專利名稱：激光入射光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使峰值功率大于等于10MW的巨脈沖振蕩方式的激光穩(wěn)定地射入到光纖用的激光入射光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
以往，在激光消融加工、激光誘起(日文誘起)熒光分析或激光沖擊等方面，使用由峰值功率在大于等于數(shù)MW的巨脈沖(GP)振蕩方式的固體激光振蕩器得到的激光。
在傳輸功率如此大的激光上，例如采用石英材質(zhì)的突變指數(shù)型的光纖。
而石英材質(zhì)的光纖在連續(xù)振蕩(CW)激光的情況下，可以傳輸高達(dá)數(shù)KW的能量。但是以脈寬為數(shù)nsec左右的短脈沖激光的形式脈沖能量超過數(shù)十mJ的激光其峰值功率為大于等于數(shù)MW。
已知短脈沖激光的脈沖能量與連續(xù)振蕩激光的脈沖能量相比大于等于1000倍，峰值功率密度也變得非常高，達(dá)10-1～1.0GW/cm2等級。因此，由于電子雪崩現(xiàn)象或多光子吸收等原因造成光纖受傷而損壞，便不能傳輸激光。還有，有報(bào)告稱石英(石英玻璃)材質(zhì)的因脈沖激光而受損的閾值為脈寬約5nsec，則約為100GW/cm2左右(‘激光手冊’激光學(xué)會著、オ-ム出版社p463、473)。
因此，用光纖傳輸在時(shí)空中分布的激光即短脈沖激光時(shí)的實(shí)用極限現(xiàn)試以將脈寬5nsec、反復(fù)振蕩10Hz的Nd:YAG激光射入到芯徑1mm的光纖的情況為例進(jìn)行說明，按照脈沖能量為30～40mJ左右，也就是按照峰值功率為6～8MW(相對芯徑的峰值功率密度為0.76～1.0GW/cm2)。
從上述可知現(xiàn)狀是在欲傳輸大于等于10MW的短脈沖激光時(shí)，因光纖內(nèi)部受損，故實(shí)質(zhì)上不能傳輸激光。也就是將利用光纖的傳輸作為前提，固體激光振蕩器產(chǎn)生的激光主要是連續(xù)振蕩(CW)激光，而峰值功率超過數(shù)MW的短脈沖激光靠光纖傳輸是件相當(dāng)困難的事。
還有，為了用光纖傳輸激光作為使激光射入到光纖的例子，有過激光和光纖在空間上取得匹配的報(bào)告。有報(bào)告稱在這種情況下，為了將激光的射入到光纖的入射口徑限制于光纖的芯徑以內(nèi)而且光纖的數(shù)值孔徑NA以內(nèi)，使激光會聚于光纖的入射端面并射入(‘激光加工技術(shù)’、川澄博通著、日刊工業(yè)新聞社、pp.34～37)。
但是，已知當(dāng)使峰值功率高的激光會聚射入到光纖時(shí)，在光纖內(nèi)部激光產(chǎn)生局部收斂，在光纖的特定部分處能量密度升高，光纖內(nèi)部受損。另外，出于防止光纖內(nèi)部產(chǎn)生激光收斂的目的，也知道減輕激光會聚程度的方法，但在峰值功率超過數(shù)MW的情況下，要完全防止光纖內(nèi)部激光收斂是相當(dāng)困難的。
還有，根據(jù)非專利文獻(xiàn)2的報(bào)告認(rèn)為以下的考慮是妥當(dāng)?shù)?，即在光纖內(nèi)部，因激光發(fā)生收斂，造成光纖受損的主要原因是由于用峰值功率高的激光其電場強(qiáng)度也升高，光纖的石英材料的折射率因強(qiáng)電場的作用而部分變化，由于一種透鏡效應(yīng)而產(chǎn)生自收斂。
此外，有一種方法是，為了能傳輸峰值功率大于10MW激光，將放大后的激光射入到陣列狀的分割透鏡在空間上分割成數(shù)十個(gè)后，用將全部分割數(shù)設(shè)置于陣列之后方的聚光透鏡使激光射入到光纖。
雖然有上述的方法，即為了能傳輸峰值功率大于10MW激光，將放大后的激光射入到陣列狀的分割透鏡在空間上分割成數(shù)十個(gè)后，用將全部分割數(shù)設(shè)置于陣列之后方的聚光透鏡使激光射入到光纖，但是由于排列成陣列狀的分割透鏡能制造出的大小為2mm左右，所以例如為了將分割數(shù)作為分割81次(9×9＝81)，就需要將2mm見方的凸透鏡縱橫9個(gè)并排為18mm×18mm的分割透鏡組(復(fù)眼透鏡)。但存在的問題是分割透鏡組、即復(fù)眼透鏡的生產(chǎn)成本非常高。
另外，將分割數(shù)作為一組以寬2mm×長度18mm沿寬2mm的方向有曲率的9個(gè)圓柱透鏡縱向排成一列的橫向上的分割透鏡組，并作為另一組由同樣的透鏡9個(gè)橫向排成一列的縱向上的分割透鏡組，通過使上述兩組透鏡組組合在一起，也能獲得和上述復(fù)眼透鏡相同的效果。但是雖然透鏡的成本稍有降低，而存在的問題是零件件數(shù)增加以及由于其保持所用的結(jié)構(gòu)件等原因總的成本增大。
另外，在使用復(fù)眼透鏡的情況下，即使在按照分割數(shù)81＝9×9，將透鏡的大小作為18mm見方時(shí)，要求激光的斷面尺寸(光束直徑)放大到一邊為18mm的正方形的對角線即約26mm。
再有，在采用復(fù)眼透鏡的情況下，除了上述的成本增加的問題外，還存在因各個(gè)透鏡邊界處產(chǎn)生的反射損耗的影響致使傳輸效率降低10～20％的問題，以及必須調(diào)整復(fù)眼透鏡的位置的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種廉價(jià)的激光入射光學(xué)裝置，在這種使峰值功率大于10MW的巨脈沖振蕩方式的固體激光振蕩器發(fā)出的激光射入到光纖的入射端面的入射光學(xué)裝置中，能使光纖不受損傷地傳輸激光，傳輸效率不會降低、不需要復(fù)雜的調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的入射光學(xué)裝置，使峰值功率大于10MW的巨脈沖振蕩方式的固體激光振蕩器發(fā)出的激光，射入到光纖的入射端面，具有會聚所述固體激光振蕩器發(fā)出的激光用的聚光透鏡；以及在該聚光透鏡的激光聚焦點(diǎn)后面規(guī)定位置設(shè)置光纖的入射端面，使所述激光作為發(fā)散性的光射入到光纖的入射端面用的光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，所述光纖為用含石英的材質(zhì)、相對芯徑的包層的厚度為0.035～0.1倍、數(shù)值孔徑NA為0.06～0.22的突變指數(shù)型的光纖。
而且，由于是采用含石英的材質(zhì)，相對芯徑的包層的厚度為0.0035～0.1倍、數(shù)值孔徑NA為0.06～0.22的突變指數(shù)型的光纖，因此通過以峰值功率大于10MW的來自巨脈沖振蕩方式的固體激光振蕩器的激光作為發(fā)散性射入到該光纖的入射端面，能使光纖不受損傷地傳輸激光。


圖1為表示本發(fā)明的激光入射光學(xué)裝置的實(shí)施方式的一示例的概要構(gòu)成圖。
圖2為說明采用發(fā)散入射方式的聚光光學(xué)系統(tǒng)的傳輸模式用的概要構(gòu)成圖。
圖3為表示光纖的入射角和聚光透鏡的焦距間的關(guān)系用的圖。
圖4為表示光纖的入射角和聚光透鏡的入射發(fā)散角間的關(guān)系用的圖。
圖5為表示光纖的入射方式和傳輸能量間的關(guān)系用的圖。
圖6A為光纖軸線方向的剖視圖。
圖6B為與圖6A示出的光纖軸線方向正交的方向的剖視圖。
圖7為表示包層厚度和傳輸能量間的關(guān)系用的圖。
圖8為表示芯徑和傳輸能量間的關(guān)系用的9為表示射入到光纖的入射角和傳輸能量間的關(guān)系用的10為表示本發(fā)明的激光入射光學(xué)裝置其它實(shí)施方式的概要構(gòu)成圖。
圖11為表示一例裝有本發(fā)明的激光入射光學(xué)裝置的激光誘起熒光分析裝置的概要構(gòu)成圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的一實(shí)施方式進(jìn)行說明。
利用圖1至圖9，說明激光入射光學(xué)裝置的實(shí)施方式。
如圖1所示，激光入射光學(xué)裝置11為能使峰值功率大于10MW的由巨脈沖振蕩方式的固體激光振蕩器(激光裝置)111產(chǎn)生的脈沖激光不損光纖101、并以較少的損耗射入到規(guī)定芯徑及包層厚度的光纖101的入射端面102的裝置。
激光入射光學(xué)裝置11具有將由固體激光振蕩器111供給的光束斷面直徑為規(guī)定大小的激光L聚光的聚光透鏡13；以及使聚光透鏡13和光纖101的入射端面102之間的距離保持為一定距離的光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)15。
聚光透鏡13是一種價(jià)格低廉并容易得到的凸透鏡，只要是能承受因射入固體激光振蕩器111發(fā)出的激光L所產(chǎn)生的熱量的材質(zhì)及形狀，則不受特別的限制。另外，聚光透鏡13也可以是合成透鏡，可以按需用兩片薄的透鏡組合而成。
光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)15具有保持聚光透鏡13的聚光透鏡保持部16；保持光纖101的光纖保持部17；以及調(diào)整光纖101的入射端面102與聚光透鏡保持部16所保持的聚光透鏡13對向的間隔用的調(diào)整部18。靠該調(diào)整部18調(diào)整光纖101，使得光纖101的入射端面102位于聚光透鏡13的焦點(diǎn)位置即只離開聚焦點(diǎn)A后面規(guī)定距離的位置。還有，調(diào)整部18可以靠手動(dòng)、電動(dòng)機(jī)及齒輪機(jī)構(gòu)等移動(dòng)機(jī)構(gòu)，將和光纖保持部17上的聚光透鏡保持部16之間的距離設(shè)定在任意的位置。
還有，光纖101的入射端面102配置在聚光透鏡13的焦點(diǎn)位置即只離開聚焦點(diǎn)A后面規(guī)定距離的規(guī)定位置，這是將射入到光纖101的入射端面102的激光L作為發(fā)散性的光。也就是，使光纖101的入射端面102和聚光透鏡13之間的距離為最佳通過使射入到光纖101的入射端面102的激光L為發(fā)散性的光，從而射入到光纖101的激光L在光纖101內(nèi)特定的位置收斂，其結(jié)果，光纖101特定位置處的峰值功率密度升高，制止光纖101受損。
另外，通過使光纖101的入射端面102和聚光透鏡13之間的距離為最佳，從而能防止在激光L的峰值功率密度大于規(guī)定的大小例如100GW/cm2之際，由于聚光透鏡13的聚焦點(diǎn)A上發(fā)生的空氣擊穿的影響，激光L不能穩(wěn)定地傳輸，以及空氣擊穿產(chǎn)生的等離子到達(dá)光纖101的入射端面102損傷光纖101的入射端面102。
利用圖2～圖4進(jìn)行具體說明，由聚光透鏡13會聚激光L的聚焦點(diǎn)A和光纖101的入射端面102之間的距離例如為1～十幾mm左右。
即，設(shè)激光L的脈沖能量為E[Wt]、激光L的脈寬為t[sec]、發(fā)生空氣擊穿的閾值的峰值功率密度為Pth[Wt/cm2]、由聚光透鏡13會聚的激光L的聚光半徑為ω[mm]，則聚光半徑ω可用式(1)表示。
ω＝[E/(Pth×π×t)]…(1)另外，又設(shè)被傳輸?shù)募す夥逯倒β蕿镻[W]，則式(1)改寫為式(2)。
ω＝[P/(Pth×π)] …(2)另一方面，設(shè)射入到聚光透鏡13的激光L的發(fā)散角為θ1(半角)[rad]、聚光透鏡13的焦距為f[mm]，則聚光半徑ω可用式(3)表示。
f×θ1＝ω …(3)另外，如設(shè)激光L的光束斷面口徑為r(半徑)[mm]從固體激光振蕩器111至聚光透鏡13的距離為D1[mm]，則根據(jù)聚光透鏡13的焦距f[mm]和射入到聚光透鏡13的激光L的發(fā)散角θ1(半角)，由聚光透鏡13會聚的激光L的聚光角(即由聚光透鏡13會聚的激光L射入到光纖101時(shí)的入射角)θ1(半角)[rad]可用式(4)求出。
θ1＝-r/f+(1-D1/f)×θ1…(4)因此，從式(2)～式(4)可知透鏡焦距f、透鏡口徑(光束斷面口徑)r、射入到光纖101的激光L的入射角θ1、固體激光振蕩器111至聚光透鏡13之間的距離D1、激光L的峰值功率P、及發(fā)生空氣擊穿的閾值的峰值功率密度Pth具有由式(5)決定的關(guān)系。
f＝[-(r-α)+{(r-α)2-4×θ2×α×D1}]/(2×θ2)α＝[P/(Pth×π)]…(5)
根據(jù)式(5)，可以求出在聚光透鏡13的聚焦點(diǎn)A上，不發(fā)生空氣擊穿的聚光透鏡13的焦距f。即，根據(jù)由式(5)求出的聚光透鏡13的焦距f及式(3)和根據(jù)式(1)或式(2)能求出射入到聚光透鏡13的激光L的入射角(即發(fā)散角)θ1，所以若將射入到聚光透鏡13的激光L的入射角設(shè)定為θ1，則不會發(fā)生空氣擊穿，能高效地使激光L射入到光纖101。
作為一個(gè)例子，設(shè)激光L的口徑(直徑)為2～13mn，圖3表示使聚光透鏡13和固體激光振蕩器111之間的距離在10～500mm的范圍內(nèi)變化的情況下，計(jì)算可利用的聚光透鏡13的焦距f的結(jié)果，圖4表示計(jì)算射入到聚光透鏡13的激光L的入射角(發(fā)散角)θ1的結(jié)果。
例如，假設(shè)激光L的口徑為r＝3mm(直徑6mm)、固體激光振蕩器111至聚光透鏡13的距離D1為D1＝100mm、從聚光透鏡13射入到光纖101的激光L的入射角(聚光角)為θ2＝0.15rad、峰值功率為P＝20MW、發(fā)生空氣擊穿的閾值的峰值功率密度為Pth＝100GW/cm2，則求聚光透鏡13的焦距f和射入到聚光透鏡13的激光的入射角θ1，計(jì)算結(jié)果為f＝24.9mm、θ1＝3.2mrad(全角為6.4mrad)。
例如，將由實(shí)測設(shè)定的聚光透鏡13的焦距f代入式(4)，要對光纖101的入射角θ2的大小在不超過射入到激光L的光纖的NA的范圍內(nèi)設(shè)定聚光透鏡13的焦距(參照圖3)。
也就是說，雖然圖3表示在激光L射入到光纖101時(shí)使聚光角(射入到光纖101的入射角)θ1變化之際發(fā)生空氣擊穿的聚光透鏡13的焦點(diǎn)位置，但是，使激光L的口徑(光束斷面直徑)和聚光透鏡13的設(shè)置位置變化的結(jié)果，下限值為0.06rad。
然而，由于激光的質(zhì)地(空間模式或波面等)或聚光透鏡13的像差的影響等，有時(shí)實(shí)際的聚光直徑比理想的聚光直徑大。
在這種情況下，縮短聚光透鏡13的焦距直至用式(2)求得的不發(fā)生空氣擊穿的聚光直徑和實(shí)際的聚光直徑相等，最好加大激光L射入到光纖101時(shí)的數(shù)值孔徑NA(參照圖4)。還有，最好根據(jù)激光L射入到光纖101時(shí)的數(shù)值孔徑NA和適合發(fā)散入射方式的射入到聚光透鏡13的入射角θ1之間的關(guān)系射入到光纖101的激光L的入射角θ2的下限值比0.06rad大。
另外，設(shè)聚焦點(diǎn)A處的聚光半徑為ω(mm)、聚焦點(diǎn)A和光纖101的入射端面102之間的距離為Lf(mm)、激光L射入到光纖101的芯部時(shí)的光束斷面直徑即入射直徑為Wi(直徑)(mm)、激光L射入到光纖101時(shí)的入射角θ2(半角)為(rad)，則聚光透鏡13的聚焦點(diǎn)A和光纖101的設(shè)置位置(入射端面102的位置)可用式(6)表示。
Lf＝(Wi-2ω)/(2×tanθ2)…(6)利用式(6)，聚光透鏡13的焦點(diǎn)位置(聚焦點(diǎn)A)和光纖101的入射端面102之間的距離Lf例如設(shè)定為0.25～16mm。具體設(shè)射入到光纖101的芯部的激光的射入到口徑的最小值例如為420μm(應(yīng)由光纖101傳輸?shù)募す釲的功率即由能量或峰值功率決定的芯徑的最小值)、另外，設(shè)最大值例如為能容易得到的光纖101的最大芯徑1500μm的90％即1350μm、Wi＝420～1350μm、ω＝100μm(峰值功率30MW、空氣擊穿發(fā)生閾值100GW/cm2的最低聚光直徑)、θ2＝0.06～0.22rad(以后敘述)，試計(jì)算適合的Lf的范圍，Lf的范圍如以上所述為0.25～16mm。
實(shí)用上，設(shè)對光纖101的入射端面102能設(shè)定的最小距離為1mm，從聚焦點(diǎn)A至光纖101的入射端面102的距離定為1～16mm的范圍。然而，當(dāng)距離Lf大于所需時(shí)，由于不射入到光纖101的激光L也增大，所以上限值例如可為10mm左右。
更理想的為聚光透鏡13和光纖101的入射端面102之間的距離Lf根據(jù)實(shí)際裝配調(diào)整結(jié)果，在大多情況下，為1.5mm～5mm的范圍。
以下，根據(jù)光纖101的芯徑及包層厚度說明能射入到光纖101的激光L的強(qiáng)度。
如上所述，已知在欲將利用巨脈沖振蕩方式得到的峰值功率超過數(shù)MW(按照峰值功率密度為101～1.0GW/cm2)的激光L射入到光纖101時(shí)，將使光纖101受損無法傳輸激光L。
因此，根據(jù)圖1、圖2至圖4說明過的只有規(guī)定聚光透鏡13和光纖101的入射端面102之間的距離Lf及激光L射入到聚光透鏡13時(shí)的入射角θ1及使由聚光透鏡13會聚的激光L射入到光纖101的入射端面102之際的聚光角θ2，有時(shí)光纖101才損傷。
以下，說明合適的光纖101結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及激光L的傳輸特性。
圖5表示對芯徑1000μm、包層厚度50μm、數(shù)值孔徑NA為0.2的光纖101將脈寬5nsec激光L的口徑(光束斷面直徑)700μm的激光，設(shè)入射角為0.02rad根據(jù)圖2說明的發(fā)散入射方式和一般的收斂入射方式射入到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
從圖5可以確認(rèn)用收斂入射方式，以傳輸能量30mJ(峰值功率6MW)，光纖101會損傷。與此相反，通過采用發(fā)散入射方式傳輸能量即使為70mJ(峰值功率14MW)光纖101也不會損傷。
另外，作為光纖101結(jié)構(gòu)上的特征，已知由于光纖的芯材純度很高不易被激光L的能量損傷，具有如圖6示出的結(jié)構(gòu)的突變指數(shù)型的石英材料。光纖101具有芯部103、形成于芯部103周圍的包層104、以及形成于包層104周圍的被覆層105。
還有，關(guān)于包層104的厚度，已知隨著比規(guī)定厚度不斷增厚在光纖101彎曲時(shí)因機(jī)械應(yīng)力的作用容易產(chǎn)生損壞，相反，若包層104的厚度變薄，在射入到數(shù)MW等級的峰值功率的激光L時(shí)，由于從芯部103漏向包層104的激光L的作用光纖101損壞。
另外，包層104的厚度比芯部103的直徑小，例如是芯部103的直徑的0.05～0.1倍左右。因此，即使是漏向包層104極少量的激光L，峰值功率密度比芯部103的部分高10倍。還有，因?yàn)樵诎鼘?04和芯部103之間的邊界上通常的激光L的傳輸上由于所產(chǎn)生的衍射的影響，宛如有駐波存在那樣部分峰值功率變高，所以在將包層104的厚度減薄上也有下限值。
圖7表示對芯徑1000m、數(shù)值孔徑NA0.2的光纖101將脈寬5nsec、口徑(光束斷面直徑)700μm的激光L以入射角0.02rad按照圖2說明的發(fā)散入射方式入射，改變包層104的厚度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
從圖7可知，隨著包層104的厚度增加能傳輸更大的能量。也就是從圖7可以確認(rèn)在包層104的厚度為20μm時(shí)，雖然40mJ(峰值功率8MW)是極限，但通過將包層104的厚度增厚為50μm，則即使是70mJ(峰值功率14MW)光纖101也不會損傷。
因此，從圖7可以確認(rèn)為了能傳輸大于等于峰值功率10MW的激光L包層104的厚度要大于等于35μm。另外，包層104的厚度一旦大于100μm就變得又硬又脆、光纖101就不易彎曲、彎曲半徑變大，所以要小于等于100m。
另一方面，關(guān)于芯徑，雖然根據(jù)和應(yīng)由光纖101傳輸?shù)募す夤β拭芏乳g的關(guān)系設(shè)定下限值，但芯徑的上限值根據(jù)圖8如以下所述，例如能以相對入射激光L的口徑(光束斷面直徑)的比例形式進(jìn)行判斷。
圖8表示設(shè)包層104的厚度為一定，對芯徑變化的光纖101射入激光L，改變射入到光纖101時(shí)的激光L的口徑(光束斷面直徑)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
從圖8可以得出以下的結(jié)論，即盡管在芯徑和入射的激光L的光束斷面直徑(口徑)之間有差別只要包層104的厚度相同，若是該范圍內(nèi)的入射口徑則都能傳輸相同的10MW的峰值功率的激光L。
也就是說，如圖8所示，得到為了能傳輸峰值功率大于等于10MW聚光直徑要大于等于420m。因此，考慮到相對聚光直徑有80％左右的富裕最好芯徑大于等于500m。
又，如圖9所示，在對芯徑1000m、包層104的厚度50μm、數(shù)值孔徑NA為0.2的光纖101按照發(fā)散入射方式，射入口徑(光束斷面直徑)為700m、脈寬5nsec的激光L時(shí)，改變射入到光纖101的激光L的入射角θ2，從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知為了使峰值功率為15MW(按能量換算為80mJ)左右的激光以低損耗射入，需要0.06rad左右的入射角θ2。還有隨著入射角θ2的增大能傳輸更大的能量，通過使入射角θ2為0.12rad左右，能傳輸峰值功率20MW左右的激光L。
另一方面，在光纖101上，在激光L入射時(shí)數(shù)值孔徑NA存在上限值，該上限值取決于芯部103和包層104間邊界上的衍射而射入到光纖101的激光L在光纖101內(nèi)傳輸，。也就是說，光纖101的數(shù)值孔徑NA一旦過小在發(fā)散入射方式上，射入光纖101的入射角θ2變小不能得到充分的效果。這一點(diǎn)如以上所述，射入光纖101的激光L在光纖101內(nèi)部特定位置處收斂，會引起光纖101損傷。
另外，光纖101的數(shù)值孔徑NA一大，便使光纖101射出的激光L的角度增大，為了以規(guī)定的光束斷面直徑對對象物照射激光L所用的照射光學(xué)系統(tǒng)也要增大。例如利用1片折射率n為n＝1.5左右的玻璃平凸透鏡，為了以小于等于1的成像倍率將光纖101射出的激光L聚光于對象物，從透鏡口徑相對透鏡曲率的制作極限的角度考慮，光纖101的數(shù)值孔徑NA為NA≈0.25rad及其以下。
還有，所述的光纖101由于其包層104的厚度比一般光纖的包層厚度厚，所以考慮到機(jī)械強(qiáng)度(抗彎性能)的降低，設(shè)芯部103的折射率為n1、包層104的折射率為n2，則數(shù)值孔徑NA可根據(jù)下式來規(guī)定。
NA＝√[(n1)2-(n2)2]另外，光纖101為了加大數(shù)值孔徑NA廣泛采用一種使包層104的折射率降低的方法，由于增大摻入包層104的氟或硼的量，而容易變脆、折斷。還有，考慮到利用圖7求得的包層104的厚度，取決于上述照射光學(xué)系統(tǒng)所規(guī)定的數(shù)值孔徑NA的上限再降低，實(shí)質(zhì)上為0.22rad。
因此，光纖101的數(shù)值孔徑NA的上限為0.22。還有因上限值隨著實(shí)際所用光纖101結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及物理性質(zhì)而變化，所以在發(fā)散入射方式上對光纖101能設(shè)定的數(shù)值孔徑NA的上限未必限于0.22，為根據(jù)光纖101結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及物理性質(zhì)而定的數(shù)值。
還有，下限值根據(jù)利用圖3及圖4聚光透鏡13的焦點(diǎn)位置和射入到光纖101的激光L入射角θ2、和利用圖8說明的光纖101的芯徑和根據(jù)射入到光纖101的激光L的口徑(光束斷面直徑)芯徑不受制約的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、以及利用圖9說明的能量傳輸能力的確認(rèn)結(jié)果，可以認(rèn)為和激光L的入射角θ2相等便可，數(shù)值孔徑NA＝0.22rad。
根據(jù)以上所述，利用發(fā)散入射方式能傳輸20MW(峰值功率密度100GW/cm2)左右的巨脈沖振蕩方式的激光L的光纖101最好在以下的范圍內(nèi)。
芯部103的直徑為500～1500μm包層104的厚度為35～100μm光纖101的數(shù)值孔徑NA為0.06～0.22還有激光l射入到光纖101時(shí)激光L的入射角θ2最好是在激光入射光學(xué)裝置11的構(gòu)成允許范圍內(nèi)盡可能大的角度。
根據(jù)以上所述，為了使峰值功率大于等于10MW的脈沖激光L或峰值功率小于等于10MW短脈沖激光L能穩(wěn)定傳輸，例如在光纖101的數(shù)值孔徑NA＝0.2的情況下，射入到光纖101的激光L的入射角θ2最好為0.2rad(光纖101的數(shù)值孔徑NA的上限值)以下。
以下，說明激光入射光學(xué)裝置11一具體例子。
還有，以下示出的數(shù)值為利用圖9以前說明過的峰值功率22MW的激光L的數(shù)據(jù)，例如利用巨脈沖振蕩方式的Nd:YAG激光振蕩器即固體激光振蕩器111，使脈寬5nsec、脈沖能量110mJ(峰值功率22MW＝110mJ/5nsec)、直徑6mm的激光L在突變指數(shù)型石英材質(zhì)的光纖101上按照以下條件傳輸?shù)慕Y(jié)果。
射入到聚光透鏡13的入射角(入射發(fā)散角)θ1＝1.8mrad(半角)、激光口徑(光束斷面直徑)r(半徑)＝3mm(直徑6mm)、聚光透鏡13和固體激光振蕩器111間的間隔D1＝600mm、
聚光透鏡13的焦距f＝31mm、光纖101的芯徑1000μm、包層104的厚度50μm、數(shù)值孔徑NA＝0.2rad、激光L射入到光纖101的入射角θ1＝0.13rad(半角)、從聚光透鏡13的聚焦點(diǎn)A至光纖101的入射端面102之間的距離Lf＝2mm、射入到光纖101的激光L的入射口徑(光束斷面直徑)700μm(直徑)。
還有，根據(jù)上述各數(shù)值，即射入到聚光透鏡13的入射角(入射發(fā)散角)θ1＝1.8mrad、聚光透鏡13和固體激光振蕩器111間的間隔D1＝600mm、激光口徑(光束斷面直徑)r(半徑)＝3mm、聚光透鏡13的焦距f＝31mm利用式(4)求前面說明過的射入到光纖101的入射角θ2時(shí)，入射角θ2＝0.13rad，可以確認(rèn)本發(fā)明能利用的光纖101的數(shù)值孔徑的范圍為NA＝0.06～0.22rad的范圍。
還有，若根據(jù)發(fā)散入射方式，則與采用分割成m×n的復(fù)合透鏡的已知的例子作比較，則因能消除在各透鏡邊界處產(chǎn)生的反射損耗的影響，能使從聚光透鏡13的入射側(cè)向光纖101的出射側(cè)傳輸?shù)膫鬏斝侍岣呒s10％。
又，用發(fā)散入射方式，由于能減少光學(xué)構(gòu)成要素的個(gè)數(shù)，所以激光入射光學(xué)裝置11整體成本降低。
因此，通過用含石英的材質(zhì)，包層的厚度相對芯徑為0.035～0.1倍、數(shù)值孔徑NA為0.06～0.22的突變指數(shù)型的光纖101，通過對該光纖101的入射端面102射入到作為發(fā)散性的光從峰值功率超過10MW的巨脈沖振蕩方式的固體激光振蕩器111發(fā)出的激光L，能不損傷光纖101傳輸激光，傳輸效率不會降低、無需復(fù)雜調(diào)整，能廉價(jià)地提供。
以下，利用圖10說明激光入射光學(xué)裝置11其它實(shí)施方式。
還有，對于與利用圖1至圖9示出的實(shí)施方式已說明過的構(gòu)成相同，或類似的構(gòu)成標(biāo)注同一標(biāo)號不再詳細(xì)說明。
激光入射光學(xué)裝置11具有在固體激光振蕩器111和聚光透鏡13之間設(shè)置將規(guī)定的聚光性賦予來自固體激光振蕩器111的激光L的聚光透鏡13、及使聚光透鏡13和光纖101的入射端面102之間距離保持一定距離的光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)15，將在光纖101的入射端面102反射的反射激光(返回激光)R從固體激光振蕩器111向聚光透鏡13發(fā)出的激光L中分離出來作為半透明鏡用的光束分離器(取樣反射鏡)31、以及接受由該光束分離器31分離出來的反射激光R輸出與其強(qiáng)度對應(yīng)的電氣信號，例如作為具有光電變換元件的觀測單元的CCD攝像機(jī)32。還在CCD攝像機(jī)32和光束分離單元31之間設(shè)置使被光束分離單元31分離的反射激光R成像于CCD攝像機(jī)32的圖中未示出的受光面上的成像透鏡32，另外在成像透鏡32和CCD攝像機(jī)31之間還可按需設(shè)置調(diào)整射入到CCD攝像機(jī)31的反射激光R的強(qiáng)度用的衰減濾光片等光量調(diào)整裝置34。
因射入到光纖101的入射端面102的激光L的入射位置而形成的信息成像于CCD攝像機(jī)32。因此，根據(jù)由CCD攝像機(jī)32得到的入射端面102的圖像，例如通過未具體說明的移動(dòng)機(jī)構(gòu)使光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)15的光纖保持部17的位置移位，能將光纖101的入射端面102的位置和成像透鏡13間的距離設(shè)定成利用圖2～圖4說明過的所希望的位置。
還有，設(shè)聚光透鏡13的焦距為f1、成像透鏡的焦距為f2、從光纖101的入射端面102至成像透鏡13的距離為a、須設(shè)置CCD攝像機(jī)32的位置(離開光纖101的入射端面102的距離)為b、聚光透鏡13和成像透鏡33之間的距離d在倍率為m時(shí)，可用下式表示。
b＝(1+m)×f2-m2×a…(11)m＝f2/f1…(12)d＝f2+f1…(13)利用式(12)，根據(jù)聚光透鏡13的焦距f1及欲觀測的成像倍率m決定成像透鏡33的焦距f2，然后，根據(jù)式(13)及式(11)通過決定兩透鏡相互間的間隔(距離d)及CCD攝像機(jī)32的位置等，可觀測光纖101的入射端面102。
現(xiàn)作為一個(gè)例子來表示，設(shè)聚光透鏡的焦距f1＝31mm、相對從固體激光振蕩器111發(fā)出的向著聚光透鏡13的激光L的主光軸以45度角度配置光束分離器(取樣反射鏡)31，使CCD攝像機(jī)32位于成像透鏡33后方規(guī)定位置，來自光纖101的入射端面102的反射激光R成像于CCD攝像機(jī)32，用圖中未示出的TV監(jiān)視器邊觀測邊調(diào)整入射。
還有，在成像倍率m實(shí)質(zhì)上為3倍時(shí)，由式(12)，設(shè)成像透鏡33的焦距例如為f2＝100mm、根據(jù)式(13)聚光透鏡13和成像透鏡33之間的距離d大約為131mm。另外，又因聚光透鏡13和光纖101的入射端面102之間的距離a約為33mm，所以成像透鏡33和CCD攝像機(jī)32之間的距離約為79mm。這時(shí)，根據(jù)式(11)成像倍率約為3.2倍。
由光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)15調(diào)整光纖101的入射端面102和聚光透鏡13之間的距離a由于除了在激光入射光學(xué)裝置11裝配時(shí)進(jìn)行調(diào)整以外，其余未必是必需的，所以光束分離器31、CCD攝像機(jī)32及成像透鏡33等用于入射狀態(tài)監(jiān)視的構(gòu)成也可以做成從固體激光振蕩器111和聚光透鏡13之間的光程中省去。
以下，利用圖11說明激光入射光學(xué)裝置11又一其它實(shí)施方式。
圖11表示將激光入射光學(xué)裝置11用于激光誘起熒光分析裝置(利用LaserInduced Breakdown Spectroscopy激光誘起分光分析法的高速分析裝置)的例子。激光誘起熒光分析裝置雖然在能分析的試樣(分析對象物)的種類上稍些有限制，但具有準(zhǔn)備試樣的預(yù)處理階段簡單、高速、分析對象物是固體時(shí)能原封不動(dòng)地適用等各種優(yōu)點(diǎn)，可以期待在更廣的范圍得以應(yīng)用。
如圖11所示，激光誘起熒光分析裝置301具有巨脈沖(GP)振蕩方式的固體激光振蕩器111、激光入射光學(xué)裝置(激光傳輸系統(tǒng)導(dǎo)光光學(xué)系統(tǒng))11、照射光學(xué)系統(tǒng)331、熒光檢測光學(xué)系統(tǒng)341、單色器(光檢測器或分光器)351、攝像機(jī)構(gòu)361、定時(shí)調(diào)整機(jī)構(gòu)371、以及數(shù)據(jù)處理器381等。
作為固體激光振蕩器111，例如為Nd:YAG等激光器。還有從固體激光振蕩器111輸出的激光L的大小例如脈寬5nsec左右、峰值功率14～20MW、傳輸能量70～100mj(峰值功率密度80GW/cm2)。另外，固體激光振蕩器111在大多情況下包括振蕩控制裝置、電源裝置、冷卻裝置等，這里不再詳述。
激光入射光學(xué)裝置11與利用圖1或圖10說明過的一樣，包括使固體激光振蕩器111發(fā)出的激光L作為發(fā)散性的光射入到光纖101的入射端面102的聚光透鏡13等。還有，聚光透鏡13和光纖101的入射端面102之間的距離按照上述實(shí)施方式設(shè)定。
光纖101例如芯徑為1000μm、包層的厚度為50μm，靠聚光透鏡13會聚，利用通過聚焦點(diǎn)表示發(fā)散特性，發(fā)散角在0.06～0.22rad能高效射入到光束斷面直徑可變化的激光L，具有0.06～0.22的數(shù)值孔徑NA。
照射光學(xué)系統(tǒng)331具有將從激光入射光學(xué)裝置11的光纖101的出射端面106射出并表示出一時(shí)發(fā)散性的脈沖激光L聚光于試樣S或保持試樣S的試樣保持部399的規(guī)定范圍的聚光透鏡333。還有，聚光透鏡333與試樣S的大小、形狀一致能任意地設(shè)定。
熒光檢測光學(xué)系統(tǒng)(檢測光導(dǎo)光光學(xué)系統(tǒng))341具有位于試樣保持部399上的捕獲來自試樣S的熒光的聚光透鏡343、及將聚光透鏡343捕獲的熒光射入到后級的分光器(單色器)用的光纖345。
單色器351例如由包括光柵(衍射光柵)或波長濾光片等在內(nèi)的已知的分光計(jì)或與試樣S的特性一致的檢測機(jī)構(gòu)任意組合而成。
攝像機(jī)構(gòu)361感受被單色器351取出的特定波長的光(熒光)輸出與該光強(qiáng)對應(yīng)的電氣信號，所以，例如，可與試樣S的特性一致任意選擇已知的CCD攝像機(jī)、光電倍增管或FFT分析器等。
定時(shí)調(diào)整機(jī)構(gòu)371例如是脈沖發(fā)生器或激光誘起熒光分析裝置301的主控裝置，控制供給固體激光振蕩器111的圖中未示出的電源裝置的驅(qū)動(dòng)脈沖的輸出定時(shí)和CCD攝像機(jī)，例如控制柵極控制型的I-CCD的動(dòng)作定時(shí)等，按照規(guī)定的定時(shí)拍攝試樣S產(chǎn)生的熒光。
數(shù)據(jù)處理裝置381暫存攝像機(jī)構(gòu)361輸出的圖像或分光光譜等，依照預(yù)存的‘元素定性識別程序’、‘元素定量測量程序’、或?qū)⒁?guī)定的處理加在由攝像機(jī)構(gòu)361提供的圖像數(shù)據(jù)等上的算法等，解析試樣S的特性或作為其前期處理數(shù)據(jù)。
在圖11示出的激光誘起熒光分析裝置301中利用主控裝置391(在圖11所示的例子中，和定時(shí)調(diào)整機(jī)構(gòu)371做成一體)，按規(guī)定定時(shí)生成驅(qū)動(dòng)脈沖，根據(jù)該驅(qū)動(dòng)脈沖從固體激光振蕩器111以規(guī)定脈寬輸出峰值功率14～20MW的GP方式的激光L。
固體激光振蕩器111輸出的脈沖激光L，利用聚光透鏡13變換成發(fā)散性的光，高效地射入到光纖101，傳輸至光纖101的出射端面106。
從光纖101射出的激光L，利用照射光學(xué)系統(tǒng)331的聚光透鏡333照射試樣。還有，激光L如以上所述，峰值功率為14～20MW，利用聚光透鏡333例如通過聚光成數(shù)百μm的直徑，在照射試樣S的時(shí)刻峰值功率密度為80GW/cm2。通過這樣，試樣S等離子化，靠該等離子能量從存在于試樣的各元素，放射出各自固有的熒光(包括熒光在內(nèi)的光譜)。
這一發(fā)光(包括熒光在內(nèi)的光譜)被熒光檢測光學(xué)系統(tǒng)341的聚光透鏡343捕獲，通過光纖345射入到單色器351。
以后，由單色器351除去來自試樣S本身的光譜分量，在試樣S所含的元素中取出固有的光譜。
被單色器351取出的光譜由攝像機(jī)構(gòu)361作光電變換，供數(shù)據(jù)處理部381，在數(shù)據(jù)處理部381特定試樣S所含的元素。例如攝像機(jī)構(gòu)361例如在為FFT分析器的情況下，靠操作人員的目視能特定試樣S所含的元素。
還有，在自試樣S所含的元素得到固有的熒光光譜以前，已知從等離子發(fā)光(即照射激光L)開始要延遲數(shù)μsec～數(shù)百μsec。所以利用定時(shí)調(diào)整機(jī)構(gòu)371(主控裝置391)控制攝像機(jī)構(gòu)361的動(dòng)作。例如在攝像機(jī)構(gòu)361是帶柵極的CCD攝像機(jī)時(shí)，將規(guī)定的延遲附加于計(jì)測時(shí)間，同時(shí)按規(guī)定的定時(shí)通過使柵極導(dǎo)通能只計(jì)測需要的熒光光譜。
另外，上述激光誘起熒光分析裝置301中幾乎不需要ICP發(fā)光分析那樣的試樣前期處理，能迅速測量。還有激光誘起熒光分析裝置301中在對試樣S照射激光L之際對空間(場所或大小)的限制也少，故通過單元化，在測量對象物的某個(gè)任意的場所均能對測量對象物進(jìn)行分析。
如以上所述，利用激光誘起熒光分析裝置，光學(xué)零部件數(shù)量少、便宜、高效，不使用光束放大用準(zhǔn)直透鏡和光束分割用陣列透鏡，用1片或兩片聚光透鏡(凸透鏡)便能射入到光纖。
另外，能提供小型、廉價(jià)，采用峰值功率超過10MW的巨脈沖振蕩方式的激光L的例如用于激光誘起熒光分析、激光消融加工、激光沖擊等過程的激光入射光學(xué)裝置11。
還有，本發(fā)明不限于所述各實(shí)施方式，在其實(shí)施階段中只要在不背離其主要內(nèi)容的范圍內(nèi)可作各種變形或變更。另外各實(shí)施方式只要可能也可以作適當(dāng)?shù)慕M合并實(shí)施，在這種情況下，可以獲得組合產(chǎn)生的效果。
工業(yè)上的實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明，則通過采用含石英材質(zhì)，相對芯徑的包層的厚度為0.035～0.1倍、數(shù)值孔徑NA為0.06～0.22的突變指數(shù)型的光纖；以及使峰值功率超過10MW的巨脈沖振蕩方式的固體激光振蕩器發(fā)出的激光作為發(fā)散性的光射入到該光纖的入射端面，能廉價(jià)地提供一種激光入射光學(xué)裝置，這種裝置能不損傷光纖傳輸激光，傳輸效率不會降低、不需要復(fù)雜的調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種激光入射光學(xué)裝置，使峰值功率大于10MW的巨脈沖振蕩方式的固體激光振蕩器發(fā)出的激光，射入到光纖的入射端面，其特征在于，具有會聚所述固體激光振蕩器發(fā)出的激光用的聚光透鏡；以及在該聚光透鏡的激光聚焦點(diǎn)后面規(guī)定位置設(shè)置光纖的入射端面，使所述激光作為發(fā)散性的光射入到光纖的入射端面用的光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，所述光纖為用含石英的材質(zhì)、相對芯徑的包層的厚度為0.035～0.1倍、數(shù)值孔徑NA為0.06～0.22的階梯折射率型的光纖。
2.如權(quán)利要求1所述的激光入射光學(xué)裝置，其特征在于，所述光纖為芯徑500～1500μm、包層厚度35～100μm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光入射光學(xué)裝置，其特征在于，以按照半角0.06～0.22rad及光纖的固有入射極限角度中任何一種方式，將激光射入到所述光纖的入射端面。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光入射光學(xué)裝置，其特征在于，所述光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)使光纖的入射端面位于聚光透鏡的激光聚焦點(diǎn)后方1～16mm處。
5.如權(quán)利要求4所述的激光入射光學(xué)裝置，其特征在于，所述光纖位置調(diào)整機(jī)構(gòu)使光纖的入射端面位于聚光透鏡的激光聚焦點(diǎn)后方1.5～5mm處。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的激光入射光學(xué)裝置，其特征在于，還具有設(shè)置在固體激光振蕩器和聚光透鏡之間的半透明鏡；以及通過該半透明鏡，觀測光纖的入射端面的光的圖像的觀測單元。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用含石英的材質(zhì)、包層相對芯徑的厚度為0.035～0.1倍、數(shù)值孔徑NA為0.06～0.22的突變指數(shù)型的光纖(101)。通過使峰值功率大于10MW的巨脈沖振蕩方式的固體激光振蕩器(111)發(fā)出的激光(L)作為發(fā)散性的光射入到光纖的入射端面(102)，從而不損傷光纖，并能傳輸激光。
文檔編號H01S3/11GK1910489SQ200580003029
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月28日
發(fā)明者石橋誠 申請人:株式會社東芝, 東芝電子管器件株式會社