JP7402024B2

JP7402024B2 - レーザ装置

Info

Publication number: JP7402024B2
Application number: JP2019212063A
Authority: JP
Inventors: 裕山口; 智之藤田; 亮吉松本; 拓矢小林; 究鈴木
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2023-12-20
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: JP2021086840A

Description

本発明は、レーザ装置に係り、特に複数の光導波路を有する出力光ファイバからレーザ光を出力可能なレーザ装置に関するものである。

レーザ加工の分野では、加工速度や加工品質などの加工性能を向上する上で、加工対象物に照射するレーザ光のビームプロファイルを加工対象物の材料や厚みに合わせて変更することが重要である。近年、このような観点から、出力側の光ファイバに複数の光導波路を形成し、これらの光導波路のそれぞれに導入するレーザ光を制御することによって、加工対象物に照射されるレーザ光のビームプロファイルを所望の形態に変化させる技術も開発されている。例えば、異なる光源からのレーザ光を出力光ファイバの中心コアとその周囲に配置された外側コアとに導入してレーザ加工を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

レーザ光は波長によって光学特性が異なるため、加工対象物に対するレーザ光の加工特性も波長によって異なる。例えば、可視レーザ光は、赤外レーザ光に比べて金属材料に対する吸収率が高く、金属材料からなる加工対象物を加熱するのに適している。一方、赤外レーザ光は、可視光に比べてＮＡが低く、光密度が高いため、加工対象物の局所的な加熱やピアシング（穿孔）を行うのに適している。しかしながら、このような異なる加工特性を有する可視レーザ光と赤外レーザ光の両方を含む出力レーザ光を出力できるようなレーザ装置は未だ報告されていない。

特表２０１８－５２４１７４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、可視レーザ光と赤外レーザ光の両方を含む出力レーザ光を出力可能なレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、可視レーザ光と赤外レーザ光とを用いて加工対象物の特性に応じた柔軟な加工を実現することができるレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、第１の光導波路及び第２の光導波路を含む出力光ファイバと、赤外光波長域の波長を有する赤外レーザ光を生成する少なくとも１つの赤外レーザ光源と、可視光波長域の波長を有する可視レーザ光を生成する少なくとも１つの可視レーザ光源と、上記少なくとも１つの赤外レーザ光源に接続される少なくとも１つの赤外光ファイバと、上記少なくとも１つの可視レーザ光源に接続される少なくとも１つの可視光ファイバと、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路に上記少なくとも１つの赤外光ファイバのうち少なくとも１つを接続するとともに、上記出力光ファイバの上記第２の光導波路に上記少なくとも１つの可視光ファイバのうち少なくとも１つを接続する光コンバイナと、上記少なくとも１つの赤外レーザ光源と上記少なくとも１つの可視レーザ光源とを制御して上記出力光ファイバから出力される出力レーザ光のビームプロファイルを変化させる制御部とを備える。

このような構成によれば、制御部によって出力レーザ光の中心側に含まれる赤外レーザ光とその外側に含まれる可視レーザ光を制御することができるので、これら２種類のレーザ光を含む出力レーザ光のビームプロファイルを柔軟に制御することが可能となる。

上記制御部は、上記赤外レーザ光源で生成される赤外レーザ光のパワーと上記可視レーザ光源で生成される可視レーザ光のパワーとを制御するように構成されていることが好ましい。このように制御部を構成することで、出力レーザ光の中心側に含まれる赤外レーザ光のパワーとその外側に含まれる可視レーザ光のパワーとを制御することができるので、これら２種類のレーザ光を用いたより柔軟な加工を実現することが可能となる。

上記出力光ファイバは、中心に形成される上記第１の光導波路としてのセンタコアと、上記センタコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記センタコアの周囲を覆う内側クラッドと、上記内側クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、上記内側クラッドの周囲を覆う上記第２の光導波路としてのリングコアと、上記リングコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記リングコアの周囲を覆う低屈折率媒質とを有していてもよい。このような構成によれば、内側に赤外レーザ光が含まれ、その外側に可視レーザ光が含まれる出力レーザ光を出力光ファイバから出力することができる。この場合には、内側の赤外レーザ光を切断用途、外側の可視レーザ光を予備加熱用途に用いることができるため、安定した加工を行うことが可能となる。

あるいは、上記出力光ファイバは、中心に形成される上記第２の光導波路としてのセンタコアと、上記センタコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記センタコアの周囲を覆う内側クラッドと、上記内側クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、上記内側クラッドの周囲を覆う上記第１の光導波路としてのリングコアと、上記リングコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記リングコアの周囲を覆う低屈折率媒質とを有していてもよい。

上記光コンバイナは、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路に上記少なくとも１つの可視光ファイバのいずれも接続せずに上記少なくとも１つの赤外光ファイバを接続するとともに、上記出力光ファイバの上記第２の光導波路に上記少なくとも１つの赤外光ファイバのいずれも接続せずに上記少なくとも１つの可視光ファイバを接続するように構成されていてもよい。

あるいは、上記光コンバイナは、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路に上記少なくとも１つの赤外光ファイバと上記少なくとも１つの可視光ファイバのうち一部とを接続するとともに、上記出力光ファイバの上記第２の光導波路に上記少なくとも１つの赤外光ファイバのいずれも接続せずに上記少なくとも１つの可視光ファイバのうち他の一部を接続するように構成されていてもよい。

あるいは、上記光コンバイナは、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路に上記少なくとも１つの可視光ファイバのいずれも接続せずに上記少なくとも１つの赤外光ファイバのうち一部を接続するとともに、上記出力光ファイバの上記第２の光導波路に上記少なくとも１つの赤外光ファイバのうち他の一部と上記少なくとも１つの可視光ファイバとを接続するように構成されていてもよい。

あるいは、上記光コンバイナは、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路に上記少なくとも１つの赤外光ファイバのうち一部と上記少なくとも１つの可視光ファイバのうち一部とを接続するとともに、上記出力光ファイバの上記第２の光導波路に上記少なくとも１つの赤外光ファイバのうち他の一部と上記少なくとも１つの可視光ファイバのうち他の一部とを接続するように構成されていてもよい。

上記レーザ装置は、それぞれコアを含み、上記少なくとも１つの赤外レーザ光源及び上記少なくとも１つの可視レーザ光源の一方に接続される複数の第１の入力光ファイバと、上記複数の第１の入力光ファイバの上記コアに接続されるブリッジ入射面と、光軸方向に沿って上記ブリッジ入射面から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部と、上記光軸方向において上記ブリッジ入射面とは反対側のブリッジ出射面とを有するブリッジファイバと、上記ブリッジファイバの上記ブリッジ出射面に接続されるコアを含む中間光ファイバと、コアを含み、上記少なくとも１つの赤外レーザ光源及び上記少なくとも１つの可視レーザ光源の他方に接続される少なくとも１つの第２の入力光ファイバとをさらに備えていてもよい。上記出力光ファイバの上記第１の光導波路及び第２の光導波路の一方は、上記中間光ファイバの上記コアに接続され、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路及び第２の光導波路の他方は、上記少なくとも１つの第２の入力光ファイバの上記コアに接続されていてもよい。

このような構成によれば、複数の第１の入力光ファイバのコアを伝搬する光をブリッジファイバでビーム径を小さくした後に出力光ファイバの第１の光導波路及び第２の光導波路の一方に導入しているため、第１の入力光ファイバの径を小さくすることなく第１の入力光ファイバをブリッジファイバに接続することができる。したがって、第１の入力光ファイバの機械的強度を維持することができるため、光コンバイナの製造も容易である。また、第１の入力光ファイバの径を小さくすることなく、第１の入力光ファイバの数を増やすことができるため、出力光ファイバの第１の光導波路及び第２の光導波路の一方に導入する光のパワーを高めることも容易となり、第１の光導波路及び第２の光導波路の一方を伝搬する光と第１の光導波路及び第２の光導波路の他方を伝搬する光の出力バランスを調整することも容易となる。

上記レーザ装置は、上記出力光ファイバから出力される上記出力レーザ光を加工対象物に向けて照射するレーザ照射部をさらに備えていることが好ましい。

本発明によれば、制御部によって出力レーザ光の中心側に含まれる赤外レーザ光とその外側に含まれる可視レーザ光を制御することができるので、これら２種類のレーザ光を含む出力レーザ光のビームプロファイルを柔軟に制御することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す模式的ブロック図である。図２は、図１に示すレーザ装置の出力光ファイバの断面を半径方向に沿った屈折率分布とともに示す図である。図３は、図１に示すレーザ装置の光コンバイナを示す斜視図である。図４は、図３に示す光コンバイナの分解斜視図である。図５は、本発明の第２の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す模式的ブロック図である。図６は、図５に示すレーザ装置の光コンバイナを示す斜視図である。図７は、図６に示す光コンバイナの分解斜視図である。

以下、本発明に係るレーザ装置の実施形態について図１から図７を参照して詳細に説明する。図１から図７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７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。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置１の構成を示す模式的ブロック図である。図１に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１は、赤外光波長域の波長を有する赤外レーザ光を生成する赤外レーザ光源１０と、可視光波長域の波長を有する可視レーザ光を生成する複数の可視レーザ光源２０と、赤外レーザ光源１０から延びる赤外光ファイバ３０と、可視レーザ光源２０のそれぞれから延びる可視光ファイバ４０と、内部に複数の光導波路を有する出力光ファイバ５０と、赤外光ファイバ３０及び可視光ファイバ４０を出力光ファイバ５０に接続する光コンバイナ６０と、出力光ファイバ５０の下流側の端部に設けられたレーザ出射部７０と、赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０を制御する制御部８０と、加工対象物Ｗを保持するステージ９０とを備えている。なお、本実施形態では、特に言及がない場合には、レーザ光源１０，２０からレーザ出射部７０に向かう方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。

レーザ光源１０，２０としては例えばファイバレーザや半導体レーザを用いることができる。例えば、赤外レーザ光源１０としてはＹｂ添加ファイバを用いたファイバレーザやＹＡＧレーザ、ディスクレーザを用いることができ、可視レーザ光源２０として半導体レーザや赤外レーザ（例えばＹＡＧレーザ）と非線形結晶（例えばＬＢＯ結晶）を用いた波長変換レーザなどを用いることができる。赤外レーザ光源１０の定格出力は例えば１ｋｗ以上であり、可視レーザ光源２０の定格出力は例えば１００Ｗ以上である。本明細書において、赤外光波長域とは７６０ｎｍ～１１００ｎｍの波長域をいい、可視光波長域とは３８０ｎｍ～７５０ｎｍの波長域をいう。例えば、赤外レーザ光源１０により生成される赤外レーザ光としては、波長１０００ｎｍ～１１００ｎｍの近赤外光を用いることができる。また、可視レーザ光源２０により生成される可視レーザ光としては、青色波長域や緑色波長域のレーザ光や赤外レーザ光の第２高調波（ＳＨＧ）を用いることができる。なお、本実施形態におけるレーザ装置１は、１つの赤外レーザ光源１０と６つの可視レーザ光源２０とを含んでいるが、レーザ光源１０，２０の数はこれらに限られるものではない。また、ビーム位置の確認のためなどに用いられるガイド光は、加工対象物Ｗを加工するのに必要なパワーを有するものではないため、本実施形態における赤外レーザ光源１０や可視レーザ光源２０により生成されるレーザ光とは本質的に異なるものである。

図２は、出力光ファイバ５０の断面を半径方向に沿った屈折率分布とともに示す図である。図２に示すように、出力光ファイバ５０は、センタコア５１と、センタコア５１の周囲を覆う内側クラッド５２と、内側クラッド５２の周囲を覆うリングコア５３と、リングコア５３の周囲を覆う外側クラッド５４とを有している。内側クラッド５２の屈折率はセンタコア５１及びリングコア５３の屈折率よりも低くなっており、外側クラッド５４の屈折率はリングコア５３の屈折率よりも低くなっている。これにより、センタコア５１の内部にレーザ光が伝搬する光導波路（例えば第１の光導波路）が形成され、リングコア５３の内部にレーザ光が伝搬する光導波路（例えば第２の光導波路）が形成される。このように、本実施形態では、それぞれ独立した光導波路であるセンタコア５１とリングコア５３とが出力光ファイバ５０の内部に同心状に配置されている。また、本実施形態では、リングコア５３の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率媒質として、リングコア５３の周囲に外側クラッド５４が形成されているが、このような低屈折率媒質は、外側クラッド５４のような被覆層に限られるものではなく、例えばリングコア５３の周囲に空気の層を形成し、この空気の層を低屈折率媒質として用いてもよい。

出力光ファイバ５０のセンタコア５１の外径、内側クラッド５２の外径、リングコア５３の外径、及び外側クラッド５４の外径はレーザ出射部７０から出射される出力レーザ光Ｌの強度分布を決定する重要なファクターであるが、レーザ装置１の用途や出力仕様に応じて任意に設定することができる。また、内側クラッド５２の屈折率と外側クラッド５４の屈折率とは同じであってもよいし、異なっていてもよい。

図３は光コンバイナ６０を示す斜視図、図４は分解斜視図である。図３及び図４に示すように、この光コンバイナ６０は、赤外光ファイバ３０の下流側端部と、可視光ファイバ４０の下流側端部と、出力光ファイバ５０の上流側端部とを含んでいる。本実施形態における光コンバイナ６０は、赤外光ファイバ３０の下流側端部を出力光ファイバ５０のセンタコア５１に接続し、６本の可視光ファイバ４０の下流側端部を出力光ファイバ５０のリングコア５３に接続するものである。

赤外光ファイバ３０は、コア３１と、コア３１の周囲を覆うクラッド３２とを有しており、クラッド３２の屈折率はコア３１の屈折率よりも低くなっている。これにより、赤外光ファイバ３０のコア３１の内部に赤外レーザ光が伝搬する光導波路が形成される。したがって、赤外レーザ光源１０で生成された赤外光波長域の赤外レーザ光は、赤外光ファイバ３０のコア３１の内部を伝搬するようになっている。

可視光ファイバ４０は、コア４１と、コア４１の周囲を覆うクラッド４２とを有しており、クラッド４２の屈折率はコア４１の屈折率よりも低くなっている。これにより、可視光ファイバ４０のコア４１の内部に可視レーザ光が伝搬する光導波路が形成される。したがって、可視レーザ光源２０で生成された可視光波長域の可視レーザ光は、可視光ファイバ４０のコア４１の内部を伝搬するようになっている。

赤外光ファイバ３０の下流側端部は、赤外光ファイバ３０のコア３１が出力光ファイバ５０のセンタコア５１の領域内に位置するように出力光ファイバ５０の上流側端部に融着接続されている。また、可視光ファイバ４０の下流側端部は、すべての可視光ファイバ４０のコア４１が出力光ファイバ５０のリングコア５３の領域内に位置するように出力光ファイバ５０の上流側端部に融着接続されている。このとき、６本の可視光ファイバ４０は、赤外光ファイバ３０を取り囲んでその外周面に接するように配置され、隣り合う可視光ファイバ４０は互いに接した状態となっている。

このような構成において、赤外レーザ光源１０で生成された赤外レーザ光は、赤外光ファイバ３０のコア３１を伝搬して光コンバイナ６０により出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入される。出力光ファイバ５０のセンタコア５１に入射した赤外レーザ光は、センタコア５１の内部を伝搬してレーザ出射部７０から出力レーザ光Ｌの一部としてステージ９０上の加工対象物Ｗに向けて出射される（図１参照）。また、それぞれの可視レーザ光源２０で生成された可視レーザ光は、可視光ファイバ４０のコア４１を伝搬して光コンバイナ６０により出力光ファイバ５０のリングコア５３に導入される。出力光ファイバ５０のリングコア５３に入射した可視レーザ光は、リングコア５３の内部を伝搬してレーザ出射部７０から出力レーザ光Ｌの一部としてステージ９０上の加工対象物Ｗに向けて出射される（図１参照）。このように、本実施形態のレーザ装置１のレーザ出射部７０からは、中心側に赤外レーザ光、その外側に可視レーザ光を含む出力レーザ光Ｌがステージ９０上の加工対象物Ｗに向けて照射される。

ここで、制御部８０は、例えば赤外レーザ光源１０に供給する電流及び可視レーザ光源２０に供給する電流を制御することなどによって、赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０を制御できるようになっている。このように、制御部８０によって赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０を制御することによって、赤外レーザ光源１０によって生成される赤外レーザ光のパワー及び可視レーザ光源２０によって生成される可視レーザ光のパワーを調整することができる。したがって、制御部８０によって赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０を制御して、赤外レーザ光源１０から出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入される赤外レーザ光の強度と、可視レーザ光源２０から出力光ファイバ５０のリングコア５３に導入される可視レーザ光の強度の割合を調整することが可能である。このような制御部８０による制御により、レーザ装置１のレーザ出射部７０から出力される出力レーザ光Ｌの中心側の赤外レーザ光のパワーとその外側の可視レーザ光のパワーを調整することができ、出力レーザ光Ｌのビームプロファイルを例えば加工対象物Ｗの材料や厚みに応じて柔軟に変化させることができる。

例えば、銅などの金属材料は赤外光に比べて可視光の光吸収率が高いため、加工対象物Ｗが銅などの金属材料からなる場合には出力レーザ光Ｌの外側の可視レーザ光のパワーを上げることで加工対象物Ｗを効率的に加熱することができる。また、赤外光は可視光に比べてＮＡが低く、光密度が高いため、出力レーザ光Ｌの内側の赤外レーザ光のパワーを上げることで加工対象物Ｗの局所的な加熱やピアシングを行うことができる。また、このような赤外レーザ光と可視レーザ光とを含む出力レーザ光Ｌを加工対象物Ｗに照射すれば、加工部中心の周囲の領域を可視レーザ光で加熱して材料の溶融を促し、溶融した材料を赤外レーザ光で加工することができるので、加工中に生じるスパッタが抑制される。また、制御部８０によって出力レーザ光Ｌにおける赤外レーザ光と可視レーザ光のパワーを制御することで、出力レーザ光Ｌのビームプロファイルを柔軟に制御することができるので、より柔軟な加工が可能となる。例えば、最初に可視レーザ光のみを加工対象物Ｗに照射して、加工対象物Ｗを加熱及び溶融した後に、赤外レーザ光を照射して加工対象物Ｗの光吸収を高めることで、より効率的な加工が可能となる。

このように、本実施形態によれば、中心側に赤外レーザ光が含まれ、その外側に可視レーザ光が含まれる出力レーザ光Ｌを出力光ファイバ５０から出力することができる。また、制御部８０によって出力レーザ光Ｌの中心側に含まれる赤外レーザ光のパワーとその外側に含まれる可視レーザ光のパワーを調整することができるので、これら２種類のレーザ光を用いた柔軟な加工を実現することが可能となる。

また、本実施形態のように、赤外光ファイバ３０を出力光ファイバ５０のセンタコア５１に接続し、可視光ファイバ４０を出力光ファイバ５０のリングコア５３に接続した場合には、以下のような利点がある。銅などの金属材料は固体と液体とで赤外光吸収率が異なる。したがって、このような金属材料の固体を赤外レーザ光のみで加熱して加工すると、同じパワーで赤外レーザ光を照射していても、金属材料が溶融した瞬間に急激に赤外レーザ光が吸収されて急激に加熱され加工が難しくなる場合がある。一方、可視レーザ光は、固体の金属材料であっても光吸収率が高いため、効率的に金属材料を加熱し溶融させることができる。したがって、赤外光ファイバ３０を出力光ファイバ５０のセンタコア５１に接続し、可視光ファイバ４０を出力光ファイバ５０のリングコア５３に接続することで、外側の可視レーザ光によって加工対象物Ｗを効率的に加熱して溶融し、中心側の赤外レーザ光が溶融された金属材料にのみ照射されるようにすることができる。これにより、加工対象物Ｗが固体から液体に変化する際の赤外レーザ光による加工の不安定性を抑制しつつ、高いビーム密度で安定して加工対象物Ｗを加熱して加工することができる。

本実施形態では、制御部８０が赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０に制御信号を送信し、赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０のオン・オフあるいは赤外レーザ光源１０からの赤外レーザ光のパワー及び可視レーザ光源２０からの可視レーザ光のパワーを制御して出力レーザ光Ｌのビームプロファイルを変化させるようにしているため、自由空間での光路の制御や光ファイバに応力や熱を作用させる付加的な部材を必要とせずに、高速かつ安定的にビームプロファイルを制御することが可能である。

図５は、本発明の第２の実施形態におけるレーザ装置１０１の構成を示す模式的ブロック図である。図５に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１０１は、第１の実施形態における赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０に加えて、可視光波長域の波長を有する可視レーザ光を生成する複数の可視レーザ光源１２０をさらに備えている。また、レーザ装置１０１は、可視レーザ光源１２０のそれぞれから延びる可視光ファイバ１４０と、赤外光ファイバ３０及び可視光ファイバ４０，１４０を出力光ファイバ５０に接続する光コンバイナ１６０と、赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０，１２０を制御する制御部１８０とを備えている。

可視レーザ光源１２０としては可視レーザ光源２０と同様に例えばファイバレーザや半導体レーザを用いることができる。例えば、可視レーザ光源１２０により生成される可視レーザ光としては、青色波長域や緑色波長域のレーザ光や赤外レーザ光の第２高調波（ＳＨＧ）を用いることができる。この可視レーザ光源１２０により生成される可視レーザ光の波長は可視レーザ光源２０により生成される可視レーザ光の波長と同一であってもよいし、異なっていてもよい。可視レーザ光源１２０の定格出力は例えば１００Ｗ以上である。なお、本実施形態におけるレーザ装置１０１は、１つの赤外レーザ光源１０と６つの可視レーザ光源２０と６つの可視レーザ光源１２０とを含んでいるが、レーザ光源１０，２０，１２０の数はこれらに限られるものではない。

図６は光コンバイナ１６０を示す斜視図、図７は分解斜視図である。図６及び図７に示すように、本実施形態における光コンバイナ１６０は、第１の入力光ファイバとしての赤外光ファイバ３０の下流側端部と、第１の入力光ファイバとしての可視光ファイバ４０の下流側端部と、これらの光ファイバ３０，４０が接続されるブリッジファイバ１６１と、ブリッジファイバ１６１に接続される中間光ファイバ１６２と、第２の入力光ファイバとしての可視光ファイバ１４０の下流側端部と、出力光ファイバ５０の上流側端部とを含んでいる。本実施形態における光コンバイナ１６０は、赤外光ファイバ３０及び可視光ファイバ４０を出力光ファイバ５０のセンタコア５１に接続し、可視光ファイバ１４０を出力光ファイバ５０のリングコア５３に接続するものである。

可視光ファイバ１４０は、コア１４１と、コア１４１の周囲を覆うクラッド１４２とを有しており、クラッド１４２の屈折率はコア１４１の屈折率よりも低くなっている。これにより、可視光ファイバ１４０のコア１４１の内部に可視レーザ光が伝搬する光導波路が形成される。したがって、可視レーザ光源１２０で生成された可視光波長域の可視レーザ光は、可視光ファイバ１４０のコア１４１の内部を伝搬するようになっている。

図６及び図７に示すように、本実施形態においては、可視光ファイバ４０と赤外光ファイバ３０とが、可視光ファイバ４０が赤外光ファイバを取り囲んでその外周面に接するように配置された状態でブリッジファイバ１６１に接続されている。このとき、隣り合う可視光ファイバ４０は互いに接した状態となっている。

ブリッジファイバ１６１は、コア１７１と、コア１７１の周囲を覆うクラッド１７２とを有している。クラッド１７２の屈折率はコア１７１の屈折率よりも低くなっており、コア１７１の内部にはレーザ光が伝搬する光導波路が形成されている。例えば、コア１７１の周囲に空気の層を形成し、この空気の層をクラッド１７２の代わりに用いることも可能である。このようなコア－クラッド構造を内部に有するブリッジファイバ１６１は、光軸に沿って一定の外径で延びる第１の円筒部１６３と、第１の円筒部１６３から光軸に沿って次第に外径が小さくなる縮径部１６４と、縮径部１６４から光軸方向に沿って一定の外径で延びる第２の円筒部１６５とを含んでいる。

第１の円筒部１６３の端面には、上述した可視光ファイバ４０と赤外光ファイバ３０とが融着接続されている。また、第２の円筒部１６５の端面には、中間光ファイバ１６２の上流側端部が融着接続されている。ブリッジファイバ１６１の上流側端面におけるコア１７１の大きさは、赤外光ファイバ３０のコア３１及びすべての可視光ファイバ４０のコア４１を内部に包含できるような大きさとなっており、赤外光ファイバ３０と可視光ファイバ４０とは、赤外光ファイバ３０のコア３１及びすべての可視光ファイバ４０のコア４１がブリッジファイバ１６１の上流側端面におけるコア１７１の領域内に位置するように融着接続される。

このように、ブリッジファイバ１６１は、赤外光ファイバ３０のコア３１を伝搬する赤外レーザ光と可視光ファイバ４０のコア４１を伝搬する可視レーザ光とをそのコア１７１の内部に伝搬させ、縮径部１６４によってそのビーム径を小さくするように構成されている。なお、赤外光ファイバ３０のコア３１及び可視光ファイバ４０のコア４１からブリッジファイバ１６１のコア１７１にレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、ブリッジファイバ１６１のコア１７１の屈折率は、赤外光ファイバ３０のコア３１及び可視光ファイバ４０のコア４１の屈折率と略同一であることが好ましい。

中間光ファイバ１６２は、コア１８１と、コア１８１の周囲を覆うクラッド１８２とを有している。クラッド１８２の屈折率はコア１８１の屈折率よりも低くなっており、コア１８１の内部にはレーザ光が伝搬する光導波路が形成されている。中間光ファイバ１６２のコア１８１の大きさは、ブリッジファイバ１６１の下流側端面におけるコア１７１の大きさ以上となっており、ブリッジファイバ１６１と中間光ファイバ１６２とは、ブリッジファイバ１６１の下流側端面におけるコア１７１が中間光ファイバ１６２のコア１８１の領域内に位置するように融着接続される。このように、中間光ファイバ１６２は、ブリッジファイバ１６１から伝搬してきた赤外レーザ光及び可視レーザ光をそのコア１８１の内部に伝搬させるように構成されている。なお、ブリッジファイバ１６１のコア１７１から中間光ファイバ１６２のコア１８１にレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、中間光ファイバ１６２のコア１８１の屈折率は、ブリッジファイバ１６１のコア１７１の屈折率と略同一であることが好ましい。

中間光ファイバ１６２の下流側端部は、中間光ファイバ１６２のコア１８１が出力光ファイバ５０のセンタコア５１の領域内に位置するように出力光ファイバ５０の上流側端部に融着接続されている。また、可視光ファイバ１４０の下流側端部は、すべての可視光ファイバ１４０のコア１４１が出力光ファイバ５０のリングコア５３の領域内に位置するように出力光ファイバ５０の上流側端部に融着接続されている。このとき、６本の可視光ファイバ１４０は、中間光ファイバ１６２を取り囲んでその外周面に接するように配置され、隣り合う可視光ファイバ１４０は互いに接した状態となっている。

このような構成において、赤外レーザ光源１０で生成された赤外レーザ光は、赤外光ファイバ３０のコア３１を伝搬して光コンバイナ１６０のブリッジファイバ１６１のコア１７１に導入される。また、それぞれの可視レーザ光源２０で生成された可視レーザ光は、可視光ファイバ４０のコア４１を伝搬して光コンバイナ１６０のブリッジファイバ１６１のコア１７１に導入される。このように、ブリッジファイバ１６１のコア１７１に赤外レーザ光と可視レーザ光とが入射し、赤外レーザ光及び可視レーザ光は縮径部１６４によってそのビーム径が小さくされた状態で中間光ファイバ１６２のコア１８１に入射する。中間光ファイバ１６２のコア１８１に入射した赤外レーザ光及び可視レーザ光は、コア１８１を伝搬して出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入される。出力光ファイバ５０のセンタコア５１に入射した赤外レーザ光及び可視レーザ光は、センタコア５１の内部を伝搬してレーザ出射部７０から出力レーザ光Ｌの一部としてステージ９０上の加工対象物Ｗに向けて照射される（図５参照）。また、それぞれの可視レーザ光源１２０で生成された可視レーザ光は、可視光ファイバ１４０のコア１４１を伝搬して光コンバイナ１６０により出力光ファイバ５０のリングコア５３に導入される。出力光ファイバ５０のリングコア５３に入射した可視レーザ光は、リングコア５３の内部を伝搬してレーザ出射部７０から出力レーザ光Ｌの一部としてステージ９０上の加工対象物Ｗに向けて出射される（図１参照）。このように、本実施形態のレーザ装置１０１のレーザ出射部７０からは、中心側に赤外レーザ光及び可視レーザ光、その外側に可視レーザ光を含む出力レーザ光Ｌがステージ９０上の加工対象物Ｗに向けて照射される。

制御部１８０は、例えば赤外レーザ光源１０に供給する電流、可視レーザ光源２０に供給する電流、及び可視レーザ光源１２０に供給する電流を制御することなどによって、赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０，１２０を制御できるようになっている。このように、制御部１８０によって赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０，１２０を制御することによって、赤外レーザ光源１０によって生成される赤外レーザ光のパワー、可視レーザ光源２０によって生成される可視レーザ光のパワー、及び可視レーザ光源１２０によって生成される可視レーザ光のパワーを調整することができる。したがって、制御部１８０によって赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０，１２０を制御して、赤外レーザ光源１０及び可視レーザ光源２０から出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入される赤外レーザ光の強度と可視レーザ光の強度との割合、あるいはセンタコア５１に導入されるレーザ光の強度と可視レーザ光源１２０から出力光ファイバ５０のリングコア５３に導入される可視レーザ光の強度の割合を調整することが可能である。このような制御部１８０による制御により、レーザ装置１０１のレーザ出射部７０から出力される出力レーザ光Ｌの中心側の赤外レーザ光及び可視レーザ光のパワーとその外側の可視レーザ光のパワーを調整することができ、出力レーザ光Ｌのビームプロファイルを例えば加工対象物Ｗの材料や厚みに応じて柔軟に変化させることができる。

第１の実施形態における光コンバイナ６０は、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に赤外光ファイバ３０を接続し、出力光ファイバ５０のリングコア５３に可視光ファイバ４０のすべてを接続するものである。また、第２の実施形態における光コンバイナ１６０は、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に赤外光ファイバ３０と可視光ファイバ４０，１４０の一部（可視光ファイバ４０）とを接続し、出力光ファイバ５０のリングコア５３に可視光ファイバ４０，１４０の他の一部（可視光ファイバ１４０）を接続するものである。しかしながら、赤外光ファイバ３０及び可視光ファイバ４０と出力光ファイバ５０のセンタコア５１及びリングコア５３との接続形態はこれらの例に限られるものではない。例えば、上述の第１の実施形態において、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に可視光ファイバ４０の少なくとも１つを接続し、出力光ファイバ５０のリングコア５３に赤外光ファイバ３０の少なくとも１つを接続するように光コンバイナ６０を構成してもよい。また、可視レーザ光源２０及び可視光ファイバ４０の組の一部を赤外レーザ光源１０及び赤外光ファイバ３０とは別の赤外レーザ光源及び赤外光ファイバの組に入れ替えて、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に赤外光ファイバ３０を接続するとともに、出力光ファイバ５０のリングコア５３に赤外光ファイバと可視光ファイバ４０とを接続するように光コンバイナ６０を構成してもよい。また、上述の第２の実施形態において、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に可視光ファイバ４０，１４０の少なくとも１つを接続し、出力光ファイバ５０のリングコア５３に赤外光ファイバ３０を接続するように光コンバイナ１６０を構成してもよい。また、可視レーザ光源１２０及び可視光ファイバ１４０の組の一部を赤外レーザ光源１０及び赤外光ファイバ３０とは別の赤外レーザ光源及び赤外光ファイバの組に入れ替えて、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に赤外光ファイバ３０と可視光ファイバ４０とを接続するとともに、出力光ファイバ５０のリングコア５３に赤外光ファイバと可視光ファイバ１４０とを接続するように光コンバイナ１６０を構成してもよい。

また、複数の可視レーザ光源２０の間又は複数の可視レーザ光源１２０の間で可視レーザ光の波長が異なっていてもよい。さらに、複数の赤外レーザ光源１０を設けてもよく、その場合には、これらの赤外レーザ光源１０の間で赤外レーザ光の波長が異なっていてもよい。

また、上述した光コンバイナ６０，１６０は、光ファイバを融着接続することにより構成される光コンバイナであるが、赤外光ファイバ３０及び可視光ファイバ４０，１４０と出力光ファイバ５０のセンタコア５１及びリングコア５３とを接続する光コンバイナの形態はこれに限られるものではない。例えば、特定の波長を選択的に反射するミラーや回折格子を用いて光コンバイナを構成することも可能である。

上述の第１の実施形態の構成において実験を行った。赤外レーザ光源１０としては波長１０７０ｎｍの赤外レーザ光を生成するファイバレーザを用い、可視レーザ光源２０としては波長４５０ｎｍの可視光を生成する半導体レーザを用いた。出力光ファイバ５０としては、センタコア５１の外径が１００μｍ、リングコア５３の外径が４００μｍであるものを用いた。赤外レーザ光の出射端面でのＮＡは約０．０８、可視レーザ光の出射端面でのＮＡは約０．２４であった。このとき、センタコア５１から出射されるビームのビームパラメータ積（ＢＰＰ）は４、リングコア５３から出射されるビームのＢＰＰは４８であった。センタコア５１から出射されるビームとリングコア５３から出射されるビームの出射端面における断面積比は約１００：７であるから、光密度はセンタコア５１から出射される赤外レーザ光よりもリングコア５３から出射される可視レーザ光の方が低くなる。しかしながら、可視レーザ光の金属に対する光吸収率は赤外レーザ光の光吸収率よりも高く、例えば銅であれば、波長４５０ｎｍ付近の吸収率は波長１０７０ｎｍ付近の吸収率と比べて５～６倍高い。したがって、その分、リングコア５３から出射される可視レーザ光による加熱効率が改善する。他の金属であっても一般的に同様の性質を有する。

また、焦点深度の目安となるレイリー長Ｚｒは、センタコア５１から出射される赤外レーザ光については０．６７ｍｍ、リングコア５３から出射される可視レーザ光については０．８３ｍｍであった。このように、センタコア５１から出射されるレーザ光とリングコア５３から出射されるレーザ光は、波長、ビーム径、及びＮＡにおいて異なっているが、焦点深度については同程度となることがわかった。したがって、異なる波長のレーザ光を同時に使用して加工する際に、深さ方向に対する安定性が向上する効果が見込まれる。

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。

１レーザ装置
１０赤外レーザ光源
２０可視レーザ光源
３０赤外光ファイバ
４０可視光ファイバ
５０出力光ファイバ
５１センタコア
５２内側クラッド
５３リングコア
５４外側クラッド（低屈折率媒質）
６０光コンバイナ
７０レーザ出射部
８０制御部
９０ステージ
１０１レーザ装置
１２０可視レーザ光源
１４０可視光ファイバ
１６０光コンバイナ
１６１ブリッジファイバ
１６２中間光ファイバ
１６３第１の円筒部
１６４縮径部
１６５第２の円筒部
１７１コア
１７２クラッド
１８０制御部
１８１コア
１８２クラッド
Ｌ出力レーザ光
Ｗ加工対象物

Claims

出力光ファイバであって、
中心に形成されるセンタコアと、
前記センタコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記センタコアの周囲を覆う内側クラッドと、
前記内側クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、前記内側クラッドの周囲を覆うリングコアと、
前記リングコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記リングコアの周囲を覆う低屈折率媒質と
を有する出力光ファイバと、
赤外光波長域の波長を有する赤外レーザ光を生成する少なくとも１つの赤外レーザ光源と、
可視光波長域の波長を有する可視レーザ光を生成する少なくとも１つの可視レーザ光源と、
前記少なくとも１つの赤外レーザ光源に接続される少なくとも１つの赤外光ファイバと、
前記少なくとも１つの可視レーザ光源に接続される少なくとも１つの可視光ファイバと、
前記出力光ファイバの前記センタコアに前記少なくとも１つの可視光ファイバのうち少なくとも１つを接続するとともに、前記出力光ファイバの前記リングコアに前記少なくとも１つの赤外光ファイバのうち少なくとも１つを接続する光コンバイナと、
前記少なくとも１つの赤外レーザ光源と前記少なくとも１つの可視レーザ光源とを制御して前記出力光ファイバから出力される出力レーザ光のビームプロファイルを変化させる制御部と
を備える、レーザ装置。
前記光コンバイナは、
前記少なくとも１つの可視光ファイバのコアに接続されるブリッジ入射面と、光軸方向に沿って前記ブリッジ入射面から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部と、前記光軸方向において前記ブリッジ入射面とは反対側のブリッジ出射面とを有するブリッジファイバと、
前記ブリッジファイバの前記ブリッジ出射面に接続されるコアを含む中間光ファイバと
を含み、
前記出力光ファイバの前記センタコアは、前記中間光ファイバの前記コアに接続され、
前記出力光ファイバの前記リングコアは、前記少なくとも１つの赤外光ファイバのコアに接続される、
請求項１に記載のレーザ装置。
前記光コンバイナは、前記出力光ファイバの前記センタコアに前記少なくとも１つの赤外光ファイバのいずれも接続せずに前記少なくとも１つの可視光ファイバを接続するように構成される、請求項１に記載のレーザ装置。
前記光コンバイナは、前記出力光ファイバの前記リングコアに前記少なくとも１つの可視光ファイバのいずれも接続せずに前記少なくとも１つの赤外光ファイバを接続するように構成される請求項３に記載のレーザ装置。
前記光コンバイナは、前記出力光ファイバの前記リングコアに前記少なくとも１つの可視光ファイバのいずれも接続せずに前記少なくとも１つの赤外光ファイバのうち一部を接続するとともに、前記出力光ファイバの前記センタコアに前記少なくとも１つの赤外光ファイバのうち他の一部と前記少なくとも１つの可視光ファイバとを接続するように構成される、請求項１に記載のレーザ装置。
出力光ファイバであって、
中心に形成されるセンタコアと、
前記センタコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記センタコアの周囲を覆う内側クラッドと、
前記内側クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、前記内側クラッドの周囲を覆うリングコアと、
前記リングコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記リングコアの周囲を覆う低屈折率媒質と
を有する出力光ファイバと、
赤外光波長域の波長を有する赤外レーザ光を生成する複数の赤外レーザ光源と、
可視光波長域の波長を有する可視レーザ光を生成する少なくとも１つの可視レーザ光源と、
前記複数の赤外レーザ光源に接続される複数の赤外光ファイバと、
前記少なくとも１つの可視レーザ光源に接続される少なくとも１つの可視光ファイバと、
前記出力光ファイバの前記センタコアに前記複数の赤外光ファイバのうち一部を接続するとともに、前記出力光ファイバの前記リングコアに前記少なくとも１つの可視光ファイバのうち少なくとも１つと前記複数の赤外光ファイバのうち他の一部とを接続する光コンバイナと、
前記複数の赤外レーザ光源と前記少なくとも１つの可視レーザ光源とを制御して前記出力光ファイバから出力される出力レーザ光のビームプロファイルを変化させる制御部と
を備える、
レーザ装置。
前記光コンバイナは、
前記複数の赤外光ファイバのうち前記一部のコアに接続されるブリッジ入射面と、光軸方向に沿って前記ブリッジ入射面から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部と、前記光軸方向において前記ブリッジ入射面とは反対側のブリッジ出射面とを有するブリッジファイバと、
前記ブリッジファイバの前記ブリッジ出射面に接続されるコアを含む中間光ファイバと、
を含み、
前記出力光ファイバの前記センタコアは、前記中間光ファイバの前記コアに接続され、
前記出力光ファイバの前記リングコアは、前記複数の赤外光ファイバのうち前記他の一部のコアと前記少なくとも１つの可視光ファイバのコアに接続される、
請求項６に記載のレーザ装置。
前記光コンバイナは、前記出力光ファイバの前記センタコアに前記少なくとも１つの可視光ファイバのいずれも接続せずに前記複数の赤外光ファイバのうち前記一部を接続するとともに、前記出力光ファイバの前記リングコアに前記複数の赤外光ファイバのうち前記他の一部と前記少なくとも１つの可視光ファイバとを接続するように構成される、請求項６に記載のレーザ装置。
前記光コンバイナは、前記出力光ファイバの前記センタコアに前記複数の赤外光ファイバのうち前記一部と前記少なくとも１つの可視光ファイバのうち一部とを接続するとともに、前記出力光ファイバの前記リングコアに前記複数の赤外光ファイバのうち前記他の一部と前記少なくとも１つの可視光ファイバのうち他の一部とを接続するように構成される、請求項６に記載のレーザ装置。
前記制御部は、前記赤外レーザ光源で生成される赤外レーザ光のパワーと前記可視レーザ光源で生成される可視レーザ光のパワーとを制御するように構成される、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記出力光ファイバから出力される前記出力レーザ光を加工対象物に向けて照射するレーザ照射部をさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザ装置。