JPH11231175A - 光ファイバーへの多ビーム結合・入射方法 - Google Patents
光ファイバーへの多ビーム結合・入射方法Info
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- JPH11231175A JPH11231175A JP10036108A JP3610898A JPH11231175A JP H11231175 A JPH11231175 A JP H11231175A JP 10036108 A JP10036108 A JP 10036108A JP 3610898 A JP3610898 A JP 3610898A JP H11231175 A JPH11231175 A JP H11231175A
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Landscapes
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 加工光学系の焦点外しの位置においても複
数のビームに分離することがなく、また複数台の発振器
の発振波形の重畳が可能で、ビーム品質の良い高出力レ
ーザーを得ることのできる、光ファイバーへの多ビーム
結合・入射方法を提供する。 【解決手段】 複数台のＹＡＧレーザー発振器ＣＷ１，
ＣＷ２，ＰＷから出射された複数のレーザービームＬＢ
1 ，ＬＢ２，ＬＢ３を結合して１本の光ファイバー５に
入射する方法であって、各発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷ
からのレーザービームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３をミラー
ＫとリレーレンズＬ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 とを介して多角錐ミ
ラー７に伝送し、この多角錐ミラー７によって各レーザ
ービームを平行ビームに揃え、これら平行ビームを光フ
ァイバー入射レンズＬn により１点に集光し、光ファイ
バー５に入射する。
数のビームに分離することがなく、また複数台の発振器
の発振波形の重畳が可能で、ビーム品質の良い高出力レ
ーザーを得ることのできる、光ファイバーへの多ビーム
結合・入射方法を提供する。 【解決手段】 複数台のＹＡＧレーザー発振器ＣＷ１，
ＣＷ２，ＰＷから出射された複数のレーザービームＬＢ
1 ，ＬＢ２，ＬＢ３を結合して１本の光ファイバー５に
入射する方法であって、各発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷ
からのレーザービームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３をミラー
ＫとリレーレンズＬ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 とを介して多角錐ミ
ラー７に伝送し、この多角錐ミラー７によって各レーザ
ービームを平行ビームに揃え、これら平行ビームを光フ
ァイバー入射レンズＬn により１点に集光し、光ファイ
バー５に入射する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高出力レーザーを
得るために、複数台のＹＡＧレーザー発振器から出射さ
れる複数のレーザービームを結合して１本の光ファイバ
ーに入射する方法に関するもので、例えば溶接や切断の
レーザー加工に利用される。
得るために、複数台のＹＡＧレーザー発振器から出射さ
れる複数のレーザービームを結合して１本の光ファイバ
ーに入射する方法に関するもので、例えば溶接や切断の
レーザー加工に利用される。
【０００２】
【従来の技術】近年、数ｋＷクラスのＹＡＧレーザー発
振器が開発され、従来ＣＯ2 レーザーの対象分野であっ
た溶接や切断といった高出力レーザー加工の分野でも多
数用いられるようになってきた。しかしながら、より厚
い材料をより高速で加工するためには更に大きな出力が
必要とされ、現状のレーザー出力では適用範囲に限界が
ある。そこで、高出力を得るために８本のＹＡＧロッド
を直列に配置し、最大出力４ｋＷを達成した例もある。
また、ＹＡＧレーザーは出力の増大に伴ってＹＡＧロッ
ドの熱レンズ効果が増大し、ビーム品質が悪くなり出力
も制限されることから、高出力で品質の良いビームを得
るために、従来のランプ励起方式に代わってＬＤ励起方
式を採用した高出力ＹＡＧレーザー発振器の開発研究も
進められている。
振器が開発され、従来ＣＯ2 レーザーの対象分野であっ
た溶接や切断といった高出力レーザー加工の分野でも多
数用いられるようになってきた。しかしながら、より厚
い材料をより高速で加工するためには更に大きな出力が
必要とされ、現状のレーザー出力では適用範囲に限界が
ある。そこで、高出力を得るために８本のＹＡＧロッド
を直列に配置し、最大出力４ｋＷを達成した例もある。
また、ＹＡＧレーザーは出力の増大に伴ってＹＡＧロッ
ドの熱レンズ効果が増大し、ビーム品質が悪くなり出力
も制限されることから、高出力で品質の良いビームを得
るために、従来のランプ励起方式に代わってＬＤ励起方
式を採用した高出力ＹＡＧレーザー発振器の開発研究も
進められている。
【０００３】一方、発振器の高出力化とは別に、複数台
のＹＡＧレーザー発振器から出射されるビームを結合し
て高出力化を図る試みもなされている。例えば、２台の
ＹＡＧレーザー発振器からのビームをそれぞれ光ファイ
バーに伝送し、別々の集光光学系で同一点を照射する方
法や、３台のＹＡＧレーザー発振器からのビームをそれ
ぞれ光ファイバーで伝送した後、１枚の大きな集光レン
ズで１点に集光するものである。
のＹＡＧレーザー発振器から出射されるビームを結合し
て高出力化を図る試みもなされている。例えば、２台の
ＹＡＧレーザー発振器からのビームをそれぞれ光ファイ
バーに伝送し、別々の集光光学系で同一点を照射する方
法や、３台のＹＡＧレーザー発振器からのビームをそれ
ぞれ光ファイバーで伝送した後、１枚の大きな集光レン
ズで１点に集光するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のような方法は、
加工点において複数のビームを結合するため、焦点位置
以外では再び複数のビームに戻ってしまう。また、集光
光学系部はサイズや重量が大きく、多関節ロボット等に
より高速高精度で加工行うには実用性に乏しいものとな
る。
加工点において複数のビームを結合するため、焦点位置
以外では再び複数のビームに戻ってしまう。また、集光
光学系部はサイズや重量が大きく、多関節ロボット等に
より高速高精度で加工行うには実用性に乏しいものとな
る。
【０００５】本発明は、上記のような課題に鑑み、複数
台のＹＡＧレーザー発振器から出射される複数のレーザ
ービームを結合して１本の光ファイバーに入射するにあ
たって、加工光学系の焦点外しの位置においても複数の
ビームに分離することがなく、また複数台の発振器の発
振波形の重畳が可能で、ビーム品質を悪化することなく
高出力レーザーを得ることのできる、光ファイバーへの
多ビーム結合・入射方法を提供することを目的とする。
台のＹＡＧレーザー発振器から出射される複数のレーザ
ービームを結合して１本の光ファイバーに入射するにあ
たって、加工光学系の焦点外しの位置においても複数の
ビームに分離することがなく、また複数台の発振器の発
振波形の重畳が可能で、ビーム品質を悪化することなく
高出力レーザーを得ることのできる、光ファイバーへの
多ビーム結合・入射方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明の光
ファイバーへの多ビーム結合・入射方法は、複数台のＹ
ＡＧレーザー発振器から出射された複数のレーザービー
ムを結合して１本の光ファイバーに入射する方法であっ
て、各ＹＡＧレーザー発振器からのレーザービームをミ
ラーとリレーレンズとを介して多角錐ミラーに伝送し、
この多角錐ミラーによって各レーザービームを９０度折
り曲げた後に平行ビームに揃え、これら平行ビームを１
枚の光ファイバー入射レンズにより１点に集光し、光フ
ァイバーに入射伝送するようにしたことを特徴としてい
る。
ファイバーへの多ビーム結合・入射方法は、複数台のＹ
ＡＧレーザー発振器から出射された複数のレーザービー
ムを結合して１本の光ファイバーに入射する方法であっ
て、各ＹＡＧレーザー発振器からのレーザービームをミ
ラーとリレーレンズとを介して多角錐ミラーに伝送し、
この多角錐ミラーによって各レーザービームを９０度折
り曲げた後に平行ビームに揃え、これら平行ビームを１
枚の光ファイバー入射レンズにより１点に集光し、光フ
ァイバーに入射伝送するようにしたことを特徴としてい
る。
【０００７】請求項２は、請求項１に記載の光ファイバ
ーへの多ビーム結合・入射方法において、光ファイバー
入射レンズＬn に入射する複数ビームの合成ビーム外径
Ｄが、sin(Ｄ／2fn ) ≦ＮＡfiber の光ファイバー入射
条件を満足し（ただし、 fn；光ファイバー入射レンズ
Ｌn の焦点距離、ＮＡfiber ；光ファイバーの開口
数）、且つ各発振器からのレーザービームの光ファイバ
ー入射レンズＬn 位置における発散角θn-1 が等しく最
小となるように、リレーレンズＬ1 〜Ｌn-1 の枚数、間
隔、及び焦点距離を設定することを特徴としている。
ーへの多ビーム結合・入射方法において、光ファイバー
入射レンズＬn に入射する複数ビームの合成ビーム外径
Ｄが、sin(Ｄ／2fn ) ≦ＮＡfiber の光ファイバー入射
条件を満足し（ただし、 fn；光ファイバー入射レンズ
Ｌn の焦点距離、ＮＡfiber ；光ファイバーの開口
数）、且つ各発振器からのレーザービームの光ファイバ
ー入射レンズＬn 位置における発散角θn-1 が等しく最
小となるように、リレーレンズＬ1 〜Ｌn-1 の枚数、間
隔、及び焦点距離を設定することを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】ＹＡＧレーザーの大きな特徴は、
ビーム伝送に光ファイバーが使用できることであり、多
関節ロボット等と組み合わせることによってフレキシブ
ルな加工システムが容易に実現できることにある。図１
は、本発明に係る光ファイバーへの多ビーム結合・入射
方法を実施するための高出力ＹＡＧレーザー加工システ
ムの構成を簡単に示し、図２は、同構成を具体的に示し
ている。先ず、図１を参照すると、３台のＹＡＧレーザ
ー発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷからそれぞれ出射された
各ビームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３は、光軸調整機構４に
配設されたそれぞれ複数枚のミラーＫとリレーレンズＬ
1 〜Ｌ3 （図２参照）により光ファイバー入射光学系ま
で伝送された後、１枚の光ファイバー入射レンズＬn に
より集光されて、光ファイバー５に入射され、そしてこ
の１本の光ファイバー５で伝送されたビームは、通常の
加工光学系６で集光され、加工が行われる。
ビーム伝送に光ファイバーが使用できることであり、多
関節ロボット等と組み合わせることによってフレキシブ
ルな加工システムが容易に実現できることにある。図１
は、本発明に係る光ファイバーへの多ビーム結合・入射
方法を実施するための高出力ＹＡＧレーザー加工システ
ムの構成を簡単に示し、図２は、同構成を具体的に示し
ている。先ず、図１を参照すると、３台のＹＡＧレーザ
ー発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷからそれぞれ出射された
各ビームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３は、光軸調整機構４に
配設されたそれぞれ複数枚のミラーＫとリレーレンズＬ
1 〜Ｌ3 （図２参照）により光ファイバー入射光学系ま
で伝送された後、１枚の光ファイバー入射レンズＬn に
より集光されて、光ファイバー５に入射され、そしてこ
の１本の光ファイバー５で伝送されたビームは、通常の
加工光学系６で集光され、加工が行われる。
【０００９】ところで、上記のように１本の光ファイバ
ー５に例えば３本のＹＡＧレーザービームＬＢ1 ，ＬＢ
２，ＬＢ３を入射する場合、それぞれのビーム毎に独立
に光ファイバー入射レンズを設けて導光する方法も考え
られるが、この場合それぞれの光ファイバー入射レンズ
の光軸調整機構等のために互いのレンズ間に隙間が生
じ、ＮＡ（開口数）の増大は避けられない。そこで、本
発明では、ビーム間の隙間によるＮＡの増大を極力少な
くする方法として、図２に示すように三角錐のミラー７
を使用し、３方向からのビームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３
をそれぞれ９０度折り曲げた後に平行ビームに揃え、そ
の後１枚の光ファイバー入射レンズＬn により３本のビ
ームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３を１点に集光し、光ファイ
バー５に導光するようにした。
ー５に例えば３本のＹＡＧレーザービームＬＢ1 ，ＬＢ
２，ＬＢ３を入射する場合、それぞれのビーム毎に独立
に光ファイバー入射レンズを設けて導光する方法も考え
られるが、この場合それぞれの光ファイバー入射レンズ
の光軸調整機構等のために互いのレンズ間に隙間が生
じ、ＮＡ（開口数）の増大は避けられない。そこで、本
発明では、ビーム間の隙間によるＮＡの増大を極力少な
くする方法として、図２に示すように三角錐のミラー７
を使用し、３方向からのビームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３
をそれぞれ９０度折り曲げた後に平行ビームに揃え、そ
の後１枚の光ファイバー入射レンズＬn により３本のビ
ームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３を１点に集光し、光ファイ
バー５に導光するようにした。
【００１０】しかし、この方法の場合、各ＹＡＧレーザ
ー発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷのビームパラメータ積Ｍ
2 が異なること、あるいは各発振器ＣＷ１，ＣＷ２，Ｐ
Ｗから光ファイバー入射光学系までのビーム伝搬距離が
異なること、あるいはまたビーム発散角が数１０mradと
比較的大きく、平行なビームとして扱うことができない
こと等のために、全てのビームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３
を最小スポット径で光ファイバー５入射端面上に揃える
ことが難しい。また、伝搬途中のビームの最大径に関す
る問題もある。これらの問題点は、ビーム伝搬のための
複数のリレーレンズＬ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 及び光ファイバー
入射レンズＬn の位置や焦点距離を最適に決定すること
によって解決可能であるが、複雑な計算を必要とする。
そこで、本発明では、以下のような方法でビーム伝搬の
ための各構成要素の最適設計を行った。
ー発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷのビームパラメータ積Ｍ
2 が異なること、あるいは各発振器ＣＷ１，ＣＷ２，Ｐ
Ｗから光ファイバー入射光学系までのビーム伝搬距離が
異なること、あるいはまたビーム発散角が数１０mradと
比較的大きく、平行なビームとして扱うことができない
こと等のために、全てのビームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３
を最小スポット径で光ファイバー５入射端面上に揃える
ことが難しい。また、伝搬途中のビームの最大径に関す
る問題もある。これらの問題点は、ビーム伝搬のための
複数のリレーレンズＬ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 及び光ファイバー
入射レンズＬn の位置や焦点距離を最適に決定すること
によって解決可能であるが、複雑な計算を必要とする。
そこで、本発明では、以下のような方法でビーム伝搬の
ための各構成要素の最適設計を行った。
【００１１】図３に本システムの光学系の構成を示す。
この図では、光ファイバー５に入射するビームは、３台
のＹＡＧレーザー発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷのうち１
台の発振器についてのみ図示している。
この図では、光ファイバー５に入射するビームは、３台
のＹＡＧレーザー発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷのうち１
台の発振器についてのみ図示している。
【００１２】リレーレンズＬi-1 とリレーレンズＬi と
の間隔をｄi-1 とし、発振器の出力鏡８からｉ（１≦ｉ
≦ｎ）番目で焦点距離ｆi のリレーレンズＬi を通過前
後のビームＬｂのビームウエスト径をωi-1 、ωi 、ビ
ームウエスト位置をｄi-1 −ｚi-1 、ｚi 、発散角をθ
i-1 、θi とするとき、リレーレンズＬi を通過後のビ
ームのビームウエスト径ωi 、ビームウエスト位置
ｚi 、発散角θi は次式で表される。
の間隔をｄi-1 とし、発振器の出力鏡８からｉ（１≦ｉ
≦ｎ）番目で焦点距離ｆi のリレーレンズＬi を通過前
後のビームＬｂのビームウエスト径をωi-1 、ωi 、ビ
ームウエスト位置をｄi-1 −ｚi-1 、ｚi 、発散角をθ
i-1 、θi とするとき、リレーレンズＬi を通過後のビ
ームのビームウエスト径ωi 、ビームウエスト位置
ｚi 、発散角θi は次式で表される。
【００１３】
【００１４】すなわち、光ファイバー入射レンズＬn に
よる集光ビームスポット径ωn と光ファイバー入射端面
位置ｚn は、ＹＡＧレーザー発振器の出力鏡８位置での
ビームウエスト径ω0 と発散角θ0 、リレーレンズの間
隔ｄi と焦点距離ｆi 、光ファイバー入射レンズの間隔
ｄn と焦点距離ｆn を与えれば、順次 (1)〜(3) 式の計
算を繰り返すことによって求めることができる。また、
ビームウエスト位置をｚi-1 からの距離ｚにおける伝搬
途中のビーム径ωは、 ω＝ωi-1 ｛ １＋（θi-1 ｚ）2 ｝1/2 ……………………… (3) で与えられる。
よる集光ビームスポット径ωn と光ファイバー入射端面
位置ｚn は、ＹＡＧレーザー発振器の出力鏡８位置での
ビームウエスト径ω0 と発散角θ0 、リレーレンズの間
隔ｄi と焦点距離ｆi 、光ファイバー入射レンズの間隔
ｄn と焦点距離ｆn を与えれば、順次 (1)〜(3) 式の計
算を繰り返すことによって求めることができる。また、
ビームウエスト位置をｚi-1 からの距離ｚにおける伝搬
途中のビーム径ωは、 ω＝ωi-1 ｛ １＋（θi-1 ｚ）2 ｝1/2 ……………………… (3) で与えられる。
【００１５】ただし、装置製作上の制約条件から、
(a)．ビーム伝搬長Ｌは Ｌ＝ｄ0 ＋ｄ 1 ＋・・・・・
＋ｄn-1 、 (b)．リレーレンズＬi 上におけるビーム
径ωLi、許容最大ビーム径をωmax とするとき、ωLi≦
ωmax を満足しなければならない。さらに、光ファイバ
ーへのビーム入射可能条件より、 (c)．光ファイバー入
射レンズＬn による集光スポット径ωn は sin（Ｄ／２
ｆn ）≦ＮＡfiber をを満足しなければならない。そし
てまた、複数本のビームを１枚のレンズで光ファイバー
の入射端面上に集光するためには、 (e)．全てのビーム
のビームウエスト位置ｚn の差を許容範囲Δｚn 内とす
る必要がある。これら (a)〜(e) の条件を満足するよう
にｄi 、ｆi 、ｄn 、ｆn を最適化すればよいが、 (1)
〜(3) 式の連立方程式を満足する解は無数に存在する。
(a)．ビーム伝搬長Ｌは Ｌ＝ｄ0 ＋ｄ 1 ＋・・・・・
＋ｄn-1 、 (b)．リレーレンズＬi 上におけるビーム
径ωLi、許容最大ビーム径をωmax とするとき、ωLi≦
ωmax を満足しなければならない。さらに、光ファイバ
ーへのビーム入射可能条件より、 (c)．光ファイバー入
射レンズＬn による集光スポット径ωn は sin（Ｄ／２
ｆn ）≦ＮＡfiber をを満足しなければならない。そし
てまた、複数本のビームを１枚のレンズで光ファイバー
の入射端面上に集光するためには、 (e)．全てのビーム
のビームウエスト位置ｚn の差を許容範囲Δｚn 内とす
る必要がある。これら (a)〜(e) の条件を満足するよう
にｄi 、ｆi 、ｄn 、ｆn を最適化すればよいが、 (1)
〜(3) 式の連立方程式を満足する解は無数に存在する。
【００１６】そこで、本発明では、リレーレンズＬi の
枚数ｎと間隔ｄi 、焦点距離ｆi のすべての組み合わせ
について計算し、これらの条件を満足する場合を求める
こととした。しかし、これらの条件を全て含めたシミュ
レーションを行うことは非常に複雑なものとなる。そこ
で、ここでは、前記の (1)〜(3) 式に注目し、どのパラ
メータを最適化すればこれら全ての条件を満足するかを
検討した。
枚数ｎと間隔ｄi 、焦点距離ｆi のすべての組み合わせ
について計算し、これらの条件を満足する場合を求める
こととした。しかし、これらの条件を全て含めたシミュ
レーションを行うことは非常に複雑なものとなる。そこ
で、ここでは、前記の (1)〜(3) 式に注目し、どのパラ
メータを最適化すればこれら全ての条件を満足するかを
検討した。
【００１７】しかして、ｉ＝ｎの場合の光ファイバー入
射レンズＬn に注目し、Ｌn に入射するビームをリレー
レンズによって発散角θn-1 を小さくし、ビームウエス
ト径ωn-1 を大きくすると、前記の (2)式において、
（ｄi-1 −ｚi-1 −ｆi ）2 ≦（ωi-1 ／θi-1 ）2 と
なり、 (2)式に (3)式から求めたωi-1 を代入すると、 となる。また、光ファイバー入射レンズＬn による集光
スポット径ωn は、前記の (1)式より、 ωn ≒ｆn θi-1 …………………………………………… (6) となる。すなわち、光ファイバー入射レンズで集光され
たビームのビームウエスト位置もスポット径もほとんど
θi-1 によって決まる。これは、全ての発信器の発散角
θn-1 をできるだけ小さい値で等しくすれば、最小で且
つほぼ同じスポット径で同じ位置にビームウエストを持
つようにすることができることを意味しており、１本の
光ファイバーへの同時入射が可能となる。そこで本発明
では、光ファイバー入射レンズＬn 位置で前記の光ファ
イバー入射条件 (d)を満足するビーム径Ｄ以下で全ての
発信器の発散角θn-1 を等しく最小となる条件で最適値
を求めた。
射レンズＬn に注目し、Ｌn に入射するビームをリレー
レンズによって発散角θn-1 を小さくし、ビームウエス
ト径ωn-1 を大きくすると、前記の (2)式において、
（ｄi-1 −ｚi-1 −ｆi ）2 ≦（ωi-1 ／θi-1 ）2 と
なり、 (2)式に (3)式から求めたωi-1 を代入すると、 となる。また、光ファイバー入射レンズＬn による集光
スポット径ωn は、前記の (1)式より、 ωn ≒ｆn θi-1 …………………………………………… (6) となる。すなわち、光ファイバー入射レンズで集光され
たビームのビームウエスト位置もスポット径もほとんど
θi-1 によって決まる。これは、全ての発信器の発散角
θn-1 をできるだけ小さい値で等しくすれば、最小で且
つほぼ同じスポット径で同じ位置にビームウエストを持
つようにすることができることを意味しており、１本の
光ファイバーへの同時入射が可能となる。そこで本発明
では、光ファイバー入射レンズＬn 位置で前記の光ファ
イバー入射条件 (d)を満足するビーム径Ｄ以下で全ての
発信器の発散角θn-1 を等しく最小となる条件で最適値
を求めた。
【００１８】
【実施例】次に、図１及び図２に示すように、それぞれ
最大平均出力２ｋＷの２台の連続励起ＹＡＧレーザー発
振器ＣＷ１，ＣＷ２と、最大平均出力１．５ｋＷの１台
のパルス励起ＹＡＧレーザー発振器ＰＷとの合計３台の
発振器を使用した場合について、最適なビーム伝送系を
設計した。
最大平均出力２ｋＷの２台の連続励起ＹＡＧレーザー発
振器ＣＷ１，ＣＷ２と、最大平均出力１．５ｋＷの１台
のパルス励起ＹＡＧレーザー発振器ＰＷとの合計３台の
発振器を使用した場合について、最適なビーム伝送系を
設計した。
【００１９】上記連続励起ＹＡＧレーザー発振器ＣＷ１
のビームパラメータ積Ｍ2 は２１３で、発振器出力鏡位
置から光ファイバー入射レンズＬn までのビーム伝搬長
は４．９５ｍである。連続励起ＹＡＧレーザー発振器Ｃ
Ｗ２のＭ2 は２１３、ビーム伝搬長は５．９ｍで、また
パルス励起ＹＡＧレーザー発振器ＰＷのＭ2 は１９２、
ビーム伝搬長は５．２６ｍである。高出力ビームを光フ
ァイバー５に入射する場合、ビーム伝搬の評価はビーム
の外形部まで含めて考慮する必要があり、ここでのビー
ムパラメータ積Ｍ2 はビーム外形における値である。伝
搬途中の各ビームについて許容最大ビームは径ωmax は
３０ｍｍ、光ファイバ入射レンズＬn 位置での発散角θ
n-1 は１２mrad以下という条件とした。また、光ファイ
バ入射レンズＬn のレンズ径はωmax が３０ｍｍである
ことより、上記３台の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷの合
成ビーム径Ｄは６４．６ｍｍとなる。光ファイバは開口
数ＮＡをできるだけ大きく０．２５とし、コア径Ｄc は
１．５ｍｍ以下を目標とした。
のビームパラメータ積Ｍ2 は２１３で、発振器出力鏡位
置から光ファイバー入射レンズＬn までのビーム伝搬長
は４．９５ｍである。連続励起ＹＡＧレーザー発振器Ｃ
Ｗ２のＭ2 は２１３、ビーム伝搬長は５．９ｍで、また
パルス励起ＹＡＧレーザー発振器ＰＷのＭ2 は１９２、
ビーム伝搬長は５．２６ｍである。高出力ビームを光フ
ァイバー５に入射する場合、ビーム伝搬の評価はビーム
の外形部まで含めて考慮する必要があり、ここでのビー
ムパラメータ積Ｍ2 はビーム外形における値である。伝
搬途中の各ビームについて許容最大ビームは径ωmax は
３０ｍｍ、光ファイバ入射レンズＬn 位置での発散角θ
n-1 は１２mrad以下という条件とした。また、光ファイ
バ入射レンズＬn のレンズ径はωmax が３０ｍｍである
ことより、上記３台の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷの合
成ビーム径Ｄは６４．６ｍｍとなる。光ファイバは開口
数ＮＡをできるだけ大きく０．２５とし、コア径Ｄc は
１．５ｍｍ以下を目標とした。
【００２０】シミュレーションの結果、各発振器ＣＷ
１，ＣＷ２，ＰＷのビーム伝搬には、図２に示すように
それぞれ３枚のリレーレンズＬ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 を使用す
ればほぼ目標性能が達成可能となった。但し、それぞれ
の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷのリレーレンズＬ1 は、
図２に示すように各発振器ともに発振器内部に固定され
ているものである。各発振器の光ファイバ入射レンズＬ
n 位置における発散角θ n-1 は、ビーム径がほぼ３０ｍ
ｍを満足する条件において連続励起ＹＡＧレーザー発振
器ＣＷ１，ＣＷ２が共に１１mrad、パルス励起ＹＡＧレ
ーザー発振器ＰＷが１２mradとなった。
１，ＣＷ２，ＰＷのビーム伝搬には、図２に示すように
それぞれ３枚のリレーレンズＬ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 を使用す
ればほぼ目標性能が達成可能となった。但し、それぞれ
の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷのリレーレンズＬ1 は、
図２に示すように各発振器ともに発振器内部に固定され
ているものである。各発振器の光ファイバ入射レンズＬ
n 位置における発散角θ n-1 は、ビーム径がほぼ３０ｍ
ｍを満足する条件において連続励起ＹＡＧレーザー発振
器ＣＷ１，ＣＷ２が共に１１mrad、パルス励起ＹＡＧレ
ーザー発振器ＰＷが１２mradとなった。
【００２１】上述したシステムでは、図２に示すよう
に、３台の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷからのビームＬ
Ｂ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３は、ミラーＫ及びリリレーレンズ
Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 を介して三角錐ミラー７に伝送され、
平行ビームとなって光ファイバー入射レンズＬn まで導
かれた後、コア径１．５ｍｍ、長さ２０ｍの１本の光フ
ァイバー５に入射される。この光ファイバー５で伝送さ
れたビームは通常の小型軽量の加工光学系６で集光され
る。加工光学系６は６軸の多関節ロボットに取り付けら
れ、３次元での加工が可能となっている。
に、３台の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷからのビームＬ
Ｂ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３は、ミラーＫ及びリリレーレンズ
Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 を介して三角錐ミラー７に伝送され、
平行ビームとなって光ファイバー入射レンズＬn まで導
かれた後、コア径１．５ｍｍ、長さ２０ｍの１本の光フ
ァイバー５に入射される。この光ファイバー５で伝送さ
れたビームは通常の小型軽量の加工光学系６で集光され
る。加工光学系６は６軸の多関節ロボットに取り付けら
れ、３次元での加工が可能となっている。
【００２２】図４には、上記システムにおける連続励起
ＹＡＧレーザー発振器ＣＷ１のビーム伝送性能につい
て、シミュレーションによって決定したリレーレンズの
最適配置と焦点距離におけるビーム径、及びレーザービ
ームアナライザ（ PROMETEC 社製 UFF100 ) を用いて測
定したビーム径を示している。光ファイバ入射レンズ位
置におけるビーム外径は３１．６ｍｍであった。他の２
ビームもほぼ同様で、３本のビームを結合したビーム径
も６４．６ｍｍ程度となり、光ファイバ入射レンズの焦
点距離が１２５ｍｍのとき入射ビームのＮＡ値を０．２
５以下にすることができた。尚、図４中の１００％ビー
ム、９７％ビーム、８６％ビームとは、それぞれ１００
％、９７％、８６％のエネルギーを含むビームである。
ＹＡＧレーザー発振器ＣＷ１のビーム伝送性能につい
て、シミュレーションによって決定したリレーレンズの
最適配置と焦点距離におけるビーム径、及びレーザービ
ームアナライザ（ PROMETEC 社製 UFF100 ) を用いて測
定したビーム径を示している。光ファイバ入射レンズ位
置におけるビーム外径は３１．６ｍｍであった。他の２
ビームもほぼ同様で、３本のビームを結合したビーム径
も６４．６ｍｍ程度となり、光ファイバ入射レンズの焦
点距離が１２５ｍｍのとき入射ビームのＮＡ値を０．２
５以下にすることができた。尚、図４中の１００％ビー
ム、９７％ビーム、８６％ビームとは、それぞれ１００
％、９７％、８６％のエネルギーを含むビームである。
【００２３】図５には、光ファイバ入射端における３本
のビーム（３台の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷからのそ
れぞれのビームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３）のスポット外
径のシミュレーション結果と実測値を示している。この
結果から、コア径が１．５ｍｍの光ファイバーには３本
のビームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３を同時に入射可能なこ
とがわかる。
のビーム（３台の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷからのそ
れぞれのビームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３）のスポット外
径のシミュレーション結果と実測値を示している。この
結果から、コア径が１．５ｍｍの光ファイバーには３本
のビームＬＢ1 ，ＬＢ２，ＬＢ３を同時に入射可能なこ
とがわかる。
【００２４】図６の（Ａ）は、本発明の発明者が測定し
た加工光学系部でビームを結合する従来方式の場合の焦
点位置付近におけるエネルギー分布の断面形状を示し、
同図の（Ｂ）は、本発明方式における焦点付近での結合
ビームの集光スポット径とエネルギー分布を示してい
る。従来の方式では、３本のビームは焦点では１点に集
まるが、焦点外しの位置では３個のスポットに分離す
る。一方、本発明方式では、焦点外しの位置においても
３個のスポットに分離せず、結合されたビームは１台の
発振器のものと殆ど同じようなエネルギー分布を示して
いる。すなわち、それぞれのビームは多数回の反射を繰
り返しながら光ファイバを伝搬する間に互いに重なり合
わされるものと考えられる。集光スポット径は集光倍率
０．６７倍の集光光学系を使用したとき、１．１ｍｍで
あった。
た加工光学系部でビームを結合する従来方式の場合の焦
点位置付近におけるエネルギー分布の断面形状を示し、
同図の（Ｂ）は、本発明方式における焦点付近での結合
ビームの集光スポット径とエネルギー分布を示してい
る。従来の方式では、３本のビームは焦点では１点に集
まるが、焦点外しの位置では３個のスポットに分離す
る。一方、本発明方式では、焦点外しの位置においても
３個のスポットに分離せず、結合されたビームは１台の
発振器のものと殆ど同じようなエネルギー分布を示して
いる。すなわち、それぞれのビームは多数回の反射を繰
り返しながら光ファイバを伝搬する間に互いに重なり合
わされるものと考えられる。集光スポット径は集光倍率
０．６７倍の集光光学系を使用したとき、１．１ｍｍで
あった。
【００２５】次に、加工光学系の集光点付近において、
結合ビームからの散乱光を赤外線センサで捕らえ、３台
の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷによる結合ビームの波形
制御性能を調べた。図７の（Ａ）及び（Ｂ）には、発振
指令波形と結合された波形の一例を示している。この例
では３台の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷの発振周波数は
全て５０Ｈｚである。連続励起発振器ＣＷ１，ＣＷ２
は、それぞれ正弦波と矩形波で発振させている。また、
パルス発振器ＰＷは、２ｍｓのパルス幅で連続励起発振
器ＣＷ１，ＣＷ２に対して１０ｍｓのディレイ時間で発
振させている。それぞれの発振器の指令値に対するレー
ザー発振出力の立上がりに遅れ時間が認められるが、３
台の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷの波形を重畳すること
によって得られた波形は指令値に対応していることが確
認できる。このように、本ビーム結合方式では矩形波や
正弦波、パルス波に任意の時間差を持たせた様々な発振
波形を得ることができる。
結合ビームからの散乱光を赤外線センサで捕らえ、３台
の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷによる結合ビームの波形
制御性能を調べた。図７の（Ａ）及び（Ｂ）には、発振
指令波形と結合された波形の一例を示している。この例
では３台の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷの発振周波数は
全て５０Ｈｚである。連続励起発振器ＣＷ１，ＣＷ２
は、それぞれ正弦波と矩形波で発振させている。また、
パルス発振器ＰＷは、２ｍｓのパルス幅で連続励起発振
器ＣＷ１，ＣＷ２に対して１０ｍｓのディレイ時間で発
振させている。それぞれの発振器の指令値に対するレー
ザー発振出力の立上がりに遅れ時間が認められるが、３
台の発振器ＣＷ１，ＣＷ２，ＰＷの波形を重畳すること
によって得られた波形は指令値に対応していることが確
認できる。このように、本ビーム結合方式では矩形波や
正弦波、パルス波に任意の時間差を持たせた様々な発振
波形を得ることができる。
【００２６】上述した実施例の方法から、それぞれ最大
平均出力２ｋＷの２台の連続励起ＹＡＧレーザー発振器
と、最大平均出力１．５ｋＷの１台のパルス励起ＹＡＧ
レーザー発振器との合計３台のＹＡＧレーザー発振器の
ビームを光ファイバーの入射端で結合し、１本の光ファ
イバーで伝送し、小型軽量の加工光学系で加工可能なＹ
ＡＧレーザー加工システムを提供することができ、また
３台のＹＡＧレーザー発振器のビームを集光光学系で集
光したときのビームのエネルギー密度分布はデフォーカ
スされた位置（焦点外し位置）においても３本に分離す
ることなく１台の発振器のビームと同じように扱うこと
ができ、そしてまた正弦波、矩形波、パルス波を組み合
わせた様々なレーザー出力波形が３台の発振器の出力を
１本の光ファイバーで結合することにより得られること
が判明された。
平均出力２ｋＷの２台の連続励起ＹＡＧレーザー発振器
と、最大平均出力１．５ｋＷの１台のパルス励起ＹＡＧ
レーザー発振器との合計３台のＹＡＧレーザー発振器の
ビームを光ファイバーの入射端で結合し、１本の光ファ
イバーで伝送し、小型軽量の加工光学系で加工可能なＹ
ＡＧレーザー加工システムを提供することができ、また
３台のＹＡＧレーザー発振器のビームを集光光学系で集
光したときのビームのエネルギー密度分布はデフォーカ
スされた位置（焦点外し位置）においても３本に分離す
ることなく１台の発振器のビームと同じように扱うこと
ができ、そしてまた正弦波、矩形波、パルス波を組み合
わせた様々なレーザー出力波形が３台の発振器の出力を
１本の光ファイバーで結合することにより得られること
が判明された。
【００２７】
【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、複数台の
ＹＡＧレーザー発振器からそれぞれ出射されるビームを
ミラーとリレーレンズとを介して多角錐ミラーに伝送
し、この多角錐ミラーによって各ビームを平行ビームに
揃え、これら平行ビームを１枚の光ファイバー入射レン
ズにより１点に集光して光ファイバーに入射伝送するこ
とによって、加工光学系の焦点外し位置においても複数
のビームに分離することがなく１台の発振器のビームと
同じように扱うことができ、また複数台の発振器の発振
波形の重畳が可能で、ビーム品質の良い高出力のレーザ
ーが得られる。
ＹＡＧレーザー発振器からそれぞれ出射されるビームを
ミラーとリレーレンズとを介して多角錐ミラーに伝送
し、この多角錐ミラーによって各ビームを平行ビームに
揃え、これら平行ビームを１枚の光ファイバー入射レン
ズにより１点に集光して光ファイバーに入射伝送するこ
とによって、加工光学系の焦点外し位置においても複数
のビームに分離することがなく１台の発振器のビームと
同じように扱うことができ、また複数台の発振器の発振
波形の重畳が可能で、ビーム品質の良い高出力のレーザ
ーが得られる。
【００２８】請求項２に記載のように、光ファイバー入
射レンズＬn に入射する複数ビームの合成ビーム外径Ｄ
が、sin(Ｄ／2fn ) ≦ＮＡfiber の光ファイバー入射条
件を満足し、且つ全ての発振器からのレーザービームの
光ファイバー入射レンズＬn位置における発散角θn-1
が等しく最小となるように、リレーレンズの枚数、間
隔、及び焦点距離を設定することによって、煩雑な計算
や複雑なシミュレーションを行うことなくても、最小で
且つほぼ同じスポット径で同じ位置にビームウエストを
持つようにすることができて、１本の光ファイバーへの
同時入射が可能となり、きわめて高出力で高品質のレー
ザーを得ることができる。
射レンズＬn に入射する複数ビームの合成ビーム外径Ｄ
が、sin(Ｄ／2fn ) ≦ＮＡfiber の光ファイバー入射条
件を満足し、且つ全ての発振器からのレーザービームの
光ファイバー入射レンズＬn位置における発散角θn-1
が等しく最小となるように、リレーレンズの枚数、間
隔、及び焦点距離を設定することによって、煩雑な計算
や複雑なシミュレーションを行うことなくても、最小で
且つほぼ同じスポット径で同じ位置にビームウエストを
持つようにすることができて、１本の光ファイバーへの
同時入射が可能となり、きわめて高出力で高品質のレー
ザーを得ることができる。
【図１】 図１は、本発明に係る光ファイバーへの多ビ
ーム結合・入射方法を実施するための高出力ＹＡＧレー
ザー加工システムの構成を簡単に示す説明図である。
ーム結合・入射方法を実施するための高出力ＹＡＧレー
ザー加工システムの構成を簡単に示す説明図である。
【図２】 図２は、同システムの構成を具体的に示す説
明図である。
明図である。
【図３】 同システムの光学系の構成を示す説明図であ
る。
る。
【図４】 連続励起ＹＡＧレーザー発振器ＣＷ１のビー
ム伝送性能について、シミュレーションによって決定し
たリレーレンズの最適配置と焦点距離におけるビーム
径、及びレーザービームアナライザを用いて測定したビ
ーム径を示すグラフである。
ム伝送性能について、シミュレーションによって決定し
たリレーレンズの最適配置と焦点距離におけるビーム
径、及びレーザービームアナライザを用いて測定したビ
ーム径を示すグラフである。
【図５】 光ファイバ入射端における３本のビームのス
ポット外径のシミュレーション結果と実測値を示すグラ
フである。
ポット外径のシミュレーション結果と実測値を示すグラ
フである。
【図６】 （Ａ）は、加工光学系部でビームを結合する
従来方式の場合の焦点位置付近におけるエネルギー分布
の断面形状を示し、（Ｂ）は、本発明方式における焦点
付近での結合ビームの集光スポット径とエネルギー分布
を示したものである。
従来方式の場合の焦点位置付近におけるエネルギー分布
の断面形状を示し、（Ｂ）は、本発明方式における焦点
付近での結合ビームの集光スポット径とエネルギー分布
を示したものである。
【図７】 （Ａ）及び（Ｂ）は、発振指令波形及び結合
された波形の一例を示しすグラフである。
された波形の一例を示しすグラフである。
ＣＷ１ 連続励起ＹＡＧレーザー発振器 ＣＷ２ 連続励起ＹＡＧレーザー発振器 ＰＷ パルス励起ＹＡＧレーザー発振器 ＬＢ1 発振器ＣＷ１からのビーム ＬＢ２ 発振器ＣＷ２からのビーム ＬＢ３ 発振器ＰＷからのビーム Ｋ ミラー Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 リレーレンズ Ｌn 光ファイバー入射レンズ ５ 光ファイバー ６ 加工光学系 ７ 三角錐ミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小南 幸一 兵庫県尼崎市道意町７丁目１番８ 財団法 人近畿高エネルギー加工技術研究所内 (72)発明者 小野 敬博 兵庫県尼崎市道意町７丁目１番８ 財団法 人近畿高エネルギー加工技術研究所内 (72)発明者 片山 聖二 大阪府茨木市美穂ヶ丘11−１ 大阪大学接 合科学研究所内 (72)発明者 大森 明 大阪府茨木市美穂ヶ丘11−１ 大阪大学接 合科学研究所内
Claims (2)
- 【請求項１】 複数台のＹＡＧレーザー発振器から出射
された複数のレーザービームを結合して１本の光ファイ
バーに入射する方法であって、各ＹＡＧレーザー発振器
からのレーザービームをミラーとリレーレンズとを介し
て多角錐ミラーに伝送し、この多角錐ミラーによって各
レーザービームを９０度折り曲げた後に平行ビームに揃
え、これら平行ビームを１枚の光ファイバー入射レンズ
により１点に集光し、光ファイバーに入射伝送するよう
にしたことを特徴とする光ファイバーへの多ビーム結合
・入射方法。 - 【請求項２】 光ファイバー入射レンズＬn に入射する
複数ビームの合成ビーム外径Ｄが、sin(Ｄ／2fn ) ≦Ｎ
Ａfiber の光ファイバー入射条件を満足し（ただし、 f
n ；光ファイバー入射レンズＬn の焦点距離、ＮＡ
fiber ；光ファイバーの開口数）、且つ各発振器からの
レーザービームの光ファイバー入射レンズＬn 位置にお
ける発散角θn-1 が等しく最小となるように、リレーレ
ンズＬ1 〜Ｌn-1 の枚数、間隔、及び焦点距離を設定す
ることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーへの
多ビーム結合・入射方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10036108A JPH11231175A (ja) | 1998-02-18 | 1998-02-18 | 光ファイバーへの多ビーム結合・入射方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10036108A JPH11231175A (ja) | 1998-02-18 | 1998-02-18 | 光ファイバーへの多ビーム結合・入射方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11231175A true JPH11231175A (ja) | 1999-08-27 |
Family
ID=12460583
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10036108A Withdrawn JPH11231175A (ja) | 1998-02-18 | 1998-02-18 | 光ファイバーへの多ビーム結合・入射方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11231175A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003039189A (ja) * | 2001-07-27 | 2003-02-12 | Hamamatsu Photonics Kk | レーザ光照射装置及び表面処理方法 |
| JP2008264839A (ja) * | 2007-04-20 | 2008-11-06 | Sumitomo Metal Ind Ltd | レーザ溶接装置、レーザ溶接方法及び金属板材の製造方法 |
| JP2016510262A (ja) * | 2013-04-28 | 2016-04-07 | 宝山鋼鉄股▲分▼有限公司 | 長手方向の金属板積込み／荷降ろしおよび切断方法、ならびにそのシステム |
| JP2016078046A (ja) * | 2014-10-14 | 2016-05-16 | 株式会社アマダホールディングス | ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた金属板の加工方法 |
| JP2017124413A (ja) * | 2016-01-13 | 2017-07-20 | 株式会社東芝 | レーザ装置及びレーザ照射方法 |
-
1998
- 1998-02-18 JP JP10036108A patent/JPH11231175A/ja not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003039189A (ja) * | 2001-07-27 | 2003-02-12 | Hamamatsu Photonics Kk | レーザ光照射装置及び表面処理方法 |
| JP2008264839A (ja) * | 2007-04-20 | 2008-11-06 | Sumitomo Metal Ind Ltd | レーザ溶接装置、レーザ溶接方法及び金属板材の製造方法 |
| JP2016510262A (ja) * | 2013-04-28 | 2016-04-07 | 宝山鋼鉄股▲分▼有限公司 | 長手方向の金属板積込み／荷降ろしおよび切断方法、ならびにそのシステム |
| JP2016078046A (ja) * | 2014-10-14 | 2016-05-16 | 株式会社アマダホールディングス | ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた金属板の加工方法 |
| JP2017124413A (ja) * | 2016-01-13 | 2017-07-20 | 株式会社東芝 | レーザ装置及びレーザ照射方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20050510 |