができる材料とい
う制限を受ける。端子本体４内部のマウント９へ固定さ
れた毛細管の損傷を受けやすい領域では、熱的な応力又
は破砕の危険を低くするように管内の放射レベルが比較
的低いことを保証するために、毛細管は比較的大きい直
径を有することができる。更には、毛細管の外径がアパ
ーチャ１１ａの内径よりかなり大きいことが好ましい。

【００５４】毛細管の入力面は平面でなくてもよい。例
えば、毛細管内の放射における望ましい特性を課するた
めに、球状、凸状又は他の形状でもよい。例えば、管の
円筒形外壁に衝突することから放射を制限するために整
形（shaping）が使用されても良い。また、毛細管内の
放射に均質性などの好ましい空間特性を課するために、
毛細管の入力面は、細かい光学的研削又は研磨などの特
別な光学的仕上げが成されても良い。更には、レーザへ
向かう、及び／又は入力アパーチャ本体の後面ヘ向かう
放射の後方反射を最少にするために、反射防止コーティ
ングが入力面へ行われてもよい。

【００５５】毛細管の外壁の反射率を改良し、したがっ
て放射もれを最小限にするために、壁の臨界角を減少さ
せるような高い反射率を有する管材料を選択する、及び
／又は外壁へ反射コーティング（例えば金属又は誘電
体）を行うのが好ましい。また、内壁へ反射コーティン
グを塗布することも有益である。

【００５６】幾つかの実施例では、毛細管の外壁は円筒
形以外でもよい。これにより、管の回転回避等の所望の
機械特性や特定の光特性が達成され得る。また、光ファ
イバを収容する毛細管の内部チャネルが管の外壁と同軸
でないことが所望されてもよい。

【００５７】幾つかの実施例では、面で反射される排除
放射に特定の特性を課するように、毛細管の出力面は平
面以外でもよい。特定の実施例では、出力面は図８に示
されるように逆円錐（inverted cone）、あるいは図９
に示されるように外円錐（external cone）の形をとる
ことができ、円錐は９０°の夾角を有する。図８の実施
例では、排除放射は３６０°にわたって現れる。図９の
ように９０°の夾角を有する外円錐では、排除放射は管
の入力面へ向かって管の外側へ戻るように反射する。あ
るいは、毛細管は、図１０に示されるように、放射が入
力面へ向かうように反射するように光学的に被覆された
管軸に垂直な平面出力面を有してもよい。

【００５８】毛細管の断面形状及び／又はサイズは、そ
の長さに沿って、連続的又は不連続的に変えることがで
きる。

【００５９】再指向エレメントは必ずしも毛細管である
必要はない．即ち、必ずしも長尺エレメントである必要
はなく、例えば、薄い円筒形、ディスク、又はスピルオ
ーバ放射をその内部へ再指向させる角度の面を有する他
の手段でもよい。

【００６０】ここまで説明された実施例では、毛細管内
のスピルオーバ放射の少なくとも一部は、好ましくは出
力面で、反射によって毛細管の外へ再指向される。しか
しながら、本発明は、毛細管の外にスピルオーバ放射を
再指向させるどの方法も包含する。このような方法は、
屈折、回折及び散乱を含む。更に、スピルオーバ放射
は、毛細管上又は毛細管内の単一の位置または２箇所以
上の位置で、毛細管から再指向されてもよい。単一位置
の場合、これは出力面に限定されない。特定の実施例
は、次に一例として記載される。しかしながら上記に説
明された原理を用いるいかなる実施例も本発明の範囲内
にある。

【００６１】既に示したように、溶融シリカの臨界角
は、１０６４ｎｍ波長のＮｄ：ＹＡＧレーザビームでは
４３．６°である。したがって、毛細管内のスピルオー
バ放射が４３．６°より小さい角度で出力面に入射すれ
ば、放射は出力面によって伝送され、光ファイバ外へ屈
折される。図１１は毛細管の出力面が管軸に対して５５
°で傾斜された実施例を示す。

【００６２】あるいは、又はさらに、溝に当たるスピル
オーバ放射が管から離れて外へ屈折されるように、毛細
管の外壁に、一連の研磨された円周溝が、毛細管の長さ
方向に沿って所定の位置で提供されてもよい。このよう
な実施例は図１２に概略的に示される。溝は均一又は不
均一な深さ、間隔又は形状を有することができる。

【００６３】あるいは、例えば毛細管の出力面で、スピ
ルオーバ放射は回折によって毛細管内から再指向されて
もよい。回折プロセスは振幅変調又は位相変調を含む。
スピルオーバ放射の回折は、たとえば、選択された面へ
更なる材料を選択的に適用する（例えば真空蒸着によ
る）、あるいは面から材料を選択的に除去する（例えば
選択的化学エッチング、ボンバード（衝撃）、又はアブ
レーションによる）、あるいは選択された面の近傍の材
料の特性を選択的に変更する（例えば選択的ボンバー
ド、化学拡散、又はアニ−リングによる）ことによって
達成することができる。

【００６４】あるいは、毛細管の選択された面に、エッ
チング又はマイクロエレクトロニクス産業でよく知られ
た他の技法によって、回折光学素子（ＤＯＥｓ）等今や
一般的な小型構造が提供されてもよい。構造化された表
面は入射光ビームの位相面を変更し、回折及び干渉によ
って所望の特性を有する新しい波面を形成する。このよ
うな手段によって、毛細管内のスピルオーバ放射は、面
での屈折によって放射が再指向される場合に可能な角度
よりも大きい角度で管軸に対して適切に傾斜された方向
で、光ファイバから離れるように再指向される。好まし
くは、回折面は毛細管の出力面である。

【００６５】あるいは、スピルオーバ放射は、散乱又は
拡散によって毛細管内から再指向されてもよい。これ
は、例えば選択された壁領域を研磨又はエッチングする
ことよって、あるいは選択された材料を表面に塗布又は
蒸着することによって、毛細管の円筒形外壁の少なくと
も一部が研磨又はつや消しされた仕上げを有することに
より達成できる。あるいは、例えば、機械的又は他の手
段によって管壁に１つ又はそれ以上の狭い円周溝を提供
することによって、表面下の不連続散乱サイトを達成で
きる。

【００６６】本発明の実施例では毛細管６の最大外径に
は制限がある。これは一般的に製造の制約による。した
がって、スピルオーバ放射が毛細管の外縁を超えて端子
内ヘ進み、それにより損傷が引き起こされるのを防止す
るために、図２及び図３のアパーチャ本体１１に形成さ
れる外部入力アパーチャ１１ａは、毛細管の正面に提供
される。これは図７に明白に示されている。光ファイバ
はコア７０及びクラッディング層７１を備える。毛細管
６はファイバのまわりに同軸的に取り付けられる。アパ
ーチャ１１ａは、毛細管の外径Ｄよりも小さい内径ｄを
有するようにアパーチャ本体１１によって画定される。
これは、入力アパーチャを通過するいかなる放射もファ
イバ又は毛細管の何れかに入らなければならないことを
保証する。

【００６７】入力アパーチャを形成する本体は、多くの
異なる材料から成り得る。通常は金属などの材料、ある
いはおそらくセラミック材料から成る。しかしながら、
光学的に透明な材料から製造することもできる。材料が
光学的に被覆されないとすれば、本体は光放射に対して
非常に高い損傷しきい値を有する。これは、おそらく、
金属又はセラミックアパーチャと比較して、入射放射に
よって材料がアパーチャ本体から離れファイバ及び／又
は毛細管の入力面に付着される可能性を回避する。図７
に示されるように、１つの可能な構成では、アパーチャ
本体１１は、実際のアパーチャ１１ａを形成する円錐状
の中心孔７５を有する光学的に透明な材料によるディス
クを含むことができる。円錐状中心孔７５は約９０°の
夾角を有し、最小口径はファイバ径よりも大きいが、毛
細管の外径よりも小さい。円錐構造の利点は、アパーチ
ャの直径ｄの外側の放射が内部表面８０で反射され、図
示されるようにディスクの外側縁によって外側へ再指向
されることである。実際には、アパーチャの外形は如何
なる形状を取ってもよいが、アパーチャ本体に入射する
放射が、アパーチャを通ってファイバ又は毛細管へ再指
向されてはならないことが、重要な条件である。

【００６８】本発明は、任意の材料から成る任意のタイ
プの光ファイバに用いることができる。ファイバはステ
ップインディックス又はグレーデッドインディックスフ
ァイバもしくは他の如何なるタイプのファイバでもよ
い。さらに、本発明は単一ファイバに使用することに制
限されない。例えば複数の直列に接続されたファイバな
どの多数のファイバを組み込んだシステムに、並びに、
並列及び／又は直列の光ファイバを有する更に複雑な装
置に使用されてもよい。

【００６９】本発明は、一般的に、スピルオーバ放射に
関連する問題を処理することに関する。しかしながら、
既に示したように、ファイバ面でクラッディングに直接
入る放射によっても、ファイバ及び／又はコネクタは損
復し得る。クラッディングに入るパワーの量を減少させ
る１つの方法は、クラッディングの厚さを小さくするこ
とによってクラッディングの断面積を減少させることで
ある。１つのユニットのコア径（例えば６００ミクロ
ン）では、クラッディングは典型的には０．１ユニット
（６０ミクロン）の厚さである。つまり、クラッディン
グ／コア直径比は１．２である。しかしながら、クラッ
ディング厚を減少させてクラッディング／コア直径比を
約１．０５とすることも可能であろう。これは、コアの
断面積に対するクラッディングの断面積を４４％からわ
ずか１０％へ減少させる。本発明の「再指向」と組み合
わせてより薄いクラッディングを使用すると、高出力レ
ーザ伝送のための光ファイバアセンブリの完全性及び信
頼性が更に改良される。

【００７０】本発明は、如何なるタイプのレーザと共に
使用されてもよい。レーザはパルス又は連続波もしくは
他のタイプでもよく、本発明は光ファイバにより伝送さ
れることが可能な任意の放射源に使用されることもで
き、必ずしもレーザ放射でなくてもよい。

【００７１】本発明による端子は、ファイバアセンブリ
の入力端部及び出力端部の何れか又は両方へ適用でき
る。

【００７２】排除放射の分析が行われる場合、必ずし
も、局部的に、即ち端子において又はビームダンプにお
いて、排除放射の測定又は分析が行われる必要はない。
遠隔位置で評価又は分析されてもよい。これは例えば第
２の光ファイバによって行われ、その近位端部が排除放
射の一部を遮断してサンプリングする。

【００７３】本発明は、材料処理作業のためだけでな
く、例えば医学的用途、爆発装置の爆発、又は他の用途
等、レーザ放射又は高出力光放射の伝送を含む如何なる
用途へも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザビームをワークピース上へイメージング
するための光ファイバを含む光学系を示す図である。

【図２】ファイバ端子を示す断面図である。

【図３】図２の端子の一部の拡大断面図である。

【図４】ビームダンプを含む図２の端子を示す断面図で
ある。

【図５】焦点位置に対するワークピース位置の変動に関
して、排除された放射のレベルを調査するためのテスト
装置を示す図である。

【図６】図５のような装置に使用されるフォトダイオー
ドによって発生された排除放射信号の典型的な時間プロ
ットを示す図である。

【図７】入力アパーチャの代替実施例を有する図２の装
置の一部を概略的に示す図である。

【図８】毛細管の代替形状を示す図である。

【図９】毛細管の代替形状を示す図である。

【図１０】毛細管の代替形状を示す図である。

【図１１】毛細管の代替形状を示す図である。

【図１２】毛細管の代替形状を示す図である。

【符号の説明】

１ 光ファイバ ２ フェルール ３ バッファ層 ４ 端子本体 ５ クラッディング層 ６ 毛細管 ７ 入力面 ８ 出力面 １２ ジャケット １４ シリコンゴム １５ バッフル １６ ポート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クライブ エル．エム．アイルランド イギリス国 シーブイ22 ５エーエイチ ウォーリックシャー ラグビー ヒル モートン ロード 88 (72)発明者 ティモシー エム．ダブリュ．ウィード ン イギリス国 シーブイ21 １エイチダブ リュ ウォーリックシャー ラグビー ニューボールド−オン−エイボン メイ ン ストリート 66 (72)発明者 スチュワート トーマス イングラム イギリス国 エルイー３ ０ティージェ イ レスターシャー ヒンクリー ロー ド 291 (56)参考文献 特開 昭58−7104（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−318733（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−297252（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−316705（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−136909（ＪＰ，Ｕ) 実公 平３−31924（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/42 B23K 26/08

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバを有するファイバ光伝導体ア
   センブリを、逸脱した放射エネルギから保護するための
   装置であって、光ファイバに入射しない放射エネルギの
   ための代替通路を光ファイバに隣接して提供する、光フ
   ァイバに近接して取りつけられた少なくとも１つの本体
   を備え、該少なくとも１つの本体は該少なくとも１つの
   本体内の放射エネルギが該少なくとも１つの本体の外側
   へ再指向されるように構成され、該少なくとも１つの本
   体には光ファイバの長手方向に対して傾いている少なく
   とも１つの傾斜部が形成され、放射エネルギは該傾斜部
   において再指向される、ことを特徴とする、ファイバ光
   伝導体アセンブリ保護装置。
2. 【請求項２】 前記少なくとも１つの本体は放射エネル
   ギが入射する近位端部と該近位端部の反対側の端部であ
   る遠位端部を有し、前記少なくとも１つの本体内の放射
   エネルギは、前記傾斜部が形成された該遠位端部から再
   指向されることを特徴とする、請求項１に記載のファイ
   バ光伝導体アセンブリ保護装置。
3. 【請求項３】 光ファイバの長手方向に対して傾いてい
   る傾斜部の角度は、前記少なくとも１つの本体が製造さ
   れる材料の屈折率に基づき決定されることを特徴とす
   る、請求項１又は２に記載のファイバ光伝導体アセンブ
   リ保護装置。
4. 【請求項４】 前記少なくとも１つの本体は光ファイバ
   を包囲することを特徴とする、請求項１乃至請求項３の
   いずれかに記載のファイバ光伝導体アセンブリ保護装
   置。
5. 【請求項５】 前記少なくとも１つの本体は同軸穴を有
   する管状部材であり光ファイバは該管状部材の同軸穴に
   設けられていることを特徴とする、請求項１乃至請求項
   ４のいずれかに記載のファイバ光伝導体アセンブリ保護
   装置。
6. 【請求項６】 ファイバ光伝導体アセンブリは少なくと
   も１つの開口を有する端子本体を有し、該端子本体は再
   指向された放射エネルギが該少なくとも１つの開口を通
   過するように配置されることを特徴とする、請求項１乃
   至請求項５のいずれかに記載のファイバ光伝導体アセン
   ブリ保護装置。
7. 【請求項７】 前記少なくとも１つの開口を通過する放
   射エネルギの少なくとも一部を吸収するための放射エネ
   ルギ吸収体を含むことを特徴とする、請求項６に記載の
   ファイバ光伝導体アセンブリ保護装置。
8. 【請求項８】 前記放射エネルギ吸収体の温度を測定す
   るための温度測定装置を含むことを特徴とする、請求項
   ７に記載のファイバ光伝導体アセンブリ保護装置。
9. 【請求項９】 前記少なくとも１つの本体への放射エネ
   ルギの入力を制限する開口部を画定するアパーチャ本体
   を含み、前記少なくとも１つの本体の外径は 該開口部
   の内径より大きい、ことを特徴とする、請求項１乃至請
   求項８のいずれかに記載のファイバ光伝導体アセンブリ
   保護装置。
10. 【請求項１０】 光入力端を有するファイバ光伝導体の
    ための端子であって、端子は該ファイバ光伝導体の光入
    力端に入射しない放射エネルギのための代替光路を形成
    する少なくとも１つの本体を備え、該少なくとも１つの
    本体は、該少なくとも１つの本体内の放射エネルギが該
    少なくとも１つの本体から外へ再指向されるように構成
    され、該少なくとも１つの本体はファイバ光伝導体の長
    手方向に対して傾いている少なくとも１つの傾斜部を有
    し、放射エネルギは該傾斜部において再指向される、こ
    とを特徴とする、ファイバ光伝導体用端子。
11. 【請求項１１】 逸脱した放射エネルギからファイバ光
    伝導体アセンブリを保護する方法であって、ファイバ光
    伝導体の光入力端部に入射しない放射エネルギのための
    代替光路を提供する少なくとも１つの本体をファイバ光
    伝導体に近接して提供するステップと、放射エネルギを
    前記少なくとも１つの本体の外側へ再指向させるステッ
    プと、を含み、 前記少なくとも１つの本体はファイバ光伝導体の長手方
    向に対して傾いている少なくとも１つの傾斜部を有し、
    放射エネルギは該傾斜部において再指向される、 ことを
    特徴とする、ファイバ光伝導体アセンブリ保護方法。