JP2019203946A - ファイバ結合装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点シフトに起因する伝送損失や機器の損傷を抑制可能なファイバ結合装置を提供する。【解決手段】フィーディングファイバ１１とプロセスファイバ１２とを光結合するファイバ結合装置１３は、フィーディングファイバ１１の出射端面１１Ｓから出射されるファイバ出射光Ｂ１を、プロセスファイバ１２の入射端面１２Ｓへ入射するファイバ入射光Ｂ２に変換する変換部１３０１を備える。変換部１３０１は、ファイバ入射光Ｂ２の集光角θと、入射端面１２Ｓに規定される許容集光角θｍと、ファイバ入射光Ｂ２の集光径ｄと、入射端面１２Ｓに規定される許容集光径ｄｍとの関係が以下の式を満たす。１＞θ／θｍ＞ｄ／ｄｍ【選択図】図２

Description

本開示は、ファイバ結合装置及びレーザ加工装置に関する。

レーザ加工の技術分野において、レーザ発振器の増幅媒質に光ファイバを用いたファイバレーザが知られている。

ファイバレーザを用いたハイパワーレーザ加工装置では、例えば、フィーディングファイバとプロセスファイバとを接続するコネクタの内部において、部品同士のわずかな位置ずれが生じただけで、レーザビームの焦点位置がずれてしまい、多大な伝送損失や機器の損傷を引き起こす。

特に、高品質なレーザを出力するためには、プロセスファイバのファイバコア径を小さくする（例えば、１００μｍ程度とする）必要があるため、ミクロンオーダーの焦点位置精度を要する。

この課題を解決するために、上記コネクタのレーザの入光部とレンズとの位置関係を制御するための様々な機構が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１６−５１７９７３号公報

ハイパワーレーザを使用したファイバ伝送では、レンズがレーザを吸収して生じる熱の影響を受けて、レーザの焦点位置がレーザ入光時から時間とともにずれる“焦点シフト”が発生し、プロセスファイバが損傷を受けるという課題がある。
プロセスファイバのファイバコア径が小さいと、焦点シフトによるファイバ損傷抑制が困難となる。

本発明の少なくとも一実施形態は、焦点シフトに起因する伝送損失や機器の損傷を抑制可能なファイバ結合装置及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、ファイバ結合装置は、フィーディングファイバとプロセスファイバとを光結合するファイバ結合装置であって、前記フィーディングファイバの出射端面から出射されるファイバ出射光を、前記プロセスファイバの入射端面へ入射するファイバ入射光に変換する変換部を備える。前記変換部は、前記ファイバ入射光の集光角（θ）と、前記入射端面に規定される許容集光角（θｍ）と、前記ファイバ入射光の集光径（ｄ）と、前記入射端面に規定される許容集光径（ｄｍ）との関係が以下の式を満たす。
（式）１＞θ／θｍ＞ｄ／ｄｍ

また、本発明の第２の態様によれば、前記変換部は、熱に対する性質が相反するレンズを組み合わせてなる。

また、本発明の第３の態様によれば、前記変換部は、石英レンズと、フッ化カルシウムレンズとを有し、前記石英レンズの個数よりも前記フッ化カルシウムレンズの個数の方が多い。

また、本発明の第４の態様によれば、前記変換部は、金コート層及び誘電体多層膜が積層されてなる非球面銅ミラーを備える。

また、本発明の第５の態様によれば、上述のファイバ結合装置は、前記変換部の温度を計測可能な温度センサと、前記変換部を前記プロセスファイバの光軸方向に移動可能とする変換部駆動アクチュエータと、前記温度センサを通じて取得した温度計測値に応じた距離だけ、焦点シフトのシフト量を相殺する方向に前記変換部駆動アクチュエータを駆動させる変換部駆動指令部と、を備える。

また、本発明の第６の態様によれば、上述のファイバ結合装置は、前記プロセスファイバの端部を接続する出力側接続部の、筐体に対する相対位置を計測可能な接続位置検出センサと、前記出力側接続部の前記筐体に対する相対位置を、前記プロセスファイバの光軸方向に移動可能とする接続部駆動アクチュエータと、前記接続位置検出センサを通じて取得した前記相対位置のずれ量に応じた距離だけ、当該相対位置のずれを相殺する方向に前記接続部駆動アクチュエータを駆動させる接続部駆動指令部と、を備える。

また、本発明の第７の態様によれば、レーザ加工装置は、上述のファイバ結合装置と、前記フィーディングファイバと、前記プロセスファイバと、を備える。

また、本発明の第８の態様によれば、前記プロセスファイバは、当該プロセスファイバによって伝送されるレーザビームのＭ２値が前記フィーディングファイバによって伝送されるレーザビームのＭ２値の２倍以下となるように、前記許容集光角及び前記許容集光径が設定されている。

上述の発明の各態様によれば、焦点シフトに起因する伝送損失や機器の損傷を抑制することができる。

第１の実施形態に係るレーザ加工装置の一部構成を示す図である。 第１の実施形態に係るファイバ結合装置の内部構成を示す図である。 第１の実施形態に係る変換部の光学倍率を説明するための図である。 第１の実施形態に係るファイバ結合装置による作用及び効果を説明するための図である。 第２の実施形態に係るファイバ結合装置の内部構成を示す図である。 第３の実施形態に係るファイバ結合装置の内部構成を示す図である。 第４の実施形態に係るファイバ結合装置の内部構成を示す図である。 第５の実施形態に係るファイバ結合装置の内部構成を示す図である。

＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態に係るファイバ結合装置、及び、これを備えるレーザ加工装置について、図１〜図４を参照しながら説明する。

（レーザ加工装置の構成）
図１は、第１の実施形態に係るレーザ加工装置の一部構成を示す図である。
図１に示すレーザ加工装置１は、ファイバレーザを使用したハイパワーレーザ加工装置であって、高出力レーザの長距離伝送を可能とする。具体的には、レーザ加工装置１は、レーザ発振器１０と、フィーディングファイバ１１と、プロセスファイバ１２と、ファイバ結合装置１３とを備えている。

レーザ発振器１０は、ファイバレーザによって生成されたレーザビームを出力する装置である。

フィーディングファイバ１１は、レーザ発振器１０に接続され、レーザ発振器１０で生成されたレーザビームを伝送する。

プロセスファイバ１２は、フィーディングファイバ１１によって伝送されたレーザビームを受け付けて、更に、レーザ加工装置１のレーザ出射口まで伝送する。プロセスファイバ１２は、ファイバ結合装置１３を介してフィーディングファイバ１１に結合（カップリング）される。プロセスファイバ１２は、取り外し可能とされる。

ファイバ結合装置１３は、フィーディングファイバ１１の先端から出射されたレーザビームを、プロセスファイバ１２の先端に導くことで、フィーディングファイバ１１とプロセスファイバ１２とを光結合する。ファイバ結合装置１３の具体的な構成については後述する。

以上のように、工業的に伝送ファイバでレーザビームを長距離伝送する際には、フィーディングファイバ１１にプロセスファイバ１２を結合して伝送距離を延長し、所望の位置までレーザビームを伝送できるようにする。その際、専用のコネクタ（ファイバ結合装置１３）を介してプロセスファイバ１２を結合することで、例えばこのプロセスファイバ１２が損傷したとしても、全体（レーザ発振器１０及びフィーディングファイバ１１）を取り換える必要がなくなる。

ここで、レーザビームの品質（即ち、集光性の高さ）について簡単に説明する。
レーザビームの品質を評価する手法として、Ｍ２値（エムスクエア値）が一般に用いられる。Ｍ２値は、レーザビームの集光角θと集光径ｄ（ビームウエスト径、又は、最小スポット径ともいう）との積で与えられ、常に１以上の値を取る。このＭ２値が１に近いほど高品質であること（即ち、集光性が高いこと）を意味する。レーザビームのビーム径（集光径ｄ）を大きくしながらも高品質性（低いＭ２値）を維持するためには、集光角θを小さくする必要がある。
本実施形態に係るプロセスファイバ１２は、例えば、許容集光角θｍを任意に設定可能なフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）であってよい。この場合、プロセスファイバ１２は、一般的な伝送ファイバ（フィーディングファイバ１１）よりも許容集光角θｍ（開口数（ＮＡ））が小さく設定されてよい。このようにすることで、プロセスファイバ１２は、ビーム品質を低下させることなくコア径（ビーム伝送断面積）を大きくすることができる。光ファイバによるレーザビームの伝送においては、非線形効果により伝送出力と伝送距離との積がビーム伝送断面積によって制約されるので、プロセスファイバ１２として許容集光角θｍが小さくコア径が大きいＰＣＦを用いることで高品質のレーザビームの長距離伝送を実現できる。一例として、フィーディングファイバ１１の開口数は０．２程度とされる一方、プロセスファイバ１２の開口数はその１／３以下となる０．０６程度とされる。
この場合、ファイバ結合装置１３は、フィーディングファイバ１１の出射端面から出射されたレーザビームを、プロセスファイバ１２の許容集光角θｍ及び許容集光径ｄｍを満たすように変換する必要がある。

（ファイバ結合装置の内部構成）
図２は、第１の実施形態に係るファイバ結合装置の内部構成を示す図である。
図２に示すように、ファイバ結合装置１３は、筐体１３０と、入力側接続部１３１と、出力側接続部１３２と、を備えている。

筐体１３０は、内部に変換部１３０１を有する。変換部１３０１は、複数のレンズＬを組み合わせてなり、フィーディングファイバ１１の出射端面１１Ｓから出射されたファイバ出射光Ｂ１を、規定された光学倍率で変換する。ここで、ファイバ出射光Ｂ１は、フィーディングファイバ１１の出射端面１１Ｓから出射され、当該フィーディングファイバ１１のコア径及び開口数に応じた出射ビーム径及び広がり角をもって出射される。このファイバ出射光Ｂ１は、変換部１３０１により、レンズＬの特性に応じた光学倍率Ｘで変換される。「光学倍率Ｘ」とは、具体的には、ファイバ入射光Ｂ２の集光径ｄを、ファイバ出射光Ｂ１の出射ビーム径のＸ倍に変換し、かつ、ファイバ入射光Ｂ２の集光角θをファイバ出射光Ｂ１の広がり角のＸ分の１に変換することを意味する。

入力側接続部１３１は、筐体１３０の一端側（図２に示す−Ｘ方向側）に設けられ、フィーディングファイバ１１の端部を接続する。入力側接続部１３１は、入力側コネクタ１３１０と入力側コネクタマウント１３１１とを有してなる。入力側コネクタ１３１０及び入力側コネクタマウント１３１１は、変換部１３０１に対するフィーディングファイバ１１の出射端面１１Ｓの位置を固定する。

出力側接続部１３２は、筐体１３０の他端側（図２に示す＋Ｘ方向側）に設けられ、プロセスファイバ１２の端部を接続する。出力側接続部１３２は、出力側コネクタ１３２０と出力側コネクタマウント１３２１とを有してなる。出力側コネクタ１３２０及び出力側コネクタマウント１３２１は、変換部１３０１に対するプロセスファイバ１２の入射端面１２Ｓの位置を固定する。

ファイバ結合装置１３の筐体１３０内部において、フィーディングファイバ１１及びプロセスファイバ１２は、それぞれの光軸が図２に示す軸線Ｏで一致するように配置される。また、プロセスファイバ１２の入射端面１２Ｓは、フィーディングファイバ１１及びプロセスファイバ１２の光軸方向（以下、「軸線Ｏ方向」とも記載する。）において、ファイバ入射光Ｂ２が最も収束する位置（即ち、ビーム径が集光径ｄとなる位置。以下、「ビームウエスト」とも記載する。）と一致するように配置される。

（変換部の光学倍率）
図３は、第１の実施形態に係る変換部の光学倍率を説明するための図である。
図３は、変換部１３０１の光学倍率と、ファイバ入射光Ｂ２の集光径ｄ、集光角θとの関係を示す図である。
図３に示すように、ファイバ入射光Ｂ２の集光径ｄは、変換部１３０１の光学倍率Ｘが大きいほど大きくなり、小さいほど小さくなる。また、ファイバ入射光Ｂ２の集光角θは、変換部１３０１の光学倍率Ｘが大きいほど小さくなり、小さいほど大きくなる。
ファイバ入射光Ｂ２は、プロセスファイバ１２のコア径、開口数に応じた諸条件を満たす必要がある。即ち、ファイバ入射光Ｂ２の集光角θは、プロセスファイバ１２の許容集光角θｍ以下にする必要があり、かつ、ファイバ入射光Ｂ２の集光径ｄは、プロセスファイバ１２の許容集光径ｄｍ以下にする必要がある。そうすると、変換部１３０１の光学倍率は、図３に示す領域Ｒ１に制約される。領域Ｒ１は、１＞θ／θｍかつ１＞ｄ／ｄｍを満たす領域である。

本実施形態に係る変換部１３０１は、光学倍率が、領域Ｒ１のうち、更に図３に示す領域Ｒ２に属することを特徴とする。領域Ｒ２は、以下の式（１）を満たす領域である。

１＞θ／θｍ＞ｄ／ｄｍ・・・（１）

式（１）を満たす場合、集光角θの許容集光角θｍに対する裕度（即ち、集光角θと許容集光角θｍとの差）が小さくなる一方で、集光径ｄの許容集光径ｄｍに対する裕度（即ち、集光径ｄと許容集光径ｄｍとの差）を大きく取ることができる。
以下、変換部１３０１が式（１）を満たすことについての作用及び効果について詳しく説明する。

（作用、効果）
図４は、第１の実施形態に係るファイバ結合装置による作用及び効果を説明するための図である。

図４は、プロセスファイバ１２のファイバコア１２Ｃの入射端面１２Ｓ付近を詳細に示している。図４に示すように、プロセスファイバ１２の入射端面１２Ｓが軸線Ｏ方向（±Ｘ方向）における位置Ｘ０に位置し、かつ、ファイバ入射光Ｂ２のビームウエストが同位置（位置Ｘ０）に一致するように、ファイバ結合装置１３の変換部１３０１が調整される。

本実施形態に係る変換部１３０１によれば、図３を用いて説明したように、ファイバ入射光Ｂ２の集光角θは、プロセスファイバ１２の許容集光角θｍに対し裕度が小さくなるように調整されている。一方、集光径ｄは、ファイバコア１２Ｃの径である許容集光径ｄｍに対し裕度が大きくなるように調整されている。

ここで、ハイパワーのレーザビームがファイバ結合装置１３内を伝送する場合に生じる“焦点シフト”について説明する。
ハイパワーのレーザビームが変換部１３０１の各レンズＬを通過する場合、その一部がレンズＬにて吸収され、発熱する現象が起こる。そうすると、レンズＬがレーザビームを吸収して生じる熱の影響を受け、その焦点距離がレーザ入光時から時間とともに軸線Ｏ方向にずれる“焦点シフト”が発生する。例えば、レンズＬが一般的な石英レンズである場合、焦点位置は−Ｘ方向にずれることが知られている。

上記のような焦点シフトが生じると、ファイバ入射光Ｂ２のビームウエストが位置Ｘ０よりも手前側（−Ｘ方向側）にずれる。そうすると、入射端面１２Ｓ（位置Ｘ０）におけるファイバ入射光Ｂ２のビーム径は、焦点シフトにより相対的に大きくなるように変化する。
他方、ファイバ入射光Ｂ２の集光角θは焦点シフトによってはほとんど変化しない。これは、最終段のレンズＬからファイバ入射光Ｂ２のビームウエストまでの距離（焦点距離）に比べて、焦点のシフト量が十分に小さいことに起因する。
即ち、焦点シフトが生じた場合、プロセスファイバ１２の入射端面１２Ｓの位置（位置Ｘ０）においては、ファイバ入射光Ｂ２の集光角θはほとんど変化しないが、ファイバ入射光Ｂ２のビーム径は大きく変化する。

変換部１３０１が式（１）の条件を満たすことで、許容集光径ｄｍに対する集光径ｄの裕度が、許容集光角θｍに対する集光角θの裕度に対して相対的に大きくなる。そのため、焦点シフトによって入射端面１２Ｓにおけるファイバ入射光Ｂ２のビーム径が大きく増加したとしても、許容集光径ｄｍの範囲内に収めることができる。
他方、焦点シフトによっては、ファイバ入射光Ｂ２の集光角θはほとんど変化しないので、許容集光角θｍに対する裕度をある程度小さく設定したとしても、焦点シフトによって集光角θが許容集光角θｍを上回る可能性は低い。

以上のとおり、第１の実施形態に係るファイバ結合装置１３によれば、式（１）の条件を満たすようなファイバ入射光Ｂ２を生成してプロセスファイバ１２の入射端面１２Ｓに入射させるので、焦点シフトに起因する伝送損失や機器の損傷を抑制することができる。

なお、実際のフィーディングファイバ１１及びプロセスファイバ１２の構成は、必ずしも設計通りとなっているものではなく、幾分の製造誤差を有している。そのため、プロセスファイバ１２（ＰＣＦ）は、そのような製造誤差をも許容可能なように、許容集光角θｍ及び許容集光径ｄｍが大きく設定されていてもよい。ただし、プロセスファイバ１２の許容集光角θｍ及び許容集光径ｄｍを大きくすると、そのプロセスファイバ１２に伝送されるレーザビームのＭ２値は、フィーディングファイバ１１及びファイバ結合装置１３に伝送されるレーザビームのＭ２値よりも大きくなる。Ｍ２値が大きくなるということはビーム品質が低下するということであるから、レーザビームのＭ２値が大きくなりすぎることは好ましくない。
そこで、他の実施形態に係るプロセスファイバ１２は、当該プロセスファイバ１２によって伝送されるレーザビームのＭ２値が、フィーディングファイバ１１及びファイバ結合装置１３によって伝送されるレーザビームのＭ２値の２倍以下となるように、許容集光角θｍ及び許容集光径ｄｍが設定されてもよい。このようにすることで、ビーム品質の低下の度合いを最小限に留めながらも、各構成要素の製造誤差をも含めて許容することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係るファイバ結合装置、及び、これを備えるレーザ加工装置について、図５を参照しながら説明する。

（ファイバ結合装置の内部構成）
図５は、第２の実施形態に係るファイバ結合装置の内部構成を示す図である。
図５に示すように、第２の実施形態に係るファイバ結合装置１３の変換部１３０１は、４個のレンズＬ（Ｌ１〜Ｌ４）を有してなる。
特に、本実施形態において、レンズＬ１は、石英レンズとされ、レンズＬ２、Ｌ３、Ｌ４は、フッ化カルシウムレンズ（以下、「ＣａＦ２レンズ」とも記載する。）とされることを特徴とする。

ＣａＦ２レンズは屈折率の温度依存性が石英レンズと逆の傾向を有する。したがって、石英レンズ（レンズＬ１）と、ＣａＦ２レンズ（レンズＬ２〜Ｌ４）とを組み合わせて変換部１３０１を構成することで、温度変化による屈折率の変化が全体として相殺され、焦点シフトの影響を軽減することができる。

ＣａＦ２レンズ（レンズＬ２〜Ｌ４）は温度上昇とともに屈折率が低下し、焦点位置が奥側（＋Ｘ方向側）へシフトする。一方、石英レンズ（レンズＬ１）は温度上昇とともに屈折率が上昇し、焦点位置が手前側（−Ｘ方向側）へシフトする。これら２種類のレンズの、温度上昇に対する屈折率変化率は正負で同等である。しかし、ＣａＦ２レンズは温度上昇による“膨張”の度合いが石英レンズよりも大きく、これにより、焦点位置を手前側（−Ｘ方向側）にシフトさせる（奥側へのシフトを打ち消す）要素も含んでいる。結果として、温度上昇に伴うＣａＦ２レンズの焦点位置の奥側（＋Ｘ方向側）へのシフト量は、石英レンズの焦点位置の手前側（−Ｘ方向側）へのシフト量よりも小さいものとなる。そこで、ＣａＦ２レンズを石英レンズより多い構成とすることで、手前側へのシフト量と奥側へのシフト量とを釣り合わせることができ、焦点シフトの影響を一層軽減することができる。特に、本実施形態のように、変換部１３０１のレンズ個数が４個であれば、ＣａＦ２レンズ３個、石英レンズ１個になるように構成するのが好ましい。

なお、他の実施形態においては図５に示す態様に限定されない。例えば、他の実施形態に係る変換部１３０１は、レンズＬ２、Ｌ４を石英レンズとし、レンズＬ１、Ｌ３をＣａＦ２レンズとしてもよい。

また、第２の実施形態に係る変換部１３０１は、石英レンズとＣａＦ２レンズとを組み合わせてなるものとして説明したが、他の実施形態においてはこの態様にも限定されない。即ち、屈折率の温度依存性が相反するレンズの組み合わせであれば、いかなるレンズの組み合わせであってもよい。例えば、レンズの材料としては、ＣａＦ２の他、ＢａＦ２、ＬｉＦ２、ＫＢｒ、ＫＣｌ、ＡｇＣｌ、ＮａＣｌ、ＮａＦ、ＳｒＦ２、Ｎ−ＰＳＫ５３Ａ、Ｎ−ＰＫ５１、Ｎ−ＰＫ５２Ａ、Ｎ−ＦＫ５１Ａ、Ｐ−ＰＫ５３、Ｎ−ＦＫ５等が挙げられる。

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態に係るファイバ結合装置、及び、これを備えるレーザ加工装置について、図６を参照しながら説明する。

（ファイバ結合装置の内部構成）
図６は、第３の実施形態に係るファイバ結合装置の内部構成を示す図である。
図６に示すように、第３の実施形態に係るファイバ結合装置１３の変換部１３０１は、非球面銅ミラー１５０を有する。

非球面銅ミラー１５０は、金コート層Ｃ１及び誘電体多層膜Ｃ２が積層されてなる。一般に、銅ミラーに金コート層を積層したものは、ハイパワーレーザでは、吸収率が２％程度あるため、わずかに歪が生じる。そこで、本実施形態のように、金コート層Ｃ１上に誘電体多層膜Ｃ２をコーティングすることで、吸収率を０．１〜０．２％程度まで減少させることができる。これにより、吸収に起因して生じる焦点シフトを抑制することができる。

また、非球面銅ミラー１５０の内部には、冷却水が流通する冷却水流路１５０１が設けられている。これにより、非球面銅ミラー１５０の発熱を抑えることができるので、焦点シフトを一層抑制することができる。なお、本実施形態に係る冷却水流路１５０１の構成は必須ではなく、他の実施形態においては、非球面銅ミラー１５０の内部に冷却水を流通させなくてもよい。

更に、本実施形態に係る変換部１３０１は、レンズを用いていないので、レンズによる熱影響を抑制することができる。

＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態に係るファイバ結合装置、及び、これを備えるレーザ加工装置について、図７を参照しながら説明する。

（ファイバ結合装置の内部構成）
図７は、第４の実施形態に係るファイバ結合装置の内部構成を示す図である。
図７に示すように、ファイバ結合装置１３は、ＣＰＵ１６０と、温度センサ１６１と、変換部駆動アクチュエータ１６２とを備えている。

温度センサ１６１は、レンズＬの温度を計測可能とする。温度センサ１６１は、接触又は非接触の手法でレンズＬの温度を計測できれば如何なる態様であってもよい。例えば、温度センサ１６１は、非接触の手法を用いた態様として、赤外線センサであってもよい。また、温度センサ１６１は、レンズＬ全体の温度分布を取得するために、赤外線カメラに基づいて熱画像情報を取得してもよい。
変換部駆動アクチュエータ１６２は、レンズＬのうちの一部を軸線Ｏ方向に移動させることができる。
ＣＰＵ１６０は、予め規定されたプログラムに基づいて動作する。具体的には、ＣＰＵ１６０は、温度センサ１６１によって取得された温度計測値に基づいて変換部駆動アクチュエータ１６２を駆動させる変換部駆動指令部１６００として機能する。

ここで、レンズＬの温度が高くなるほどレンズに歪が生じ、焦点シフトのシフト量が増加する。本実施形態に係る変換部駆動指令部１６００（ＣＰＵ１６０）は、レンズＬの温度（温度センサ１６１による温度計測値）と焦点シフトのシフト量との対応関係を予め記憶している。変換部駆動指令部１６００は、温度センサ１６１を通じて温度計測値を取得すると、その温度計測値に対応するシフト量を取得する。そして、変換部駆動指令部１６００は、変換部駆動アクチュエータ１６２を駆動させ、温度上昇によって生じる焦点シフトを相殺するようにレンズＬを移動させる。
これにより、ハイパワーレーザの吸収によりレンズＬの温度が上昇したとしても、ファイバ入射光Ｂ２のビームウエストを、プロセスファイバ１２の入射端面１２Ｓ（図４参照）に一致させることができる。
したがって、焦点シフトに起因する伝送損失や機器の損傷を一層抑制することができる。

＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態に係るファイバ結合装置、及び、これを備えるレーザ加工装置について、図８を参照しながら説明する。

（ファイバ結合装置の内部構成）
図８は、第５の実施形態に係るファイバ結合装置の内部構成を示す図である。
図８に示すように、第５の実施形態に係るファイバ結合装置１３は、ＣＰＵ１７０と、接続位置検出センサ１７１と、接続部駆動アクチュエータ１７２とを備える。

接続位置検出センサ１７１は、筐体１３０に対する出力側接続部１３２（出力側コネクタ１３２０、出力側コネクタマウント１３２１）の相対位置を継続的に計測する。接続位置検出センサ１７１は、接触若しくは非接触の手法又はその組み合わせを用いて相対位置の計測を行ってもよい。
接続部駆動アクチュエータ１７２は、筐体１３０に対し、出力側接続部１３２を軸線Ｏ方向に移動させることができる。
ＣＰＵ１７０は、予め規定されたプログラムに基づいて動作する。具体的には、ＣＰＵ１７０は、接続位置検出センサ１７１によって取得された相対位置のずれ量に基づいて接続部駆動アクチュエータ１７２を駆動させる接続部駆動指令部１７００として機能する。

ここで、レーザ加工装置１の運転に伴い、機械的負荷等により、筐体１３０に対する出力側接続部１３２の相対位置が僅かにずれてしまうことが考えられる。筐体１３０に対する出力側接続部１３２の相対位置がずれると、プロセスファイバ１２の入射端面１２Ｓの位置が、ファイバ入射光Ｂ２のビームウエスト（位置Ｘ０）からずれてしまう（図４参照）。そこで、本実施形態に係る接続部駆動指令部１７００（ＣＰＵ１７０）は、接続位置検出センサ１７１を通じて筐体１３０に対する出力側接続部１３２の相対位置のずれ量を計測する。そして、接続部駆動指令部１７００は、接続部駆動アクチュエータ１７２を駆動させることで、発生したずれを相殺するように出力側接続部１３２を移動させる。
これにより、何らかの機械的負荷に起因して、筐体１３０に対する出力側接続部１３２の位置が本来の位置からずれてしまったとしても、当該ずれが直ちに相殺されるように出力側接続部１３２が移動するので、ファイバ入射光Ｂ２のビームウエストを、プロセスファイバ１２の入射端面１２Ｓに一致させることができる。
したがって、接続部のずれに伴う伝送損失や機器の損傷を抑制することができる。

上述の第４、第５の実施形態において、上述したＣＰＵ１６０、１７０の各種処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって上記各種処理が行われる。また、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。

上記プログラムは、上述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。更に、上述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

以上のとおり、本発明に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ レーザ加工装置
１０ レーザ発振器
１１ フィーディングファイバ
１１Ｓ 出射端面
１２ プロセスファイバ
１２Ｓ 入射端面
１２Ｃ ファイバコア
１３ ファイバ結合装置
１３０ 筐体
１３０１ 変換部
１３１ 入力側接続部
１３１０ 入力側コネクタ
１３１１ 入力側コネクタマウント
１３２ 出力側接続部
１３２０ 出力側コネクタ
１３２１ 出力側コネクタマウント
１５０ 非球面銅ミラー
１５０１ 冷却水流路
１６０ ＣＰＵ
１６００ 変換部駆動指令部
１６１ 温度センサ
１６２ 変換部駆動アクチュエータ
１７０ ＣＰＵ
１７００ 接続部駆動指令部
１７１ 接続位置検出センサ
１７２ 接続部駆動アクチュエータ

Claims (8)

1. フィーディングファイバとプロセスファイバとを光結合するファイバ結合装置であって、
   前記フィーディングファイバの出射端面から出射されるファイバ出射光を、前記プロセスファイバの入射端面へ入射するファイバ入射光に変換する変換部を備え、
   前記変換部は、前記ファイバ入射光の集光角（θ）と、前記入射端面に規定される許容集光角（θｍ）と、前記ファイバ入射光の集光径（ｄ）と、前記入射端面に規定される許容集光径（ｄｍ）との関係が以下の式を満たす
   ファイバ結合装置。
   （式）１＞θ／θｍ＞ｄ／ｄｍ
2. 前記変換部は、熱に対する性質が相反するレンズを組み合わせてなる
   請求項１に記載のファイバ結合装置。
3. 前記変換部は、石英レンズと、フッ化カルシウムレンズとを有し、前記石英レンズの個数よりも前記フッ化カルシウムレンズの個数の方が多い
   請求項２に記載のファイバ結合装置。
4. 前記変換部は、金コート層及び誘電体多層膜が積層されてなる非球面銅ミラーを備える
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載のファイバ結合装置。
5. 前記変換部の温度を計測可能な温度センサと、
   前記変換部を前記プロセスファイバの光軸方向に移動可能とする変換部駆動アクチュエータと、
   前記温度センサを通じて取得した温度計測値に応じた距離だけ、焦点シフトのシフト量を相殺する方向に前記変換部駆動アクチュエータを駆動させる変換部駆動指令部と、
   を備える請求項１から請求項４の何れか一項に記載のファイバ結合装置。
6. 前記プロセスファイバの端部を接続する出力側接続部の、筐体に対する相対位置を計測可能な接続位置検出センサと、
   前記出力側接続部の前記筐体に対する相対位置を、前記プロセスファイバの光軸方向に移動可能とする接続部駆動アクチュエータと、
   前記接続位置検出センサを通じて取得した前記相対位置のずれ量に応じた距離だけ、当該相対位置のずれを相殺する方向に前記接続部駆動アクチュエータを駆動させる接続部駆動指令部と、
   を備える請求項１から請求項５の何れか一項に記載のファイバ結合装置。
7. 請求項１から請求項６の何れか一項に記載のファイバ結合装置と、
   前記フィーディングファイバと、
   前記プロセスファイバと、
   を備えるレーザ加工装置。
8. 前記プロセスファイバは、当該プロセスファイバによって伝送されるレーザビームのＭ２値が前記フィーディングファイバによって伝送されるレーザビームのＭ２値の２倍以下となるように、前記許容集光角及び前記許容集光径が設定されている
   請求項７に記載のレーザ加工装置。

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