JPWO2019176502A1 - レーザ発振器、それを用いたレーザ加工装置及びレーザ発振方法 - Google Patents
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Abstract
レーザ発振器は、複数のレーザモジュールと、複数のレーザモジュールから出射された複数のレーザビーム（ＬＢ１〜ＬＢ４）を結合して結合レーザビームとして出射するビーム結合器（１２）と、集光レンズを有し、結合レーザビームを所定のビーム径になるように集光して伝送ファイバに導光する集光レンズユニットと、を備えている。ビーム結合器（１２）は、レーザビーム（ＬＢ１〜ＬＢ４）の光路を変更可能に構成された光学部材（ＯＣ１〜ＯＣ４）を有している。光学部材（ＯＣ１〜ＯＣ４）によってレーザビーム（ＬＢ１〜ＬＢ４）の光路を変更することで、集光レンズの位置を調整することなく、伝送ファイバから出射される結合レーザビームのビームプロファイルを変化させる。
Description
本開示は、レーザ発振器、それを用いたレーザ加工装置及びレーザ発振方法に関する。
近年、ダイレクトダイオードレーザ（Direct Diode Laser；以下、ＤＤＬという）の高出力化に伴い、ＤＤＬを用いたレーザ加工装置の開発が加速している。ＤＤＬは複数のレーザモジュールから出射されたレーザビームを結合することで数ｋＷを超える高い出力を得ることができる。ビーム結合器から出射された結合レーザビームは、伝送ファイバを介して、任意の地点に設置された加工ヘッドに導光される。このとき、ビーム結合器から出射された結合レーザビームは、伝送ファイバのコアに収まるスポット径まで集光レンズで集光された後に伝送ファイバに入射される。
ところで、レーザ加工装置での加工対象物であるワークは薄板から厚板まで広範囲に渡るようになっている。しかし、良好な加工を実現するにはビーム出力及び各種施工条件だけでなく、ビームプロファイルも重要な要素となる。例えば、薄板を高速で切断する際には、高出力の結合レーザビームをより小さいスポット径に集光することが求められる。この場合は、伝送ファイバから出射される結合レーザビームは、ガウシアン形状のビームプロファイルが適している。また、加工条件に応じて、伝送ファイバのコア径は小さくすることが好ましい。一方、厚板を切断するためには、薄板切断時よりも広い切断幅を確保するために、ある程度の大きさのスポット径に集光する必要がある。加えて良好な切断面を得るには単純なガウシアンビームよりも適したビームプロファイルが存在する。
そこで、特許文献１には、伝送ファイバの入射部の近傍に集光レンズを設け、入射部側で、伝送ファイバに入射される結合レーザビームのスポット径を変更することで、伝送ファイバから出射される結合レーザビームのビームプロファイルを調節可能にする構成が開示されている。
しかし、特許文献１に開示された従来の構成では、集光レンズの位置を調整することでビームプロファイルを変更する。そのため、集光レンズの位置の微調整が必要であり、また、この微調整を可能にする集光レンズの位置制御装置が必要であった。このような構成は、集光レンズの精密な位置制御のために位置制御装置が複雑化するとともに、高価になるおそれがあった。
本開示はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は、より簡便な構成で伝送ファイバから出射される結合レーザビームのビームプロファイルを変更可能なレーザ発振器、それを用いたレーザ加工装置及びレーザ発振方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本開示に係るレーザ発振器は、レーザビームをそれぞれ発する複数のレーザモジュールと、複数のレーザモジュールから出射された複数のレーザビームを結合して結合レーザビームとして出射するビーム結合器と、集光レンズを有し、結合レーザビームを所定のビーム径になるように集光して伝送ファイバに導光する集光ユニットと、を備えたレーザ発振器であって、ビーム結合器は、複数のレーザモジュールから受け取った複数のレーザビームのうち、少なくとも一つのレーザビームの光路を変更可能に構成された光路変更手段を有し、光路変更手段によってレーザビームの光路を変更することで、集光レンズの位置を調整することなく、伝送ファイバから出射される結合レーザビームのビームプロファイルを変化させることを特徴とする。
この構成によれば、伝送ファイバから出射される結合レーザビームのビームプロファイルをより簡便に変化させることができる。
また、本開示に係るレーザ加工装置は、上記のレーザ発振器と、伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザビーム出射ヘッドと、光路変更手段の動作を制御する制御部と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
この構成によれば、加工内容や加工対象物の形状等に応じたビームプロファイルを得ることができ、所望の品質のレーザ加工を行うことができる。
また、本開示に係るレーザ発振方法は、伝送ファイバに接続され、複数のレーザモジュールと集光レンズとを備えるレーザ発振器におけるレーザ発振方法であって、複数のレーザモジュールから出射された複数のレーザビームを結合して結合レーザビームとして出射するビーム結合ステップと、結合レーザビームを所定のビーム径になるように集光レンズにより集光して伝送ファイバに導光する集光ステップと、ビーム結合ステップにおいて、複数のレーザモジュールから受け取った複数のレーザビームのうち、少なくとも一つのレーザビームの光路を変更することで、集光レンズの位置を調整することなく、伝送ファイバから出射される結合レーザビームのビームプロファイルを変化させるビームプロファイル変更ステップと、を有することを特徴とするレーザ発振方法。
この方法によれば、伝送ファイバから出射される結合レーザビームのビームプロファイルをより簡便に変化させることができる。
本開示によれば、伝送ファイバから出射される結合レーザビームのビームプロファイルをより簡便に変更することができる。
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
（実施形態１）
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成の模式図である。また、図２は、ビーム結合器１２の内部構成の部分的模式図である。なお、図２では、後述する複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のうち、レーザビームＬＢ１が進行する部分のみを示している。また、以降の説明において、図２における複数のレーザモジュール１１からビーム結合器１２へ入射されるレーザビームＬＢ１の進行方向をＸ方向、ミラーＭ１で反射されたレーザビームＬＢ１がミラーＭ２に向かう方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向と直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成の模式図である。また、図２は、ビーム結合器１２の内部構成の部分的模式図である。なお、図２では、後述する複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のうち、レーザビームＬＢ１が進行する部分のみを示している。また、以降の説明において、図２における複数のレーザモジュール１１からビーム結合器１２へ入射されるレーザビームＬＢ１の進行方向をＸ方向、ミラーＭ１で反射されたレーザビームＬＢ１がミラーＭ２に向かう方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向と直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。
レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０とレーザビーム出射ヘッド３０と伝送ファイバ４０と制御部５０と電源６０とを備えている。レーザ発振器１０と伝送ファイバ４０のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４が入射される端部（以下、単に入射端という。）は筐体７０内に収容されている。
レーザ発振器１０は、複数のレーザモジュール１１とビーム結合器１２と集光レンズユニット（集光ユニット）２０と、を有している。複数のレーザモジュール１１は、それぞれが異なる波長のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４を発する複数のレーザダイオード又はレーザアレイからなる。複数のレーザモジュール１１からそれぞれ出射された異なる波長のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４をビーム結合器１２で一つのレーザビーム（以下、結合レーザビームという）に結合する。また、結合レーザビームは、集光レンズユニット２０に配設された集光レンズ２１によって集光され、所定の倍率でビーム径が縮小されて伝送ファイバ４０に入射される。レーザ発振器１０をこのような構成とすることで、レーザビーム出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ加工装置１００を得ることができる。また、レーザ発振器１０は、後述する電源６０から電力が供給されてレーザ発振を行い、伝送ファイバ４０に入射された結合レーザビームが、伝送ファイバ４０の結合レーザビームが出射される端部（以下、単に出射端という）から出射される。
ビーム結合器１２は、内部に複数のミラーＭ１〜Ｍ５（図２，４参照）と、複数の光学部材（光路変更手段）ＯＣ１〜ＯＣ４（図２，４参照）と、を有している。各ミラーＭ１〜Ｍ５は、複数のレーザモジュール１１からそれぞれ出射されたレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４をレーザビーム出射部ＬＯ（図２，４参照）に導光するように、各々のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路に対して傾斜して配置されている。また、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４は、石英ガラス製の平行平板状の部材であり、複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のいずれに対しても透明である。また、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４は所定のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路上の所定の位置（第１位置）と光路外の所定の位置（第２位置）との間を移動可能に設けられている。図２に示すように、光学部材ＯＣ１が第１位置（点線で示す光学部材ＯＣ１の位置）にある場合と第２位置（実線で示す光学部材ＯＣ１の位置）にある場合とで、レーザビームＬＢ１の光路は、点線で示す矢印の光路と実線で示す矢印の光路とに切り替えられて変更される。このことについては後で詳述する。なお、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４を移動させるアクチュエータに関しては図示及びその説明を省略している。
集光レンズユニット２０は、内部に集光レンズ２１を有しており、集光レンズ２１は、伝送ファイバ４０の入射端において、後述する第１コア４１及び第２コア４２のコア径の和よりも小さいスポット径となるように結合レーザビームを集光する。また、集光レンズユニット２０は図示しないコネクタを有し、コネクタには伝送ファイバ４０の入射端が接続されている。
伝送ファイバ４０は、レーザ発振器１０の集光レンズ２１に光学的に結合され、集光レンズ２１を介してレーザ発振器１０から受け取った結合レーザビームをレーザビーム出射ヘッド３０に伝送する。また、伝送ファイバ４０は軸心に断面が略円形状の第１コア４１を有している。また、伝送ファイバ４０は、第１コア４１の外周面に接して、第１コア４１と同軸に設けられた第２コア４２を有している。結合レーザビームが第１コア４１及び第２コア４２の少なくとも一方に入射することで、結合レーザビームは伝送ファイバ４０の出射端に伝送される。
また、伝送ファイバ４０には、第２コア４２の外周面に接して、第１コア４１及び第２コア４２と同軸にクラッド４３が設けられており、クラッド４３の屈折率は第１コア４１及び第２コア４２の屈折率よりも低くなるように構成されている。また、第１コア４１は第２コア４２よりも屈折率が高くなるように構成されている。本実施形態では、第１コア４１の材質を石英ガラス（屈折率：約１．４５）とし、第２コア４２の材質をフッ素がドープされた石英ガラス（屈折率：約１．４４５）としている。また、クラッド４３の材質を第２コア４２よりも高濃度にフッ素がドープされた石英ガラス（屈折率：約１．４３）としている。なお、第１コア４１及び第２コア４２の材質をいずれも石英ガラスとして、第１コア４１と第２コア４２との間に、第１コア４１と第２コア４２より屈折率の低い、フッ素がドープされた石英ガラスの低屈折率層を挿入するようにしてもよい。
なお、上述では、伝送ファイバ４０は、第１コア４１の外周面に接して、第１コア４１と同軸に設けられた第２コア４２を有し、さらに第２コア４２の外周面に接して、第１コア４１及び第２コア４２と同軸にクラッド４３が設けられているとしたが、第２コア４２をクラッドとしても良い。言い換えると、第1コア４１の外周面に接して、第１コア４１と同軸に設けられた第１クラッドを有し、さらに第１クラッド（第２コア４２）の外周面に接して、第１コア４１及び第１クラッドと同軸に第２クラッド（クラッド４３）が設けられているとしても良い。
伝送ファイバ４０をこのような構成とすることで、集光レンズユニット２０から入射した結合レーザビームは第１コア４１及び第２コア４２内で又は第２コア４２内で全反射され、伝送ファイバ４０の出射端から出射される。つまり、第１コア４１及び第２コア４２の少なくとも一方は結合レーザビームの光導波路として機能し、クラッド４３は、結合レーザビームを光導波路である第１コア４１及び第２コア４２内に閉じ込める光閉じ込め部として機能する。なお、図示しないが、クラッド４３の表面は被膜で覆われている。
レーザビーム出射ヘッド３０は、伝送ファイバ４０で伝送された結合レーザビームを外部に向けて照射する。例えば、図１に示すレーザ加工装置１００では、所定の位置に配置された加工対象物であるワーク（図示せず）に向けて結合レーザビームを出射する。
制御部５０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された電源６０に対して出力電圧やオン時間等の制御信号を供給することにより、各々のレーザモジュール１１のレーザ発振制御を行う。各々のレーザモジュール１１に対して個別にレーザ発振制御を行うことも可能である。例えば、レーザモジュール１１毎にレーザ発振出力やオン時間等を異ならせるようにしてもよい。また、制御部５０は、ビーム結合器１２内に配置された光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４の動作、具体的には、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４に連結されたアクチュエータ（図示せず）の動作を制御する。なお、制御部５０は、レーザビーム出射ヘッド３０が取り付けられたマニピュレータ（図示せず）の動作を制御してもよい。
電源６０は、上述したように、レーザ発振を行うための電力をレーザ発振器１０、具体的には、複数のレーザモジュール１１のそれぞれに対して供給する。制御部５０からの指令により、各々のレーザモジュール１１に供給される電力を異ならせるようにしてもよい。また、電源６０は、レーザ加工装置１００の可動部に対してそれぞれ電力を供給するようにしてもよいし、レーザ加工装置１００の可動部向けには別の電源（図示せず）から電力を供給するようにしてもよい。
［結合レーザビームのビームプロファイルについて］
図１に示すレーザ加工装置１００を用いてレーザ加工を行う場合に、加工対象物及び加工内容によって、結合レーザビームのビームプロファイルを変化させる場合が生じうる。このような場合に、伝送ファイバ４０の入射端における結合レーザビームの入射位置を変えることで伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを変化させることができる。以下では、説明を容易にするため、集光レンズ２１の位置を調整することで結合レーザビームの光路を変える従来の方法を用いた場合について、図３Ａ〜３Ｃを用いて、ビームプロファイルがどのように変化するかをまず説明する。
図１に示すレーザ加工装置１００を用いてレーザ加工を行う場合に、加工対象物及び加工内容によって、結合レーザビームのビームプロファイルを変化させる場合が生じうる。このような場合に、伝送ファイバ４０の入射端における結合レーザビームの入射位置を変えることで伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを変化させることができる。以下では、説明を容易にするため、集光レンズ２１の位置を調整することで結合レーザビームの光路を変える従来の方法を用いた場合について、図３Ａ〜３Ｃを用いて、ビームプロファイルがどのように変化するかをまず説明する。
図３Ａ〜３Ｃは、結合レーザビームの光路（入射位置）と伝送ファイバ４０から出射された結合レーザビームのビームプロファイルとの関係を示す模式図である。なお、伝送ファイバ４０として、図１，２に示す構造、つまり、第１コア４１及び第２コア４２を有する２重コア構造の光ファイバを用いた例で説明する。
図３Ａの左下に示すように、第１コア４１のコア径に収まるように集光レンズ２１の位置を調整した上で、結合レーザビームを伝送ファイバ４０に入射する。すると、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルは、単峰状のガウシアン分布となる（図３Ａの右下参照）。なお、本願明細書において「ビームプロファイル」は、レーザビーム強度の空間分布を意味する。図３Ａ〜３Ｃでは、レーザビーム強度はＺ方向の波形変化で示されており、空間分布はＸ方向の波形変化で示されている。なお、図示しないが、本実施形態では、Ｙ方向の波形変化もＸ方向の波形変化と同様である。ただし、Ｘ方向とＹ方向とで空間分布が異なっていてもよい。
一方、図３Ｂに示すように、集光レンズ２１を結合レーザビームの光路と交差する方向、この場合はＺ方向に所定量移動させると、結合レーザビームは第１コア４１だけでなく第２コア４２にも入射するようになる（図３Ｂの左下参照）。すると、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルは、３つのピークを有する形状となり、かつ、図３Ａに示す場合と比べてビームプロファイルの半値幅は大きくなる（図３Ｂの右下参照）。
図３Ｂの状態から、さらに、集光レンズ２１をＺ方向に移動させると、結合レーザビームは第２コア４２のみに入射するようになる（図３Ｃの左下参照）。すると、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルは、２つのピークを有する形状となる。また、図３Ａに示す場合と比べてビームプロファイルの半値幅は大きくなるが（図３Ｃの右下参照）、図３Ｂに示す場合よりもビームプロファイルの半値幅は小さくなる。
このように、結合レーザビームを伝送ファイバ４０へ導光するための集光レンズ２１の位置を調整することで、伝送ファイバ４０の入射端におけるレーザビーム入射位置を変化させて、第１コア４１を伝搬する結合レーザビームと第２コア４２を伝搬する結合レーザビームとの割合を調整できる。また、図３Ａ〜３Ｃに示すように、集光レンズ２１の位置を連続的に変化させることで、結合レーザビームのビームプロファイルを無段階で調整して、所望のビームプロファイルを得ることができる。
［結合レーザビームのビームプロファイル変更動作］
しかし、伝送ファイバ４０の第１コア４１のコア径は、通常、数十μｍ〜百数十μｍ程度と小さく、図３Ａ〜図３Ｃに示すように結合レーザビームのビームプロファイルを変化させるためには、伝送ファイバ４０に結合レーザビームを入光させる集光レンズ２１の位置を精密に調整する必要があり、位置制御が複雑になる。また、位置調整のための位置制御装置も高価なものとなる。
しかし、伝送ファイバ４０の第１コア４１のコア径は、通常、数十μｍ〜百数十μｍ程度と小さく、図３Ａ〜図３Ｃに示すように結合レーザビームのビームプロファイルを変化させるためには、伝送ファイバ４０に結合レーザビームを入光させる集光レンズ２１の位置を精密に調整する必要があり、位置制御が複雑になる。また、位置調整のための位置制御装置も高価なものとなる。
そこで、本開示では、複数のレーザモジュール１１から出射された複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のうち、少なくとも一つのレーザビームの光路を光学部材によって変更することで、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを変化させる構成を提案する。
図４は、本実施形態に係るレーザ発振時のビーム結合器１２の内部構成の模式図である。また、図５は、光路変更時の結合レーザビームのビームプロファイルの模式図である。なお、本実施形態では、４つのレーザモジュール１１からそれぞれ出射されたレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４をビーム結合器１２内で一つの結合レーザビームに結合し、集光レンズユニット２０に向けて出射する例を示している。しかしながら、レーザモジュール１１の個数及び出射されるレーザビームの本数は特にこれに限定されない。また、図５に示すビームプロファイルは、図３Ａ〜３Ｃに示すビームプロファイルと同様に、Ｘ方向及びＺ方向で規定される平面での変化を記している。
図４に示すように、ビーム結合器１２には４本のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４に対応するレーザビーム入射部ＬＩ１〜ＬＩ４と結合レーザビームが出射されるレーザビーム出射部ＬＯとが設けられている。また、ビーム結合器１２には５つのミラーＭ１〜Ｍ５がそれぞれ、レーザビーム入射部ＬＩ１〜ＬＩ４近傍でのレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路に対して所定の角度をなすように配置されている。また、レーザビーム入射部ＬＩ１〜ＬＩ４とミラーＭ１〜Ｍ４との間にはそれぞれ光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４が配置されている。光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４は、その表面がレーザビーム入射部ＬＩ１〜ＬＩ４近傍での対応するレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路に対して０°よりも大きく９０°よりも小さい所定の角度をなすようにそれぞれ配置されている。また、前述したように、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４は、対応するレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路上の第１位置と光路外の第２位置との間を移動可能にそれぞれ設けられている。
まず、全ての光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４が対応するレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路外、つまり第２位置にある場合を考える。ビーム結合器１２に４本のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４が入射されると、レーザビーム入射部ＬＩ１から入射したレーザビームＬＢ１は、ミラーＭ１で反射されてミラーＭ２に向かって進行する。レーザビームＬＢ１はミラーＭ２でさらに反射されてレーザビーム出射部ＬＯに向かって進行する。同様に、レーザビームＬＢ３は、ミラーＭ３とミラーＭ５とでそれぞれ反射されてレーザビーム出射部ＬＯに向かって進行し、レーザビームＬＢ４は、ミラーＭ４とミラーＭ５とでそれぞれ反射されてレーザビーム出射部ＬＯに向かって進行する。一方、レーザビーム入射部ＬＩ２から入射したレーザビームＬＢ２は、直進してそのままレーザビーム出射部ＬＯに向かって進行する。その結果、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４は、レーザビーム出射部ＬＯ近傍において光軸が近接した状態となり、一つの結合レーザビームとしてレーザビーム出射部ＬＯから出射される。よって、図５のパターンＡに示すように、結合レーザビームのビームプロファイルは単峰状のガウシアン分布となる。なお、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光軸は完全に一致するわけではないので、結合レーザビームはレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のそれぞれよりも空間的に拡がった形状のビームプロファイルとなる。
次に、全ての光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４が対応するレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路外、つまり第２位置にある状態から、光学部材ＯＣ１のみをレーザビームＬＢ１の光路上、つまり第１位置に移動させた場合について考える。この場合、光学部材ＯＣ１の屈折率（石英ガラスとして約１．４５）は、レーザビームＬＢ１が通過する空間の屈折率（空気中として約１）よりも高いため、レーザビームＬＢ１が光学部材ＯＣ１に入射すると、屈折されて光学部材ＯＣ１内での光路が変更される。同様に、レーザビームＬＢ１が光学部材ＯＣ１から出射されると、屈折されてレーザビームＬＢ１の光路が変更される。つまり、光学部材ＯＣ１がレーザビームＬＢ１の光路上にある場合と光路外にある場合とでは、レーザビームＬＢ１の光路が変更され、結合レーザビームにおいて、レーザビームＬＢ１は他の３本のレーザビームＬＢ２〜ＬＢ４と光軸がずれた状態となる。また、光学部材ＯＣ１の屈折率及び厚みは、レーザビームＬＢ１の光路に光学部材ＯＣ１が挿入された場合にレーザビームＬＢ１が第２コア４２に入射されるように設定されている。よって、図５のパターンＢに示すように、レーザビームＬＢ２〜ＬＢ４が第１コア４１に入射される一方、レーザビームＬＢ１は第２コア４２に入射される。この結果、図５のパターンＢに示すように、結合レーザビームのビームプロファイルは、単峰状のガウシアン分布の両側にピークが発生し、３つのピークを有する形状となる。また、各々のピークの高さは、パターンＡに示すビームプロファイルの高さよりも低くなる。さらに、図５のパターンＢに示すビームプロファイルは、パターンＡに示すビームプロファイルよりもＸ方向で拡がった波形形状となる。
なお、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４のいずれか１つを、対応するレーザビームの光路上に配置することで、図５のパターンＢに示すビームプロファイルを得ることができる。また、光学部材ＯＣ２〜ＯＣ４の屈折率及び厚みも、対応するレーザビームの光路に光学部材ＯＣ２〜ＯＣ４がそれぞれ挿入された場合に、当該対応するレーザビームが第２コア４２に入射されるように設定されている。
次に、全ての光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４が対応するレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路外、つまり第２位置にある状態から、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４のうち２つを、対応するレーザビームの光路上に配置する場合、例えば、光学部材ＯＣ１，ＯＣ２をレーザビームＬＢ１，ＬＢ２の光路上にそれぞれ配置する場合について考える。
この場合は、光学部材ＯＣ１，ＯＣ２によってレーザビームＬＢ１，ＬＢ２の光路がそれぞれ変更されることで、レーザビームＬＢ１，ＬＢ２は第２コア４２に入射される。その結果、図５のパターンＣに示すように、結合レーザビームのビームプロファイルは、３つのピークを有する形状となる。また、３つのピークのうち中央のピークの高さは、パターンＢに示すビームプロファイルの対応する箇所の高さよりも低くなるが、その両側のピークの高さは、パターンＢに示すビームプロファイルの対応する箇所の高さよりも高くなる。これは、パターンＢに示す場合に比べて、第２コア４２への結合レーザビームの入射量が増加したためである。
また、全ての光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４が対応するレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路外、つまり第２位置にある状態から、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４のうち３つを、対応するレーザビームの光路上に配置する場合、例えば、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ３をレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３の光路上にそれぞれ配置する場合について考える。この場合、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ３によってレーザビームＬＢ１〜ＬＢ３の光路がそれぞれ変更されることで、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ３は第２コア４２に入射される。その結果、図５のパターンＤに示すように、結合レーザビームのビームプロファイルは、３つのピークを有する形状となる。また、３つのピークのうち中央のピークの高さは、パターンＣに示すビームプロファイルの対応する箇所の高さよりも低くなるが、その両側のピークの高さは、パターンＣに示すビームプロファイルの対応する箇所の高さよりも高くなる。これは、パターンＣに示す場合に比べて、第２コア４２への結合レーザビームの入射量が増加したためである。また、パターンＣの場合には、結合レーザビームのビームプロファイルは中央のピークよりもその両側のピークが高くなる。
図４に示すように、全ての光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４が対応するレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路外、つまり第２位置にある状態から、全ての光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４が対応するレーザビームの光路上、つまり第１位置に配置する場合には、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４によってレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路がそれぞれ変更されることで、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４はすべて第２コア４２に入射される。その結果、図５のパターンＥに示すように、結合レーザビームのビームプロファイルは、２つのピークを有する形状となる。これは、第１コア４１に入射されるレーザビームが存在しないためであり、２つのピークの高さは、パターンＤに示すビームプロファイルのうち、両側のピークの高さよりも高くなる。
［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ発振器１０は、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４をそれぞれ発する４つのレーザモジュール１１と、４つのレーザモジュール１１から出射された４つのレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４を結合して結合レーザビームとして出射するビーム結合器１２と、集光レンズ２１を有し、結合レーザビームを所定のビーム径になるように集光して伝送ファイバ４０に導光する集光レンズユニット２０と、を備えている。ビーム結合器１２は、４つのレーザモジュール１１から受け取った４つのレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のうち、少なくとも一つのレーザビームの光路を変更可能に構成された光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４を有している。光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４によってレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路の少なくとも一つを変更することで、集光レンズ２１の位置を調整することなく、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを変化させている。
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ発振器１０は、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４をそれぞれ発する４つのレーザモジュール１１と、４つのレーザモジュール１１から出射された４つのレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４を結合して結合レーザビームとして出射するビーム結合器１２と、集光レンズ２１を有し、結合レーザビームを所定のビーム径になるように集光して伝送ファイバ４０に導光する集光レンズユニット２０と、を備えている。ビーム結合器１２は、４つのレーザモジュール１１から受け取った４つのレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のうち、少なくとも一つのレーザビームの光路を変更可能に構成された光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４を有している。光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４によってレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路の少なくとも一つを変更することで、集光レンズ２１の位置を調整することなく、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを変化させている。
レーザ発振器１０をこのような構成とすることで、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを簡便に変化させることができ、レーザ加工内容や加工対象物の形状等に応じたビームプロファイルを得ることができる。このことにより、所望の品質のレーザ加工を行うことができる。
例えば、薄い鋼板をレーザ加工装置１００で切断加工する場合には、切断箇所でのエネルギー密度を高めて行うほうがよく、また、切断幅は狭いほうがよい。よって、図５のパターンＡに示すように、ビームプロファイルを単峰状のガウシアン分布に制御するのが好ましい。一方、厚い鋼板をレーザ加工装置１００で切断加工する場合には、鋼板の厚みに対応させて切断幅もある程度広くとる必要がある。従って、図５のパターンＢ〜Ｅに示すように、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４によってレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路の少なくとも一つを変更させて、第２コア４２に入射させるようにすることで、ビームプロファイルを空間的に拡がった形状に制御するのが好ましい。また、レーザによる切断加工において、加工対象物であるワークからスパッタが飛散して、ワークに再付着し、加工品質を低下させる場合がある。パターンＢ〜Ｅに示すビームプロファイルのいずれかを選択することで、このようなスパッタの発生を抑制することが可能となる。一般的には、レーザビーム強度を示すビームプロファイルのピーク高さが低くなるほうがスパッタの発生を抑制しやすくなる。
また、伝送ファイバ４０は、光導波路として機能する第１コア４１とその外周面に接して第１コア４１と同軸に設けられ、光導波路として機能する第２コア４２と、第２コア４２の外周面に接して第１コア４１及び第２コア４２と同軸に設けられたクラッド４３と、を少なくとも有している。集光レンズユニット２０は、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路が光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４によって変更されていないときは、伝送ファイバ４０の第１コア４１にレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４を導光し、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路が光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４によって変更されているときは、光路変更されたレーザビームを第２コア４２に導光する。すなわち、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４を用いることで、第１コア４１のみに結合レーザビームを導光することも、第１コア４１及び第２コア４２に、又は第２コア４２のみに結合レーザビームを導光することも可能となる。従って、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを簡便に変化させることができる。
光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４は、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路を所定の距離だけ平行にシフトさせるように構成されている。光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４をこのような構成とすることで、光路変更後のレーザビームの光路が正確に規定されるため、伝送ファイバ４０の第１コア４１及び第２コア４２に入射するレーザビームの割合を正確にかつ再現性よく調整することができる。また、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４をレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４に対して透明な平行平板状の部材とすることで、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路を所定の距離だけ平行にシフトさせることができる。
また、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４は、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路に対して所定の角度をなすように設けられており、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路上の第１位置と光路外の第２位置との間を移動可能に設けられている。光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４をこのような構成とすることで、光路変更後の伝送ファイバ４０と結合レーザビームの光学結合調整に関し、十分な裕度を確保することができる。また、集光レンズ２１の位置やビーム結合器１２内のミラーＭ１〜Ｍ５の角度を微調整してレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路を変更せずに済み、簡便な構成で、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを変化させることが可能となる。
前述したように、ビーム結合器１２のレーザビーム出射部ＬＯ近傍において、複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のそれぞれの光軸は完全には一致していないため、結合レーザビームは空間的に拡がった形状のビームプロファイルとなる。つまり、結合レーザビームのビーム径は、複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のそれぞれのビーム径よりも大きくなる。例えば、本実施形態に示すように、出力が１ｋＷのレーザモジュール１１を４個用いて結合レーザビームを生成する場合、そのビーム径は８０μｍ程度に留まる。従って、この結合レーザビームを所定の裕度を持って伝送ファイバ４０の第１コア４１に入射させるには、第１コア４１のコア径は最小でも１００μｍ程度必要である。一方、第２コア４２のコア径は、通常、第１コア４１のそれよりも大きく取ることができる。第１コア４１のコア径は、第１コア４１内での光密度を可能な限り高めるため、より小さいことが求められ、それに対して第２コア４２では光の密度を分散させるために第１コア４１よりも大きなコア径を選択することが多いからである。例えば、第２コア４２のコア径を３６０μｍとすると、伝送ファイバ４０の半径方向において、第２コア４２の幅は１３０μｍとなる。第１コア４１に結合レーザビームを全て入射させる場合よりも、第２コア４２に結合レーザビームを入射させるほうが伝送ファイバ４０と結合レーザビームの光学結合調整に関し裕度がある。第２コア４２のコア径は第１コア４１のコア径の３倍以上であることが好ましい。
また、対応するレーザビームに対する光学部材の角度を含めて、レーザ発振器１０の光学系の配置を初期に調整しておけばよい。すなわち、例えば、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４が全て光路外にある場合に結合レーザビームが第１コア４１に全て入射するようにしておけば、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路に対して光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４を挿入又は退避させるという簡便な動作でレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路を変更できる。また、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４の移動前後の配置についても高い精度は要求されない。例えば、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４をレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路上の第１位置に移動させる場合に、その位置が目標値よりも１０％以上ずれたとする。この場合でも、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４は、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路に対してそれぞれ０°よりも大きく９０°よりも小さい所定の角度をなしているため、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４によって変更された後のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路に影響を与えない。このことにより、結合レーザビームのビームプロファイルを簡便にかつ再現性よく変化させることができる。
また、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、上記のレーザ発振器１０と、伝送ファイバ４０の出射端に取付けられたレーザビーム出射ヘッド３０と、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４の動作を制御する制御部５０と、を少なくとも備えている。
レーザ加工装置１００をこのような構成とすることで、レーザビーム出射ヘッド３０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを簡便にかつ再現性よく変化させて、レーザ加工内容や加工対象物の形状等に応じたビームプロファイルを得ることができる。このことにより、所望の品質のレーザ加工を行うことができる。
＜変形例＞
図６は、本変形例に係る光学部材の光路変更動作の模式図を示す。
図６は、本変形例に係る光学部材の光路変更動作の模式図を示す。
本変形例に示す構成と実施形態１に示す構成との違いは、光路変更前後での光学部材ＯＣ１の変位態様にある。実施形態１においては、光学部材ＯＣ１をレーザビームＬＢ１の光路上の第１位置に配置することで、大気と光学部材ＯＣ１との屈折率の差を利用して、レーザビームＬＢ１の光路を変更するようにしている。一方、本変形例においては、光学部材ＯＣ１を予めレーザビームＬＢ１の光路上の第１位置に配置し、レーザビームＬＢ１は第１コア４１に入射される。光路変更時には、光学部材ＯＣ１をレーザビームＬＢ１の光軸の周りに所定の角度、この場合は、９０°回転させることで、レーザビームＬＢ１の光路を変更するようにしている。すなわち、レーザビームＬＢ１は第２コア４２に入射されることになる。
図６に示すように、レーザビームＬＢ１の光路に対して光学部材ＯＣ１のなす角度が変化することにより、光学部材ＯＣ１内でのレーザビームＬＢ１が屈折される方向が変化し、その結果、光学部材ＯＣ１から出射されるレーザビームＬＢ１の光路が変更される。
本変形例によれば、実施形態１と同様に、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを簡便にかつ再現性よく変化させることができ、レーザ加工内容や加工対象物の形状等に応じたビームプロファイルを得ることができる。このことにより、所望の品質のレーザ加工を行うことができる。また、光学部材ＯＣ１を移動させる空間を小さくできるため、ビーム結合器１２を小型化して、レーザ発振器１０の省スペース化が可能となる。なお、本変形例では、光学部材ＯＣ１の回転角度を９０°としたが、他の角度であってもよい。
（実施形態２）
図７は、本実施形態に係るビーム結合器１２Ａの内部構成の模式図を示し、図８は、光路変更時のレーザビームのビームプロファイルの模式図を示す。なお、本実施形態において、実施形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図７は、本実施形態に係るビーム結合器１２Ａの内部構成の模式図を示し、図８は、光路変更時のレーザビームのビームプロファイルの模式図を示す。なお、本実施形態において、実施形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本変形例に示す構成と実施形態１に示す構成との違いは、光学部材の配置個数及び配置位置にある。実施形態１に示すように、結合される前のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のそれぞれに対して、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４を配置する場合、実際に生成される結合レーザビームのビームプロファイルは５通りである。これに対し、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路に対する各光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４の配置パターンは１６通りもあり、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４の移動制御が冗長となっていた。また、制御部５０で光学部材ＯＣ１〜ＯＣ４の動作を制御するにあたって、必要以上に複雑な制御となっていた。
そこで、本実施形態においては、複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４が最終的に結合される前に、いくつかのレーザビームの光軸が近接して平行となる状態が存在することに着目した。すなわち、このような状態となった複数のレーザビームの光路に対して光学部材を１つ配置することで、光学部材の配置個数を減らすようにした。これにより、光学部材の動作制御を簡便にすることができる。
例えば、図７に示すように、ミラーＭ２で反射されたレーザビームＬＢ１は、レーザビームＬＢ２と光軸が近接して、かつ両方のレーザビームＬＢ１，ＬＢ２が平行してレーザビーム出射部ＬＯに入射される。光学部材ＯＣ５は、レーザビームＬＢ２及びミラーＭ２で反射された後のレーザビームＬＢ１の光路に対して共通に配置される。また、ミラーＭ３とミラーＭ５の間を進行するレーザビームＬＢ３は、ミラーＭ４とミラーＭ５の間を進行するレーザビームＬＢ４と光軸が近接して、かつ両方のレーザビームＬＢ３，ＬＢ４が平行してミラーＭ５に入射される。光学部材ＯＣ６は、ミラーＭ３，Ｍ４とミラーＭ５の間のレーザビームＬＢ３，ＬＢ４の光路に対して共通に配置される。
以上説明したように、複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のうち少なくとも２つは、集光レンズユニット２０に入射する前に光軸が近接して平行となるようにビーム結合器１２Ａ内で光軸調整され、光学部材は、複数のレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のうち、光軸調整された光路に対し１つ設けられている。このようにすることで、図８に示すように、各光学部材の配置パターンを減らしつつ、実施形態１に示す構成と同様に、５通りの結合レーザビームのビームプロファイルを生成することができる。なお、光学部材の配置パターンは、上記に限定されず、他のパターンも採りうる。図示しないが、例えば、レーザビーム入射部ＬＩ１とミラーＭ１との間及びミラーＭ５とレーザビーム出射部ＬＯとの間にそれぞれ１つずつ光学部材を配置するパターンが考えられる。この場合、実際に生成される結合レーザビームのビームプロファイルは４通りと減少するものの、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路に対する各光学部材の配置パターンを４通りと低減でき、光学部材の動作制御を簡便にすることができる。
（その他の実施形態）
変形例に示す光学部材ＯＣ１の変位態様は、実施形態１に示す光学部材ＯＣ２〜ＯＣ４や実施形態２に示す光学部材ＯＣ５，ＯＣ６に適用することができ、その場合も、実施形態２と同様の効果を奏する。また、これに限らず、上記の各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。
変形例に示す光学部材ＯＣ１の変位態様は、実施形態１に示す光学部材ＯＣ２〜ＯＣ４や実施形態２に示す光学部材ＯＣ５，ＯＣ６に適用することができ、その場合も、実施形態２と同様の効果を奏する。また、これに限らず、上記の各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。
なお、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ６の表面にレーザビームに対する反射防止コーティングを施すようにしてもよい。光学部材ＯＣ１〜ＯＣ６での不要な反射が抑制され、レーザビームの利用効率が向上する。これにより、レーザ発振器１０の消費電力の増加を抑制できる。また、変形例を含む実施形態1，２において、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ６を平行平板状の部材としているが、別の部材、例えば、プリズムを用いるようにしてもよい。
また、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ６をレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路上に配置した状態で、レーザ発振器１０の光学系の初期位置調整を行うようにしてもよい。その場合には、光学部材ＯＣ１〜ＯＣ６をレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路外に退避することでレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路が変更される。よって、集光レンズユニット２０は、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路が光学部材ＯＣ１〜ＯＣ６によって変更されていないときは、伝送ファイバ４０の第２コア４２にレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４を導光する。また、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路が光学部材ＯＣ１〜ＯＣ６によって変更されているときは、光路変更されたレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のいずれかを第１コア４１に導光する。このような構成においても、第１コア４１のみに結合レーザビームを導光することも、第１コア４１及び第２コア４２に、又は第２コア４２のみに結合レーザビームを導光することも可能となる。従って、伝送ファイバ４０から出射される結合レーザビームのビームプロファイルを簡便に変化させることができる。実施形態１において、第２コア４２のコア径は第１コア４１のコア径の３倍以上になるようにしていたが、上記の構成ではこれに限られない。上記の構成とは、すなわち、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路が光学部材ＯＣ１〜ＯＣ６によって変更されていないときは、伝送ファイバ４０の第２コア４２にレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４を導光する。また、レーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の光路が光学部材ＯＣ１〜ＯＣ６によって変更されているときは、光路変更されたレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４のいずれかを第１コア４１に導光する構成である。このような構成では、第２コア４２のコア径を第１コア４１のコア径の３倍よりも小さくするようにするようにしてもよい。
また、複数のレーザモジュール１１からそれぞれ出力されるレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の出力を個別に制御するようにしてもよい。例えば、複数のレーザモジュール１１からそれぞれ出力されるレーザビームＬＢ１〜ＬＢ４の出力を異ならせるようにしてもよい。本実施形態に示すレーザモジュール１１のレーザ発振出力の最大値を１ｋＷとした場合、結合レーザビームの最大出力は４ｋＷとなる。各々のレーザモジュール１１のレーザ発振出力を個別に制御することで、結合レーザビームの最大出力は４ｋＷ以下となるものの、得られるビームプロファイルのパターンを大幅に増やすことができる。このことにより、所望のレーザ加工における最適なビームプロファイルをきめ細かに選択でき、加工品質を向上させることができる。
本開示に係るレーザ発振器及びレーザ発振方法は、出力される結合レーザビームのビームプロファイルを簡便にかつ再現性よく変化できるため、溶接や切断加工等に用いられるレーザ加工装置に適用する上で有用である。
１０ レーザ発振器
１１ レーザモジュール
１２ ビーム結合器
１２Ａ ビーム結合器
２０ 集光レンズユニット（集光ユニット）
２１ 集光レンズ
３０ レーザビーム出射ヘッド
４０ 伝送ファイバ
４１ 第１コア
４２ 第２コア
４３ クラッド
５０ 制御部
６０ 電源
７０ 筐体
１００ レーザ加工装置
ＬＢ１ レーザビーム
ＬＢ２ レーザビーム
ＬＢ３ レーザビーム
ＬＢ４ レーザビーム
ＬＩ１ レーザビーム入射部
ＬＩ２ レーザビーム入射部
ＬＩ３ レーザビーム入射部
ＬＩ４ レーザビーム入射部
ＬＯ レーザビーム出射部
Ｍ１ ミラー
Ｍ２ ミラー
Ｍ３ ミラー
Ｍ４ ミラー
Ｍ５ ミラー
ＯＣ１ 光学部材（光路変更手段）
ＯＣ２ 光学部材（光路変更手段）
ＯＣ３ 光学部材（光路変更手段）
ＯＣ４ 光学部材（光路変更手段）
ＯＣ５ 光学部材（光路変更手段）
ＯＣ６ 光学部材（光路変更手段）
１１ レーザモジュール
１２ ビーム結合器
１２Ａ ビーム結合器
２０ 集光レンズユニット（集光ユニット）
２１ 集光レンズ
３０ レーザビーム出射ヘッド
４０ 伝送ファイバ
４１ 第１コア
４２ 第２コア
４３ クラッド
５０ 制御部
６０ 電源
７０ 筐体
１００ レーザ加工装置
ＬＢ１ レーザビーム
ＬＢ２ レーザビーム
ＬＢ３ レーザビーム
ＬＢ４ レーザビーム
ＬＩ１ レーザビーム入射部
ＬＩ２ レーザビーム入射部
ＬＩ３ レーザビーム入射部
ＬＩ４ レーザビーム入射部
ＬＯ レーザビーム出射部
Ｍ１ ミラー
Ｍ２ ミラー
Ｍ３ ミラー
Ｍ４ ミラー
Ｍ５ ミラー
ＯＣ１ 光学部材（光路変更手段）
ＯＣ２ 光学部材（光路変更手段）
ＯＣ３ 光学部材（光路変更手段）
ＯＣ４ 光学部材（光路変更手段）
ＯＣ５ 光学部材（光路変更手段）
ＯＣ６ 光学部材（光路変更手段）
Claims (12)
- レーザビームをそれぞれ発する複数のレーザモジュールと、複数の前記レーザモジュールから出射された複数の前記レーザビームを結合して結合レーザビームとして出射するビーム結合器と、集光レンズを有し、前記結合レーザビームを所定のビーム径になるように集光して伝送ファイバに導光する集光ユニットと、を備えたレーザ発振器であって、
前記ビーム結合器は、複数の前記レーザモジュールから受け取った複数の前記レーザビームのうち、少なくとも一つの前記レーザビームの光路を変更可能に構成された光路変更手段を有し、
前記光路変更手段によって前記レーザビームの前記光路を変更することで、前記集光レンズの位置を調整することなく、前記伝送ファイバから出射される前記結合レーザビームのビームプロファイルを変化させることを特徴とするレーザ発振器。 - 請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記伝送ファイバは、光導波路として機能する第１コアと、前記第１コアの外周面に接して前記第１コアと同軸に設けられ、光導波路として機能する第２コアと、前記第２コアの外周面に接して前記第１コア及び前記第２コアと同軸に設けられたクラッドと、を少なくとも有し、
前記集光ユニットは、前記レーザビームの前記光路が前記光路変更手段によって変更されていないときは、前記第１コアに前記結合レーザビームを導光し、前記レーザビームの前記光路が前記光路変更手段によって変更されているときは、前記第１コア及び前記第２コアに、又は前記第２コアに前記結合レーザビームを導光することを特徴とするレーザ発振器。 - 請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記伝送ファイバは、光導波路として機能する第１コアと、前記第１コアの外周面に接して前記第１コアと同軸に設けられ、光導波路として機能する第２コアと、前記第２コアの外周面に接して前記第１コア及び前記第２コアと同軸に設けられたクラッドと、を少なくとも有し、
前記集光ユニットは、前記レーザビームの前記光路が前記光路変更手段によって変更されていないときは、前記第１コア及び前記第２コアに、又は前記第２コアに前記結合レーザビームを導光し、前記レーザビームの前記光路が前記光路変更手段によって変更されているときは、前記第１コアに前記結合レーザビームを導光することを特徴とするレーザ発振器。 - 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、
複数の前記レーザビームのうち少なくとも２つは、前記集光ユニットに入射する前に光軸が近接して平行となるように前記ビーム結合器内で光軸調整され、前記光路変更手段は、複数の前記レーザビームのうち、光軸調整された前記光路に対し１つ設けられていることを特徴とするレーザ発振器。 - 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、
前記光路変更手段は、前記レーザビームの前記光路を所定の距離だけ平行にシフトさせるように構成されていることを特徴とするレーザ発振器。 - 請求項５に記載のレーザ発振器において、
前記光路変更手段は、前記レーザビームに対して透明な平行平板状の部材であることを特徴とするレーザ発振器。 - 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、
前記光路変更手段は、前記レーザビームの前記光路上の第１位置と前記光路外の第２位置との間を移動可能に設けられていることを特徴とするレーザ発振器。 - 請求項７に記載のレーザ発振器において、
前記光路変更手段は、所定の前記レーザビームの前記光路に対して所定の角度をなすように設けられていることを特徴とするレーザ発振器。 - 請求項６に記載のレーザ発振器において、
前記光路変更手段は、前記レーザビームの前記光路に対して第１の角度をなすように前記レーザビームの前記光路上に設けられる一方、前記光路の周りに第２の角度で回転することで前記レーザビームの前記光路を変更することを特徴とするレーザ発振器。 - 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、
複数の前記レーザモジュールのそれぞれのレーザ発振出力は個別に制御されることを特徴とするレーザ発振器。 - 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のレーザ発振器と、
前記伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザビーム出射ヘッドと、
前記光路変更手段の動作を制御する制御部と、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工装置。 - 伝送ファイバに接続され、複数のレーザモジュールと集光レンズとを備えるレーザ発振器におけるレーザ発振方法であって、
複数の前記レーザモジュールから出射された複数のレーザビームを結合して結合レーザビームとして出射するビーム結合ステップと、
前記結合レーザビームを所定のビーム径になるように前記集光レンズにより集光して前記伝送ファイバに導光する集光ステップと、
前記ビーム結合ステップにおいて、複数の前記レーザモジュールから受け取った複数の前記レーザビームのうち、少なくとも一つの前記レーザビームの光路を変更することで、前記集光レンズの位置を調整することなく、前記伝送ファイバから出射される前記結合レーザビームのビームプロファイルを変化させるビームプロファイル変更ステップと、を有することを特徴とするレーザ発振方法。
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