JP6980482B2

JP6980482B2 - 光検出装置及びレーザ装置

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Publication number: JP6980482B2
Application number: JP2017197263A
Authority: JP
Inventors: 真一阪本
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2037-10-10
Also published as: JP2019070600A

Description

本発明は、光検出装置及び当該光検出装置を備えるレーザ装置に関する。

ファイバレーザ装置は、集光性に優れ、パワー密度が高く、小さなビームスポットとなる光が得られることから、レーザ加工分野、医療分野等の様々な分野において用いられている。このような高効率なレーザ装置によって良好な加工品質を実現するためには、光ファイバを伝搬する光の強度を正確に検出することが求められる。

例えば、下記特許文献１には、光ファイバ同士の接続部から漏れる光を検出することによって光ファイバを伝搬する光の強度を推定し得るファイバレーザ装置が記載されている。また、下記特許文献２には、光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱を検出することによって光ファイバを伝搬する光の強度を推定し得るセンサユニットが記載されている。

国際公開第２０１２／０７３９５２号公報国際公開第２０１４／０３５５０５号公報

上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置では、光ファイバ同士の接続部からの漏れ光を利用しており、その漏れ光を光ファイバの外に取り出す際に熱が生じる。このような発熱は、光ファイバを伝搬する光のエネルギーが高くなるにつれてより顕著になる。このため、上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置では、光ファイバを伝搬する光のエネルギーが高くなるにつれて検出器、及び検出器までの経路において受ける熱の影響が大きくなり、検出結果と当該検出結果から推定される光ファイバを伝搬する光の強度との関係の線形性が失われる傾向にある。よって、光ファイバを伝搬する光の強度を正確に検出することが難しくなる。

また、特許文献２に記載のセンサユニットでは、レイリー散乱を検出しており、レイリー散乱は全方位に生じるため、光ファイバのどちらの方向に伝搬する光のレイリー散乱であるかを判別することが難しい。このため、特許文献２に記載のセンサユニットでは、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を精度よく検出することが難しい。特に金属加工等の高反射材加工ではレーザの出力方向とは逆方向に伝搬する反射光が発生しうるため、光ファイバを所定の方向に伝搬する光の強度を精度よく検出することが難しくなる。

そこで、本発明は、光ファイバの双方向に伝搬するそれぞれの光の強度の検出精度を向上し得る光検出装置、及び当該光検出装置を備えるレーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光検出装置は、第１コア及び前記第１コアの外周面を囲む第１クラッドを有する第１光ファイバと、前記第１コアに接続される第２コア、前記第２コアの外周面を囲むと共に前記第１クラッドに接続され前記第２コアより屈折率が低い内側クラッド、前記内側クラッドの外周面を囲む前記内側クラッドより屈折率が低い低屈折率層、及び、前記低屈折率層の外周面を囲む前記低屈折率層より屈折率が高い外側クラッドを有し、前記第１光ファイバを伝搬する光を出射する光源からの光の伝搬方向において前記第１光ファイバよりも下流側に配置される第２光ファイバと、前記第１クラッドの外側に設けられる第１クラッドモードストリッパと、前記第１クラッドモードストリッパよりも前記光源からの光の伝搬方向の上流側に配置されて前記第１光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱を検出する第１光検出部と、前記第１クラッドモードストリッパよりも前記光源からの光の伝搬方向の下流側に配置されて前記第１光ファイバまたは前記第２光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱を検出する第２光検出部と、を備えることを特徴とする。

以下では、光源からの光の伝搬方向の上流側を単に上流側といい、光源からの光の伝搬方向の下流側を単に下流側という場合がある。また、上流側から下流側に向かう方向を順方向といい、下流側から上流側に向かう方向を逆方向という場合がある。

第２光ファイバから出射された光の一部が反射光となって第２光ファイバに戻ってくる場合、当該反射光はある程度結像点がぼけることにより、第２コアだけでなく第２コアの周囲の内側クラッドにも入射する傾向にある。内側クラッドは低屈折率層に囲まれるため、内側クラッドに入射する反射光は主に低屈折率層より内側、すなわち主に第２コアと内側クラッドとを第１光ファイバ側へ伝搬する。また、内側クラッドは第１クラッドに接続されるため、上記のように内側クラッドを伝搬する光の少なくとも一部は第１クラッドに入射する。さらに、このようにしてクラッドモード光となって第１クラッドを伝搬する光の少なくとも一部は、第１クラッドモードストリッパにおいて第１光ファイバの外側に放出される。以上のように、第２光ファイバを逆方向に伝搬する光の少なくとも一部は第１クラッドモードストリッパにおいて第１光ファイバの外側に放出される。ところで、第１光検出部は第１クラッドモードストリッパの上流側において、第２光検出部は第１クラッドモードストリッパの下流側において、光ファイバの双方向に伝搬する光のレイリー散乱を検出する。よって、第１光検出部の検出結果と第２光検出部の検出結果とでは、少なくとも第１クラッドモードストリッパで放出された光の分の差が生じる。この差の大きさは、少なくとも第２光ファイバを逆方向に伝搬する光の強度に依存する。このため、第１光検出部での検出結果と第２光検出部での検出結果との差を用いて、第１光ファイバ及び第２光ファイバを逆方向に伝搬する光の強度を推定することができる。また、順方向に伝搬する光は、第１光ファイバと第２光ファイバとで概ね同じ強さで伝搬し得る。よって、上記のように第１光ファイバ及び第２光ファイバを逆方向に伝搬する光の強度を推定することによって、第１光検出部または第２光検出部での検出結果から、第１光ファイバ及び第２光ファイバを順方向に伝搬する光の強度も推定することもできる。さらに、上記本発明の光検出装置では、第１光検出部及び第２光検出部はそれぞれレイリー散乱を検出している。このため、上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置のように漏れ光を検出する場合に比べて、光ファイバを伝搬する光の強度が強い場合であっても検出結果と当該検出結果から推定される光ファイバを伝搬する光の強度との関係の線形性が保たれ得る。したがって、上記本発明の光検出装置は、光ファイバの双方向に伝搬するそれぞれの光の強度の検出精度を向上し得る。

また、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバはそれぞれシングルモードファイバであることが好ましい。

本発明の光検出装置では、第１光ファイバ及び第２光ファイバがそれぞれシングルモードファイバである場合でも、上記のように第１光検出部での検出結果と第２光検出部での検出結果との差を生じさせることができる。そのため、光ファイバの双方向に伝搬するそれぞれの光の強度を検出し得る。また、第１光ファイバ及び第２光ファイバが互いにシングルモードファイバとされることによって、レーザ装置は高輝度な光を出射し得る。

また、前記外側クラッドの外側に第２クラッドモードストリッパが設けられることが好ましい。

第２光ファイバの外側クラッドを逆方向に伝搬するクラッドモード光が除去されない場合、当該クラッドモード光の少なくとも一部は第１クラッドを伝搬し得る。よって、上記のように第２光ファイバに第２クラッドモードストリッパが設けられることによって、第２光ファイバの外側クラッドを逆方向に伝搬するクラッドモード光が低減されると共に、上記のように第２光ファイバの外側クラッドから入射して第１クラッドを逆方向に伝搬するクラッドモード光も低減され得る。このように第１クラッドを逆方向に伝搬するクラッドモード光が低減されることによって、当該クラッドモード光が第１光検出部に与える影響が抑制され、第１光検出部によって第１光ファイバを伝搬する光の強度がより正確に検出され得る。また、クラッドモード光が第１クラッドを順方向に伝搬する場合、当該クラッドモード光の少なくとも一部は第２光ファイバの外側クラッドを順方向に伝搬し得る。上記のように第２クラッドモードストリッパが設けられることによって、第２光ファイバの外側クラッドを順方向に伝搬するクラッドモード光も低減され得る。

また、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとの接続部から前記第１クラッドモードストリッパまでは、前記第１クラッドより屈折率が低い低屈折率樹脂で前記第１クラッドが被覆されることが好ましい。

このように第１クラッドが低屈折率樹脂で被覆されることによって、第１光ファイバと第２光ファイバとの接続部で生じるクラッドモード光は、当該接続部近傍で漏れることが抑制され、第１クラッドモードストリッパまで伝搬し得る。このように接続部近傍で光が漏れることが抑制されることによって、接続部近傍での発熱が抑制され、接続部での光の損失量の変化が抑制され得る。よって、第１光検出部及び第２光検出部においてより正確に光の強度が検出され得る。

また、前記第１クラッドの外径と前記外側クラッドの外径とが互いに等しいことが好ましい。

第１光ファイバの第１クラッドの外径と第２光ファイバの外側クラッドの外径とが互いに等しいことによって、第１光ファイバと第２光ファイバとを融着接続させる際に、接続部において不均一な段差が形成されることが抑制され、接続部において曲げが生じることが抑制され得る。よって、第１光ファイバと第２光ファイバとの接続部における光の損失が抑制され得る。

また、上記課題を解決するため、本発明のレーザ装置は、上記光検出装置と、少なくとも一つの前記光源と、を備えることを特徴とする。

上記のように、上記本発明の光検出装置によれば、光ファイバの双方向に伝搬するそれぞれの光の強度の検出精度を向上し得る。よって、当該光検出装置を備えるレーザ装置によれば、光ファイバを伝搬する光の強度に基づく制御の正確性を向上し得る。

以上のように、本発明によれば、光ファイバの双方向に伝搬するそれぞれの光の強度の検出精度を向上し得る光検出装置、及び当該光検出装置を備えるレーザ装置が提供される。

本発明の実施形態に係るレーザ装置の構成を概略的に示す図である。図１に示す光検出装置の一部を概略的に示す断面図である。本発明の変形例に係る光検出装置の一部を概略的に示す断面図である。本発明の他の変形例に係る光検出装置の一部を概略的に示す断面図である。

以下、本発明に係る光検出装置及びレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ装置の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、本実施形態のレーザ装置１は、光検出装置２、光源５、及び制御部ＣＰを主な構成として備える。

光源５は、励起光源５０、光コンバイナ５３、増幅用光ファイバ５５、増幅用光ファイバ５５の一方側に接続される光ファイバ５４、光ファイバ５４に設けられる第１ＦＢＧ５７、増幅用光ファイバ５５の他方側に接続される光ファイバ５６、及び光ファイバ５６に設けられる第２ＦＢＧ５８を主な構成として備える。また、増幅用光ファイバ５５と第１ＦＢＧ５７と第２ＦＢＧ５８とで共振器を構成している。

励起光源５０は、複数のレーザダイオード５１から構成され、レーザダイオード５１は、本実施形態においては、例えば、ＧａＡｓ系半導体を材料としたファブリペロー型半導体レーザであり中心波長が９１５ｎｍの励起光を出射する。また、励起光源５０のそれぞれのレーザダイオード５１は光ファイバ５２に接続されており、レーザダイオード５１から出射する励起光は光ファイバ５２を伝播する。

増幅用光ファイバ５５は、コアと、コアの外周面を隙間なく囲む内側クラッドと、内側クラッドの外周面を被覆する外側クラッドと、外側クラッドを被覆する被覆層とを主な構成として備え、いわゆるダブルクラッド構造とされている。内側クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低く、外側クラッドの屈折率は内側クラッドの屈折率よりも低くされている。増幅用光ファイバ５５のコアを構成する材料としては、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム（Ｇｅ）等の元素、及び、励起光源５０から出射される励起光により励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）等の活性元素が添加された石英が挙げられる。増幅用光ファイバ５５の内側クラッドを構成する材料としては、例えば、ドーパントが添加されていない純粋石英を挙げることができる。なお、内側クラッドの材料には、屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等の元素が添加されてもよい。外側クラッドは、樹脂または石英から成り、樹脂としては例えば紫外線硬化性樹脂が挙げられ、石英としては例えば内側クラッドよりもさらに屈折率が低くなるように屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等のドーパントが添加された石英が挙げられる。増幅用光ファイバ５５の被覆層を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化性樹脂が挙げられ、外側クラッドが樹脂の場合、外側クラッドを構成する樹脂とは異なる紫外線硬化性樹脂とされる。

増幅用光ファイバ５５の一方側に接続される光ファイバ５４は、活性元素が添加されていないコアと、このコアの外周面を隙間なく囲む内側クラッドと、この内側クラッドの外周面を被覆する外側クラッドと、外側クラッドを被覆する被覆層とを主な構成として備える。光ファイバ５４のコアは、活性元素が添加されていないことを除いて増幅用光ファイバ５５のコアと略同様の構成とされる。光ファイバ５４のコアは増幅用光ファイバ５５のコアと接続され、光ファイバ５４の内側クラッドは増幅用光ファイバ５５の内側クラッドと接続されている。また、光ファイバ５４のコアには、第１ミラーとしての第１ＦＢＧ５７が設けられている。こうして第１ＦＢＧ５７は、増幅用光ファイバ５５の一方側に設けられている。第１ＦＢＧ５７は、光ファイバ５４の長手方向に沿って周期的に屈折率が高くなる部分が繰り返されており、この周期が調整されることにより、励起状態とされた増幅用光ファイバ５５の活性元素が放出する光うち少なくとも一部の波長の光を反射するように構成されている。第１ＦＢＧ５７の反射率は、後述の第２ＦＢＧ５８の反射率よりも高く、活性元素が放出する光うち所望の波長の光を９０％以上で反射することが好ましく、９９％以上で反射することがより好ましい。また第１ＦＢＧ５７が反射する光の波長は、上述のように活性元素がイッテルビウムである場合、例えば１０９０ｎｍとされる。

増幅用光ファイバ５５の他方側に接続される光ファイバ５６は、活性元素が添加されていないコアと、このコアの外周面を隙間なく囲むクラッドと、このクラッドの外周面を被覆する被覆層とを主な構成として備える。光ファイバ５６のコアは増幅用光ファイバ５５のコアと接続され、光ファイバ５６のクラッドは増幅用光ファイバ５５の内側クラッドと接続されている。また、光ファイバ５６のコアには、第２ミラーとしての第２ＦＢＧ５８が設けられている。こうして第２ＦＢＧ５８は、増幅用光ファイバ５５の他方側に設けられている。第２ＦＢＧ５８は、光ファイバ５６の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、第１ＦＢＧ５７が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を第１ＦＢＧ５７よりも低い反射率で反射するように構成される。第２ＦＢＧ５８は、第１ＦＢＧ５７が反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を５％〜５０％の反射率で反射することが好ましく、５％〜１０％の反射率で反射することがより好ましい。

光コンバイナ５３では、それぞれの光ファイバ５２のコアと光ファイバ５４の内側クラッドとが接続されている。従って、それぞれのレーザダイオード５１から出射する励起光が伝播する光ファイバ５２と増幅用光ファイバ５５の内側クラッドとは、光ファイバ５４の内側クラッドを介して光学的に結合されている。

図２は、図１に示す光検出装置２の一部を概略的に示す断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の光検出装置２は、第１光ファイバ１０、第２光ファイバ２０、低屈折率樹脂層３１、第１クラッドモードストリッパ１６、第２クラッドモードストリッパ２６、第１光検出部１７、第２光検出部２７、第１ＡＤ変換部１８、第２ＡＤ変換部２８、及び計算部４０を主な構成として備える。

第１光ファイバ１０は、上記光ファイバ５６の一部であってもよく、光ファイバ５６に接続される他の光ファイバであってもよい。第１光ファイバ１０は、第１コア１１、第１コア１１の外周面を囲む第１クラッド１４、及び第１クラッド１４の外周面を囲む第１被覆層１５を有する。本実施形態の第１光ファイバ１０はシングルモードファイバであり、第１コア１１はシングルモードで光を伝搬する。第１コア１１を構成する材料としては、例えば屈折率を高くするゲルマニウム等のドーパントが添加された石英を挙げることができる。第１クラッド１４は第１コア１１より屈折率が低い材料からなる。第１クラッド１４を構成する材料としては、例えば純粋な石英が挙げられる。第１被覆層１５は第１クラッド１４より屈折率が低い材料からなる。第１被覆層１５を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化性樹脂が挙げられる。

第１クラッドモードストリッパ１６は、第１光ファイバ１０の第１クラッド１４の外側に設けられている。第１クラッドモードストリッパ１６は、第１クラッド１４を伝搬するクラッドモード光を第１光ファイバ１０の外側に放出できるように構成されるものであれば特に限定されない。本実施形態の第１クラッドモードストリッパ１６は、第１クラッド１４よりも屈折率が高い樹脂からなる高屈折率部１６ｈが第１光ファイバ１０の第１クラッド１４の外側に断続的に複数設けられることによって構成される。

第２光ファイバ２０は、第１光ファイバ１０よりも光源５からの光の伝搬方向の下流側に配置される。第２光ファイバ２０は、第２コア２１、第２コア２１の外周面を囲む内側クラッド２２、内側クラッド２２の外周面を囲む低屈折率層２３、低屈折率層２３の外周面を囲む外側クラッド２４、外側クラッド２４の外周面を囲む第２被覆層２５を有する。本実施形態の第２光ファイバ２０はシングルモードファイバであり、第２コア２１はシングルモードで光を伝搬する。第２コア２１を構成する材料としては、例えば屈折率を高くするゲルマニウム等のドーパントが添加された石英を挙げることができる。本実施形態の第２コア２１は、第１コア１１を構成する材料と同じ材料で構成される。内側クラッド２２は第２コア２１より屈折率が低い材料からなる。内側クラッド２２を構成する材料としては、例えば純粋な石英が挙げられる。本実施形態の内側クラッド２２は、第１クラッド１４を構成する材料と同じ材料で構成される。低屈折率層２３は内側クラッド２２より屈折率が低い材料からなる。低屈折率層２３を構成する材料としては、例えば屈折率を低くするフッ素等のドーパントが添加された石英を挙げることができる。外側クラッド２４は低屈折率層２３より屈折率が高い材料からなる。外側クラッド２４を構成する材料としては、例えば純粋な石英が挙げられる。本実施形態の外側クラッド２４は、第１クラッド１４を構成する材料と同じ材料で構成される。第２被覆層２５は外側クラッド２４より屈折率が低い材料からなる。第２被覆層２５を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化性樹脂が挙げられる。また、本実施形態の第２光ファイバ２０において、第２コア２１の直径と第１コアの直径とは互いに等しく、外側クラッド２４の外径と第１クラッド１４の外径とは互いに等しい。第１クラッド１４の外径と外側クラッド２４の外径とが等しいことによって、第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０とを融着接続させる際に、接続部３０において不均一な段差が形成されることが抑制され、接続部３０において曲げが生じることが抑制され得る。よって、第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０との接続部３０における光の損失が抑制され得る。

第２クラッドモードストリッパ２６は、第２光ファイバ２０の外側クラッド２４の外側に設けられている。第２クラッドモードストリッパ２６は、外側クラッド２４を伝搬するクラッドモード光を第２光ファイバ２０の外側に放出できるように構成されるものであれば特に限定されない。本実施形態の第２クラッドモードストリッパ２６は、外側クラッド２４よりも屈折率が高い樹脂からなる高屈折率部２６ｈが第２光ファイバ２０の外側クラッド２４の外側に断続的に複数設けられることによって構成される。

第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０とは互いに一方の端面が接続されている。第１コアと第２コアとは互いに接続され、第１クラッド１４は、内側クラッド２２、低屈折率層２３及び外側クラッド２４に接続されている。第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０との接続は、例えば互いの端面を酸水素バーナ等によって融着することによって行われる。また、第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０との接続部３０の近傍では、第１被覆層１５及び第２被覆層２５が剥がされている。第１被覆層１５及び第２被覆層２５が剥がされている部位は、第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０とが接続された状態で、低屈折率樹脂層３１により被覆される。低屈折率樹脂層３１は、第１クラッド１４の屈折率及び外側クラッド２４の屈折率よりも屈折率が低い低屈折率樹脂で構成される。本実施形態の低屈折率樹脂層３１は、第１クラッドモードストリッパ１６から第２クラッドモードストリッパ２６までの間に形成される。すなわち、接続部３０から第１クラッドモードストリッパ１６までの間及び接続部３０から第２クラッドモードストリッパ２６までの間では、第１クラッド１４及び外側クラッド２４が低屈折率樹脂層３１に被覆される。このような低屈折率樹脂層３１は、例えば、紫外線硬化性樹脂によって構成される。

第１光検出部１７は、第１光ファイバ１０の外側に配置され、第１光ファイバ１０を伝搬する光のレイリー散乱を検出する。また、本実施形態の第２光検出部２７は、第２光ファイバ２０の外側に配置され、第２光ファイバ２０を伝搬する光のレイリー散乱を検出する。なお、レイリー散乱は全方位に生じるため、ただ単にレイリー散乱を検出するだけでは、光ファイバのどちらの方向に伝搬する光のレイリー散乱であるかを判別することが難しい。例えば、金属加工等の高反射材加工にレーザ装置を用いる場合、光ファイバには、レーザの出力方向とは逆方向に伝搬する反射光も伝搬する場合がある。このような場合において、本実施形態の光検出装置２では、後に詳述するように、光ファイバの双方向に伝搬するそれぞれの光の強度の検出精度を向上し得る。また、第１光検出部１７は、第１クラッドモードストリッパ１６よりも第２光ファイバ２０側とは反対側に設けられ、第２光検出部２７は、第２クラッドモードストリッパ２６よりも第１光ファイバ１０側とは反対側に設けられる。すなわち、第１光検出部１７は、第１クラッドモードストリッパ１６よりも光源５からの光の伝搬方向の上流側に配置され、第２光検出部２７は、第２クラッドモードストリッパ２６よりも光源５からの光の伝搬方向の下流側に配置される。第１光検出部１７及び第２光検出部２７は、それぞれ第１クラッドモードストリッパ１６及び第２クラッドモードストリッパ２６から離して配置されることが好ましい。第１光検出部１７及び第２光検出部２７が第１クラッドモードストリッパ１６及び第２クラッドモードストリッパ２６から離して配置されることによって、第１光検出部１７及び第２光検出部２７が第１クラッドモードストリッパ１６及び第２クラッドモードストリッパ２６で生じる熱の影響を受けることが抑制され得る。このような第１光検出部１７及び第２光検出部２７、それぞれ例えばフォトダイオードからなる。

第１ＡＤ変換部１８は、第１光検出部１７からの信号をＡＤ変換して計算部４０へと送るブロックである。また、第２ＡＤ変換部２８は、第２光検出部２７からの信号をＡＤ変換して計算部４０へと送るブロックである。

計算部４０は、第１ＡＤ変換部１８を介して送られる第１光検出部１７での検出結果及び第２ＡＤ変換部２８を介して送られる第２光検出部２７での検出結果に基づく計算を行うブロックである。計算部４０は、後述するようにして第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０を双方向に伝搬するそれぞれの光の強度を推定する。

図１に示す制御部ＣＰは、計算部４０からの信号に基づいて、後述するように光源５を制御するブロックである。

次に、本実施形態のレーザ装置１及び光検出装置２の動作および作用について説明する。

まず、励起光源５０のそれぞれのレーザダイオード５１から励起光が出射されると、この励起光が光ファイバ５４の内側クラッドを介して、増幅用光ファイバ５５の内側クラッドに入射する。増幅用光ファイバ５５の内側クラッドに入射した励起光は主に増幅用光ファイバ５５の内側クラッドを伝播して、増幅用光ファイバ５５のコアを通過する際に当該コアに添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、特定の波長の自然放出光を放出する。このときの自然放出光は、例えば活性元素がイッテルビウムである場合、１０９０ｎｍの波長を含み一定の波長帯域を有する光である。この自然放出光は、増幅用光ファイバ５５のコアを伝播して、一部の波長の光が第１ＦＢＧ５７により反射され、反射された光のうち第２ＦＢＧ５８が反射する波長の光が第２ＦＢＧ５８で反射されて、共振器内を往復する。そして、第１ＦＢＧ５７及び第２ＦＢＧ５８で反射される光が増幅用光ファイバ５５のコアを伝播するときに、誘導放出が生じてこの光が増幅され、共振器内における利得と損失が等しくなったところでレーザ発振状態となる。そして、第１ＦＢＧ５７と第２ＦＢＧ５８との間を共振する光のうち一部の光が第２ＦＢＧ５８を透過し、第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０を介して出射する。第２光ファイバ２０から出射した光は加工対象物等に照射される。また、加工対象物等に照射される光の一部は加工対象物等の表面で反射され、さらにその反射光の一部は第２光ファイバ２０に戻ることがある。このようにして反射されて第２光ファイバ２０に戻る光は、第２光ファイバ２０を逆方向に伝搬する。

光源５から出射されて第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０を順方向に伝搬する光は、主に第１コア１１及び第２コア２１を伝搬する。このように順方向に伝搬する光は接続部３０での損失が抑制されて第１光ファイバ１０から第２光ファイバ２０へと入射する。よって、第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０を順方向に伝搬する光の接続部３０での損失を無視し、第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０を順方向で伝搬する光の強度をＰｆ、第２光ファイバ２０を逆方向で伝搬する光の強度をＰｒとすると、第２光検出部２７で検出されるレイリー散乱から求められる光の強度Ｍ２は下記式（１）で表すことができる。
Ｍ２＝Ｐｆ＋Ｐｒ・・・（１）

一方、第２光ファイバ２０に戻る反射光はある程度結像点がぼけることにより、第２コア２１だけでなく内側クラッド２２にも入射すること傾向にある。内側クラッド２２は低屈折率層２３に囲まれるため、内側クラッド２２の入射する反射光は主に低屈折率層２３より内側を第１光ファイバ１０側へ伝搬する。また、内側クラッド２２は第１クラッド１４に接続されるため、上記のように内側クラッド２２を伝搬する光の少なくとも一部は第１クラッド１４に入射する。さらに、このようにしてクラッドモード光となって第１クラッド１４を伝搬する光の少なくとも一部は、第１クラッドモードストリッパ１６において第１光ファイバ１０の外側に放出される。よって、第２光ファイバ２０を逆方向に伝搬する光のうち第１光検出部１７で検出される位置まで伝搬する光の割合をαとすると、第１光検出部１７で検出されるレイリー散乱から求められる光の強度Ｍ１は下記式（２）で表すことができる。すなわち、第１光検出部１７で検出される位置を逆方向に伝搬する光の強度をαＰｒとすることができる。
Ｍ１＝Ｐｆ＋αＰｒ・・・（２）

第１光検出部１７及び第２光検出部２７での検出結果は第１ＡＤ変換部１８及び第２ＡＤ変換部２８を介して計算部４０へと入力され、計算部４０において上記式（１）、（２）の計算が行われる。さらに、上記式（１）、（２）から、第１光ファイバ１０を順方向に伝搬する光の強度Ｐｆ及び第２光ファイバ２０を逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒが下記式（３）、（４）のように求められる。
Ｐｒ＝（Ｍ２−Ｍ１）／（１−α）・・・（３）
Ｐｆ＝（αＭ２−Ｍ１）／（α−１）・・・（４）

また、第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０との接続部３０における双方向に伝搬する光の接続損失を考慮する場合は、第１光検出部１７で検出されるレイリー散乱から求められる光の強度Ｍ１及び第２光検出部２７で検出されるレイリー散乱から求められる光の強度Ｍ２は、それぞれ下記式（５）、（６）で表すことができる。ここで、βは、第１光ファイバ１０を順方向に伝搬する光のうち第２光検出部２７で検出される位置まで達する光の割合であり、γは、第２光ファイバ２０を逆方向に伝搬する光のうち第１光検出部１７で検出される位置まで達する光の割合である。すなわち、第１光検出部１７で検出される位置を逆方向に伝搬する光の強度をγＰｒ、第２光検出部２７で検出される位置を順方向に伝搬する光の強度をβＰｆとすることができる。
Ｍ１＝Ｐｆ＋γＰｒ・・・（５）
Ｍ２＝βＰｆ＋Ｐｒ・・・（６）

そして、上記式（５）、（６）から、第１光ファイバ１０を順方向に伝搬する光の強度Ｐｆ及び第２光ファイバ２０を逆方向に伝搬する光の強度Ｐｒが下記式（７）、（８）のように求められる。
Ｐｒ＝（γＭ２−Ｍ１）／（γβ−１）・・・（７）
Ｐｆ＝（βＭ１−Ｍ２）／（γβ−１）・・・（８）

なお、上記β及びγは、事前に第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０に順方向及び逆方向に光を伝搬させる試験を行うことによって求めることができる。具体的には、まず、第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０とを接続し、第２光ファイバ２０の下流側の端面から出射する光のエネルギーを測定するカロリーメータを配置する。そして、第１光ファイバ１０の上流側から順方向に光を伝搬させると、カロリーメータ、第１光検出部１７及び第２光検出部２７によって上記式（８）のＰｆ、Ｍ１、Ｍ２が求められる。また、第１光ファイバ１０の上流側の端面から出射する光のエネルギーを測定するカロリーメータを配置し、第２光ファイバ２０の下流側から逆方向に光を伝搬させると、カロリーメータ、第１光検出部１７及び第２光検出部２７によって上記式（７）のＰｒ、Ｍ１、Ｍ２が求められる。これらの結果から、βとγが求められる。

上記のようにして計算部４０で順方向の光の強度Ｐｆ及び逆方向の光の強度Ｐｒを求めた後、この計算結果に基づいて制御部ＣＰによってレーザ装置１に対して所定の制御を行うことができる。例えば、順方向の光の強度Ｐｆに応じて光源５からの出力を調整する制御を行ったり、逆方向の光の強度Ｐｒが許容値を超える場合にレーザ装置１から出射されるレーザ光を止める制御を行ったりすることができる。光源５からの出力を調整する制御する方法としては、例えば、光源５に備えられる励起光源５０から出射される光の強度を制御する方法が考えられる。なお、第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０の双方向に伝搬する光の強度を推定せずに、第１光検出部１７での検出結果と第２光検出部２７での検出結果との差に基づいてレーザ装置１の制御が行われてもよい。上記のように、第１光検出部１７での検出結果と第２光検出部２７での検出結果との差は、第２光ファイバ２０に入射する反射光の強度に依存し得る。当該差が大きい場合は反射光の強度が強いことが想定される。よって、当該差が所定値以上となる場合は、レーザ装置１からのレーザ光の出射を停止して光源５の損傷を抑制したり、レーザ装置１から出射されるレーザ光の出射方向を変えて反射光が第２光ファイバに入射することを抑制したりすることができる。

以上のように、本実施形態の光検出装置２では、順方向に伝搬する光は主に第１コア１１から第２コア２１へと概ね一定の強度で伝搬し得る。一方、第２光ファイバ２０から出射された光の一部が反射光となって第２光ファイバ２０に戻ってくる場合、当該反射光はある程度結像点がぼけることにより、第２コア２１だけでなく第２コア２１の周囲の内側クラッド２２にも入射する傾向にある。内側クラッド２２は低屈折率層２３に囲まれるため、内側クラッド２２に入射する反射光は主に低屈折率層２３より内側、すなわち主に第２コア２１と内側クラッド２２とを第１光ファイバ１０側へ伝搬する。また、内側クラッド２２は第１クラッド１４に接続されるため、上記のように内側クラッド２２を伝搬する光の少なくとも一部は第１クラッド１４に入射する。さらに、このようにしてクラッドモード光となって第１クラッド１４を伝搬する光の少なくとも一部は、第１クラッドモードストリッパ１６において第１光ファイバ１０の外側に放出される。以上のように、第２光ファイバ２０を逆方向に伝搬する光の少なくとも一部は第１クラッドモードストリッパ１６において第１光ファイバ１０の外側に放出される。ところで、第１光検出部１７は第１クラッドモードストリッパ１６の上流側において、第２光検出部２７は第１クラッドモードストリッパ１６の下流側において、光ファイバの双方向に伝搬する光のレイリー散乱を検出する。よって、第１光検出部１７の検出結果と第２光検出部２７の検出結果とでは、少なくとも第１クラッドモードストリッパ１６で放出された光の分の差が生じる。この差の大きさは、少なくとも第２光ファイバ２０を逆方向に伝搬する光の強度に依存する。このため、第１光検出部１７での検出結果と第２光検出部２７での検出結果との差を用いて、第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０を逆方向に伝搬する光の強度を推定することができる。また、順方向に伝搬する光は、第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０とで概ね同じ強さで伝搬し得る。よって、上記のように第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０を逆方向に伝搬する光の強度を推定することによって、第１光検出部１７または第２光検出部２７での検出結果から、第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０を順方向に伝搬する光の強度も推定することもできる。さらに、本実施形態の光検出装置２では、第１光検出部１７及び第２光検出部２７はそれぞれレイリー散乱を検出している。このため、上記特許文献１に記載のファイバレーザ装置のように漏れ光を検出する場合に比べて、光ファイバを伝搬する光の強度が強い場合であっても検出結果と当該検出結果から推定される光ファイバを伝搬する光の強度との関係の線形性が保たれ得る。したがって、本実施形態の光検出装置２は、光ファイバの双方向に伝搬するそれぞれの光の強度の検出精度を向上し得る。

また、本実施形態の光検出装置２では、第２光検出部２７は、第２クラッドモードストリッパ２６よりも光源５からの光の伝搬方向の下流側に配置される。このように第２光検出部２７及び第２クラッドモードストリッパ２６が配置されることによって、外側クラッド２４を順方向に伝搬するクラッドモード光の少なくとも一部は第２光検出部２７の手前で第２クラッドモードストリッパ２６において第２光ファイバ２０の外側に放出される。よって、第２光検出部２７は第２コア２１を順方向に伝搬する光の強度をより正確に検出し得る。

また、本実施形態の光検出装置２では、第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０との接続部３０から第１クラッドモードストリッパ１６まで、第１クラッド１４は低屈折率樹脂層３１により被覆されている。このように第１クラッド１４が低屈折率樹脂層３１に被覆されることによって、接続部３０で生じる逆方向に伝搬するクラッドモード光は、接続部３０近傍で漏れることが抑制され、第１クラッドモードストリッパ１６まで伝搬し得る。また、本実施形態の光検出装置２では、接続部３０から第２クラッドモードストリッパ２６までも、外側クラッド２４が低屈折率樹脂層３１により被覆されている。このように外側クラッド２４が低屈折率樹脂層３１に被覆されることによって、接続部３０で生じる順方向に伝搬するクラッドモード光は、接続部３０近傍で漏れることが抑制され、第２クラッドモードストリッパ２６まで伝搬し得る。このように接続部３０近傍で光が漏れることが抑制されることによって、接続部３０近傍での発熱が抑制され、接続部３０での光の損失量の変化が抑制され得る。よって、第１光検出部１７及び第２光検出部２７においてより正確に光の強度が検出され得る。

また、本実施形態のレーザ装置１では、第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０がそれぞれシングルモードファイバである。第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０が互いにシングルモードファイバとされることによって、レーザ装置１は高輝度な光を出射し得る。

また、本実施形態のレーザ装置１は、光検出装置２と、第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０を伝搬する光を出射する光源５と、を備える。上記のように、光検出装置２によれば、光ファイバの双方向に伝搬するそれぞれの光の強度の検出精度を向上し得る。よって、光検出装置２を備えるレーザ装置１によれば、光ファイバを伝搬する光の強度に基づく制御の正確性を向上し得る。

以上、本発明について、実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、第２光ファイバ２０に第２クラッドモードストリッパ２６が設けられる例を挙げて説明したが、第２クラッドモードストリッパ２６は必須の構成ではない。ただし、第２光ファイバ２０に第２クラッドモードストリッパ２６が設けられることによって、以下に説明するように光ファイバを伝搬する光の強度をより正確に検出し得る。外側クラッド２４を逆方向に伝搬するクラッドモード光が除去されない場合、外側クラッド２４から第１クラッド１４側に伝搬するクラッドモード光の少なくとも一部は第１クラッド１４を伝搬し得る。よって、上記のように第２光ファイバ２０に第２クラッドモードストリッパ２６が設けられることによって、外側クラッド２４を逆方向に伝搬するクラッドモード光が低減されると共に、第１クラッド１４を逆方向に伝搬するクラッドモード光も低減され得る。このように第１クラッド１４を逆方向に伝搬するクラッドモード光が低減されることによって、当該クラッドモード光が第１光検出部１７に与える影響が抑制され、第１光検出部１７によって第１光ファイバ１０を伝搬する光の強度がより正確に検出され得る。また、クラッドモード光が第１クラッド１４を順方向に伝搬する場合、当該クラッドモード光の少なくとも一部は外側クラッド２４を順方向に伝搬し得る。第２クラッドモードストリッパ２６が設けられることによって、このように外側クラッド２４を順方向に伝搬するクラッドモード光も低減され得る。

また、図３に示すように、第２光検出部２７の下流側に更に他のクラッドモードストリッパ２６ａが設けられてもよい。図３は、本発明の変形例に係る光検出装置２ａの一部を概略的に示す断面図である。本変形例において、上記実施形態と同様の構成には同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。第２光ファイバ２０から出射されて第２光ファイバ２０に戻ってくる反射光の一部は外側クラッド２４を伝搬するクラッドモード光となる場合がある。

また、上記実施形態では第１光検出部１７が第１光ファイバ１０の外側に設けられ、第２光検出部２７が第２光ファイバ２０の外側に設けられる例を挙げて説明したが、本発明は当該形態に限定されない。図４は、本発明の他の変形例に係る光検出装置２ｂの一部を概略的に示す断面図である。本変形例において、上記実施形態と同様の構成には同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。第１光検出部１７及び第２光検出部２７は第１クラッドモードストリッパ１６を挟むように配置されていればよく、図４に示すように第１光検出部１７及び第２光検出部２７がともに第１光ファイバ１０の外側に設けられもよい。
ただし、上記実施形態にように第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０との接続部３０を挟んで第１光検出部１７及び第２光検出部２７が配置されることが好ましい。

また、上記実施形態では、第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０がそれぞれシングルモードファイバである例を挙げて説明したが、第１光ファイバ１０及び第２光ファイバ２０は、それぞれマルチモードファイバであってもよい。

また、上記実施形態では、第１クラッド１４の外径と外側クラッド２４の外径とが互いに等しい例を挙げて説明したが、第１クラッド１４の外径と外側クラッド２４の外径とは互いに異なっていてもよい。ただし、第１クラッド１４の外径と外側クラッド２４の外径とが互いに等しいことによって、第１光ファイバ１０と第２光ファイバ２０との接続部３０における光の損失が抑制され得る。

また、上記実施形態では光源５が共振器型のファイバレーザ装置である例を挙げて説明したが、光源５は、他のファイバレーザ装置や固体レーザ装置であってもよい。光源５がファイバレーザ装置とされる場合、ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型のファイバレーザ装置であってもよい。また、光源５の数は特に限定されず、少なくとも１つ備えられていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、光ファイバの双方向に伝搬する光の検出精度を向上し得る光検出装置及びレーザ装置が提供され、ファイバレーザ装置や光ファイバ通信等の分野で利用することが期待される。

１・・・レーザ装置
２，２ａ，２ｂ・・・光検出装置
５・・・光源
１０・・・第１光ファイバ
１１・・・第１コア
１４・・・第１クラッド
１６・・・第１クラッドモードストリッパ
１７・・・第１光検出部
１８・・・第１ＡＤ変換部
２０・・・第２光ファイバ
２１・・・第２コア
２２・・・内側クラッド
２３・・・低屈折率層
２４・・・外側クラッド
２６・・・第２クラッドモードストリッパ
２７・・・第２光検出部
２８・・・第２ＡＤ変換部
３０・・・接続部
３１・・・低屈折率樹脂層
４０・・・計算部
ＣＰ・・・制御部

Claims

第１コア及び前記第１コアの外周面を囲む第１クラッドを有する第１光ファイバと、
前記第１コアに接続される第２コア、前記第２コアの外周面を囲むと共に前記第１クラッドに接続され前記第２コアより屈折率が低い内側クラッド、前記内側クラッドの外周面を囲む前記内側クラッドより屈折率が低い低屈折率層、及び、前記低屈折率層の外周面を囲む前記低屈折率層より屈折率が高い外側クラッドを有し、前記第１光ファイバを伝搬する光を出射する光源からの光の伝搬方向において前記第１光ファイバよりも下流側に配置される第２光ファイバと、
前記第１クラッドの外側に設けられる第１クラッドモードストリッパと、
前記第１クラッドモードストリッパよりも前記光源からの光の伝搬方向の上流側に配置されて前記第１光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱を検出する第１光検出部と、
前記第１クラッドモードストリッパよりも前記光源からの光の伝搬方向の下流側に配置されて前記第１光ファイバまたは前記第２光ファイバを伝搬する光のレイリー散乱を検出する第２光検出部と、
を備える
ことを特徴とする光検出装置。
前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバはそれぞれシングルモードファイバである
ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
前記外側クラッドの外側に第２クラッドモードストリッパが設けられ、
前記第２光検出部は、前記第２クラッドモードストリッパよりも前記光源からの光の伝搬方向の下流側に配置される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとの接続部から前記第１クラッドモードストリッパまでは、前記第１クラッドより屈折率が低い低屈折率樹脂で前記第１クラッドが被覆される
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光検出装置。
前記第１クラッドの外径と前記外側クラッドの外径とが互いに等しい
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光検出装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の光検出装置と、
少なくとも一つの前記光源と、
を備える
ことを特徴とするレーザ装置。