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CN111837063B - 具备光束重叠机构的光纤束 - Google Patents

具备光束重叠机构的光纤束 Download PDF

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CN111837063B
CN111837063B CN201980018408.2A CN201980018408A CN111837063B CN 111837063 B CN111837063 B CN 111837063B CN 201980018408 A CN201980018408 A CN 201980018408A CN 111837063 B CN111837063 B CN 111837063B
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Abstract

本发明提供一种聚光装置，其能够在不使用功率合成器的情况下组合多个激光而形成功率密度大的激光束的照射光斑。光纤束由多根光纤的束构成，其一端构成排列有各个光纤的光入射端的入射侧束端，另一端构成排列有各个光纤的光出射端的出射侧束端。该光纤束在该出射侧束端具备光偏转单元，该光偏转单元以使从所述多个光纤之中的至少两个光纤的光出射端分别出射的至少两个光束在成为所述出射侧束端的光路上后方的至少一个截面上重合并在之后离散的方式，使该至少两个光束分别向不同的方向偏转。

Description

具备光束重叠机构的光纤束
技术领域
本发明涉及构成为使从各个光纤的末端出射的光束重叠的光纤束。
背景技术
所谓光纤束，是指将多个光纤捆绑成一根而成的光纤束。在专利文献1中记载了一种高功率脉冲激光照射装置，其使用束型光纤(光纤束)来将高功率脉冲激光传输到激光照射头。该装置由于将光纤束而不是一根光纤用于高功率脉冲激光器的传输，所以入射的高功率脉冲激光的输出被分散到各单线而能够减小各单线的负荷，由此减少各单线被破坏而发生断线等问题。
在专利文献2中记载了一种光照射装置，其通过改变捆扎多根光纤而成的束状光纤(光纤束)的出射端的各光纤的朝向(即光的出射方向)，能够调整从光纤束出射的激光的发散角度。假定将该装置用于光化学反应诊断治疗系统的光照射装置，例如在癌症的诊断时，能够按照癌细胞的大小改变激光照射面积，或者增大发散角度来照射大范围。
在专利文献3中记载了一种半导体激光聚光装置，其构成为使来自多个半导体激光元件的出射光经由形成在基板上的光波导而被聚光，并从该光波导的输出端成为高功率的激光而被出射。半导体激光器由于能够以高质量的光束获得稳定的输出，所以被广泛用于信息或通信领域，但与CO2激光器或YAG激光器等相比，通常输出较小，所以用于要求高功率的激光加工的用途的机会较少。专利文献3的半导体激光聚光装置通过合成来自多个半导体激光元件的出射光，从而得到用于激光加工的高功率的激光束。
在专利文献4中记载了一种激光产生装置，其将分别单独地传输从多个半导体激光器出射的激光的多个光纤捆扎而形成光纤束，并将该光纤束耦合到适配器(激光聚光单元)的入射口。此处使用的激光聚光单元具有由截面形状为从入射口朝向出射口以锥状逐渐变细的空腔构成的光传输路径，从多个光纤入射到激光聚光单元的全部激光构成为一边在空腔的锥状内壁面反射一边被聚光(缩小)，从而作为功率密度大的激光束从出射口出射。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002－131588号公报
专利文献2：日本特开平3－130703号公报
专利文献3：日本特开平7－168040号公报
专利文献4：日本特开2005－286310号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在激光加工中，需要照射功率密度大的激光束。因此，在使用由组合多个激光而成的合成光构成的激光束的情况下，为了提高其照射光斑的功率密度，优选为尽量缩小合成光的光束。但是，如果使用前端细的锥状的光纤或光波导来缩小光束的出射口，则光束的发散角变大(集光率守恒定律)，所以通过缩小光束的出射口，有时反而会使照射光斑变宽，导致功率密度降低。
此外，由于能够由光纤传输的光的功率密度被该光纤的耐光特性限制，所以通过用功率合成器将由多个光纤传输的激光耦合到一根光纤，有时难以得到具有大的功率密度的合成光。而且，在使用功率合成器的情况下，由于光纤的熔接连接部位变多，所以容易产生包层光，如果该包层光被包覆层或树脂吸收则也会存在产生发热这样的问题。特别是，由于将树脂用于固定的锥部、功率合成器的周围容易发热，因此有可能在这样的部位引起起火或断线这样的故障。
鉴于上述问题，本发明的课题在于提供一种聚光装置，其能够在不使用功率合成器的情况下组合多个激光而形成功率密度大的激光束的照射光斑。
用于解决课题的技术方案
本发明提供一种光纤束，由此解决上述课题，所述光纤束由多个光纤的束构成，其特征在于，一端构成排列有各个光纤的光入射端的入射侧束端，另一端构成排列有各个光纤的光出射端的出射侧束端，在该出射侧束端具备光偏转单元，该光偏转单元以使从所述多个光纤之中的至少两个光纤的光出射端分别出设的至少两个光束在成为所述出射侧束端的光路上后方的至少一个截面上重合并在之后离散的方式，使该至少两个光束分别向不同的方向偏转。
发明效果
根据本发明，能够将从多个光纤的光出射端分别出射的多个激光束重叠而形成功率密度大的激光束的照射光斑，此时，在光纤引起起火或断线等故障的风险较小。
附图说明
图1是例示功率合成器的概略结构的示意剖视图。
图2是表示以往为了使从光纤束出射的激光聚光而设计的激光聚光单元的示意剖视图。
图3A是表示在不缩小光束的情况下出射光的发散角度小的示意剖视图。
图3B是表示在用锥状的光纤缩小光束时出射光的发散角度变大的示意剖视图。
图4A是表示使用以往的光纤束来形成光照射光斑的结构的示意光路图。
图4B是表示使用以往的光纤束来形成光照射光斑的结构的示意光路图。
图4C是将在本发明的光纤束的出射侧束端的后方配置透镜而形成光照射光斑的结构与使用以往的光纤束的结构(图4A及图4B)进行比较来表示的示意光路图。
图5是例示来自本发明的光纤束的出射光的出射方向的示意剖视图。
图6是例示将来自本发明的光纤束的出射光重叠的状况的示意剖视图。
图7是例示来自本发明的光纤束的出射光的传播与光照射光斑的亮度之间的关系的示意图。
图8是例示使用棱镜作为本发明的光纤束的光偏转单元的情况的示意图。
具体实施方式
本发明的光纤束由多个光纤的束构成，其一端构成排列有各个光纤的光入射端的入射侧束端，另一端构成排列有各个光纤的光出射端的出射侧束端。如果使半导体激光元件(的激光出射端)与入射侧束端的各光纤的光入射端分别耦合，则从出射侧束端的对应的光出射端分别出射所传输的激光，这些激光通过出射侧束端所具备的光偏转单元以在成为光路上后方的至少一个截面上重合并在之后离散的方式被分别向不同的方向偏转。因此，如果将加工对象(工件)置于该发生重叠的截面上，则成为形成高功率密度的照射光斑的激光照射装置。另外，如果在本发明的光纤束的光路上后方配置两个透镜，并使从至少两个光纤的光出射端出射的光束在成为出射侧束端的光路上后方的至少两个截面上重合，则作为用于使出射侧束端与工件之间的距离成为一定程度的光束照射光学系统发挥作用。
如果使用捆扎多个光纤而成的光纤束，并分别传输在半导体激光元件中产生的激光，则能够用一个光纤束集中传输在该多个半导体激光元件中产生的激光，并且在多个半导体激光元件中产生的激光的功率分别分散到多个光纤，因此，对各个光纤施加的负荷也不会变得过大。但是，由于来自多个半导体激光元件的激光分别从不同的光纤的光出射端以激光束的形式出射，所以在这样的状态下，功率分散到较大的面积，不能得到功率密度高的激光束。因此，为了将从不同的光纤出射的多个激光聚光而缩小光束，以往使用被称为功率合成器的部件。
图1是例示作为功率合成器的一种的锥形光纤束的概略结构的示意剖视图，示出了使从多个光纤出射的多个激光耦合到一根光纤的状况。所谓锥形光纤束，是指捆扎多个被称为锥形光纤的与入口直径相比出口直径较小的光纤而构成的光纤束。各个锥形光纤501的入口侧的末端(大口径侧)分别与构成光纤束的各个光纤502熔接连接，各个锥形光纤的出口侧的末端(小口径侧)集中地与大口径光纤503熔接连接。如果如上述这样使用功率合成器，则能够使由构成光纤束的各个光纤分别传输过来的全部激光的功率集中于一根大口径光纤。
锥形光纤束的难点在于，第一，由于必须在入口侧将光纤彼此分别熔接连接，因此熔接连接的部位非常多。在相同直径的光纤彼此熔接连接的情况下，如果不完全对准，则在纤芯中传输过来的光会泄露到包层，从而容易产生包层光。由于包层光被包覆层、树脂吸收而成为热量，因此成为引起由发热导致的起火或断线等故障的原因。并且，由于锥形光纤束是通过排列一组锥形光纤并用树脂固定而制造的，所以如图1所示，在锥形光纤的周围紧贴有固定用的树脂504，包层光被这些树脂吸收而产生发热。
消除图1所示的锥形光纤束的上述难点的是专利文献4所示的激光聚光单元。图2是表示专利文献4所记载的激光聚光单元的示意图。来自具备多个光出射部的半导体激光组件(未图示)的激光由光纤束601分别传输，光纤束的出口侧(激光射出侧)601a与激光聚光单元(适配器)602的入口侧602a连接。激光聚光单元602是将前端细的锥状的空腔作为传输路径的部件，从与其入口侧连接的光纤束出射的全部激光一边由前端细的锥状的空腔的内表面602b反射一边向出口侧聚光，并从设置于出口侧的小径的开口602c射出。如果使用如图2所示的激光聚光单元，则不需要将光纤彼此分别熔接，从而不需要使用固定用的树脂，因此能够避免由不完全的对准导致的包层光的产生、伴随着树脂对该包层光的吸收而产生的发热的问题。
但是，如果使用图2所示的激光聚光单元，则会大幅缩小光束的截面积，因此，根据集光率守恒定律，存在从出口侧的开口出射的光的发散角变大这样的问题。图3A及3B是表示在用锥状的光纤缩小光束时出射光的发散角度变大的示意剖视图。图3A表示不缩小光束的截面积的情况，图3B表示将光束的截面积缩小为1/4(将口径缩小为一半)的情况。根据集光率守恒定律，数值孔径(发散角的正弦)的二次方与光束的截面积的乘积是恒定的。即，集光率E由下式定义。
【数学式1】
E＝π·A·NA2
NA＝sinθ
在上式中，π为圆周率，A为光束的截面积，NA为数值孔径，θ为出射后的光束的发散角(立体角)。在图3B中，与图3A相比，光束的截面积A被缩小为1/4，因此发散角的正弦sinθ与图3A相比成为2倍。
与此相对，在本发明的光纤束中，由于由各个光纤传输过来的光束没有被缩小，所以出射后的光束的发散角的扩大较小。即，与图3A的情况相同。另一方面，在本发明的光纤束的出射侧束端设有光偏转单元，从多个光纤之中的至少两个光纤的光出射端分别平行地出射的光束以在成为出射侧束端的光路上后方的至少一个截面上重叠并在之后离散的方式分别向不同的方向偏转。
图4A至4C是将在本发明的光纤束的出射侧束端的后方配置透镜而形成重合的光照射光斑4的结构(图4C)与使用以往的光纤束的结构(图4A及图4B)进行比较来表示的示意光路图。图4A表示在以往的光纤束的出射侧束端的光路上后方配置一片聚光透镜而将从两个光出射端分别平行地出射的两个光束重叠的情况。在该情况下，由于成为单透镜变换，所以重叠在一起的光束的尺寸由出射时的尺寸和聚光透镜的焦距f唯一地决定。因此，如果将从出射侧束端到光束重叠的位置(将作为加工对象的工件置于此)为止的距离设为一定程度(10mm以上)，则无法获得充分的注量(功率密度或能量密度)。例如，如果将在出射时直径分别为60μm的两个平行的光束用f＝10mm的透镜聚光，则这些光束的光斑重叠的截面(焦点位置)处的各个光束的直径为24000μm，注量大幅降低。
图4B表示配置两片聚光透镜而不是一片聚光透镜来重叠两个平行的光束的情况。在该情况下，由于出射时的像在第二级的透镜的焦点位置处再现，所以能够缩小光斑，但不能重叠光斑。
与此相对，在本发明的光纤束中，由于在出射侧束端设有光偏转单元3，所以如图4C所示，能够在成为出射侧束端的光路上后方的最近的位置(以下，假定在该位置处与光轴垂直相交的平面，也称为“截面”)最先重叠光斑。因此，通过利用等倍双透镜系统再现与出射时相当的传播能够抑制光束的发散，并且能够在激光加工对象物的表面上再次重叠光斑(光斑4)。这样，如果在本发明的光纤束的光路上后方配置两个透镜5，并使多个(至少两个)光束在出射侧束端的后方在至少两个截面上重合，则能够构成用于使到激光加工的对象物(工件)表面的距离成为一定程度的光束照射光学系统。并且，如果将亮度(光斑的功率密度即光束功率/光斑尺寸)最高的最先的截面上的光斑用等倍双透镜系统再现到激光加工的对象物(工件)上，则来自多个半导体激光元件的激光光束的功率被浓缩到工件上的较小的截面积，从而能够以足够的注量进行对象物的激光加工。
图5是例示来自本发明的光纤束的出射光的出射方向的示意剖视图。本发明的光纤束1在入射侧束端具备多个光入射端(未图示)，该多个光入射端用于将例如从多个半导体激光元件(LD)6出射的激光分别导入到构成该光纤束的多个光纤2，在排列有多个光纤2的光出射端的出射侧束端具备光偏转单元3。在图5中，构成为：多个光纤的束包括位于中心的一根光纤2a和与其周围相邻的至少一个周边的光纤2b，从中心的光纤2a出射的光束直线前进，从周边的光纤2b出射的光束朝向从中心的光纤出射的光束偏转。然后，从周边的光纤2b出射的光束在成为出射侧束端的光路上后方的规定的位置处与从中心的光纤2a出射的光束重合而形成光斑4。
从各个光纤出射的光束在发散的同时重叠。图6是例示将来自本发明的光纤束的出射光重叠的状况的示意剖视图。如图6所示，如果光束在发散到光纤束的直径之前完全重叠，则与各个光束相比，功率密度得到改善。即，构成为多个(至少两个)光束在截面上重叠的区域的亮度(功率密度)比光出射端处的各个光束的功率密度大。因此，如图5或图6所示，在从中心的光纤2a出射的光束直线前进，并且从周边的光纤2b出射的光束朝向从中心的光纤2a出射的光束偏转的情况下，优选构成为从周边的光纤2b出射的光束以比该光束的发散角大的角度向光轴方向偏转。
图7是例示来自本发明的光纤束的出射光的传播与光照射光斑的亮度(功率密度)之间的关系的示意图。如图7所示，在出射侧束端，从各个光纤出射的光束尚未被聚光，因此各个光束的功率密度也保持最初的状态。在出射后的多个光束被聚光而相互接近的同时，各光束分别一边逐渐发散一边传播，所以各个光束的功率密度逐渐降低。另一方面，当聚光发展时，开始出现由光束彼此的重叠带来的功率密度提高的效果，如果该效果超过由光束发散带来的各个光束的功率密度降低的效果，则会提高重合的区域的亮度。即，如果在所有光束重叠而成为单个光斑的位置处，各个光束的发散尚未达到正好包含出射侧束端处的刚出射后的多个光斑的尺寸，则该单个光斑的亮度与各个光束刚出射后的亮度(功率密度)相比得到提高。在形成单个光斑之后，由于各个光束的亮度(功率密度)降低的效果与由光束彼此的离散带来的亮度降低的效果协同地发挥作用，所以光斑的亮度迅速降低(劣化)。
本发明的光纤束所具备的光偏转单元只要是使从多个光纤分别出射的至少两个光束以在成为出射侧束端的光路上后方的至少一个截面上重叠并在之后离散的方式分别向不同的方向偏转的单元，则可以是任意的。典型地，可举出诸如透镜、棱镜之类的折射光学元件，但是也可以是诸如反射镜之类的反射光学元件或诸如光栅之类的衍射光学元件。本发明使光束以超过光束的发散的角度偏转，并将光束重叠的区域的亮度达到峰值的截面用作激光加工用的照射光斑，本发明的本质在于此。
具体而言，作为本发明中使用的光偏转单元被认为是优选的为，具有包含光纤束的截面尺寸的光纤的前端被形成为球状或透镜状的单元。在该情况下，构成光纤束的多个光纤的各光出射面与构成光偏转单元的光纤的光入射面被熔接接合。然而，由于构成光偏转单元的光纤具有包含光纤束的截面尺寸，所以即使对准稍微不完全，产生包层光的可能性也较小。
作为本发明中优选使用的光偏转单元，也可以举出微小棱镜。图8表示在出射侧束端具备微小棱镜的光纤束的例子。图8是从光出射侧观察出射侧束端的图。图8所示的光纤束是与位于中心的一根光纤的周围相邻地捆扎6根光纤而成的光纤束，作为整体是由7根光纤的束构成的光纤束。该捆扎方式可以称为最密填充方式，由于减小光纤束整体的截面积而为优选。典型的多模光纤的芯径为105μm，包层直径为125μm，因此相邻的光纤的中心间距离为125μm。只要在这样的光纤束的前端设置7个具有不同的倾斜的微细棱镜即可。由于来自中心的光纤的出射光只要直线前进即可，所以棱镜的中心部的表面可以垂直于光轴。因为来自周围的6个光纤的出射光需要朝向来自中心的光纤的出射光偏转，所以只要分别设为从中心侧向周边侧后退的倾斜即可。另外，也可以通过衍射光学元件实现与这种棱镜同样的功能。
另外，本发明中使用的光偏转单元也可以构成为使欲使来自多个(至少两个)光纤的出射光偏转的多个(至少两个)光纤的光出射端分别朝向不同的方向。在该情况下，不需要将该光纤的前端熔接接合到光偏转单元，该光纤(的前端)本身构成光偏转单元。
另外，从本发明的光纤束出射的多个光束优选为彼此不相干。这是因为，如果将干涉性的光束聚光，则在照射光斑内会产生干涉条纹而损害功率密度的均匀性。因此，优选为，从与本发明的光纤束的入射侧束端连接的多个半导体激光元件入射的激光的峰值波长分别离开在出射侧束端被聚光的各激光束的光谱的半光谱幅值(half width at halfmaximum of the spectral line width)以上。而且，构成本发明的光纤束的多个光纤优选为，从光入射端到光出射端的长度的差相对于多个半导体激光元件产生的激光的波长足够大。
本申请要求2018年3月12日提出申请的日本专利申请第2018-044323号的优先权，并引用其内容作为本申请的一部分。
标号说明
1 光纤束
2 多个光纤
2a 中心的光纤
2b 周边的光纤
3 光偏转单元
4 光斑
5 透镜
501 锥形光纤
502 光纤
503 大口径光纤
504 固定用树脂
601 光纤束
601a 光纤束的出口侧
602 激光聚光单元(适配器)
602a 适配器的入口侧
602b 空腔的内表面
602c 小径的开口

Claims (7)

1.一种激光照射装置，具有由多个光纤的束构成的光纤束和多个半导体激光元件，其特征在于，
所述光纤束的一端构成排列有各个光纤的光入射端的入射侧束端，另一端构成排列有各个光纤的光出射端的出射侧束端，所述激光照射装置构成为所述多个半导体激光元件所产生的激光分别单独地入射到所述光纤束的所述多个光纤中的至少两个光纤，在所述出射侧束端具备光偏转单元，该光偏转单元以使从所述至少两个光纤的光出射端分别出射的至少两个光束在发散到所述光纤束的直径之前、在成为所述出射侧束端的光路上后方的至少一个截面上重合并在之后离散的方式，使该至少两个光束分别向光轴方向以超过光束的发散的角度偏转，
所述光偏转单元由具有包含所述光纤束的截面尺寸的光纤构成。
2.根据权利要求1所述的激光照射装置，其特征在于，
所述激光照射装置构成为，所述至少两个光束在所述截面上重合的区域的亮度大于所述光出射端处的该至少两个光束各自的功率密度。
3.根据权利要求1所述的激光照射装置，其特征在于，
所述激光照射装置构成为，所述至少两个光束彼此不相干。
4.根据权利要求1所述的激光照射装置，其特征在于，
具有包含所述光纤束的截面尺寸的光纤具有被形成为球状、透镜或棱镜状的前端。
5.根据权利要求1所述的激光照射装置，其特征在于，
所述多个半导体激光元件产生具有彼此离开所述至少两个光束的光谱展宽的半光谱幅值以上的峰值波长的激光。
6.根据权利要求1所述的激光照射装置，其特征在于，
所述至少两个光纤以从所述至少两个光纤的光入射端到光出射端的长度相对于所述多个半导体激光元件产生的激光的波长具有足够大的差的方式而相互不同。
7.一种激光照射光学系统，其特征在于，
具有权利要求1至6中任一项所述的激光照射装置和配置在该激光照射装置的光纤束的光路上后方的两个透镜，所述激光照射光学系统构成为，所述至少两个光束彼此在成为所述出射侧束端的光路上后方的至少两个截面上重合。
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