JP5276749B2 - 光強度モニタ回路、およびファイバレーザシステム - Google Patents

光強度モニタ回路、およびファイバレーザシステム Download PDF

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Description

本発明は、ファイバレーザの光強度モニタ方法に関するものであり、特にデリバリファイバに高出力光が伝播するような場合でも、光強度および断線の検出ができる光強度モニタに関する。
レーザ光を用いて材料加工する場合、加工する材料によっては数ワット程度のレーザ出力で十分な場合もあるが、厚い金属を加工するような場合はキロワット級のレーザ出力を要する。金属加工用レーザとしては、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザ、ファイバレーザなどがある。このうちファイバレーザは高効率・高利得・良好なビーム品質であり、要素のほとんどが光ファイバで構成されていることからメンテナンス性も良いレーザ光源として注目されている。
ファイバレーザでは、レーザ光が伝播する経路も全て光ファイバであり、例えばレーザの出力端部とファイバレーザ本体を結ぶデリバリファイバの長さを自由に変えることもできるため、本体を移動させること無く、出力端部の位置だけ移動させて材料加工することができるといった利点もある。
このことから、デリバリファイバはある程度自由に動かせる必要があるため、装置本体に比べるとファイバの断線確率は高くなる虞がある。デリバリファイバで断線が生じた場合、高出力の光が断線箇所から放射されてしまい、その放射された光がデリバリファイバを保護しているホース等を貫通する場合がある。この場合、周囲に光が漏れ出してしまう虞がある。
このため、安全性の観点から、デリバリファイバの断線を検出する必要がある。また、加工を安定させるためには、照射されるレーザ出力の安定性も重要になり、一定のレーザ出力が供給できるような光強度モニタ回路が必要となる。
従来技術としては、特許文献１に示されたように、光ファイバのコア部にスラント型ブラッググレーティングを設けてコアの導波光の一部を光ファイバの外部に放射し、放射された光を受光素子により検出する光モニタデバイスがある。また、特許文献２では、ファイバの融着点から漏れる散乱光を融着点近傍の別のファイバで検出する方法が開示されている。
日本国公開特許公報「特開平１１−１３３２５５号公報（１９９９年５月２１日公開）」 日本国公開特許公報「特開２００６−２９２６７４号公報（２００６年１０月２６日公開）」
特許文献１では、光ファイバの出力端側に設けられたスラント型ブラッググレーティングにより、コアを導波する光の一部を光ファイバの外部へと放射し、放射された光を受光素子により検出することで光強度をモニタしている。しかしながら、このような構成を採用すると、受光素子等を出力端側に設ける必要があり、出力端部が大きくなるといった問題がある。さらに、本体側との通信も複雑な構成（例えば保護ホース内に受光素子にて生成された光電流を伝送するための電気配線を通すなど）になってしまうといった問題もある。
また、特許文献２では、融着点からの散乱光を別の光ファイバを通してモニタしているが、フレキシビリティを求められるデリバリファイバ中に融着点や補強部があることは望ましくない。また、デリバリファイバの出力側にこのような光モニタデバイスを配置する場合は、特許文献１と同様に、出力端部が大きくなるといった問題がある。
本願発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、出力端部に複雑な構成を必要とせず、デリバリファイバを伝播するレーザ光の光強度を高精度に検出し、レーザ光が伝播する経路の断線も検出できる光強度モニタ回路を提供することを目的としている。
上記の課題を解決するために、本発明の光強度モニタ回路は、コアの周囲を第１クラッドで覆い、さらに第１クラッドの周囲を第２クラッドで覆ったダブルクラッドファイバからなるデリバリファイバと、上記デリバリファイバの出力端側に設けられ、上記デリバリファイバの上記コアを伝播するレーザ光の一部を反射して、上記第１クラッドを逆方向に伝播する後進クラッドモードへ結合する反射手段と、上記デリバリファイバの入力端側に設けられ、上記反射手段によって後進クラッドモードへ結合された後進クラッドモード光の強度を検出する検出手段とを備えたことを特徴としている。
上記の構成によれば、コアを伝播するレーザ光の一部は、上記デリバリファイバの出力端側に設けられた反射手段によって後進クラッドモード光として入力側に戻し、デリバリファイバの入力端側に設けられた上記検出手段によってこの後進クラッドモード光の強度を検出される。このため、出力端部から出射されるレーザ光強度の検出やデリバリファイバの断線の検出をデリバリファイバの出力端側で行なう必要が無くなり、出力端部が必要以上に大きくなることや、本体側との通信が複雑な構成となることを防止できる。
本発明の光強度モニタ回路では、出力端部から出射されるレーザ光強度の検出やデリバリファイバの断線の検出をデリバリファイバの出力端側で行なう必要が無くなり、出力端部が必要以上に大きくなることや、本体側との通信が複雑な構成となることを防止できる。
本発明の一実施形態を示すものであり、光強度モニタ回路を搭載したファイバレーザシステムの概略構成を示す図である。 図１に示すファイバレーザシステムで用いられるデリバリファイバの概略構成を示す図である。 図２に示すデリバリファイバに形成されるスラントされたファイバブラッググレーティングを示す図である。 図１に示すファイバレーザシステムで用いられる後進クラッドモード光検出部の一構成例を示す図である。 図４に示す後進クラッドモード光検出部で用いられる方向性結合器の構成を示す図である。 図１に示すファイバレーザシステムで用いられる後進クラッドモード光検出部の他の構成例を示す図である。 ファイバ断線面での入射角とフレネル反射率との関係を示すグラフである。 ファイバの断線面が一定となる角度で断線した場合において、反射光が後進クラッドモードとなる場合のフレネル反射を示す図である。 ファイバの断線面が一定となる角度で断線した場合において、反射光が後進コアモードとなる場合のフレネル反射を示す図である。 ファイバの断線面が一定となる角度で断線した場合において、反射光が放射モードとなる場合のフレネル反射を示す図である。 ファイバの断線面が一定でない角度で断線した場合におけるフレネル反射を示す図である。 図１に示すファイバレーザシステムで用いられる後進クラッドモード光検出部のさらに他の構成例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る光強度モニタ回路（以下、本光強度モニタ回路）を搭載したファイバレーザシステムの概略構成を示す図である。
図１に示すファイバレーザシステムは、ファイバレーザ１１を含むファイバレーザ装置１０と、レーザ出力端部２０と、ファイバレーザ装置１０およびレーザ出力端部２０を結ぶデリバリファイバ３０とから構成されている。尚、ファイバレーザ１１は周知の構成であるため、ここではファイバレーザ１１の詳細な説明を省略する。
本光強度モニタ回路は、デリバリファイバ３０をダブルクラッドファイバとし、デリバリファイバ３０に、スラントされたファイバブラッググレーティング（以下、ＳＦＢＧ；反射手段）３１と、後進クラッドモード光検出部３２とを設けることによって構成されている。ＳＦＢＧ３１は、デリバリファイバ３０の出力端側に設けられ、デリバリファイバ３０のコアを導波するレーザ光の一部を後進クラッドモードへ結合させる。後進クラッドモード光検出部（検出手段）３２は、後進クラッドモード光の強度を検出する手段であり、デリバリファイバ３０の入力端側に設けられている。さらに、デリバリファイバ３０は、保護ホース３３によって覆われている。尚、ＳＦＢＧ３１がデリバリファイバ３０の出力端側に設けられるとは、ＳＦＢＧ３１がデリバリファイバ３０の出力端付近にその一部として設けられる場合と、ＳＦＢＧ３１がデリバリファイバ３０の出力端部に接続される場合とを含むものとする。同様に、後進クラッドモード光検出部３２がデリバリファイバ３０の入力端側に設けられるとは、デリバリファイバ３０の入力端付近にその一部として設けられる場合と、デリバリファイバ３０の入力端部に接続される場合とを含むものとする。
本光強度モニタ回路では、レーザ光の一部をデリバリファイバ３０のレーザ出力端部２０側（出力端側）からファイバレーザ装置１０側（入力端側）に戻して検出することで、レーザ光強度の検出およびデリバリファイバ３０の断線の検出を行っている。このため、受光手段の受光感度に応じて、反射率を適切に設定することにより、レーザ光が高出力なものであってもレーザ光強度のモニタが可能である。また、デリバリファイバ３０のレーザ出力端部２０が必要以上に大きくなることや、ファイバレーザ装置１０側との通信も複雑な構成が不用になる。その理由を以下に詳細に説明する。
本光強度モニタ回路は、図２に示すように、デリバリファイバ３０をダブルクラッドファイバとしており、デリバリファイバ３０は、コア３０Ａ、コア３０Ａよりも屈折率の低い第１クラッド３０Ｂ、第１クラッド３０Ｂよりも屈折率の低い第２クラッド３０Ｃを有している。すなわち、デリバリファイバ３０は、コア３０Ａの周囲を第１クラッド３０Ｂで覆い、さらに第１クラッド３０Ｂの周囲を第２クラッド３０Ｃで覆っている。さらに、デリバリファイバ３０は、コア３０ＡにＳＦＢＧ３１を設けている。
ＳＦＢＧ３１は、図３に示すように、屈折率上昇の生じている面に垂直な方向を光ファイバの軸（長手軸）から傾ける（スラント角：θ）ようにして形成されている。ＳＦＢＧ３１では、屈折率上昇の生じている面を傾けることによって、順方向に伝播する前進コアモードから、逆方向に伝播する後進コアモードへの結合が抑制され、順方向に伝播する前進コアモードから逆方向に伝播する後進クラッドモードへの結合が助長される。尚、後進クラッドモードに結合する前進コアモードの波長は、グレーティング周期（Λ）で決まる。
尚、ＳＦＢＧ３１によって後進クラッドモードへ結合させるためには、コアの屈折率ｎ，レーザ光の波長λＢ，グレーティング周期Λ，およびスラント角θが、下記式で示されるブラッグ条件を満たす必要がある。
Ｎ×（λＢ／ｎ）＝２Λｃｏｓθ（Ｎは整数）
また、ＳＦＢＧ３１による反射率Ｒとスラント角θとの関係は下記式によって表される。
Ｒ＝ｔａｎｈ２（πＬΔｎη／λＢ）
＝ｔａｎｈ２（（πＬΔｎη／２ｎΛｃｏｓθ）×Ｎ）
但し、Ｌ：グレーティング長，
η：コアの閉じ込め率
Δｎ：屈折率増加量
である。
後進クラッドモードへ結合された光（以下「後進クラッドモード光」と呼ぶ）は、第１クラッド３０Ｂ内に閉じ込められ、コアを伝播するレーザ光とは逆方向に第１クラッド３０Ｂ内を伝播する。その後進クラッドモード光は、デリバリファイバ３０の入力端側に設けられた後進クラッドモード光検出部３２によって、そのレーザ光強度を検出できる。
後進クラッドモード光検出部３２の一構成例としては、図４に示すように、方向性結合器３２Ａと光検出器３２Ｂ（例えば、フォトダイオード）とからなる構成が挙げられる。方向性結合器は、一般には二つの近接したコアを持つ光ファイバの片方のコアのみに光を入射した場合に、光の伝播に伴い、もう片方のコア内にも光が移行する現象を利用するものである。但し、ここで用いる方向性結合器３２Ａは、図５に示すように、デリバリファイバ３０の第１クラッド３０Ｂを別のファイバのコアに近接させている。このため、デリバリファイバ３０のコア３０Ａのレーザ光はそのまま透過し、図５中のＡの方向より第１クラッド３０Ｂを伝播する後進クラッドモード光を別のファイバへ結合させている。別のファイバに結合された光は、図５中のＢの方向へ伝播し、最終的に光検出器３２Ｂによって検出される。以上の構成により、レーザ光強度の検出が可能となる。尚、方向性結合器３２Ａでは、別のファイバのコアの屈折率は、デリバリファイバ３０の第２クラッド３０Ｃの屈折率よりも小さく設定される。
また、本発明における後進クラッドモード光検出部３２の他の構成例としては、図６に示す構成が挙げられる。図６の構成では、デリバリファイバ３０の入力端付近の第２クラッド３０Ｃを除去し、その除去部分と検出用ファイバ３２Ｃの端部をデリバリファイバ３０の第１クラッド３０Ｂよりも屈折率の高い高屈折率媒体３２Ｄで囲んでいる。この時、検出用ファイバ３２Ｃの端部はデリバリファイバ３０と平行にされる。これにより、デリバリファイバ３０の入力端付近から漏れ出した光を、高屈折率媒体３２Ｄによって検出用ファイバ３２Ｃに結合させて、光検出器３２Ｂによって検出することが可能である。以上の構成からでも、レーザ光強度の検出が可能となる。
また、本発明における後進クラッドモード光検出部３２のさらに他の構成例としては、図１２に示す構成が挙げられる。図１２の構成では、ダブルクラッドのデリバリファイバ３０の入力端付近の第２クラッド３０Ｃを除去し、その除去部分を第１クラッド３０Ｂよりも屈折率の高い高屈折率媒体３２Ｄで囲んでいる。さらに、高屈折率媒体３２Ｄの中または外に光検出器３２Ｂを配置している。これにより、高屈折率媒体３２Ｄにより散乱する後進クラッドモード光を光検出器３２Ｂの受光面に直接検出させることが可能である。以上の構成からでも、レーザ光強度の検出が可能となる。
後進クラッドモード光検出部３２における上述の３つの構成例は、コアを伝播するレーザ光を直接介さずにレーザ光強度を検出している点で以下のメリットを有する。すなわち、コアの伝播光を介した方向性結合器を用いる場合、レーザ光が高出力であることからレーザ光のモニタのために結合される光の割合は非常に小さくてよい。しかしながら、そのような結合比の小さい方向性結合器を作製するには、方向性結合器のコア部を延伸させなければならない。コア部を延伸させた場合には、少なからず延伸部での損失が生じるが、レーザ光が高出力であるが故に僅かな損失でも放出されるエネルギの絶対値は大きく、その放出されたエネルギによる発熱で方向性結合器を焼損させてしまうことが考えられる。本実施の形態における後進クラッドモード光検出部３２では、コアではなくクラッドの光を結合させているため、このような心配は無くなる。
また、上記ファイバレーザシステムでは、ＳＦＢＧ３１よりも出力側にアイソレーション３０ｄＢ以上の光アイソレータを設けても良い。
実際にファイバレーザ装置で材料加工を行う場合、出力端部から出射されたレーザ光は材料で吸収されるが、一部は反射される（反射率は材料によって異なる）。反射したレーザ光は、出力端部でコア及び第１クラッドに再結合してファイバレーザ本体へと戻る。この場合、後進クラッドモード検出器としては、1)ＳＦＢＧによる後進クラッドモード光、2)レイリー散乱によって後進クラッドモードに結合した光、さらに3)材料からの反射光、が検出されることになる。しかも、上記1)〜3)の光は、すべてレーザ光と同じ波長となる。
よって、上記3)の光が検出される場合には、通常の1)＋2)の反射量よりも大きな反射光量を検出してしまうため、断線していなくとも誤って断線と判断してしまう事が予想される。そのため、3)の影響を極力減らす必要がある。光アイソレータは、材料からの反射光をデリバリファイバに戻ることを阻止し、3)の影響を減らすために設けられるものである。材料からの反射光が鏡面反射（反射率が１００％）で戻ってきた場合、アイソレーション２０ｄＢでは検出器における1)＋2)の反射率が最大１％大きくなってしまう。アイソレーション３０ｄＢとした場合は、最大でも０．１％大きくなるだけで済むため、1)＋2)の反射率を例え０．５％程度に設けた場合であっても正しく断線検知の判断ができる。
続いて、デリバリファイバ３０の断線検出方法について説明する。デリバリファイバ３０の断線は、後進クラッドモード光の反射率（すなわち、反射量）の予め決められた想定値からの変化によって判断することができる。すなわち、断線が生じていない状態では、レーザ光強度とＳＦＢＧの反射率に応じた後進クラッドモード光の強度が検出されることで正常と判断される。一方、断線が生じた状態では、デリバリファイバ３０の断線面でフレネル反射が生じることから、後進クラッドモード光の強度に変化が生じ、この変化量によって断線を判断することが可能である。
例えば、レーザ出力がＸ［Ｗ］でＳＦＢＧの反射率をＲとした場合、後進クラッドモード光強度としてはＲＸ［Ｗ］となる。この光すべてが検出手段で検出されるとした場合、レーザ光がある程度変動（Ｘ±ｘ［Ｗ］）すると検出手段ではＲ（Ｘ±ｘ）［Ｗ］の変動内で光強度が検出される。この範囲よりもマージンをもった範囲（±ｙ：ただしｙ＞ｘ）を閾値とし、この閾値よりも検出量が変動した場合、すなわちＲ（Ｘ＋ｙ）［Ｗ］以上またはＲ（Ｘ−ｙ）［Ｗ］以下になった場合に断線と判断する。さらに、レイリー散乱による反射光強度およびレーザ出力の温度依存性も考慮して、上記閾値を設定することにより、より的確に断線を判断することができる。
後進クラッドモード光の検出結果からデリバリファイバ３０が断線しているか否かを判別する方法についてより詳細に説明すると以下の通りである。
デリバリファイバ３０が断線した時、断線したファイバの断面ではフレネル反射が生じる。フレネル反射によってクラッドモードに結合される光の割合は、断線したファイバの端面状態によって変化する。図８〜１０は、ファイバの（コア部の）断線面が一定となる角度で断線した場合であって、その角度がそれぞれ異なる時のフレネル反射を示す図である。尚、ここでは、説明を簡単にするため、コアを伝播される光は、コアの光軸に対して平行に進む光線として仮定している。
図８に示すように、断線面の角度αがある範囲を有する場合は、フレネル反射された光は後進クラッドモードに結合する。ここで、断線面の角度αは、断線面と、コアの光軸に垂直な面とがなす角（あるいは、断線面の法線とコアの光軸とがなす角）である。しかしながら、断線面の角度αがそれ以外の範囲では、後進コアモードに結合される（図９参照）か、または放射モード（図１０参照）となる。フレネル反射された光が後進クラッドモードに結合する断線面の角度αは下記の(1)式を満たす範囲である。
（１／２）×θｃｏ＜θｉ＝α＜（１／２）×θｃｌ …(1)
ここで、θｉはフレネル反射時の入射角で断線面の角度に等しい。θｃｏはコアのＮＡ（開口）で決まる臨界角であり、θｃｌは第１クラッドのＮＡで決まる臨界角である。例えば、コアにおいてはＮＡが０．２１，屈折率が１．５であり、第１クラッドにおいてはＮＡが０．４６，屈折率が１．４５の場合、後進クラッドモードへ結合する断線面の角度αは、約８．０°から約１８．２°である。２α＜θｃｏとなる場合は、フレネル反射された光はコアに結合し、２α＞θｃｌとなる場合は光ファイバ外に放射される。このため、上記(1)式を満たさない範囲では、後進クラッドモード光検出部３２では、フレネル反射による光は検出されない（但し、レイリー散乱によって後進クラッドモードによって結合する光は検出される）。したがって、フレネル反射によって後進クラッドモードに結合することができる断線面の角度の範囲内の最大のフレネル反射率よりもＳＦＢＧ３１の反射率を大きくしておくことで、反射率の変化により断線の有無を判別できる。
上述したように、ＮＡが０．２１，屈折率が１．５のコアと、ＮＡが０．４６，屈折率が１．４５の第１クラッドとを用いた光ファイバの場合、後進クラッドモードへ結合する断線面の角度αは、約８．０°から約１８．２°である。そして、この時のフレネル反射率は、フレネル反射を生じさせる断線面がガラスと空気との界面であるとした場合には、図７に示されるようにほぼ４％である。つまり、デリバリファイバ３０におけるＳＦＢＧ３１の反射率を４％より大きくしておき、反射率が４％以下になった場合にデリバリファイバ３０が断線したと見なせる。
図８〜１０を用いた上記説明では、ファイバの断線面が一様な場合を想定したが、実際の断線が生じた時の端面はより複雑な形状となる。図１１は、光ファイバの断線面が、断線面の角度α１である第１の断線面と、断線面の角度α２である第２の断線面とからなる場合を示す。図１１では、第１の断線面と第２の断線面とが、ファイバ断面の中心点を通る境界線で等分されているとする。また、図１１での全フレネル反射光は、第１の断線面からクラッドモードに結合する光と、第２の断線面から光ファイバの外部に放射される光とにそれぞれ等分されているとする。したがって、この場合の光ファイバの端面で全フレネル反射によってクラッドモードに結合される反射率は２％程度になると考えられる。
上記の考えを発展させて断線面の端面状態がより複雑な形状になる場合を考えると、フレネル反射によってクラッドモードに結合される光の反射率は０〜４％の変動幅を持つことが容易に理解できる。すなわち、ＳＦＢＧ３１の反射率を４％より大きくしておけば、反射率が４％以下になった場合にデリバリファイバ３０の断線を確実に検出することができる。
但し、光ファイバが断線する場合の断線面での反射率は一定の値を保つとは限らない。例えば、光ファイバが断線する場合は、最初に小さな亀裂が生じて、その亀裂が成長して完全な断線に至るため、断線の初期状態から最終的な断線に至るまでの間に端面形状は変化する。あるいは、本実施形態のようにレーザ光が高出力であれば、ファイバ断線後もレーザ光によって発生する熱等によって端面形状が変化する。端面形状が変化すれば、それに伴ってフレネル反射による反射率は変動するため、ＳＦＢＧの反射率をフレネル反射率の変動幅内で設定しても、実際にはファイバの断線を検出することができる。
ＳＦＢＧの反射率をフレネル反射率の変動幅内で設定する場合は、ファイバの断線過程で変動する反射率を検出し、正常時との変動幅が一定以上になった場合に断線を検出すればよい。この時の変動幅は、ファイバレーザの出力安定性を元に求めるのが良い。すなわち、デリバリファイバ３０のコア３０Ａを伝播するレーザ光の強度に対して、第１クラッド３０Ｂを伝播する後進クラッドモード光の強度の割合を求めれば、反射率の変化を正常時との変動幅として検出することができる。注意する点としては、ＳＦＢＧの反射率はレイリー散乱による後進クラッドモードへの結合率より大きくする必要がある。尚、ここで、反射率は元のレーザ光に対しての後進クラッドモードとして反射する光の割合を示し、結合率は元のレーザ光に対しての後進クラッドモードに結合される光の割合を示すものである。ＳＦＢＧの手前でファイバが断線しても、さらにフレネル反射がクラッドモード光に全く結合しない場合は、後進クラッドモード光はレイリー散乱によるもののみとなる。この場合、ＳＦＢＧの反射率がレイリー散乱による後進クラッドモードへの結合率に比べてあまりに小さいと、断線前まで検出されていたレイリー散乱による後進クラッドモード光との差が分かり難くなるためである。但し、レイリー散乱による後進クラッドモード光は実際にはあまり大きくなく、ＳＦＢＧの反射率は１％程度あれば、ＳＦＢＧによる後進クラッドモード光とレイリー散乱による後進クラッドモード光とは、十分に識別可能であると思われる。
上記のように、ＳＦＢＧの反射率をフレネル反射率の変動幅内で設定してもファイバの断線を検出することができるが、ＳＦＢＧ３１の反射率をフレネル反射の反射率よりも大きくするほうが、断線を確実に検出できるため好ましい。そして、ＳＦＢＧの反射率をフレネル反射率より大きく設定する場合であっても、フレネル反射率を小さくすることができれば、ＳＦＢＧの反射率も小さくすることができる。ＳＦＢＧの反射率を小さくすれば、モニタ用に取り出すレーザ光の割合が小さくなるため、出力されるレーザ光の割合を大きくでき、その結果、レーザの出力効率を上げることになり好ましい。
フレネル反射を小さくするには、断線した時のファイバ端面に接触する媒体の屈折率を、光ファイバのコア（ここではガラス；屈折率１．５）の屈折率に近くすることで実現できる。これまでの説明では、断線した時のファイバ端面に接触する媒体は空気（屈折率１）であると仮定していたが、この媒体を例えば水（屈折率１．３３）とすれば、図７からも分かるようにフレネル反射率を１％以下まで小さくすることができる。これを具体的に実施するためには、図１の構成において、保護ホース３３の中を水で満たし、デリバリファイバ３０の周辺を水で囲うなどの構成とすればよい。尚、断線した時のファイバ端面に接触させる媒体は、上記のように水に限定されるものではなく、空気よりも光ファイバのコアの屈折率に近い屈折率を持つ流体媒体であればよい。
尚、ファイバレーザのレーザ光強度が変化すると後進クラッドモード光検出時の光強度も変化する。このため、予めレーザ光強度と後進クラッドモード光検出時の光強度の比率を調べておけば、検出時の光をＳＦＢＧによる反射光、フレネル反射光、レイリー散乱による反射光で区別することができる。
以上のように、本発明の光強度モニタ回路は、コアの周囲を第１クラッドで覆い、さらに第１クラッドの周囲を第２クラッドで覆ったダブルクラッドファイバからなるデリバリファイバと、上記デリバリファイバの出力端側に設けられ、上記デリバリファイバの上記コアを伝播するレーザ光の一部を反射して、上記第１クラッドを逆方向に伝播する後進クラッドモードへ結合する反射手段と、上記デリバリファイバの入力端側に設けられ、上記反射手段によって後進クラッドモードへ結合された後進クラッドモード光の強度を検出する検出手段とを備えたことを特徴としている。
上記の構成によれば、コアを伝播するレーザ光の一部は、上記デリバリファイバの出力端側に設けられた反射手段によって後進クラッドモード光として入力側に戻し、デリバリファイバの入力端側に設けられた上記検出手段によってこの後進クラッドモード光の強度を検出される。このため、出力端部から出射されるレーザ光強度の検出やデリバリファイバの断線の検出をデリバリファイバの出力端側で行なう必要が無くなり、出力端部が必要以上に大きくなることや、本体側との通信が複雑な構成となることを防止できる。
また、上記光強度モニタ回路では、上記反射手段は、スラントされたファイバブラッググレーティングであることが好ましい。上記の構成によれば、デリバリファイバの構成を複雑にすることなく、上記反射手段を容易に形成することができる。
また、上記光強度モニタ回路では、上記検出手段は、上記第１クラッドを伝播する後進クラッドモード光のみを結合する方向性結合器と、上記方向性結合器によって結合された後進クラッドモード光を受光する光検出器とからなる構成とすることができる。あるいは、上記光強度モニタ回路では、上記検出手段は、上記デリバリファイバの入力端付近の上記第２クラッドを除去した部分と、検出用ファイバと、上記デリバリファイバの第１クラッドよりも屈折率の高い媒体であり、上記デリバリファイバの上記第２クラッドを除去した部分と上記検出用ファイバの端部とを囲むことで上記デリバリファイバの上記第２クラッドを除去した部分から漏れ出した光を上記検出用ファイバに結合させる高屈折率媒体と、上記検出用ファイバに結合された光を受光する光検出器とからなる構成とすることができる。
あるいは、上記光強度モニタ回路では、上記検出手段は、上記デリバリファイバの入力端付近の上記第２クラッドを除去した部分と、上記デリバリファイバの第１クラッドよりも屈折率の高い媒体であり、上記デリバリファイバの上記第２クラッドを除去した部分を囲むことで上記デリバリファイバの上記第２クラッドを除去した部分から漏れ出した光を散乱させる高屈折率媒体と、上記高屈折率媒体によって散乱された光を受光する光検出器とからなる構成とすることができる。
上記の構成によれば、コアを伝播するレーザ光を直接介さずにレーザ光強度を検出することができる。
また、上記光強度モニタ回路では、上記反射手段よりも出力端側に光アイソレータを備えている構成とすることができる。
また、上記光強度モニタ回路では、上記反射手段の反射率は、上記デリバリファイバの断線境界面で生じるフレネル反射の後進クラッドモードへの結合率よりも大きい構成とすることができる。
上記の構成によれば、上記検出手段は、検出される後進クラッドモード光の反射率が、上記反射手段の反射率よりも小さくなった時に、上記デリバリファイバの断線を確実に検出することができる。
また、上記光強度モニタ回路では、上記デリバリファイバは、保護ホース中に配置され、さらに、上記保護ホースの中は、空気よりも上記デリバリファイバのコアの屈折率に近い屈折率を持つ流体媒体にて満たされている構成とすることができる。
上記の構成によれば、上記デリバリファイバが断線したときに、断線した時のファイバ端面に接触する媒体は上記流体媒体となる。上記流体媒体は、空気よりも上記デリバリファイバのコアの屈折率に近い屈折率を持つため、断線した時のファイバ端面に接触する媒体が空気である場合に比べ、断線面でのフレネル反射を小さくできる。断線面でのフレネル反射が小さくなれば、上記反射手段の反射率も小さくしても断線検出が可能となるため、モニタ用に取り出すレーザ光の割合を小さくし、出力されるレーザ光の割合を大きくでき、その結果、レーザの出力効率を上げることができる。
また、上記光強度モニタ回路では、上記反射手段の反射率は、上記デリバリファイバの後進クラッドモードへ結合するレイリー散乱の結合率よりも大きいものであり、上記検出手段は、第１クラッドを伝播する後進クラッドモード光の強度の時間的変動を検出する構成とすることができる。
上記の構成によれば、後進クラッドモード光の強度の時間的変動を検出することで、ファイバの断線過程で変動する反射率を検出することができ、上記反射手段の反射率をフレネル反射率の変動幅内で設定しても、上記時間的変動を検出する中で正常時との変動幅が一定以上になった場合に断線を検出することができる。すなわち、上記反射手段の反射率をフレネル反射率の変動幅内で設定することで、モニタ用に取り出すレーザ光の割合を小さくし、出力されるレーザ光の割合を大きくでき、その結果、レーザの出力効率を上げることができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、デリバリファイバに高出力光が伝播するような場合でも、レーザ光強度および断線の検出ができる光強度モニタを提供でき、ファイバレーザシステムに利用することができる。
１０ ファイバレーザ装置
１１ ファイバレーザ
２０ レーザ出力端部
３０ デリバリファイバ
３０Ａ コア
３０Ｂ 第１クラッド
３０Ｃ 第２クラッド
３１ スラントされたファイバブラッググレーティング（反射手段）
３２ 後進クラッドモード光検出部（検出手段）
３２Ａ 方向性結合器
３２Ｂ 光検出器
３２Ｃ 検出用ファイバ
３２Ｄ 高屈折率媒体
３３ 保護ホース

Claims (10)

  1. コアの周囲を第１クラッドで覆い、さらに第１クラッドの周囲を第２クラッドで覆ったダブルクラッドファイバからなるデリバリファイバと、
    上記デリバリファイバの出力端側に設けられ、上記デリバリファイバの上記コアを伝播するレーザ光の一部を反射して、上記第１クラッドを逆方向に伝播する後進クラッドモードへ結合する反射手段と、
    上記デリバリファイバの入力端側に設けられ、上記反射手段によって後進クラッドモードへ結合された後進クラッドモード光の強度を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする光強度モニタ回路。
  2. 上記反射手段は、スラントされたファイバブラッググレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の光強度モニタ回路。
  3. 上記検出手段は、
    上記第１クラッドを伝播する後進クラッドモード光のみを結合する方向性結合器と、
    上記方向性結合器によって結合された上記後進クラッドモード光を受光する光検出器とからなることを特徴とする請求項１または２に記載の光強度モニタ回路。
  4. 上記検出手段は、
    上記デリバリファイバの入力端付近の上記第２クラッドを除去した部分と、
    検出用ファイバと、
    上記デリバリファイバの第１クラッドよりも屈折率の高い媒体であり、上記デリバリファイバの上記第２クラッドを除去した部分と上記検出用ファイバの端部とを囲むことで上記デリバリファイバの上記第２クラッドを除去した部分から漏れ出した光を上記検出用ファイバに結合させる高屈折率媒体と、
    上記検出用ファイバに結合された光を受光する光検出器とからなることを特徴とする請求項１または２に記載の光強度モニタ回路。
  5. 上記検出手段は、
    上記デリバリファイバの入力端付近の上記第２クラッドを除去した部分と、
    上記デリバリファイバの第１クラッドよりも屈折率の高い媒体であり、上記デリバリファイバの上記第２クラッドを除去した部分を囲むことで上記デリバリファイバの上記第２クラッドを除去した部分から漏れ出した光を散乱させる高屈折率媒体と、
    上記高屈折率媒体によって散乱された光を受光する光検出器とからなることを特徴とする請求項１または２に記載の光強度モニタ回路。
  6. 上記反射手段よりも出力端側に光アイソレータを備えていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の光強度モニタ回路。
  7. 上記反射手段の反射率は、上記デリバリファイバの断線境界面で生じるフレネル反射の後進クラッドモードへの結合率よりも大きいことを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の光強度モニタ回路。
  8. 上記デリバリファイバは、保護ホース中に配置され、さらに、上記保護ホースの中は、空気よりも上記デリバリファイバのコアの屈折率に近い屈折率を持つ流体媒体にて満たされていることを特徴とする請求項７に記載の光強度モニタ回路。
  9. 上記反射手段の反射率は、上記デリバリファイバの後進クラッドモードへ結合するレイリー散乱の結合率よりも大きいものであり、
    上記検出手段は、上記デリバリファイバのコアを伝播するレーザ光の強度に対する第１クラッドを伝播する後進クラッドモード光の強度の時間的変動を検出することを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の光強度モニタ回路。
  10. ファイバレーザ装置と、レーザ出力端部と、上記ファイバレーザ装置および上記レーザ出力端部を結ぶデリバリファイバとから構成されているファイバレーザシステムであって、
    上記請求項１から９の何れか一項に記載の光強度モニタ回路を備えていることを特徴とするファイバレーザシステム。
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