JP5243273B2 - 光ファイバーコネクター - Google Patents

Description

本発明は、高い光出力（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）を伝送するための光ファイバーコネクターであって、透明材料から作られた本体、例えば棒（ｒｏｄ）、バー（ｂａｒ）等と直接光学的に接触した端部の一つを持つ光ファイバーを含むものに関する。この明細書において高い光出力は１０ｋｗまでの出力を意味する。

ケーブル、またはむしろファイバーコネクター自身が、ファイバーのコアーの外側に入るような入射輻射線によってまたはファイバーコネクターに反射される輻射線によって損傷されることを避けるために、かかる出力損失を処理する方法が従来から知られている。特に、かかる入射輻射線を流動冷却剤中に吸収させることは従来から知られている。

高い光出力を伝送するための光ファイバーケーブルは工業的用途で使用されることが多い。特に、それらは高出力レーザー光線による切断及び溶接作業で使用されるが、高温度環境での加熱、検出または加工作業のような他の工業的用途においてもこのタイプの光ファイバーケーブルは使用されることができる。光ファイバーにより、高出力レーザー源から加工物へ輻射線を伝送するための柔軟な製造システムを設計することができる。この文脈で使用されることができるレーザー源は数百ワットから数キロワットまでの平均出力を持つ。

通常、光ファイバーは輻射線を伝送するためのガラスの内部コアーとコアー中へ輻射線を光学的に「閉じ込める（ｌｏｃｋｉｎｇ）」ための一つ以上の周囲層を持つ。かかる周囲層（単数または複数）はファイバーの「クラッド（ｃｌａｄｄｉｎｇ）」と呼ばれる。クラッドの外側には、ファイバーを機械的に安定化するための一つ以上の保護層も存在する。これらの層はバッファーまたはジャケットと呼ばれる。

ファイバーがコネクター中に組込まれるとき、ファイバーはまた、何らかの機械的要素により正しい位置に維持されねばならない。

かかる高出力輻射線のためのファイバーシステムを設計するとき、例えば加工物に対する反射のためにまたはファイバーへの不正確な焦点合わせのために、ファイバーのコアーの外側に入る輻射線を処理すること、及びシステム内の制御不可能な加熱を防ぐためにそれを冷却することが重要である。

ファイバーコネクターの損傷の主な理由は以下のものである：
− クラッド中に入る輻射線及びそれに続く輻射線の周囲材料中への、特にバッファー及びジャケットがファイバーに連結されている領域中への漏れによる損傷、及び
− ファイバーを保持するのに適合した機械的細部に当たる輻射線放射による損傷。

かかる望ましくない出力輻射線を処理してファイバー構成要素を保護するための種々の方法が既に知られている。一つの例はＤＥ４３０５３１３に開示されており、そこではファイバーのクラッド中に入る輻射線はいわゆるモードストリッパー内で拡散されかつ金属表面により吸収される。この表面は次いで装置の外側から冷却されることができる。同様な方法がＥＰ０１５１９０９Ｂ１及びＵＳ４５７５１８１に記載されている。また、ＥＰ０３４９３１２Ｂ１には、周囲材料へのいかなる損傷に対する危険も最小限に減らすファイバーを機械的に把持する方法が記載されている。

ファイバーコアーの端部表面の少なくとも一つが、透明材料、例えば石英から作られ、かつコアー直径より大きい直径を持つ棒を備えている光ファイバーが、ＥＰ０６１９５０８に記載されている。この端部に、ファイバーは、ファイバーの外側に入る光線を、いかなる損傷も起こすことなく吸収されることができる領域に向けて導くように設計された反射器を備えている。例示された実施態様では、この領域は冷却フィンを持つ熱反転装置により包囲されているが、発生した熱を冷却するためにこの領域内に水冷却手段を含めることができることも述べられている。また、この場合、冷却は装置の外側から提供されている。ファイバーの端部が中空棒及び反射器を備えている同様な配置構成は、ＧＢ２２５５１９９に記載されている。

今日使用されているファイバーコネクターの一例は前記ＥＰ０６１９５０８に基づいている。この場合、ファイバーは、石英から作られた棒と光学的に接触しており、石英棒の背後の容積は、輻射線を吸収する流動冷却剤により掃除されている。より詳細にはその添付図１を参照されたい。冷却剤は通常、水であり、それは１マイクロメーターの領域内の輻射線に対して略５ｃｍの吸収深さを持つ。

ＳＥ５０９７０６及びＲＵ２０３１４２０には、輻射熱が完全にまたは部分的に金属の代わりに流動冷却剤に直接吸収される出力損失を処理する方法が記載されている。ＳＥ５０９７０６では、ファイバーの接触端の少なくとも一つは、ファイバーの外側に入る輻射線が冷却剤中に入りかつ少なくとも部分的に冷却剤により吸収されるように、流動冷却剤で満たされた中空部内に位置される。好適な実施態様によれば、ファイバーは周囲の冷却剤、例えば水と直接接触させられる。冷却剤内に輻射線を直接吸収させることによる利点は、熱が冷却される前に例えば金属部分を通して熱を導かないので、より効果的な冷却であることである。

今日使用される全ての増大するレーザー出力のため、冷却能力要求もまた、増大している。上述の石英棒設計には二つの主な欠点がある。ファイバーコネクターの不正確な焦点合わせの場合、石英棒の表面上の出力密度は高すぎるかもしれず、コネクターに損傷をもたらす流動冷却剤の衝撃沸騰効果（ｓｈｏｃｋ ｂｏｉｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ）に対する危険がある。かかる損傷に対する危険はまた、石英棒の表面に隣接した領域が流れの観点から最適化されないということによって増大される。輻射線がコネクター本体に当たるのを避けるために、輻射線がファイバーの光軸に向けて偏向されることが望ましい。

本発明の目的は、高い光出力を伝送するためのファイバーコネクターであって、従来の設計に比べてより効率的な冷却能力を持つものを提供することである。

本発明によれば、ファイバーの端部表面は透明材料、例えば石英から作られた本体と光学的に接触しており、この本体は光ファイバー端部と関連してファイバー端部の接触表面積を越える表面積を持ち、かつ円錐形のデザインを持つ。透明本体の表面のかかるデザインにより、より効率的な流動幾何学（ｆｌｏｗｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）がファイバー端部のまわりに提供される。更に、かかる表面は入射出力損失輻射線のための増大した面積、並びにかかる入射輻射線のファイバーコネクターの光軸の方への偏向を提供する。

好適な実施態様によれば、ファイバーの接触端部のまわりに流動冷却剤のための空間が存在し、この空間内ではファイバーのコアーの外側に入る入射輻射線が少なくとも部分的に流動冷却剤中に吸収される。流動冷却剤は好ましくは水のような流体である。

流動幾何学を改善するために、円錐形表面のベース部は棚（ｓｈｅｌｆ）または出張り（ｌｅｄｇｅ）を備えることができる。かかる設計は、透明本体のベース部とコネクターの内壁との間に形成される狭い空間の隅部内の流動冷却剤中の旋回または乱流効果の形成に対する危険を減らす。

以下において、光ファイバーコネクターの幾つかの例を概略的に示す添付図面に関して本発明がより詳細に説明されるであろう。

図１は、光ファイバーコネクターの一般的な設計を概略的に示す。

図２は、ファイバーの端部表面が透明材料の本体、例えば石英棒と光学的に接触しているファイバーコネクターを概略的に示す。

図３は、不正確な焦点合わせ及び入射輻射線の戻り反射の場合のファイバーコネクターを示す。

図４は、本発明によるファイバーコネクターを示す。

図５は、石英棒の円錐形の端部表面が棚または出張りを備えている本発明の代替実施態様を示す。

図６は、ファイバー端部周りの流動幾何学を示す。

図７は、どのように光輻射線ビームがコネクターの光軸に向けて偏向されるかを示す。

図１は光ファイバーの一般的設計を示す。光ファイバーは輻射線を伝播するための例えば石英ガラスから作られた内部コアー１、及び例えば好適な屈折率を持つガラスまたは何らかのポリマーから作られた周囲クラッド２を含む。クラッド２は一つ以上の層の形であることができ、クラッドの目的は輻射線をコアー１中に光学的に「閉じ込める」ことである。クラッドの外側に、光ファイバーをより機械的に安定にする一つ以上の保護ジャケットがある。これらの層は「バッファー」または「ジャケット」と呼ばれ、図中３及び４として示されている。ファイバーがコネクター部材中に組込まれるとき、ファイバーはまた、いずれかの機械的要素により固定されて配置されなければならない。この要素は図において環状支持素子５により示されている。

図２には、ファイバー１の端部表面が透明材料から作られた円筒状本体、例えば石英ガラスの棒またはバー部材と光学的に接触しているファイバーコネクターが示されている。石英本体の背後の容積または空間７は、矢印８ａ及び８ｂにより示された流動冷却剤により掃除されている。この冷却剤は、ファイバーのコアーの外側を行く輻射線を吸収する。矢印８ｃ及び８ｄはコネクターの壁９内の冷却剤のための入口及び出口開口を示す。通常、冷却剤は水であり、それは１マイクロメーターの領域内の輻射線のために略５ｃｍの吸収深さを持つ。ファイバーの端部表面は石英棒の平坦端部表面１０に機械的に連結されており、この端部表面はファイバーの端部表面直径を越える直径を持つ。このタイプのファイバーコネクターはそれ自体従来から知られており、それは前記ＥＰ０６１９５０８を参照されたい。

冒頭部分に述べたように、冷却剤中の突然の沸騰効果のための危険及び図３に１１により示されたコネクター装置への損傷を伴うコネクターの不正確な焦点合わせの場合に、平坦な端部表面１０上の出力密度は高過ぎるかもしれない。これに対する危険はまた、石英棒の背後の領域７が流れの観点から最適化されていないということによって増大される。また、図３に１２により示された輻射線がコネクターの壁９に当たるという危険がある。その理由のため、輻射線を光軸１３中に偏向することがかかる危険を減らすために望ましいであろう。

図４には、石英棒の端部表面１０が図２及び３に示された従来の平坦な表面の代わりに円錐形にされた本発明によるファイバーコネクターが示されている。円錐形表面の先端１０ａは光ファイバーの端部表面に面しており、従ってこの表面はファイバー端部から離れるように発散している。円錐形表面のベース部は、この場合、コネクターの内壁９に連結されている。かかる円錐形デザイン等により、流動冷却剤と接触している表面の面積は、平坦表面に比べて増大されている。流動幾何学は改善され、輻射線は光軸に向けられ、それによりコネクター本体への損傷の危険を避ける（図７参照）。円錐角αはできるだけ小さくすべきであるが、それはファイバーからの輻射線の出口角を越えるべきである。典型的には、円錐角αは１０〜４５度の間隔内にある。端部表面１０の表面積増加率は円錐角に依存する。以下の表に幾つかの円錐角αに対する概算の表面積増加が示されている。平坦表面積はＡ０として示され、円錐形表面積はＡ１として示されている。

円錐形表面はまた、ファイバーのコアーの外側の輻射線ビーム１４が石英本体の円錐形表面１０に当たるとき、ビーム１４が中心軸、すなわちコネクターの光軸１３に向けて偏向されることを意味する。図７には、角度βで円錐形表面１０上に入る輻射線ビームが示されており、それは光軸に向けて屈折され、従って出て行くビーム１４は光軸に平行である。円錐角はαにより示される。角度αとβの間の関係は以下の表に与えられる。大きい角度βは、入射輻射線の大きい部分がコネクター部材の壁９の代わりに、光軸に向けて焦点を合わされることを意味する。この場合、水及び石英に対する屈折率が使用されており、輻射線が略１μｍの間隔の波長を持つと仮定されている。

表に示されるように表面積の寸法並びに偏向はできるだけ小さな円錐角を持たせることにより改善される。これはまた、流動幾何学に対しても真実である。なぜならば最も重要なことはファイバーに密接した領域であるからである。存在する限界はファイバーの出口での輻射線の広がりである。もし開口数ＮＡがファイバーに対して使用されるなら、石英棒から出る輻射線の出口角γは以下の式を満たす、
γ＝ＮＡ／ｎ
ここでｎは棒６に対する屈折率を表す。輻射線の光学的ひずみを避けるために、円錐角の値は前記出口角を越えるべきである。もし
α＝１，５＊γ
とすれば、そのとき、出て行く輻射線ビームの品質への影響は殆どない。既述のように、円錐角は典型的には１０°〜４５°の範囲内にある。

更に流動幾何学を改善し、かつ隅における、すなわち棒の円錐形表面のベース部と周囲のコネクター壁９の間の最も内部の空間１６における可能な旋回または乱流効果１５を避けるために、周囲棚または出張り１７が棒の円錐形表面１０のベース部に形成されることができる。

本発明はここに示された例に限定されず、添付特許請求の範囲の範囲内で変更されることができる。

光ファイバーコネクターの一般的な設計を概略的に示す。 ファイバーの端部表面が透明材料の本体、例えば石英棒と光学的に接触しているファイバーコネクターを概略的に示す。 不正確な焦点合わせ及び入射輻射線の戻り反射の場合のファイバーコネクターを示す。 本発明によるファイバーコネクターを示す。 石英棒の円錐形の端部表面が棚または出張りを備えている本発明の代替実施態様を示す。 ファイバー端部周りの流動幾何学を示す。 どのように光輻射線ビームがコネクターの光軸に向けて偏向されるかを示す。

Claims (7)

1. 高い光出力、特に１ｋｗを越える出力、を伝送するための光ファイバーコネクターであって、それが、透明材料から作られた本体（６）、例えば棒、バー等、と直接光学的に接触した端部の一つを持つ光ファイバー（１）を含み、この光ファイバー端部と連結した本体（６）が、光ファイバー（１）と、光ファイバーの接触端のまわりに配置された流動冷却剤のための空間（７）とに向かって面する端部表面（１０）を有し、その端部表面（１０）が透明本体（６）と光ファイバー（１）の接触表面積を越える面積を持つものにおいて、光ファイバー（１）と流動冷却剤のための空間（７）とに向かって面する透明本体（６）の前記端部表面（１０）が実質的に円錐形のデザインを持つこと、及び円錐形表面（１０）のベース部が流動冷却剤の可能な旋回または乱流効果を防ぐために棚または出張り（１７）を与えられていることを特徴とする光ファイバーコネクター。
2. 前記実質的に円錐形の表面（１０）が、その先端部（１０ａ）で光ファイバー端部に連結され、かつファイバー端部から離れるように円錐形に発散していることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーコネクター。
3. 透明本体（６）が石英から作られていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーコネクター。
4. 円錐形表面（１０）の円錐角（α）が１０〜４５度の範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバーコネクター。
5. 前記流動冷却剤が空気であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーコネクター。
6. 前記流動冷却剤が流体、好ましくは水であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーコネクター。
7. 光ファイバーのコアーの外側に入る入射輻射線が流動冷却剤に少なくとも部分的に吸収されるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバーコネクター。

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