JP3779689B2

JP3779689B2 - Optical fiber for laser processing and laser light transmission device

Info

Publication number: JP3779689B2
Application number: JP2003032369A
Authority: JP
Inventors: 実小島
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2023-02-10
Also published as: JP2004151667A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工用光ファイバ及びそのレーザ光伝達装置に係り、さらに詳細には、例えば金属等のレーザ加工時に、レーザ加工部分から反射される戻り光が光ファイバ内に入射したときに、前記戻り光を外部へ漏出することのできる光ファイバ及び前記戻り光が光ファイバ内に入射したことを検出することのできるレーザ光伝達装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば金属等のワークへレーザ光を照射して適宜のレーザ加工を行うとき、ワークのレーザ加工部からの反射光の一部が戻り光としてレーザ発振器に戻ると、レーザ発振が不安定になる等の不都合があるので、ワークのレーザ加工部からの反射光（戻り光）を検出したときには、例えばシャッターを閉じるなど、レーザ発振を停止する処理が行われている。
【０００３】
ＹＡＧレーザなど、光ファイバが使用可能なレーザ加工ヘッドにおいては、ワークへレーザ光を出射する光ファイバの他に、ワークのレーザ加工部からの反射光（戻り光）を検出するための光ファイバを備えた構成が開発されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、本発明に関係あると思われる先行例がある（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３９７７１号公報
【０００６】
【特許文献２】
西独国特許第４３０５３１３号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１の構成においては、図３に示すように、光同軸ケーブル１０１の軸心部にワークに対してレーザ光を照射するための第１の光ファイバ１０３を備え、この光ファイバ１０３に隣接して、ワークのレーザ加工部からの反射光（戻り光）を検出するための第２の光ファイバ１０５を備えた構成である。
【０００８】
したがって、第１の光ファイバ１０３から出射したレーザ光を集光レンズにより集光してワークのレーザ加工を行っているときに、レーザ加工部からの反射光が第２の光ファイバ１０５に入射すると、戻り光として検出することができるものの、第２の光ファイバ１０５は第１の光ファイバ１０３に隣接して設けたものであるから、第１の光ファイバ１０３に対する真の反射光（戻り光）の検出とはなり得ないという問題がある。
【０００９】
また、レーザ加工部からのレーザ光の反射光はビーム品質が劣化しており、集光レンズにより光ファイバの出射端面上に集光されたとき、この集光径は光ファイバにおけるコア径より大きく、かつ光ファイバの出射端面に対する集光角度は臨界角度以内とは限らないので、光ファイバに反射光が入射されると、光ファイバにおけるクラッド側に漏洩し、ときとして光ファイバにおれる被覆材を焼損することがある。
【００１０】
前記特許文献２の構成は、図４に示すように、レーザ発振器からのレーザ光ＬＢを集光レンズ１１１により集光して光ファイバ１１３の入射端１１５に入射するとき、光ファイバ１１３におけるコア外周のクラッド１１７に入射したレーザ光のエネルギー密度の低い部分を、前記クラッド１１７の外周面に備えた媒質１１９から漏洩させる構成である。
【００１１】
したがって、光ファイバ１１３に対してレーザ光ＬＢを入射するときにクラッド１１７の部分に入射されたレーザ光の一部が漏洩して被覆材１２１を焼損するようなことは防止できるものの、前記媒質１１９を設けた部分は光ファイバ１１３よりも大径になるので、筒状の支持部材１２３にアパーチャ１２５によって支持する場合、前記アパーチャ１２５と光ファイバ１１３との間にクリアランスを生じ、支持の安定性に欠ける問題があると共に組立てが厄介であるという問題がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、請求項１に係る発明は、コアと、このコアの外周に当該コアよりも屈折率の低いクラッドと、このクラッドの外周に前記コアと屈折率が同一のアウターコアとを備えた三重構造に構成し、さらに前記アウターコアの外周に被覆材を備えた構成のレーザ加工に用いるための光ファイバであって、前記被覆材を除去した端部に、前記三重構造の最外側の前記アウターコアの外周面を粗面に加工し、当該光ファイバの端面から出射したレーザ光の戻り光が前記アウターコアに入射したときに前記戻り光を外部へ漏出するための戻り光漏出部を備えた構成である。
【００１３】
請求項２に係る発明は、コアと、このコアの外周に当該コアよりも屈折率の低いクラッドと、このクラッドの外周に前記コアと屈折率が同一のアウターコアとを備えた三重構造に構成し、さらに前記アウターコアの外周に被覆材を備えた構成の光ファイバにおいて前記被覆材を除去した端部に、前記三重構造の最外側の前記アウターコアの外周面を粗面に加工し、前記光ファイバの端面から出射したレーザ光の戻り光が前記アウターコアに入射したときに前記戻り光を外部へ漏出するための戻り光漏出部を備えた構成とし、前記光ファイバの前記端部を、コネクタ用ケーシング内に備えた複数のアパーチャに設けた孔内に挿通し、前記戻り光漏出部の両端に位置する前記アパーチャにより支持した構成とし、前記戻り光漏出部から漏出した戻り光によって、前記アパーチャ間のコネクタ用ケーシングの内面が加熱され温度が上昇することにより、前記戻り光漏出部からのレーザ光の漏出を検知する温度センサを、前記コネクタ用ケーシングに備えた構成である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、本発明の実施の形態に係る光ファイバ１は、レーザ加工に用いられる高出力レーザ光を伝達するための光ファイバであって、石英ガラスからなるコア３の外周に当該コア３の屈折率（例えば１．４５２）よりも屈折率（例えば１．４３９）の低い石英ガラスよりなるクラッド５を備え、このクラッド５の外周に前記コア３と屈折率が同一のアウターコア７をを備え、さらにアウターコア７の外周にＵＶ樹脂等よりなる被覆材９を備えた構成である。
【００１７】
前記光ファイバ１において、前記被覆材９を除去した出射端側の端部付近の外周面には、前記出射端の端面１１から出射されたレーザ光ＬＢの戻り光（ワークのレーザ加工部からの反射光）が前記アウターコア７に入射したときに、前記戻り光を外部へ漏出するための戻り光漏出部１３が備えられている。
【００１８】
前記戻り光漏出部１３は、前記アウターコア７の鏡面である外周面の一部を粗面に形成したもので、その位置は、前記端面１１から２ｍｍ〜５０ｍｍの位置を一端として３ｍｍ〜４０ｍｍの長さである。
【００１９】
前記構成において、前記光ファイバ１の出射端側には、端面１１から出射されたレーザ光ＬＢを集光する集光レンズ（図示省略）を備えた加工ノズル（図示省略）が配置されるものであり、前記集光レンズによって集光したレーザ光をワークに照射することによってワークのレーザ加工が行われるものである。
【００２０】
ワークのレーザ加工時には、ワークのレーザ加工部分から反射される戻り光があり、ワークとして例えばアルミニウムや銅などの金属においては炭素鋼等よりも反射光が多いものである。前記反射光（戻り光）が光ファイバ１の前記端面１１に入射されるとき、前記端面１１に対する反射光の入射角は一定ではないので、高出力の反射光（戻り光）の一部がアウターコア７から漏出して被覆材９を焼損することがあると共に、レーザ発振器の安定したレーザ発振を阻害することがある。
【００２１】
前述のごとく出射端の端面１１から反射光が光ファイバ１に入射されると、反射光の一部はコア３内をレーザ発振器方向へ進行し、また一部はアウターコア７内をレーザ発振器側へ進行することになる。前記端面１１からアウターコア７内に入射された戻り光はアウターコア７内を伝搬し、前記戻り光漏出部１３の部分に達すると、戻り光漏出部１３は粗面に加工してあるので、当該戻り光漏出部１３においての内側への反射が阻害され、アウターコア７の外部へ漏出されることになる。
【００２２】
したがって、光ファイバ１の端面１１から入射した戻り光が前記被覆材９の位置に達することが阻害されることとなり、戻り光の漏出によって被覆材９が焼損することを防止できるものである。
【００２３】
前述のごとく、ワークのレーザ加工部からの反射光（戻り光）が光ファイバ１の端面１１から入射されると、前記戻り光漏出部１３から戻り光が外部へ漏出するので、戻り光漏出部１３からの戻り光漏出を検出することにより、反射光を検出でき、反射光を検出したときに、例えばレーザ発振器のレーザ発振を停止することにより安定したレーザ加工を行い得るものである。
【００２４】
そこで、前記戻り光漏出部１３からの戻り光の漏出を検出するために、図２に示すように、前記光ファイバ１の出射端側の端部を、例えば加工ノズルとの接続用の筒状のコネクタケーシング１５内に複数のアパーチャ１７Ａ，１７Ｂにより支持した構成とする。この際、前記アパーチャ１７Ａ，１７Ｂに設けた孔１９に前記光ファイバ１を挿通し、前記戻り光漏出部１３の両端に前記アパーチャ１７Ａ，１７Ｂが位置する構成とする。
【００２５】
前記戻り光漏出部１３はアウターコア７の外周面を粗面に加工したにすぎないものであって、戻り光漏出部１３の径は光ファイバ１の径と同一又は微小量小径になるので、前述のようにアパーチャ１７Ａ，１７Ｂの孔１９に光ファイバ１を挿通するとき、容易に挿通することができるものである。また、孔１９と光ファイバ１との間のクリアランスは微小なものであって、安定した支持構成となるものである。
【００２６】
前記アパーチャ１７Ａ，１７Ｂの間のコネクタ用ケーシング１５の内面は、前記戻り光漏出部１３から漏出した戻り光によって加熱され温度が上昇するものである。したがって、戻り光が戻り光漏出部１３から漏出したことを検出するセンサ２１の一例として、前記ケーシング１５内に温度センサが埋設されている。
【００２７】
上記構成により、ワークの加工部からの反射光（戻り光）が光ファイバ１の出射端の端面に入射すると、前述したように光ファイバ１におけるアウターコア７の戻り光漏出部１３から漏出し、センサ２１によって検知されたときに、レーザ発振器によるレーザ発振を停止したり、光路内のシャッタを閉動作してレーザ光の出力を停止でき、安定したレーザ加工を行うことができるものである。
【００２８】
ところで、前記光ファイバ１は、前述したようにコア３，クラッド５及びアウターコア７を備えた三重構造に構成してあるので、入射端側でレーザ光をコア３に入射すると、レーザ光はコア３内を伝搬して出射端側に至るものであり、アウターコア７に形成した前記戻り光漏出部１３の影響を受けることはなく、良好なレーザ加工を行い得るものである。そして、出射端側の端面に戻り光が入射したときには光ファイバ１の外部へ容易に漏出させることができ、戻り光の検出を容易に行い得るものである。
【００２９】
以上のごとき説明より理解されるように、光ファイバが三重構造であることにより、光ファイバ自体に戻り漏出部を形成した構成であっても、レーザ加工のために入射端に入射されたレーザ光に悪影響を与えるようなことがなく、また光ファイバへの真の戻り光を検知することができ、前述したごとき従来の問題を解消し得るものである。
【００３０】
【発明の効果】
以上のごとき説明より理解されるように、本発明によれば、入射端に入射されたレーザ光を出射端側へ何等の問題なく伝搬し、かつレーザ加工部からの光ファイバへの戻り光の検出を容易に行うことができると共に光ファイバの被覆材の焼損を防止することができ、前述したごとき従来の問題を解消し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光ファイバの出射端側の断面説明図である。
【図２】光ファイバをコネクタ内に組入れた状態を示す説明図である。
【図３】従来のレーザ加工機における光ファイバの出射端の端面を示す説明図である。
【図４】従来の光ファイバ端部の支持構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１光ファイバ
３コア
５クラッド
７アウターコア
９被覆材
１１端面
１３戻り光漏出部
１５ケーシング
１７Ａ，１７Ｂアパーチャ
２１センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber for laser processing and a laser light transmission device thereof, and more specifically, for example, when return light reflected from a laser processed portion is incident on an optical fiber during laser processing of a metal or the like. The present invention relates to an optical fiber capable of leaking return light to the outside and a laser light transmission device capable of detecting that the return light has entered the optical fiber.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when appropriate laser processing is performed by irradiating a workpiece such as metal with a laser beam, if a part of the reflected light from the laser processing portion of the workpiece returns to the laser oscillator as return light, the laser oscillation becomes unstable. For example, when the reflected light (returned light) from the laser processing part of the workpiece is detected, a process for stopping the laser oscillation such as closing the shutter is performed.
[0003]
In laser processing heads that can use optical fibers, such as YAG lasers, in addition to optical fibers that emit laser light to the workpiece, there are optical fibers for detecting reflected light (return light) from the laser processing section of the workpiece. A configuration provided is developed (for example, see Patent Document 1).
[0004]
Moreover, there is a prior example that seems to be related to the present invention (see, for example, Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-239771
[Patent Document 2]
German Patent No. 4,305,313 Specification [0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the configuration of Patent Document 1, as shown in FIG. 3, the optical fiber 103 includes a first optical fiber 103 for irradiating the workpiece with laser light on the axial center of the optical coaxial cable 101. Adjacent to this, the second optical fiber 105 for detecting reflected light (returned light) from the laser processing portion of the workpiece is provided.
[0008]
Therefore, when the laser beam emitted from the first optical fiber 103 is condensed by the condenser lens and the workpiece is laser processed, the reflected light from the laser processing portion is incident on the second optical fiber 105. Although the second optical fiber 105 is provided adjacent to the first optical fiber 103, although it can be detected as return light, the true reflected light (return light) with respect to the first optical fiber 103 is provided. There is a problem that it cannot be detected.
[0009]
In addition, the reflected light of the laser beam from the laser processing part has deteriorated beam quality, and when the light is condensed on the output end face of the optical fiber by the condensing lens, the condensing diameter is larger than the core diameter in the optical fiber In addition, since the condensing angle with respect to the output end face of the optical fiber is not necessarily within a critical angle, when reflected light enters the optical fiber, it leaks to the cladding side of the optical fiber, and sometimes the coating material in the optical fiber May burn out.
[0010]
As shown in FIG. 4, when the laser beam LB from the laser oscillator is collected by the condenser lens 111 and enters the incident end 115 of the optical fiber 113 as shown in FIG. In this configuration, the low energy density portion of the laser light incident on the clad 117 is leaked from the medium 119 provided on the outer peripheral surface of the clad 117.
[0011]
Therefore, although the laser beam LB is incident on the optical fiber 113, it is possible to prevent a part of the laser beam incident on the clad 117 portion from leaking and burning the covering material 121, but the medium 119 is prevented. Since the portion provided with is larger in diameter than the optical fiber 113, when the cylindrical support member 123 is supported by the aperture 125, a clearance is generated between the aperture 125 and the optical fiber 113, thereby improving the stability of the support. There is a problem that it is missing and that the assembly is troublesome.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of conventional problems such as described above, the invention according to claim 1, core and a lower refractive index cladding than the core outer periphery of the core, wherein the outer periphery of the clad An optical fiber configured to have a triple structure including a core and an outer core having the same refractive index , and further configured to include a coating material on the outer periphery of the outer core, and the coating material is removed. to end, the returned light when the outer peripheral surface of the outermost of the outer core of the triple structure is processed into a rough surface, the laser beam of the return light emitted from the end face of the optical fiber is incident on the outer core It is the structure provided with the return light leakage part for leaking out to the exterior.
[0013]
Invention, the core and the configuration and low refractive index cladding than the core outer periphery of the core, triple structure where the core and the refractive index is provided with the same outer core to the outer periphery of the cladding according to claim 2 and further wherein the end portion has been removed the covering member in the optical fiber structure having a coating material on the outer periphery of the outer core, and processing the outer peripheral surface of the outermost of the outer core of the triple structure is roughened, the When the return light of the laser light emitted from the end face of the optical fiber is incident on the outer core, the return light leakage portion for leaking the return light to the outside is provided, and the end portion of the optical fiber is It is inserted into holes provided in a plurality of apertures provided in the connector casing and is supported by the apertures located at both ends of the return light leakage portion, and the return leaked from the return light leakage portion. By light, by temperature inside surface is heated connector casing between the aperture increases, the temperature sensor for detecting the leakage of the laser light from the return light leakage section, in the configuration provided in the connector housing .
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Referring to FIG. 1, an optical fiber 1 according to an embodiment of the present invention is an optical fiber for transmitting high-power laser light used for laser processing, and is attached to the outer periphery of a core 3 made of quartz glass. A clad 5 made of quartz glass having a lower refractive index (for example, 1.439) than a refractive index (for example, 1.452) of the core 3 is provided, and an outer core 7 having the same refractive index as that of the core 3 is provided on the outer periphery of the clad 5. And a covering material 9 made of UV resin or the like on the outer periphery of the outer core 7.
[0017]
In the optical fiber 1, the return light of the laser beam LB emitted from the end surface 11 of the emission end (from the laser processing portion of the workpiece) is disposed on the outer peripheral surface near the end on the emission end side from which the covering material 9 is removed. When the reflected light is incident on the outer core 7, a return light leakage portion 13 is provided for leaking the return light to the outside.
[0018]
The return light leakage part 13 is formed by forming a part of the outer peripheral surface, which is a mirror surface of the outer core 7, into a rough surface, and the position thereof is 3 mm to 40 mm with the position of 2 mm to 50 mm from the end surface 11 as one end. Length.
[0019]
In the above configuration, a processing nozzle (not shown) provided with a condenser lens (not shown) for condensing the laser beam LB emitted from the end face 11 is disposed on the emission end side of the optical fiber 1. In addition, the workpiece is laser processed by irradiating the workpiece with the laser beam condensed by the condenser lens.
[0020]
At the time of laser processing of the workpiece, there is return light reflected from the laser processed portion of the workpiece. For example, a workpiece such as aluminum or copper has more reflected light than carbon steel or the like. When the reflected light (return light) is incident on the end face 11 of the optical fiber 1, the incident angle of the reflected light with respect to the end face 11 is not constant. It may leak from the core 7 and burn the coating material 9 and may inhibit stable laser oscillation of the laser oscillator.
[0021]
As described above, when the reflected light is incident on the optical fiber 1 from the end face 11 of the emission end, a part of the reflected light travels in the core 3 toward the laser oscillator, and a part of the reflected light travels in the outer core 7 on the laser oscillator side. Will proceed to. The return light incident on the outer core 7 from the end face 11 propagates in the outer core 7 and reaches the portion of the return light leakage part 13, because the return light leakage part 13 is processed into a rough surface. Inward reflection at the return light leakage portion 13 is hindered and leaked to the outside of the outer core 7.
[0022]
Therefore, the return light incident from the end face 11 of the optical fiber 1 is inhibited from reaching the position of the covering material 9, and the covering material 9 can be prevented from being burned out due to leakage of the return light.
[0023]
As described above, when the reflected light (return light) from the laser processing portion of the workpiece is incident from the end face 11 of the optical fiber 1, the return light leaks to the outside from the return light leakage portion 13, so that the return light leakage portion. By detecting the return light leakage from 13, the reflected light can be detected. When the reflected light is detected, stable laser processing can be performed by stopping the laser oscillation of the laser oscillator, for example.
[0024]
Therefore, in order to detect leakage of the return light from the return light leakage part 13, as shown in FIG. 2, the end part on the emission end side of the optical fiber 1 is, for example, a cylindrical shape for connection with a processing nozzle. The connector casing 15 is supported by a plurality of apertures 17A and 17B. At this time, the optical fiber 1 is inserted into the holes 19 provided in the apertures 17A and 17B, and the apertures 17A and 17B are positioned at both ends of the return light leakage portion 13.
[0025]
The return light leakage part 13 is merely a roughened outer peripheral surface of the outer core 7, and the diameter of the return light leakage part 13 is the same as the diameter of the optical fiber 1 or a small amount and a small diameter. As described above, when the optical fiber 1 is inserted into the holes 19 of the apertures 17A and 17B, the optical fibers 1 can be easily inserted. In addition, the clearance between the hole 19 and the optical fiber 1 is very small and provides a stable support structure.
[0026]
The inner surface of the connector casing 15 between the apertures 17A and 17B is heated by the return light leaked from the return light leakage portion 13, and the temperature rises. Therefore, a temperature sensor is embedded in the casing 15 as an example of the sensor 21 that detects that return light has leaked from the return light leakage portion 13.
[0027]
With the above configuration, when the reflected light (return light) from the workpiece processing part is incident on the end face of the output end of the optical fiber 1, as described above, the light leaks from the return light leakage part 13 of the outer core 7 in the optical fiber 1, When detected by the sensor 21, the laser oscillation by the laser oscillator can be stopped, or the shutter in the optical path can be closed to stop the output of the laser light, so that stable laser processing can be performed.
[0028]
By the way, since the optical fiber 1 has a triple structure including the core 3, the clad 5 and the outer core 7 as described above, when the laser light is incident on the core 3 on the incident end side, the laser light is the core. 3 is propagated to reach the exit end side, and is not affected by the return light leakage portion 13 formed in the outer core 7, and good laser processing can be performed. When return light is incident on the end face on the emission end side, it can be easily leaked to the outside of the optical fiber 1, and return light can be easily detected.
[0029]
As can be understood from the above description, even if the optical fiber has a triple structure, the laser light incident on the incident end for laser processing can be obtained even if the optical fiber itself has a return leakage portion. Thus, the true return light to the optical fiber can be detected, and the conventional problems as described above can be solved.
[0030]
【The invention's effect】
As can be understood from the above description, according to the present invention, the laser beam incident on the incident end is propagated to the emission end side without any problem, and the return light from the laser processing portion to the optical fiber is transmitted. Detection can be easily performed, and burning of the coating material of the optical fiber can be prevented, and the conventional problems as described above can be solved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view of an emission end side of an optical fiber according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a state in which an optical fiber is assembled in a connector.
FIG. 3 is an explanatory view showing an end face of an emission end of an optical fiber in a conventional laser processing machine.
FIG. 4 is an explanatory view showing a conventional support structure of an end portion of an optical fiber.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber 3 Core 5 Clad 7 Outer core 9 Coating | covering material 11 End surface 13 Return light leakage part 15 Casing 17A, 17B Aperture 21 Sensor

Claims

And the core, constitutes the low refractive index cladding than the core outer periphery of the core, triple structure where the core and the refractive index is provided with the same outer core to the outer periphery of the cladding further outer periphery of the outer core An optical fiber for use in laser processing having a structure provided with a coating material,
The dressing ends were removed, the outer peripheral surface of the outermost of the outer core of the triple structure is processed into a rough surface, the laser beam of the return light emitted from the end face of the optical fiber is incident on the outer core An optical fiber for laser processing, comprising a return light leakage part for leaking the return light to the outside.

And the core, constitutes the low refractive index cladding than the core outer periphery of the core, triple structure where the core and the refractive index is provided with the same outer core to the outer periphery of the cladding further outer periphery of the outer core A laser emitted from the end surface of the optical fiber by processing the outer peripheral surface of the outermost outer core of the triple structure into a rough surface at the end of the optical fiber having a coating material on which the coating material is removed When the return light of the light is incident on the outer core, the return light leakage portion for leaking the return light to the outside ,
The end of the optical fiber is inserted into holes provided in a plurality of apertures provided in the connector casing, and is supported by the apertures located at both ends of the return light leakage portion,
A temperature sensor that detects leakage of laser light from the return light leakage portion by heating the inner surface of the connector casing between the apertures due to the return light leaked from the return light leakage portion, thereby increasing the temperature. A laser beam transmission device provided in a connector casing .