JP2023058673A - 光コンバイナ及びレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力光ファイバの第１の光導波路と第２の光導波路とにそれぞれレーザ光を導入することができる製造容易な光コンバイナを提供する。【解決手段】光コンバイナ３は、それぞれコア１１を含む複数の第１の入力光ファイバ１０と、第１の入力光ファイバ１０のコア１１に接続されるブリッジ入射面２６と、光軸方向に沿ってブリッジ入射面２６から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部２４と、光軸方向においてブリッジ入射面２６とは反対側のブリッジ出射面２７とを有するブリッジファイバ２０と、ブリッジファイバ２０のブリッジ出射面２７に接続されるコア３１を含む中間光ファイバ３０と、それぞれコア４１を含む複数の第２の入力光ファイバ４０と、中間光ファイバ３０のコア３１に接続されるセンタコア５１と、第２の入力光ファイバ４０のコア４１に接続されるリングコア５３とを含む出力光ファイバ５０とを備える。【選択図】図3

Description

本発明は、光コンバイナ及びレーザ装置に係り、特に複数の入力光ファイバからのレーザ光を結合して出力光ファイバから出力する光コンバイナに関するものである。

レーザ加工の分野では、加工速度や加工品質などの加工性能を向上する上で、加工対象物に照射するレーザ光のビームプロファイルを加工対象物の材料や厚みに合わせて変更することが重要である。近年、このような観点から、出力側の光ファイバに複数の光導波路を形成し、これらの光導波路のそれぞれに導入するレーザ光を制御することによって、加工対象物に照射されるレーザ光のビームプロファイルを所望の形態に変化させる技術も開発されている。

例えば、特許文献１には、光導波路として中心コアとその周囲に位置する外側コアとを有する出力光ファイバにレーザ光を導入するための光コンバイナとして、出力光ファイバの中心コアに対応して中心側に複数の光ファイバ（中心側光ファイバ）を配置し、出力光ファイバの外側コアに対応して中心側光ファイバの周囲に複数の光ファイバ（外側光ファイバ）を環状に配置したものが開示されている（図８ａ及び図８ｂ参照）。この特許文献１に開示されている従来の構成においては、出力光ファイバの径が大きくなることを避けるために、中心側光ファイバの径を外側光ファイバの径よりも小さくせざるを得ない。このように、中心側光ファイバの径が小さいと、中心側光ファイバの機械的強度が低くなり、中心側光ファイバが折れたり、切れたりするなどの問題が生じやすく、またその製造も難しくなる。このような問題があるため、中心側光ファイバの数を増やすことが難しく、これにより中心側光ファイバが接続される出力光ファイバの中心コアに導入されるレーザ光のパワーを高めることが難しくなる。このため、出力光中心コアを伝搬するレーザ光と外側コアを伝搬するレーザ光の出力バランスを調整することも難しくなる。

特開２００９－１４５８８８号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、出力光ファイバの第１の光導波路と第２の光導波路とにそれぞれレーザ光を導入することができる製造容易な光コンバイナを提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することができるレーザ装置を提供することを第２の目的とする。

本発明の第１の態様によれば、出力光ファイバの第１の光導波路と第２の光導波路とにそれぞれレーザ光を導入することができる製造容易な光コンバイナが提供される。この光コンバイナは、それぞれコアを含む複数の第１の入力光ファイバと、上記複数の第１の入力光ファイバの上記コアに接続されるブリッジ入射面と、光軸方向に沿って上記ブリッジ入射面から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部と、上記光軸方向において上記ブリッジ入射面とは反対側のブリッジ出射面とを有するブリッジファイバと、上記ブリッジファイバの上記ブリッジ出射面に接続されるコアを含む中間光ファイバと、コアを含む少なくとも１つの第２の入力光ファイバと、上記中間光ファイバの上記コアに接続される第１の光導波路と、上記少なくとも１つの第２の入力光ファイバの上記コアに接続される第２の光導波路とを含む出力光ファイバとを備える。

本発明の第２の態様によれば、所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することができるレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、第１のレーザ光を生成する少なくとも１つの第１のレーザ光源と、第２のレーザ光を生成する少なくとも１つの第２のレーザ光源と、上述した光コンバイナとを備える。上記光コンバイナの上記複数の第１の入力光ファイバのうち少なくとも１つは、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源に接続される。上記光コンバイナの上記少なくとも１つの第２の入力光ファイバは、上記少なくとも１つの第２のレーザ光源に接続される。

図１は、本発明の一実施形態におけるレーザ装置の構成を示す模式的ブロック図である。 図２は、図１のレーザ装置における光コンバイナを示す斜視図である。 図３は、図２の光コンバイナの分解斜視図である。 図４は、図３の光コンバイナの出力光ファイバの断面を半径方向に沿った屈折率分布とともに示す図である。 図５は、図３の光コンバイナの中間光ファイバ及び第２の入力光ファイバと出力光ファイバとの接続関係を示す模式図である。 図６は、本発明の他の実施形態における光コンバイナを示す斜視図である。 図７は、本発明の他の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す模式的ブロック図である。 図８は、本発明の他の実施形態における出力光ファイバの断面を半径方向に沿った屈折率分布とともに示す図である。

以下、本発明に係る光コンバイナ及びこれを備えたレーザ装置の実施形態について図１から図８を参照して詳細に説明する。図１から図８において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図８においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。

図１は、本発明の一実施形態におけるレーザ装置１の構成を示す模式的ブロック図である。図１に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１は、レーザ光を生成する第１のレーザ光源２Ａ及び第２のレーザ光源２Ｂと、それぞれのレーザ光源２Ａ，２Ｂからのレーザ光が入力される光コンバイナ３と、光コンバイナ３の下流側の端部に設けられたレーザ出射部４と、レーザ光源２Ａ，２Ｂを制御する制御部５とを備えている。それぞれのレーザ光源２Ａ，２Ｂと光コンバイナ３とは光ファイバ６により互いに接続されており、光コンバイナ３とレーザ出射部４とは光ファイバ７により互いに接続されている。レーザ光源２Ａ，２Ｂとしては例えばファイバレーザや半導体レーザを用いることができる。本実施形態におけるレーザ装置１は、３つのレーザ光源２Ａと６つのレーザ光源２Ｂを含んでいるが、レーザ光源２Ａ，２Ｂの数はこれに限られるものではない。なお、本明細書では、特に言及がない場合には、レーザ光源２Ａ，２Ｂからレーザ出射部４に向かってレーザ光が伝搬する方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。

このようなレーザ装置１においては、第１のレーザ光源２Ａにおいて生成された第１のレーザ光と第２のレーザ光源２Ｂにおいて生成された第２のレーザ光がそれぞれ光ファイバ６を伝搬して光コンバイナ３に導入される。この光コンバイナ３では、複数のレーザ光源２Ａ，２Ｂからのレーザ光が結合されて光ファイバ７に出力される。光ファイバ７に出力された高出力のレーザ光Ｌはレーザ出射部４から例えば被加工物に向けて出射される。

図２は光コンバイナ３を示す斜視図、図３は分解斜視図である。図２及び図３に示すように、本実施形態における光コンバイナ３は、第１のレーザ光源２Ａから延びる光ファイバ６の少なくとも一部によりそれぞれ構成される複数の第１の入力光ファイバ１０と、これらの第１の入力光ファイバ１０に接続されるブリッジファイバ２０と、ブリッジファイバ２０に接続される中間光ファイバ３０と、第２のレーザ光源２Ｂから延びる光ファイバ６の少なくとも一部によりそれぞれ構成される複数の第２の入力光ファイバ４０と、上述した光ファイバ７の少なくとも一部により構成される出力光ファイバ５０とを含んでいる。

図２及び図３に示すように、本実施形態においては、３本の第１の入力光ファイバ１０が互いに接した状態でブリッジファイバ２０に接続されている。それぞれの第１の入力光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の周囲を覆うクラッド１２とを有している。クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低くなっており、コア１１の内部には、第１のレーザ光源２Ａからの第１のレーザ光が伝搬する光導波路が形成されている。このように、第１の入力光ファイバ１０は、第１のレーザ光源２Ａからの第１のレーザ光をそのコア１１の内部に伝搬させて出射端部１０Ａ（図３参照）から出射するように構成されている。なお、第１の入力光ファイバ１０は、ブリッジファイバ２０から離れた位置でクラッド１２の外周面を覆う被覆層（図示せず）を有している。

ブリッジファイバ２０は、コア２１と、コア２１の周囲を覆うクラッド２２とを有している。クラッド２２の屈折率はコア２１の屈折率よりも低くなっており、コア２１の内部には第１のレーザ光が伝搬する光導波路が形成されている。このようなコア－クラッド構造を内部に有するブリッジファイバ２０は、光軸に沿って一定の外径で延びる第１の円筒部２３と、第１の円筒部２３から光軸に沿って次第に外径が小さくなる縮径部２４と、縮径部２４から光軸方向に沿って一定の外径で延びる第２の円筒部２５とを含んでいる。第１の円筒部２３の端面は、それぞれの第１の入力光ファイバ１０の出射端部１０Ａが融着接続されるブリッジ入射面２６となっている。光軸方向においてブリッジ入射面２６とは反対側に位置する第２の円筒部２５の端面は、中間光ファイバ３０の入射端部３０Ａ（図３参照）が融着接続されるブリッジ出射面２７となっている。ブリッジファイバ２０のブリッジ入射面２６におけるコア２１の大きさは、すべての第１の入力光ファイバ１０のコア１１を内部に包含できるような大きさとなっており、第１の入力光ファイバ１０とブリッジファイバ２０とは、すべての第１の入力光ファイバ１０のコア１１がブリッジファイバ２０のブリッジ入射面２６におけるコア２１の領域内に位置するように融着接続される。このように、ブリッジファイバ２０は、第１の入力光ファイバ１０の出射端部１０Ａから出射された第１のレーザ光をそのコア２１の内部に伝搬させ、縮径部２４によってそのビーム径を小さくするように構成されている。なお、第１の入力光ファイバ１０のコア１１からブリッジファイバ２０のコア２１に第１のレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、ブリッジファイバ２０のコア２１の屈折率は、第１の入力光ファイバ１０のコア１１の屈折率と略同一であることが好ましい。

中間光ファイバ３０は、コア３１と、コア３１の周囲を覆うクラッド３２とを有している。クラッド３２の屈折率はコア３１の屈折率よりも低くなっており、コア３１の内部には、第１のレーザ光が伝搬する光導波路が形成されている。中間光ファイバ３０のコア３１の大きさは、ブリッジファイバ２０のブリッジ出射面２７におけるコア２１の大きさ以上となっており、ブリッジファイバ２０と中間光ファイバ３０とは、ブリッジ出射面２７におけるブリッジファイバ２０のコア２１が中間光ファイバ３０のコア３１の領域内に位置するように融着接続される。このように、中間光ファイバ３０は、ブリッジファイバ２０から伝搬してきた第１のレーザ光をそのコア３１の内部に伝搬させるように構成されている。なお、ブリッジファイバ２０のコア２１から中間光ファイバ３０のコア３１に第１のレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、中間光ファイバ３０のコア３１の屈折率は、ブリッジファイバ２０のコア２１の屈折率と略同一であることが好ましい。

本実施形態では、６本の第２の入力光ファイバ４０がこの中間光ファイバ３０を取り囲んでその外周面に接するように配置されており、隣り合う第２の入力光ファイバ４０は互いに接した状態となっている。それぞれの第２の入力光ファイバ４０は、コア４１と、コア４１の周囲を覆うクラッド４２とを有している。クラッド４２の屈折率はコア４１の屈折率よりも低くなっており、コア４１の内部には、第２のレーザ光源２Ｂからの第２のレーザ光が伝搬する光導波路が形成されている。このように、第２の入力光ファイバ４０は、第２のレーザ光源２Ｂからの第２のレーザ光をそのコア４１の内部に伝搬させて出射端部４０Ａ（図３参照）から出射するように構成されている。このような第２の入力光ファイバ４０としては、上述した第１の入力光ファイバ１０と同種の光ファイバを用いることができる。なお、第２の入力光ファイバ４０は、出力光ファイバ５０から離れた位置でクラッド４２の外周面を覆う被覆層（図示せず）を有している。

図４は、出力光ファイバ５０の断面を半径方向に沿った屈折率分布とともに示す図である。図４に示すように、出力光ファイバ５０は、センタコア５１と、センタコア５１の周囲を覆う内側クラッド５２と、内側クラッド５２の周囲を覆うリングコア５３と、リングコア５３の周囲を覆う外側クラッド５４とを有している。内側クラッド５２の屈折率はセンタコア５１及びリングコア５３の屈折率よりも低くなっており、外側クラッド５４の屈折率はリングコア５３の屈折率よりも低くなっている。これにより、センタコア５１の内部にレーザ光が伝搬する第１の光導波路が形成され、リングコア５３の内部にレーザ光が伝搬する第２の光導波路が形成される。本実施形態では、リングコア５３の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率媒質として、リングコア５３の周囲に外側クラッド５４が形成されているが、このような低屈折率媒質は、外側クラッド５４のような被覆層に限られるものではなく、例えばリングコア５３の周囲に空気の層を形成し、この空気の層を低屈折率媒質として用いてもよい。なお、出力光ファイバ５０は、中間光ファイバ３０及び第２の入力光ファイバ４０から離れた位置で外側クラッド５４の外周面を覆う被覆層（図示せず）を有している。

中間光ファイバ３０の出射端部と第２の入力光ファイバ４０の出射端部４０Ａとはそれぞれ出力光ファイバ５０に融着接続されている。図５は、中間光ファイバ３０及び第２の入力光ファイバ４０と出力光ファイバ５０との接続関係を示す模式図である。本実施形態では、出力光ファイバ５０のセンタコア５１の大きさは、中間光ファイバ３０のコア３１よりも大きくなっており、図５に示すように、中間光ファイバ３０と出力光ファイバ５０とは、中間光ファイバ３０のコア３１が出力光ファイバ５０のセンタコア５１の領域（内側の網掛け領域）内に位置するように融着接続される。また、出力光ファイバ５０のリングコア５３の大きさは、第２の入力光ファイバ４０のすべてのコア４１を内部に包含できるような大きさとなっており、図５に示すように、第２の入力光ファイバ４０と出力光ファイバ５０とは、すべての第２の入力光ファイバ４０のコア４１が出力光ファイバ５０のリングコア５３の領域（外側の網掛け領域）内に位置するように融着接続される。

このような構成において、第１のレーザ光源２Ａで生成された第１のレーザ光は、第１の入力光ファイバ１０のコア１１を伝搬し、ブリッジファイバ２０のブリッジ入射面２６からブリッジファイバ２０のコア２１に入射する。ブリッジファイバ２０のコア２１に入射したレーザ光は、コア２１とクラッド２２との界面で反射しながらブリッジファイバ２０のコア２１を伝搬し、縮径部２４によってそのビーム径が小さくなった状態でブリッジ出射面２７から中間光ファイバ３０のコア３１に入射する。中間光ファイバ３０のコア３１に入射したレーザ光は、コア３１の内部を伝搬して出力光ファイバ５０のセンタコア５１に入射し、第１の光導波路であるセンタコア５１の内部を伝搬してレーザ出射部４（図１参照）から出射される。また、第２のレーザ光源２Ｂで生成された第２のレーザ光は、第２の入力光ファイバ４０のコア４１を伝搬し、出力光ファイバ５０のリングコア５３に入射する。出力光ファイバ５０のリングコア５３に入射したレーザ光は、第２の光導波路であるリングコア５３の内部を伝搬してレーザ出射部４（図１参照）から出射される。

このように、本実施形態では、第１の入力光ファイバ１０のコア１１及び第２の入力光ファイバ４０のコア４１を伝搬するレーザ光をそれぞれ出力光ファイバ５０のセンタコア５１とリングコア５３に導入する際に、第１の入力光ファイバ１０のコア１１を伝搬する光をブリッジファイバ２０でビーム径を小さくした後に出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入しているため、第１の入力光ファイバ１０の径を小さくすることなく第１の入力光ファイバ１０をブリッジファイバ２０に接続することができる。したがって、第１の入力光ファイバ１０の機械的強度を維持することができるため、光コンバイナ３の製造も容易である。また、第１の入力光ファイバ１０の径を小さくすることなく、第１の入力光ファイバ１０の数を増やすことができるため、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入するレーザ光のパワーを高めることも容易となり、センタコア５１を伝搬するレーザ光とリングコア５３を伝搬するレーザ光の出力バランスを調整することも容易となる。これにより、レーザ装置１のレーザ出射部４から所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することが可能となる。

また、制御部５によって第１のレーザ光源２Ａ（例えば第１のレーザ光源２Ａに供給する電流）を制御することによって第１のレーザ光源２Ａによって生成される第１のレーザ光の出力を調整することができ、また、第２のレーザ光源２Ｂ（例えば第２のレーザ光源２Ｂに供給する電流）を制御することによって第２のレーザ光源２Ｂによって生成される第２のレーザ光の出力を調整することができる。したがって、制御部５によって第１のレーザ光源２Ａ及び第２のレーザ光源２Ｂを制御して第１のレーザ光と第２のレーザ光の強度の割合を変化させることができ、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入される第１のレーザ光とリングコア５３に導入される第２のレーザ光の割合を調整することができる。このようにして、レーザ装置１のレーザ出射部４から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。

本実施形態では、中間光ファイバ３０のコア３１は、出力光ファイバ５０のセンタコア５１の領域内に位置しているため、中間光ファイバ３０のコア３１を伝搬するレーザ光を効率的に出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入することができる。また、同様に、本実施形態では、すべての第２の入力光ファイバ４０のコア４１が、出力光ファイバ５０のリングコア５３の領域内に位置しているため、第２の入力光ファイバ４０のコア４１を伝搬するレーザ光を効率的に出力光ファイバ５０のリングコア５３に導入することができる。なお、この場合において、すべての第２の入力光ファイバ４０のコア４１ではなく、一部の第２の入力光ファイバ４０のコア４１が出力光ファイバ５０のリングコア５３の領域内に位置していてもよい。

また、図５に示すように、中間光ファイバ３０のクラッド３２の外周縁が出力光ファイバ５０の内側クラッド５２の領域（内側の網掛け領域と外側の網掛け領域との間の領域）内に位置していることが好ましい。中間光ファイバ３０のクラッド３２の外周縁が出力光ファイバ５０の内側クラッド５２の領域内に位置している場合には、中間光ファイバ３０の外側に位置する第２の入力光ファイバ４０のいずれもが、出力光ファイバ５０のセンタコア５１の外側の領域に位置することとなるため、第２の入力光ファイバ４０のコア４１を伝搬するレーザ光が、中間光ファイバ３０のコア３１から出力光ファイバ５０のセンタコア５１に入射するレーザ光に混ざってしまうことを抑制することができる。

さらに、図５に示すように、第２の入力光ファイバ４０の外周縁の少なくとも一部が出力光ファイバ５０の内側クラッド５２の領域（内側の網掛け領域と外側の網掛け領域との間の領域）内に位置していることが好ましい。第２の入力光ファイバ４０の外周縁の少なくとも一部が出力光ファイバ５０の内側クラッド５２の領域内に位置している場合には、第２の入力光ファイバ４０の内側に位置する中間光ファイバ３０が、出力光ファイバ５０のリングコア５３の内側の領域に位置しやすくなるため、中間光ファイバ３０のコア３１を伝搬するレーザ光が、第２の入力光ファイバ４０のコア４１から出力光ファイバ５０のリングコア５３に入射するレーザ光に混ざってしまうことを抑制することができる。

例えばレーザ出射部４から反射光が戻ってくると、この反射光が光コンバイナ３の内部で漏れ出すことが考えられる。特許文献１に記載されているような従来の光コンバイナにおいては、中心側光ファイバと外側光ファイバとが出力光ファイバの同一面に接続されているため、出力光ファイバの中心コアを伝搬する反射光と外側コアを伝搬する反射光とが出力光ファイバの１つの面から漏れ出して局所的な発熱量が多くなる可能性がある。これに対して、本実施形態では、第１の入力光ファイバ１０がブリッジファイバ２０のブリッジ入射面２６に接続され、第２の入力光ファイバ４０が出力光ファイバ５０に接続されているため、出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬する反射光はブリッジファイバ２０のブリッジ入射面２６から漏れ出し、リングコア５３を伝搬する反射光は出力光ファイバ５０の端面から漏れ出すこととなる。このように、本実施形態では、センタコア５１を伝搬する反射光が漏れ出す面とリングコア５３を伝搬する反射光が漏れ出す面とが異なっているため、反射光が分散されて局所的な発熱を低減することができる。このため、光コンバイナ３が故障するリスクも低減する。

例えば、本実施形態におけるレーザ装置１により薄い金属板である加工対象物を切断する場合には、レーザ光Ｌの中心側の光パワー密度が高い小径の円形形状のビームを使用してもよく、厚い金属板である加工対象物を切断する場合には、ビームウェスト部からレーザ伝搬方向（加工対象物の厚さ方向）にずれた位置でのスポット径や光パワー密度の変化率が小さい大径円環形状のビームを使用してもよい。このような大径円環形状のビームは、ビーム径及びビーム出力が同じであっても、円形形状のビームに比べてビームウェスト部での光パワー密度を大きくできるという利点があり、厚板を切断するのに適している。

しかしながら、レーザ出射部４において出力光ファイバ５０のリングコア５３から出射されるレーザ光の出射角度がセンタコア５１から出射されるレーザ光の出射角度よりも大きいと、厚板を切断するのに適した大径円環形状のビームの優位性が低減してしまう。これは、光の出射角が大きくなると、パワー密度の低下が焦点位置から離れるに従って大きくなるので、加工対象物が厚くなると、切断に必要なパワー密度を厚さ方向に対して得られなくなってしまうからである。

このような観点から、出力光ファイバ５０のリングコア５３から出射されるレーザ光の出射角度がセンタコア５１から出射されるレーザ光の出射角度よりも小さくなるように光コンバイナ３を構成してもよい。例えば、レーザ光源２Ａ，２Ｂとして同等の性能の光源を用いた場合に、第２の入力光ファイバ４０から出力光ファイバ５０のリングコア５３に出射される光のＮＡを第１の入力光ファイバ１０からブリッジファイバ２０及び中間光ファイバ３０を通って出力光ファイバ５０のセンタコア５１に出射される光のＮＡよりも低くしてもよい。ここでいう光のＮＡとは、ビームが伝搬するコアの屈折率をｎ、そのビームの伝搬角をθとすると、ＮＡ＝ｎｓｉｎθにより定義される量を意味している。また、本明細書においては、レーザ光源における「同等の性能」は、製造上のばらつきが許容される範囲の性能を意味し、例えばビームパラメータ積（ＢＰＰ）が±２０％の範囲に入るものが挙げられる。

第２の入力光ファイバ４０から出力光ファイバ５０のリングコア５３に出射される光のＮＡを低くするために、例えば、出力光ファイバ５０のリングコア５３に接続される部分で第２の入力光ファイバ４０の径が最も小さくなるように第２の入力光ファイバ４０に縮径部を形成してもよい。この場合において、出力光ファイバ５０のリングコア５３に接続される第２の入力光ファイバ４０の縮径部の端面におけるコア４１の径に対する第２の入力光ファイバ４０の縮径されていない部分のコア４１の径の比を第２の入力光ファイバ４０の縮径部の縮経率と定義すると、第２の入力光ファイバ４０の縮径部の縮径率は、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に接続される中間光ファイバ３０のコア３１の径に対するブリッジファイバ２０のブリッジ入射面２６におけるコア２１の径の比よりも小さいことが厚板を切断するのに適したレーザ光Ｌを出力する上で好ましい。

あるいは、図６に示すように、第２の入力光ファイバ４０と出力光ファイバ５０との間に、内部を伝搬するレーザ光の出射角度を小さくする機能を有する光調整部材６０を設けてもよい。このような光調整部材６０としては、例えば中心軸から半径方向外側に向かって次第に屈折率が低くなったＧＲＩＮ（Graded Index又はGradient Index）レンズ部材を用いることができる。このような光調整部材６０により、第２の入力光ファイバ４０のコア４１を伝搬するレーザ光の出射角度を小さくしてから出力光ファイバ５０のリングコア５３に導入することで、レーザ出射部４のリングコア５３から出力されるレーザ光のＮＡを低下させることができる。したがって、このようなレーザ光を加工対象物Ｗの加工に用いることで、加工対象物Ｗの表面や内部、裏面でのビーム径及び光パワー密度の変動を抑えることができ、例えば厚い金属板を加工するのに適したレーザ光Ｌを加工対象物Ｗに照射することが可能である。

一方で、レーザ出射部４において出力光ファイバ５０のリングコア５３から出射されるレーザ光の出射角度とセンタコア５１から出射されるレーザ光の出射角度との間に差があると、集光光学系の焦点位置からずれたデフォーカス位置でリングコア５３からのレーザ光とセンタコア５１からのレーザ光とが重なってしまい、加工性能の低下を招くおそれがある。この観点から、図６に示す光調整部材６０に代えて、内部を伝搬する第２のレーザ光の出射角度を増加させる機能を有する光調整部材を用いてもよい。このような光調整部材６０としては、例えば、第２の入力光ファイバ４０のモードフィールド径よりも大きなモードフィールド径を有する光ファイバ、中心部から半径方向外側の周縁部に向かって次第に屈折率が上昇する屈折率分布を有する円柱状のレンズ部材、第２の入力光ファイバ４０から光軸方向に沿って次第に径が小さくなったテーパ部材、２つのＧＲＩＮレンズ部材を組み合わせたものなどが考えられる。

ところで、レーザ光が上述した光コンバイナ３を伝搬する間にコアから漏れ出してクラッドを伝搬するクラッドモード光が発生することがある。このようなクラッドモード光は、光コンバイナ３の下流側の出力光ファイバ５０において発熱の原因となることが考えられ、また、レーザ出射部４からクラッドモード光が意図しない領域に照射されてレーザ加工の品質を低下させることも考えられる。

特に、上述した実施形態のように、出力光ファイバ５０が複数のコア５１，５３を含んでいる場合には、それぞれのコア５１，５３にレーザ光を入射する際に発生するクラッドモード光が同一の出力光ファイバ５０のクラッド５２，５４を伝搬することになるため、出力光ファイバ５０をシングルコア光ファイバにより構成した場合と比較して、出力光ファイバ５０を伝搬するクラッドモード光が多くなる傾向にある。このようなクラッドモード光を除去するために、出力光ファイバ５０の途中にクラッドモード光除去部を設けた場合には、クラッドモード光除去部での発熱量が増大するため、クラッドモード光を十分に除去しきれないことも考えられる。

したがって、図７に示すように、中間光ファイバ３０の途中に、中間光ファイバ３０のコア３１からクラッド３２に漏洩するクラッドモード光を除去する第１のクラッドモード光除去部２１０を設け、出力光ファイバ５０の途中に、出力光ファイバ５０のリングコア５３から外側クラッド５４に漏洩するクラッドモード光を除去する第２のクラッドモード光除去部２２０を設けてもよい。このような構成により、中間光ファイバ３０のクラッド３２に漏洩したクラッドモード光が出力光ファイバ５０に入射する前に第１のクラッドモード光除去部２１０において除去されるので、第２のクラッドモード光除去部２２０における発熱量を低減することができる。これらのクラッドモード光除去部２１０，２２０としては公知のクラッドモード光除去構造を用いることができる。

光ファイバに負荷を加えると、光ファイバから出射される光の出射角度が大きくなることが知られている。したがって、レーザ出射部４において出力光ファイバ５０のセンタコア５１から出射されるレーザ光の出射角度とリングコア５３から出射されるレーザ光の出射角度とを制御するために、図７に示すように、中間光ファイバ３０の途中に、中間光ファイバ３０に印加する負荷を制御することで中間光ファイバ３０のコア３１を伝搬する光のＮＡを制御する第１の光制御部２３０を設け、出力光ファイバ５０の途中に、出力光ファイバ５０に印加する負荷を制御することで出力光ファイバ５０のセンタコア５１及びリングコア５３を伝搬する光のＮＡを制御する第２の光制御部２４０を設けてもよい。例えば、このような光制御部２３０，２４０としては、加熱や温度分布の形成により光ファイバに負荷を印加するもの、光ファイバに曲げを与えるもの、光ファイバに側圧を印加するものなどがある。

第２の光制御部２４０により出力光ファイバ５０に印加された負荷は主として外側に位置するリングコア５３を伝搬する光に影響を与え、中心側のセンタコア５１を伝搬する光はそれほど影響を受けない。一方、中間光ファイバ３０から出力光ファイバ５０のセンタコア５１に出射される光は、第１の光制御部２３０により中間光ファイバ３０に印加された負荷の影響を受ける。したがって、出力光ファイバ５０のセンタコア５１から出射されるレーザ光の出射角度を主に第１の光制御部２３０によって制御することができ、リングコア５３から出射されるレーザ光の出射角度を主に第２の光制御部２４０によって制御することが可能となる。

図７に示すように、クラッドモード光除去部２１０，２２０と光制御部２３０，２４０の両方を設けてもよいし、どちらか一方のみを設けてもよい。クラッドモード光除去部２１０，２２０と光制御部２３０，２４０の両方を設ける場合には、光制御部２３０，２４０による負荷の印加によりクラッドモード光が発生することがあるため、発生したクラッドモード光を効率的に除去するために、図７に示すように、第１のクラッドモード光除去部２１０を第１の光制御部２３０の下流側に設け、第２のクラッドモード光除去部２２０を第２の光制御部２４０の下流側に設けることが好ましい。

上述した出力光ファイバ５０は、図４に示される構造のものに限られるわけではない。例えば、上述した出力光ファイバ５０に代えて、図８に示すような出力光ファイバ１５０を用いることもできる。図８に示す出力光ファイバ１５０は、コア１５１と、コア１５１の周囲を覆う内側クラッド１５２と、内側クラッド１５２の周囲を覆う外側クラッド１５３とを有している。内側クラッド１５２の屈折率はコア１５１の屈折率よりも低くなっており、外側クラッド１５３の屈折率は内側クラッド１５２の屈折率よりも低くなっている。これにより、コア１５１の内部にレーザ光が伝搬する第１の光導波路が形成され、内側クラッド１５２とコア１５１の内部にレーザ光が伝搬する第２の光導波路が形成される。このような出力光ファイバ１５０のコア１５１に中間光ファイバ３０のコア３１が融着接続され、内側クラッド１５２に第２の入力光ファイバ４０のコア４１が融着接続される。なお、出力光ファイバ１５０は、中間光ファイバ３０及び第２の入力光ファイバ４０から離れた位置で外側クラッド１５３の外周面を覆う被覆層（図示せず）を有している。

このような構成において、第１の入力光ファイバ１０のコア１１を伝搬してきたレーザ光は、ブリッジファイバ２０のブリッジ入射面２６からブリッジファイバ２０のコア２１に入射し、縮径部２４によってそのビーム径が小さくなった状態でブリッジ出射面２７から中間光ファイバ３０のコア３１に入射する。中間光ファイバ３０のコア３１に入射したレーザ光は、コア３１を伝搬して出力光ファイバ１５０のコア１５１に入射し、第１の光導波路であるコア１５１の内部を伝搬してレーザ出射部４（図１参照）から出射される。また、第２の入力光ファイバ４０のコア４１を伝搬してきたレーザ光は、出力光ファイバ１５０の内側クラッド１５２に入射し、第２の光導波路である内側クラッド１５２及びコア１５１の内部を伝搬してレーザ出射部４（図１参照）から出射される。

図８に示す出力光ファイバ１５０では、内側クラッド１５２の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率媒質として、内側クラッド１５２の周囲に外側クラッド１５３が形成されているが、このような低屈折率媒質は、外側クラッド１５３のような被覆層に限られるものではなく、例えば内側クラッド１５２の周囲に空気の層を形成し、この空気の層を低屈折率媒質として用いてもよい。

上述した実施形態では、複数のレーザ光源２Ｂと複数の入力光ファイバ４０を設けた例を説明しているが、出力光ファイバ５０，１５０の第２の光導波路に接続される入力光ファイバ４０の数は１つであってもよく、この入力光ファイバ４０に接続されるレーザ光源２Ｂの数も１つであってもよい。また、上述した実施形態では、複数の入力光ファイバ１０のそれぞれにレーザ光源２Ａが接続されている例を説明しているが、レーザ光源２Ａを複数の入力光ファイバ１０のすべてに接続する必要はなく、１つ以上の入力光ファイバ１０にレーザ光源２Ａを接続してもよい。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

以上述べたように、本発明の第１の態様によれば、出力光ファイバの第１の光導波路と第２の光導波路とにそれぞれレーザ光を導入することができる製造容易な光コンバイナが提供される。この光コンバイナは、それぞれコアを含む複数の第１の入力光ファイバと、上記複数の第１の入力光ファイバの上記コアに接続されるブリッジ入射面と、光軸方向に沿って上記ブリッジ入射面から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部と、上記光軸方向において上記ブリッジ入射面とは反対側のブリッジ出射面とを有するブリッジファイバと、上記ブリッジファイバの上記ブリッジ出射面に接続されるコアを含む中間光ファイバと、コアを含む少なくとも１つの第２の入力光ファイバと、上記中間光ファイバの上記コアに接続される第１の光導波路と、上記少なくとも１つの第２の入力光ファイバの上記コアに接続される第２の光導波路とを含む出力光ファイバとを備える。

このような構成によれば、複数の第１の入力光ファイバのコアを伝搬する光をブリッジファイバでビーム径を小さくした後に出力光ファイバの第１の光導波路に導入しているため、第１の入力光ファイバの径を小さくすることなく第１の入力光ファイバをブリッジファイバに接続することができる。したがって、第１の入力光ファイバの機械的強度を維持することができるため、光コンバイナの製造も容易である。また、第１の入力光ファイバの径を小さくすることなく、第１の入力光ファイバの数を増やすことができるため、出力光ファイバの第１の光導波路に導入する光のパワーを高めることも容易となり、第１の光導波路を伝搬する光と第２の光導波路を伝搬する光の出力バランスを調整することも容易となる。

上記出力光ファイバは、センタコアと、上記センタコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記センタコアの周囲を覆う内側クラッドと、上記内側クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、上記内側クラッドの周囲を覆うリングコアと、上記リングコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記リングコアの周囲を覆う低屈折率媒質とを有していてもよい。この場合において、上記センタコアは、上記第１の光導波路を構成し、上記リングコアは、上記第２の光導波路を構成する。

上記中間光ファイバの外周縁は、上記出力光ファイバの上記内側クラッドの領域に位置していることが好ましい。この場合には、中間光ファイバの径方向外側に位置する第２の入力光ファイバが、出力光ファイバのセンタコアの外側の領域に位置することとなるため、第２の入力光ファイバのコアを伝搬するレーザ光が、中間光ファイバのコアから出力光ファイバのセンタコアに入射するレーザ光に混ざってしまうことを抑制することができる。

上記中間光ファイバの上記コアは、上記出力光ファイバの上記センタコアの領域内に位置していることが好ましい。この場合には、中間光ファイバのコアを伝搬するレーザ光を効率的に出力光ファイバのセンタコアに導入することができる。

上記少なくとも１つの第２の入力光ファイバの外周縁の少なくとも一部は、上記出力光ファイバの上記内側クラッドの領域に位置していることが好ましい。この場合には、第２の入力光ファイバの径方向内側に位置する中間光ファイバが、出力光ファイバのリングコアの内側の領域に位置しやすくなるため、中間光ファイバのコアを伝搬するレーザ光が、第２の入力光ファイバのコアから出力光ファイバのリングコアに入射するレーザ光に混ざってしまうことを抑制することができる。

上記少なくとも１つの第２の入力光ファイバの上記コアは、上記出力光ファイバの上記リングコアの領域内に位置していることが好ましい。この場合には、第２の入力光ファイバのコアを伝搬するレーザ光を効率的に出力光ファイバのリングコアに導入することができる。

上記出力光ファイバは、コアと、上記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記コアの周囲を覆う内側クラッドと、上記内側クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記内側クラッドの周囲を覆う低屈折率媒質とを有していてもよい。この場合において、上記コアは、上記第１の光導波路を構成し、上記コア及び上記内側クラッドは、上記第２の光導波路を構成する。

上記少なくとも１つの第２の入力光ファイバは、上記出力光ファイバの上記第２の光導波路に接続される部分で最も径が小さくなる縮径部を有していてもよい。この場合において、上記少なくとも１つの第２の入力光ファイバの上記縮径部の縮径率は、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路に接続される上記中間光ファイバの上記コアの径に対する上記ブリッジファイバの上記ブリッジ入射面におけるコアの径の比よりも小さくてもよい。

本発明の第２の態様によれば、所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することができるレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、第１のレーザ光を生成する少なくとも１つの第１のレーザ光源と、第２のレーザ光を生成する少なくとも１つの第２のレーザ光源と、上述した光コンバイナとを備える。上記光コンバイナの上記複数の第１の入力光ファイバのうち少なくとも１つは、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源に接続される。上記光コンバイナの上記少なくとも１つの第２の入力光ファイバは、上記少なくとも１つの第２のレーザ光源に接続される。

上述の光コンバイナにより、出力光ファイバの第１の光導波路を伝搬するレーザ光と第２の光導波路を伝搬するレーザ光の出力バランスを調整することも容易となるため、レーザ装置から所望のビームプロファイルを有するレーザ光を出力することが可能となる。

また、上記レーザ装置は、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源及び上記少なくとも１つの第２のレーザ光源を制御することにより、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源により生成される第１のレーザ光の出力及び上記少なくとも１つの第２のレーザ光源により生成される第２のレーザ光の出力を調整する制御部をさらに備えることが好ましい。このような制御部によって第１のレーザ光源によって生成される第１のレーザ光の出力と第２のレーザ光源によって生成される第２のレーザ光の出力の割合を変化させることで、出力光ファイバの第１の光導波路に導入される第１のレーザ光と第２の光導波路に導入される第２のレーザ光の割合を調整することができる。したがって、レーザ装置から出力されるレーザ光のプロファイルを容易に所望の形状にすることができる。

上記少なくとも１つの第１のレーザ光源と上記少なくとも１つの第２のレーザ光源とが、同等の性能を有している場合には、上記少なくとも１つの第２のレーザ光源に接続された上記少なくとも１つの第２の入力光ファイバを通って上記出力光ファイバの上記第２の光導波路から出力される上記第２のレーザ光の出射角度は、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源に接続された上記複数の第１の入力光ファイバのうち少なくとも１つを通って上記出力光ファイバの上記第１の光導波路から出力される第１のレーザ光の出射角度よりも小さくてもよい。

上記レーザ装置は、上記中間光ファイバの上記コアから漏洩するクラッドモード光を除去する第１のクラッドモード光除去部と、上記出力光ファイバの上記第２の光導波路から漏洩するクラッドモード光を除去する第２のクラッドモード光除去部とをさらに備えていてもよい。このような構成によれば、中間光ファイバのコアから漏洩したクラッドモード光が出力光ファイバに入射する前に第１のクラッドモード光除去部において除去されるので、第２のクラッドモード光除去部における発熱量を低減することができる。

上記レーザ装置は、上記中間光ファイバに印加する負荷を制御して上記中間光ファイバの上記コアを伝搬する上記第１のレーザ光の出射角度を制御する第１の光制御部と、上記出力光ファイバに印加する負荷を制御して少なくとも上記出力光ファイバの上記第２の光導波路を伝搬する第２のレーザ光の出射角度を制御する第２の光制御部とをさらに備えていてもよい。このような構成によれば、出力光ファイバの第１の光導波路から出射される第１のレーザ光の出射角度を主に第１の光制御部によって制御することができ、出力光ファイバの第２の光導波路から出射される第２のレーザ光の出射角度を主に第２の光制御部によって制御することが可能となる。

本出願は、２０１９年９月３０日に提出された日本国特許出願特願２０１９－１７８６０５号及び２０１９年９月３０日に提出された日本国特許出願特願２０１９－１７８５２３号に基づくものであり、当該出願の優先権を主張するものである。当該出願の開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、複数の入力光ファイバからのレーザ光を結合して出力光ファイバから出力する光コンバイナに好適に用いられる。

１ レーザ装置
２Ａ 第１のレーザ光源
２Ｂ 第２のレーザ光源
３ 光コンバイナ
４ レーザ出射部
５ 制御部
６，７ 光ファイバ
１０ 第１の入力光ファイバ
１１ コア
１２ クラッド
２０ ブリッジファイバ
２１ コア
２２ クラッド
２３ 第１の円筒部
２４ 縮径部
２５ 第２の円筒部
２６ ブリッジ入射面
２７ ブリッジ出射面
３０ 中間光ファイバ
３１ コア
３２ クラッド
４０ 第２の入力光ファイバ
４１ コア
４２ クラッド
５０ 出力光ファイバ
５１ センタコア
５２ 内側クラッド
５３ リングコア
５４ 外側クラッド（低屈折率媒質）
６０ 光調整部材
１５０ 出力光ファイバ
１５１ コア
１５２ 内側クラッド
１５３ 外側クラッド（低屈折率媒質）
２１０ 第１のクラッドモード光除去部
２２０ 第２のクラッドモード光除去部
２３０ 第１の光制御部
２４０ 第２の光制御部

Claims (13)

1. それぞれコアを含む複数の第１の入力光ファイバと、
   前記複数の第１の入力光ファイバの前記コアに接続されるブリッジ入射面と、光軸方向に沿って前記ブリッジ入射面から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部と、前記光軸方向において前記ブリッジ入射面とは反対側のブリッジ出射面とを有するブリッジファイバと、
   前記ブリッジファイバの前記ブリッジ出射面に接続されるコアを含む中間光ファイバと、
   コアを含む少なくとも１つの第２の入力光ファイバと、
   前記中間光ファイバの前記コアに接続される第１の光導波路と、前記少なくとも１つの第２の入力光ファイバの前記コアに接続される第２の光導波路とを含む出力光ファイバと
   を備える、光コンバイナ。
2. 前記出力光ファイバは、
   センタコアと、
   前記センタコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記センタコアの周囲を覆う内側クラッドと、
   前記内側クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、前記内側クラッドの周囲を覆うリングコアと、
   前記リングコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記リングコアの周囲を覆う低屈折率媒質と
   を有し、
   前記センタコアは、前記第１の光導波路を構成し、
   前記リングコアは、前記第２の光導波路を構成する、
   請求項１に記載の光コンバイナ。
3. 前記中間光ファイバの外周縁は、前記出力光ファイバの前記内側クラッドの領域に位置している、請求項２に記載の光コンバイナ。
4. 前記中間光ファイバの前記コアは、前記出力光ファイバの前記センタコアの領域内に位置する、請求項２又は３に記載の光コンバイナ。
5. 前記少なくとも１つの第２の入力光ファイバの外周縁の少なくとも一部は、前記出力光ファイバの前記内側クラッドの領域に位置している、請求項２から４のいずれか一項に記載の光コンバイナ。
6. 前記少なくとも１つの第２の入力光ファイバの前記コアは、前記出力光ファイバの前記リングコアの領域内に位置する、請求項２から５のいずれか一項に記載の光コンバイナ。
7. 前記出力光ファイバは、
   コアと、
   前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記コアの周囲を覆う内側クラッドと、
   前記内側クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記内側クラッドの周囲を覆う低屈折率媒質と
   を有し、
   前記コアは、前記第１の光導波路を構成し、
   前記コア及び前記内側クラッドは、前記第２の光導波路を構成する、
   請求項１に記載の光コンバイナ。
8. 前記少なくとも１つの第２の入力光ファイバは、前記出力光ファイバの前記第２の光導波路に接続される部分で最も径が小さくなる縮径部を有しており、
   前記少なくとも１つの第２の入力光ファイバの前記縮径部の縮径率は、前記出力光ファイバの前記第１の光導波路に接続される前記中間光ファイバの前記コアの径に対する前記ブリッジファイバの前記ブリッジ入射面におけるコアの径の比よりも小さい、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の光コンバイナ。
9. 第１のレーザ光を生成する少なくとも１つの第１のレーザ光源と、
   第２のレーザ光を生成する少なくとも１つの第２のレーザ光源と、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の光コンバイナと
   を備え、
   前記光コンバイナの前記複数の第１の入力光ファイバのうち少なくとも１つは、前記少なくとも１つの第１のレーザ光源に接続され、
   前記光コンバイナの前記少なくとも１つの第２の入力光ファイバは、前記少なくとも１つの第２のレーザ光源に接続される、
   レーザ装置。
10. 前記少なくとも１つの第１のレーザ光源及び前記少なくとも１つの第２のレーザ光源を制御することにより、前記少なくとも１つの第１のレーザ光源により生成される第１のレーザ光の出力及び前記少なくとも１つの第２のレーザ光源により生成される第２のレーザ光の出力を調整する制御部をさらに備える、請求項９に記載のレーザ装置。
11. 前記少なくとも１つの第１のレーザ光源と前記少なくとも１つの第２のレーザ光源とは、同等の性能を有し、
    前記少なくとも１つの第２のレーザ光源に接続された前記少なくとも１つの第２の入力光ファイバを通って前記出力光ファイバの前記第２の光導波路から出力される前記第２のレーザ光の出射角度は、前記少なくとも１つの第１のレーザ光源に接続された前記複数の第１の入力光ファイバのうち少なくとも１つを通って前記出力光ファイバの前記第１の光導波路から出力される第１のレーザ光の出射角度よりも小さい、
    請求項９又は１０に記載のレーザ装置。
12. 前記中間光ファイバの前記コアから漏洩するクラッドモード光を除去する第１のクラッドモード光除去部と、
    前記出力光ファイバの前記第２の光導波路から漏洩するクラッドモード光を除去する第２のクラッドモード光除去部と
    をさらに備える、請求項９から１１のいずれか一項に記載のレーザ装置。
13. 前記中間光ファイバに印加する負荷を制御して前記中間光ファイバの前記コアを伝搬する前記第１のレーザ光の出射角度を制御する第１の光制御部と、
    前記出力光ファイバに印加する負荷を制御して少なくとも前記出力光ファイバの前記第２の光導波路を伝搬する第２のレーザ光の出射角度を制御する第２の光制御部と
    をさらに備える、請求項９から１２のいずれか一項に記載のレーザ装置。
    

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