(57)【要約】【課題】伝送距離を十分に確保することのできる高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置を提供すること。【解決手段】高出力シングルモードファイバーレーザを伝送する高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１は、レーザ発振器２から出力されたシングルモードファイバーレーザを伝送するシングルモードファイバー３と、シングルモードファイバー３よりもコア径が大きく、シングルモードファイバー３から出力されたシングルモードファイバーレーザを伝送するマルチモードファイバー５と、シングルモードファイバー３およびマルチモードファイバー５を結合するファイバー結合器４とを備え、シングルモードファイバー３からファイバー結合器４を経て、マルチモードファイバー５から出力されるレーザが、ビーム品質パラメータをＭ２としたときに、下記式（１）を満たしている。  Ｍ２≦４．６・・・（１）【選択図】図１
2018045125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高出力シングルモードファイバーレーザを伝送する高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置であって、
レーザ発振器から出力されたシングルモードファイバーレーザを伝送するシングルモードファイバーと、
前記シングルモードファイバーよりもコア径が大きく、前記シングルモードファイバーから出力されたシングルモードファイバーレーザを伝送するマルチモードファイバーと、
前記シングルモードファイバーおよび前記マルチモードファイバーを結合するファイバー結合器とを備え、前記シングルモードファイバーから前記ファイバー結合器を経て、前記マルチモードファイバーから出力されるレーザが、ビーム品質パラメータをＭ２としたときに、下記式（１）を満たしていることを特徴とする高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置。
Ｍ２≦４．６・・・（１）
【請求項２】
請求項１に記載の高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置において、
前記マルチモードファイバーから出力されるレーザの空間モードが、ＴＥＭ００、ＴＥＭ１０、ＴＥＭ２０、ＴＥＭ０１＊、およびＴＥＭ１１のいずれかであることを特徴とする高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置。
【請求項３】
加工対象にレーザを照射して、加工を行うレーザ加工装置であって、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器のレーザの出力端に接続される請求項１または請求項２に記載の高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置と、
前記高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置のレーザの出力端に接続されるコリメータと、
前記コリメータのレーザの出力端に設けられ、前記コリメータから出力されたレーザを集光する集光素子とを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置、およびレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ファイバーレーザは、高出力と高ビーム品質の両者を確保できる理想的な固体レーザの一つとして注目されている。特に、シングルモードファイバーレーザは、理論限界の集光特性を持つ基本モード（ガウス分布）のビームが得られるという点で注目されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】新井武二，”実用レーザ切断・溶接加工−実践に役立つレーザの知識−”，日刊工業新聞社，２０１４年６月，p.33−p.39
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、シングルモードファイバーレーザの伝送媒体となるシングルモードファイバーは、コア径が２０μｍφから３０μｍと小さいため、出力がｋＷクラスとなると、パワー密度が増大し、コア内で非線形誘導散乱による戻り光が発生する。その強さは、ファイバー長さに依存して、戻り光によってファイバーが破損する可能性がある。
このため、現状ｋＷクラスのシングルモードファイバーレーザの伝送距離は、１０ｍ程度に留まり、ファイバーレーザの伝送の自由度を失っているという課題がある。
したがって、製鉄所等の大型設備において、本格的にシングルモードファイバーレーザを加工設備等に応用するのは、困難であるという課題がある。
【０００５】
本発明の目的は、伝送距離を十分に確保することのできる高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置、およびレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下の発明特定事項を要旨とするものである。
［１］高出力シングルモードファイバーレーザを伝送する高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置であって、
レーザ発振器から出力されたシングルモードファイバーレーザを伝送するシングルモードファイバーと、
前記シングルモードファイバーよりもコア径が大きく、前記シングルモードファイバーから出力されたシングルモードファイバーレーザを伝送するマルチモードファイバーと、
前記シングルモードファイバーおよび前記マルチモードファイバーを結合するファイバー結合器とを備え、前記シングルモードファイバーから前記ファイバー結合器を経て、前記マルチモードファイバーから出力されるレーザが、ビーム品質パラメータをＭ２としたときに、下記式（１）を満たしていることを特徴とする高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置。
Ｍ２≦４．６・・・（１）
【０００７】
［２］［１］に記載の高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置において、前記マルチモードファイバーから出力されるレーザの空間モードが、ＴＥＭ００、ＴＥＭ１０、ＴＥＭ２０、ＴＥＭ０１＊、およびＴＥＭ１１のいずれかであることを特徴とする高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置。
【０００８】
［３］加工対象にレーザを照射して、加工を行うレーザ加工装置であって、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器のレーザの出力端に接続される［１］または［２］に記載の高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置と、
前記高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置のレーザの出力端に接続されるコリメータと、
前記コリメータのレーザの出力端に設けられ、前記コリメータから出力されたレーザを集光する集光素子とを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、シングルモードファイバーとマルチモードファイバーとをファイバー結合器により結合することにより、シングルモードファイバーレーザのコア径よりも大きなコア径でシングルモードレーザを伝送できるため、シングルモードファイバーレーザを、モードをあまり高次にすることなく、長い距離伝送することができる。また、ビーム品質パラメータＭ２を式（１）の範囲とすることにより、シングルモードファイバーレーザが必要以上に拡散することを防止できるため、エネルギー密度を確保しつつ、小さな領域にレーザ光を照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置の構成を表す模式図。
【図２】前記実施形態におけるシングルモードファイバーレーザの強度分布を表す模式図。
【図３】前記実施形態における高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置から出力されたマルチモードファイバーレーザの強度分布を表す模式図。
【図４】前記実施形態の変形となる他のマルチモードファイバーレーザの強度分布を表す模式図。
【図５】前記実施形態の変形となる他のマルチモードファイバーレーザの強度分布を表す模式図。
【図６】前記実施形態の変形となる他のマルチモードファイバーレーザの強度分布を表す模式図。
【図７】前記実施形態におけるレーザ加工装置の構成を表す模式図。
【図８】前記実施形態におけるレーザ加工装置の適用例を表す模式図。
【図９】前記実施形態におけるレーザ加工装置の集光パラメータを説明するための模式図。
【図１０】前記実施形態における実験装置の構成を表す模式図。
【図１１】前記実施形態の他の適用例を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［１］高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１の構成
［1-1］装置構成
図１には、本実施形態に係る高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１が示されている。高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１は、シングルモードファイバーレーザ発振器２から出力されたシングルモードファイバーレーザを、１００ｍ以上の距離に伝送する伝送装置として構成され、シングルモードファイバー３と、ファイバー結合器４とマルチモードファイバー５と、ファイバーコネクタ６とを備える。
【００１２】
シングルモードファイバーレーザ発振器２は、最低次、すなわち最もエネルギー密度が高いモードである基本モードＴＥＭ００であるガウス分布を有するシングルモードのレーザを発振し、発振されたシングルモードのレーザは、シングルモードファイバー３の出力端に出力される。
シングルモードファイバー３は、シングルモードのレーザを伝送する媒体として構成され、図示を略したが、コアとコアの外周を被覆するクラッドとから構成される。シングルモードファイバー３のコア径は、最低次の空間モードでシングルモードのレーザを伝送するために、３０μｍ未満とされる。
また、シングルモードファイバー３の長さ、すなわち伝送距離は、戻り光によりコアに破損が生じないよう、１０ｍ未満とされる。
シングルモードファイバー３の出力側には、シングルモードファイバー３の径よりも大きな径の円柱状の石英ブロックが融着等により固定される。この石英ブロックは、空気との界面でのレーザパワー密度を低減する効果を有する。以下、この石英ブロックを含めて出力端と呼称する。
シングルモードファイバー３の出力端は、ファイバー結合器４に接続される。
【００１３】
ファイバー結合器４は、シングルモードファイバー３と、マルチモードファイバー５とを空間結合する装置であり、入力側コネクタ４Ａ、出力側コネクタ４Ｂ、ファイバー結合器４内に設けられる図示しないコリメートレンズおよび集光レンズを備える。
【００１４】
シングルモードファイバー３から出力されたレーザは、ファイバー結合器４内において、まずファイバーのＮＡで決まる広がり角で空気中に拡散する。次に、拡散光は、コリメートレンズにより平行化されて空間伝送される。次に、集光レンズによって集光される。集光レンズで集光されたレーザ光は、ファイバー結合器４の出力側コネクタ４Ｂに固定された、先端に円柱状の石英ブロックを融着したマルチモードファイバー５のコアに入力される。
【００１５】
マルチモードファイバー５は、マルチモードのレーザを伝送する媒体として構成され、図示を略したが、コアとコアの外周を被覆するクラッドとから構成される。マルチモードファイバー５のコア径は、５０μｍ以上、１００μｍ以下に設定されている。シングルモードのレーザは、マルチモードファイバー５内で、より高次の空間モード、すなわち、よりエネルギー密度の低いモードのレーザに変換される。コア径５０μｍ以上であれば、基本モードＴＥＭ００は、空間モードＴＥＭ１０、ＴＥＭ２０、ＴＥＭ０１＊、およびＴＥＭ１１のいずれかに変換される。マルチモードファイバー５の長さは、１００ｍ以下とされる。
マルチモードファイバー５の出力端には、円柱状の石英ブロックが融着により固定され、ファイバーコネクタ６中に格納される。
【００１６】
［1-2］実験による確認
前述した高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１を用いて、シングルモードのレーザがどの程度まで高次モードになるのかを確認した。
シングルモードファイバーレーザ発振器２としては、ＩＰＧ社製２ｋＷ機を使用した。波長λ＝１．０７μｍ、開口数ＮＡ＝０．０２８である。
コア径は略２０μｍである。
ファイバー結合器４としては、Optoskand社製のＦＦＣ（Fiber to Fiber Coupler）を使用した。コリメートレンズおよび集光レンズの焦点距離により決まる結像倍率は、０．６である。
マルチモードファイバー５としては、コア径５０±３μｍ、長さ１００ｍ、開口数ＮＡ＝０．２±０．０２のもの（三菱電線工業（株）製）を使用した。
【００１７】
前述した各構成部品に基づいて、シングルモードレーザの品質が、どの程度、高次の空間モードに劣化するのかを実際にレーザを伝送することで確認した。
ここで、本実施形態では、強度分布と空間モードは同義であるとする。空間モードという場合、電磁波であるレーザ光をマックスウェル方程式として数式表現したときに、Ｚ方向をレーザの進行方向とすると、電界強度にあたるＸＹ面にエルミート多項式の積を含むことから、その次数をもってＸＹ面内の強度分布を区別するために、ＴＥＭｍｎと表現するが、これに倣うものである。最低次数は、ｍ＝ｎ＝０であり、ガウス関数となり、これを基本モードＴＥＭ００と呼ぶ。高次の空間モードを含む場合には、マルチモードと呼び、基本的には、軸対称となる。
【００１８】
ファイバーコア内に存在可能な電磁波の空間モードは、コア径によって決まり、空間モードＮは、下記式（２）を満たす最大の整数であり、有限値である。
２ａ・ｓｉｎθｃ≧Ｎλ／２・・・（２）
ここで、λ：光の波長、ａ：コアの径、θｃ：臨界角である。
ファイバー出力端では、ｓｉｎθｃ＝ＮＡであるから、式（２）について整理すると、下記式（３）のようになる。
Ｎ≦４ａ／λ・ＮＡ・・・（３）
つまり、原理的にはコア径が小さくなるほど、許容されるモード数は少なくなる。
【００１９】
シングルモードファイバーレーザ発振器２を、焦点距離ｆ＝１２０ｍｍのコリメータに接続して平行ビーム化し、Ophir社製５ｋＷパワーメータにて出力を測定した。
次に、シングルモードファイバーレーザ発振器２を、高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１に接続し、マルチモードファイバー５の出力端にコリメータを接続して同様に出力を測定した。両者の比から結合効率を求めたところ、結果は９０％であった。
マルチモードファイバー５の挿入ロスは、８％以下とされているので、略最適な結合でできていることが確認された。
【００２０】
強度分布の測定は、ファーフィールドパターンは、Primes社製ビームモニターを用いて測定した。
シングルモードファイバーレーザ発振器２を、焦点距離ｆ＝１２０ｍｍのコリメータに接続し、平行化したビームの強度を、コリメータから１００ｍｍ位置にて測定したところ、強度分布は、図２に示されるようなきれいなガウス分布となっていることが確認された。
【００２１】
次に、シングルモードファイバーレーザ発振器２から出力されたシングルモードファイバーレーザを、焦点距離ｆ＝１０００ｍｍの集光レンズで集光した焦点での強度分布を、Primes社製フォーカスモニターを用いて強度分布を測定したところ、図２に示されるガウス分布は維持され、集光ビーム径の実測結果は（８６％エネルギー収束基準）は、約２６０μｍであった。これから幾何光学的にファイバーコア径を逆算すると約３０μｍとなる。
焦点での出力２ｋＷ時のパワー密度は３．９ＭＷ／ｃｍ２となる。同様の測定をｆ＝１５００ｍｍの集光レンズで行ったところ、集光径約３７５μｍ、パワー密度１．８ＭＷ／ｃｍ２を得た。したがって、長焦点でも加工に十分なパワー密度が得られることが確認された。
【００２２】
さらに、シングルモードファイバーレーザ発振器２を、高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１に結合した。マルチモードファイバー５のコア径は５０μｍ、長さは１００ｍである。マルチモードファイバー５の出力端に、焦点距離ｆ＝１２０ｍｍのコリメータを接続し、コリメータから１００ｍｍ位置におけるビーム強度分布を測定した。
強度分布は、図３に示されるように、軸対称で４つのピークを持つ分布に変換され、ビーム径は、図２のガウス分布に比較して約２．５倍に拡大していることが確認された。
ビーム径の実測結果は約３５０μｍであり、焦点での出力２ｋＷ時のパワー密度は２．１ＭＷ／ｃｍ２となる。これは前述のｆ＝１５００ｍｍの集光レンズで集光した場合のパワー密度に匹敵するものであることが確認された。
【００２３】
以上より、高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１によって、シングルモードファイバーレーザを、１００ｍという長距離で、かつ低次元の空間モードで伝送することが確認された。
なお、図３の強度分布は、４つのピークを持っているので、空間モードＴＥＭ１１であると推測される。
低次元の空間モードとしては、マルチモードファイバー５のコア径に依存して、種々の形態が考えられる。たとえば、図４に示されるような空間モードＴＥＭ１０であってもよく、図５に示されるような空間モードＴＥＭ０１＊であってもよい。さらには、図３と極めて類似する強度分布となる図６に示されるような、空間モードＴＥＭ２０であってもよい。
【００２４】
［２］レーザ加工装置１０の構成
［2-1］装置構成
図７には、本実施形態に係るレーザ加工装置１０が示されている。
レーザ加工装置１０は、加工対象Ｗに対してレーザを照射して、表面で結像させて溶融させることにより、加工対象Ｗを加工する装置であり、シングルモードファイバーレーザ発振器２と、前述した高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１と、ズームコリメータ１１と、集光素子としての集光レンズ１２とを備える。
【００２５】
ズームコリメータ１１は、高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１のファイバーコネクタ６から出力された低次元の空間モードのマルチモードファイバーレーザの拡散光を、平行ビーム化、または内部のレンズ間距離を調整することにより、発散角を変化させることができる。これにより集光レンズ１２で集光した際の作動距離を変化させることができる。
集光レンズ１２は、ズームコリメータ１１を経たレーザを集光し、加工対象Ｗの表面または内部で結像させる。
【００２６】
［2-2］レーザ加工装置１０の適用例
このようなレーザ加工装置１０は、図８に示されるように、転炉の耐火煉瓦ＴＲの底吹羽口を観測羽口ＨＡとして、ＣＣＤカメラ１３で溶鋼Ｙを連続撮像することにより、溶鋼Ｙの連続測温する場合に利用することができる。なお、本適用例においては、集光レンズ１２の代わりに、集光素子としてパラボリックミラー１４を用いて、ズームコリメータ１１から出力されたマルチモードファイバーレーザを集光させている。
【００２７】
観測羽口ＨＡには、チャンバ１５が設けられ、内部にアルゴンガスが供給されるため、観測羽口ＨＡの溶鋼Ｙへの開口部分で、溶鋼Ｙが冷却され、溶鋼Ｙが固化することによりポーラスな凝固物Ｗが生成し、このままでは観測羽口ＨＡにおける測温ができなくなる。
本実施形態のレーザ加工装置１０は、このようなポーラスな凝固物Ｗを除去する加工を行うために、利用することができる。
【００２８】
このような適用例の場合、レーザ加工装置１０による凝固物Ｗの破壊による開口の瞬時性から熱間で操業中の使用も想定する。つまり、凝固物Ｗが大きく成長する前に開口することになるので、凝固物Ｗの厚みを大きく想定する必要はない。そこで、破壊対象の凝固物の厚みを大目に見て２０ｍｍとする。雰囲気温度を１４００℃と仮定して、これに観測羽口ＨＡの鋼管の孔径Ｄ０＝５ｍｍを、凝固物Ｗの蒸散により開口させる場合に必要なレーザエネルギーは下記式（４）のようになる。
Ｅ＝Ｖρ［Ｃ（Ｔｖ−Ｔａ）＋Ｌｆ＋Ｌｖ］・・・（４）
ここで、Ｅ：レーザエネルギー、Ｖ：蒸発金属の固相体積、ρ：金属の密度、Ｃ：金属の比熱、Ｔｖ：金属の沸点、Ｔａ：雰囲気温度、Ｌｆ：金属の溶融潜熱、Ｌｖ：金属の蒸発潜熱である。
【００２９】
式（４）に鉄の物性値を用いると、Ｖ＝０．３９ｃｍ３、ρ＝７．８７ｇ／ｃｍ３、Ｃ＝０．４４６Ｊ／ｇＫ、Ｔｖ＝２７５２℃、Ｔａ＝１４００℃、Ｌｆ＝２７２Ｊ／ｇ、Ｌｖ＝６３５０Ｊ／ｇから、Ｅ＝２４２３１Ｊが得られる。３秒で開口すると仮定すると、要求レーザ出力は、約７．４ｋＷとなる。
【００３０】
次に、観測羽口ＨＡの鋼管の孔径Ｄ０＝５ｍｍの内面に１．５ｍ以上反射することなく、レーザが通過することを条件とする。これには、図９に示すように、レーザの特性指標の一つである焦点深度ｄｆ（最大パワー密度の９０％以上のパワー密度を有する範囲）が、以下の式（５）を満たす必要がある。
ｄｆ＝８λｆ２Ｍ２／（πＤ２）≧４ｍ・・・（５）
ここで、λ：レーザの波長、ｆ：焦点距離、Ｄ：集光ビーム前のレーザの直径、Ｍ２：ビーム品質パラメータ（シングルモードが最小で１となる。）である。
【００３１】
式（５）をビーム品質パラメータＭ２について整理すると、下式（６）となる。
Ｍ２≦πＤ２／（２λｆ２）・・・（６）
式（６）にλ＝１．０８５μｍ、ｆ＝２．８ｍ、Ｄ＝５ｍｍを与えると、Ｍ２≦４．６となる。なお、前述した図２から図６の空間モードのＭ２は、以下の表１のようになり、前述した空間モードのＭ２はすべて４．６以内となっている。
【００３２】
【表１】
2018045125.tif 000003
【００３３】
［2-3］実験による確認
前述したレーザ加工装置１０により、観測羽口ＨＡの開口に生成した凝固物Ｗを蒸散させることができるかどうかを確認した。
図１０に示すように、ＩＰＧ社製の２ｋＷのシングルモードファイバーレーザ発振器２に、前述した高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１に接続し、ズームコリメータ１１および集光レンズ１２を介して、凝固物Ｗに照射した。レーザ出力は、２ｋＷ設定で実測１６６５Ｗであった。焦点距離ｆ＝１０００ｍの集光レンズで得られたパワー密度は、１．７ＭＷ／ｃｍ２であり、２０秒で約５ｍｍ径の孔が形成された。
【００３４】
以上より、シングルモードファイバーレーザを高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置１で、１００ｍという長距離伝送を行った後でも、十分なパワー密度が確保でき、加工能力が得られることが確認された。転炉の観測羽口ＨＡのように、シングルモードファイバーレーザ発振器２の本体から、凝固物Ｗまでの距離を長く取らざるを得ない凝固物Ｗの破壊に利用できることが確認された。
【００３５】
［３］他の適用例
前述したレーザ加工装置１０は、他の用途にも適用できる。
［3-1］高炉操業における不具合の解消
たとえば、図１１に示されるように、高炉操業において、レースウェイＲＷの奥に、スラグや微粉炭等が詰まり、鳥の巣ＴＳと呼ばれる固形物が生成し、炉心ＲＳへの通気性を阻害して、炉心不活性に陥る場合がある。
従来、回復手段としてコークス比増加によるクリーニング操業が行われていたが、減産等の弊害がある。
このような場合に、前述したレーザ加工装置１０を用い、羽口ＨＧからレーザを照射することにより、鳥の巣ＴＳを溶融させて炉心ＲＳへの通気性を確保することができる。
【００３６】
［3-2］厚板加工
また、厚板への溝形成等の加工にも、レーザ加工装置１０を用いれば、ライン近くにシングルモードファイバーレーザ発振器２を持ち込むことなしに、遠距離からシングルモードファイバーレーザによる加工を実現することができる。
その他、レーザ加工装置１０は、シングルモードファイバーレーザ発振器２と加工対象の加工位置とを接近させることができない場合に、適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…高出力シングルモードファイバーレーザ伝送装置、２…シングルモードファイバーレーザ発振器、３…シングルモードファイバー、４…ファイバー結合器、４Ａ…入力側コネクタ、４Ｂ…出力側コネクタ、５…マルチモードファイバー、６…ファイバーコネクタ、１０…レーザ加工装置、１１…ズームコリメータ、１２…集光レンズ、１３…ＣＣＤカメラ、１４…パラボリックミラー、１５…チャンバ、ＨＡ…観測羽口、ＨＧ…羽口、ＲＳ…炉心、ＲＷ…レースウェイ、ＴＲ…耐火煉瓦、ＴＳ…鳥の巣、Ｗ…加工対象（凝固物）、Ｙ…溶鋼。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2018045125.tif 000012
【図１０】
2018045125.tif 000013
【図１１】
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