JPWO2018105453A1 - 調芯方法 - Google Patents

調芯方法 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2018105453A1
JPWO2018105453A1 JP2018554942A JP2018554942A JPWO2018105453A1 JP WO2018105453 A1 JPWO2018105453 A1 JP WO2018105453A1 JP 2018554942 A JP2018554942 A JP 2018554942A JP 2018554942 A JP2018554942 A JP 2018554942A JP WO2018105453 A1 JPWO2018105453 A1 JP WO2018105453A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
optical fiber
laser beam
light
lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2018554942A
Other languages
English (en)
Other versions
JP7126062B2 (ja
Inventor
清隆 江泉
誠 龍堂
同慶 長安
仁志 西村
静波 王
正敏 西尾
秀明 山口
義彰 竹中
諒 石川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of JPWO2018105453A1 publication Critical patent/JPWO2018105453A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7126062B2 publication Critical patent/JP7126062B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/422—Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements
    • G02B6/4227—Active alignment methods, e.g. procedures and algorithms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4206—Optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/422—Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements
    • G02B6/4225—Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements by a direct measurement of the degree of coupling, e.g. the amount of light power coupled to the fibre or the opto-electronic element
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/422—Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements
    • G02B6/4226—Positioning means for moving the elements into alignment, e.g. alignment screws, deformation of the mount
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4296—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with sources of high radiant energy, e.g. high power lasers, high temperature light sources

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)

Abstract

レーザ発振器（１０）と光ファイバ（３０）との間に調芯機構（２０）を有している。レーザ発振器（１０）から出射されたレーザ光（１１）は、調芯機構（２０）を介して光ファイバ（３０）の出射端（３２）から出射される。レーザ光評価装置（２００）は、ＣＣＤカメラ（１００）を有しており、レーザ光（１１）の一部をＣＣＤカメラ（１００）の受光面で受光し、光強度分布を取得する。この光強度分布に基づいて、調芯機構（２０）によりレーザ発振器（１０）と光ファイバ（３０）との間の調芯を行う。

Description

本発明は、レーザ加工装置等におけるレーザ発振器と光ファイバとの間の調芯方法に関する。
気体レーザや固体レーザ等のレーザ発振器からの出射光を光ファイバで導波して、ワークの溶接や加工を行うレーザ加工装置が、従来、知られている。
レーザ発振器と光ファイバとの結合効率を高めて、加工に用いるレーザ光の出力を確保するために、通常、レーザ発振器と光ファイバとの間で調芯が行われる。
従来、レーザ発振器からの出射光を、集光レンズ等の光学部材を介して光ファイバの一方の端面に入射させ、他方から出射された光の出力をパワーメータや受光素子等で測定し、この出力が最大となるように集光レンズの位置等を調整して、調芯を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０８−１６７７５４号公報
近年、加工精度に対する要求が厳しくなっており、ワークに照射されるレーザビームの形状制御が重要になってきている。
しかし、レーザビームのパワーが最大となる集光レンズの位置と、レーザビームの形状が最良となる集光レンズの位置とは必ずしも一致しない。そのため、前者の位置で集光レンズを固定して調芯を終えると、所望のレーザビーム形状が得られないおそれがあった。また、その結果、調芯作業のやり直し等が発生し、作業効率が低下するおそれがあった。
本発明の一態様はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、レーザビームの光強度分布のモニター結果に基づいて調芯を行う方法を提供することにある。
上記の目的を達成するために、この発明の一態様では、調芯で用いる受光部の受光面上での光強度分布に基づいてレーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うようにした。
具体的には、本発明の一態様に係る調芯方法は、レーザ光評価装置を用いてレーザ発振器と光ファイバとの間で調芯する方法であって、レーザ発振器と光ファイバとの間に調芯機構が設けられ、レーザ光評価装置は、光ファイバから出射されたレーザ光を受光面上で受光する受光部を有し、レーザ発振器から出射されて調芯機構を介して光ファイバで導波されたレーザ光を受光部の受光面上で受光するステップと、受光部の受光面上で受光されたレーザ光の光強度分布に基づいて、調芯機構によりレーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うステップと、を備えることを特徴とする。
この方法によれば、受光面上で受光されたレーザ光の光強度分布に基づいてレーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うため、調芯精度が向上するとともに、最終的に出力されるレーザ光の形状を良好なものとすることができる。
受光面上での光強度分布から導出される、光ファイバから出射されたレーザ光の開口数が最小となるように、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行う、のが好ましい。
この方法によれば、受光面上の光強度分布から導出される開口数が最小となるように、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うため、最終的に出力されるレーザ光のスポット径を所望の大きさに絞ることができる。
光ファイバはダブルクラッドファイバであり、受光面上での光強度分布に現れる２次ピークの位置に基づいて、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行う、のが好ましい。
この方法によれば、レーザ発振器とダブルクラッドファイバとの間の調芯精度が向上するとともに、最終的に出力されるレーザ光の形状を良好なものとすることができる。
上記のレーザ光評価装置は、レーザ光の一部を受光部に向けて偏向するミラーユニットと、ミラーユニットで偏向されたレーザ光を、該レーザ光の放射角分布が位置分布に変換されるように整形するｆθレンズと、ｆθレンズで整形されたレーザ光の進行方向を変化させるフィールドレンズと、フィールドレンズを通過したレーザ光を減光する減光フィルタと、減光フィルタを通過したレーザ光を、受光面に集光する結像レンズと、を有している、のが好ましい。
この構成によれば、レーザ光の放射角分布を受光面上での光強度分布に変換でき、レーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を簡便に行える。
以上説明したように、本発明の一態様によれば、レーザ発振器と光ファイバとの調芯精度を向上させ、最終的に出力されるレーザ光の形状を良好なものとすることができる。
本発明の実施形態１におけるレーザ発振器と光ファイバとの間の調芯を行うための各種装置の配置を示す図である。 ミラーユニットの分光特性を示す図である。 ｆθレンズの機能を説明する概略図である。 フィールドレンズの機能を説明する概略図である。 結像レンズの機能を説明する概略図である。 レーザ発振器の光軸に直交する方向から見た、調芯機構の概要を示す図である。 レーザ発振器の光軸方向から見た、調芯機構の概要を示す図である。 調芯機構内の集光レンズ位置に対するレーザ光パワー及び開口数の変化を示す図である。 ＣＣＤカメラ上でのレーザ光強度分布を示す概略図である。 ミラーユニットの別の分光特性を示す図である。 本発明の実施形態２に係る、ＣＣＤカメラ上でのレーザ光強度分布を示す概略図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行うための各種装置の配置を示す。レーザ発振器１０と、光ファイバ３０と、調芯機構２０とが配置される。レーザ発振器１０は、レーザ光１１を出射する。光ファイバ３０は、レーザ発振器１０から出射されるレーザ光１１を導波する。調芯機構２０は、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行うためのものである。さらに、レーザ光評価装置２００が、光ファイバ３０の出射端３２から出射されたレーザ光を受け取り、その特性を評価するように配置される。なお、本実施形態において、光ファイバ３０はシングルクラッドファイバである。
また、調芯機構２０は、通常、レーザ発振器１０の筐体（図示せず）内に配置される。
レーザ光評価装置２００は、ミラーユニット４０と、積分球５０と、集光部６０と、を備えている。ミラーユニット４０は、光ファイバ３０の出射端３２から出射されたレーザ光１１の一部を偏向し、残りを透過する。積分球５０は、ミラーユニット４０を透過したレーザ光１２を吸収・冷却するダンパ部である。集光部６０は、ミラーユニット４０によって偏向されたレーザ光１３をＣＣＤカメラ１００の受光面に集光する。
さらに、レーザ光評価装置２００は、ＣＣＤカメラ１００と、画像処理部１１０と、モニター１２０と、を備えている。ＣＣＤカメラ１００は、受光面としてのＣＣＤセンサ（図示せず）を有する受光部であり、レーザ光１３を受光し、画像信号を生成する。画像処理部１１０は、ＣＣＤカメラ１００からの画像信号を処理する。モニター１２０は、画像処理部１１０で画像処理された画像を表示する。
集光部６０は、ｆθレンズ６１と、フィールドレンズ６２と、を有している。ｆθレンズ６１は、ミラーユニット４０によって偏向されたレーザ光１３をその放射角に対応した高さのスポットに変換する等距離射影レンズである。フィールドレンズ６２は、ｆθレンズ６１の焦点距離に対応した位置に配置され、ｆθレンズ６１を通過したレーザ光１３を集光する。さらに、集光部６０は、減光フィルタ６３と、結像レンズ６４と、を有している。減光フィルタ６３は、フィールドレンズ６２を通過したレーザ光１３を減光する。結像レンズ６４は、減光フィルタ６３を通過したレーザ光１３をＣＣＤカメラ１００の受光面に集光する。
ミラーユニット４０は、レーザ光１３から集光部６０とＣＣＤカメラ１００を保護するために、図２に示すような分光特性を有しており、レーザ光１１の大部分を透過させる。
ミラーユニット４０は、熱レンズ対策として低ＯＨ基材からなるミラーである。
また、ミラーユニット４０は、高出力から低出力までのレーザ光１１に対応するため、交換可能なように構成されている。本実施形態では、レーザ光１１が高出力、例えば、ｋＷクラスの出力の場合に対応する、高透過かつ低反射のミラーを使用している。
ミラーユニット４０で偏向されたレーザ光１３は、ｆθレンズ６１に入射する。ｆθレンズ６１は、入射したレーザ光１３をその放射角に対応した高さのスポットに変換する機能、言い換えると、レーザ光１３の放射角分布を位置分布に変換する機能を有している。
図３に示すように、ｆθレンズ６１に角度θで入射したレーザ光１３は、式（１）の関係を満足するように集光される。
ｙ=ｆ×θ ・・・（１）
ここで、
ｙ： ｆθレンズ６１の焦点位置での像高 ｆ： ｆθレンズ６１の焦点距離
θ： レーザ光１３の放射角
である。
ｆθレンズ６１が上記の特性を持つことから、ｆθレンズ６１を通過後のレーザ光１３の光強度分布を観察すると、レーザ光１３の特性を求めることができる。例えば、光強度分布のピークの半値となる高さから、ｆθレンズ６１に入射したレーザ光１３の入射角の半値を容易に求めることができる。
なお、図３では、レンズ３枚でｆθレンズ６１を構成する例を示したが、それ以上またはそれ以下の枚数のレンズを使用してもよい。
ｆθレンズ６１を通過したレーザ光１３は、ｆθレンズ６１の焦点位置近傍に配置されたフィールドレンズ６２に入射する。図４に示すように、フィールドレンズ６２は、ｆθレンズ６１を通過したレーザ光１３の進行方向を変えて結像レンズ６４へ入射させる。フィールドレンズ６２が無い場合、ｆθレンズ６１を通過したレーザ光１３は拡がり続け、像の周辺の光は、結像レンズ６４に入ることなく進んでいくことになる。
なお、図４では、減光フィルタ６３の図示を省略している。また、図４では、レンズ１枚でフィールドレンズ６２を構成する例を示したが、それ以上の枚数のレンズを使用してもよい。
フィールドレンズ６２を通過したレーザ光１３は、減光フィルタ６３に入射する。減光フィルタ６３は、ＣＣＤカメラ１００上の光強度を調整するために、入射したレーザ光１３を減衰させる機能を有する。「ＣＣＤカメラ１００上」とは、より詳しくは、「ＣＣＤカメラ１００のＣＣＤセンサ上」のことである。
減光フィルタ６３を通過したレーザ光１３は、結像レンズ６４に入射する。図５に示すように、ｆθレンズ６１を通過した後のレーザ光１３を、ＣＣＤカメラ１００のセンサーサイズに合うように、結像レンズ６４によって、所定の倍率で縮小する。
なお、図５では、レンズ６枚で結像レンズ６４を構成する例を示したが、それ以上またはそれ以下の枚数のレンズを使用してもよい。
結像レンズ６４を通過したレーザ光１３は、ＣＣＤカメラ１００に入射する。ＣＣＤカメラ１００は、ＣＣＤカメラ１００のＣＣＤセンサが結像レンズ６４の焦点距離に対応した位置に来るように配置されている。
次に、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯方法について説明する。
ＣＣＤカメラ１００上の光強度分布は、画像処理部１１０で処理されて、モニター１２０に画像として表示される。この光強度分布を観測しながら、調芯機構２０によってレーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行う。以下、具体的な調整方法について説明する。
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、調芯機構２０は、集光レンズ２１とレンズ位置調整ネジ２２〜２４から構成されている。レンズ位置調整ネジ２２〜２４は、集光レンズ２１をＸ，Ｙ，Ｚ方向へそれぞれ移動させるための調整ネジである。
レーザ発振器１０から出射したレーザ光１１は、調芯機構２０内の集光レンズ２１によって、集光されて光ファイバ３０の入射端３１に入射する。集光レンズ２１によって集光されるレーザ光１１が、入射端３１に入射するように、レンズ位置調整ネジ２２〜２４を用いて、集光レンズ２１の位置を調整する。これによりレーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯が行われる。
一般的な調芯方法では、光ファイバ３０の出射端３２から出射されるレーザ光１１の出力を観測し、この出力が最大となるように、集光レンズ２１の位置を調整している。
しかし、図７に示すように、この一般的な調整方法では、集光レンズ２１と光ファイバ３０の入射端３１と間の位置ズレに対する感度が低い。また、レーザ光の出力が最大となる集光レンズ２１の位置近傍では、集光レンズ２１の位置変動に対するレーザ光の出力の変動がきわめて小さい。このことにより集光レンズ２１と光ファイバ３０との間の位置調整精度が低くなっていた。
これは、主に、光ファイバ３０のコア径よりも、集光レンズ２１で集光されるレーザ光１１のスポットサイズが小さいことに起因する。
光ファイバ３０の入射端３１に入射するレーザ光１１のスポットサイズが、光ファイバ３０のコア径と同等以上であると、一部のレーザ光が、光ファイバ３０のコアに入射されず、ロスを生じてしまう。また、コアからはみ出てクラッドにレーザ光が入射した場合、入射端３１の端面が損傷するおそれもあった。
よって、例えば、光ファイバ３０のコア径よりも、集光レンズ２１で集光されるレーザ光１１のスポットサイズを小さくすることで、これらの問題が発生しないようにしていた。
しかし、この場合、光ファイバ３０の入射端３１に入射するレーザ光１１の光軸が、光ファイバ３０の光軸とズレを生じていても、レーザ光１１の全量が光ファイバ３０を通過する。これにより、光ファイバ３０の出射端３２から出力されるレーザ光１１は、空間的に見て非対称な形状となる可能性があった。そのため、最終的にワークに照射されるレーザ光の形状に偏りを生じたりするおそれがあった。
そこで、本実施形態では、ＣＣＤカメラ１００上のレーザ光１３の光強度分布から導出されるレーザ光１３の開口数（以下、ＮＡという）を集光レンズ２１の位置調整時の指標にすることで、上記の問題を解決している。
図７に示すように、ＮＡは集光レンズ２１の位置変動に敏感に反応するため、レーザ光１１の出力を調整の指標とする場合よりも調芯の精度が向上する。
ここで、ＣＣＤカメラ１００上のレーザ光１３の光強度分布から、ＮＡを導出する方法について説明する。
図８は、ＣＣＤカメラ１００上でのレーザ光１３の光強度分布を示す。この分布から、Ｘ方向及びＹ方向の強度プロファイルを取得する。
まず、各々のプロファイルにおいて、強度が最大となるＸ方向の位置座標ｘ０及びＹ方向の少なくとも一方の位置座標ｙ０を求める。さらに、最大強度の１／ｅ２となる強度でのＸ方向の位置座標ｘ１及びＹ方向の少なくとも一方の位置座標ｙ１を求める。
ｘ０とｘ１との差をｘとし、ｙ０とｙ１との差をｙとすると、ｘ、ｙはそれぞれ式（２）、（３）の関係を満たす。
ｘ＝ｆ’×θ ・・・（２）
ｙ＝ｆ’×θ ・・・（３）
ここで、
ｆ’： 集光部６０の光学系より決定されるパラメータ
である。なお、θは、式（１）に示したのと同じく、レーザ光１３の放射角である。
また、
ＮＡ＝ｓｉｎθ ・・・（４）
であるから、上記の式（２）または式（３）を式（４）に代入して、
ＮＡ＝ｓｉｎ（ｘ／ｆ’） ・・・（５）
ＮＡ＝ｓｉｎ（ｙ／ｆ’） ・・・（６）
が導かれる。
上記の式（５）、（６）からわかるように、ＣＣＤカメラ１００上の光強度分布から直接的にＮＡを求めることができる。Ｘ方向の強度プロファイルのみからＮＡを求めても、Ｙ方向の強度プロファイルのみからＮＡを求めてもよい。
なお、両方の強度プロファイルからＮＡをそれぞれ導出することで、ＮＡの導出精度、ひいては、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯精度が向上する。
いずれの場合も、得られたＮＡが最小となるように、レンズ位置調整ネジ２２〜２４を用いて、集光レンズ２１の位置を調整し、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行うことで、最終的に得られるレーザ光の出力を確保しつつ、その形状を良好なものとすることができる。
また、レーザ光１１が低出力の場合には、図１に示したミラーユニット４０として、図９に示す分光特性を有するミラーを用いるとよい。低出力とは、例えば、数十ｍＷ〜Ｗクラスの出力という。
この場合は、図１において、ミラーユニット４０に入射するレーザ光１１の大部分は反射してｆθレンズ６１に入射し、残りの一部が積分球５０に入射する。
（実施形態２）
図１０は、本発明の実施形態２に係る、ＣＣＤカメラ１００上でのレーザ光の光強度分布を示す。実施形態１との違いは、光ファイバ３０としてダブルクラッドファイバを用いること、及び集光レンズ２１の位置調整指標として、ＣＣＤカメラ１００上の光強度分布に現れる２次ピーク位置を用いる点である。
図１０に示すように、光ファイバ３０がダブルクラッドファイバである場合、ＣＣＤカメラ１００上の光強度分布において、強度が最大となる位置Ｐ１以外に、２次ピークが現れる位置Ｐ２が発生することがある。図１０の例では、Ｘ方向に２つの位置Ｐ２があり、Ｙ方向に２つの位置Ｐ２がある。
この２次ピークは、コアを囲む第１クラッドと、第１クラッドを囲む第２クラッドとの界面で、第１クラッド内を導波するレーザ光が一部反射されることにより生じる。
例えば、Ｘ方向の２つの位置Ｐ２を導出し、その２つの位置Ｐ２の中間点が、画像上の中心に来るように集光レンズ２１の位置を調整する。このことで、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行うことができる。同様に、Ｙ方向の２つの位置Ｐ２を利用して調芯を行うこととしてもよい。また、Ｘ方向の２つの位置Ｐ２及びＹ方向の２つの位置Ｐ２を利用して調芯を行うこととしてもよい。
（その他の実施形態）
レーザ発振器１０が、例えば、特開２０１６−７３９８３号公報や特開２０１６−１１２６０９号公報に開示された、複数の波長成分を有するレーザ光を出射する構成であると、各々の波長毎に、図１に示すＣＣＤカメラ１００上でのレーザ光の焦点が異なってくる。
このような場合には、レーザ光の中心波長に対する結像レンズ６４の焦点位置にＣＣＤカメラ１００を配置することで、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行うことができる。
また、結像レンズ６４をレーザ光１３の光軸方向に移動可能な構成にすると、レーザ光１３に含まれる異なる波長成分に対して、ＣＣＤカメラ１００の受光面上での焦点を各々合わせることが可能となる。例えば、結像レンズ６４をレーザ光１３の光軸方向に移動して、波長成分毎にＣＣＤカメラ１００の受光面上での焦点を合わせた上で、取得した複数の光強度分布からそれぞれＮＡを求めて、調芯を行ってもよい。
なお、実施形態１において、光ファイバ３０をシングルクラッドファイバとしたが、ダブルクラッドファイバでもよい。
レーザ光１３を受光するカメラとして、ＣＣＤカメラ１００の代わりに、ＣＭＯＳイメージセンサ等の他の２次元光センサを搭載するカメラを用いてもよい。
また、各実施形態において、光ファイバ３０の出射端３２から出射されたレーザ光１１を用いて調芯を行っているが、例えば、出射端３２に、コリメータレンズや集光レンズ及び保護ガラス等を搭載したレーザ出射ユニット（図示せず）を取り付け、レーザ出射ユニットから出射されたレーザ光１１を用いて、レーザ発振器１０と光ファイバ３０との間の調芯を行ってもよい。
本発明の一態様の調芯方法は、最終的に得られるレーザ光の出力を確保しつつ、その形状を良好なものとすることができ、有用である。
１０ レーザ発振器
２０ 調芯機構
２１ 集光レンズ
２２〜２４ レンズ位置調整ネジ
３０ 光ファイバ
４０ ミラーユニット
５０ 積分球
６０ 集光部
６１ ｆθレンズ
６２ フィールドレンズ
６３ 減光フィルタ
６４ 結像レンズ
１００ ＣＣＤカメラ（受光部）
１１０ 画像処理部
１２０ モニター
２００ レーザ光評価装置
Ｐ２ ２次ピーク位置

Claims (4)

  1. レーザ光評価装置を用いてレーザ発振器と光ファイバとの間で調芯する方法であって、
    前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間に調芯機構が設けられ、
    前記レーザ光評価装置は、前記光ファイバから出射されたレーザ光を受光面上で受光する受光部を有し、
    前記レーザ発振器から出射されて前記調芯機構を介して前記光ファイバで導波されたレーザ光を前記受光部の前記受光面上で受光するステップと、
    前記受光部の前記受光面上で受光されたレーザ光の光強度分布に基づいて、前記調芯機構により前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間の調芯を行うステップと、を備える、調芯方法。
  2. 前記受光面上での前記光強度分布から導出される、前記光ファイバから出射されたレーザ光の開口数が最小となるように、前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間の調芯を行う、請求項１に記載の調芯方法。
  3. 前記光ファイバはダブルクラッドファイバであり、
    前記受光面上での前記光強度分布に現れる２次ピークの位置に基づいて前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間の調芯を行う、請求項１に記載の調芯方法。
  4. 前記レーザ光評価装置は、
    前記レーザ光の一部を前記受光部に向けて偏向するミラーユニットと、
    前記ミラーユニットで偏向された前記レーザ光を、該レーザ光の放射角分布が位置分布に変換されるように整形するｆθレンズと、
    前記ｆθレンズで整形された前記レーザ光の進行方向を変化させるフィールドレンズと、
    前記フィールドレンズを通過した前記レーザ光を減光する減光フィルタと、
    前記減光フィルタを通過した前記レーザ光を、前記受光面に集光する結像レンズと、を有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の調芯方法。
JP2018554942A 2016-12-06 2017-11-29 調芯方法 Active JP7126062B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016236401 2016-12-06
JP2016236401 2016-12-06
PCT/JP2017/042715 WO2018105453A1 (ja) 2016-12-06 2017-11-29 調芯方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2018105453A1 true JPWO2018105453A1 (ja) 2019-10-24
JP7126062B2 JP7126062B2 (ja) 2022-08-26

Family

ID=62491050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018554942A Active JP7126062B2 (ja) 2016-12-06 2017-11-29 調芯方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11333833B2 (ja)
EP (1) EP3553574B1 (ja)
JP (1) JP7126062B2 (ja)
CN (1) CN110036321B (ja)
WO (1) WO2018105453A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113433631B (zh) * 2021-07-23 2023-01-31 苏州格拉尼视觉科技有限公司 一种基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH034858B2 (ja) * 1985-10-18 1991-01-24 Hamamatsu Photonics Kk
JPH08167754A (ja) * 1994-10-14 1996-06-25 Mitsubishi Electric Corp 光伝送装置、固体レーザ装置、及びこれらを用いたレーザ加工装置
JP2003174419A (ja) * 2001-09-27 2003-06-20 Sharp Corp 光通信システム
JP2004061868A (ja) * 2002-07-29 2004-02-26 Ntt Electornics Corp レーザ集光位置測定方法、光モジュール組立て方法及び光ファイバ調芯固定装置
JP2008026456A (ja) * 2006-07-19 2008-02-07 Toshiba Corp 光ファイバ用レーザ光入射光学装置
US20120051084A1 (en) * 2010-08-25 2012-03-01 Colorado State University Research Foundation Transmission of laser pulses with high output beam quality using step-index fibers having large cladding
JP2013057854A (ja) * 2011-09-09 2013-03-28 Olympus Corp 光伝送装置
JP2013197372A (ja) * 2012-03-21 2013-09-30 Fujikura Ltd 調心方法及び半導体レーザモジュールの製造方法
US20150049987A1 (en) * 2013-08-16 2015-02-19 Coherent, Inc. Fiber-coupled laser with adjustable beam-parameter-product
US20150139638A1 (en) * 2013-11-19 2015-05-21 Jds Uniphase Corporation System and method of estimating beam mode content for waveguide alignment
US20150293306A1 (en) * 2010-04-08 2015-10-15 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Method and Arrangement for the Generation of a Laser Beam With Different Beam Profile Characteristics by Means of a Multi-Clad Fibre
JP2016112609A (ja) * 2014-12-18 2016-06-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 レーザ切断装置およびレーザ切断方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH034858A (ja) 1989-06-01 1991-01-10 Toto Ltd 気泡発生浴槽の電源部
JP3531199B2 (ja) * 1994-02-22 2004-05-24 三菱電機株式会社 光伝送装置
JPH0882724A (ja) 1994-09-13 1996-03-26 Fujitsu Ltd 光モジュール組み立て位置決め方法および光モジュール組み立て位置決め装置
US5815626A (en) 1994-10-14 1998-09-29 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Optical transmission device, solid state laser device, and laser beam processing device
US6529657B2 (en) * 2001-02-23 2003-03-04 Keopsys, Inc. Angle selective side-pumping of fiber amplifiers and lasers
AU2002219607A1 (en) * 2002-01-11 2003-07-30 Fujitsu Limited Storage device
JP2005077436A (ja) 2003-08-29 2005-03-24 Precise Gauges Co Ltd 調芯方法及びその装置、並びに、これを用いた光学モジュールの製造方法及びその装置
US7526167B1 (en) * 2005-06-24 2009-04-28 Lockheed Martin Corporation Apparatus and method for a high-gain double-clad amplifier
CN1896787A (zh) * 2005-12-16 2007-01-17 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 多光束激光合成、匀化的方法
JP2007173649A (ja) 2005-12-23 2007-07-05 Toshiba Corp ファイバレーザ装置、光学機構及び入射方法
JP4946315B2 (ja) * 2006-09-28 2012-06-06 株式会社豊田中央研究所 自己形成光導波路の製造方法
CN101369047B (zh) * 2008-04-28 2010-12-08 深圳市大族激光科技股份有限公司 光学镜头
CN103620492A (zh) * 2011-06-03 2014-03-05 住友电气工业株式会社 光源装置及加工方法
EP2856584B1 (en) * 2012-05-30 2020-05-20 IPG Photonics Corporation High power spatial filter
DE112015000994B4 (de) * 2014-02-26 2024-01-18 Panasonic Corporation of North America (n.d.Ges.d. Staates Delaware) Systeme für Mehrstrahl-Laseranordnungen mit veränderbarem Strahlparameterprodukt
JP2016073983A (ja) 2014-10-03 2016-05-12 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法
CN107111085B (zh) * 2014-11-13 2019-07-26 康宁光电通信有限责任公司 绝热光学耦合***

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH034858B2 (ja) * 1985-10-18 1991-01-24 Hamamatsu Photonics Kk
JPH08167754A (ja) * 1994-10-14 1996-06-25 Mitsubishi Electric Corp 光伝送装置、固体レーザ装置、及びこれらを用いたレーザ加工装置
JP2003174419A (ja) * 2001-09-27 2003-06-20 Sharp Corp 光通信システム
JP2004061868A (ja) * 2002-07-29 2004-02-26 Ntt Electornics Corp レーザ集光位置測定方法、光モジュール組立て方法及び光ファイバ調芯固定装置
JP2008026456A (ja) * 2006-07-19 2008-02-07 Toshiba Corp 光ファイバ用レーザ光入射光学装置
US20150293306A1 (en) * 2010-04-08 2015-10-15 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Method and Arrangement for the Generation of a Laser Beam With Different Beam Profile Characteristics by Means of a Multi-Clad Fibre
US20120051084A1 (en) * 2010-08-25 2012-03-01 Colorado State University Research Foundation Transmission of laser pulses with high output beam quality using step-index fibers having large cladding
JP2013057854A (ja) * 2011-09-09 2013-03-28 Olympus Corp 光伝送装置
JP2013197372A (ja) * 2012-03-21 2013-09-30 Fujikura Ltd 調心方法及び半導体レーザモジュールの製造方法
US20150049987A1 (en) * 2013-08-16 2015-02-19 Coherent, Inc. Fiber-coupled laser with adjustable beam-parameter-product
US20150139638A1 (en) * 2013-11-19 2015-05-21 Jds Uniphase Corporation System and method of estimating beam mode content for waveguide alignment
JP2016112609A (ja) * 2014-12-18 2016-06-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 レーザ切断装置およびレーザ切断方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20190293873A1 (en) 2019-09-26
EP3553574A1 (en) 2019-10-16
US11333833B2 (en) 2022-05-17
CN110036321A (zh) 2019-07-19
WO2018105453A1 (ja) 2018-06-14
EP3553574B1 (en) 2023-01-04
JP7126062B2 (ja) 2022-08-26
CN110036321B (zh) 2020-09-22
EP3553574A4 (en) 2019-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8237922B2 (en) Laser beam analysis apparatus
JP6873062B2 (ja) レーザ加工ヘッド、および、レーザ加工ヘッドを備えたレーザ加工装置
JP2016524539A (ja) 高エネルギービームの焦点位置を決定する装置および方法
KR102658287B1 (ko) 베셀 빔 가공 광학 시스템을 위한 정렬 장치 및 방법
US20170122803A1 (en) System and method for analyzing a light beam guided by a beam guiding optical unit
JPWO2019159427A1 (ja) カメラモジュール調整装置及びカメラモジュール調整方法
CN111855159A (zh) 大数值孔径激光镜头成像检验***
JP7126062B2 (ja) 調芯方法
JP5282152B2 (ja) プラズマから放射された高エネルギ放射線のビーム束における特性の調整用の方法および機構
JP2008139476A (ja) 集光光学系及びレーザ加工装置
US20190341745A1 (en) Laser device
JP2020060725A (ja) レーザ発振器及びそれを用いたレーザ加工装置
JP7262081B2 (ja) レーザ加工装置および光学調整方法
CN108983370A (zh) 用于表征光模块中的光学组件的位置的***和方法
JP2001191193A (ja) レーザ装置
JP2014155932A (ja) レーザ照射装置及びレーザ照射方法
CN111989552B (zh) 用于在激光加工***中确定焦点位置的装置、激光加工***和相应的方法
JP5430510B2 (ja) レーザ加工装置
US11946803B1 (en) Raman spectroscopy equipment
JP2021037527A (ja) レーザ加工装置および光学調整方法
JPS61161781A (ja) レ−ザ−調整装置
CN221019128U (zh) 一种光学模组及双光斑激光***
JP2019201031A (ja) 集光光学ユニット及びそれを用いたレーザ発振器、レーザ加工装置、レーザ発振器の異常診断方法
US20240102855A1 (en) Device and Method for Determining a Focal Point
US20240009761A1 (en) Device and Method for Determining a Focal Point

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190528

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20201026

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20211130

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20220125

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220325

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220628

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220711

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 7126062

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151