CN108602157A - 光纤耦合装置 - Google Patents

Abstract

光纤耦合装置具备壳体和设置于壳体的窗口。该光纤耦合装置构成为将通过激光入口而从外部的多个激光源分别入射的多个激光一并至少引导到光纤。壳体构成为从激光入口入射多个激光。窗口设置于壳体的内部以使得正对激光入口。该光纤耦合装置在光轴调整时能够不需要取下光纤耦合装置。

Description

光纤耦合装置

技术领域

本发明涉及用于光纤传输型激光加工机的光纤耦合装置。

背景技术

近年来，激光输出超过数千瓦的高输出激光加工机普及，在各种生产现场被使用。其中，将高输出激光导光到光纤来进行传输并用于加工的光纤传输型激光加工机的普及显著。

对于高输出化，已知一种与作为射出激光的光源的激光振荡器自身进行高输出化的手法、即单一激光源的高输出化不同，通过将从多个激光源射出的激光在空间上相加而进行了高输出化的激光振荡器。将该在空间上相加后的激光利用光纤耦合装置导光到光纤来进行传输并使用于加工(例如，参照专利文献1)。

此外，已知一种变更、更换激光源来使用的情况下的光纤耦合装置(例如，参照专利文献2)。

图4是现有技术涉及的光纤耦合装置100的剖视图。光纤耦合装置100安装于包括多个激光源的激光振荡器的激光出口。光纤耦合装置100中包含的聚光透镜142通过调整螺丝146经由透镜筒140以能够调整的方式被保持。工艺光纤(process fiber)122通过调整螺丝146经由连接器筒160和连接器164以能够调整的方式被保持。在连接器筒160设置有与连接器164正对的盖玻璃120。

对光纤耦合装置100的动作进行说明。从多个激光振荡器射出的多个激光入射到光纤耦合装置100，被通过调整螺丝146而调整的聚光透镜142聚光，并被导光到通过调整螺丝146而调整的工艺光纤122。

通过以下的方法仅更换多个激光源中的特定的激光源。卸下连接器筒160，或者，在从多个激光振荡器卸下光纤耦合装置100之后卸下透镜筒140，对上述特定的激光源进行了更换之后，再次将连接器筒160或者放回了透镜筒140的光纤耦合装置100安装于多个激光振荡器，然后对聚光透镜142或者工艺光纤122进行调整来进行恢复

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2004-138603号公报

专利文献2：美国发明专利申请公开第2010/0260454号说明书

发明内容

光纤耦合装置具备壳体和设置于壳体的窗口。该光纤耦合装置构成为将从外部的多个激光源通过激光入口分别入射的多个激光一并至少引导到光纤。壳体构成为从激光入口入射多个激光。窗口设置于壳体的内部以使得正对激光入口。

该光纤耦合装置能够在光轴调整时不需要取下光纤耦合装置。

附图说明

图1是实施方式1涉及的光纤耦合装置的外观立体图。

图2A是实施方式1涉及的光纤耦合装置的结构图。

图2B是实施方式1涉及的光纤耦合装置的结构图。

图3A是实施方式2涉及的光纤耦合装置的结构图。

图3B是实施方式2涉及的光纤耦合装置的结构图。

图4是现有的光纤耦合装置的剖视图。

具体实施方式

(实施方式1)

图1是实施方式1涉及的光纤耦合装置1001的外观立体图。图2A和图2B是光纤耦合装置1001的示意图。在图1、图2A和图2B中，定义相互正交的X轴、Y轴和Z轴。沿着X轴定义X轴的正方向和X轴的正方向的相反的负方向。沿着Y轴定义Y轴的正方向和Y轴的正方向的相反的负方向。沿着Z轴定义Z轴的正方向和Z轴的正方向的反对的负方向。图2A示出从Z轴的正方向观察的光纤耦合装置1001的结构构件的配置，图2B示出从Y轴的负方向观察的光纤耦合装置1001的结构构件的配置。

激光振荡器40具备作为激光振荡器模块的激光源11、12、和射出从激光源11、12分别射出的激光的激光合成模块13。激光合成模块13将从激光源11、12向Z轴的负方向分别射出的激光La11、La12合成为具备具有在空间上排列的两个峰值的光强度分布的激光10并向X轴的正方向射出。从激光出口34d射出合成后的激光10。

激光源11和激光源12是近红外波长的高输出激光器，在本实施方式中，在中心波长976nm下射出1kW的功率的激光。

激光合成模块13具备：将激光源11射出的1kW的光输出的激光La11向X轴的正方向弯曲的合成反射镜31；和将激光源12射出的1kW的光输出的激光La12向X轴的正方向弯曲的合成反射镜32。

在激光振荡器40的激光出口34d安装有光纤耦合装置1001，该光纤耦合装置1001具备：将合成后的激光10折弯来改变光路对激光进行传输的折向模块39；将激光10引导到光纤的光纤耦合模块14；和吸收激光10的光束衰减器38。另外，激光振荡器40和光纤耦合装置1001将激光振荡器40的激光出口34d和光纤耦合装置1001的激光入口34f连接。

在折向模块39内配置有折向反射镜16。折向反射镜16由具有30毫米见方的矩形状且具有3毫米的厚度的方形的平行平板的石英构成，在表面施加有高反射涂层。折向反射镜16能够进行移动使得位于Y轴的正方向的位置P1和从位置P1起的Y轴的负方向的位置P2。折向反射镜16能够在希望时位于位置P1，使激光10的光路从X轴的正方向变为Y轴的正方向，或者，能够在希望时位于位置P2，使激光10在X轴的正方向上直线前进。即，折向反射镜16选择性地切换将多个激光La11、La12即激光10引导到光纤15的光路Lr1和引导到窗口30的光路Lr2。

光纤耦合装置1001具备构成为面向激光出口34d而使激光10入射的壳体91、和设置于壳体91的窗口30。光纤耦合装置1001的壳体91具有与激光振荡器40的激光出口34d连接的激光入口34f。激光10从激光入口34f入射到壳体91内。窗口30与激光出口34d(激光入口34f)正对，施加有对于激光10的中心波长(976nm)具有低反射率的低反射涂层以使得能够使激光10透过。窗口30由直径30毫米且厚度2毫米的呈圆板形状的石英构成。通过窗口30能够观察激光10。不被折向反射镜16反射而直线前进的激光10透过窗口30。

光纤耦合装置1001具备用于对折向反射镜16进行驱动的电动机19、轴18和折向反射镜架17。折向反射镜16固定于折向反射镜架17，折向反射镜架17经由轴18与电动机19连接，因此能够通过根据指令而旋转的电动机19来移动。

在激光10的光路未被折向反射镜16弯曲的情况下，激光10直线前进。在与不照射到折向反射镜16而在X轴的正方向上直线前进的激光10直接正对的位置设置有光束衰减器38。光束衰减器38在内部具有锥形的激光吸收体，对透过了窗口30的激光进行吸收而使其衰减。

光纤耦合装置1001还具备设置于折向模块39外部的光纤耦合模块14。光纤耦合模块14设置在被折向反射镜16弯曲而在Y轴的正方向上前进的激光10射出的位置。光纤耦合模块14具有将激光10一并进行聚光并导出到光纤15的光纤耦合功能，该激光10具备具有在空间上排列的两个峰值的光强度分布。

光纤耦合模块14具备对激光10进行聚光的透镜模块36和保持作为工艺光纤的光纤15的插座37。

透镜模块36例如以能够移动的方式包含直径30毫米、焦点距离50毫米的石英的光纤耦合透镜35，将激光10聚光在光纤15的给定部位。

光纤15例如是具有150微米的直径的芯和400微米的直径的包层的石英系的光纤，对入射的激光10进行传输。光纤15使用插座37，与光纤耦合模块14连接。

入射到光纤耦合模块14的激光10在光纤15中传播，经由设置在光纤15的输出端的加工头而用于加工。

关于光纤耦合装置1001，对更换激光源所附带的光轴的调整等动作进行说明。在本实施方式中，例如，设想激光源11的更换。

首先，取下要更换的激光源11，更换为新的激光源33。激光源33构成为照射激光La33。然后，使用电动机19将折向反射镜16向Y轴的负方向提升，使激光10不被折向反射镜16弯曲而向X轴的正方向直线前进。从折向模块39取下光束衰减器38。

在光束衰减器38的位置，设置对激光10以及激光La12、La33的位置、光强度分布、和激光10的光输出进行观察的设备38a。设备38a优选将激光10的重心的位置作为激光10的位置来进行观察。设备38a优选将激光10的光强度的峰值的86％的直径作为激光10的光强度分布来进行观察。由此，调整合成反射镜31，使得新的激光源33射出的激光La33与更换前的激光源11射出的激光La11照射到相同的位置。

然后，卸下设备38a并将光束衰减器38装回到折向模块39。使用电动机19将折向反射镜16向Y轴的正方向移动，由折向反射镜16将新的激光源33射出的激光La33弯曲而引导到光纤耦合模块14。使用设置于光纤15输出端的功率计对光纤耦合透镜35进行调整。

另外，在本实施方式中，合成反射镜31、32将激光La11、La12折弯90度，但是只要将激光La11、La12折弯到从窗口30能够观察激光出口34d的角度即可，不对该角度进行限定。此外，窗口30也可以不是平行平板而是具有呈有限曲率的曲面的透镜。

同样地，折向反射镜16也可以是施加了高反射涂层的楔形板。进而，虽然电动机19设置在折向模块39内部，但电动机19也可以设置在折向模块39的外部使得经由轴18来驱动折向模块39。

在实施方式1中的光纤耦合装置1001中，在激光10直线前进且与激光入口34f正对的位置设置有窗口30。也可以在激光10直线前进且与激光入口34f正对的位置设置光纤耦合模块14，在将激光10折弯90度进行传播的位置设置窗口30。

在包括多个激光源的光纤传输型激光加工机中，要求仅将多个激光源中的特定的激光源在生产现场进行更换。

在图4所示的现有的光纤耦合装置100中，为了在不取下光纤耦合装置100的情况下更换激光源附带地对光轴进行调整，供加工的高输出的激光不仅入射到传输激光的工艺光纤122的芯，还入射到工艺光纤122的包层，有可能使工艺光纤122破损。

因此，在现有的光纤耦合装置100中，为了更换激光源附带地对光轴进行调整，需要取下该光纤耦合装置，且需要采取防止工艺光纤122的端面、聚光透镜、透镜模块、激光振荡器的污染的对策，例如用于清洁环境的清洁工作台的设置和管理、干燥状态下的光纤耦合装置100的保管、清除用洁净空气配管设备、作业者的洁净环境对应。

在实施方式1涉及的光纤耦合装置1001的内部，在与激光入口34f正对的位置设置窗口30，由此在更换激光源11、12时，无需从折向模块39取下光纤耦合模块14，能够防止光学部件、光纤端污染。

由于在激光源11、12更换时不取下光纤耦合模块14，因此不需要用于对光纤耦合模块14维持清洁的环境的设备，例如清洁工作台、在更换的期间在清洁的环境中保管构件的设备，例如干燥柜。

此外，由于在更换激光源11、12时不取下光纤耦合模块14，因此还能够防止污染物质向激光振荡器40的内部侵入，也不需要在激光振荡器40搭载防止进入污染物质的装置、机构。

而且，由于正对激光入口34f设置有窗口30，因此，能够经由窗口30目视确认折向反射镜16的动作而不会污染折向模块39内部的各部件，并且不会暴露折向模块39内部，能够容易地发现异常。

此外，由于隔着正对激光入口34f设置的窗口30设置光束衰减器38，因此即使万一在折向反射镜16产生异常而激光10直线前进也能够被光束衰减器38吸收从而确保安全。

进而，由于光纤耦合装置1001不需要具备出口窗口，因此没有起因于出口窗口插入的损失，并且，不需要考虑起因于出口窗口的热透镜效应。

而且，由于不需要将光纤耦合模块14从折向模块39取下，因此无需从插座37拔下光纤15，能够防止光纤15的端面的污染。

而且，由于不需要将光纤耦合模块14从折向模块39取下，因此无需将用于对光纤耦合模块14、光纤15进行冷却的冷却水用软管卸下的作业。因此，无需停止用于对光纤耦合模块14、光纤15进行冷却的冷却水，即，无需等待激光输出直到一度停止了的冷却水达到规定温度为止，能够高效地更换激光源11、12。

此外，在窗口30为凹透镜的情况下，能够使入射到光束衰减器38的激光10扩散，光束衰减器38中的接受激光的密度变小，能够降低光束衰减器38的破损的可能性。

同样地，从折向模块39卸下光束衰减器38，并在光束衰减器38的位置设置对激光10或者激光La33的位置、光强度分布、激光输出进行观察的设备38a。通过将窗口30设为与设备38a的规格、例如容许最大输出、灵敏度、有效传感器区域尺寸相应的透镜，从而能够配合对测量的激光进行放大或者缩小来进行观察的设备38a而最佳化，能够高效且精度良好地实施测量。

如上述那样，光纤耦合装置1001具备壳体91和设置于壳体91的窗口30。光纤耦合装置1001构成为将通过激光入口34f而从外部的多个激光源11、12分别入射的多个激光La11、La12一并至少引导到光纤15。壳体91构成为从激光入口34f入射多个激光La11、La12。窗口30设置在壳体91的内部使得与激光入口34f正对。

多个激光源11、12使多个激光La11、La12从激光入口34f分别沿入射方向DL入射。窗口30也可以位于从激光入口34f起的入射方向DL上。

折向反射镜16选择性地切换将多个激光La11、La12引导到光纤15的光路Lrl和引导到窗口30的光路Lr2。

光纤耦合模块14将多个激光La11、La12引导到光纤15。

光束衰减器38吸收透过窗口30的激光10。

(实施方式2)

图3A和图3B是实施方式2涉及的光纤耦合装置1002的结构图。图3A示出从Z轴的正方向观察光纤耦合装置1002的结构要素的配置，图3B示出从Y轴的负方向观察光纤耦合装置1002的结构要素的配置。在图3A和图3B中，对与图1至图2B所示的实施方式1涉及的光纤耦合装置1001相同的部分标注相同的参照编号。光纤耦合装置1002具备折向连结模块79取代实施方式1涉及的光纤耦合装置1001的折向模块39，具备窗口50取代窗口30，具备光束衰减器78取代光束衰减器38。窗口50由无涂层石英构成。光束衰减器78具有暂时储存在其内部进行循环的冷却水的构造。

在激光振荡器40的激光出口34d安装有折向连结模块79，该折向连结模块79具有将激光10折弯来改变光路地传输激光10的串联配置的两个折向模块39、539。

在折向连结模块79内配置有多个折向反射镜16、56。折向反射镜16、56是施加了高反射涂层的平行平板的反射镜。折向反射镜16、56都能够控制为在希望的时候位于Y轴的正方向来将激光10的光路改变到Y轴的正方向，或者，在希望的时候位于Y轴的负方向来使激光10直线前进。具体来说，折向反射镜16选择性地切换将多个激光La11、La12即激光10引导到光纤15的光路Lr1和引导到窗口30的光路Lr2。折向反射镜56选择性地切换将多个激光La11、La12即激光10引导到光纤55的光路Lr3和光路Lr2。

正对激光入口34f而配置有窗口50。窗口50由平行平板构成，该平行平板由施加了在激光10的中心波长(976nm)下反射率小的低反射涂层的石英构成。该平行平板呈具有30毫米的直径和2毫米的厚度的圆板形状。不被折向反射镜16、56反射而直线前进的激光10透过窗口50，通过窗口50能够进行观察。

电动机19、轴18、折向反射镜架17对折向反射镜16进行驱动。折向反射镜16固定于折向反射镜架17，折向反射镜架17经由轴18与电动机19连接。电动机19根据指令而旋转，使折向反射镜16移动。

同样地，电动机59、轴58、折向反射镜架57对折向反射镜56进行驱动。折向反射镜56固定于折向反射镜架57，折向反射镜架57经由轴58与电动机59连接。电动机59根据指令而旋转从而使折向反射镜56移动。

在折向连结模块79的外部，在不通过折向反射镜16或折向反射镜56来使激光10的光路弯曲的情况下激光10直线前进，因此在不被折向反射镜16、56弯曲而与激光10直接正对的位置设置有光束衰减器78。光束衰减器78具有具备暂时储存在内部循环的冷却水的构造的激光吸收体，对透过了窗口50的激光10进行吸收。

在折向反射镜16使激光10的光路弯曲了的情况下，在射出激光10的折向连结模块79外部的位置，设置有具有对激光10进行聚光并引导到光纤15的光纤耦合功能的光纤耦合模块14。在通过折向反射镜56使激光10的光路弯曲的情况下，在射出激光10的折向连结模块79外部的位置设置有具有对激光10进行聚光并引导到光纤55的光纤耦合功能的光纤耦合模块74。

通过根据指令对电动机19、59进行控制，能够选择光纤耦合模块14、光纤耦合模块74和光束衰减器78中的引导激光10的目的地。

光纤耦合模块14具备对激光10进行聚光的透镜模块36和保持光纤15的插座37。

透镜模块36例如以能够移动的方式包含由直径30毫米、焦点距离50毫米的石英构成的光纤耦合透镜35，将激光10聚光在光纤15的给定部位。

光纤15例如是芯直径150微米、包层直径400微米的石英系的光纤，对入射的激光10进行传输。光纤15使用插座37与光纤耦合模块14连接。

入射到光纤耦合模块14的激光10在光纤15中传播，经由设置于光纤15的输出端的加工头而用于加工。

同样地，光纤耦合模块74具备以能够移动的方式包含对激光10进行聚光的光纤耦合透镜75的透镜模块76、和保持对激光10进行传输的工艺光纤即光纤55的插座77。光纤55使用插座77与光纤耦合模块74连接。入射到光纤耦合模块74的激光10在光纤55中传播，并经由设置于光纤55的输出端的加工头而用于加工。

关于光纤耦合装置1002，对更换激光源11、12所附带的光轴的调整等动作进行说明。在实施方式2中，说明更换激光源11时的动作。

首先，取下要更换的激光源11，更换为新的激光源33。然后，使用电动机19将折向反射镜16向Y轴的负方向弹起，并使用电动机59将折向反射镜56向Y轴的负方向弹起，以使得激光10不被折向反射镜16、56弯曲而能够直线前进。从折向连结模块79卸下光束衰减器78。

在光束衰减器78的位置配置对激光10或者激光La12、La33的位置、光强度分布、激光输出进行观察的设备78a并进行测量，由此对合成反射镜31进行调整以使得激光源33射出的激光La33成为与更换前的激光源11相同的位置。然后，将光束衰减器78装回折向连结模块79。

使用电动机19将折向反射镜16向Y轴的正方向降低，用折向反射镜16将激光10弯曲并引导到光纤耦合模块14。使用设置于光纤15的输出端的功率计对光纤耦合透镜35进行调整。

然后，使用电动机19将折向反射镜16向Y轴的负方向弹起，然后，使用电动机59将折向反射镜56向Y轴的正方向降低，用折向反射镜56将激光10弯曲并引导到光纤耦合模块74。使用设置于光纤55的输出端的功率计对光纤耦合透镜75进行调整。

在实施方式2中的光纤耦合装置1002中，两个折向模块39、59被串联连接，但也可以将三个以上的折向模块串联连接。也可以取代光束衰减器78而设置另外的光纤耦合模块。

此外，折向反射镜16、56都是由施加了高反射涂层的平行平板构成的反射镜。也可以折向反射镜16是由施加了高反射涂层的平行平板构成的反射镜，折向反射镜56是由施加了部分反射涂层、例如具有50％的反射率的反射涂层的平行平板构成的反射镜。从激光出口34d输出的激光10照射到折向反射镜56之后照射到折向反射镜16。照射到折向反射镜56的激光10的全量中的某些量(在实施方式2中为50％的量)被折向反射镜56反射，其余的量(在实施方式2中为50％量)透过折向反射镜56。透过了折向反射镜56的量的激光10照射到施加了全反射涂层的折向反射镜16，其全量被反射而通过光纤耦合模块14并被引导到光纤15。在折向反射镜56发生了反射的量的激光10通过光纤耦合模块74被引导到光纤55。如此，仅将折向反射镜16、56中的折向反射镜56由施加了部分反射涂层的平行平板的反射镜构成，由此能够将激光10同时引导到两条光纤15、55。

如上，在将激光10引导到多个光纤15、55的光纤耦合装置1002的内部在与激光入口34f正对的位置设置有窗口50。由此，在更换激光源11时，不需要暴露折向连结模块79内部，因此能够防止折向连结模块79内部的部件发生污染，特别是能够防止折向反射镜16、56发生污染，同时，也不需要搭载用于防止污染物质侵入到折向连结模块79内部的利用被加压的洁净空气的空气清除装置、机构。

此外，通过将电动机19、59设置在折向连结模块79内部，从而贯通折向连结模块79的内部与外部的仅是传递指令的电气信号线，能够容易地实现防尘构造。

通过在窗口50使用未施加涂层的无涂层石英，从而能够抑制其价格，并且，作为暂时储存进行循环的冷却水并对光束衰减器78的冷却水进行密封的盖子，能够与折向连结模块79的密封共用。

进而，通过仅将折向反射镜16、56中的折向反射镜56由施加了部分反射涂层的平行平板的反射镜构成，从而能够将激光10同时引导到两条光纤15、55。

光纤耦合装置1002构成为将多个激光La11、La12一并引导到光纤15、55。折向反射镜56选择性地切换将多个激光La11、La12引导到光纤55的光路Lr3和光路Lr2。光纤耦合模块14将多个激光La11、La12引导到光纤15。光纤耦合模块74将多个激光La11、La12引导到光纤55。

产业上的可利用性

本发明涉及的光纤耦合装置能够容易地更换激光源，对于光纤传输型激光加工机等有用。

符号说明

10 激光

11 激光源(第1激光源)

12 激光源(第2激光源)

13 激光合成模块

14 光纤耦合模块

15 光纤

16 折向反射镜

17 折向反射镜架

18 轴

19 电动机

30 窗口

31 合成反射镜

32 合成反射镜

33 激光源

34d 激光出口

34f 激光入口

35 光纤耦合透镜

36 透镜模块

37 插座

38 光束衰减器

39 折向模块

40 激光振荡器

50 窗口

55 光纤

56 折向反射镜

57 折向反射镜架

58 轴

59 电动机

74 光纤耦合模块

75 光纤耦合透镜

76 透镜模块

77 插座

78 光束衰减器

79 折向连结模块

91 壳体

Lr1 光路(第1光路)

Lr2 光路(第2光路)

Lr3 光路(第3光路)。

Claims (6)

1.一种光纤耦合装置，具备壳体和设置于所述壳体的窗口，

所述光纤耦合装置构成为将从外部的多个激光源通过激光入口分别入射的多个激光一并至少引导至第1光纤，

所述壳体构成为从所述激光入口入射所述多个激光，

所述窗口设置在所述壳体的内部使得正对所述激光入口。

2.根据权利要求1所述的光纤耦合装置，其中，

所述多个激光源使所述多个激光分别从所述激光入口沿入射方向入射，

所述窗口位于从所述激光入口起的所述入射方向上。

3.根据权利要求1所述的光纤耦合装置，其中，

所述光纤耦合装置还具备第1反射镜，所述第1反射镜选择性地切换将所述多个激光引导到所述第1光纤的第1光路和引导到所述窗口的第2光路。

4.根据权利要求3所述的光纤耦合装置，其中，

所述光纤耦合装置还具备光纤耦合模块，所述光纤耦合模块将所述多个激光引导到所述第1光纤。

5.根据权利要求3所述的光纤耦合装置，其中，

所述光纤耦合装置构成为将所述多个激光一并引导到所述第1光纤和第2光纤，

所述光纤耦合装置还具备：

第2反射镜，其选择性地切换将所述多个激光引导到所述第2光纤的第3光路和所述第2光路；

第1光纤耦合模块，其将所述多个激光引导到所述第1光纤；和

第2光纤耦合模块，其将所述多个激光引导到所述第2光纤。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤耦合装置，其中，

所述光纤耦合装置还具备光束衰减器，所述光束衰减器对透过所述窗口的激光进行吸收。