CN113245691A - 激光加工系统用光学组件以及激光加工系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供激光加工系统用光学组件以及激光加工系统。激光加工系统用光学组件具备：具有出射激光的多个激光发射器的激光二极管；具有多个透镜的透镜组件；具有光透过性的保持块；和遮光膜。保持块和激光二极管以第1粘接剂粘接，透镜组件和保持块以第2粘接剂粘接。遮光膜位于透镜组件与保持块之间。

Description

激光加工系统用光学组件以及激光加工系统
技术领域
本发明涉及激光加工系统用光学组件以及激光加工系统，详细地，涉及具有激光二极管的激光加工系统用光学组件以及激光加工系统。
背景技术
高输出激光系统利用在焊接、切断、穿孔以及材料处理等用途中。特别地，在铜、铝等对长波长的激光有比较高的反射率的金属的激光加工中，有时使用500nm以下的波长的激光。另外，在碳纤维增强塑料等树脂的激光加工中，有时使用与树脂材料进行化学反应的500nm以下的波长的激光。
这样的激光系统典型地具有：出射激光的激光发射器；和使激光聚光在被加工物上的光学系统。例如，能够使从激光发射器出射的激光在光纤中耦合，通过利用光学系统对来自光纤的激光进行处理来使其会聚在工件上，从而进行加工。
如专利文献1那样，波长合成(Wavelength Beam Combine，以下也称作WBC)技术是用于得到高的光束品质的1个手段。WBC系统一般包含：输出不同波长的激光的激光发射器；按每个波长以不同的角度将激光折弯的衍射光栅；和使激光发生外部谐振的半透明镜。
在高输出激光系统中，为了实现高输出而使用以数百μm的间距将多个激光发射器配置于1个半导体芯片的激光二极管(LD)。在使用这样的激光二极管的情况下，对于以窄的间距配置的各个激光发射器，需要调整Fast方向的扩展角并改变光束的形状的FAC(FastAxis Collimation，快轴准直)透镜以及用于调整光束的扩展角的光束旋转(BT)透镜。FAC透镜以及光束旋转透镜也以与激光发射器相同的间距配置。在使用以窄的间距配置这些透镜的透镜组件的情况下，从激光发射器出射的激光进入到透镜组件中的对应的光束旋转透镜。
在专利文献2中公开了将透镜与保持构件通过粘接剂粘接的光学组件。如此地，有时会在透镜组件表面设置使构件彼此粘接的粘接剂。例如在激光加工系统中，使用将透镜组件和激光二极管以粘接剂粘接的光学组件。对于从激光发射器出射的光来说，有时会由于激光照射到对聚光没有帮助的部位，因而使激光到达透镜组件表面上的粘接剂。特别是，短波长的激光易于通过瑞利散射而在玻璃内向各种方向散射。若短波长的激光照射到粘接剂，则粘接剂的紧贴性以及变形量就会变大，存在会劣化这样的问题。若粘接剂劣化，则光轴就会偏离，在激光系统中，就有可能变得难以形成高品质的光束。
另外，根据专利文献3，虽然在透镜组件内的透镜与透镜之间设置遮光部，但并不能抑制透镜组件内玻璃的瑞利散射，激光同样会射到粘接剂，有可能会使粘接剂劣化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2018/0198257号说明书
专利文献2：JP特开2010-197412号公报
专利文献3：JP特开2005-352062号公报
发明内容
本公开的一个方案所涉及的激光加工系统用光学组件具备：具有出射激光的多个激光发射器的激光二极管；具有多个透镜的透镜组件；具有光透过性的保持块；和遮光膜。所述保持块和所述激光二极管以第1粘接剂粘接。所述透镜组件和所述保持块以第2粘接剂粘接。所述遮光膜位于所述透镜组件与所述保持块之间。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式所涉及的光学组件的截面图。
图2是本发明的一个实施方式所涉及的光学组件的截面图。
附图标记说明
1 激光二极管
2 激光发射器
3 透镜组件
31 FAC透镜
32 光束旋转透镜
4 保持块
5 第1粘接剂
6 第2粘接剂
7 遮光膜
10 激光加工系统用光学组件
具体实施方式
在激光加工系统中所用的光学组件中，防止激光到达粘接剂从而防止粘接剂劣化并不容易
本发明的目的在于，提供粘接剂难以劣化的激光加工系统用光学组件以及激光加工系统。
本公开的激光加工系统用光学组件(以下也称作光学组件)具有：具有出射激光的多个激光发射器的激光二极管；具有多个透镜的透镜组件；具有光透过性的保持块；和具有光反射性或光吸收性的遮光膜。保持块和激光二极管以第1粘接剂粘接。透镜组件和保持块以第2粘接剂粘接。遮光膜位于透镜组件与保持块之间。
在本公开的激光加工系统用光学组件中，通过在透镜组件与保持块之间设置遮光膜，能防止来自激光二极管的激光在透镜组件内多重反射而使多重反射的激光进入到保持块内。特别是，由于蓝色等短波长的激光的瑞利散射大，因此易于在透镜组件内散射，激光易于发生多重反射。但是，由于在透镜组件与保持块之间设置遮光膜，因此激光难以侵入保持块，能防止激光向设置在保持块上的第1粘接剂照射而使粘接剂劣化。
本公开的激光加工系统具备：激光加工系统用光学组件；和使激光聚光的聚光单元。
根据本公开的激光加工系统用光学组件以及激光加工系统，能防止粘接剂的劣化。
<光学组件>
以下，基于实施方式来详细说明本公开的激光加工系统用光学组件。
(实施方式1)
图1表示本公开的一个实施方式所涉及的激光加工系统用光学组件10(以下也称作光学组件10)的截面图。光学组件10具有激光二极管1、透镜组件3和保持块4。激光二极管1具有出射激光的多个激光发射器2。激光二极管1是具有多个激光发射器2的LD芯片。激光发射器2的个数并没有特别限定，只要是2个以上即可。例如可以使用以数百μm的间距在1个半导体芯片配置2个以上的多个激光发射器2的激光二极管1。
透镜组件3具有多个透镜。透镜组件3对从激光发射器2出射的光的扩展角进行调整。透镜组件3优选具有FAC(Fast Axis Collimation，快轴准直)透镜31和光束旋转(BT)透镜32。在配置有多个激光发射器2的激光二极管1中，从各激光发射器2出射的光在垂直方向以及水平方向上具有扩展角。所谓垂直方向，是与激光二极管1的出射面垂直的方向，是出射的激光的快轴方向(以下也称作Fast方向)。所谓水平方向，是作为与激光二极管1的出射面平行的方向的、出射的激光的慢轴方向(以下也称作Slow方向)。首先，通过FAC透镜31使扩展角大的Fast方向的光成为平行光。之后，通过表面以及背面设置有相对于Fast方向倾斜给定的角度的准直透镜的光束旋转透镜32，来使从激光发射器2出射的激光旋转。另外，所谓使光旋转，是指使与光(光束)的传播方向垂直的面中的截面形状旋转。
FAC透镜31以及光束旋转透镜32以与激光发射器2相同的间距配置。由此，从各激光发射器2出射的激光通过对应的FAC透镜31以及光束旋转透镜32来调整扩展角。另外，激光发射器2的间距并没有特别限定，只要设定成使多个激光发射器2的功率的总能量通过FAC透镜31以及光束旋转透镜32而成为最大即可。出于透镜组件3的强度以及激光加工系统的加工精度的观点，激光发射器2的间距优选是100um以上且300um以下。
保持块4保持激光二极管1以及透镜组件3。激光二极管1以及透镜组件3需要在实际出射激光的同时使光轴匹配，以使得功率成为最大，需要相对的位置调整。因此，不能将激光二极管1和透镜组件3直接粘接。因此，如图1所示那样，通过将激光二极管1和保持块4以第1粘接剂5粘接，并将透镜组件3和保持块4以第2粘接剂6粘接，从而能得到将激光二极管1和透镜组件3一体保持的光学组件10。
另外，由于在使用光固化性树脂来作为第1粘接剂5以及第2粘接剂6的情况下，需要透过用于使第1粘接剂5以及第2粘接剂6固化的光，因此保持块4具有光透过性。保持块4只要根据需要以能将第1粘接剂5以及第2粘接剂6固化的程度具有光透过性即可。即，只要光能到达第1粘接剂5以及第2粘接剂6，则也可以是仅保持块4的一部分具有光透过性。作为保持块4，可以使用石英。在该情况下，例如可以由具有光透过性的石英来形成保持块4的一部分，由光透过性低的不透明石英(也称作白色石英)来形成保持块4的剩余部分。所谓不透明石英，是使微泡分散在石英内部而得到的石英。
第1粘接剂5如图1所示那样将激光二极管1和保持块4粘接。第1粘接剂5出于减少激光二极管1以及透镜组件3的热膨胀所引起的形变来提高调整精度的观点，优选使用光固化性树脂。光固化性树脂优选是紫外线固化性树脂。出于使调整精度提升来减少固化前后的位置偏离的观点，优选使用固化时的收缩性低的树脂。作为这样的树脂，例如能特别优选使用利用了阳离子系的固化剂的环氧树脂。第1粘接剂5设置成能将保持块4和激光二极管1粘接的形状即可。第1粘接剂5可以设置在保持块4的与激光二极管1对置的面的整面，也可以设置在一部分。
第2粘接剂6如图1所示那样将透镜组件3和保持块4粘接。作为第2粘接剂6，能使用与以上述的第1粘接剂5例示的粘接剂同样的粘接剂。第1粘接剂5以及第2粘接剂6的种类可以相同，也可以不同。第2粘接剂6只要设置成能将透镜组件3和保持块4粘接的形状即可。第2粘接剂6可以设置在保持块4的与透镜组件3对置的面的整面，也可以设置在一部分。第2粘接剂6可以设置在透镜组件3的与保持块4对置的面的整面，也可以设置在一部分。
光学组件10具有具有光反射性或光吸收性的遮光膜7。即，光学组件10具有光反射膜以及光吸收膜当中的至少一者。
遮光膜7如图1所示那样位于透镜组件3与保持块4之间。通过在透镜组件3与保持块4之间设置具有光反射性或光吸收性的遮光膜7，从而在透镜组件内多重反射的激光当中到达遮光膜的激光就会被遮光膜7反射或吸收。因此，激光难以进入到保持块4内，能防止在保持块4内激光发生反射而使激光到达第1粘接剂5。因此，能抑制第1粘接剂5的劣化。
遮光膜7可以与保持块4相接地设置，也可以与透镜组件3相接地设置，还可以与透镜组件3和保持块4双方相接地设置。将透镜组件3和保持块4粘接的粘接剂可以作为遮光膜7起作用。遮光膜7优选将透镜组件3的与保持块4粘接的粘接面的整体被覆。在该情况下，能更加抑制激光进入到保持块4内。
遮光膜7优选与透镜组件3相接地被覆透镜组件3的与保持块4对置的面的整面。在该情况下，第2粘接剂6隔着遮光膜7将透镜组件3和保持块4粘接。因此，若在透镜组件3内多重反射的激光到达遮光膜7，则激光就会被遮光膜7反射或吸收。因此，激光变得难以到达第2粘接剂6。因此，在该情况下，能抑制第2粘接剂6的劣化。
在本实施方式中，遮光膜7具有光反射性。即，在本实施方式中，遮光膜7是光反射膜，到达遮光膜7的激光被遮光膜7反射。光反射膜的种类并没有特别限定，只要能反射光且难以阻碍透镜组件3与保持块4的粘接性即可。
在本实施方式中，光反射膜含有铝。可以使用铝膜作为光反射膜。铝膜的厚度并没有特别限定，例如优选是50nm以上。在该情况下，铝膜具有对反射激光来说充分的光反射性。铝膜的成膜方法并没有特别限定，例如能通过溅射或蒸镀来形成。
(实施方式2)
在本实施方式中，对遮光膜7具有光吸收性的情况进行说明。即，在本实施方式中，遮光膜7是光吸收膜，到达遮光膜7的激光被遮光膜7吸收。光吸收膜的种类并没有特别限定，只要能吸收光且难以阻碍透镜组件3与保持块4的粘接性即可。另外，在使用光吸收膜作为遮光膜7的情况下，虽然吸收光而产生热能，但由于透镜组件3的热容量大，因此产生的热能的影响小。
在本实施方式中，光吸收膜含有氧化铬。可以使用氧化铬膜作为光吸收膜。氧化铬膜的厚度并没有特别限定，例如优选是50nm以上。在该情况下，氧化铬膜具有对吸收激光来说充分的光吸收性。氧化铬膜的成膜方法并没有特别限定，例如能通过溅射或蒸镀来形成。
另外，关于遮光膜7以外的构成要素，由于与实施方式1同样，因此省略说明。
(实施方式3)
在本实施方式中，参考图2来说明遮光膜7兼作第2粘接剂6的情况。在该情况下，第2粘接剂6即遮光膜7可以设置在透镜组件3的与保持块4对置的面的整面，也可以设置在一部分。其中，出于防止激光到达保持块4的观点，第2粘接剂6优选设置在透镜组件3与保持块4对置的面的整面。
第2粘接剂6优选是白色粘接剂或黑色粘接剂中的任一者。在第2粘接剂6是白色粘接剂的情况下，第2粘接剂6作为具有光反射性的遮光膜7起作用。白色粘接剂可以是将氧化钛以及硫化钙等白色粉体分散在粘接剂中而得到的粘接剂。另外，在使用白色粘接剂的情况下，由于紫外线等光所引起的固化反应有时会不充分，因此优选使用热固化性树脂来作为粘接剂。
在第2粘接剂6是黑色粘接剂的情况下，第2粘接剂6作为具有光吸收性的遮光膜7起作用。黑色粘接剂可以是将碳黑等黑色粉体分散在粘接剂中而得到的粘接剂。另外，黑色粘接剂由于紫外线所引起的固化反应不充分，因此期望是利用了热固化树脂的粘接剂。
另外，关于遮光膜7以外的构成要素，由于与实施方式1同样，因此省略说明。
<激光加工系统>
对利用本公开的光学组件10的激光加工系统详细进行说明。
激光加工系统具有：光学组件10；和使从光学组件10中的激光发射器2出射的激光聚光的聚光单元。
激光加工装置除了具有光学组件10和聚光单元以外，还可以具有使不同波长的激光成为1个光束的合成单元。在本实施方式中，对激光加工装置具有合成单元的方案进行说明。
在本实施方式所涉及的激光加工装置中，从多个激光发射器2出射的多个激光通过衍射光栅等合成单元而被叠加，被聚光成一道激光光束。
从多个激光发射器2出射的激光分别通过合成单元而变更光的传播方向。从激光发射器2分别出射的激光通过透镜组件3中的透镜来调整扩展角。优选地，激光通过透镜组件3中的FAC透镜31以及光束旋转透镜32来调整扩展角。之后，优选将激光通过凸透镜等准直器而平行光化。然后，平行光化的激光通过衍射光栅等合成单元而向特定的方向聚光。衍射光栅可以是反射型，也可以是透过型。
另外，合成单元并不限定于衍射光栅，只要是利用波长的差异的合成单元、利用偏振特性的合成单元以及空间合成单元即可。在利用波长的差异的合成单元中，例如能使用二向色镜、棱镜来将波长不同的激光耦合。在利用激光的偏振特性的合成单元中，例如能使得一个激光的偏振方向与其他激光的偏振方向所成的角成为90度，并使用偏振分束器将激光耦合。在空间合成单元中，例如能使用聚光透镜、反射镜来在空间上将激光耦合。
由合成单元合成的激光通过反射镜等聚光单元而聚光在被加工物上。例如使通过合成单元而叠加并聚光的激光除了其一部分以外都被反射镜反射，回到激光发射器侧。由此，使激光发生外部谐振，通过外部谐振而提高了输出的激光的一部分透过反射镜，向外部出射。将出射的激光导入到光纤，通过由光学系统对来自光纤的光进行处理，能使激光会聚到被加工物上来进行加工。
工业可利用性
本公开的激光加工系统用光学组件以及激光加工系统在焊接、切断、穿孔以及材料处理等用途中有用。

Claims (9)

1.一种激光加工系统用光学组件，具备：
具有出射激光的多个激光发射器的激光二极管；
具有多个透镜的透镜组件；
具有光透过性的保持块；和
遮光膜，
所述保持块和所述激光二极管以第1粘接剂粘接，
所述透镜组件和所述保持块以第2粘接剂粘接，
所述遮光膜位于所述透镜组件与所述保持块之间。
2.根据权利要求1所述的激光加工系统用光学组件，其中，
所述遮光膜由所述第2粘接剂构成。
3.根据权利要求1所述的激光加工系统用光学组件，其中，
所述遮光膜含有铝。
4.根据权利要求2所述的激光加工系统用光学组件，其中，
所述第2粘接剂是白色粘接剂。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的激光加工系统用光学组件，其中，
所述遮光膜具有光反射性。
6.根据权利要求1所述的激光加工系统用光学组件，其中，
所述遮光膜含有氧化铬。
7.根据权利要求2所述的激光加工系统用光学组件，其中，
所述第2粘接剂是黑色粘接剂。
8.根据权利要求1、2、6、7中任一项所述的激光加工系统用光学组件，其中，
所述遮光膜具有光吸收性。
9.一种激光加工系统，具备：
权利要求1～8中任一项所述的激光加工系统用光学组件；和
使所述激光聚光的聚光单元。
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