ファラデー回転子、光アイソレータおよびレーザ加工装置
【課題】レーザ光の出力の増大または環境温度の変化が生じてもファラデー回転子の温度上昇による偏光回転角の変動を防止することができるファラデー回転子、光アイソレータおよびレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置１の光アイソレータ１１のファラデー回転子３は、ファラデー効果を生じる結晶柱体６、封入用筒体７、冷却用筒体８、磁石９を有する。封入用筒体７は結晶柱体を内包する。冷却用筒体８は、結晶柱体７の両端において、結晶柱体６と封入用筒体７との間に挟まれる。冷却用筒体８には冷却液１５が流れる流路１３があり、冷却液１５が結晶柱体６と封入用筒体７との間の空隙ＬＳおよび流路１３を循環して結晶柱体６を冷却する。
【解決手段】レーザ加工装置１の光アイソレータ１１のファラデー回転子３は、ファラデー効果を生じる結晶柱体６、封入用筒体７、冷却用筒体８、磁石９を有する。封入用筒体７は結晶柱体を内包する。冷却用筒体８は、結晶柱体７の両端において、結晶柱体６と封入用筒体７との間に挟まれる。冷却用筒体８には冷却液１５が流れる流路１３があり、冷却液１５が結晶柱体６と封入用筒体７との間の空隙ＬＳおよび流路１３を循環して結晶柱体６を冷却する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファラデー回転子、光アイソレータおよびレーザ加工装置に係り、特に、偏光無依存型光アイソレータを用いる際に好適に利用できるファラデー回転子、そのファラデー回転子を用いた光アイソレータ、およびその光アイソレータを備えたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ加工装置は、図６に示すように、反射による戻り光を遮って光源の安定化や破壊防止を図るための光アイソレータ１１１を備えている。この光アイソレータ１１１は、レーザ光ＦＢの進行方向において、第１の偏光子１０２、ファラデー回転子１０３、波長板１０４、第２の偏光子１０５の順に備えている。
【０００３】
ここで、従来のファラデー回転子１０３は、図示はしないが、ファラデー効果を生じる素子および磁石からなる。ファラデー効果を生じる素子としては、ファラデー効果を生じる結晶、例えばＴｉＯ２（ルチル）、ＣａＣＯ３（カルサイト）、α−ＢＢＯ、ＹＶＯ４等が用いられている。磁石は、その磁力線がレーザ光ＦＢの光路と平行に生じるように、配設されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３４９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図７に示すように、１００Ｗ以上の高出力レーザ光ＦＢをファラデー回転子１０３に通過させると、ファラデー回転子１０３の温度が上昇し、偏光回転角が変動するという問題があった。偏光回転角が変動すると、光アイソレータ１１１の透過率および消光比が不安定になる。特に、５００Ｗ以上の高出力レーザ光ＦＢをファラデー回転子１０３に通過させる場合にはこの問題が深刻になる。
【０００６】
また、ファラデー回転子１０３、光アイソレータ１１１およびレーザ加工装置が用いられる環境温度は、通常０〜５０℃であり、その環境温度の変化によってもファラデー回転子１０３の温度が変動する。そのため、低出力レーザ光ＦＢをファラデー回転子１０３に通過させる場合であっても偏光回転角が変動して光アイソレータ１１１の透過率および消光比が不安定になるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、レーザ光の出力の増大または環境温度の変化が生じても、ファラデー回転子の温度変化を抑制し、偏光回転角の変動を防止することができるファラデー回転子、光アイソレータおよびレーザ加工装置を提供することを本発明の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した目的を達成するため、本発明のファラデー回転子は、その第１の態様として、偏光を回転させる結晶を用いて柱状に形成されている結晶柱体と、循環する冷媒を用いて前記結晶柱体の側面を冷却する冷却部とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
第１の態様のファラデー回転子によれば、結晶柱体の側面が冷却部によって冷却されるので、結晶柱体の温度が必要以上に上昇することを防止できる。その結果、ファラデー回転子の偏光回転角を一定に保持することができる。
【００１０】
第２の態様のファラデー回転子は、偏光を回転させる結晶を用いて柱状に形成されている結晶柱体と、前記結晶柱体の側面を囲繞する封入用筒体と、前記結晶柱体の外周面の両端が内接し、かつ、前記封入用筒体の内周面の両端が外接する大きさおよび位置にそれぞれ配設される２個の冷却用筒体と、前記冷却用筒体の内部に形成される流路と、前記結晶柱体、前記封入用筒体および前記２個の冷却用筒体の間に形成される空隙および前記流路を循環する冷媒と、前記封入用筒体の外周に配設される磁石とを備えることを特徴としている。
【００１１】
第２の態様のファラデー回転子によれば、冷却用筒体の流路から前述の空隙に供給された冷却液が結晶柱体の側面を直接冷却するので、結晶柱体の温度が上昇することを防止できる。また、冷却液が結晶柱体、封入用筒体および２個の冷却用筒体の間に形成される空隙および流路を循環するので、冷却効果を維持でき、結晶柱体の温度を一定に保持できる。
【００１２】
第３の態様のファラデー回転子は、第２の態様のファラデー回転子において、個々の前記冷却用筒体は前記結晶柱体に内接する側と反対側の端部にフランジを有しており、前記個々の冷却用筒体のフランジの周縁に沿って全体を覆うように筒状の封止用ケースが配設されており、前記磁石は、前記２個の冷却用筒体の前記フランジと前記封入用筒体と前記封止用ケースとによって挟まれる位置に配設されていることを特徴としている。
【００１３】
第３の態様のファラデー回転子によれば、冷却用筒体のフランジおよび封止用ケースを利用して封入用筒体の外周面に磁石を固定することができる。また、封止用ケースの取付により防塵効果が期待できるので、産業用レーザが用いられるような悪環境化においても所望の性能を発揮させることができる。
【００１４】
第４の態様のファラデー回転子は、第２または第３の態様のファラデー回転子において、冷却用筒体が結晶柱体との接触部および封入用筒体との接触部にシール部材を有していることを特徴としている。
【００１５】
第４の態様のファラデー回転子によれば、冷却用筒体と結晶柱体の間、または冷却用筒体と封入用筒体との間から冷却液が流路の外側に漏出することを防止できる。また、シール部材の厚さを適宜変更することにより、冷却用筒体の寸法許容差を大きく設定して冷却用筒体の形成を容易にすることができる。
【００１６】
第５の態様のファラデー回転子は、第２から第４のいずれか１の態様のファラデー回転子において、封入用筒体および冷却用筒体が磁性を有しない材料を用いて形成されていることを特徴としている。
【００１７】
第５の態様のファラデー回転子によれば、封入用筒体および冷却用筒体によって磁石への悪影響が生じてしまうことを防止することができる。
【００１８】
第６の態様のファラデー回転子は、第２から第５のいずれか１の態様のファラデー回転子において、結晶柱体は、偏光を４５度回転させるものであり、結晶柱体から出射する光の光路上であって冷却用筒体に接触する位置には、λ／２波長板が配設されていることを特徴としている。
【００１９】
第６の態様のファラデー回転子によれば、結晶柱体だけでなくλ／２波長板もあわせて冷却しているので、結晶柱体の温度だけでなくλ／２波長板の温度が上昇することも防止できる。
【００２０】
また、前述した目的を達成するため、本発明の光アイソレータは、その第１の態様として、第１から第６のいずれか１の態様のファラデー回転子と、ファラデー回転子に入射する光の光路上およびファラデー回転子から出射する光の光路上にそれぞれ配設される２個の偏光子とを備えていることを特徴としている。
【００２１】
第１の態様の光アイソレータによれば、ファラデー回転子の温度が必要以上に上昇することを防止してその温度を一定に保持することができるので、結晶柱体において安定した透過率や消光比を得ることができる。従って、このファラデー回転子を用いた光アイソレータは、安定したアイソレーション機能（例えば、透過率や消光比）を得ることができる。
【００２２】
また、前述した目的を達成するため、本発明のレーザ加工装置は、その第１の態様として、第１の態様の光アイソレータを備えていることを特徴としている。
【００２３】
第１の態様のレーザ加工装置によれば、光アイソレータの温度が必要以上に上昇することを防止してその温度を一定に保持することができるので、光アイソレータのアイソレーション機能（例えば、透過率や消光比）を安定させることができる。従って、この光アイソレータを用いた第１の態様のレーザ加工装置においても安定したレーザ出力を得ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のファラデー回転子、光アイソレータおよびレーザ加工装置によれば、ファラデー回転子の温度上昇を防止してその温度を一定に保持するので、レーザ光の出力の増大または環境温度の変化が生じても、ファラデー回転子の温度変化を抑制し、偏光回転角の変動を防止することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明のファラデー回転子、光アイソレータおよびレーザ加工装置をその一実施形態により説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態のレーザ加工装置１を示している。本実施形態のレーザ加工装置１は、レーザ光の進行方向において、レーザ発振部２１、光アイソレータ１１、入射ユニット１４、伝送用光ファイバ１６、出射ユニット１８、加工テーブル２０の順にそれらを備えている。
【００２７】
レーザ発振部２１は、ファイバレーザ発振器１０およびレーザ電源部１２を有する。このファイバレーザ発振器１０は、電気光学励起部２４に配設されたＬＤ（レーザダイオード）３０および共振器２３を備える。共振器２３は、主として、一対の共振ミラー２６、２８とそれらの間に配設された一対の光学レンズ３２、３４および発振ファイバ２２などからなる。発振ファイバ２２は、図示しないコアおよびクラッドからなり、コアを活性媒体とし、クラッドを励起用レーザ光ＭＢの伝播光路としている。また、共振器２３の下流側には、折り返しミラー３６、レーザ吸収体３８、ビームスプリッタ４０、集光レンズ４４、ＰＤ（フォトダイオード）４２を有する。共振ミラー２６、２８および折り返しミラー３６は部分反射ミラーである。
【００２８】
ビームスプリッタ４０は、ファイバレーザ光ＦＢの一部（たとえば１％）を所定の方向に反射させるミラーである。ＰＤ４２は、ビームスプリッタ４０による反射光の光路上に配設されている。集光レンズ４４は、ビームスプリッタ４０による反射光の光路上であってビームスプリッタ４０とＰＤ４２との間に配置されている。
【００２９】
図２は、本実施形態の光アイソレータ１１を示している。本実施形態の光アイソレータ１１は、図１に示すように、レーザ発振部２１側から順方向に進行するファイバレーザ光ＦＢを通過させるとともに、被加工物６０側から反射した戻り光ＲＢを除去する偏光無依存型光アイソレータ１１である。この光アイソレータ１１は、図２の左側から順に示すように、ファイバレーザ光ＦＢの光路上に、第１の偏光子２、ファラデー回転子３、λ／２波長板４、第２の偏光子５を備えている。
【００３０】
第１の偏光子２は、図２に示すように、ファイバレーザ光ＦＢをＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓに分割する光学素子である。Ｐ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓとは、それらの偏光面が互いに直交し、かつ、平行に伝播する２つの偏光成分である。第１の偏光子２としては、偏光ビームスプリッタ２ａおよび全反射ミラー２ｂが用いられている。
【００３１】
図３は、ファラデー回転子３の断面図を示している。また、図４は、図３のＡ−Ａ矢視断面図である。ファラデー回転子３は、図３および図４に示すように、その中央部に位置する結晶柱体６、結晶柱体６を内包する封入用筒体７、２個の冷却用筒体８、複数の磁石９を有している。
【００３２】
結晶柱体６は、所定の角度だけ偏光を回転させる結晶を用いて円柱状に形成されている。本実施形態においては偏光回転角を４５度に設定している。この結晶柱体６の結晶としては、偏光を透過させてファラデー効果を生じる結晶が選択される。具体的な結晶としては、ＴＧＧ（テリビウム・ガリウム・ガーネット）などのガーネットが選択される。
【００３３】
封入用筒体７は、結晶柱体６の直径よりも大きな内径を有する筒状に形成されており、結晶柱体６の側面を囲繞する位置に配設されている。この封入用筒体７は、磁性を有しない材料を用いて形成されていることが好ましい。具体的な材料としては、ガラスのなかでも磁性を有しないものが選択されている。
【００３４】
２個の冷却用筒体８は、結晶柱体６の両端に配置されている。これら２個の冷却用筒体８は、図３および図４に示すように、筒状の基部８ａ、フランジ８ｂおよび端板８ｃからそれぞれなる。基部８ａは、図３に示すように、結晶柱体６の直径と同等の内径、および、封入用筒体７の内径と同等の外径を有しており、フランジ８ｂと反対側の端部に結晶柱体６の外周面の両端が内接し、かつ、封入用筒体７の内周面の両端が外接する位置にそれぞれ配設されている。また、フランジ８ｂは、図３に示すように、基部８ａの外端から外側に広がる円形鍔状に形成されている。端板８ｃは、フランジ８ｂの外端面を覆うものである。基部８ａ、フランジ８ｂおよび端板８ｃからなる冷却用筒体８は、磁性を有しない材料を用いて形成されていることが好ましい。具体的な材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼が選択されている。
【００３５】
また、冷却用筒体８の基部８ａにおいては、結晶柱体６との接触部および封入用筒体７との接触部にシール部材としてのゴムパッキン１７を有している。このゴムパッキン１７として、本実施形態ではＯリングが用いられている。このＯリングは筒体８の内周面及び外周面にそれぞれ設けられている。このＯリング１７により、結晶柱体６と冷却用筒体８の接触部及び封入用筒体７と冷却用筒体８との接触部をそれぞれ気密にシールすることができる。
【００３６】
冷却用筒体８の内部には、図３および図４に示すように、フランジ８ｂの外端面から基部８ａの内端面の間に亘って、軸方向に円形の流路１３が周方向に等分配置するように多数形成されている。ここで、フランジ８ｂの外端面には全部の軸方向の流路１３を通過させる環状流路１３ａが形成されている。端板８ｃは、環状流路１３ａの外側を覆うとともに、径方向において対称する２箇所に円形の入出用流路１３ｂがそれぞれ開設されている。これらの流路１３、１３ａ、１３ｂには、図示しないポンプによって冷媒としての冷却液１５が強制的に循環している。結晶柱体６の外周面と封入用筒体７の内周面との間であって２個の冷却用筒体８の内端面に挟まれている環状空隙ＬＳは流路１３に直結しているため、この環状空隙ＬＳにも冷却液１５が流入出している。冷却液１５としては、１０℃〜２０℃に設定された冷却水が用いられている。
【００３７】
複数の磁石９は、図３および図４に示すように、断面が略台形に形成された柱状のもの２個を直列に配置して一体にし、それら２個の磁石９の磁力線の向きを結晶柱体６の軸方向と平行にしながら封入用筒体７の外周面を囲繞するように配設されている。２個の冷却用筒体８がそれぞれフランジ８ｂを有しているため、これら複数の磁石９は、図３に示すように、２個のフランジ８ｂと封入用筒体７とによって挟まれる位置に配設されている。
【００３８】
封止用ケース３ａは、フランジ８ｂの外側の直径と同等の内径を有する筒状に形成されており、２個の冷却用筒体８のフランジ８ｂの周縁に沿って全体を覆うようにフランジ８ｂに固着されている。封止用ケース３ａの材質としては、プラスチックが選択されている。
【００３９】
図２に示すように、λ／２波長板４は、結晶柱体６から出射する偏光回転したＰ偏光成分Ｐ’およびＳ偏光成分Ｓ’の光路上に配設されている。λ／２波長板は、図２に示すように、ファラデー回転子３の出光側の冷却用筒体８と別個に配設されていたり、図３に示すように、一体に固着されていたりしてもよい。λ／２波長板４の固着手段としては、図３に鎖線で示すように、冷却用筒体８の端板８ｃとその外側に配置された環状の固定用外板４ａとによってλ／２波長板４を挟持するとよい。冷却用筒体８の端板８ｃにはフランジ８ｂに設けられた環状流路１３ａをλ／２波長板４に通過させるための環状流路１３ｃを開設するとよい。また、固定用外端４ａは、例えば、冷却用筒体８の端板８ｃまたは封止用ケース３ａに螺着させ、入出用流路１３ｂに連通する２個の透孔１３ｄを開設するとよい。冷却液１５の漏洩防止として、必要箇所にゴムパッキンなどの図示しない封止部材を設けるとよい。なお、λ／２波長板４としては、水晶波長板を用いるとよい。
【００４０】
第２の偏光子５は、図２に示すように、λ／２波長板４を通過して得たＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓを合成する光学素子である。第２の偏光子５としては、第１の偏光子２と同様、偏光ビームスプリッタ５ａおよび全反射ミラー５ｂが用いられている。
【００４１】
図１に示すように、入射ユニット１４は、ベントミラー４６および集光レンズ５０を有している。伝送用光ファイバ１６としては、ＳＩ（ステップ・インデックス）形ファイバが選択されている。出射ユニット１８は、図１に示すように、コリメートレンズ５６および集光レンズ５８を備えた光学素子５４を有している。
【００４２】
次に、本実施形態のファラデー回転子３、光アイソレータ１１およびレーザ加工装置１の作用を説明する。
【００４３】
図１に示すように、レーザ発振部２１のレーザ電源部１２からファイバレーザ発振器１０のＬＤ３０に励起電流が供給されると、ＬＤ３０はポンピング用の励起用レーザ光ＭＢを発振する。ＬＤ３０から励起用レーザ光ＭＢが照射されると、共振ミラー２６は、ＬＤ３０側から入射した励起用レーザ光ＭＢを透過させるとともに、発振ファイバ２２側から入射した発振光線を全反射する。光学レンズ３２は励起用レーザ光ＭＢを発振ファイバ２２の一端面に集光入射させる。また、光学レンズ３２、３４は、発振ファイバ２２の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートする。
【００４４】
発振ファイバ２２の一端面に入射した励起用レーザ光ＭＢは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ２２の内部を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることによってコアのイオンを光励起する。これにより、コアの両端面から軸方向に所定の波長の発振光線が放出される。この発振光線が共振ミラー２６、２８の間を何度も行き来することによって共振増幅され、共振ミラー２８を透過したときに所定の波長のファイバレーザ光ＦＢが得られる。
【００４５】
共振ミラー２８より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、この折り返しミラー３６をまっすぐ透過し、ビームスプリッタ４０を通ってから光アイソレータ１１に入射する。一方、所定の波長のファイバレーザ光ＦＢを得る前に励起用レーザ光ＭＢが光学レンズ３４および共振ミラー２８を透過した場合、折り返しミラー３６によってレーザ吸収体３８の方向に折り返される。
【００４６】
ビームスプリッタ４０は、入射したファイバレーザ光ＦＢの一部、たとえば１％、をフォトダイオード（ＰＤ）４２側に反射する。集光レンズ４４は反射されたファイバレーザ光ＦＢを集光し、フォトダイオード（ＰＤ）４２は反射したファイバレーザ光ＦＢを光電変換してレーザ出力の電気信号を出力する。この電気信号はレーザ電源部１２に送られる。
【００４７】
以上より、励起用レーザ光ＭＢが発振ファイバ２２の内部において何度もコアを横切って励起エネルギーを使い果たすので、高い発振効率でファイバレーザ光ＦＢを生成することができる。これにより、５００Ｗ以上の高出力のファイバレーザ光ＦＢによる加工効率の向上が期待できる。また、ＰＤ４２によってファイバレーザ光ＦＢの出力を正確に把握しているので、光アイソレータ１１の温度上昇を予測しやすくなる。
【００４８】
図１に示すように、光アイソレータ１１にファイバレーザ光ＦＢが入射すると、図２に示すように、第１の偏光子２がファイバレーザ光ＦＢをＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓの２つに分割する。第１の偏光子２によって生じたＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓがファラデー回転子３の結晶柱体６を通過すると、それぞれの偏光面は４５度回転する。結晶柱体６からみて光路の後側にあるλ／２波長板４は光軸方向Ｎを基準にして通過した偏光成分を軸対称に回転させる。このため、ともに偏光面が４５度回転したＰ偏光成分Ｐ’およびＳ偏光成分Ｓ’がλ／２波長板４を通過すると、偏光回転したＰ偏光成分Ｐ’がＳ偏光成分Ｓに、また、偏光回転したＳ偏光成分Ｓ’がＰ偏光成分Ｐに、それぞれ変換される。そして、相互に変換されたＳ偏光成分ＳおよびＰ偏光成分Ｐは、第２の偏光子５によって同一の光路上においてファイバレーザ光ＦＢに復元される。
【００４９】
一方、図５に示すように、ファイバレーザ光ＦＢが反射して生じた戻り光ＲＢが第２の偏光子５に入射した場合、第２の偏光子５は戻り光ＲＢをＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓに分割する。λ／２波長板４は、光軸方向Ｎを基準にして戻り光ＲＢのＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓを軸対称に回転させる。しかし、ファラデー回転子３は、λ／２波長板４の透過により回転した戻り光ＲＢのＰ偏光成分Ｐ’およびＳ偏光成分Ｓ’を入射時と同様の方向に４５度回転させるので、λ／２波長板４により回転したＰ偏光成分Ｐ’およびＳ偏光成分Ｓ’はＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓに戻される。つまり、ファラデー回転子３によって、Ｐ偏光成分ＰがＳ偏光成分Ｓに、またＳ偏光成分ＳがＰ偏光成分Ｐに、変換されることはない。そのため、第１の偏光子２は、元に戻されたＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓをレーザ発振部２１側に出射するのでなく、その直交方向に戻り光ＲＢを出射してファイバレーザ光ＦＢの光路上から除去する。
【００５０】
ここで、本実施形態のファラデー回転子３は、高出力のファイバレーザ光ＦＢの使用または環境温度が変化する状況においての使用を想定している。そのため、本実施形態のファラデー回転子３においては、図３および図４に示すように、冷却用筒体８の流路１３から結晶柱体６と封入用筒体７との間の環状空隙ＬＳに供給された冷却液１５が結晶柱体６の側面を直接冷却している。これにより、結晶柱体６の温度が必要以上に上昇することを防止でき、一定に保持することができる。結晶柱体６の温度が一定に保持されるのであれば、ファラデー回転子３の温度を一定に保持することができるので、ファイバレーザ光ＦＢの出力の増大または環境温度の変化が生じても、ファラデー回転子３の温度変化を抑制し、偏光回転角の変動を防止することができる。
【００５１】
また、ファラデー回転子３においては、図３に示すように、結晶柱体６との接触部および封入用筒体７との接触部にゴムパッキン１７が介在している。そのため、冷却液１５の封止性を高めることができ、冷却液１５を結晶柱体６の側面に直接接触させても、冷却液１５の漏出を防止することができる。ゴムパッキン１７の厚さを適宜変更すれば、冷却用筒体８の寸法許容差を大きく設定することができるので、冷却用筒体８の作成を容易にすることができる。
【００５２】
封入用筒体７の外側には、冷却用筒体８のフランジ８ｂの間に磁石９が配設されている。また、フランジ８ｂの周縁に沿って全体を覆うように封止用ケース３ａが配設されている。そのため、冷却用筒体８のフランジ８ｂおよび封止用ケース３ａを利用して封入用筒体７の外周面に磁石９を固定することができる。また、封入用筒体７をガラスとし、冷却用筒体８をオーステナイト系ステンレス鋼とすることにより、封入用筒体７および冷却用筒体８によって磁石９への悪影響が生じてしまうことを防止するだけでなく、腐食性および磁性の有無を考慮しつつ、封入用筒体７および冷却用筒体８を軽量かつ安価に形成することができる。
【００５３】
また、フランジ８ｂに沿って磁石９を覆うように封止用ケース３ａを配設しているので、防塵効果が期待でき、産業用レーザが用いられるような悪環境化においても所望の性能を発揮させることができる。
【００５４】
さらに、高出力のファイバレーザ光ＦＢの使用または環境温度が変化する状況においての使用はλ／２波長板４における偏光回転角の変動をも生じさせるおそれがある。そのため、λ／２波長板４は、図３の鎖線に示すように、冷却用筒体８に接触する位置に固着されていることが好ましい。この場合、冷却液１５は、冷却用筒体８のフランジ８ａおよび端板８ｃに開設された環状流路１３ａ、１３ｃを通過してλ／２波長板４に直接接触して冷却する。これにより、結晶柱体６だけでなくλ／２波長板４もあわせて冷却することができるので、結晶柱体６の温度だけでなくλ／２波長板４の温度も一定に保持することができる。
【００５５】
レーザ発振器から供給されたファイバレーザ光ＦＢが光アイソレータ１１を通過すると、そのファイバレーザ光ＦＢは入射ユニット１４、伝送用光ファイバ１６、出射ユニット１８を介して、加工テーブル２０に載置された被加工物６０の加工点Ｗに集光照射される。例えば、このファイバレーザ光ＦＢがレーザ溶接に用いられる場合、ファイバレーザ光ＦＢのエネルギーにより被加工物６０の加工点Ｗが溶融し、ファイバレーザ光ＦＢの終了後に凝固してナゲットが形成される。その際、ファラデー回転子３は常に一定温度に保持されているので、アイソレータの透過率や消光比が劣化することなく、常に一定の出力のファイバレーザ光ＦＢが被加工物６０の加工点Ｗに供給される。
【００５６】
すなわち、本実施形態のファラデー回転子３、光アイソレータ１１およびレーザ加工装置１によれば、ファラデー回転子３の温度が一定に保持されるので、レーザ光の出力の増大または環境温度の変化が生じても、ファラデー回転子３の温度変化を抑制し、偏光回転角の変動を防止することができるという作用を生じる。
【００５７】
なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
【００５８】
例えば、本実施形態のファラデー回転子３は、所定の部材によって構成されているが、他の実施形態においては、少なくとも、結晶柱体６および所定の冷却部を有していればよい。所定の冷却部としては、循環する冷却液１５を用いて結晶柱体６の側面を冷却するものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施形態のレーザ加工装置を示す概念図
【図２】本実施形態の光アイソレータにファイバレーザ光が入射した場合を示す概念図
【図３】本実施形態のファラデー回転子を示す断面図
【図４】図３のＡ−Ａ矢視断面図
【図５】本実施形態の光アイソレータに戻り光が入射した場合を示す概念図
【図６】従来の光アイソレータの一例を示す概念図
【図７】従来の光アイソレータに５００Ｗ以上の高出力レーザ光を通過させた状態を示す概念図
【符号の説明】
【００６０】
１ レーザ加工装置
２ 第１の偏光子
３ ファラデー回転子
４ λ／２波長板
５ 第２の偏光子
６ 結晶柱体
７ 封入用筒体
８ 冷却用筒体
９ 磁石
１１ 光アイソレータ
１３ 流路
１５ 冷却液
１７ ゴムパッキン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファラデー回転子、光アイソレータおよびレーザ加工装置に係り、特に、偏光無依存型光アイソレータを用いる際に好適に利用できるファラデー回転子、そのファラデー回転子を用いた光アイソレータ、およびその光アイソレータを備えたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ加工装置は、図６に示すように、反射による戻り光を遮って光源の安定化や破壊防止を図るための光アイソレータ１１１を備えている。この光アイソレータ１１１は、レーザ光ＦＢの進行方向において、第１の偏光子１０２、ファラデー回転子１０３、波長板１０４、第２の偏光子１０５の順に備えている。
【０００３】
ここで、従来のファラデー回転子１０３は、図示はしないが、ファラデー効果を生じる素子および磁石からなる。ファラデー効果を生じる素子としては、ファラデー効果を生じる結晶、例えばＴｉＯ２（ルチル）、ＣａＣＯ３（カルサイト）、α−ＢＢＯ、ＹＶＯ４等が用いられている。磁石は、その磁力線がレーザ光ＦＢの光路と平行に生じるように、配設されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３４９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図７に示すように、１００Ｗ以上の高出力レーザ光ＦＢをファラデー回転子１０３に通過させると、ファラデー回転子１０３の温度が上昇し、偏光回転角が変動するという問題があった。偏光回転角が変動すると、光アイソレータ１１１の透過率および消光比が不安定になる。特に、５００Ｗ以上の高出力レーザ光ＦＢをファラデー回転子１０３に通過させる場合にはこの問題が深刻になる。
【０００６】
また、ファラデー回転子１０３、光アイソレータ１１１およびレーザ加工装置が用いられる環境温度は、通常０〜５０℃であり、その環境温度の変化によってもファラデー回転子１０３の温度が変動する。そのため、低出力レーザ光ＦＢをファラデー回転子１０３に通過させる場合であっても偏光回転角が変動して光アイソレータ１１１の透過率および消光比が不安定になるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、レーザ光の出力の増大または環境温度の変化が生じても、ファラデー回転子の温度変化を抑制し、偏光回転角の変動を防止することができるファラデー回転子、光アイソレータおよびレーザ加工装置を提供することを本発明の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した目的を達成するため、本発明のファラデー回転子は、その第１の態様として、偏光を回転させる結晶を用いて柱状に形成されている結晶柱体と、循環する冷媒を用いて前記結晶柱体の側面を冷却する冷却部とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
第１の態様のファラデー回転子によれば、結晶柱体の側面が冷却部によって冷却されるので、結晶柱体の温度が必要以上に上昇することを防止できる。その結果、ファラデー回転子の偏光回転角を一定に保持することができる。
【００１０】
第２の態様のファラデー回転子は、偏光を回転させる結晶を用いて柱状に形成されている結晶柱体と、前記結晶柱体の側面を囲繞する封入用筒体と、前記結晶柱体の外周面の両端が内接し、かつ、前記封入用筒体の内周面の両端が外接する大きさおよび位置にそれぞれ配設される２個の冷却用筒体と、前記冷却用筒体の内部に形成される流路と、前記結晶柱体、前記封入用筒体および前記２個の冷却用筒体の間に形成される空隙および前記流路を循環する冷媒と、前記封入用筒体の外周に配設される磁石とを備えることを特徴としている。
【００１１】
第２の態様のファラデー回転子によれば、冷却用筒体の流路から前述の空隙に供給された冷却液が結晶柱体の側面を直接冷却するので、結晶柱体の温度が上昇することを防止できる。また、冷却液が結晶柱体、封入用筒体および２個の冷却用筒体の間に形成される空隙および流路を循環するので、冷却効果を維持でき、結晶柱体の温度を一定に保持できる。
【００１２】
第３の態様のファラデー回転子は、第２の態様のファラデー回転子において、個々の前記冷却用筒体は前記結晶柱体に内接する側と反対側の端部にフランジを有しており、前記個々の冷却用筒体のフランジの周縁に沿って全体を覆うように筒状の封止用ケースが配設されており、前記磁石は、前記２個の冷却用筒体の前記フランジと前記封入用筒体と前記封止用ケースとによって挟まれる位置に配設されていることを特徴としている。
【００１３】
第３の態様のファラデー回転子によれば、冷却用筒体のフランジおよび封止用ケースを利用して封入用筒体の外周面に磁石を固定することができる。また、封止用ケースの取付により防塵効果が期待できるので、産業用レーザが用いられるような悪環境化においても所望の性能を発揮させることができる。
【００１４】
第４の態様のファラデー回転子は、第２または第３の態様のファラデー回転子において、冷却用筒体が結晶柱体との接触部および封入用筒体との接触部にシール部材を有していることを特徴としている。
【００１５】
第４の態様のファラデー回転子によれば、冷却用筒体と結晶柱体の間、または冷却用筒体と封入用筒体との間から冷却液が流路の外側に漏出することを防止できる。また、シール部材の厚さを適宜変更することにより、冷却用筒体の寸法許容差を大きく設定して冷却用筒体の形成を容易にすることができる。
【００１６】
第５の態様のファラデー回転子は、第２から第４のいずれか１の態様のファラデー回転子において、封入用筒体および冷却用筒体が磁性を有しない材料を用いて形成されていることを特徴としている。
【００１７】
第５の態様のファラデー回転子によれば、封入用筒体および冷却用筒体によって磁石への悪影響が生じてしまうことを防止することができる。
【００１８】
第６の態様のファラデー回転子は、第２から第５のいずれか１の態様のファラデー回転子において、結晶柱体は、偏光を４５度回転させるものであり、結晶柱体から出射する光の光路上であって冷却用筒体に接触する位置には、λ／２波長板が配設されていることを特徴としている。
【００１９】
第６の態様のファラデー回転子によれば、結晶柱体だけでなくλ／２波長板もあわせて冷却しているので、結晶柱体の温度だけでなくλ／２波長板の温度が上昇することも防止できる。
【００２０】
また、前述した目的を達成するため、本発明の光アイソレータは、その第１の態様として、第１から第６のいずれか１の態様のファラデー回転子と、ファラデー回転子に入射する光の光路上およびファラデー回転子から出射する光の光路上にそれぞれ配設される２個の偏光子とを備えていることを特徴としている。
【００２１】
第１の態様の光アイソレータによれば、ファラデー回転子の温度が必要以上に上昇することを防止してその温度を一定に保持することができるので、結晶柱体において安定した透過率や消光比を得ることができる。従って、このファラデー回転子を用いた光アイソレータは、安定したアイソレーション機能（例えば、透過率や消光比）を得ることができる。
【００２２】
また、前述した目的を達成するため、本発明のレーザ加工装置は、その第１の態様として、第１の態様の光アイソレータを備えていることを特徴としている。
【００２３】
第１の態様のレーザ加工装置によれば、光アイソレータの温度が必要以上に上昇することを防止してその温度を一定に保持することができるので、光アイソレータのアイソレーション機能（例えば、透過率や消光比）を安定させることができる。従って、この光アイソレータを用いた第１の態様のレーザ加工装置においても安定したレーザ出力を得ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のファラデー回転子、光アイソレータおよびレーザ加工装置によれば、ファラデー回転子の温度上昇を防止してその温度を一定に保持するので、レーザ光の出力の増大または環境温度の変化が生じても、ファラデー回転子の温度変化を抑制し、偏光回転角の変動を防止することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明のファラデー回転子、光アイソレータおよびレーザ加工装置をその一実施形態により説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態のレーザ加工装置１を示している。本実施形態のレーザ加工装置１は、レーザ光の進行方向において、レーザ発振部２１、光アイソレータ１１、入射ユニット１４、伝送用光ファイバ１６、出射ユニット１８、加工テーブル２０の順にそれらを備えている。
【００２７】
レーザ発振部２１は、ファイバレーザ発振器１０およびレーザ電源部１２を有する。このファイバレーザ発振器１０は、電気光学励起部２４に配設されたＬＤ（レーザダイオード）３０および共振器２３を備える。共振器２３は、主として、一対の共振ミラー２６、２８とそれらの間に配設された一対の光学レンズ３２、３４および発振ファイバ２２などからなる。発振ファイバ２２は、図示しないコアおよびクラッドからなり、コアを活性媒体とし、クラッドを励起用レーザ光ＭＢの伝播光路としている。また、共振器２３の下流側には、折り返しミラー３６、レーザ吸収体３８、ビームスプリッタ４０、集光レンズ４４、ＰＤ（フォトダイオード）４２を有する。共振ミラー２６、２８および折り返しミラー３６は部分反射ミラーである。
【００２８】
ビームスプリッタ４０は、ファイバレーザ光ＦＢの一部（たとえば１％）を所定の方向に反射させるミラーである。ＰＤ４２は、ビームスプリッタ４０による反射光の光路上に配設されている。集光レンズ４４は、ビームスプリッタ４０による反射光の光路上であってビームスプリッタ４０とＰＤ４２との間に配置されている。
【００２９】
図２は、本実施形態の光アイソレータ１１を示している。本実施形態の光アイソレータ１１は、図１に示すように、レーザ発振部２１側から順方向に進行するファイバレーザ光ＦＢを通過させるとともに、被加工物６０側から反射した戻り光ＲＢを除去する偏光無依存型光アイソレータ１１である。この光アイソレータ１１は、図２の左側から順に示すように、ファイバレーザ光ＦＢの光路上に、第１の偏光子２、ファラデー回転子３、λ／２波長板４、第２の偏光子５を備えている。
【００３０】
第１の偏光子２は、図２に示すように、ファイバレーザ光ＦＢをＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓに分割する光学素子である。Ｐ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓとは、それらの偏光面が互いに直交し、かつ、平行に伝播する２つの偏光成分である。第１の偏光子２としては、偏光ビームスプリッタ２ａおよび全反射ミラー２ｂが用いられている。
【００３１】
図３は、ファラデー回転子３の断面図を示している。また、図４は、図３のＡ−Ａ矢視断面図である。ファラデー回転子３は、図３および図４に示すように、その中央部に位置する結晶柱体６、結晶柱体６を内包する封入用筒体７、２個の冷却用筒体８、複数の磁石９を有している。
【００３２】
結晶柱体６は、所定の角度だけ偏光を回転させる結晶を用いて円柱状に形成されている。本実施形態においては偏光回転角を４５度に設定している。この結晶柱体６の結晶としては、偏光を透過させてファラデー効果を生じる結晶が選択される。具体的な結晶としては、ＴＧＧ（テリビウム・ガリウム・ガーネット）などのガーネットが選択される。
【００３３】
封入用筒体７は、結晶柱体６の直径よりも大きな内径を有する筒状に形成されており、結晶柱体６の側面を囲繞する位置に配設されている。この封入用筒体７は、磁性を有しない材料を用いて形成されていることが好ましい。具体的な材料としては、ガラスのなかでも磁性を有しないものが選択されている。
【００３４】
２個の冷却用筒体８は、結晶柱体６の両端に配置されている。これら２個の冷却用筒体８は、図３および図４に示すように、筒状の基部８ａ、フランジ８ｂおよび端板８ｃからそれぞれなる。基部８ａは、図３に示すように、結晶柱体６の直径と同等の内径、および、封入用筒体７の内径と同等の外径を有しており、フランジ８ｂと反対側の端部に結晶柱体６の外周面の両端が内接し、かつ、封入用筒体７の内周面の両端が外接する位置にそれぞれ配設されている。また、フランジ８ｂは、図３に示すように、基部８ａの外端から外側に広がる円形鍔状に形成されている。端板８ｃは、フランジ８ｂの外端面を覆うものである。基部８ａ、フランジ８ｂおよび端板８ｃからなる冷却用筒体８は、磁性を有しない材料を用いて形成されていることが好ましい。具体的な材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼が選択されている。
【００３５】
また、冷却用筒体８の基部８ａにおいては、結晶柱体６との接触部および封入用筒体７との接触部にシール部材としてのゴムパッキン１７を有している。このゴムパッキン１７として、本実施形態ではＯリングが用いられている。このＯリングは筒体８の内周面及び外周面にそれぞれ設けられている。このＯリング１７により、結晶柱体６と冷却用筒体８の接触部及び封入用筒体７と冷却用筒体８との接触部をそれぞれ気密にシールすることができる。
【００３６】
冷却用筒体８の内部には、図３および図４に示すように、フランジ８ｂの外端面から基部８ａの内端面の間に亘って、軸方向に円形の流路１３が周方向に等分配置するように多数形成されている。ここで、フランジ８ｂの外端面には全部の軸方向の流路１３を通過させる環状流路１３ａが形成されている。端板８ｃは、環状流路１３ａの外側を覆うとともに、径方向において対称する２箇所に円形の入出用流路１３ｂがそれぞれ開設されている。これらの流路１３、１３ａ、１３ｂには、図示しないポンプによって冷媒としての冷却液１５が強制的に循環している。結晶柱体６の外周面と封入用筒体７の内周面との間であって２個の冷却用筒体８の内端面に挟まれている環状空隙ＬＳは流路１３に直結しているため、この環状空隙ＬＳにも冷却液１５が流入出している。冷却液１５としては、１０℃〜２０℃に設定された冷却水が用いられている。
【００３７】
複数の磁石９は、図３および図４に示すように、断面が略台形に形成された柱状のもの２個を直列に配置して一体にし、それら２個の磁石９の磁力線の向きを結晶柱体６の軸方向と平行にしながら封入用筒体７の外周面を囲繞するように配設されている。２個の冷却用筒体８がそれぞれフランジ８ｂを有しているため、これら複数の磁石９は、図３に示すように、２個のフランジ８ｂと封入用筒体７とによって挟まれる位置に配設されている。
【００３８】
封止用ケース３ａは、フランジ８ｂの外側の直径と同等の内径を有する筒状に形成されており、２個の冷却用筒体８のフランジ８ｂの周縁に沿って全体を覆うようにフランジ８ｂに固着されている。封止用ケース３ａの材質としては、プラスチックが選択されている。
【００３９】
図２に示すように、λ／２波長板４は、結晶柱体６から出射する偏光回転したＰ偏光成分Ｐ’およびＳ偏光成分Ｓ’の光路上に配設されている。λ／２波長板は、図２に示すように、ファラデー回転子３の出光側の冷却用筒体８と別個に配設されていたり、図３に示すように、一体に固着されていたりしてもよい。λ／２波長板４の固着手段としては、図３に鎖線で示すように、冷却用筒体８の端板８ｃとその外側に配置された環状の固定用外板４ａとによってλ／２波長板４を挟持するとよい。冷却用筒体８の端板８ｃにはフランジ８ｂに設けられた環状流路１３ａをλ／２波長板４に通過させるための環状流路１３ｃを開設するとよい。また、固定用外端４ａは、例えば、冷却用筒体８の端板８ｃまたは封止用ケース３ａに螺着させ、入出用流路１３ｂに連通する２個の透孔１３ｄを開設するとよい。冷却液１５の漏洩防止として、必要箇所にゴムパッキンなどの図示しない封止部材を設けるとよい。なお、λ／２波長板４としては、水晶波長板を用いるとよい。
【００４０】
第２の偏光子５は、図２に示すように、λ／２波長板４を通過して得たＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓを合成する光学素子である。第２の偏光子５としては、第１の偏光子２と同様、偏光ビームスプリッタ５ａおよび全反射ミラー５ｂが用いられている。
【００４１】
図１に示すように、入射ユニット１４は、ベントミラー４６および集光レンズ５０を有している。伝送用光ファイバ１６としては、ＳＩ（ステップ・インデックス）形ファイバが選択されている。出射ユニット１８は、図１に示すように、コリメートレンズ５６および集光レンズ５８を備えた光学素子５４を有している。
【００４２】
次に、本実施形態のファラデー回転子３、光アイソレータ１１およびレーザ加工装置１の作用を説明する。
【００４３】
図１に示すように、レーザ発振部２１のレーザ電源部１２からファイバレーザ発振器１０のＬＤ３０に励起電流が供給されると、ＬＤ３０はポンピング用の励起用レーザ光ＭＢを発振する。ＬＤ３０から励起用レーザ光ＭＢが照射されると、共振ミラー２６は、ＬＤ３０側から入射した励起用レーザ光ＭＢを透過させるとともに、発振ファイバ２２側から入射した発振光線を全反射する。光学レンズ３２は励起用レーザ光ＭＢを発振ファイバ２２の一端面に集光入射させる。また、光学レンズ３２、３４は、発振ファイバ２２の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートする。
【００４４】
発振ファイバ２２の一端面に入射した励起用レーザ光ＭＢは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ２２の内部を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることによってコアのイオンを光励起する。これにより、コアの両端面から軸方向に所定の波長の発振光線が放出される。この発振光線が共振ミラー２６、２８の間を何度も行き来することによって共振増幅され、共振ミラー２８を透過したときに所定の波長のファイバレーザ光ＦＢが得られる。
【００４５】
共振ミラー２８より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、この折り返しミラー３６をまっすぐ透過し、ビームスプリッタ４０を通ってから光アイソレータ１１に入射する。一方、所定の波長のファイバレーザ光ＦＢを得る前に励起用レーザ光ＭＢが光学レンズ３４および共振ミラー２８を透過した場合、折り返しミラー３６によってレーザ吸収体３８の方向に折り返される。
【００４６】
ビームスプリッタ４０は、入射したファイバレーザ光ＦＢの一部、たとえば１％、をフォトダイオード（ＰＤ）４２側に反射する。集光レンズ４４は反射されたファイバレーザ光ＦＢを集光し、フォトダイオード（ＰＤ）４２は反射したファイバレーザ光ＦＢを光電変換してレーザ出力の電気信号を出力する。この電気信号はレーザ電源部１２に送られる。
【００４７】
以上より、励起用レーザ光ＭＢが発振ファイバ２２の内部において何度もコアを横切って励起エネルギーを使い果たすので、高い発振効率でファイバレーザ光ＦＢを生成することができる。これにより、５００Ｗ以上の高出力のファイバレーザ光ＦＢによる加工効率の向上が期待できる。また、ＰＤ４２によってファイバレーザ光ＦＢの出力を正確に把握しているので、光アイソレータ１１の温度上昇を予測しやすくなる。
【００４８】
図１に示すように、光アイソレータ１１にファイバレーザ光ＦＢが入射すると、図２に示すように、第１の偏光子２がファイバレーザ光ＦＢをＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓの２つに分割する。第１の偏光子２によって生じたＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓがファラデー回転子３の結晶柱体６を通過すると、それぞれの偏光面は４５度回転する。結晶柱体６からみて光路の後側にあるλ／２波長板４は光軸方向Ｎを基準にして通過した偏光成分を軸対称に回転させる。このため、ともに偏光面が４５度回転したＰ偏光成分Ｐ’およびＳ偏光成分Ｓ’がλ／２波長板４を通過すると、偏光回転したＰ偏光成分Ｐ’がＳ偏光成分Ｓに、また、偏光回転したＳ偏光成分Ｓ’がＰ偏光成分Ｐに、それぞれ変換される。そして、相互に変換されたＳ偏光成分ＳおよびＰ偏光成分Ｐは、第２の偏光子５によって同一の光路上においてファイバレーザ光ＦＢに復元される。
【００４９】
一方、図５に示すように、ファイバレーザ光ＦＢが反射して生じた戻り光ＲＢが第２の偏光子５に入射した場合、第２の偏光子５は戻り光ＲＢをＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓに分割する。λ／２波長板４は、光軸方向Ｎを基準にして戻り光ＲＢのＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓを軸対称に回転させる。しかし、ファラデー回転子３は、λ／２波長板４の透過により回転した戻り光ＲＢのＰ偏光成分Ｐ’およびＳ偏光成分Ｓ’を入射時と同様の方向に４５度回転させるので、λ／２波長板４により回転したＰ偏光成分Ｐ’およびＳ偏光成分Ｓ’はＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓに戻される。つまり、ファラデー回転子３によって、Ｐ偏光成分ＰがＳ偏光成分Ｓに、またＳ偏光成分ＳがＰ偏光成分Ｐに、変換されることはない。そのため、第１の偏光子２は、元に戻されたＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓをレーザ発振部２１側に出射するのでなく、その直交方向に戻り光ＲＢを出射してファイバレーザ光ＦＢの光路上から除去する。
【００５０】
ここで、本実施形態のファラデー回転子３は、高出力のファイバレーザ光ＦＢの使用または環境温度が変化する状況においての使用を想定している。そのため、本実施形態のファラデー回転子３においては、図３および図４に示すように、冷却用筒体８の流路１３から結晶柱体６と封入用筒体７との間の環状空隙ＬＳに供給された冷却液１５が結晶柱体６の側面を直接冷却している。これにより、結晶柱体６の温度が必要以上に上昇することを防止でき、一定に保持することができる。結晶柱体６の温度が一定に保持されるのであれば、ファラデー回転子３の温度を一定に保持することができるので、ファイバレーザ光ＦＢの出力の増大または環境温度の変化が生じても、ファラデー回転子３の温度変化を抑制し、偏光回転角の変動を防止することができる。
【００５１】
また、ファラデー回転子３においては、図３に示すように、結晶柱体６との接触部および封入用筒体７との接触部にゴムパッキン１７が介在している。そのため、冷却液１５の封止性を高めることができ、冷却液１５を結晶柱体６の側面に直接接触させても、冷却液１５の漏出を防止することができる。ゴムパッキン１７の厚さを適宜変更すれば、冷却用筒体８の寸法許容差を大きく設定することができるので、冷却用筒体８の作成を容易にすることができる。
【００５２】
封入用筒体７の外側には、冷却用筒体８のフランジ８ｂの間に磁石９が配設されている。また、フランジ８ｂの周縁に沿って全体を覆うように封止用ケース３ａが配設されている。そのため、冷却用筒体８のフランジ８ｂおよび封止用ケース３ａを利用して封入用筒体７の外周面に磁石９を固定することができる。また、封入用筒体７をガラスとし、冷却用筒体８をオーステナイト系ステンレス鋼とすることにより、封入用筒体７および冷却用筒体８によって磁石９への悪影響が生じてしまうことを防止するだけでなく、腐食性および磁性の有無を考慮しつつ、封入用筒体７および冷却用筒体８を軽量かつ安価に形成することができる。
【００５３】
また、フランジ８ｂに沿って磁石９を覆うように封止用ケース３ａを配設しているので、防塵効果が期待でき、産業用レーザが用いられるような悪環境化においても所望の性能を発揮させることができる。
【００５４】
さらに、高出力のファイバレーザ光ＦＢの使用または環境温度が変化する状況においての使用はλ／２波長板４における偏光回転角の変動をも生じさせるおそれがある。そのため、λ／２波長板４は、図３の鎖線に示すように、冷却用筒体８に接触する位置に固着されていることが好ましい。この場合、冷却液１５は、冷却用筒体８のフランジ８ａおよび端板８ｃに開設された環状流路１３ａ、１３ｃを通過してλ／２波長板４に直接接触して冷却する。これにより、結晶柱体６だけでなくλ／２波長板４もあわせて冷却することができるので、結晶柱体６の温度だけでなくλ／２波長板４の温度も一定に保持することができる。
【００５５】
レーザ発振器から供給されたファイバレーザ光ＦＢが光アイソレータ１１を通過すると、そのファイバレーザ光ＦＢは入射ユニット１４、伝送用光ファイバ１６、出射ユニット１８を介して、加工テーブル２０に載置された被加工物６０の加工点Ｗに集光照射される。例えば、このファイバレーザ光ＦＢがレーザ溶接に用いられる場合、ファイバレーザ光ＦＢのエネルギーにより被加工物６０の加工点Ｗが溶融し、ファイバレーザ光ＦＢの終了後に凝固してナゲットが形成される。その際、ファラデー回転子３は常に一定温度に保持されているので、アイソレータの透過率や消光比が劣化することなく、常に一定の出力のファイバレーザ光ＦＢが被加工物６０の加工点Ｗに供給される。
【００５６】
すなわち、本実施形態のファラデー回転子３、光アイソレータ１１およびレーザ加工装置１によれば、ファラデー回転子３の温度が一定に保持されるので、レーザ光の出力の増大または環境温度の変化が生じても、ファラデー回転子３の温度変化を抑制し、偏光回転角の変動を防止することができるという作用を生じる。
【００５７】
なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
【００５８】
例えば、本実施形態のファラデー回転子３は、所定の部材によって構成されているが、他の実施形態においては、少なくとも、結晶柱体６および所定の冷却部を有していればよい。所定の冷却部としては、循環する冷却液１５を用いて結晶柱体６の側面を冷却するものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施形態のレーザ加工装置を示す概念図
【図２】本実施形態の光アイソレータにファイバレーザ光が入射した場合を示す概念図
【図３】本実施形態のファラデー回転子を示す断面図
【図４】図３のＡ−Ａ矢視断面図
【図５】本実施形態の光アイソレータに戻り光が入射した場合を示す概念図
【図６】従来の光アイソレータの一例を示す概念図
【図７】従来の光アイソレータに５００Ｗ以上の高出力レーザ光を通過させた状態を示す概念図
【符号の説明】
【００６０】
１ レーザ加工装置
２ 第１の偏光子
３ ファラデー回転子
４ λ／２波長板
５ 第２の偏光子
６ 結晶柱体
７ 封入用筒体
８ 冷却用筒体
９ 磁石
１１ 光アイソレータ
１３ 流路
１５ 冷却液
１７ ゴムパッキン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光を回転させる結晶を用いて柱状に形成されている結晶柱体と、
循環する冷媒を用いて前記結晶柱体の側面を冷却する冷却部と
を備えていることを特徴とするファラデー回転子。
【請求項２】
偏光を回転させる結晶を用いて柱状に形成されている結晶柱体と、
前記結晶柱体の側面を囲繞する封入用筒体と、
前記結晶柱体の外周面の両端が内接し、かつ、前記封入用筒体の内周面の両端が外接する大きさおよび位置にそれぞれ配設される２個の冷却用筒体と、
前記冷却用筒体の内部に形成される流路と、
前記結晶柱体、前記封入用筒体および前記２個の冷却用筒体の間に形成される空隙および前記流路を循環する冷媒と、
前記封入用筒体の外周に配設される磁石と
を備えることを特徴とするファラデー回転子。
【請求項３】
個々の前記冷却用筒体は前記結晶柱体に内接する側と反対側の端部にフランジを有しており、
前記個々の冷却用筒体のフランジの周縁に沿って全体を覆うように筒状の封止用ケースが配設されており、
前記磁石は、前記２個の冷却用筒体の前記フランジと前記封入用筒体と前記封止用ケースとによって挟まれる位置に配設されている
ことを特徴とする請求項２に記載のファラデー回転子。
【請求項４】
前記冷却用筒体は、前記結晶柱体との接触部および前記封入用筒体との接触部にシール部材を有している
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のファラデー回転子。
【請求項５】
前記封入用筒体および前記冷却用筒体は、磁性を有しない材料を用いて形成されている
ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のファラデー回転子。
【請求項６】
前記結晶柱体は、偏光を４５度回転させるものであり、
前記結晶柱体から出射する光の光路上であって前記冷却用筒体に接触する位置には、λ／２波長板が配設されている
ことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のファラデー回転子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子に入射する光の光路上および前記ファラデー回転子から出射する光の光路上にそれぞれ配設される２個の偏光子と
を備えていることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項８】
請求項７に記載の光アイソレータを備えている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１】
偏光を回転させる結晶を用いて柱状に形成されている結晶柱体と、
循環する冷媒を用いて前記結晶柱体の側面を冷却する冷却部と
を備えていることを特徴とするファラデー回転子。
【請求項２】
偏光を回転させる結晶を用いて柱状に形成されている結晶柱体と、
前記結晶柱体の側面を囲繞する封入用筒体と、
前記結晶柱体の外周面の両端が内接し、かつ、前記封入用筒体の内周面の両端が外接する大きさおよび位置にそれぞれ配設される２個の冷却用筒体と、
前記冷却用筒体の内部に形成される流路と、
前記結晶柱体、前記封入用筒体および前記２個の冷却用筒体の間に形成される空隙および前記流路を循環する冷媒と、
前記封入用筒体の外周に配設される磁石と
を備えることを特徴とするファラデー回転子。
【請求項３】
個々の前記冷却用筒体は前記結晶柱体に内接する側と反対側の端部にフランジを有しており、
前記個々の冷却用筒体のフランジの周縁に沿って全体を覆うように筒状の封止用ケースが配設されており、
前記磁石は、前記２個の冷却用筒体の前記フランジと前記封入用筒体と前記封止用ケースとによって挟まれる位置に配設されている
ことを特徴とする請求項２に記載のファラデー回転子。
【請求項４】
前記冷却用筒体は、前記結晶柱体との接触部および前記封入用筒体との接触部にシール部材を有している
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のファラデー回転子。
【請求項５】
前記封入用筒体および前記冷却用筒体は、磁性を有しない材料を用いて形成されている
ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のファラデー回転子。
【請求項６】
前記結晶柱体は、偏光を４５度回転させるものであり、
前記結晶柱体から出射する光の光路上であって前記冷却用筒体に接触する位置には、λ／２波長板が配設されている
ことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のファラデー回転子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子に入射する光の光路上および前記ファラデー回転子から出射する光の光路上にそれぞれ配設される２個の偏光子と
を備えていることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項８】
請求項７に記載の光アイソレータを備えている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２８２３１０（Ｐ２００９−２８２３１０Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３４４３９（Ｐ２００８−１３４４３９）
【出願日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【出願人】（０００１６１３６７）ミヤチテクノス株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【出願人】（０００１６１３６７）ミヤチテクノス株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
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