準直儀及帶準直儀的光隔離器的製造方法

2023-07-20 06:06:26 2

準直儀及帶準直儀的光隔離器的製造方法
【專利摘要】在用於加工的雷射的光傳送用光纖的前端所使用的帶準直儀光隔離器中，存在使返回光從入射光系統隔離，防止光能量向入射光纖、雷射器振蕩器、準直儀及隔離器傳熱的課題。作為解決的方法，在來自加工物體的返回光從隔離器中射出並返回準直儀透鏡（5）後進行聚光的點上配置受光用光纖（22）及（23），返回光被導向陶瓷管（24）並轉換為熱而散發。
【專利說明】準直儀及帶準直儀的光隔離器
【技術領域】
[0001]本發明涉及將用於焊接、切割或做標記等加工的光纖雷射器的光導向被加工物體的傳輸用光纖的前端所使用的帶準直儀的光隔離器，用於防止向傳送用光纖及雷射器返回的返回光。
【背景技術】
[0002]以往，使用固體YAG雷射器來進行金屬的焊接、切割及做標記，最近，從波長1.0至
1.1 μ m的光纖雷射器變得實用，作為代替YAG雷射器的設備而備受矚目。
[0003]作為被加工物的金屬在上述波長區域的光反射率如果為金、銀、銅或鋁，則較大而為90%以上，如是認為其反射率比較低且適於在上述波長區域的雷射加工的鐵、鎳以及鈷則光反射率為50%以上。被加工物的表面未必一定是進行了鏡面加工的平面，因此必須考慮到照射的能量未必會全部返回雷射器，相當的量反射到雷射器。
[0004]與在YAG等固體雷射器中諧振體是晶體的情況相比，光纖雷射器的諧振體是石英玻璃，其光學破壞閾值低且容易壞。因此，尤其需要注意必須防止向雷射器返回的返回光，避免垂直入射等，但終究光隔離器在如光纖雷射器那樣，光的偏振面不確定的場合是有效的，尤其偏振面無關式光隔離器是有效的。
[0005]偏振面無關式光隔離器是由偏光鏡與法拉第旋轉器構成的設備，根據使用的雙折射晶體制偏光鏡的種類，能夠大致分為平板型與楔型兩種。
[0006]就法拉第元件所需的截面積而言，當將入射到光隔離器的光束直徑為Φ時，在平板型的情況下，由平板偏光鏡分離的兩個光束在法拉第元件中平行地前進。因此，至少需要2Φ的直徑。另一方面，在楔型的情況下，光束由楔分離為具有角度Θ的常光與異常光。因此，在將偏光鏡間距離設為d時，所需的法拉第元件的直徑為Φ+dXtan Θ。這兩種中哪一種有利取決於光束直徑、偏光鏡間距離及分離角的設計，但普遍認為不存在光束直徑越大法拉第元件的截面越成比例地增加的楔型光隔離器更有利。若考慮隨著今後光纖雷射器的輸出變高光束直徑逐漸增大的情況，則可以預想楔型光隔離器的需求會增大，需要楔型光隔離器能夠耐受高輸出。
[0007]現有技術文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:日本特公昭58-28561號公報
[0010]專利文獻2:日本特公昭61-58809號公報
[0011]專利文獻3:日本特公第2775547號公報
[0012]專利文獻4:US5，408，354A
[0013]專利文獻5:US7，306，376B2，
[0014]專利文獻6:US7，426，325B2
[0015]專利文獻7:日本特開2009-168894號公報
【發明內容】

[0016]發明所要解決的課題
[0017]與以往使用的通信用光隔離器相比，用於焊接、切割或做標記的光纖雷射器的光隔離器具有應當注意的特徵。由於光功率強，因此需要使返回光的熱量安全地釋放以避免雷射系統受到熱損傷。
[0018]在使用了楔型偏光鏡的光隔離器中，當將透鏡的焦點距離設為f，返回光的角度設為Θ時,返回光在距入射光為距離fXtan Θ的位置與焦點連結。
[0019]在通信用光隔離器的情況下，只要設定內嵌光隔離器的透鏡焦點距離f及返回光角度Θ以獲得充分的距離而使該返回光不與入射光纖的芯光耦合即可。芯的直徑僅為10 μ m左右。返回光會進入直徑125 μ m的包覆層部分,這是可以接受的。
[0020]然而，在大功率用光纖雷射器中，由於返回光的功率大，因此需要不僅以不與芯耦合的方式進行設定，還必須將fXtan Θ設定得能夠得到充分的距離以使至少返回光不會入射到光纖的包覆層。否則，會對光纖或其有機保護材料、套圈、或光隔離器的內壁進行加熱，最終引起雷射器主體、準直儀等的損壞。
[0021]作為對於該難點的對策，例如美國專利US7，426，325B2的偏振面無關式內嵌光隔離器的準直儀使用美國專利US7，306，376B2所示的光纖、端帽或端帽兼用透鏡、以及套圈一體式的準直儀。若在利用該專利方法的準直儀上安裝楔型光隔離器，則返回光不會返回雷射器主體，不會損壞光纖或準直儀。
[0022]然而，即使在該場合，返回光也在準直儀的周圍散熱，會加熱準直儀的支架、光隔離器的支架。這意味著光隔離器的部件之一的磁鐵也會被加熱，物理性質上，磁鐵的磁場強度與溫度相關地變化，因此光隔離器的的性能會與溫度存在相關性。在向光反射率高的物質照射光的場合，需要水冷等冷卻，在過度的場合還需限制使用。
[0023]鑑於這種狀況，本發明的課題在於，提供使來自照射物體的反射光不會在準直儀及其周圍的支架或光隔離器上蓄積熱量，而被安全地隔離並取出到外部進行散熱的結構。
[0024]用於解決課題的方法
[0025]為了解決這種課題，本發明人提出了利用光纖接收來自光隔離器的返回光，並從準直儀、光隔離器及雷射器振蕩器分離而作為熱量安全地發散的機構。
[0026]S卩，將三根光纖等間隔地排列並固定，中央的一根光纖用於使從雷射光源射出並通過透鏡導向至光隔離器的光通過，外側的兩根光纖用於接收沿相反的方向從光隔離器返回的光，接收到的光被導向離開雷射光源的地方，利用耐高溫的陶瓷等安全地轉換為熱能，並利用空氣或水進行冷卻。光纖的固定使用穿設有三個孔的套圈或等間隔地切割的V槽等即可。
[0027]圖1表示整體像。將從光纖雷射器I發出的雷射導向固定在中央的第一光纖2，並從前端部向透鏡5發射。前端部為了防止光損傷，期望增大光通過面積，優選進行芯擴大或焊接以純石英形成的部分即端帽。朝向透鏡的光通過透鏡成為平行光束。在該平行光束通過楔型光隔離器後，利用聚光用透鏡14聚光，在進行加工的物體15上連結焦點16而進行照射。
[0028]照射的光並非全部被物體吸收，作為切割或加工的能量被被加工物體吸收，而是以由被照射物體的物理特性決定的反射率機械反射。反射光通過第二透鏡14而成為平行光，當逆向通過隔離器時，以與光隔離器的楔角對應的某角度Θ相對於入射光的軸傾斜某角度地沿逆向前進。如圖2的詳細圖所示，該光通過透鏡後，若將透鏡的焦點距離設為f，則聚光到距第一光纖偏離fX tan Θ的位置19及20。如果剛好在該位置配置第二及第三光纖22及23，則來自被加工物體15的反射光能量能夠有效地導向第二及第三光纖22及23，不會返回第一光纖2或與光纖2相關的雷射光源I。由於第二及第三光纖22及23隻接收光，因此，芯直徑期望與第一光纖相同或更大，其前端與第一光纖相同地為了防止光損傷，期望進行芯擴大或安裝端帽28。入射到第二及第三光纖的光導入至耐高溫物體的例如封閉了一側的內側的陶瓷管24，並且，利用封閉其外側的一側的不鏽鋼管25覆蓋，並進行空氣冷卻或水冷而散熱即可。
[0029]發明效果
[0030]如上所述，照射到被加工物體而未被吸收並反射的光通過本發明的光隔離器與三芯套圈準直儀從第一光纖及光纖雷射器振蕩器完全地隔離出來，被導向第二及第三光纖，在耐熱管中成為熱量並散發，不會損壞光纖雷射器主體及傳送光纖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031 ] 圖1是表示本發明的實施例的概略結構的圖。
[0032]圖2是射入本發明的三芯準直儀與光隔離器的第一楔型偏光鏡的入射光與返回光的光路的詳細圖。
[0033]圖3是本發明的三芯準直儀與光隔離器的剖視圖。
[0034]圖4是安裝了本發明的三芯準直儀的光纖的三芯氧化鋯套圈的圖，a是剖視圖，b是側視圖。
【具體實施方式】
[0035]為了高精度地固定光纖，以往使用氧化鋯套圈，最近市場上出售有在氧化鋯套圈上高精度地開有多個孔的套圈。在此，在以下的實施例中表示使用開有三個孔的三芯氧化鋯套圈的例子。
[0036]實施例一
[0037]圖3是本實施例的剖視圖。將三根光纖安裝在三芯氧化鋯套圈上，使用透鏡5將準直儀與使用了作為楔型偏光鏡的羅森稜鏡8的光隔離器組合。
[0038]圖4表示準直儀部分的詳細。使三根光纖2、22及23通過安裝在插頭31上的氧化鋯套圈21並固定。第一光纖2使用對芯直徑為10 μ m、包覆層直徑為125 μ m的光纖的前端進行芯擴大而芯直徑成為20 μ m的光纖。該光纖的開口數NA是0.05。第二光纖22與第三光纖23使用芯直徑為62.5 μ m、包覆層直徑為125 μ m的光纖。使芯直徑比第一光纖大是為了容易地接收光。直徑2.5_的氧化鋯套圈21在中心的125 μ m用的孔的外兩側開有兩個相同的直徑125 μ m用的孔。如圖4右側的側視圖所示，三根光纖排列在一條直線上，第一光纖2與第二光纖22的間隔及第一光纖2與第三光纖23的間隔均為250 μ m。
[0039]如圖3所示，插頭31通過支架32與焦點距離為8mm的透鏡5固定。相對於套圈21的前端的光纖，透鏡配置在焦點上，形成準直儀。利用該三根光纖與一個透鏡，形成準直儀，該準直儀出射或接收在一個平行光束的兩側呈角度1.8度的成為平行光束的共計三個光束。將該準直儀部安裝在光隔離器上。
[0040]光隔離器與使用了本發明人以前的楔型偏光鏡的發明即專利第2775547號(相同內容的美國專利USP5408354)、以及日本特開2009-168894相同，在本發明中，作為楔型偏光鏡使用了金紅石制羅森稜鏡6。
[0041 ] 磁鐵10使用NS極性相互相反的五個磁鐵組成的磁鐵組。第一偏光鏡6及第二偏光鏡11均使用金紅石制羅森稜鏡。法拉第元件9使用TGG晶體。元件13是光束合成用雙折射平板，在此，分開為兩個配置在羅森稜鏡的兩側。將內徑比準直儀支架32的外徑稍大的筒狀的準直儀支架保持件33安裝在光隔離器支架上。在該支架上，每隔120度而分別三處、且每處安裝兩個螺釘，共計六個螺釘，調整準直儀的角度與位置及繞軸的旋轉。
[0042]羅森稜鏡使用角度為6度45分的金紅石稜鏡。利用該稜鏡,光隔離器的逆向返回光成為角度為1.8度的兩個平行光束。從加工物反射來的光在光隔離器反向返回，併入射到準直儀，入射到距第一光纖正好偏離250 μ m的第二及第三光纖的中心。
[0043]稜鏡的角度為加工用於使返回光由第二及第三光纖接收的稜鏡時的重要的數值。相對於上述稜鏡角為6度45分、返回光角度為1.8度，例如當角度偏離30分而為6度15分的角度時，逆向返回光的角度為1.64度。但是，如果是該角度，則距第一光纖的距離是223 μ m,其差為21 μ m，充分落入距接收光的光纖的中心芯直徑62.5 μ m的範圍。角度30分的精度在稜鏡的加工技術的現狀下，是容易實現的角度精度，這樣，認為使三芯準直儀與光隔離器耦合是容易的。
[0044]為了接收返回光，必須使準直儀繞軸旋轉，使返回光的位置與第二及第三光纖的中心一致。例如，調整為距中心250μπι的第二及第三光纖的芯直徑62.5μπι的半徑31.25μπι 的一半的 15.6μπι 的範圍內的角度是 arctan (16.5 / 250) =3.8 度。
[0045]該角度精度也是容易的調整角度。以上，以數值例說明了本發明的準直儀及光隔離器的製造及調整是容易的。
[0046]在該實施例中，作為楔型偏光鏡，使用羅森稜鏡，但如在日本特開2009-168894中使用的那樣，即使改變為楔型偏光鏡與玻璃稜鏡的組合也可以，並且，光纖使用了芯擴大光纖，但為了避免損傷，可以使用將端帽安裝在前端的光纖。
[0047]產業上的可利用性
[0048]能夠使返回光與雷射分離，另外，光不會成為熱而加熱光隔離器，因此能作為大輸出的光纖雷射器的光隔離器來使用。
[0049]符號說明
[0050]I一光纖雷射器振蕩器,2一傳送光纖,3一傳送光纖前端,4一光纖射出後朝向透鏡行進的光，5一第一透鏡,6—第一楔型偏光鏡,7一第一楔型偏光鏡與第二偏光鏡之間的一方的偏光成分的光束，8—第一楔型偏光鏡與第二偏光鏡之間的另一方的偏光成分的光束，9 一法拉第物體，10 一磁鐵，11 一第二偏光鏡，12 一光束合成分尚用雙折射晶體平板，13 一合成的光束，14 一第二透鏡，15—被加工物，16—被加工物體上的聚光點，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纖的端點，20—另一方的返回光受光光纖的端點，21—套圈或V槽等光纖保持體，22—一方的返回光受光光纖，23—另一方的返回光受光光纖，24—封閉了一端的陶瓷管，25—封閉了一端的不鏽鋼管，26—光纖的芯，27—光纖的包覆層，28—光透過截面積擴大部，29—光隔離器支架，30—準直儀位置、角度及旋轉調整用螺釘，31—插頭，32—準直儀支架，33—準直儀支架保持件。
【權利要求】
1.一種準直儀，其特徵在於， 上述準直儀具有第一光纖、第二光纖及第三光纖這三根光纖， 上述三根光纖通過等間隔地設有三個孔的陶瓷、玻璃或金屬的套圈並使前端對齊；或者固定於在陶瓷、玻璃或金屬板上等間隔地切出的三個槽並使前端對齊， 上述第二光纖及上述第三光纖的芯直徑比上述第一光纖的芯直徑大或者相等， 從三根光纖的中心的第一光纖射出的光通過透鏡而產生平行光束。
2.—種帶準直儀光隔離器，其特徵在於， 使權利要求1的具有三根光纖的準直儀與光隔離器組合，該光隔離器以雙折射晶體楔為偏光鏡，使由三根光纖的中心的第一光纖與透鏡形成的平行光束沿光隔離器的順方向入射，由透鏡對來自光隔離器的兩個返回光進行聚光，並由第二與第三光纖接收。
【文檔編號】B23K26/08GK103765267SQ201280032564
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月29日 優先權日:2011年6月29日
【發明者】細川忠利 申請人:古內化學株式會社