DE102008045778A1

DE102008045778A1 - Laserstrahlanlage

Info

Publication number: DE102008045778A1
Application number: DE102008045778A
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Hamamatsu Miyajima; Hiroshi Hamamatsu Sekiguchi
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2009-03-19
Also published as: US20090071947A1; JP2009072789A

Abstract

Offenbart wird eine Laserstrahlanlage, die umfasst: eine Lichtquelle, die einen Laserstrahl emittiert, eine Blende in einer flachen Plattenform und auf eine Weise angeordnet, die eine Richtung der optischen Achse des Laserstrahls von der Lichtquelle schneidet und die eine Öffnung aufweist, um einen Laserstrahl von der Lichtquelle durch diese hindurchzuführen, und einen Fokussierungsbereich, der in Bezug auf die Blende an einer der Lichtquelle gegenüberliegenden Stelle angeordnet ist und einen Laserstrahl, der durch die Öffnung der Blende hindurchgegangen ist, fokussiert und den Laserstrahl auf ein Werkstück strahlt, wobei der Fokussierungsbereich dem Laserstrahl, der durch die Öffnung der Blende gegangen ist, Astigmatismus verleiht und durch den Astigmatismus eine erste Brennlinie und eine zweite Brennlinie des Fokussierungsbereichs erzeugt werden, wobei die erste Brennlinie durch Fokussierung eines Laserstrahls, gestreut in einer ersten Richtung, die die Richtung der optischen Achse schneidet, gebildet wsird, die zweite Brennlinie durch Fokussierung eines Laserstrahls, gestreut in einer zweiten Richtung, die die Richtung der optischen Achse und die erste Richtung schneidet, gebildet wird und die Positionen der ersten Brennlinie und der zweiten Brennlinie in Richtung der optischen Achse verschieden sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserstrahlanlage, die einen Laserstrahl nutzt.
Technischer Hintergrund
Eine Laserstrahlanlage, die einen Laserstrahl nutzt, war als eine Anlage bekannt, die Bearbeitungen wie Schneiden, Bohren, Schweißen und Oberflächenbehandlung durchführt. Üblicherweise wurde in dieser Art von Laserstrahlanlage als eine Lichtquelle ein YAG-Laser oder ein Kohlendioxidlaser verwendet, der jederzeit auf eine hohe Leistung gebracht werden kann. In Verbindung mit der hohen Leistung von Halbleiterlasern hat sich jedoch in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit auf kleine Halbleiterlaser als Lichtquelle für Laserstrahlanlagen konzentriert.
Bei der Laserbearbeitung mit Hilfe von Laserstrahlanlagen kann ein auf ein Werkstück gestrahlter Laserstrahl reflektiert werden und wenn das Werkstück beispielsweise aus Metall ist, ist die Intensität des von dem Werkstück reflektierten Lichts stark. Falls ein derartig reflektiertes Licht, das eine starke Intensität aufweist, zu einem Halbleiterlaser, der eine Lichtquelle der Laserstrahlanlage ist, zurückkehrt, besteht ein Risiko, dass die Lebensdauer des Halbleiterlasers verkürzt wird oder dass der Halbleiterlaser ausfällt.
Diesbezüglich beschreibt die ungeprüft veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. S62-289387 eine Laserstrahlanlage, die einen Laserstrahl schräg auf die Bearbeitungsfläche eines Werkstückes strahlt. Gemäß dieser Laserstrahlanlage kann reflektiertes Licht, das auf die Bearbeitungsfläche des Werkstückes zu reflektieren ist, daran gehindert werden, zu der Lichtquelle zurückzukehren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer tatsächlichen Betriebsumgebung kann sich jedoch die Positionsbeziehung zwischen der Laserstrahlanlage und dem Werkstück ändern und bei der in der ungeprüft veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. S62-289387 beschriebenen Laserstrahlanlage kann der Neigungswinkel eines Laserstrahls in Bezug auf die Bearbeitungsfläche des Werkstückes unzulänglich werden. Beispielsweise kann der Neigungswinkel eines Laserstrahls in Bezug auf die Bearbeitungsfläche des Werkstückes zum Zeitpunkt der Installation oder des Einrichtens der Laserstrahlanlage, zum Zeitpunkt des Werkstückaustausches und dergleichen unzulänglich werden. Darüber hinaus kann der Neigungswinkel eines Laserstrahls in Bezug auf die Bearbeitungsfläche des Werkstückes in einem solch Fall unzulänglich werden, in dem sich beispielsweise der Winkel der Bearbeitungsfläche des Werkstückes in Bezug auf den Laserstrahl auf Grund einer Unebenheit, die auf der Bearbeitungsfläche des Werkstückes vorhanden ist, vorübergehend ändert. Im Ergebnis besteht eine Möglichkeit, dass von dem Werkstück reflektiertes Licht als ein Rückkehrlicht zu der Lichtquelle zurückkehrt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserstrahlanlage bereitzustellen, die unabhängig von der Positionsbeziehung mit einem Werkstück ein Rückkehrlicht zu einer Lichtquelle reduzieren kann.
Eine Laserstrahlanlage der vorliegenden Erfindung enthält (a) eine Lichtquelle, die einen Laserstrahl emittiert, (b) eine Blende in einer flachen Plattenform und auf eine Weise angeordnet, die quer zu einer Richtung der optischen Achse des Laserstrahls von der Lichtquelle ist, und die eine Öffnung aufweist, um den Laserstrahl von der Lichtquelle durch diese hindurchzuführen, und (c) einen Fokussierungsbereich, der in Bezug auf die Blende auf einer der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite angeordnet ist und den Laserstrahl, der durch die Öffnung der Blende gegangen ist, fokussiert und den Laserstrahl auf ein Werkstück strahlt, wobei (d) der Fokussierungsbereich dem Laserstrahl, der durch die Öffnung der Blende gegangen ist, Astigmatismus verleiht und (e) durch den Astigmatismus eine erste Brennlinie und eine zweite Brennlinie des Fokussierungsbereichs erzeugt werden, wobei die erste Brennlinie durch Fokussierung eines Laserstrahls, gestreut in einer ersten Richtung, die die Richtung der optischen Achse kreuzt, gebildet wird, die zweite Brennlinie durch Fokussierung eines Laserstrahls, gestreut in einer zweiten Richtung, die die Richtung der optischen Achse und die erste Richtung kreuzt, gebildet wird und die Positionen der ersten Brennlinie und der zweiten Brennlinie in Richtung der optischen Achse verschieden sind.
Gemäß dieser Laserstrahlanlage verleiht der Fokussierungsbereich einem Laserstrahl Astigmatismus und die Positionen der ersten Brennlinie und der zweiten Brennlinie sind in Richtung der optischen Achse verschieden und infolgedessen hat ein von der Bearbeitungsfläche des Werkstückes reflektiertes Licht einen Strahldurchmesser, der größer als ein Öffnungsdurchmesser in der Blende ist. Dementsprechend blockiert die Blende einen Anteil des von dem Werkstück reflektierten Lichts und ein Rückkehrlicht, das durch die Öffnung zu der Lichtquelle zurückkehrt, kann reduziert werden.
In einer tatsächlichen Betriebsumgebung kann sich hingegen die Positionsbeziehung zwischen der Laserstrahlanlage und dem Werkstück ändern und die Position der Bearbeitungsfläche des Werkstückes kann, beispielsweise zum Zeitpunkt der Installation oder des Einrichtens der Laserstrahlanlage, zum Zeitpunkt des Werkstückaustausches und dergleichen, mit der Position der ersten Brennlinie in Richtung der optischen Achse übereinstimmend sein. Dann wird ein Strahldurchmesser des von dem Werkstück reflektierten Lichts auf den Öffnungsdurchmesser in der Blende fokussiert. Da die zweite Brennlinie jedoch auf einer Position erzeugt wird, die von der Position der Bearbeitungsfläche des Werkstückes verschieden ist, ist ein Strahldurchmesser in der zweiten Richtung des von dem Werkstück reflektierten Lichts größer als ein Öffnungsdurchmesser in der Blende.
Gleichermaßen ist ein Strahldurchmesser in der ersten Richtung des von dem Werkzeug reflektierten Lichts, selbst dann, wenn die Position der Bearbeitungsfläche des Werkstückes mit der Position der zweiten Brennlinie in Richtung der optischen Achse übereinstimmend ist und ein Strahldurchmesser in der zweiten Richtung des von dem Werkstück reflektierten Lichts auf den Öffnungsdurchmesser in der Blende fokussiert wird, größer als der Öffnungsdurchmesser in der Blende, da die erste Brennlinie auf einer Position erzeugt wird, die von der Position der Bearbeitungsfläche des Werkstückes verschieden ist.
Deshalb blockiert gemäß dieser Laserstrahlanlage die Blende unabhängig von der Positionsbeziehung mit dem Werkstück einen Anteil des von dem Werkstück reflektierten Lichts und infolgedessen kann ein Rückkehrlicht, das durch die Öffnung zu der Lichtquelle zurückkehrt, reduziert werden.
Es wird bevorzugt, dass eine oben erwähnte Bearbeitungsfläche des Werkstückes in einer Position eingerichtet wird, in der sie zwischen der ersten Brennlinie und der zweiten Brennlinie des Fokussierungsbereichs in Richtung der optischen Achse eingeschlossen ist.
Dementsprechend wird, wenn beispielsweise die Bearbeitungsfläche des Werkstückes zu der Seite von einer von der ersten und der zweiten Brennlinie in Richtung der optischen Achse verschoben wird, der Abstand zwischen der Bearbeitungsfläche des Werkstückes und der anderen von der ersten und der zweiten Brennlinie vergrößert. Infolgedessen wird, wenn der Strahldurchmesser in einer von der ersten und der zweiten Richtung des von der Oberfläche des Werkstückes reflektierten Lichts reduziert wird, der Strahldurchmesser in der anderen von der ersten und der zweiten Richtung vergrößert. Infolgedessen können Änderungen bei dem Effekt des Reduzierens eines Rückkehrlichts zu der Lichtquelle in Hinsicht auf die Positionsbeziehung mit dem Werkstück vermindert werden.
Es wird bevorzugt, dass eine Strahlquerschnittsform des Laserstrahls auf einer Bearbeitungsfläche des oben erwähnten Werkstückes eine Ellipse ist.
Dementsprechend kann, durch Ändern einer Abtastrichtung des Laserstrahls auf dem Werkstück, eine für eine Vielzahl von Bearbeitungen geeignete Laserstrahlanlage in die Praxis umgesetzt werden. Wenn ein Laserstrahl beispielsweise in einer längeren Ausrichtung auf das Werkstück gescannt wird, kann die Laserstrahlintensität pro Flächeneinheit und Zeiteinheit erhöht werden, so dass eine Laserstrahlanlage, die für Bearbeitungen wie Schneiden oder Schweißen geeignet ist, welche eine hohe Leistung pro Flächeneinheit und Zeiteinheit erfordern, in die Praxis umgesetzt werden kann. Wenn ein Laserstrahl hingegen in einer kürzeren Ausrichtung gescannt wird, kann die Laserstrahlungsfläche pro Zeiteinheit vergrößert werden, so dass eine Laserstrahlanla ge für eine Bearbeitung, wie beispielsweise Oberflächenbehandlung, die eine große Behandlungsfläche pro Zeiteinheit erfordert, in die Praxis umgesetzt werden kann.
Gemäß der oben erwähnten Laserstrahlanlage kann darüber hinaus durch Änderung der Positionsbeziehung zwischen der ersten und der zweiten Brennlinie und der Bearbeitungsfläche des Werkstückes in Richtung der optischen Achse, spezieller durch Änderung der Positionsbeziehung zwischen dem Fokussierungsbereich und dem Werkstück in der Richtung der optischen Achse, eine Strahlquerschnittsform problemlos zu einer Ellipse ausgebildet werden und die längere Ausrichtung und die kürzere Ausrichtung eines Laserstrahls können problemlos geändert werden.
Es wird bevorzugt, des Weiteren eine Kühleinrichtung für die Blende einzubeziehen.
Da die Blende einen Anteil des von dem Werkstück reflektierten Lichts blockiert, erhöht sich die Temperatur der Blende, was in der Blende zu schnell fortschreitender Korrosion führen kann. Mit fortschreitender Korrosion verringert sich das Reflexionsvermögen und die Blende beginnt, mehr Rückkehrlicht zu absorbieren. Gemäß dieser Anordnung, die eine Kühleinrichtung enthält, kann jedoch ein Anstieg der Temperatur der Blende unterdrückt werden, was dazu führt, dass Schädigung der Blende unterdrückt werden kann.
Der oben erwähnte Fokussierungsbereich kann ein erstes optisches Element, das einen Fokussierungseffekt in eine Richtung hat, die die erste Richtung ist, und ein zweites optisches Element aufweisen, das einen Fokussierungseffekt in eine Richtung hat, die die zweite Richtung ist. Das erste optische Element kann beispielsweise eine erste Fokussierungslinse enthalten, die auf eine Weise quer zur Richtung der optischen Achse eingerichtet ist und die erste Brennlinie im Ergebnis dessen erzeugt, dass sie eine zylindrische Brechzahlverteilung in der ersten Richtung aufweist, und das zweite optische Element kann eine zweite Fokussierungslinse enthalten, die auf eine Weise quer zur Richtung der optischen Achse eingerichtet ist und getrennt von der ersten Fokussierungslinse in Richtung der optischen Achse eingerichtet ist und die zweite Brennlinie im Ergebnis dessen erzeugt, dass sie eine zylindrische Brechzahlverteilung in der zweiten Richtung aufweist.
Gemäß diesen Ausführungen kann ein Fokussierungsbereich, der einem Laserstrahl, der durch die Öffnung der Blende gegangen ist, einen Astigmatismus verleiht, problemlos in die Praxis umgesetzt werden.
Darüber hinaus kann der oben erwähnte Fokussierungsbereich ein erstes optisches Element, das einen Fokussierungseffekt in eine Richtung hat, die die erste Richtung ist, und ein zweites optisches Element aufweisen, das einen isotropen Fokussierungseffekt in einer Ebene hat, die die erste Richtung und die zweite Richtung einschließt. Beispielsweise kann das erste optische Element eine erste Fokussierungslinse enthalten, die auf eine Weise quer zur Richtung der optischen Achse eingerichtet ist und die erste Brennlinie im Ergebnis dessen erzeugt, dass sie eine zylindrische Brechzahlverteilung in der ersten Richtung aufweist und das zweite optische Element kann eine zweite Fokussierungslinse enthalten, die auf eine Weise quer zur Richtung der optischen Achse eingerichtet ist und getrennt von der ersten Fokussierungslinse in Richtung der optischen Achse eingerichtet ist und eine isotrope Brechzahlverteilung in einer Ebene hat, die die erste Richtung und die zweite Richtung einschließt, und der Fokussierungsbereich kann die zweite Brennlinie durch Fokussierungseffekte der ersten Fokussierungslinse und der zweiten Fokussierungslinse erzeugen.
Gemäß diesen Ausführungen kann ein Fokussierungsbereich, der einem Laserstrahl, der durch die Öffnung der Blende gegangen ist, einen Astigmatismus verleiht, problemlos in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus kann gemäß diesen Ausführungen durch Kombinieren einer zylindrischen Linse mit einer relativ langen Brennweite und einer asphärischen Linse (alternativ einer aplanatischen Linse oder einer achromatischen Linse) als die erste und die zweite Fokussierungslinse, eine astigmatische Differenz erzeugt werden, ohne eine starke sphärische Abweichung zu erzeugen.
Darüber hinaus kann der Fokussierungsbereich eine Multifokal-Linse aufweisen, die auf eine Weise quer zur Richtung der optischen Achse angeordnet ist und die erste und die zweite Brennlinie im Ergebnis dessen erzeugt, dass sie jeweils in der ersten und in der zweiten Richtung Brechzahlverteilungen aufweist, oder eine sphärische Linse haben, die auf eine Weise quer zur Richtung der optischen Achse angeordnet ist und auf eine Weise geneigt in Beziehung zur Richtung der optischen Achse eingerichtet ist.
Gemäß diesen Ausführungen kann ein Fokussierungsbereich, der einem Laserstrahl, der durch die Öffnung der Blende gegangen ist, einen Astigmatismus verleiht, problemlos in die Praxis umgesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nach Kenntnisnahme der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Begleitzeichnungen, die lediglich darstellend sind und nicht als die Erfindung einschränkend zu betrachten sind, besser verstanden werden.
Des Weiteren wird der Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung aus der folgenden ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden. Es versteht sich jedoch, dass die ausführliche Beschreibung und bestimmte Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben, lediglich darstellend sind, während für einen Fachmann in dieser Technik aus dieser ausführlichen Beschreibung eine Vielzahl von Änderungen und Modifikationen innerhalb des Geistes und des Schutzumfangs der Erfindung offensichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laserstrahlanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Ansicht, die eine Strahlquerschnittsform eines Laserstrahls der Laserstrahlanlage der 1 und eine Abtastrichtung des Laserstrahls auf einem Werkstück W zeigt.
3 ist eine Ansicht, die eine Strahlquerschnittsform eines Laserstrahls der Laserstrahlanlage der 1 und eine Abtastrichtung des Laserstrahls auf einem Werkstück W zeigt.
4 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laserstrahlanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laserstrahlanlage gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laserstrahlanlage gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Multifokal-Linse zum Verleihen von Astigmatismus zeigt.
8 ist eine Vorderansicht, die eine Modifikation einer Blende zeigt.
9 ist eine Ansicht, die eine Laserstrahlanlage gemäß einer Modifizierung der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dieselben oder entsprechende Teile sind in jeder Zeichnung mit denselben Bezugsziffern und -zeichen gekennzeichnet.
[Erste Ausführungsform]
1 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laserstrahlanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 1(a) ist eine Vorderansicht einer Laserstrahlanlage 1 und Figur (1b) ist eine Seitenansicht der Laserstrahlanlage 1. Außerdem wird in den 1(a) und 1(b) ein Werkstück W zusammen mit der Laserstrahlanlage 1 gezeigt.
Die Laserstrahlanlage 1 enthält eine Lichtquelle 10 und eine Lochblende 30 (Blende), eine Kollimationslinse 40 und eine erste und eine zweite Zylinderlinse 51 und 52 (einen Fokussierungsbereich), angeordnet in einer Ausrichtung nahezu senkrecht zu einer Richtung Z einer optischen Achse eines von der Lichtquelle 10 emittierten Laserstrahls.
Die Lichtquelle 10 hat beispielsweise einen Halbleiterlaser und emittiert einen Laserstrahl zu der Fokussierungslinse 20.
Die Fokussierungslinse 20 fokussiert den Laserstrahl von der Lichtquelle 10 und gibt denselben an die Lochblende 30 aus.
Die Lochblende 30 hat eine flache Plattenform und in einem zentralen Bereich der Lochblende 30 ist ein Loch 30a (Blende) ausgebildet, um den Laserstrahl von der Fokussierungslinse 20 durch dasselbe zu führen. Bevorzugt wird als Werkstoff für die Lochblende 30 ein Metall verwendet, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, das einen hohen Reflexionsgrad hat, um das von dem Werkstück reflektierte Licht zu blockieren, und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, um einen Anstieg der Temperatur auf Grund des reflektierten Lichts zu unterdrücken, wie unten beschrieben. Weiterhin wird eine Oberflächenbehandlung, wie zum Beispiel eine Vergoldung, auf der Lochblende 30 bevorzugt, um die Reflexion des von dem Werkstück W reflektierten Lichts zu verbessern. Alternativ kann als Werkstoff für die Lochblende 30 ein Keramikwerkstoff mit einem hohen Reflexionsgrad und einer ausgezeichneten Wärmebeständigkeit verwendet werden.
Die Fokussierungslinse 20 und die Lochblende 30 sind derartig angeordnet, dass an dem Loch 30a der Lochblende 30 ein Brennpunkt der Fokussierungslinse 20 erzeugt wird. Der Laserstrahl, der durch das Loch 30a der Lochblende 30 gegangen ist, wird dazu gebracht, in die Kollimationslinse 40 einzufallen.
Die Kollimationslinse 40 wandelt den einfallenden Laserstrahl in ein kollimiertes Licht um und gibt dasselbe an die erste Zylinderlinse 51 aus.
Die erste Zylinderlinse 51 (ein erstes optisches Element, eine erste Fokussierungslinse) hat eine zylindrische Brechzahlverteilung in einer ersten Richtung X, nahezu orthogonal zu der Richtung Z der optischen Achse, und hat nur in die eine Richtung, die die erste Richtung X ist, einen Fokussierungseffekt. Genauer gesagt fokussiert die erste Zylinderlinse 51 einen in der ersten Richtung X gestreuten Laserstrahl, fokussiert jedoch nicht einen in der zweiten Richtung Y gestreuten Laserstrahl, der nahezu orthognal zu der Richtung Z der optischen Achse ist und der ersten Richtung X ist. Auf diese Weise bildet die erste Zylinderlinse 51 durch Fokussieren des in der ersten Richtung X gestreuten Laserstrahls eine erste Brennlinie 51a aus. Die erste Brennlinie 51a befindet sich vor (der Seite der Laserstrahlanlage 1) einer Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W in der Richtung Z der optischen Achse. Die erste Zylinderlinse 51 gibt den fokussierten Laserstrahl an die zweite Zylinderlinse 52 aus.
Die zweite Zylinderlinse 52 (ein zweites optisches Element, eine zweite Fokussierungslinse) ist getrennt von der ersten Zylinderlinse 51 eingerichtet. Die zweite Zylinderlinse 52 hat eine zylindrische Brechzahlverteilung in der zweiten Richtung Y und hat nur in eine Richtung, die die zweite Richtung Y ist, einen Fokussierungseffekt. Genauer gesagt, fokussiert die zweite Zylinderlinse 52 einen in der zweiten Richtung Y gestreuten Laserstrahl, fokussiert jedoch nicht einen in der ersten Richtung X gestreuten Laserstrahl. Auf diese Weise bildet die zweite Zylinderlinse 52 durch Fokussieren des in der zweiten Richtung Y gestreuten Laserstrahls eine zweite Brennlinie 52a aus. Die zweite Brennlinie 52a befindet sich hinter (der der Laserstrahlanlage 1 gegenüberliegenden Seite) der Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W in der Richtung Z der optischen Achse. Die zweite Zylinderlinse 52 gibt den fokussierten Laserstrahl nahezu senkrecht an die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W aus.
Auf diese Weise wirken die erste und die zweite Zylinderlinse 51 und 52 als ein Fokussierungsbereich, um einem Laserstrahl Astigmatismus zu verleihen. Die Positionen der durch den Astigmatismus erzeugten ersten Brennlinie 51 und der zweiten Brennlinie 52a sind in der Richtung Z der optischen Achse verschieden. Die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W wird auf einer Position eingerichtet, die zwischen der ersten Brennlinie 51a und der zweiten Brennlinie 52a in der Richtung Z der optischen Achse eingeschlossen ist.
Auf Grund einer solchen Anordnung, wie in den 1(a) und 1(b) gezeigt, hat das von der Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W reflektierte Licht einen Strahldurchmesser, der größer als der Durchmesser des Loches 30a in der Lochblende 30 ist. Im Ergebnis wird ein Teil des von der Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W reflektierten Lichts durch die Lochblende 30 blockiert und ein Rückkehrlicht, das durch das Loch 30a zu der Lichtquelle 10 zurückkehrt, ist reduziert. Je weiter die erste und die zweite Brennlinie 51a und 52a von der Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W entfernt sind, desto größere Wirkung wird beim Reduzieren eines Rückkehrlichts erzielt.
In einer tatsächlichen Betriebsumgebung kann sich hingegen die Positionsbeziehung zwischen der Laserstrahlanlage 1 und dem Werkstück W ändern und die Position der Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W kann, beispielsweise zum Zeitpunkt der Installation oder des Einrichtens der Laserstrahlanlage 1, zum Zeitpunkt des Austauschs des Werkstückes W und dergleichen, mit der Position der ersten Brennlinie 51a in Richtung Z der optischen Achse übereinstimmend sein. Dann ist ein Strahldurchmesser des von dem Werkstück W reflektierten Lichts in der ersten Richtung X auf das Loch 30a in der Lochblende 30 fokussiert. Da die zweite Brennlinie 52a jedoch auf einer Position erzeugt wird, die von der Position der Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W verschieden ist, ist ein Strahldurchmesser des von dem Werkstück W reflektierten Lichts in der zweiten Richtung Y größer als das Loch 30a in der Lochblende 30.
Gleichermaßen ist ein Strahldurchmesser in der ersten Richtung X des von dem Werkstück W reflektierten Lichts, selbst dann, wenn die Position der Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W mit der Position der zweiten Brennlinie 22a in Richtung Z der optischen Achse übereinstimmend ist und ein Strahldurchmesser des von dem Werkstück W reflektierten Lichts in der zweiten Richtung Y auf den Durchmesser des Loches 30a in der Lochblende 30 fokussiert ist, größer als der Durchmesser des Loches 30a, da die erste Brennlinie 21a auf einer Position erzeugt wird, die von der Position der Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W verschieden ist.
Deshalb blockiert gemäß der Laseranlage 1 der ersten Ausführungsform die Lochblende 30 unabhängig von der Positionsbeziehung mit dem Werkstück W einen Anteil des von dem Werkstück W reflektierten Lichts und infolgedessen kann ein Rückkehrlicht, das durch das Loch 30a zu der Lichtquelle 10 zurückkehrt, reduziert werden.
Darüber hinaus wird gemäß der Laserstrahlanlage 1 der ersten Ausführungsform, da die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes auf einer Position eingerichtet ist, die zwischen der ersten Brennlinie 51a und der zweiten Brennlinie 52a eingeschlossen ist, wenn beispielsweise die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W zu der Seite von einer von der ersten und der zweiten Brennlinie 51a und 52a in der Richtung Z der optischen Achse verschoben wird, der Abstand zwischen der Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W und der anderen von der ersten und der zweiten Brennlinie 51a und 52a vergrößert. Dementsprechend wird, wenn der Strahldurchmesser des von dem Werk stück W in einer von der ersten und der zweiten Richtung X und Y reflektierten Lichts verkleinert wird, der Strahldurchmesser in der anderen von der ersten und der zweiten Richtung X und Y vergrößert. Infolgedessen können Änderungen bei dem Effekt des Reduzierens eines Rückkehrlichts zu der Lichtquelle 10 in Hinsicht auf die Positionsbeziehung mit dem Werkstück W vermindert werden.
In der ungeprüft veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. S62-289387, die oben erwähnt wurde, wird reflektiertes Licht jedoch in die Umgebung abgegeben, um auf diese Weise nicht zurückzukehren, was gefährlich ist. Dagegen wird bei der Laserstrahlmaschine 1 der ersten Ausführungsform das reflektierte Licht, da sie so aufgebaut ist, um reflektiertes Licht in die Laserstrahlmaschine zurückkehren zu lassen und dasselbe intern daran zu hindern, zu der Lichtquelle 10 zurückzukehren, nicht an die Umgebung abgegeben, was sicher ist.
Darüber hinaus beschreibt ein weiteres Patentdokument (die ungeprüft veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. S63-63589 ) eine Laserstrahlanlage, die von einem Werkstück reflektiertes Licht erkennt und eine Laserstrahlleistung steuert. Gemäß dieser Laserstrahlanlage kann die Laserstrahlleistung verringert werden, wenn das von dem Werkstück reflektierte Licht stark ist, und im Ergebnis kann die Intensität des zu einem Halbleiterlaser, der die Lichtquelle ist, zurückkehrenden Lichts geschwächt werden. Eine gleichmäßige Laserbearbeitung ist jedoch bei dieser Laserstrahlanlage schwierig, da sich die Laserstrahlleistung auf Grund einer Änderung der Intensität des von dem Werkstück reflektierten Lichts ändert. Dagegen ist bei der Laserstrahlanlage der ersten Ausführungsform eine gleichmäßige Laserbearbeitung möglich, weil ein Rückkehrlicht zu der Lichtquelle 10 reduziert werden kann, ohne die Intensität eines Laserstrahls zu ändern.
Gemäß der Laserstrahlanlage 1 der ersten Ausführungsform kann darüber hinaus durch Änderung der Positionsbeziehung zwischen der ersten und der zweiten Brennlinie 51a und 52a und der Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W in Richtung Z der optischen Achse, genauer gesagt durch Änderung der Positionsbeziehung zwischen der ersten und der zweiten Zylinderlinse 51 und 52 und dem Werkstück W in Richtung Z der optischen Achse, eine Strahlquerschnittsform problemlos als eine Ellipse ausgebildet werden und die längere Ausrichtung und die kürzere Ausrichtung einer Strahlquerschnittsform können problemlos geändert werden.
Infolgedessen kann, wenn die Strahlquerschnittsform des Laserstrahls als eine Ellipse bereitgestellt wird, durch Änderung einer Abtastrichtung des Laserstrahls auf dem Werkstück W eine Laserstrahlanlage in die Praxis umgesetzt werden, die für eine Vielzahl von Bearbeitungen geeignet ist.
Wenn beispielsweise, wie in 2 gezeigt, ein Laserstrahl in einer längeren Ausrichtung S1 auf das Werkstück W gescannt wird, kann die Laserstrahlintensität pro Flächeneinheit und Zeiteinheit erhöht werden, so dass eine Laserstrahlanlage, die für Bearbeitungen wie Schneiden oder Schweißen geeignet ist, welche eine hohe Leistung pro Flächeneinheit und Zeiteinheit erfordern, in die Praxis umgesetzt werden kann.
Wenn ein Laserstrahl hingegen, wie in 3 gezeigt, in einer kürzeren Ausrichtung S2 auf das Werkstück gescannt wird, kann die Laserstrahlungsfläche pro Zeiteinheit vergrößert werden, so dass eine Laserstrahlanlage für eine Bearbeitung, wie beispielsweise Oberflächenbehandlung, die eine große Behandlungsfläche pro Zeiteinheit erfordert, in die Praxis umgesetzt werden kann.
Hierbei wird ein Bereich einer bevorzugten astigmatischen Differenz |fzy| als 0,01 F < |fzy – fzx|d < 0,2f berücksichtigt, wobei eine durchschnittliche favorisierte Brennweite = (fzy + fzx)/2 aus einer geometrisch-optischen Brennweite fzy in einer ZY-Ebene, die eine erste Brennlinie 51a enthält, und einer geometrisch-optischen Brennweite fzx in einer ZX-Ebene, die die zweite Brennlinie 52a enthält, bestimmt wird und ein Blendenwert, wenn der Durchmesser eines Strahls, der in ein Fokussierungslinsensystem einfällt, als d bereitgestellt ist, durch F – fave/d dargestellt wird.
[Zweite Ausführungsform]
4 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laserstrahlanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 4(a) ist eine Vorderansicht der Laserstrahlanlage 1A und Figur 4(b) ist eine Seitenansicht der Laserstrahlanla ge 1A. Außerdem wird in den 4(a) und 4(b) zusammen mit der Laserstrahlanlage 1A ein Werkstück W gezeigt.
Die Laserstrahlanlage 1A unterscheidet sich in der Ausführung von der Laserstrahlanlage 1 dadurch, dass sie des Weiteren eine Lichtleitfaser 60 (einen Lichtleiterbereich), eine Kollimatorlinse 65 und eine Kühleinrichtung 70 enthält. Die anderen Aspekte der Ausführung der Laserstrahlanlage 1A sind dieselben, wie diejenigen der Laserstrahlanlage 1.
Ein Ende der Lichtleitfaser 60 ist mit der Lichtquelle 10 verbunden und das andere Ende davon ist in Richtung Z der optischen Achse angeordnet. Die Lichtleitfaser 60 leitet einen Laserstrahl von der Lichtquelle 10 von einem Ende zu dem anderen Ende und gibt denselben an die Kollimatorlinse 65 aus.
Die Kollimatorlinse 65 wandelt den einfallenden Laserstrahl in ein kollimiertes Licht um und gibt dasselbe an die Fokussierungslinse 20 aus.
Die Kühleinrichtung 70 ist zum Kühlen der Lochblende 30 bereitgestellt. Als Kühleinrichtung 70 wird ein Kühlluftgebläse, ein Wasserkühlkörper oder dergleichen verwendet.
Bei der Laserstrahlanlage 1A der zweiten Ausführungsform können dieselben Vorteile erzielt werden, wie mit der Laserstrahlanlage 1 der ersten Ausführungsform.
Hierbei besteht, wenn ein fasergeleiteter Hochleistungshalbleiterlaser, wie in der Laserstrahlanlage 1A, verwendet wird, eine Gefahr, dass nicht nur der Halbleiterlaser sondern auch ein Ausgabeabschlussbereich der Lichtleitfaser durch ein Rückkehrlicht überhitzt werden können und durchbrennen. Jedoch können gemäß der Laserstrahlanlage 1A Überhitzen und Durchbrennen des Ausgabeabschlussbereichs der Lichtleitfaser ebenso verringert werden, da die Lochblende 30 ein Rückkehrlicht reduziert.
Weiterhin erhöht sich, da die Lochblende 30 einen Anteil des von dem Werkstück W reflektierten Lichts blockiert, die Temperatur der Lochblende 30, was zu schnell fortschreitender Korrosion in der Lochblende 30 führen kann. Mit fortschreitender Korrosion verringert sich das Reflexionsvermögen und die Lochblende 30 beginnt, mehr Rückkehr licht zu absorbieren. Gemäß der Laserstrahlanlage 1A der zweiten Ausführungsform kann jedoch dadurch, dass sie die Kühleinrichtung 70 enthält, ein Anstieg der Temperatur der Lochblende 30 unterdrückt werden, was dazu führt, dass Schädigung der Lochblende 30 unterdrückt werden kann.
[Dritte Ausführungsform]
5 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laserstrahlanlage gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 5(a) ist eine Vorderansicht der Laserstrahlanlage 1B und 5(b) ist eine Seitenansicht der Laserstrahlanlage 1B. Außerdem wird in den 5(a) und 5(b) zusammen mit der Laserstrahlanlage 1B ein Werkstück W gezeigt.
Die Laserstrahlanlage 1B unterscheidet sich von der Laserstrahlanlage 1A der zweiten Ausführungsform dadurch, dass sie die Fokussierungslinse 20, die Kollimatorlinse 65 und die Kühleinrichtung 70 nicht enthält. Deshalb ist das andere Ende der Lichtleitfaser 60 so angeordnet, um einen Laserstrahl zu dem Loch 30a der Lochblende 30 zu emittieren. Die weiteren Aspekte der Ausführung der Laserstrahlanlage 1B sind dieselben, wie diejenigen der Laserstrahlanlage 1A.
Mit der Laserstrahlanlage 1B der dritten Ausführungsform können dieselben Vorteile erzielt werden, wie mit der Laserstrahlanlage 1A der zweiten Ausführungsform.
[Vierte Ausführungsform]
6 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laserstrahlanlage gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 6(a) ist eine Vorderansicht der Laserstrahlanlage 1C und 6(b) ist eine Seitenansicht der Laserstrahlanlage 1C. Außerdem wird in den 6(a) und 6(b) zusammen mit der Laserstrahlanlage 1C ein Werkstück W gezeigt.
Die Laserstrahlanlage 1C unterscheidet sich von der Laserstrahlanlage 1 der ersten Ausführungsform in der Konfiguration dadurch, dass sie eine sphärische Linse 53 an stelle der zylindrischen Linsen 51 und 52 enthält. Die weiteren Aspekte der Ausführung der Laserstrahlanlage 1C sind dieselben, wie diejenigen der Laserstrahlanlage 1.
Die sphärische Linse 53 ist geneigt zum vertikalen Zustand zu der Richtung Z der optischen Achse angeordnet. Dadurch wirkt die sphärische Linse 53 als ein Fokussierungsbereich, um einem Laserstrahl einen Astigmatismus zu verleihen. Außerdem werden die erste Brennlinie 51a und die zweite Brennlinie 52a, die durch den Astigmatismus zu erzeugen sind, auf Positionen erzeugt, um die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes in Richtung Z der optischen Achse dazwischen einzuschließen.
Mit der Laserstrahlanlage 1C der dritten Ausführungsform können dieselben Vorteile erzielt werden, wie mit der Laserstrahlanlage 1 der ersten Ausführungsform.
Daneben ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben erwähnten vorliegenden Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Modifikationen können vorgenommen werden.
In den vorliegenden Ausführungsformen wurden die zwei Zylinderlinsen 51 und 52 oder die sphärische Linse 53, in Bezug auf die Richtung Z der optischen Achse geneigt, beispielhaft als ein Fokussierungsbereich zum Verleihen von Astigmatismus beschrieben, jedoch sind als der Fokussierungsbereich zum Verleihen von Astigmatismus verschiedene Arten verwendbar.
Beispielsweise können in der 1 anstelle der ersten und der zweiten Zylinderlinse 51 und 52 jeweils eine Zylinderlinse mit einer relativ langen Brennweite und eine asphärische Linse (ein zweites optisches Element, eine zweite Fokussierungslinse) verwendet werden. Die asphärische Linse hat eine isotrope Brechzahlverteilung in einer Ebene, die die erste Richtung X und die zweite Richtung Y enthält, und infolgedessen einen isotropen Fokussierungseffekt. Genauer gesagt, wirkt die asphärische Linse so, um Licht, das einfällt, in der Richtung Z der optischen Achse an einem Punkt zu sammeln. Auf diese Weise bringt es die Zylinderlinse dazu, die erste Brennlinie 51 durch Fokussieren eines in der ersten Richtung X gestreuten Laserstrahls auszubilden und die Zylinderlinse und die asphärische Linse erzeugen die zweite Brennlinie 52a, ausgebildet durch einen in der zweiten Richtung Y gestreuten Laserstrahl. Indem auf diese Weise die Zylinderlinse, die eine relativ lange Brennweite aufweist, und eine asphärische Linse kombiniert werden, kann eine astigmatische Differenz geschaffen werden, ohne eine starke sphärische Abweichung zu erzeugen. Außerdem können dieselben Vorteile erzielt werden, wenn anstelle der asphärischen Linse eine aplanatische Linse oder eine achromatische Linse oder dergleichen verwendet wird.
Darüber hinaus kann, wie im Folgenden erläutert wird, der Fokussierungsbereich zum Verleihen von Astigmatismus durch eine einzelne Multifokal-Linse in die Praxis umgesetzt werden. 7 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Multifokal-Linse zum Verleihen von Astigmatismus zeigt. 7(a) zeigt eine Seitenansicht einer Multifokal-Linse 54 und 7(b) zeigt eine Seitenansicht der Multifokal-Linse, gesehen aus einer Richtung in Bezug auf 7(a) um 90 Grad gedreht. Eine Fläche 54a und die andere Fläche 54b der Multifokal-Linse 54 bilden zylindrische Flächen, die nahezu orthogonal zueinander sind. Dies ermöglicht der Multifokal-Linse 54, ähnlich wie den zwei Zylinderlinsen 51 und 52, einem Laserstrahl Astigmatismus zu verleihen und, ähnlich wie den vorliegenden Ausführungsformen, die erste und die zweite Brennlinie 51a und 52a zu erzeugen.
Alternativ ist es ebenso möglich, den Fokussierungsbereich zum Verleihen von Astigmatismus durch eine torische Linse umzusetzen. Alternativ hat als der Fokussierungsbereich zum Verleihen von Astigmatismus ein optisches Element, wie bei einer Zylinderlinse (konkav oder konvex), eine Brennleistung in einer Richtung nahezu vertikal zu der Richtung Z der optischen Achse und eine sphärische (oder asphärische) Linse kann damit zusammen verwendet werden. Alternativ kann als der Fokussierungsbereich zum Verleihen von Astigmatismus ein optisches Element, wie zum Beispiel eine Fresnel-Linse, ein reflektierender Spiegel, eine Brechzahlverteilungslinse oder ein optisches Beugungssystem, das eine Brennleistung nahezu senkrecht zu der Richtung Z der optischen Achse aufweist, während es orthogonal zu der Richtung Z der optischen Achse angeordnet ist, verwendet werden oder diese optischen Elemente, wie beispielsweise eine Fresnel-Linse, ein reflektierender Spiegel, eine Brechzahlverteilungslinse und ein optisches Beugungssystem können kombiniert genutzt werden. Alternativ kann als der Fokussierungsbereich zum Verleihen von Astigmatismus eine Multifokal-Linse verwendet werden, für die eine diffraktive Linse und eine refraktive Linse kombiniert genutzt werden können.
In den vorliegenden Ausführungsformen wurde die Lochblende 30 mit dem Loch 30a als eine Öffnung zum Blockieren eines Anteils des von dem Werkstück W reflektierten Lichts beispielhaft erläutert, wenn jedoch ein LD-Barren (Laserdiodenbarren) oder ein Hochleistungshalbleiterlaser in dem LD-Barren gestapelt werden, als der Halbleiterlaser in der Lichtquelle 10 verwendet wird, ist gegenüber einem Loch ein Schlitz als Blende zu bevorzugen und es wird ebenso bevorzugt, dass der Schlitz regelbar ist. Im Folgenden wird ein Beispiel davon erläutert.
8 ist eine Vorderansicht, die eine Modifizierung einer Blende zeigt. Eine in der 8 gezeigte Blende 80 hat zwei flache Platten 81 und 82, die in der ersten Richtung X nahezu vertikal zu der Richtung Z der optischen Achse nebeneinanderstehend angeordnet sind, und zwei flache Platten 83 und 84, die in der zweiten Richtung Y nahezu vertikal zu der Richtung Z der optischen Achse und der ersten Richtung X nebeneinanderstehend angeordnet sind. Eine von diesen flachen Platten 81, 82, 83 und 84 umgebene Fläche bildet einen Schlitz 80a, um einen Laserstrahl durch diesen zu führen. Die flachen Platten 81 und 82 können jeweils parallel in die erste Richtung X bewegt werden und die flachen Platten 83 und 84 können jeweils parallel in die zweite Richtung Y bewegt werden. Dies macht die Größe des Schlitzes 80a regelbar, so dass die Größe des Schlitzes 80a problemlos auf einen Fokussierungsstrahlquerschnitt eines Laserstrahls eingestellt werden kann. Als Werkstoff für die flachen Platten 81, 82, 83 und 84 wird bevorzugt ebenso ein Metall, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer, das einen hohen Reflexionsgrad und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, oder ein Keramikwerkstoff, der einen hohen Reflexionsgrad und eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweist, oder dergleichen, verwendet.
Darüber hinaus können mehrere Blendenstufen in der Richtung Z der optischen Achse bereitgestellt werden. Dies ermöglicht das Auflösen von durch ein reflektiertes Licht verursachter Wärmerzeugung.
Obwohl die Laserstrahlanlage 1B in der dritten Ausführungsform einen Laserstrahl nahezu vertikal auf die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W strahlt, ist es effektiver, dass die Laserstrahlanlage 1B, wie in 9 gezeigt, einen Laserstrahl in einer schrägen Ausrichtung auf die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W strahlt. Dies ermöglicht das Reduzieren eines von dem Werkstück W zu dem Loch 30a der Lochblende 30 reflektierten Lichts, so dass ein Rückkehrlicht zu der Lichtquelle 10 reduziert werden kann. Wenn eine Fokussierungslinse, die keinen Astigmatismus aufweist, als ein Fokussierungslinsensystem verwendet wird, ist es schwierig, wenn ein auf die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W fokussierter Brennpunkt ausgebildet wird, ein reflektiertes Licht von dem Loch 30a der Lochblende 30 einfach durch leichtes Neigen eines Laserstrahls zu verlagern. Jedoch kann, wenn eine Fokussierungslinse, die einen Astigmatismus aufweist, als das Fokussierungslinsensystem verwendet wird, wie in den vorliegenden Ausführungsformen, ein reflektiertes Licht problemlos durch leichtes Neigen eines Laserstrahls in Bezug auf die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W von dem Loch 30a der Lochblende 30 verlagert werden.
Darüber hinaus kann die Laserstrahlanlage 1B des Weiteren eine Kamera oder einen Sensor enthalten, um ein reflektiertes Licht in dem Umfang des Loches 30a der Lochblende 30 zu überwachen. In 9 enthält die Laserstrahlanlage 1B des Weiteren eine CCD-Kamera 90. Auf diese Weise kann, wenn die Laserstrahlanlage 1B eine CCD-Kamera 90 enthält, beim Strahlen eines Laserstrahls aus einer schrägen Richtung auf die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W ein Einstellen und Bestätigen des Winkels problemlos durchgeführt werden, wie oben erwähnt.
Gleichermaßen ist es sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform zu bevorzugen, dass die Laserstrahlanlage 1, 1A einen Laserstrahl in einer schrägen Richtung auf die Bearbeitungsfläche Wa des Werkstückes W strahlt. Darüber hinaus kann die Laserstrahlanlage 1, 1A sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform des Weiteren eine Kamera oder einen Sensor aufweisen, um das reflektierte Licht in dem Umfang des Loches 30a der Lochblende 30 zu überwachen.
Obwohl in den vorliegenden Ausführungsformen die Fokussierungslinse 20, die Lochblende 30, die Kollimatorlinsen 40 und 65 und die erste und die zweite Zylinderlinse 51 und 52 nahezu vertikal zu der Richtung Z der optischen Achse angeordnet sind, ist es ausreichend, dass diese quer, selbst wenn nicht rechtwinklig, dazu sind. Darüber hinaus ist es ausreichend, obwohl die erste und die zweite Zylinderlinse 51 und 52 so angeordnet sind, dass die Brechzahlverteilungen nahezu orthogonal zueinander sind, dass diese quer, selbst wenn nicht rechtwinklig, dazu sind. Genauer gesagt, ist es ausreichend, dass die auf Grund von Astigmatismus erzeugten erste und zweite Brennlinie 51a und 52a quer, selbst wenn nicht rechtwinklig, dazu sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen ausführlicher beschrieben.
[Beispiel 1]
Eine Laserstrahlanlage des Beispiels 1 wurde basierend auf der Laserstrahlanlage 1 der ersten Ausführungsform wie folgt aufgebaut.
Für einen Hochleistungshalbleiterlaser in der Lichtquelle 10 wurden gestapelte LD-Barren mit einer Wellenlänge von annähernd 980 nm verwendet. Jeder LD-Barren hatte eine Länge von 1 cm und wurde mit einer Fast-Axis-Kollimatorlinse und einer Slow-Axis-Kollimatorlinse montiert. Diese LD-Barren wurden in fünf Stufen mit Abständen von ungefähr 2 mm gestapelt, um einen LD-Stapel herzustellen. Ein Strahl-Öffnungswinkel war ungefähr 1 Grad in der Fast-Axis und ungefähr 3 Grad in der Slow-Axis. Die LD-Barren wurden gekühlt und die höchste praktische Laserleistung des fünfstufigen Stapels war ungefähr 250 W.
Als Fokussierungslinse 20 wurde eine asphärische Glaslinse mit einem Durchmesser von 30 mm und einer effektiven Brennweite von 26 mm verwendet.
Als Lochblende 30 wurde eine reine Kupferplatte mit einer Länge und einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 1 mm und mit einer Vergoldung versehen verwendet. Die Größe des Loches 30a war ungefähr 0,5 mm in der Länge (Fast-Axis) und ungefähr 1,5 mm in der Breite. Die Lochblende 30 wurde mit Hilfe eines Handgestells auf einer Brennposition der Fokussierungslinse 20 eingerichtet.
Als Kollimatorlinse 40 wurde eine asphärische Glaslinse mit einem Durchmesser von 30 mm und einer effektiven Brennweite von 26 mm verwendet, wie bei der Fokussierungslinse 20. Ein Laserstrahl, der durch die Kollimatorlinse 40 gegangen war, wurde in demselben Ausmaß kollimiert, wie der durch den Hochleistungshalbleiterlaser in der Lichtquelle 10.
Als erste Zylinderlinse 51 wurde eine Glaslinse mit einer Länge und einer Breite von 30 mm und einer effektiven Brennweite von 60 mm verwendet. Als zweite Zylinderlinse 51 wurde eine Glaslinse mit einer Länge und einer Breite von 30 mm und einer effektiven Brennweite von 50 mm verwendet. Der Abstand zwischen der ersten Brennlinie 51a der ersten Zylinderlinse 51 und der zweiten Brennlinie 52a der zweiten Zylinderlinse 52 wurde als ungefähr 4 mm bereitgestellt.
Als das Werkstück W wurde eine Edelstahlplatte mit einer Dicke von 2 mm verwendet. Die Edelstahlplatte wurde nahezu in der Mitte der ersten Brennlinie 51a und der zweiten Brennlinie 52a, nahezu vertikal zu der Richtung Z der optischen Achse, eingerichtet.
Im Ergebnis der Überwachung mit einer CCD-Kamera während der Laserbearbeitung wurde in einem Randbereich des Loches 30a der Lochblende 30 ein starkes Rückkehrlicht beobachtet. Wenn das Rückkehrlicht, wie es ist, von dem Werkstück W direkt zu dem LD-Stapel zurückkehrt, steigen üblicherweise die Temperaturen der Fast-Axis-Kollimatorlinsen, der Slow-Axis-Kollimatorlinsen und der Randbereiche davon deutlich an, wenn mit dem Fall verglichen, in dem kein Rückkehrlicht vorhanden ist (kein Werkstück W eingerichtet ist), während in dem Beispiel 1 die Temperatur dieser Teile unabhängig davon, ob ein Werkstück W vorhanden war, ungefähr 65°C war (bei einer Laserleistung von 250 W). Dieses Messergebnis wurde durch einen Wärmebildsensor erhalten.
Frühere Erfahrungswerte haben gezeigt, dass ein Temperaturanstieg in den Kollimatorlinsen (Fast-Axis, Slow-Axis) nahe den Laserdiodenelementen und dem Rand davon die Lebensdauer der Laserdiodenelemente selbst verringert. In dem vorliegenden Beispiel kann davon ausgegangen werden, dass eine Verringerung der Lebensdauer des Hochleistungshalbleiterlasers auf Grund eines Rückkehrlichts ausgeschlossen werden kann, da kein Temperaturanstieg auf Grund eines Rückkehrlichts in den Kollimatorlinsen nahe den Laserdioden und dem Rand davon beobachtet wurde.
[Beispiel 2]
Eine Laserstrahlanlage des Beispiels 2 wurde basierend auf der Laserstrahlanlage 1A der zweiten Ausführungsform wie folgt aufgebaut.
Als Lichtquelle 10 und Lichtleitfaser 60 wurde ein fasergeleiteter Hochleistungshalbleiterlaser verwendet. Der Hochleistungshaibleiterlaser hatte eine Wellenlänge von ungefähr 980 nm. Die Lichtleiterfaser 60 hatte einen Kerndurchmesser von 600 μm und eine NA von 0,2. Die Laserdiodenelemente wurden wassergekühlt und die maximale praktische Laserleistung war ungefähr 500 W.
Als Kollimatorlinse 65 wurde eine asphärische Glaslinse mit einem Durchmesser von 100 mm und einer effektiven Brennweite von 100 mm verwendet. Als Fokussierungslinse 20 und die Kollimatorlinse 40 wurden asphärische Glaslinsen, jede mit einem Durchmesser von 50 mm und einer effektiven Brennweite von 40 mm, verwendet.
Als Lochblende 30 wurde eine reine Kupferplatte mit einer Länge und einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 1 mm und mit einer Vergoldung versehen verwendet. Die Größe des Loches 30a war ungefähr 300 μm im Durchmesser. Die Lochblende 30 wurde auf einer Brennposition der Fokussierungslinse 20 eingerichtet.
Als die erste Zylinderlinse 51 wurde eine Glaslinse mit einer Größe von 90 mm × 100 mm und einer effektiven Brennweite von 200 mm verwendet. Als die zweite Zylinderlinse 52 wurde eine Glaslinse mit einer Größe von 90 mm × 100 mm und einer effektiven Brennweite von 150 mm verwendet. Der Abstand zwischen der ersten Brennlinie 51a der ersten Zylinderlinse 51 und der zweiten Brennlinie 52a der zweiten Zylinderlinse 52 wurde als ungefähr 8 mm bereitgestellt.
Als das Werkstück W wurde eine Edelstahlplatte mit einer Dicke von 5 mm verwendet. Die Edelstahlplatte wurde nahezu in der Mitte der ersten Brennlinie 51a und der zweiten Brennlinie 52a, nahezu vertikal zu der Richtung Z der optischen Achse, eingerichtet.
Im Ergebnis der Überwachung mit einer CCD-Kamera während der Laserbearbeitung wurde in einem Randbereich des Loches 30a der Lochblende 30 ein starkes Rückkehrlicht beobachtet. Die Temperatur in der Nähe des Ausgabeendes der Lichtleitfaser war ungefähr 40°C (bei 500 W), unabhängig davon, ob das Werkstück W vorhanden war. Auf Basis dessen ist davon auszugehen, dass das Beispiel 2 effektiv im Verhindern von Durchbrennen der Lichtleitfaser auf Grund eines Rückkehrlichts ist.
Wie oben beschrieben worden ist, kann bei einer Laserstrahlanlage gemäß der vorliegenden Erfindung unabhängig von der Positionsbeziehung mit dem Werkstück ein Rückkehrlicht zu der Lichtquelle reduziert werden.
Aus der auf diese Weise beschriebenen Erfindung wird offensichtlich werden, dass die Erfindung auf viele Weisen abgewandelt werden kann. Derartige Abwandlungen werden nicht als eine Abweichung von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet und alle derartigen Modifikationen, die für einen Fachmann in dieser Technik auf der Hand liegen, sind vorgesehen, um in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche einbezogen zu werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 62-289387 [0005]
- JP 63-63589 [0053]

Claims

Laserstrahlanlage, umfassend: eine Lichtquelle, die einen Laserstrahl emittiert, eine Blende in einer flachen Plattenform und angeordnet auf eine Weise, die eine Richtung der optischen Achse des Laserstrahls von der Lichtquelle schneidet und die eine Öffnung zum Führen des Laserstrahls aus der Lichtquelle durch dieselbe hindurch aufweist, einen Fokussierungsbereich, der in Bezug auf die Blende auf einer der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite eingerichtet ist und den Laserstrahl, der durch die Öffnung der Blende gegangen ist, fokussiert und den Laserstrahl auf ein Werkstück strahlt, wobei der Fokussierungsbereich dem Laserstrahl, der durch die Öffnung der Blende gegangen ist, Astigmatismus verleiht, durch den Astigmatismus eine erste Brennlinie und eine zweite Brennlinie des Fokussierungsbereichs erzeugt werden, die erste Brennlinie durch Fokussierung eines Laserstrahls erzeugt wird, der in einer ersten Richtung, die die Richtung der optischen Achse schneidet, gestreut wird, die zweite Brennlinie durch Fokussierung eines Laserstrahls erzeugt wird, der in einer zweiten Richtung, die die Richtung der optischen Achse schneidet, gestreut wird, und die Positionen der ersten Brennlinie und der zweiten Brennlinie in Richtung der optischen Achse verschieden sind.
Laserstrahlanlage nach Anspruch 1, wobei eine Bearbeitungssfläche des Werkstückes auf einer Position eingerichtet ist, die zwischen der ersten Brennlinie und der zweiten Brennlinie des Fokussierungsbereichs in der Richtung der optischen Achse eingeschlossen ist.
Laserstrahlanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Strahlquerschnittsform eines Laserstrahls auf einer Bearbeitungsfläche des Werkstückes eine Ellipse ist.
Laserstrahlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die des Weiteren eine Kühleinrichtung für die Blende umfasst.
Laserstrahlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fokussierungsbereich umfasst: ein erstes optisches Element mit einem Fokussierungseffekt in einer Richtung, die die erste Richtung ist, und ein zweites optisches Element mit einem Fokussierungseffekt in einer Richtung, die die zweite Richtung ist.
Laserstrahlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fokussierungsbereich umfasst: ein erstes optisches Element mit einem Fokussierungseffekt in einer Richtung, die die erste Richtung ist, und ein zweites optisches Element mit einem isotropen Fokussierungseffekt in einer Ebene, die die erste und die zweite Richtung einschließt.
Laserstrahlanlage nach Anspruch 5, wobei das erste optische Element eine erste Fokussierungslinse enthält, die auf eine Weise eingerichtet ist, die die Richtung der optischen Achse schneidet und die erste Brennlinie im Ergebnis dessen erzeugt, dass sie eine zylindrische Brechzahlverteilung in der ersten Richtung aufweist, und das zweite optische Element eine zweite Fokussierungslinse enthält, die auf eine Weise eingerichtet ist, die die Richtung der optischen Achse schneidet, und die getrennt von der ersten Fokussierungslinse in Richtung der optischen Achse eingerichtet ist und die zweite Brennlinie im Ergebnis dessen erzeugt, dass sie eine zylindrische Brechzahlverteilung in der zweiten Richtung aufweist.
Laserstrahlanlage nach Anspruch 6, wobei das erste optische Element eine erste Fokussierungslinse enthält, die auf eine Weise eingerichtet ist, die die Richtung der optischen Achse schneidet und die erste Brennlinie im Ergebnis dessen erzeugt, dass sie eine zylindrische Brechzahlverteilung in der ersten Richtung aufweist, und das zweite optische Element eine zweite Fokussierungslinse enthält, die auf eine Weise eingerichtet ist, die die Richtung der optischen Achse schneidet, und die von der ersten Fokussierungslinse in der Richtung der optischen Achse getrennt ist und eine isotrope Brechzahlverteilung in einer Ebene hat, die die erste Richtung und die zweite Richtung einschließt, und der Fokussierungsbereich die zweite Brennlinie durch Fokussierungseffekte der ersten Fokussierungslinse und der zweiten Fokussierungslinse erzeugt.
Laserstrahlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fokussierungsbereich umfasst: eine Multifokal-Linse, die auf eine Weise angeordnet ist, die die Richtung der optischen Achse schneidet und die erste und die zweite Brennlinie im Ergebnis dessen erzeugt, dass sie Brechzahlverteilungen jeweils in der ersten und in der zweiten Richtung aufweist.
Laserstrahlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fokussierungsbereich umfasst: eine sphärische Linse, angeordnet auf eine Weise, die die Richtung der optischen Achse schneidet, und in Bezug auf die Richtung der optischen Achse in einer geneigten Weise angeordnet.