光束耦合装置以及光束耦合装置的输出恢复方法

光束耦合装置以及光束耦合装置的输出恢复方法
【专利摘要】提供一种光束耦合装置等，该光束耦合装置使来自多个光源以及1个或多个预备光源的光束射入至光束耦合光学系统，在经过光束耦合元件后进行耦合而输出，其中，对所述多个光源的故障进行检测，使所述各光源、预备光源以及所述光束耦合光学系统之中的至少一部分移动，取代发生了故障的所述光源的光束而从所述预备光源使光束射入至所述光束耦合光学系统，并在所述光束耦合元件后的光路与来自所述多个光源的光束耦合。
【专利说明】
光束耦合装置以及光束耦合装置的输出恢复方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种将多个激光汇聚为I个光束而进行使用的光束耦合装置以及光束耦合装置的输出恢复方法，特别是涉及预备光源的冗余化(光源故障时的恢复功能)等。
【背景技术】
[0002]在例如下述专利文献I所公开的现有的这种光束耦合装置中，在设置有多个的激光射出单元分别固定有光纤，具有将这些光纤捆扎而形成光纤的把手部的、对多个激光束进行耦合的结构。
[0003]专利文献1:日本专利第5270949号说明书(第4页第50行-第5页第8行，图1-5)

【发明内容】

[0004]在上述这种现有的光束耦合装置中，在各激光射出单元分别固定有光纤，因此在使多个激光束耦合时没有自由度。因此，例如在设置有应对故障时的预备的激光射出单元的情况下，能够耦合的光束数量存在限制，因此预备的激光射出单元占有要耦合的光束数量的一部分，因而激光输出的上限会降低。
[0005]本发明就是为了解决如上所述的问题而提出的，其目的在于得到一种光束耦合装置等，该光束耦合装置是使多个激光束的耦合具有自由度的构造，能够追加预备光源而不会使激光输出的上限下降。
[0006]本发明的光束耦合装置等具有:多个光源；I个或多个预备光源;光束耦合光学系统，其使来自所述各光源以及预备光源的光束与光束耦合元件耦合而输出，使得从所述各光源以及预备光源射入至所述光束耦合光学系统后的光束在经过所述光束耦合元件后进行耦合;监视器部，其为了检测故障而对来自所述各光源的光束进行监视；以及光源切换部，其在检测出所述光源的故障时，利用在所述各光源、预备光源以及所述光束耦合光学系统的至少I部分处设置的可动部，使所述各光源、预备光源以及所述光束耦合光学系统之中的至少一部分移动，取代发生了故障的所述光源的光束而从所述预备光源使光束射入至所述光束耦合光学系统，并在所述光束耦合元件后的光路与来自所述多个光源的光束耦合。
[0007]发明的效果
[0008]在本发明中，能够提供一种光束耦合装置等，该光束耦合装置是使多个激光束的耦合具有自由度的构造，能够追加预备光源而不会使激光输出的上限下降。
【附图说明】
[0009]图1是本发明的实施方式I涉及的光束耦合装置的概略结构图。
[0010]图2是用于说明本发明的实施方式I涉及的光束耦合装置的动作的图。
[0011]图3是本发明的实施方式2涉及的光束耦合装置的概略结构图。
[0012]图4是图3的LD组件的侧视图。
[0013]图5是本发明的实施方式3涉及的光束耦合装置的概略结构图。
[0014]图6是用于说明本发明的实施方式3涉及的光束耦合装置的动作的图。
[0015]图7是本发明的实施方式4涉及的光束耦合装置的概略结构图。
[0016]图8是用于说明本发明的实施方式4涉及的光束耦合装置的空间耦合(位置耦合)的图。
[0017]图9是用于说明本发明的实施方式4涉及的光束耦合装置的偏振耦合的图。
[0018]图10是用于说明本发明的实施方式4涉及的光束耦合装置的波长耦合的图。
[0019]图11是用于说明本发明的实施方式4涉及的光束耦合装置的模块停止时的动作的图。
[0020]图12是本发明的实施方式5涉及的光束耦合装置的概略结构图。
[0021]图13是表示本发明的实施方式5涉及的光束耦合装置的未搭载预备光源的激光模块的结构的一个例子的图。
[0022]图14是表示本发明的实施方式5涉及的光束耦合装置的未搭载预备光源的激光模块的光源故障时的电路结构的图。
[0023]图15是本发明的实施方式7涉及的光束耦合装置的概略结构图。
[0024]图16是表示本发明的实施方式3涉及的光束耦合装置的配线切换盒的其他结构例的图。
[0025]图17是本发明的实施方式8涉及的光束耦合装置的概略结构图。
[0026]图18是用于说明本发明的实施方式8涉及的光束耦合装置的动作的图。
[0027]图19是用于说明本发明的实施方式8涉及的光束耦合装置的动作的图。
[0028]图20是用于说明本发明的实施方式8涉及的光束耦合装置的动作的图。
[0029]图21是表示针对本发明的实施方式8涉及的光束耦合装置的各LD组件的故障的、折叠式反射镜的控制的图。
【具体实施方式】
[0030]下面，利用附图并按照各实施方式说明本发明涉及的光束耦合装置等。此外，在各实施方式中，相同或相当的部分由相同或等同的标号表示，省略重复的说明。
[0031]实施方式1.
[0032]图1是本发明的实施方式I涉及的光束耦合装置的概略结构图。包含波长耦合外部谐振器的光束耦合装置100将来自作为光源的激光二极管(LD)元件的光通过色散性而与I个光束耦合并输出。使用图1简单地说明动作机构。从搭载有LD条的作为光源的LD组件Ia-1e射出的激光束在相对于各LD组件Ia-1e设置有各I个折叠式反射镜2(在光路之上对光束方向进行变更的光学元件)处方向被变更而射入至柱面透镜4。激光束通过柱面透镜4而在作为光束耦合元件的衍射光栅5重叠，通过衍射光栅5的色散性而在衍射光栅5和局部透射镜6之间重叠为I个光束。设置有对LD组件la-le、各折叠式反射镜2、后述的轨道3、柱面透镜
4、衍射光栅5、局部透射镜6进行收容的框体7，为了从框体7将光束取出，配置有具有光束透过元件以及色散光学元件的功能的输出透过元件56等。在图1中，LD组件Ie是预备光源，搭载有与其他LD组件等同的LD组件。另外，如由虚线所例示，根据需要而适当设置准直透镜CL(以下相同)。
[0033]图2是表示在图1的结构中，LD组件Ib发生故障时预备的LD组件Ie动作的情况的图。在LD组件Ib的激光束输出侧设置的折叠式反射镜2被去除或者被移动至LD组件Ib的激光束的光路外，取而代之预备的LD组件Ie的折叠式反射镜2在轨道3之上移动，配置为LD组件Ib的光路所在的位置与光路重叠。折叠式反射镜2以足够的配置精度进行配置，以能够取代LD组件Ib而起作用。此外，轨道3以不遮挡激光束的方式从光路偏移(例如，向图的纸面背面侧偏移)。
[0034]此外，也可以将轨道3分别设置于各LD组件la-le，使折叠式反射镜2分别移动。另夕卜，设置有下述机构，该机构能够使得LD组件Ie的折叠式反射镜2以及LD组件Ib的折叠式反射镜2、以及其他LD组件的折叠式反射镜的其他移动以手动或电动的方式进行，从框体7的外侧进行，能够进行移动而无需打开框体7。另外，优选设置如图1所示的监视器机构(监视器部102)，以使得能够随时在框体7的内侧或外侧分别监视LD组件Ia-1e的输出下降。此外，在图2及其以后，省略框体7的外侧的结构的图示。
[0035]具体而言，各LD组件Ia-1e从供电电路实施电力供给的调整、通断。另外，各LD组件Ia-1e分别具有使折叠式反射镜2在轨道3之上移动的驱动电动机(省略图示)。将上述的光源切换功能作为光源切换机构101而示出。另外，将用于检测LD组件Ia-1e的故障的、LD组件的状态的监视器装置(对从LD组件输出的激光束的波长、激光束强度(输出)、射出方向、LD组件的LD处的电压等进行监视)作为监视器部102而示出。在框体7的外侧设置的由计算机等构成的控制部10c与光源切换机构101以及监视器部102连接，对光源切换机构101进行控制而进行下述动作的控制，即，LD组件的通断(具体而言，通过来自供电电路的供电的通断而进行相对于供电电路的连接、分离)、供给电力的调整、以及根据来自操作者的输出而使折叠式反射镜2移动。另外，根据监视器部102监视到的LD组件的状态而判定故障LD组件。
[0036]控制部10c也可以根据来自监视器部102的LD组件的状态而判定故障LD组件，根据判定结果而对光源切换机构101进行控制，将故障LD组件从供电电路断开，取而代之将预备LD组件与供电电路连接，进而将故障LD组件的折叠式反射镜从光路移开，使预备LD组件的折叠式反射镜移动，以使得光路与故障LD组件的光路重叠。
[0037]另外，在以手动方式进行折叠式反射镜2的移动的情况下，操作者手动地对操作杆进行操作，该操作杆的一端与折叠式反射镜2连结，另一端贯穿框体7而凸出至外部。
[0038]在以上述方式构成的光束耦合装置中，能够取代发生了故障的LD组件而使预备的LD组件的动作开始，无需打开框体7。
[0039]在本实施方式中，对LD组件搭载有LD条的情况进行了叙述，但LD芯片也可以为单芯片。
[0040]另外，针对LD组件的个数，示出在运转开始时4个动作、预备LD组件为I个的情况，但LD组件、预备LD组件的数量并不限定于此。例如可以设置多个预备LD组件。
[0041]另外，在本实施方式中，将透过型的衍射光栅5作为色散性介质而使用(波长耦合外部谐振器)，但只要是将光束耦合的方法，在波长耦合、偏振耦合、空间耦合(位置耦合)的任意的情况下，均能够构成相同的装置(光束耦合外部谐振器)。
[0042]另外，在将光源在光束耦合装置的输出侧与光纤0P(参照图1)耦合的情况下，即使由于光路差等在来自LD组件Ib的光和来自LD组件Ie的光产生差异，只要是在一定程度内，就能够通过由光纤传输而实现的光束模式的各向同性效果，缓和由向预备LD切换引起的光束的变动的影响。
[0043]在本实施方式中，在由于LD组件的光输出下降等而不能进行正常动作时，在框体中配置的预备的LD组件开始动作，由此能够继续进行正常动作。另外，在正常动作时，预备的LD组件未完全占有波长耦合外部振荡器的光路，因此由于存在预备的LD组件而使得正常动作时的输出的极限下降。因此，在使用相同数量的LD组件的情况下，一边通过能够在LD故障时利用预备LD组件进行替代动作而保持冗余性，一边不占有光路，由此具有不降低输出的极限且确保冗余性的效果。另外，具有对哪个LD组件发生了故障进行自动测量的装置，由此能够进行替代动作而无需打开框体。因此，能够实现不受到污染、湿气影响的更换。
[0044]此外，在图1的光源切换机构101示意性地示出用于进行上述动作的可动部1101和对该可动部1101进行驱动的驱动部1102。
[0045]可动部1101例如包含使折叠式反射镜2在轨道3之上移动的机构，以及例如如图16所示的进行向各LD组件I a-1 e的来自供电电路的电力供给的调整、通断控制的机构的电动开关等。
[0046]驱动部1102例如包含用于驱动上述可动部的驱动电动机、向LD组件的供电电路以及它们的电源等。
[0047]此外，上述的具体结构根据使用方式而选择适当的结构进行设置即可(下面，相同)。
[0048]此外，光源切换机构101的一部分有时还优选如后述所示设置在框体7之外，作为光源切换机构111而示出。
[0049]此外，在图2及其以后的图中，省略它们的图示。
[0050]实施方式2.
[0051]图3是本发明的实施方式2涉及的光束耦合装置的概略结构图。如图3所示，可以以设置移动式的预备LD组件而对光路进行切换的方式构成冗余性高的光束耦合装置。在图3中，从LD组件If、Ig、Ih产生的激光束被柱面透镜11准直化，在衍射光栅5a重叠。在从衍射光栅5a至局部透射镜6a之间光束重叠，在从衍射光栅5a至LD组件If、lg、lh之间形成不同的光路。通过衍射光栅5a所具有的色散性，来自不同LD组件的光束具有不同的波长，被以不同的角度衍射，因此，从局部透射镜6a作为I个光束而将光束取出。
[0052]图4中示出从侧面观察到图3的沿箭头A的方向的LD组件Ih的图。在本实施方式中，在LD组件If、lg、lh的下部侧(在图3中图面用纸的背面方向)设置的预备LD组件Ii构成为，在LD组件故障时可动反射镜2a、2b移动，由此能够使光路上升(使光路平行移动至上方)，使光路与从LD组件Ih至衍射光子5a的光路重叠。另外，LD组件Ii以及其可动反射镜2a、2b如图3中由虚线的箭头所示，构成为能够沿以衍射光栅5a为中心而旋转的方向进行移动，构成为在故障时不仅与LD组件Ih的光路重叠，还能够与LD组件If、Ig的光路重叠。
[0053]在以上述方式构成的光束耦合装置中，即使在LD组件If、lg、Ih的某个发生了故障的情况下，通过LD组件l1、其柱面透镜11b、以及上升(光路平行移动)用的可动反射镜2a、2b不断旋转而爬升，从而也能够取代发生了故障的LD组件的光路，使预备LD组件替代故障组件而开始动作。
[0054]在本实施方式内，详细内容未图示，但优选与上述实施方式相同地，例如设置控制部100c、光源切换机构101、111、监视器部102，判定LD组件If、lg、Ih中的哪个发生了故障，可以利用预备LD组件Ii替代发生了故障的LD组件。发生了故障的LD组件的监视器部102是波长耦合谐振器，因此可以搭载对波长进行监视的装置，为了削减与波长测量装置相应的成本，也可以设置能够仅在监视时将已有的波长测量装置耦合的光纤端子。
[0055]另外，可以对各LD组件的电压进行监视。而且，在使用衍射光栅5a的、能够泄漏O次光的衍射光栅5a的情况下，对漏光的方向进行监视，检测哪个LD组件发生了故障。
[0056]另外，优选监视器部自动地动作或者监视器部设置在装置的框体7a外，并且优选将使可动部移动的机构和对配线进行切换，以使得电流不流过故障LD组件，并使电流流过预备LD组件的机构设置在装置的框体外，即使不打开框体也能够进行切换。
[0057]在该情况下，例如光源切换机构101使LD组件l1、其柱面透镜11b、以及上升(光路平行移动)用的可动反射镜2a、2b沿以衍射光栅5a为中心而旋转的方向进行移动，并且进行可动反射镜2a、2b的爬升动作。LD组件l1、柱面透镜11b、可动反射镜2a、2b例如设置于可动支撑部(省略图示)之上，该可动支撑部设置有使它们分别进行动作的各个驱动电动机，光源切换机构101进行使可动支撑部移动的控制。另外，与上述实施方式相同地，进行各LD组件的供电的调整、通断。监视器部102对LD组件If、lg、lh的状态进行监视。控制部10c根据来自监视器部102的LD组件的状态的监视结果而判定故障LD组件，按照判定结果而对光源切换机构101进行控制，进行下述动作，S卩，使故障LD组件(例如Ih)从供电电路分离，取而代之将预备LD组件Ii与供电电路连接，并且使LD组件l1、其柱面透镜Ilb以及可动反射镜2a、2b旋转至故障LD组件下方为止，使可动反射镜2a、2b爬升。
[0058]此外，也可以在控制部10c的显示部(省略图示)显示来自监视器部102的LD组件的状态的检测结果，操作者根据显示判定故障LD组件，操作者将把故障LD组件切换为预备LD组件的指示输入至控制部100c，光源切换机构101根据来自与所输入的指示相应的控制部10c的控制信号而进行上述切换动作。
[0059]另外，也可以将监视器部102设置在框体7a之外，在框体7a之外接收来自对框体内的激光束波长、激光束强度(输出)、射出方向、LD组件的LD中的电压等进行检测的传感器(省略图示)的检测信号。另外，也可以使框体7a的一部分透明，从框体7a之外对能够从分离的场所检测的激光束的状态进行监视。另外，关于光源切换机构101，如在以后的实施方式中说明所述，也可以在框体7a之外设置进行配线切换的配线切换盒，以手动方式或者在配线切换盒设置电动开关而根据来自控制部10c的控制信号进行配线切换，对向LD组件的供电电路的连接、分离进行通断控制。这对于其他实施方式也相同。
[0060]在以上述方式构成的光束耦合装置中，能够在LD组件故障时将发生了故障的LD组件更换为预备LD组件，因此能够产生更大的输出而无需打开用于预备LD组件的光路。另外，在更换时，能够检测出故障部件而从框体外部进行操作，能够缓和由污染引起的故障的影响。另外，能够减少更换所需的时间和工作量。
[0061]此外，作为多个光源的LD组件If、lg、lh，例如以作为光束耦合元件的衍射光栅5a为中心而配置为同心圆状。作为预备光源的LD组件Ii在与半径比LD组件If、lg、lh小且包含同心圆在内的面正交的方向上偏移后的同心圆状的轨道移动。
[0062]光源切换机构101的可动部例如包含:以如上所述方式能够移动地支撑LD组件l1、柱面透镜11b、可动反射镜2a、2b的可动支撑部；以及下述机构的电动开关SW等，S卩，例如例如如图16所示的进行从供电电路向LD组件的电力供给的调整、通断控制的机构。驱动部包含使上述可动部移动的驱动电动机、向LD组件的供电电路以及它们的电源等。
[0063]实施方式3.
[0064]图5是本发明的实施方式3涉及的光束耦合装置的概略结构图。如图5所示，可以为下述结构，即，在利用了色散性的波长耦合外部谐振器内设置I个预备光源(预备LD组件)用光路，在发生故障(问题)时，仅利用来自电源的配线切换对光路进行切换。在图5所示的实施方式中，在开始使用LD装置时，搭载有LD条的LD组件If、lg、Ih在进行与LD组件的供电电路的连接、分离的配线切换盒10之上串联地连接而动作，与实施方式2相同地，形成外部谐振器。即，在局部透射镜6b和衍射光栅5a之间形成有通用的光路，由于衍射光栅5a的色散性，在衍射光栅5a和LD组件If、lg、lh之间形成有衍射角根据波长的不同而不同的各自的光路。另外，为了防止故障，预备(光源)LD组件Ij在开始使用时，将+(正极)端子和-(负极)端子连接。在LD组件If、lg、lh、预备(光源)LD组件Ij分别设置有柱面透镜11c。
[0065]下面，在图6中示出在LD组件Ig发生了故障的情况下，预备光源(LD组件)lj替代LD组件Ig而进行动作的情况。在图6中，预备LD组件Ij构成为，在来自LD组件If-1h的光所射入的衍射光栅5a中，光束射入至与其他LD相同的位置并重叠，另外，构成为，在从衍射光栅5a至局部透射镜6b之间，与其他光束成为相同光轴。
[0066]另外，预备LD组件Ij在与如图6所示配置的位置处的衍射角相对应的波长带将其他LD替代时具有足够的收益。
[0067]另外，在图6中，预备LD组件Ij配置在端部，但也不必一定配置在端部，既可以配置在LD组件之间，也可以配置在两端。
[0068]另外，预备LD组件Ij的数量无需限定为I个，也可以根据装置所需的冗余性而配置几个。
[0069]另外，能够将从衍射光栅5a至局部透射镜6b的光路与其他LD组件共享、获得预定的输出、预定的聚光性等的动作是在开始使用装置前预先调整的。
[0070]在LD组件Ig发生了故障时，首先，利用监视器部102、设置有显示监视结果的显示部的控制部100c，对哪个LD组件发生了故障进行检测、显示。故障LD组件的检测方法可以如实施方式2所记载的那样，对各LD组件的电压进行监视，另外也可以对各LD组件的激光束输出、射出方向、波长等进行监视。另外，也可以预先仅设置用于进行监视的端子、受光部，在检查时将光纤或操纵台、PC(个人计算机)进行连接。如果检测、显示了哪个LD组件发生了故障，则操作者在配置于框体7b之外的配线切换盒10中，如图6所示，对配线进行切换，以使得将向LD组件Ig的电流供给停止(与供电电路分离)并将预备LD组件Ij与供电电路连接而开始电流供给，使装置进行动作。
[0071]此外，此时，也可以利用供电电路的图5所示的电源PS对电流、电压进行调整而调整LD组件的输出。另外，该电源PS也能够作为各驱动部的驱动电动机的电源而使用。
[0072]在本实施方式中，作为光源切换机构的配线切换盒10设置在框体之外，无需打开框体而能够进行配线的切换，因此，能够避免向在框体内配置的光学元件、LD元件的污染、由湿气带来的不良影响。另外，由于能够尽早进行配线的切换和监视，因此能够减轻进行维修的操作者的负担。如果可能，优选自动地进行故障LD组件的检测和配线的切换之中的某一方或者两者。
[0073]S卩，与在上述实施方式中说明的情况相同地，利用控制部100c，根据来自监视器部102的LD组件的状态的监视结果而判定故障LD组件，根据判定结果，向如图16所例示那样在成为光源切换机构(包含可动部、驱动部在内)的配线切换盒10之上设置的进行配线的连接、分离的电动开关SW输出开闭控制信号，将故障LD组件从供电电路分离，取而代之将预备LD组件I j与供电电路连接。另外可以进一步控制供电电路的电源PS而进行电流、电压的调整。
[0074]针对图16简单地进行说明，LD组件lf-lh、以及预备LD组件Ij串联地连接，具有电动开关SW的短路电路设置于各LD组件。在与图5的状态相当的初期，预备LD组件Ij的短路电路的电动开关SW接通(被连接而通电的状态)，LD组件If、Ig、Ih的短路电路的电动开关SW断开(未连接、不能通电的状态)，且LD组件If、lg、lh动作，装置发挥作用。而且，例如在如图6所示的LD组件Ig发生了故障的情况下，在LD组件Ig设置的短路电路的电动开关SW从断开状态变为接通状态，相反地在预备LD组件Ij设置的短路电路的电动开关SW从接通状态变为断开状态，由此LD组件If、lh、预备LD组件Ij动作。此外，该切换电路的结构是一个例子，与用途相匹配地设为适当的结构即可。
[0075]当前，在电流较小的情况下，以自动的方式进行电流切换是容易的，但如本实施方式所示，有时大于或等于几A这种等级的大电流的切换难以自动化，装置会大型化，因此也可以将配线切换盒10设置在框体外，设置手动地进行切换的机构。即，本发明的效果在对光源通电的电流为大于IA的电流的情况下得到更大发挥。
[0076]如本实施方式所示，与预备组件单独地设置光路而构成波长耦合外部振荡器，由此，即使如实施方式2所示不设置移动机构等，也能够通过仅进行配线的切换而在故障时继续进行正常动作。通过省去移动机构，从而能够实现装置的小型化、更换时间的缩短。
[0077]实施方式4.
[0078]图7是本发明的实施方式4涉及的光束耦合装置的概略结构图。在图7中，激光模块12a-12h分别是具有例如在实施方式3d中说明的预备LD组件的波长耦合外部谐振器。即，例如图5的LD组件If-1h、预备LD组件I j、柱面透镜11c、遮射光栅5a、局部透射镜6b、框体7b，还包含配线切换盒10、监视器部102、控制部100c。在本实施方式中，相邻的激光模块即12a和1213、120和12(1、126和12匕128和1211分别进行空间耦合(位置耦合)，来自各模块的合计8个射出光束成为4个。
[0079]针对空间耦合(位置耦合)，利用图8简单地进行说明。在图8中，从激光模块12a和12b产生的激光束通过第I柱面透镜13而被聚光。然后，在经过聚光点之后通过所配置的第2柱面透镜14而被准直化，与射入至第I柱面透镜13时相比间隔更窄。以上述方式将间隔变窄的激光束与刚从激光模块12a和12b射出后相比，作为空间耦合(位置耦合)后的2个光束整体的聚光性提高，虽然不重叠为I个光束，但只要适当地选择光纤直径、光纤的NA(Numerical Aperture)，就能够收敛为可射入至光纤的大小和扩张角，能够实质性地親合。另外，图8所示的方法是一个例子，光学系统除此之外还可以想到多种。另外，这里示出了耦合了 2个光束的情况，但进行空间耦合(位置耦合)的光束的个数依赖于从激光模块射出的光束的聚光性，只要能够维持可射入至光纤的聚光性，则能够增加个数。
[0080]然后，如图7所示，空间耦合(位置耦合)后的光束被偏振耦合，全部成为2个光束。利用图9对偏振耦合进行说明。在图9中，从激光模块12a和12b产生的激光束通过波长板、偏振旋转器等偏振旋转元件15而如图9所示使偏振方向旋转90度。其结果，从激光模块12a和12b产生的光束的偏振方向变为与从激光模块12c和12d产生的光束的偏振方向相差90度的状态，通过偏振元件16而重叠为I个光束。
[0081]然后，进一步通过如图7所示波长耦合而耦合为I个光束。对于波长耦合，利用图10进行说明。通过将来自激光模块12a-l2d的光束和来自激光模块12e?12h的光束利用波长耦合镜17进行耦合，从而汇聚为I个光束。激光模块12a-12d和激光模块12e-12h需要使用不同波长的激光二极管。另外，波长耦合的光束个数也不限定于2个，可以为大于或等于3个的任意个，因此需要准备不同规格的激光二极管。最后如图7所示被光纤耦合并进行使用。
[0082]在以上述方式构成的光束耦合装置中，并非一定要限定为如图5、6所示在I个激光模块内各I个LD组件(LD)发生故障，也有可能在I个激光模块内大于或等于2个LD组件发生故障。另外，还有可能由于断线、污染等而发生故障、激光模块的I个暂时不动作(成为I个激光模块内的全部LD组件发生故障或者光束不能输出的状态)。
[0083]图11是表示在激光模块12e不能动作的情况下的、本发明的光束耦合装置的动作的图。如图11所示，在激光模块12e发生故障而不能工作的情况下，激光模块12e的动作会停止。此时，通过使在其他激光模块搭载的预备LD组件全部运转，从而作为应急处理而对因激光模块12e的停止引起的输出下降进行补充、使运转持续，直至得到维修为止而持续进行上述动作。因此，在各激光模块可以设置多个预备LD组件，也可以设置连I个预备LD组件都没有的激光模块。另外，对于应急处理，除了预备LD组件运转以外，也可以通过增大电流而使运转持续。另外，在I个激光模块内大于或等于2个LD组件发生故障且仅使预备LD组件部分运转即可的情况下，无需将全部的预备LD组件运转，也可以仅使所需数量的预备LD组件工作而使动作持续。
[0084]在以上述方式构成的光束耦合装置中，作为预备措施，无需另外设置I台激光模块，能够改善光束耦合装置整体的冗余性，即使在I台激光模块停止的情况下也能够进行维持所期望的输出的运转。另外，在激光模块射出后的光束耦合个数超过I个激光模块内所具有的LD组件数量的情况下，能够减少将I个预备LD组件设置在各激光模块的成本。
[0085]为了增加光束耦合个数，只能增加空间耦合(位置耦合)或波长耦合的个数。如果增加空间耦合(位置耦合)的光束个数，则使装置整体的光束的聚光性恶化。如果要增加波长耦合的个数，则需要增加波长，引起成本增加和维修的困难化。根据以上内容，激光模块射出后的光束耦合个数受限，为了提高输出，利用模块内的作为光束耦合元件的衍射光栅、色散光学元件而增加波长耦合数量是有利的，在使用色散光学元件的波长耦合装置的情况下，本发明的效果得到更大发挥。
[0086]本发明与作为其他确保冗余性的方法的设置预备的激光模块的情况相比，能够以更少的部件数量构成装置，能够使故障发生概率减小。另外，能够将装置小型化。
[0087]另外，增加了应对各种各样的故障的可能性。例如，可以想到在设置有I台预备激光模块的情况下，预备激光模块发生故障而不会进行正常动作，但如本实施方式所示，如果构成为利用其它激光模块对I个激光模块的输出下降进行补充，则即使在I个激光模块损坏的情况下也能够进行恢复。另外，能够将为了确保其冗余性所需的LD组件的个数减少。
[0088]而且还可以以图7为代表如虚线所示(在以后的实施方式中也相同)，设置:激光监视器部102a，其将来自光束耦合装置内的全部的激光模块的各个监视器部102的监视结果集中地输入，监视用于对各激光模块内的各LD组件的问题(故障)进行检测的状态；以及激光控制部10cc，其根据来自激光监视器部102a的、激光模块以及LD组件的状态的监视结果，判定出故障激光模块、故障LD组件，例如根据判定结果而向相应的激光模块的控制部10c发送控制信号，该控制信号使相应的激光模块的控制部10c输出对在配线切换盒10之上设置的电动开关(省略图示)进行开闭控制的开闭控制信号。
[0089]另外，在该情况下，为了对故障LD组件的输出进行补充，激光控制部10cc可以如后述所示进行下述控制，即，使相应的激光模块的控制部10c进行使正常的LD组件的输出提升的控制，控制部10c进行使所担当的LD组件的LD的电流增加的控制。
[0090]另外，也可以不经由各激光模块的控制部IOOc而利用激光控制部10cc直接进行全部的激光模块、LD组件的控制(包含配线切换盒10中的配线切换控制、输出调整等)。
[0091]另外，各激光模块并不限定于实施方式3的结构，也可以为具有在其他实施方式中说明的预备LD组件的结构。
[0092]实施方式5.
[0093]图12是本发明的实施方式5涉及的光束耦合装置的概略结构图。图12的光束耦合装置与实施方式4相同地，在多个激光模块内具有带色散性的波长耦合外部谐振器，这些波长耦合外部谐振器产生以空间(位置)、偏振、波长方式而进行耦合并耦合为I个光束的激光束。根据光束耦合装置，几乎不会发生激光模块整体的问题，发生问题的大多为LD组件单体的情况，有时无需为激光模块的动作停止做准备。在图12中，在激光模块12f、12g未设置预备的LD组件。
[0094]图13示出未设置预备的LD组件的激光模块。另外，图14示出了在图13所示的LD组件之中I个发生了故障时的配线变更。在图13中，在激光模块内未设置预备LD组件。另一方面，关于配线，在以无论哪个LD组件发生问题均使得能够将该LD组件短路、能够在框体7b外进行配线的切换的方式设置配线切换盒10这一点上与图5、6相同。在故障时，如图14所示，发生了故障的LD组件If的正负两端子之间被配线短路，停止动作。通过将LD组件If的动作停止，从而激光模块整体的输出下降。
[0095]此外，上述配线与LD组件If被从供电电路分离的情况等同。另外，在该情况下，可以以使得LD组件If从供电电路分离的方式进行配线。
[0096]在将LD组件的动作停止的情况下，如图12所示，不仅是相同激光模块内，在其他激光模块内部配置的预备激光模块也动作，因此能够在进行维修之前使动作继续，而无需一定针对全部的激光模块设置预备LD组件。另外，预备LD组件无需一定限定为I模块I个，也可以根据需要而增加。即使成为预备LD组件数量为I个的激光模块，也能够省去光学元件、框体等。对于这种结构，由于部件数量少，因此能够将装置小型化。另外，能够使故障的发生概率减小。
[0097]实施方式6.
[0098]另外，对于LD组件的LD的动作电流值的极限例如为60A的装置，当存在在小于或等于60A的电流区域中输出依赖于电流而增加这种特性的情况下，可以为下述应用方法，SP，始终以40A或50A进行动作，在LD组件故障时，仅发生了故障的LD组件通过配线切换而从供电电路分离，将电流值例如升高至55A等，确保所需输出，直至进行维修为止持续进行动作。
[0099]在该情况下，如果总LD组件个数足够多而能够通过电流升高承受几个LD组件的故障，另外，I个激光模块突然停止的可能性极低，则也可以完全不搭载预备的LD组件。另外，还可以是将预备的LD组件的个数大幅地减少的结构。即，能够与故障概率(频率)和可能引起的故障的严重程度相对应而减少预备LD组件的个数。在这种方法中，如果确保冗余性，则能够减少所需的LD组件的个数，能够减小故障的发生概率。另外，能够将装置小型化。
[0100]实施方式7.
[0101]图15是本发明的实施方式7涉及的光束耦合装置的概略结构图。如图15所示，也可以单独提供框体18和框体7c，该框体18配置有存在发生故障的可能性的LD组件l1、lj、lk和LD组件周边的柱面透镜Ilc等光学部品，该框体7c包含遮射光栅5b、局部透射镜6c等其他光学元件。在该情况下，不是以一边I个I个地配置LD组件一边进行调整而最终使得全部的LD组件均正常动作的方式进行配置，而是可以仅针对框体18进行调整，在现场设置规定出抵接面或销等的位置精度的定位部件19，框体7c和框体18以大于或等于预先规定的精度的位置精度进行配置。另外，框体18和框体7c可以构成为设置窗口W，即使在现场卸下也不会对内部带来污染、湿气的影响。另外，为了使窗口不影响通常的动作，也可以仅在卸下时实施覆盖。另外，为了框体18的调整，也可以准备作为其他基准的框体7c，能够在其他场所进行调整。在图15中也具有监视器部102、控制部100c，但这些装置也可以如图15所示设置在框体7c侧，也可以设置在框体18侧，也可以分开设置在两侧。
[0102]通过以上述方式将LD组件和光学部品的框体分离，从而能够容易地进行LD组件的更换。另外，在图15中还可以设置对框体18和框体7c的位置关系进行微调的调整机构。另夕卜，还可以在构成框体7c的部件的衍射光栅5b、局部反射镜6c等的一部分或者全部设置调整机构而从控制部10c进行调整控制。对于该调整机构，出于避免污染、湿气的目的，优选设为不打开框体而能够微调的机构。
[0103]另外，在图15中，全部的LD组件收容在I个框体18，但也可以如虚线所示，将I部分放入其他框体而仅更换一部分的LD组件框体。另外，还可以预先准备其他的框体18作为更换部件，在故障时仅更换框体18。
[0104]对于这种结构，能够降低在更换时LD组件受到污染、湿气的影响的可能性，因此能够延长LD组件的寿命。
[0105]此外，还可以在LD组件I 1、I j、Ik之中包含预备LD组件。
[0106]实施方式8.
[0107]图17是本发明的实施方式8涉及的光束耦合装置的概略结构图。在本实施方式中与实施方式I相关联地示出故障LD组件(光源)和预备LD组件(预备光源)的切换结构。LD组件Ie是预备光源，LD组件la、lb、Ic是多个光源。在图1中，LD组件la、lb、Ic以及折叠式反射镜2A-2F、柱面透镜4、作为光束耦合元件的色散光学元件5c、作为输出光学元件的输出耦合元件6d构成外部谐振器。
[0108]从LD组件la、lb、Ic出来的光在输出耦合元件6d和色散光学元件5c之间耦合为I个光束，被从输出耦合元件6d取出。另外，射入至输出耦合元件6d的光束的一部分经由色散光学元件5c而返回至LD组件la、lb、lc。这里，来自LD组件la、lb、Ic的光的一部分射入至监视器部102，例如在通过与正常时的输出信号的强度对比等输出下降时，能够检测到。此时，控制部10c根据来自监视器部102的LD组件la、lb、lc的故障部位的检测结果，使光源切换机构101对应于故障部位而动作，将发生了故障的LD组件和色散光学元件5c连结的光路成为停止状态，将预备LD组件Ie和色散光学元件5c连结的光路成为动作状态。
[0109]例如在LD组件Ia发生了故障的情况下，如图18所示，能够通过使折叠式反射镜2A、2E、2F移动，从而由预备LD组件Ie取代LD组件Ia进行动作。
[0110]另外，在LD组件Ib发生了故障的情况下，如图19所示，能够通过使折叠式反射镜2B、2F移动，从而由预备LD组件Ie取代LD组件Ib进行动作。
[0111]另外，LD组件Ic发生了故障的情况下，如图20所示，能够通过使折叠式反射镜2C移动，从而由预备LD组件Ie取代LD组件Ic进行动作。
[0112]预备LD组件Ie预先以下述方式进行调整，S卩，在将折叠式反射镜2A、2B、2C拆除的状态下，调整折叠式反射镜2D、2E、2F，无论在折叠式反射镜2D、2E、2F的哪个反射镜中波长耦合外部谐振器均能够动作。在图21中汇总地示出针对各LD组件的故障而移动的折叠式反射镜和保持静止状态的折叠式反射镜。
[0113]详细内容并未图示，但可以配置为使得预备LD组件Ie和色散光学元件5c之间的距离、LD组件la、lb、lc和色散光学元件5c之间的距离相等，例如可以将透镜(在图17中由虚线示出)等设置在光路中，以使得预备LD组件Ie的位置的像在与来自LD组件la、lb、lc的光路重叠的位置被转印。另外，也可以根据需要，例如如图5、6、16等所示设置以下述方式进行切换的电路，即，将故障LD组件的电路从供电电路分离，切换为向预备LD组件I e供电。另外，折叠式反射镜从光路去除的方法只要是使得光路不受到折叠式反射镜的作用即可，并不限定于移动，适当地应用旋转(在图17的折叠式反射镜2A中由虚线表示)、或者移动和旋转的组合也能够得到相同的效果。
[0114]此外，折叠式反射镜2A-2F构成为，分别利用驱动电动机(省略图示)而在轨道3a、3b之上移动，或者例如以折叠式反射镜的中心为轴进行旋转。
[0115]另外，将LD组件la、lb、lc以及预备LD组件Ie设置在图17所示的移动基板112之上，并能够利用驱动电动机(省略图示)而在xy面内移动，由此能够调换LD组件的位置而利用预备LD组件进行故障LD组件的支援。
[0116]此外，在上述实施方式1(图1、2)中，
[0117]LD组件Ia-1d构成光源，
[0118]LD组件Ie构成预备光源，
[0119]衍射光栅5构成光束耦合元件，
[0120]折叠式反射镜2、柱面透镜4、衍射光栅5和局部透射镜6构成光束親合光学系统，
[0121 ]监视器部102构成监视器部，
[0122 ] 光源切换机构11、111和控制部I OOc构成电源切换部。
[0123]另外，使折叠式反射镜2在轨道3之上移动的机构、以及如图16所示那样的进行从供电电路向各LD组件Ia-1e的电力供给的调整、通断控制的机构的电动开关SW等构成光源切换机构101的可动部。另外，用于驱动可动部的驱动电动机、向LD组件的供电电路、以及它们的电源等构成光源切换机构1I的驱动部。
[0124]在上述实施方式2(图3、4)中，
[0125]LD组件If、lg、Ih构成光源，
[0126]LD组件I i构成预备光源，
[0127]衍射光栅5a构成光束耦合元件，
[0128]柱面透镜11、可动反射镜2a、2b、衍射光栅5a和局部透射镜6a构成光束親合光学系统，
[0129]监视器部102构成监视器部，
[0130]光源切换机构101和控制部10c构成电源切换部。
[0131]另外，能够移动地支撑LD组件I1、柱面透镜11b、可动反射镜2a、2b的可动支撑部、例如如图16所示那样的进行从供电电路向各LD组件Ia-1e的电力供给的调整、通断控制的机构的电动开关SW等构成光源切换机构101的可动部。另外，使它们的可动部动作的驱动电动机、向LD组件的供电电路、以及它们的电源等构成光源切换机构101的驱动部。
[0132]在上述实施方式3(图5、6)中，
[0133]LD组件If、lg、Ih构成光源，
[0134]LD组件Ij构成预备光源，
[0135]衍射光栅5a构成光束耦合元件，
[0136]柱面透镜11c、衍射光栅5a和局部透射镜6b构成光束親合光学系统，
[0137]监视器部102构成监视器部，
[0138]配线切换盒10构成配线切换盒，
[0139]框体7b构成框体，
[0140]控制部IOOc (光源切换机构1I)构成电源切换部。
[0141]在以自动的方式控制光源的情况下，如图16所示那样的进行从供电电路向LD组件的电力供给调整、通断控制的机构的电动开关SW等构成光源切换机构1I的可动部。另外，向LD组件的供电电路以及其电源等构成光源切换机构1I的驱动部。
[0142]在上述实施方式4_6(图7、14)中，
[0143]激光模块12a_l2h构成激光模块，
[0144]空间耦合(位置耦合)部、偏振耦合部、波长耦合部和光纤耦合部构成模块光束耦合光学系统500，
[0145]激光监视器部102a构成激光监视器部，
[0146]激光控制部10cc构成激光控制部。
[0147]此外，各激光模块内结构与其他实施方式的结构相同。
[0148]在上述实施方式7(图15)中，
[0149]LD组件I 1、I j、Ik构成光源以及预备光源，
[0150]衍射光栅5b构成光束耦合元件，
[0151 ]柱面透镜11c、衍射光栅5b和局部透射镜6c构成光束親合光学系统，
[0152]框体7c构成主框体，
[0153]框体18(也包含分割后的各框体)构成副框体，
[0154]定位部件19构成定位部。
[0155]在上述实施方式8(图17-21)中，
[0156]LD组件Ia-1c构成光源，
[0157]LD组件Ie构成预备光源，
[0158]折叠式反射镜2A-2E构成光学元件，
[0159]色散光学元件5c构成光束耦合元件，
[0160]输出耦合元件6d构成输出光学元件，
[0161]折叠式反射镜2A-2E、柱面透镜4、色散光学元件5c和输出耦合元件6d构成光束耦合光学系统，
[0162]监视器部102构成监视器部，
[0163 ]光源切换机构1I和控制部I OOc构成电源切换部。
[0164]另外，使折叠式反射镜2A-2E在轨道3a、3b之上移动的机构、使LD组件Ia-1c在移动基板112之上移动的机构、以及例如如图16所示那样的进行从供电电路向各LD组件I a-1 c、Ie的电力供给的调整、通断控制的机构的电动开关SW等构成光源切换机构101的可动部。另夕卜，用于驱动可动部的各驱动电动机、向LD组件的供电电路、以及它们的电源等构成光源切换机构101的驱动部。
[0165]另外，本发明并不限定于上述各实施方式，而是包含这些实施方式的所有可能的组合。另外，各实施方式的光束耦合装置的光源切换既可以以手动方式进行，也可以利用控制部等以自动方式进行。
[0166]工业实用性
[0167]本发明涉及的光束耦合装置的结构能够应用在各种领域的光束光源。
[0168]标号的说明
[0169]la-lj LD组件，2、2A_2F折叠式反射镜，
[0170]2a、2b可动反射镜，3、3a、3b轨道，
[0171]4、ll、llb、llc 柱面透镜，5、5a、5b 遮射光栅，
[ΟΙ72] 5c色散光学兀件，6、6a、6b、6c局部透射镜，6d输出親合兀件，
[0173]7、7a、7b、7c、18 框体，10 配线切换盒，
[0174]12a-12h激光模块，13第I柱面透镜，
[0175]14第2柱面透镜，15偏振旋转元件，16偏振元件，
[0176]17波长耦合镜，19定位部件，100光束耦合装置，
[0177]10c控制部，10cc激光控制部，101、111光源切换机构，102监视器部，102a激光监视器部、可动部1011，驱动部1012，
[0178]SW电动开关，W窗口。
【主权项】
1.一种光束耦合装置，其具有: 多个光源； I个或多个预备光源； 光束耦合光学系统，其使来自所述各光源以及预备光源的光束与光束耦合元件耦合而输出，使得从所述各光源以及预备光源射入至所述光束耦合光学系统后的光束在经过所述光束耦合元件后进行耦合； 监视器部，其为了检测故障而对来自所述各光源的光束进行监视；以及光源切换部，其在检测出所述光源的故障时，利用在所述各光源以及预备光源以及所述光束耦合光学系统中的至少I部分处设置的可动部，使所述各光源以及预备光源以及所述光束耦合光学系统之中的至少一部分移动，取代发生了故障的所述光源的光束而从所述预备光源使光束射入至所述光束耦合光学系统，并在所述光束耦合元件后的光路与来自所述多个光源的光束親合。2.根据权利要求1所述的光束耦合装置，其中， 在所述光束耦合光学系统的所述I个或多个预备光源的光路之上设置有所述可动部。3.根据权利要求1所述的光束耦合装置，其中， 所述光束耦合光学系统包含光学元件，该光学元件在所述各光源以及预备光源的光路之上对光束方向进行变更， 所述预备光源的光学元件设置为使得光路在所述各光源的由所述光学元件变更光束方向后的光路的向后方延长线之上重叠， 作为所述可动部，所述光学元件能够移动， 在所述光源切换部中，发生了故障的所述光源的所述光学元件从光路之上离开，并且从所述预备光源使光束经由所述光学元件而射入至所述光束耦合光学系统。4.根据权利要求1或2所述的光束耦合装置，其中， 所述多个光源以所述光束耦合元件为中心而配置为同心圆状， 作为所述可动部，具有使所述预备光源在与半径比所述多个光源的同心圆小且包含同心圆在内的面正交的方向上偏移后的同心圆状的轨道之上移动的机构。5.—种光束耦合装置，其具有: 多个光源； I个或多个预备光源； 光束耦合光学系统，其使来自所述各光源以及预备光源的光束与光束耦合元件耦合而输出，使得从所述多个光源射入至所述光束耦合光学系统后的光束在经过所述光束耦合元件后进行耦合； 监视器部，其为了检测故障而对来自所述各光源的光束进行监视；以及配线切换盒，其在检测出所述光源的故障时，使发生了故障的所述光源电气短路，将所述预备光源与供电配线接线， 所述各光源、预备光源以及所述光束耦合光学系统被收容于I个框体内，所述配线切换盒被设置在所述框体之外。6.—种光束耦合装置，其具有: 多个激光模块，它们使分别来自多个光源的光束通过包含光束耦合元件在内的光束耦合光学系统耦合成I个； 模块光束耦合光学系统，其使来自所述多个激光模块的光束耦合而输出； 激光监视器部，其为了检测所述激光模块的输出下降而对来自所述各激光模块的光束进行监视；以及 激光控制部，其在检测出所述激光模块的输出下降时，使除发生了输出下降的所述激光模块以外的I个或多个所述激光模块的输出提高。7.根据权利要求6所述的光束耦合装置，其中， 所述多个激光模块之中的I个或多个激光模块搭载有预备光源。8.—种光束耦合装置，其具有: 多个光源； I个或多个预备光源；以及 光束耦合光学系统，其使来自所述各光源以及预备光源的光束与光束耦合元件耦合而输出，使得从所述多个光源以及预备光源射入至所述光束耦合光学系统后的光束在经过所述光束耦合元件后进行耦合， 从所述光束耦合元件以后的光路的光束耦合光学系统被收容于I个主框体，所述各光源以及预备光源分别被收容于相对于所述主框体能够装卸且利用定位部件而定位的I个或多个副框体。9.根据权利要求1至8中任一项所述的光束耦合装置，其中， 所述光束耦合元件由色散光学元件构成。10.根据权利要求9所述的光束耦合装置，其中， 所述光束耦合光学系统包含所述色散光学元件和输出耦合元件， 所述色散光学元件接收来自所述各光源以及预备光源的光束而向所述输出耦合元件输送， 所述输出耦合元件接收来自所述色散光学元件的光，将一部分输出，将一部分经由所述色散光学元件而返回至所述各光源以及预备光源。11.一种光束耦合装置的输出恢复方法，所述光束耦合装置使来自多个光源以及I个或多个预备光源的光束射入至光束耦合光学系统，在经过光束耦合元件后进行耦合而输出， 所述光束耦合装置的输出恢复方法具有下述步骤: 对所述多个光源的故障进行检测；以及 使所述各光源以及预备光源以及所述光束耦合光学系统之中的至少一部分移动，取代发生了故障的所述光源的光束而从所述预备光源使光束射入至所述光束耦合光学系统，并在所述光束耦合元件后的光路与来自所述多个光源的光束进行耦合。12.—种光束耦合装置的输出恢复方法，所述光束耦合装置将分别来自多个光源的光束利用包含光束耦合元件的光束耦合光学系统而耦合为I个，将来自多个激光模块的光束利用模块光束耦合光学系统进行耦合而输出， 所述光束耦合装置的输出恢复方法具有下述步骤: 对所述激光模块的输出下降进行检测；以及 在除发生了输出下降的所述激光模块以外的I个或多个所述激光模块中，通过增加电源的输出或者向预备光源的切换而提高输出。
【文档编号】H01S5/0683GK105940577SQ201580006615
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年1月22日
【发明人】今野进, 河崎正人, 森田大嗣, 桂智毅, 藤川周, 藤川周一
【申请人】三菱电机株式会社