JP2017219628A - コンバイナ及びレーザシステム - Google Patents

Abstract

【課題】出射光のビーム品質を制御可能なコンバイナを提供すること。【解決手段】コンバイナ（１０）は、複数の入射ファイバ（ＦＭＦ１２１〜１２７）と、複数のＧＩファイバ（１４１〜１４７）と、出射ファイバ（１３）と、ＧＩファイバ（１４１〜１４７）が結合された入射端面（１１ａ）及び出射ファイバ（１３）が結合された出射端面（１１ｂ）を有する縮径部（１１）とを備え、少なくとも２本のＧＩファイバ（例えばＧＩファイバ１４１，１４２）は、異なるレンズとしての開口数を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、入射ファイバと出射ファイバと縮径部とを備えたコンバイナに関する。また、そのようなコンバイナを備えたレーザシステム、及び、そのようなコンバイナの製造方法に関する。

複数台のレーザ装置の各々から出射されるレーザ光を１つの出射光にまとめるコンバイナが知られている。例えば特許文献１には、入射ファイバを構成する複数の光ファイバ（特許文献１における「入力用光ファイバ」）と、テーパ部を有する縮径部（特許文献１における「ブリッジファイバ」）と、出射ファイバ（特許文献１における「出力用光ファイバ」）と、を備えたコンバイナ（特許文献１における「光ファイバコンバイナ」）が記載されている。

このようなコンバイナは、例えばレーザ加工機（レーザシステム）に好適に用いることができる。レーザ加工機は、複数台のレーザ装置の各々から出射されるレーザ光を、このようなコンバイナを用いて１つの出射光にまとめることによって、１台のレーザ装置では得ることができない高出力な出射光を得ている。レーザ加工機は、このようにして得られた出射光を用いて高出力を要する加工用途、例えば、切断や溶接などに用いられている。

特開２０１３−１９０７１４号公報（２０１３年９月２６日公開）

ところで、レーザ加工機に用いて高品質な加工を行うためには、加工用途に応じて出射光のスポット径を適切に選択することが好ましい。加工用途に応じて、出射光の好適なパワー密度が異なるためである。

例えば、切断を行う場合には、出射光のパワー密度を上げ、狭い範囲に出射光を照射することが好ましい。したがって、スポット径の小さな出射光、すなわち、ビーム品質が高い出射光を用いることが好ましい。ビーム品質が高い出射光を用いることによって、切断の精度を高めることができる。

それに対して、溶接を行う場合には、出射光のパワー密度を下げ、広い範囲に出射光を照射することが好ましい。したがって、スポット径の大きな出射光、すなわち、ビーム品質が低い出射光を用いることが好ましい。ビーム品質が低い出射光を用いることによって、溶接の均一性を高めることができる。

しかしながら、特許文献１に記載のコンバイナにおいて、出射光のビーム品質を制御することは、次の理由により困難である。このようなコンバイナによって得られる出射光のビーム品質は、主に縮径部の形状及び縮径部に入射するレーザ光の発散角に依存している。したがって、入射ファイバ及び縮径部の構成を変更しない場合、コンバイナの出射光のビーム品質は、不変である。すなわち、ビーム品質は、制御することができない、コンバイナに固有の特性である。

したがって、用途が異なる加工をレーザ加工機にて行う場合、各用途に適したビーム品質を有する出射光を出射可能なレーザ加工機を、それぞれ用意する必要があった。このことは、様々なコストが増大する要因となる。

本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、出射光のビーム品質を制御可能なコンバイナを提供することである。また、そのようなコンバイナを備えたレーザシステム、及び、そのようなコンバイナの製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るコンバイナは、（１）複数の入射ファイバと、（２）前記複数の入射ファイバの各々の出射端面に１本ずつ接合されたＧＩファイバと、（３）出射ファイバと、（４）入射端面、及び、当該入射端面よりも面積が狭い出射端面を有し、前記入射端面に前記ＧＩファイバの各々が結合され、且つ、前記出射端面に前記出射ファイバが結合された縮径部と、を備えたコンバイナであって、各ＧＩファイバのうち少なくとも２本のＧＩファイバは、互いに異なるレンズとしての開口数を有する。

上記の構成によれば、縮径部の入射端面には異なる開口数を有する光が入射されるため、コンバイナは、開口数が異なる出射光を出射することができる。すなわち、コンバイナは、出射光のビーム品質を制御することができる。

また、本発明の一態様に係るコンバイナにおいて、前記縮径部の前記入射端面を平面視した場合に得られる、前記入射端面のＧＩファイバが結合されている領域の中心と前記出射端面の中心との平面視距離を距離Ｄｄｉｆとして、互いに等しい距離Ｄｄｉｆを有する領域に結合されたＧＩファイバの各々は、互いに異なるレンズとしての開口数を有することが好ましい。

縮径部に入射した光の開口数は、縮径部を伝播する過程で増加する。その増加量は、上記距離Ｄｄｉｆが小さい領域に入射した光ほど小さく、上記距離Ｄｄｉｆが大きい領域に入射した光ほど大きくなる。言い方を代えると、互いに等しい距離Ｄｄｉｆを有する領域に結合された光の各々において、その増加量は等しい。

上記の構成によれば、互いに等しい距離Ｄｄｉｆを有する複数の領域の各々に光を入射する場合であっても、開口数が異なる光を入射させることができるため、コンバイナは、開口数が異なる出射光を出射することができる。

また、本発明の一態様に係るコンバイナにおいて、前記縮径部の前記入射端面を平面視した場合に得られる、前記入射端面のＧＩファイバが結合されている領域の中心と前記出射端面の中心との平面視距離を距離Ｄｄｉｆとして、最も小さい距離Ｄｄｉｆを有する領域に結合されたＧＩファイバは、他のＧＩファイバより小さいレンズとしての開口数を有する、ことが好ましい。

上述のとおり、縮径部を伝播することに伴う光の開口数の増加量は、距離Ｄｄｉｆが小さい領域に入射した光ほど小さい。上記の構成によれば、最も小さい距離Ｄｄｉｆを有する領域に対して、最も小さい開口数を有する光を結合させることができるため、コンバイナの出射可能な光の開口数をより小さくすることができる。したがって、コンバイナは、出射光の開口数を広い範囲で変化させることができる。

また、本発明の一態様に係るコンバイナにおいて、前記各ＧＩファイバは、製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有し、前記各ＧＩファイバの長さは、前記各ＧＩファイバの開口数が所望の値となるように定められている、ことが好ましい。

ＧＩファイバは、その長さに応じて、出射する光の開口数が周期的に変化する特性を有する。上記の構成によれば、製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有するＧＩファイバ（例えば市販されているＧＩファイバ）を用いて、開口数が異なるＧＩファイバを実現することができる。したがって、屈折率分布が異なるＧＩファイバを用いる場合と比較して、本コンバイナは、出射光のビーム品質を容易に制御することができる。

また、本発明の一態様に係るコンバイナにおいて、前記各ＧＩファイバは、製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有し、前記各ＧＩファイバのうち、最も小さいレンズとしての開口数を有するＧＩファイバの長さは、コリメートされた光を出射する長さである最適長と等しい、ことが好ましい。

ＧＩファイバは、その長さに応じて、レンズとしての開口数が周期的に変化する特性を有する。ＧＩファイバのレンズとしての開口数は、ＧＩファイバの長さが最適長である場合に最小値をとり、２つの最適長の中間となる長さで最大値をとる。ＧＩファイバの長さが最適長である場合に、ＧＩファイバは、コリメート光を出射する。

上記の構成によれば、コンバイナが出射する光のうち最も小さな開口数を有する光の開口数を更に小さくすることができる。したがって、縮径部から出射する光の開口数を更に広い範囲で変化させることができる。

また、本発明の一態様に係るコンバイナにおいて、前記縮径部の、前記入射端面の形状及び前記出射端面の形状は、何れも円形である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、既存の円柱状の光学部材、例えば光学ロッドを延伸することにより縮径部を製造することができる。したがって、容易に入手可能な光学部材を用いて縮径部を製造可能であるため、コンバイナの製造コストを抑制することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るレーザシステムは、（１）複数の入射ファイバと、（２）前記複数の入射ファイバの各々の出射端面に１本ずつ接合されたＧＩファイバと、（３）出射ファイバと、（４）入射端面、及び、当該入射端面よりも面積が狭い出射端面を有し、前記入射端面に前記ＧＩファイバの各々が結合され、且つ、前記出射端面に前記出射ファイバが結合された縮径部と、を備えたコンバイナであって、各ＧＩファイバのうち少なくとも２本のＧＩファイバは、互いに異なるレンズとしての開口数を有するコンバイナと、それぞれが出射ファイバを有する複数台のレーザ装置であって、前記出射ファイバの各々が、それぞれ、前記コンバイナの前記入射ファイバの何れかに接続されている複数台のレーザ装置と、を備えている。

上記の構成によれば、レーザシステムは、本発明の一態様に係るコンバイナと同様の効果を奏する。

本発明は、出射光のビーム品質を制御可能なコンバイナを提供することができる。また、そのようなコンバイナを備えたレーザシステム、及び、そのようなコンバイナの製造方法を提供することができる。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るコンバイナの斜視図である。（ｃ）は、（ａ）及び（ｂ）に示したコンバイナが備えている縮径部の入射端面の平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１に示したコンバイナが備えている縮径部の断面図である。 図１に示したコンバイナが備えているＧＩファイバ束を構成するＧＩファイバにおける、レンズとしての開口数の長さ依存性を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るコンバイナの斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示したコンバイナが備えている縮径部の入射端面の平面図である。 （ａ）は、本発明の第１〜第３の実施例であるコンバイナが備えている縮径部の斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示した縮径部の入射端面の平面図である。 本発明の第３の実施形態に係るファイバレーザシステムの構成を示すブロック図である。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係るコンバイナ１０について、図１〜図３を参照して説明する。

図１の（ａ）及び（ｂ）は、コンバイナ１０の斜視図である。なお、図１の（ｂ）は、コンバイナ１０が備えている入射ファイバ束１２を省いた状態のコンバイナ１０を示す。図１の（ｃ）は、コンバイナ１０が備えている縮径部１１の入射端面１１ａを平面視した場合に得られる平面図である。この平面図は、縮径部１１を図１に示した座標軸におけるｚ軸負方向側から見ることによって得られる。図１の（ｃ）は、入射端面１１ａにおいて、ＧＩファイバ束１４を構成するＧＩファイバ１４１〜１４７を結合される各領域Ｐ１〜Ｐ７を示す。なお、図１の（ｃ）は、コンバイナ１０が備えている入射ファイバ束１２及びＧＩファイバ束１４を省いた状態の入射端面１１ａを示す。

図２の（ａ）及び（ｂ）は、縮径部１１の断面図であって、図１の（ｃ）に示したＡ−Ａ’線に沿った平面（ｙｚ平面）における断面図である。

図３は、ＧＩファイバ１４１〜１４７における、レンズとしての開口数ＮＡの長さＬＧＩ依存性を示すグラフである。

（コンバイナ１０の構成）
図１の（ａ）に示すように、コンバイナ１０は、縮径部１１と、入射ファイバ束１２と、出射ファイバ１３と、ＧＩファイバ束１４を備えている。

縮径部１１は、光学ガラスによって構成された光学部材であり、例えば石英ガラス製である。縮径部１１は、入射端面１１ａが一方の底面を構成し、出射端面１１ｂが他方の底面を構成する円錐台の光学部材である。出射端面１１ｂの面積は、入射端面１１ａの面積と比較して狭い。

本実施形態において、入射端面１１ａの形状及び出射端面１１ｂの形状は、何れも円形である。この構成によれば、市販されている円柱状の光学部材、例えば光学ロッドを延伸することにより縮径部１１を製造することができる。したがって、容易に入手可能な光学部材を用いて縮径部を製造可能であるため、コンバイナの製造コストを抑制することができる。

なお、円柱状の光学部材を延伸して縮径部１１を製造するときに、延伸された光学部材の中心軸が偏心することがある。このような偏心した光学部材を用いて縮径部１１を製造した場合、縮径部１１の形状は、偏心した円錐台（中心軸が入射端面１１ａに対して傾いている円錐台）となる。コンバイナ１０において、縮径部１１の形状は、このように偏心した円錐台であってもよい。

入射ファイバ束１２は、複数（本実施形態では７本）の入射ファイバであるフューモードファイバ（ＦＭＦ）１２１〜１２７によって構成されている。ＦＭＦ１２１は、コア１２１ａとクラッド１２１ｂとを備えている。同様に、ＦＭＦ１２２〜１２７の各々は、コア１２２ａ〜１２７ａとクラッド１２２ｂ〜１２７ｂとを備えている。ＦＭＦ１２１〜ＦＭＦ１２７の各々は、例えば石英ガラス製である。

出射ファイバ１３は、１本のマルチモードファイバによって構成されている。出射ファイバ１３は、コア１３ａとクラッド１３ｂとを備えている。コア１３ａの直径は、縮径部１１の出射端面１１ｂの直径Ｄｏｕｔ（図２参照）と等しくなるように構成されている。本実施形態において、出射ファイバ１３のコア１３ａの端面は、出射端面１１ｂに対して融着されている。出射ファイバ１３は、例えば石英ガラス製である。出射ファイバ１３は、縮径部１１の出射端面１１ｂに結合されている。

入射ファイバ束１２と縮径部１１の入射端面１１ａとの間には、ＧＩ（Graded Index）ファイバ束１４が介在する。ＧＩファイバ束１４は、ＦＭＦ１２１〜１２７と同数である７本のＧＩファイバ１４１〜１４７によって構成されている。

ＧＩファイバ１４１〜１４７の各々は、ＦＭＦ１２１〜１２７の各々と１：１で対応している。例えば、ＦＭＦ１２１の出射端面には、ＧＩファイバ１４１の入射端面が接合されている。ＧＩファイバ１４１の出射端面は、縮径部１１の入射端面１１ａに結合されている。同様に、ＦＭＦ１２２〜１２７の各々は、ＧＩファイバ１４２〜１４７の各々を介して入射端面１１ａに結合されている。

入射端面１１ａの直径Ｄｉｎは、ＧＩファイバ１４１〜１４７の出射端面を全て包含する大きさに定められている（図１の（ｃ）参照）。

ＧＩファイバ１４１〜１４７の各々は、例えば石英製の光学部材であり、その中心軸において屈折率が最も高く、その中心軸から遠ざかるにしたがって屈折率が低くなるように構成されている。

このように構成されたＧＩファイバ１４１〜１４７は、ＦＭＦ１２１〜１２７から入射された光の発散角を、その光を伝播する過程において抑制することができる。その結果、ＧＩファイバ１４１〜１４７は、ＦＭＦ１２１〜１２７から入射された光と比較して発散角が小さな光を出射することができる。この発散角の抑制の度合いは、ＧＩファイバ１４１〜１４７の長さに応じて周期的に変化する。ＧＩファイバ１４１〜１４７の各々の長さについては後述する。

本実施形態において、入射ファイバ束１２とＧＩファイバ束１４とは、融着により接合されている。また、ＧＩファイバ束１４と縮径部１１の入射端面１１ａとは、融着により結合されている。ＦＭＦ１２１及びＧＩファイバ１４１を例にすれば、（１）ＦＭＦ１２１の出射端面は、ＧＩファイバ１４１の入射端面に融着されており、（２）ＧＩファイバ１４１の出射端面は、入射端面１１ａに融着されている。ＦＭＦ１２２〜１２７及びＧＩファイバ１４２〜１４７に関しても同様である。

なお、ＧＩファイバ束１４と入射端面１１ａとは、互いに光学的に結合していればよい。したがって、例えば、ＧＩファイバ束１４を構成するＧＩファイバ１４１〜１４７の出射端面と、入射端面１１ａとを接続する場合の接続手段は、融着に限られない。例えば、コンバイナ１０において用いる光の波長領域において良好な透過率を有する樹脂からなる接着剤を用いて、ＧＩファイバ１４１〜１４７の各々の出射端面と、入射端面１１ａとを接着してもよい。出射ファイバ１３と縮径部１１の出射端面１１ｂとの結合に関しても同様である。

（各ＧＩファイバが結合される領域）
図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＦＭＦ１２１〜１２７及びＧＩファイバ１４１〜１４７の各々は、ＦＭＦ１２１及びＧＩファイバ１４１を中心として、その周りをＦＭＦ１２２〜１２７及びＧＩファイバ１４２〜１４７が取り囲むように配置されている。縮径部１１の入射端面１１ａにおいて、ＧＩファイバ１４１〜１４７の各々が接合される領域を、それぞれ、領域Ｐ１〜Ｐ７と呼ぶ。

図１の（ｃ）に示すように、領域Ｐ１は、入射端面１１ａの中心Ｃ１を含む。本実施形態において、入射端面１１ａを平面視した場合、領域Ｐ１の中心ＣＰ１と、入射端面１１ａの中心Ｃ１と、出射端面１１ｂの中心Ｃ２とは、一致している。中心ＣＰ１は、ＧＩファイバ１４１の中心に対応する。

領域Ｐ１の周りには、領域Ｐ１を取り囲む６つの領域（領域Ｐ２〜Ｐ７）が配置されている。領域Ｐ２〜Ｐ７の各々の中心を、それぞれ中心ＣＰ２〜ＣＰ７と呼ぶ。領域Ｐ２は、ＧＩファイバ１４２が接続される領域である。中心ＣＰ２は、入射端面１１ａに接合されたＧＩファイバ１４２の中心に対応する。同様に、領域Ｐ３〜Ｐ７の各々は、それぞれ、ＧＩファイバ１４３〜１４７が接続される領域であり、中心ＣＰ３〜ＣＰ７の各々は、それぞれ、入射端面１１ａに接合されたＧＩファイバ１４３〜１４７の中心に対応する。領域Ｐ２〜Ｐ７の各々は、領域Ｐ１の周りに、中心ＣＰ２〜ＣＰ７が正六角形の各頂点を成すように配置されている。換言すれば、ＧＩファイバ１４１〜１４７の各々は、入射端面１１ａ内において最密充填構造をとるように配置されている。

図１の（ｃ）に示すＡ−Ａ’線は、中心ＣＰ１と中心ＣＰ２と中心ＣＰ５とを通る直線である。各領域Ｐ１〜Ｐ７において、入射端面１１ａを平面視した場合に得られる中心Ｃ２と中心ＣＰ１〜ＣＰ７との平面視距離を距離Ｄｄｉｆとする。図１の（ｃ）には、距離Ｄｄｉｆの例として、領域Ｐ２における距離Ｄｄｉｆを図示している。

距離Ｄｄｉｆは、縮径部１１に対して入射光が結合する領域と縮径部１１に対して出射光が結合する領域とのずれを表す。距離Ｄｄｉｆが大きいほど、入射光が結合する領域と出射光が結合する領域とのずれが大きいことを表す。なお、領域Ｐ１〜Ｐ６における距離Ｄｄｉｆを区別する場合には、例えば距離Ｄｄｉｆ（Ｐ１）というようにその領域を表す符号を距離Ｄｄｉｆの末尾に追記する。

上述したように、入射端面１１ａを平面視した場合に、中心Ｃ１と中心ＣＰ１と中心Ｃ２とは一致している。そのため、領域Ｐ１における距離Ｄｄｉｆ（Ｐ１）は、Ｄｄｉｆ（Ｐ１）＝０である。一方、領域Ｐ２〜Ｐ７の中心ＣＰ２〜ＣＰ７の各々は、中心ＣＰ１を中心とする正六角形の各頂点に位置する。したがって、領域Ｐ２〜Ｐ７における距離Ｄｄｉｆ（Ｐ２）〜Ｄｄｉｆ（Ｐ７）の各々は、何れも等しく、およそ各領域Ｐ２〜Ｐ７の直径と一致する。そのため、コンバイナ１０における距離Ｄｄｉｆ（Ｐ１）〜Ｄｄｉｆ（Ｐ７）は、小さな値を有する距離Ｄｄｉｆ（Ｐ１）と、大きな値を有する距離Ｄｄｉｆ（Ｐ２）〜Ｄｄｉｆ（Ｐ７）とに分けられる。

なお、本実施形態において、縮径部１１は、その径（円錐台の中心軸と交わり、且つ、図１に図示した座標系におけるｙ軸方向に沿った長さ）が円錐台の中心軸に沿って変化し続けるものとして説明した。しかし、縮径部１１は、円錐台の中心軸に沿って径が変化し続ける区間（円錐台状区間）の前段及び後段の少なくとも何れか一方に、中心軸に沿って径が変化しない区間（円柱状区間）を更に備えていてもよい。このような円柱状区間は、一方の端面を介して円錐台状区間に連なっている。円柱状区間の他方の端面は、縮径部１１の入射端面１１ａ或いは出射端面１１ｂをなす。

（各ＧＩファイバのレンズとしての開口数）
本発明の一態様に係るコンバイナにおいて、各ＧＩファイバのうち少なくとも２本のＧＩファイバは、互いに異なるレンズとしての開口数ＮＡを有する。コンバイナ１０においては、ＧＩファイバ１４１〜１４７の各々は、それぞれ、互いに異なるレンズとしての開口数ＮＡを有するように構成されている。以下においては、レンズとしての開口数ＮＡのことを単に開口数ＮＡとも記載する。

上記の構成によれば、縮径部１１の入射端面１１ａには異なる開口数を有する光が入射される。そのため、コンバイナ１０は、開口数が異なる出射光を出射することができる。すなわち、コンバイナは、出射光のビーム品質を制御することができる。

また、コンバイナ１０において、互いに等しい距離Ｄｄｉｆを有する領域、すなわち領域Ｐ２〜Ｐ７に結合されたＧＩファイバ１４２〜１４７の各々は、互いに異なるレンズとしての開口数ＮＡを有する。

図２を参照して後述するように、縮径部１１に入射した光の開口数は、縮径部１１を伝播する過程で増加する。その増加量は、距離Ｄｄｉｆが小さい領域Ｐ１に入射した光ほど小さく、距離Ｄｄｉｆが大きい領域Ｐ２〜Ｐ７に入射した光ほど大きくなる。言い方を代えると、互いに等しい距離Ｄｄｉｆを有する領域Ｐ２〜Ｐ７に結合された光の各々において、その開口数の増加量は等しい。以下において、例えば、領域Ｐ２に結合された光であって縮径部１１の出射端面１１ｂから出射される光のことを、領域Ｐ２に由来する光と呼ぶ。他の領域Ｐ１，Ｐ３〜Ｐ７に結合された光であって出射端面１１ｂから出射される光の各々についても、それぞれ、領域Ｐ１，Ｐ３〜Ｐ７に由来する光と呼ぶ。

上記の構成によれば、互いに等しい距離Ｄｄｉｆを有する複数の領域Ｐ２〜Ｐ７の各々に光を入射する場合であっても、開口数が異なる光を入射させることができる。そのため、ＧＩファイバ１４２〜１４７の開口数ＮＡが一定の場合と比べて、コンバイナ１０は、縮径部１１から出射する光の開口数ＮＡを広い範囲で変化させることができる。

また、コンバイナ１０においては、最も小さい距離Ｄｄｉｆを有する領域Ｐ１に結合されたＧＩファイバ１４１は、他のＧＩファイバ１４２〜１４７より小さい開口数ＮＡを有する。最も小さい距離Ｄｄｉｆを有する領域Ｐ１に対して、最も小さい開口数を有する光を結合させることができるため、コンバイナ１０の出射可能な光の開口数をより小さくすることができる。したがって、コンバイナ１０は、縮径部１１から出射する光の開口数ＮＡを更に広い範囲で変化させることができる。

なお、コンバイナ１０は、領域Ｐ２〜Ｐ７に接合されているＧＩファイバ１４２〜１４７の各々の開口数ＮＡを同一にする構成を採用することもできる。この場合、縮径部１１は、領域Ｐ２〜Ｐ７に結合された光の各々を同じ開口数ＮＡを有する光として出射する。したがって、そのように構成されたコンバイナ１０は、領域Ｐ１に由来する、開口数ＮＡが小さく且つパワーも小さい光と、領域Ｐ２〜Ｐ７に由来する、開口数ＮＡが大きく且つパワーも大きな光とを出射することができる。

（各ＧＩファイバの長さ）
ＧＩファイバは、その長さＬＧＩに応じて、出射する光の開口数を周期的に変化させる特性を有する。この１周期の長さを周期長Ｌｓとして、（１）ＬＧＩ＝Ｌｓ×（２ｎ−１／４）である場合に、ＧＩファイバが出射する光の開口数は最小値となり、（２）ＬＧＩ＝Ｌｓ×２ｎ／４である場合に、ＧＩファイバが出射する光の開口数は最大値（ＧＩファイバに入射した光のＮＡと同じ値）となる（図３参照）。以下において、出射する光の開口数が最小値となる長さＬＧＩ（＝Ｌｓ×（２ｎ−１／４））のことをＧＩファイバの最適長と呼ぶ。ここで、ｎは、正の整数である。長さＬＧＩが最適長であるＧＩファイバは、コリメート光を出射する。

コンバイナ１０において、領域Ｐ１に由来する光の開口数をできる限り抑制するために、領域Ｐ１に接続されるＧＩファイバ１４１の長さＬＧＩは、最適長に近いことが好ましい。本実施形態においては、ＧＩファイバ１４１の長さＬＧＩとして最適長（Ｌｓ／４）を採用している（図２の（ｂ）参照）。

この構成によれば、コンバイナ１０が出射する光のうち最も小さな開口数を有する光の開口数を更に抑制することができる。したがって、縮径部１１から出射する光の開口数の範囲を小さい方向へ更に広げることができる。

また、コンバイナ１０において、領域Ｐ２〜Ｐ７に由来する光のうち何れかの光の開口数をできる限り大きくするために、領域Ｐ２〜Ｐ７の何れかに接続されるＧＩファイバ（ＧＩファイバ１４２〜１４７の何れか）の長さＬＧＩは、Ｌｓ×２ｎ／４に近いことが好ましい。本実施形態においては、ＧＩファイバ１４７の長さＬＧＩとして、Ｌｓ／２を採用している（図２の（ｂ）参照）。

この構成によれば、コンバイナ１０は、ＧＩファイバの特性を最大限に利用して開口数ＮＡが大きな光を出射することができる。したがって、縮径部１１から出射する光の開口数の範囲を大きい方向へ更に広げることができる。

さらに、ＧＩファイバ１４２〜１４６の各々の長さＬＧＩは、ＧＩファイバ１４１の長さＬＧＩより長く、且つ、ＧＩファイバ１４７の長さＬＧＩ以下である範囲内において、所望の開口数ＮＡに応じて適宜定めることができる。本実施形態においては、Ｌｓ／４からＬｓ／２までの範囲を６等分した場合の長さを、ＧＩファイバ１４２〜１４６の各々の長さＬＧＩとして採用している。すなわち、ＧＩファイバ１４２〜１４６の各々の長さＬＧＩとして、それぞれ、Ｌｓ×７／２４、Ｌｓ×８／２４、Ｌｓ×９／２４、Ｌｓ×１０／２４、Ｌｓ×１１／２４を採用している。

この構成によれば、縮径部１１から出射する光の開口数の範囲を均等に変化させることができる。

なお、ＧＩファイバ１４１〜１４７の各々は、製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有することが好ましい。製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有するＧＩファイバ１４１〜１４７は、市販されているＧＩファイバを所定の長さに切り出すことによって製造することができる。したがって、開口数ＮＡが異なるＧＩファイバ１４１〜１４７の各々を屈折率が異なるＧＩファイバを用いて製造する場合と比較して、容易に製造することができる。

（仮想ビーム径）
ここでは、図２を参照して、光の開口数に大きな影響を与える仮想ビーム径の概念について説明する。

図２の（ａ）は、縮径部１１の入射端面１１ａにおける領域Ｐ１に対して光Ｌ１を入射した状態を示す。図２の（ｂ）は、入射端面１１ａにおける領域Ｐ５に対して光Ｌ２を入射した状態を示す。なお、ここでは、光Ｌ１及び光Ｌ２の各々は、何れもコリメート光である。

図２に図示した縮径部１１の断面の形状は、入射端面１１ａ及び出射端面１１ｂを底辺とする等脚台形である。その等脚台形の２つの斜辺をそれぞれ斜辺１１ｃ，１１ｄと称する。斜辺１１ｃと出射端面１１ｂの法線とのなす角、及び、斜辺１１ｄと出射端面１１ｂの法線とのなす角は、何れもθ０である。

光Ｌ１において、光Ｌ１の中心軸は、出射端面１１ｂの中心Ｃ２を通る。この場合、図２の（ａ）に示すように、光Ｌ１の仮想ビーム径ＤＬ１は、光Ｌ１の幅と等しい。

光Ｌ２における仮想ビーム径は、以下のように導出することができる。

（１）縮径部１１の内部に延ばした光Ｌ２の延長線のうち、出射端面１１ｂから遠い側（ｙ軸負方向側）の延長線を延長線Ｌ２ｅとする。

（２）延長線Ｌ２ｅと縮径部１１の斜辺１１ｄとの交点を交点Ｉ２ａとする。

（３）交点Ｉ２ａを通り、且つ、入射端面１１ａ及び出射端面１１ｂと平行な直線ＬＩ２を引く。

（４）直線Ｉ２ｂと縮径部１１の斜辺１１ｃとの交点を交点Ｉ２ｂとする。

（５）交点Ｉ２ａと交点Ｉ２ｂとの距離を仮想ビーム径ＤＬ２とする。

以上の導出方法から明らかなように、入射端面１１ａに結合される光のうち、最小仮想ビーム径Ｄｍｉｎを有する光は、光Ｌ１である。一方、光の中心軸が縮径部１１の中心軸（中心Ｃ１と中心Ｃ２とを結んだ軸）から離れれば離れるほど、すなわち、距離Ｄｄｉｆが大きくなればなるほど、その光の仮想ビーム径は、大きくなる。領域Ｐ２〜Ｐ７の各々における距離Ｄｄｉｆは、何れも等しく、且つ、領域Ｐ１における距離Ｄｄｉｆよりも大きい。そのため、領域Ｐ２〜Ｐ７の各々に入射された光の仮想ビーム径は、それぞれ、仮想ビーム径ＤＬ２と等しい。

（縮径率）
出射端面１１ｂの直径Ｄｏｕｔを上述した仮想ビーム径を用いて、ある領域に入射された光に対する縮径率を定義することができる。縮径率は、出射端面１１ｂの直径Ｄｏｕｔを仮想ビーム径で割ることにより得られる。すなわち、領域Ｐ１に入射された光Ｌ１の縮径率は、Ｄｏｕｔ／ＤＬ１であり、領域Ｐ５に入射された光Ｌ２の縮径率は、Ｄｏｕｔ／ＤＬ２である（領域Ｐ２〜Ｐ４及び領域Ｐ６〜Ｐ７に入射された光についても同様）。

この縮径率は、縮径部１１を伝播したときに光の開口数が増加する度合いを表す指標である。縮径部１１を伝播したときに、縮径率が小さい光ほど開口数ＮＡが増加する度合いは小さく、縮径率が大きい光ほど開口数ＮＡが増加する度合いは大きい。

コンバイナ１０においては、縮径率が小さい光が入射される領域に開口数ＮＡが小さなＧＩファイバを接合し、縮径率が大きな光が入射される領域に開口数ＮＡが大きなＧＩファイバを接合する。したがって、コンバイナ１０は、縮径部から出射する光の開口数を広い範囲で変化させることができる。

（ＧＩファイバの開口数ＮＡの一例）
ＧＩファイバ１４１〜１４７における開口数ＮＡの長さＬＧＩ依存性を図３に示す。ＧＩファイバ１４１〜１４７において、非屈折率差Δは０．０５５であり、有効レンズ径は１００μｍである。また、ＧＩファイバ１４１〜１４７に融着されているＦＭＦ１２１〜１２７のモードフィールド径は、２０μｍである。

図３を参照すれば、ＧＩファイバ１４１〜１４７の開口数ＮＡは、長さＬＧＩに応じて周期的に変化する。ＧＩファイバ１４１〜１４７の周期長Ｌｓは、Ｌｓ＝１０．４ｍｍである。したがって、ＧＩファイバ１４１の長さＬＧＩは、Ｌｓ／４＝２．６ｍｍであり、ＧＩファイバ１４７の長さＬＧＩは、Ｌｓ／２＝５．２ｍｍである。

このように、予めＧＩファイバ１４１〜１４７における開口数ＮＡと長さＬＧＩとの相関関係を取得しておくことにより、所望の開口数ＮＡを得ることができる長さＬＧＩを容易に決定することができる。

なお、本実施形態において、入射ファイバ束１２は、７本の入射ファイバ（ＦＭＦ１２１〜ＦＭＦ１２７）により構成されている。しかし、入射ファイバ束１２を構成する入射ファイバの数は、任意である。ＧＩファイバ束１４を構成するＧＩファイバの数は、入射ファイバ束１２を構成する入射ファイバの数と同数であるため、一義的に定まる。例えば、入射ファイバ束１２を構成する入射ファイバの数は、２本であってもよいし、３本であってもよいし、１９本であってもよい。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係るコンバイナ１０Ａについて、図４を参照して説明する。図４の（ａ）は、コンバイナ１０Ａの斜視図である。図４の（ｂ）は、コンバイナ１０Ａが備えている縮径部１１Ａの入射端面１１Ａａを平面視した場合に得られる平面図である。この平面図は、入射端面１１Ａａを図４に示した座標軸におけるｚ軸負方向側から見ることによって得られる。

コンバイナ１０Ａは、図１に示したコンバイナ１０が備えている、縮径部１１を縮径部１１Ａに置換し、入射ファイバ束１２を入射ファイバ束１２Ａに置換し、ＧＩファイバ束１４をＧＩファイバ束１４Ａに置換することによって得られる。

図４の（ａ）に示すように、入射ファイバ束１２Ａは、２本のＦＭＦ１２１Ａ，１２２Ａにより構成されている。同様に、ＧＩファイバ束１４Ａは、２本のＧＩファイバ１４１Ａ，１４２Ａにより構成されている。なお、ＧＩファイバ１４１Ａ，１４２Ａの各々は、製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有するＧＩファイバロールから切り出されている。

ＧＩファイバ１４１Ａのレンズとしての開口数ＮＡは、ＧＩファイバ１４２Ａのレンズとしての開口数ＮＡよりも小さい。

開口数ＮＡのこの大小関係を実現するために、ＧＩファイバ１４１Ａ，１４２Ａの各々は、互いに異なる長さを有する。本実施形態において、ＧＩファイバ１４１Ａの長さＬＧＩは、コリメートされた光を出射する最適長（Ｌｓ／４）に定められており、ＧＩファイバ１４２Ａの長さＬＧＩは、最適長よりも長くＬｓ／２以下である長さに定められている。

縮径部１１Ａは、入射端面１１Ａａと出射端面１１Ａｂとを有しており、縮径部１１と同様の形状を有する。しかし、縮径部１１Ａは、縮径部１１と比較して、入射端面１１Ａａに対して接続されているＧＩファイバの数が異なる。入射端面１１Ａａには、上述した２本のＧＩファイバ１４１Ａ，１４２Ａが接合されている。入射端面１１Ａａにおいて、ＧＩファイバ１４１Ａ，１４２Ａの各々が接続されている領域を、それぞれ、領域Ｐ１Ａ，Ｐ２Ａと呼ぶ。

図４の（ｂ）に示すように、領域Ｐ１Ａの中心ＣＰ１Ａ及び領域Ｐ２Ａの中心ＣＰ２Ａは、入射端面１１Ａａの中心Ｃ１Ａを通る１つの直線上（図４に図示する座標系のｙ軸上）に配置されている。なお、縮径部１１Ａの入射端面１１Ａａを平面視した場合、出射端面１１Ａｂの中心Ｃ２Ａは、中心Ｃ１Ａと一致している。

本実施形態において、領域Ｐ１Ａにおける距離Ｄｄｉｆと、領域Ｐ２Ａにおける距離Ｄｄｉｆとは、互いに等しい。このため、縮径部１１Ａを伝播する過程で増加する光の開口数の増加量は、領域Ｐ１Ａに入射された光及び領域Ｐ２Ａに入射された光の各々において等しい。

しかしながら、ＧＩファイバ１４１Ａ，１４２Ａの各々の開口数ＮＡが異なるため、領域Ｐ１Ａに入射された光の開口数及び領域Ｐ２Ａに入射された光の開口数の各々は異なる。その結果として、コンバイナ１０Ａは、異なる開口数を有する２つの光、すなわち、小さな開口数を有する領域Ｐ１Ａに由来する光及び大きな開口数を有する領域Ｐ２Ａに由来する光を出射することができる。以上のように、コンバイナ１０Ａは、互いに等しい距離Ｄｄｉｆを有する複数の領域（領域Ｐ１Ａ，Ｐ２Ａ）に光を入射する場合であっても、開口数が異なる出射光を出射することができる。

〔実施例〕
本発明の第１〜第３の実施例であるコンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄについて、図５を参照して説明する。図５の（ａ）は、コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄが備えている縮径部１１Ｂの斜視図である。図５の（ｂ）は、縮径部１１Ｂの入射端面１１Ｂａを平面視した場合に得られる平面図である。この平面図は、縮径部１１Ｂを図５に図示した座標軸におけるｚ軸負方向側から見ることによって得られる。

コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄの各々は、図１に示したコンバイナ１０が備えている縮径部１１を、図５の（ａ）に示す縮径部１１Ｂに置換することによって得られる。なお、コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄの各々が備えている入射ファイバ束１２は、図１の示したＦＭＦ１２１〜１２７のうち５本のＦＭＦ１２１〜１２５によって構成されている。また、コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄの各々が備えているＧＩファイバ束１４は、図１に示したＧＩファイバのうち５本のＧＩファイバ１４１〜１４５によって構成されている。縮径部１１Ｂの出射端面１１Ｂｂに出射ファイバ１３が結合されている点は、コンバイナ１０と同様である。

図５の（ｂ）に示すように、領域Ｐ１Ｂは、入射端面１１Ｂａの中心Ｃ１Ｂを含む。コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄにおいて、入射端面１１Ｂａを平面視した場合、領域Ｐ１Ｂの中心ＣＰ１Ｂと、入射端面１１Ｂａの中心Ｃ１Ｂと、出射端面１１Ｂｂの中心Ｃ２Ｂとは、一致している。中心ＣＰ１は、ＧＩファイバ１４１の中心に対応する。

領域Ｐ１Ｂの周りには、領域Ｐ１Ｂを四方から取り囲む４つの領域（領域Ｐ２Ｂ〜Ｐ５Ｂ）が配置されている。領域Ｐ２Ｂ〜Ｐ５Ｂの各々の中心を、それぞれ、ＣＰ２Ｂ〜ＣＰ５Ｂと呼ぶ。領域Ｐ２Ｂは、ＧＩファイバ１４２が接続される領域である。中心ＣＰ２Ｂは、入射端面１１Ｂａに接合されたＧＩファイバ１４２の中心に対応する。同様に、領域Ｐ３Ｂ〜Ｐ５Ｂの各々は、それぞれ、ＧＩファイバ１４３〜１４５が接続される領域であり、中心ＣＰ３Ｂ〜ＣＰ７Ｂの各々は、それぞれ、入射端面１１Ｂａに接合されたＧＩファイバ１４３〜１４５の中心に対応する。領域Ｐ２Ｂ〜Ｐ５Ｂの各々は、領域Ｐ１の周りに、中心ＣＰ２Ｂ〜ＣＰ５Ｂが正方形の各頂点を成すように配置されている。

ＦＭＦ１２１の入射端面には、レーザ装置の一態様であるファイバレーザ装置が備えている出射ファイバが結合されている。ＦＭＦ１２２〜１２５の各々の入射端面にも、ＦＭＦ１２１の場合と同様に、個々のファイバレーザ装置が備えている出射ファイバが結合されている。

縮径部１１Ｂにおいて、入射端面１１Ｂａの直径Ｄｉｎとして４００μｍを採用し、出射端面１１Ｂｂの直径Ｄｏｕｔとして１００μｍを採用している。領域Ｐ１ＢにおいてＤｄｉｆ＝０μｍであり、領域Ｐ２Ｂ〜Ｐ５Ｂの各々において、Ｄｄｉｆ＝１２５μｍを採用した。

ＧＩファイバ１４１〜１４７において、非屈折率差Δは０．０５５であり、有効レンズ径は１００μｍである。また、ＧＩファイバ１４１〜１４７に融着されているＦＭＦ１２１〜１２７のモードフィールド径は、２０μｍである。ＧＩファイバ１４１〜１４７は、図３に示した開口数ＮＡの長さＬＧＩ依存性を有する。

また、縮径部１１Ｂの長さ（入射端面１１Ｂａから出射端面１１Ｂｂまで距離）として４０ｍｍを採用し、出射ファイバ１３の長さとして１０ｍｍを採用した。

（コンバイナ１０Ｂ）
以下の表１に示すように、コンバイナ１０Ｂにおいて、領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ３Ｂの各々に結合されたＧＩファイバ１４１〜１４３の開口数ＮＡとして、ＮＡ＝０．０１を採用した。また、領域Ｐ４Ｂに結合されたＧＩファイバ１４４の開口数ＮＡとして、ＮＡ＝０．１５を採用し、領域Ｐ５Ｂに結合されたＧＩファイバ１４５の開口数ＮＡとして、ＮＡ＝０．１８を採用した。

なお、ＮＡ＝０．０１を得るためにＧＩファイバ１４１〜１４３の長さＬＧＩをＬＧＩ＝２．６ｍｍとし、ＮＡ＝０．０１５を得るためにＧＩファイバ１４４の長さＬＧＩをＬＧＩ＝３．０ｍｍとし、ＮＡ＝０．０１８を得るためにＧＩファイバ１４５の長さＬＧＩをＬＧＩ＝３．３ｍｍとした。

なお、コンバイナ１０Ｂにおいて、領域Ｐ３ＢにはＧＩファイバ１４３及びＦＭＦ１２３を結合させているものの、ＦＭＦ１２３に結合されたファイバレーザ装置は、発振させていない。

領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ２Ｂ，Ｐ４Ｂ〜Ｐ５Ｂの各領域に各ファイバレーザ装置から光を入射した場合に得られた、コンバイナ１０Ｂの出射光の開口数を表１に示す。ここで、各ファイバレーザ装置の出力は何れも等しい。すなわち、領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ２Ｂ，Ｐ４Ｂ〜Ｐ５Ｂの各領域に対して、等しい出力の光を入射した。なお、表１及び後述する表２〜４に記載した出射光の開口数は、８６．５％ＮＡとして知られているものである。８６．５％ＮＡは、出射光の全出力のうち８６．５％の出力が含まれている発散角を用いて算出された開口数である。

コンバイナ１０Ｂは、開口数が０．０４３以上０．０７８以下である出射光を出射することができた。例えば、開口数が０．０４３であるビーム品質が高い出射光を得たい場合には、領域Ｐ１Ｂに対して間接的に結合されているファイバレーザ装置（領域Ｐ１Ｂに対してＦＭＦ１２１及びＧＩファイバ１４１を介して結合されているファイバレーザ装置）を発振させればよい。この０．０４３以上０．０７８以下という開口数の範囲は、後述する比較例であるコンバイナ１１０によって得られる出射光の開口数の範囲と比較して広い。

また、開口数が０．０７８であるビーム品質が低い出射光を得たい場合には、領域Ｐ５Ｂに対して間接的に結合されているファイバレーザ装置を発振させればよい。また、ビーム品質が低い出射光であって、高出力な出射光を得たい場合には、領域Ｐ４Ｂ，Ｐ５Ｂの各々に対して間接的に結合されているファイバレーザ装置を発振させればよい。これにより、開口数が０．０７１であり、領域Ｐ５Ｂのみに光を入射させた場合と比較して約２倍の出力を有する出力光を得ることができる。

また、開口数が０．６５であるビーム品質が中程度である出射光を用いたい場合には、領域Ｐ４Ｂに間接的に結合されているファイバレーザ装置を発振させればよい。また、ビーム品質が中程度な出射光であって、高出力な出射光を得たい場合には、領域Ｐ１Ｂ，Ｐ４Ｂ，Ｐ５Ｂの各々に対して間接的に結合されているファイバレーザ装置を発振させればよい。これにより、開口数が０．０６５であり、領域Ｐ４Ｂのみに光を入射させた場合と比較して約３倍の出力を有する出力光を得ることができる。

（コンバイナ１０Ｃ）
以下の表２に示すように、コンバイナ１０Ｃにおいて、領域Ｐ１Ｂに結合されたＧＩファイバ１４１の開口数ＮＡとして、ＮＡ＝０．０１を採用した。また、領域Ｐ２Ｂ〜Ｐ５Ｂの各々に結合されたＧＩファイバ１４２〜１４５の開口数ＮＡとして、ＮＡ＝０．０１５を採用した。

なお、ＮＡ＝０．０１を得るためにＧＩファイバ１４１の長さＬＧＩをＬＧＩ＝２．６ｍｍとし、ＮＡ＝０．０１５を得るためにＧＩファイバ１４２〜１４５の長さＬＧＩをＬＧＩ＝３．０ｍｍとした。

領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ５Ｂの各領域に各ファイバレーザ装置から光を入射した場合に得られた、コンバイナ１０Ｃの出射光の開口数を表２に示す。ここで、各ファイバレーザ装置の出力は何れも等しい。すなわち、領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ５Ｂの各領域に対して、等しい出力の光を入射した。

コンバイナ１０Ｃは、開口数が０．０４３以上０．０６２以下である出射光を出射することができた。このように、領域Ｐ２Ｂ〜Ｐ５Ｂの全ての領域に開口数ＮＡが０．０１５であるＧＩファイバ１４２〜１４５を接続することによって、幅広い開口数を有する出射光を得られつつ、様々な出力を有する出射光を得ることができた。

（コンバイナ１０Ｄ）
以下の表３に示すように、コンバイナ１０Ｄにおいて、領域Ｐ１Ｂに結合されたＧＩファイバ１４１の開口数ＮＡとして、ＮＡ＝０．０１を採用した。また、領域Ｐ２Ｂ〜Ｐ５Ｂの各々に結合されたＧＩファイバ１４２〜１４５の開口数ＮＡとして、ＮＡ＝０．０１８を採用した。

なお、ＮＡ＝０．０１を得るためにＧＩファイバ１４１の長さＬＧＩをＬＧＩ＝２．６ｍｍとし、ＮＡ＝０．０１８を得るためにＧＩファイバ１４２〜１４５の長さＬＧＩをＬＧＩ＝３．３ｍｍとした。

領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ５Ｂの各領域に各ファイバレーザ装置から光を入射した場合に得られた、コンバイナ１０Ｄの出射光の開口数を表３に示す。ここで、各ファイバレーザ装置の出力は何れも等しい。すなわち、領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ５Ｂの各領域に対して、等しい出力の光を入射した。

コンバイナ１０Ｄは、開口数が０．０４３以上０．０７３以下である出射光を出射することができた。このように、領域Ｐ２Ｂ〜Ｐ５Ｂの全ての領域に開口数ＮＡが０．０１８であるＧＩファイバ１４２〜１４５を接続することによって、幅広い開口数を有する出射光を得られつつ、様々な出力を有する出射光を得ることができた。

なお、コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄの各々においては、各領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ５Ｂに結合させる入射光の出力を変化させることによっても、出射光の開口数を変化させることができた。例えば、コンバイナ１０Ｄの領域Ｐ１Ｂ及び領域Ｐ２Ｂに入射光を入射させる場合（表３の上から２行目に示した場合）において、領域Ｐ２Ｂに入射させる光の出力を２倍、３倍、４倍と変化させることによって、０．０６４だった出射光の開口数を０．０６９、０．０７２、０．０７３と変化させることができた。

〔比較例〕
コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄの比較例であるコンバイナ１１０について以下に説明する。コンバイナ１１０は、コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄが備えているＧＩファイバ１４１〜ＧＩファイバ１４５の開口数ＮＡを全てＮＡ＝０．０１とすることによって得られる。すなわち、コンバイナ１１０が備えているＧＩファイバ１４１〜１４５の開口数ＮＡは、全て同じである。

領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ５Ｂの各領域に各ファイバレーザ装置から光を入射した場合に得られた、コンバイナ１１０の出射光の開口数を表４に示す。ここで、各ファイバレーザ装置の出力は何れも等しい。すなわち、領域Ｐ１Ｂ〜Ｐ５Ｂの各領域に対して、等しい出力の光を入射した。

コンバイナ１１０は、開口数が０．０４３以上０．０４６以下である出射光を出射することができた。表１〜表３に示したコンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄの結果と比較すれば、コンバイナ１１０によって得られた出射光の開口数の変化幅は、狭い。０．０４３以上０．０４６以下という開口数の変化幅は、例えば切断及び溶接という異なる用途をカバーするためには狭すぎる。

なお、特許文献１に記載された光ファイバコンバイナは、長さが等しい複数のＧＩファイバを備えており、コンバイナ１１０と同様の構成を有する。しかし、光ファイバコンバイナにおいては、全てのＧＩファイバから縮径部に入射光を結合させることを想定しているため、出射光の開口数を実質的に変化させることができない。

表１〜表３に示したように、コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄは、コンバイナ１１０よりも幅広い範囲において出射光の開口数を変化させることができた。コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄによって得られた出射光の開口数の変化幅は、例えば切断及び溶接という異なる用途を十分にカバーすることができる。このように、コンバイナ１０Ｂ〜１０Ｄは、コンバイナ１１０よりも幅広い範囲において出射光のビーム品質を制御することができた。

〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態に係るファイバレーザシステム１について、図６を参照して説明する。図６は、ファイバレーザシステム１の構成を示すブロック図である。図６に示すように、ファイバレーザシステム１（請求の範囲に記載のレーザシステム）は、第１の実施形態に記載したコンバイナ１０と、７台のファイバレーザ装置５０ａ〜５０ｇと、レーザヘッド６０とを備えている。

ファイバレーザ装置５０ａ〜５０ｇの各々は、レーザ光を生成するための構成であり、レーザ装置の一態様である。本実施形態におけるレーザ装置は、ファイバレーザ装置に限定されるものではない。ファイバレーザ装置５０ａ〜５０ｇの各々は、同様に構成されている。ここでは、ファイバレーザ装置５０ａを例に、その構成を説明する。ファイバレーザ装置５０ａにて生成されたレーザ光は、コンバイナ１０に入力され、他のファイバレーザ装置５０ｂ〜５０ｇにて生成されたレーザ光と合波される。コンバイナ１０において合波されたレーザ光は、レーザヘッド６０を介して図示しないワークピース（加工対象物）に対して照射される。

ファイバレーザ装置５０ａは、電流源（図示せず）、１０個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０、ポンプコンバイナ５１、高反射ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５４、ダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ）５２、低反射ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５５、及びデリバリファイバ５３ａ（請求の範囲に記載の出射ファイバ）により構成することができる。なお、レーザダイオードの数は１０個に限定されるものではなく、任意である。

各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０は、ポンプ光を生成するための構成である。各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０は、ポンプコンバイナ５１の入力ポートに接続されており、各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０にて生成されたポンプ光は、ポンプコンバイナ５１に入力される。

ポンプコンバイナ５１は、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ１０の各々にて生成されたポンプ光を合波することによって、合成ポンプ光を得るための構成である。ポンプコンバイナ５１の出力ポートは、高反射ＦＢＧ５４を介してＤＣＦ５２に接続されている。ポンプコンバイナ５１にて得られた合成ポンプ光は、高反射ＦＢＧ５４を透過した後、ＤＣＦ５２のインナークラッドに入力される。

ＤＣＦ５２は、ポンプコンバイナ５１にて合波されたポンプ光をレーザ光に変換するための構成である。ＤＣＦ５２のコアには、Ｙｂ等の希土類元素が添加されており、ポンプコンバイナ５１にて得られた合成ポンプ光は、この希土類元素を反転分布状態に維持するために利用される。ＤＣＦ５２は、入力端に接続された高反射ＦＢＧ５４及び出力端に接続された低反射ＦＢＧ５５と共に共振器を構成している。ＤＣＦ５２のコアにおいては、反転分布状態に維持された希土類元素が誘導放出を繰り返すことにより、レーザ光が生成される。ＤＣＦ５２の出力端は、低反射ＦＢＧ５５を介してコンバイナ１０の入射ファイバ束１２を構成するＦＭＦ１２１に接続されている。ＤＣＦ５２にて生成されたレーザ光のうち、低反射ＦＢＧ５５を透過したレーザ光は、ファイバレーザ装置５０ａに接続されたデリバリファイバ５３ａに入力され、ひいては、ＦＭＦ１２１に入力される。

同様に、ファイバレーザ装置５０ｂ〜５０ｇの各々が備えているデリバリファイバ５３ｂ〜５３ｇの各々は、入射ファイバ束１２を構成するＦＭＦ１２２〜ＦＭＦ１２７の各々に接続されている。

コンバイナ１０は、各ファイバレーザ装置５０ａ〜５０ｇから入射されたレーザ光を１つに合波し出力光を生成する。コンバイナ１０の出射ファイバ１３から出射される出力光は、レーザヘッド６０に入力される。

レーザヘッド６０は、出射ファイバ１３から入力された出力光がワークピースにより反射され、出射ファイバ１３に再入射することを防止するための構成である。レーザヘッド６０は、例えば、ガラスブロックと、このガラスブロックを収容する筐体とにより構成される。レーザヘッド６０から出射された出力光は、ワークピースに照射される。

コンバイナ１０は、第１の実施形態において説明した通り、距離ＤｄｉｆとＧＩファイバ１４１〜１４７の長さＬＧＩとに応じて、縮径部１１から出射する光の開口数を広い範囲で変化させることができる。コンバイナ１０を備えているファイバレーザシステム１においては、発振させるファイバレーザ装置をファイバレーザ装置５０ａ〜５０ｇの中から適宜選択することによって、所望の開口数ＮＡ（換言すればビーム品質）を有する出力光を得ることができる。

なお、ファイバレーザ装置５０ａ〜５０ｇの中から選択するファイバレーザ装置の台数は、１台に限定されるものはない。例えば、コンバイナ１０の代わりにコンバイナ１０Ａ（図５参照）を備えているファイバレーザシステム１の場合、（１）３台のファイバレーザ装置５０ｂ〜５０ｄを選択することによって中程度の開口数ＮＡを有し、且つ、パワーが高い出力光を得ることができ、（２）３台のファイバレーザ装置５０ｅ〜５０ｇを選択することによって大きな開口数ＮＡを有し、且つ、パワーが高い出力光を得ることができる。もちろん、それほど高い出力光のパワーを必要としない場合には、上述した３台のファイバレーザ装置のうち２台を選択してもよいし、１台を選択してもよい。

以上のように、ファイバレーザシステム１は、出射光の開口数（換言すればビーム品質）を制御することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ ファイバレーザシステム（レーザシステム）
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ コンバイナ
１１，１１Ａ，１１Ｂ 縮径部
１１ａ，１１Ａａ，１１Ｂａ 入射端面
１１ｂ，１１Ａｂ，１１Ｂｂ 出射端面
１２，１２Ａ 入射ファイバ束
１２１〜１２７ フューモードファイバ（入射ファイバ）
１２１ａ〜１２７ａ コア
１２１ｂ〜１２７ｂ クラッド
１３ 出射ファイバ
１３ａ コア
１３ｂ クラッド
１４，１４Ａ ＧＩファイバ束
１４１〜１４７，１４１Ａ〜１４７Ａ ＧＩファイバ
５０ａ〜５０ｇ ファイバレーザ装置（レーザ装置）
５３ａ〜５３ｇ 出射ファイバ
ＬＤ１〜ＬＤ１０ レーザダイオード

Claims (7)

1. 複数の入射ファイバと、
   前記複数の入射ファイバの各々の出射端面に１本ずつ接合されたＧＩファイバと、
   出射ファイバと、
   入射端面、及び、当該入射端面よりも面積が狭い出射端面を有し、前記入射端面に前記ＧＩファイバの各々が結合され、且つ、前記出射端面に前記出射ファイバが結合された縮径部と、を備えたコンバイナであって、
   各ＧＩファイバのうち少なくとも２本のＧＩファイバは、互いに異なるレンズとしての開口数を有する、
   ことを特徴とするコンバイナ。
2. 前記縮径部の前記入射端面を平面視した場合に得られる、前記入射端面のＧＩファイバが結合されている領域の中心と前記出射端面の中心との平面視距離を距離Ｄｄｉｆとして、
   互いに等しい距離Ｄｄｉｆを有する領域に結合されたＧＩファイバの各々は、互いに異なるレンズとしての開口数を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンバイナ。
3. 前記縮径部の前記入射端面を平面視した場合に得られる、前記入射端面のＧＩファイバが結合されている領域の中心と前記出射端面の中心との平面視距離を距離Ｄｄｉｆとして、
   最も小さい距離Ｄｄｉｆを有する領域に結合されたＧＩファイバは、他のＧＩファイバより小さいレンズとしての開口数を有する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンバイナ。
4. 前記各ＧＩファイバは、製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有し、
   前記各ＧＩファイバの長さは、前記各ＧＩファイバの開口数が所望の値となるように定められている、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のコンバイナ。
5. 前記各ＧＩファイバは、製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有し、
   前記各ＧＩファイバのうち、最も小さいレンズとしての開口数を有するＧＩファイバの長さは、コリメートされた光を出射する長さである最適長と等しい、
   ことを特徴とする請求項４に記載のコンバイナ。
6. 前記縮径部の、前記入射端面の形状及び前記出射端面の形状は、何れも円形である、
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のコンバイナ。
7. （１）複数の入射ファイバと、（２）前記複数の入射ファイバの各々の出射端面に１本ずつ接合されたＧＩファイバと、（３）出射ファイバと、（４）入射端面、及び、当該入射端面よりも面積が狭い出射端面を有し、前記入射端面に前記ＧＩファイバの各々が結合され、且つ、前記出射端面に前記出射ファイバが結合された縮径部と、を備えたコンバイナであって、
   各ＧＩファイバのうち少なくとも２本のＧＩファイバは、互いに異なるレンズとしての開口数を有するコンバイナと、
   それぞれが出射ファイバを有する複数台のレーザ装置であって、前記出射ファイバの各々が、それぞれ、前記コンバイナの前記入射ファイバの何れかに接続されている複数台のレーザ装置と、を備えている、
   ことを特徴とするレーザシステム。

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