JP3075571B2 - 光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、その発生方法及びその発生装置 - Google Patents

光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、その発生方法及びその発生装置

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光ファイバの多次元・二重曲げを利用した
均一化レーザービーム、その発生方法及びその発生装置
に関するものである。
背景技術 従来、レーザービームは平行性が良好で遠くまで伝達
することが可能であり、また、レーザービームをレンズ
によって集光すると、幾何光学的に焦点に集めることが
できる。そして、非常に微小な面積にパワーを集中させ
ると、極めて高い密度を得ることができる。
また、レーザービームは、単色光であって、他の波長
成分を全く含まない純粋な光波であり、プリズムを通過
しても分散が生じることがない状態で直進する特徴を有
する。したがって、レーザービームは、材料の加工、例
えば、切断、切削、穿（せん）孔、溶接、マーキング等
を行ったり、レーザー閃（せん）光法によって産業用材
料の熱物性を測定したりすることができ、多くの分野で
広範囲に活用されている。
ところが、レーザー閃光法によって産業用材料の熱物
性を測定する場合、ヤグ・レーザー（YAG Laser）、ル
ビー・レザー（Ruby Laser）等が不均一な状態で使用
される。
そして、このような不均一なレーザービームを使用す
ると、試料が不均一に加熱され、熱拡散係数の測定値に
５〔％〕程度の誤差が発生してしまう。また、レーザー
ビームを使用して材料を加工する際にも、不均一なレー
ザービームが使用されるので、加工面が滑らかになら
ず、精密加工が困難である。
したがって、レーザービームを均一化するために、一
部のレーザービームを、光ファイバに通過させ、中心部
に集光された状態で使用することによって、レーザービ
ームの不均一による影響をいくらか減少させることがで
きるが、レーザービームの均一化が良好に行われないの
で、薄板、塑形材等の材料を精密加工したり、局部熱処
理を行ったりすることができない。
また、レーザービームを均一化するための他の方法と
しては、光ファイバにレーザービームを斜めに入射させ
る方法、光ファイバの束にレーザービームを入射させる
方法、及び光ファイバに一次元の曲げを与える方法等が
提案されている。
ところが、光ファイバにレーザービームを斜めに入射
させる方法は、光ファイバにレーザービームを入射させ
るときに、入射面におけるエネルギー損失が多く、均一
化の効果が少なくなるので、実用化することができな
い。
また、光ファイバの束にレーザービームを入射させる
方法は、かなりの量のレーザービームを均一化すること
ができるが、光ファイバの境界面の間にレーザービーム
が通過して光ファイバが焼損してしまうので、実用化す
ることができない。
そして、光ファイバに一次元の曲げを与える方法は、
かなりの量のレーザービームを均一化することが確認さ
れたが、曲げの対称オフセットによって曲げ効果が打ち
消され、また、曲げの条件を明確に設定することができ
ない。したがって、再現が難しく高度の均一化は不可能
であるので、実用化することはできず、研究段階で留
（とど）まっている。
発明の開示 本発明は、光ファイバを二次元、三次元等の多次元で
円形状に曲げて、従来の一次元の曲げを与える場合にお
いて均一化を減衰させる影響をなくすことができるとと
もに、光ファイバに入射されるレーザービームの入射角
にかかわらず、レーザービームの螺（ら）旋状への変化
を促進させることによって、中心部に集中されているレ
ーザーエネルギーを全面に拡散させることができる光フ
ァイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービ
ーム、その発生方法及びその発生装置を提供することを
目的とする。
また、光ファイバに、多次元の円形曲げを与えるのと
同時に、円形曲げと逆方向の局部曲げを与え、コアとク
ラッドとの境界面における入射角を臨界入射角以上にな
るように、クラッドを通過するレーザーエネルギーの損
失を防止し、乱反射によるレーザービームの拡散を促進
させて、光ファイバの終端から全断面にわたって均一な
分布を有するレーザービームを得ることができる光ファ
イバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービー
ム、その発生方法及びその発生装置を提供することを目
的とする。
さらに、レーザービームを複数の凸レンズに通過さ
せ、焦点の大きさを最小化し、集光したレーザービーム
を光ファイバの入射面に対して垂直に入射し、レーザー
ビームが光ファイバに入射する際に、入射面での反射に
よる入射損失を最小にすることができる光ファイバの多
次元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、その
発生方法及びその発生装置を提供することを目的とす
る。
そして、凸レンズの焦点のわずかに後方に光ファイバ
を配設することによって、レーザービームが入射すると
きに、光ファイバの断面が焼損するのを防止することが
できる光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化
レーザービーム、その発生方法及びその発生装置を提供
することを目的とする。
また、比較的短い、例えば、５〔ｍ〕以下の光ファイ
バを使用して、簡単な発生方法によって均一化レーザー
ビームを再現性よく発生させ、良質なレーザービームを
使用して材料の物性を測定したり、材料を加工したり、
医療治療等を行ったり、広範囲に実用化することができ
る光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レー
ザービーム、その発生方法及びその発生装置を提供する
ことを目的とする。
図面の簡単な説明 第１図は光ファイバに曲げを与えることによって、螺
旋状に変化させながらレーザービームを均一化する本発
明の原理図である。
第２図は曲げによるレーザービームの均一化効果を最
大にするための三次元・二重曲げの方法を示す図であ
る。
第３図は光ファイバに入射されるレーザービームの損
失を最小にするための光学的設計の基準を示す図であ
る。
第４図はレーザービームが円形曲げ状態にある光ファ
イバを通過する際の光路特性図である。
第５図は光ファイバの曲げによるレーザービームの入
射角の減少を説明する原理図である。
第６図は均一化レーザービーム発生装置の曲げ部の分
解斜視図である。
第７図は均一化レーザービーム発生装置の曲げ部の組
立斜視図である。
第８図は均一化レーザービーム発生装置の組立斜視図
である。
第９図は本発明を実証するために構成された均一化レ
ーザービーム発生装置の組立斜視図である。
第10図は均一化レーザービームを目標位置に着像させ
て大きさを調整する方法を示す図である。
第11図はレーザービームが均一化される前、及び均一
化された後のエネルギーの分布状態を測定するための測
定システムの構成図である。
第12図は本発明の効果を表すための、均一化される前
のレーザービームと本発明によって均一化された後のレ
ーザービームとの比較図である。
第13図は一次元曲げの直径の大きさによるレーザービ
ームの均一化の効果を表す図である。
第14図は一次元、二次元、及び三次元の円形曲げによ
るレーザービームの均一化の効果を表す図である。
第15図は局部曲げ及び三次元・二重曲げによるレーザ
ービームの均一化の効果を示す図である。
第16図は本発明によって均一化されたレーザービーム
を使用して標準的な黒鉛の熱拡散係数を測定した結果を
示す図である。
発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の実施の形態について図面を参照しなが
ら詳細に説明する。
まず、均一化レーザービームの発生原理について説明
する。
通常のレーザービームは、中心部のエネルギー密度が
高く、不均一な分布を有するが、レーザービームを凸レ
ンズによって集光した後、ステップ・インデックス光フ
ァイバに通過させると、レーザービームは、屈折角度に
応じて多重モードで反射しながら、光ファイバの小さい
曲げや断面の非対称性によって、中心部を通る螺旋状の
レーザービームに変形し、光ファイバの出口断面では中
心部のエネルギー密度が高く、対称な分布を有すること
になる。
したがって、このようなステップ・インデックス光フ
ァイバの特性を利用して、レーザービームを螺旋状に変
化させ、レーザービームの拡散性を高くすることによっ
て、レーザービームのエネルギー分布を均一化すること
ができる。
第１図は、光ファイバを曲げることによって、レーザ
ービームが、螺旋状に変化し、かつ、中心部のエネルギ
ー密度を周縁に向けて拡散させて進む過程を示す。
そして、光ファイバＦの入射側の凸レンズを介して集
光された、上下方向の入射光線R1、R2及び左右方向の入
射光線R3、R4の進行過程を、光ファイバＦの出口側の断
面から調べると、光ファイバＦの曲げ方向と同一の上下
方向の入射光線R1、R2は、曲げによって方向だけが変化
し、光ファイバＦの中心を通過する反射だけを繰り返
す。
そして、光ファイバＦの曲げ方向に対して90〔゜〕の
角度を有する左右方向の入射光線R3、R4は、まず、光フ
ァイバＦの中心を通過した後、曲げ部において方向が変
化させられ、螺旋状に変化しながらエネルギー密度を周
縁に対して拡散させる。
この際、光ファイバＦに、最初の曲げ方向と異なる方
向の二次曲げを与えると、上下方向の入射光線R1、R2も
螺旋状に変化する。
したがって、このような原理によってステップ・イン
デックス光ファイバに一次元、又は二次元曲げが与えら
れると、すべての方向から入射されるレーザービームは
螺旋状に変化し、光ファイバＦの中心においてレーザー
ビームの束によって形成される高いエネルギー密度が、
周縁に拡散し、均一化されて対称性のあるレーザービー
ムになる。
ところが、３次元・円形曲げだけによって発生させら
れた螺旋状のレーザービームは、緩やかな波動状の対称
分布を有するようになり、光ファイバＦの断面の全体に
わたって完全な均一化を促進することができない。
そこで、本実施の形態においては、光ファイバＦに、
多次元の円形曲げを与えた状態で、円形曲げの正逆方向
に円形曲げより小さい接線長さ、及び曲率半径を有する
逆方向の局部曲げを二重に与えることによって、螺旋状
への変化を一層促進させるとともに、螺旋状のレーザー
ビームを局部曲げの位置から乱反射させることによっ
て、波動状の分布の原因となる螺旋状のレーザービーム
が円形状に集中するのを防止するようにしている。
第２図は、多次元・円形曲げ及び多重・局部曲げの中
で、三次元・二重曲げの光ファイバによってレーザービ
ームを均一化する方法を一つの例として概念図で示す。
光ファイバの断面の全体にわたって、均一化レーザー
ビームを発生させるためには、レーザービームを螺旋状
に変化させ、乱反射を促進させる必要があり、螺旋状に
変化させることによって、光ファイバの断面の中心部の
エネルギーを周縁に拡散させることができる。そして、
レーザービームは点対称分布を有するようになる。ま
た、乱反射を促進させると、レーザービームの反射角が
広がり、円形状対称分布を平面形態の均一な分布に変更
することができる。
本実施の形態においては、第２図に示されるような経
路で光ファイバを配列し、レーザービームを後述される
一定の入射条件に従って光ファイバに入射させることに
よって、最も効率的な方法で、レーザービームを螺旋状
に変化させるのと同時に、乱反射を促進させることがで
きる。
そして、光ファイバは、互いに直角の三つの面にそれ
ぞれ配列され、第一次面であるXZ面には、円形曲げ部及
び局部曲げ部を有する一次曲げ光ファイバF1を、第二次
面であるZY面には、円形曲げ部及び局部曲げ部を有する
二次曲げ光ファイバF2を、第三次面であるYZ面には、円
形曲げ部及び局部曲げ部を有する三次曲げ光ファイバF3
が配列される。
これにより、入射側レンズによって集光されたレーザ
ービームは、光ファイバに入射された後、ZX面に円形状
に曲げられた一次曲げ光ファイバF1を通過しながらほと
んど中心部を通過する螺旋状のレーザービームに変化す
る。
この場合、円形曲げ、及び正逆方向に形成された曲率
半径の小さい局部曲げが与えられ、螺旋状のレーザービ
ームが光ファイバの断面の中心部から周縁に拡散される
とともに、曲率半径の小さい局部曲げ面において乱反射
が行われる。したがって、光ファイバを通過するレーザ
ービームの光路が多様化し、光ファイバの断面の全体に
わたって光路の位置が無秩序に変化させられ、レーザー
ビームの対称化及び均一化が行われる。
ところが、前記レーザービームのうち、光路が光ファ
イバの曲げ方向と一致するか又はそれに近いレーザービ
ームは、第３図に示されるように、螺旋状に変化せず、
均一化もされない。
したがって、このように対称化及び均一化が行われた
レーザービームは、更にXZ面に対して垂直なXY面に入射
され、螺旋状の変化及び乱反射による均一化が促進させ
られた後、XZ面及びXY面に対して垂直なYZ面において、
最終的に螺旋状の変化及び均一化が促進される。したが
って、光ファイバに入射されるすべてのレーザービーム
が螺旋状に変化させられる。
さらに、三次元曲げを各面に対して二重に与え、光フ
ァイバの断面の全体にわたって均一なエネルギー分布を
有するようにし、特に、局部曲げを三次元・円形曲げと
逆方向に与えることによって、円形曲げと局部曲げとに
よる入射角の変化が互いに打ち消し合い、コアとクラッ
ドとの境界面において、レーザービームの入射角が臨界
入射角以下になるのを防止することができる。
このような方法によって、レーザービームを対称化
し、均一化するためには、入射条件、レンズの設計、臨
界入射角を考慮した曲率半径の設計等の必要な条件が満
たされる必要がある。
１）入射条件及びレンズの設計 レーザービームの入射損失を最小にするために、光フ
ァイバのコアの直径１〔mm〕より小さい直径0.6〔mm〕
の焦点で集光することができるように、無数次凹レンズ
が使用される。また、集光による焦点部の高エネルギー
密度によって、光ファイバの断面が焼損することがない
ように、レーザービームが集光された後、拡散し始める
位置に光ファイバの断面が配設される。
さらに、レーザービームが光ファイバに入射する際の
入射面における反射損失を最小にするために、レーザー
ビームは入射面に対して垂直に入射させられ、光ファイ
バに入射させられた後に曲げが与えられる場合にも、コ
アとクラッドとの境界面における異常屈折によって損失
が発生しないように、入射光線の最大入射角は、光ファ
イバのコアとクラッドとの屈折率を考慮した許容入射角
の1/3になるように設計される。
第３図は、光ファイバに入射されたレーザービーム
が、光ファイバ内で反射して通過する過程及び設計基準
を示したものである。この場合、レーザービームの直径
は約10〔mm〕であり、無数次凹レンズの焦点距離は50
〔mm〕である。
そして、空気の屈折率をn0（n0:1）とし、コアの屈折
率をn1とし、クラッドの屈折率をn2とすると、光ファイ
バの許容入射角θａと、光ファイバの断面内の臨界屈折
角θｃと、コアとクラッドとの境界面における臨界屈折
角αａとの間には、次の関係が成立する。
sinθa/θｃ＝n1/n0＝n1 sinθａ＝n1/sinθｃ …（１） また、 sinαｃ＝cosθｃ＝n2/n1 cos2θｃ＝１−sin2θｃ …（２） であるので、前記式（１）、（２）を使用して、許容入
射角θａを次のように求めることができる。
sinθａ＝n1（１−cos2）θｃ）1/2 ＝（n1 2−n2 2）1/2 したがって、許容入射角θａは θａ＝sin-1（n1 2−n2 2）1/2 …（３） になる。
石英を使用したステップ・インデックス光ファイバの
場合、通常、コアの屈折率n1が1.45で、クラッドの屈折
率n2が1.40程度である点を考慮すると、前記式（３）か
ら22〔゜〕の許容入射角θａを求めることができる。
本実施の形態においては、第３図に示されるように、
レーザービームの直径が約10〔mm〕で、無数次レンズの
焦点距離が50〔mm〕であるので、焦点距離の実際の入射
角θｉは θｉ＝tan-1（5/50） ＝5.7〔゜〕 になり、許容入射角θａの26〔％〕であり、光ファイバ
の局部曲げによる入射角の変化が十分に考慮される。
２）臨界入射角を考慮した曲げの曲率半径の設計 光ファイバに入射されたレーザービームは、円形曲げ
及び局部曲げによって、コアとクラッドとの境界面にお
ける入射角をより小さくし、このような曲げによって、
コアとクラッドとの境界面における入射角が臨界入射角
以上になると、レーザービームが、クラッド側に異常屈
折を発生させてしまい、エネルギー損失が大きくなって
しまう。
したがって、本実施の形態においては、臨界入射角、
光ファイバの入射角、円形曲げによる入射角の変化、及
び局部曲げによる入射角の変化を考慮して円形曲げ及び
二重局部曲げにおける曲率半径を計算する。
そして、前記式（２）に、コアの屈折係数（ｎ＝1.4
5）及びクラッドの屈折係数（ｎ＝1.45）を代入する
と、臨界屈折角θｃ及び臨界入射角αｃは次のように算
出される。
θ＝cos（n2/n1）＝15.1〔゜〕 αｃ＝sin-1（n2/n1）＝74.9〔゜〕 すなわち、光ファイバ内のすべての位置における屈折
角が、臨界屈折角15.1以下であると、コアとクラッドと
の境界面における入射角は、常に臨界入射角74.9〔゜〕
以上になり、異常屈折が発生することがなくなる。
そして、第４図に示されるように、レーザービームが
円形曲げ状態の光ファイバ内を通過する際に、光ファイ
バの曲率半径が同一であり、かつ、同一平面上にあると
すると、光ファイバの長手方向の入射角は変わらないの
で、同一の曲率半径を有する局部曲げが、同一方向に繰
り返される場合においても、入射角は減少することがな
く、また、曲げ方向が異なる場合は、螺旋状への変化が
促進されるだけである。
したがって、本実施の形態においては、光ファイバの
三次元の曲げ方向の変化を与え、螺旋状の変化を促進さ
せるとともに、臨界屈折角及び臨界入射角に対する設計
においては、光ファイバに入射されるレーザービームの
入射角、最初の円形曲げによる入射角の減少、最初の局
部曲げによる入射角の減少、及び逆方向の二重曲げによ
る入射角の減少を考慮している。
そして、光ファイバに入射されるレーザービームの最
も大きい入射角をθｉとし、円形曲げによる入射角の減
少をαｒとし、円形曲げ方向の局部曲げによる入射角の
減少をαｂとし、円形曲げの逆方向の二重局部曲げによ
る屈折角の中間分をαｄとしたとき、総合された入射角
αｔが次の条件を満たすようにした。
αt1＝90〔゜〕−（θ1/n1＋αｒ）＞αｃ …（４） αt2＝90〔゜〕−（θ1/n1＋αｂ）＞θｃ …（５） αt3＝90〔゜〕−（αｒ＋αｂ）＞θｃ …（６） 前記式（４）は入射角及び円形曲げを、式（５）は入
射角及び局部曲げを、式（６）は円形方向の二重曲げを
考慮した設計基準である。
すでに、第２図に示されるように、レーザービームの
直径が約10〔mm〕であり、無数次レンズの焦点距離が50
〔mm〕であるので、実際の入射角θｉは5.7〔゜〕であ
る。
第５図は曲げによる入射角の減少が示されたものであ
り、曲げガイド及び曲げ調整尺の曲率半径をｒとし、光
ファイバの直径をｄとし、コアの直径をａとすると、曲
げによる入射角の減少αｒは次のとおりである。
αｒ＝cos-1［（ｒ＋d/2）／（ｒ＋d/2＋a/2）］ …（７） 本実施の形態においては、円形曲げガイドの曲率半径
を120〔mm〕に、円形曲げ方向の局部曲げの最小曲率半
径を60〔mm〕に、逆方向の局部曲げ調整尺の最小曲率半
径を55〔mm〕に設計し、光ファイバの直径が２〔mm〕で
あり、光ファイバのコアの直径が１〔mm〕であるので、
これらの値を式（７）に代入すると、曲げによる入射角
の減少はそれぞれ αｒ＝5.2〔゜〕 αｂ＝7.3〔゜〕 αｄ＝7.6〔゜〕 として求められ、これらの値を式（４）〜（６）にそれ
ぞれ代入すると、 αt1＝90〔゜〕−（5.7〔゜〕/1.45＋5.2〔゜〕） ＝80.9〔゜〕＞αｃ αt2＝90〔゜〕−（5.7〔゜〕/1.45＋7.3〔゜〕） ＝78.8〔゜〕＞αｃ αt3＝90〔゜〕−（7.3〔゜〕＋7.6〔゜〕） ＝75.1〔゜〕＞αｃ …（８） になり、すべてが臨界入射角（αｒ＝74.9〔゜〕）以上
になるので、好適な設計状態にある。特に、値αt3は円
形曲げ方向と逆方向の逆方向・二重局部曲げであるので
互いに打ち消し合い、ほとんどの最小入射角が値αt2以
下になり得るが、安定性を考慮した上での値αt3を検討
した。
次に、前述されたようなレーザービームを均一化する
ためのレーザービームの発生装置について図を参照して
説明する。
第６図及び第７図は本発明の実施の形態における均一
化レーザービームの発生装置の一部を示し、一つの面
（一次面）に、一つの大きな円による円形曲げ及び小さ
い円による局部曲げによって一つの曲げ部が形成された
例を、分解斜視図及び組立斜視図でそれぞれ示してい
る。
そして、曲げ部は基板１を備え、該基板１には、光フ
ァイバに円形曲げ及び局部曲げを与えるように光ファイ
バを巻き付けるための曲げガイド２、及び該曲げガイド
２の局部曲げ部に巻き付けられた光ファイバに局部曲げ
を与えるための局部曲げ調整部３が配設される。したが
って、前記曲げガイド２の面に沿って光ファイバＦを配
列すると、円形曲げ、及び円形曲げと逆方向に曲げるよ
うに形成された局部曲げの形状を前記光ファイバが有す
るので、隣接する二つの局部曲げの間には、自動的に円
形曲げ方向の局部曲げが生じ、互いに逆方向の局部曲げ
が連続する二重局部曲げを光ファイバに与えることにな
る。
前記基板１においては、プレートによって本体11が形
成され、該本体11には、前記曲げガイド２及び局部曲げ
調整部３を固定するための固定孔12、13がそれぞれ形成
され、これらに嵌（かん）合させて固定具17、18がそれ
ぞれ配設される。
前記円形曲げガイド２は、レーザービームの螺旋状の
進行及び乱反射による拡散を得るために、光ファイバを
三次元の円形曲げ及び局部曲げが与えられるように巻き
付けることができるようになっている。そのために、前
記円形曲げガイド２は、一定の厚さを有するプレートに
よって形成された本体21を備え、該本体21の周面は光フ
ァイバを巻き付けるための曲げ面22になり、該曲げ面22
は円形曲げ面221及び局部曲げ面222を有する。
前記曲げ面22を形成する一つの方法としては、本体21
を一定の曲率半径を有する真円形に形成した後、この真
円の周面から適当な間隔を置いて、前記真円面の直径よ
り小さい曲率半径を有する円弧を描き、該円弧面に沿っ
て前記真円面の一部を切断する方法があり、この場合、
前記小さい円弧面は局部曲げ面222になり、該局部曲げ
面222を境界として大きい円弧面（残っている真円の周
面）は円形曲げ面221になる。
そして、前記本体21には、固定具17を組み立てるため
の組付孔25が配設される。
前記局部曲げ調整部３は、前記曲げガイド２の局部曲
げ面222に隣接する光ファイバを、局部曲げ面222に密着
させて乱反射を促進させるために配設される。そして、
前記局部曲げ調整部３は、前記曲げガイド２より大きい
直径を有する支持体31を備え、該支持体31の円周面の前
記曲げガイド２の局部曲げ面222に対応する位置に調整
杆（かん）組付孔32が形成され、該調整杆組付孔32に局
部曲げ調整杆33が、その長さの調整を行うことができる
ように嵌合させて組み付けられる。また、前記局部曲げ
調整杆33の端部には、ブラケット34を介して局部曲げ調
整子35が組み付けられるようになっている。第６図にお
いて、前記局部曲げ調整杆33はマイクロメータ型に形成
され、該マイクロメータのスピンドル端部に局部曲げ調
整子35が組み付けられるようになっている。
そして、前記支持体31には、固定具19を組み付けるた
めの組付孔36が配設される。
第８図は本発明の実施の形態における均一化レーザー
ビーム発生装置の一つの実施例を示していて、第８図に
示されるように、三つの曲げ部が互いに直角になる位置
に配設される。そして、一次曲げ部（Ｉ）、二次曲げ部
（II）及び三次曲げ部（III）をそれぞれ三つの基板
（１）が互いに直角になるように組み立てた後、これら
を溶接によって接合するか、又は固定具によって固定す
ると、一次曲げ部（Ｉ）がXZ面上に、二次曲げ部（II）
がXY面上に、三次曲げ部（III）がYZ面上にそれぞれ位
置するようになる。
第９図は前述されたように組み立てられた三つの曲げ
部において、曲げガイド２の円形曲げ面221及び局部曲
げ面222に沿って、光ファイバＦを巻き付けた状態の均
一化レーザービーム発生装置を示す。
前記均一化レーザービーム発生装置において、一次曲
げ部（Ｉ）に配設された光ファイバＦの入射面に、無数
次凹レンズＬによって集光されたレーザービームＲが入
射されると、該レーザービームＲは、一次曲げ部（Ｉ）
の曲げガイド２の周囲を通過する間に、円形曲げ及び局
部曲げによって螺旋状に変化し、乱反射される。そし
て、一次曲げ部（Ｉ）の曲げガイド（２）と、二次曲げ
部（II）の曲げガイド（２）と、三次曲げ部（III）曲
げガイド（２）との周囲を通過する間に、あらゆる方向
から入射されるレーザービームに、螺旋状への変化及び
乱反射が同時に行われることによって、光ファイバの出
射側の断面において、全体的に均一化されたレーザービ
ームを得ることができる。
第10図においては、出射側の断面を通過し、均一なエ
ネルギー分布状態で出射させられたレーザービームが、
無数次凸レンズによって必要な大きさに調整され、所要
の照射位置に着像させられる状態が示される。この場
合、材料を加工したり計測を行ったりするために、光フ
ァイバＦの出射側の断面Ｇにおける均一な分布状態を必
要とする照射位置Ｈにおいて、所定の照射面の大きさｄ
で着像が行われるようにレーザービームが調整される。
そして、光ファイバの直径をａとし、レーザービーム
の回転角度をφとし、無数次レンズＬの有効直径をｈと
し、焦点距離をｆとし、出射側断面Ｇから無数次レンズ
Ｌまでの距離をｂとし、無数次レンズＬから必要とする
照射位置までの距離をｌとし、必要とする照射面の大き
さをｄとすると、次の関係が成立する。
1/l＋lb＝1/f,d/a＋l/b したがって、 ｄ＝ａ×l/b＝（l/f−１）ａ …（９） になる。
なお、レーザービームは、無数次レンズＬの有効直径
ｈの範囲内を通過しなければならないので、次の条件を
満たす必要がある。
ａ＋ｂφ≦ｈ …（10） 第11図はレーザービームの断面のエネルギー分布を測
定するための装置の構成図であり、同期信号発生器101
からレーザーヘッド102及びCCDカメラ103に同期信号を
送るのと同時に、レーザーヘッド102からのレーザービ
ームの出射と、CCDカメラ103の瞬間撮影とが同時に行わ
れ、レーザーヘッド102から出射されたレーザービーム
Ｒは、ビーム分離器104によって二つのレーザービーム
Ｒに分離させられ、分離させられた一方のレーザービー
ムＲは均一化されない状態で、無数次凸レンズL1によっ
てビームの大きさが調整される。
また、レーザービームＲは、フィルタ105によって透
過輝度が調整された後、CCDカメラ103に照射される。該
CCDカメラ103によって撮影されたレーザービームの分布
状態は、パーソナルコンピュータ106によって映像化さ
れ、データが分析される。
なお、分離させられた他の一つのレーザービームＲ
は、無数次凹レンズL1によって集光された後、光ファイ
バＦに入射され、光ファイバと共に構成された均一化レ
ーザービーム発生装置100を通過する間に、均一なエネ
ルギー分布を有するレーザービームＲに変換され、光フ
ァイバＦから出射される。
そして、出射させられた均一化レーザービームＲは、
無数次凹レンズL2によって大きさが調整され、フィルタ
105により透過輝度が調整された後、CCDカメラ103によ
って分布状態が撮影されることにより、レーザービーム
Ｒの分布状態はパーソナルコンピュータ106によって映
像化され、データが分析される。
このとき、CCDカメラ103による映像撮影において、未
均一化レーザービーム及び均一化レーザービームを同時
に測定するために、二つのCCDカメラが同時に使用され
るか、又は一つのCCDカメラが交互に使用される。
第12図は本発明の実施の形態における均一化装置の効
果を示し、第12図（ａ）は均一化前のレーザービームの
中心線に対する一次元エネルギー分布状態、及び断面の
全体における二次元エネルギー分布状態を表す。第12図
（ｂ）は本発明の実施の形態における均一化レーザービ
ーム発生装置を通過して、エネルギー分布が均一化され
たレーザービームの中心線に対する一次元エネルギー分
布状態、及び断面全体に対する二次元エネルギー分布状
態を表す。
第12図（ａ）に示される均一化前の通常の均一化レー
ザービームは、中心部のエネルギー密度が高く、かつ、
非対称の不規則なエネルギー分布を有するので、通常の
レーザーを使用して測定を行う場合は、測定誤差の発生
が多い（熱拡散係数の場合、５〔％〕内外）。したがっ
て、加工、マーキング等においては、加工精度、生産性
等を向上させることが困難になる。また、薄膜等の特殊
な溶接を行ったり、熱処理にレーザービームを使用した
りするときに、レーザービームが不均一なエネルギー分
布を有するので、品質を向上させるのに多くの困難を伴
う。
本実施の形態によって達成された、第12図（ｂ）に示
される均一化レーザービームは、断面の全体において対
称的で均一なエネルギー分布を有するので、測定の精度
を大きく向上させることができる。また、切断、穿孔等
の加工の精度を高くすることができるので、品質及び生
産性を向上させることができる。
また、マーキング、溶接、熱処理等を正確に、かつ、
均一な作業で行うことができ、レーザービームの不均一
性による不良要因を除去することができ、品質及び生産
性を向上させることができる。
第13図は、円形曲げによるレーザービームの均一化の
効果を調べるために、光ファイバの直径を変更しながら
断面におけるレーザーエネルギー分布を測定し、最大エ
ネルギー密度に対する許容偏差を表す有効エネルギー率
を検討した結果を示す。
ここで、使用された光ファイバは、コアの直径が１
〔mm〕で、長さが５〔ｍ〕のステップ・イン光ファイバ
であり、２回の円形曲げを与えた状態で円形曲げの直径
を400〔mm〕、300〔mm〕、200〔mm〕に変更させながら
ヤグ・レーザービームを通過させた。
そして、精密測定及び精密加工を考慮し、５〔％〕以
内の偏差を有する各有効エネルギー率を比較すると、均
一化前のレーザービームは有効エネルギー率がほとんど
ない状態であるが、光ファイバの曲げ直径を400〔mm〕
にすると、10〔％〕程度のエネルギーが有効エネルギー
として用いられ、曲げ直径を小さくして200〔mm〕にす
ると、60〔％〕以上のエネルギーが有効エネルギーとし
て用いられることになる。
したがって、光ファイバの円形曲げによるレーザービ
ームの均一化が活発に行われたことが分かる。
第14図は三次元曲げによるレーザービームの均一化の
効果を検証した実験結果を示し、直径が400〔mm〕の円
形曲げをそれぞれ一次元で３回、二次元で３回、三次元
で３回与えた場合のレーザービームの分布状態を変化を
表す。
そして、エネルギー偏差が５〔％〕以内である有効エ
ネルギー率の変化を見ると、一次元曲げの場合は20
〔％〕程度であるが、三次元曲げになると有効エネルギ
ー率が60〔％〕以上に増加していることが分かり、三次
元曲げによるレーザービーム均一化への効果は明らかで
ある。
第15図は曲げ直径が400〔mm〕の二次元円形曲げを３
回与えた状態で、曲率半径が60〔mm〕の円形曲げの方向
に局部曲げを３回まで増加させながら与えたときの、局
部曲げの増加に伴うレーザービームの分布状態の変化を
示す。二次元・円形曲げだけを３回与えた状態において
は、エネルギー偏差が５〔％〕以内の有効エネルギー率
は30〔％〕程度であるが、曲率半径が60〔％〕の局部曲
げを３回追加して与えた結果、有効エネルギー率が60
〔％〕以上に増加することが分かり、円形曲げに逆方向
ｓの局部曲げを与えると、レーザービームの均一化が促
進されることが分かる。
このように、円形曲げ、三次元曲げ及び局部曲げがレ
ーザービームの均一化に効果的であることを実験的に明
らかにすることができた。したがって、円形曲げの直径
が240〔mm〕で、局部曲げの曲率半径が60〜70〔mm〕で
ある二重曲げ装置を作成し、レーザービームの均一化効
果を実験した結果、第15図に示されるような、三次元・
円形曲げ＋局部曲げが６箇所（６）という極めて均一化
されたレーザービームを発生させることができた。
このような三次元・二重曲げ装置を使用することによ
って発生させられた均一化レーザービームは、全エネル
ギーの90〔％〕以上のエネルギー偏差が５〔％〕以内に
分布されていて、極めて効率的に精密測定、精密加工等
を行うのに適している。
第16図に示されるように、本発明の実施の形態におい
て得られた均一化レーザービームを使用して、標準材料
として使用する黒鉛（POCO AXM−501）の熱拡散係数を
測定した結果、測定の総合的ばらつきが±３〔％〕の範
囲内に収まり、中央値の曲線から偏差が±0.5〔％〕の
範囲内に収まり、レーザービームの不均一による誤差が
５〔％〕内外に止まる点を考えると、均一化レーザービ
ームの効果が極めて大きいことが分かる。
フロントページの続き (72)発明者 パク，ジュン ウー 大韓民国 431―060，キョンギ―ド ア ンヤン―シティ，ドンガン―ク，クワン ヤン―ドン，1396―１，ヒューディ―ア パート．，７―905 (72)発明者 リー，ウォン シク 大韓民国 137―130，ソウル ソチョ― ク，ヤンジェ―ドン，336―７ (56)参考文献 特開 平６−208029（ＪＰ，Ａ) 米国特許4930863（ＵＳ，Ａ) 米国特許4194808（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 27/09 G02B 6/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】無数次凸レンズを通過させることによって
    焦点の大きさを最小にし、集光されたレーザービームを
    光ファイバに入射させた後、互いに垂直な第１次面、、
    第２次面及び第３次面において円形に曲げられた光ファ
    イバを順に通過させることによって、螺旋状への変化及
    び乱反射による均一化を行い、中心部にあるレーザーエ
    ネルギーを断面の全体に均一に拡散させたことを特徴と
    する均一化レーザービーム。
  2. 【請求項２】レーザービームを凸レンズに通過させ、焦
    点の大きさを最小にし、集光されたレーザービームを光
    ファイバに入射させた後、第１次面、及び該第１次面に
    対して垂直な第２次面にそれぞれ円形状に曲げられた光
    ファイバを順に通過させ、レーザービームの螺旋状への
    変化及び乱反射による均一化を促進させることにより、
    中心部に集中しているレーザーエネルギーを、断面の全
    体に拡散させてレーザービームを均一化することを特徴
    とする均一化レーザービームの発生方法。
  3. 【請求項３】レーザービームを凸レンズに通過させ、焦
    点の大きさを最小にし、集光されたレーザービームを光
    ファイバに入射させた後、第１次面、該第１次面に対し
    て垂直な第２次面、及び前記第１次面及び第２次面に対
    して垂直な第３次面にそれぞれ円形状に曲げられた光フ
    ァイバを順に通過させ、レーザービームの螺旋状への変
    化及び乱反射による均一化を促進させることにより、中
    心部に集中しているレーザーエネルギーを、断面の全体
    に拡散させてレーザービームを均一化することを特徴と
    する均一化レーザービームの発生方法。
  4. 【請求項４】前記凸レンズによって集光されたレーザー
    ビームは、光ファイバの入射面に対して垂直に入射させ
    られ、レーザービームが光ファイバに入射させられる際
    に、入射面における反射による入射損失が最小にされる
    請求項２又は３に記載の均一化レーザービームの発生方
    法。
  5. 【請求項５】前記凸レンズにより集光されたレーザービ
    ームの直後に光ファイバの断面が配設され、レーザービ
    ームの入射時に光ファイバの焼損が防止される請求項２
    又は３に記載の均一化レーザービームの発生方法。
  6. 【請求項６】前記凸レンズにより集光されたレーザービ
    ームに、前記第１次面及び第２次面による円形曲げを、
    該円形曲げと逆方向に、前記円形曲げより小さい接線長
    さ及び曲率半径を有する逆方向局部曲げをそれぞれ与
    え、螺旋状の光線を光ファイバの断面の中心部から周縁
    に拡散させ、曲率半径が小さい局部曲げ面において乱反
    射を行わせ、光ファイバを通過するレーザービームの光
    路を多様化し、光ファイバの断面の全体にわたって光路
    の位置変更を促進することによって、レーザービームを
    対称化及び均一化する請求項２又は３に記載の均一化レ
    ーザービームの発生方法。
  7. 【請求項７】前記凸レンズによって集光されたレーザー
    ビームを光ファイバに入射させる際の最大入射角は、光
    ファイバのコアとクラッドとの屈折率を考慮した許容入
    射角の1/2以下にされ、レーザービームが光ファイバに
    入射された後、曲げが与えられる場合に、コアとクラッ
    ドとの境界面で異常屈折による損失が発生しないように
    する請求項２又は３に記載の均一化レーザービームの発
    生方法。
  8. 【請求項８】基板を形成し、該基板には、光ファイバの
    円形曲げ及び局部曲げを与えるように光ファイバを巻き
    付けるための曲げガイドと、該曲げガイドの局部曲げ部
    に巻き付けられた光ファイバを局部曲げの形状にするた
    めの局部曲げ調整部とをそれぞれ取り付けて曲げ部を形
    成し、前記二つの曲げ部を互いに直角になるように配列
    して取り付け、二つの曲げ部の曲げガイド面に沿って光
    ファイバを配列することを特徴とする均一化レーザービ
    ーム発生装置。
  9. 【請求項９】基板を形成し、該基板には、光ファイバに
    円形曲げ及び局部曲げを与えるように光ファイバを巻き
    付けるための曲げガイドと、該曲げガイドの局部曲げ部
    に巻き付けられた光ファイバを局部曲げの形状にするた
    めの局部曲げ調整部とをそれぞれ取り付けて曲げ部を形
    成し、前記曲げ部を三つ互いに直角になるように配列し
    て取り付け、三つの曲げ部の曲げガイド面に沿って光フ
    ァイバを配列することを特徴とする均一化レーザービー
    ム発生装置。
JP09519606A 1995-11-23 1996-11-22 光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、その発生方法及びその発生装置 Expired - Lifetime JP3075571B2 (ja)

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