特許 7739942 レーザ装置

(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】2025-09-08

(45)【発行日】2025-09-17

(54)【発明の名称】レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/42 20060101AFI20250909BHJP

   H01S 5/02253 20210101ALI20250909BHJP

   H01S 5/02251 20210101ALI20250909BHJP

【ＦＩ】

G02B6/42

H01S5/02253

H01S5/02251

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021176503

(22)【出願日】2021-10-28

(65)【公開番号】P2023066024

(43)【公開日】2023-05-15

【審査請求日】2024-08-01

【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２９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」委託研究、産業技術力強化法１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100179969

【弁理士】

【氏名又は名称】駒井 慎二

(74)【代理人】

【氏名又は名称】山下 亮一

(72)【発明者】

【氏名】坂本 隼規

【審査官】野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０５１４５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２３５９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０１５７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０１７９２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１４５６０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００３１８５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０３８９６５０８（ＥＰ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１６８０６３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／２６－６／２７

６／３０－６／３４

６／４２－６／４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ装置であって、
それぞれレーザ光を出射させる第１、第２及び第３レーザ光源と、
軸心を有し、前記レーザ装置からレーザ光を外部に出力する出力用光ファイバと、
前記第１、第２及び第３レーザ光源から到来するレーザ光を合波して前記出力用光ファイバに入射させる合波光学系とを備え、
前記合波光学系は、
前記第１、第２及び第３レーザ光源から到来するレーザ光をそれぞれ平行光に変換する第１、第２及び第３コリメータと、
前記第２コリメータから到来するレーザ光を前記軸心に平行な方向に誘導する表面を持つ第１プリズムミラーと、前記第３コリメータから到来するレーザ光を前記軸心に平行な方向に誘導する表面を持つ第２プリズムミラーとを有する誘導光学系と、
前記第１コリメータから到来する前記軸心に平行なレーザ光と、前記第２及び第３コリメータで平行光に変換された後に前記誘導光学系で前記軸心に平行な方向に誘導されて到来する各レーザ光とを、前記出力用光ファイバに集光する集光光学系とを備えるものであり、
前記誘導光学系は、前記第１コリメータから到来するレーザ光の光軸と、前記第２及び第３コリメータで平行光に変換された後に当該誘導光学系で誘導された各レーザ光の光軸とを結んだ直線が正三角形となるように、且つ、当該正三角形の図心が前記軸心に一致するように、前記第２及び第３コリメータから到来するレーザ光を誘導するものであり、
前記第１及び第２プリズムミラーの各々は、前記第１コリメータから到来するレーザ光に面した平面である頂面をそれぞれ有し、当該第１及び第２プリズムミラーの各頂面が前記第１コリメータから到来するレーザ光に面した側でなす角度が１２０°に設定されている
ことを特徴とするレーザ装置。

【請求項2】

前記第１、第２及び第３レーザ光源はそれぞれ、複数のレーザ素子と、当該複数のレーザ素子から出射したレーザ光を整形する整形光学系と、当該整形光学系の後段に設けられた光源用光ファイバとを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項3】

前記第２コリメータから到来するレーザ光を反射させ、前記第１プリズムミラーに誘導する第１反射光学系と、前記第３コリメータから到来するレーザ光を反射させ、前記第２プリズムミラーに誘導する第２反射光学系とをさらに備えたことを特徴とする請求項１～２の何れかに記載のレーザ装置。

【請求項4】

第１レーザ光と、当該第１レーザ光の光軸と平行でない光軸をもつ第２及び第３レーザ光とが、それぞれ所定の方向から入射される誘導光学系であって、
前記誘導光学系は、前記第２レーザ光の光軸が前記第１レーザ光の光軸と平行な方向となるように当該第２レーザ光を誘導する表面を持つ第１プリズムミラーと、前記第３レーザ光の光軸が前記第１レーザ光の光軸と平行な方向となるように当該第３レーザ光を誘導する表面を持つ第２プリズムミラーとを有し、
前記誘導光学系は、前記第１レーザ光の光軸と、前記第１及び第２プリズムミラーで誘導された前記第２及び第３レーザ光の光軸とを結んだ直線が正三角形となるように、前記第２及び第３レーザ光を誘導するものであり、
前記第１及び第２プリズムミラーの各々は、前記第１レーザ光に面した平面である頂面をそれぞれ有し、当該第１及び第２プリズムミラーの各頂面が前記第１レーザ光に面した側でなす角度が１２０°に設定されている
ことを特徴とする誘導光学系。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数のレーザ光源からそれぞれ出射する各レーザ光を結合（合波）させて１本の出力用光ファイバに入射させるための合波光学系を備えるレーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、製品の加工（レーザ加工）や回路基板上での部品のはんだ付けなどに用いられるハイパワーのレーザ装置には、複数のレーザ光源または複数の光ファイバからそれぞれ出射する各レーザビームを結合させて１本の光ファイバ（マルチモード光ファイバ）に入射させるレーザ合波装置（光パワー合成用光学系）が用いられている。このようなレーザ合波装置に関しては、今までに種々の提案がなされている。

【0003】

例えば、特許文献１には、同一平面上に配置された複数のレーザ光源と、各レーザ光源からそれぞれ出射するレーザビームを受ける光ファイバと、複数のレーザビームを集光させて１本の光ファイバの入射端面に結合させる複数のレンズを備えるレーザ合波装置が提案されている。

【0004】

また、特許文献２には、筐体に光源としての第１発光素子と第２発光素子とを互いに直交させて配置し、これらの第１発光素子と第２発光素子から出射するレーザビームをハーフミラーを介して１本の光ファイバに入射させるレーザ合波装置が提案されている。

【0005】

しかしながら、特許文献１において提案されたレーザ合波装置においては、光ファイバへの入射角度が大きな状態で光ファイバにレーザビームが斜めに入射するために光損失が大きく、ファイバ結合効率が低下するという問題がある。

【0006】

また、特許文献２において提案されたレーザ合波装置においては、ハーフミラーによる光損失によって結合効率が低下するとともに、光源を互いに９０°曲げた方向に配置するために装置が大型化するという問題がある。

【0007】

そこで、特許文献３には、複数のレーザ光源を、該レーザ光源における出射光の光軸が光ファイバの入射面の法線に対してそれぞれ傾斜するように配置するとともに、レーザ光源と光ファイバとの間にプリズム（光学部材）を配置し、このプリズムの出射面からの出射光の光軸と光ファイバの入射面の法線とのなす角度（光ファイバへの入射角度）を、プリズムの入射面への各レーザ光源からの出射光の光軸と光ファイバの入射面の法線とのなす入射光傾斜角度よりも小さく設定したレーザ合波装置が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２００７－２４８５８１号公報

【文献】特開２０１３－０４５０９２号公報

【文献】特開２０１５－０６４５３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、特許文献３において提案されたレーザ合波装置においては、複数のレーザ光源が二次元平面内に光ファイバの入射面の法線に対して傾斜した角度で配置されているため、これらのレーザ光源の設置スペースが大きくなり、装置が大型化するという問題がある。

【0010】

ところで、レーザ合波装置に用いられるレンズ等の光学素子の角度や位置を調整する調整機構を設けた場合、高出力時の発熱や輸送時の振動、調整機構の構造に由来する長期安定性の欠如などに起因してファイバ結合効率が低下するという問題が発生する。

【0011】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、ファイバ結合効率の向上と小型化を実現することができるレーザ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明に係るレーザ装置は、
それぞれレーザ光を出射させる第１、第２及び第３レーザ光源と、
軸心を有し、前記レーザ装置からレーザ光を外部に出力する出力用光ファイバと、
前記第１、第２及び第３レーザ光源から到来するレーザ光を合波して前記出力用光ファイバに入射させる合波光学系とを備え、
前記合波光学系は、
前記第１、第２及び第３レーザ光源から到来するレーザ光をそれぞれ平行光に変換する第１、第２及び第３コリメータと、
前記第２コリメータから到来するレーザ光を前記軸心に平行な方向に誘導する表面を持つ第１プリズムミラーと、前記第３コリメータから到来するレーザ光を前記軸心に平行な方向に誘導する表面を持つ第２プリズムミラーとを有する誘導光学系と、
前記第１コリメータから到来する前記軸心に平行なレーザ光と、前記第２及び第３コリメータで平行光に変換された後に前記誘導光学系で前記軸心に平行な方向に誘導されて到来する各レーザ光とを、前記出力用光ファイバに集光する集光光学系とを備えるものであり、
前記誘導光学系は、前記第１コリメータから到来するレーザ光の光軸と、前記第２及び第３コリメータで平行光に変換された後に当該誘導光学系で誘導された各レーザ光の光軸とを結んだ直線が正三角形となるように、且つ、当該正三角形の図心が前記軸心に一致するように、前記第２及び第３コリメータから到来するレーザ光を誘導するものであり、
前記第１及び第２プリズムミラーの各々は、前記第１コリメータから到来するレーザ光に面した平面である頂面をそれぞれ有し、当該第１及び第２プリズムミラーの各頂面が前記第１コリメータから到来するレーザ光に面した側でなす角度が１２０°に設定されている
ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、３つのレーザ光源から出射して合波光学系によって合波されたレーザ光が出力用光ファイバの軸心に効率よく入射するため、ファイバ結合効率が一層高められる。また、第１レーザ光源から出射するレーザ光が、２つのプリズムミラーの傾斜面によって挟まれる角度１２０°の空間を２つのプリズムミラーに干渉することなく直進することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係るレーザ装置の基本構成を示す模式的平面図である。

【図2】本発明の実施形態に係るレーザ装置の基本構成を示す斜視図である。

【図3】本発明の実施形態に係るレーザ装置のベースの平面図である。

【図4】図３の矢視Ａ方向の図である。

【図5】プリズムミラーを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図（（ａ）の矢視Ｂ方向の図）、（ｃ）は側面図（（ａ）の矢視Ｃ方向の図）である。

【図6】本発明の実施形態に係るレーザ装置の出力部分の斜視図である。

【図7】図６のＤ－Ｄ線断面図である。

【図8】本発明の実施形態に係るレーザ装置における光軸のズレを調整する方法を示す模式的平面図である。

【図9】本発明の実施形態に係るレーザ装置におけるケラレの発生を抑制する方法を示す模式的平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

【0016】

図１は本発明の実施の形態に係るレーザ装置の基本構成を示すブロック図、図２は同レーザ装置の基本構成を示す斜視図、図３は同レーザ装置のベースの平面図、図４は図３の矢視Ａ方向の図である。

【0017】

本実施の形態に係るレーザ装置１は、図１に示すように、それぞれレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３を出射する第１～第３レーザ光源Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と、これらの第１～第３レーザ光源Ｒ１～Ｒ３から出射されるレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３を合波する合波光学系ＣＷと、この合波光学系ＣＷによって合波されたレーザ光ＬＢが入射する１本の出力用光ファイバＦを備えている。なお、以下の説明においては、図１及び図２に矢印にて示す方向をそれぞれ互いに直交する「Ｘ軸方向」、「Ｙ軸方向」、「Ｚ軸方向」とする。

【0018】

上記第１～第３レーザ光源Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、不図示のレーザ素子（ＬＤ）と、これらのレーザ素子から出射するレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３をそれぞれ整形する不図示の整形光学系と、各整形光学系の後段に設けられた光源用光ファイバＦ１，Ｆ２，Ｆ３によってそれぞれ構成されている。ここで、３本の光源用ファイバＦ１～Ｆ３は、Ｙ軸方向（幅方向）に等間隔にＸ軸方向（前後方向）に沿って配置されているが、Ｙ軸方向において中央に位置する光ファイバＦ１は、図２に示すように、その両側（図１の上下）に配置された２本の光源用光ファイバＦ２，Ｆ３よりもＺ軸方向（高さ方向）に図４に示すΔｈだけオフセットした位置（高い位置）に配置されている。このように、不図示のレーザ素子と３本の光源用光ファイバＦ１～Ｆ３は、三次元空間内に互いに平行に配置されている。ここで、３本の光源用光ファイバＦ１～Ｆ３は、中心波長４５０ｎｍ、出力６００Ｗのレーザ光ＬＢ１～ＬＢ３を伝搬させることができるものであって、その直径はφ２００μｍ、開口数ＮＡは０．２である。

【0019】

なお、光源用光ファイバＦ１～Ｆ３は、図示しないが、芯であるコアとこのコアの外側を覆うクラッドとの二重構造となっており、コアとクラッドは、光透過率の高い石英ガラスによって構成されている。また、合波された１本のレーザ光ＬＢが入射する１本の出力用光ファイバＦも同様に構成されているが、本実施の形態では、この出力用光ファイバＦは、マルチモード光ファイバによって構成されている。

【0020】

また、前記合波光学系ＣＷは、第１～第３レーザ光源から出射するレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３を合波して出力用光ファイバＦに入射させるものであって、第１～第３コリメータ２，３，４と、第１誘導光学系を構成するプリズムミラー５と、第２誘導光学系を構成するプリズムミラー６と、集光光学系を構成する集光レンズ７を含んで構成されている。

【0021】

上記第１～第３コリメータ２，３，４は、各光源用光ファイバＦ１～Ｆ３から出射する指向性の高いレーザ光ＢＬ１～ＢＬ３を平行光とするものであって、図１及び図２に示すように、各光源用光ファイバＦ１～Ｆ３の光出射方向（Ｘ軸方向）前方（図１の右方）にそれぞれ配置されている。具体的には、各コリメータ２～３は、各光源用光ファイバＦ１～Ｆ３の出射端面から当該コリメータ２～４の焦点距離ｆ１だけ離れた位置に配置されている。

【0022】

前記合波光学系ＣＷは、第１～第３レーザ光源から出射するレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３を合波して出力用光ファイバＦに入射させるものであって、第１～第３コリメータ２，３，４と、第１誘導光学系を構成するプリズムミラー５と、第２誘導光学系を構成するプリズムミラー６と、反射光学系を構成する反射ミラー８，９と、集光光学系を構成する集光レンズ７を含んで構成されている。

【0023】

ここで、上記第１～第３コリメータ２，３，４は、第１～第３レーザ光源Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３からそれぞれ出射するレーザ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３を平行光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に変換するものであって、各光源用光ファイバＦ１，Ｆ２，Ｆ３の後段（レーザ光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３の出射方向後段）にそれぞれ配置されている。具体的には、各コリメータ２～４は、各光源用光ファイバＦ１～Ｆ３の出射端面から当該コリメータ２～４の焦点距離ｆ１だけ離れた位置に配置されている。

【0024】

ここで、図１に示すように、幅方向（Ｙ軸方向）中央に配置された光源用光ファイバＦ１の軸心と、合波された１本のレーザ光ＬＢが入射する出力用光ファイバＦの軸心とは平面視において一致している。つまり、幅方向中央の光源用光ファイバＦ１と出力用光ファイバＦは、平面視において同軸上に配置されている。そして、図１に示すように、幅方向中央に配置された光源用光ファイバＦ１から出射してコリメータ２によって平行光とされる平行光Ｌ１の光路上であって、且つ、コリメータ２の光出射方向（Ｘ軸方向）前方（図１及び図２の右方）には、ブロック状の２つのプリズムミラー５，６がＸ軸方向に離間した状態で配置されている。

【0025】

また、平面視において同軸上に配置された光源用光ファイバＦ１と出力用光ファイバＦの軸心上であって、且つ、プリズムミラー５，６と出力用光ファイバＦとの間には、光透過型の集光レンズ７が配置されている。この集光レンズ７は、光源用光ファイバＦ１～Ｆ３から出射するレーザ光ＬＢ１～ＬＢ３がコリメータ２～４によってそれぞれ平行化（コリメート）されることによって得られる平行光Ｌ１～Ｌ３を出力用光ファイバＦの入射面の中心（コアの軸心）に集光させるためのものである。なお、集光レンズ７と出力用光ファイバＦの入射端面との間の距離は、集光レンズ７の焦点距離ｆ２に設定されている。

【0026】

他方、Ｙ軸方向（幅方向）において中央の光源用光ファイバ１の両側（図１の上下）に配置された光源用光ファイバＦ２，Ｆ３から出射してコリメータ３，４によってそれぞれ平行化された平行光Ｌ２，Ｌ３の各光路上であって、且つ、各コリメータ３，４よりも光出射方向前方（図１の右方）には、平行光Ｌ２，Ｌ３を各プリズムミラー５，６に向かって反射させる反射ミラー８，９が平面視において４５°傾斜した状態でそれぞれ配置されている。

【0027】

ここで、プリズムミラー５の構成の詳細を図５に基づいて以下に説明する。なお、２つのプリズムミラー５，６の基本構成は同じであるため、以下、一方のプリズムミラー５のみの構成について説明する。

【0028】

図５はプリズムミラーを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図（（ａ）の矢視Ｂ方向の図）、（ｃ）は側面図（（ａ）の矢視Ｃ方向の図）であり、図示のプリズムミラー５は、光透過率が高くて熱膨張率の小さい石英ガラスによって矩形ブロック状に構成されている。このプリズムミラー５は、図２に示すように、反射ミラー８と共に矩形平板状のベース１０に固定配置されており、その側面の１つは、平面視において斜め４５°にカットされた反射面５ａを構成している（図５（ａ）参照）。なお、反射面５ａには、ＨＲコーティングが施されている。

【0029】

また、プリズムミラー５の頂面は、図５（ｂ）に示すように、垂直面に対して図示の角度６０°だけ傾斜した傾斜面を構成しており、この頂面５ｂには、反射コーティングが施されている。

【0030】

ところで、図４に示すように、２つのプリズムミラー５，６は、ベース１０の上面に段違いに形成された深さが異なる矩形溝１０ａ，１０ｂにそれぞれ嵌合して位置決めされており、図３に示すように、これらのプリズムミラー５，６は、図３に示す３つの基準面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に対する垂直度と平行度がそれぞれ０．０５ｍｍ以下に設定され、不図示の板バネによってそれぞれ固定されている。

【0031】

ここで、プリズムミラー５の反射面５ａは、平面視で斜め４５°に傾斜する斜面を形成しているため、この反射面５ａにおいては平行光Ｌ２は、楕円形の光像を形成する。この楕円形の光像の長軸の長さは、平行光束Ｌ２の直径の√２倍（１．４２倍）となるため、反射面５ａに長さＭ（図５（ａ）参照）は、平行光Ｌ２の直径ｄ（図１参照）の１．５倍以上である必要がある（Ｍ≧１．５ｄ）。なお、図示しないが、他方のプリズムミラー６についても同様である。

【0032】

ところで、上述のようにベース１０上に設置された２つのプリズムミラー５，６をＸ軸方向から見た場合、これら２つのプリズムミラー５，６は、図４に示すように、その側面５ｄ，６ｄ同士が互いに同一垂直面上に位置するように配置されているが、両プリズムミラー５，６の傾斜する頂面５ｂ，６ｂによって挟まれる角度は、図示のように１２０°（正確に１２０°を含み、公差上のずれをカバーする範囲）に設定されている。したがって、両プリズムミラー５，６の頂面５ｂ，６ｂの間には、Ｘ軸方向視においてＶ字状の空間が形成されるが、この空間内に幅方向中央に配置された光源用光ファイバＦ１から出射してコリメータ２によって平行化された平行光Ｌ１が通過する。なお、図３に示すように、プリズムミラー５，６の各側面５ｄ，６ｄは、幅方向中央に配置された第１光源Ｒ１（光源用光ファイバＦ１）から出射するレーザ光ＬＢ１の光軸方向に延びる平面を構成している。

【0033】

なお、図４に示すように、幅方向中央に配置された光源用光ファイバＦ１から出射してコリメータ２によって平行化された平行光Ｌ１の光軸Ｏ１と、中央の光源用光ファイバＦ１の幅方向両側に配置された光源用光ファイバＦ２，Ｆ３からそれぞれ出射してコリメータ３，４によって平行化され、反射ミラー８，９とプリズムミラー５，６によって反射した平行光Ｌ２，Ｌ３の光軸Ｏ２，Ｏ３とを結ぶ正三角形の図心Ｇは、出力用光ファイバＦの軸心に一致している。

【0034】

ここで、本実施の形態に係るレーザ装置１の出力部の構成を図６及び図７に基づいて以下に説明する。

【0035】

図６は本発明の実施形態に係るレーザ装置の出力部分の断面斜視図、図７は図６のＤ－Ｄ線断面図であり、内部にベース１０（図２及び図３参照）が収容されたハウジング２０の外面には、矩形プレート状のコリメータベース２１がＹＺ軸方向（左右及び上下方向）に位置調整可能に取り付けられている。このコリメータベース２１の内面には、ハウジング２０の側壁に開口ずる円孔状の孔部２０ａ（図７参照）に嵌め込まれる円筒部２１Ａが一体に突設されており、コリメータベース２１の外面には、ファイバレセプタクル２２が取り付けられている。そして、このファイバレセプタクル２２には、金属製のファイバコネクタ２３が差し込まれて固定されており、このファイバコネクタ２３の軸心には、直径がφ４００μｍ、開口数ＮＡが０．２の出力用光ファイバＦが挿通している。

【0036】

また、ハウジング２０内には、図７に示すように、集光レンズ７を保持する円筒状のレンズホルダ２４が収容されており、このレンズホルダ２４の位置は、ＸＹＺ軸方向（上下、左右及び前後方向）に調整可能である。そして、このレンズホルダ２４は、その外周側に設けられた連結リング２５によってコリメータベース２１の円筒部２１Ａに連結されている。

【0037】

なお、以上は本実施の形態に係るレーザ装置１の出力部の構成について説明したが、入力部における３本の光源用光ファイバＦ１～Ｆ３の取付構造やコリメータ２～４の保持構造は、出力部におけるものと同じであるため、これについての図示及び説明は省略する。

【0038】

次に、以上のように構成されたレーザ装置１の作用について説明する。

【0039】

３つの第１～第３レーザ光源Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３レーザの各レーザ素子からそれぞれ出射するレーザ光ＬＢ１～ＬＢ３が計３本の各光源用光ファイバＦ１～Ｆ３をそれぞれ伝搬し、図１に示すように、各光源用光ファイバＦ１～Ｆ３からレーザ光ＬＢ１～ＬＢ３がそれぞれ出射すると、各レーザ光ＬＢ１～ＬＢ３は、各コリメータ２～４をそれぞれ透過することによって平行化されて平行光Ｌ１～Ｌ３となる。ここで、幅方向中央に配置されたコリメータ２によって平行化された平行光Ｌ１は、そのまま直進して集光レンズ７を透過することによって１本の出力用光ファイバＦの入射端面の軸心に集光される。

【0040】

そして、中央のコリメータ２の両側に配置された２つのコリメータ３，４のうち、一方（図１の上側）に配置されたコリメータ３を透過して平行化された平行光Ｌ２は、反射ミラー８によって反射してその進行方向が直角に曲げられてＹ軸方向に沿ってプリズムミラー５に向かう。そして、この平行光Ｌ２は、プリズムミラー５の反射面５ａで反射してその進行方方向が直角に曲げられてＸ軸方向に沿って集光レンズ７へと向かい、該集光レンズ７を透過することによって１本の出力用光ファイバＦの入射端面の軸心に集光される。

【0041】

また、他方（図１の下側）に配置されたコリメータ４を透過して平行化された平行光Ｌ３は、反射ミラー９によって反射してその進行方向が直角に曲げられてＹ軸方向に沿ってプリズムミラー６に向かう。そして、この平行光Ｌ３は、プリズムミラー６の反射面６ａで反射してその進行方向が直角に曲げられてＸ軸方向に沿って集光レンズ７へと向かい、該集光レンズ７を透過することによって１本の出力用光ファイバＦの入射端面の軸心に集光される。

【0042】

以上のように、本実施の形態に係るレーザ装置１においては、３本の光源用光ファイバＦ１～Ｆ３からそれぞれ出射する計３本のレーザ光ＬＢ１～ＬＢ３は、最終的に集光レンズ７によって１本のレーザ光ＬＢに結合（合波）されて１本の出力用光ファイバＦの入射端面の軸心に集光し、この出力用光ファバＦの入射端面から当該出力用光ファイバＦ内に入射してコア内を全反射しながら伝搬する。そして、合波によって高出力化した１本のレーザ光ＬＢは、出力用光ファイバＦの出射面から出射してレーザ加工などの用途に供される。

【0043】

以上において、本実施の形態に係るレーザ装置１においては、３本の光源用光ファイバＦ１～Ｆ３を三次元空間内に互いに平行に配置したため、これらの光源用光ファイバＦ１～Ｆ３の設置スペースが小さくて済み、当該レーザ装置１の小型化が可能となる。

【0044】

また、図４に示すように、幅方向中央に配置された光源用光ファイバＦ１から出射してコリメータ２によって平行光とされた平行光Ｌ１の光Ｏ１と、中央の光源用光ファイバＦ１の両側に配置された光源用光ファイバＦ２，Ｆ３から出射してコリメータ３，４によってそれぞれ平行化されるとともに、反射ミラー８，９とプリズムミラー５，６によって幅方向中央へとそれぞれ集光された平行光Ｌ２，Ｌ３の光軸Ｏ２，Ｏ３とを結ぶ正三角形の図心Ｇを出力用光ファイバＦの軸心Ｏに一致させたため、各平行光Ｌ１～Ｌ３が集光レンズ７によって合波され、損失が最小限に抑えられて出力用光ファイバＦの軸心Ｏに効率良く入射する。このため、本実施の形態に係るレーザ装置１におけるファイバ結合効率が高められる。

【0045】

さらに、本実施の形態では、図７に示すように、出力側の出力用光ファイバＦを剛性の高い金属製のファイバコネクタ２３を用いて同じく剛性の高い金属製のハウジング１０に取り付けるようにし、入力側の３本の光源用光ファイバＦ１～Ｆ３も同様に金属製の不図示のファイバコネクタを用いて金属製のハウジング１０に取り付けるようにしたため、高出力時の発熱や輸送時の振動、調整機構の構造に由来する長期安定性の欠如などに起因してファイバ結合効率が低下するという問題が発生しない。例えば、ファイバコネクタ２３やこれに接続された出力用光ファイバＦに数Ｎの荷重を加えた場合であってもファイバ結合効率に変化はなかった。

【0046】

ところで、本実施の形態では、コリメータベース２１とレンズホルダ２４に位置調整機構が設けられているが、これらの位置調整機構による位置調整精度以上の精度で位置調整を行う場合には、図８に示すように、例えば、平行光Ｌ２の光路上のコリメータ３と反射ミラー８との間に平行プレート１３を配置し、この平行プレート１３によって光軸垂直方向の位置ズレを修正するようにしても良い。

【0047】

また、図８に示すように、例えば、コリメータ４によって平行化された平行光Ｌ３の光軸がずれた場合には、この平行光Ｌ３の光路上のコリメータ４と反射ミラー９との間に傾斜プレート１４を配置し、この傾斜プレート１４によって光軸のズレを調整することができる。なお、平行プレート１３や傾斜プレート１４としては、光透過率が十分に確保できる範囲内で分厚く、屈折率が高いものが望ましい。

【0048】

さらに、プリズムミラー６によるケラレを最小に抑えるために、図９に示すように、出力用光ファイバＦ１とコリメータ２の光軸を意図的にずらすようにすることが望ましい。この場合、光源用光ファイバＦ１またはコリメータ２を僅かな角度（数ｍｒａｄ以下）を付けて固定することも可能である。出力用光ファイバＦの入射面での集光スポット径は、軸ズレ収差によってより大きくなり得るが、プリズムミラー６によるケラレ成分の減少効果の方が大きくなった場合には、ファイバ結合効率がさらに高められる。

【0049】

なお、光ファイバやコリメータ、集光レンズ等の光学素子にＨＲコーティング（反射防止コーティング）を施すとフレネル損失が減り、光ファイバから出力されるレーザ光の出力が高められる。

【0050】

また、プリズムミラーで反射されなかった光成分をダンパーによって吸収したり、拡散板によって拡散させても良い。さらに、ファイバ結合に寄与しないレーザ光を取り除いたり、散乱光を効果的に除去するために、プリズムミラーの反射面以外の面にＡＲコーティングを施したり、砂面加工を施すようにしても良い。

【0051】

ところで、レーザ出力が大きくなると、透過型素子である集光レンズが破損する可能性があるため、このような集光レンズに代えて放射線ミラーを使用することもできる。或いは、集光レンズに冷却機構（空冷機構や水冷機構）を設けても良い。

【0052】

なお、以上の実施の形態では、複数（３つ）のレーザ光源から出射するレーザ光を複数（３本）の光源用光ファイバＦ１～Ｆ３によって伝搬し、各光源用光ファイバＦ１～Ｆ３から出射するレーザ光ＬＢ１～ＬＢ３を各コリメータ２～４にそれぞれ導くような構成を採用したが、複数のレーザ光源から出射するレーザ光を各コリメータ２～４に直接導くような構成を採用しても良い。

【0053】

また、以上の実施の形態では、レーザ光源とこのレーザ光源から出射するレーザ光を伝搬させる光源用光ファイバＦ１～Ｆ３の数を３としたが、これらの数は限定されたものではなく、２或いは４以上の数であっても良い。

【0054】

ところで、以上説明した実施の形態は、本発明の一例を示すものであって、本発明は、実施の形態にその適用範囲が限定されるべきものではなく、特許請求の範囲及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

【0055】

すなわち、以上において説明した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

【0056】

（第１項）第１項に記載のレーザ装置は、
それぞれレーザ光を出射させる第１、第２及び第３レーザ光源と、
軸心を有し、前記レーザ装置からレーザ光を外部に出力する出力用光ファイバと、
前記第１、第２及び第３レーザ光源から到来するレーザ光を合波して前記出力用光ファイバに入射させる合波光学系とを備え、
前記合波光学系は、
前記第１、第２及び第３レーザ光源から到来するレーザ光をそれぞれ平行光に変換する第１、第２及び第３コリメータと、
前記第２コリメータから到来するレーザ光を前記軸心に平行な方向に誘導する表面を持つ第１プリズムミラーと、前記第３コリメータから到来するレーザ光を前記軸心に平行な方向に誘導する表面を持つ第２プリズムミラーとを有する誘導光学系と、
前記第１コリメータから到来する前記軸心に平行なレーザ光と、前記第２及び第３コリメータで平行光に変換された後に前記誘導光学系で前記軸心に平行な方向に誘導されて到来する各レーザ光とを、前記出力用光ファイバに集光する集光光学系とを備えるものであり、
前記誘導光学系は、前記第１コリメータから到来するレーザ光の光軸と、前記第２及び第３コリメータで平行光に変換された後に当該誘導光学系で誘導された各レーザ光の光軸とを結んだ直線が正三角形となるように、且つ、当該正三角形の図心が前記軸心に一致するように、前記第２及び第３コリメータから到来するレーザ光を誘導するものであり、
前記第１及び第２プリズムミラーの各々は、前記第１コリメータから到来するレーザ光に面した平面である頂面をそれぞれ有し、当該第１及び第２プリズムミラーの各頂面が前記第１コリメータから到来するレーザ光に面した側でなす角度が１２０°に設定されている
ことを特徴とする。

【0057】

第１項に記載のレーザ装置によれば、３つのレーザ光源から出射して合波光学系によって合波されたレーザ光が出力用光ファイバの軸心に効率よく入射するため、ファイバ結合効率が一層高められる。

【0058】

また、第１項に記載のレーザ装置によれば、第１レーザ光源から出射するレーザ光が、２つのプリズムミラーの傾斜面によって挟まれる角度１２０°の空間を２つのプリズムミラーに干渉することなく直進することができる。

【0059】

（第２項）
第２項に記載のレーザ装置において、前記第１、第２及び第３レーザ光源はそれぞれ、複数のレーザ素子と、当該複数のレーザ素子から出射したレーザ光を整形する整形光学系と、当該整形光学系の後段に設けられた光源用光ファイバとを有することを特徴とする。

【0060】

第２項に記載のレーザ装置によれば、第１、第２及び第３レーザ光源は、レーザ素子と整形光学系及び光源用光ファイバによって構成されて指向性の高いレーザ光をそれぞれ出射する。

【0061】

（第３項）第３項に記載のレーザ装置は、
前記第２コリメータから到来するレーザ光を反射させ、前記第１プリズムミラーに誘導する第１反射光学系と、前記第３コリメータから到来するレーザ光を反射させ、前記第２プリズムミラーに誘導する第２反射光学系とをさらに備えたことを特徴とする。

【0062】

第３項に記載のレーザ装置によれば、第２及び第３コリメータによって平行化されたレーザ光を反射光学系によって反射させて誘導光学系へと導くことができる。

【0063】

（第４項）第４項に記載の誘導光学系は、
第１レーザ光と、当該第１レーザ光の光軸と平行でない光軸をもつ第２及び第３レーザ光とが、それぞれ所定の方向から入射される誘導光学系であって、
前記第２レーザ光の光軸が前記第１レーザ光の光軸と平行な方向となるように当該第２レーザ光を誘導する表面を持つ第１プリズムミラーと、前記第３レーザ光の光軸が前記第１レーザ光の光軸と平行な方向となるように当該第３レーザ光を誘導する表面を持つ第２プリズムミラーとを有し、
前記誘導光学系は、前記第１レーザ光の光軸と、前記第１及び第２プリズムミラーで誘導された前記第２及び第３レーザ光の光軸とを結んだ直線が正三角形となるように、前記第２及び第３レーザ光を誘導するものであり、
前記第１及び第２プリズムミラーの各々は、前記第１レーザ光に面した平面である頂面をそれぞれ有し、当該第１及び第２プリズムミラーの各頂面が前記第１レーザ光に面した側でなす角度が１２０°に設定されている。

【0064】

第４項に記載の誘導光学系によれば、３つのレーザ光が出力用光ファイバの軸心に効率よく入射するため、ファイバ結合効率が一層高められる。

【0065】

また、第４項に記載の誘導光学系によれば、第１レーザ光が２つのプリズムミラーの傾斜面によって挟まれる角度１２０°の空間を２つのプリズムミラーに干渉することなく直進することができる。

【符号の説明】

【0066】

１ レーザ装置
２ 第１コリメータ
３ 第２コリメータ
４ 第３コリメータ
５ プリズムミラー（第１誘導光学系）
６ プリズムミラー（第２誘導光学系）
５ａ，５ｂ プリズムミラーの反射面
５ｂ，６ｂ プリズムミラーの頂面
７ 集光レンズ（集光光学系）
８，９ 反射ミラー（反射光学系）
１０ ベース
１３ 平行プレート
１４ 傾斜プレート
２４ レンズホルダ
ＣＷ 合波光学系
Ｆ 出力用光ファイバ
Ｆ１～Ｆ３ 光源用光ファイバ
Ｇ 正三角形の図心
ＬＢ，ＬＢ１～ＬＢ３ レーザ光
Ｌ１～Ｌ３ 平行光
Ｏ１～Ｏ３ 平行光の軸心
Ｒ１ 第１レーザ光源
Ｒ２ 第２レーザ光源
Ｒ３ 第３レーザ光源
Ｓ１～Ｓ３ ベースの基準面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】