JP2005070664A

JP2005070664A - レーザ分岐装置及びレーザ加工装置

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Publication number: JP2005070664A
Application number: JP2003303357A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Toritani; 智晶鳥谷; Kouji Tsumanuma; 孝司妻沼; Kenichi Nakatate; 健一中楯; Masanobu Hidaka; 正伸日高
Original assignee: Fujikura Ltd; Toyo Tokai Aluminum Hanbai KK
Current assignee: Fujikura Ltd; Toyo Tokai Aluminum Hanbai KK
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】レーザ光源から出射されたレーザ光を複数の分岐光ファイバに均一なエネルギー分配比で分配するレーザ分岐装置及びそれを用いて構成されたレーザ加工装置の提供。
【解決手段】レーザ光源１１と、そのレーザ光Ｌを入射し出射面からエネルギー分布が面内で均一化されたレーザ光を出射する断面多角形状をなすエネルギー分布均一化ロッド１４と、複数本の光ファイバの一端側を集束してなり、その集束端末を前記エネルギー分布均一化ロッドの出射面に接続したファイババンドル１５とを備えたことを特徴とするレーザ分岐装置１０。前記レーザ分岐装置１０を備え、前記ファイババンドルのそれぞれの分岐光ファイバの出射端１８を所定の加工位置に向けて配置してなるレーザ加工装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を複数の分岐光ファイバに均一なエネルギー分配比で分配するレーザ分岐装置及びそれを用いたレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ加工装置などにおいて、レーザ光源から出射したレーザ光を複数の分岐レーザ光に分配し、多点同時レーザ加工を行う方法が知られている。また、分岐レーザ光を光ファイバに入射して加工位置近傍まで導光し、光ファイバの出射端から集光レンズを経て加工位置に分岐レーザ光を照射する方法も知られている。
図１〜３は従来のレーザ分岐方法及び分岐装置の概要を例示する図である。図１の方法では集光レンズ１を通してレーザ光Ｌを平行光とし、これを反射：透過比が１：１の部分反射透過ミラー２に当て、このレーザ光Ｌを反射側と透過側の２つの分岐レーザ光Ｌ１，Ｌ２に分配し、それぞれ集光レンズ１を通して照射できるようになっている。
図２の方法では、集光レンズ１を通してレーザ光Ｌを平行光とし、反射：透過比が１：２の部分反射透過ミラー３に当て、その透過光を反射：透過比が１：１の部分反射透過ミラー２に当てることで、レーザ光Ｌを３つの分岐レーザ光Ｌ１〜３に分配している。
図３は、図２に示す方法を適用し、かつ導光用に光ファイバを用いた３分岐タイプのレーザ分岐装置４を例示している。この装置では、光ファイバ５によって導光されたレーザー光Ｌを端末５ａから出射し、集光レンズ１を通して平行光とし、図２と同様に反射：透過比が１：２の部分反射透過ミラー３と反射：透過比が１：１の部分反射透過ミラー２に当て、３つの分岐レーザ光Ｌ１〜３に分配し、それぞれの分岐レーザ光Ｌ１〜３をそれぞれ光ファイバ６〜８の端末６ａ〜８ａに入射している。

従来、このような部分反射透過ミラーを用いてレーザ光の分配を行う装置としては、原レーザ光の波長に対する反射率及び透過率が一次元または二次元方向でほぼ連続的に変化する１枚または複数枚の部分反射透過ミラーをそれぞれ所定の向きで所定の位置に配置し、各々の部分反射透過ミラーに入射するレーザ光が所望の反射率及び透過率で所定の方向に反射および透過するように各々の部分反射ミラーの位置を調整し、各々の部分反射透過ミラーからの反射光または透過光を分岐レーザ光とするレーザ分岐装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−３６１４４号公報

しかしながら、従来のレーザ分岐装置では、レーザ光の分配比（反射／透過により分配されたレーザ光のエネルギー比）を精密に制御するために、個々の光学部品に微調整機構を設けて１ユニット毎に光軸の調整を行い、組み立てる必要がある。また、光学部品の点数が多く、かつ調整機構を要することで分岐装置が大型化してしまう問題がある。
さらに、誘電体多層膜で形成された部分反射透過ミラーは、分配比が精密に均一とはならず、特にミラー温度の上昇によってこの分配比にズレを生じやすく、分岐レーザ光で加工する際に各部で照射エネルギーが異なり、均一なレーザ加工ができない問題がある。
また、部分反射透過ミラーの反射・透過特性は、その製造ロット間のバラツキを持つ場合があり、従来の技術ではレーザ光を小型・簡便に、かつ高精度のエネルギー分配比で所定数の分配を行うことは困難であった。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、レーザ光源から出射されたレーザ光を複数の分岐光ファイバに均一なエネルギー分配比で分配するレーザ分岐装置及びそれを用いて構成されたレーザ加工装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、レーザ光源と、そのレーザ光を入射し出射面からエネルギー分布が面内で均一化されたレーザ光を出射する断面多角形状をなすエネルギー分布均一化ロッドと、複数本の光ファイバの一端側を集束してなり、その集束端末を前記エネルギー分布均一化ロッドの出射面に接続したファイババンドルとを備えたことを特徴とするレーザ分岐装置を提供する。
本発明のレーザ分岐装置において、レーザ光源とエネルギー分布均一化ロッドとの間に導光用光ファイバを設けた構成としても良い。
また本発明は、前記レーザ分岐装置を備え、前記ファイババンドルのそれぞれの分岐光ファイバの出射端を所定の加工位置に向けて配置してなるレーザ加工装置を提供する。
本発明のレーザ加工装置において、前記ファイババンドルのそれぞれの分岐光ファイバの出射端を被加工物の加工形状に合わせて並べ、分岐レーザ光を一括照射する構成としても良い。

本発明によれば、断面多角形のガラス等からなるエネルギー分布均一化ロッドにレーザ光を通すことで、ロッド断面上に非常に均一なエネルギー分布をもつレーザ光を得ることができ、さらに均一化したレーザ光エネルギーをファイババンドルの各分岐光ファイバに高精度に均等分配することができ、従来の部分反射透過ミラーを用いるレーザ光分岐に比べ、より高精度に均等分配できるとともに、温度上昇による分配比の変動が実質的に起こらず、常にレーザ光を均等分配することができる。
また、エネルギー分布均一化ロッドの出射面にファイババンドルの集束端末を接続して構成したので、高効率で均等なエネルギーの分岐レーザ光を安定して分配照射することができ、この分岐レーザ光によるプラスチック溶着や半田付けなどの加工を１台のレーザ光源を用いて、２箇所以上の複数のラインで同時に加工を行うことができ、装置のコスト、及びランニングコストを大幅に削減することができる。
さらに、１個の被加工物に対して、一度に多点から分岐レーザ光を照射して加工することができる。例えば、プラスチックレンズをプラスチック製ホルダに溶着する場合、一点からレーザ光を照射して溶着する場合には、溶融歪みにより、該レンズの固定位置にずれが生じることがあるが、多点から分岐レーザ光を照射して一挙に多点溶着すれば固定位置のずれは生じなくなる。これにより、加工時間の短縮及び製品歩留まりの向上の両方の改善が可能となる。
また、ファイババンドルのそれぞれの分岐光ファイバの出射端を被加工物の加工形状に合わせて並べ、分岐レーザ光を一括照射することにより、プラスチックの溶着や半田付けなどの分野で非常に高品質なレーザ加工を実現でき、加工歩留まりの向上や接着強度の向上が可能となる。

図４は本発明のレーザ分岐装置の一実施形態を示す図である。このレーザ分岐装置１０は、レーザ光源１１と、該レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌを集光する集光レンズ１２と、入射端末１３ａから入射されたレーザ光Ｌを導光する導光用光ファイバ１３と、該導光用光ファイバ１３の出射端末１３ｂから出射するレーザ光Ｌを入射面から入射し、長手方向に沿って導光する間にエネルギー分布を均一化し、出射面からエネルギー分布が面内で均一化されたレーザ光を出射する断面多角形状をなすエネルギー分布均一化ロッド１４と、複数本の光ファイバ１７の一端側を集束してなり、その集束端末１６を前記エネルギー分布均一化ロッド１４の出射面に接続したファイババンドル１５とを備えて構成されている。

前記レーザ光源１１としては、従来よりレーザ加工分野、光通信分野、医療分野等において用いられている各種のレーザ光源を用いることができ、例えば、半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、Ａｒ（アルゴン）レーザなどのガスレーザ、エキシマレーザなどの各種レーザ発振機を用いることができる。本発明においてレーザ光源１１としては、半導体レーザが好ましい。半導体レーザは、他のレーザ光源と比べて小型、軽量であり、発振効率が高いなどの多くの利点を有している。

前記導光用光ファイバ１３は、レーザ光Ｌを低損失で導光できれば良く、口径、材質、長さ等は特に限定されない。レーザ光源１１として半導体レーザを用い、１〜数百Ｗのレーザ光Ｌを導光する場合、導光用光ファイバ１３としては、コア径０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の石英系大口径光ファイバを用いることができる。

前記エネルギー分布均一化ロッド１４は、透明な多角形柱状をなすロッド本体とその周囲の低屈折率層とそれらを覆う外装体とを備えて構成されている。ロッド本体の断面形状は六角形、八角形などの四角以上の多角形状またはそれと同等の類似形状、例えば長四角、長六角などとすることができる。このエネルギー分布均一化ロッド１４に入射されたレーザ光Ｌは、断面多角形のロッド本体内で反射を繰り返すことで、断面方向に対してエネルギー分布が入射条件によらず徐々に均一化され、出射面ではエネルギー分布が該出射面全体に均一化されたレーザ光を得ることができる。

図５及び図６は、エネルギー分布均一化ロッド１４の一例を示す図である。このエネルギー分布均一化ロッド１４は、断面六角形をなすガラス製の六角ガラスロッド２０と、その外面を覆う前記ガラスよりも低屈折率のシリコーン樹脂２１と、それらを収納する金属パイプ２２とからなっている。この六角ガラスロッドの一端側の入射面から入射するレーザ光Ｌは、図６（ａ）に示すように、ロッド中心部に向けてエネルギーが集中するエネルギー分布をもっている。このレーザ光Ｌは、六角ガラスロッド２０内を進行する間に反射を繰り返し、徐々にエネルギー分布が断面方向に均一化される。そして六角ガラスロッド２０の出射面から出射される時には、図６（ｃ）に示すように出射面全体に平坦なエネルギー分布のレーザ光となる。

前記ファイババンドル１５は、複数本の光ファイバのそれぞれの一端側を合わせて集束し、その集束端末１６以外はそれぞれが変位可能な分岐光ファイバ１７とした構造になっている。図４の例示にあっては４本の分岐光ファイバ１７のそれぞれの一端側を集束して集束端末１６を形成している。この集束端末１６は、それぞれの分岐光ファイバ１７の一端面が密接し、前記エネルギー分布均一化ロッド１４の出射面と密接できるように平坦に形成されている。集束端末１６とエネルギー分布均一化ロッド１４の出射面との接続方式は特に限定されず、例えば専用のコネクタを用いて突き合わせ接続させることができる。

本発明のレーザ分岐装置１０は、レーザ光源１１から照射されたレーザ光Ｌを導光用光ファイバ１３を通してエネルギー分布均一化ロッド１４に入射し、レーザ光のエネルギー分布をロッドの断面方向に均一化して出射させ、エネルギー分布均一化ロッド１４の出射面に接続したファイババンドル１５の集束端末１６に入射させることで、レーザ光Ｌを各分岐光ファイバ１７に均一に分配し、それぞれの分岐光ファイバ１７に入射し、それぞれの分岐光ファイバ１７の出射端１８から極めて精密に分配された分岐レーザ光Ｌ１〜Ｌ４を得ることができる。
このレーザ分岐装置１０は、レーザ加工装置、光通信機器などの分野において用いることができる。

本発明はまた、前記レーザ分岐装置１０を備えたことを特徴とするレーザ加工装置を提供する。本発明のレーザ加工装置は、前記ファイババンドル１５のそれぞれの分岐光ファイバ１７の出射端１８を所定の加工位置に向けて配置して構成される。それぞれの分岐光ファイバ１７の出射端１８から照射される分岐レーザ光Ｌ１〜Ｌ４は、それぞれ集光レンズ１９を通して集光され、所定の加工位置に向けて照射される。

本発明のレーザ加工装置は、前記レーザ分岐装置１０以外に、レーザ加工の分野で従来公知の移動手段等を含めることができる。この移動手段としては、被加工物を固定した状態で分岐光ファイバ１７の出射端１８を移動させる方式、分岐光ファイバ１７の出射端１８を固定しておき、被加工物を移動させる方式のいずれであってもよい。

本発明によれば、断面多角形のガラス等からなるエネルギー分布均一化ロッド１４にレーザ光Ｌを通すことで、ロッド断面上に非常に均一なエネルギー分布をもつレーザ光を得ることができ、さらに均一化したレーザ光エネルギーをファイババンドル１５の各分岐光ファイバ１７に高精度で均等分配することができ、従来の部分反射透過ミラーを用いるレーザ光分岐に比べ、より高精度に均等分配できるとともに、温度上昇による分配比の変動が実質的に起こらず、常にレーザ光を均等分配することができる。
また、エネルギー分布均一化ロッド１４の出射面にファイババンドル１５の集束端末１６を接続して構成したので、高効率で均等なエネルギーの分岐レーザ光Ｌ１〜Ｌ４を安定して分配照射することができ、この分岐レーザ光Ｌ１〜Ｌ４によるプラスチック溶着や半田付けなどの加工を１台のレーザ光源１１を用いて、２箇所以上の複数のラインで同時に加工を行うことができ、装置のコスト、及びランニングコストを大幅に削減できる。
さらに、１個の被加工物に対して、一度に多点から分岐レーザ光Ｌ１〜Ｌ４を照射して加工することができる。例えば、プラスチックレンズをプラスチック製ホルダに溶着する場合、一点からレーザ光を照射して溶着する場合には、溶融歪みにより、該レンズの固定位置にずれが生じることがあるが、多点から分岐レーザ光を照射して一挙に多点溶着すれば固定位置のずれは生じなくなる。これにより、加工時間の短縮及び製品歩留まりの向上の両方の改善が可能となる。

（他の実施形態）
レーザ光源１１からエネルギー分布均一化ロッド１４へのレーザ光導光経路は、前記のように導光用光ファイバ１３を用いる以外に、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌを直接集光レンズでロッド端面へ入射する方法としてもよい。この場合は、レーザ分岐装置の筐体内にエネルギー分布均一化ロッド１４を一括収納することで、装置全体をより小型化することができる。

エネルギー分布均一化ロッド１４の端面形状及びサイズは、接続するファイババンドル１５の集束端末１６の形状に合わせて最適設計を行うことができる。このロッドの断面形状は正六角形の他、長六角形、五角形、四角形または七角以上の多角形状としても均一なエネルギー分布を得ることができる。また、ロッドの長さは端面の形状、サイズに併せてエネルギー分布を均一化するために適した条長を設定して使用することが望ましい。

エネルギー分布均一化ロッド１４は、使用するレーザの種類（波長）や、伝送するエネルギーに適した材料を選択して形成することが望ましい。実施例では光学ガラスを用いたが、この他に石英ガラス、サファイアなども使用に適している。

エネルギー分布均一化ロッド１４に接続するファイババンドル１５は、必要とする分配数により、分岐ファイバ１７の本数を選択することが望ましい。また、分岐光ファイバ１７の本数を端末間で変えることで、好みのエネルギー比率に分配することも可能である。

ファイババンドル１５のそれぞれの分岐光ファイバ１７の出射端１８を被加工物の加工形状に合わせて並べ、分岐レーザ光Ｌ１〜Ｌ４を一括照射する構成としても良い。これにより加工歪みのない溶着や半田付けが可能となる。また１本の光ファイバからの照射光をスキャンさせる場合に比べて、作業時間を短縮することができる。

図４に示すように構成されたレーザ分岐装置１０を作製し、そのレーザ光分配特性を調べた。レーザ光源１１として、波長８０８ｎｍの半導体レーザ発振機を用いた。このレーザ光源１１からのレーザ光Ｌを集光レンズ１２で集光し、コア径０．６ｍｍの石英系大口径光ファイバ（導光用光ファイバ１３）に入射してファイバ伝送し、エネルギー分布均一化ロッド１４の一端面からレーザ光Ｌを入射した。このエネルギー分布均一化ロッド１４は図５及び図６に示すように、六角ガラスロッド２０と、その外面を覆うシリコーン樹脂２１と、それらを覆う金属パイプ２２とからなっている。六角ガラスロッド２０は端面が対辺幅０．７ｍｍの正六角形、長さが１００ｍｍの全ての面が光学研磨された光学ガラス製ロッドを用いた。大口径光ファイバから六角ガラスロッド２０へ入射したレーザ光は、六角ガラスロッド２０内で反射を繰り返すことで、出射光のエネルギー分布は断面全体に均一化される。

前記六角ガラスロッド２０の出射面に、複数本の光ファイバを束ねて形成したファイババンドル１５の集束端末１６を接続した。本実施例では、コア径１９０μｍ、ファイバ径２００μｍの石英系光ファイバを８心束ねてバンドル集束端末を形成した。これら８心の光ファイバを２心づつより分け、４分割して分岐ファイバ１７を形成し、出射端１８を形成した。８心の光ファイバで形成したファイババンドル１５の集束端末１６へ入射するレーザ光は、エネルギー分布均一化ロッド１４を透過してレーザ光のエネルギー分布が出射面全体に均一化されていることから、８心の光ファイバへ入射するレーザ光のエネルギー分布は均一なものとなる。したがって、同一本数を束ねた各分岐光ファイバ１７の各出射端１８から照射される分岐レーザ光Ｌ１〜Ｌ４のエネルギーは、分岐端末間で均一なエネルギーを得ることができる。
本実施例では、波長８０８ｎｍの半導体レーザ発振機を用いて大口径光ファイバの透過エネルギーで１Ｗ〜２０Ｗまでの伝送を行った結果、４分岐バンドルの各出射端末間のレーザ光のエネルギー差は１％未満であった。

（比較例）
図１に示す従来の部分反射透過ミラーを用いたレーザ分岐方法におけるレーザ光の分配比を測定した。レーザ光源としては前記実施例と同じ半導体レーザ発振機を用い、そのレーザ光をレンズを通して反射：透過比が１：１の誘電体多層膜で形成された部分反射透過ミラーに当て、レーザ光を反射光と透過光の２つに分け、それぞれのエネルギーを測定し、その差を求めた。その結果、半導体レーザの出力が３Ｗの時には、反射光と透過光のエネルギー差は２％程度であるが、半導体レーザ出力が２０Ｗの時には、反射光と透過光のエネルギー差は４％以上となった。

従来のレーザ分岐方式の一例を示す構成図である。従来のレーザ分岐方式の他の例を示す構成図である。従来の光ファイバを使用したレーザ分岐装置の一例を示す構成図である。本発明のレーザ分岐装置の一実施形態を示す構成図である。本発明のレーザ分岐装置に好適なエネルギー分布均一化ロッドの一例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は側面図である。同じエネルギー分布均一化ロッドのエネルギー分布均一化機能を説明する図であり、（ａ）は入射時のレーザ光のエネルギー分布を示すグラフ、（ｂ）はエネルギー分布均一化ロッドの長手方向断面図、（ｃ）は出射時のレーザ光のエネルギー分布を示すグラフである。

符号の説明

１０…レーザ分岐装置、１１…レーザ光源、１２…集光レンズ、１３…導光用光ファイバ、１４…エネルギー分布均一化ロッド、１５…ファイババンドル、１６…集束端末、１７…分岐光ファイバ、１８…出射端、１９…集光レンズ、２０…六角ガラスロッド、２１…シリコーン樹脂、２２…金属パイプ、Ｌ…レーザ光、Ｌ１〜Ｌ４…分岐レーザ光。

Claims

レーザ光源と、そのレーザ光を入射し出射面からエネルギー分布が面内で均一化されたレーザ光を出射する断面多角形状をなすエネルギー分布均一化ロッドと、複数本の光ファイバの一端側を集束してなり、その集束端末を前記エネルギー分布均一化ロッドの出射面に接続したファイババンドルとを備えたことを特徴とするレーザ分岐装置。
レーザ光源とエネルギー分布均一化ロッドとの間に導光用光ファイバが設けられた請求項１に記載のレーザ分岐装置。
請求項１または２に記載のレーザ分岐装置を備え、前記ファイババンドルのそれぞれの分岐光ファイバの出射端を所定の加工位置に向けて配置してなるレーザ加工装置。
前記ファイババンドルのそれぞれの分岐光ファイバの出射端を被加工物の加工形状に合わせて並べ、分岐レーザ光を一括照射するように構成された請求項３に記載のレーザ加工装置。