JP6691827B2 - Combiner and laser system - Google Patents
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Description
本発明は、入射ファイバと出射ファイバと縮径部とを備えたコンバイナに関する。また、そのようなコンバイナを備えたレーザシステム、及び、そのようなコンバイナの製造方法に関する。 The present invention relates to a combiner including an entrance fiber, an exit fiber, and a reduced diameter portion. It also relates to a laser system provided with such a combiner and a method for manufacturing such a combiner.
複数台のレーザ装置の各々から出射されるレーザ光を1つの出射光にまとめるコンバイナが知られている。例えば特許文献1には、入射ファイバを構成する複数の光ファイバ(特許文献1における「入力用光ファイバ」)と、テーパ部を有する縮径部(特許文献1における「ブリッジファイバ」)と、複数(7本)の光ファイバと縮径部との間に介在するGIファイバ(特許文献1における「発散角低減部材」)と、出射ファイバ(特許文献1における「出力用光ファイバ」)と、を備えたコンバイナ(特許文献1における「光ファイバコンバイナ」)が記載されている(特許文献1の図1)。
There is known a combiner that combines laser light emitted from each of a plurality of laser devices into one emitted light. For example, in
このようなコンバイナは、例えばレーザ加工機(レーザシステム)に好適に用いることができる。レーザ加工機は、複数台のレーザ装置の各々から出射されるレーザ光を、このようなコンバイナを用いて1つの出射光にまとめることによって、1台のレーザ装置では得ることができない高出力な出射光を得ている。レーザ加工機は、このようにして得られた出射光を用いて高出力を要する加工用途、例えば、切断や溶接などに用いられている。 Such a combiner can be suitably used for a laser processing machine (laser system), for example. A laser processing machine combines laser light emitted from each of a plurality of laser devices into one emitted light by using such a combiner, so that a high output power which cannot be obtained by one laser device is obtained. You are getting the light. The laser processing machine is used for processing applications that require a high output by using the emitted light thus obtained, for example, cutting and welding.
従来のコンバイナにおいて、複数の光ファイバの各々を伝播してきた複数の光は、各GIファイバを介して縮径部の入射端面に入射される。入射端面に入射された複数の光は、縮径部を伝播する過程において1つの光にまとめられる。縮径部によってまとめられた1つの光すなわち出力光は、縮径部の出射端面から出射ファイバへ出射される。コンバイナは、このようにして入射した複数の光を1つの光として出射することにより高出力な出力光を得ることができる。 In the conventional combiner, the plurality of lights propagating through each of the plurality of optical fibers are incident on the incident end face of the reduced diameter portion via each GI fiber. The plurality of lights incident on the incident end face are combined into one light in the process of propagating through the reduced diameter portion. One light collected by the reduced diameter portion, that is, output light, is emitted from the emission end face of the reduced diameter portion to the emission fiber. The combiner can obtain high-power output light by emitting the plurality of lights thus entered as one light.
しかし、このように構成されたコンバイナは、出射光の開口数の分布幅が広い、あるいは、出射光のビーム品質が不均一であるという課題を有する。その理由を以下に説明する。 However, the combiner configured as described above has a problem that the distribution width of the numerical aperture of the emitted light is wide or the beam quality of the emitted light is non-uniform. The reason will be described below.
縮径部は、入射端面に入射した光を出射端面に伝播する過程において、その光の開口数を増加させる。この伝播に伴う開口数の増加量は、入射端面のうち光が入射した領域と出射端面とのずれ具合に依存している。伝播に伴う開口数の増加量は、上記ずれ具体が大きいほど大きくなる。 The diameter-reduced portion increases the numerical aperture of light incident on the incident end face in the process of propagating the light to the emission end face. The amount of increase in the numerical aperture due to this propagation depends on the degree of deviation between the light incident region and the emission end face of the incident end face. The increase amount of the numerical aperture due to the propagation becomes larger as the above-mentioned deviation is larger.
従来のコンバイナにおいて、各GIファイバのうち1本のGIファイバは、縮径部の入射端面の中心を含む中心領域に配置されている。そのため、光が入射した領域と出射端面とのずれ具合は、ゼロである。一方、各GIファイバのうち残りの6本のGIファイバは、上記中心領域を取り囲む外側領域に配置されている。そのため、外側領域に入射された光における上記ずれ具合は、中心領域に入射された光における上記ずれ具合よりも大きい。 In the conventional combiner, one of the GI fibers is arranged in a central region including the center of the incident end face of the diameter-reduced portion. Therefore, the degree of deviation between the light incident region and the emission end face is zero. On the other hand, the remaining six GI fibers of each GI fiber are arranged in the outer region surrounding the central region. Therefore, the deviation degree in the light incident on the outer region is larger than the deviation degree in the light incident on the central region.
以上のことから、外側領域に入射された光における開口数の増加量は、中心領域に入射された光における開口数の増加量よりも大きくなる。したがって、コンバイナの出射光は、開口数が小さな、上記中心領域に由来する光と、開口数が大きな、上記外側領域に由来する光とを含み、開口数の分布幅が広くなる。 From the above, the increase amount of the numerical aperture in the light incident on the outer region is larger than the increase amount of the numerical aperture in the light incident on the central region. Therefore, the light emitted from the combiner includes light from the central region having a small numerical aperture and light from the outer region having a large numerical aperture, and the distribution width of the numerical aperture becomes wide.
GIファイバは、縮径部の入射端面に入射する光の発散角を小さくすることができる。そのため、複数の入射ファイバと縮径部の入射端面との間にGIファイバを介在させることによって、出射光の開口数を抑制することができる。しかし、GIファイバを介在させた場合でも、出射光における開口数の分布幅が広いという課題を解決することはできない。 The GI fiber can reduce the divergence angle of the light incident on the incident end face of the reduced diameter portion. Therefore, the numerical aperture of the emitted light can be suppressed by interposing the GI fiber between the plurality of incident fibers and the incident end surface of the reduced diameter portion. However, even when the GI fiber is interposed, the problem that the numerical aperture distribution in the emitted light is wide cannot be solved.
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の入射ファイバと出射ファイバと縮径部とを備えたコンバイナにおいて、出射光のビーム品質を均一化することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to make the beam quality of outgoing light uniform in a combiner including a plurality of incoming fibers, outgoing fibers, and a reduced diameter portion. is there.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るコンバイナは、(1)複数の入射ファイバと、(2)前記複数の入射ファイバの各々の出射端面に1本ずつ接合されたGIファイバと、(3)出射ファイバと、(4)入射端面、及び、当該入射端面よりも面積が狭い出射端面を有し、前記入射端面に前記GIファイバの各々が結合され、且つ、前記出射端面に前記出射ファイバが結合された縮径部と、を備えたコンバイナであって、前記縮径部の前記入射端面を平面視した場合に得られる、前記入射端面のGIファイバが結合されている領域の中心と前記出射端面の中心との平面視距離を距離Ddifとして、各GIファイバのレンズとしての開口数は、距離Ddifが大きい領域に結合されたGIファイバほど小さい。 In order to solve the above problems, a combiner according to an aspect of the present invention includes (1) a plurality of incident fibers, and (2) a GI fiber joined to each of the emission end faces of the plurality of incident fibers. And (3) an exit fiber, (4) an entrance end surface, and an exit end surface having an area smaller than that of the entrance end surface, each of the GI fibers is coupled to the entrance end surface, and the exit end surface is connected to the exit end surface. A combiner comprising a diameter-reduced portion to which the emission fiber is coupled, which is obtained when the incidence end face of the diameter-reduced portion is viewed in a plan view, in a region to which the GI fiber is coupled. The numerical aperture as a lens of each GI fiber is smaller for a GI fiber coupled in a region where the distance Ddif is larger, with the distance in plan view between the center and the center of the emission end face being the distance Ddif.
縮径部に入射した光の開口数は、縮径部を伝播する過程で増加する。その増加量は、上記距離Ddifが小さい領域に入射した光ほど小さく、上記距離Ddifが大きい領域に入射した光ほど大きくなる。 The numerical aperture of light incident on the reduced diameter portion increases in the process of propagating through the reduced diameter portion. The amount of increase is smaller for the light incident on the region where the distance Ddif is smaller, and is larger for the light incident on the region where the distance Ddif is larger.
上記の構成によれば、上記距離Ddifが小さい領域、すなわち、上述した開口数の増加量が小さい領域にレンズとしての開口数の大きいGIファイバが接続され、上記距離Ddifが大きい領域、すなわち、上述した開口数の増加量が大きい領域にレンズとしての開口数の小さいGIファイバが接続される。したがって、各GIファイバのレンズとしての開口数が一定の場合と比べて、縮径部から出射する光の開口数を均一化することができる。すなわち、出射光のビーム品質を均一化することができる。 According to the above configuration, the GI fiber having a large numerical aperture as a lens is connected to the region where the distance Ddif is small, that is, the region where the increase amount of the numerical aperture is small, and the region where the distance Ddif is large, that is, the above-mentioned. The GI fiber having a small numerical aperture as a lens is connected to the region where the increase in the numerical aperture is large. Therefore, compared with the case where the numerical aperture of each GI fiber as a lens is constant, the numerical aperture of the light emitted from the reduced diameter portion can be made uniform. That is, the beam quality of the emitted light can be made uniform.
また、本発明の一態様に係るコンバイナにおいて、前記各GIファイバは、製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有し、前記各GIファイバの長さは、距離Ddifが大きい領域に結合されたGIファイバほど、コリメートされた光を出射する長さである最適長に近い長さを有する、ことが好ましい。 Further, in the combiner according to the aspect of the present invention, each of the GI fibers has the same refractive index distribution within a manufacturing tolerance range, and the length of each of the GI fibers is coupled to a region having a large distance Ddif. It is preferable that the GI fiber has a length closer to the optimum length which is a length for emitting the collimated light.
GIファイバは、その長さに応じて、出射する光の開口数が周期的に変化する特性を有する。したがって、GIファイバの開口数は、GIファイバの長さが最適長である場合に最小値をとり、最適長の中間となる長さで最大値をとる。GIファイバの長さが最適長である場合に、GIファイバは、コリメートされた光を出射する。 The GI fiber has a characteristic that the numerical aperture of emitted light changes periodically according to its length. Therefore, the numerical aperture of the GI fiber has a minimum value when the length of the GI fiber is the optimum length, and has a maximum value at a length intermediate the optimum length. The GI fiber emits collimated light when the length of the GI fiber is optimal.
上記の構成によれば、製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有するGIファイバを用いて、開口数が異なるGIファイバを用意することができる。したがって、屈折率分布が異なるGIファイバを用いる場合と比較して、本コンバイナは、出射光のビーム品質の均一化を容易に図ることができる。 According to the above configuration, it is possible to prepare GI fibers having different numerical apertures by using GI fibers having the same refractive index distribution within the manufacturing tolerance range. Therefore, as compared with the case of using GI fibers having different refractive index distributions, the present combiner can easily make the beam quality of outgoing light uniform.
また、上記の構成によれば、コンバイナが出射する出射光のうち最も大きな開口数を有する出射光の開口数を抑制することができる。したがって、本コンバイナは、出射光のビーム品質の均一化を図りつつ、そのビーム品質を高めることができる。 Further, according to the above configuration, it is possible to suppress the numerical aperture of the emitted light having the largest numerical aperture among the emitted lights emitted by the combiner. Therefore, the present combiner can improve the beam quality of the emitted light while making the beam quality of the emitted light uniform.
また、本発明の一態様に係るコンバイナにおいて、前記縮径部の、前記入射端面の形状及び前記出射端面の形状は、何れも円形である、ことが好ましい。 Further, in the combiner according to the aspect of the present invention, it is preferable that both the shape of the incident end surface and the shape of the output end surface of the reduced diameter portion are circular.
上記の構成によれば、既存の円柱状の光学部材、例えば光学ロッドを延伸することにより縮径部を製造することができる。したがって、縮径部を容易に入手可能な光学部材から製造可能であるため、コンバイナの製造コストを抑制することができる。 According to the above configuration, the diameter-reduced portion can be manufactured by extending the existing cylindrical optical member, for example, the optical rod. Therefore, the reduced diameter portion can be manufactured from an easily available optical member, so that the manufacturing cost of the combiner can be suppressed.
また、本発明の一態様に係るコンバイナにおいて、前記入射端面の中心と前記出射端面の中心とを結んだ中心軸は、前記入射端面の法線に対して傾いていてもよい。 In the combiner according to an aspect of the present invention, a central axis connecting the center of the incident end face and the center of the emission end face may be inclined with respect to a normal line of the incident end face.
円柱状の光学部材を延伸して縮径部を製造する場合、延伸された光学部材の形状に歪みが生じることがある。その場合、製造された縮径部の入射端面の中心と出射端面の中心とを結んだ中心軸は、入射端面の法線に対して傾きを有する。本コンバイナは、GIファイバの開口数を距離Ddifに応じて定めているため、縮径部の中心軸が入射端面に対して傾いている場合であっても、出射光のビーム品質を均一化することができる。 When a cylindrical optical member is stretched to produce a reduced diameter portion, distortion may occur in the shape of the stretched optical member. In that case, the central axis connecting the center of the incident end face and the center of the exit end face of the manufactured reduced diameter portion has an inclination with respect to the normal line of the incident end face. Since this combiner determines the numerical aperture of the GI fiber according to the distance Ddif, even if the central axis of the diameter-reduced portion is inclined with respect to the incident end face, the beam quality of the emitted light is made uniform. be able to.
また、本発明の一態様に係るコンバイナにおいて、前記各GIファイバのうち前記距離Ddifが最大であるGIファイバの長さは、該GIファイバの前記最適長である、ことが好ましい。 Further, in the combiner according to the aspect of the present invention, it is preferable that the length of the GI fiber having the maximum distance Ddif among the GI fibers is the optimum length of the GI fiber.
上記の構成によれば、GIファイバがその開口数を変化させることができる範囲を最大限に使って縮径部の出射端面から出射される光のビーム品質を均一化することができる。したがって、本コンバイナは、出射光のビーム品質を更に高めることができる。 According to the above configuration, the beam quality of the light emitted from the emission end face of the diameter-reduced portion can be made uniform by using the range in which the numerical aperture of the GI fiber can be changed to the maximum. Therefore, the present combiner can further improve the beam quality of the emitted light.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るレーザシステムは、(1)複数の入射ファイバと、(2)前記複数の入射ファイバの各々の出射端面に1本ずつ接合されたGIファイバと、(3)出射ファイバと、(4)入射端面、及び、当該入射端面よりも面積が狭い出射端面を有し、前記入射端面に前記複数の入射ファイバの各々が結合され、且つ、前記出射端面に前記出射ファイバが結合された縮径部と、を備えたコンバイナであって、前記縮径部の前記入射端面を平面視した場合に得られる、前記入射端面のGIファイバが結合されている領域の中心と前記出射端面の中心との平面視距離を距離Ddifとして、各GIファイバのレンズとしての開口数は、距離Ddifが大きい領域に結合されたGIファイバほど小さいコンバイナと、それぞれが出射ファイバを有する複数台のレーザ装置であって、前記出射ファイバの各々が、それぞれ、前記コンバイナの前記入射ファイバの何れかに接続されている複数台のレーザ装置と、を備えている。 In order to solve the above-mentioned problems, a laser system according to one aspect of the present invention includes (1) a plurality of incident fibers, and (2) a GI that is joined to each emission end face of each of the plurality of incident fibers. A fiber, (3) an emitting fiber, (4) an incident end face, and an emitting end face having an area smaller than that of the incident end face, wherein each of the plurality of incident fibers is coupled to the incident end face, and A combiner comprising a diameter-reduced portion in which the emission fiber is coupled to an emission end surface, which is obtained when the incidence end surface of the diameter-reduced portion is viewed in a plan view, in which the GI fiber of the incidence end surface is coupled. With the distance Ddif in plan view between the center of the existing region and the center of the emission end face, the numerical aperture of each GI fiber as a lens is smaller as the GI fiber coupled to the region with a larger distance Ddif has a smaller numerical aperture. And a plurality of laser devices each having an emission fiber, each of the emission fibers being respectively connected to any of the incidence fibers of the combiner. ing.
本発明は、複数の入射ファイバと出射ファイバと縮径部とを備えたコンバイナにおいて、出射光のビーム品質を均一化することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can make the beam quality of outgoing light uniform in a combiner including a plurality of incoming fibers, outgoing fibers, and a reduced diameter portion.
〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態に係るコンバイナ10について、図1〜図3を参照して説明する。
[First Embodiment]
The
図1の(a)及び(b)は、コンバイナ10の斜視図である。なお、図1の(b)は、コンバイナ10が備えている入射ファイバ束12を省いた状態のコンバイナ10を示す。図1の(c)は、コンバイナ10が備えている縮径部11の入射端面11aを平面視した場合に得られる平面図である。この平面図は、縮径部11を図1に示した座標軸におけるz軸負方向側から見ることによって得られる。図1の(c)は、入射端面11aにおいて、GIファイバ束14を構成するGIファイバ141〜147を結合される各領域P1〜P7を示す。なお、図1の(c)は、コンバイナ10が備えている入射ファイバ束12及びGIファイバ束14を省いた状態の入射端面11aを示す。
1A and 1B are perspective views of the
図2の(a)及び(b)は、縮径部11の断面図であって、図1の(c)に示したA−A’線に沿った平面(yz平面)における断面図である。
2A and 2B are cross-sectional views of the reduced
図3は、GIファイバ141〜147における、レンズとしての開口数NAの長さLGI依存性を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the LGI dependency of the numerical aperture NA as a lens in the
(コンバイナ10の構成)
図1の(a)に示すように、コンバイナ10は、縮径部11と、入射ファイバ束12と、出射ファイバ13と、GIファイバ束14を備えている。
(Structure of combiner 10)
As shown in FIG. 1A, the
縮径部11は、光学ガラスによって構成された光学部材であり、例えば石英ガラス製である。縮径部11は、入射端面11aが一方の底面を構成し、出射端面11bが他方の底面を構成する円錐台の光学部材である。出射端面11bの面積は、入射端面11aの面積と比較して狭い。
The reduced
本実施形態において、入射端面11aの形状及び出射端面11bの形状は、何れも円形である。この構成によれば、市販されている円柱状の光学部材、例えば光学ロッドを延伸することにより縮径部11を製造することができる。したがって、容易に入手可能な光学部材を用いて縮径部を製造可能であるため、コンバイナの製造コストを抑制することができる。
In the present embodiment, the shape of the
なお、円柱状の光学部材を延伸して縮径部11を製造するときに、延伸された光学部材の中心軸が偏心することがある。このような偏心した光学部材を用いて縮径部11を製造した場合、縮径部11の形状は、偏心した円錐台(中心軸が入射端面11aに対して傾いている円錐台)となる。コンバイナ10の変形例として後述するように、縮径部11の形状は、このように偏心した円錐台であってもよい。
When the cylindrical optical member is stretched to manufacture the reduced
入射ファイバ束12は、複数(本実施形態では7本)の入射ファイバであるフューモードファイバ(FMF)121〜127によって構成されている。FMF121は、コア121aとクラッド121bとを備えている。同様に、FMF122〜127の各々は、コア122a〜127aとクラッド122b〜127bとを備えている。FMF121〜FMF127の各々は、例えば石英ガラス製である。
The
出射ファイバ13は、1本のマルチモードファイバによって構成されている。出射ファイバ13は、コア13aとクラッド13bとを備えている。コア13aの直径は、縮径部11の出射端面11bの直径Dout(図2参照)と等しくなるように構成されている。本実施形態において、出射ファイバ13のコア13aの端面は、出射端面11bに対して融着されている。出射ファイバ13は、例えば石英ガラス製である。出射ファイバ13は、縮径部11の出射端面11bに結合されている。
The emitting
入射ファイバ束12と縮径部11の入射端面11aとの間には、GI(Graded Index)ファイバ束14が介在する。GIファイバ束14は、FMF121〜127と同数である7本のGIファイバ141〜147によって構成されている。
A GI (Graded Index)
GIファイバ141〜147の各々は、FMF121〜127の各々と1:1で対応している。例えば、FMF121の出射端面には、GIファイバ141の入射端面が接合されている。GIファイバ141の出射端面は、縮径部11の入射端面11aに結合されている。同様に、FMF122〜127の各々は、GIファイバ142〜147の各々を介して入射端面11aに結合されている。
Each of the
入射端面11aの直径Dinは、GIファイバ141〜147の出射端面を全て包含する大きさに定められている(図1の(c)参照)。
The diameter Din of the
GIファイバ141〜147の各々は、例えば石英製の光学部材であり、その中心軸において屈折率が最も高く、その中心軸から遠ざかるにしたがって屈折率が低くなるように構成されている。
Each of the
このように構成されたGIファイバ141〜147は、FMF121〜127から入射された光の発散角を、その光を伝播する過程において抑制することができる。その結果、GIファイバ141〜147は、FMF121〜127から入射された光と比較して発散角が小さな光を出射することができる。この発散角の抑制の度合いは、GIファイバ141〜147の長さに応じて周期的に変化する。GIファイバ141〜147の各々の長さについては後述する。
The
本実施形態において、入射ファイバ束12とGIファイバ束14とは、融着により接合されている。また、GIファイバ束14と縮径部11の入射端面11aとは、融着により結合されている。FMF121及びGIファイバ141を例にすれば、(1)FMF121の出射端面は、GIファイバ141の入射端面に融着されており、(2)GIファイバ141の出射端面は、入射端面11aに融着されている。FMF122〜127及びGIファイバ142〜147に関しても同様である。
In this embodiment, the
なお、GIファイバ束14と入射端面11aとは、互いに光学的に結合していればよい。したがって、例えば、GIファイバ束14を構成するGIファイバ141〜147の出射端面と、入射端面11aとを接続する場合の接続手段は、融着に限られない。例えば、コンバイナ10において用いる光の波長領域において良好な透過率を有する樹脂からなる接着剤を用いて、GIファイバ141〜147の各々の出射端面と、入射端面11aとを接着してもよい。出射ファイバ13と縮径部11の出射端面11bとの結合に関しても同様である。
The
(各GIファイバが結合される領域)
図1の(a)及び(b)に示すように、FMF121〜127及びGIファイバ141〜147の各々は、FMF121及びGIファイバ141を中心として、その周りをFMF122〜127及びGIファイバ142〜147が取り囲むように配置されている。縮径部11の入射端面11aにおいて、GIファイバ141〜147の各々が接合される領域を、それぞれ、領域P1〜P7と呼ぶ。
(Area where each GI fiber is coupled)
As shown in (a) and (b) of FIG. 1, each of the
図1の(c)に示すように、領域P1は、入射端面11aの中心C1を含む。本実施形態において、入射端面11aを平面視した場合、領域P1の中心CP1と、入射端面11aの中心C1と、出射端面11bの中心C2とは、一致している。中心CP1は、GIファイバ141の中心に対応する。
As shown in FIG. 1C, the region P1 includes the center C1 of the
領域P1の周りには、領域P1を取り囲む6つの領域(領域P2〜P7)が配置されている。領域P2〜P7の各々の中心を、それぞれ中心CP2〜CP7と呼ぶ。領域P2は、GIファイバ142が接続される領域である。中心CP2は、入射端面11aに接合されたGIファイバ142の中心に対応する。同様に、領域P3〜P7の各々は、それぞれ、GIファイバ143〜147が接続される領域であり、中心CP3〜CP7の各々は、それぞれ、入射端面11aに接合されたGIファイバ143〜147の中心に対応する。領域P2〜P7の各々は、領域P1の周りに、中心CP2〜CP7が正六角形の各頂点を成すように配置されている。換言すれば、GIファイバ141〜147の各々は、入射端面11a内において最密充填構造をとるように配置されている。
Six areas (areas P2 to P7) surrounding the area P1 are arranged around the area P1. The centers of the regions P2 to P7 are referred to as centers CP2 to CP7, respectively. The area P2 is an area to which the
図1の(c)に示すA−A’線は、中心CP1と中心CP2と中心CP5とを通る直線である。各領域P1〜P7において、入射端面11aを平面視した場合に得られる中心C2と中心CP1〜CP7との平面視距離を距離Ddifとする。図1の(c)には、距離Ddifの例として、領域P2における距離Ddifを図示している。
A line A-A ′ shown in FIG. 1C is a straight line passing through the center CP1, the center CP2, and the center CP5. In each of the regions P1 to P7, the planar view distance between the center C2 and the centers CP1 to CP7 obtained when the
距離Ddifは、縮径部11に対して入射光が結合する領域と縮径部11に対して出射光が結合する領域とのずれを表す。距離Ddifが大きいほど、入射光が結合する領域と出射光が結合する領域とのずれが大きいことを表す。なお、領域P1〜P6における距離Ddifを区別する場合には、例えば距離Ddif(P1)というようにその領域を表す符号を距離Ddifの末尾に追記する。
The distance Ddif represents the shift between the region where the incident light is coupled to the reduced
上述したように、入射端面11aを平面視した場合に、中心C1と中心CP1と中心C2とは一致している。そのため、領域P1における距離Ddif(P1)は、Ddif(P1)=0である。一方、領域P2〜P7の中心CP2〜CP7の各々は、中心CP1を中心とする正六角形の各頂点に位置する。したがって、領域P2〜P7における距離Ddif(P2)〜Ddif(P7)の各々は、何れも等しく、およそ各領域P2〜P7の直径と一致する。そのため、コンバイナ10における距離Ddif(P1)〜Ddif(P7)は、小さな値を有する距離Ddif(P1)と、大きな値を有する距離Ddif(P2)〜Ddif(P7)とに分けられる。
As described above, the center C1, the center CP1, and the center C2 coincide with each other when the
なお、本実施形態において、縮径部11は、その径(円錐台の中心軸と交わり、且つ、図1に図示した座標系におけるy軸方向に沿った長さ)が円錐台の中心軸に沿って変化し続けるものとして説明した。しかし、縮径部11は、円錐台の中心軸に沿って径が変化し続ける区間(円錐台状区間)の前段及び後段の少なくとも何れか一方に、中心軸に沿って径が変化しない区間(円柱状区間)を更に備えていてもよい。このような円柱状区間は、一方の端面を介して円錐台状区間に連なっている。円柱状区間の他方の端面は、縮径部11の入射端面11a或いは出射端面11bをなす。
In the present embodiment, the diameter-reduced
(各GIファイバのレンズとしての開口数)
コンバイナ10において、GIファイバ141〜147の各々のレンズとしての開口数NA(以下では、単に開口数NAとも記載する)は、距離Ddifが大きい領域に結合されたGIファイバほど小さくなるように定められている。別の言い方をすれば、同じ距離Ddifを有する領域に結合されたGIファイバの開口数NAは、等しくなるように定められている。すなわち、距離Ddifが大きな領域である領域P2〜P7の各々に結合されているGIファイバ142〜147の開口数NAは、距離Ddifが小さな領域である領域P1の開口数NAと比較して小さい。
(Numerical aperture of each GI fiber as a lens)
In the
図2を参照して後述するように、縮径部11に入射した光の開口数は、縮径部11を伝播する過程で増加する。その増加量は、距離Ddifが小さい領域P1に入射した光ほど小さく、距離Ddifが大きい領域P2〜P7に入射した光ほど大きくなる。言い方を代えると、互いに等しい距離Ddifを有する領域P2〜P7に結合された光の各々において、その開口数の増加量は等しい。以下において、例えば、領域P2に結合された光であって縮径部11の出射端面11bから出射される光のことを、領域P2に由来する光と呼ぶ。他の領域P1,P3〜P7に結合された光であって出射端面11bから出射される光の各々についても、それぞれ、領域P1,P3〜P7に由来する光と呼ぶ。
As will be described later with reference to FIG. 2, the numerical aperture of the light incident on the reduced
上記の構成によれば、(1)光の開口数の増加量が小さな領域である領域P1に対して、開口数が大きな光を入射させることができ、且つ、(2)光の開口数の増加量が大きな領域である領域P2〜P7に対して、開口数が小さな光を入射させることができる。そのため、入射端面11aに結合されたGIファイバの開口数が一定である場合と比較して、コンバイナ10は、領域P1に由来する光の開口数と、領域P2〜P7の各々に由来する光の開口数との差を減少させることができる。したがって、コンバイナ10は、高出力であり、且つ、開口数(換言すればビーム品質)が均一化された出射光を出射することができる。
According to the above configuration, (1) light having a large numerical aperture can be made incident on the region P1 that is a region where the amount of increase in the numerical aperture of light is small, and (2) Light having a small numerical aperture can be made to enter regions P2 to P7 that are regions where the amount of increase is large. Therefore, as compared with the case where the numerical aperture of the GI fiber coupled to the
なお、本実施形態において、入射ファイバ束12は、7本の入射ファイバ(FMF121〜FMF127)により構成されている。しかし、入射ファイバ束12を構成する入射ファイバの数は、任意である。GIファイバ束14を構成するGIファイバの数は、入射ファイバ束12を構成する入射ファイバの数と同数であるため、一義的に定まる。例えば、入射ファイバ束12を構成する入射ファイバの数は、2本であってもよいし、3本であってもよいし、19本であってもよい。
In this embodiment, the
(各GIファイバの長さ)
GIファイバは、その長さLGIに応じて、出射する光の開口数を周期的に変化させる特性を有する。この1周期の長さを周期長Lsとして、(1)LGI=Ls×(2n−1/4)である場合に、GIファイバが出射する光の開口数は最小値となり、(2)LGI=Ls×2n/4である場合に、GIファイバが出射する光の開口数は最大値(GIファイバに入射した光のNAと同じ値)となる(図3参照)。以下において、出射する光の開口数が最小値となる長さLGI(=Ls×(2n−1/4))のことをGIファイバの最適長と呼ぶ。ここで、nは、正の整数である。長さLGIが最適長であるGIファイバは、コリメート光を出射する。
(Length of each GI fiber)
The GI fiber has a characteristic of periodically changing the numerical aperture of the emitted light according to the length LGI. When (1) LGI = Ls × (2n-1 / 4), where the length of this one cycle is the cycle length Ls, the numerical aperture of the light emitted from the GI fiber becomes the minimum value, and (2) LGI = When Ls × 2n / 4, the numerical aperture of the light emitted from the GI fiber becomes the maximum value (the same value as the NA of the light incident on the GI fiber) (see FIG. 3). Hereinafter, the length LGI (= Ls × (2n-1 / 4)) at which the numerical aperture of the emitted light is the minimum value is called the optimum length of the GI fiber. Here, n is a positive integer. The GI fiber having the optimum length LGI emits collimated light.
コンバイナ10において、GIファイバ141〜147の各々は、距離Ddifが大きい領域に接続されたGIファイバほど、コリメートされた光を出射する長さである最適長に近い長さを有する、ことが好ましい。この構成によれば、コンバイナ10が出射する出射光のうち最も大きな開口数を有する出射光の開口数を抑制することができる。したがって、コンバイナ10は、出射光の開口数の均一化を図りつつ、そのビーム品質を高めることができる。また、GIファイバ141〜147の各々のうち距離Ddifが最大であるGIファイバ142〜147の長さは、最適長であることがより好ましい。この構成によれば、コンバイナ10は、そのビーム品質を更に高めることができる。本実施形態においては、GIファイバ142〜147の各々の長さLGIとして最適長(Ls/4)を採用している(図1の(b)参照)。
In the
また、コンバイナ10において、GIファイバ141の長さLGIは、最適長であるGIファイバ142〜147の長さLGIより短い。これは、GIファイバ141の開口数NAをGIファイバ142〜147の開口数NAより大きくするためである。
Further, in the
なお、GIファイバの開口数NAは、上述したように周期的に変化するため、最適長より長くすることによっても開口数NAを大きくすることができる。したがって、GIファイバ141の長さLGIとして、最適長より長い長さを採用してもよい。
Since the numerical aperture NA of the GI fiber changes periodically as described above, the numerical aperture NA can be increased by making it longer than the optimum length. Therefore, as the length LGI of the
また、GIファイバ141〜147の各々は、製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有することが好ましい。製造公差の範囲内で同じ屈折率分布を有するGIファイバ141〜147は、市販されているGIファイバを所定の長さに切り出すことによって製造することができる。したがって、開口数NAが異なるGIファイバ141〜147の各々を屈折率が異なるGIファイバを用いて製造する場合と比較して、容易に製造することができる。
Further, each of the
(仮想ビーム径)
ここでは、図2を参照して、光の開口数に大きな影響を与える仮想ビーム径の概念について説明する。
(Virtual beam diameter)
Here, with reference to FIG. 2, the concept of the virtual beam diameter that greatly affects the numerical aperture of light will be described.
図2の(a)は、縮径部11の入射端面11aにおける領域P1に対して光L1を入射した状態を示す。図2の(b)は、入射端面11aにおける領域P5に対して光L2を入射した状態を示す。なお、ここでは、光L1及び光L2の各々は、何れもコリメート光であるものとして説明する。
2A shows a state in which the light L1 is incident on the region P1 on the
図2に図示した縮径部11の断面の形状は、入射端面11a及び出射端面11bを底辺とする等脚台形である。その等脚台形の2つの斜辺をそれぞれ斜辺11c,11dと称する。斜辺11cと出射端面11bの法線とのなす角、及び、斜辺11dと出射端面11bの法線とのなす角は、何れもθ0である。
The cross-sectional shape of the reduced
光L1において、光L1の中心軸は、出射端面11bの中心C2を通る。この場合、図2の(a)に示すように、光L1の仮想ビーム径DL1は、光L1の幅と等しい。
In the light L1, the central axis of the light L1 passes through the center C2 of the
光L2における仮想ビーム径は、以下のように算出することができる。 The virtual beam diameter of the light L2 can be calculated as follows.
(1)縮径部11の内部に延ばした光L2の延長線のうち、出射端面11bから遠い側(y軸負方向側)の延長線を延長線L2eとする。
(1) Of the extension lines of the light L2 extending inside the reduced
(2)延長線L2eと縮径部11の斜辺11dとの交点を交点I2aとする。
(2) The intersection of the extension line L2e and the
(3)交点I2aを通り、且つ、入射端面11a及び出射端面11bと平行な直線LI2を引く。
(3) A straight line LI2 is drawn that passes through the intersection I2a and is parallel to the
(4)直線I2bと縮径部11の斜辺11cとの交点を交点I2bとする。
(4) An intersection between the straight line I2b and the
(5)交点I2aと交点I2bとの距離を仮想ビーム径DL2とする。 (5) The virtual beam diameter DL2 is the distance between the intersection I2a and the intersection I2b.
以上の算出方法から明らかなように、入射端面11aに結合される光のうち、最小仮想ビーム径を有する光は、光L1である。一方、光の中心軸が縮径部11の中心軸(中心C1と中心C2とを結んだ軸)から離れれば離れるほど、すなわち、距離Ddifが大きくなればなるほど、その光の仮想ビーム径は、大きくなる。領域P2〜P7の各々における距離Ddifは、何れも等しく、且つ、領域P1における距離Ddifよりも大きい。そのため、領域P2〜P7の各々に入射された光の仮想ビーム径は、それぞれ、仮想ビーム径DL2と等しい。
As is clear from the above calculation method, the light having the minimum virtual beam diameter is the light L1 among the light coupled to the
(縮径率)
出射端面11bの直径Doutを上述した仮想ビーム径を用いて、ある領域に入射された光に対する縮径率を定義することができる。縮径率は、出射端面11bの直径Doutを仮想ビーム径で割ることにより得られる。すなわち、領域P1に入射された光L1の縮径率は、Dout/DL1であり、領域P5に入射された光L2の縮径率は、Dout/DL2である(領域P2〜P4及び領域P6〜P7に入射された光についても同様)。
(Reduction rate)
The diameter reduction ratio for the light incident on a certain region can be defined by using the diameter Dout of the
この縮径率は、縮径部11を伝播したときに光の開口数が増加する度合いを表す指標である。縮径部11を伝播したときに、縮径率が小さい光ほど開口数NAが増加する度合いは小さく、縮径率が大きい光ほど開口数NAが増加する度合いは大きい。
This diameter reduction ratio is an index indicating the degree to which the numerical aperture of light increases when propagating through the diameter reduced
コンバイナ10においては、縮径率が小さい光が入射される領域に開口数NAが大きいGIファイバを接合し、縮径率が大きな光が入射される領域に開口数NAが小さなGIファイバを接合する。したがって、コンバイナ10は、出射光の開口数を均一化することができる。
In the
(GIファイバの開口数NAの一例)
GIファイバ141〜147における開口数NAの長さLGI依存性を図3に示す。GIファイバ141〜147において、非屈折率差Δは0.055であり、有効レンズ径は100μmである。また、GIファイバ141〜147に融着されているFMF121〜127のモードフィールド径は、20μmである。
(Example of numerical aperture NA of GI fiber)
FIG. 3 shows the dependence of the numerical aperture NA on the
図3を参照すれば、GIファイバ141〜147の開口数NAは、長さLGIに応じて周期的に変化することが分かる。GIファイバ141〜147の周期長Lsは、Ls=10.4mmである。
Referring to FIG. 3, it can be seen that the numerical aperture NA of the
本実施形態において、GIファイバ142〜147の長さLGIは、最適長と等しい。すなわち、GIファイバ142〜147の長さLGIは、2.6mmである。このとき、GIファイバ142〜147の開口数NAは、0.010である。
In the present embodiment, the length LGI of the
表1に、Ddif=0μmである領域P1と、Ddif=150μmである領域の一例である領域P2とに開口数が0.010以上0.014以下である光を入射させた場合に得られる出射光の開口数をまとめた。これらの出射光の開口数は、以下のように構成した縮径部11を備えたコンバイナ10を用いてシミュレーションすることによって得た。
・入射端面11aの直径Din=400μm
・出射端面11bの直径Dout=100μm
・Ddif(P1)=0μm
・Ddif(P2)〜Ddif(P7)=150μm
・縮径部11の長さ(入射端面11aから出射端面11bまで距離)=40mm
・出射ファイバ13の長さ=10mm
また、GIファイバ141〜147に融着されているFMF121〜127のモードフィールド径として、20μmを採用した。
Table 1 shows the output obtained when light having a numerical aperture of 0.010 or more and 0.014 or less is incident on a region P1 where Ddif = 0 μm and a region P2 which is an example of a region where Ddif = 150 μm. The numerical aperture of the light is summarized. The numerical apertures of these emitted lights were obtained by simulating using a
・ Diameter of
・ Diameter Dout of the
・ Ddif (P1) = 0 μm
・ Ddif (P2) to Ddif (P7) = 150 μm
The length of the reduced diameter portion 11 (distance from the
-The length of the
Moreover, 20 μm was adopted as the mode field diameter of the
GIファイバ142の開口数NAを0.010とした場合、すなわち、領域P2に開口数が0.010である光を入射させた場合、コンバイナ10の出射光の開口数は、0.111であった。
When the numerical aperture NA of the
一方、GIファイバ141の開口数NAを0.010以上0.014以下の範囲で変化させた場合、0.097以上0.131以下の開口数を有する出射光が得られた。コンバイナ10の出射光において開口数の均一化を図るためには、領域P2に由来する出射光の開口数(0.111)との差を最小化できるようにGIファイバ141の開口数NAを定めればよい。表1によれば、GIファイバ141の開口数NAを0.012に定めた場合に、領域P2に由来する出射光の開口数と、領域P1に由来する出射光の開口数との差を最小化できることが分かった。
On the other hand, when the numerical aperture NA of the
図3に示した開口数NAの長さLGI依存性から開口数NAが0.012となる長さLGIを求めた結果、LGI=2.41mm,2.79mmだった(有効数字3桁の場合)。 From the dependence of the numerical aperture NA on the length LGI shown in FIG. 3, the length LGI at which the numerical aperture NA becomes 0.012 was found to be LGI = 2.41 mm and 2.79 mm (in the case of three significant figures. ).
以上のように、GIファイバ142の開口数NAを0.010とした場合に、GIファイバ141の開口数NAを0.012とすることによって、領域P2に由来する出射光の開口数と、領域P1に由来する出射光の開口数との差を抑制できることが分かった。換言すれば、このように構成したコンバイナ10は、出射光の開口数を均一化できることが分かった。
As described above, when the numerical aperture NA of the
このように、領域P1〜P7の各々に様々な開口数を有する光を入射させた場合に得られる出射光の開口数を取得しておくことによって、出射光の開口数を均一化するための好ましいGIファイバ141〜147の開口数NAを容易に定めることができる。また、図3に示したGIファイバ141〜147における開口数NAと長さLGIとの相関関係を予め取得しておくことによって、所望の開口数NAを実現するためのGIファイバ141〜147の長さLGIを容易に定めることができる。
In this way, by obtaining the numerical aperture of the outgoing light obtained when light having various numerical apertures is made incident on each of the regions P1 to P7, the numerical aperture of the outgoing light can be made uniform. The numerical aperture NA of the
〔第2の実施形態〕
本発明の第2の実施形態に係るコンバイナ10Aについて、図4〜図5を参照して説明する。
[Second Embodiment]
A
図4の(a)は、コンバイナ10Aの斜視図である。なお、図4の(a)は、コンバイナ10Aが備えている入射ファイバ束12を省いた状態のコンバイナ10Aを示す。図4の(b)は、コンバイナ10Aが備えている縮径部11Aの入射端面11Aaを平面視した場合に得られる平面図である。この平面図は、縮径部11Aを図4に示した座標軸におけるz軸負方向側から見ることによって得られる。図4の(b)は、入射端面11Aaにおいて、GIファイバ束14を構成するGIファイバ141A〜147Aを結合される各領域P1A〜P7Aを示す。なお、図4の(b)は、コンバイナ10Aが備えている入射ファイバ束12及びGIファイバ束14Aを省いた状態の入射端面11aを示す。
FIG. 4A is a perspective view of the
図5の(a)及び(b)は、縮径部11Aの断面図であって、図4の(b)に示したB−B’線に沿った平面(yz平面)における断面図である。
5A and 5B are cross-sectional views of the reduced
(コンバイナ10Aの構成)
コンバイナ10Aは、図1に示したコンバイナ10が備えている縮径部11及びGIファイバ束14の各々を、それぞれ、縮径部11A及びGIファイバ束14Aに置換することによってえら得る。コンバイナ10Aが備えている入射ファイバ束12及び出射ファイバ13は、コンバイナ10が備えているものと同様に構成されている。したがって、本実施形態では、入射ファイバ束12及び出射ファイバ13の説明を省略する。
(Structure of
The
図4の(a)に示すように、縮径部11Aにおいて、入射端面11Aaの中心C1Aと出射端面11Abの中心C2Aとを結ぶ線分を中心軸11ACとする。中心軸11ACは、入射端面11Aa及び出射端面11Abに対して傾いている。したがって、縮径部11Aの形状は、偏心した円錐台といえる。
As shown in FIG. 4A, a line segment connecting the center C1A of the incident end face 11Aa and the center C2A of the exit end face 11Ab in the reduced
そのため、入射端面11Aaを平面視した場合に、中心C1Aと中心C2Aとは互いにずれている(図4の(b)参照)。入射端面11Aaを平面視した場合に得られる、中心C1Aと中心C2Aとの間の平面視距離をオフセット量Doff(請求の範囲に記載の平面視距離Doff)とする。オフセット量Doffは、中心C1Aと中心C2Aとのずれ具合を表す。オフセット量Doffが大きいほど、中心C1Aと中心C2Aとのずれ具合は大きい。 Therefore, when the incident end face 11Aa is viewed in a plan view, the center C1A and the center C2A are displaced from each other (see (b) of FIG. 4). The planar view distance between the center C1A and the center C2A, which is obtained when the incident end surface 11Aa is viewed in a plane, is an offset amount Doff (plane view distance Doff described in the claims). The offset amount Doff represents the degree of deviation between the center C1A and the center C2A. The larger the offset amount Doff, the greater the degree of deviation between the center C1A and the center C2A.
図4の(b)に示すように、中心C1Aを含み、GIファイバ142Aが接続される領域を領域P2Aと呼ぶ。また、領域P2Aの中心を中心CP2Aと呼ぶ。中心CP2Aは、入射端面11Aaに結合されたGIファイバ142Aの中心に対応する。コンバイナ10Aにおいて、中心C1Aと中心CP2Aとは、一致している。
As shown in FIG. 4B, a region including the center C1A and connected to the
領域P2Aの周りには、領域P2Aを取り囲む6つの領域(領域P1A及び領域P3A〜P7A)が配置されている。領域P1A及び領域P3A〜P7Aの各々の中心をそれぞれ中心CP1A及びCP3A〜CP7Aと呼ぶ。領域P1Aは、GIファイバ141Aが接続される領域である。中心CP1Aは、入射端面に結合されたGIファイバ141Aの中心に対応する。同様に、領域P3A〜P7Aの各々は、それぞれ、GIファイバ143A〜147Aが接続される領域であり、中心CP3A〜CP7Aの各々は、それぞれ、入射端面11Aaに結合されたGIファイバ143A〜147Aの中心に対応する。領域P1A及び領域P3A〜P7Aの各々は、領域P2Aの周りに等方的に、すなわち、中心CP1A,CP3〜CP7Aが正六角形の各頂点を成すように配置されている。換言すれば、GIファイバ141A〜147Aの各々は、入射端面11Aa内において最密充填構造をとるように配置されている。
Six regions (region P1A and regions P3A to P7A) surrounding the region P2A are arranged around the region P2A. The centers of the area P1A and the areas P3A to P7A are referred to as centers CP1A and CP3A to CP7A, respectively. The area P1A is an area to which the
図4の(b)に示すB−B’線は、中心C1Aと中心C2Aとを結ぶ直線である。各領域P1A〜P7Aにおいて、入射端面11Aaを平面視した場合に得られる中心C2Aと中心CP1A〜CP7Aとの平面視距離を距離Ddifとする。図4の(b)には、距離Ddifの例として、領域P1についての距離Ddifを図示している。距離Ddifは、縮径部11Aに対して入射光が結合する領域と縮径部11Aに対して出射光が結合する領域とのずれを表す。距離Ddifが大きいほど、入射光が結合する領域と出射光が結合する領域とのずれが大きいことを表す。
The line B-B ′ shown in FIG. 4B is a straight line connecting the center C1A and the center C2A. In each of the areas P1A to P7A, the distance in plane view between the center C2A and the centers CP1A to CP7A obtained when the incident end surface 11Aa is viewed in plane is defined as the distance Ddif. In FIG. 4B, the distance Ddif for the region P1 is illustrated as an example of the distance Ddif. The distance Ddif represents the shift between the region where the incident light is coupled to the reduced
コンバイナ10Aにおいて、入射端面11Aaを平面視した場合に、中心C1Aと中心C2Aとはオフセット量Doffだけ離間しており、かつ、その離間している方向は、中心CP1Aに近づく方向(中心CP7Aから遠ざかる方向)である。そのため、距離Ddifの大小関係は、以下の通りとなる(図2の(b)参照)。
Ddif(P1A)<Ddif(P2A)<Ddif(P4A),Ddif(P5A)<Ddif(P6A),Ddif(P7A)<Ddif(P3A)
縮径部11Aを光が伝播することに起因する光の開口数の増加量は、距離Ddifに応じて変化する。この増加量は、距離Ddifがより小さい領域に由来する光ほど小さく、距離Ddifがより大きい領域に由来する光ほど大きくなる。すなわち、光の開口数の増加量は、(1)領域P1Aに入射した光が最も小さく、(2)領域P2A、(3)領域P4A,P5A、(4)領域P6A,P7A、(5)領域P3Aの順番で大きくなる。
In the
Ddif (P1A) <Ddif (P2A) <Ddif (P4A), Ddif (P5A) <Ddif (P6A), Ddif (P7A) <Ddif (P3A)
The amount of increase in the numerical aperture of the light due to the light propagating through the reduced
この開口数の増加量の大小関係に基づいて、距離Ddifが大きい領域に結合されたGIファイバほど小さい開口数NAを有するように構成されている。すなわち、GIファイバ141A〜147Aの開口数NAは、(1)GIファイバ141A、(2)GIファイバ142A、(3)GIファイバ144A,145A、(4)GIファイバ146A,147A、(5)GIファイバ143Aの順番で小さくなるように構成されている。
Based on the magnitude relation of the increase amount of the numerical aperture, the GI fiber coupled to the region where the distance Ddif is large has a smaller numerical aperture NA. That is, the numerical aperture NA of the
例えば、円柱状の光学部材を延伸して縮径部を製造する場合、延伸された光学部材の形状に歪みが生じることがある。コンバイナ10Aによれば、偏心した円錐台の形状を有する縮径部11Aを用いても、出射光の開口数を均一化することができる。
For example, when a cylindrical optical member is stretched to manufacture a reduced diameter portion, distortion may occur in the shape of the stretched optical member. According to the
なお、本実施形態においては、最も小さな開口数NAを有するGIファイバ143Aの長さLGIは、GIファイバの最適長であるLs/4に定められている。したがって、GIファイバ143Aは、縮径部11Aの入射端面11Aaに対してコリメート光を結合させる(図4の(a)参照)。
In this embodiment, the length LGI of the
また、GIファイバ141A〜147Aの長さLGIは、上記の開口数NAの大小関係に基づいて、(1)GIファイバ141A、(2)GIファイバ142A、(3)GIファイバ144A,145A、(4)GIファイバ146A,147A、(5)GIファイバ143Aの順番で短くなるように構成されている。
In addition, the lengths LGI of the
なお、縮径部11Aの形状が偏心した円錐台である場合であっても、第1の実施形態の(GIファイバの開口数NAの一例)に記載した方法を用いて、各GIファイバ141A〜147Aの長さを定めることができる。
Even when the shape of the diameter-reduced
(仮想ビーム径)
図5を参照して、仮想ビーム径の算出方法について説明する。縮径部11Aは、偏心した円錐台形状を有しているが、図2の(b)に示した縮径部11の場合と同様の算出方法を用いることができる。
(Virtual beam diameter)
A method of calculating the virtual beam diameter will be described with reference to FIG. The reduced
図5の(a)は、縮径部11Aの入射端面11Aaにおける領域P1Aに対して光L1Aを入射した状態を示す。図5の(b)は、入射端面11Aaにおける領域P3Aに対して光L2Aを入射した状態を示す。なお、ここでは、光L1A及び光L2Aの各々は、何れもコリメート光であるものとして説明する。
FIG. 5A shows a state in which the light L1A is incident on the region P1A on the incident end face 11Aa of the reduced
図5に図示した縮径部11Aの断面の形状は、入射端面11Aa及び出射端面11Abを底辺とする台形である。その台形の2つの斜辺をそれぞれ斜辺11Ac,11Adと称する。斜辺11Acと出射端面11Abの法線とのなす角の大きさは、θ1である。また、斜辺11Adと出射端面11Abの法線とのなす角は、何れもθ2である。
The cross-sectional shape of the reduced
光L1Aにおける仮想ビーム径は、以下のように算出することができる(図5の(a)参照)。なお、出射端面11Abの下端を通り、出射端面11Abとのなす角の大きさがθ1である直線を直線11Aeとする。 The virtual beam diameter in the light L1A can be calculated as follows (see (a) in FIG. 5). A straight line that passes through the lower end of the emission end face 11Ab and forms an angle θ1 with the emission end face 11Ab is a straight line 11Ae.
(1)縮径部11Aの内部に延ばした光L1Aの延長線のうち、出射端面11Abから遠い側(y軸正方向側)の延長線を延長線L1Aeとする。
(1) Of the extension lines of the light L1A extending inside the reduced
(2)延長線L1Aeと縮径部11Aの斜辺11Acとの交点を交点I1Aaとする。
(2) The intersection between the extension line L1Ae and the hypotenuse 11Ac of the reduced
(3)交点I1Aaを通り、且つ、入射端面11Aa及び出射端面11Abと平行な直線LI1Aを引く。 (3) A straight line LI1A passing through the intersection I1Aa and parallel to the incident end face 11Aa and the outgoing end face 11Ab is drawn.
(4)直線LI1Aと直線11Aeとの交点を交点I1Abとする。 (4) The intersection of the straight line LI1A and the straight line 11Ae is defined as the intersection point I1Ab.
(5)交点I1Aaと交点I1Abとの距離を仮想ビーム径DL1Aとする。 (5) The virtual beam diameter DL1A is defined as the distance between the intersection I1Aa and the intersection I1Ab.
同様に、光L2Aにおける仮想ビーム径は、以下のように算出することができる(図5の(b)参照)。なお、出射端面11Abの上端を通り、出射端面11Abとのなす角の大きさがθ2である直線を直線11Afとする。 Similarly, the virtual beam diameter of the light L2A can be calculated as follows (see (b) of FIG. 5). A straight line that passes through the upper end of the emission end face 11Ab and forms an angle θ2 with the emission end face 11Ab is a straight line 11Af.
(1)縮径部11Aの内部に延ばした光L2Aの延長線のうち、出射端面11Abから遠い側(y軸負方向側)の延長線を延長線L2Aeとする。
(1) Of the extension lines of the light L2A extending inside the reduced
(2)延長線L2Aeと縮径部11Aの斜辺11Adとの交点を交点I2Aaとする。
(2) An intersection point between the extension line L2Ae and the oblique side 11Ad of the reduced
(3)交点I2Aaを通り、且つ、入射端面11Aa及び出射端面11Abと平行な直線LI2Aを引く。 (3) A straight line LI2A passing through the intersection I2Aa and parallel to the incident end face 11Aa and the outgoing end face 11Ab is drawn.
(4)直線LI2Aと直線11Afとの交点を交点I2Abとする。 (4) The intersection of the straight line LI2A and the straight line 11Af is defined as the intersection I2Ab.
(5)交点I2Aaと交点I2Abとの距離を仮想ビーム径DL2Aとする。 (5) The virtual beam diameter DL2A is the distance between the intersection I2Aa and the intersection I2Ab.
縮径部11Aが偏心している場合、斜辺11Acと出射端面11Abの法線とのなす角の大きさ(=θ1)と、斜辺11Adと出射端面11Abの法線とのなす角の大きさ(=θ2)とは、異なる。そのため、縮径部11の場合と比較して、入射端面11Aaの各領域(領域P1A〜P7A)に入射された各光の仮想ビーム径は、幅広い分布を持つ。しかし、GIファイバの開口数NAは、図3に示したとおり広範囲(0.01以上0.04以下)に亘って変化させることができる。したがって、コンバイナ10Aは、偏心した縮径部11Aを備えているにも関わらず、出射光の開口数を均一化することができる。
When the reduced-
〔第3の実施形態〕
本発明の第3の実施形態に係るファイバレーザシステム1について、図6を参照して説明する。図6は、ファイバレーザシステム1の構成を示すブロック図である。図6に示すように、ファイバレーザシステム1(請求の範囲に記載のレーザシステム)は、第1の実施形態に記載したコンバイナ10と、7台のファイバレーザ装置50a〜50gと、レーザヘッド60とを備えている。
[Third Embodiment]
A
ファイバレーザ装置50a〜50gの各々は、レーザ光を生成するための構成であり、レーザ装置の一態様である。本実施形態におけるレーザ装置は、ファイバレーザ装置に限定されるものではない。ファイバレーザ装置50a〜50gの各々は、同様に構成されている。ここでは、ファイバレーザ装置50aを例に、その構成を説明する。ファイバレーザ装置50aにて生成されたレーザ光は、コンバイナ10に入力され、他のファイバレーザ装置50b〜50gにて生成されたレーザ光と合波される。コンバイナ10において合波されたレーザ光は、レーザヘッド60を介して図示しないワークピース(加工対象物)に対して照射される。
Each of the
ファイバレーザ装置50aは、電流源(図示せず)、10個のレーザダイオードLD1〜LD10、ポンプコンバイナ51、高反射ファイバブラッググレーティング(FBG)54、ダブルクラッドファイバ(DCF)52、低反射ファイバブラッググレーティング(FBG)55、及びデリバリファイバ53a(請求の範囲に記載の出射ファイバ)により構成することができる。なお、レーザダイオードの数は10個に限定されるものではなく、任意である。
The
各レーザダイオードLD1〜LD10は、ポンプ光を生成するための構成である。各レーザダイオードLD1〜LD10は、ポンプコンバイナ51の入力ポートに接続されており、各レーザダイオードLD1〜LD10にて生成されたポンプ光は、ポンプコンバイナ51に入力される。
Each of the laser diodes LD1 to LD10 is configured to generate pump light. The laser diodes LD1 to LD10 are connected to the input ports of the
ポンプコンバイナ51は、レーザダイオードLD1〜LD10の各々にて生成されたポンプ光を合波することによって、合成ポンプ光を得るための構成である。ポンプコンバイナ51の出力ポートは、高反射FBG54を介してDCF52に接続されている。ポンプコンバイナ51にて得られた合成ポンプ光は、高反射FBG54を透過した後、DCF52のインナークラッドに入力される。
The
DCF52は、ポンプコンバイナ51にて合波されたポンプ光をレーザ光に変換するための構成である。DCF52のコアには、Yb等の希土類元素が添加されており、ポンプコンバイナ51にて得られた合成ポンプ光は、この希土類元素を反転分布状態に維持するために利用される。DCF52は、入力端に接続された高反射FBG54及び出力端に接続された低反射FBG55と共に共振器を構成している。DCF52のコアにおいては、反転分布状態に維持された希土類元素が誘導放出を繰り返すことにより、レーザ光が生成される。DCF52の出力端は、低反射FBG55を介してコンバイナ10の入射ファイバ束12を構成するFMF121に接続されている。DCF52にて生成されたレーザ光のうち、低反射FBG55を透過したレーザ光は、ファイバレーザ装置50aに接続されたデリバリファイバ53aに入力され、ひいては、FMF121に入力される。
The
同様に、ファイバレーザ装置50b〜50gの各々が備えているデリバリファイバ53b〜53gの各々は、入射ファイバ束12を構成するFMF122〜FMF127の各々に接続されている。
Similarly, each of the
コンバイナ10は、各ファイバレーザ装置50a〜50gから入射されたレーザ光を1つに合波し出力光を生成する。コンバイナ10の出射ファイバ13から出射される出力光は、レーザヘッド60に入力される。
The
レーザヘッド60は、出射ファイバ13から入力された出力光がワークピースにより反射され、出射ファイバ13に再入射することを防止するための構成である。レーザヘッド60は、例えば、ガラスブロックと、このガラスブロックを収容する筐体とにより構成される。レーザヘッド60から出射された出力光は、ワークピースに照射される。
The
コンバイナ10は、第1の実施形態において説明した通り、均一な開口数(換言すればビーム品質)を有する出射光を出射することができる。したがって、出力コンバイナとしてコンバイナ10を備えているファイバレーザシステム1は、均一な開口数を有する出射光を出射することができる。
As described in the first embodiment, the
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
1 ファイバレーザシステム(レーザシステム)
10,10A コンバイナ
11,11A 縮径部
11a,11Aa 入射端面
11b,11Ab 出射端面
12,12A 入射ファイバ束
121〜127 フューモードファイバ(入射ファイバ)
121a〜127a コア
121b〜127b クラッド
13 出射ファイバ
13a コア
13b クラッド
14,14A GIファイバ束
141〜147,141A〜147A GIファイバ
50a〜50g ファイバレーザ装置
53a〜53g 出射ファイバ
LD1〜LD10 レーザダイオード
1 Fiber laser system (laser system)
10,
121a to
Claims (6)
前記複数の入射ファイバの各々の出射端面に1本ずつ接合されたGIファイバと、
出射ファイバと、
入射端面、及び、当該入射端面よりも面積が狭い出射端面を有し、前記入射端面に前記GIファイバの各々が結合され、且つ、前記出射端面に前記出射ファイバが結合された縮径部と、を備えたコンバイナであって、
前記縮径部の前記入射端面を平面視した場合に得られる、前記入射端面のGIファイバが結合されている領域の中心と前記出射端面の中心との平面視距離を距離Ddifとして、
各GIファイバのレンズとしての開口数は、距離Ddifが大きい領域に結合されたGIファイバほど小さい、
ことを特徴とするコンバイナ。 Multiple input fibers,
A GI fiber joined to each of the output end faces of each of the plurality of input fibers,
Output fiber,
An incident end face, and an emission end face having an area smaller than that of the incident end face, each of the GI fibers is coupled to the incident end face, and a reduced diameter portion in which the emission fiber is coupled to the emission end face, Is a combiner with
As a distance Ddif, a planar view distance between the center of the region of the entrance end face where the GI fiber is coupled and the center of the exit end face, which is obtained when the entrance end face of the reduced diameter portion is viewed in plan,
The numerical aperture of each GI fiber as a lens is smaller in a GI fiber coupled to a region having a larger distance Ddif,
A combiner characterized by that.
前記各GIファイバの長さは、距離Ddifが大きい領域に結合されたGIファイバほど、コリメートされた光を出射する長さである最適長に近い長さを有する、
ことを特徴とする請求項1に記載のコンバイナ。 Each of the GI fibers has the same refractive index profile within manufacturing tolerances,
The length of each GI fiber has a length closer to an optimum length which is a length for emitting collimated light, as the GI fiber coupled to a region having a larger distance Ddif is,
The combiner according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項2に記載のコンバイナ。 The shape of the entrance end face and the shape of the exit end face of the reduced diameter portion are both circular,
The combiner according to claim 2, wherein:
ことを特徴とする請求項3に記載のコンバイナ。 A central axis connecting the center of the incident end face and the center of the exit end face is inclined with respect to the normal line of the incident end face,
The combiner according to claim 3, wherein:
ことを特徴とする請求項2〜4の何れか1項に記載のコンバイナ。 The length of the GI fiber having the maximum distance Ddif among the GI fibers is the optimum length of the GI fiber,
The combiner according to any one of claims 2 to 4, characterized in that:
前記縮径部の前記入射端面を平面視した場合に得られる、前記入射端面のGIファイバが結合されている領域の中心と前記出射端面の中心との平面視距離を距離Ddifとして、各GIファイバのレンズとしての開口数は、距離Ddifが大きい領域に結合されたGIファイバほど小さいコンバイナと、
それぞれが第2の出射ファイバを有する複数台のレーザ装置であって、前記第2の出射ファイバの各々が、それぞれ、前記コンバイナの前記入射ファイバの何れかに接続されている複数台のレーザ装置と、を備えている、
ことを特徴とするレーザシステム。 (1) a plurality of incident fibers, (2) a GI fiber joined to each of the emission end faces of the plurality of incident fibers one by one, (3) a first emission fiber, (4) an incidence end face, and A reduced diameter portion having an exit end surface having an area smaller than that of the entrance end surface, each of the plurality of entrance fibers being coupled to the entrance end surface, and the first exit fiber being coupled to the exit end surface. A combiner comprising,
Each GI fiber is defined as a distance Ddif, which is a plan view distance between the center of the region of the incident end surface where the GI fiber is coupled and the center of the exit end surface, which is obtained when the incident end surface of the reduced diameter portion is viewed in a plan view. The numerical aperture as a lens of is a combiner that is smaller for a GI fiber coupled to a region where the distance Ddif is larger,
A respectively plurality laser device having a second emission fiber, each of the second emission fiber, respectively, and a laser device of the plurality being connected to one of the incident fiber of said combiner ,,
A laser system characterized by the above.
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