JP7138232B2 - 光コネクタ及びこれを備えたレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光コネクタ及びレーザ装置に係り、特に光コネクタを備えたレーザ装置に関するものである。

従来から、ファイバレーザなどのレーザ光源で生成したレーザ光を光コネクタから加工対象物に照射して加工対象物の溶接や切断を行うレーザ装置が知られている。このようなレーザ装置を用いたプロセスにおいては、加工対象物に照射されたレーザ光の反射光や加工点で生じるプラズマ光や赤外光などを含む光が光コネクタに戻ることがあるが（以下、このような光を「戻り光」ということがある）、このような戻り光の光量は、その時点でのプロセス条件及びプロセス状態に応じて変化するため、この戻り光の変化を検出することにより、加工プロセスの良否を判定したり、加工プロセスに対するフィードバックを行ったりすることができる。このような観点から、加工に用いるレーザ光を伝搬させるコアとは別に、戻り光を伝搬させる複数のコアを設け、これらのコアを伝搬する戻り光を光コネクタの筐体の内部に設けた光検出器で検出する光コネクタも開発されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このような従来の光コネクタにおいて用いられている光ファイバは、加工用のレーザ光を伝搬させるコアに加えて、戻り光を伝搬させる複数のコアを含んでいる。このような複数のコアを含む光ファイバを作製することは難しいため、より簡易な構造で戻り光を検出できる光コネクタが求められている。

特開２０１８－４８３４号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、簡易な構造で戻り光を検出できる光コネクタ及びレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、簡易な構造で戻り光を検出できる光コネクタが提供される。この光コネクタは、内部に光伝搬空間が形成された筐体と、上記筐体の端部に配置されるガラスブロックと、上記ガラスブロックに接続されるブリッジファイバであって、中実の第１のコアと、上記第１のコアの周囲に位置し、上記第１のコアよりも屈折率の低い第１のクラッドとを含むブリッジファイバと、上記筐体の外部から上記光伝搬空間を通って上記ブリッジファイバ接続される出力光ファイバと、上記光伝搬空間の内部から上記筐体の外部に延びる少なくとも１つの戻り光ファイバとを備える。上記出力光ファイバは、出力レーザ光を伝搬させる第２のコアを含む。上記少なくとも１つの戻り光ファイバは、上記光伝搬空間を伝搬する光が結合可能な第３のコアを含む。

本発明の第２の態様によれば、簡易な構造で戻り光を検出できるレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、上述した光コネクタと、上記出力レーザ光を生成する少なくとも１つのレーザ光源と、上記光コネクタの上記光伝搬空間で上記少なくとも１つの戻り光ファイバの上記第３のコアに入射した戻り光を検出する少なくとも１つの光検出部とを備える。上記少なくとも１つのレーザ光源は、上記光コネクタの上記出力光ファイバに接続される。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すレーザ装置における出力光ファイバの構成を示す模式的断面図である。 図３は、図１に示すレーザ装置における戻り光ファイバの構成を示す模式的断面図である。 図４は、図１に示すレーザ装置における光コネクタの構成を示す模式的断面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態における光コネクタの構成を示す模式的断面図である。 図６は、本発明の第３の実施形態における光コネクタの構成を示す模式的断面図である。 図７は、本発明の第４の実施形態におけるレーザ装置の全体構成を示す模式図である。 図８は、本発明の第５の実施形態における光コネクタの構成を示す模式的断面図である。 図９は、図８の光コネクタの変形例を示す模式的断面図である。 図１０は、本発明の第６の実施形態における光コネクタの構成を示す模式的断面図である。 図１１は、本発明の第６の実施形態におけるレーザ装置の全体構成の一例を示す模式図である。 図１２は、本発明の第７の実施形態における光コネクタの構成を示す模式的断面図である。

以下、本発明に係る光コネクタ及びレーザ装置の実施形態について図１から図１２を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１２において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図１２においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置１の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１は、装置本体１０と、加工対象物Ｗを保持するステージ２０と、ステージ２０上の加工対象物Ｗに向けて出力レーザ光Ｌを照射する光コネクタ３０と、光コネクタ３０と装置本体１０とを接続するケーブル４０とを含んでいる。本実施形態におけるレーザ装置１は、高出力の出力レーザ光Ｌを加工対象物Ｗに照射することで加工対象物Ｗの表面を加工するために用いられるが、本発明は、このようなレーザ装置に限られず種々のレーザ装置に適用できるものである。

装置本体１０の内部には、複数のレーザ光源１２と、これらのレーザ光源１２からのレーザ光を結合する光コンバイナ１４と、加工対象物Ｗに照射された出力レーザ光Ｌの反射光及び加工点やその近傍で生じるプラズマ光や赤外光などを含む戻り光を検出する光検出部１６とが収容されている。レーザ光源１２は、それぞれ所定の波長（例えば１１００ｎｍ）の出力レーザ光を生成するものであり、例えば主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）型のファイバレーザや共振器型のファイバレーザにより構成することができる。

レーザ光源１２と光コンバイナ１４とはそれぞれ光ファイバ１３によって互いに接続されている。また、光コンバイナ１４には出力光ファイバ１５が接続されており、この出力光ファイバ１５によって光コンバイナ１４と光コネクタ３０とが互いに接続されている。図２に示すように、この出力光ファイバ１５は、光コンバイナ１４で結合された出力レーザ光を伝搬させるコア５１と、コア５１の周囲に位置し、コア５１よりも屈折率の低いクラッド５２と、クラッド５２の周囲を覆う被覆５３とを含んでいる。

また、光検出部１６には戻り光ファイバ１７が接続されており、この戻り光ファイバ１７によって光検出部１６と光コネクタ３０とが互いに接続される。図３に示すように、この戻り光ファイバ１７は、戻り光を伝搬させるコア６１と、コア６１の周囲に位置し、コア６１よりも屈折率の低いクラッド６２と、クラッド６２の周囲を覆う被覆６３とを含んでいる。例えば、戻り光ファイバ１７のコア６１を純シリカから構成し、クラッド６２にフッ素を添加することでクラッド６２の屈折率をコア６１よりも下げてもよい。このような光ファイバはいわゆるピュアシリカコアファイバと呼ばれ、紫外域の波長の光の透過率が高い。なお、装置本体１０と光コネクタ３０との間では、出力光ファイバ１５及び戻り光ファイバ１７はケーブル４０の内部に収容される。

図４は、光コネクタ３０の構成を示す模式的断面図である。図４に示すように、光コネクタ３０は、二重管構造を有する筐体３１と、筐体３１の下端部に配置されたガラスブロック３２と、筐体３１の上端部に装填されたスペーサ３３とを有している。スペーサ３３には、装置本体１０から延びる出力光ファイバ１５及び戻り光ファイバ１７が貫通している。ガラスブロック３２は、例えば円柱状の石英から構成される。

筐体３１は、外壁３４と、外壁３４の半径方向内側に配置される内壁３５とを含んでいる。筐体３１の内壁３５の下端及び上端は、それぞれガラスブロック３２及びスペーサ３３によって封止されており、これによって筐体３１の内壁３５の半径方向内側には光伝搬空間Ｓが形成されている。

高出力の出力レーザ光Ｌを出射する場合には、光コネクタ３０が高温になるため、外壁３４と内壁３５との間には、光伝搬空間Ｓの周囲に冷却媒体Ｃ（例えば冷却水）を循環させる冷却流路３６が形成されている。筐体３１は、冷却流路３６に冷却媒体Ｃを導入するための入口ポート３７と、冷却流路３６から冷却媒体Ｃを排出するための出口ポート３８とを有している。このような冷却流路３６に冷却媒体Ｃを循環させることで筐体３１を冷却することができるため、出力レーザ光Ｌによる筐体３１の温度上昇を抑制することができる。このため、光コネクタ３０から出射される出力レーザ光Ｌの出力を上げることが可能となる。

図４に示すように、出力光ファイバ１５の端部では被覆５３が除去されており、光伝搬空間Ｓ内でクラッド５２が露出している。この露出したクラッド５２（及びコア５１）の端面がガラスブロック３２に融着されている。これにより、出力光ファイバ１５のコア５１を伝搬してきた出力レーザ光は、ガラスブロック３２に入射してガラスブロック３２を透過した後、図示しない集光レンズによってステージ２０上の加工対象物Ｗの表面に集光される。このように出力レーザ光Ｌが加工対象物Ｗの表面に照射されることで加工対象物Ｗの表面の加工（例えば溶接や切断）が行われる（図１参照）。

ここで、加工対象物Ｗの表面に照射された出力レーザ光Ｌの一部は、加工対象物Ｗで反射して反射光となってガラスブロック３２から光伝搬空間Ｓに入射する。また、加工対象物Ｗの加工点においては、加工により生じる高温の金属蒸気（プルーム）を出力レーザ光Ｌが通過するときにプルームが過熱されてプラズマ光が発生する。また、輻射により赤外光も生じる。これらのプラズマ光や赤外光もガラスブロック３２を通って端面３２Ａから光伝搬空間Ｓに入射する。上述した筐体３１内の光伝搬空間Ｓには、これらの反射光やプラズマ光、赤外光などの戻り光Ｍが伝搬するようになっている。

この戻り光Ｍの光量は、出力レーザ光Ｌのパワーの変動、アシストガスの状態、加工対象物Ｗの表面の汚れ、加工されている材料の組成の変化、加工している接合点間の隙間の変化といったプロセス条件及びプロセス状態に応じて変化することが知られている。したがって、戻り光Ｍの光量の変化を検出することで、そのときのプロセス条件及びプロセス状態を把握することができ、これによってレーザ加工の良否を判定したり、レーザ加工に対するフィードバックを行ったりすることが可能となる。

図４に示すように、戻り光ファイバ１７の端部１７Ａは光伝搬空間Ｓ内に位置しており、戻り光ファイバ１７は光伝搬空間Ｓの内部から筐体３１の外部の装置本体１０まで延びている。戻り光ファイバ１７のコア６１の端面は、光伝搬空間Ｓに露出しており、ガラスブロック３２を通って光伝搬空間Ｓに入射した戻り光Ｍは、このコア６１の端面からコア６１に結合できるようになっている。戻り光ファイバ１７のコア６１に入射した戻り光Ｍは、コア６１を伝搬して装置本体１０の光検出部１６に至る。光検出部１６では、公知の光センサを用いて戻り光Ｍの光量が検出される。なお、光検出部１６における戻り光Ｍの検出感度を向上させるために、戻り光ファイバ１７のコア６１の径は、出力光ファイバ１５のコア５１の径よりも大きいことが好ましい。

本実施形態では、単一のコア５１を有する出力光ファイバ１５をガラスブロック３２に融着させればよいため、上述した従来の光コネクタに比べて光コネクタ３０の組立作業が容易である。また、従来の光コネクタでは、戻り光を検出する光検出器が光コネクタの筐体の内部に位置しているため、光検出器が高出力の出力レーザ光による熱に耐えられなくなるおそれがあるが、本実施形態では、光検出部１６が光コネクタ３０の外部（装置本体１０の内部）に設けられているため、光検出部１６が出力レーザ光による熱の影響を受けにくい。

また、従来の光コネクタにおいては、光検出器を含む電気回路を光コネクタの筐体の内部に収容する必要があるため、光コネクタを小型化することが難しいが、本実施形態では、光コネクタ３０に細径の戻り光ファイバ１７を追加するだけで戻り光の検出が可能となるため、光コネクタ３０を小型化及び軽量化することができる。

さらに、従来の光コネクタにおいては、光コネクタ内の光検出器から光コネクタ外部の制御部までの電気的経路が長くなるため、光検出器で得られた検出信号が制御部に送られるまでにノイズの影響を受けやすいが、本実施形態では、戻り光Ｍが光コネクタ３０から光の形態で装置本体１０の光検出部１６まで送られるためノイズの影響を受けにくい。

ガラスブロック３２の端面３２Ａを粗面にしてもよい。このような粗面は、例えばガラスブロック３２の端面３２Ａにエッチングを施すことによって形成することができる。このようにガラスブロック３２の端面３２Ａを粗面とすることで、ガラスブロック３２の端面３２Ａで戻り光Ｍが散乱するため、戻り光Ｍのパワー密度が位置に依存しにくくなる。このため、戻り光ファイバ１７の端部１７Ａの位置によって戻り光Ｍの検出感度が変化することが抑制され、戻り光Ｍをより安定的に検出することができる。

図５は、本発明の第２の実施形態における光コネクタ５３０の構成を示す模式的断面図である。本実施形態では、出力光ファイバ１５とガラスブロック３２との間にブリッジファイバ５４０が接続されており、出力光ファイバ１５は、ブリッジファイバ５４０を介してガラスブロック３２に接続されている。ブリッジファイバ５４０は、出力光ファイバ１５のコア５１と光学的に結合されるコア（図示せず）と、このコアの周囲に位置し、コアよりも屈折率の低いクラッドとを含んでいる。このブリッジファイバ５４０のコアの径は、出力光ファイバ１５のコア５１と同一であることが好ましく、このブリッジファイバ５４０のコアがガラスブロック３２と光学的に結合されている。また、このブリッジファイバ５４０の外径（クラッドの外径）は、出力光ファイバ１５のクラッド５２の外径よりも大きい。ブリッジファイバ５４０の外径は、ガラスブロック３２の外径よりも小さくてもよく、あるいはガラスブロック３２の外径と同一であってもよい。

このような構成において、戻り光Ｍがガラスブロック３２に入射すると、その一部はガラスブロック３２の端面３２Ａから光伝搬空間Ｓに入射するが、その大部分がブリッジファイバ５４０に入射する。光伝搬空間Ｓ中の空気の屈折率はブリッジファイバ５４０の屈折率よりも低いため、ブリッジファイバ５４０の外側にエアクラッドが形成される。したがって、ブリッジファイバ５４０に入射した戻り光Ｍは、ブリッジファイバ５４０の内部を伝搬してブリッジファイバ５４０の端面５４０Ａから光伝搬空間Ｓに出射される。このように、本実施形態では、第１の実施形態に比べて戻り光ファイバ１７の端部１７Ａにより近い位置で戻り光Ｍを光伝搬空間Ｓに出射することができるので、戻り光ファイバ１７のコア６１に結合する戻り光Ｍの光量を多くすることができ、光検出部１６における戻り光Ｍの検出感度を高めることができる。

また、ブリッジファイバ５４０の外径をガラスブロック３２の外径よりも小さくすれば、ブリッジファイバ５４０の端面５４０Ａから出射される光の単位面積当たりの光強度を、第１の実施形態におけるガラスブロック３２の端面から出射される光の単位面積当たりの光強度よりも高めることが容易になるので、戻り光ファイバ１７のコア６１に結合する戻り光Ｍの光量を増加させやすい。

この場合において、ブリッジファイバ５４０の端面５４０Ａを粗面にしてもよい。このような粗面は、例えばブリッジファイバ５４０の端面５４０Ａにエッチングを施すことによって形成することができる。このようにブリッジファイバ５４０の端面５４０Ａを粗面とすることで、ブリッジファイバ５４０の端面５４０Ａで戻り光Ｍが散乱するため、戻り光Ｍのパワー密度が位置に依存しにくくなる。このため、戻り光ファイバ１７の端部１７Ａの位置によって戻り光Ｍの検出感度が変化することが抑制され、戻り光Ｍをより安定的に検出することができる。

図６は、本発明の第３の実施形態における光コネクタ６３０の構成を示す模式的断面図である。本実施形態では、第２の実施形態と同様に、出力光ファイバ１５とガラスブロック３２との間にブリッジファイバ６４０が接続されており、出力光ファイバ１５は、ブリッジファイバ６４０を介してガラスブロック３２に接続されている。ブリッジファイバ６４０は、出力光ファイバ１５のコア５１と光学的に結合されるコア（図示せず）と、このコアの周囲に位置し、コアよりも屈折率の低いクラッドとを含んでいる。このブリッジファイバ６４０のコアの径は、出力光ファイバ１５のコア５１と同一であることが好ましく、このブリッジファイバ６４０のコアがガラスブロック３２と光学的に結合されている。

このブリッジファイバ６４０は、出力光ファイバ１５のクラッド５２に接続される部分からガラスブロック３２に向かって次第に外径が大きくなるテーパ部６４１を有している。ブリッジファイバ６４０の最大外径（ブリッジファイバ６４０がガラスブロック３２に接続されている部分のクラッドの外径）は、出力光ファイバ１５のクラッド５２の外径よりも大きい。また、ブリッジファイバ６４０の最大外径は、ガラスブロック３２の外径よりも小さくてもよく、あるいはガラスブロック３２の外径と同一であってもよい。

このような構成によっても、第２の実施形態と同様に、ガラスブロック３２に入射した戻り光Ｍの大部分がブリッジファイバ６４０の内部を伝搬し、ブリッジファイバ６４０のテーパ部６４１のテーパ面６４１Ａから光伝搬空間Ｓに出射される。このように、本実施形態では、第１の実施形態に比べて戻り光ファイバ１７の端部１７Ａにより近い位置で戻り光Ｍを光伝搬空間Ｓに出射することができるので、戻り光ファイバ１７のコア６１に結合する戻り光Ｍの光量を多くすることができ、光検出部１６における戻り光Ｍの検出感度を高めることができる。

また、ブリッジファイバ６４０の最大外径がガラスブロック３２の外径よりも小さくすれば、ブリッジファイバ６４０のテーパ部６４１のテーパ面６４１Ａから出射される光の単位面積当たりの光強度を、第１の実施形態におけるガラスブロック３２の端面から出射される光の単位面積当たりの光強度より高くすることが容易になるので、戻り光ファイバ１７のコア６１に結合する戻り光Ｍの光量を増加させやすい。

この場合において、ブリッジファイバ６４０のテーパ面６４１Ａを粗面にしてもよい。このような粗面は、例えばブリッジファイバ６４０のテーパ面６４１Ａにエッチングを施すことによって形成することができる。このようにブリッジファイバ６４０の端面であるテーパ面６４１Ａを粗面とすることで、ブリッジファイバ６４０のテーパ面６４１Ａで戻り光Ｍが散乱するため、戻り光Ｍのパワー密度が位置に依存しにくくなる。このため、戻り光ファイバ１７の端部１７Ａの位置によって戻り光Ｍの検出感度が変化することが抑制され、戻り光Ｍをより安定的に検出することができる。

図７は、本発明の第４の実施形態におけるレーザ装置１０１の全体構成を示す模式図である。本実施形態におけるレーザ装置１０１は、光コネクタ３０と光検出部１６との間の装置本体１０内の戻り光ファイバ１７上に光フィルタ部１７０を備えている。この光フィルタ部１７０は、戻り光ファイバ１７のコア６１を伝搬する戻り光Ｍから所定の波長の光を分離するものである。例えば、このような光フィルタ部１７０を用いて戻り光Ｍから検出したい波長の光を分離して検出することによって、所望のプロセス条件又はプロセス状態が反映されやすい特定の波長の光のみを抽出して検出することができる。したがって、より的確にプロセス条件又はプロセス状況を把握して、きめ細かなプロセス制御を行うことができる。光フィルタ部１７０により抽出される光の例としては、可視光（波長３８０ｎｍ～７５０ｎｍ）、紫外光（波長３８０ｎｍ未満）、赤外光（波長７５０ｎｍ超）、誘導ラマン光などが挙げられる。特に、光フィルタ部１７０により紫外光を抽出する場合には、戻り光ファイバ１７として上述したピュアシリカコアファイバ（例えばコア径が１００μｍ以上）を用いることが好ましい。

また、光フィルタ部１７０で戻り光Ｍから複数の波長の光（例えば、紫外光と赤外光と反射光）を分離してもよい。この場合には、光検出部１６に複数の受光素子（センサ）を設け、分離された複数の波長の光をこれらの受光素子で同時に検出するようにしてもよい。

また、光フィルタ部１７０は、戻り光Ｍから出力レーザ光Ｌの波長の光を分離するように構成されていてもよい。このように、光フィルタ部１７０を用いて戻り光Ｍから出力レーザ光Ｌの波長成分を除去することで、出力レーザ光Ｌのパラメータ（パワー密度など）が戻り光Ｍに与える影響を小さくすることができ、より精度の高い検出が可能となる。

図７に示す例では、光フィルタ部１７０を装置本体１０内に設けているが、このような光フィルタ部１７０に代えて、戻り光ファイバ１７の端部１７Ａに誘電体多層膜からなる光フィルタを取り付けることも可能である。

図８は、本発明の第５の実施形態における光コネクタ２３０の構成を示す模式的断面図である。本実施形態では、光伝搬空間Ｓ内で露出される出力光ファイバ１５のクラッド５２の表面２５２が粗面とされている。このような粗面は、例えばクラッド５２の表面２５２にエッチングを施すことによって形成することができる。

このような構成により、第１の実施形態と同様に、戻り光Ｍの一部がガラスブロック３２を透過して直接光伝搬空間Ｓに入射するとともに、戻り光Ｍの他の一部がガラスブロック３２から出力光ファイバ１５のクラッド５２に入射し、図８の矢印で示すように、クラッド５２の表面２５２で散乱して光伝搬空間Ｓに入射する。したがって、第１の実施形態の光コネクタ３０よりも多くの戻り光Ｍが光伝搬空間Ｓ内を伝搬することとなり、この戻り光Ｍを戻り光ファイバ１７のコア６１に結合させることができる。したがって、より高精度に戻り光Ｍを検出することができる。

また、本実施形態では、クラッド５２の表面２５２を粗面としているため、クラッド５２の表面２５２によって戻り光Ｍが散乱し、この結果、戻り光Ｍのパワー密度が位置に依存しにくくなる。このため、戻り光ファイバ１７の端部１７Ａの位置によって戻り光Ｍの検出感度が変化することが抑制され、戻り光Ｍをより安定的に検出することができる。

なお、クラッド５２の表面２５２を粗面にする代わりに、例えば光伝搬空間Ｓにクラッド５２よりも屈折率の高い樹脂を充填してもよい。このような樹脂は耐熱性に優れていることが好ましい。このような樹脂を光伝搬空間Ｓに充填することにより、出力光ファイバ１５のクラッド５２を伝搬する戻り光Ｍの一部を樹脂に入射させ、戻り光ファイバ１７のコア６１に入射させることができる。

また、本実施形態のように戻り光ファイバ１７のコア６１の端面を光伝搬空間Ｓに露出させることにより光伝搬空間Ｓを伝搬する戻り光Ｍをコア６１に結合させてもよいが、例えば、図９に示すように、光伝搬空間Ｓを伝搬する戻り光Ｍを戻り光ファイバ１７のコア６１に導くキャップ部材２２０を戻り光ファイバ１７の端部１７Ａに取り付けてもよい。図９に示す例では、キャップ部材２２０は、出力光ファイバ１５のクラッド５２で散乱する戻り光Ｍを戻り光ファイバ１７のコア６１に結合させるために傾斜面を有している。

図１０は、本発明の第６の実施形態における光コネクタ３３０の構成を示す模式的断面図である。上述した第１から第５の実施形態では、光コネクタに１つの戻り光ファイバ１７を設けた例を説明したが、戻り光ファイバ１７の数はこれに限られるものではなく、本実施形態のように光コネクタ３３０内に２つ以上の戻り光ファイバ１７（３１７Ａ，３１７Ｂ）を設けてもよい。このように複数の戻り光ファイバ３１７Ａ，３１７Ｂからの戻り光Ｍを光検出部１６で検出することで、戻り光Ｍの検出感度を向上させることができ、プロセス条件及びプロセス状態をより精度よく把握することができる。

また、例えば、出力レーザ光Ｌが照射される加工対象物Ｗの表面や光コネクタ３３０が傾いていると、戻り光Ｍが発生する位置も変化する。この場合には、光伝搬空間Ｓ内の位置によって戻り光Ｍの光強度も変化すると考えられるため、本実施形態のように複数の戻り光ファイバ３１７Ａ，３１７Ｂの端部１７Ａを光伝搬空間Ｓ内に配置することにより、光伝搬空間Ｓ内の位置に応じた戻り光Ｍの光強度を検出することが可能となり、プロセス条件及びプロセス状態をより精度よく把握することができる。

本実施形態では、２つの戻り光ファイバ３１７Ａ，３１７Ｂの端部１７Ａの軸方向の位置、すなわち光伝搬空間Ｓに露出する戻り光ファイバ３１７Ａ，３１７Ｂのコアの軸方向の位置が同一となっている。このような構成によれば、２つの戻り光ファイバ１７によって光伝搬空間Ｓ内の戻り光Ｍの軸方向に垂直な平面内の光強度分布を把握することができる。このため、例えば、これらの戻り光ファイバ３１７Ａ，３１７Ｂからの戻り光Ｍを光検出部１６で検出することで、戻り光Ｍの角度成分などを検出することができる。この場合において、戻り光ファイバ３１７Ａ，３１７Ｂの端部１７Ａを同心円上に配置してもよい。

この場合において、図１１に示すように、それぞれの戻り光ファイバ３１７Ａ，３１７Ｂに対応して光検出部１６Ａ，１６Ｂ及び光フィルタ部１７０Ａ，１７０Ｂを設けてもよい。また、これらの光フィルタ部１７０Ａ，１７０Ｂは、異なる波長の光を分離するように構成されていてもよい。この場合には、複数の光フィルタ部１７０Ａ，１７０Ｂで異なる波長の光を分離し、戻り光の異なる波長成分をそれぞれ光検出部１６Ａ，１６Ｂで検出することができる。したがって、例えば、図示しない演算部においてそれぞれの光検出部１６Ａ，１６Ｂにおける出力の比を算出することにより戻り光の波長スペクトルを得ることができる。

図１２は、本発明の第７の実施形態における光コネクタ４３０の構成を示す模式的断面図である。本実施形態では、上述の第６の実施形態とは異なり、光伝搬空間Ｓに露出する戻り光ファイバ４１７Ａ，４１７Ｂのコアの軸方向の位置が異なっている。このような構成によれば、光伝搬空間Ｓ内の戻り光Ｍの軸方向における光強度分布を把握することができる。このため、例えば、これらの戻り光ファイバ４１７Ａ，１４７Ｂからの戻り光Ｍを光検出部１６で検出することで、戻り光Ｍの集光状態などを検出することができる。

上述した実施形態における戻り光ファイバでは、戻り光が伝搬するコアがクラッドで被覆されているが、戻り光が伝搬するコアは必ずしもクラッドで被覆されている必要はない。

なお、本明細書において使用した用語「上」及び「下」、その他の位置関係を示す用語は、図示した実施形態との関連において使用されているのであり、装置の相対的な位置関係によって変化するものである。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

以上述べたように、本発明の第１の態様によれば、簡易な構造で戻り光を検出できる光コネクタが提供される。この光コネクタは、内部に光伝搬空間が形成された筐体と、上記筐体の端部に配置されるガラスブロックと、上記筐体の外部から上記光伝搬空間を通って上記ガラスブロックに直接的又は間接的に接続される出力光ファイバと、上記光伝搬空間の内部から上記筐体の外部に延びる少なくとも１つの戻り光ファイバとを備える。上記出力光ファイバは、出力レーザ光を伝搬させるコアと、上記コアの周囲に位置するクラッドとを含む。上記少なくとも１つの戻り光ファイバは、上記光伝搬空間を伝搬する光が結合可能なコアを含む。

このような構成によれば、加工対象物に照射された出力レーザ光の反射光や加工点で生じるプラズマ光や赤外光などを含む戻り光がガラスブロックを通して光伝搬空間に入射し、この戻り光が光伝搬空間の内部に位置する戻り光ファイバの端部から戻り光ファイバのコアに入射することとなる。したがって、この光コネクタの戻り光ファイバに光検出器を接続するだけで、戻り光ファイバのコアを伝搬する戻り光を検出することができ、簡易な構造により戻り光を検出することが可能となる。

上記出力光ファイバは、上記クラッドの周囲を覆う被覆をさらに含んでいてもよい。この場合において、上記出力光ファイバの上記被覆の一部が上記光伝搬空間内で除去されて上記クラッドが上記光伝搬空間に露出していてもよい。このような構成により、戻り光の一部がガラスブロックを透過して直接光伝搬空間に入射するとともに、戻り光の他の一部がガラスブロックから出力光ファイバのクラッドに入射し、クラッドの表面から光伝搬空間に入射することとなる。これにより、より多くの戻り光を戻り光ファイバのコアに入射させることができ、戻り光をより高精度に検出することができる。

この場合において、上記光伝搬空間に露出する上記クラッドの表面を粗面としてもよい。クラッドの表面を粗面とすることで、戻り光をクラッドの表面で散乱させることができ、戻り光のパワー密度が位置に依存しにくくなる。このため、戻り光ファイバの端部の位置によって戻り光の検出感度が変化することが抑制され、戻り光をより安定的に検出することができる。

上記光コネクタは、前記出力光ファイバと前記ガラスブロックとの間に接続されるブリッジファイバをさらに備えていてもよい。このブリッジファイバは、前記出力光ファイバの前記クラッドの外径よりも大きい最大外径を有する。このブリッジファイバは、前記出力光ファイバに接続される部分から前記ガラスブロックに向かって次第に外径が大きくなるテーパ部を含んでいてもよい。このようなブリッジファイバを設けることにより、ガラスブロックに入射した戻り光の大部分がブリッジファイバの内部を伝搬して、戻り光ファイバの端部により近い位置から戻り光を光伝搬空間に出射することができる。したがって、戻り光ファイバのコアに結合する戻り光の光量を多くすることができ、戻り光の検出感度を高めることができる。

また、ブリッジファイバの最大外径をガラスブロックの外径よりも小さくすれば、ブリッジファイバから出射される光の単位面積当たりの光強度を高めることが容易になるので、戻り光ファイバのコアに結合する戻り光の光量を増加させやすい。

戻り光の検出感度を向上させるために、上記少なくとも１つの戻り光ファイバの上記コアの径は、上記出力光ファイバの上記コアの径よりも大きいことが好ましい。

上記少なくとも１つの戻り光ファイバは複数の戻り光ファイバを含んでいてもよい。このように複数の戻り光ファイバからの戻り光を検出することで、戻り光の検出感度を向上させることができるとともに、光伝搬空間内の位置に応じた戻り光の光強度を検出することが可能となる。

この場合において、上記光伝搬空間内における上記複数の戻り光ファイバの上記コアの端部の軸方向の位置が同一であってもよい。このような構成によれば、複数の戻り光ファイバによって光伝搬空間内の戻り光の軸方向に垂直な平面内の光強度分布を把握することができる。あるいは、上記光伝搬空間内における上記複数の戻り光ファイバの上記コアの端部の軸方向の位置が異なっていてもよい。この場合には、複数の戻り光ファイバによって光伝搬空間内の戻り光の軸方向における光強度分布を把握することができる。

上記光コネクタは、上記複数の戻り光ファイバに対応して設けられる複数の光フィルタ部をさらに備えていてもよく、この複数の光フィルタ部は、上記複数の戻り光ファイバの上記コアを伝搬する戻り光から異なる波長の光を分離するように構成されていてもよい。このような構成により、戻り光の異なる波長成分を検出することができる。したがって、それぞれの波長において検出された出力の比を算出することにより戻り光の波長スペクトルを得ることができる。

上記光コネクタは、上記少なくとも１つの戻り光ファイバの上記コアを伝搬する戻り光から所定の波長の光を分離する少なくとも１つの光フィルタ部をさらに備えていてもよい。このような光フィルタ部を用いて戻り光から検出したい波長の光を分離して検出することによって、所望のプロセス条件又はプロセス状態が反映されやすい特定の波長の光のみを抽出して検出することができるので、よりきめ細かなプロセス制御を行うことができる。

また、上記少なくとも１つの光フィルタ部は、上記戻り光から上記出力レーザ光の波長の光を分離するように構成されていてもよい。このように、光フィルタ部を用いて戻り光から出力レーザ光の波長成分を除去することで、出力レーザ光のパラメータ（パワー密度など）が戻り光に与える影響を小さくすることができ、より精度の高い検出が可能となる。なお、上記少なくとも１つの光フィルタ部を上記少なくとも１つの戻り光ファイバの端部に取り付けてもよい。

上記筐体は、上記光伝搬空間の周囲に冷却媒体を循環させる冷却流路を有することが好ましい。このような冷却流路に冷却媒体を循環させることで筐体を冷却することができるため、出力レーザ光による筐体の温度上昇を抑制することができる。このため、光コネクタから出射される出力レーザ光の出力を上げることが可能となる。

上記少なくとも１つの戻り光ファイバを紫外域の波長の光の透過率が高いファイバから構成してもよい。戻り光のうち紫外域の波長の光を特に検出したい場合には、このようなファイバを用いることが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、簡易な構造で戻り光を検出できるレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、上述した光コネクタと、上記出力レーザ光を生成する少なくとも１つのレーザ光源と、上記光コネクタの上記光伝搬空間で上記少なくとも１つの戻り光ファイバの上記コアに入射した戻り光を検出する少なくとも１つの光検出部とを備える。上記少なくとも１つのレーザ光源は、上記光コネクタの上記出力光ファイバに接続される。

このような構成によれば、上述した光コネクタの戻り光ファイバに光検出器を接続するだけで、戻り光ファイバのコアを伝搬する戻り光を検出することができ、簡易な構造により戻り光を検出することが可能となる。

また、上記光コネクタの上記少なくとも１つの戻り光ファイバは複数の戻り光ファイバを含んでいてもよく、上記少なくとも１つの光検出部は、上記光コネクタの前記上記の戻り光ファイバのそれぞれの前記コアに入射した戻り光を検出する複数の光検出部を含んでいてもよい。

本発明によれば、加工対象物に照射された出力レーザ光の反射光や加工点で生じるプラズマ光や赤外光などを含む戻り光がガラスブロックを通して光伝搬空間に入射し、この戻り光が光伝搬空間の内部に位置する戻り光ファイバの端部から戻り光ファイバのコアに入射することとなる。したがって、この光コネクタの戻り光ファイバに光検出器を接続するだけで、戻り光ファイバのコアを伝搬する戻り光を検出することができ、簡易な構造により戻り光を検出することが可能となる。

本出願は、２０１９年３月１１日に提出された日本国特許出願特願２０１９－０４３３５６号に基づくものであり、当該出願の優先権を主張するものである。当該出願の開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、光コネクタを備えたレーザ装置に好適に用いられる。

１，１０１，３０１ レーザ装置
１０ 装置本体
１２ レーザ光源
１４ 光コンバイナ
１５ 出力光ファイバ
１６ 光検出部
１７，３１７Ａ，３１７Ｂ，４１７Ａ，４１７Ｂ 戻り光ファイバ
２０ ステージ
３０，２３０，３３０，４３０，５３０，６３０ 光コネクタ
３１ 筐体
３２ ガラスブロック
３３ スペーサ
３４ 外壁
３５ 内壁
３６ 冷却流路
３７ 入口ポート
３８ 出口ポート
４０ ケーブル
５１ コア
５２ クラッド
５３ 被覆
６１ コア
６２ クラッド
６３ 被覆
１７０ 光フィルタ部
２２０ キャップ部材
Ｃ 冷却媒体
Ｌ 出力レーザ光
Ｍ 戻り光
Ｓ 光伝搬空間
Ｗ 加工対象物

Claims (17)

1. 内部に光伝搬空間が形成された筐体と、
   前記筐体の端部に配置されるガラスブロックと、
   前記ガラスブロックに接続されるブリッジファイバであって、
   中実の第１のコアと、
   前記第１のコアの周囲に位置し、前記第１のコアよりも屈折率の低い第１のクラッドと
   を含むブリッジファイバと、
   前記筐体の外部から前記光伝搬空間を通って前記ブリッジファイバに接続される出力光ファイバであって、出力レーザ光を伝搬させる第２のコアと、前記第２のコアの周囲に位置する第２のクラッドとを含む出力光ファイバと、
   前記光伝搬空間の内部から前記筐体の外部に延びる少なくとも１つの戻り光ファイバであって、前記光伝搬空間を伝搬する光が結合可能な第３のコアを含む少なくとも１つの戻り光ファイバと
   を備えた、光コネクタ。
2. 前記出力光ファイバは、前記第２のクラッドの周囲を覆う被覆をさらに含み、
   前記出力光ファイバの前記被覆の一部が前記光伝搬空間内で除去されて前記第２のクラッドが前記光伝搬空間に露出する、
   請求項１に記載の光コネクタ。
3. 前記光伝搬空間に露出する前記第２のクラッドの表面は粗面である、請求項２に記載の光コネクタ。
4. 前記ブリッジファイバは、前記出力光ファイバの前記第２のクラッドの外径よりも大きい最大外径を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の光コネクタ。
5. 前記ブリッジファイバは、前記出力光ファイバに接続される部分から前記ガラスブロックに向かって次第に外径が大きくなるテーパ部を含む、請求項４に記載の光コネクタ。
6. 前記少なくとも１つの戻り光ファイバの前記第３のコアの径は、前記出力光ファイバの前記第２のコアの径よりも大きい、請求項１から５のいずれか一項に記載の光コネクタ。
7. 前記少なくとも１つの戻り光ファイバは複数の戻り光ファイバを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の光コネクタ。
8. 前記光伝搬空間内における前記複数の戻り光ファイバの前記第３のコアの端部の軸方向の位置が同一である、請求項７に記載の光コネクタ。
9. 前記光伝搬空間内における前記複数の戻り光ファイバの前記第３のコアの端部の軸方向の位置が異なる、請求項７に記載の光コネクタ。
10. 前記複数の戻り光ファイバに対応して設けられる複数の光フィルタ部であって、前記複数の戻り光ファイバの前記第３のコアを伝搬する戻り光から異なる波長の光を分離する複数の光フィルタ部をさらに備える、請求項７から９のいずれか一項に記載の光コネクタ。
11. 前記少なくとも１つの戻り光ファイバの前記第３のコアを伝搬する戻り光から所定の波長の光を分離する少なくとも１つの光フィルタ部をさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光コネクタ。
12. 前記少なくとも１つの光フィルタ部は、前記戻り光から前記出力レーザ光の波長の光を分離するように構成される、請求項１１に記載の光コネクタ。
13. 前記少なくとも１つの光フィルタ部は、前記少なくとも１つの戻り光ファイバの端部に取り付けられる、請求項１１又は１２に記載の光コネクタ。
14. 前記筐体は、前記光伝搬空間の周囲に冷却媒体を循環させる冷却流路を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光コネクタ。
15. 前記少なくとも１つの戻り光ファイバは、紫外域の波長の光の透過率が高いファイバから構成される、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光コネクタ。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の光コネクタと、
    前記出力レーザ光を生成する少なくとも１つのレーザ光源であって、前記光コネクタの前記出力光ファイバに接続される少なくとも１つのレーザ光源と、
    前記光コネクタの前記光伝搬空間で前記少なくとも１つの戻り光ファイバの前記第３のコアに入射した戻り光を検出する少なくとも１つの光検出部と
    を備える、レーザ装置。
17. 前記光コネクタの前記少なくとも１つの戻り光ファイバは複数の戻り光ファイバを含み、
    前記少なくとも１つの光検出部は、前記光コネクタの前記複数の戻り光ファイバのそれぞれの前記第３のコアに入射した戻り光を検出する複数の光検出部を含む、
    請求項１６に記載のレーザ装置。

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