JPH0651237A - レーザ光伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】切断等の加工性能を大幅に向上させることを可
能とする。 【構成】入力結合部７を炭酸ガスレーザ発振器５からの
レーザ光を集束する第１レンズ１０、集束光を平行にす
る第２レンズ１１および平行光を集束して中空導波路６
に入射する第３レンズ１２の３枚のレンズ１０、１１、
１２を設け、かつ第１レンズ１０と第２レンズ１１との
間にアパーチャー１３を装着して形成し、出力集光部９
を導波路出射ビームを平行光にする第４レンズ１４、平
行光を集束する第５レンズ１５、集束光を平行光に戻す
第６レンズ１６および平行光を集束する第７レンズ１７
の４枚のレンズ１４、１５、１６、１７を設け、かつ第
５レンズ１５と第６レンズ１６との間にアパーチャー１
８を装着して形成することを特徴とする。 【効果】高次モード成分を除去したビームで加工できる
ようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光伝送装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光は指向性や集光性がよく、パワ
ー密度が高いといった特長を有するため産業上の種々の
分野での応用が期待されており、特に炭酸ガスレーザ光
は高い効率で大出力が得られることから、既に工業界に
おける加工や医療等の分野で活用されている。

【０００３】これまで炭酸ガスレーザ光を被照射物まで
導くレーザ光伝送装置としては、ミラーやレンズ等の光
学部品の組合せによってレーザ発振器から被照射物まで
のレーザ光の進路を設定する方式のものが知られてい
る。ところが、この方式の装置では光学部品相互間で光
軸のずれ等の不都合が生じないように、使用する光学部
品相互の位置関係を精密に調整する必要があり、そのた
めに光学部品相互の光軸ずれを修正する光軸制御機構が
煩雑化したり、あるいはレーザ光の出射端を移動自在に
することが困難なためにレーザ光による加工の自由度が
妨げられるという問題があった。

【０００４】そこで前述の光軸制御機構を簡素化し、さ
らにレーザ光による加工の自由度を高めるために光ファ
イバや中空導波路のようなフレキシブルなレーザ光の伝
送路を用いてレーザ発振器から出射したレーザ光を被照
射物へ導くようにしたレーザ光伝送装置が研究されてい
る。これらのレーザ光伝送路の中でも誘電体を内装した
金属中空導波路は、低損失で炭酸ガスレーザ光を伝送で
き、中空構造であることから入射端での端面反射がな
く、冷却も容易であることから大電力伝送用の伝送路と
して適している。現在このような誘電体内装金属中空導
波路としては、ゲルマニウムおよび銀の薄膜を内装した
中空導波路が製品化されている。

【０００５】図２はゲルマニウム内装銀中空導波路の構
造を示したものである。同図に示されているように、パ
イプ状のニッケル層１の内面にゲルマニウム層２および
銀層３が内装され、このゲルマニウム層２により炭酸ガ
スレーザ光を伝送する中空領域４が区画形成されてい
る。このゲルマニウム内装銀中空導波路は、現在までに
長さ２ｍで３ｋＷの炭酸ガスレーザ光の伝送を実現して
いる。このような誘電体内装金属中空導波路を用いるこ
とにより、フレキシブルにレーザ光を伝送できるレーザ
光伝送装置が構成できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の誘電体
内装金属中空導波路は、レーザ光の伝搬領域である中空
部分の径が大きく、伝搬モードの数が多いマルチモード
伝送路となっている。このため、導波路に入射するレー
ザ光に高次モード成分が多く含まれていると、導波路出
射ビームはさらに高次モードを多く含んだマルチモード
となる。

【０００７】また、導波路内面が粗かったり、導波路に
曲げを与えたりすると高次モードが発生する。高次モー
ドは、導波路の出射端から放射したときの発散角が大き
いため、レンズによって集光した場合の集光径が大きく
なることや高次モードが導波路出射ビームの強度分布を
非対称にしやすいことなど、導波路を加工に用いる場合
に悪影響を及ぼす。例えば、導波路を切断加工に適用し
た場合、（１）切断幅が大きくなる。（２）ドロスが発
生しやすくなる。（３）切断面が粗くなる。等の欠点が
生じる。このように中空導波路がマルチモード伝送路で
あることが加工分野での実用化を妨げている。

【０００８】すなわちレーザ光の伝送路に中空導波路を
用いた場合、導波路の内径がレーザ光の波長と比べて充
分大きいため、伝搬するモードの数は多い。従って導波
路から出射されるレーザ光は高次モード成分を含んだマ
ルチモードとなってしまう。一般に高次モードを含んだ
マルチモード光は、ビームの強度分布が非対称となりや
すく、集光した時のビーム径が大きくなる。このような
マルチモード光で切断加工を行うと、切断幅が大きくな
り、ドロスが生じ易くなる。また、切断面の粗さも大き
くなる。

【０００９】本発明は以上の点に鑑みなされたものであ
り、切断等の加工性能を大幅に向上させることを可能と
したレーザ光伝送装置を提供することを目的とするもの
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、入力結合部
をレーザ発振器からのレーザ光を集束する第１レンズ、
集束光を平行にする第２レンズおよび平行光を集束して
光導波路に入射する第３レンズの３枚のレンズを設け、
かつ第１レンズと第２レンズとの間にアパーチャーを装
着して形成し、出力集光部を導波路出射ビームを平行光
にする第４レンズ、平行光を集束する第５レンズ、集束
光を平行光に戻す第６レンズおよび平行光を集束する第
７レンズの４枚のレンズを設け、かつ第５レンズと第６
レンズとの間にアパーチャーを装着して形成することに
より、達成される。

【００１１】

【作用】上記手段を設けたので、高次モード成分を除去
したビームで加工できるようになる。

【００１２】

【実施例】次に本発明を実施例により具体的に説明す
る。

【００１３】〔実施例１〕図１には本発明の一実施例が
示されている。なお従来と同じ部品には同じ符号を付し
たので説明を省略する。炭酸ガスレーザ発振器５より出
射されたレーザ光を照射部まで導く中空導波路６にレー
ザ光を結合する入力結合部７と、中空導波路６から出射
されたレーザ光を集束して被加工物８に照射する出力集
光部９とからなるレーザ光伝送装置において、本実施例
では入力結合部７をレーザ発振器５からのレーザ光を集
束する第１レンズ１０、集束光を平行にする第２レンズ
１１および平行光を集束して中空導波路６に入射する第
３レンズ１２の３枚のレンズ１０、１１、１２を設け、
かつ第１レンズ１０と第２レンズ１１との間にアパーチ
ャー１３を装着して形成した。そして出力集光部９を導
波路出射ビームを平行光にする第４レンズ１４、平行光
を集束する第５レンズ１５、集束光を平行光に戻す第６
レンズ１６および平行光を集束する第７レンズ１７の４
枚のレンズ１４、１５、１６、１７を設け、かつ第５レ
ンズ１５と第６レンズ１６との間にアパーチャー１８を
装着して形成した。このようにすることにより高次モー
ド成分を除去したビームで加工できるようになって、切
断時には切断幅を小さくでき、かつ切断面粗さの小さい
切断ができるようになり、切断等の加工性能を大幅に向
上させることを可能としたレーザ光伝送装置を得ること
ができる。

【００１４】すなわち同図（ａ）はレーザ光伝送装置の
入力結合部７を示す。炭酸ガスレーザ発振器５から出射
されたレーザビームには、一般に高次モード成分が含ま
れており、完全なガウス型の強度分布とはなっていな
い。このレーザビームを第１レンズ１０で集光し、その
集光位置にアパーチャー１３を設置する。レーザビーム
の高次モード成分はこのアパーチャー１３によって除去
されるため、高次モードを含んだ発振器出力光の強度分
布１９ａは、ガウス状の強度分布１９ｂに変換される。
このガウス型ビームはアパーチャー１３を通過後、大き
く広がるため、第２レンズ１１を適当な位置に置き、レ
ーザビームを平行光とする。平行光になったレーザビー
ムを第３レンズ１２で集光して中空導波路６に結合す
る。このように、高次モード成分を除いたレーザビーム
を導波路６に結合することにより導波路６に励振される
モード数を低減できる。

【００１５】しかし、導波路６を伝搬するレーザ光に
は、導波路内壁の表面粗さや導波路６の曲がり等が原因
となって高次モードが発生することが考えられる。導波
路内面が粗かったり、導波路６に厳しい曲げを加えた場
合には、導波路内を伝搬中に高次モードが発生するの
で、導波路出射端で高次モードを低減することが必要と
なる。

【００１６】同図（ｂ）にはレーザ光伝送装置の出力集
光部９が示されている。導波路６から出射したレーザビ
ームは大きな広がり角を持つため、第４レンズ１４で平
行光とする。平行光となったレーザビームを第５レンズ
１５で集光し、その集光位置にアパーチャー１８を設置
する。レーザビームの高次モード成分はこのアパーチャ
ー１８によって除去されるため、高次モードを含んだ導
波路出力光の強度分布１９ｃは、ガウス状の強度分布１
９ｄに変換される。このガウス型ビームはアパーチャー
１８を通過後、大きく広がるため、第６レンズ１６を適
当な位置に置き、レーザビームを平行光とする。平行光
になったレーザビームを第７レンズ１７で集光して被加
工物８に照射する。このようにしてレーザビーム中の高
次モード成分を除去して切断加工を行うと、切断幅を小
さくでき、かつ切断面粗さの小さい切断ができる。ま
た、ドロスが発生しにくくなる。

【００１７】このように本実施例によれば、導波路出射
ビームの高次モード成分を除去してガウス型のビームと
して加工を行うことにより、加工性能を大幅に向上した
レーザ光伝送装置を得ることができる。例えば、切断加
工においては切断幅の低減、切断面粗さの向上、ドロス
発生の抑制を実現できる。

【００１８】なお、本発明は入力結合部および出力集光
部の両方を同時に実施するのがより効果的であるが、ど
ちらか一方のみを実施しても効果がある。また、本実施
例では切断加工を対象として述べているが、例えば溶接
等他の用途においても性能向上が期待できる。

【００１９】

【発明の効果】上述のように本発明は、入力結合部をレ
ーザ発振器からのレーザ光を集束する第１レンズ、集束
光を平行にする第２レンズおよび平行光を集束して光導
波路に入射する第３レンズの３枚のレンズを設け、かつ
第１レンズと第２レンズとの間にアパーチャーを装着し
て形成し、出力集光部を導波路出射ビームを平行光にす
る第４レンズ、平行光を集束する第５レンズ、集束光を
平行光に戻す第６レンズおよび平行光を集束する第７レ
ンズの４枚のレンズを設け、かつ第５レンズと第６レン
ズとの間にアパーチャーを装着して形成したので、高次
モード成分を除去したビームで加工できるようになっ
て、切断時には切断幅を小さくでき、かつ切断面粗さの
小さい切断ができるようになり、切断等の加工性能を大
幅に向上させることを可能としたレーザ光伝送装置を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ光伝送装置の一実施例を示すも
ので（ａ）は入力結合部の説明図、（ｂ）は出力集光部
の説明図である。

【図２】従来のレーザ光伝送装置の中空導波路の斜視図
である。

【符号の説明】

５ 炭酸ガスレーザ発振器 ６ 中空導波路 ７ 入力結合部 ８ 被加工物 ９ 出力集光部 １０ 第１レンズ １１ 第２レンズ １２ 第３レンズ １３ アパーチャー １４ 第４レンズ １５ 第５レンズ １６ 第６レンズ １７ 第７レンズ １８ アパーチャー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器より出射されたレーザ光を照
   射部まで導く光導波路にレーザ光を結合する入力結合部
   と、前記光導波路から出射されたレーザ光を集束して被
   加工物に照射する出力集光部とからなるレーザ光伝送装
   置において、前記入力結合部が前記レーザ発振器からの
   レーザ光を集束する第１レンズ、集束光を平行にする第
   ２レンズおよび平行光を集束して前記光導波路に入射す
   る第３レンズの３枚のレンズが設けられ、かつ第１レン
   ズと第２レンズとの間にアパーチャーが装着されている
   ことを特徴とするレーザ光伝送装置。
2. 【請求項２】前記出力集光部が、導波路出射ビームを平
   行光にする第４レンズ、平行光を集束する第５レンズ、
   集束光を平行光に戻す第６レンズおよび平行光を集束す
   る第７レンズの４枚のレンズが設けられ、かつ前記第５
   レンズと第６レンズとの間にアパーチャーが装着された
   ものである請求項１記載のレーザ光伝送装置。