JP2020190689A - 伝送ファイバ、レーザ加工装置及びレーザ伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い品質のレーザを伝送し、加工を効率よく行うことができる伝送ファイバ、レーザ加工装置及びレーザ伝送方法の提供。【解決手段】加工用レーザを伝送する伝送ファイバであって、伝送ファイバの中心側に配置されたコア４０を備える第１ファイバ２０と、第１ファイバよりも下流側に配置され、入力側の端部が上流側のファイバの出力側の端部と接続された第２ファイバ２２と、を備え、第１ファイバのコアの入出射角をＮＡ１、第１ファイバのコアの径をφ１とし、第２ファイバの中心側に配置されたコアの入出射角をＮＡ２、第２ファイバのコアの径をφ２とした場合、ＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たす。【選択図】図２

Description

本開示は、例えば、レーザを伝送する伝送ファイバ、伝送ファイバを有するレーザ加工装置及びレーザ伝送方法に関する。

レーザで対象物をレーザ加工装置がある。特許文献１に記載のレーザ加工装置は、基底モードのレーザ光を出力するシングルモード光ファイバレーザと、シングルモード光ファイバレーザが出力するレーザ光を伝搬して出力するマルチモード光ファイバであるプロセス光ファイバと、を互いのコアの中心軸を一致させるように融着接続したファイバを用いることが記載されている。

特開２０１６−２０１５５８号公報

ここで、光ファイバを接続する機構としては、一方のファイバから出力した光を集光して他方のファイバに入射させるカプラを用いる機構がある。カプラを用いる場合、相対的ない位置精度を維持する必要がある。しかしながら、レーザ加工装置は、レーザの出力が大きいため、レーザを伝送することで、発熱し、光学系が変動する場合があるため、位置精度を高く維持することが困難である。

また、特許文献１のレーザ加工装置は、ファイバ同士を融着で接続することで、ファイバ同士の相対位置を固定することができるが、異なるファイバに伝送される毎にレーザの品質が低下してしまう。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述した課題を解決するものであり、高い品質のレーザを伝送し、加工を効率よく行うことができる伝送ファイバ、レーザ加工装置及びレーザ伝送方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための一実施形態は、加工用レーザを伝送する伝送ファイバであって、前記伝送ファイバの中心側に配置されたコアを備える第１ファイバと、前記第１ファイバよりも下流側に配置され、入力側の端部が上流側のファイバの出力側の端部と接続された第２ファイバと、を備え、前記第１ファイバのコアの入出射角をＮＡ１、前記第１ファイバのコアの径をφ１とし、前記第２ファイバの中心側に配置されたコアの入出射角をＮＡ２、前記第２ファイバのコアの径をφ２とした場合、ＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たすことを特徴とする。

前記入出射角ＮＡ１は、０．１８以上０．２２以下であり、前記入出射角ＮＡ２は、０．０５以上０．１１以下であることが好ましい。

前記第２ファイバは、上流側のファイバの出力側の端部と融着層を介して接続されることが好ましい。

また、前記第２ファイバのコアの径Φ２は、前記第２ファイバの上流側の融着層の長さＬａとし、係数をα、Ｘとすると、
Φ２＝Φ１＋Ｘ×２＋α×Ｌａ

０≦Ｘ≦１０（単位μｍ）
０．１８≦α≦０．２２
を満たすことが好ましい。

また、前記第２ファイバは、中心側に配置された第１コアと、前記第１コアの外周に配置された第１クラッドと、前記第１クラッドの外周に配置された第２コアと、を備え、前記第１コアの入出射角をＮＡ２とし、前記第１コアの径をφ２とした場合、ＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たすことが好ましい。

また、前記第２コアの入出射角をＮＡ３とした場合、ＮＡ１≦ＮＡ３であることが好ましい。

前記第２ファイバは、前記第１コア及び前記第１クラッドがフォトニック結晶ファイバであり、かつ、前記第２コア及び前記第２コアの外側に配置されたクラッドがフォトニック結晶ファイバである、ダブルクラッドＰＣＦであることが好ましい。

また、前記第２ファイバは、入力側の端部に接続される前記上流側のファイバが前記第１ファイバであり、前記第１ファイバに直接接続されることが好ましい。

また、前記第１ファイバよりも下流側に配置され、前記第２ファイバよりも上流側に配置され、入力側の端部が前記第１ファイバの出力側の端部と融着層を介して接続された中間ファイバを有し、前記中間ファイバのコアの入出射角をＮＡａ、前記中間ファイバのコアの径をφａとした場合、ＮＡ２≦ＮＡａ＜ＮＡ１、φ１＜Φａ＜φ２を満たすことが好ましい。

また、前記第２ファイバと上流側のファイバとの融着層及び前記第２ファイバの融着層よりも下流側であり曲がっている湾曲部とを収容し、前記第２ファイバを冷却する冷却装置を有し、前記第２ファイバは、前記冷却装置よりも下流側にレーザを遮蔽する被覆層を備え、前記冷却装置内に配置され、前記湾曲部よりも下流側の部分の少なくとも一部が前記被覆層を備えない露出部であることが好ましい。

また、前記露出部は、直線状に延びる部分であることが好ましい。

前記冷却装置は、内面に前記レーザを吸収する受光部を備えることが好ましい。

前記第２ファイバは、中心に配置されたコア及び前記コアの外側のクラッドがフォトニック結晶ファイバであることが好ましい。

前記第２ファイバは、最外周に樹脂で形成された被覆層を備えることが好ましい。

上記の目的を達成するための一実施形態は、レーザ加工装置であって、上記のいずれかに記載の伝送ファイバと、前記伝送ファイバにシングルモードのレーザを入射する発振モジュールと、前記伝送ファイバから出力されるレーザを対象物に照射する照射ヘッドと、を備えることを特徴とする。

上記の目的を達成するための一実施形態は、発振モジュールから出力されたレーザを照射ヘッドに伝送するレーザ伝送方法であって、第１ファイバに前記発振モジュールから出力されたレーザを入射させ、前記第１ファイバよりもレーザの伝送方向の下流側に配置された第２ファイバに前記第１ファイバから出力されたレーザを入射させて、前記第２ファイバの下流から出射させて、レーザを伝送し、前記第１ファイバのコアの入出射角をＮＡ１、前記第１ファイバのコアの径をφ１とし、前記第２ファイバの中心側に配置されたコアの入出射角をＮＡ２、前記第２ファイバのコアの径をφ２とした場合、ＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たすことを特徴とする。

本実施形態によれば、出射側に配置されるファイバのコアの入出射角であるＮＡを入力側に配置されるファイバのコアのＮＡよりも小さくし、かつ、径を大きくすることで、入力したレーザのうち、質の高いレーザを効率よく伝送することができる。

図１は、本実施形態の伝送ファイバを備えるレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す伝送ファイバの接続部の近傍を示す模式図である。 図３は、第１ファイバの断面図である。 図４は、第２ファイバの断面図である。 図５は、照射ヘッドの概略構成を示す模式図である。 図６は、図５に示す照射ヘッドで照射されるレーザの分布を示す模式図である。 図７は、照射ヘッドの他の例の概略構成を示す模式図である。 図８は、図７に示す照射ヘッドで照射されるレーザの分布を示す模式図である。 図９は、他の実施形態の伝送ファイバを備えるレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。 図１０は、図９に示す伝送ファイバの接続部の近傍を示す模式図である。 図１１は、他の実施形態の伝送ファイバを備えるレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。 図１２は、図１１に示す伝送ファイバのファイバの接続部の近傍を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る伝送ファイバ及びレーザ加工装置の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態の伝送ファイバを備えるレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示す伝送ファイバのファイバの接続部の近傍を示す模式図である。図３は、第１ファイバの断面図である。図４は、第２ファイバの断面図である。
図１に示すレーザ加工装置１０は、対象物２にレーザＬを照射して、対象物２を加工する。対象物２としては、各種金属、合金、複合材等が例示される。レーザ加工装置１０は、対象物２の加工として、解体、補修溶接、溶接、切断、穴あけ等を行うことができる。レーザ加工装置１０は、発振モジュール１２と、伝送ファイバ１４と、照射ヘッド１６と、を有する。

発振モジュール１２は、シングルモードのレーザを発振する。発振モジュール１２は、例えば、ファイバレーザ源である。ファイバレーザ源は、光ファイバを媒質としてレーザを出力する。ファイバレーザの発信モジュール１２としては、例えば、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置又はリング型ファイバレーザ出力装置が用いられてもよい。ファイバレーザ出力装置のファイバとして、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、及びイッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素が添加されたシリカガラスが用いられてもよい。なお、発振モジュール１２は、パルスレーザ源でもよい。パルスレーザ源は、例えば高出力のＹＡＧレーザパルス光源も使用可能である。発振モジュール１２は、１ｋＷ以上１０ｋＷのレーザを出力する。また、レーザ加工装置１０は、シングルモードのレーザを用いることで、効果をより好適に得ることができるが、シングルモードに限定されない。例えば、２つまたは３つのモードのレーザ等、一定数のモードのレーザを発振する場合も効果を得ることができる。

伝送ファイバ１４は、発振モジュール１２から出力されたレーザを照射ヘッド１６に伝送する。伝送ファイバ１４は、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２と融着層２４とを含む。ここで、伝送ファイバ１４は、発振モジュール１２から照射ヘッド１６に向かって、レーザが進み、伝送ファイバ１４のある位置よりも発振モジュール１２側が上流側（レーザ伝送方向上流側）、照射ヘッド１６が下流側（レーザ伝送方向下流側）となる。

第１ファイバ２０は、フィーディングファイバであり、図１に示すように入射側の端部が発振モジュール１２に接続され、出射側の端部が融着層２４を介して第２ファイバ２２に接続される。第１ファイバ２０は、図２及び図３に示すように、コア４０と、クラッド４２と、被覆層４４と、を含む。コア４０は、第１ファイバ２０の中心に配置される。コア４０は、径がΦ１となる。また、コア４０は、入出射角（開口数、ＮＡ）がＮＡ１となる。クラッド４２は、コア４０の外周に配置される。クラッド４２は、コア４０よりも屈折率が低い材料である。被覆層４４は、クラッド４２の外周を覆う。被覆層４４は、樹脂で形成される。第１ファイバ２０は、被覆層４４を設けることで、第１ファイバ２０の柔軟性を高くする。被覆層４４は、第１ファイバ２０の融着層２４側の端部を被覆していない。つまり、第１ファイバ２０は、融着層２４側の端部のクラッド４２が露出している。

第２ファイバ２２は、プロセスファイバであり、図１に示すように入射側の端部が融着層２４を介して第１ファイバ２０に接続され、出射側の端部が照射ヘッド１６に接続される。第２ファイバ２２は、図２及び図４に示すように、第１コア５０と、第１クラッド５２と、第２コア５４と、第２クラッド５６と、被覆層５８と、を含む。第１コア５０は、第２ファイバ２２の中心に配置される。第１コア５０は、径がΦ２となる。また、第１コア５０は、入出射角（ＮＡ）がＮＡ２となる。第１クラッド５２は、第１コア５０の外周に配置される。第１クラッド５２は、複数の空孔５３が形成されている。空孔５３は、第２ファイバ２２の延びている方向に延びる長穴である。複数の空孔５３は、第１コア５０の外周に、径方向に複数列で周方向に所定の間隔で規則的に配置され、リング状となる。第１コア５０を通過するレーザは、第１クラッド５２との境界面に到達すると第１コア５０と空孔との境界で反射される。第２ファイバ２２は、第１コア５０と第１クラッド５２で、フォトニック結晶ファイバ(ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ)としてもよい。なお、本実施形態では、空孔としたが、境界面でレーザを反射させることができればよく、高屈折率のガラスを配置してもよい。第２コア５４は、第１クラッド５２の外周にリング状に配置される。第２コア５４は、径（外径）がΦ３となる。また、第２コア５４は、入出射角（ＮＡ）がＮＡ３となる。第２クラッド５６は、第２コア５４の外周に配置される。第２クラッド５６は、第２コア５４よりも屈折率が低い材料である。被覆層５８は、第２クラッド５６の外周を覆う。被覆層５８は、樹脂で形成される。第２ファイバ２２は、被覆層５８を設けることで、第２ファイバ２２の柔軟性を高くすることができる。被覆層５８は、第２ファイバ２２の融着層２４側の端部を被覆していない。つまり、第２ファイバ２２は、融着層２４側の端部の第２クラッド５６が露出している。

融着層２４は、図１及び図２に示すように、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２との接続部分であり、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２とを直接接合する。融着層２４は、製造時に第１ファイバ２０の出射側の端部と第２ファイバ２２の入射側の端部とを加熱し、両者を融着することで形成される層である。融着層２４は、溶融した層であり、コアとクラッドとの明確な境界がない層となる。

伝送ファイバ１４は、入出射角と径とがＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たしている。つまり、第２ファイバ２２の第１コアの径φ２が、第１ファイバ２０のコア４０の径φ１よりも大きく、第１ファイバ２０のコア４０の入出射角ＮＡ１が、第２ファイバ２２の第１コアの入出射角ＮＡ２よりも大きい。また、伝送ファイバ１４は、ＮＡ１≦ＮＡ３を満たしている。

照射ヘッド１６は、対象物２に向けてレーザを照射する先端部である。照射ヘッド１６は、レーザを通過させる開口を備える。照射ヘッド１６は、アシストガスを噴射するアシストガス供給部、冷却媒体を循環する冷却経路等が形成されていてもよい。レーザ加工装置１０は、照射ヘッド１６と対象物２とを相対的に移動させることで、対象物２の所定の位置を加工することができる。

図５は、照射ヘッドの概略構成を示す模式図である。図６は、図５に示す照射ヘッドで照射されるレーザの分布を示す模式図である。照射ヘッド１６は、ケース７０と、伝送ファイバ取付部７２と、加工光学系７４と、アパーチャ７６と、冷却機構７８と、を含む。ケース７０は、照射ヘッド１６の各部を支持する土台であり、各部を内蔵する。ケース７０は、伝送ファイバ１４の第２ファイバ２２の出射側の端部が挿入されている。

伝送ファイバ取付部７２は、第２ファイバ２２の出力側の端部に配置された水晶である。第２ファイバ２２の第１コア５０、第２コア５４を通過したレーザを出射させる。第２ファイバ２２から出射されるレーザは、所定のＮＡで射出される。第１コア５０から出力されるレーザＬ１は、円形形状で出射される。第２コア５４から出射されるレーザＬ２は、レーザＬ１の周囲を覆うリング状形状で出射される。

加工光学系７４は、伝送ファイバ取付部７２を通過したレーザの形状を、照射位置に照射する形状とする。本実施形態の加工光学系７４は、レーザを平行光とした後に、集光する光学系である。加工光学系７４は、少なくとも１つ以上の光学部材を有する。光学部材としては、レンズ、プリズム、ミラー等を含む。

アパーチャ７６は、伝送ファイバ取付部７２と加工光学系７４との間に配置される。アパーチャ７６は、第２コア５４から出射されるレーザＬ２の光路上に配置され、レーザＬ２を遮蔽する。つまり、アパーチャ７６は、第１コア５０から出射されるレーザＬ１を通過させ、第２コア５４から出射されるレーザＬ２を遮蔽する。アパーチャ７６ｈは、筒状の部材であり、筒状の壁面が第２コア５４から出射されるレーザＬ２の光路と重なり、筒状の中空部分が第１コア５０から出射されるレーザＬ１の光路と重なる。

冷却機構７８は、アパーチャ７６を冷却する。冷却機構７８は、アパーチャ７６の内部に冷却水を循環させ、アパーチャ７６を冷却する。照射ヘッド１６は、アパーチャ７６に加え、伝送ファイバ取付部７２、加工光学系７４を冷却する冷却機構を備えてもよいし、冷却機構７８で、伝送ファイバ取付部７２、加工光学系７４を冷却してもよい。

照射ヘッド１６は、アパーチャ７６で、第２コア５４から出射されるレーザＬ２を遮蔽することで、照射位置にレーザＬ１のみを照射させる。したがって、照射位置に照射されるレーザのエネルギー分布は、図６に示すように、レーザＬ１のエネルギーのみとなる。これにより、集光されエネルギー密度の高いレーザを照射位置に照射することができる。

ここで、冷却ヘッド１６は、アパーチャ７６を設け、第２コア５４から射出されるレーザをアパーチャ７６で遮蔽したが、これに限定されない。図７は、照射ヘッドの他の例の概略構成を示す模式図である。図８は、図７に示す照射ヘッドで照射されるレーザの分布を示す模式図である。図７に示す照射ヘッド１６ａは、ケース７０ａと、伝送ファイバ取付部７２と、加工光学系７４ａと、を含む。ケース７０ａは、照射ヘッド１６の各部を支持する土台であり、各部を内蔵する。ケース７０は、伝送ファイバ１４の第２ファイバ２２の出射側の端部が挿入されている。伝送ファイバ取付部７２は、照射ヘッド１６の伝送ファイバ取付部７２と同様である。

加工光学系７４ａは、伝送ファイバ取付部７２を通過したレーザの形状を、照射位置に照射する形状とする。本実施形態の加工光学系７４ａは、レーザを平行光とした後に、集光する光学系である。加工光学系７４は、少なくとも１つ以上の光学部材を有する。光学部材としては、レンズ、プリズム、ミラー等を含む。加工光学系７４ａは、レーザＬ１とレーザＬ２の光路上に配置され、レーザＬ１とレーザＬ２との両方を集光して、照射位置に照射する。また、加工ヘッド１６ａは、冷却機構を備えていてもよい。

照射ヘッド１６ａは、第１コア５０から出射されるレーザＬ１と、第２コア５４から出射されるレーザＬ２の両方を照射位置に照射させる。したがって、照射位置に照射されるレーザのエネルギー分布は、図８に示すように、レーザＬ１のエネルギーに、レーザＬ２のエネルギーが加わる。レーザＬ２は、第２コア５４を通過したレーザであり、成分に幅がある光であるため、加工光学系７４ａによる集光でもばらつきが生じ、エネルギー密度が低く、広い範囲に照射される光となる。レーザＬ２は、加工位置を加温することができる。照射ヘッド１６ａは、加振モジュール１２から出力されたレーザを効率よく利用することができる。

レーザ加工装置１０は、以上のような構成であり、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２とを融着層２４で接続し、入出射角と径とがＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たしていることで、融着層２４で直接接合した場合でも、第１ファイバ２０のコア４０から射出された、シングルモードのレーザから出力されるＮＡの小さい成分を第２ファイバ２２の第１コア５０で伝送させることができる。また、ＮＡを小さくすることで、径φ２を大きくした場合でも、伝送可能距離を長く維持することができる。これにより、第１ファイバ２０から出射される入出射角が小さい成分の高い効率で第２ファイバ２２の第１コア５０に入射させることができる。これにより、レーザのうち、質の高い成分を高い確率で第２ファイバ２２に伝送することができ、伝送ファイバ１４からＮＡの小さい、つまり入出射角が小さいレーザを出射することができる。また、下流側の第２ファイバ２２のＮＡを小さくすることで、伝送可能距離をより長くすることができる。また、本実施形態のように、第１コア５０と第１クラッド５２をＰＣＦとすることで、入出射角ＮＡを調整しやすくすることができる。

また、融着層２４を介して第１ファイバ２０と第２ファイバ２２とを直接接合することで、カプラを用いずにレーザを伝送することができる。これにより、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２との相対位置を固定することができ、ファイバの相対位置のずれが経時変化で生じることを抑制することができ、高品質のレーザを長期間安定して伝送することができる。

また、レーザ加工装置１０は、第２ファイバ２２を第１コア５０と第１コア５０の外周に配置された第２コア５４を備え、入出射角の関係がＮＡ１≦ＮＡ３を満たすことで、第１ファイバ２０から出力されたレーザを漏れなく、第２ファイバ２２に入射させることができる。これにより、発振モジュール１２から出力されたレーザのうち、入出射角が小さく第１コア５０に入射する成分以外の成分を、第２コア５４で出力側の端部まで伝送することができる。これにより、伝送ファイバ１４の経路内での発熱を低減することができ、伝送ファイバ１４の耐久性を高くすることができる。入出射角ＮＡ３は、入出射角Ｎ１に対して、製造誤差を考慮した差分だけ入出射角Ｎ１よりも大きい範囲の入出射角とすることが好ましい。また、第２コア５４のΦ３は、第１ファイバ２０のコア４０から出力される入出射角が所定値以上の成分を閉じ込めることができる径以上とすることが好ましい。

また、入出射角が小さく第１コア５０に入射する成分以外の成分を、第２コア５４で出力側の端部まで伝送することで、第１コア５０から射出される成分以外の成分も加工の補助、例えば、対象物の加熱に用いることができる。これにより、発振モジュール１２から出力されるエネルギーを効率よく利用することができる。

また、第２コア５４から出力される成分は、照射ヘッド１６で遮蔽し、対象物２には、第１コア５０から出射するレーザのみを照射させてもよい。これにより、高品質なレーザを対象物２に照射することができ、加工の精度をより高くすることができる。また、第１コア５０と第２コア５４のそれぞれの領域でレーザを伝送するため、領域ごとにレーザの通過と遮蔽とを行うことで、入出射角に応じて、通過と遮蔽とを切り替えることができる。

ここで、入出射角ＮＡ１は、０．１８以上０．２２以下であり、入出射角ＮＡ２は、０．０５以上０．１１以下であることが好ましい。入出射角ＮＡ１と、入出射角ＮＡ２と、を上記範囲とすることで、高品質なレーザを長距離伝送することができる。ここで、入出射角ＮＡ１は、例えば、０．２以下であり、入出射角ＮＡ２は、例えば、０．０７以下である。ここで、入出射角ＮＡ２は、伝送ファイバ１４に要求されるビーム品質と、第１コア５０の径φ２に基づいて、ビーム品質を許容する値以下とする。

また、伝送ファイバ１４の第１ファイバ２０のコア４０の径φ１は、例えば、２０μｍ以上３０μｍ以下である。伝送ファイバ１４の第２ファイバ２２の第１コア５０の径φ２は、例えば、５０μｍ以上７０μｍ以下である。第１コア５０の径φ２は、第２ファイバ２２の伝送距離と伝送する出力と、第２ファイバ２２のラマン利得係数に基づいて、非線形効果が発生する径よりも大きくする。さらに、第１コア５０の径φ２は、想定される曲げ半径が生じた場合でも要求品質を満足するレーザを第１コア５０内に維持できる径以下の径、つまり、要求品質を満足しないレーザを第２コア５４側に出力する径以下の径とすることが好ましい。これにより、第１コア５０で伝送するレーザの品質を高くすることができる。

第２ファイバ２２の第１コア５０の径Φ２は、第２ファイバ２２の上流側の融着層２４の長さＬａとし、係数をα、Ｘとすると、
Φ２＝Φ１＋Ｘ×２＋α×Ｌａ
０≦Ｘ≦１０（単位μｍ）
０．１８≦α≦０．２２
を満たすことが好ましい。ここで、係数αは、融着層２４でのビームの広がり角を考慮した係数である。また、係数Ｘは、第１ファイバ２０のコア４０と第２ファイバ２２の第１コア５０との中心軸の製造時の径方向の相対的なずれ、つまり芯ずれの許容範囲を加味した値である。径Φ２が上記関係を満足することで、第１ファイバ２０から出力されたレーザのうち、品質の高いレーザを第２ファイバ２２の第１コア５０に好適に入射させることができる。

また、本実施形態の伝送ファイバ１４は、第２ファイバ２２の第２コア５４と第２クラッド５６を、ＰＣＦファイバ以外のファイバとしたが、第２クラッド５６に空孔を形成し、ＰＣＦファイバとしてもよい。つまり、第１クラッド５２と、第２クラッド５６との両方に空孔を設けてもよい。このように第２ファイバ２２をダブルクラッドＰＣＦとすることで、同様の加工で第１クラッド５２と、第２クラッド５６を製造することができる。

次に、図９及び図１０を用いて、他の実施形態について説明する。図１から図４に示すレーザ加工装置１０の伝送ファイバ１４は、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２とを直接接続したが、これに限定されない。図９は、他の実施形態の伝送ファイバを備えるレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。図１０は、図９に示す伝送ファイバのファイバの接続部の近傍を示す模式図である。

図９及び図１０に示すレーザ加工装置１０ａは、発振モジュール１２と、伝送ファイバ１４ａと、照射ヘッド１６と、を備える。発振モジュール１２と、照射ヘッド１６と、は、図１から図４に示すレーザ加工装置１０の各部と同様であるので、詳細な説明を省略する。

伝送ファイバ１４ａは、第１ファイバ２０と、第２ファイバ２２と、中間ファイバ１２４と、ケース１２８と、融着層１３０、１３２と、を含む。第１ファイバ２０、第２ファイバ２２は、伝送ファイバ１４の各部と同様の構成である。中間ファイバ１２４は、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２との間に配置される。中間ファイバ１２４は、入射側の端部が融着層１３０を介して、第１ファイバ２０の出射側の端部と接続し、出射側の端部が融着層１３２と接続する。つまり、伝送ファイバ１４ａは、第１ファイバ２０、融着層１３０、中間ファイバ１２４、融着層１３２、第２ファイバ２２の順で接続している。ケース１２８は、第１ファイバ２０の一部と、融着層１３０の全てと、中間ファイバ１２４の全てと、融着層１３２の全てと、第２ファイバ２２の一部を収容している。なお、ケース１２８を備えていない構造としてもよい。

中間ファイバ１２４は、継ぎ足しファイバであり、図９に示すように入射側の端部が融着層１３０を介して第１ファイバ２０に接続され、出射側の端部が融着層１３２を介して第２ファイバ２２に接続される。中間ファイバ１２４は、ケース１２８内でリング状に湾曲して配置される。中間ファイバ１２４は、図１０に示すように、第１コア１６０と、第１クラッド１６２と、第２コア１６４と、第２クラッド１６６と、被覆層１６８と、を含む。第１コア１６０は、中間ファイバ１２４の中心に配置される。第１コア１６０は、径がΦａとなる。また、第１コア１６０は、入出射角（ＮＡ）がＮＡａとなる。第１クラッド１６２は、第１コア１６０の外周に配置される。第１クラッド１６２は、複数の空孔が形成されている。中間ファイバ１２４は、第１コア１６０と第１クラッド１６２で、フォトニック結晶ファイバとなる。第２コア１６４は、第１クラッド１６２の外周にリング状に配置される。第２コア１６４は、径（外径）がΦｂとなる。また、第２コア１６４は、入出射角（ＮＡ）がＮＡｂとなる。第２クラッド１６６は、第２コア１６４の外周に配置される。第２クラッド１６６は、第２コア１６４よりも屈折率が低い材料である。被覆層１６８は、第２クラッド１６６の外周を覆う。被覆層１６８は、樹脂で形成される。中間ファイバ１２４は、被覆層１６８を設けることで、中間ファイバ１２４の柔軟性を高くすることができる。被覆層１６８は、中間ファイバ１２４の融着層１３０側の端部、融着層１３２側の端部を被覆していない。つまり、中間ファイバ１２４は、両側の端部の第２クラッド１６６が露出している。また、中間ファイバ１２４は、第２コア１６４と第２クラッド１６６とが、ＰＣＦとした、ダブルクラッドＰＣＦとしてもよい。

融着層１３０は、図９及び図１０に示すように、第１ファイバ２０と中間ファイバ１２４との接続部分であり、第１ファイバ２０と中間ファイバ１２４とを直接接合する。融着層１３０は、製造時に第１ファイバ２０の出射側の端部と中間ファイバ１２４の入射側の端部とを加熱し、両者を融着することで形成される層である。融着層１３０は、溶融した層であり、コアとクラッドとの明確な境界がない層となる。

融着層１３２は、図９及び図１０に示すように、中間ファイバ１２４と第２ファイバ２２との接続部分であり、中間ファイバ１２４と第２ファイバ２２とを直接接合する。融着層１３２は、製造時に中間ファイバ１２４の出射側の端部と第２ファイバ２２の入射側の端部とを加熱し、両者を融着することで形成される層である。融着層１３２は、溶融した層であり、コアとクラッドとの明確な境界がない層となる。

伝送ファイバ１４ａは、第１ファイバ２０、第２ファイバ２２、中間ファイバ１６０の入出射角、径の関係が、ＮＡ２≦ＮＡａ＜ＮＡ１、φ１＜Φａ＜φ２を満たす。また、ＮＡ１≦ＮＡｂ≦ＮＡ３、Φｂ＜φ３、ＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たすことが好ましい。伝送ファイバ１４ａは、第１ファイバ２０のコア４０と、中間ファイバ１２４の第１コア１６０の入出射角、径の関係が、上述した第１ファイバ２０のコア４０と、第２ファイバ２２の第１コア５０の関係を満たす構造とすることで、上記と同様の効果を得ることができる。また、伝送ファイバ１４ａは、中間ファイバ１２４の第１コア１６０と、第２ファイバ１２２の第１コア５０の入出射角、径の関係が、上述した第１ファイバ２０のコア４０と、第２ファイバ２２の第１コア５０の関係を満たす構造とすることで、上記と同様の効果を得ることができる。

このように、中間ファイバ１６０を設けた場合も、上流側のファイバと下流側のファイバが上述した関係を満たすことで、高品質なレーザを効率よく伝送することができる。また、中間ファイバ１６０を設けることで、第２ファイバ２２を交換する際に、中間ファイバ１６０で切断して、新たな第２ファイバ２２を融着して接続することができる。本実施形態のように、中間ファイバ１６０を湾曲してリング状に保持することで、距離が変化しても、中間ファイバ１６０の位置を調整でき、第２ファイバ２２との接続位置を所定の位置とすることができる。

また、伝送ファイバ１４ａは、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２との関係が上記関係を満足していることが好ましいが、第２ファイバ２２よりも上流側に配置されたファイバとの関係が上記関係を満足していればよく、中間ファイバの第１コア１６２の径Φａ及び入出射角ＮＡ４と第２ファイバ２２との関係が、伝送ファイバ１４の径φ１、入出射角ＮＡ１で説明した関係を満たしていてもよい。また、第１ファイバ２０と中間ファイバ１２４との接続部も融着層とすることで、使用時に生じる位置ずれ等を抑制することができる。このため、直接接合とすることが好ましいが、カプラ等を用いてレーザを伝送してもよい。

次に、図１１及び図１２を用いて、他の実施形態について説明する。図１１及び図１２は、第２ファイバとして第２コア、第２クラッドを備えないファイバを用いる場合のレーザ加工装置である。図１１は、他の実施形態の伝送ファイバを備えるレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。図１２は、図１１に示す伝送ファイバのファイバの接続部の近傍を示す模式図である。

図１１及び図１２に示すレーザ加工装置１０ｂは、発振モジュール１２と、伝送ファイバ１４ｂと、照射ヘッド１６と、を備える。発振モジュール１２と、照射ヘッド１６と、は、図１から図４に示すレーザ加工装置１０の各部と同様であるので、詳細な説明を省略する。

伝送ファイバ１４ｂは、第１ファイバ２０と、第２ファイバ２２２と、融着層２２４と、冷却装置２２８と、を含む。第１ファイバ２０は、伝送ファイバ１４の第１ファイバ２０と同様の構成である。第１ファイバ２０と第２ファイバ２２２は、融着層２２４で直接接続される。

第２ファイバ２２２は、プロセスファイバであり、図１１及び図１２に示すように入射側の端部が融着層２４を介して第１ファイバ２０に接続され、出射側の端部が照射ヘッド１６に接続される。第２ファイバ２２２は、図１１及び図１２に示すように、コア２５０と、クラッド２５２と、被覆層２５４と、を含む。コア２５０は、第２ファイバ２２２の中心に配置される。コア２５０は、径がΦ２となる。また、コア２５０は、入出射角（ＮＡ）がＮＡ２となる。クラッド２５２は、コア２５０の外周に配置される。クラッド２５２は、複数の空孔５３が形成されている。空孔は、第２ファイバ２２２の延びている方向に延びる長穴である。複数の空孔は、コア２５０の外周に、径方向に複数列で周方向に所定の間隔で規則的に配置され、リング状となる。コア２５０を通過するレーザは、クラッド２５２との境界面に到達するとコア２５０と空孔との境界で反射される。第２ファイバ２２２は、コア２５０とクラッド２５２で、フォトニック結晶ファイバ(ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ)となる。なお、本実施形態では、空孔としたが、境界面でレーザを反射させることができればよく、高屈折率のガラスを配置してもよい。被覆層２５４は、クラッド２５２の外周を覆う。被覆層２５４は、樹脂で形成される。第２ファイバ２２２は、被覆層２５４を設けることで、第２ファイバ２２２の柔軟性を高くすることができる。被覆層２５４は、第２ファイバ２２２の融着層２４側の端部を被覆していない。つまり、第２ファイバ２２２は、融着層２４側の端部のクラッド２５２が露出している。

また、第２ファイバ２２２は、湾曲部２７０と、直線部２７２と、を含む。湾曲部２７０と直線部２７２は、冷却装置２２８の内部に配置される。湾曲部２７０は、レーザの伝送方向に曲がった形状であり、冷却装置２２８内でリング状に湾曲している本実施形態では、所定の半径で複数周分巻かれている。湾曲部２７０は、１８０°以上曲がっていることが好ましく、１周（３６０°）分曲がっていることがより好ましい。直線部２７２は、湾曲部２７０よりも下流側の部分である。第２ファイバ２２２は、直線部２７２の少なくとも一部に被覆層２４が設けられていない。つまり、第２ファイバ２２２の直線部２７２は、クラッド２５２が一部または全部露出している露出部となる。

融着層２２４は、図１１及び図１２に示すように、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２２との接続部分であり、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２２とを直接接合する。融着層２４は、製造時に第１ファイバ２０の出射側の端部と第２ファイバ２２２の入射側の端部とを加熱し、両者を融着することで形成される層である。融着層２４は、溶融した層であり、コアとクラッドとの明確な境界がない層となる。

冷却装置２２８は、第１ファイバ２０の一部と、融着層２２４と、第２ファイバ２２２の一部を冷却する。冷却装置２２８は、水冷機構であり、冷却対象の領域をケースに収容し、ケース内に冷媒となる水を貯留し、冷却対象と水を接触させる。冷却装置２２８は、水を循環させてもよいし、水を冷却する冷却機構を備えていてもよい。また、冷却装置２２８は、ケースの内面に、第１ファイバ２０の一部と、融着層２２４と、第２ファイバ２２２の一部から漏れたレーザを吸収する受光部２７４を備える。 受光部２７４は、ケースの内面の全面に配置される。受光部２７４は、金属で形成することが好ましい。また、受光部２７４は、ステンレス鋼等、水に対して腐食耐性を備える金属を用いることが好ましい。これにより、使用時に冷却装置の内部の水で受光部２７４が劣化することを抑制することができる。

レーザ加工装置１０ｂは、第１ファイバ２０と第２ファイバ２２２とを融着層２２４で接続し、入出射角と径とがＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たしていることで、融着層２２４で直接接合した場合でも、第１ファイバ２０のコア４０から射出された、シングルモードのレーザから出力されるＮＡの小さい成分を第２ファイバ２２２のコア２５０で伝送させることができる。

また、レーザ加工装置１０ｂは、第２ファイバ２２２に湾曲部２７０と、直線部２７２とを設け、湾曲部２７０でレーザから出力されるＮＡの小さい成分以外の成分を外部に排出されやすい状態とし、被覆層２５４を形成していない直線部２７２で外部に排出することで、コア２５０内にＮＡの小さい成分のレーザで好適に伝送することができる。

冷却装置２２８を設け、融着層２２４と、第２ファイバ２２２の湾曲部２７０と、直線部２７２と、を冷却することで、コア２５０から漏れたレーザが当たる湾曲部２７０の被覆層２５４を冷却することができ、さらに融着層２２４と直線部２７２から漏れ出たレーザが周囲に漏れることを抑制することができる。これにより、第２ファイバ２２２のように、コアが１つの構造、つまり第２コアと第２クラッドと備えない構造とした場合でも、品質の高いレーザを好適に照射させることができる。

２ 対象物
１０、１０ａ、１０ｂ レーザ加工装置
１２ 発振モジュール
１４、１４ａ、１４ｂ 伝送ファイバ
１６ 照射ヘッド
２０ 第１ファイバ
２２、２２２ 第２ファイバ
２４、１３０、１３２ 融着層
４０、２５０ コア
４２、２５２ クラッド
４４、５８、１６８、２５４ 被覆層
５０、１６０ 第１コア
５２、１６２ 第１クラッド
５３ 空孔
５４、１６４ 第２コア
５６、１６６ 第２クラッド
１２４ 中間ファイバ
１２８ ケース
２２８ 冷却装置
２７０ 湾曲部
２７２ 直線部
２７４ 受光部
Ｌ レーザ
Ｌａ 距離
Φ１、Φ２、Φ３、Φ４、Φ５ 径

Claims (16)

1. 加工用レーザを伝送する伝送ファイバであって、
   前記伝送ファイバの中心側に配置されたコアを備える第１ファイバと、
   前記第１ファイバよりも下流側に配置され、入力側の端部が上流側のファイバの出力側の端部と接続された第２ファイバと、を備え、
   前記第１ファイバのコアの入出射角をＮＡ１、前記第１ファイバのコアの径をφ１とし、前記第２ファイバの中心側に配置されたコアの入出射角をＮＡ２、前記第２ファイバのコアの径をφ２とした場合、ＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たすことを特徴とする伝送ファイバ。
2. 前記入出射角ＮＡ１は、０．１８以上０．２２以下であり、
   前記入出射角ＮＡ２は、０．０５以上０．１１以下であることを特徴とする請求項１に記載の伝送ファイバ。
3. 前記第２ファイバは、上流側のファイバの出力側の端部と融着層を介して接続される請求項１または請求項２に記載の伝送ファイバ。
4. 前記第２ファイバのコアの径Φ２は、前記第２ファイバの上流側の融着層の長さＬａとし、係数をα、Ｘとすると、
   Φ２＝Φ１＋Ｘ×２＋α×Ｌａ
   
   ０≦Ｘ≦１０（単位μｍ）
   ０．１８≦α≦０．２２
   
   を満たすことを特徴とする請求項３に記載の伝送ファイバ。
5. 前記第２ファイバは、中心側に配置された第１コアと、前記第１コアの外周に配置された第１クラッドと、前記第１クラッドの外周に配置された第２コアと、を備え、
   前記第１コアの入出射角をＮＡ２とし、前記第１コアの径をφ２とした場合、ＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たすことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の伝送ファイバ。
6. 前記第２コアの入出射角をＮＡ３とした場合、ＮＡ１≦ＮＡ３であることを特徴とする請求項５に記載の伝送ファイバ。
7. 前記第２ファイバは、前記第１コア及び前記第１クラッドがフォトニック結晶ファイバであり、かつ、前記第２コア及び前記第２コアの外側に配置されたクラッドがフォトニック結晶ファイバである、ダブルクラッドＰＣＦであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の伝送ファイバ。
8. 前記第２ファイバは、入力側の端部に接続される前記上流側のファイバが前記第１ファイバであり、前記第１ファイバに直接接続されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の伝送ファイバ。
9. 前記第１ファイバよりも下流側に配置され、前記第２ファイバよりも上流側に配置され、入力側の端部が前記第１ファイバの出力側の端部と融着層を介して接続された中間ファイバを有し、
   前記中間ファイバのコアの入出射角をＮＡａ、前記中間ファイバのコアの径をφａとした場合、ＮＡ２≦ＮＡａ＜ＮＡ１、φ１＜Φａ＜φ２を満たすことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の伝送ファイバ。
10. 前記第２ファイバと上流側のファイバとの融着層及び前記第２ファイバの融着層よりも下流側であり曲がっている湾曲部とを収容し、前記第２ファイバを冷却する冷却装置を有し、
    前記第２ファイバは、前記冷却装置よりも下流側にレーザを遮蔽する被覆層を備え、前記冷却装置内に配置され、前記湾曲部よりも下流側の部分の少なくとも一部が前記被覆層を備えない露出部である請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の伝送ファイバ。
11. 前記露出部は、直線状に延びる直線部であることを特徴とする請求項１０に記載の伝送ファイバ。
12. 前記冷却装置は、内面に前記レーザを吸収する受光部を備えることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の伝送ファイバ。
13. 前記第２ファイバは、中心に配置されたコア及び前記コアの外側のクラッドがフォトニック結晶ファイバであることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の伝送ファイバ。
14. 前記第２ファイバは、最外周に樹脂で形成された被覆層を備えることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の伝送ファイバ。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の伝送ファイバと、
    前記伝送ファイバにシングルモードのレーザを入射する発振モジュールと、
    前記伝送ファイバから出力されるレーザを対象物に照射する照射ヘッドと、を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
16. 発振モジュールから出力されたレーザを照射ヘッドに伝送するレーザ伝送方法であって、
    第１ファイバに前記発振モジュールから出力されたレーザを入射させ、
    前記第１ファイバよりもレーザの伝送方向の下流側に配置された第２ファイバに前記第１ファイバから出力されたレーザを入射させて、前記第２ファイバの下流から出射させて、レーザを伝送し、
    前記第１ファイバのコアの入出射角をＮＡ１、前記第１ファイバのコアの径をφ１とし、前記第２ファイバの中心側に配置されたコアの入出射角をＮＡ２、前記第２ファイバのコアの径をφ２とした場合、ＮＡ２＜ＮＡ１、φ１＜φ２を満たすことを特徴とするレーザ伝送方法。

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