JP3645013B2 - Optical transmission device, solid-state laser device, and laser processing device using them - Google Patents

Description

【０００７】
ただし、λはレーザビームの波長、ｎは屈折率であり、θ₀ はπより充分小さいとする。空気中の場合、ｎ＝１と置いて、θ₀ ＝λ／πω₀ ＝２λ／πφ₀ となる。なお、φ₀ ＝２ω₀ はレーザビームウェイスト直径である。
【０００８】
また、レーザビームの集束性を表す指標としてＭ² 値が知られている。図３６はレーザビームの集束性の指標Ｍ² を示する説明図である。図３６に示すように、波長λ、ビームウェイスト直径φ₀ 、ビームの開き角（全角）２θのビーム（実線）のＭ² 値は、同じ波長のガウスビーム（破線）を同じ直径に絞った場合の開き角（全角）２θ₀ に対する比で表される。すなわち、θ＝Ｍ² θ₀ となる。したがって、ガウスビームと該ビームが焦点距離ｆのレンズに同じ径でコリメートされて入射したとき、該ビームの集光点でのビーム径、すなわちビームウェイスト径はガウスビームのＭ² 倍となる。これより明らかなように、Ｍ² 値が小さいほど高集束のビームである。これとは逆に、ガウスビームとビーム開き角が等しい場合はビームウェイスト径がＭ² 倍となる。また、ガウスビームのＭ倍のビームウェイスト径を持つ場合はレーザビーム開き角もガウスビームのＭ倍となる。θ＝Ｍ² θ₀ をθ₀ の表式に代入してＭ² について解くと、Ｍ² ＝πφ₀ θ／２λとなる。ゆえに、同じ開き角を持つならばビームウェイスト直径の小さい方がＭ² 値が小さく、集束性の良いビーム、あるいは別の言い方をするならば、高輝度のビームであるといえる。
【０００９】
図３７は図３５と同様に特公平２−５５１５７号公報に示された光ファイバへの入射角θ_inと出射角θ_out との関係を示す説明図であり、ファイバコアの屈折率が一定の値を示すステップインデックスファイバについて成り立つものである。この図から明らかなように、入射角が小さいほど出射角が小さくなり、その結果、集束性の良い出射ビームが得られるが、６度から８度程度に出射角の下限があることがわかる。これより、従来の光伝送装置では長焦点距離のレンズで入射角２θ_inが８度以下となるようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光伝送装置は以上のように構成されているので、出射角の限界によりいくら集束性のよいレーザビームを入射しても光ファイバから出射されるビームの集束性には限界があるという課題があった。集束性を上げるためにファイバのコア径の小さいものを選ぶことも有効だが、コア径の小さい光ファイバでは大出力のレーザ光を伝送することができない。ＹＡＧレーザ光を例にとると、一般に５００Ｗのレーザ光を伝送するためには０．４ｍｍ以上、それ以上のパワーのレーザ光を伝送するためには０．６ｍｍ以上を有する光ファイバのコア径が必要とされている。図３５によると出射角２θ_out の最小値はせいぜい６度程度であり、前述の式より０．４ｍｍのコア径のファイバから出射されるビームのＭ² 値は最小でも３０程度、０．６ｍｍのコア径では４６程度である。このため、いくら集束性の良いビームを光ファイバに入射しても、ファイバ伝送された出射光の集束性には限界があるという課題があった。
【００１１】
さらに、従来の光伝送装置ではステップインデックスファイバを用いた場合に、集束性の高い出射レーザビームを得る設計基準を与えているが、グレーデッドインデックス光ファイバを用いて集束性の高いレーザ出射ビームを得るための設計基準については明らかになっていなかった。即ち、レーザ学会編「レーザーハンドブック」p66 〜p67 、オーム社，1982での記載に見られるように、グレーデッドインデックス光ファイバは原理的には集光レンズが隙間なく連なった配列状態と等価であり、理想的な集光レンズ配列を考えれば入射レーザ光の集束性は保存されるはずである。しかしながら、現在までにそれに関する報告はなく、光ファイバ内を伝送されたレーザビームは元々有していた、つまり入射前の集束性を失うというのが一般的な認識であった。また、上記文献、レーザ学会編「レーザーハンドブック」p66 〜p67 （オーム社，1982）の記載においては、光通信に用いるような小出力の基本モードのレーザビーム、言い換えるとＴＥＭ₀₀モードのレーザビームに対する解析がされているが、加工用の大出力レーザ、特に固体レーザに関してはマルチモードでの発振が一般的であり、マルチモードビームに対して集束性を保ったまま光ファイバ伝送を行う技術については記載がなく、これまでに全く明らかになっていないという課題があった。
【００１２】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、グレーデッドインデックス光ファイバを用いて入射ビームの集束性のレベルを変化させることなく、きわめて良好に保存して伝送することのできる光伝送装置を得ることを目的とする。
【００１３】
またこの発明は、入射レーザビームの集束性のレベルをきわめて良好に保存し、かつレーザ光の光ファイバ端面への光軸を自動的に調整できることができる光伝送装置を得ることを目的とする。
【００１４】
さらにこの発明は、出射レーザビームの集束性のレベルを容易に制御することができる光伝送装置を得ることを目的とする。
【００１５】
さらにこの発明は、発振されたレーザビームの集束性のレベルをきわめて良好に保存したまま光ファイバ伝送を行い出射することのできる固体レーザ装置を得ることを目的とする。
【００１６】
さらにこの発明は、発振されたレーザビームの集束性のレベルを容易に制御することができる固体レーザ装置を得ることを目的とする。
【００１７】
さらにこの発明は、集束性のレベルの良いレーザビームを、集束性のレベルを良好に保存したまま、あるいは出射レーザビームの集束性のレベルを制御しつつ光ファイバ伝送して加工のできるレーザ加工装置を得ることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に係る光伝送装置は、グレーデッドインデックス光ファイバから構成され、前記光ファイバのコア径がφ_c 、コア中心での屈折率がｎ₀ 、コア中心とコア周囲部の屈折率差が△ｎの光ファイバと、レーザ光のビームウェイストでの直径がφ₀ 、前記レーザ光のビーム開き角が２θである時、前記レーザ光が前記光ファイバの入射端面上または前記光ファイバの入射端面近傍に最小集光点を持ち、前記最小集光点での直径φinが、
０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
ただし、
φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ Δｎ）^-1/2）^1/2
となるような光ファイバ入射光学系とを備えており、集束性の劣化なく維持しながらマルチモードレーザビームを用いたレーザ光を光ファイバを介して外部へ出射するものである。
【００１９】
請求項２記載の光伝送装置は、レーザ光の波長をλとした時に、前記レーザ光の集束性πθφ₀ ／λの値が１００以下となるように設定したものである。
【００２０】
請求項３記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバの入射端面近傍に、開口部の直径が光ファイバのコア径φ_c よりも小さく、かつφ_s よりも大きな値を有するアパーチャを設け、このアパーチャにより光ファイバの入射端面でのレーザ光の光軸ずれの影響を最小限にとどめ、光ファイバ内でのレーザ光の集束性の劣化を起こすことなくレーザ光を伝送するものである。
【００２１】
請求項４記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバの出射端面近傍に、開口部の直径が光ファイバのコア径φ_c よりも小さく、かつφ_s よりも大きな値を有するアパーチャを備え、光ファイバの出射端側における反射ビームがクラッド等に照射されるのをこのアパーチャで防止し反射ビームの影響を最小限にとどめるものである。またレーザ光のモニタを容易にしつつ光ファイバ内でのレーザ光の集束性の劣化を起こすことなくレーザ光を伝送するものである。
【００２２】
請求項５記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバ入射光学系は集光レンズを有しており、この集光レンズは二枚または二組の集光レンズにより構成されており、この集光レンズの位置を調整することによって、レーザビームのビーム特性に合わせて光ファイバの入射端面でのレーザ光の直径を容易に調整するものである。
【００２３】
請求項６記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバに近接している側の集光レンズをグレーデッドインデックスレンズで構成している。このグレーデッドインデックスレンズを光ファイバに近接または密着して設置し、グレーデッドインデックスレンズの少しの位置調整により広い範囲のビーム特性に合わせて光ファイバの入射端面でのレーザ光のビーム直径を容易に調整するものである。
【００２４】
請求項７記載の発明に係る光伝送装置は、グレーデッドインデックスレンズの入射端近傍にアパーチャを備え、このアパーチャによりグレーデッドインデックスレンズならびに光ファイバの入射端面周辺への思わぬレーザ光照射を防止し、容易に光ファイバ内でのレーザ光の集束性の劣化を起こすことなくレーザ光を伝送するものである。
【００２５】
請求項８記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバの入射端面でのレーザ光を計測する入射ビームモニタ装置、及び光ファイバ入射光学系の位置を移動させる移動手段を備え、入射ビームモニタ装置からの出力をもとに光ファイバ入射光学系の位置を調整する。入射ビームモニタ装置により、光ファイバ入射端面でのビーム位置、ビーム直径をモニタし、これらが最適となるように集光レンズの位置を集光レンズ移動手段により制御するものである。
【００２６】
請求項９記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバから出射される出射ビームを計測する出射ビームモニタ装置、及び光ファイバ入射光学系の位置を移動させる移動手段を備え、出射ビームモニタ装置からの出力をもとに光ファイバ入射光学系の位置を調整する。出射ビームモニタ装置により光ファイバから出射されたビームの集光特性が最適となるように集光レンズの位置を集光レンズの移動手段により制御するものである。
【００２７】
請求項１０記載の発明に係る光伝送装置では、出射ビームモニタ装置はパワーセンサにより構成され、光ファイバの入射端面近傍にアパーチャを設置し、パワーセンサで検知されるレーザビームの出力が最大になるようにファイバ入射光学系を移動する。パワーセンサにより出射ビームをモニタし、例えば入射側に設置したアパーチャと組み合わせて出射ビームパワーが最大となるように集光レンズの位置を制御させるものである。
【００２８】
請求項１１記載の発明に係る光伝送装置では、出射ビームモニタ装置は、光ファイバの出射側の光軸からずれた位置に設置したフォトダイオードで構成され、フォトダイオードの出力が最小になるようにファイバ入射光学系を移動させるものである。
【００２９】
請求項１２記載の発明に係る光伝送装置では、出射ビームモニタ装置は、光ファイバの出射側に設置したアパーチャと前記アパーチャを通過したレーザビームを検知するパワーセンサにより構成され、アパーチャを通過するレーザビームのパワーが最大になるようにファイバ入射光学系を移動させるものである。
【００３０】
請求項１３記載の発明に係る光伝送装置は、レーザ発振器と、集光レンズと、集光レンズで収束されたレーザ光を光ファイバの入射端面に集光し、光ファイバで伝送する光ファイバ入射光学系を有する光伝送装置において、光ファイバをグレーデッドインデックス光ファイバで構成し、さらに光ファイバ入射光学系と光ファイバの入射端面の片方または両方の位置を移動させる移動手段を備え、光ファイバ入射光学系と前記光ファイバの入射端面の片方または両方の位置を移動させることによって光ファイバから出射するレーザビームの集束性を制御するものである。そして、集光レンズ、光ファイバ入射端面の片方もしくは両方の位置を最適な集光位置から故意にずらすことにより光ファイバの出射ビームの集光特性を任意に変化するものである。
【００３１】
請求項１４記載の発明に係る固体レーザ装置は、この発明に係る光伝送装置と、光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、レーザ媒質から発生した光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、レーザ共振器内に少なくともミラーと集光レンズとの組み合わせで構成される像転写光学系と、ミラーと集光レンズとをレーザ共振器の光軸方向に移動させる移動手段とを備え、ミラーと集光レンズの片方または両方を移動することにより光ファイバの入射端面に入射されるレーザビームのビーム直径を調節するものである。そして、レーザ共振器内部の像転写光学系により高集束性を持つレーザビームを発振し、そのビーム品質を保ったまま光ファイバを介して外部へレーザ光を出射するものである。
【００３２】
請求項１５記載の発明に係る固体レーザ装置は、光ファイバから出射される出射レーザビームのパワーの大きさを計測する出射ビームモニタ装置を備え、出射ビームモニタ装置からの出力をもとにミラーと集光レンズの片方または両方を移動し、出射ビームの集束性が最も良くなるよう共振器内部の像転写光学系の位置を制御するものである。
【００３３】
請求項１６記載の発明に係る固体レーザ装置は、この発明に係る光伝送装置と、光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、レーザ媒質から発生された光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、レーザ共振器内に置かれたアパーチャ及びアパーチャの開口部の直径を増減する調節手段とから構成され、固体素子を励起するためのレーザ励起入力を一定に保ったままで、アパーチャの開口直径を増減することにより、レーザ光のパワーを調節するものである。換言すると、レーザ共振器内のアパーチャの開口直径を増減させることによりレーザ発振器からのレーザ光の出力の制御を行い、あらゆるレーザ出力に対し、常にレーザビームのビーム質を保ったまま光ファイバ伝送し、出力できるものである。
【００３４】
請求項１７記載の発明に係る固体レーザ装置は、この発明に係る光伝送装置と、光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、レーザ媒質から発生した光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、レーザ共振器内に置かれたアパーチャ及びアパーチャをレーザ共振器の光軸方向に移動させる移動手段とから構成され、レーザ共振器内でレーザ励起入力一定のままで、アパーチャの位置を移動することによりレーザ光のパワーを調節するものである。換言すると、レーザ共振器内のアパーチャを移動させることによりレーザ発振器の出力制御を行い、あらゆるレーザ出力に対し、常にレーザ光のビーム質を保ったまま光ファイバ内を伝送させ外部へ出力するものである。
【００３５】
請求項１８記載の発明に係る固体レーザ装置は、固体素子と、レーザ共振器と、レーザ光としてマルチモードレーザビームを用い、レーザ光を伝送する光ファイバとからなる光伝送装置を備えた固体レーザ装置において、光ファイバをコア径φ_c 、コア中心での屈折率がｎ₀ で、コア中心とコア周囲部の屈折率差が△ｎのグレーデッドインデックス光ファイバで構成し、レーザ共振器を曲率の等しい全反射ミラーと出力ミラーで構成し、固体素子は、全反射ミラーと出力ミラー間の中心近傍に配置されたいわゆる対称型共振器内に置かれ、ある出力レベルにおけるレーザ光のビームウェイストの直径がφ_c およびレーザ光のビーム開き角が２θである時、レーザ光が光ファイバの入射端面上あるいはそのごく近傍に最小集光点を持ち、最小集光点における出力レベルのレーザ光の直径φ_inが
０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
ただし、
φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
となるようなファイバ入射光学系を備えているものである。φ₀ θの大きな出力レベルにおいて、ファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
となるようにレーザ光を集光し、レーザ出力が変化しても収束性の変化が少ないレーザビームを光ファイバから外部へ出射するものである。
【００３６】
請求項１９記載の発明に係る固体レーザ装置は、固体素子と、レーザ共振器と、光伝送装置とを備えた固体レーザ装置において、光伝送装置内の光ファイバをコア径φ_c 、コア中心での屈折率がｎ₀ でコア中心とコア周囲部の屈折率が△ｎのグレーデッドインデックス光ファイバで、また固体素子を薄板状のスラブ形状で構成する。レーザ共振器から取り出されたレーザ光は、ｘ軸ｙ軸２つの方向で集光特性の異なる異方性を持っており、ｘ軸方向ｙ軸方向のそれぞれにおいてレーザ光のビームウェイストの直径がφ_0x、φ_0y、レーザ光のビーム開き角が２θ_x 、２θ_y である時、レーザ光が光ファイバの入射端面上あるいはそのごく近傍にｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれにおいて最小集光点を持ち、最小集光点での直径φ_inx 、φ_iny がそれぞれ
０．５φ_sx≦φ_inx ≦１．５φ_sx、０．５φ_sy≦φ_iny ≦１．５φ_sy
ただし、
φ_sx＝（φ_c φ_0xθ_x （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
φ_sy＝（φ_c φ_0yθ_y （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
となるようなファイバ入射光学系を備え、ｘ方向とｙ方向で集光性能が異なる発振器に対しファイバ伝播後も全体として集光特性が保存されたレーザビームを出射するものである。
【００３７】
請求項２０記載の発明に係る固体レーザ装置は、固体素子と、レーザ共振器と、光伝送装置を備えた固体レーザ装置において、光伝送装置内の光ファイバをコア径φ_c 、コア中心での屈祈率がｎ₀ でコア中心とコア周囲部の屈折率差が△ｎのグレーデッドインデックス光ファイバで、また固体素子を薄板状のいわゆるスラブ形状で構成する。レーザ共振器から取り出されたレーザ光はｘ軸ｙ軸の２つの方向で集光特性の異なる異方性を持っておりｘ軸方向ｙ軸方向のそれぞれにおいて、レーザ光のビームウェイストの直径がφ_0x、φ_0y、レーザ光のビーム開き角が２θ_x 、２θ_y である時、レーザ光が光ファイバ入射端面上あるいはそのごく近傍に最小集光点を持ち、φ_0xθ_x とφ_0yθ_y の大きな方の軸の最小集光点での直径φ_inが
０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
ただし、
φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
また、 φ₀ θ＝ MAX（φ_0xθ_x ，φ_0yθ_y ）
となるようなファイバ入射光学系を備えたものであり、非常に簡単なレンズ構成で、光ファイバ伝播後も全体として集光性能が大きく損なわれないレーザビームを出射するものである。
【００３８】
請求項２１記載の発明に係るレーザ加工装置は、この発明に係る光伝送装置、または固体レーザ装置と、光伝送装置または固体レーザ装置から出射されたレーザ光を集光する集光光学系とから構成され、集光光学系で集光されたレーザ光を集束性を保ったまま被加工物に照射し高精度のレーザ加工を行なうものである。
【００３９】
請求項２２記載の発明に係るレーザ加工装置は、この発明に係る光伝送装置または固体レーザ装置から構成され、光伝送装置または固体レーザ装置から出射されたレーザ光を集束性を保ったまま被加工物に直接照射し、レーザ焼き入れなどの比較的広い面積の加工を行なうものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、８、１０、７０、１０１、１０２で示した構成要素は図３５に示した従来の光伝送装置の構成要素の構成および機能と同一なので、同一の参照番号を用い、その説明を省略する。９はコアの屈折率分布がほぼ二乗分布となっている光ファイバ（グレーデッドインデックス光ファイバ）である。１０１は集光レンズホルダであり光軸方向へ手動で位置調整できる移動ステージと径方向へ手動で位置調整できる十字動ステージの組み合わせから構成されている。光ファイバ入射に際して、図３５に示した従来例の光伝送装置では、集光レンズ（光ファイバ入射光学系）８に長焦点レンズを用いて入射角度θ_inを８度以下に規定していたのに対し、この実施の形態１の光伝送装置では、光ファイバ９の入射端面上あるいはそのごく近傍にレーザビーム７０の最小集光点を持ちその直径φ_inが
０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
ただし、
φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ Δｎ）^-1/2）^1/2
となるように集光レンズ８の焦点距離及び位置を設定している。ここで、φ_c 、ｎ₀ 、Δｎはそれぞれ光ファイバ９のコア直径、コア中心での屈折率、コアとクラッドの屈折率差であり、φ₀ 、θはレーザ発振器１０から発生したレーザビーム７０のビームウェイスト直径およびビーム開き角（半角）を示す。なお、図に示す実施の形態１の光伝送装置では、レーザ発振器１０のレーザ出口近傍にレーザビーム７０のビームウェイストがあるとしている。
【００４１】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたレーザビーム７０は、集光レンズホルダ１０１の位置調整によってレーザビームが光ファイバ入射端面の中心に集光するように、集光レンズ８により集光される。
【００４２】
図２は、光ファイバ内でのレーザビームの伝播状況を示す説明図である。図において、光ファイバ９内でのレーザビームの伝播状況は、図２に示すように概念的に表すことができる。即ち、光ファイバ９の入射端面で最小集光点を持つようにレーザビーム７０が集光された場合、図２の最下段に示すように最小集光点における径φ_inがある値φ_s よりも大きいときには（φ_in＞＞φ_s ）、光ファイバ９内で一旦入射径よりも小さな直径に集光され、以下発散、集光を繰り返しながら光ファイバ９内を伝送される。
【００４３】
一方、図２の最上段に示すように最小集光点における径φ_inがφ_s よりも小さいときには（φ_in＜＜φ_s ）、レーザビーム７０は光ファイバ９内でまず発散し、以下集光、発散を繰り返しながら伝送される。
これらに対し、図２の中段に示すように最小集光点における径φ_inがφ_s にほぼ一致する場合は（φ_in＝φ_s ）、光ファイバ９内でレーザビーム径がほとんど変化することなく伝送される。
【００４４】
グレーデッドインデックス光ファイバを純粋の集光レンズの集合配列として考察すると、図２に示す３つのどの伝送形態でも集束性が理論的には保存されるが、実際上、グレーデッドインデックス光ファイバをレンズとして考えた場合の収差成分やビームの分散などから、図２の最上段や最下段の伝送形態では集束性が失われることが予想される。
【００４５】
また、大出力ファイバ伝送では光ファイバの破壊も考慮に入れる必要があり、光ファイバ内に集光点を持つ伝送形態では耐伝送パワー特性に問題が生ずることが予想される。
以上の考察より、高集束性レーザビームの伝送には図２の中段に示すレーザビームの伝送形態が有利であると結論づけられる。
【００４６】
なお、「レーザーハンドブック」（p66 〜p67 、日本レーザ学会編、オーム社）に記載されてるように、光通信に用いるような小出力の基本モードのレーザビーム、換言すると、ＴＥＭ₀₀モードのレーザビームに対するφ_s については解析的に導出できることが知られている。
【００４７】
しかし、加工に用いる大出力レーザ、特に固体レーザではマルチモードでの発振が一般的であり、マルチモードレーザビームに対して集束性を保ったまま光ファイバ伝送を行う技術はこれまでに明らかになっていなかった。
【００４８】
我々はこの高集束ビーム光ファイバ伝送の研究を進め、前述のＭ² 値を用いて一般のビームに対するφ_s を導出する方法を開発し、さらにレーザビームのビームウェイスト径とビーム開き角からのφ_s の導出式を見いだした。
【００４９】
まず、Ｍ² 値で集束性が表現されているレーザビームを、ＴＥＭ₀₀モードのレーザビームと同等に計算するために以下の近似を行う。ただし、ここでは一応エネルギーが８６．５％集中している径をビーム直径として計算を行う。ビーム開き角θを波長λ₁ とＭ² 値の関数としてθ（λ₁ ，Ｍ² ）と表すと、前述のように
θ（λ₁ ，Ｍ² ）＝Ｍ² ・θ（λ₁ ，１）
となる。
【００５０】
一方、異なる波長の２つのガウスビームを同じ直径に絞ると、開き角は波長に比例するので、
θ（λ₂ ，１）＝（λ₂ ／λ₁ ）・θ（λ₁ ，１）
となる。ここでλ₂ ＝Ｍ² ・λ₁ とおくと、
θ（λ₁ ，Ｍ² ）＝θ（λ₂ ，１）
となる。これより、Ｍ² 値で集束性が定義されているビームの挙動は波長をＭ² ・λ₁ に置き換えたガウスビームによって近似できること明らになった。
【００５１】
上記した近似を用いて、Ｍ² 値で集束性が表現されるレーザビームに対するφ_s の導出を行う。なお、以下の導出式においてＭ² ＝１とすると、従来から知られているガウスビームに対するφ_s となる。グレーデッドインデックス光ファイバは二乗屈折率分布を持っており、例えば単行本（「Optical Electronics ，4th Edition 」、A Yariv 著、Saunders College Publishing，harcourt Brace Jovanovich College Publishers ，p42 ，1991）に示されているように、屈折率を以下のように表現できる。
【００５２】
【数２】

【００５３】
ここで、ｎ（ｒ）はコア中心からｒの位置での屈折率、ｎ₀ はコア中心での屈折率、ｋ＝２πｎ／λ₀ は波数、ｋ₂ は屈折率分布に応じた定数である。長さｌのグレーデッドインデックス光ファイバの光線行列は
【００５４】
【数３】

【００５５】
で表される。ガウスビームの伝播は、ｑという指標と光線行列によって記述できることが知られており、ガウスビームの曲率をＲ、ビーム半径をω、波長をλ、光ファイバの屈折率をｎとすると、
【００５６】
【数４】

【００５７】
と表される。この式を、前節の近似を用いてマルチモードビームに拡張して考えると、
【００５８】
【数５】

【００５９】
となる。ここで、グレーデッドインデックス光ファイバ内でビーム径が変化しないωの条件を求めるには、任意の長さのグレーデッドインデックス光ファイバの入射端に平面波を入射し、出射端で同じビーム径の平面波が得られる条件を求めればよい。平面波の場合にはＲ＝∞、すなわち１／Ｒ＝０なので、上式の第二項のみを考えればよいことになる。ある光学系に入射するビームと出射するビームの指標をそれぞれｑ₁ 、ｑ₂ とおくと、
【００６０】
【数６】

【００６１】
であるので、ｑ₁ ＝ｑ₂ ＝−ｉ（πｎω_s ²／Ｍ² λ）と置いて、ω_s について解き、以下の解を得る。
【００６２】
【数７】

【００６３】
グレーデッドインデックス光ファイバのコア径をφ_c 、コア中心とコア端部間の屈折率差をΔｎとすると、
【００６４】
【数８】

【００６５】
となる。この式をω_s の表式に代入して、ｎがｎ₀ にほぼ等しいことを考慮すると、
【００６６】
【数９】

【００６７】
となるので、結局マルチモードビームに対するφ_s ＝２ω_s は次式で表現される。
【００６８】
【数１０】

【００６９】
以上より、Ｍ² で集束性が表現されているビームに対する高集束光ファイバ伝送のためのファイバ入射径の基準となるφ_s が求められた。
【００７０】
次に、通常レーザビームの集束性の指標として用いられているビームウェイスト径、ビーム開き角θによるφ_s の表式を導出する。前述のように、ビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θとＭ² 値の間には、Ｍ² ＝πφ₀ θ／２λの関係がある。これをφ_s の表式に代入すると、
【００７１】
【数１１】

【００７２】
となる。これにより、ビームウェイスト径とビーム開き角によって集束性が表現されているビームに対する、高集束光ファイバ伝送のための光ファイバ入射径の基準となるφ_s が求められた。
【００７３】
ここでφ_s の計算例を示す。例えば、ｎ₀ ＝１．４７３、Δｎ＝０．０２１コア径４００μｍのグレーデッドインデックス光ファイバにＭ² 値が２０のＮｄ：ＹＡＧレーザビーム（波長λ＝１．０６４μｍ）を伝播させることを考えると、φ_s は１４８μｍとなる。このときファイバへの入射角度２θinは約１０．５度となる。
【００７４】
図３は、グレーデッドインデックス光ファイバ９の入射端に最小集光点を持つようにレーザビーム７０を集光し、集光レンズの焦点距離を変化させて出射ビームのＭ² 値（Ｍ² _out）を測定した実験結果を示す。図に示す実験条件では入射ビームの直径φ_inは入射角度２θ_inの逆数に比例する。図により入射ビーム径をφ_s 付近にすると出射ビームのＭ² 値（Ｍ² _out）が入射ビームのＭ² 値（Ｍ² _in ）とほとんど同じ値で出射され、最も集束性の良いレーザビームが得られることがわかる。また、図３５に示した従来の光伝送装置の例で説明したレーザビーム７０及び光ファイバ９０を用いて入射角度２θ_inを８度以下にすると、光ファイバ９０からの出射ビームの集束性が悪化し、従来例で説明した理想的なステップインデックスファイバに対する入出射特性の検討結果とは全く異なるものとなっている。
【００７５】
さらに、図３に示す実験結果では、入射ビームの直径φ_inがφ_s ±５０％の範囲（即ち、０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s ）では入射ビームの集束性をあまり劣化させることなく光ファイバ伝送可能であることがわかる。
【００７６】
また、上記実験結果よりレーザビームの集光位置がファイバコア中心からずれると出射ビームの集束性が劣化すること、ならびにグレーデッドインデックス光ファイバからの出射ビームの集束性がよいほど出射ビームのビーム開き角θ_out （半角）が小さく、ほぼＭ² _out値の平方根に比例することがわかった。
【００７７】
以上のように、この実施の形態１においては、ファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径がφ_s ±５０％の範囲となるように集光レンズ８の焦点距離及び位置を設定しているので、これまでの議論から明らかなように、光ファイバ９内で集束性を保ったままレーザビーム伝送が行われる。その結果、レーザ発振器で発生された集束性の良いレーザビームが、その集束性を保ったまま光ファイバ９から出射される。
【００７８】
なお、実施の形態の光伝送装置は、上述したようにガウスビームだけでなく、Ｍ² が１以上のマルチモードビームに対しても集束性を保ったまま光ファイバ伝送が可能な構成を示すものであるが、Ｍ² ＜５０、望ましくはＭ² ＜４０のマルチモードビームに対して特に有効である。換言すれば、Ｍ² ＝πφ₀ θ／２λの関係から、πφ₀ θ／λが１００以下、のぞましくは８０以下のレーザビームに対して特に有効である。
【００７９】
また、実施の形態１の光伝送装置では、レーザ発振器１０のレーザ出口近傍にレーザビーム７０のビームウェイストがあるとしたが、この条件からはずれる場合でも、あらかじめ任意の焦点距離ｆ₁ を持つ集光レンズで集光したときのビームウェイスト径φ₁ とビーム開き角θ₁ を測定すれば、容易にφ_s ならびにφ_s を与える焦点距離ｆ_s を求めることができる。すなわち、ビームウェイスト径とビーム開き角の積がレンズ系を通過しても不変である性質を利用して、φ₁ θ₁ ＝φ₀ θを用いてφ_s を導出し、φ＝２ｆθからｆ_s ＝ｆ₁ φ_s ／φ₁ となる。また、ビームウェイストがレーザ発振器１０内にある場合、ビーム開き角が極端に大きくなければレーザ出口でのビーム直径を用いて計算しても誤差は少ないので、カタログデータのビーム径、ビーム開き角から計算しても良い。
【００８０】
また、実施の形態１の光伝送装置では、集光レンズホルダ１０１の構成としてＺ軸移動ステージと十字動ステージの組み合わせを用いたが、若干の調整機能があれば他の形態のホルダを用いても良い。
【００８１】
さらに、実施の形態１の光伝送装置では、集光レンズホルダ１０１に調整機構を設けているが、光ファイバホルダ１０２に調整機構を設けても良い。
また、集光レンズ８により、レーザビーム７０を光ファイバ９の入射端面上またはその近傍に最小集光点を持つように集光し、かつ最小集光点でのレーザビーム径が所定値となるようにしていたが、集光レンズ８の変わりに、ミラー等により同様の機能を実現してもよい。
【００８２】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１１は開口直径がφ_s よりも大きく、ファイバコア直径φ_c よりも小さくなるように設定されているアパーチャであり、開口中心がファイバ９のコア中心とほぼ一致し、光ファイバ９の入射端面に近い位置に設置されている。
なお、図では詳細を省略しているが、集光レンズホルダ１０１は実施の形態１の光伝送装置の場合と同様に、光軸方向へ手動で位置調整できる移動ステージと径方向へ手動で位置調整できる十字動ステージとを組み合わせた構成となっている。
【００８３】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８によりアパーチャ１１を通過して光ファイバ入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送し、光ファイバ９の出射端より出力される。また、光ファイバ９の中心からずれたレーザビームはアパーチャ１１によって遮断される。
【００８４】
以上のように、この実施の形態２においては、図で示したように光ファイバ９へのレーザビーム７０の光軸調整の際に、極端にレーザビームの位置ずれが生じた際、光ファイバ９のクラッドや被覆等にレーザビーム７０が照射されることをアパーチャ１１によって防止できる。また、光ファイバ９の中心からのレーザビームの位置ずれや、集光レンズ８と光ファイバ９の入射端の距離の誤差が生じたときに、アパーチャ１１に当たって光ファイバ９へ入射されるレーザビームの出力が減少するので、光ファイバ出射端にパワーメータ等を設置して出射レーザビームのパワーをモニタし、パワーメータの出力に基づいて容易に集光レンズ８の位置調整を行うことができる。
【００８５】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。
【００８６】
図において、１２は開口直径がφ_s よりも大きく、ファイバコア直径φ_c よりも小さくなるように設定されているアパーチャであり、開口中心が光ファイバ９のファイバコア中心とほぼ一致し、光ファイバ９の出射端に近い位置に設置されている。
【００８７】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、光ファイバ９の出射端よりアパーチャ１２を通過して外部へ出力される。
【００８８】
以上のように、この実施の形態３においては、光ファイバ９からの出射光を例えば加工等に用いた場合に、加工対象物からレーザビームが光ファイバ９の出射端へ反射された場合でも、アパーチャ１２により光ファイバ９のクラッドや他の思わぬ場所へのレーザビームの照射が防げられ、光ファイバ９の損傷を防止することができる。また、光ファイバ９の中心からのレーザビーム７０の位置ずれや集光レンズ８と光ファイバ９の入射端の距離の誤差が生じた場合に、光ファイバ９から出射されるレーザビームの開き角が大きくなってアパーチャ１２に当たる。これによりアパーチャ１２を通過するレーザビームの出力が減少するので、アパーチャ１２の出力側にパワーメータ等を設置して出射されるレーザビームのパワーをモニタし、モニタの結果をもとに容易に集光レンズ８の位置調整を行うことができる。
【００８９】
実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、８１、８２はそれぞれ集光レンズ（光ファイバ入射光学系）であり、１０１はそれぞれの集光レンズ８１、８２を搭載した集光レンズホルダである。
【００９０】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８１、８２により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送し、光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【００９１】
以上のように、この実施の形態４においては、２つの集光レンズ８１、８２間の距離を調整することにより光ファイバ９の入射端面でのレーザビームの直径を容易に変更できるので、既存の集光レンズを用いて安価に光伝送装置を得ることができる。また、レーザ発振器１０から出射されたレーザビーム７０のビームウェイスト径やビームウェイストの位置、ビーム開き角が変化した場合でも、容易にφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inを得ることができる。
【００９２】
なお、本実施の形態４の光伝送装置では、集光レンズホルダ１０１を２つに分離した形の場合を示したが、一体型としても良い。
【００９３】
実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、８３は光ファイバ９の入射端面に近接もしくは密着して設置されたグレーデッドインデックスレンズであり、グレーデッドインデックスレンズ８３の両端面はレーザビーム７０の波長に対して無反射のコーティングが施されている。１０３はグレーデッドインデックスレンズホルダである。グレーデッドインデックスレンズ８３は、その中心軸が光ファイバ９のコア中心に一致するように設置されている。
【００９４】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８によりグレーデッドインデックスレンズ８３の端面に集光され、さらにグレーデッドインデッスクレンズ８３により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【００９５】
以上のように、この実施の形態５においては、前述した実施の形態４の光伝送装置に比べ、二枚の集光レンズ８および８３のうちの一つに、焦点距離の短いものが実現できるグレーデッドインデックスレンズ８３を用いるため、径を大きく変化させることができ、従って、集光レンズ８とグレーデッドインデックスレンズ８３の位置を少し動かすだけで光ファイバ９の入射端面でのレーザビーム７０のビーム径を大きく変化させることができる。この結果、レーザ発振器１０から出射されたレーザビーム７０の集束性の変化があった場合でも容易に対応できる。
【００９６】
なお、上記した実施の形態５の光伝送装置では、単にグレーデッドインデックスレンズ８３を光ファイバ９の入射端面の近接もしくは密接配置としたが、グレーデッドインデックスレンズ８３と光ファイバ９とをオプティカルコンタクトを用いて結合させてもよい。また、グレーデッドインデックスレンズ８３と光ファイバ９との間にインデックスマッチング液を介して結合させてもよい。この場合、グレーデッドインデックスレンズ８３と光ファイバ９の間の端面での反射損失をなくすことができ、伝送効率がさらに上昇するという効果がある。
【００９７】
実施の形態６．
図８は、この発明の実施の形態６に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図５に示す実施の形態３の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１３はアパーチャであり、その開口中心はグレーデッドインデックスレンズ８３の光軸とほぼ一致し、グレーデッドインデックスレンズ８３に近接して設置されている。
【００９８】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８によりアパーチャ１３を通過してグレーデッドインデックスレンズ８３端面に集光され、さらにグレーデッドインデッスクレンズ８３により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送し、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。また、本アパーチャ１３によりグレーデッドインデックスレンズ８３の光軸からずれたレーザビームは遮断される。
【００９９】
以上のように、この実施の形態６においては、グレーデッドインデックスレンズ８３へのレーザビームの光軸調整の際に、極端にレーザビーム７０の位置ずれが生じた場合でも光ファイバ９のクラッドや被覆等に該レーザビーム７０が照射されることを防止できる。また、グレーデッドインデックスレンズ８３の光軸中心からレーザビーム７０の位置ずれや集光レンズ８と光ファイバ９の入射端の距離の誤差が生じた際に、アパーチャ１３にレーザビームが当たり、その分光ファイバ９へ入射されるレーザビームのパワーが減少する。この場合、光ファイバ９の出射端にパワーメータ等を設置して出射されたレーザビームのパワーをモニタすることにより、容易に集光レンズ８の位置調整を行うことができる。
【０１００】
実施の形態７．
図９は、この発明の実施の形態７に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図８に示す実施の形態６の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図においては、グレーデッドインデックスレンズ８３および光ファイバ９のそれぞれの入射端近傍にアパーチャ１３および１１を設置した構成を示す。
【０１０１】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射された、ビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８によりアパーチャ１３を通過してグレーデッドインデックスレンズ８３の端面に集光され、さらにグレーデッドインデッスクレンズ８３によりアパーチャ１１を通過して光ファイバ入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φinに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【０１０２】
以上のように、この実施の形態７においては、アパーチャ１１を設けたことにより、グレーデッドインデックスレンズ８３の光軸および光ファイバ９のコア中心からずれたレーザビームは遮断される。この実施の形態７の光伝送装置によると、グレーデッドインデックスレンズ８３の光軸と光ファイバ９のコア中心の両方に光軸が合致したレーザビームのみが光ファイバ９内を伝送されるので、光軸ずれによる光ファイバ９の損傷防止の機能がより完全なものとなる。また、光ファイバ９の出射端にパワーメータ等を設置して出射されるレーザビームのパワーモニタをすることにより、容易に集光レンズ８又はグレーデッドインデックスレンズ８３の位置調整を行うことができる。
【０１０３】
実施の形態８．
図１０は、この発明の実施の形態８に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１４はレーザビーム７０のごく一部のパワーを反射させるビームスプリッタ、１５はビーム検出面とビームスプリッタ１４間の距離が光ファイバ９の入射端面とビームスプリッタ１４間との距離に等しくなるように設置された入射ビームモニタ装置であり、例えば、スリットを走査させ、スリット透過後のレーザビーム７０のパワーを検出することにより、レーザビーム７０の位置及びビーム直径を算出する装置である。１０４は入射ビームモニタ装置１５で検知されるレーザビーム径及びビーム位置が設計値になるようにレンズホルダ１０１を移動させるレンズホルダ移動装置（移動手段）である。
【０１０４】
なお、図の光伝送装置には明示していないが、レンズホルダ移動装置１０４はＤＣモータあるいはピエゾ素子から構成されており、例えば実施の形態１の光伝送装置内のレンズホルダ１０１を構成する移動ステージおよび十字動ステージに直接に接続され自動的に集光レンズ８の位置の調整を行うことができるように構成されている。
【０１０５】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８によりそのほとんどのパワーはビームスプリッタ１４を透過して光ファイバ９の入射端面に集光される。ビームスプリッタ１４でごく一部反射されたレーザビームは入射ビームモニタ装置１５上に光ファイバ９の入射端面と同じ直径で集光される。入射ビームモニタ装置１５ではビーム直径およびビーム位置を算出し、ここで得られたデータをレンズホルダ移動装置１０４へ送信し、これを元にレンズホルダ移動装置１０４はＤＣモータあるいはピエゾ素子などで集光レンズホルダ１０１を移動させる。具体的には、例えばレーザビーム７０のビーム位置に関しては所定の設定値におけるＸＹ方向からのずれ量によってレンズホルダ１０１の移動量を決定する。また、光軸方向の最適位置に関しては、レンズホルダ１０１内の移動ステージを移動させてビーム直径が最小となる点を探索する。この結果、レーザビーム７０は光ファイバ９の入射端面の中心に、φ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、このレーザビームは光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【０１０６】
以上のように、この実施の形態８においては、レーザビーム７０の最適な集光が自動的に行われるとともに、レーザビーム７０の方向が仮に変化してもそれに追随して光軸調整が自動的に行われる。
【０１０７】
実施の形態９．
図１１は、この発明の実施の形態９に係る光伝送装置９００を示す構成図である。図において、図６および図１０に示す実施の形態４および８の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、図１０に示した実施の形態８の光伝送装置の集光レンズ８の代わりに、図６に示した実施の形態４の光伝送装置の構成と同様に、８１および８２で示される２個あるいは２組の集光レンズを用いている。
【０１０８】
次に動作について説明する。
この実施の形態９の光伝送装置によると、光ファイバ９の入射端面でのレーザビーム７０のビーム直径とビーム位置をモニタしながら、入射ビームモニタ装置１５からの出力を基にレンズホルダ移動装置１０４により２つの集光レンズ８１、８２の位置を変えることが可能である。
【０１０９】
以上のように、この実施の形態９においては、ビームウェイストやビームの集束性が仮に変化しても、自動的に追随して光ファイバ９の入射端面でのビーム径がφ_s ±５０％の範囲内に入るようにしてコア中心に集光させることができる。
【０１１０】
実施の形態１０．
図１２は、この発明の実施の形態１０に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１０に示す実施の形態８の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１５は、図１０に示した実施の形態８の光伝送装置と同様、入射ビームモニタ装置を示すが、この実施の形態１０の光伝送装置では、例えばＣＣＤカメラのような画像入力装置を備えており、光ファイバ９の入射端面を直接観測している。
【０１１１】
次に動作に関しては、入射ビームモニタ装置１５で、光ファイバ９に入射するレーザビーム７０のパワーを観測する以外の動作は実施の形態８の光伝送装置の動作と同様であるのでここでは説明を省略する。
【０１１２】
以上のように、この実施の形態１０においては、実施の形態８の光伝送装置と同様、光軸調整を自動的に行うことができる。さらに、この実施の形態１０の光ファイバ９の入射端面を直接観測しているので、ファイバ９の端面の損傷などのモニタも同時に行うことができ、安全装置としても用いることができる。
【０１１３】
実施の形態１１．
図１３は、この発明の実施の形態１１に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１１に示す実施の形態９の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１４は光ファイバ９から出射されたレーザビームのごく一部を反射させるビームスプリッタであり、１６は光ファイバ９から出射されたレーザビームをモニタする出射ビームモニタ装置で、例えば、スリットを走査させ、出射ビームのスリット透過後のパワーを検出することにより、ビーム直径を測定するモニタである。
【０１１４】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８１、８２により光ファイバ９の入射端面で、φ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、このレーザビーム７０は光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。光ファイバ９から出射されたビームの大部分はビームスプリッタ１４を透過して加工等に用いられるが、ごく一部のパワーはビームスプリッタ１４により反射されて出射ビームモニタ装置１６に入射される。出射ビームモニタ装置１６は出射ビームのビーム直径を計測し、そのデータをレンズホルダ移動装置１０４に出力する。レンズホルダ移動装置１０４は、出射ビームモニタ装置１６から送られてきたデータを受け取り、出射ビームモニタ装置１６で計測されるビーム直径が最小となるように集光レンズ８１、８２の位置を調節する。
【０１１５】
以上のように、この実施の形態１１においては、前述のように、レーザビームの集束性が良いほどビーム開き角が小さく、その結果出射ビームモニタ装置１６で計測されるビーム直径が小さくなるので、上記の手法で最適な入射条件が設定可能となる。また、上記の実施の形態１１の光伝送装置では、同時に出射ビームの集束性が概略常時モニタできる利点がある。なお、この実施の形態１１の光伝送装置では、出射ビームを直接ビームスプリッタ１４へ入射したが、光ファイバ９の出射側に集光レンズを設置し、一旦レーザビームをコリメートしてからビームスプリッタ１４に入射しても良い。
【０１１６】
実施の形態１２．
図１４は、この発明の実施の形態１２に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１３に示す実施の形態１１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１１は開口直径がφ_s よりも大きく、ファイバコア直径φ_c よりも小さくなるように設定されているアパーチャであり、その開口中心がファイバ９のコア中心とほぼ一致し、光ファイバ９の入射端に近い位置に設置されている。１４は光ファイバ９から出射されたレーザビームのごく一部を反射させるビームスプリッタ、１６１はパワーセンサである。
【０１１７】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射された、ビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８１、８２によりアパーチャ１１を通過して光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送し、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。また、アパーチャ１１を配置したことにより光ファイバ９の中心からずれたレーザビームはこのアパーチャ１１により遮断される。光ファイバ９からの出力の大部分はビームスプリッタ１４を透過し、ごく一部のパワーのみ反射されパワーセンサ１６１に入射される。出射レーザビームのパワーのデータはレンズホルダ移動装置１０４にフィードバックされ、出射レーザビームのパワーが最大になるように集光レンズ８１、８２の位置が調整される。
【０１１８】
以上のように、この実施の形態１２においては、図に示すような簡単な構成で集光レンズの位置調整を自動的に行うことができる。また、図には明示していないが、出射レーザビームのパワーが極端に落ちたときにレーザ発振器１０を停止するフィードバックを行うことにより、光ファイバを損傷から守るための安全装置にもなる。
【０１１９】
実施の形態１３．
図１５は、この発明の実施の形態１３に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１３に示す実施の形態１１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１６２は光ファイバ９の出射側の光ファイバ９の光軸からずれた位置に設置されたフォトダイオードである。
【０１２０】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８１、８２により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。光ファイバ９へのレーザビーム７０の入射条件が設定された値の範囲内にある場合、光ファイバ９から出射されたレーザビームはほとんどフォトダイオード１６２に検知されないが、光ファイバ９への入射条件が設定値よりもずれている場合には出射ビームの開き角が大きくなる。このためフォトダイオード１６２に入力されるレーザビームのパワーが増大する。フォトダイオード１６２からの出力はレンズホルダ移動装置１０４に入力され、レンズホルダ移動装置１０４はフォトダイオード１６２の出力が最小になるように集光レンズ８１、８２の位置を調整制御する。
【０１２１】
以上のように、この実施の形態１３においては、実施の形態１２と同様に図に示した簡単な構成でファイバ９の入射端の光軸調整を自動的に行うことができる。
【０１２２】
実施の形態１４．
図１６は、この発明の実施の形態１４に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１３に示す実施の形態１１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１７は光ファイバ９の出射端近くに設置したアパーチャ、１６１はパワーセンサである。
【０１２３】
次に動作について説明する。
アパーチャ１７の直径は、レーザビーム７０が光ファイバ９の中心に入射し、レーザビームの直径がφ_s ±５０％の範囲であるときにわずかにレーザビームを遮断するように設定している。
【０１２４】
以上のように、この実施の形態１４においては、入射ビーム７０の位置ずれ等が生じたときにアパーチャ１７で遮断されるパワーが増大し、パワーセンサ１６１の出力が減少するため、パワーセンサ１６１の出力が最大となるようにレンズホルダ移動装置１０４により集光レンズ８１、８２の位置を調整制御することにより、図に示した簡単な構成でファイバ９の入射端面でのレーザビーム径の調整、ビーム位置の調整ができる。
【０１２５】
実施の形態１５．
図１７は、この発明の実施の形態１５に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１０に示す実施の形態８の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１８は集束性設定機構であり、例えばボリューム、回転スイッチ、あるいはディジタル入力機器などで構成され、これによりＭ² を設定するものである。
【０１２６】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８により光ファイバ入射端面に、φ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光される。この条件を満足するようにレーザビームが集光された場合、これまでの他の実施の形態の説明で述べたように光ファイバ９の中心にレーザビーム７０が入射したときは集束性を保って光ファイバ９内を伝送されるが、中心からずれた位置にレーザビーム７０が入射した場合は集束性の劣化が生ずる。
【０１２７】
図１８は、コア直径φ_c ＝４００μｍ、中心の屈折率ｎ₀ ＝１．４７３、コアとクラッドの屈折率差Δｎ＝０．０２１のグレーデッドインデックス光ファイバにＭ² 値が２０のＮｄ：ＹＡＧレーザビーム（波長λ＝１．０６４μｍ）を伝播させた実験における、光ファイバ９の入射端面での径方向のレーザビームの位置ずれ量△ｘと出射ビームの集束値Ｍ² _outとの関係を示す説明図である。この条件では前述のようにφ_s が１４８μｍとなるので、入射されたレーザビームの位置が光ファイバ９のコア中心から８０μｍずれた場合であってもレーザビームのすべてがこの光ファイバ９のコア内に導入さる。よって、この位置ずれによる光ファイバ９からの出射されるレーザビームのパワーの減少は無い。これより、この実施の形態１５では、レーザビーム７０の入射位置を８０μｍの範囲で移動させることにより出射レーザビームの集束性を制御することができ、Ｍ² 値で言うと２０から５０の範囲の出射レーザビームを得ることができる。
【０１２８】
そこで、この実施の形態１５の光伝送装置では、集束性設定機構１８で指定した値に従い、あらかじめ求めてあるずれ量（△ｘ）と出射レーザビーム集束性（Ｍ² 値）の関係に基づいてレンズホルダ移動装置１０４、レンズホルダ１０１により集光レンズ８の位置を移動させ、その結果、光ファイバ９より集束性設定機構１８で指定した集束性を持つビームを出射させる。
【０１２９】
以上のように、この実施の形態１５においては、容易に出射レーザビームの集束性を変化させることができ、溶接、切断など用途に応じて最適なパワーの出射レーザビームを容易に得ることができる。
【０１３０】
なお、この実施の形態１５の光伝送装置では光ファイバ９の入射端面での径方向のレーザビームのずれ量△ｘと出射レーザビームのＭ² _out値との関係を示したが、レーザビーム７０の最小集光点が光ファイバ９の軸方向にずれた場合にも、出射レーザビームのＭ² _out値が変化する。よってこれを利用して、集束性設定機構１８で指定した値に従い、あらかじめ得られている軸方向のずれ量と出射レーザビームの集束性（Ｍ² 値）との関係に基づいて、レンズホルダ移動装置１０４、レンズホルダ１０１により集光レンズ８の位置を軸方向に移動させ、その結果、集束性設定機構１８で指定した集束性を持つレーザビームを光ファイバ９から出射させてもよい。
【０１３１】
また、この実施の形態１５の光伝送装置では集光レンズ８により光ファイバ９の入射端面、またはその近傍で、φ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inにレーザビームを集光した例を示したが、この条件を満たさないレーザビームに対しても、この実施の形態１５と同様にして集光性の制御が行える。
【０１３２】
実施の形態１６．
図１９は、この発明の実施の形態１６に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１７に示す実施の形態１５の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１０５は光ファイバホルダ移動装置（移動手段）であり、該光ファイバホルダ移動装置１０５上に光ファイバホルダ１０２を搭載し、光ファイバホルダ１０２の位置を移動調整する。
【０１３３】
次に動作について説明する。
上記した実施の形態１５の光伝送装置では、レンズホルダ移動装置１０４及びレンズホルダ１０１により集光レンズ８の位置を移動させ、その結果光ファイバ９より集束性設定機構１８で指定した集束性を持つレーザビームを光ファイバ９から外部へ出射させていたが、図に示すこの実施の形態１６の光伝送装置では、光ファイバホルダ移動装置１０５及び光ファイバホルダ１０２によりファイバ９の入射端面の位置を移動させ、その結果集束性設定機構１８で指定した集束性を持つレーザビームを光ファイバ９から出射させる。
【０１３４】
以上のように、この実施の形態１６においては、集光レンズ８と光ファイバ９の入射端面の両方の位置をレーザレンズホルダ１０１および光ファイバホルダ移動装置１０５により移動させることによって、光ファイバ９から出射するビームの集束性を制御できる。
【０１３５】
実施の形態１７．
図２０は、この発明の実施の形態１７に係る固体レーザ装置を示す断面構成図である。同図において、１は全反射ミラー（レーザ共振器）、２は部分反射コーティングが施された出力ミラー（レーザ共振器）、３は活性固体媒質を含む固体素子で、ヤグレーザを例にとれば活性固体媒質としてＮｄをドーピングしたＮｄ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminium Garnet）、４は光源であって、例えばアークランプで形成されている。５は光源４を点灯する電源、６は光源４の集光器であって、例えば断面形状が楕円状で内面は光反射面より構成されている。７は全反射ミラー１、部分反射ミラー２で構成されたレーザ共振器内に発生したレーザ光、１００はレーザ共振器を搭載する基台である。その他の構成要素９、１０１、１０２は図１に示した光伝送装置の構成要素と同一なのでその説明は省略する。
【０１３６】
次に動作について説明する。
光源４と固体素子３は内面が光源４に対して反射体、例えば白色セラミックで構成された集光器６の中に収納配置される。電源５で点灯された光源４からの光が投光され、投光された光は、直接もしくは集光器６内で反射された後、間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に導かれた光の一部は固体素子３内に吸収され、固体素子３を励起してレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生された自然放出光は全反射ミラー１と部分反射ミラー２で構成されるレーザ共振器内を往復する間に増幅されてレーザ光７となり、所定値以上の大きさに達するとビームウェイスト径がφ₀ 、ビーム開き角が２θのレーザビーム７０としてレーザ共振器の外部に放出される。外部へ取り出されたレーザビーム７０は、集光レンズ８により、光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径がφ_s ±５０％の範囲内のレーザビーム７０となるように集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【０１３７】
なお、上記説明では出力ミラー２を平面あるいは両面の曲率の絶対値が等しいメカニズム構造、すなわちレンズとしてのパワーを持たない構造として説明したが、出力ミラー２の透過特性が焦点距離ｆのレンズと同様の特性を持ち、かつビームウェイストがレーザ共振器内にある場合は、光ファイバ９の入射端面での基準ビーム直径の計算に用いるφ₀ またはθの値を焦点距離ｆとビームウェイストの出力ミラーからの距離から計算して修正する必要がある。修正については簡単な幾何光学計算により行うことができ、一般的に公知の事項なのでここではその説明を省略する。
【０１３８】
以上のように、この実施の形態１７においては、レーザ発振器で増幅されたレーザ光７の集束性を保持したままレーザビーム７０を光ファイバ９内を通じて伝送し、外部へ出力できる固体レーザ装置を得ることができる。
【０１３９】
実施の形態１８．
図２１は、この発明の実施の形態１８に係る固体レーザ装置を示す断面構成図である。図において、図２０に示す実施の形態１７の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、２１は集光レンズ、２２は部分反射ミラー、１０６は部分反射ミラー移動させるための部分反射ミラー移動装置（移動手段）、１０７は集光レンズを移動させるための集光レンズ移動装置（移動手段）である。ここで、集光レンズ２１と部分反射ミラー２２は像転写光学系を構成している。すなわち、集光レンズ２１の焦点距離ｆ_r と部分反射ミラー２２の曲率半径を同じ値に設定し、両者間の距離を２ｆ_r （１＋△）としている。この像転写光学系においては△の値によって全体として非常に広い曲率の可変範囲をもつ可変曲率ミラーとして機能する。
【０１４０】
次に動作について説明する。
集光レンズ２１及び部分反射ミラー２２の微細な位置調整によってレーザビーム７０のビームウェイスト位置およびビーム開き角を広い範囲にわたって調節することができる。
【０１４１】
以上のように、この実施の形態１８においては、光ファイバ９の入射端面近傍に最小集光点を持ち、そのビーム直径がφ_s ±５０％の範囲となるようなレーザビームを容易に調節できる。また、レーザ光７の出力を調整するために光源４への電気入力を変化させたときに生じる固体素子３内での活性固体媒質の熱レンズの変化に対しても対応でき、上記のレーザビーム７０の光ファイバ９への入射条件を保つことができる。
【０１４２】
図２２は、この発明の実施の形態１９に係る固体レーザ装置を示す断面構成図である。図において、図２１に示す実施の形態１８の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。この実施の形態１９の固体レーザ装置では、実施の形態１８の固体レーザ装置像転写光学系に加えて、図１６に示す実施の形態１４の光伝送装置内のアパーチャ１７およびパワーセンサ１６１を構成要素に加えている。
【０１４３】
次に動作について説明する。
図における固体レーザ装置では、光ファイバ９から出射されたレーザビームを受けて、出射レーザビームのパワーを計測するパワーセンサ１６１からの出力に基づいて集光レンズ２１と部分反射ミラー２２の片方もしくは両方の位置を調整する。
【０１４４】
以上のように、この実施の形態１９においては、実際に光ファイバ９の出射端から出射されたレーザビームの集束性をパワーセンサ１６１でモニタしながらレーザ共振器の調整を行うことができ、固体媒質の熱レンズ変化に対応してもビームウェイスト位置、ビーム直径の調整をより確実に、また自動的に行うことができる。また、光ファイバ９からの出射レーザビームの集束性が常時モニタできる効果がある。
【０１４５】
実施の形態２０．
図２３は、この発明の実施の形態２０に係る固体レーザ装置を示す断面構成図である。図において、図２０に示す実施の形態１７の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１９は開口直径を外部から調節できる開口可変アパーチャ、２０はレーザ光７の出力の設定を行う出力設定機構であり、例えばボリューム、回転スイッチ、あるいはディジタル入力機器等のいずれかで構成されている。開口可変アパーチャ１９はレーザ共振器の内部に設置されている。
【０１４６】
次に動作について説明する。
この実施の形態２０の固体レーザ装置において、集光レンズ８の焦点距離および位置は、最大出力のレーザビーム７０を得るための条件の電気入力に対し、レーザビーム７０が光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径がφ_s ±５０％の範囲となるように設定されている。レーザビーム７０の出力の調節は、出力設定機構２０の指示に従って機械的あるいは電気的に開口可変アパーチャ１９の開口径を調節することによって行う。この際、光源４への電気入力の変化はないので、固体素子の熱レンズ効果は不変であり、共振器の光学的な条件はアパーチャ１９によるレーザビームの外縁の遮蔽のみである。この結果、レーザビームのビームウェイストの位置も変化しない。アパーチャ１９の開口直径の変化によってレーザビーム７０の出力、ビーム径、Ｍ² 値、ビーム開き角は変化するが、一方ビームウェイストの位置とミラーの曲率は変化しない。この条件下ではビーム径、ビーム開き角がいずれもＭ² 値の平方根に比例することが知られている。また、集光レンズ８により集光レンズ８の左側のビームウェイストでの像を光ファイバ９の入射端近傍へ結像しているので、ビームウェイストの位置が変わらなければ、結像位置も倍率も変わらない。よって、光ファイバ９の入射端近傍でのレーザビーム７０のビームウェイスト径はＭ² 値の平方根に比例する。一方、φ_s もＭ² 値の平方根に比例する。したがって、アパーチャ１９の開口直径の変化でレーザビームのパワー調整をした場合、レーザビーム７０は必ず光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径はφ_s ±５０％の範囲となる。
【０１４７】
以上のように、この実施の形態２０においては、図に示すように簡単な構成でどのようなパワーを有するレーザビームに対しても集束性を保ったまま光ファイバ９内を通じて外部へ伝送できる。なお、この実施の形態２０の固体レーザ装置では、従来型の共振器を用いた構成について説明したが、共振器内部に像転写光学系を含んだ固体レーザに適用してもよく同様の効果を得ることができる。
【０１４８】
実施の形態２１．
図２４は、この発明の実施の形態２１に係る固体レーザ装置を示す構成断面図である。図において、図２１に示す実施の形態１８の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１９１は像転写光学系を構成する集光レンズ２１と部分反射ミラー２２との間に配置されたアパーチャ、１０８はアパーチャ１９１を光軸方向に移動させるアパーチャ移動装置（調節手段）である。集光レンズ８の焦点距離、位置は最大出力のレーザビームを取り出す条件の電気入力に対し、レーザビームが、光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径がφ_s ±５０％の範囲となるように設定している。
【０１４９】
次に動作について説明する。
この実施の形態２１の固体レーザ装置において、レーザビーム７０の出力の調節は、出力設定機構２０の指示に従って、アパーチャ移動装置１０８によりアパーチャ１９１を光ファイバ９の光軸方向に移動してレーザ光７の外縁を遮断して行う。
【０１５０】
以上のように、この実施の形態２１においては、前述した実施の形態２０の固体レーザ装置と同様に、光源４へ供給される電気入力は変化しないので、固体素子の熱レンズ効果は不変であり、実施の形態２０の固体レーザ装置と同様、どのような出力のレーザビームに対しても集束性を保ったまま光ファイバ９内を通じて外部へ伝送できる。なお、この実施の形態２１の固体レーザ装置は、共振器内部に像転写光学系を含んだ共振器について説明したが、従来型の共振器で構成される固体レーザに適用してもよく同様の効果を得ることができる。
【０１５１】
実施の形態２２．
図２５は、この発明の実施の形態２２に係る固体レーザ装置を示す構成断面図である。図において、図２０に示す実施の形態１７の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図の固体レーザ装置において、光源４と固体素子３は内面が光源４に体して反射体、例えば白色セラミックで構成された集光器６の中に配置されている。
【０１５２】
次に動作について説明する。
電源５からの電圧の供給により点灯された光源４から光が投光され、投光された光は、直接もしくは集光器６内で反射後間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に導かれた光の一部は固体素子３内に吸収され、固体素子３を励起してレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生された自然放出光は全反射ミラー１と部分反射ミラー２で構成されるレーザ共振器間を往復する間に増幅されてレーザ光７となり、所定値以上の大きさに達するとビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θのレーザビーム７０としてレーザ共振器の外部に放出される。外部へ取り出されたレーザビーム７０は、集光レンズ８によってファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径がφ_s ±５０％の範囲となるように集光される。光ファイバホルダ移動装置１０５、光ファイバホルダ１０１は、集束性設定機構１８で指定した値に従いあらかじめ求めてあるずれ量と出射レーザビーム集束性の関係に基づいて光ファイバ９の入射端面の位置を移動させ、その結果光ファイバ９より集束性設定機構１８で指定された集束性を持つレーザビームを外部へ出射させる。
【０１５３】
以上のように、この実施の形態２２においては、光ファイバ９から出射される出射レーザビームの集束性を容易に変化させることができ、溶接、切断など用途に応じて最適なパワーを有するレーザビームを出射する固体レーザ装置を得ることができる。なお、この実施の形態２２の固体レーザ装置では、光ファイバホルダ移動装置１０５により光ファイバ９の入射端面の位置を移動させたが、集光レンズホルダ移動装置を設けて集光レンズ８の位置を移動させても良く、同様の効果を得ることができる。また、この実施の形態２２の固体レーザ装置では、従来型の共振器について説明したが、共振器内部に像転写光学系や、パワー調整のためのアパーチャを組み込んだ固体レーザ装置に使用してもよく、この場合も同様の効果を得ることができる。
【０１５４】
実施の形態２３．
図２６は、この発明の実施の形態２３に係る固体レーザ装置を示す構成図である。図において、図２５に示す実施の形態２２の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図の固体レーザ装置において、レーザ共振器を構成する全反射ミラー１と出力ミラー２は、同じ曲率を持ち、固体素子３が共振器のほぼ中央に位置するいわゆる対称型共振器として構成されている。光源４と固体素子３は内面が光源４に対して反射体、例えば白色セラミックで構成された集光器６の中に配置される。
【０１５５】
次に動作について説明する。
電源５から電圧が供給されて点灯された光源４からの光が投光され、投光された光は、直接もしくは集光器６内で反射後間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に導かれた光の一部は固体素子３内に吸収され、固体素子３を励起してレーザ媒質と変える。このレーザ媒質より発生された自然放出光は全反射ミラー１と部分反射ミラー２で構成されるレーザ共振器間を往復する間に増幅されてレーザ光７となり、所定値以上の大きさに達するとビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θのレーザビーム７０としてレーザ共振器の外部に放出される。この構成を有する共振器では非常に安定なレーザ発振が可能であるが、レーザ出力レベルによってビームウェイスト径、ビーム開き角が大きく変化するという特性も有する。その結果、φ₀ θの値も大きく変化し、これに比例するＭ² 値も大きく変化する。
【０１５６】
図２７は、ある対称型共振器構成における入射ビームとレーザ出力と出射レーザビームのＭ² 値との関係を示す説明図である。図において、レーザ出力とＭ² 値との間係は細線で示されている。レーザ出力が小さいほどＭ² 値の小さなレーザビームが発生している。これから明らかなように、それぞれの出力レベルによって高輝度ビームファイバ伝播のための入射ビーム直径が異なる。
【０１５７】
以上のように、この実施の形態２３においては、最大のＭ² 値での３００Ｗ出力におけるφ₀ θを基準として、外部へ取り出されたレーザビーム７０が集光レンズ８によって光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径が
（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
となるように集光し、他の出力レベルにおいても光学系を移動させずにレーザビーム７０をそのまま伝播させる。
【０１５８】
図の固体レーザ装置によると、レーザ出力３００Ｗ時以外ではビーム直径等の変化によりファイバ伝描後のＭ² 値が増加するが、もともとのビームのＭ² 値が３００Ｗ時より小さいため、レーザ出力によるＭ² 値の変化量がむしろ縮小され、レーザビームの出力が変化した場合であっても集束性の変化が少ないレーザビームを出射する固体レーザ装置を得ることができる。
【０１５９】
図２７の説明図内での太線は、細線で示されるビームを３００Ｗ時のφ₀ θに合わせてレーザビームの入射ビーム径を調整してファイバ９内を伝播させた実験結果を示している。図によると、入射ビームのＭ² 値の変化が５から２１なのに対し、出射ビームのＭ² 値が１５から２２となっている。よって、実際にレーザビームの出力が変化しても集束性の変化が少ないレーザビームを出射する固体レーザ装置を得ることができる。
【０１６０】
実施の形態２４．
図２８は、この発明の実施の形態２４に係る固体レーザ装置を示す構成図であり、（ｂ）は（ａ）の平面図である。図において、図２５、２６に示す実施の形態２２、２３の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図の固体レーザ装置において、固体素子３は、薄板状のいわゆるスラブレーザ媒質で構成されている。スラブレーザ媒質は厚み方向（以下ｙ方向）と幅方向（以下ｘ方向）で大きさが異なるため、通常の球面レンズで共振器を構成すると、ｘ方向でのφ_0xθx とｙ方向でのφ_0yθy との値が大きく異なる。また、集光レンズとして、シリンドリカルレンズ８４、８５を用いている。
【０１６１】
次に動作について説明する。
図に示すこの実施の形態２４では、シリンドリカルレンズ８４、８５を用いてｘ方向とｙ方向を独立に集光させる。すなわち、外部へ取り出されたレーザビーム７０を、ｘ方向に関してはシリンドリカルレンズ８４によってファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ_c φ_0xθ_x （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
ｙ方向に関してはシリンドリカルレンズ８５によってファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ_c φ_0yθ_y （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
となるようにレーザビーム７０を集光する。
【０１６２】
以上のように、この実施の形態２４においては、光ファイバ９から出射される出射レーザビームのＭ² 値は光ファイバ９に入射される入射レーザビームのｘ方向のＭ² 値とｙ方向のＭ² 値との間の値をとり、ｘ方向とｙ方向で集光性能が異なる発振器に対しファイバ９内を伝播後も全体として集光性能が保存されたレーザビームを出射する固体レーザ装置を得ることができる。さらにまた、ファイバ伝播の過程でビームの異方性が改善されるという効果も併せてもつ。
【０１６３】
実施の形態２５．
図２９は、この発明の実施の形態２５に係る固体レーザ装置を示す構成図である。図２９の（ｂ）は（ａ）の平面図である。図において、図２５、２６、２８に示す実施の形態２２、２３、２４の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図の固体レーザ装置において、固体素子３はスラブレーザ媒質で構成されており、またレーザ共振器は、ｘ方向については安定型、ｙ方向については一次元不安定型のいわゆるハイブリッド共振器として構成されている。また、集光レンズはシリンドリカルレンズ８４，８５で構成されている。
【０１６４】
次に動作について説明する。
図の固体レーザ装置内で用いられている共振器では、原理的に集光性能の優れたレーザビームを発生される。一般には、不安定型共振器の方が集光性能の良いレーザビームを得やすいが、ｘ方向でのφ_0xθ_x とｙ方向でのφ_0yθ_y と値が大きく異なりその関係はφ_0xθ_x ＜φ_0yθ_y となる。この実施の形態２５の固体レーザ装置においても、前記した実施の形態２４の固体レーザ装置と同様に、シリンドリカルレンズ８４、８５を用いてレーザビーム７０のｘ方向とｙ方向を独立に集光させる。すなわち、外部へ取り出されたレーザビーム７０を、ｘ方向に関してはシリンドリカルレンズ８４によってファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ_c φ_0xθ_x （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
ｙ方向に関してはシリンドリカルレンズ８５によってファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ_c φ_0yθ_y （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
となるように集光する。
【０１６５】
以上のように、この実施の形態２５においては、前述した実施の形態２３、２４の固体レーザ装置と同様、光ファイバ９から出射される出射レーザビームのＭ² 値は、光ファイバ９に入射される入射レーザビームのｘ方向のＭ² 値とｙ方向のＭ² 値との間の値をとり、光ファイバ９内を伝播後も集光性能の優れたレーザビームを出射する固体レーザ装置を得ることができる。
【０１６６】
実施の形態２６．
図３０は、この発明の実施の形態２６に係る固体レーザ装置を示す構成図である。図３０の（ｂ）は（ａ）の平面図である。図において、図２５、２６、２８、２９に示す実施の形態２２、２３、２４、２５の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、固体素子３はスラブレーザ媒質で構成され、レーザ共振器はハイブリッド共振器として構成されている。集光レンズ８は通常の球面レンズで構成されている。
【０１６７】
次に動作について説明する。
レーザビーム７０の光ファイバ９の入射端への集光は通常の集光レンズ８で行う。そして、ｙ方向に関してファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、最小集光点の直径が
（φ_c φ_0yθ_y （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
となるようにレーザビーム７０を集光する。一方、Ｘ方向については最小集光点の位置、最小集光点の直径が最適値からかなりずれることが予想される。しかしながらこの実施の形態２６の固体レーザ装置内の共振器は、φ_0xθ_x ＜φ_0yθ_y の関係を有し、出射レーザビームのＭ² 値は、入射レーザビームのｘ方向のＭ² 値とｙ方向のＭ² 値との間の値をとる。したがって、ｘ方向についての最小集光点の位置、最小集光点の直径が少々最適値からずれた場合であっても、光ファイバ９から出射される出射レーザビームのＭ² 値はｙ方向の入射ビームのＭ² 値程以下となり、その結果、全体として優れた集光性能を保存したまま光ファイバ９内の伝播が可能である。
【０１６８】
以上のように、この実施の形態２６においては、ｘ方向とｙ方向で集光性能が異なる発振器を用いた場合であっても、図に示したように非常に簡単なレンズ構成で、光ファイバ９内の伝播後も全体として集光性能が大きく損なわれないレーザビームを出射できる固体レーザ装置を得ることができる。さらにまた、光ファイバ９内の伝播過程でレーザビームの異方性が改善されるという効果も有する。
【０１６９】
実施の形態２７．
図３１は、この発明の実施の形態２７に係るレーザ加工装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、２３は集光レンズ（集光光学系）、８００は被加工物、８１０は加工ノズル、８２０は加工ガスの導入口である。
【０１７０】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径に集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。このレーザ光は集光レンズ２３によりさらに集光され、この集光されたレーザビームを用いて被加工物８００はレーザ加工される。
【０１７１】
以上のように、この実施の形態２７においては、光ファイバ９から出射する集束性の保たれたレーザビームをさらに集光レンズ２３で集光しているので、被加工物８００の切断、溶接等において、きわめて高精度なレーザ加工が可能である。
【０１７２】
なお、この実施の形態２７のレーザ加工装置の説明においては、図１に示した実施の形態１に係る光伝送装置を用いたが、図４に示した実施の形態２に係る光伝送装置、から図１６に示した実施の形態１４に係る光伝送装置、ならびに図２０に示した実施の形態１７に係る固体レーザ装置から図２４に示した実施の形態２１に係る固体レーザ装置を用いた場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１７３】
実施の形態２８．
図３２は、この発明の実施の形態２８に係るレーザ加工装置を示す断面構成図である。図において、図２５に示す実施の形態２２の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、光源４と固体素子３は、内面が光源４に体して反射体、例えば白色セラミックで構成された集光器６の中に配置される。
【０１７４】
次に動作について説明する。
電源５からの電圧の供給により点灯された光源４から光が投光され、投光された光は、直接もしくは集光器６内で反射後間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に導かれた光の一部は固体素子３に吸収され、固体素子３を励起してレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生された自然放出光は全反射ミラー１と部分反射ミラー２で構成されるレーザ共振器間を往復する間に増幅されてレーザ光７となり、所定値以上の大きさに達するとビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θのレーザビーム７０としてレーザ共振器の外部に放出される。外部へ放出されたレーザビーム７０は集光レンズ８によって光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径がφ_s ±５０％の範囲となるように集光される。集束性設定機構１８で指定した値に従って、あらかじめ設定されているずれ量と出射レーザビーム集束性との関係に基づいて、光ファイバ９の入射端面の位置を光ファイバホルダ移動装置１０５、光ファイバホルダ１０２により移動させる。その結果、光ファイバ９より集束性設定機構１８で指定した集束性を持つレーザビームを出射させる。このレーザビームは集光レンズ２３によりさらに集光され、この集光されたレーザビームを用いて被加工物８００のレーザ加工を行なう。
【０１７５】
以上のように、この実施の形態２８においては、光ファイバ９によるレーザビーム７０の伝送を、集束性を保った状態から集束性を変化させた状態に故意に変えることが可能なので、容易に出射ビームの集束性を変化させることができ、溶接、切断などにおいて、高精度なレーザ加工、広い面積の加工等が自由に選択可能であり、用途に応じて最適な出射ビームを容易に得ることができる。
【０１７６】
なお、この実施の形態２８のレーザ加工装置の説明においては、図２５に示した実施の形態２２に係る固体レーザ装置を用いたが、図１７に示した実施の形態１５に係る光伝送装置または図１９に示した実施の形態１６に係る光伝送装置を用いた場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１７７】
実施の形態２９．
図３３は、この発明の実施の形態２９に係るレーザ加工装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置および図３１に示す実施の形態２７のレーザ加工装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。
【０１７８】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８から光ファイバ入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。図においては、この比から出射されたレーザビームを集光せずに、そのまま直接に被加工物８００に照射しレーザ加工を行なう。
【０１７９】
以上のように、この実施の形態２９においては、光ファイバ９によるレーザビームの伝送が集束性を保ったまま行なわれるので、光ファイバ９の出射端から出射されるレーザビームの開き角が従来に比較して小さく、例えばレーザ焼き入れなどの比較的照射面積の大きなレーザ加工であれば、図３１、３２に示した実施の形態２７、２８での集光レンズ２３を用いることなしに、図に示すように非常に簡単な構成で行うことができる。
【０１８０】
なお、この実施の形態２９においては、図１に示した実施の形態１に係る光伝送装置を用いて説明を行ったが、図４に示した実施の形態２の光伝送装置から図１９に示した実施の形態１６に係る光伝送装置を用いた場合にも同様の効果を得ることができる。図４に示した実施の形態２の光伝送装置を用いた場合、ビーム開き角２θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８からアパーチャ１１を介して光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φinに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送されし、図３３に示す様に光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【０１８１】
実施の形態３０．
図３４は、この発明の実施の形態３０に係るレーザ加工装置を示す構成断面図である。図において、図２０に示す実施の形態１７の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、光源４と固体素子３は内面が光源４に対して反射体、例えば白色セラミックで構成された集光器６の中に配置されている。
【０１８２】
次に動作について説明する。
電源５からの電圧の供給により点灯された光源４からの光が投光され、投光された光は、直接もしくは集光器６内で反射後間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に導かれた光の一部は固体素子３に吸収され、固体素子３は励起されレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生された自然放出光はミラー１と２で構成されるレーザ共振器間を往復する間に増幅されてレーザ光７となり、所定値以上の大きさに達するとビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θのレーザビーム７０としてレーザ共振器の外部に放出される。外部へ取り出されたレーザビーム７０は集光レンズ８によって光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径がφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inを有するレーザビーム７０に集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。この光ファイバ９から出射されたレーザビームを集光せずにそのまま直接の被加工物に照射、加工物のレーザ加工を行なう。
【０１８３】
以上のように、この実施の形態３０においては、光ファイバ９によるレーザビームの伝送が集束性を保ったまま行なわれるので、光ファイバ９の出射端から出射されるレーザビームの開き角が従来に比較して小さく、例えばレーザ焼き入れなどの比較的照射面積の大きなレーザ加工が図３４に示されるように非常に簡単な構成で実行できる。なお、この実施の形態３０のレーザ加工装置においては、図２０に示した実施の形態１７に係る固体レーザ装置を用いて説明を行ったが、図２１に示した実施の形態１８に係る固体レーザ装置から図２５に示した実施の形態２２に係る固体レーザ装置を用いた場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１８４】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明によれば、光ファイバをグレーデッドインデックス光ファイバで構成し、光ファイバのコア径φ_c 、コア中心での屈折率ｎ₀ 、コア中心とコア周囲部の屈折率差△ｎ、レーザ光のビームウェイストでの直径φ₀ 、レーザ光のビーム開き角２θである時、レーザ光が光ファイバの入射端面上または光ファイバ入射端面近傍に最小集光点を持ち、最小集光点での直径φ_inが
０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
ただし、
φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ Δｎ）^-1/2）^1/2
となるようなファイバ入射光学系を備えたので、レーザ共振器で発生された高集束性のレーザビームを集束性のレベルの減少なく光ファイバの出射端から出射できる効果がある。
【０１８５】
請求項２記載の発明によれば、レーザ光の波長をλとした時に、πθφ₀ ／λの値が１００以下となるように設定されるので、集束性のレベルが低下することなく光ファイバの出射端からレーザビームを出射できる効果がある。
【０１８６】
請求項３記載の発明によれば、光ファイバの入射端近傍にアパーチャを設置したので、光ファイバの入射端付近の不要な場所へのレーザ照射を防止でき、光ファイバを保護できる効果がある。
【０１８７】
請求項４記載の発明によれば、光ファイバの出射端近傍にアパーチャを設置したので、出射側で反射される反射ビームがクラッド等に照射されるのをアパーチャにより防止でき、反射ビームの影響を最小限にとどめ、光ファイバを保護できる効果がある。
【０１８８】
請求項５記載の発明によれば、二枚もしくは二組の集光レンズを用いてファイバ入射光学系を構成したので、レーザ光のビーム特性に合わせて光ファイバ入射端面でのビーム直径を容易に調整することができる効果がある。
【０１８９】
請求項６記載の発明によれば、集光レンズの１つとしてグレーデッドインデックスレンズを用い、光ファイバの近接位置に配置したので、グレーデッドインデックスレンズの位置を少し調整することにより、広い範囲のレーザビームのビーム特性に合わせながら、光ファイバの入射端面でのビーム直径を容易に調整することができ、様々な応用が可能となる効果がある。
【０１９０】
請求項７記載の発明によれば、グレーデッドインデックスレンズの入射端近傍にアパーチャを設置したので、このアパーチャによりグレーデッドインデックスレンズならびに光ファイバの入射端面周辺への思わぬレーザ光照射を防止でき、これらを保護できる効果がある。
【０１９１】
請求項８記載の発明によれば、入射ビームモニタ装置と集光レンズのための移動手段を設置したので、レーザビームの最適な集光を自動的にできる効果がある。
【０１９２】
請求項９記載の発明によれば、出射ビームモニタ装置と集光レンズための移動手段を設置したので、レーザビームの最適な集光を自動的にできるとともに出射ビームの集束性を常時モニタでき、装置の状態を随時監視できる効果がある。
【０１９３】
請求項１０記載の発明によれば、光ファイバの入射側に設置したアパーチャと出射側に設置したパワーセンサとで出射ビームモニタ装置を構成したので、非常に簡単な構成でレーザビームの自動的な最適集光が可能となる効果がある。
【０１９４】
請求項１１記載の発明によれば、光ファイバの出射側の光軸よりずれた位置に設置したフォトダイオードにより出射ビームモニタ装置を構成したので、レーザビームの自動的な最適集光が可能となり、装置の状態を随時監視できる効果がある。
【０１９５】
請求項１２記載の発明によれば、光ファイバの出射側に設置したアパーチャとパワーセンサにより出射ビームモニタ装置を構成したので、非常に簡単な構成でレーザビームの最適な集光を自動的に行うことができ、出射ビームの集束性を常時モニタできる効果がある。
【０１９６】
請求項１３記載の発明によれば、集光レンズと光ファイバの入射端面の片方もしくは両方の位置を移動させる移動手段を設置して双方の位置関係を最適な集光位置に移動できるようにしたので、集束性を任意に変化できる光伝送装置を容易に得られる効果がある。
【０１９７】
請求項１４記載の発明によれば、レーザ媒質となる固体素子、レーザ共振器及びこの発明の光伝送装置により固体レーザ装置を構成し、さらにレーザ共振器内にミラーと集光レンズからなる像転写光学系、及びそれらの移動手段を備えたので、共振器内部の像転写光学系により高集束性を持つビームを発振すると同時に、光ファイバの入射端面のビーム直径をφ_s ±５０％の範囲となるように容易に調整可能であり、高集束性のレーザビームを得ることができる効果がある。
【０１９８】
請求項１５記載の発明によれば、光ファイバからの出射ビームを計測するモニタ装置を備えたのでレーザ共振器のレーザ光の集束性のレベルを自動調整でき、これにより集束性のレベルを保持したまま光ファイバ伝送を行うことができる効果がある。
【０１９９】
請求項１６記載の発明によれば、レーザ共振器内にアパーチャならびにアパーチャ開口直径の調節手段を設けたので、レーザ光学系を調節することなくあらゆるレーザ出力の要求に対し常にレーザ光の集束性のレベルを保ったまま光ファイバを介してレーザ光を出射できる効果がある。
【０２００】
請求項１７記載の発明によれば、レーザ共振器内にアパーチャならびにアパーチャの光軸方向の移動手段を設けたので、レーザ光学系を調節することなくあらゆるレーザ出力の要求に対し常にレーザ光の集束性を保ったまま光ファイバを介してレーザ光を出射できる効果がある。
【０２０１】
請求項１８記載の発明によれば、対称型共振器において外部へ取り出されたレーザ光を、φ₀ θの大きな出力レベルにおいてファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ _c φ ₀ θ（２ｎ ₀ △ｎ） ^-1/2 ） ^1/2
となるように集光したので、レーザ出力が変化しても集束性の変化が少ないレーザビームを出射できる固体レーザ装置を得られる効果がある。
【０２０２】
請求項１９記載の発明によれば、固体素子３がスラブレーザ媒質で構成され、外部へ取り出されたレーザ光を、ｘ方向とｙ方向で独立に集光し、それぞれファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ _c φ _0x θ _x （２ｎ ₀ △ｎ） ^-1/2 ） ^1/2
（φ _c φ _0y θ _y （２ｎ ₀ △ｎ） ^-1/2 ） ^1/2
となるように集光したので、ｘ方向とｙ方向で集光性能が異なるレーザ発振器に対しファイバ伝播後も全体として集光性能が保存されたレーザビームを出射できる固体レーザ装置を得ることができる効果がある。
【０２０３】
請求項２０記載の発明によれば、固体素子３がスラブレーザ媒質で構成され、φ₀ θの大きい方向に関してファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、最小集光点の直径が
（φ _c φ ₀ θ（２ｎ ₀ △ｎ） ^-1/2 ） ^1/2
となるように集光したので、ｘ方向とｙ方向で集光性能が異なる発振器に対し非常に簡単なレンズ構成で、ファイバ伝播後も全体として集光性能が大きく損なわれないレーザビームを出射できる固体レーザ装置を得ることができる効果がある。
【０２０４】
請求項２１記載の発明によれば、この発明の光伝送装置または固体レーザ装置から出射されたレーザ光を、さらに集光するための集光光学系で集光し被加工物に照射しレーザ加工を行なうようにしたので、光ファイバ伝送を行ったにも関わらず極めて高精度のレーザ加工ができる効果がある。
【０２０５】
請求項２２記載の発明によれば、この発明の光伝送装置または固体レーザ装置から出射されたレーザ光を直接被加工物に照射しレーザ加工を行なうようにしたので、集光レンズなしの非常に簡単な構成でレーザ焼き入れ等の加工が可能である効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による光伝送装置を示す構成図である。
【図２】 グレーデッドインデックス光ファイバ内でのレーザビームの伝播状況を示す説明図である。
【図３】 集光レンズの焦点距離を変化させて出射ビームのＭ² 値（Ｍ² _out）を測定した実験結果を示す説明図である。
【図４】 この発明の実施の形態２による光伝送装置を示す構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態３による光伝送装置を示す構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態４による光伝送装置を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態５による光伝送装置を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態６による光伝送装置を示す構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態７による光伝送装置を示す構成図である。
【図１０】 この発明の実施の形態８による光伝送装置を示す構成図である。
【図１１】 この発明の実施の形態９による光伝送装置を示す構成図である。
【図１２】 この発明の実施の形態１０による光伝送装置を示す構成図である。
【図１３】 この発明の実施の形態１１による光伝送装置を示す構成図である。
【図１４】 この発明の実施の形態１２による光伝送装置を示す構成図である。
【図１５】 この発明の実施の形態１３による光伝送装置を示す構成図である。
【図１６】 この発明の実施の形態１４による光伝送装置を示す構成図である。
【図１７】 この発明の実施の形態１５による光伝送装置を示す構成図である。
【図１８】 グレーデッドインデックス光ファイバにおける光ファイバ入射端でのレーザビームの位置ずれと出射ビームの集束値との関係を示す説明図である。
【図１９】 この発明の実施の形態１６による光伝送装置を示す構成図である。
【図２０】 この発明の実施の形態１７による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２１】 この発明の実施の形態１８による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２２】 この発明の実施の形態１９による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２３】 この発明の実施の形態２０による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２４】 この発明の実施の形態２１による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２５】 この発明の実施の形態２２による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２６】 この発明の実施の形態２３による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２７】 図２６に示す実施の形態２３における入射ビームと出射ビームのＭ² 値との関係を示す説明図である。
【図２８】 この発明の実施の形態２４による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２９】 この発明の実施の形態２５による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図３０】 この発明の実施の形態２６による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図３１】 この発明の実施の形態２７によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図３２】 この発明の実施の形態２８によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図３３】 この発明の実施の形態２９によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図３４】 この発明の実施の形態３０によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図３５】 従来の光伝送装置を示す構成図である。
【図３６】 レーザビームの集束性の指標Ｍ² を示す説明図である。
【図３７】 光ファイバへの入射角と出射角との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 全反射ミラー（レーザ共振器）、２ 出力ミラー（レーザ共振器）、３ 固体素子、４ 光源、７ レーザ光、８、８１、８２ 集光レンズ（光ファイバ入射光学系）、９ 光ファイバ（グレーデッドインデックス光ファイバ）、１０ レーザ発振器、１１，１２，１３，１７，１９１ アパーチャ、１５ 入射ビームモニタ装置、１６ 出射ビームモニタ装置、２０ 出力設定機構（調節手段）、２１ 集光レンズ（像転写光学系）、２２ 部分反射ミラー（像転写光学系）、２３ 集光レンズ（集光光学系）、７０ レーザビーム、８３ グレーデッドインデックスレンズ、８４、８５ シリンドリカルレンズ（光ファイバ入射光学系）、１０４ レンズホルダ移動装置（移動手段）、１０５ 光ファイバホルダ移動装置（移動手段）、１０６ 部分反射ミラー移動装置（移動手段）、１０７ 集光レンズ移動装置（移動手段）、１０８ アパーチャ移動装置（調節手段）、１６１ パワーセンサ、１６２ フォトダイオード、８００ 被加工物。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an optical transmission device for transmitting a laser beam with good convergence used for processing and medical purposes, a solid-state laser device including the optical transmission device, the optical transmission device, and the The present invention relates to a laser processing apparatus incorporating a solid-state laser device.
[0002]
[Prior art]
  FIG. 35 is a configuration diagram showing a conventional optical transmission device disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 2-55157, in which 8 is a condensing lens, 90 is an optical fiber as a light guide for laser light, Reference numeral 10 denotes a laser oscillator, 70 denotes a laser beam taken out from the laser oscillator 10, 101 denotes a lens holder, and 102 denotes an optical fiber holder.
[0003]
  Next, the operation will be described.
  In the figure, a laser beam 70 taken out from the laser oscillator 10 is condensed and irradiated onto the incident end face of the optical fiber 90 by the condenser lens 8 and guided into the optical fiber. One or both of the lens holder 101 and the optical fiber holder 102 are constituted by a moving stage, and the laser beam 70 is positioned so as to be condensed at the center of the incident end face of the optical fiber 90.
[0004]
  In general, in order to perform optical transmission without loss, for example, loss such as scattering loss, the incident angle θ to the optical fiber 90_inIs θ_in<Sin^-1Must be (NA). Here, NA is a numerical value specific to the optical fiber, that is, the refractive index at the center of the fiber core is expressed as n.₀, The refractive index of the cladding is n₁(N₀ ²-N₁ ²)^1/2 It is represented by On the other hand, when a laser beam is transmitted through the optical fiber 90, the focusing property of the laser beam is generally deteriorated. The focusability of the laser beam can be expressed by using dθ as an index when the beam waste diameter of the laser is d and the beam opening angle is 2θ. The light transmitted through the optical fiber spreads over the entire core portion of the fiber, and the beam diameter of the outgoing beam is approximately the core diameter of the fiber. Therefore, it can be seen that in order to extract a laser beam with good focusing properties from the optical fiber, the emission angle of the laser beam from the optical fiber should be reduced.
[0005]
  Here, an index indicating the convergence of the laser beam is arranged. There are various definitions of the beam diameter, but here the energy is 86.5% (ie 1-e^-2) Is expressed as a laser beam diameter. In general, the most focused laser beam is TEM.₀₀That is, it is called a Gaussian beam. Set the beam waste radius of the Gaussian beam to ω₀, Θ₀Then, the following relationship holds.
[0006]
[Expression 1]

[0007]
  Where λ is the wavelength of the laser beam, n is the refractive index, and θ₀Is sufficiently smaller than π. In the air, set n = 1 and θ₀= Λ / πω₀= 2λ / πφ₀It becomes. Φ₀= 2ω₀Is the laser beam waste diameter.
[0008]
  In addition, M is used as an index indicating the convergence of the laser beam.²The value is known. FIG. 36 shows a laser beam focusing index M.²It is explanatory drawing which shows. As shown in FIG. 36, the wavelength λ and the beam waste diameter φ₀, M of beam (solid line) with a beam opening angle (full angle) 2θ²The value is the opening angle (full angle) 2θ when a Gaussian beam (broken line) of the same wavelength is focused to the same diameter.₀Expressed as a ratio to. That is, θ = M²θ₀It becomes. Therefore, when the Gaussian beam and the beam are collimated and incident on the lens having the focal length f with the same diameter, the beam diameter at the condensing point of the beam, that is, the beam waste diameter is M of the Gaussian beam.²Doubled. As is clear from this, M²The smaller the value, the higher the focused beam. On the contrary, when the beam opening angle is equal to the Gaussian beam, the beam waste diameter is M.²Doubled. When the beam waste diameter is M times that of the Gaussian beam, the laser beam opening angle is also M times that of the Gaussian beam. θ = M²θ₀Θ₀Substituting into the expression of M²Solving for M²= Πφ₀θ / 2λ. Therefore, if the same opening angle is used, the smaller beam waste diameter is M.²If the value is small and the beam is well focused, or another way of speaking, it can be said that the beam is a high-intensity beam.
[0009]
  FIG. 37 is similar to FIG. 35 in the incident angle θ to the optical fiber disclosed in Japanese Patent Publication No. 2-55157._inAnd exit angle θ_outThis is an explanatory diagram showing the relationship between the step index fiber and the refractive index of the fiber core showing a constant value. As is clear from this figure, the smaller the incident angle, the smaller the exit angle. As a result, an exit beam with good convergence can be obtained, but it can be seen that the exit angle has a lower limit of about 6 to 8 degrees. As a result, in the conventional optical transmission device, the incident angle 2θ is obtained with a lens having a long focal length._inIs set to be 8 degrees or less.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
  Since the conventional optical transmission apparatus is configured as described above, there is a limit to the convergence of the beam emitted from the optical fiber even if a laser beam with good convergence is incident due to the limit of the emission angle. was there. Although it is effective to select a fiber with a small core diameter in order to improve the focusing property, an optical fiber with a small core diameter cannot transmit a high-power laser beam. Taking YAG laser light as an example, the core diameter of an optical fiber generally having 0.4 mm or more for transmitting 500 W laser light and 0.6 mm or more for transmitting laser light of higher power is necessary. According to FIG. 35, the output angle 2θ_outIs at most about 6 degrees, and M of the beam emitted from the fiber having a core diameter of 0.4 mm is calculated from the above formula.²The value is about 30 at a minimum, and about 46 for a core diameter of 0.6 mm. For this reason, there is a problem that there is a limit to the convergence of the outgoing light transmitted through the fiber, no matter how much a beam with good convergence is incident on the optical fiber.
[0011]
  Furthermore, in the conventional optical transmission apparatus, when a step index fiber is used, a design standard for obtaining an output laser beam having a high focusing property is given. However, a laser output beam having a high focusing property is obtained using a graded index optical fiber. The design criteria for obtaining were not clear. That is, as can be seen in the description of Laser Handbook “Laser Handbook” p66 to p67, Ohm Co., 1982, graded index optical fiber is in principle equivalent to an array of condensing lenses connected without gaps. Considering an ideal condenser lens arrangement, the focusing property of the incident laser beam should be preserved. However, there has been no report to date, and it was a general recognition that the laser beam transmitted through the optical fiber originally had, that is, the convergence before the incidence was lost. In addition, in the above-mentioned document, “Laser Handbook” edited by the Laser Society, p66 to p67 (Ohm Co., 1982), a laser beam in a basic mode with a small output as used in optical communication, in other words, TEM₀₀Although the laser beam of the mode has been analyzed, multi-mode oscillation is common for high-power lasers for processing, especially solid-state lasers, and optical fiber transmission while maintaining converging properties for multi-mode beams There is no description about the technology to perform the task, and there has been a problem that it has not been clarified so far.
[0012]
  The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and uses a graded index optical fiber to store and transmit very well without changing the level of convergence of an incident beam. An object of the present invention is to obtain an optical transmission device that can be used.
[0013]
  It is another object of the present invention to provide an optical transmission apparatus that can preserve the convergence level of an incident laser beam very well and can automatically adjust the optical axis of a laser beam to an end face of an optical fiber.
[0014]
  A further object of the present invention is to provide an optical transmission device that can easily control the level of convergence of the emitted laser beam.
[0015]
  A further object of the present invention is to obtain a solid-state laser device that can transmit and radiate an optical fiber while keeping the level of convergence of the oscillated laser beam very well.
[0016]
  Another object of the present invention is to provide a solid-state laser device that can easily control the level of convergence of an oscillated laser beam.
[0017]
  Further, the present invention provides a laser processing apparatus capable of processing a laser beam having a good focusing level while transmitting the optical fiber while maintaining the focusing level well or controlling the focusing level of the emitted laser beam. The purpose is to obtain.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
  An optical transmission device according to the invention of claim 1 is composed of a graded index optical fiber, and the core diameter of the optical fiber is φ._c, The refractive index at the core center is n₀, The diameter of the optical fiber having a refractive index difference Δn between the core center and the core periphery, and the beam waste of the laser beam is φ₀When the beam opening angle of the laser light is 2θ, the laser light has a minimum condensing point on or near the incident end face of the optical fiber, and the diameter φin at the minimum condensing point is But,
    0.5φ_s≦ φ_in≦1.5φ_s
However,
    φ_s= (Φ_cφ₀θ (2n₀Δn)^-1/2)^1/2
And a laser beam using a multimode laser beam is emitted to the outside through the optical fiber while maintaining the convergence without deterioration.
[0019]
  Claim2The optical transmission device described is characterized in that the laser beam has a convergence πθφ when the wavelength of the laser beam is λ.₀The value of / λ is set to be 100 or less.
[0020]
  Claim3In the optical transmission device according to the invention described above, in the vicinity of the incident end face of the optical fiber, the diameter of the opening is the core diameter φ of the optical fiber._cSmaller than and φ_sAn aperture having a larger value is provided, and this aperture minimizes the influence of the optical axis shift of the laser beam at the incident end face of the optical fiber, without causing deterioration of the focusing property of the laser beam in the optical fiber. Laser light is transmitted.
[0021]
  Claim4In the optical transmission device according to the described invention, the diameter of the opening is the core diameter φ of the optical fiber in the vicinity of the emission end face of the optical fiber._cSmaller than and φ_sAn aperture having a larger value is provided, and this aperture prevents the reflected beam on the exit end side of the optical fiber from irradiating the cladding and the like, thereby minimizing the influence of the reflected beam. In addition, the laser beam can be transmitted without causing deterioration of the focusing property of the laser beam in the optical fiber while facilitating the monitoring of the laser beam.
[0022]
  Claim5In the optical transmission device according to the described invention, the optical fiber incident optical system has a condensing lens, and the condensing lens includes two or two condensing lenses. By adjusting the position, the diameter of the laser beam at the incident end face of the optical fiber is easily adjusted according to the beam characteristics of the laser beam.
[0023]
  Claim6In the optical transmission device according to the described invention, the condensing lens on the side close to the optical fiber is configured with a graded index lens. This graded index lens is installed close to or in close contact with the optical fiber, and the beam diameter of the laser beam at the incident end face of the optical fiber can be easily adjusted to a wide range of beam characteristics by adjusting the position of the graded index lens slightly. To be adjusted.
[0024]
  Claim7The optical transmission device according to the described invention includes an aperture in the vicinity of the incident end of the graded index lens, and this aperture prevents unexpected laser light irradiation around the incident end face of the graded index lens and the optical fiber. The laser beam is transmitted without causing deterioration of the focusing property of the laser beam in the optical fiber.
[0025]
  Claim8The optical transmission device according to the invention described includes an incident beam monitor device that measures laser light at the incident end face of the optical fiber, and a moving means that moves the position of the optical fiber incident optical system, and outputs from the incident beam monitor device. Based on the above, the position of the optical fiber incident optical system is adjusted. The incident beam monitor device monitors the beam position and beam diameter at the optical fiber incident end face, and controls the position of the condenser lens by the condenser lens moving means so that these are optimal.
[0026]
  Claim9The optical transmission device according to the invention described includes an outgoing beam monitor device that measures an outgoing beam emitted from the optical fiber, and a moving unit that moves the position of the optical fiber incident optical system, and outputs from the outgoing beam monitor device. Originally, the position of the optical fiber incident optical system is adjusted. The position of the condensing lens is controlled by the moving means of the condensing lens so that the condensing characteristic of the beam emitted from the optical fiber by the outgoing beam monitoring device is optimized.
[0027]
  Claim10In the optical transmission device according to the described invention, the outgoing beam monitor device is constituted by a power sensor, an aperture is installed in the vicinity of the incident end face of the optical fiber, and the output of the laser beam detected by the power sensor is maximized. Move the incident optical system. The output beam is monitored by a power sensor, and the position of the condenser lens is controlled so as to maximize the output beam power in combination with an aperture installed on the incident side, for example.
[0028]
  Claim11In the optical transmission device according to the described invention, the outgoing beam monitoring device is composed of a photodiode installed at a position shifted from the optical axis on the outgoing side of the optical fiber, and the fiber incident optical so that the output of the photodiode is minimized. The system is moved.
[0029]
  Claim12In the optical transmission device according to the invention described above, the outgoing beam monitor device includes an aperture installed on the outgoing side of the optical fiber and a power sensor that detects the laser beam that has passed through the aperture, and the power of the laser beam that passes through the aperture. The fiber incident optical system is moved so as to maximize the value.
[0030]
  Claim13An optical transmission device according to the invention described above includes a laser oscillator, a condensing lens, and an optical fiber incident optical system that condenses laser light converged by the condensing lens on an incident end surface of the optical fiber and transmits the optical fiber through the optical fiber. In the optical transmission apparatus, the optical fiber is composed of a graded index optical fiber, and further includes a moving means for moving one or both of the optical fiber incident optical system and the incident end face of the optical fiber, and the optical fiber incident optical system; The focusing property of the laser beam emitted from the optical fiber is controlled by moving one or both positions of the incident end face of the optical fiber. Then, the condensing characteristic of the outgoing beam of the optical fiber is arbitrarily changed by intentionally shifting one or both of the condensing lens and the optical fiber incident end face from the optimum condensing position.
[0031]
  Claim14The solid-state laser device according to the present invention includes a light transmission device according to the present invention, a solid-state element that is excited by light projected from a light source to become a laser medium, and generates light, and laser light generated from the laser medium A laser resonator to be extracted as light, an image transfer optical system composed of a combination of at least a mirror and a condenser lens in the laser resonator, and a movement for moving the mirror and the condenser lens in the optical axis direction of the laser resonator And adjusting the beam diameter of the laser beam incident on the incident end face of the optical fiber by moving one or both of the mirror and the condenser lens. A laser beam having a high focusing property is oscillated by an image transfer optical system inside the laser resonator, and the laser beam is emitted to the outside through the optical fiber while maintaining the beam quality.
[0032]
  Claim15The solid-state laser device according to the described invention includes an outgoing beam monitor device that measures the power of the outgoing laser beam emitted from the optical fiber, and a mirror and a condensing lens based on the output from the outgoing beam monitor device The position of the image transfer optical system inside the resonator is controlled so that the convergence of the outgoing beam is the best.
[0033]
  Claim16The solid-state laser device according to the invention described above is an optical transmission device according to the invention, a solid-state element that is excited by light projected from a light source to become a laser medium, generates light, and light generated from the laser medium. It consists of a laser resonator to be extracted as laser light, and an aperture placed in the laser resonator and an adjusting means for increasing or decreasing the diameter of the aperture opening, and the laser excitation input for exciting the solid state element is kept constant. The power of the laser beam is adjusted by increasing or decreasing the aperture diameter of the aperture. In other words, the output of the laser beam from the laser oscillator is controlled by increasing or decreasing the aperture diameter of the aperture in the laser resonator, and the optical fiber transmission is always performed while maintaining the beam quality of the laser beam for every laser output. Can be output.
[0034]
  Claim17The solid-state laser device according to the present invention includes a light transmission device according to the present invention, a solid-state element that is excited by light projected from a light source to become a laser medium, and generates light, and laser light generated from the laser medium It is composed of a laser resonator to be taken out as light, and an aperture placed in the laser resonator and a moving means for moving the aperture in the direction of the optical axis of the laser resonator. The power of the laser beam is adjusted by moving the position of the aperture. In other words, the output of the laser oscillator is controlled by moving the aperture in the laser resonator, and all laser outputs are transmitted outside the optical fiber while maintaining the beam quality of the laser light and output to the outside. is there.
[0035]
  A solid-state laser device according to claim 18 is a solid-state laser comprising an optical transmission device comprising a solid-state element, a laser resonator, and an optical fiber that transmits a laser beam using a multimode laser beam as a laser beam. In the equipment, the optical fiber is core diameter φ_c, The refractive index at the core center is n₀And a refractive index difference between the core center and the core periphery is composed of a graded index optical fiber, a laser resonator is composed of a total reflection mirror and an output mirror having the same curvature, and the solid state element is a total reflection mirror. Placed in a so-called symmetrical resonator located near the center between the output mirrors, the diameter of the beam waste of the laser light at a certain output level is φ_cWhen the beam opening angle of the laser beam is 2θ, the laser beam has a minimum focal point on or very near the incident end face of the optical fiber, and the diameter φ of the laser beam at the output level at the minimum focal point_inBut
    0.5φ_s≦ φ_in≦1.5φ_s
However,
    φ_s= (Φ_cφ₀θ (2n₀△ n)^-1/2)^1/2
And a fiber incident optical system. φ₀At a power level with a large θ, there is a minimum focusing point in the immediate vicinity of the fiber entrance end face, and its diameter is
    (Φ_cφ₀θ (2n₀△ n)^-1/2)^1/2 ± 50%
The laser beam is condensed so that a laser beam with little change in convergence even when the laser output changes is emitted from the optical fiber to the outside.
[0036]
  According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided a solid-state laser device including a solid-state element, a laser resonator, and an optical transmission device, wherein the optical fiber in the optical transmission device has a core diameter φ._c, The refractive index at the core center is n₀Thus, a graded index optical fiber having a refractive index of Δn between the core center and the core periphery is formed, and the solid element is formed in a thin slab shape. The laser light extracted from the laser resonator has anisotropy with different condensing characteristics in the two directions of the x axis and the y axis, and the diameter of the beam waste of the laser light is φ in each of the x axis direction and the y axis direction._0x, Φ_0yThe beam opening angle of the laser beam is 2θ_x2θ_yThe laser beam has a minimum focusing point in the x-axis direction and the y-axis direction on or near the incident end face of the optical fiber, and the diameter φ at the minimum focusing point is_inx, Φ_inyEach
    0.5φ_sx≦ φ_inx≦1.5φ_sx, 0.5φ_sy≦ φ_iny≦1.5φ_sy
However,
    φ_sx= (Φ_cφ_0xθ_x(2n₀△ n)^-1/2)^1/2
    φ_sy= (Φ_cφ_0yθ_y(2n₀△ n)^-1/2)^1/2
And a laser beam whose converging characteristics are preserved as a whole after propagation through the fiber to an oscillator having different condensing performance in the x and y directions.
[0037]
  A solid-state laser device according to a twentieth aspect of the invention is a solid-state laser device including a solid-state element, a laser resonator, and an optical transmission device, wherein the optical fiber in the optical transmission device has a core diameter φ_cThe prayer rate at the core center is n₀Thus, a graded index optical fiber having a refractive index difference of Δn between the core center and the core peripheral portion, and a solid element in a so-called slab shape having a thin plate shape. The laser light extracted from the laser resonator has anisotropy with different condensing characteristics in two directions of the x-axis and y-axis, and the diameter of the beam waste of the laser light is φ in each of the x-axis direction and the y-axis direction._0x, Φ_0yThe beam opening angle of the laser beam is 2θ_x2θ_yThe laser beam has a minimum condensing point on or very near the optical fiber incident end face, and φ_0xθ_xAnd φ_0yθ_yDiameter φ at the minimum condensing point of the larger axis_inBut
    0.5φ_s≦ φ_in≦1.5φ_s
However,
    φ_s= (Φ_cφ₀θ (2n₀△ n)^-1/2)^1/2
Φ₀θ = MAX (φ_0xθ_x, Φ_0yθ_y)
And a laser beam that emits a laser beam with a very simple lens configuration that does not significantly impair the light collection performance as a whole after propagation through the optical fiber.
[0038]
  Claim21The laser processing apparatus according to the described invention is composed of the optical transmission apparatus or solid-state laser apparatus according to the present invention, and a condensing optical system that condenses the laser light emitted from the optical transmission apparatus or the solid-state laser apparatus, The laser beam focused by the focusing optical system is irradiated onto the workpiece while maintaining the focusing property, and high-precision laser processing is performed.
[0039]
  Claim22The laser processing apparatus according to the described invention is configured by the optical transmission apparatus or solid-state laser apparatus according to the present invention, and the laser beam emitted from the optical transmission apparatus or solid-state laser apparatus is directly applied to the workpiece while maintaining the focusing property. Irradiation and processing of a relatively wide area such as laser hardening are performed.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  An embodiment of the present invention will be described below.
Embodiment 1 FIG.
  1 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, the components indicated by 8, 10, 70, 101, and 102 are the same as the components and functions of the components of the conventional optical transmission device shown in FIG. To do. Reference numeral 9 denotes an optical fiber (graded index optical fiber) in which the refractive index distribution of the core has a substantially square distribution. A condensing lens holder 101 includes a combination of a moving stage that can be manually adjusted in the optical axis direction and a cross-movement stage that can be manually adjusted in the radial direction. When the optical fiber is incident, the conventional optical transmission apparatus shown in FIG. 35 uses a long-focus lens for the condensing lens (optical fiber incident optical system) 8 and an incident angle θ._inHowever, in the optical transmission device of the first embodiment, the minimum condensing point of the laser beam 70 is provided on or very near the incident end face of the optical fiber 9 and the diameter φ_inBut
    0.5φ_s≦ φ_in≦1.5φ_s
However,
    φ_s= (Φ_cφ₀θ (2n₀Δn)^-1/2)^1/2
The focal length and position of the condenser lens 8 are set so that Where φ_c, N₀, Δn are the core diameter of the optical fiber 9, the refractive index at the core center, and the refractive index difference between the core and the cladding, φ₀, Θ represents a beam waste diameter and a beam opening angle (half angle) of the laser beam 70 generated from the laser oscillator 10. In the optical transmission apparatus of the first embodiment shown in the figure, it is assumed that there is a beam waste of the laser beam 70 near the laser exit of the laser oscillator 10.
[0041]
  Next, the operation will be described.
  The laser beam 70 emitted from the laser oscillator 10 is condensed by the condenser lens 8 so that the laser beam is condensed at the center of the optical fiber incident end surface by adjusting the position of the condenser lens holder 101.
[0042]
  FIG. 2 is an explanatory diagram showing a propagation state of the laser beam in the optical fiber. In the figure, the propagation state of the laser beam in the optical fiber 9 can be conceptually represented as shown in FIG. That is, when the laser beam 70 is condensed so as to have the minimum condensing point on the incident end face of the optical fiber 9, the diameter φ at the minimum condensing point is shown in the lowermost stage of FIG._inThere is a value φ_sLarger than (φ_in>> φ_s), Once condensed to a diameter smaller than the incident diameter in the optical fiber 9, and thereafter transmitted through the optical fiber 9 while repeating diverging and condensing.
[0043]
  On the other hand, as shown in the uppermost stage of FIG._inIs φ_sLess than (φ_in<< φ_s), The laser beam 70 first diverges in the optical fiber 9 and is transmitted while repeating condensing and divergence.
  On the other hand, as shown in the middle part of FIG._inIs φ_sIs almost equal to (φ_in= Φ_s), The laser beam diameter is transmitted within the optical fiber 9 with almost no change.
[0044]
  Considering a graded index optical fiber as a collective array of pure condensing lenses, the convergence is theoretically preserved in any of the three transmission modes shown in FIG. 2, but in practice the graded index optical fiber is a lens. 2, it is expected that the convergence will be lost in the uppermost and lowermost transmission modes in FIG. 2 due to aberration components and beam dispersion.
[0045]
  In addition, it is necessary to take into account the destruction of the optical fiber in the high-power fiber transmission, and it is expected that a transmission form having a condensing point in the optical fiber will cause a problem in the resistance to transmission power.
  From the above consideration, it can be concluded that the transmission form of the laser beam shown in the middle of FIG. 2 is advantageous for the transmission of the highly focused laser beam.
[0046]
  In addition, as described in “Laser Handbook” (p66 to p67, edited by the Laser Society of Japan, Ohm), a laser beam in a basic mode with a small output as used for optical communication, in other words, TEM₀₀Φ for mode laser beam_sIt is known that can be derived analytically.
[0047]
  However, high-power lasers used for processing, especially solid-state lasers, generally oscillate in multimodes, and the technology to transmit optical fibers while maintaining the focusing property for multimode laser beams has been clarified so far. It wasn't.
[0048]
  We are proceeding with research on this highly focused beam optical fiber transmission.²Φ for a general beam using the value_sFrom the beam waste diameter and beam opening angle of the laser beam._sI found the derivation formula of.
[0049]
  First, M²A laser beam whose convergence is expressed by value₀₀The following approximation is performed to calculate the same as the mode laser beam. However, here, the diameter where the energy is concentrated by 86.5% is calculated as the beam diameter. Beam opening angle θ is wavelength λ₁And M²Θ (λ as a function of value₁, M²) As described above
    θ (λ₁, M²) = M²・ Θ (λ₁, 1)
It becomes.
[0050]
  On the other hand, if two Gaussian beams with different wavelengths are narrowed to the same diameter, the opening angle is proportional to the wavelength.
    θ (λ₂, 1) = (λ₂/ Λ₁) ・ Θ (λ₁, 1)
It becomes. Where λ₂= M²・ Λ₁After all,
    θ (λ₁, M²) = Θ (λ₂, 1)
It becomes. From this, M²The behavior of a beam whose convergence is defined by the value²・ Λ₁It became clear that it can be approximated by a Gaussian beam replaced by.
[0051]
  Using the above approximation, M²Φ for laser beam whose convergence is expressed by value_sIs derived. In the following derivation formula, M²When = 1, φ for a conventionally known Gaussian beam_sIt becomes. Graded index optical fibers have a squared refractive index profile, as shown, for example, in a monograph ("Optical Electronics, 4th Edition", A Yariv, Saunders College Publishing, Harcourt Brace Jovanovich College Publishers, p42, 1991). In addition, the refractive index can be expressed as follows.
[0052]
[Expression 2]

[0053]
Here, n (r) is the refractive index at the position r from the core center, n₀Is the refractive index at the core center, k = 2πn / λ₀Is wave number, k₂Is a constant corresponding to the refractive index distribution. The ray matrix of a length l graded index optical fiber is
[0054]
[Equation 3]

[0055]
It is represented by It is known that the propagation of a Gaussian beam can be described by an index q and a ray matrix. If the curvature of the Gaussian beam is R, the beam radius is ω, the wavelength is λ, and the refractive index of the optical fiber is n,
[0056]
[Expression 4]

[0057]
It is expressed. If we expand this equation to a multimode beam using the approximation in the previous section,
[0058]
[Equation 5]

[0059]
It becomes. Here, in order to obtain the condition of ω in which the beam diameter does not change in the graded index optical fiber, a plane wave is incident on the incident end of the graded index optical fiber having an arbitrary length, and the plane wave having the same beam diameter is formed on the exit end. What is necessary is just to obtain | require the conditions from which it is obtained. In the case of a plane wave, since R = ∞, that is, 1 / R = 0, only the second term of the above equation needs to be considered. The index of the beam entering and exiting an optical system is q₁, Q₂After all,
[0060]
[Formula 6]

[0061]
So q₁= Q₂= -I (πnω_s ²/ M²λ) and ω_sAnd get the following solution.
[0062]
[Expression 7]

[0063]
The core diameter of graded index optical fiber is φ_cWhen the refractive index difference between the core center and the core end is Δn,
[0064]
[Equation 8]

[0065]
It becomes. This formula is_sN is n₀Considering that it is approximately equal to
[0066]
[Equation 9]

[0067]
So, after all, φ for multimode beam_s= 2ω_sIs expressed by the following equation.
[0068]
[Expression 10]

[0069]
  From the above, M²Φ, which is the reference for the fiber incident diameter for highly focused optical fiber transmission for the beam whose focus is expressed in_sWas requested.
[0070]
  Next, the beam waste diameter, which is usually used as an index of the focusability of the laser beam, φ by the beam opening angle θ_sThe expression of is derived. As mentioned above, beam waste diameter φ₀, Beam opening angle θ and M²Between values, M²= Πφ₀There is a relationship of θ / 2λ. This is φ_sSubstituting into the expression of
[0071]
[Expression 11]

[0072]
It becomes. As a result, for the beam whose convergence is expressed by the beam waste diameter and the beam opening angle, φ becomes the reference of the optical fiber incident diameter for the transmission of the highly focused optical fiber._sWas requested.
[0073]
  Where φ_sAn example of the calculation is shown. For example, n₀= 1.473, Δn = 0.021 M in a graded index optical fiber having a core diameter of 400 µm²Considering that an Nd: YAG laser beam (wavelength λ = 1.004 μm) having a value of 20 is propagated, φ_sIs 148 μm. At this time, the incident angle 2θin to the fiber is about 10.5 degrees.
[0074]
  In FIG. 3, the laser beam 70 is condensed so as to have the minimum condensing point at the incident end of the graded index optical fiber 9, and the focal length of the condensing lens is changed to change the output beam M.²Value (M² _out) Shows the experimental results of measurement. In the experimental conditions shown in the figure, the diameter of the incident beam φ_inIs the incident angle 2θ_inIt is proportional to the inverse of. The incident beam diameter is φ_sIf it is near, M of the outgoing beam²Value (M² _out) Is the M of the incident beam²Value (M² _in It can be seen that a laser beam having the best convergence can be obtained with almost the same value as in FIG. In addition, the incident angle 2θ using the laser beam 70 and the optical fiber 90 described in the example of the conventional optical transmission device shown in FIG._inIf the angle is set to 8 degrees or less, the convergence of the outgoing beam from the optical fiber 90 is deteriorated, which is completely different from the examination result of the incident and outgoing characteristics for the ideal step index fiber described in the conventional example.
[0075]
  Furthermore, in the experimental results shown in FIG. 3, the diameter φ of the incident beam_inIs φ_s± 50% range (ie 0.5φ_s≦ φ_in≦1.5φ_s) Shows that the optical fiber can be transmitted without significantly degrading the convergence of the incident beam.
[0076]
  From the above experimental results, the convergence of the emitted beam deteriorates when the laser beam focusing position deviates from the center of the fiber core. Angle θ_out(Half-width) is small, almost M² _outIt was found to be proportional to the square root of the value.
[0077]
  As described above, in the first embodiment, the minimum condensing point is in the very vicinity of the fiber incident end face, and the diameter is φ._sSince the focal length and position of the condenser lens 8 are set so as to be in the range of ± 50%, as is clear from the discussion so far, laser beam transmission can be performed while maintaining the focusing property in the optical fiber 9. Done. As a result, a laser beam with good focusing generated by the laser oscillator is emitted from the optical fiber 9 while maintaining the focusing.
[0078]
  The optical transmission apparatus according to the embodiment is not limited to the Gaussian beam as described above,²Shows a configuration in which optical fiber transmission can be performed while maintaining convergence even with respect to one or more multimode beams.²<50, preferably M²This is particularly effective for <40 multimode beams. In other words, M²= Πφ₀From the relationship of θ / 2λ, πφ₀This is particularly effective for laser beams having θ / λ of 100 or less, preferably 80 or less.
[0079]
  In the optical transmission apparatus according to the first embodiment, the beam waste of the laser beam 70 is near the laser exit of the laser oscillator 10. However, even if this condition is not met, an arbitrary focal length f is previously set.₁Beam waste diameter when focused by a condenser lens with₁And beam opening angle θ₁Can be easily measured_sAnd φ_sFocal length f giving_sCan be requested. In other words, by utilizing the property that the product of the beam waste diameter and the beam opening angle does not change even when passing through the lens system, φ₁θ₁= Φ₀φ using θ_sAnd φ = 2fθ to f_s= F₁φ_s/ Φ₁It becomes. Further, when the beam waste is in the laser oscillator 10, there is little error even if calculation is performed using the beam diameter at the laser exit unless the beam opening angle is extremely large. You may calculate.
[0080]
  Further, in the optical transmission apparatus of the first embodiment, the combination of the Z-axis movement stage and the cross movement stage is used as the configuration of the condenser lens holder 101. However, if there is a slight adjustment function, a holder of another form is used. Also good.
[0081]
  Furthermore, in the optical transmission device according to the first embodiment, the condenser lens holder 101 is provided with an adjustment mechanism, but the optical fiber holder 102 may be provided with an adjustment mechanism.
  Further, the condensing lens 8 condenses the laser beam 70 on the incident end face of the optical fiber 9 so as to have a minimum condensing point, and the laser beam diameter at the minimum condensing point becomes a predetermined value. However, the same function may be realized by a mirror or the like instead of the condenser lens 8.
[0082]
Embodiment 2. FIG.
  FIG. 4 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the first embodiment shown in FIG. 1 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, 11 is the opening diameter φ_sLarger than the fiber core diameter φ_cThe aperture is set so as to be smaller than the center, and the center of the opening is substantially coincident with the core center of the fiber 9 and is disposed at a position close to the incident end face of the optical fiber 9.
  Although details are omitted in the figure, the condenser lens holder 101 is manually positioned in the radial direction and a movable stage that can be manually adjusted in the optical axis direction, as in the case of the optical transmission apparatus of the first embodiment. It is configured with an adjustable cross motion stage.
[0083]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀The laser beam 70 having the beam opening angle θ passes through the aperture 11 by the condenser lens 8 and is φ at the optical fiber incident end face._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inGathered inLightThen, the light is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the convergence, and is output from the output end of the optical fiber 9. Further, the laser beam shifted from the center of the optical fiber 9 is blocked by the aperture 11.
[0084]
  As described above, in the second embodiment, when the optical axis of the laser beam 70 is adjusted to the optical fiber 9 as shown in the drawing, when the laser beam is extremely displaced, the optical fiber 9 It is possible to prevent the aperture 11 from irradiating the cladding, coating, or the like of the laser beam 70 with the laser beam 70. Further, when a laser beam position shift from the center of the optical fiber 9 or an error in the distance between the condenser lens 8 and the incident end of the optical fiber 9 occurs, the laser beam incident on the optical fiber 9 hits the aperture 11. Since the output decreases, it is possible to easily adjust the position of the condenser lens 8 based on the output of the power meter by installing a power meter or the like at the output end of the optical fiber and monitoring the power of the emitted laser beam.
[0085]
Embodiment 3 FIG.
  FIG. 5 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the first embodiment shown in FIG. 1 indicate the same components, and the description thereof is omitted here.
[0086]
  In the figure, 12 is the opening diameter φ_sLarger than the fiber core diameter φ_cThe aperture is set so as to be smaller than the center, and the center of the opening is substantially coincident with the center of the fiber core of the optical fiber 9 and is disposed at a position close to the emission end of the optical fiber 9.
[0087]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀The laser beam 70 having a beam opening angle θ is φ at the incident end face of the optical fiber 9 by the condenser lens 8._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inAnd is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the convergence, and is output from the exit end of the optical fiber 9 through the aperture 12 to the outside.
[0088]
  As described above, in the third embodiment, when the emitted light from the optical fiber 9 is used for processing or the like, for example, even when the laser beam is reflected from the processing object to the emitting end of the optical fiber 9, Irradiation of the laser beam to the clad of the optical fiber 9 and other unexpected places can be prevented by the aperture 12, and damage to the optical fiber 9 can be prevented. In addition, when the positional deviation of the laser beam 70 from the center of the optical fiber 9 or an error in the distance between the condenser lens 8 and the incident end of the optical fiber 9 occurs, the opening angle of the laser beam emitted from the optical fiber 9 is It gets bigger and hits the aperture 12. As a result, the output of the laser beam passing through the aperture 12 decreases, so a power meter or the like is installed on the output side of the aperture 12 to monitor the power of the emitted laser beam, and it can be easily collected based on the result of the monitor. The position of the optical lens 8 can be adjusted.
[0089]
Embodiment 4 FIG.
  FIG. 6 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the first embodiment shown in FIG. 1 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, reference numerals 81 and 82 denote condensing lenses (optical fiber incident optical systems), respectively, and 101 denotes a condensing lens holder on which the respective condensing lenses 81 and 82 are mounted.
[0090]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀The laser beam 70 having the beam opening angle θ is φ at the incident end face of the optical fiber 9 by the condenser lenses 81 and 82_sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inThen, the light is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the convergence, and is output from the output end of the optical fiber 9 to the outside.
[0091]
  As described above, in the fourth embodiment, the diameter of the laser beam at the incident end face of the optical fiber 9 can be easily changed by adjusting the distance between the two condenser lenses 81 and 82. An optical transmission device can be obtained at low cost using a condensing lens. Even when the beam waste diameter, beam waste position, and beam opening angle of the laser beam 70 emitted from the laser oscillator 10 change,_sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inCan be obtained.
[0092]
  In the optical transmission device according to the fourth embodiment, the case where the condensing lens holder 101 is separated into two is shown, but an integrated type may be used.
[0093]
Embodiment 5 FIG.
  FIG. 7 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 5 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the first embodiment shown in FIG. 1 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, 83 is a graded index lens installed close to or in close contact with the incident end face of the optical fiber 9, and both end faces of the graded index lens 83 are coated with a non-reflective coating with respect to the wavelength of the laser beam 70. Has been. Reference numeral 103 denotes a graded index lens holder. The graded index lens 83 is installed so that its central axis coincides with the core center of the optical fiber 9.
[0094]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀The laser beam 70 having a beam opening angle θ is condensed on the end surface of the graded index lens 83 by the condensing lens 8 and further φ at the incident end surface of the optical fiber 9 by the graded index lens 83._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inAnd is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and then output to the outside from the output end of the optical fiber 9.
[0095]
  As described above, in the fifth embodiment, compared with the optical transmission device in the fourth embodiment described above, one of the two condenser lenses 8 and 83 can be realized with a shorter focal length. Since the graded index lens 83 is used, the diameter can be changed greatly. Therefore, the beam of the laser beam 70 on the incident end face of the optical fiber 9 can be moved by moving the condenser lens 8 and the graded index lens 83 slightly. The diameter can be changed greatly. As a result, even when there is a change in the focusing property of the laser beam 70 emitted from the laser oscillator 10, it can be easily handled.
[0096]
  In the optical transmission device of the fifth embodiment described above, the graded index lens 83 is simply arranged close to or in close proximity to the incident end face of the optical fiber 9, but the optical contact is made between the graded index lens 83 and the optical fiber 9. May be combined. Further, the graded index lens 83 and the optical fiber 9 may be coupled via an index matching liquid. In this case, the reflection loss at the end face between the graded index lens 83 and the optical fiber 9 can be eliminated, and the transmission efficiency is further increased.
[0097]
Embodiment 6 FIG.
  FIG. 8 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 6 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 5 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, reference numeral 13 denotes an aperture whose center is the optical axis of the graded index lens 83.TohoAnd are located close to the graded index lens 83.
[0098]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀The laser beam 70 having the beam opening angle θ passes through the aperture 13 by the condenser lens 8 and is condensed on the end face of the graded index lens 83, and further, φ on the incident end face of the optical fiber 9 by the graded index lens 83._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inThen, the light is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and then output to the outside from the output end of the optical fiber 9. Further, the laser beam shifted from the optical axis of the graded index lens 83 is blocked by the aperture 13.
[0099]
  As described above, in the sixth embodiment, the clad or covering of the optical fiber 9 is applied even when the laser beam 70 is extremely displaced during the adjustment of the optical axis of the laser beam to the graded index lens 83. Etc., the laser beam 70 can be prevented from being irradiated. In addition, when the positional deviation of the laser beam 70 from the center of the optical axis of the graded index lens 83 or an error in the distance between the condensing lens 8 and the incident end of the optical fiber 9 occurs, the laser beam hits the aperture 13 and its spectral The power of the laser beam incident on the fiber 9 is reduced. In this case, the position of the condenser lens 8 can be easily adjusted by installing a power meter or the like at the exit end of the optical fiber 9 and monitoring the power of the emitted laser beam.
[0100]
Embodiment 7 FIG.
  FIG. 9 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 7 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the sixth embodiment shown in FIG. 8 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, a configuration is shown in which apertures 13 and 11 are installed in the vicinity of the incident ends of graded index lens 83 and optical fiber 9, respectively.
[0101]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀The laser beam 70 having a beam opening angle θ passes through the aperture 13 by the condenser lens 8 and is condensed on the end surface of the graded index lens 83, and further passes through the aperture 11 by the graded index lens 83 and passes through the aperture 11. Φ at the fiber end face_sThe light is condensed to a beam diameter φin in a range of ± 50%, transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and then output from the output end of the optical fiber 9 to the outside.
[0102]
  As described above, in the seventh embodiment, by providing the aperture 11, the laser beam shifted from the optical axis of the graded index lens 83 and the core center of the optical fiber 9 is blocked. According to the optical transmission device of the seventh embodiment, since only the laser beam whose optical axis matches both the optical axis of the graded index lens 83 and the core center of the optical fiber 9 is transmitted through the optical fiber 9, The function of preventing damage to the optical fiber 9 due to the misalignment becomes more complete. Further, the position of the condenser lens 8 or the graded index lens 83 can be easily adjusted by installing a power meter or the like at the exit end of the optical fiber 9 and monitoring the power of the emitted laser beam.
[0103]
Embodiment 8 FIG.
  FIG. 10 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 8 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the first embodiment shown in FIG. 1 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, reference numeral 14 denotes a beam splitter that reflects a small part of the power of the laser beam 70, and reference numeral 15 denotes a distance between the beam detection surface and the beam splitter 14 that is equal to the distance between the incident end face of the optical fiber 9 and the beam splitter 14. For example, the incident beam monitor device is a device that calculates the position and beam diameter of the laser beam 70 by scanning the slit and detecting the power of the laser beam 70 after passing through the slit. Reference numeral 104 denotes a lens holder moving device (moving means) that moves the lens holder 101 so that the laser beam diameter and the beam position detected by the incident beam monitoring device 15 become design values.
[0104]
  Although not explicitly shown in the optical transmission device in the figure, the lens holder moving device 104 is constituted by a DC motor or a piezo element. For example, the movement that constitutes the lens holder 101 in the optical transmission device of the first embodiment. It is directly connected to the stage and the cross motion stage so that the position of the condenser lens 8 can be automatically adjusted.
[0105]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀The laser beam 70 having the beam opening angle θ passes through the beam splitter 14 and is concentrated on the incident end face of the optical fiber 9 by the condenser lens 8. The laser beam that is partially reflected by the beam splitter 14 is focused on the incident beam monitoring device 15 with the same diameter as the incident end face of the optical fiber 9. The incident beam monitor device 15 calculates the beam diameter and beam position, and transmits the data obtained here to the lens holder moving device 104. Based on this, the lens holder moving device 104 collects light with a DC motor or a piezo element. The lens holder 101 is moved. Specifically, for example, with respect to the beam position of the laser beam 70, the amount of movement of the lens holder 101 is determined by the amount of deviation from the XY direction at a predetermined set value. As for the optimum position in the optical axis direction, the moving stage in the lens holder 101 is moved to search for a point where the beam diameter is minimized. As a result, the laser beam 70 is formed at the center of the incident end face of the optical fiber 9 by φ_sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inThe laser beam is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and then output from the output end of the optical fiber 9 to the outside.
[0106]
  As described above, in the eighth embodiment, the optimum focusing of the laser beam 70 is automatically performed, and even if the direction of the laser beam 70 is changed, the optical axis adjustment is automatically performed following the change. To be done.
[0107]
Embodiment 9 FIG.
  FIG. 11 is a block diagram showing an optical transmission apparatus 900 according to Embodiment 9 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatuses of Embodiments 4 and 8 shown in FIGS. 6 and 10 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, instead of the condensing lens 8 of the optical transmission apparatus according to the eighth embodiment shown in FIG. 10, it is denoted by 81 and 82 in the same manner as the configuration of the optical transmission apparatus according to the fourth embodiment shown in FIG. Two or two condenser lenses are used.
[0108]
  Next, the operation will be described.
  According to the optical transmission device of the ninth embodiment, the lens holder moving device 104 is based on the output from the incident beam monitoring device 15 while monitoring the beam diameter and beam position of the laser beam 70 on the incident end face of the optical fiber 9. Thus, the positions of the two condenser lenses 81 and 82 can be changed.
[0109]
  As described above, in the ninth embodiment, the beam diameter at the incident end face of the optical fiber 9 automatically follows even if the beam waste or the beam focusing property is changed._sThe light can be condensed at the core center so as to fall within a range of ± 50%.
[0110]
Embodiment 10 FIG.
  FIG. 12 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 10 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus according to the eighth embodiment shown in FIG. 10 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, reference numeral 15 denotes an incident beam monitor device as in the optical transmission apparatus of the eighth embodiment shown in FIG. 10. In the optical transmission apparatus of the tenth embodiment, an image input device such as a CCD camera is used. The incident end face of the optical fiber 9 is directly observed.
[0111]
  Next, regarding the operation, the incident beam monitoring device 15Optical fiber 9Since the operation other than observing the power of the laser beam 70 incident on is similar to the operation of the optical transmission apparatus according to the eighth embodiment, the description thereof is omitted here.
[0112]
  As described above, in the tenth embodiment, the optical axis adjustment can be automatically performed as in the optical transmission apparatus of the eighth embodiment. Further, in the tenth embodimentLightSince the incident end face of the fiber 9 is directly observed, the end face of the fiber 9 can be monitored at the same time and can be used as a safety device.
[0113]
Embodiment 11 FIG.
  13 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 11 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the ninth embodiment shown in FIG. 11 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, reference numeral 14 denotes a beam splitter that reflects a small part of the laser beam emitted from the optical fiber 9, and reference numeral 16 denotes an emitted beam monitor device that monitors the laser beam emitted from the optical fiber 9. For example, a slit is provided. This is a monitor that measures the beam diameter by scanning and detecting the power of the outgoing beam after passing through the slit.
[0114]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀, A laser beam 70 having a beam opening angle θ is incident on the incident end face of the optical fiber 9 by the condensing lenses 81 and 82._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inThe laser beam 70 is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and then output from the output end of the optical fiber 9 to the outside. Most of the beam emitted from the optical fiber 9 passes through the beam splitter 14 and is used for processing or the like, but a small part of the power is reflected by the beam splitter 14 and incident on the outgoing beam monitor device 16. The outgoing beam monitor device 16 measures the beam diameter of the outgoing beam and outputs the data to the lens holder moving device 104. The lens holder moving device 104 receives the data sent from the outgoing beam monitor device 16 and adjusts the positions of the condenser lenses 81 and 82 so that the beam diameter measured by the outgoing beam monitor device 16 is minimized.
[0115]
  As described above, in the eleventh embodiment, as described above, the better the convergence of the laser beam, the smaller the beam opening angle. As a result, the beam diameter measured by the outgoing beam monitor device 16 becomes smaller. Optimal incidence conditions can be set by the above method. In addition, the optical transmission apparatus of the eleventh embodiment has an advantage that the convergence of the emitted beam can be monitored almost constantly at the same time. In the optical transmission apparatus according to the eleventh embodiment, the outgoing beam is directly incident on the beam splitter 14, but a condensing lens is installed on the outgoing side of the optical fiber 9, and after collimating the laser beam, the beam splitter 14 is used. May be incident.
[0116]
Embodiment 12 FIG.
  FIG. 14 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 12 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the eleventh embodiment shown in FIG. 13 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, 11 is the opening diameter φ_sLarger than the fiber core diameter φ_cThe aperture is set so as to be smaller than the center, and the center of the opening is substantially coincident with the center of the core of the fiber 9 and is disposed at a position near the incident end of the optical fiber 9. Reference numeral 14 denotes a beam splitter that reflects a small part of the laser beam emitted from the optical fiber 9, and 161 denotes a power sensor.
[0117]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀The laser beam 70 having the beam opening angle θ passes through the aperture 11 by the condensing lenses 81 and 82 and is φ at the incident end face of the optical fiber 9._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inThen, the light is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and then output to the outside from the output end of the optical fiber 9. Further, the laser beam shifted from the center of the optical fiber 9 due to the arrangement of the aperture 11 is blocked by the aperture 11. Most of the output from the optical fiber 9 is transmitted through the beam splitter 14, and only a part of the power is reflected and incident on the power sensor 161. Data of the power of the emitted laser beam is fed back to the lens holder moving device 104, and the positions of the condenser lenses 81 and 82 are adjusted so that the power of the emitted laser beam is maximized.
[0118]
  As described above, in the twelfth embodiment, the position of the condenser lens can be automatically adjusted with a simple configuration as shown in the figure. Although not clearly shown in the figure, by providing feedback for stopping the laser oscillator 10 when the power of the emitted laser beam is extremely reduced, it is also a safety device for protecting the optical fiber from damage.
[0119]
Embodiment 13 FIG.
  FIG. 15 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 13 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the eleventh embodiment shown in FIG. 13 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, reference numeral 162 denotes a photodiode installed at a position shifted from the optical axis of the optical fiber 9 on the emission side of the optical fiber 9.
[0120]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀The laser beam 70 having the beam opening angle θ is φ at the incident end face of the optical fiber 9 by the condenser lenses 81 and 82._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inAnd is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and output from the output end of the optical fiber 9 to the outside. When the incident condition of the laser beam 70 to the optical fiber 9 is within the set value range, the laser beam emitted from the optical fiber 9 is hardly detected by the photodiode 162, but the incident condition to the optical fiber 9 is When it deviates from the set value, the opening angle of the outgoing beam increases. For this reason, the power of the laser beam input to the photodiode 162 increases. The output from the photodiode 162 is input to the lens holder moving device 104, and the lens holder moving device 104 adjusts and controls the positions of the condenser lenses 81 and 82 so that the output of the photodiode 162 is minimized.
[0121]
  As described above, in the thirteenth embodiment, the optical axis of the incident end of the fiber 9 can be automatically adjusted with the simple configuration shown in the drawing as in the twelfth embodiment.
[0122]
Embodiment 14 FIG.
  FIG. 16 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 14 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the eleventh embodiment shown in FIG. 13 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, 17 is an aperture installed near the exit end of the optical fiber 9, and 161 is a power sensor.
[0123]
  Next, the operation will be described.
  The diameter of the aperture 17 is such that the laser beam 70 is incident on the center of the optical fiber 9 and the diameter of the laser beam is φ._sThe laser beam is set to be cut off slightly when it is in the range of ± 50%.
[0124]
  As described above, in the fourteenth embodiment, when the positional deviation or the like of the incident beam 70 occurs, the power blocked by the aperture 17 increases and the output of the power sensor 161 decreases. By adjusting and controlling the positions of the condensing lenses 81 and 82 by the lens holder moving device 104 so that the output is maximized, the laser beam diameter can be adjusted at the incident end face of the fiber 9 with the simple configuration shown in FIG. The position can be adjusted.
[0125]
Embodiment 15 FIG.
  FIG. 17 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 15 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus according to the eighth embodiment shown in FIG. 10 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, reference numeral 18 denotes a convergence setting mechanism, which is composed of, for example, a volume, a rotary switch, or a digital input device.²Is set.
[0126]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀, A laser beam 70 having a beam opening angle θ is formed on the optical fiber incident end face by the condenser lens 8._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inIt is focused on. When the laser beam is focused so as to satisfy this condition, the focusing property is maintained when the laser beam 70 is incident on the center of the optical fiber 9 as described in the description of other embodiments so far. Although transmitted through the optical fiber 9, when the laser beam 70 is incident at a position deviated from the center, the convergence is deteriorated.
[0127]
  FIG. 18 shows the core diameter φ_c= 400 μm, center refractive index n₀= 1.473, M is applied to a graded index optical fiber having a refractive index difference Δn = 0.721 between the core and the clad.²In an experiment in which an Nd: YAG laser beam (wavelength λ = 1.004 μm) having a value of 20 is propagated, the positional deviation amount Δx of the radial laser beam at the incident end face of the optical fiber 9 and the focused value M of the outgoing beam² _outIt is explanatory drawing which shows the relationship. Under this condition, φ_sTherefore, even when the position of the incident laser beam is deviated from the center of the core of the optical fiber 9 by 80 μm, all of the laser beam is introduced into the core of the optical fiber 9. Therefore, there is no reduction in the power of the laser beam emitted from the optical fiber 9 due to this positional shift. Thus, in the fifteenth embodiment, the convergence of the emitted laser beam can be controlled by moving the incident position of the laser beam 70 within a range of 80 μm.²In terms of value, an outgoing laser beam in the range of 20 to 50 can be obtained.
[0128]
  Therefore, in the optical transmission apparatus of the fifteenth embodiment, the deviation amount (Δx) determined in advance and the outgoing laser beam focusing property (M) according to the value specified by the focusing property setting mechanism 18.²The position of the condensing lens 8 is moved by the lens holder moving device 104 and the lens holder 101 based on the relationship of the value), and as a result, a beam having the focusing property designated by the focusing property setting mechanism 18 is emitted from the optical fiber 9. .
[0129]
  As described above, in the fifteenth embodiment, the focusability of the emitted laser beam can be easily changed, and an emitted laser beam having an optimum power can be easily obtained in accordance with applications such as welding and cutting. .
[0130]
  In the optical transmission apparatus of the fifteenth embodiment, the amount of deviation Δx of the radial laser beam at the incident end face of the optical fiber 9 and the M of the emitted laser beam² _outAlthough the relationship with the value is shown, the M of the emitted laser beam is also obtained when the minimum focusing point of the laser beam 70 is shifted in the axial direction of the optical fiber 9.² _outThe value changes. Therefore, using this, according to the value specified by the convergence setting mechanism 18, the amount of axial deviation obtained in advance and the convergence of the emitted laser beam (M²Value), the position of the condenser lens 8 is moved in the axial direction by the lens holder moving device 104 and the lens holder 101, and as a result, a laser beam having the focusing property designated by the focusing property setting mechanism 18 is obtained. The light may be emitted from the optical fiber 9.
[0131]
  In the optical transmission device of the fifteenth embodiment, the condensing lens 8 allows φ to be incident on the incident end surface of the optical fiber 9 or in the vicinity thereof._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inAlthough an example in which the laser beam is condensed is shown, the condensing property can be controlled in the same manner as in the fifteenth embodiment even for a laser beam that does not satisfy this condition.
[0132]
Embodiment 16 FIG.
  FIG. 19 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 16 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus according to the fifteenth embodiment shown in FIG. 17 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, reference numeral 105 denotes an optical fiber holder moving device (moving means). The optical fiber holder 102 is mounted on the optical fiber holder moving device 105, and the position of the optical fiber holder 102 is moved and adjusted.
[0133]
  Next, the operation will be described.
  In the optical transmission device of the fifteenth embodiment described above, the position of the condensing lens 8 is moved by the lens holder moving device 104 and the lens holder 101, and as a result, the focusing property designated by the focusing property setting mechanism 18 is obtained from the optical fiber 9. Although the laser beam is emitted from the optical fiber 9 to the outside, in the optical transmission device of the sixteenth embodiment shown in the figure, the position of the incident end face of the fiber 9 is moved by the optical fiber holder moving device 105 and the optical fiber holder 102. As a result, the laser beam having the focusing property designated by the focusing property setting mechanism 18 is emitted from the optical fiber 9.
[0134]
  As described above, in the sixteenth embodiment, the positions of both the condensing lens 8 and the incident end face of the optical fiber 9 are moved by the laser lens holder 101 and the optical fiber holder moving device 105, so that the optical fiber 9 The convergence of the emitted beam can be controlled.
[0135]
Embodiment 17. FIG.
  FIG. 20 is a cross-sectional configuration diagram showing a solid-state laser apparatus according to Embodiment 17 of the present invention. In the figure, 1 is a total reflection mirror (laser resonator), 2 is an output mirror (laser resonator) coated with a partial reflection coating, and 3 is a solid element containing an active solid medium. Nd: YAG (Yttrium Aluminum Garnet) 4 doped with Nd as a solid medium is a light source, which is formed of, for example, an arc lamp. Reference numeral 5 denotes a power source for turning on the light source 4, and 6 denotes a condenser of the light source 4. For example, the cross-sectional shape is an ellipse, and the inner surface is formed of a light reflecting surface. Reference numeral 7 denotes a laser beam generated in the laser resonator constituted by the total reflection mirror 1 and the partial reflection mirror 2, and reference numeral 100 denotes a base on which the laser resonator is mounted. The other components 9, 101, and 102 are the same as the components of the optical transmission apparatus shown in FIG.
[0136]
  Next, the operation will be described.
  The light source 4 and the solid element 3 are housed and disposed in a condenser 6 whose inner surface is made of a reflector such as white ceramic with respect to the light source 4. Light from the light source 4 lit by the power source 5 is projected, and the projected light is reflected directly or after being reflected in the condenser 6 and then indirectly guided to the solid state element 3. A part of the light guided to the solid element 3 is absorbed in the solid element 3 and excites the solid element 3 to become a laser medium. Spontaneously emitted light generated from the laser medium is amplified while reciprocating in the laser resonator constituted by the total reflection mirror 1 and the partial reflection mirror 2 to become laser light 7, and when reaching a predetermined value or more, the beam Waste diameter is φ₀The laser beam 70 having a beam opening angle of 2θ is emitted outside the laser resonator. The laser beam 70 extracted to the outside has a minimum focusing point in the vicinity of the incident end face of the optical fiber 9 by the focusing lens 8 and has a diameter of φ._sThe laser beam 70 is condensed so as to be within a range of ± 50%, transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and then output from the output end of the optical fiber 9 to the outside.
[0137]
  In the above description, the output mirror 2 has been described as having a mechanism structure in which the absolute values of the curvature of the plane or both sides are equal, that is, a structure having no power as a lens, but the transmission characteristics of the output mirror 2 are the same as those of a lens having a focal length f. When the beam waste is in the laser resonator, φ used for calculation of the reference beam diameter at the incident end face of the optical fiber 9₀Alternatively, the value of θ needs to be corrected by calculating from the focal length f and the distance of the beam waste from the output mirror. The correction can be performed by a simple geometric optical calculation, and since it is a generally known matter, its description is omitted here.
[0138]
  As described above, according to the seventeenth embodiment, a solid-state laser device that can transmit the laser beam 70 through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property of the laser light 7 amplified by the laser oscillator and obtain the solid laser device is obtained. be able to.
[0139]
Embodiment 18 FIG.
  FIG. 21 is a cross-sectional configuration diagram showing a solid-state laser apparatus according to Embodiment 18 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser device of the seventeenth embodiment shown in FIG. 20 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, 21 is a condensing lens, 22 is a partial reflecting mirror, 106 is a partial reflecting mirror moving device (moving means) for moving the partial reflecting mirror, and 107 is a condensing lens moving device (for moving the condensing lens). Moving means). Here, the condenser lens 21 and the partial reflection mirror 22 constitute an image transfer optical system. That is, the focal length f of the condenser lens 21_rAnd the radius of curvature of the partial reflection mirror 22 are set to the same value, and the distance between them is set to 2f._r(1 + Δ). This image transfer optical system functions as a variable curvature mirror having a variable range of a very wide curvature as a whole depending on the value of Δ.
[0140]
  Next, the operation will be described.
  By finely adjusting the positions of the condenser lens 21 and the partial reflection mirror 22, the beam waste position and the beam opening angle of the laser beam 70 can be adjusted over a wide range.
[0141]
  As described above, in the eighteenth embodiment, the minimum condensing point is provided near the incident end face of the optical fiber 9, and the beam diameter is φ._sThe laser beam can be easily adjusted so as to be in the range of ± 50%. Further, it is possible to cope with the change of the thermal lens of the active solid medium in the solid state element 3 that occurs when the electric input to the light source 4 is changed in order to adjust the output of the laser beam 7. The incident condition to 70 optical fibers 9 can be maintained.
[0142]
  FIG. 22 is a cross-sectional configuration diagram showing a solid-state laser apparatus according to Embodiment 19 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser device of the eighteenth embodiment shown in FIG. 21 denote the same components, and the description thereof is omitted here. In the solid-state laser device of the nineteenth embodiment, in addition to the solid-state laser device image transfer optical system of the eighteenth embodiment, the aperture 17 and the power sensor 161 in the optical transmission device of the fourteenth embodiment shown in FIG. In addition.
[0143]
  Next, the operation will be described.
  In the solid-state laser device in the figure, one or both of the condenser lens 21 and the partial reflection mirror 22 are received based on the output from the power sensor 161 that receives the laser beam emitted from the optical fiber 9 and measures the power of the emitted laser beam. Adjust the position.
[0144]
  As described above, in the nineteenth embodiment, the laser resonator can be adjusted while monitoring the focusability of the laser beam actually emitted from the emission end of the optical fiber 9 with the power sensor 161. Even in response to changes in the thermal lens of the medium, the beam waste position and beam diameter can be adjusted more reliably and automatically. In addition, there is an effect that the focusability of the laser beam emitted from the optical fiber 9 can be constantly monitored.
[0145]
Embodiment 20. FIG.
  FIG. 23 is a cross-sectional configuration diagram showing a solid-state laser apparatus according to Embodiment 20 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser device of the seventeenth embodiment shown in FIG. 20 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, 19 is an aperture variable aperture whose aperture diameter can be adjusted from the outside, and 20 is an output setting mechanism for setting the output of the laser beam 7, which is composed of, for example, a volume, a rotary switch, or a digital input device. ing. The aperture variable aperture 19 is installed inside the laser resonator.
[0146]
  Next, the operation will be described.
  In the solid-state laser device of this twentieth embodiment, the focal length and position of the condenser lens 8 are such that the laser beam 70 is on the incident end face of the optical fiber 9 with respect to the electrical input under conditions for obtaining the laser beam 70 with the maximum output. It has a minimum condensing point in the immediate vicinity and its diameter is φ_sIt is set to be in the range of ± 50%. The output of the laser beam 70 is adjusted by adjusting the aperture diameter of the aperture variable aperture 19 mechanically or electrically in accordance with an instruction from the output setting mechanism 20. At this time, since there is no change in the electrical input to the light source 4, the thermal lens effect of the solid element is unchanged, and the optical condition of the resonator is only shielding of the outer edge of the laser beam by the aperture 19. As a result, the position of the beam waste of the laser beam does not change. The output of the laser beam 70, the beam diameter, M by changing the aperture diameter of the aperture 19²The value and beam opening angle change, while the beam waste position and the mirror curvature do not change. Under these conditions, both the beam diameter and the beam opening angle are M.²It is known to be proportional to the square root of the value. Further, since the image of the beam waste on the left side of the condenser lens 8 is formed by the condenser lens 8 in the vicinity of the incident end of the optical fiber 9, if the position of the beam waste does not change, both the imaging position and the magnification are obtained. does not change. Therefore, the beam waste diameter of the laser beam 70 near the incident end of the optical fiber 9 is M²Proportional to the square root of the value. On the other hand, φ_sM²Proportional to the square root of the value. Therefore, when the power of the laser beam is adjusted by changing the aperture diameter of the aperture 19, the laser beam 70 always has a minimum condensing point in the vicinity of the incident end face of the optical fiber 9, and its diameter is φ._sThe range is ± 50%.
[0147]
  As described above, in the twentieth embodiment, a laser beam having any power can be transmitted to the outside through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property with a simple configuration as shown in the figure. In the solid-state laser device of the twentieth embodiment, the configuration using the conventional resonator has been described. However, the same effect may be obtained by applying to a solid-state laser including an image transfer optical system inside the resonator. Can be obtained.
[0148]
Embodiment 21. FIG.
  24 is a structural sectional view showing a solid-state laser apparatus according to Embodiment 21 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser device of the eighteenth embodiment shown in FIG. 21 denote the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, reference numeral 191 denotes an aperture disposed between the condensing lens 21 and the partial reflection mirror 22 constituting the image transfer optical system, and reference numeral 108 denotes an aperture moving device (adjusting means) that moves the aperture 191 in the optical axis direction. . The focal length and position of the condensing lens 8 are such that the laser beam has a minimum condensing point in the vicinity of the incident end face of the optical fiber 9 with respect to the electrical input under the condition that the laser beam with the maximum output is extracted, and the diameter thereof is_sIt is set to be in the range of ± 50%.
[0149]
  Next, the operation will be described.
  In the solid-state laser device according to the twenty-first embodiment, the output of the laser beam 70 is adjusted by moving the aperture 191 in the direction of the optical axis of the optical fiber 9 by the aperture moving device 108 in accordance with an instruction from the output setting mechanism 20. Cut off the outer edge.
[0150]
  As described above, in the twenty-first embodiment, since the electric input supplied to the light source 4 does not change as in the above-described solid-state laser device of the twentieth embodiment, the thermal lens effect of the solid-state element remains unchanged. As with the solid-state laser device of the twentieth embodiment, any output laser beam can be transmitted to the outside through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property. The solid-state laser device according to the twenty-first embodiment has been described with respect to the resonator including the image transfer optical system inside the resonator, but may be applied to a solid-state laser including a conventional resonator. An effect can be obtained.
[0151]
Embodiment 22. FIG.
  FIG. 25 is a structural sectional view showing a solid-state laser apparatus according to Embodiment 22 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser device of the seventeenth embodiment shown in FIG. 20 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the solid-state laser device shown in the figure, the light source 4 and the solid-state element 3 are arranged in a condenser 6 whose inner surface is formed of a light source 4 and is made of a reflector, for example, white ceramic.
[0152]
  Next, the operation will be described.
  Light is projected from the light source 4 that is turned on by the supply of voltage from the power supply 5, and the projected light is guided to the solid element 3 directly or indirectly after being reflected in the condenser 6. A part of the light guided to the solid element 3 is absorbed in the solid element 3 and excites the solid element 3 to become a laser medium. Spontaneously emitted light generated from the laser medium is amplified while reciprocating between laser resonators composed of the total reflection mirror 1 and the partial reflection mirror 2 to become laser light 7, and when reaching a predetermined value or more, the beam Waste diameter φ₀The laser beam 70 having a beam opening angle 2θ is emitted outside the laser resonator. The laser beam 70 extracted to the outside has a minimum condensing point in the vicinity of the fiber incident end face by the condensing lens 8 and its diameter is φ._sThe light is condensed so as to be in the range of ± 50%. The optical fiber holder moving device 105 and the optical fiber holder 101 move the position of the incident end face of the optical fiber 9 based on the relationship between the deviation amount obtained in advance and the outgoing laser beam focusing property according to the value specified by the focusing property setting mechanism 18. As a result, the laser beam having the focusing property designated by the focusing property setting mechanism 18 is emitted from the optical fiber 9 to the outside.
[0153]
  As described above, in the twenty-second embodiment, the focusing property of the outgoing laser beam emitted from the optical fiber 9 can be easily changed, and the laser beam having the optimum power according to the application such as welding or cutting. Can be obtained. In the solid-state laser device of the twenty-second embodiment, the position of the incident end face of the optical fiber 9 is moved by the optical fiber holder moving device 105. However, the position of the condensing lens 8 is changed by providing a condensing lens holder moving device. It may be moved, and the same effect can be obtained. In the solid-state laser device according to the twenty-second embodiment, the conventional resonator has been described. However, the solid-state laser device may be used in a solid-state laser device in which an image transfer optical system and an aperture for power adjustment are incorporated. In this case, the same effect can be obtained.
[0154]
Embodiment 23. FIG.
  FIG. 26 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to Embodiment 23 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser device of the twenty-second embodiment shown in FIG. 25 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the solid-state laser device shown in the figure, the total reflection mirror 1 and the output mirror 2 constituting the laser resonator have the same curvature, and are configured as so-called symmetrical resonators in which the solid-state element 3 is located substantially at the center of the resonator. . The light source 4 and the solid element 3 are arranged in a condenser 6 whose inner surface is made of a reflector such as white ceramic with respect to the light source 4.
[0155]
  Next, the operation will be described.
  Light from the light source 4 that is lit by a voltage supplied from the power source 5 is projected, and the projected light is guided directly or indirectly after being reflected in the condenser 6 to the solid element 3. A part of the light guided to the solid state element 3 is absorbed in the solid state element 3 to excite the solid state element 3 to be changed into a laser medium. Spontaneously emitted light generated from this laser medium is amplified while reciprocating between the laser resonators composed of the total reflection mirror 1 and the partial reflection mirror 2 to become laser light 7 and reaches a magnitude greater than a predetermined value. Beam waste diameter φ₀The laser beam 70 having a beam opening angle 2θ is emitted outside the laser resonator. The resonator having this configuration can perform very stable laser oscillation, but also has a characteristic that the beam waste diameter and the beam opening angle vary greatly depending on the laser output level. As a result, φ₀The value of θ also changes greatly and is proportional to M²The value also changes greatly.
[0156]
  FIG. 27 shows the incident beam, laser output, and M of the emitted laser beam in a symmetrical resonator configuration.²It is explanatory drawing which shows the relationship with a value. In the figure, laser output and M²The relationship between the values is indicated by a thin line. The smaller the laser output, the M²A laser beam with a small value is generated. As is clear from this, the incident beam diameter for high-intensity beam fiber propagation varies depending on the respective power levels.
[0157]
  As described above, in the twenty-third embodiment, the maximum M²Φ at 300W output by value₀With reference to θ, the laser beam 70 extracted outside has a minimum condensing point in the vicinity of the incident end face of the optical fiber 9 by the condensing lens 8, and its diameter is
    (Φ_cφ₀θ (2n₀△ n)^-1/2)^1/2 ± 50%
The laser beam 70 is propagated as it is without moving the optical system even at other output levels.
[0158]
  According to the solid-state laser device shown in the figure, the M after fiber transmission is caused by changes in the beam diameter or the like except when the laser output is 300 W.²The value increases, but the original beam M²Since the value is smaller than 300W, M by laser output²The amount of change in value is rather reduced, and the output of the laser beam changes.didEven in this case, it is possible to obtain a solid-state laser device that emits a laser beam with little change in convergence.
[0159]
  The thick line in the explanatory diagram of FIG. 27 shows the beam indicated by the thin line at φ of 300 W.₀An experimental result is shown in which the incident beam diameter of the laser beam is adjusted in accordance with θ and propagated through the fiber 9. According to the figure, the incident beam M²The value changes from 5 to 21, whereas the M of the outgoing beam²The value is from 15 to 22. Therefore, even if the output of the laser beam actually changes, the solid-state laser that emits the laser beam with little change in focusing performance.-The device can be obtained.
[0160]
Embodiment 24. FIG.
  FIG. 28 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to Embodiment 24 of the present invention, and (b) is a plan view of (a). In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser devices of the twenty-second and twenty-third embodiments shown in FIGS. 25 and 26 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the solid-state laser device shown in the figure, the solid-state element 3 is formed of a thin plate-shaped so-called slab laser medium. Since the size of the slab laser medium is different in the thickness direction (hereinafter referred to as the y direction) and the width direction (hereinafter referred to as the x direction), when a resonator is formed by a normal spherical lens, φ in the x direction is obtained._0xθx and φ in y direction_0yThe value of θy is very different. In addition, cylindrical lenses 84 and 85 are used as the condenser lenses.
[0161]
  Next, the operation will be described.
  In the twenty-fourth embodiment shown in the figure, cylindrical lenses 84 and 85 are used to condense the x direction and the y direction independently. That is, the laser beam 70 extracted to the outside has a minimum condensing point in the vicinity of the incident end face of the fiber 9 by the cylindrical lens 84 in the x direction.
    (Φ_cφ_0xθ_x(2n₀△ n)^-1/2)^1/2± 50%
With respect to the y direction, the cylindrical lens 85 has a minimum condensing point very close to the fiber incident end face, and its diameter is
    (Φ_cφ_0yθ_y(2n₀△ n)^-1/2)^1/2 ± 50%
The laser beam 70 is condensed so that
[0162]
  As described above, in the twenty-fourth embodiment, M of the emitted laser beam emitted from the optical fiber 9 is²The value is M in the x direction of the incident laser beam incident on the optical fiber 9.²Value and M in y direction²To obtain a solid-state laser device that emits a laser beam that is conserved as a whole even after propagating through the fiber 9 with respect to an oscillator having a condensing performance in the x direction and the y direction. Can do. Furthermore, there is an effect that the anisotropy of the beam is improved in the process of fiber propagation.
[0163]
Embodiment 25. FIG.
  FIG. 29 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to Embodiment 25 of the present invention. FIG. 29B is a plan view of FIG. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser devices of Embodiments 22, 23, and 24 shown in FIGS. 25, 26, and 28 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. . In the solid-state laser device shown in the figure, the solid-state element 3 is configured by a slab laser medium, and the laser resonator is configured as a so-called hybrid resonator that is stable in the x direction and one-dimensionally unstable in the y direction. Yes. The condensing lens is composed of cylindrical lenses 84 and 85.
[0164]
  Next, the operation will be described.
  In the resonator used in the solid-state laser device shown in the figure, a laser beam having excellent light collecting performance is generated in principle. In general, unstable resonators are easier to obtain laser beams with better focusing performance._0xθ_xAnd φ in y direction_0yθ_yThe value is very different and the relationship is φ_0xθ_x<Φ_0yθ_yIt becomes. Also in the solid-state laser device of the twenty-fifth embodiment, similarly to the solid-state laser device of the twenty-fourth embodiment described above, the x and y directions of the laser beam 70 are condensed independently using the cylindrical lenses 84 and 85. That is, the laser beam 70 extracted to the outside has a minimum condensing point in the vicinity of the incident end face of the fiber 9 by the cylindrical lens 84 in the x direction.
    (Φ_cφ_0xθ_x(2n₀△ n)^-1/2)^1/2 ± 50%
With respect to the y direction, the cylindrical lens 85 has a minimum condensing point very close to the fiber incident end face, and its diameter is
    (Φ_cφ_0yθ_y(2n₀△ n)^-1/2)^1/2 ± 50%
Condensed so that
[0165]
  As described above, in the twenty-fifth embodiment, M of the emitted laser beam emitted from the optical fiber 9 is the same as in the solid-state laser devices of the twenty-third and twenty-fourth embodiments described above.²The value is M in the x direction of the incident laser beam incident on the optical fiber 9.²Value and M in y direction²A solid-state laser device can be obtained that emits a laser beam that takes a value between these values and has excellent condensing performance even after propagating through the optical fiber 9.
[0166]
Embodiment 26. FIG.
  30 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to Embodiment 26 of the present invention. FIG. 30B is a plan view of FIG. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser devices of Embodiments 22, 23, 24, and 25 shown in FIGS. 25, 26, 28, and 29 indicate the same components. Description is omitted. In the figure, the solid state element 3 is composed of a slab laser medium, and the laser resonator is high.TheIt is configured as a lid resonator. The condenser lens 8 is composed of a normal spherical lens.
[0167]
  Next, the operation will be described.
  The condensing of the laser beam 70 onto the incident end of the optical fiber 9 is performed by a normal condensing lens 8. And it has a minimum condensing point in the vicinity of the fiber incident end face in the y direction, and the diameter of the minimum condensing point is
    (Φ_cφ_0yθ_y(2n₀△ n)^-1/2)^1/2 ± 50%
The laser beam 70 is condensed so that On the other hand, in the X direction, the position of the minimum condensing point and the diameter of the minimum condensing point are expected to deviate considerably from the optimum values. However, the resonator in the solid-state laser device of Embodiment 26 is φ_0xθ_x<Φ_0yθ_y And M of the outgoing laser beam²The value is M in the x direction of the incident laser beam.²Value and M in y direction²Takes a value between values. Therefore, even if the position of the minimum condensing point in the x direction and the diameter of the minimum condensing point are slightly deviated from the optimum values, M of the emitted laser beam emitted from the optical fiber 9²The value is M of the incident beam in the y direction.²As a result, propagation within the optical fiber 9 is possible while maintaining excellent light collecting performance as a whole.
[0168]
  As described above, in the twenty-sixth embodiment, an optical fiber having a very simple lens configuration as shown in the drawing is used even when an oscillator having different light collecting performance in the x direction and the y direction is used. As a result, a solid-state laser device can be obtained that can emit a laser beam that does not significantly impair the light condensing performance as a whole even after propagation within 9. Furthermore, there is an effect that the anisotropy of the laser beam is improved in the propagation process in the optical fiber 9.
[0169]
Embodiment 27. FIG.
  FIG. 31 is a block diagram showing a laser machining apparatus according to Embodiment 27 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the first embodiment shown in FIG. 1 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, 23 is a condensing lens (condensing optical system), 800 is a workpiece, 810 is a processing nozzle, and 820 is a processing gas inlet.
[0170]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀, A laser beam 70 having a beam opening angle 2θ is φ at the incident end face of the optical fiber 9 by the condenser lens 8._sThe light is condensed to a beam diameter in the range of ± 50%, transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and then output from the output end of the optical fiber 9 to the outside. The laser light is further condensed by the condenser lens 23, and the workpiece 800 is laser processed by using the condensed laser beam.
[0171]
  As described above, in the twenty-seventh embodiment, since the converging laser beam emitted from the optical fiber 9 is further condensed by the condenser lens 23, the workpiece 800 is cut and welded. Therefore, extremely high-precision laser processing is possible.
[0172]
  In the description of the laser processing apparatus according to the twenty-seventh embodiment, the optical transmission apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1 is used. However, the optical transmission apparatus according to the second embodiment shown in FIG. 16 to the optical transmission device according to the fourteenth embodiment shown in FIG. 16 and the solid-state laser device according to the twenty-first embodiment shown in FIG. 24 from the solid-state laser device according to the seventeenth embodiment shown in FIG. A similar effect can be obtained.
[0173]
Embodiment 28. FIG.
  FIG. 32 is a cross-sectional configuration diagram showing a laser machining apparatus according to Embodiment 28 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser device of the twenty-second embodiment shown in FIG. 25 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the figure, the light source 4 and the solid element 3 are arranged in a condenser 6 whose inner surface is formed of a light source 4 and is made of a reflector, for example, white ceramic.
[0174]
  Next, the operation will be described.
  Light is projected from the light source 4 that is turned on by the supply of voltage from the power supply 5, and the projected light is guided to the solid element 3 directly or indirectly after being reflected in the condenser 6. Part of the light guided to the solid state element 3 is absorbed by the solid state element 3 to excite the solid state element 3 and become a laser medium. Spontaneously emitted light generated from the laser medium is amplified while reciprocating between laser resonators composed of the total reflection mirror 1 and the partial reflection mirror 2 to become laser light 7, and when reaching a predetermined value or more, the beam Waste diameter φ₀The laser beam 70 having a beam opening angle 2θ is emitted outside the laser resonator. The laser beam 70 emitted to the outside has a minimum condensing point in the vicinity of the incident end face of the optical fiber 9 by the condensing lens 8 and its diameter is φ._sThe light is condensed so as to be in the range of ± 50%. In accordance with the value specified by the focus setting mechanism 18, the deviation amount set in advance and the output laser beam focusability are set.WithBased on the relationship, the position of the incident end face of the optical fiber 9 is moved by the optical fiber holder moving device 105 and the optical fiber holder 102. As a result, a laser beam having the focusing property designated by the focusing property setting mechanism 18 is emitted from the optical fiber 9. The laser beam is further condensed by the condenser lens 23, and the workpiece 800 is subjected to laser processing using the condensed laser beam.
[0175]
  As described above, in the twenty-eighth embodiment, the transmission of the laser beam 70 by the optical fiber 9 can be deliberately changed from the state in which the focusability is maintained to the state in which the focusability is changed. The beam focusing property can be changed, and high-precision laser processing, processing of a large area, etc. can be freely selected for welding, cutting, etc., and an optimal outgoing beam can be easily obtained according to the application. it can.
[0176]
  In the description of the laser processing apparatus of the twenty-eighth embodiment, the solid-state laser apparatus according to the twenty-second embodiment shown in FIG. 25 is used, but the optical transmission apparatus according to the fifteenth embodiment shown in FIG. Optical transmission apparatus according to Embodiment 16 shown in FIG.PlaceSimilar effects can be obtained when used.
[0177]
Embodiment 29. FIG.
  FIG. 33 is a block diagram showing a laser machining apparatus according to Embodiment 29 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the optical transmission apparatus of the first embodiment shown in FIG. 1 and the laser processing apparatus of the twenty-seventh embodiment shown in FIG. 31 indicate the same components. The description is omitted.
[0178]
  Next, the operation will be described.
  Beam waste diameter φ emitted from the laser oscillator 10₀The laser beam 70 having a beam opening angle 2θ is φ from the condenser lens 8 at the optical fiber incident end face._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inAnd is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and then output to the outside from the output end of the optical fiber 9. In the figure, the laser beam emitted from this ratio is directly focused on the workpiece 800 as it is without condensing, and laser processing is performed.
[0179]
  As described above, in the twenty-ninth embodiment, since the transmission of the laser beam by the optical fiber 9 is performed while maintaining the focusing property, the opening angle of the laser beam emitted from the emission end of the optical fiber 9 has been conventionally increased. If the laser processing is relatively small, for example, laser processing with a relatively large irradiation area such as laser quenching, the figure is shown without using the condensing lens 23 in Embodiments 27 and 28 shown in FIGS. As shown, this can be done with a very simple configuration.
[0180]
  In the 29th embodiment, the optical transmission apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1 has been described. However, the optical transmission apparatus according to the second embodiment shown in FIG. Similar effects can be obtained when the optical transmission apparatus according to the sixteenth embodiment shown is used. When the optical transmission apparatus of the second embodiment shown in FIG. 4 is used, a laser beam 70 having a beam opening angle 2θ is φ from the condenser lens 8 through the aperture 11 on the incident end face of the optical fiber 9._sThe light is condensed to a beam diameter φin in a range of ± 50%, transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and output to the outside from the output end of the optical fiber 9 as shown in FIG.
[0181]
Embodiment 30. FIG.
  FIG. 34 is a structural sectional view showing a laser machining apparatus according to Embodiment 30 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in the description of the solid-state laser device of the seventeenth embodiment shown in FIG. 20 indicate the same components, and the description thereof is omitted here. In the drawing, the light source 4 and the solid element 3 are arranged in a condenser 6 whose inner surface is made of a reflector such as white ceramic with respect to the light source 4.
[0182]
  Next, the operation will be described.
  The light from the light source 4 that is turned on by the supply of voltage from the power source 5 is projected, and the projected light is guided directly or indirectly after being reflected in the condenser 6 to the solid element 3. A part of the light guided to the solid element 3 is absorbed by the solid element 3, and the solid element 3 is excited to become a laser medium. Spontaneous emission light generated from the laser medium is amplified while reciprocating between the laser resonators composed of the mirrors 1 and 2 to become laser light 7, and when reaching a predetermined value or more, the beam waste diameter φ₀The laser beam 70 having a beam opening angle 2θ is emitted outside the laser resonator. The laser beam 70 extracted to the outside has a minimum condensing point in the vicinity of the incident end face of the optical fiber 9 by the condensing lens 8 and its diameter is φ._sBeam diameter φ in the range of ± 50%_inAnd is transmitted through the optical fiber 9 while maintaining the focusing property, and is output from the output end of the optical fiber 9 to the outside. The laser beam emitted from the optical fiber 9 is directly focused on the workpiece without focusing, and the workpiece is laser processed.
[0183]
  As described above, in the thirtieth embodiment, since the transmission of the laser beam by the optical fiber 9 is performed while maintaining the focusing property, the opening angle of the laser beam emitted from the emission end of the optical fiber 9 has been conventionally increased. Laser processing that is relatively small and has a relatively large irradiation area, such as laser quenching, can be performed with a very simple configuration as shown in FIG. The laser processing apparatus according to the thirtieth embodiment has been described using the solid-state laser apparatus according to the seventeenth embodiment shown in FIG. 20, but the solid-state laser according to the eighteenth embodiment shown in FIG. The same effect can be obtained when the solid-state laser device according to the twenty-second embodiment shown in FIG. 25 is used from the device.
[0184]
【The invention's effect】
  As described above, according to the first aspect of the present invention, the optical fiber is composed of a graded index optical fiber, and the core diameter φ of the optical fiber is_c, Refractive index n at the core center₀, Refractive index difference Δn between core center and core periphery, diameter φ of laser beam beam waste₀When the laser beam has a beam opening angle 2θ, the laser beam has a minimum condensing point on or near the incident end face of the optical fiber and a diameter φ at the minimum condensing point._inBut
    0.5φ_s≦ φ_in≦1.5φ_s
However,
    φ_s= (Φ_cφ₀θ (2n₀Δn)^-1/2)^1/2
Since the fiber incident optical system as described above is provided, there is an effect that the highly converging laser beam generated by the laser resonator can be emitted from the emitting end of the optical fiber without decreasing the converging level.
[0185]
  Claim2According to the described invention, when the wavelength of the laser beam is λ, πθφ₀Since the value of / λ is set to be 100 or less, there is an effect that the laser beam can be emitted from the emission end of the optical fiber without lowering the level of convergence.
[0186]
  Claim3According to the described invention, since the aperture is installed in the vicinity of the incident end of the optical fiber, it is possible to prevent laser irradiation to an unnecessary place near the incident end of the optical fiber, and to protect the optical fiber.
[0187]
  Claim4According to the described invention, since the aperture is installed near the exit end of the optical fiber, it is possible to prevent the reflected beam reflected on the exit side from being irradiated to the clad or the like by the aperture, and the influence of the reflected beam is minimized. It has the effect of protecting the optical fiber.
[0188]
  Claim5According to the described invention, since the fiber incident optical system is configured by using two or two condensing lenses, the beam diameter at the optical fiber incident end face can be easily adjusted according to the beam characteristics of the laser beam. There is an effect that can.
[0189]
  Claim6According to the described invention, since the graded index lens is used as one of the condensing lenses and is arranged in the vicinity of the optical fiber, the position of the graded index lens is slightly adjusted, so that the laser beam in a wide range can be adjusted. The beam diameter at the incident end face of the optical fiber can be easily adjusted while adjusting to the beam characteristics, and there is an effect that various applications are possible.
[0190]
  Claim7According to the described invention, an aperture is installed in the vicinity of the entrance end of the graded index lens, and this aperture can prevent unexpected laser light irradiation around the entrance end face of the graded index lens and the optical fiber and protect them. There is an effect that can be done.
[0191]
  Claim8According to the described invention, since the moving means for the incident beam monitoring device and the condensing lens is installed, there is an effect that the optimum condensing of the laser beam can be automatically performed.
[0192]
  Claim9According to the described invention, since the outgoing beam monitoring device and the moving means for the condensing lens are installed, the optimum focusing of the laser beam can be automatically performed and the convergence of the outgoing beam can be constantly monitored, and the state of the device Can be monitored at any time.
[0193]
  Claim10According to the described invention, since the exit beam monitor device is configured by the aperture installed on the incident side of the optical fiber and the power sensor installed on the exit side, the optimum optimum focusing of the laser beam with a very simple configuration. There is an effect that becomes possible.
[0194]
  Claim11According to the described invention, since the outgoing beam monitor device is configured by the photodiode installed at a position shifted from the optical axis on the outgoing side of the optical fiber, the laser beam can be automatically and optimally condensed and the state of the device can be obtained. Can be monitored at any time.
[0195]
  Claim12According to the described invention, since the exit beam monitor device is configured by the aperture and power sensor installed on the exit side of the optical fiber, the optimum focusing of the laser beam can be automatically performed with a very simple configuration. There is an effect that the convergence of the outgoing beam can be constantly monitored.
[0196]
  Claim13According to the described invention, a moving means for moving one or both of the condensing lens and the incident end face of the optical fiber is installed so that the positional relationship between the two can be moved to the optimum condensing position. There is an effect that an optical transmission device capable of arbitrarily changing the characteristics can be easily obtained.
[0197]
  Claim14According to the described invention, a solid-state laser device is constituted by a solid-state element serving as a laser medium, a laser resonator, and the optical transmission device of the present invention, and an image transfer optical system comprising a mirror and a condenser lens in the laser resonator, And a moving means thereof, so that a highly focused beam is oscillated by the image transfer optical system inside the resonator, and at the same time, the beam diameter of the incident end face of the optical fiber is set to φ_sIt can be easily adjusted to be in the range of ± 50%, and there is an effect that a highly focused laser beam can be obtained.
[0198]
  Claim15According to the described invention, since the monitor device for measuring the outgoing beam from the optical fiber is provided, the focusing level of the laser beam of the laser resonator can be automatically adjusted, whereby the optical fiber is maintained while maintaining the focusing level. There is an effect that transmission can be performed.
[0199]
  Claim16According to the described invention, since the aperture and the aperture diameter adjusting means are provided in the laser resonator, the laser beam focusing level is always maintained for any laser output requirement without adjusting the laser optical system. The laser beam can be emitted through the optical fiber as it is.
[0200]
  Claim17According to the described invention, since the aperture and the moving means in the optical axis direction of the aperture are provided in the laser resonator, the laser beam focusing property is always maintained for any laser output requirement without adjusting the laser optical system. The laser beam can be emitted through the optical fiber as it is.
[0201]
  Claim18According to the described invention, the laser light extracted to the outside in the symmetric resonator is₀At the output level with a large θ, there is a minimum focusing point in the vicinity of the fiber entrance end face, and its diameter
    (Φ _c φ ₀ θ (2n ₀ △ n) ^-1/2 ) ^1/2
Therefore, there is an effect of obtaining a solid-state laser device that can emit a laser beam with little change in convergence even if the laser output changes.
[0202]
  Claim19According to the described invention, the solid-state element 3 is composed of a slab laser medium, and the laser light extracted to the outside is condensed independently in the x direction and the y direction, and is minimally condensed in the vicinity of the fiber incident end face. Has a point and its diameter is
    (Φ _c φ _0x θ _x (2n ₀ △ n) ^-1/2 ) ^1/2
    (Φ _c φ _0y θ _y (2n ₀ △ n) ^-1/2 ) ^1/2
Therefore, it is possible to obtain a solid-state laser device that can emit a laser beam having a condensing performance as a whole after propagation through a fiber to a laser oscillator having different condensing performance in the x direction and the y direction. effective.
[0203]
  Claim20According to the described invention, the solid-state element 3 is composed of a slab laser medium, and φ₀It has a minimum focusing point in the vicinity of the fiber incident end face in the direction of large θ, and the minimum focusing point diameter is
    (Φ _c φ ₀ θ (2n ₀ △ n) ^-1/2 ) ^1/2
Since the light is focused so that the light collecting performance is different from that in the x direction and the y direction, it is possible to emit a laser beam that does not greatly impair the light collecting performance as a whole after propagation through the fiber. There is an effect that a solid-state laser device can be obtained.
[0204]
  Claim21According to the described invention, the laser beam emitted from the optical transmission device or the solid-state laser device according to the present invention is condensed by the condensing optical system for further condensing, and the workpiece is irradiated to perform laser processing. Therefore, there is an effect that laser processing can be performed with extremely high accuracy despite optical fiber transmission.
[0205]
  Claim22According to the described invention, the laser beam emitted from the optical transmission device or the solid-state laser device of the present invention is directly irradiated onto the workpiece to perform laser processing, so that a very simple configuration without a condensing lens is achieved. Thus, there is an effect that processing such as laser hardening is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an optical transmission apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a propagation state of a laser beam in a graded index optical fiber.
FIG. 3 shows the M of the outgoing beam by changing the focal length of the condenser lens.²Value (M² _outIt is explanatory drawing which shows the experimental result which measured).
FIG. 4 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 7 of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 9 of the present invention.
FIG. 12 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 10 of the present invention.
FIG. 13 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 11 of the present invention.
FIG. 14 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 12 of the present invention.
FIG. 15 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 13 of the present invention;
FIG. 16 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 14 of the present invention;
FIG. 17 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 15 of the present invention.
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a relationship between a positional deviation of a laser beam at an optical fiber incident end in a graded index optical fiber and a focused value of an outgoing beam.
FIG. 19 is a block diagram showing an optical transmission apparatus according to Embodiment 16 of the present invention.
FIG. 20 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to a seventeenth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a structural diagram showing a solid-state laser apparatus according to an eighteenth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a structural diagram showing a solid-state laser apparatus according to a nineteenth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to a twentieth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to a twenty-first embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to a twenty-second embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to a twenty-third embodiment of the present invention.
FIG. 27 shows M of the incident beam and the outgoing beam in the twenty-third embodiment shown in FIG.²It is explanatory drawing which shows the relationship with a value.
FIG. 28 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to a twenty-fourth embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to a twenty-fifth embodiment of the present invention.
30 is a block diagram showing a solid-state laser apparatus according to a twenty-sixth embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 31 is a block diagram showing a laser machining apparatus according to Embodiment 27 of the present invention.
FIG. 32 is a block diagram showing a laser machining apparatus according to Embodiment 28 of the present invention.
FIG. 33 is a block diagram showing a laser machining apparatus according to Embodiment 29 of the present invention.
FIG. 34 is a block diagram showing a laser machining apparatus according to Embodiment 30 of the present invention.
FIG. 35 is a block diagram showing a conventional optical transmission apparatus.
FIG. 36 is a laser beam focusing index M.²It is explanatory drawing which shows.
FIG. 37 is an explanatory diagram showing a relationship between an incident angle to an optical fiber and an exit angle.
[Explanation of symbols]
  DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Total reflection mirror (laser resonator), 2 Output mirror (laser resonator), 3 Solid element, 4 Light source, 7 Laser light, 8, 81, 82 Condensing lens (optical fiber incident optical system), 9 Optical fiber ( Graded index optical fiber), 10 laser oscillator, 11, 12, 13, 17, 191 aperture, 15 incident beam monitoring device, 16 outgoing beam monitoring device, 20 output setting mechanism (adjusting means), 21 condenser lens (image transfer) Optical system), 22 Partial reflection mirror (image transfer optical system), 23 Condensing lens (condensing optical system), 70 Laser beam, 83 Graded index lens, 84, 85 Cylindrical lens (optical fiber incident optical system), 104 Lens holder moving device (moving means), 105 Optical fiber holder moving device (moving means), 106 parts A reflecting mirror moving device (moving means) 107 converging lens moving device (moving means) 108 apertures mobile device (control means), 161 power sensor, 162 photodiode, 800 a workpiece.

Claims (22)

An optical fiber composed of a graded index optical fiber, the core diameter of which is φ _c , the refractive index at the core center is n ₀ , and the refractive index difference between the core center and the core periphery is Δn; When the diameter at the beam waste is φ ₀ and the beam opening angle of the laser light is 2θ, the laser light has a minimum condensing point on or near the incident end face of the optical fiber, The diameter φ _in at the minimum focusing point is 0.5φ _s ≦ φ _in ≦ 1.5 φ _s
However,
φ _s = (φ _c φ ₀ θ (2n ₀ Δn) ^−1/2 ) ^1/2
An optical transmission device that transmits a laser beam using a multimode laser beam with an optical fiber incident optical system. 2. The optical transmission device according to claim 1, wherein when the wavelength of the laser beam is λ, the value of the convergence πθφ ₀ / λ of the laser beam is 100 or less. The aperture according to claim 1, further comprising an aperture having a diameter smaller than the core diameter φ _{c of the} optical fiber and larger than φ _{s in the} vicinity of the incident end face of the optical fiber. The optical transmission device according to any one of the above. 3. The aperture according to claim 1, further comprising an aperture having a diameter smaller than a core diameter φ _{c of the} optical fiber and larger than φ _{s in the} vicinity of an emission end face of the optical fiber. The optical transmission device according to any one of the above.   The optical fiber incidence optical system has a condensing lens, and the condensing lens is constituted by two or two condensing lenses. The optical transmission device according to claim 1.   6. The condensing lens on the side close to the optical fiber is composed of a graded index lens, and the graded index lens is installed close to or in close contact with the optical fiber. Optical transmission device.   The optical transmission device according to claim 6, further comprising an aperture in the vicinity of an incident end of the graded index lens.   An incident beam monitor device for measuring the size of the laser beam at the laser light incident end face of the optical fiber, and a moving means for moving the position of the optical fiber incident optical system are further provided, The optical transmission apparatus according to claim 1, wherein a position of the optical fiber incident optical system is adjusted to the position.   An exit beam monitoring device for measuring the exit beam from the optical fiber; and a moving means for moving the position of the optical fiber entrance optical system; and the output of the optical fiber entrance optical system based on the output from the exit beam monitor device. 8. The optical transmission device according to claim 1, wherein the position is adjusted.   The outgoing beam monitor device is composed of a power sensor, and an aperture is installed near the incident end face of the optical fiber, and the fiber incident optical system is moved so that the output of the laser beam detected by the power sensor is maximized. The optical transmission device according to claim 9.   The exit beam monitoring device is composed of a photodiode installed at a position shifted from the optical axis on the exit side of the optical fiber, and moves the fiber incident optical system so that the output of the photodiode is minimized. The optical transmission device according to claim 9.   The exit beam monitoring device is composed of an aperture installed on the exit side of the optical fiber and a power sensor that detects the laser beam that has passed through the aperture, and the fiber incident optics so that the power of the laser beam that passes through the aperture is maximized. The optical transmission apparatus according to claim 9, wherein the optical transmission apparatus moves in a system.   A laser oscillator that oscillates laser light, a condensing lens that condenses the laser light oscillated from the laser oscillator, and condenses the laser light converged by the condensing lens on an incident end face of an optical fiber, In an optical transmission apparatus having an optical fiber incident optical system for transmitting by an optical fiber, the optical fiber is composed of a graded index optical fiber, and the position of one or both of the optical fiber incident optical system and the incident end face of the optical fiber And a focusing means for controlling the convergence of the laser beam emitted from the optical fiber by moving one or both of the optical fiber incident optical system and the incident end face of the optical fiber. The optical transmission device according to any one of claims 1 to 12.   The optical transmission device according to any one of claims 1 to 13, a solid-state element that is excited by light projected from a light source to become a laser medium and generates light, and generated from the laser medium A laser resonator that extracts light as laser light, an image transfer optical system that includes at least a mirror and a condensing lens in the laser resonator, and the mirror and the condensing lens. A moving means for moving in the direction of the optical axis, and adjusting one or both of the mirror and the condenser lens to adjust the beam diameter of the laser beam incident on the incident end face of the optical fiber, Solid state laser device.   An emission beam monitor device for measuring the power of the emitted laser beam emitted from the optical fiber, and moving one or both of the mirror and the condenser lens based on the output from the emission beam monitor device; The solid-state laser device according to claim 14.   The optical transmission device according to any one of claims 1 to 13, a solid element that is excited by light projected from a light source to become a laser medium and generates light, and the laser medium that is generated from the laser medium. Laser excitation for exciting the solid state device, and a laser resonator for extracting the emitted light as laser light, and an aperture placed in the laser resonator and an adjusting means for increasing or decreasing the diameter of the aperture of the aperture A solid-state laser device, wherein the power of the laser beam is adjusted by increasing or decreasing the aperture diameter of the aperture while keeping the input constant.   The optical transmission device according to any one of claims 1 to 13, a solid-state element that is excited by light projected from a light source to become a laser medium and generates light, and generated from the laser medium A laser resonator for extracting light as laser light, an aperture placed in the laser resonator, and a moving means for moving the aperture in the direction of the optical axis of the laser resonator, and laser excitation in the laser resonator A solid-state laser device, wherein the power of the laser beam is adjusted by moving the position of the aperture while keeping the input constant. A solid-state element that is excited by light emitted from a light source to become a laser medium and generates light, a laser resonator that extracts light generated from the laser medium as laser light, and a multimode laser beam as the laser light In the solid-state laser device comprising an optical transmission device comprising an optical fiber for transmitting the laser light, the optical fiber has a core diameter φ _c , a refractive index at the core center is n ₀ , and the core center and the periphery of the core The refractive index difference of the portion is composed of a graded index optical fiber, the laser resonator is composed of a total reflection mirror and an output mirror having the same curvature, and the solid state element includes the total reflection mirror and the It is placed in a so-called symmetrical resonator arranged near the center between the output mirrors, and the diameter of the beam waste of the laser beam at a certain output level is φ _c When the beam opening angle of the laser light is 2θ, the laser light has a minimum condensing point on or very close to the incident end face of the optical fiber, and the laser at the output level at the minimum condensing point diameter φ _in the light _{0.5φ s ≦ φ in ≦ 1.5 φ} s
However,
φ _s = (φ _c φ ₀ θ (2n ₀ △ n) ^−1/2 ) ^1/2
A solid-state laser device comprising a fiber incident optical system as described above. A solid state element that is excited by light emitted from a light source to become a laser medium and generates light, a laser resonator that extracts light generated from the laser medium as laser light, and an optical fiber that transmits the laser light The optical fiber includes a graded index having a core diameter φ _c , a refractive index at the core center of n ₀ , and a refractive index difference between the core center and the core periphery of Δn It is composed of an optical fiber, the solid-state element is composed of a thin plate-like slab shape, and the laser light extracted from the laser resonator has anisotropy with different condensing characteristics in two directions of the x-axis and y-axis. When the diameter of the beam waste of the laser light is φ _0x , φ _0y and the beam opening angle of the laser light is 2θ _x , 2θ _y in each of the x-axis direction and the y-axis direction, the laser light is It has a minimum condensing point in the x-axis direction and the y-axis direction on or very near the incident end face of the optical fiber, and the diameters φ _inx and φ _iny at the minimum condensing point are 0.5 φ _sx ≦ φ _inx ≦, respectively. 1.5 φ _sx , _{0.5φ sy} ≦ φ _iny ≦ 1.5 φ _sy
However,
φ _sx = (φ _c φ _0x θ _x (2n ₀ △ n) ^-1/2 ) ^1/2
φ _sy = (φ _c φ _0y θ _y (2n ₀ △ n) ^-1/2 ) ^1/2
A solid-state laser device comprising a fiber incident optical system as follows. A solid-state element that is excited by light emitted from a light source to become a laser medium and generates light, a laser resonator that extracts light generated from the laser medium as laser light, and an optical fiber that transmits the laser light In the solid-state laser device including the optical transmission device, the optical fiber includes a graded index light having a core diameter φ _c , a refractive index at the core center of n ₀ , and a refractive index difference of Δn between the core center and the core periphery. The solid element is formed of a thin plate-like so-called slab shape, and the laser light extracted from the laser resonator has anisotropy with different condensing characteristics in two directions of the x-axis and y-axis. In the x-axis direction and the y-axis direction, when the diameter of the laser light beam waste is φ _0x , φ _0y and the beam opening angle of the laser light is 2θ _x , 2θ _y , The light has a minimum focal point on or in the immediate vicinity optical fiber entrance end face, phi _0x theta _x and phi _0y theta diameter phi _in at the minimum focal point of the larger axis of _y is 0.5φ _S ≦ φ _in ≦ 1.5 φ _S
However,
φ _S = (φ _c φ ₀ θ (2n ₀ △ n) ^−1/2 ) ^1/2
However,
φ ₀ θ = MAX (φ _0x θ _x , φ _0y θ _y )
A solid-state laser device comprising a fiber incident optical system as described above.   The optical transmission device according to any one of claims 1 to 13, or the solid-state laser device according to any one of claims 14 to 20, and the optical transmission device or the solid-state laser. A condensing optical system for condensing the laser light emitted from the apparatus, and irradiating the workpiece with the laser light condensed by the condensing optical system to perform laser processing Laser processing equipment.   The optical transmission device according to any one of claims 1 to 13, or the solid-state laser device according to any one of claims 14 to 20, wherein the optical transmission device or the A laser processing apparatus for performing laser processing by directly irradiating a workpiece with laser light emitted from a solid-state laser apparatus.

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