JPH0513857A - 固体レーザ装置における光フアイバ集光補正装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザビームの光ファイバに対する集光性を
適正に自動調整でき、光ファイバに常に理想的なレーザ
光を入射することができるようにする。 【構成】 レーザ媒質１とこのレーザ媒質１に励起光を
投入するための励起ランプ２を備えたレーザ発振器３か
ら出力されたレーザ光を、集光レンズ４を介して光ファ
イバ５に投入するレーザ装置において、前記レーザ発振
器３から出力されるレーザ光を一部分割して、前記集光
レンズ４と同一特性の修正用集光レンズ７を通過させ、
検出部８で検出し、修正用集光レンズ７の焦点がずれた
場合、その焦点を合わせ、そのときの移動量と同一移動
量だけ前記集光レンズ４もしくは光ファイバを移動させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体レーザ装置における
熱レンズ効果や出力変動によってレーザビームが広がる
ことを補正する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、励起ランプでレーザ媒質を励起
してレーザ発振させる形式のレーザ共振器では、熱レン
ズ効果によってレーザビームが広がる現象が起こること
が知られている。この現象はレーザ媒質が加熱によって
レーザ媒質の径方向に屈折率分布ができることが原因で
ある。したがって熱レンズ効果や出力の変動などの要因
によってレーザ光の焦点距離が経時的に変動する性質が
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようにレーザ光の
広がりが変化すると、レーザ光を光ファイバに入射する
際集光レンズと光ファイバとの焦点距離が変動する。

【０００４】このため従来は、出力を抑制したり、レー
ザ媒質の冷却装置を改善する等してレーザ媒質の過熱を
防止し、レーザビームの広がりを安定化させるようにし
ていたが、必要な出力が得られなかったり、装置が大型
化する等の問題がある。

【０００５】しかも、これらの方法では変動幅を少なく
することはできても、完全に安定化させることはできな
いため変動に対応して光学系を手動で調整する必要があ
る。しかし、この調整は極めて面倒であるとともに、調
整が不十分であると、光ファイバへ入射する際の効率が
低下したり、光ファイバを損傷するなどの問題がある。

【０００６】本発明は前記事項に鑑みてなされたもの
で、レーザ出力が変動しても光ファイバに常に焦点の合
ったレーザ光を入射することができ、併せて小形で十分
な出力が得られるようにした固体レーザ装置における光
ファイバ集光補正装置を提供することを技術的課題とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は前記技術的課題
を解決するために、レーザ媒質とこのレーザ媒質に励起
光を投入するための励起ランプを備えたレーザ発振器か
ら出力されたレーザ光を、集光レンズを介して光ファイ
バに入射するレーザ装置において以下のような構成とし
た。

【０００８】即ち、前記レーザ発振器から出力されるレ
ーザ光の一部を分割する分岐器と、この分岐器の次段に
設けられ前記集光レンズと同一特性の修正用集光レンズ
と、この修正用集光レンズを通過したレーザ光を受光す
る検出部と、前記検出部または修正用集光レンズを光軸
方向に移動する第１アクチュエータと、前記光ファイバ
の受光口または集光レンズを光軸方向に移動する第２ア
クチュエータと、前記検出部の信号を受けて前記第１及
び第２アクチュエータを制御する演算部とを備え、前記
演算部は、前記修正用集光レンズにより検出部上に照射
されたレーザ光の焦点がずれた場合これを検出し、検出
部または修正用集光レンズを光軸方向に移動させて焦点
を結ぶようにし、このときの検出部または修正用集光レ
ンズの移動量と同一量、前記集光レンズまたは光ファイ
バの受光口を移動させるよう構成したことを技術的手段
とする。

【０００９】なお、修正用集光レンズと分岐器との間に
バンドパスフィルタを介挿することもできる。

【００１０】

【作用】検出部によりレーザビームの広がり状態を検出
し、そのデータに基づいて第１アクチュエータを作動さ
せて修正用集光レンズの位置を適位置に調整し、このデ
ータに基づいて第２アクチュエータを同距離だけ移動さ
せるように構成したので、レーザビームの光ファイバへ
の集光性を常時最適な状態に自動調整することができ
る。このため、光ファイバへの結合効率が悪化すること
はない。

【００１１】また、レーザ出力を抑制したり、レーザ媒
質を冷却を強化するものではないため、小形で十分な出
力が得られる。ここで、修正用集光レンズは、集光レン
ズと同一特性のものが使用される。すなわち、屈折率、
焦点距離、コーティングの有無、コーティング材の種類
など、全ての条件、特性が同一であることである。

【００１２】分岐器はビームスプリッタの他、プリズ
ム、半透過鏡などを使用できる。なお、検出部または修
正用集光レンズの移動量と同一量、前記集光レンズまた
は光ファイバの受光口を移動させることの意味は以下の
通りである。

【００１３】まず、修正用集光レンズの移動量を検出し
て集光レンズを移動させるときは、同一方向に同一距離
移動させる。検出部の移動量を検出して集光レンズを移
動させるときは、反対方向に同一距離移動させる。

【００１４】修正用集光レンズの移動量を検出して光フ
ァイバの受光口を移動させるときは、反対方向に同一距
離移動させる。検出部の移動量を検出して光ファイバの
受光口を移動させるときは、同一方向に同一距離移動さ
せる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を図１に基づいて説明する。
棒状に形成されたレーザ媒質１の近傍に励起光を投入す
るための励起ランプ２が配置されており、また、レーザ
媒質１の両端側に全反射鏡２０ａと半透過鏡２０ｂが配
置されている。そして、励起ランプ２で励起されたレー
ザ媒質１からレーザ光が発生し、全反射鏡２０ａと半透
過鏡２０ｂとの間で反射が繰り返されることによって光
を増幅させるようなレーザ発振器３が構成されている。

【００１６】前記半透過鏡２０ｂのレーザ透過側には分
岐器としてのビームスプリッタ６が設置され、これによ
りレーザ発振器３から出力されたレーザ光が直進方向と
直角方向とに分岐される。そして、直角方向に分岐され
たレーザ光は集光レンズ４を介して光ファイバ５に入光
する。前記集光レンズ４は第２アクチュエータ１１によ
って支持され、光軸方向に移動することができるように
なっている。

【００１７】一方、前記ビームスプリッタ６の背面には
特定周波数のみを通過させるためのバンドパスフィルタ
２１が設けられており、その通過周波数は可視光を除去
できるよう１．０６μｍに設定されている。バンドパス
フィルタ２１の次段には前記集光レンズ４と同一特性の
修正用集光レンズ７が設けられている。

【００１８】そしてこの修正用集光レンズ７の後段に
は、修正用集光レンズ７を通過したレーザ光を受光する
検出部８としての一次元フォトディテクタアレイが設け
られている。この検出部８は第１アクチュエータ９によ
り支持され光軸方向に移動可能になっている。

【００１９】なお、前記第１アクチュエータ９はフォト
ディテクタアレイ８または修正用集光レンズ７の内いず
れか一方を移動可能に支持すればよく、また、第２アク
チュエータ１１は光ファイバ５の受光口１０または集光
レンズ４の内一方を移動可能に支持してあればよい。

【００２０】前記検出部８の出力信号は演算部１２に入
力され、検出部８に照射されたレーザビームの広がり状
態が数値化される。そして前記修正用集光レンズ７をい
ずれの方向にどれだけ移動させればレーザビームの広が
りが最小となるかを演算して、前記第１アクチュエータ
９を作動させるよう構成してある。前記第１アクチュエ
ータ９及び第２アクチュエータ１１はサーボモータ、ス
テッピングモータ、またはリニアステッピングモータが
使用され演算部１２からの指令によって所定距離の移送
ができるようになっている。

【００２１】また、夫々のアクチュエータには移動量検
出手段としてポテンショメータ、ロータリーエンコー
ダ、リニアエンコーダなどが取り付けられており、その
修正用集光レンズ７、あるいは集光レンズ４の焦点位置
を絶対位置として、前記アクチュエータの移動量を前記
演算部１２に出力できるようになっている。

【００２２】なお、前記アクチュエータがステッピング
モータである場合、修正用レンズを移動させて焦点を合
わせたときの制御量がそのまま移動量として利用できる
のでそれ自体移動量検出手段を構成する。

【００２３】以下、動作例を説明する。レーザ発振器３
の動作中において、レーザビームは、ビームスプリッタ
６によって直角方向に分岐され光ファイバ５の受光口１
０に入射するとともに、ビームスプリッタ６を透過した
レーザビームはバンドパスフィルタ２１、修正用集光レ
ンズ７を介して検出部８を照射する。そして、検出部８
でレーザビームの強度分布が検出される。

【００２４】この強度分布はレーザビームの広がり状態
を示しており、この情報が演算部１２に入力される。そ
して演算部１２で広がり状態が規定以内であるか否かが
判断され、規定以上である場合には、アクチュエータ９
を駆動する信号を送出して検出部８を移動させる。

【００２５】この場合、検出部８におけるレーザビーム
の強度分布をパターン認識し、修正用集光レンズ７をい
ずれの方向に移動させると広がりが縮小するかをも同時
に判断するが、いずれとも判断できなかった場合には修
正用集光レンズ７をいずれかの方向に移動させる。

【００２６】そして、修正用集光レンズ７が移動する
と、レーザビームの屈折位置（焦点距離）が変化するた
め検出部８におけるレーザビームの広がり状態が変化す
るが、この変化方向を再度演算部１２で判断し、変化方
向が広がりの縮小する方向であるか否かが判断される。

【００２７】広がりの変化方向が縮小の方向である場合
には前記したループを反復することによってレーザビー
ムの広がりが最小となる位置まで第１アクチュエータ９
を制御する。一方、広がりの変化方向が拡大のする方向
である場合には第１アクチュエータ９を逆方向に駆動し
た後、同様にしてレーザビームの広がりが最小となる位
置まで第１アクチュエータ９を制御する。

【００２８】そして、検出部８における焦点が最小面積
になったとき、演算部１２は最良状態と判断し、第２ア
クチュエータを第１アクチュエータ９の移動距離と同じ
分だけ駆動する。

【００２９】集光レンズ４と修正用集光レンズ７とは同
一特性にしてあるため、集光レンズ４は光ファイバ５の
受光口１０に焦点を結ぶ位置で停止する。以上の動作に
よって広がりのない良質なレーザビームを得ることがで
き、エネルギーの集中化を図ることができる。したがっ
て、光ファイバ５への入射が容易になるとともに、損失
のない強力なレーザビームを入射することができる。

【００３０】なお、前記実施例では集光レンズ４と検出
部８とを夫々光軸方向に移動させて最良点を検出するよ
うに構成したが、これに加えて、集光レンズ４と検出部
８とを夫々光軸と直角方向にも移動させ、２次元上で最
良点を検出し、集光レンズ４と検出部８とを３次元上で
移動させるようにすることもできる。この場合には、検
出部８を２次元フォトディテクタアレイとするととも
に、第１及び第２アクチュエータ９、１１を３次元対応
の３チャンネル型とすればよい。この方式によれば完全
な焦点管理が可能となる。

【００３１】この３次元移動制御を実現する他の具体例
を第２実施例として説明する。これは、前記第１の実施
例に前記検出部８及び修正用集光レンズ７を光軸と直交
する方向に一体に移動する第３アクチュエータ３０と、
前記光ファイバの受光口１０及び集光レンズ４を光軸と
直交する方向に一体に移動する第４アクチュエータ３１
とをさらに備えた構成である。

【００３２】そして、演算部１２は、前記修正用集光レ
ンズ７により検出部８上に照射されたレーザビームの照
射位置がずれた場合これを検出し、検出部８及び修正用
集光レンズ７を光軸と直交する方向に移動させ、このと
きの検出部８及び修正用集光レンズ７の移動量と同一
量、前記集光レンズ４及び光ファイバ５の受光口１０を
移動させる。

【００３３】より具体的に説明すると、図２ないし図４
のように、前記受光口１０は支持アーム２２によって集
光レンズ４と一体的に支持されている。そして集光レン
ズ４は第４アクチュエータ３１によって支持され、光軸
に直交するＸＹ平面上で移動することができるように構
成されている。そして、支持アーム２２に実施例１の第
２アクチュエータと同様に作用して集光レンズ４の焦点
を調節する第２アクチュエータ１１が設けられている。
これは集光レンズ４受光口１０間の間隔を広狭調節する
ものである。

【００３４】前記第４アクチュエータ３１は集光レンズ
４をＸ方向に移動させるためのステッピングモータ３１
ａと、Ｙ方向に移動させるためのステッピングモータ３
１ｂからなっている。ステッピングモータ３１ａはフレ
ーム３１ｃに取り付けられており、このフレーム３１ｃ
に前記集光レンズ４がスライド可能に支持されている。
集光レンズ４とステッピングモータ３１ａとはラックア
ンドピニオン機構で結合されている。ステッピングモー
タ３１ｂは固定フレーム３１ｄに取り付けられており、
この固定フレーム３１ｄに前記フレーム３１ｃがスライ
ド可能に設けられている。そして、このフレーム３１ｃ
とステッピングモータ３１ｂとはラックアンドピニオン
機構で結合されている。

【００３５】一方、前記ビームスプリッタ６の背面には
特定波長のみを通過させるためのバンドパスフィルタ２
１が設けられており、その通過波長は可視光を除去でき
るよう１．０６μｍに設定されている。バンドパスフィ
ルタ２１の次段には前記集光レンズ４と同一特性の修正
用集光レンズ７が設けられている。

【００３６】そしてこの修正用集光レンズ７の後段に
は、修正用集光レンズ７を通過したレーザビームを受光
する検出部８としての二次元フォトダイオードアレイが
設けられている。前記修正用集光レンズ７はアーム２３
を介して検出部８に固定されており、検出部８と一体的
に移動できるようになっている。この検出部８は第３ア
クチュエータ３０により支持され光軸と直交する方向に
移動可能になっている。即ち、この第３アクチュエータ
３０は検出部８をＸ方向に移動させるためのステッピン
グモータ３０ａと、Ｙ方向に移動させるためのステッピ
ングモータ３０ｂからなっている。そして、アーム２３
に、実施例１の第１アクチュエータと同様に作用して集
光レンズ４の焦点を調節する第１アクチュエータ９が設
けられている。これは集光レンズ７と検出部８間の間隔
を広狭調節するものである。

【００３７】ステッピングモータ３０ａはフレーム３０
ｃに取り付けられており、このフレーム３０ｃに前記検
出部８がスライド可能に支持されている。検出部８とス
テッピングモータ３０ａとはラックアンドピニオン機構
で結合されている。ステッピングモータ３０ｂは固定フ
レーム３０ｄに取り付けられており、この固定フレーム
３０ｄに前記フレーム３０ｃがスライド可能に設けられ
ている。そして、このフレーム３０ｃとステッピングモ
ータ３０ｂとはラックアンドピニオン機構で結合されて
いる。

【００３８】前記検出部８の出力信号は演算部１２に入
力され、検出部８に照射されたＸＹ座標上でのレーザビ
ームの位置が数値化される。そして前記検出部８をいず
れの方向にどれだけ移動させればレーザビームの位置が
検出部８の中央部（予め設定された特定位置を含む）と
なるかを演算して、前記第３アクチュエータ３０を作動
させるよう構成してある。

【００３９】なお、前記第３アクチュエータ３０及び第
４アクチュエータ３１も前記ステッピングモータの他、
サーボモータ、またはリニアステッピングモータを使用
することができ、演算部１２からの指令でその駆動量が
制御されるようになっている。

【００４０】また、夫々のアクチュエータには移動量検
出手段としてポテンショメータ、ロータリーエンコー
ダ、リニアエンコーダなどが取り付けられており、検出
部８の中心を絶対位置として、前記アクチュエータの移
動量を前記演算部１２に出力できるようになっている。

【００４１】なお、前記アクチュエータがステッピング
モータである場合、修正用レンズを移動させて照射位置
を合わせたときの制御量がそのまま移動量として利用で
きるのでそれ自体移動量検出手段を構成する。

【００４２】以下、動作例を説明する。レーザ発振器３
の動作中において、レーザビームは、ビームスプリッタ
６によって直角方向に分岐され、集光レンズ４を介して
光ファイバ５の受光口１０に入射する。一方、ビームス
プリッタ６を透過したレーザビームはバンドパスフィル
タ２１、修正用集光レンズ７を介して検出部８を照射す
る。そして、検出部８でレーザビームの照射位置が検出
される。

【００４３】この情報が演算部１２に入力される。そし
て演算部１２で広がり状態が規定以内であるか否かが判
断され、この照射位置が検出部８の基準位置からずれて
いる場合には、アクチュエータ３０を駆動する信号を送
出して照射位置が前記基準位置となるよう検出部８を移
動させる。ここで、演算部１２はこの移動量をＸＹ座標
上の距離で記憶する。

【００４４】続いて、演算部１２はこの記憶に基づい
て、第４アクチュエータ３１を第３アクチュエータ３０
の移動方向、移動距離と同一方向に同一距離だけ駆動す
る。集光レンズ４と修正用集光レンズ７とは同一特性に
してあるため、集光レンズ４の照射位置は光ファイバ５
の受光口１０の中心位置と一致する。

【００４５】以上の動作に加えて、実施例１で説明した
焦点の調整と同一の操作が第１，第２アクチュエータ
９，１１と演算部１２とにより行われる。以上の動作に
よって、エネルギーの集中化を図ることができ、効率の
高い結合が可能になる。

【００４６】以上のように第２実施例によれば、集光レ
ンズ４の焦点を受光口１０に合わせることができるとと
もに、受光口１０の中心にレーザ光の照射位置を合わせ
ることができ、光ファイバとの結合をより最良の状態と
することができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、検出部によりレーザビ
ームの広がり状態を検出し、そのデータに基づいて第１
アクチュエータを作動させて補正すべき距離情報を得
て、その後、この距離情報分だけ第２アクチュエータを
作動させて光ファイバの受光口に焦点を結ぶよう構成し
たので、レーザビームの集光性を常に管理できかつ自動
的に調整することができる。このため、熱レンズ効果な
どの要因により集光レンズによる光ファイバへの焦点が
ずれてもこれをこれをただちに補正でき光ファイバとの
結合を常時最良の状態のものとすることができる。

【００４８】また、レーザ出力を抑制したり、レーザ媒
質を冷却を強化することなく焦点の管理ができ、小形で
十分な出力が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例を示す側面図

【図２】 本発明の第２実施例を示す側面図

【図３】 本発明の第２実施例を示す要部の斜視図

【図４】 本発明の第２実施例を示す要部の斜視図

【符号の説明】

１ レーザ媒質 ２ 励起ランプ ３ レーザ発振器 ４ 集光レンズ ５ 光ファイバ ６ ビームスプリッタ ７ 修正用集光レンズ ８ 検出部 ９ 第１アクチュエータ １０ 受光口 １１ 第２アクチュエータ １２ 演算部 ３０ 第３アクチュエータ ３１ 第４アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 数藤 和義 千葉県野田市二ツ塚95番地の３ミヤチテク ノス株式会社内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 レーザ媒質とこのレーザ媒質に励起光を
   投入するための励起ランプを備えたレーザ発振器から出
   力されたレーザ光を、集光レンズを介して光ファイバに
   入射するレーザ装置において、 前記レーザ発振器から出力されるレーザ光の一部を分割
   する分岐器と、この分岐器の次段に設けられ前記集光レ
   ンズと同一特性の修正用集光レンズと、この修正用集光
   レンズを通過したレーザ光を受光する検出部と、前記検
   出部または修正用集光レンズを光軸方向に移動する第１
   アクチュエータと、前記光ファイバの受光口または集光
   レンズを光軸方向に移動する第２アクチュエータと、前
   記検出部の信号を受けて前記第１及び第２アクチュエー
   タを制御する演算部とを備え、 前記演算部は、前記修正用集光レンズにより検出部上に
   照射されたレーザ光の焦点がずれた場合これを検出し、
   検出部または修正用集光レンズを光軸方向に移動させて
   焦点を結ぶようにし、このときの検出部または修正用集
   光レンズの移動量と同一量、前記集光レンズまたは光フ
   ァイバの受光口を移動させるよう構成したことを特徴と
   する固体レーザ装置における光ファイバ集光補正装置。