JP3305147B2

JP3305147B2 - 光ファイバの結合方法及びその結合系

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Publication number: JP3305147B2
Application number: JP01586495A
Authority: JP
Inventors: 崇赤羽; 孝石出; 義男橋本; 桂大滝
Original assignee: Nikon Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Nikon Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-07-06
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 2002-07-22
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JPH0875947A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属製品の溶接や切断
などのレーザ加工に適用される光ファイバの結合方法及
びその結合系に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属製品の溶接や切断などのレーザ加工
を行う場合には、レーザを高出力として作業を行う必要
がある。そこで、従来は、複数の光ファイバを用いてこ
の光ファイバにより伝達されたレーザ光を１本のコア径
の大きな光ファイバに結合させることで、レーザ光を高
出力化してレーザ加工を行っている。

【０００３】図１０に従来の光ファイバの結合方法によ
るその結合系、図１１に光ファイバの結合系の断面を示
す。複数の光ファイバを用いて複数のレーザ光を１本の
光ファイバに結合させる場合、例えば、図１０に示すよ
うに、２つのレーザ発振器１０１，１０２から発信され
たレーザ光はそれぞれ光ファイバ入射光学系１０３，１
０４により光ファイバ１０５，１０６に入射される。光
ファイバ１０５，１０６により伝送される各レーザ光
は、この光ファイバ１０５，１０６の出射側が束ねられ
て合成部１０７が形成されることで、光ファイバ１０
５，１０６から出射された各レーザ光がそれぞれ集光レ
ンズ１０８により集光され、光ファイバ１０９に入射し
て結合される。そして、光ファイバ１０９により伝送さ
れたレーザ光は加工用集光光学系１１０で集光され、加
工面１１１に対して照射されることで、溶接や切断など
のレーザ加工が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、光ファイバ
２０１は、図１１(ａ)に示すように、中心部のコア２０
２の外側にクラッド層２０３及びシリコンの保護層２０
４が被覆された構造となっている。そのため、前述した
従来の光ファイバの結合系にあっては、２本の光ファイ
バ１０５，１０６から出射されたレーザ光を１本の光フ
ァイバ１０９に入射して結合するので、図１１(ｂ)に示
すように、出射側の光ファイバ１０５，１０６はそれぞ
れのクラッド層２０３及び保護層２０４の膜厚分だけコ
ア２０２を接近させることができず、入射側の光ファイ
バ１０９のコア径は並設した出射側の２本の光ファイバ
１０５，１０６のコア２０２を含んでそれ以上の大きさ
としなければならない。このように入射側の光ファイバ
１０９のコア径の増大により、レーザ光の集光径が大き
くなって集光エネルギー密度が低くなるので、溶接や切
断などのレーザ加工において、レーザ光の高出力化を十
分に図ることができなかった。

【０００５】そして、光ファイバを用いて複数のレーザ
光を１本の光ファイバに結合させる場合、前述の従来例
では、２本の光ファイバ１０５，１０６のレーザ光を光
ファイバ１０９に入射して結合させように説明したが、
一般的には、図１１(ｃ)に示すように、３本の光ファイ
バを用いて複数のレーザ光を１本の光ファイバに結合さ
せることが行われている。しかし、この場合であって
も、前述と同様に、出射側の光ファイバ１０５，１０
６，１０５を各クラッド層２０３及び保護層２０４の膜
厚分だけコア２０２を接近させることができず、入射側
の光ファイバ１０９のコア径は更に大きくなり、レーザ
光の集光径が大きくなって集光エネルギー密度が低くな
ってしまう。

【０００６】また、前述したように、複数の光ファイバ
を用いて各レーザ光を１本の光ファイバに結合させる場
合、各光ファイバから出射された各レーザ光を集光する
集光レンズは光源寸法が大きくなることから、必然的に
レンズ径も大きくなってフレキシブルな加工には対応し
にくいという問題がある。そして、複数の光ファイバを
束ねた構造とした場合、各光ファイバの端面は加工面か
らの反射光によって損傷しやすいため、一度に複数の光
ファイバを損傷させてしまう虞があった。

【０００７】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、エネルギー密度の高い状態でレーザ光を結合す
ることのできる光ファイバの結合方法及びその結合系を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明の光ファイバの結合方法は、複数の出射側光
ファイバから出射されるレーザ光を結合して１本の入射
側光ファイバに入射する光ファイバの結合方法におい
て、複数の出射側光ファイバのうち前記入射側光ファイ
バと光軸が平行となる光ファイバから出射されたレーザ
光をコリメータレンズ系でコリメートする一方、複数の
出射側光ファイバのうち前記入射側光ファイバと光軸が
交差する光ファイバから出射されたレーザ光をコリメー
タレンズ系でコリメートすると共に反射ミラーで反射さ
せて他の光ファイバから出射されたレーザ光と干渉する
ことなく平行な多層状態とし、前記複数の出射側光ファ
イバから出射された全てのレーザ光を集光レンズ系で集
光して前記入射側光ファイバに入射させるとき、前記入
射側光ファイバに入射可能なレーザ光の収束角の半角Ｎ
Ａとコア径との乗算値が、前記複数の出射側光ファイバ
の収束角の半角ＮＡとコア径との乗算値の合計値以上と
なるように設定することを特徴とするものである。

【０００９】また、本発明の光ファイバの結合系は、複
数の出射側光ファイバから出射されるレーザ光を結合し
て１本の入射側光ファイバに入射する光ファイバの結合
系において、複数の出射側光ファイバのうちの前記入射
側光ファイバと光軸が平行となる第１の光ファイバから
出射されたレーザ光をコリメートする第１のコリメータ
レンズ系と、複数の出射側光ファイバのうち前記入射側
光ファイバと光軸が交差する第２の光ファイバから出射
されたレーザ光をコリメートする第２のコリメータレン
ズ系と、該第２のコリメータレンズ系でコリメートされ
た第２の光ファイバから出射されたレーザ光を反射させ
て前記第１の光ファイバから出射されたレーザ光と干渉
することなく平行な多層状態とする反射ミラーと、前記
第１の光ファイバから出射されたレーザ光と前記反射ミ
ラーで反射された第２の光ファイバから出射されたレー
ザ光を集光して前記入射側光ファイバに入射させる集光
レンズ系とを具え、前記入射側光ファイバに入射可能な
レーザ光の収束角の半角ＮＡとコア径との乗算値が、前
記複数の出射側光ファイバの収束角の半角ＮＡとコア径
との乗算値の合計値以上となるように設定したことを特
徴とするものである。

【００１０】また、本発明の光ファイバの結合系は、第
２のコリメータレンズ系でコリメートされた第２の光フ
ァイバから出射されたレーザ光をリング状とするリング
状ビーム光学系を設けると共に、反射ミラーを第１のコ
リメータレンズ系でコリメートされた第１の光ファイバ
から出射されたレーザ光が通過する穴開き部を有して前
記リング状ビーム光学系でリング状とされた第２の光フ
ァイバから出射されたレーザ光を反射させて該第１の光
ファイバから出射されたレーザ光と干渉することなく全
ての光軸を一致させた多層状態とする穴開き反射ミラー
とすることを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】複数の出射側光ファイバのうち入射側光ファイ
バと光軸が平行な光ファイバから出射されたレーザ光を
コリメータレンズ系でコリメートする一方、入射側光フ
ァイバと光軸が交差する光ファイバから出射されたレー
ザ光をコリメータレンズ系でコリメートして反射ミラー
で反射させることで、他の光ファイバから出射されたレ
ーザ光と干渉することなく平行な多層状態とし、複数の
出射側光ファイバから出射された全てのレーザ光を集光
レンズ系で集光して入射側光ファイバに入射させること
で結合されることとなり、入射側光ファイバのコア径を
小さくすることで集光スポット径が小さくなり、エネル
ギー密度が高まる。

【００１２】そして、光ファイバの結合系を、入射側光
ファイバと光軸が平行となるレーザ光をコリメートする
第１のコリメータレンズ系と、入射側光ファイバと光軸
が交差するレーザ光をコリメートする第２のコリメータ
レンズ系と、この第２のコリメータレンズ系でコリメー
トされたレーザ光を反射させて他のレーザ光と干渉する
ことなく平行な多層状態とする反射ミラーと、全てのレ
ーザ光を集光して光軸を一致させた状態で入射側光ファ
イバに入射させる集光レンズ系とを設けたことで、大型
化せずに複数のレーザ光をエネルギー密度を高めた状態
で結合することができ、フレキシブルな対応が可能とな
る。

【００１３】また、光ファイバの結合系において、第２
のコリメータレンズ系でコリメートされたレーザ光をリ
ング状とするリング状ビーム光学系を設けると共に、反
射ミラーを第１のコリメータレンズ系でコリメートされ
たレーザ光が通過する穴開き部を有してリング状ビーム
光学系でリング状とされたレーザ光を反射させて全ての
レーザ光を干渉することなく光軸を一致させた多層状態
とする穴開き反射ミラーとすることで、複数のレーザ光
をエネルギー密度を高めた状態で容易に結合することが
可能となる。

【００１４】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１５】図１に本発明の第１実施例に係る光ファイ
バの結合方法を実施するための光ファイバの結合系を表
す概略、図２にこの第１実施例の光ファイバの結合系に
おける別のリング状ビーム光学系を表す概略、図３に第
１実施例の変形例の光ファイバの結合系を表す概略を示
す。

【００１６】本実施例の光ファイバの結合方法を実施す
るための光ファイバの結合系において、図１に示すよう
に、第１の出射側光ファイバ１１はその光軸Ｐ₁が入射
側光ファイバ４１の光軸Ｐ₄と一致するように配置さ
れ、この第１の出射側光ファイバ１１の前方に第１の出
射側光ファイバ１１から出射されたレーザ光をコリメー
トする第１のコリメータレンズ系１２が配置されてい
る。また、第２の出射側光ファイバ２１はその光軸Ｐ₂
が入射側光ファイバ４１の光軸Ｐ₄とほぼ直角に交差す
るように配置され、この第２の出射側光ファイバ２１の
前方に第２の出射側光ファイバ２１から出射されたレー
ザ光をコリメートする第２のコリメータレンズ系２２が
配置され、この第２のコリメータレンズ系２２の前方に
は第２のコリメータレンズ系２２でコリメートされた第
２の出射側光ファイバから出射されたレーザ光をリング
状とするために円錐レンズを組み合わせたリング状ビー
ム光学系２３が配置されている。

【００１７】第１の出射側光ファイバ１１と第２の出射
側光ファイバ２１の各光軸Ｐ₁とＰ ₂が交差する位置に
は所定の角度をもって穴開き反射ミラー３１が設置され
ている。この穴開き反射ミラー３１は第１のコリメータ
レンズ系２２でコリメートされた第１の出射側光ファイ
バ１１から出射されたレーザ光が通過する穴開き部３２
を有すると共に、リング状ビーム光学系２３でリング状
とされた第２の出射側光ファイバ２１から出射されたレ
ーザ光を反射させることで、第１の出射側光ファイバ１
１から出射されたレーザ光と干渉することなくその光軸
Ｐ₂を光軸Ｐ₁と一致させて多層状態とするように配置
されている。そして、穴開き反射ミラー３１の前方には
この穴開き反射ミラーの穴開き部３２を通過した第１の
出射側光ファイバ１１から出射されたレーザ光と穴開き
反射ミラー３１で反射された第２の出射側光ファイバ２
１から出射されたレーザ光とをそれぞれ集光し、入射側
光ファイバ４１に入射させる集光レンズ系３３が配置さ
れている。

【００１８】従って、２本の出射側光ファイバ１１，１
２を伝送して端部から出射された各レーザ光を１本の入
射側光ファイバ４１に入射して結合させる場合、第１の
出射側光ファイバ１１から出射されたレーザ光は第１の
コリメータレンズ系１２によってコリメートされ、穴開
き反射ミラー３１の穴開き部３２を通過する。一方、第
２の出射側光ファイバ２１から出射されたレーザ光は第
２のコリメータレンズ系２２によってコリメートされ、
リング状ビーム光学系２３によってこのレーザ光がリン
グ状とされる。そして、リング状となったレーザ光は穴
開き反射ミラー３１によって反射させることで、穴開き
部３２を通過した第１の出射側光ファイバ１１から出射
されたレーザ光と干渉することなくその光軸Ｐ₂を光軸
Ｐ₁と一致させて多層状態とする。

【００１９】即ち、第１の出射側光ファイバ１１から出
射された円形状のレーザ光の周りに第２の出射側光ファ
イバ２１から出射されたリング状のレーザ光が位置する
こととなり、この状態で集光レンズ系３３によって各レ
ーザ光を集光し、集光したレーザ光を入射側光ファイバ
４１に入射させることで、レーザ光が結合される。そし
て、結合されたレーザ光は入射側光ファイバ４１にて伝
送され、図示しない加工用集光光学系で集光され、加工
面に対してレーザ光が照射されることで、溶接や切断な
どのレーザ加工が行われる。

【００２０】なお、第２のコリメータレンズ系２２でコ
リメートされたレーザ光をリング状とするリング状ビー
ム光学系２３は前述したものに限らず、図２に示すよう
に、円錐レンズの円錐面を対向するように組み合わせて
配置したリング状ビーム光学系２４としてもよい。

【００２１】ここで、前述した実施例の光ファイバの結
合系において、その集光スポットの形成状況について説
明する。この場合、第１及び第２の出射側光ファイバ１
１，２１のコア径を０．６mmとし、これらの光ファイバ
１１，２１からのレーザ光を結合する出射側光ファイバ
４１のコア系を１．２mmとし、ＳＩ（マルチモードステ
ップインデックス）型の光ファイバを用いたものとす
る。

【００２２】即ち、第１及び第２の出射側光ファイバ１
１，２１の特性を下記に示す。コア径：φ₁＝φ₂＝０．６mm クラッド層厚＋保護層厚：ｔ₁＝ｔ₂＝０．３mm 光ファイバに入射可能なレーザ光の収束角の半角ＮＡ： α₁＝α₂＝α₄＝０．２なお、各記号の添字１は第１の出射側光ファイバ１１、
添字２は第２の出射側光ファイバ２１、添字４は入射側
光ファイバ４１を表している。

【００２３】従来のように、出射側光ファイバを並設し
てレーザ光を結合する場合（図１０及び図１１(ｂ)参
照）では、入射側光ファイバのコア径は、 φ＝０．６＋０．６＋０．３＋０．３＝１．８mm となり、実際にはそれ以上のコア径が必要である。

【００２４】一方、本実施例の光ファイバの結合系にあ
っては、 φ₄＝０．６＋０．６＝１．２mm となる。この結果、本実施例の光ファイバの結合系で
は、レーザ加工面での集光スポット径を従来の1.2/1.8
倍に小さくすることができ、加工エネルギー密度は(1.8
/1.2)²＝2.25倍となり、レーザ光の出力が同じでも高効
率なレーザ加工が可能となる。

【００２５】また、このような第１及び第２の出射側光
ファイバ１１，２１並びに出射側光ファイバ４１の関連
を説明する。なお、各光ファイバ１１，２１，４１の特
性を下記に示す符号で表す。第１の出射側光ファイバ１１：φ₁，ｔ₁，α₁ 第２の出射側光ファイバ２１：φ₂，ｔ₂，α₂ 入射側光ファイバ４１：φ₄，ｔ₄，α₄ 第１のコリメータレンズ系１２の焦点距離：ｆ₁ 第２のコリメータレンズ系２２の焦点距離：ｆ₂ 集光レンズ系３３の焦点距離：ｆ₃

【００２６】従来のように、出射側光ファイバを並設し
てレーザ光を結合する場合（図１０及び図１１(ｂ)参
照）では、結像倍率ｍ＝ｆ₃／ｆ₁となる。一方、入射
側光フイバ４１のコア上での第１の出射側光ファイバ１
１及び第２の出射側光ファイバ１１の結像条件から、 φ₄≧（φ₁＋φ₂＋ｔ₁＋ｔ₂）・ｍ・・・（１） α₄≧α₁／ｍ，α₄≧α₂／ｍ・・・（２）従って、 φ₄・α₄≧α₁・（φ₁＋φ₂＋ｔ₁＋ｔ₂） φ₄・α₄≧α₂・（φ₁＋φ₂＋ｔ₁＋ｔ₂）・・・（３）ここで、α₁＝α₂＝α₄のときは以下のようになる。 φ₄≧φ₁＋φ₂＋ｔ₁＋ｔ₂ ・・・（４）

【００２７】これに対して、本実施例の光ファイバの結
合系にあっては、第１の出射側光ファイバ１１の結像倍率ｍ₁＝ｆ₃／ｆ₁ 第２の出射側光ファイバ２１の結像倍率ｍ₂＝ｆ₃／ｆ₂ 第２の出射側光ファイバ２１から入射側光ファイバ４１へのＮＡ α₂’，α₂”（α₂’≦ＮＡ≦α₂”）第１の出射側光ファイバ１１及び第２の出射側光ファイ
バ２１の結像条件から φ₄≧φ₁・ｍ₁ ，φ₄≧φ₂・ｍ₂ ・・・（５） α₂’≧α₁／ｍ₁，α₄≧α₂” Ｗ＝ｆ₂・α₂＝ｆ₃・（α₂”−α₂’） α₂”−α₂’＝α₂・（ｆ₂／ｆ₃）＝α₂／ｍ₂ ・・・（６）

【００２８】通常、第１の出射側光ファイバ１１のＮＡ
（α₁／ｍ₁）は第２の出射側光ファイバ２１のＮＡ
（α₂）に等しくなる。そこで、 α₄≧α₂＝α₂／ｍ₂＋α₁／ｍ₁ ・・・（７）また、第１の出射側光ファイバ１１及び第２の出射側光
ファイバ２１の像の大きさは、通常、等しくなることか
ら、 φ₄≧φ₁・ｍ₁＝φ₂・ｍ₂ ・・・（８）従って、前述した数式（７），（８）より φ₄・α₄≧φ₁・α₁＋φ₂・α₂ ・・・（９）もし、α₁＝α₂＝α₄なら、 φ₄≧φ₁＋φ₂ ・・・（10）そして、前述した数式（４），（10）より従来に比べて
本実施例の光ファイバの結合系の方が光ファイバ１１，
２１のクラッド層、保護層の影響を受けない分光ファイ
バ４１のコア径を小さくすることができる。

【００２９】また、前述の実施例にあっては、第１の出
射側光ファイバ１１の光軸Ｐ₁とこの光軸Ｐ₁にほぼ直
角に交差するように配置された第２の出射側光ファイバ
２１の光軸Ｐ₂との２つの光軸Ｐ₁，Ｐ₂を結合するよ
うに構成したが、結合する光軸の数はこれに限定される
ものではなく、数式（９）からわかるように、入射側光
ファイバに入射可能なレーザ光の収束角の半角ＮＡ
（α）とコア径（φ）との乗算値が、複数の出射側光フ
ァイバの収束角の半角ＮＡ（α）とコア径（φ）との乗
算値の合計値以上となるように設定すればよい。

【００３０】即ち、図３に示すように、この実施例にあ
っては、第１の出射側光ファイバ１１の光軸Ｐ₁が入射
側光ファイバ４１の光軸Ｐ₄と一致するように配置さ
れ、この第１の出射側光ファイバ１１の前方に第１のコ
リメータレンズ系１２が配置されている。また、第２の
出射側光ファイバ２１はその光軸Ｐ₂が入射側光ファイ
バ４１の光軸Ｐ₄とほぼ直角に交差するように配置さ
れ、この第２の出射側光ファイバ２１の前方に第２のコ
リメータレンズ系２２及びリング状ビーム光学系２３が
配置されている。更に、第３の出射側光ファイバ５１は
その光軸Ｐ₃が入射側光ファイバ４１の光軸Ｐ₄とほぼ
直角に交差するように配置され、この第３の出射側光フ
ァイバ５１の前方に第３のコリメータレンズ系５２及び
リング状ビーム光学系５３が配置されている。

【００３１】第１の出射側光ファイバ１１と第２の出射
側光ファイバ２１の各光軸Ｐ₁とＰ ₂が交差する位置に
は所定の角度をもって穴開き部３２を有する穴開き反射
ミラー３１が設置されている。また、第１の出射側光フ
ァイバ１１と第３の出射側光ファイバ５１の各光軸Ｐ₁
とＰ₃が交差する位置には所定の角度をもって穴開き部
３４を有する穴開き反射ミラー３５が設置されている。
そして、各穴開き反射ミラー３１，３５の前方には出射
側光ファイバ１１，２１，４１から出射された各レーザ
光をそれぞれ集光し、入射側光ファイバ４１に入射させ
る集光レンズ系３３が配置されている。

【００３２】従って、第１の出射側光ファイバ１１から
出射されたレーザ光は第１のコリメータレンズ系１２に
よってコリメートされ、２つの穴開き反射ミラー３１，
３５の各穴開き部３２，３４を通過する。一方、第２の
出射側光ファイバ２１から出射されたレーザ光は第２の
コリメータレンズ系２２によってコリメートされ、リン
グ状ビーム光学系２３によってこのレーザ光がリング状
とされ、穴開き反射ミラー３１によって反射される。ま
た、第３の出射側光ファイバ５１から出射されたレーザ
光は第３のコリメータレンズ系５２によってコリメート
され、リング状ビーム光学系５３によってこのレーザ光
がリング状とされ、穴開き反射ミラー３５によって反射
される。そして、各穴開き部３２，３４を通過した第１
の出射側光ファイバ１１から出射されたレーザ光と各穴
開き反射ミラー３１，３５によって第２及び第３出射側
光ファイバ２１，５１から反射されたレーザ光はそれぞ
れ干渉することなく、各光軸Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃を一致さ
せて多層状態となる。

【００３３】即ち、第１の出射側光ファイバ１１から出
射された円形状のレーザ光の周りに第２の出射側光ファ
イバ２１から出射されたリング状のレーザ光が位置し、
更に、第２の出射側光ファイバ２１から出射されたリン
グ状のレーザ光の周りに第３の出射側光ファイバ５１か
ら出射されたリング状のレーザ光が位置することとな
り、この状態で集光レンズ系３３によって各レーザ光を
集光し、集光したレーザ光を入射側光ファイバ４１に入
射させることで、レーザ光が結合される。そして、結合
されたレーザ光は入射側光ファイバ４１にて伝送され、
図示しない加工用集光光学系で集光され、加工面に対し
てレーザ光が照射されることで、溶接や切断などのレー
ザ加工が行われる。

【００３４】図４に本発明の第２実施例に係る光ファイ
バの結合方法を実施するための光ファイバの結合系を表
す概略、図５にこの第１実施例の光ファイバの結合系を
可能とする光ファイバ結合装置を表す概略、図６に第２
実施例の変形例の光ファイバの結合系を表す概略を示
す。なお、前述の各実施例に説明したものと同様の機能
を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省
略する。

【００３５】本実施例の光ファイバの結合方法を実施す
るための光ファイバの結合系において、図４及び図５に
示すように、基盤１０にはレーザ発振器１５が取付けら
れており、このレーザ発振器１５に接続された第１の出
射側光ファイバ１１はその光軸Ｐ₁が入射側光ファイバ
４１の光軸Ｐ₄と平行となるように配置され、この第１
の出射側光ファイバ１１の前方に第１の出射側光ファイ
バ１１から出射されたレーザ光をコリメートする第１の
コリメータレンズ系１２が配置されている。また、基盤
１０にはレーザ発振器２５が取付けられており、このレ
ーザ発振器２５に接続された第２の出射側光ファイバ２
１はその光軸Ｐ₂が入射側光ファイバ４１の光軸Ｐ₁と
ほぼ直角に交差するように配置され、この第２の出射側
光ファイバ２１の前方に第２の出射側光ファイバ２１か
ら出射されたレーザ光をコリメートする第２のコリメー
タレンズ系２２が配置されている。なお、第１のコリメ
ータレンズ系１２及び第２のコリメータレンズ系２２に
は光軸調整系１５，２５が介装されている。

【００３６】第２の出射側光ファイバ２１の各光軸Ｐ₂
と入射側光ファイバ４１の光軸Ｐ₄とが交差する位置に
は所定の角度をもって反射ミラー３６が設置されてい
る。この反射ミラー３６は第２の出射側光ファイバ２１
から出射されて第２のコリメータレンズ系２２によって
コリメートされたレーザ光を反射させることで、第１の
出射側光ファイバ１１から出射されたレーザ光と干渉す
ることなくその光軸Ｐ₂を光軸Ｐ₁と平行な多層状態と
するように配置されている。そして、反射ミラー３６の
前方には第１の出射側光ファイバ１１から出射されたレ
ーザ光と反射ミラー３６で反射された第２の出射側光フ
ァイバ２１から出射されたレーザ光とをそれぞれ集光
し、入射側光ファイバ４１に入射させる集光レンズ系３
７が配置されている。なお、入射側光ファイバ４１の端
部には加工用集光光学系４２接続されており、結合した
レーザ光を集光して加工面４３に対して照射することで
溶接や切断などのレーザ加工を行うことができるように
なっている。

【００３７】従って、２本の出射側光ファイバ１１，１
２を伝送して端部から出射された各レーザ光を１本の入
射側光ファイバ４１に入射して結合させる場合、第１の
出射側光ファイバ１１から出射されたレーザ光は第１の
コリメータレンズ系１２によってコリメートされる。一
方、第２の出射側光ファイバ２１から出射されたレーザ
光は第２のコリメータレンズ系２２によってコリメート
され、反射ミラー３６によって反射されることで、第１
の出射側光ファイバ１１から出射されたレーザ光と干渉
することなくその光軸Ｐ₂が光軸Ｐ₁と平行となって多
層状態とする。即ち、第１の出射側光ファイバ１１から
出射された円形状のレーザ光と第２の出射側光ファイバ
２１から出射された円形状のレーザ光とが隣接して位置
することとなり、この状態で集光レンズ系３７によって
各レーザ光を集光し、集光したレーザ光を入射側光ファ
イバ４１に入射させることで、レーザ光が結合される。
そして、結合されたレーザ光は入射側光ファイバ４１に
て伝送され、加工用集光光学系４２で集光され、加工面
４３に対してレーザ光が照射されることで、溶接や切断
などのレーザ加工が行われる。

【００３８】また、前述の実施例にあっては、第１の出
射側光ファイバ１１の光軸Ｐ₁とこの光軸Ｐ₁にほぼ直
角に交差するように配置された第２の出射側光ファイバ
２１の光軸Ｐ₂との２つの光軸Ｐ₁，Ｐ₂を結合するよ
うに構成したが、結合する光軸の数はこれに限定される
ものではない。

【００３９】即ち、図６に示すように、この実施例にあ
っては、第１の出射側光ファイバ１１の光軸Ｐ₁が入射
側光ファイバ４１の光軸Ｐ₄と一致するように配置さ
れ、その前方に第１のコリメータレンズ系１２が配置さ
れている。また、第２の出射側光ファイバ２１はその光
軸Ｐ₂が入射側光ファイバ４１の光軸Ｐ₄とほぼ直角に
交差するように配置され、その前方に第２のコリメータ
レンズ系２２が配置されている。第３の出射側光ファイ
バ５１はその光軸Ｐ₃が入射側光ファイバ４１の光軸Ｐ
₄とほぼ直角に交差するように配置され、その前方に第
３のコリメータレンズ系５２が配置されている。そし
て、第２の出射側光ファイバ２１の光軸Ｐ₂と入射側光
ファイバ４１の光軸Ｐ₄が交差する位置には所定の角度
をもって反射ミラー３８が設置されている。また、第３
の出射側光ファイバ５１の光軸Ｐ₃と入射側光ファイバ
４１の光軸Ｐ₄が交差する位置には所定の角度をもって
反射ミラー３９が設置されている。そして、各反射ミラ
ー３８，３９の前方には出射側光ファイバ１１，２１，
４１から出射された各レーザ光をそれぞれ集光し、入射
側光ファイバ４１に入射させる集光レンズ系３７が配置
されている。

【００４０】従って、第１の出射側光ファイバ１１から
出射されたレーザ光は第１のコリメータレンズ系１２に
よってコリメートされる。一方、第２の出射側光ファイ
バ２１から出射されたレーザ光は第２のコリメータレン
ズ系２２によってコリメートされ、反射ミラー３８によ
って反射され、第３の出射側光ファイバ５１から出射さ
れたレーザ光は第３のコリメータレンズ系５２によって
コリメートされることで、各レーザ光は第１の出射側光
ファイバ１１から出射されたレーザ光と干渉することな
くその光軸Ｐ₂，Ｐ₃が光軸Ｐ₁と平行となって多層状
態とする。即ち、第１の出射側光ファイバ１１から出射
された円形状のレーザ光と第２の出射側光ファイバ２１
及び第３の出射側光ファイバ５１からそれぞれ出射され
た各レーザ光が直線状、あるいは三角形状に並列して位
置することとなり、この状態で集光レンズ系３７によっ
て各レーザ光を集光し、集光したレーザ光を入射側光フ
ァイバ４１に入射させることで、レーザ光が結合され
る。

【００４１】なお、上述の各実施例では、２つの光ファ
イバ１１，２１から出射された各レーザ光を集光して結
合したり、３つの光ファイバ１１，２１，５１から出射
された各レーザ光を集光して結合したりしたが、集光す
る光ファイバの数は各実施例に限定されるものではな
い。また、上述の各実施例では、入射側光ファイバ４１
の光軸Ｐ₄とほぼ平行な光軸Ｐ₁を有する第１の出射側
光ファイバ１１のレーザ光と、入射側光ファイバ４１の
光軸Ｐ₄とほぼ直交する各光軸Ｐ₂，Ｐ₃を有する第２
及び第３の出射側光ファイバ２１，５１のレーザ光とを
結合するようにしたが、出射側光ファイバ２１，５１の
各光軸Ｐ₂，Ｐ₃の交差角度は光軸Ｐ₁とほぼ直交する
９０度に限定されるものではなく、各反射ミラー３１，
３５，３６，３８，３９の角度を変更することで、いず
れの角度でもよいものである。

【００４２】図７及び図８に示すグラフは本発明の光フ
ァイバの結合方法による作用効果を表すものであって、
図７にレーザ光の集光エネルギー密度に対する溶込み深
さを表すグラフ、図８及び図９に出射側光ファイバから
の出力波形と結合後の入射側光ファイバからの出力波形
を表すグラフを示す。

【００４３】図７のグラフによれば、本発明の光ファイ
バの結合系のように、レーザ光の集光スポットが小さい
ほどエネルギー密度が高くなり、より深い溶込みを得る
ことができ、レーザ切断加工にあっては、従来より厚い
板の切断が可能となる。

【００４４】そして、図８のグラフにおいて、(ａ)及び
(ｂ)に表すものは２種類のレーザ発振器から発振した出
力波形であって、(ｃ)はこの両者の出力波形を合成した
ものである。このグラフによれば、１２６０Ｗの出力波
形と７４０Ｗの出力波形を合成したときには、２０００
Ｗの出力波形が得られ、合成出力波形は加算によって求
めることができることがわかる。

【００４５】また、図９のグラフにおいて、(ａ)及び
(ｂ)に表すものは２種類の異なる特性のレーザ発振器か
ら発振した出力波形であって、(ｃ)はこの両者の出力波
形を合成したものである。このグラフによれば、５００
Ｗの連続発振出力波形と７４０Ｗのパルス発振出力波形
を合成したときには、１２４０Ｗの出力波形が得られ、
通常の発振器では発振不可能な連続重畳パルス波形を得
ることができ、加工の裕度が大幅に拡がり、アルミニウ
ム合金等の割れ発生のない深い溶込み溶接が可能とな
る。

【００４６】

【発明の効果】以上、実施例を挙げて詳細に説明したよ
うに本発明の光ファイバの結合方法によれば、複数の出
射側光ファイバのうち入射側光ファイバと光軸が平行な
光ファイバから出射されたレーザ光をコリメータレンズ
系でコリメートする一方、入射側光ファイバと光軸が交
差する光ファイバから出射されたレーザ光をコリメータ
レンズ系でコリメートして反射ミラーで反射させること
で、他の光ファイバから出射されたレーザ光と干渉する
ことなく平行な多層状態とし、複数の出射側光ファイバ
から出射された全てのレーザ光を集光レンズ系で集光し
て入射側光ファイバに入射させるようにし、このとき、
入射側光ファイバに入射可能なレーザ光の収束角の半角
ＮＡとコア径との乗算値が、複数の出射側光ファイバの
収束角の半角ＮＡとコア径との乗算値の合計値以上とな
るように設定したので、複数の光ファイバのクラッド層
などの被覆層の影響なく結像して入射側光ファイバのコ
ア径を小さくすることで、同一出力でも加工面での集光
スポット径を小さくし、その結果、結合されたレーザ光
のエネルギー密度を高めることができ、高効率なレーザ
加工を可能とすることができる。

【００４７】また、本発明の光ファイバの結合系によれ
ば、入射側光ファイバと光軸が平行となる第１の光ファ
イバから出射されたレーザ光をコリメートする第１のコ
リメータレンズ系と、入射側光ファイバと光軸が交差す
る第２の光ファイバから出射されたレーザ光をコリメー
トする第２のコリメータレンズ系と、この第２のコリメ
ータレンズ系でコリメートされたレーザ光を反射させて
第１の光ファイバから出射されたレーザ光と干渉するこ
となく平行な多層状態とする反射ミラーと、第１の光フ
ァイバから出射されたレーザ光と反射ミラーで反射され
た第２の光ファイバから出射されたレーザ光を集光して
入射側光ファイバに入射させる集光レンズ系とを設け、
入射側光ファイバに入射可能なレーザ光の収束角の半角
ＮＡとコア径との乗算値が、複数の出射側光ファイバの
収束角の半角ＮＡとコア径との乗算値の合計値以上とな
るように設定したので、装置を大型化せずに複数のレー
ザ光をエネルギー密度を高めた状態で結合することがで
き、フレキシブルな対応を可能とすることができる。

【００４８】また、本発明の光ファイバの結合系によれ
ば、第２のコリメータレンズ系でコリメートされた第２
の光ファイバから出射されたレーザ光をリング状とする
リング状ビーム光学系を設けると共に、反射ミラーを第
１のコリメータレンズ系でコリメートされた第１の光フ
ァイバから出射されたレーザ光が通過する穴開き部を有
してリング状ビーム光学系でリング状とされた第２の光
ファイバから出射されたレーザ光を反射させて第１の光
ファイバから出射されたレーザ光と干渉することなく全
ての光軸を一致させた多層状態とする穴開き反射ミラー
とするので、複数のレーザ光をエネルギー密度を高めた
状態で容易に結合することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る光ファイバの結合方
法を実施するための光ファイバの結合系を表す概略図で
ある。

【図２】第１実施例の光ファイバの結合系における別の
リング状ビーム光学系を表す概略図である。

【図３】第１実施例の変形例の光ファイバの結合系を表
す概略図である。

【図４】本発明の第２実施例に係る光ファイバの結合方
法を実施するための光ファイバの結合系を表す概略図で
ある。

【図５】第１実施例の光ファイバの結合系を可能とする
光ファイバ結合装置を表す概略図である。

【図６】第２実施例の変形例の光ファイバの結合系を表
す概略図である。

【図７】本発明の光ファイバの結合方法による作用効果
を表すものであって、レーザ光の集光エネルギー密度に
対する溶込み深さを表すグラフである。

【図８】本発明の光ファイバの結合方法による作用効果
を表すものであって、出射側光ファイバからの出力波形
と結合後の入射側光ファイバからの出力波形を表すグラ
フである。

【図９】本発明の光ファイバの結合方法による作用効果
を表すものであって、出射側光ファイバからの出力波形
と結合後の入射側光ファイバからの出力波形を表すグラ
フである。

【図１０】従来の光ファイバの結合方法によるその結合
系を表す概略図である。

【図１１】従来の光ファイバの結合系の断面図である。

【符号の説明】

１１，２１，５１出射側光ファイバ１２，２２，５２コリメータレンズ系１３，２３，５３リング状ビーム光学系１５，２５レーザ発振器３１，３５穴開き反射ミラー３２，３４穴開き部３３，３７集光レンズ３６，３８，３９反射ミラー４１入射側光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石出孝兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者橋本義男兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者大滝桂東京都品川区西大井１−６−３株式会社ニコン大井製作所内 (56)参考文献特開昭59−69979（ＪＰ，Ａ) 特開平４−322892（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の出射側光ファイバから出射される
レーザ光を結合して１本の入射側光ファイバに入射する
光ファイバの結合方法において、複数の出射側光ファイ
バのうち前記入射側光ファイバと光軸が平行となる光フ
ァイバから出射されたレーザ光をコリメータレンズ系で
コリメートする一方、複数の出射側光ファイバのうち前
記入射側光ファイバと光軸が交差する光ファイバから出
射されたレーザ光をコリメータレンズ系でコリメートす
ると共に反射ミラーで反射させて他の光ファイバから出
射されたレーザ光と干渉することなく平行な多層状態と
し、前記複数の出射側光ファイバから出射された全ての
レーザ光を集光レンズ系で集光して前記入射側光ファイ
バに入射させるとき、前記入射側光ファイバに入射可能
なレーザ光の収束角の半角ＮＡとコア径との乗算値が、
前記複数の出射側光ファイバの収束角の半角ＮＡとコア
径との乗算値の合計値以上となるように設定することを
特徴とする光ファイバの結合方法。
【請求項２】複数の出射側光ファイバから出射される
レーザ光を結合して１本の入射側光ファイバに入射する
光ファイバの結合系において、複数の出射側光ファイバ
のうちの前記入射側光ファイバと光軸が平行となる第１
の光ファイバから出射されたレーザ光をコリメートする
第１のコリメータレンズ系と、複数の出射側光ファイバ
のうち前記入射側光ファイバと光軸が交差する第２の光
ファイバから出射されたレーザ光をコリメートする第２
のコリメータレンズ系と、該第２のコリメータレンズ系
でコリメートされた第２の光ファイバから出射されたレ
ーザ光を反射させて前記第１の光ファイバから出射され
たレーザ光と干渉することなく平行な多層状態とする反
射ミラーと、前記第１の光ファイバから出射されたレー
ザ光と前記反射ミラーで反射された第２の光ファイバか
ら出射されたレーザ光を集光して前記入射側光ファイバ
に入射させる集光レンズ系とを具え、前記入射側光ファ
イバに入射可能なレーザ光の収束角の半角ＮＡとコア径
との乗算値が、前記複数の出射側光ファイバの収束角の
半角ＮＡとコア径との乗算値の合計値以上となるように
設定したことを特徴とする光ファイバの結合系。
【請求項３】請求項２記載の光ファイバの結合系にお
いて、第２のコリメータレンズ系でコリメートされた第
２の光ファイバから出射されたレーザ光をリング状とす
るリング状ビーム光学系を設けると共に、反射ミラーを
第１のコリメータレンズ系でコリメートされた第１の光
ファイバから出射されたレーザ光が通過する穴開き部を
有して前記リング状ビーム光学系でリング状とされた第
２の光ファイバから出射されたレーザ光を反射させて該
第１の光ファイバから出射されたレーザ光と干渉するこ
となく全ての光軸を一致させた多層状態とする穴開き反
射ミラーとすることを特徴とする光ファイバの結合系。