JP2003344802A

JP2003344802A - レーザ照射装置

Info

Publication number: JP2003344802A
Application number: JP2002148582A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yoda; 正樹依田; Yuji Sano; 雄二佐野; Shigehiko Mukai; 成彦向井; Takuya Uehara; 拓也上原; Chiyouichi Suezono; 暢一末園; Keiichi Hirota; 圭一廣田; Kenichi Miyasato; 健一宮里
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】十分なエネルギーのパルスレーザ光を伝送可能
で安価な光ファイバ伝送式のレーザ照射装置を提供する
ことを目的とする。【解決手段】パルスレーザ光を出力するレーザ発振器１
０と、前記パルスレーザ光を集光して光ファイバ１２に
入射する光ファイバ導光装置１１ａと、前記光ファイバ
１２から出射されたパルスレーザ光を集光して対象物１
４に照射する照射ヘッド１３とを備え、前記光ファイバ
導光装置１１ａは、前記パルスレーザ光を光軸の異なる
複数のレーザ光線に分割するレンズアレイ１６と、前記
複数のレーザ光線を前記光ファイバ１２の入射端面上の
所定の範囲内に分散して集光させる集光光学系１７とを
備えている構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバで伝送
した高エネルギー密度のパルスレーザ光を材料や構造部
材の表面に照射し、それらの穴あけ、表面改質、表面ク
リーニング等の加工や、レーザＵＴ、ブレークダウン分
光等の検査、分析を行うために用いられるレーザ照射装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＹＡＧレーザ光は光ファイバ伝送
に適した波長を有するため、連続光で１ｋＷ程度のレー
ザ光を発振するファイバ伝送式の加工装置は、溶接や切
断等の工業用途に広く用いられている。一方、Ｑスイッ
チ式ＹＡＧレーザ発振器等から発生されるパルス幅数１
０ｎｓ以下のパルスレーザ光も、例えば、原子炉炉内構
造物の予防保全のために金属材料の応力改善を行うレー
ザピーニング装置や、建造物や美術作品の表面クリーニ
ングを行うレーザクリーニング装置等で使用されてい
る。

【０００３】しかし、このパルスレーザ光は、平均パワ
ーは数１０Ｗ以下と小さいもののピークパワーはＭＷオ
ーダであり、単純に集光して光ファイバに入射した場合
には光ファイバ自身が破壊されてしまうため、このパル
スレーザ光の伝送は中空のパイプと反射ミラー等を用い
て行うのが通常であった。

【０００４】そこで、高エネルギー密度のパルスレーザ
光の光ファイバによる伝送を可能にするため、光ファイ
バへの入射光学系においてパルスレーザ光の空間的コヒ
ーレンスを低下させ、光ファイバ入射端面でのパルスレ
ーザ光のエネルギー密度分布を均一化するとともに、光
ファイバ内部で集束することを防止する光ファイバ導光
装置が発明され特許出願されている（特開２０００−１
３８４０９号公報）。

【０００５】以下、図１６を参照して光ファイバ導光装
置の代表的な従来例について説明する。すなわち、従来
の光ファイバ導光装置１１ｇは、伝送用光ファイバ１２
の入射端の前面に同軸上に配置された凹レンズ３０、マ
イクロレンズアレイ３１および集光レンズ３２から構成
されている。

【０００６】このように構成された光ファイバ導光装置
１１ｇにおいては、高エネルギーのパルスレーザ光Ｌ₀
は、凹レンズ３０によってマイクロレンズアレイ３１の
口径にあった大きさに拡大されてマイクロレンズアレイ
３１にその一端から導入される。そしてマイクロレンズ
アレイ３１の内部で局所的に反射されながら伝送され、
他端からある広がり角度を持ったパルスレーザ光Ｌ₁と
して出射される。マイクロレンズアレイ３１から出射さ
れたパルスレーザ光Ｌ₁は、マイクロレンズアレイ３１
の内部で適度に拡散されているため、空間的なコヒーレ
ンスが低くなっている。また、マイクロレンズアレイ３
１を通過したため、パルスレーザ光Ｌ₁の空間的な強度
分布は均一化されている。

【０００７】マイクロレンズアレイ３１から出射された
パルスレーザ光Ｌ₁は、集光レンズ３２によって集光さ
れ、この集光されたパルスレーザ光Ｌ₂は伝送用光ファ
イバ１２の内部に導入される。この集光されたパルスレ
ーザ光Ｌ₂は伝送途中の光ファイバ１２の内部で集光す
るが、空間的なコヒーレンスが低いため、通常のレーザ
光のように一点で集束することがなく、伝送用光ファイ
バ１２の内部を破壊することはない。また、空間的な強
度分布が均一であるため、伝送用光ファイバ１２の入射
端で局所的な強度のピークがなく入射端面を破壊するこ
とがない。

【０００８】マイクロレンズアレイ３１を用いるほかに
も、ファイバオプティクス（ＦＯＰ）、カライドスコー
プ、拡散用光透過板を用いても同様の効果が得られる。
また、ディフラクティブ・オプティクスを用いた入射端
面での強度分布の均一化も試みられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来の光ファイ
バ導光装置においては、ファイバオプティクスやマイク
ロレンズアレイについては高価であること、カライドス
コープや拡散用光透過板ではコヒーレンスの低下や強度
分布の均一化に対し効果が劣ること、また、それぞれパ
ルスレーザ光の強度に対する制限や透過率が低いという
問題がある。

【００１０】本発明はかかる従来の事情に対処してなさ
れたものであり、十分なエネルギーのパルスレーザ光を
伝送可能で安価な光ファイバ伝送式のレーザ照射装置を
提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明のレーザ照射装置は、パルスレーザ
光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザ光を集
光して光ファイバに入射する光ファイバ導光装置と、前
記光ファイバから出射されたパルスレーザ光を集光して
対象物に照射する照射ヘッドとを備え、前記光ファイバ
導光装置は、前記パルスレーザ光を光軸の異なる複数の
レーザ光線に分割するレンズアレイと、前記複数のレー
ザ光線を前記光ファイバの入射端面上の所定の範囲内に
分散して集光させる集光光学系とを備えている構成とす
る。

【００１２】請求項２の発明のレーザ照射装置は、パル
スレーザ光を出力する複数のレーザ発振器と、前記それ
ぞれのパルスレーザ光を集光して光ファイバに入射する
光ファイバ導光装置と、前記光ファイバから出射された
パルスレーザ光を集光して対象物に照射する照射ヘッド
とを備え、前記光ファイバ導光装置は、前記パルスレー
ザ光を光軸の異なる複数のレーザ光線に分割するレンズ
アレイと、前記複数のレーザ光線を前記光ファイバの入
射端面上の所定の範囲内に分散して集光させる集光光学
系とを備えた構成とする。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１または２の発
明において、前記レンズアレイは、複数の四角形または
六角形の小レンズ、または平行に並べられた複数のシリ
ンドリカルレンズを備えた構成とする。

【００１４】請求項４の発明は、請求項１または２の発
明において、前記光ファイバ導光装置は、前記レンズア
レイの前または後に複数の透過孔を有するアパーチャを
備えている構成とする。

【００１５】請求項５の発明は、請求項１または２の発
明において、前記光ファイバ導光装置は、前記レンズア
レイと前記集光光学系の間に、前記レンズアレイにより
分割されて成る前記複数のレーザ光線と同数の光ファイ
バを備えた構成とする。

【００１６】請求項６の発明は、請求項１または２の発
明において、前記光ファイバの入射端面の状況を検出す
る検出器と、この検出器による検出結果からパルスレー
ザ光の入射状態を制御する制御手段とを備えた構成とす
る。

【００１７】請求項７の発明は、請求項１または２の発
明において、前記光ファイバは、その端面を炭酸ガスレ
ーザもしくは５μｍよりも長い波長を有するレーザ光に
より溶融処理してなる構成とする。

【００１８】請求項８の発明は、請求項１または２の発
明において、前記光ファイバは、その出射端に延長用光
ファイバを接続可能とすべく光コネクタを設けるととも
に、該光コネクタは液体を封入した水密構造を有する構
成とする。

【００１９】請求項９の発明は、請求項６の発明におい
て、前記検出器は前記光ファイバの入射端面を検出する
画像センサを備え、前記制御手段は前記検出器の検出結
果からパルスレーザ光の入射位置が前記光ファイバ端面
のコア内となるように制御する構成とする。

【００２０】請求項１０の発明は、請求項６の発明にお
いて、前記検出器は前記光ファイバの入射端面を検出す
る画像センサを備え、前記制御手段は前記検出器の検出
結果からパルスレーザ光の前記光ファイバへの入射を停
止するように制御する構成とする。

【００２１】請求項１１の発明は、請求項６の発明にお
いて、前記検出器は前記光ファイバの入射端面を観察す
る音響センサを備え、前記制御手段は前記検出器の検出
結果からパルスレーザ光の前記光ファイバへの入射を停
止するように制御する構成とする。

【００２２】請求項１２の発明は、請求項６の発明にお
いて、前記検出器は前記光ファイバの入射端面からの戻
り光の強度を測定する測定手段を備え、前記制御手段は
前記検出器の検出結果からパルスレーザ光の前記光ファ
イバへの入射を停止するように制御する構成とする。

【００２３】請求項１３の発明は、請求項２の発明にお
いて、前記複数のレーザ発振器から出力された複数のパ
ルスレーザ光は前記光ファイバ導光装置に対して非平行
の角度で入射するよう構成されている構成とする。

【００２４】請求項１４の発明は、請求項２の発明にお
いて、前記複数のレーザ発振器から出力された複数のパ
ルスレーザ光は前記光ファイバ導光装置に対して平行の
角度で入射するよう構成されている構成とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に本発明の第１の実施の形態
のレーザ照射装置を図１、図２を用いて説明する。すな
わち、本実施の形態のレーザ照射装置は、図１に示すよ
うに、パルスレーザ発振器１０、光ファイバ導光装置１
１ａ、伝送用光ファイバ１２および照射ヘッド１３から
構成され、光ファイバ導光装置１１ａは、パルスレーザ
光Ｌ₀をレンズアレイ１６の口径に合わせて拡大する拡
大光学系凹レンズ１５ａおよび拡大光学系凸レンズ１５
ｂと、レンズアレイ１６により分割されたパルスレーザ
光Ｌ₁を集光するための集光レンズ１７により構成され
ている。レンズアレイ１６は、複数の小レンズ１６ａか
ら成る。

【００２６】このように構成された本実施の形態のレー
ザ照射装置において、伝送用光ファイバ１２の入射端を
集光レンズ１７の焦点距離に等しい位置に置いた場合、
集光されたパルスレーザ光Ｌ₂は伝送用光ファイバ１２
の入射端面で結像関係にあり、レンズアレイ１６により
分割されたパルスレーザ光Ｌ₁を前記入射端面で一つに
重畳することができる。

【００２７】図２は、パルスレーザ光Ｌ₀、Ｌ₁および入
射端面で重畳されたパルスレーザ光Ｌ₂の空間的なエネ
ルギー密度の分布を示す。パルスレーザ発振器１０から
のパルスレーザ光Ｌ₀は図２（ａ）に示すように空間的
にエネルギー密度が均一ではなく、単純に凸レンズ等で
集光して伝送用光ファイバ１２に入射した場合、エネル
ギー密度が局所的に強い場所で入射端面が損傷してしま
う。

【００２８】本実施の形態のレーザ照射装置において
は、図２（ｂ）に示すようにレンズアレイ１６で複数の
パルスレーザ光Ｌ₁に分割した後、図２（ｃ）に示すよ
うに伝送用光ファイバ１２の入射端面で重畳して一つの
パルスレーザ光Ｌ₂にする。この重畳されたパルスレー
ザ光Ｌ₂の空間的なエネルギー密度分布は非常に均一で
あるため、伝送用光ファイバ１２の入射端面を破壊する
ことなく、より強いエネルギーのパルスレーザ光を入射
することが可能である。また、レンズアレイ１６により
分割され、かつ集光レンズ１７で集光されたパルスレー
ザ光Ｌ₂は、図１で示すように伝送用光ファイバ１２の
入射端面上に分散した点に焦点を持つ。そのため、伝送
用光ファイバ１２の内部でパルスレーザ光Ｌ₂は一点に
集光することがなく、より強いエネルギーのパルスレー
ザ光を入射しても光ファイバ内部を破壊することがな
い。

【００２９】本実施の形態によれば、高エネルギー密度
のパルスレーザ光Ｌ₀を出力するパルスレーザ発振器１
０と、パルスレーザ光を集光して光ファイバ１２に入射
する光ファイバ導光装置１１ａと、パルスレーザ光を伝
送するための光ファイバ１２と、光ファイバ１２からの
出射光Ｌ₂を集光して対象物の照射面１４に照射する照
射ヘッド１３からなる光ファイバ伝送式のレーザ照射装
置において、光ファイバ導光装置１１ａに、パルスレー
ザ光を通す複数の小レンズ１６ａを組み合わせたレンズ
アレイ１６と、このレンズアレイ１６により分割された
パルスレーザ光Ｌ₁を光ファイバ１２の入射端面で一つ
に重畳するための集光レンズ１７とを有することによ
り、より強いエネルギーのレーザ光を入射しても伝送用
光ファイバ１２を破壊することなく伝送することができ
る。

【００３０】次に、本発明の第２の実施の形態のレーザ
照射装置を図３を用いて説明する。本実施の形態では、
図１に示した光ファイバ導光装置１１ａを構成するレン
ズアレイ１６を四角形の小レンズ１６ｂで構成する。

【００３１】円形の小レンズ等を組み合わせてレンズア
レイを構成する際には、小レンズ間の隙間に入射するレ
ーザ光は透過しないよう遮蔽する必要があり、透過効率
を低下させる要因ともなるが、本実施の形態において
は、四角形の小レンズ１６ｂを用いることで隙間のない
レンズアレイ１６を構成することが可能である。図３
（ａ）に示すように、パルスレーザ光Ｌ₀は四角形の小
レンズ１６ｂで隙間なく複数の四角形の区画に分割され
る。これが伝送用光ファイバ１２の入射端面で重畳され
たパルスレーザ光Ｌ₂は、図３（ｂ）に示すように四角
形を成し、伝送用光ファイバ１２のコア２０の範囲内に
入射される。

【００３２】本実施の形態は、光ファイバ導光装置１１
ａに備えられるレンズアレイ１６が四角形の小レンズ１
６ｂで構成されているので、入射パルスレーザ光Ｌ₀の
ロスを最小限にとどめることができる。

【００３３】次に、本発明に係るレーザ照射装置の第３
の実施の形態を図４を用いて説明する。本実施の形態で
は、図１に示した光ファイバ導光装置１１ａに備えられ
るレンズアレイ１６を、複数のシリンドリカルレンズ１
６ｃを同一方向に組み合わせて成る２組のレンズアレイ
１６ｃ₀および１６ｃ₁を、それぞれシリンドリカルレン
ズ１６ｃが互いに直交するように配置して構成する。

【００３４】このように構成された本実施の形態におい
て、図４（ａ）で示すように２組のレンズアレイ１６ｃ
₀および１６ｃ₁を互いに直交して配置して構成されたレ
ンズアレイ１６は、図４（ｂ）のように入射方向から見
れば四角形の小レンズを組み合わせたと等価な機能を生
じる。このようなレンズアレイ１６は、四角形の小レン
ズを組み合わせるのに比べ少ないレンズ数で構成するこ
とができる。また、それぞれのレンズアレイ１６ｃ₀お
よび１６ｃ₁の焦点位置をずらすことによりアナモルフ
ィックな光学系となるため、分割されたパルスレーザ光
Ｌ₁は伝送用光ファイバ１２の入射端手前の集光点でよ
り一点に集光されにくくなり、集光点が分散される効果
がある。

【００３５】本実施の形態は、光ファイバ導光装置に備
えられるレンズアレイ１６が、複数のシリンドリカルレ
ンズ１６ｃを同一方向に組み合わせた２組のレンズアレ
イ１６ｃ₀および１６ｃ₁を互いに直交して配置した構成
であるので、小レンズで構成するのに比べ安価に装置を
製作することができるとともに、四角形の小レンズで構
成したものと同様の効果が得られる。

【００３６】次に、本発明に係るレーザ照射装置の第４
の実施の形態を図５を用いて説明する。本実施の形態で
は、図１に示した光ファイバ導光装置１１ａのレンズア
レイ１６を六角形の小レンズ１６ｄで構成する。

【００３７】このように構成された本実施の形態におい
ては、パルスレーザ光Ｌ₀は六角形の小レンズ１６ｄで
隙間なく複数の六角形の区画に分割される。これが伝送
用光ファイバ１２の入射端面で重畳されたパルスレーザ
光Ｌ₂は六角形を成し、伝送用光ファイバ１２のコア２
０の範囲内に入射される。六角形の小レンズ１６ｄを用
いることで四角形の小レンズによるのと同様に隙間なく
レンズアレイ１６を構成することができる。また、伝送
用光ファイバ１２の入射端面で重畳されたパルスレーザ
光Ｌ₂は六角形を成すため、円形のコア２０に対し四角
形の小レンズの場合よりも大きな面積で入射することが
でき、結果として、より多くのエネルギーを入射するこ
とができる。

【００３８】本実施の形態は、光ファイバ導光装置に用
いるレンズアレイ１６が六角形の小レンズ１６ｄで構成
されているので、入射パルスレーザ光Ｌ₀のロスを最小
限にとどめると同時に、より多くのエネルギーを伝送す
ることができる。

【００３９】次に、本発明に係るレーザ照射装置の第５
の実施の形態を図６、図７を用いて説明する。本実施の
形態では、複数の円形の透過孔１８ａを設けたアパーチ
ャ１８を光ファイバ導光装置１１ｂのレンズアレイ１６
の前方に設置する。

【００４０】このように構成された本実施の形態におい
ては、レンズアレイ１６に入射されるパルスレーザ光Ｌ
₀は複数の同一面積の円形状に切り出される。パルスレ
ーザ光Ｌ₀の透過効率は低下するが、図７（ｃ）で示す
ように伝送用光ファイバ１２の入射端面で重畳されたパ
ルスレーザ光Ｌ₂は円形を成すため、円形のコア２０に
対し四角形や六角形であるよりもさらに大きな面積で入
射することができ、結果として、より多くの光エネルギ
ーを入射することが可能である。

【００４１】本実施の形態は、複数の円形の透過孔１８
ａを設けたアパーチャ１８が光ファイバ導光装置１１ｂ
のレンズアレイ１６の前方に設置されているので、この
レンズアレイ１６に入射されるパルスレーザ光Ｌ₀が複
数の同一面積の円形状に切り出されることになり、より
多くの光エネルギーを伝送することができる。なお、ア
パーチャ１８ａは、レンズアレイ１６の後方に設けても
よい。

【００４２】次に、本発明に係るレーザ照射装置の第６
の実施の形態を図８を用いて説明する。本実施の形態で
は、光ファイバ導光装置１１ｃのレンズアレイ１６と集
光レンズ１７の間に、このレンズアレイ１６により分割
されたパルスレーザ光Ｌ₁と同数で伝送用光ファイバ１
２よりも細径の光ファイバ１９を設置する。レンズアレ
イ１６により分割されたパルスレーザ光Ｌ₁は光ファイ
バ１９を通過することで空間的コヒーレンスが低下す
る。光ファイバ１９は、短い距離でも空間的コヒーレン
ス低下の効果を高めるため、途中に曲げ部分を設けモー
ドスクランブルを行っている。

【００４３】このように構成された本実施の形態におい
ては、光ファイバ１９により伝送されたパルスレーザ光
Ｌ_４は、入射パルスレーザ光Ｌ₁に比べ空間的コヒーレ
ンスが低下し、一点に集光することはなくなり、エネル
ギー密度分布も均一化される。従って、集光レンズ１７
により集光されたパルスレーザ光Ｌ₂は、レンズアレイ
１６による分割数が少ない場合においても、伝送用光フ
ァイバ１２の伝送途中で集光せず、伝送用光ファイバ１
２を破壊することがない。光ファイバ１９は伝送用光フ
ァイバ１２よりも細径とすることによって、伝送用光フ
ァイバ１２のコア径よりも小さく集光することが可能で
ある。また、光ファイバ１９の出射光Ｌ _４はビーム形状
が円形であるため、伝送用光ファイバ１２の入射端面で
円形に集光することが容易である。

【００４４】本実施の形態によれば、光ファイバ導光装
置１１ｃのレンズアレイ１６と集光レンズ１７の間に、
このレンズアレイ１６により分割されたパルスレーザ光
Ｌ₁と同数の光ファイバ１９を設置するので、レンズア
レイ１６により分割されたパルスレーザ光Ｌ₁の空間的
コヒーレンスが低下した後、伝送用光ファイバ１２にパ
ルスレーザ光Ｌ₂が導かれる。従って、レンズアレイ１
６による分割数が少ない場合においても、伝送用光ファ
イバ１２の伝送途中で集光し伝送用光ファイバ１２を破
壊することを防止することができる。また、伝送用光フ
ァイバ１２の入射端面で円形に集光することが容易であ
る。

【００４５】次に、本発明に係るレーザ照射装置の第７
の実施の形態を図９を用いて説明する。すなわち、本実
施の形態のレーザ照射装置は、角度をもって配置された
２台のレーザ発振器１０ａ，１０ｂと、角度をもって設
けられた２個の拡大光学系凹レンズ１５ｃ，１５ｅ、角
度をもって設けられた２個の拡大光学系凸レンズ１５
ｄ，１５ｆ、および１枚のレンズアレイ１６と１枚の集
光レンズ１７を備えた光ファイバ導光装置１１ｄとを備
えた構成である。

【００４６】本実施の形態では、２台のレーザ発振器１
０ａおよび１０ｂから出力されたパルスレーザ光Ｌ_ａ0
およびＬ_ｂ0が、非平行の角度で光ファイバ導光装置１
１ｄのレンズアレイ１６に入射して合成され伝送用光フ
ァイバ１２に入射する。

【００４７】従来、レーザ光を合成する際は、直線偏光
のレーザ光を偏光ビームスプリッタにより合成する方法
が一般的であるが、この方法では３台以上のレーザ発振
器の出力を合成することは困難である。上記のように構
成された本実施の形態においては、パルスレーザ光を光
ファイバに導くための光ファイバ導光装置１１ｄを用い
てパルスレーザ光Ｌ_ａ0およびＬ_ｂ0を合成し、伝送用光
ファイバ１２の入射ＮＡの範囲内で伝送用光ファイバ１
２に入射する。集光された２つのパルスレーザ光Ｌ_ａ2
とＬ_ｂ2は伝送用光ファイバ１２の入射端面で完全には
重畳せず、形状も若干扁平となるが、特別なレーザ光合
成用の光学系を必要とせず、レーザ光の偏光特性の制限
なく合成が可能であり、さらに３台以上のレーザ発振器
からのパルスレーザ光の合成も容易である。

【００４８】本実施の形態のレーザ照射装置において
は、複数のレーザ発振器１０ａおよび１０ｂから出力さ
れたパルスレーザ光Ｌ_ａ0およびＬ_ｂ0が、非平行の角度
で光ファイバ導光装置１１ｄのレンズアレイ１６に入射
することによって合成されるので、特別なレーザ光合成
用の光学系を必要とせず、レーザ光の偏光特性の制限な
く合成することができる。さらに３台以上のレーザ発振
器からのパルスレーザ光を合成する実施の形態も可能で
ある。

【００４９】次に、本発明に係るレーザ照射装置の第８
の実施の形態を図１０を用いて説明する。本実施の形態
のレーザ照射装置は平行に配置された２台のパルスレー
ザ発振器１０ｃ，１０ｄを備えている。また、光ファイ
バ導光装置１１ｅは、平行に設けられた各２枚の拡大光
学系凹レンズ１５ｇ，１５ｉと拡大光学系凸レンズ１５
ｈ，１５ｊ、および１枚のレンズアレイ１６と１枚の集
光レンズ１７を備えている。

【００５０】本実施の形態では、２台のレーザ発振器１
０ｃおよび１０ｄから出力されたパルスレーザ光Ｌ_ｃ0
およびＬ_ｄ0は、それぞれ平行に光ファイバ導光装置１
１ｅのレンズアレイ１６の異なる小レンズ群に入射する
ことで合成され、伝送用光ファイバ１２に入射する。

【００５１】このように構成された本実施の形態におい
ては、レンズアレイ１６の各小レンズで集光されたパル
スレーザ光Ｌ_ｃ1，Ｌ_ｄ1は、入射位置に関係なく、いず
れのレーザ光も伝送用光ファイバ１２の入射端面で同一
の形状に重畳される。従って、パルスレーザ光Ｌ_ｃ2と
Ｌ_ｄ2は伝送用光ファイバ１２の入射端面で完全に重な
り合い、前記第７の実施の形態に比べ、より多くのエネ
ルギーのパルスレーザ光伝送が可能である。また、特別
なレーザ光合成用の光学系を必要とせず、レーザ光の偏
光特性の制限なく合成が可能であり、さらに３台以上の
レーザ発振器からのパルスレーザ光の合成も容易であ
る。

【００５２】本実施の形態によれば、２台のレーザ発振
器１０ｃおよび１０ｄから出力されるパルスレーザ光Ｌ
_ｃ0およびＬ_ｄ0が、それぞれ平行に光ファイバ導光装置
１１ｅのレンズアレイ１６の異なる小レンズ群に入射す
ることでレーザ光が合成され、伝送用光ファイバ１２に
入射するので、より多くのエネルギーのパルスレーザ光
伝送が可能であり、かつ、特別なレーザ光合成用の光学
系を必要とせず、レーザ光の偏光特性の制限なく合成が
可能で、さらに３台以上のレーザ発振器からのパルスレ
ーザ光の合成も容易である。

【００５３】次に、本発明に係るレーザ照射装置の第９
の実施の形態を図１１を用いて説明する。本実施の形態
では、伝送用光ファイバ１２の入射端面を炭酸ガスレー
ザあるいは５μｍよりも長い波長を有するレーザ光によ
り溶融処理乃至溶断した構成とする。

【００５４】高エネルギーレーザ伝送用の光ファイバ１
２のコア２０の素材は石英であるが、石英は炭酸ガスレ
ーザ等の５μｍよりも長い波長の光を吸収するため、こ
のレーザ光をコア２０表面に照射すると、表面から数１
０μｍの深さまでを溶融することが可能である。通常光
ファイバ端面は研磨剤により光学研磨処理を施すが、こ
のように処理された入射端面のコア２０表面には微小な
研磨傷２１が残るため、この研磨傷２１が原因となって
高エネルギーのパルスレーザ光を入射した場合損傷が起
きやすくなる。しかし、溶融後固まった表面には研磨傷
２１はなくなり、平滑できれいな面となるため損傷が起
きにくい。また、光学研磨後にレーザ光を照射するので
はなく、光ファイバを直接上記レーザ光で溶断した場合
にも同様の効果が得られる。

【００５５】本実施の形態によれば、入射端面を炭酸ガ
スレーザあるいは５μｍよりも長い波長を有するレーザ
光により溶融処理乃至溶断した伝送用光ファイバ１２を
備えることにより、高エネルギーのパルスレーザ光を入
射した場合でも損傷が起きにくくなり、より多くの光エ
ネルギーを伝送することができる。

【００５６】次に、本発明に係るレーザ照射装置の第１
０の実施の形態を図１２を用いて説明する。本実施の形
態では、伝送用光ファイバ１２の出射端に光コネクタ２
２を設けて延長用光ファイバ１２ａを接続可能な構造と
し、かつ光コネクタ２２を水密構造として内部に純水等
の液体２３を封入した構造とする。

【００５７】本実施の形態において、液体２３を封入し
ない場合、光ファイバ１２，１２ａの接続端において光
ファイバの材質（石英等）と空気の屈折率差によりフレ
ネル反射が起こり伝送損失が増加する。通常、フレネル
反射を防止するためには、シリコン樹脂等の空気よりも
石英に屈折率が近い物質からなるグリースを接続端面に
塗布する。しかし、このようなグリースは、高エネルギ
ーのパルスレーザを伝送する場合にはパルスレーザ光の
エネルギー密度に耐えることができず焼けが発生し、光
ファイバの入射端面を破壊してしまう。本実施の形態に
おいては、純水等の高エネルギーのパルスレーザに対し
ても耐えることができる液体を接続端に封入してあるの
で、このような現象を防止することができる。純水の屈
折率は約１．３であり、空気の１．0に比べ石英の約
１．５に近いためフレネル反射の発生を低減することが
可能である。

【００５８】本実施の形態によれば、伝送用光ファイバ
１２の出射端に光コネクタ２２を設けて延長用光ファイ
バ１２ａを接続可能な構造とし、かつ光コネクタ２２を
水密構造として内部に純水等の液体２３を封入すること
により、高エネルギーのパルスレーザ光を伝送する場合
においても光ファイバ接続端での伝送損失を低減するこ
とができる。

【００５９】次に、本発明に係るレーザ照射装置の第１
１の実施の形態を図１３を用いて説明する。すなわち、
本実施の形態のレーザ照射装置は、パルスレーザ発振器
１０と、パルスレーザ光Ｌ₀を伝送用光ファイバ１２に
導く光ファイバ導光装置１１ｆ₀および１１ｆ₁と、伝送
用光ファイバ１２の入射端面を観察するための結像レン
ズ２５およびＣＣＤカメラ２６と、ＣＣＤカメラ２６で
得られた画像情報からパルスレーザ光Ｌ₂の伝送用光フ
ァイバ１２への入射位置を検出し検出結果から入射位置
を伝送用光ファイバ１２の端面のコア内に制御するため
の駆動ミラー２４ａ、２４ｂ、およびコントローラ２７
とを備えている。駆動ミラー２４ａは半透過性である。

【００６０】本実施の形態のレーザ照射装置において、
光ファイバ導光装置１１ｆ₀は、拡大光学系およびレン
ズアレイを内蔵し、光ファイバ導光装置１１ｆ₁は集光
光学系を内蔵しており、これらの間に駆動ミラー２４ａ
および２４ｂが配置されている。駆動ミラー２４ａおよ
び２４ｂをコントローラ２７からの制御信号により駆動
することで、伝送用光ファイバ１２の入射端面のコア内
にパルスレーザ光Ｌ₀の入射位置を２次元的に制御す
る。パルスレーザ光Ｌ₀の入射位置は、駆動ミラー２４
ａをわずかに透過してくる漏れ光を結像レンズ２５を介
してＣＣＤカメラ２６で観察する。ＣＣＤカメラ２６に
より得られた画像をコントローラ２７で解析し、正しい
位置に入射するよう駆動ミラー２４ａおよび２４ｂを制
御する。

【００６１】本実施の形態によれば、光ファイバ伝送式
のレーザ照射装置に、伝送用光ファイバ１２の入射端面
を観察するＣＣＤカメラ２６と、ＣＣＤカメラ２６の情
報からパルスレーザ光の入射位置を検出し、かつ検出結
果から入射位置を伝送用光ファイバ１２端面のコア内に
制御する駆動ミラー２４ａ、２４ｂ、および、コントロ
ーラ２７を具備することにより、パルスレーザ光Ｌ₂は
常に伝送用光ファイバ１２の正しい位置に入射される。

【００６２】次に、本発明に係るレーザ照射装置の第１
２の実施の形態を図１４，１５を用いて説明する。すな
わち、本実施の形態のレーザ照射装置は、図１４に示す
ように、パルスレーザ発振器１０と、パルスレーザ光Ｌ
₀を伝送用光ファイバ１２に導くための光ファイバ導光
装置１１ｆ₀および１１ｆ₁と、伝送用光ファイバ１２の
入射端面を観察するための結像レンズ２５およびＣＣＤ
カメラ２６と、ＣＣＤカメラ２６で得られた画像情報か
らパルスレーザ光Ｌ₂の伝送用光ファイバ１２への入射
位置を検出し検出結果から入射位置を伝送用光ファイバ
１２の端面のコア内に制御するための駆動ミラー２４
ａ、２４ｂおよびコントローラ２７を備え、さらに、パ
ルスレーザ光Ｌ₀を遮断するための電動シャッタ２８、
および伝送用光ファイバ１２の入射端面近傍に設置され
たマイクロフォン２９を備えている。駆動ミラー２４ａ
は半透過性である。

【００６３】本実施の形態のレーザ照射装置において、
何らかの原因で伝送用光ファイバ１２の入射端面がパル
スレーザ光Ｌ₂により破壊された場合、入射端面はコア
がプラズマ化されるため急激に発光量が増加する。入射
端面を観察しているＣＣＤカメラ２６の映像からコント
ローラ２７が発光量の増加を検出し、電動シャッタ２９
でパルスレーザ光Ｌ₀を遮断することで照射を停止する
と同時に異常を表示する。また、伝送用光ファイバ１２
のコアがプラズマ化される際には大きな破裂音を伴うた
め、伝送用光ファイバ１２の入射端面近傍に設置された
マイクロフォン２９により破裂音を検出し、同様に電動
シャッタ２９でパルスレーザ光Ｌ₀を遮断して照射を停
止する。

【００６４】さらに、伝送用光ファイバ１２にパルスレ
ーザ光Ｌ₂が入射した後、光ファイバ１２内の後方散乱
やフレネル反射による戻り光をＣＣＤカメラ２６により
観察することが可能である。この発光量の時間変化をコ
ントローラ２７で解析すると、図１５に示すような曲線
となる。時間軸は光ファイバ１２内の距離に相当し、正
常状態では遠くに行くほどなだらかに光量が減衰する曲
線となる。大きなピークは、光コネクタや光ファイバ１
２の終端面等の不連続点でのフレネル反射による大きな
戻り光である。光ファイバ１２が途中で切断されたり損
傷を受けた場合、光ファイバ１２の異常発生場所に相当
する曲線上の位置で、それまであったなだらかな曲線が
消失したり、新たに大きなピークが現れるといった変化
がある。この変化をコントローラ２７で検出し、電動シ
ャッタ２９でパルスレーザ光Ｌ₀を遮断して照射を停止
すると同時に異常を表示する。また、光ファイバ１２の
どの位置で異常が起きたかを知ることで修理が容易とな
る。

【００６５】本実施の形態によれば、何らかの原因で伝
送用光ファイバ１２の入射端面がパルスレーザ光Ｌ₂に
より破壊された場合、伝送用光ファイバ１２の入射端面
を観察しているＣＣＤカメラ２６の映像からコントロー
ラ２７が発光量の増加を検出し、電動シャッタ２９でパ
ルスレーザ光Ｌ₀を自動的に遮断することで照射を停止
すると同時に異常を表示することができる。また、伝送
用光ファイバ１２の入射端面近傍に設置されたマイクロ
フォン２９により破裂音を検出し、同様に電動シャッタ
２９でパルスレーザ光Ｌ₀を自動的に遮断して照射を停
止し異常を表示することができる。さらに、ＣＣＤカメ
ラ２６により検出した伝送用光ファイバ１２の入射端か
らの戻り光の強度の時間変化をコントローラ２７により
解析することで、伝送用光ファイバ１２の損傷と損傷位
置を検出し、自動的に遮断して照射を停止し異常を表示
することができる。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、十分なエネルギーのパ
ルスレーザ光を伝送可能で安価な光ファイバ伝送式のレ
ーザ照射装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態のレーザ照射装置を
示す構成図。

【図２】上記第１の実施の形態の作用を示し、（ａ），
（ｂ），（ｃ）はそれぞれパルスレーザ光Ｌ₀，Ｌ₁，Ｌ
₂の空間的エネルギー密度分布を示す曲線図。

【図３】本発明の第２の実施の形態のレーザ照射装置の
要部を示し、（ａ）はレンズアレイを示し、（ｂ）は伝
送用光ファイバの入射端を示す図。

【図４】本発明の第３の実施の形態のレーザ照射装置の
レンズアレイを示し、（ａ）は構成を示す図、（ｂ）は
作用を示す図。

【図５】本発明の第４の実施の形態のレーザ照射装置の
要部を示し、（ａ）はレンズアレイを示し、（ｂ）は伝
送用光ファイバの入射端を示す図。

【図６】本発明の第５の実施の形態のレーザ照射装置に
おける光ファイバ導光装置の構成を示す図。

【図７】本発明の第５の実施の形態のレーザ照射装置の
要部を示し、（ａ）はアパーチャを示し、（ｂ）はレン
ズアレイを示し、（ｃ）は伝送用光ファイバの入射端を
示す図。

【図８】本発明の第６の実施の形態のレーザ照射装置に
おける光ファイバ導光装置の構成を示す図。

【図９】本発明の第７の実施の形態のレーザ照射装置を
示す構成図。

【図１０】本発明の第８の実施の形態のレーザ照射装置
を示す構成図。

【図１１】伝送用光ファイバの入射端を示して本発明の
第９の実施の形態のレーザ照射装置を説明する図。

【図１２】本発明の第１０の実施の形態のレーザ照射装
置における伝送用光ファイバの断面を示す図。

【図１３】本発明の第１１の実施の形態のレーザ照射装
置を示す構成図。

【図１４】本発明の第１２の実施の形態のレーザ照射装
置を示す構成図。

【図１５】伝送用光ファイバにおける戻り光の光量の時
間変化の例を示し、上記第１２の実施の形態のレーザ照
射装置の作用を説明する曲線図。

【図１６】従来のレーザ照射装置における光ファイバ導
光装置を示す図。

【符号の説明】

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…パルスレーザ
発振器、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１
１ｆ₀，１１ｆ₁，１１ｇ…光ファイバ導光装置、１２，
１２ａ…伝送用光ファイバ、１３…照射ヘッド、１４…
照射面、１５ａ，１５ｃ，１５ｅ…拡大光学系凹レン
ズ、１５ｂ，１５ｄ，１５ｆ…拡大光学系凸レンズ、１
６，１６ｃ₀，１６ｃ₁…レンズアレイ、１６ａ…小レン
ズ、１６ｂ…四角形の小レンズ、１６ｃ…シリンドリカ
ルレンズ、１６ｄ…六角形の小レンズ、１７，３２…集
光レンズ、１８…アパーチャ、１８ａ…透過孔、１９…
光ファイバ、２０…コア、２１…研磨傷、２２…光コネ
クタ、２３…液体、２４ａ，２４ｂ…駆動ミラー、２５
…結像レンズ、２６…ＣＣＤカメラ、２７…コントロー
ラ、２８…電動シャッタ、２９…マイクロフォン、３０
…凹レンズ、３１…マイクロレンズアレイ、Ｌ₀，Ｌ₁，
Ｌ₂，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_ａ0，Ｌ_ａ1，Ｌ_ａ2，Ｌ_ｂ ₀，
Ｌ_ｂ1，Ｌ_ｂ2，Ｌ_ｃ0，Ｌ_ｃ1，Ｌ_ｃ2，Ｌ_ｄ0，Ｌ_ｄ1，
Ｌ_ｄ2…パルスレーザ光。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 3/06 Ｇ０２Ｂ 5/00 Ｂ 5/00 6/42 6/42 27/00 Ｅ (72)発明者向井成彦神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者上原拓也神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者末園暢一神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者廣田圭一東京都府中市晴見町２丁目24番地の１東芝アイティー・コントロールシステム株式会社内 (72)発明者宮里健一東京都府中市晴見町２丁目24番地の１東芝アイティー・コントロールシステム株式会社内Ｆターム(参考） 2H037 AA04 BA03 BA06 CA12 CA21 2H042 AA09 AA13 AA15 AA21 4E068 AF00 AH00 CA05 CA18 CC01 CD02 CD03 CD05 CD10 CD13 CE08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルスレーザ光を出力するレーザ発振器
と、前記パルスレーザ光を集光して光ファイバに入射す
る光ファイバ導光装置と、前記光ファイバから出射され
たパルスレーザ光を集光して対象物に照射する照射ヘッ
ドとを備え、前記光ファイバ導光装置は、前記パルスレ
ーザ光を光軸の異なる複数のレーザ光線に分割するレン
ズアレイと、前記複数のレーザ光線を前記光ファイバの
入射端面上の所定の範囲内に分散して集光させる集光光
学系とを備えていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】パルスレーザ光を出力する複数のレーザ
発振器と、前記それぞれのパルスレーザ光を集光して光
ファイバに入射する光ファイバ導光装置と、前記光ファ
イバから出射されたパルスレーザ光を集光して対象物に
照射する照射ヘッドとを備え、前記光ファイバ導光装置
は、前記パルスレーザ光を光軸の異なる複数のレーザ光
線に分割するレンズアレイと、前記複数のレーザ光線を
前記光ファイバの入射端面上の所定の範囲内に分散して
集光させる集光光学系とを備えていることを特徴とする
レーザ照射装置。
【請求項３】前記レンズアレイは、複数の四角形また
は六角形の小レンズ、または平行に並べられた複数のシ
リンドリカルレンズを備えていることを特徴とする請求
項１または２記載のレーザ照射装置。
【請求項４】前記光ファイバ導光装置は、前記レンズ
アレイの前または後に複数の透過孔を有するアパーチャ
を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の
レーザ照射装置。
【請求項５】前記光ファイバ導光装置は、前記レンズ
アレイと前記集光光学系の間に、前記レンズアレイによ
り分割されて成る前記複数のレーザ光線と同数の光ファ
イバを備えていることを特徴とする請求項１または２記
載のレーザ照射装置。
【請求項６】前記光ファイバの入射端面の状況を検出
する検出器と、この検出器による検出結果からパルスレ
ーザ光の入射状態を制御する制御手段とを備えたことを
特徴とする請求項１または２記載のレーザ照射装置。
【請求項７】前記光ファイバは、その端面を炭酸ガス
レーザもしくは５μｍよりも長い波長を有するレーザ光
により溶融処理してなることを特徴とする請求項１また
は２記載のレーザ照射装置。
【請求項８】前記光ファイバは、その出射端に延長用
光ファイバを接続可能とすべく光コネクタを設けるとと
もに、該光コネクタは液体を封入した水密構造を有する
ことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ照射装
置。
【請求項９】前記検出器は前記光ファイバの入射端面
を検出する画像センサを備え、前記制御手段は前記検出
器の検出結果からパルスレーザ光の入射位置が前記光フ
ァイバ端面のコア内となるように制御することを特徴と
する請求項６記載のレーザ照射装置。
【請求項１０】前記検出器は前記光ファイバの入射端
面を検出する画像センサを備え、前記制御手段は前記検
出器の検出結果からパルスレーザ光の前記光ファイバへ
の入射を停止するように制御することを特徴とする請求
項６記載のレーザ照射装置。
【請求項１１】前記検出器は前記光ファイバの入射端
面を観察する音響センサを備え、前記制御手段は前記検
出器の検出結果からパルスレーザ光の前記光ファイバへ
の入射を停止するように制御することを特徴とする請求
項６記載のレーザ照射装置。
【請求項１２】前記検出器は前記光ファイバの入射端
面からの戻り光の強度を測定する測定手段を備え、前記
制御手段は前記検出器の検出結果からパルスレーザ光の
前記光ファイバへの入射を停止するように制御すること
を特徴とする請求項６記載のレーザ照射装置。
【請求項１３】前記複数のレーザ発振器から出力され
た複数のパルスレーザ光は前記光ファイバ導光装置に対
して非平行の角度で入射するよう構成されていることを
特徴とする請求項２記載のレーザ照射装置。
【請求項１４】前記複数のレーザ発振器から出力され
た複数のパルスレーザ光は前記光ファイバ導光装置に対
して平行の角度で入射するよう構成されていることを特
徴とする請求項２記載のレーザ照射装置。