CN1660536A - 激光发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光发生装置。它具备：具有排列成矩阵状的多个光射出部的半导体激光器单元，和能够将从多个光射出部射出的激光分别地传送的多根光纤。该多根光纤在激光射出侧结束形成光纤束的同时，通过设置在激光射出侧的前端细的适配器而射出激光。如此，可以通过光纤良好地传送激光，并能以尽量细径化的适配器的光传送路以高效率进行聚光而提高功率密度。

Description

激光发生装置

技术领域

本发明涉及可使从半导体激光器的多个光射出部(发射器)射出的激光聚光而应用于所需要的用途的激光发生装置。

背景技术

传统地，半导体激光器(激光二极管：LD)作为可以高效地进行从电向光的变换并且振荡效率超过50％的高效率的激光发光源而被公知。由于它具有不需要大规模的冷却装置、并且可以实现装置的紧凑化，所以在信息处理产业等领域正被广泛地应用。但是尽管这种半导体激光器具有上述高效率的振荡特性，由于其尺寸最多在1mm或以下，而只能期待几瓦特[W]左右的光输出，所以没有应用于激光加工。

但是在近年来，尽管半导体激光器作为1个发光源其输出较小，而当将多个半导体激光器按一维或两维排列使其个数增加的方式进行聚光时，可以得到光密度高的大输出的激光，所以从该角度出发，还提出了将多个半导体激光器单元化而用于激光加工的半导体激光器聚光装置(例如，参照特开平7-168040号公报图1至图3)。

在该公报中所述的上述半导体激光器聚光装置构成为：将从作为半导体激光器基板的发光源的各光射出部射出(振荡)的激光，以通过形成于基板上的光波导路聚光来提高输出的方式，从而用于激光加工。上述光波导路构成为：在一端面上具有与发光源相同数目的输入口，而将在各输入口接收的所有激光朝向设置在另一端面上的唯一输出口传送并在光学上结合。

但是，根据上述半导体激光器聚光装置，为了对来自多个光射出部的激光进行聚光，必须另外准备设置有光波导路的较大的基板，因此会造成由于这种基板的存在而对装置的紧凑化造成损害。

在此，考虑了不使用上述基板，而将多个光纤结束形成集束状，从该光纤束的各光纤射出端分别进行聚光，但是在该情况下，光纤束的结束部分成为粗直径的形状。因此，在将来自多个光射出部的低输出激光进行聚光以进行高输出化时，在必要的激光越成为高输出，则光纤束的根数就越增大而束径就越大，从而导致功率密度降低。因此，在将这种光纤作为激光聚光装置时，希望该粗径状态的光纤束的激光射出侧在不损害良好的光传导状态的情况下可尽量地成为细直径。

在此，希望有一种可以将来自多个光射出部的各激光通过激光聚光装置和锥状的光传送路的组合来高效率地进行聚光的激光发生装置。

发明内容

本发明提供的激光发生装置，具备：具有排列成矩阵状并可分别射出激光的多个光射出部的半导体激光器单元，和能够将从所述多个光射出部射出的激光进行聚光的激光聚光部，其特征在于，具有：通过该激光聚光部聚光的激光所入射的入射口、与该入射口相对应的射出口、以及由从该入射口向该射出口直径逐渐变细的锥状的光传送路形成的锥状部。

在本发明中的“矩阵状”并不限于行方向和列方向的间隔分别整齐一致的所谓行列状的排列，也可以为广泛的包括行方向(或列方向)以规定的间隔并列的多个部分在列方向(或行方向)上交互地偏移地排列的蜂巢(蜂窝)状、交错曲折状以及其它形状。

此外，本发明的特征在于，通过所述激光聚光部聚光的激光的横截面形状与所述入射口的开口形状相等或比该开口形状小。

在该情况下，由于激光的光路即光传送路构成为从入射口向射出口直径逐渐变细的锥状，所以可以提高激光的功率密度。而且还可以获得如下的效果。即，由于所述光射出部排列成为行列状或蜂巢状、交错曲折状等的矩阵状，所以来自多个光射出部的激光仍以这种矩阵状射出。即，由多个激光形成的激光群的横截面形状(换句话说，多个激光所分布的横截面区域的形状)为大致四角形。另一方的光传送路的横截面形状一般为比激光群的横截面形状小的形状，一般也为圆形。因此，在使来自光射出部的激光不进行任何聚光而直接入射至光传送路的情况下，会造成一部分的激光不入射至光传送路，即该部分成为“光损失”的问题。在本发明中，由于构成为在光射出部和光传送路之间设置有激光聚光部，从多个光射出部射出的激光通过该激光聚光部聚光并入射至所述入射口，所以可以避免(优选地为防止)这种光损失，从而可以效率良好地利用激光。

本发明的特征在于，所述光传送路的所述射出口附近的激光的断面收缩程度比所述光传送路的所述入射口附近的激光的断面收缩程度小。在本说明书中，“某一特定部分的激光的断面收缩程度”是指“从该特定部分射出的激光的射束径”除以“入射至该特定部分的激光的射束径”所得的比值(比率)。

在该情况下，由于将所述光传送路的所述射出口附近的激光的断面收缩程度设定成比所述光传送路的所述入射口附近的激光的断面收缩程度小，所以可以使激光的射束径阶段性地进行断面收缩，从各种意义上讲，可以获得最适于加工的激光。

在本发明中，所述激光聚光部，是将可从所述多个光射出部分别射出的激光个别地传送的多根光纤，在与所述多个光射出部相对向的激光受光端相反的激光射出侧，集束构成的光纤束。

在该情况下，由于使用多根光纤作为所述激光聚光部，构成为在其激光射出侧设置有锥状部并通过该锥状部射出激光，所以根据相干激光在以规定角度倾斜的锥状的光波导路内不发生光损失地进行全反射并同时通过的原理，可以使来自各光射出部的激光通过尽可能细径化的锥状部，而以高效率进行聚光并提高功率密度。

本发明的特征在于，所述激光聚光部是透镜。

在该情况下，由于使用透镜作为所述激光聚光部，所以与使用光纤的情况相比可以使构造及制造工序简单化。

本发明的特征在于，所述锥状部由金属材料构成，并且所述光传送路由在内面进行了研磨的锥形状的中空部构成。

在该情况下，由于所述锥状部由金属材料构成，并且所述光传送路由在内面进行了研磨的锥形状的中空部构成，所以仅形成锥状的孔，将其内面研磨成无深浅不均的镜面状，就可以容易地获得没有光损失的良好的光传送路。

本发明的特征在于，所述锥状部由金属材料构成，并且所述光传送路通过在内面形成有反射膜的锥状中空部构成。

在该情况下，由于所述锥状部由金属材料构成，并且所述光传送路通过在内面形成有反射膜的锥状中空部构成，所以仅形成锥状的孔，在其内面形成无深浅不均的反射膜，就可以容易地获得没有光损失的良好的光传送路。

本发明的特征在于，所述锥状部由合成树脂材料构成，并且所述光传送路通过由蒸镀在内面形成有金属反射膜的锥状中空部而构成。

在该情况下，由于所述锥状部由合成树脂材料构成，并且所述光传送路通过由蒸镀在内面形成有金属反射膜的锥状中空部而构成，所以仅通过形成锥状的孔，将其内面无深浅不均地蒸镀并研磨成镜面状，就可以容易地获得没有光损失的良好的光传送路。而且，可以通过玻璃材料构成所述锥状部。在该情况下，通过由蒸镀在光传送路的内面形成金属反射膜，也可以获得与上述相同的效果。

附图说明

图1是概略地示出具有本发明适用的激光发生装置的机床的一例的整体透视图；

图2是示出图1中1个激光发生装置的侧剖图；

图3是以局部分解的形式示出图1中1个激光发生装置的透视图；

图4示出与光纤有关的一构成例，图4(a)是放大地示出1根光纤的侧面图，图4(b)是放大地示出将多根光纤形成束的光纤束的前端部分以及适配器的侧面图，图4(c)是示出沿图4(b)的Vc-Vc线看到的状态的正视图；

图5是概略地示出具有本发明适用的激光发生装置的机床的另一例的整体透视图；

图6是示出本发明涉及的机床的构造的一例的剖面图；

图7是示出本发明涉及的机床的外观的一例的透视图；

图8是示出安装着切削加工用刀具(工具)201的状态下的机床的剖面图；

图9是示出激光发生部和激光照射用刀具的构成的剖面图；

图10是示出激光发生部等的构成的外观透视图；

图11是示出激光发生部和激光照射用工具的构成的外观透视图；

图12是示出激光照射用工具的安装部分的构成的剖面图；

图13是示出第2光波导部4031的构造的一例的分解透视图；

图14是示出锥形光路部的构造的一例的图；

图15是示出第2光波导部4031的开口端的闭塞机构的一例的图；

图16(a)是示出激光照射用工具的构造的一例的剖面图，图16(b)是示出激光炬部503构造的侧面图，图16(c)是示出快门装置505的构成的侧面图；

图17(a)是示出激光照射用工具的构造的其它例子的局部剖面图，图17(b)是示出激光炬部513的构造的侧面图；

图18是示出适于闭塞波导路(激光的通路)的端部的快门装置的构成的图，(a)是示出位于闭塞位置的状态下的剖面图，(b)是示出位于开口位置的状态下的剖面图，(c)是示出位于闭塞位置的状态下的侧面图；

图19是示出本发明涉及的机床的一例的透视图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的各实施方式。

(实施方式1)

首先，参照图1-图3说明本发明的第1实施方式。

图1是概略地示出具有本发明适用的激光发生装置的机床的一例的整体透视图；图2是示出图1中1个激光发生装置的侧剖图；图3是以局部分解的形式示出图1中1个激光发生装置的透视图。

如图1所示，机床1具有：发生激光的激光发生装置2、将从该激光发生装置2输出的激光传送至加工部的激光传送装置3、以及用于使被传送的激光从激光炬(torch)9a照射在工件(被加工物体)W上的激光照射装置9。

机床1上具有的激光发生装置2由多个激光发生装置2A构成，其中，该激光发生装置2A是由半导体激光器单元12和光纤单元13分别一个地组合成的结合体，光纤单元13是由硬化树脂14(参照图2和图3)以及通过在该硬化树脂14中块状化的光纤7a的前端部分所构成。

在本实施方式中，激光发生装置2由3个激光发生装置2A所构成，但是其个数并不限于此，也可以是1个、2个、4个或4个以上，可根据与每一用途所必要的激光输出的大小来进行适当的选择。

激光发生装置2具有在侧面形成有贯通孔2a的体部壳体2b，在该体部壳体2b的内部容纳配置有上述3个激光发生装置2A。从各激光发生装置2A输出的激光，从各自具备的多根光纤7a经过光纤束7，被传送至从述贯通孔2a朝壳体外部突出的光纤8。来自多个光纤束7的集合体的激光通过未示出的光学系统，以集束的形式入射至该光纤8。

另一方面，激光传送装置3具有上述光纤8、以及具有与该光纤8同样的构成的4根光纤4，在这些光纤8以及光纤4相互之间分别配置有反射镜5。在该激光传送装置3中通过将两根光纤以反射镜5光学地连接，从而消除了使光纤4、8以规定角度或以上(例如8度)弯曲时激光从该光纤4向外部泄漏等问题，从而提高了激光传送路径的设计自由度。

在光纤4、8的激光输出侧的端部(下面称作输出侧端部)和反射镜5之间配置有凸透镜6a。在光纤4的激光输入侧的端部(下面称作输入侧端部)和反射镜5之间配置有凸透镜6b。从各激光发生装置2A射出(振荡)而从光纤束7经过光纤8传送的激光，在从该光纤8的输出侧端部输出时形成为扩散的激光，而该扩散的激光在由凸透镜6a变换成平行光后，由反射镜5反射而将其路线改变规定角度。

进而，由上述反射镜5反射的平行光通过凸透镜6b折射，聚光成比光纤8、4上具有的芯部件(未示出)的直径小，从而输入输入侧端部的芯部件。如此，从光纤8、4的一方的芯部件扩散而输出的激光，聚光至另一方的光纤4的芯部件而输入。

通过上述结构，当从激光发生装置2射出激光时，该激光通过激光传送装置3而被传送至激光装置9，进而通过配置在该激光炬9a内的透镜(未示出)等，以对齐相对工件W的焦点的方式，从该激光炬9a照射到工件W上。

从而通过使工件W沿图1的箭头C方向以规定速度旋转，可以在工件表面上一致地照射激光。如此，例如在工件W由钢铁构成的情况下，可以在离工件表面1.0mm-1.5mm的部分上进行淬火等加工。而且，在图1中所示的机床1是用于说明激光的传送路径，为了说明方便则省略示出例如移动台或其驱动装置等其它部分。

其次，就上述激光发生装置2(2A)的构成根据图2和图3进行说明。即，构成激光发生装置2的激光发生装置2A，如图2和图3所示，具有半导体激光器单元12，该半导体激光器单元12具有排列成矩阵状并可以分别射出激光L的多个光射出部11；具有可将从各光射出部11分别射出的激光L个别地传送的多根光纤7a。

在本实施例中的“矩阵状”并不限于行方向(X方向)和列方向(Y方向)的间隔分别整齐一致的所谓行列状的排列，也可以为广泛的包括行方向(或列方向)以规定的间隔并列的多个部分在列方向(或行方向)上交互地偏移地排列的蜂巢(蜂窝)状、交错曲折状以及其它形状。

上述半导体激光器单元12以使在前面多个光射出部(发射器)11沿X方向的方式使所具备的半导体激光器基板26以多个(例如为9个)进行层叠，并被容纳在大致箱体状的吸热装置25中。各半导体激光器基板26具有被配置成分别覆盖各自的光射出部11的微透镜18。该微透镜18用于将激光变换成平行光，由圆柱形透镜等构成。而且，在上述吸热装置25的两侧面(为了方便，仅在图2和图3的一侧示出)形成有大致矩形状的散热用切口25a。

半导体激光器基板26为在p型层和n型层之间有活性层的方式pn结地构成的基板，在活性层的一侧面上，沿X方向(图3)排列有可基于p型层和n型层的电压自由地振荡产生激光的多个位置的光射出部(发射器)。在这种半导体激光器基板26中，在通过电极(未示出)在p型层和n型层上施加电压时，激光L(图3)从各光射出部11射出。

此外，对于多根光纤7a，为了使各受光端面(激光受光端)7b(图2)分别与矩阵状的光射出部11正确地相对向，以在X方向和Y方向的受光端面7b中的各间隔与X方向和Y方向的光射出部11之间的各间隔一对一的方式，使从各自前端的规定长度通过玻璃类的硬化树脂14而定位固定成块状。如上所述，硬化树脂14以及通过在该硬化树脂14中块状化的光纤7a的前端部分构成光纤单元13。

在将规定数目(例如54(6×9)根)光纤7a的受光端面7b定位并且树脂硬化之后，以使硬化树脂14的前端面14a(图2)和光纤7a的各受光端面7b严密地平行的方式进行精密研磨，从而使光纤单元13形成在前后方向(厚度方向)上比较薄的长方体形状。通过使用这种结构光纤单元13，可以将前端面14a用作光射出部11的排列基准，从而可以一次完成多个光纤7a的正确的位置对齐。

在本实施方式中，举出的半导体激光器单元12的例子为半导体激光器基板26为9级，在各半导体激光器基板26中的光射出部11为6个，但是1个半导体激光器基板26具有的光射出部11的个数或半导体激光器基板26的层叠级数等并不限于此，可以根据需要适当地变更、设定。

在光纤单元13的前端面14a的周围装配有Y方向移动框体21。该Y方向移动框体21，以支承光纤单元13的方式，可沿Y方向自由移动地接合支承于在后面所述的X方向移动框体20内形成的Y方向导轨19、19中，在其一侧面和另一侧面上形成有可与Y方向导轨19、19自由滑动地接合的接合凸部21a、21b。

另一方面，在半导体激光器单元12和光纤单元13之间，配置有可以正确地调整应当相互对向定位的光射出部11和受光端面7b的位置关系的定位调整装置15。该定位调整装置15由安装在光纤单元13上的上述Y方向移动框体21、和将该Y方向移动框体21支承在半导体激光器单元12一侧的支承体30构成。

即，支承体30具有：将半导体激光器单元12固定支承在规定的状态的支承台16、和可沿X方向自由移动地支承在该支承台16上的X方向移动框体20。支承台16具有：基部16a，和形成在该基部16a的大致中央部分而承担上述半导体激光器单元12的台座部16b。

此外，支承台16具有：在基部16a的前方侧(图3的右方侧)隔开规定的间隔沿上下方向(Y方向)延伸地设置的柱部16c、16d，以及分别连接该柱部16c、16d的上部部分以及下部部分地延伸地设置的梁部17、17。在该上部侧的梁部17以及下部侧的梁部17上，如图2所示，分别形成有沿梁部的长度方向延伸的X方向导轨17a、17b。综上所述，在半导体激光器单元12的前面(光射出侧的面)的上下隔开规定的间隔而配置有X方向导轨17a、17b，而且在上述光射出侧的前面的左右隔开规定的间隔而配置有Y方向导轨19、19(为了方便省略了单侧的图示)。

在柱部16d规定位置上，形成有朝向X方向的螺纹孔(未示出)，在该螺纹孔上，螺纹接合有可相对于支承台16调整X方向移动框体20的X方向调整螺纹件22。该X方向调整螺纹件22的前端部与X方向移动框体20的一侧面相接触。

上述X方向移动框体20构成为：形成有在支承台16的柱部16c、16d之间的空间S中Y方向移动框体21可以沿X方向和Y方向移动规定距离的空隙的大致矩形的框体。该X方向移动框体20具有：以其中央空间部分位于半导体激光器单元12的前面的方式可与X方向导轨17a、17b自由滑动地接合的接合沟20a、20b，在该移动框体20的规定位置上朝向Y方向地形成的螺纹孔20c(参照图2)，以及与该螺纹孔20c螺纹接合并可以进行Y方向移动框体21相对于X方向移动框体20在Y方向上的位置调整的Y方向调整螺纹件23。该Y方向调整螺纹件23与X方向移动框体20的中央空间部分中容纳的Y方向移动框体21的上侧面相接触。

在柱部16c和X方向移动框体20之间，压缩地设置有板簧或圈簧等弹簧部件(未示出)，因此，通过使X方向调整螺纹件22以其旋转轴为中心朝一方向或另一方向旋转，可以对X方向移动框体20的侧面进行推压或释放，从而构成可以自由地调整X方向移动框体20(即光纤单元13)的X方向位置的X方向调整机构。此外，如图2所示，在X方向移动框体20的底面和Y方向移动框体21的下侧面之间，压缩地设置有板簧或圈簧等弹簧部件24。因此，通过使Y方向调整螺纹件23朝一方向或另一方向旋转，可以对Y方向移动框体21的上侧面进行推压或释放，从而构成可以自由地调整Y方向移动框体21(即光纤单元13)的Y方向位置的Y方向调整机构。

而且，构成上述本激光发生装置2A的各部件，在图中省略示出，以使组装操作或向支承体30的光纤单元13的安装等便利的方式，构成为可以通过螺纹件等使所需要的部位容易地分离或组装。

如上所述，在机床1中，虽然半导体激光器单元12中各个光射出部11的激光输出较小(例如为1w左右)，但是在各激光发生装置2A中，具有可以分别振荡(射出)激光L的多个光射出部11的半导体激光器基板26层叠成例如9级，从而构成半导体激光器单元12。因此，通过从半导体激光器单元12射出多个激光L并聚光，可以获得工件W的加工所需要的高输出。因此，如图1所示，通过具有多台激光发生装置2A，使用多个半导体激光器单元12，可实现更大输出的机床1。

因此，在机床1的制造组装时，光纤单元13可以组装在如图2所示状态下的支承体30中。即，通过规定的操作，以使预先安装有Y方向移动框体21的光纤单元13的前端面14a与从X方向移动框体20露出的半导体激光器单元12的光射出部11相对向的形式，将Y方向移动框体21的接合凸部21a、21b分别可以自由滑动地接合在Y方向导轨19、19上。

其次，应该进行如上所述组装的激光发生装置2A的光射出部11与受光端面7b沿X方向和Y方向的定位调整，使从多个光射出部11射出并经光纤束7传送的激光映现在在监视器(未示出)上，监视其状态。进而，在该监视状态下，通过使X方向调整螺纹件22和Y方向调整螺纹件23朝所需要的方向适当地稍微旋转，通过Y方向移动框体21，使支承着光纤单元13的X方向移动框体20相对支承着半导体激光器单元12的支承台9朝向X方向稍微移动，同时，使支承着光纤单元13的Y方向移动框体21相对X方向移动框体20朝向Y方向稍微移动

如此，在机床1上具有的激光发生装置2(2A)中，通过适当地旋转X方向调整螺纹件22和Y方向调整螺纹件23，可以高精度地一并调整光纤单元13的各受光端面7b相对于多个光射出部11沿X方向和Y方向的定位。

其次，详细说明图1中光纤束7的构成。

图4示出与光纤有关的一构成例，图4(a)是放大地示出1根光纤的侧面图，图4(b)是放大地示出将多根光纤形成束的光纤束的前端部分以及适配器的侧面图，图4(c)是示出沿图4(b)的Vc-Vc线看到的状态的正视图。

在本实施方式中，不必对构成光纤束7的各光纤7a的前端部分进行特别的加工，而是在该前端部分使适配器31形成锥状而进行结合所形成。

即，在本实施方式中，由芯27及包层28构成的光纤7a的射出端27b具有与受光端面7b同样的形状。这种光纤7a，如图4(b)、(c)所示，多根(例如54根)以形成实心的方式(和与所述多个光射出部11相对向的激光受光端7b相反的激光射出侧)集成1根而形成光纤束7，进而，每一激光发生装置2A的光纤束7互相集束，从而形成直径更粗的光纤束7(例如54×3根)。

在本实施方式中，每一激光发生装置2A的“光纤束7”的称谓也在将3根光纤束7集成1根的形式中使用。而且，在图4(b)、(c)所示光纤7a的根数为了图示方便与实际的根数并不对应。

构成锥状部的上述适配器31与光纤束7全体的激光射出部分即射出端7d相结合。该适配器31，如图4(b)所示，整体上构成为大致圆筒状，比射出口31b内径更大的入射口31a朝向光纤束7的射出端7d，在该射出端7d大致圆筒状地突出的结合部31d配合在射出端7d的外周部分上，从而与光纤束7相结合。该适配器31通过未示出的固定装置牢固地固定于上述射出端7d的外周部分上。

构成锥状部的适配器31具有：面朝上述射出端7d的入射口31a、以及与该入射口31a相对应的射出口31b、和将该入射口31a和射出口31b彼此连通的光传送路31c。光传送路31c呈现从入射口31a侧朝射出口31b为锥形状并且直径逐渐变细的形状(前端细径的锥形状)。在本实施方式中，入射口31a的开口形状为由图4(c)中标号31a和虚线示出的圆形。该虚线圆形31a的内部用虚线示出的多个小圆示出了光纤7a的截面形状，由所述光纤束7聚光的激光的横截面形状为比各小圆更小的同心圆(正更确切地讲，为这种同心圆的集合体)，结果，在本实施方式中，由所述光纤束7聚光的激光的横截面形状比所述入射口31a的开口形状小。通过这种构成，可以使得从光纤束7的各光纤7a射出的全部激光由光传送路31c的内面反射的同时没有发生光损失地传送。由于如此地被构成，所述光纤束7具有使从所述多个光射出部11分别射出的激光L聚光而入射至入射口31a的激光聚光装置的功能。

适配器31由铝等金属材料构成，上述光传送路31c由以从该适配器31的入射口31a侧朝向射出口31b侧内径变细的方式贯通设置的锥中空部构成。从而，光传送路31c的内周面，为了能尽量地抑制传送时的光损失，作为没有凸凹的均匀面而严密地进行研磨。或者，为了能尽量地抑制传送时的光损失，在由金属材料构成的光传送路31c的内周面上，通过电镀(涂装)等形成有可以进行全反射的反射膜。

在将本实施方式中的光纤束7应用于激光发生装置2(2A)的情况下，通过锥形状的适配器31的存在，可以获得以高效率使从多个光射出部11射出的激光L聚光而提高功率密度的方式入射至光纤8(参照图1)的效果。此外，由于本实施方式中的光射出部11排列成矩状，来自多个光射出部11的激光L仍以这种矩阵状射出。即，由多个激光L形成的激光群的横截面形状(换句话说，多个激光L所分布的横截面区域的形状)为大致四角形。另一方的光传送路31c的横截面形状(入射口31a的形状)为小圆形。根据本实施方式，由于构成为在光射出部11和传送路31c之间设置有光纤束7，从多个光射出部11射出的激光L通过该光纤束7聚光并入射至所述入射口31a，所以可以避免光损失(即，激光从光纤束7入射至光传送路31c时的光泄露)，从而可以效率良好地利用激光。进而，在本实施方式中，由于构成为使用多个光纤7a作为所述激光聚光装置，在其激光射出侧设置有前端细的适配器31、并通过该适配器31射出激光，所以根据相干激光在以规定角度倾斜的锥状的光波导路内不发生光损失地进行全反射的同时通过的原理，可以使来自各光射出部的激光通过尽可能细径化的适配器，而以高效率进行聚光并提高功率密度。

而且，在使多根光纤7a的激光射出侧集束而形成光纤束7的基础上，通过在该光纤束7的射出端7d使适配器31接合的简单的工序，可以实现将分别为低输出的激光L无浪费而有效地进行聚光，从而提高激光加工用的高输出的激光的结构。进而，由于适配器31由金属材料构成，而且光传送路31c由在内面进行了研磨的锥形状的中空部构成，所以仅在适配器31中形成锥状的孔，将其内面研磨成无深浅不均的镜面状，就可以容易地获得没有光损失的良好的光传送路31c。

此外，上述适配器31也可以不由金属材料构成，而是由玻璃、透明塑料等的结实的合成树脂材料构成。即，使用玻璃或合成树脂材料，在形成与使用上述金属材料的情况下相同的形状后，在光传送路31c的内周面上通过真空镀敷而形成金或银等的金属反射膜。因此，通过使适配器31由玻璃或合成树脂材料构成，并且通过由真空镀敷在内面形成有金属反射膜的锥状中空部而构成光传送路31c，则仅在适配器31中形成锥状的孔，将其内面无深浅不均地蒸镀并研磨成镜面状，就可以容易地获得没有光损失的良好的光传送路31c。

此外，如图4(b)所示，适配器31结合在所述光纤束7的射出端7d上，但是也可以不进行适配器31和光纤束7的结合。例如，可以使适配器31和光纤束7支承在同一壳体或基板上，使适配器31的入射口31a和光纤束7的射出端7d形成相对向的位置关系。

另一方面，本实施方式中的适配器31的光传送路31c，如图4(b)所示，从入射口31a至射出口31b以相同的倾斜度(比率)细密地断面收缩(即，激光的断面收缩程度从入射口31a至射出口31b相同)，但是也可以使得所述光传送路31c的射出口31b附近的激光的断面收缩程度比所述入射口31a附近的激光的断面收缩程度小。在该情况下，可以使激光的射束径阶段性地进行断面收缩，从各种意义上讲，可以获得最适于加工的激光。在本说明书中，“某一特定部分的激光的断面收缩程度”是指“从该特定部分射出的激光的射束径”除以“入射至该特定部分的激光的射束径”所得的比值(比率)。

(实施方式2)

下面参照图5说明本发明的第2实施方式。

在上述第1实施方式中，通过由多个光纤7a形成的光纤束7构成激光聚光装置(即，可以将从多个光射出部11射出的激光L聚光的装置)，但是在本实施方式中的激光聚光装置由图5所示的透镜107构成。如此，与使用光纤的情况相比可以使构造及制造工序简单化。而且，图5是概略地示出具有本发明适用的激光发生装置的机床的另一例的整体透视图。

在图5中，标号111表示可射出激光L的光射出部，标号112表示通过将该多个光射出部111排列成矩阵状而构成的半导体激光器单元，标号102A表示激光发生装置。

此外，标号131c表示以逐渐成为细内径的方式形成的锥状的光传送路，标号131a表示位于面临激光聚光装置107的射出端107d的位置上的激光的入射口，标号131b表示与该入射口131a相对应的射出口。具有所进入射口131a、射出口131b以及光传送路131c的部件(锥状部)131可构成为与上述适配器31同样的构成。即：可以构成为：锥状部131通过金属材料构成，并且通过内面研磨的锥状中空部构成光传送路131c；也可以构成为：锥状部131通过金属材料构成，并且通过在内面形成反射膜的锥状中空部构成光传送路131c；也可以构成为：锥状部131通过合成树脂材料构成，并且通过由蒸镀在内面形成金属反射膜的锥状中空部构成光传送路131c。其它部件的构成可以与第1实施方式相同。

由于本实施方式中的光射出部111排列成矩状，来自多个光射出部111的激光L仍以这种矩阵状射出。即，由多个激光L形成的激光群的横截面形状(换句话说，多个激光L所分布的横截面区域的形状)为大致四角形。另一方的光传送路131c的横截面形状(入射口131a的形状)为小圆形。根据本实施方式，由于构成为在光射出部111和传送路131c之间设置有透镜107，从多个光射出部111射出的激光L通过该透镜107聚光并入射至所述入射口131a，所以可以避免光损失(即，激光从透镜107入射至光传送路131c时的光泄露)，从而可以效率良好地利用激光。进而，作为在本实施方式中使用的透镜107，既可以将广泛地分布在大致四角形的区域中的激光群聚光成较小的圆形的区域，也可以为使广泛地分布在大致四角形的区域中的激光群聚光成与原样相似形状的区域(即较小的四角形区域)。在该情况下，通过透镜107聚光的激光的横截面形状可以与所述入射口131a的开口形状相等，也可以比该开口形状小。

而且，可以分别覆盖各个光射出部111的方式配置微透镜(在图5中未示出，参照图2的标号18)，通过该微透镜将激光变换成平行光。此外，透镜107可以不仅对从多个光射出部111射出的激光进行聚光，还尽量地以相对于光轴平行的方式使激光聚光。在这种情况下，可以降低光传送路131c中的光损失(乱反射)。

在本实施方式中，如图5所示，设定成使得所述光传送路131c的所述射出口131b附近的激光的断面收缩程度比所述光传送路131c的所述入射口131a附近的激光的断面收缩程度小。如此，可以使激光的射束径阶段性地进行断面收缩，从各种意义上讲，可以获得最适于加工的激光。

(实施方式3)

下面参照图6-图19说明本发明的第3实施方式。

图6是示出本发明涉及的机床的构造的一例的剖面图；图7是示出本发明涉及的机床的外观的一例的透视图。图8是示出安装着切削加工用刀具201的状态下的机床的剖面图；图9是示出激光发生部和激光照射用工具的构成的剖面图。图10是示出激光发生部等的构成的外观透视图；图11是示出激光发生部和激光照射用工具的构成的外观透视图。图12是示出激光照射用工具的安装部分的构成的剖面图；图13是示出第2光波导部4031的构造的一例的分解透视图。图14是示出锥形光路部的构造的一例的图；图15是示出第2光波导部4031的开口端(工具侧端部)的闭塞机构的一例的图。

本发明的机床，如图6和图7中标号200所示，具有保持工件W的工件保持部203，和支承刀具(参照图8的标号201)的刀架202。

其中，工件保持部203构成为可将工件W保持成静止状态、使其移动或者旋转。作为可使工件W旋转的工件保持部，可以例如有图19中标号203A所示的夹盘或未示出的尾座等。

另一刀架202可移动地将至少一个工具支承在待机位置和加工位置(用于加工工件W的位置)。所述刀架202例如可以构成为通过旋转轴(自转轴)202a的旋转进行旋转(可自转)。而且，可以在刀架202上设置至少一个刀具安装部2026，使所述刀具以可自由地通过该刀具安装部2026装卸的方式被支承。图6中的标号2021表示轴部，标号2022表示构成为在由轴部2021可自由旋转地支承的同时可通过刀具安装部2026和旋转轴202a的旋转而一体地旋转的可动部。标号2023表示容纳轴部2021和可动部2022的壳体，标号2024表示支承在壳体2023侧的铁心，标号2025表示卷绕在铁心2024上的线圈。和铁心2024相向对置的位置上的磁体2027在可动部2022的外周面的周方向上配置有多个。在这种构成中，当向线圈2025通电时，在所述铁心2024和磁体2027之间产生排斥力或者吸引力，并可通过这些作用力使可动部2022和刀具安装部2026旋转至规定旋转位置为止。标号204表示通过送入空气来冷却刀架202的内部的冷却装置。在图示的刀架202中，由于在可动部2022上作用较大的扭矩，而其驱动部分(铁心2024和线圈2025等)中产生相当多的热，所以可以有效地对其进行冷却。如此，可以降低铁心2024和线圈2025的热膨胀，并可以可靠地确保铁心2024和磁体2027之间的间隙。

在该刀架202上，配置有发生激光的激光发生部(参照图6的标号A)，并通过该激光发生部A所发生的激光对保持在所述工件保持部203上的工件W进行淬火。根据本发明，不仅在机床中进行切削加工，还可以进行激光淬火。因此，不必在机床之外另外设置激光淬火装置，从而可以防止设置空间的增加。此外，由于不必要将工件从机床移动至激光淬火装置，从而可以使操作时间缩短、使操作本身简单化。而且，这种淬火也可以一边通过工件保持部203使工件W旋转一边进行。

在将刀架202构成为可通过旋转轴(自转轴)202a的旋转进行旋转(可自转)的情况下，该激光发生部A可以配置在与所述旋转轴202a大致垂直的所述刀架202的表面202b上。在如此配置的情况下，将激光发生部A配置在既存的空闲空间(即，与旋转轴大致垂直的刀架的表面)中就可以了，从而不必要求确保新的配置空间。因此，可以防止机床的大型化。

如图9中所详细地示出，所述激光发生部A可以由射出激光的半导体激光器光源402、和传送该被射出的激光的光波导部403构成。在使用半导体激光器光源402的情况下，可以使激光发生部A小型化，从而可以实现向所述刀架202的安装。

其中的半导体激光器光源402，如图10中所详细地示出，可以作成为具有多个作为射出激光的射出口的发射器4020的结构。该光源402，既可以为将发射器4020排成一列的“阵列式”，也可以为将该阵列叠置成多个层的“叠层式”。该半导体激光器光源402可以只使用一个，也可以如图11所示使用多个。在图中示出了3个，但是也可以使用2个、4个或4个以上。作为这种半导体激光器光源402，例如可以使用美国コヒレント公司制造的半导体激光器多层阵列“light stack”。例如，可以通过19个发射器(40W)构成阵列，并将该阵列叠置成25层(叠层)，从而使发射器的总数为19个×25层＝475个(40W×25层＝1kW)。在如图11所示使用3个这种激光多层的情况下，发射器的总数为475个×3＝1425个(1kW×3＝3kW)。

所述光波导部403，如图9中所详细地示出，可以通过由多个光纤300的束形成的第1光波导部4030、和配置成使来自该第1光波导部4030的光通过的第2光波导部4031构成。其中的光纤300配置成其一端与发射器4020相对向(见图10)以使得来自各发射器4020的激光入射，并分别传送从各发射器4020射出的激光。在一些场合下可以通过多个光纤300集中从各发射器4020射出的激光以提高激光的输出。光纤300的末端部可以埋置于树脂301的状态与各发射器4020对向配置。而且，可以在光纤300的末端部和发射器4020之间配置微透镜(快轴聚光透镜或慢轴聚光透镜)4021，使来自各发射器4020的激光在光纤300的端面聚光。也可将这种微透镜4021作成片状而粘附在半导体激光器光源402上。该粘附可以通过粘接剂或焊接进行。光纤300的另一端可以是作成束的束结构。光纤300可与发射器4020具有相同的数目。

此外，所述第2光波导部4031既可以为：由在外周面进行了反射处理的导光体(参照图12的标号312)构成，激光一边通过所述外周面被反射一边透过所述导光体，或者可以如图13所示，是在规定的部件(以下称为“通路形成部件”)310的内部形成的中空通路(标号310b、310c)，在该通路的内面上实施了反射处理，激光一边通过所述内面被反射一边透过所述中空通路。在该通路形成部件310中可以使用铝等金属。作为形成通路形成部件的方法，如图13所示，例如构成为通路形成部件可以分割成多个部件310，在其接合面310a中形成沟槽310b。在该沟槽310b部分上可以进行镜面研磨或研磨精加工或金属涂装。在第2光波导部4031由导光体构成的情况下，仅通过改变导光体的位置就可以简单地对激光的光路进行调整。在第2光波导部4031由中空通路构成的情况下，所述第2光波导部可以由机械加工形成，可以提高激光的光路的位置精度。而且在作为规定的部件使用了热传导性良好的材质的情况下，还可以提高冷却效率。

在所述第1光波导部4030和所述第2光波导部4031中的至少一方具有构成为沿激光的行进方向截面积(横截面的面积)逐渐减小的锥形光路，而且，来自所述半导体激光器光源402的激光可在通过所述锥形光路的过程中提高功率密度。如此，可以顺畅地进行激光淬火。

该锥形光路可以由截面积逐渐减小的多根光纤构成为光纤束(集束)结构。这种结构适用于构成所述第1光波导部4030的光纤300(参照图12的标号302)。在发射器4020的个数为1425时，光纤300的根数也需要为1425，在1根光纤300的直径为250μm时，光纤束的直径为250μm×1425根＝Φ11mm，在1根光纤300的直径为500μm时，光纤束的直径为500μm×1425根＝Φ22mm。但是如果在光纤束的直径仅为Φ11mm或Φ22mm，就不能提高激光的功率密度，无论如何也不能进行激光淬火。在此，优选地使光纤束的直径为Φ4-5mm左右，使光纤束部302的光路截面积逐渐减小，以获得100W/mm²的功率密度(2kW的输出)。图14(a)示出加工成锥形状之前的一根光纤300a，标号300表示包层，标号300b表示芯体。图14(b)示出加工成锥形状之后的光纤300，图14(c)示出将锥形加工后的光纤作成光纤束结构时的状态，标号303表示新包覆的包层。这种光纤束结构即使不使用于所述第1光波导部4030也可以使用于所述第2光波导部4031。

而且，在锥形光路中也可以使用锥形光纤(参照特开2003-100123号公报，特开2003-075658号公报，特开2002-289016号公报)。

此外，如图13所示，也可以在规定的部件310的内部形成锥形的中空通路。

而且，上述刀具安装部2026可以支承切削加工用刀具(参照图8的标号201)也可以替换该工具来支承激光照射用工具(参照图6、7、9、11、12的标号500、510)。如此，在不使用的情况下可以将激光照射用工具500、510从刀架202上取下，可以防止异物附着在激光照射用工具500、510上。而且，可以使用单个刀具安装部2026来支承切削加工工具201和激光照射用工具500、510，从而可以有利于装置的紧凑化。上述光波导部403配置在从所述半导体激光器光源402附近至所述刀具安装部2026附近，在该刀具安装部2026附近具有工具侧端部4031a，所述激光照射用工具500、510在被支承在所述刀具安装部2026上的状态下与所述工具侧端部4031a连接，由此可以使用从所述半导体激光器光源402供给的激光照射至所述工件W上。

在构成为如此使激光照射用工具500、510取下的情况下，在激光照射用工具500、510被取走的状态下，有必要闭塞所述光波导部403的端部(工具侧端部)4031a，以免使空气中的油雾等异物附着而进入其中。在此，优选地，设置可以开关所述工具侧端部4031a的快门装置，以在将所述激光照射用工具500、510与所述工具侧端部4031a连接的情况下使该端部打开，而在将所述激光照射用工具500、510从所述工具侧端部4031a取走的情况下闭塞该工具侧端部4031a来抑制异物附着在该端部上。具体地，如图15中标号311所示，快门装置构成为可以移动至闭塞该工具侧端部4031a的闭塞位置311C和使该端部4031a开口的开口位置311A。即，可以构成为使快门装置311如标号E所示的可以自由转动并可以如标号F所示地沿转动轴的轴向自由地进退，也可以构成为可在311A的状态下开放所述光波导部403的端部4031a而连接所述激光照射用工具500、510，在从311B移动至311C的状态下闭塞该工具侧端部4031a以免使异物附着在该工具侧端部4031a上而侵入。结果可以避免由于该异物的存在而造成的激光的功率降低。而且在快门装置为图15所示的情况下可以使结构简单化。

此外，机床也可以构成为如图19所示。即，在工件保持部203A上使用可以使所保持的工件W旋转的结构，而在刀架202A上如上所述地设置刀具安装部2026A。可以在与该刀具安装部2026A相对的位置(通常为在图19中箭头D方向侧所设置的与刀架202A的机械原点相对应的位置等)配置未示出的自动换刀装置(ATC)，以通过该装置对所述切削加工用刀具以及所述激光照射用工具相对该刀具安装部2026A安装或拆卸。结果，当在刀具安装部2026A上安装了切削加工用刀具的情况下，可以对旋转的工件W进行切削加工，当在刀具安装部2026A上安装了激光照射用工具的情况下，可以对旋转的工件W进行淬火处理。而且，可以设置具有多个切削加工用刀具201以及激光照射用工具500、510的多刀刀座(ATC工具库)210，通过自动换刀装置将在该多刀刀座部210中所装备的刀具/工具安装在刀具安装部2026A上。在该多刀刀座部210中，将要新安装的刀具接收到来自加工程序的指示时，该刀具将被运送至与自动换刀装置相对的位置。

下面参照图16至图18说明激光照射用工具。图16(a)是示出激光照射用工具的构造的一例的剖面图，图16(b)是示出激光炬部503构造的侧面图，图16(c)是示出快门装置505的构成的侧面图；图17(a)是示出激光照射用工具的构造的其它例子的局部剖面图，图17(b)是示出激光炬部513构造的侧面图；图18是示出适于闭塞波导路(激光的通路)的端部的快门装置的构成的图，(a)是示出位于闭塞位置的状态下的剖面图，(b)是示出位于开口位置的状态下的剖面图，(c)是示出位于闭塞位置的状态下的侧面图。

激光照射用工具形成如图16(a)中标号500所示的形状，可通过可与机床200的刀架202接合的接合部501、形成被供给的激光的通路的波导路502、和将通过该波导路502的激光照射至工件W上的激光炬部503构成。

波导路502可以为在规定的部件504的内部形成的中空通路，并在该通路的内面进行反射处理。在这种结构中，激光一边通过所述内面被反射一边透过所述中空通路。作为反射处理例如可以进行镜面研磨或研磨精加工或金或银的涂装。部件504例如可以为金属，例如可以使用铝等。作为中空通路的形成方法，可预先将部件504分成多个，在其接合面形成槽。在分割为多个部件时，要使得不从其接合面的间隙漏光。而且在由中空通路5 02构成波导路时(该波导路可由机械加工形成)，可提高其位置精度。

此外，也可以不将波导路形成为中空通路，而是如图17(a)所示，构成为在外周面进行了反射处理的导光体512。在该情况下，激光一边通过所述外周面被反射一边透过所述导光体512。作为反射处理例如可以进行金或银的涂装。作为导光体512例如可以为玻璃等。在通过这种导光体512形成波导路的情况下，仅通过改变导光体512的位置就可以简单地对激光的光路进行调整。

此外，可在这些波导路502、512的端部配置快门装置(参照图16(a)的标号505、图17(a)的标号515、图18的标号525)，在所述接合部501接合在所述刀架202上的情况下，使所述波导路502、512的端部502a、512a开口从而允许激光的供给，而当所述接合部501没有接合在所述刀架202上的情况下，闭塞所述波导路502、512的端部502a、512a开口以抑制异物附着在该端部上而侵入其中。由于在机床的情况下空气中的油雾一般都是呈浮游状态，所以可以抑制这种异物向波导路502、512附着和侵入其中的上述这种快门装置505、515、525非常适用。因此，在使用激光照射用工具的情况下，可以避免由于波导路中异物的存在而造成的激光的功率降低。

该快门装置可以构成为如图16(a)、(c)所示，也可以构成为如图18所示。

图16(a)、(c)所示的快门装置505由轴部5051、和安装在该轴部5051上的快门部件5052构成，使得轴部5051沿箭头A、B方向移动，而快门部件5052通过未示出的凸轮机构选择性地移动至使波导路端部502a开口的位置和使波导路端部502a闭塞的位置。

图18(a)、(b)、(c)所示的快门装置525由可移动至使所述波导路512的端部512a闭塞的位置(参照图18(a)及(c))和使该端部512a开口的位置(参照图18(b))的快门部件5251、和将该快门部件5251向所述闭塞位置加载的弹簧部件5252构成。所述快门部件5251构成为：如图18(b)所示，在所述接合部501与所述刀架202接合时抵抗所述弹簧部件5252的作用力而向所述开口位置移动，而在所述接合部501从所述刀架202取走的情况下通过所述弹簧部件5252的加载力而向所述闭塞位置移动。而且快门部件5251可以由具有回复力的橡胶片等形成，该快门部件5251可以由大致圆筒状的部件5253保持。当快门装置如图16、图18所示构成的情况下，由于和激光照射用工具向机床的安装/脱离相对应地，部件5051、5253与刀架202触接，而快门部件5052、5251可以方便地移动，不仅可以省去使该部件5251移动的操作，而且可以防止误操作或忘记操作。

在所述波导路502、512的附近可以形成流体流动用的冷却通路506、516。在该情况下，可以抑制伴随着激光的通过的发热。作为流体可以使用液体(水等)或气体，其中在使冷却通路506、516与所述工件W相对向的位置开口(使用气体流体)而向工件W上喷射气体的情况下，可以除去工件表面的异物以及防止工件的氧化以及进行冷却。例如，即使是在进行切削加工之后进行激光淬火的情况下，也可以除去在工件表面上残留的切削用水或切削用粉，从而可以良好的品质进行激光加工。而且，因为在激光加工过程中工件过热时淬火性能将降低，在该情况下通过空气清洗来对工件进行冷却，可以减少淬火性能的降低。此外，在使用惰性气体的情况下，可以进行淬火部的屏蔽。

以上根据本发明的实施方式进行了说明，但是本发明中所述实施方式只是作为例示性而并不限于此。此外，本发明的范围由后附的技术方案所示出，而并不受限于实施方式所述。因此，属于技术方案的变形或变更都在本发明的范围内。

本发明可以用于使用多个半导体激光器、对从该半导体激光器射出的激光进行聚光并获得规定的激光光线进行利用的各种装置中。

Claims (8)

1、一种激光发生装置，它具备：具有排列成矩阵状并可分别射出激光的多个光射出部的半导体激光器单元，和能够将从所述多个光射出部射出的激光进行聚光的激光聚光部，其特征在于，具有：

通过该激光聚光部聚光的激光所入射的入射口、与该入射口相对应的射出口、以及由从该入射口向该射出口直径逐渐变细的锥状的光传送路形成的锥状部。

2、根据权利要求1所述的激光发生装置，其特征在于，

通过所述激光聚光部聚光的激光的横截面形状与所述入射口的开口形状相等或比该开口形状小。

3、根据权利要求1所述的激光发生装置，其特征在于，所述光传送路的所述射出口附近的激光的断面收缩程度比所述光传送路的所述入射口附近的激光的断面收缩程度小。

4、根据权利要求1所述的激光发生装置，其特征在于，所述激光聚光部，是将可从所述多个光射出部分别射出的激光个别地传送的多根光纤，在与所述多个光射出部相对向的激光受光端相反的激光射出侧，集束构成的光纤束。

5、根据权利要求1所述的激光发生装置，其特征在于，所述激光聚光部是透镜。

6、根据权利要求1所述的激光发生装置，其特征在于，所述锥状部由金属材料构成，并且所述光传送路由在内面进行了研磨的锥形状的中空部构成。

7、根据权利要求1所述的激光发生装置，其特征在于，所述锥状部由金属材料构成，并且所述光传送路通过在内面形成有反射膜的锥状中空部构成。

8、根据权利要求1所述的激光发生装置，其特征在于，所述锥状部由合成树脂材料构成，并且所述光传送路通过由蒸镀在内面形成有金属反射膜的锥状中空部而构成。

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