JP3458668B2 - Laser processing equipment - Google Patents

Laser processing equipment

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JP3458668B2
JP3458668B2 JP21025997A JP21025997A JP3458668B2 JP 3458668 B2 JP3458668 B2 JP 3458668B2 JP 21025997 A JP21025997 A JP 21025997A JP 21025997 A JP21025997 A JP 21025997A JP 3458668 B2 JP3458668 B2 JP 3458668B2
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laser
phase
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置に
関し、特にマルチモードレーザビームまたはTEM00
モード等の単一レーザビームを用いて穴加工、切断等を
行うレーザ加工装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser processing apparatus, and more particularly to a multimode laser beam or TEM00.
The present invention relates to a laser processing apparatus that performs hole processing, cutting, and the like using a single laser beam such as a mode.

【0002】[0002]

【従来の技術】以下、従来のレーザ加工装置について説
明をする。
2. Description of the Related Art A conventional laser processing apparatus will be described below.

【0003】図17は、従来のレーザ加工装置の概念図
である。図17において、81は凹面状の全反射ミラ
ー、82は全反射ミラー81に対向配置された凹面状の
部分反射ミラー、83は部分反射ミラー82に施された
部分反射膜、84は部分反射ミラー82に施された無反
射膜、85はレーザ媒質であり、例えば炭酸ガスレーザ
等のガスレーザの場合は、放電等で励起されるガス媒質
であり、YAG等の固体レーザの場合は、フラッシュラ
ンプ等により励起される固体媒質である。
FIG. 17 is a conceptual diagram of a conventional laser processing apparatus. In FIG. 17, reference numeral 81 is a concave total reflection mirror, 82 is a concave partial reflection mirror arranged to face the total reflection mirror 81, 83 is a partial reflection film applied to the partial reflection mirror 82, and 84 is a partial reflection mirror. A non-reflective film 82 is applied to the reference numeral 82, and a laser medium 85 is a gas medium excited by discharge or the like in the case of a gas laser such as a carbon dioxide gas laser, and a flash lamp or the like in the case of a solid laser such as YAG. It is a solid medium that is excited.

【0004】次に、86はレーザビーム径を制御するア
パーチャ、87は周囲を覆う箱体、88はミラー81、
82より構成される安定型共振器の内部に発生するレー
ザビーム、89は部分反射ミラー82より外部へ取り出
されたレーザビーム、90は集光レンズ、91は集光レ
ンズ90に施された無反射膜、92は集光光学系90よ
り集光された集束ビーム、93は被加工物である。
Next, 86 is an aperture for controlling the diameter of the laser beam, 87 is a box covering the periphery, 88 is a mirror 81,
A laser beam generated inside the stable resonator constituted by 82, 89 a laser beam taken out from the partial reflection mirror 82, 90 a condenser lens, and 91 a non-reflection applied to the condenser lens 90. A film, 92 is a focused beam focused by the focusing optical system 90, and 93 is a workpiece.

【0005】以上の構成において、次に動作について説
明する。まず、ミラー81、82は、安定型共振器を構
成しているから、発生したレーザビーム88は、アパー
チャ86を通過しつつミラー81、82を往復するうち
にレーザ媒質85により増幅されると共に、レーザビー
ム88の一部が、部分反射膜83及び無反射膜84の施
されたミラー82を介して外部へ取り出される。
The operation of the above arrangement will be described below. First, since the mirrors 81 and 82 compose a stable resonator, the generated laser beam 88 is amplified by the laser medium 85 while reciprocating through the mirrors 81 and 82 while passing through the aperture 86. Part of the laser beam 88 is extracted to the outside through the mirror 82 provided with the partially reflective film 83 and the non-reflective film 84.

【0006】ここで、アパーチャ86は、共振器内に発
生するレーザビーム88の径を調節しながらモード次数
をも制御し、所定のモードのレーザビーム89を得るも
のである。
Here, the aperture 86 controls the mode order while adjusting the diameter of the laser beam 88 generated in the resonator to obtain the laser beam 89 of a predetermined mode.

【0007】そして、外部に取り出されたレーザビーム
89は、集光レンズ90を通過することにより集束ビー
ム92となり、鉄板等の被加工物の切断、穴明け、溶接
等の加工を行う。
Then, the laser beam 89 taken out to the outside becomes a focused beam 92 by passing through a condenser lens 90, and performs processing such as cutting, drilling and welding of a workpiece such as an iron plate.

【0008】さて、安定型共振器を用いたレーザ発振機
から発振されるレーザビームの内、加工の際、切断によ
く用いられるものに最低次モード、即ちTEM00モー
ドのレーザビームがある。
Among laser beams oscillated from a laser oscillator using a stable resonator, a laser beam of the lowest order mode, that is, a TEM00 mode is often used for cutting during processing.

【0009】このTEM00モードのレーザビームの波
面上の強度分布は、ガウス分布をなし、レーザビームの
光波面の位相分布は、ほぼ等位相であり、このレーザビ
ームは集光レンズ等で集光すると良好な集光性を有す
る。
The intensity distribution on the wavefront of the TEM00 mode laser beam has a Gaussian distribution, and the phase distribution of the optical wavefront of the laser beam is almost in phase. When the laser beam is condensed by a condenser lens or the like. It has a good light collecting property.

【0010】このようなTEM00モードのレーザビー
ムを発生させるには、安定型共振器内に設置されたアパ
ーチャ86により、レーザビーム径の広がりを制限すれ
ばよい。
In order to generate such a TEM00 mode laser beam, the expansion of the laser beam diameter may be limited by the aperture 86 installed in the stable resonator.

【0011】一方で、アパーチャ86の径を大きくする
と高いレーザ出力が得られるが、マルチモードのレーザ
ビームが発生することになる。
On the other hand, if the diameter of the aperture 86 is increased, a high laser output can be obtained, but a multimode laser beam will be generated.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】以上より、アパーチャ
86でモード選択を行った場合には、集光性のよいTE
M00モードのレーザビームを得ようとすると大出力の
レーザビームが得られず、加工時間が増加してしまうと
いう課題がある。
As described above, when the mode is selected by the aperture 86, the TE having a good light collecting property is obtained.
If an M00 mode laser beam is to be obtained, a large output laser beam cannot be obtained, and there is a problem that the processing time increases.

【0013】一方で、大出力のレーザビームを得るため
にアパーチャ径を大きくしてマルチモードのレーザビー
ムで加工を行った場合には、レーザビームがマルチモー
ドであるが故に集光性が悪く、結果として加工時間が増
加するという課題が生じる。
On the other hand, when processing is performed with a multimode laser beam by increasing the aperture diameter in order to obtain a large output laser beam, the condensing property is poor because the laser beam is multimode, As a result, there arises a problem that the processing time increases.

【0014】従って、レーザビームの出力の大きさ自体
は確保しながら、多様なモードを有するレーザビームの
集光性を向上し得るレーザ加工装置の実現が大いに望ま
れている。
Therefore, there is a great demand for the realization of a laser processing apparatus capable of improving the converging property of a laser beam having various modes while securing the output level itself of the laser beam.

【0015】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、大出力のレーザビームとしな
がら、被加工物面上でレーザビームの集光直径が減少す
るように集光することができるレーザ加工装置を実現す
ることを目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and condenses a laser beam having a large output while reducing the condensing diameter of the laser beam on the surface of the workpiece. It is an object of the present invention to realize a laser processing device that can be manufactured.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、被加工物上に集光光学系を介してレーザビ
ームを集光して被加工物を加工するレーザ加工装置であ
って、位相シフト手段を用いて、加工に用いるレーザビ
ームの光波面の位相を光軸回りの偏角に対応して変化さ
せるレーザ加工装置である。
In order to solve this problem, the present invention is a laser processing apparatus for processing a workpiece by focusing a laser beam on the workpiece via a focusing optical system. Then, the phase shift means is used to change the phase of the light wavefront of the laser beam used for processing in accordance with the declination around the optical axis.

【0017】このように構成することにより、大出力の
レーザビームとしながら、被加工物面上でレーザビーム
の集光直径が減少するように集光することができるレー
ザ加工装置を実現する。
With this configuration, it is possible to realize a laser processing apparatus capable of converging a laser beam having a large output while reducing the converging diameter of the laser beam on the surface of the workpiece.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】請求項1記載の本発明は、レーザ
ビームを発振するレーザ発振機と、前記レーザビームを
被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザビーム
の光波面の位相をシフトする位相シフト手段とを有し、
前記位相シフト手段が、前記集光光学系の光軸に垂直な
面における極座標系に対し、前記光軸回りの偏角に対応
して位相をシフトするレーザ加工装置である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention according to claim 1 is a laser oscillator that oscillates a laser beam, a focusing optical system that focuses the laser beam on a workpiece, and an optical wavefront of the laser beam. And a phase shift means for shifting the phase of
The phase shift means is a laser processing device that shifts a phase in accordance with a deviation angle around the optical axis with respect to a polar coordinate system on a plane perpendicular to the optical axis of the focusing optical system.

【0019】このような構成により、レーザビームの位
相をシフトをさせ、多様なモードのレーザビームの被加
工物上の集光直径を減少させ、かつ強度分布ピーク値を
増大させ得る。
With such a structure, the phase of the laser beam can be shifted, the diameter of the laser beam of various modes condensed on the workpiece can be reduced, and the peak value of the intensity distribution can be increased.

【0020】例えば、レーザビームは、マルチモードの
レーザビームであっても適用可能であり、TEM00モ
ード、TEM10モード、TEM01モードまたはTE
M11モードに対しても適用可能とする。
For example, the laser beam may be a multi-mode laser beam, and may be a TEM00 mode, TEM10 mode, TEM01 mode or TE.
It is also applicable to the M11 mode.

【0021】ここで、請求項2記載のように、位相シフ
ト手段は、偏角に対応して連続的に位相をシフトする位
相シフト部材であってもよい。
Here, as described in claim 2, the phase shift means may be a phase shift member for continuously shifting the phase in accordance with the declination.

【0022】より具体的には、請求項3記載のように、
集光光学系は、集光レンズと、前記集光レンズと光軸を
一致させて一体に設けられた位相シフト部材とを有し、
前記位相シフト部材は、光軸方向の厚さが偏角の増加に
対応して連続的に増加する構成であってもよく、請求項
4記載のように、位相シフト部材は、光軸方向の厚さ
が、偏角の増加に比例して連続的に増加する構成であっ
てもよい。
More specifically, as described in claim 3,
The condensing optical system has a condensing lens and a phase shift member integrally provided with the condensing lens so that the optical axes thereof coincide with each other.
The phase shift member may have a structure in which the thickness in the optical axis direction continuously increases in response to an increase in the declination angle. The thickness may be continuously increased in proportion to the increase in the deflection angle.

【0023】このような構成により、マルチモードのレ
ーザビームであっても適用可能であり、特にTEM01
モードまたはTEM11モードに対しても適用可能とす
る。
With such a structure, even a multimode laser beam can be applied, and in particular, TEM01.
It is also applicable to the mode or the TEM11 mode.

【0024】または、請求項5記載のように、位相シフ
ト手段は、偏角に対応して断続的に位相をシフトする位
相シフト部材であってもよい。
Alternatively, as described in claim 5, the phase shift means may be a phase shift member which intermittently shifts the phase according to the declination.

【0025】より具体的には、請求項6記載のように、
集光光学系は、集光レンズと、前記集光レンズと光軸を
一致させてさせて一体に設けられた位相シフト部材とを
有し、前記位相シフト部材は、光軸方向の厚さが偏角の
増加に対応して断続的に増加する構成であってもよく、
請求項7記載のように、位相シフト部材は、偏角につい
て均等に分割された複数の領域を有し、前記領域の光軸
方向の厚さが、偏角の増加に対応して断続的に等しく増
加する構成であってもよい。
More specifically, as described in claim 6,
The condensing optical system has a condensing lens and a phase shift member integrally provided by making the optical axis of the condensing lens coincident with each other, and the phase shift member has a thickness in the optical axis direction. The configuration may be increased intermittently in response to an increase in declination,
As described in claim 7, the phase shift member has a plurality of regions that are evenly divided in terms of declination, and the thickness of the region in the optical axis direction intermittently corresponds to an increase in declination. The configuration may be increased equally.

【0026】このような構成によっても、マルチモード
のレーザビームであっても適用可能であり、特にTEM
01モードまたはTEM11モードに対しても適用可能
とする。
With such a structure, a multi-mode laser beam can be applied, and in particular, a TEM.
It is also applicable to the 01 mode or the TEM 11 mode.

【0027】一方、請求項8記載のように、位相シフト
手段は、光軸中に2つ配置される構成を有していてもよ
い。
On the other hand, as described in claim 8, the phase shift means may have a configuration in which two phase shift means are arranged in the optical axis.

【0028】このような構成によっても、マルチモード
のレーザビームであっても適用可能であり、特にTEM
00モードまたはTEM10モードに対しても適用可能
とする。
With this structure, a multi-mode laser beam can be applied, and in particular, a TEM.
It is also applicable to 00 mode or TEM10 mode.

【0029】そして、請求項9記載のように、位相シフ
ト手段の一方は、偏角に対応して位相シフト量を増加さ
せ、他方は偏角に対応して位相シフト量を減少させる構
成が好適である。
Further, as described in claim 9, it is preferable that one of the phase shift means increases the phase shift amount according to the declination angle and the other one decreases the phase shift amount according to the declination angle. Is.

【0030】ここで、請求項10記載のように、位相シ
フト手段の双方は、偏角に対応して連続的に位相をシフ
トする位相シフト部材であってもよい。
Here, as described in claim 10, both of the phase shift means may be phase shift members that continuously shift the phase in accordance with the declination.

【0031】より具体的には、請求項11記載のよう
に、位相シフト部材の一方は、集光光学系の集光レンズ
と光軸を一致させて一体に設けられており、光軸方向の
厚さが偏角の増加に対応して連続的に増加するものであ
り、他方の位相シフト部材は、レーザ発振機の共振器の
出力鏡と光軸を一致させて一体に設けられており、光軸
方向の厚さが偏角の増加に対応して連続的に減少する構
成であってもよく、請求項12記載のように、位相シフ
ト部材の一方は、光軸方向の厚さが偏角の増加に比例し
て連続的に増加し、他方は、光軸方向の厚さが偏角の増
加に比例して連続的に減少する構成であってもよい。
More specifically, as described in claim 11, one of the phase shift members is integrally provided with the condensing lens of the condensing optical system so that the optical axis thereof coincides with each other. The thickness continuously increases in response to an increase in the deflection angle, and the other phase shift member is integrally provided with the output mirror of the resonator of the laser oscillator in alignment with the optical axis, The thickness in the optical axis direction may be continuously reduced in response to an increase in the declination angle. As described in claim 12, one of the phase shift members has a deviated thickness in the optical axis direction. Alternatively, the thickness may be continuously increased in proportion to the increase of the angle, and the other may be such that the thickness in the optical axis direction is continuously decreased in proportion to the increase of the deviation angle.

【0032】または、請求項13記載のように、位相シ
フト手段の双方は、偏角に対応して断続的に位相をシフ
トする位相シフト部材であってもよい。
Alternatively, as described in claim 13, both of the phase shift means may be phase shift members which intermittently shift the phase corresponding to the declination.

【0033】より具体的には、請求項14記載のよう
に、位相シフト部材の一方は、集光光学系の集光レンズ
と光軸を一致させて一体に設けられており、光軸方向の
厚さが偏角の増加に対応して断続的に増加するものであ
り、他方の位相シフト部材は、レーザ発振機の共振器の
出力鏡と光軸を一致させて一体に設けられており、光軸
方向の厚さが偏角の増加に対応して断続的に減少する構
成であってもよく、請求項15記載のように、光軸中に
2つ配置される位相シフト部材の一方は、偏角について
均等に分割された複数の領域を有し、前記領域の光軸方
向の厚さが、偏角の増加に対応して断続的に等しく増加
し、他方は、偏角について均等に分割された複数の領域
を有し、前記領域の光軸方向の厚さが、偏角の増加に対
応して断続的に等しく減少する構成であってもよい。
More specifically, as described in claim 14, one of the phase shift members is integrally provided with the condensing lens of the condensing optical system so that the optical axis thereof coincides with each other. The thickness increases intermittently in response to an increase in the deflection angle, and the other phase shift member is integrally provided with the optical axis of the output mirror of the resonator of the laser oscillator in alignment with each other. The thickness in the optical axis direction may intermittently decrease in response to an increase in the declination, and one of the two phase shift members arranged in the optical axis as described in claim 15. , Having a plurality of regions equally divided in terms of declination, the thickness of the region in the direction of the optical axis intermittently increases equally in response to an increase in declination, and the other uniformly It has a plurality of divided areas, and the thickness of the area in the optical axis direction is intermittently equalized in response to an increase in declination. It may be configured to decrease.

【0034】また、位相シフト部材を一つ設けた構成で
は、請求項16記載のように、位相シフト部材と集光レ
ンズとが同一の光学材料を用いて形成されている構成で
あってもよく、さらに、位相シフト部材を二つ設けた構
成では、請求項17記載のように、位相シフト部材と集
光レンズ、及び/または位相シフト部材とレーザ発振機
の共振器の出力鏡は同一の光学材料を用いて形成されて
いる構成であってもよい。
Further, in the structure in which one phase shift member is provided, the structure may be such that the phase shift member and the condenser lens are formed by using the same optical material. Further, in the configuration in which two phase shift members are provided, the phase shift member and the condenser lens, and / or the phase shift member and the output mirror of the resonator of the laser oscillator have the same optical structure. The structure may be formed using a material.

【0035】以上において、請求項18記載のように、
レーザビームが、マルチモードレーザビームであっても
よいし、請求項19記載のように、レーザビームが、T
EM00モード、TEM10モード、TEM01モード
またはTEM11モードの単一モードレーザビームであ
ってもよい。
In the above, as described in claim 18,
The laser beam may be a multimode laser beam, and the laser beam may be T
It may be a single mode laser beam of EM00 mode, TEM10 mode, TEM01 mode or TEM11 mode.

【0036】以下、本発明の各実施の形態を用い、図面
を参照しながら、より詳細に説明する。
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

【0037】(実施の形態1)以下、本発明の第1の実
施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1) Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0038】図1は、本実施の形態におけるレーザ加工
装置の断面を示す概念図である。図1において、1は凹
面状の全反射ミラー、2は全反射ミラー1に対向配置さ
れた凹面状の部分反射ミラー、3は部分反射ミラー2に
施された部分反射膜、4は部分反射ミラー2に施された
無反射膜、5はレーザ媒質で、例えば、炭酸ガス(CO
2)レーザ等のガスレーザの場合は、放電等で励起され
るガス媒質であり、またYAG等の固体レーザの場合
は、フラッシュランプ等により励起される固体媒質であ
るが、本実施の形態では、CO2レーザのレーザ媒質を
代表的に用いた。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross section of a laser processing apparatus according to this embodiment. In FIG. 1, reference numeral 1 is a concave total reflection mirror, 2 is a concave partial reflection mirror arranged to face the total reflection mirror 1, 3 is a partial reflection film applied to the partial reflection mirror 2, and 4 is a partial reflection mirror. The non-reflective film 5 applied to 2 is a laser medium, for example, carbon dioxide gas (CO
2 ) In the case of a gas laser such as a laser, it is a gas medium excited by discharge or the like, and in the case of a solid laser such as YAG, it is a solid medium excited by a flash lamp or the like. A CO 2 laser laser medium was typically used.

【0039】そして、6はレーザビーム径を制御するア
パーチャ、7は周囲を覆う箱体で以上がレーザ発振機を
構成する。
Further, 6 is an aperture for controlling the diameter of the laser beam, and 7 is a box body which covers the circumference, and the above constitutes a laser oscillator.

【0040】ついで、8はミラー1、2より構成される
安定型共振器の内部に発生するCO 2レーザビーム、9
は部分反射ミラー2より外部へ取り出された好適にはマ
ルチモードのCO2レーザビーム、10は集光レンズ、
10aは集光レンズ前面、10bは集光レンズ後面、1
1は集光レンズ前面10aに付加されそこに入射するレ
ーザビーム位相を光軸に垂直な面における極座標系に対
し、その光軸回りの偏角に対応して位相を連続的にシフ
トする位相シフト部材、12は集光レンズ10と位相シ
フト部材11に施された無反射膜である。これらの集光
レンズ10、位相シフト部材11及び無反射膜12がレ
ーザビームの位相をシフトする機能を有する集光光学系
を構成する。
Next, 8 is composed of mirrors 1 and 2.
CO generated inside the stable resonator 2Laser beam, 9
Is preferably a mask taken out from the partial reflection mirror 2.
Multi mode CO2Laser beam, 10 is a condenser lens,
10a is the front surface of the condenser lens, 10b is the rear surface of the condenser lens, 1
1 is a laser beam incident on the front surface 10a of the condenser lens.
The laser beam phase to a polar coordinate system in a plane perpendicular to the optical axis.
However, the phase is continuously shifted according to the declination around the optical axis.
Is a phase shift member, and 12 is a phase shifter with the condenser lens 10.
It is a non-reflective film applied to the shift member 11. Collect these
The lens 10, the phase shift member 11 and the antireflection film 12 are
Laser optics with the function of shifting the phase of the laser beam
Make up.

【0041】そして、13は集光光学系で集光された集
束ビーム、14は被加工物である。なお、本実施の形態
では、位相シフト部材は、代表的にその偏角と同じ角度
だけ位相をシフトする様に構成した。
Numeral 13 is a focused beam condensed by the condensing optical system, and numeral 14 is a workpiece. In addition, in the present embodiment, the phase shift member is typically configured to shift the phase by the same angle as the declination angle.

【0042】また、集光レンズ10の材質は、例えば無
反射膜を施したZnSe等のCO2レーザを透過させる
材質とすればよく、位相シフト部材11の材質も、同様
の材質とし、例えば蒸着、ICB(イオンクラスタビー
ム)コーテイング等の方法で容易にかつ安価な方法で製
作できるものである。
The condenser lens 10 may be made of a material such as ZnSe having a non-reflective film that allows a CO 2 laser to pass therethrough, and the phase shift member 11 may be made of the same material, for example, by vapor deposition. , ICB (ion cluster beam) coating and the like, which can be easily and inexpensively manufactured.

【0043】以上の構成に基づき、さらに詳細構成に触
れながら、動作について説明する。まず、ミラー1、2
は、安定型共振器を構成しているから、発生したレーザ
ビーム8は、アパーチャ6を通過しながらミラー1、2
を往復するうちにレーザ媒質5により増幅されると共
に、CO2レーザビーム8の一部が、部分反射ミラー2
を介して外部へ取り出される。
Based on the above configuration, the operation will be described with reference to a more detailed configuration. First, mirrors 1 and 2
, Which constitute a stable resonator, the generated laser beam 8 passes through the aperture 6 and the mirrors 1, 2
While being reciprocated, the laser medium 5 amplifies the laser beam and a part of the CO 2 laser beam 8 is partially reflected.
It is taken out to the outside via.

【0044】ここで、アパーチャ6は、共振器内に発生
するCO2レーザビーム8のモード次数を制御するが、
本実施の形態においては、大出力レーザビームを得るた
めに、そのアパーチャ径は、マルチモードレーザビーム
を得るように設定する。
Here, the aperture 6 controls the mode order of the CO 2 laser beam 8 generated in the resonator,
In this embodiment, in order to obtain a large output laser beam, its aperture diameter is set so as to obtain a multimode laser beam.

【0045】具体的には、各モードのエネルギー比をT
EM00:TEM10:TEM01=1.0:1.5:
2.5と設定した。
Specifically, the energy ratio of each mode is T
EM00: TEM10: TEM01 = 1.0: 1.5:
It was set to 2.5.

【0046】そして、外部に取り出されたマルチモード
のCO2レーザビーム9は、集光光学系を通過すること
により集束ビーム13となり、被加工物14の表面に集
光され鉄板等の被加工物の加工、つまり切断、穴明け、
溶接等を効率よく行うこととなる。
Then, the multi-mode CO 2 laser beam 9 extracted to the outside becomes a focused beam 13 by passing through the focusing optical system, is focused on the surface of the workpiece 14, and is a workpiece such as an iron plate. Processing, that is, cutting, drilling,
Welding etc. will be performed efficiently.

【0047】ここで、一般にマルチモードレーザビーム
の中に含まれる各モードの波面上の振幅分布は、以下の
(数1)で与えられる。
Here, the amplitude distribution on the wavefront of each mode generally included in the multimode laser beam is given by the following (Equation 1).

【0048】[0048]

【数1】 [Equation 1]

【0049】また、異なるモード間はインコヒーレント
なので、マルチモードレーザの波面上の強度分布は、各
モードの強度分布にそのモードのエネルギーを乗算した
ものの加算値になる。
Since the different modes are incoherent, the intensity distribution on the wavefront of the multimode laser is an addition value of the intensity distribution of each mode multiplied by the energy of the mode.

【0050】図2(a)は、集光光学系の瞳における波
面上でのCO2レーザビーム9の強度分布を示すもの
で、横軸は光軸からの距離を示し、縦軸は強度である。
なお、横軸の単位はmmで、縦軸は強度分布のピーク値
を1.0に規格化し、集光レンズ10の焦点距離は12
7mmとした。
FIG. 2A shows the intensity distribution of the CO 2 laser beam 9 on the wavefront in the pupil of the focusing optical system, where the horizontal axis represents the distance from the optical axis and the vertical axis represents the intensity. is there.
The unit of the horizontal axis is mm, the vertical axis standardizes the peak value of the intensity distribution to 1.0, and the focal length of the condenser lens 10 is 12
It was set to 7 mm.

【0051】本実施の形態の場合、位相シフト部材11
は、集光レンズ前面10aに光軸を一致させて設けら
れ、位相シフト部材11の厚さdは、光軸に垂直な平面
内での極座標系に対し、以下の(数2)で与えられるよ
うな連続的に変化させられており、厚さdが偏角の大き
さに比例して連続的に変化している。但し、光軸上の部
分や光軸近傍の変化面の形状は作製しずらいため、位相
シフト機能に影響ない範囲内で、その部分は一定厚さと
してもよい。
In the case of the present embodiment, the phase shift member 11
Is provided on the front surface 10a of the condenser lens with its optical axis aligned, and the thickness d of the phase shift member 11 is given by the following (Formula 2) with respect to a polar coordinate system in a plane perpendicular to the optical axis. As described above, the thickness d is continuously changed in proportion to the magnitude of the deviation angle. However, since it is difficult to form the shape of the portion on the optical axis or the changing surface near the optical axis, that portion may have a constant thickness within the range that does not affect the phase shift function.

【0052】[0052]

【数2】 [Equation 2]

【0053】具体的には、位相シフト部材11の位相シ
フト量は、図2(b)に示され、縦軸は位相を示し、横
軸は光軸に垂直な面内の極座標系に対する偏角であり、
本実施の形態では位相シフト量と偏角とは等しくなって
いる。
Specifically, the phase shift amount of the phase shift member 11 is shown in FIG. 2 (b), the vertical axis shows the phase, and the horizontal axis shows the deviation angle with respect to the in-plane polar coordinate system perpendicular to the optical axis. And
In the present embodiment, the phase shift amount and the declination angle are equal.

【0054】このような機能を有する本実施形態の集光
レンズ10及び位相シフト部材11を、光軸に垂直な面
に対して斜め前方から見た斜視図を図2(c)に示す。
なお、光軸近傍の形状には、作製上等の理由から、さら
に例えば、微小な円筒孔を光軸と中心を一致させながら
底辺の厚さが位相シフト部材11の最も薄い厚さと一致
する深さまで形成することが、実際上は好ましいが、図
面上は省略して概略のみを示している。
FIG. 2C shows a perspective view of the condenser lens 10 and the phase shift member 11 of the present embodiment having such a function as seen obliquely from the front with respect to the plane perpendicular to the optical axis.
For the reason of fabrication, the shape near the optical axis is, for example, a depth in which the thickness of the bottom side matches the thinnest thickness of the phase shift member 11 while aligning the center of the minute cylindrical hole with the optical axis. Although it is preferable in practice to form it up to this point, it is omitted in the drawings and is shown only for the sake of illustration.

【0055】よって、以上のような集光光学系を用いて
CO2レーザビーム9を集光すると、集光光学系を通過
した後の集束ビーム13の強度分布は、図3に示される
結果となった。
Therefore, when the CO 2 laser beam 9 is focused using the above focusing optical system, the intensity distribution of the focused beam 13 after passing through the focusing optical system is the same as the result shown in FIG. became.

【0056】この図3では、本実施の形態の位相シフト
部材11を用いた場合と、比較のための集光レンズ10
と焦点距離が同じで位相シフト部材がない場合とのCO
2レーザビーム9の集光面での強度分布を示している。
In FIG. 3, the condenser lens 10 for comparison with the case where the phase shift member 11 of this embodiment is used.
With the same focal length and no phase shift member
2 shows the intensity distribution of the laser beam 9 on the converging surface.

【0057】ここで、集光面での振幅分布は、各モード
ごとについては、瞳上の波面の微小部分から発した2次
波が集光面の各点において有する振幅を考え、これら2
次波の影響を波面全体について重ね合わせることによっ
て、以下の(数3)のように計算式が得られる。
Here, regarding the amplitude distribution on the converging surface, for each mode, considering the amplitude of the secondary wave emitted from a minute portion of the wavefront on the pupil at each point on the converging surface, these 2
By superimposing the influence of the next wave on the entire wavefront, the calculation formula can be obtained as in the following (Equation 3).

【0058】[0058]

【数3】 [Equation 3]

【0059】但し、(数3)中においては、位相シフト
部材11がない場合は、wps=0であり、位相シフト
部材11がある場合には、一般的には、(数2)よりw
ps=2π(n−1)d/λであるが、本実施の形態で
は、図2(b)に示す位相シフト量となる。
However, in (Equation 3), wps = 0 when there is no phase shift member 11, and when there is the phase shift member 11, generally, from (Equation 2), w
Although ps = 2π (n−1) d / λ, the phase shift amount shown in FIG. 2B is obtained in this embodiment.

【0060】そして、マルチモードレーザビームの集光
面での強度分布は、各モードの強度分布にモードのエネ
ルギーを乗算したものを加算することによって得られ
る。
The intensity distribution of the multimode laser beam on the converging surface is obtained by adding the intensity distribution of each mode and the mode energy.

【0061】図3において、横軸は光軸からの距離、縦
軸は強度を示す。但し、横軸は、集光レンズ10と焦点
距離が同じで位相シフト機能がない光学系で集光した像
面強度分布の強度のピーク値の1/e2倍の強度の点を
結んでできる円の半径を1に規格化した。また、縦軸
は、集光レンズ10と焦点距離が同じで位相シフト機能
がない光学系で集光した像面強度分布のピーク値を1に
規格化した。
In FIG. 3, the horizontal axis represents the distance from the optical axis, and the vertical axis represents the intensity. However, the horizontal axis can be formed by connecting points having an intensity 1 / e 2 times the peak value of the intensity of the image plane intensity distribution condensed by an optical system having the same focal length as the condenser lens 10 and having no phase shift function. The radius of the circle was standardized to 1. Further, the vertical axis standardizes the peak value of the image plane intensity distribution condensed by an optical system having the same focal length as the condenser lens 10 and having no phase shift function to 1.

【0062】そして、本実施の形態における強度分布を
実線aとし、集光光学系10と同じ焦点距離で位相シフ
ト部材を有さない光学系を用いた場合の強度分布を点線
bで示した。
The intensity distribution in the present embodiment is shown by a solid line a, and the intensity distribution when an optical system having the same focal length as the condensing optical system 10 and having no phase shift member is used is shown by a dotted line b.

【0063】ここで、被加工物14の加工の閾値(Th
reshold)は、材質によって異なるので、ここで
は強度が点線bの強度分布のピーク値の0.135倍に
なるところを加工の閾値と想定し、点線cで表した。
Here, the processing threshold value (Th
Reshold) is different depending on the material, so here, the point where the strength becomes 0.135 times the peak value of the intensity distribution of the dotted line b is assumed to be the processing threshold and is represented by the dotted line c.

【0064】つまり、図3において、点線cより内側の
強度分布の幅が、実際の加工の際の集光直径に相当す
る。
That is, in FIG. 3, the width of the intensity distribution inside the dotted line c corresponds to the converging diameter in the actual processing.

【0065】図3を参照すると理解できるように、位相
シフト機能を有する集光光学系を用い集光した方が、加
工の際の集光直径が約31%小さくなる。更に、強度分
布のピーク値が高いのでエネルギー密度も大きい。
As can be understood with reference to FIG. 3, when the light is condensed using the condensing optical system having the phase shift function, the condensed diameter at the time of processing is reduced by about 31%. Furthermore, since the peak value of the intensity distribution is high, the energy density is also high.

【0066】よって、穴明け切断等の加工において、こ
の位相シフト機能を有する光学系を用いるとことによ
り、通常の集光光学系に比べて加工速度が大幅に速くな
り、加工特性自体も向上することになる。
Therefore, in processing such as punching and cutting, by using the optical system having this phase shift function, the processing speed is significantly faster than that of the ordinary condensing optical system, and the processing characteristics themselves are also improved. It will be.

【0067】ここで、本実施の形態における位相シフト
部材11の位相シフト量は、代表的に、光軸に垂直な面
内の極座標系に対する偏角と位相シフト量とは等しい場
合について説明したが、この偏角に対応して連続的に変
化する位相シフト量を与えれば、加工の際の集光直径が
小さくなり、かつエネルギー密度も大きくなることは同
様である。
Here, the phase shift amount of the phase shift member 11 in the present embodiment is typically described as a case where the deviation angle with respect to the polar coordinate system in the plane perpendicular to the optical axis is equal to the phase shift amount. Similarly, if a phase shift amount that continuously changes corresponding to this declination is given, the light-converging diameter at the time of processing becomes smaller and the energy density also becomes larger.

【0068】また、レーザビームがマルチモードレーザ
ビームでなく、所定の単一モードに対しても同様の効果
が得られる場合があり、特にTEM01モード、TEM
11モードに対しては良好な効果が認められる。
The same effect may be obtained even when the laser beam is not a multi-mode laser beam but a predetermined single mode, in particular, TEM01 mode and TEM.
A good effect is recognized for the 11 mode.

【0069】以上のように、本実施の形態によれば、加
工に用いるマルチモードレーザビームまたは特定の単一
モードレーザビームの位相を、光軸に垂直な面に対し極
座標の偏角に対応して、例えば同じ角度だけシフトさせ
て集光する光学系を用いることにより、被加工物上での
集束ビームの集光直径を減少させ、かつ強度分布のピー
ク値を増大させることができ、その結果加工速度を速
め、加工特性をも向上することができた。
As described above, according to the present embodiment, the phase of the multimode laser beam or the specific single mode laser beam used for processing corresponds to the polar angle deviation with respect to the plane perpendicular to the optical axis. , For example, by using an optical system that shifts and focuses light by the same angle, it is possible to reduce the focused diameter of the focused beam on the workpiece and increase the peak value of the intensity distribution. We were able to increase the processing speed and improve the processing characteristics.

【0070】なお、本実施の形態では、レーザビーム
は、各モードのエネルギー比をTEM00:TEM1
0:TEM01=1.0:1.5:2.5のマルチモー
ドレーザビームとして説明したが、位相シフト部材と組
み合わせ可能なエネルギー比がこれに限られないことは
もちろんである。
In this embodiment, the laser beam has an energy ratio of each mode of TEM00: TEM1.
Although the multi-mode laser beam of 0: TEM01 = 1.0: 1.5: 2.5 has been described, the energy ratio that can be combined with the phase shift member is not limited to this.

【0071】(実施の形態2)以下、本発明の第2の実
施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment) A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0072】図4は、本実施の形態におけるレーザ加工
装置の断面を示す概念図である。図4において、21は
凹面状の全反射ミラー、22は全反射ミラー21に対向
配置された凹面状の部分反射ミラー、23は部分反射ミ
ラー22に施された部分反射膜、24は部分反射ミラー
22に施された無反射膜、25は代表的に示したCO2
レーザ媒質、26はレーザビーム径を制御するアパーチ
ャ、27は周囲を覆う箱体で以上がレーザ発振機を構成
する。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a cross section of the laser processing apparatus according to the present embodiment. In FIG. 4, reference numeral 21 is a concave total reflection mirror, 22 is a concave partial reflection mirror arranged to face the total reflection mirror 21, 23 is a partial reflection film applied to the partial reflection mirror 22, and 24 is a partial reflection mirror. 22 is a non-reflective film, and 25 is a typical CO 2
A laser medium, 26 is an aperture for controlling the diameter of the laser beam, 27 is a box that covers the circumference, and the above constitutes a laser oscillator.

【0073】そして、28はミラー21、22より構成
される安定型共振器の内部に発生するCO2レーザビー
ム、29は部分反射ミラー2より外部へ取り出されるC
2レーザビーム、30は集光レンズ、30aは集光レ
ンズ前面、30bは集光レンズ後面、31は位相シフト
部材である。
28 is a CO 2 laser beam generated inside the stable resonator constituted by the mirrors 21 and 22, and 29 is C extracted from the partial reflection mirror 2 to the outside.
An O 2 laser beam, 30 is a condenser lens, 30a is a front surface of the condenser lens, 30b is a rear surface of the condenser lens, and 31 is a phase shift member.

【0074】また、32は集光レンズ30と位相シフト
部材31に施された無反射膜であり、集光レンズ30、
位相シフト部材31及び無反射膜32がレーザビームの
位相をシフトさせる機能を有する集光光学系を構成す
る。
Reference numeral 32 is a non-reflective film formed on the condenser lens 30 and the phase shift member 31.
The phase shift member 31 and the antireflection film 32 constitute a condensing optical system having a function of shifting the phase of the laser beam.

【0075】そして、33は集光光学系で集光された集
束ビーム、34は被加工物である。以上の構成におい
て、本実施の形態の構成における実施の形態1との相違
点は、位相シフト部材31にある。
Reference numeral 33 is a focused beam focused by the focusing optical system, and 34 is a workpiece. In the above configuration, the difference between the configuration of the present embodiment and the first embodiment lies in the phase shift member 31.

【0076】この位相シフト部材31は、集光レンズ前
面30aに付加され、そこに入射するレーザビームの位
相を光軸に垂直な平面内での極座標系の偏角に対し、実
質的には連続的な変化とみなし得る程度に、その厚さd
が以下の(数4)に示されるような所定の規則性を持っ
て段階的に変化させている。
This phase shift member 31 is added to the front surface 30a of the condenser lens, and the phase of the laser beam incident thereon is substantially continuous with respect to the deviation angle of the polar coordinate system in the plane perpendicular to the optical axis. The thickness d
Is changed stepwise with a predetermined regularity as shown in the following (Equation 4).

【0077】[0077]

【数4】 [Equation 4]

【0078】例えば、本実施の形態では、図5(a)に
示されるように、偏角が0ラジアン〜π/6ラジアンの
範囲の位相を0ラジアン、π/6ラジアンからπ/3ラ
ジアンまでの範囲の位相をπ/6ラジアン、π/3ラジ
アンからπ/2ラジアンまでの範囲の位相をπ/3ラジ
アン、π/2ラジアンから2π/3ラジアンまでの範囲
の位相をπ/2ラジアン、2π/3ラジアンから5π/
6ラジアンまでの範囲の位相を2π/3ラジアン、5π
/6ラジアンからπラジアンまでの範囲の位相を5π/
6ラジアン、πラジアンから7π/6ラジアンまでの範
囲の位相をπラジアン、7π/6ラジアンから4π/3
ラジアンまでの範囲の位相を7π/6ラジアン、4π/
3ラジアンから3π/2ラジアンまでの範囲の位相を4
π/3ラジアン、3π/2ラジアンから5π/3ラジア
ンまでの範囲の位相を3π/2ラジアン、5π/3ラジ
アンから11π/6ラジアンまでの範囲の位相を5π/
3ラジアン、11π/6ラジアンから2πラジアンまで
の範囲の位相を11π/6ラジアンだけシフトさせるも
のである。
For example, in the present embodiment, as shown in FIG. 5A, the phase in the range of 0 radian to π / 6 radian is 0 radian, from π / 6 radian to π / 3 radian. , Π / 6 radians, π / 3 radians to π / 2 radians, π / 3 radians, π / 2 radians to 2π / 3 radians, π / 2 radians, 2π / 3 radians to 5π /
Phase up to 6 radians is 2π / 3 radians, 5π
The phase in the range from / 6 radians to π radians is 5π /
Phases in the range from 6 radians, π radians to 7π / 6 radians are π radians, 7π / 6 radians to 4π / 3
Phases up to radians are 7π / 6 radians, 4π /
Phase in the range from 3 radians to 3π / 2 radians is 4
π / 3 radian, phase in the range of 3π / 2 radian to 5π / 3 radian is 3π / 2 radian, phase in the range of 5π / 3 radian to 11π / 6 radian is 5π /
The phase in the range from 3 radians and 11π / 6 radians to 2π radians is shifted by 11π / 6 radians.

【0079】図5(b)は、このような位相シフト機能
を実現する本実施の形態の集光レンズ30及び位相シフ
ト部材31を、光軸に垂直な面の斜め方向前側から見た
斜視図を示したものである。なお、光軸近傍の形状にに
ついては、実施の形態1と同様に、作製上等の理由か
ら、微小な円筒孔等を形成してもかまわない。
FIG. 5 (b) is a perspective view of the condenser lens 30 and the phase shift member 31 of the present embodiment that realizes such a phase shift function, as seen from the oblique front side of the plane perpendicular to the optical axis. Is shown. As for the shape in the vicinity of the optical axis, a minute cylindrical hole or the like may be formed for the reason of fabrication or the like, as in the first embodiment.

【0080】以上の構成において、次に動作について説
明する。まず、ミラー21、22は安定型共振器を構成
しているから、CO2レーザビーム28は、ミラー2
1、22を往復するうちにレーザ媒質25により増幅さ
れると共に、CO2レーザビーム28の一部が、部分反
射ミラー22を介して外部へ取り出されることは実施の
形態1と同様である。
The operation of the above configuration will be described below. First, since the mirrors 21 and 22 form a stable resonator, the CO 2 laser beam 28 is reflected by the mirror 2.
It is similar to the first embodiment that a part of the CO 2 laser beam 28 is extracted to the outside through the partial reflection mirror 22 while being amplified by the laser medium 25 while going back and forth between 1 and 22.

【0081】ここで、アパーチャ26は、共振器内に発
生するCO2レーザビーム28のモード次数を制御する
もので、大出力レーザビームを得るために、そのアパー
チャ径は、マルチモードレーザビームを得るように設定
する。本実施の形態でも、一例として、各モードのエネ
ルギー比をTEM00:TEM10:TEM01=1.
0:1.5:2.5とした。
Here, the aperture 26 controls the mode order of the CO 2 laser beam 28 generated in the resonator, and its aperture diameter is a multimode laser beam in order to obtain a large output laser beam. To set. Also in the present embodiment, as an example, the energy ratio of each mode is TEM00: TEM10: TEM01 = 1.
It was set to 0: 1.5: 2.5.

【0082】そして、外部に取り出されたCO2レーザ
ビーム29は、集光光学系を通過することにより集束ビ
ーム33となり、被加工物34の表面に集光され鉄板等
の被加工物の加工、つまり切断、穴明け、溶接等を行う
ことになることも実施の形態1と同様である。
Then, the CO 2 laser beam 29 taken out to the outside becomes a focused beam 33 by passing through the focusing optical system, is focused on the surface of the workpiece 34, and is processed into a workpiece such as an iron plate. That is, cutting, drilling, welding and the like are performed as in the first embodiment.

【0083】以上のような集光光学系を用いてレーザビ
ーム29を集光すると、その強度分布は図6のようにな
る。
When the laser beam 29 is condensed by using the above condensing optical system, its intensity distribution becomes as shown in FIG.

【0084】図6は、本実施の形態の集光光学系を用い
た場合と、比較のため本実施例の集光光学系と焦点距離
が同じで位相シフト機能がないもの、つまり通常の集光
光学系を用いた場合でのレーザビーム29の集光面での
強度分布を実施の形態1と同様に示したものであり、本
実施の形態の強度分布を実線a、この集光光学系と同じ
焦点距離で位相シフト機能のない通常の集光光学系を用
いた場合の強度分布を点線bで示した。なお、加工の閾
値は、実施の形態1と同様に設定し点線cで示した。
FIG. 6 shows a case in which the focal length is the same as that of the condensing optical system of the present embodiment but does not have a phase shift function, that is, an ordinary condensing optical system, when the condensing optical system of the present embodiment is used. The intensity distribution on the converging surface of the laser beam 29 in the case of using the optical optical system is shown in the same manner as in the first embodiment, and the intensity distribution in the present embodiment is shown by the solid line a, this condensing optical system. The intensity distribution when a normal focusing optical system having the same focal length and no phase shift function is used is shown by a dotted line b. The processing threshold is set in the same manner as in the first embodiment and is shown by a dotted line c.

【0085】図6から明らかなように、位相シフト機能
を搭載した集光光学系を用い集光した方が、加工の際の
集光直径が約31%小さくなる。更に、強度分布のピー
ク値が高いのでエネルギー密度も大きい。
As is clear from FIG. 6, when the light is condensed by using the condensing optical system equipped with the phase shift function, the condensed diameter at the time of processing is reduced by about 31%. Furthermore, since the peak value of the intensity distribution is high, the energy density is also high.

【0086】よって、本実施の形態においても、穴明け
切断等の加工において、この位相シフト機能をもつ集光
光学系を用いると通常の集光光学系を用いた場合に比
べ、加工速度が大幅に早くなり、加工特性自体も向上す
ることになる。
Therefore, also in the present embodiment, when the condensing optical system having this phase shift function is used in machining such as punching and cutting, the machining speed is significantly higher than that in the case of using the ordinary condensing optical system. It will be faster and the processing characteristics will be improved.

【0087】なお、本実施の形態では、位相シフト部材
31をマルチモードレーザビームの進行方向に垂直な面
内での極座標系において、極座標の偏角の0ラジアン〜
2πラジアンまでの間をπ/6ラジアンごとの領域に分
割したが、要は実質的に偏角に対応して厚さが断続的に
変化して、被加工物上に集光されるレーザビームの強度
分布のピーク値を増大しながら集光直径は減少させる機
能を実現することができればよいのであり、区切られる
領域の大きさや隣合う領域間の位相シフト量の差が限定
されるものではなく、領域同士の大きさが異なっていた
り、領域内で連続的に厚さが変わるような構成をもとり
得る。
In the present embodiment, in the polar coordinate system in which the phase shift member 31 is in a plane perpendicular to the traveling direction of the multimode laser beam, the polar coordinate deviation angle is 0 radian to 0 radian.
The area up to 2π radians was divided into areas of π / 6 radians, but the point is that the thickness of the laser beam is intermittently changed correspondingly to the declination angle and focused on the workpiece. It is only necessary to be able to realize the function of increasing the peak value of the intensity distribution and decreasing the condensing diameter, and the size of the separated area and the difference in the phase shift amount between adjacent areas are not limited. It is also possible to adopt a configuration in which the regions have different sizes or the thickness is continuously changed within the regions.

【0088】また、本実施の形態でも、モード間のエネ
ルギー比を限定するものではなく、単一モードレーザビ
ームに対しても、特にTEM01、TEM11モードに
対しては良好な効果を発揮し得る。
Also in this embodiment, the energy ratio between modes is not limited, and a good effect can be exhibited even for a single mode laser beam, especially for TEM01 and TEM11 modes.

【0089】以上のように、本実施の形態によれば、加
工に用いるマルチモードレーザビームまたは特定の単一
モードレーザビームの位相を、光軸に垂直な面に対し極
座標系の偏角に対応して、例えば同じ角度だけ断続的に
シフトさせて集光する光学系を用いることにより、被加
工物上での集束ビームの集光直径を減少させ、かつ強度
分布のピーク値を増大させることができ、その結果加工
速度を速め、加工特性をも向上することができた。
As described above, according to this embodiment, the phase of the multimode laser beam or the specific single mode laser beam used for processing corresponds to the deviation angle of the polar coordinate system with respect to the plane perpendicular to the optical axis. Then, for example, by using an optical system that intermittently shifts the light beam by the same angle to focus the light beam, it is possible to reduce the focus diameter of the focused beam on the workpiece and increase the peak value of the intensity distribution. As a result, the processing speed was increased and the processing characteristics were also improved.

【0090】なお、以上の実施の形態中においては、位
相シフト部材は集光レンズに一体化したが、別体として
光軸中に設けてもよいことはもちろんである。
In the above embodiments, the phase shift member is integrated with the condenser lens, but it goes without saying that it may be provided as a separate body in the optical axis.

【0091】(実施の形態3)以下、本発明の第3の実
施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(Third Embodiment) Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0092】図7は、本実施の形態におけるレーザ加工
装置の断面を示す概念図である。図7において、41は
凹面状の全反射ミラー、42は全反射ミラー41に対向
配置された凹面状の部分反射ミラー、42aは部分反射
ミラー前面、42bは部分反射ミラー後面、43は部分
反射ミラー前面42aに施された部分反射膜、44は部
分反射ミラー後面42bに付加されそこに入射するレー
ザビーム位相を光軸に垂直な面における極座標系に対
し、その光軸回りの偏角に対応して位相を連続的にシフ
トする位相シフト部材、45は位相シフト部材44に施
された無反射膜、46はレーザ媒質で、例えば、炭酸ガ
ス(CO2)レーザ等のガスレーザの場合は、放電等で
励起されるガス媒質であり、またYAG等の固体レーザ
の場合は、フラッシュランプ等により励起される固体媒
質であるが、本実施の形態では、CO2レーザのレーザ
媒質を代表的に用いた。
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a cross section of the laser processing apparatus according to the present embodiment. In FIG. 7, 41 is a concave total reflection mirror, 42 is a concave partial reflection mirror that is arranged to face the total reflection mirror 41, 42a is a partial reflection mirror front surface, 42b is a partial reflection mirror rear surface, and 43 is a partial reflection mirror. The partial reflection film 44 applied to the front surface 42a corresponds to the deviation angle around the optical axis of the laser beam phase incident on the rear surface 42b of the partial reflection mirror with respect to the polar coordinate system in the plane perpendicular to the optical axis. Phase shift member for continuously shifting the phase by 45, 45 is a non-reflective film applied to the phase shift member 44, 46 is a laser medium, for example, in the case of a gas laser such as a carbon dioxide (CO 2 ) laser, discharge or the like. in a gas medium is excited, also in the case of the solid-state laser such as YAG, is a solid medium which is excited by flash lamp or the like, in the present embodiment, CO 2 lasers Leh Using a medium typically.

【0093】そして、47はレーザビーム径を制御する
アパーチャ、48は周囲を覆う箱体で以上がレーザ発振
機を構成する。
Further, 47 is an aperture for controlling the laser beam diameter, and 48 is a box body that covers the periphery thereof, and the above constitutes a laser oscillator.

【0094】ついで、49はミラー41、42より構成
される安定型共振器の内部に発生するCO2レーザビー
ム、50は部分反射ミラー42より外部へ取り出された
好適にはTEM00モードのCO2レーザビーム、51
は集光レンズ、51aは集光レンズ前面、51bは集光
レンズ後面、52は集光レンズ前面51aに付加されそ
こに入射するレーザビームの位相を光軸に垂直な面にお
ける極座標系に対し、その光軸回りの偏角に対応して位
相を連続的にシフトする位相シフト部材、53は集光レ
ンズ51と位相シフト部材53に施された無反射膜であ
る。これらの集光レンズ51、位相シフト部材52及び
無反射膜53がレーザビームの位相をシフトする機能を
有する集光光学系を構成する。
Next, 49 is a CO 2 laser beam generated inside the stable resonator composed of the mirrors 41 and 42, and 50 is a CO 2 laser, preferably a TEM00 mode CO 2 laser which is taken out from the partial reflection mirror 42. Beam, 51
Is a condenser lens, 51a is the front surface of the condenser lens, 51b is the rear surface of the condenser lens, 52 is the phase of the laser beam added to the front surface 51a of the condenser lens, and the phase is perpendicular to the optical axis with respect to the polar coordinate system. A phase shift member that continuously shifts the phase according to the declination around the optical axis, and 53 is a non-reflection film provided on the condenser lens 51 and the phase shift member 53. The condenser lens 51, the phase shift member 52, and the antireflection film 53 constitute a condenser optical system having a function of shifting the phase of the laser beam.

【0095】そして、54は集光光学系で集光された集
束ビーム、55は被加工物である。ここで、本実施の形
態では、位相シフト部材52は、代表的にその偏角と同
じ角度だけ位相を増加させる様に構成し、もう一方の位
相シフト部材44は、偏角と同じ角度だけ位相を減少さ
せるように構成した。
Numeral 54 is a focused beam condensed by the condensing optical system, and numeral 55 is a workpiece. Here, in the present embodiment, the phase shift member 52 is typically configured to increase the phase by the same angle as the declination angle, and the other phase shift member 44 is phased by the same angle as the declination angle. Is configured to reduce.

【0096】また、部分反射ミラー42及び集光レンズ
51の材質は、例えば無反射膜を施したZnSe等のC
2レーザを透過させる材質とすればよく、位相シフト
部材44、52の材質も、同様の材質とし、例えば蒸
着、ICB(イオンクラスタビーム)コーテイング等の
方法で容易にかつ安価な方法で製作できるものである。
The materials of the partial reflection mirror 42 and the condenser lens 51 are, for example, C such as ZnSe coated with a non-reflection film.
A material that allows the O 2 laser to pass therethrough may be used, and the phase shift members 44 and 52 may be made of the same material, and may be easily and inexpensively manufactured by a method such as vapor deposition or ICB (ion cluster beam) coating. It is a thing.

【0097】また、凹面ミラー41、42の曲率半径
は、双方とも4000mm、また凹面ミラー41、42
のミラー間隔は、4000mmとし、部分反射ミラー後
面42から集光レンズ瞳面までの距離は、5435mm
とした。
The radii of curvature of the concave mirrors 41 and 42 are both 4000 mm, and the concave mirrors 41 and 42 are
The mirror spacing is 4000 mm, and the distance from the rear surface 42 of the partial reflection mirror to the pupil plane of the condenser lens is 5435 mm.
And

【0098】また、集光レンズ51の焦点距離は、12
7mmとした。以上の構成に基づき、さらに詳細構成に
触れながら、動作について説明する。
The focal length of the condenser lens 51 is 12
It was set to 7 mm. Based on the above configuration, the operation will be described with reference to a more detailed configuration.

【0099】まず、ミラー41、42は、安定型共振器
を構成しているから、発生したCO 2レーザビーム49
は、アパーチャ47を通過しながらミラー41、42を
往復するうちにレーザ媒質46により増幅されると共
に、CO2レーザビーム49の一部が、部分反射ミラー
42を介して外部へ取り出される。
First, the mirrors 41 and 42 are stable resonators.
Generated CO 2Laser beam 49
Moves the mirrors 41 and 42 while passing through the aperture 47.
As it is amplified by the laser medium 46 during the round trip,
And CO2Part of the laser beam 49 is a partial reflection mirror
It is taken out through 42.

【0100】また、アパーチャ47は、共振器内に発生
するCO2レーザビーム49のモード次数を制御する
が、本実施の形態においては、そのアパーチャ径は、T
EM00モードのレーザビームを得るように設定する。
Further, the aperture 47 controls the mode order of the CO 2 laser beam 49 generated in the resonator. In the present embodiment, the aperture diameter is T.
It is set so as to obtain a laser beam in the EM00 mode.

【0101】ここで、一般にレーザビームの波面上のT
EM00モードの振幅分布は、以下の(数5)で与えら
れる。
Here, in general, T on the wavefront of the laser beam is
The amplitude distribution of the EM00 mode is given by the following (Equation 5).

【0102】[0102]

【数5】 [Equation 5]

【0103】なお、本実施の形態に示すような共振器を
用いた場合、部分反射ミラー前面でのCO2レーザビー
ム49の波面の曲率半径は4000mm、ビームスポッ
ト径は3.673736mmである。
When the resonator as shown in this embodiment is used, the radius of curvature of the wavefront of the CO 2 laser beam 49 on the front surface of the partial reflection mirror is 4000 mm and the beam spot diameter is 3.673736 mm.

【0104】そして、外部に取り出されたTEM00モ
ードのCO2レーザビーム50は、位相シフト部材4
4、52により位相変調をされるとともに、集光光学系
を通過することにより集束ビーム54となり、被加工物
55の表面に集光され鉄板等の被加工物の加工、つまり
切断、穴明け、溶接等を効率よく行うこととなる。
The TEM00 mode CO 2 laser beam 50 extracted to the outside is supplied to the phase shift member 4
While being phase-modulated by 4, 52, a focused beam 54 is formed by passing through the condensing optical system, and is focused on the surface of the workpiece 55, that is, processing of a workpiece such as an iron plate, that is, cutting, punching, Welding etc. will be performed efficiently.

【0105】さて、本実施の形態の場合、位相シフト部
材44は、部分反射ミラー後面42bに光軸を一致させ
て一体に設けられ、位相シフト部材44の厚さdは、光
軸に垂直な平面内での極座標系に対し、以下の(数6)
で与えられるように連続的に変化させられており、厚さ
dが偏角の大きさに比例して連続的に変化している。但
し、光軸上の部分や光軸近傍の変化面の形状は、作製し
づらいため、位相シフト機能に影響ない範囲内で、その
部分は一定厚さとしてもよい。
In the case of the present embodiment, the phase shift member 44 is integrally provided on the rear surface 42b of the partial reflection mirror with its optical axis aligned, and the thickness d of the phase shift member 44 is perpendicular to the optical axis. For the polar coordinate system in the plane, the following (Equation 6)
The thickness d is continuously changed in proportion to the magnitude of the declination. However, since the shape of the portion on the optical axis and the changing surface near the optical axis is difficult to manufacture, that portion may have a constant thickness within a range that does not affect the phase shift function.

【0106】[0106]

【数6】 [Equation 6]

【0107】具体的には、位相シフト部材44の位相シ
フト量は、図8(a)に示され、縦軸は位相を示し、横
軸は光軸に垂直な平面内の極座表系に対する偏角であ
り、位相シフト量は、偏角に比例して減少するようにな
っている。
Specifically, the phase shift amount of the phase shift member 44 is shown in FIG. 8A, the vertical axis indicates the phase, and the horizontal axis indicates the polar coordinate system in the plane perpendicular to the optical axis. It is a declination angle, and the amount of phase shift decreases in proportion to the declination angle.

【0108】このような機能を有する本実施形態の部分
反射ミラー42及び位相シフト部材44を、光軸に垂直
な面に対して斜め後方から見た斜視図を図8(b)に示
す。なお、光軸近傍の形状には、作製上等の理由から、
さらに例えば、微小な円筒孔を光軸と中心を一致させな
がら底辺の厚さが位相シフト部材44の最も薄い厚さと
一致する深さまで形成することが、実際上は好ましい
が、図面上は省略して概略のみを示している。
FIG. 8B is a perspective view of the partially reflecting mirror 42 and the phase shift member 44 of this embodiment having such a function, as seen obliquely from the rear with respect to the plane perpendicular to the optical axis. The shape near the optical axis has a
Further, for example, it is practically preferable to form a minute cylindrical hole so that the thickness of the bottom side matches the thinnest thickness of the phase shift member 44 while aligning the center with the optical axis, but it is omitted in the drawing. The outline is only shown.

【0109】図9(a)は、位相シフト部材44により
位相シフトされ、部分反射ミラー42より、光軸方向に
5430mm伝播したCO2レーザビーム50の強度分
布を示す。但し、この強度分布は、本実施の形態におけ
るレーザ発振機において、位相シフト部材44がないと
仮定した場合の波面上での強度分布を示すものである。
つまり、ここでいう波面とは、本実施の形態におけるレ
ーザ発振機から出力されるレーザビームに対し、位相シ
フトを行わずに、従来どおりレーザビームを部分反射ミ
ラーから5430mm伝播させた場合の波面のことであ
る。
FIG. 9A shows the intensity distribution of the CO 2 laser beam 50 which has been phase-shifted by the phase shift member 44 and propagated from the partial reflection mirror 42 in the optical axis direction by 5430 mm. However, this intensity distribution shows the intensity distribution on the wavefront when it is assumed that the phase shift member 44 is not provided in the laser oscillator according to the present embodiment.
That is, the wavefront referred to here is the wavefront when the laser beam output from the laser oscillator according to the present embodiment is propagated from the partial reflection mirror 5430 mm as in the conventional case without performing the phase shift. That is.

【0110】この図9(a)において、横軸は光軸から
の距離を示し、縦軸は強度である。なお、横軸の単位は
mmで、縦軸は強度分布のピーク値を1.0に規格化し
た。
In FIG. 9A, the horizontal axis represents the distance from the optical axis and the vertical axis represents the intensity. The unit of the horizontal axis is mm, and the vertical axis is the peak value of the intensity distribution normalized to 1.0.

【0111】また、図9(b)は、位相シフト部材44
により位相シフトされ、部分反射ミラー42より光軸方
向に5430mm伝播したCO2レーザビーム50の波
面収差を示すものである。但し、この波面収差は、本実
施の形態におけるレーザ発振機において位相シフト部材
44がないと仮定した場合の波面を、参照球面として計
算したものである。つまり、ここでいう参照球面とは、
本実施の形態におけるレーザ発振機から出力されるレー
ザビームに対し、位相シフトを行わず、従来どおりにレ
ーザビームを部分反射ミラー42から5430mm伝播
させた場合の波面のことである。
Further, FIG. 9B shows the phase shift member 44.
3 shows the wavefront aberration of the CO 2 laser beam 50 that has been phase-shifted by and has propagated from the partial reflection mirror 42 in the optical axis direction by 5430 mm. However, this wavefront aberration is calculated by using the wavefront on the assumption that the phase shift member 44 is not provided in the laser oscillator according to the present embodiment as a reference spherical surface. In other words, the reference sphere here is
This is a wavefront when the laser beam output from the laser oscillator according to the present embodiment is propagated from the partial reflection mirror 42 by 5430 mm as in the conventional case without phase shifting.

【0112】なお、本実施の形態おいて、部分反射ミラ
ー42は、実際には有限の厚さを持つが、図9(a)に
示す強度分布と図9(b)に示す波面収差を計算するに
あたっては、部分反射ミラーの厚さは0mmとして扱っ
た。
Although the partial reflection mirror 42 actually has a finite thickness in this embodiment, the intensity distribution shown in FIG. 9A and the wavefront aberration shown in FIG. 9B are calculated. In doing so, the thickness of the partial reflection mirror was treated as 0 mm.

【0113】ここで、本実施の形態において、部分反射
ミラーの厚さを0mmとして扱った場合、部分反射ミラ
ー上でのレーザビームの振幅分布と、任意の距離伝播し
たレーザビームの光軸上に曲率中心を持つ任意の球面ま
たは光軸に垂直な平面上の振幅分布の関係は、以下の
(数7)で与えられる。
Here, in the present embodiment, when the thickness of the partial reflection mirror is treated as 0 mm, the amplitude distribution of the laser beam on the partial reflection mirror and the optical axis of the laser beam propagated by an arbitrary distance are plotted. The relationship of the amplitude distribution on an arbitrary spherical surface having a center of curvature or a plane perpendicular to the optical axis is given by the following (Equation 7).

【0114】[0114]

【数7】 [Equation 7]

【0115】この(数7)は、任意の面(光軸上に曲率
中心を持つ任意の球面または光軸に垂直な任意の平面)
上の振幅から観測面(光軸上に曲率中心を持つ任意の観
測球面または光軸に垂直な任意の観測平面)の振幅を計
算するものであり、任意の面(ここでは部分反射ミラー
面)の微小部分から発した2次波を、観測面の各点にお
いて重ね合わるものであり、ここで観測面は、本実施の
形態のレーザ発振機において位相シフト部材44がない
と仮定した場合に、レーザビームが、部分反射ミラーか
ら5435mm伝播したところの波面に相当する。但
し、(数7)中の位相シフト部材44がない場合は、w
ps=0であり、位相シフト部材44がある場合には、
wpsの値は(数6)から一般的に求まるが、本実施の
形態の場合には、図8(a)に示す位相シフト量であ
る。
This (Equation 7) is an arbitrary surface (an arbitrary spherical surface having a center of curvature on the optical axis or an arbitrary plane perpendicular to the optical axis).
Calculates the amplitude of the observation surface (any observation spherical surface having the center of curvature on the optical axis or any observation plane perpendicular to the optical axis) from the above amplitude, and any surface (here, a partial reflection mirror surface) The secondary wave emitted from the minute portion of is superposed at each point on the observation surface. Here, when the observation surface is assumed to have no phase shift member 44 in the laser oscillator of the present embodiment, It corresponds to the wavefront where the laser beam propagated 5435 mm from the partially reflecting mirror. However, when there is no phase shift member 44 in (Equation 7), w
When ps = 0 and the phase shift member 44 is present,
The value of wps is generally obtained from (Equation 6), but in the case of the present embodiment, it is the phase shift amount shown in FIG.

【0116】一方、位相シフト部材52は、集光レンズ
前面51aに光軸を一致させて設けられ、位相シフト部
材52の厚さdは、光軸に垂直な平面内での極座標系に
対し、以下の(数8)で与えられるように連続的に変化
させられており、厚さdが偏角の大きさに比例して連続
的に変化している。但し、光軸上の部分や光軸近傍の変
化面の形状は、作製しづらいため、位相シフト機能に影
響ない範囲内で、その部分は一定厚さとしてもよい。
On the other hand, the phase shift member 52 is provided on the front surface 51a of the condenser lens so that the optical axis thereof coincides with the thickness d of the phase shift member 52 with respect to the polar coordinate system in a plane perpendicular to the optical axis. It is continuously changed as given by the following (Equation 8), and the thickness d is continuously changed in proportion to the magnitude of the declination. However, since the shape of the portion on the optical axis and the changing surface near the optical axis is difficult to manufacture, that portion may have a constant thickness within a range that does not affect the phase shift function.

【0117】[0117]

【数8】 [Equation 8]

【0118】具体的には、位相シフト部材52の位相シ
フト量は、図10(a)に示され、縦軸は位相を示し、
横軸は光軸に垂直な面内の極座標系に対する偏角であ
り、本実施の形態では位相シフト量と偏角とは等しい構
成にしている。
Specifically, the phase shift amount of the phase shift member 52 is shown in FIG. 10 (a), the vertical axis represents the phase,
The horizontal axis is the declination angle with respect to the in-plane polar coordinate system perpendicular to the optical axis, and in this embodiment, the phase shift amount and the declination angle are equal.

【0119】(数6)と(数8)、及び図8(a)と図
10(a)を比較して解るように、位相シフト部材44
と位相シフト部材52の偏角に対する位相シフトの変化
量は、絶対値が等しく符号が逆になっている。つまり、
位相シフト部材44で位相シフトされ、集光光学系まで
伝播したレーザビーム50に対し、位相シフト部材52
は位相シフト部材44で位相シフトされた量をもとに戻
す構成となっている。
As can be seen by comparing (Equation 6) and (Equation 8), and FIG. 8A and FIG. 10A, the phase shift member 44
And the phase shift change amount with respect to the declination of the phase shift member 52 has the same absolute value and opposite signs. That is,
For the laser beam 50 that has been phase-shifted by the phase-shifting member 44 and has propagated to the focusing optical system, the phase-shifting member 52
Is configured to restore the amount of the phase shifted by the phase shift member 44.

【0120】このような機能を有する本実施形態の集光
レンズ51及び位相シフト部材52を、光軸に垂直な面
に対して斜め前方から見た斜視図を図10(b)に示
す。なお、光軸近傍の形状には、作製上等の理由から、
例えば、微小な円筒孔を光軸と中心を一致させながら底
辺の厚さが位相シフト部材52の最も薄い厚さと一致す
る深さまで形成することが、実際上は好ましいが、図面
上は省略して概略のみを示している。
FIG. 10B shows a perspective view of the condenser lens 51 and the phase shift member 52 of the present embodiment having such a function as seen obliquely from the front with respect to the plane perpendicular to the optical axis. The shape near the optical axis has a
For example, it is practically preferable to form the minute cylindrical hole to a depth such that the thickness of the bottom side matches the thinnest thickness of the phase shift member 52 while aligning the center with the optical axis, but it is omitted in the drawing. Only an outline is shown.

【0121】そして、以上のようなレーザ発振機及び集
光光学系を用いてCO2レーザビーム50を集光する
と、集光光学系を通過した後の集束ビーム54の強度分
布は、図11に示される結果となった。
When the CO 2 laser beam 50 is condensed using the laser oscillator and the condensing optical system as described above, the intensity distribution of the focused beam 54 after passing through the condensing optical system is shown in FIG. The results are shown.

【0122】この図11では、本実施の形態の位相シフ
ト部材44及び52を用いた場合と、比較のための本実
施の形態と条件が同じで位相シフト部材がない場合との
CO 2レーザビーム50の各々のベストフォーカス位置
での強度分布を示している。
FIG. 11 shows the phase shift of the present embodiment.
For comparison with the case where the tongue members 44 and 52 are used.
When the conditions and conditions are the same and there is no phase shift member
CO 2Best focus position of each laser beam 50
Shows the intensity distribution at.

【0123】ここで、ベストフォーカス位置におけるレ
ーザビームの振幅分布は、単一モードのレーザビームの
場合、前述した(数7)を用いて求められ、この場合、
観測面がベストフォーカス位置(光軸に垂直な平面)、
任意の面が集光光学系瞳上の波面に相当する。但し、
(数7)中の位相シフト部材52がない場合は、wps
=0であり、位相シフト部材52がある場合には、wp
sの値は(数8)から一般的に求まるが、本実施の形態
の場合には、図10(a)に示すとおりである。また、
集光レンズ51は、無収差の薄レンズとした。
Here, the amplitude distribution of the laser beam at the best focus position is obtained by using the above-mentioned (Equation 7) in the case of a single mode laser beam. In this case,
The observation surface is in the best focus position (a plane perpendicular to the optical axis),
An arbitrary surface corresponds to the wavefront on the focusing optical system pupil. However,
When there is no phase shift member 52 in (Equation 7), wps
= 0 and the phase shift member 52 is present, wp
The value of s is generally obtained from (Equation 8), but in the case of the present embodiment, it is as shown in FIG. Also,
The condenser lens 51 is a thin lens with no aberration.

【0124】図11において、横軸は光軸からの距離、
縦軸は強度を示す。但し、縦軸は、本実施の形態と条件
が同じで位相シフト部材がない場合とのCO2レーザビ
ーム50のベストフォーカス位置での強度分布のピーク
値を1に規格化した。
In FIG. 11, the horizontal axis is the distance from the optical axis,
The vertical axis represents intensity. However, the vertical axis standardizes the peak value of the intensity distribution at the best focus position of the CO 2 laser beam 50 in the case where the conditions are the same as those of the present embodiment and the phase shift member is not provided, to 1.

【0125】そして、本実施の形態におけるベストフォ
ーカス位置での強度分布を実線aとし、本実施の形態と
条件が同じで位相シフト部材がない場合のCO2レーザ
ビーム50のベストフォーカス位置での強度分布を点線
bで示した。
The intensity distribution at the best focus position in this embodiment is represented by a solid line a, and the intensity of the CO 2 laser beam 50 at the best focus position under the same conditions as this embodiment and without the phase shift member. The distribution is shown by the dotted line b.

【0126】ここで、被加工物55の加工の閾値(Th
reshold)は、材質によって異なるので、ここで
は強度が点線bの強度分布のピーク値の0.135倍に
なるところを加工の閾値と想定し、点線cで表した。
Here, the processing threshold value (Th
Reshold) is different depending on the material, so here, the point where the strength becomes 0.135 times the peak value of the intensity distribution of the dotted line b is assumed to be the processing threshold and is represented by the dotted line c.

【0127】つまり、図11において、点線cより内側
の強度分布の幅が、実際の加工の際の集光直径に相当す
る。
That is, in FIG. 11, the width of the intensity distribution inside the dotted line c corresponds to the converging diameter in the actual processing.

【0128】図11を参照すると理解できるように、本
実施の形態のような位相シフト機能を有するレーザ発振
機及び集光光学系を用いた場合、位相シフト機能を有さ
ない通常の場合に比べ、加工の際の集光直径が約23%
小さくなる。更に、強度分布のピーク値が高いのでエネ
ルギー密度も大きい。
As can be understood with reference to FIG. 11, when the laser oscillator and the condensing optical system having the phase shift function as in this embodiment are used, compared with the normal case not having the phase shift function. , The condensing diameter when processing is about 23%
Get smaller. Furthermore, since the peak value of the intensity distribution is high, the energy density is also high.

【0129】よって、穴明け切断等の加工において、こ
の位相シフト機能を有するレーザ発振機及び集光光学系
を用いるとことにより、通常のレーザ発振機及び集光光
学系に比べて加工速度が大幅に速くなり、加工特性自体
も向上することになる。
Therefore, in processing such as punching and cutting, by using the laser oscillator and the condensing optical system having the phase shift function, the machining speed can be greatly increased as compared with the ordinary laser oscillator and the condensing optical system. Therefore, the processing characteristics themselves will be improved.

【0130】また、レーザビームがTEM00モードレ
ーザビームでなく、他の単一モードあるいはマルチモー
ドレーザビームに対しても同様の効果が得られる場合が
あり、特にTEM10モードあるいはこれらのモードを
多く含むマルチモードレーザビームに対しては良好な効
果が認められる。
In addition, the laser beam is not the TEM00 mode laser beam, but the same effect may be obtained even for other single mode or multimode laser beams. In particular, the TEM10 mode or a multimode including many of these modes may be obtained. A good effect is recognized for the mode laser beam.

【0131】以上のように、本実施の形態によれば、光
軸の厚さが偏角の増加に比例して連続的に増加する位相
シフト部材を集光光学系と光軸を一致させて一体に設
け、光軸の厚さが偏角の増加に比例して連続的に減少す
る位相シフト部材をレーザ発振機の部分反射ミラーの後
面と光軸を一致させて一体に設けることで、被加工物上
での集束ビームの集光直径を減少させ、かつ強度分布の
ピーク値を増大させることができ、その結果加工速度を
速め、加工特性をも向上することができた。
As described above, according to the present embodiment, the phase shift member whose optical axis thickness continuously increases in proportion to the increase of the deviation angle is provided with the optical axis aligned with the condensing optical system. By integrally providing a phase shift member whose optical axis thickness decreases continuously in proportion to the increase of the angle of deviation so that the optical axis and the rear surface of the partial reflection mirror of the laser oscillator coincide with each other, The focused diameter of the focused beam on the work piece can be reduced and the peak value of the intensity distribution can be increased. As a result, the processing speed can be increased and the processing characteristics can be improved.

【0132】(実施の形態4)以下、本発明の第4の実
施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 4) Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0133】図12は、本実施の形態におけるレーザ加
工装置の断面を示す概念図である。図12において、6
1は凹面状の全反射ミラー、62は全反射ミラー61に
対向配置された凹面状の部分反射ミラー、62aは部分
反射ミラー前面、62bは部分反射ミラー後面、63は
部分反射ミラー前面62aに施された部分反射膜、64
は部分反射ミラー後面62bに付加される位相シフト部
材、65は位相シフト部材64に施された無反射膜、6
6はレーザ媒質で、例えば、炭酸ガス(CO 2)レーザ
等のガスレーザの場合は、放電等で励起されるガス媒質
であり、またYAG等の固体レーザの場合は、フラッシ
ュランプ等により励起される固体媒質であるが、本実施
の形態では、CO2レーザのレーザ媒質を代表的に用い
た。
FIG. 12 shows the laser processing in this embodiment.
It is a conceptual diagram which shows the cross section of an engineering device. In FIG. 12, 6
1 is a concave total reflection mirror, 62 is a total reflection mirror 61
62a is a partial reflection mirror with a concave surface facing each other
The front surface of the reflection mirror, 62b is the rear surface of the partial reflection mirror, and 63 is
Partial reflection film provided on the front surface 62a of the partial reflection mirror, 64
Is a phase shifter added to the rear surface 62b of the partial reflection mirror
Material, 65 is a non-reflective film applied to the phase shift member 64, 6
6 is a laser medium, for example, carbon dioxide gas (CO 2)laser
In the case of gas lasers such as
In the case of solid-state lasers such as YAG,
This is a solid medium that is excited by a lamp
In the form of CO2The laser medium of the laser is typically used
It was

【0134】そして、67はレーザビーム径を制御する
アパーチャ、68は周囲を覆う箱体で以上がレーザ発振
機を構成する。
Further, 67 is an aperture for controlling the laser beam diameter, and 68 is a box body that covers the periphery thereof, and the above constitutes a laser oscillator.

【0135】ついで、69はミラー61、62より構成
される安定型共振器の内部に発生するCO2レーザビー
ム、70は部分反射ミラー62より外部へ取り出された
好適にはTEM00モードのCO2レーザビーム、71
は集光レンズ、71aは集光レンズ前面、71bは集光
レンズ後面、72は集光レンズ前面71aに付加される
位相シフト部材、73は集光レンズ71と位相シフト部
材72に施された無反射膜である。これらの集光レンズ
71、位相シフト部材72及び無反射膜73がレーザビ
ームの位相をシフトする機能を有する集光光学系を構成
する。
Next, 69 is a CO 2 laser beam generated inside the stable resonator constituted by the mirrors 61 and 62, and 70 is a CO 2 laser, preferably a TEM00 mode CO 2 laser which is taken out from the partial reflection mirror 62. Beam, 71
Is a condenser lens, 71a is a condenser lens front surface, 71b is a condenser lens rear surface, 72 is a phase shift member added to the condenser lens front surface 71a, and 73 is a condenser lens 71 and a phase shift member 72. It is a reflective film. The condenser lens 71, the phase shift member 72, and the antireflection film 73 configure a condenser optical system having a function of shifting the phase of the laser beam.

【0136】そして、74は集光光学系で集光された集
束ビーム、75は被加工物である。ここで、凹面ミラー
61、62の曲率半径は双方とも4000mm、また凹
面ミラー61、62のミラー間隔は、4000mmとし
た。
Further, 74 is a focused beam condensed by the condensing optical system, and 75 is a workpiece. Here, the radiuses of curvature of the concave mirrors 61 and 62 were both 4000 mm, and the mirror spacing between the concave mirrors 61 and 62 was 4000 mm.

【0137】また、部分反射ミラー後面62bから集光
レンズ瞳面までの距離は、5435mmとした。
The distance from the rear surface 62b of the partial reflection mirror to the pupil surface of the condenser lens is 5435 mm.

【0138】また、集光レンズ71の焦点距離は127
mmとした。なお、部分反射ミラー62及び集光レンズ
71の材質は、例えば無反射膜を施したZnSe等のC
2レーザを透過させる材質とすればよく、位相シフト
部材64、72の材質も、同様の材質とし、例えば蒸
着、ICB(イオンクラスタビーム)コーテイング等の
方法で容易にかつ安価な方法で製作できるものである。
The focal length of the condenser lens 71 is 127.
mm. The materials of the partial reflection mirror 62 and the condenser lens 71 are, for example, C such as ZnSe coated with a non-reflection film.
A material that allows the O 2 laser to pass therethrough may be used, and the phase shift members 64 and 72 may be made of the same material, and can be easily and inexpensively manufactured by a method such as vapor deposition or ICB (ion cluster beam) coating. It is a thing.

【0139】以上の構成において、本実施の形態の構成
における実施の形態3との相違点は、位相シフト部材6
4及び72にある。
In the above structure, the difference between the structure of the present embodiment and the third embodiment is that the phase shift member 6
4 and 72.

【0140】位相シフト部材64は、部分反射ミラー6
2に追加され、そこに入射するレーザビームの位相を光
軸に垂直な平面内での極座標系の偏角に対し、実質的に
は連続的な変化と見なし得る程度に、その厚さdが以下
の(数9)に示される様な所定の規則性を持って段階的
に変化されている。
The phase shift member 64 is the partial reflection mirror 6
2 and the thickness d of the laser beam incident thereon is such that the phase can be regarded as a substantially continuous change with respect to the deviation angle of the polar coordinate system in the plane perpendicular to the optical axis. It is changed stepwise with a predetermined regularity as shown in the following (Equation 9).

【0141】[0141]

【数9】 [Equation 9]

【0142】例えば、本実施の形態では、図13(a)
に示されるように、偏角が0ラジアン〜π/6ラジアン
の範囲の位相を11π/6ラジアン、π/6ラジアンか
らπ/3ラジアンまでの範囲の位相を5π/3ラジア
ン、π/3ラジアンからπ/2ラジアンまでの範囲の位
相を3π/2ラジアン、π/2ラジアンから2π/3ラ
ジアンまでの範囲の位相を4π/3ラジアン、2π/3
ラジアンから5π/6ラジアンまでの範囲の位相を7π
/6ラジアン、5π/6ラジアンからπラジアンまでの
範囲の位相をπラジアン、πラジアンから7π/6ラジ
アンまでの範囲の位相を5π/6ラジアン、7π/6ラ
ジアンから4π/3ラジアンまでの範囲の位相を2π/
3ラジアン、4π/3ラジアンから3π/2ラジアンま
での範囲の位相をπ/2ラジアン、3π/2ラジアンか
ら5π/3ラジアンまでの範囲の位相をπ/3ラジア
ン、5π/3ラジアンから11π/6ラジアンまでの範
囲の位相をπ/6ラジアン、11π/6ラジアンから2
πラジアンまでの範囲の位相を0ラジアンだけシフトさ
せるものである。
For example, in the present embodiment, FIG.
As shown in, the phase in the range of 0 radians to π / 6 radians is 11π / 6 radians, and the phase in the range of π / 6 radians to π / 3 radians is 5π / 3 radians and π / 3 radians. To π / 2 radians, the phase is 3π / 2 radians, and the phase from π / 2 radians to 2π / 3 radians is 4π / 3 radians, 2π / 3.
Phase in the range from radians to 5π / 6 radians is 7π
/ 6 radians, phases in the range of 5π / 6 radians to π radians are π radians, phases in the range of π radians to 7π / 6 radians are 5π / 6 radians, and phases of 7π / 6 radians to 4π / 3 radians. The phase of 2π /
3 radians, phases in the range of 4π / 3 radians to 3π / 2 radians are π / 2 radians, phases in the range of 3π / 2 radians to 5π / 3 radians are π / 3 radians, 5π / 3 radians to 11π / Phases in the range up to 6 radians are π / 6 radians, 11π / 6 radians to 2
The phase in the range up to π radian is shifted by 0 radian.

【0143】図13(b)は、このような位相シフト機
能を実現する本実施の形態の部分反射ミラー62及び位
相シフト部材64を、光軸に垂直な面の斜め方向後ろ側
からみた斜視図を示したものである。なお、光軸近傍の
形状については、作製上等の理由から、微少な円筒孔等
を形成しても構わない。
FIG. 13B is a perspective view of the partial reflection mirror 62 and the phase shift member 64 of the present embodiment that realizes such a phase shift function, as seen from the diagonally rear side of the plane perpendicular to the optical axis. Is shown. Regarding the shape in the vicinity of the optical axis, a minute cylindrical hole or the like may be formed for reasons such as fabrication.

【0144】一方、位相シフト部材72は、集光レンズ
71に追加され、そこに入射するレーザビームの位相を
光軸に垂直な平面内での極座標系の偏角に対し、実質的
には連続的な変化と見なし得る程度に、その厚さdが、
以下の(数10)に示される様な所定の規則性を持って
段階的に変化されている。
On the other hand, the phase shift member 72 is added to the condenser lens 71, and the phase of the laser beam incident thereon is substantially continuous with respect to the deviation angle of the polar coordinate system in the plane perpendicular to the optical axis. The thickness d is
It is changed stepwise with a predetermined regularity as shown in the following (Equation 10).

【0145】[0145]

【数10】 [Equation 10]

【0146】例えば、本実施の形態では、図14(a)
に示されるように、偏角が0ラジアン〜π/6ラジアン
の範囲の位相を0ラジアン、π/6ラジアンからπ/3
ラジアンまでの範囲の位相をπ/6ラジアン、π/3ラ
ジアンからπ/2ラジアンまでの範囲の位相をπ/3ラ
ジアン、π/2ラジアンから2π/3ラジアンまでの範
囲の位相をπ/2ラジアン、2π/3ラジアンから5π
/6ラジアンまでの範囲の位相を2π/3ラジアン、5
π/6ラジアンからπラジアンまでの範囲の位相を5π
/6ラジアン、πラジアンから7π/6ラジアンまでの
範囲の位相をπラジアン、7π/6ラジアンから4π/
3ラジアンまでの範囲の位相を7π/6ラジアン、4π
/3ラジアンから3π/2ラジアンまでの範囲の位相を
4π/3ラジアン、3π/2ラジアンから5π/3ラジ
アンまでの範囲の位相を3π/2ラジアン、5π/3ラ
ジアンから11π/6ラジアンまでの範囲の位相を5π
/3ラジアン、11π/6ラジアンから2πラジアンま
での範囲の位相を11π/6ラジアンだけシフトさせる
ものである。
For example, in the present embodiment, FIG.
As shown in, the phase in the range of 0 radian to π / 6 radian is 0 radian, π / 6 radian to π / 3.
Phases in the range up to radians are π / 6 radians, phases in the range from π / 3 radians to π / 2 radians are π / 3 radians, and phases in the range from π / 2 radians to 2π / 3 radians are π / 2. Radians, 2π / 3 radians to 5π
Phases up to / 6 radians are 2π / 3 radians, 5
The phase in the range from π / 6 radians to π radians is 5π
/ 6 radians, π radians to 7π / 6 radians in the range of π radians, 7π / 6 radians to 4π /
Phases up to 3 radians are 7π / 6 radians, 4π
Phases in the range from / 3 radians to 3π / 2 radians are in the range of 4π / 3 radians, phases in the range from 3π / 2 radians to 5π / 3 radians are in the range of 3π / 2 radians, 5π / 3 radians to 11π / 6 radians The phase of the range is 5π
The phase in the range from / 3 radians and 11π / 6 radians to 2π radians is shifted by 11π / 6 radians.

【0147】図14(b)は、このような位相シフト機
能を実現する本実施の形態の集光レンズ71及び位相シ
フト部材72を、光軸に垂直な面の斜め方向前側からみ
た斜視図を示したものである。なお、光軸近傍の形状に
ついては、実施の形態3と同様に、作製上等の理由か
ら、微少な円筒光等を形成しても構わない。
FIG. 14B is a perspective view of the condenser lens 71 and the phase shift member 72 of the present embodiment that realizes such a phase shift function, as seen from the front side in the oblique direction of the plane perpendicular to the optical axis. It is shown. As for the shape in the vicinity of the optical axis, a minute cylindrical light or the like may be formed for the reason of fabrication or the like, as in the third embodiment.

【0148】(数9)と(数10)、及び図13(a)
と図14(a)を比較して解るように、位相シフト部材
64と位相シフト部材72の偏角に対する位相シフトの
変化量は、絶対値が等しく符号が逆になっている。つま
り、位相シフト部材64で位相シフトされ、集光光学系
まで伝播したレーザビーム70に対し、位相シフト部材
72は位相シフト部材64で位相シフトされた量をもと
に戻す構成となっている。
(Equation 9) and (Equation 10), and FIG. 13 (a)
As can be seen by comparing FIG. 14A with each other, the amounts of change in the phase shift with respect to the angle of deviation of the phase shift member 64 and the phase shift member 72 have the same absolute value and opposite signs. That is, with respect to the laser beam 70 that has been phase-shifted by the phase-shifting member 64 and has propagated to the focusing optical system, the phase-shifting member 72 restores the amount of phase-shifted by the phase-shifting member 64.

【0149】以上の構成に基づき、さらに詳細構成に触
れながら、動作について説明する。まず、ミラー61、
62は、安定型共振器を構成しているから、発生したC
2レーザビーム69は、アパーチャ67を通過しなが
らミラー61、62を往復するうちにレーザ媒質66に
より増幅されると共に、CO2レーザビーム69の一部
が、部分反射ミラー62を介して外部へ取り出されるこ
とは実施の形態3と同様である。
Based on the above configuration, the detailed configuration will be touched.
The operation will be described as it is performed. First, the mirror 61,
Since 62 is a stable resonator, the generated C
O 2The laser beam 69 does not pass through the aperture 67.
The laser medium 66 while reciprocating from the mirrors 61 and 62
More amplified and CO2Part of laser beam 69
Are taken out through the partial reflection mirror 62.
Is the same as in the third embodiment.

【0150】ここで、アパーチャ67は、共振器内に発
生するCO2レーザビーム69のモード次数を制御する
が、本実施の形態においては、実施の形態3同様そのア
パーチャ径は、TEM00モードのレーザビームを得る
ように設定する。
Here, the aperture 67 controls the mode order of the CO 2 laser beam 69 generated in the resonator, but in the present embodiment, the aperture diameter is the TEM00 mode laser as in the third embodiment. Set to get the beam.

【0151】また、本実施の形態に示すような共振器を
用いた場合、部分反射ミラー前面でのCO2レーザビー
ム49の波面の曲率半径は4000mm、ビームスポッ
トは3.673736mmである。
When the resonator as shown in this embodiment is used, the radius of curvature of the wavefront of the CO 2 laser beam 49 on the front surface of the partial reflection mirror is 4000 mm, and the beam spot is 3.673736 mm.

【0152】そして、外部に取り出されたTEM00モ
ードのCO2レーザビーム70は、位相シフト部材6
4、72により位相変調をされるとともに集光光学系を
通過することにより集束ビーム74となり、被加工物7
5の表面に集光され鉄板等の被加工物の加工、つまり切
断、穴明け、溶接等を効率よく行うこととなる。
The TEM00 mode CO 2 laser beam 70 extracted to the outside is supplied to the phase shift member 6
4 and 72 are phase-modulated and pass through the condensing optical system to become a focused beam 74, which is the workpiece 7
It is possible to efficiently perform processing of a workpiece such as an iron plate that is focused on the surface of 5, such as cutting, drilling, and welding.

【0153】図15(a)は、位相シフト部材64によ
り位相シフトされ、部分反射ミラー62より光軸方向に
5430mm伝播したCO2レーザビーム70の強度分
布である。但し、この強度分布は、本実施の形態におけ
るレーザ発振機において位相シフト部材64がないと仮
定した場合の波面上での強度分布を示すものである。つ
まり、ここでいう波面とは、レーザ発振機から出力され
るレーザビームに対し、位相シフトを行わず従来どおり
にレーザビームを部分反射ミラーから5430mm伝播
させた場合の波面のことである。
FIG. 15A shows the intensity distribution of the CO 2 laser beam 70 which is phase-shifted by the phase-shifting member 64 and propagated from the partial reflection mirror 62 in the optical axis direction by 5430 mm. However, this intensity distribution shows the intensity distribution on the wavefront when it is assumed that the phase shift member 64 is not provided in the laser oscillator according to the present embodiment. That is, the wavefront referred to here is a wavefront in the case where the laser beam output from the laser oscillator is propagated from the partial reflection mirror by 5430 mm in the conventional manner without phase shifting.

【0154】この図15(a)において、横軸は光軸か
らの距離を示し、縦軸は強度である。なお、横軸の単位
はmmで、縦軸は強度分布のピーク値を1.0に規格化
した。
In FIG. 15A, the horizontal axis represents the distance from the optical axis, and the vertical axis represents the intensity. The unit of the horizontal axis is mm, and the vertical axis is the peak value of the intensity distribution normalized to 1.0.

【0155】また、図15(b)は、位相シフト部材6
4により位相シフトされ、部分反射ミラー62より光軸
方向に5430mm伝播したCO2レーザビーム60の
波面収差を示すものである。但し、この波面収差は、本
実施の形態におけるレーザ発振機において位相シフト部
材64がないと仮定した場合の波面を参照球面として計
算したものである。つまり、ここでいう参照球面とは、
レーザ発振機から出力されるレーザビームに対し、位相
シフトを行わず従来どおりにレーザビームを部分反射ミ
ラー62から5430mm伝播させた場合の波面のこと
である。
Further, FIG. 15B shows the phase shift member 6
4 shows the wavefront aberration of the CO 2 laser beam 60 phase-shifted by 4 and propagated from the partial reflection mirror 62 in the optical axis direction by 5430 mm. However, this wavefront aberration is calculated by using the wavefront on the assumption that the phase shift member 64 is not provided in the laser oscillator according to the present embodiment as a reference spherical surface. In other words, the reference sphere here is
It is a wavefront in the case where the laser beam output from the laser oscillator is propagated from the partial reflection mirror 62 by 5430 mm in the conventional manner without phase shifting.

【0156】また、本実施の形態おいて部分反射ミラー
62は、実際には有限の厚さを持つが図15(a)に示
す強度分布と図15(b)に示す波面収差を計算するに
あたっては、部分反射ミラーの厚さは0mmとして扱っ
た。
In the present embodiment, the partial reflection mirror 62 actually has a finite thickness, but in calculating the intensity distribution shown in FIG. 15A and the wavefront aberration shown in FIG. 15B. Was treated as if the thickness of the partial reflection mirror was 0 mm.

【0157】ここで、本実施の形態において、部分反射
ミラーの厚さを0mmとして扱った場合、部分反射ミラ
ー上でのレーザビームの振幅分布と任意の距離伝播した
レーザビームの光軸上に曲率中心を持つ任意の球面また
は光軸に垂直な平面上の振幅分布の関係は、前述の(数
7)で与えられ、任意の面は、部分反射ミラー面であ
り、観測面は、位相シフト部材64がないと仮定した場
合にレーザビームが部分反射ミラーから5435mm伝
播したところの波面に相当する。但し、(数7)中の位
相シフト部材64がない場合は、wps=0であり、位
相シフト部材64がある場合には、wpsは、一般的に
は前述の(数9)で示されるが、具体的には、図13
(a)に示す位相シフト量になる。
Here, in the present embodiment, when the thickness of the partial reflection mirror is treated as 0 mm, the amplitude distribution of the laser beam on the partial reflection mirror and the curvature on the optical axis of the laser beam propagated by an arbitrary distance. The relationship of the amplitude distribution on an arbitrary spherical surface having a center or a plane perpendicular to the optical axis is given by the above (Equation 7), an arbitrary surface is a partial reflection mirror surface, and an observation surface is a phase shift member. This corresponds to the wavefront of the laser beam propagated from the partial reflection mirror by 5435 mm when it is assumed that 64 is not present. However, when there is no phase shift member 64 in (Equation 7), wps = 0, and when there is the phase shift member 64, wps is generally represented by the above (Equation 9). Specifically, FIG.
The phase shift amount shown in (a) is obtained.

【0158】以上のようなレーザ発振機及び集光光学系
を用いてCO2レーザビーム70を集光すると、集光光
学系を通過した後の集束ビーム74の強度分布は、図1
6に示される結果となった。
When the CO 2 laser beam 70 is focused using the laser oscillator and the focusing optical system as described above, the intensity distribution of the focused beam 74 after passing through the focusing optical system is shown in FIG.
The result is shown in 6.

【0159】この図16では、本実施の形態の位相シフ
ト部材64及び72を用いた場合と、比較のための本実
施の形態と条件が同じで位相シフト部材がない場合との
CO 2レーザビーム70の各々のベストフォーカス位置
での強度分布を示している。
FIG. 16 shows the phase shift of the present embodiment.
For comparison with the case of using the support members 64 and 72
When the conditions and conditions are the same and there is no phase shift member
CO 2Best focus position of each laser beam 70
Shows the intensity distribution at.

【0160】ここで、ベストフォーカス位置におけるレ
ーザビームの振幅分布は、単一モードのレーザビームの
場合前述の(数7)から得られる。この場合、(数7)
において観測面がベストフォーカス位置(光軸に垂直な
平面)、任意の面が集光光学系瞳上の波面に相当する。
但し、(数7)中の位相シフト部材72がない場合は、
wps=0であり、位相シフト部材72がある場合に
は、wpsは、前述の(数10)で一般的に示される
が、具体的には図14(a)に示す位相シフト量にな
る。また、集光レンズ71は無収差の薄レンズとした。
Here, the amplitude distribution of the laser beam at the best focus position can be obtained from the above (Equation 7) in the case of a single mode laser beam. In this case, (Equation 7)
At, the observation surface corresponds to the best focus position (a plane perpendicular to the optical axis), and any surface corresponds to the wavefront on the focusing optical system pupil.
However, when there is no phase shift member 72 in (Equation 7),
When wps = 0 and the phase shift member 72 is present, wps is generally represented by the above-mentioned (Equation 10), but specifically, it is the phase shift amount shown in FIG. Further, the condenser lens 71 is a thin lens with no aberration.

【0161】図16において、横軸は光軸からの距離、
縦軸は強度を示す。但し、縦軸は、本実施の形態と条件
が同じで位相シフト部材がない場合とのCO2レーザビ
ーム70のベストフォーカス位置での強度分布のピーク
値を1に規格化した。
In FIG. 16, the horizontal axis is the distance from the optical axis,
The vertical axis represents intensity. However, on the vertical axis, the peak value of the intensity distribution at the best focus position of the CO 2 laser beam 70 under the same conditions as in the present embodiment and without the phase shift member was normalized to 1.

【0162】そして、本実施の形態における強度分布を
実線aとし、本実施の形態と条件が同じで位相シフト部
材がない場合のCO2レーザビーム70のベストフォー
カス位置での強度分布を点線bで示した。
The intensity distribution in the present embodiment is indicated by a solid line a, and the intensity distribution at the best focus position of the CO 2 laser beam 70 under the same conditions as in the present embodiment and without the phase shift member is indicated by a dotted line b. Indicated.

【0163】ここで、被加工物75の加工の閾値(Th
reshold)は、材質によって異なるので、ここで
は強度が点線bの強度分布のピーク値の0.135倍に
なるところを加工の閾値と想定し、点線cで表した。
Here, the processing threshold value (Th
Reshold) is different depending on the material, so here, the point where the strength becomes 0.135 times the peak value of the intensity distribution of the dotted line b is assumed to be the processing threshold and is represented by the dotted line c.

【0164】つまり、図16において、点線cより内側
の強度分布の幅が、実際の加工の際の集光直径に相当す
る。
That is, in FIG. 16, the width of the intensity distribution inside the dotted line c corresponds to the focused diameter in the actual processing.

【0165】図16を参照すると理解できるように、本
実施の形態のような位相シフト機能を有するレーザ発振
機及び集光光学系を用いた場合、位相シフト機能を有さ
ない通常の場合に比べ、加工の際の集光直径が約23%
小さくなる。更に、強度分布のピーク値が高いのでエネ
ルギー密度も大きい。
As can be understood with reference to FIG. 16, when the laser oscillator and the condensing optical system having the phase shift function as in this embodiment are used, compared with the normal case not having the phase shift function. , The condensing diameter when processing is about 23%
Get smaller. Furthermore, since the peak value of the intensity distribution is high, the energy density is also high.

【0166】よって、穴明け切断等の加工において、こ
の位相シフト機能を有するレーザ発振機及び集光光学系
を用いるとことにより、通常のレーザ発振機及び集光光
学系に比べて加工速度が大幅に速くなり、加工特性自体
も向上することになる。
Therefore, in processing such as punching and cutting, by using the laser oscillator and the condensing optical system having the phase shift function, the machining speed can be greatly increased as compared with the ordinary laser oscillator and the condensing optical system. Therefore, the processing characteristics themselves will be improved.

【0167】なお、本実施の形態では、位相シフト部材
64及び72をレーザビームの進行方向に垂直な面内で
の極座標系において、極座標の偏角の0ラジアン〜2π
ラジアンまでの間をπ/6ラジアンごとの領域に分割し
たが、要は実質的に偏角に対応して厚さが断続的に変化
して、被加工物上に集光されるレーザビームの強度分布
のピーク値を増大しながら集光直径は減少させる機能を
実現することができればよいのであり、区切られる領域
の大きさや隣合う領域間の位相シフト量の差が限定され
るものではなく、領域同士の大きさが異なっていたり、
領域内で連続的に厚さが変わるような構成をも採り得
る。
In the present embodiment, in the polar coordinate system in which the phase shift members 64 and 72 are in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam, the polar coordinate deviation angle is 0 radian to 2π.
The area up to radians was divided into regions of π / 6 radians. The point is that the thickness of the laser beam changes intermittently corresponding to the declination, and It is only necessary to be able to realize the function of decreasing the focused diameter while increasing the peak value of the intensity distribution, and the size of the divided areas and the difference in the amount of phase shift between adjacent areas are not limited, The size of the areas is different,
It is also possible to adopt a configuration in which the thickness continuously changes within the region.

【0168】また、レーザビームがTEM00モードレ
ーザビームでなく、他の単一モードあるいはマルチモー
ドレーザビームに対しても同様の効果が得られる場合が
あり、特にTEM10モードあるいはこれらのモードを
多く含むマルチモードレーザビームに対しては良好な効
果が認められる。
In addition, the laser beam is not the TEM00 mode laser beam, and the same effect may be obtained even for other single mode or multimode laser beams. In particular, the TEM10 mode or a multimode including many of these modes may be obtained. A good effect is recognized for the mode laser beam.

【0169】以上のように、本実施の形態によれば、光
軸の厚さが偏角の増加に比例して断続的に増加する位相
シフト部材を集光光学系と光軸を一致させて一体に設
け、光軸の厚さが偏角の増加に比例して断続的に減少す
る位相シフト部材をレーザ発振機の部分反射ミラーの後
面と光軸を一致させて一体に設けることで、被加工物上
での集束ビームの集光直径を減少させ、かつ強度分布の
ピーク値を増大させることができ、その結果加工速度を
速め、加工特性をも向上することができた。
As described above, according to the present embodiment, the phase shift member whose thickness of the optical axis intermittently increases in proportion to the increase of the declination is aligned with the optical axis of the condensing optical system. By integrally providing a phase shift member whose optical axis thickness decreases intermittently in proportion to an increase in declination with the rear surface of the partial reflection mirror of the laser oscillator aligned with the optical axis, The focused diameter of the focused beam on the work piece can be reduced and the peak value of the intensity distribution can be increased. As a result, the processing speed can be increased and the processing characteristics can be improved.

【0170】なお、実施の形態3及び4中においては、
位相シフト部材は、部分反射ミラー及び集光レンズに一
体化したが、別体として光軸中に設けてもよいことはも
ちろんである。
In the third and fourth embodiments,
Although the phase shift member is integrated with the partial reflection mirror and the condenser lens, it goes without saying that the phase shift member may be provided separately in the optical axis.

【0171】また、以上の実施の形態中においては、レ
ーザビームとしてCO2レーザビームを用いて、代表的
に説明したが、加工の用途等に応じ、YAGレーザ、ル
ビーレーザ等のその他のレーザを用いることも可能であ
る。
Further, in the above-mentioned embodiments, the CO 2 laser beam is used as a laser beam as a typical description, but other lasers such as a YAG laser and a ruby laser may be used depending on the application of processing. It is also possible to use.

【0172】[0172]

【発明の効果】以上のように、本発明の位相シフト手段
を有するレーザ加工装置は、レーザビームの位相をシフ
トしない場合に比べて、レーザビームの被加工物上での
集光直径を減少させ、かつ強度分布のピーク値を増大さ
せることができ、集光ビーム径を減少させ、かつ加工強
度を増大しながらシャープに集光することができる。
As described above, the laser processing apparatus having the phase shift means of the present invention reduces the focused diameter of the laser beam on the workpiece as compared with the case where the phase of the laser beam is not shifted. In addition, the peak value of the intensity distribution can be increased, the focused beam diameter can be reduced, and the processing intensity can be increased to sharply focus light.

【0173】よって、きわめて簡便な構成により、従来
より加工速度を向上することができ、あわせて、より微
細な加工を高品質に行うことができるものである。
Therefore, with an extremely simple structure, the processing speed can be improved as compared with the conventional one, and in addition, finer processing can be performed with high quality.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態におけるレーザ加工
装置の構成図
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】(a)同集光光学系入射直前での強度分布を示
す図 (b)同位相シフト部材の位相シフト量を示す図 (c)同集光光学系の光軸に垂直な面に対しての斜視構
成図
FIG. 2A is a diagram showing an intensity distribution immediately before entering the focusing optical system; FIG. 2B is a diagram showing a phase shift amount of the focusing optical system; and FIG. 2C is a surface perpendicular to the optical axis of the focusing optical system. Perspective configuration diagram for

【図3】同レーザビームの集光面上での強度分布と、位
相シフトしない集光面上での強度分布とを比較した図
FIG. 3 is a diagram comparing the intensity distribution on the converging surface of the same laser beam with the intensity distribution on the converging surface without phase shift.

【図4】本発明の第2の実施の形態におけるレーザ加工
装置の構成図
FIG. 4 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【図5】(a)同位相シフト部材の位相シフト量を示す
図 (b)同集光光学系の光軸に垂直な面に対しての斜視構
成図
FIG. 5A is a diagram showing a phase shift amount of the same phase shift member, and FIG. 5B is a perspective configuration diagram of a plane perpendicular to the optical axis of the same focusing optical system.

【図6】同レーザビームの集光面上での強度分布と、位
相シフトしない集光面上での強度分布とを比較した図
FIG. 6 is a diagram comparing the intensity distribution of the same laser beam on the converging surface with the intensity distribution on the converging surface without phase shift.

【図7】本発明の第3の実施の形態におけるレーザ加工
装置の構成図
FIG. 7 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【図8】(a)同位相シフト部材44の位相シフト量を
示す図 (b)同部分反射ミラーと位相シフト部材44の光軸に
垂直な面に対しての斜視構成図
8A is a diagram showing a phase shift amount of the phase shift member 44, and FIG. 8B is a perspective configuration diagram of the partial reflection mirror and the phase shift member 44 with respect to a plane perpendicular to the optical axis.

【図9】(a)同集光光学系入射直前での強度分布を示
す図 (b)同集光光学系入射直前での波面収差を示す図
FIG. 9A is a diagram showing an intensity distribution immediately before entering the same focusing optical system, and FIG. 9B is a diagram showing wavefront aberration just before entering the same focusing optical system.

【図10】(a)同位相シフト部材52の位相シフト量
を示す図 (b)同集光光学系の光軸に垂直な面に対しての斜視構
成図
FIG. 10A is a diagram showing a phase shift amount of the same phase shift member 52, and FIG. 10B is a perspective configuration view of a plane perpendicular to the optical axis of the same focusing optical system.

【図11】同レーザビームのベストフォーカス位置上で
の強度分布と、位相シフトしないベストフォーカス位置
での強度分布とを比較した図
FIG. 11 is a diagram comparing the intensity distribution at the best focus position of the same laser beam with the intensity distribution at the best focus position without phase shift.

【図12】本発明の第4の実施の形態におけるレーザ加
工装置の構成図
FIG. 12 is a configuration diagram of a laser processing device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図13】(a)同位相シフト部材64の位相シフト量
を示す図 (b)同部分反射ミラーと位相シフト部材64の光軸に
垂直な面に対しての斜視構成図
13A is a diagram showing the amount of phase shift of the same phase shift member 64, and FIG. 13B is a perspective configuration diagram of the partial reflection mirror and the phase shift member 64 with respect to a plane perpendicular to the optical axis.

【図14】(a)同位相シフト部材72の位相シフト量
を示す図 (b)同集光光学系の光軸に垂直な面に対しての斜視構
成図
FIG. 14A is a diagram showing a phase shift amount of the same phase shift member 72, and FIG. 14B is a perspective configuration diagram of a plane perpendicular to the optical axis of the same focusing optical system.

【図15】(a)同集光光学系入射直前での強度分布を
示す図 (b)同集光光学系入射直前での波面収差を示す図
FIG. 15A is a diagram showing an intensity distribution immediately before entering the same focusing optical system, and FIG. 15B is a diagram showing wavefront aberration just before entering the same focusing optical system.

【図16】同レーザビームのベストフォーカス位置での
強度分布と、位相シフトしないベストフォーカス位置で
の強度分布とを比較した図
FIG. 16 is a diagram comparing the intensity distribution at the best focus position of the same laser beam with the intensity distribution at the best focus position without phase shift.

【図17】従来のレーザ加工装置の構成図FIG. 17 is a block diagram of a conventional laser processing apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 全反射ミラー 2 部分反射ミラー 3 部分反射膜 4 無反射膜 5 レーザ媒質 6 アパーチャ 7 箱体 8 レーザビーム 9 レーザビーム 10 集光レンズ 10a 集光レンズ前面 10b 集光レンズ後面 11 位相シフト部材 12 無反射膜 13 集束ビーム 14 被加工物 21 全反射ミラー 22 部分反射ミラー 23 部分反射膜 24 無反射膜 25 レーザ媒質 26 アパーチャ 27 箱体 28 レーザビーム 29 レーザビーム 30 集光レンズ 30a 集光レンズ前面 30b 集光レンズ後面 31 位相シフト部材 32 無反射膜 33 集束ビーム 34 被加工物 41 全反射ミラー 42 部分反射ミラー 42a 部分反射ミラー前面 42b 部分反射ミラー後面 43 部分反射膜 44 位相シフト部材 45 無反射膜 46 レーザ媒質 47 アパーチャ 48 箱体 49 レーザビーム 50 レーザビーム 51 集光レンズ 51a 集光レンズ前面 51b 集光レンズ後面 52 位相シフト部材 53 無反射膜 54 集束ビーム 55 被加工物 61 全反射ミラー 62 部分反射ミラー 62a 部分反射ミラー前面 62b 部分反射ミラー後面 63 部分反射膜 64 位相シフト部材 65 無反射膜 66 レーザ媒質 67 アパーチャ 68 箱体 69 レーザビーム 70 レーザビーム 71 集光レンズ 71a 集光レンズ前面 71b 集光レンズ後面 72 位相シフト部材 73 無反射膜 74 集束ビーム 75 被加工物 81 全反射ミラー 82 部分反射ミラー 83 部分反射膜 84 無反射膜 85 レーザ媒質 86 アパーチャ 87 箱体 88 レーザビーム 89 レーザビーム 90 集光レンズ 91 無反射膜 92 集束ビーム 93 被加工物 1 Total reflection mirror 2 partial reflection mirror 3 Partial reflection film 4 Anti-reflection film 5 Laser medium 6 apertures 7 boxes 8 laser beam 9 laser beam 10 Condensing lens 10a front of condenser lens 10b Rear surface of condenser lens 11 Phase shift member 12 Anti-reflection film 13 Focused beam 14 Workpiece 21 total reflection mirror 22 Partial reflection mirror 23 Partial reflection film 24 Anti-reflection film 25 laser medium 26 Aperture 27 boxes 28 laser beam 29 laser beam 30 condenser lens 30a front of condenser lens 30b Condenser lens rear surface 31 Phase shift member 32 Anti-reflection film 33 Focused beam 34 Workpiece 41 total reflection mirror 42 partial reflection mirror 42a Front of partial reflection mirror 42b Partial reflection mirror rear surface 43 Partial reflective film 44 Phase shift member 45 Anti-reflection film 46 Laser medium 47 Aperture 48 boxes 49 laser beam 50 laser beam 51 Condensing lens 51a front of condenser lens 51b Condenser lens rear surface 52 Phase shift member 53 Anti-reflection film 54 Focused beam 55 Workpiece 61 total reflection mirror 62 partial reflection mirror 62a front of partial reflection mirror 62b Partial reflection mirror rear surface 63 Partial reflective film 64 Phase shift member 65 Anti-reflection film 66 laser medium 67 Aperture 68 Box 69 laser beam 70 laser beam 71 Condensing lens 71a front of condenser lens 71b Rear surface of condenser lens 72 Phase shift member 73 Anti-reflection film 74 Focused beam 75 Workpiece 81 total reflection mirror 82 Partial reflection mirror 83 Partial reflective film 84 Anti-reflection film 85 Laser medium 86 aperture 87 boxes 88 laser beam 89 laser beam 90 condenser lens 91 Anti-reflection film 92 Focused beam 93 Workpiece

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 レーザビームを発振するレーザ発振機
と、前記レーザビームを被加工物上に集光する集光光学
系と、前記レーザビームの光波面の位相をシフトする位
相シフト手段とを有し、前記位相シフト手段が、前記集
光光学系の光軸に垂直な面における極座標系に対し、前
記光軸回りの偏角に対応して位相をシフトするレーザ加
工装置。
1. A laser oscillator for oscillating a laser beam, a condensing optical system for condensing the laser beam on a workpiece, and a phase shift means for shifting the phase of the light wavefront of the laser beam. Then, the laser processing device in which the phase shift means shifts the phase corresponding to a deviation angle around the optical axis with respect to a polar coordinate system on a plane perpendicular to the optical axis of the condensing optical system.
【請求項2】 位相シフト手段は、偏角に対応して連続
的に位相をシフトする位相シフト部材である請求項1記
載のレーザ加工装置。
2. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the phase shift means is a phase shift member that continuously shifts the phase in accordance with the deviation angle.
【請求項3】 集光光学系は、集光レンズと、前記集光
レンズと光軸を一致させて一体に設けられた位相シフト
部材とを有し、前記位相シフト部材は、光軸方向の厚さ
が偏角の増加に対応して連続的に増加する請求項2記載
のレーザ加工装置。
3. A condensing optical system includes a condensing lens and a phase shift member integrally provided with the condensing lens so that the optical axes thereof coincide with each other, and the phase shift member is arranged in the optical axis direction. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the thickness continuously increases in accordance with the increase in the deflection angle.
【請求項4】 位相シフト部材は、光軸方向の厚さが、
偏角の増加に比例して連続的に増加する請求項3記載の
レーザ加工装置。
4. The phase shift member has a thickness in the optical axis direction,
The laser processing apparatus according to claim 3, wherein the laser beam continuously increases in proportion to the increase of the deviation angle.
【請求項5】 位相シフト手段は、偏角に対応して断続
的に位相をシフトする位相シフト部材である請求項1記
載のレーザ加工装置。
5. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the phase shift means is a phase shift member that intermittently shifts the phase in accordance with the declination angle.
【請求項6】 集光光学系は、集光レンズと、前記集光
レンズと光軸を一致させてさせて一体に設けられた位相
シフト部材とを有し、前記位相シフト部材は、光軸方向
の厚さが偏角の増加に対応して断続的に増加する請求項
5記載のレーザ加工装置。
6. The condensing optical system includes a condensing lens and a phase shift member integrally provided with the condensing lens so that the optical axes thereof coincide with each other, and the phase shift member has an optical axis. 6. The laser processing apparatus according to claim 5, wherein the thickness in the direction increases intermittently in response to an increase in declination.
【請求項7】 位相シフト部材は、偏角について均等に
分割された複数の領域を有し、前記領域の光軸方向の厚
さが、偏角の増加に対応して断続的に等しく増加する請
求項6記載のレーザ加工装置。
7. The phase shift member has a plurality of regions that are evenly divided in terms of declination, and the thickness of the regions in the direction of the optical axis increases intermittently and equally as the declination increases. The laser processing apparatus according to claim 6.
【請求項8】 位相シフト手段は、光軸中に2つ配置さ
れる請求項1記載のレーザ加工装置。
8. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein two phase shift means are arranged in the optical axis.
【請求項9】 位相シフト手段の一方は、偏角に対応し
て位相シフト量を増加させ、他方は偏角に対応して位相
シフト量を減少させる請求項8記載のレーザ加工装置。
9. The laser processing apparatus according to claim 8, wherein one of the phase shift means increases the phase shift amount in accordance with the declination angle and the other decreases the phase shift amount in accordance with the declination angle.
【請求項10】 位相シフト手段の双方は、偏角に対応
して連続的に位相をシフトする位相シフト部材である請
求項9記載のレーザ加工装置。
10. The laser processing apparatus according to claim 9, wherein both of the phase shift means are phase shift members that continuously shift the phase in accordance with the deviation angle.
【請求項11】 位相シフト部材の一方は、集光光学系
の集光レンズと光軸を一致させて一体に設けられてお
り、光軸方向の厚さが偏角の増加に対応して連続的に増
加するものであり、他方の位相シフト部材は、レーザ発
振機の共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に設けら
れており、光軸方向の厚さが偏角の増加に対応して連続
的に減少する請求項10記載のレーザ加工装置。
11. One of the phase shift members is integrally provided with a condensing lens of a condensing optical system so that its optical axis coincides with each other, and the thickness in the optical axis direction is continuous corresponding to an increase in declination. The phase shift member on the other side is integrally provided with the output mirror of the resonator of the laser oscillator so that the optical axis thereof coincides, and the thickness in the optical axis direction increases the declination angle. 11. The laser processing apparatus according to claim 10, which correspondingly continuously decreases.
【請求項12】 位相シフト部材の一方は、光軸方向の
厚さが偏角の増加に比例して連続的に増加し、他方は、
光軸方向の厚さが偏角の増加に比例して連続的に減少す
る請求項11記載のレーザ加工装置。
12. One of the phase shift members has a thickness in the optical axis direction that continuously increases in proportion to an increase in declination, and the other has
The laser processing apparatus according to claim 11, wherein the thickness in the optical axis direction continuously decreases in proportion to the increase in the deflection angle.
【請求項13】 位相シフト手段の双方は、偏角に対応
して断続的に位相をシフトする位相シフト部材である請
求項9記載のレーザ加工装置。
13. The laser processing apparatus according to claim 9, wherein both of the phase shift means are phase shift members that intermittently shift the phase in accordance with the deviation angle.
【請求項14】 位相シフト部材の一方は、集光光学系
の集光レンズと光軸を一致させて一体に設けられてお
り、光軸方向の厚さが偏角の増加に対応して断続的に増
加するものであり、他方の位相シフト部材は、レーザ発
振機の共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に設けら
れており、光軸方向の厚さが偏角の増加に対応して断続
的に減少する請求項13記載のレーザ加工装置。
14. One of the phase shift members is integrally provided with a condensing lens of a condensing optical system with its optical axis aligned, and the thickness in the optical axis direction is intermittent in response to an increase in declination. The phase shift member on the other side is integrally provided with the output mirror of the resonator of the laser oscillator so that the optical axis thereof coincides, and the thickness in the optical axis direction increases the declination angle. 14. The laser processing apparatus according to claim 13, which is correspondingly intermittently reduced.
【請求項15】 光軸中に2つ配置される位相シフト部
材の一方は、偏角について均等に分割された複数の領域
を有し、前記領域の光軸方向の厚さが、偏角の増加に対
応して断続的に等しく増加し、他方は、偏角について均
等に分割された複数の領域を有し、前記領域の光軸方向
の厚さが、偏角の増加に対応して断続的に等しく減少す
る請求項14記載のレーザ加工装置。
15. One of the two phase shift members arranged in the optical axis has a plurality of regions that are evenly divided in terms of declination, and the thickness of the regions in the optical axis direction is the declination angle. The number of regions increases equally in an intermittent manner corresponding to the increase, and the other has a plurality of regions that are evenly divided with respect to the declination, and the thickness of the region in the optical axis direction intermittently corresponds to the increase of the declination. 15. The laser processing apparatus according to claim 14, wherein the laser processing is reduced equally.
【請求項16】 位相シフト部材と集光レンズとは、同
一の光学材料を用いて形成されている請求項3、4、6
または7記載のレーザ加工装置。
16. The phase shift member and the condenser lens are formed by using the same optical material.
Or the laser processing apparatus according to 7.
【請求項17】 位相シフト部材と集光レンズ、及び/
または位相シフト部材とレーザ発振機の共振器の出力鏡
は同一の光学材料を用いて形成されている請求項11、
12、14または15記載のレーザ加工装置。
17. A phase shift member, a condenser lens, and / or
Alternatively, the phase shift member and the output mirror of the resonator of the laser oscillator are formed by using the same optical material.
The laser processing apparatus according to 12, 14, or 15.
【請求項18】 レーザビームが、マルチモードレーザ
ビームである請求項1から17のいずれかに記載のレー
ザ加工装置。
18. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the laser beam is a multimode laser beam.
【請求項19】 レーザビームが、TEM00モード、
TEM10モード、TEM01モードまたはTEM11
モードの単一モードレーザビームである請求項1から1
7のいずれかに記載のレーザ加工装置。
19. The laser beam is a TEM00 mode,
TEM10 mode, TEM01 mode or TEM11
A mode single mode laser beam.
7. The laser processing device according to any one of 7.
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