JP2017173371A - 光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高エネルギ密度で集光性の高いレーザ光源を用いたレーザ加工機用のレーザ光伝送装置として、複雑化や高コスト化を招くことなく、レーザビームをトップハット分布とし、被加工材のスパッタの発生を抑え、同時にパワー密度の変動を抑えて安定して加工を行うことが可能な、光ファイバを用いたレーザ光伝送装置を提供する。【解決手段】レーザ光源から加工用トーチにレーザ光を導くための光ファイバを、レーザ光源側の第１の光ファイバと、加工用トーチ側の第２の光ファイバとに分割し、第１の光ファイバから出射されたレーザ光を再集光用光学系により再集光して第２の光ファイバに入射させる際に、再集光側の光軸に対して第２の光ファイバの入射部の光軸を傾けることにより、第２の光ファイバ内でトップハット分布に変換するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接機などのレーザ加工機おいて、レーザ光源から加工用トーチに向けてレーザ光を伝送するための光ファイバを用いたレーザ光伝送装置に関するものである。

レーザ光を加工エネルギとして、溶接や切断、孔明け、溝加工等の加工を行うレーザ加工機においては、レーザ光源から被加工物へのレーザ光伝送手段としては、光ファイバを使用した光伝送装置が広く用いられている（例えば特許文献１）。
一方、レーザ加工機、とりわけレーザ溶接機用のレーザ光源としては、近年は、ファイバレーザ、ディスクレーザ等の如く、高エネルギ密度で集光性の高いものが多く使用されるようになっている。このような高エネルギ密度で集光性の高いレーザ光をレンズ等で集光すれば、正規分布又はガウス分布と称される、中心部のパワー密度が局所的に著しく高い、尖鋭なピークを有する集光ビームが得られる。このため、光ファイバを用いた従来の一般的なレーザ光伝送装置によってレーザ光源からの高エネルギ密度で集光性の高いレーザ光を伝送して、溶接等のために被加工物に照射すれば、照射領域中心部（焦点位置）のパワー密度が高すぎて、スパッタと称される飛散物が、加工点周りに多量に発生し、加工品の清浄性を著しく劣化させる問題が生じる。
このような従来の問題について、図９〜図１２を参照してより具体的に説明する。

図９には、伝送装置として光ファイバを用いた従来の一般的なレーザ加工装置の構成を概略的に示し、図１０、図１１には、光学系における各部での中心軸線（光軸）に対し直交する面内でのレーザ光のパワー密度分布形状（横軸：位置、縦軸：パワー密度で標記）を示す。

図９において、レーザ光源、例えばファイバレーザ等のレーザ発振器１より出力されたレーザビームは、光ファイバ２にて導波され、加工用トーチ３内のレンズ系によって被加工物５の表面の集光点４に照射される。ここで、光ファイバ２内でのレーザ光３１のパワー密度分布は、図１０に示すように、主に正規分布（ガウス分布）となっている。このレーザ光を加工トーチ３で集光すれば、その集光レーザビーム３２の集光点４でも、やはり図１１で示すように正規分布となる。このような正規分布である集光ビーム３２は、その中心が周囲に比べて尖鋭なピーク状に極端に高いパワー密度となっているため、被加工物の集光点中心部が急激に高温に加熱されて、被加工物表面が急激に蒸気化またはイオン化し、それに伴い溶融金属を飛散させて、いわゆるスパッタと称される飛散物を生じさせてしまう。この結果、被加工物表面の加工点周囲に、飛散した溶融金属が付着・凝固し、その結果、被加工物の表面清浄性を著しく悪化させてしまう問題がある。またスパッタによる堆積物によって、形状誤差を生じさせてしまう問題が生じることもある。

上記のような問題に対処する方法として、被加工物の表面に対し、レーザビームの焦点位置を故意にずらして、被加工物の表面位置でのパワー密度を低下させることにより、スパッタの発生を抑制しつつレーザ加工することが、従来から行われている。

しかしながらファイバレーザ等の高エネルギ密度のレーザ光源による正規分布のレーザビームにおいては、図１２に示しているように、集光点付近では集光距離変化に対する照射レーザビームのパワー密度の変化量が大きいため、現実の装置では、被加工物の表面位置でのパワー密度が常に一定に保たれるように焦点位置のずらし量を維持することは、実際上、きわめて困難である。したがって、焦点位置をずらす手法を適用する場合、実際には被加工物の表面でのパワー密度を安定させることは困難であり、そのため、溶接等の加工を安定して行うことが困難であった。

そこで、ファイバレーザ等の高パワー密度で集光性の高いレーザ光源を使用して、溶接などのレーザ加工を行うにあたって、スパッタの発生を抑制し、しかも安定した加工を行うためには、レーザ集光点におけるパワー密度分布形状を、従来の正規分布（ガウス分布）とは異なる、トップハット分布と称される分布形状とすることが望ましいと考えられる。トップハット分布とは、方形分布とも称され、図１３において実線Ｔで示しているように、破線Ｎで示す正規分布の頂部を押し潰して頂部を平坦とした形状の分布であって、方形分布とも称され、同じエネルギ量のレーザビームの正規分布（Ｎ）と比較して、中心でのパワー密度が低く、スパッタが発生しにくくなり、また焦点位置ずれによる被加工物表面でのパワー密度の変動も少ないと考えられる。

このようにトップハット分布のレーザビームを被加工物に照射して、溶接などのレーザ加工を行うことは、既に特許文献２〜６等によって提案されている。しかしながらこれらの提案では、トップハット分布を得るために特殊な光学系を必要としたり、特殊な媒質を使用したりしなければならず、高コストとならざるを得ない。また従来のこれらの提案の技術では、一旦装置を組み上げた後には調整が困難であったり、不可能であったりして、被加工物の材質や加工範囲、加工量等に応じた最適なトップハット分布を得ることが必ずしも容易ではないという問題もあった。

特開２００８−２５４００６号公報 特開２０１５−１５５１１０号公報 特開２０１１−１７６１１６号公報 特開２０１１−１６１４８３号公報 特開２０１４−１２５６６０号公報 特開２０１５−１８８９０１号公報

本発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、ファイバレーザ、ディスクレーザ等の高エネルギ密度で集光性の高いレーザ光を発生するレーザ光源を用いたレーザ加工機に使用される、光ファイバを用いたレーザ光伝送装置として、光学系の複雑化や高コスト化を招くことなく、加工用トーチに導かれるレーザ光のビームの分布モードがトップハット分布となるようにし、これによって、被加工材のスパッタの発生を抑えるとともに、パワー密度の変動を抑えて安定して溶接等の加工を行うことが、実際的に可能なレーザ光伝送装置を提供することを課題とするものである。

前述のような課題を解決するべく、本発明者等が種々実験・検討を重ねたところ、レーザ光源から加工用トーチにレーザ光を導くための光ファイバを、レーザ光源側の第１の光ファイバと、加工用トーチ側の第２の光ファイバとに分割し、第１の光ファイバから出射されたレーザ光をレンズ群などからなる再集光用光学系により再集光して第２の光ファイバに入射させる際に、再集光側の光軸に対して第２の光ファイバの入射部の光軸を傾ける（角度を付ける）ことによって、レーザ光源からのレーザビームが正規分布（ガウス分布）であっても、特殊な光学系や特殊な媒質を使用することなく、簡単かつ容易にトップハット分布に変換し得ること、またその場合、パワー密度の変動も少なく、かつトップハット分布形状の調整も容易となることを見い出し、本発明をなすに至った。

具体的には、本発明の基本的な態様（第１の態様）の光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置は、
レーザ光源からのレーザ光を加工用トーチに伝送するための、光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置において、
レーザ光源からのレーザ光を導く第１の光ファイバと、
前記第１の光ファイバから出射されたレーザ光を再集光して再集光レーザビームを形成するための再集光用光学系と、
前記再集光レーザビームが入射されて、レーザ光を前記加工用トーチに向けて伝送するための第２の光ファイバと、
前記第２の光ファイバにおける入射部の光軸の角度を、前記再集光レーザビームの光軸に対して相対的に調整するための角度調整機能を有する調整機構と
を有し、
前記調整機構により、第２の光ファイバにおける入射部の光軸に、前記再集光レーザビームの光軸に対して相対的に角度を与えることによって、第２の光ファイバ内において光軸に対して直交する面内でのパワー密度分布をトップハット分布に変換し、そのトップハット分布とされたレーザ光を第２の光ファイバから前記加工用トーチに導くようにしたことを特徴とするものである。

また本発明の第２の態様の光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置は、前記第１の態様において、前記調整機構が、前記角度調整機能のほか、第２の光ファイバにおける入射面のコアの中心位置を、前記再集光レーザビームの中心軸位置に対して相対的に調整する位置調整機能を備えていることを特徴とするものである。

さらに本発明の第３の態様の光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置は、前記第１もしくは第２の態様において、前記第２の光ファイバのコア径が、前記第１の光ファイバのコア径より大きいことを特徴とするものである。

また本発明の第４の態様の光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置は、前記第１もしくは第２の態様において、前記第２のファイバの最大入射可能角度が、前記第１の光ファイバの最大入射可能角度より大きいことを特徴とするものである。

本発明によれば、集光性の高いファイバレーザ、ディスクレーザ等の高エネルギ密度で集光性の高いレーザ光を発生するレーザ光源を用いたレーザ加工機に使用されるレーザ光伝送装置として、光学系の複雑化や高コスト化を招くことなく、加工用トーチに導かれるレーザ光の分布モードを、簡単かつ容易にトップハット分布に変換することができ、そのため、コスト上昇を招くことなく、トップハット分布のレーザビームによる加工によって、被加工材のスパッタの発生を抑えることができるとともに、パワー密度の変動を抑えて安定して溶接等の加工を行うことが実際的に可能となる効果が奏され、さらに、トップハット分布の形状の調整も容易となるため、より最適なトップハット分布でのレーザ加工を行って、高い加工効率を常に得ることが可能となる効果も奏される。

本発明のレーザ光伝送装置を組み込んだレーザ加工機の一例の概要を示す略解図である。 本発明のレーザ光伝送装置に使用される調整機構の一例を示す斜視図である。 本発明のレーザ光伝送装置における再集光用光学系から再集光レーザビームから第２の光ファイバに再集光レーザビームが入射される際の状況を説明するための模式図である。 本発明のレーザ光伝送装置における再集光用光学系からの再集光レーザビームのパワー密度分布の一例を示す線図である。 本発明のレーザ光伝送装置における加工用トーチから被加工物に照射される際のレーザビームの焦点位置におけるパワー密度分布の一例を示す線図である。 本発明のレーザ光伝送装置における第１の光ファイバから再集光用光学系を経て第２の光ファイバに入射される再集光レーザビームの状況の一例を説明するための模式図である。 本発明のレーザ光伝送装置における第１の光ファイバから再集光用光学系を経て第２の光ファイバに入射される再集光レーザビームの状況の別の例を説明するための模式図である。 レーザビームのパワー密度分布として、トップハット分布の定義を説明するための線図である。 従来のレーザ加工機の一例の概要を示す略解図である。 従来のレーザ加工機におけるレーザ光原からのレーザ光のパワー密度分布の一例を示す線図である。 従来のレーザ加工機における加工用トーチからのレーザビームの焦点位置におけるパワー密度分布の一例を示す線図である。 従来のレーザ加工機における加工用トーチからのレーザビームの焦点位置を被次加工材表面に対してずらした場合の、被加工材表面におけるパワー密度分布の変化の状況の一例を示す線図である。 レーザビームのパワー密度分布について、正規分布（ガウス分布）と比較してハットトップ分布を説明するための線図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１には、本発明によるレーザ光伝送装置を適用したレーザ加工機、例えばレーザ溶接機の一例を概略的に示す。
図１において、レーザ光源、例えばファイバレーザ等のレーザ発振器１より出力されたレーザビーム、例えば正規分布型（ガウス分布型）のパワー密度分布を有するレーザビームは、第１の光ファイバ２１によって、複数のレンズ群などからなる再集光用光学系６に導かれ、その再集光用光学系６から第２の光ファイバ２２を経て溶接用トーチや切断用トーチ等の加工用トーチ３に導かれる。すなわち第１の光ファイバ２１のコアの出射側端面から出射されたレーザ光は、再集光用光学系６によって再集光されて、再集光されたレーザビーム(再集光レーザビーム)３３が第２の光ファイバ２２の入射部端面からそのコア内に入射され、第２の光ファイバ２２によって加工用トーチ３に導かれる。

ここで、第２の光ファイバ２２の入射部（入射側端部）２２Ａは、調整機構７によって保持されている。この調整機構７は、第２の光ファイバ２２における入射面の光軸の角度を、前記再集光用光学系６によって再集光されたレーザ光の光軸に対して相対的に調整する機能（角度調整機能）を有しており、さらに本実施形態では、上記の角度調整機能と併せて、第２の光ファイバ２における入射面のコア中心位置を、前記再集光用光学系からの再集光レーザビームの中心軸位置に対して相対的に調整する機能（位置調整機能）を有している。
そして本発明では、上記の第１の光ファイバ２１と、再集光用光学系６と、調整機構７と、第２の光ファイバ２２とからなる部分の全体を、レーザ光源からのレーザ光を加工用トーチに伝送するためのレーザ光伝送装置８と称している。

前述の調整機構７の具体的な構成の一例を図２に示す。
図２において、図示しない固定基台上に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動調整可能となるＸＹＺステージ７１が配設されている。ＸＹＺステージ７１上には、固定プレート７２が前記再集光用光学系６の光軸（再集光レーザビームの中心軸）に対しほぼ直交する面に沿うように固定されるとともに、煽りプレート７３が固定プレート７２とほぼ平行に、傾動可能に設けられている。固定プレート７２と煽りプレート７３との間は、ＸＹＺステージ７１に近い位置（固定位置）において固定ピン７４によって連結されている。またその固定位置から各プレートの面に沿った方向の異なる２方向（望ましくは直角な２方向：例えばＸ方向及びＺ方向）に離れた位置には、固定プレート７２と煽りプレート７３との間の距離を調整可能な２本の角度煽りネジ７５、７６が設けられている。そして第２の光ファイバ２２の少なくとも入射側の端部（再集光用光学系６側の端部）２２ａはファイバホルダ７７によって保持されており、そのファイバホルダ７７の先端部が固定プレート７２の開口部に傾動可能に挿入され、ファイバホルダ７７の後方側野部分（再集光用光学系６から離れた側の部分）が、煽りプレート７３に固定状態で保持されている。なお再集光用光学系６は、図２では示していないが、前記固定基台（図示せず）上に固定されるか、又は固定基台に対して常に固定的な位置関係を保つようにされている。

このような調整機構７においては、角度煽りネジ７５、７６をそれぞれ独立に廻して調整することによって、固定ピン７４を基準として煽りプレート７３を傾ける（煽る）ことができる。すなわち再集光用光学系６の光軸（再集光レーザビームの中心軸）に対する煽りプレート７３の角度を調整することができる。これによって、再集光用光学系６の光軸に対するファイバホルダ７７の角度、ひいてはそのファイバホルダ７７によって端部２２ａが保持されている第２の光ファイバ２２の入射部の光軸の角度を、再集光レーザビームの光軸に対して調整する（傾き角度を調整する）ことができる。

またＸＹＺステージ７１を、図示しない固定基台に対してＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のいずれか１以上の方向に移動させることによって、再集光レーザビームの集光位置に対する第２の光ファイバ２２の入射面の中心位置を調整して、その中心位置を集光位置に合致させることができる。

ここで、図３を参照しながら、本実施形態におけるレーザ光伝送装置８内の調整機構７の角度調整機能によって、第２の光ファイバ２２の入射部の光軸（コアの中心軸線）の角度を再集光用光学系６の光軸Ｏrに対して傾けるように角度調整することによる作用について説明する。

一般的なレーザ光伝送装置において、集光されたレーザ光（集光ビーム）を光ファイバに入射させる際には、集光ビームの光軸に対して光ファイバの光軸を合致させ、かつ集光位置（焦点もしくは結像位置）に光ファイバの端面（入射面）を合わせること、すなわちミスアライメントが無いようにするのが通常である。これに対して本発明の場合は、再集光用光学系６の光軸、すなわち再集光ビームの中心軸線に対して第２の光ファイバ２２の入射部の光軸の角度を故意に傾ける（角度ずらしを行う）ように、各度調整を行う（位置調整機能については後に改めて説明する）。

図３には、コア２２Ａとそれを取り囲むクラッド２２Ｂからなる一般的なシングルモードファイバからなる第２の光ファイバ２２のコア２２Ａに、再集光レーザビーム３３が入射する状況を示す。なお図３において、再集光レーザビームの光軸については、第２の光ファイバ２２の入射部の光軸Ｏｃと一致している状態での光軸を符号Ｏr´で示し、第２の光ファイバ２２の入射部の光軸Ｏｃに対して傾いている状態での光軸を符号Ｏrで示している。

図３の点線は、前述のように再集光レーザビームがミスアライメントなしで第２の光ファイバ２２に入射する状況、すなわち、再集光レーザビームの光軸Ｏr´と第２の光ファイバ２２の入射部の光軸Ｏｃとが一致している状態（アライメント状態）を示している。この場合、第２の光ファイバ２２のコア２２Ａ内に入射したレーザビームは、コア２２Ａとクラッド２２Ｂとの境界面において全反射を繰り返しながら、第２の光ファイバ２２のコアＡ内を進む。このとき、レーザビームは、第２の光ファイバ２２の中心軸線を基準として軸対象に反射しながらコア内を進行する。

一方、図３の実線は、再集光レーザビームの光軸Ｏrに対して第２の光ファイバ２２の入射部の光軸Ｏｃが角度αだけ傾いている状況（角度ずらし状態）を示す。この状況は、再集光レーザビームが光ファイバ２２に曲がって入射する状況ということもできる。このような角度ずらし状態では、アライメント状態とは異なり、第２の光ファイバ２２のコアＡ内に入射したレーザビームは、第２の光ファイバ２２の中心軸線に対し非対称に反射を繰り返すことになる。そのため、コア内への入射位置によって、コア２２Ａとクラッド２２Ｂとの境界面での反射の回数が大きく異なり、その結果、異なる入射位置の光がコア内で次第に混じり合うことになる。その結果、入射時における再集光レーザビーム３３のパワー密度の特有の分布状況（この場合、正規分布で、中心が高く周辺が低い分布）が変化し（崩れ）、反射を繰り返すうちに、コア内でパワー密度が平均化されていく。このようなコア内でのパワー密度の平均化によって、第２の光ファイバ２２の終端から出射されるレーザビーム３４は、例えば図４に示すようなトップハット分布となる。なお、このような平均化のメカニズムからすれば、第２の光ファイバは、その長さが長いほど、より平均化が進行して、トップハット分布をより確実に得ることが可能になる。

以上のようにして第２の光ファイバ２２からは、例えば図４に示すようなトップハット形状のレーザビーム３４が出力される。このようなトップハット形状のレーザビーム３４を加工用トーチ３に導波すれば、集光点４においても、図５のようなトップハット形状の集光ビーム３５が実現できる。このトップハット形状の集光ビームは、光軸位置を中心として、パワー密度が高い領域が平坦に広がっていて、中心にパワー密度が極端に高い部分（尖鋭にピークが生じている箇所）がないため、例えば溶接などのレーザ加工において、スパッタが発生することを抑制することができる。また同時に、焦点位置を被加工材の表面位置に対してずらしても、被加工材表面におけるパワー密度の変動は少なく、そのため安定した溶接等のレーザ加工を実現することができる。

ここで、第２の光ファイバ２２のコア径が、第１の光ファイバ２１のコア径と同じで、最大入射可能角度θmaxも第１の光ファイバ２１と第２の光ファイバ２２とで同じであれば、曲がった状態で第２の光ファイバ２２に入射された再集光レーザビームの内、僅かではあるが第２の２光ファイバ２２のコアに入りきらない部分が生じ、その部分のレーザ光のエネルギは、第２の光ファイバ２２内で熱として消費されてしまい、効率の悪い光学系となってしまうことが懸念される。

レーザビームのトップハット分布を積極的に促進しながら、上記のような発熱の防止、効率の低下防止を図るための第１の手法としては、例えば図６に示しているように、第２の光ファイバ２２のコアの最大入射可能角度θmax２を、第１の光ファイバ２１のコアの最大入射可能角度θmax１より大きくすることが有効である。なお最大入射可能角度θmaxは、光ファイバの開口数ＮＡで表現可能であり、ＮＡ＝sin（θmax）である。

上記のように第２の光ファイバ２２の最大入射可能角度θmax２を、第１の光ファイバ２１の最大入射可能角度θmax１より大きくすることが有効である理由は次の通りである。
すなわち、第２の光ファイバ２２を再集光ビームの中心軸（従って第１の光ファイバ２１の光軸）に対して曲げても、その曲げ角度（入射ずらし角度）αが、第１の光ファイバ２１のθmax１と第２の光ファイバ２２のθmax２との角度の差分より小さければ、第2の光ファイバ２２への再集光ビームが第２の光ファイバ２２の最大入射可能角度θmax２の範囲を越えないため、再集光ビームの全てのレーザ光を第２の光ファイバ２２のコアに入射させることができ、コアに入り切らない部分がなくなるためである。

また、レーザビームのトップハット分布を積極的に促進しながら、上記のような発熱の防止、効率の低下防止を図るための第２の手法としては、図７に示しているように、第２の光ファイバ２２のコア径ｄ２を第１の光ファイバ２１のコア径ｄ１よりも大きくすることが有効である。その理由は次の通りである。

一般に光学系では、レーザビームは次の式に従う。
すなわち集光径をｄ、発散の角度をθとすれば、
ｄ×θ＝一定
このため、第２の光ファイバ２２のコア径ｄ２が、第１の光ファイバ２１のコア径ｄ１のa倍（aは1以上の数）であれば、集光してくるビームの発散（集光）の角度は１／a倍となる。一例として、図７では、第１の光ファイバ２１のコア径ｄ１に対してa倍のコア径ｄ２（＝ａ×ｄ１）を持つ、第２のファイバ２２に拡大結像する状況を示している。なおこの例では、第２ファイバ２２の最大入射可能角度θmax２は、第１の光ファイバ２１の最大入射可能角度θmax１と同じであるとしている。
この場合、第２の光ファイバ２２への入射ビーム（再集光ビーム）の集光角（発散の角度）θmax１／ａは、第２の光ファイバ２２の最大入射可能角度θmax２（＝θmax１）
より小さくなり、この差分を超えない範囲内で第２の光ファイバを曲げても再集光レーザビームが第２の光ファイバ２２のコアからはみ出すことはない。

なお、上記のところでは、第２の光ファイバ２２のコアの最大入射可能角度θmax２を、第１の光ファイバ２１のコアの最大入射可能角度θmax１より大きくするという第１の手法と、第２の光ファイバ２２のコア径を第１の光ファイバ２１のコア径よりも大きくするという第２の手法とを個別に説明したが、これらの手法を組合せても良いことはもちろんである。すなわち、第２の光ファイバ２２のコアの最大入射可能角度θmax２を、第１の光ファイバ２１のコアの最大入射可能角度θmax１より大きくすると同時に、第２の光ファイバ２２のコア径を第１の光ファイバ２１のコア径よりも大きくしても良い。

また前述の実施形態において、調整機構７は、角度調整機能のみならず、位置調整機能をも有しているとしたが、その理由は次の通りである。
すなわち、実施形態では、角度煽りネジ７５、７６を調整することによって、固定ピン７４を基準として煽りプレート７３を傾ける（煽る）ことによって、第２の光ファイバ２２の入射部の光軸を再集光用光学系６の光軸に対して傾ける（角度調整する）こととしているが、この場合、第２の光ファイバ２２の入射面の中心位置が、再集光用光学系６からの再集光ビームの焦点位置からずれてしまうことがある。そこで、角度調整時もしくはその後において、第２の光ファイバ２２の入射面の中心位置が、再集光用光学系６からの再集光ビームの焦点位置に合致するように、ＸＹＺステージ７１を、図示しない固定基台に対してＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のいずれか１以上の方向に移動調整して、上記の位置合わせを行い得るようにしている。

以上のところにおいて、最終的にトップハット分布のレーザビームを得るために必要な第２の光ファイバ２２の入射ずらし角度αは、第２の光ファイバ２２の長さによって大きく異なり、また再集光用光学系６における集光特性（集光角）や、第２の光ファイバ２２の材質（コアの屈折率）、コア径等によっても変化するから、一概に規定することはできないが、後述する実施例１、実施例２で示しているように、例えば第２の光ファイバ２２のファイバ長１０ｍでは、０．１°もしくは０．３°程度以上でトップハット分布と評価し得るレーザビームパワー密度分布を得ることができる。

また第２の光ファイバ２２の入射ずらし角度αを０．１°もしくは０．３°程度よりも大きくすれば、より良好なトップハット分布を得ることができるが、１．５°程度もしくは２．０°程度を越えても、それ以上はトップハット形状が変化しない。さらに、入射ずらし角度αを過剰に大きくすれば、前述の第１の手法もしくは第２の手法を適用しても、第２の光ファイバ２２のコアに再集光ビームが入りきらない部分が生じて、発熱、効率の低下を招くから、通常は入射ずらし角度αは、最大で１．０°程度以下とすることが望ましい。

なお、トップハット分布が得られているか否かは、第２の光ファイバ２２の出側のレーザビーム３４における光軸に直交する面内でのパワー密度分布を調べることによって、次のような手法で評価することができる。
すなわち図８に示しているように、第２の光ファイバ２２の出側のレーザビーム３４の最大パワー密度の１７％に相当するパワー密度の高さのラインにおけるビーム径を集光ビーム径と規定し、中心の水平部の径をフラット部ビーム径とする。そして、上記の集光ビーム径に対するフラット部ビーム径の比（フラット部ビーム径／集光ビーム径）をトップハット率とし、その比の値によって、トップハット分布の形性状況を評価することができる。

本発明の実施形態においては、上記の比が０．５以上である場合に、トップハット分布となっていると判定することとしている。すなわち、
トップハット率＝フラット部ビーム径／集光ビーム径≧０．５
となった場合に、トップハット分布と判定している。
ここで、第２の光ファイバ２２の出側のレーザビーム３４における上記のトップハット率が０．５以上であれば、加工用トーチによって集光した集光ビームを被加工物に照射した際にスパッタ抑制の効果が得られることが実験によって確認されている。

なお上記のところでは、トップハット分布が得られているか否かを、第２の光ファイバ２２の出側のレーザビーム３４のトップハット率で評価することとしているが、加工用トーチ３におけるレンズなどの歪みは一般に著しく小さいから、加工用トーチ３で集光されたレーザビーム３５の焦点（像点）でのトップハット率も、上記の第２の光ファイバ２２の出側のレーザビーム３４のトップハット率と実質的に同じとなるのが通常である。そこで、場合によっては、加工用トーチ３で集光されたレーザビーム３５の焦点（像点）でのパワー密度分布によってトップハット率を評価することも許容される。

なおまた、前述の実施形態では、再集光用光学系６を固定しておき、調整機構７によって第２の光ファイバ２２の入射部の角度、位置を調整することとしているが、再集光用光学系６と第２の光ファイバ２２との関係は相対的なものであり、したがって、第２の光ファイバ２２の入射部を固定しておき、再集光用光学系６の角度、位置を調整してもよいことはもちろんである。

本発明の作用・効果を検証するため、以下の実施例に示すような実験を行なった。

〔実施例１〕
この実施例１は、前述の第１の手法、すなわち図６に示したように、第２の光ファイバ２２の最大入射可能角度θmax２を、第１の光ファイバ２１の最大入射可能角度θmax１よりも大きくする手法を適用した例である。
具体的には、レーザ光源として出力１ｋＷのファイバレーザを用い、第１、第２の光ファイバ２１、２２として、一般的な石英系のシングルモードファイバを使用し、図１に示すようなレーザ加工機（本例ではレーザ溶接機）によって、鋼板表面に０．４ｍｍの集光径でレーザビームを照射し、３ｍｍ厚の鋼板の溶接試験を行った。
第１の光ファイバ２１は、コア径４００μｍ、ＮＡ＝０．２０（θmax１＝１１°）、第２の光ファイバ２２は、コア径４００μｍ、ＮＡ＝０．２６（θmax２＝１４°）、第２の光ファイバ２２の長さは１０ｍとした。また再集光用光学系６としては等倍結像系を用い、第２の光ファイバ２２への集光角は約８°とした。

再集光用光学系６の光軸Ｏrに対する第２の光ファイバ２２の入射部の光軸Ｏｃの角度（入射ずらし角度α）を種々変化させる角度調整を行い、かつ各入射ずらし角度ごとに、第２の光ファイバ２２の入射面の中心位置を再集光用光学系６からの再集光ビームの焦点位置にできるだけ合致させるように、最も大きなパワーが出る（ロスが少なくなる）位置にて固定するという位置調整を行った。そして各入射ずらし角度ごとに、再集光ビームのパワー密度分布状況を調べて、トップハット率を求めるとともに、スパッタの発生状況を調べた。

その結果、入射ずらし角を０．１°以上とすることによって、トップハット率が０．５以上となること、すなわち加工用トーチからのレーザビームがトップハット分布となって、スパッタの発生を低減し得ることが判明した。特に、入射ずらし角を１．５°とした場合に、非常に良好なトップハット分布（トップハット率０．７５）が得られ、スパッタの発生を充分に抑制し得ることが確認された。なお入射ずらし角が１．５°を越えても上記の効果は変わらないが、入射ずらし角が３°を超えれば、再集光ビームが第２の光ファイバ２２のコアに入りきらず、効率が低下することが確認された。

上記のところにおいて、入射ずらし角０．１°未満で効果が認められなかった理由は、１０ｍの長さの第２の光ファイバ内では、反射の回数が充分に増えなかったためと考えられる。また、入射ずらし角１．５°を超える条件下においては、既にトップハット化が完全に完了しているため、それ以上の改善がなされないためと考えられる。

〔実施例２〕
この実施例２は、前述の第２の手法、すなわち第２の光ファイバ２２のコア径を、第１の光ファイバ２１のコア径よりも大きくする手法を適用した例である。
具体的には、実施例１と同様に、レーザ光源として出力１ｋＷのファイバレーザを用い、第１、第２の光ファイバ２１、２２として、一般的な石英系のシングルモードファイバを使用し、図１に示すようなレーザ加工機（本例ではレーザ溶接機）によって、鋼板表面に０．４ｍｍの集光径でレーザビームを照射し、３ｍｍ厚の溶接試験を行った。

第１の光ファイバ２１は、コア径２００μｍ、ＮＡ＝０．２０（θmax１＝１１°）、第2の光ファイバ２２は、コア径４００μｍ、ＮＡ＝０．２０（θmax２＝１１°）、ファイバ長１０ｍとした。再集光用光学系６として２倍結像系を用いたところ（図７中のａ＝２）、第２の光ファイバ２２への集光角は約５．５度となった。そして各入射ずらし角度ごとに、再集光ビームのパワー密度分布状況を調べて、前述のトップハット率の値を求めるとともに、スパッタの発生状況を調べた。

その結果、入射ずらし角を０．３°以上とすることによって、トップハット率の値が０．５以上となること、すなわち加工用トーチからのレーザビームがトップハット分布に変換されて、スパッタの発生を低減し得ることが判明した。特に、入射ずらし角を２．０°とした場合に、非常に良好なトップハット分布を得ることができ（トップハット率０．７５）、スパッタの発生を充分に抑制し得ることが確認された。なお入射ずらし角が２．０°を越えても上記の効果は変わらないが、入射ずらし角が５．５°を超えれば、再集光ビームが第２の光ファイバ２２のコアに入りきらず、効率が低下することが確認された。

上記のところにおいて、入射ずらし角０．３°未満で効果が認められなかった理由は、１０ｍの長さの第２の光ファイバ内では、反射の回数が充分に増えなかったためと考えられる。また、入射ずらし角２．０°を超える条件下においては、既にトップハット化が完全に完了しているため、それ以上の改善がなされないためと考えられる。

以上、本発明の好ましい実施形態および実施例について説明したが、これらの実施形態、実施例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能であることはもちろんである。

１ レーザ発振器(レーザ光源)
３ 加工用トーチ
５ 被加工物
６ 再集光用光学系
７ 調整機構
２１ 第１の光ファイバ
２２ 第２の光ファイバ

Claims (4)

1. レーザ光源からのレーザ光を加工用トーチに伝送するための、光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置において、
   レーザ光源からのレーザ光を導く第１の光ファイバと、
   前記第１の光ファイバから出射されたレーザ光を再集光して再集光レーザビームを形成するための再集光用光学系と、
   前記再集光レーザビームが入射されて、レーザ光を前記加工用トーチに向けて伝送するための第２の光ファイバと、
   前記第２の光ファイバにおける入射部の光軸の角度を、前記再集光レーザビームの光軸に対して相対的に調整するための角度調整機能を有する調整機構と
   を有し、
   前記調整機構により、第２の光ファイバにおける入射部の光軸に、前記再集光レーザビームの光軸に対して相対的に角度を与えることによって、第２の光ファイバ内において光軸に対して直交する面内でのパワー密度分布をトップハット分布に変換し、そのトップハット分布とされたレーザ光を第２の光ファイバから前記加工用トーチに導くようにしたことを特徴とする光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置。
2. 請求項１に記載の光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置において、
   前記調整機構が、前記角度調整機能のほか、第２の光ファイバにおける入射面のコアの中心位置を、前記再集光レーザビームの中心軸位置に対して相対的に調整する位置調整機能を備えていることを特徴とする光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置。
3. 請求項１、請求項２のいずれかの請求項に記載の光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置において、
   前記第２の光ファイバのコア径が、前記第１の光ファイバのコア径より大きいことを特徴とする光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置。
4. 請求項１、請求項２のいずれかの請求項に記載の光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置において、
   前記第２のファイバの最大入射可能角度が、前記第１の光ファイバの最大入射可能角度より大きいことを特徴とする光ファイバを用いたレーザ加工機用レーザ光伝送装置。
   

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