准直仪及带准直仪的光隔离器的制造方法
【专利摘要】在用于加工的激光的光传送用光纤的前端所使用的带准直仪光隔离器中，存在使返回光从入射光系统隔离，防止光能量向入射光纤、激光器振荡器、准直仪及隔离器传热的课题。作为解决的方法，在来自加工物体的返回光从隔离器中射出并返回准直仪透镜（5）后进行聚光的点上配置受光用光纤（22）及（23），返回光被导向陶瓷管（24）并转换为热而散发。
【专利说明】准直仪及带准直仪的光隔离器
【技术领域】
[0001]本发明涉及将用于焊接、切割或做标记等加工的光纤激光器的光导向被加工物体的传输用光纤的前端所使用的带准直仪的光隔离器，用于防止向传送用光纤及激光器返回的返回光。
【背景技术】
[0002]以往，使用固体YAG激光器来进行金属的焊接、切割及做标记，最近，从波长1.0至
1.1 μ m的光纤激光器变得实用，作为代替YAG激光器的设备而备受瞩目。
[0003]作为被加工物的金属在上述波长区域的光反射率如果为金、银、铜或铝，则较大而为90%以上，如是认为其反射率比较低且适于在上述波长区域的激光加工的铁、镍以及钴则光反射率为50%以上。被加工物的表面未必一定是进行了镜面加工的平面，因此必须考虑到照射的能量未必会全部返回激光器，相当的量反射到激光器。
[0004]与在YAG等固体激光器中谐振体是晶体的情况相比，光纤激光器的谐振体是石英玻璃，其光学破坏阈值低且容易坏。因此，尤其需要注意必须防止向激光器返回的返回光，避免垂直入射等，但终究光隔离器在如光纤激光器那样，光的偏振面不确定的场合是有效的，尤其偏振面无关式光隔离器是有效的。
[0005]偏振面无关式光隔离器是由偏光镜与法拉第旋转器构成的设备，根据使用的双折射晶体制偏光镜的种类，能够大致分为平板型与楔型两种。
[0006]就法拉第元件所需的截面积而言，当将入射到光隔离器的光束直径为Φ时，在平板型的情况下，由平板偏光镜分离的两个光束在法拉第元件中平行地前进。因此，至少需要2Φ的直径。另一方面，在楔型的情况下，光束由楔分离为具有角度Θ的常光与异常光。因此，在将偏光镜间距离设为d时，所需的法拉第元件的直径为Φ+dXtan Θ。这两种中哪一种有利取决于光束直径、偏光镜间距离及分离角的设计，但普遍认为不存在光束直径越大法拉第元件的截面越成比例地增加的楔型光隔离器更有利。若考虑随着今后光纤激光器的输出变高光束直径逐渐增大的情况，则可以预想楔型光隔离器的需求会增大，需要楔型光隔离器能够耐受高输出。
[0007]现有技术文献
[0008]专利文献
[0009]专利文献1:日本特公昭58-28561号公报
[0010]专利文献2:日本特公昭61-58809号公报
[0011]专利文献3:日本特公第2775547号公报
[0012]专利文献4:US5，408，354A
[0013]专利文献5:US7，306，376B2，
[0014]专利文献6:US7，426，325B2
[0015]专利文献7:日本特开2009-168894号公报
【发明内容】
[0016]发明所要解决的课题
[0017]与以往使用的通信用光隔离器相比，用于焊接、切割或做标记的光纤激光器的光隔离器具有应当注意的特征。由于光功率强，因此需要使返回光的热量安全地释放以避免激光系统受到热损伤。
[0018]在使用了楔型偏光镜的光隔离器中，当将透镜的焦点距离设为f，返回光的角度设为Θ时,返回光在距入射光为距离fXtan Θ的位置与焦点连结。
[0019]在通信用光隔离器的情况下，只要设定内嵌光隔离器的透镜焦点距离f及返回光角度Θ以获得充分的距离而使该返回光不与入射光纤的芯光耦合即可。芯的直径仅为10 μ m左右。返回光会进入直径125 μ m的包覆层部分,这是可以接受的。
[0020]然而，在大功率用光纤激光器中，由于返回光的功率大，因此需要不仅以不与芯耦合的方式进行设定，还必须将fXtan Θ设定得能够得到充分的距离以使至少返回光不会入射到光纤的包覆层。否则，会对光纤或其有机保护材料、套圈、或光隔离器的内壁进行加热，最终引起激光器主体、准直仪等的损坏。
[0021]作为对于该难点的对策，例如美国专利US7，426，325B2的偏振面无关式内嵌光隔离器的准直仪使用美国专利US7，306，376B2所示的光纤、端帽或端帽兼用透镜、以及套圈一体式的准直仪。若在利用该专利方法的准直仪上安装楔型光隔离器，则返回光不会返回激光器主体，不会损坏光纤或准直仪。
[0022]然而，即使在该场合，返回光也在准直仪的周围散热，会加热准直仪的支架、光隔离器的支架。这意味着光隔离器的部件之一的磁铁也会被加热，物理性质上，磁铁的磁场强度与温度相关地变化，因此光隔离器的的性能会与温度存在相关性。在向光反射率高的物质照射光的场合，需要水冷等冷却，在过度的场合还需限制使用。
[0023]鉴于这种状况，本发明的课题在于，提供使来自照射物体的反射光不会在准直仪及其周围的支架或光隔离器上蓄积热量，而被安全地隔离并取出到外部进行散热的结构。
[0024]用于解决课题的方法
[0025]为了解决这种课题，本发明人提出了利用光纤接收来自光隔离器的返回光，并从准直仪、光隔离器及激光器振荡器分离而作为热量安全地发散的机构。
[0026]S卩，将三根光纤等间隔地排列并固定，中央的一根光纤用于使从激光光源射出并通过透镜导向至光隔离器的光通过，外侧的两根光纤用于接收沿相反的方向从光隔离器返回的光，接收到的光被导向离开激光光源的地方，利用耐高温的陶瓷等安全地转换为热能，并利用空气或水进行冷却。光纤的固定使用穿设有三个孔的套圈或等间隔地切割的V槽等即可。
[0027]图1表示整体像。将从光纤激光器I发出的激光导向固定在中央的第一光纤2，并从前端部向透镜5发射。前端部为了防止光损伤，期望增大光通过面积，优选进行芯扩大或焊接以纯石英形成的部分即端帽。朝向透镜的光通过透镜成为平行光束。在该平行光束通过楔型光隔离器后，利用聚光用透镜14聚光，在进行加工的物体15上连结焦点16而进行照射。
[0028]照射的光并非全部被物体吸收，作为切割或加工的能量被被加工物体吸收，而是以由被照射物体的物理特性决定的反射率机械反射。反射光通过第二透镜14而成为平行光，当逆向通过隔离器时，以与光隔离器的楔角对应的某角度Θ相对于入射光的轴倾斜某角度地沿逆向前进。如图2的详细图所示，该光通过透镜后，若将透镜的焦点距离设为f，则聚光到距第一光纤偏离fX tan Θ的位置19及20。如果刚好在该位置配置第二及第三光纤22及23，则来自被加工物体15的反射光能量能够有效地导向第二及第三光纤22及23，不会返回第一光纤2或与光纤2相关的激光光源I。由于第二及第三光纤22及23只接收光，因此，芯直径期望与第一光纤相同或更大，其前端与第一光纤相同地为了防止光损伤，期望进行芯扩大或安装端帽28。入射到第二及第三光纤的光导入至耐高温物体的例如封闭了一侧的内侧的陶瓷管24，并且，利用封闭其外侧的一侧的不锈钢管25覆盖，并进行空气冷却或水冷而散热即可。
[0029]发明效果
[0030]如上所述，照射到被加工物体而未被吸收并反射的光通过本发明的光隔离器与三芯套圈准直仪从第一光纤及光纤激光器振荡器完全地隔离出来，被导向第二及第三光纤，在耐热管中成为热量并散发，不会损坏光纤激光器主体及传送光纤。
【专利附图】
【附图说明】
[0031 ] 图1是表示本发明的实施例的概略结构的图。
[0032]图2是射入本发明的三芯准直仪与光隔离器的第一楔型偏光镜的入射光与返回光的光路的详细图。
[0033]图3是本发明的三芯准直仪与光隔离器的剖视图。
[0034]图4是安装了本发明的三芯准直仪的光纤的三芯氧化锆套圈的图，a是剖视图，b是侧视图。
【具体实施方式】
[0035]为了高精度地固定光纤，以往使用氧化锆套圈，最近市场上出售有在氧化锆套圈上高精度地开有多个孔的套圈。在此，在以下的实施例中表示使用开有三个孔的三芯氧化锆套圈的例子。
[0036]实施例一
[0037]图3是本实施例的剖视图。将三根光纤安装在三芯氧化锆套圈上，使用透镜5将准直仪与使用了作为楔型偏光镜的罗森棱镜8的光隔离器组合。
[0038]图4表示准直仪部分的详细。使三根光纤2、22及23通过安装在插头31上的氧化锆套圈21并固定。第一光纤2使用对芯直径为10 μ m、包覆层直径为125 μ m的光纤的前端进行芯扩大而芯直径成为20 μ m的光纤。该光纤的开口数NA是0.05。第二光纤22与第三光纤23使用芯直径为62.5 μ m、包覆层直径为125 μ m的光纤。使芯直径比第一光纤大是为了容易地接收光。直径2.5_的氧化锆套圈21在中心的125 μ m用的孔的外两侧开有两个相同的直径125 μ m用的孔。如图4右侧的侧视图所示，三根光纤排列在一条直线上，第一光纤2与第二光纤22的间隔及第一光纤2与第三光纤23的间隔均为250 μ m。
[0039]如图3所示，插头31通过支架32与焦点距离为8mm的透镜5固定。相对于套圈21的前端的光纤，透镜配置在焦点上，形成准直仪。利用该三根光纤与一个透镜，形成准直仪，该准直仪出射或接收在一个平行光束的两侧呈角度1.8度的成为平行光束的共计三个光束。将该准直仪部安装在光隔离器上。
[0040]光隔离器与使用了本发明人以前的楔型偏光镜的发明即专利第2775547号(相同内容的美国专利USP5408354)、以及日本特开2009-168894相同，在本发明中，作为楔型偏光镜使用了金红石制罗森棱镜6。
[0041 ] 磁铁10使用NS极性相互相反的五个磁铁组成的磁铁组。第一偏光镜6及第二偏光镜11均使用金红石制罗森棱镜。法拉第元件9使用TGG晶体。元件13是光束合成用双折射平板，在此，分开为两个配置在罗森棱镜的两侧。将内径比准直仪支架32的外径稍大的筒状的准直仪支架保持件33安装在光隔离器支架上。在该支架上，每隔120度而分别三处、且每处安装两个螺钉，共计六个螺钉，调整准直仪的角度与位置及绕轴的旋转。
[0042]罗森棱镜使用角度为6度45分的金红石棱镜。利用该棱镜,光隔离器的逆向返回光成为角度为1.8度的两个平行光束。从加工物反射来的光在光隔离器反向返回，并入射到准直仪，入射到距第一光纤正好偏离250 μ m的第二及第三光纤的中心。
[0043]棱镜的角度为加工用于使返回光由第二及第三光纤接收的棱镜时的重要的数值。相对于上述棱镜角为6度45分、返回光角度为1.8度，例如当角度偏离30分而为6度15分的角度时，逆向返回光的角度为1.64度。但是，如果是该角度，则距第一光纤的距离是223 μ m,其差为21 μ m，充分落入距接收光的光纤的中心芯直径62.5 μ m的范围。角度30分的精度在棱镜的加工技术的现状下，是容易实现的角度精度，这样，认为使三芯准直仪与光隔离器耦合是容易的。
[0044]为了接收返回光，必须使准直仪绕轴旋转，使返回光的位置与第二及第三光纤的中心一致。例如，调整为距中心250μπι的第二及第三光纤的芯直径62.5μπι的半径31.25μπι 的一半的 15.6μπι 的范围内的角度是 arctan (16.5 / 250) =3.8 度。
[0045]该角度精度也是容易的调整角度。以上，以数值例说明了本发明的准直仪及光隔离器的制造及调整是容易的。
[0046]在该实施例中，作为楔型偏光镜，使用罗森棱镜，但如在日本特开2009-168894中使用的那样，即使改变为楔型偏光镜与玻璃棱镜的组合也可以，并且，光纤使用了芯扩大光纤，但为了避免损伤，可以使用将端帽安装在前端的光纤。
[0047]产业上的可利用性
[0048]能够使返回光与激光分离，另外，光不会成为热而加热光隔离器，因此能作为大输出的光纤激光器的光隔离器来使用。
[0049]符号说明
[0050]I一光纤激光器振荡器,2一传送光纤,3一传送光纤前端,4一光纤射出后朝向透镜行进的光，5一第一透镜,6—第一楔型偏光镜,7一第一楔型偏光镜与第二偏光镜之间的一方的偏光成分的光束，8—第一楔型偏光镜与第二偏光镜之间的另一方的偏光成分的光束，9 一法拉第物体，10 一磁铁，11 一第二偏光镜，12 一光束合成分尚用双折射晶体平板，13 一合成的光束，14 一第二透镜，15—被加工物，16—被加工物体上的聚光点，17—一方的返回光束，18—另一方的返回光束，19一一方的返回光受光光纤的端点，20—另一方的返回光受光光纤的端点，21—套圈或V槽等光纤保持体，22—一方的返回光受光光纤，23—另一方的返回光受光光纤，24—封闭了一端的陶瓷管，25—封闭了一端的不锈钢管，26—光纤的芯，27—光纤的包覆层，28—光透过截面积扩大部，29—光隔离器支架，30—准直仪位置、角度及旋转调整用螺钉，31—插头，32—准直仪支架，33—准直仪支架保持件。
【权利要求】
1.一种准直仪，其特征在于， 上述准直仪具有第一光纤、第二光纤及第三光纤这三根光纤， 上述三根光纤通过等间隔地设有三个孔的陶瓷、玻璃或金属的套圈并使前端对齐；或者固定于在陶瓷、玻璃或金属板上等间隔地切出的三个槽并使前端对齐， 上述第二光纤及上述第三光纤的芯直径比上述第一光纤的芯直径大或者相等， 从三根光纤的中心的第一光纤射出的光通过透镜而产生平行光束。
2.—种带准直仪光隔离器，其特征在于， 使权利要求1的具有三根光纤的准直仪与光隔离器组合，该光隔离器以双折射晶体楔为偏光镜，使由三根光纤的中心的第一光纤与透镜形成的平行光束沿光隔离器的顺方向入射，由透镜对来自光隔离器的两个返回光进行聚光，并由第二与第三光纤接收。
【文档编号】B23K26/08GK103765267SQ201280032564
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2011年6月29日
【发明者】细川忠利 申请人:古内化学株式会社