CN103155308B - 激光装置以及具备该激光装置的激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明的激光装置具有：第一激光振荡器，出射第一激光；作为双包层光纤的无源光纤，通过芯体来传输上述第一激光；以及第二激光振荡器，出射被入射到该无源光纤的内侧包层的第二激光。另外，本发明的激光加工装置具备上述激光装置、以及具有准直透镜和聚光透镜的照射光学系统。

Description

激光装置以及具备该激光装置的激光加工装置

技术领域

本发明涉及一种在对金属材料等进行加工时使用的激光装置以及具备该激光装置的激光加工装置。

背景技术

近年来，在高功率激光加工领域中，通过使用了掺稀土类元素光纤的激光装置进行加工备受关注。从激光装置输出的激光的波长是1μm带，与以往一直使用的CO₂激光不同，能够进行光纤传输。另外，能够比CO₂激光更微小地聚光，因此适于切断、焊接等的高速加工、精细加工。关于该激光装置，已经有大量的公知技术(例如参照专利文献1)。

图13中示意性地示出现有的激光加工装置100的一例。该激光加工装置100大致由激光装置101、光纤122以及照射光学系统(准直透镜105和聚光透镜106)构成。由激光装置101产生并通过光纤122导光及传输而从出射端103出来的激光104通过准直透镜105和聚光透镜106到达被加工材料107的照射点α。

图14中示出上述激光装置101的现有例。该激光装置101大致由如下部分构成：在芯体的母材中添加有稀土类元素的作为双包层光纤的有源光纤(activefiber)120；形成在该有源光纤120的两端附近并作为激光谐振器的镜而发挥功能的光纤布拉格光栅(fiberbragggrating)(以下简记为FBG)121；多路耦合器(multicoupler)123；多个半导体激光光源126；以及经由连接点129连接至有源光纤120的光纤122。

双包层光纤是在芯体的周围具有双重的包层的光纤。以往，该双包层光纤在芯体的母材中添加稀土类元素等而作为激光介质。内侧的包层具有将芯体内的光封入的作用和将激发芯体内的激光介质的激发光封入的作用这两种作用。外侧的包层具有将激发光封入的作用。

从多个半导体激光光源126出射的激发光经由光纤125和多路耦合器123入射到有源光纤120的内侧包层。在有源光纤120的芯体中产生的激光在两个FBG121之间往复的期间被放大，其一部分从一个FBG121(纸面右侧的FBG121)取出。该激光入射到比连接点129靠下游的光纤122，从输出端103出射到外部空间。此外，作为比连接点129靠下游的光纤122，使用包层为单层的通常的传输用的光纤。如上，将有源光纤用作激光介质的结构的激光装置被称为光纤激光器。

作为光纤122内的光纤截面上的激光的功率密度的空间分布形状，有可能有接近高斯形状的单模式和接近顶帽(tophat)形状的多模式。

在厚度1mm以上的钢的切断这样的微加工中使用2kW以上的输出的激光。在该输出区域中，在单模式下，由于光纤芯体内的受激布里渊散射、拉曼散射所引起的非线性效应，传输时的光损失变大。因此，导致能够传输光纤的距离限于几m左右。因此，在激光加工装置中通常使用能够获得大的光纤传输距离的多模式的光纤激光器。

照射点α处的激光的功率密度的空间分布具有通过由准直透镜105和聚光透镜106形成的照射光学系统将光纤122的出口(激光装置101的出射端103)的功率密度的空间分布成像所得的形状。在光纤122中的功率密度的空间分布为多模式的光纤激光器的情况下，照射点α处的功率密度的空间分布如图15所示那样成为与光纤122内的分布相同的大致均匀的顶帽形状。此外，在图15中，X表示照射点α处的激光距中心O的距离，I表示激光的功率密度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-275792号公报

非专利文献

非专利文献1：P.Hilton,ProceedingsofLAMP2009-the5thInternationalCongressonLaserAdvancedMaterialsProcessing,2009年

发明内容

发明要解决的问题

然而，在使用现有的具有多模光纤的激光装置进行金属加工时，与利用CO₂激光进行的加工相比，由于在切断、开槽加工中切断面的粗糙度劣化、或者在焊接、堆焊加工中被加工材料的飞散物量变多等原因，有时无法以期待的质量进行加工(例如参照非专利文献1)。该问题特别是在被加工材料厚的情况、切断速度为低速的情况下变得显著。

本发明是鉴于上述情况而完成的，目的在于提供一种激光装置和具备该激光装置的激光加工装置，在使用通过光纤传输的高输出的激光对金属等进行加工的激光加工中，能够实现加工面的粗糙度的改善、而且能够实现被加工材料的飞散物量的降低。

用于解决问题的方案

本发明人们专心研究的结果，发现通过在与激光的传播方向正交的截面上的功率密度的空间分布上附加边缘，能够实现加工面的质量的改善以及从被加工材料飞散的飞散物的量的降低，开发出了适于实现这一点的激光装置和激光加工装置。

(a)本发明的一个方式所涉及的激光装置具有：第一激光振荡器，出射第一激光；作为双包层光纤的无源光纤，通过芯体来传输上述第一激光；以及第二激光振荡器，出射被入射到该无源光纤的内侧包层的第二激光。

(b)在上述(a)所述的激光装置中，也可以采用如下结构：上述第一激光振荡器具有：激光谐振器，具有在芯体中添加有稀土类元素的作为双包层光纤的有源光纤；以及激发用光源，出射被入射到上述有源光纤的内侧包层的激发光，在上述有源光纤的下游侧连接有上述无源光纤。

(c)在上述(a)所述的激光装置中，入射到上述无源光纤的芯体的上述第一激光的入射角θ_FL也可以小于入射到上述无源光纤的上述内侧包层的上述第二激光的入射角θ_LD。

(d)在上述(a)所述的激光装置中，上述第一激光的波长λ1和上述第二激光的波长λ2也可以满足0.6≤λ2/λ1≤0.97。

(e)本发明的一个方式所涉及的激光加工装置将激光聚光后照射到被加工材料，具备：上述(a)～(d)中的任一项所述的激光装置；以及照射光学系统，具有准直透镜和聚光透镜。

(f)在上述(e)所述的激光加工装置中，上述第二激光的功率密度I_b也可以小于上述第一激光的功率密度I_a。

(g)在上述(f)所述的激光加工装置的情况下，上述第二激光的上述功率密度I_b也可以满足下式(1)，

I_b·(D2-D1)/2>0.2·(1/A)·к·{ρC_p(T_m-T₀)+ρL_m}···(1)

其中，

D1：上述第一激光的聚光点直径

D2：上述第二激光的聚光点直径

A：对于上述被加工材料的上述第二激光的吸收率

κ：上述被加工材料的热扩散系数

ρ：上述被加工材料的密度

C_p：上述被加工材料的比热

T_m：上述被加工材料的熔点

T₀：上述被加工材料的初始温度(常温)

L_m：上述被加工材料的熔解潜热。

发明效果

在上述(a)所述的激光装置中，第一激光从无源光纤的芯体出射，第二激光从无源光纤的内侧包层出射。在一边移动激光一边进行加工时，在第二激光照射到加工部位之后，第二激光与第一激光的重叠成分照射到该加工部位。

即，在被加工部件通过第二激光被预热之后，利用具有进行加工所需的充分的能量的激光进行被加工材料的加工。此时，在被预热的部位中产生激光的能量吸收，但是在上述(a)所述的激光装置中，第二激光的功率密度小于第一激光与第二激光的重叠成分的功率密度。因此，该能量吸收不会过度产生。其结果，即使在加工速度为低速的情况、被加工材料的厚度厚的情况下，也能够改善加工面的质量，而且能够实现飞散物量的降低。

另外，在上述(e)所述的激光加工装置中，具有适于对被加工材料进行预热的能量的第二激光、以及具有对被加工材料进行加工所需的足够的能量的第二激光与第一激光的重叠成分以同轴出射。这些激光从不同的光源出射，因此能够将这些激光的能量容易且相互独立地设定为适于各加工的值。其结果，即使在加工速度为低速的情况、被加工材料的厚度厚的情况下，加工面的粗糙度也变小，并且能够实现飞散量的降低，因此能够实现加工部位的质量的提高。

附图说明

图1是示意性地示出本发明的一个实施方式所涉及的激光加工装置的图。

图2是示意性地示出该实施方式所涉及的激光装置的图。

图3是示意性地示出在该实施方式的激光装置中使用的双包层光纤(有源光纤)的截面的图。

图4是示意性地示出向双包层光纤(无源光纤)的芯体和内侧包层分别入射激光和半导体激光的情形的截面图。

图5是表示该实施方式的激光装置的照射点α处的激光的功率密度的空间分布的图。

图6是示意性地示出激光切断的情形的截面图。

图7是表示在激光切断时产生的凸部与激光的功率密度的关系的图。

图8是示意性地示出本发明的激光加工装置的变形例的图。

图9是示意性地示出本发明的激光加工装置的其它变形例的图。

图10是表示实施例1中的半导体激光的输出与切断面粗糙度的关系的图。

图11是表示实施例2和比较例中的切断板厚与切断面粗糙度的关系的图。

图12是表示实施例3和比较例中的焊接速度与质量减少的关系的图。

图13是示意性地示出现有的激光加工装置的图。

图14是示意性地示出在现有的激光加工装置中使用的激光装置的图。

图15是表示在使用现有的激光加工装置的情况下照射点α处的激光的功率密度的空间分布的图。

具体实施方式

图1是示意性地示出本发明的一个实施方式所涉及的激光加工装置10的图。本实施方式的激光加工装置10大致由激光装置1、照射光学系统7以及框体8构成。照射光学系统7例如由准直透镜5和聚光透镜6构成。准直透镜5和聚光透镜6在框体8内被设置成能够相互独立地上下移动。激光装置1的输出端3(无源光纤22的输出端3)连接至框体8。从该无源光纤22的输出端3出射的激光4(4a、4b)通过准直透镜5成为平行光，通过聚光透镜6被聚光成适当的尺寸而被照射到被加工材料9。

本实施方式的激光加工装置10例如在进行金属等的切断、开槽、焊接、堆焊等时使用。在进行金属的切断、开槽时，一边从形成在框体8上的气体导入口8a例如导入氧气、氮气作为辅助气体，一边进行切断、开槽。导入到框体8内的辅助气体从框体8的前端的开口8b喷出，将熔融金属从切割预留部(切りしろ)去除。在进行金属的焊接、堆焊时，一边将氮气、氩气等惰性气体从气体导入口8a导入框体8内并从框体8的前端的开口8b喷出该惰性气体，一边进行焊接、堆焊。此外，也可以将开口设为同轴多重构造，设置多个对应的气体导入口。

图2是示意性地示出上述激光装置1的图。本实施方式的激光装置1A(1)用作上述激光加工装置10的激光振荡器。

该激光装置1A大致由如下部分构成：第一激光振荡器；将从该第一激光振荡器出射的第一激光通过芯体传输的作为双包层光纤的无源光纤22；以及出射被入射到该无源光纤22的内侧包层的激光的第二激光振荡器。第一激光振荡器大致由如下部分构成：进行激光器动作并作为双包层光纤的有源光纤20；形成在有源光纤20的两端附近的光纤布拉格光栅(FBG)21(21a、21b)；配置在各FBG21的内侧的第一多路耦合器23(23a、23b)；多个激发用光源26(26a、26b)；以及将第一多路耦合器23(23a、23b)与激发用光源26(26a、26b)以光学方式进行连接的第一光纤25(25a、25b)。传输第一激光的无源光纤22经由连接点29与有源光纤20连接。第二激光振荡器由多个半导体激光光源28构成。在无源光纤22上配置有第二多路耦合器24，第二多路耦合器24与各半导体激光光源28通过多条第二光纤27以光学方式相连接。此外，形成有FBG21(21a、21b)的有源光纤20作为激光谐振器发挥功能。即，FBG21a是全反射镜、FBG21b是部分反射镜。另外，在连接点29处，有源光纤20与无源光纤22的芯体彼此通过熔接等相连接。

图3是示意性地示出在本实施方式的激光装置1A中使用的有源光纤20的截面的图。该有源光纤20由芯体20a、设置在芯体20a的周围的内侧包层20b以及设置在该内侧包层20b的周围的外侧包层20c构成。

芯体20a例如作为基材由石英形成，镱(Yb)、铒(Er)等稀土类元素添加在石英中。另外，也可以添加锗(Ge)、磷(P)等提高折射率的掺杂剂。该芯体20a成为激光介质。在有源光纤20的两端附近的芯体20a上形成有FBG21(21a、21b)。

内侧包层20b其折射率低于芯体20a的折射率，例如由添加了氟(F)、硼(B)的石英形成。在芯体20a中添加有Ge、P的情况下，也可以仅由石英形成。从激发用光源26(26a、26b)出射的激发光分别经由第一光纤25(25a、25b)和第一多路耦合器23(23a、23b)入射到该内侧包层20b，对芯体20a的稀土类元素进行光激发。在被光激发的芯体20a中，产生激光振荡，其输出的第一激光(光纤激光)经过部分反射镜FBG21b被导入下游的无源光纤22的芯体。关于内侧包层20b的截面形状，只要能够进行激光振荡，就可以是如图3所示那样圆形状，也可以是多边形状、D字状。

外侧包层20c其折射率低于内侧包层20b，作为对芯体20a和内侧包层20b进行导光的激发光的包层起作用。该外侧包层20c例如由树脂形成。或者，也可以由添加了F、B等的石英构成。

再次参照图2。作为激发用光源26(26a、26b)，适合使用半导体激光器。其数量、功率并不特别限定，根据所需的光纤激光的输出适当地进行设定。从各激发用光源26(26a、26b)出射的激发光的波长与添加在芯体20a中的稀土类元素的吸收波长对应。将由半导体激光器构成的激发用光源26也称为第一半导体激光光源26。

作为第一光纤25(25a、25b)，只要能够对激发光进行导光，就不特别限定，能够使用通常的包层为单层的单包层光纤。

无源光纤22与有源光纤20同样地是由芯体22a、设置在该芯体22a的周围的内侧包层22b以及设置在该内侧包层22b的周围的外侧包层22c构成的双包层构造。然而，在无源光纤22的芯体22a中不添加稀土类元素、以及不形成FBG，在这些方面不同于有源光纤20。另外，内侧包层22b的截面形状优选的是圆形状。

从有源光纤20的芯体端面出射的光纤激光被导入该无源光纤22的芯体22a。

从半导体激光光源(还称为第二半导体激光光源)28出射的半导体激光(第二激光)经由第二光纤27和第二多路耦合器24入射到无源光纤22的内侧包层22b。

即，两条激光(光纤激光4a和半导体激光4b)耦合到无源光纤22而同轴化。因此，与使用镜等来使两条激光4(4a、4b)同轴化的情况相比简便，且相对于周围的环境变化(温度变化等)、振动等能够稳定地进行这些激光4(4a、4b)的同轴化。而且，从该无源光纤22、即从激光装置1A的出射端3出射被同轴化的光纤激光4a和半导体激光4b。它们经由由准直透镜5、聚光透镜6等构成的照射光学系统7照射到照射点α。

优选的是，无源光纤22的芯体直径与有源光纤20的直径相同或其以上。无源光纤22的内侧包层22b和外侧包层22c的折射率既可以与有源光纤20的折射率相同，也可以不同。根据入射到无源光纤22的内侧包层22b的半导体激光的波长，能够适当地设定这些内侧包层22b和外侧包层22c的折射率。

第二半导体激光光源28的数量、输出没有特别限定，根据所需的半导体激光4b的输出适当地进行设定。从第二半导体激光光源28出射的半导体激光的波长既可以与激发用光源(第一半导体激光光源)26(26a、26b)相同，也可以不同。

作为第二光纤27，只要能够对半导体激光进行导光，就没有特别限定，能够使用通常的包层为单层的单包层光纤。

图4是示意性地示出入射到无源光纤22的光纤激光4a和半导体激光4b的情形的图，是以包含光纤的轴的面切断的无源光纤22的截面图。在本实施方式中，关于入射到芯体22a的光纤激光4a的入射角θ_FL与入射到内侧包层22b的半导体激光4b的入射角θLD，优选的是θ_FL<θ_LD。通过设为θ_FL<θ_LD，在通过同一光学系统进行了聚光的情况下，在聚光点处半导体激光4b自动地配置在光纤激光4a的外侧。

为了满足θ_FL<θ_LD，只要将无源光纤22的芯体22a和内侧包层22b的折射率调整为适当的值即可。即，通过将芯体22a与内侧包层22b的相对折射率差Δ设为Δ>0，能够得到θ_FL<θ_LD。在此，在将芯体22a的折射率设为n1、将内侧包层22b的折射率设为n2时，以Δ≡(n1-n2)/n1定义相对折射率差△。

图5是表示照射点α处的(通过本实施方式的激光装置1A能够得到的)激光4(4a、4b)的功率密度的空间分布的图，X表示照射点α处的激光4距中心O的距离，I表示激光4的功率密度的大小。

如上所述，照射点α被照射从激光谐振器(有源光纤20)出射的光纤激光4a和从半导体激光光源28出射的半导体激光4b。因此，如图5所示，在这些激光4的功率密度的空间分布中也有由光纤激光4a产生的第一区域41(聚光点直径D1)和由半导体激光4b产生的第二区域42(聚光点直径D2)。关于两条激光4(4a、4b)各自，照射点α处的功率密度的空间分布为几乎均匀的顶帽形状。

在本实施方式中，优选的是，光纤激光4a的功率密度I_a和半导体激光4b的功率密度I_b为I_a>I_b，更优选的是I_a/10≥I_b。

在此，关于照射点α处的光纤激光4a的功率密度I_a，由于该激光的空间分布均匀、即是顶帽形状，因此能够通过将光纤激光4a的输出P_a(W)除以点面积S_a(mm²)来获得功率密度I_a。即，光纤激光4a的功率密度I_a通过以下的式(2)求出。

$I_a=\frac{P_a}{S_a}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

同样地，照射点α处的半导体激光4b的功率密度I_b能够通过将半导体激光4b的功率P_b(W)除以点面积S_b(mm²)来获得。即，半导体激光4b的功率密度I_b通过以下的式(3)求出。

$I_b=\frac{P_b}{S_b}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(3\right)$

照射点α处的光纤激光4a的聚光点直径D1和半导体激光4b的聚光点直径D2分别用以下的式(4)、(5)表示。

$D1=\left(\frac{\mathrm{fb}}{\mathrm{fa}}\right)\&CenterDot;d1\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(4\right)$

$D2=\left(\frac{\mathrm{fb}}{\mathrm{fa}}\right)\&CenterDot;d2\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(5\right)$

在此，d1(mm)是传输光纤激光4a的无源光纤22的芯体直径，d2(mm)是传输半导体激光4b的无源光纤22的内侧包层直径。fa是准直透镜5的焦距(mm)，fb是聚光透镜6的焦距(mm)。

如上所述，光纤激光4a仅在无源光纤22的芯体22a中传播。因而，无源光纤22的出口处的光纤激光4a的直径以无源光纤22的芯体直径d1提供。另一方面，半导体激光4b除了无源光纤22的芯体22a以外还在内侧包层22b中广泛地传播。因而，无源光纤22的出口处的半导体激光4b的直径以无源光纤22的内侧包层22b的直径d2提供。在此，由于d1<d2，因此这些激光4a、4b的聚光点直径为D1<D2(半导体激光4b更大)。

如上，由于I_a>I_b且D1<D2，因此从激光装置1A出射的激光4成为如图5所示那样的在成为主要部分的光纤激光4a与半导体激光4b的重叠成分的周围附加了因半导体激光4b产生的边缘的形态。因而，在一边移动激光4一边对被加工材料9进行加工时，半导体激光4b比光纤激光4a与半导体激光4b光的重叠成分先照射到加工部位。因而，在利用该半导体激光4b充分地预热加工部位之后，利用光纤激光4a与半导体激光4b的重叠成分进行加工。此时，如上所述那样由于I_a>I_b、更优选为I_a/10≥I_b，因此加工部位不会被过度预热。因此，能够实现加工面的粗糙度的劣化、被加工材料9的飞散物量的降低。

根据本实施方式的激光装置1A，两条激光4a、4b分别从不同的光源出射。因此，能够独立地调整各激光4a、4b的功率密度I_a、I_b。另外，通过变更有源光纤20和无源光纤22的芯体20a、22a的外径、内侧包层20b、22b的外径，能够调整各激光4a、4b的聚光点直径D1、D2。因而，在本实施方式中，能够容易地将两条激光4a、4b最优化为适于各加工的形状。

在本实施方式中，优选的是光纤激光4a的中心波长λ1与半导体激光4b的中心波长λ2不同。即，优选的是λ2/λ1为0.6～0.97左右。由此，能够抑制照射点α处的光纤激光4a与半导体激光4b的色差。其结果，能够以稳定的功率密度进行被加工材料9的加工。

接着，描述将本实施方式的激光加工装置10用作切断装置的情况。在激光切断的情况下，如上所述那样使用用于将熔融物从切割预留部去除的辅助气体。

图6是用于示意性地说明激光切断的机制的图，以由激光和切断线形成的平面上的截面来表示。此外，示出了仅照射一个波长的激光71的情况。

激光切断大体分为利用激光71进行的切断前线72的加热和熔融过程和利用辅助气流74进行的熔融层73的去除过程。图6示出了切断中的某一时间点的情形，切断过程如用箭头75所示那样向图6的左侧根据需要而进行。

在使用激光71切断被加工材料79的情况下，与在使用现有的激光装置切断时使用CO₂激光的情况相比，有切断面的粗糙度劣化的问题。该问题特别是在被加工材料70的厚度厚的情况、低速切断时变得显著。

本发明人们关于该问题研究的结果，发现了以下的(A)～(C)。

(A)在高速切断时，切断前线72的行进与激光71的行进同步。其结果，熔融连续地顺利产生。

(B)当变为低速切断时，切断前线72的行进无法与激光71的行进同步。即，在切断线上间歇地产生熔融。其结果，导致切断面粗糙度的劣化。当将切断速度设为V、将不产生切断面粗糙度的劣化的速度的阈值设为V₀时，在V<V₀时产生切断面粗糙度的劣化。该V₀能够用以下的式(6)表示。

$V_0=\frac{I_0}{\mathrm{\&rho;}{C}_p{T}_m}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(6\right)$

在此，ρ表示被加工材料的密度，Tm表示被加工材料的熔点，Cp表示比热。I₀表示被加工材料的表面温度T达到Tm的位置处的激光的功率密度。

图7是示意性地示出使用现有的激光装置且V<V₀时产生切断面粗糙度的劣化的情形的图。如图7所示，在低速域(V<V₀)中，在被加工材料79的表面附近79a，熔融现象不连续，在切割面(kerffront)上局部地出现激光的吸收功率密度高的区域P(凸部76)。由此，产生表面粗糙度的劣化。

(C)作为低速时的切断面粗糙度的改善对策，对激光的功率密度的空间分布附加边缘，对切断方向前方的被加工材料进行预热，由此能够使金属的熔融连续且平滑地产生。这能够从上述式(6)推测出。根据上述式(6)，I₀的值小时，阈值V₀变小。即，在I₀的值小的情况下，切断面粗糙度不会劣化，能够进行被加工材料的切断的速度的范围变大。

在图7中还示出了激光的位置与被加工材料79的表面温度T达到Tm的位置的关系。在该图7中，为了方便同时示出了CO₂激光的功率密度的空间分布77(高斯形状)和光纤激光的功率密度的空间分布78(顶帽形状)。从图7可知，关于I₀的值，具有高斯形状的空间分布的CO₂激光比具有顶帽形状的空间分布的光纤激光小。因而，如果是使用了现有的激光装置的情况，则上述式(6)所记载的I₀变大，与使用CO₂激光的情况相比，产生切断面粗糙度的劣化的速度的范围变大。

在将本实施方式的激光加工装置10用作切断加工装置时，在逐渐移动切断部位时，具有功率密度I_b的半导体激光4b首先照射到被加工材料。因此，能够对切断部位前方的被加工材料进行预热。此时，被预热的部位中产生光纤激光4b的能量吸收，但是在本实施方式中，由于I_a>I_b，因此该能量吸收不会过度产生，并且与使用CO₂激光的情况同样地，能够使I₀的值小于现有的激光装置。因此，能够在抑制切断面粗糙度的劣化的同时通过更大范围的速度进行被加工材料的切断。

此时，通过将半导体激光4b的功率密度I_b设为最佳值，切断线前方部分的预热效果进一步提高，进一步抑制上述说明的在切断时产生的凸部76的形成，能够使切断截面成为更平滑的状态。

即，优选的是半导体激光4b的功率密度I_b满足以下的式(7)。由此，即使在加工速度为低速的情况、被加工材料9的厚度厚的情况下，也能够在抑制切断面粗糙度的劣化的同时进行被加工材料9的切断。在I_b满足下式(7)、例如将SUS304用作被加工材料9的情况下，被加工材料9的厚度为4～12mm，能够以每分钟0.5～3米(mpm)的切断速度，利用激光4进行切断面粗糙度为30μm程度以下的切断。

I_b·(D2-D1)/2>0.2·(1/A)·κ·{ρC_p(T_m-T₀)+ρL_m}···(7)

在此，I_b·(D2-D1)/2与图5的斜线部42a的面积(在半导体激光4b的功率密度的空间分布中，第二区域42中的位于第一区域的外侧的一个区域42a的功率密度的积分值)对应。A表示对于被加工材料9的半导体激光4b的吸收率，κ表示被加工材料9的热扩散系数，ρ表示被加工材料9的密度，C_p表示被加工材料9的比热，T_m表示被加工材料9的熔点，T₀表示被加工材料9的初始温度(常温)，Lm表示被加工材料9的熔解潜热。

在上述的实施方式中，记载了被加工材料9的切断，但是关于对被加工材料9实施开槽加工的情况下也可以说是同样的情况。通过使用本实施方式的激光装置1A和光纤加工装置10，能够以更大范围的速度进行开槽加工，且所形成的槽的粗糙度得到改善。

另外，本实施方式的激光装置1A和激光加工装置10还能够适用于焊接、堆焊加工。在使用现有的激光装置进行的焊接、堆焊加工中，与使用CO₂激光进行的加工相比，被加工材料的飞散物量变多，有时无法以期望的质量进行该加工。特别是在加工速度慢的情况下，该现象变得显著。该原因也与上述的切断加工同样，是由于在使用现有的激光装置的情况下，与使用CO₂激光的情况相比I₀的值大。根据具备本实施方式的激光装置1A的激光加工装置10，与上述同样能够减小I₀的值，因此能够以大范围的加工速度进行抑制了被加工材料的飞散物量的焊接、堆焊加工。

在上述的实施方式中，示出了使用从激光谐振器即有源光纤20出射的光纤激光4a的情况，但是并不仅仅限定于该方式。作为该激光，只要能够在无源光纤22的芯体22a中传播，就没有特别限定。在图8中示出结构例。图8示意性地表示本发明的激光装置的变形例。该激光装置1B(1)与上述的激光装置1A(1)的不同之处在于，从第一激光振荡器51出射的第一激光52通过透镜53被聚光，从入射端54入射到无源光纤22。

作为其它变形例，有图9所示的激光装置1C(1)。该激光装置1C(1)与上述的激光装置1A(1)的不同之处在于，从第一激光振荡器51出射的第一激光52通过透镜53被聚光，从入射端54入射到包层为单层的通常的光纤55，在该光纤55的下游侧连接有无源光纤22。通过这些结构，入射到无源光纤22的第一激光在该光纤22的芯体22a中传播。从作为第二激光振荡器的第二半导体激光光源28出射的半导体激光经由光纤27和第二多路耦合器24入射到该无源光纤22的内侧包层22b。如此，第一激光和半导体激光耦合到无源光纤22而同轴化。在此，通过使半导体激光的功率密度I_b小于从第一激光振荡器出射的第一激光的功率密度I_a，能够得到与上述同样的效果。作为第一激光振荡器，例如能够使用盘形激光器(disclaser)。

实施例

<实施例1>

作为本发明的实施例1，组装图2所示的激光装置1A，进一步使用它来组装图1所示的激光加工装置10。

将信号光的波长设为1085nm，将激发光和半导体激光的波长设为976nm。

作为有源光纤，使用芯体直径0.2mm、内侧包层直径0.8mm、芯体中掺杂Yb的双包层光纤。

作为无源光纤，使用了芯体直径0.2mm、内侧包层直径0.8mm、芯体中未添加稀土类元素的双包层光纤。设芯体与内侧包层的相对折射率差为0.002。

能够从激光装置1A的输出端得到的最大功率在波长1085nm的光纤激光下为4kW，在波长976nm的半导体激光下为2kW。在以下的实施例中，光纤激光的功输出定为4kW，适当地改变半导体激光的输出。

关于激光加工装置10的照射光学系统7，准直透镜5使用焦距fa=200mm的透镜。聚光透镜6使用焦距fb=200mm的透镜。照射点α处的光纤激光4a的聚光点直径D1和半导体激光4b的聚光点直径D2如从上述的式(4)、(5)计算的那样为D1=0.2mm、D2=0.8mm。由于将光纤激光的输出固定为4kW，因此I_a始终为1.3×10¹¹(W/m²)。

<比较例>

在比较例(相当于现有例)中，将实施例1中的半导体激光的输出设为零。

使用氮气作为辅助气体，利用实施例1和比较例的激光加工装置进行了SUS304的切断。此时，将SUS304的厚度固定为10mm，将切断速度固定为1(mpm)。关于切断面粗糙度，测定了从材料表面起深度1mm的切断线方向的粗糙度。关于实施例1，一边改变半导体激光的输出(P2)一边进行SUS304的切断，调查切断面粗糙度(Rz)。

在表1和图10中示出结果。此外，P2是半导体激光的输出(W)，I_b是半导体激光的功率密度(W/m²)，Rz是所测定的切断面粗糙度(μm)的平均。

[表1]

在比较例(P2=0)中，切断面粗糙度Rz是53.6μm，而在实施例1中，与比较例相比切断面粗糙度Rz降低。特别是，越提高半导体激光的输出(P2)，切断面粗糙度Rz越低。

可知，当P2为50W以上、即上述式(7)的左边I_b·(D2-D1)/2为3.0×10⁴(W/m)以上时，在切断面的平滑化上发现大的效果。此外，在图10所示的线段中，当将该线段设为曲线时，P2=50的部位是成为该曲线的拐点的位置。

对于SUS304，上述式(7)所记载的右边0.2·(1/A)·κ·{ρC_p(T_m-T₀)+ρL_m}的值是2.8×10⁴(W/m)。因而，可知，发现更大的效果的条件是上述式(7)所记载的范围。

<实施例2>

使用与上述的实施例1和比较例相同的激光加工装置，将SUS304的板厚在1～12mm的范围内改变来进行切断。

关于各板厚，首先求出以P2=0来使切断面粗糙度Rz为最小的切断速度(比较例)。板厚越厚，切断速度越降低。接着，通过求出的切断速度本次是使P2变化，求出能够得到最小的切断面粗糙度Rz的P2(实施例2)。此外，实施例2中的各P2的值满足上述式(7)。

在表2和图11中示出结果。

[表2]

在比较例(P2=0)中，板厚越厚，即切断速度越低，切断面粗糙度Rz越劣化。而在实施例2的激光加工装置中，切断面粗糙度Rz的值小，劣化得以抑制。特别是，板厚越厚、切断速度越慢，则越有效地抑制切断面粗糙度Rz的劣化。

<实施例3>

使用与上述的实施例1和比较例相同的激光加工装置10，进行了2mm厚度的钢彼此的重叠焊接。此时，使焊接速度如表3所示那样改变来进行焊接。焊接的长度是100mm。测定焊接前后的钢的质量，求出质量减少量。在表3和图12中示出结果。在实施例3中，求出质量减少量为最小时的P2的值，记载了此时的P2的值和质量减少值。此外，实施例3中的各P2的值满足上述式(7)。

[表3]

在比较例中，焊接速度越慢，质量减少量越大，而在实施例3中，无论是在何种焊接速度下与比较例相比都抑制了质量的减少。即，观察到在被加工材料(钢)的焊接中产生的飞散物量的降低。因而，本实施例3的方法对于抑制焊接的溅射的附着、抑制焊珠(bead)的凹陷也有效果。

产业上的可利用性

通过推进本发明的激光装置和激光加工装置的引入，与CO₂激光的加工装置相比，获得生产性提高、并且运行成本降低等产业上非常有用的效果。

附图标记说明

1(1A、1B、1C)：激光装置

3：输出端

4：激光

4a：光纤激光(第一激光)

4b：半导体激光(第二激光)

5：准直透镜

6：聚光透镜

7：照射光学系统

8：框体

8a：气体导入口

8b：前端的开口

9：被加工材料

10：激光加工装置

20：有源光纤

20a：芯体

20b：内侧包层

20c：外侧包层

21(21a、21b)：光纤布拉格光栅(FBG)

22：无源光纤

22a：芯体

22b：内侧包层

22c：外侧包层

23(23a、23b)：第一多路耦合器

24：第二多路耦合器

25(25a、25b)：第一光纤

26(26a、26b)：激发用光源(第一半导体激光光源)

27：第二光纤

28：第二半导体激光光源

29：连接点

41：第一区域

42：第二区域

51：第一激光振荡器

52：第一激光

53：聚光透镜

54：入射端

55：光纤

71：激光

72：切断前线

73：熔融层

74：辅助气流

75：激光行进方向

76：凸部

77：CO₂激光的功率密度的空间分布

78：光纤激光的功率密度的空间分布

79：被加工材料

α：照射点

100：激光加工装置

101：激光装置

103：出射端

104：激光

105：准直透镜

106：聚光透镜

107：被加工材料

120：有源光纤

121：光纤布拉格光栅(FBG)

122：光纤

123：多路耦合器

125：光纤

126：半导体激光光源

129：连接点

Claims (6)

1.一种激光装置，其特征在于，具有：

有源光纤，是具有芯体，并在上述芯体中添加有稀土类元素的双包层光纤；

第一激光光源，向上述有源光纤的上述芯体出射第一激光；

无源光纤，具有芯体以及包围上述芯体的内侧包层，与上述有源光纤的下游侧连接；

多路耦合器，配置在上述无源光纤上；以及

第二激光光源，出射经由上述多路耦合器被入射到上述无源光纤的上述内侧包层的第二激光，

上述无源光纤通过上述无源光纤的上述芯体传输上述第一激光，

上述无源光纤的上述芯体的折射率大于上述无源光纤的上述内侧包层的折射率，

从上述无源光纤的出射端出射的上述第一激光以及上述第二激光的功率密度的空间分布为多模式。

2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，

入射到上述无源光纤的上述芯体的上述第一激光的入射角θ_FL，小于入射到上述无源光纤的上述内侧包层的上述第二激光的入射角θ_LD。

3.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，

上述第一激光的波长λ1和上述第二激光的波长λ2满足0.6≤λ2/λ1≤0.97。

4.一种激光加工装置，将激光聚光后照射到被加工材料，其特征在于，具备：

根据权利要求1～3中的任一项所述的激光装置；以及

照射光学系统，具有准直透镜和聚光透镜。

5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，

上述第二激光的功率密度I_b小于上述第一激光的功率密度I_a。

6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，

上述第二激光的上述功率密度I_b满足下式(1)，

I_b·(D2-D1)/2>0.2·(1/A)·κ·{ρC_p(T_m-T₀)+ρL_m}···(1)

其中，

D1：上述第一激光的聚光点直径

D2：上述第二激光的聚光点直径

A：对于上述被加工材料的上述第二激光的吸收率

κ：上述被加工材料的热扩散系数

ρ：上述被加工材料的密度

C_p：上述被加工材料的比热

T_m：上述被加工材料的熔点

T₀：上述被加工材料的初始温度

L_m：上述被加工材料的熔解潜热。