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WO2021240880A1 - 光コンバイナ及びレーザ装置 - Google Patents

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WO2021240880A1
WO2021240880A1 PCT/JP2021/002847 JP2021002847W WO2021240880A1 WO 2021240880 A1 WO2021240880 A1 WO 2021240880A1 JP 2021002847 W JP2021002847 W JP 2021002847W WO 2021240880 A1 WO2021240880 A1 WO 2021240880A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
core
input
clad
laser light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2021/002847
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
亮吉 松本
智之 藤田
究 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujikura Ltd filed Critical Fujikura Ltd
Publication of WO2021240880A1 publication Critical patent/WO2021240880A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2808—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0613—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams having a common axis
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/4296—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with sources of high radiant energy, e.g. high power lasers, high temperature light sources
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers
    • G02B6/03616—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference
    • G02B6/03638—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 3 layers only
    • G02B6/03644—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 3 layers only arranged - + -
    • G—PHYSICS
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    • G02B6/24—Coupling light guides
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    • G02B6/2551—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding using thermal methods, e.g. fusion welding by arc discharge, laser beam, plasma torch
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms

Definitions

  • the present invention relates to an optical combiner and a laser device, and particularly relates to an optical combiner that combines and outputs light propagating through a plurality of optical fibers.
  • the central core of an output optical fiber is described as an optical combiner for introducing laser light into an output optical fiber having a central core as an optical waveguide and an outer core located around the central core.
  • one or more optical fibers are arranged on the center side, and a plurality of optical fibers (outer optical fibers) are annularly arranged around the center side optical fiber corresponding to the outer core of the output optical fiber.
  • the arrangement is disclosed (see FIGS. 8a and 8b of Patent Document 1 and FIG. 14 of Patent Document 2).
  • the outer core of such an output optical fiber is located on the outer side in the radial direction from the central core, the inner diameter and the outer diameter tend to be large. Further, in order to efficiently couple the light from the plurality of outer optical fibers to the outer core of the output optical fiber, the region of the outer core of the output optical fiber is sized to include the region of the core of the outer optical fiber. Is normal. As a result, the cross-sectional area of the outer core of the output optical fiber tends to be large.
  • the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and the first aspect of the present invention is to provide an optical combiner capable of increasing the optical power density of light propagating through the outer core in the optical output unit. The purpose.
  • a second object of the present invention is to provide a laser device capable of outputting a laser beam having a high outer optical power density.
  • an optical combiner capable of increasing the optical power density of light propagating in the outer core in the optical output unit.
  • This optical combiner includes at least one first optical input unit having a first input optical waveguide, a plurality of second optical input units each having a second input optical waveguide, and at least one first optical waveguide. It includes an optical input unit and an optical output unit having a connection end face to which the plurality of second optical input units are connected.
  • the optical output unit has a refractive index lower than that of the first core to which the first input optical waveguide of the at least one first optical input unit is optically coupled and the refractive index of the first core.
  • the second core has a refractive index higher than that of the first clad and covers the periphery of the first clad.
  • the inner diameter of the second core at the connection end face of the optical output unit is equal to the diameter of the circle inscribed in the second input optical waveguide of the plurality of second optical input units.
  • the outer diameter of the second core at the connection end face of the optical output unit is equal to the diameter of the circle circumscribing the second input optical waveguide of the plurality of second optical input units.
  • the circle inscribed in these elements X is a circle surrounded by the regions of the plurality of elements X and not overlapping the regions of all the elements X. Means the circle with the largest diameter. Further, the circle circumscribing these elements X means a circle having the smallest diameter (that is, the minimum inclusion circle) among the circles including all the regions of the plurality of elements X.
  • a laser device capable of outputting a laser beam having a high light power density on the outside.
  • This laser apparatus includes at least one first laser light source that generates a laser beam, at least one second laser light source that generates a laser beam, and the above-mentioned optical combiner.
  • the first input optical waveguide of the at least one first optical input unit of the optical combiner is optically coupled to the at least one first laser light source.
  • the second input optical waveguide of at least one second optical input unit of the plurality of second optical input units of the optical combiner is optically coupled to the at least one second laser light source. ..
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing a configuration of a laser device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross section of the output optical fiber of the laser apparatus shown in FIG. 1 together with a refractive index distribution along the radial direction.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an optical combiner of the laser apparatus shown in FIG.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the optical combiner shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a downstream end portion of the optical input portion of the optical combiner shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the connection relationship between the connection end portion of the optical input unit of the optical combiner shown in FIG. 3 and the connection end surface of the optical output unit.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an optical combiner of the laser apparatus shown in FIG.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the optical combiner shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a downstream
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing the optical input unit shown in FIG.
  • FIG. 8 is a perspective view showing an optical combiner according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of the optical combiner shown in FIG.
  • FIG. 10 is a schematic block diagram showing a configuration of a laser device according to a third embodiment of the present invention.
  • 11 is a perspective view showing an optical combiner of the laser apparatus shown in FIG. 10.
  • FIG. FIG. 12 is an exploded perspective view of the optical combiner shown in FIG.
  • FIGS. 1 to 12 the same or corresponding components are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted. Further, in FIGS. 1 to 12, the scale and dimensions of each component may be exaggerated or some components may be omitted. In the following description, unless otherwise noted, terms such as “first” and “second” are only used to distinguish the components from each other and represent a particular order or order. It's not a thing.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing the configuration of the laser device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the laser apparatus 1 in the present embodiment generates a laser light source 2 (first laser light source) that generates a laser beam, an optical fiber 10 connected to the laser light source 2, and a laser beam.
  • An optical combiner 40 that combines light and introduces it into the output optical fiber 30, a laser emitting unit 4 provided at the end of the output optical fiber 30, a control unit 5 that controls laser light sources 2 and 3, and an object to be processed. It is equipped with a stage 6 that holds W.
  • the laser light sources 2 and 3 for example, a fiber laser or a semiconductor laser can be used.
  • the direction from the laser light sources 2 and 3 toward the laser emitting unit 4 is referred to as "downstream side", and the opposite direction is referred to as "upstream side”. do.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross section of the output optical fiber 30 together with a refractive index distribution along the radial direction.
  • the output optical fiber 30 includes a center core 31 (first core), an inner clad 32 (first clad) that covers the periphery of the center core 31, and a ring core 33 (the first clad) that covers the periphery of the inner clad 32. It has a second core) and an outer clad 34 (second clad) that covers the periphery of the ring core 33.
  • the refractive index of the inner clad 32 is lower than that of the center core 31 and the ring core 33, and the refractive index of the outer clad 34 is lower than that of the ring core 33.
  • optical waveguides through which light propagates are formed inside the center core 31 and the ring core 33, respectively.
  • the center core 31 and the ring core 33 which are independent optical waveguides, are concentrically arranged inside the output optical fiber 30.
  • the center core 31 and the ring core 33 are formed of quartz glass (SiO 2 ), and a dopant having a property of lowering the refractive index (for example, fluorine (F) or boron (B)) is added to the quartz glass to form an inner clad 32.
  • the outer clad 34 may be formed.
  • the inner clad 32 and the outer clad 34 are formed of quartz glass (SiO 2 ), and a dopant having a property of increasing the refractive index (for example, germanium (Ge)) is added to form the center core 31 and the ring core 33. May be good.
  • the periphery of the outer clad 34 is covered with, for example, a coating made of resin (reference numeral 35 in FIG. 3), but the coating is omitted in FIG.
  • the outer diameter of the center core 31 is 100 ⁇ m
  • the outer diameter of the inner clad 32 (inner diameter of the ring core 33) is 220 ⁇ m
  • the outer diameter of the ring core 33 is 280 ⁇ m
  • the outer diameter of the outer clad 34 is 375 ⁇ m.
  • the refractive index of the inner clad 32 and the refractive index of the outer clad 34 may be the same or different.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the optical combiner 40
  • FIG. 4 is an exploded perspective view.
  • the optical combiner 40 in the present embodiment includes an optical input unit 110 (first optical input unit) composed of a downstream end portion of an optical fiber 10 extending from a laser light source 2.
  • a plurality of optical input units 120 (second optical input units) each composed of downstream end portions of an optical fiber 20 extending from a laser light source 3, and an optical output unit composed of upstream end portions of an output optical fiber 30. Includes 130 and.
  • the optical fiber 10 constituting the optical input unit 110 has a core 11 and a clad 12 that covers the periphery of the core 11, and the refractive index of the clad 12 is the core. It is lower than the refractive index of 11.
  • the core 11 is formed of quartz glass (SiO 2 ), and a dopant having the property of lowering the refractive index (for example, fluorine (F) or boron (B)) is added to the quartz glass to form the clad 12. May be good.
  • the clad 12 may be formed of quartz glass (SiO 2 ), and the core 11 may be formed by adding a dopant having the property of increasing the refractive index (for example, germanium (Ge)).
  • a dopant having the property of increasing the refractive index for example, germanium (Ge)
  • an optical waveguide (first input optical waveguide) through which light propagates is formed inside the core 11 of the optical fiber 10. Therefore, the laser light generated by the laser light source 2 propagates inside the core 11 of the optical fiber 10.
  • the outer diameter of the core 11 of the optical fiber 10 is 30 ⁇ m
  • the outer diameter of the clad 12 is 125 ⁇ m.
  • the periphery of the clad 12 of the optical fiber 10 is covered with, for example, a coating made of resin (not shown).
  • the optical fiber 20 constituting the optical input unit 120 has a core 21 and a clad 22 that covers the periphery of the core 21, and the refractive index of the clad 22 is lower than that of the core 21.
  • the core 21 is formed of quartz glass (SiO 2 ), and a dopant having the property of lowering the refractive index (for example, fluorine (F) or boron (B)) is added to the quartz glass to form the clad 22. May be good.
  • the clad 22 may be formed of quartz glass (SiO 2 ), and the core 21 may be formed by adding a dopant having the property of increasing the refractive index (for example, germanium (Ge)).
  • an optical waveguide (second input optical waveguide) through which light propagates is formed inside the core 21 of the optical fiber 20. Therefore, the laser light generated by the laser light source 3 propagates inside the core 21 of the optical fiber 20.
  • the outer diameter of the core 21 of the optical fiber 20 is 30 ⁇ m
  • the outer diameter of the clad 22 is 125 ⁇ m.
  • the periphery of the clad 22 of the optical fiber 20 is covered with, for example, a coating made of resin (not shown).
  • the optical fiber 10 and the optical fiber 20 are made of optical fibers having the same configuration and dimensions, but the optical fiber 10 and the optical fiber 20 may be made of different optical fibers. ..
  • the upstream end portion of the coating 35 covering the periphery of the outer clad 34 of the output optical fiber 30 is removed, and the outer clad 34 is exposed to the outside.
  • the above-mentioned optical input units 110 and 120 are fused and connected to the exposed portion of the outer clad 34.
  • the upstream end surface (connection end surface) 135 of the optical output unit 130 has a downstream end portion of the optical input unit 110 (optical fiber 10) and a downstream end portion of the optical input unit 120 (optical fiber 20). Are each fused and connected.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a downstream end portion (connection end portion) of the optical input units 110 and 120 connected to the connection end surface 135 of the optical output unit 130.
  • connection end portions of the optical input units 110 and 120 six optical input units 120 (optical fiber 20) are formed on the outer side of one optical input unit 110 (optical fiber 10). They are arranged at equal distances from the center O 2 , and the adjacent optical fibers 10 and 20 are in close contact with each other.
  • the optical output unit 130 is arranged so that the center O 2 of the optical fiber 10 arranged in the center coincides with the center O 1 (see FIG. 2) of the output optical fiber 30. It is connected to the connection end face 135 of.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the connection relationship between the connection end portions of the optical input units 110 and 120 and the connection end surface 135 of the optical output unit 130.
  • the area S 1 (inner shaded area) of the center core 31 of the optical output unit 130 is large enough to internally include the core 11 of the optical input unit 110 arranged in the center.
  • the area S 2 (outer shaded area) of the ring core 33 of the optical output unit 130 has the minimum size that can include all the cores 21 of the six optical input units 120 inside.
  • the core 11 of the optical input unit 110 is located in the region of the center core 31 of the optical output unit 130, and all the cores 21 of the optical input unit 120 are the ring cores 33 of the optical output unit 130. It is fused and connected to the optical output unit 130 so as to be located within the region.
  • the inner diameter D 1 (see FIG. 2) of the ring core 33 at the connection end surface 135 of the optical output unit 130 is 220 ⁇ m
  • the outer diameter D 2 (see FIG. 2) is 280 ⁇ m.
  • the inner diameter D 1 of the ring core 33 at the connection end surface 135 of the optical output unit 130 has a center O 2 common to the optical input unit 110 (optical fiber 10), and is a circle C 1 inscribed in the core 21 of the optical input unit 120.
  • the outer diameter D 2 of the ring core 33 which is equal to the diameter of (see FIG. 7), has a center O 2 common to the optical input unit 110 (optical fiber 10), and is a circle C externally attached to the core 21 of the optical input unit 120.
  • the diameter of 2 it is equal to the diameter of 2 (see Fig. 7).
  • the inner diameter or the outer diameter of the ring core 33 is equal to a certain value, it means that the ring core 33 is within ⁇ 10 ⁇ m from the value including the manufacturing error.
  • the outer diameters of the cores 11 and 21 of the optical fibers 10 and 20 are set to d 1 .
  • the inner diameter D 1 and the outer diameter D 2 of the ring core 33 can be expressed by the following equations (1) and (2).
  • D 1 2d 2- d 1 ...
  • D 2 2d 2 + d 1 ...
  • the laser light generated by the laser light source 2 propagates inside the core 11 of the optical fiber 10, reaches the optical input unit 110 of the optical combiner 40, and is incident on the center core 31 of the optical output unit 130. do.
  • the laser light incident on the center core 31 of the optical output unit 130 propagates inside the center core 31 of the output optical fiber 30 and is directed from the laser emitting unit 4 toward the processing object W on the stage 6 as a part of the laser light L. It is irradiated (see FIG. 1).
  • the laser light generated by the laser light source 3 propagates inside the core 21 of the optical fiber 20, reaches the optical input unit 120 of the optical combiner 40, and is incident on the ring core 33 of the optical output unit 130.
  • the laser light incident on the ring core 33 of the optical output unit 130 propagates inside the ring core 33 of the output optical fiber 30 and is directed from the laser emitting unit 4 toward the processing object W on the stage 6 as a part of the laser light L. It is irradiated (see FIG. 1).
  • the laser beam L including the laser beam generated by the laser light source 2 on the center side and the laser beam generated by the laser light source 3 on the outside thereof is the laser emitting portion. It is irradiated from 4 toward the workpiece W on the stage 6.
  • the inner diameter D 1 of the ring core 33 in the connection end surface 135 of the optical output unit 130 has a center O 2 common to the optical input unit 110, and the core 21 of the optical input unit 120.
  • the outer diameter D 2 of the ring core 33 has a center O 2 common to the optical input unit 110, which is equal to the diameter of the circle C 1 inscribed in the light input unit 120, and the diameter of the circle C 2 inscribed in the core 21 of the optical input unit 120. equal because, the cross-sectional area of the ring core 33 of the optical output portion 130 (S 2 in FIG. 6) becomes the minimum size that can cover all of the core 21 of six optical input 120 therein.
  • the optical power density of the laser beam incident on the ring core 33 of the output optical fiber 30 can be effectively increased.
  • the laser beam L having an annularly increased optical power density can be processed from the laser emitting unit 4.
  • the object W can be irradiated.
  • the ring core has an inner diameter of 150 ⁇ m and an outer diameter of 300 ⁇ m.
  • Output optical fiber is used.
  • the cross-sectional area of the ring core of such a conventional output optical fiber is calculated to be 53014 ⁇ m 2 .
  • the inner diameter D 1 of the ring core 33 of the optical output unit 130 is 220 ⁇ m, and the outer diameter D 2 is 280 ⁇ m.
  • the cross-sectional area of the ring core 33 is calculated to be 23562 ⁇ m 2 .
  • the cross-sectional area of the conventional ring core can be reduced from 53014 ⁇ m 2 to 23562 ⁇ m 2 (about 44%).
  • the outer diameter of the core 21 of the optical input unit 120 (optical fiber 20) from the viewpoint of increasing the optical power density of the laser light incident on the ring core 33 of the optical output unit 130.
  • the outer diameter of the core 21 of the optical fiber 20 is 1/4 or less of the outer diameter of the clad 22.
  • the outer diameter d 1 of the core 21 can be set to 10 ⁇ m.
  • the inner diameter D 1 240 ⁇ m of the ring core 33 of the optical output unit 130 from the above equation (1)
  • the outer diameter D 2 260 ⁇ m of the ring core 33 of the optical output unit 130 from the above equation (2).
  • the cross-sectional area of such a ring core 33 is calculated to be 7854 ⁇ m 2 . Therefore, in this case, the cross-sectional area of the conventional ring core can be reduced from 53014 ⁇ m 2 to 7854 ⁇ m 2 (about 15%), and as a result, the optical power of the laser beam incident on the ring core 33 of the output optical fiber 30. It is possible to increase the density by about 6.75 times.
  • the core 21 of the optical input unit 120 and the outer clad 34 and the inner clad 32 of the optical output unit 130 are used. Will come into contact with. Therefore, it is conceivable that the laser beam coupled from the core 21 of the optical input unit 120 to the ring core 33 of the optical output unit 130 tends to leak to the outer clad 34 and the inner clad 32.
  • the difference in the specific refractive index of the ring core 33 with respect to the outer clad 34 and the inner clad 32 of the optical output unit 130 (output optical fiber 30) is set to the optical input unit 120 (optical fiber 20).
  • the refractive indexes of the outer clad 34 and the inner clad 32 are the same, even if the laser beam leaks to either the outer clad 34 or the inner clad 32, the same region (center core 31, inner clad 32, ring core 33, And the clad mode light propagating in the outer clad 34).
  • the refractive index of the outer clad 34 is lower than the refractive index of the inner clad 32, the laser light leaked to the inner clad 32 propagates in the regions of the center core 31, the inner clad 32, and the ring core 33. However, only the laser light leaked to the outer clad 34 becomes the clad mode light propagating in the regions of the center core 31, the inner clad 32, the ring core 33, and the outer clad 34.
  • the difference in the specific refractive index of the ring core 33 with respect to the outer clad 34 of the optical output unit 130 (output optical fiber 30) is the difference in the specific refractive index of the core 21 with respect to the clad 22 of the optical input unit 120 (optical fiber 20). It is advantageous to make it larger than.
  • the output optical fiber 30 between the optical combiner 40 and the laser emitting unit 4 has excess light leaked from the center core 31 or the ring core 33 of the output optical fiber 30 to the outer clad 34.
  • a light removing unit 7 for removing the clad mode light is provided. Since a known structure (clad mode stripper) can be used as the light removing unit 7, the details thereof will be omitted. Since the light removing unit 7 can remove unnecessary light leaked from the center core 31 or the ring core 33 of the output optical fiber 30 to the outer clad 34, such light is emitted from the laser emitting unit 4. It is possible to suppress adverse effects on L.
  • the control unit 5 can control these laser light sources 2 and 3 by, for example, controlling the current supplied to the laser light sources 2 and 3.
  • the control unit 5 By controlling the laser light sources 2 and 3 by the control unit 5 in this way, the power of the laser light generated by the laser light source 2 and the power of the laser light generated by the laser light source 3 can be changed.
  • the power on the center side of the laser beam L output from the laser emitting unit 4 of the laser apparatus 1 and the power on the outer side thereof can be adjusted, and the profile of the laser beam L can be easily changed.
  • the cores 21 of all the optical input units 120 have the same diameter, and these optical input units 120 are equidistant from the center O 1 of the output optical fiber 30 (the center O 2 of the optical fiber 10). Since it is located, the circle C 1 inscribed in the core 21 of the optical input unit 120 is in contact with the core 21 of all the optical input units 120, and the circle C 2 inscribed in the core 21 of the optical input unit 120 is a circle C 2. Although it is in contact with the core 21 of all the optical input units 120, the present invention can be applied to other cases as well.
  • the area is surrounded by the core 21 of all the optical input units 120 and is surrounded by the area of the core 21 of all the optical input units 120.
  • the inside diameter D 1 of the ring core 33 at the connection end face 135 of the light output section 130 so as to be equal to the diameter circle having the largest diameter Just do it.
  • the ring core in the connection end surface 135 of the optical output unit 130 so as to be equal to the diameter of the circle having the smallest diameter (that is, the minimum inclusion circle) among the circles including the entire region of the core 21 of the optical input unit 120.
  • the outer diameter D 2 of 33 may be designed.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the optical combiner 240 according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is an exploded perspective view.
  • the optical combiner 240 in the present embodiment has an optical input unit 110 (first optical input unit) configured by a downstream end portion of the optical fiber 10 and a downstream portion of the optical fiber 20. It includes an optical input unit 320 (second optical input unit) composed of a side end portion and an optical adjusting member 220, and an optical output unit 130 composed of an upstream side end portion of the output optical fiber 30.
  • the upstream end surface of the optical adjustment member 220 of the optical input unit 320 is fused and connected to the downstream end surface of the optical fiber 20, and the downstream end surface of the optical adjustment member 220 is fused to the connection end surface 135 of the optical output unit 130. It is connected.
  • the optical adjustment member 220 is introduced into the ring core 33 of the output optical fiber 30 by changing the emission angle of the laser light propagating through the core 21 of the optical fiber 20, and is introduced into the ring core 33 of the output optical fiber 30 from the central axis of the member to a predetermined diameter.
  • the region is an optical waveguide of laser light (second input optical waveguide).
  • the region of the optical adjusting member 220 as an optical waveguide corresponds to the region of the core 21 of the optical input unit 120 in the first embodiment described above.
  • the GRIN Gradient
  • the GRIN Gradient
  • a lens member can be used.
  • Such a GRIN lens member can be formed, for example, by adding a dopant such as germanium (Ge) to a central portion of a cylindrical glass made of quartz at a high concentration.
  • a dopant such as germanium (Ge)
  • a lens member whose refractive index gradually increases from the central axis toward the outer side in the radial direction is used as the optical adjusting member 220.
  • Such a lens member can be formed, for example, by adding a dopant such as germanium (Ge) to the peripheral edge of a cylindrical glass made of quartz at a high concentration.
  • a dopant such as germanium (Ge)
  • the portion of the light adjusting member 220 whose refractive index increases in a parabolic shape from the central axis toward the outside in the radial direction becomes the optical waveguide of the laser beam.
  • the optical fiber whose diameter is reduced toward the output optical fiber 30 can be used as the optical adjustment member 220.
  • an optical fiber for example, an optical fiber that is the same as the optical fiber 20 and stretched so that the outer diameter becomes smaller toward the output optical fiber 30 can be used.
  • the core portion of the optical fiber used as the optical adjustment member 220 serves as an optical waveguide for laser light.
  • the inner diameter of the ring core 33 at the connection end surface 135 of the optical output unit 130 has a common center with the optical output unit 130, and is a circle inscribed in the optical waveguide of the optical adjustment member 220 of the optical input unit 320.
  • the outer diameter of the ring core 33 has a common center with the optical output unit 130 and is equal to the diameter of the circle circumscribing the optical waveguide of the optical adjustment member 220 of the optical input unit 320. It is designed to be. Therefore, the cross-sectional area of the ring core 33 of the optical output unit 130 can be made the minimum size that can internally include the optical waveguides of all the optical adjustment members 220 of the six optical input units 320.
  • the optical power density of the laser beam incident on the ring core 33 of the output optical fiber 30 can be effectively increased.
  • the laser beam L having a high optical power density in an annular shape is irradiated to the object W to be processed. be able to.
  • each optical input unit 320 includes the optical adjustment member 220, but only a part of the optical input unit 320 may include the optical adjustment member 220. Further, the optical input unit 110 may include a similar optical adjusting member.
  • FIG. 10 is a schematic block diagram showing the configuration of the laser device 401 according to the third embodiment of the present invention.
  • the laser apparatus 401 in the present embodiment has a plurality of laser light sources 402 (first laser light sources) that generate laser light, an optical fiber 410 connected to the laser light source 402, and laser light.
  • Light to be introduced into the output optical fiber 30 by combining the plurality of generated laser light sources 3 (second laser light source), the optical fiber 20 connected to the laser light source 3, and the laser light propagating through the optical fibers 20 and 410.
  • It includes a combiner 440 and a control unit 405 that controls the laser light sources 3, 402.
  • the laser light source 402 for example, a fiber laser or a semiconductor laser can be used.
  • FIG. 11 is a perspective view showing the optical combiner 440
  • FIG. 12 is an exploded perspective view.
  • the optical combiner 440 in the present embodiment includes a bridge fiber 450, an optical input unit 520 (first optical input unit) connected to the downstream side of the bridge fiber 450, and a laser light source. It is composed of a plurality of optical input units 120 (second optical input units) each composed of downstream end portions of the optical fiber 20 extending from 3 and downstream end portions of the optical fiber 410 extending from the laser light source 402. It includes a plurality of optical input units 510 (third optical input units) connected to the upstream side of the bridge fiber 450, and an optical output unit 130 composed of upstream end portions of the output optical fiber 30.
  • the optical input unit 520 is composed of an optical fiber 420 (intermediate optical fiber) having a core 421 and a clad 422 that covers the periphery of the core 421.
  • the refractive index of the clad 422 is lower than that of the core 421, and an optical waveguide (first input optical waveguide) through which light propagates is formed inside the core 421.
  • an optical waveguide (second input optical waveguide) through which light propagates is formed inside the core 21 of the optical fiber 20 constituting the optical input unit 120.
  • the laser light generated by the laser light source 3 propagates through the core 21 of the optical fiber 20 and reaches the optical input unit 120 of the optical combiner 440.
  • the optical fiber 410 constituting the optical input unit 510 has a core 411 and a clad 412 that covers the periphery of the core 411, and the refractive index of the clad 412 is the core. It is lower than the refractive index of 411.
  • the core 411 is formed of quartz glass (SiO 2 ), and a dopant having the property of lowering the refractive index (for example, fluorine (F) or boron (B)) is added to the quartz glass to form a clad 412. May be good.
  • the clad 412 may be formed of quartz glass (SiO 2 ), and the core 411 may be formed by adding a dopant having a property of increasing the refractive index (for example, germanium (Ge)).
  • a dopant having a property of increasing the refractive index for example, germanium (Ge)
  • an optical waveguide (third input optical waveguide) through which light propagates is formed inside the core 411 of the optical fiber 410. Therefore, the laser light generated by the laser light source 402 propagates through the core 411 of the optical fiber 410 and reaches the optical input unit 510 of the optical combiner 440.
  • the outer diameter of the core 411 of the optical fiber 410 is 30 ⁇ m
  • the outer diameter of the clad 412 is 125 ⁇ m. In the portion not shown in FIGS.
  • the periphery of the clad 412 of the optical fiber 410 is covered with, for example, a coating made of resin (not shown).
  • the optical fiber 410 and the optical fiber 20 are made of optical fibers having the same configuration and dimensions, but the optical fiber 410 and the optical fiber 20 may be made of different optical fibers. ..
  • the bridge fiber 450 has a core 451 and a clad 452 that covers the periphery of the core 451.
  • the refractive index of the clad 452 is lower than that of the core 451, and an optical waveguide through which light propagates is formed inside the core 451.
  • the bridge fiber 450 having such a core-clad structure inside has a first cylindrical portion 461 extending with a constant outer diameter along the optical axis, and a first cylindrical portion 461 gradually having an outer diameter along the optical axis. It includes a reduced diameter portion 462 in which the diameter is reduced, and a second cylindrical portion 463 extending from the reduced diameter portion 462 with a constant outer diameter along the optical axis direction.
  • the end surface of the first cylindrical portion 461 is a bridge incident surface 465 to which the downstream end portions of the respective optical input portions 510 are fused and connected.
  • the three optical input units 510 are connected to the bridge incident surface 465 of the bridge fiber 450 in a state of being in contact with each other.
  • the size of the core 451 on the bridge entrance surface 465 of the bridge fiber 450 is such that the core 411 of all the optical input units 510 can be contained therein, and the optical input unit 510 and the bridge fiber 450 are 3 All the cores 411 of the optical input unit 510 are fused and connected so as to be located in the region of the core 451 on the bridge entrance surface 465 of the bridge fiber 450.
  • the bridge fiber 450 is configured to propagate the laser light emitted from the core 411 of the optical input unit 510 into the core 451 and reduce the beam diameter by the reduced diameter portion 462.
  • the refractive index of the core 451 of the bridge fiber 450 is the refraction index of the core 411 of the optical input unit 510. It is preferable that it is substantially the same as the rate.
  • the end surface of the second cylindrical portion 463 located on the side opposite to the bridge entrance surface 465 in the optical axis direction is the bridge exit surface 466 to which the intermediate optical fiber 420 is fused and connected.
  • the size of the core 421 of the intermediate optical fiber 420 is larger than the size of the core 451 on the bridge exit surface 466 of the bridge fiber 450, and the bridge fiber 450 and the optical input unit 520 (intermediate optical fiber 420) Is fused and connected so that the core 451 of the bridge fiber 450 on the bridge exit surface 466 is located within the region of the core 421 of the intermediate optical fiber 420.
  • the intermediate optical fiber 420 of the optical input unit 520 is configured to propagate the laser light propagating through the core 451 of the bridge fiber 450 to the inside of the core 421.
  • the refractive index of the core 421 of the intermediate optical fiber 420 is the refraction of the core 451 of the bridge fiber 450. It is preferable that it is substantially the same as the rate.
  • the bridge fiber 450 in the present embodiment has a clad 452 on the outside of the core 451 as a low refractive index medium having a refractive index lower than that of the core 451.
  • a low refractive index medium is clad. It is not limited to the coating layer such as 452, and for example, an air layer may be formed around the core 451 and this air layer may be used as a low refractive index medium.
  • optical fiber 20 optical fiber 20
  • optical fiber 20 optical fiber 20
  • intermediate optical fiber 420 The downstream end of the optical input unit 120 and the downstream end of the optical input unit 520 (intermediate optical fiber 420) are fused and connected to the connection end surface 135 of the optical output unit 130.
  • six optical input units 120 are provided outside the optical input unit 520 (intermediate optical fiber 420).
  • the optical fibers 20 and 420 are arranged at equal distances from the center of the 420, and the adjacent optical fibers 20 and 420 are in close contact with each other.
  • connection ends of the optical input units 120 and 520 of the optical output unit 130 are arranged so that the center of the intermediate optical fiber 420 arranged in the center coincides with the center O 1 (see FIG. 2) of the output optical fiber 30. It is fused and connected to the connection end surface 135.
  • the area of the center core 31 of the optical output unit 130 is large enough to include the core 421 of the optical input unit 520 arranged in the center. Further, the region of the ring core 33 of the optical output unit 130 is sized so as to internally include all the cores 21 of the six optical input units 120.
  • the core 421 of the optical input unit 520 is located in the region of the center core 31 of the optical output unit 130, and all the cores 21 of the optical input unit 120 are the ring cores 33 of the optical output unit 130. It is fused and connected to the optical output unit 130 so as to be located within the region.
  • the laser light generated by the laser light source 402 propagates inside the core 411 of the optical fiber 410 and is incident on the core 451 of the bridge fiber 450 from the bridge incident surface 465 of the bridge fiber 450.
  • the laser beam incident on the core 451 of the bridge fiber 450 propagates through the core 451 of the bridge fiber 450 while being reflected at the interface between the core 451 and the clad 452, and the bridge is in a state where the beam diameter is reduced by the reduced diameter portion 462.
  • the laser beam introduced into the core 421 of the intermediate optical fiber 420 propagates inside the core 421 and is incident on the center core 31 of the optical output unit 130.
  • the laser light incident on the center core 31 of the optical output unit 130 propagates inside the center core 31 and is emitted from the laser emitting unit 4 toward the processing object W on the stage 6 as a part of the laser light L (FIG. See 10).
  • the laser light generated by the laser light source 3 propagates through the core 21 of the optical fiber 20 and is incident on the ring core 33 of the optical output unit 130.
  • the laser light incident on the ring core 33 of the optical output unit 130 propagates inside the ring core 33 and is emitted from the laser emitting unit 4 toward the processing object W on the stage 6 as a part of the laser light L (FIG. See 10).
  • the laser light from the plurality of laser light sources 402 can be coupled by the bridge fiber 450 and introduced into the center core 31 of the optical output unit 130, so that the center core 31 of the output optical fiber 30 is propagated.
  • the power of the laser beam can be easily increased.
  • the control unit 405 can control these laser light sources 3, 402, for example, by controlling the current supplied to the laser light sources 3, 402.
  • the control unit 405 can control the laser light sources 3 and 402 by the control unit 405 in this way, the power of the laser light generated by the laser light source 3 and the power of the laser light generated by the laser light source 402 can be changed.
  • the power on the center side of the laser beam L output from the laser emitting unit 4 of the laser apparatus 401 and the power on the outside thereof can be adjusted, and the profile of the laser beam L can be easily changed.
  • the inner diameter D 1 (see FIG. 2) of the ring core 33 at the connection end surface 135 of the optical output unit 130 has a common center with the optical output unit 130 and is inscribed in the core 21 of the optical input unit 120.
  • the outer diameter D 2 of the ring core 33 (see FIG. 2) has a common center with the optical output section 130 and is the diameter of the circle circumscribing the core 21 of the optical input section 120. Is designed to be equal to. Therefore, the cross-sectional area of the ring core 33 of the optical output unit 130 can be made the minimum size that can include all the cores 21 of the six optical input units 120 inside.
  • the optical power density of the laser beam incident on the ring core 33 of the output optical fiber 30 can be effectively increased.
  • the laser beam L having a high optical power density in an annular shape is irradiated to the object W to be processed. be able to.
  • At least one of the optical input units 120 and 520 may include an optical adjusting member as described in the second embodiment.
  • an optical adjusting member By using such a light adjusting member, the beam profile of the laser beam L emitted from the laser emitting unit 4 can be adjusted to a desired form.
  • the output optical fiber 30 (optical output unit 130) in the above-described embodiment has two optical waveguides including a center core 31 and a ring core 33, but the output optical fiber 30 has three or more optical waveguides. You may be doing it. Further, the cross-sectional shape of the core (optical waveguide) included in the output optical fiber 30 is not limited to the circular shape or the annular shape as shown in the figure.
  • the output optical fiber 30 (optical output unit 130) in the above-described embodiment has two clads 32 and 34
  • the output optical fiber 30 may have a single clad layer. , Or may have three or more clad layers.
  • the refractive index such that the ring core 33 corresponds to the first clad of the center core 31 without the inner clad 32 of the output optical fiber 30 in the above-described embodiment exists. Those having a profile are conceivable.
  • an outer clad 34 is formed around the ring core 33, and such a low refractive index medium is like the outer clad 34.
  • the present invention is not limited to the coating layer, and for example, an air layer may be formed around the ring core 33, and this air layer may be used as a low refractive index medium.
  • the configuration of the laser light source 2, the configuration of the laser light source 3, and the configuration of the laser light source 402 may be the same or different. Further, the wavelength of the laser light generated by the laser light source 2, the wavelength of the laser light generated by the laser light source 3, and the wavelength of the laser light generated by the laser light source 402 may be the same or different. May be good.
  • an optical combiner capable of increasing the optical power density of light propagating in the outer core in the optical output unit.
  • This optical combiner includes at least one first optical input unit having a first input optical waveguide, a plurality of second optical input units each having a second input optical waveguide, and at least one first optical waveguide. It includes an optical input unit and an optical output unit having a connection end face to which the plurality of second optical input units are connected.
  • the optical output unit has a refractive index lower than that of the first core to which the first input optical waveguide of the at least one first optical input unit is optically coupled and the refractive index of the first core.
  • the second core has a refractive index higher than that of the first clad and covers the periphery of the first clad.
  • the inner diameter of the second core at the connection end face of the optical output unit is equal to the diameter of the circle inscribed in the second input optical waveguide of the plurality of second optical input units.
  • the outer diameter of the second core at the connection end face of the optical output unit is equal to the diameter of the circle circumscribing the second input optical waveguide of the plurality of second optical input units.
  • the inner diameter of the second core at the connection end surface of the optical output unit is equal to the diameter of the circle inscribed in the second input optical waveguide of the second optical input unit, and the inner diameter of the second core is equal to that of the second core. Since the outer diameter is equal to the diameter of the circle circumscribing the second input optical waveguide of the second optical input section, the cross-sectional area of the second core of the optical output section is all the second of the second optical input section. It is the minimum size that can include the input optical waveguide of 2. As a result, the optical power density of the laser beam incident on the second core of the optical output unit can be effectively increased.
  • At least one second optical input unit among the plurality of second optical input units has a core as the second input optical waveguide and a refractive index lower than the refractive index of the core, and the core has a refractive index lower than that of the core. It may include an optical fiber including a clad that surrounds the.
  • the diameter of the core of the optical fiber may be 1/4 or less of the diameter of the clad. As described above, if the diameter of the core of the optical fiber is set to 1/4 or less of the diameter of the clad, the optical power density of the light incident on the second core of the optical output unit can be further increased.
  • the optical output unit has a refractive index lower than that of the second core, and may further include a second clad that covers the periphery of the second core.
  • the difference in the specific refractive index of the second core with respect to the second clad of the optical output unit is larger than the difference in the specific refractive index of the core with respect to the clad of the optical fiber. According to such a configuration, it is possible to prevent the light coupled from the core of the optical fiber to the second core of the optical output unit from leaking to the second clad of the optical output unit.
  • At least one second optical input unit among the plurality of second optical input units may include an emission angle adjusting member capable of adjusting the emission angle of light propagating through the second input optical waveguide. .. By using such an optical adjusting member, the characteristics of light introduced from the second optical input unit to the second core of the optical output unit can be changed to a desired form.
  • the optical combiner may further include a plurality of third optical input units each having a third input optical waveguide, and a bridge fiber.
  • the diameter of this bridge fiber gradually increases as it moves away from the bridge incident surface along the optical axis direction and the bridge incident surface to which the third input optical waveguide of the plurality of third optical input units is optically coupled. It has a reduced diameter portion that becomes smaller and a bridge exit surface that is opposite to the bridge entrance surface in the optical axis direction.
  • the at least one first optical input unit includes an intermediate optical fiber including a core optically coupled to the bridge exit surface of the bridge fiber. According to such a configuration, light from a plurality of third optical input units can be coupled by a bridge fiber and introduced into the first core of the optical output unit, so that the first core of the optical output unit can be introduced. The power of light propagating can be easily increased.
  • a laser device capable of outputting a laser beam having a high light power density on the outside.
  • This laser apparatus includes at least one first laser light source that generates a laser beam, at least one second laser light source that generates a laser beam, and the above-mentioned optical combiner.
  • the first input optical waveguide of the at least one first optical input unit of the optical combiner is optically coupled to the at least one first laser light source.
  • the second input optical waveguide of at least one second optical input unit of the plurality of second optical input units of the optical combiner is optically coupled to the at least one second laser light source. ..
  • the optical power density of the laser beam incident on the second core of the optical output unit of the optical combiner can be effectively increased, so that the outer optical power density is increased. It is possible to output the increased laser light.
  • the laser device may further include a light removing unit that removes light leaking from the first core or the second core of the optical output unit of the optical combiner. With such a light removing unit, it is possible to remove unnecessary light leaking from the second core of the optical output unit of the optical combiner.
  • the laser device is generated by the at least one first laser light source and the plurality of second laser light sources by controlling the at least one first laser light source and the plurality of second laser light sources.
  • a control unit for adjusting the output of the laser beam may be further provided. With such a control unit, the power on the center side of the laser beam output from the laser apparatus and the power on the outer side thereof can be adjusted, and the profile of the laser beam can be easily changed.
  • the present invention is suitably used for an optical combiner that combines and outputs light propagating through a plurality of optical fibers.

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Abstract

光出力部における外側のコアを伝搬する光の光パワー密度を高めることができる光コンバイナを提供する。光コンバイナ４０は、コア１１，２１を有する光入力部１１０，１２０が接続される接続端面１３５を有する光出力部１３０を備える。光出力部１３０は、光入力部１１０のコア１１が光学的に結合されるセンタコア３１と、センタコア３１の周囲を覆う内側クラッド３２と、第２の光入力部１２０のコア２１が光学的に結合されるリングコア３３とを含んでいる。光出力部１３０の接続端面１３５におけるリングコア３３の内径Ｄ1は、光入力部１２０のコア２１に接する円Ｃ1の直径と等しい。光出力部１３０の接続端面１３５におけるリングコア３３の外径Ｄ2は、光入力部１２０のコア２１に接する円Ｃ2の直径と等しい。

Description

光コンバイナ及びレーザ装置
　本発明は、光コンバイナ及びレーザ装置に係り、特に複数の光ファイバを伝搬する光を結合して出力する光コンバイナに関するものである。
　レーザ加工の分野では、加工速度や加工品質などの加工性能を向上する上で、加工対象物に照射するレーザ光のビームプロファイルを加工対象物の材料や厚みに合わせて変更することが重要である。近年、このような観点から、出力側の光ファイバに複数の光導波路を形成し、これらの光導波路のそれぞれに導入するレーザ光を制御することによって、加工対象物に照射されるレーザ光のビームプロファイルを所望の形態に変化させる技術も開発されている。
　例えば、特許文献１及び特許文献２には、光導波路として中心コアとその周囲に位置する外側コアとを有する出力光ファイバにレーザ光を導入するための光コンバイナとして、出力光ファイバの中心コアに対応して中心側に１以上の光ファイバ（中心側光ファイバ）を配置し、出力光ファイバの外側コアに対応して中心側光ファイバの周囲に複数の光ファイバ（外側光ファイバ）を環状に配置したものが開示されている（特許文献１の図８ａ及び図８ｂ、特許文献２の図１４参照）。
　このような出力光ファイバの外側コアは中心コアよりも半径方向外側に位置しているため、内径及び外径が大きくなりやすい。また、複数の外側光ファイバからの光を効率良く出力光ファイバの外側コアに結合させるために、出力光ファイバの外側コアの領域は外側光ファイバのコアの領域を包含するような大きさとされるのが通常である。この結果、出力光ファイバの外側コアの断面積は大きくなる傾向にある。
　このように出力光ファイバの外側コアの断面積が大きくなると、出力光ファイバの外側コアを伝搬するレーザ光の光パワー密度が低くなってしまう。このため、例えば環状に光パワー密度が高くなったビームプロファイルを有するレーザ光を出力光ファイバから出力したい場合などには、従来の光コンバイナでは十分に対応することができない。
特開２００９－１４５８８８号公報 米国特許第９６２０９２５号明細書
　本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、光出力部における外側のコアを伝搬する光の光パワー密度を高めることができる光コンバイナを提供することを第１の目的とする。
　また、本発明は、外側の光パワー密度が高くなったレーザ光を出力することができるレーザ装置を提供することを第２の目的とする。
　本発明の第１の態様によれば、光出力部における外側のコアを伝搬する光の光パワー密度を高めることができる光コンバイナが提供される。この光コンバイナは、第１の入力光導波路を有する少なくとも１つの第１の光入力部と、第２の入力光導波路をそれぞれ有する複数の第２の光入力部と、上記少なくとも１つの第１の光入力部及び上記複数の第２の光入力部が接続される接続端面を有する光出力部とを備える。上記光出力部は、上記少なくとも１つの第１の光入力部の上記第１の入力光導波路が光学的に結合される第１のコアと、上記第１のコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記第１のコアの周囲を覆う第１のクラッドと、上記複数の第２の光入力部の上記第２の入力光導波路が光学的に結合される第２のコアとを含んでいる。上記第２のコアは、上記第１のクラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、上記第１のクラッドの周囲を覆っている。上記光出力部の上記接続端面における上記第２のコアの内径は、上記複数の第２の光入力部の上記第２の入力光導波路に内接する円の直径と等しい。上記光出力部の上記接続端面における上記第２のコアの外径は、上記複数の第２の光入力部の上記第２の入力光導波路に外接する円の直径と等しい。本明細書において、要素Ｘが複数存在する場合に、これらの要素Ｘに内接する円とは、複数の要素Ｘの領域に囲まれ、かつ、すべての要素Ｘの領域に重ならない円のうち、最大の直径を有する円を意味する。また、これらの要素Ｘに外接する円とは、複数の要素Ｘの領域をすべて包含する円のうち、最小の直径を有する円（すなわち最小包含円）を意味する。
　本発明の第２の態様によれば、外側の光パワー密度が高くなったレーザ光を出力することができるレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、レーザ光を生成する少なくとも１つの第１のレーザ光源と、レーザ光を生成する少なくとも１つの第２のレーザ光源と、上述した光コンバイナとを備える。上記光コンバイナの上記少なくとも１つの第１の光入力部の上記第１の入力光導波路は、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源に光学的に結合される。上記光コンバイナの上記複数の第２の光入力部のうち少なくとも１つの第２の光入力部の上記第２の入力光導波路は、上記少なくとも１つの第２のレーザ光源に光学的に結合される。
図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す模式的ブロック図である。 図２は、図１に示すレーザ装置の出力光ファイバの断面を半径方向に沿った屈折率分布とともに示す図である。 図３は、図１に示すレーザ装置の光コンバイナを示す斜視図である。 図４は、図３に示す光コンバイナの分解斜視図である。 図５は、図３に示す光コンバイナの光入力部の下流側端部を示す断面図である。 図６は、図３に示す光コンバイナの光入力部の接続端部と光出力部の接続端面との接続関係を模式的に示す図である。 図７は、図５に示す光入力部を模式的に示す図である。 図８は、本発明の第２の実施形態における光コンバイナを示す斜視図である。 図９は、図８に示す光コンバイナの分解斜視図である。 図１０は、本発明の第３の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す模式的ブロック図である。 図１１は、図１０に示すレーザ装置の光コンバイナを示す斜視図である。 図１２は、図１１に示す光コンバイナの分解斜視図である。
　以下、本発明に係る光コンバイナを含むレーザ装置の実施形態について図１から図１２を参照して詳細に説明する。図１から図１２において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図１２においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。
　図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置１の構成を示す模式的ブロック図である。図１に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１は、レーザ光を生成するレーザ光源２（第１のレーザ光源）と、レーザ光源２に接続される光ファイバ１０と、レーザ光を生成する複数のレーザ光源３（第２のレーザ光源）と、レーザ光源３に接続される光ファイバ２０と、光ファイバ１０，２０が接続される出力光ファイバ３０と、光ファイバ１０，２０を伝搬するレーザ光を結合して出力光ファイバ３０に導入する光コンバイナ４０と、出力光ファイバ３０の端部に設けられたレーザ出射部４と、レーザ光源２，３を制御する制御部５と、加工対象物Ｗを保持するステージ６とを備えている。レーザ光源２，３としては例えばファイバレーザや半導体レーザを用いることができる。なお、以下の実施形態では、特に言及がない場合には、レーザ光源２，３からレーザ出射部４に向かう方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。
　図２は、出力光ファイバ３０の断面を半径方向に沿った屈折率分布とともに示す図である。図２に示すように、出力光ファイバ３０は、センタコア３１（第１のコア）と、センタコア３１の周囲を覆う内側クラッド３２（第１のクラッド）と、内側クラッド３２の周囲を覆うリングコア３３（第２のコア）と、リングコア３３の周囲を覆う外側クラッド３４（第２のクラッド）とを有している。
　内側クラッド３２の屈折率はセンタコア３１及びリングコア３３の屈折率よりも低くなっており、外側クラッド３４の屈折率はリングコア３３の屈折率よりも低くなっている。これにより、センタコア３１とリングコア３３の内部にはそれぞれ光が伝搬する光導波路が形成される。このように、本実施形態では、それぞれ独立した光導波路であるセンタコア３１とリングコア３３とが出力光ファイバ３０の内部に同心状に配置されている。例えば、センタコア３１及びリングコア３３を石英ガラス（ＳｉＯ2）により形成し、屈折率を低下させる性質を有するドーパント（例えばフッ素（Ｆ）やホウ素（Ｂ））を石英ガラスに添加することにより内側クラッド３２及び外側クラッド３４を形成してもよい。あるいは、内側クラッド３２及び外側クラッド３４を石英ガラス（ＳｉＯ2）により形成し、屈折率を上昇させる性質を有するドーパント（例えばゲルマニウム（Ｇｅ））を添加することによりセンタコア３１及びリングコア３３を形成してもよい。なお、外側クラッド３４の周囲は例えば樹脂からなる被覆（図３の符号３５）により覆われているが、図２においてはこの被覆の図示を省略している。
　出力光ファイバ３０のセンタコア３１の外径、内側クラッド３２の外径、リングコア３３の外径、及び外側クラッド３４の外径はレーザ出射部４から出射されるレーザ光Ｌの強度分布を決定する重要なファクターであるが、レーザ装置１の用途や出力仕様に応じて適宜設定することができる。特に、本実施形態では、後述するように、リングコア３３を伝搬するレーザ光の光パワー密度が大きくなるようにリングコア３３の内径と外径が設計されている。一例として、センタコア３１の外径は１００μｍ、内側クラッド３２の外径（リングコア３３の内径）は２２０μｍ、リングコア３３の外径は２８０μｍ、外側クラッド３４の外径は３７５μｍである。また、内側クラッド３２の屈折率と外側クラッド３４の屈折率とは同じであってもよいし、異なっていてもよい。
　図３は光コンバイナ４０を示す斜視図、図４は分解斜視図である。図３及び図４に示すように、本実施形態における光コンバイナ４０は、レーザ光源２から延びる光ファイバ１０の下流側端部により構成される光入力部１１０（第１の光入力部）と、レーザ光源３から延びる光ファイバ２０の下流側端部によりそれぞれ構成される複数の光入力部１２０（第２の光入力部）と、出力光ファイバ３０の上流側端部によって構成される光出力部１３０とを含んでいる。
　図３及び図４に示すように、光入力部１１０を構成している光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の周囲を覆うクラッド１２とを有しており、クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低くなっている。例えば、コア１１を石英ガラス（ＳｉＯ2）により形成し、屈折率を低下させる性質を有するドーパント（例えばフッ素（Ｆ）やホウ素（Ｂ））を石英ガラスに添加することによりクラッド１２を形成してもよい。あるいは、クラッド１２を石英ガラス（ＳｉＯ2）により形成し、屈折率を上昇させる性質を有するドーパント（例えばゲルマニウム（Ｇｅ））を添加することによりコア１１を形成してもよい。これにより、光ファイバ１０のコア１１の内部には光が伝搬する光導波路（第１の入力光導波路）が形成される。したがって、レーザ光源２で生成されたレーザ光は、光ファイバ１０のコア１１の内部を伝搬するようになっている。一例として、光ファイバ１０のコア１１の外径は３０μｍ、クラッド１２の外径は１２５μｍである。なお、図３及び図４に示されていない部分においては、光ファイバ１０のクラッド１２の周囲が例えば樹脂からなる被覆（図示せず）で覆われている。
　また、光入力部１２０を構成している光ファイバ２０は、コア２１と、コア２１の周囲を覆うクラッド２２とを有しており、クラッド２２の屈折率はコア２１の屈折率よりも低くなっている。例えば、コア２１を石英ガラス（ＳｉＯ2）により形成し、屈折率を低下させる性質を有するドーパント（例えばフッ素（Ｆ）やホウ素（Ｂ））を石英ガラスに添加することによりクラッド２２を形成してもよい。あるいは、クラッド２２を石英ガラス（ＳｉＯ2）により形成し、屈折率を上昇させる性質を有するドーパント（例えばゲルマニウム（Ｇｅ））を添加することによりコア２１を形成してもよい。これにより、光ファイバ２０のコア２１の内部には光が伝搬する光導波路（第２の入力光導波路）が形成される。したがって、レーザ光源３で生成されたレーザ光は、光ファイバ２０のコア２１の内部を伝搬するようになっている。一例として、光ファイバ２０のコア２１の外径は３０μｍ、クラッド２２の外径は１２５μｍである。なお、図３及び図４に示されていない部分においては、光ファイバ２０のクラッド２２の周囲が例えば樹脂からなる被覆（図示せず）で覆われている。また、本実施形態では、光ファイバ１０と光ファイバ２０とが同一の構成及び寸法の光ファイバにより構成されているが、光ファイバ１０と光ファイバ２０とが異なる光ファイバにより構成されていてもよい。
　図３及び図４に示すように、光出力部１３０では、出力光ファイバ３０の外側クラッド３４の周囲を覆っている被覆３５の上流側端部が除去され、外側クラッド３４が外部に露出している。この外側クラッド３４が露出した部分に上述した光入力部１１０，１２０が融着接続されている。具体的には、光出力部１３０の上流側端面（接続端面）１３５に、光入力部１１０（光ファイバ１０）の下流側端部と光入力部１２０（光ファイバ２０）の下流側端部とがそれぞれ融着接続される。
　図５は、光出力部１３０の接続端面１３５に接続される光入力部１１０，１２０の下流側端部（接続端部）を示す断面図である。図５に示すように、光入力部１１０，１２０の接続端部においては、１つの光入力部１１０（光ファイバ１０）の外側に６つの光入力部１２０（光ファイバ２０）が光ファイバ１０の中心Ｏ2から等距離に配置されており、隣り合う光ファイバ１０，２０が互いに接した最密状態となっている。ここで、光入力部１１０，１２０の接続端部は、中央に配置される光ファイバ１０の中心Ｏ2が出力光ファイバ３０の中心Ｏ1（図２参照）と一致するように光出力部１３０の接続端面１３５に接続される。
　図６は、光入力部１１０，１２０の接続端部と光出力部１３０の接続端面１３５との接続関係を模式的に示す図である。図６に示すように、光出力部１３０のセンタコア３１の領域Ｓ1（内側の網掛け領域）は、中央に配置される光入力部１１０のコア１１を内部に包含できるような大きさとなっている。また、光出力部１３０のリングコア３３の領域Ｓ2（外側の網掛け領域）は、６つの光入力部１２０のすべてのコア２１を内部に包含できる最小の大きさとなっている。そして、光入力部１１０，１２０は、光入力部１１０のコア１１が光出力部１３０のセンタコア３１の領域内に位置し、光入力部１２０のすべてのコア２１が光出力部１３０のリングコア３３の領域内に位置するように光出力部１３０に融着接続される。
　上述した例では、光出力部１３０の接続端面１３５におけるリングコア３３の内径Ｄ1（図２参照）は２２０μｍであり、外径Ｄ2（図２参照）は２８０μｍとなっている。この光出力部１３０の接続端面１３５におけるリングコア３３の内径Ｄ1は、光入力部１１０（光ファイバ１０）と共通の中心Ｏ2を有し、光入力部１２０のコア２１に内接する円Ｃ1（図７参照）の直径と等しく、リングコア３３の外径Ｄ2は、光入力部１１０（光ファイバ１０）と共通の中心Ｏ2を有し、光入力部１２０のコア２１に外接する円Ｃ2（図７参照）の直径と等しくなっている。なお、本明細書において、リングコア３３の内径又は外径がある数値に等しいという場合には、製造上の誤差を含めてその数値から±１０μｍの範囲内にあることを意味している。
　本実施形態では、光入力部１１０の光ファイバ１０及び光入力部１２０の光ファイバ２０が同一の寸法を有しているため、光ファイバ１０，２０のコア１１，２１の外径をｄ1、クラッド１２，２２の外径をｄ2とすると、リングコア３３の内径Ｄ1及び外径Ｄ2は以下の式（１）及び式（２）により表すことができる。
　　Ｄ1＝２ｄ2－ｄ1　・・・（１）
　　Ｄ2＝２ｄ2＋ｄ1　・・・（２）
　このような構成により、レーザ光源２で生成されたレーザ光は、光ファイバ１０のコア１１の内部を伝搬して、光コンバイナ４０の光入力部１１０に至り、光出力部１３０のセンタコア３１に入射する。光出力部１３０のセンタコア３１に入射したレーザ光は、出力光ファイバ３０のセンタコア３１の内部を伝搬してレーザ出射部４からレーザ光Ｌの一部としてステージ６上の加工対象物Ｗに向けて照射される（図１参照）。
　また、レーザ光源３で生成されたレーザ光は、光ファイバ２０のコア２１の内部を伝搬して、光コンバイナ４０の光入力部１２０に至り、光出力部１３０のリングコア３３に入射する。光出力部１３０のリングコア３３に入射したレーザ光は、出力光ファイバ３０のリングコア３３の内部を伝搬してレーザ出射部４からレーザ光Ｌの一部としてステージ６上の加工対象物Ｗに向けて照射される（図１参照）。
　このように、本実施形態のレーザ装置１においては、中心側にレーザ光源２で生成されたレーザ光を含み、その外側にレーザ光源３で生成されたレーザ光を含むレーザ光Ｌがレーザ出射部４からステージ６上の加工対象物Ｗに向けて照射される。特に、本実施形態では、上述したように、光出力部１３０の接続端面１３５におけるリングコア３３の内径Ｄ1が、光入力部１１０と共通の中心Ｏ2を有し、光入力部１２０のコア２１に内接する円Ｃ1の直径と等しく、リングコア３３の外径Ｄ2が、光入力部１１０と共通の中心Ｏ2を有し、光入力部１２０のコア２１に外接する円Ｃ2の直径と等しいため、光出力部１３０のリングコア３３の断面積（図６のＳ2）が、６つの光入力部１２０のすべてのコア２１を内部に包含できる最小の大きさとなる。これにより、出力光ファイバ３０のリングコア３３に入射されるレーザ光の光パワー密度を効果的に高めることができ、例えば環状に光パワー密度が高くなったレーザ光Ｌをレーザ出射部４から加工対象物Ｗに照射することができる。
　例えば、上述した光ファイバ１０，２０のコア１１，２１の外径ｄ1が３０μｍ、クラッド１２，２２の外径ｄ2が１２５μｍである場合、従来では、内径１５０μｍ、外径３００μｍのリングコアを有する出力光ファイバが用いられる。このような従来の出力光ファイバのリングコアの断面積を計算すると５３０１４μｍ2となる。これに対して、本実施形態では、上述したように、光出力部１３０のリングコア３３の内径Ｄ1は２２０μｍ、外径Ｄ2は２８０μｍである。このリングコア３３の断面積を計算すると２３５６２μｍ2となる。このように、本実施形態によれば、従来のリングコアの断面積を５３０１４μｍ2から２３５６２μｍ2（約４４％）に小さくすることができる。この結果、出力光ファイバ３０のリングコア３３に入射されるレーザ光の光パワー密度を約２．２５倍にすることが可能である。
　ここで、光出力部１３０のリングコア３３に入射されるレーザ光の光パワー密度を高めるという点から、光入力部１２０（光ファイバ２０）のコア２１の外径を小さくすることが好ましい。例えば、光ファイバ２０のコア２１の外径をクラッド２２の外径の１／４以下にすることが好ましい。光ファイバ２０としてクラッド２２の外径ｄ2が１２５μｍのものを用いる場合には、例えばコア２１の外径ｄ1を１０μｍにすることができる。この場合には、上記式（１）より光出力部１３０のリングコア３３の内径Ｄ1＝２４０μｍ、上記式（２）より光出力部１３０のリングコア３３の外径Ｄ2＝２６０μｍとなる。このようなリングコア３３の断面積を計算すると７８５４μｍ2となる。したがって、この場合には、従来のリングコアの断面積を５３０１４μｍ2から７８５４μｍ2（約１５％）に小さくすることができ、この結果、出力光ファイバ３０のリングコア３３に入射されるレーザ光の光パワー密度を約６．７５倍にすることが可能である。
　上記のような構成の光コンバイナ４０では、光入力部１１０，１２０と光出力部１３０との融着接続部において、光入力部１２０のコア２１と光出力部１３０の外側クラッド３４及び内側クラッド３２とが接することとなる。このため、光入力部１２０のコア２１から光出力部１３０のリングコア３３に結合するレーザ光が外側クラッド３４及び内側クラッド３２に漏洩しやすくなることが考えられる。したがって、このようなレーザ光の漏洩を抑制するために、光出力部１３０（出力光ファイバ３０）の外側クラッド３４及び内側クラッド３２に対するリングコア３３の比屈折率差を光入力部１２０（光ファイバ２０）のクラッド２２に対するコア２１の比屈折率差よりも大きくすることが好ましい。例えば、外側クラッド３４と内側クラッド３２の屈折率が同一である場合、レーザ光が外側クラッド３４及び内側クラッド３２のいずれに漏洩したとしても、同一の領域（センタコア３１、内側クラッド３２、リングコア３３、及び外側クラッド３４）内を伝搬するクラッドモード光となる。これに対して、外側クラッド３４の屈折率が内側クラッド３２の屈折率よりも低い場合には、内側クラッド３２に漏洩したレーザ光は、センタコア３１、内側クラッド３２、及びリングコア３３の領域内を伝搬するクラッドモード光となるが、外側クラッド３４に漏洩したレーザ光のみが、センタコア３１、内側クラッド３２、リングコア３３、及び外側クラッド３４の領域内を伝搬するクラッドモード光となる。この観点からは、特に、光出力部１３０（出力光ファイバ３０）の外側クラッド３４に対するリングコア３３の比屈折率差を光入力部１２０（光ファイバ２０）のクラッド２２に対するコア２１の比屈折率差よりも大きくすることが有利である。
　ここで、図１に示すように、光コンバイナ４０とレーザ出射部４との間の出力光ファイバ３０には、出力光ファイバ３０のセンタコア３１又はリングコア３３から外側クラッド３４に漏洩した余剰な光（クラッドモード光）を除去するための光除去部７が設けられている。この光除去部７としては公知の構造（クラッドモードストリッパ）を用いることができるため、その詳細については説明を省略する。この光除去部７によって、出力光ファイバ３０のセンタコア３１又はリングコア３３から外側クラッド３４に漏洩した不要な光を除去することができるため、このような光がレーザ出射部４から出射されるレーザ光Ｌに悪影響を与えることを抑制できる。
　制御部５は、例えばレーザ光源２，３に供給する電流を制御することなどによって、これらのレーザ光源２，３を制御できるようになっている。このように制御部５によってレーザ光源２，３を制御することによって、レーザ光源２によって生成されるレーザ光のパワー及びレーザ光源３によって生成されるレーザ光のパワーを変更することができる。これにより、レーザ装置１のレーザ出射部４から出力されるレーザ光Ｌの中心側のパワーとその外側のパワーを調整することができ、レーザ光Ｌのプロファイルを容易に変化させることができる。
　上述の例では、すべての光入力部１２０のコア２１が同一の直径を有し、これらの光入力部１２０が出力光ファイバ３０の中心Ｏ1（光ファイバ１０の中心Ｏ2）から等距離に位置しているため、光入力部１２０のコア２１に内接する円Ｃ1は、すべての光入力部１２０のコア２１と接しており、光入力部１２０のコア２１に外接する円Ｃ2は、すべての光入力部１２０のコア２１と接しているが、本発明はそれ以外の場合にも適用することができる。すなわち、光入力部１２０のコア２１の直径や出力光ファイバ３０の中心Ｏ1からの距離が光入力部１２０によって異なる場合には、すべての光入力部１２０のコア２１の領域に囲まれ、かつ、すべての光入力部１２０のコア２１の領域と重ならない円のうち、最大の直径を有する円の直径と等しくなるように光出力部１３０の接続端面１３５におけるリングコア３３の内径Ｄ1を設計すればよい。また、すべての光入力部１２０のコア２１の領域をすべて包含する円のうち、最小の直径を有する円（すなわち最小包含円）の直径と等しくなるように光出力部１３０の接続端面１３５におけるリングコア３３の外径Ｄ2を設計すればよい。
　図８は本発明の第２の実施形態における光コンバイナ２４０を示す斜視図、図９は分解斜視図である。図８及び図９に示すように、本実施形態における光コンバイナ２４０は、光ファイバ１０の下流側端部により構成される光入力部１１０（第１の光入力部）と、光ファイバ２０の下流側端部と光調整部材２２０とにより構成される光入力部３２０（第２の光入力部）と、出力光ファイバ３０の上流側端部によって構成される光出力部１３０とを含んでいる。光入力部３２０の光調整部材２２０の上流側端面は、光ファイバ２０の下流側端部に融着接続され、光調整部材２２０の下流側端面は、光出力部１３０の接続端面１３５に融着接続されている。
　光調整部材２２０は、光ファイバ２０のコア２１を伝搬してきたレーザ光の出射角度を変化させて出力光ファイバ３０のリングコア３３に導入するものであり、この部材の中心軸から所定の径までの領域がレーザ光の光導波路（第２の入力光導波路）となっている。本実施形態では、この光調整部材２２０の光導波路としての領域が、上述した第１の実施形態における光入力部１２０のコア２１の領域に対応することとなる。このように光ファイバ２０のコア２１を伝搬するレーザ光の出射角度を変化させてから出力光ファイバ３０のリングコア３３に導入することで、レーザ出射部４から出射されるレーザ光Ｌのビームプロファイルを所望の形態に調整することができる。一例として、光調整部材２２０の外径は１２５μｍである。
　光ファイバ２０のコア２１を伝搬してきた光の出射角度を小さくする場合には、例えば、光調整部材２２０として中心軸から半径方向外側に向かって次第に屈折率が低くなったＧＲＩＮ（Graded Index又はGradient Index）レンズ部材を用いることができる。このようなＧＲＩＮレンズ部材は、例えば、石英からなる円筒ガラスの中心部にゲルマニウム（Ｇｅ）などのドーパントを高濃度に添加することにより形成することができる。この場合には、光調整部材２２０のうち中心軸から半径方向外側に向かって放物線状に屈折率が低くなっている部分がレーザ光の光導波路となる。
　また、光ファイバ２０のコア２１を伝搬する光の出射角度を大きくする場合には、例えば、光調整部材２２０として中心軸から半径方向外側に向かって次第に屈折率が高くなったレンズ部材を用いることができる。このようなレンズ部材は、例えば、石英からなる円筒ガラスの周縁部にゲルマニウム（Ｇｅ）などのドーパントを高濃度に添加することにより形成することができる。この場合には、光調整部材２２０のうち中心軸から半径方向外側に向かって放物線状に屈折率が高くなっている部分がレーザ光の光導波路となる。
　さらに、光ファイバ２０のコア２１を伝搬する光の出射角度を大きくする場合には、例えば、出力光ファイバ３０に向かって縮径された光ファイバを光調整部材２２０として用いることができる。このような光ファイバとしては、例えば光ファイバ２０と同一の光ファイバを出力光ファイバ３０に向かうにつれて外径が小さくなるように延伸したものを用いることができる。この場合には、光調整部材２２０として用いられる光ファイバのコアの部分がレーザ光の光導波路となる。
　本実施形態においては、光出力部１３０の接続端面１３５におけるリングコア３３の内径が、光出力部１３０と共通の中心を有し、光入力部３２０の光調整部材２２０の光導波路に内接する円の直径と等しくなるように設計されており、リングコア３３の外径が、光出力部１３０と共通の中心を有し、光入力部３２０の光調整部材２２０の光導波路に外接する円の直径と等しくなるように設計されている。このため、光出力部１３０のリングコア３３の断面積を６つの光入力部３２０のすべての光調整部材２２０の光導波路を内部に包含できる最小の大きさにすることができる。これにより、出力光ファイバ３０のリングコア３３に入射されるレーザ光の光パワー密度を効果的に高めることができ、例えば環状に光パワー密度が高くなったレーザ光Ｌを加工対象物Ｗに照射することができる。
　本実施形態では、それぞれの光入力部３２０が光調整部材２２０を含んでいるが、光入力部３２０の一部のみが光調整部材２２０を含んでいてもよい。また、光入力部１１０が同様の光調整部材を含んでいてもよい。
　図１０は、本発明の第３の実施形態におけるレーザ装置４０１の構成を示す模式的ブロック図である。図１０に示すように、本実施形態におけるレーザ装置４０１は、レーザ光を生成する複数のレーザ光源４０２（第１のレーザ光源）と、レーザ光源４０２に接続される光ファイバ４１０と、レーザ光を生成する複数のレーザ光源３（第２のレーザ光源）と、レーザ光源３に接続される光ファイバ２０と、光ファイバ２０，４１０を伝搬するレーザ光を結合して出力光ファイバ３０に導入する光コンバイナ４４０と、レーザ光源３，４０２を制御する制御部４０５とを含んでいる。レーザ光源４０２としては例えばファイバレーザや半導体レーザを用いることができる。
　図１１は光コンバイナ４４０を示す斜視図、図１２は分解斜視図である。図１１及び図１２に示すように、本実施形態における光コンバイナ４４０は、ブリッジファイバ４５０と、ブリッジファイバ４５０の下流側に接続される光入力部５２０（第１の光入力部）と、レーザ光源３から延びる光ファイバ２０の下流側端部によりそれぞれ構成される複数の光入力部１２０（第２の光入力部）と、レーザ光源４０２から延びる光ファイバ４１０の下流側端部によりそれぞれ構成され、ブリッジファイバ４５０の上流側に接続される複数の光入力部５１０（第３の光入力部）と、出力光ファイバ３０の上流側端部によって構成される光出力部１３０とを含んでいる。
　図１２に示すように、光入力部５２０は、コア４２１と、コア４２１の周囲を覆うクラッド４２２とを有する光ファイバ４２０（中間光ファイバ）により構成されている。クラッド４２２の屈折率はコア４２１の屈折率よりも低くなっており、コア４２１の内部には光が伝搬する光導波路（第１の入力光導波路）が形成されている。
　第１の実施形態で述べたように、光入力部１２０を構成している光ファイバ２０のコア２１の内部には光が伝搬する光導波路（第２の入力光導波路）が形成されており、レーザ光源３で生成されたレーザ光は、光ファイバ２０のコア２１を伝搬して光コンバイナ４４０の光入力部１２０に至るようになっている。
　図１１及び図１２に示すように、光入力部５１０を構成している光ファイバ４１０は、コア４１１と、コア４１１の周囲を覆うクラッド４１２とを有しており、クラッド４１２の屈折率はコア４１１の屈折率よりも低くなっている。例えば、コア４１１を石英ガラス（ＳｉＯ2）により形成し、屈折率を低下させる性質を有するドーパント（例えばフッ素（Ｆ）やホウ素（Ｂ））を石英ガラスに添加することによりクラッド４１２を形成してもよい。あるいは、クラッド４１２を石英ガラス（ＳｉＯ2）により形成し、屈折率を上昇させる性質を有するドーパント（例えばゲルマニウム（Ｇｅ））を添加することによりコア４１１を形成してもよい。これにより、光ファイバ４１０のコア４１１の内部には光が伝搬する光導波路（第３の入力光導波路）が形成される。したがって、レーザ光源４０２で生成されたレーザ光は、光ファイバ４１０のコア４１１を伝搬して光コンバイナ４４０の光入力部５１０に至るようになっている。一例として、光ファイバ４１０のコア４１１の外径は３０μｍ、クラッド４１２の外径は１２５μｍである。なお、図１１及び図１２に示されていない部分においては、光ファイバ４１０のクラッド４１２の周囲が例えば樹脂からなる被覆（図示せず）で覆われている。また、本実施形態では、光ファイバ４１０と光ファイバ２０とが同一の構成及び寸法の光ファイバにより構成されているが、光ファイバ４１０と光ファイバ２０とが異なる光ファイバにより構成されていてもよい。
　ブリッジファイバ４５０は、コア４５１と、コア４５１の周囲を覆うクラッド４５２とを有している。クラッド４５２の屈折率はコア４５１の屈折率よりも低くなっており、コア４５１の内部には光が伝搬する光導波路が形成されている。このようなコア－クラッド構造を内部に有するブリッジファイバ４５０は、光軸に沿って一定の外径で延びる第１の円筒部４６１と、第１の円筒部４６１から光軸に沿って次第に外径が小さくなる縮径部４６２と、縮径部４６２から光軸方向に沿って一定の外径で延びる第２の円筒部４６３とを含んでいる。
　第１の円筒部４６１の端面は、それぞれの光入力部５１０の下流側端部が融着接続されるブリッジ入射面４６５となっている。本実施形態においては、３つの光入力部５１０が互いに接した状態でブリッジファイバ４５０のブリッジ入射面４６５に接続されている。ブリッジファイバ４５０のブリッジ入射面４６５におけるコア４５１の大きさは、すべての光入力部５１０のコア４１１を内部に包含できるような大きさとなっており、光入力部５１０とブリッジファイバ４５０とは、３つの光入力部５１０のすべてのコア４１１がブリッジファイバ４５０のブリッジ入射面４６５におけるコア４５１の領域内に位置するように融着接続される。
　このように、ブリッジファイバ４５０は、光入力部５１０のコア４１１から出射されたレーザ光をそのコア４５１の内部に伝搬させ、縮径部４６２によってそのビーム径を小さくするように構成されている。なお、光入力部５１０のコア４１１からブリッジファイバ４５０のコア４５１にレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、ブリッジファイバ４５０のコア４５１の屈折率は、光入力部５１０のコア４１１の屈折率と略同一であることが好ましい。
　光軸方向においてブリッジ入射面４６５とは反対側に位置する第２の円筒部４６３の端面は、中間光ファイバ４２０が融着接続されるブリッジ出射面４６６となっている。ここで、中間光ファイバ４２０のコア４２１の大きさは、ブリッジファイバ４５０のブリッジ出射面４６６におけるコア４５１の大きさ以上となっており、ブリッジファイバ４５０と光入力部５２０（中間光ファイバ４２０）とは、ブリッジ出射面４６６におけるブリッジファイバ４５０のコア４５１が中間光ファイバ４２０のコア４２１の領域内に位置するように融着接続される。
　このように、光入力部５２０の中間光ファイバ４２０は、ブリッジファイバ４５０のコア４５１を伝搬してきたレーザ光をそのコア４２１の内部に伝搬させるように構成されている。なお、ブリッジファイバ４５０のコア４５１から中間光ファイバ４２０のコア４２１にレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、中間光ファイバ４２０のコア４２１の屈折率は、ブリッジファイバ４５０のコア４５１の屈折率と略同一であることが好ましい。
　本実施形態におけるブリッジファイバ４５０は、コア４５１の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率媒質としてコア４５１の外側にクラッド４５２を有しているが、このような低屈折率媒質は、クラッド４５２のような被覆層に限られるものではなく、例えばコア４５１の周囲に空気の層を形成し、この空気の層を低屈折率媒質として用いてもよい。
　光出力部１３０の接続端面１３５には、光入力部１２０（光ファイバ２０）の下流側端部と光入力部５２０（中間光ファイバ４２０）の下流側端部とがそれぞれ融着接続される。光入力部１２０及び光入力部５２０の下流側端部（接続端部）においては、光入力部５２０（中間光ファイバ４２０）の外側に６つの光入力部１２０（光ファイバ２０）が中間光ファイバ４２０の中心から等距離に配置されており、隣り合う光ファイバ２０，４２０が互いに接した最密状態となっている。ここで、光入力部１２０，５２０の接続端部は、中央に配置される中間光ファイバ４２０の中心が出力光ファイバ３０の中心Ｏ1（図２参照）と一致するように光出力部１３０の接続端面１３５に融着接続される。
　光出力部１３０のセンタコア３１の領域は、中央に配置される光入力部５２０のコア４２１を内部に包含できるような大きさとなっている。また、光出力部１３０のリングコア３３の領域は、６つの光入力部１２０のすべてのコア２１を内部に包含できるような大きさとなっている。そして、光入力部１２０，５２０は、光入力部５２０のコア４２１が光出力部１３０のセンタコア３１の領域内に位置し、光入力部１２０のすべてのコア２１が光出力部１３０のリングコア３３の領域内に位置するように光出力部１３０に融着接続される。
　このような構成により、レーザ光源４０２で生成されたレーザ光は、光ファイバ４１０のコア４１１の内部を伝搬して、ブリッジファイバ４５０のブリッジ入射面４６５からブリッジファイバ４５０のコア４５１に入射する。ブリッジファイバ４５０のコア４５１に入射したレーザ光は、コア４５１とクラッド４５２との界面で反射しながらブリッジファイバ４５０のコア４５１を伝搬し、縮径部４６２によってそのビーム径が小さくなった状態でブリッジ出射面４６６から中間光ファイバ４２０のコア４２１に入射する。中間光ファイバ４２０のコア４２１に導入されたレーザ光は、コア４２１の内部を伝搬して光出力部１３０のセンタコア３１に入射する。光出力部１３０のセンタコア３１に入射したレーザ光は、センタコア３１の内部を伝搬してレーザ出射部４からレーザ光Ｌの一部としてステージ６上の加工対象物Ｗに向けて照射される（図１０参照）。
　また、レーザ光源３で生成されたレーザ光は、光ファイバ２０のコア２１を伝搬して、光出力部１３０のリングコア３３に入射する。光出力部１３０のリングコア３３に入射したレーザ光は、リングコア３３の内部を伝搬してレーザ出射部４からレーザ光Ｌの一部としてステージ６上の加工対象物Ｗに向けて照射される（図１０参照）。
　このように、本実施形態では、複数のレーザ光源４０２からのレーザ光をブリッジファイバ４５０により結合して光出力部１３０のセンタコア３１に導入することができるため、出力光ファイバ３０のセンタコア３１を伝搬するレーザ光のパワーを簡単に高めることができる。
　制御部４０５は、例えばレーザ光源３，４０２に供給する電流を制御することなどによって、これらのレーザ光源３，４０２を制御できるようになっている。このように制御部４０５によってレーザ光源３，４０２を制御することによって、レーザ光源３によって生成されるレーザ光のパワー及びレーザ光源４０２によって生成されるレーザ光のパワーを変更することができる。これにより、レーザ装置４０１のレーザ出射部４から出力されるレーザ光Ｌの中心側のパワーとその外側のパワーを調整することができ、レーザ光Ｌのプロファイルを容易に変化させることができる。
　本実施形態においては、光出力部１３０の接続端面１３５におけるリングコア３３の内径Ｄ1（図２参照）は、光出力部１３０と共通の中心を有し、光入力部１２０のコア２１に内接する円の直径と等しくなるように設計され、リングコア３３の外径Ｄ2（図２参照）が、光出力部１３０と共通の中心を有し、光入力部１２０のコア２１に外接する円の直径と等しくなるように設計されている。このため、光出力部１３０のリングコア３３の断面積を６つの光入力部１２０のすべてのコア２１を内部に包含できる最小の大きさにすることができる。これにより、出力光ファイバ３０のリングコア３３に入射されるレーザ光の光パワー密度を効果的に高めることができ、例えば環状に光パワー密度が高くなったレーザ光Ｌを加工対象物Ｗに照射することができる。
　本実施形態においても、光入力部１２０，５２０の少なくとも１つが第２の実施形態で述べたような光調整部材を含んでいてもよい。そのような光調整部材を用いることにより、レーザ出射部４から出射されるレーザ光Ｌのビームプロファイルを所望の形態に調整することができる。
　上述した実施形態における出力光ファイバ３０（光出力部１３０）は、センタコア３１とリングコア３３とからなる２つの光導波路を有するものであったが、出力光ファイバ３０が３つ以上の光導波路を有していてもよい。また、出力光ファイバ３０に含まれるコア（光導波路）の断面形状も図示したような円形状や円環形状に限られるものではない。
　また、上述した実施形態における出力光ファイバ３０（光出力部１３０）は、２つのクラッド３２，３４を有するものであったが、出力光ファイバ３０が単一のクラッド層を有していてもよく、あるいは３つ以上のクラッド層を有していてもよい。例えば、単一のクラッド層を有する出力光ファイバ３０としては、上述した実施形態における出力光ファイバ３０の内側クラッド３２が存在せずにリングコア３３がセンタコア３１の第１クラッドに相当するような屈折率プロファイルを有するものが考えられる。また、リングコア３３の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率媒質として、リングコア３３の周囲に外側クラッド３４が形成されているが、このような低屈折率媒質は、外側クラッド３４のような被覆層に限られるものではなく、例えばリングコア３３の周囲に空気の層を形成し、この空気の層を低屈折率媒質として用いてもよい。
　上述した実施形態において、レーザ光源２の構成、レーザ光源３、及びレーザ光源４０２の構成は同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、レーザ光源２により生成されるレーザ光の波長、レーザ光源３により生成されるレーザ光の波長、及びレーザ光源４０２により生成されるレーザ光の波長は同一であってもよいし、異なっていてもよい。
　これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
　以上述べたように、本発明の第１の態様によれば、光出力部における外側のコアを伝搬する光の光パワー密度を高めることができる光コンバイナが提供される。この光コンバイナは、第１の入力光導波路を有する少なくとも１つの第１の光入力部と、第２の入力光導波路をそれぞれ有する複数の第２の光入力部と、上記少なくとも１つの第１の光入力部及び上記複数の第２の光入力部が接続される接続端面を有する光出力部とを備える。上記光出力部は、上記少なくとも１つの第１の光入力部の上記第１の入力光導波路が光学的に結合される第１のコアと、上記第１のコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記第１のコアの周囲を覆う第１のクラッドと、上記複数の第２の光入力部の上記第２の入力光導波路が光学的に結合される第２のコアとを含んでいる。上記第２のコアは、上記第１のクラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、上記第１のクラッドの周囲を覆っている。上記光出力部の上記接続端面における上記第２のコアの内径は、上記複数の第２の光入力部の上記第２の入力光導波路に内接する円の直径と等しい。上記光出力部の上記接続端面における上記第２のコアの外径は、上記複数の第２の光入力部の上記第２の入力光導波路に外接する円の直径と等しい。
　このような態様によれば、光出力部の接続端面における第２のコアの内径が、第２の光入力部の第２の入力光導波路に内接する円の直径と等しく、第２のコアの外径が、第２の光入力部の第２の入力光導波路に外接する円の直径と等しいため、光出力部の第２のコアの断面積が、第２の光入力部のすべての第２の入力光導波路を内部に包含できる最小の大きさとなる。これにより、光出力部の第２のコアに入射されるレーザ光の光パワー密度を効果的に高めることができる。
　上記複数の第２の光入力部のうち少なくとも１つの第２の光入力部は、上記第２の入力光導波路としてのコアと、上記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記コアの周囲を覆うクラッドとを含む光ファイバを含んでいてもよい。
　上記光ファイバの上記コアの直径は、上記クラッドの直径の１／４以下であってもよい。このように、光ファイバのコアの直径をクラッドの直径の１／４以下とすれば、光出力部の第２のコアに入射される光の光パワー密度をより高めることができる。
　上記光出力部は、上記第２のコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記第２のコアの周囲を覆う第２のクラッドをさらに含んでいてもよい。この場合において、上記光出力部の上記第２のクラッドに対する上記第２のコアの比屈折率差は、上記光ファイバの上記クラッドに対する上記コアの比屈折率差よりも大きいことが好ましい。このような構成によれば、光ファイバのコアから光出力部の第２のコアに結合する光が光出力部の第２のクラッドに漏洩することを抑制することができる。
　上記複数の第２の光入力部のうち少なくとも１つの第２の光入力部は、上記第２の入力光導波路を伝搬する光の出射角度を調整可能な出射角度調整部材を含んでいてもよい。このような光調整部材を用いることにより、第２の光入力部から光出力部の第２のコアに導入される光の特性を所望の形態に変化させることができる。
　上記光コンバイナは、第３の入力光導波路をそれぞれ有する複数の第３の光入力部と、ブリッジファイバとをさらに備えていてもよい。このブリッジファイバは、上記複数の第３の光入力部の上記第３の入力光導波路が光学的に結合されるブリッジ入射面と、光軸方向に沿って上記ブリッジ入射面から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部と、上記光軸方向において上記ブリッジ入射面とは反対側のブリッジ出射面とを有する。上記少なくとも１つの第１の光入力部は、上記ブリッジファイバの上記ブリッジ出射面と光学的に結合されるコアを含む中間光ファイバを含んでいる。このような構成によれば、複数の第３の光入力部からの光をブリッジファイバにより結合して光出力部の第１のコアに導入することができるため、光出力部の第１のコアを伝搬する光のパワーを簡単に高めることができる。
　本発明の第２の態様によれば、外側の光パワー密度が高くなったレーザ光を出力することができるレーザ装置を提供される。このレーザ装置は、レーザ光を生成する少なくとも１つの第１のレーザ光源と、レーザ光を生成する少なくとも１つの第２のレーザ光源と、上述した光コンバイナとを備える。上記光コンバイナの上記少なくとも１つの第１の光入力部の上記第１の入力光導波路は、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源に光学的に結合される。上記光コンバイナの上記複数の第２の光入力部のうち少なくとも１つの第２の光入力部の上記第２の入力光導波路は、上記少なくとも１つの第２のレーザ光源に光学的に結合される。
　このような態様によれば、上述したように、光コンバイナの光出力部の第２のコアに入射されるレーザ光の光パワー密度を効果的に高めることができるため、外側の光パワー密度が高くなったレーザ光を出力することが可能となる。
　上記レーザ装置は、上記光コンバイナの上記光出力部の上記第１のコア又は上記第２のコアから漏洩する光を除去する光除去部をさらに備えていてもよい。このような光除去部によって、光コンバイナの光出力部の第２のコアから漏洩する不要な光を除去することができる。
　上記レーザ装置は、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源及び上記複数の第２のレーザ光源を制御することにより、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源及び上記複数の第２のレーザ光源により生成されるレーザ光の出力を調整する制御部をさらに備えていてもよい。このような制御部により、レーザ装置から出力されるレーザ光の中心側のパワーとその外側のパワーを調整することができ、レーザ光のプロファイルを容易に変化させることができる。
　本出願は、２０２０年５月２６日に提出された日本国特許出願特願２０２０－０９１６０１号に基づくものであり、当該出願の優先権を主張するものである。当該出願の開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
　本発明は、複数の光ファイバを伝搬する光を結合して出力する光コンバイナに好適に用いられる。
　　１　　　レーザ装置
　　２　　　（第１の）レーザ光源
　　３　　　（第２の）レーザ光源
　　４　　　レーザ出射部
　　５　　　制御部
　　６　　　ステージ
　　７　　　光除去部
　１０　　　光ファイバ
　２０　　　光ファイバ
　３０　　　出力光ファイバ
　３１　　　センタコア（第１のコア）
　３２　　　内側クラッド（第１のクラッド）
　３３　　　リングコア（第２のコア）
　３４　　　外側クラッド（第２のクラッド）
　４０，２４０，４４０　　　光コンバイナ
１１０　　　（第１の）光入力部
１２０　　　（第２の）光入力部
１３０　　　光出力部
１３５　　　接続端面
２２０　　　光調整部材
３２０　　　（第２の）光入力部
４０１　　　レーザ装置
４０２　　　（第１の）レーザ光源
４０５　　　制御部
４１０　　　光ファイバ
４２０　　　中間光ファイバ
４５０　　　ブリッジファイバ
４６１　　　第１の円筒部
４６２　　　縮径部
４６３　　　第２の円筒部
４６５　　　ブリッジ入射面
４６６　　　ブリッジ出射面
５１０　　　（第３の）光入力部
５２０　　　（第１の）光入力部

Claims (9)

  1. 　第１の入力光導波路を有する少なくとも１つの第１の光入力部と、
    　第２の入力光導波路をそれぞれ有する複数の第２の光入力部と、
    　前記少なくとも１つの第１の光入力部及び前記複数の第２の光入力部が接続される接続端面を有する光出力部であって、
    　　前記少なくとも１つの第１の光入力部の前記第１の入力光導波路が光学的に結合される第１のコアと、
    　　前記第１のコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記第１のコアの周囲を覆う第１のクラッドと、
    　　前記複数の第２の光入力部の前記第２の入力光導波路が光学的に結合される第２のコアであって、前記第１のクラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、前記第１のクラッドの周囲を覆う第２のコアと
    を含む光出力部と
    を備え、
    　前記光出力部の前記接続端面における前記第２のコアの内径は、前記複数の第２の光入力部の前記第２の入力光導波路に内接する円の直径と等しく、
    　前記光出力部の前記接続端面における前記第２のコアの外径は、前記複数の第２の光入力部の前記第２の入力光導波路に外接する円の直径と等しい、
    光コンバイナ。
  2. 　前記複数の第２の光入力部のうち少なくとも１つの第２の光入力部は、前記第２の入力光導波路としてのコアと、前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記コアの周囲を覆うクラッドとを含む光ファイバを含む、請求項１に記載の光コンバイナ。
  3. 　前記光ファイバの前記コアの直径は、前記クラッドの直径の１／４以下である、請求項２に記載の光コンバイナ。
  4. 　前記光出力部は、前記第２のコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記第２のコアの周囲を覆う第２のクラッドをさらに含み、
    　前記光出力部の前記第２のクラッドに対する前記第２のコアの比屈折率差は、前記光ファイバの前記クラッドに対する前記コアの比屈折率差よりも大きい、
    請求項２又は３に記載の光コンバイナ。
  5. 　前記複数の第２の光入力部のうち少なくとも１つの第２の光入力部は、前記第２の入力光導波路を伝搬する光の出射角度を調整可能な出射角度調整部材を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の光コンバイナ。
  6. 　第３の入力光導波路をそれぞれ有する複数の第３の光入力部と、
    　前記複数の第３の光入力部の前記第３の入力光導波路が光学的に結合されるブリッジ入射面と、光軸方向に沿って前記ブリッジ入射面から離れるにつれて次第に径が小さくなる縮径部と、前記光軸方向において前記ブリッジ入射面とは反対側のブリッジ出射面とを有するブリッジファイバと
    をさらに備え、
    　前記少なくとも１つの第１の光入力部は、前記ブリッジファイバの前記ブリッジ出射面と光学的に結合されるコアを含む中間光ファイバを含む、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の光コンバイナ。
  7. 　レーザ光を生成する少なくとも１つの第１のレーザ光源と、
    　レーザ光を生成する少なくとも１つの第２のレーザ光源と、
    　請求項１から６のいずれか一項に記載の光コンバイナと
    を備え、
    　前記光コンバイナの前記少なくとも１つの第１の光入力部の前記第１の入力光導波路は、前記少なくとも１つの第１のレーザ光源に光学的に結合され、
    　前記光コンバイナの前記複数の第２の光入力部のうち少なくとも１つの第２の光入力部の前記第２の入力光導波路は、前記少なくとも１つの第２のレーザ光源に光学的に結合される、
    レーザ装置。
  8. 　前記光コンバイナの前記光出力部の前記第１のコア又は前記第２のコアから漏洩する光を除去する光除去部をさらに備える、請求項７に記載のレーザ装置。
  9. 　前記少なくとも１つの第１のレーザ光源及び前記少なくとも１つの第２のレーザ光源を制御することにより、前記少なくとも１つの第１のレーザ光源及び前記少なくとも１つの第２のレーザ光源により生成されるレーザ光の出力を調整する制御部をさらに備える、請求項７又は８に記載のレーザ装置。
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