JPS6032652Y2 - レ−ザビ−ム伝送装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、レーザビームを光ファイバを通して伝送し
てレーザ加工など工業用に供するレーザビーム伝送装置
に関する。

光ファイバを用いてレーザビームを伝送する伝送システ
ムは、光通信、医用、さらには工業用など多方面に渡っ
て広く利用されている。

特に、レーザ加工などの工業用に用いられる伝送システ
ムは、他の光通信、医用などの用途とは異なり、レーザ
ビームをピークパワーや平均的な伝送エネルギーに高い
値が必要され、高い伝送パワーが要求される。

このような工業用に用いられるレーザビーム伝送装置は
、光ファイバに入射端面に集束ビームを集光させて伝送
する構威が採用される。

通常、このレーザビーム伝送装置は、第１図で示すよう
に、光ファイバａの端部のクラッドｂを除去し、さらに
光ファイバａの周面に保護被覆部材Ｃを被覆して、コア
ｄの露出部に入射部りを構威し、さらに入射端面ｅの後
方に集束レンズｆを配備してなる。

そして、レーザ発振器（図示しない）から発振されたレ
ーザビームｇを集束レンズｆで集束ビーム化して入射端
面ｅに集光し、光ファイバａ内に導入することにより、
レーザビームｇの伝送が行なわれるようになっている。

ところが、このような集束ビームを入射端面ｅに集光す
る構造は、集束ビームが入射端面ｅに集光されていれば
問題はないが、レーザビームｇが固体レーザなどのよう
に出力の増大にしたがいレーザ発振モードが多重モード
化してビーム広がり角が大きくなる、たとえばＹＡＧレ
ーザなどでは、集束点のスポットサイズが出力の増大に
伴い、二点鎖線で示すように入射端面ｅの面積に対し大
きくなってしまう。

このような集束点のスポットサイズが大きくなると、集
束ビームの特性上、集束ビームが光ファイバａの側面に
まで集光され、光ファイバａの入射側を周囲から加熱し
、光ファイバａに異常な熱反力を加えて異常屈曲をまね
く。

さらにこのような状況では、集束ビームは、保護被覆部
材Ｃと光ファイバａとの間に入射することになり、保護
被覆部材Ｃを焦がしたり、光ファイバａを固定するとき
に用いられる接着剤ｉ等を損傷させ、蒸発物で入射端面
ｅを汚してしまうといった問題を発生し、ビーム伝送損
失の要因となる散乱損失、光学損失の増大とまねき、光
ファイバａの伝送効率を著しく低下させる不具合を伴い
、高い出力のレーザビームｇを伝送することはできない
。

しかも、入射端面ｅに局部的に高い集束パワー密度のス
ポットが形成されるので、入射端面ｅを損傷させて入射
端面ｅで高い光学損失を生じさせるといった問題もあり
、安定した伝送は期待できるものではなく、実用上、高
いパワーを要する工業用には支障がある。

この考案は上記事情に着目してなされたもので、この目
的とするところは、入射端部のクラッドを除去してコア
を露出させた光ファイバのコアに発散ビームを導入する
とともに、光ファイバの露出したコアの部分に、コアを
外れた発散ビームがクラッドを照射するのを阻止するビ
ーム遮光体を設けて、光ファイバの伝送効率の向上を図
り、高いレーザビームまでも安定して伝送することがで
きるレーザビーム伝送装置を提供することにある。

以下、この考案をヅ面に示す一実施例にもとづいて説明
する。

第２図中１はレーザ発振器で、このレーザ発振器１は、
固定レーザロッド２、励起ランプ３、集光鏡４および共
振器ミラー５，６から構成されており、励起ランプ３励
起動作にもとづき共振器ミラー６を出射側としてレーザ
ビーム７を発振させることができるようになっている。

また図中８は光ファイバで、この光ファイバ８はコア８
ａとクラッド８ｂから構成されていて、クラッド８ｂの
周面には保護被覆部材９が被覆されている。

そして、この光ファイバ８の図示しない一端部には出射
部が構成される。

また光ファイバ８の他端部には入射部１０が構成される
。

この入射部１０は、端部側のクラッド８ｂおよび可燃性
とされる保護被覆部材９を取り除いて、コア８ａを露出
するとともに、露出したコア８ａの端面に入射端面１１
を構成してなる。

そして、この露出したコア８ａの周囲にビーム遮光体１
２が設けられる。

このビーム遮光体１２は、たとえば有底筒状に構成され
、底部壁１２ａにレーザビーム７を吸収あるいは反射さ
せる遮光体１３を構姓する。

そして、このビーム遮光体１２の底部壁１２ａの中央に
コア８ａの外径より大きな径で透孔１４を穿設してなる
。

またこのビーム遮光体１２の取付構造としては、一端側
に遮光体収容部１６を備え、他端側にファイバ収容部１
７およびテーパ一部１８を備えた保持具１９の前記遮光
体収容部１６内に、ビーム遮光体１３を開口側に向けた
状態で螺挿し、この前方側からファイバ収容部１７およ
び透孔１４を通して光ファイバ８を挿入する。

そして、光ファイバ８の周面にたとえばあらかじめ移動
自在に設けた固定具２０内に、保持具１９のテーパ一部
１８を螺挿し、テーパ一部１８でクラッド８ｂを締め付
けてなる。

しかして、図面で示すように、入射端面１１の前方近く
に位置してビーム遮光体１２が取り付けられる。

なお、２０ａは固定具２０に設けたテーパ一部１８を径
方向へ案内するテーパー案内面である。

また、このように構成された光ファイバ８の入射端面１
１と上記レーザ発振器１の共振ミラー６との間には、発
散ビーム導入系２１が設けられる。

この発散ビーム導入系２１は、入射端面１１の軸方向側
後方に集束レンズ２２を配し、この集束レンズ２２を介
して入射端面１１と共振ミラー６とを２枚の反射ミラー
２３ａ、２３ｂで光学的に連結して構成される。

そして、集束レンズ２２は、入射端面１１の後段でレン
ズ焦点２４を形成するように配置され、上記レーザ発振
器１から出力されるレーザビーム７をレンズ焦点２４を
通して発散ビーム７ａに換え、入射端面１１に導入でき
るようになっている。

なお、Ａは集束レンズ２２の集束距離を示し、Ｂはレン
ズ焦点２４から入射端面１１に至る発散ビーム７ａの導
入距離を示す。

つぎに、このように構成されたレーザビーム伝送装置の
作用について説明する。

励起ランプ３の励起動作にもとづきビーム発振器１から
出力されるレーザビーム７は、反射ミラ−２３ａ反射ミ
ラー２３ｂを順に経由して集束レンズ２２に導入される
。

そして、この集束レンズ２２でレーザビーム７は一旦集
束ビーム７ｂとなった後、レンズ焦点２４を通過して最
終的に発散ビーム７ａに変換され、入射端面１１に照射
される。

しかして、入射端面１１に導入されたレーザービーム７
は、コア８ａを通して出射部（図示しない）に伝送され
、レーザ加工等の工業用に供される。

しかして、この伝送状態において、レーザ発振器１の出
力を増大させ、レーザビーム７のビーム広がり角θ１が
角度θ２のように広がったようなときには、従来ではス
ポットサイズの増大に伴い入射端面１１を外れて光ファ
イバ８の側面を集束ビームで照射あるいは集束ビームが
入射部の内側へ侵入して、ビーム伝送損失の増大をまね
き、光ファイバ８の伝送効率を著しく低下させる問題を
きたしたが、この考案では周囲に広がりつつ直進する発
散ビーム７ａを採用したことにより、入射端面１１を外
れてもコア８ａの側面にレーザビーム７が照射されると
いったことはなく、またその外れて進行するレーザビー
ム７は、ビーム遮光体１２の遮光部１３に当って吸収あ
るいは反射され、入射部１０の内側、すなわちクラッド
８ｂを照射するのを阻止する。

しかも、遮光部１３では、保持具１９に通じる。

熱伝導によって逐次熱放散が行なわれ、高温化すること
はない。

しかして、レーザ出力の増大に伴う異常な熱応力の付加
による入射ビームの異常屈折、および保護被覆部材９を
損傷させる、散乱損失、光学損失の問題を解消して、入
射端面１１のみでビームの導入が行なわれることになる
。

したがって、光ファイバ８の入射部１０は、レーザ出力
が増大してもその光学的な入射特性は劣化を伴うことな
く、常に安定状態に保たれることになり、光ファイバ８
の伝送効率の向上を図ることができる。

よって、高い出力のレーザビーム７までも安定して伝送
することができる。

実験データによれば、第３図で示すように、従来の集束
ビームを用いた伝送装置では、光ファイバの入力パワー
Ｐｉと伝送出力パワーＰｏとの関係が、初めは入力パワ
ーＰｉの増大とともに伝送出力パワーＰｏも比例して増
加する特性線Ｔ１をたどるが、時間の経過とともにレー
ザビームのビーム広がり角の増大に伴う、散乱損失およ
び光学損失などの増大によって、伝送出力パワーＰｏは
徐々に破線Ｔ２で示すように低下し、飽和特性（伝送特
性の劣化）になってしまう。

すなわち、光ファイバ８で伝送できるパワーが制限され
る。

これに対し、発散ビーム７ａおよびビーム遮光体１２を
採用したこの考案の伝送装置では、上述した如く光ファ
イバ８の入射特性は、入力パワーＰｉが増大しても安定
に保たれるから、入出力特性としては時間を経過しても
飽和特性を示さずに、特性線Ｔ１で示すように比例関係
が約束される。

すなわち、高出力のレーザパワーまで制限なく伝送する
ことができ、レーザ加工などの工業用に充分利用できる
高出力の伝送パワーが安定して得られるものであった。

具体的には、たとえばピーク出力３ＫＷのノーマルパル
スＹＡＧレーザを毎秒１００パルス伝送して、厚さ４１
１ｒＩ４の鉄板を切断することが可能な伝送パワーが得
られた。

しかも、発散ビーム７ａを入射端面１１に導入させるの
で、入射端面１１に、局部的に高い集光パワー密度のス
ポットを形成することはなく、入射端面１１の損傷とい
った光学損失をも同時になくすことができ、一層の安定
した高い伝送パワーを得ることができる。

また、発散ビーム７ａの採用により、ビーム遮光体１２
は遮光効果のみならず光ファイバ８の安定した位置決め
固定をもはたすことができる。

すなわち、発散ビーム７の採用によって透孔１４とコア
８ａとのギャップに侵入するビームはなくなるので、こ
のギャップに軟かい部材、たとえばＳｉ樹脂材（図示し
ない）を充填することが可能となり、このＳｉ樹脂材を
介して入射部１０を、透孔１４の径寸法のばらつきに関
係なくコア８ａを定位置に固定することができる利点が
ある。

しかも、ビーム遮光体１２とコア８ａとの間のギャップ
（隙間）があっても発散ビーム７ａの採用によってクラ
ッド８ｂを照射することがないから、その分、ビーム遮
光体１２の取付や製作を容易にすることができる。

なお、この考案は上述した実施例に限定されるものでは
なく、たとえば第４図のようにしてもよい。

すなわち、第４図に示すものは、上述した実施例の凸形
の集束レンズのみを用いて発散ビームを形成するのに対
し、集束レンズ３０の前方に凹形のレンズ３１を配設し
て、レーザビーム７を集束レンズ３０で一度集束させ、
再び凹形のレンズ３１で集束ビーム７ｂを径の小さな発
散ビーム７ａに換えて入射端面１１に導入するようにし
たものである。

このように発散ビーム導入系２１を構成しても上述した
実施例と同様の効果を奏する。

なお、第４図において上述した実施例と同−構成部品は
同一番号を付してその説明を省略した。

この考案は以上説明したように、入射端部のクラッドを
除去してコアを露出させた光ファイバを設け、レーザ発
振器から発振されるレーザビームを発散ビーム導入系で
発散ビームに換えて上記コアに導入するとともに、露出
したコアの部分に、コアを外れた発散ビームがクラッド
を照射するのを阻止するビーム遮光体を設けたから、レ
ーザ出力の増大に伴う伝送効率の低下の要因となる散乱
損失、光学損失などを伝送に際しなくすことができる。

したがって、光ファイバの伝送効率を高めることができ
、高い出力のレーザビームまでも安定して伝送すること
ができ、その効果は実用上、高パワーを要する工業用に
最適である。

しかも、発散ビームを用いたことで、ビーム遮光体とコ
アとの間に隙間があってもクラッドにレーザビームが照
射されずにすむから、その分、ビーム遮光体の取付け、
製作を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザビーム伝送装置を示す構成国、第
２図はこの考案の一実施例のレーザビーム伝送装置を示
す構成図、第３図はその装置のレーザの入出力特性を従
来のレーザの入出力特性と併せて示す特性線図、第４図
はこの考案の他の実施例を示す構成図である。 １・・・・・・レーザ発振器、８・・・・・・光ファイ
バ１．１０・・・・・・入射部、１１・・・・・・入射
端面、１２・・・・・・ビーム遮光体、２１・・・・・
・発振ビーム導入系。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 入射端部のクラッドを除去してコアを露出させた光ファ
   イバと、レーザビームを発振するレーザ発振器と、この
   レーザ発振器から発振されたレーザビームを上記光ファ
   イバのコアにその軸方向から発振ビームに換えて導入す
   る発振ビーム導入系と、上記光ファイバの露出したコア
   の部分に設けられ上記コアを外れた発振ビームが上記ク
   ラッドを照射するのを阻止するビーム遮光体とを具備し
   たことを特徴とするレーザビーム伝送装置。