JP2008216839A - レーザ集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバの曲げ半径をより大きくすることで必要な広がり角のビームを得ることができるとともに光ファイバのバンドル部までの距離を小さくしてより小型化することが可能なレーザ集光装置を提供する。
【解決手段】レーザ光を出射する発光部を複数備えた半導体レーザアレイ２０とレーザ光が入射される複数の光ファイバ３０とを備えたレーザ集光モジュール１０を複数備え、各光ファイバの曲げ半径が所定半径より大きくなるようにして、各光ファイバ内に導光されたレーザ光を当該光ファイバ内に閉じ込めるために、束ねた部分であるバンドル部３５に対して、複数の前記レーザ集光モジュール１０の各々が扇状となる位置に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光を導光した光ファイバを束ねて集光するレーザ集光装置に関する。

従来より、複数の発光部が一列あるいは２次元状に配列された半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を集光してレーザ加工等に用いる高強度のレーザ光を得るための種々の構成が提案されている。
複数の光ファイバを束ねる場合、光ファイバを湾曲させて束ねるのであるが、湾曲部の曲げ半径が重要である。光ファイバ内に導光されていればどのような曲げ半径で湾曲させてもよい訳ではなく、導光された光を閉じ込めておくためには、曲げ半径の下限値が存在する。
そこで、特許文献１に記載された従来技術では、光ファイバを束ねた光ファイバ保持体の内部で、各光ファイバが互いに交差しないように、コア径の５００倍以上の曲げ半径で湾曲するように配置した光ファイバ保持体が提案されている。

また、より多くの半導体レーザアレイからのレーザ光をより小さな径に集光するために、特許文献２に記載の従来技術では、半導体レーザアレイの各発光部からのレーザ光を、発光部毎に設けた矩形状の光導波路と、当該光導波路を合流させた矩形状の合流部とを有する熊手型の光導波路に集光している。そして、集光したレーザ光を、合流部の出射面から矩形状光ファイバに入射し、更に、複数の矩形状光ファイバを隙間無く積層して（束ねて）断面円形の光ファイバを束ねるよりも径が小さくなるように集光している。
特開平７−５６０２８号公報 特開２００４−３６１６５５号公報

特許文献１に記載した従来技術では、光ファイバの曲げ半径を、単純にコア径の５００倍としているが、曲げ半径を決定するためには、入射光のビーム広がり角、出射光に必要なビーム広がり角をパラメータにする必要があり、これらを考慮しない場合は、必要な広がり角のビームを得ることができず、ビーム品質が劣化する可能性がある。
また、特許文献２に記載した従来技術では、高出力化のために半導体レーザアレイの数を増加する場合、半導体レーザアレイを水平方向に並列して配置しているため、両端部の半導体レーザアレイからの矩形状光ファイバの曲げ半径が小さくなる可能性がある。必要な広がり角のビームを得ようとすると、半導体レーザアレイから矩形状光ファイバの積層部（バンドル部）までの距離が長くなり、レーザ集光装置が大型化してしまう可能性がある。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、光ファイバの曲げ半径をより大きくすることで必要な広がり角のビームを得ることができるとともに光ファイバのバンドル部までの距離を小さくしてより小型化することが可能なレーザ集光装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項１に記載のレーザ集光装置は、レーザ光を出射する発光部を複数備えた半導体レーザアレイと、前記レーザ光が入射される複数の光ファイバと、を備えたレーザ集光モジュールを複数備え、複数の前記レーザ集光モジュールにおける複数の光ファイバの出射面側を束ねたレーザ集光装置におけるものである。
各光ファイバの曲げ半径が所定半径より大きくなるようにして、各光ファイバ内に導光されたレーザ光を当該光ファイバ内に閉じ込めるために、前記束ねた部分であるバンドル部に対して、複数の前記レーザ集光モジュールの各々が扇状となる位置に配置されている。

また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項２に記載のレーザ集光装置は、レーザ光を出射する発光部を複数備えた半導体レーザアレイと、前記レーザ光が入射される複数の光ファイバと、を備えたレーザ集光モジュールを複数備え、複数の前記レーザ集光モジュールにおける複数の光ファイバの出射面側を束ねたレーザ集光装置におけるものである。
前記レーザ集光モジュールにおける複数の光ファイバは、当該光ファイバの長手方向に対して並列するように当該レーザ集光モジュールの表面近傍に配置されている。
そして、各光ファイバの曲げ半径が所定半径より大きくなるようにして、各光ファイバ内に導光されたレーザ光を当該光ファイバ内に閉じ込めるために、少なくとも２つのレーザ集光モジュールが、前記光ファイバを配置した面を対向させて近接するように配置されている。

また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項３に記載のレーザ集光装置は、請求項１または２に記載のレーザ集光装置であって、前記所定半径は、前記光ファイバへのレーザ光の入射角度と、前記光ファイバ内でレーザ光を閉じ込めて導光するコアの径と、前記コアの屈折率と、前記光ファイバからのレーザ光の出射角度とに基づいて設定されている。

また、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項４に記載のレーザ集光装置は、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ集光装置であって、複数の前記レーザ集光モジュールのそれぞれを位置決めして保持する保持手段と、保持した前記レーザ集光モジュールのそれぞれに冷却用流体を供給する冷却手段と、各レーザ集光モジュールの近傍に設けられて各レーザ集光モジュールに供給する前記冷却用流体の流量を均一化する一時貯蔵手段と、を備えたブラケットを有している。

請求項１に記載のレーザ集光装置によれば、扇状となるようにレーザ集光モジュールの各々を配置し、レーザ集光モジュールの各々の方向がバンドル部の手前の光ファイバの湾曲部の方向を向くように配置されている（図２参照）。
これにより、光ファイバの湾曲部における曲げ半径をより大きくすることができ、バンドル部までの距離をより小さくすることができる。

また、請求項２に記載のレーザ集光装置によれば、少なくとも２つのレーザ集光装置の各々の光ファイバを近接させることができるので（図３参照）、光ファイバの湾曲部における曲げ半径をより大きくすることができ、バンドル部までの距離をより小さくすることができる。

また、請求項３に記載のレーザ集光装置によれば、ビーム品質を劣化させないために必要な広がり角（光ファイバからの出射角度）のビームを得ることができる曲げ半径を適切に設定することができる。

また、請求項４に記載のレーザ集光装置によれば、レーザ集光装置をコンパクトに構成することができる。その結果、大きな曲げ半径をコンパクトな装置で実現することができるとともに、コストも低減することができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明のレーザ集光装置１を構成するレーザ集光モジュール１０の一実施の形態の概略外観図を示しており、当該レーザ集光モジュール１０を複数用いて、図２及び図３の例に示すレーザ集光装置１を構成する。なお、本実施の形態の説明では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交する方向を示しており、Ｚ軸は半導体レーザアレイ２０から出射されるレーザ光の出射方向を示し、Ｘ軸は出射された楕円状に広がるレーザ光の短軸方向を示し、Ｙ軸は前記楕円状のレーザ光の長軸方向を示している。

●［レーザ集光モジュール１０の構成（図１、図４、図５）］
まず、図１を用いてレーザ集光モジュール１０の構成について説明する。
図１の例に示すように、レーザ集光モジュール１０は、半導体レーザアレイ２０、ＬＤホルダ２１、光ファイバ３０（光ファイバアレイ３０Ａ）、光ファイバ固定部材３１、光ファイバアレイホルダ３２等にて構成されている。
半導体レーザアレイ２０は、図４の例に示すように、楕円状に広がるレーザ光を出射する発光部２０ａが、楕円の短軸方向（Ｘ軸方向）に複数配列されている。なお、本実施の形態の説明では、発光部２０ａがＸ軸方向に一列に配置された半導体レーザアレイを例にして説明するが、発光部２０ａがＸ軸方向とＹ軸方向に２次元状に配列されたスタック型の半導体レーザアレイを用いてもよい。
ＬＤホルダ２１は、半導体レーザアレイ２０及び光ファイバアレイホルダ３２が固定され、半導体レーザアレイ２０を放熱するために熱伝導率の高い部材（アルミ材等）にて形成されている。なお、ＬＤホルダ２１には、後述する冷却用流体を通すための冷却経路（図示省略）が形成されており、冷却用流体の流入口２１ｉｎと排出口２１ｏｕｔ（図７参照）とが設けられている。

光ファイバ３０は、複数本が長手方向に並列配置されて光ファイバアレイ３０Ａを構成している。図４及び図５に示すように、例えば、各光ファイバ３０の入射面は、半導体レーザアレイ２０の各発光部２０ａと対向する位置に配置されて固定されている。各光ファイバ３０の入射面は、連結して一体化した一体部３４にて固定されており、一体部３４の先端は長軸方向に対して凸レンズ状に形成されている。そして、各光ファイバ３０は、固定部材３１及び光ファイバアレイホルダ３２にて位置決めされて固定されている。なお、図１〜図３では、一体部３４を省略して記載している。
そして、光ファイバアレイ３０Ａが固定された光ファイバアレイホルダ３２はＬＤホルダ２１に固定されている。
上記の構成によるレーザ集光モジュール１０にて、半導体レーザアレイ２０の各発光部２０ａから出射されたレーザ光の各々は、各光ファイバ３０の入射面から入射されて光ファイバ３０内に導光される。

●［レーザ集光装置１の構成（図２、図３）］
次に、図２及び図３を用いて、複数のレーザ集光モジュール１０を用いて、光ファイバアレイ３０Ａを束ねてレーザ光をより高出力化できるレーザ集光装置１の例について説明する。
図２は平面図を示しており、複数のレーザ集光モジュール１０を扇状に配置した状態を示している（図３に対してベースＢＳを省略して記載している）。また、図３は図２のＡ−Ａ断面を示す側面図であり（図２に対してベースＢＳを記載している）、光ファイバ３０を配置した面が対向するように（背中合わせとなるように）レーザ集光モジュール１０を配置した例を示している。すなわち、図２及び図３のようにレーザ集光モジュール１０を配置することで、６個のレーザ集光モジュール１０からのレーザ光をバンドル部３５にて集光している。

図２の例に示す配置では、レーザ集光モジュール１０の各々を扇状となる位置に配置しており、レーザ集光モジュール１０の各々の方向が、バンドル部３５の手前に相当する光ファイバアレイ３０Ａの湾曲部Ｒ１の方向を向くように配置されている。なお、レーザ集光モジュール１０の各々は、ブラケット４０に固定されている。ブラケット４０には、レーザ集光モジュール１０の各々を位置決めして保持する保持手段（取り付け穴等）が設けられている。
この構成により、湾曲部Ｒ１の曲げ半径をより大きくすることができるので、半導体レーザアレイ２０からバンドル部３５までの距離Ｌをより小さくすることができ、レーザ集光装置１をより小型にすることができる。なお、曲げ半径の決定方法の詳細は後述する。
なお、図８の例に示すように、レーザ集光モジュール１０をブラケット４００に平行に配置する従来の配置方法では、バンドル部３５までの距離を図２と同様の距離Ｌとした場合、湾曲部ＲＴ１、ＲＴ２の曲げ半径が小さくなり、好ましくない。

また、図３の例に示す配置では、レーザ集光モジュール１０において光ファイバアレイ３０Ａが表面に並列するように配置されていることを利用し、光ファイバアレイ３０Ａが配置されている面を互いに対向するように上下にレーザ集光モジュール１０を配置している。この場合、上段のレーザ集光モジュール１０の光ファイバアレイ３０Ａと、下段のレーザ集光モジュール１０の光ファイバアレイ３０Ａとが近接するため、バンドル部３５までの経路における湾曲部Ｒ２及びＲ３では、曲げ半径を非常に大きくすることができる。

●［曲げ半径の決定方法（図６）］
次に図２における光ファイバアレイ３０Ａの湾曲部Ｒ１を例にして、湾曲部における曲げ半径Ｒの閾値（必要な広がり角のビームが得られる曲げ半径Ｒの下限値（所定半径に相当））の決定方法について説明する。なお、図６において符号３０Ｃは、光ファイバ３０内でレーザ光を閉じ込めて導光するコア部材を示す。
図６において、Ｒはコア部材３０Ｃ（光ファイバ３０）の曲げ半径であり、θｉｎはコア部材３０Ｃへのレーザ光の入射角度であり、θｏｕｔはコア部材３０Ｃからのレーザ光の出射角度である。また、θはコア部材３０Ｃへの入射直後のレーザ光の伝播角度であり、θ’はコア部材３０Ｃとクラッド部材との境界面で反射後のレーザ光の伝播角度である。
また、Ｏは曲げ半径Ｒの中心を示し、Ａはコア部材３０Ｃへのレーザ光の入射位置を示し、Ｂは入射直後のレーザ光の最初の反射位置を示している。
なお、以下の式において、ｄはコア部材３０Ｃの直径を示し、ｎ１は当該コア部材３０Ｃの屈折率を示している。

三角形ＯＡＢに正弦定理を適用すれば、下記の式が成立する。
［ｓｉｎ｛（π／２）−θ’｝］／｛Ｒ−（ｄ／２）｝
＝［ｓｉｎ｛（π／２）＋θ｝］／｛Ｒ＋（ｄ／２）｝ （式１）
以下、（式１）を変形する。
｛Ｒ＋（ｄ／２）｝＊［ｓｉｎ｛（π／２）−θ’｝］
＝｛Ｒ−（ｄ／２）｝＊［ｓｉｎ｛（π／２）＋θ｝］ （式２）
ここで、ｓｉｎ｛（π／２）−θ’｝＝ｃｏｓ（θ’）
ｓｉｎ｛（π／２）＋θ｝＝ｃｏｓ（θ）であるから、（式２）に代入すると、以下の式が得られる。
｛Ｒ＋（ｄ／２）｝＊ｃｏｓ（θ’）＝｛Ｒ−（ｄ／２）｝＊ｃｏｓ（θ） （式３）
更に変形すると、下式が得られる。
Ｒ（ｃｏｓθ−ｃｏｓθ’）＝（ｄ／２）＊（ｃｏｓθ＋ｃｏｓθ’） （式４）
これより、下式が得られる。
Ｒ＝｛ｄ＊（ｃｏｓθ＋ｃｏｓθ’）｝／｛２＊（ｃｏｓθ−ｃｏｓθ’）｝（式５）

上記より、出射角度θｏｕｔを保証するための条件は、以下となる。
Ｒ＞｛ｄ＊（ｃｏｓθ＋ｃｏｓθ’）｝／｛２＊（ｃｏｓθ−ｃｏｓθ’）｝（式６）
かつ、ｓｉｎ（θｏｕｔ）＜ＮＡ （ＮＡは光ファイバ３０の開口数） （式７）
なお、θ ＝ｓｉｎ^-1［｛ｓｉｎ（θｉｎ）｝／ｎ１］
θ’＝ｓｉｎ^-1［｛ｓｉｎ（θｏｕｔ）｝／ｎ１］
である。
以上、（式６）及び（式７）の双方を満足するように、光ファイバ３０（コア部材３０Ｃ）へのレーザ光の入射角度（θｉｎ）と、コア部材３０Ｃの径（ｄ）と、コア部材３０Ｃの屈折率（ｎ１）と、光ファイバ３０（コア部材３０Ｃ）からのレーザ光の出射角度（θｏｕｔ）とに基づいて曲げ半径Ｒを設定すればよい。

●［冷却用流体の経路の構造（図２、図３、図７）］
次に、図２、図３、図７を用いて、ブラケット４０に形成した、冷却用流体（冷却液等）を通す経路について説明する。なお、図７において上図は平面図を示しており、下図は上図のＢ−Ｂ断面図を示している。
冷却用流体は流入口４１から供給され、流入経路４１Ｈを介して上段のレーザ集光モジュール１０に供給され、流入経路４１Ｌを介して下段のレーザ集光モジュール１０に供給される。レーザ集光モジュール１０に供給された後の冷却用流体は、排出経路４２Ｈを介して排出口４２から排出される。
また、ブラケット４０には、上下に形成された流入経路４１Ｈと流入経路４１Ｌとを連結するサージタンク部４１Ｔ（一時貯蔵手段に相当）が適切な間隔で形成されており、流入口４１からの距離に影響されることなく各レーザ集光モジュール１０への冷却用流体の流量を均一化している。

図７に示すように、サージタンク部４１Ｔは、密閉部材４１Ｆの方向から袋小路状の穴として形成されており、密閉部材４１Ｆにて蓋がされている。上段のレーザ集光モジュール１０の流入口２１ｉｎ、及び下段のレーザ集光モジュール１０の流入口２１ｉｎは、このサージタンク部４１Ｔと連結されている。
また、排出用連結穴４２Ｔは、密閉部材４２Ｆの方向から袋小路状の穴として形成されており、密閉部材４２Ｆにて蓋がされている。上段のレーザ集光モジュール１０の排出口２１ｏｕｔ、及び下段のレーザ集光モジュール１０の排出口２１ｏｕｔは、この排出用連結穴４２Ｔと連結されている。
このように、上下に位置するレーザ集光モジュール１０の流入口２１ｉｎが共通のサージタンク部４１Ｔと連結可能となるように、また、排出口２１ｏｕｔが共通の排出用連結穴４２Ｔと連結可能となるように、それぞれの流入口２１ｉｎと排出口２１ｏｕｔの位置を位置決めすることが好ましい。
これにより、ブラケット４０に形成する経路を簡略化することができ、より低コストとすることができる。
このように、上記に説明したブラケット４０は、レーザ集光モジュール１０の各々の位置決め及び保持をする保持手段と、レーザ集光モジュール１０の冷却手段（冷却用流体の経路を有する）と、冷却用流体の供給流量の均一化（サージタンク部４１Ｔ（一時貯蔵手段）を有する）、という複数の機能を備えており、湾曲部の曲げ半径をより大きくできるのでレーザ集光装置１をコンパクトに構成でき、コスト低減にも寄与している。

本発明のレーザ集光装置１は、本実施の形態で説明した外観、構成、構造等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また、以上（≧）、以下（≦）、より大きい（＞）、未満（＜）等は、等号を含んでも含まなくてもよい。

レーザ集光モジュール１０の一実施の形態を説明する図である。 複数のレーザ集光モジュール１０を用いたレーザ集光装置１の一実施の形態を説明する図（平面図）である。 図２のレーザ集光装置１におけるＡ−Ａ断面を示す側面図である。 半導体レーザアレイ２０の発光部２０ａから出射されるレーザ光を光ファイバ３０に入射する構成の例を説明する図（斜視図）である。 図４の側面図である。 光ファイバアレイ３０Ａの湾曲部Ｒ１の曲げ半径Ｒの決定方法を説明する図である。 ブラケット４０に形成した、冷却用流体の流入経路４１Ｈ、４１Ｔとサージタンク部４１Ｔ、及び排出経路４２Ｈと排出用連結穴４２Ｔ、そしてレーザ集光モジュール１０の流入口２１ｉｎ、排出口２１ｏｕｔの配置を説明する図である。 従来の方法でレーザ集光モジュール１０を複数配置したレーザ集光装置１００の例を説明する図である。

符号の説明

１ レーザ集光装置
１０ レーザ集光モジュール
２０ 半導体レーザアレイ
２０ａ 発光部
２１ ＬＤホルダ
３０ 光ファイバ
３０Ａ 光ファイバアレイ
３０Ｃ コア部材
３１ 固定部材
３２ 光ファイバアレイホルダ
３４ 一体部
３５ バンドル部
４０ ブラケット
４１Ｈ、４１Ｌ 流入経路
４１Ｔ サージタンク部
４２Ｈ 排出経路
４２Ｔ 排出用連結穴
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 湾曲部

Claims (4)

1. レーザ光を出射する発光部を複数備えた半導体レーザアレイと、前記レーザ光が入射される複数の光ファイバと、を備えたレーザ集光モジュールを複数備え、
   複数の前記レーザ集光モジュールにおける複数の光ファイバの出射面側を束ねたレーザ集光装置において、
   各光ファイバの曲げ半径が所定半径より大きくなるようにして、各光ファイバ内に導光されたレーザ光を当該光ファイバ内に閉じ込めるために、前記束ねた部分であるバンドル部に対して、複数の前記レーザ集光モジュールの各々が扇状となる位置に配置されている、
   レーザ集光装置。
2. レーザ光を出射する発光部を複数備えた半導体レーザアレイと、前記レーザ光が入射される複数の光ファイバと、を備えたレーザ集光モジュールを複数備え、
   複数の前記レーザ集光モジュールにおける複数の光ファイバの出射面側を束ねたレーザ集光装置において、
   前記レーザ集光モジュールにおける複数の光ファイバは、当該光ファイバの長手方向に対して並列するように当該レーザ集光モジュールの表面近傍に配置されており、
   各光ファイバの曲げ半径が所定半径より大きくなるようにして、各光ファイバ内に導光されたレーザ光を当該光ファイバ内に閉じ込めるために、少なくとも２つのレーザ集光モジュールが、前記光ファイバを配置した面を対向させて近接するように配置されている、
   レーザ集光装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザ集光装置であって、
   前記所定半径は、前記光ファイバへのレーザ光の入射角度と、前記光ファイバ内でレーザ光を閉じ込めて導光するコアの径と、前記コアの屈折率と、前記光ファイバからのレーザ光の出射角度とに基づいて設定されている、
   レーザ集光装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ集光装置であって、
   複数の前記レーザ集光モジュールのそれぞれを位置決めして保持する保持手段と、
   保持した前記レーザ集光モジュールのそれぞれに冷却用流体を供給する冷却手段と、
   各レーザ集光モジュールの近傍に設けられて各レーザ集光モジュールに供給する前記冷却用流体の流量を均一化する一時貯蔵手段と、
   を備えたブラケットを有している、
   レーザ集光装置。
   
   

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