JPH0250105A - ビーム集合ユニツト - Google Patents

ビーム集合ユニツト

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JPH0250105A
JPH0250105A JP1120588A JP12058889A JPH0250105A JP H0250105 A JPH0250105 A JP H0250105A JP 1120588 A JP1120588 A JP 1120588A JP 12058889 A JP12058889 A JP 12058889A JP H0250105 A JPH0250105 A JP H0250105A
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lens
collimating
optical fiber
gathering unit
beams
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JP1120588A
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Glyn R Edwards
グレイン　リチヤード　エドワーズ
Keith Withnall
キース　ウイズネル
Kenneth Wright James
ジェイムス　ケニス　ライト
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Original Assignee
Lumonics Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、複数のレーザーからのビームを集合するビー
ム集合ユニットと、レーザーシステムに関する。
［従来の技術］ レーザービームな用いての材料処理作業を高い平均パワ
ーで行うことの要求が増大している０例えばソリッドス
テート・レーザーの場合、１ｋＷを超える平均パワーの
要求が増えている。そのような高い平均パワーを発生さ
せるための一つの方策は、要求される能力のあるレーザ
ーを発生させることであり、他の方策は、該レベルの平
均パワーが得られるように、多数の小さいレーザーの出
力を集合させることである。多くの応用分野では、レー
ザービームが光フアイバー式の伝送システムによって加
工片に送達されることが要求されるので、レーザービー
ムを、そのような伝送システムで送達されるようにして
集合させることが望ましい。
［発明が解決しようとする課題］ したがって本発明の一つの目的は、多数の個々のレーザ
ーからのビームを集合すＪユニットを提供することであ
り、本発明のもう一つの目的、は、多数のレーザーから
のビームを亀合筆るレーザ−システムを提供することで
ある。
［課題を解決するための手段］ 本発明の第１の内容によれば、複数のレーザーの出力ビ
ームを、それらビームを光ファイバーを経て伝送された
後に集合させるためのビーム集合ユニットが提供される
が、このビーム集合ユニットは、１つの集光レンズと、
各々が集光レンズの一方の側にそれから離れて位置して
いる複数のコリメーティングレンズと、コリメーティン
グレンズの、集光レンズとは反対の側に位置して複数の
光ファイバーの端部を収容する保持手段を含んでおり、
集光レンズと、コリメーティングレンズと保持手段とは
、使用時において光ファイバーを経て伝送されたレーザ
ービームなコリメーティングレンズによって、各々の軸
線が互いに平行なコリメートされたビームにし、集光レ
ンズに投射されるように配置されている。
本発明の第ｆａｔ内容のビーム集合ユニットは、多数の
レーザーからのビームを、それらビームが光ファイバー
を経て伝送された後に、ビームが共通の１点に集光され
るように集合させることができる。
本発明の第２の内容によると、複数の個別のレーザーと
、本発明の第１の内容によるビーム集合ユニットと、各
々の一方の端部がビーム集合ユニットに収容されている
複数の光ファイバーと、各々がそれぞれのレーザーから
の出力をそれぞれの光ファイバーの他方の端部に集光す
るような複数の光学的デバイスとを含むレーザーシステ
ムが提供される。
［実施例］ 以下実施例の図面で本発明を詳述する１第１図において
、３本のフレキシブルな光フアイバーアセンブリ、１１
．１２．１３からのレーザー出力を集合して共通の１点
１４に集光するビーム集合ユニット１０が示されている
。該ユニット１０の入力側には、光フアイバーアセンブ
リが円周上に相互間隔１２０°の各位置に収容されてい
る。光ファイバーアセ２１１月１．１２．１３の各々か
ら放射されるビームは、円周上に相互間隔１２０’で配
置されて各光フアイバーアセンブリ１１．１２．１３と
組になっているコリメーティングレンズ！・４．・１５
．１６のそれぞれによってコリメートされる。その結果
コリメーティングレンズ１４．　ＩＥＩ、　１６から出
る互いに平行なビームは、１つの集光レンズ１７によっ
て共通の１点１４に集光される。集光レンズ１７は、３
つのレーザービームめすべてか集められたパワーを受け
る唯一の光学系部品である。
ビーム集合ユニット１０は、より詳しく第２図に示され
ている。そこで示されでいるようにユニット１０は、ホ
ルダーメンバー２０と、管状メンバー２１と、ヘッドメ
ンバー２２とを含んでおり２．ホルダーメンバー２０は
管状メンバー２１の一方の端に収容され、管状メジパー
２１の他方の端はヘッドメンバー２２に収容されている
。
ホルダーメンバー２０には、第２図には１つしか示され
ていないが、３つの段付き円筒形のボアーが形成されて
いて、これらボアーの各々が、それぞれの光フアイバー
アセンブリの端部に取付けられたコネクタを収容してい
る。第２図では、光フアイバーアセンブリ１１の端部に
取付けられてボアー２３に収容されているコネクタ２４
が示されている。これら３つのボアーは、一つの共通の
面内の円周上に相互間隔１２０６で配置されている。
ヘッドメンバー２２では、３つの段付き円筒形のボアー
が形成されており、その各々には、それぞれコリメーテ
ィングレンズ１４．１５．１６が取付けられている。第
２図では、ボアー２５に取付けられたコリメーティング
レンズ１４が示されている。この実施例においては、コ
リメーティングレンズの各々は単一の凸形レンズ要素で
成っている。
これらのボアーは、コリメーティングレンズ１４゜１５
、１６が一つの共通の面内にあってそれらの軸線が円周
上に相互間隔＋２０°で位置するように、配置されてい
る。各コリメーティングレンズ＋４．１５、１６は、ホ
ルダーメンバー２０のそれぞれの関連するボアーと同一
軸線上にある。
ヘッドメンバー２２にある３つの段付き円筒形のボアー
は、集光レンズ１７のためのレンズマウント２７を収容
している単一の円筒形ボアー２６に続いている。この実
施例においては集光レンズ１７は２要素の無色レンズで
成っている。集光レンズ１７の軸線は、３つのコリメー
ティングレンズ１４．１５．１６の軸線と平行である。
第３図においては、３つの個々のレーザー３０゜３１、
３２を含んだレーザーシステムが示されている。レーザ
ー３０．３１．３２の各々からの出力ビームは、図示し
ていない集光レンズによって、光フアイバーアセンブリ
ＩＩ、　１２．１３のそれぞれの一方の端部に集光され
る。前述のように、光フアイバーアセンブリ！＋、　１
２．１３の各々の他方の端部はビーム集合ユニット１０
に接続されている。したがって、第３図に示すシステム
においては、３つのレーザー３０．３１．３２のすべて
からの出力が集合され、−点に集光される。光フアイバ
ーアセンブリ１１、１２．１３を含んだ光ファイバー伝
送シスシテムを、ビーム集合ユニット１０と共に用いる
ことにより、３つのレーザーから集合された出力が、材
料処理作業を行うための所望の場所に容易に送達されつ
る。
レーザー３０．３１．３２の各々は、例えば、ルモニッ
クス社（Ｌｕｍｏｎｉｃｓ　Ｌｉｍ１ｔｅｄ、　Ｒｕｇ
ｂｙ、　Ｅｎｇｌａｎｄ）から提供されるＪＫ７０１型
のＮｄ−ＹＡＧレーザーでよい。これらレーザーの各々
は４００Ｗの平均出力パワーを有するビームを発生させ
る。このよ。
うなレーザー３つを、第１図と第２図に示したビーム集
合ユニットと共に用いた実験において、焦点に送達され
るパワーは約１ｋＷであることが知られた。
パルスの形のレーザーが用いられる場合には、個々のパ
ルスの組合せ方が種々あり、その３つの組合せ方が第４
ａ、　４ｂ、　４ｃ図に示されている。第４ａ図に示す
ように、個々のレーザーからのパルスが同時に伝送され
てよく、そうすることにより、同一の出力周波数となり
、個々のレーザーから送出されるとき、パルスのエネル
ギーは、各々のレーザーからのパルスのエネルギーの約
３倍の大きさになる。第４ｂ図に示すように、個々のパ
ルスを相互にずらすことができ、この場合は、各パルス
は個々のレーザーからのパルスとほぼ同じエネルギーを
有するが、出力のレビテションレートは個々のレーザー
からのレビテションレートの３倍になる。第４ｃ図に示
すように、パルスの持続時間を広げるならば、連続波の
出力が得られる。
第３図に示したレーザーシステムは、穴明け、溶接、切
断のような種々のタイプの材料処理作業に適している。
第１図、第２図のビーム集合ユニットでは３つのレーザ
ービームが集合されるが、ビーム集合ユニットは、２つ
だけのレーザービームな集合するようにも、３つを超え
る数の例えば７つとか２０のレーザビームを集合するよ
うにも、簡単に変更することができる。７つのレーザー
ビームを集合する場合は、７個の個別のコリメー ティングレンズを用いることとし、そのうちの１個は中
央位置に、他の６個は中央のレンズの回りに円周上均等
間隔で配置すればよい０例えば２０というような多数の
レーザービームな集合させる場合には、個別のコリメー
ティングレンズの代りに、所望の数の個々のレンズの働
きをする単一のレンズ要素を用いることができる。
第１図、第２図においては、光フアイバーアセンブリ１
１．１２．１３の端部は同一平面上にあり、コリメーテ
ィングレンズ！４．１５．１６も同一平面上にあるが、
ビーム集合ユニット１０は、光フアイバーアセンブリの
端部、またはコリメーティングレンズ、またはそれら両
方が、相互に食違うように容易に変えられる。ただし、
各コリメーティングレンズの出力側でコリメートされた
ビームが得られるために、各コリメーティングレンズは
、それぞれの光フアイバーアセンブリの端部から、レン
ズの焦点距離に等しい長さだけ離れていなければならな
い。
コリメーティングレンズ１４．１５．１６の各々と集光
レンズ１７とは、単一のレンズ要素で形成されることも
、組になったレンズ要素で形成されることもある。この
明細書でレンズという言葉は、単一のレンズ要素または
組になったレンズ要素を、またはより一般的に、個々の
部分が組になって形成されたレンズを包含するものと解
すべきである。
上述したビーム集合ユニットは、その共通の焦点が、所
望の材料処理作業が行われる点に来るようにして用いら
れる。それとは異る使われ方として、ビーム集合ユニッ
トは、レーザービームな直接的または間接的に１本の光
フアイバーアセンブリに結合させるために用いられる。
例えば、単一の光フアイバーアセンブリの入力面が、共
通の焦点の位置に置かれる。
第５図において、本発明のもう一つの実施例であるビー
ム集合ユニット４０の縦断面図が示されている。ビーム
集合ユニット４０は、３本の光フアイバーアセンブリか
らのレーザー出力を集合させ、それらを、材料処理作業
を行うために１点に集光させる。第５図において、光フ
アイバーアセンブリのうちの１本だけが参照番号４１で
示されている。わかりやすくするため第５図においては
、ビーム集合ユニット４０の部品のうちの、他の２本の
光フアイバーアセンブリに関係する部品と、その他層つ
かの部品を省略している。第５図で示されているように
、光フアイバーアセンブリ４１は、コンジット４３の中
に通されている光ファイバー４２を含んでいる。
ビーム集合ユニット４０は、第１のホルダーメンバー４
５と、第２のホルダーメンバー４６と、ヘッドアセンブ
リ４７と、ノズルアセンブリ４８とを含んでいる。第２
のホルダーメンバー４６は、管状メンバー４９によって
ヘッドアセンブリに結合されている。第１と第２のホル
ダーメンバ・−４５と４６の相互間は、ガス管５１と、
図示していない水流入管と水流出管とによって結合され
ている。ガス管５１の入口は第１のホルダーメンバー４
５の左側にある０図示していないが、２本の水の管のそ
れぞれの入口と出口も、第１のホルダーメンバー４５の
左側にある。これら３本の管は円周上に相互間隔１２０
°で配置されている。
カバー５２が、第１と第２のホルダーメンバー４５、と
４６の間において、３本の管を取囲んでいる。
光フアイバーアセンブリ４１は、第１のホルダーメンバ
ー４５に形成されたボアーに取付けられているコネクタ
アセンブリ５５の中に収容されている。コンジット４３
の端部はコネクタアセンブリ５５の中で保持されている
が、光ファイバー４２は、第１のホルダーメンバー４５
を貫通し、その端部は、図示していないグラブねじによ
ってサポートメンバー５６の中で保持されている。この
グラブねじによって、光ファイバー４２の端部の軸方向
位置が調節される。
円錐形の光路５８を有するマウンティングメンバー５７
が、第２のホルダーメンバー４６のボアーの中に取付け
られている。マウンティングメンバー５７にはマウンテ
ィングリング５９が固定されている。第５図で示されて
いるように、サポートメンバー５６の右側の端はマウン
ティングメンバー５７の左側の端に係合しており、サポ
ートメンバー５６は、図示していないが、マウンティン
グリング５９から半径方向内方に伸びているグラブねじ
によって位置決め保持されている。このグラブねじによ
って、サポートメンバー５６、したがって光ファイバー
４２の端部の横方向位置が調節される。
他の２本の光フアイバーアセンブリも同様の形で収容さ
れている。３本の光ファイバーのすべての端部は実質上
、共通の面の円周上に相互間隔１２０＠で位置している
。
環状のレンズマウント６１が、管状メンバー４９の内面
に取付けられている。レンズマウント６１は、光ファイ
バー４２に対応しているコリメーティングレンズ６２の
ほか、図示していないが、他の２本の光ファイバーに対
応している他の２個のコリメーティングレンズをも保持
している。第５図においては、レンズ６２が取付けられ
ているレンズマウント６１の一部だけが示されている。
３個のコリメーティングレンズは、共通の面上にあって
、それらの軸線は、円周上に相互間隔１２０’で位置さ
れている。
ヘッドアセンブリ４７は、単一凸形の集光レンズ６５の
ためのレンズマウント６４を含んでいる。レンズ６５は
、マウンティングリング６６によって位置決め保持され
ている。レンズ６５の軸線と、３個のコリメーティング
レンズの軸線とは互いに平行である。プロテクションス
ライド６７がヘッドアセンブリ４７の中に取付けられて
いる。
ヘッドアセンブリ４７はなお、ノズルアセンブリ４８の
ためのサポートメンバー７０を含んでいる。ノズルアセ
ンブリ４８は、出口間ロア２で絞っている実質上円錐形
の光伝送路７１を有している。
ガス流路７５が管状メンバー４９の中に形成されている
。ガス流路７５の一端はガス管５１と連通し、他端はノ
ズルアセンブリ４８の内側に連通している。
１対の水流路が管状メンバー４９の中に形成されていて
、その一つが参照番号７６によって示されている。これ
ら２つの水流路は、さきに述べた２本の水の管と連通し
ている。一つの流路システムが、第２のホルダーメンバ
ー４６と、管状メンバー４９と、ヘッドアセンブリ４７
の中に設けられている。水流入管を経て入った冷却水が
、これら流路によって、サポートメンバー５７、レンズ
マウント６１および集光レンズ６５の回りを流れ、その
後には水流出管を経て排出される。
使用時には、ビーム集合ユニット４０は、第３図につい
て説明したと同様の形で、３つのレーザーからの出力ビ
ームを３本の光フアイバーアセンブリを経て受取る。３
本の光ファイバーの端部の位置は、３個のコリメーティ
ングレンズによって、コリメートされて互いに平行にな
ったビームが集光レンズ６５に投射されるように、正確
に調節されている。集光レンズ６５は、３つのビームを
、出口間ロア２のすぐ外側の共通の一点に集光する。ビ
ーム集合ユニット４０は、所望の材料処理作業が行われ
るように、ロボットデバイスに保持されて操作されるよ
うにすることができる。
材料処理作業が、それを助ける雰囲気の中で行われるよ
うに、ガス管５１を経てガスが供給される。例えば、切
断の場合ならば、作業を助けるガスは酸素であろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明によるビーム集合ユニットのダイヤグラ
ム的見取図、第２図は第１図のビーム集合ユニットの縦
断面図、第３図は本発明によるレーザーシステムのブロ
ックダイヤグラム、第４図（ａ）　、　（ｂ）　、　（
ｃ）はパルスになったレーザービームを集合させる３つ
の方式を説明するための３つのグラフ、第５図は本発明
によるもう一つのビーム集合ユニットの縦断面図である
。 １０・・・ビーム集合ユニット、Ｈ−１３・・・光ファ
イバー（アセンブリ）、１４〜１６・・・コリメーティ
ングレンズ、１７・・・集光レンズ、２０・・・ホルダ
ーメンバー、３０〜３２・・・レーザー　４０・・・ビ
ーム集合ユニット、４１・・・光フアイバーアセンブリ
、６２・・・コリメーティングレンズ、６５・・・集光
レンズ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、光ファイバーを経て伝送された複数のレーザーの出
    力ビームを集合するためのビーム集合ユニットであつて
    、 １つの集光レンズと、 各々が集光レンズの一方の側にそれから離れて位置して
    いる複数のコリメーティングレンズと、 コリメーティングレンズの、集光レンズとは反対の側に
    位置して、複数の光ファイバーの端部を収容するための
    保持手段とを含んでおり、 集光レンズと、コリメーティングレンズと、保持手段と
    は、使用時において、光ファイバーを経て伝送されたレ
    ーザービームを、コリメーティングレンズによって、各
    々の軸線が互いに平行なコリメートされたビームにし、
    集光レンズに投射されるように配置されている、ビーム
    集合ユニット。 ２、コリメーティングレンズが実質上、一つの共通の面
    の円周上に距離をおいて配置されており、保持手段は、
    使用時において、光ファイバーの端部が実質上、前記と
    は別の共通の面の円周上に距離を置いて位置するように
    配置されている、請求項１に記載のビーム集合ユニット
    。 ３、集光レンズの軸線とコリメーティングレンズの軸線
    が、すべて互いに平行になっている、請求項１に記載の
    ビーム集合ユニット。 ４、コリメーティングレンズが３個あり、保持手段は、
    ３本の光ファイバーの端部を収容するように配置されて
    いる、請求項１に記載のビーム集合ユニット。 ５、複数のレーザーと、請求項１に記載のビーム集合ユ
    ニットと、各々の一方の端部がビーム集合ユニットに収
    容されている複数の光ファイバーと、各々がそれぞれの
    レーザーからの出力をそれぞれの光ファイバーの他方の
    端部に集光するような複数の光学的デバイスとを含むレ
    ーザーシステム。
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