光功率监测装置以及光功率监测方法与流程

本发明涉及光功率监测装置以及光功率监测方法。

本申请基于2014年10月6日在日本申请的特愿2014－205603号主张优先权，并在此引用其全部内容。

背景技术：

近年来，光纤维激光器通过激发用半导体激光的高亮度化或放大用双包层光纤的商用化，实现超过1kW的输出光功率成为可能。能够将这样的高输出光纤维激光器应用于以往主要使用二氧化碳气体激光器的材料加工领域。光纤维激光器相比二氧化碳气体激光器光束品质以及聚光性优异。因此，高输出光纤维激光器具有优异的效果。例如能够缩短加工时间，提高生产率。另外，即使是低功率也能够实现与高功率同等的加工特性，能够实现节能化。并且因为不需要空间光学部件，所以没有耐久性、光学部件的对准等问题，也有不需要维护等优点。

另一方面，在使用了光纤维激光器的材料加工中也有下述课题。

例如，若材料加工中来自加工面的反射光返回光纤维激光器，则振荡状态变得不稳定。其结果，输出光功率变动，加工特性降低。最差的情况下，不稳定的振荡成为随机脉冲振荡，引起激发光源的故障、光纤的断裂等，光纤维激光器故障。对于处理这种问题需要监测反射光功率以及输出光功率，事先防止振荡状态变得不稳定。

作为监测反射光功率以及输出光功率的一个方法，有将低分支比的光纤耦合器与输出光纤连接，并用光电二极管等接受分支的输出光和反射光从而监测输出光功率和反射光功率的方法。作为其他方法，在下述的专利文献1，公开有用配置于熔接点附近的光电二极管等接受从光纤的熔接点泄漏的光，并基于泄漏光的功率监测输出光功率和反射光功率的方法。

专利文献1：日本国特开2013－174583号公报

在使用了低分支比的光纤耦合器的情况下，有光纤耦合器相对于高输出光的耐久性低这一问题。另外，有成本由于追加光纤耦合器而增加，或者效率由于部件彼此的连接点增加等问题点。另外，在使用来自熔接点的泄漏光进行监测的情况下，从熔接点泄漏的输出光被输出光监测用光电二极管和反射光监测用光电二极管双方接受。同样，从熔接点泄漏的反射光被输出光监测用光电二极管和反射光监测用光电二极管双方接受。

因此，例如即使在不存在反射光的情况下，也有检测反射光是否存在的问题。另外，在存在有反射光的情况下有检测到输出光功率大这一问题。作为这些问题的对策，例如考虑使光电二极管远离熔接点。然而，即使使光电二极管远离熔接点，也有散射光被光电二极管接受的问题，由于作为监测对象的光的功率本身减少而容易受到杂波带来的影响的问题等。

技术实现要素：

本发明的一个方式是为了解决上述课题而产生的，目的之一在于提供能够高精度地监测输出光或反射光的功率的光功率监测装置以及光功率监测方法。

为了实现上述的目的，本发明的第一方式的光功率监测装置具备：第一光纤，其为在连接点处相互连接的入射侧光纤以及射出侧光纤这两者中的至少一方的光纤，具有纤芯和包围上述纤芯取的包层，由曲线部和从上述曲线部到上述连接点之间的直线部构成；低折射率层，其设置在上述直线部中的上述包层的外侧的至少一部分，具有比上述包层的折射率低的折射率；以及第一光检测器，其设置在靠近上述曲线部的位置。

在上述方式的光功率监测装置中，在第一光纤的直线部的包层外侧的至少一部分设置有具有比包层的折射率低的折射率的低折射率层。由此，在连接点泄漏的光被关在低折射率层的内侧，即第一光纤的包层以及纤芯。被关在低折射率层的内侧的光从连接点侧在直线部的内部行进之后，到达曲线部，光的一部分在曲线部漏出。该泄漏光被设置在曲线部附近的第一光检测器检测。

例如，若第一光纤是入射侧光纤，则在连接点泄漏的反射光被关在低折射率层的内侧并导光之后，在曲线部泄漏，被第一光检测器检测到。另一方面，在连接点泄漏的输出光向与第一光纤相反的一侧行进，所以在曲线部几乎不存在。因此，第一光检测器在远离连接点的位置，能够与输出光分离地检测反射光。这样，根据上述方式，能够实现能够高精度地监测输出光或反射光的功率的光功率监测装置。

也可以是上述入射侧光纤以及上述射出侧光纤这两者中的一方的光纤是上述第一光纤，另一方的光纤是构成直线部的第二光纤，在俯视时与上述第二光纤重叠的位置设置有第二光检测器。

在上述方式中，在连接点泄漏的反射光在曲线部被第一光检测器检测到，在俯视时第二光检测器设置于与第二光纤重叠的位置，在连接点泄漏的输出光被第二光检测器检测。因此，能够实现能够高精度地监测输出光的功率、反射光的功率双方的光功率监测装置。

上述方式的光功率监测装置也可以还具备：支承部件，其具有将上述第一光纤收容于内部的槽；以及填充材料，其填充于上述第一光纤的周围，具有与上述包层的折射率相等的折射率或比上述包层的折射率高的折射率。

在上述方式中，第一光纤以第一光纤的周围被具有与包层的折射率相等的折射率或比包层的折射率高的折射率的填充材料围起的状态被支承部件支承。由此，能够使被关在包层的内部的光在曲线部漏出，并能够经由填充材料高效地入射到第一光检测器。

上述槽的内表面中的与上述曲线部的位置对应的内表面也可以具有光散射性。

在上述方式中，从曲线部漏出的光被具有光散射性的槽的内表面散射反射，朝向所有方向行进。由此，提高第一光检测器的配置的自由度。

上述槽的内表面中的与上述连接点的位置对应的内表面也可以具有光吸收性。

在上述方式中，从连接部漏出的光被具有光吸收性的槽的内表面吸收而衰减。由此，能够抑制无意图的泄漏光被第一光检测器检测。

上述第一光检测器也可以设置于俯视时与上述第一光纤的上述曲线部重叠的位置。

在上述方式中，能够使在曲线部漏出的光高效地入射到第一光检测器。

本发明的第二方式的光功率监测方法，准备第一光纤，该第一光纤为在连接点处相互连接的入射侧光纤以及射出侧光纤这两者中的至少一方的光纤，具有纤芯和包围上述纤芯的包层，在上述包层的外侧的至少一部分设置具有比上述包层的折射率低的折射率的低折射率层，使上述第一光纤的一部分弯曲而作为曲线部，检测从上述连接点朝向上述曲线部导光的输出光或反射光在上述曲线部的泄漏光。

在上述方式的光功率监测方法中，在第一光纤的包层的外侧的至少一部分设置有具有比包层的折射率低的折射率的低折射率层。由此，在连接点泄漏的光被关在低折射率层的内侧，即第一光纤的包层以及纤芯。被关在低折射率层的内侧的光到达曲线部，并且光的一部分在曲线部漏出。对该泄漏光进行检测。例如，若第一光纤是入射侧光纤，则在连接点泄漏的反射光在曲线部泄漏，被检测。另一方面，在连接点泄漏的输出光向与第一光纤相反的一侧行进，在曲线部几乎不存在。这样，根据上述方式，能够实现高精度地监测输出光或反射光的功率的光功率监测方法。

根据本发明的上述方式，能够实现能够高精度地监测输出光或反射光的功率的光功率监测装置以及光功率监测方法。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的光功率监测装置的剖视图。

图2是光功率监测装置的侧视图。

图3是用于对光功率监测装置的作用进行说明的图。

图4是第二实施方式的光功率监测装置的侧视图。

图5是第三实施方式的光功率监测装置的剖视图。

图6是第四实施方式的光功率监测装置的剖视图。

图7是第五实施方式的光功率监测装置的剖视图。

具体实施方式

[第一实施方式]

以下，使用图1～图3对本发明的第一实施方式进行说明。

在本实施方式中，表示能够监测输出光的功率和反射光的功率双方的光功率监测装置的一个例子。

图1是第一实施方式的光功率监测装置的剖视图。图2是光功率监测装置的侧视图。图3是用于对光功率监测装置的作用进行说明的图。

在以下的各附图中为了使各构成要素容易观察，有根据构成要素使尺寸的比例尺不同地表示的情况。

如图1以及图2所示，第一实施方式的光功率监测装置1具备：入射侧光纤2(第一光纤)；射出侧光纤3(第二光纤)；支承部件4；填充材料5；反射光监测用光检测器6(第一光检测器)；以及输出光监测用光检测器7(第二光检测器)。入射侧光纤2与射出侧光纤3相互熔融连接。如箭头L所示那样，光从入射侧光纤2朝向射出侧光纤3行进。以下，将相互熔融连接而成为一体的入射侧光纤2以及射出侧光纤3称为光纤8。另外，将入射侧光纤2的端面与射出侧光纤3的端面相互接触并熔融连接的面称作连接点J。

对于入射侧光纤2而言，若从连接点J侧观察光入射侧，则从连接点J呈直线状地延伸规定的距离F1，从离连接点J规定的距离F1的位置呈圆弧状地弯曲。即，入射侧光纤2具有从连接点J到入射侧光纤2开始弯曲的位置之间的直线部2A、和入射侧光纤2弯曲的曲线部2B。

以下，将从连接点J侧观察入射侧光纤2开始弯曲的位置称作弯曲开始点S。即，弯曲开始点S是曲线部2B的端部，是直线部2A与曲线部2B的边界。

另一方面，射出侧光纤3不具有曲线部，而是呈直线状延伸。即，射出侧光纤3具有直线部3A。作为具体例，例如入射侧光纤2的直线部2A的长度F1为35mm，曲线部2B的曲率半径R为30mm。

光纤8具有纤芯10、和包围纤芯10的包层11的双层构造。包层11的外侧被包覆12覆盖。纤芯10、包层11以及包覆12的构成材料是一般光纤所使用材料。包覆12由具有比包层11的折射率高的折射率的材料构成。在离连接点J规定距离的范围内，包覆12被剥离，包层11漏出。作为具体例子，例如纤芯10的直径是8μm，包层11的直径是125μm，纤芯10的NA是0.06。

在入射侧光纤2的包层11的外侧设置有具有比包层11的折射率低的折射率的低折射率层13。低折射率层13的厚度例如是3μm左右。作为低折射率层13的材料，例如能够使用添加了氟、硼等掺杂剂的玻璃等。在图1中，低折射率层13设置于入射侧光纤2的包层11的所有表面，但至少设置于连接点J与弯曲开始点S之间的直线部2A就可以。另外，低折射率层13并非一定要设置于整个直线部2A，也可以设置于直线部2A的一部分。低折射率层13设置于直线部2A的一部分的情况下，设置有低折射率层13的位置没有特别限定。但是，为了能够更可靠地将来自连接点J的泄漏光关在里面，优选低折射率层13设置于直线部2A的靠近连接点J侧的一部分。

支承部件4支承光纤8，特别作为对连接点J附近的强度进行加强的加强部件起作用。附图中的支承部件4作为长方体状的部件被表示，但支承部件4的形状并不限定于长方体。在支承部件4的上表面设置有能够将光纤8收容于内部的大小的槽4M。光纤8以被收容于槽4M内部的状态被固定于支承部件4。支承部件4例如由被实施黑色阳极氧化处理的铝构成。在本实施方式中，槽4M的形状与光纤8的形状相对应地具有直线部和曲线部。槽4M的宽度例如是1mm。但是，槽4M的形状以及宽度没有特别限定。

填充材料5以填埋光纤8周围的方式填充于槽4M的内部。因为光纤8中连接点J附近部分的包覆12被剥离，所以连接点J附近部分的填充材料5在射出侧光纤3中与包层11直接接触，在入射侧光纤2中与低折射率层13直接接触。填充材料5由具有与包层11的折射率相等的折射率、或比包层11的折射率高的折射率的材料构成。

填充材料5例如可以使用树脂材料，也可以使用玻璃。在填充材料5使用了树脂材料的情况下，能够用使树脂材料流入槽之后使其固化的方法形成填充材料5。在该情况下，能够得到能够将填充材料5没有缝隙地埋入槽4M这一优点。

如图2所示，在槽4M的内壁面设置有微小的凹凸。由此，槽4M的内壁面被赋予光散射性。但是，也可以不对槽4M的整个内壁面赋予光散射性，对槽4M的内壁面中的至少与入射侧光纤2的曲线部2B对置的部分赋予光散射性就可以。或者是作为对槽4M的内壁面赋予光散射性的手段，例如也可以将具有光散射性的其他部件所谓的散射体插入槽4M的内部也可以。作为这种部件，例如能够使用由具有光散射性的结晶化玻璃构成的散射体。另一方面，槽4M的内壁面中的连接点J附近的内壁面具有光吸收性也可以。

如图2所示，反射光监测用光检测器6设置于光纤8的上方，即与支承部件4的设置有槽4M的面对置设置。如图1所示，从与支承部件4的设置有槽4M的面垂直的方向观察，反射光监测用光检测器6设置于与入射侧光纤2的曲线部2B重叠的位置。反射光监测用光检测器6例如设置于离弯曲开始点S的距离T1成为10mm的曲线部2B的上方。

如图2所示，输出光监测用光检测器7与反射光监测用光检测器6相同地，设置于光纤8的上方，即与支承部件4的设置有槽4M的面对置地设置。俯视时，具体而言从与支承部件4的设置有槽4M的面垂直的方向观察时，输出光监测用光检测器7设置于与射出侧光纤3重叠的位置。如图1所示，输出光监测用光检测器7例如设置于离连接点J的距离T2成为10mm的射出侧光纤3的上方。作为反射光监测用光检测器6以及输出光监测用光检测器7，例如能够使用红外用光电二极管，也可以使用其他光检测器。

如上述那样，将光纤维激光器使用在例如激光加工的情况下，若在材料的加工中来自加工面的反射光返回光纤维激光器，则有输出光功率变动，加工特性变差的情况。因此，用于监测反射光功率以及输出光功率的光功率监测装置成为必要。但是在以往的光功率监测装置中，因为在光纤的连接点附近将输出光监测用和反射光监测用两个光检测器相互靠近地配置。因此，从连接点泄漏的输出光与反射光分别入射到双方的光检测器，结果有检测精度降低这一问题。

与此相对地，在本实施方式的光功率监测装置1中，在入射侧光纤2的包层11的外侧设置有具有比包层11的折射率低的折射率的低折射率层13。因此如图3所示，在没有低折射率层13的情况下从连接点J向外部漏出的反射光Lr被低折射率层13关在包层11的内部，朝向曲线部2B行进。这样，通过将反射光Lr关在入射侧光纤2的包层11的内部，能够大幅减少从连接点J向外部漏出而被输出光监测用光检测器7检测的反射光Lr。其结果，能够提高输出光监测用光检测器7对输出光功率的检测精度。为了进一步减少成为杂波(noise)的反射光，特别优选连接点J附近的槽4M的内壁面具有光吸收性以使从连接点J稍微漏出的反射光Lr不散射。

在入射侧光纤2的内部行进的反射光Lr在直线部2A行进时，向低折射率层13与包层11的界面的入射角θ0被保持的状态，反复进行界面的全反射。但是，若反射光Lr入射到曲线部2B，则由于低折射率层13与包层11的界面弯曲，而向界面的反射光Lr的入射角θ1、θ2相比直线部2A中的入射角θ0变小。由此，入射角θ1、θ2比临界角小的反射光Lr在曲线部2B向低折射率层13之外漏出。向低折射率层13之外漏出的反射光Lr，如图2所示，透过包覆12以及填充材料5被槽4M的内壁面散射，并入射到反射光监测用光检测器6。这样，反射光功率被反射光监测用光检测器6测定。另外，反射光监测用光检测器6配置于俯视下与曲线部2B重叠的位置，位于离连接点J远的位置。

因此，能够大幅减少从连接点J漏出并入射到反射光监测用光检测器6的输出光。其结果，能够提高反射光监测用光检测器6对反射光功率的检测精度。

如以上说明的那样，根据本实施方式的光功率监测装置1，能够以使输出光以及反射光的泄漏光分离的状态检测。由此，能够实现能够高精度地监测输出光功率、反射光功率的光功率监测装置。

在使用光纤维激光器过程中监测光功率的结果，例如在反射光功率超过允许值的情况下，光纤维激光器的控制部可以进行降低供给至泵浦激光(Pumping laser)的驱动电流等控制。此时，控制部也可以进行APC控制。至于怎样利用通过光功率监测装置得到的监测结果，在本发明中不特别限定。

[第二实施方式]

以下，使用图4对本发明的第二实施方式进行说明。

第二实施方式的光功率监测装置的基本结构与第一实施方式相同，反射光监测用光检测器的位置与第一实施方式不同。

图4是第二实施方式的光功率监测装置的侧视图。

在图4中，对于与第一实施方式使用的附图共用的构成要素赋予相同的附图标记，并省略其说明。

在第一实施方式中，支承部件的槽的内壁面被赋予光散射性。相对于此，如图4所示，在本实施方式的光功率监测装置21中，支承部件22的槽22M的内壁面未被赋予光散射性。换句话说，在槽22M的内部不存在散射体，槽22M的内壁面是平滑的面。并且，支承部件22由玻璃、透明树脂等具有透光性的材料构成。反射光监测用光检测器6配置于与支承部件22的侧面对置，并且与曲线部2B的外侧对应的位置。其他结构与第一实施方式相同。

如第一实施方式的图3所示那样，从曲线部2B漏出的反射光Lr基本在包含入射侧光纤2的直线部2A和曲线部2B的假想平面(图3的纸面)内朝向曲线部2B的外侧行进。因此，在本实施方式的情况下，如图4所示，从曲线部2B漏出的反射光Lr不是被被槽22M的内壁面散射，而是透过支承部件22入射到反射光监测用光检测器6。

即使在本实施方式中，也能够得到实现高精度地监测输出光功率、反射光功率双方的光功率监测装置这一与第一实施方式相同的效果。根据能够配置于反射光监测用光检测器6的空间的状况，既可以采用第一实施方式的结构，也可以采用第二实施方式的构成。

[第三实施方式]

以下，使用图5对本发明的第三实施方式进行说明。

第三实施方式的光功率监测装置的基本结构与第一实施方式相同，入射侧光纤侧的结构是与射出侧光纤侧的结构相反的结构。

图5是第三实施方式的光功率监测装置的剖视图。

在图5中，对于与第一实施方式使用的附图共用的构成要素赋予相同的附图标记，并省略其说明。

如图5所示，在第三实施方式的光功率监测装置31中，与第一实施方式相反，射出侧光纤3具有从连接点J到射出侧光纤3开始弯曲的位置之间的直线部3A、和射出侧光纤3弯曲的曲线部3B。入射侧光纤2不具备曲线部，仅具有直线部。在射出侧光纤3的包层11的外侧设置有具有比包层11的折射率低的折射率的低折射率层13。输出光监测用光检测器7设置于与射出侧光纤3的曲线部3B重叠的位置。反射光监测用光检测器6设置于与入射侧光纤2的直线部重叠的位置。其他结构与第一实施方式相同。

在本实施方式的情况下，通过将输出光关在射出侧光纤3的包层11的内部，能够大幅减少从连接点J向外部漏出而被反射光监测用光检测器6检测的输出光。其结果，能够提高反射光监测用光检测器6对反射光功率的检测精度。另外，因为输出光监测用光检测器7处于离连接点J远的位置，所以能够大幅减少从连接点J漏出而入射到输出光监测用光检测器7的反射光。其结果，能够提高输出光监测用光检测器7对输出光功率的检测精度。

即使在本实施方式中，也能够得到能够实现能够高精度地监测输出光功率、反射光功率双方的光功率监测装置这一与第一、第二实施方式相同的效果。

[第四实施方式]

以下，使用图6对本发明的第四实施方式进行说明。

第四实施方式的光功率监测装置的基本结构与第一实施方式相同，入射侧光纤侧的结构和射出侧光纤侧的构成与第一实施方式相同。

图6是第四实施方式的光功率监测装置的剖视图。

在图6中，对于与第一实施方式使用的附图共用的构成要素赋予相同的附图标记，并省略其说明。

如图6所示，第四实施方式的光功率监测装置41具有入射侧光纤2侧与射出侧光纤3侧以连接点为中心左右对称的结构。即，入射侧光纤2具有直线部2A和曲线部2B，射出侧光纤3具有直线部3A和曲线部3B。低折射率层13设置于入射侧光纤2以及射出侧光纤3的包层11的外侧。反射光监测用光检测器6设置于与入射侧光纤2的曲线部2B重叠的位置。输出光监测用光检测器7设置于与射出侧光纤3的曲线部3B重叠的位置。

本实施方式的情况下，通过将反射光关在入射侧光纤2的包层11的内部，能够大幅减少从连接点J向外部漏出而被输出光监测用光检测器7检测到的反射光。其结果，能够提高输出光监测用光检测器7对输出光功率的检测精度。同样地，通过将输出光关在射出侧光纤3的包层11的内部，能够大幅减少从连接点J向外部漏出并被反射光监测用光检测器6检测到的输出光。其结果，能够提高反射光监测用光检测器6对反射光功率的检测精度。

即使在本实施方式中，也能够得到能够实现能够高精度地监测输出光功率、反射光功率双方的功率监测装置这一与第一、第二实施方式相同的效果。

[第五实施方式]

以下，使用图7对本发明的第五实施方式进行说明。

第五实施方式的光功率监测装置的基本结构与第一实施方式相同，反射光监测用光检测器的位置与第一实施方式不同。

图7是第五实施方式的光功率监测装置的侧视图。

在图7中，对与第一实施方式使用的附图共用的构成要素赋予相同的附图标记，并省略其说明。

在第一实施方式中，反射光监测用光检测器设置于与入射侧光纤的曲线部重叠的位置。相对于此，如图7所示，在第五实施方式的光功率监测装置51中，反射光监测用光检测器6设置于与入射侧光纤2的直线部2A重叠的位置。作为具体的一个例子，反射光监测用光检测器6例如设置于离弯曲开始点S的距离T1成为5mm的直线部2A的上方。其他结构与第一实施方式相同。

如第一实施方式的图2所示那样，从曲线部2B漏出的反射光在槽4M的内壁面散射之后，入射到反射光监测用光检测器6。因此，优选反射光监测用光检测器6配置于曲线部2B附近。但是，根据槽4M的内壁面的光散射的程度、光检测器的灵敏度等状况，如本实施方式这样，反射光监测用光检测器6没有必要一定设置于与曲线部2B重叠的位置。但是，若反射光监测用光检测器6的位置太靠近连接点J，则容易检测到从连接点J泄漏的输出光的杂波。因此，反射光监测用光检测器6需要考虑作为检测对象的反射光和作为杂波的输出光的比率，而配置于适当的位置。

即使在本实施方式中，也能够得到能够实现能够高精度地监测输出光功率、反射光功率双方的光功率监测装置这一与第一实施方式相同的效果。

此外，本发明的技术范围并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够施加各种的变更。

例如在上述实施方式中，举了能够监测输出光功率、反射光功率双方的光功率监测装置的例子。替代该结构，也能够将本发明应用于仅具备输出光监测用光检测器、反射光监测用光检测器中的任一方，仅监测输出光功率、反射光功率中的任一方的光功率监测装置。

另外，关于光功率监测装置的各构成要件的形状、尺寸、配置、材料的具体的记载并不局限于上述实施方式，能够适当地变更。

本发明例如能够在激光加工装置等所使用的光纤维激光器的光功率监测装置应用。

附图标记说明：

1、21、31、41、51…光功率监测装置；2…入射侧光纤(第一光纤)；2A…直线部；2B…曲线部；3…射出侧光纤(第二光纤)；3A…直线部；3B…曲线部；4、22…支承部件；4M、22M…槽；5…填充材料；6…反射光监测用光检测器(第一光检测器)；7…输出光监测用光检测器(第二光检测器)；8…光纤；10…纤芯；11…包层；12…包覆；13…低折射率层。