JPH0832370B2 - Co▲下2▼レーザ光伝送装置 - Google Patents

Co▲下2▼レーザ光伝送装置

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JPH0832370B2
JPH0832370B2 JP63063681A JP6368188A JPH0832370B2 JP H0832370 B2 JPH0832370 B2 JP H0832370B2 JP 63063681 A JP63063681 A JP 63063681A JP 6368188 A JP6368188 A JP 6368188A JP H0832370 B2 JPH0832370 B2 JP H0832370B2
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waveguide
laser light
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cooling gas
laser
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恒夫 塩田
晃史 本郷
健一 諸沢
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Hitachi Cable Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、金属中空導波路を用いたCO2レーザ光伝送
装置、特にCO2レーザ加工機のレーザ光伝送装置に関す
るものである。
[従来の技術] 大電力のレーザ光を効率良く発生することの可能な炭
酸ガスレーザ(CO2レーザ)は、金属板の溶接,切断等
の工業加工分野で既にレーザ加工機として実用化され、
更に計測,レーザ同位体分離、そしてレーザメスの如く
医療等の分野にも適用されようとしている。
しかし、波長10.6μmのCO2レーザ光を低損失に伝送
できる可撓導波路は未だ無く、レンズと反射鏡を組合せ
たビーム伝送方式に頼らざるを得ないのが現状である。
従って、加工機等の装置は複雑化し、また保守も容易な
ものでは無い。これらの点がCO2レーザ利用技術の発展
にとって、大きな隘路となっている。
このような状況に鑑みて、10.6μm光用の導波路が種
々開発されているが、可撓性あり且つkw級の電力を伝送
する能力を有する導波路は実現されていない。この目的
に対して、最も可能性が高い導波路は、Ge,ZnS,ZnSe等
の波長10.6μmで低損失な誘電体薄膜を中空金属管の内
壁にコーティングした誘電体内装金属中空導波路であ
り、その低損失性等については、文献[Design theory
of dielectric-coated circular metallic waveguides
for infrared transmission(J.Lightwave Tech.,vol.L
T-2,p.116′84)]に詳しい。
CO2レーザの出力光はガウス型の強度分布のものが多
く、上記誘電体内装金属中空導波路内を伝搬する最も損
失の少ない最低次のモードの強度分布とは概ね一致して
いる。従って、第4図に示すように、CO2レーザ光源1
のレーザ出力光をレンズ2によって破線3の如く集束
し、その焦点の位置に誘電体内装金属中空導波路4の入
射端を一致させ、入射ガウスビームのスポットサイズ径
を導波路内径の約0.6倍になるように、レーザ出力光の
拡がり角に応じて焦点距離を選ぶのが一般的な方法であ
る。
また前記したスポットサイズの条件を満すために、レ
ンズ2を第5図に示すごとく2枚使用しても良い。この
場合レンズ,導波路等の部品位値合せ精度がやや緩和さ
れる利点がある。また、レンズ2を3枚或いはそれ以上
使用して前記条件を満すことも可能である。
ところで、レーザ光を伝送する可撓性導波路は、いわ
ゆる光ファイバと呼ばれる充実タイプと、伝搬領域が空
気である上記中空タイプとに大別されるが、大電力CO2
レーザ光を伝送する場合は、中空導波路の方が次の点で
有利である。即ち、まず、中空導波路は伝搬領域が空気
であるため、入射端及び出射端における反射が殆どな
い。また中空導波路内に冷却ガスを流入し、導波路内壁
を直接冷却することができる。更に、中空導波路の材料
には熱伝導率が良好な金属が多く用いられており、導波
路全体を効率よく冷却するのに適しているからである。
一方、CO2レーザ光を扱う場合、充実タイプの導波路
が不利とされる理由は、CO2レーザの発振波長が10.6μ
mという赤外領域にあるため、石英系光ファイバを使用
することができないことである。現在、CO2レーザ光の
光伝送を目的とした赤外ファイバの試作も行われている
が、未だ十分な性能を有するものは開発されていない。
但し、CO2レーザ光ではなく、YAGレーザ光の光伝送を
目的としたものとしては、光ファイバを用いた第6図に
示すような構造の治療用レーザ光伝送装置が提案されて
いる。
即ち、第6図において、スリーブ12に挿入固定した光
ファイバ11の先端部における保護被覆とクラッドとを剥
離し、その露出したコア13の先端を、スリーブ12に固定
のコア支持器14の保持孔で保存すると共に、コア支持器
14のレーザ光入射側となる面を鏡面研磨して反射面とす
る。そして、スリーブ12の外側にプラグ15を設け、内部
にレンズ16が固定してあるレセプタクル17と袋ナット18
で結合する構成である。レーザ光19は、レンズ16によっ
て集光され、光ファイバ11に励振される。
[発明が解決しようとする課題] 上記第4図及び第5図で説明したレンズ2を介してレ
ーザ光を誘電体内装金属中空導波路4に入射する方法
は、50w程度のレーザ光電力であれば、発熱による温度
上昇等の問題は生じない。
しかし、100w以上の出力を持つレーザ加工機では、中
空導波路内の伝送モードの電力分布と入射ビーム波の電
力分布の微かな違いによる結合損失も無視できないもの
になる。即ち、誘電体内装金属導波路4の入射端で発生
した損失の多い高次モードは、入射端近傍で殆どオーミ
ックロスとして減衰し、導波路温度上昇の熱源となる。
また、誘電体内装金属中空導波路4は、その内径が波
長に比べて十分大きい寸法で使用することによって、低
損失伝送が可能となるものであり、いわゆる多モード導
波路である。従って、伝送距離が短い場合には、励振の
不完全によって高次モードが発生し、伝搬しても低損失
となり得る。しかし、これらの高次モードは導波路の曲
がりによる損失増加が大きいため、加工機に適用した場
合、レーザ光の出力変動が大きく、また曲がり部分での
高次モードの損失が熱源となって導波路温度が上昇し易
い、といった問題がある。
次に、第6図のレーザ光伝送装置は、充実タイプの光
ファイバを用いたものであるため、下記のような点で、
そのままCO2レーザ光の光伝送に適用することができな
い。
まず、第6図の装置は、前記した冷却効果という点
で、中空導波路と比べ不利である。冷却機構を設けるに
しても、装置全体を外部より冷却するか、または装置内
に冷却ガスを導入して光ファイバのコアの端面のみを冷
却するしかなく、効率よい冷却効果は期待できない。
更に、入射端付近は結合損失のため発熱し易いが、第
6図の装置では、コア支持器14がコア13に接触すると全
反射条件が崩れ、接触部位から光が漏れてしまい、コア
支持器14の接触部位が溶融してしまう危険性がある。で
きるだけコア支持器14とコア13とが接触しないようにす
る必要があるため、入射端付近の熱を効率よく外部に伝
導することができない。
また第6図の装置では、露出したコアが先端のみしか
支持されておらず、熱による変形を受け易い。光ファイ
バ先端が変形を受ければ励振効率は急激に低下し、入射
端が破損する。
本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解消
し、誘電体内装金属中空導波路を用いその温度上昇をで
きるだけ少なくして、大電力のCO2レーザ光を安定に伝
送することができるCO2レーザ加工機のレーザ光伝送装
置を提供することにある。
[課題を解決するための手段] 本発明の要旨は、CO2レーザ光源と、このCO2レーザ光
源から出射したレーザ光を伝送する中空導波路と、該中
空導波路と上記CO2レーザ光源との間に設けられたウイ
ンド及び該ウインドを保持する外部ホルダからなる光結
合部とを備えてなるCO2レーザ光伝送装置において、冷
却ガス導入口を外周面に有する導波路支持器が上記中空
導波路の光入射側先端部外周に取付けられると共に、上
記ウインドによりその一端側開口部が封止された上記外
部ホルダの他端側開口部が上記導波路支持器先端部に固
定されており、上記導波路支持器には上記冷却ガス導入
口に連通し且つ該冷却ガス導入口へ導入した冷却ガスを
上記外部ホルダ内部に向けて流入させるガス通路が設け
られ、上記ガス通路から上記外部ホルダ内部へ向けて流
入させた冷却ガスを折り返して上記中空導波路内に流入
させる空間が形成されていることにある。
この場合、上記導波路支持器の先端には、上記中空導
波路の先端から導波路出射側にかけて45°以上の傾斜角
で反射面を形成することが好ましい。
尚、上記した「ウインド」なる語は、単なるウインド
である場合の他、レンズである場合をも含む広い概念で
ある。
[作用] 中空導波路の先端付近を直接保持する導波路支持器に
形成された通路を通って、冷却ガス導入口からの冷却ガ
スが、ホルダの内部へ向けて流れた後に外部ホルダ内で
折り返されて導波路内部に入射側から出射側へと流入す
るので、中空導波路が効率よく冷却される。
この場合、導波路支持器の先端に、中空導波路の先端
から導波路出射側にかけて45°以上の傾斜角で反射面を
形成することにより、反射面で反射されたレーザ光は外
部ホルダの内壁に照射されるようになり、この外部ホル
ダを外側より空冷または水冷しておけば、導波路支持器
の温度上昇を有効に抑えることができる。
[実施例] 本発明の実施例について、以下図を引用して説明す
る。
第1図において、誘電体内装金属中空導波路21はステ
ンレス等の保護管22及びフレキシブルな被覆層23に挿入
されている。入射端付近は誘電体内装金属中空導波路21
の先端が所定長だけ保護管22から露出され、この露出部
分を直接に導波路支持器24が密着保持している。更に、
導波路支持器24の外周部は、中央付近から先端側まで小
径に形成され、その小径外周部に、冷却ガス導入口25を
備えたスリーブ26が嵌装されている。このスリーブ26の
外周先端部には、封止用ウインドとして機能するレンズ
27を先端に把持した外部ホルダ28の後端が嵌装されてい
る。
冷却ガス導入口25は、誘電体内装金属中空導波路21の
先端及び導波路支持器24の先端より後方に位置し、冷却
ガス導入口25から流入された冷却ガス29は、導波路支持
器24とスリーブ26間の間隙を、誘電体内装金属中空導波
路21の出射側から入射側方向に流れ、蓋の役目をするレ
ンズ27によって密閉された空間で矢印のように折返され
て、誘電体内装金属中空導波路21内部を入射側から出射
側へと流れる。
冷却ガス29の通路となる導波路支持器24とスリーブ26
の間の間隙は、導波路支持器24の外周に、第2図に示す
ような直線の溝31を設けることにより、或いは第3図に
示すような螺旋状の溝32を設けることにより、容易に形
成できる。
このように、導波路入射端よりも出射端側に取付けら
れた冷却ガス導入口25からレーザ光伝送装置内部に冷却
ガスを流入することによって、導波路支持器24の外側と
誘電体内装金属中空導波路21の内部を同時に冷却し、誘
電体内装金属中空導波路21、特に導波路入射端付近の発
熱を抑えることができる。また、導波路支持器24と誘電
体内装金属中空導波路21との接触面積を大きくし、保護
管22のない誘電体内装金属中空導波路21先端全体を保持
してあるので、入射端付近の熱を効率よく外部に伝導
し、冷却効果が高く、熱による導波路先端の変形を防ぐ
ことができる。
導波路支持器24の先端には、誘電体内装金属中空導波
路21の先端からテーパ状に反射面30が形成されている。
この傾斜した反射面30は、光学的アライメントの調整中
に或いは振動,衝撃等によって光軸のズレが起き、レー
ザ光33が誘電体内装金属中空導波路21の外部にはみ出し
た場合でも、その導波路外部にはみ出したレーザ光33を
反射し、これによって入射端の熱による破損を抑える働
きをする。テーパの傾斜角度は片側45°以上にすること
によって、反射面30で反射されたレーザ光33は円筒の外
部ホルダ28の内壁に照射される。この外部ホルダ28は、
その外側より強制的に空冷または水冷されており、反射
光による熱の発生を抑えると共に、レーザ光伝送装置全
体を冷却する構成となっている。
導波路支持器24の先端のテーパ状の反射面30は、高い
反射率が得られるように、切削,研磨,メッキ,蒸着等
により鏡面加工し、更に、高反射率材料、例えば金,
銀,銅あるいは高融点材料クロム,モリブデン,タング
ステン等の金属膜で被覆して形成することが望ましい。
また、反射面30は必ずしも導波路支持器24と一体化し
ている必要はない。反射面30はレーザ光のアライメント
が不適当なとき、エネルギー密度が極めて高いレーザ光
が照射され、破損する危険性がある。このような場合
は、反射面30のテーパ部分と導波路支持器24とを分離
し、取外して交換できるようにした方が経済的である。
[発明の効果] 中空導波路の先端付近を直接保持する導波路支持器に
形成された通路を通って、冷却ガス導入口からの冷却ガ
スが、外部ホルダの内部へ向けて流れた後に外部ホルダ
内で折り返されて導波路内部に入射側から出射側へと流
入する構成とすることにより、中空導波路を効率よく冷
却し、温度上昇を抑えることができる。従って、誘電体
内装金属中空導波路の入射端付近の熱的な破損を防止す
ることができ、これによって、大電力のCO2レーザ光を
より安全に伝送することが可能となる。
この場合、導波路支持器の先端に反射面を形成し、そ
の反射面の傾斜角を45°以上の傾斜とすることにより、
反射面で反射されたレーザ光を外部ホルダの内壁に照射
させて、効率良く熱を外部に導出することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のレーザ光伝送装置の一実施例を示す縦
断面図、第2図,第3図は本発明のレーザ光伝送装置で
用いられる導波路支持器の構成例を上側を縦断面で下側
を側面で示した図、第4図及び第5図はCO2レーザ出力
光を誘電体内装金属中空導波路に入射させるための従来
技術の構成図、第6図は従来の光ファイバを用いたレー
ザ光伝送装置を示す縦断面図である。 図中、1はCO2レーザ光源、2はレンズ、3はスポット
サイズ径の伝送方向変化、4は誘電体内装金属中空導波
路、11は光ファイバ、12はスリーブ、13はコア、14はコ
ア支持器、15はプラグ、16はレンズ、17はレセプタク
ル、18は袋ナット、19はレーザ光、21は誘電体内装金属
中空導波路、22は保護管、23はフレキシブル被覆層、24
は導波路支持器、25は冷却ガス導入口、26はスリーブ、
27はレンズ、28は外部ホルダ、29は冷却ガス、30は反射
面、33はレーザ光を示す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】CO2レーザ光源と、このCO2レーザ光源から
    出射したレーザ光を伝送する中空導波路と、該中空導波
    路と前記CO2レーザ光源との間に設けられたウインド及
    び該ウインドを保持する外部ホルダからなる光結合部と
    を備えてなるCO2レーザ光伝送装置において、冷却ガス
    導入口を外周面に有する導波路支持器が前記中空導波路
    の光入射側先端部外周に取付けられると共に、前記ウイ
    ンドによりその一端側開口部が封止された前記外部ホル
    ダの他端側開口部が前記導波路支持器先端部に固定され
    ており、前記導波路支持器には前記冷却ガス導入口に連
    通し且つ該冷却ガス導入口へ導入した冷却ガスを前記外
    部ホルダ内部に向けて流入させるガス通路が設けられ、
    前記ガス通路から前記外部ホルダ内部へ向けて流入させ
    た冷却ガスを折り返して前記中空導波路内に流入させる
    ことを特徴とするCO2レーザ光伝送装置。
  2. 【請求項2】前記導波路支持器の先端に、前記中空導波
    路の先端から導波路出射側にかけて45°以上の傾斜角で
    反射面が形成されていることを特徴とする請求項1記載
    のCO2レーザ光伝送装置。
JP63063681A 1988-03-18 1988-03-18 Co▲下2▼レーザ光伝送装置 Expired - Lifetime JPH0832370B2 (ja)

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