反射戻り光の処理構造体およびレーザ装置
【課題】光コネクタの破損を防止できる反射戻り光の処理構造体およびこれを用いたレーザ装置を提供する。
【解決手段】光コネクタ３０と光アイソレータ５０との間に接続され、前記光アイソレータからの反射戻り光を処理する反射戻り光の処理構造体４０であって、前記光アイソレータの入力側に入力される光を通過させるとともに、前記光の進行方向に対して傾斜した方向に進行する前記光アイソレータからの反射戻り光の光線の少なくとも一部を遮って該反射戻り光を吸収する突起部４１ａを有する処理部材４１を備える。
【解決手段】光コネクタ３０と光アイソレータ５０との間に接続され、前記光アイソレータからの反射戻り光を処理する反射戻り光の処理構造体４０であって、前記光アイソレータの入力側に入力される光を通過させるとともに、前記光の進行方向に対して傾斜した方向に進行する前記光アイソレータからの反射戻り光の光線の少なくとも一部を遮って該反射戻り光を吸収する突起部４１ａを有する処理部材４１を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光アイソレータからの反射戻り光の処理構造体およびレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえばレーザ加工用のレーザ装置において、加工対象からの反射戻り光によってデリバリ光ファイバの出射端部が焼損する場合がある。これを防止するために、デリバリ光ファイバの光出射端部に設けられたレンズ光学系内に、開口を持つ遮蔽体を配置する技術が開示されている（特許文献１参照）。この遮蔽体が反射戻り光を遮ることによって、反射戻り光がデリバリ光ファイバの出射端部に到達しないようにすることができる。
【０００３】
また、近年はレーザ加工用のレーザ装置の出力レーザ光強度がますます増大している。そのため、加工対象からの高強度の反射戻り光がデリバリ光ファイバを逆行してレーザ光源に到達し、レーザ光源を焼損する場合がある。これを防止するためには、デリバリ光ファイバの光出射端側に光アイソレータを設けることが有効である。
【０００４】
なお、インライン型の光アイソレータにおいては、反射戻り光が光アイソレータ内部で放出され、問題となる場合がある。これを解消するために、光アイソレータ内部において反射戻り光を熱に変換して処理する技術が開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−１６３３０７号公報
【特許文献２】特開２００７−１８３４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、光アイソレータによって反射戻り光によるレーザ光源の焼損が防止されるので、レーザ加工用のレーザ装置における反射戻り光の問題は解決されたものと考えられていた。
【０００７】
しかしながら、レーザ装置の出力レーザ光強度がきわめて高い場合に、デリバリ光ファイバの先端に設けられた光コネクタの温度がきわめて高温となり、破損するおそれがあるという問題が、本発明者らの鋭意検討によって見出された。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光コネクタの破損を防止できる反射戻り光の処理構造体およびこれを用いたレーザ装置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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、光コネクタと光アイソレータとの間に接続され、前記光アイソレータからの反射戻り光を処理する反射戻り光の処理構造体であって、前記光アイソレータの入力側に入力される光を通過させるとともに、前記光の進行方向に対して傾斜した方向に進行する前記光アイソレータからの反射戻り光の光線の少なくとも一部を遮って該反射戻り光を吸収する突起部を有する処理部材を備える。
【００１０】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記突起部は、管状の前記処理部材の内周に沿って形成されている。
【００１１】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記光アイソレータの入力側に入力される光の進行方向に沿って連結された複数の前記処理部材を備える。
【００１２】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記処理部材は黒アルマイト処理されたアルミニウムからなる。
【００１３】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記光アイソレータと前記処理部材との間に設けられた延長部材を備える。
【００１４】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記光コネクタ側の前記処理部材に設けられた放熱部材を備える。
【００１５】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記処理部材を取り囲むように設けられた放熱部材を備える。
【００１６】
また、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源と、前記レーザ光源に接続し、前記レーザ光を伝送するデリバリ光ファイバと、前記デリバリ光ファイバに接続し、前記デリバリ光ファイバを伝送した前記レーザ光を出力する光コネクタと、前記光コネクタに接続した、上記発明の反射戻り光の処理構造体と、前記反射戻り光の処理構造体に接続した光アイソレータと、を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光コネクタの破損を防止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、実施の形態１に係る処理構造体を適用したレーザ装置の模式的な構成図である。
【図２】図２は、図１に示す処理構造体の模式的な断面図である。
【図３】図３は、実施の形態２に係る処理構造体の模式的な断面図である。
【図４】図４は、実施例および比較例での、光コネクタの温度の時間変化を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態３に係る処理構造体の模式的な断面図である。
【図６】図６は、実施の形態４に係る処理構造体の模式的な断面図である。
【図７】図７は、実施の形態５に係る処理構造体の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面を参照して本発明に係る反射戻り光の処理構造体およびレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みや厚みの比率などは現実のものとは異なる場合があることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る処理構造体を適用したレーザ装置の模式的な構成図である。図１に示すように、レーザ装置１００は、レーザ光源１０と、デリバリ光ファイバ２０と、光コネクタ３０と、反射戻り光の処理構造体（以下、処理構造体）４０と、光アイソレータ５０とを備えている。
【００２１】
レーザ光源１０は、たとえば希土類金属元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）が添加されダブルクラッド型光ファイバを用いた光ファイバレーザである。このレーザ光源１０は、たとえば波長が約１０８０ｎｍで強度が１００Ｗ以上、たとえば３００Ｗのレーザ光を出力する。なお、レーザ光源１０は、光ファイバレーザに限らず、固体レーザやガスレーザ等でもよい。
【００２２】
デリバリ光ファイバ２０は、レーザ光源１０に接続されており、レーザ光源が出力するレーザ光をシングルモードまたはマルチモードで伝送するものである。
【００２３】
光コネクタ３０は、デリバリ光ファイバ２０の先端に接続している。光コネクタ３０は、金属からなる筐体内に光学系を備えており、デリバリ光ファイバ２０を伝送したレーザ光をコリメート光または集光して出力する。
【００２４】
処理構造体４０は、光コネクタ３０に接続している。処理構造体４０は光コネクタ３０から出力したレーザ光を通過させる。処理構造体４０については後に詳述する。
【００２５】
光アイソレータ５０は、処理構造体４０に接続している。光アイソレータ５０は、使用時には、レーザ加工を行う加工対象である、例えば金属からなる板材Ｐに対向して配置される。光アイソレータ５０は、処理構造体４０を通過したレーザ光を透過し、レーザ光Ｌ１として出力する。出力されたレーザ光Ｌ１は、板材Ｐに到達してたとえば板材Ｐを溶断する。これによって板材Ｐは加工される。
【００２６】
ここで、板材Ｐに到達したレーザ光Ｌ１が板材Ｐによって反射し、反射戻り光ＲＬ１として光アイソレータ５０に戻る場合がある。反射戻り光ＲＬ１の強度はレーザ光Ｌ１の強度の略１００％に達する場合がある。この場合、光アイソレータ５０の作用によって、反射戻り光ＲＬ１が光コネクタ３０およびデリバリ光ファイバ２０を介してレーザ光源１０に戻ることが防止される。
【００２７】
つぎに、処理構造体４０の構成と作用とについて具体的に説明する。図２は、図１に示す処理構造体の模式的な断面図である。図２に示すように、処理構造体４０は、複数の処理部材４１と、接合部４２とを備えている。本実施の形態１に係る処理構造体４０では処理部材４１の数は１９である。
【００２８】
処理部材４１は管状であって、内側に突起部４１ａが形成されている。この突起部４１ａは各処理部材４１の内周に沿って内周の全周にわたって形成されている。各処理部材４１は互いに嵌合しながら、レーザ光Ｌ１の進行方向に沿って連結して処理構造体４０を構成している。各突起部４１ａの内径はいずれも略同一であり、少なくとも光コネクタ３０から出力されるレーザ光Ｌ１と干渉しないような内径に設定されている。したがって、レーザ光Ｌ１はほとんど減衰することなく、たとえばその光強度の９９％以上が処理構造体４０を通過することができる。
【００２９】
接合部４２は、連結した処理部材４１と光コネクタ３０との間に配置され、かつ処理部材４１および光コネクタ３０のそれぞれと嵌合するように構成されている。処理部材４１および接合部４２は、表面に光吸収のための黒色アルマイト処理を施したアルミニウム等の金属からなる。黒色アルマイト処理によって、レーザ光Ｌ１の波長においてたとえば約８０%以上の光吸収率を実現できる。
【００３０】
つぎに、処理構造体４０の作用について具体的に説明する。まず、光コネクタ３０から出力されたレーザ光Ｌ１は、処理構造体４０の中心軸Ｘに沿って処理構造体４０内を通過する。レーザ光Ｌ１はさらに光アイソレータ５０の光学部５０ａを透過して出力し、図１に示す板材Ｐに到達する。
【００３１】
板材Ｐから反射された反射戻り光ＲＬ１が光アイソレータ５０に戻ると、光アイソレータ５０の作用によって、反射戻り光ＲＬ１が光コネクタ３０およびデリバリ光ファイバ２０を介してレーザ光源１０に戻ることが防止される。
【００３２】
ところが、光アイソレータ５０の光学部５０ａは、通常複屈折性結晶を用いて構成され、複屈折性結晶のウォークオフ（walk-off）効果を利用し光アイソレータの機能を実現している。そのため、光アイソレータ５０に戻ってきた反射戻り光ＲＬ１は、光アイソレータ５０の光学部５０ａを通過した後に、レーザ光Ｌ１が伝搬してきた方向（中心軸Ｘの方向）には戻らないものの、中心軸Ｘに対して傾斜した方向に進行することになる。上述したように、この反射戻り光ＲＬ１はレーザ光Ｌ１の強度の略１００％の強度、たとえば３００Ｗとなる場合がある。したがって、この反射戻り光ＲＬ１は、中心軸Ｘに対して傾斜した方向に進行して光コネクタ３０まで到達すると、光コネクタ３０の筐体に当たってこれを温度上昇させ、光コネクタ３０を損傷する場合がある。
【００３３】
これに対して、このレーザ装置１００では、光アイソレータ５０と光コネクタ３０との間に本実施の形態１に係る処理構造体４０を設けている。その結果、中心軸Ｘに対して傾斜した方向に進行する反射戻り光ＲＬ１は、処理部材４１の突起部４１ａによってその光線の一部が遮られて乱反射および吸収され、徐々にその強度が減衰する。その結果、仮に反射戻り光ＲＬ１が光コネクタ３０の筐体に当たったとしても、その強度は十分に減衰されるので、光コネクタ３０の温度上昇が抑制され、損傷が防止される。
【００３４】
また、この処理構造体４０では、各処理部材４１の突起部４１ａの内径はいずれも略同一である。したがって、図２にも示すように、光アイソレータ５０側の処理部材４１の突起部４１ａは、反射戻り光ＲＬ１の光線を遮る面積が小さく、光コネクタ３０側の処理部材４１の突起部４１ａになるにつれて、反射戻り光ＲＬ１の光線を遮る面積が大きくなっていく。逆に、反射戻り光ＲＬ１は光アイソレータ５０側では強度が高く、光コネクタ３０側に進行するにつれて強度が低くなっていく。このように、反射戻り光ＲＬ１の強度と突起部４１ａによって遮られる面積との大小関係が、反射戻り光ＲＬ１の進行方向に沿って逆になっていることによって、各処理部材４１において吸収される光量およびそれに伴う温度上昇の差が小さくなる。その結果、処理構造体４０内での温度分布の差もより小さくなる。これによって、処理構造体４０の光処理能力の低下が抑制される。
【００３５】
以上説明したように、このレーザ装置１００では、光アイソレータ５０と光コネクタ３０との間に本実施の形態１に係る処理構造体４０を設けているので、光コネクタ３０の温度上昇が抑制され、損傷が防止される。
【００３６】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る処理構造体４０Ａの模式的な断面図である。図３に示すように、処理構造体４０Ａは、図２に示した処理部材４１と接合部４２とを備えた処理構造体４０において、延長部材４３をさらに備えたものである。延長部材４３は、連結した処理部材４１と光アイソレータとの間に設けられている。延長部材４３は例えば円管形状を有している。
【００３７】
この処理構造体４０Ａでは、光アイソレータ５０の光学部５０ａを通過した反射戻り光ＲＬ１の、レーザ光Ｌ１の進行方向（すなわち中心軸Ｘ）に対する傾斜角度は処理構造体４０の場合と同様である。しかしながら、この処理構造体４０Ａでは、延長部材４３を備えることによって、各処理部材４１の突起部４１ａが反射戻り光ＲＬ１の光線を遮る面積が、処理構造体４０の場合よりも大きくなる。したがって、反射戻り光ＲＬ１をより一層吸収し、処理することができる。また、延長部材４３をアルミニウムなどの熱伝導性の高い材料で構成すれば、反射戻り光ＲＬ１の吸収に伴って発生する各処理部材４１の熱が延長部材４３によって放熱されるので、処理構造体４０Ａの光処理能力はより向上する。これによって、より高強度のレーザ光Ｌ１をより長時間にわたって使用することができる。
【００３８】
つぎに、本発明の実施例として、実施の形態２の構成の処理構造体を作製し、これを光アイソレータと光コネクタとの間に接続した。そして、光アイソレータの出力側から反射戻り光を模擬したレーザ光を入力しながら、光コネクタの筐体の温度を測定した。一方、比較例として、光アイソレータと光コネクタとを、接続部材によって直接的に接続し、光アイソレータの出力側からレーザ光を入力しながら、光コネクタの筐体の温度を測定した。
【００３９】
なお、光アイソレータとしてＥＯＴ（Electro-Optics Technology）社製の光アイソレータを使用した。また、デリバリ光ファイバおよび光コネクタとしてオプトスカンド社の光コネクタ付のＱＣＳ光ファイバケーブルを使用した。また、処理構造体として、黒色アルマイト処理を施したアルミニウムからなる処理部材、接合部、延長部材を備えたものを使用した。処理部材の外径は４０ｍｍ、内径は２８ｍｍ、突起部の内径は９ｍｍとした。処理部材の厚さは１５ｍｍとした。２７個の処理部材を連結し、延長部材の長さを３００ｍｍとした。また、レーザ光の波長は約１０８０ｎｍ、強度は約２２Ｗとした。
【００４０】
図４は、実施例および比較例での、光コネクタの温度の時間変化を示す図である。なお、横軸の時間はレーザ光の入力開始時間をゼロ秒としている。また、縦軸は、強度が２２Ｗのレーザ光の入力による温度を、３００Ｗのレーザ光を入力した場合に換算して示している。図４に示すように、比較例の場合はレーザ光の入力開始後に光コネクタの温度が急激に上昇し、１００秒経過より前に３２０℃以上に達すると換算された。一方、実施例の場合はレーザ光の入力開始後も、光コネクタの温度は殆ど上昇せず、８００秒経過後でも５０℃以下であると換算された。
【００４１】
通常、レーザ加工の場合は、レーザ光を出力する時間は数十秒〜数百秒である。また、光コネクタは５０℃以下の温度に保つことが好ましい。したがって、図４の結果から、実施例の場合は、光アイソレータの出力側から反射戻り光として強度３００Ｗのレーザ光が入力したとしても、処理構造体によって光コネクタの温度上昇を好適に抑制することができることが確認された。
【００４２】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る処理構造体４０Ｂの模式的な断面図である。図５に示すように、処理構造体４０Ｂは、図３に示した処理部材４１、接合部４２、および延長部材４３を備えた処理構造体４０Ａにおいて、放熱部材４４をさらに備えたものである。放熱部材４４は、連結した処理部材４１の光コネクタ３０側に設けられている。放熱部材４４はたとえば円管形状を有しており、アルミニウムなどの熱伝導性の高い材料で構成されている。
【００４３】
この処理構造体４０Ｂでは、さらに放熱部材４４が光コネクタ３０側に設けられているので、処理構造体４０Ａの効果に加え、光コネクタ３０の温度上昇を一層抑制することができる。これによって、より高強度のレーザ光Ｌ１をより長時間にわたって使用することができる。
【００４４】
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係る処理構造体４０Ｃの模式的な断面図である。図６に示すように、処理構造体４０Ｃは、図３に示した処理部材４１、接合部４２、および延長部材４３を備えた処理構造体４０Ａにおいて、放熱部材４５をさらに備えたものである。放熱部材４５は、連結した処理部材４１を取り囲む管形状を有しており、アルミニウムなどの熱伝導性の高い材料で構成されている。
【００４５】
この処理構造体４０Ｃでは、さらに放熱部材４５によって各処理部材４１の熱が放熱されるので、処理構造体４０Ａの効果に加え、処理構造体４０Ｃの光処理能力はより向上する。これによって、より高強度のレーザ光Ｌ１をより長時間にわたって使用することができる。
【００４６】
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５に係る処理構造体４０Ｄの模式的な断面図である。図７に示すように、処理構造体４０Ｄは、１つの処理部材４１、接合部４２、および延長部材４３を備えたものである。
【００４７】
この処理構造体４０Ｄのように、内側に突起部４１ａが形成された１つの処理部材４１を備える構成でもよい。処理構造体に備えられる処理部材４１の数は、特に限定されず、レーザ光Ｌ１の強度、想定される反射戻り光ＲＬ１の強度、レーザ加工の時間、延長部材４３や放熱部材４４、４５の放熱能力、および光コネクタ３０の温度の上限値等に応じて、光コネクタ３０が温度上昇して損傷しない程度に反射戻り光ＲＬ１が減衰されるように設定することができる。
【００４８】
なお、上記実施の形態では、突起部が処理部材の内周の全周にわたって形成されているが、突起部は反射戻り光を遮ることができるような内周上の位置に形成されていればよいので、必ずしも内周の全周にわたって形成されていなくてもよく、たとえば一部に形成されていてもよい。
【００４９】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み替えて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態４において、実施の形態３の放熱部材４４を備えるようにしてもよい。または、実施の形態３〜５から延長部材４３を削除してもよい。その他、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の代替実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ レーザ光源
２０ デリバリ光ファイバ
３０ 光コネクタ
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ 処理構造体
４１ 処理部材
４１ａ 突起部
４２ 接合部
４３ 延長部材
４４、４５ 放熱部材
５０ 光アイソレータ
５０ａ 光学部
１００ レーザ装置
Ｌ１ レーザ光
Ｐ 板材
ＲＬ１ 反射戻り光
Ｘ 中心軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光アイソレータからの反射戻り光の処理構造体およびレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえばレーザ加工用のレーザ装置において、加工対象からの反射戻り光によってデリバリ光ファイバの出射端部が焼損する場合がある。これを防止するために、デリバリ光ファイバの光出射端部に設けられたレンズ光学系内に、開口を持つ遮蔽体を配置する技術が開示されている（特許文献１参照）。この遮蔽体が反射戻り光を遮ることによって、反射戻り光がデリバリ光ファイバの出射端部に到達しないようにすることができる。
【０００３】
また、近年はレーザ加工用のレーザ装置の出力レーザ光強度がますます増大している。そのため、加工対象からの高強度の反射戻り光がデリバリ光ファイバを逆行してレーザ光源に到達し、レーザ光源を焼損する場合がある。これを防止するためには、デリバリ光ファイバの光出射端側に光アイソレータを設けることが有効である。
【０００４】
なお、インライン型の光アイソレータにおいては、反射戻り光が光アイソレータ内部で放出され、問題となる場合がある。これを解消するために、光アイソレータ内部において反射戻り光を熱に変換して処理する技術が開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−１６３３０７号公報
【特許文献２】特開２００７−１８３４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、光アイソレータによって反射戻り光によるレーザ光源の焼損が防止されるので、レーザ加工用のレーザ装置における反射戻り光の問題は解決されたものと考えられていた。
【０００７】
しかしながら、レーザ装置の出力レーザ光強度がきわめて高い場合に、デリバリ光ファイバの先端に設けられた光コネクタの温度がきわめて高温となり、破損するおそれがあるという問題が、本発明者らの鋭意検討によって見出された。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光コネクタの破損を防止できる反射戻り光の処理構造体およびこれを用いたレーザ装置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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、光コネクタと光アイソレータとの間に接続され、前記光アイソレータからの反射戻り光を処理する反射戻り光の処理構造体であって、前記光アイソレータの入力側に入力される光を通過させるとともに、前記光の進行方向に対して傾斜した方向に進行する前記光アイソレータからの反射戻り光の光線の少なくとも一部を遮って該反射戻り光を吸収する突起部を有する処理部材を備える。
【００１０】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記突起部は、管状の前記処理部材の内周に沿って形成されている。
【００１１】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記光アイソレータの入力側に入力される光の進行方向に沿って連結された複数の前記処理部材を備える。
【００１２】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記処理部材は黒アルマイト処理されたアルミニウムからなる。
【００１３】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記光アイソレータと前記処理部材との間に設けられた延長部材を備える。
【００１４】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記光コネクタ側の前記処理部材に設けられた放熱部材を備える。
【００１５】
また、本発明に係る反射戻り光の処理構造体は、上記発明において、前記処理部材を取り囲むように設けられた放熱部材を備える。
【００１６】
また、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源と、前記レーザ光源に接続し、前記レーザ光を伝送するデリバリ光ファイバと、前記デリバリ光ファイバに接続し、前記デリバリ光ファイバを伝送した前記レーザ光を出力する光コネクタと、前記光コネクタに接続した、上記発明の反射戻り光の処理構造体と、前記反射戻り光の処理構造体に接続した光アイソレータと、を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光コネクタの破損を防止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、実施の形態１に係る処理構造体を適用したレーザ装置の模式的な構成図である。
【図２】図２は、図１に示す処理構造体の模式的な断面図である。
【図３】図３は、実施の形態２に係る処理構造体の模式的な断面図である。
【図４】図４は、実施例および比較例での、光コネクタの温度の時間変化を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態３に係る処理構造体の模式的な断面図である。
【図６】図６は、実施の形態４に係る処理構造体の模式的な断面図である。
【図７】図７は、実施の形態５に係る処理構造体の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面を参照して本発明に係る反射戻り光の処理構造体およびレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みや厚みの比率などは現実のものとは異なる場合があることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る処理構造体を適用したレーザ装置の模式的な構成図である。図１に示すように、レーザ装置１００は、レーザ光源１０と、デリバリ光ファイバ２０と、光コネクタ３０と、反射戻り光の処理構造体（以下、処理構造体）４０と、光アイソレータ５０とを備えている。
【００２１】
レーザ光源１０は、たとえば希土類金属元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）が添加されダブルクラッド型光ファイバを用いた光ファイバレーザである。このレーザ光源１０は、たとえば波長が約１０８０ｎｍで強度が１００Ｗ以上、たとえば３００Ｗのレーザ光を出力する。なお、レーザ光源１０は、光ファイバレーザに限らず、固体レーザやガスレーザ等でもよい。
【００２２】
デリバリ光ファイバ２０は、レーザ光源１０に接続されており、レーザ光源が出力するレーザ光をシングルモードまたはマルチモードで伝送するものである。
【００２３】
光コネクタ３０は、デリバリ光ファイバ２０の先端に接続している。光コネクタ３０は、金属からなる筐体内に光学系を備えており、デリバリ光ファイバ２０を伝送したレーザ光をコリメート光または集光して出力する。
【００２４】
処理構造体４０は、光コネクタ３０に接続している。処理構造体４０は光コネクタ３０から出力したレーザ光を通過させる。処理構造体４０については後に詳述する。
【００２５】
光アイソレータ５０は、処理構造体４０に接続している。光アイソレータ５０は、使用時には、レーザ加工を行う加工対象である、例えば金属からなる板材Ｐに対向して配置される。光アイソレータ５０は、処理構造体４０を通過したレーザ光を透過し、レーザ光Ｌ１として出力する。出力されたレーザ光Ｌ１は、板材Ｐに到達してたとえば板材Ｐを溶断する。これによって板材Ｐは加工される。
【００２６】
ここで、板材Ｐに到達したレーザ光Ｌ１が板材Ｐによって反射し、反射戻り光ＲＬ１として光アイソレータ５０に戻る場合がある。反射戻り光ＲＬ１の強度はレーザ光Ｌ１の強度の略１００％に達する場合がある。この場合、光アイソレータ５０の作用によって、反射戻り光ＲＬ１が光コネクタ３０およびデリバリ光ファイバ２０を介してレーザ光源１０に戻ることが防止される。
【００２７】
つぎに、処理構造体４０の構成と作用とについて具体的に説明する。図２は、図１に示す処理構造体の模式的な断面図である。図２に示すように、処理構造体４０は、複数の処理部材４１と、接合部４２とを備えている。本実施の形態１に係る処理構造体４０では処理部材４１の数は１９である。
【００２８】
処理部材４１は管状であって、内側に突起部４１ａが形成されている。この突起部４１ａは各処理部材４１の内周に沿って内周の全周にわたって形成されている。各処理部材４１は互いに嵌合しながら、レーザ光Ｌ１の進行方向に沿って連結して処理構造体４０を構成している。各突起部４１ａの内径はいずれも略同一であり、少なくとも光コネクタ３０から出力されるレーザ光Ｌ１と干渉しないような内径に設定されている。したがって、レーザ光Ｌ１はほとんど減衰することなく、たとえばその光強度の９９％以上が処理構造体４０を通過することができる。
【００２９】
接合部４２は、連結した処理部材４１と光コネクタ３０との間に配置され、かつ処理部材４１および光コネクタ３０のそれぞれと嵌合するように構成されている。処理部材４１および接合部４２は、表面に光吸収のための黒色アルマイト処理を施したアルミニウム等の金属からなる。黒色アルマイト処理によって、レーザ光Ｌ１の波長においてたとえば約８０%以上の光吸収率を実現できる。
【００３０】
つぎに、処理構造体４０の作用について具体的に説明する。まず、光コネクタ３０から出力されたレーザ光Ｌ１は、処理構造体４０の中心軸Ｘに沿って処理構造体４０内を通過する。レーザ光Ｌ１はさらに光アイソレータ５０の光学部５０ａを透過して出力し、図１に示す板材Ｐに到達する。
【００３１】
板材Ｐから反射された反射戻り光ＲＬ１が光アイソレータ５０に戻ると、光アイソレータ５０の作用によって、反射戻り光ＲＬ１が光コネクタ３０およびデリバリ光ファイバ２０を介してレーザ光源１０に戻ることが防止される。
【００３２】
ところが、光アイソレータ５０の光学部５０ａは、通常複屈折性結晶を用いて構成され、複屈折性結晶のウォークオフ（walk-off）効果を利用し光アイソレータの機能を実現している。そのため、光アイソレータ５０に戻ってきた反射戻り光ＲＬ１は、光アイソレータ５０の光学部５０ａを通過した後に、レーザ光Ｌ１が伝搬してきた方向（中心軸Ｘの方向）には戻らないものの、中心軸Ｘに対して傾斜した方向に進行することになる。上述したように、この反射戻り光ＲＬ１はレーザ光Ｌ１の強度の略１００％の強度、たとえば３００Ｗとなる場合がある。したがって、この反射戻り光ＲＬ１は、中心軸Ｘに対して傾斜した方向に進行して光コネクタ３０まで到達すると、光コネクタ３０の筐体に当たってこれを温度上昇させ、光コネクタ３０を損傷する場合がある。
【００３３】
これに対して、このレーザ装置１００では、光アイソレータ５０と光コネクタ３０との間に本実施の形態１に係る処理構造体４０を設けている。その結果、中心軸Ｘに対して傾斜した方向に進行する反射戻り光ＲＬ１は、処理部材４１の突起部４１ａによってその光線の一部が遮られて乱反射および吸収され、徐々にその強度が減衰する。その結果、仮に反射戻り光ＲＬ１が光コネクタ３０の筐体に当たったとしても、その強度は十分に減衰されるので、光コネクタ３０の温度上昇が抑制され、損傷が防止される。
【００３４】
また、この処理構造体４０では、各処理部材４１の突起部４１ａの内径はいずれも略同一である。したがって、図２にも示すように、光アイソレータ５０側の処理部材４１の突起部４１ａは、反射戻り光ＲＬ１の光線を遮る面積が小さく、光コネクタ３０側の処理部材４１の突起部４１ａになるにつれて、反射戻り光ＲＬ１の光線を遮る面積が大きくなっていく。逆に、反射戻り光ＲＬ１は光アイソレータ５０側では強度が高く、光コネクタ３０側に進行するにつれて強度が低くなっていく。このように、反射戻り光ＲＬ１の強度と突起部４１ａによって遮られる面積との大小関係が、反射戻り光ＲＬ１の進行方向に沿って逆になっていることによって、各処理部材４１において吸収される光量およびそれに伴う温度上昇の差が小さくなる。その結果、処理構造体４０内での温度分布の差もより小さくなる。これによって、処理構造体４０の光処理能力の低下が抑制される。
【００３５】
以上説明したように、このレーザ装置１００では、光アイソレータ５０と光コネクタ３０との間に本実施の形態１に係る処理構造体４０を設けているので、光コネクタ３０の温度上昇が抑制され、損傷が防止される。
【００３６】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る処理構造体４０Ａの模式的な断面図である。図３に示すように、処理構造体４０Ａは、図２に示した処理部材４１と接合部４２とを備えた処理構造体４０において、延長部材４３をさらに備えたものである。延長部材４３は、連結した処理部材４１と光アイソレータとの間に設けられている。延長部材４３は例えば円管形状を有している。
【００３７】
この処理構造体４０Ａでは、光アイソレータ５０の光学部５０ａを通過した反射戻り光ＲＬ１の、レーザ光Ｌ１の進行方向（すなわち中心軸Ｘ）に対する傾斜角度は処理構造体４０の場合と同様である。しかしながら、この処理構造体４０Ａでは、延長部材４３を備えることによって、各処理部材４１の突起部４１ａが反射戻り光ＲＬ１の光線を遮る面積が、処理構造体４０の場合よりも大きくなる。したがって、反射戻り光ＲＬ１をより一層吸収し、処理することができる。また、延長部材４３をアルミニウムなどの熱伝導性の高い材料で構成すれば、反射戻り光ＲＬ１の吸収に伴って発生する各処理部材４１の熱が延長部材４３によって放熱されるので、処理構造体４０Ａの光処理能力はより向上する。これによって、より高強度のレーザ光Ｌ１をより長時間にわたって使用することができる。
【００３８】
つぎに、本発明の実施例として、実施の形態２の構成の処理構造体を作製し、これを光アイソレータと光コネクタとの間に接続した。そして、光アイソレータの出力側から反射戻り光を模擬したレーザ光を入力しながら、光コネクタの筐体の温度を測定した。一方、比較例として、光アイソレータと光コネクタとを、接続部材によって直接的に接続し、光アイソレータの出力側からレーザ光を入力しながら、光コネクタの筐体の温度を測定した。
【００３９】
なお、光アイソレータとしてＥＯＴ（Electro-Optics Technology）社製の光アイソレータを使用した。また、デリバリ光ファイバおよび光コネクタとしてオプトスカンド社の光コネクタ付のＱＣＳ光ファイバケーブルを使用した。また、処理構造体として、黒色アルマイト処理を施したアルミニウムからなる処理部材、接合部、延長部材を備えたものを使用した。処理部材の外径は４０ｍｍ、内径は２８ｍｍ、突起部の内径は９ｍｍとした。処理部材の厚さは１５ｍｍとした。２７個の処理部材を連結し、延長部材の長さを３００ｍｍとした。また、レーザ光の波長は約１０８０ｎｍ、強度は約２２Ｗとした。
【００４０】
図４は、実施例および比較例での、光コネクタの温度の時間変化を示す図である。なお、横軸の時間はレーザ光の入力開始時間をゼロ秒としている。また、縦軸は、強度が２２Ｗのレーザ光の入力による温度を、３００Ｗのレーザ光を入力した場合に換算して示している。図４に示すように、比較例の場合はレーザ光の入力開始後に光コネクタの温度が急激に上昇し、１００秒経過より前に３２０℃以上に達すると換算された。一方、実施例の場合はレーザ光の入力開始後も、光コネクタの温度は殆ど上昇せず、８００秒経過後でも５０℃以下であると換算された。
【００４１】
通常、レーザ加工の場合は、レーザ光を出力する時間は数十秒〜数百秒である。また、光コネクタは５０℃以下の温度に保つことが好ましい。したがって、図４の結果から、実施例の場合は、光アイソレータの出力側から反射戻り光として強度３００Ｗのレーザ光が入力したとしても、処理構造体によって光コネクタの温度上昇を好適に抑制することができることが確認された。
【００４２】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る処理構造体４０Ｂの模式的な断面図である。図５に示すように、処理構造体４０Ｂは、図３に示した処理部材４１、接合部４２、および延長部材４３を備えた処理構造体４０Ａにおいて、放熱部材４４をさらに備えたものである。放熱部材４４は、連結した処理部材４１の光コネクタ３０側に設けられている。放熱部材４４はたとえば円管形状を有しており、アルミニウムなどの熱伝導性の高い材料で構成されている。
【００４３】
この処理構造体４０Ｂでは、さらに放熱部材４４が光コネクタ３０側に設けられているので、処理構造体４０Ａの効果に加え、光コネクタ３０の温度上昇を一層抑制することができる。これによって、より高強度のレーザ光Ｌ１をより長時間にわたって使用することができる。
【００４４】
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係る処理構造体４０Ｃの模式的な断面図である。図６に示すように、処理構造体４０Ｃは、図３に示した処理部材４１、接合部４２、および延長部材４３を備えた処理構造体４０Ａにおいて、放熱部材４５をさらに備えたものである。放熱部材４５は、連結した処理部材４１を取り囲む管形状を有しており、アルミニウムなどの熱伝導性の高い材料で構成されている。
【００４５】
この処理構造体４０Ｃでは、さらに放熱部材４５によって各処理部材４１の熱が放熱されるので、処理構造体４０Ａの効果に加え、処理構造体４０Ｃの光処理能力はより向上する。これによって、より高強度のレーザ光Ｌ１をより長時間にわたって使用することができる。
【００４６】
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５に係る処理構造体４０Ｄの模式的な断面図である。図７に示すように、処理構造体４０Ｄは、１つの処理部材４１、接合部４２、および延長部材４３を備えたものである。
【００４７】
この処理構造体４０Ｄのように、内側に突起部４１ａが形成された１つの処理部材４１を備える構成でもよい。処理構造体に備えられる処理部材４１の数は、特に限定されず、レーザ光Ｌ１の強度、想定される反射戻り光ＲＬ１の強度、レーザ加工の時間、延長部材４３や放熱部材４４、４５の放熱能力、および光コネクタ３０の温度の上限値等に応じて、光コネクタ３０が温度上昇して損傷しない程度に反射戻り光ＲＬ１が減衰されるように設定することができる。
【００４８】
なお、上記実施の形態では、突起部が処理部材の内周の全周にわたって形成されているが、突起部は反射戻り光を遮ることができるような内周上の位置に形成されていればよいので、必ずしも内周の全周にわたって形成されていなくてもよく、たとえば一部に形成されていてもよい。
【００４９】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み替えて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態４において、実施の形態３の放熱部材４４を備えるようにしてもよい。または、実施の形態３〜５から延長部材４３を削除してもよい。その他、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の代替実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ レーザ光源
２０ デリバリ光ファイバ
３０ 光コネクタ
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ 処理構造体
４１ 処理部材
４１ａ 突起部
４２ 接合部
４３ 延長部材
４４、４５ 放熱部材
５０ 光アイソレータ
５０ａ 光学部
１００ レーザ装置
Ｌ１ レーザ光
Ｐ 板材
ＲＬ１ 反射戻り光
Ｘ 中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光コネクタと光アイソレータとの間に接続され、前記光アイソレータからの反射戻り光を処理する反射戻り光の処理構造体であって、
前記光アイソレータの入力側に入力される光を通過させるとともに、前記光の進行方向に対して傾斜した方向に進行する前記光アイソレータからの反射戻り光の光線の少なくとも一部を遮って該反射戻り光を吸収する突起部を有する処理部材を備えることを特徴とする反射戻り光の処理構造体。
【請求項２】
前記突起部は、管状の前記処理部材の内周に沿って形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項３】
前記光アイソレータの入力側に入力される光の進行方向に沿って連結された複数の前記処理部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項４】
前記処理部材は黒アルマイト処理されたアルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項５】
前記光アイソレータと前記処理部材との間に設けられた延長部材を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項６】
前記光コネクタ側の前記処理部材に設けられた放熱部材を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項７】
前記処理部材を取り囲むように設けられた放熱部材を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項８】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源に接続し、前記レーザ光を伝送するデリバリ光ファイバと、
前記デリバリ光ファイバに接続し、前記デリバリ光ファイバを伝送した前記レーザ光を出力する光コネクタと、
前記光コネクタに接続した、請求項１〜７のいずれか一つに記載の反射戻り光の処理構造体と、
前記反射戻り光の処理構造体に接続した光アイソレータと、
を備えることを特徴とするレーザ装置。
【請求項１】
光コネクタと光アイソレータとの間に接続され、前記光アイソレータからの反射戻り光を処理する反射戻り光の処理構造体であって、
前記光アイソレータの入力側に入力される光を通過させるとともに、前記光の進行方向に対して傾斜した方向に進行する前記光アイソレータからの反射戻り光の光線の少なくとも一部を遮って該反射戻り光を吸収する突起部を有する処理部材を備えることを特徴とする反射戻り光の処理構造体。
【請求項２】
前記突起部は、管状の前記処理部材の内周に沿って形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項３】
前記光アイソレータの入力側に入力される光の進行方向に沿って連結された複数の前記処理部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項４】
前記処理部材は黒アルマイト処理されたアルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項５】
前記光アイソレータと前記処理部材との間に設けられた延長部材を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項６】
前記光コネクタ側の前記処理部材に設けられた放熱部材を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項７】
前記処理部材を取り囲むように設けられた放熱部材を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の反射戻り光の処理構造体。
【請求項８】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源に接続し、前記レーザ光を伝送するデリバリ光ファイバと、
前記デリバリ光ファイバに接続し、前記デリバリ光ファイバを伝送した前記レーザ光を出力する光コネクタと、
前記光コネクタに接続した、請求項１〜７のいずれか一つに記載の反射戻り光の処理構造体と、
前記反射戻り光の処理構造体に接続した光アイソレータと、
を備えることを特徴とするレーザ装置。
【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２０１３−２５０４４（Ｐ２０１３−２５０４４Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９２５５（Ｐ２０１１−１５９２５５）
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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