レーザ照射装置およびレーザ加工装置
【課題】ファイバを備えたレーザ照射装置において、出力の低下を抑制しつつ高品質のビームを得ることを可能にする。
【解決手段】光ファイバ（１１Ｂ，１２）は、レーザ光源からのレーザ光を伝送する。光ファイバ（１１Ｂ，１２）は、動きの自由な状態にある自由部位（１１Ｂ）を有している。さらに光ファイバ１２の出射端の近傍において、光ファイバ１２はリング状に曲げられている（リング部１２Ａ）。光ファイバの出射端近傍において光ファイバが所定の曲率で曲げられていることによって、高次モードの光を除去しなくともレーザ光のビーム形状を良好にすることができる。
【解決手段】光ファイバ（１１Ｂ，１２）は、レーザ光源からのレーザ光を伝送する。光ファイバ（１１Ｂ，１２）は、動きの自由な状態にある自由部位（１１Ｂ）を有している。さらに光ファイバ１２の出射端の近傍において、光ファイバ１２はリング状に曲げられている（リング部１２Ａ）。光ファイバの出射端近傍において光ファイバが所定の曲率で曲げられていることによって、高次モードの光を除去しなくともレーザ光のビーム形状を良好にすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射装置およびレーザ加工装置に関し、特に光ファイバを用いたレーザ照射装置およびその照射装置を含む加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置には様々な形態があるが、たとえば光ファイバを用いたレーザ加工装置が提案されている。レーザ加工装置の用途、ニーズの多様化に伴い、高出力化、高安定性、高ビーム品質、および小型化などがレーザ加工装置に望まれている。
【０００３】
光ファイバを用いたレーザ加工装置を高出力化するためには、ガラスの破壊限界によるファイバ自身の損傷、非線形光学効果によって発生する誘導散乱光によるファイバの破損といった課題がある。これらの問題を回避するために、ファイバのコア径を拡大することによって、コア内でのエネルギー密度を低下させる方法が考えられる。しかしながら、コア径を拡大させた場合には、伝搬されるレーザ光に高次モードの光が含まれることになる。その結果、ファイバの僅かな振動等によりレーザビームの空間強度分布が変動し、レーザビームの安定性を確保することが難しくなる。
【０００４】
非特許文献１（Jeffrey P. Koplow, Dahv A. V Kliner, Lew Goldberg, "Single-mode operation of a coiled multimode fiber amplifier", OPTICS LETTERS, Vol.25, No.7, April 1, 2000）では、高次モードのレーザ光を除去する手段を開示する。具体的には、ファイバの曲げによる損失が高次モードのレーザ光で大きいということを利用して、増幅ファイバに極小の巻き部が設けられる。
【０００５】
非特許文献２（J. A. Alvarez-Chavez, A. B. Grudinin, J. Nilsson, P. W. Turner and W. A. Clarkson "Mode selection in high power cladding pumped fibre lasers with tapered section", CLEO/QLES '99 Baltimore (23-28 May, 1999) CWE7）も、高次モードのレーザ光を除去する手段を開示する。具体的には、テーパファイバによって、コア径が小さい部分を設ける。
【０００６】
また、特許文献１（特開２００７−１０３７５１号公報）は、曲率の異なるリング部が設けられた光増幅ファイバを開示する。曲率の小さいリング部において高次モードのレーザ光が予め除去され、曲率の大きいリング部においてレーザ光が増幅される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０３７５１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Jeffrey P. Koplow, Dahv A. V Kliner, Lew Goldberg, "Single-mode operation of a coiled multimode fiber amplifier", OPTICS LETTERS, Vol.25, No.7, April 1, 2000
【非特許文献２】J. A. Alvarez-Chavez, A. B. Grudinin, J. Nilsson, P.W. Turner and W. A. Clarkson "Mode selection in high power cladding pumped fibre lasers with tapered section", CLEO/QLES '99 Baltimore (23-28 May, 1999) CWE7
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１に開示の手法によれば、レーザ装置のモードを安定化させることは可能である。しかし増幅光の一部が除去されるために、増幅ファイバからの出力が低下するだけでなく、光ファイバが発熱することが懸念される。さらに、極小の巻き部を光ファイバに設けるためには、光ファイバを安定して固定する必要がある。このため装置の製造コストが上昇する。さらに、極小の巻き部を設けることで光ファイバへの負担が大きくなるので、長期間の使用のうちに信頼性が低下することも懸念される。
【００１０】
非特許文献２に開示の手法によれば、光の散逸が多くなることによってファイバの出力が低下することが懸念される。さらに、テーパを形成するための加工費が必要になるという課題もある。
【００１１】
特許文献１に開示の構成では、実際の使用環境において、リング部の形状の変化、あるいは振動が生じることによって、光増幅ファイバから出射されたレーザ光の空間強度分布が変動し、ビーム径が不安定となる。ビーム径が不安定な場合、レーザ光によって形成された加工痕も一様にならないという課題がある。
【００１２】
本発明の目的は、光ファイバを備えたレーザ照射装置において、出力の低下を抑制しつつ高品質のビームを得ることを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のある局面に係るレーザ照射装置は、レーザ光を出射するための出射端を有する光ファイバと、光ファイバを伝搬するレーザ光を発生させるためのレーザ光源とを備える。光ファイバは、動きの自由な状態にある自由部位を有し、かつ出射端の近傍においてリングまたは円弧状に曲げられている。
【００１４】
好ましくは、レーザ照射装置は、レーザ光源を含む本体部と、光ファイバの出射端から出射されたレーザ光を対象物に照射するための光学部品を含むヘッド部とを備える。出射端は、ヘッド部の内部に位置する。自由部位は、本体部からヘッド部にレーザ光を伝搬するための部位である。
【００１５】
好ましくは、リングまたは円弧の直径は、６０ｍｍ以上かつ１５０ｍｍ以下である。
好ましくは、直径は、６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下である。
【００１６】
好ましくは、直径は、６０ｍｍ以上かつ９０ｍｍ以下である。
好ましくは、レーザ照射装置は、ベース部材と、ファイバガイドとをさらに備える。ファイバガイドは、遮光部材によって作製され、円弧状の外表面を有し、光ファイバを固定するための固定部材が取り付け可能に形成される。光ファイバは、ファイバガイドの外表面に沿って曲げられるとともに、固定部材によって前記ファイバガイドに固定される。外表面と反対側に位置するファイバガイドの内表面側には、ファイバガイドをネジによってベース部材に取り付けるための取付部が設けられる。
【００１７】
好ましくは、光ファイバは、出射端の近傍に加え、出射端の近傍と異なる箇所においてリング状または円弧状に曲げられている。
【００１８】
好ましくは、光ファイバは、マルチモードファイバである。
好ましくは、光ファイバは、光増幅ファイバを含む。光増幅ファイバは、出射端から出射されるレーザ光を生成するために、信号用レーザ光を励起用レーザ光によって増幅する。レーザ光源は、信号用レーザ光を発生させる第１の光源と、励起用レーザ光を発生させる第２の光源とを含む。
【００１９】
好ましくは、レーザ光源は、増幅媒体を含む共振器と、増幅媒体を励起するための励起光を供給する励起光源とを含む。
【００２０】
好ましくは、増幅媒体は、光増幅ファイバを含む。
好ましくは、増幅媒体は、固体媒質、液体媒質、および気体媒質のいずれかである。
【００２１】
本発明の他の局面に係るレーザ加工装置は、上記のいずれかのレーザ照射装置を備える。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、光ファイバを備えたレーザ加工装置において、出力の低下を抑制しつつ高品質のビームを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１に示すレーザ加工装置のうちのレーザ制御部の構成をより詳細に示す構成図である。
【図３】図２に示した光ファイバ１１Ａ，１１Ｂの構造、および、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂを伝播する光を説明する図である。
【図４】図１に示すレーザ加工装置のうちのレーザヘッド部の構成例を示した図である。
【図５】レーザ光のビーム形状（空間強度分布）を説明するための図である。
【図６】レーザ光の従来の制御手法と本発明の実施の形態による制御手法とを比較するためのフローチャートである。
【図７】光ファイバから出力されるレーザ光のパワーをファイバリングの有無によって比較した図である。
【図８】スポット形状の安定性についての実験結果を示した図である。
【図９】光ファイバのリング部の直径に対する、光ファイバから出射されるレーザ光のパワーおよびビーム径の安定性の関係についての実験結果を示した図である。
【図１０】実施の形態２に係るレーザ加工装置が備えるレーザヘッド部の構成をより詳細に示す構成図である。
【図１１】実施の形態２に係るレーザヘッド部の曲げ部に関する部分の具体的な構成の例を示した斜視図である。
【図１２】図１１のＡ方向から見たレーザヘッド部の一部の斜視図である。
【図１３】図１１のＢ方向から見たレーザヘッド部の一部の上面図である。
【図１４】ファイバガイドの斜視図である。
【図１５】光ファイバ収納ボックスの内部と光ファイバボックスの外部との境界付近における光ファイバの部分を説明するための模式図である。
【図１６】実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源の構成をより詳細に示す構成図である。
【図１７】実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源の別の構成の一例を示す構成図である。
【図１８】実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源のさらに別の構成の一例を示す構成図である。
【図１９】実施の形態４に係るレーザ加工装置が備えるレーザ伝送部の構成をより詳細に示す構成図である。
【図２０】実施の形態４に係るレーザ加工装置が備えるレーザ伝送部の別の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す概略図である。図１を参照して、レーザ加工装置１００は、本体部に対応するレーザ制御部１１０と、レーザヘッド部１２０と、レーザ制御部１１０からレーザヘッド部１２０にレーザ光を伝送するためのレーザ伝送部１３０とを備える。
【００２６】
レーザ制御部１１０は、レーザ光を発生させるともにそのレーザ光を出射する。レーザ制御部１１０は、レーザ光源１５０と、制御基板２０と、ドライバ３２と、ドライバ用電源３０とを含む。レーザ光源１５０は、ドライバ３２により駆動されてレーザ発振を行なう。これによりレーザ光がレーザ光源１５０から出力される。レーザ発振の条件、レーザ光の出力および出力停止は制御基板２０によって制御される。
【００２７】
ドライバ用電源３０は、ドライバ３２に電力を供給することによってドライバ３２を動作させる。これによりドライバ３２はレーザ光源１５０を駆動する。
【００２８】
制御基板２０は、レーザ光源１５０によるレーザ光の出力および出力停止を制御する。なお、制御基板２０は、ドライバ３２に対して、ドライバ３２の動作および停止を制御してもよい。
【００２９】
レーザヘッド部１２０は、レーザ光Ｌを被加工物５０に向けて照射する。レーザ伝送部１３０は、レーザ制御部１１０からのレーザ光をレーザヘッド部１２０に伝送する。
【００３０】
本発明の実施の形態では、レーザ照射装置からの光は物体の加工に用いられる。すなわち本実施の形態では、レーザ照射装置はレーザ加工装置として使用される。したがって本実施の形態に係るレーザ加工装置１００はレーザ照射装置を含む。
【００３１】
レーザ加工装置１００の用途は特に限定されず、たとえばレーザマーキング、ドリリング、溶接、切断、熱処理、形状加工、トリミング等に用いることも可能である。
【００３２】
レーザ加工装置を工場の製造ライン等に導入する場合には、レーザ加工装置が小型化であることが特に重要となる。図１に示されるように、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置は、レーザ発振装置を含むレーザ制御部と、レーザ光の走査機構を含むレーザヘッド部とが分離された構成を有している。このような構成によって、比較的小型なレーザヘッド部１２０を製造ラインに設置することができる。
【００３３】
次に、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の具体的な構成について説明する。
［実施の形態１］
図２は、図１に示すレーザ加工装置のうちのレーザ制御部の構成をより詳細に示す構成図である。図２を参照して、レーザ制御部１１０は、レーザ光源１５０と、制御基板２０と、ドライバ３２と、ドライバ用電源３０とを含む。レーザ光源１５０は、光ファイバ１と、半導体レーザ２，３，９Ａ〜９Ｄと、アイソレータ４，６と、光結合器５，１０と、バンドパスフィルタ７とを備える。
【００３４】
光ファイバ１は光増幅ファイバである。具体的には、光ファイバ１は希土類添加ファイバであり、光増幅成分である希土類元素が添加されたコアを有する。希土類元素の種類は特に限定されず、たとえばＥｒ（エルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）などがある。本発明の実施の形態では、コアに添加された希土類元素はＹｂ（イッテルビウム）である。
【００３５】
半導体レーザ２は種光を発する種光源である。種光の波長はたとえば１０６４±２ｎｍである。半導体レーザ２は、ドライバ３２により駆動されて、パルス状の種光を発する。
【００３６】
アイソレータ４は一方向の光のみを透過し、その光と逆方向に入射する光を遮断する。具体的には、アイソレータ４は、半導体レーザ２から発せられる種光を通過させるとともに、光ファイバ１からの戻り光を遮断する。これによって半導体レーザ２の損傷を防ぐことができる。
【００３７】
半導体レーザ３は、光ファイバ１のコアに添加された希土類元素を励起するための励起光を発する励起光源である。励起光の波長は、光ファイバのコアに添加される希土類元素の種類に基づいて定められる。希土類元素がＹｂである場合、励起光の波長はたとえば９１５±１０ｎｍである。
【００３８】
光結合器５は、半導体レーザ２からの種光および半導体レーザ３からの励起光を結合させて、光ファイバ１に入射させる。光結合器５は、たとえばＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）結合器を適用できる。
【００３９】
半導体レーザ３から光結合器５を介して光ファイバ１に入射した励起光は、光ファイバ１のコアに含まれる希土類元素に吸収される。これにより希土類元素が励起され（基底準位から上位準位に遷移され）、反転分布状態が得られる。この状態において、半導体レーザ２からの種光が光ファイバ１のコアに入射すると、誘導放出が生じる。この誘導放出によって種光（パルス光）が増幅される。すなわち光ファイバ１は、種光を励起光によって増幅する。
【００４０】
アイソレータ６は、光ファイバ１から出力されたパルス光を通過させるとともに光ファイバ１に戻る光を遮断する。
【００４１】
バンドパスフィルタ７は、所定の波長帯の光を通過させるよう構成される。「所定の波長帯」とは、具体的には、光ファイバ１から出力されるパルス光のピーク波長を含む波長帯である。光ファイバ１から自然放出光が放出された場合、その自然放出光はバンドパスフィルタ７により除去される。
【００４２】
バンドパスフィルタ７を通過したレーザ光は、光結合器１０を介してレーザ伝送部１３０に入射する。半導体レーザ９Ａ〜９Ｄは、バンドパスフィルタ７を通過したレーザ光をレーザ伝送部１３０において増幅するために、励起光を発する。実施の形態１では４個の励起光源が設けられているが、励起光源としての半導体レーザの個数は４個に限定されるものではない。レーザ加工装置１００から出力されるレーザ光のパワー、レーザ伝送部１３０におけるパルス光の増幅率等に基づいて、励起光のパワーおよび励起光源の個数を定めることができる。
【００４３】
光結合器１０は、バンドパスフィルタ７を通過したパルス光と、半導体レーザ９Ａ〜９Ｄからの光とを結合してレーザ伝送部１３０に入射させる。
【００４４】
制御基板２０は、制御部２１と、パルス発生部２２とを含む。制御部２１は、パルス発生部２２およびドライバ３２を制御することによって、レーザ制御部１１０の全体の動作を制御する。パルス発生部２２は、所定の繰り返し周波数、および、所定のパルス幅を有する電気信号を発生させる。パルス発生部２２は、制御部２１の制御により、電気信号を出力したり、電気信号の出力を停止したりする。パルス発生部２２からの電気信号は半導体レーザ２に供給される。
【００４５】
ドライバ用電源３０は、ドライバ３２に電力を供給する。これによりドライバ３２は半導体レーザ２，３，９Ａ〜９Ｄに駆動電流を供給する。半導体レーザ２，３，９Ａ〜９Ｄの各々は駆動電流が供給されることによってレーザ発振する。半導体レーザ２に供給される駆動電流は、パルス発生部２２からの電気信号により変調される。これにより半導体レーザ２はパルス発振して、所定の繰り返し周波数および所定のパルス幅を有するパルス光を種光として出力する。一方、半導体レーザ３，９Ａ〜９Ｄの各々にはドライバ３２により連続的な駆動電流が供給される。これにより半導体レーザ３，９Ａ〜９Ｄの各々は連続発振して、連続光を励起光として出力する。
【００４６】
図２には示していないが、半導体レーザの温度を制御するための温度コントローラが各半導体レーザに対応して設けられていてもよい。温度コントローラを用いて半導体レーザの温度を安定させることにより半導体レーザの出力を安定させることができる。さらに、バンドパスフィルタ７および／またはアイソレータ６に対応して温度コントローラが設けられていてもよい。
【００４７】
この実施の形態では、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂの各々に、コアの周囲にクラッドが二重に設けられたダブルクラッドファイバが適用される。
【００４８】
図３は、図２に示した光ファイバ１１Ａ，１１Ｂの構造、および、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂを伝播する光を説明する図である。図３を参照して、光ファイバ１１Ａは、コア４１Ａと、コア４１Ａの周囲に設けられ、かつコア４１Ａよりも屈折率が低い第１クラッド４２Ａと、第１クラッド４２Ａの周囲に設けられ、かつ第１クラッド４２Ａよりも屈折率が低い第２クラッド４３Ａと、被覆４４Ａとを含む。
【００４９】
光ファイバ１１Ｂは、光ファイバ１１Ａと同様の構成を有する。具体的に説明すると、光ファイバ１１Ｂは、コア４１Ｂと、コア４１Ｂの周囲に設けられ、かつコア４１Ｂよりも屈折率が低い第１クラッド４２Ｂと、第１クラッド４２Ｂの周囲に設けられ、かつ第１クラッド４２Ｂよりも屈折率が低い第２クラッド４３Ｂと、被覆４４Ｂとを含む。
【００５０】
光ファイバ１１Ａの端面と光ファイバ１１Ｂの端面とは融着されている。バンドパスフィルタ７を通過したパルス光Ａは光結合器１０を介して光ファイバ１１Ａのコア４１Ａに入射する。光ファイバ１１Ａのコア４１Ａに入射したパルス光Ａは、コア４１Ａおよび、光ファイバ１１Ｂのコア４１Ｂを伝播して、レーザヘッド部１２０へ出射される。
【００５１】
半導体レーザ９Ａ〜９Ｄからの励起光Ｂは、光結合器１０を介して光ファイバ１１Ａの第１クラッド４２Ａに入射する。励起光Ｂは、第１クラッド４２Ａと第２クラッド４３Ａとの境界で反射しながら光ファイバ１１Ａを伝播する。光ファイバ１１Ａを伝播した励起光Ｂは、光ファイバ１１Ｂの第１クラッド４２Ｂに入射して、第１クラッド４２Ｂと第２クラッド４３Ｂとの境界で反射しながら光ファイバ１１Ｂを伝播する。
【００５２】
光ファイバ１１Ａのコア４１Ａには希土類元素（具体的にはＹｂ）が実質的に添加されていないため、励起光Ｂがコア４１Ａを通過してもコア４１Ａによる励起光Ｂの吸収は実質的に生じない。このため、光ファイバ１１Ａではパルス光Ａは実質的に増幅されない。
【００５３】
これに対し、光ファイバ１１Ｂのコア４１Ｂには希土類元素（具体的にはＹｂ）が添加されているため、励起光Ｂがコア４１Ｂを通過した場合、励起光Ｂの一部がコア４１Ｂに含まれる希土類元素に吸収される。これにより希土類元素が励起されるため、パルス光Ａがコア４１Ｂに入射すると、希土類元素の誘導放出によってパルス光Ａが増幅される。
【００５４】
なお、バンドパスフィルタ７が設けられていなくてもよいが、その場合、光ファイバ１から放出される自然放出光が光ファイバ１１Ａ，１１Ｂに入射する。その自然放出光が光ファイバ１１Ｂにより増幅された場合、パルス光Ａの増幅率が低下する。光ファイバ１から放出される自然放出光をバンドパスフィルタ７により除去することによって、光ファイバ１１Ｂにおいて高効率の光増幅が可能になる。
【００５５】
図４は、図１に示すレーザ加工装置のうちのレーザヘッド部の構成例を示した図である。図４を参照して、レーザヘッド部１２０は、光ファイバ１２と、エンドキャップ１３と、コリメートレンズ１４と、ダイクロイックミラー１５Ａ，１５Ｂと、アイソレータ１６と、拡大器１７と、ガルバノスキャナ１８と、集光レンズ１９とを備える。
【００５６】
光ファイバ１２の入射端は光ファイバ１１Ｂの出射端に光学的に結合される。光ファイバ１２の出射端にはエンドキャップ１３が設けられる。光ファイバ１２は、リング状に巻かれたリング部１２Ａを有する。なお、本発明の実施の形態では「リング状」とは、光ファイバが円形に１周以上巻かれた状態であり、「円弧状」とは、円周の一部となるように光ファイバが曲げられた状態である。
【００５７】
エンドキャップ１３は、ピークパワーの高い光パルスが光ファイバ１２から大気中に出射される際に、光ファイバ１２の端面と大気との境界面で生じるダメージを防止するために設けられる。
【００５８】
コリメートレンズ１４は、光ファイバ１２から出射されたパルス光のビーム径を調整するためのものである。コリメートレンズ１４を通過したパルス光は、ダイクロイックミラー１５Ａによって反射されて、アイソレータ１６に入射する。
【００５９】
アイソレータ１６はダイクロイックミラー１５Ａからアイソレータ１６に入射したパルス光を通過させる一方で、アイソレータ１６に戻る光を遮断する。アイソレータ１６を通過したパルス光は、アイソレータ１６に付随する拡大器１７から大気中に出力されてガルバノスキャナ１８に入射する。
【００６０】
ガルバノスキャナ１８はＸ軸、およびＸ軸と直交するＹ軸方向の少なくとも一方の方向にレーザ光を走査する。集光レンズ１９は、たとえばｆθレンズであり、ガルバノスキャナ１８により走査されたレーザ光Ｌを集光する。被加工物５０には、集光レンズ１９によって集光されたレーザ光Ｌが照射される。
【００６１】
光ファイバ１および光ファイバ１１Ｂで増幅されたレーザ光を集光レンズ１９によって集光することで、被加工物５０の表面では、たとえばアブレーションが起こる。ポリマー、セラミックス、ガラス、金属材料等の物体の表面に高いエネルギー密度でレーザ光を照射すると，材料を構成している分子・原子間の結合が瞬時に切れることによる分解、気化、蒸散を経て材料表面が爆発的に除去され、周囲に熱ダメージを与えない極めてシャープな除去が起こる。これがアブレーションと呼ばれる現象である。アブレーションを利用することによって、様々な加工が可能となる。
【００６２】
なお、この実施の形態で用いられる光ファイバ１，１１Ａ，１１Ｂおよび１２は、いずれもマルチモードファイバである。マルチモードファイバは、コア径がシングルモードファイバよりも大きい。コア径が大きいことによって、コア内でのエネルギーを高めることが可能となるので、高パワーのレーザ光をレーザ加工装置で発生させることができる。しかしコア径を大きくすることによって、高次モードのレーザ光もコアを伝播可能になる。モードの数が増えることでレーザ光のビーム形状（空間強度分布）を良好にすることが難しくなる。
【００６３】
逆にコア径が小さいほどコアを伝搬するレーザ光のモードが制限される。モードが制限されることによってレーザ光のビーム形状を良好にすることができる。しかしながらコア径が小さいためにレーザ光のパワーを高めることができない。
【００６４】
このように従来の考え方では、光ファイバから出射されるレーザ光の高パワー化と、そのレーザ光のビーム形状の安定化とはトレードオフの関係にあるため両立させることはできなかった。
【００６５】
さらにレーザ加工装置１００は、本体部とヘッド部とがレーザ伝送部１３０（光ファイバ１１Ａ，１１Ｂ）によって接続された構成を有している。レーザ伝送部１３０は動きの自由な状態にある部位である。レーザ伝送部１３０は固定されていないため、レーザ加工装置１００からレーザ光が出射されている際に、レーザ伝送部１３０が動く場合がある。レーザ伝送部１３０が振動することによって、レーザ伝送部１３０（光ファイバ）内での光路が変化する。これによって高次モードのレーザ光が発生するため、レーザ加工装置１００から最終的に出射されるレーザ光の空間強度分布が変動する可能性が考えられる。
【００６６】
図５は、レーザ光のビーム形状（空間強度分布）を説明するための図である。図５（ａ）は、レーザ光の理想的な空間強度分布およびその強度分布に対応するスポット形状を示した図である。図５（ｂ）は、レーザ光の空間強度分布に揺らぎが生じた場合のスポット形状を示した図である。
【００６７】
図５を参照して、レーザ光の空間強度分布は、理想的にはガウス曲線に従って表わされる。したがって空間強度分布が理想的な分布に近い場合、レーザ光が照射された平面においてレーザ光の強度は同心円状に分布する（図５（ａ））。しかしながらレーザ光の空間強度分布に揺らぎが生じた場合、平面上でのレーザ光の強度は偏った分布となる（図５（ｂ））。このようにレーザ光の強度分布が変動すると、加工品質がばらつく可能性がある。
【００６８】
実施の形態１では、レーザ光源１５０からのレーザ光を伝送する光ファイバ（１１Ａ，１１Ｂ，１２）の出射端近傍において、光ファイバは所定の曲率で曲げられている。具体的には、光ファイバ１２は、所定の曲率でリング状に曲げられたリング部１２Ａを有している。光ファイバの出射端近傍において光ファイバが所定の曲率で曲げられていることによって、高次モードの光を除去しなくともレーザ光のビーム形状を良好にすることができる。したがって出力の低下を抑制しつつ高品質のビームを得ることが可能になる。なお、「所定の曲率」とは、光ファイバの曲げ損失が発生しない程度の曲率であり、用いられる光ファイバによって適切に定めることができる。
【００６９】
さらに実施の形態１によれば、レーザ伝送部１３０のように光ファイバの一部が動きの自由な状態にある場合でも、光ファイバから出射されるレーザ光のビーム形状を良好にすることができる。
【００７０】
図６は、レーザ光の従来の制御手法と本発明の実施の形態による制御手法とを比較するためのフローチャートである。図６を参照して、ステップＳ１において、レーザ伝送部が動くことにより光ファイバからの出射ビームの形状が変動するという課題が存在する。コア径を小さくしてＶナンバーを２．４０５以下にするかどうかが検討される（ステップＳ２）。
【００７１】
Ｖナンバーは下記の式（１）に従って表わされる。
Ｖ＝２π／λ×ＮＡ×ａ ・・・（１）
λはコアを伝播する光の波長であり、ＮＡは、コアの開口数であり、ａは、コア径を示す。Ｖナンバーが２．４０５以下であれば、コアを伝搬する光のモードは単一のモードとなる。
【００７２】
しかしコア径を小さくする（Ｖナンバーを２．４０５以下にする）ことを選択した場合（ステップＳ２においてＹｅｓ）、エネルギー密度の高い光がコアを伝搬することが困難となるため高出力化が困難となる（ステップＳ３）。
【００７３】
一方、コア径を小さくしないことを選択した場合（ステップＳ２においてＮｏ）、コアＮＡを小さくすることで、Ｖナンバーを２．４０５以下にするかどうかが検討される（ステップＳ４）。式（１）によれば、コアのＮＡを小さくすることでＶナンバーを２．４０５以下にすることができる。この場合、コア径を小さくすることなくシングルモードの伝搬が可能となるため、高出力化を図りつつビーム形状を安定化することができると考えられる。
【００７４】
しかし、コアのＮＡを小さくすることを選択した場合（ステップＳ４においてＹｅｓ）、ダブルクラッドファイバ等の屈折率の制御として、コアの屈折率の制御だけでなく、２層のクラッドの屈折率の制御も必要となる。このため光ファイバの価格が高くなるとともに制御が複雑化することが起こりうる（ステップＳ５）。
【００７５】
コアのＮＡを小さくしないことを選択した場合（ステップＳ４においてＮｏ）、マイクロベンディングで高次モードを除去するかどうかが検討される（ステップＳ６）。マイクロベンディングとは、光ファイバの側面に圧力が加わることにより、光ファイバの軸がコア径に比べて小さい曲率半径で曲がることを指す。マイクロベンディングによって、高次モードの光を除去可能である（たとえば非特許文献１を参照）。しかしながら、マイクロベンディングで高次モードを除去することを選択した場合（ステップＳ６においてＹｅｓ）、光ファイバの損失が発生するので、光ファイバの出力が低下する。
【００７６】
一方、本発明による制御手法ではコア径を小さくすること、コアＮＡを小さくすること、マイクロベンディングによる高次モードの除去のいずれも行なうことなく、ビーム形状を安定化できる。したがって高出力化を図りつつビーム形状を安定化することができる。
【００７７】
図７は、光ファイバから出力されるレーザ光のパワーをファイバリングの有無によって比較した図である。図７を参照して、グラフの横軸は、励起用ＬＤに供給される駆動電流を示し、グラフの縦軸は光ファイバから出射されるレーザ光の平均出力を示す。図７に示されるようにリング部を光ファイバに設けても出力の低下はほとんど見られない。
【００７８】
図８は、スポット形状の安定性についての実験結果を示した図である。この実験では、光ファイバにコア径が１５μｍ、コアＮＡが０．１３であるダブルクラッドファイバを使用した。また、信号光の波長を１０６４ｎｍとし、レーザ伝送部の光ファイバに約３０Ｗの励起光を入射した。
【００７９】
図８を参照して、ビームスポット径は、ビーム強度がそのピーク強度の１／ｅ（ｅは自然対数の底）以上となる範囲と定義される。また、ビームスポット径の安定性は、ビームスポット径の変動率として定義される。すなわちビームスポット径の安定性を示す数値が低いほど、ビームスポット径の変動が少ない。
【００８０】
例１〜例３に示されるように、コアＮＡによらず、光ファイバの出射端近傍にリング部を設けることで、直線状のファイバに比べてビームスポット径が安定する。また、光ファイバの出射端近傍を所定の曲率で曲げた場合にも、直線状のファイバに比べてビームスポット径が安定する。
【００８１】
また、例１〜例３を互いに比較すると、Ｖナンバーを大きくするほど、光ファイバにリング部あるいは曲げ部を設けることによる、スポット径の安定性の効果が高くなることが分かる。Ｖナンバーが大きくなることで、光ファイバを伝搬するモードの数を増やすことができるので、光ファイバを伝搬するレーザ光のパワーを高めることができる。
【００８２】
図９は、光ファイバのリング部の直径に対する、光ファイバから出射されるレーザ光のパワーおよびビーム径の安定性の関係についての実験結果を示した図である。この実験は、図８に示した結果を得たときの条件を用いて行なった。図９を参照して、光ファイバから出射されるレーザ光のパワーは、リングなしの場合、リング部の直径が１５０ｍｍ、１２０ｍｍ、９０ｍｍ、６０ｍｍの各場合で殆ど変化しない。これに対して、ビーム径の安定性（Stability）を示す数値は、リングなしの場合またはリング部の直径が１５０ｍｍには、約１．２％であるのに対し、リング部の直径が１２０ｍｍ以下では１．０％以下となる。特に、リング部の直径が９０ｍｍ以下では、ビーム径の安定性を示す数値は約０．８％となる。
【００８３】
図９から、リング部の直径は、６０ｍｍ以上かつ１５０ｍｍ以下であることが好ましい。リング部の直径を１５０ｍｍより大きくすると、ビーム径の安定性は、リング部が無い場合とほとんど変わらなくなる。一方、リング部の直径を６０ｍｍ以下にすると、光ファイバを曲げることが難しくなる。より好ましくは、リング部の直径は、６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下である。リング部の直径をこの範囲内に設定することで、ビーム径の安定性をより高めることができる。さらに好ましくは、リング部の直径は、６０ｍｍ以上かつ９０ｍｍ以下である。リング部の直径をこの範囲内に設定することで、ビーム径の安定性をさらに高めることができる。
【００８４】
このように実施の形態１では、光ファイバの出射端近傍において光ファイバが曲げられる。より具体的には、光ファイバは、その出射端近傍においてリング状に曲げられる。これにより、レーザ加工装置の高出力化とビーム品質の向上とを図ることができる。
【００８５】
［実施の形態２］
実施の形態２に係るレーザ加工装置は、レーザヘッド部の構成の点で実施の形態１に係るレーザ加工装置と異なっている。
【００８６】
図１０は、実施の形態２に係るレーザ加工装置が備えるレーザヘッド部の構成をより詳細に示す構成図である。図１０および図４を参照して、実施の形態２に係るレーザヘッド部１２０Ａは、円弧状に曲げられた曲げ部１２Ｂが光ファイバ１２に設けられる点で実施の形態１に係るレーザヘッド部１２０と異なる。曲げ部１２Ｂの曲率半径の２倍を曲げ部１２Ｂの直径と定義する。曲げ部１２Ｂの直径の範囲は、実施の形態１に係るリング部１２Ａの直径の範囲と同じである。すなわち曲げ部１２Ｂの直径は、６０ｍｍ以上かつ１５０ｍｍ以下であり、より好ましくは６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは、６０ｍｍ以上かつ９０ｍｍ以下である。
【００８７】
図１１は、実施の形態２に係るレーザヘッド部の曲げ部に関する部分の具体的な構成の例を示した斜視図である。図１２は、図１１のＡ方向から見たレーザヘッド部の一部の斜視図である。図１３は、図１１のＢ方向から見たレーザヘッド部の一部の上面図である。
【００８８】
図１１〜図１３を参照して、レーザヘッド部１２０Ａは、底面ベース６０と、ファイバ収納ボックス６１と、ファイバガイド６２と、側面ベース６８とを備える。ファイバガイド６２は底面ベース６０に取り付けられる。ファイバ収納ボックス６１は、側面ベース６８に取り付けられる。
【００８９】
ファイバ収納ボックス６１の中には光ファイバ１２が収納されている。ファイバ収納ボックス６１から引き出された光ファイバ１２は樹脂製のチューブ６３の中に挿入されている。ファイバ収納ボックス６１において光ファイバ１２が引き出される部分には、樹脂製のブッシング６７が設けられる。ブッシング６７には貫通孔が形成され、その貫通孔からチューブ６３に通された光ファイバ１２が引き出される。
【００９０】
ファイバ収納ボックス６１から引き出された光ファイバ１２はファイバガイド６２の外表面に沿って曲げられ、結束バンド６４によってファイバガイド６２の外表面に固定される。ファイバガイド６２の外表面は円弧状に曲げられている。したがって、上記の範囲内の直径を有する曲げ部１２が形成される。結束バンド６４は、光ファイバ１２をファイバガイド６２に固定するための固定部材として機能する。なお、結束バンド６４は、固定部材の１つの実施形態として図１１〜図１３に示されているが、光ファイバ１２をファイバガイド６２に固定することが可能な部材であれば固定部材として適用可能である。
【００９１】
ファイバガイド６２は、遮光部材により形成される。曲げ部１２で漏れ光が発生した場合にも、ファイバガイド６２によって、その漏れ光がレーザヘッドの内部に進入することを防ぐことができる。なお、ファイバガイド６２の材質は特に限定されず、たとえば金属（一例としてアルミニウム）、あるいは難燃性の樹脂などによって作成することができる。
【００９２】
チューブ６３は、ファイバ収納ボックス６１からアイソレータ１３までの間の光ファイバ１２の部分を隙間なく覆っている。チューブ６３は光ファイバ１２が損傷することを防ぐためのものである。たとえば結束バンド６４が光ファイバ１２に直接接触した場合、あるいは光学調整時に調整用の工具が光ファイバ１２に直接接触した場合には、光ファイバ１２が損傷する可能性がある。チューブ６３が光ファイバ１２を覆うことによって、そのような光ファイバ１２の損傷を防ぐことができる。
【００９３】
図１４は、ファイバガイドの斜視図である。図１３および図１４を参照して、結束バンド６４を通すための１対の孔６５がファイバガイド６２の３カ所に設けられる。なお、１対の孔６５の位置および個数は図１３、図１４に示すように限定されるものではない。
【００９４】
ファイバガイド６２の内側には、ネジ（図１１〜図１４には示さず）を通すための貫通孔が形成された取付部６６が形成される。取付部６６に形成された貫通孔にネジを通し、そのネジを底面ベース６０に形成されたネジ穴と螺合することでファイバガイド６２が底面ベース６０に固定される。
【００９５】
上記のように、ファイバガイド６２の外表面に光ファイバ１２が取り付けられる。ファイバ６２の内側に取付部６６を設けることによって、光ファイバ１２に工具が接触することを避けつつファイバガイド６２を底面ベース６０に着脱することができるので、光学調整時などにおいて作業性を高めることができる。
【００９６】
図１５は、光ファイバ収納ボックスの内部と光ファイバ収納ボックスの外部との境界付近における光ファイバの部分を説明するための模式図である。図１５を参照して、光ファイバ１２が入ったチューブ６３は、ブッシング６７に形成された貫通孔に通される。チューブ６３は、ブッシング６７に固定されておらず、ブッシング６７に形成された貫通孔内で自由に回転可能となっている。チューブ６３が、ブッシング６７で完全に固定されている（回転可能でない）場合には、組み立て時にチューブ６３にねじれが発生する可能性がある。ブッシング６７に形成された貫通孔内で自由に回転可能であるため、このような問題を防ぐことができる。さらにブッシング６７がダンパとして機能するので、光ファイバ１２に過度の衝撃が加わることによる光ファイバ１２の損傷を防ぐこともできる。
【００９７】
なお、ファイバガイド６２を筒状に形成し、その外表面に沿って光ファイバ１２を巻いてもよい。これにより、リング状の曲げ部を形成することもできる。
【００９８】
実施の形態２に係るレーザヘッド部１２０Ａの他の部分の構成は、図４に示したレーザヘッド部１２０の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。
【００９９】
図８に示されるように、光ファイバに曲げ部を設けた場合にも、直線状の光ファイバに比較してビームスポットの径が安定する効果が高くなる。Ｖナンバーが大きいほど、ファイバに曲げ部を設けることで、ビームスポット径の安定性が高くなる。
【０１００】
すなわち実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、光ファイバの出射端近傍に曲げ部を設けることで、光ファイバから出射されるレーザ光のパワーを高めつつ、レーザビームの品質を安定させることができる。
【０１０１】
［実施の形態３］
実施の形態３に係るレーザ加工装置は、レーザ光源の構成の点で実施の形態１に係るレーザ加工装置と異なっている。
【０１０２】
図１６は、実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源の構成をより詳細に示す構成図である。図１６および図２を参照して、レーザ光源１５０Ａは、光ファイバ１と、半導体レーザ２，３と、アイソレータ４，６と、光結合器５と、バンドパスフィルタ７とが省略されている点においてレーザ光源１５０と異なる。すなわちレーザ光源１５０Ｃは、半導体レーザ９Ａ〜９Ｄと光結合器１０とを備える。なお、レーザヘッド部１２０の構成は図４に示した構成と同様である。
【０１０３】
レーザ伝送部１３０Ａは、ファイバブラッググレーティング８Ａ，８Ｂが光ファイバ１１Ｂの両端に設けられている点においてレーザ伝送部１３０と異なる。ファイバブラッググレーティング８Ａ，８Ｂおよび光ファイバ１１Ｂはファイバ共振器を構成する。この構成では、半導体レーザ９Ａ〜９Ｄおよびファイバ共振器によって、本発明に係るレーザ照射装置の「レーザ光源」が実現され、光ファイバ１１Ｂに光学的に結合された光ファイバ１２（図４参照）が、レーザ光源からのレーザ光を伝送する。
【０１０４】
ファイバブラッググレーティング８Ａは、半導体レーザ９Ａ〜９Ｄからの励起光を透過させる。この励起光によって光ファイバ１１Ｂが励起され、光ファイバ１１Ｂの内部で誘導放出光が発生する。ファイバブラッググレーティング８Ａは、光ファイバ１１Ｂにおいて発生した誘導放出光を反射させる。ファイバブラッググレーティング８Ｂは、光ファイバ１１Ｂにおいて発生した誘導放出光の一部を透過させる。
【０１０５】
このように、本発明の実施の形態では、ファイバ共振器を備えるレーザ光源をレーザ加工装置に用いることができる。なお、レーザ光源の構成は、上記の構成に限定されるものではない。以下に、本発明の実施の形態に適用可能なレーザ光源の一例を示す。
【０１０６】
図１７は、実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源の別の構成の一例を示す構成図である。図１７を参照して、レーザ光源１５０Ｂは、Ｑスイッチを用いたレーザ発振器である。図１７および図２を比較すると、レーザ光源１５０Ｂは、半導体レーザ２、アイソレータ４およびバンドパスフィルタ７が省略されている点においてレーザ光源１５０と異なる。さらに、レーザ光源１５０Ｂは、Ｑスイッチ８Ｃおよび、ファイバブラッググレーティング８Ｄ，８Ｅを備える点においてレーザ光源１５０と異なる。
【０１０７】
半導体レーザ３は、光ファイバ１（希土類添加ファイバ）のコアに添加された希土類元素を励起するための励起光を出力する。励起光は、光結合器５およびファイバブラッググレーティング８Ｄ、Ｑスイッチ８Ｃを介して光ファイバ１に入射する。ファイバブラッググレーティング８Ｄは、その励起光を透過させるとともに、光ファイバ１から出力される誘導放出光を反射させる。一方、ファイバブラッググレーティング８Ｅは、光ファイバ１から出力される誘導放出光の一部を透過させる。
【０１０８】
Ｑスイッチ８Ｃは、制御部２１によりオンオフ制御される。Ｑスイッチ８Ｃには、たとえば高速でオンオフの動作が可能な電気光学素子（Ｅ／Ｏ素子）や音響光学素子（Ａ／Ｏ素子）が用いられる。光ファイバ１の励起によって光ファイバ１にエネルギーが蓄積された状態において、Ｑスイッチ８Ｃがオンされる。これにより光ファイバ１の誘導放出が生じてパルス光が出射される。このように図１７に示された構成は、ファイバ共振器がレーザ制御部内に設けられている点で図１６に示された構成と異なっている。
【０１０９】
さらに、共振器の構成は図１６および図１７に示した構成に限定されるものではない。図１８は、実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源のさらに別の構成の一例を示す構成図である。図１８を参照して、レーザ光源１５０Ｃは、固体レーザ共振器２００を有する。固体レーザ共振器２００は、レーザ媒質２０１と、励起光源２０２，２０３と、反射ミラー２０４と、出射ミラー２０５と、Ｑスイッチ２０６と、集光レンズ２０７とを含む。
【０１１０】
レーザ媒質２０１は、固体媒質であり、たとえばＮｄ：ＹＡＧ結晶である。励起光源２０２，２０３は、レーザ媒質２０１を励起するための励起光をレーザ媒質２０１に照射する。Ｑスイッチ２０６は制御部２１によって周期的にオンオフされる。これにより固体レーザ共振器２００から種光としてパルス光が繰り返して出射される。
【０１１１】
出射ミラー２０５から出射した種光（パルス光）は、集光レンズ２０７により集光されるとともに光ファイバ１に入射する。種光は光結合器１０によって、半導体レーザ９Ａ〜９Ｄから出射された励起光と結合されてレーザ伝送部１３０（光ファイバ１１Ａ）に入射する。
【０１１２】
なお、固体レーザに代えて、色素レーザあるいは気体レーザを用いてもよい。色素レーザの場合、レーザ媒質として、色素を有機溶媒に溶かした液体媒質が用いられる。気体レーザの場合、レーザ媒質としてたとえばＣＯ２ガス、Ａｒガスなどの気体媒質が用いられる。
【０１１３】
図１０〜図１８の各々に示されたレーザヘッド部１２０の構成は図４に示した構成と同様である。ただし実施の形態３に係るレーザ加工装置は、レーザヘッド部１２０に代えて図１０に示したレーザヘッド部１２０Ａを備えてもよい。さらにレーザヘッド部１２０Ａの具体的構成としては図１１〜図１５に示した構成を適用できる。すなわち、実施の形態３においても、光ファイバの出射端近傍において、光ファイバが所定の曲率でリング状あるいは円弧状に曲げられている。実施の形態３によれば、レーザ光源の種類を限定することなく、ファイバを備えるレーザ加工装置の高出力化とビーム品質の向上とを図ることができる。
【０１１４】
［実施の形態４］
実施の形態４に係るレーザ加工装置は、レーザ伝送部の構成の点で実施の形態１に係るレーザ加工装置と異なっている。
【０１１５】
図１９は、実施の形態４に係るレーザ加工装置が備えるレーザ伝送部の構成をより詳細に示す構成図である。図１９および図２を参照して、実施の形態４に係るレーザ加工装置はレーザ伝送部１３０Ｂを有する。レーザ伝送部１３０Ｂの光ファイバ１１Ｂに、リング部１１Ｃが設けられる。この点においてレーザ伝送部１３０Ｂはレーザ伝送部１３０と異なる。
【０１１６】
実施の形態４に係るレーザ加工装置の他の部分の構成は、図２に示したレーザ加工装置の対応する部分の構成と同様である。すなわち、実施の形態４に係るレーザ加工装置においても、光ファイバの出射端近傍において光ファイバがリング状に曲げられている。実施の形態４では、光ファイバは、その出射端の近傍だけでなく、他の部分（光ファイバの途中の部分、すなわち光ファイバ１１Ｂ）でも曲げられている。このように光ファイバが曲げられた箇所は１つに限定されるものではなく、光ファイバの出射端近傍を含む複数の箇所であってもよい。また、各箇所において、光ファイバはリング状に曲げられてもよいし、円弧状に曲げられてもよい。
【０１１７】
実施の形態４によれば、実施の形態１と同様に、光ファイバの出射端近傍において光ファイバが曲げられているので、レーザ加工装置の高出力化とビーム品質の向上とを図ることができる。
【０１１８】
たとえばレーザ加工装置の配置場所によっては、レーザ制御部と、レーザ本体部との距離を近づけなければならない場合が起こりうる。この場合、たとえばレーザ伝送部である光ファイバが曲げられる。このような場合であっても、光ファイバの出射端近傍において光ファイバが曲げられているので、レーザ加工装置の高出力化とビーム品質の向上とを図ることができる。すなわち、レーザ加工装置の配置場所によらず、レーザビームの品質を安定させることができる。
【０１１９】
図２０は、実施の形態４に係るレーザ加工装置が備えるレーザ伝送部の別の構成を示す構成図である。図２０を参照して、光ファイバ１１Ｂ（すなわち光増幅ファイバ）の出射端はレーザヘッド部１２０Ｂの内部に導入され、エンドキャップ１３が光ファイバ１１Ｂの出射端に接続される。さらに光ファイバ１１Ｂの出射端はリング状に曲げられている（リング部１１Ｃ）。すなわち、光ファイバ１２がレーザヘッド部内に設けられていない点で、レーザヘッド部１２０Ｂの構成は、図３に示したレーザヘッド部１２０の構成と異なる。このような構成であっても、光ファイバの出射端近傍において光ファイバが曲げられているので、レーザ加工装置の高出力化とビーム品質の向上とを図ることができる。
【０１２０】
なお、実施の形態４に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源として、実施の形態３に係る各種のレーザ光源を適用することもできる。
【０１２１】
さらに、本発明は、レーザ光源、レーザ光源からのレーザ光を伝送する光ファイバおよび被加工物に対して光ファイバから出射されたレーザ光を照射するための光学系が一体化された装置にも適用できる。このような装置でも、光ファイバの一部が固定されていないことがある。たとえば装置内部を冷却するために冷却風が装置内部に導入された場合、その固定されていない部分が振動する可能性がある。光ファイバが振動した場合、上記のようにビームのスポット径が変動するという問題が生じ得る。したがって上記の構成を有する装置にも本発明を適用することができる。
【０１２２】
また、本発明の実施の形態では、マルチモードファイバが用いられる。ただし本発明に適用可能な光ファイバはマルチモードファイバに限定されるものではなく、シングルモードファイバであってもよい。
【０１２３】
また、本発明の実施の形態では、光ファイバとしてダブルクラッドファイバが用いられる。ただし本発明に適用可能な光ファイバはダブルクラッドファイバに限定されるものではなく、シングルクラッドファイバであってもよい。また、ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの両方を用いてもよい。
【０１２４】
また、本発明の実施の形態では、レーザヘッド部から照射されるレーザ光は被加工物の加工に用いられる。しかし、本発明に係るレーザ照射装置を加工以外の目的で使用することも可能である。たとえばセンサ、光ピンセット、レーザ加速器、レーザ顕微鏡、あるいはレーザ医療装置、核融合装置等に本発明に係るレーザ照射装置を用いることもできる。したがって本発明に係るレーザ照射装置はレーザ加工装置に限定されず、様々な分野への適用が可能である。
【０１２５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２６】
１，１１Ａ，１１Ｂ，１２ 光ファイバ、２，３，９Ａ〜９Ｄ 半導体レーザ、４，６，１６ アイソレータ、５，１０ 光結合器、７ バンドパスフィルタ、８Ａ，８Ｂ，８Ｄ，８Ｅ ファイバブラッググレーティング、８Ｃ，２０６ Ｑスイッチ、１１Ｃ，１２Ａ リング部、１２Ｂ 曲げ部、１３ エンドキャップ、１４ コリメートレンズ、１５Ａ，１５Ｂ ダイクロイックミラー、１７ 拡大器、１８ ガルバノスキャナ、１９，２０７ 集光レンズ、２０ 制御基板、２１ 制御部、２２ パルス発生部、３０ ドライバ用電源、３２ ドライバ、４１Ａ，４１Ｂ コア、４２Ａ，４２Ｂ 第１クラッド、４３Ａ，４３Ｂ 第２クラッド、４４Ａ，４４Ｂ 被覆、５０ 加工物、６０ 底面ベース、６１ ファイバ収納ボックス、６２ ファイバガイド、６３ チューブ、６４ 結束バンド、６５ 孔、６６ 取付部、６７ ブッシング、６８ 側面ベース、１００ レーザ加工装置、１１０ レーザ制御部、１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ レーザヘッド部、１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ レーザ伝送部、１５０，１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ レーザ光源、２００ 固体レーザ共振器、２０１ レーザ媒質、２０２，２０３ 励起光源、２０４ 反射ミラー、２０５ 出射ミラー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射装置およびレーザ加工装置に関し、特に光ファイバを用いたレーザ照射装置およびその照射装置を含む加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置には様々な形態があるが、たとえば光ファイバを用いたレーザ加工装置が提案されている。レーザ加工装置の用途、ニーズの多様化に伴い、高出力化、高安定性、高ビーム品質、および小型化などがレーザ加工装置に望まれている。
【０００３】
光ファイバを用いたレーザ加工装置を高出力化するためには、ガラスの破壊限界によるファイバ自身の損傷、非線形光学効果によって発生する誘導散乱光によるファイバの破損といった課題がある。これらの問題を回避するために、ファイバのコア径を拡大することによって、コア内でのエネルギー密度を低下させる方法が考えられる。しかしながら、コア径を拡大させた場合には、伝搬されるレーザ光に高次モードの光が含まれることになる。その結果、ファイバの僅かな振動等によりレーザビームの空間強度分布が変動し、レーザビームの安定性を確保することが難しくなる。
【０００４】
非特許文献１（Jeffrey P. Koplow, Dahv A. V Kliner, Lew Goldberg, "Single-mode operation of a coiled multimode fiber amplifier", OPTICS LETTERS, Vol.25, No.7, April 1, 2000）では、高次モードのレーザ光を除去する手段を開示する。具体的には、ファイバの曲げによる損失が高次モードのレーザ光で大きいということを利用して、増幅ファイバに極小の巻き部が設けられる。
【０００５】
非特許文献２（J. A. Alvarez-Chavez, A. B. Grudinin, J. Nilsson, P. W. Turner and W. A. Clarkson "Mode selection in high power cladding pumped fibre lasers with tapered section", CLEO/QLES '99 Baltimore (23-28 May, 1999) CWE7）も、高次モードのレーザ光を除去する手段を開示する。具体的には、テーパファイバによって、コア径が小さい部分を設ける。
【０００６】
また、特許文献１（特開２００７−１０３７５１号公報）は、曲率の異なるリング部が設けられた光増幅ファイバを開示する。曲率の小さいリング部において高次モードのレーザ光が予め除去され、曲率の大きいリング部においてレーザ光が増幅される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０３７５１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Jeffrey P. Koplow, Dahv A. V Kliner, Lew Goldberg, "Single-mode operation of a coiled multimode fiber amplifier", OPTICS LETTERS, Vol.25, No.7, April 1, 2000
【非特許文献２】J. A. Alvarez-Chavez, A. B. Grudinin, J. Nilsson, P.W. Turner and W. A. Clarkson "Mode selection in high power cladding pumped fibre lasers with tapered section", CLEO/QLES '99 Baltimore (23-28 May, 1999) CWE7
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１に開示の手法によれば、レーザ装置のモードを安定化させることは可能である。しかし増幅光の一部が除去されるために、増幅ファイバからの出力が低下するだけでなく、光ファイバが発熱することが懸念される。さらに、極小の巻き部を光ファイバに設けるためには、光ファイバを安定して固定する必要がある。このため装置の製造コストが上昇する。さらに、極小の巻き部を設けることで光ファイバへの負担が大きくなるので、長期間の使用のうちに信頼性が低下することも懸念される。
【００１０】
非特許文献２に開示の手法によれば、光の散逸が多くなることによってファイバの出力が低下することが懸念される。さらに、テーパを形成するための加工費が必要になるという課題もある。
【００１１】
特許文献１に開示の構成では、実際の使用環境において、リング部の形状の変化、あるいは振動が生じることによって、光増幅ファイバから出射されたレーザ光の空間強度分布が変動し、ビーム径が不安定となる。ビーム径が不安定な場合、レーザ光によって形成された加工痕も一様にならないという課題がある。
【００１２】
本発明の目的は、光ファイバを備えたレーザ照射装置において、出力の低下を抑制しつつ高品質のビームを得ることを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のある局面に係るレーザ照射装置は、レーザ光を出射するための出射端を有する光ファイバと、光ファイバを伝搬するレーザ光を発生させるためのレーザ光源とを備える。光ファイバは、動きの自由な状態にある自由部位を有し、かつ出射端の近傍においてリングまたは円弧状に曲げられている。
【００１４】
好ましくは、レーザ照射装置は、レーザ光源を含む本体部と、光ファイバの出射端から出射されたレーザ光を対象物に照射するための光学部品を含むヘッド部とを備える。出射端は、ヘッド部の内部に位置する。自由部位は、本体部からヘッド部にレーザ光を伝搬するための部位である。
【００１５】
好ましくは、リングまたは円弧の直径は、６０ｍｍ以上かつ１５０ｍｍ以下である。
好ましくは、直径は、６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下である。
【００１６】
好ましくは、直径は、６０ｍｍ以上かつ９０ｍｍ以下である。
好ましくは、レーザ照射装置は、ベース部材と、ファイバガイドとをさらに備える。ファイバガイドは、遮光部材によって作製され、円弧状の外表面を有し、光ファイバを固定するための固定部材が取り付け可能に形成される。光ファイバは、ファイバガイドの外表面に沿って曲げられるとともに、固定部材によって前記ファイバガイドに固定される。外表面と反対側に位置するファイバガイドの内表面側には、ファイバガイドをネジによってベース部材に取り付けるための取付部が設けられる。
【００１７】
好ましくは、光ファイバは、出射端の近傍に加え、出射端の近傍と異なる箇所においてリング状または円弧状に曲げられている。
【００１８】
好ましくは、光ファイバは、マルチモードファイバである。
好ましくは、光ファイバは、光増幅ファイバを含む。光増幅ファイバは、出射端から出射されるレーザ光を生成するために、信号用レーザ光を励起用レーザ光によって増幅する。レーザ光源は、信号用レーザ光を発生させる第１の光源と、励起用レーザ光を発生させる第２の光源とを含む。
【００１９】
好ましくは、レーザ光源は、増幅媒体を含む共振器と、増幅媒体を励起するための励起光を供給する励起光源とを含む。
【００２０】
好ましくは、増幅媒体は、光増幅ファイバを含む。
好ましくは、増幅媒体は、固体媒質、液体媒質、および気体媒質のいずれかである。
【００２１】
本発明の他の局面に係るレーザ加工装置は、上記のいずれかのレーザ照射装置を備える。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、光ファイバを備えたレーザ加工装置において、出力の低下を抑制しつつ高品質のビームを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１に示すレーザ加工装置のうちのレーザ制御部の構成をより詳細に示す構成図である。
【図３】図２に示した光ファイバ１１Ａ，１１Ｂの構造、および、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂを伝播する光を説明する図である。
【図４】図１に示すレーザ加工装置のうちのレーザヘッド部の構成例を示した図である。
【図５】レーザ光のビーム形状（空間強度分布）を説明するための図である。
【図６】レーザ光の従来の制御手法と本発明の実施の形態による制御手法とを比較するためのフローチャートである。
【図７】光ファイバから出力されるレーザ光のパワーをファイバリングの有無によって比較した図である。
【図８】スポット形状の安定性についての実験結果を示した図である。
【図９】光ファイバのリング部の直径に対する、光ファイバから出射されるレーザ光のパワーおよびビーム径の安定性の関係についての実験結果を示した図である。
【図１０】実施の形態２に係るレーザ加工装置が備えるレーザヘッド部の構成をより詳細に示す構成図である。
【図１１】実施の形態２に係るレーザヘッド部の曲げ部に関する部分の具体的な構成の例を示した斜視図である。
【図１２】図１１のＡ方向から見たレーザヘッド部の一部の斜視図である。
【図１３】図１１のＢ方向から見たレーザヘッド部の一部の上面図である。
【図１４】ファイバガイドの斜視図である。
【図１５】光ファイバ収納ボックスの内部と光ファイバボックスの外部との境界付近における光ファイバの部分を説明するための模式図である。
【図１６】実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源の構成をより詳細に示す構成図である。
【図１７】実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源の別の構成の一例を示す構成図である。
【図１８】実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源のさらに別の構成の一例を示す構成図である。
【図１９】実施の形態４に係るレーザ加工装置が備えるレーザ伝送部の構成をより詳細に示す構成図である。
【図２０】実施の形態４に係るレーザ加工装置が備えるレーザ伝送部の別の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す概略図である。図１を参照して、レーザ加工装置１００は、本体部に対応するレーザ制御部１１０と、レーザヘッド部１２０と、レーザ制御部１１０からレーザヘッド部１２０にレーザ光を伝送するためのレーザ伝送部１３０とを備える。
【００２６】
レーザ制御部１１０は、レーザ光を発生させるともにそのレーザ光を出射する。レーザ制御部１１０は、レーザ光源１５０と、制御基板２０と、ドライバ３２と、ドライバ用電源３０とを含む。レーザ光源１５０は、ドライバ３２により駆動されてレーザ発振を行なう。これによりレーザ光がレーザ光源１５０から出力される。レーザ発振の条件、レーザ光の出力および出力停止は制御基板２０によって制御される。
【００２７】
ドライバ用電源３０は、ドライバ３２に電力を供給することによってドライバ３２を動作させる。これによりドライバ３２はレーザ光源１５０を駆動する。
【００２８】
制御基板２０は、レーザ光源１５０によるレーザ光の出力および出力停止を制御する。なお、制御基板２０は、ドライバ３２に対して、ドライバ３２の動作および停止を制御してもよい。
【００２９】
レーザヘッド部１２０は、レーザ光Ｌを被加工物５０に向けて照射する。レーザ伝送部１３０は、レーザ制御部１１０からのレーザ光をレーザヘッド部１２０に伝送する。
【００３０】
本発明の実施の形態では、レーザ照射装置からの光は物体の加工に用いられる。すなわち本実施の形態では、レーザ照射装置はレーザ加工装置として使用される。したがって本実施の形態に係るレーザ加工装置１００はレーザ照射装置を含む。
【００３１】
レーザ加工装置１００の用途は特に限定されず、たとえばレーザマーキング、ドリリング、溶接、切断、熱処理、形状加工、トリミング等に用いることも可能である。
【００３２】
レーザ加工装置を工場の製造ライン等に導入する場合には、レーザ加工装置が小型化であることが特に重要となる。図１に示されるように、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置は、レーザ発振装置を含むレーザ制御部と、レーザ光の走査機構を含むレーザヘッド部とが分離された構成を有している。このような構成によって、比較的小型なレーザヘッド部１２０を製造ラインに設置することができる。
【００３３】
次に、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の具体的な構成について説明する。
［実施の形態１］
図２は、図１に示すレーザ加工装置のうちのレーザ制御部の構成をより詳細に示す構成図である。図２を参照して、レーザ制御部１１０は、レーザ光源１５０と、制御基板２０と、ドライバ３２と、ドライバ用電源３０とを含む。レーザ光源１５０は、光ファイバ１と、半導体レーザ２，３，９Ａ〜９Ｄと、アイソレータ４，６と、光結合器５，１０と、バンドパスフィルタ７とを備える。
【００３４】
光ファイバ１は光増幅ファイバである。具体的には、光ファイバ１は希土類添加ファイバであり、光増幅成分である希土類元素が添加されたコアを有する。希土類元素の種類は特に限定されず、たとえばＥｒ（エルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）などがある。本発明の実施の形態では、コアに添加された希土類元素はＹｂ（イッテルビウム）である。
【００３５】
半導体レーザ２は種光を発する種光源である。種光の波長はたとえば１０６４±２ｎｍである。半導体レーザ２は、ドライバ３２により駆動されて、パルス状の種光を発する。
【００３６】
アイソレータ４は一方向の光のみを透過し、その光と逆方向に入射する光を遮断する。具体的には、アイソレータ４は、半導体レーザ２から発せられる種光を通過させるとともに、光ファイバ１からの戻り光を遮断する。これによって半導体レーザ２の損傷を防ぐことができる。
【００３７】
半導体レーザ３は、光ファイバ１のコアに添加された希土類元素を励起するための励起光を発する励起光源である。励起光の波長は、光ファイバのコアに添加される希土類元素の種類に基づいて定められる。希土類元素がＹｂである場合、励起光の波長はたとえば９１５±１０ｎｍである。
【００３８】
光結合器５は、半導体レーザ２からの種光および半導体レーザ３からの励起光を結合させて、光ファイバ１に入射させる。光結合器５は、たとえばＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）結合器を適用できる。
【００３９】
半導体レーザ３から光結合器５を介して光ファイバ１に入射した励起光は、光ファイバ１のコアに含まれる希土類元素に吸収される。これにより希土類元素が励起され（基底準位から上位準位に遷移され）、反転分布状態が得られる。この状態において、半導体レーザ２からの種光が光ファイバ１のコアに入射すると、誘導放出が生じる。この誘導放出によって種光（パルス光）が増幅される。すなわち光ファイバ１は、種光を励起光によって増幅する。
【００４０】
アイソレータ６は、光ファイバ１から出力されたパルス光を通過させるとともに光ファイバ１に戻る光を遮断する。
【００４１】
バンドパスフィルタ７は、所定の波長帯の光を通過させるよう構成される。「所定の波長帯」とは、具体的には、光ファイバ１から出力されるパルス光のピーク波長を含む波長帯である。光ファイバ１から自然放出光が放出された場合、その自然放出光はバンドパスフィルタ７により除去される。
【００４２】
バンドパスフィルタ７を通過したレーザ光は、光結合器１０を介してレーザ伝送部１３０に入射する。半導体レーザ９Ａ〜９Ｄは、バンドパスフィルタ７を通過したレーザ光をレーザ伝送部１３０において増幅するために、励起光を発する。実施の形態１では４個の励起光源が設けられているが、励起光源としての半導体レーザの個数は４個に限定されるものではない。レーザ加工装置１００から出力されるレーザ光のパワー、レーザ伝送部１３０におけるパルス光の増幅率等に基づいて、励起光のパワーおよび励起光源の個数を定めることができる。
【００４３】
光結合器１０は、バンドパスフィルタ７を通過したパルス光と、半導体レーザ９Ａ〜９Ｄからの光とを結合してレーザ伝送部１３０に入射させる。
【００４４】
制御基板２０は、制御部２１と、パルス発生部２２とを含む。制御部２１は、パルス発生部２２およびドライバ３２を制御することによって、レーザ制御部１１０の全体の動作を制御する。パルス発生部２２は、所定の繰り返し周波数、および、所定のパルス幅を有する電気信号を発生させる。パルス発生部２２は、制御部２１の制御により、電気信号を出力したり、電気信号の出力を停止したりする。パルス発生部２２からの電気信号は半導体レーザ２に供給される。
【００４５】
ドライバ用電源３０は、ドライバ３２に電力を供給する。これによりドライバ３２は半導体レーザ２，３，９Ａ〜９Ｄに駆動電流を供給する。半導体レーザ２，３，９Ａ〜９Ｄの各々は駆動電流が供給されることによってレーザ発振する。半導体レーザ２に供給される駆動電流は、パルス発生部２２からの電気信号により変調される。これにより半導体レーザ２はパルス発振して、所定の繰り返し周波数および所定のパルス幅を有するパルス光を種光として出力する。一方、半導体レーザ３，９Ａ〜９Ｄの各々にはドライバ３２により連続的な駆動電流が供給される。これにより半導体レーザ３，９Ａ〜９Ｄの各々は連続発振して、連続光を励起光として出力する。
【００４６】
図２には示していないが、半導体レーザの温度を制御するための温度コントローラが各半導体レーザに対応して設けられていてもよい。温度コントローラを用いて半導体レーザの温度を安定させることにより半導体レーザの出力を安定させることができる。さらに、バンドパスフィルタ７および／またはアイソレータ６に対応して温度コントローラが設けられていてもよい。
【００４７】
この実施の形態では、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂの各々に、コアの周囲にクラッドが二重に設けられたダブルクラッドファイバが適用される。
【００４８】
図３は、図２に示した光ファイバ１１Ａ，１１Ｂの構造、および、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂを伝播する光を説明する図である。図３を参照して、光ファイバ１１Ａは、コア４１Ａと、コア４１Ａの周囲に設けられ、かつコア４１Ａよりも屈折率が低い第１クラッド４２Ａと、第１クラッド４２Ａの周囲に設けられ、かつ第１クラッド４２Ａよりも屈折率が低い第２クラッド４３Ａと、被覆４４Ａとを含む。
【００４９】
光ファイバ１１Ｂは、光ファイバ１１Ａと同様の構成を有する。具体的に説明すると、光ファイバ１１Ｂは、コア４１Ｂと、コア４１Ｂの周囲に設けられ、かつコア４１Ｂよりも屈折率が低い第１クラッド４２Ｂと、第１クラッド４２Ｂの周囲に設けられ、かつ第１クラッド４２Ｂよりも屈折率が低い第２クラッド４３Ｂと、被覆４４Ｂとを含む。
【００５０】
光ファイバ１１Ａの端面と光ファイバ１１Ｂの端面とは融着されている。バンドパスフィルタ７を通過したパルス光Ａは光結合器１０を介して光ファイバ１１Ａのコア４１Ａに入射する。光ファイバ１１Ａのコア４１Ａに入射したパルス光Ａは、コア４１Ａおよび、光ファイバ１１Ｂのコア４１Ｂを伝播して、レーザヘッド部１２０へ出射される。
【００５１】
半導体レーザ９Ａ〜９Ｄからの励起光Ｂは、光結合器１０を介して光ファイバ１１Ａの第１クラッド４２Ａに入射する。励起光Ｂは、第１クラッド４２Ａと第２クラッド４３Ａとの境界で反射しながら光ファイバ１１Ａを伝播する。光ファイバ１１Ａを伝播した励起光Ｂは、光ファイバ１１Ｂの第１クラッド４２Ｂに入射して、第１クラッド４２Ｂと第２クラッド４３Ｂとの境界で反射しながら光ファイバ１１Ｂを伝播する。
【００５２】
光ファイバ１１Ａのコア４１Ａには希土類元素（具体的にはＹｂ）が実質的に添加されていないため、励起光Ｂがコア４１Ａを通過してもコア４１Ａによる励起光Ｂの吸収は実質的に生じない。このため、光ファイバ１１Ａではパルス光Ａは実質的に増幅されない。
【００５３】
これに対し、光ファイバ１１Ｂのコア４１Ｂには希土類元素（具体的にはＹｂ）が添加されているため、励起光Ｂがコア４１Ｂを通過した場合、励起光Ｂの一部がコア４１Ｂに含まれる希土類元素に吸収される。これにより希土類元素が励起されるため、パルス光Ａがコア４１Ｂに入射すると、希土類元素の誘導放出によってパルス光Ａが増幅される。
【００５４】
なお、バンドパスフィルタ７が設けられていなくてもよいが、その場合、光ファイバ１から放出される自然放出光が光ファイバ１１Ａ，１１Ｂに入射する。その自然放出光が光ファイバ１１Ｂにより増幅された場合、パルス光Ａの増幅率が低下する。光ファイバ１から放出される自然放出光をバンドパスフィルタ７により除去することによって、光ファイバ１１Ｂにおいて高効率の光増幅が可能になる。
【００５５】
図４は、図１に示すレーザ加工装置のうちのレーザヘッド部の構成例を示した図である。図４を参照して、レーザヘッド部１２０は、光ファイバ１２と、エンドキャップ１３と、コリメートレンズ１４と、ダイクロイックミラー１５Ａ，１５Ｂと、アイソレータ１６と、拡大器１７と、ガルバノスキャナ１８と、集光レンズ１９とを備える。
【００５６】
光ファイバ１２の入射端は光ファイバ１１Ｂの出射端に光学的に結合される。光ファイバ１２の出射端にはエンドキャップ１３が設けられる。光ファイバ１２は、リング状に巻かれたリング部１２Ａを有する。なお、本発明の実施の形態では「リング状」とは、光ファイバが円形に１周以上巻かれた状態であり、「円弧状」とは、円周の一部となるように光ファイバが曲げられた状態である。
【００５７】
エンドキャップ１３は、ピークパワーの高い光パルスが光ファイバ１２から大気中に出射される際に、光ファイバ１２の端面と大気との境界面で生じるダメージを防止するために設けられる。
【００５８】
コリメートレンズ１４は、光ファイバ１２から出射されたパルス光のビーム径を調整するためのものである。コリメートレンズ１４を通過したパルス光は、ダイクロイックミラー１５Ａによって反射されて、アイソレータ１６に入射する。
【００５９】
アイソレータ１６はダイクロイックミラー１５Ａからアイソレータ１６に入射したパルス光を通過させる一方で、アイソレータ１６に戻る光を遮断する。アイソレータ１６を通過したパルス光は、アイソレータ１６に付随する拡大器１７から大気中に出力されてガルバノスキャナ１８に入射する。
【００６０】
ガルバノスキャナ１８はＸ軸、およびＸ軸と直交するＹ軸方向の少なくとも一方の方向にレーザ光を走査する。集光レンズ１９は、たとえばｆθレンズであり、ガルバノスキャナ１８により走査されたレーザ光Ｌを集光する。被加工物５０には、集光レンズ１９によって集光されたレーザ光Ｌが照射される。
【００６１】
光ファイバ１および光ファイバ１１Ｂで増幅されたレーザ光を集光レンズ１９によって集光することで、被加工物５０の表面では、たとえばアブレーションが起こる。ポリマー、セラミックス、ガラス、金属材料等の物体の表面に高いエネルギー密度でレーザ光を照射すると，材料を構成している分子・原子間の結合が瞬時に切れることによる分解、気化、蒸散を経て材料表面が爆発的に除去され、周囲に熱ダメージを与えない極めてシャープな除去が起こる。これがアブレーションと呼ばれる現象である。アブレーションを利用することによって、様々な加工が可能となる。
【００６２】
なお、この実施の形態で用いられる光ファイバ１，１１Ａ，１１Ｂおよび１２は、いずれもマルチモードファイバである。マルチモードファイバは、コア径がシングルモードファイバよりも大きい。コア径が大きいことによって、コア内でのエネルギーを高めることが可能となるので、高パワーのレーザ光をレーザ加工装置で発生させることができる。しかしコア径を大きくすることによって、高次モードのレーザ光もコアを伝播可能になる。モードの数が増えることでレーザ光のビーム形状（空間強度分布）を良好にすることが難しくなる。
【００６３】
逆にコア径が小さいほどコアを伝搬するレーザ光のモードが制限される。モードが制限されることによってレーザ光のビーム形状を良好にすることができる。しかしながらコア径が小さいためにレーザ光のパワーを高めることができない。
【００６４】
このように従来の考え方では、光ファイバから出射されるレーザ光の高パワー化と、そのレーザ光のビーム形状の安定化とはトレードオフの関係にあるため両立させることはできなかった。
【００６５】
さらにレーザ加工装置１００は、本体部とヘッド部とがレーザ伝送部１３０（光ファイバ１１Ａ，１１Ｂ）によって接続された構成を有している。レーザ伝送部１３０は動きの自由な状態にある部位である。レーザ伝送部１３０は固定されていないため、レーザ加工装置１００からレーザ光が出射されている際に、レーザ伝送部１３０が動く場合がある。レーザ伝送部１３０が振動することによって、レーザ伝送部１３０（光ファイバ）内での光路が変化する。これによって高次モードのレーザ光が発生するため、レーザ加工装置１００から最終的に出射されるレーザ光の空間強度分布が変動する可能性が考えられる。
【００６６】
図５は、レーザ光のビーム形状（空間強度分布）を説明するための図である。図５（ａ）は、レーザ光の理想的な空間強度分布およびその強度分布に対応するスポット形状を示した図である。図５（ｂ）は、レーザ光の空間強度分布に揺らぎが生じた場合のスポット形状を示した図である。
【００６７】
図５を参照して、レーザ光の空間強度分布は、理想的にはガウス曲線に従って表わされる。したがって空間強度分布が理想的な分布に近い場合、レーザ光が照射された平面においてレーザ光の強度は同心円状に分布する（図５（ａ））。しかしながらレーザ光の空間強度分布に揺らぎが生じた場合、平面上でのレーザ光の強度は偏った分布となる（図５（ｂ））。このようにレーザ光の強度分布が変動すると、加工品質がばらつく可能性がある。
【００６８】
実施の形態１では、レーザ光源１５０からのレーザ光を伝送する光ファイバ（１１Ａ，１１Ｂ，１２）の出射端近傍において、光ファイバは所定の曲率で曲げられている。具体的には、光ファイバ１２は、所定の曲率でリング状に曲げられたリング部１２Ａを有している。光ファイバの出射端近傍において光ファイバが所定の曲率で曲げられていることによって、高次モードの光を除去しなくともレーザ光のビーム形状を良好にすることができる。したがって出力の低下を抑制しつつ高品質のビームを得ることが可能になる。なお、「所定の曲率」とは、光ファイバの曲げ損失が発生しない程度の曲率であり、用いられる光ファイバによって適切に定めることができる。
【００６９】
さらに実施の形態１によれば、レーザ伝送部１３０のように光ファイバの一部が動きの自由な状態にある場合でも、光ファイバから出射されるレーザ光のビーム形状を良好にすることができる。
【００７０】
図６は、レーザ光の従来の制御手法と本発明の実施の形態による制御手法とを比較するためのフローチャートである。図６を参照して、ステップＳ１において、レーザ伝送部が動くことにより光ファイバからの出射ビームの形状が変動するという課題が存在する。コア径を小さくしてＶナンバーを２．４０５以下にするかどうかが検討される（ステップＳ２）。
【００７１】
Ｖナンバーは下記の式（１）に従って表わされる。
Ｖ＝２π／λ×ＮＡ×ａ ・・・（１）
λはコアを伝播する光の波長であり、ＮＡは、コアの開口数であり、ａは、コア径を示す。Ｖナンバーが２．４０５以下であれば、コアを伝搬する光のモードは単一のモードとなる。
【００７２】
しかしコア径を小さくする（Ｖナンバーを２．４０５以下にする）ことを選択した場合（ステップＳ２においてＹｅｓ）、エネルギー密度の高い光がコアを伝搬することが困難となるため高出力化が困難となる（ステップＳ３）。
【００７３】
一方、コア径を小さくしないことを選択した場合（ステップＳ２においてＮｏ）、コアＮＡを小さくすることで、Ｖナンバーを２．４０５以下にするかどうかが検討される（ステップＳ４）。式（１）によれば、コアのＮＡを小さくすることでＶナンバーを２．４０５以下にすることができる。この場合、コア径を小さくすることなくシングルモードの伝搬が可能となるため、高出力化を図りつつビーム形状を安定化することができると考えられる。
【００７４】
しかし、コアのＮＡを小さくすることを選択した場合（ステップＳ４においてＹｅｓ）、ダブルクラッドファイバ等の屈折率の制御として、コアの屈折率の制御だけでなく、２層のクラッドの屈折率の制御も必要となる。このため光ファイバの価格が高くなるとともに制御が複雑化することが起こりうる（ステップＳ５）。
【００７５】
コアのＮＡを小さくしないことを選択した場合（ステップＳ４においてＮｏ）、マイクロベンディングで高次モードを除去するかどうかが検討される（ステップＳ６）。マイクロベンディングとは、光ファイバの側面に圧力が加わることにより、光ファイバの軸がコア径に比べて小さい曲率半径で曲がることを指す。マイクロベンディングによって、高次モードの光を除去可能である（たとえば非特許文献１を参照）。しかしながら、マイクロベンディングで高次モードを除去することを選択した場合（ステップＳ６においてＹｅｓ）、光ファイバの損失が発生するので、光ファイバの出力が低下する。
【００７６】
一方、本発明による制御手法ではコア径を小さくすること、コアＮＡを小さくすること、マイクロベンディングによる高次モードの除去のいずれも行なうことなく、ビーム形状を安定化できる。したがって高出力化を図りつつビーム形状を安定化することができる。
【００７７】
図７は、光ファイバから出力されるレーザ光のパワーをファイバリングの有無によって比較した図である。図７を参照して、グラフの横軸は、励起用ＬＤに供給される駆動電流を示し、グラフの縦軸は光ファイバから出射されるレーザ光の平均出力を示す。図７に示されるようにリング部を光ファイバに設けても出力の低下はほとんど見られない。
【００７８】
図８は、スポット形状の安定性についての実験結果を示した図である。この実験では、光ファイバにコア径が１５μｍ、コアＮＡが０．１３であるダブルクラッドファイバを使用した。また、信号光の波長を１０６４ｎｍとし、レーザ伝送部の光ファイバに約３０Ｗの励起光を入射した。
【００７９】
図８を参照して、ビームスポット径は、ビーム強度がそのピーク強度の１／ｅ（ｅは自然対数の底）以上となる範囲と定義される。また、ビームスポット径の安定性は、ビームスポット径の変動率として定義される。すなわちビームスポット径の安定性を示す数値が低いほど、ビームスポット径の変動が少ない。
【００８０】
例１〜例３に示されるように、コアＮＡによらず、光ファイバの出射端近傍にリング部を設けることで、直線状のファイバに比べてビームスポット径が安定する。また、光ファイバの出射端近傍を所定の曲率で曲げた場合にも、直線状のファイバに比べてビームスポット径が安定する。
【００８１】
また、例１〜例３を互いに比較すると、Ｖナンバーを大きくするほど、光ファイバにリング部あるいは曲げ部を設けることによる、スポット径の安定性の効果が高くなることが分かる。Ｖナンバーが大きくなることで、光ファイバを伝搬するモードの数を増やすことができるので、光ファイバを伝搬するレーザ光のパワーを高めることができる。
【００８２】
図９は、光ファイバのリング部の直径に対する、光ファイバから出射されるレーザ光のパワーおよびビーム径の安定性の関係についての実験結果を示した図である。この実験は、図８に示した結果を得たときの条件を用いて行なった。図９を参照して、光ファイバから出射されるレーザ光のパワーは、リングなしの場合、リング部の直径が１５０ｍｍ、１２０ｍｍ、９０ｍｍ、６０ｍｍの各場合で殆ど変化しない。これに対して、ビーム径の安定性（Stability）を示す数値は、リングなしの場合またはリング部の直径が１５０ｍｍには、約１．２％であるのに対し、リング部の直径が１２０ｍｍ以下では１．０％以下となる。特に、リング部の直径が９０ｍｍ以下では、ビーム径の安定性を示す数値は約０．８％となる。
【００８３】
図９から、リング部の直径は、６０ｍｍ以上かつ１５０ｍｍ以下であることが好ましい。リング部の直径を１５０ｍｍより大きくすると、ビーム径の安定性は、リング部が無い場合とほとんど変わらなくなる。一方、リング部の直径を６０ｍｍ以下にすると、光ファイバを曲げることが難しくなる。より好ましくは、リング部の直径は、６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下である。リング部の直径をこの範囲内に設定することで、ビーム径の安定性をより高めることができる。さらに好ましくは、リング部の直径は、６０ｍｍ以上かつ９０ｍｍ以下である。リング部の直径をこの範囲内に設定することで、ビーム径の安定性をさらに高めることができる。
【００８４】
このように実施の形態１では、光ファイバの出射端近傍において光ファイバが曲げられる。より具体的には、光ファイバは、その出射端近傍においてリング状に曲げられる。これにより、レーザ加工装置の高出力化とビーム品質の向上とを図ることができる。
【００８５】
［実施の形態２］
実施の形態２に係るレーザ加工装置は、レーザヘッド部の構成の点で実施の形態１に係るレーザ加工装置と異なっている。
【００８６】
図１０は、実施の形態２に係るレーザ加工装置が備えるレーザヘッド部の構成をより詳細に示す構成図である。図１０および図４を参照して、実施の形態２に係るレーザヘッド部１２０Ａは、円弧状に曲げられた曲げ部１２Ｂが光ファイバ１２に設けられる点で実施の形態１に係るレーザヘッド部１２０と異なる。曲げ部１２Ｂの曲率半径の２倍を曲げ部１２Ｂの直径と定義する。曲げ部１２Ｂの直径の範囲は、実施の形態１に係るリング部１２Ａの直径の範囲と同じである。すなわち曲げ部１２Ｂの直径は、６０ｍｍ以上かつ１５０ｍｍ以下であり、より好ましくは６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは、６０ｍｍ以上かつ９０ｍｍ以下である。
【００８７】
図１１は、実施の形態２に係るレーザヘッド部の曲げ部に関する部分の具体的な構成の例を示した斜視図である。図１２は、図１１のＡ方向から見たレーザヘッド部の一部の斜視図である。図１３は、図１１のＢ方向から見たレーザヘッド部の一部の上面図である。
【００８８】
図１１〜図１３を参照して、レーザヘッド部１２０Ａは、底面ベース６０と、ファイバ収納ボックス６１と、ファイバガイド６２と、側面ベース６８とを備える。ファイバガイド６２は底面ベース６０に取り付けられる。ファイバ収納ボックス６１は、側面ベース６８に取り付けられる。
【００８９】
ファイバ収納ボックス６１の中には光ファイバ１２が収納されている。ファイバ収納ボックス６１から引き出された光ファイバ１２は樹脂製のチューブ６３の中に挿入されている。ファイバ収納ボックス６１において光ファイバ１２が引き出される部分には、樹脂製のブッシング６７が設けられる。ブッシング６７には貫通孔が形成され、その貫通孔からチューブ６３に通された光ファイバ１２が引き出される。
【００９０】
ファイバ収納ボックス６１から引き出された光ファイバ１２はファイバガイド６２の外表面に沿って曲げられ、結束バンド６４によってファイバガイド６２の外表面に固定される。ファイバガイド６２の外表面は円弧状に曲げられている。したがって、上記の範囲内の直径を有する曲げ部１２が形成される。結束バンド６４は、光ファイバ１２をファイバガイド６２に固定するための固定部材として機能する。なお、結束バンド６４は、固定部材の１つの実施形態として図１１〜図１３に示されているが、光ファイバ１２をファイバガイド６２に固定することが可能な部材であれば固定部材として適用可能である。
【００９１】
ファイバガイド６２は、遮光部材により形成される。曲げ部１２で漏れ光が発生した場合にも、ファイバガイド６２によって、その漏れ光がレーザヘッドの内部に進入することを防ぐことができる。なお、ファイバガイド６２の材質は特に限定されず、たとえば金属（一例としてアルミニウム）、あるいは難燃性の樹脂などによって作成することができる。
【００９２】
チューブ６３は、ファイバ収納ボックス６１からアイソレータ１３までの間の光ファイバ１２の部分を隙間なく覆っている。チューブ６３は光ファイバ１２が損傷することを防ぐためのものである。たとえば結束バンド６４が光ファイバ１２に直接接触した場合、あるいは光学調整時に調整用の工具が光ファイバ１２に直接接触した場合には、光ファイバ１２が損傷する可能性がある。チューブ６３が光ファイバ１２を覆うことによって、そのような光ファイバ１２の損傷を防ぐことができる。
【００９３】
図１４は、ファイバガイドの斜視図である。図１３および図１４を参照して、結束バンド６４を通すための１対の孔６５がファイバガイド６２の３カ所に設けられる。なお、１対の孔６５の位置および個数は図１３、図１４に示すように限定されるものではない。
【００９４】
ファイバガイド６２の内側には、ネジ（図１１〜図１４には示さず）を通すための貫通孔が形成された取付部６６が形成される。取付部６６に形成された貫通孔にネジを通し、そのネジを底面ベース６０に形成されたネジ穴と螺合することでファイバガイド６２が底面ベース６０に固定される。
【００９５】
上記のように、ファイバガイド６２の外表面に光ファイバ１２が取り付けられる。ファイバ６２の内側に取付部６６を設けることによって、光ファイバ１２に工具が接触することを避けつつファイバガイド６２を底面ベース６０に着脱することができるので、光学調整時などにおいて作業性を高めることができる。
【００９６】
図１５は、光ファイバ収納ボックスの内部と光ファイバ収納ボックスの外部との境界付近における光ファイバの部分を説明するための模式図である。図１５を参照して、光ファイバ１２が入ったチューブ６３は、ブッシング６７に形成された貫通孔に通される。チューブ６３は、ブッシング６７に固定されておらず、ブッシング６７に形成された貫通孔内で自由に回転可能となっている。チューブ６３が、ブッシング６７で完全に固定されている（回転可能でない）場合には、組み立て時にチューブ６３にねじれが発生する可能性がある。ブッシング６７に形成された貫通孔内で自由に回転可能であるため、このような問題を防ぐことができる。さらにブッシング６７がダンパとして機能するので、光ファイバ１２に過度の衝撃が加わることによる光ファイバ１２の損傷を防ぐこともできる。
【００９７】
なお、ファイバガイド６２を筒状に形成し、その外表面に沿って光ファイバ１２を巻いてもよい。これにより、リング状の曲げ部を形成することもできる。
【００９８】
実施の形態２に係るレーザヘッド部１２０Ａの他の部分の構成は、図４に示したレーザヘッド部１２０の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。
【００９９】
図８に示されるように、光ファイバに曲げ部を設けた場合にも、直線状の光ファイバに比較してビームスポットの径が安定する効果が高くなる。Ｖナンバーが大きいほど、ファイバに曲げ部を設けることで、ビームスポット径の安定性が高くなる。
【０１００】
すなわち実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、光ファイバの出射端近傍に曲げ部を設けることで、光ファイバから出射されるレーザ光のパワーを高めつつ、レーザビームの品質を安定させることができる。
【０１０１】
［実施の形態３］
実施の形態３に係るレーザ加工装置は、レーザ光源の構成の点で実施の形態１に係るレーザ加工装置と異なっている。
【０１０２】
図１６は、実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源の構成をより詳細に示す構成図である。図１６および図２を参照して、レーザ光源１５０Ａは、光ファイバ１と、半導体レーザ２，３と、アイソレータ４，６と、光結合器５と、バンドパスフィルタ７とが省略されている点においてレーザ光源１５０と異なる。すなわちレーザ光源１５０Ｃは、半導体レーザ９Ａ〜９Ｄと光結合器１０とを備える。なお、レーザヘッド部１２０の構成は図４に示した構成と同様である。
【０１０３】
レーザ伝送部１３０Ａは、ファイバブラッググレーティング８Ａ，８Ｂが光ファイバ１１Ｂの両端に設けられている点においてレーザ伝送部１３０と異なる。ファイバブラッググレーティング８Ａ，８Ｂおよび光ファイバ１１Ｂはファイバ共振器を構成する。この構成では、半導体レーザ９Ａ〜９Ｄおよびファイバ共振器によって、本発明に係るレーザ照射装置の「レーザ光源」が実現され、光ファイバ１１Ｂに光学的に結合された光ファイバ１２（図４参照）が、レーザ光源からのレーザ光を伝送する。
【０１０４】
ファイバブラッググレーティング８Ａは、半導体レーザ９Ａ〜９Ｄからの励起光を透過させる。この励起光によって光ファイバ１１Ｂが励起され、光ファイバ１１Ｂの内部で誘導放出光が発生する。ファイバブラッググレーティング８Ａは、光ファイバ１１Ｂにおいて発生した誘導放出光を反射させる。ファイバブラッググレーティング８Ｂは、光ファイバ１１Ｂにおいて発生した誘導放出光の一部を透過させる。
【０１０５】
このように、本発明の実施の形態では、ファイバ共振器を備えるレーザ光源をレーザ加工装置に用いることができる。なお、レーザ光源の構成は、上記の構成に限定されるものではない。以下に、本発明の実施の形態に適用可能なレーザ光源の一例を示す。
【０１０６】
図１７は、実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源の別の構成の一例を示す構成図である。図１７を参照して、レーザ光源１５０Ｂは、Ｑスイッチを用いたレーザ発振器である。図１７および図２を比較すると、レーザ光源１５０Ｂは、半導体レーザ２、アイソレータ４およびバンドパスフィルタ７が省略されている点においてレーザ光源１５０と異なる。さらに、レーザ光源１５０Ｂは、Ｑスイッチ８Ｃおよび、ファイバブラッググレーティング８Ｄ，８Ｅを備える点においてレーザ光源１５０と異なる。
【０１０７】
半導体レーザ３は、光ファイバ１（希土類添加ファイバ）のコアに添加された希土類元素を励起するための励起光を出力する。励起光は、光結合器５およびファイバブラッググレーティング８Ｄ、Ｑスイッチ８Ｃを介して光ファイバ１に入射する。ファイバブラッググレーティング８Ｄは、その励起光を透過させるとともに、光ファイバ１から出力される誘導放出光を反射させる。一方、ファイバブラッググレーティング８Ｅは、光ファイバ１から出力される誘導放出光の一部を透過させる。
【０１０８】
Ｑスイッチ８Ｃは、制御部２１によりオンオフ制御される。Ｑスイッチ８Ｃには、たとえば高速でオンオフの動作が可能な電気光学素子（Ｅ／Ｏ素子）や音響光学素子（Ａ／Ｏ素子）が用いられる。光ファイバ１の励起によって光ファイバ１にエネルギーが蓄積された状態において、Ｑスイッチ８Ｃがオンされる。これにより光ファイバ１の誘導放出が生じてパルス光が出射される。このように図１７に示された構成は、ファイバ共振器がレーザ制御部内に設けられている点で図１６に示された構成と異なっている。
【０１０９】
さらに、共振器の構成は図１６および図１７に示した構成に限定されるものではない。図１８は、実施の形態３に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源のさらに別の構成の一例を示す構成図である。図１８を参照して、レーザ光源１５０Ｃは、固体レーザ共振器２００を有する。固体レーザ共振器２００は、レーザ媒質２０１と、励起光源２０２，２０３と、反射ミラー２０４と、出射ミラー２０５と、Ｑスイッチ２０６と、集光レンズ２０７とを含む。
【０１１０】
レーザ媒質２０１は、固体媒質であり、たとえばＮｄ：ＹＡＧ結晶である。励起光源２０２，２０３は、レーザ媒質２０１を励起するための励起光をレーザ媒質２０１に照射する。Ｑスイッチ２０６は制御部２１によって周期的にオンオフされる。これにより固体レーザ共振器２００から種光としてパルス光が繰り返して出射される。
【０１１１】
出射ミラー２０５から出射した種光（パルス光）は、集光レンズ２０７により集光されるとともに光ファイバ１に入射する。種光は光結合器１０によって、半導体レーザ９Ａ〜９Ｄから出射された励起光と結合されてレーザ伝送部１３０（光ファイバ１１Ａ）に入射する。
【０１１２】
なお、固体レーザに代えて、色素レーザあるいは気体レーザを用いてもよい。色素レーザの場合、レーザ媒質として、色素を有機溶媒に溶かした液体媒質が用いられる。気体レーザの場合、レーザ媒質としてたとえばＣＯ２ガス、Ａｒガスなどの気体媒質が用いられる。
【０１１３】
図１０〜図１８の各々に示されたレーザヘッド部１２０の構成は図４に示した構成と同様である。ただし実施の形態３に係るレーザ加工装置は、レーザヘッド部１２０に代えて図１０に示したレーザヘッド部１２０Ａを備えてもよい。さらにレーザヘッド部１２０Ａの具体的構成としては図１１〜図１５に示した構成を適用できる。すなわち、実施の形態３においても、光ファイバの出射端近傍において、光ファイバが所定の曲率でリング状あるいは円弧状に曲げられている。実施の形態３によれば、レーザ光源の種類を限定することなく、ファイバを備えるレーザ加工装置の高出力化とビーム品質の向上とを図ることができる。
【０１１４】
［実施の形態４］
実施の形態４に係るレーザ加工装置は、レーザ伝送部の構成の点で実施の形態１に係るレーザ加工装置と異なっている。
【０１１５】
図１９は、実施の形態４に係るレーザ加工装置が備えるレーザ伝送部の構成をより詳細に示す構成図である。図１９および図２を参照して、実施の形態４に係るレーザ加工装置はレーザ伝送部１３０Ｂを有する。レーザ伝送部１３０Ｂの光ファイバ１１Ｂに、リング部１１Ｃが設けられる。この点においてレーザ伝送部１３０Ｂはレーザ伝送部１３０と異なる。
【０１１６】
実施の形態４に係るレーザ加工装置の他の部分の構成は、図２に示したレーザ加工装置の対応する部分の構成と同様である。すなわち、実施の形態４に係るレーザ加工装置においても、光ファイバの出射端近傍において光ファイバがリング状に曲げられている。実施の形態４では、光ファイバは、その出射端の近傍だけでなく、他の部分（光ファイバの途中の部分、すなわち光ファイバ１１Ｂ）でも曲げられている。このように光ファイバが曲げられた箇所は１つに限定されるものではなく、光ファイバの出射端近傍を含む複数の箇所であってもよい。また、各箇所において、光ファイバはリング状に曲げられてもよいし、円弧状に曲げられてもよい。
【０１１７】
実施の形態４によれば、実施の形態１と同様に、光ファイバの出射端近傍において光ファイバが曲げられているので、レーザ加工装置の高出力化とビーム品質の向上とを図ることができる。
【０１１８】
たとえばレーザ加工装置の配置場所によっては、レーザ制御部と、レーザ本体部との距離を近づけなければならない場合が起こりうる。この場合、たとえばレーザ伝送部である光ファイバが曲げられる。このような場合であっても、光ファイバの出射端近傍において光ファイバが曲げられているので、レーザ加工装置の高出力化とビーム品質の向上とを図ることができる。すなわち、レーザ加工装置の配置場所によらず、レーザビームの品質を安定させることができる。
【０１１９】
図２０は、実施の形態４に係るレーザ加工装置が備えるレーザ伝送部の別の構成を示す構成図である。図２０を参照して、光ファイバ１１Ｂ（すなわち光増幅ファイバ）の出射端はレーザヘッド部１２０Ｂの内部に導入され、エンドキャップ１３が光ファイバ１１Ｂの出射端に接続される。さらに光ファイバ１１Ｂの出射端はリング状に曲げられている（リング部１１Ｃ）。すなわち、光ファイバ１２がレーザヘッド部内に設けられていない点で、レーザヘッド部１２０Ｂの構成は、図３に示したレーザヘッド部１２０の構成と異なる。このような構成であっても、光ファイバの出射端近傍において光ファイバが曲げられているので、レーザ加工装置の高出力化とビーム品質の向上とを図ることができる。
【０１２０】
なお、実施の形態４に係るレーザ加工装置が備えるレーザ光源として、実施の形態３に係る各種のレーザ光源を適用することもできる。
【０１２１】
さらに、本発明は、レーザ光源、レーザ光源からのレーザ光を伝送する光ファイバおよび被加工物に対して光ファイバから出射されたレーザ光を照射するための光学系が一体化された装置にも適用できる。このような装置でも、光ファイバの一部が固定されていないことがある。たとえば装置内部を冷却するために冷却風が装置内部に導入された場合、その固定されていない部分が振動する可能性がある。光ファイバが振動した場合、上記のようにビームのスポット径が変動するという問題が生じ得る。したがって上記の構成を有する装置にも本発明を適用することができる。
【０１２２】
また、本発明の実施の形態では、マルチモードファイバが用いられる。ただし本発明に適用可能な光ファイバはマルチモードファイバに限定されるものではなく、シングルモードファイバであってもよい。
【０１２３】
また、本発明の実施の形態では、光ファイバとしてダブルクラッドファイバが用いられる。ただし本発明に適用可能な光ファイバはダブルクラッドファイバに限定されるものではなく、シングルクラッドファイバであってもよい。また、ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの両方を用いてもよい。
【０１２４】
また、本発明の実施の形態では、レーザヘッド部から照射されるレーザ光は被加工物の加工に用いられる。しかし、本発明に係るレーザ照射装置を加工以外の目的で使用することも可能である。たとえばセンサ、光ピンセット、レーザ加速器、レーザ顕微鏡、あるいはレーザ医療装置、核融合装置等に本発明に係るレーザ照射装置を用いることもできる。したがって本発明に係るレーザ照射装置はレーザ加工装置に限定されず、様々な分野への適用が可能である。
【０１２５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２６】
１，１１Ａ，１１Ｂ，１２ 光ファイバ、２，３，９Ａ〜９Ｄ 半導体レーザ、４，６，１６ アイソレータ、５，１０ 光結合器、７ バンドパスフィルタ、８Ａ，８Ｂ，８Ｄ，８Ｅ ファイバブラッググレーティング、８Ｃ，２０６ Ｑスイッチ、１１Ｃ，１２Ａ リング部、１２Ｂ 曲げ部、１３ エンドキャップ、１４ コリメートレンズ、１５Ａ，１５Ｂ ダイクロイックミラー、１７ 拡大器、１８ ガルバノスキャナ、１９，２０７ 集光レンズ、２０ 制御基板、２１ 制御部、２２ パルス発生部、３０ ドライバ用電源、３２ ドライバ、４１Ａ，４１Ｂ コア、４２Ａ，４２Ｂ 第１クラッド、４３Ａ，４３Ｂ 第２クラッド、４４Ａ，４４Ｂ 被覆、５０ 加工物、６０ 底面ベース、６１ ファイバ収納ボックス、６２ ファイバガイド、６３ チューブ、６４ 結束バンド、６５ 孔、６６ 取付部、６７ ブッシング、６８ 側面ベース、１００ レーザ加工装置、１１０ レーザ制御部、１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ レーザヘッド部、１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ レーザ伝送部、１５０，１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ レーザ光源、２００ 固体レーザ共振器、２０１ レーザ媒質、２０２，２０３ 励起光源、２０４ 反射ミラー、２０５ 出射ミラー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するための出射端を有する光ファイバと、
前記光ファイバを伝搬する前記レーザ光を発生させるためのレーザ光源とを備え、
前記光ファイバは、動きの自由な状態にある自由部位を有し、かつ前記出射端の近傍においてリングまたは円弧状に曲げられている、レーザ照射装置。
【請求項２】
前記レーザ照射装置は、
前記レーザ光源を含む本体部と、
前記光ファイバの前記出射端から出射されたレーザ光を対象物に照射するための光学部品を含むヘッド部とを備え、
前記出射端は、前記ヘッド部の内部に位置し、
前記自由部位は、前記本体部から前記ヘッド部にレーザ光を伝搬するための部位である、請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項３】
前記リングまたは円弧の直径は、６０ｍｍ以上かつ１５０ｍｍ以下である、請求項１または２に記載のレーザ照射装置。
【請求項４】
前記直径は、６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下である、請求項３に記載のレーザ照射装置。
【請求項５】
前記直径は、６０ｍｍ以上かつ９０ｍｍ以下である、請求項４に記載のレーザ照射装置。
【請求項６】
前記レーザ照射装置は、
ベース部材と、
遮光部材によって作製され、円弧状の外表面を有し、前記光ファイバを固定するための固定部材が取り付け可能に形成されたファイバガイドとをさらに備え、
前記光ファイバは、前記ファイバガイドの前記外表面に沿って曲げられるとともに、前記固定部材によって前記ファイバガイドに固定され、
前記外表面と反対側に位置する前記ファイバガイドの内表面側には、前記ファイバガイドをネジによって前記ベース部材に取り付けるための取付部が設けられる、請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項７】
前記光ファイバは、前記出射端の近傍に加え、前記出射端の近傍と異なる箇所においてリング状または円弧状に曲げられている、請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項８】
前記光ファイバは、マルチモードファイバである、請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項９】
前記光ファイバは、
前記出射端から出射されるレーザ光を生成するために、信号用レーザ光を励起用レーザ光によって増幅する光増幅ファイバを含み、
前記レーザ光源は、
前記信号用レーザ光を発生させる第１の光源と、
前記励起用レーザ光を発生させる第２の光源とを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源は、
増幅媒体を含む共振器と、
前記増幅媒体を励起するための励起光を供給する励起光源とを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項１１】
前記増幅媒体は、光増幅ファイバを含む、請求項１０に記載のレーザ照射装置。
【請求項１２】
前記増幅媒体は、固体媒質、液体媒質、および気体媒質のいずれかである、請求項１０に記載のレーザ照射装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のレーザ照射装置を備える、レーザ加工装置。
【請求項１】
レーザ光を出射するための出射端を有する光ファイバと、
前記光ファイバを伝搬する前記レーザ光を発生させるためのレーザ光源とを備え、
前記光ファイバは、動きの自由な状態にある自由部位を有し、かつ前記出射端の近傍においてリングまたは円弧状に曲げられている、レーザ照射装置。
【請求項２】
前記レーザ照射装置は、
前記レーザ光源を含む本体部と、
前記光ファイバの前記出射端から出射されたレーザ光を対象物に照射するための光学部品を含むヘッド部とを備え、
前記出射端は、前記ヘッド部の内部に位置し、
前記自由部位は、前記本体部から前記ヘッド部にレーザ光を伝搬するための部位である、請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項３】
前記リングまたは円弧の直径は、６０ｍｍ以上かつ１５０ｍｍ以下である、請求項１または２に記載のレーザ照射装置。
【請求項４】
前記直径は、６０ｍｍ以上かつ１２０ｍｍ以下である、請求項３に記載のレーザ照射装置。
【請求項５】
前記直径は、６０ｍｍ以上かつ９０ｍｍ以下である、請求項４に記載のレーザ照射装置。
【請求項６】
前記レーザ照射装置は、
ベース部材と、
遮光部材によって作製され、円弧状の外表面を有し、前記光ファイバを固定するための固定部材が取り付け可能に形成されたファイバガイドとをさらに備え、
前記光ファイバは、前記ファイバガイドの前記外表面に沿って曲げられるとともに、前記固定部材によって前記ファイバガイドに固定され、
前記外表面と反対側に位置する前記ファイバガイドの内表面側には、前記ファイバガイドをネジによって前記ベース部材に取り付けるための取付部が設けられる、請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項７】
前記光ファイバは、前記出射端の近傍に加え、前記出射端の近傍と異なる箇所においてリング状または円弧状に曲げられている、請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項８】
前記光ファイバは、マルチモードファイバである、請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項９】
前記光ファイバは、
前記出射端から出射されるレーザ光を生成するために、信号用レーザ光を励起用レーザ光によって増幅する光増幅ファイバを含み、
前記レーザ光源は、
前記信号用レーザ光を発生させる第１の光源と、
前記励起用レーザ光を発生させる第２の光源とを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源は、
増幅媒体を含む共振器と、
前記増幅媒体を励起するための励起光を供給する励起光源とを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項１１】
前記増幅媒体は、光増幅ファイバを含む、請求項１０に記載のレーザ照射装置。
【請求項１２】
前記増幅媒体は、固体媒質、液体媒質、および気体媒質のいずれかである、請求項１０に記載のレーザ照射装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のレーザ照射装置を備える、レーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−２３４９７８（Ｐ２０１２−２３４９７８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２７９７（Ｐ２０１１−１０２７９７）
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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