CN105458493A - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

一种激光加工装置，具备：加工头，其向工件照射激光；以及聚光光学部，其设置于加工头，使从激光光源入射到加工头的具有扩散角的激光会聚并作为具有聚光角的激光从加工头射出。激光加工装置具备设置于加工头的透过光学构件，该透过光学构件配置于从激光的行进方向看时的聚光光学部的上游侧来使激光在透过前后扩散角维持固定地透过，或者配置于从激光的行进方向看时的聚光光学部的下游侧来使激光在透过前后聚光角维持固定地透过。透过光学构件具备使激光的聚光直径扩大的聚光直径扩大部分。聚光直径扩大部分使透过了聚光直径扩大部分的激光的聚光直径比不透过聚光直径扩大部分而被聚光光学部会聚时的激光的聚光直径大。

Description

激光加工装置
技术领域
本发明涉及一种能够扩大聚光直径的激光加工装置。
背景技术
使用激光来对工件进行加工的激光加工装置一般具备聚光光学部，该聚光光学部使从激光光源入射到加工头的激光会聚后从加工头射出。聚光光学部具有所需个数的光学透镜，对入射的激光赋予规定的会聚角度(在本申请中也称为聚光角)。被赋予了聚光角的激光在与聚光光学部的主点相距规定距离的位置处形成相当于成像点的聚光点。在本申请中将聚光点处的光束直径称为聚光直径。在进行激光加工时，使聚光点与工件上的加工部位一致，或者有意地使聚光点沿光轴方向偏离于加工部位，来实施加工。聚光角对激光在加工部位处的焦点深度产生影响，聚光直径对激光在加工部位处的能量密度产生影响。因而，能够根据焊接、切断、刻印(marking)等激光加工的种类、工件的材质、厚度等来决定聚光角和聚光直径各自的最佳尺寸。
用于激光加工的激光的质量依赖于激光的聚光性能(M2)，能够以聚光角与聚光直径之积来表示。聚光角与聚光直径之积是根据激光的种类(介质等)而决定的固定值，可以说该积越小则激光的质量越高。在激光加工装置中，在入射到加工头的激光具有最小光束直径和扩散角度(在本申请中也称为扩散角)的情况下，聚光光学部一般被设计成所射出的激光的聚光角与聚光直径之积等于入射的激光的扩散角与最小光束直径之积(也就是说聚光光学部不对激光的质量、聚光性能产生影响)。在此，聚光直径由入射激光的最小光束直径和聚光光学部的成像倍率来决定，聚光角由入射激光的扩散角和聚光光学部的成像倍率来决定。因而，例如在想要与加工种类、工件种类的变更对应地调整聚光直径的情况下，若改变聚光光学部的成像倍率，则随之聚光角也发生变化，难以仅调整聚光直径。
在激光加工装置中，已知一种具有能够调整通过聚光光学部对激光赋予的聚光角、聚光直径的结构的装置。例如日本特开2012-024782号公报(JP2012-024782A)公开如下一种激光加工装置：使从激光振荡器经传输光纤(feedingfiber)传输的激光通过从芯径不同的多个操作光纤(processfiber)中选择出的一个操作光纤或者不通过操作光纤地入射到激光加工单元(聚光光学部)。并记载了：在该激光加工装置中，能够根据需要来变更位于紧邻激光加工单元的前方的光纤的芯径(即入射到激光加工单元的激光的最小光束直径)，由此，能够根据工件的厚度等来调整由激光加工单元会聚的激光的聚光直径，而不改变激光加工单元的成像倍率。
日本特开2009-056481号公报(JP2009-056481A)公开如下结构：在通过光纤将从激光振荡器射出的激光传输到光学头(聚光光学部)来对工件进行照射的激光加工装置中，在紧邻光纤的入射侧的前方设置有将来自激光振荡器的激光的扩散角调整为光纤的容许数值孔径以下的调整单元。并记载了：在该激光加工装置中，在光纤的入射侧调整激光的扩散角(即入射到光纤的激光的会聚角度)，从而能够排除从光纤射出的激光的扩散角的偏差(即被光学头会聚的激光的聚光角、聚光直径的偏差)，由此能够得到固定的加工结果。
在激光加工装置中，已知如下一种装置：以与聚光角、聚光直径的调整不同的目的，该装置具备调整向聚光光学部入射的激光的光束直径、光束形状的单元。例如日本特开2008-168333号公报(JP2008-168333A)公开了如下一种激光式焊接装置：将从激光振荡器入射到加工头的圆形激光光束通过包括凹形锥透镜(conelens)和凸形锥透镜的组合的光束变换部变换为环状激光光束，之后通过投射透镜进行聚光来环状地投射到工件的加工点。另外，日本特开2009-178725号公报(JP2009-178725A)公开了如下一种激光加工装置：通过包括一对轴棱锥透镜(axiconlens)的组合的激光成形单元使来自激光光源的激光形成为圆环状，通过会聚透镜使该圆环状的激光会聚于1点来进行加工，由此抑制会聚透镜的球面像差。
发明内容
在具备聚光光学部的激光加工装置中，期望的是，利用与改变聚光光学部的成像倍率的方法不同的方法，使得能够对工件照射具有与激光加工的种类、工件的材质、厚度等相应的最佳的聚光直径的激光。
本发明的一个方式是一种激光加工装置，该激光加工装置具备：加工头，其向工件照射激光；聚光光学部，其设置于加工头，使从激光光源入射到加工头的具有扩散角的激光会聚并作为具有聚光角的激光从加工头射出；以及设置于加工头的透过光学构件，其配置于从激光的行进方向看时的聚光光学部的上游侧来使激光在透过前后扩散角维持固定地透过，或者配置于从激光的行进方向看时的聚光光学部的下游侧来使激光在透过前后聚光角维持固定地透过，其中，透过光学构件具备使激光的聚光直径扩大的聚光直径扩大部分，聚光直径扩大部分使透过了聚光直径扩大部分的激光的聚光直径比不透过聚光直径扩大部分而被聚光光学部会聚时的激光的聚光直径大。
根据一个方式所涉及的激光加工装置，取代使聚光光学部的成像倍率增加的结构，而采用使激光透过透过光学构件所具有的聚光直径扩大部分的结构，由此能够扩大聚光直径而实质上不改变从聚光光学部的主点到聚光点的距离以及激光的聚光角。因而，不会对激光加工装置的整体尺寸产生影响，能够对工件照射具有与激光加工的种类、工件的材质、厚度等相应的最佳的聚光直径的激光。透过光学构件使激光在透过前后扩散角或聚光角维持固定地透过，因此能够抑制透过光学构件对聚光时的几何像差产生影响。而且，透过光学构件配置于从激光的行进方向看时的聚光光学部的上游侧或下游侧，因此能够防止几何像差因对一般是为了降低几何像差所设计的聚光光学部配置透过光学构件而恶化。
附图说明
本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关联的以下实施方式的说明会变得更明确。在该附图中，
图1是概要性地表示包括激光加工装置的激光加工系统的结构的一例的立体图，
图2是概要性地表示一个实施方式的激光加工装置的结构的截面图，
图3A是一个实施方式的激光加工装置所具备的透过光学构件的立体图，
图3B是图3A的透过光学构件的截面图，
图4A是说明图3A的透过光学构件的激光透过作用的概念图，是表示使透过光学构件朝向一个方向的情况的图，
图4B是表示使图4A的透过光学构件朝向反方向的情况的图，
图5A是说明不具备透过光学构件的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
图5B是表示图5A的激光加工装置中的一部分光线的路径的图，
图5C是提取图5B所示的光线路径的任意部分得到的图，
图5D是表示聚光点处的光线路径的放大图，
图6A是说明具备图3A的透过光学构件的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
图6B是表示图6A的激光加工装置中的一部分光线的路径的图，
图6C是提取图6B所示的光线路径的任意部分得到的图，
图6D是表示聚光点处的光线路径的放大图，
图7A是说明具备不同形状的透过光学构件的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
图7B是表示图7A的激光加工装置中的一部分光线的路径的图，
图7C是提取图7B所示的光线路径的任意部分得到的图，
图7D是表示聚光点处的光线路径的放大图，
图8是概要性地表示变形例的激光加工装置的结构的截面图，
图9是概要性地表示其它变形例的激光加工装置的结构的截面图，
图10A是其它实施方式的激光加工装置所具备的透过光学构件的立体图，
图10B是图10A的透过光学构件的截面图，
图11A是说明图10A的透过光学构件的激光透过作用的概念图，是表示使透过光学构件朝向一个方向的情况的图，
图11B是表示使其它形状的透过光学构件朝向一个方向的情况的图，
图11C是表示使图11B的透过光学构件朝向反方向的情况的图，
图11D是表示使光线透过透过光学构件的中心部分的情况的图，
图12A是说明具备图10A的透过光学构件的激光加工装置中的激光聚光作用的图，是表示几个光线的代表性的路径的图，
图12B是图12A的激光加工装置中的一个光线路径的放大图，
图12C是图12A的激光加工装置中的另一个光线路径的放大图，
图13A是说明将图10A的透过光学构件配置在期望位置的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
图13B是提取图13A的激光加工装置中的光线路径的任意部分来表示的图，
图13C是表示聚光点处的光线路径的放大图，
图14A是说明将图10A的透过光学构件配置在其它期望位置的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
图14B是提取图14A的激光加工装置中的光线路径的任意部分来表示的图，
图14C是表示聚光点处的光线路径的图，
图15A是说明将图10A的透过光学构件配置在另一期望位置的激光加工装置中的激光聚光作用的部件配置图，
图15B是提取图15A的激光加工装置中的光线路径的任意部分来表示的图，
图15C是表示聚光点处的光线路径的图，
图16A是透过光学构件的变形例的立体图，
图16B是图16A的透过光学构件的截面图，
图17A是说明另一实施方式的激光加工装置的结构的图，是透过光学构件的截面图，
图17B是图17A的激光加工装置的部件配置图，
图17C是表示聚光点处的光线路径的图，
图18A是说明另一实施方式的激光加工装置的结构的图，是透过光学构件的截面图，
图18B是图18A的激光加工装置中的其它透过光学构件的截面图，
图18C是图18A的激光加工装置的部件配置图，
图19A是说明另一实施方式的激光加工装置的结构的部件配置图，
图19B是表示图19A的激光加工装置中的一部分光线的路径的图，
图19C是提取图19B所示的光线路径的任意部分得到的图，
图19D是表示聚光点处的光线路径的放大图，
图20A是说明图19A的激光加工装置的变形例的结构的部件配置图，
图20B是表示图20A的激光加工装置中的一部分光线的路径的图，
图20C是提取图20B所示的光线路径的任意部分得到的图，
图20D是表示聚光点处的光线路径的放大图，
图21是表示另一实施方式的激光加工装置的图，
图22A是说明另一实施方式的激光加工装置的结构的图，是透过光学构件的截面图，
图22B是图22A的激光加工装置的部件配置图，
图22C是表示聚光点处的光线路径的图，
图23A是表示另一实施方式的激光加工装置的图，以及
图23B是图23A的激光加工装置所具备的透过光学构件的截面图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
图1概要性地表示包括本发明的一个实施方式的激光加工装置10的激光加工系统12的结构的一例。激光加工系统12具备激光加工装置10、激光光源14以及控制装置16，该控制装置16对激光加工装置10和激光光源14的动作进行控制。激光加工装置10具备：加工头18；传输单元20，其将激光从激光光源14传输并供给到加工头18；以及驱动机构22，其使加工头18与工件W相对移动。
激光光源14例如具备光纤激光方式的振荡器(未图示)，由振荡器振荡出的激光经由传输单元20被导入到加工头18。传输单元20具备与激光光源14连接的第一光纤24、与加工头18连接的第二光纤26、以及将第一光纤24与第二光纤26彼此光耦合的光纤耦合器(fibercoupler)28。例如，使用光纤耦合器28将附设于激光光源14的具有规定的芯径的第一光纤24与具有不同的期望芯径的第二光纤26光耦合，由此能够使以第二光纤26的芯径为最小光束直径的激光从第二光纤26的射出端射出到加工头18。此外，不限于图示结构，激光光源14能够具备CO2激光器等各种振荡器，传输单元20能够具有使用导光管、反射镜等的各种结构。
加工头18具备使从传输单元20入射的激光会聚的聚光光学部(未图示)，加工头18从设置于头前端的加工喷嘴30对工件W的表面的狭小区域照射激光来实施激光加工。在激光加工中，对工件W的加工点及其周边吹送以氧气、氮气、空气、氩气等为成分的辅助气体(assistgas)。辅助气体是从外部的气体供给源(未图示)供给到加工头18的。还对加工头18供给用于将辅助气体吹送到工件W的压缩空气。
驱动机构22能够使加工头18与工件W在沿着工件表面的方向上相对移动。另外，驱动机构22能够使加工头18与工件W选择性地向相互靠近的方向或相互之间远离的方向移动。例如，在驱动机构22中，三个控制轴(X轴、Y轴、Z轴)按照正交三轴坐标系下的指令值分别进行动作，由此驱动机构22能够使加工头18与工件W三维地相对移动。在该情况下，驱动机构22能够针对各控制轴具备伺服电动机和动力传递机构。各个控制轴能够设定于加工头18和工件W中的任一方或双方。例如能够采用以下结构：利用X轴、Y轴以及Z轴驱动加工头18，使加工头18相对于固定有工件W的工件台(未图示)在水平方向和铅垂方向上移动；或者利用Z轴驱动加工头18，另一方面，沿X轴和Y轴驱动工件台。
控制装置16例如具有数值控制装置的结构。控制装置16能够对所提供的激光加工程序进行分析，并向包括激光加工装置10、激光光源14在内的控制对象输出操作指令，能够使驱动机构22移动加工头18、工件W，能够使激光光源14振荡、射出激光，能够使气体供给源对加工头18供给辅助气体。
图2概要性地表示本发明的一个实施方式的激光加工装置10的主要部分的结构。激光加工装置10具备：加工头18，其向工件W照射激光L；以及聚光光学部32，其设置于加工头18，使从激光光源14(图1)入射到加工头18的具有扩散角α的激光L会聚并作为具有聚光角β的激光L从加工头18射出。加工头18具备中空筒状的壳体34，在壳体34的后端(图中上端)固定有光纤26的射出端26a。光纤26至少在射出端26a处与聚光光学部32的光轴32a同轴配置，将以射出端26a的芯径为最小光束直径的具有扩散角α的激光L从射出端26a朝向聚光光学部32射出到壳体34的内部。因而，穿过激光L的光束中心的轴线与光轴32a一致。此外，扩散角α是根据入射到光纤26的入射端(未图示)的激光的聚光角以及光纤26自身的特性而被实质性地确定的。
聚光光学部32具有所需个数的光学透镜36。例如将各种球面透镜组合多个来作为光学透镜36，由此能够尽可能地降低球面像差等几何像差。通过实施尽可能地降低几何像差等的对策，聚光光学部32被设计成入射到聚光光学部32的激光L的扩散角α与最小光束直径之积跟从聚光光学部32射出的激光L的聚光角β与聚光直径之积彼此相同(也就是说聚光光学部32不对激光L的质量、聚光性能产生影响)。
在此，说明聚光光学部32的聚光作用的一例。将光纤26的芯径(直径)设为50μm，将激光L的扩散角α设为半角为0.1rad。将聚光光学部32视作一块虚拟的透镜，将从光纤26的射出端26a的芯端面到聚光光学部(虚拟透镜)32的主点的距离设为100mm，将聚光光学部32的焦距设为50mm。设在光纤26的射出端26a与聚光光学部32之间不存在其它光学要素。在该条件下，从聚光光学部32的主点到激光L的聚光点(成像点)的距离为100mm，聚光光学部32的成像倍率为1.0，聚光角β为半角为0.1rad，聚光点处的聚光直径(直径)为50μm。与该条件相对地，当不改变激光L的扩散角α而将从光纤26的射出端26a到聚光光学部32的主点的距离变更为90mm时，从主点到聚光点的距离变为112.5mm，成像倍率变为1.25，聚光角β变为半角为0.08rad，聚光直径变为62.5μm。这样，作为聚光光学部32单体的作用，当成像倍率变化时，聚光角β和聚光直径相互关联地变化。此外，为了成像倍率的变更等，能够将聚光光学部32以能够沿光轴32a移动的方式设置于壳体34。
在壳体34的前端(图中下端)设置有以铜等为原材料的加工喷嘴30。加工喷嘴30的前端通常与激光L的聚光点接近地配置。能够使加工喷嘴30与聚光光学部32之间除了喷嘴开口和后述的辅助气体导入口以外成为气密构造的室38。还能够在聚光光学部32与加工喷嘴30之间设置由透明的板构成的分隔壁40，使分隔壁40与加工喷嘴30之间成为气密构造的室38。分隔壁40防止在工件W的加工点处产生的溅射物(sputter)等到达聚光光学部32。在分隔壁40被污损时只需更换分隔壁40即可，能够使分隔壁40为相对于壳体34装卸自如的结构以能够进行该更换。在壳体34的侧面形成有将辅助气体G导入到室38的导入口42，规定压力的辅助气体G从外部的气体供给源(未图示)经由导入口42被导入到室38。辅助气体G与压缩空气一起从加工喷嘴30吹送到工件W。期望的是，辅助气体G维持着与光轴32a同轴的流动地从加工喷嘴30吹出，为了实现该期望，能够具备将加工喷嘴30的位置在与光轴32a正交的方向上进行微调整的机构(未图示)。另外，也能够具备使光轴32a(以至聚光光学部32)与加工喷嘴30的轴心进行位置对准的机构(未图示)。
作为一例，加工喷嘴30的开口直径能够设定为约0.8mm～约6mm，加工喷嘴30的轴位置调整范围能够设定为约2mm～约5mm，加工喷嘴30内的辅助气体G的压力能够在约0.01MPa～约3MPa的范围内调整，加工喷嘴30与工件W之间的距离能够控制在约0.5mm～约4mm的范围内。此外，室38被设为气密构造以将辅助气体G的压力维持为固定值，但是壳体34的包括光纤26的射出端26a的安装部位在内的其它部分也能够被设为外部气体无法侵入到壳体34的内部的构造。由此，能够阻止尘埃、湿气等从外部侵入到壳体34内，防止光纤射出端26a、聚光光学部32等光学要素的污损于未然。
激光加工装置10还具备透过光学构件44，该透过光学构件44设置于加工头18，配置于从激光L的行进方向看时的聚光光学部32的上游侧(图中上方)。透过光学构件44是在壳体34的内部以其中心轴线44a与聚光光学部32的光轴32a一致的方式配置于光纤26的射出端26a与聚光光学部32之间的规定位置的光学要素。透过光学构件44能够使从光纤26的射出端26a射出的激光L在透过前后其扩散角α维持固定地透过。
参照图3A～图4B来说明本实施方式中的透过光学构件44的具体结构和激光透过作用。
如图3A和图3B所示，透过光学构件44具备厚度均匀的圆锥板部分46，该圆锥板部分46为旋转对称形状，相对于对称轴46a倾斜。换言之，圆锥板部分46具有作为圆锥形的凸面的第一面46b和作为圆锥形的凹面的第二面46c，该第二面46c是第一面46b的相反一侧的面，具有与第一面46b的圆锥的顶角θ相等的顶角θ并且具有与第一面46b相同的尺寸和形状。第一面46b与第二面46c相互平行地延伸，圆锥板部分46的与第一面46b及第二面46c正交的方向上的尺寸(即厚度)t在整体上均匀。圆锥板部分46的对称轴46a与透过光学构件44的中心轴线44a一致。在本实施方式中，如图所示那样透过光学构件44的整体是圆锥板部分46。
能够利用石英玻璃、BK7等不发生或难以发生激光L的吸收、散射的材料来制作透过光学构件44。另外，能够对透过光学构件44的第一面46b和第二面46c施涂包括光学多层膜的无反射涂层。通过这种结构，激光L能够不耗减其能量地透过透过光学构件44。在激光L进入透过光学构件44时和从透过光学构件44出来时，由于透过光学构件44与周围空气的折射率不同，该激光L的光路与入射角相应地发生倾斜。参照图4A和图4B来说明该现象。
如图4A和图4B中作为概念图所示的那样，透过光学构件44在加工头18的壳体34(图2)的内部配置于圆锥板部分46的对称轴46a与聚光光学部32(图2)的光轴32a一致的位置。另外，透过光学构件44配置于从光纤26的射出端26a射出的激光L的整体透过圆锥板部分46的位置(图2)。在图4A中，透过光学构件44被配置成圆锥板部分46的第二面46c与光纤26相向。在图4B中，透过光学构件44被配置成圆锥板部分46的第一面46b与光纤26相向。
在此，着眼于激光L的光束内的一个光线L1。在图4A的结构中，设光线L1与圆锥板部分46的第二面46c形成锐角的入射角γ地入射到该第二面46c。光线L1在进入透过光学构件44时向由折射率的差和入射角γ决定的方向弯折，在从透过光学构件44出来时向由折射率的差和射出角决定的方向再次弯折。此时，由于第二面(入射面)46c与第一面(射出面)46b相互平行，因此射出角与入射角γ相等，光线L1的行进方向在进入透过光学构件44之前与从透过光学构件44出来之后成为相同的方向。另外，两次折射的结果是，从透过光学构件44出来后的光线L1的路径相对于进入透过光学构件44之前的光线L1的路径(以虚线表示)向规定方向(图中为向光轴32a靠近的方向)进行了平行移动。光线L1的平行移动距离是由透过光学构件44的圆锥板部分46的厚度t(图3B)、顶角θ(图3B)、透过光学构件44与周围空气的折射率差、向圆锥板部分46的入射角γ等来决定的。该现象在从光纤26的射出端26a射出的激光L的光束整体上同样地发生，作为结果，透过光学构件44能够使激光L在透过前后激光L的扩散角α(图2)维持固定地透过。另外，如后所述，在光线透过透过光学构件44的圆锥板部分46时，产生如光轴相对于该光线倾斜地偏移那样的作用，其结果，使全部光线会聚而得到的聚光点处的聚光直径扩大。
在相对于图4A的结构将透过光学构件44反向地配置的图4B的结构中，也同样地能够使从透过光学构件44出来后的光线L1的路径相对于进入透过光学构件44之前的光线L1的路径(以虚线表示)向规定方向(图中为向光轴32a靠近的方向)进行平行移动。因而，通过该结构，透过光学构件44也能够使激光L在透过前后激光L的扩散角α(图2)维持固定地透过。但是，在该结构中，与图4A的光线L1相同的光线L1以比图4A的入射角γ小的入射角γ入射到圆锥板部分46的第一面46b。其结果，光线L1的透过前后的平行移动距离比图4A的光线L1的透过前后的平行移动距离大。
透过光学构件44的圆锥板部分46构成使激光L的聚光直径扩大的聚光直径扩大部分。下面，参照图5A～图7D来说明具备透过光学构件44的激光加工装置10中的激光聚光作用。此外，在图5A、图6A以及图7A中，示出了激光加工装置10的整体结构，但是为了简化，省略图2所示的壳体34、加工喷嘴30以及分隔壁40，并且将聚光光学部32置换为一个虚拟透镜。
首先，参照图5A～图5D来验证从激光加工装置10去除了透过光学构件44的结构中的激光聚光作用。进行验证的结构如图5A所示那样在加工头18内的激光L的光路上不具备透过光学构件44。从光纤26的射出端26a射出的具有扩散角α的激光L不透过透过光学构件44而被聚光光学部(虚拟透镜)32会聚，并作为具有聚光角β的激光L照射到工件W。关于各部尺寸，将光纤26的芯径(直径)设为50μm，将激光L的扩散角α设为半角为0.1rad，将从光纤26的射出端26a的芯端面到聚光光学部32的主点的距离设为100mm，将聚光光学部32的焦距设为50mm。另外，从聚光光学部32的主点到激光L的聚光点的距离为100mm，聚光光学部32的成像倍率为1.0，激光L的聚光角β为半角为0.1rad，聚光点处的聚光直径(直径)为50μm。
图5B表示通过仿真得到的激光L的一部分光线的路径。图5C是为了有助于理解而仅提取图5B所示的光线路径的任意部分得到的图。例如，在图5B和图5C中，从光纤射出端26a的芯端面的上端射出的光线以扩散角α扩散地入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，会聚(成像)于聚光点I的图中下端位置。另一方面，在图5B和图5C中，从光纤射出端26a的芯端面的下端射出的光线以扩散角α扩散地入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，会聚(成像)于聚光点I的图中上端位置。因而，如图5D所放大示出的那样，从光纤射出端26a的芯端面整体射出的激光L的全部光线在聚光点I处会聚于聚光直径D的圆形区域S(与芯端面的外周形状和直径对应的区域)。当将聚光点I定位到工件W的表面时，激光L以聚光直径D的圆形光斑照射到工件表面。
接着，参照图6A～图6D来验证具备透过光学构件44的激光加工装置10中的激光聚光作用。进行验证的结构如图6A所示那样透过光学构件44被配置成圆锥板部分46的第一面46b与光纤26相向。从光纤26的射出端26a射出的具有扩散角α的激光L在透过透过光学构件44之后被聚光光学部(虚拟透镜)32会聚，并作为具有聚光角β的激光L照射到工件W。关于各部尺寸，与图5A的结构同样地，将光纤26的芯径(直径)设为50μm，将激光L的扩散角α设为半角为0.1rad，将从光纤26的射出端26a的芯端面到聚光光学部32的主点的距离设为100mm，将聚光光学部32的焦距设为50mm。另外，关于透过光学构件44，将圆锥板部分46的顶角θ设为177.14°(也就是说将相对于与对称轴46a正交的面的倾斜角度设为1.43°)，将厚度t设为3mm，将透过光学构件44配置在从光纤射出端26a的芯端面到圆锥板部分46的顶点的距离为44mm的位置。
图6B表示通过仿真得到的激光L的一部分光线的路径。图6C是为了有助于理解而仅提取图6B所示的光线路径的任意部分得到的图。例如，在图6B和图6C中，从光纤射出端26a的芯端面的上端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件44的圆锥板部分46，与入射角相应地如图4B所示那样进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件44，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，分别会聚(成像)于聚光点I的图中中心位置和下端位置。另一方面，在图6B和图6C中，从光纤射出端26a的芯端面的下端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件44的圆锥板部分46，与入射角相应地如图4B所示那样进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件44，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，分别会聚(成像)于聚光点I的图中中心位置和上端位置。在光线透过透过光学构件44的圆锥板部分46时，产生如光轴相对于该光线倾斜地偏移那样的作用，其结果，如图所示那样光线在聚光点I处分两个位置地成像。
因而，如图6D所放大示出的那样，从光纤射出端26a的芯端面整体射出的激光L的全部光线在聚光点I处会聚于聚光直径D的圆形区域S(与芯端面的外周形状对应的、具有约2倍的直径的区域)。当将聚光点I定位到工件W的表面时，激光L以聚光直径D的圆形光斑照射到工件表面。验证的结果是，从聚光光学部32的主点到激光L的聚光点I的距离为约100mm，聚光光学部32的成像倍率为约1.0，激光L的聚光角β为半角为约0.1rad，聚光点I处的聚光直径D为约100μm。
通过将图5A～图5D的结构与图6A～图6D的结构进行比较可知，透过光学构件44的圆锥板部分(聚光直径扩大部分)46发挥如下作用：使透过了圆锥板部分(聚光直径扩大部分)46的激光L的聚光直径D比不透过圆锥板部分(聚光直径扩大部分)46而被聚光光学部32会聚时的激光L的聚光直径D大。而且，此时，如验证结果那样，能够扩大聚光直径D(在图6D的例中为约2倍)而实质上不改变从聚光光学部32的主点到激光L的聚光点I的距离、聚光光学部32的成像倍率以及激光L的聚光角β中的任一个。
在从激光加工装置10去除了透过光学构件44的结构(图5A)中通过增加聚光光学部32的成像倍率来扩大聚光直径D的情况下，如前所述，例如将聚光光学部32从图5A的位置向靠近光纤射出端26a的方向移动10mm，来使成像倍率增加到1.25，由此聚光直径D扩大到62.5μm，但是另一方面，从聚光光学部32的主点到聚光点I的距离增加到112.5mm，聚光角β减小到半角为0.08rad。为了将聚光光学部32的成像倍率增加到2来将聚光直径D扩大到2倍，从聚光光学部32到聚光点I的距离以及聚光角β的变化量变得更大，存在如下担忧：对激光加工装置10的整体尺寸产生影响，或者难以实施与激光加工的种类、工件的材质、厚度等相应的最佳的激光加工。
与此相对地，在具备透过光学构件44的激光加工装置10(图2、图6A)中，取代使聚光光学部32的成像倍率增加(也就是说使聚光光学部32沿光轴32a方向移动)的结构，而采用使激光L的整体透过透过光学构件44所具有的圆锥板部分(聚光直径扩大部分)46的结构，由此能够扩大聚光直径D而实质上不改变从聚光光学部32的主点到聚光点I的距离以及激光L的聚光角β。在除了将聚光直径D扩大到期望尺寸以外还想要将聚光角β也改变为期望尺寸的情况下，能够通过使聚光光学部32沿光轴32a方向移动适当的距离来应对。因而，根据激光加工装置10，能够向工件W照射具有与激光加工的种类、工件W的材质、厚度等相应的最佳的聚光直径D和聚光角β的激光L而不对激光加工装置10的整体尺寸产生影响。透过光学构件44使激光L在透过前后扩散角α维持固定地透过，因此即使是在聚光光学部32的激光行进方向上游侧配置有透过光学构件44的结构，也能够使聚光时的对几何像差的影响为最小限度。而且，透过光学构件44配置于聚光光学部32的激光行进方向上游侧，因此能够避免几何像差因对为了降低几何像差而预先设计的聚光光学部32配置透过光学构件44而恶化。假如将透过光学构件44配置于聚光光学部32的多个光学透镜36之间，则光学透镜36之间的距离变化而几何像差发生变化，因此需要重新设计聚光光学部32。但是，在激光加工装置10中，无需因配置透过光学构件44而重新设计聚光光学部32。
接着，参照图7A～图7D来验证具备与图6A的透过光学构件44不同的透过光学构件44′的激光加工装置10中的激光聚光作用。透过光学构件44′除了圆锥板部分46的顶角θ不同以外具有与透过光学构件44相同的结构。进行验证的结构如图7A所示那样透过光学构件44′被配置成圆锥板部分46的第一面46b与光纤26相向。从光纤26的射出端26a射出的具有扩散角α的激光L透过透过光学构件44′之后被聚光光学部(虚拟透镜)32会聚，并作为具有聚光角β的激光L照射到工件W。将透过光学构件44′的圆锥板部分46的顶角θ设为174.28°(也就是说将相对于与对称轴46a正交的面的倾斜角度设为2.86°(透过光学构件44的倾斜角度的2倍))。其它各部尺寸与图6A的结构相同。
图7B表示通过仿真得到的激光L的一部分光线的路径。图7C是为了有助于理解而仅提取图7B所示的光线路径的任意部分得到的图。例如，在图7B和图7C中，从光纤射出端26a的芯端面的上端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件44′的圆锥板部分46，与入射角相应地如图4B所示那样进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件44′，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，分别会聚(成像)于聚光点I的图中从上数起的第二个位置和下端位置。另一方面，在图7B和图7C中，从光纤射出端26a的芯端面的下端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件44′的圆锥板部分46，与入射角相应地如图4B所示那样进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件44′，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，分别会聚(成像)于聚光点I的图中从下数起的第二个位置和上端位置。在光线透过透过光学构件44′的圆锥板部分46时，产生如光轴相对于该光线倾斜地偏移那样的作用，其结果，如图所示那样光线在聚光点I处分两个位置地成像。
因而，如图7D所放大示出的那样，从光纤射出端26a的芯端面整体射出的激光L的全部光线在聚光点I处会聚于聚光直径(外径)D的环状区域S(与芯端面的外周形状对应的、具有约3倍的外径的圆环状的区域)。透过光学构件44′的圆锥板部分46的顶角θ比图6A的透过光学构件44的圆锥板部分46的顶角θ小，因此光轴相对于透过透过光学构件44′的圆锥板部分46的光线的偏移明显变大，其结果，可认为在聚光点I的中心处出现激光L不成像的区域。当将聚光点I定位到工件W的表面时，激光L以聚光直径(外径)D的环状光斑照射到工件表面。验证的结果是，从聚光光学部32的主点到激光L的聚光点I的距离为约100mm，聚光光学部32的成像倍率为约1.0，激光L的聚光角β为半角为约0.1rad，聚光点I处的聚光直径(外径)D为约150μm。
通过将图6A～图6D的结构与图7A～图7D的结构进行比较可知，通过改变透过光学构件44的圆锥板部分(聚光直径扩大部分)46的结构，能够变更通过圆锥板部分46扩大的聚光直径D的尺寸。例如，通过改变圆锥板部分46的顶角θ、厚度t、折射率等参数中的期望的参数，能够变更聚光直径D的尺寸。能够准备分别装备了采用不同的参数的多种透过光学构件44的多种加工头18，适当地选择具备与激光加工的种类、工件W的材质、厚度等对应的透过光学构件44的加工头18来使用。
或者，能够将激光加工装置10设为透过光学构件44装卸自如地安装于加工头18的预先决定的位置的结构。例如，能够在不与激光L发生干扰的位置使用适当的安装用具(未图示)将透过光学构件44装卸自如地安装于壳体34的内表面。根据该结构，准备圆锥板部分46的顶角θ、厚度t、折射率等不同的多种透过光学构件44，适当地选择与激光加工的种类、工件W的材质、厚度等对应的透过光学构件44来安装于加工头18，由此能够向工件W照射具有最佳的聚光直径D和聚光角β的激光L来实施激光加工。另外，能够在每次变更激光加工的种类、工件W的材质、厚度等时都适当地更换为最佳的透过光学构件44来实施激光加工。
通过使透过光学构件44相对于加工头18装卸自如，能够在一台激光加工装置10中在不具备透过光学构件44的结构(例如参照图5A)与具备透过光学构件44的结构(例如参照图6A、图7A)之间适当地选择并切换。在不具备透过光学构件44的结构中，从光纤26射出的激光L通过实施了尽可能地降低几何像差等对策的聚光光学部32被会聚，由此不使本来具有的聚光性能劣化而从加工头18射出。与此相对地，在具备透过光学构件44的结构中，从光纤26射出的激光L透过相对于对称轴46a倾斜的圆锥板部分46，由此在本来具有的聚光性能稍微劣化的状态下被聚光光学部32会聚后从加工头18射出。因而，激光加工装置10通过在不具备透过光学构件44的结构与具备透过光学构件44的结构之间进行切换，不仅根据激光加工的种类、工件W的材质、厚度等的变更，还能够根据加工所要求的激光L的聚光性能的变更来实施最佳的激光加工。
在具备装卸自如的透过光学构件44的激光加工装置10中，例如在进行需要高能量密度的小聚光直径D的激光加工时，设为将透过光学构件44从加工头18卸下的状态，在进行需要低能量密度的大聚光直径D的激光加工时，设为将透过光学构件44安装于加工头18的状态，由此能够以最佳的聚光直径D实施激光加工。列举一例，在软钢制的板状工件W的切断加工时，对于厚度16mm左右的厚板工件W，能够将圆锥板部分46的顶角θ比较小(即倾斜大)的透过光学构件44安装于加工头18来利用聚光直径D(直径)150μm的激光L(图7A)进行切断，对于厚度6mm左右的中厚工件W，能够将圆锥板部分46的顶角θ比较大(即倾斜小)的透过光学构件44安装于加工头18来利用聚光直径D(直径)100μm的激光L(图6A)进行切断，对于厚度1mm左右的薄板工件W，能够在将透过光学构件44从加工头18卸下的状态下利用聚光直径D(直径)50μm的激光L(图5D)进行切断。
在激光加工装置10中，能够将透过光学构件44配置成与图6A及图7A所示的朝向相反，或者配置于从激光L的行进方向看时的聚光光学部32的下游侧。在将透过光学构件44配置成与图6A及图7A所示的朝向相反的情况下，如参照图4A和图4B所说明的那样，激光的光线在透过透过光学构件44前后的平行移动距离小，聚光直径D稍微变化。因此，能够根据激光加工的种类、工件W的材质、厚度等来选择透过光学构件44的朝向。
图8表示将设置于加工头18的透过光学构件44(图3A)配置于从激光L的行进方向看时的聚光光学部32的下游侧(图中下方)的变形例的激光加工装置10′。在激光加工装置10′中，使透过光学构件44的中心轴线44a与聚光光学部32的光轴32a一致地将透过光学构件44配置在壳体34的内部的聚光光学部32与加工喷嘴30之间的规定位置。透过光学构件44能够使被聚光光学部32会聚后的激光L在透过前后其聚光角β维持固定地透过。另外，在激光加工装置10′中，透过光学构件44以圆锥板部分46的第一面46b朝向喷嘴30侧的方式配置于圆锥板部分46的对称轴46a与聚光光学部32的光轴32a一致的位置。激光加工装置10′的其它结构与图2所示的激光加工装置10相同。
图8所示的激光加工装置10′通过具备透过光学构件44而起到与图2所示的激光加工装置10同等的特别效果。特别是在激光加工装置10′中，通过使被聚光光学部32会聚为聚光角β后的激光L与向透过光学构件44的圆锥板部分46的入射角相应地如图4B所示那样进行折射和平行移动，能够扩大聚光直径。因而，与去除了透过光学构件44的结构(例如图5A)相比，能够使聚光角β的变化量为零。
另外，能够将激光加工装置10′设为透过光学构件44装卸自如地安装于加工头18的预先决定的位置的结构。由此，与图2所示的激光加工装置10同样地，根据激光加工的种类、工件W的材质、厚度等的变更、加工所要求的激光L的聚光性能的变更，来适当地选择最佳种类的透过光学构件44来使用，或者切换为不具备透过光学构件44的结构，由此能够向工件W照射具有最佳的聚光直径D和聚光角β的激光L来实施激光加工。并且，装卸自如地安装于聚光光学部32与加工喷嘴30之间的透过光学构件44能够与分隔壁40(图2)同样地发挥防止聚光光学部32污损的功能，因此能够省略分隔壁40来削减部件件数。
图9表示由激光光源14(图1)所具有的CO2激光器等振荡器振荡出的激光L经由使用了导光管、反射镜等的传输单元20(图1)被导入到加工头18的其它变形例的激光加工装置10″。在激光加工装置10″中，加工头18的壳体34在其后端(图中上端)具有开口48，在其后方(图中上方)设置有使在空气中传播的激光L会聚的聚光透镜50。通过聚光透镜50后的激光L被会聚而形成光束束腰(beamwaist)E，并在光束束腰E的激光行进方向下游侧作为具有扩散角α的激光L入射到加工头18。激光加工装置10″的其它结构与图2所示的激光加工装置10相同。
在图9所示的激光加工装置10″中，也通过具备透过光学构件44而起到与图2所示的激光加工装置10同等的特别效果。另外，在激光加工装置10″中，也能够设为将透过光学构件44装卸自如地安装于聚光光学部32的激光行进方向的上游侧或下游侧的规定位置的结构。由此，与图2所示的激光加工装置10同样地，根据激光加工的种类、工件W的材质、厚度等的变更、加工所要求的激光L的聚光性能的变更，适当地选择最佳种类的透过光学构件44来使用，或者切换为不具备透过光学构件44的结构，由此能够向工件W照射具有最佳的聚光直径D和聚光角β的激光L来实施激光加工。
本发明所涉及的激光加工装置能够具备形状或构造与上述的透过光学构件44不同的各种结构的透过光学构件。下面，参照图10A～图15C来说明形状与透过光学构件44不同的透过光学构件52的结构以及具备透过光学构件52的其它实施方式的激光加工装置54的结构。此外，具备透过光学构件52的激光加工装置54除了将透过光学构件44置换为透过光学构件52这点以外能够具有与图2和图5A～图7D的激光加工装置10、图8的激光加工装置10′、图9的激光加工装置10″相同的结构。在以下的说明中，对与激光加工装置10、10′、10″的结构对应的结构标注共同的参照标记，由此省略其说明。
如图10A和图10B所示，透过光学构件52具备厚度均匀的中心平板部分56以及沿中心平板部分56的外周设置的厚度均匀的环状的圆锥板部分58，该中心平板部分56为旋转对称形状，与对称轴56a正交，该圆锥板部分58为旋转对称形状，相对于对称轴58a倾斜。换言之，中心平板部分56具有作为圆形的平坦面的第一面56b和作为圆形的平坦面的第二面56c，该第二面56c是第一面56b的相反一侧的面，具有与第一面56b相同的尺寸和形状。第一面56b与第二面56c相互平行地延伸，与第一面56b及第二面56c正交的方向上的中心平板部分56的尺寸(即厚度)t1在整体上均匀。环状的圆锥板部分58具备作为圆锥台形的凸面的第一面58b和作为圆锥台形的凹面的第二面58c，该第二面58c是第一面58b的相反一侧的面，在将第二面58c延长得到的虚拟圆锥中具有与将第一面58b延长得到的虚拟圆锥的顶角θ相等的顶角θ，并且具有与第一面58b相同的尺寸和形状。第一面58b与第二面58c相互平行地延伸，与第一面58b及第二面58c正交的方向上的圆锥板部分58的尺寸(即厚度)t2在整体上均匀。中心平板部分56的厚度t1与圆锥板部分58的厚度t2既可以彼此相同也可以不同。中心平板部分56的对称轴56a与圆锥板部分58的对称轴58a相互一致，并且与透过光学构件52的中心轴线52a一致。
能够利用石英玻璃、BK7等不发生或难以发生激光L的吸收、散射的材料来制作透过光学构件52。另外，能够对透过光学构件52的第一面56b、58b和第二面56c、58c施涂包括光学多层膜的无反射涂层。通过这种结构，激光L能够不耗减其能量地透过透过光学构件52。在激光L进入透过光学构件52时和从透过光学构件52出来时，由于透过光学构件52与周围空气的折射率的不同，该激光L光路与入射角相应地倾斜。参照图11A～图11D来说明该现象。此外，设图11A～图11D所示的透过光学构件52与图2所示的透过光学构件44同样地，在加工头18的壳体34的内部以其中心轴线52a与聚光光学部32的光轴32a一致的方式配置于光纤26的射出端26a与聚光光学部32之间的规定位置(图2)。
如图11A～图11D中作为概念图示出的那样，透过光学构件52在加工头18的壳体34(图2)的内部配置于中心平板部分56的对称轴56a及圆锥板部分58的对称轴58a与聚光光学部32(图2)的光轴32a一致的位置。在图11A、图11B以及图11D中，透过光学构件52被配置成中心平板部分56的第二面56c及圆锥板部分58的第二面58c与光纤26相向。在图11C中，透过光学构件52被配置成中心平板部分56的第一面56b及圆锥板部分58的第一面58b与光纤26相向。另外，图11A表示圆锥板部分58的顶角θ(图10B)小(即倾斜大)的透过光学构件52，图11B和图11C表示圆锥板部分58的顶角θ大(即倾斜小)的透过光学构件52。图11D表示将透过光学构件52配置在接近光纤26的位置来使与图11A～图11C相同的光线透过中心平板部分56的状态。
在此，着眼于激光L的光束内的一个光线L1。在图11A的结构中，设光线L1与圆锥板部分58的第二面58c垂直地入射到该第二面58c。在该情况下，光线L1不在第二面58c处发生折射地进入圆锥板部分58，不在第一面58b处发生折射地从圆锥板部分58出来，因此在透过圆锥板部分58前后不产生弯折和平行移动地整体直线前进。
在与图11A的结构相比圆锥板部分58的顶角大的图11B的结构中，与图11A相同的光线L1与圆锥板部分58的第二面58c形成锐角的入射角γ地入射到该第二面58c。光线L1在进入透过光学构件52时向由折射率的差和入射角γ决定的方向弯折，在从透过光学构件52出来时向由折射率的差和射出角决定的方向再次弯折。此时，由于第二面(入射面)58c与第一面(射出面)58b相互平行，因此射出角与入射角γ相等，光线L1的行进方向在进入透过光学构件52之前与从透过光学构件52出来之后成为相同的方向。另外，两次折射的结果是，从透过光学构件52出来后的光线L1的路径相对于进入透过光学构件52之前的光线L1的路径(以虚线表示)向规定方向(图中为向光轴32a靠近的方向)进行了平行移动。光线L1的平行移动距离是由透过光学构件52的圆锥板部分58的厚度t2(图10B)、顶角θ(图10B)、透过光学构件52与周围空气的折射率差、向圆锥板部分58的入射角γ等来决定的。该现象在从光纤26的射出端26a射出的激光L的光束中的透过圆锥板部分58的光束部分整体上同样地发生，作为结果，透过光学构件52能够使激光L在透过前后激光L的扩散角α(图2)维持固定地透过。另外，如后所述，在光线透过透过光学构件52的圆锥板部分58时，产生如光轴相对于该光线倾斜地偏移那样的作用，其结果，使全部光线会聚而得到的聚光点处的聚光直径扩大。
在相对于图11B的结构将透过光学构件52反向地配置的图11C的结构中，也同样地能够使从透过光学构件52出来后的光线L1的路径相对于进入透过光学构件52之前的光线L1的路径(以虚线表示)向规定方向(图中为向光轴32a靠近的方向)进行平行移动。因而，通过该结构，透过光学构件52也能够使激光L在透过前后激光L的扩散角α(图2)维持固定地透过。但是，在该结构中，与图11B的光线L1相同的光线L1以比图11B的入射角γ小的入射角γ入射到圆锥板部分58的第一面58b。其结果，光线L1的透过前后的平行移动距离比图11B的光线L1的透过前后的平行移动距离大。
如图11D所示，在使透过光学构件52比图11A～图11C的位置更靠近光纤26来使相同的光线L1透过中心平板部分56的情况下，从透过光学构件52出来后的光线L1的路径也相对于进入透过光学构件52之前的光线L1的路径(以虚线表示)向规定方向(图中为向光轴32a靠近的方向)进行了平行移动。在该情况下，向中心平板部分56入射的光线L1的入射角γ比图11B的入射角γ小且比图11C的入射角γ大。其结果，光线L1的透过前后的平行移动距离比图11B的光线L1的透过前后的平行移动距离大、且比图11C的光线L1的透过前后的平行移动距离小。此外，在光线透过透过光学构件52的中心平板部分56时，不产生如光轴相对于该光线倾斜地偏移那样的作用。由于光轴不偏移，因此透过了中心平板部分56的全部光线在聚光点处的聚光直径相比于不透过透过光学构件52时的聚光直径没有变化。
当以光线L1透过透过光学构件52的中心平板部分56的图11D的结构为基准来考虑时，在使相同的光线L1透过图11B的圆锥板部分58时，从圆锥板部分58出来后的光线L1的路径相对于图11D的光线L1的路径向远离光轴32a的方向进行了平行移动，另外，在使相同的光线L1透过图11C的圆锥板部分58时，从圆锥板部分58出来后的光线L1的路径相对于图11D的光线L1的路径向靠近光轴32a的方向进行了平行移动。另外，如根据前述的说明可类推出的那样，当使光线L1透过与图11A的圆锥板部分58相比顶角更小(即倾斜大)的圆锥板部分58时，光线L1的入射角γ成为钝角，从圆锥板部分58出来后的光线L1的路径相对于进入圆锥板部分58之前的光线L1的路径向远离光轴32a的方向进行平行移动。
透过光学构件52的圆锥板部分58构成使激光L的聚光直径扩大的聚光直径扩大部分。下面，参照图12A～图15C来说明具备透过光学构件52的激光加工装置54中的激光聚光作用。此外，在图12A、图13A、图14A以及图15A中，示出了激光加工装置54的整体结构，但是为了简化，省略图2所示的壳体34、加工喷嘴30以及分隔壁40，并且将聚光光学部32置换为一个虚拟透镜。
如图12A所示，激光加工装置54具备透过光学构件52，该透过光学构件52设置于加工头18(图2)，配置于从激光L的行进方向看时的聚光光学部32的上游侧(图中上方)。透过光学构件52在壳体34(图2)的内部以其中心轴线52a与聚光光学部32的光轴32a一致的方式配置于光纤26的射出端26a与聚光光学部32之间的规定位置。另外，透过光学构件52配置于从光纤26的射出端26a射出的激光L的光束的中心部分透过中心平板部分56、并且该光束的剩余的外周部分透过圆锥板部分58的位置。另外，透过光学构件52被配置成中心平板部分56的第一面56b及圆锥板部分58的第一面58b与光纤26相向。如参照图11A～图11D所说明的那样，透过光学构件52能够使从光纤26的射出端26a射出的激光L在透过前后其扩散角α维持固定地透过。
图12A表示从光纤射出端26a射出的激光L的光束中的三个光线L2、L3、L4的代表性路径。从光纤射出端26a的中心区域射出的光线L2透过透过光学构件52的中心平板部分56，如参照图11D所说明的那样经过在透过中心平板部分56前后进行了平行移动的光线路径(图12B)。但是，该光线L2不受到如光轴倾斜地偏移那样的作用，因此在被聚光光学部32会聚之后，在聚光点I处会聚(成像)于与光纤射出端26a处的射出位置对应的位置。与此相对地，从光纤射出端26a的外缘附近区域射出的光线L3透过透过光学构件52的圆锥板部分58，如参照图11C所说明的那样经过在透过圆锥板部分58前后平行移动了比光线L2的平行移动距离大的距离的光线路径(图12C)。该光线L3在透过圆锥板部分58时受到如光轴倾斜地偏移那样的作用，其结果，在被聚光光学部32会聚之后，在聚光点I处会聚(成像)于相对于光纤射出端26a处的射出位置向远离光轴32a的方向偏移的位置。另外，隔着光轴32a位于光线L3的相反一侧的光线L4透过透过光学构件52的圆锥板部分58，由此经过与光线L3的路径成轴对称的路径，在聚光点I处会聚(成像)于向与光线L3相反一侧远离光轴32a的方向偏移的位置。其结果，聚光点I处的聚光直径与光纤射出端26a处的光束最小径相比扩大。
如上所述，从光纤射出端26a的中心区域射出并通过透过光学构件52的中心平板部分56的光线群在聚光点I处也会聚于其中心区域。另外，从光纤射出端26a的外缘附近区域射出并通过透过光学构件52的圆锥板部分58的光线群在聚光点I处也会聚于其外缘附近区域。因而，通过改变透过光学构件52的圆锥板部分(聚光直径扩大部分)58的结构，能够变更通过圆锥板部分58扩大的聚光直径的尺寸。例如，通过改变圆锥板部分58的顶角θ、厚度t2、折射率、内径(即中心平板部分56的外径)等参数中的期望的参数，能够变更聚光直径的尺寸。另外，同样地，通过改变圆锥板部分58的期望参数，能够对会聚于聚光点I的中心区域的光线群的照射强度与会聚于聚光点I的外缘附近区域的光线群的照射强度的比率进行调整。能够准备分别装备了采用不同的参数的多种透过光学构件52的多种加工头18(图2)，适当地选择具备与激光加工的种类、工件W的材质、厚度等对应的透过光学构件52的加工头18来使用。
激光加工装置54通过具备包括圆锥板部分(聚光直径扩大部分)58的透过光学构件52，而起到与图2所示的激光加工装置10同等的特别效果。并且，在具备透过光学构件52的激光加工装置54中，取代改变圆锥板部分58的期望参数，而改变光纤26与聚光光学部32之间的透过光学构件52在沿着光轴32a的方向上的位置，由此能够变更聚光直径的尺寸、或者对聚光点I的中心区域与外缘附近区域的照射强度的比率进行调整。下面，参照图13A～图15C来验证将透过光学构件52分别配置在不同的光轴方向位置的激光加工装置54中的激光聚光作用。
首先，参照图13A～图13C来验证将透过光学构件52与光纤26的射出端26a接近地配置的结构中的激光聚光作用。进行验证的结构如图13A所示那样将透过光学构件52配置在从光纤26的射出端26a射出的全部激光L均透过中心平板部分56的位置。另外，透过光学构件52被配置成中心平板部分56的第一面56b及圆锥板部分58的第一面58b与光纤26相向。从光纤射出端26a射出的具有扩散角α的激光L在透过中心平板部分56之后被聚光光学部(虚拟透镜)32会聚，并作为具有聚光角β的激光L照射到工件W。关于各部尺寸，将光纤26的芯径(直径)设为50μm，将激光L的扩散角α设为半角为0.1rad，将从光纤26的射出端26a的芯端面到聚光光学部32的主点的距离设为100mm，将聚光光学部32的焦距设为50mm。另外，关于透过光学构件52，将中心平板部分56的厚度t1(图10B)设为3mm，将直径设为5mm，将圆锥板部分58的顶角θ(图10B)设为171.98°(也就是说将相对于与对称轴58a正交的面的倾斜角度设为4.01°)，将厚度t2设为3mm，将透过光学构件52配置在从光纤射出端26a的芯端面到中心平板部分56的第一面56a的距离为5mm的位置。
图13B通过提取出的任意部分的路径来表示通过仿真得到的激光L的一部分光线的路径。例如，在图13B中，从光纤射出端26a的芯端面的上端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件52的中心平板部分56，与入射角相应地如图12B所示那样进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件52，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，会聚(成像)于聚光点I的图中下端位置。另一方面，在图13B中，从光纤射出端26a的芯端面的下端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件52的中心平板部分56，与入射角相应地如图12B所示那样进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件52，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，会聚(成像)于聚光点I的图中上端位置。
在光线透过透过光学构件52的中心平板部分56时，如前所述那样不产生如光轴相对于该光线倾斜地偏移那样的作用。因而，聚光点I处的聚光形态与参照图5A～图5D说明的去除了透过光学构件44的结构中的聚光形态实质上相同。也就是说，如图13C所放大示出的那样，从光纤射出端26a的芯端面整体射出的激光L的全部光线在聚光点I处会聚于聚光直径D的圆形区域S(与芯端面的外周形状和直径对应的区域)。当将聚光点I定位到工件W的表面时，激光L以聚光直径D的圆形光斑照射到工件表面。验证的结果是，从聚光光学部32的主点到激光L的聚光点I的距离为100mm，聚光光学部32的成像倍率为1.0，激光L的聚光角β为半角为0.1rad，聚光点处的聚光直径(直径)为约50μm。
接着，参照图14A～图14C来验证将透过光学构件52配置在比图13A的位置更靠近聚光光学部32的位置的结构中的激光聚光作用。进行验证的结构如图14A所示那样将透过光学构件52配置在从光纤26的射出端26a射出的激光L的一部分透过中心平板部分56、而该激光L的剩余的部分透过圆锥板部分58的位置。具体地说，将透过光学构件52配置在从光纤射出端26a的芯端面到中心平板部分56的第一面56a的距离为45mm的位置。除此以外的结构与图13A的结构相同。
图14B通过提取出的任意部分的路径来表示通过仿真得到的激光L的一部分光线的路径。例如，在图14B中，从光纤射出端26a的芯端面的上端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件52的圆锥板部分58，与入射角相应地如图12C所示那样进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件52，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，分别会聚(成像)于聚光点I的图中从上数起的第二个位置和下端位置。另一方面，在图14B中，从光纤射出端26a的芯端面的下端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件52的圆锥板部分58，与入射角相应地如图12C所示那样进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件52，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，分别会聚(成像)于聚光点I的图中从下数起的第二个位置和上端位置。在光线透过透过光学构件52的圆锥板部分58时，产生如光轴相对于该光线倾斜地偏移那样的作用，其结果，如图所示那样光线在聚光点I处分两个位置地成像。并且，在图14B中，从光纤射出端26a的芯端面的中心区域射出的光线群入射到透过光学构件52的中心平板部分56，与入射角相应地如图12B所示那样进行折射和平行移动地透过透过光学构件52，之后被聚光光学部32会聚，会聚(成像)于聚光点I的图中中心区域。
因而，如图14C所放大示出的那样，从光纤射出端26a的芯端面的外缘附近区域射出的激光L的光线群在聚光点I处会聚于聚光直径(外径)D的环状区域S(与芯端面的外周形状对应的、具有约3倍多的外径的圆环状的区域)。另一方面，如图14C所放大示出的那样，从光纤射出端26a的芯端面的中心区域射出的激光L的光线群在聚光点I处会聚于环状区域S的内侧的聚光直径(外径)D′的圆形区域S′(与芯端面的外周形状和直径对应的区域)。聚光点I的中心的圆形区域S′的照射强度和外缘附近的环状区域S的照射强度是依赖于透过透过光学构件52的中心平板部分56的光线量和透过圆锥板部分58的光线量而被确定的。当将聚光点I定位到工件W的表面时，激光L作为在中心区域和外缘附近区域分别具有任意的照射强度的聚光直径D的实质上的圆形光斑而照射到工件表面。验证的结果是，从聚光光学部32的主点到激光L的聚光点I的距离为约100mm，聚光光学部32的成像倍率为约1.0，激光L的聚光角β为半角为约0.1rad，聚光点I处的聚光直径D为约150μm。
接着，参照图15A～图15C来验证将透过光学构件52配置在比图14A的位置更靠近聚光光学部32的位置的结构中的激光聚光作用。进行验证的结构如图15A所示那样将透过光学构件52配置在从光纤26的射出端26a射出的激光L的一部分透过中心平板部分56、而该激光L的剩余的部分透过圆锥板部分58的位置。具体地说，将透过光学构件52配置在从光纤射出端26a的芯端面到中心平板部分56的第一面56a的距离为85mm的位置。除此以外的结构与图14A的结构相同。
图15B通过提取出的任意部分的路径来表示通过仿真得到的激光L的一部分光线的路径。例如，在图15B中，从光纤射出端26a的芯端面的上端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件52的圆锥板部分58，与入射角相应地如图12C所示那样进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件52，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，分别会聚(成像)于聚光点I的图中从上数起的第二个位置和下端位置。另一方面，在图15B中，从光纤射出端26a的芯端面的下端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件52的圆锥板部分58，与入射角相应地如图12C所示那样进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件52，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出，分别会聚(成像)于聚光点I的图中从下数起的第二个位置和上端位置。在光线透过透过光学构件52的圆锥板部分58时，产生如光轴相对于该光线倾斜地偏移那样的作用，其结果，如图所示那样光线在聚光点I处分两个位置地成像。并且，在图15B中，从光纤射出端26a的芯端面的中心区域射出的光线群入射到透过光学构件52的中心平板部分56，与入射角相应地如图12B所示那样进行折射和平行移动地透过透过光学构件52，之后被聚光光学部32会聚，会聚(成像)于聚光点I的图中中心区域。
因而，如图15C所放大示出的那样，从光纤射出端26a的芯端面的外缘附近区域射出的激光L的光线群在聚光点I处会聚于聚光直径(外径)D的环状区域S(与芯端面的外周形状对应的、具有约3倍多的外径的圆环状的区域)。另一方面，如图15C所放大示出的那样，从光纤射出端26a的芯端面的中心区域射出的激光L的光线群在聚光点I处会聚于环状区域S的内侧的聚光直径(外径)D′的圆形区域S′(与芯端面的外周形状和直径对应的区域)。与图14A～图14C的结构相比，使透过光学构件52更加接近聚光光学部32，由此在图15A～图15C的结构中，透过中心平板部分56的光线量变少，透过圆锥板部分58的光线量变多。其结果，如图15C所示，与图14C相比，聚光点I的中心的圆形区域S′的照射强度变弱，外缘附近的环状区域S的照射强度变强。当将聚光点I定位到工件W的表面时，激光L作为外缘附近区域的照射强度比中心区域的照射强度强的聚光直径D的实质上的圆形光斑照射到工件表面。验证的结果是，从聚光光学部32的主点到激光L的聚光点I的距离为约100mm，聚光光学部32的成像倍率为约1.0，激光L的聚光角β为半角为约0.1rad，聚光点I处的聚光直径D为约150μm。
通过将图13A～图15C的结构进行比较可知，取代改变透过光学构件52的圆锥板部分58的期望参数，而改变光纤26与聚光光学部32之间的透过光学构件52在光轴方向上的位置，由此能够变更聚光直径的尺寸、或者对聚光点I的中心区域与外缘附近区域的照射强度的比率进行调整。能够准备将同一种类的透过光学构件52分别配置在不同的位置的多种加工头18(图2)，适当地选择具备配置在与激光加工的种类、工件W的材质、厚度等对应的位置的透过光学构件52的加工头18来使用。此外，在以激光L的一部分必须透过透过光学构件52的圆锥板部分58为前提的情况下，仅改变透过光学构件52在光轴方向上的位置是无法变更聚光直径的。为了在该前提下变更聚光直径，需要将透过光学构件52更换为圆锥板部分58的顶角θ、厚度t2、折射率、内径等参数不同的其它透过光学构件52。
或者，能够将激光加工装置54设为透过光学构件52以能够在沿着聚光光学部32的光轴32a的方向上移动的方式安装于加工头18(图2)的结构。例如，能够在不与激光L发生干扰的位置使用适当的驱动机构(未图示)将透过光学构件52以能够沿光轴方向无级地移动的方式设置于壳体34的内部。根据该结构，与激光加工的种类、工件W的材质、厚度等对应地将透过光学构件52利用驱动机构配置在适当位置，由此能够向工件W照射具有最佳的聚光直径D和聚光角β的激光L来实施激光加工。此外，如前所述，激光L全部透过透过光学构件52的中心平板部分56的结构(图13A)起到与在激光加工装置54中不具备透过光学构件52的结构实质上相同的激光聚光作用。也就是说，在激光L全部透过中心平板部分56的结构中，从光纤26射出的激光L通过实施了尽可能地降低几何像差等对策的聚光光学部32被会聚，由此不使本来具有的聚光性能劣化而从加工头18射出。因而，将透过光学构件52以能够沿光轴方向移动的方式进行安装的激光加工装置54通过使透过光学构件52移动到适当位置，不仅根据激光加工的种类、工件W的材质、厚度等的变更，还能够根据加工所要求的激光L的聚光性能的变更来实施最佳的激光加工。
并且，能够将激光加工装置54设为透过光学构件52装卸自如地安装于加工头18(图2)的预先决定的多个位置的结构。例如，能够在不与激光L发生干扰的位置使用适当的安装用具(未图示)将透过光学构件52装卸自如地安装于壳体34(图2)的内表面。根据该结构，与激光加工的种类、工件W的材质、厚度、所要求的激光的聚光性能等对应地，将透过光学构件52安装于从预先决定的多个位置中适当选择出的位置，由此能够向工件W照射具有最佳的聚光直径D和聚光角β的激光L来实施激光加工。另外，也能够准备圆锥板部分58的顶角θ、厚度t、折射率、内径(中心平板部分56的外径)等不同的多种透过光学构件52，与激光加工的种类、工件W的材质、厚度、所要求的激光的聚光性能等对应地，适当地选择透过光学构件52来安装于加工头18的期望的位置。并且，还能够在一台激光加工装置54中在不具备透过光学构件52的结构与具备透过光学构件52的结构之间适当地选择并切换。在不具备透过光学构件52的结构中，能够使从光纤26射出的激光L以其本来的聚光性能不会劣化的方式从加工头18射出。
在激光加工装置54中也与激光加工装置10同样地，能够将透过光学构件52配置成与图12A～图15C所示的朝向相反，或者配置于从激光L的行进方向看时的聚光光学部32的下游侧。能够根据激光加工的种类、工件W的材质、厚度等来选择透过光学构件52的朝向、相对于聚光光学部32的配置。
在激光加工装置54中，存在以下情况：在透过光学构件52的中心平板部分56与圆锥板部分58的边界附近入射到中心平板部分56的光线从圆锥板部分58射出，或者在该边界附近入射到圆锥板部分58的光线从中心平板部分56射出。在该情况下，担心透过透过光学构件52前后的光线路径变得相互不平行，因此期望的是根据激光L的扩散角α、聚光角β来设计透过光学部件52。
另外，在激光加工装置54中，能够根据激光的聚光点处的照射强度的所要求的分布，来决定透过光学构件52在光轴方向上的位置。例如，在光纤26的芯径(直径)为50μm、激光L的扩散角α为半角为0.1rad、从光纤26的射出端26a到聚光光学部32的主点的距离为100mm、从聚光光学部32的主点到激光L的聚光点的距离为100mm、聚光光学部32的成像倍率为1.0的条件下将透过光学构件52配置在如图13A所示那样的光纤射出端26a的附近位置的情况下，聚光直径(直径)成为与光纤26的芯径相等的50μm。当将透过光学构件52的圆锥板部分58的顶角设为176.6°(即倾斜角度1.7°)、将厚度设为5mm时，经过圆锥板部分58并被聚光光学部32会聚的光线群会聚于内径为约50μm、外径为约150μm、宽度为约50μm的环状区域。在环状区域的内侧，经过了透过光学构件52的中心平板部分56的光线群会聚于直径为约50μm的圆形区域。环状区域的面积是圆形区域的面积的约8倍。因此，通过将透过光学构件52配置在经过中心平板部分56的光线群的8倍的光线群透过圆锥板部分58的位置，能够在直径为150μm的整个聚光点以均等的照射强度照射激光。如果透过光学构件52的中心平板部分56的直径为5mm，则只要将透过光学构件52配置在激光以15mm的外径透过圆锥板部分58的位置，就能够得到照射强度均等的直径为150μm的聚光点。
在激光加工装置54中，能够取代透过光学构件52而使用如图16A和图16B所示那样在环状的圆锥板部分58的内侧具有以对称轴58a为中心的圆形的孔60的透过光学构件62。透过光学构件62是将透过光学构件52的中心平板部分56置换为孔60而成的，对透过的激光产生的作用与透过光学构件52实质上相同。此外，在透过光学构件62中，存在圆锥板部分58的划定孔60的环状内周面因其形状而易于吸收激光的情况，因此期望的是，不将透过光学构件62配置在距光纤26的射出端26a非常近的位置、或激光中的能量强度强的部分照射到环状内周面这样的位置。
此外，在透过光学构件52、62配置于聚光光学部32的上游侧的情况下，优选的是，环状的圆锥板部分58具有比具有扩散角α的激光L的最小光束直径(光纤26的射出端26a的芯径)大的内径。另一方面，在透过光学构件52、62配置于聚光光学部32的下游侧的情况下，优选的是，环状的圆锥板部分58具有比具有聚光角β的激光L的聚光直径D大的内径。
参照图17A～图17C来说明形状与透过光学构件44、52、62不同的透过光学构件64的结构以及具备透过光学构件64的其它实施方式的激光加工装置66的结构。此外，具备透过光学构件64的激光加工装置66除了将透过光学构件52、62置换为透过光学构件64这点以外能够具有与图12A～图15C的激光加工装置54相同的结构。在以下的说明中，对与激光加工装置54的结构对应的结构标注共同的参照标记，由此省略其说明。
如图17A所示，透过光学构件64具备：厚度均匀的中心平板部分68，其为旋转对称形状，与对称轴68a正交；沿中心平板部分68的外周设置的厚度均匀的环状的第一圆锥板部分70，其为旋转对称形状，相对于对称轴70a倾斜；以及沿第一圆锥板部分70的外周设置的厚度均匀的环状的第二圆锥板部分72，其为旋转对称形状，相对于对称轴72a倾斜。中心平板部分68的对称轴68a、第一圆锥板部分70的对称轴70a以及第二圆锥板部分72的对称轴72a相互一致，并且与透过光学构件64的中心轴线64a一致。第一圆锥板部分70与第二圆锥板部分72配置成彼此呈同心圆状。第二圆锥板部分72相对于与对称轴72a正交的面的倾斜角度大于第一圆锥板部分70相对于与对称轴70a正交的面的倾斜角度。换言之，透过光学构件64是将前述的透过光学构件52的圆锥板部分58置换为倾斜角度互不相同的第一圆锥板部分70和第二圆锥板部分72而成的，其它结构能够与透过光学构件52相同。
图17B所示的激光加工装置66将透过光学构件64配置在从光纤26的射出端26a射出的激光L的一部分透过中心平板部分68、该激光L的另一部分透过第一圆锥板部分70、该激光L的剩余的部分透过第二圆锥板部分72的位置。如参照图11A～图11D所说明的那样，分别透过透过光学构件64的中心平板部分68、第一圆锥板部分70以及第二圆锥板部分72的光线的透过前后的光线路径的平行移动距离互不相同。其结果，在图17B的结构中，如图17C所放大示出的那样，从光纤射出端26a的芯端面的外缘附近区域射出的激光L的光线群在聚光点I处会聚于聚光直径(外径)D的环状区域S，从芯端面的外缘附近区域的内侧的环状区域射出的激光L的光线群在聚光点I处会聚于环状区域S的内侧的聚光直径(外径)D′的环状区域S′，从芯端面的中心区域射出的激光L的光线群在聚光点I处会聚于环状区域S′的内侧的聚光直径(外径)D″的圆形区域S″。
在激光加工装置66中，与前述的激光加工装置54同样地，能够与激光加工的种类、工件W的材质、厚度、所要求的激光的聚光性能等对应地，将透过光学构件64配置在沿着聚光光学部32的光轴32a(图12A)的期望位置。另外，在激光加工装置66中，与激光加工装置54同样地，能够根据激光的聚光点处的照射强度的所要求的分布来决定透过光学构件64在光轴方向上的位置。此外，通过将透过光学构件64设为具备相对于对称轴以互不相同的角度倾斜并配置成同心圆状的三个以上的圆锥板部分的结构，能够更加细致地应对各种要求。另外，也能够将透过光学构件64的中心平板部分68置换为孔，或者省略中心平板部分68来使第一圆锥板部分70成为与图3A所示的透过光学构件44的圆锥板部分46相同的圆锥形状。这样，激光加工装置66通过具备包括第一圆锥板部分70和第二圆锥板部分72(聚光直径扩大部分)的透过光学构件64，至少起到与图12A所示的激光加工装置54同等的效果。
参照图18A～图18C来说明形状与透过光学构件44、52、62、64不同的透过光学构件74的结构以及具备透过光学构件74的其它实施方式的激光加工装置76的结构。此外，具备透过光学构件74的激光加工装置76除了将透过光学构件52、62置换为透过光学构件74这点以外，能够具有与图12A～图15C的激光加工装置54相同的结构。在以下的说明中，对与激光加工装置54的结构对应的结构标注共同的参照标记，由此省略其说明。
透过光学构件74是将前述的具有互不相同的倾斜角度的多个圆锥板部分的结构通过以下的结构来实现的：该结构包括相对于对称轴以绝对值彼此相等的角度向相反方向倾斜的一对圆锥板部分。例如，如图18A所示，透过光学构件74具备：厚度均匀的中心平板部分78，其为旋转对称形状，与对称轴78a正交；沿中心平板部分78的外周设置的厚度均匀的环状的第一圆锥板部分80，其为旋转对称形状，相对于对称轴80a倾斜；以及沿第一圆锥板部分80的外周设置的厚度均匀的环状的第二圆锥板部分82，其为旋转对称形状，相对于对称轴82a倾斜。中心平板部分78的对称轴78a、第一圆锥板部分80的对称轴80a以及第二圆锥板部分82的对称轴82a相互一致，并且与透过光学构件74的中心轴线74a一致。第一圆锥板部分80与第二圆锥板部分82配置成彼此呈同心圆状。第一圆锥板部分80相对于与对称轴80a正交的面的倾斜角度与第二圆锥板部分82相对于与对称轴82a正交的面的倾斜角度其绝对值彼此相等且向相反方向倾斜。
如图18B所示，透过光学构件74能够还具备：沿第二圆锥板部分82的外周设置的厚度均匀的环状的第三圆锥板部分84，其为旋转对称形状，相对于对称轴84a倾斜；以及沿第三圆锥板部分84的外周设置的厚度均匀的环状的第四圆锥板部分86，其为旋转对称形状，相对于对称轴86a倾斜。第三圆锥板部分84的对称轴84a及第四圆锥板部分86的对称轴86a与中心平板部分78的对称轴78a一致，并且与透过光学构件74的中心轴线74a一致。第三圆锥板部分84与第四圆锥板部分86配置成彼此呈同心圆状，并且与第一圆锥板部分80及第二圆锥板部分82配置成同心圆状。第三圆锥板部分84相对于与对称轴84a正交的面的倾斜角度与第四圆锥板部分86相对于与对称轴86a正交的面的倾斜角度其绝对值彼此相等且向相反方向倾斜。另外，第三圆锥板部分84的倾斜角度大于第一圆锥板部分80的倾斜角度，第四圆锥板部分86的倾斜角度大于第二圆锥板部分82的倾斜角度。
如图18C所示，具备透过光学构件74的激光加工装置76构成为能够将透过光学构件74配置在沿着聚光光学部32的光轴32a的期望位置。在图18C中，表示分别在以下位置配置了透过光学构件74的状态：从光纤26的射出端26a射出的激光L全部透过中心平板部分78的位置(图中上端位置)；该激光的一部分透过中心平板部分78、该激光L的剩余的部分透过第一圆锥板部分80和第二圆锥板部分82的位置(图中中间位置)；以及该激光的一部分透过中心平板部分78、该激光L的另一部分透过第一圆锥板部分80和第二圆锥板部分82、该激光L的剩余的部分透过第三圆锥板部分84和第四圆锥板部分86的位置(图中下端位置)。在将透过光学构件74配置在图中上端位置的情况下，与图13A所示的激光加工装置54同样地，能够维持激光L的本来的聚光性能来使聚光点的聚光直径最小。在将透过光学构件74配置在图中中间位置的情况下，与图14A所示的激光加工装置54同样地，能够通过第一圆锥板部分80和第二圆锥板部分82的作用来扩大聚光点的聚光直径。在将透过光学构件74配置在图中下端位置的情况下，能够通过与第一圆锥板部分80和第二圆锥板部分82相比倾斜角度大的第三圆锥板部分84和第四圆锥板部分86的作用来进一步扩大聚光点的聚光直径。这样，激光加工装置76通过具备包括一对以上的圆锥板部分80、82、84、86(聚光直径扩大部分)的透过光学构件74，至少起到与图12A所示的激光加工装置54同等的效果。
参照图19A～图20D来说明形状与透过光学构件44、52、62、64、74不同的透过光学构件88的结构以及具备透过光学构件88的其它实施方式的激光加工装置90的结构。此外，具备透过光学构件88的激光加工装置90除了将透过光学构件44置换为透过光学构件88这点以外，能够具有与图5A～图7D的激光加工装置10相同的结构。在以下的说明中，对与激光加工装置10的结构对应的结构标注共同的参照标记，由此省略其说明。
透过光学构件88具有与省略了前述的透过光学构件74的中心平板部分78的结构相当的结构。如图19A所示，透过光学构件88具备：厚度均匀的环状的第一圆锥板部分92，其为旋转对称形状，相对于对称轴92a倾斜；以及沿第一圆锥板部分92的外周设置的厚度均匀的环状的第二圆锥板部分94，其为旋转对称形状，相对于对称轴94a倾斜。第一圆锥板部分92的对称轴92a与第二圆锥板部分94的对称轴94a相互一致，并且与透过光学构件88的中心轴线88a一致。第一圆锥板部分92与第二圆锥板部分94配置成彼此呈同心圆状。第一圆锥板部分92相对于与对称轴92a正交的面的倾斜角度与第二圆锥板部分94相对于与对称轴94a正交的面的倾斜角度其绝对值彼此相等且向相反方向倾斜。
如图19A所示，激光加工装置90具备透过光学构件88，该透过光学构件88设置于加工头18(图2)，配置于从激光L的行进方向看时的聚光光学部32的上游侧。透过光学构件88在壳体34(图2)的内部以其中心轴线88a与聚光光学部32的光轴32a一致的方式配置于光纤26的射出端26a与聚光光学部32之间的规定位置。另外，透过光学构件88配置于从光纤26的射出端26a射出的激光L的光束的中心部分透过第一圆锥板部分92、并且该光束的剩余的外周部分透过第二圆锥板部分94的位置。如参照图4A和图4B所说明的那样，透过光学构件88能够使从光纤26的射出端26a射出的激光L在透过前后其扩散角α维持固定地透过。
从光纤26的射出端26a射出的具有扩散角α的激光L在透过透过光学构件88之后被聚光光学部(虚拟透镜)32会聚，并作为具有聚光角β的激光L照射到工件W。关于各部尺寸，与图5A～图5D的结构同样地，将光纤26的芯径(直径)设为50μm，将激光L的扩散角α设为半角为0.1rad，将从光纤26的射出端26a的芯端面到聚光光学部32的主点的距离设为100mm，将聚光光学部32的焦距设为50mm。另外，关于透过光学构件88，将第一圆锥板部分92的顶角设为177.14°(也就是说将相对于与对称轴92a正交的面的倾斜角度设为1.43°)、将厚度设为3mm，将第二圆锥板部分94的顶角设为-177.14°(也就是说将相对于与对称轴94a正交的面的倾斜角度设为-1.43°)、将厚度设为3mm，将透过光学构件88配置在从光纤射出端26a的芯端面到第一圆锥板部分92的顶点的距离为64mm的位置。
图19B表示通过仿真得到的激光L的一部分光线的路径。图19C是为了有助于理解而仅提取图19B所示的光线路径的任意部分得到的图。例如，在图19B和图19C中，从光纤射出端26a的芯端面的上端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件88的第二圆锥板部分94，与入射角相应地进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件88，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出。另外，在图19B和图19C中，从光纤射出端26a的芯端面的下端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件88的第二圆锥板部分94，与入射角相应地进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件88，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出。这些光线的路径与图6B和图6C所示的光线的路径实质上对应。
另一方面，从光纤26的射出端26a的中心区域射出的光线群在透过第一圆锥板部分92时，在透过前后平行移动与透过第二圆锥板部分94的光线不同的距离，之后被聚光光学部32会聚后射出。作为结果，激光L在聚光点I处会聚于与图6D的聚光形状相同的聚光直径D的圆形区域S(与芯端面的外周形状对应的、具有约2倍的直径的区域)。而且，此时，激光L透过相对于对称轴92a、94a以绝对值彼此相等的角度向相反方向倾斜的一对第一圆锥板部分92和第二圆锥板部分94，由此，以聚光点I为中心的光轴方向前后的规定范围内的光线群的路径的形态与图5D所示的不透过透过光学构件44时的光线群的路径的形态类似(以聚光点I为中心的镜像形态)。因而，通过具备透过光学构件88的激光加工装置90，能够期待：例如在有意地使聚光点I沿光轴方向偏离于工件表面来进行激光加工时，扩大激光L在聚光点I处的聚光直径D，另一方面得到与不具备透过光学构件88的情况下得到的加工质量同等的加工质量。此外，激光加工装置90通过具备包括一对以上的圆锥板部分92、94(聚光直径扩大部分)的透过光学构件88，至少起到与图2所示的激光加工装置10同等的效果。
图20A表示将具有与透过光学构件88相比各圆锥板部分的顶角不同的圆锥板部分的透过光学构件88′配置在与透过光学构件88相同的位置的激光加工装置90。关于透过光学构件88′，将第一圆锥板部分92的顶角设为174.28°(也就是说将相对于与对称轴92a正交的面的倾斜角度设为2.86°)，将第二圆锥板部分94的顶角设为-174.28°(也就是说将相对于与对称轴94a正交的面的倾斜角度设为-2.86°)。其它各部尺寸与图19A的结构相同。
图20B表示通过仿真得到的激光L的一部分光线的路径。图20C是为了有助于理解而仅提取图20B所示的光线路径的任意部分得到的图。例如，在图20B和图20C中，从光纤射出端26a的芯端面的上端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件88′的第二圆锥板部分94，与入射角相应地进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件88′，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出。另外，在图20B和图20C中，从光纤射出端26a的芯端面的下端射出的光线以扩散角α扩散地入射到透过光学构件88′的第二圆锥板部分94，与入射角相应地进行折射和平行移动，维持扩散角α地透过透过光学构件88′，之后入射到聚光光学部32，从聚光光学部32以聚光角β射出。这些光线的路径与图7B和图7C所示的光线的路径实质上对应。
另一方面，从光纤26的射出端26a的中心区域射出的光线群在透过第一圆锥板部分92时，在透过前后平行移动与透过第二圆锥板部分94的光线不同的距离，之后被聚光光学部32会聚后射出。作为结果，激光L在聚光点I处会聚于与图7D的聚光形状相同的聚光直径D(外径)D的环状区域S(与芯端面的外周形状对应的、具有约3倍的外径的圆环状的区域)。而且，此时，激光L透过相对于对称轴92a、94a以绝对值彼此相等的角度向相反方向倾斜的一对第一圆锥板部分92和第二圆锥板部分94，由此，以聚光点I为中心的光轴方向前后的规定范围内的光线群的路径的形态与图5D所示的不透过透过光学构件44时的光线群的路径的形态类似(以聚光点I为中心的镜像形态)。这样，在具备透过光学构件88′的激光加工装置90中也起到与具备透过光学构件88的激光加工装置90同等的效果。
参照图21来说明形状与透过光学构件44、52、62、64、74、88不同的透过光学构件96的结构以及具备透过光学构件96的其它实施方式的激光加工装置98的结构。此外，具备透过光学构件96的激光加工装置98除了将透过光学构件52、62置换为透过光学构件96这点以外，能够具有与图12A～图15C的激光加工装置54相同的结构。在以下的说明中，对与激光加工装置54的结构对应的结构标注共同的参照标记，由此省略其说明。
透过光学构件96具备第一构件100和第二构件102，该第一构件100和第二构件102具有与如下形状相当的形状：将前述的透过光学构件52的中心平板部分56和圆锥板部分58以与对称轴56a、58a正交的分割面进行分割得到的形状。第一构件100和第二构件102以各自的分割面100a、102a彼此相向的方式同轴配置。通过变更该第一构件100与第二构件102之间的距离，能够对透过了透过光学构件96的激光L在聚光点处的聚光直径和照射强度分布进行调整。
能够将激光加工装置98设为具有第一构件100和第二构件102的透过光学构件96以能够在沿着聚光光学部32的光轴32a的方向上移动的方式安装于加工头18(图2)的结构。例如，能够在不与激光L发生干扰的位置使用适当的驱动机构(未图示)将第一构件100和第二构件102中的至少一方以能够沿光轴方向无级地移动的方式设置于壳体34的内部。根据该结构，与激光加工的种类、工件W的材质、厚度等以及所要求的激光的聚光性能对应地将第一构件100或第二构件102利用驱动机构配置在适当位置，由此能够向工件W照射具有最佳的聚光直径和聚光角β的激光L来实施激光加工。这样，激光加工装置98通过具备包括与圆锥板部分58(聚光直径扩大部分)相当的部分的透过光学构件96，至少起到与图12A所示的激光加工装置54同等的效果。
特别是在激光加工装置98中，与前述的激光加工装置54不同地，即使在以激光L的一部分必须透过包括第一构件100与第二构件102的组合的圆锥板部分为前提的情况下，也不是将透过光学构件96更换为参数不同的其它透过光学构件96，而是能够通过变更第一构件100与第二构件102之间的距离来变更激光L在聚光点处的聚光直径。此外，在将第一构件100和第二构件102配置成各自的分割面100a、102a彼此朝向相反侧的情况下，也能够起到同等的效果。
参照图22A～图22C来说明形状与透过光学构件44、52、62、64、74、88、96不同的透过光学构件104的结构以及具备透过光学构件104的其它实施方式的激光加工装置106的结构。此外，具备透过光学构件104的激光加工装置106除了将透过光学构件52、62置换为透过光学构件104这点以外，能够具有与图12A～图15C的激光加工装置54相同的结构。在以下的说明中，对与激光加工装置54的结构对应的结构标注共同的参照标记，由此省略其说明。
透过光学构件104与前述的透过光学构件44、52、62、64、74、88、96不同，不具备作为聚光直径扩大部分而发挥功能的圆锥板部分。如图22A所示，透过光学构件104的聚光直径扩大部分包括：厚度均匀的中心平板部分108，其是透过光学构件104所具备的具有旋转对称形状的中心平板部分108，与对称轴108a正交；以及厚度均匀的环状平板部分110，其是透过光学构件104所具备的具有旋转对称形状的环状平板部分110，与对称轴110a正交。沿中心平板部分108的外周设置有环状平板部分110。中心平板部分108的厚度与环状平板部分110的厚度互不相同。中心平板部分108的对称轴108a与环状平板部分110的对称轴110a相互一致，并且与透过光学构件104的中心轴线104a一致。
如图22B所示，激光加工装置106具备透过光学构件104，该透过光学构件104设置于加工头18(图2)，配置于从激光L的行进方向看时的聚光光学部32的上游侧。透过光学构件104在壳体34(图2)的内部以其中心轴线104a与聚光光学部32的光轴32a一致的方式配置于光纤26的射出端26a与聚光光学部32之间的规定位置。另外，透过光学构件104配置于从光纤26的射出端26a射出的激光L的光束的中心部分透过中心平板部分108、并且该光束的剩余的外周部分透过环状平板部分110的位置。如参照图11A～图11D所说明的那样，透过光学构件110能够使从光纤26的射出端26a射出的激光L在透过前后其扩散角α维持固定地透过。
透过了中心平板部分108的光线群与透过了环状平板部分110的光线群均以与不透过透过光学构件104时的激光的聚光直径相同的聚光直径会聚。但是，由于中心平板部分108的厚度与环状平板部分110的厚度互不相同，因此，因透过中心平板部分108引起的光线路径的平行移动距离与因透过环状平板部分110引起的光线路径的平行移动距离互不相同。其结果，如图22C所放大示出的那样，透过了中心平板部分108的光线群与透过了环状平板部分110的光线群在沿光轴方向彼此偏离的位置处会聚于圆形区域S1、S2。会聚后的激光L的光束的外径最小的位置是圆形区域S1与圆形区域S2之间的位置。该位置是激光L的聚光点I，其聚光直径D大于不透过透过光学构件104时的激光的聚光直径。
这样，激光加工装置106通过具备包括中心平板部分108和环状平板部分110(聚光直径扩大部分)的透过光学构件104，至少起到与图12A所示的激光加工装置54同等的效果。在激光加工装置106中，也能够通过改变中心平板部分108和环状平板部分110各自的厚度、折射率等参数中的期望的参数来变更聚光直径D的尺寸。另外，能够通过改变中心平板部分108的外径(即环状平板部分110的内径)来对聚光点I的中心区域与外缘附近区域的照射强度的比率进行调整。
在激光加工装置106中也能够采用透过光学构件104装卸自如地安装于加工头18的预先决定的位置的结构、或透过光学构件104以能够在沿着聚光光学部32的光轴32a的方向上移动的方式被安装的结构。通过改变透过光学构件104在沿着光轴32a的方向上的位置，能够变更聚光直径D的尺寸、或者对聚光点I的中心区域与外缘附近区域的照射强度的比率进行调整。另外，通过将透过光学构件104配置在从光纤射出端26a射出的激光L全部透过中心平板部分108的位置、或卸下透过光学构件104，能够将激光L以本来具有的聚光性能不会劣化的方式从加工头18射出。
参照图23A和图23B来说明形状与透过光学构件44、52、62、64、74、88、96、104不同的透过光学构件112的结构以及具备透过光学构件112的其它实施方式的激光加工装置114的结构。此外，具备透过光学构件112的激光加工装置114除了将透过光学构件52、62置换为透过光学构件112这点以外，能够具有与图12A～图15C的激光加工装置54相同的结构。在以下的说明中，对与激光加工装置54的结构对应的结构标注共同的参照标记，由此省略其说明。
透过光学构件112与前述的透过光学构件104同样地，不具备作为聚光直径扩大部分而发挥功能的圆锥板部分。如图23A所示，透过光学构件112的聚光直径扩大部分具备：厚度均匀的中心平板部分116，其是透过光学构件112所具备的具有旋转对称形状的中心平板部分116，与对称轴116a正交；以及厚度均匀的环状平板部分118，其是透过光学构件112所具备的具有旋转对称形状的环状平板部分118，与对称轴118a正交。沿中心平板部分116的外周设置有环状平板部分118。中心平板部分116的厚度与环状平板部分118的厚度彼此相同，另一方面，中心平板部分116的折射率与环状平板部分118的折射率互不相同。中心平板部分116的对称轴116a与环状平板部分118的对称轴118a相互一致，并且与透过光学构件112的中心轴线112a一致。
如图23A所示，激光加工装置114具备透过光学构件112，该透过光学构件112设置于加工头18(图2)，配置于从激光L的行进方向看时的聚光光学部32的上游侧。透过光学构件112在壳体34(图2)的内部以其中心轴线112a与聚光光学部32的光轴32a一致的方式配置于光纤26的射出端26a与聚光光学部32之间的规定位置。另外，透过光学构件112配置于从光纤26的射出端26a射出的激光L的光束的中心部分透过中心平板部分116、并且该光束的剩余的外周部分透过环状平板部分118的位置。
激光加工装置114通过具备透过光学构件112，能够与激光加工装置106同样地对激光L在聚光点处的聚光直径、照射强度分布进行调整。另外，在激光加工装置106、114中，能够取代透过光学构件104、112，而使用如图23B所示那样在环状平板部分118的内侧具有以对称轴118a为中心的圆形的孔120的透过光学构件122。透过光学构件122是将透过光学构件104、112的中心平板部分108、116置换为孔120而成的，对透过的激光产生的作用与透过光学构件104、112实质上相同。
此外，在透过光学构件104、112、122配置于聚光光学部32的上游侧的情况下，优选的是，环状平板部分110、118具有比具有扩散角α的激光L的最小光束直径(光纤26的射出端26a的芯径)大的内径。另一方面，在透过光学构件104、112、122配置于聚光光学部32的下游侧的情况下，优选的是，环状平板部分110、118具有比具有聚光角β的激光L的聚光直径D大的内径。
以上，说明了本发明的实施方式，但是能够不脱离前述的权利要求书的公开范围地进行各种修正和变更，这是本领域技术人员能够理解的。

Claims (15)

1.一种激光加工装置，具备：
加工头，其向工件照射激光；
聚光光学部，其设置于上述加工头，使从激光光源入射到上述加工头的具有扩散角的激光会聚并作为具有聚光角的激光从上述加工头射出；以及
设置于上述加工头的透过光学构件，其配置于从上述激光的行进方向看时的上述聚光光学部的上游侧来使上述激光在透过前后上述扩散角维持固定地透过，或者配置于从上述激光的行进方向看时的上述聚光光学部的下游侧来使上述激光在透过前后上述聚光角维持固定地透过，
其中，上述透过光学构件具备使上述激光的聚光直径扩大的聚光直径扩大部分，该聚光直径扩大部分使透过了该聚光直径扩大部分的上述激光的上述聚光直径比不透过该聚光直径扩大部分而被上述聚光光学部会聚时的上述激光的聚光直径大。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
上述聚光直径扩大部分具备厚度均匀的圆锥板部分，该圆锥板部分是上述透过光学构件所具备的具有旋转对称形状的圆锥板部分，相对于对称轴倾斜，
上述透过光学构件配置于该圆锥板部分的该对称轴与上述聚光光学部的光轴一致的位置。
3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，
上述透过光学构件的整体是上述圆锥板部分。
4.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，
上述透过光学构件具备厚度均匀的中心平板部分，该中心平板部分具有旋转对称形状且与上述对称轴正交，沿该中心平板部分的外周设置有环状的上述圆锥板部分。
5.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，
上述透过光学构件在环状的上述圆锥板部分的内侧具有以上述对称轴为中心的圆形的孔。
6.根据权利要求4或5所述的激光加工装置，其特征在于，
在上述透过光学构件配置于上述上游侧的情况下，环状的上述圆锥板部分具有比具有上述扩散角的上述激光的最小光束直径大的内径，
在上述透过光学构件配置于上述下游侧的情况下，环状的上述圆锥板部分具有比具有上述聚光角的上述激光的上述聚光直径大的内径。
7.根据权利要求2～6中的任一项所述的激光加工装置，其特征在于，
上述透过光学构件具备相对于上述对称轴以互不相同的角度倾斜并配置成同心圆状的多个上述圆锥板部分。
8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，
多个上述圆锥板部分包括相对于上述对称轴以绝对值彼此相等的角度向相反方向倾斜的一对圆锥板部分。
9.根据权利要求2～8中的任一项所述的激光加工装置，其特征在于，
上述透过光学构件具备将上述圆锥板部分以与上述对称轴正交的分割面进行分割得到的形状的第一构件和第二构件，该第一构件和该第二构件以各自的该分割面彼此相向或彼此朝向相反侧的方式同轴配置。
10.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
上述聚光直径扩大部分具备：厚度均匀的中心平板部分，其是上述透过光学构件所具备的具有旋转对称形状的中心平板部分，与对称轴正交；以及厚度均匀的环状平板部分，其是上述透过光学构件所具备的具有旋转对称形状的环状平板部分，与对称轴正交，
其中，沿该中心平板部分的外周设置有该环状平板部分，并且该中心平板部分的厚度与该环状平板部分的厚度互不相同，上述透过光学构件配置于该中心平板部分的该对称轴及该环状平板部分的该对称轴与上述聚光光学部的光轴一致的位置。
11.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
上述聚光直径扩大部分具备：厚度均匀的中心平板部分，其是上述透过光学构件所具备的具有旋转对称形状的中心平板部分，与对称轴正交；以及厚度均匀的环状平板部分，其是上述透过光学构件所具备的具有旋转对称形状的环状平板部分，与对称轴正交，
其中，沿该中心平板部分的外周设置有该环状平板部分，并且该中心平板部分的折射率与该环状平板部分的折射率互不相同，上述透过光学构件配置于该中心平板部分的该对称轴及该环状平板部分的该对称轴与上述聚光光学部的光轴一致的位置。
12.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
上述聚光直径扩大部分具备厚度均匀的环状平板部分，该环状平板部分是上述透过光学构件所具备的具有旋转对称形状的环状平板部分，与对称轴正交，
上述透过光学构件在该环状平板部分的内侧具有以该对称轴为中心的圆形的孔，上述透过光学构件配置于该环状平板部分的该对称轴与上述聚光光学部的光轴一致的位置。
13.根据权利要求10～12中的任一项所述的激光加工装置，其特征在于，
在上述透过光学构件配置于上述上游侧的情况下，上述环状平板部分具有比具有上述扩散角的上述激光的最小光束直径大的内径，
在上述透过光学构件配置于上述下游侧的情况下，上述环状平板部分具有比具有上述聚光角的上述激光的上述聚光直径大的内径。
14.根据权利要求1～13中的任一项所述的激光加工装置，其特征在于，
上述透过光学构件以装卸自如的方式安装在上述加工头的预先决定的位置。
15.根据权利要求1～14中的任一项所述的激光加工装置，其特征在于，
上述透过光学构件以能够沿上述聚光光学部的光轴的方向移动的方式安装于上述加工头。
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