JP6140072B2

JP6140072B2 - レーザ装置および加工装置

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Publication number: JP6140072B2
Application number: JP2013518085A
Authority: JP
Inventors: 孝介柏木; 敬介富永; 藤崎　晃; 晃藤崎; 江森　芳博; 芳博江森
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2017-05-31
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Description

本発明は、光ファイバレーザを用いたレーザ装置およびこれを用いた加工装置に関するものである。

たとえば、特許文献１や非特許文献１には、高出力の光ファイバレーザが開示されている。特許文献２には、高出力かつ高品質のレーザビームを出力する光ファイバレーザが開示されている。このような高出力の光ファイバレーザは、光通信の用途だけでなく、たとえばレーザ加工用のレーザ装置へも適用されている。種々の用途においてさらに高出力のレーザ装置が要求されている。

米国特許第５８９２６１５号明細書特開２００５−２５１９９２号公報

A.Fujisaki et al., "Linewidth Controlled 50-W Output Polarization Maintaining Fiber Laser", Furukawa Review, No.35 March 2009. A.E.Siegman and S.W.Townsend "Output Beam Propagation and Beam Quality from Multimode Stable-Cavity Laser", IEEE Journal of Quantum Electronics vol.29, No.4, pp.1212-1217(1993).

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高出力のレーザ装置およびこれを用いた加工装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を出力する光ファイバレーザと、前記光ファイバレーザの出力側最終段に位置する光ファイバと比べて、コア径が大きく、開口数が同一またはより大きく、前記光ファイバレーザが出力する前記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、を備えることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記光ファイバレーザは、基底モードのレーザ光を出力するものであり、前記光ファイバレーザの出力側最終段に位置する光ファイバは、前記プロセス光ファイバの光出力端でのラマン散乱光のパワーの合計値と前記レーザ光のパワーの合計値との比が急激に大きくなる境界値以下となる長さを有することを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記境界値は、−２０ｄＢ〜−４０ｄＢの範囲にあることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記光ファイバレーザの出力側最終段に位置する出力側シングルモード光ファイバは、前記プロセス光ファイバの基底モードを主に励振するように該プロセス光ファイバに接続されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記出力側シングルモード光ファイバと前記プロセス光ファイバとは、互いのコアの中心軸を一致させるように融着接続されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記出力側シングルモード光ファイバのコアは、融着接続部において前記プロセス光ファイバに向かって拡径するテーパ部を有することを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記出力側シングルモード光ファイバは、前記プロセス光ファイバの高次モードを主に励振するように該プロセス光ファイバに接続されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記出力側シングルモード光ファイバと前記プロセス光ファイバとは、互いのコアの中心軸をずらして融着接続されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記出力側シングルモード光ファイバと前記プロセス光ファイバとは、空間光学系によって光学結合されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記光ファイバレーザは、マルチモードのレーザ光を出力するものであることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記出力側マルチモード光ファイバと前記プロセス光ファイバとは、互いのコアの中心軸を一致させるように融着接続されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記出力側マルチモード光ファイバのコアは、融着接続部において前記プロセス光ファイバに向かって拡径するテーパ状になっていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記出力側マルチモード光ファイバと前記プロセス光ファイバとは、互いのコアの中心軸をずらして融着接続されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記出力側マルチモード光ファイバと前記プロセス光ファイバとは、空間光学系によって光学結合されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、基底モードのレーザ光を出力する複数の前記光ファイバレーザと、前記複数の光ファイバレーザが出力する前記レーザ光を合波する光合波器と、前記複数の光ファイバレーザと前記光合波器との間に配置された、前記光合波器に入力するラマン散乱光を抑制するラマン散乱光抑制部と、を備え、前記プロセス光ファイバは、前記光合波器が合波した前記レーザ光をマルチモードで伝搬することを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記ラマン散乱光抑制部は、前記光ファイバレーザの出力側最終段に位置する光ファイバを含み、前記レーザ光を前記光合波器へシングルモードで伝搬するデリバリ光ファイバを備え、前記デリバリ光ファイバは、前記プロセス光ファイバの光出力端での前記ラマン散乱光のパワーの合計値と前記レーザ光のパワーの合計値との比が急激に大きくなる境界値以下となる長さを有することを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記ラマン散乱光抑制部は、前記レーザ光を前記光合波器へ伝搬させるデリバリ光ファイバに介挿した、前記ラマン散乱光を減衰させる光減衰フィルタを備えることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記光減衰フィルタは、前記出力光ファイバの光出力端でのラマン散乱光のパワーの合計値と前記レーザ光のパワーの合計値との比が、誘導ラマン散乱が起きる境界値以下となる透過特性を有することを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記光減衰フィルタは、前記レーザ光の波長を透過帯域に含み、前記ラマン散乱光の波長を阻止帯域に含む光バンドパスフィルタであることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、基底モードのレーザ光を出力する複数の前記光ファイバレーザと、前記複数の光ファイバレーザが出力する前記レーザ光を合波する光合波器と、を備え、前記複数の光ファイバレーザの少なくとも一つは、増幅用光ファイバが、前記光合波器に入力するラマン散乱光を抑制するように構成されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記少なくとも一つの光ファイバレーザの増幅用光ファイバの長さは、前記出力光ファイバの光出力端でのラマン散乱光のパワーの合計値と前記レーザ光のパワーの合計値との比が急激に増大する境界値以下になるように構成されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記境界値は−２０ｄＢ〜−４０ｄＢの範囲にあることを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記少なくとも一つの光ファイバレーザは双方向励起構成を有することを特徴とする。

本発明に係るレーザ装置は、前記光ファイバレーザは、当該光ファイバレーザに戻ってきたラマン散乱光の強度を検知する光検出器を有し、前記光検出器が検知したラマン散乱光の強度をもとに、当該レーザ装置の動作を制御する制御装置をさらに備えることを特徴とする。

本発明に係る加工装置は、上記発明のレーザ装置と、前記レーザ装置から出力されたレーザ光を加工対象に導く光学系とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、高出力のレーザ装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図２は、図１に示すシングルモード光ファイバレーザの具体的な構成図である。図３は、図１に示す融着接続部の例１の詳細を示す図である。図４は、図１に示す融着接続部の例２の詳細を示す図である。図５は、実施例１および比較例１の出力光スペクトルを示す図である。図６は、実施の形態２に係る加工装置の模式的な構成図である。図７は、加工装置によるステンレス鋼板の切断面の写真を示す図である。図８は、図１に示す融着接続部の例３の詳細を示す図である。図９は、図１に示す融着接続部の例４の詳細を示す図である。図１０は、図１に示す融着接続部の例５の詳細を示す図である。図１１は、図１に示す融着接続部の例６の詳細を示す図である。図１２は、実施の形態３に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図１３は、空間結合部におけるビームの入力状態の例を示す図である。図１４は、空間結合部におけるビームの入力状態の例を示す図である。図１５は、実施の形態４に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図１６は、図１５に示す融着接続部の例１の詳細を示す図である。図１７は、図１５に示す融着接続部の例２の詳細を示す図である。図１８は、図１５に示す融着接続部の例３の詳細を示す図である。図１９は、図１５に示す融着接続部の例４の詳細を示す図である。図２０は、図１５に示す融着接続部の例５の詳細を示す図である。図２１は、図１５に示す融着接続部の例６の詳細を示す図である。図２２は、実施の形態５に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図２３は、光ファイバレーザの別の構成を示す構成図である。図２４は、光ファイバレーザのさらに別の構成を示す構成図である。図２５は、実施の形態６に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図２６は、図２５に示す光ファイバレーザの具体的な構成図である。図２７は、比較形態に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図２８は、実施の形態６に係るレーザ装置のデリバリ光ファイバと比較形態に係るレーザ装置のデリバリ光ファイバとの相違を説明する図である。図２９は、比較形態に係るレーザ装置の出力光パワーとＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比および戻り光のパワーとの関係を示す図である。図３０は、比較形態に係るレーザ装置の出力光スペクトルの変化を示す図である。図３１は、比較形態に係るレーザ装置の出力光スペクトルを示す図である。図３２は、実施の形態６に係るレーザ装置の出力光スペクトルを示す図である。図３３は、実施の形態６に係るレーザ装置の出力光スペクトルの変化を示す図である。図３４は、実施の形態６および比較形態に係るレーザ装置の出力光パワーと戻り光のパワーとの関係を示す図である。図３５は、実施の形態６および比較形態に係るレーザ装置の出力光パワーとＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比との関係を示す図である。図３６は、実施の形態６および比較形態に係るレーザ装置のＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比と戻り光のパワーとの関係を示す図である。図３７は、制御装置を備えるレーザ装置の構成を示す図である。図３８は、図３７に示す光ファイバレーザの構成を示す図である。図３９は、実施の形態６に係るレーザ装置の構成において、光ファイバレーザの数を増減した場合のレーザ装置の出力光パワーの変化を示す図である。図４０は、実施の形態６に係るレーザ装置の出力光スペクトルの別の一例を示す図である。図４１は、実施の形態７に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図４２は、実施の形態８に係るレーザ装置において用いる光ファイバレーザの具体的な構成図である。

以下に、図面を参照して本発明に係るレーザ装置および加工装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更実施の形態が可能である。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るレーザ装置の模式的な構成図である。レーザ装置１００は、シングルモード光ファイバレーザ１１０と、マルチモード光ファイバ１２０と、光コネクタ１３０とを備える。

シングルモード光ファイバレーザ１１０は、基底モードであるシングルモードのレーザ光を出力する。ここで、シングルモードとは横シングルモードを意味する。

プロセス光ファイバであるマルチモード光ファイバ１２０は、シングルモード光ファイバレーザ１１０の出力側最終段に位置する出力側シングルモード光ファイバ１１０ａに融着接続されている。図中「×」の記号は光ファイバ同士の融着接続部Ｃ１を示している。マルチモード光ファイバ１２０のコア径はたとえば５０μｍ、開口数（Numerical Aperture：ＮＡ）はたとえば０．２、長さはたとえば１ｍ以上である。出力側シングルモード光ファイバ１１０ａのコア径はたとえば１１μｍ、ＮＡはたとえば０．０７である。すなわち、マルチモード光ファイバ１２０は、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａと比べて、コア径およびＮＡが大きいものである。

光コネクタ１３０は、シングルモード光ファイバレーザ１１０が出力し、マルチモード光ファイバ１２０が伝搬したレーザ光を出力光Ｌ１００として出力する。光コネクタ１３０の光出射端面はマルチモード光ファイバ１２０の光軸に垂直であり、たとえば反射率が０．５％程度以下となるようにＡＲ（Anti-Reflection）コートが施されている。

図２は、図１に示すシングルモード光ファイバレーザ１１０の具体的な構成図である。図２に示すように、シングルモード光ファイバレーザ１１０は、光合波器１５ａと、複数の半導体励起レーザ１６ａと、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１７ａと、増幅用光ファイバ１８ａと、ＦＢＧ１７ｂと、光合波器１５ｂと、複数の半導体励起レーザ１６ｂと、増幅用光ファイバ１８ｂとを備えている。各要素は適宜光ファイバで接続されている。図中「×」の記号は光ファイバ同士の融着接続部を示している。シングルモード光ファイバレーザ１１０の出力側最終段は出力側シングルモード光ファイバ１１０ａである。

光合波器１５ａは、たとえばＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）で構成されている。光合波器１５ａは、複数の半導体励起レーザ１６ａから出力された、波長が例えば９１５ｎｍの励起光を合波し、増幅用光ファイバ１８ａへ出力する。

増幅用光ファイバ１８ａは、石英系ガラスからなるコア部に増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加され、コア部の外周には石英系ガラスからなる内側クラッド層と樹脂等からなる外側クラッド層とが順次形成されたダブルクラッド型の光ファイバである。なお、増幅用光ファイバ１８ａのコア部はＮＡがたとえば０．０８であり、波長１０８４ｎｍの光をシングルモードで伝搬するように構成されている。増幅用光ファイバ１８ａの長さはたとえば２５ｍである。増幅用光ファイバ１８ａのコア部の吸収係数は、たとえば波長１０８４ｎｍにおいて２００ｄＢ／ｍである。また、コア部に入力された励起光から発振するレーザ光へのパワー変換効率はたとえば７０％である。

ＦＢＧ１７ａは、中心波長が例えば１０８４ｎｍであり、中心波長およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。また、ＦＢＧ１７ｂは、中心波長がＦＢＧ１７ａと略同じである例えば１０８４ｎｍであり、中心波長における反射率が１０％〜３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約１ｎｍであり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。

したがって、ＦＢＧ１７ａ、１７ｂは、波長１０８４ｎｍの光に対して、増幅用光ファイバ１８ａを挟んで光ファイバ共振器を構成する。
光合波器１５ｂも、たとえばＴＦＢで構成されており、複数の半導体励起レーザ１６ｂから出力された、波長が例えば９１５ｎｍの励起光を合波し、増幅用光ファイバ１８ｂへ出力する。

増幅用光ファイバ１８ｂも、増幅用光ファイバ１８ａと同様の構成および長さを有するダブルクラッド型の光ファイバである。

高出力のレーザ光をシングルモード光ファイバで長距離伝送させた場合、コア径が小さいことに由来してコア内のエネルギー密度が高くなり、誘導ラマン散乱等の非線形効果が非常に大きく現れる場合がある。これに伴い、エネルギー効率の低下や戻り光の増大等が引き起こされる場合がある。

これに対して、レーザ装置１００では、シングルモード光ファイバレーザ１１０に、よりコア径が大きいマルチモード光ファイバ１２０が接続しているので、コア内のエネルギー密度が小さくなる。このため、マルチモード光ファイバ１２０の代わりにシングルモード光ファイバを用いた場合よりも、光ファイバ中の非線形効果が低減しつつ、高出力のレーザ光をより長距離伝送させることができる。

また、ＮＡが小さい出力側シングルモード光ファイバ１１０ａ側からＮＡが大きなマルチモード光ファイバ１２０側へレーザ光が伝搬するので、融着接続損失が小さくなる。これによって、光のエネルギー損失が小さくなる。また、特に光ファイバレーザの出力側では、レーザ光の強度が高いため、シングルモード光ファイバ同士の融着接続部で生じる数％程度の接続損失でも大きな発熱を生じる場合があるが、レーザ装置１００ではこの発熱量を小さくすることができる。

図３は、図１に示す融着接続部Ｃ１の例１の詳細を示す図である。図３に示すように、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａはコア部１１０ａａ、クラッド部１１０ａｂ、被覆１１０ａｃを備えている。マルチモード光ファイバ１２０はコア部１２０ａ、クラッド部１２０ｂ、被覆１２０ｃを備えている。軸ＡＸ１はマルチモード光ファイバ１２０のコア部１２０ａの中心軸を示している。

この例１では、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａと、マルチモード光ファイバ１２０とは、コア部の中心軸同士を略一致させて融着接続している。中心軸同士間の距離は、マルチモード光ファイバ１２０のコア部１２０ａの中心の、クラッド部１２０ｂの中心からの偏心量以内であることが望ましく、より小さいことが好ましい。このような融着接続によって、マルチモード光ファイバ１２０の多数の伝搬モードの中で、基底モードを支配的に励振させることが可能となる。このようにマルチモード光ファイバ１２０の基底モードを支配的に励振することで、マルチモード光ファイバ１２０から出力される出力光Ｌ１００のビーム品質の劣化は抑制される。

ここで、ビーム品質は、たとえばＭ^２（エムスクエア）値で表すことができる（たとえば、非特許文献２参照）。理想的なシングルモードのＴＥＭ００ビームはＭ^２＝１である。Ｍ^２が１に近づくにつれ、ビーム品質は良好になり、集光によって回折限界に近い小さなサイズのビームスポットが得られる。このようにビームスポットが小さいレーザ光を用いて切断加工を行うと加工精度が向上する。本実施の形態１では、Ｍ^２値が１に近いシングルモード光ファイバレーザ１１０の出力するレーザ光は、マルチモード光ファイバ１２０を伝搬した後も、Ｍ^２値がほとんど劣化（増加）しないまま出力される。これにより、金属材料や箔の切断等、微小なビームスポットを必要とする加工に好適なレーザ光を得ることができる。

また、例１では、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａとマルチモード光ファイバ１２０とで、クラッド径が等しいので、各光ファイバの偏心量が小さければ、各クラッド部の外径を合わせるだけで、コア部の中心軸同士を略一致させる融着が容易に実現される。

図４は、図１に示す融着接続部Ｃ１の例２の詳細を示す図である。例２に示すように、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａとマルチモード光ファイバ１２０とで、クラッド径が異なっていてもよい。なお、図３、４の例では、コア部１１０ａａがマルチモード光ファイバ１２０に向かって拡径しないように融着接続することが好ましい。このような融着接続は、融着接続部Ｃ１近傍を局所的に加熱することで実現される。なお、このようにコア部１１０ａａがマルチモード光ファイバ１２０に向かって拡径はしないように融着接続することによって、融着接続部Ｃ１におけるビーム品質の劣化はより抑制される。

ここで、実施例１として、図１に示す構成のレーザ装置を作製した。なお、光合波器１５ａ、１５ｂとして（１８＋１）×１のＴＦＢを用いた。また、各ＦＢＧ１７ａ、１７ｂの中心波長は１０８４ｎｍとした。さらに、マルチモード光ファイバ１２０として長さ２５ｍ、コア径５０μｍ、ＮＡ０．２の光コネクタ（エンドキャップ）付きのマルチモード光ファイバを用いた。

また、比較例１として、実施例１のレーザ装置において、マルチモード光ファイバをシングルモード光ファイバに置き換えた構成のレーザ装置を作製した。置き換えたシングルモード光ファイバは、光コネクタ（エンドキャップ）付きであり、長さ１０ｍ、コア径１１μｍ、ＮＡ０．０７であった。そして、実施例１と比較例１の光コネクタからのレーザ光出力強度を５００Ｗに設定し、出力されたレーザ光のビーム品質を測定した。その結果、比較例１ではＭ^２＝１．０７であり、実施例１ではＭ^２＝４．０８であった。また、ビーム品質は、マルチモード光ファイバの長さが２０ｍ以上ではあまり変化がなく、たとえば５０ｍでも同等のビーム品質を得ることができることが確認された。

つぎに、実施例１および比較例１の出力されたレーザ光のスペクトルを測定した。図５は、実施例１および比較例１の出力光スペクトルを示す図である。縦軸は、波長１０８４ｎｍの主要ピーク値で規格化した規格化光パワーである。波長約１１４０ｎｍのピークは誘導ラマン散乱光である。図５から明らかなように、比較例１の誘導ラマン散乱光の強度は、主要ピークから約１５ｄＢ低い程度であったが、実施例１の誘導ラマン散乱光の強度は、主要ピークから約３０ｄＢも低くかった。すなわち、実施例１では、比較例１よりも非線形効果が大幅に低減されていることが確認された。

上記のように、レーザ出力の主要ピーク値に対する、誘導ラマン散乱光成分のピーク値の上限を約１５ｄＢダウン程度とした場合、比較例１の構成であればシングルモード光ファイバの長さは１０ｍ程度が最長となる。これに対して、実施例１の構成であればマルチモード光ファイバの長さが２５ｍであっても誘導ラマン散乱光成分を大幅に抑制できる。むろん、主要ピークに対して１５ｄＢダウン程度の誘導ラマン散乱成分を許容すれば、実施例１の構成では更に長いマルチモード光ファイバを用いることができるのは明らかである。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る加工装置の模式的な構成図である。図６に示すように、加工装置１０００は、実施の形態１に係るレーザ装置１００と、レーザ装置１００の光コネクタ１３０が接続される加工ヘッド２００とを備える。

加工ヘッド２００は、コリメートレンズ２１０と、集光レンズ２２０と、ガス導入口２３０とを備えている。

この加工装置１０００では、加工ヘッド２００のコリメートレンズ２１０が、レーザ装置１００の光コネクタ１３０から出力された出力光Ｌ１００を平行光にする。集光レンズ２２０は、平行光にされた出力光Ｌ１００を不図示のステージに載置された加工ワークＷの表面に集光する。ここで、集光された出力光Ｌ１００を加工ワークＷの表面で相対的に移動させることによって、加工ワークＷは出力光Ｌ１００の光エネルギーが変換して発生した熱によって切断される。ここで、出力光Ｌ１００によって加工ワークＷを切断したときに、加工ワークＷが溶解した溶解物であるドロスが発生する。この加工装置１０００では、加工ヘッド２００が、ガス導入口２３０から導入されたアシストガスＧを先端面２４０に形成されたノズルから加工ワークＷの表面に吹き付ける。これによってドロスが除去され、加工速度や加工品質が向上する。

ここで、図６に示す構成の加工装置を作製し、加工ワークとしてのステンレス鋼板を切断する実験を行った。この実験では、レーザ装置として実施例１のレーザ装置を用い、光コネクタからのレーザ光出力強度を４５０Ｗに設定した。また、切断するステンレス鋼板の厚さは０．５ｍｍとした。加工ヘッドの集光レンズとして焦点距離ｆが１００ｍｍのものを用いた。アシストガスとしてはＯ_２ガスを用い、ノズル径が１ｍｍのノズルから１ＭＰａの圧力でステンレス鋼板に吹き付けた。また、２０ｍｍ／ｍｉｎの切断速度で切断を行った。

図７は、加工装置によるステンレス鋼板の切断面の写真を示す図である。図７に示すように、切断面は滑らかであり、良好な状態であった。このように、実施例１のＭ^２値が４．０８のレーザ光を出力するレーザ装置を用いて切断を行うことによって、ステンレス鋼板に良好な切断を施すことができることを確認した。

なお、図６の加工装置１０００において、加工ヘッド２００のコリメートレンズ２１０と集光レンズ２２０との間にミラーやプリズムなどの反射手段を設けて、出力光Ｌ１００の光路を曲げるようにしてもよい。

つぎに、図１に示す融着接続部Ｃ１の別の例について説明する。
図８、図９は、図１に示す融着接続部Ｃ１の例３、例４の詳細を示す図である。図８、９は、それぞれ、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａのコア部１１０ａａがマルチモード光ファイバ１２０に向かって拡径するテーパ部１１０ａｄを有する点が、図３、４のそれぞれと異なっているが、その他の点は同様である。このような融着接続は、マルチモード光ファイバ１２０に接続される出力側シングルモード光ファイバ１１０ａの端面部付近を加熱し、コア部１１０ａａ内のドーパントを熱拡散させることで実現される。

このようなテーパ部１１０ａｄを有することによって、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａとマルチモード光ファイバ１２０との融着接続損失はより低減される。テーパ部１１０ａｄの拡径したコア径は、マルチモード光ファイバ１２０のコア部１２０ａのコア径よりも小さくてもよいし、両者を略一致させてもよい。

図１０、１１は、図１に示す融着接続部の例５、６の詳細を示す図である。図１０、１１は、それぞれ、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａのコア部１１０ａａの中心軸とマルチモード光ファイバ１２０のコア部１２０ａの中心軸とを互いにずらして融着接続されている点が、図３、４のそれぞれと異なっているが、その他の点は同様である。

このような融着接続によって、マルチモード光ファイバ１２０の多数の伝搬モードの中で、基底モード以外の高次モードを主に励振させることが可能となる。このようにマルチモード光ファイバ１２０の基底モード以外の高次モードを主に強く励振することで、マルチモード光ファイバ１２０から出力される出力光Ｌ１００のビーム品質を故意に低下させることができる。ビーム品質を低下させると、集光後のビームスポットはより大きくなるため、溶接や表面処理などの加工において、より効果的に加工に使用することができるレーザ光を得ることができる。

（実施の形態３）
図１２は、実施の形態３に係るレーザ装置の模式的な構成図である。実施の形態３に係るレーザ装置３００では、シングルモード光ファイバレーザ１１０の出力側シングルモード光ファイバ１１０ａとマルチモード光ファイバ１２０とが空間光学系によって光学結合されている点が、レーザ装置１００とは異なる。

レーザ装置３００は、空間光学部３１０を備えている。空間光学部３１０は、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａの先端に設けられた光コネクタ３１０ａと、マルチモード光ファイバ１２０の先端に設けられた光コネクタ３１０ｂと、光コネクタ３１０ａと光コネクタ３１０ｂとの間に配置されたコリメートレンズ３１０ｃ、集光レンズ３１０ｄとを備えており、空間結合系を構成している。

空間光学部３１０は、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａとマルチモード光ファイバ１２０と互いのコア部１１０ａａ、１２０ａの中心軸間距離、端面間距離、軸の傾きのうち少なくとも１つが調整可能な機構が実装されていることが好ましい。たとえば、図１２では、光コネクタ３１０ｂが上下、左右、前後に移動可能であり、かつ傾斜させることが可能に構成されている。出力側シングルモード光ファイバ１１０ａとマルチモード光ファイバ１２０との中心軸間距離、端面間距離、及び軸の傾きを調整することで、マルチモード光ファイバ１２０の光コネクタ１３０より出力される出力光Ｌ１００のビーム品質を調整することが可能となる。

なお、光コネクタ３１０ｂは、入射端面近傍を回転中心にして傾斜させる構成にすると、角度調整したときに軸ずれが発生しないので好ましい。

互いのコア部１１０ａａ、１２０ａの中心軸間距離や軸間の相対傾き角を十分に小さくし、端面間距を空間結合系に対して適切な値とすることによって、マルチモード光ファイバ１２０の基底モードを支配的に励振することができる。これによって、ビーム品質を大きく損なうことなく光学結合が可能となる。また、これとは逆に、中心軸間距離や軸間の相対傾き角を大きくすることによって、ビーム品質を劣化させることが可能になる。このように、レーザ装置３００では、外部光学系の調整（集光レンズの交換等を含む）を行うことなく、出力光Ｌ１００の集光ビーム径の調整が可能となる。その結果、レーザ装置３００は、１台のレーザ装置で様々なアプリケーションへ対応することが可能な装置となる。

図１３、１４は、空間結合部におけるビームの入力状態の例を示す図である。図１３では、出力側シングルモード光ファイバ１１０ａから出力され、コリメートレンズ３１０ｃで平行光とされたレーザ光は、集光レンズ３１０ｄによって集光されてレーザビームＬＢ１としてマルチモード光ファイバ１２０のコア部１２０ａに入力される。

図１３では、レーザビームＬＢ１は、マルチモード光ファイバ１２０のコア部１２０ａの中心軸である軸ＡＸ１に一致させて入力される。これによって、マルチモード光ファイバ１２０の基底モードが支配的に励振されるので、マルチモード光ファイバ１２０から出力される出力光Ｌ１００のビーム品質の劣化は抑制される。

図１４では、レーザビームＬＢ１は、軸ＡＸ１に対して傾斜されて入力される。これによって、マルチモード光ファイバ１２０の基底モード以外の高次モードが主に励振されるので、出力光Ｌ１００のビーム品質を故意に低下させることができる。

（実施の形態４）
図１５は、実施の形態４に係るレーザ装置の模式的な構成図である。レーザ装置４００は、マルチモード光ファイバレーザ４１０と、マルチモード光ファイバ４２０と、光コネクタ４３０とを備える。

マルチモード光ファイバレーザ４１０は、マルチモードのレーザ光を出力する。マルチモード光ファイバレーザ４１０の構成は、たとえば、図２に示すシングルモード光ファイバレーザ１１０の構成において、ＦＢＧ１７ａ、１７ｂ、および増幅用光ファイバ１８ａ、１８ｂをマルチモード光ファイバで構成したものである。マルチモード光ファイバレーザ４１０の出力側最終段は出力側マルチモード光ファイバ４１０ａである。

プロセス光ファイバであるマルチモード光ファイバ４２０は、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａに融着接続されている。図中「×」の記号は光ファイバ同士の融着接続部Ｃ２を示している。マルチモード光ファイバ４２０のコア径はたとえば１００μｍ、ＮＡはたとえば０．２、長さはたとえば１ｍ以上である。出力側マルチモード光ファイバ４１０ａのコア径はたとえば５０μｍ、ＮＡはたとえば０．２である。すなわち、マルチモード光ファイバ４２０は、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａと比べて、コア径が大きく、ＮＡが同じものである。なお、マルチモード光ファイバ４２０のＮＡは、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａのＮＡよりも大きくてもよい。

光コネクタ４３０は、マルチモード光ファイバレーザ４１０が出力し、マルチモード光ファイバ４２０が伝搬したレーザ光を出力光Ｌ２００として出力する。光コネクタ４３０の光出射端面はマルチモード光ファイバ４２０の光軸に垂直であり、たとえば反射率が０．５％程度以下となるようにＡＲコートが施されている。

レーザ装置４００では、マルチモード光ファイバレーザ４１０に、よりコア径が大きいマルチモード光ファイバ４２０が接続しているので、コア内のエネルギー密度が小さくなる。このため、光ファイバ中の非線形効果が低減しつつ、高出力のレーザ光をより長距離伝送させることができる。

図１６は、図１５に示す融着接続部Ｃ２の例１の詳細を示す図である。図１６に示すように、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａはコア部４１０ａａ、クラッド部４１０ａｂ、被覆４１０ａｃを備えている。マルチモード光ファイバ４２０はコア部４２０ａ、クラッド部４２０ｂ、被覆４２０ｃを備えている。軸ＡＸ２はマルチモード光ファイバ４２０のコア部４２０ａの中心軸を示している。

この例１では、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａと、マルチモード光ファイバ４２０とは、コア部の中心軸同士を略一致させて融着接続している。中心軸同士間の距離は、マルチモード光ファイバ４２０のコア部４２０ａの中心の、クラッド部４２０ｂの中心からの偏心量以内であることが望ましく、より小さいことが好ましい。このような融着接続によって、レーザ光が出力側マルチモード光ファイバ４１０ａからマルチモード光ファイバ４２０に移る際に光の伝搬モードが変化することが抑制され、ビーム品質の劣化が抑制される。

また、例１では、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａとマルチモード光ファイバ４２０とで、クラッド径が等しいので、各光ファイバの偏心量が小さければ、各クラッド部の外径を合わせるだけで、コア部の中心軸同士を略一致させる融着が容易に実現される。

図１７は、図１５に示す融着接続部Ｃ２の例２の詳細を示す図である。例２に示すように、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａとマルチモード光ファイバ４２０とで、クラッド径が異なっていてもよい。なお、図１６、１７の例では、コア部４１０ａａがマルチモード光ファイバ４２０に向かって拡径しないように融着接続することが好ましい。なお、このようにコア部４１０ａａがマルチモード光ファイバ４２０に向かって拡径はしないように融着接続することによって、融着接続部Ｃ２における光の伝搬モードの変化はより抑制される。

図１８、図１９は、図１５に示す融着接続部Ｃ２の例３、例４の詳細を示す図である。図１８、１９は、それぞれ、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａのコア部４１０ａａがマルチモード光ファイバ４２０に向かって拡径するテーパ部４１０ａｄを有する点が、図１６、１７のそれぞれと異なっているが、その他の点は同様である。

このようなテーパ部４１０ａｄを有することによって、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａとマルチモード光ファイバ４２０との融着接続損失はより低減される。テーパ部４１０ａｄの拡径したコア径は、マルチモード光ファイバ４２０のコア部４２０ａのコア径よりも小さくてもよいし、両者を略一致させてもよい。

図２０、２１は、図１５に示す融着接続部Ｃ２の例５、６の詳細を示す図である。図２０、２１は、それぞれ、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａのコア部４１０ａａの中心軸とマルチモード光ファイバ４２０のコア部４２０ａの中心軸とを互いにずらして融着接続されている点が、図１６、１７のそれぞれと異なっているが、その他の点は同様である。

このような融着接続によって、レーザ光が出力側マルチモード光ファイバ４１０ａからマルチモード光ファイバ４２０に移る際に光の伝搬モードが変化し、これによってビーム品質が劣化する。このように、マルチモード光ファイバ４２０から出力される出力光Ｌ２００のビーム品質を故意に低下させることができる。その結果、集光後のビームスポットはより大きくなるため、溶接や表面処理などの加工において、より効果的に加工に使用することができるレーザ光を得ることができる。

（実施の形態５）
図２２は、実施の形態５に係るレーザ装置の模式的な構成図である。実施の形態５に係るレーザ装置５００では、光ファイバレーザ４１０の出力側マルチモード光ファイバ４１０ａとマルチモード光ファイバ４２０とが空間光学系によって光学結合されている点が、レーザ装置４００とは異なる。

レーザ装置５００は、空間光学部５１０を備えている。空間光学部５１０は、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａの先端に設けられた光コネクタ５１０ａと、マルチモード光ファイバ４２０の先端に設けられた光コネクタ５１０ｂと、光コネクタ５１０ａと光コネクタ５１０ｂとの間に配置されたコリメートレンズ５１０ｃ、集光レンズ５１０ｄとを備えており、空間結合系を構成している。

空間光学部５１０は、出力側マルチモード光ファイバ４１０ａとマルチモード光ファイバ４２０と互いのコア部４１０ａａ、４２０ａの中心軸間距離、端面間距離、軸の傾きのうち少なくとも１つが調整可能な機構が実装されていることが好ましい。たとえば、図２２では、光コネクタ５１０ｂが上下、左右、前後に移動可能であり、かつ傾斜させることが可能に構成されている。出力側マルチモード光ファイバ４１０ａとマルチモード光ファイバ４２０との中心軸間距離、端面間距離、及び軸の傾きを調整することで、マルチモード光ファイバ４２０の光コネクタ４３０より出力される出力光Ｌ２００のビーム品質を調整することが可能となる。

互いのコア部４１０ａａ、４２０ａの中心軸間距離や軸間の相対傾き角を十分に小さくし、端面間距を空間結合系に対して適切な値とすることによって、ビーム品質を大きく損なうことなく光学結合が可能となる。また、これとは逆に、中心軸間距離や軸間の相対傾き角を大きくすることによって、ビーム品質を劣化させることが可能になる。このように、レーザ装置５００では、外部光学系の調整（集光レンズの交換等を含む）を行うことなく、出力光Ｌ２００の集光ビーム径の調整が可能となる。その結果、レーザ装置５００は、１台のレーザ装置で様々なアプリケーションへ対応することが可能な装置となる。

図２に示すシングルモード光ファイバレーザ１１０は、ＦＢＧ１７ａと１７ｂとで構成された光共振器を有するレーザ発振部とその後段に設けられた光増幅部とを有するいわゆるＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型である。しかし、本発明の実施の形態に係るシングルモード光ファイバレーザやマルチモード光ファイバレーザは図２の構成に限られず、図２３に示す構成のように光増幅部が無い構成でもよい。図２、２３に示す光ファイバレーザは後方励起方式であるが、前方励起方式や双方向励起方式の構成としてもよい。また、本発明の実施の形態に係る光ファイバレーザは、ＣＷ（Continuous Wave）発振を行うものでもよいし、パルス駆動を行うものでもよい。

また、マルチモード光ファイバレーザとしては、図２４に示す構成の光ファイバレーザ１１０Ｂのように、複数のシングルモード光ファイバレーザ１１０Ｂａと、光合波器１１０Ｂｂと、マルチモード光ファイバ１１０Ｂｃとを備える構成でもよい。ここで、シングルモード光ファイバレーザ１１０Ｂａは、たとえば図２に示すシングルモード光ファイバレーザ１１０の構成を有するものである。光合波器１１０Ｂｂは、たとえばＴＦＢである。マルチモード光ファイバ１１０Ｂｃは、光ファイバレーザ１１０Ｂの出力側最終段の出力側マルチモード光ファイバである。光ファイバレーザ１１０Ｂは、複数のシングルモード光ファイバレーザ１１０Ｂａが出力するシングルモードレーザ光を、光合波器１１０Ｂｂで合波して、マルチモード光ファイバ１１０Ｂｃからマルチモードレーザ光として出力するものである。

（実施の形態６）
図２５は、実施の形態６に係るレーザ装置の模式的な構成図である。レーザ装置６００は、４つの光ファイバレーザ１０と、７本のデリバリ光ファイバ２０と、光合波器３０と、出力光ファイバ４０と、光コネクタ５０とを備える。

４つの光ファイバレーザ１０は、それぞれシングルモードのレーザ光Ｌ１を出力する。

７本のデリバリ光ファイバ２０は、シングルモード光ファイバであり、光合波器３０の入力ポートに接続している。７本のデリバリ光ファイバ２０のうち光ファイバレーザ１０に接続した４つのデリバリ光ファイバ２０は、光合波器３０にレーザ光Ｌ１をシングルモードで伝搬する。デリバリ光ファイバ２０のコア径はたとえば１１μｍである。

光合波器３０は、たとえば合波すべき光が入力される入力ポートが７ポートであるＴＦＢで構成されている。光合波器３０は、４つのデリバリ光ファイバ２０が伝搬したレーザ光Ｌ１を合波し、出力光ファイバ４０へ出力する。

出力光ファイバ４０は、マルチモード光ファイバであり、光合波器３０が合波したレーザ光Ｌ１をマルチモードで伝搬する。出力光ファイバ４０のコア径はたとえば５０μｍ、クラッド径はたとえば３３０μｍである。

光コネクタ５０は、合波されて出力光ファイバ４０が伝搬したレーザ光Ｌ１を出力光Ｌ２として出力する。光コネクタ５０の光出射端面は出力光ファイバ４０の光軸に垂直であり、たとえば反射率が０．５％程度以下となるようにＡＲコートが施されている。

図２６は、図１に示す光ファイバレーザ１０の具体的な構成図である。図２６に示すように、光ファイバレーザ１０は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）１１と、光バンドパスフィルタ１２と、光カプラ１３と、光検出器１４ａと、光合波器１５ａと、複数の半導体励起レーザ１６ａと、ＦＢＧ１７ａと、増幅用光ファイバ１８ａと、ＦＢＧ１７ｂと、光合波器１５ｂと、複数の半導体励起レーザ１６ｂと、増幅用光ファイバ１８ｂと、光検出器１４ｂとを備えている。各要素は適宜光ファイバで接続されている。また、図中「×」の記号は光ファイバ同士の融着接続部を示している。また、増幅用光ファイバ１８ｂの出力側から先の部分は、デリバリ光ファイバ２０に含まれる。したがって、デリバリ光ファイバ２０の長さは、増幅用光ファイバ１８ｂの出力側から測った長さである。

ＬＥＤ１１は、例えば赤色である可視光を出力する。光バンドパスフィルタ１２は、ＬＥＤ１１からの可視光の波長を透過帯域に含み、レーザ光Ｌ１および後述するラマン散乱光の波長を阻止帯域に含む透過特性を有する。光カプラ１３は、紙面右側から伝搬されてきた光（戻り光）の一部（たとえば１％〜１０％）を分岐して光検出器１４ａに導入する。ここで、光検出器１４ａは、戻り光として、レーザ光Ｌ１のうち反射等により戻ってきた成分や、ラマン散乱光を受光するが、主にラマン散乱波長の光のみを光検出器１４ａが受光するように、光カプラ１３と光検出器１４ａとの間にＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）カプラやフィルタを設けてもよい。または、ラマン散乱波長の光のみを透過するフィルタを光検出器１４ａに備えてもよい。あるいは、光カプラ１３として、主にラマン散乱波長の光のみを光検出器１４ａ側に分岐する特性を有するＷＤＭカプラを用いてもよい。光検出器１４ａはたとえばフォトダイオードである。

光合波器１５ａは、たとえばＴＦＢで構成されている。光合波器１５ａは、複数の半導体励起レーザ１６ａから出力された、波長が例えば９１５ｎｍの励起光を合波し、増幅用光ファイバ１８ａへ出力する。

光検出器１４ｂはたとえばフォトダイオードであり、光ファイバレーザ１０の出力側の融着接続部の近傍に配置されている。

つぎに、レーザ装置６００の動作について説明する。まず、半導体励起レーザ１６ａは励起光を出力する。光合波器１５ａは、半導体励起レーザ１６ａから出力された励起光を合波し、増幅用光ファイバ１８ａへ出力する。

増幅用光ファイバ１８ａでは、励起光によってコア部のＹｂイオンが励起され、波長１０８４ｎｍを含む帯域の光を発光する。波長１０８４ｎｍの発光は、増幅用光ファイバ１８ａの光増幅作用とＦＢＧ１７ａ、１７ｂによって構成される光共振器の作用とによってレーザ発振する。

つぎに、増幅用光ファイバ１８ｂは、光合波器１５ｂによって、発振したレーザ光と半導体励起レーザ１６ａからの励起光とが入力されて、レーザ光を増幅する。増幅されたレーザ光はレーザ光Ｌ１として光ファイバレーザ１０から出力する。レーザ光Ｌ１のパワーはたとえば５５０Ｗである。

このように、光ファイバレーザ１０はＭＯＰＡ構造を有している。

また、光ファイバレーザ１０において、波長１０８４ｎｍのレーザ光が通過する光ファイバはこのレーザ光をシングルモードで伝搬するように構成されている。

デリバリ光ファイバ２０は、各光ファイバレーザ１０から出力されたレーザ光Ｌ１を伝搬する。

光合波器３０は、レーザ光Ｌ１を合波し、出力光ファイバ４０へ出力する。出力光ファイバ４０は、光合波器３０が合波したレーザ光Ｌ１をマルチモードで伝搬する。

光コネクタ５０は、出力光ファイバ４０が伝搬したレーザ光Ｌ１を出力光Ｌ２として出力する。出力光Ｌ２のパワーはたとえば２０００Ｗである。

光ファイバレーザ１０が出力するレーザ光Ｌ１のパワーは、光検出器１４ｂが近傍の融着接続部からのレーザ光Ｌ１の漏洩光を受光することによってモニタされる。

なお、ＬＥＤ１１は、レーザ光Ｌ１を出力する前に光コネクタ５０から可視光を出力して加工対象にマーカとして照射する。これによって、レーザ加工等を行う際の出力光Ｌ２の照射位置が決定される。また、ＬＥＤ１１は、光バンドパスフィルタ１２によって、余分な戻り光が入力されて破損することから保護されている。また、戻り光の一部のパワーは光カプラ１３によって分岐されて光検出器１４ａに導入される。これによって、戻り光のパワーがモニタされる。

光ファイバレーザ１０およびデリバリ光ファイバ２０において、レーザ光Ｌ１はシングルモードで伝搬するので、レーザ光Ｌ１のビーム形状はガウシアンであり、レーザ加工等に適した品質のよいものとなっている。

また、出力光ファイバ４０はマルチモード光ファイバであり、十分に大きなコア径を有するので、高パワーのレーザ光Ｌ１を効率よく合波でき、かつ合波しても光学非線形現象が発生しにくくなっている。出力光ファイバ４０がレーザ光Ｌ１をマルチモード伝搬するものであっても、合波する前のレーザ光Ｌ１のビーム形状がガウシアンであるため、出力光Ｌ２のビーム品質も良いものとなる。

上述したように、光ファイバレーザ１０およびデリバリ光ファイバ２０においては、レーザ光Ｌ１はシングルモードで伝搬するようにそのコア径等が設計されている。そのため、光ファイバレーザ１０およびデリバリ光ファイバ２０においてレーザ光Ｌ１に起因するラマン散乱光が発生する。個々の光ファイバレーザ１０およびデリバリ光ファイバ２０において発生したラマン散乱光Ｌ３は光合波器３０に入力し、合波される。

ここで、本発明者らが精査したところ、レーザ装置６００のように複数の光ファイバレーザを合波する構成とした場合に、個々の光ファイバレーザおよびこれに接続したデリバリ光ファイバにおいて発生するラマン散乱光の強度の合計からは予想できない程度の強度のラマン散乱光が発生する場合があることを確認した。この場合、光ファイバレーザのレーザ光強度を増加させていくと誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Stimulated Raman Scattering）が起こり、ラマン散乱光の強度が急激に増加する場合がある。その原因の一つは、ラマン散乱光が光コネクタの光出射端面で反射されて光ファイバレーザ側に戻り、ラマン散乱光に対する光共振器が形成されためであると考えられる。

このように誘導ラマン散乱が起こってラマン散乱光のパワーが高くなると、光ファイバレーザの光出力側とは反対側に高パワーのラマン散乱光が戻り、光カプラ、光バンドパスフィルタ、ＬＥＤ等の光部品が破損したり、ファイバヒューズが発生したりするおそれがある。また、ラマン散乱光により発生する熱エネルギーを処理するための放熱構造が大型化、複雑化する等、レーザ装置の構成が複雑化するおそれがある。

これに対して、レーザ装置６００では、デリバリ光ファイバ２０を所定の長さよりも短くすることによってラマン散乱光Ｌ３のパワーを小さくしている。これによって、上記問題の発生が抑制される。

すなわち、レーザ装置６００では、ＦＢＧ１７ａ、１７ｂで構成される光ファイバレーザ１０の光共振器の外の後段に配置されたデリバリ光ファイバ２０の長さを制限している。これによって、レーザ装置６００において、デリバリ光ファイバ２０をラマン増幅媒体として含み、光コネクタ５０の光出射端面を反射体とするラマン増幅に対する光共振器を構成している場合に、デリバリ光ファイバ２０によるラマン利得が所定値以下に抑制される。その結果、レーザ光Ｌ１を合波した後のラマン散乱光の急激な増大が防止される。なお、ラマン散乱光の波長における光コネクタ５０の光出射端面のＡＲコートの反射率を、レーザ光Ｌ１の波長における反射率と同等以下とすれば、ラマン散乱光の急激な増加をさらに抑制することができるので、さらに好ましい。

したがって、レーザ装置６００は高出力かつ信頼性が高いレーザ装置となる。

以下、比較形態に係るレーザ装置との比較によって実施の形態６に係るレーザ装置６００をより具体的に説明する。図２７は、比較形態に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図２７に示すように、比較形態に係るレーザ装置６００Ａは、実施の形態６に係るレーザ装置６００において、７本のデリバリ光ファイバ２０を７本のデリバリ光ファイバ２０Ａに置き換え、光ファイバレーザ１０の数を３に減少した構成を有する。デリバリ光ファイバ２０Ａはシングルモード光ファイバであり、そのコア径はたとえば１１μｍである。また、３つの光ファイバレーザ１０は、それぞれシングルモードのレーザ光Ｌ１Ａを出力する。光コネクタ５０からはレーザ光Ｌ１Ａが合波された出力光Ｌ２Ａが出力される。個々の光ファイバレーザ１０およびデリバリ光ファイバ２０Ａにおいて発生したラマン散乱光Ｌ３Ａが光合波器３０に入力する。

図２８は、レーザ装置６００のデリバリ光ファイバ２０とレーザ装置６００Ａのデリバリ光ファイバ２０Ａとの相違を説明する図である。図２８に示すように、デリバリ光ファイバ２０はデリバリ光ファイバ２０Ａよりも長さが長さＬだけ短い。デリバリ光ファイバ２０Ａの長さはたとえば１０ｍである。長さＬはたとえば３．５ｍである。したがって、デリバリ光ファイバ２０の長さはたとえば６．５ｍである。

図２９は、比較形態に係るレーザ装置６００Ａの出力光パワーとＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比および戻り光のパワーとの関係を示す図である。なお、出力光パワーは、光コネクタ５０から出力される出力光Ｌ２Ａのパワーである。また、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比とは、出力光ファイバ４０の出力端でのラマン散乱光Ｌ３Ａのパワーの合計値と、出力光Ｌ２Ａのパワーとの比であり、光コネクタ５０からの光出力を測定することによって測定することができる。また、戻り光のパワーとは、光検出器１４ａのモニタ結果にもとづく、光ファイバレーザ１０において光合波器１５ａから光カプラ１３側へと出力する戻り光のパワーである。

図２９に示すように、出力光パワーを増加させるにつれて、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比および戻り光のパワーは増加するが、出力光パワーが１３２７Ｗの場合にＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比および戻り光のパワーは急激に増大した。

図３０は、レーザ装置６００Ａの出力光スペクトルの変化を示す図である。波長１０８４ｎｍのピークが出力光Ｌ２Ａであり、波長約１１４０ｎｍのピークがラマン散乱光Ｌ３Ａである。図３０において、縦軸は出力光Ｌ２Ａのピーク値で規格化した規格化光パワーである。図３０に示すように、出力光Ｌ２Ａのパワーを１０７７Ｗから１３２７Ｗに増加させるにつれてラマン散乱光Ｌ３Ａのパワーが急激に増大し、これとともに戻り光のパワーも急激に増大したため、出力光Ｌ２Ａのパワーを１３２７Ｗよりも増大させることが困難であった。

図３１、図３２は、それぞれレーザ装置６００Ａ、レーザ装置１００の出力光スペクトルを示す図である。図３１では、出力光Ｌ２Ａのパワーを１２５５Ｗとしている。図３２では、出力光Ｌ２のパワーを１６８９Ｗとしている。図３１、３２から明らかなように、レーザ装置６００では、出力光Ｌ２のパワーを、レーザ装置６００Ａでは困難であった１３２７Ｗより大きい値にすることが可能であった。また、このようにレーザ装置６００Ａよりも出力光Ｌ２のパワーを高くしたにもかかわらず、波長約１１４０ｎｍのラマン散乱光Ｌ３のピーク値は、図３１のラマン散乱光Ｌ３Ａのピーク値よりも８ｄＢも小さかった。

図３３は、レーザ装置６００の出力光スペクトルの変化を示す図である。波長１０８４ｎｍのピークが出力光Ｌ２であり、波長約１１４０ｎｍのピークがラマン散乱光Ｌ３である。図３３に示すように、出力光Ｌ２のパワーを増加させるにつれてラマン散乱光Ｌ３のピーク値が急激に増大したが、図３０の場合とは異なり、出力光Ｌ２のパワーを２００５Ｗまで増大させることが可能であった。

図３４は、実施の形態６に係るレーザ装置６００および比較形態に係るレーザ装置６００Ａの出力光パワーと戻り光のパワーとの関係を示す図である。図３４に示すように、レーザ装置６００Ａの場合、出力光パワーが１３２７Ｗで戻り光のパワーが急激に増大している。なお、出力光パワーを１３２７Ｗよりも増加させようとしたところ戻り光のパワーが３０００ｍＷに近い値となり、ＬＥＤ等が破損するおそれがあったため、それ以上増加させなかった。これに対して、レーザ装置１００の場合は、出力光パワーを１８００Ｗまで増加させても戻り光のパワーの急激な増大は発生せず、かつ２００５Ｗまで増加させても戻り光のパワーは２５００ｍＷよりも低かった。

図３５は、実施の形態６に係るレーザ装置６００および比較形態に係るレーザ装置６００Ａの出力光パワーとＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比との関係を示す図である。図３５に示すように、レーザ装置６００、６００Ａのいずれにおいても、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比が約−３０ｄＢを境界値として、境界値を超えるとＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比が急激に増大し、誘導ラマン散乱が発生することが確認された。

図３６は、実施の形態６に係るレーザ装置６００および比較形態に係るレーザ装置６００ＡのＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比と戻り光のパワーとの関係を示す図である。図３６に示すように、レーザ装置６００とレーザ装置６００Ａとの構成の差異にもかかわらず、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比が約−３０ｄＢを境界値として、境界値を超えたときから戻り光のパワーが急激に増大することが確認された。

図３６に示すように、ラマン散乱光抑制部としてのデリバリ光ファイバ２０は、出力光ファイバ４０の光出力端でのラマン散乱光Ｌ３のパワーの合計値とレーザ光Ｌ１のパワーの合計値（すなわち出力光Ｌ２のパワー）との比であるＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比が急激に増大する境界値以下になるような長さにすることが好ましい。これによって、戻り光のパワーが急激に増大することを抑制することができる。なお、境界値としては−３０ｄＢに限られず、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比と戻り光のパワーとの関係に応じて、たとえば−２０ｄＢ〜−４０ｄＢとしてもよい。

なお、安全のために、光検出器１４ａにおいて、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比が線形の変化から急激に増大する境界値を超えてある所定値になることをモニタしたら、半導体励起レーザ１６ａ、１６ｂの出力を停止することが好ましい。本発明者らは、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比が急激に増大する境界値を超えると、ＦＢＧ１７ａよりも後端側（ＬＥＤ１１）への戻り光パワーが急激に増大してファイバヒューズ発生のおそれが急激に増大することを発見した。そこで、光検出器１４ａのモニタ結果に応じて半導体励起レーザ１６ａ、１６ｂの出力を停止することによって、ファイバヒューズの発生をより好適に防止することができる。なお、半導体励起レーザ１６ａ、１６ｂの出力を停止すべきＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比の所定値については、たとえば出力光Ｌ２のパワーに応じて適宜設定することができる。

図３７は、制御装置を備えるレーザ装置の構成を示す図である。図３８は、図３７に示す光ファイバレーザ１０の構成を示す図である。レーザ装置７００は、図２５に示すレーザ装置６００の構成に制御装置７１０を追加した構成を有する。レーザ装置７００では、制御装置７１０は、各光ファイバレーザ１０の光検出器１４ａおよび半導体励起レーザ１６ａ、１６ｂに接続している。制御装置７１０は、各光ファイバレーザ１０の光検出器１４ａによる受光パワーを用いて、各光ファイバレーザ１０の半導体励起レーザ１６ａ、１６ｂを制御することができ、レーザ装置７００の動作を制御することができる。

また、この他に、図３４に示されたような、出力光パワーの増加に対する戻り光パワーの増加割合(勾配)、図３５に示されたような、出力光パワー(Ｗ)の増加に対するＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比(ｄＢ)の増加割合、図３６に示されたような、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比(ｄＢ)の増加に対する戻り光パワー(ｍＷ)の増加割合、といったパラメータの少なくともいずれか一つを制御装置７１０が監視し、当該パラメータが急激に増大することを光検出器１４ａで検知したときに半導体励起レーザ１６ａ、１６ｂの出力を停止するようにしても良い。このような増加割合は、近接する２出力条件の間でＳＲＳや出力光パワーなどを測定し、線形補間することなどによって求めることができる。

また、当該制御は、複数の光ファイバレーザ１０のうち、少なくともいずれか一つの光検出器１４ａが上述のパラメータの急激な増大を検知した時に、検知した光検出器１４ａを有する光ファイバレーザ１０若しくは全ての光ファイバレーザ１０の半導体励起レーザ１６ａ、１６ｂを停止するように行っても良い。

図３９は、実施の形態６に係るレーザ装置６００の構成において、光ファイバレーザ１０の数を増減した場合のレーザ装置６００の出力光パワーの変化を示す図である。なお、図３９に示す出力光パワーはＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比が−３０ｄＢのときの値である。図３９に示すように、光ファイバレーザ１０の数を増減させることによって、戻り光のパワーの急激な増大を確実に抑制して信頼性を高めつつ、所望の高い出力光パワーを実現することができる。たとえば、光ファイバレーザ１０の数を７とすれば、約３０００Ｗの出力光パワーのレーザ装置１００を実現することができる。

図４０は、実施の形態６に係るレーザ装置の出力光スペクトルの別の一例を示す図である。図４０では、光ファイバレーザ１０のうちの１つを、交換前よりもラマン散乱光Ｌ３の強度が−５ｄＢだけ低い別の光ファイバレーザ１０に交換したものである。また、図４０では、出力光Ｌ２のパワーを約２０００Ｗとしている。図３３では、出力光Ｌ２のパワーを２００５Ｗにした場合に、ラマン散乱光Ｌ３のピークが約−１４ｄＢである。これに対して、図４０では、出力光Ｌ２のパワーを約２０００Ｗとしながら、ラマン散乱光Ｌ３のピークが約−２５ｄＢと、図３３の場合よりも約−１１ｄＢだけ大幅に低く抑制されている。

（実施の形態７）
つぎに、本発明の実施の形態７について説明する。図４１は、実施の形態７に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図４１に示すように、実施の形態７に係るレーザ装置６００Ｂは、実施の形態７に係るレーザ装置６００において、７本のデリバリ光ファイバ２０を７本のデリバリ光ファイバ２０Ｂに置き換え、光ファイバレーザ１０に接続した各デリバリ光ファイバ２０Ｂに光減衰フィルタ６０を介挿した構成を有する。

４つの光ファイバレーザ１０は、それぞれシングルモードのレーザ光Ｌ１Ｂを出力する。光コネクタ５０からはレーザ光Ｌ１Ｂが合波された出力光Ｌ２Ｂが出力される。個々の光ファイバレーザ１０およびデリバリ光ファイバ２０Ｂにおいて発生したラマン散乱光Ｌ３Ｂが光合波器３０に入力する。

ここで、光減衰フィルタ６０はラマン散乱光Ｌ３Ｂを減衰させるように構成されているので、戻り光のパワーの急激な増大が抑制される。

光減衰フィルタ６０としては、レーザ光Ｌ１Ｂおよび出力光Ｌ２Ｂの波長である１０８４ｎｍを透過帯域に含み、ラマン散乱光Ｌ３Ｂの波長である約１１４０ｎｍを阻止帯域に含む光バンドパスフィルタを用いることが好ましい。また、この光バンドパスフィルタとしては、出力光ファイバ４０の出力端でのラマン散乱光Ｌ３Ｂのパワーの合計値とレーザ光Ｌ１Ｂのパワーの合計値（すなわち出力光Ｌ２Ｂのパワー）との比であるＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比が急激に増大する境界値以下になるような透過特性であることが好ましい。これによって、戻り光のパワーが急激に増大することを抑制することができる。なお、境界値としては−３０ｄＢに限られず、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比と戻り光のパワーとの関係に応じて、たとえば−２０ｄＢ〜−４０ｄＢとしてもよい。

また、デリバリ光ファイバ２０Ｂの長さについては、光減衰フィルタ６０によってラマン散乱光Ｌ３Ｂを十分に抑制することによって、実施の形態６におけるデリバリ光ファイバ２０より長くしてもよい。

（実施の形態８）
つぎに、本発明の実施の形態８について説明する。実施の形態８に係るレーザ装置は、図２７に示した比較形態に係るレーザ装置６００Ａにおいて、光ファイバレーザ１０を別の光ファイバレーザに置き換えた構成を有するので、以下では置き換えた光ファイバレーザの構成について具体的に説明する。

図４２は、実施の形態８に係るレーザ装置において用いる光ファイバレーザの具体的な構成図である。図４２に示す光ファイバレーザ１０Ｃと図２７に示す光ファイバレーザ１０とを比較すると、光ファイバレーザ１０Ｃは、光合波器１５ａ、１５ｂと、これらに接続した複数の半導体励起レーザ１６ａ、１６ｂとが、増幅用光ファイバ１８ｃを双方向励起する構成である点で光ファイバレーザ１０とは異なる。なお、光ファイバレーザ１０Ｃの場合は、デリバリ光ファイバ２０の長さは、光合波器１５ｂの出力側から測った長さである。

増幅用光ファイバ１８ｃは、増幅用光ファイバ１８ａと同様の構成を有するダブルクラッド型の光ファイバであり、その長さはたとえば２５ｍである。

光ファイバレーザ１０Ｃでは、双方向励起構成によって、２つの光合波器１５ａから、全ての半導体励起レーザ１６ａ、１６ｂからの励起光を増幅用光ファイバ１８ｃに入力させるので、より高いパワーのレーザ光Ｌ１Ｃを出力することができる。また、ＭＯＰＡ構造である光ファイバレーザ１０と比較すると、増幅用光ファイバ１８ｃの全長は、光ファイバレーザ１０の増幅用光ファイバ１８ａと増幅用光ファイバ１８ｂとの合計の全長と比較して短く、この光ファイバレーザ１０Ｃの場合は１／２の長さである。その結果、光ファイバレーザ１０Ｃの全長も短くなるので、内部で発生するラマン散乱光のパワーも抑制される。これによって、戻り光のパワーの急激な増大が抑制される。

増幅用光ファイバ１８ｃの長さとしては、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比が急激に増大する境界値以下になるような長さであることが好ましい。これによって、戻り光のパワーが急激に増大することを抑制することができる。なお、境界値としては−３０ｄＢに限られず、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比と戻り光のパワーとの関係に応じて、たとえば−２０ｄＢ〜−４０ｄＢとしてもよい。また、増幅用光ファイバ１８ｃの長さの代わりに、例えばコア径やコア部と内側クラッド層との比屈折率差を調整して、ＳＲＳ／Ｓｉｇｎａｌ比が境界値以下になるようにしてもよい。

なお、実施の形態６、７では、複数の光ファイバレーザ１０、複数のデリバリ光ファイバ２０、および複数の光減衰フィルタ６０はそれぞれ互いに同じ構成を有するが、本発明はこれに限定されず、互いに異なる構成の光ファイバレーザ、デリバリ光ファイバ、または光減衰フィルタを使用してもよい。

また、実施の形態８では、レーザ装置６００Ａの全ての光ファイバレーザ１０を光ファイバレーザ１０Ｃに置き換えているが、少なくとも１つの光ファイバレーザ１０を光ファイバレーザ１０Ｃに置き換えた構成としてもよい。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態１〜５のレーザ装置において、光ファイバレーザの出力側最終段に位置する出力側光ファイバが、プロセス光ファイバであるマルチモード光ファイバの光出力端でのラマン散乱光のパワーの合計値とレーザ光のパワーの合計値との比が急激に大きくなる境界値以下となる長さを有するように構成してもよい。また、各実施の形態に係るレーザ装置は、図３７に示すような、ラマン散乱光の強度をもとにレーザ装置の動作を制御することができる制御装置を備えていてもよい。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

以上のように、本発明は、高出力のレーザ装置およびこれを用いた加工装置に適用して好適なものである。

１０、１０Ｃ、１１０Ｂ、４１０光ファイバレーザ
１２光バンドパスフィルタ
１３光カプラ
１４ａ、１４ｂ光検出器
１５ａ、１５ｂ、３０、１１０Ｂｂ光合波器
１６ａ、１６ｂ半導体励起レーザ
１７ａ、１７ｂＦＢＧ
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ増幅用光ファイバ
２０、２０Ａ、２０Ｂデリバリ光ファイバ
４０出力光ファイバ
５０、１３０、３１０ａ、３１０ｂ、５１０ａ、５１０ｂ、４３０光コネクタ
６０光減衰フィルタ
１００、３００、４００、５００、６００Ａ、６００Ｂ、７００レーザ装置
１１０ａ出力側シングルモード光ファイバ
１１０ａａ、１２０ａ、４１０ａａ、４２０ａコア部
１１０ａｂ、１２０ｂ、４１０ａｂ、４２０ｂクラッド部
１１０ａｃ、１２０ｃ、４１０ａｃ、４２０ｃ被覆
１１０ａｄ、４１０ａｄテーパ部
１１０、１１０Ｂａシングルモード光ファイバレーザ
１１０Ｂｃ、１２０、２２０、４２０マルチモード光ファイバ
２００加工ヘッド
２１０、３１０ｃ、５１０ｃコリメートレンズ
２２０、３１０ｄ、５１０ｄ集光レンズ
２３０ガス導入口
２４０先端面
３１０、４１０空間光学部
４１０マルチモード光ファイバレーザ
４１０ａ出力側マルチモード光ファイバ
７１０制御装置

Claims

コア部に増幅物質が添加された増幅用光ファイバをそれぞれ有しており、基底モードのレーザ光を出力する複数の光ファイバレーザと、
前記複数の光ファイバレーザが出力する前記レーザ光を合波する光合波器と、
前記光合波器の出力端に接続され、前記光ファイバレーザの出力側最終段に位置する光ファイバと比べて、コア径が大きく、開口数が大きいマルチモード光ファイバであるプロセス光ファイバと、
を備え、
前記プロセス光ファイバの出力側端部は、光出射端面が前記プロセス光ファイバの光軸に垂直でありかつＡＲコートが施された光コネクタが設けられており、
前記プロセス光ファイバからの出力光パワーの増加に対する前記光ファイバレーザへの戻り光の戻り光パワーの増加割合、前記出力光パワーの増加に対する、前記プロセス光ファイバから出力されるラマン散乱光パワーと前記出力光パワーとの比であるＳＲＳ／ｓｉｇｎａｌ比の増加割合、および前記ＳＲＳ／ｓｉｇｎａｌ比の増加に対する前記戻り光パワーの増加割合の少なくとも一つを監視し、前記監視したパラメータが急激に増大することを検知したときに前記光ファイバレーザの励起光の出力を停止することを特徴とするレーザ装置。
前記ＡＲコートは、前記レーザ光によって発生するラマン散乱光の波長での反射率が、前記レーザ光の波長での反射率と同等以下にされていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記光ファイバレーザは、シングルモード光ファイバレーザであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
請求項１に記載のレーザ装置と、
前記レーザ装置の前記プロセス光ファイバの光出力端側に接続された加工ヘッドと、
を備えることを特徴とする加工装置。