特許 7479396 光学ユニット、ビーム結合装置およびレーザ加工機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-25

(45)【発行日】2024-05-08

(54)【発明の名称】光学ユニット、ビーム結合装置およびレーザ加工機

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/00 20060101AFI20240426BHJP

   G02B 3/06 20060101ALI20240426BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20240426BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20240426BHJP

【ＦＩ】

G02B3/00 A

G02B3/06

G02B5/18

B23K26/064 A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021561151

(86)(22)【出願日】2020-07-01

(86)【国際出願番号】 JP2020025876

(87)【国際公開番号】W WO2021106257

(87)【国際公開日】2021-06-03

【審査請求日】2023-06-02

(31)【優先権主張番号】P 2019215505

(32)【優先日】2019-11-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／高効率加工用ＧａＮ系高出力・高ビーム品質半導体レーザーの開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100132241

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 博史

(74)【代理人】

【識別番号】100135703

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 英隆

(74)【代理人】

【識別番号】100199314

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 寛

(72)【発明者】

【氏名】淺井 陽介

【審査官】植野 孝郎

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１６３３３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１６３５９８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０３７６６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－１７１３４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１３７１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／１３７７０３（ＷＯ，Ａ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ３／００－ ３／１４

Ｂ２３Ｋ２６／０６４

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０２Ｂ ５／３２

Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０

Ｇ０２Ｂ ６／４２

Ｇ０２Ｂ２７／０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の光ビームを導光する光学ユニットであって、
前記複数の光ビームがそれぞれ透過する複数のレンズ部を備え、
前記複数のレンズ部は、前記光ビームが透過する光軸方向と交差する配列方向に配列され、
前記各レンズ部は、前記光軸方向及び前記配列方向と交差する厚み方向に対して傾斜しており、
前記光軸方向における前記光学ユニットの両端面のうちの、一方の端面において前記レンズ部が配列されたピッチが、他方の端面において前記レンズ部が配列されたピッチよりも小さい
光学ユニット。

【請求項2】

前記両端面のうちの片方の端面に対向して配置され、当該端面から前記レンズ部に光ビームを入射させる第１のコリメータレンズをさらに備える
請求項１に記載の光学ユニット。

【請求項3】

前記両端面のうちの、前記第１のコリメータレンズが対向した端面とは反対側の端面に対向して配置され、当該端面から射出する光ビームをコリメートする第２のコリメータレンズをさらに備える
請求項２に記載の光学ユニット。

【請求項4】

互いに異なる波長で共振可能な複数の光源素子を含み、各光源素子からの複数の光ビームを発光する光源と、
前記光源からの各光ビームを導光する、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学ユニットと、
前記光源から前記光学ユニットを介して入射する各光ビームを回折して、異なった波長で共振する複数の光ビームを結合する回折素子とを備え、
前記光学ユニットが、前記両端面のうちの前記レンズ部のピッチが小さい端面を前記回折素子に向けて配置される
ビーム結合装置。

【請求項5】

前記光源素子毎の前記回折素子を介した共振の波長は、前記配列方向における前記各光源素子の位置に応じて次第に変化する
請求項４に記載のビーム結合装置。

【請求項6】

前記配列方向及び前記厚み方向に並ぶ複数の光源素子を含み、各光源素子からの複数の光ビームを発光する光源と、
請求項１～３のいずれか１項に記載の光学ユニットであって、前記光源において前記配列方向に並んだ光源素子の組毎に、各光ビームを導光する複数の光学ユニットと、
各光学ユニットに導光された複数の光ビームを結合する結合光学系とを備え、
前記光学ユニットが、前記両端面のうちの前記レンズ部のピッチが大きい端面を前記結合光学系に向けて配置される
ビーム結合装置。

【請求項7】

前記配列方向における前記複数の光源素子間のピッチと、前記光学ユニットの両端面のうちの前記光源に近い方の端面において前記レンズ部が配列されたピッチとが合致する
請求項４～６のいずれか１項に記載のビーム結合装置。

【請求項8】

請求項４～７のいずれか１項に記載のビーム結合装置と、
前記ビーム結合装置によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドと
を備えたレーザ加工機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光学ユニット、及び光学ユニットを備えたビーム結合装置、並びにビーム結合装置を備えたレーザ加工機に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、個々の光ビームを重ね合わせて結合ビームを形成する波長合成式のレーザシステムを開示している。特許文献１では、光出力を増大する観点より、複数のダイオードバーからの光ビームを光ファイバに集光することが開示されている。また、レーザシステムを小型化する目的から、波長合成における結合レンズの配置を焦点距離から外すための光学系を別途含めたり、ビーム回転子を回転させたりしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第２０１６／００４８０２８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、複数の光ビームを導光する設計自由度を向上することができる光学ユニット、ビーム結合装置及びレーザ加工機を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示に係る光学ユニットは、複数の光ビームを導光する。光学ユニットは、複数の光ビームがそれぞれ透過する複数のレンズ部を備える。複数のレンズ部は、光ビームが透過する光軸方向と交差する配列方向に配列される。各レンズ部は、光軸方向及び配列方向と交差する厚み方向に対して傾斜している。光軸方向における光学ユニットの両端面のうちの、一方の端面においてレンズ部が配列されたピッチが、他方の端面においてレンズ部が配列されたピッチよりも小さい。

【0006】

本開示の一態様に係るビーム結合装置は、互いに異なる波長で共振可能な複数の光源素子を含む光源と、上記の光学ユニットと、回折素子とを備える。光源は、各光源素子からの複数の光ビームを発光する。光学ユニットは、光源からの各光ビームを導光する。回折素子は、光源から光学ユニットを介して入射する各光ビームを回折して、異なった波長で共振する複数の光ビームを結合する。光学ユニットが、両端面のうちのレンズ部のピッチが小さい端面を回折素子に向けて配置される。

【0007】

本開示の別の態様に係るビーム結合装置は、配列方向及び厚み方向に並ぶ複数の光源素子を含む光源と、複数の上記光学ユニットと、結合光学系とを備える。光源は、各光源素子からの複数の光ビームを発光する。複数の光学ユニットは、光源において配列方向に並んだ光源素子の組毎に、各光ビームを導光する。結合光学系は、各光学ユニットに導光された複数の光ビームを結合する。光学ユニットが、両端面のうちのレンズ部のピッチが大きい端面を結合光学系に向けて配置される。

【0008】

本開示に係るレーザ加工機は、上記いずれかのビーム結合装置と、ビーム結合装置によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドとを備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示に係る光学ユニット、ビーム結合装置及びレーザ加工機によると、複数の光ビームを導光する設計自由度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の実施形態１に係るレーザ加工機の構成を例示する図

【図2】実施形態１のビーム結合装置における光ビームの結合方法を説明した図

【図3】ビーム結合装置における共振波長のスペクトルを示すグラフ

【図4】実施形態１に係るビーム結合装置の構成を示す図

【図5】ビーム結合装置における光学ユニットの基本構成を例示する図

【図6】光学ユニットにおけるビームツイスタユニットの構成例を示す斜視図

【図7】実施形態１における光学ユニットの構成例を示す図

【図8】図７の光学ユニットにおける断面図

【図9】図７の光学ユニットにおける主光線を例示する光路図

【図10】実施形態１のビーム結合装置の実施例を示す図

【図11】実施形態２に係るレーザ加工機の構成を例示する図

【図12】実施形態２に係るビーム結合装置の構成を示す図

【図13】実施形態２における光学ユニットの構成例を示す図

【図14】図１３の光学ユニットにおける断面図

【図15】図１３の光学ユニットにおける主光線を例示する光路図

【図16】実施形態２のビーム結合装置の実施例を示す図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

【0012】

なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

【0013】

（実施形態１）
実施形態１では、波長合成式のビーム結合装置及びそれを備えたレーザ加工機に、光学ユニットを適用する例について説明する。

【0014】

１．レーザ加工機について
実施形態１に係るレーザ加工機及びビーム結合装置の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るレーザ加工機１の構成を示す図である。

【0015】

図１は、本実施形態に係るレーザ加工機１の構成を例示する図である。レーザ加工機１は、例えば、ビーム結合装置２と、伝送光学系１０と、加工ヘッド１１と、コントローラ１２とを備える。レーザ加工機１は、レーザ光を種々の加工対象物１５に照射して、各種レーザ加工を行う装置である。各種レーザ加工は、例えばレーザ溶接、レーザ切断、及びレーザ穿孔などを含む。

【0016】

ビーム結合装置２は、例えばレーザ加工機１のレーザ光を供給するために、別個に発光する複数の光ビームを結合する装置である。本実施形態において、ビーム結合装置２は、複数の光ビームを、互いに異なる波長において共振させながら合成する波長合成式で構成される。波長合成式のビーム結合装置２によると、良好なビーム品質を得やすく、ビーム径を絞り易い。

【0017】

レーザ加工機１において、伝送光学系１０は、ビーム結合装置２からのレーザ光を加工ヘッド１１に伝送する光学系であり、例えば光ファイバを含む。加工ヘッド１１は、例えば加工対象物１５に対向して配置され、ビーム結合装置２から伝送されたレーザ光を加工対象物１５に照射する装置である。

【0018】

コントローラ１２は、レーザ加工機１の全体動作を制御する制御装置である。コントローラ１２は、例えばソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ又はＭＰＵを備える。コントローラ１２は、各種プログラム及びデータを記憶する内部メモリ、及び使用者の操作により発振条件等を入力可能な各種インタフェースを備えてもよい。コントローラ１２は、各種機能を実現するＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ等のハードウェア回路を備えてもよい。また、コントローラ１２は、光源の駆動回路と一体的に構成されてもよい。

【0019】

１－１．ビーム結合装置について
本実施形態のビーム結合装置２は、例えば図１に示すように、光源の一例であるＬＤバー３と、光学ユニット４と、結合レンズ２４と、回折素子２５と、出力カプラ２６とを備える。本実施形態のビーム結合装置２は、ＬＤバー３と出力カプラ２６との間を往復する光路において、光を共振させる外部共振型の光共振器を構成する。

【0020】

ＬＤバー３は、一次元的に配列された複数のＬＤ（レーザダイオード）３１１～３１５を含む光源素子のアレイで構成される。以下では、ＬＤ３１１～３１５が配列された方向を「Ｘ方向」とし、ＬＤバー３がＬＤ３１１～３１５から射出する光ビームの光軸の方向を「Ｚ方向」とし、Ｘ，Ｚ方向に直交する方向を「Ｙ方向」とする。

【0021】

図１では、ＬＤバー３における３個のＬＤ３１１，３１３，３１５を例示している。ＬＤバー３に含まれるＬＤ３１１～３１５の個数は、例えば数十個から数百個である。複数のＬＤ３１１～３１５は、例えばＬＤ発光層の材質に応じた共通の自然放出スペクトルを有する（図３参照）。以下、ＬＤ３１１～３１５の総称を「ＬＤ３１」という場合がある。各ＬＤ３１は、ＬＤバー３のエミッタを構成する光源素子の一例であり、それぞれ＋Ｚ側に光ビームを射出する。

【0022】

光学ユニット４は、ＬＤバー３の各ＬＤ３１からの複数の光ビームをそれぞれ調整して導光する光学系である。光学ユニット４は、ＬＤバー３の＋Ｚ側に配置される。本実施形態の光学ユニット４によると、複雑な光学設計を伴う波長合成式のビーム結合装置２における設計自由度を向上して、ビーム結合装置２を小型化することができる。光学ユニット４の詳細については後述する。

【0023】

結合レンズ２４は、例えば光学ユニット４の＋Ｚ側に距離Ｄ１を置いて配置される。結合レンズ２４の－Ｚ側の距離Ｄ１は、例えば結合レンズ２４の焦点距離に設定される。ＬＤバー３の各ＬＤ３１からの複数の光ビームは、光学ユニット４を介して結合レンズ２４に入射すると、結合レンズ２４から＋Ｚ側に距離Ｄ２を置いた位置に集光する。結合レンズ２４は、こうした集光時に各光ビームをそれぞれコリメートする。

【0024】

回折素子２５は、例えば結合レンズ２４から＋Ｚ側に距離Ｄ２の位置に配置される。回折素子２５は、例えば透過型の回折格子が形成された分散性素子である。本実施形態において、回折素子２５の回折格子は、複数のＬＤ３１１～３１５からの光ビームを同じ方向に射出して、結合するための回折条件を満たす。回折素子２５の回折条件は、例えば次式（１）のように表される。

【0025】

ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝ｍλ／ｄ …（１）
ここで、αは回折素子２５に入射する光ビームの入射角であり、βは回折後に射出する光ビームの回折角である。また、λは回折させる光の波長であり、共振波長に対応する。ｄは、回折素子２５における回折格子のピッチである。ｍは、回折次数を示し、例えば自然数である。

【0026】

図２は、ビーム結合装置２の回折素子２５における光ビームの結合方法を説明した図である。回折素子２５においては、図２に示すように、各ＬＤ３１１，３１３，３１５からの光ビームの入射角α＝α１，α２，α３が互いに異なる。本実施形態のビーム結合装置２では、上式（１）に基づいて、各ＬＤ３１１～３１５の回折角βを同一にするように、各ＬＤ３１１～３１５に異なる共振波長λが設定される。これにより、複数のＬＤ３１１～３１５からの光ビームは、回折後に回折素子２５から同じ方向に射出して、結合結果の光ビームが得られる。

【0027】

図３は、ビーム結合装置２における共振波長λのスペクトルを示すグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は波長［ｎｍ］を示し、縦軸は光の強度を示す。

【0028】

図３では、ＬＤバー３における複数のＬＤ３１１～３１５における個々の共振スペクトルＳ１～Ｓ３と、共通の自然放出スペクトルＳ０とを示している。各共振スペクトルＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、各々のＬＤ３１１，３１３，３１５の共振波長λの分布を示す。自然放出スペクトルＳ０は、例えば９５５ｎｍ～９９０ｎｍといった９００ｎｍ帯の波長帯を含む。共振スペクトルＳ１～Ｓ３によると、ＬＤバー３において配列された位置に応じてＬＤ３１１からＬＤ３１５へと順番に、共振波長λが長くなっている。

【0029】

本実施形態のビーム結合装置２は、図３に示すように、ＬＤバー３中の全てのＬＤ３１１～３１５の共振スペクトルＳ１～Ｓ３が、自然放出スペクトルＳ０の範囲内に収まるように、ビーム結合装置２の各種パラメータが設定される。ビーム結合装置２の各種パラメータは、例えば、ＬＤバー３におけるＬＤ３１１～３１５のピッチ、結合レンズ２４の焦点距離、回折素子２５における回折格子の形状、ビーム結合装置２の各部間の距離である。

【0030】

図１に戻り、出力カプラ２６は、回折素子２５において回折された光ビームが射出する方向に配置される。出力カプラ２６は、例えば所定の透過率及び反射率を有するミラー素子等を含む。回折素子２５から出力カプラ２６に入射する光ビームのうち、透過率に応じた透過成分は、ビーム結合装置２の出力として、例えば伝送光学系１０に射出する。一方、反射率に応じた反射成分は、光共振のために回折素子２５に戻される。出力カプラ２６には、こうした反射率及び透過率が調整可能な機構が設けられてもよい。

【0031】

以上のようなビーム結合装置２によると、外部共振型の光共振器として波長合成式のビーム結合を行って、良好なビーム品質を得ることができる。その一方で、波長合成式のビーム結合を行う外部共振型の光共振器においては、光学設計が複雑になり、装置構成の大型化を招くといった課題がある。これに対して、本実施形態では、こうした光学設計の設計自由度を向上し、ビーム結合装置２を小型化できる光学ユニット４を提供する。

【0032】

１－１－１．ビーム結合装置の詳細
本実施形態に係るビーム結合装置２の構成の詳細を、図４を用いて説明する。図４（Ａ）は、ビーム結合装置２をＹ方向から見た平面図を示す。図４（Ｂ）は、ビーム結合装置２をＸ方向から見た側面図を示す。

【0033】

本実施形態のビーム結合装置２において、光学ユニット４は、例えば、ＬＤバー３に対向配置されるＢＴＵ（ビームツイスタユニット）４０と、ＢＴＵ４０の＋Ｚ側に配置されるＳＡＣ（スロー軸コリメータ）４５とを含む。結合レンズ２４は、例えばＸ方向において正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成される。なお、ＢＴＵ４０とＳＡＣ４５とは別体で提供されてもよく、この場合においてＢＴＵ４０は本実施形態における光学ユニットの一例である。

【0034】

本実施形態において、例えば光学ユニット４のＢＴＵ４０から結合レンズ２４までの距離Ｄ１は、上述したようにＬＤバー３からの各光ビームのコリメートの観点から、結合レンズ２４の焦点距離Ｄｆに設定される。一方、結合レンズ２４から回折素子２５までの距離Ｄ２は、各光ビームを回折素子２５に集光する観点から設定することが考えられる。

【0035】

ここで、ＬＤバー３からの複数の光ビームが互いに平行なまま結合レンズ２４に入射するような場合、上記集光の観点から回折素子２５までの距離Ｄ２も焦点距離Ｄｆだけ取る必要が生じ、装置構成が大型化してしまう。そこで、本実施形態では、光学ユニット４のＢＴＵ４０により、ＬＤバー３からの複数の光ビームの向きを制御する。

【0036】

図４（Ａ），（Ｂ）では、それぞれＬＤバー３における外側のＬＤ３１１からの光ビームの主光線Ｌ１１と、中央のＬＤ３１３からの光ビームの主光線Ｌ１３とを例示している。本実施形態のビーム結合装置２において、例えば中央のＬＤ３１３は、光学ユニット４及び結合レンズ２４を直進し、Ｚ方向に平行な主光線Ｌ１３を有する。

【0037】

本実施形態のＢＴＵ４０によると、図４（Ａ）に示すように、ＬＤバー３における外側のＬＤ３１１からの光ビームの主光線Ｌ１１をＸ方向に内向させる。これにより、例えば結合レンズ２４から焦点距離Ｄｆよりも短い距離Ｄ２において、各主光線Ｌ１１，Ｌ１３が交差し、複数の光ビームを集光させることができる。よって、回折素子２５までの距離Ｄ２を焦点距離Ｄｆよりも短縮し、ビーム結合装置２を小型化することができる。

【0038】

又、ＢＴＵ４０が複数の光ビームの主光線方向を制御することで、結合レンズ２４の配置を変えることができる。例えば、結合レンズ２４の焦点距離Ｄｆが、上述したコリメートの観点から適切な長さに設定可能となり、例えば１ｍ以上等にも設定可能である。その一方で、集光の機能が、ＢＴＵ４０と結合レンズ２４との協働によって実現されるような設計自由度も得られる。

【0039】

また、本実施形態の光学ユニット４によると、ＢＴＵ４０でＸ方向に内向させた主光線Ｌ１１が、図４（Ｂ）に示すように、Ｙ方向においては特に内向あるいは外向しないようにすることができる。ここで、外部共振型の光共振器においては、光ビームの光線角度がＹ方向にずれると、出力カプラ２６（図１参照）に対する光ビームの入射角度が変わり、光共振に不具合を生じる事態が考えられる。これに対して、本実施形態の光学ユニット４によると、Ｙ方向における光線角度に干渉せずにＸ方向の光線方向を制御でき、上記のような不具合を回避できる。以上のように、本実施形態の光学ユニット４によると、ビーム結合装置２における各種光学設計の設計自由度を向上することができる。

【0040】

２．光学ユニットについて
以下、本実施形態におけるビーム結合装置２の光学ユニット４の詳細について説明する。

【0041】

２－１．光学ユニットの基本構成
まず、光学ユニット４の基本的な構成について、図５～６を用いて説明する。図５は、光学ユニット４の基本構成を例示する。

【0042】

図５（Ａ）は、基本構成における光学ユニット４の平面図を示す。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の光学ユニット４の側面図を示す。図５（Ａ），（Ｂ）では、中央のＬＤ３１３のような１つのＬＤ３１からの光ビームの光路を例示している。

【0043】

光学ユニット４におけるＢＴＵ４０は、ＢＴ（ビームツイスタ）５０と、ＦＡＣ（ファスト軸コリメータ）４１とを含む。光学ユニット４では、例えばＬＤ３１近傍から＋Ｚ側へ順番に、ＦＡＣ４１、ＢＴ５０及びＳＡＣ４５が配置される。

【0044】

本実施形態において、ＬＤ３１は、ファスト軸Ａｆ及びスロー軸Ａｓを有する光ビームを発光する。光ビームのファスト軸Ａｆは、スロー軸Ａｓよりも急速にビーム径を拡げ、且つ良好なビーム品質を得やすい。ＬＤ３１の光ビームが光学ユニット４に入射する前に、光ビームのファスト軸ＡｆはＹ方向に向いており、スロー軸ＡｓはＸ方向に向いている。

【0045】

ＦＡＣ４１は、ファスト軸Ａｆにおいて光ビームをコリメートするために設けられ、例えば正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成される。ＦＡＣ４１は、例えば図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、長手方向をＸ方向に向けて、ＬＤバー３の＋Ｚ側から焦点距離の位置に配置される。本例では、ＬＤ３１からの光ビームは、ＦＡＣ４１によりＹ方向（即ちファスト軸Ａｆ）においてコリメートされて、ＢＴ５０に入射する。

【0046】

図６に、ＢＴ５０の構成例を示す。ＢＴ５０は、例えば複数の光ビームをそれぞれ回転させる光学素子であり、複数の斜行したレンズ部５１を含む。斜行レンズ部５１は、ＢＴ５０において、ＬＤ３１毎のレンズを構成する部分であり、例えばシリンドリカルレンズを構成する。なお、ＢＴ５０とＦＡＣ４１とは別体で提供されてもよく、この場合においてＢＴ５０は本実施形態における光学ユニットの一例である。

【0047】

ＢＴ５０は、例えばＸ方向に所定のピッチで複数の斜行レンズ部５１を配列するように形成される。本構成例において、斜行レンズ部５１は、配列方向（即ちＸ方向）およびＢＴ５０の厚み方向（即ちＹ方向）の双方に対して４５°傾斜している。ＢＴ５０における斜行レンズ部５１の傾斜は、必ずしも４５°でなくてもよく、例えばＹ方向に対して４０°～５０°であってもよい。

【0048】

図５（Ａ），（Ｂ）の例において、ＢＴ５０は、ＬＤ３１からＦＡＣ４１を介して入射する光ビームを、ＸＹ平面において回転角度９０°だけ回転させる。これにより、ＢＴ５０から射出する光ビームのスロー軸ＡｓがＹ方向に向き、ファスト軸ＡｆはＸ方向に向くこととなる。又、ＢＴ５０の射出時の光ビームは、Ｙ方向では発散光となり、Ｘ方向においては平行光となる。

【0049】

ＳＡＣ４５は、スロー軸Ａｓにおいて光ビームをコリメートするために設けられ、例えば正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成される。ＳＡＣ４５は、例えば図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、長手方向をＸ方向に向けて、ＢＴＵ４０の＋Ｚ側から焦点距離の位置に配置される。本例では、ＢＴ５０からの光ビームは、ＳＡＣ４５によりＹ方向（即ちスロー軸Ａｓ）においてコリメートされて、光学ユニット４を射出する。

【0050】

以上の光学ユニット４によると、ＬＤバー３の各ＬＤ３１から発光した光ビームは、基本的にはファスト軸Ａｆ及びスロー軸Ａｓにおいてコリメートされる。但し、光の波動的な作用により、特にファスト軸ＡｆにおいてはＢＴ５０の＋Ｚ側の面等からの波の影響としてビーム径が広がり得る。これに対して、本実施形態のビーム結合装置２においては、結合レンズ２４による各光ビームのコリメートによって、上記の影響を抑制することが可能となる。

【0051】

２－２．光学ユニットのＢＴについて
本実施形態では、以上のような光学ユニット４の各部の基本的な機能を利用しながら、ＢＴ５０における斜行レンズ部５１の配置を調整することにより、各種の主光線の制御を実現する。以下、こうした光学ユニット４の構成例を説明する。

【0052】

図７は、本実施形態における光学ユニット４のＢＴ５０の構成例を示す。図７は、複数のＬＤ３１１，３１２，３１３，３１４，３１５と共に、－Ｚ側から見た光学ユニット４の前面図を示している。ＬＤ３１１～３１５からの光ビームは、例えばＺ方向を光軸方向として、それぞれ対向するレンズ部５１を－Ｚ側から＋Ｚ側に透過する。本実施形態のＢＴ５０では、各ＬＤ３１からの光ビームの射出側と入射側すなわち±Ｚ側の両端面の間で、斜行レンズ部５１のピッチをずらして構成される。

【0053】

図８は、図７のＢＴ５０におけるＸＺ平面の断面図を示す。本構成例のＢＴ５０は、＋Ｚ側の端面における斜行レンズ部５１間のピッチＷｏが、－Ｚ側の端面におけるピッチＷｉよりも小さくなるように構成される。－Ｚ側のピッチＷｉは、例えばＬＤバー３におけるＬＤ３１間のピッチと同一に設定される。本構成例のＢＴ５０において、例えば中央の斜行レンズ部５１の中心は、±Ｚ側の両面において合致する。

【0054】

ピッチＷｉ，Ｗｏ間の差分は、例えば各ピッチＷｉ，Ｗｏよりも充分に小さく設定され、例えば各ピッチＷｉ，Ｗｏの０．１倍以下である。ピッチＷｉ，Ｗｏ間の差分は、斜行レンズ部５１或いはＬＤ３１の個数を考慮して設定されてもよい。ピッチＷｉ，Ｗｏ間の差分は、例えば各ピッチＷｉ，Ｗｏの０．０００１倍以上である。

【0055】

図９（Ａ）～（Ｃ）は、本構成例の光学ユニット４における光路を例示する。図９（Ａ）は、図７の光学ユニット４におけるＡ－Ａ断面に対応する。Ａ－Ａ断面は、ＬＤバー３の各ＬＤ３１１～３１５が位置するＸＺ平面である。図９（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ図９（Ａ）におけるＢ－Ｂ断面図とＣ－Ｃ断面図に対応する。Ｂ－Ｂ断面は、中央のＬＤ３１３が位置するＹＺ平面である。Ｃ－Ｃ断面は、外側のＬＤ３１５が位置するＹＺ平面である。

【0056】

本実施形態の光学ユニット４によると、各ＬＤ３１からの光ビームの主光線は、図９（Ａ）～（Ｃ）に示すように、ＦＡＣ４１に入射してからＢＴ５０の＋Ｚ側の面に到る前まで、Ｚ方向に沿って直進する。ＢＴ５０の＋Ｚ側の面では、－Ｚ側の面よりも小さい斜行レンズ部５１のピッチＷｏにより、Ｘ方向において外側に位置するＬＤ３１ａほど、主光線ＬａがＸ方向に内向すると共に、Ｙ方向にも傾き得る。

【0057】

各主光線Ｌａ，Ｌｃは、ＢＴ５０を射出するとＳＡＣ４５に到る。ここで、ＳＡＣ４５はＹ方向における光ビームのコリメートを行うことから、図９（Ｃ）に示すように、Ｙ方向における主光線Ｌｃの傾きはＳＡＣ４５において補正される。

【0058】

以上のように、本実施形態の光学ユニット４によると、Ｘ方向における外側のＬＤ３１ｃの主光線Ｌｃを、Ｘ方向に制限して内向させることができる。

【0059】

２－３．実施形態１の実施例
以上のような本実施形態のビーム結合装置２とその光学ユニット４の構成例に関する実施例について、以下説明する。

【0060】

本実施形態のビーム結合装置２の数値的な実施例として、上記の構成例の光学ユニット４を用いた数値シミュレーションを行った。本シミュレーションにおいて、ＳＡＣ４５の焦点距離は５０ｍｍに設定し、結合レンズ２４の焦点距離は１１３０ｍｍに設定し、ＬＤバー３のＬＤ３１間のピッチは０．２２５０００ｍｍに設定した。こうしたシミュレーション環境において、本実施例としてＢＴ５０の＋Ｚ側のピッチＷｏを、－Ｚ側のピッチＷｉよりも２３０ｎｍだけ小さく設定した。また、ＢＴ５０の－Ｚ側のピッチＷｉはＬＤバー３のＬＤ間のピッチと同じに設定した。

【0061】

図１０（Ａ）は、本実施形態のビーム結合装置２のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、上記の設定においてＢＴ５０のピッチＷｉ，Ｗｏをずらす効果を確認するべく、＋Ｘ側の主光線の数値計算を行った。図中の各行は、物体側（即ち－Ｚ側）から像側（即ち＋Ｚ側）への面番号毎に主光線がビーム結合装置２の各部を通過する際の数値計算結果を示す。数値計算結果として、「Ｘ」はＸ座標を示し、「Ｙ」はＹ座標を示し、「ＴＡＮＸ」はＸＺ平面における傾きをｔａｎ関数で示し、「ＴＡＮＹ」は、ＹＺ平面における傾きをｔａｎ関数で示す。なお、数値計算した主光線に対応するＬＤ３１の位置は、Ｘ座標４ｍｍであった。

【0062】

図１０（Ａ）のシミュレーション結果によると、ＬＤ３１の射出時はゼロ値であった「ＴＡＮＸ」が、ＳＡＣ４５の射出後に正値「－０．００３４６」になっており、＋Ｘ側の主光線が内向している。さらに、「ＴＡＮＹ」は、ＳＡＣ４５の射出以降、回折素子２５に到るまでゼロ値で維持されており。よって、ＢＴ５０のＷｉ，Ｗｏのずれに応じて、Ｘ方向外側の主光線を、Ｙ方向の影響を抑えながら、Ｘ方向に内向できることが確認できた。

【0063】

図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に対する比較例のシミュレーション結果を示す。この比較例では、ＢＴＵのピッチを±Ｚ側の両面でずらさずに、これに代えてＸＹ平面内でＢＴＵを回転させた場合に、図１０（Ａ）と同様の数値計算を行った。ＢＴＵのような光学素子の回転により外側主光線を内向させる技術は、従来より知られている（例えば特許文献１）。ＢＴＵの回転角度は、０．００８°に設定した。

【0064】

図１０（Ｂ）のシミュレーション結果によると、ＳＡＣの射出後の「ＴＡＮＸ」の値「－０．００３４６」は、図１０（Ａ）の例と同等である。一方、「ＴＡＮＹ」は、ＳＡＣの射出後に値「０．０００７」を有している。即ち、この比較例では、外側主光線をＸ方向に内向させる際に、Ｙ方向の傾きを生じさせる影響が生じている。以上より、本実施形態の光学ユニット４によると、外側主光線のＸ方向への内向を、従来技術よりもＹ方向への影響を抑制しながら実現できることが確認された。

【0065】

３．まとめ
以上のように、本実施形態における光学ユニット４は、複数の光ビームを導光する。光学ユニット４のＢＴ５０は、複数の光ビームがそれぞれ透過する複数のレンズ部の一例として、複数の斜行レンズ部５１を備える。複数の斜行レンズ部５１は、光ビームが透過する光軸方向（例えばＺ方向）と交差する配列方向（例えばＸ方向）に配列される。各斜行レンズ部５１は、光軸方向及び配列方向と交差する厚み方向（例えばＹ方向）に対して傾斜している。本実施形態の光学ユニット４では、光軸方向におけるＢＴ５０の両端面のうちの、一方の端面の一例としての＋Ｚ側の端面において斜行レンズ部５１が配列されたピッチＷｏが、他方の端面としての－Ｚ側の端面において斜行レンズ部５１が配列されたピッチＷｉよりも小さい。

【0066】

以上の光学ユニット４によると、例えばＢＴ５０の－Ｚ側の斜行レンズ部５１のピッチＷｉと同じピッチにおいて、複数の光ビームが－Ｚ側から入射する際に、＋Ｚ側で斜行レンズ部５１のピッチＷｏが小さくなることから、Ｘ方向外側の光ビームの主光線Ｌ１１を内向させることができる。よって、複数の光ビームを集光するように導光する光線方向の制御が実現できる。このように、光学ユニット４のＢＴ５０によって、複数の光ビームを導光する設計自由度を向上することができる。

【0067】

本実施形態において、光学ユニット４のＢＴＵ４０は、第１のコリメータレンズの一例としてＦＡＣ４１を備える。ＦＡＣ４１は、ＢＴ５０の±Ｚ側の両端面のうちの片方の端面である－Ｚ側の端面に対向して配置され、当該端面から斜行レンズ部５１に光ビームを入射させる。本実施形態のＢＴＵ４０によると、ＦＡＣ４１から入射する複数の光ビームの光線方向を制御することができる。

【0068】

本実施形態において、光学ユニット４は、第２のコリメータレンズの一例としてＳＡＣ４５をさらに備える。ＳＡＣ４５は、ＢＴ５０の両端面のうちの、ＦＡＣ４１が対向した端面とは反対側である＋Ｚ側の端面に対向して配置され、当該端面から射出する光ビームをコリメートする。ＳＡＣ４５によると、ＦＡＣ４１から入射してＢＴ５０において光線方向が変更された光ビームの光線方向を補正でき、複数の光ビームの光線方向の制御を行い易くすることができる。

【0069】

本実施形態におけるビーム結合装置２は、光源の一例としてのＬＤバー３と、光学ユニット４と、回折素子２５と備える。ＬＤバー３は、互いに異なる波長で共振可能な複数の光源素子としてのＬＤ３１１～３１３を含み、各ＬＤ３１１～３１３からの複数の光ビームを発光する。光学ユニット４は、ＬＤバー３からの各光ビームを導光する。回折素子２５は、ＬＤバー３から光学ユニット４を介して入射する各光ビームを回折して、異なった波長で共振する複数の光ビームを結合する。光学ユニット４が、ＢＴ５０の両端面のうちの斜行レンズ部５１のピッチＷｏが小さい＋Ｚ側の端面を回折素子２５に向けて配置される。

【0070】

以上のビーム結合装置２によると、異なる波長で共振する複数の光ビームを回折素子２５で回折して結合する際に、光学ユニット４によって複数の光ビームを回折素子２５に集光できる。こうした設計自由度の向上により、ビーム結合装置２の装置構成を小型化することができる。

【0071】

本実施形態において、ＬＤ３１毎の回折素子２５を介した共振の波長は、配列方向であるＸ方向における各ＬＤ３１の位置に応じて次第に変化する。例えば＋Ｘ側のＬＤ３１１から－Ｘ側のＬＤ３１５へと共振波長λは長くなる。これにより、回折素子２５を介して各ＬＤ３１からの光ビームを結合できる。

【0072】

本実施形態において、配列方向における複数のＬＤ３１間のピッチと、光学ユニット２ＢＴＵ４０の両端面のうちの光源に近い方である－Ｚ側の端面において斜行レンズ部５１が配列されたピッチＷｉとが合致する。これにより、各ＬＤ３１からの光ビームを適切に制御することができる。

【0073】

本実施形態におけるレーザ加工機１は、ビーム結合装置２と、ビーム結合装置２によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッド１１とを備える。本実施形態のレーザ加工機１は、光学ユニット４により、複数の光ビームを導光する設計自由度の向上から小型化された波長合成式のビーム結合装置２を用いて構成することができる。

【0074】

（実施形態２）
以下、図１１～１６を用いて実施形態２を説明する。実施形態２では、空間合成式のビーム結合装置及びそれを備えたレーザ加工機に、光学ユニットを適用する例について説明する。

【0075】

以下、実施形態１に係るレーザ加工機１、ビーム結合装置２及び光学ユニット４と同様の構成、動作の説明は適宜、省略して、本実施形態に係るレーザ加工機、ビーム結合装置及び光学ユニットを説明する。

【0076】

１．レーザ加工機について
図１１は、実施形態２に係るレーザ加工機１Ａの構成を例示する図である。本実施形態のレーザ加工機１は、実施形態１のレーザ加工機１と同様の構成において、波長合成式のビーム結合装置２の代わりに、空間合成式のビーム結合装置２Ａを備える。

【0077】

本実施形態におけるビーム結合装置２Ａは、レーザ光源３０と、複数の光学ユニット４Ａ－１～４Ａ－３と、結合光学系２０とを備える。レーザ光源３０は、本実施形態において複数のＬＤバー３－１～３－３を含む。ＬＤバー３－１～３－３の各々は、例えば実施形態１のＬＤバー３と同様に構成される。以下、ＬＤバー３－１～３－３の総称を「ＬＤバー３」といい、光学ユニット４Ａ－１～４Ａ－３の総称を「光学ユニット４Ａ」という場合がある。

【0078】

複数のＬＤバー３は、ビーム結合装置２Ａにおいて、例えば各々のＬＤの配列方向を平行に向けてＸ方向とし、Ｘ方向に直交するＹ方向に並置される。ビーム結合装置２ＡにおけるＬＤバー３の個数は、３個の例を図示しているが特に限定されず、２個又は４個以上であってもよい。

【0079】

本実施形態のビーム結合装置２Ａは、レーザ光源３０において空間的に配置された複数のＬＤバー３の各ＬＤ３１が発光する多数の光ビームを結合する空間合成式で構成される。本実施形態では、小さいビーム径において高密度にビーム結合を行うことができるビーム結合装置２Ａを提供する。

【0080】

本実施形態のビーム結合装置２Ａにおいて、複数の光学ユニット４Ａは、例えばＬＤバー３の個数分、設けられる。１つの光学ユニット４Ａは、１つのＬＤバー３による各ＬＤからの光ビームを結合光学系２０に導光する。結合光学系２０は、ビーム結合装置２Ａにおける各光学ユニット４Ａからの光ビームを結合する光学系である。

【0081】

１－１．ビーム結合装置について
図１２は、実施形態２に係るビーム結合装置２Ａの構成を示す図である。図１２（Ａ）は、ビーム結合装置２ＡをＸ方向から見た側面図を示す。図１２（Ｂ）は、ビーム結合装置２ＡをＹ方向から見た平面図を示す。

【0082】

本実施形態のビーム結合装置２Ａにおいては、例えば図１２（Ａ）に示すように、各ＬＤバー３が別々の光学ユニット４Ａの－Ｚ側に配置される。本実施形態の光学ユニット４Ａでは、実施形態１の光学ユニット４の構成から、ＢＴＵ４０Ａの構成が異なる。結合光学系２０は光学ユニット４Ａの＋Ｚ側に配置され、軸対称の集光レンズ２１、及び集光レンズ２１と光学ユニット４Ａ間に配置されるシリンドリカルレンズ２２を含む。

【0083】

図１２（Ｂ）では、ＬＤバー３における５個のＬＤ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを例示している。本実施形態において、個々のＬＤ３１ａ～３１ｅの共振波長は同じであってもよい。ＬＤバー３における複数のＬＤ３１ａ～３１ｅは、本実施形態のレーザ光源３０における１組の光源素子の一例である。以下、ＬＤ３１ａ～３１ｅの総称を「ＬＤ３１」という場合がある。

【0084】

図１２（Ａ），（Ｂ）では、ビーム結合装置２Ａによる光ビームの結合結果とするビーム結合位置Ｐ１を例示する。ビーム結合位置Ｐ１は、例えば全てのＬＤバー３－１～３－３の各ＬＤ３１ａ～３１ｅから発光する光ビームを含めたビーム径が最小となる位置に設定される。例えば、ビーム結合位置Ｐ１に、上述した伝送光学系１０の光ファイバの入射端が配置される。

【0085】

図１２（Ａ）では、Ｙ方向における外側のＬＤバー３－１からの光ビームの主光線Ｌ１と、中央のＬＤバー３－２からの光ビームの主光線Ｌ２とを例示している。図１２（Ｂ）では、Ｘ方向における外側のＬＤ３１ａからの光ビームの主光線Ｌａと、中央のＬＤ３１ｃからの光ビームの主光線Ｌｃとを例示している。本実施形態のビーム結合装置２Ａにおいて、例えばＸ，Ｙ方向における中央のＬＤ３１ｃは、実施形態１と同様にＺ方向に平行な主光線Ｌｃを有する。

【0086】

本実施形態では、例えば空間合成によるビーム結合装置２Ａの高出力化の観点から、図１２（Ａ）に示すように、Ｙ方向に並ぶ複数のＬＤバー３における外側のＬＤバー３－１が発光する光ビームの主光線Ｌ１を内向させる。こうした光線制御は、外側の光学ユニット４Ａ－１の向きを傾けたり、ＳＡＣ４５の配置を内側にずらしたりすることによって行える。例えば、図中で上側（＋Ｙ側）の光学ユニット４Ａは、光ビームの主光線Ｌ１を、Ｚ方向から下側（－Ｙ側）に傾ける。この場合、ＬＤバー３間で主光線Ｌ１，Ｌ２が交わるＹ方向のビーム結合位置Ｐ１は、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも－Ｚ側に位置することとなる。

【0087】

一方、図１２（Ｂ）に示すように、ＬＤバー３毎にＸ方向に並ぶ複数のＬＤ３１ａ～３１ｅにおいて、本実施形態のビーム結合装置２Ａの光学ユニット４Ａは、外側のＬＤ３１ａからの光ビームの主光線Ｌａを外向させるように構成される。これにより、複数の光ビームが交差する位置を集光レンズ２１の焦点に近づけて、各光ビームの結合時のビーム径自体を小さくでき、結合光学系２０に入射する光ビームの密度を高くすることができる。さらに、結合光学系２０のシリンドリカルレンズ２２によると、ビーム結合位置Ｐ１は、Ｘ方向とＹ方向とにおいてビーム結合位置Ｐ１を合致させることができる。

【0088】

２．光学ユニットについて
以下、実施形態２に係るビーム結合装置２Ａの光学ユニット４Ａについて説明する。

【0089】

図１３は、実施形態２における光学ユニット４ＡのＢＴ５０Ａの構成例を示す。本実施形態の光学ユニット４Ａは、実施形態１の光学ユニット４において－Ｚ側のピッチＷｉよりも＋Ｚ側のピッチＷｏが小さいＢＴ５０に代えて、例えば図１３の構成例のＢＴ５０Ａを備える。

【0090】

図１４は、図１３のＢＴ５０ＡにおけるＸＺ平面の断面図を示す。本構成例のＢＴ５０Ａにおいては、＋Ｚ側のピッチＷｏよりも－Ｚ側のピッチＷｉが小さい。換言すると、本構成例のＢＴ５０Ａは、＋Ｚ側の端面における斜行レンズ部５１間のピッチＷｏが、－Ｚ側の端面におけるピッチＷｉよりも大きくなるように構成される。本構成例のＢＴ５０Ａにおいて、＋Ｚ側の端面における斜行レンズ部５１の曲面形状は、例えば－Ｚ側の曲面形状を延長するように設定できる。

【0091】

また、本構成例において、－Ｚ側のピッチＷｉは、例えば実施形態１のＢＴ５０と同様にＬＤバー３におけるＬＤ３１間のピッチに合わせて設定される。また、ピッチＷｉ，Ｗｏ間の差分の大きさも、実施形態１と同様の範囲内であってもよい。本実施形態のＢＴ５０Ａ及びＢＴＵ４０Ａも、実施形態１と同様にそれぞれ光学ユニットの一例である。

【0092】

図１５（Ａ）～（Ｃ）は、本実施形態の光学ユニット４Ａにおける光路を、図９（Ａ）～（Ｃ）と同様に例示する。図１５（Ａ）は、図１３のＡ－Ａ断面に対応する。図１５（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ図１５（Ａ）におけるＢ－Ｂ断面図とＣ－Ｃ断面図に対応する。本実施形態のＢＴ５０Ａは、実施形態１と同様に、＋Ｚ側においてＳＡＣ４５に対向し、－Ｚ側においてＦＡＣ４１に対向する。

【0093】

本実施形態の光学ユニット４Ａによると、各ＬＤ３１からの光ビームの主光線は、図１５（Ａ）～（Ｃ）に示すように、ＢＴ５０Ａの＋Ｚ側の端面では、ＬＤ３１間のピッチよりも大きい斜行レンズ部５１のピッチＷｏにより、Ｘ方向において外側に位置するＬＤ３１ａほど、主光線ＬａがＸ，Ｙ方向において外向する。Ｙ方向における主光線Ｌａの傾きは、図１５（Ｃ）に示すように、ＳＡＣ４５において実施形態１と同様に補正される。

【0094】

以上のように、本実施形態の光学ユニット４Ａによると、Ｘ方向における外側のＬＤ３１ｃの主光線Ｌｃを、Ｘ方向に制限して外向させることができる。

【0095】

２－１．実施形態２の実施例
図１６は、実施形態２のビーム結合装置２Ａの実施例としてのシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、空間合成式のビーム結合装置２Ａのシミュレーション環境において、実施形態１と同様の数値計算を行った。本シミュレーションにおいて、複数の光学ユニット４Ａ間の間隔は４．８ｍｍに設定し、ＳＡＣ４５の焦点距離は１５ｍｍに設定し、集光レンズ２１の焦点距離は５０ｍｍに設定した。

【0096】

本シミュレーションでは、実施形態１と同様の数値計算を、ＢＴ５０Ａの＋Ｚ側のピッチＷｏを、－Ｚ側のピッチＷｉよりも３１８ｎｍだけ大きくする設定で行った。なお、ＢＴ５０Ａの－Ｚ側のピッチＷｉ及びＬＤバー３のＬＤ間のピッチは、実施形態１と同様に０．２２５０００ｍｍであった。

【0097】

図１６のシミュレーション結果によると、「ＴＡＮＸ」が、ＳＡＣ４５の射出後に正値「０．００４４３」になっており、＋Ｘ側の主光線が外向している。また、この際の「ＴＡＮＹ」の値「０．００００３」は、上記の「ＴＡＮＸ」よりも充分に小さい。よって、Ｘ方向外側の主光線を、Ｙ方向の傾きを軽微に留めながら、Ｘ方向に外向できることが確認できた。

【0098】

３．まとめ
以上のように、本実施形態の光学ユニット４Ａにおいて、光軸方向におけるＢＴ５０の両端面のうちの、一方の端面の一例としての－Ｚ側の端面において斜行レンズ部５１が配列されたピッチＷｉが、他方の端面の一例としての＋Ｚ側の端面において斜行レンズ部５１が配列されたピッチＷｏよりも小さい。

【0099】

以上の光学ユニット４Ａによると、例えばＢＴ５０Ａの－Ｚ側の斜行レンズ部５１のピッチＷｉと同じピッチにおいて、複数の光ビームが－Ｚ側から入射する際に、＋Ｚ側で斜行レンズ部５１のピッチＷｏが大きくなることから、Ｘ方向外側の光ビームの主光線Ｌａを外向させることができる。このように、光学ユニット４ＡのＢＴ５０Ａによって、複数の光ビームを導光する設計自由度を向上することができる。

【0100】

本実施形態におけるビーム結合装置２Ａは、光源の一例としてレーザ光源３０と、複数の光学ユニット４Ａと、結合光学系２０とを備える。レーザ光源３０は、例えばＸ方向及びＹ方向に並ぶ複数の光源素子の一例であるＬＤ３１を含む。複数の光学ユニット４Ａは、レーザ光源３０においてＸ方向に並んだＬＤ３１ａ～ＬＤ３１ｅの組としてのＬＤバー３毎に、各光ビームを導光する。結合光学系２０は、各光学ユニット４Ａに導光された複数の光ビームを結合する。光学ユニット４Ａが、ＢＴ５０の両端面のうちの斜行レンズ部５１のピッチＷｏが大きい＋Ｚ側の端面を結合光学系２０に向けて配置される。

【0101】

以上のビーム結合装置２Ａによると、複数の光ビームを結合する際に、光学ユニット４ＡによってＸ方向外側の主光線Ｌ１１を外向させることにより、ビーム結合位置Ｐ１におけるビーム径自体を小さくすることができる。このように、光学ユニット４Ａによる設計自由度の向上により、空間合成式のビーム結合装置２Ａにおいてビーム品質を良好にすることができる。

【0102】

（他の実施形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態１～２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。

【0103】

上記の実施形態１では、波長合成式のビーム結合装置２の一例を説明したが、ビーム結合装置２の構成は、特にこの例に限定されない。例えば、ビーム結合装置２に透過型の回折素子２５を用いる例を説明したが、回折素子２５は透過側に限らず、反射型であってもよい。また、図３ではＬＤ３１が発光する波長帯として９００ｎｍ帯を例示したが、ＬＤ３１の波長帯は特に限定されず、例えば４００ｎｍ帯であってもよい。本実施形態の光学ユニット４によると、こうした各種の波長合成式のビーム結合装置２の光学設計においても、集光の機能をＢＴ５０で担うなど光ビームの光線方向を制御でき、設計自由度を向上することができる。

【0104】

また、上記の実施形態２では、空間合成式のビーム結合装置２Ａの一例を説明したが、ビーム結合装置２Ａの構成は、特にこの例に限定されない。例えば、Ｙ方向における外側の主光線Ｌ１を内向させるビーム結合装置２Ａについて説明したが、当該主光線Ｌ１は内向させなくてもよく、例えば外向させてもよい。また、結合光学系２０にシリンドリカルレンズ２２を用いる例を説明したが、シリンドリカルレンズ２２が省略されてもよい。本実施形態の光学ユニット４Ａによると、こうした各種の空間合成式のビーム結合装置２Ａの光学設計においても、設計自由度を向上することができる。

【0105】

また、上記の各実施形態では、波長合成式または空間合成式のビーム結合装置２，２Ａに光学ユニット４，４Ａを適用する例を説明した。本実施形態の光学ユニットは、波長合成式または空間合成式に限らず、各種のビーム結合装置に適用されてもよい。本実施形態の光学ユニットは、波長合成式と空間合成式とを適宜組み合わせたビーム結合装置にも適用可能である。

【0106】

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

【0107】

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

【0108】

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0109】

本開示は、複数の光ビームを結合して用いる各種の用途に適用可能であり、例えば各種のレーザ加工技術に適用可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】