WO2021106257A1 - 光学ユニット、ビーム結合装置およびレーザ加工機 - Google Patents

光学ユニット、ビーム結合装置およびレーザ加工機 Download PDF

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陽介 淺井
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Definitions

  • the present disclosure relates to an optical unit, a beam coupling device including the optical unit, and a laser processing machine equipped with the beam coupling device.
  • Patent Document 1 discloses a wavelength synthesis type laser system in which individual light beams are superposed to form a coupled beam. Patent Document 1 discloses that light beams from a plurality of diode bars are focused on an optical fiber from the viewpoint of increasing the light output. Further, for the purpose of miniaturizing the laser system, an optical system for removing the arrangement of the coupling lens in wavelength synthesis from the focal length is separately included, and the beam rotor is rotated.
  • the present disclosure provides an optical unit, a beam coupling device, and a laser processing machine that can improve the degree of freedom in design for guiding a plurality of light beams.
  • the optical unit guides a plurality of light beams.
  • the optical unit includes a plurality of lens units through which a plurality of light beams are transmitted.
  • the plurality of lens units are arranged in an arrangement direction that intersects the optical axis direction through which the light beam is transmitted.
  • Each lens portion is inclined with respect to the thickness direction intersecting the optical axis direction and the arrangement direction.
  • the pitch at which the lens portions are arranged on one end face is smaller than the pitch at which the lens portions are arranged at the other end face.
  • the beam coupling device includes a light source including a plurality of light source elements capable of resonating at different wavelengths, the above optical unit, and a diffraction element.
  • the light source emits a plurality of light beams from each light source element.
  • the optical unit guides each light beam from the light source.
  • the diffraction element diffracts each light beam incident from the light source via the optical unit, and combines a plurality of light beams that resonate at different wavelengths.
  • the optical unit is arranged so that the end faces of both end faces having a small pitch of the lens portion are directed toward the diffraction element.
  • the beam coupling device includes a light source including a plurality of light source elements arranged in the arrangement direction and the thickness direction, the plurality of optical units, and a coupling optical system.
  • the light source emits a plurality of light beams from each light source element.
  • the plurality of optical units guide each light beam for each set of light source elements arranged in the array direction in the light source.
  • the coupled optical system couples a plurality of light beams guided to each optical unit.
  • the optical unit is arranged so that the end faces of both end faces having a large pitch of the lens portion are directed toward the coupling optical system.
  • the laser machining machine includes any of the above beam coupling devices and a machining head that irradiates a machining object with a light beam coupled by the beam coupling device.
  • the degree of freedom in design for guiding a plurality of light beams can be improved.
  • Graph showing the spectrum of the resonance wavelength in the beam coupling device The figure which shows the structure of the beam coupling apparatus which concerns on Embodiment 1.
  • the figure which illustrates the basic structure of the optical unit in a beam coupling apparatus Perspective view showing a configuration example of a beam twister unit in an optical unit
  • Sectional view of the optical unit of FIG. An optical path diagram illustrating the main light beam in the optical unit of FIG.
  • Sectional drawing of the optical unit of FIG. An optical path diagram illustrating a main ray in the optical unit of FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser processing machine 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the laser processing machine 1 according to the present embodiment.
  • the laser machining machine 1 includes, for example, a beam coupling device 2, a transmission optical system 10, a machining head 11, and a controller 12.
  • the laser processing machine 1 is a device that irradiates various processing objects 15 with laser light to perform various laser processing.
  • Various laser processes include, for example, laser welding, laser cutting, and laser perforation.
  • the beam coupling device 2 is a device that couples a plurality of light beams that emit light separately in order to supply the laser light of the laser processing machine 1, for example.
  • the beam coupling device 2 is configured by a wavelength synthesis formula that synthesizes a plurality of light beams while resonating at different wavelengths. According to the wavelength synthesis type beam coupling device 2, it is easy to obtain good beam quality and narrow down the beam diameter.
  • the transmission optical system 10 is an optical system that transmits the laser light from the beam coupling device 2 to the processing head 11, and includes, for example, an optical fiber.
  • the processing head 11 is, for example, a device that is arranged to face the processing object 15 and irradiates the processing object 15 with laser light transmitted from the beam coupling device 2.
  • the controller 12 is a control device that controls the overall operation of the laser processing machine 1.
  • the controller 12 includes, for example, a CPU or MPU that cooperates with software to realize a predetermined function.
  • the controller 12 may be provided with an internal memory for storing various programs and data, and various interfaces capable of inputting oscillation conditions and the like by the operation of the user.
  • the controller 12 may include hardware circuits such as ASIC and FPGA that realize various functions. Further, the controller 12 may be integrally configured with the drive circuit of the light source.
  • Beam coupling device 2 of the present embodiment is, for example, as shown in FIG. 1, an LD bar 3 which is an example of a light source, an optical unit 4, a coupling lens 24, a diffraction element 25, and an output coupler 26. And.
  • the beam coupling device 2 of the present embodiment constitutes an external resonance type optical resonator that resonates light in an optical path that reciprocates between the LD bar 3 and the output coupler 26.
  • the LD bar 3 is composed of an array of light source elements including a plurality of LDs (laser diodes) 311 to 315 arranged one-dimensionally.
  • the direction in which the LD311 to 315 are arranged is defined as the "X direction”
  • the direction of the optical axis of the light beam emitted by the LD bar 3 from the LD311 to 315 is defined as the "Z direction”
  • the directions orthogonal to the X and Z directions Is the "Y direction”.
  • FIG. 1 illustrates three LDs 311, 313, 315 in the LD bar 3.
  • the number of LD311 to 315 included in the LD bar 3 is, for example, tens to hundreds.
  • the plurality of LD311 to 315 have a common spontaneous emission spectrum depending on, for example, the material of the LD light emitting layer (see FIG. 3).
  • the generic name of LD311 to 315 may be referred to as "LD31".
  • Each LD 31 is an example of a light source element constituting the emitter of the LD bar 3, and emits a light beam to the + Z side, respectively.
  • the optical unit 4 is an optical system that adjusts and guides a plurality of light beams from each LD 31 of the LD bar 3.
  • the optical unit 4 is arranged on the + Z side of the LD bar 3. According to the optical unit 4 of the present embodiment, the degree of freedom in design of the wavelength synthesis type beam coupling device 2 accompanied by a complicated optical design can be improved, and the beam coupling device 2 can be miniaturized. Details of the optical unit 4 will be described later.
  • the coupling lens 24 is arranged, for example, on the + Z side of the optical unit 4 with a distance D1.
  • the distance D1 on the ⁇ Z side of the coupling lens 24 is set to, for example, the focal length of the coupling lens 24.
  • the diffraction element 25 is arranged at a distance D2 from the coupling lens 24, for example, on the + Z side.
  • the diffraction element 25 is, for example, a dispersive element in which a transmission type diffraction grating is formed.
  • the diffraction grating of the diffraction element 25 satisfies the diffraction condition for emitting light beams from a plurality of LD311 to 315 in the same direction and coupling them.
  • the diffraction condition of the diffraction element 25 is expressed by, for example, the following equation (1).
  • ⁇ is the incident angle of the light beam incident on the diffraction element 25, and ⁇ is the diffraction angle of the light beam emitted after diffraction. Further, ⁇ is the wavelength of light to be diffracted and corresponds to the resonance wavelength. d is the pitch of the diffraction grating in the diffraction element 25. m indicates the diffraction order, for example, a natural number.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a method of coupling an optical beam in the diffraction element 25 of the beam coupling device 2.
  • different resonance wavelengths ⁇ are set in each of the LD311 to 315 so that the diffraction angles ⁇ of the LD311 to 315 are the same based on the above equation (1).
  • the light beams from the plurality of LD311 to 315 are emitted from the diffraction element 25 in the same direction after diffraction, and the light beam as a coupling result is obtained.
  • FIG. 3 is a graph showing the spectrum of the resonance wavelength ⁇ in the beam coupling device 2.
  • the horizontal axis represents the wavelength [nm] and the vertical axis represents the intensity of light.
  • FIG. 3 shows the individual resonance spectra S1 to S3 in the plurality of LD311 to 315 in the LD bar 3 and the common spontaneous emission spectrum S0.
  • Each resonance spectrum S1, S2, S3 shows the distribution of the resonance wavelength ⁇ of each LD311, 313, 315.
  • the spontaneous emission spectrum S0 includes a wavelength band of 900 nm such as 955 nm to 990 nm. According to the resonance spectra S1 to S3, the resonance wavelength ⁇ becomes longer in order from LD311 to LD315 according to the positions arranged in the LD bar 3.
  • the beam coupling device 2 of the present embodiment is a beam coupling device so that the resonance spectra S1 to S3 of all LD311 to 315 in the LD bar 3 fall within the range of the spontaneous emission spectrum S0. 2 various parameters are set.
  • Various parameters of the beam coupling device 2 are, for example, the pitch of LD311 to 315 in the LD bar 3, the focal length of the coupling lens 24, the shape of the diffraction grating in the diffraction element 25, and the distance between each part of the beam coupling device 2.
  • the output coupler 26 is arranged in the direction in which the light beam diffracted by the diffraction element 25 is emitted.
  • the output coupler 26 includes, for example, a mirror element having a predetermined transmittance and reflectance.
  • the transmission component corresponding to the transmittance is emitted to, for example, the transmission optical system 10 as the output of the beam coupling device 2.
  • the reflection component corresponding to the reflectance is returned to the diffraction element 25 for optical resonance.
  • the output coupler 26 may be provided with a mechanism capable of adjusting such reflectance and transmittance.
  • the beam coupling device 2 As described above, good beam quality can be obtained by performing wavelength synthesis type beam coupling as an external resonance type optical resonator.
  • the external resonance type optical resonator that performs wavelength synthesis type beam coupling, there is a problem that the optical design becomes complicated and the apparatus configuration becomes large.
  • the present embodiment provides an optical unit 4 that can improve the degree of freedom in designing such an optical design and can reduce the size of the beam coupling device 2.
  • FIG. 4A shows a plan view of the beam coupling device 2 as viewed from the Y direction.
  • FIG. 4B shows a side view of the beam coupling device 2 as viewed from the X direction.
  • the optical unit 4 includes, for example, a BTU (beam twister unit) 40 arranged to face the LD bar 3 and a SAC (slow axis collimator) 45 arranged on the + Z side of the BTU 40.
  • the coupling lens 24 is composed of, for example, a cylindrical lens having a positive refractive power in the X direction.
  • the BTU 40 and the SAC 45 may be provided separately, and in this case, the BTU 40 is an example of the optical unit in the present embodiment.
  • the distance D1 from the BTU 40 of the optical unit 4 to the coupling lens 24 is set to the focal length Df of the coupling lens 24 from the viewpoint of collimating each light beam from the LD bar 3 as described above. ..
  • the distance D2 from the coupling lens 24 to the diffraction element 25 may be set from the viewpoint of condensing each light beam on the diffraction element 25.
  • the BTU 40 of the optical unit 4 controls the directions of a plurality of light beams from the LD bar 3.
  • FIGS. 4A and 4B exemplify the main ray L11 of the light beam from the outer LD311 and the main ray L13 of the light beam from the central LD313 in the LD bar 3, respectively.
  • the central LD313 has a main ray L13 that travels straight through the optical unit 4 and the coupling lens 24 and is parallel to the Z direction.
  • the main ray L11 of the light beam from the outer LD311 in the LD bar 3 is directed inward in the X direction.
  • the main rays L11 and L13 intersect, and a plurality of light beams can be focused. Therefore, the distance D2 to the diffraction element 25 can be shortened from the focal length Df, and the beam coupling device 2 can be miniaturized.
  • the arrangement of the coupling lens 24 can be changed by controlling the main ray directions of the plurality of light beams by the BTU 40.
  • the focal length Df of the coupling lens 24 can be set to an appropriate length from the viewpoint of collimation described above, and can be set to, for example, 1 m or more.
  • a degree of freedom in design is also obtained so that the function of condensing light is realized by the cooperation of the BTU 40 and the coupling lens 24.
  • the main ray L11 directed inward in the X direction by the BTU 40 can be prevented from inward or outward in the Y direction, as shown in FIG. 4 (B). ..
  • the incident angle of the light beam with respect to the output coupler 26 changes, causing a problem in optical resonance. Conceivable.
  • the light ray direction in the X direction can be controlled without interfering with the light ray angle in the Y direction, and the above-mentioned problems can be avoided.
  • optical unit 4 of the beam coupling device 2 The details of the optical unit 4 of the beam coupling device 2 in the present embodiment will be described below.
  • FIG. 5 illustrates the basic configuration of the optical unit 4.
  • FIG. 5A shows a plan view of the optical unit 4 in the basic configuration.
  • 5 (B) shows a side view of the optical unit 4 of FIG. 5 (A).
  • the optical path of the light beam from one LD31 such as the central LD313 is illustrated.
  • the BTU 40 in the optical unit 4 includes a BT (beam twister) 50 and a FAC (fast axis collimator) 41.
  • FAC41, BT50, and SAC45 are arranged in order from the vicinity of LD31 to the + Z side.
  • the LD31 emits a light beam having a fast axis Af and a slow axis As.
  • the fast-axis Af of the light beam expands the beam diameter more rapidly than the slow-axis As, and it is easy to obtain good beam quality.
  • the fast axis Af of the light beam is oriented in the Y direction and the slow axis As is oriented in the X direction.
  • the FAC 41 is provided for collimating a light beam on the fast axis Af, and is composed of, for example, a cylindrical lens having a positive refractive power. As shown in FIGS. 5A and 5B, for example, the FAC 41 is arranged at a focal length position from the + Z side of the LD bar 3 with the longitudinal direction facing the X direction. In this example, the light beam from the LD 31 is collimated by the FAC 41 in the Y direction (that is, the fast axis Af) and is incident on the BT 50.
  • FIG. 6 shows a configuration example of the BT50.
  • the BT 50 is, for example, an optical element that rotates a plurality of light beams, and includes a plurality of oblique lens portions 51.
  • the oblique lens portion 51 is a portion of the BT50 that constitutes a lens for each LD31, and constitutes, for example, a cylindrical lens.
  • the BT50 and the FAC41 may be provided separately, and in this case, the BT50 is an example of the optical unit in the present embodiment.
  • the BT50 is formed so as to arrange a plurality of oblique lens portions 51 at a predetermined pitch in the X direction, for example.
  • the oblique lens portion 51 is tilted by 45 ° with respect to both the arrangement direction (that is, the X direction) and the thickness direction of the BT 50 (that is, the Y direction).
  • the inclination of the oblique lens portion 51 in the BT 50 does not necessarily have to be 45 °, and may be, for example, 40 ° to 50 ° with respect to the Y direction.
  • the BT50 rotates the light beam incident from the LD31 via the FAC41 by a rotation angle of 90 ° in the XY plane.
  • the slow axis As of the light beam emitted from the BT50 is oriented in the Y direction
  • the fast axis Af is oriented in the X direction.
  • the light beam at the time of emission of the BT50 becomes divergent light in the Y direction and parallel light in the X direction.
  • the SAC 45 is provided to collimate the light beam on the slow axis As, and is composed of, for example, a cylindrical lens having a positive refractive power. As shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B), the SAC 45 is arranged at a focal length position from the + Z side of the BTU 40 with the longitudinal direction facing the X direction. In this example, the light beam from the BT50 is collimated by the SAC45 in the Y direction (that is, the slow axis As) and emits the optical unit 4.
  • the light beam emitted from each LD 31 of the LD bar 3 is basically collimated in the fast axis Af and the slow axis As.
  • the beam diameter can be widened as an effect of waves from the + Z side surface of the BT50, especially in the fast axis Af.
  • the above-mentioned influence can be suppressed by collimating each light beam by the coupling lens 24.
  • BT of optical unit various main rays are controlled by adjusting the arrangement of the oblique lens portion 51 in the BT50 while utilizing the basic functions of each portion of the optical unit 4 as described above. To realize. Hereinafter, a configuration example of such an optical unit 4 will be described.
  • FIG. 7 shows a configuration example of the BT50 of the optical unit 4 in this embodiment.
  • FIG. 7 shows a front view of the optical unit 4 as viewed from the ⁇ Z side together with the plurality of LDs 311, 312, 313, 314, 315.
  • the light beams from the LDs 311 to 315 pass through the opposing lens portions 51 from the ⁇ Z side to the + Z side, for example, with the Z direction as the optical axis direction.
  • the BT50 of the present embodiment is configured by shifting the pitch of the oblique lens portion 51 between the emission side and the incident side, that is, both end faces of the ⁇ Z side of the light beam from each LD31.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional view of the XZ plane in the BT50 of FIG.
  • the BT50 of this configuration example is configured so that the pitch Wo between the oblique lens portions 51 on the end face on the + Z side is smaller than the pitch Wi on the end face on the ⁇ Z side.
  • the pitch Wi on the ⁇ Z side is set to be the same as the pitch between the LDs 31 in the LD bar 3, for example.
  • the center of the central oblique lens portion 51 matches on both sides on the ⁇ Z side.
  • the difference between the pitches Wi and Wo is set to be sufficiently smaller than, for example, each pitch Wi and Wo, and is, for example, 0.1 times or less of each pitch Wi and Wo.
  • the difference between the pitch Wi and Wo may be set in consideration of the number of oblique lens portions 51 or LD31.
  • the difference between the pitches Wi and Wo is, for example, 0.0001 times or more the respective pitches Wi and Wo.
  • 9 (A) to 9 (C) exemplify the optical path in the optical unit 4 of this configuration example.
  • 9 (A) corresponds to the AA cross section of the optical unit 4 of FIG.
  • the AA cross section is an XZ plane in which each LD311 to 315 of the LD bar 3 is located.
  • 9 (B) and 9 (C) correspond to the BB sectional view and the CC sectional view in FIG. 9 (A), respectively.
  • the BB cross section is the YZ plane where the central LD313 is located.
  • the CC cross section is the YZ plane on which the outer LD315 is located.
  • the main light beam of the light beam from each LD31 reaches the + Z side surface of the BT50 after being incident on the FAC41. Go straight along the Z direction until you reach the front.
  • the LD31a located outside in the X direction has the main ray La inward in the X direction and in the Y direction. Can also tilt.
  • Each main ray La, Lc reaches SAC45 when BT50 is emitted.
  • the SAC 45 collimates the light beam in the Y direction
  • the inclination of the main ray Lc in the Y direction is corrected in the SAC 45 as shown in FIG. 9C.
  • the main ray Lc of the outer LD31c in the X direction can be restricted in the X direction and directed inward.
  • the focal length of the SAC 45 was set to 50 mm
  • the focal length of the coupling lens 24 was set to 1130 mm
  • the pitch between the LDs 31 of the LD bar 3 was set to 0.225000 mm.
  • the pitch Wo on the + Z side of the BT50 is set to be 230 nm smaller than the pitch Wi on the ⁇ Z side.
  • the pitch Wi on the ⁇ Z side of the BT50 was set to be the same as the pitch between the LDs of the LD bar 3.
  • FIG. 10A shows the simulation result of the beam coupling device 2 of the present embodiment.
  • the numerical calculation of the main ray on the + X side was performed.
  • Each row in the figure shows the numerical calculation result when the main ray passes through each part of the beam coupling device 2 for each surface number from the object side (that is, -Z side) to the image side (that is, + Z side).
  • "X" indicates the X coordinate
  • "Y” indicates the Y coordinate
  • TANX indicates the slope in the XZ plane with the tan function
  • TANY indicates the slope in the YZ plane with the tan function.
  • the position of the LD31 corresponding to the numerically calculated main ray was 4 mm in X coordinate.
  • FIG. 10B shows a simulation result of a comparative example with respect to FIG. 10A.
  • the same numerical calculation as in FIG. 10A was performed when the BTU pitch was not shifted on both sides of the ⁇ Z side and instead the BTU was rotated in the XY plane.
  • a technique for introverting an outer main ray by rotating an optical element such as BTU has been conventionally known (for example, Patent Document 1).
  • the rotation angle of BTU was set to 0.008 °.
  • the value "-0.00346" of "TANX” after the injection of SAC is equivalent to the example of FIG. 10 (A).
  • "TANY” has a value of "0.0007" after the injection of SAC. That is, in this comparative example, when the outer main ray is directed inward in the X direction, there is an effect of causing an inclination in the Y direction. From the above, it was confirmed that the optical unit 4 of the present embodiment can realize the inward direction of the outer main ray in the X direction while suppressing the influence in the Y direction as compared with the conventional technique.
  • the optical unit 4 in the present embodiment guides a plurality of light beams.
  • the BT50 of the optical unit 4 includes a plurality of oblique lens units 51 as an example of a plurality of lens units through which a plurality of light beams are transmitted.
  • the plurality of oblique lens portions 51 are arranged in an arrangement direction (for example, the X direction) that intersects the optical axis direction (for example, the Z direction) through which the light beam is transmitted.
  • Each oblique lens portion 51 is inclined with respect to a thickness direction (for example, the Y direction) that intersects the optical axis direction and the arrangement direction.
  • the pitch Wo in which the oblique lens portions 51 are arranged on the end face on the + Z side as an example of one end face of both end faces of the BT50 in the optical axis direction is used as the other end face. It is smaller than the pitch Wi in which the oblique lens portions 51 are arranged on the end face on the ⁇ Z side of the above.
  • the oblique lens unit 51 on the + Z side since the pitch Wo of the light beam becomes smaller, the main ray L11 of the light beam outside in the X direction can be directed inward. Therefore, it is possible to control the direction of light rays that guide the light beam so as to condense a plurality of light beams. In this way, the BT50 of the optical unit 4 can improve the degree of freedom in design for guiding a plurality of light beams.
  • the BTU 40 of the optical unit 4 includes a FAC 41 as an example of the first collimator lens.
  • the FAC 41 is arranged to face the end face on the ⁇ Z side, which is one end face of both end faces on the ⁇ Z side of the BT50, and causes a light beam to be incident on the oblique lens portion 51 from the end face.
  • it is possible to control the light direction of a plurality of light beams incident from the FAC 41.
  • the optical unit 4 further includes a SAC 45 as an example of the second collimator lens.
  • the SAC 45 is arranged to face the end face on the + Z side of both end faces of the BT 50, which is the side opposite to the end face facing the FAC 41, and collimates the light beam emitted from the end face. According to the SAC 45, it is possible to correct the light ray direction of the light beam whose light ray direction is changed in the BT50 after being incident from the FAC 41, and it is possible to easily control the light ray direction of the plurality of light beams.
  • the beam coupling device 2 in the present embodiment includes an LD bar 3 as an example of a light source, an optical unit 4, and a diffraction element 25.
  • the LD bar 3 includes LD311 to 313 as a plurality of light source elements capable of resonating with each other at different wavelengths, and emits a plurality of light beams from each of the LD311 to 313.
  • the optical unit 4 guides each light beam from the LD bar 3.
  • the diffraction element 25 diffracts each light beam incident from the LD bar 3 via the optical unit 4 and combines a plurality of light beams that resonate at different wavelengths.
  • the optical unit 4 is arranged so that the end face on the + Z side of the both end faces of the BT 50, which has a small pitch Wo of the oblique lens portion 51, faces the diffraction element 25.
  • the optical unit 4 when a plurality of light beams resonating at different wavelengths are diffracted and coupled by the diffraction element 25, the optical unit 4 can focus the plurality of light beams on the diffraction element 25.
  • the device configuration of the beam coupling device 2 can be miniaturized.
  • the wavelength of resonance via the diffraction element 25 for each LD 31 gradually changes according to the position of each LD 31 in the X direction, which is the arrangement direction.
  • the resonance wavelength ⁇ becomes longer from LD311 on the + X side to LD315 on the ⁇ X side.
  • the light beams from each LD 31 can be coupled via the diffraction element 25.
  • the pitch between the plurality of LD31s in the arrangement direction and the pitch Wi in which the oblique lens portions 51 are arranged on the end face on the ⁇ Z side, which is closer to the light source among both end faces of the optical unit 2BTU40, are Match. Thereby, the light beam from each LD 31 can be appropriately controlled.
  • the laser machining machine 1 in the present embodiment includes a beam coupling device 2 and a machining head 11 that irradiates a machining object with a light beam coupled by the beam coupling device 2.
  • the laser processing machine 1 of the present embodiment can be configured by using the wavelength synthesis type beam coupling device 2 which has been downsized from the improvement of the degree of freedom in design for guiding a plurality of light beams by the optical unit 4.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the configuration of the laser processing machine 1A according to the second embodiment.
  • the laser processing machine 1 of the present embodiment has the same configuration as the laser processing machine 1 of the first embodiment, and includes a space synthesis type beam coupling device 2A instead of the wavelength synthesis type beam coupling device 2.
  • the beam coupling device 2A in the present embodiment includes a laser light source 30, a plurality of optical units 4A-1 to 4A-3, and a coupling optical system 20.
  • the laser light source 30 includes a plurality of LD bars 3-1 to 3-3 in the present embodiment.
  • Each of the LD bars 3-1 to 3-3 is configured in the same manner as the LD bar 3 of the first embodiment, for example.
  • the LD bars 3-1 to 3-3 may be collectively referred to as "LD bar 3”
  • the optical units 4A-1 to 4A-3 may be collectively referred to as "optical unit 4A".
  • the plurality of LD bars 3 are arranged side by side in the Y direction orthogonal to the X direction, for example, the arrangement direction of each LD is set to be parallel to the X direction.
  • the number of LD bars 3 in the beam coupling device 2A is shown in the example of three, but is not particularly limited, and may be two or four or more.
  • the beam coupling device 2A of the present embodiment is configured by a space synthesis formula that couples a large number of light beams emitted by each LD 31 of a plurality of LD bars 3 spatially arranged in the laser light source 30.
  • the present embodiment provides a beam coupling device 2A capable of performing beam coupling at a high density with a small beam diameter.
  • a plurality of optical units 4A are provided, for example, for the number of LD bars 3.
  • One optical unit 4A guides the light beam from each LD by one LD bar 3 to the coupling optical system 20.
  • the coupling optical system 20 is an optical system that couples the light beams from each optical unit 4A in the beam coupling device 2A.
  • FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the beam coupling device 2A according to the second embodiment.
  • FIG. 12A shows a side view of the beam coupling device 2A as viewed from the X direction.
  • FIG. 12B shows a plan view of the beam coupling device 2A as viewed from the Y direction.
  • each LD bar 3 is arranged on the ⁇ Z side of the separate optical unit 4A.
  • the configuration of the BTU 40A is different from the configuration of the optical unit 4 of the first embodiment.
  • the coupled optical system 20 is arranged on the + Z side of the optical unit 4A and includes an axisymmetric condensing lens 21 and a cylindrical lens 22 arranged between the condensing lens 21 and the optical unit 4A.
  • FIG. 12B illustrates the five LD31a, 31b, 31c, 31d, and 31e in the LD bar 3.
  • the resonance wavelengths of the individual LDs 31a to 31e may be the same.
  • the plurality of LDs 31a to 31e in the LD bar 3 are an example of a set of light source elements in the laser light source 30 of the present embodiment.
  • the generic name of LD31a to 31e may be referred to as "LD31".
  • the beam coupling position P1 is set to a position where the beam diameter including the light beam emitted from each of the LDs 31a to 31e of all the LD bars 3-1 to 3-3 is minimized, for example.
  • the incident end of the optical fiber of the transmission optical system 10 described above is arranged at the beam coupling position P1.
  • FIG. 12A illustrates the main ray L1 of the light beam from the outer LD bar 3-1 in the Y direction and the main ray L2 of the light beam from the central LD bar 3-2.
  • FIG. 12B illustrates the main ray La of the light beam from the outer LD31a in the X direction and the main ray Lc of the light beam from the central LD31c.
  • the central LD31c in the X and Y directions has a main ray Lc parallel to the Z direction as in the first embodiment.
  • the outer LD bars 3-1 of the plurality of LD bars 3 arranged in the Y direction emit light.
  • the main ray L1 of the light beam is directed inward.
  • Such light ray control can be performed by tilting the direction of the outer optical unit 4A-1 or shifting the arrangement of the SAC 45 inward.
  • the optical unit 4A on the upper side (+ Y side) in the drawing tilts the main ray L1 of the light beam from the Z direction to the lower side ( ⁇ Y side).
  • the beam coupling position P1 in the Y direction where the main rays L1 and L2 intersect between the LD bars 3 is located on the ⁇ Z side of the focal position P0 of the condenser lens 21.
  • the optical unit 4A of the beam coupling device 2A of the present embodiment is a light beam from the outer LD31a. It is configured to direct the main ray La outward.
  • the position where the plurality of light beams intersect can be brought closer to the focal point of the condenser lens 21, the beam diameter itself at the time of coupling each light beam can be reduced, and the density of the light beam incident on the coupled optical system 20 can be increased. be able to.
  • the beam coupling position P1 can match the beam coupling position P1 in the X direction and the Y direction.
  • optical unit 4A of the beam coupling device 2A according to the second embodiment will be described.
  • FIG. 13 shows a configuration example of the BT50A of the optical unit 4A in the second embodiment.
  • the optical unit 4A of the present embodiment includes, for example, the BT50A of the configuration example of FIG. 13 in place of the BT50 in the optical unit 4 of the first embodiment, in which the pitch Wo on the + Z side is smaller than the pitch Wi on the ⁇ Z side.
  • FIG. 14 shows a cross-sectional view of the XZ plane in the BT50A of FIG.
  • the pitch Wi on the ⁇ Z side is smaller than the pitch Wo on the + Z side.
  • the BT50A of this configuration example is configured so that the pitch Wo between the oblique lens portions 51 on the end face on the + Z side is larger than the pitch Wi on the end face on the ⁇ Z side.
  • the curved surface shape of the oblique lens portion 51 on the end face on the + Z side can be set to extend, for example, the curved surface shape on the ⁇ Z side.
  • the pitch Wi on the ⁇ Z side is set according to the pitch between the LDs 31 in the LD bar 3 as in the BT50 of the first embodiment, for example. Further, the magnitude of the difference between the pitches Wi and Wo may be within the same range as that of the first embodiment.
  • the BT50A and BTU40A of the present embodiment are also examples of optical units, respectively, as in the first embodiment.
  • FIG. 15 (A) to 15 (C) illustrate the optical path in the optical unit 4A of the present embodiment in the same manner as in FIGS. 9 (A) to 9 (C).
  • FIG. 15A corresponds to the AA cross section of FIG. 15 (B) and 15 (C) correspond to the BB sectional view and the CC sectional view in FIG. 15 (A), respectively.
  • the BT50A of the present embodiment faces the SAC45 on the + Z side and faces the FAC41 on the ⁇ Z side, as in the first embodiment.
  • the main light beam of the light beam from each LD31 is larger than the pitch between the LD31s at the end face on the + Z side of the BT50A. Due to the pitch Wo of the oblique lens portion 51, the main ray La is directed outward in the X and Y directions as the LD31a is located outside in the X direction. As shown in FIG. 15C, the inclination of the main ray La in the Y direction is corrected in the SAC 45 in the same manner as in the first embodiment.
  • the main ray Lc of the outer LD31c in the X direction can be restricted in the X direction and directed outward.
  • FIG. 16 shows a simulation result as an embodiment of the beam coupling device 2A of the second embodiment.
  • the same numerical calculation as in the first embodiment was performed in the simulation environment of the space synthesis type beam coupling device 2A.
  • the distance between the plurality of optical units 4A was set to 4.8 mm
  • the focal length of the SAC 45 was set to 15 mm
  • the focal length of the condenser lens 21 was set to 50 mm.
  • the same numerical calculation as in the first embodiment was performed with the setting that the pitch Wo on the + Z side of the BT50A was made larger by 318 nm than the pitch Wi on the ⁇ Z side.
  • the pitch between the pitch Wi on the ⁇ Z side of the BT50A and the LD of the LD bar 3 was 0.225000 mm as in the first embodiment.
  • TANX has a positive value of "0.00443" after the injection of SAC45, and the main ray on the + X side is outward. Further, the value "0.00003" of "TANY” at this time is sufficiently smaller than the above-mentioned "TANX”. Therefore, it was confirmed that the main ray outside in the X direction can be directed outward in the X direction while keeping the inclination in the Y direction slightly.
  • Wi is smaller than the pitch Wo in which the oblique lens portions 51 are arranged on the end face on the + Z side as an example of the other end face.
  • the oblique lens unit 51 on the + Z side since the pitch Wo of the light beam becomes large, the main ray La of the light beam outside in the X direction can be directed outward. In this way, the BT50A of the optical unit 4A can improve the degree of freedom in design for guiding a plurality of light beams.
  • the beam coupling device 2A in the present embodiment includes a laser light source 30, a plurality of optical units 4A, and a coupling optical system 20 as an example of a light source.
  • the laser light source 30 includes, for example, LD31 which is an example of a plurality of light source elements arranged in the X direction and the Y direction.
  • the plurality of optical units 4A guide each light beam to each of the LD bars 3 as a set of LD31a to LD31e arranged in the X direction in the laser light source 30.
  • the coupling optical system 20 couples a plurality of light beams guided to each optical unit 4A.
  • the optical unit 4A is arranged so that the end face on the + Z side of the both end faces of the BT 50, which has a large pitch Wo of the oblique lens portion 51, faces the coupling optical system 20.
  • the beam diameter itself at the beam coupling position P1 can be reduced by outwardly directing the main ray L11 outside in the X direction by the optical unit 4A. ..
  • the beam quality can be improved in the space synthesis type beam coupling device 2A.
  • Embodiments 1 and 2 have been described as examples of the techniques disclosed in this application. However, the technique in the present disclosure is not limited to this, and can be applied to embodiments in which changes, substitutions, additions, omissions, etc. are made as appropriate. It is also possible to combine the components described in each of the above embodiments into a new embodiment. Therefore, other embodiments will be illustrated below.
  • the configuration of the beam coupling device 2 is not particularly limited to this example.
  • a transmission type diffraction element 25 is used for the beam coupling device 2
  • the diffraction element 25 is not limited to the transmission side and may be a reflection type.
  • the 900 nm band is illustrated as the wavelength band in which the LD 31 emits light, but the wavelength band of the LD 31 is not particularly limited and may be, for example, the 400 nm band.
  • the light beam direction of the light beam can be controlled such that the BT50 takes charge of the focusing function, and the degree of freedom in design is improved. can do.
  • the configuration of the beam coupling device 2A is not particularly limited to this example.
  • the beam coupling device 2A for inwardly directing the outer main ray L1 in the Y direction has been described, the main ray L1 may not be inwardly directed, for example, may be outwardly directed.
  • the cylindrical lens 22 for the coupling optical system 20 has been described, the cylindrical lens 22 may be omitted. According to the optical unit 4A of the present embodiment, the degree of freedom in design can be improved even in the optical design of the various spatial synthesis type beam coupling devices 2A.
  • optical unit of the present embodiment is not limited to the wavelength synthesis type or the space synthesis type, and may be applied to various beam coupling devices.
  • the optical unit of the present embodiment can also be applied to a beam coupling device in which a wavelength synthesis type and a space synthesis type are appropriately combined.
  • the present disclosure is applicable to various applications in which a plurality of light beams are combined and used, and is applicable to, for example, various laser processing technologies.

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Abstract

複数の光ビームを導光する光学ユニット（４）は、複数の光ビームがそれぞれ透過する複数のレンズ部（５１）を備える。複数のレンズ部は、光ビームが透過する光軸方向（Ｚ）と交差する配列方向（Ｘ）に配列される。各レンズ部は、光軸方向及び配列方向と交差する厚み方向（Ｙ）に対して傾斜している。光軸方向における光学ユニットの両端面のうちの、一方の端面においてレンズ部が配列されたピッチが、他方の端面においてレンズ部が配列されたピッチよりも小さい。

Description

光学ユニット、ビーム結合装置およびレーザ加工機
　本開示は、光学ユニット、及び光学ユニットを備えたビーム結合装置、並びにビーム結合装置を備えたレーザ加工機に関する。
　特許文献１は、個々の光ビームを重ね合わせて結合ビームを形成する波長合成式のレーザシステムを開示している。特許文献１では、光出力を増大する観点より、複数のダイオードバーからの光ビームを光ファイバに集光することが開示されている。また、レーザシステムを小型化する目的から、波長合成における結合レンズの配置を焦点距離から外すための光学系を別途含めたり、ビーム回転子を回転させたりしている。
米国特許第２０１６／００４８０２８号明細書
　本開示は、複数の光ビームを導光する設計自由度を向上することができる光学ユニット、ビーム結合装置及びレーザ加工機を提供する。
　本開示に係る光学ユニットは、複数の光ビームを導光する。光学ユニットは、複数の光ビームがそれぞれ透過する複数のレンズ部を備える。複数のレンズ部は、光ビームが透過する光軸方向と交差する配列方向に配列される。各レンズ部は、光軸方向及び配列方向と交差する厚み方向に対して傾斜している。光軸方向における光学ユニットの両端面のうちの、一方の端面においてレンズ部が配列されたピッチが、他方の端面においてレンズ部が配列されたピッチよりも小さい。
　本開示の一態様に係るビーム結合装置は、互いに異なる波長で共振可能な複数の光源素子を含む光源と、上記の光学ユニットと、回折素子とを備える。光源は、各光源素子からの複数の光ビームを発光する。光学ユニットは、光源からの各光ビームを導光する。回折素子は、光源から光学ユニットを介して入射する各光ビームを回折して、異なった波長で共振する複数の光ビームを結合する。光学ユニットが、両端面のうちのレンズ部のピッチが小さい端面を回折素子に向けて配置される。
　本開示の別の態様に係るビーム結合装置は、配列方向及び厚み方向に並ぶ複数の光源素子を含む光源と、複数の上記光学ユニットと、結合光学系とを備える。光源は、各光源素子からの複数の光ビームを発光する。複数の光学ユニットは、光源において配列方向に並んだ光源素子の組毎に、各光ビームを導光する。結合光学系は、各光学ユニットに導光された複数の光ビームを結合する。光学ユニットが、両端面のうちのレンズ部のピッチが大きい端面を結合光学系に向けて配置される。
　本開示に係るレーザ加工機は、上記いずれかのビーム結合装置と、ビーム結合装置によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドとを備える。
　本開示に係る光学ユニット、ビーム結合装置及びレーザ加工機によると、複数の光ビームを導光する設計自由度を向上することができる。
本開示の実施形態１に係るレーザ加工機の構成を例示する図 実施形態１のビーム結合装置における光ビームの結合方法を説明した図 ビーム結合装置における共振波長のスペクトルを示すグラフ 実施形態１に係るビーム結合装置の構成を示す図 ビーム結合装置における光学ユニットの基本構成を例示する図 光学ユニットにおけるビームツイスタユニットの構成例を示す斜視図 実施形態１における光学ユニットの構成例を示す図 図７の光学ユニットにおける断面図 図７の光学ユニットにおける主光線を例示する光路図 実施形態１のビーム結合装置の実施例を示す図 実施形態２に係るレーザ加工機の構成を例示する図 実施形態２に係るビーム結合装置の構成を示す図 実施形態２における光学ユニットの構成例を示す図 図１３の光学ユニットにおける断面図 図１３の光学ユニットにおける主光線を例示する光路図 実施形態２のビーム結合装置の実施例を示す図
　以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
　なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
（実施形態１）
　実施形態１では、波長合成式のビーム結合装置及びそれを備えたレーザ加工機に、光学ユニットを適用する例について説明する。
１．レーザ加工機について
　実施形態１に係るレーザ加工機及びビーム結合装置の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るレーザ加工機１の構成を示す図である。
　図１は、本実施形態に係るレーザ加工機１の構成を例示する図である。レーザ加工機１は、例えば、ビーム結合装置２と、伝送光学系１０と、加工ヘッド１１と、コントローラ１２とを備える。レーザ加工機１は、レーザ光を種々の加工対象物１５に照射して、各種レーザ加工を行う装置である。各種レーザ加工は、例えばレーザ溶接、レーザ切断、及びレーザ穿孔などを含む。
　ビーム結合装置２は、例えばレーザ加工機１のレーザ光を供給するために、別個に発光する複数の光ビームを結合する装置である。本実施形態において、ビーム結合装置２は、複数の光ビームを、互いに異なる波長において共振させながら合成する波長合成式で構成される。波長合成式のビーム結合装置２によると、良好なビーム品質を得やすく、ビーム径を絞り易い。
　レーザ加工機１において、伝送光学系１０は、ビーム結合装置２からのレーザ光を加工ヘッド１１に伝送する光学系であり、例えば光ファイバを含む。加工ヘッド１１は、例えば加工対象物１５に対向して配置され、ビーム結合装置２から伝送されたレーザ光を加工対象物１５に照射する装置である。
　コントローラ１２は、レーザ加工機１の全体動作を制御する制御装置である。コントローラ１２は、例えばソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ又はＭＰＵを備える。コントローラ１２は、各種プログラム及びデータを記憶する内部メモリ、及び使用者の操作により発振条件等を入力可能な各種インタフェースを備えてもよい。コントローラ１２は、各種機能を実現するＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ等のハードウェア回路を備えてもよい。また、コントローラ１２は、光源の駆動回路と一体的に構成されてもよい。
１－１．ビーム結合装置について
　本実施形態のビーム結合装置２は、例えば図１に示すように、光源の一例であるＬＤバー３と、光学ユニット４と、結合レンズ２４と、回折素子２５と、出力カプラ２６とを備える。本実施形態のビーム結合装置２は、ＬＤバー３と出力カプラ２６との間を往復する光路において、光を共振させる外部共振型の光共振器を構成する。
　ＬＤバー３は、一次元的に配列された複数のＬＤ（レーザダイオード）３１１～３１５を含む光源素子のアレイで構成される。以下では、ＬＤ３１１～３１５が配列された方向を「Ｘ方向」とし、ＬＤバー３がＬＤ３１１～３１５から射出する光ビームの光軸の方向を「Ｚ方向」とし、Ｘ，Ｚ方向に直交する方向を「Ｙ方向」とする。
　図１では、ＬＤバー３における３個のＬＤ３１１，３１３，３１５を例示している。ＬＤバー３に含まれるＬＤ３１１～３１５の個数は、例えば数十個から数百個である。複数のＬＤ３１１～３１５は、例えばＬＤ発光層の材質に応じた共通の自然放出スペクトルを有する（図３参照）。以下、ＬＤ３１１～３１５の総称を「ＬＤ３１」という場合がある。各ＬＤ３１は、ＬＤバー３のエミッタを構成する光源素子の一例であり、それぞれ＋Ｚ側に光ビームを射出する。
　光学ユニット４は、ＬＤバー３の各ＬＤ３１からの複数の光ビームをそれぞれ調整して導光する光学系である。光学ユニット４は、ＬＤバー３の＋Ｚ側に配置される。本実施形態の光学ユニット４によると、複雑な光学設計を伴う波長合成式のビーム結合装置２における設計自由度を向上して、ビーム結合装置２を小型化することができる。光学ユニット４の詳細については後述する。
　結合レンズ２４は、例えば光学ユニット４の＋Ｚ側に距離Ｄ１を置いて配置される。結合レンズ２４の－Ｚ側の距離Ｄ１は、例えば結合レンズ２４の焦点距離に設定される。ＬＤバー３の各ＬＤ３１からの複数の光ビームは、光学ユニット４を介して結合レンズ２４に入射すると、結合レンズ２４から＋Ｚ側に距離Ｄ２を置いた位置に集光する。結合レンズ２４は、こうした集光時に各光ビームをそれぞれコリメートする。
　回折素子２５は、例えば結合レンズ２４から＋Ｚ側に距離Ｄ２の位置に配置される。回折素子２５は、例えば透過型の回折格子が形成された分散性素子である。本実施形態において、回折素子２５の回折格子は、複数のＬＤ３１１～３１５からの光ビームを同じ方向に射出して、結合するための回折条件を満たす。回折素子２５の回折条件は、例えば次式（１）のように表される。
ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝ｍλ／ｄ　　　…（１）
　ここで、αは回折素子２５に入射する光ビームの入射角であり、βは回折後に射出する光ビームの回折角である。また、λは回折させる光の波長であり、共振波長に対応する。ｄは、回折素子２５における回折格子のピッチである。ｍは、回折次数を示し、例えば自然数である。
　図２は、ビーム結合装置２の回折素子２５における光ビームの結合方法を説明した図である。回折素子２５においては、図２に示すように、各ＬＤ３１１，３１３，３１５からの光ビームの入射角α＝α１，α２，α３が互いに異なる。本実施形態のビーム結合装置２では、上式（１）に基づいて、各ＬＤ３１１～３１５の回折角βを同一にするように、各ＬＤ３１１～３１５に異なる共振波長λが設定される。これにより、複数のＬＤ３１１～３１５からの光ビームは、回折後に回折素子２５から同じ方向に射出して、結合結果の光ビームが得られる。
　図３は、ビーム結合装置２における共振波長λのスペクトルを示すグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は波長［ｎｍ］を示し、縦軸は光の強度を示す。
　図３では、ＬＤバー３における複数のＬＤ３１１～３１５における個々の共振スペクトルＳ１～Ｓ３と、共通の自然放出スペクトルＳ０とを示している。各共振スペクトルＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、各々のＬＤ３１１，３１３，３１５の共振波長λの分布を示す。自然放出スペクトルＳ０は、例えば９５５ｎｍ～９９０ｎｍといった９００ｎｍ帯の波長帯を含む。共振スペクトルＳ１～Ｓ３によると、ＬＤバー３において配列された位置に応じてＬＤ３１１からＬＤ３１５へと順番に、共振波長λが長くなっている。
　本実施形態のビーム結合装置２は、図３に示すように、ＬＤバー３中の全てのＬＤ３１１～３１５の共振スペクトルＳ１～Ｓ３が、自然放出スペクトルＳ０の範囲内に収まるように、ビーム結合装置２の各種パラメータが設定される。ビーム結合装置２の各種パラメータは、例えば、ＬＤバー３におけるＬＤ３１１～３１５のピッチ、結合レンズ２４の焦点距離、回折素子２５における回折格子の形状、ビーム結合装置２の各部間の距離である。
　図１に戻り、出力カプラ２６は、回折素子２５において回折された光ビームが射出する方向に配置される。出力カプラ２６は、例えば所定の透過率及び反射率を有するミラー素子等を含む。回折素子２５から出力カプラ２６に入射する光ビームのうち、透過率に応じた透過成分は、ビーム結合装置２の出力として、例えば伝送光学系１０に射出する。一方、反射率に応じた反射成分は、光共振のために回折素子２５に戻される。出力カプラ２６には、こうした反射率及び透過率が調整可能な機構が設けられてもよい。
　以上のようなビーム結合装置２によると、外部共振型の光共振器として波長合成式のビーム結合を行って、良好なビーム品質を得ることができる。その一方で、波長合成式のビーム結合を行う外部共振型の光共振器においては、光学設計が複雑になり、装置構成の大型化を招くといった課題がある。これに対して、本実施形態では、こうした光学設計の設計自由度を向上し、ビーム結合装置２を小型化できる光学ユニット４を提供する。
１－１－１．ビーム結合装置の詳細
　本実施形態に係るビーム結合装置２の構成の詳細を、図４を用いて説明する。図４（Ａ）は、ビーム結合装置２をＹ方向から見た平面図を示す。図４（Ｂ）は、ビーム結合装置２をＸ方向から見た側面図を示す。
　本実施形態のビーム結合装置２において、光学ユニット４は、例えば、ＬＤバー３に対向配置されるＢＴＵ（ビームツイスタユニット）４０と、ＢＴＵ４０の＋Ｚ側に配置されるＳＡＣ（スロー軸コリメータ）４５とを含む。結合レンズ２４は、例えばＸ方向において正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成される。なお、ＢＴＵ４０とＳＡＣ４５とは別体で提供されてもよく、この場合においてＢＴＵ４０は本実施形態における光学ユニットの一例である。
　本実施形態において、例えば光学ユニット４のＢＴＵ４０から結合レンズ２４までの距離Ｄ１は、上述したようにＬＤバー３からの各光ビームのコリメートの観点から、結合レンズ２４の焦点距離Ｄｆに設定される。一方、結合レンズ２４から回折素子２５までの距離Ｄ２は、各光ビームを回折素子２５に集光する観点から設定することが考えられる。
　ここで、ＬＤバー３からの複数の光ビームが互いに平行なまま結合レンズ２４に入射するような場合、上記集光の観点から回折素子２５までの距離Ｄ２も焦点距離Ｄｆだけ取る必要が生じ、装置構成が大型化してしまう。そこで、本実施形態では、光学ユニット４のＢＴＵ４０により、ＬＤバー３からの複数の光ビームの向きを制御する。
　図４（Ａ），（Ｂ）では、それぞれＬＤバー３における外側のＬＤ３１１からの光ビームの主光線Ｌ１１と、中央のＬＤ３１３からの光ビームの主光線Ｌ１３とを例示している。本実施形態のビーム結合装置２において、例えば中央のＬＤ３１３は、光学ユニット４及び結合レンズ２４を直進し、Ｚ方向に平行な主光線Ｌ１３を有する。
　本実施形態のＢＴＵ４０によると、図４（Ａ）に示すように、ＬＤバー３における外側のＬＤ３１１からの光ビームの主光線Ｌ１１をＸ方向に内向させる。これにより、例えば結合レンズ２４から焦点距離Ｄｆよりも短い距離Ｄ２において、各主光線Ｌ１１，Ｌ１３が交差し、複数の光ビームを集光させることができる。よって、回折素子２５までの距離Ｄ２を焦点距離Ｄｆよりも短縮し、ビーム結合装置２を小型化することができる。
　又、ＢＴＵ４０が複数の光ビームの主光線方向を制御することで、結合レンズ２４の配置を変えることができる。例えば、結合レンズ２４の焦点距離Ｄｆが、上述したコリメートの観点から適切な長さに設定可能となり、例えば１ｍ以上等にも設定可能である。その一方で、集光の機能が、ＢＴＵ４０と結合レンズ２４との協働によって実現されるような設計自由度も得られる。
　また、本実施形態の光学ユニット４によると、ＢＴＵ４０でＸ方向に内向させた主光線Ｌ１１が、図４（Ｂ）に示すように、Ｙ方向においては特に内向あるいは外向しないようにすることができる。ここで、外部共振型の光共振器においては、光ビームの光線角度がＹ方向にずれると、出力カプラ２６（図１参照）に対する光ビームの入射角度が変わり、光共振に不具合を生じる事態が考えられる。これに対して、本実施形態の光学ユニット４によると、Ｙ方向における光線角度に干渉せずにＸ方向の光線方向を制御でき、上記のような不具合を回避できる。以上のように、本実施形態の光学ユニット４によると、ビーム結合装置２における各種光学設計の設計自由度を向上することができる。
２．光学ユニットについて
　以下、本実施形態におけるビーム結合装置２の光学ユニット４の詳細について説明する。
２－１．光学ユニットの基本構成
　まず、光学ユニット４の基本的な構成について、図５～６を用いて説明する。図５は、光学ユニット４の基本構成を例示する。
　図５（Ａ）は、基本構成における光学ユニット４の平面図を示す。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の光学ユニット４の側面図を示す。図５（Ａ），（Ｂ）では、中央のＬＤ３１３のような１つのＬＤ３１からの光ビームの光路を例示している。
　光学ユニット４におけるＢＴＵ４０は、ＢＴ（ビームツイスタ）５０と、ＦＡＣ（ファスト軸コリメータ）４１とを含む。光学ユニット４では、例えばＬＤ３１近傍から＋Ｚ側へ順番に、ＦＡＣ４１、ＢＴ５０及びＳＡＣ４５が配置される。
　本実施形態において、ＬＤ３１は、ファスト軸Ａｆ及びスロー軸Ａｓを有する光ビームを発光する。光ビームのファスト軸Ａｆは、スロー軸Ａｓよりも急速にビーム径を拡げ、且つ良好なビーム品質を得やすい。ＬＤ３１の光ビームが光学ユニット４に入射する前に、光ビームのファスト軸ＡｆはＹ方向に向いており、スロー軸ＡｓはＸ方向に向いている。
　ＦＡＣ４１は、ファスト軸Ａｆにおいて光ビームをコリメートするために設けられ、例えば正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成される。ＦＡＣ４１は、例えば図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、長手方向をＸ方向に向けて、ＬＤバー３の＋Ｚ側から焦点距離の位置に配置される。本例では、ＬＤ３１からの光ビームは、ＦＡＣ４１によりＹ方向（即ちファスト軸Ａｆ）においてコリメートされて、ＢＴ５０に入射する。
　図６に、ＢＴ５０の構成例を示す。ＢＴ５０は、例えば複数の光ビームをそれぞれ回転させる光学素子であり、複数の斜行したレンズ部５１を含む。斜行レンズ部５１は、ＢＴ５０において、ＬＤ３１毎のレンズを構成する部分であり、例えばシリンドリカルレンズを構成する。なお、ＢＴ５０とＦＡＣ４１とは別体で提供されてもよく、この場合においてＢＴ５０は本実施形態における光学ユニットの一例である。
　ＢＴ５０は、例えばＸ方向に所定のピッチで複数の斜行レンズ部５１を配列するように形成される。本構成例において、斜行レンズ部５１は、配列方向（即ちＸ方向）およびＢＴ５０の厚み方向（即ちＹ方向）の双方に対して４５°傾斜している。ＢＴ５０における斜行レンズ部５１の傾斜は、必ずしも４５°でなくてもよく、例えばＹ方向に対して４０°～５０°であってもよい。
　図５（Ａ），（Ｂ）の例において、ＢＴ５０は、ＬＤ３１からＦＡＣ４１を介して入射する光ビームを、ＸＹ平面において回転角度９０°だけ回転させる。これにより、ＢＴ５０から射出する光ビームのスロー軸ＡｓがＹ方向に向き、ファスト軸ＡｆはＸ方向に向くこととなる。又、ＢＴ５０の射出時の光ビームは、Ｙ方向では発散光となり、Ｘ方向においては平行光となる。
　ＳＡＣ４５は、スロー軸Ａｓにおいて光ビームをコリメートするために設けられ、例えば正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成される。ＳＡＣ４５は、例えば図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、長手方向をＸ方向に向けて、ＢＴＵ４０の＋Ｚ側から焦点距離の位置に配置される。本例では、ＢＴ５０からの光ビームは、ＳＡＣ４５によりＹ方向（即ちスロー軸Ａｓ）においてコリメートされて、光学ユニット４を射出する。
　以上の光学ユニット４によると、ＬＤバー３の各ＬＤ３１から発光した光ビームは、基本的にはファスト軸Ａｆ及びスロー軸Ａｓにおいてコリメートされる。但し、光の波動的な作用により、特にファスト軸ＡｆにおいてはＢＴ５０の＋Ｚ側の面等からの波の影響としてビーム径が広がり得る。これに対して、本実施形態のビーム結合装置２においては、結合レンズ２４による各光ビームのコリメートによって、上記の影響を抑制することが可能となる。
２－２．光学ユニットのＢＴについて
　本実施形態では、以上のような光学ユニット４の各部の基本的な機能を利用しながら、ＢＴ５０における斜行レンズ部５１の配置を調整することにより、各種の主光線の制御を実現する。以下、こうした光学ユニット４の構成例を説明する。
　図７は、本実施形態における光学ユニット４のＢＴ５０の構成例を示す。図７は、複数のＬＤ３１１，３１２，３１３，３１４，３１５と共に、－Ｚ側から見た光学ユニット４の前面図を示している。ＬＤ３１１～３１５からの光ビームは、例えばＺ方向を光軸方向として、それぞれ対向するレンズ部５１を－Ｚ側から＋Ｚ側に透過する。本実施形態のＢＴ５０では、各ＬＤ３１からの光ビームの射出側と入射側すなわち±Ｚ側の両端面の間で、斜行レンズ部５１のピッチをずらして構成される。
　図８は、図７のＢＴ５０におけるＸＺ平面の断面図を示す。本構成例のＢＴ５０は、＋Ｚ側の端面における斜行レンズ部５１間のピッチＷｏが、－Ｚ側の端面におけるピッチＷｉよりも小さくなるように構成される。－Ｚ側のピッチＷｉは、例えばＬＤバー３におけるＬＤ３１間のピッチと同一に設定される。本構成例のＢＴ５０において、例えば中央の斜行レンズ部５１の中心は、±Ｚ側の両面において合致する。
　ピッチＷｉ，Ｗｏ間の差分は、例えば各ピッチＷｉ，Ｗｏよりも充分に小さく設定され、例えば各ピッチＷｉ，Ｗｏの０．１倍以下である。ピッチＷｉ，Ｗｏ間の差分は、斜行レンズ部５１或いはＬＤ３１の個数を考慮して設定されてもよい。ピッチＷｉ，Ｗｏ間の差分は、例えば各ピッチＷｉ，Ｗｏの０．０００１倍以上である。
　図９（Ａ）～（Ｃ）は、本構成例の光学ユニット４における光路を例示する。図９（Ａ）は、図７の光学ユニット４におけるＡ－Ａ断面に対応する。Ａ－Ａ断面は、ＬＤバー３の各ＬＤ３１１～３１５が位置するＸＺ平面である。図９（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ図９（Ａ）におけるＢ－Ｂ断面図とＣ－Ｃ断面図に対応する。Ｂ－Ｂ断面は、中央のＬＤ３１３が位置するＹＺ平面である。Ｃ－Ｃ断面は、外側のＬＤ３１５が位置するＹＺ平面である。
　本実施形態の光学ユニット４によると、各ＬＤ３１からの光ビームの主光線は、図９（Ａ）～（Ｃ）に示すように、ＦＡＣ４１に入射してからＢＴ５０の＋Ｚ側の面に到る前まで、Ｚ方向に沿って直進する。ＢＴ５０の＋Ｚ側の面では、－Ｚ側の面よりも小さい斜行レンズ部５１のピッチＷｏにより、Ｘ方向において外側に位置するＬＤ３１ａほど、主光線ＬａがＸ方向に内向すると共に、Ｙ方向にも傾き得る。
　各主光線Ｌａ，Ｌｃは、ＢＴ５０を射出するとＳＡＣ４５に到る。ここで、ＳＡＣ４５はＹ方向における光ビームのコリメートを行うことから、図９（Ｃ）に示すように、Ｙ方向における主光線Ｌｃの傾きはＳＡＣ４５において補正される。
　以上のように、本実施形態の光学ユニット４によると、Ｘ方向における外側のＬＤ３１ｃの主光線Ｌｃを、Ｘ方向に制限して内向させることができる。
２－３．実施形態１の実施例
　以上のような本実施形態のビーム結合装置２とその光学ユニット４の構成例に関する実施例について、以下説明する。
　本実施形態のビーム結合装置２の数値的な実施例として、上記の構成例の光学ユニット４を用いた数値シミュレーションを行った。本シミュレーションにおいて、ＳＡＣ４５の焦点距離は５０ｍｍに設定し、結合レンズ２４の焦点距離は１１３０ｍｍに設定し、ＬＤバー３のＬＤ３１間のピッチは０．２２５０００ｍｍに設定した。こうしたシミュレーション環境において、本実施例としてＢＴ５０の＋Ｚ側のピッチＷｏを、－Ｚ側のピッチＷｉよりも２３０ｎｍだけ小さく設定した。また、ＢＴ５０の－Ｚ側のピッチＷｉはＬＤバー３のＬＤ間のピッチと同じに設定した。
　図１０（Ａ）は、本実施形態のビーム結合装置２のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、上記の設定においてＢＴ５０のピッチＷｉ，Ｗｏをずらす効果を確認するべく、＋Ｘ側の主光線の数値計算を行った。図中の各行は、物体側（即ち－Ｚ側）から像側（即ち＋Ｚ側）への面番号毎に主光線がビーム結合装置２の各部を通過する際の数値計算結果を示す。数値計算結果として、「Ｘ」はＸ座標を示し、「Ｙ」はＹ座標を示し、「ＴＡＮＸ」はＸＺ平面における傾きをｔａｎ関数で示し、「ＴＡＮＹ」は、ＹＺ平面における傾きをｔａｎ関数で示す。なお、数値計算した主光線に対応するＬＤ３１の位置は、Ｘ座標４ｍｍであった。
　図１０（Ａ）のシミュレーション結果によると、ＬＤ３１の射出時はゼロ値であった「ＴＡＮＸ」が、ＳＡＣ４５の射出後に正値「－０．００３４６」になっており、＋Ｘ側の主光線が内向している。さらに、「ＴＡＮＹ」は、ＳＡＣ４５の射出以降、回折素子２５に到るまでゼロ値で維持されており。よって、ＢＴ５０のＷｉ，Ｗｏのずれに応じて、Ｘ方向外側の主光線を、Ｙ方向の影響を抑えながら、Ｘ方向に内向できることが確認できた。
　図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に対する比較例のシミュレーション結果を示す。この比較例では、ＢＴＵのピッチを±Ｚ側の両面でずらさずに、これに代えてＸＹ平面内でＢＴＵを回転させた場合に、図１０（Ａ）と同様の数値計算を行った。ＢＴＵのような光学素子の回転により外側主光線を内向させる技術は、従来より知られている（例えば特許文献１）。ＢＴＵの回転角度は、０．００８°に設定した。
　図１０（Ｂ）のシミュレーション結果によると、ＳＡＣの射出後の「ＴＡＮＸ」の値「－０．００３４６」は、図１０（Ａ）の例と同等である。一方、「ＴＡＮＹ」は、ＳＡＣの射出後に値「０．０００７」を有している。即ち、この比較例では、外側主光線をＸ方向に内向させる際に、Ｙ方向の傾きを生じさせる影響が生じている。以上より、本実施形態の光学ユニット４によると、外側主光線のＸ方向への内向を、従来技術よりもＹ方向への影響を抑制しながら実現できることが確認された。
３．まとめ
　以上のように、本実施形態における光学ユニット４は、複数の光ビームを導光する。光学ユニット４のＢＴ５０は、複数の光ビームがそれぞれ透過する複数のレンズ部の一例として、複数の斜行レンズ部５１を備える。複数の斜行レンズ部５１は、光ビームが透過する光軸方向（例えばＺ方向）と交差する配列方向（例えばＸ方向）に配列される。各斜行レンズ部５１は、光軸方向及び配列方向と交差する厚み方向（例えばＹ方向）に対して傾斜している。本実施形態の光学ユニット４では、光軸方向におけるＢＴ５０の両端面のうちの、一方の端面の一例としての＋Ｚ側の端面において斜行レンズ部５１が配列されたピッチＷｏが、他方の端面としての－Ｚ側の端面において斜行レンズ部５１が配列されたピッチＷｉよりも小さい。
　以上の光学ユニット４によると、例えばＢＴ５０の－Ｚ側の斜行レンズ部５１のピッチＷｉと同じピッチにおいて、複数の光ビームが－Ｚ側から入射する際に、＋Ｚ側で斜行レンズ部５１のピッチＷｏが小さくなることから、Ｘ方向外側の光ビームの主光線Ｌ１１を内向させることができる。よって、複数の光ビームを集光するように導光する光線方向の制御が実現できる。このように、光学ユニット４のＢＴ５０によって、複数の光ビームを導光する設計自由度を向上することができる。
　本実施形態において、光学ユニット４のＢＴＵ４０は、第１のコリメータレンズの一例としてＦＡＣ４１を備える。ＦＡＣ４１は、ＢＴ５０の±Ｚ側の両端面のうちの片方の端面である－Ｚ側の端面に対向して配置され、当該端面から斜行レンズ部５１に光ビームを入射させる。本実施形態のＢＴＵ４０によると、ＦＡＣ４１から入射する複数の光ビームの光線方向を制御することができる。
　本実施形態において、光学ユニット４は、第２のコリメータレンズの一例としてＳＡＣ４５をさらに備える。ＳＡＣ４５は、ＢＴ５０の両端面のうちの、ＦＡＣ４１が対向した端面とは反対側である＋Ｚ側の端面に対向して配置され、当該端面から射出する光ビームをコリメートする。ＳＡＣ４５によると、ＦＡＣ４１から入射してＢＴ５０において光線方向が変更された光ビームの光線方向を補正でき、複数の光ビームの光線方向の制御を行い易くすることができる。
　本実施形態におけるビーム結合装置２は、光源の一例としてのＬＤバー３と、光学ユニット４と、回折素子２５と備える。ＬＤバー３は、互いに異なる波長で共振可能な複数の光源素子としてのＬＤ３１１～３１３を含み、各ＬＤ３１１～３１３からの複数の光ビームを発光する。光学ユニット４は、ＬＤバー３からの各光ビームを導光する。回折素子２５は、ＬＤバー３から光学ユニット４を介して入射する各光ビームを回折して、異なった波長で共振する複数の光ビームを結合する。光学ユニット４が、ＢＴ５０の両端面のうちの斜行レンズ部５１のピッチＷｏが小さい＋Ｚ側の端面を回折素子２５に向けて配置される。
　以上のビーム結合装置２によると、異なる波長で共振する複数の光ビームを回折素子２５で回折して結合する際に、光学ユニット４によって複数の光ビームを回折素子２５に集光できる。こうした設計自由度の向上により、ビーム結合装置２の装置構成を小型化することができる。
　本実施形態において、ＬＤ３１毎の回折素子２５を介した共振の波長は、配列方向であるＸ方向における各ＬＤ３１の位置に応じて次第に変化する。例えば＋Ｘ側のＬＤ３１１から－Ｘ側のＬＤ３１５へと共振波長λは長くなる。これにより、回折素子２５を介して各ＬＤ３１からの光ビームを結合できる。
　本実施形態において、配列方向における複数のＬＤ３１間のピッチと、光学ユニット２ＢＴＵ４０の両端面のうちの光源に近い方である－Ｚ側の端面において斜行レンズ部５１が配列されたピッチＷｉとが合致する。これにより、各ＬＤ３１からの光ビームを適切に制御することができる。
　本実施形態におけるレーザ加工機１は、ビーム結合装置２と、ビーム結合装置２によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッド１１とを備える。本実施形態のレーザ加工機１は、光学ユニット４により、複数の光ビームを導光する設計自由度の向上から小型化された波長合成式のビーム結合装置２を用いて構成することができる。
（実施形態２）
　以下、図１１～１６を用いて実施形態２を説明する。実施形態２では、空間合成式のビーム結合装置及びそれを備えたレーザ加工機に、光学ユニットを適用する例について説明する。
　以下、実施形態１に係るレーザ加工機１、ビーム結合装置２及び光学ユニット４と同様の構成、動作の説明は適宜、省略して、本実施形態に係るレーザ加工機、ビーム結合装置及び光学ユニットを説明する。
１．レーザ加工機について
　図１１は、実施形態２に係るレーザ加工機１Ａの構成を例示する図である。本実施形態のレーザ加工機１は、実施形態１のレーザ加工機１と同様の構成において、波長合成式のビーム結合装置２の代わりに、空間合成式のビーム結合装置２Ａを備える。
　本実施形態におけるビーム結合装置２Ａは、レーザ光源３０と、複数の光学ユニット４Ａ－１～４Ａ－３と、結合光学系２０とを備える。レーザ光源３０は、本実施形態において複数のＬＤバー３－１～３－３を含む。ＬＤバー３－１～３－３の各々は、例えば実施形態１のＬＤバー３と同様に構成される。以下、ＬＤバー３－１～３－３の総称を「ＬＤバー３」といい、光学ユニット４Ａ－１～４Ａ－３の総称を「光学ユニット４Ａ」という場合がある。
　複数のＬＤバー３は、ビーム結合装置２Ａにおいて、例えば各々のＬＤの配列方向を平行に向けてＸ方向とし、Ｘ方向に直交するＹ方向に並置される。ビーム結合装置２ＡにおけるＬＤバー３の個数は、３個の例を図示しているが特に限定されず、２個又は４個以上であってもよい。
　本実施形態のビーム結合装置２Ａは、レーザ光源３０において空間的に配置された複数のＬＤバー３の各ＬＤ３１が発光する多数の光ビームを結合する空間合成式で構成される。本実施形態では、小さいビーム径において高密度にビーム結合を行うことができるビーム結合装置２Ａを提供する。
　本実施形態のビーム結合装置２Ａにおいて、複数の光学ユニット４Ａは、例えばＬＤバー３の個数分、設けられる。１つの光学ユニット４Ａは、１つのＬＤバー３による各ＬＤからの光ビームを結合光学系２０に導光する。結合光学系２０は、ビーム結合装置２Ａにおける各光学ユニット４Ａからの光ビームを結合する光学系である。
１－１．ビーム結合装置について
　図１２は、実施形態２に係るビーム結合装置２Ａの構成を示す図である。図１２（Ａ）は、ビーム結合装置２ＡをＸ方向から見た側面図を示す。図１２（Ｂ）は、ビーム結合装置２ＡをＹ方向から見た平面図を示す。
　本実施形態のビーム結合装置２Ａにおいては、例えば図１２（Ａ）に示すように、各ＬＤバー３が別々の光学ユニット４Ａの－Ｚ側に配置される。本実施形態の光学ユニット４Ａでは、実施形態１の光学ユニット４の構成から、ＢＴＵ４０Ａの構成が異なる。結合光学系２０は光学ユニット４Ａの＋Ｚ側に配置され、軸対称の集光レンズ２１、及び集光レンズ２１と光学ユニット４Ａ間に配置されるシリンドリカルレンズ２２を含む。
　図１２（Ｂ）では、ＬＤバー３における５個のＬＤ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを例示している。本実施形態において、個々のＬＤ３１ａ～３１ｅの共振波長は同じであってもよい。ＬＤバー３における複数のＬＤ３１ａ～３１ｅは、本実施形態のレーザ光源３０における１組の光源素子の一例である。以下、ＬＤ３１ａ～３１ｅの総称を「ＬＤ３１」という場合がある。
　図１２（Ａ），（Ｂ）では、ビーム結合装置２Ａによる光ビームの結合結果とするビーム結合位置Ｐ１を例示する。ビーム結合位置Ｐ１は、例えば全てのＬＤバー３－１～３－３の各ＬＤ３１ａ～３１ｅから発光する光ビームを含めたビーム径が最小となる位置に設定される。例えば、ビーム結合位置Ｐ１に、上述した伝送光学系１０の光ファイバの入射端が配置される。
　図１２（Ａ）では、Ｙ方向における外側のＬＤバー３－１からの光ビームの主光線Ｌ１と、中央のＬＤバー３－２からの光ビームの主光線Ｌ２とを例示している。図１２（Ｂ）では、Ｘ方向における外側のＬＤ３１ａからの光ビームの主光線Ｌａと、中央のＬＤ３１ｃからの光ビームの主光線Ｌｃとを例示している。本実施形態のビーム結合装置２Ａにおいて、例えばＸ，Ｙ方向における中央のＬＤ３１ｃは、実施形態１と同様にＺ方向に平行な主光線Ｌｃを有する。
　本実施形態では、例えば空間合成によるビーム結合装置２Ａの高出力化の観点から、図１２（Ａ）に示すように、Ｙ方向に並ぶ複数のＬＤバー３における外側のＬＤバー３－１が発光する光ビームの主光線Ｌ１を内向させる。こうした光線制御は、外側の光学ユニット４Ａ－１の向きを傾けたり、ＳＡＣ４５の配置を内側にずらしたりすることによって行える。例えば、図中で上側（＋Ｙ側）の光学ユニット４Ａは、光ビームの主光線Ｌ１を、Ｚ方向から下側（－Ｙ側）に傾ける。この場合、ＬＤバー３間で主光線Ｌ１，Ｌ２が交わるＹ方向のビーム結合位置Ｐ１は、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも－Ｚ側に位置することとなる。
　一方、図１２（Ｂ）に示すように、ＬＤバー３毎にＸ方向に並ぶ複数のＬＤ３１ａ～３１ｅにおいて、本実施形態のビーム結合装置２Ａの光学ユニット４Ａは、外側のＬＤ３１ａからの光ビームの主光線Ｌａを外向させるように構成される。これにより、複数の光ビームが交差する位置を集光レンズ２１の焦点に近づけて、各光ビームの結合時のビーム径自体を小さくでき、結合光学系２０に入射する光ビームの密度を高くすることができる。さらに、結合光学系２０のシリンドリカルレンズ２２によると、ビーム結合位置Ｐ１は、Ｘ方向とＹ方向とにおいてビーム結合位置Ｐ１を合致させることができる。
２．光学ユニットについて
　以下、実施形態２に係るビーム結合装置２Ａの光学ユニット４Ａについて説明する。
　図１３は、実施形態２における光学ユニット４ＡのＢＴ５０Ａの構成例を示す。本実施形態の光学ユニット４Ａは、実施形態１の光学ユニット４において－Ｚ側のピッチＷｉよりも＋Ｚ側のピッチＷｏが小さいＢＴ５０に代えて、例えば図１３の構成例のＢＴ５０Ａを備える。
　図１４は、図１３のＢＴ５０ＡにおけるＸＺ平面の断面図を示す。本構成例のＢＴ５０Ａにおいては、＋Ｚ側のピッチＷｏよりも－Ｚ側のピッチＷｉが小さい。換言すると、本構成例のＢＴ５０Ａは、＋Ｚ側の端面における斜行レンズ部５１間のピッチＷｏが、－Ｚ側の端面におけるピッチＷｉよりも大きくなるように構成される。本構成例のＢＴ５０Ａにおいて、＋Ｚ側の端面における斜行レンズ部５１の曲面形状は、例えば－Ｚ側の曲面形状を延長するように設定できる。
　また、本構成例において、－Ｚ側のピッチＷｉは、例えば実施形態１のＢＴ５０と同様にＬＤバー３におけるＬＤ３１間のピッチに合わせて設定される。また、ピッチＷｉ，Ｗｏ間の差分の大きさも、実施形態１と同様の範囲内であってもよい。本実施形態のＢＴ５０Ａ及びＢＴＵ４０Ａも、実施形態１と同様にそれぞれ光学ユニットの一例である。
　図１５（Ａ）～（Ｃ）は、本実施形態の光学ユニット４Ａにおける光路を、図９（Ａ）～（Ｃ）と同様に例示する。図１５（Ａ）は、図１３のＡ－Ａ断面に対応する。図１５（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ図１５（Ａ）におけるＢ－Ｂ断面図とＣ－Ｃ断面図に対応する。本実施形態のＢＴ５０Ａは、実施形態１と同様に、＋Ｚ側においてＳＡＣ４５に対向し、－Ｚ側においてＦＡＣ４１に対向する。
　本実施形態の光学ユニット４Ａによると、各ＬＤ３１からの光ビームの主光線は、図１５（Ａ）～（Ｃ）に示すように、ＢＴ５０Ａの＋Ｚ側の端面では、ＬＤ３１間のピッチよりも大きい斜行レンズ部５１のピッチＷｏにより、Ｘ方向において外側に位置するＬＤ３１ａほど、主光線ＬａがＸ，Ｙ方向において外向する。Ｙ方向における主光線Ｌａの傾きは、図１５（Ｃ）に示すように、ＳＡＣ４５において実施形態１と同様に補正される。
　以上のように、本実施形態の光学ユニット４Ａによると、Ｘ方向における外側のＬＤ３１ｃの主光線Ｌｃを、Ｘ方向に制限して外向させることができる。
２－１．実施形態２の実施例
　図１６は、実施形態２のビーム結合装置２Ａの実施例としてのシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、空間合成式のビーム結合装置２Ａのシミュレーション環境において、実施形態１と同様の数値計算を行った。本シミュレーションにおいて、複数の光学ユニット４Ａ間の間隔は４．８ｍｍに設定し、ＳＡＣ４５の焦点距離は１５ｍｍに設定し、集光レンズ２１の焦点距離は５０ｍｍに設定した。
　本シミュレーションでは、実施形態１と同様の数値計算を、ＢＴ５０Ａの＋Ｚ側のピッチＷｏを、－Ｚ側のピッチＷｉよりも３１８ｎｍだけ大きくする設定で行った。なお、ＢＴ５０Ａの－Ｚ側のピッチＷｉ及びＬＤバー３のＬＤ間のピッチは、実施形態１と同様に０．２２５０００ｍｍであった。
　図１６のシミュレーション結果によると、「ＴＡＮＸ」が、ＳＡＣ４５の射出後に正値「０．００４４３」になっており、＋Ｘ側の主光線が外向している。また、この際の「ＴＡＮＹ」の値「０．００００３」は、上記の「ＴＡＮＸ」よりも充分に小さい。よって、Ｘ方向外側の主光線を、Ｙ方向の傾きを軽微に留めながら、Ｘ方向に外向できることが確認できた。
３．まとめ
　以上のように、本実施形態の光学ユニット４Ａにおいて、光軸方向におけるＢＴ５０の両端面のうちの、一方の端面の一例としての－Ｚ側の端面において斜行レンズ部５１が配列されたピッチＷｉが、他方の端面の一例としての＋Ｚ側の端面において斜行レンズ部５１が配列されたピッチＷｏよりも小さい。
　以上の光学ユニット４Ａによると、例えばＢＴ５０Ａの－Ｚ側の斜行レンズ部５１のピッチＷｉと同じピッチにおいて、複数の光ビームが－Ｚ側から入射する際に、＋Ｚ側で斜行レンズ部５１のピッチＷｏが大きくなることから、Ｘ方向外側の光ビームの主光線Ｌａを外向させることができる。このように、光学ユニット４ＡのＢＴ５０Ａによって、複数の光ビームを導光する設計自由度を向上することができる。
　本実施形態におけるビーム結合装置２Ａは、光源の一例としてレーザ光源３０と、複数の光学ユニット４Ａと、結合光学系２０とを備える。レーザ光源３０は、例えばＸ方向及びＹ方向に並ぶ複数の光源素子の一例であるＬＤ３１を含む。複数の光学ユニット４Ａは、レーザ光源３０においてＸ方向に並んだＬＤ３１ａ～ＬＤ３１ｅの組としてのＬＤバー３毎に、各光ビームを導光する。結合光学系２０は、各光学ユニット４Ａに導光された複数の光ビームを結合する。光学ユニット４Ａが、ＢＴ５０の両端面のうちの斜行レンズ部５１のピッチＷｏが大きい＋Ｚ側の端面を結合光学系２０に向けて配置される。
　以上のビーム結合装置２Ａによると、複数の光ビームを結合する際に、光学ユニット４ＡによってＸ方向外側の主光線Ｌ１１を外向させることにより、ビーム結合位置Ｐ１におけるビーム径自体を小さくすることができる。このように、光学ユニット４Ａによる設計自由度の向上により、空間合成式のビーム結合装置２Ａにおいてビーム品質を良好にすることができる。
（他の実施形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態１～２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。
　上記の実施形態１では、波長合成式のビーム結合装置２の一例を説明したが、ビーム結合装置２の構成は、特にこの例に限定されない。例えば、ビーム結合装置２に透過型の回折素子２５を用いる例を説明したが、回折素子２５は透過側に限らず、反射型であってもよい。また、図３ではＬＤ３１が発光する波長帯として９００ｎｍ帯を例示したが、ＬＤ３１の波長帯は特に限定されず、例えば４００ｎｍ帯であってもよい。本実施形態の光学ユニット４によると、こうした各種の波長合成式のビーム結合装置２の光学設計においても、集光の機能をＢＴ５０で担うなど光ビームの光線方向を制御でき、設計自由度を向上することができる。
　また、上記の実施形態２では、空間合成式のビーム結合装置２Ａの一例を説明したが、ビーム結合装置２Ａの構成は、特にこの例に限定されない。例えば、Ｙ方向における外側の主光線Ｌ１を内向させるビーム結合装置２Ａについて説明したが、当該主光線Ｌ１は内向させなくてもよく、例えば外向させてもよい。また、結合光学系２０にシリンドリカルレンズ２２を用いる例を説明したが、シリンドリカルレンズ２２が省略されてもよい。本実施形態の光学ユニット４Ａによると、こうした各種の空間合成式のビーム結合装置２Ａの光学設計においても、設計自由度を向上することができる。
　また、上記の各実施形態では、波長合成式または空間合成式のビーム結合装置２，２Ａに光学ユニット４，４Ａを適用する例を説明した。本実施形態の光学ユニットは、波長合成式または空間合成式に限らず、各種のビーム結合装置に適用されてもよい。本実施形態の光学ユニットは、波長合成式と空間合成式とを適宜組み合わせたビーム結合装置にも適用可能である。
　以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
　したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
　また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。
　本開示は、複数の光ビームを結合して用いる各種の用途に適用可能であり、例えば各種のレーザ加工技術に適用可能である。

Claims (8)

  1. 　複数の光ビームを導光する光学ユニットであって、
    　前記複数の光ビームがそれぞれ透過する複数のレンズ部を備え、
    　前記複数のレンズ部は、前記光ビームが透過する光軸方向と交差する配列方向に配列され、
    　前記各レンズ部は、前記光軸方向及び前記配列方向と交差する厚み方向に対して傾斜しており、
    　前記光軸方向における前記光学ユニットの両端面のうちの、一方の端面において前記レンズ部が配列されたピッチが、他方の端面において前記レンズ部が配列されたピッチよりも小さい
    光学ユニット。
  2. 　前記両端面のうちの片方の端面に対向して配置され、当該端面から前記レンズ部に光ビームを入射させる第１のコリメータレンズをさらに備える
    請求項１に記載の光学ユニット。
  3. 　前記両端面のうちの、前記第１のコリメータレンズが対向した端面とは反対側の端面に対向して配置され、当該端面から射出する光ビームをコリメートする第２のコリメータレンズをさらに備える
    請求項２に記載の光学ユニット。
  4. 　互いに異なる波長で共振可能な複数の光源素子を含み、各光源素子からの複数の光ビームを発光する光源と、
    　前記光源からの各光ビームを導光する、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学ユニットと、
    　前記光源から前記光学ユニットを介して入射する各光ビームを回折して、異なった波長で共振する複数の光ビームを結合する回折素子とを備え、
    　前記光学ユニットが、前記両端面のうちの前記レンズ部のピッチが小さい端面を前記回折素子に向けて配置される
    ビーム結合装置。
  5. 　前記光源素子毎の前記回折素子を介した共振の波長は、前記配列方向における前記各光源素子の位置に応じて次第に変化する
    請求項４に記載のビーム結合装置。
  6. 　前記配列方向及び前記厚み方向に並ぶ複数の光源素子を含み、各光源素子からの複数の光ビームを発光する光源と、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の光学ユニットであって、前記光源において前記配列方向に並んだ光源素子の組毎に、各光ビームを導光する複数の光学ユニットと、
    　各光学ユニットに導光された複数の光ビームを結合する結合光学系とを備え、
    　前記光学ユニットが、前記両端面のうちの前記レンズ部のピッチが大きい端面を前記結合光学系に向けて配置される
    ビーム結合装置。
  7. 　前記配列方向における前記複数の光源素子間のピッチと、前記光学ユニットの両端面のうちの前記光源に近い方の端面において前記レンズ部が配列されたピッチとが合致する
    請求項４～６のいずれか１項に記載のビーム結合装置。
  8. 　請求項４～７のいずれか１項に記載のビーム結合装置と、
    　前記ビーム結合装置によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドと
    を備えたレーザ加工機。
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