JPH0669913U - レーザ用光ファイバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ発振器から射出されたレーザビームを
細径の光ファイバに入射し易くしたレーザ用光ファイバ
を提供する。 【構成】 レーザ発振器から射出されたレーザビーム５
を伝送する光ファイバ３の入射側、出射側の端部を該光
ファイバ３の開口数ＮＡ以上の広がり角で円錐状に拡大
して大きな面積を有する端面に形成し、この光ファイバ
３の大面積端面にレーザビームを入射させるように構成
する。また、光ファイバの円錐端部に集光レンズを一体
形成することで反射ロスを極力小さくするようにしても
よい。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、レーザ発振器から出力されたレーザビームをレーザ加工ヘッド等 に伝送するのに好適な光ファイバ乃至これを含む光学系の改良にかかり、特に高 出力高集束のレーザビームを細径の光ファイバに入射し易くしたレーザ用光ファ イバに関する。

【０００２】

【従来の技術】

一般にファイバ導光型のレーザ加工装置は、レーザ発振器から射出されたレー ザビームを集光レンズで光ファイバ入射端面に集束して光ファイバに入射し、光 ファイバ内を伝送した後、集光レンズにて被加工物上に集光照射して該被加工物 の切断、溶接等の加工を行うものである。かかるレーザ加工装置において、その 加工性能を高めるためには加工点でのレーザビームの集光性を高めることが肝要 で、そのためにはできるだけ細径の光ファイバにレーザ光を入射して伝送するこ とが重要となる。加工点でのスポット径は、光ファイバのコア径に依存し、エネ ルギー密度は集光性がよいほど高くなるからである。

【０００３】 通常、レーザ加工装置に用いられるレーザ光は高出力であるから細径ファイバ に入射・伝送するために従来より種々の工夫が見られる。

【０００４】 従来例１：例えばＹＡＧレーザのような高出力レーザを細径の光ファイバに入 射させるために光ファイバ前面に多数の組合せレンズを配置し、ビームを光ファ イバの端面に集束して入射する方法が一般に採られている。この場合、ファイバ 端面での反射ロスを防ぐために反射防止膜をその端面に装着する場合が多い。

【０００５】 従来例２：特開昭６２−１５１２８６号公報では、図４に示すように細径の光 ファイバ１３への入射を可能として高エネルギのレーザ光１５を被加工物に照射 できるよう、レーザ共振器Ｌの出射側ミラー１７の曲率を適当に選択して、レー ザビーム１５のビームウエストをレーザ共振器Ｌの外に作り、広がり角が最小の 状態で入射レンズ１２に入射させた後、光ファイバ端面１３ａに集束して入射す るものである。図中、１４は集光レンズ、１６は加工点である 従来例３：特公平３−９８３４号公報では、伝送用光ファイバと加工用光ファ イバとを使い分けている。すなわち、伝送用光ファイバとしては入射し易い太い コア径を有するものを使用し、加工用光ファイバは細径のものを使用してスポッ ト径を小さくするよう工夫したものである。この場合、伝送用光ファイバと加工 用光ファイバとが中継変換器を介して接続されている。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

従来例１のように光ファイバ端面の反射ロスを低減させるために反射防止膜を 設けた場合、入射ビームのエネルギー密度が高くなると膜の耐光強度が限界とな り、膜が破壊するおそれがある。従って、この従来例の場合、反射防止膜の耐光 強度が低いため高出力レーザビームの細径ファイバへの入射は困難となる。

【０００７】 これを解消するためビームの集束性を下げるか、或いは図４に示す従来例２の 如く反射防止膜を付けないで直接光ファイバ端面へ入射する方法が採られる。し かし、ビームの集束性を下げた場合には、太い径の光ファイバで伝送することに なり、加工点での集光性が低下して加工性能が悪くなるという問題があり、後者 のように細径ファイバに直接高集束ビームを入射する場合には、ファイバ端面で のエネルギー密度が高くなって、ファイバ端面の耐光強度を超えるおそれがあり 、この場合、端面の汚れに非常に敏感になり汚れがレーザ光を吸収して加熱され 、光ファイバ端面を熱損させるおそれがある。また、レンズ面及びファイバ面と 空気との界面での反射ロス（フレネル反射）が多いという欠点もある。

【０００８】 従来例３の場合、太径から細径の光ファイバへの伝送のため中継変換器（コリ メータ用凹凸レレンズ等で構成）が不可欠でその分エネルギーロスが大きく且つ 装置が複雑化すること、また、径の異なる２種類の光ファイバを必要とする等の 不都合があり実用的といえない。

【０００９】 このように現状ではレーザ加工装置等に用いられる、特に高出力レーザの細径 ファイバへの入射を容易化する簡便な技術が確立されていない。

【００１０】 本考案の主な目的は、レーザ発振器から射出されたレーザビームを細径の光フ ァイバに、その端面保護も図りつつ高効率で入射できるレーザ用光ファイバを提 供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

上記目的達成のため、本考案にかかるレーザ用光ファイバは、 第一に、レーザ発振器から射出されたレーザビームを伝送する光ファイバにお いて、該光ファイバの少なくとも入射側の端部を該光ファイバの開口数ＮＡ以上 の広がり角で円錐状に拡大して大きな面積を有する端面に形成し、この光ファイ バの大面積端面にレーザビームを入射させるようにしたことを特徴するものであ り、 第二に、レーザ発振器から射出されたレーザビームを伝送する光ファイバにお いて、該光ファイバ端部を光ファイバーから開口数ＮＡの広がり角をもって円錐 状に拡大し、該光ファイバ端面に集光レンズを一体形成したことを特徴とするも のであり、 第三に、レーザ発振器から射出されたレーザビームを伝送する光ファイバにお いて、該光ファイバ出射端部を開口数ＮＡ以上の広がり角をもって円錐状に拡大 するとともに、この光ファイバ円錐出射端にコア部と同材質の集光用中実ミラー 等の光学素子を該光ファイバの光軸まわりに回転自在に一体的に備えたことを特 徴とするものである。

【００１２】

【作用】

第一の構成では、少なくともビーム入射側における光ファイバの端部をその開 口数ＮＡ以上に拡げたので、その入射端面においてビーム径を大きくすることが でき、その分入射端面でのエネルギー密度を下げることが可能となる。これによ って高出力のレーザ光を細径ファイバに高効率で入射することが容易となる。同 時に、レーザのエネルギー密度を低い状態にして入射できるので、光ファイバ端 面の付着したほこりや汚れの影響を受けることが殆どなく、端面を熱損するおそ れもなくなる。なお、光ファイバの出射端部も円錐状に拡大すれば、光ファイバ 内を伝送されたきたレーザ光および加工点からの戻り光のエネルギーの密度を円 錐部で低下させることができ、光ファイバ出射端面においても熱損のおそれがな くなる。

【００１３】 第二の構成では、細径の光ファイバへの入射が容易になるのは上記と同様であ るが、集光レンズを光ファイバ端面に一体化したため、レンズ面及びファイバ面 と空気との界面が減少し、反射ロス（フレネル反射）が低減される。この構成で は、光ファイバの入射端のみならず出射端側の集光レンズも一体形成すればここ での反射ロスも低減され尚良い。

【００１４】 第三の構成では、光ファイバのコア部と同質の光学素子を該光ファイバ出射端 に一体的に設けたので、レーザの反射ロスが低減されるとともに、屈折率が変化 しないのでレーザの広がりが小さくなって、加工ヘッドが小型化される。さらに 光学素子を回転自在にすると、例えば外からアクセスできないようなパイプの溶 接、切断が、パイプの中に加工ヘッドを挿入することで可能になる。

【００１５】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図面を参照しながら説明する。 図１は第一実施例を示し、(a) は光ファイバを含むレーザ加工用を一例とした 光学系の概略図、(b) は光ファイバ入射端の拡大断面図である。 図１(a) に示すように、光軸１上に、入射側の集光レンズ２、伝送用の光ファ イバ３、出射側の集光レンズ４が配置されており、レーザ発振器（図示せず）か ら出力されたレーザ光５を入射側の集光レンズ２で後述する光ファイバ３内に集 束して伝送し、出射側の集光レンズ４で加工点６に集束し被加工物を加工するよ うになっている。

【００１６】 上記光ファイバ３は、少なくとも入射端部、好ましくは図のように入射、出射 の両端部が円錐状に拡大形成されている。つまり、この光ファイバ３は細径ファ イバ部３ａと円錐状ファイバ部３ｂ、３ｃとから成り、細径ファイバ部３ａの入 射側の端部に円錐状ファイバ部３ｂが連接されるとともに、出射側の端部にも円 錐状ファイバ部３ｃが連接されている。細径ファイバ部３ａと円錐状ファイバ部 ３ｂ、３ｃとは一体に形成されたものでもよいし、同材質のものを融接して一体 構造にしてもよく、いずれの場合も材質的な連続性が保持されている。

【００１７】 図１(b) に示すように、円錐状ファイバ部３ｂ、３ｃは、少なくとも当該光フ ァイバの開口数ＮＡの広がり角２θをもって拡大され、端面で大面積を有してい る。ここで、開口数ＮＡとは、光学系に入射できる光量の大きさを示す指標であ って、光ファイバの入射条件の評価にも利用され、図に示すように２θを広がり 角としてＮＡ＝ｓｉｎθと定義されるものである。例えば、コアが石英の場合、 開口数ＮＡ＝0.2 であって、２θは約２３°となる。通常光ファイバに入射した レーザ光はコア部とクラッド部の境界面で全反射を繰り返しながら光ファイバ中 を伝播していくが、レーザ光がある入射角で入射した光のうち開口数ＮＡよりも 大きなものは、境界面で全反射できずクラッドから抜け出してしまい、これがク ラッドに損傷を与えたり、エネルギー損失となることが知られている。従って、 本考案のように細径の光ファイバの端部を開口数ＮＡ以上の広がり角をもった円 錐形に拡大することによって、この広がり角以内にレーザ光が入射する限り上記 のような不都合は回避され、同時に、円錐端面（光ファイバ入射端面）３ｄでの ビーム径を太い状態で入射してここでのエネルギー密度を低下させることができ るため、光ファイバ入射端面に汚れ等が付着していても熱損を生じることがなく 信頼性の高い光学系が得られる。

【００１８】 以上のように、入射側の集光レンズ２によって絞られたレーザビーム５は拡大 された大面積の円錐端面から入射して細径ファイバ部３ａのコア部端面３ｆに集 束するようにしてあるから、高出力のレーザビームであっても、入射端面を保護 しつつコア部からレーザ光を漏らすことなく細径の光ファイバへ入射できるよう になる。細径の光ファイバに入射できることは、すなわち、加工点６における集 束性を高め（スポット径を小さくし）、ここでのエネルギー密度を高めることを 意味し、これによって切断、溶接等の加工性能の向上が図れる。 なお、光ファイバ出射側の端部を、入射側と同様に円錐状に拡大するのは、光 ファイバ内を伝送されたきたレーザ光および加工点６からの戻り光の端面におけ るエネルギー密度を低下させることによって光ファイバ出射端面３ｅにおいても 熱損防止を図るためである。

【００１９】 図２(a)(b)は第二実施例を示す。上記第一実施例では入射、出射側の集光レン ズを光ファイバより離れたところに独立して配置しているが、この場合、レンズ 及び光ファイバ端面に空気との界面が存在し、この界面で反射ロス（フレネル反 射）が生じる。そこで、この第二実施例では、光ファイバの開口数ＮＡ以上の広 がり角をもった円錐端部に集光レンズ２ａ、４ａを一体形成して、できるだけ界 面を少なくして反射ロスの低減を図ったものである。なお、第一実施例と同一構 成には同一符号を付してその説明は省略する。

【００２０】 図３は第三実施例を示し、少なくとも開口数ＮＡの広がり角２θをもった円錐 状の光ファイバ出射端３ｅに、光ファイバ３内を伝送されてきたレーザ光５を加 工点６に集光するための全反射型の中実ミラー、プリズム、レンズ等の光学素子 ７を一体的に設け、反射面を少なくして高効率化を図ったものである。しかも、 この集光用の光学素子７は光ファイバ出射端面３ｅを境界として光ファイバ３の 光軸１まわりに（図の矢印方向）に回転自在に構成されている。円錐ファイバ部 ３ｃの円錐部分Ａおよびミラー中実部分Ｂは光ファイバ３のコア部と同材質のも の（例えば石英）で形成され、これらを同一屈折率として光ファイバ３から出射 されるレーザ光５の広がりを小さく抑え、加工ヘッドの小型化を達成したもので ある。加工ヘッドが小型化されると、外からアクセスできないような小径のパイ プの接続、切断が、加工ヘッドを当該パイプ内に挿入することによって可能とな る。

【００２１】

【考案の効果】 少なくともレーザビーム入射側における光ファイバの端部を開口数ＮＡ以上 の円錐状に拡大したので、端面での耐光強度を超えないようにエネルギー密度を 低下させた状態で入射でき、高出力のレーザ光を細径の光ファイバに入射するこ とが容易となる。同時に、光ファイバ端面がほこりや汚れなどによって熱損する こともない。光ファイバの出射端部も円錐状に拡大すれば、光ファイバ内を伝送 されたきたレーザ光および加工点からの戻り光のエネルギーの密度を円錐部で低 下させることができ、光ファイバ出射端面においても熱損防止を図ることができ る。

【００２２】 光ファイバ端面にレンズを一体形成した場合には、空気との界面が少なくな り、反射ロスを低減することができる。光ファイバの入射端のみならず出射端側 のレンズも一体形成すればここでの反射ロスも低減され尚良い。

【００２３】 光ファイバのコア部と同材質の集光用光学素子を該光ファイバ出射端に一体 的に設けた場合には、反射面が少なく高効率となるうえ、レーザの広がりが小さ くなって、加工ヘッドを小型化できる利点がある。光学素子を回転自在に設ける と、外からアクセスできないようなパイプの溶接、切断が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) 、(b) は本考案の第一実施例にかかるレー
ザ用光ファイバを含む光学系の概略図、入射端部の拡大
断面図である。

【図２】(a) 、(b) は本考案の第二実施例にかかるレー
ザ用光ファイバを含む光学系の概略図、入射端部の拡大
断面図である。

【図３】同第３実施例にかかる光ファイバ出射端部の光
学系の概略図である。

【図４】従来例のレーザ加工装置の光学系の概略図であ
る。

【符号の説明】

１…光軸 ２…（入射側) 集光レンズ ３…光ファイバ ３ａ…細径ファイバ部 ３ｂ、３ｃ…円錐状ファイバ部 ３ｄ…入射端面 ３ｅ…出射端面 ４…（出射側）集光レンズ ５…レーザビーム（レーザ光） ６…加工点 ７…集光用中実ミラー ２θ…開口数ＮＡの広がり角

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器から射出されたレーザビー
   ムを伝送する光ファイバにおいて、該光ファイバの少な
   くとも入射側の端部を該光ファイバの開口数ＮＡ以上の
   広がり角で円錐状に拡大して大きな面積を有する端面に
   形成し、この光ファイバの大面積端面にレーザビームを
   入射させるようにしたことを特徴とするレーザ用光ファ
   イバ。
2. 【請求項２】 レーザ発振器から射出されたレーザビー
   ムを伝送する光ファイバにおいて、該光ファイバ端部を
   光ファイバーから開口数ＮＡの広がり角をもって円錐状
   に拡大し、該光ファイバ端面に集光レンズを一体形成し
   たことを特徴とするレーザ用光ファイバ。
3. 【請求項３】 レーザ発振器から射出されたレーザビー
   ムを伝送する光ファイバにおいて、該光ファイバ出射端
   部を開口数ＮＡ以上の広がり角をもって円錐状に拡大す
   るとともに、この光ファイバ円錐出射端にコア部と同材
   質の集光用中実ミラー等の光学素子を該光ファイバの光
   軸まわりに回転自在に一体的に備えたことを特徴とする
   レーザ用光ファイバ。