(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝送装置の一部を構成する光ファイバの入射端に、レーザ装置から出力されたレーザ光を入射するに際して、
前記光伝送装置は、前記レーザ光を入射する順に、焦点距離ｆ１の第１レンズ、焦点距離ｆ２の第２レンズ及び光ファィバで構成し、
前記レーザ光のビームウェイストから前記第１レンズまでの距離をａ、前記第１レンズから前記第２レンズまでの距離をｆ１＋ｆ２、前記第２レンズから前記光ファイバ入射端面までの距離をｂとするとともに、
ｂは
【数１】
0004987199.tif 000006
であり、かつ、ｆ１≠ｆ２、ａ≠ｆ１、ｂ≠ｆ２、（ａ＋ｂ）＜（ｆ１＋ｆ２）の条件を溝たすように構成され、
前記レーザ装置から出力されたレーザ光のビームウェイスト位置に配置される部分反射ミラー上または前記部分反射ミラーの内側もしくは外側にレーザ光のビームサイズを制限するためのアパーチャを配置するとともに、前記第２レンズの直前に光ファイバへの入射開口数を制限するためのアパーチャを配置することを特徴とする光伝送装置。
【請求項２】
前記レーザ装置から出力されたレーザ光が前記光ファイバの入射端に入射するまでの光学系中にｌ枚もしくは複数枚の折り返しミラーを配置し、かつ、前記折り返しミラーの外側には前記光ファイバ端面を観察するためのカメラ用レンズとカメラモニタを設けたことを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
【請求項３】
固体レーザ発振器とこの固体レーザ発振器の出力側に光伝送装置が配置されたレーザ光発生・伝送装置において、
前記光伝送装置には請求項１又は請求項２に記載の光伝送装置を用いていることを特徴とするレーザ光発生・伝送装置。
【請求項４】
固定レーザ発振器に接続された光伝送装置により構成されたレーザ光発生・伝送装置を介してレーザ光を加工ヘッドへ伝送して被加工体を加工するレーザ加工装置において、
前記レーザ光発生・伝送装置として請求項３に記載したレーザ光発生・伝送装置を用い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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、収束性の良好なレーザ光を伝送するための光伝送装置、この光伝送装置を備えたレーザ光発生・伝送装置、およびこのレーザ光発生・伝送装置を備えたレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工装置では、図６に示すように、レーザ装置７０から出射したレーザ光を、出射光学系（光伝送装置）７１を形成する集光レンズ７２と光ファイバ７３により被加工物の近傍まで導き、光ファイバ７３の出射端７５に取り付けた加工ヘッド７６を通して被加工物７７に照射し、被加工物に加工を施すタイプの形式がよく用いられている。この場合、レーザ装置７０からのレーザ光を光ファイバ７３へ出射する光学系としては、１枚もしくは複数枚のレンズを組合せた一群の集光レンズによる方式が一般的である。それらは例えば、特開平８−ｌ６７７５４号公報および特開平７−３０７５ｌ３号公報に開示されている。この方法は、固体レーザ装置から出射されたレーザ光を、１枚もしくは１郡の集光レンズで集光し、光ファイバに導く方法である。
【０００３】
また、特開２００１−９４ｌ７７号公報には、図７に模式図を示すように、ｌ枚もしくは一群の集光レンズの代わりに、固体レーザ装置７０の出射位置から第１レンズ８１までの距離がｆｌ、第ｌレンズ８１から第２レンズ８２までの距離がｆ１＋ｆ２、第２レンズ８２から光ファイバ入射端８３までの距離がｆ２となるような光ファイバへの入射光学系を設け、レーザ光のビームウェイスト径を光ファイバ端面上にｆ２／ｆ１（Ｄ２／Ｄ１）倍に縮小結像して入射するようにした技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特開平８−ｌ６７７５４や特開平７−３０７５ｌ３号に開示された方法では、レーザ光のビーム広がり角が変化した場合、最小スポットとなる位置がずれてしまう。そのために、光ファイバのコア径はずれ分を見込んで余裕を持って大きめに形成しなければならない。そのため、レーザ光のビーム品質を最大限に活用することが出来ない。
【０００５】
また、特開２００ｌ−９４ｌ７７号公報に開示されたテレセントリック光学系では、レーザ光のビーム品質が保存され、レーザ光のビーム品質を最大限に活用することが出来る。しかし、レーザ光のビーム品質を最大限に活用し、細径の光ファイバに導入するためには、光ファイバに許容される開口数に近い値で、光ファイバに入射する必要がある。しかしながら、一般にレーザ光はガウシアンビームであるため、空間的に裾野を引くようなビーム形状を形成している。光ファイバにダメージを与えずに光ファイバ伝送するためには、光ファイバのコア径に対して余裕を持って小さなビームで光ファイバに入射する必要が生じ、ビーム品質を最大限に活用しているとは言えない。
【０００６】
また、一般的にロッド型の固体レーザ装置の出射ビーム径は、レーザ出力が増加するに従って、小さくなり、反対に出射ビーム広がり角は大きくなる傾向にある。このことは、特開２００ｌ−９４ｌ７７号公報に開示された方法によって入射光字系を設計した場合、レーザ出力が低い領域で、安全に光ファイバに入射できるようにするため、出射ビーム径が小さくなる高出力領域では、光ファイバのコア径よりも小さな集光径となり、レーザ光のビーム品質を十分に活用することが出来ない。
【０００７】
また、固体レーザ装置７０の出射位置から第１レンズ８１までの距離をｆｌ、第２レンズ８２から光ファイバの入射端８３までの距離をｆ２と規定するため、集光光学系が長くなり、設計の自由度が制約を受ける等の欠点がある。
【０００８】
本発明はこれらの事情に基づいてなされたもので、レーザ光のビーム品質を最大限に保存したままでの光ファイバによる伝送が可能な、光伝送装置と、それを用いたレーザ光発生・伝送装置及びレーザ加工装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明による手段によれば、光伝送装置の一部を構成する光ファイバの入射端に、レーザ装置から出力されたレーザ光を入射するに際して、
前記光伝送装置は、前記レーザ光を入射する順に、焦点距離ｆ１の第１レンズ、焦点距離ｆ２の第２レンズ及び光ファィバで構成し、
前記レーザ光のビームウェイストから前記第１レンズまでの距離をａ、前記第１レンズから前記第２レンズまでの距離をｆ１＋ｆ２、前記第２レンズから前記光ファイバ入射端面までの距離をｂとするとともに、
ｂは
【数２】
0004987199.tif 000002
であり、かつ、ｆ１≠ｆ２、ａ≠ｆ１、ｂ≠ｆ２、（ａ＋ｂ）＜（ｆ１＋ｆ２）の条件を溝たすように構成され、
前記レーザ装置から出力されたレーザ光のビームウェイスト位置に配置される部分反射ミラー上または前記部分反射ミラーの内側もしくは外側にレーザ光のビームサイズを制限するためのアパーチャを配置するとともに、前記第２レンズの直前に光ファイバへの入射開口数を制限するためのアパーチャを配置することを特徴とする光伝送装置である。
【００１２】
また請求項２の発明による手段によれば、前記レーザ装置から出力されたレーザ光が前記光ファイバの入射端に入射するまでの光学系中にｌ枚もしくは複数枚の折り返しミラーを配置し、かつ、前記折り返しミラーの外側には前記光ファイバ端面を観察するためのカメラ用レンズとカメラモニタを設けたことを特徴とする光伝送装置である。
【００１３】
また請求項３の発明による手段によれば、固体レーザ発振器とこの固体レーザ発振器の出力側に光伝送装置が配置されたレーザ光発生・伝送装置において、
前記光伝送装置には上記の光伝送装置を用いていることを特徴とするレーザ光発生・伝送装置である。
【００１４】
また請求項４の発明による手段によれば、固定レーザ発振器に接続された光伝送装置により構成されたレーザ光発生・伝送装置を介してレーザ光を加工ヘッドへ伝送して被加工体を加工するレーザ加工装置において、
前記レーザ光発生・伝送装置として上記のレーザ光発生・伝送装置を用いていることを特徴とするレーザ加工装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、固体レーザ装置に接続した本発明の光伝送装置とそれを組み込んだレーザ光発生・伝送装置、および、このレーザ光発生・伝送装置を用いたレーザ加工装置の模式図である。
【００１７】
固体レーザ装置１０は、直列に配置された２本のレーザロッドｌ１、１１を挟んで光軸上に光共振器を形成して対向している全反射ミラーｌ３と部分反射ミラーｌ２、部分反射ミラー１２とレーザロッド１１、１１の間に設けられたアパーチャｌ４によって構成されている。
【００１８】
図２は、この固体レーザ装置１０をさらに詳細に示した構成とそのビームモードを示した説明図である。
【００１９】
固体レーザ装置１０のレーザ共振器の内部でのビームモード１５は、光軸を中心とした軸対象の曲線として形成されている。レーザロッド１１、１１の内部でレーザロッド１１、１１の径近傍まで広がり、それ以外の領域では広がりが押えられて光軸側に湾曲している。また、部分反射ミラーｌ２が平面ミラーの場合は、部分反射ミラー１２上にビームモード１５の径が最小となるビームウェイストｌ６が形成される。部分反射ミラーｌ２が平面ミラーでない場合は、ビームウェイストｌ６は、部分反射ミラーｌ２の内側もしくは外側に形成される。アパーチャｌ４は、概ねビームウェイスト１６の位置に所定の孔径を有して設置されている。
【００２０】
なお、固体レーザ装置１０には上述の構成のほかに、図３に構成図を示したように、レーザ発振器２１からの出力を折り返しミラー２２、２３で折り返して増幅器２４へ入射する構成にした固体レーザ装置１０ａを用いることもできる。なお、この場合は、アパーチャ１４は増幅器２４の出力側に配置する。
【００２１】
また、図１に示すように、光伝送装置３０は、固体レーザ装置１０の部分反射ミラーｌ２の光軸上の前方に配置され、順次、光の進行方向に、焦点距離ｆ１の第１レンズ３１、アパーチャ３２、焦点距離ｆ２の第２レンズ３３および光ファイバ３４を配置している。なお、アパーチャ３２は、固体レーザ装置１０のアパーチャ１４と共にレーザ光の径を制御して、レーザ光が光ファイバ３４の入射端３５で、コア部以外に入射するレーザ光を制御して、光ファイバ３４の入射端３５の破壊を防止している。
【００２２】
図４（ａ）は、光伝送装置の配置図で、それに対応した光学的補助線とそれに対応した符号を記入した光学的説明図を図４（ｂ）に示している。図４（ａ）の光伝送装置の配置図では、アパーチャ１４の位置にビームウェイスト径Ｘが形成され、この位置から光軸上でレーザ光の進行のａの位置に焦点距離ｆ１の第１レンズ３１が配置され、この第１レンズ３１の前方（レーザ光の進行方向）ｆ１＋ｆ２の距離には、焦点距離ｆ２の第２レンズ３３が配置されている。また、第２レンズ３３の光軸上の前方ｂの距離には光ファイバ３４の入射端３５が配置されている。
【００２３】
また、図４（ｂ）に示した光学的な説明図によれば、
Ｘ´＝（ａ´−ｆ１−ｆ２）ｔａｎθ＝（ａ´−ｆ２）ｔａｎψ
ｔａｎθ＝Ｘ／ａ    ，ｔａｎψ＝Ｘ／ｆ１であるから
ａ´＝（ｆ１２＋ｆ１ｆ２−ａｆ２）／（ｆ１−ａ）となる。
【００２４】
また、１／ａ´＋１／ｂ＝１／ｆ２  であるから
ａとｂの関係は、
【数３】
0004987199.tif 000003
としている。
【００２５】
この関係により、固体レーザ装置１０のアパーチャ１４の位置でのレーザ光のビームウェイスト１６の径を光ファイバ３４の入射端３５にｆ２／ｆ１倍に縮小結像して入射することができる。
【００２６】
なお、従来の技術の項で説明した、特開２００ｌ−９４ｌ７７号公報に開示されている技術は、上記の式でａ＝ｆ１（また、ｂ＝ｆ２）となる特殊なケースの場合である。通常、光ファイバ３４のコア径は、固体レーザ装置１０のビームウェイスト１６の径に比較して、１／ｌ０〜ｌ／２０倍程度の小さい断面積であるため、光ファイバ３４の入射端３５への結像倍率もその程度としなければならない。そのため第１レンズ３１の焦点距離は比較的大きな長さとなる。もし、ａ＝ｆ１とした場合は、固体レーザ装置１０から光ファイバ３４の入射端３５までの距離が長くなり、装置が大型化するという欠点がある。
【００２７】
これに対して、上述の実施の形態によれば、光伝送装置３０をレーザ光の進行方向にしたがって、焦点距離ｆｌの第１レンズ３１、焦点距離ｆ２の第２レンズ３３および光ファイバ３４により構成し、固体レーザ装置１０から出力したレーザ光のビームウェイスト１６から第１レンズ３１までの距離をａ、第ｌレンズから第２レンズ３３までの距離をｆｌ＋ｆ２、第２レンズ３３から光ファイバ３４の入射端３５までの距離をｂとなるようなレーザ光発生・伝送装置で、ａとｂの関係を、
【数４】
0004987199.tif 000004
ただし、ｆｌ≠ｆ２、ａ≠ｆｌ、ｂ≠ｆ２、（ａ＋ｂ）＜（ｆｌ＋ｆ２）
として、ａ、ｂ、ｆｌ、ｆ２の値を任意に設定することにより、
レーザ光のビームウェイスト１６の径を光ファイバ３４の入射端３５上にｆ２／ｆｌ倍に縮小結像して入射することが可能となる。
【００２８】
なお、ｂの値については、上記の式の右辺に０．９〜１．１の値を乗じた範囲内でも同様な作用が得られることを実験的に確認している。したがって、ｂの値は、
【数５】
0004987199.tif 000005
でも可能である。
【００２９】
また、図１に示したように、光ファイバ３４の出射端３６の光軸上の前方には加工ヘッドを構成する加工レンズ３７が配置されており、光ファイバ３４で伝送されてきたレーザ光を被加工体３８の表面に集光して照射し、被加工体３８に対して所定の処理を施す。したがって、固体レーザ装置１０から出射したレーザ光のビーム品質を最大限に生かすことが可能となり、従来の方式に比べてより精密な加工、例えば、溶接、マーキング、切断およびスクライビング等を行うことが可能となる。
【００３０】
次に、図５を参照して光伝送装置３０の変形例について説明する。この場合は、固体レーザ装置１０の光軸上の前方に設けられた第１レンズ３１の前方に２枚の折り返しミラー４１、４２を配置して反射光を第２レンズ３３に入射させ、集光した光を光ファイバ３４の入射端３５に入射している。また、折り返しミラー４２はハーフミラーを用いて、光ファイバ３４の入射端３５から直線位置に光ファイバ端面モニタ４３とモニタ用レンズ４４を配置し、モニタ用レンズ４４と第２レンズ３３で光ファイバ３４の入射端３５の端面観察用の結像光学系を形成している。したがって、例えば、光ファイバ端面モニタ４３としてＣＣＤカメラを用いることにより、光ファイバ３４の入射端３５での端面の状況をモニタすることができる。
【００３１】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、ビームウェイストと第１レンズとの距離を任意に設定できるので、装置の光学設計上の自由度を大幅に向上させることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ光のビーム品質を最大限に保存したまま光ファイバによる伝送が可能となり、それにより分解能の高い精密加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ加工装置の模式図。
【図２】固体レーザ装置の構成図。
【図３】固体レーザ装置の変形例の構成図。
【図４】（ａ）は、光伝送装置の配置図、（ｂ）は、それの光学的説明図。
【図５】光伝送装置の変形例の構成図。
【図６】従来のレーザ加工装置の構成図。
【図７】従来の光ファイバへの入射光学系の模式図。
【符号の説明】
１０、１０ａ…固体レーザ装置、１４…アパーチャ、１５…ビームモード、１６…ビームウエィスト、３０…光伝送装置、３１…第１レンズ、３２…アパーチャ、３３…第２レンズ、３４…光ファイバ、３５…入射端、３７…加工ヘッド、３８…被加工体
【図１】
0004987199.tif 000007
【図２】
0004987199.tif 000008
【図３】
0004987199.tif 000009
【図４】
0004987199.tif 000010
【図５】
0004987199.tif 000011
【図６】
0004987199.tif 000012
【図７】
0004987199.tif 000013