JP2009116181A - Optical isolator for laser machining and laser machining device - Google Patents
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Description
本発明は、被加工物にレーザビームを照射して所望のレーザ加工を施すレーザ加工装置に係り、特に被加工物からの反射戻り光を遮断または除去するためのレーザ加工用の光アイソレータに関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus that performs desired laser processing by irradiating a workpiece with a laser beam, and more particularly to an optical isolator for laser processing for blocking or removing reflected return light from the workpiece.
最近、ファイバレーザ発振器で生成したレーザ光を被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うファイバレーザ加工装置が実用化されてきている。 Recently, fiber laser processing apparatuses that perform desired laser processing by irradiating a workpiece with laser light generated by a fiber laser oscillator have been put into practical use.
ファイバレーザ加工装置で用いるファイバレーザ発振器は、典型的には、たとえば特許文献1に記載されるように、コアに希土類元素をドープした発振用の光ファイバを光学的に一対の光共振器ミラーの間に配置し、この光ファイバのコアを光学的に励起してコアの端面より軸方向に出る所定波長の発振光線を光共振器ミラーの間で何度も往復させて共振増幅し、コヒーレントなレーザ光を片側の光共振器ミラー(部分反射ミラーまたは出力ミラー)より外に取り出すようにしている。通常は、ファイバ端面と光共振器ミラーとの間に光学レンズを配置し、光共振器ミラーで反射してきた発振光線を該光学レンズで絞って(収束させて)発振用光ファイバのコア端面に戻すようにしている。また、発振用光ファイバのコアを光学的に励起するために、励起光源にレーザダイオード(LD)を使用し、LD光(励起光)を光共振器ミラーおよび光学レンズを介してコア端面に集光入射させるLD端面励起方式が採られている。
上記のようなファイバレーザ加工装置では、被加工物の加工点からの反射戻り光がレーザ出射部やレーザ伝送系を逆方向に伝搬してレーザ発振部内に入り、それによって発振用光ファイバの端面が焼損することが問題となっている。発振用光ファイバのコア端面が焼損すると、ファイバレーザの発振出力は低下し、レーザ加工の品質は悪くなる。 In the fiber laser processing apparatus as described above, the reflected return light from the processing point of the workpiece propagates in the reverse direction through the laser emitting unit and the laser transmission system and enters the laser oscillating unit, thereby the end face of the oscillation optical fiber. Has become a problem. If the core end face of the oscillation optical fiber burns out, the oscillation output of the fiber laser decreases and the quality of the laser processing deteriorates.
また、ファイバレーザ加工装置に限らず、YAGレーザ加工装置等でも、レーザ発振にLD端面励起方式を用いる場合は、被加工物からの反射戻り光が発振器を通り抜けて励起用のLDに入ると該LDがダメージを受けることもある。さらには、加工用レーザビームのレーザ出力を所望の基準値または基準波形に倣わせるためにパワーフィードバック制御を行う場合は、反射戻り光が発振器を介してレーザ出力モニタ部に入り、パワーフィードバック制御の精度ないし信頼性が低下するという問題もある。 Further, not only in a fiber laser processing apparatus but also in a YAG laser processing apparatus or the like, when an LD end face excitation method is used for laser oscillation, reflected light from a workpiece passes through an oscillator and enters the excitation LD. LD may be damaged. Furthermore, when power feedback control is performed in order to make the laser output of the processing laser beam follow the desired reference value or reference waveform, the reflected return light enters the laser output monitor unit via the oscillator, and power feedback control is performed. There is also a problem that the accuracy or reliability of the system is lowered.
従来は、発振用光ファイバの開口数(NA)を伝送用光ファイバの開口数(NA)よりも小さくすることで反射戻り光を発振用光ファイバの中に閉じ込めてファイバ端面を保護するようにしているが、発振用光ファイバの高コスト化を招いているだけでなく、反射戻り光をレーザ光路の外へ除去するものではないため、根本的な解決法にはなっていない。 Conventionally, by making the numerical aperture (NA) of the oscillation optical fiber smaller than the numerical aperture (NA) of the transmission optical fiber, the reflected return light is confined in the oscillation optical fiber to protect the fiber end face. However, this is not a fundamental solution because it does not only increase the cost of the oscillation optical fiber but also does not remove the reflected return light out of the laser optical path.
そこで、被加工物からの反射戻り光がレーザ発振部またはパワーモニタ部に入らないようにすべく、順方向の光線を殆ど減衰させずに通す一方で逆方向の光線を遮断または除去する光学デバイスつまり光アイソレータをレーザ加工装置に採用することが考えられる。しかしながら、従来公知の光アイソレータは、直線偏光の光線を扱うものであり、レーザ加工装置には使えない。すなわち、ファイバレーザやYAGレーザ等で発振出力される加工用のレーザビームは概して光波の振動方向に規則性が無いランダム偏光あるいは自然光であり、偏光子と検光子とを組み合わせて構成される従来一般の光アイソレータでは対応できない。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、コンパクトで低コストの構成でもって加工用のレーザビームを殆ど減衰させずに通す一方で被加工物からの反射戻り光を効率よく確実に除去できるレーザ加工用の光アイソレータを提供することを目的とする。
Therefore, in order to prevent the reflected return light from the workpiece from entering the laser oscillation unit or the power monitor unit, an optical device that blocks or removes the light beam in the reverse direction while passing the light beam in the forward direction with almost no attenuation. That is, it is conceivable to employ an optical isolator in a laser processing apparatus. However, conventionally known optical isolators handle linearly polarized light and cannot be used in laser processing apparatuses. In other words, a processing laser beam oscillated and output by a fiber laser, a YAG laser, or the like is generally randomly polarized light or natural light having no regularity in the vibration direction of the light wave, and is generally configured by combining a polarizer and an analyzer. This optical isolator cannot be used.
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and allows a laser beam for processing to pass through a compact and low-cost configuration while hardly attenuating from a workpiece. An object of the present invention is to provide an optical isolator for laser processing that can efficiently and reliably remove reflected return light.
さらに、本発明は、被加工物側からの反射戻り光の影響を無くしてレーザ加工の品質・信頼性を向上させるようにしたレーザ加工装置を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide a laser processing apparatus that improves the quality and reliability of laser processing by eliminating the influence of reflected return light from the workpiece side.
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ加工用の光アイソレータは、レーザ発振部と被加工物とを光学的に結ぶレーザ伝送系の途中に設けられ、前記レーザ発振部側から順方向に伝播してきた加工用レーザビームを通し、前記被加工物側から逆方向に伝播してきた反射戻り光を除去するレーザ加工用の光アイソレータであって、前記レーザ発振部側からみて第1の分岐結合部、ファラデー回転子、1/2波長板および第2の分岐結合部がこの順序で配置され、前記第1の分岐結合部が、前記レーザ発振部からの前記加工用レーザビームを、偏光面が互いに直交し、かつ互いに平行に伝播する第1および第2の直線偏光成分に2分割し、前記ファラデー回転子が、前記第1の分岐結合部からの前記第1および第2の直線偏光成分を共通のファラデー素子に通してそれぞれの偏光面を所定の回転方向に45度だけ回転させ、前記1/2波長板が、その結晶の光軸方向を基準として軸対称に前記第1および第2の直線偏光成分の偏光面をそれぞれ所定角度だけ回転させ、前記第2の分岐結合部が、前記1/2波長板からの前記第1および第2の直線偏光成分を同一のレーザ光路上で合成して、前記加工用レーザビームを復元し、前記第2の分岐結合部が、前記被加工物からの前記反射戻り光を、前記第1および第2の直線偏光成分とそれぞれ同一の偏光面を有し、かつ互いに平行に伝播する第3および第4の直線偏光成分に2分割し、前記1/2波長板が、その結晶の光軸方向を基準として軸対称に前記第3および第4の直線偏光成分の偏光面をそれぞれ所定角度だけ回転させ、前記ファラデー回転子が、前記1/2波長板からの前記第3および第4の直線偏光成分を前記共通のファラデー素子に通してそれぞれの偏光面を前記所定の回転方向に45度だけ回転させ、前記第1の分岐結合部が、前記ファラデー回転子からの前記第3および第4の直線偏光成分を前記レーザ伝送系から異方向に外れた逸脱光路上に導いて前記レーザ伝送系から除去する。 In order to achieve the above object, an optical isolator for laser processing according to the present invention is provided in the middle of a laser transmission system that optically connects a laser oscillation part and a workpiece, and forwards from the laser oscillation part side. An optical isolator for laser processing that removes reflected return light that has propagated in the opposite direction from the workpiece side through the processing laser beam that has propagated through the workpiece, and has a first branch as viewed from the laser oscillation unit side. A coupling unit, a Faraday rotator, a half-wave plate, and a second branch coupling unit are arranged in this order, and the first branch coupling unit converts the processing laser beam from the laser oscillation unit into a polarization plane. Are divided into two, which are orthogonal to each other and propagate in parallel to each other, and the Faraday rotator is configured to transmit the first and second linearly polarized light components from the first branch coupling unit. The common The first and second linearly polarized light beams are symmetric with respect to the optical axis direction of the crystal by rotating each polarization plane by 45 degrees in a predetermined rotation direction through an Faraday element. The polarization plane of each component is rotated by a predetermined angle, and the second branching and coupling unit combines the first and second linearly polarized components from the half-wave plate on the same laser beam path, The processing laser beam is restored, and the second branching and coupling unit has the same polarization plane as the first and second linearly polarized light components for the reflected return light from the workpiece, The third and fourth linearly polarized light components are divided into two, which are propagated parallel to each other, into two parts, the half-wave plate being symmetrical about the optical axis direction of the crystal. Rotate the polarization planes of the A Faraday rotator passes the third and fourth linearly polarized light components from the half-wave plate through the common Faraday element to rotate each polarization plane by 45 degrees in the predetermined rotation direction; A first branching and coupling unit guides the third and fourth linearly polarized light components from the Faraday rotator to a deviating optical path deviating from the laser transmission system in a different direction and removes them from the laser transmission system.
上記の構成においては、レーザ発振部より概してランダム偏光または自然光として発振出力される加工用のレーザビームが、初段の第1分岐結合部により、偏光面が互いに直交し、かつ互いに平行に伝播する第1および第2の直線偏光成分に2分割される。そして、両直線偏光成分は、次段のファラデー回転子において共通または単一のファラデー素子を通り抜け、そこでファラデー効果によりそれぞれの偏向面を45度だけ回転させる。次いで、第1および第2の直線偏光成分は、互いに直交関係と平行状態を保ちながら1/2波長板に入射し、そこでは結晶光軸方向を基準として軸対象にそれぞれの偏向面を所定角度だけ回転させる。ここで、ファラデー回転子における回転角度(45度)に対して1/2波長板における回転角度を適当な値に設定することで、第1および第2の直線偏光成分の偏光面をファラデー回転子に入る前の元の方向に戻すことができる。こうして、最後段の第2の分岐結合部では、第1の分岐結合部とは対象的な反射透過および折り返し作用で第1および第2の直線偏光成分が同一のレーザ光路上で合成されて、加工用レーザビームが復元される。 In the above-described configuration, the processing laser beam oscillated and output as random polarized light or natural light from the laser oscillation unit generally propagates in parallel with each other with the polarization planes orthogonal to each other by the first branch coupling unit in the first stage. Divided into 1 and second linearly polarized light components. Then, both linearly polarized light components pass through a common or single Faraday element in the next-stage Faraday rotator, where each deflection surface is rotated by 45 degrees by the Faraday effect. Next, the first and second linearly polarized light components are incident on the half-wave plate while maintaining an orthogonal relationship and a parallel state, where each deflection surface is set at a predetermined angle with respect to the axis of the crystal optical axis as a reference. Just rotate. Here, by setting the rotation angle of the half-wave plate to an appropriate value with respect to the rotation angle (45 degrees) of the Faraday rotator, the polarization planes of the first and second linearly polarized light components are changed to the Faraday rotator. You can return to the original direction before entering. Thus, in the second branch coupling unit at the last stage, the first and second linearly polarized light components are synthesized on the same laser beam path by the reflective transmission and folding action that is the target of the first branch coupling unit, The processing laser beam is restored.
一方、被加工物からレーザ伝送系の中を逆方向に伝播してきた反射戻り光は、最初に第2の分岐結合部に入り、そこで第1および第2の直線偏光成分とそれぞれ同一の偏光面を有し、かつ互いに平行に伝播する第3および第4の直線偏光成分に2分割される。そして、これらの直線偏光成分は、1/2波長板に入射し、そこで上記結晶光軸方向を基準として軸対象にそれぞれの偏向面を所定角度だけ回転させる。ここで、1/2波長板において、第3および第4の直線偏光成分の入射する方向は第1および第2の直線偏光成分の入射する方向とは逆向きであるため、第3および第4の直線偏光成分の偏光面の回転方向も第1および第2の直線偏光成分の偏光面の回転方向とは逆向きとなる。次いで、第3および第4の直線偏光成分は、互いに直交関係と平行状態を保ちながらファラデー回転子に入り、そこでそれぞれの偏向面が45度だけ回転する。このときの回転方向も第1および第2の直線偏光成分の回転方向とは逆方向になる。その結果、第3の直線偏光成分は第1の直線偏光成分の偏光面と直交する偏光面を持つに至り、第4の直線偏光成分は第2の直線偏光成分の偏光面と直交する偏光面を持つに至る。そして、これら第3および第4の直線偏光成分がそれぞれ第1および第2の直線偏光成分とは逆方向から第1の分岐結合部に入り、そこで第1および第2の直線偏光成分とは非対称な反射透過および折り返し作用を受けてレーザ伝送系から異方向に外れた逸脱光路上に導かれてレーザ伝送系から除去される。 On the other hand, the reflected return light propagating from the workpiece in the laser transmission system in the reverse direction first enters the second branch coupling portion, where it has the same polarization plane as the first and second linearly polarized light components, respectively. And is divided into two parts, the third and fourth linearly polarized light components that propagate in parallel with each other. These linearly polarized light components are incident on the half-wave plate, where the respective deflection surfaces are rotated by a predetermined angle relative to the axis object with reference to the crystal optical axis direction. Here, in the half-wave plate, the direction in which the third and fourth linearly polarized components are incident is opposite to the direction in which the first and second linearly polarized components are incident. The rotation direction of the polarization plane of the linearly polarized light component is also opposite to the rotation direction of the polarization planes of the first and second linearly polarized light components. Next, the third and fourth linearly polarized light components enter the Faraday rotator while maintaining an orthogonal relationship and a parallel state, where the respective deflection surfaces rotate by 45 degrees. The rotation direction at this time is also opposite to the rotation direction of the first and second linearly polarized light components. As a result, the third linear polarization component has a polarization plane orthogonal to the polarization plane of the first linear polarization component, and the fourth linear polarization component is a polarization plane orthogonal to the polarization plane of the second linear polarization component. Lead to having. Then, the third and fourth linearly polarized light components enter the first branch coupling portion from the opposite direction to the first and second linearly polarized light components, respectively, where they are asymmetric with the first and second linearly polarized light components. The light is guided to a deviating optical path deviated from the laser transmission system in a different direction under the effect of reflection and transmission and folding, and is removed from the laser transmission system.
このように、本発明の光アイソレータにおいては、概してランダム偏光または自然光として発振出力される加工用レーザビームを殆ど減衰させずに通す一方で被加工物からの反射戻り光を確実にレーザ伝送系から除去することができる。しかも、ファラデー回転子を一個だけ用いる構成なので、小型で低コストに実現できる。 As described above, in the optical isolator according to the present invention, the laser beam for processing that is oscillated and output as random polarized light or natural light is passed through without being attenuated, and the reflected return light from the workpiece is reliably transmitted from the laser transmission system. Can be removed. In addition, since only one Faraday rotator is used, it can be realized in a small size and at a low cost.
本発明の好適な一態様においては、第1の分岐結合部が、透明な支持体にコーティングされた第1の反射透過膜と第1の折り返しミラーとを有する。そして、第1の反射透過膜に、レーザ発振部からの加工用レーザビームが45度の入射角で入射する。入射した加工用レーザビームのうち、第1の直線偏光成分はファラデー回転子に向かってまっすぐ透過するとともに、第2の直線偏光成分は第1の折り返しミラーに向かって直角に反射する。また、第1の反射透過膜では、ファラデー回転子からの第3の直線偏光成分が第1の直線偏光成分の透過方向と逆の方向から入射して逸脱光路上に直角に反射するとともに、第1の折り返しミラーからの第4の直線偏光成分が第2の直線偏光成分の反射方向と逆の方向から入射して逸脱光路上にまっすぐ透過する。そして、第1の折り返しミラーでは、第1の反射透過膜からの第2の直線偏光成分が45度の入射角で入射してファラデー回転子に向かって直角に反射するとともに、ファラデー回転子からの第4の直線偏光成分が45度の入射角で入射して第1の反射透過膜に向かって直角に反射する。かかる構成によれば、第1の分岐結合部において、第1および第2の直線偏光成分が加工用レーザビームの伝播してきたレーザ光路の延長線上に取り出され、第3および第4の直線偏光成分が該レーザ光路と直交する方向に取り出される。 In a preferred aspect of the present invention, the first branch coupling portion includes a first reflection / transmission film coated on a transparent support and a first folding mirror. Then, the processing laser beam from the laser oscillation unit enters the first reflection / transmission film at an incident angle of 45 degrees. Of the incident processing laser beam, the first linearly polarized light component is transmitted straight toward the Faraday rotator, and the second linearly polarized light component is reflected at right angles toward the first folding mirror. In the first reflective / transmissive film, the third linearly polarized light component from the Faraday rotator is incident from a direction opposite to the transmission direction of the first linearly polarized light component and is reflected at right angles on the deviating optical path. The fourth linearly polarized light component from one folding mirror is incident from the direction opposite to the reflection direction of the second linearly polarized light component and is transmitted straight through the deviating optical path. In the first folding mirror, the second linearly polarized light component from the first reflection / transmission film is incident at an incident angle of 45 degrees and reflected at right angles toward the Faraday rotator, and from the Faraday rotator. The fourth linearly polarized light component enters at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the first reflective / transmissive film. According to such a configuration, the first and second linearly polarized light components are extracted on the extended line of the laser light path through which the processing laser beam has propagated, and the third and fourth linearly polarized light components are obtained at the first branching and coupling unit. Is extracted in a direction perpendicular to the laser beam path.
別の好適な一態様においては、第1の分岐結合部が透明な支持体にコーティングされた第1の反射透過膜と第1の折り返しミラーとを有し、第1の反射透過膜には、レーザ発振部からの加工用レーザビームが45度の入射角で入射する。入射した加工用レーザビームのうち、第1の直線偏光成分は、第1の折り返しミラーに向かってまっすぐ透過するとともに、第2の直線偏光成分はファラデー回転子に向かって直角に反射する。また、第1の反射透過膜では、第1の折り返しミラーからの第3の直線偏光成分が第1の直線偏光成分の透過方向と逆の方向から入射して逸脱光路上に直角に反射するとともに、ファラデー回転子からの第4の直線偏光成分が第2の直線偏光成分の反射方向と逆の方向から入射して逸脱光路上にまっすぐ透過する。そして、第1の折り返しミラーでは、第1の反射透過膜からの第1の直線偏光成分が45度の入射角で入射してファラデー回転子に向かって直角に反射するとともに、ファラデー回転子からの第3の直線偏光成分が45度の入射角で入射して第1の反射透過膜に向かって直角に反射する。かかる構成によれば、第1の分岐結合部において、第1および第2の直線偏光成分が加工用レーザビームの伝播してきたレーザ光路と直交する方向に取り出され、第3および第4の直線偏光成分が該レーザ光路と直交して第1および第2の直線偏光成分とは反対側に取り出される。 In another preferred embodiment, the first branch / coupling portion includes a first reflective / transmissive film coated on a transparent support and a first folding mirror, and the first reflective / transmissive film includes: A processing laser beam from the laser oscillation unit is incident at an incident angle of 45 degrees. Of the incident processing laser beam, the first linearly polarized component is transmitted straight toward the first folding mirror, and the second linearly polarized component is reflected at right angles toward the Faraday rotator. In the first reflective / transmissive film, the third linearly polarized light component from the first folding mirror is incident from a direction opposite to the transmission direction of the first linearly polarized light component and reflected at right angles on the deviating light path. The fourth linearly polarized light component from the Faraday rotator enters from a direction opposite to the reflection direction of the second linearly polarized light component and is transmitted straight through the deviating optical path. In the first folding mirror, the first linearly polarized light component from the first reflection / transmission film is incident at an incident angle of 45 degrees and reflected at right angles toward the Faraday rotator, and from the Faraday rotator. The third linearly polarized light component is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the first reflective / transmissive film. According to this configuration, the first and second linearly polarized light components are extracted in the direction perpendicular to the laser beam path through which the processing laser beam has propagated, and the third and fourth linearly polarized light components are extracted. The component is taken out on the opposite side of the first and second linearly polarized components perpendicular to the laser beam path.
別の好適な一態様においては、第2の分岐結合部が、透明な支持体にコーティングされた第2の反射透過膜と第2の折り返しミラーとを有する。そして、第2の反射透過膜では、1/2波長板からの第1の直線偏光成分が45度の入射角で入射してレーザ光路上にまっすぐ透過するとともに、第2の折り返しミラーからの第2の直線偏光成分が45度の入射角で入射してレーザ光路上に直角に反射する。また、第2の反射透過膜には、被加工物からの反射戻り光が第1の直線偏光成分の透過方向と逆の方向から45度の入射角で入射する。入射した反射戻り光のうち、第3の直線偏光成分は1/2波長板に向かってまっすぐ透過するとともに、第4の直線偏光成分は第2の折り返しミラーに向かって直角に反射する。そして、第2の折り返しミラーでは、1/2波長板からの第2の直線偏光成分が45度の入射角で入射して第2の反射透過膜に向かって直角に反射するとともに、第2の反射透過膜からの第4の直線偏光成分が45度の入射角で入射して1/2波長板に向かって直角に反射する。かかる構成によれば、第2の分岐結合部において、復元加工用レーザビームが第1および第2の直線偏光成分の伝播方向と同一方向のレーザ光路上に取り出され、第3および第4の直線偏光成分が該レーザ光路と反対側で第1および第2の直線偏光成分と逆方向に取り出される。 In another preferred embodiment, the second branch coupling portion has a second reflective / transmissive film and a second folding mirror coated on a transparent support. In the second reflection / transmission film, the first linearly polarized light component from the half-wave plate is incident at an incident angle of 45 degrees and is transmitted straight through the laser light path, and the second reflection mirror transmits the first linearly polarized light component from the second folding mirror. Two linearly polarized light components are incident at an incident angle of 45 degrees and are reflected at right angles on the laser beam path. In addition, reflected return light from the workpiece is incident on the second reflective / transmissive film at an incident angle of 45 degrees from the direction opposite to the transmission direction of the first linearly polarized light component. Of the incident reflected return light, the third linearly polarized component is transmitted straight toward the half-wave plate, and the fourth linearly polarized component is reflected at right angles toward the second folding mirror. In the second folding mirror, the second linearly polarized light component from the half-wave plate is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the second reflective / transmissive film, and the second The fourth linearly polarized light component from the reflection / transmission film is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the half-wave plate. According to such a configuration, the restoration processing laser beam is extracted on the laser beam path in the same direction as the propagation direction of the first and second linearly polarized light components in the second branching and coupling unit, and the third and fourth straight lines are extracted. A polarized component is extracted in the opposite direction to the first and second linearly polarized components on the side opposite to the laser optical path.
別の好適な一態様として、第2の分岐結合部が透明な支持体にコーティングされた第2の反射透過膜と第2の折り返しミラーとを有し、第2の反射透過膜には、第2の折り返しミラーからの第1の直線偏光成分が45度の入射角で入射してレーザ光路上にまっすぐ透過するとともに、1/2波長板からの第2の直線偏光成分が45度の入射角で入射してレーザ光路上に直角に反射する。また、第2の反射透過膜には、被加工物からの反射戻り光が第1の直線偏光成分の透過方向と逆の方向から45度の入射角で入射する。入射した反射戻り光のうち、第3の直線偏光成分は第2の折り返しミラーに向かってまっすぐ透過するとともに、第4の直線偏光成分は1/2波長板に向かって直角に反射する。そして、第2の折り返しミラーでは、1/2波長板からの第1の直線偏光成分が45度の入射角で入射して第2の反射透過膜に向かって直角に反射するとともに、第2の反射透過膜からの第3の直線偏光成分が45度の入射角で入射して1/2波長板に向かって直角に反射する。かかる構成によれば、第2の分岐結合部において、復元加工用レーザビームが第1および第2の直線偏光成分の伝播方向と直交する方向のレーザ光路上に取り出され、第3および第4の直線偏光成分が該レーザ光路と直交して第1および第2の直線偏光成分とは逆方向に取り出される。 As another preferred embodiment, the second branch / coupling portion includes a second reflective / transmissive film and a second folding mirror coated on a transparent support, and the second reflective / transmissive film includes a second reflective / transmissive film. The first linearly polarized light component from the second folding mirror is incident at an incident angle of 45 degrees and is transmitted straight through the laser optical path, and the second linearly polarized light component from the half-wave plate is incident at an angle of 45 degrees. And is reflected at right angles on the laser beam path. In addition, reflected return light from the workpiece is incident on the second reflective / transmissive film at an incident angle of 45 degrees from the direction opposite to the transmission direction of the first linearly polarized light component. Of the reflected return light that has entered, the third linearly polarized light component is transmitted straight toward the second folding mirror, and the fourth linearly polarized light component is reflected at right angles toward the half-wave plate. In the second folding mirror, the first linearly polarized light component from the half-wave plate is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the second reflective / transmissive film, and the second The third linearly polarized light component from the reflection / transmission film is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the half-wave plate. According to such a configuration, in the second branching and coupling unit, the restoration processing laser beam is extracted on the laser optical path in the direction orthogonal to the propagation direction of the first and second linearly polarized light components, and the third and fourth The linearly polarized light component is extracted in the direction opposite to the first and second linearly polarized light components perpendicular to the laser light path.
本発明の好適な一態様によれば、第1の分岐結合部より第1および第2の直線偏光成分が3〜5mmの距離を隔てて平行に取り出され、第2の分岐結合部より第3および第4の直線偏光成分が3〜5mmの距離を隔てて平行に取り出される。かかる構成により、共通(単一)のファラデー素子に、第1および第2の直線偏光成分を容易に通し、第3および第4の直線偏光成分を容易に通すことができる。 According to a preferred aspect of the present invention, the first and second linearly polarized light components are extracted in parallel at a distance of 3 to 5 mm from the first branch coupling portion, and the third branch coupling portion is third. The fourth linearly polarized light component is extracted in parallel at a distance of 3 to 5 mm. With this configuration, the first and second linearly polarized light components can be easily passed through the common (single) Faraday element, and the third and fourth linearly polarized light components can be easily passed.
本発明のレーザ加工装置は、加工用のレーザビームを発振出力するレーザ発振部と、前記加工用レーザビームを被溶接物上の加工点に向けて集光照射するレーザ出射部と、前記レーザ発振部より発振出力された前記加工用レーザビームを前記レーザ出射部まで伝送するためのレーザ伝送系と、前記レーザ伝送系の途中に設けられた本発明の光アイソレータを有する。 The laser processing apparatus of the present invention includes a laser oscillation unit that oscillates and outputs a processing laser beam, a laser emitting unit that focuses and irradiates the processing laser beam toward a processing point on a workpiece, and the laser oscillation A laser transmission system for transmitting the processing laser beam oscillated and output from the unit to the laser emitting unit, and an optical isolator of the present invention provided in the middle of the laser transmission system.
上記の装置構成においては、本発明の光アイソレータが、レーザ発振部より概してランダム偏光または自然光として伝播してくる加工用レーザビームを殆ど減衰させずにレーザ出射部側へ通すとともに、被加工物から逆方向に伝播してくる反射戻り光を確実にレーザ伝送系から除去するので、被加工物に対して加工用レーザビームを所期のレーザ出力で照射できるとともに、レーザ発振部に反射戻り光の影響が及ぶのを根本的に解決することができる。 In the above apparatus configuration, the optical isolator of the present invention passes the laser beam for processing, which is propagated as random polarized light or natural light from the laser oscillation unit, to the laser emission unit side with almost no attenuation, and from the workpiece. Since the reflected return light propagating in the opposite direction is reliably removed from the laser transmission system, the workpiece laser beam can be irradiated to the workpiece with the desired laser output, and the reflected return light can be applied to the laser oscillation unit. The impact can be fundamentally resolved.
本発明のレーザ加工装置においては、好ましい一態様として、レーザ発振部が、発光元素を含むコアを活性媒体とし、コアを所定の励起光で励起して一定の波長を有する加工用レーザビームを発振出力する光ファイバ構造のファイバレーザ発振器を有する。この場合は、特に、発振用光ファイバの端面に反射戻り光が入射してファイバ端面が焼損するのを確実に防止することができる。 In a preferred embodiment of the laser processing apparatus of the present invention, the laser oscillation unit oscillates a processing laser beam having a certain wavelength by exciting the core with a predetermined excitation light using the core containing the light emitting element as an active medium. A fiber laser oscillator having an optical fiber structure for output is provided. In this case, in particular, it is possible to reliably prevent the reflected return light from entering the end face of the oscillation optical fiber and burning the end face of the fiber.
また、別の好ましい一態様として、レーザ発振部が、活性媒体と、活性媒体を励起光で光学的に励起するための励起部と、加工用レーザビームのレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように励起光の出力を制御するレーザ電源部とを有する。この場合は、特に、パワーフィードバック制御機構が反射戻り光の影響を受けて精度の低下や誤動作を招くのを確実に防止することができる。 In another preferred embodiment, the laser oscillation unit includes an active medium, an excitation unit for optically exciting the active medium with excitation light, and a laser output measurement unit for measuring the laser output of the processing laser beam. And a laser power supply unit that controls the output of the excitation light so that the laser output measurement value obtained from the laser output measurement unit follows a preset reference value or reference waveform. In this case, in particular, it is possible to reliably prevent the power feedback control mechanism from being deteriorated in accuracy or malfunctioning due to the influence of the reflected return light.
本発明のレーザ加工用の光アイソレータによれば、上記のような構成および作用により、コンパクトで低コストの構成でもって加工用のレーザビームを殆ど減衰させずに通す一方で被加工物からの反射戻り光を効率よく確実に除去することができる。 According to the optical isolator for laser processing of the present invention, the above-described configuration and operation allow the laser beam for processing to pass through the compact and low-cost configuration with almost no attenuation while reflecting from the workpiece. Return light can be efficiently and reliably removed.
また、本発明のレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、被加工物側からの反射戻り光の影響を無くし、レーザ加工の品質・信頼性を向上させることができる。 Further, according to the laser processing apparatus of the present invention, the influence and the reflected return light from the workpiece side can be eliminated and the quality and reliability of the laser processing can be improved by the configuration and operation as described above.
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明の光アイソレータを好適に適用できる一構成例としてのファイバレーザ加工装置の構成を示す。このファイバレーザ加工装置は、ファイバレーザ発振器10、レーザ電源部12、レーザ入射部14、ファイバ伝送系16、レーザ出射部18および加工テーブル20に加えて、光アイソレータ100を備えている。
FIG. 1 shows a configuration of a fiber laser processing apparatus as one configuration example to which the optical isolator of the present invention can be suitably applied. The fiber laser processing apparatus includes an
ファイバレーザ発振器10は、発振用の光ファイバ(以下「発振ファイバ」と称する。)22と、この発振ファイバ22の一端面にポンピング用の励起光MBを照射する電気光学励起部24と、発振ファイバ22を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー26,28とを有している。
The
電気光学励起部24は、レーザダイオード(LD)30および集光用の光学レンズ32を有している。LD30は、レーザ電源部12からの励起電流によって点灯駆動され、励起用のレーザ光MBを発振出力する。光学レンズ32は、LD30からの励起用レーザ光MBを発振ファイバ22の一端面に集光入射させる。LD30と光学レンズ32との間に配置される光共振器ミラー26は、LD30側から入射した励起用レーザ光MBを透過させ、発振ファイバ22側から入射した発振光線を共振器の光軸上で全反射するように構成されている。
The electro-
発振ファイバ22は、図示省略するが、発光元素としてたとえば希土類元素のイオンをドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝播光路としている。上記のようにして発振ファイバ22の一端面に入射した励起用レーザ光MBは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ22の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中の希土類元素イオンを光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー26,28の間を何度も行き来して共振増幅され、部分反射ミラーからなる片側の光共振器ミラー28より該所定波長を有するファイバレーザ光FBが取り出される。このファイバレーザ光FBは、その光波の振動ベクトルの振動方向に規則性はなく、無偏光または自然光のレーザビームである。
Although not shown, the
なお、光共振器において、光学レンズ32,34は、発振ファイバ22の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして光共振器ミラー26,28へ通し、光共振器ミラー26,28で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ22の端面に集光させる。また、発振ファイバ22を通り抜けた励起用レーザ光MBは、光学レンズ34および光共振器ミラー28を透過したのち折り返しミラー36にて側方のレーザ吸収体38に向けて折り返される。光共振器ミラー28より出力されたファイバレーザ光FBは、この折り返しミラー36をまっすぐ透過し、次いでビームスプリッタ40を通ってからレーザ入射部14に入る。
In the optical resonator, the
ビームスプリッタ40は、入射したファイバレーザ光FBの一部(たとえば1%)を所定方向つまりパワーモニタ用の受光素子たとえばフォトダイオード(PD)42側へ反射する。フォトダイオード(PD)42の正面に、ビームスプリッタ40からの反射光またはモニタ光RFBを集光させる集光レンズ44が配置されてよい。
The
フォトダイオード(PD)42は、ビームスプリッタ40からのモニタ光RFBを光電変換して、ファイバレーザ光FBのレーザ出力(ピークパワー)を表す電気信号(レーザ出力測定信号)SFBを出力し、この信号SFBをレーザ電源部12に送る。レーザ電源部12は、リアルタイムのパワーフィードバック制御でLD30に励起電流を供給するように構成されており、フォトダイオード(PD)42からのレーザ出力測定信号SFBを予め設定されているレーザ出力基準値または基準波形と比較し、その比較誤差が零になるようにLD励起電流を制御する。
The photodiode (PD) 42 photoelectrically converts the monitor light R FB from the
レーザ入射部14に入ったファイバレーザ光FBは、最初にベントミラー46で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット48内で集光レンズ50により集光されてファイバ伝送系16の伝送用光ファイバ(以下「伝送ファイバ」と称する。)52の一端面に入射する。伝送用光ファイバ52は、たとえばSI(ステップインデックス)形ファイバからなり、入射ユニット48内で入射したファイバレーザ光FBをレーザ出射部18の出射ユニット54まで伝送する。
The fiber laser beam FB that has entered the
出射ユニット54は、伝送ファイバ52の終端面より出たファイバレーザ光FBを平行光にコリメートするコリメートレンズ56と、平行光のファイバレーザ光FBを所定の焦点位置に集光させる集光レンズ58とを有しており、加工テーブル20に載置されている被加工物60の加工点Wにファイバレーザ光FBを集光照射する。
The
たとえばレーザ溶接の場合は、レーザ電源部12よりパルス波形の励起電流がLD30に供給されることにより、ファイバレーザ発振器10内でLD30よりパルス波形の励起用レーザ光MBが発振ファイバ22に供給され、ファイバレーザ発振器10よりパルス波形のファイバレーザ光FBが発振出力される。このパルス波形のファイバレーザ光FBが、レーザ入射部14、ファイバ伝送系16およびレーザ出射部18を介して被加工物60の加工点Wに集光照射される。加工点Wにおいては、パルス波形のファイバレーザ光FBのエネルギーにより被加工材質が溶融し、パルス照射終了後に凝固してナゲットが形成される。
For example, in the case of laser welding, an excitation current having a pulse waveform is supplied from the laser
このファイバレーザ加工装置においては、被加工物60の加工点Wからの反射戻り光が、ファイバレーザ光FBとは逆方向に、レーザ出射部18およびファイバ伝送系16を通ってファイバレーザ発振器10側に伝搬してくることがある。
In this fiber laser processing apparatus, reflected return light from the processing point W of the workpiece 60 passes through the
この実施形態では、ファイバレーザ発振器10とレーザ入射部14との間に配置された光アイソレータ100が、ファイバレーザ発振器10から順方向に伝播してくるファイバレーザ光FBを殆ど減衰なしに通す一方で、被加工物60側からレーザ出射部18、ファイバ伝送系16、レーザ入射部14を通って逆方向に伝播してくる反射戻り光をレーザ光路から除去するようにしている。このことにより、ファイバレーザ発振器10内で発振ファイバ22に構造上の制限や特段の工夫を施さなくてもその端面が反射戻り光で焼損・劣化するのを効率的かつ確実に防止できるとともに、ファイバレーザ光FBのレーザ出力を制御するためのパワーフィードバック制御機構(42,44,12,30等)が反射戻り光の影響を受けて精度の低下や誤動作を招くおそれもない。また、従来は反射戻り光がファイバレーザ発振器10を通り抜けて励起用LD30にダメージを与えることもあったが、光アイソレータ100によってこの問題も完全に解消される。したがって、被加工物60に対するレーザ加工の品質・信頼性を向上させることができる。
In this embodiment, the
以下、この実施形態における光アイソレータ100の構成と作用を詳細に説明する。
Hereinafter, the configuration and operation of the
図2Aおよび図2Bに、一実施例による光アイソレータ100の構成を示す。この光アイソレータ100は、ファイバレーザ発振器10(図1)側からみて、第1の分岐結合部102、ファラデー回転子104、1/2波長板106および第2の分岐結合部108をこの順序で一列に配置している。
2A and 2B show a configuration of an
第1の分岐結合部102は、内部の張り合わせ斜面に反射透過膜110をコーティングしてなる立方形状組立体のガラスキューブ112と、このガラスキューブ112に隣接して所定の位置に所定の傾斜姿勢で配置される折り返しミラー114とからなる。
The first
より詳細には、ガラスキューブ112内の反射透過膜110は、偏光面が互いに直交する2つの直線偏光成分に対して相反する反射透過特性を有し、たとえば縦方向の偏光面を有する直線偏光成分(P)に対してはそれをそのまままっすぐ透過させ、横方向の偏光面を有する直線偏光成分(S)に対してはそれを全反射するようになっており、ファイバレーザ発振器10(図1)からのファイバレーザ光FBの伝播方向(水平方向)に対して−45度の傾き(図2Aにおいて右下がり)で配置されている。これにより、ファイバレーザ発振器10から水平に伝播してきたファイバレーザ光FBが反射透過膜110に入射すると、図2Aに示すように、ファイバレーザ光FBのうち縦方向の直線偏光成分PFは反射透過膜110をまっすぐ水平に通り抜け、横方向の直線偏光成分SFは直角に鉛直下方に反射する。
More specifically, the reflection /
図2Aにおいて、折り返しミラー114は、反射透過膜110の真下でそれと平行な−45度の傾きで配置されており、反射透過膜110からの横方向の直線偏光成分SFはここでファラデー回転子104に向かって直角に反射する。
2A, the
こうして、第1の分岐結合部102では、ファイバレーザ発振器10(図1)から水平に伝播してきたファイバレーザ光FBが縦方向の直線偏光成分PFと横方向の直線偏光成分SFとに2分割され、それらの直線偏光成分PF,SFが互いにたとえば3〜5mmの至近距離を隔てて平行(水平)に取り出される。
Thus, in the first
ファラデー回転子104は、たとえば円柱状のファラデー素子と、その周囲に設けられるリング状の磁石とを備えており、そのファラデー素子の一方の端面(図の左側端面)に第1の分岐結合部102からの両直線偏光成分PF,SFを入射せしめ、ファラデー素子の他方の端面(右側端面)から出るまでにファラデー効果により両直線偏光成分PF,SFの偏光面(振動面)を所定の回転方向(たとえば第1の分岐結合部102側から見て右回りまたは時計回り)にそれぞれ45度だけ回転させる。
The
ファラデー回転子104から取り出された両直線偏光成分PF,SFは相互の平行状態を保ったまま水平に1/2波長板106に入射する。1/2波長板106は、その結晶の光軸方向Nがファラデー回転子104側から見て縦軸に対して右回り(時計回り)に22.5度傾いた方向に設定されており、この結晶光軸方向Nを基準として軸対象に、一方の直線偏光成分PFの偏光面を左回り(反時計回り)に45度だけ回転させるとともに、他方の直線偏光成分SFの偏光面を左回りに225度(別言すれば右回りに135度)だけ回転させる。こうして、両直線偏光成分PF,SFの偏光面は、1/2波長板106によってそれぞれ元の縦方向および横方向に戻される。
Both linearly polarized light components P F and S F extracted from the
第2の分岐結合部108は、内部の張り合わせ斜面に反射透過膜116をコーティングしてなる立方形状組立体のガラスキューブ118と、このガラスキューブ118に隣接して所定の位置に所定の傾斜姿勢で配置される折り返しミラー120とからなる。
The second
より詳細には、ガラスキューブ118内の反射透過膜116は、偏光面が互いに直交する2つの直線偏光成分に対して相反する反射透過特性を有し、たとえば縦方向の偏光面を有する直線偏光成分(P)に対してはそれをそのまままっすぐ透過させ、横方向の偏光面を有する直線偏光成分(S)に対してはそれを全反射するようになっており、送出すべき復元ファイバレーザ光FB'の伝播方向に対して45度の傾きで、1/2波長板106からの直線偏光成分PF,SFのうち片方の直線偏光成分SFから逸れてもう片方の直線偏光成分PFだけを入射させる高さ位置に配置されている。一方、折り返しミラー120は、反射透過膜116の真下でそれと平行な45度の傾きで、1/2波長板106からの直線偏光成分SFだけを入射させる高さ位置に配置されている。
More specifically, the reflection /
かかる構成において、1/2波長板106からの直線偏光成分PF,SFのうち、縦方向の偏光面を有する直線偏光成分PFはガラスキューブ118内の反射透過膜116に直接入射してまっすぐ透過し、横方向の偏光面を有する直線偏光成分SFは最初に折り返しミラー120に入射してそこで垂直上方に反射してから反射透過膜116に入射し、そこで直角に水平方向に反射して直線偏光成分PFと合流して合成される。
In this configuration, 1/2 linearly polarized light component P F of the
こうして、第2の分岐結合部108より、偏光面が互いに直交する2つの直線偏光成分PF,SFからなるレーザビームが復元ファイバレーザ光FB'として後段のレーザ伝送系に向けて送出される。
In this way, the laser beam composed of the two linearly polarized light components P F and S F whose polarization planes are orthogonal to each other is sent from the second
この光アイソレータ100より送出される復元ファイバレーザ光FB'は、両直線偏光成分PF,SF間の光強度および位相関係によって楕円偏光、円偏光あるいは直線偏光の形態をとり得るが、光アイソレータ100内の光学部品の吸収分(損失分)を無視すれば、光アイソレータ100に入る前の原ファイバレーザ光FBと殆ど違わないレーザ出力を有しており、加工用のレーザビームとしては実質的に同等である。
Restore the fiber laser beam FB is transmitted from the optical isolator 100 ', both linearly polarized component P F, elliptically polarized light by the light intensity and the phase relationship between S F, may take the form of a circularly polarized light or linearly polarized light, the optical isolator If the absorption (loss) of optical components in 100 is ignored, it has a laser output that is almost the same as that of the original fiber laser beam FB before entering the
一方で、この光アイソレータ100は、被加工物60から復元ファイバレーザ光FB'と同一のレーザ光路上を逆方向に伝播してくる反射戻り光RBを取り込む。
On the other hand, the
図2Bにおいて、被加工物60からの反射戻り光RBは、概してランダム偏光のレーザビームであり、最初に第2の分岐結合部108のガラスキューブ118に入って、反射透過膜116に入射する。ここで、反射戻り光RBのうち、縦方向の直線偏光成分PRは反射透過膜116をまっすぐ水平に通り抜け、横方向の直線偏光成分SRは直角に垂直下方へ反射する。そして、直線偏光成分SRは真下の折り返しミラー120に入射し、そこで1/2波長板106に向かって直角に反射し、縦方向の直線偏光成分PRと至近距離(たとえば3〜5mm)を隔てて平行(水平)になる。
In FIG. 2B, the reflected return light RB from the
第2の分岐結合部108で取り出された両直線偏光成分PR,SRは相互の平行状態を保ったまま水平に1/2波長板106に逆方向(図の右方)から入射する。ここで、1/2波長板106の結晶光軸方向Nは、第2の分岐結合部108側から見ると、鉛直軸に対して左回り(反時計回り)に22.5度傾いている。1/2波長板106は、この結晶光軸方向Nを基準として軸対象に、一方の直線偏光成分PRの偏光面を左回り(反時計回り)に45度だけ回転させるとともに、他方の直線偏光成分SRの偏光面を左回りに225度(別言すれば右回りに135度)だけ回転させる。これにより、直線偏光成分PRの偏光面は横軸に対して135度傾いたものとなり、直線偏光成分SRの偏光面は横軸に対して45度傾いたものとなる。
The two linearly polarized light components P R and S R extracted by the second branching and
1/2波長板106を逆方向に通り抜けた両直線偏光成分PR,SRは、偏光面を互いに直交させ、かつ平行(水平)伝播と一定の距離間隔を保ったままファラデー回転子104に逆方向(図の右方)から入る。ファラデー回転子104は、両直線偏光成分PR,SRがファラデー素子を通過する間に、ファラデー効果により両直線偏光成分PR,SRの偏光面(振動面)を所定の回転方向(1/2波長板106側から見て左回りまたは反時計回り)にそれぞれ45度だけ回転させる。これにより、直線偏光成分PRの偏光面は横軸に対して平行つまり横方向となり、直線偏光成分SRの偏光面は横軸に対して90度傾いて縦方向となる。
Both linearly polarized light components P R and S R that have passed through the half-
ファラデー回転子104を逆方向に通り抜けた両直線偏光成分PR,SRは、偏光面を互いに直交させ、かつ平行状態と一定の距離間隔を保ったまま第1の分岐結合部102に逆方向(図の右方)から入る。そして、横方向の偏光面を有する直線偏光成分PRは、ガラスキューブ110に入って反射透過膜110に入射し、そこで垂直上方に向かって直角に反射する。また、縦方向の偏光面を有する直線偏光成分SRは、折り返しミラー114に入射して、そこで鉛直上方に向かって直角に反射し、次いでガラスキューブ110内の反射透過膜110をまっすぐ通り抜けて、直線偏光成分PRと合流する。
The two linearly polarized light components P R and S R that have passed through the
こうして、第1の分岐結合部102の上方に設定された逸脱光路122上で両直線偏光成分PR,SRが合流して、反射戻り光RB'が復元され、レーザ伝送系の外へ除去される。なお、光アイソレータ100の外へ復元反射戻り光RB'が拡散するのを防止するために、逸脱光路122の先に光吸収体(図示せず)を設けてよい。
Thus, the linearly polarized light components P R and S R merge on the departure
上記したように、この実施例による光アイソレータ100は、ファイバレーザ発振器10から順方向に伝播してきたランダム偏光ないし自然光のファイバレーザ光FBを殆ど減衰させずに通す一方で、被加工物60側から逆方向に伝播してきたランダム偏光のファイバレーザ光FBをレーザ伝送系の外へ除外することができる。しかも、この光アイソレータ100は、使用する光学部品の中で最もサイズが大きく、かつ最も(非常に)高価なファラデー回転子(104)を1個で済ませているので、コンパクトで低コストの光学デバイスとして構成できる。
As described above, the
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上記した実施形態に限るものではなく、その技術的思想の範囲内で種種の変形が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the technical idea.
たとえば、上記した実施例の光アイソレータ100(図2A,図2B)において、第2の分岐結合部108のガラスキューブ118と折り返しミラー120との位置関係を逆転させて、図3Aおよび図3Bに示すような構成に変形することも可能である。
For example, in the optical isolator 100 (FIGS. 2A and 2B) according to the above-described embodiment, the positional relationship between the
より詳細には、ガラスキューブ118内の反射透過膜116は、送出すべき復元ファイバレーザ光FB'の伝播方向に対して45度の傾きで、1/2波長板106からの直線偏光成分PF,SFのうち片方の直線偏光成分PFから逸れてもう片方の直線偏光成分SFだけを入射させる高さ位置に配置されている。一方、折り返しミラー120は、反射透過膜116の真上でそれと平行な45度の傾きで、1/2波長板106からの直線偏光成分PFだけを入射させる高さ位置に配置されている。
More specifically, the reflection /
かかる構成において、1/2波長板106からの直線偏光成分PF,SFのうち、一方の直線偏光成分PFは最初に折り返しミラー120に入射してそこで垂直下方へ反射してから反射透過膜116に入射し、そこで直角に水平方向に反射してレーザ光路上に出る。また、他方の直線偏光成分SFは、ガラスキューブ118内の反射透過膜116に直接入射してまっすぐ透過してレーザ光路上に出て、直線偏光成分PFと合流して合成される。こうして、レーザ光路上に復元されたファイバレーザ光FB'が得られる。
In this configuration, 1/2 linearly polarized light component P F of the
なお、この第2の実施例において、1/2波長板106は、その結晶の光軸方向Nがファラデー回転子104側から見て縦軸に対して左回り(反時計回り)に22.5度傾いた方向に設定されており、この結晶光軸方向Nを基準として軸対象に、ファラデー回転子104からの一方の直線偏光成分PFの偏光面を左回り(反時計回り)に67.5度だけ回転させるとともに、ファラデー回転子104からの他方の直線偏光成分SFの偏光面を左回りに315度(別言すれば右回りに45度)だけ回転させる。こうして、ファラデー回転子104からの両直線偏光成分PF,SFは、1/2波長板106を通り抜けると、それぞれ横方向および縦方向の偏光面を持つことになる。
In the second embodiment, the half-
また、図3Bにおいて、被加工物60からの反射戻り光RBは、最初に第2の分岐結合部108のガラスキューブ118に入って、反射透過膜116に入射する。ここで、反射戻り光RBのうち、縦方向の直線偏光成分PRは反射透過膜116をまっすぐ水平に通り抜け、横方向の直線偏光成分SRは直角に垂直上方へ反射してから真上の折り返しミラー120に入射し、そこで1/2波長板106に向かって直角に反射し、縦方向の直線偏光成分PRと至近距離(たとえば3〜5mm)を隔てて平行(水平)になる。
In FIG. 3B, the reflected return light RB from the
1/2波長板106は、その結晶光軸方向Nを基準として軸対象に、一方の他方の直線偏光成分PRの偏光面を左回りに22.5度だけ回転させるとともに、直線偏光成分SRの偏光面を左回り(反時計回り)に225度だけ回転させる。これにより、直線偏光成分PRの偏光面は横軸に対して45度傾いたものとなり、直線偏光成分SRの偏光面は横軸に対して135度傾いたものとなる。
Half-
1/2波長板106を逆方向に通り抜けた両直線偏光成分PR,SRは、偏光面を互いに直交させ、かつ平行(水平)伝播と一定の距離間隔を保ったままファラデー回転子104に逆方向(図の右方)から入る。ファラデー回転子104は、両直線偏光成分PR,SRがファラデー素子を通過する間に、ファラデー効果により両直線偏光成分PF,SFの偏光面(振動面)を所定の回転方向(1/2波長板106側から見て左回りまたは反時計回り)にそれぞれ45度だけ回転させる。これにより、直線偏光成分PRの偏光面は横軸に対して90度傾いて縦方向となり、直線偏光成分SRの偏光面は横軸に対して180度の傾きつまり横方向となる。
Both linearly polarized light components P R and S R that have passed through the half-
ファラデー回転子104を逆方向に通り抜けた両直線偏光成分PR,SRは、偏光面を互いに直交させ、かつ平行状態と一定の距離間隔を保ったまま第1の分岐結合部102に逆方向(図の右方)から入る。そして、横方向の偏光面を有する直線偏光成分SRは、ガラスキューブ110に入って反射透過膜110に入射し、そこで垂直上方へ向かって逸脱光路122上に直角に反射する。また、縦方向の偏光面を有する直線偏光成分PRは、折り返しミラー114に入射して、そこで鉛直上方に向かって直角に反射し、次いでガラスキューブ110内の反射透過膜110をまっすぐ通り抜けて、逸脱光路122上で直線偏光成分PRと合流する。
The two linearly polarized light components P R and S R that have passed through the
また、別の変形として、レーザ伝送系のレーザ光路を光アイソレータ100において任意に折り曲げることも可能であり、図4Aおよび図4Bに第3の実施例を示す。
As another modification, the laser optical path of the laser transmission system can be arbitrarily bent in the
この第3の実施例では、ファイバレーザ発振器10(図1)からのファイバレーザ光FBが図4Aの中で垂直上方に伝播してくる。初段の第1の分岐結合部102において、このファイバレーザ光FBがガラスキューブ112の反射透過膜110に入射すると、ファイバレーザ光FBのうち縦方向の直線偏光成分PFは反射透過膜110をまっすぐ上方に通り抜け、横方向の直線偏光成分SFはファラデー回転子104に向かって直角に反射する。そして、反射透過膜110を上方に透過した直線偏光成分PFは、折り返しミラー114に入射し、そこでファラデー回転子104に向かって直角に反射する。このように、上記した第1実施例(図2)と同様に、ファイバレーザ発振器10(図1)からのファイバレーザ光FBが縦方向の直線偏光成分PFと横方向の直線偏光成分SFとに2分割され、それらの直線偏光成分PF,SFが適度な至近距離を隔てて平行(図の中で水平)に取り出される。
In the third embodiment, the fiber laser beam FB from the fiber laser oscillator 10 (FIG. 1) propagates vertically upward in FIG. 4A. In the first
また、第2の分岐結合部108では、1/2波長板106から入ってくる直線偏光成分PF,SFのうち、縦方向の偏光面を有する直線偏光成分PFは、最初に折り返しミラー120に入射してそこで垂直下方へ反射し、次いで反射透過膜116をまっすぐ通り抜ける。一方、横方向の偏光面を有する直線偏光成分SFは、ガラスキューブ118の反射透過膜116に直接入射して、そこで垂直下方へ直角に反射して直線偏光成分PFと合流する。こうして、この第2の分岐結合部102でも、偏光面が互いに直交する2つの直線偏光成分PF,SFが同一のレーザ光路上で合成されて、復元されたファイバレーザ光FB'が得られる。
In the
一方で、図4Bに示すように、レーザ伝送系のレーザ光路を逆方向に伝播してくる被加工物60からの反射戻り光RBは、先ず第2の分岐結合部108においてガラスキューブ118の反射透過膜116に入射する。入射した反射戻り光RBのうち、縦方向の偏光面を有する直線偏光成分PRは、反射透過膜116を垂直上方へまっすぐ通り抜け、次いで折り返しミラー120に入射してそこで1/2波長板106に向かって直角に反射する。横方向の偏光面を有する直線偏光成分SRは、反射透過膜116で1/2波長板106に向かって直角に反射し、直線偏光成分PRと至近距離を隔てて平行(水平)になる。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, the reflected return light RB from the
また、第1分岐結合部102では、ファラデー回転子104からの直線偏光成分PR,SRのうち、横方向の偏光面を有する直線偏光成分PRは、最初に折り返しミラー114に入射してそこで鉛直下方へ反射し、次いで反射透過膜110に入射して水平方向に直角に反射する。一方、縦方向の偏光面を有する直線偏光成分SRは、ガラスキューブ118の反射透過膜116に直接入射して、そこをまっすぐ水平方向に通り抜けて、直線偏光成分PRと合流する。
Further, in the first
こうして、この第3の実施例でも、第1分岐結合部102の水平方向外側に設定された逸脱光路122上で両直線偏光成分PR,SRが合流して、反射戻り光RBが復元され、レーザ伝送系の外へ除去される。
Thus, also in the third embodiment, both the linearly polarized light components P R and S R merge on the deviation
なお、この第3の実施例において、ファラデー回転子104および1/2波長板106は上記第1の実施例(図2)の場合と同様に作用する。
In the third embodiment, the
上記した実施形態はファイバレーザ加工装置に係るものであったが、本発明は他のレーザ加工装置にも適用可能である。 Although the above-described embodiment relates to the fiber laser processing apparatus, the present invention can also be applied to other laser processing apparatuses.
たとえば、図5に示すように、YAGレーザ加工装置にも上記実施例の光アイソレータ100をそのまま適用できる。このYAGレーザ加工装置は、YAGレーザ発振器70内で光共振器ミラー26,28の間にYAGロッド72を配置しており、YAGロッド72を光学的にポンピングするためにファイバカップリングLD74を用いている。すなわち、励起用LD30で生成された励起用レーザ光MBは、集光レンズ76により光ファイバ78の一端面に集光入射し、光ファイバ78の中を伝播してその他端面から射出され、コリメータレンズ80、集光レンズ82、光共振器ミラー26を通ってYAGロッド72の一端面に入射するようになっている。YAGレーザ発振器70より発振出力されたYAGレーザ光YBは、加工用のレーザビームとして、光アイソレータ100およびレーザ出射部18を通って被加工物60の加工点Wに照射される。
For example, as shown in FIG. 5, the
このYAGレーザ加工装置においても、光アイソレータ100は、YAGレーザ発振器70からのYAGレーザ光YBを殆ど減衰させずに通し、被加工物60からの反射戻り光RBをレーザ伝送系から除去することができる。これにより、YAGレーザ発振器70、パワーフィードバック制御機構(42,12,32)およびファイバカップリングLD74を反射戻り光RBから保護することができる。
Also in this YAG laser processing apparatus, the
別の例として、図6に示すように、高出力型LD84で加工用のレーザビームLBを生成し、この加工用のレーザビームLBを伝送用の光ファイバ86に通して所望の加工場所でレーザ加工を行うLDレーザ加工装置にも本発明の光アイソレータ100を適用することができる。図6において、集光レンズ88は、LD84より発振出力されたレーザビームLBを光ファイバ86の一端面に集光入射させる。また、コメータレンズ90は、光ファイバ86の他端面より放射状に射出されたレーザビームLBを平行光にして光アイソレータ100に入射させる。
As another example, as shown in FIG. 6, a laser beam LB for processing is generated by a high-
本発明のファイバレーザ加工装置は、レーザ溶接に限るものではなく、レーザマーキング、穴あけ、切断等のレーザ加工にも適用可能である。 The fiber laser processing apparatus of the present invention is not limited to laser welding, but can also be applied to laser processing such as laser marking, drilling, and cutting.
10 ファイバレーザ発振器
16 ファイバ伝送系
18 レーザ出射部
70 YAGレーザ発振器
84 高出力型LD
100 光アイソレータ
102 第1の分岐結合部
104 ファラデー回転子
106 1/2波長板
108 第2の分岐結合部
110,116 反射透過膜
112,118 ガラスキューブ
114,120 折り返しミラー
DESCRIPTION OF
100
104
Claims (9)
前記レーザ発振部側からみて第1の分岐結合部、ファラデー回転子、1/2波長板および第2の分岐結合部がこの順序で配置され、
前記第1の分岐結合部が、前記レーザ発振部からの前記加工用レーザビームを、偏光面が互いに直交し、かつ互いに平行に伝播する第1および第2の直線偏光成分に2分割し、
前記ファラデー回転子が、前記第1の分岐結合部からの前記第1および第2の直線偏光成分を共通のファラデー素子に通してそれぞれの偏光面を所定の回転方向に45度だけ回転させ、
前記1/2波長板が、その結晶の光軸方向を基準として軸対称に前記第1および第2の直線偏光成分の偏光面をそれぞれ所定角度だけ回転させ、
前記第2の分岐結合部が、前記1/2波長板からの前記第1および第2の直線偏光成分を同一のレーザ光路上で合成して、前記加工用レーザビームを復元し、
前記第2の分岐結合部が、前記被加工物からの前記反射戻り光を、前記第1および第2の直線偏光成分とそれぞれ同一の偏光面を有し、かつ互いに平行に伝播する第3および第4の直線偏光成分に2分割し、
前記1/2波長板が、その結晶の光軸方向を基準として軸対称に前記第3および第4の直線偏光成分の偏光面をそれぞれ所定角度だけ回転させ、
前記ファラデー回転子が、前記1/2波長板からの前記第3および第4の直線偏光成分を前記共通のファラデー素子に通してそれぞれの偏光面を前記所定の回転方向に45度だけ回転させ、
前記第1の分岐結合部が、前記ファラデー回転子からの前記第3および第4の直線偏光成分を前記レーザ伝送系から異方向に外れた逸脱光路上に導いて前記レーザ伝送系から除去するレーザ加工用の光アイソレータ。 Provided in the middle of the laser transmission system that optically connects the laser oscillation part and the workpiece, and passes the machining laser beam propagating in the forward direction from the laser oscillation part side, in the reverse direction from the workpiece side. An optical isolator for laser processing that removes reflected return light that has propagated,
The first branch coupling unit, the Faraday rotator, the half-wave plate, and the second branch coupling unit are arranged in this order when viewed from the laser oscillation unit side,
The first branching and coupling unit divides the processing laser beam from the laser oscillation unit into two first and second linearly polarized light components whose polarization planes are orthogonal to each other and propagate parallel to each other,
The Faraday rotator passes the first and second linearly polarized light components from the first branch coupling unit through a common Faraday element, and rotates each polarization plane by 45 degrees in a predetermined rotation direction;
The half-wave plate rotates the planes of polarization of the first and second linearly polarized light components by a predetermined angle in axial symmetry with respect to the optical axis direction of the crystal;
The second branching and coupling unit combines the first and second linearly polarized light components from the half-wave plate on the same laser optical path to restore the processing laser beam;
The second branching and coupling unit has a third and a third propagating unit that propagates the reflected return light from the work piece in parallel with each other, having the same plane of polarization as the first and second linearly polarized light components. Divide into 4 linearly polarized light components,
The half-wave plate rotates the planes of polarization of the third and fourth linearly polarized light components by a predetermined angle in axial symmetry with respect to the optical axis direction of the crystal;
The Faraday rotator passes the third and fourth linearly polarized light components from the half-wave plate through the common Faraday element to rotate each polarization plane by 45 degrees in the predetermined rotation direction;
The first branching and coupling unit guides the third and fourth linearly polarized light components from the Faraday rotator to a deviating optical path deviating from the laser transmission system in a different direction and removes them from the laser transmission system. Optical isolator for processing.
前記第1の反射透過膜に前記レーザ発振部からの前記加工用レーザビームが45度の入射角で入射して、入射した前記加工用レーザビームのうち前記第1の直線偏光成分が前記ファラデー回転子に向かってまっすぐ透過するとともに前記第2の直線偏光成分が前記第1の折り返しミラーに向かって直角に反射し、
前記第1の反射透過膜において、前記ファラデー回転子からの前記第3の直線偏光成分が前記第1の直線偏光成分の透過方向と逆の方向から入射して前記逸脱光路上に直角に反射するとともに、前記第1の折り返しミラーからの前記第4の直線偏光成分が前記第2の直線偏光成分の反射方向と逆の方向から入射して前記逸脱光路上にまっすぐ透過し、
前記第1の折り返しミラーにおいて、前記第1の反射透過膜からの前記第2の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記ファラデー回転子に向かって直角に反射するとともに、前記ファラデー回転子からの前記第4の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記第1の反射透過膜に向かって直角に反射する請求項1に記載の光アイソレータ。 The first branch coupling portion includes a first reflective / transmissive film coated on a transparent support and a first folding mirror;
The processing laser beam from the laser oscillator enters the first reflective / transmissive film at an incident angle of 45 degrees, and the first linearly polarized light component of the incident processing laser beam is the Faraday rotation. The second linearly polarized component is reflected at right angles toward the first folding mirror while being transmitted straight toward the child,
In the first reflective / transmissive film, the third linearly polarized light component from the Faraday rotator is incident from a direction opposite to the transmission direction of the first linearly polarized light component and is reflected at right angles on the departure optical path. And the fourth linearly polarized light component from the first folding mirror is incident from a direction opposite to the reflection direction of the second linearly polarized light component and is transmitted straight on the departure optical path,
In the first folding mirror, the second linearly polarized light component from the first reflective / transmissive film is incident at an incident angle of 45 degrees and reflected at right angles toward the Faraday rotator, and the Faraday rotation 2. The optical isolator according to claim 1, wherein the fourth linearly polarized light component from a child is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the first reflective / transmissive film.
前記第1の反射透過膜に前記レーザ発振部からの前記加工用レーザビームが45度の入射角で入射して、入射した前記加工用レーザビームのうち前記第1の直線偏光成分が前記第1の折り返しミラーに向かってまっすぐ透過するとともに前記第2の直線偏光成分が前記ファラデー回転子に向かって直角に反射し、
前記第1の反射透過膜において、前記第1の折り返しミラーからの前記第3の直線偏光成分が前記第1の直線偏光成分の透過方向と逆の方向から入射して前記逸脱光路上に直角に反射するとともに、前記ファラデー回転子からの前記第4の直線偏光成分が前記第2の直線偏光成分の反射方向と逆の方向から入射して前記逸脱光路上にまっすぐ透過し、
前記第1の折り返しミラーにおいて、前記第1の反射透過膜からの前記第1の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記ファラデー回転子に向かって直角に反射するとともに、前記ファラデー回転子からの前記第3の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記第1の反射透過膜に向かって直角に反射する請求項1に記載の光アイソレータ。 The first branch coupling portion includes a first reflective / transmissive film coated on a transparent support and a first folding mirror;
The processing laser beam from the laser oscillation unit is incident on the first reflection / transmission film at an incident angle of 45 degrees, and the first linearly polarized light component of the incident processing laser beam is the first reflection beam. And the second linearly polarized light component is reflected at a right angle toward the Faraday rotator.
In the first reflective / transmissive film, the third linearly polarized light component from the first folding mirror is incident from a direction opposite to the transmission direction of the first linearly polarized light component and is perpendicular to the departure optical path. The fourth linearly polarized light component from the Faraday rotator is incident from a direction opposite to the reflection direction of the second linearly polarized light component and is transmitted straight through the deviating optical path,
In the first folding mirror, the first linearly polarized light component from the first reflective / transmissive film is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the Faraday rotator, and the Faraday rotation 2. The optical isolator according to claim 1, wherein the third linearly polarized light component from the child is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the first reflective / transmissive film.
前記第2の反射透過膜において、前記1/2波長板からの前記第1の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記レーザ光路上にまっすぐ透過するとともに、前記第2の折り返しミラーからの前記第2の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記レーザ光路上に直角に反射し、
前記第2の反射透過膜に前記被加工物からの前記反射戻り光が前記第1の直線偏光成分の透過方向と逆の方向から45度の入射角で入射して、入射した前記反射戻り光のうち前記第3の直線偏光成分が前記1/2波長板に向かってまっすぐ透過するとともに前記第4の直線偏光成分が前記第2の折り返しミラーに向かって直角に反射し、
前記第2の折り返しミラーにおいて、前記1/2波長板からの前記第2の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記第2の反射透過膜に向かって直角に反射するとともに、前記第2の反射透過膜からの前記第4の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記1/2波長板に向かって直角に反射する請求項1〜3のいずれか一項に記載の光アイソレータ。 The second branch coupling portion has a second reflective / transmissive film coated on a transparent support and a second folding mirror;
In the second reflective / transmissive film, the first linearly polarized light component from the half-wave plate is incident at an incident angle of 45 degrees and is transmitted straight through the laser light path, and the second folding mirror. The second linearly polarized component from is incident at an incident angle of 45 degrees and reflected perpendicularly onto the laser beam path;
The reflected return light from the workpiece enters the second reflective / transmissive film at an incident angle of 45 degrees from the direction opposite to the transmission direction of the first linearly polarized light component. And the third linearly polarized light component is transmitted straight toward the half-wave plate and the fourth linearly polarized light component is reflected at right angles toward the second folding mirror,
In the second folding mirror, the second linearly polarized light component from the half-wave plate is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the second reflective / transmissive film, and The fourth linearly polarized light component from the second reflective / transmissive film is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the half-wave plate. Optical isolator.
前記第2の反射透過膜において、前記第2の折り返しミラーからの前記第1の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記レーザ光路上にまっすぐ透過するとともに、前記1/2波長板からの前記第2の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記レーザ光路上に直角に反射し、
前記第2の反射透過膜において、前記被加工物からの前記反射戻り光が前記第1の直線偏光成分の透過方向と逆の方向から45度の入射角で入射して、前記反射戻り光のうち前記第3の直線偏光成分が前記第2の折り返しミラーに向かってまっすぐ透過するとともに前記第4の直線偏光成分が前記1/2波長板に向かって直角に反射し、
前記第2の折り返しミラーにおいて、前記1/2波長板からの前記第1の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記第2の反射透過膜に向かって直角に反射するとともに、前記第2の反射透過膜からの前記第3の直線偏光成分が45度の入射角で入射して前記1/2波長板に向かって直角に反射する請求項1〜3のいずれか一項に記載の光アイソレータ。 The second branch coupling portion has a second reflective / transmissive film coated on a transparent support and a second folding mirror;
In the second reflective / transmissive film, the first linearly polarized light component from the second folding mirror is incident at an incident angle of 45 degrees and is transmitted straight through the laser light path, and the half-wave plate The second linearly polarized component from is incident at an incident angle of 45 degrees and reflected perpendicularly onto the laser beam path;
In the second reflective / transmissive film, the reflected return light from the workpiece is incident at an incident angle of 45 degrees from a direction opposite to the transmission direction of the first linearly polarized light component, and the reflected return light Among them, the third linearly polarized light component is transmitted straight toward the second folding mirror and the fourth linearly polarized light component is reflected at right angles toward the half-wave plate,
In the second folding mirror, the first linearly polarized light component from the half-wave plate is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the second reflective / transmissive film, and The third linearly polarized light component from the second reflective / transmissive film is incident at an incident angle of 45 degrees and is reflected at right angles toward the half-wave plate. Optical isolator.
前記加工用レーザビームを被溶接物上の加工点に向けて集光照射するレーザ出射部と、
前記レーザ発振部より発振出力された前記加工用レーザビームを前記レーザ出射部まで伝送するためのレーザ伝送系と、
前記レーザ伝送系の途中に設けられた請求項1〜6のいずれか一項に記載の光アイソレータと
を有するレーザ加工装置。 A laser oscillation unit for oscillating and outputting a laser beam for processing;
A laser emitting portion for focusing and irradiating the processing laser beam toward a processing point on the workpiece;
A laser transmission system for transmitting the processing laser beam oscillated from the laser oscillating unit to the laser emitting unit;
The laser processing apparatus which has the optical isolator as described in any one of Claims 1-6 provided in the middle of the said laser transmission system.
活性媒体と、
前記活性媒体を励起光で光学的に励起するための励起部と、
前記加工用レーザビームのレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、
前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が予め設定された基準値または基準波形に倣うように前記励起光の出力を制御するレーザ電源部と
を有する請求項7に記載のレーザ加工装置。 The laser oscillation unit is
An active medium;
An excitation unit for optically exciting the active medium with excitation light;
A laser output measuring unit for measuring the laser output of the processing laser beam;
The laser processing apparatus according to claim 7, further comprising: a laser power supply unit that controls the output of the excitation light so that a laser output measurement value obtained from the laser output measurement unit follows a preset reference value or reference waveform.
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