JPH11500541A - 光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、その発生方法及びその発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 〔目的〕 光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、その発生方法及びその発生装置を提供する。 〔構成〕 （１）無数次凸レンズを通過させて焦点の大きさを最小にし、集光されたレーザービームを光ファイバに入射させた後、互いに垂直な第一次面及び第二次面（及び第三次面）に円形に曲げられた光ファイバを順に通過させて螺旋状への変化及び乱反射による均一化を行いながら、中心部のレーザーエネルギーを断面の全体に均一に拡散させる。（２）レーザービームを凸レンズに通過させ、焦点の大きさを最小化し、集光されたレーザービームを光ファイバに入射させた後、第一次面及び該第一次面に対して垂直な第二次面にそれぞれ円形状に曲げられた光ファイバに順に通過させ、レーザービームの螺旋状への変化及び乱反射による均一化を促進させ、中心部に集中しているレーザエネルギーを、断面の全体に拡散させてレーザービームを均一化する。（３）基板を形成し、該基板に、光ファイバに円形曲げ及び局部曲げを与えるように光ファイバを巻き付ける曲げガイド、及び該曲げガイドの局部曲げ部に巻き付けられた光ファイバを局部曲げの形状にするための局部曲げ調整部をそれぞれ取り付けて曲げ部を形成し、該二つの曲げ部を互いに直角になるように配列して取り付け、該二つの曲げ部の曲げガイド面に沿って光ファイバを配列する。

Description

【発明の詳細な説明】 光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、その発生方法 及びその発生装置 技術分野 本発明は、光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、 その発生方法及びその発生装置に関するものである。 背景技術 従来、レーザービームは平行性が良好で遠くまで伝達することが可能であり、 また、レーザービームをレンズによって集光すると、幾何光学的に焦点に集める ことができる。そして、非常に微小な面積にパワーを集中させると、極めて高い 密度を得ることができる。 また、レーザービームは、単色光であって、他の波長成分を全く含まない純粋 な光波であり、プリズムを通過しても分散が生じることがない状態で直進する特 徴を有する。したがって、レーザービームは、材料の加工、例えば、切断、切削 、穿（せん）孔、溶接、マーキング等を行ったり、レーザー閃（せん）光法によ って産業用材料の熱物性を測定したりすることができ、多くの分野で広範囲に活 用されている。 ところが、レーザー閃光法によって産業用材料の熱物性を測定する場合、ヤグ ・レーザー（ＹＡＧ Ｌａｓｅｒ）、ルビー・レーザー（Ｒｕｂｙ Ｌａｓｅｒ ）等が不均一な状態で使用される。 そして、このような不均一なレーザービームを使用すると、試料が不均一に加 熱され、熱拡散係数の測定値に５〔％〕程度の誤差が発生してしまう。また、レ ーザービームを使用して材料を加工する際にも、不均一なレーザービームが使用 されるので、加工面が滑らかにならず、精密加工が困難である。 したがって、レーザービームを均一化するために、一部のレーザービームを、 光ファイバに通過させ、中心部に集光された状態で使用することによって、レー ザービームの不均一による影響をいくらか減少させることができるが、レーザー ビームの均一化が良好に行われないので、薄板、塑形材等の材料を精密加工した り、局部熱処理を行ったりすることができない。 また、レーザービームを均一化するための他の方法としては、光ファイバにレ ーザービームを斜めに入射させる方法、光ファイバの束にレーザービームを入射 させる方法、及び光ファイバに一次元の曲げを与える方法等が提案されている。 ところが、光ファイバにレーザービームを斜めに入射させる方法は、光ファイ バにレーザービームを入射させるときに、入射面におけるエネルギー損失が多く 、均一化の効果が少なくなるので、実用化することができない。 また、光ファイバの束にレーザービームを入射させる方法は、かなりの量のレ ーザービームを均一化することができるが、光ファイバの境界面の間にレーザー ビームが通過して光ファイバが焼損してしまうので、実用化することができない 。 そして、光ファイバに一次元の曲げを与える方法は、かなりの量のレーザービ ームを均一化することが確認されたが、曲げの対称オフセットによって曲げ効果 が打ち消され、また、曲げの条件を明確に設定することができない。したがって 、再現が難しく高度の均一化は不可能であるので、実用化することはできず、研 究段階で留（とど）まっている。 発明の開示 本発明は、光ファイバを二次元、三次元等の多次元で円形状に曲げて、従来の 一次元の曲げを与える場合において均一化を減衰させる影響をなくすことができ るとともに、光ファイバに入射されるレーザービームの入射角にかかわらず、レ ーザービームの螺（ら）旋状への変化を促進させることによって、中心部に集中 されているレーザーエネルギーを全面に拡散させることができる光ファイバの多 次元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、その発生方法及びその発生装 置を提供することを目的とする。 また、光ファイバに、多次元の円形曲げを与えるのと同時に、円形曲げと逆方 向の局部曲げを与え、コアとクラッドとの境界面における入射角を臨界入射角以 上になるように、クラッドを通過するレーザーエネルギーの損失を防止し、乱反 射によるレーザービームの拡散を促進させて、光ファイバの終端から全断面にわ たって均一な分布を有するレーザービームを得ることができる光ファイバの多次 元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、その発生方法及びその発生装置 を提供することを目的とする。 さらに、レーザービームを複数の凸レンズに通過させ、焦点の大きさを最小化 し、集光したレーザービームを光ファイバの入射面に対して垂直に入射し、レー ザービームが光ファイバに入射する際に、入射面での反射による入射損失を最小 にすることができる光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービ ーム、その発生方法及びその発生装置を提供することを目的とする。 そして、凸レンズの焦点のわずかに後方に光ファイバを配設することによって 、レーザービームが入射するときに、光ファイバの断面が焼損するのを防止する ことができる光ファイバの多次元・二重曲げを利用した均一化レーザービーム、 その発生方法及びその発生装置を提供することを目的とする。 また、比較的短い、例えば、５［ｍ〕以下の光ファイバを使用して、簡単な発 生方法によって均一化レーザービームを再現性よく発生させ、良質なレーザービ ームを使用して材料の物性を測定したり、材料を加工したり、医療治療等を行っ たり、広範囲に実用化することができる光ファイバの多次元・二重曲げを利用し た均一化レーザービーム、その発生方法及びその発生装置を提供することを目的 とする。 図面の簡単な説明 第１図は光ファイバに曲げを与えることによって、螺旋状に変化させながらレ ーザービームを均一化する本発明の原理図である。 第２図は曲げによるレーザービームの均一化効果を最大にするための三次元・ 二重曲げの方法を示す図である。 第３図は光ファイバに入射されるレーザービームの損失を最小にするための光 学的設計の基準を示す図である。 第４図はレーザービームが円形曲げ状態にある光ファイバを通過する際の光路 特性図である。 第５図は光ファイバの曲げによるレーザービームの入射角の減少を説明する原 理図である。 第６図は均一化レーザービーム発生装置の曲げ部の分解斜視図である。 第７図は均一化レーザービーム発生装置の曲げ部の組立斜視図である。 第８図は均一化レーザービーム発生装置の組立斜視図である。 第９図は本発明を実証するために構成された均一化レーザービーム発生装置の 組立斜視図である。 第１０図は均一化レーザービームを目標位置に着像させて大きさを調整する方 法を示す図である。 第１１図はレーザービームが均一化される前、及び均一化された後のエネルギ ーの分布状態を測定するための測定システムの構成図である。 第１２図は本発明の効果を表すための、均一化される前のレーザービームと本 発明によって均一化された後のレーザービームとの比較図である。 第１３図は一次元曲げの直径の大きさによるレーザービームの均一化の効果を 表す図である。 第１４図は一次元、二次元、及び三次元の円形曲げによるレーザービームの均 一化の効果を表す図である。 第１５図は局部曲げ及び三次元・二重曲げによるレーザービームの均一化の効 果を示す図である。 第１６図は本発明によって均一化されたレーザービームを使用して標準的な黒 鉛の熱拡散係数を測定した結果を示す図である。 発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 まず、均一化レーザービームの発生原理について説明する。 通常のレーザービームは、中心部のエネルギー密度が高く、不均一な分布を有 するが、レーザービームを凸レンズによって集光した後、ステップ・インデック ス光ファイバに通過させると、レーザービームは、屈折角度に応じて多重モード で反射しながら、光ファイバの小さい曲げや断面の非対称性によって、中心部を 通る螺旋状のレーザービームに変形し、光ファイバの出口断面では中心部のエネ ルギー密度が高く、対称な分布を有することになる。 したがって、このようなステップ・インデックス光ファイバの特性を利用して 、レーザービームを螺旋状に変化させ、レーザービームの拡散性を高くすること によって、レーザービームのエネルギー分布を均一化することができる。 第１図は、光ファイバを曲げることによって、レーザービームが、螺旋状に変 化し、かつ、中心部のエネルギー密度を周縁に向けて拡散させて進む過程を示す 。 そして、光ファイバＦの入射側の凸レンズを介して集光された、上下方向の入 射光線Ｒ１、Ｒ２及び左右方向の入射光線Ｒ３、Ｒ４の進行過程を、光ファイバ Ｆの出口側の断面から調べると、光ファイバＦの曲げ方向と同一の上下方向の入 射光線Ｒ１、Ｒ２は、曲げによって方向だけが変化し、光ファイバＦの中心を通 過する反射だけを繰り返す。 そして、光ファイバＦの曲げ方向に対して９０〔°〕の角度を有する左右方向 の入射光線Ｒ３、Ｒ４は、まず、光ファイバＦの中心を通過した後、曲げ部にお いて方向が変化させられ、螺旋状に変化しながらエネルギー密度を周縁に対して 拡散させる。 この際、光ファイバＦに、最初の曲げ方向と異なる方向の二次曲げを与えると 、上下方向の入射光線Ｒ１、Ｒ２も螺旋状に変化する。 したがって、このような原理によってステップ・インデックス光ファイバに一 次元、又は二次元曲げが与えられると、すべての方向から入射されるレーザービ ームは螺旋状に変化し、光ファイバＦの中心においてレーザービームの束によっ て形成される高いエネルギー密度が、周縁に拡散し、均一化されて対称性のある レーザービームになる。 ところが、３次元・円形曲げだけによって発生させられた螺旋状のレーザービ ームは、緩やかな波動状の対称分布を有するようになり、光ファイバＦの断面の 全体にわたって完全な均一化を促進することができない。 そこで、本実施の形態においては、光ファイバＦに、多次元の円形曲げを与え た状態で、円形曲げの正逆方向に円形曲げより小さい接線長さ、及び曲率半径を 有する逆方向の局部曲げを二重に与えることによって、螺旋状への変化を一層促 進させるとともに、螺旋状のレーザービームを局部曲げの位置から乱反射させる ことによって、波動状の分布の原因となる螺旋状のレーザービームが円形状に集 中するのを防止するようにしている。 第２図は、多次元・円形曲げ及び多重・局部曲げの中で、三次元・二重曲げの 光ファイバによってレーザービームを均一化する方法を一つの例として概念図で 示す。 光ファイバの断面の全体にわたって、均一化レーザービームを発生させるため には、レーザービームを螺旋状に変化させ、乱反射を促進させる必要があり、螺 旋状に変化させることによって、光ファイバの断面の中心部のエネルギーを周縁 に拡散させることができる。そして、レーザービームは点対称分布を有するよう になる。また、乱反射を促進させると、レーザービームの反射角が広がり、円形 状対称分布を平面形態の均一な分布に変更することができる。 本実施の形態においては、第２図に示されるような経路で光ファイバを配列し 、レーザービームを後述される一定の入射条件に従って光ファイバに入射させる ことによって、最も効率的な方法で、レーザービームを螺旋状に変化させるのと 同時に、乱反射を促進させることができる。 そして、光ファイバは、互いに直角の三つの面にそれぞれ配列され、第一次面 であるＸＺ面には、円形曲げ部及び局部曲げ部を有する一次曲げ光ファイバＦ１ を、第二次面であるＺＹ面には、円形曲げ部及び局部曲げ部を有する二次曲げ光 ファイバＦ２を、第三次面であるＹＺ面には、円形曲げ部及び局部曲げ部を有す る三次曲げ光ファイバＦ３が配列される。 これにより、入射側レンズによって集光されたレーザービームは、光ファイバ に入射された後、ＺＸ面に円形状に曲げられた一次曲げ光ファイバＦ１を通過し ながらほとんどが中心部を通過する螺旋状のレーザービームに変化する。 この場合、円形曲げ、及び正逆方向に形成された曲率半径の小さい局部曲げが 与えられ、螺旋状のレーザービームが光ファイバの断面の中心部から周縁に拡散 されるとともに、曲率半径の小さい局部曲げ面において乱反射が行われる。した がって、光ファイバを通過するレーザービームの光路が多様化し、光ファイバの 断面の全体にわたって光路の位置が無秩序に変化させられ、レーザービームの対 称化及び均一化が行われる。 ところが、前記レーザービームのうち、光路が光ファイバの曲げ方向と一致す るか又はそれに近いレーザービームは、第３図に示されるように、螺旋状に変化 せず、均一化もされない。 したがって、このように対称化及び均一化が行われたレーザービームは、更に ＸＺ面に対して垂直なＸＹ面に入射され、螺旋状の変化及び乱反射による均一化 が促進させられた後、ＸＺ面及びＸＹ面に対して垂直なＹＺ面において、最終的 に螺旋状の変化及び均一化が促進される。したがって、光ファイバに入射される すべてのレーザービームが螺旋状に変化させられる。 さらに、三次元曲げを各面に対して二重に与え、光ファイバの断面の全体にわ たって均一なエネルギー分布を有するようにし、特に、局部曲げを三次元・円形 曲げと逆方向に与えることによって、円形曲げと局部曲げとによる入射角の変化 が互いに打ち消し合い、コアとクラッドとの境界面において、レーザービームの 入射角が臨界入射角以下になるのを防止することができる。 このような方法によって、レーザービームを対称化し、均一化するためには、 入射条件、レンズの設計、臨界入射角を考慮した曲率半径の設計等の必要な条件 が満たされる必要がある。 １）入射条件及びレンズの設計 レーザービームの入射損失を最小にするために、光ファイバのコアの直径１〔 ｍｍ〕より小さい直径０．６〔ｍｍ〕の焦点で集光することができるように、無 数次凹レンズが使用される。また、集光による焦点部の高エネルギー密度によっ て、光ファイバの断面が焼損することがないように、レーザービームが集光され た後、拡散し始める位置に光ファイバの断面が配設される。 さらに、レーザービームが光ファイバに入射する際の入射面における反射損失 を最小にするために、レーザービームは入射面に対して垂直に入射させられ、光 ファイバに入射させられた後に曲げが与えられる場合にも、コアとクラッドとの 境界面における異常屈折によって損失が発生しないように、入射光線の最大入射 角は、光ファイバのコアとクラッドとの屈折率を考慮した許容入射角の１／３に なるように設計される。 第３図は、光ファイバに入射されたレーザービームが、光ファイバ内で反射し て通過する過程及び設計基準を示したものである。この場合、レーザービームの 直径は約１０〔ｍｍ〕であり、無数次凹レンズの焦点距離は５０〔ｍｍ〕である 。 そして、空気の屈折率をｎ₀（ｎ₀：１）とし、コアの屈折率をｎ₁とし、クラ ッドの屈折率をｎ₂とすると、光ファイバの許容入射角θ_aと、光ファイバの断面 内の臨界屈折角θ_cと、コアとクラッドとの境界面における臨界屈折角α_aとの間 には、次の関係が成立する。 ｓｉｎθ_a／θ_c＝ｎ₁／ｎ₀＝ｎ₁ ｓｉｎθ_a＝ｎ₁／ｓｉｎθ_c …（１） また、 ｓｉｎα_c＝ｃｏｓθ_c＝ｎ₂／ｎ₁ …（２） Ｃｏｓ₂θ_c＝１−ｓｉｎ²θ_c であるので、前記式（１）、（２）を使用して、許容入射角θ_aを次のように求 めることができる。 ｓｉｎθ_a＝ｎ₁（１−ｃｏｓ²θ_c）^1/2 ＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）^1/2 したがって、許容入射角θ_aは θ_a＝ｓｉｎ^-1（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）^1/2 …（３） になる。 石英を使用したステップ・インデックス光ファイバの場合、通常、コアの屈折 率ｎ₁が１．４５で、クラッドの屈折率ｎ₂が１．４０程度でるある点を考慮する と、前記式（３）から２２〔°〕の許容入射角θ_aを求めることができる。 本実施の形態においては、第３図に示されるように、レーザービームの直径が 約１０〔ｍｍ〕で、無数次レンズの焦点距離が５０〔ｍｍ］であるので、焦点距 離の実際の入射角θ_iは θ_i＝ｔａｎ^-1（５／５０） ＝５．７［°〕 になり、許容入射角θ_aの２６〔％〕であり、光ファイバの局部曲げによる入射 角の変化が十分に考慮される。 ２）臨界入射角を考慮した曲げの曲率半径の設計 光ファイバに入射されたレーザービームは、円形曲げ及び局部曲げによって、 コアとクラッドとの境界面における入射角をより小さくし、このような曲げによ って、コアとクラッドとの境界面における入射角が臨界入射角以上になると、レ ーザービームが、クラッド側に異常屈折を発生させてしまい、エネルギー損失が 大きくなってしまう。 したがって、本実施の形態においては、臨界入射角、光ファイバの入射角、円 形曲げによる入射角の変化、及び局部曲げによる入射角の変化を考慮して円形曲 げ及び二重局部曲げにおける曲率半径を計算する。 そして、前記式（２）に、コアの屈折係数（ｎ＝１．４５）及びクラッドの屈 折係数（ｎ＝１．４５）を代入すると、臨界屈折角θ_c及び臨界入射角α_cは次の ように算出される。 θ＝ｃｏｓ（ｎ₂／ｎ₁）＝１５．１〔°〕 α_c＝ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ₁）＝７４．９〔°〕 すなわち、光ファイバ内のすべての位置における屈折角が、臨界屈折角１５． １以下であると、コアとクラッドとの境界面における入射角は、常に臨界入射角 ７４．９［°〕以上になり、異常屈折が発生することがなくなる。 そして、第４図に示されるように、レーザービームが円形曲げ状態の光ファイ バ内を通過する際に、光ファイバの曲率半径が同一であり、かつ、同一平面上に あるとすると、光ファイバの長手方向の入射角は変わらないので、同一の曲率半 径を有する局部曲げが、同一方向に繰り返される場合においても、入射角は減少 することがなく、また、曲げ方向が異なる場合は、螺旋状への変化が促進される だけである。 したがって、本実施の形態においては、光ファイバに三次元の曲げ方向の変化 を与え、螺旋状の変化を促進させるとともに、臨界屈折角及び臨界入射角に対す る設計においては、光ファイバに入射されるレーザービームの入射角、最初の円 形曲げによる入射角の減少、最初の局部曲げによる入射角の減少、及び逆方向の 二重曲げによる入射角の減少を考慮している。 そして、光ファイバに入射されるレーザービームの最も大きい入射角をθ_iと し、円形曲げによる入射角の減少をα_rとし、円形曲げ方向の局部曲げによる入 射角の減少をα_bとし、円形曲げの逆方向の二重局部曲げによる屈折角の中間分 をα_dとしたとき、総合された入射角α_tが次の条件を満たすようにした。 α_t1＝９０〔°〕−（θ₁／ｎ₁＋α_r）＞α_c …（４） α_t2＝９０〔°〕−（θ₁／ｎ₁＋α_b）〉θ_c …（５） α_t3＝９０（°〕−（α_r＋α_b）＞θ_c …（６） 前記式（４）は入射角及び円形曲げを、式（５）は入射角及び局部曲げを、式 （６）は円形方向の二重曲げを考慮した設計基準である。 すでに、第２図に示されるように、レーザービームの直径が約１０〔ｍｍ〕で あり、無数次レンズの焦点距離が５０〔ｍｍ〕であるので、実際の入射角θ_iは ５．７〔°〕である。 第５図は曲げによる入射角の減少が示されたものであり、曲げガイド及び曲げ 調整尺の曲率半径をｒとし、光ファイバの直径をｄとし、コアの直径をａとする と、曲げによる入射角の減少α_rは次のとおりである。 α_r＝ｃｏｓ^-1〔（ｒ＋ｄ／２）／（ｒ＋ｄ／２＋ａ／２）］…（７） 本実施の形態においては、円形曲げガイドの曲率半径を１２０〔ｍｍ〕に、円 形曲げ方向の局部曲げの最小曲率半径を６０〔ｍｍ〕に、逆方向の局部曲げ調整 尺の最小曲率半径を５５〔ｍｍ〕に設計し、光ファイバの直径が２〔ｍｍ〕であ り、光ファイバのコアの直径が１〔ｍｍ〕であるので、これらの値を式（７）に 代入すると、曲げによる入射角の減少はそれぞれ α_r＝５．２〔°〕 α_b＝７．３〔°〕 α_d＝７．６〔°〕 として求められ、これらの値を式（４）〜（６）にそれぞれ代入すると、 α_t1＝９０〔°〕−（５．７〔°〕／１．４５＋５．２〔°〕） ＝８０．９〔°〕＞α_c α_t2＝９０〔°〕−（５．７〔°〕／１．４５＋７．３〔°〕） ＝７８．８〔°〕＞α_c …（８） α_t3＝９０〔°〕−（７．３〔°〕＋７．６〔°〕） ＝７５．１〔°〕＞α_c になり、すべてが臨界入射角（α_r＝７４．９〔°〕）以上になるので、好適な 設計状態にある。特に、値α_t3は円形曲げ方向と逆方向の逆方向・二重局部曲げ であるので互いに打ち消し合い、ほとんどの最小入射角が値α_t2以下になり得る が、安定性を考慮した上での値α_t3を検討した。 次に、前述されたようなレーザービームを均一化するためのレーザービームの 発生装置について図を参照して説明する。 第６図及び第７図は本発明の実施の形態における均一化レーザービームの発生 装置の一部を示し、一つの面（一次面）に、一つの大きな円による円形曲げ及び 小さい円による局部曲げによって一つの曲げ部が形成された例を、分解斜視図及 び組立斜視図でそれぞれ示している。 そして、曲げ部は基板１を備え、該基板１には、光ファイバに円形曲げ及び局 部曲げを与えるように光ファイバを巻き付けるための曲げガイド２、及び該曲げ ガイド２の局部曲げ部に巻き付けられた光ファイバに局部曲げを与えるための局 部曲げ調整部３が配設される。したがって、前記曲げガイド２の面に沿って光フ ァイバＦを配列すると、円形曲げ、及び円形曲げと逆方向に曲げるように形成さ れた局部曲げの形状を前記光ファイバが有するので、隣接する二つの局部曲げの 間には、自動的に円形曲げ方向の局部曲げが生じ、互いに逆方向の局部曲げが連 続する二重局部曲げを光ファイバに与えることになる。 前記基板１においては、プレートによって本体１１が形成され、該本体１１に は、前記曲げガイド２及び局部曲げ調整部３を固定するための固定孔１２、１３ がそれぞれ形成され、これらに嵌（かん）合させて固定具１７、１８がそれぞれ 配設される。 前記円形曲げガイド２は、レーザービームの螺旋状の進行及び乱反射による拡 散を得るために、光ファイバを三次元の円形曲げ及び局部曲げが与えられるよう に巻き付けることができるようになっている。そのために、前記円形曲げガイド ２は、一定の厚さを有するプレートによって形成された本体２１を備え、該本体 ２１の周面は光ファイバを巻き付けるための曲げ面２２になり、該曲げ面２２は 円形曲げ面２２１及び局部曲げ面２２２を有する。 前記曲げ面２２を形成する一つの方法としては、本体２１を一定の曲率半径を 有する真円形に形成した後、この真円の周面から適当な間隔を置いて、前記真円 面の直径より小さい曲率半径を有する円弧を描き、該円弧面に沿って前記真円面 の一部を切断する方法があり、この場合、前記小さい円弧面は局部曲げ面２２２ になり、該局部曲げ面２２２を境界として大きい円弧面（残っている真円の周面 ）は円形曲げ面２２１になる。 そして、前記本体２１には、固定具１７を組み立てるための組付孔２５が配設 される。 前記局部曲げ調整部３は、前記曲げガイド２の局部曲げ面２２２に隣接する光 ファイバを、局部曲げ面２２２に密着させて乱反射を促進させるために配設され る。そして、前記局部曲げ調整部３は、前記曲げガイド２より大きい直径を有す る支持体３１を備え、該支持体３１の円周面の前記曲げガイド２の局部曲げ面２ ２２に対応する位置に調整杆（かん）組付孔３２が形成され、該調整杆組付孔３ ２に局部曲げ調整杆３３が、その長さの調整を行うことができるように嵌合させ て組み付けられる。また、前記局部曲げ調整杆３３の端部には、ブラケット３４ を介して局部曲げ調整子３５が組み付けられるようになっている。第６図におい て、前記局部曲げ調整杆３３はマイクロメータ型に形成され、該マイクロメータ のスピンドル端部に局部曲げ調整子３５が組み付けられるようになっている。 そして、前記支持体３１には、固定具１９を組み付けるための組付孔３６が配 設される。 第８図は本発明の実施の形態における均一化レーザービーム発生装置の一つの 実施例を示していて、第８図に示されるように、三つの曲げ部が互いに直角にな る位置に配設される。そして、一次曲げ部（Ｉ）、二次曲げ部（II）及び三次曲 げ部（III）をそれぞれ三つの基板（１）が互いに直角になるように組み立てた 後、これらを溶接によって接合するか、又は固定具によって固定すると、一次曲 げ部（Ｉ）がＸＺ面上に、二次曲げ部（II）がＸＹ面上に、三次曲げ部（III） がＹ Ｚ面上にそれぞれ位置するようになる。 第９図は前述されたように組み立てられた三つの曲げ部において、曲げガイド ２の円形曲げ面２２１及び局部曲げ面２２２に沿って、光ファイバＦを巻き付け た状態の均一化レーザービーム発生装置を示す。 前記均一化レーザービーム発生装置において、一次曲げ部（Ｉ）に配設された 光ファイバＦの入射面に、無数次凹レンズＬによって集光されたレーザービーム Ｒが入射されると、該レーザービームＲは、一次曲げ部（Ｉ）の曲げガイド２の 周囲を通過する間に、円形曲げ及び局部曲げによって螺旋状に変化し、乱反射さ れる。そして、一次曲げ部（Ｉ）の曲げガイド（２）と、二次曲げ部（II）の曲 げガイド（２）と、三次曲げ部（III）の曲げガイド（２）との周囲を通過する 間に、あらゆる方向から入射されるレーザービームに、螺旋状への変化及び乱反 射が同時に行われることによって、光ファイバの出射側の断面において、全体的 に均一化されたレーザービームを得ることができる。 第１０図においては、出射側の断面を通過し、均一なエネルギー分布状態で出 射させられたレーザービームが、無数次凸レンズによって必要な大きさに調整さ れ、所要の照射位置に着像させられる状態が示される。この場合、材料を加工し たり計測を行ったりするために、光ファイバＦの出射側の断面Ｇにおける均一な 分布状態を必要とする照射位置Ｈにおいて、所定の照射面の大きさｄで着像が行 われるようにレーザービームが調整される。 そして、光ファイバの直径をａとし、レーザービームの回転角度をφとし、無 数次レンズＬの有効直径をｈとし、焦点距離をｆとし、出射側断面Ｇから無数次 レンズＬまでの距離をｂとし、無数次レンズＬから必要とする照射位置までの距 離をｌとし、必要とする照射面の大きさをｄとすると、次の関係が成立する。 １／ｌ＋１ｂ＝１／ｆ，ｄ／ａ＋ｌ／ｂ したがって、 ｄ＝ａ×ｌ／ｂ＝（ｌ／ｆ−１）ａ …（９） になる。 なお、レーザービームは、無数次レンズＬの有効直径ｈの範囲内を通過しなけ ればならないので、次の条件を満たす必要がある。 ａ＋ｂφ≦ｈ …（１０） 第１１図はレーザービームの断面のエネルギー分布を測定するための装置の構 成図であり、同期信号発生器１０１からレーザーヘッド１０２及びＣＣＤカメラ １０３に同期信号を送るのと同時に、レーザーヘッド１０２からのレーザービー ムの出射と、ＣＣＤカメラ１０３の瞬間撮影とが同時に行われ、レーザーヘッド １０２から出射されたレーザービームＲは、ビーム分離器１０４によって二つの レーザービームＲに分離させられ、分離させられた一方のレーザービームＲは均 一化されない状態で、無数次凸レンズＬ１によってビームの大きさが調整される 。 また、レーザービームＲは、フィルタ１０５によって透過輝度が調整された後 、ＣＣＤカメラ１０３に照射される。該ＣＣＤカメラ１０３によって撮影された レーザービームの分布状態は、パーソナルコンピュータ１０６によって映像化さ れ、データが分析される。 なお、分離させられた他の一つのレーザービームＲは、無数次凹レンズＬ１に よって集光された後、光ファイバＦに入射され、光ファイバと共に構成された均 一化レーザービーム発生装置１００を通過する間に、均一なエネルギー分布を有 するレーザービームＲに変換され、光ファイバＦから出射される。 そして、出射させられた均一化レーザービームＲは、無数次凹レンズＬ２によ って大きさが調整され、フィルタ１０５により透過輝度が調整された後、ＣＣＤ カメラ１０３によって分布状態が撮影されることにより、レーザービームＲの分 布状態はパーソナルコンピュータ１０６によって映像化され、データが分析され る。 このとき、ＣＣＤカメラ１０３による映像撮影において、未均一化レーザービ ーム及び均一化レーザービームを同時に測定するために、二つのＣＣＤカメラが 同時に使用されるか、又は一つのＣＣＤカメラが交互に使用される。 第１２図は本発明の実施の形態における均一化装置の効果を示し、第１２図（ ａ）は均一化前のレーザービームの中心線に対する一次元エネルギー分布状態、 及び断面の全体における二次元エネルギー分布状態を表す。第１２図（ｂ）は本 発明の実施の形態における均一化レーザービーム発生装置を通過して、エネルギ ー分布が均一化されたレーザービームの中心線に対する一次元エネルギー分布状 態、及び断面全体に対する二次元エネルギー分布状態を表す。 第１２図（ａ）に示される均一化前の通常の均一化レーザービームは、中心部 のエネルギー密度が高く、かつ、非対称の不規則なエネルギー分布を有するので 、通常のレーザーを使用して測定を行う場合は、測定誤差の発生が多い（熱拡散 係数の場合、５〔％〕内外）。したがって、加工、マーキング等においては、加 工精度、生産性等を向上させることが困難になる。また、薄膜等の特殊な溶接を 行ったり、熱処理にレーザービームを使用したりするときに、レーザービームが 不均一なエネルギー分布を有するので、品質を向上させるのに多くの困難を伴う 。 本実施の形態によって達成された、第１２図（ｂ）に示される均一化レーザー ビームは、断面の全体において対称的で均一なエネルギー分布を有するので、測 定の精度を大きく向上させることができる。また、切断、穿孔等の加工の精度を 高くすることができるので、品質及び生産性を向上させることができる。 また、マーキング、溶接、熱処理等を正確に、かつ、均一な作業で行うことが でき、レーザービームの不均一性による不良要因を除去することができ、品質及 び生産性を向上させることができる。 第１３図は、円形曲げによるレーザービームの均一化の効果を調べるために、 光ファイバの直径を変更しながら断面におけるレーザーエネルギー分布を測定し 、最大エネルギー密度に対する許容偏差を表す有効エネルギー率を検討した結果 を示す。 ここで、使用された光ファイバは、コアの直径が１〔ｍｍ〕で、長さが５〔ｍ 〕のステップ・イン光ファイバであり、２回の円形曲げを与えた状態で円形曲げ の直径を４００〔ｍｍ〕、３００〔ｍｍ〕、２００〔ｍｍ〕に変更させながらヤ グ・レーザービームを通過させた。 そして、精密測定及び精密加工を考慮し、５〔％〕以内の偏差を有する各有効 エネルギー率を比較すると、均一化前のレーザービームは有効エネルギー率がほ とんどない状態であるが、光ファイバの曲げ直径を４００〔ｍｍ〕にすると、１ ０〔％〕程度のエネルギーが有効エネルギーとして用いられ、曲げ直径を小さく して２００〔ｍｍ〕にすると、６０〔％〕以上のエネルギーが有効エネルギーと して用いられることになる。 したがって、光ファイバの円形曲げによるレーザービームの均一化が活発に行 われたことが分かる。 第１４図は三次元曲げによるレーザービームの均一化の効果を検証した実験結 果を示し、直径が４００〔ｍｍ〕の円形曲げをそれぞれ一次元で３回、二次元で ３回、三次元で３回与えた場合のレーザービームの分布状態を変化を表す。 そして、エネルギー偏差が５〔％〕以内である有効エネルギー率の変化を見る と、一次元曲げの場合は２０〔％〕程度であるが、三次元曲げになると有効エネ ルギー率が６０〔％〕以上に増加していることが分かり、三次元曲げによるレー ザービームの均一化への効果は明らかである。 第１５図は曲げ直径が４００〔ｍｍ〕の二次元円形曲げを３回与えた状態で、 曲率半径が６０〔ｍｍ〕の円形曲げの方向に局部曲げを３回まで増加させながら 与えたときの、局部曲げの増加に伴うレーザービームの分布状態の変化を示す。 二次元・円形曲げだけを３回与えた状態においては、エネルギー偏差が５〔％〕 以内の有効エネルギー率は３０〔％〕程度であるが、曲率半径が６０〔％〕の局 部曲げを３回追加して与えた結果、有効エネルギー率が６０〔％〕以上に増加す ることが分かり、円形曲げに逆方向ｓの局部曲げを与えると、レーザービームの 均一化が促進されることが分かる。 このように、円形曲げ、三次元曲げ及び局部曲げがレーザービームの均一化に 効果的であることを実験的に明らかにすることができた。したがって、円形曲げ の直径が２４０〔ｍｍ〕で、局部曲げの曲率半径が６０〜７０〔ｍｍ〕である二 重曲げ装置を作成し、レーザービームの均一化効果を実験した結果、第１５図に 示されるような、三次元・円形曲げ＋局部曲げが６箇所（６）という極めて均一 化されたレーザービームを発生させることができた。 このような三次元・二重曲げ装置を使用することによって発生させられた均一 化レーザービームは、全エネルギーの９０〔％〕以上のエネルギー偏差が５〔％ 〕以内に分布されていて、極めて効率的に精密測定、精密加工等を行うのに適し ている。 第１６図に示されるように、本発明の実施の形態において得られた均一化レー ザービームを使用して、標準材料として使用する黒鉛（ＰＯＣＯ ＡＸＭ−５０ １）の熱拡散係数を測定した結果、測定の総合的ばらつきが±３〔％〕の範囲内 に収まり、中央値の曲線から偏差が±０．５〔％〕の範囲内に収まり、レーザー ビームの不均一による誤差が５〔％〕内外に止まる点を考えると、均一化レーザ ービームの効果が極めて大きいことが分かる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パク，ジュン ウー 大韓民国 431―060，キョンギ―ド アン ヤン―シティ，ドンガン―ク，クワンヤン ―ドン，1396―１，ヒューディ―アパー ト．，７―905 (72)発明者 リー，ウォン シク 大韓民国 137―130，ソウル ソチョ― ク，ヤンジェ―ドン，336―７ 【要約の続き】 び該曲げガイドの局部曲げ部に巻き付けられた光ファイ バを局部曲げの形状にするための局部曲げ調整部をそれ ぞれ取り付けて曲げ部を形成し、該二つの曲げ部を互い に直角になるように配列して取り付け、該二つの曲げ部 の曲げガイド面に沿って光ファイバを配列する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．無数次凸レンズを通過させることによって焦点の大きさを最小にし、集光さ れたレーザービームを光ファイバに入射させた後、互いに垂直な第１次面、及び 第２次面（及び第３次面）において円形に曲げられた光ファイバを順に通過させ ることによって、螺旋状への変化及び乱反射による均一化を行い、中心部にある レーザーエネルギーを断面の全体に均一に拡散させたことを特徴とする均一化レ ーザービーム。 ２．レーザービームを凸レンズに通過させ、焦点の大きさを最小にし、集光され たレーザービームを光ファイバに入射させた後、第１次面、及び該第１次面に対 して垂直な第２次面にそれぞれ円形状に曲げられた光ファイバを順に通過させ、 レーザービームの螺旋状への変化及び乱反射による均一化を促進させることによ り、中心部に集中しているレーザーエネルギーを、断面の全体に拡散させてレー ザービームを均一化することを特徴とする均一化レーザービームの発生方法。 ３．レーザービームを凸レンズに通過させ、焦点の大きさを最小にし、集光され たレーザービームを光ファイバに入射させた後、第１次面、該第１次面に対して 垂直な第２次面、及び前記第１次面及び第２次面に対して垂直な第３次面にそれ ぞれ円形状に曲げられた光ファイバを順に通過させ、レーザービームの螺旋状へ の変化及び乱反射による均一化を促進させることにより、中心部に集中している レーザーエネルギーを、断面の全体に拡散させてレーザービームを均一化するこ とを特徴とする均一化レーザービームの発生方法。 ４．前記凸レンズによって集光されたレーザービームは、光ファイバの入射面に 対して垂直に入射させられ、レーザービームが光ファイバに入射させられる際に 、入射面における反射による入射損失が最小にされる請求項２又は３に記載の均 一化レーザービームの発生方法。 ５．前記凸レンズにより集光されたレーザービームの直後に光ファイバの断面が 配設され、レーザービームの入射時に光ファイバの焼損が防止される請求項２又 は３に記載の均一化レーザービームの発生方法。 ６．前記凸レンズにより集光されたレーザービームに、前記第１次面及び第２次 面による円形曲げを、該円形曲げと逆方向に、前記円形曲げより小さい接線長さ 及び曲率半径を有する逆方向局部曲げをそれぞれ与え、螺旋状の光線を光ファイ バの断面の中心部から周縁に拡散させ、曲率半径が小さい局部曲げ面において乱 反射を行わせ、光ファイバを通過するレーザービームの光路を多様化し、光ファ イバの断面の全体にわたって光路の位置変更を促進することによって、レーザー ビームを対称化及び均一化する請求項２又は３に記載の均一化レーザービームの 発生方法。 ７．前記凸レンズによって集光されたレーザービームを光ファイバに入射させる 際の最大入射角は、光ファイバのコアとクラッドとの屈折率を考慮した許容入射 角の１／２以下にされ、レーザービームが光ファイバに入射された後、曲げが与 えられる場合に、コアとクラッドとの境界面で異常屈折による損失が発生しない ようにする請求項２又は３に記載の均一化レーザービームの発生方法。 ８．基板を形成し、該基板には、光ファイバに円形曲げ及び局部曲げを与えるよ うに光ファイバを巻き付けるための曲げガイドと、該曲げガイドの局部曲げ部に 巻き付けられた光ファイバを局部曲げの形状にするための局部曲げ調整部とをそ れぞれ取り付けて曲げ部を形成し、前記二つの曲げ部を互いに直角になるように 配列して取り付け、二つの曲げ部の曲げガイド面に沿って光ファイバを配列する ことを特徴とする均一化レーザービーム発生装置。 ９．基板を形成し、該基板には、光ファイバに円形曲げ及び局部曲げを与えるよ うに光ファイバを巻き付けるための曲げガイドと、該曲げガイドの局部曲げ部に 巻き付けられた光ファイバを局部曲げの形状にするための局部曲げ調整部とをそ れぞれ取り付けて曲げ部を形成し、前記曲げ部を三つ互いに直角になるように配 列して取り付け、三つの曲げ部の曲げガイド面に沿って光ファイバを配列するこ とを特徴とする均一化レーザービーム発生装置。