レーザ装置及びレーザ光の調整方法
【課題】キーホールの形成を抑えつつワークを溶融加工することができるレーザ装置及びレーザ光の調整方法を提供する。
【解決手段】レーザ光出力部１２から出力された第１〜第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３のそれぞれを集光レンズ６２の中心Ｎから外れた別の位置に入射する。この時、第１〜第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３は、周方向に１２０°ずつ離間した状態で集光レンズ６２に入射されるように設定されている。また、集光レンズ６２にて集光された第１〜第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３は、合成ファイバ５４のコア７２の入射端面６１の垂線Ｌに対して交叉した状態で合成ファイバ５４のコア７２の中心に入射される。
【解決手段】レーザ光出力部１２から出力された第１〜第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３のそれぞれを集光レンズ６２の中心Ｎから外れた別の位置に入射する。この時、第１〜第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３は、周方向に１２０°ずつ離間した状態で集光レンズ６２に入射されるように設定されている。また、集光レンズ６２にて集光された第１〜第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３は、合成ファイバ５４のコア７２の入射端面６１の垂線Ｌに対して交叉した状態で合成ファイバ５４のコア７２の中心に入射される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いるレーザ装置及びレーザ光の調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ光の高出力化を行う方法として、例えば複数の発振器を連結させる方法が知られている。複数の発振器から出射されたレーザ光を結合するには、複数本の光ファイバを接着剤等によって束ねるバンドルファイバを利用する方法や、複数本の光ファイバを束ねた後に融着して１本の光ファイバにする方法等が広汎に知られている。しかし、前記バンドルファイバを利用する場合、光ファイバ内を伝搬するレーザ光が発する熱で前記接着剤が焼損してレーザ光のビーム品質が劣化することがある。また、複数本の光ファイバを融着する場合、例えば、直径１００μｍ以下の光ファイバを束ねることが困難であった。
【０００３】
上記問題点を解消しつつ高出力のレーザ光を得るものとして、３本のレーザ光を１枚の光ファイバ入射レンズにて１点に集光するとともに光ファイバに入射し、前記光ファイバを伝搬して合成されたレーザ光を加工光学系で集光してワークを加工する方法（特許文献１参照）や、４本のレーザ光を凸レンズにてクラッド励起レーザーファイバの端面に集光して前記クラッド励起レーザーファイバのコアにドープされた希土類元素を励起して高出力のレーザ光を出射するレーザ装置（特許文献２参照）等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３１１７５号公報
【特許文献２】特開２００３−３０９３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、光ファイバ入射レンズに対する３本のレーザ光の入射位置が明確に記載されていない。そのため、特許文献１において、３本のレーザ光のいずれか１本を前記光ファイバ入射レンズの中心に入射した場合、前記光ファイバから出射されるレーザ光が断面円形状となるので、ワークの加工点におけるレーザ光のビームプロファイルがガウス分布になる。このようなガウス分布のビームプロファイルを有するレーザ光を用いて、例えば、アルミニウム等の熱伝導率の高い材料で構成されたワークを加工する場合、加工点において、レーザ光の中心部分の強度が高いために該ワークの一部にキーホールが形成されることがある。このようにキーホールが形成される加工では、レーザ加工中にスプラッシュ（飛び散り）が発生する。このスプラッシュによって飛び散った材料が加工点やその付近に再度付着する等といった問題が発生するおそれがある。なお、特許文献２の装置を用いて該ワークを溶融加工する場合にも、加工点におけるビームプロファイルがガウス分布になるので、キーホールの形成が起こり得る。
【０００６】
そこで、本発明は、キーホールの形成を抑えつつワークを溶融加工することができるレーザ装置及びレーザ光の調整方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を出力するレーザ光出力部と、前記レーザ光出力部から出力されたレーザ光を集光する集光レンズと、該集光レンズによって集光されたレーザ光が入射するコアを有する光ファイバと、を備え、前記レーザ光出力部から出力されたレーザ光が前記集光レンズの中心から外れた位置に入射され、かつ前記集光レンズによって集光されたレーザ光が前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射されるように前記レーザ光出力部、前記集光レンズ及び前記光ファイバが設定されていることを特徴とする。
【０００８】
アルミニウム等の熱伝導率の高い材料で構成されたワークをレーザ光で溶融加工する場合、レーザ光をコリメートレンズにて平行化した状態で加工用集光レンズにてワークに集光するのが通例である。
【０００９】
第１の本発明に係るレーザ装置によれば、レーザ光出力部から出力されたレーザ光を集光レンズの中心から外れた位置に入射し、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を光ファイバの端面の垂線に対して交叉した状態で前記光ファイバの前記コアに入射しているので、前記光ファイバの前記コアに入射されたレーザ光が該コア内を多数回反射しながら伝搬する。そのため、光ファイバから出射されたレーザ光は、前記コリメートレンズにて平行化された状態で断面ドーナツ形状となる。従って、断面ドーナツ形状のレーザ光が前記加工用集光レンズにてワークに集光されることになるので、加工点において、レーザ光のビームプロファイルがトップハット形状となる。つまり、加工点におけるレーザ光は、中心部分の強度が抑えられた径方向に幅広いプロファイルとなる。これにより、キーホールの形成を抑えつつワークを溶融加工することができる。よって、レーザ加工中にスプラッシュが発生することを防止できる。
【００１０】
第２の本発明に係るレーザ装置は、３本のレーザ光を出力するレーザ光出力部と、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光されたレーザ光が入射するコアを有する光ファイバと、前記レーザ光出力部と前記集光レンズとの間の光路に設けられ、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光のそれぞれが前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射されるようにレーザ光の光路を調整する光路調整手段と、を備え、前記集光レンズによって集光されたレーザ光が前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射されるように前記集光レンズ及び前記光ファイバが設定されていることを特徴とする。
【００１１】
第２の本発明に係るレーザ装置によれば、レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光のそれぞれを集光レンズの中心から外れた別の位置に入射するので、高出力のレーザ光を容易に生成しつつ、上述した第１の本発明に係るレーザ装置の効果と同様の効果を奏する。
【００１２】
第１の本発明に係るレーザ装置の一形態において、前記レーザ光出力部は、複数本のレーザ光が出力されるように構成されており、前記レーザ光出力部と前記集光レンズとの間の光路に設けられ、かつ前記レーザ光出力部から出力された複数本のレーザ光のそれぞれが前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射されるようにレーザ光の光路を調整する光路調整手段をさらに備えてもよい。
【００１３】
この形態によれば、複数本のレーザ光を用いることで高出力のレーザ光を容易に生成することができる。
【００１４】
第２の本発明に係るレーザ装置の一形態において、前記光路調整手段は、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光が周方向に等角度離間した状態で前記集光レンズに入射されるようにレーザ光の光路を調整してもよい。
【００１５】
この形態によれば、３本のレーザ光が周方向に等角度離間した状態で集光レンズに入射されるので、３本のレーザ光が周方向に等角度離間していない状態で集光レンズに入射される場合と比較して、コリメートレンズにて平行化された断面ドーナツ形状のレーザ光の強度分布を一層均一にすることができる。これにより、ワークへのキーホールの形成を効果的に抑えることができる。
【００１６】
本発明に係るレーザ光の調整方法は、レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光を集光レンズにて光ファイバのコアに集光するレーザ光の調整方法であって、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光のそれぞれを前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射し、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るレーザ光の調整方法によれば、上述した第２の本発明に係るレーザ装置の効果と同様の効果を奏する。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ光出力部から出力されたレーザ光を集光レンズの中心から外れた位置に入射し、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を光ファイバのコアの端面の垂線に対して交叉した状態で前記光ファイバの前記コアに入射しているので、光ファイバから出射されたレーザ光は、前記コリメートレンズにて平行化された状態で断面ドーナツ形状となる。従って、加工点において、レーザ光のビームプロファイルがトップハット形状となるので、キーホールの形成を抑えつつワークを溶融加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ装置の要部を示したブロック図である。
【図２】図１に示す調整機構の内部構造を示すブロック図である。
【図３】図２に示す調整機構を図２の矢印Ｙ方向から見たブロック図である。
【図４】前記調整機構に設けられる集光レンズの正面説明図である。
【図５】図２及び図３に示す合成ファイバの概略断面説明図である。
【図６】コリメートレンズにて平行化された出射光の概略断面説明図である。
【図７】加工用集光レンズの温度分布を示す特性曲線図である。
【図８】加工用集光レンズの出射光の透過方向に沿った概略断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係るレーザ装置の一実施形態について図１〜図８を参照しながら説明する。
【００２１】
本実施形態に係るレーザ装置は、複数のレーザ光を光ファイバにて合成することで高出力のレーザ光を出射する装置であり、ワークの加工、溶接又は切断等に用いられる。なお、ワークとしては、熱伝導率が高い金属材料、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等を用いることができる。
【００２２】
図１に示すように、レーザ装置１０は、３本のレーザ光を出力するレーザ光出力部１２と、３本のレーザ光を伝送する伝送部１４と、伝送部１４にて伝送された３本のレーザ光を１本のレーザ光に合成する合成部１６と、合成されたレーザ光をワーク１８の加工対象部位に集光するための出射部２０と、制御部２２とを備えている。
【００２３】
レーザ光出力部１２は、第１ファイバレーザ光ＦＢ１を出力する第１ユニット２４ａと、第２ファイバレーザ光ＦＢ２を出力する第２ユニット２４ｂと、第３ファイバレーザ光ＦＢ３を出力する第３ユニット２４ｃと、ＬＤ電源３０とを有する。
【００２４】
第１ユニット２４ａには、励起光ＭＢを出力するレーザダイオード（ＬＤ）３２ａと、励起光ＭＢに基づいて第１ファイバレーザ光ＦＢ１を出力するファイバレーザ光出力部３４ａとが設けられている。ファイバレーザ光出力部３４ａは、励起光ＭＢが伝搬することにより第１ファイバレーザ光ＦＢ１を出力する光ファイバ（アクティブファイバ）３６ａと、アクティブファイバ３６ａから出力された第１ファイバレーザ光ＦＢ１を平行化するコリメートレンズ３８ａと、伝送部１４で反射した反射光のＬＤ３２への照射を阻止するアイソレータ４０ａと、アイソレータ４０ａを透過した第１ファイバレーザ光ＦＢ１を集光する集光レンズ４２ａとを有する。
【００２５】
第２ユニット２４ｂは、第１ユニット２４ａと同一の構成であり、ＬＤ３２ｂと、第２ファイバレーザ光ＦＢ２を出力するファイバレーザ光出力部３４ｂとを有し、ファイバレーザ光出力部３４ｂには、アクティブファイバ３６ｂ、アイソレータ４０ｂ、及び集光レンズ４２ｂが設けられている。
【００２６】
第３ユニット２４ｃは、第１ユニット２４ａと同一の構成であり、ＬＤ３２ｃと、第３ファイバレーザ光ＦＢ３を出力するファイバレーザ光出力部３４ｃとを有し、ファイバレーザ光出力部３４ｃには、アクティブファイバ３６ｃ、アイソレータ４０ｃ、及び集光レンズ４２ｃが設けられている。
【００２７】
アクティブファイバ３６ａ、３６ｂ、３６ｃは、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素イオンがドープされた不図示のコアを含んでおり、励起光ＭＢによって前記希土類元素イオンを励起することにより第１ファイバレーザ光ＦＢ１を出力する。ＬＤ電源３０は、第１〜第３ユニット２４ａ、２４ｂ、２４ｃの各ＬＤ３２ａ、３２ｂ、３２ｃに励起電流を供給する。
【００２８】
伝送部１４は、第１ファイバレーザ光ＦＢ１を合成部１６に伝送する第１伝送ファイバ４６ａと、第２ファイバレーザ光ＦＢ２を合成部１６に伝送する第２伝送ファイバ４６ｂと、第３ファイバレーザ光ＦＢ３を合成部１６に伝送する第３伝送ファイバ４６ｃとを有する。以下、第１〜第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３をまとめてファイバレーザ光ＦＢと称することがある。
【００２９】
合成部１６は、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃにて伝送されたファイバレーザ光ＦＢの光路を光学的に調整する調整機構５２と、調整機構５２にて光路調整されたファイバレーザ光ＦＢを合成する光ファイバ（合成ファイバ）５４とを有する。
【００３０】
図２、図３及び図５に示すように、調整機構５２は、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ及び合成ファイバ５４を支持するための筐体５６と、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃから出射されたファイバレーザ光ＦＢを合成ファイバ５４のコア７２に導くための光学部材６０とを有する。なお、調整機構５２は、図示していないが、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、合成ファイバ５４及び光学部材６０が冷却可能なように構成されている。調整機構５２の冷却は、例えば、水冷により行われる。これにより、ファイバレーザ光ＦＢの反射・散乱に起因する熱によって光学部材６０等に不具合が生じてファイバレーザ光ＦＢの光路がずれることを抑制することができる。
【００３１】
また、図２に示すように、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの出射端面及び合成ファイバ５４の入射端面６１は、筐体５６内に臨んでおり、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの出射端面、合成ファイバ５４の入射端面６１及び光学部材６０には、反射防止処理が施されている。この反射防止処理としては、例えばＡＲコート等が用いられる。これにより、ファイバレーザ光ＦＢが第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの出射端面及び合成ファイバ５４の入射端面６１で反射して筐体５６内に熱が生じることを抑えることができる。
【００３２】
筐体５６は、図２に示すように、第１ファイバレーザ光ＦＢ１がＸ方向に、第２及び第３ファイバレーザ光ＦＢ２、ＦＢ３がＹ方向にそれぞれ出射され、かつ図３に示すように、Ｚ方向において、第１及び第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ３の位置が一致して第２ファイバレーザ光ＦＢ２が第１及び第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ３よりも上方に位置するように第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃを支持する。また、図２及び図３に示すように、筐体５６は、Ｘ方向において、第１伝送ファイバ４６ａの出射端面と合成ファイバ５４の入射端面６１とが対向するように合成ファイバ５４を支持する。
【００３３】
図２及び図５に示すように、光学部材６０は、ファイバレーザ光ＦＢを合成ファイバ５４のコア７２に集光する集光レンズ６２と、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃから出射されたファイバレーザ光ＦＢを集光レンズ６２に導くための光路調整手段としての光路調整部６４とを有する。図２及び図３に示すように、集光レンズ６２は、合成ファイバ５４と所定間隔離間した状態で合成ファイバ５４の入射端面６１と対向している。
【００３４】
図２及び図３に示すように、光路調整部６４は、ファイバレーザ光ＦＢの各光路上に設けられるコリメートレンズ６６ａ、６６ｂ、６６ｃと、第２ファイバレーザ光ＦＢ２の光路を調整するためのミラー６８と、第３ファイバレーザ光ＦＢ３の光路を調整するためのミラー７０とを有する。
【００３５】
図２に示すように、ミラー６８、７０は、Ｙ方向において、ファイバレーザ光ＦＢが等間隔にオフセットした状態で集光レンズ６２に入射されるように設定されている。これにより、図４に示すように、ファイバレーザ光ＦＢのそれぞれが集光レンズ６２の中心Ｎから外れた別の位置に入射される。具体的には、ファイバレーザ光ＦＢが周方向に等間隔離間した状態で集光レンズ６２に入射され、線分Ａ１及び線分Ａ２のなす角θ１２、線分Ａ１及び線分Ａ３のなす角θ１３、線分Ａ２及び線分Ａ３のなす角θ２３がそれぞれ１２０°（つまり、等角度）に設定される。なお、角θ１２、角θ１３、角θ２３は、正確に等角度に設定せずに、数度の違いを持って略等角度に設定することもできる。
【００３６】
また、線分Ａ１は集光レンズ６２の第１ファイバレーザ光ＦＢ１の入射位置と集光レンズ６２の中心Ｎを結んだ線分であり、線分Ａ２は集光レンズ６２の第２ファイバレーザ光ＦＢ２の入射位置と集光レンズ６２の中心Ｎを結んだ線分であり、線分Ａ３は集光レンズ６２の第３ファイバレーザ光ＦＢ３の入射位置と集光レンズ６２の中心Ｎを結んだ線分である。また、集光レンズ６２の中心Ｎと集光レンズ６２の各ファイバレーザ光ＦＢの入射位置との間は等距離に設定されている。
【００３７】
図２、図３及び図５に示すように、合成ファイバ５４及び集光レンズ６２は、集光レンズ６２を透過したファイバレーザ光ＦＢが合成ファイバ５４の入射端面６１の垂線Ｌに対して交叉した状態で合成ファイバ５４のコア７２の中心に集光されるように設定されている。なお、合成ファイバ５４及び集光レンズ６２は、第１ファイバレーザ光ＦＢ１と入射端面６１の垂線Ｌとのなす角度と、第２ファイバレーザ光ＦＢ２と入射端面６１の垂線Ｌとのなす角度と、第３ファイバレーザ光ＦＢ３と入射端面６１の垂線Ｌとのなす角度とが同一角度になるように設定されている。これらの各ファイバレーザ光ＦＢと垂線Ｌとがなす角度をαとする。但し、角度αは、任意に設定してよい。
【００３８】
図５に示すように、合成ファイバ５４は、合成ファイバ５４の中心軸上に延びたコア７２と、コア７２と同軸に設けられてコア７２を取り囲むクラッド７４と、クラッド７４を覆う被覆７６とを有する。
【００３９】
図１に示すように、出射部２０は、合成ファイバ５４から出射されたレーザ光（出射光）ＰＢを平行化するコリメートレンズ７８と、コリメートレンズ７８を透過した出射光ＰＢをワーク１８の加工対象部位に集光する加工用集光レンズ８０とを有する。
【００４０】
制御部２２は、出射光ＰＢの要求エネルギに応じて第１〜第３ユニット２４ａ、２４ｂ、２４ｃの各ＬＤ３２ａ、３２ｂ、３２ｃに供給される励起電流が調整されるようにＬＤ電源３０を制御する。
【００４１】
次に、レーザ装置１０の基本的な動作について説明する。先ず、制御部２２の作用下にＬＤ電源３０から各ＬＤ３２ａ、３２ｂ、３２ｃに励起電流が供給されると、ＬＤ３２ａ、３２ｂ、３２ｃから励起光ＭＢが出力され、出力された励起光ＭＢがアクティブファイバ３６ａ、３６ｂ、３６ｃ内を伝搬することでアクティブファイバ３６ａ、３６ｂ、３６ｃからファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３が出力される。アクティブファイバ３６ａ、３６ｂ、３６ｃから出力されたファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３は、コリメートレンズ３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、アイソレータ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ及び集光レンズ４２ａ、４２ｂ、４２ｃを介して第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃにて調整機構５２に伝送され、光路調整部６４にて集光レンズ６２に入射される。この時、ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３のそれぞれは、集光レンズ６２の中心Ｎから外れた別の位置に入射される。
【００４２】
そして、集光レンズ６２に入射されたファイバレーザ光ＦＢは、合成ファイバ５４の入射端面６１の垂線Ｌに対して交叉した状態で合成ファイバ５４のコア７２に集光され、合成ファイバ５４内をコア７２とクラッド７４との境界面を多数回反射しながら伝搬して合成ファイバ５４から出射される。合成ファイバ５４から出射された出射光ＰＢは、コリメートレンズ７８にて平行化される。この時、平行化された出射光ＰＢは、断面ドーナツ形状となる（図６参照）。なお、合成ファイバ５４とコリメートレンズ７８との間の位置においても、出射光ＰＢは、断面ドーナツ形状である。そして、平行化された断面ドーナツ形状の出射光ＰＢは、加工用集光レンズ８０にてワーク１８の加工対象部位に集光される。これにより、ワーク１８の加工が行われる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ装置１０によれば、断面ドーナツ形状の出射光ＰＢを加工用集光レンズ８０にてワーク１８の加工対象部位に集光しているので、加工点において、出射光ＰＢのビームプロファイルがトップハット形状となる。つまり、加工点における出射光ＰＢは、中心部分の強度が抑えられた径方向に幅広いプロファイルとなる。これにより、キーホールの形成を抑えつつワーク１８を溶融加工することができる。よって、レーザ中にスプラッシュが発生することを防止できる。
【００４４】
また、本実施形態では、３本のファイバレーザ光ＦＢが出力されるようにレーザ光出力部１２を構成しているので、高出力の出射光ＰＢを容易に生成することができる。
【００４５】
さらに、本実施形態において、ファイバレーザ光ＦＢを周方向に１２０°ずつ離間した状態で集光レンズ６２に入射しているので、ファイバレーザ光ＦＢを周方向に等間隔離間していない状態で集光レンズ６２に入射させる場合と比較してコリメートレンズ７８にて平行化された断面ドーナツ形状の出射光ＰＢの強度分布を一層均一にすることができる。これにより、ワーク１８のキーホールの形成を効果的に抑えることができる。
【００４６】
ところで、複数のファイバレーザ光を集光レンズの中心に入射した場合、コリメートレンズにて平行化された出射光は、断面円形状となる。この断面円形状の出射光を加工用集光レンズにてワークに集光すると、前記加工用集光レンズは、出射光が該加工用集光レンズを透過する際に多大な熱を受ける。この時、前記加工用集光レンズの出射光から受けた熱は、該加工用集光レンズの光軸を中心として放射状に拡散するので、該加工用集光レンズの光軸（加工用集光レンズの中央部）で最も温度が高くなる。
【００４７】
これにより、前記加工用集光レンズが出射光から熱を受けないと仮定した時の該加工用集光レンズの中央を透過する出射光の屈折率と比較して、出射光から熱を受けた時の該加工用集光レンズの中央部を透過する出射光の屈折率が大きくなるので、該加工用集光レンズを透過した出射光の焦点位置がずれることがある（以下、この現象を熱レンズ効果と称することがある。）。
【００４８】
また、前記加工用集光レンズにて断面円形状の出射光をワークに集光すると、ワークに照射された出射光の一部が光軸に沿って反射するので、該加工用集光レンズの熱レンズ効果が一層大きくなり、加工精度が悪化することがある。
【００４９】
このような加工用集光レンズの熱レンズ効果を抑制する本実施形態に係るレーザ装置１０の加工用集光レンズ８０の温度分布について図７及び図８を参照しながら説明する。図７において、横軸は加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０を基準とした光軸Ｘ０と直交する方向の距離を（図８参照）、縦軸は加工用集光レンズ８０の温度をそれぞれ示している。なお、断面ドーナツ形状の出射光ＰＢの中心は加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０上に位置しており、図６に示すように、２Ｘ１は断面ドーナツ形状の出射光ＰＢの内径を、２Ｘ２は断面ドーナツ形状の出射光ＰＢの外径を、図８に示すように、２Ｘ３は加工用集光レンズ８０の直径をそれぞれ示している。
【００５０】
また、図７において、実線Ｌ１は断面ドーナツ形状の出射光ＰＢが加工用集光レンズ８０を透過した時の加工用集光レンズ８０の温度分布を、破線Ｌ２は断面円形状の出射光が本実施形態の加工用集光レンズ８０を透過した時の加工用集光レンズ８０の温度分布をそれぞれ示している。なお、断面円形状の出射光としては、３本のレーザ光を光ファイバの中心に入射することで該光ファイバから出射される出射光が用いられる。
【００５１】
図７からも諒解されるように、断面円形状の出射光が加工用集光レンズ８０を透過した場合、加工用集光レンズ８０の光軸（加工用集光レンズの中央部）Ｘ０で温度Ｔ０となり最も温度が高くなる。これは、加工用集光レンズ８０の断面円形状の出射光から受けた熱が光軸Ｘ０を中心として放射状に広がるからである。
【００５２】
一方、断面ドーナツ形状の出射光ＰＢが加工用集光レンズ８０を透過した場合、加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０で温度が低くなり、光軸から１／２（Ｘ１＋Ｘ２）だけ離れた位置で温度Ｔ１となり最も温度が高くなる。これは、加工用集光レンズ８０がドーナツ形状に熱を受け、その熱が加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０から離れる方向及び光軸Ｘ０に向かう方向に拡散するからである。
【００５３】
つまり、断面円形状の出射光が加工用集光レンズ８０を透過した時には、加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０上の１点に熱が集中するのに対して、断面ドーナツ形状の出射光ＰＢが加工用集光レンズ８０を透過した時には、加工用集光レンズ８０の受ける熱が円周状に分散される。そのため、温度Ｔ１が温度Ｔ０よりも低くなる。よって、加工用集光レンズ８０の熱レンズ効果を小さくすることができるので、出射光ＰＢの焦点位置のずれを抑制することができる。
【００５４】
本実施形態によれば、出射光ＰＢが加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０を透過することがないので、ワーク１８から加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０に向かう反射光が低減する。これにより、加工用集光レンズ８０が前記反射光によって熱を受けてワーク１８の加工精度が悪化することを抑えることができる。
【００５５】
本発明は、上記の実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。例えば、線分Ａ１及び線分Ａ２のなす角θ１２、線分Ａ１及び線分Ａ３のなす角θ１３、線分Ａ２及び線分Ａ３のなす角θ２３を任意に設定してもよい。レーザ光出力部は、ファイバレーザ光を出力する構成に限らない。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光等を出力する固体レーザで構成してもよい。
【００５６】
本発明のレーザ装置は、第１〜第３ファイバレーザ光を集光レンズに入射する構成に限らない。例えば、第３ファイバレーザ光を用いず、第１及び第２ファイバレーザ光のみを集光レンズに入射する構成にしてもよい。この場合、線分Ａ１及び線分Ａ２のなす角θ１２を１８０°に設定するとよい。
【００５７】
また、第２及び第３ファイバレーザ光を用いず、第１ファイバレーザ光のみを集光レンズの中心から外れた位置に入射する構成にしてもよい。この場合、上記実施形態の光路調整部を省略してレーザ光出力部から出力されるファイバレーザ光を集光レンズに直接入射するように構成してもよい。これにより、１本のファイバレーザ光だけでも加工用集光レンズに熱レンズ効果が生じるような場合にも対応することができる。さらに、４本又はそれ以上のファイバレーザ光を合成ファイバの入射端面に入射する構成にしてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０…レーザ装置 １２…レーザ光出力部
１４…伝送部 １６…合成部
１８…ワーク ２０…出射部
２２…制御部 ５４…合成ファイバ
６１…入射端面 ６２…集光レンズ
６４…光路調整部（光路調整手段） ７２…コア
８０…加工用集光レンズ Ｌ…垂線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いるレーザ装置及びレーザ光の調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ光の高出力化を行う方法として、例えば複数の発振器を連結させる方法が知られている。複数の発振器から出射されたレーザ光を結合するには、複数本の光ファイバを接着剤等によって束ねるバンドルファイバを利用する方法や、複数本の光ファイバを束ねた後に融着して１本の光ファイバにする方法等が広汎に知られている。しかし、前記バンドルファイバを利用する場合、光ファイバ内を伝搬するレーザ光が発する熱で前記接着剤が焼損してレーザ光のビーム品質が劣化することがある。また、複数本の光ファイバを融着する場合、例えば、直径１００μｍ以下の光ファイバを束ねることが困難であった。
【０００３】
上記問題点を解消しつつ高出力のレーザ光を得るものとして、３本のレーザ光を１枚の光ファイバ入射レンズにて１点に集光するとともに光ファイバに入射し、前記光ファイバを伝搬して合成されたレーザ光を加工光学系で集光してワークを加工する方法（特許文献１参照）や、４本のレーザ光を凸レンズにてクラッド励起レーザーファイバの端面に集光して前記クラッド励起レーザーファイバのコアにドープされた希土類元素を励起して高出力のレーザ光を出射するレーザ装置（特許文献２参照）等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３１１７５号公報
【特許文献２】特開２００３−３０９３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、光ファイバ入射レンズに対する３本のレーザ光の入射位置が明確に記載されていない。そのため、特許文献１において、３本のレーザ光のいずれか１本を前記光ファイバ入射レンズの中心に入射した場合、前記光ファイバから出射されるレーザ光が断面円形状となるので、ワークの加工点におけるレーザ光のビームプロファイルがガウス分布になる。このようなガウス分布のビームプロファイルを有するレーザ光を用いて、例えば、アルミニウム等の熱伝導率の高い材料で構成されたワークを加工する場合、加工点において、レーザ光の中心部分の強度が高いために該ワークの一部にキーホールが形成されることがある。このようにキーホールが形成される加工では、レーザ加工中にスプラッシュ（飛び散り）が発生する。このスプラッシュによって飛び散った材料が加工点やその付近に再度付着する等といった問題が発生するおそれがある。なお、特許文献２の装置を用いて該ワークを溶融加工する場合にも、加工点におけるビームプロファイルがガウス分布になるので、キーホールの形成が起こり得る。
【０００６】
そこで、本発明は、キーホールの形成を抑えつつワークを溶融加工することができるレーザ装置及びレーザ光の調整方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を出力するレーザ光出力部と、前記レーザ光出力部から出力されたレーザ光を集光する集光レンズと、該集光レンズによって集光されたレーザ光が入射するコアを有する光ファイバと、を備え、前記レーザ光出力部から出力されたレーザ光が前記集光レンズの中心から外れた位置に入射され、かつ前記集光レンズによって集光されたレーザ光が前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射されるように前記レーザ光出力部、前記集光レンズ及び前記光ファイバが設定されていることを特徴とする。
【０００８】
アルミニウム等の熱伝導率の高い材料で構成されたワークをレーザ光で溶融加工する場合、レーザ光をコリメートレンズにて平行化した状態で加工用集光レンズにてワークに集光するのが通例である。
【０００９】
第１の本発明に係るレーザ装置によれば、レーザ光出力部から出力されたレーザ光を集光レンズの中心から外れた位置に入射し、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を光ファイバの端面の垂線に対して交叉した状態で前記光ファイバの前記コアに入射しているので、前記光ファイバの前記コアに入射されたレーザ光が該コア内を多数回反射しながら伝搬する。そのため、光ファイバから出射されたレーザ光は、前記コリメートレンズにて平行化された状態で断面ドーナツ形状となる。従って、断面ドーナツ形状のレーザ光が前記加工用集光レンズにてワークに集光されることになるので、加工点において、レーザ光のビームプロファイルがトップハット形状となる。つまり、加工点におけるレーザ光は、中心部分の強度が抑えられた径方向に幅広いプロファイルとなる。これにより、キーホールの形成を抑えつつワークを溶融加工することができる。よって、レーザ加工中にスプラッシュが発生することを防止できる。
【００１０】
第２の本発明に係るレーザ装置は、３本のレーザ光を出力するレーザ光出力部と、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光されたレーザ光が入射するコアを有する光ファイバと、前記レーザ光出力部と前記集光レンズとの間の光路に設けられ、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光のそれぞれが前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射されるようにレーザ光の光路を調整する光路調整手段と、を備え、前記集光レンズによって集光されたレーザ光が前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射されるように前記集光レンズ及び前記光ファイバが設定されていることを特徴とする。
【００１１】
第２の本発明に係るレーザ装置によれば、レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光のそれぞれを集光レンズの中心から外れた別の位置に入射するので、高出力のレーザ光を容易に生成しつつ、上述した第１の本発明に係るレーザ装置の効果と同様の効果を奏する。
【００１２】
第１の本発明に係るレーザ装置の一形態において、前記レーザ光出力部は、複数本のレーザ光が出力されるように構成されており、前記レーザ光出力部と前記集光レンズとの間の光路に設けられ、かつ前記レーザ光出力部から出力された複数本のレーザ光のそれぞれが前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射されるようにレーザ光の光路を調整する光路調整手段をさらに備えてもよい。
【００１３】
この形態によれば、複数本のレーザ光を用いることで高出力のレーザ光を容易に生成することができる。
【００１４】
第２の本発明に係るレーザ装置の一形態において、前記光路調整手段は、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光が周方向に等角度離間した状態で前記集光レンズに入射されるようにレーザ光の光路を調整してもよい。
【００１５】
この形態によれば、３本のレーザ光が周方向に等角度離間した状態で集光レンズに入射されるので、３本のレーザ光が周方向に等角度離間していない状態で集光レンズに入射される場合と比較して、コリメートレンズにて平行化された断面ドーナツ形状のレーザ光の強度分布を一層均一にすることができる。これにより、ワークへのキーホールの形成を効果的に抑えることができる。
【００１６】
本発明に係るレーザ光の調整方法は、レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光を集光レンズにて光ファイバのコアに集光するレーザ光の調整方法であって、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光のそれぞれを前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射し、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るレーザ光の調整方法によれば、上述した第２の本発明に係るレーザ装置の効果と同様の効果を奏する。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ光出力部から出力されたレーザ光を集光レンズの中心から外れた位置に入射し、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を光ファイバのコアの端面の垂線に対して交叉した状態で前記光ファイバの前記コアに入射しているので、光ファイバから出射されたレーザ光は、前記コリメートレンズにて平行化された状態で断面ドーナツ形状となる。従って、加工点において、レーザ光のビームプロファイルがトップハット形状となるので、キーホールの形成を抑えつつワークを溶融加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ装置の要部を示したブロック図である。
【図２】図１に示す調整機構の内部構造を示すブロック図である。
【図３】図２に示す調整機構を図２の矢印Ｙ方向から見たブロック図である。
【図４】前記調整機構に設けられる集光レンズの正面説明図である。
【図５】図２及び図３に示す合成ファイバの概略断面説明図である。
【図６】コリメートレンズにて平行化された出射光の概略断面説明図である。
【図７】加工用集光レンズの温度分布を示す特性曲線図である。
【図８】加工用集光レンズの出射光の透過方向に沿った概略断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係るレーザ装置の一実施形態について図１〜図８を参照しながら説明する。
【００２１】
本実施形態に係るレーザ装置は、複数のレーザ光を光ファイバにて合成することで高出力のレーザ光を出射する装置であり、ワークの加工、溶接又は切断等に用いられる。なお、ワークとしては、熱伝導率が高い金属材料、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等を用いることができる。
【００２２】
図１に示すように、レーザ装置１０は、３本のレーザ光を出力するレーザ光出力部１２と、３本のレーザ光を伝送する伝送部１４と、伝送部１４にて伝送された３本のレーザ光を１本のレーザ光に合成する合成部１６と、合成されたレーザ光をワーク１８の加工対象部位に集光するための出射部２０と、制御部２２とを備えている。
【００２３】
レーザ光出力部１２は、第１ファイバレーザ光ＦＢ１を出力する第１ユニット２４ａと、第２ファイバレーザ光ＦＢ２を出力する第２ユニット２４ｂと、第３ファイバレーザ光ＦＢ３を出力する第３ユニット２４ｃと、ＬＤ電源３０とを有する。
【００２４】
第１ユニット２４ａには、励起光ＭＢを出力するレーザダイオード（ＬＤ）３２ａと、励起光ＭＢに基づいて第１ファイバレーザ光ＦＢ１を出力するファイバレーザ光出力部３４ａとが設けられている。ファイバレーザ光出力部３４ａは、励起光ＭＢが伝搬することにより第１ファイバレーザ光ＦＢ１を出力する光ファイバ（アクティブファイバ）３６ａと、アクティブファイバ３６ａから出力された第１ファイバレーザ光ＦＢ１を平行化するコリメートレンズ３８ａと、伝送部１４で反射した反射光のＬＤ３２への照射を阻止するアイソレータ４０ａと、アイソレータ４０ａを透過した第１ファイバレーザ光ＦＢ１を集光する集光レンズ４２ａとを有する。
【００２５】
第２ユニット２４ｂは、第１ユニット２４ａと同一の構成であり、ＬＤ３２ｂと、第２ファイバレーザ光ＦＢ２を出力するファイバレーザ光出力部３４ｂとを有し、ファイバレーザ光出力部３４ｂには、アクティブファイバ３６ｂ、アイソレータ４０ｂ、及び集光レンズ４２ｂが設けられている。
【００２６】
第３ユニット２４ｃは、第１ユニット２４ａと同一の構成であり、ＬＤ３２ｃと、第３ファイバレーザ光ＦＢ３を出力するファイバレーザ光出力部３４ｃとを有し、ファイバレーザ光出力部３４ｃには、アクティブファイバ３６ｃ、アイソレータ４０ｃ、及び集光レンズ４２ｃが設けられている。
【００２７】
アクティブファイバ３６ａ、３６ｂ、３６ｃは、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素イオンがドープされた不図示のコアを含んでおり、励起光ＭＢによって前記希土類元素イオンを励起することにより第１ファイバレーザ光ＦＢ１を出力する。ＬＤ電源３０は、第１〜第３ユニット２４ａ、２４ｂ、２４ｃの各ＬＤ３２ａ、３２ｂ、３２ｃに励起電流を供給する。
【００２８】
伝送部１４は、第１ファイバレーザ光ＦＢ１を合成部１６に伝送する第１伝送ファイバ４６ａと、第２ファイバレーザ光ＦＢ２を合成部１６に伝送する第２伝送ファイバ４６ｂと、第３ファイバレーザ光ＦＢ３を合成部１６に伝送する第３伝送ファイバ４６ｃとを有する。以下、第１〜第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３をまとめてファイバレーザ光ＦＢと称することがある。
【００２９】
合成部１６は、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃにて伝送されたファイバレーザ光ＦＢの光路を光学的に調整する調整機構５２と、調整機構５２にて光路調整されたファイバレーザ光ＦＢを合成する光ファイバ（合成ファイバ）５４とを有する。
【００３０】
図２、図３及び図５に示すように、調整機構５２は、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ及び合成ファイバ５４を支持するための筐体５６と、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃから出射されたファイバレーザ光ＦＢを合成ファイバ５４のコア７２に導くための光学部材６０とを有する。なお、調整機構５２は、図示していないが、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、合成ファイバ５４及び光学部材６０が冷却可能なように構成されている。調整機構５２の冷却は、例えば、水冷により行われる。これにより、ファイバレーザ光ＦＢの反射・散乱に起因する熱によって光学部材６０等に不具合が生じてファイバレーザ光ＦＢの光路がずれることを抑制することができる。
【００３１】
また、図２に示すように、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの出射端面及び合成ファイバ５４の入射端面６１は、筐体５６内に臨んでおり、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの出射端面、合成ファイバ５４の入射端面６１及び光学部材６０には、反射防止処理が施されている。この反射防止処理としては、例えばＡＲコート等が用いられる。これにより、ファイバレーザ光ＦＢが第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの出射端面及び合成ファイバ５４の入射端面６１で反射して筐体５６内に熱が生じることを抑えることができる。
【００３２】
筐体５６は、図２に示すように、第１ファイバレーザ光ＦＢ１がＸ方向に、第２及び第３ファイバレーザ光ＦＢ２、ＦＢ３がＹ方向にそれぞれ出射され、かつ図３に示すように、Ｚ方向において、第１及び第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ３の位置が一致して第２ファイバレーザ光ＦＢ２が第１及び第３ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ３よりも上方に位置するように第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃを支持する。また、図２及び図３に示すように、筐体５６は、Ｘ方向において、第１伝送ファイバ４６ａの出射端面と合成ファイバ５４の入射端面６１とが対向するように合成ファイバ５４を支持する。
【００３３】
図２及び図５に示すように、光学部材６０は、ファイバレーザ光ＦＢを合成ファイバ５４のコア７２に集光する集光レンズ６２と、第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃから出射されたファイバレーザ光ＦＢを集光レンズ６２に導くための光路調整手段としての光路調整部６４とを有する。図２及び図３に示すように、集光レンズ６２は、合成ファイバ５４と所定間隔離間した状態で合成ファイバ５４の入射端面６１と対向している。
【００３４】
図２及び図３に示すように、光路調整部６４は、ファイバレーザ光ＦＢの各光路上に設けられるコリメートレンズ６６ａ、６６ｂ、６６ｃと、第２ファイバレーザ光ＦＢ２の光路を調整するためのミラー６８と、第３ファイバレーザ光ＦＢ３の光路を調整するためのミラー７０とを有する。
【００３５】
図２に示すように、ミラー６８、７０は、Ｙ方向において、ファイバレーザ光ＦＢが等間隔にオフセットした状態で集光レンズ６２に入射されるように設定されている。これにより、図４に示すように、ファイバレーザ光ＦＢのそれぞれが集光レンズ６２の中心Ｎから外れた別の位置に入射される。具体的には、ファイバレーザ光ＦＢが周方向に等間隔離間した状態で集光レンズ６２に入射され、線分Ａ１及び線分Ａ２のなす角θ１２、線分Ａ１及び線分Ａ３のなす角θ１３、線分Ａ２及び線分Ａ３のなす角θ２３がそれぞれ１２０°（つまり、等角度）に設定される。なお、角θ１２、角θ１３、角θ２３は、正確に等角度に設定せずに、数度の違いを持って略等角度に設定することもできる。
【００３６】
また、線分Ａ１は集光レンズ６２の第１ファイバレーザ光ＦＢ１の入射位置と集光レンズ６２の中心Ｎを結んだ線分であり、線分Ａ２は集光レンズ６２の第２ファイバレーザ光ＦＢ２の入射位置と集光レンズ６２の中心Ｎを結んだ線分であり、線分Ａ３は集光レンズ６２の第３ファイバレーザ光ＦＢ３の入射位置と集光レンズ６２の中心Ｎを結んだ線分である。また、集光レンズ６２の中心Ｎと集光レンズ６２の各ファイバレーザ光ＦＢの入射位置との間は等距離に設定されている。
【００３７】
図２、図３及び図５に示すように、合成ファイバ５４及び集光レンズ６２は、集光レンズ６２を透過したファイバレーザ光ＦＢが合成ファイバ５４の入射端面６１の垂線Ｌに対して交叉した状態で合成ファイバ５４のコア７２の中心に集光されるように設定されている。なお、合成ファイバ５４及び集光レンズ６２は、第１ファイバレーザ光ＦＢ１と入射端面６１の垂線Ｌとのなす角度と、第２ファイバレーザ光ＦＢ２と入射端面６１の垂線Ｌとのなす角度と、第３ファイバレーザ光ＦＢ３と入射端面６１の垂線Ｌとのなす角度とが同一角度になるように設定されている。これらの各ファイバレーザ光ＦＢと垂線Ｌとがなす角度をαとする。但し、角度αは、任意に設定してよい。
【００３８】
図５に示すように、合成ファイバ５４は、合成ファイバ５４の中心軸上に延びたコア７２と、コア７２と同軸に設けられてコア７２を取り囲むクラッド７４と、クラッド７４を覆う被覆７６とを有する。
【００３９】
図１に示すように、出射部２０は、合成ファイバ５４から出射されたレーザ光（出射光）ＰＢを平行化するコリメートレンズ７８と、コリメートレンズ７８を透過した出射光ＰＢをワーク１８の加工対象部位に集光する加工用集光レンズ８０とを有する。
【００４０】
制御部２２は、出射光ＰＢの要求エネルギに応じて第１〜第３ユニット２４ａ、２４ｂ、２４ｃの各ＬＤ３２ａ、３２ｂ、３２ｃに供給される励起電流が調整されるようにＬＤ電源３０を制御する。
【００４１】
次に、レーザ装置１０の基本的な動作について説明する。先ず、制御部２２の作用下にＬＤ電源３０から各ＬＤ３２ａ、３２ｂ、３２ｃに励起電流が供給されると、ＬＤ３２ａ、３２ｂ、３２ｃから励起光ＭＢが出力され、出力された励起光ＭＢがアクティブファイバ３６ａ、３６ｂ、３６ｃ内を伝搬することでアクティブファイバ３６ａ、３６ｂ、３６ｃからファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３が出力される。アクティブファイバ３６ａ、３６ｂ、３６ｃから出力されたファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３は、コリメートレンズ３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、アイソレータ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ及び集光レンズ４２ａ、４２ｂ、４２ｃを介して第１〜第３伝送ファイバ４６ａ、４６ｂ、４６ｃにて調整機構５２に伝送され、光路調整部６４にて集光レンズ６２に入射される。この時、ファイバレーザ光ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３のそれぞれは、集光レンズ６２の中心Ｎから外れた別の位置に入射される。
【００４２】
そして、集光レンズ６２に入射されたファイバレーザ光ＦＢは、合成ファイバ５４の入射端面６１の垂線Ｌに対して交叉した状態で合成ファイバ５４のコア７２に集光され、合成ファイバ５４内をコア７２とクラッド７４との境界面を多数回反射しながら伝搬して合成ファイバ５４から出射される。合成ファイバ５４から出射された出射光ＰＢは、コリメートレンズ７８にて平行化される。この時、平行化された出射光ＰＢは、断面ドーナツ形状となる（図６参照）。なお、合成ファイバ５４とコリメートレンズ７８との間の位置においても、出射光ＰＢは、断面ドーナツ形状である。そして、平行化された断面ドーナツ形状の出射光ＰＢは、加工用集光レンズ８０にてワーク１８の加工対象部位に集光される。これにより、ワーク１８の加工が行われる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ装置１０によれば、断面ドーナツ形状の出射光ＰＢを加工用集光レンズ８０にてワーク１８の加工対象部位に集光しているので、加工点において、出射光ＰＢのビームプロファイルがトップハット形状となる。つまり、加工点における出射光ＰＢは、中心部分の強度が抑えられた径方向に幅広いプロファイルとなる。これにより、キーホールの形成を抑えつつワーク１８を溶融加工することができる。よって、レーザ中にスプラッシュが発生することを防止できる。
【００４４】
また、本実施形態では、３本のファイバレーザ光ＦＢが出力されるようにレーザ光出力部１２を構成しているので、高出力の出射光ＰＢを容易に生成することができる。
【００４５】
さらに、本実施形態において、ファイバレーザ光ＦＢを周方向に１２０°ずつ離間した状態で集光レンズ６２に入射しているので、ファイバレーザ光ＦＢを周方向に等間隔離間していない状態で集光レンズ６２に入射させる場合と比較してコリメートレンズ７８にて平行化された断面ドーナツ形状の出射光ＰＢの強度分布を一層均一にすることができる。これにより、ワーク１８のキーホールの形成を効果的に抑えることができる。
【００４６】
ところで、複数のファイバレーザ光を集光レンズの中心に入射した場合、コリメートレンズにて平行化された出射光は、断面円形状となる。この断面円形状の出射光を加工用集光レンズにてワークに集光すると、前記加工用集光レンズは、出射光が該加工用集光レンズを透過する際に多大な熱を受ける。この時、前記加工用集光レンズの出射光から受けた熱は、該加工用集光レンズの光軸を中心として放射状に拡散するので、該加工用集光レンズの光軸（加工用集光レンズの中央部）で最も温度が高くなる。
【００４７】
これにより、前記加工用集光レンズが出射光から熱を受けないと仮定した時の該加工用集光レンズの中央を透過する出射光の屈折率と比較して、出射光から熱を受けた時の該加工用集光レンズの中央部を透過する出射光の屈折率が大きくなるので、該加工用集光レンズを透過した出射光の焦点位置がずれることがある（以下、この現象を熱レンズ効果と称することがある。）。
【００４８】
また、前記加工用集光レンズにて断面円形状の出射光をワークに集光すると、ワークに照射された出射光の一部が光軸に沿って反射するので、該加工用集光レンズの熱レンズ効果が一層大きくなり、加工精度が悪化することがある。
【００４９】
このような加工用集光レンズの熱レンズ効果を抑制する本実施形態に係るレーザ装置１０の加工用集光レンズ８０の温度分布について図７及び図８を参照しながら説明する。図７において、横軸は加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０を基準とした光軸Ｘ０と直交する方向の距離を（図８参照）、縦軸は加工用集光レンズ８０の温度をそれぞれ示している。なお、断面ドーナツ形状の出射光ＰＢの中心は加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０上に位置しており、図６に示すように、２Ｘ１は断面ドーナツ形状の出射光ＰＢの内径を、２Ｘ２は断面ドーナツ形状の出射光ＰＢの外径を、図８に示すように、２Ｘ３は加工用集光レンズ８０の直径をそれぞれ示している。
【００５０】
また、図７において、実線Ｌ１は断面ドーナツ形状の出射光ＰＢが加工用集光レンズ８０を透過した時の加工用集光レンズ８０の温度分布を、破線Ｌ２は断面円形状の出射光が本実施形態の加工用集光レンズ８０を透過した時の加工用集光レンズ８０の温度分布をそれぞれ示している。なお、断面円形状の出射光としては、３本のレーザ光を光ファイバの中心に入射することで該光ファイバから出射される出射光が用いられる。
【００５１】
図７からも諒解されるように、断面円形状の出射光が加工用集光レンズ８０を透過した場合、加工用集光レンズ８０の光軸（加工用集光レンズの中央部）Ｘ０で温度Ｔ０となり最も温度が高くなる。これは、加工用集光レンズ８０の断面円形状の出射光から受けた熱が光軸Ｘ０を中心として放射状に広がるからである。
【００５２】
一方、断面ドーナツ形状の出射光ＰＢが加工用集光レンズ８０を透過した場合、加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０で温度が低くなり、光軸から１／２（Ｘ１＋Ｘ２）だけ離れた位置で温度Ｔ１となり最も温度が高くなる。これは、加工用集光レンズ８０がドーナツ形状に熱を受け、その熱が加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０から離れる方向及び光軸Ｘ０に向かう方向に拡散するからである。
【００５３】
つまり、断面円形状の出射光が加工用集光レンズ８０を透過した時には、加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０上の１点に熱が集中するのに対して、断面ドーナツ形状の出射光ＰＢが加工用集光レンズ８０を透過した時には、加工用集光レンズ８０の受ける熱が円周状に分散される。そのため、温度Ｔ１が温度Ｔ０よりも低くなる。よって、加工用集光レンズ８０の熱レンズ効果を小さくすることができるので、出射光ＰＢの焦点位置のずれを抑制することができる。
【００５４】
本実施形態によれば、出射光ＰＢが加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０を透過することがないので、ワーク１８から加工用集光レンズ８０の光軸Ｘ０に向かう反射光が低減する。これにより、加工用集光レンズ８０が前記反射光によって熱を受けてワーク１８の加工精度が悪化することを抑えることができる。
【００５５】
本発明は、上記の実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。例えば、線分Ａ１及び線分Ａ２のなす角θ１２、線分Ａ１及び線分Ａ３のなす角θ１３、線分Ａ２及び線分Ａ３のなす角θ２３を任意に設定してもよい。レーザ光出力部は、ファイバレーザ光を出力する構成に限らない。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光等を出力する固体レーザで構成してもよい。
【００５６】
本発明のレーザ装置は、第１〜第３ファイバレーザ光を集光レンズに入射する構成に限らない。例えば、第３ファイバレーザ光を用いず、第１及び第２ファイバレーザ光のみを集光レンズに入射する構成にしてもよい。この場合、線分Ａ１及び線分Ａ２のなす角θ１２を１８０°に設定するとよい。
【００５７】
また、第２及び第３ファイバレーザ光を用いず、第１ファイバレーザ光のみを集光レンズの中心から外れた位置に入射する構成にしてもよい。この場合、上記実施形態の光路調整部を省略してレーザ光出力部から出力されるファイバレーザ光を集光レンズに直接入射するように構成してもよい。これにより、１本のファイバレーザ光だけでも加工用集光レンズに熱レンズ効果が生じるような場合にも対応することができる。さらに、４本又はそれ以上のファイバレーザ光を合成ファイバの入射端面に入射する構成にしてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０…レーザ装置 １２…レーザ光出力部
１４…伝送部 １６…合成部
１８…ワーク ２０…出射部
２２…制御部 ５４…合成ファイバ
６１…入射端面 ６２…集光レンズ
６４…光路調整部（光路調整手段） ７２…コア
８０…加工用集光レンズ Ｌ…垂線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ光出力部と、
前記レーザ光出力部から出力されたレーザ光を集光する集光レンズと、
該集光レンズによって集光された前記レーザ光が入射するコアを有する光ファイバと、を備え、
前記レーザ光出力部から出力されたレーザ光が前記集光レンズの中心から外れた位置に入射され、かつ前記集光レンズによって集光されたレーザ光が前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射されるように前記レーザ光出力部、前記集光レンズ及び前記光ファイバが設定されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
３本のレーザ光を出力するレーザ光出力部と、
前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光されたレーザ光が入射するコアを有する光ファイバと、
前記レーザ光出力部と前記集光レンズとの間の光路に設けられ、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光のそれぞれが前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射されるようにレーザ光の光路を調整する光路調整手段と、を備え、
前記集光レンズによって集光されたレーザ光が前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射されるように前記集光レンズ及び前記光ファイバが設定されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項３】
請求項１記載のレーザ装置において、
前記レーザ光出力部は、複数本のレーザ光が出力されるように構成されており、
前記レーザ光出力部と、前記集光レンズとの間の光路に設けられ、かつ前記レーザ光出力部から出力された複数本のレーザ光のそれぞれが前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射されるようにレーザ光の光路を調整する光路調整手段をさらに備えることを特徴とするレーザ装置。
【請求項４】
請求項２記載のレーザ装置において、
前記光路調整手段は、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光が周方向に等角度離間した状態で前記集光レンズに入射されるようにレーザ光の光路を調整することを特徴とするレーザ装置。
【請求項５】
レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光を集光レンズにて光ファイバのコアに集光するレーザ光の調整方法であって、
前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光のそれぞれを前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射し、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射することを特徴とするレーザ光の調整方法。
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ光出力部と、
前記レーザ光出力部から出力されたレーザ光を集光する集光レンズと、
該集光レンズによって集光された前記レーザ光が入射するコアを有する光ファイバと、を備え、
前記レーザ光出力部から出力されたレーザ光が前記集光レンズの中心から外れた位置に入射され、かつ前記集光レンズによって集光されたレーザ光が前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射されるように前記レーザ光出力部、前記集光レンズ及び前記光ファイバが設定されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
３本のレーザ光を出力するレーザ光出力部と、
前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光されたレーザ光が入射するコアを有する光ファイバと、
前記レーザ光出力部と前記集光レンズとの間の光路に設けられ、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光のそれぞれが前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射されるようにレーザ光の光路を調整する光路調整手段と、を備え、
前記集光レンズによって集光されたレーザ光が前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射されるように前記集光レンズ及び前記光ファイバが設定されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項３】
請求項１記載のレーザ装置において、
前記レーザ光出力部は、複数本のレーザ光が出力されるように構成されており、
前記レーザ光出力部と、前記集光レンズとの間の光路に設けられ、かつ前記レーザ光出力部から出力された複数本のレーザ光のそれぞれが前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射されるようにレーザ光の光路を調整する光路調整手段をさらに備えることを特徴とするレーザ装置。
【請求項４】
請求項２記載のレーザ装置において、
前記光路調整手段は、前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光が周方向に等角度離間した状態で前記集光レンズに入射されるようにレーザ光の光路を調整することを特徴とするレーザ装置。
【請求項５】
レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光を集光レンズにて光ファイバのコアに集光するレーザ光の調整方法であって、
前記レーザ光出力部から出力された３本のレーザ光のそれぞれを前記集光レンズの中心から外れた別の位置に入射し、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を前記コアの端面の垂線に対して交叉した状態で入射することを特徴とするレーザ光の調整方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２３４０８（Ｐ２０１１−２３４０８Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６４８４２（Ｐ２００９−１６４８４２）
【出願日】平成２１年７月１３日（２００９．７．１３）
【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２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１３日（２００９．７．１３）
【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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