CN114746799A - 射束耦合装置以及激光加工机 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种射束耦合装置以及激光加工机。射束耦合装置(2)具备光源(30)、多个光学单元(4)和耦合光学系统(20)。光源包含在第1方向(X)以及第2方向(Y)上排列的多个光源元件(31)，从各光源元件发出分别具有与第1方向以及第2方向交叉的光线方向的多个光束。多个光学单元(4)按照光源中沿第1方向排列的光源元件的每个组(3)，对各光束进行导光。耦合光学系统将被各光学单元导光的多个光束耦合。在光源元件的组之中，各光学单元使来自位于第1方向上的外侧的光源元件的光束的光线方向(La)向外，将来自各光源元件的光束导光至耦合光学系统。

Description

射束耦合装置以及激光加工机
技术领域
本公开涉及射束耦合装置以及具备射束耦合装置的激光加工机。
背景技术
专利文献1公开了使各个光束叠加来形成耦合射束的波长合成式的激光系统。在专利文献1中公开了如下的内容，即，从增大光输出的观点出发，将来自多个二极管条的光束聚光到光纤。此外，从使激光系统小型化的目的出发，另外包含用于使波长合成中的耦合透镜的配置从焦距偏移的光学系统，或者使射束转子旋转。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第2016/0048028号说明书
发明内容
发明要解决的问题
本公开提供一种能够高密度地耦合多个光束的射束耦合装置以及具备该射束耦合装置的激光加工机。
用于解决问题的技术方案
本公开涉及的射束耦合装置具备光源、多个光学单元和耦合光学系统。光源包含在相互交叉的第1方向以及第2方向上排列的多个光源元件，从各光源元件发出分别具有与第1方向以及第2方向交叉的光线方向的多个光束。多个光学单元按照光源中沿第1方向排列的光源元件的每个组，对各光束进行导光。耦合光学系统将被各光学单元导光的多个光束耦合。在光源元件的组之中，各光学单元使来自位于第1方向上的外侧的光源元件的光束的光线方向向外，将来自各光源元件的光束导光至耦合光学系统。
本公开涉及的激光加工机具备上述的射束耦合装置和将由射束耦合装置耦合后的光束照射到加工对象物的加工头。
发明效果
根据本公开涉及的射束耦合装置以及激光加工机，能够在射束耦合装置中高密度地耦合多个光束。
附图说明
图1是例示本公开的实施方式1涉及的激光加工机的结构的框图。
图2是示出实施方式1涉及的射束耦合装置的整体结构的图。
图3是说明了射束耦合装置中的外侧的主光线向外的图。
图4是对射束耦合装置中的耦合光学系统进行了说明的图。
图5是说明了耦合光学系统的柱面透镜的焦距的图。
图6是例示射束耦合装置中的光学单元的基本结构的图。
图7是示出光学单元中的射束旋转器单元的结构例的立体图。
图8是示出实施方式1的射束耦合装置中的光学单元的结构例的图。
图9是例示图8的光学单元中的主光线的光路图。
图10是示出射束耦合装置中的外侧的光学单元的结构例1的图。
图11是示出射束耦合装置中的外侧的光学单元的结构例2的图。
图12是示出实施方式1的射束耦合装置的实施例的图。
图13是示出实施方式2的射束耦合装置中的光学单元的结构例的图。
图14是图13的光学单元中的剖视图。
图15是例示图13的光学单元中的主光线的光路图。
图16是示出实施方式2的射束耦合装置的实施例的图。
图17是示出射束耦合装置的变形例的图。
具体实施方式
以下，适当参照附图对实施方式进行详细地说明。但是，有时省略必要以上的详细说明。例如，有时省略已经熟知的事项的详细说明、对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员容易理解。
另外，申请人为使本领域技术人员充分地理解本公开而提供附图以及以下的说明，其意图并不在于通过它们来限定请求的范围记载的主题。
(实施方式1)
在实施方式1中，对空间合成型的射束耦合装置以及具备该射束耦合装置的激光加工机进行说明。
1.关于激光加工机
利用图1对实施方式1涉及的激光加工机进行说明。
图1是例示本实施方式涉及的激光加工机1的结构的图。激光加工机1例如具备射束耦合装置2、传输光学系统10、加工头11和控制器12。激光加工机1是将激光照射到各种各样的加工对象物15进行各种激光加工的装置。各种激光加工例如包含激光焊接、激光切断以及激光穿孔等。
在本实施方式中，射束耦合装置2具备激光光源30、多个光学单元4-1～4-3和耦合光学系统20。在本实施方式中，激光光源30包含多个LD条3-1～3-3。以下，有时将LD条3-1～3-3总称为“LD条3”，将光学单元4-1～4-3总称为“光学单元4”。
LD条3由包含一维地排列的多个LD(激光二极管)的光源元件的阵列来构成。在射束耦合装置2中，多个LD条3例如使各个LD的排列方向平行，并在与排列方向正交的方向上并排配置。射束耦合装置2中的LD条3的个数图示了3个的例子，但没有特别限定，也可以为2个或者4个以上。
以下，将LD条3中多个LD排列的方向称为“X方向”，将多个LD条3-1～3-3排列的方向称为“Y方向”，将与X、Y方向正交的方向称为“Z方向”。
本实施方式的射束耦合装置2是进行将激光光源30中空间性地配置的多个LD条3的各LD发出的多个光束耦合的空间合成型的射束耦合，例如供给激光加工机1的激光的装置。在本实施方式中，提供能够在小的射束直径下高密度地进行射束耦合的射束耦合装置2。
在本实施方式的射束耦合装置2中，多个光学单元4例如设置LD条3的个数份。一个光学单元4是将来自一个LD条3的各LD的光束导光至耦合光学系统20的光学系统。耦合光学系统20是射束耦合装置2中的将来自各光学单元4的光束耦合的光学系统。关于射束耦合装置2将后述。
在激光加工机1中，传输光学系统10包含配置为入射例如由耦合光学系统20耦合后的光束的光纤，将来自射束耦合装置2的激光传输到加工头11。加工头11例如是与加工对象物15对置配置，将从射束耦合装置2传输的激光照射到加工对象物15的装置。
控制器12是对激光加工机1的整体动作进行控制的控制装置。控制器12例如具备与软件协作来实现给定功能的CPU或者MPU。控制器12具备对各种程序以及数据进行存储的闪存等内部存储器。控制器12也可以具备能够通过使用者的操作来输入振荡条件等的各种界面。此外，控制器12也可以具备实现各种功能的ASIC、FPGA等硬件电路。此外，控制器12也可以与激光光源30的驱动电路一体地构成。
2.关于射束耦合装置
利用图2对本实施方式涉及的射束耦合装置2进行说明。
图2是示出射束耦合装置2的整体结构的图。图2的(A)示出从X方向观察射束耦合装置2的侧视图。图2的(B)示出从Y方向观察射束耦合装置2的俯视图。
在本实施方式的射束耦合装置2中，例如，如图2的(A)所示，各LD条3配置在各自的光学单元4的-Z侧。各光学单元4分别包含与LD条3对置配置的BTU(射束旋转器单元)40、和配置在BTU40的+Z侧的SAC(慢轴准直仪)45。耦合光学系统20配置在光学单元4的+Z侧，包含轴对称的聚光透镜21以及配置在聚光透镜21与光学单元4之间的柱面透镜22。
在图2的(B)中，例示了LD条3中的5个LD31a、31b、31c、31d、31e。一个LD条3中包含的LD31a～31e的个数例如为数十个～数百个。LD条3中的多个LD31a～31e是本实施方式的激光光源30中的1组光源元件的一例。以下，有时将LD31a～31e总称为“LD31”。各LD31构成LD条3的发射器，分别向+Z侧射出光束。
在图2的(A)、(B)中，例示作为射束耦合装置2对光束的耦合结果的射束耦合位置P1。射束耦合位置P1例如设定在包含从全部的LD条3-1～3-3的各LD31a～31e发出的光束的射束直径成为最小的位置。例如，在射束耦合位置P1配置上述的传输光学系统10的光纤的入射端。
在图2的(A)中，例示了来自Y方向上的外侧的LD条3-1的光束的主光线L1、和来自中央的LD条3-2的光束的主光线L2。在图2的(B)中，例示了来自X方向上的外侧的LD31a的光束的主光线La、和来自中央的LD31c的光束的主光线Lc。在本实施方式的射束耦合装置2中，例如X、Y方向上的中央的LD31c，具有在对置的光学单元4以及耦合光学系统20中直线前进且与Z方向平行的主光线Lc。
在本实施方式中，例如从空间合成所带来的射束耦合装置2的高输出化的观点出发，如图2的(A)所示，对应的光学单元4构成为使沿Y方向排列的多个LD条3中的外侧的LD条3-1发出的光束的主光线L1向内(详情后述)。例如，图中上侧(+Y侧)的光学单元4使光束的主光线L1从Z方向朝下侧(-Y侧)倾斜。在该情况下，LD条3间主光线L1、L2相交的Y方向上的射束耦合位置P1位于比聚光透镜21的焦点位置P0更靠-Z侧。
另一方面，如图2的(B)所示，在按照每个LD条3沿X方向排列的多个LD31a～31e中，本实施方式的射束耦合装置2构成为使来自外侧的LD31a的光束的主光线La向外。由此，如后面详述的那样，能够减小各光束耦合时的射束直径自身，提高向耦合光学系统20入射的光束的密度。进而，为了在X方向和Y方向上使射束耦合位置P1一致，本实施方式的射束耦合装置2在耦合光学系统20中使用柱面透镜22。以下，对射束耦合装置2的详情进行说明。
2-1.射束耦合装置的详情
首先，在本实施方式的射束耦合装置2中，利用图3对在不使用柱面透镜22的情况下使X方向外侧的主光线La向外的作用效果进行说明。
图3的(A)例示不具有柱面透镜22的情况下的射束耦合装置2中的各种光线的光路。各种光线包含与图2的(B)同样的主光线La、Lc及其周边光线。
在图3的(A)中，例示使X方向外侧的主光线La向外的前后的光路。此外，例如例示了BTU40的+Z侧的面的光学像通过聚光透镜21成像的成像位置P2。在成像位置P2，平均一个LD31的射束直径成为最小。另一方面，多个LD31a～31e整体的光束的射束直径在彼此的主光线交叉的位置成为最小。
根据本实施方式的射束耦合装置2，通过使来自外侧的LD31a的光束的主光线La向外，从而主光线La、Lc交叉的位置P11成为比焦点位置P0靠+Z侧。即，通过外侧的主光线La的向外，能够使主光线La、Lc的交叉位置P11接近成像位置P2。
图3的(B)示出图3的(A)中的聚光透镜21的焦点位置P0附近的区域的放大图。在聚光透镜21的焦点位置P0，与成像位置P2分离的量相应地，各个LD31的射束直径B0会变得大于成像位置P2。与之相对，在使主光线La向外时的交叉位置P11，与比焦点位置P0更靠近成像位置P2的量相应地，关于各个LD31可得到小的射束直径B11。
因而，根据本实施方式的射束耦合装置2，不仅从多个光束的合成的观点出发，而且从各个光束的观点出发也能够缩小耦合时的射束直径。由此，能够实现高密度的射束耦合，能够改良射束质量。
在此，认为会产生如下的新问题，即，图3的(A)、(B)所例示的交叉位置P11成为比聚光透镜21的焦点位置P0更靠+Z侧，从使Y方向上外侧的主光线向内时的射束耦合位置P1(参照图2的(A))偏离。因此，在本实施方式中，将仅在X方向上具有正的屈光力的柱面透镜22用于耦合光学系统20，消除X、Y方向间的不匹配。
2-1-1.关于耦合光学系统
图4是说明了本实施方式的射束耦合装置2中的耦合光学系统20的柱面透镜22的作用效果的图。图4的(A)、(B)在包含柱面透镜22的射束耦合装置2中，例示与图3的(A)、(B)同样的主光线La、Lc的光路。
如图4的(A)、(B)所示，根据柱面透镜22，在X方向上作为耦合光学系统20整体的焦点位置P10成为比聚光透镜21的焦点位置P0更靠-Z侧。在该情况下，X方向外侧的向外时的主光线La、Lc相互交叉的位置即射束耦合位置P1代替图3的(A)、(B)的例子中的聚光透镜21的焦点位置P0，成为比上述的焦点位置P10更靠+Z侧。因而，在比聚光透镜21的焦点位置P0更靠-Z侧的范围内，使射束耦合位置P1接近成像位置P2，能够与上述的例子同样地缩小射束直径。
进而，柱面透镜22在Y方向上不具有屈光力，因此如图2的(A)所示，尤其不会干扰到在Y方向外侧向内的主光线L1。因此，Y方向上的射束耦合位置P1不局限于有无柱面透镜22，都能够维持在比聚光透镜21的焦点位置P0更靠-Z侧。因而，根据本实施方式的耦合光学系统20，通过比Y方向大的X方向上的屈光力，如图2的(A)、(B)所示，能够在X方向和Y方向上使射束耦合位置P1匹配。
图5是说明了柱面透镜22的焦距D2的图。在本实施方式的耦合光学系统20中，柱面透镜22例如具有聚光透镜21的焦距以上等比较长的焦距D2。柱面透镜22的焦距D2例如也可以比从位置P20到柱面透镜22的距离D1短，位置P20是在X方向外侧向外的主光线La朝-Z侧的延长线Ea与中央的主光线Lc的延长线Ec的交点的位置。延长线Ec例如与聚光透镜21的光轴对应。
基于如以上的焦距D2，柱面透镜22的屈光力可以是如下的程度，即，在X方向外侧的主光线La向外了的状态下入射到柱面透镜22之后，向聚光透镜21射出时使该主光线La向内的程度。根据这样的屈光力，在比聚光透镜21的焦点位置P0更靠-Z侧，使主光线La、Lc彼此交叉。另外，柱面透镜22和BTU40间的间隔也可以设定为柱面透镜22的焦距D2。
在以上的说明中，说明了在耦合光学系统20中使用柱面透镜22的例子，但也可以不必一定使用柱面透镜22。例如，也可以在耦合光学系统20中采用在X方向上具有比Y方向大的正的屈光力的各种各样的光学系统。例如，只要是作为耦合光学系统20整体而X、Y方向上的屈光力与图2的结构相同的光学系统，就能够与上述同样地使X、Y方向上的射束耦合位置P1匹配。
2-2.关于光学单元
以下，对本实施方式中的射束耦合装置2的光学单元4的详情进行说明。
2-2-1.光学单元的基本结构
首先，利用图6～图7对光学单元4的基本结构进行说明。图6例示光学单元4的基本结构。
图6的(A)示出基本结构中的光学单元4的俯视图。图6的(B)示出图6的(A)的光学单元4的侧视图。在图6的(A)、(B)中，例示了来自一个LD31的光束的光路。
光学单元4中的BTU40包含BT(射束旋转器)50和FAC(快轴准直仪)41。在光学单元4中，例如从LD31附近向+Z侧依次配置FAC41、BT50以及SAC45。
在本实施方式中，LD31发出具有快轴Af以及慢轴As的光束。光束的快轴Af比慢轴As更迅速地扩大射束直径，并且更容易得到良好的射束质量。在LD31的光束入射到光学单元4之前，光束的快轴Af朝向Y方向，慢轴As朝向X方向。
FAC41为了在快轴Af上对光束进行准直而设置，例如由具有正的屈光力的柱面透镜构成。例如，如图6的(A)、(B)所示，FAC41将长边方向朝向X方向地配置。在本例中，来自LD31的光束通过FAC41而在Y方向(即，快轴Af)上被准直，入射到BT50。
在图7中示出BT50的结构例。BT50例如是使多个光束分别旋转的光学元件，包含多个斜行的透镜部51。在BT50中，斜行透镜部51是构成每个LD31的透镜的部分，例如构成柱面透镜。BT50例如形成为在长边方向上以给定的间距排列多个斜行透镜部51。斜行透镜部51例如相对于排列方向以及BT50的厚度方向的双方倾斜了45°。斜行透镜部51的间距例如与LD条3中的LD31间的间距相同。
在图6的(A)、(B)的例子中，BT50使从LD31经由FAC41入射的光束在XY平面中旋转旋转角度90°。由此，从BT50射出的光束的慢轴As变为朝向Y方向，快轴Af变为朝向X方向。此外，BT50射出时的光束在Y方向上成为发散光，在X方向上成为平行光。
SAC45为了在慢轴As上对光束进行准直而设置，例如由具有正的屈光力的柱面透镜构成。例如，如图6的(A)、(B)所示，SAC45将长边方向朝向X方向而配置。在本例中，来自BT50的光束通过SAC45而在Y方向(即，慢轴As)上被准直，从光学单元4射出。
根据以上的光学单元4，从LD条3的各LD31发出的光束基本上在快轴Af以及慢轴As上被准直。但是，通过光的波动性的作用，尤其是在快轴Af上作为来自BT50的+Z侧的面等的波的影响而耦合时的射束直径可能扩大。与之相对，根据本实施方式的光学单元4，通过X方向上的外侧的主光线的向外和耦合光学系统20能够降低上述的影响，减小射束直径。
在本实施方式中，利用如以上的光学单元4的各部分的基本功能来实现各种主光线的向外以及向内。以下，对这样的光学单元4的结构例进行说明。
2-2-2.X方向向外的结构例
图8示出本实施方式的射束耦合装置2中的光学单元4的结构例。图8连同LD31a～31e一起示出了从-Z侧观察的光学单元4的前视图。
在本实施方式的射束耦合装置2中，从使X方向上的外侧的各主光线向外的观点出发，例如各光学单元4如图8所示那样构成。在本实施方式的光学单元4中，BTU40例如配置为以在XY平面上中央的LD31c的主光线通过的位置为旋转轴而使长边方向从X方向旋转给定的旋转角度θo(例如0.001°≤θo≤1°)。旋转角度θo的朝向在图中为顺时针，是使BT50内的柱面透镜22的延伸方向相对于X方向倾斜的角度增大的朝向。旋转角度θo既可以在多个光学单元4之间是公共的，也可以单独地设定。
图9的(A)～(C)例示本结构例的光学单元4中的光路。图9的(A)与图8的光学单元4中的A-A剖面对应。A-A剖面是LD条3的各LD31a～31e所在的XZ平面。图9的(B)、(C)分别与图9的(A)中的B-B剖视图和C-C剖视图对应。B-B剖面是中央的LD31c所在的YZ平面。C-C剖面是外侧的LD31a所在的YZ平面。
在本结构例的光学单元4中，根据XY平面中的BTU40的旋转角度θo，在X方向上越是从中央远离的LD31a(图9的(A))，LD31a和BTU40间的位置关系越偏离(图9的(B)、(C))。因而，例如，如图9的(C)所示，外侧的LD31a的主光线La在从FAC41射出时具有从Z方向朝向Y方向的倾斜。
来自LD31的光束在BT50中在XY平面上旋转90°的量。因而，例如，如图9的(A)所示，外侧的LD31a的主光线La的倾斜变换为X方向上的倾斜。由此，根据BTU40的旋转角度θo，LD31越是位于外侧，越能够在X方向上使主光线向外。另外，如图9的(C)所示，关于外侧的LD31a，由于BTU40和SAC45的位置关系偏离，因此主光线La在从SAC45射出之后能够在Y方向上倾斜。但是，这样的倾斜能够停留在轻微的程度。
2-2-3.Y方向向内的结构例
在本实施方式的射束耦合装置2中，除了如以上的结构，还从使Y方向上的外侧的主光线L1向内的观点出发，使与外侧的LD条3-1对应的光学单元4-1从上述的基本结构改变一部分。利用图10、图11对这样的结构例进行说明。
图10示出Y方向上的外侧的光学单元4-1的结构例1。在本结构例中，在Y方向上的外侧(例如+Y侧)的光学单元4中，SAC45配置为从与中央的光学单元4同样的位置向内侧(例如-Y侧)位移给定的位移幅度ΔY。由此，SAC45能够使主光线L1从对入射的光束进行准直的光轴错开，使从外侧的光学单元4-1射出的光束向内。位移幅度ΔY根据使主光线L1向内的程度来规定使SAC45的光轴从主光线L1入射到SAC45的位置错开的幅度。通过使来自外侧的光学单元4-1的主光线L1向内，从而如图2的(A)所示，从多个光学单元4-1、4-2到达聚光透镜21的主光线L1、L2间的间隔变得比光学单元4-1、4-2间的间隔小。因而，能够增加通过聚光透镜21进行空间合成的光学单元4的个数，进而能够增加LD条3的个数，能够在射束耦合装置2中将基于空间合成的光输出进行高输出化。
在增加光学单元4的个数时，例如，越是外侧的光学单元4，位移幅度ΔY设定得越大。由此，越是位于Y方向上的外侧的光学单元4，越增大使主光线向内的倾斜，使各主光线交叉的位置一致。
使Y方向外侧的主光线L1向内的结构并不限定于上述的结构例。图11示出Y方向上的外侧的光学单元4-1的结构例2。在本结构例中，Y方向上的外侧的光学单元4-1配置为从与中央的光学单元4同样的朝向，在YZ平面上向内侧倾斜给定的倾斜角度θi。倾斜角度θi根据使主光线L1向内的程度而适当设定。
根据以上的结构例2，也能够与结构例1同样地使从外侧的光学单元4-1射出的光束向内。另外，也可以是，在光学单元4-1中，SAC45不倾斜，仅BTU40倾斜。此外，LD条3例如可以根据对应的光学单元4的朝向而倾斜，也可以不特别倾斜。
2-3.实施方式1的实施例
以下，对与如以上的本实施方式的射束耦合装置2的结构例有关的实施例进行说明。
作为本实施方式的射束耦合装置2的数值性的实施例，进行了图10、图11的结构例的各个数值仿真。在本仿真中，多个光学单元4间的间隔设定为4.8mm，SAC45的焦距设定为15mm，聚光透镜21的焦距设定为50mm。
作为图10的仿真，将SAC45的位移幅度ΔY设定为“ΔY＝0.0560mm”。于是，确认到在Y方向外侧的主光线L1到达耦合光学系统20时以1.5mm的间隔向内的效果。
进而，在本仿真中，BT50的旋转角度θo设定为“θo＝0.01°”。此时，通过在耦合光学系统20中使用焦距为500mm的柱面透镜22，从而确认到在X、Y方向间使射束耦合位置P1匹配的效果。
此外，作为图11的仿真，在与上述同样的仿真环境中，不仅设定为“ΔY＝0”，还将光学单元4的倾斜角度θi设定为“θi＝0.18°”。即使在这样的仿真中，也确认到与上述同样的效果。
图12示出本实施方式的射束耦合装置2的仿真结果。在本仿真中，在与上述同样的设定下，为了确认BTU40的旋转角度θo(＝0.01°)的效果，进行了+X侧的主光线的数值计算。图中的各行按照从物体侧(即-Z侧)向像侧(即+Z侧)的每个面编号，示出主光线通过射束耦合装置2的各部分时的数值计算结果。作为数值计算结果，“X”表示X坐标，“Y”表示Y坐标，“TANX”用tan函数表示XZ平面中的倾斜，“TANY”用tan函数表示YZ平面中的倾斜。另外，与进行了数值计算的主光线对应的LD31的位置为X坐标4mm。
根据图12的仿真结果，LD31射出时为零值的“TANX”在SAC45射出后成为正值“0.00437”，+X侧的主光线向外。此外，此时的“TANY”的值“0.00032”比上述的“TANX”足够小。因而，确认到根据BT50的旋转角度θo，对于X方向外侧的主光线，能够使Y方向的倾斜停留在轻微的程度地在X方向上向外。另外，还确认到该主光线在柱面透镜22射出后在X方向上向内。
3.总结
如以上，在本实施方式中，射束耦合装置2具备作为光源的一例的激光光源30、多个光学单元4和耦合光学系统20。激光光源30包含多个LD31作为多个光源元件的一例，多个光源元件在作为第1方向的一例的X方向以及作为与第1方向交叉的第2方向的一例的Y方向上排列。激光光源30从各LD31发出分别具有与X、Y方向交叉的光线方向的多个光束。各LD31的光线方向例如由各个光束的主光线来规定。多个光学单元4按照作为激光光源30中沿X方向排列的LD31的组的一例的每个LD条3，对各光束进行导光。耦合光学系统20将被各光学单元4导光的多个光束耦合。在LD条3之中，各光学单元4使来自位于X方向上的外侧的LD31a的光束的光线方向(例如主光线La)向外，将来自各LD31的光束导光至耦合光学系统20。
根据以上的射束耦合装置2，能够使X方向上各LD31的主光线交叉的位置从耦合光学系统20的焦点位置接近成像位置。由此，能够减小耦合时的光束的射束直径，能够高密度地耦合多个光束。另外，第1方向以及第2方向也可以不相互垂直，可以适当地在容许误差的角度范围内交叉。
在本实施方式中，耦合光学系统20在X方向上具有比Y方向大的正的屈光力。在激光光源30中沿Y方向排列的包含多个LD31的LD条3-1、3-2之中，多个光学单元4使来自位于外侧的LD条3-1的LD31的光束的光线方向(例如主光线L1)向内。
由此，能够在Y方向上以比光学单元41间的间隔窄的间隔向耦合光学系统20供给光束，可进行基于空间合成的射束耦合装置2的高输出化。此外，在这样的情况下，基于耦合光学系统20的屈光力，能够在X、Y方向上分别使射束直径成为最小的射束耦合位置P1匹配。
在本实施方式中，耦合光学系统20包含轴对称的聚光透镜21和在X方向上具有正的屈光力的柱面透镜22。柱面透镜22的屈光力例如能够将来自X方向上的外侧的LD31a的光束的光线方向从在入射时向外的状态设定为在射出时使其向内的程度。
例如，柱面透镜22具有比从位置P20到柱面透镜22的距离D1短的焦距D2，位置P20是从光学单元4将向外的光束的主光线La朝激光光源30侧延长的延长线Ea与聚光透镜21的光轴的延长线Ec交叉的位置。由此，能够使柱面透镜22具有如下程度的屈光力，即，使来自X方向外侧的LD31a的光束的光线方向在射出时向内。
在本实施方式中，各光学单元4包含作为准直透镜的一例的SAC45，该准直透镜在Y方向上对来自LD条3的LD31的各光束进行准直。例如，如图10所示，在多个光学单元4-1、4-2中，位于Y方向上的外侧的光学单元4-1的SAC45配置在使入射的光束向内的位置。由此，能够实现Y方向外侧的主光线L1的向内。
在本实施方式中，例如，如图10所示，在多个光学单元4中，位于Y方向上的外侧的光学单元4也可以配置为使射出从光源入射的光束的朝向向内。由此，也能够实现Y方向外侧的主光线L1的向内。
在本实施方式中，光学单元4包含使来自LD条3的LD31的各光束分别旋转的BTU40。BTU40相对于LD条3配置在使来自位于X方向上的外侧的LD31a的光束的光线方向向外的旋转角度θo。由此，能够实现X方向外侧的主光线La的向外。
在本实施方式中，激光加工机1具备射束耦合装置2和将由射束耦合装置2耦合后的光束照射到加工对象物的加工头11。在激光加工机1中，通过射束耦合装置2能够高密度地耦合多个光束。
(实施方式2)
以下，利用图13～图16来说明实施方式2。在实施方式1中，通过光学单元4的BT50的旋转而使X方向外侧的主光线La向外。在实施方式2中，说明使主光线La向外的结构的其他例子。
以下，适当省略与实施方式1涉及的激光加工机1以及射束耦合装置2同样的结构、动作的说明来说明本实施方式涉及的射束耦合装置2。
图13示出实施方式2中的光学单元4A的BT50A的结构例。本实施方式的射束耦合装置2在与实施方式1同样的结构下，具备代替图8的光学单元4的光学单元4A。本实施方式的光学单元4A代替实施方式1的光学单元4中具有旋转角度θo的BT50，例如具备图13的结构例的BT50A。本实施方式的BT50A具有在来自LD31的光束的射出侧和入射侧即±Z侧不同的斜行透镜部51的间距。
图14示出图13的BT50A中的XZ平面的剖视图。本结构例的BT50A构成为，+Z侧的面中的斜行透镜部51间的间距Wo比-Z侧的面中的间距Wi大。-Z侧的间距Wi例如与实施方式1的BT50同样地设定为与LD条3中的LD31间的间距匹配。在本结构例的BT50A中，例如中央的斜行透镜部51的中心在±Z侧的两面一致。此外，+Z侧的面中的斜行透镜部51的曲面形状例如能够设定为将-Z侧的曲面形状延长。
图15的(A)～(C)例示本实施方式的光学单元4A中的光路。图15的(A)对应于图13的结构例的光学单元4A中与图8的A-A剖面同样的剖面。图15的(B)、(C)分别对应于图15的(A)中的B-B剖视图和C-C剖视图。与实施方式1同样地，本实施方式的BT50A在+Z侧与SAC45相邻，在-Z侧与FAC41相邻。
根据本实施方式的光学单元4A，如图15的(A)～(C)所示，来自各LD31的光束的主光线从入射到FAC41后至到达BT50A的+Z侧的面之前，沿着Z方向直线前进。在BT50A的+Z侧的面，由于比-Z侧的面大的斜行透镜部51的间距Wo，从而越是位于X方向上外侧的LD31a，主光线La在X、Y方向上越向外。
各主光线La、Lc若从BT50A射出则到达SAC45。在此，SAC45进行Y方向上的光束的准直，因此如图15的(C)所示，Y方向上的主光线Lc的倾斜在SAC45中被校正。
如以上，根据本实施方式的光学单元4A，能够将X方向上的外侧的LD31c的主光线Lc限制在X方向上使其向外。
图16示出实施方式2的射束耦合装置2的仿真结果。在本仿真中，在“θo＝0”且使BT50A的+Z侧的间距Wo比-Z侧的间距Wi大318nm的设定下，进行了与实施方式1同样的数值计算。另外，BT50A的-Z侧的间距Wi以及LD条3的LD间的间距为0.225000mm。
根据图16的仿真结果，与图12同样地，“TANX”在SAC45射出后成为正值“0.00443”，+X侧的主光线向外。另一方面，此时的“TANY”的值“0.00003”变得比图12的例子明显小。因而，根据本实施方式的光学单元4A，确认到与实施方式1同样地能够使X方向外侧的主光线向外且能够降低Y方向的影响。
如以上，在本实施方式的射束耦合装置2中，光学单元4A包含BT50A，该BT50A是光源元件的一例。BT50A具备多个斜行透镜部51，该斜行透镜部51是与LD条3中的各LD31对应的透镜部。在BT50A中，多个斜行透镜部51相对于Y方向倾斜并沿X方向排列。在BT50A的两面之中，来自LD31的组的光束射出的+Z侧的面中多个斜行透镜部51排列的间距Wo大于光束入射的-Z侧的面中多个斜行透镜部51排列的间距Wi。根据本实施方式的射束耦合装置2，通过BT50A能够与实施方式1同样地实现X方向外侧的主光线La的向外。
(其他实施方式)
如以上那样，作为在本申请中公开的技术例示，对实施方式1～2进行了说明。然而，本公开中的技术并不限定于此，还能够应用于适当地进行了变更、置换、附加、省略等的实施方式。此外，将在上述各实施方式中说明的各构成要素组合起来，也能够作为新的实施方式。因此，以下例示其他实施方式。
在上述的实施方式1、2中，对使Y方向上的外侧的主光线L1向内的射束耦合装置2进行了说明，但也可以不使该主光线L1向内，例如使其向外。利用图17对该变形例进行说明。
图17示出本变形例中的射束耦合装置2A。图17的(A)、(B)分别示出射束耦合装置2A的侧视图和俯视图。
本变形例的射束耦合装置2A具备在与图2同样的结构下省略了柱面透镜22的耦合光学系统20A。此外，如图17的(A)所示，在本变形例的射束耦合装置2A中，Y方向外侧的光学单元4-1构成为代替使主光线L1向内而使其向外。这样的光学单元4-1例如能够通过将图10的位移幅度ΔY或者图11的倾斜角度θi设定为负值，即，设定为反向来实现。
在本变形例的射束耦合装置2A中，如图17的(B)所示，作为射束耦合位置能够采用处于比作为耦合光学系统20A的聚光透镜21的焦点位置P0更靠+Z侧的主光线La、Lc间的交叉位置P11。此时，尤其是通过不使用柱面透镜22地使Y方向上的外侧的主光线L1向外，从而例如如图17的(A)、(B)所示，能够使X、Y方向上的射束耦合装置P11匹配。
如以上那样，作为本公开中的技术例示，对实施方式进行了说明。为此，提供了附图以及详细的说明。
因此，在附图以及详细的说明中记载的构成要素之中，不仅包含为了解决问题所必须的构成要素，为了例示上述技术，还可能包含不是为了解决问题所必须的构成要素。因而，不应该以这些非必须的构成要素记载于附图、详细的说明中为由而直接认定为这些非必须的构成要素是必须的。
此外，上述的实施方式用于例示本公开中的技术，因此能够在请求的范围或其等同的范围中进行各种各样的变更、置换、附加、省略等。
产业上的可利用性
本公开能够应用于将多个光束耦合使用的各种用途，例如能够应用于各种激光加工技术。

Claims (9)

1.一种射束耦合装置，具备：
光源，包含在相互交叉的第1方向以及第2方向上排列的多个光源元件，从各光源元件发出分别具有与所述第1方向以及第2方向交叉的光线方向的多个光束；
多个光学单元，按照所述光源中沿所述第1方向排列的光源元件的每个组，对各光束进行导光；以及
耦合光学系统，将被各光学单元导光的多个光束耦合，
在所述光源元件的组之中，所述各光学单元使来自位于所述第1方向上的外侧的光源元件的光束的光线方向向外，将来自各光源元件的光束导光至所述耦合光学系统。
2.根据权利要求1所述的射束耦合装置，其中，
所述耦合光学系统在所述第1方向上具有比所述第2方向大的正的屈光力，
在所述光源中沿所述第2方向排列的多个光源元件之中，所述多个光学单元使来自位于外侧的光源元件的光束的光线方向向内。
3.根据权利要求2所述的射束耦合装置，其中，
所述耦合光学系统包含轴对称的聚光透镜和在所述第1方向上具有正的屈光力的柱面透镜。
4.根据权利要求3所述的射束耦合装置，其中，
所述柱面透镜具有比从下述位置到所述柱面透镜的距离短的焦距，该下述位置是从所述光学单元将所述向外的光束的主光线朝所述光源侧延长的延长线与所述聚光透镜的光轴的延长线交叉的位置。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的射束耦合装置，其中，
所述各光学单元包含在所述第2方向上对来自所述光源元件的组的各光束进行准直的准直透镜，
在所述多个光学单元中，位于所述第2方向上的外侧的光学单元的准直透镜配置在使入射的光束向内的位置。
6.根据权利要求2～4中任一项所述的射束耦合装置，其中，
在所述多个光学单元中，位于所述第2方向上的外侧的光学单元配置为使射出从所述光源入射的光束的朝向向内。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的射束耦合装置，其中，
所述光学单元包含使来自所述光源元件的组的各光束分别旋转的射束旋转器单元，
所述射束旋转器单元相对于所述光源元件的组配置在使来自位于所述第1方向上的外侧的光源元件的光束的光线方向向外的旋转角度。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的射束耦合装置，其中，
所述光学单元包含光学元件，该光学元件具备与所述光源元件的组中的各光源元件对应的多个透镜部，
在所述光学元件中，所述多个透镜部相对于所述第2方向倾斜并沿所述第1方向排列，
在所述光学元件的两面之中，来自所述光源元件的组的光束射出的面中所述多个透镜部排列的间距大于所述光束入射的面中所述多个透镜部排列的间距。
9.一种激光加工机，具备：
权利要求1～8中任一项所述的射束耦合装置；以及
加工头，将由所述射束耦合装置耦合后的光束照射到加工对象物。
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