(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の波長を有するレーザー光をそれぞれ射出する第１の光源及び第２の光源と、
前記第１の光源からのレーザー光を第１平行光束に変換するための第１コリメートレンズと、
前記第２の光源からのレーザー光を第２平行光束に変換するための第２コリメートレンズと、
前記第１平行光束と前記第２平行光束とをそれぞれ偏向させ、前記第１乃至第２平行光束の光軸同士が平行になるように前記第１平行光束と前記第２平行光束とを同一の射出面からそれぞれ射出するための偏向プリズムと、
前記偏向プリズムを射出した前記第１平行光束と前記第２平行光束とを、同一の光ファイバにそれぞれ入射させるための集光レンズと、を備え、
前記偏向プリズムの前記射出面は、前記第１平行光束の入射面と平行であり、
前記偏向プリズムにおける前記第１平行光束の入射角と、前記偏向プリズムにおける前記第１平行光束の射出角とが同じ角度であって、
前記偏向プリズムにおける前記第２平行光束の入射角と、前記偏向プリズムにおける前記第２平行光束の射出角とが同じ角度であることを特徴とする、レーザー光束合成光学系。
【請求項２】
前記偏向プリズムにおいて、前記第１平行光束の入射面を第１入射面、前記第２平行光束の入射面を第２入射面とするとき、前記偏向プリズムを構成する材質の屈折率をｎ１、前記偏向プリズムの外部の媒質の屈折率をｎ２とし、
前記第１入射面と前記第２入射面とは、前記第１平行光束の光軸と前記第２平行光束の光軸とを含む平面に対してそれぞれ垂直に配置され、
前記偏向プリズムの射出面が、前記第１入射面と平行に配置され、かつ、
前記平面内における前記第１入射面と前記第２入射面とのなす角をφとし、前記第１入射面の法線と前記第１平行光束の光軸とのなす角の絶対値、及び前記第２入射面の法線と前記第２平行光束の光軸とのなす角の絶対値が同一であって、該角の絶対値をθとするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする、請求項１に記載のレーザー光束合成光学系。
θ＝ｓｉｎ-1（（ｎ２／ｎ１）・ｃｏｓ（φ／２））
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー加工用に、複数の光源から射出されるレーザー光束を一本の光ファイバに入射させるレーザー光束合成光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光によって、たとえば金属製品の溶接や切断を行う際には、大きなエネルギーを必要とする。このような場合、単独の光源ではなく複数の光源を用い、それぞれの光源から射出されたレーザー光束を合成して一本の光ファイバに入射させ、最終的に加工に使用するレーザー光の強度を増強する手法が用いられる。
【０００３】
このような手法の従来技術として、特開平５−１１７８６号公報、特開平７−８０６７３号公報、特開平１０−３００９７３号公報などに示された技術が挙げられる。
【０００４】
特開平５−１１７８６号公報には、２本のレーザー光束のうち、一方の断面を、円錐ミラーと内面円錐ミラーとを用いてリング状断面に整形し、その中空部分にもう一方のレーザー光束を配して、双方を一つの集光光学系に導く技術が開示されている。
【０００５】
また、特開平７−８０６７３号公報には、複数のレーザー光束を、屋根型ミラーによって偏向し、それぞれを一つの集光レンズ系に導く技術が開示されている。
【０００６】
さらに、特開平１０−３００９７３号公報には、互いに直角な方向から入射される２本のレーザー光束のうち、一方のレーザー光束を反射ミラーによって直角に偏向させ、２本のレーザー光束の進行方向を同一にして、それぞれを一つの集光レンズ系に導く技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平５−１１１７８６に開示された従来技術の場合、一方のレーザー光束の断面をリング状に整形するための円錐ミラーの製作が困難であり、また、構造が非常に複雑となる。
【０００８】
また、特開平７−８０６７３号公報に開示された従来技術の場合、レーザー光束が互いに対向する方向から入射されるため、その光束の一部が屋根型ミラーのエッジからはみ出した場合、その高出力によって、対向して配置されたレーザー光源の破損を招く危険がある。これを避けるために屋根型ミラーに対する入射位置をエッジ部分から離して余裕を持たせると、集光レンズ系に入射する光束が太くなり、集光レンズ系が大型化する。
【０００９】
さらに特開平１０−３００９７３号公報に開示された従来技術の場合、２本のレーザー光束が直交するように光源を配置するため、装置自体が大型化してしまう欠点がある。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、比較的簡素な構成で、光学系の損傷の危険が少なく、比較的小型のレーザー光束合成光学系を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を解決するために本発明は、同一の波長を有するレーザー光をそれぞれ射出する第１の光源及び第２の光源と、  前記第１の光源からのレーザー光を第１平行光束に変換するための第１コリメートレンズと、  前記第２の光源からのレーザー光を第２平行光束に変換するための第２コリメートレンズと、前記第１平行光束と前記第２平行光束とをそれぞれ偏向させ、前記集光レンズに向かって、前記第１乃至第２平行光束の光軸同士が平行になるように前記第１平行光束と前記第２平行光束とを同一の射出面からそれぞれ射出するための偏向プリズムと、前記偏向プリズムを射出した前記第１平行光束と前記第２平行光束とを、同一の光ファイバにそれぞれ入射させるための集光レンズと、を備え、前記偏向プリズムの前記射出面は、前記第１平行光束の入射面と平行であり、前記偏向プリズムにおける前記第１平行光束の入射角と、前記偏向プリズムにおける前記第１平行光束の射出角とが同じ角度であって、前記偏向プリズムにおける前記第２平行光束の入射角と、前記偏向プリズムにおける前記第２平行光束の射出角とが同じ角度であることを特徴とする、レーザー光束合成光学系を構成する。
【００１２】
さらに、前記偏向プリズムにおいて、前記第１平行光束の入射面を第１入射面、前記第２平行光束の入射面を第２入射面とするとき、前記偏向プリズムを構成する材質の屈折率をｎ１、前記偏向プリズムの外部の媒質の屈折率をｎ２とし、前記第１入射面と前記第２入射面とは、前記第１平行光束の光軸と前記第２平行光束の光軸とを含む平面に対してそれぞれ垂直に配置され、
前記偏向プリズムの射出面が、前記第１入射面と平行に配置され、かつ、
前記平面内における前記第１入射面と前記第２入射面とのなす角をφとし、
前記第１入射面の法線と前記第１平行光束の光軸とのなす角の絶対値、及び前記第２入射面の法線と前記第２平行光束の光軸とのなす角の絶対値が同一であって、該角の絶対値をθとするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする、請求項１に記載のレーザー光束合成光学系を構成する。
【００１３】
θ＝ｓｉｎ-1（（ｎ２／ｎ１）・ｃｏｓ（φ／２））
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、本発明の実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例の図である。
【００１５】
第１の光源は、レーザー光源部ＬＳ１と光ファイバＦ１とによって構成される。
その射出端面から発したレーザー光束は、第１コリメートレンズＬＣ１によって、第１平行光束Ｌ１に変換され、偏向プリズムＰの第１入射面Ｓ１に入射する。
【００１６】
また、第２の光源は、レーザー光源部ＬＳ２と光ファイバＦ２とによって構成される。
その射出端面から発したレーザー光束は、第２コリメートレンズＬＣ２によって、第２平行光束Ｌ２に変換され、偏向プリズムＰの第２入射面Ｓ２に入射する。
【００１７】
第１平行光束Ｌ１と第２平行光束Ｌ２とは、同一の波長を有する。
ここで、第１平行光束の断面の中心を通る光線を第１平行光束の光軸ＡＸ１とし、第２平行光束の断面の中心を通る光線を第２平行光束の光軸ＡＸ２とするとき、偏向プリズムＰの第１入射面Ｓ１と第２入射面Ｓ２とは、第１平行光束の光軸ＡＸ１と第２平行光束の光軸ＡＸ２とを含む平面に対して垂直に設けられている。
【００１８】
次に、第１平行光束Ｌ１は第１入射面Ｓ１の屈折作用により偏向され、また、第２平行光束Ｌ２は、第２入射面Ｓ２の屈折作用により偏向され、互いに同一の方向に進行する平行な光束となる。
【００１９】
次に第１平行光束Ｌ１及び第２平行光束Ｌ２は、偏向プリズムＰの射出面Ｓ３の作用により、さらに同一方向に偏向され、集光レンズ系ＬＣ３によって、光ファイバＦ３の入射端面に、光ファイバＦ１の射出端面と光ファイバＦ２の射出端面との像が結像される。そして、光ファイバＦ３によって、レーザー光束は加工ヘッド部（不図示）に導かれる。
【００２０】
このとき光束の合成に、ミラーを使用せず、透過型のプリズムを使用することにより、光ファイバＦ１の射出端面と光ファイバＦ２との射出端面とを近づけて構成することが可能になり、光束の合成にミラーを使用した場合よりも、装置全体の大きさを小型にまとめることができる。
【００２１】
さらに、本実施例のような構成の場合、光束の合成手段に対して、複数の光束が対向して入射する構成では無いため、例えば衝撃等により光束の入射位置がずれた場合でも、片方から入射した光束の一部が対向する光学系に侵入して該光学系を破損してしまう危険を、回避することが可能となる。
【００２２】
そしてここで、第１入射面Ｓ１に対する、Ｓ１の法線を基準とする第１平行光束Ｌ１の入射角の絶対値と、第２入射面Ｓ２に対する、Ｓ２の法線を基準とする第２平行光束Ｌ２の入射角の絶対値とが同一であって、これをθとするとき、偏向プリズムＰの第１入射面Ｓ１と第２入射面Ｓ２とのなす角φとθとが、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
【００２３】
θ＝ｓｉｎ-1（（ｎ２／ｎ１）・ｃｏｓ（φ／２））            （１）
ただし、ｎ１は偏向プリズムＰの外部の屈折率であり、ｎ２は偏向プリズムＰの屈折率である。
【００２４】
この条件式を満足することにより、第１入射面Ｓ１によって偏向された第１平行光束と、第２入射面Ｓ２によって偏向された第２平行光束Ｌ２とを、同一の方向に進行する互いに平行な光束とすることができる。このとき、第１平行光束Ｌ１と第２平行光束Ｌ２とが互いに平行でない場合、集光レンズＬＣ３に入射するそれぞれの平行光束の集光位置が互いにずれてしまうため、それぞれの平行光束を同一の光ファイバに入射させることが困難になる。
【００２５】
そしてさらに、偏向プリズムＰの射出面Ｓ３を、第１入射面Ｓ１と平行に配置することにより、第１平行光束Ｌ１及び第２平行光束Ｌ２を、それぞれの断面形状を変形させることなく射出面Ｓ３より射出することができる。
【００２６】
以下の表１に本発明の実施例の諸元を示す。
〔表１〕
光ファイバＦ１射出端面のコア径：                    ０．１mm
光ファイバＦ１の射出開口数：                        ０．２
光ファイバＦ２射出端面のコア径：                    ０．１mm
光ファイバＦ２の射出開口数：                        ０．２
レーザー光源部ＬＳ１及びＬＳ２の発振波長：        １０６４nm
第１コリメートレンズＬＣ１の焦点距離：                ５０mm
第１コリメートレンズＬＣ２の焦点距離：                ５０mm
偏向プリズムＰの外部の屈折率ｎ１：                  １．０
偏向プリズムＰの屈折率ｎ２：                        １．４５
第１入射面Ｓ１と第２入射面Ｓ２とのなす角φ：        １２０°
第１平行光束Ｌ１の第１入射面Ｓ１に対する入射角の絶対値、及び第２平行光束Ｌ２の第２入射面Ｓ２に対する入射角の絶対値θ：  ４６．４６８８°
集光レンズＬＣ３の焦点距離：                        １００mm
光ファイバＦ３の入射端面のコア径：                  ０．２mm
光ファイバＦ３の入射開口数：                        ０．２
また、第１平行光束Ｌ１及び第２平行光束Ｌ２は、それぞれの光束断面の中心部が最もエネルギーが高く、周辺部になるに従ってエネルギーが低くなるようなエネルギー分布を持つ。
【００２７】
そして、本実施例において、第１平行光束Ｌ１の第１入射面Ｓ１に対する入射位置と、第２平行光束Ｌ２の第２入射面Ｓ２に対する入射位置とを、第１入射面Ｓ１と第２入射面Ｓ２との稜線に近づけて入射させるとする。すると、光束周辺部のエネルギー分布の低い部分は、それぞれが入射するべき入射面の外側にはみ出してしまい、エネルギー総量としては低下するが、光束中心部のエネルギー分布の高い部分を、より集光レンズＬＣ３の光軸近くに入射させることが可能となる。
【００２８】
このようにすれば、偏向プリズムＰに対する第１平行光束と第２平行光束の入射位置を調整し、光束中のエネルギー分布の高い部分の光ファイバＦ３に対する入射開口数を小さくし、より効率良くレーザー光束のエネルギーを導入できるような構成とすることも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、簡素な構成で、光学系の損傷の危険が少なく、従来に比べて比較的小型のレーザー光束合成光学系を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の構成図
【符号の説明】
ＬＳ１、ＬＳ２    レーザー光源部
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３  光ファイバ
ＬＣ１            第１コリメートレンズ
ＬＣ２            第２コリメートレンズ
Ｌ１              第１平行光束
Ｌ２              第２平行光束
ＡＸ１            第１平行光束Ｌ１の光軸
ＡＸ２            第２平行光束Ｌ２の光軸
Ｐ                偏向プリズム
Ｓ１              第１入射面
Ｓ２              第２入射面
Ｓ３              射出面
ＬＣ３            集光レンズ
【図１】
0004296692.tif 000002