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WO2021240916A1 - 光コンバイナ及びレーザ装置 - Google Patents

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WO2021240916A1
WO2021240916A1 PCT/JP2021/006257 JP2021006257W WO2021240916A1 WO 2021240916 A1 WO2021240916 A1 WO 2021240916A1 JP 2021006257 W JP2021006257 W JP 2021006257W WO 2021240916 A1 WO2021240916 A1 WO 2021240916A1
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WO
WIPO (PCT)
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optical
core
output unit
input
input units
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2021/006257
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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
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Publication date
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Priority to JP2022527515A priority patent/JP7488896B2/ja
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Priority to EP21814355.0A priority patent/EP4160283A4/en
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    • 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
    • B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
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    • G02B6/03622—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 2 layers only
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    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light
    • H01S5/02251—Out-coupling of light using optical fibres

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.
  • An optical combiner is widely used to combine laser beams from multiple light sources to obtain high-power laser beams.
  • a plurality of optical fibers on the input side are bundled and fused to a large-diameter optical fiber on the output side (see, for example, Patent Document 1).
  • the outer diameter of the optical fiber on the output side is larger than the diameter of the bundle of optical fibers on the input side. It is normal to make it larger.
  • the present invention has been made in view of such problems of the prior art, and is an optical combiner capable of facilitating fusion processing between an optical component on the input side and an optical component on the output side, and such an optical component. It is an object of the present invention to provide a laser apparatus including a combiner.
  • an optical combiner capable of facilitating the fusion process between the optical component on the input side and the optical component on the output side.
  • the optical combiner includes a plurality of first optical input units each having a first input optical waveguide, and an optical output unit to which the plurality of first optical input units are connected.
  • the optical output unit includes at least one core through which light propagates, and an outermost clad layer having a refractive index lower than that of the at least one core and located outside the at least one core. ..
  • the first input optical waveguide of at least one of the plurality of first optical input units is the at least one of the optical output units.
  • the outer diameter of the outermost clad layer on the connection end surface of the optical output unit is smaller than the diameter of the minimum inclusion circle including all of the plurality of first optical input units on the connection end surface of the optical output unit.
  • the circle circumscribing one or more elements X is synonymous with the minimum inclusion circle including all of one or more elements X, and is the smallest of the circles including all the regions of one or more elements X. Means a circle with a diameter.
  • a laser device capable of facilitating the fusion process between the optical component on the input side and the optical component on the output side.
  • This laser apparatus includes a plurality of laser light sources that generate laser light, and the above-mentioned optical combiner.
  • the first input optical waveguide of the plurality of first optical input units of the optical combiner is optically coupled to the plurality of laser light sources.
  • 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 includes a laser light source 2 that generates laser light, an optical fiber 10 connected to the laser light source 2, and a plurality of laser light sources 3 that generate laser light.
  • An optical combiner that combines the optical fiber 20 connected to the laser light source 3, the output optical fiber 30 to which the optical fibers 10 and 20 are connected, and the laser light propagating through the optical fibers 10 and 20 and introduces the optical combiner 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 for controlling the laser light sources 2 and 3, and a stage 6 for holding the workpiece W are provided.
  • 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 inner clad 32 is located inside the outer clad 34 in the radial direction, and the outer clad 34 is the outermost clad layer in the output optical fiber 30, that is, the outermost clad layer. Further, the ring core 33 as the outermost core is adjacent to the inside of the outer clad 34 as the outermost clad layer.
  • 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 of the output optical fiber 30, the outer diameter of the inner clad 32, the outer diameter of the ring core 33, and the outer diameter of the outer clad 34 are important for determining the intensity distribution of the laser beam L emitted from the laser emitting portion 4. Although it is a factor, it can be appropriately set according to the application and output specifications of the laser device 1. In particular, in the present embodiment, as will be described later, the outer diameter of the outer clad 34 is designed so that the fusion treatment between the optical fibers 10 and 20 and the output optical fiber 30 can be facilitated.
  • 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 150 ⁇ m
  • the outer diameter of the ring core 33 is 300 ⁇ m
  • the outer diameter of the outer clad 34 is 330 ⁇ 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 (first 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 (first 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.
  • six optical input units 120 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 fused and 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 is large enough to internally include all the cores 21 of the six optical input units 120.
  • 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 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 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 outer diameter D 1 (see FIG. 2) of the outer clad 34 in the connection end surface 135 of the optical output unit 130 is the optical input unit in the connection end surface 135 of the optical output unit 130. It is smaller than the diameter of the minimum inclusion circle C 1 (see FIG.
  • the refractive index profile of the optical input units 110 and 120 in the vicinity of the fused portion changes due to the diffusion of the dopant, and the laser output from the optical combiner 40 changes. It is possible that the beam quality of the light (eg, laser light divergence angle, M 2 , beam parameter product (BPP), etc.) deteriorates.
  • the cores 11 and 21 of the optical input units 110 and 120 have a smaller diameter than the center core 31 and the ring core 33 of the optical output unit 130, the degree of change in the refractive index profile caused by the diffusion of the dopant due to heating is large. It is considered that the beam quality is likely to deteriorate.
  • the optical input units 110 and 120 Since the outer diameter D 1 of the outer clad 34 of the optical output unit 130 is smaller than the diameter of the circle C 1 circumscribing the clad 22 of the optical input unit 120, the optical input units 110 and 120 It is difficult for the heating to be excessive, and deterioration of the beam quality of the laser beam output from the optical combiner 40 can be suppressed.
  • the outer diameter of the ring core 33 is the optical input unit 120.
  • the diameter of the circle circumscribing at least one of the cores 21 is larger than the diameter of the circle, and the outer diameter D 1 of the outer clad 34 located outside the ring core 33 is also one of the cores 21 of the optical input unit 120. It is larger than the diameter of the circle circumscribing at least one core 21.
  • the minimum inclusion circle C 2 including all the cores 11 and 21 of the optical input units 110 and 120 in the connection end surface 135 of the optical output unit 130 (see FIG. 7).
  • the outer diameter of the ring core 33 and the outer diameter D 1 of the outer clad 34 are larger than the diameter of the ring core 33 (280 ⁇ m in the above-mentioned example).
  • the optical input units 110 and 120 there is a gap between the optical input units 110 and 120 before the fusion treatment, and the total surface area of the clads 12 and 22 of the optical input units 110 and 120 to be heated is the outer clad 34 of the optical output unit 130. Since the surface area is larger than that of the optical output unit 130, the optical input units 110 and 120 have better heating efficiency than the optical output unit 130. This makes it necessary to heat the optical output unit 130 more strongly than the optical input units 110 and 120.
  • the optical output unit 130 ( It is preferable that the cross-sectional area of the output optical fiber 30) at the connection end face 135 is equal to or smaller than the total cross-sectional area of the optical input units 110, 120 (optical fibers 10, 20) at the connection end face 135.
  • the cross-sectional area of the optical input units 110 and 120 at the connection end face 135 is 85903 ⁇ m 2
  • the cross-sectional area of the optical output unit 130 is 85530 ⁇ m 2 .
  • the cross-sectional area of the connection end face of the optical output unit is equal to a certain numerical value, it means that the cross-sectional area is within ⁇ 20% from the numerical value including the manufacturing error.
  • the core 21 and the cladding 22 of all the optical input units 120 have the same diameter, and these optical input units 120 are from the center O 1 of the output optical fiber 30 (the center O 2 of the optical fiber 10). Since they are located equidistantly, the circle C 1 circumscribing the clad 22 of the optical input unit 120 is in contact with the clad 22 of all the optical input units 120, and the circle C circumscribing the core 21 of the optical input unit 120. 2 is in contact with the core 21 of all the optical input units 120, but the present invention can be applied to other cases as well.
  • the outer clad 34 in the connection end surface 135 of the optical output unit 130 The outer diameter D 1 is made smaller than the diameter of the minimum inclusion circle including the clad 22 of all the optical input units 120, and the core 21 of any one of the cores 21 of all the optical input units 120 (for example, the output optical fiber 30). It may be larger than the diameter of the circle circumscribing the core 21) located on the outermost side from the center O 1 of the light. Further, the outer diameter of the ring core 33 at the connection end surface 135 of the optical output unit 130 may be made larger than the diameter of the minimum inclusion circle including the cores 21 of all the optical input units 120.
  • 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 (first 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 a cylindrical member that changes the emission angle of the laser light propagating through the core 21 of the optical fiber 20 and introduces it into the ring core 33 of the output optical fiber 30, and is a predetermined member from the central axis of this member.
  • the region up to the diameter is an optical waveguide of laser light (first 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 outer diameter D 1 (see FIG. 2) of the outer clad 34 in the connection end surface 135 of the optical output unit 130 is smaller than the diameter of the circle circumscribing the six optical adjustment members 220 of the optical input unit 320. It has become. That is, the outer diameter D 1 of the outer clad 34 in the connection end surface 135 of the optical output unit 130 is all of the optical input units 320 (optical adjustment member 220) in the connection end surface 135 of the optical output unit 130 among the optical input units 110 and 320. It is smaller than the diameter of the minimum inclusion circle containing. Therefore, the amount of heat required for the optical output unit 130 when the optical input units 110 and 320 and the optical output unit 130 are fused and connected can be reduced. This reduces the need to take measures such as heating the optical output unit 130 more strongly than the optical input units 110 and 320, and facilitates fusion processing between the optical input units 110 and 320 and the optical output unit 130. become.
  • 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 an optical adjusting member similar to the optical adjusting member 220.
  • 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 includes a plurality of laser light sources 3 that generate laser light, an optical fiber 20 connected to the laser light source 3, and a plurality of laser light sources 402 that generate laser light.
  • An optical combiner 440 that combines the optical fiber 410 connected to the laser light source 402, the laser light propagating through the optical fibers 20, 410 and introduced into the output optical fiber 30, and a control unit that controls the laser light sources 3,402. 405 and is included.
  • 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 has a plurality of optical input units 120 (first optical input unit) each composed of downstream end portions of an optical fiber 20 extending from a laser light source 3. ), A plurality of optical input units 510 (second optical input units) configured by each of the downstream end portions of the optical fiber 410 extending from the laser light source 402, and a bridge fiber 450 connected to these optical input units 510.
  • An optical input unit 520 (first optical input unit) composed of an intermediate optical fiber 420 connected to the downstream side of the bridge fiber 450, and an optical output unit composed of an upstream end portion of the output optical fiber 30. Includes 130 and.
  • an optical waveguide (first 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 beam 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 (second 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 intermediate optical fiber 420 constituting the optical input unit 520 has a core 421 and a clad 422 that covers the periphery of the core 421, and the refractive index of the clad 422 is that of the core 421. It is lower than the refractive index.
  • an optical waveguide (first input optical waveguide) through which light propagates is formed inside the core 421 of the intermediate optical fiber 420.
  • 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. Connected to the connection end face 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 outer diameter D 1 (see FIG. 2) of the outer clad 34 in the connection end surface 135 of the optical output unit 130 is smaller than the diameter of the minimum inclusion circle including all of the clad 22 of the optical input unit 120. ing. Therefore, the amount of heat required for the optical output unit 130 when the optical input units 120 and 520 and the optical output unit 130 are fused and connected can be reduced. This reduces the need to take measures such as heating the optical output unit 130 more strongly than the optical input units 120 and 520, and facilitates fusion processing between the optical input units 120 and 520 and the optical output unit 130. become.
  • the outer diameter of the ring core 33 is at least one of the cores 21 of the optical input unit 120.
  • the outer diameter D 1 of the outer clad 34 located outside the ring core 33 which is larger than the diameter of the circle circumscribing the core 21, also circulates to at least one core 21 of the core 21 of the optical input unit 120. It is larger than the diameter of the circle.
  • the diameter of the ring core 33 rather than the diameter of the minimum inclusion circle including all of the cores 11, 421 of the optical input units 110 and 520 at the connection end face 135 of the optical output unit 130.
  • the outer diameter and the outer diameter D 1 of the outer clad 34 are large. Further, in order to further reduce the amount of heating required for the optical output unit 130 when the optical input units 120 and 520 and the optical output unit 130 are fused and connected, the optical output unit 130 (output optical fiber 30) is used. It is preferable that the cross-sectional area of the connection end face 135 is equal to or smaller than the total cross-sectional area of the connection end faces 135 of the optical input units 120,520 (optical fibers 20, 420).
  • 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 a single optical waveguide. It may be, or it may have three or more optical waveguides. 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 effect according to the present invention can be obtained by reducing the outer diameter of the clad layer located on the outermost side of the light output unit 130 as described above.
  • 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 facilitating the fusion process between the optical component on the input side and the optical component on the output side.
  • the optical combiner includes a plurality of first optical input units each having a first input optical waveguide, and an optical output unit to which the plurality of first optical input units are connected.
  • the optical output unit includes at least one core through which light propagates, and an outermost clad layer having a refractive index lower than that of the at least one core and located outside the at least one core. ..
  • the first input optical waveguide of at least one of the plurality of first optical input units is the at least one of the optical output units.
  • the outer diameter of the outermost clad layer on the connection end surface of the optical output unit is smaller than the diameter of the minimum inclusion circle including all of the plurality of first optical input units on the connection end surface of the optical output unit.
  • the outer diameter of the outermost clad layer of the optical output unit is smaller than the diameter of the minimum inclusion circle including all of the plurality of first optical input units, so that the plurality of first elements are present. It is possible to reduce the amount of heat required for the optical output unit when the optical input unit and the optical output unit are fused and connected. This reduces the need to take measures such as heating the optical output unit more strongly than the first optical input unit, and facilitates fusion processing between the plurality of first optical input units and the optical output unit. become.
  • the outer diameter of the outermost clad layer at the connection end surface of the optical output unit is set. It is preferable that the diameter of the circle circumscribed to at least one of the first input optical waveguides of the plurality of first optical input units at the connection end surface of the optical output unit is larger than the diameter of the circle. ..
  • the at least one core may include an outermost core adjacent to the inside of the outermost clad layer.
  • the outer diameter of the outermost core on the connection end surface of the optical output unit is the outer diameter of the first input optical waveguide of the plurality of first optical input units on the connection end surface of the optical output unit. It is preferably larger than the diameter of the circle circumscribing at least one first input optical waveguide.
  • the circle circumscribing the at least one first input optical waveguide includes all of the first input optical waveguides of the plurality of first optical input units in the connection end face of the optical output unit. It may be a circle.
  • the cross-sectional area of the optical output unit on the connection end face is set. It is preferable that the total cross-sectional area of the plurality of first optical input units on the connection end face of the optical output unit is equal to or smaller than the total.
  • At least one first optical input unit among the plurality of first optical input units has a core as the first input optical waveguide and a refractive index lower than the refractive index of the core, and is described above.
  • An optical fiber including a cladding that covers the periphery of the core, and an optical adjusting member that changes the emission angle of light propagating through the core of the optical fiber may be included.
  • the optical combiner may further include a plurality of second optical input units each having a second input optical waveguide, and a bridge fiber.
  • the bridge fiber has a contraction in which the diameter gradually decreases as the distance from the bridge incident surface to which the second input optical waveguide of the plurality of second optical input units is connected and the bridge incident surface along the optical axis direction. It has a diameter portion and a bridge exit surface on the opposite side of the bridge entrance surface in the optical axis direction.
  • the first optical input unit of the plurality of first optical input units includes an intermediate optical fiber including a core connected to the bridge exit surface of the bridge fiber. According to such a configuration, light from a plurality of second optical input units can be coupled by a bridge fiber and introduced into the core of the optical output unit, so that the power of light propagating through the core of the optical output unit can be introduced. Can be easily increased.
  • At least one core of the optical output unit may include a plurality of cores.
  • the optical output unit has a first core as at least one core and a refractive index lower than the refractive index of the first core, and covers the periphery of the first core.
  • a second core as at least one core, and a refractive index lower than the refractive index of the second core, and covering the periphery of the second core. It may contain a second clad of.
  • the second core has a refractive index higher than that of the first clad and covers the periphery of the first clad.
  • a laser device capable of facilitating the fusion process between the optical component on the input side and the optical component on the output side.
  • This laser apparatus includes a plurality of laser light sources that generate laser light, and the above-mentioned optical combiner.
  • the first input optical waveguide of the plurality of first optical input units of the optical combiner is optically coupled to the plurality of laser light sources.
  • the amount of heat required for the optical output unit when the plurality of first optical input units of the optical combiner and the optical output unit are fused and connected is reduced. Therefore, the need to take measures such as heating the optical output unit more strongly than the first optical input unit is reduced, and the fusion process between the plurality of first optical input units and the optical output unit can be performed. It will be easier.
  • the laser device may further include a light removing unit that removes light leaking to the outermost clad layer of the light output unit of the optical combiner.
  • a light removing unit that removes light leaking to the outermost clad layer of the light output unit of the optical combiner.
  • the laser device may further include a control unit that adjusts the output of the laser light generated by the plurality of laser light sources by controlling the plurality of laser light sources.
  • a control unit that adjusts the output of the laser light generated by the plurality of laser light sources by controlling the plurality of laser light sources.
  • 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

入力側の光部品と出力側の光部品との融着処理を容易にす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、光が伝搬するコア（３１，３３）と、コア（３３）の外側に位置する外側クラッド層（３４）とを含んでいる。光入力部（１１０，１２０）は、コア（１１，２１）が光出力部（１３０）のコア（３１，３３）に光学的に結合するように光出力部（１３０）の接続端面（１３５）に接続される。光出力部（１３０）の接続端面（１３５）における外側クラッド層（３４）の外径（Ｄ1）は、光出力部（１３０）の接続端面（１３５）において光入力部（１２０）のクラッド（２２）のすべてを含む最小包含円（Ｃ1）の直径よりも小さい。

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。
　複数の光源からのレーザ光を結合して高パワーのレーザ光を得るために光コンバイナが広く用いられている。このような光コンバイナとして、入力側の複数の光ファイバを束ねて出力側の大径の光ファイバに融着したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような光コンバイナにおいては、入力側の光ファイバからの光を効率良く出力側の光ファイバに伝搬させるために、出力側の光ファイバの外径を入力側の光ファイバの束の径よりも大きくすることが通常である。
　このような光コンバイナにおいて、入力側の光ファイバの束と出力側の光ファイバとを融着する際に、入力側の光ファイバの束と出力側の光ファイバとを同一の条件で加熱する１と、入力側の光ファイバの方が出力側の光ファイバよりも先に軟化及び溶融する傾向がある。特に、融着処理前の入力側の光ファイバの間に隙間が生じている場合には、このような傾向がより顕著になる。このため、これらの光ファイバを融着する際には、出力側の光ファイバを入力側の光ファイバに比べてより強く加熱するなどの対策を行う必要があり、光ファイバの融着処理が容易ではないという問題がある。
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、入力側の光部品と出力側の光部品との融着処理を容易にすることができる光コンバイナ及びそのような光コンバイナを含むレーザ装置を提供することを目的とする。
　本発明の第１の態様によれば、入力側の光部品と出力側の光部品との融着処理を容易にす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の入力光導波路をそれぞれ有する複数の第１の光入力部と、上記複数の第１の光入力部が接続される光出力部とを備える。上記光出力部は、光が伝搬する少なくとも１つのコアと、上記少なくとも１つのコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記少なくとも１つのコアの外側に位置する最外クラッド層とを含む。上記複数の第１の光入力部は、上記複数の第１の光入力部のうちの少なくとも１つの第１の光入力部の上記第１の入力光導波路が上記光出力部の上記少なくとも１つのコアに光学的に結合するように上記光出力部の接続端面に接続される。上記光出力部の上記接続端面における上記最外クラッド層の外径は、上記光出力部の上記接続端面において上記複数の第１の光入力部のすべてを含む最小包含円の直径よりも小さい。本明細書において、１以上の要素Ｘに外接する円は、１以上の要素Ｘのすべてを含む最小包含円と同義であり、１以上の要素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を意味する。
　本発明の第２の態様によれば、入力側の光部品と出力側の光部品との融着処理を容易に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複数のレーザ光源と、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複数の第１の光入力部の上記第１の入力光導波路は、上記複数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。
　本実施形態では、外側クラッド３４の半径方向内側に内側クラッド３２が位置しており、外側クラッド３４が出力光ファイバ３０において最も外側に位置するクラッド層、すなわち最外クラッド層となっている。また、この最外クラッド層としての外側クラッド３４の内側に最外コアとしてのリングコア３３が隣接している。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、光ファイバ１０，２０と出力光ファイバ３０との融着処理が容易になるように外側クラッド３４の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１５０μｍ、リングコア３３の外径は３００μｍ、外側クラッド３４の外径は３３０μｍ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１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１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に融着接続される。
　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ような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。
　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。
　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。
　ここで、上述した例では、光出力部１３０の接続端面１３５における外側クラッド３４の外径Ｄ1（図２参照）は３３０μｍであり、これは光入力部１２０のクラッド２２に外接する円Ｃ1（図７参照）の直径（１２５μｍ×３＝３７５μｍ）よりも小さい。このように、本実施形態の光コンバイナ４０においては、光出力部１３０の接続端面１３５における外側クラッド３４の外径Ｄ1（図２参照）が、光出力部１３０の接続端面１３５において光入力部１２０のすべてのクラッド２２を含む最小包含円Ｃ1（図７参照）の直径よりも小さくなっている。このため、光入力部１１０，１２０と光出力部１３０とを融着接続する際に光出力部１３０に必要とされる加熱量を少なくすることができる。これにより、光出力部１３０を光入力部１１０，１２０に比べてより強く加熱するなどの対策を講ずる必要性が低減され、光入力部１１０，１２０と光出力部１３０との融着処理が容易になる。
　また、光入力部１１０，１２０を過度に加熱した場合には、融着部の近傍の光入力部１１０，１２０の屈折率プロファイルがドーパントの拡散により変化して、光コンバイナ４０から出力されるレーザ光のビーム品質（例えば、レーザ光の発散角、Ｍ2、ビームパラメータ積（ＢＰＰ）など）が劣化することが考えられる。特に、光入力部１１０，１２０のコア１１，２１は、光出力部１３０のセンタコア３１やリングコア３３に比べて径が小さいため、加熱によるドーパントの拡散により生じる屈折率プロファイルの変化の度合いが大きく、ビーム品質の劣化が起きやすいと考えられる。この点に関して、本実施形態では、光出力部１３０の外側クラッド３４の外径Ｄ1が、光入力部１２０のクラッド２２に外接する円Ｃ1の直径よりも小さいため、光入力部１１０，１２０に対する加熱が過剰になりにくく、光コンバイナ４０から出力されるレーザ光のビーム品質の劣化を抑制することができる。
　なお、光入力部１２０のコア２１と光出力部１３０のリングコア３３の領域Ｓ2（図６参照）とを光学的に結合する必要があるため、リングコア３３の外径は、光入力部１２０のコア２１のうち少なくとも１つのコア２１に外接する円の直径よりも大きくなっており、また、リングコア３３の外側に位置する外側クラッド３４の外径Ｄ1も、光入力部１２０のコア２１のうち少なくとも１つのコア２１に外接する円の直径よりも大きくなっている。本実施形態においては、光学的な結合効率を高めるために、光出力部１３０の接続端面１３５において光入力部１１０，１２０のコア１１，２１のすべてを含む最小包含円Ｃ2（図７参照）の直径（上述した例では２８０μｍ）よりもリングコア３３の外径及び外側クラッド３４の外径Ｄ1が大きくなっている。
　ここで、融着処理前の光入力部１１０，１２０の間には隙間が存在し、加熱される光入力部１１０，１２０のクラッド１２，２２の表面積の合計が光出力部１３０の外側クラッド３４の表面積よりも大きくなるため、光入力部１１０，１２０の方が光出力部１３０に比べて加熱効率が良くなる。これにより光出力部１３０を光入力部１１０，１２０に比べてより強く加熱する必要が生じる。このような点に鑑みて、光入力部１１０，１２０と光出力部１３０とを融着接続する際に光出力部１３０に必要とされる加熱量をより少なくするために、光出力部１３０（出力光ファイバ３０）の接続端面１３５における断面積が、光入力部１１０，１２０（光ファイバ１０，２０）の接続端面１３５における断面積の合計と等しいか、それよりも小さいことが好ましい。上述した例では、接続端面１３５における光入力部１１０，１２０の断面積は８５９０３μｍ2であり、光出力部１３０の断面積は８５５３０μｍ2である。なお、本明細書において、光出力部の接続端面における断面積がある数値に等しいという場合には、製造誤差を含めてその数値から±２０％の範囲内にあることを意味している。
　上述の例では、すべての光入力部１２０のコア２１及びクラッド２２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のクラッド２２に外接する円Ｃ1は、すべての光入力部１２０のクラッド２２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やクラッド２２の直径、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、光出力部１３０の接続端面１３５における外側クラッド３４の外径Ｄ1を、すべての光入力部１２０のクラッド２２を含む最小包含円の直径よりも小さくし、すべての光入力部１２０のコア２１のうちいずれか１つのコア２１（例えば出力光ファイバ３０の中心Ｏ1から最も外側に位置するコア２１）に外接する円の直径よりも大きくすればよい。また、光出力部１３０の接続端面１３５におけるリングコア３３の外径を、すべての光入力部１２０のコア２１を含む最小包含円の直径よりも大きくすればよい。
　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１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に導入する円筒状の部材であり、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１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における外側クラッド３４の外径Ｄ1（図２参照）が、光入力部３２０の６つの光調整部材２２０に外接する円の直径よりも小さくなっている。すなわち、光出力部１３０の接続端面１３５における外側クラッド３４の外径Ｄ1が、光入力部１１０，３２０のうち光出力部１３０の接続端面１３５において光入力部３２０（光調整部材２２０）のすべてを含む最小包含円の直径よりも小さくなっている。このため、光入力部１１０，３２０と光出力部１３０とを融着接続する際に光出力部１３０に必要とされる加熱量を少なくすることができる。これにより、光出力部１３０を光入力部１１０，３２０に比べてより強く加熱するなどの対策を講ずる必要性が低減され、光入力部１１０，３２０と光出力部１３０との融着処理が容易になる。
　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が光調整部材２２０と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３と、レーザ光源３に接続される光ファイバ２０と、レーザ光を生成する複数のレーザ光源４０２と、レーザ光源４０２に接続される光ファイバ４１０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、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１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る複数の光入力部５１０（第２の光入力部）と、これらの光入力部５１０に接続されるブリッジファイバ４５０と、ブリッジファイバ４５０の下流側に接続される中間光ファイバ４２０により構成される光入力部５２０（第１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。
　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１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２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。
　図１２に示すように、光入力部５２０を構成している中間光ファイバ４２０は、コア４２１と、コア４２１の周囲を覆うクラッド４２２とを有しており、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いる。これにより、中間光ファイバ４２０のコア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）が形成される。
　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における外側クラッド３４の外径Ｄ1（図２参照）は、光入力部１２０のクラッド２２のすべてを含む最小包含円の直径よりも小さくなっている。このため、光入力部１２０，５２０と光出力部１３０とを融着接続する際に光出力部１３０に必要とされる加熱量を少なくすることができる。これにより、光出力部１３０を光入力部１２０，５２０に比べてより強く加熱するなどの対策を講ずる必要性が低減され、光入力部１２０，５２０と光出力部１３０との融着処理が容易になる。
　ここで、光入力部１２０のコア２１と光出力部１３０のリングコア３３の領域とを光学的に結合する必要があるため、リングコア３３の外径は光入力部１２０のコア２１のうち少なくとも１つのコア２１に外接する円の直径よりも大きくなっており、また、リングコア３３の外側に位置する外側クラッド３４の外径Ｄ1も、光入力部１２０のコア２１のうち少なくとも１つのコア２１に外接する円の直径よりも大きくなっている。本実施形態においては、光学的な結合効率を高めるために、光出力部１３０の接続端面１３５において光入力部１１０，５２０のコア１１，４２１のすべてを含む最小包含円の直径よりもリングコア３３の外径及び外側クラッド３４の外径Ｄ1が大きくなっている。また、光入力部１２０，５２０と光出力部１３０とを融着接続する際に光出力部１３０に必要とされる加熱量をより少なくするために、光出力部１３０（出力光ファイバ３０）の接続端面１３５における断面積が、光入力部１２０，５２０（光ファイバ２０，４２０）の接続端面１３５における断面積の合計と等しいか、それよりも小さいことが好ましい。
　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が単一の光導波路を有していてもよく、あるいは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。この場合においては、光出力部１３０において最も外側に位置するクラッド層の外径を上述したように小さくすることで、本発明による効果が得られる。
　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、入力側の光部品と出力側の光部品との融着処理を容易にす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の入力光導波路をそれぞれ有する複数の第１の光入力部と、上記複数の第１の光入力部が接続される光出力部とを備える。上記光出力部は、光が伝搬する少なくとも１つのコアと、上記少なくとも１つのコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記少なくとも１つのコアの外側に位置する最外クラッド層とを含む。上記複数の第１の光入力部は、上記複数の第１の光入力部のうちの少なくとも１つの第１の光入力部の上記第１の入力光導波路が上記光出力部の上記少なくとも１つのコアに光学的に結合するように上記光出力部の接続端面に接続される。上記光出力部の上記接続端面における上記最外クラッド層の外径は、上記光出力部の上記接続端面において上記複数の第１の光入力部のすべてを含む最小包含円の直径よりも小さい。
　このような構成によれば、光出力部の最外クラッド層の外径が、複数の第１の光入力部のすべてを含む最小包含円の直径よりも小さくなっているため、複数の第１の光入力部と光出力部とを融着接続する際に光出力部に必要とされる加熱量を少なくすることができる。これにより、光出力部を第１の光入力部に比べてより強く加熱するなどの対策を講ずる必要性が低減され、複数の第１の光入力部と光出力部との融着処理が容易になる。
　第１の光入力部の第１の入力光導波路と光出力部の少なくとも１つのコアとを光学的に結合するために、上記光出力部の上記接続端面における上記最外クラッド層の外径は、上記光出力部の上記接続端面において上記複数の第１の光入力部の上記第１の入力光導波路のうち少なくとも１つの第１の入力光導波路に外接する円の直径よりも大きいことが好ましい。
　上記少なくとも１つのコアは、上記最外クラッド層の内側に隣接する最外コアを含んでいてもよい。この場合において、上記光出力部の上記接続端面における上記最外コアの外径は、上記光出力部の上記接続端面において上記複数の第１の光入力部の上記第１の入力光導波路のうち少なくとも１つの第１の入力光導波路に外接する円の直径よりも大きいことが好ましい。
　例えば、上記少なくとも１つの第１の入力光導波路に外接する円は、上記光出力部の上記接続端面において上記複数の第１の光入力部の上記第１の入力光導波路のすべてを含む最小包含円であってもよい。
　複数の第１の光入力部と光出力部とを融着接続する際に光出力部に必要とされる加熱量をより少なくするために、上記接続端面における上記光出力部の断面積を、上記光出力部の上記接続端面における上記複数の第１の光入力部の断面積の合計と等しいか又はそれよりも小さくすることが好ましい。
　上記複数の第１の光入力部のうちの少なくとも１つの第１の光入力部は、上記第１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と、上記光ファイバの上記コアを伝搬する光の出射角度を変化させる光調整部材と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１の光入力部から光出力部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、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２の光入力部の上記第２の入力光導波路が接続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。上記複数の第１の光入力部のうちの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に接続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２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コアに導入することができるため、光出力部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。
　上記光出力部の少なくとも１つのコアは、複数のコアを含んでいてもよい。この場合において、上記光出力部は、上記少なくとも１つのコアとしての第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、上記少なくとも１つのコアとしての第２のコアと、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上記最外クラッド層としての第２のクラッドとを含んでいてもよい。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。
　本発明の第２の態様によれば、入力側の光部品と出力側の光部品との融着処理を容易に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複数のレーザ光源と、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複数の第１の光入力部の上記第１の入力光導波路は、上記複数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、光コンバイナの複数の第１の光入力部と光出力部とを融着接続する際に光出力部に必要とされる加熱量を少なくすることができるため、光出力部を第１の光入力部に比べてより強く加熱するなどの対策を講ずる必要性が低減され、複数の第１の光入力部と光出力部との融着処理が容易になる。
　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最外クラッド層に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最外クラッド層に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、上記複数のレーザ光源を制御することにより、上記複数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２０２０－０９１７１０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
　　２，３，４０２　　　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
　１０，２０　　　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
１１０，１２０　　　（第１の）光入力部
１３０　　　光出力部
１３５　　　接続端面
２２０　　　光調整部材
３２０　　　（第１の）光入力部
４０１　　　レーザ装置
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２の）光入力部
５２０　　　（第１の）光入力部

Claims (12)

  1. 　第１の入力光導波路をそれぞれ有する複数の第１の光入力部と、
    　前記複数の第１の光入力部が接続される光出力部であって、
    　　光が伝搬する少なくとも１つのコアと、
    　　前記少なくとも１つのコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記少なくとも１つのコアの外側に位置する最外クラッド層と
    を含む光出力部と
    を備え、
    　前記複数の第１の光入力部は、前記複数の第１の光入力部のうちの少なくとも１つの第１の光入力部の前記第１の入力光導波路が前記光出力部の前記少なくとも１つのコアに光学的に結合するように前記光出力部の接続端面に接続され、
    　前記光出力部の前記接続端面における前記最外クラッド層の外径は、前記光出力部の前記接続端面において前記複数の第１の光入力部のすべてを含む最小包含円の直径よりも小さい、
    光コンバイナ。
  2. 　前記光出力部の前記接続端面における前記最外クラッド層の外径は、前記光出力部の前記接続端面において前記複数の第１の光入力部の前記第１の入力光導波路のうち少なくとも１つの第１の入力光導波路に外接する円の直径よりも大きい、請求項１に記載の光コンバイナ。
  3. 　前記少なくとも１つのコアは、前記最外クラッド層の内側に隣接する最外コアを含み、
    　前記光出力部の前記接続端面における前記最外コアの外径は、前記光出力部の前記接続端面において前記複数の第１の光入力部の前記第１の入力光導波路のうち少なくとも１つの第１の入力光導波路に外接する円の直径よりも大きい、請求項１又は２に記載の光コンバイナ。
  4. 　前記少なくとも１つの第１の入力光導波路に外接する円は、前記光出力部の前記接続端面において前記複数の第１の光入力部の前記第１の入力光導波路のすべてを含む最小包含円である、請求項２又は３に記載の光コンバイナ。
  5. 　前記接続端面における前記光出力部の断面積は、前記光出力部の前記接続端面における前記複数の第１の光入力部の断面積の合計と等しいか又はそれよりも小さい、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. 　前記複数の第１の光入力部のうちの少なくとも１つの第１の光入力部は、
    　　前記第１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ファイバと、
    　　前記光ファイバの前記コアを伝搬する光の出射角度を変化させる光調整部材と
    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. 　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、
    　前記複数の第２の光入力部の前記第２の入力光導波路が接続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、
    　前記複数の第１の光入力部のうちの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に接続されるコアを含む中間光ファイバを含む、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の光コンバイナ。
  8. 　前記光出力部の少なくとも１つのコアは、複数のコアを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の光コンバイナ。
  9. 　前記光出力部は、
    　　前記少なくとも１つのコアとしての第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、
    　　前記少なくとも１つのコアとしての第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、
    　　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前記最外クラッド層としての第２のクラッドと
    を含む、
    請求項８に記載の光コンバイナ。
  10. 　レーザ光を生成する複数のレーザ光源と、
    　請求項１から９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複数の第１の光入力部の前記第１の入力光導波路は、前記複数のレーザ光源に光学的に結合される、
    レーザ装置。
  11. 　前記光コンバイナの前記光出力部の前記最外クラッド層に漏洩する光を除去する光除去部をさらに備える、請求項１０に記載のレーザ装置。
  12. 　前記複数のレーザ光源を制御することにより、前記複数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１０又は１１に記載のレーザ装置。
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