JPS63157123A - 線状ビ−ム光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザビーム加熱装置に係り、特に、表面焼入
れ２表面層の合金化等比較的大面積の表面処理に好適な
レーザビーム加熱装置用線状ビーム光学系に関する。

〔従来の技術〕

特公昭６０−５４８３８号公報の記載によれば、二分割
反射鏡でビーム分割後、合成反射鏡でビーム内外部を反
転線状ビームに再合成し、重畳割合で強度分布を平坦化
している。特公昭４６−２６０７５号公報では、吸収分
布特性を持つフィルタ、及びセグメンテツド反射鏡では
５部分反射と再合成によりビーム強度の平坦化を行なっ
ているが、夫々に構造が複雑で、光吸収損失、高価格等
実装上の考慮がされていなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、線状ビーム化又はビーム強度の平坦化
等に関しビームの分割、再合成等の考慮はされているが
、構成の複雑さ、レーザビームの利用効率１価格等の面
で実用上の考慮がなされておらず実装上の問題があった
。

本発明の目的は、光ファイバと結合用集光レンズと円柱
レンズで線状ビーム化し、更に、線状ビーム長さ方向の
強度分布を平坦化するもので、線状ビーム長さもコリメ
ータレンズの選択により容易に変化が可能な実用的線状
ビーム光学系を実現することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、レーザビームを光ファイバに導入する際、
集光入射ビームと光ファイバの夫々の光軸を傾斜させて
入射することにより、径方向のエネルギ強度分布を、ガ
ウス状分布からリング状に変換し、円柱レンズで一方向
のみ集束して線状長さ方向のエネルギ強度分布が平坦な
線状ビームを作り出すものである。

線状ビームの長さは、光フアイバ固有の開口数（ＮＡ）
で定まる放射角と、この発散ビームを平行にするコリメ
ータレンズの焦点距離の相互作用で定まる。

〔作用〕

レーザビームは１通常、ガウス分布に近いエネルギ強度
分布し、ビーム中心部のエネルギ密度が大であり、レー
ザビームを円柱レンズで単に線状化しただけでは、更に
中心部のエネルギ密度が高まる傾向となる。

光フアイバ入射集光ビームと光フアイバ光軸を傾斜させ
て、レーザビームを光ファイバに入射すると、光ファイ
バの内部反射特性により、リング状の強度分布に変換さ
れて、光フアイバ開口数に応じた円錐状の放射角をもっ
て放射される。この円錐状ビームを放射する光フアイバ
端面に、任意の焦点距離をもつコリメータレンズの焦点
を合せることにより、焦点距離に応じた直径のリング状
強度分布の平行ビームが得られる。この平行ビームを円
柱レンズでビーム径の一方向のみを集束させることによ
り、平行ビーム径に等しい長さの線状ビームが得られる
。線状ビームの強度分布は、リング状強度分布のビーム
を径方向に集束するため、線状両側を除き平坦化される
。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図により説明する。第１図（ａ
）は、レーザビームの強度分布変換光学系の説明図を示
す、光ファイバ１で、レーザビーム２を伝送する場合、
集光レンズ３により光ファイバの直径以下に絞り込んで
入射させる。

集光レンズ３の集束角４は、光ファイバの最大受光角５
以下とし、入射光光軸６を、光フアイバ光軸７と傾斜し
て入射させ、集束ビーム４が、光フアイバ最大受光角５
の範囲内で、光軸傾斜角８を任意に傾けることにより、
光フアイバ出力端から放射する伝送レーザビームの強度
分布を変化させることができる。

レーザビームは、一般に、ガウス状の強度分布をしてお
り、（ｂ）、（Ｑ）に示すように、断面形状４′１強度
分布４′のレーザビームを、第１図光学系で光伝送する
と、光ファイバの反射特性により、放射ビーム９として
放射され、（ｄ）。

（ｅ）に示すように、ビーム形状９′１強度分布９′に
変換されて円錐状強度分布の放射発散ビーム９となる。

ビーム放射角９は、入射ビームと光ファイバの光軸傾斜
角８の大きさにより定まり、傾斜角８を大きくし、集光
ビーム４の外側円錐面が、最大受光角５に一致した場合
に最大となり、最大放射角５′と伝送ビーム放射角が一
致する。

ガウス状強度分布４′の入射ビームは、光フアイバ内部
反射で整形され、リング状断面形状９′。

エネルギ強度分布９′に変換される。

このリング状強度分布に変換したレーザビームを円柱レ
ンズで集束することにより、強度分布の平坦な線状ビー
ムを作ることができる。

第２図、第３図は、従来例を示すものである。

入射ビーム光軸６と光フアイバ光軸７が一致し、入射ビ
ーム２は、すべて光フアイバ光軸上に集束通過するため
、光フアイバ反射点の接線に垂直な入射面が構成され同
一の人１反射面内で繰り返し反射伝送され（ａ）、入射
ビームの強度分布４″′が保存されて（ｂ）、放射ビー
ム９２強度分布９″′として放射される（Ｃ）。

第３図において、入射ビーム２は、集光レンズ３により
集束角４で、光ファイバ１の端面に絞り込まれ、光フア
イバ内部では平行平面に相当する繰り返し反射の後で、
放射角９とし放射する。また、ビーム中心付近における
入射ビーム１０でも前記と同様に受光角１１が保存され
て放射角１１′として放射される。従って、ビーム断面
形状、エネルギ強度分布は、はぼ入射ビーム特性のまま
で伝送される。

次に、ビームの強度分布変換について、第４図を用いて
説明する。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ビームと光フアイバ光軸が
一致する従来方式の使用方法で、集光レンズ３により集
束された矢印の光線１２は光ファイバの中心、即ち、光
軸を通過するため、光フアイバ反射点における接線に対
し入射面が垂直となる。従って、集光された夫々の光線
は、夫々に同一の入、出射平面内で反射され光フアイバ
端面まで伝送された後に光ファイバから放射され、入射
ビーム特性が保存伝送される。

（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、本発明における線状ビーム
の強度分布を平坦化するための前段階であるリング状ビ
ーム変換方式であり、入射ビーム光軸６と光フアイバ光
軸７を傾斜させて、光結合する所に特徴がある。光フア
イバ内部集光光線の軌跡１３に示すように、光フアイバ
光軸７から外れた点に集光点を定めることにより、リン
グ状強度分布９′に変換することが出来る。第５図（ａ
）。

（ｂ）は、ビーム強度分布変換説明図であり、仮に平行
光Ａ！１４及び１５が、光ファイバ１の端面から入射し
、夫々の反射点１６及び１７で反射されるが、反射点に
おける接線１８．及び１９と入射光線とのなす角が異な
る。従って、平行入射ビーム１４、及び１５の入射角が
異なり、反射光の平行性は夫なねれる。但し、第３図で
説明したように、光フアイバ光軸方向に進行する光の入
、出射角は変化することはなく、直径方向の人、出射角
だけが変化し、光ファイバの内側を螺旋状にビームが回
転しながら光は伝送される。従って、平行入射ビーム１
４．及び１５は、光ファイバの長さ方向の反射点１６′
及び１７′は、光フアイバ光軸に垂直な面内にあり、直
径方向の入２反射角のみが変化し、入射ビームの平行性
が失なわれて、螺旋状にビームが回転しながら伝送する
６反射面は円柱凹レンズに相当し１反射回数を増すごと
に円周方向にビームが発散し究極的には全周に拡がり、
リング状ビーム強度分布に変換される。平行ビーム１４
及び１５の最初の反射点１６　（１６’　）及び１７（
１７’）の間かくは、次の反射点２０（２０’）及び２
１　（２１’　）に示すように円周方向に拡大され、反
射回数と共に全円周に達し、リング状の強度分布に変換
されて、光フアイバ端面まで伝送される。

第６図は１本発明の光学系全体栂成図で、平面＠　（ａ
）、側面図（ｂ）及び各点のビーム形状とエネルギ強度
分布を示す。

レーザ発振器２２の出力レーザビーム２を集光レンズ３
で集光し光ファイバに入射する。光フアイバ入射ビーム
は、断面形状（ｃ）４’強度分布（ｄ）４’であるが、
線状ビーム整形後の強度分布平坦化のため、集光レンズ
と光フアイバ光軸を傾斜させて光ファイバにレーザビー
ムを入射させる。光ファイバからの放射ビーム強度分布
（ｆ）９１は前述の通り、リング状に変換されて１円錐
状の発散ビームとなって放射される。

放射ビームを線状ビームに変換するためコリメータレン
ズ２３と円柱レンズ２５を用いる。

光ファイバとコリメータレンズ２３で構成するビームコ
リメータで線状ビーム、の長さを決定する。

光ファイバは、固有の開口数（ＮＡ）をもっており、Ｎ
Ａ値により放射ビームの発散角が定まる。

従って、コリメータレンズ２３の焦点距離を選定して、
光ファイバ端に焦点を合わせることにより、光ファイバ
８力の発散ビームを平行ビーム２４に変換する。

次に１円柱レンズ２５により線状ビームに整形する０円
柱レンズは円柱軸に垂直成分２６のみが集束され、円柱
軸に平行成分２６′は変化しないため、焦点位１！！２
７においてビーム形状（ｇ）２７′９強度分布（ｈ）２
７’の平坦な線状ビームが得られる。

線状ビームの長さは、コリメータレンズ２３の焦点距離
の変更により、容易に平行ビーム径を変えること、即ち
、ビームの長さを変更できる。

更に、円柱レンズの光軸を、レーザビーム光軸に垂直面
内で回転することにより、ｍ状ビームの方向を任意の方
向に設定することができる。

強度分布を更に平坦化するには、円柱レンズ。

又は、プリズム等でリング状から楕円状ビームに変換し
、更に、短径方向を集束させることで達成することが出
来る。

光フアイバ以後の光学要素は同一光軸上に配列されてい
るため、光学系全体の回転、又は、レーザビームの光軸
に直交して配置した円柱レンズの回転によりビーム進行
方向に対し、直交する線状ビームの方向を任意に回転す
ることが可能である。

光ファイバの可撓性によるビーム放射方向の自由度、線
状方向の任意設定、ビーム長さの変更容易等も含め実装
上の自由度が大きく、性能向上。

経済的にもすぐれた効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ビーム強度分布の平坦な線状ビームが
得られるため、広範囲にわたる比較的大きな面積の均一
な熱処理、調質等が容易となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のビーム強度変換。 光フアイバ入射光学系説明図、第２図、第３図は従来の
光フアイバ使用例説明図、第４図、第５図はビーム強度
変換、原理説明図、第６図は本発明の光学系全体構成説
明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、集光レンズと光フアイバとコリメータレンズ及び円
   柱レンズにより構成する線状ビーム発生光学系において
   、 前記光フアイバの開口数よりも集束角の小さい集束ビー
   ムの光軸がフアイバ光軸から離れた所に入射することに
   よりフアイバ出射光をリング状の光強度分布に変換し、
   前記コリメータレンズで円筒状強度分布の平行ビームと
   し、更に前記円柱レンズにより前記線状ビームに集束し
   て線状長さ方向の強度分布を平坦化することを特徴とす
   る線状ビーム光学系。