JP2007102058A - Light guide structure for laser beam - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザダイオード(以下、LDと称する。)、炭酸ガスレーザ発振器、YAGレーザ発振器等のレーザ発振部材から発振されるレーザ光を光ファイバーにより所望の箇所に導光して所望の箇所に照射するレーザ光の導光構造に関する。 In the present invention, laser light oscillated from a laser oscillating member such as a laser diode (hereinafter referred to as LD), a carbon dioxide laser oscillator, a YAG laser oscillator, or the like is guided to a desired location by an optical fiber and irradiated to the desired location. The present invention relates to a laser light guide structure.
例えばレーザ光を使用してワークを溶接したり、焼入れするレーザ加工機においては、多数のLDから発振したレーザ光を、光ファイバーにより、ワークに対して大出力のレーザ光を出力する、例えばYAGレーザ発振器等へ導光し、これを励起光源として大出力のレーザ光を出力するように構成している。 For example, in a laser processing machine that welds or quenches workpieces using laser light, laser light oscillated from a number of LDs is output to the workpiece by means of an optical fiber, such as a YAG laser. The light is guided to an oscillator or the like, and this is used as an excitation light source to output a high-power laser beam.
しかし、光ファイバーのコア内周面に対してレーザ光を反射させながら導光すると、光ファイバーの出力端においては、出力端面におけるレーザ光の光強度分布が不均一になり易くなる問題を有している。このように光強度分布が不均一な状態で出力されるレーザ光を大出力レーザ発振器の励起光源とすると、大出力レーザ発振器からレーザ光を確実に出力させることができない問題を有している。これにより加工機によりワークを溶接したり、焼入れ処理する際に、加熱ムラが発生して加工不良の原因になっている。 However, when the light is guided while reflecting the laser beam to the inner peripheral surface of the optical fiber, there is a problem that the light intensity distribution of the laser light on the output end surface tends to be uneven at the output end of the optical fiber. . If laser light output in such a state where the light intensity distribution is non-uniform is used as an excitation light source for a high-power laser oscillator, there is a problem that laser light cannot be reliably output from the high-power laser oscillator. As a result, when the workpiece is welded or quenched by the processing machine, heating unevenness occurs, causing a processing defect.
上記した従来の欠点を解決するため、芯材に光ファイバーを螺旋状に巻付けたり、例えば特許文献1に示すように光ファイバーからのレーザ光を中空または中空のカライドスコープ内にて導光させることにより光ファイバーの出力端面におけるレーザ光の光強度分布を均一化することができる。
In order to solve the above-described conventional drawbacks, an optical fiber is spirally wound around the core material, or laser light from the optical fiber is guided in a hollow or hollow kaleidoscope as disclosed in
しかし、前者にあっては、芯材を必要とすることにより光ファイバー径が大きくなる問題を有している。また、後者にあっては、カライドスコープ内を導光したレーザ光が、光ファイバーの出力端側において全反射して入射側へ戻り、ワークに対してレーザ光を所望の光強度で出力できない問題を有している。
解決しようとする問題点は、光ファイバーの出力端面におけるレーザ光の光強度が不均一になる点にある。光ファイバーが大径化する点にある。光ファイバーの出力端面からレーザ光を確実に出力させることができない点にある。 The problem to be solved is that the light intensity of the laser light at the output end face of the optical fiber becomes non-uniform. This is in the point that the diameter of the optical fiber is increased. The laser light cannot be reliably output from the output end face of the optical fiber.
本発明は、レーザ光発振部材から出力されるレーザ光を光ファイバーにより所要の箇所へ導光するレーザ光導光構造において、光ファイバーは、少なくともコア部の長手直交方向断面を多角形状化すると共に所要のリードで捻り形成した多角光ファイバーとしたことを特徴とする。 The present invention relates to a laser light guide structure that guides laser light output from a laser light oscillation member to a required location by an optical fiber. The optical fiber has a polygonal shape at least in a cross section in the longitudinal direction of a core portion and a required lead. It is characterized by being a polygonal optical fiber that is twisted and formed.
本発明は、光ファイバーの出力端面におけるレーザ光の光強度を均一化する。また、光ファイバーの小径化を図りながらレーザ光を確実に導光させる。更に、光ファイバーの出力端面からレーザ光を確実に出力させる。 The present invention makes the light intensity of the laser light uniform at the output end face of the optical fiber. In addition, the laser light is reliably guided while reducing the diameter of the optical fiber. Furthermore, laser light is reliably output from the output end face of the optical fiber.
本発明は、光ファイバーを、少なくともコア部の長手直交方向断面を多角形状化すると共に所要のリードで捻り形成したことを最良の形態とする。 The best mode of the present invention is that the optical fiber is formed into a polygonal shape at least in the longitudinal cross section in the longitudinal direction of the core portion and twisted with a required lead.
以下に実施形態を示す図に従って本発明を説明する。
先ず、レーザ光の光学系概略を説明すると、図1に示すようにレーザ光発振部材としてのLD1には多角光ファイバー3の入射端面が相対するように配置されている。該多角光ファイバー3はLD1から、例えばワークを溶接したり、焼入れする加工機(図示せず)に装着される、例えばYAGレーザ発振器等のレーザ発振器7に至る長さで、所要の径からなり、その出力端側にはレーザ光を所望のスポット径に絞る光学レンズ5が配置されている。そして光学レンズ5の出射側にはLD1からのレーザ光を励起光源として使用して大出力のレーザ光を出力するレーザ発振器7が設けられている。
The present invention will be described below with reference to the drawings showing embodiments.
First, the outline of the optical system of the laser beam will be described. As shown in FIG. 1, the
図2に示すように、上記多角光ファイバー3は従来公知のようにレーザ光を導光するコア部3a及びコア部3aの外周側に被覆され、該コア部3aより屈折率が高いクラッド部(図示せず)から構成され、その内、少なくともコア部3aは長手直交方向断面が三角形、四角形、五角形等の正多角形状または異形多角形状からなる。尚、多角光ファイバー3のコア部3aは、その外面角部が角状または面取り加工されたものであってもよい。
As shown in FIG. 2, the polygonal
上記多角光ファイバー3は、コア部3aの長手直交方向断面幅の所定倍の長さ毎に、時計方向または反時計方向へ1回転するリードで捻り形成されている。多角光ファイバー3の捻りリードはコア部3aの長手直交方向断面幅(太さ)や光ファイバーの材質等に応じて適宜設定される。また、多角光ファイバー3の捻り態様としては、図3に示すように捻り部3bとストレート部3cとを交互に形成した形状(この態様にあっては、ストレート部3cを介した捻り部3bの捻り方向は、同一方向又は反対方向のいずれであってもよい。)、図4に示すように捻り部3b及び該捻り部3bと反対方向に捻られた逆捻り部3dを交互に形成した形状のように、全体として捻り状に形成してもよい。
The polygonal
次に、多角光ファイバー3によるレーザ光の導光作用を説明する。
LD1から発振されたレーザ光は、入射された多角光ファイバー3におけるコア部3aの内面にて全反射されながらその出力端側へ導光された後に、光学レンズ5により所要のスポット径に収束されてワーク上に照射される。これによりワークは、照射されたレーザ光の熱により、例えば溶接加工、焼入れ加工される。
Next, the light guide action of laser light by the polygonal
The laser light oscillated from the
上記多角光ファイバー3にてレーザ光を導光する際に、レーザ光は、断面多角形状からなるコア部3aの各内面にて反射されながら出力端側へ導光される。その際に、コア部3aの各反射面が捻れた面になっているため、レーザ光を、出力端面におけるレーザ光の光強度がほぼ均一な分布状態になるように、臨界角以下の反射角度でランダムに全反射しながら出力端側へ導光させる。
When the laser light is guided by the polygonal
このように多角光ファイバー3の出力端面からは、その光強度がほぼ均一な分布状態のレーザ光が出力される。そして出力されたレーザ光は、光学レンズ5により所要のスポット径になるように収束させられた状態でワークに照射されることによりワークをほぼ均一に加熱し、加熱ムラがない状態で所望の加工を行う。
As described above, laser light having a substantially uniform distribution of light intensity is output from the output end face of the polygonal
本実施例は、多角光ファイバー3の長手直交方向断面を多角形状に形成すると共に長手方向に対して所要のリードで捻れ形成することにより内部にて導光されるレーザ光を、出力端面において光強度分布がほぼ均一になるように全反射させることができる。これによりワークをほぼ均一に加熱して所望の状態に加工することができる。
In this embodiment, the cross section in the longitudinal direction of the polygonal
図5に示すように、実施例2に係る多角光ファイバー11は、実施例1の多角光ファイバー3と同様に長手直交方向断面が多角形状で、所要のリードで捻れ形成されている。また、該多角光ファイバー11の出力側端部には、出力端に向かって徐々に先細になるテーパー部11aが形成されている。
As shown in FIG. 5, the polygonal
本実施例は、実施例1と同様に多角光ファイバー11内にてレーザ光が導光される際には、コア部3aの反射面が捻られているため、レーザ光を臨界角度以下でランダムに全反射してコア部3a内において光強度が均一になるように分布させる。そして多角光ファイバー11の出力端面からレーザ光を出力させる際には、上記したように捻られた面にてレーザ光を全反射させながらテーパー部11aにより所望幅の出力端面になるように徐々に絞って出力させる。
In the present embodiment, when the laser light is guided in the polygonal
これにより出力端面におけるレーザ光の密度が高められることにより強い光強度のレーザ光とすることができる。今、テーパー部11aにより出力端面幅を他の箇所の1/2とする場合にあっては、ストレート状の光ファイバーに比べて出力端における光強度を4倍にすることができる。
As a result, the laser light density at the output end face is increased, so that the laser light can have a high light intensity. Now, in the case where the output end face width is set to ½ of other portions by the
図6において、多数のLD1の出力面には通常の円筒状光ファイバー21の入射端が相対するようにそれぞれ配置され、各円筒状光ファイバー21の出力端には集光用光ファイバー23が設けられ、該集光用光ファイバー23の出力端に、長手直交方向断面が多角形状で所要のリードで捻られた実施例1の多角光ファイバー3又は長手直交方向断面が多角形状で所要のリードで捻られると共にその出力端部側が、徐々に先細り形状になるテーパー部11aを有した光ファイバー11が取付けられる。
In FIG. 6, the output surfaces of a large number of
尚、図6は、集光用光ファイバー23の出力端に実施例1の光ファイバー1を取付けた例を示すが、実施例2に係る光ファイバー11を取付けた場合であっても同様である。また、実施例1と同一の部材、装置に付いては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
6 shows an example in which the
本実施例においては、各LD1からのレーザ光を集光してレーザ発振器7の励起光源として出力するために集光用光ファイバー23により集光されたレーザ光を光学レンズ5へ出力する際に多角光ファイバー3(11)内を導光させることによりその出力端においてレーザ光の光強度をほぼ均一に分布させる。
In the present embodiment, the laser light collected by the condensing
これによりレーザ発振器7を確実に励起して大出力のレーザ光を出力させることにより加熱ムラをなくしてワーク加工を高品質に行うことを可能にする。
As a result, the
上記説明は、光ファイバーの導光構造を1本の多角光ファイバーで説明したが、高い出力のレーザ光を得るには、所望の出力に応じた個数のLDを使用すると共にLDの個数に応じた本数の多角光ファイバーを使用してレーザ光を導光すればよい。この場合にあっては、多数の多角光ファイバーの先端部に集光用光ファイバーを設けて出力するように構成すればよい。 In the above description, the light guide structure of the optical fiber has been described with one polygonal optical fiber. However, in order to obtain high output laser light, the number of LDs corresponding to the desired output is used and the number corresponding to the number of LDs is used. It is only necessary to guide the laser beam using the polygonal optical fiber. In this case, a concentrating optical fiber may be provided at the tip of many polygonal optical fibers and output.
1 レーザ光発振部材としてのLD
3・11 多角光ファイバー
3a コア部
11a テーパー部
1 LD as a laser beam oscillation member
3.11 Polygonal
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