JP2006084932A - Optical fiber transmission apparatus for high power laser beam - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高出力レーザビームを光ファイバシステムを利用して伝送する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for transmitting a high-power laser beam using an optical fiber system.
その目的は、規模が大きく定期的な整備が必要であって外部環境に敏感な高出力レーザシステムの設置が困難な産業的構造物や工程に、容易に高出力レーザビームを伝送する装置を提供することにより、高出力レーザビームを利用する各種工程の産業的な活用度を向上させることにある。特に、高出力である高出力パルスレーザシステムに好適な技術に関する。 Its purpose is to provide a device that easily transmits a high-power laser beam to industrial structures and processes that are difficult to install a high-power laser system that is large and requires regular maintenance and is sensitive to the external environment. This is to improve the industrial utilization of various processes using a high-power laser beam. In particular, the present invention relates to a technique suitable for a high-power pulse laser system having a high output.
産業的に、高出力レーザ特に高出力レーザパルスは、アブレーション（融発）効果による超音波の生成、材料の加工、又は表面処理などに広く使用することができる。しかしながら、通常の高出力レーザシステムは、その規模が大きく、定期的な整備が必要であって、外部環境に敏感であり、産業的な応用が制限されている。即ち、複雑な構造を有したり、或いは劣悪な環境下にある対象の場合には、上記のような高出力レーザシステムを接近させることが困難であるため、高出力レーザパルスビームの遠隔伝送が必要となる。しかしながら、このような高出力レーザパルスの遠隔伝送を実現する通常の光学的方法は、その構造が非常に複雑であって、実際に実現することが極めて困難である。このような高出力レーザパルスの遠隔伝送は、光ファイバを利用すれば、容易に実現することができる。しかしながら、このような光ファイバを利用したレーザパルスの伝送においては、１本の光ファイバが伝送可能な最大伝送エネルギーが制限されていることから、従来、高出力のパルスビームを必要とする場合には、光ファイバ伝送の適用により、実際的な効果を奏することができないという問題点が存在していた。 Industrially, high-power lasers, particularly high-power laser pulses, can be widely used for generation of ultrasonic waves by ablation effects, material processing, or surface treatment. However, ordinary high power laser systems are large in scale, require regular maintenance, are sensitive to the external environment, and have limited industrial applications. That is, in the case of an object having a complicated structure or in a poor environment, it is difficult to make the high power laser system close to the above, so that the high power laser pulse beam can be transmitted remotely. Necessary. However, the conventional optical method for realizing the remote transmission of such a high-power laser pulse has a very complicated structure and is very difficult to actually implement. Such remote transmission of high-power laser pulses can be easily realized by using an optical fiber. However, in the transmission of laser pulses using such an optical fiber, the maximum transmission energy that can be transmitted by one optical fiber is limited. However, due to the application of optical fiber transmission, there is a problem that practical effects cannot be obtained.
１本の光ファイバを利用するレーザパルスビームの伝送に関する従来技術（非特許文献１）によれば、波長５３２ｎｍのレーザパルスビーム（パルス幅５ｎｓ）に対して、コア直径が１．５ｍｍの光ファイバを利用した最大伝送エネルギーは、１３８ｍＪ／ｐｕｌｓｅ（２０ＭＷ）である。この従来技術においては、ビームホモジナイザを利用し空間的にガウス分布を有するレーザビームの断面の強度分布を均一にして光ファイバの入射断面における損失を防止することにより、光ファイバ伝送エネルギーを拡大している。しかしながら、この従来技術において１本の光ファイバを利用して伝送した最大エネルギーは、通常の高出力レーザパルスビームの応用においては、十分なものではない。
高出力レーザパルスの産業的応用に必要な最大パルスエネルギーは、応用分野や応用対象の種類及び状態などによって異なることから、光ファイバによるパルスビーム伝送の活用度を向上させるためには、最大伝送エネルギーの拡大が必要である。このような伝送エネルギーの拡大は、光ファイバの損傷や非線形光学効果などによって限界があるため、多数の光ファイバを利用する方法が、唯一の解決策として認識されている。このように多数の光ファイバを利用する従来技術（）においては、光ファイバの束を利用して総伝送エネルギーを拡大する方法が提示されている。しかしながら、この従来技術の場合には、多数の光ファイバのコア面積の総和が、１本の光ファイバの束の全体断面積（入射レーザビームの断面積と同一）を基準として、最大７５％にしかならないため、集光レンズによる反射損失や光ファイバ入射断面における損失などを除外したとしても、基本的に２５％のレーザパルスエネルギーの損失が発生する。
According to the prior art (Non-Patent Document 1) related to the transmission of a laser pulse beam using a single optical fiber, an optical fiber having a core diameter of 1.5 mm for a laser pulse beam having a wavelength of 532 nm (
The maximum pulse energy required for industrial applications of high-power laser pulses varies depending on the application field and the type and condition of the application target. To improve the utilization of pulse beam transmission by optical fiber, the maximum transmission energy Needs to be expanded. Such expansion of transmission energy is limited by damage to the optical fiber, nonlinear optical effects, and the like, and a method using a large number of optical fibers is recognized as the only solution. As described above, in the conventional technique () using a large number of optical fibers, a method for expanding the total transmission energy using a bundle of optical fibers is proposed. However, in the case of this prior art, the sum of the core areas of a number of optical fibers is 75% at maximum with reference to the total cross-sectional area of the bundle of one optical fiber (same as the cross-sectional area of the incident laser beam). Therefore, even if the reflection loss due to the condensing lens and the loss at the optical fiber incident cross section are excluded, a laser pulse energy loss of 25% basically occurs.
本発明の目的は、規模が大きく周期的な整備が必要であって外部環境に敏感な高出力レーザシステムの接近が困難な地点においても高出力レーザ特にパルスビームを利用する各種工程を可能にするべく、この高出力レーザビームを光ファイバによって伝送する際に発生する上記従来技術の問題点を解決するために、多数の光ファイバを使用してレーザの総伝送エネルギーを拡大し、このように多数の光ファイバを使用した際に発生する損失を防止することである。 An object of the present invention is to enable various processes using a high-power laser, particularly a pulse beam, even at a point where a large-scale and periodic maintenance is required and it is difficult to access a high-power laser system sensitive to the external environment. Therefore, in order to solve the above-mentioned problems of the prior art that occur when this high-power laser beam is transmitted through an optical fiber, the total transmission energy of the laser is increased by using a large number of optical fibers. This is to prevent the loss that occurs when the optical fiber is used.
本発明は、規模が大きく周期的な整備が必要であって外部環境に敏感な高出力レーザシステムの接近が困難な地点においても高出力レーザビームを利用する各種工程を可能にするべく、この高出力レーザビームを光ファイバによって伝送する方法及び装置に関するものであって、更に詳しく記述すれば、総エネルギーがＥTのレーザビームを、１本の光ファイバが伝送可能な最大ビームエネルギー（ＥS）よりも小さなエネルギー（Ｅ1≦ＥS）を有する多数のビームに分割した後に、このそれぞれの個別のビームを複数の光ファイバによって個別に伝送することにより、高出力レーザビームの光ファイバ伝送を実現する方法であって、特に高出力レーザパルスビームに有効な光ファイバ伝送装置を提供する。 The present invention is intended to enable various processes using a high-power laser beam even at a point where it is difficult to access a high-power laser system that is large in scale and requires periodic maintenance and is sensitive to the external environment. The present invention relates to a method and an apparatus for transmitting an output laser beam through an optical fiber, and more specifically, a maximum beam energy (E S ) that can transmit a laser beam having a total energy of E T through one optical fiber. After splitting into multiple beams with smaller energy (E 1 ≦ E S ), each individual beam is individually transmitted through multiple optical fibers, realizing high power laser beam optical fiber transmission And an optical fiber transmission device particularly effective for a high-power laser pulse beam.
第１の発明は、高出力レーザビームを複数の光ファイバによって伝送するレーザビームの伝送装置において、
高出力レーザビーム（１）を強度分割する一つまたは複数のビームスプリッタ（４）と、該ビームスプリッタから出射される各レーザビームに対して、レーザビームの強度分布を均一にするビームホモジナイザ（５）と単一ビームを複数のスポットに集光する回折レンズ（６）で構成される複合レンズと、該複合レンズから出射される複数の分割レーザビームを別個の光ファイバに効率良く入射させる光ファイバ整列部を具備し、
前記各レーザビームをそれぞれに対応する前記複合レンズを通過させて分割した後に光ファイバ整列部で、複数の光ファイバ（７、１５）に入射させる高出力レーザビームを複数の光ファイバで伝送する光ファイバ伝送装置である。
A first invention is a laser beam transmission apparatus for transmitting a high-power laser beam by a plurality of optical fibers.
One or a plurality of beam splitters (4) for dividing the intensity of the high-power laser beam (1), and a beam homogenizer (5) for making the intensity distribution of the laser beam uniform for each laser beam emitted from the beam splitter. ) And a diffractive lens (6) that condenses a single beam into a plurality of spots, and an optical fiber that efficiently enters a plurality of divided laser beams emitted from the compound lens into separate optical fibers. Comprising an alignment section;
Light that transmits a high-power laser beam through a plurality of optical fibers to be incident on a plurality of optical fibers (7, 15) in an optical fiber alignment section after the laser beams are divided by passing through the corresponding compound lenses. It is a fiber transmission device.
第２の発明は、前記光ファイバ整列部は、光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）と光ファイバマウンタ（９、１７）で多数の光ファイバ（７、１５）を整列させることにより、多数の集束されたレーザビームが、それぞれ多数の光ファイバ入射面に容易且つ正確に入射させるものである第１の発明に記載の光ファイバ伝送装置である。 According to a second aspect of the present invention, the optical fiber alignment section aligns a large number of optical fibers (7, 15) with an optical fiber support cylinder (8, 16) and an optical fiber mounter (9, 17). In the optical fiber transmission device according to the first aspect of the invention, the focused laser beams are incident on a large number of optical fiber incident surfaces easily and accurately.
第３の発明は、前記複数の光ファイバへ前記分割レーザビームが入射する部分が真空あるいは不活性ガス雰囲気になるように、一部または全体が真空あるいは不活性ガス雰囲気であるケーシングを具える第１又は第２の発明に記載の光ファイバ伝送装置である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a casing comprising a casing partially or entirely in a vacuum or an inert gas atmosphere so that a portion where the split laser beam is incident on the plurality of optical fibers is in a vacuum or an inert gas atmosphere. An optical fiber transmission device according to the first or second invention.
第４に発明は、前記複数の光ファイバの本数が、伝送しようとする総レーザエネルギーを１本の光ファイバによって伝送可能なレーザエネルギーによって除算した値よりも大きな整数の中で最も小さな整数値であることを特徴とする第１〜第３の発明の内の何れか一つに記載の光ファイバ伝送装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, the number of the plurality of optical fibers is the smallest integer value among integers larger than a value obtained by dividing the total laser energy to be transmitted by the laser energy that can be transmitted by one optical fiber. The optical fiber transmission device according to any one of the first to third inventions.
第５の発明は、前記のビームホモジナイザ（５）と回折レンズ（６）から構成される複合レンズを利用して多数の光ファイバによって高出力レーザを伝送する際に、多数の光ファイバの入射断面を、複合レンズによって生成される２つの焦点位置（ホモジナイザ（５）の有効焦点及び回折レンズ（６）の焦点）よりも後方に位置させることを特徴とする第１〜第４の発明の内の何れか一つに記載の光ファイバ伝送装置である。 In a fifth aspect of the present invention, when a high-power laser is transmitted by a large number of optical fibers using the compound lens composed of the beam homogenizer (5) and the diffractive lens (6), incident cross sections of the large number of optical fibers. Are located behind the two focal positions (the effective focal point of the homogenizer (5) and the focal point of the diffractive lens (6)) generated by the compound lens. An optical fiber transmission device according to any one of the above.
第６の発明は、光ファイバを通じて伝送された後にレーザビームが出力される光ファイバの出力面を、該レーザビームの伝送方向と垂直な面を基準として０度以上の一定の角度（θ）を有するように切断し、光ファイバの損傷を防止したことを特徴とする第１〜第５の発明の内の何れか一つに記載の光ファイバ伝送装置である。 According to a sixth aspect of the present invention, an output surface of an optical fiber from which a laser beam is output after being transmitted through an optical fiber has a constant angle (θ) of 0 degree or more with respect to a plane perpendicular to the transmission direction of the laser beam. The optical fiber transmission device according to any one of the first to fifth inventions, wherein the optical fiber is prevented from being damaged by cutting the optical fiber.
第７に発明は、斜角に切断された多数の光ファイバ断面がすべて同一の方向を有するように、即ち、１つの平面上に存在するように整列させることにより、多数の光ファイバから出力されたレーザビームがすべて同一の方向に進行するようにした第６の発明に記載の光ファイバ伝送装置である。 A seventh aspect of the invention is to output from multiple optical fibers by aligning multiple optical fiber sections cut at an oblique angle so that they all have the same direction, that is, exist on one plane. The optical fiber transmission device according to the sixth aspect of the present invention is such that all the laser beams travel in the same direction.
結果的に、本発明による高出力レーザビームの光ファイバ伝送装置によれば、レーザビームを光ファイバによって伝送することを目的として、上記レーザビームを光ファイバの入射断面に集束する際に、ビームホモジナイザ（５）と集光レンズから構成された複合レンズを利用して、光ファイバの入射断面におけるビームの強度分布を均一にすることにより、光ファイバの損傷を防止し、１本の光ファイバによって伝送可能な最大レーザエネルギーを拡大する効果がある。 As a result, according to the optical fiber transmission device for a high-power laser beam according to the present invention, a beam homogenizer is used to focus the laser beam on the incident cross section of the optical fiber for the purpose of transmitting the laser beam through the optical fiber. (5) By using a compound lens composed of a condensing lens and uniforming the intensity distribution of the beam at the incident cross section of the optical fiber, the optical fiber is prevented from being damaged and transmitted by a single optical fiber. It has the effect of expanding the maximum possible laser energy.
又、１本の光ファイバによっては伝送が不可能な高出力レーザの光ファイバ伝送が要求される場合には、１本の高出力レーザビームを多数のレーザビームに分割した後に、多数の光ファイバを利用して高出力レーザビームを伝送するが、このように多数の光ファイバを利用して高出力レーザビームを伝送する際には、１つの回折レンズ（６）を利用して１本のレーザビームから同時に多数の集束されたレーザビームを光ファイバの入射面に生成することにより、多数の光ファイバを利用したレーザビーム伝送装置を非常に簡単にするという効果がある。 Also, in the case where optical fiber transmission of a high-power laser that cannot be transmitted by a single optical fiber is required, a single high-power laser beam is divided into a number of laser beams and then a large number of optical fibers. The high-power laser beam is transmitted using the optical fiber. When the high-power laser beam is transmitted using a large number of optical fibers in this way, one diffractive lens (6) is used to transmit one laser. By simultaneously generating a large number of focused laser beams from the beam on the incident surface of the optical fiber, there is an effect of greatly simplifying a laser beam transmission apparatus using a large number of optical fibers.
又、本発明によって提供されたビームホモジナイザ（５）と回折レンズ（６）から構成される複合レンズを利用し、多数の光ファイバによって高出力レーザビームを伝送する際には、光ファイバの入射断面を複合レンズによって生成される２つの焦点位置（ホモジナイザ（５）の有効焦点及び回折レンズ（６）の焦点）よりも後方に位置させることにより、光ファイバの入射面又は内部においてレーザレーザが集束し光ファイバが損傷することを防止する効果がある。 Further, when a high power laser beam is transmitted by a large number of optical fibers using the compound lens comprising the beam homogenizer (5) and the diffractive lens (6) provided by the present invention, the incident cross section of the optical fiber is used. Is positioned behind the two focal positions generated by the compound lens (the effective focal point of the homogenizer (5) and the focal point of the diffractive lens (6)), so that the laser laser is focused on the incident surface or inside of the optical fiber. There is an effect of preventing the optical fiber from being damaged.
又、光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）と光ファイバマウンタ（９、１７）を利用して多数の光ファイバを整列させることにより、多数の集束されたレーザビームが、それぞれ多数の光ファイバの入射面に容易且つ正確に入射するようにするという効果がある。 Also, by aligning a large number of optical fibers using the optical fiber support cylinders (8, 16) and the optical fiber mounters (9, 17), a large number of focused laser beams can be obtained from a large number of optical fibers. There is an effect that the light enters the incident surface easily and accurately.
又、本発明によれば、高出力レーザビームを多数の光ファイバによって伝送する際に使用される光ファイバの本数を、伝送しようとする総レーザビームエネルギーを１本の光ファイバによって伝送可能なレーザエネルギーによって除算した値よりも大きな整数（ｉｎｔｅｇｅｒ）の中の最も小さい整数値に定めることにより、最も経済的に高出力レーザを伝送可能な装置を構成する根拠を提供するという効果がある。 Further, according to the present invention, the number of optical fibers used when a high-power laser beam is transmitted by a large number of optical fibers, and the total laser beam energy to be transmitted can be transmitted by a single optical fiber. Setting the smallest integer value among integers larger than the value divided by energy has the effect of providing a basis for constructing a device capable of transmitting a high power laser most economically.
又、レーザビームの集光と集光されたレーザビームの光ファイバ断面への入射作用を真空中において遂行することにより、光ファイバ入射面の前方において発生し得るエアーブレーキングによるレーザエネルギーの損失及び光ファイバ断面の汚染を防止するという効果がある。 Further, by performing the condensing of the laser beam and the incident action of the focused laser beam on the cross section of the optical fiber in a vacuum, the loss of laser energy due to air breaking that can occur in front of the optical fiber incident surface and This has the effect of preventing contamination of the optical fiber cross section.
又、本発明において提示されているように、光ファイバを通じて伝送された後に、レーザビームが出力される光ファイバの出力面を、このレーザビームの伝送方向を基準として一定の角度（図８のθ）を有するように切断することにより、光ファイバによって伝送されたレーザビームと、光ファイバ面において反射して戻ってきたレーザビームの干渉現象による光ファイバの損傷を防止する効果と、光ファイバの出力面の面積を拡大してレーザビームの単位面積当たりの強度を低下させることにより、光ファイバ出力面の損傷を更に緩和する効果も存在する。 Further, as presented in the present invention, the output surface of the optical fiber from which the laser beam is output after being transmitted through the optical fiber is set at a certain angle (θ in FIG. 8) with reference to the transmission direction of the laser beam. ) To prevent damage to the optical fiber due to interference between the laser beam transmitted by the optical fiber and the laser beam reflected back on the optical fiber surface, and the output of the optical fiber. There is also an effect of further mitigating damage to the optical fiber output surface by enlarging the surface area and reducing the intensity per unit area of the laser beam.
又、斜角によって切断された多数の光ファイバの断面がすべて同一の方向を有するように、即ち、１つの平面上に存在するように整列させることにより、多数の光ファイバから出力されたレーザビームがすべて同一の方向に進行するようにし、光ファイバ出力面から出力されたビームをレンズなどを利用して特定地点に集光することが容易になるという効果がある。 In addition, the laser beams output from the multiple optical fibers are aligned by aligning the cross sections of the multiple optical fibers cut by the oblique angles so that they all have the same direction, that is, on a single plane. Are all traveling in the same direction, and it is easy to focus the beam output from the optical fiber output surface at a specific point using a lens or the like.
以下、本発明による望ましい実施例を添付図面を参照して詳しく説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
まず、図１に、本発明による高出力レーザビームの光ファイバ伝送方法を示す全体図面を図示している。図１において、高出力レーザにおいて発生したレーザビーム（１）は、真空チャンバ（２）の一面に構成された透明窓（３）を通過し、真空チャンバ（２）の内部に設置されたビームスプリッタ（４）を通過して、ビームホモジナイザ（５）に入射する。この際に、ビームスプリッタ（４）を通過したビームの強度は、初期のビーム強度に比べて、５０％に低下しており、残りの５０％のレーザビームは、光線スプリッタ（４）において反射され、全反射鏡（１２）に入射する。図１に図示したビームホモジナイザ（５）は、図２に示すように、多数のマイクロレンズが二次元平面上にマトリックス形に配列された光学素子である。従って、初期の空間分布がガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）であるレーザビームは、ビームホモジナイザ（５）を通過した後に、多数の集光スポットを形成する。このようなビームホモジナイザ（５）を通過した光が、続いて、更に別の１つの集光レンズを通過すれば、図３に表示されているように、空間分布が均一に変形する。即ち、図３において、ビームホモジナイザ（５）を構成するマイクロレンズによって個別に集光されたスポットは、空間的な位置が互いに異なっており、これらのスポットが、更に別の集光レンズによってその位置を互いに接近させ、全体的に均一な強度の分布を形成するのである。図３に図示されているように、ビームホモジナイザ（５）と集光レンズを利用してレーザビームの空間的分布を均一にした後に、これを光ファイバの断面（コア断面）に入射させれば、高密度に集束されたレーザエネルギーによって発生する光線の損傷を緩和し、光ファイバによって伝送される最大レーザパルスエネルギーの強度を拡大する効果を有することになる。又、空間的な分布が均一化されたレーザパルスビームは、光ファイバ断面の前方において、レーザエネルギーの集束によって発生するエアーブレーキングによるレーザエネルギーの損失及び光ファイバ断面の汚染を緩和する効果をも有している。 First, FIG. 1 is an overall drawing showing an optical fiber transmission method of a high-power laser beam according to the present invention. In FIG. 1, a laser beam (1) generated in a high-power laser passes through a transparent window (3) formed on one surface of a vacuum chamber (2), and is a beam splitter installed inside the vacuum chamber (2). Passes through (4) and enters the beam homogenizer (5). At this time, the intensity of the beam that has passed through the beam splitter (4) is reduced to 50% compared to the initial beam intensity, and the remaining 50% of the laser beam is reflected by the beam splitter (4). , And enters the total reflection mirror (12). The beam homogenizer (5) shown in FIG. 1 is an optical element in which a large number of microlenses are arranged in a matrix on a two-dimensional plane, as shown in FIG. Therefore, a laser beam whose initial spatial distribution is Gaussian forms a number of focused spots after passing through the beam homogenizer (5). If the light that has passed through such a beam homogenizer (5) subsequently passes through another condenser lens, the spatial distribution is uniformly deformed as shown in FIG. That is, in FIG. 3, the spots individually collected by the microlens constituting the beam homogenizer (5) are different in spatial position from each other, and these spots are positioned by the further condenser lens. Are made close to each other to form a uniform intensity distribution as a whole. As shown in FIG. 3, after making the spatial distribution of the laser beam uniform using a beam homogenizer (5) and a condensing lens, it is incident on the cross section (core cross section) of the optical fiber. It will have the effect of alleviating the damage of the light beam caused by the densely focused laser energy and expanding the intensity of the maximum laser pulse energy transmitted by the optical fiber. In addition, the laser pulse beam with a uniform spatial distribution has the effect of mitigating the loss of laser energy and the contamination of the optical fiber cross section caused by air braking generated by focusing the laser energy in front of the optical fiber cross section. Have.
本発明においては、図３のように、ビームホモジナイザ（５）を通過したレーザビームを再度集光する集光レンズとして、図１に図示されているように、回折レンズ（６）を使用している。回折レンズ（６）は、単一の波長を有するレーザビームが入射した場合に、同一の焦点面に多数の焦点を形成するレンズであって、１つのレンズにより、１本の入射レーザビームを多数のレーザビームに分離し、集光する効果がある。従って、本発明のように、１本の高出力レーザパルスビームを多数の光ファイバによって伝送するべく、１本のレーザビームから多数の集光されたレーザビームを生成する必要がある場合には、このような回折レンズ（６）を利用すれば、１つの回折レンズ（６）から多数の集光されたレーザビームを生成可能であるため、図１に図示されているように、光学系の構成が非常に簡単になるという長所がある。 In the present invention, as shown in FIG. 1, a diffractive lens (6) is used as a condensing lens for condensing the laser beam that has passed through the beam homogenizer (5) as shown in FIG. Yes. The diffractive lens (6) is a lens that forms a large number of focal points on the same focal plane when a laser beam having a single wavelength is incident. There is an effect of separating and condensing the laser beam. Therefore, as in the present invention, when it is necessary to generate a large number of focused laser beams from a single laser beam in order to transmit a single high-power laser pulse beam through a large number of optical fibers, If such a diffractive lens (6) is used, a large number of focused laser beams can be generated from one diffractive lens (6). Therefore, as shown in FIG. Has the advantage of being very easy.
上述のように、ビームホモジナイザ（５）と回折レンズ（６）を使用すれば、図３において説明したように、空間分布が均一な多数のレーザスポットが得られるという効果がある。即ち、図４に示されているように、ビームホモジナイザ（５）に続いて回折レンズ（６）を通過した光は、少なくとも３本以上の集束されたレーザビームを形成し、それぞれの集束されたビームは、図３において説明した作用により、均一な空間分布を有している。このように形成された多数の集束されたレーザビームを、図４に示されているように、少なくとも３本以上の光ファイバに入射させれば、高出力レーザビームの効率的な光ファイバ伝送が可能になるのである。 As described above, the use of the beam homogenizer (5) and the diffraction lens (6) has an effect that a large number of laser spots having a uniform spatial distribution can be obtained as described with reference to FIG. That is, as shown in FIG. 4, the light that has passed through the diffraction lens (6) following the beam homogenizer (5) forms at least three or more focused laser beams, each focused The beam has a uniform spatial distribution due to the action described in FIG. If a large number of focused laser beams formed in this way are incident on at least three optical fibers as shown in FIG. 4, efficient optical fiber transmission of a high-power laser beam can be achieved. It becomes possible.
図４において、ホモジナイザ（５）を構成するマイクロレンズの焦点距離（ｆH）は、回折レンズ（６）（焦点距離ｆD）により、有効焦点距離が、次の光学式１に従って更に短くなる。 4, the focal length of the micro lenses of the homogenizer (5) (f H) is a diffractive lens (6) (focal length f D), the effective focal length, further shortened in accordance with the following optical 1.
ｆH+D＝（ｆH＋ｆD）／ｆHｆD …… 式１
式１において、ｆH+Dは、マイクロレンズの有効焦点距離である。このような光学的原理によって更に短くなったを図４に図示している。図４に図示されているように、マイクロレンズの有効焦点距離は、常に回折レンズ（６）の焦点距離（ｆD）よりも短い。図４において、光ファイバ（７）の入射断面は、回折レンズ（６）の焦点距離（ｆD）の後方に位置している。従って、光ファイバ（７）の入射断面は、常にマイクロレンズの有効焦点距離と回折レンズ（６）の焦点距離よりも後方に位置している。本発明におけるように、光ファイバ（７）の入射断面を、常にマイクロレンズの有効焦点距離（ｆH+D）と回折レンズ（６）の焦点距離（ｆD）よりも後方に位置させるのは、光ファイバの入射面又は内部においてレーザビームが集束し光ファイバが損傷することを防止するためである。
f H + D = (f H + f D ) / f H f D ......
In
図１において、初期のレーザビームビームの強度の残りの部分である５０％は、ビームスプリッタ（４）において反射された後に、ビームホモジナイザ（１３）と回折レンズ（６）を通じて、図４において説明したのものと同様の作用により、少なくとも３本以上の光ファイバ（１５）によって伝送される。図１のような多数の光ファイバを利用した高出力レーザビームの伝送においては、回折レンズ（６、１４）によって生成される均一な強度分布に集束されたビームの本数（ｎ）又は光ファイバの本数（ｎ）は、次の関係式によって決定される。 In FIG. 1, the remaining 50% of the intensity of the initial laser beam is reflected in the beam splitter (4) and then explained in FIG. 4 through the beam homogenizer (13) and the diffraction lens (6). It is transmitted by at least three or more optical fibers (15) by the same action as the above. In the transmission of a high-power laser beam using a large number of optical fibers as shown in FIG. 1, the number (n) of beams focused on the uniform intensity distribution generated by the diffractive lenses (6, 14) or the optical fiber The number (n) is determined by the following relational expression.
ＥT≦ｎｘＥS …… 式２
ここで、ＥTは、レーザビームの産業的応用に必要な総パルスエネルギーであり、ＥSは、１本の光ファイバによって伝送可能な最大レーザビームエネルギーである。即ち、回折レンズ（６、１４）によって生成された均一な強度分布に集束されたビームの本数（ｎ）又は光ファイバの本数（ｎ）として、式２を満足する最も小さな値を選択するのである。
E T ≦ nxE S ......
Here, E T is the total pulse energy required for industrial application of the laser beam, and E S is the maximum laser beam energy that can be transmitted by one optical fiber. That is, the smallest
図１において、それぞれの光ファイバ（７、１５）は、光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）に挿入された後に、光ファイバマウンタ（９、１７）により、真空チャンバ内において、その位置が固定される。この際に、光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）は、光ファイバマウンタ（９、１７）を利用して光ファイバの位置を機械的な力によって固定する際に発生しやすい光ファイバの損傷を防止することを目的として使用されている。光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）と光ファイバマウンタ（９、１７）の構成及び作用を図５に図示している。 In FIG. 1, after the optical fibers (7, 15) are inserted into the optical fiber support cylinders (8, 16), their positions are fixed in the vacuum chamber by the optical fiber mounters (9, 17). Is done. At this time, the optical fiber support cylinders (8, 16) use the optical fiber mounters (9, 17) to damage the optical fibers that are likely to occur when the positions of the optical fibers are fixed by mechanical force. It is used for the purpose of preventing. The configuration and operation of the optical fiber support cylinders (8, 16) and the optical fiber mounters (9, 17) are shown in FIG.
図５の（Ａ）は、光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）の構成を図示したものであって、図５の（Ｂ）は、光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）が装着された光ファイバマウンタ（９、１７）の上面図であり、図５の（Ｂ）は、光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）が装着された光ファイバマウンタ（９、１７）の前面図である。図５において、光ファイバ支持用シリンダ（８）の内径は、光ファイバの外形と一致し、この光ファイバ支持用シリンダ（８）に光ファイバが挿入される。光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）の一方の端部は、直方体の中心部に挿入されて固定され、この直方体が図５−（Ａ）及び図５−（Ｂ）に図示されているように、光ファイバマウンタ（９、１７）に挿入され、再度固定される。 FIG. 5A illustrates the configuration of the optical fiber support cylinder (8, 16), and FIG. 5B illustrates that the optical fiber support cylinder (8, 16) is mounted. FIG. 5B is a top view of the optical fiber mounter (9, 17), and FIG. 5B is a front view of the optical fiber mounter (9, 17) to which the optical fiber support cylinder (8, 16) is attached. In FIG. 5, the inner diameter of the optical fiber support cylinder (8) coincides with the outer shape of the optical fiber, and the optical fiber is inserted into the optical fiber support cylinder (8). One end of the optical fiber support cylinder (8, 16) is inserted and fixed in the center of the rectangular parallelepiped, and this rectangular parallelepiped is shown in FIGS. 5- (A) and 5- (B). Are inserted into the optical fiber mounter (9, 17) and fixed again.
この直方体は、上面及び下面に回転軸（ｐｉｖｏｔ）を有しており、光ファイバマウンタ（９、１７）内において水平回転が可能である。即ち、３つの光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）の中の中心にある光ファイバ支持用シリンダは、光ファイバマウンタ（９、１７）の中心に、回転機能なしで、固定される。これに対し、３つの光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）の左側シリンダと右側シリンダは、水平回転が可能であり、適切な方向に回転された後に、固定用ボルトによって光ファイバマウンタ（９、１７）に固定される。このような光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）の水平回転は、図６に図示されているように、それぞれのレーザビームが、光ファイバの断面に対して垂直に入射するようにすることを目的としている。即ち、図５に図示されているように、光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）は、光ファイバマウンタ（９、１７）の左側面と右側面にそれぞれ設置されたスプリングとボルト、そして、回転軸の作用を利用し、適切な方向（レーザビームが光ファイバの断面に垂直に入射する方向）に回転させた後に、光ファイバマウンタ（９、１７）上面の固定用ボルトによって固定するのである。このような光ファイバ支持用シリンダ（８、１６）と光ファイバマウンタ（９、１７）の作用により、少なくとも６本以上のレーザビームが、少なくとも６本以上の光ファイバに効率的に入射し、伝送される。 The rectangular parallelepiped has a pivot on the upper surface and the lower surface, and can be rotated horizontally in the optical fiber mounter (9, 17). That is, the optical fiber support cylinder at the center of the three optical fiber support cylinders (8, 16) is fixed to the center of the optical fiber mounter (9, 17) without a rotation function. On the other hand, the left cylinder and the right cylinder of the three optical fiber supporting cylinders (8, 16) can be rotated horizontally, and after being rotated in an appropriate direction, the optical fiber mounter (9, 17). Such horizontal rotation of the optical fiber support cylinders (8, 16) is such that each laser beam is incident perpendicular to the cross section of the optical fiber, as shown in FIG. It is aimed. That is, as shown in FIG. 5, the optical fiber support cylinders (8, 16) are provided with springs and bolts installed on the left and right sides of the optical fiber mounters (9, 17), respectively, and rotation. Using the action of the shaft, it is rotated in an appropriate direction (direction in which the laser beam is incident perpendicularly to the cross section of the optical fiber), and then fixed by fixing bolts on the upper surface of the optical fiber mounter (9, 17). Due to the action of the optical fiber supporting cylinders (8, 16) and the optical fiber mounters (9, 17), at least six laser beams are efficiently incident on at least six optical fibers and transmitted. Is done.
図１において、真空チャンバ（２）は、ビームホモジナイザ（１３）と回折レンズ（１４）を通じて集束された多数のレーザビームを真空状態において光ファイバ（７、１５）に入射させる。これは、光ファイバの入射面の前方において発生し得るエアーブレーキングによるレーザエネルギーの損失及び光ファイバ断面の汚染の防止を目的としている。このような真空機能により、高出力レーザビームの光ファイバ伝送を、外部環境の影響なしに、常に安定的に実現することができる。 In FIG. 1, a vacuum chamber (2) allows a number of laser beams focused through a beam homogenizer (13) and a diffraction lens (14) to enter an optical fiber (7, 15) in a vacuum state. This is intended to prevent laser energy loss and contamination of the optical fiber cross section due to air breaking that may occur in front of the incident surface of the optical fiber. With such a vacuum function, optical fiber transmission of a high-power laser beam can always be realized stably without being affected by the external environment.
図１において、真空チャンバ（２）外部の光ファイバは、曲がりやすい保護用金属カバー（１０）によって保護されており、この金属カバー（１０）は、金属カバー固定帯（１１）によって真空チャンバ（２）に固定されている。このような保護用金属カバー（１０）及び金属カバー固定帯（１１）により、長さが長い光ファイバを容易に処理可能であり、レーザパルスビームを所望の位置に光ファイバを通じて伝送することができる。 In FIG. 1, the optical fiber outside the vacuum chamber (2) is protected by a protective metal cover (10) that is easily bent, and this metal cover (10) is protected by a metal cover fixing band (11). ). With such a protective metal cover (10) and metal cover fixing band (11), an optical fiber having a long length can be easily processed, and a laser pulse beam can be transmitted to a desired position through the optical fiber. .
光ファイバを通じて伝送されたレーザパルスビームは、光ファイバの反対側の面を通じて出力される。このようにレーザビームが出力される光ファイバ面の内側部位におけるビームの強度は、レーザビームが入射する面の内側部位におけるレーザビームの強度よりも常に大きい。これは、図７に図示されているように、レーザビームが出力される光ファイバ面の内側部位においては、光ファイバによって伝送されたレーザビームと光ファイバ面において反射されて戻ってきたレーザビームが常に同時に存在するためである。従って、光ファイバの出力面の近傍においては、この２種類のレーザビームの干渉現象によって光ファイバが損傷する可能性が非常に高い。このような問題点を解決するために、本発明においては、光ファイバの出力面を、図８に図示されているように、斜角によって切断することにより、２種類のビームの補強干渉を防止し、光ファイバの損傷を緩和している。このように光ファイバの出力面を斜角によって切断すれば、光ファイバの出力面の面積は、次の式３のように増加する。
The laser pulse beam transmitted through the optical fiber is output through the opposite surface of the optical fiber. Thus, the intensity of the beam at the inner part of the surface of the optical fiber where the laser beam is output is always larger than the intensity of the laser beam at the inner part of the surface on which the laser beam is incident. As shown in FIG. 7, the laser beam transmitted by the optical fiber and the laser beam reflected and returned by the optical fiber surface are reflected at the inner portion of the optical fiber surface where the laser beam is output. This is because they always exist at the same time. Accordingly, in the vicinity of the output surface of the optical fiber, there is a high possibility that the optical fiber is damaged by the interference phenomenon of these two types of laser beams. In order to solve such problems, in the present invention, the output surface of the optical fiber is cut at an oblique angle as shown in FIG. 8 to prevent reinforcing interference between the two types of beams. This reduces damage to the optical fiber. When the output surface of the optical fiber is cut at an oblique angle in this way, the area of the output surface of the optical fiber increases as in the following
Ωl＝ΩN／ｃｏｓ（θ） 式３
式３において、Ωlは、斜角によって切断された光ファイバ出力面の面積であり、ΩNは、直角で切断された光ファイバ出力面の面積であり、θは、図８に図示されている出力面の切断角度である。このように光ファイバの出力面の面積が増加すると、レーザビームの単位面積当たりの強度が小さくなるため、光ファイバ出力面の損傷を更に緩和させる効果も存在する。
Ω l = Ω N / cos (θ)
In
図１のように、高出力レーザビームを分割した後に６本の光ファイバを使用して伝送する場合には、この６本の光ファイバの出力面は、それぞれ図８に説明されているように、斜角によって切断する。斜角によって切断された６本の光ファイバの出力面を図９に示している。図９のように、表面の損傷を防止するべく斜角によって切断された多数の光ファイバ断面が、すべて同一の方向を有するように、即ち、１つの平面上に存在するように整列させれば、多数の光ファイバから出力されたレーザパルスビームがすべて同一の方向に進行するため、この光ファイバ出力面から出力されたビームをレンズなどを利用して特定地点に集光することが容易になる。 As shown in FIG. 1, when the high-power laser beam is split and transmitted using six optical fibers, the output surfaces of the six optical fibers are respectively explained as shown in FIG. Cut by bevel. The output surfaces of the six optical fibers cut by the oblique angle are shown in FIG. As shown in FIG. 9, if a plurality of optical fiber cross sections cut at an oblique angle to prevent surface damage are aligned so that they all have the same direction, that is, exist on one plane. Since all the laser pulse beams output from a large number of optical fibers travel in the same direction, it is easy to focus the beams output from the optical fiber output surface at a specific point using a lens or the like. .
１ 高出力レーザビーム
１１ 真空チャンバ
３ 透明窓
４ ビームスプリッタ
５、１３ ビームホモジナイザ
６、１４ 回折レンズ
７、１５ 光ファイバ
８、１６ 光ファイバ支持用シリンダ
９、１７ 光ファイバマウンタ
１０ 金属カバー
１１ 金属カバー固定帯
DESCRIPTION OF
Claims (7)
高出力レーザビーム（１）を強度分割する一つまたは複数のビームスプリッタ（４）と、該ビームスプリッタから出射される各レーザビームに対して、レーザビームの強度分布を均一にするビームホモジナイザ（５）と単一ビームを複数のスポットに集光する回折レンズ（６）で構成される複合レンズと、該複合レンズから出射される複数の分割レーザビームを別個の光ファイバに効率良く入射させる光ファイバ整列部を具備し、
前記各レーザビームをそれぞれに対応する前記複合レンズを通過させて分割した後に光ファイバ整列部で、複数の光ファイバ（７、１５）に入射させる高出力レーザビームを複数の光ファイバで伝送する光ファイバ伝送装置。 In a laser beam transmission device for transmitting a high-power laser beam by a plurality of optical fibers,
One or a plurality of beam splitters (4) for dividing the intensity of the high-power laser beam (1), and a beam homogenizer (5) for making the intensity distribution of the laser beam uniform for each laser beam emitted from the beam splitter. ) And a diffractive lens (6) that condenses a single beam into a plurality of spots, and an optical fiber that efficiently enters a plurality of divided laser beams emitted from the compound lens into separate optical fibers. Comprising an alignment section;
Light that transmits a high-power laser beam through a plurality of optical fibers to be incident on a plurality of optical fibers (7, 15) in an optical fiber alignment section after the laser beams are divided by passing through the corresponding compound lenses. Fiber transmission equipment.
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