DE102015116033A1

DE102015116033A1 - Laserbearbeitungsvorrichtung, die in der Lage ist, den Durchmesser des fokussierten Strahls zu vergrössern

Info

Publication number: DE102015116033A1
Application number: DE102015116033.1A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Mori
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: CN105458493A; DE102015116033B4; US20160089749A1; US9656349B2; JP2016068131A; JP5941113B2; CN105458493B

Abstract

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst einen Bearbeitungskopf und einen optischen Lichtfokussierungsabschnitt, um einen Laserstrahl mit einem Diffusionswinkel zu fokussieren und zu ermöglichen, dass der Laserstrahl von dem Bearbeitungskopf mit einem Konvergenzwinkel ausgestrahlt wird. Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst ein optisches Transmissionselement, das sich so an der stromaufwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts befindet, dass der Laserstrahl übertragen wird, während der Diffusionswinkel konstant gehalten wird, oder das sich so an der stromabwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts befindet, dass der Laserstrahl übertragen wird, während der Konvergenzwinkel konstant gehalten wird. Das optische Transmissionselement umfasst einen Strahldurchmesservergrößerungsteil, um einen Durchmesser des fokussierten Strahls des Laserstrahls, der durch den Strahldurchmesservergrößerungsteil übertragen wird, verglichen mit einem Durchmesser des fokussierten Strahls des Laserstrahls, wenn der Laserstrahl nicht durch den Strahldurchmesservergrößerungsteil übertragen wird, sondern durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt fokussiert wird, zu vergrößern.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die in der Lage ist, den Durchmesser eines fokussierten Strahls zu vergrößern.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Im Allgemeinen ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die unter Verwendung eines Laserstrahls eine Bearbeitung an einem Werkstück durchführt, mit einem optischen Lichtfokussierungsabschnitt zum Fokussieren oder Verdichten des Laserstrahls, der von einer Laserquelle bereitgestellt wird und in einen Bearbeitungskopf gelangt, und zum Ausstrahlen des fokussierten oder verdichteten Laserstrahls ausgestattet. Der optische Lichtfokussierungsabschnitt umfasst eine gewünschte Anzahl an Linsen und verleiht dem eingelangten oder eingebrachten Laserstrahl einen vorherbestimmten Sammelwinkel (bei der vorliegenden Anmeldung auch als Konvergenzwinkel bezeichnet). Der Laserstrahl, dem der Konvergenzwinkel verliehen wurde, bildet in einem vorherbestimmten Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts einen Lichtfokussierungspunkt oder Brennfleck, der einem Abbildungspunkt entspricht. Bei der vorliegenden Anmeldung wird ein Strahldurchmesser an dem Lichtfokussierungspunkt als Durchmesser des fokussierten Strahls bezeichnet. Die Laserbearbeitung wird durchgeführt, indem der Lichtfokussierungspunkt mit einem zu bearbeitenden Abschnitt eines Werkstücks in Übereinstimmung gebracht wird oder indem der Lichtfokussierungspunkt bewusst in einer Richtung entlang der optischen Achse von dem zu bearbeitenden Abschnitt verschoben wird. Der Konvergenzwinkel beeinflusst die Fokussierungstiefe des Laserstrahls an dem zu bearbeitenden Abschnitt, und der Durchmesser des fokussierten Strahls beeinflusst die Energiedichte des Laserstrahls an dem zu bearbeitenden Abschnitt. Somit ist es möglich, je nach der Art der Laserbearbeitung wie etwa Schweißen, Schneiden, Beschriften usw. oder der Art des Materials, der Dicke usw. des Werkstücks den optimalen Konvergenzwinkel und den optimalen Durchmesser des fokussierten Strahls zu bestimmen.
Die Qualität eines Laserstrahls, der für eine Laserbearbeitung verwendet wird, hängt von dem Fokussierungsvermögen (M²) des Laserstrahls ab, und kann durch das Produkt des Konvergenzwinkels und des Durchmessers des fokussierten Strahls ausgedrückt werden. Das Produkt des Konvergenzwinkels und des fokussierten Strahls ist ein konstanter Wert, der gemäß der Art eines Laserstrahls (eines Lasermediums usw.) bestimmt ist, und es lässt sich sagen, dass die Laserstrahlqualität umso höher ist, je kleiner das Produkt ist. Wenn der Laserstrahl, der in den Bearbeitungskopf gelangt, bei der Laserbearbeitungsvorrichtung einen minimalen Strahldurchmesser und einen Ausbreitungswinkel (bei der vorliegenden Anmeldung auch als Diffusionswinkel bezeichnet) aufweist, ist der optische Lichtfokussierungsabschnitt im Allgemeinen so gestaltet, dass das Produkt des Konvergenzwinkels und des Durchmessers des fokussierten Strahls des ausgegebenen Laserstrahls dem Produkt des Diffusionswinkels und des minimalen Strahldurchmessers des eingebrachten Strahls gleich wird (d. h., der optische Lichtfokussierungsabschnitt beeinflusst die Qualität oder das Fokussierungsvermögen des Laserstrahls nicht). In diesem Zusammenhang ist der Durchmesser des fokussierten Strahls durch den minimalen Strahldurchmesser des eingebrachten Laserstrahls und die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts bestimmt, und ist der Konvergenzwinkel durch den Diffusionswinkel des eingebrachten Laserstrahls und die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts bestimmt. Als Ergebnis verursacht dann, wenn zum Beispiel gewünscht ist, den Durchmesser des fokussierten Strahls aufgrund einer Änderung der Art der Bearbeitung oder der Art des Werkstücks einzustellen, eine Änderung der Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts eine Änderung des Konvergenzwinkels, weshalb es schwierig ist, nur den Durchmesser des fokussierten Strahls einzustellen.
Eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die so ausgebildet ist, dass sie in der Lage ist, den Durchmesser eines fokussierten Strahls oder einen Konvergenzwinkel, der dem Laserstrahl durch einen optischen Lichtfokussierungsabschnitt verliehen wird, einzustellen, ist bekannt. Zum Beispiel offenbart die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-024782 ( JP 2012-024782 A ) eine Laserbearbeitungsvorrichtung, bei der dafür gesorgt ist, dass ein Laserstrahl, der von einem Laseroszillator durch eine Zufuhrfaser übertragen wird, entweder durch eine ausgewählte von mehreren Prozessfasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern geführt wird oder ohne einen Verlauf durch irgendeine Prozessfaser zu einer Laserbearbeitungseinheit (oder einem optischen Lichtfokussierungsabschnitt) gerichtet wird. Bei dieser Laserbearbeitungsvorrichtung ist angegeben, dass der Kerndurchmesser der optischen Faser unmittelbar vor der Laserbearbeitungseinheit (d. h., der minimale Strahldurchmesser des Laserstrahls, der in die Laserbearbeitungseinheit eingebracht werden soll) wie erforderlich verändert werden kann, und dass daher der Durchmesser des fokussierten Strahls des Laserstrahls, der durch die Laserbearbeitungseinheit fokussiert werden soll, gemäß der Dicke usw. des Werkstücks eingestellt werden kann, ohne dass die Abbildungsvergrößerung der Laserbearbeitungseinheit verändert werden muss.
Andererseits offenbart die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-056481 ( JP 2009-056481 A ) eine Laserbearbeitungsvorrichtung, bei der ein Laserstrahl, der von einem Laseroszillator ausgestrahlt wird, durch eine optische Faser zu einem optischen Kopf (oder einem optischen Lichtfokussierungsabschnitt) übertragen wird und dann ein Werkstück mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass direkt vor dem Einfallsende der optischen Faser ein Einstellmittel zum derartigen Einstellen des Ausbreitungswinkels des Laserstrahls von dem Laseroszillator, dass dieser gleich oder kleiner als die zulässige Apertur der optischen Faser wird, bereitgestellt ist. Bei dieser Laserbearbeitungsvorrichtung ist angegeben, dass durch das Einstellen des Ausbreitungswinkels des Laserstrahls (d. h., des Sammelwinkels des Laserstrahls, der in die optische Faser eingebracht werden soll) an der Eingabeseite der optischen Faser jedwede Schwankung des Ausbreitungswinkels des Laserstrahls, der aus der optischen Faser austritt (d. h., Schwankungen des Konvergenzwinkels und des Durchmessers des fokussierten Strahls des Laserstrahls, der durch den optischen Kopf fokussiert wurde) beseitigt werden kann und stets beständige Bearbeitungsergebnisse erhalten werden können.
Eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die so ausgebildet ist, dass sie ein Mittel zum Einstellen des Strahldurchmessers oder der Strahlform des Laserstrahls, der in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt gelangt, umfasst, das zu anderen Zwecken als dem Einstellen des Konvergenzwinkels oder des Durchmessers des fokussierten Strahls bereitgestellt ist, ist ebenfalls bekannt. Zum Beispiel offenbart die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2008-168333 ( JP 2008-168333 A ) eine Laserlötvorrichtung, bei der ein runder Laserstrahl, der von einem Laseroszillator in einen Bearbeitungskopf gelangt, zuerst durch einen Strahlkonverter, der aus einer Kombination aus einer konkaven Konuslinse und einer konvexen Konuslinse aufgebaut ist, zu einem ringförmigen Laserstrahl umgewandelt wird und dann durch einen Projektionskopf gesammelt und in der Form eines Rings auf den zu bearbeitenden Teil eines Werkstücks projiziert wird. Andererseits offenbart die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-178725 ( JP 2009-178725 A ) eine Laserbearbeitungsvorrichtung, bei der ein Laserstrahl von einer Laserquelle durch ein Laserformungsmittel, das ein Paar von Axicon-Linsen umfasst, zu einer ringförmigen Form geformt wird und der ringförmige Laserstrahl durch eine Sammellinse an einem Punkt zur Bearbeitung gesammelt wird, wodurch die sphärische Aberration der Sammellinse unterdrückt wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Bei einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit einem optischen Lichtfokussierungsabschnitt ausgestattet ist, soll ermöglicht werden, ein Werkstück unter Einsatz anderer Techniken als einer Technik der Veränderung einer Abbildungsgröße des optischen Lichtfokussierungsabschnitts mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, der einen optimalen Durchmesser des fokussierten Strahls aufweist, welcher an die Art der Laserbearbeitung, oder an das Material, die Dicke usw. eines Werkstücks angepasst ist.
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die einen Bearbeitungskopf, der dazu ausgebildet ist, ein Werkstück mit einem Laserstrahl zu bestrahlen; einen optischen Lichtfokussierungsabschnitt, der in dem Bearbeitungskopf bereitgestellt ist, wobei der optische Lichtfokussierungsabschnitt dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl mit einem Diffusionswinkel zu fokussieren, wobei der Laserstrahl von einer Laserquelle bereitgestellt wird und in den Bearbeitungskopf gelangt, und zu ermöglichen, dass der Laserstrahl von dem Bearbeitungskopf als Laserstrahl mit einem Konvergenzwinkel ausgestrahlt wird; und ein optisches Transmissionselement, das in dem Bearbeitungskopf bereitgestellt ist, wobei das optische Transmissionselement dazu ausgebildet ist, in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls gesehen so an einer stromaufwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts angeordnet zu werden, dass der Laserstrahl übertragen wird, während der Diffusionswinkel vor und nach der Übertragung konstant gehalten wird, oder das optische Transmissionselement alternativ dazu ausgebildet ist, in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls gesehen so an einer stromabwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts angeordnet zu werden, dass der Laserstrahl übertragen wird, während der Konvergenzwinkel vor und nach der Übertragung konstant gehalten wird, umfasst; wobei das optische Transmissionselement einen Strahldurchmesservergrößerungsteil umfasst, der dazu ausgebildet ist, einen Durchmesser des fokussierten Strahls, welcher durch den Strahldurchmesservergrößerungsteil übertragen wird, im Vergleich zu einem Durchmesser des fokussierten Strahls des Laserstrahls in einem Fall, in dem der Laserstrahl nicht durch den Strahldurchmesservergrößerungsteil übertragen wird, sondern durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt fokussiert wird, zu vergrößern.
Da nach der Laserbearbeitungsvorrichtung des obigen Gesichtspunkts anstelle eines Aufbaus, bei dem die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts vergrößert wird, ein Aufbau eingesetzt wird, bei dem der Laserstrahl durch den Strahldurchmesservergrößerungsteil des optischen Transmissionselements übertragen wird, ist es möglich den Durchmesser des fokussierten Strahls zu vergrößern, ohne den Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts zu dem Lichtfokussierungspunkt und den Konvergenzwinkel des Laserstrahls wesentlich zu verändern. Daher ist es ohne eine Beeinflussung der Gesamtgröße der Laserbearbeitungsvorrichtung möglich, ein Werkstück mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, der einen optimalen Durchmesser des fokussierten Strahls aufweist, welcher an die Art der Laserbearbeitung oder an das Material, die Dicke usw. des Werkstücks angepasst ist. Da das optische Transmissionselement so aufgebaut ist, dass es gestattet, dass der Laserstrahl hindurch übertragen wird, während der Diffusionswinkel oder der Konvergenzwinkel vor und nach der Übertragung unverändert oder konstant gehalten wird, kann das optische Transmissionselement daran gehindert werden, die geometrische Aberration während der Fokussierung zu beeinflussen. Da das optische Transmissionselement in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls gesehen an der stromaufwärts befindlichen Seite oder an der stromabwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts angeordnet ist, kann überdies in einem allgemeinen Aufbau, bei dem der optische Lichtfokussierungsabschnitt dazu gestaltet ist, die geometrische Aberration zu verringern, verhindert werden, dass die geometrische Aberration infolge der Bereitstellung des optischen Transmissionselements zunimmt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung der nachstehend dargelegten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher werden, wobei
1 eine perspektivische Ansicht ist, die einen beispielhaften Aufbau eines Laserbearbeitungssystems, das eine Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst, schematisch darstellt;
2 eine Schnittansicht ist, die den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer Ausführungsform schematisch darstellt;
3A eine perspektivische Ansicht ist, die ein optisches Transmissionselement einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer Ausführungsform darstellt;
3B eine Schnittansicht ist, die das optische Transmissionselement von 3A darstellt;
4A ein konzeptuelles Diagramm ist, um die Laserstrahlübertragungswirkung des optischen Transmissionselements von 3A in einem Aufbau, in dem das optische Transmissionselement in einer Richtung ausgerichtet ist, zu erklären;
4B ein Diagramm ist, das einen Aufbau darstellt, in dem das optische Transmissionselement in einer entgegengesetzten Richtung ausgerichtet ist;
5A ein Bestandteilanordnungsplan ist, um die Laserstrahlfokussierungswirkung einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die nicht mit einem optischen Transmissionselement versehen ist, zu erklären;
5B ein Diagramm ist, das einige der Lichtstrahlpfade in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 5A darstellt;
5C ein Diagramm ist, das Lichtstrahlpfade darstellt, die optional von den in 5B gezeigten Lichtstrahlpfaden extrahiert wurden;
5D eine vergrößerte Ansicht ist, die die Lichtstrahlpfade um einen Lichtfokussierungspunkt darstellt;
6A ein Bestandteilanordnungsplan ist, um die Laserstrahlfokussierungswirkung einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit dem optischen Transmissionselement von 3A versehen ist, zu erklären;
6B ein Diagramm ist, das einige der Lichtstrahlpfade in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 6A darstellt;
6C ein Diagramm ist, das Lichtstrahlpfade darstellt, die optional von den in 6B gezeigten Lichtstrahlpfaden extrahiert wurden;
6D eine vergrößerte Ansicht ist, die die Lichtstrahlpfade um einen Lichtfokussierungspunkt darstellt;
7A ein Bestandteilanordnungsplan ist, um die Laserstrahlfokussierungswirkung einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit einem anders geformten optischen Transmissionselement versehen ist, zu erklären;
7B ein Diagramm ist, das einige der Lichtstrahlpfade in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 7A darstellt;
7C ein Diagramm ist, das Lichtstrahlpfade darstellt, die optional von den in 7B gezeigten Lichtstrahlpfaden extrahiert wurden;
7D eine vergrößerte Ansicht ist, die die Lichtstrahlpfade um einen Lichtfokussierungspunkt darstellt;
8 eine Schnittansicht ist, die eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem abgewandelten Beispiel schematisch darstellt;
9 eine Schnittansicht ist, die eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem anderen abgewandelten Beispiel schematisch darstellt;
10A eine perspektivische Ansicht eines optischen Transmissionselements einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer anderen Ausführungsform ist;
10B eine Schnittansicht ist, die das optische Transmissionselement von 10A darstellt;
11A ein konzeptuelles Diagramm ist, um die Laserstrahlübertragungswirkung des optischen Transmissionselements von 10A in einem Aufbau, in dem das optische Transmissionselement in einer Richtung ausgerichtet ist, zu erklären;
11B ein Diagramm ist, das einen Aufbau darstellt, in dem ein anders geformtes optisches Transmissionselement in einer Richtung ausgerichtet ist;
11C ein Diagramm ist, das einen Aufbau darstellt, in dem das optische Transmissionselement von 11B in einer entgegengesetzten Richtung ausgerichtet ist;
11D ein Diagramm ist, das einen Lichtstrahlpfad bei Übertragung eines Lichtstrahls durch den Mittelabschnitt des optischen Transmissionselements darstellt;
12A ein Diagramm ist, um die Laserstrahlfokussierungswirkung einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit dem optischen Transmissionselement von 10A versehen ist, zu erklären, wobei einige typische Lichtstrahlpfade dargestellt sind;
12B eine vergrößerte Ansicht ist, die einen Lichtstrahlpfad in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 12A darstellt;
12C eine vergrößere Ansicht ist, die einen anderen Lichtstrahlpfad in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 12A darstellt;
13A ein Bestandteilanordnungsplan ist, um die Laserstrahlfokussierungswirkung einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit dem in einer gewünschten Position angeordneten optischen Transmissionselement von 10A versehen ist, zu erklären;
13B ein Diagramm ist, das optional extrahierte Lichtstrahlpfade in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 13A darstellt;
13C eine vergrößerte Ansicht ist, die Lichtstrahlpfade um einen Lichtfokussierungspunkt darstellt;
14A ein Bestandteilanordnungsplan ist, um die Laserstrahlfokussierungswirkung einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit dem in einer anderen gewünschten Anordnung angeordneten optischen Transmissionselement von 10A versehen ist, zu erklären;
14B ein Diagramm ist, das optional extrahierte Lichtstrahlpfade in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 14A darstellt;
14C ein Diagramm ist, das Lichtstrahlpfade um einen Lichtfokussierungspunkt darstellt;
15A ein Bestandteilanordnungsplan ist, um die Laserstrahlfokussierungswirkung einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit dem in noch einer anderen gewünschten Anordnung angeordneten optischen Transmissionselement von 10A versehen ist, zu erklären;
15B ein Diagramm ist, das optional extrahierte Lichtstrahlpfade in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 15A darstellt;
15C ein Diagramm ist, das Lichtstrahlpfade um einen Lichtfokussierungspunkt darstellt;
16A eine perspektivische Ansicht eines optischen Transmissionselements nach einem abgewandelten Beispiel ist;
16B eine Schnittansicht ist, die das optische Transmissionselement von 16A darstellt;
17A eine Schnittansicht ist, die ein optisches Transmissionselement darstellt und den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform erklärt;
17B ein Bestandteilanordnungsplan der Laserbearbeitungsvorrichtung von 17A ist;
17C ein Diagramm ist, das Lichtstrahlpfade um einen Lichtfokussierungspunkt ' darstellt;
18A eine Schnittansicht ist, die ein optisches Transmissionselement darstellt und den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach noch einer weiteren Ausführungsform erklärt;
18B eine Schnittansicht ist, die ein anderes optisches Transmissionselement in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 18A darstellt;
18C ein Bestandteilanordnungsplan der Laserbearbeitungsvorrichtung von 18A ist;
19A ein Bestandteilanordnungsplan ist, um den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach noch einer weiteren Ausführungsform zu erklären;
19B ein Diagramm ist, das einige der Lichtstrahlpfade in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 19A darstellt;
19C ein Diagramm ist, das Lichtstrahlpfade darstellt, die optional von den in 19B gezeigten Lichtstrahlpfaden extrahiert wurden;
19D eine vergrößerte Ansicht ist, die die Lichtstrahlpfade um einen Lichtfokussierungspunkt darstellt;
20A ein Bestandteilanordnungsplan ist, um ein abgewandeltes Beispiel für den Aufbau der Laserbearbeitungsvorrichtung von 19A zu erklären;
20B en Diagramm ist, das einige der Lichtstrahlpfade in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 20A darstellt;
20C ein Diagramm ist, das Lichtstrahlpfade darstellt, die optional von den in 20B gezeigten Lichtstrahlpfaden extrahiert wurden;
20D eine vergrößerte Ansicht ist, die die Lichtstrahlpfade um einen Lichtfokussierungspunkt darstellt;
21 ein Diagramm ist, das eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach noch einer weiteren Ausführungsform darstellt;
22A eine Schnittansicht ist, die ein optisches Transmissionselement darstellt und den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach noch einer weiteren Ausführungsform erklärt;
22B ein Bestandteilanordnungsplan der Laserbearbeitungsvorrichtung von 22A ist;
22C ein Diagramm ist, das Lichtstrahlpfade um einen Lichtfokussierungspunkt darstellt;
23A ein Diagramm ist, das eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach noch einer weiteren Ausführungsform darstellt; und
23B eine Schnittansicht eines optischen Transmissionselements der Laserbearbeitungsvorrichtung von 23A ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen werden nachstehend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
1 stellt ein Bespiel für den Aufbau eines Laserbearbeitungssystems 12, das eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält, in schematischer Form dar. Das Laserbearbeitungssystem 12 umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung 10, eine Laserquelle 14 und eine Steuereinheit 16, die den Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 wie auch den Betrieb der Laserquelle 14 steuert. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst einen Bearbeitungskopf 18, ein Übertragungsmittel 20 zum Übertragen eines Laserstrahls von der Laserquelle 14 zu dem Bearbeitungskopf 18, und einen Antriebsmechanismus 22, der eines oder beide von dem Bearbeitungskopf 18 und einem Werkstück W in Bezug zueinander bewegt.
Die Laserquelle 14 umfasst zum Beispiel einen Faserlaseroszillator (nicht gezeigt); und ein Laserstrahl, der durch den Oszillator erzeugt wurde, wird durch das Übertragungsmittel 20 übertragen und in den Bearbeitungskopf 18 geführt. Das Übertragungsmittel 20 umfasst eine erste optische Faser 24, die an die Laserquelle 14 angeschlossen ist, eine zweite optische Faser 26, die an den Bearbeitungskopf 18 angeschlossen ist, und einen Faserkoppler 28, der die erste und die zweite optische Faser 24 und 26 optisch miteinander koppelt. Zum Beispiel kann durch Anbringen der ersten optischen Faser 24 mit einem vorherbestimmten Kerndurchmesser an der Laserquelle 14 und optisches Koppeln der ersten optischen Faser 24 über den Faserkoppler 28 mit der zweiten optischen Faser 26, die einen gewünschten anderen Kerndurchmesser aufweist, ein Laserstrahl mit einem minimalen Strahldurchmesser, der dem Kerndurchmesser der zweiten optischen Faser 26 gleich ist, aus dem Ausgang oder Ausgabeende der zweiten optischen Faser 26 ausgestrahlt und in den Bearbeitungskopf 18 geführt werden. Der Aufbau ist nicht auf das veranschaulichte Beispiel beschränkt; beispielsweise kann die Laserquelle 14 unter Verwendung jeder beliebigen anderen geeigneten Art von Oszillator wie etwa eines CO₂-Laseroszillators aufgebaut sein und kann das Übertragungsmittel jeden beliebigen anderen geeigneten Aufbau, der zum Beispiel ein Lichtleitrohr, einen reflektierenden Spiegel usw. verwendet, einsetzen.
Der Bearbeitungskopf 18 umfasst einen optischen Lichtfokussierungsabschnitt (nicht gezeigt) zum Fokussieren oder Verdichten des Laserstrahls, der von dem Übertragungsmittel 20 eingebracht wurde, und führt durch Bestrahlen eines beschränkten Bereichs an der Oberfläche des Werkstücks W mit dem Laserstrahl, der von einer an dem Ende des Kopfs bereitgestellten Bearbeitungsdüse 30 ausgestrahlt wird, eine Laserbearbeitung durch. Während der Laserbearbeitung wird ein Hilfsgas, das aus Sauerstoff, Stickstoff, Luft, Argon usw. besteht, über den zu bearbeitenden Abschnitt des Werkstücks W und seinen Umgebungsbereich gesprüht. Das Hilfsgas wird von einer externen Gasversorgungsquelle (nicht gezeigt) zu dem Bearbeitungskopf 18 geliefert. Druckluft zum Sprühen des Hilfsgases über das Werkstück W wird ebenfalls zu dem Bearbeitungskopf 18 geliefert.
Der Antriebsmechanismus 22 kann den Bearbeitungskopf 18 und das Werkstück W in Bezug zueinander in Richtungen entlang der Oberfläche des Werkstücks bewegen. Der Antriebsmechanismus 22 kann auch den Bearbeitungskopf 18 und das Werkstück W auf eine selektive Weise dichter aneinander oder weiter voneinander weg bewegen. Zum Beispiel kann der Antriebsmechanismus 22 den Bearbeitungskopf 18 und das Werkstück W auf eine dreidimensionale Weise mit drei Steuerachsen (X-Achse, Y-Achse, und Z-Achse) in Bezug zueinander bewegen, wobei er gemäß Befehlswerten, die in einem orthogonalen Dreiachsen-Koordinatensystem definiert sind, arbeitet. In diesem Fall kann der Antriebsmechanismus 22 für jede Steuerachse einen Servomotor und einen Kraftübertragungsmechanismus umfassen. Die einzelnen Steuerachsen können für eines oder beide von dem Bearbeitungskopf 18 und dem Werkstück W festgelegt sein. Zum Beispiel können die Steuerachsen so ausgebildet sein, dass der Bearbeitungskopf 18 in der X-, Y- und Z-Achse angetrieben wird und in Richtungen bewegt wird, die in Bezug auf einen Werkstücktisch (nicht gezeigt) mit dem daran angebrachten Werkstück W horizontal und senkrecht verlaufen, oder dass der Werkstücktisch in der X- und der Y-Achse angetrieben wird, während der Bearbeitungskopf 18 in der Z-Richtung angetrieben wird.
Die Steuereinheit 16 weist zum Beispiel einen Aufbau auf, der einer numerischen Steuereinheit entspricht. Die Steuereinheit 16 verfügt über die Fähigkeit, ein gegebenes Laserbearbeitungsprogramm zu interpretieren und einen Betriebsbefehl an das gesteuerte Objekt wie etwa die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 oder die Laserquelle 14 auszugeben, und dadurch den Antriebsmechanismus 22 dazu zu bringen, den Bearbeitungskopf 18 oder das Werkstück W zu bewegen, oder die Laserquelle 14 dazu zu bringen, einen Laserstrahl zu erzeugen und auszustrahlen, oder die Gasversorgungsquelle dazu zu bringen, das Hilfsgas zu dem Bearbeitungskopf 18 zu liefern.
2 stellt die Anordnung der Hauptaufbauelemente der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 nach der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Form dar. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst den Bearbeitungskopf 18, um das Werkstück W mit dem Laserstrahl L zu bestrahlen, und den in dem Bearbeitungskopf 18 bereitgestellten optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32, um den Laserstrahl L, der von der Laserquelle 14 (1) mit einem Diffusionswinkel α in den Bearbeitungskopf 18 gelangt, zu fokussieren und dafür zu sorgen, dass der Laserstrahl L mit einem Konvergenzwinkel β von dem Verarbeitungskopf 18 ausgestrahlt wird. Der Verarbeitungskopf 18 weist ein hohles zylinderförmiges Gehäuse 34 auf und ist an dem hinteren Ende (dem oberen Ende in der Zeichnung) des Gehäuses 34 an dem Ausgangssende 26a der optischen Faser 26 fixiert. Die optische Faser 26 ist so angebracht, dass sie wenigstens an ihrem Ausgangsende 26a koaxial mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 ist, und der Laserstrahl mit einem minimalen Durchmesser, der dem Kerndurchmesser des Ausgangsendes 26a gleich ist, wird von dem Ausgangsende 26a mit dem Diffusionswinkel α in das Innere des Gehäuses 34 gestrahlt. Entsprechend stimmt die Achsenlinie, die durch die Mitte des Laserstrahls L verläuft, mit der optischen Achse 32a überein. Der Diffusionswinkel α wird im Wesentlichen durch den Konvergenzwinkel des Laserstrahls, der in das Eingabeende (nicht gezeigt) der optischen Faser 26 eingebracht wird, und die Eigenschaften der optischen Faser 26 selbst bestimmt.
Der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 umfasst eine vorherbestimmte Anzahl von optischen Linsen 36. Durch Kombinieren zum Beispiel mehrerer von verschiedenen Arten von sphärischen Linsen als optische Linsen 36 können geometrische Aberrationen einschließlich sphärischer Aberrationen minimiert werden. Durch das Ergreifen von Maßnahmen wie etwa das Minimieren einer geometrischen Aberration ist der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 so gestaltet, dass das Produkt des minimalen Strahldurchmessers und des Diffusionswinkels α des Laserstrahls L, der in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 gelangt, dem Produkt des Durchmessers des fokussierten Strahls und des Konvergenzwinkels β des Laserstrahls L, der den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 verlässt, gleich wird (das heißt, der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 beeinflusst die Qualität oder das Fokussierungsvermögen des Laserstrahls L nicht).
Nachstehend wird ein Beispiel für die Fokussierungswirkung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 beschrieben werden. Bei diesem Beispiel ist der Kerndurchmesser der optischen Faser 26 auf 50 μm eingerichtet, und ist der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L auf 0,1 Radianten als Halbwinkel festgelegt. Unter der Annahme, dass der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 als einzelne virtuelle Linse ausgebildet ist, ist der Abstand von der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser 26 zu dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts (oder der virtuellen Linse) 32 auf 100 mm eingerichtet, und ist die Brennweite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 auf 50 mm eingerichtet. Ferner wird angenommen, dass zwischen dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 und dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 kein anderes optisches Element bereitgestellt ist. Unter diesen Bedingungen ist der Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt (oder Abbildungspunkt) des Laserstrahls L als 100 mm bestimmt, ist die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 als 1,0 bestimmt, ist der Konvergenzwinkel β als Halbwinkel als 0,1 Radianten bestimmt, und ist der Durchmesser des fokussierten Strahls (der Durchmesser) an dem Lichtfokussierungspunkt als 50 μm bestimmt. Wenn in Bezug auf die obigen Bedingungen der Abstand von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 zu dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 auf 90 mm verändert wird, ohne den Diffusionswinkel α des Laserstrahls L zu verändern, wird der Abstand von dem Hauptpunkt zu dem Lichtfokussierungspunkt zu 112,5 mm verändert werden, wird die Abbildungsvergrößerung zu 1,25 verändert werden, wird der Konvergenzwinkel β als Halbwinkel zu 0,08 Radianten verändert werden, und wird der Durchmesser des fokussierten Strahls zu 62,5 μm verändert werden. Auf diese Weise ist die Wirkung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 als einzelne Einheit derart, dass bei einer Veränderung der Abbildungsvergrößerung der Konvergenzwinkel β und der Durchmesser des fokussierten Strahls miteinander verknüpft verändert werden. In diesem Zusammenhang kann der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 so in dem Gehäuse 34 angebracht werden, dass er entlang der optischen Achse 32a beweglich ist, um die Abbildungsvergrößerung usw. zu verändern.
Die Bearbeitungsdüse 30, die aus Kupfer oder dergleichen gebildet ist, ist an dem vorderen Ende (dem unteren Ende in der Zeichnung) des Gehäuses 4 angebracht. Das Ende der Bearbeitungsdüse 30 ist gewöhnlich in unmittelbarer Nähe des Lichtfokussierungspunkts des Laserstrahls L angeordnet. Der Raum zwischen der Bearbeitungsdüse 30 und dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 kann, mit Ausnahme der Düsenöffnung und des später beschriebenen Hilfsgaseinlasses, als hermetisch abgeschlossene Kammer 38 gebildet sein. Alternativ kann zwischen dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und der Bearbeitungsdüse 30 eine Trennwand 40, die aus einer durchsichtigen Platte gebildet ist, bereitgestellt sein, und kann der Raum zwischen der Trennwand 40 und der Bearbeitungsdüse 30 als die hermetisch abgedichtete Kammer 38 gebildet sein. Die Trennwand 40 verhindert, dass Spritzer usw., die während der Bearbeitung des Werkstücks W erzeugt werden, in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 gelangen. Wenn die Trennwand 40 verschmiert wird, muss nur die Trennwand 40 ausgetauscht werden, und die Trennwand 40 kann so ausgebildet sein, dass sie von dem Gehäuse 34 abnehmbar ist, damit sie wie erforderlich ausgetauscht werden kann. In einer Seitenwand des Gehäuses 34 ist ein Einlass 42 zur Einbringung des Hilfsgases G in die Kammer 38 gebildet, und das unter einem vorherbestimmten Druck stehende Hilfsgas G wird von der externen Gasversorgungsquelle (nicht gezeigt) durch den Einlass 42 in die Kammer 38 eingebracht. Das Hilfsgas G wird zusammen mit Pressluft von der Bearbeitungsdüse 30 über das Werkstück W gesprüht. Es ist erwünscht, dass das Hilfsgas G von der Bearbeitungsdüse 30 gesprüht wird, während ein mit der optischen Achse 32a koaxialer Fluss aufrechterhalten wird; um dies zu erreichen, kann ein Mechanismus (nicht gezeigt) bereitgestellt sein, der die Position der Bearbeitungsdüse 30 in Richtungen, die senkrecht zu der optischen Achse 32a verlaufen, feineinstellt. Es ist auch möglich, einen Mechanismus (nicht gezeigt) bereitzustellen, um die optische Achse 32a (und daher den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32) mit der axialen Mitte der Bearbeitungsdüse 30 auszurichten.
Als ein Beispiel kann der Durchmesser der Öffnung der Bearbeitungsdüse 30 auf einen Bereich von etwa 0,8 mm bis 6 mm eingerichtet werden, kann die Achsenposition der Bearbeitungsdüse 30 in einem Bereich von etwa 2 mm bis 5 mm reguliert werden, kann der Druck des Hilfsgases G in der Bearbeitungsdüse 30 in einem Bereich von etwa 0,01 MPa bis 3 MPa reguliert werden, und kann der Abstand zwischen der Bearbeitungsdüse 30 und dem Werkstück W in einem Bereich von etwa 0,5 mm bis 4 mm gesteuert werden. Die Kammer 38 weist einen hermetisch abgedichteten Aufbau auf, um den Druck des Hilfsgases G bei einem konstanten Pegel zu halten, doch können auch andere Abschnitte des Gehäuses 34 einschließlich des Abschnitts, an dem das Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 angebracht ist, so ausgeführt werden, dass sie einen Aufbau aufweisen, der verhindern kann, dass Außenluft in das Innere des Gehäuses 34 gelangt. Dies kann das Eindringen von äußerem Schmutz, Feuchtigkeit usw. in das Gehäuse 34 blockieren und kann dadurch verhindern, dass das Ausgangsende 26a der optischen Faser und andere optische Elemente wie etwa der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 verschmiert werden.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst ferner ein optisches Transmissionselement 44, das in dem Bearbeitungskopf 18 bereitgestellt ist und sich in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls L gesehen an einer stromaufwärts befindlichen Seite (in der Zeichnung oben) des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 befindet. Das optische Transmissionselement 44 ist ein optisches Element, das im Inneren des Gehäuses 34 an einer vorherbestimmten Position zwischen dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 und dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 angebracht ist, wobei seine Mittelachsenlinie 44a mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 übereinstimmt. Das optische Transmissionselement 44 ist in der Lage, den Laserstrahl L, der von dem Ausgangsende der optischen Faser 26 ausgestrahlt wird, zu übertragen, während der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L vor und nach der Übertragung unverändert oder konstant gehalten wird.
Der konkrete Aufbau des optischen Transmissionselements 44 bei der vorliegenden Ausführungsform und seine Wirkung zur Übertragung des Laserstrahls werden unter Bezugnahme auf 3A bis 4B beschrieben werden.
Wie in 3A und 3B gezeigt umfasst das optische Transmissionselement 44 einen konischen Plattenabschnitt 46 mit einer gleichmäßigen Dicke und einer rotationssymmetrischen Form, der in Bezug auf seine Symmetrieachse geneigt ist. Genauer weist der konische Plattenabschnitt 46 eine erste Fläche 46b als kegelförmige konvexe Fläche und eine zweite Fläche 46c als kegelförmige konkave Fläche, die der ersten Fläche 46b gegenüberliegt, auf, wobei die zweite Fläche einen Scheitelwinkel θ aufweist, der einem Scheitelwinkel θ eines Kegels der ersten Fläche 46b entspricht, und eine Form und Abmessungen aufweist, die mit jenen der ersten Fläche 46b identisch sind. Die erste und die zweite Fläche 46b und 46c verlaufen zueinander parallel, und die in einer senkrecht zu der ersten und der zweiten Fläche 46b und 46b verlaufenden Richtung gemessene Abmessung (d. h., die Dicke) t des konischen Plattenabschnitts 46 ist zur Gänze gleichmäßig. Die Symmetrieachse 46a des konischen Plattenabschnitts 46 stimmt mit der Mittelachsenlinie 44a des optischen Transmissionselements 44 überein. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das optische Transmissionselement 44 wie veranschaulicht zur Gänze mit dem konischen Plattenabschnitt 46 versehen.
Das optische Transmissionselement 44 kann aus einem Material wie etwa Quarzglas oder BK7, das den Laserstrahl L nicht oder kaum absorbiert oder streut, gebildet sein. Ferner können die erste und die zweite Fläche 46b, 46c des optischen Transmissionselements 44 mit einer Antireflexbeschichtung, die aus einem mehrschichtigen optischen Film gebildet ist, behandelt sein. Dieser Aufbau gestattet, dass der Laserstrahl L ohne Abschwächung der Strahlenergie durch das optische Transmissionselement 44 übertragen wird. Aufgrund des Unterschieds im Brechungsindex zwischen dem optischen Transmissionselement 44 und der Umgebungsluft wird der optische Pfad des Laserstrahls L dann, wenn der Laserstrahl in das optische Transmissionselement 44 gelangt, und auch, wenn er das optische Transmissionselement 44 verlässt, gemäß dem Einfallswinkel geneigt. Diese Erscheinung wird unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschrieben werden.
Wie in 4A und 4B konzeptuell gezeigt ist das optische Transmissionselement 44 im Inneren des Gehäuses 34 (2) des Bearbeitungskopfs 18 an einer Position angeordnet, an der die Symmetrieachse 46a des konischen Plattenabschnitts 46 mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 (2) übereinstimmt. Ferner ist das optische Transmissionselement 44 an einer Position angeordnet, an der der gesamte Laserstrahl L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den konischen Plattenabschnitt 46 verlaufen wird (2). In 4A ist das optische Transmissionselement 44 so angeordnet, dass die zweite Fläche 46c des konischen Plattenabschnitts 46 zu der optischen Faser 46 gewandt ist. In 4B ist das optische Transmissionselement 44 so angeordnet, dass die erste Fläche 46b des konischen Plattenabschnitts 46 zu der optischen Faser 26 gewandt ist.
Nun wird ein Lichtstrahl L1 in dem Lichtfluss des Laserstrahls L betrachtet. Bei dem Aufbau von 4A wird angenommen, dass der Lichtstrahl L1 mit einem spitzen Einfallswinkel γ in die zweite Fläche 46c des konischen Plattenabschnitts 46 gelangt. Der Lichtstrahl L1 wird beim Eintritt in das optische Transmissionselement 44 in einer Richtung, die durch den Unterschied im Brechungsindex und den Einfallswinkel γ bestimmt ist, gebrochen, und bei Verlassen des optischen Transmissionselements 44 ebenfalls in einer Richtung, die durch den Unterschied im Brechungsindex und den Ausgangswinkel bestimmt ist, gebrochen. Da die zweite Fläche (die Eingangsfläche) 46c und die erste Fläche (die Ausgangsfläche) 46b zueinander parallel sind, ist der Ausgangswinkel dem Einfallswinkel γ gleich, und ist daher die Fortbewegungsrichtung des Lichtstrahls L1 vor dem Eintritt in das optische Transmissionselement 44 mit der Fortbewegungsrichtung des Lichtstrahls 11 nach dem Verlassen des optischen Transmissionselements 44 identisch. Ferner wurde der Pfad des Lichtstrahls L1 nach dem Verlassen des optischen Transmissionselements 44 in Bezug auf den Pfad des Lichtstrahls L1 (durch eine gestrichelte Linie angegeben) vor dem Eintritt in das optische Transmissionselement 44 nach der zweimaligen Brechung einer Parallelverschiebung in einer vorherbestimmten Richtung (in der Zeichnung einer Richtung zu der optischen Achse 32a hin) unterzogen. Die Strecke der Parallelverschiebung des Lichtstrahls L1 wird durch mehrere Faktoren wie etwa die Dicke t (3B) des konischen Plattenabschnitts 46 des optischen Transmissionselements 44, seinen Scheitelwinkel θ (3B), den Unterschied im Brechungsindex zwischen dem optischen Transmissionselement 44 und der Umgebungsluft, oder den Einfallswinkel γ in den konischen Plattenabschnitt 46 bestimmt. Der gesamte Lichtfluss des Laserstrahls L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wird, wird der gleichen Erscheinung unterzogen, und als Ergebnis gestattet das optische Transmissionselement 44, dass der Laserstrahl L hindurch übertragen wird, während der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L (2) vor und nach der Übertragung unverändert oder konstant gehalten wird. Wie später beschrieben werden wird, kommt es ferner beim Durchgang eines Lichtstrahls durch den konischen Plattenabschnitt 46 des optischen Transmissionselements 44 zu einem Effekt, als ob die optische Achse in Bezug auf den Lichtstrahl schräg verschoben würde, und als Ergebnis davon wird der Durchmesser des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt oder dem Brennfleck, an dem alle Lichtstrahlen fokussiert werden, vergrößert.
Bei der Anordnung von 4B, bei dem das optische Transmissionselement 44 in Bezug auf die Anordnung, die in 4A gezeigt ist, umgekehrt ist, kann der Pfad des Lichtstrahls L1 nach dem Verlassen des optischen Transmissionselements 44 in Bezug auf den Pfad des Lichtstrahls L1 (durch eine gestrichelte Linie angegeben) vor dem Eindringen in das optische Transmissionselement 44 ebenfalls einer Parallelverschiebung in einer vorherbestimmten Richtung (in der Zeichnung einer Richtung zu der optischen Achse 32a hin) unterzogen werden. Entsprechend gestattet das optische Transmissionselement 44 bei dieser Anordnung, dass der Laserstrahl L hindurch übertragen wird, während der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L (2) vor und nach der Übertragung unverändert oder konstant gehalten wird. Bei dieser Anordnung gelangt der Lichtstrahls L1, bei dem es sich um den gleichen wie den Lichtstrahl L1 in 4A handelt, jedoch mit einem Einfallswinkel γ in die erste Fläche 46b des konischen Plattenabschnitts 46, der kleiner als der Einfallswinkel γ in 4A ist. Als Ergebnis ist die Strecke der Parallelverschiebung des Lichtstrahls L1, die durch die Übertragung bei der Anordnung von 4B verursacht wird, länger als die Strecke der Parallelverschiebung des Lichtstrahls L1, die durch die Übertragung bei der Anordnung von 4A verursacht wird.
Der konische Plattenabschnitt 44 des optischen Transmissionselements 44 bildet den Strahldurchmesservergrößerungsteil, der den Durchmesser des fokussierten Strahls des Laserstrahls L vergrößert. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 5A bis 7D die Laserstrahlfokussierungswirkung der Laserbearbeitungsvorrichtung 10, die das optische Transmissionselement 44 umfasst, beschrieben werden. In 5A, 6A und 7A ist der gesamte Aufbau der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gezeigt, doch sind zur Einfachheit das Gehäuse 34, die Bearbeitungsdüse 30 und die Trennwand 40, die in 2 gezeigt sind, aus der Darstellung weggelassen und ist der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 durch eine einzelne virtuelle Linse ersetzt.
Zuerst wird unter Bezugnahme auf 5A bis 5D eine Laserstrahlfokussierungswirkung bei einem Aufbau, bei dem das optische Transmissionselement 44 aus der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 entfernt wurde, untersucht werden. Wie in 5A gezeigt umfasst der obige Aufbau in dem optischen Pfad des Laserstrahls L in dem Bearbeitungskopf 18 kein optisches Transmissionselement 44. Der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlte Laserstrahl L mit dem Diffusionswinkel α wird durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt (oder eine virtuelle Linse) 32 fokussiert, ohne durch ein optisches Transmissionselement 44 zu verlaufen, wodurch das Werkstück W mit dem fokussierten Laserstrahl L mit dem Konvergenzwinkel β bestrahlt wird. Die Abmessungen der jeweiligen Teile sind wie folgt festgelegt: der Kerndurchmesser der optischen Faser 26 beträgt 50 μm, der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L als Halbwinkel beträgt 0,1 Radianten, der Abstand von der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser 26 zu dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 beträgt 100 mm, und die Brennweite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 beträgt 50 mm. Ferner beträgt der Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt des Laserstrahls L 100 mm, beträgt die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 1,0, beträgt der Konvergenzwinkel β des Laserstrahls 0,1 Radianten als Halbwinkel, und beträgt der Durchmesser des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt 50 μm.
5B stellt die durch eine Simulation erhaltenen Pfade einiger der Strahlen des Laserstrahls L dar. Zum besseren Verständnis stellt 5C Lichtstrahlpfade dar, die optional aus den in 5B gezeigten Lichtstrahlpfaden extrahiert wurden. Beispielweise breitet sich in 5B und 5C der Lichtstrahl, der von dem oberen Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus und gelangt er in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32, und wird er danach mit dem Konvergenzwinkel β von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 ausgegeben und an dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I an der unteren Position fokussiert (oder abgebildet). Andererseits breitet sich in 5B und 5C der Lichtstrahl, der von dem unteren Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus und gelangt er in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32, und wird er danach mit dem Konvergenzwinkel β von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 ausgegeben und an dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I an der oberen Position fokussiert (oder abgebildet). Entsprechend werden alle Strahlen des Laserstrahls L, die von der gesamten Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurden, an dem Lichtfokussierungspunkt I in einem kreisförmigen Bereich S mit einem Durchmesser D des fokussierten Strahls (einem Bereich, der der Umkreisform und dem Durchmesser der Kernendfläche entspricht) fokussiert, wie in einer vergrößerten Ansicht von 5D gezeigt ist. Wenn sich der Lichtfokussierungspunkt I an der Oberfläche des Werkstücks W befindet, wird die Werkstückoberfläche mit dem Laserstrahl L als kreisförmiger Fleck mit dem Durchmesser D des fokussierten Strahls bestrahlt.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 6A bis 6D eine Laserstrahlfokussierungswirkung der Laserbearbeitungsvorrichtung 10, die das optische Transmissionselement 44 umfasst, untersucht werden. Wie in 6A gezeigt umfasst der obige Aufbau das so angeordnete optische Transmissionselement 44, dass die erste Fläche 46b des konischen Plattenabschnitts 46 zu der optischen Faser 26 gewandt ist. Der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlte Laserstrahl L mit dem Diffusionswinkel α wird zuerst durch das optische Transmissionselement 44 übertragen und dann durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt (oder eine virtuelle Linse) 32 fokussiert, wodurch das Werkstück W mit dem fokussierten Laserstrahl L mit dem Konvergenzwinkel β bestrahlt wird. Die Abmessungen der jeweiligen Teile sind so festgelegt, dass sie zu denen bei dem Aufbau von 5A analog sind; genauer beträgt der Kerndurchmesser der optischen Faser 26 50 μm, beträgt der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L als Halbwinkel 0,1 Radianten, beträgt der Abstand von der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser 26 zu dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 100 mm, und beträgt die Brennweite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 50 mm. Ferner ist das optische Transmissionselement 44 so dimensioniert, dass der Scheitelwinkel θ des konischen Plattenabschnitts 46 177,14° beträgt (d. h., ein Neigungswinkel in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 46a verläuft, 1,43° beträgt), und die Dicke t 3 mm beträgt, und ist es an einer Position angeordnet, an der der Abstand von der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser zu dem Scheitel des konischen Plattenabschnitts 46 44 mm beträgt.
6B stellt die durch eine Simulation erhaltenen Pfade einiger der Strahlen des Laserstrahls L dar. Zum besseren Verständnis stellt 6C Lichtstrahlpfade dar, die optional aus den in 6B gezeigten Lichtstrahlpfaden extrahiert wurden. Beispielweise breitet sich in 6B und 6C der Lichtstrahl, der von dem oberen Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und gelangt er in den konischen Plattenabschnitt 46 des optischen Transmissionselements 44, wird dann wie in 4B gezeigt einer derartigen Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß dem Einfallswinkel unterzogen, dass er durch das optische Transmissionselement 44 übertragen wird, während er den Diffusionswinkel α behält, und gelangt er danach in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgegeben und an dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I jeweils an der mittleren und der unteren Position fokussiert (oder abgebildet). Andererseits breitet sich in 6B und 6C der Lichtstrahl, der von dem unteren Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und gelangt er in den konischen Plattenabschnitt 46 des optischen Transmissionselements 44, wird dann wie in 4B gezeigt einer derartigen Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß dem Einfallswinkel unterzogen, dass er durch das optische Transmissionselement 44 übertragen wird, während er den Diffusionswinkel α behält, und gelangt er danach in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgegeben und an dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I jeweils an der mittleren und der oberen Position fokussiert (oder abgebildet). Wenn jeder Lichtstrahl durch den konischen Plattenabschnitt 46 des optischen Transmissionselements 44 verläuft, kommt es zu einem Effekt, als ob die optische Achse in Bezug auf den Lichtstrahl schräg verschoben würde, und als Ergebnis davon wird der Lichtstrahl an dem Lichtfokussierungspunkt I wie veranschaulicht gesondert an zwei Positionen fokussiert.
Entsprechend werden alle Strahlen des Laserstrahls L, die von der gesamten Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurden, an dem Lichtfokussierungspunkt I in einem kreisförmigen Bereich S mit einem Durchmesser D des fokussierten Strahls (einem Bereich, der der Umkreisform der Kernendfläche entspricht und einen doppelt so großen Durchmesser wie jenen der Kernendfläche aufweist) fokussiert, wie in einer vergrößerten Ansicht von 6D gezeigt ist. Wenn sich der Lichtfokussierungspunkt I an der Oberfläche des Werkstücks W befindet, wird die Werkstückoberfläche mit dem Laserstrahls L als kreisförmiger Fleck mit dem Durchmesser D des fokussierten Strahls bestrahlt. Als Ergebnisse der Untersuchung wurde der Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt I des Laserstrahls als etwa 100 mm bestimmt, die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 als etwa 1,0 bestimmt, der Konvergenzwinkel β des Laserstrahls L als Halbwinkel als etwa 0,1 Radianten bestimmt, und der Durchmesser D des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt als etwa 100 μm bestimmt.
Wie aus einem Vergleich zwischen dem Aufbau von 5A bis 5D und dem Aufbau von 6A bis 6D verstanden werden kann, wirkt der konische Plattenabschnitt 46 des optischen Transmissionselements 44 so, dass er den Durchmesser D des fokussierten Strahls des Laserstrahls L, der durch den konischen Plattenabschnitt (oder den Strahldurchmesservergrößerungsteil) 46 verlaufen ist, verglichen mit dem Durchmesser D des fokussierten Strahls des Laserstrahls L im Fall einer Fokussierung des Laserstrahls L durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 ohne Verlauf durch den konischen Plattenabschnitt (oder den Strahldurchmesservergrößerungsteil) 46 vergrößert. Wie aus den Ergebnissen der Untersuchung offensichtlich sein wird, ist es ferner möglich, den Durchmesser D des fokussierten Strahls zu vergrößern (bei dem Beispiel von 6D auf etwa das Doppelte), ohne eines aus dem Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt I des Laserstrahls L, der Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32, und dem Konvergenzwinkel β des Laserstrahls L wesentlich zu verändern.
Bei dem Aufbau (5), bei dem das optische Transmissionselement 44 aus der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 beseitigt ist, wird dann, wenn der Durchmesser D des fokussierten Strahls durch Erhöhen der Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 vergrößert werden soll, der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 von der in 5A gezeigten Position zum Beispiel um 10 mm in die Richtung zu dem Ausgangsende 26a der optischen Faser bewegt und dadurch die Abbildungsvergrößerung auf 1,25 erhöht, so dass der Durchmesser D des fokussierten Strahls auf 62,5 μm ansteigt, doch nimmt andererseits der Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt I auf 112,5 mm zu und nimmt der Konvergenzwinkel β als Halbwinkel auf 0,08 Radianten ab. Wenn der Durchmesser D des fokussierten Strahls durch Erhöhen der Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 auf 2 verdoppelt werden soll, wird die Änderung im Abstand von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt I weiter erhöht und wird das Veränderungsausmaß des Konvergenzwinkels β weiter erhöht, was die Gefahr mit sich bringt, dass die Gesamtgröße der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 beeinflusst wird oder die Durchführung einer optimalen Laserbearbeitung, die der Art der Laserbearbeitung oder dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks entspricht, erschwert wird.
Im Gegensatz dazu ist es bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10, die das optische Transmissionselement 44 umfasst (2 und 6A) und anstelle eines Aufbaus, bei dem die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 erhöht wird (d. h., der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 entlang der optischen Achse 32a bewegt wird), einen Aufbau einsetzt, bei dem der gesamte Laserstrahl L durch den konischen Plattenabschnitt (oder den Strahldurchmesservergrößerungsteil) 46 des optischen Transmissionselements 44 übertragen wird, möglich, den Durchmesser D des fokussierten Strahls zu vergrößern, ohne den Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt I und den Konvergenzwinkel β des Laserstrahls L wesentlich zu verändern. Wenn gewünscht ist, nicht nur den Durchmesser D des fokussierten Strahls auf eine gewünschte Größe zu vergrößern, sondern auch den Konvergenzwinkel β auf einen gewünschten Wert zu verändern, ist es lediglich nötig, den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 über eine passende Strecke entlang der optischen Achse 32a zu bewegen. Daher ist es nach der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 möglich, das Werkstück W ohne Einfluss auf die Gesamtgröße der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 mit einem Laserstrahl L mit einem optimalen Durchmesser D des fokussierten Strahls und einem optimalen Konvergenzwinkel β, die an die Art der Laserbearbeitung oder das Material, die Dicke usw. des Werkstücks W angepasst sind, zu bestrahlen. Da das optische Transmissionselement 44 so aufgebaut ist, dass es gestattet, dass der Laserstrahl L hindurch übertragen wird, während der Diffusionswinkel α vor und nach der Übertragung unverändert oder konstant gehalten wird, ist es selbst bei dem Aufbau, bei dem das optische Transmissionselement 44 in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls stromaufwärts von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 angeordnet ist, möglich, einen Einfluss auf eine geometrische Aberration während der Fokussierung zu minimieren. Da das optische Transmissionselement 44 in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls stromaufwärts von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 angeordnet ist, kann darüber hinaus bei einem Aufbau, bei dem der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 im Voraus so gestaltet wurde, dass er die geometrische Aberration verringert, verhindert werden, dass die geometrische Aberration infolge der Bereitstellung des optischen Transmissionselements 44 zunimmt. Wenn das optische Transmissionselement 44 zwischen den mehreren optischen Linsen 36 des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet ist, verändert sich eine geometrische Aberration infolge einer Veränderung im Abstand zwischen den jeweiligen optischen Linsen 36, und ist es nötig, den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 umzugestalten. Doch bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 besteht keine Notwendigkeit zur Umgestaltung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 infolge der Bereitstellung des optischen Transmissionselements 44.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 7A bis 7D die Laserstrahlfokussierungswirkung der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 untersucht werden, wenn das optische Transmissionselement 44 in 6A durch ein optisches Transmissionselement 44' ersetzt ist. Das optische Transmissionselement 44' ist hinsichtlich des Aufbaus mit Ausnahme eines unterschiedlichen Scheitelwinkels θ des konischen Plattenabschnitts 46 mit dem optischen Transmissionselement 44 identisch. Bei diesem Aufbau ist das optische Transmissionselement 44' wie in 7A gezeigt so angeordnet, dass die erste Fläche 46b seines konischen Plattenabschnitts 46 zu der optischen Faser 26 gewandt ist. Der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlte Laserstrahl L mit dem Diffusionswinkel α wird zuerst durch das optische Transmissionselement 44' übertragen und dann durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt (oder eine virtuelle Linse) 32 fokussiert, wodurch das Werkstück W mit dem fokussierten Laserstrahl L mit dem Konvergenzwinkel β bestrahlt wird. Der Scheitelwinkel θ des konischen Plattenabschnitts 46 des optischen Transmissionselements 44' ist auf 174,28° eingerichtet (das heißt, ein Neigungswinkel in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse verläuft, ist auf 2,86° (das Doppelte des Neigungswinkels des optischen Transmissionselements 44) eingerichtet). Die Abmessungen der anderen Teile sind analog zu jenen bei dem Aufbau von 6A festgelegt.
7B stellt die durch eine Simulation erhaltenen Pfade einiger der Strahlen des Laserstrahls L dar. Zum besseren Verständnis stellt 7C Lichtstrahlpfade dar, die optional aus den in 7B gezeigten Lichtstrahlpfaden extrahiert wurden. Beispielweise breitet sich in 7B und 7C der Lichtstrahl, der von dem oberen Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und gelangt er in den konischen Plattenabschnitt 46 des optischen Transmissionselements 44', wird dann wie in 4B gezeigt einer derartigen Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß dem Einfallswinkel unterzogen, dass er durch das optische Transmissionselement 44' übertragen wird, während er den Diffusionswinkel α behält, und gelangt er danach in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird er von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgegeben und an dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I jeweils an der zweiten Position von oben und der unteren Position fokussiert (oder abgebildet). Andererseits breitet sich in 7B und 7C der Lichtstrahl, der von dem unteren Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und gelangt er in den konischen Plattenabschnitt 46 des optischen Transmissionselements 44', wird dann wie in 4B gezeigt einer derartigen Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß dem Einfallswinkel unterzogen, dass er durch das optische Transmissionselement 44' übertragen wird, während er den Diffusionswinkel α behält, und gelangt er danach in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird er von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgegeben und an dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I jeweils an der zweiten Position von unten und der oberen Position fokussiert (oder abgebildet). Wenn jeder Lichtstrahl durch den konischen Plattenabschnitt 46 des optischen Transmissionselements 44' verläuft, kommt es zu einem Effekt, als ob die optische Achse in Bezug auf den Lichtstrahl schräg verschoben würde, und als Ergebnis davon wird der Lichtstrahl an dem Lichtfokussierungspunkt I wie veranschaulicht gesondert an zwei Positionen fokussiert.
Entsprechend werden alle Strahlen des Laserstrahls L, die von der gesamten Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurden, an dem Lichtfokussierungspunkt I in einem ringförmigen Bereich S mit einem Durchmesser (Außendurchmesser) D des fokussierten Strahls (der ringförmige Kreisbereich entspricht der Umkreisform der Kernendfläche und weist einen Außendurchmesser auf, der etwa drei Mal so groß wie jener der Kernendfläche ist) fokussiert, wie in einer vergrößerten Ansicht von 7D gezeigt ist. Da der Scheitelwinkel θ des konischen Plattenabschnitts 46 des optischen Transmissionselements 44' kleiner als der Scheitelwinkel θ des konischen Plattenabschnitts 46 des optischen Transmissionselements 44 von 6A ist, wird angenommen, dass die scheinbare Verschiebung der optischen Achse in Bezug auf den Lichtstrahl, der durch den konischen Plattenabschnitt 46 des optischen Transmissionselements 44' verläuft, zunimmt, und dass als Ergebnis in der Mitte des Lichtfokussierungspunkts I ein Bereich gebildet wird, in dem der Laserstrahl L nicht fokussiert wird. Wenn der Lichtfokussierungspunkt I an der Oberfläche des Werkstücks W positioniert ist, wird die Werkstückoberfläche mit dem Laserstrahl als ringförmiger Fleck mit einem Durchmesser (Außendurchmesser) D des fokussierten Strahls bestrahlt. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigten, dass der Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt I als etwa 100 mm bestimmt ist, die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 als etwa 1,0 bestimmt ist, der Konvergenzwinkel β des Laserstrahls L als etwa 0,1 Radianten als Halbwinkel bestimmt ist, und der Fokussierungsdurchmesser (Außendurchmesser) D an dem Lichtfokussierungspunkt als etwa 150 μm bestimmt ist.
Wie aus einem Vergleich zwischen dem Aufbau von 6A bis 6D und dem Aufbau von 7A bis 7D verstanden werden kann, kann die Größe des vergrößerten Durchmessers D des fokussierten Strahls, die durch den konischen Plattenabschnitt (den Strahldurchmesservergrößerungsteil) 46 des optischen Transmissionselements 44 erzielt werden kann, durch Verändern des Aufbaus des konischen Plattenabschnitts 46 verändert werden. Zum Beispiel kann die Größe des Durchmessers D des fokussierten Strahls durch Verändern eines gewünschten von verschiedenen Parametern wie etwa dem Scheitelwinkel θ, der Dicke t, dem Brechungsindex usw. des konischen Plattenabschnitts 46 verändert werden. Es können im Voraus mehrere Bearbeitungsköpfe 18, die jeweils mit einem gewünschten von mehreren optischen Transmissionselementen 44, die unterschiedliche Parameter einsetzen, versehen sind, bereitgestellt werden, und es kann der passende Bearbeitungskopf 18, der mit den optischen Transmissionselement 44, das der Art der Laserbearbeitung und dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks entspricht, versehen ist, zur Verwendung gewählt werden.
Alternativ kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 so aufgebaut sein, dass das optische Transmissionselement 40 abnehmbar an einer vorherbestimmten Position in dem Bearbeitungskopf 18 angebracht ist. Zum Beispiel kann das optische Transmissionselement 44 unter Verwendung eines geeigneten Montageträgers (nicht gezeigt) an einer Position, die den Laserstrahl L nicht stört, abnehmbar an der Innenwand des Gehäuses 34 angebracht werden. Gemäß diesem Aufbau werden mehrere optische Transmissionselemente 44, die sich hinsichtlich des Scheitelwinkels θ, der Dicke t, des Brechungsindex usw. des eingesetzten konischen Plattenabschnitts 46 unterscheiden, im Voraus bereitgestellt und wird ein passendes der optischen Transmissionselemente 44, das der Art der Laserbearbeitung und dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks W entspricht, gewählt und an dem Bearbeitungskopf 18 angebracht; auf diese Weise kann die Laserbearbeitung durch Bestrahlen des Werkstücks W mit einem Laserstrahl L mit einem optimalen Durchmesser D des fokussierten Strahls und einem optimalen Konvergenzwinkel β durchgeführt werden. Ferner kann die Laserbearbeitung bei jeder Änderung eines der Parameter, die die Art der Laserbearbeitung und das Material, die Dicke usw. des Werkstücks W definieren, durch Austauschen des optischen Transmissionselements 44 gegen ein passendes durchgeführt werden.
Wenn das optische Transmissionselement 44 so ausgebildet ist, dass es von dem Bearbeitungskopf 18 abnehmbar ist, ist es durch passendes Umstellen des Aufbaus zwischen dem Aufbau, der nicht mit dem optischen Transmissionselement 44 versehen ist (siehe z. B. 5), und dem Aufbau, der mit dem optischen Transmissionselement 44 versehen ist (siehe z. B. 6A oder 7A), möglich, die gleiche Laserbearbeitungsvorrichtung 10 zu verwenden. Bei dem Aufbau, der nicht mit dem optischen Transmissionselement 44 versehen ist, wird der Laserstrahl L, der von der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32, der so gestaltet ist, dass die geometrische Aberration usw. minimiert werden, fokussiert und von dem Bearbeitungskopf 18 ohne Verschlechterung seines ursprünglichen Fokussierungsvermögens ausgestrahlt. Anderseits wird bei dem Aufbau, der mit dem optischen Transmissionselement 44 versehen ist, der von der optischen Faser 26 ausgestrahlte Laserstrahl L durch den konischen Plattenabschnitt 46, der in Bezug auf die Symmetrieachse 46a geneigt ist, übertragen, wodurch sein ursprüngliches Fokussierungsvermögen etwas verschlechtert wird, und wird der Laserstrahl L in diesem Zustand durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 fokussiert und von dem Bearbeitungskopf 18 ausgestrahlt. Entsprechend kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 lediglich durch Umstellen des Aufbaus zwischen dem Aufbau, der nicht mit dem optischen Transmissionselement 44 versehen ist, und dem Aufbau, der mit dem optischen Transmissionselement 44 versehen ist, eine optimale Laserbearbeitung durchführen, indem nicht nur einer Veränderung im Hinblick auf die Art der Laserbearbeitung oder das Material, die Dicke usw. des Werkstücks W, sondern auch einer Veränderung im Hinblick auf das Fokussierungsvermögen des Laserstrahls L, das für die Bearbeitung benötigt wird, entsprochen wird.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10, die mit dem abnehmbaren optischen Transmissionselement 44 versehen ist, wird dann, wenn eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, die zum Beispiel einen kleinen Durchmesser D des fokussierten Strahls mit einer hohen Energiedichte benötigt, das optische Transmissionselement 44 von dem Bearbeitungskopf 18 abgenommen, und dann, wenn eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, die einen großen Durchmesser D des fokussierten Strahls mit einer geringen Energiedichte benötigt, das optische Transmissionselement 44 an dem Bearbeitungskopf 18 angebracht; auf diese Weise kann die Laserbearbeitung mit einem optimalen Durchmesser D des fokussierten Strahls durchgeführt werden. Nun werden unter Bezugnahme auf das Laserschneiden eines plattenartigen Werkstücks W aus Weichstrahl spezifische Bespiele beschrieben werden: zum Beispiel wird im Fall eines dicken Plattenwerkstücks W mit einer Dicke von 16 mm ein optisches Transmissionselement 44 mit einem konischen Plattenabschnitt 46, dessen Scheitelwinkel θ verhältnismäßig klein ist (der Neigungswinkel ist groß), an dem Bearbeitungskopf 18 angebracht und das Schneiden unter Verwendung eines Laserstrahls L mit einem Durchmesser D des fokussierten Strahls von 150 μm durchgeführt (7A); im Fall eines Werkstücks W mit einer mittleren Dicke von etwa 6 mm wird ein optisches Transmissionselement 44 mit einem konischen Plattenabschnitt 46, dessen Scheitelwinkel β verhältnismäßig groß ist (der Neigungswinkel ist klein), an dem Bearbeitungskopf 18 angebracht und das Schneiden unter Verwendung eines Laserstrahls mit einem Durchmesser D des fokussierten Strahls von 100 μm durchgeführt (6); und im Fall eines dünnen Plattenwerkstücks W mit einer Dicke von etwa 1 mm wird das optische Transmissionselement 44 von dem Bearbeitungskopf 18 abgenommen und das Schneiden unter Verwendung eines Laserstrahls L mit einem Durchmesser D des fokussierten Strahls von 50 μm durchgeführt (5D).
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 kann das optische Transmissionselement 44 gegenüber der in 6A und 7A gezeigten Anordnung seitenverkehrt angeordnet werden oder in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls L an der stromabwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet werden. Wenn das optische Transmissionselement 44 gegenüber der in 6A oder 7A gezeigten Anordnung seitenverkehrt angeordnet wird, wird die Strecke, über die der Strahl des Laserstrahls durch den Verlauf durch das optische Transmissionselement 44 verschoben wird, kleiner, wie vorher unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschrieben wurde, und verändert sich daher der Durchmesser D des fokussierten Strahls geringfügig. Daher kann die Anbringungsausrichtung des optischen Transmissionselements 44 gemäß der Art der Laserbearbeitung und dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks W gewählt werden.
8 stellt eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10' nach einem abgewandelten Beispiel dar, wobei das optische Transmissionselement 44 (3A), das in dem Bearbeitungskopf 18 bereitgestellt ist, in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls L an der stromabwärts befindlichen Seite (in der Zeichnung unten) des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet ist. Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10' ist das optische Transmissionselement 44 in dem Gehäuse 34 an einer vorherbestimmten Position zwischen dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und der Bearbeitungsdüse 30 angebracht, wobei seine Mittelachsenlinie 44a mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 übereinstimmt. Das optische Transmissionselement 44 gestattet, dass der durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 fokussierte Laserstrahl L hindurch übertragen wird, während der Konvergenzwinkel β des Laserstrahls L vor und nach dem Durchgang unverändert gehalten wird. Ferner ist bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10' das optische Transmissionselement 44 so angeordnet, dass die erste Fläche 46b seines konischen Plattenabschnitts 46 zu der Düse 30 gewandt ist und die Symmetrieachse 46a des konischen Plattenabschnitts 46 mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 übereinstimmt. Ansonsten ist der Aufbau der Laserbearbeitungsvorrichtung 10' der gleiche wie jener der in 2 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 10.
Die in 8 gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 10', die das optische Transmissionselement 44 umfasst, bietet eine besonders vorteilhafte Wirkung, die jener der Laserbearbeitungsvorrichtung 10, die in 2 gezeigt ist, gleichwertig ist. Im Besonderen kann der Durchmesser des fokussierten Strahls im Fall der Laserbearbeitungsvorrichtung 10' vergrößert werden, indem der Laserstrahl L wie in 4B gezeigt gemäß dem Einfallswinkel auf den konischen Plattenabschnitt 46 des optischen Transmissionselements 44 gebeugt und verschoben wird, nachdem der Laserstrahl L durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β fokussiert wurde. Entsprechend ist es verglichen mit dem Aufbau, in dem das optische Transmissionselement 44 weggelassen ist (siehe z. B. 5), möglich, das Ausmaß der Veränderung des Konvergenzwinkels β auf null zu verringern.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10' kann so aufgebaut sein, dass das optische Transmissionselement 44 abnehmbar an einer vorherbestimmten Position in dem Bearbeitungskopf 18 angebracht ist. In diesem Fall kann die Laserbearbeitung wie im Fall der in 2 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 10 durchgeführt werden, indem das Werkstück W durch Umstellen zu dem Aufbau, der nicht mit dem optischen Transmissionselement 44 versehen ist, oder passendes Wählen des optimalen optischen Transmissionselements 44 gemäß einer Veränderung im Hinblick auf die Art der Laserbearbeitung oder das Material, die Dicke usw. des Werkstücks W oder des Fokussierungsvermögens des Laserstrahls L, das für die Bearbeitung benötigt wird, mit einem Laserstrahl L mit einem optimalen Durchmesser D des fokussierten Strahls und einem optimalen Konvergenzwinkel β bestrahlt wird. Da das optische Transmissionselement 44, das abnehmbar zwischen dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und der Bearbeitungsdüse 30 angebracht werden kann, so wie die Trennwand 40 (2) die Funktion der Verhinderung einer Verschmutzung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 erfüllen kann, kann überdies die Anzahl der Einzelteile durch den Verzicht auf die Trennwand 40 verringert werden.
9 stellt eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10'' nach einem anderen abgewandelten Beispiel dar, wobei der Laserstrahl L, der durch einen Oszillator wie etwa einen CO₂-Laseroszillator in der Laserquelle 14 (1) erzeugt wurde und durch das Übertragungsmittel 20 (1), das unter Verwendung eines Lichtleitrohrs, eines reflektierenden Spiegels usw. aufgebaut ist, übertragen wurde, in den Bearbeitungskopf 18 eingebracht wird. Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10'' weist das Gehäuse 34 an seinem hinteren Ende (dem oberen Ende in der Zeichnung) eine Öffnung 48 auf, und ist dahinter (in der Zeichnung oben) eine Sammellinse 50 zum Sammeln des Laserstrahls L, der sich durch die Luft ausgebreitet hat, angeordnet. Der Laserstrahl L, der durch die Sammellinse 50 verläuft, wird konzentriert, um eine Strahltaille E zu bilden, und gelangt als Laserstrahl L mit einem Diffusionswinkel α an der in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls gesehen stromabwärts befindlichen Seite der Strahltaille E in den Bearbeitungskopf 18. Ansonsten ist der Aufbau der Laserbearbeitungsvorrichtung 10'' der gleiche wie jener der in 2 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 10.
Die in 9 gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 10'', die das optische Transmissionselement 44 umfasst, bietet auch eine besonders vorteilhafte Wirkung, die jener der in 2 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gleichwertig ist. Auch bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10'' kann das optische Transmissionselement 44 in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls L gesehen entweder an der stromaufwärts befindlichen Seite oder an der stromabwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 an einer vorherbestimmten Position abnehmbar angebracht werden. In diesem Fall kann die Laserbearbeitung so wie im Fall der in 2 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 10 durchgeführt werden, indem das Werkstück W durch Umstellen zu dem Aufbau, der nicht mit dem optischen Transmissionselement 44 versehen ist, oder passendes Wählen des optimalen optischen Transmissionselements 44 gemäß einer Veränderung im Hinblick auf die Art der Laserbearbeitung oder das Material, die Dicke usw. des Werkstücks W oder des Fokussierungsvermögens des Laserstrahls L, das für die Bearbeitung benötigt wird, mit einem Laserstrahl L mit einem optimalen Durchmesser D des fokussierten Strahls und einem optimalen Konvergenzwinkel β bestrahlt wird.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann so ausgebildet sein, dass sie in der Lage ist, jedes beliebige von verschiedenen optischen Transmissionselementen 44, die sich in der Form oder im Aufbau von dem oben beschriebenen optischen Transmissionselement 44 unterscheiden, aufzunehmen. Der Aufbau eines optischen Transmissionselements 52, das sich in der Form von dem optischen Transmissionselement 44 unterscheidet, und der Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 54 nach einer alternativen Ausführungsform, die das optische Transmissionselement 52 umfasst, werden nachstehend unter Bezugnahme auf 10a bis 15C beschrieben werden. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 54, die das optische Transmissionselement 52 umfasst, kann so aufgebaut sein, dass sie mit Ausnahme des Umstands, dass das optische Transmissionselement 44 durch das optische Transmissionselement 52 ersetzt ist, den gleichen Aufbau wie die in 2 und 5A bis 7D gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 10, die in 8 gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 10' oder die in 9 gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 10'' aufweist. In der folgenden Beschreibung sind Bestandeile, die jenen bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10, 10' oder 10'' entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden diese Bestandteile hier nicht näher beschrieben werden.
Wie in 10A und 10B gezeigt umfasst das optische Transmissionselement 52 einen mittleren flachen Plattenabschnitt 56 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form ausgeführt ist und senkrecht zu seiner Symmetrieachse 56a verläuft, und einen ringförmigen konischen Plattenabschnitt 58 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form ausgeführt ist und in Bezug auf seine Symmetrieachse 58a geneigt ist. Genauer umfasst der mittlere flache Plattenabschnitt 56 eine erste Fläche 56b, die eine runde flache Fläche ist, und eine zweite Fläche 56c, die eine runde flache Fläche ist und sich an der zu der ersten Fläche 56b entgegengesetzten Seite befindet und die gleiche Form und die gleichen Abmessungen wie die erste Fläche 56b aufweist. Die erste und die zweite Fläche 56b und 56c verlaufen zueinander parallel, und die in Richtungen, welche zu der ersten und der zweiten Fläche 56b und 56c senkrecht verlaufen, gemessene Abmessung (Dicke) t1 des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 ist über den gesamten Abschnitt hinweg gleichmäßig. Der ringförmige konische Plattenabschnitt 58 weist eine erste Fläche 58b, die eine kegelstumpfförmige konvexe Fläche ist, und eine zweite Fläche 58c, die eine kegelstumpfförmige konkave Fläche ist und sich an der zu der ersten Fläche 58b entgegengesetzten Seite befindet und die gleiche Form und die gleichen Abmessungen wie die erste Fläche 58b aufweist und einen imaginären Kegelscheitelwinkel θ aufweist, der dem Scheitelwinkel β eines imaginären Kegels, welcher durch Verlängern der ersten Fläche 58b gebildet wird, gleich ist, auf. Die erste und die zweite Fläche 58b und 58c verlaufen zueinander parallel, und die in Richtungen, welche zu der ersten und der zweiten Fläche 58b und 58c senkrecht verlaufen, gemessene Abmessung (Dicke) t2 des konischen Plattenabschnitts 58 ist über den gesamten Abschnitt hinweg gleichmäßig. Die Dicke t2 des konischen Plattenabschnitts 58 kann die gleiche wie die Dicke t1 des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 sein oder sich davon unterscheiden. Die Symmetrieachse 56a des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 und die Symmetrieachse 58a des konischen Plattenabschnitts 58 stimmen miteinander überein und stimmen mit der Mittelachsenlinie 52a des optischen Transmissionselements 52 überein.
Das optische Transmissionselement 52 kann aus einem Material wie etwa Quarzglas oder BK7, das den Laserstrahl L nicht oder kaum absorbiert oder streut, gebildet sein. Ferner können die ersten und die zweiten Flächen 56b, 58b und 56c, 58c des optischen Transmissionselements 52 mit einer Antireflexbeschichtung, die aus einem mehrschichtigen optischen Film gebildet ist, behandelt sein. Dieser Aufbau gestattet, dass der Laserstrahl L durch das optische Transmissionselement 52 übertragen wird, ohne dass es zu einem Herabsetzen seiner Energie kommt. Aufgrund des Unterschieds im Brechungsindex zwischen dem optischen Transmissionselement 52 und der Umgebungsluft ändert der Laserstrahl L seine Richtung gemäß dem Einfallswinkel, wenn er in das optische Transmissionselement 52 gelangt, und verändert er erneut seine Richtung wenn er das optische Transmissionselement 52 verlässt. Diese Erscheinung wird unter Bezugnahme auf 11A bis 11D beschrieben werden. Es wird angenommen, dass das in 11A bis 11D gezeigte optische Transmissionselement 52 so wie das optische Transmissionselement 44, das in 2 gezeigt ist, in dem Gehäuse 34 des Bearbeitungskopfs 18 an einer vorherbestimmten Position (2) zwischen dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 und dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 angebracht ist, wobei seine Mittelachsenlinie 52a mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 übereinstimmt.
Wie in 11A bis 11D konzeptuell gezeigt ist das optische Transmissionselement 56 so in dem Gehäuse 34 (2) des Bearbeitungskopfs 18 angeordnet, dass die Symmetrieachse 56a des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 und die Symmetrieachse 58a des konischen Plattenabschnitts 58 mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 (2) übereinstimmen. In 11A, 11B und 11D ist das optische Transmissionselement 52 so angeordnet, dass die zweiten Flächen 56c und 58c des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 und des konischen Plattenabschnitts 58 zu der optischen Faser 26 gewandt sind. In 11C ist das optische Transmissionselement 52 so angeordnet, dass die ersten Flächen 56b und 58b des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 und des konischen Plattenabschnitts 58 zu der optischen Faser 26 gewandt sind. 11A stellt ein optisches Transmissionselement 52 dar, bei dem der Scheitelwinkel θ (10B) des konischen Plattenabschnitts 58 klein ist (der Neigungswinkel groß ist), und 11B und 11C stellen jeweils ein optisches Transmissionselement 52 dar, bei dem der Scheitelwinkel θ des konischen Plattenabschnitts 58 groß ist (der Neigungswinkel klein ist). 11D stellt einen Zustand dar, in dem sich das optische Transmissionselement 52 an einer Position befindet, die näher an der optischen Faser 26 liegt, und der gleiche Lichtstrahl wie der in 11A bis 11C gezeigte durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 übertragen wird.
Nun wird ein Lichtstrahl L1 in dem Lichtfluss des Laserstrahls L betrachtet. Bei dem Aufbau von 11A wird angenommen, dass der Lichtstrahl L1 senkrecht zu der zweiten Fläche 58c des konischen Plattenabschnitts 58 eingebracht wird. In diesem Fall gelangt der Lichtstrahl L1 ohne Beugung an der zweiten Fläche 58c in den konischen Plattenabschnitt 58, und verlässt er den konischen Plattenabschnitt 58 ohne Beugung an der ersten Fläche 58b; daher verläuft der Lichtstrahl im Allgemeinen gerade durch den konischen Plattenabschnitt 58, ohne eine Beugung oder Verschiebung zu erfahren.
Bei dem Aufbau von 11B, bei dem der Scheitelwinkel des konischen Plattenabschnitts 58 größer als jener bei dem Aufbau von 11A ist, wird der gleiche Lichtstrahl L1 wie jener in 11A mit einem spitzen Einfallswinkel γ in die zweite Fläche 58c des konischen Plattenabschnitts 58 eingebracht. Wenn er in das optische Transmissionselement 52 gelangt, wird der Lichtstrahl in eine Richtung gebeugt, die durch den Unterschied im Brechungsindex und den Einfallswinkel γ bestimmt wird, und wenn er das optische Transmissionselement 52 verlässt, wird der Lichtstrahl L1 erneut in eine Richtung, die durch den Unterschied im Brechungsindex und den Einfallswinkel bestimmt wird, gebeugt. Da die zweite Fläche (die Eingangsfläche) 58c und die erste Fläche (die Ausgangsfläche) 58b zueinander parallel verlaufen, ist der Ausgangswinkel dem Einfallswinkel γ gleich, und ist daher die Fortbewegungsrichtung des Lichtstrahls L1 beim Verlassen des optischen Transmissionselements 52 die gleiche wie jene beim Eindringen in das optische Transmissionselement 52. Doch nachdem er der zweimaligen Beugung unterzogen wurde, ist der Pfad des Lichtstrahls L1, der das optische Transmissionselement 52 verlässt, in Bezug auf den Pfad des Lichtstrahls L1 (durch eine gestrichelte Linie angegeben), der in das optische Transmissionselement 52 gelangt, in eine vorherbestimmte Richtung (in der Zeichnung die Richtung zu der optischen Achse 32a) verschoben. Die Strecke, über die der Lichtstrahl L1 verschoben wird, wird durch Faktoren wie die Dicke t2 (10B) des konischen Plattenabschnitts 58 des optischen Transmissionselements 52, den Scheitelwinkel θ (10B), den Unterschied im Brechungsindex zwischen dem optischen Transmissionselement 52 und der Umgebungsluft, und den Einfallswinkel γ in den konischen Plattenabschnitt 58 bestimmt. Von den Strahlen des Laserstrahls L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, werden alle Lichtstrahlen, die durch den konischen Plattenabschnitt 58 verlaufen, der gleichen Erscheinung unterzogen, und als Ergebnis gestattet das optische Transmissionselement 52, dass der Laserstrahl L hindurch übertragen wird, während der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L (2) vor und nach dem Durchgang unverändert gehalten wird. Wie später beschrieben werden wird, kommt es ferner beim Durchgang jedes Lichtstrahls durch den konischen Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52 zu einem Effekt, als ob die optische Achse in Bezug auf den Lichtstrahl schräg verschoben würde, und als Ergebnis davon wird der Durchmesser des fokussierten Strahls vergrößert, wenn alle Lichtstrahlen an dem Lichtfokussierungspunkt fokussiert werden.
Bei dem Aufbau von 11C, bei dem das optische Transmissionselement 52 gegenüber der in 11B gezeigten Anordnung seitenverkehrt angeordnet ist, kann der Pfad des Lichtstrahls L1, der das optische Transmissionselement 52 verlässt, in Bezug auf den Pfad des Lichtstrahls L1 (durch eine gestrichelte Linie angegeben), der in das optische Transmissionselement 52 gelangt, ebenfalls in eine vorherbestimmte Richtung (in der Zeichnung die Richtung zu der optischen Achse 32a) verschoben werden. Entsprechend gestattet das optische Transmissionselement 52 auch bei diesem Aufbau, dass der Laserstrahl L hindurch übertragen wird, während der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L (2) vor und nach dem Durchgang unverändert gehalten wird. Doch bei diesem Aufbau wird der gleiche Lichtstrahl L1 wie der Lichtstrahl L1 in 11B mit einem Einfallswinkel γ in die erste Fläche 58b des konischen Plattenabschnitts 58b eingebracht, der kleiner als der Einfallswinkel γ von 11B ist. Als Ergebnis ist die Strecke, über die der Lichtstrahl L1 bei dem Aufbau von 11C verschoben wird, größer als die Strecke, über die der Lichtstrahl L1 bei dem Aufbau von 11B verschoben wird.
Wie in 11D gezeigt wird dann, wenn sich das optische Transmissionselement 52 an einer Position befindet, die näher als die in 11A bis 11C gezeigte Position an der optischen Faser 26 liegt, und der gleiche Lichtstrahl L1 durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 übertragen wird, der Pfad des Lichtstrahls L1, der das optische Transmissionselement 52 verlässt, in Bezug auf den Pfad des Lichtstrahls L1 (durch eine gestrichelte Linie angegeben), der in das optische Transmissionselement 52 gelangt, ebenfalls in eine vorherbestimmte Richtung (in der Zeichnung die Richtung zu der optischen Achse 32a) verschoben. In diesem Fall ist der Einfallswinkel γ des Lichtstrahls L1, der in den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 eingebracht wird, kleiner als der in 11B gezeigte Einfallswinkel γ, aber größer als der in 11C gezeigte Einfallswinkel γ. Als Ergebnis ist die Strecke, über die der Strahl L1 des Laserstrahls während der Übertragung verschoben wird, größer als die Strecke, über die der Strahl L1 des Laserstrahls während der Übertragung in 11B verschoben wird, aber kleiner als die Strecke, über die der Strahl L1 des Laserstrahls während der Übertragung in 11C verschoben wird. Wenn der Lichtstrahl durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 verläuft, tritt der Effekt, als ob die optische Achse in Bezug auf den Lichtstrahl schräg verschoben würde, nicht auf. Da die optische Achse nicht verschoben wird, ist der Durchmesser des fokussierten Strahls, der an dem Lichtfokussierungspunkt gebildet wird, wenn alle Lichtstrahlen durch das optische Transmissionselement 52 geführt werden, der gleiche wie der Durchmesser des fokussierten Strahls, der gebildet würde, wenn die Lichtstrahlen nicht durch das optische Transmissionselement 52 geführt würden.
Unter Bezugnahme auf den Aufbau von 11D, bei dem der Lichtstrahl L1 durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 verläuft, wird dann, wenn der gleiche Lichtstrahl L1 durch den konischen Plattenabschnitt 58 in 11B geführt wird, der Pfad des Lichtstrahls L1, der den konischen Plattenabschnitt 58 verlässt, in Bezug auf den Pfad des Lichtstrahls L1 in 11D in eine Richtung von der optischen Achse 32a weg verschoben, und wird dann, wenn der gleiche Lichtstrahl L1 durch den konischen Plattenabschnitt 58 in 11C geführt wird, der Pfad des Lichtstrahls L1, der den konischen Plattenabschnitt 58 verlässt, in Bezug auf den Pfad des Lichtstrahls L1 in 11D in eine Richtung zu der optischen Achse 32a verschoben. Wie aus der obigen Beschreibung abgeleitet werden kann, würde der Einfallswinkel γ des Lichtstrahls L1 dann, wenn der Lichtstrahl L1 durch einen konischen Plattenabschnitt 58 mit einem kleineren Scheitelwinkel (d. h., einem größeren Neigungswinkel) als bei dem konischen Plattenabschnitt 58 von 11A geführt würde, ein stumpfer Winkel sein, so dass der Pfad des Lichtstrahls L1, der den konischen Plattenabschnitt 58 verlässt, in Bezug auf den Pfad des Lichtstrahls L1, der in den konischen Plattenabschnitt 58 gelangt, in eine Richtung von der optischen Achse 32a weg verschoben würde.
Der konische Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52 bildet den Strahldurchmesservergrößerungsteil, der den Durchmesser des fokussierten Strahls des Laserstrahls L vergrößert. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 12A bis 15C die Laserstrahlfokussierungswirkung der Laserbearbeitungsvorrichtung 54, die das optische Transmissionselement 52 umfasst, beschrieben werden. In 12A, 13A, 14A und 15A ist der gesamte Aufbau der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 gezeigt, doch sind zur Einfachheit das Gehäuse 34, die Bearbeitungsdüse 30 und die Trennwand 40, die in 2 gezeigt sind, aus der Darstellung weggelassen und ist der optische Lichtfokussierungsabschnitt 32 durch eine einzelne virtuelle Linse ersetzt.
Wie in 12A gezeigt ist das optische Transmissionselement 52, das in der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 enthalten ist, in dem Bearbeitungskopf 18 (2) bereitgestellt und in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls L gesehen an der stromaufwärts befindlichen Seite (in der Zeichnung oben) des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet. Das optische Transmissionselement 52 ist in dem Gehäuse 34 (2) an einer vorherbestimmten Position zwischen dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 und dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 angebracht, wobei seine Mittelachsenlinie 52a mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 übereinstimmt. Ferner befindet sich das optische Transmissionselement 52 an einer Position, an der der mittlere Teil des Lichtflusses des Laserstrahls L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 übertragen wird und der restliche äußere Teil durch den konischen Plattenabschnitt 58 übertragen wird. Das optische Transmissionselement 52 ist so angeordnet, dass die ersten Flächen 56b und 58b des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 und des konischen Plattenabschnitts 58 zu der optischen Faser 26 gewandt sind. Wie unter Bezugnahme auf 11A bis 11D beschrieben gestattet das optische Transmissionselement 52, dass der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlte Laserstrahl L hindurch übertragen wird, während der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L vor und nach dem Durchgang unverändert gehalten wird.
12A stellt die typischen Pfade von drei Lichtstrahlen 12, 13 und 14 in dem Lichtfluss des Laserstrahls L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, dar. Der Lichtstrahl 12, der von dem Mittelbereich des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, wird durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 übertragen, und sein Pfad wird während der Übertragung durch das optische Transmissionselement 52 verschoben (12B), wie vorher unter Bezugnahme auf 11D beschrieben wurde. Doch da dieser Lichtstrahl 12 keinen Effekt, als ob die optische Achse schräg verschoben würde, erfährt, wird der durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 verlaufene Lichtstrahl 12 auf die Position an dem Lichtfokussierungspunkt I fokussiert, die der Ausstrahlungsposition an dem Ausgangsende 26a der optischen Faser entspricht. Andererseits wird der Lichtstrahl 13, der von einem Bereich in der Nähe des äußeren Rands ausgestrahlt wird, durch den konischen Plattenabschnitt 58 übertragen und sein Pfad während des Durchgangs durch den konischen Plattenabschnitt 58 (12C) um eine größere Strecke als der Pfad des Lichtstrahls 12 verschoben, wie vorher unter Bezugnahme auf 110 beschrieben wurde. Während des Durchgangs durch den konischen Plattenabschnitt 58 erfährt der Lichtstrahl 13 einen Effekt, als ob die optische Achse schräg verschoben würde, und als Ergebnis wird der Lichtstrahl 13 auf eine Position an dem Lichtfokussierungspunkt I fokussiert, die in Bezug auf die Ausstrahlungsposition an dem Ausgangsende 26a der optischen Faser in eine Richtung von der optischen Achse 32a weg verschoben ist. Der Lichtstrahl 14, der sich an der zu dem Lichtstrahl 13 entgegengesetzten Seite der optischen Achse 32a befindet, wird entlang eines Pfads, der zu dem Pfad des Lichtstrahls 13 achsensymmetrisch ist, durch den konischen Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52 übertragen und auf eine Position an dem Lichtfokussierungspunkt I fokussiert, die in eine Richtung von der optischen Achse 32a weg verschoben ist und zu der Richtung, in der der Lichtstrahl 13 verschoben wird, entgegengesetzt ist. Auf diese Weise wird der Durchmesser des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt I verglichen mit dem minimalen Strahldurchmesser an dem Ausgangsende 26a der optischen Faser vergrößert.
Wie oben beschrieben wird die Gruppe von Lichtstrahlen, die von dem Mittelbereich des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde und durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 übertragen wurde, auf den Mittelbereich an dem Lichtfokussierungspunkt I fokussiert. Andererseits werden die Lichtstrahlen, die von den äußeren Umfangsbereich des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurden und durch den konischen Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52 übertragen wurden, auf den äußeren Umfangsbereich des Lichtfokussierungspunkts I fokussiert. Entsprechend kann die Größe des vergrößerten Durchmessers des fokussierten Strahls, der durch den konischen Plattenabschnitt (den Strahldurchmesservergrößerungsteil) vergrößert wird, durch Ändern des Aufbaus des konischen Plattenabschnitts 58 verändert werden. Zum Beispiel kann die Größe des Durchmessers des fokussierten Strahls durch Verändern eines gewünschten von verschiedenen Parametern wie etwa dem Scheitelwinkel θ, der Dicke t2, dem Brechungsindex, dem Innendurchmesser (Außendurchmesser des mittleren flachen Plattenabschnitts 56) usw. des konischen Plattenabschnitts 58 verändert werden. Ebenso kann das Verhältnis zwischen der Bestrahlungsintensität der Lichtstrahlen, die auf den Mittelbereich des Lichtfokussierungspunkts I fokussiert werden, und der Bestrahlungsintensität der Lichtstrahlen, die auf den äußeren Umfangsbereich des Lichtfokussierungspunkts I fokussiert werden, durch Verändern eines gewünschten Parameters des konischen Plattenabschnitts 58 reguliert werden. Es können im Voraus mehrere Bearbeitungsköpfe 18 (2), die jeweils mit einem gewünschten von mehreren optischen Transmissionselementen 52, die unterschiedliche Parameter einsetzen, versehen sind, bereitgestellt werden, und es kann der passende Bearbeitungskopf 18, der mit den optischen Transmissionselement 52, das der Art der Laserbearbeitung und dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks entspricht, versehen ist, zur Verwendung gewählt werden.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 54, die mit dem optischen Transmissionselement 52, das den konischen Plattenabschnitt (Strahldurchmesservergrößerungsteil) 58 umfasst, ausgestattet ist, bietet eine besonders vorteilhafte Wirkung, die jener der in 2 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gleichwertig ist. Darüber hinaus kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 54, die mit dem optischen Transmissionselement 52 ausgestattet ist, die Größe des Durchmessers des fokussierten Strahls vergrößern oder das Verhältnis der Bestrahlungsintensität zwischen dem Mittelbereich und dem äußeren Umfangsbereich des Lichtfokussierungspunkts I regulieren, indem anstelle des gewünschten Parameters des konischen Plattenabschnitts 58 die Position des optischen Transmissionselements 52, das zwischen der optischen Faser 56 und dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 angeordnet wird, entlang der optischen Achse 32a verändert wird. Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 13A bis 15C die Laserstrahlfokussierungswirkung der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 unter verschiedenartiger Veränderung der Position des optischen Transmissionselements 52 entlang der optischen Achse untersucht werden.
Zuerst wird unter Bezugnahme auf 13A bis 13C die Laserstrahlfokussierungswirkung, wenn das optische Transmissionselement 52 sehr nahe an dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 angebracht ist, untersucht werden. Bei dem veranschaulichten Aufbau befindet sich das optische Transmissionselement 52 an einer Position, an der der gesamte Laserstrahl L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 übertragen wird. Ferner ist das optische Transmissionselement 52 so angeordnet, dass die ersten Flächen 56a und 58a des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 und des konischen Plattenabschnitts 58 zu der optischen Faser 26 gewandt sind. Der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser ausgestrahlte Laserstrahl L mit dem Diffusionswinkel α wird zuerst durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 übertragen und dann durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt (die virtuelle Linse) 32 fokussiert, und das Werkstück W wird mit dem fokussierten Laserstrahl L mit dem Konvergenzwinkel β bestrahlt. Die Abmessungen der verschiedenen Teile sind wie folgt festgelegt: der Kerndurchmesser der optischen Faser 26 beträgt 50 μm, der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L beträgt 0,1 Radianten als Halbwinkel, der Abstand von der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser 26 zu dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 beträgt 100 mm, und die Brennweite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 beträgt 50 mm. Ferner beträgt die Dicke t1 (10B) des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 des optischen Transmissionselements 52 3 mm, beträgt der Scheitelwinkel θ (10B) des konischen Plattenabschnitts 56 171,98° (d. h., der Neigungswinkel in Bezug auf die Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 58a verläuft, beträgt 4,01°); beträgt die Dicke t2 3 mm, und beträgt der Abstand von der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser zu der ersten Fläche 56a des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 5 mm.
13B stellt durch eine Simulation erhaltene Lichtstrahlpfade dar, die optional aus den Pfaden von einigen der Strahlen des Laserstrahls L extrahiert wurden. Wie in 13B veranschaulicht breitet sich beispielsweise der Lichtstrahl, der von dem oberen Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und wird er in den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 eingebracht, und wird der Lichtstrahl wie in 12B gezeigt einer Brechung und Parallelverschiebung gemäß seinem Einfallswinkel unterzogen und durch das optische Transmissionselement 52 übertragen, während der Diffusionswinkel α beibehalten wird; der Lichtstrahl gelangt dann in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32, wird von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgegeben, und wird an dem Lichtfokussierungspunkt I an der unteren Endposition in der Zeichnung fokussiert. Andererseits breitet sich wie in 13B veranschaulicht der Lichtstrahl, der von dem unteren Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgegeben wird, mit dem Diffusionswinkel α aus, und wird er in den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 eingebracht, und wird der Lichtstrahl wie in 12B gezeigt einer Brechung und Parallelverschiebung gemäß seinem Einfallswinkel unterzogen und durch das optische Transmissionselement 52 übertragen, während der Diffusionswinkel α beibehalten wird; der Lichtstrahl gelangt dann in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32, wird von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgegeben, und wird an dem Lichtfokussierungspunkt I an der oberen Endposition in der Zeichnung fokussiert.
Wenn jeder Lichtstrahl durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 verläuft, wird der Lichtstrahl nicht dem wie vorher beschriebenen Effekt, als ob die optische Achse in Bezug auf den Lichtstrahl schräg verschoben würde, unterzogen. Entsprechend werden die Lichtstrahlen im Wesentlichen auf die gleiche Weise, wie unter Bezugnahme auf 5A bis 5D für den Aufbau, bei dem das optische Transmissionselement 44 entfernt ist, beschrieben wurde, an dem Lichtfokussierungspunkt I fokussiert. Das heißt, alle Strahlen des Laserstrahls L, die von der gesamten Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurden, werden an dem Lichtfokussierungspunkt I in einem kreisförmigen Bereich S mit einem Durchmesser D des fokussierten Strahls (dem Bereich, der der Umfangsform und dem Durchmesser der Kernendfläche entspricht) fokussiert, wie in einer vergrößerten Ansicht von 13C gezeigt ist. Wenn der Lichtfokussierungspunkt I an der Oberfläche des Werkstücks W positioniert ist, wird die Werkstückoberfläche mit dem Laserstrahl L als kreisförmiger Fleck mit dem Durchmesser D des fokussierten Strahls bestrahlt. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigten, dass der Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt I des Laserstrahls L als 100 mm bestimmt ist, die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 als 1,0 bestimmt ist, der Konvergenzwinkel β des Laserstrahls L als 0,1 Radianten als Halbwinkel bestimmt ist, und der Durchmesser des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt als etwa 50 μm bestimmt ist.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 14A bis 14C die Laserstrahlfokussierungswirkung untersucht werden, wenn sich das optische Transmissionselement 52 an einer Position befindet, die näher als die in 13A gezeigte Position an dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 liegt. Bei diesem Aufbau befindet sich das optische Transmissionselement 52 an einer Position, an der wie in 14A gezeigt ein Teil des Laserstrahls L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 verläuft, und der restliche Teil durch den konischen Plattenabschnitt 58 verläuft. Genauer ist das optische Transmissionselement 52 so positioniert, dass sich die erste Fläche 56a des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 in einem Abstand von 45 mm von der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser befindet. Ansonsten ist der Aufbau der gleiche wie der in 13A gezeigte.
14B stellt durch eine Simulation erhaltene Lichtstrahlpfade dar, die optional aus den Pfaden von einigen der Strahlen des Laserstrahls L extrahiert wurden. In 14B breitet sich beispielsweise der Lichtstrahl, der von dem oberen Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und gelangt er in den konischen Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52, und wird er dann wie in 12C gezeigt einer Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß dem Einfallswinkel unterzogen, so dass er durch das optische Transmissionselement 52 übertragen wird, während er den Diffusionswinkel α behält, gelangt er dann in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird er von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgeben, und wird er in dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I jeweils an der zweiten Position von oben und der unteren Position fokussiert (abgebildet). Andererseits breitet sich in 14B der Lichtstrahl, der von dem unteren Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und gelangt er in den konischen Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52, und wird er dann wie in 12C gezeigt einer Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß dem Einfallswinkel unterzogen, so dass er durch das optische Transmissionselement 52 übertragen wird, während er den Diffusionswinkel α behält, gelangt er dann in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird er von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgeben, und wird er in dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I jeweils an der zweiten Position von unten und der oberen Position fokussiert (abgebildet). Wenn jeder Lichtstrahl durch den konischen Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52 verläuft, kommt es zu einem Effekt, als ob die optische Achse in Bezug auf den Lichtstrahl schräg verschoben würde, und als Ergebnis davon wird der Lichtstrahl in dem Lichtfokussierungspunkt I wie veranschaulicht gesondert an zwei Positionen fokussiert. Ferner gelangt wie in 14B veranschaulicht die Gruppe von Lichtstrahlen, die von dem Mittelbereich der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, in den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 und wird sie durch das optische Transmissionselement 52 übertragen, während sie wie in 12B gezeigt einer Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß dem Einfallswinkel unterzogen wird, und wird sie danach durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 fokussiert und in dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I in dem Mittelbereich fokussiert (oder abgebildet).
Entsprechend wird die Gruppe von Strahlen des Laserstrahls L, die von dem äußeren Umfangsbereich der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, an dem Lichtfokussierungspunkt I in einem ringförmigen Bereich S mit dem Durchmesser (Außendurchmesser) D des fokussierten Strahls (der ringförmige Bereich entspricht der Umfangsform der Kernendfläche und weist einen Außendurchmesser auf, der etwas mehr als drei Mal so groß ist) fokussiert, wie in einer vergrößerten Ansicht von 14C gezeigt ist. Andererseits wird die Gruppe von Strahlen des Laserstrahls L, die von dem Mittelbereich der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, an dem Lichtfokussierungspunkt I an einem kreisförmigen Bereich S' mit dem Durchmesser (Außendurchmesser) D' des fokussierten Strahls (der Bereich entspricht der Umfangsform und dem Durchmesser der Kernendfläche) innerhalb des ringförmigen Bereich S fokussiert, wie in der vergrößerten Ansicht von 14C gezeigt ist. Die Bestrahlungsintensität des kreisförmigen Bereichs S' in der Mitte des Lichtfokussierungspunkts I und die Bestrahlungsintensität des ringförmigen Bereichs S um den Außenumfang werden jeweils durch die Menge des Lichts, das durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 übertragen wird, bzw. die Menge der Lichts, das durch den konischen Plattenabschnitt 56 übertragen wird, bestimmt. Wenn der Lichtfokussierungspunkt I an der Oberfläche des Werkstücks W positioniert ist, wird die Werkstückoberfläche mit dem Laserstrahl L als im Wesentlichen runder Fleck mit dem Durchmesser D des fokussierten Strahls bestrahlt, wobei der Mittelbereich und der Umfangsbereich jeweils unterschiedliche Bestrahlungsintensitäten aufweisen. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigten, dass der Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt I des Laserstrahls L als etwa 100 mm bestimmt ist, die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 als etwa 1,0 bestimmt ist, der Konvergenzwinkel β des Laserstrahls L als etwa 0,1 Radianten als Halbwinkel bestimmt ist, und der Durchmesser des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt als etwa 150 μm bestimmt ist.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 15A bis 15C die Laserstrahlfokussierungswirkung untersucht werden, wenn sich das optische Transmissionselement 52 an einer Position befindet, die näher als die in 14A gezeigte Position an dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 liegt. Bei diesem Aufbau befindet sich das optische Transmissionselement 52 an einer Position, an der wie in 15A gezeigt ein Teil des Laserstrahls L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 verläuft, und der restliche Teil durch den konischen Plattenabschnitt 58 verläuft. Genauer ist das optische Transmissionselement 52 so positioniert, dass sich die erste Fläche 56a des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 in einem Abstand von 85 mm von der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser befindet. Ansonsten ist der Aufbau der gleiche wie der in 13A gezeigte.
15B stellt durch eine Simulation erhaltene Lichtstrahlpfade dar, die optional aus den Pfaden von einigen der Strahlen des Laserstrahls L extrahiert wurden. Wie in 15B veranschaulicht breitet sich beispielsweise der Lichtstrahl, der von dem oberen Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und gelangt er in den konischen Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52, und wird er dann wie in 12C gezeigt einer Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß dem Einfallswinkel unterzogen, so dass er durch das optische Transmissionselement 52 übertragen wird, während er den Diffusionswinkel α behält, gelangt er dann in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird er von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgeben, und wird er in dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I jeweils an der zweiten Position von oben und der unteren Position fokussiert (abgebildet). Andererseits breitet sich in 15B der Lichtstrahl, der von dem unteren Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und gelangt er in den konischen Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52, und wird er dann wie in 12C gezeigt einer Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß dem Einfallswinkel unterzogen, so dass er durch das optische Transmissionselement 52 übertragen wird, während er den Diffusionswinkel α behält, gelangt er dann in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird er von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgeben, und wird er in dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I jeweils an der zweiten Position von unten und der oberen Position fokussiert (abgebildet). Wenn jeder Lichtstrahl durch den konischen Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52 verläuft, kommt es zu einem Effekt, als ob die optische Achse in Bezug auf den Lichtstrahl schräg verschoben würde, und als Ergebnis davon wird der Lichtstrahl in dem Lichtfokussierungspunkt I wie veranschaulicht an zwei gesonderten Positionen fokussiert. Ferner gelangt wie in 15B veranschaulicht die Gruppe von Lichtstrahlen, die von dem Mittelbereich des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, in den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 und wird sie durch das optische Transmissionselement 52 übertragen, während sie wie in 12B gezeigt einer Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß dem Einfallswinkel unterzogen wird, und wird sie danach durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 fokussiert und an dem veranschaulichten Lichtfokussierungspunkt I in dem Mittelbereich fokussiert (oder abgebildet).
Entsprechend wird die Gruppe von Strahlen des Laserstrahls L, die von dem äußeren Umfangsbereich der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, an dem Lichtfokussierungspunkt I in einem ringförmigen Bereich S mit dem Durchmesser (Außendurchmesser) D des fokussierten Strahls (der ringförmige Bereich entspricht der Umfangsform der Kernendfläche und weist einen Außendurchmesser auf, der etwas mehr als drei Mal so groß ist) fokussiert, wie in einer vergrößerten Ansicht von 15C gezeigt ist. Andererseits wird die Gruppe von Strahlen des Laserstrahls L, die von dem Mittelbereich der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, an dem Lichtfokussierungspunkt I an einem kreisförmigen Bereich S' mit dem Durchmesser (Außendurchmesser) D' des fokussierten Strahls (der Bereich entspricht der Umfangsform und dem Durchmesser der Kernendfläche) innerhalb des ringförmigen Bereich S fokussiert, wie in der vergrößerten Ansicht von 15C gezeigt ist. Da das optische Transmissionselement 52 bei dem Aufbau von 15A bis 15C verglichen mit dem Aufbau von 14A bis 14C noch näher an dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 positioniert ist, nimmt die Menge des Lichts, das durch den mittleren flachen Abschnitt 56 übertragen wird, ab, und nimmt die Menge des Lichts, das durch den konischen Plattenabschnitt 58 übertragen wird, zu. Als Ergebnis nimmt verglichen mit 14C die Bestrahlungsintensität des kreisförmigen Bereichs S' in der Mitte des Lichtfokussierungspunkts I ab, und nimmt die Bestrahlungsintensität des ringförmigen Bereichs S um den Außenumfang zu, wie in 15C veranschaulicht ist. Wenn der Lichtfokussierungspunkt I an der Oberfläche des Werkstücks W positioniert ist, wird die Werkstückoberfläche mit dem Laserstrahl L als im Wesentlichen kreisförmiger Fleck mit einem Durchmesser D des fokussierten Strahls bestrahlt, wobei der äußere Umfangsbereich einen höhere Bestrahlungsintensität als der Mittelbereich aufweist. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigten, dass der Abstand von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt I des Laserstrahls L als etwa 100 mm bestimmt ist, die Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 als etwa 1,0 bestimmt ist, der Konvergenzwinkel β des Laserstrahls L als etwa 0,1 Radianten als Halbwinkel bestimmt ist, und der Durchmesser des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt als etwa 150 μm bestimmt ist.
Wie aus einem Vergleich zwischen den Aufbauten, die in 13A bis 15D gezeigt sind, verstanden werden kann, kann die Größe des Durchmessers des fokussierten Strahls oder das Verhältnis der Bestrahlungsintensität zwischen dem Mittelbereich und dem äußeren Umfangsbereich des Lichtfokussierungspunkts I durch Verändern der Position des optischen Transmissionselements 52 zwischen der optischen Faser 26 und dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 entlang der optischen Achse 32a anstelle des gewünschten Parameters des konischen Plattenabschnitts 58 des optischen Transmissionselements 52 verändert oder reguliert werden. Es können im Voraus mehrere Bearbeitungsköpfe 18 (2), die jeweils mit einem optischen Transmissionselement 52 versehen sind, das hinsichtlich des Aufbaus identisch ist, aber unterschiedlich positioniert ist, bereitgestellt werden, und es kann der passende Bearbeitungskopf 18, der mit dem optischen Transmissionselement 52 versehen ist, das an jener Position angebracht ist, die der Art der Laserbearbeitung und dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks W entspricht, zur Verwendung gewählt werden. Wenn das Design bestimmt, dass ein Teil des Laserstrahls L immer durch den konischen Plattenabschnitt 52 des optischen Transmissionselements 52 übertragen werden soll, ist es nicht möglich, die Größe des Durchmessers des fokussierten Strahls nur durch Ändern der Position des optischen Transmissionselements 52 entlang der optischen Achse zu verändern. Wenn die Größe des Durchmessers des fokussierten Strahls in diesem Fall geändert werden soll, muss das optische Transmissionselement 52 gegen ein anderes optisches Transmissionselement 52, das sich hinsichtlich der Parameter wie etwa dem Scheitelwinkel θ, der Dicke t2, dem Brechungsindex, dem Innendurchmesser usw. des konischen Plattenabschnitts 58 unterscheidet, ausgetauscht werden.
Alternativ kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 54 so aufgebaut sein, dass das optische Transmissionselement 52 so in dem Bearbeitungskopf 18 (2) angebracht ist, dass es in Richtungen entlang der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 beweglich ist. Zum Beispiel kann das optische Transmissionselement 52 unter Verwendung eines passenden Antriebsmechanismus (nicht gezeigt) an einer Position, die den Laserstrahl L nicht stört, so angebracht werden, dass es in dem Gehäuse 34 auf eine stufenlose Weise entlang der optischen Achse beweglich ist. Da das optische Transmissionselement 52 nach diesem Aufbau durch den Antriebsmechanismus an eine passende Position bewegt wird, die der Art der Laserbearbeitung und dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks W entspricht, kann die Laserbearbeitung durch Bestrahlen des Werkstücks W mit einem Laserstrahl mit einem optimalen Durchmesser D des fokussierten Strahls und einem optimalen Konvergenzwinkel β durchgeführt werden. Wie vorher beschrieben erzielt der Aufbau, bei dem der gesamte Laserstrahl L durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 übertragen wird (13A), im Wesentlichen die gleiche Laserstrahlfokussierungswirkung wie der Aufbau, bei dem die Laserbearbeitungsvorrichtung 54 nicht mit dem optischen Transmissionselement 52 versehen ist. Das heißt, bei dem Aufbau, bei dem der gesamte Laserstrahl L durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 übertragen wird, wird der Laserstrahl L, der von der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32, der so gestaltet ist, dass die geometrischen Aberrationen usw. minimiert werden, fokussiert und von dem Bearbeitungskopf 18 ohne Verschlechterung seines ursprünglichen Fokussierungsvermögens ausgestrahlt. Entsprechend kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 54, in der das optische Transmissionselement 52 entlang der optischen Achse beweglich angebracht ist, durch Bewegen des optischen Transmissionselements 52 an eine passende Position eine optimale Laserbearbeitung durchführen, indem nicht nur einer Veränderung im Hinblick auf die Art der Laserbearbeitung oder das Material, die Dicke usw. des Werkstücks W, sondern auch einer Veränderung im Hinblick auf das Fokussierungsvermögen des Laserstrahls L, das für die Bearbeitung benötigt wird, entsprochen wird.
Ferner kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 54 so aufgebaut sein, dass das optische Transmissionselement 52 abnehmbar an einer ausgewählten von mehreren vorherbestimmten Positionen in dem Bearbeitungskopf 18 (2) angebracht werden kann. Zum Beispiel kann das optische Transmissionselement 52 unter Verwendung eines geeigneten Montageträgers (nicht gezeigt) an einer Position, die den Laserstrahl L nicht stört, abnehmbar an der Innenwand des Gehäuses 34 (2) angebracht werden. Da das optische Transmissionselement 52 nach diesem Aufbau an einer passenden Position, die aus den mehreren vorherbestimmten Positionen gewählt wird, angebracht wird, die der Art der Laserbearbeitung, dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks W und dem erforderlichen Fokussierungsvermögen des Laserstrahls entspricht, kann die Laserbearbeitung durchgeführt werden, indem das Werkstück W mit dem Laserstrahl L mit einem optimalen Durchmesser des fokussierten Strahls und einem optimalen Konvergenzwinkel β bestrahlt wird. Ferner können im Voraus mehrere optische Transmissionselemente 52, die sich hinsichtlich des Scheitelwinkels θ, der Dicke t, des Brechungsindex, des Innendurchmessers (des Außendurchmessers des mittleren flachen Plattenabschnitts 56) usw. des eingesetzten konischen Plattenabschnitt 58 unterscheiden, bereitgestellt werden, und kann ein passendes der optischen Transmissionselemente 52, das der Art der Laserbearbeitung, dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks W und dem erforderlichen Fokussierungsvermögen des Laserstrahls entspricht gewählt und an der ausgewählten Position angebracht werden. Darüber hinaus kann durch passendes Umstellen zwischen dem Aufbau, der nicht mit dem optischen Transmissionselement 52 versehen ist, und dem Aufbau, der damit versehen ist, die gleiche Laserbearbeitungsvorrichtung 54 verwendet werden. Bei dem Aufbau, der nicht mit dem optischen Transmissionselement 52 versehen ist, kann der Laserstrahl L, der von der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, von dem Bearbeitungskopf 18 ohne Verschlechterung seines ursprünglichen Fokussierungsvermögens ausgegeben werden.
So wie bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 kann bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 das optische Transmissionselement 52 gegenüber der in 12A bis 15C gezeigten Anordnung seitenverkehrt angeordnet werden, oder kann es in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls L gesehen an der stromabwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet werden. Die Anbringungsausrichtung des optischen Transmissionselements 52 und seine Position in Bezug auf den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 können gemäß der Art der Laserbearbeitung und dem Material, der Dicke, usw. des Werkstücks W gewählt werden.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 kann eine Situation eintreten, in der ein Lichtstrahl, der nahe an der Grenze zwischen dem mittleren flachen Plattenabschnitt 56 und dem konischen Plattenabschnitt 58 in den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 gelangt ist, von dem konischen Plattenabschnitt 58 ausgegeben wird, oder umgekehrt ein Lichtstrahl, der nahe an der Grenze in den konischen Plattenabschnitt 58 gelangt ist, von dem mittleren flachen Plattenabschnitt 56 ausgegeben wird. Wenn es dazu kommt, kann die Parallelbeziehung zwischen den Lichtstrahlpfaden vor und nach dem Durchgang durch das optische Transmissionselement möglicherweise nicht beibehalten werden; daher ist erwünscht, das optische Transmissionselement 52 unter Berücksichtigung des Diffusionswinkels α und des Konvergenzwinkels β zu gestalten.
Ferner kann bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 die Position des optischen Transmissionselements 52 entlang der optischen Achse gemäß der verlangten Verteilung der Bestrahlungsstärke an dem Lichtfokussierungspunkt des Laserstrahls bestimmt werden. Wenn zum Beispiel die Bedingungen eines Kerndurchmessers der optischen Faser 26 von 50 μm, eines Diffusionswinkels α des Laserstrahls L von 0,1 Radianten als Halbwinkel, eines Abstands von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 zu dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 von 100 mm, eines Abstands von dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 zu dem Lichtfokussierungspunkt des Laserstrahls L von 100 mm, und einer Abbildungsvergrößerung des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 von 1,0 angenommen werden, beträgt der Durchmesser des fokussierten Strahls unter diesen Bedingungen dann, wenn das optische Transmissionselement 52 wie in 13A gezeigt sehr nahe an dem Ausgangsende 26a der optischen Faser angebracht ist, 50 μm, was dem Kerndurchmesser der optischen Faser 26 gleich ist. Wenn der konische Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52 einen Scheitelwinkel von 176,6° (d. h., einen Neigungswinkel von 1,7°) und eine Dicke von 5 mm aufweist, wird die Gruppe von Lichtstrahlen, die durch den konischen Plattenabschnitt 58 übertragen wird, durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 auf einen ringförmigen Bereich mit einem Innendurchmesser von etwa 50 μm, einem Außendurchmesser von etwa 150 μm, und einer Breite von etwa 50 μm fokussiert. Andererseits wird die Gruppe von Lichtstrahlen, die durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 übertragen wird, auf einen kreisförmigen Bereich mit einem Durchmesser von etwa 50 μm, der im Inneren des ringförmigen Bereichs gebildet ist, fokussiert. Die Fläche des ringförmigen Bereichs beträgt etwa das Achtfache der Fläche des kreisförmigen Bereichs. Entsprechend kann dann, wenn das optische Transmissionselement 52 an einer Position angebracht ist, an der acht Mal so viele Lichtstrahlen wie die durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 verlaufenden Lichtstrahlen durch den konischen Plattenabschnitt 58 verlaufen, die gesamte Fläche des Lichtfokussierungspunkts mit dem Durchmesser von 150 μm durch den Laserstrahl mit einer gleichmäßigen Bestrahlungsintensität bestrahlt werden. Wenn der Durchmesser des mittleren flachen Plattenabschnitts 56 5 mm beträgt, kann der Lichtfokussierungspunkt mit dem Durchmesser von 150 μm dann mit einer gleichmäßigen Bestrahlungsintensität bestrahlt werden, wenn das optische Transmissionselement 52 an der Position angebracht ist, an der der Außendurchmesser des Laserstrahls, der durch den konischen Plattenabschnitt 58 verläuft, 15 mm beträgt.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 kann das optische Transmissionselement 52 durch ein optisches Transmissionselement 62 ersetzt sein, das innerhalb des ringförmigen konischen Plattenabschnitts 58 mit einer kreisförmigen Öffnung 60 versehen ist, die an der Symmetrieachse 58a zentriert ist, wie in 16A und 16B veranschaulicht ist. Das optische Transmissionselement 62 ist mit Ausnahme des Umstands, dass der mittlere flache Plattenabschnitt 56 des optischen Transmissionselements 52 durch die Öffnung 60 ersetzt ist, mit dem optischen Transmissionselement 64 im Wesentlichen identisch, und die Wirkung, die es auf den übertragenen Laserstrahl ausübt, ist im Wesentlichen die gleiche wie jene des optischen Transmissionselements 52. Doch da im Fall des optischen Transmissionselements 62 die ringförmige innere Umfangsfläche des konischen Plattenabschnitts 58, die die Öffnung 60 definiert, dazu neigen kann, den Laserstrahl abhängig von der Form der Umfangsfläche zu absorbieren, ist erwünscht, das optische Transmissionselement 62 nicht an einer Position, die äußerst dicht an dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 liegt, oder an einer Position, an der die ringförmige innere Umfangsfläche mit einem Laserstrahlanteil mit einer hohen Energieintensität des Laserstrahls bestrahlt wird, anzuordnen.
Wenn das optische Transmissionselement 52, 62 an der stromaufwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet wird, wird bevorzugt, dass der ringförmige konische Plattenabschnitt 58 einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der minimale Strahldurchmesser (der dem Kerndurchmesser des Ausgangsendes 26a der optischen Faser 26 gleich ist) des Laserstrahls L mit dem Diffusionswinkel α ist. Wenn das optische Transmissionselement 52, 62 andererseits an der stromabwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet wird, wird bevorzugt, dass der ringförmige konische Plattenabschnitt 58 einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser D des fokussierten Strahls des Laserstrahls L mit dem Konvergenzwinkel θ ist.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 17A bis 17C der Aufbau eines optischen Transmissionselements 64, das sich hinsichtlich der Form von jedem der optischen Transmissionselemente 44, 52 und 62 unterscheidet, und der Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 66 nach einer alternativen Ausführungsform, die das optische Transmissionselement 64 umfasst, beschrieben werden. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 66, die das optische Transmissionselement 64 umfasst, kann so aufgebaut sein, dass sie mit Ausnahme des Umstands, dass das optische Transmissionselement 52, 62 durch das optische Transmissionselement 64 ersetzt ist, den gleichen Aufbau wie die in 12A bis 15C gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 54 aufweist. In der folgenden Beschreibung sind Bestandeile, die jenen bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden diese Bestandteile hier nicht näher beschrieben werden.
Wie in 17A gezeigt umfasst das optische Transmissionselement 64 einen mittleren flachen Plattenabschnitt 68 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form gebildet ist und senkrecht zu seiner Symmetrieachse 68a verläuft, einen ringförmigen ersten konischen Plattenabschnitt 70 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form entlang des Außenumfangs des mittleren flachen Plattenabschnitts 68 gebildet ist und in Bezug auf seine Symmetrieachse 70a geneigt ist, und einen ringförmigen zweiten konischen Plattenabschnitt 72 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form entlang des Außenumfangs des ersten konischen Plattenabschnitts 70 gebildet ist und in Bezug auf seine Symmetrieachse 72a geneigt ist. Die Symmetrieachse 68a des mittleren flachen Plattenabschnitts 68, die Symmetrieachse 70a des ersten konischen Plattenabschnitts 70 und die Symmetrieachse 72a des zweiten konischen Plattenabschnitts 72 stimmen miteinander überein und stimmen mit der Mittelachsenlinie 64a des optischen Transmissionselements 64 überein. Der erste konische Plattenabschnitt 70 und der zweite konische Plattenabschnitt 72 sind untereinander konzentrisch angeordnet. Der Neigungswinkel des zweiten konischen Plattenabschnitts 72 in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 72a verläuft, ist größer als der Neigungswinkel des ersten konischen Plattenabschnitts 70 in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 70a verläuft. Mit anderen Worten unterscheidet sich das optische Transmissionselement 64 von dem vorher beschriebenen optischen Transmissionselement 52 darin, dass der konische Plattenabschnitt 58 des optischen Transmissionselements 52 durch den ersten und den zweiten konischen Plattenabschnitt 70 und 72 mit jeweils unterschiedlichen Neigungswinkeln ersetzt ist; ansonsten kann der gleiche Aufbau wie jener des optischen Transmissionselements 52 eingesetzt werden.
Bei der in 17B gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 66 befindet sich das optische Transmissionselement 64 an einer Position, an der ein Teil des Laserstrahls L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 übertragen wird, ein anderer Teil des Laserstrahls L durch den ersten konischen Plattenabschnitt 70 übertragen wird, und der restliche Teil des Laserstrahls L durch den zweiten konischen Plattenabschnitt 72 übertragen wird. Wie vorher unter Bezugnahme auf 11A bis 11D beschrieben wurde, werden der Lichtstrahl, der durch den mittleren Plattenabschnitt 68 des optischen Transmissionselements 64 übertragen wird, der Lichtstrahl, der durch den ersten konischen Plattenabschnitt 70 übertragen wird, und der Lichtstrahl, der durch den zweiten konischen Plattenabschnitt 72 übertragen wird, während der Übertragung jeweils um eine unterschiedliche Strecke verschoben. Als Ergebnis wird bei dem Aufbau von 17B wie in 17C in vergrößerter Form gezeigt die Gruppe von Lichtstrahlen des Laserstrahls L, die von dem äußeren Umfangsbereich der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, an dem Lichtfokussierungspunkt I auf einen ringförmigen Bereich S mit einem Durchmesser (Außendurchmesser) D des fokussierten Strahls fokussiert, die Gruppe von Lichtstrahlen des Laserstrahls L, die von einem ringförmigen Bereich innerhalb des äußeren Umfangsbereichs der Kernendfläche ausgestrahlt wurde, an dem Lichtfokussierungspunkt I auf einen ringförmigen Bereich S mit einem Durchmesser (Außendurchmesser) D' des fokussierten Strahls innerhalb des ringförmigen Bereichs S fokussiert, und die Gruppe von Lichtstrahlen des Laserstrahls L, die von dem Mittelbereich der Kernendfläche ausgestrahlt wurde, an dem Lichtfokussierungspunkt an einem kreisförmigen Bereich S'' mit einem Durchmesser (Außendurchmesser) D'' des fokussierten Strahls innerhalb des ringförmigen Bereichs S' fokussiert.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 66 kann das optische Transmissionselement 64 wie bei der vorher beschriebenen Laserbearbeitungsvorrichtung 54 an einer gewünschten Position entlang der optischen Achse 32a (12A) des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angebracht werden, die der Art der Laserbearbeitung, dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks W und dem erforderlichen Fokussierungsvermögens des Laserstrahls entspricht. Ferner kann bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 66 die Position des optischen Transmissionselements 64 entlang der optischen Achse wie bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 gemäß der erforderlichen Verteilung der Bestrahlungsintensität an dem Lichtfokussierungspunkt des Laserstrahls bestimmt werden. Ferner wird es durch derartiges Ausbilden des optischen Transmissionselements 64, dass es drei oder mehr konischen Plattenabschnitte aufweist, die untereinander konzentrisch angeordnet sind und in Bezug auf die Symmetrieachse in jeweils unterschiedlichen Winkeln geneigt sind, möglich, verschiedenen Bedürfnissen noch genauer zu entsprechen. Darüber hinaus kann der mittlere flache Plattenabschnitt 68 des optischen Transmissionselements 64 durch eine Öffnung ersetzt werden, oder kann der mittlere flache Plattenabschnitt 68 weggelassen werden und der erste konische Plattenabschnitt 70 in der Form eines Kegels ausgeführt werden, der dem konischen Plattenabschnitt 46 des in 3A gezeigten optischen Transmissionselements 44 gleichartig ist. Auf diese Weise bietet die Laserbearbeitungsvorrichtung 66 durch die Bereitstellung des optischen Transmissionselements 64, das den ersten und den zweiten konischen Plattenabschnitt 70 und 72 (Strahldurchmesservergrößerungsteil) umfasst, wenigstens eine Wirkung, die jener der in 12A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 54 gleichwertig ist.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 18A bis 18C der Aufbau eines optischen Transmissionselements 74, das sich hinsichtlich der Form von jedem der optischen Transmissionselemente 44, 52, 62 und 64 unterscheidet, und der Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 76 nach einer alternativen Ausführungsform, die das optische Transmissionselement 74 umfasst, beschrieben werden. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 76, die das optische Transmissionselement 74 umfasst, kann so aufgebaut sein, dass sie mit Ausnahme des Umstands, dass das optische Transmissionselement 52, 62 durch das optische Transmissionselement 74 ersetzt ist, den gleichen Aufbau wie die in 12A bis 15C gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 54 aufweist. In der folgenden Beschreibung sind Bestandeile, die jenen bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden diese Bestandteile hier nicht näher beschrieben werden.
Um den vorher beschriebenen Aufbau der mehreren konischen Plattenabschnitte mit jeweils unterschiedlichen Neigungswinkeln zu erreichen, setzt das optische Transmissionselement 74 einen Aufbau ein, der ein Paar von konischen Plattenabschnitten umfasst, die in Bezug auf die Symmetrieachse in Winkeln, deren absoluter Wert gleich ist, geneigt sind. Zum Beispiel umfasst das optische Transmissionselement 74 wie in 18A gezeigt einen mittleren flachen Plattenabschnitt 78 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form gebildet ist und senkrecht zu seiner Symmetrieachse 78a verläuft, einen ringförmigen ersten konischen Plattenabschnitt 80 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form entlang des Außenumfangs des mittleren flachen Plattenabschnitts 78 gebildet ist und in Bezug auf seine Symmetrieachse 80a geneigt ist, und einen ringförmigen zweiten konischen Plattenabschnitt 82 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form entlang des Außenumfangs des ersten konischen Plattenabschnitts 80 gebildet ist und in Bezug auf seine Symmetrieachse 82a geneigt ist. Die Symmetrieachse 78a des mittleren flachen Plattenabschnitts 78, die Symmetrieachse 80a des ersten konischen Plattenabschnitts 80 und die Symmetrieachse 82a des zweiten konischen Plattenabschnitts 82 stimmen miteinander überein und stimmen mit der Mittelachsenlinie 74a des optischen Transmissionselements 74 überein. Der erste konische Plattenabschnitt 80 und der zweite konische Plattenabschnitt 82 sind untereinander konzentrisch angeordnet. Der Neigungswinkel des ersten konischen Plattenabschnitts 80 in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 80a verläuft, und der Neigungswinkel des zweiten konischen Plattenabschnitts 82 in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieebene 82a verläuft, sind hinsichtlich des absoluten Werts gleich, aber hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt.
Wie in 18B gezeigt kann das optische Transmissionselement 74 ferner einen ringförmigen dritten konischen Plattenabschnitt 84 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form entlang des Außenumfangs des zweiten konischen Plattenabschnitts 82 gebildet ist und in Bezug auf seine Symmetrieachse 84a geneigt ist, und einen ringförmigen vierten konischen Plattenabschnitt 86 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form entlang des Außenumfangs des dritten konischen Plattenabschnitts 84 gebildet ist und in Bezug auf seine Symmetrieachse 86a geneigt ist, umfassen. Die Symmetrieachse 84a des dritten konischen Plattenabschnitts 84 und die Symmetrieachse 86a des vierten konischen Plattenabschnitts 86 stimmen nicht nur mit der Symmetrieachse 78a des mittleren flachen Plattenabschnitts 78, sondern auch mit der Mittelachsenlinie 74a des optischen Transmissionselements 74 überein. Der dritte konische Plattenabschnitt 84 und der vierte konische Plattenabschnitt 86 sind untereinander konzentrisch und mit dem ersten und dem zweiten konischen Plattenabschnitt 80 und 82 konzentrisch angeordnet. Der Neigungswinkel des dritten konischen Plattenabschnitts 84 in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 84a verläuft, und der Neigungswinkel des vierten konischen Plattenabschnitts 86 in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieebene 86a verläuft, sind hinsichtlich des absoluten Werts gleich, aber hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt. Der Neigungswinkel des dritten konischen Plattenabschnitts 84 ist größer als der Neigungswinkel des ersten konischen Plattenabschnitts 80, und der Neigungswinkel des vierten konischen Plattenabschnitts 86 ist größer als der Neigungswinkel des zweiten konischen Plattenabschnitts 82.
Wie in 18C gezeigt ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 74, die das optische Transmissionselement 84 umfasst, so aufgebaut, dass das optische Transmissionselement 84 an einer gewünschten Position entlang der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angebracht werden kann. 18C stellt den Zustand dar, in dem sich das optische Transmissionselement 74 an einer Position, an der der gesamte Laserstrahl L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 78 übertragen wird, (der Position an dem oberen Ende in der Zeichnung), an einer Position, an der ein Teil des Laserstrahls durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 78 übertragen wird, und der restliche Teil des Laserstrahls L durch den ersten und den zweiten konischen Plattenabschnitt 80 und 82 übertragen wird, (der Position in der Mitte in der Zeichnung), bzw. an einer Position, an der ein Teil des Laserstrahls durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 78 übertragen wird, ein anderer Teil des Laserstrahls L durch den ersten und den zweiten konischen Plattenabschnitt 80 und 82 übertragen wird, und der restliche Teil des Laserstrahls L durch den dritten und den vierten konischen Plattenabschnitt 84 und 86 übertragen wird, (der Position an dem unteren Ende in der Zeichnung) befindet. Wenn das optische Transmissionselement 74 an der oberen Endposition in der Zeichnung angebracht ist, kann wie bei der in 13A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 54 der Durchmesser des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt minimiert werden, während das ursprüngliche Fokussierungsvermögen des Laserstrahls L beibehalten wird. Wenn das optische Transmissionselement 84 an der Mittelposition in der Zeichnung angebracht ist, kann der Durchmesser des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt wie bei der in 14A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 54 durch die Wirkung des ersten und des zweiten konischen Plattenabschnitts 80 und 82 vergrößert werden. Wenn das optische Transmissionselement 74 an der unteren Endposition in der Zeichnung angebracht ist, kann der Durchmesser des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt durch die Wirkung des dritten und des vierten konischen Plattenabschnitts 84 und 86, die mit größeren Winkeln als der erste und der zweite konische Plattenabschnitt 80 und 82 geneigt sind, weiter vergrößert werden. Auf diese Weise bietet die Laserbearbeitungsvorrichtung 76 durch die Bereitstellung des optischen Transmissionselements 74, das ein oder mehr Paare von konischen Plattenabschnitten 80, 82, 84 und 86 (Strahldurchmesservergrößerungsteil) aufweist, wenigstens eine Wirkung, die jener der in 12A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 54 gleichwertig ist.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 19A bis 20D der Aufbau eines optischen Transmissionselements 88, das sich hinsichtlich der Form von jedem der optischen Transmissionselemente 44, 52, 62, 64 und 74 unterscheidet, und der Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 90 nach einer alternativen Ausführungsform, die das optische Transmissionselement 88 umfasst, beschrieben werden. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 90, die das optische Transmissionselement 88 umfasst, kann so aufgebaut sein, dass sie mit Ausnahme des Umstands, dass das optische Transmissionselement 44 durch das optische Transmissionselement 88 ersetzt ist, den gleichen Aufbau wie die in 5A bis 7D gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 10 aufweist. In der folgenden Beschreibung sind Bestandteile, die jenen bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden diese Bestandteile hier nicht näher beschrieben werden.
Das optische Transmissionselement 88 unterscheidet sich von dem optischen Transmissionselement 74 darin, dass der mittlere flache Plattenabschnitt 78 weggelassen ist. Wie in 19A gezeigt umfasst das optische Transmissionselement 88 einen ringförmigen ersten konischen Plattenabschnitt 92 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form gebildet ist und in Bezug auf seine Symmetrieachse 92a geneigt ist, und einen ringförmigen zweiten konischen Plattenabschnitt 94 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form entlang des Außenumfangs des ersten konischen Plattenabschnitts 92 gebildet ist und in Bezug auf seine Symmetrieachse 94a geneigt ist. Die Symmetrieachse 92a des ersten konischen Plattenabschnitts 92 und die Symmetrieachse 94a des zweiten konischen Plattenabschnitts 94 stimmen miteinander überein und stimmen mit der Mittelachsenlinie 88a des optischen Transmissionselements 88 überein. Der erste konische Plattenabschnitt 92 und der zweite konische Plattenabschnitt 94 sind untereinander konzentrisch angeordnet. Der Neigungswinkel des ersten konischen Plattenabschnitts 92 in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 92a verläuft, und der Neigungswinkel des zweiten konischen Plattenabschnitts 94 in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 94a verläuft, sind hinsichtlich des absoluten Werts gleich, aber hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt.
Wie in 19A gezeigt ist das optische Transmissionselement 88, das in die Laserbearbeitungsvorrichtung 90 aufgenommen ist, in dem Bearbeitungskopf 18 (2) bereitgestellt und in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls an der stromaufwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet. Das optische Transmissionselement 88 ist in dem Gehäuse 34 (2) an einer vorherbestimmten Position zwischen dem Ausgangsende 26 der optischen Faser 26 und dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 angebracht, wobei seine Mittelachsenlinie 88a mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 übereinstimmt. Ferner befindet sich das optische Transmissionselement 88 an einer Position, an der der mittlere Teil des Lichtflusses des Laserstrahls L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den ersten konischen Plattenabschnitt 92 und der restliche äußere Teil durch den zweiten konischen Plattenabschnitt 94 übertragen wird. Das optische Transmissionselement 88 gestattet auf die gleiche Weise, wie vorher unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschrieben wurde, dass der Laserstrahl L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, hindurch übertragen wird, während der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L vor und nach der Übertragung unverändert gehalten wird.
Der Laserstrahl L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 mit dem Diffusionswinkel α ausgestrahlt wurde, wird zuerst durch das optische Transmissionselement 88 übertragen und dann durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt (die virtuelle Linse) 32 fokussiert, und das Werkstück W wird mit dem fokussierten Laserstrahl L mit dem Konvergenzwinkel β bestrahlt. Die Abmessungen der verschiedenen Teile sind so wie jene bei dem Aufbau von 5A bis 5D festgelegt; das heißt, der Kerndurchmesser der optischen Faser 26 beträgt 50 μm, der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L beträgt 0,1 Radianten als Halbwinkel, der Abstand von der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser 26 zu dem Hauptpunkt des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 beträgt 100 mm, und die Brennweite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 beträgt 50 mm. Ferner beträgt der Scheitelwinkel des ersten konischen Plattenabschnitts 92 des optischen Transmissionselements 88 177,14° (d. h., der Neigungswinkel in Bezug auf die Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 92a verläuft, beträgt 1,43°), beträgt die Dicke des ersten konischen Plattenabschnitts 92 3 mm. beträgt der Scheitelwinkel des zweiten konischen Plattenabschnitts 94 –177,14° (d. h., der Neigungswinkel in Bezug auf die Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 94a verläuft, beträgt –1,43°), beträgt die Dicke des zweiten konischen Plattenabschnitts 94 3 mm, und beträgt der Abstand von der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser zu dem Scheitel des ersten konischen Plattenabschnitts 92 64 mm.
19B stellt die durch eine Simulation erhaltenen Pfade einiger der Strahlen des Laserstrahls L dar. Zum besseren Verständnis sind Lichtstrahlpfade, die optional aus den in 19B gezeigten Lichtstrahlpfaden extrahiert wurden, in 19C veranschaulicht. Wie in 19B und 19C veranschaulicht breitet sich zum Beispiel der Lichtstrahl, der von dem oberen Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und wird er in den zweiten konischen Plattenabschnitt 94 des optischen Transmissionselements 88 eingebracht, und wird der Lichtstrahl einer Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß seinem Einfallswinkel unterzogen und durch das optische Transmissionselement 88 übertragen, während der Diffusionswinkel α beibehalten wird; der Lichtstrahl gelangt dann in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgegeben. Gleichermaßen breitet sich wie in 19B und 19B veranschaulicht der Lichtstrahl, der von dem unteren Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und wird er in den zweiten konischen Plattenabschnitt 94 des optischen Transmissionselements 88 eingebracht, und wird der Lichtstrahl einer Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß seinem Einfallswinkel unterzogen und durch das optische Transmissionselement 88 übertragen, während der Diffusionswinkel α beibehalten wird; der Lichtstrahl gelangt dann in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgegeben. Die Pfade dieser Lichtstrahlen entsprechen im Wesentlichen den Pfaden der Lichtstrahlen, die in 6B und 6C gezeigt sind.
Andererseits wird die Gruppe von Lichtstrahlen, die von dem Mittelbereich des Ausgangsendes 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den ersten konischen Plattenabschnitt 92 übertragen; während der Übertragung wird die Gruppe von Lichtstrahlen über eine andere Strecke als die Lichtstrahlen, die durch den zweiten konischen Plattenabschnitt 94 übertragen werden, verschoben, und wird die Gruppe von Lichtstrahlen, die so verschoben wurde, durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 zur Ausstrahlung fokussiert. Als Ergebnis wird der Laserstrahl L an dem Lichtfokussierungspunkt I an einem kreisförmigen Bereich S mit einem Durchmesser D des fokussierten Strahls (dem Bereich, der der Umfangsform der Kernendfläche entspricht und einen etwa doppelt so großen Durchmesser aufweist) fokussiert, wobei die Form des fokussierten Strahls der in 6D gezeigten gleich ist. Da der Laserstrahl L durch das Paar aus dem ersten und dem zweiten konischen Plattenabschnitt 92 und 94, die in Bezug auf ihre Symmetrieachsen 92a und 94a mit Winkeln, die hinsichtlich des absoluten Werts gleich sind, in entgegengesetzte Richtungen geneigt sind, übertragen wird, ist überdies die Weise, auf die die Pfade der Lichtstrahlen in einem vorherbestimmen Bereich entlang der optischen Achse, der an dem Lichtfokussierungspunkt I zentriert ist, konvergieren, jener Weise ähnlich, auf die die Pfade der in 5D gezeigten Lichtstrahlen bei dem Aufbau, bei dem die Lichtstrahlen nicht durch das optische Transmissionselement 44 übertragen werden, konvergieren (d. h., es besteht eine spiegelbildartige Symmetrie um den Lichtfokussierungspunkt I). Entsprechend kann dann, wenn die mit dem optischen Transmissionselement 88 versehene Laserbearbeitungsvorrichtung 90 zum Beispiel eine Laserbearbeitung durchführt, während der Lichtfokussierungspunkt I absichtlich entlang der optischen Achse von der Werkstückoberfläche weg verschoben wird, erwartet werden, dass der Durchmesser des fokussierten Strahls des Laserstrahls L an dem Lichtfokussierungspunkt I vergrößert werden kann, während eine Bearbeitungsqualität erreicht wird, die jener, welche bei dem Aufbau erhalten wird, der nicht mit dem optischen Transmissionselement 88 versehen ist, gleich ist. Durch die Bereitstellung des optischen Transmissionselements 88 mit einem oder mehreren Paaren von konischen Plattenabschnitten 92 und 94 (Strahldurchmesservergrößerungsteil) bietet die Laserbearbeitungsvorrichtung 90 wenigstens eine Wirkung, die jener der in 2 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gleichwertig ist.
20A stellt die Laserbearbeitungsvorrichtung 90 bei einem alternativen Aufbau dar, wobei ein optisches Transmissionselement 88' mit konischen Plattenabschnitten, deren Scheitelwinkel sich von den Scheitelwinkeln der jeweiligen konischen Plattenabschnitte des optischen Transmissionselements 88 unterscheiden, an der gleichen Position wie das optische Transmissionselement 88 angebracht ist. Im Fall des optischen Transmissionselements 88' ist der Scheitelwinkel des ersten konischen Plattenabschnitts 92 auf 174,28° eingerichtet (d. h., der Neigungswinkel in Bezug auf die Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 92a verläuft, beträgt 2,86°), und ist der Scheitelwinkel des zweiten konischen Plattenabschnitts 94 auf –174,28° eingerichtet (d. h., der Neigungswinkel in Bezug auf die Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 94a verläuft, beträgt –2,86°). Ansonsten sind die Abmessungen der verschiedenen Teile die gleichen wie jene bei dem Aufbau von 19A.
20B stellt die durch eine Simulation erhaltenen Pfade einiger der Strahlen des Laserstrahls L dar. Zum besseren Verständnis sind in 20C Lichtstrahlpfade, die optional aus den in 20B gezeigten Lichtstrahlpfaden extrahiert wurden, veranschaulicht. Wie in 20B und 20C veranschaulicht breitet sich zum Beispiel der Lichtstrahl, der von dem oberen Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und wird er in den zweiten konischen Plattenabschnitt 94 des optischen Transmissionselements 88' eingebracht, und wird der Lichtstrahl einer Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß seinem Einfallwinkel unterzogen und durch das optische Transmissionselement 88' übertragen, während der Diffusionswinkel α beibehalten wird; der Lichtstrahl gelangt dann in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgegeben. Ebenso breitet sich wie in 20B und 20C veranschaulicht der Lichtstrahl, der von dem unteren Rand der Kernendfläche des Ausgangsendes 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, mit dem Diffusionswinkel α aus, und wird er in den zweiten konischen Plattenabschnitt 94 des optischen Transmissionselements 88' eingebracht, und wird der Lichtstrahl einer Brechung und einer Parallelverschiebung gemäß seinem Einfallwinkel unterzogen und durch das optische Transmissionselement 88' übertragen, während der Diffusionswinkel α beibehalten wird; der Lichtstrahl gelangt dann in den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 und wird von dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 mit dem Konvergenzwinkel β ausgegeben. Die Pfade dieser Lichtstrahlen entsprechen im Wesentlichen den Pfaden der Lichtstrahlen, die in 7B und 7C gezeigt sind.
Andererseits wird die Gruppe von Lichtstrahlen, die von dem Mittelbereich des Ausgangsendes 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den ersten konischen Plattenabschnitt 92 übertragen; während der Übertragung wird die Gruppe von Lichtstrahlen über eine andere Strecke als die Lichtstrahlen, die durch den zweiten konischen Plattenabschnitt 94 übertragen werden, verschoben, und wird die Gruppe von Lichtstrahlen, die so verschoben wurde, durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 zur Ausstrahlung fokussiert. Als Ergebnis wird der Laserstrahl L an dem Lichtfokussierungspunkt I an einem ringförmigen Bereich S mit einem Durchmesser (Außendurchmesser) D des fokussierten Strahls (der ringförmige Bereich entspricht der Umfangsform der Kernendfläche und weist einen Außendurchmesser auf, der etwa drei Mal so groß ist) fokussiert, wobei die Form des fokussierten Strahls der in 7D gezeigten gleich ist. Da der Laserstrahl L durch das Paar aus dem ersten und dem zweiten konischen Plattenabschnitt 92 und 94, die in Bezug auf ihre Symmetrieachsen 92a und 94a mit Winkeln, die hinsichtlich des absoluten Werts gleich sind, in entgegengesetzte Richtungen geneigt sind, übertragen wird, ist überdies die Weise, auf die die Pfade der Lichtstrahlen in einem vorherbestimmen Bereich entlang der optischen Achse, der an dem Lichtfokussierungspunkt I zentriert ist, konvergieren, jener Weise ähnlich, auf die die Pfade der in 5D gezeigten Lichtstrahlen bei dem Aufbau, bei dem die Lichtstrahlen nicht durch das optische Transmissionselement 44 übertragen werden, konvergieren (d. h., es besteht eine spiegelbildartige Symmetrie um den Lichtfokussierungspunkt I). Auf diese Weise bietet die Laserbearbeitungsvorrichtung 90, die mit dem optischen Transmissionselement 88' versehen ist, die gleiche Wirkung wie jene, die durch die mit dem optischen Transmissionselement 88 versehene Laserbearbeitungsvorrichtung 90 erzielt wird.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 21 der Aufbau eines optischen Transmissionselements 96, das sich hinsichtlich der Form von jedem der optischen Transmissionselemente 44, 52, 62, 64, 74 und 88 unterscheidet, und der Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 98 nach einer alternativen Ausführungsform, die das optische Transmissionselement 96 umfasst, beschrieben werden. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 98, die das optische Transmissionselement 96 umfasst, kann so aufgebaut sein, dass sie mit Ausnahme des Umstands, dass das optische Transmissionselement 52, 62 durch das optische Transmissionselement 96 ersetzt ist, den gleichen Aufbau wie die in 12A bis 15C gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 54 aufweist. In der folgenden Beschreibung sind Bestandteile, die jenen bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden diese Bestandteile hier nicht näher beschrieben werden.
Das optische Transmissionselement 86 umfasst ein erstes Element 100 und ein zweites Element 102 mit einem Aufbau, der einem Aufbau, welcher sich ergeben würde, wenn das vorher beschriebene optische Transmissionselement 52, das den mittleren flachen Plattenabschnitt 56 und den konischen Plattenabschnitt 58 umfasst, entlang einer Trennebene, welche senkrecht zu den Symmetrieachsen 56a und 58a verläuft, getrennt würde, gleichwertig ist. Das erste Element 100 und das zweite Element 102 sind untereinander konzentrisch angeordnet, wobei ihre Teilungsflächen 100a und 102a zueinander gewandt sind. Der Durchmesser des fokussierten Strahls an dem Lichtfokussierungspunkt des Laserstrahls L, der durch das optische Transmissionselement 86 übertragen wurde, und die Verteilung der Bestrahlungsintensität an dem Lichtfokussierungspunkt können durch Verändern der Beabstandung zwischen dem ersten Element 100 und dem zweiten Element 102 reguliert werden.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 98 kann so aufgebaut sein, dass das optische Transmissionselement 96, das das erste und das zweite Element 100 und 102 umfasst, so in dem Bearbeitungskopf 18 (2) angebracht ist, dass es in Richtungen entlang der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 beweglich ist. Zum Beispiel kann wenigstens eines von dem ersten und dem zweiten Element 100 und 102 unter Verwendung eines geeigneten Antriebsmechanismus (nicht gezeigt) so an einer Position, die den Laserstrahl L nicht stört, angebracht werden, dass es in dem Gehäuse 32 auf eine stufenlose Weise entlang der optischen Achse beweglich ist. Da das erste Element 100 oder das zweite Element 102 nach diesem Aufbau durch den Antriebsmechanismus an eine passende Position bewegt wird, die der Art der Laserbearbeitung und dem Material, der Dicke usw. des Werkstücks W oder dem benötigten Fokussierungsvermögen des Laserstrahls entspricht, kann die Laserbearbeitung durch Bestrahlen des Werkstücks W mit einem Laserstrahl mit einem optimalen Durchmesser des fokussierten Strahls und einem optimalen Konvergenzwinkel β durchgeführt werden. Auf diese Weise bietet die Laserbearbeitungsvorrichtung 98 durch die Bereitstellung des optischen Transmissionselements 96, das einen Teil umfasst, der dem konischen Plattenabschnitt 58 (Strahldurchmesservergrößerungsteil) entspricht, wenigstens eine Wirkung, die jener der in 12A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 54 gleichwertig ist.
Insbesondere kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 96 die Größe des Durchmessers des fokussierten Strahls des Laserstrahls an dem Lichtfokussierungspunkt selbst dann, wenn das Design bestimmt, dass ein Teil des Laserstrahls L immer durch den konischen Plattenabschnitt, der aus einer Kombination des ersten und des zweiten Elements 100 und 102 gebildet ist, übertragen werden soll, lediglich durch Regulieren der Beabstandung zwischen dem ersten und dem zweiten Element 100 und 102 anstatt wie im Fall der vorher beschriebenen Laserbearbeitungsvorrichtung 54 durch einen Austausch des Transmissionselements 96 gegen ein anderes optisches Transmissionselement 96, welches sich hinsichtlich der Parameter unterscheidet, verändern.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 22A bis 22C der Aufbau eines optischen Transmissionselements 104, das sich hinsichtlich der Form von jedem der optischen Transmissionselemente 44, 52, 62, 64, 74, 88 und 96 unterscheidet, und der Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 106 nach einer alternativen Ausführungsform, die das optische Transmissionselement 104 umfasst, beschrieben werden. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 106, die das optische Transmissionselement 104 umfasst, kann so aufgebaut sein, dass sie mit Ausnahme des Umstands, dass das optische Transmissionselement 52, 62 durch das optische Transmissionselement 104 ersetzt ist, den gleichen Aufbau wie die in 12A bis 15C gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 54 aufweist. In der folgenden Beschreibung sind Bestandteile, die jenen bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden diese Bestandteile hier nicht näher beschrieben werden.
Das optische Transmissionselement 104 unterscheidet sich von den oben beschriebenen optischen Transmissionselementen 44, 52, 62, 64, 74, 88 und 96 darin, dass der konische Plattenabschnitt, der spezifisch als der Strahldurchmesservergrößerungsteil wirkt, weggelassen ist. Wie in 22A gezeigt umfasst der Strahldurchmesservergrößerungsteil des optischen Transmissionselements 104 einen mittleren flachen Plattenabschnitt 108 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form als Teil des optischen Transmissionselements 104 gebildet ist und senkrecht zu seiner Symmetrieachse 108a verläuft, und einen ringförmigen flachen Plattenabschnitt 110 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form als Teil des optischen Transmissionselements 104 gebildet ist und senkrecht zu seiner Symmetrieachse 110a verläuft. Der ringförmige flache Plattenabschnitt 110 ist entlang des Außenumfangs des mittleren flachen Plattenabschnitts 108 gebildet. Die Dicke des mittleren flachen Plattenabschnitts 108 unterscheidet sich von der Dicke des ringförmigen flachen Plattenabschnitts 110. Die Symmetrieachse 108a des mittleren flachen Plattenabschnitts 108 und die Symmetrieachse 110a des ringförmigen flachen Plattenabschnitts 110 stimmen miteinander überein und stimmen mit der Mittelachsenlinie 104a des optischen Transmissionselements 104 überein.
Wie in 22B gezeigt ist das in die Laserbearbeitungsvorrichtung 104 aufgenommene optische Transmissionselement 106 in dem Bearbeitungskopf 18 (2) bereitgestellt und in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls L gesehen an der stromaufwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet. Das optische Transmissionselement 104 ist in dem Gehäuse 34 (2) an einer vorherbestimmten Position zwischen dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 und dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 angebracht, wobei seine Mittelachsenlinie 104a mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungselements 32 übereinstimmt. Ferner befindet sich das optische Transmissionselement 104 an einer Position, an der der mittlere Teil des Lichtflusses des Laserstrahls L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 108 übertragen wird und der restliche äußere Teil durch den ringförmigen Plattenabschnitt 110 übertragen wird. Das optische Transmissionselement 104 gestattet, dass der Laserstrahl L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, hindurch übertragen wird, während der Diffusionswinkel α des Laserstrahls L auf die gleiche Weise wie vorher unter Bezugnahme auf 11A bis 11D beschrieben vor und nach dem Durchgang unverändert gehalten wird.
Die Gruppe von Lichtstrahlen, die durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 108 übertragen werden, und die Gruppe von Lichtstrahlen, die durch den ringförmigen flachen Plattenabschnitt 110 übertragen werden, werden jeweils auf den gleichen Durchmesser des fokussierten Strahls wie den Durchmesser des fokussierten Strahls, der gebildet würde, wenn der Laserstrahl nicht durch das optische Transmissionselement übertragen würde, fokussiert. Doch da sich die Dicke des mittleren flachen Plattenabschnitts 108 von der Dicke des ringförmigen flachen Plattenabschnitts 110 unterscheidet, wird die Gruppe von Lichtstrahlen, die durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 108 übertragen wird, über eine andere Strecke verschoben, als die Gruppe von Lichtstrahlen, die durch den ringförmigen flachen Plattenabschnitt 110 übertragen wird. Als Ergebnis werden die Gruppe von Lichtstrahlen, die durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 108 übertragen wird, und die Gruppe von Lichtstrahlen, die durch den ringförmigen flachen Plattenabschnitt 110 übertragen wird, jeweils auf kreisförmige Bereiche S1 und S2, wovon einer von dem anderen entlang der optischen Achse verschoben ist, fokussiert, wie in 22C in vergrößerter Form gezeigt ist. Die Position, an der der Außendurchmesser des fokussierten Laserstrahls L minimal wird, befindet sich zwischen dem kreisförmigen Bereich S1 und dem kreisförmigen Bereich S2. Diese Position ist der Lichtfokussierungspunkt I des Laserstrahls L, und hier ist der Durchmesser D des fokussierten Strahls größer als der Durchmesser des fokussierten Strahls, der gebildet würde, wenn der Laserstrahl nicht durch das optische Transmissionselement 104 übertragen würde.
Auf diese Weise bietet die Laserbearbeitungsvorrichtung 106 durch die Bereitstellung des optischen Transmissionselements 104, das den mittleren flachen Plattenabschnitt 108 und den ringförmigen flachen Plattenabschnitt 110 (den Strahldurchmesservergrößerungsteil) umfasst, wenigstens eine Wirkung, die jener der in 12A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 54 gleichwertig ist. Auch bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 106 kann die Größe des Durchmessers D des fokussierten Strahls durch Verändern eines gewünschten von verschiedenen Parametern wie etwa der Dicke, der Brechungsindizes, usw. des mittleren flachen Plattenabschnitts 108 und des ringförmigen flachen Plattenabschnitts 110 verändert werden. Ferner kann das Verhältnis der Bestrahlungsintensität zwischen dem mittleren Bereich und dem äußeren Umfangsbereich des Lichtfokussierungspunkts I durch Verändern des Außendurchmessers des mittleren flachen Plattenabschnitts 108 (d. h., des Innendurchmessers des ringförmigen flachen Plattenabschnitts 110) reguliert werden.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 106 kann auch so aufgebaut sein, dass das optische Transmissionselement 104 abnehmbar an einer vorherbestimmten Position in dem Bearbeitungskopf 18 angebracht werden kann, oder so, dass das optische Transmissionselement 104 entlang der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 beweglich ist. Die Größe des Durchmessers D des fokussierten Strahls oder das Verhältnis der Bestrahlungsintensität zwischen dem mittleren Bereich und dem äußeren Umfangsbereich des Lichtfokussierungspunkts I kann durch Verändern der Position des optischen Transmissionselements 104 entlang der optischen Achse 32a verändert oder reguliert werden. Ferner kann der Laserstrahl L durch Abnehmen des optischen Transmissionselements 104 oder durch Anbringen des optischen Transmissionselements 104 an einer Position, an der der gesamte Laserstrahl L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser ausgestrahlt wurde, durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 108 übertragen wird, von dem Bearbeitungskopf 108 ohne Verschlechterung seines ursprünglichen Fokussierungsvermögens ausgestrahlt werden.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 23A und 23B der Aufbau eines optischen Transmissionselements 112, das sich hinsichtlich der Form von jedem der optischen Transmissionselemente 44, 52, 62, 64, 74, 88, 96 und 104 unterscheidet, und der Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 114 nach einer alternativen Ausführungsform, die das optische Transmissionselement 112 umfasst, beschrieben werden. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1114, die das optische Transmissionselement 112 umfasst, kann so aufgebaut sein, dass sie mit Ausnahme des Umstands, dass das optische Transmissionselement 52, 62 durch das optische Transmissionselement 112 ersetzt ist, den gleichen Aufbau wie die in 12A bis 15C gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 54 aufweist. In der folgenden Beschreibung sind Bestandteile, die jenen bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 54 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden diese Bestandteile hier nicht näher beschrieben werden.
Bei dem optischen Transmissionselement 112 ist so wie bei dem oben beschriebenen optischen Transmissionselement 104 kein konischer Plattenabschnitt, der spezifisch als der Strahldurchmesservergrößerungsteil wirkt, bereitgestellt. Wie in 23A gezeigt umfasst der Strahldurchmesservergrößerungsteil des optischen Transmissionselements 112 einen mittleren flachen Plattenabschnitt 116 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form als Teil des optischen Transmissionselements 112 gebildet ist und senkrecht zu seiner Symmetrieachse 116a verläuft, und einen ringförmigen flachen Plattenabschnitt 118 mit einer gleichmäßigen Dicke, der in einer rotationssymmetrischen Form als Teil des optischen Transmissionselements 112 gebildet ist und senkrecht zu seiner Symmetrieachse 118a verläuft. Der ringförmige flache Plattenabschnitt 118 ist entlang des Außenumfangs des mittleren flachen Plattenabschnitts 116 gebildet. Der mittlere flache Plattenabschnitt 116 und der ringförmige flache Plattenabschnitt 118 sind hinsichtlich der Dicke identisch, unterscheiden sich aber im Brechungsindex. Die Symmetrieachse 116a des mittleren flachen Plattenabschnitts 116 und die Symmetrieachse 118a des ringförmigen flachen Plattenabschnitts 118 stimmen miteinander überein und stimmen mit der Mittelachsenlinie 112a des optischen Transmissionselements 112 überein.
Wie in 23A gezeigt ist das in die Laserbearbeitungsvorrichtung 114 aufgenommene optische Transmissionselement 112 in dem Bearbeitungskopf 18 (2) bereitgestellt und in der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls L gesehen an der stromaufwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet. Das optische Transmissionselement 112 ist in dem Gehäuse 34 (2) an einer vorherbestimmten Position zwischen dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 und dem optischen Lichtfokussierungsabschnitt 32 angeordnet, wobei seine Mittelachsenlinie 112a mit der optischen Achse 32a des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 übereinstimmt. Ferner befindet sich das optische Transmissionselement 112 an einer Position, an der der mittlere Teil des Lichtflusses des Laserstrahls L, der von dem Ausgangsende 26a der optischen Faser 26 ausgestrahlt wurde, durch den mittleren flachen Plattenabschnitt 116 übertragen wird und der restliche äußere Teil durch den ringförmigen Plattenabschnitt 118 übertragen wird.
Durch die Bereitstellung des optischen Transmissionselements 112 kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 114 den Durchmesser des fokussierten Stahls des Laserstrahls L und die Verteilung der Bestrahlungsintensität an dem Fokussierungspunkt auf die gleiche Weise wie die Laserbearbeitungsvorrichtung 106 regulieren. Ferner kann das optische Transmissionselement 104, 112 bei den Laserbearbeitungsvorrichtungen 106 und 114 wie in 23B veranschaulicht durch ein optisches Transmissionselement 122 ersetzt werden, das im Inneren des ringförmigen flachen Plattenabschnitts 118 mit einer kreisförmigen Öffnung 120 versehen ist, die an der Symmetrieachse 118 zentriert ist. Das optische Transmissionselement 122 ist mit Ausnahme des Umstands, dass der mittlere flache Plattenabschnitt 108, 116 durch die Öffnung 120 ersetzt ist, mit dem optischen Transmissionselement 104, 112 im Wesentlichen identisch, und die Wirkung, die es auf den übertragenen Laserstrahl ausübt, ist im Wesentlichen die gleiche wie jene des optischen Transmissionselements 104, 112.
Wenn das optische Transmissionselement 104, 112, 122 an der stromaufwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet wird, wird bevorzugt, dass der ringförmige flache Plattenabschnitt 110, 118 einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der minimale Strahldurchmesser (der dem Kerndurchmesser des Ausgangsendes 26a der optischen Faser 26 gleich ist) des Laserstrahls L mit dem Diffusionswinkel α ist. Wenn das optische Transmissionselement 104, 112, 122 andererseits an der stromabwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts 32 angeordnet wird, wird bevorzugt, dass der ringförmige konische Plattenabschnitt 110, 118 einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser D des fokussierten Strahls des Laserstrahls L mit dem Konvergenzwinkel β ist.
Obwohl oben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Abwandlungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012-024782 A [0004]
JP 2009-056481 A [0005]
JP 2008-168333 A [0006]
JP 2009-178725 A [0006]

Claims

Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend: einen Bearbeitungskopf (18), der dazu ausgebildet ist, ein Werkstück (W) mit einem Laserstrahl (L) zu bestrahlen; einen optischen Lichtfokussierungsabschnitt (32), der in dem Bearbeitungskopf (18) bereitgestellt ist, wobei der optische Lichtfokussierungsabschnitt (32) dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl (L) mit einem Diffusionswinkel (α) zu fokussieren, wobei der Laserstrahl (L) von einer Laserquelle (14) bereitgestellt wird und in den Bearbeitungskopf (18) gelangt; und zu ermöglichen, dass der Laserstrahl (L) von dem Bearbeitungskopf (18) als Laserstrahl (L) mit einem Konvergenzwinkel (β) ausgestrahlt wird; und ein optisches Transmissionselement (44, 44', 52, 62, 64, 74, 88, 88', 96, 104, 112, 122), das in dem Bearbeitungskopf (18) bereitgestellt ist, wobei das optische Transmissionselement (44, 44', 52, 62, 64, 74, 88, 88', 96, 104, 112, 122) dazu ausgebildet ist, in einer Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls (L) gesehen so an einer stromaufwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts (32) angeordnet zu werden, dass der Laserstrahl (L) übertragen wird, während der Diffusionswinkel (α) vor und nach der Übertragung konstant gehalten wird, oder das optische Transmissionselement (44, 44', 52, 62, 64, 74, 88, 88', 96, 104, 112, 122) alternativ dazu ausgebildet ist, in einer Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls (L) gesehen so an einer stromabwärts befindlichen Seite des optischen Lichtfokussierungsabschnitts (32) angeordnet zu werden, dass der Laserstrahl (L) übertragen wird, während der Konvergenzwinkel (β) vor und nach der Übertragung konstant gehalten wird; wobei das optische Transmissionselement (44, 44', 52, 62, 64, 74, 88, 88', 96, 104, 112, 122) einen Strahldurchmesservergrößerungsteil (46, 58, 70, 72, 80, 82, 84, 86, 92, 94, 102, 110, 116, 118) umfasst, der dazu ausgebildet ist, einen Durchmesser (D) des fokussierten Strahls des Laserstrahls (L), welcher durch den Strahldurchmesservergrößerungsteil (46, 58, 70, 72, 80, 82, 84, 86, 92, 94, 102, 110, 116, 118) übertragen wird, im Vergleich zu einem Durchmesser (D) des fokussierten Strahls des Laserstrahls (L) in einem Fall, in dem der Laserstrahl (L) nicht durch den Strahldurchmesservergrößerungsteil (46, 58, 70, 72, 80, 82, 84, 86, 92, 94, 102, 110, 116, 118) übertragen wird, sondern durch den optischen Lichtfokussierungsabschnitt (32) fokussiert wird, zu vergrößern.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahldurchmesservergrößerungsteil (46, 58, 70, 72, 80, 82, 84, 86, 92, 94, 102, 110, 116, 118) einen rotationssymmetrischen konischen Plattenabschnitt (46, 58, 70, 72, 80, 82, 84, 86, 92, 94) des optischen Transmissionselements (44, 44', 52, 62, 64, 74, 88, 88', 96, 104, 112, 122) umfasst, wobei der konische Plattenabschnitt (46, 58, 70, 72, 80, 82, 84, 86, 92, 94) zu einer Symmetrieachse (46a, 58a, 70a, 72a, 80a, 82a, 84a, 86a, 92a, 94a) geneigt ist und eine gleichmäßige Dicke aufweist; und wobei sich das optische Transmissionselement (44, 44', 52, 62, 64, 74, 88, 88', 96, 104, 112, 122) an einer Position befindet, an der die Symmetrieachse (46a, 58a, 70a, 72a, 80a, 82a, 84a, 86a, 92a, 94a) des konischen Plattenabschnitts (46, 58, 70, 72, 80, 82, 84, 86, 92, 94) mit einer optischen Achse (32a) des optischen Lichtfokussierungsabschnitts (32) übereinstimmt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das optische Transmissionselement (44, 44', 88, 88') zur Gänze mit dem konischen Plattenabschnitt (46, 92, 94) versehen ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das optische Transmissionselement (52, 64, 74, 96) mit einem senkrecht zu der Symmetrieachse (58a, 70a, 72a, 80a, 82a, 84a, 86a) verlaufenden und eine gleichmäßige Dicke aufweisenden rotationssymmetrischen mittleren flachen Plattenabschnitt (56, 68, 78) versehen ist; und wobei der konische Plattenabschnitt (58, 70, 72, 80, 82, 84, 86) eine ringförmige Form aufweist und entlang eines Umfangs des mittleren flachen Plattenabschnitts (56, 68, 78) gebildet ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der konische Plattenabschnitt (58) eine ringförmige Form aufweist; und wobei das optische Transmissionselement (62) innerhalb des konischen Plattenabschnitts (58) mit einer kreisförmigen Öffnung (60) versehen ist, die an der Symmetrieachse (58a) zentriert ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der konische Plattenabschnitt (58, 70, 72, 80, 82, 84, 86) mit der ringförmigen Form bei einem Aufbau, bei dem sich das optische Transmissionselement (52, 62, 64, 74, 96) an der stromaufwärts befindlichen Seite befindet, einen Innendurchmesser aufweist, der größer als ein minimaler Strahldurchmesser des Laserstrahls (L) mit dem Diffusionswinkel (α) ist; oder wobei der konische Plattenabschnitt (58, 70, 72, 80, 82, 84, 86) mit der ringförmigen Form bei einem Aufbau, bei dem sich das optische Transmissionselement (52, 62, 64, 74, 96) an der stromabwärts befindlichen Seite befindet, einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser (D) des fokussierten Stahls des Laserstrahls (L) mit dem Konvergenzwinkel (β) ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das optische Transmissionselement (64, 74, 88, 88') mit mehreren konischen Plattenabschnitten (70, 72, 80, 82, 84, 86, 92, 94) versehen ist, bei denen es sich jeweils um einen rotationssymmetrischen konischen Plattenabschnitt (70, 72, 80, 82, 84, 86, 92, 94) handelt; und wobei die mehreren konischen Plattenabschnitte (70, 72, 80, 82, 84, 86, 92, 94) konzentrisch angeordnet sind und sich in untereinander unterschiedlichen Winkeln schräg zu der Symmetrieachse (70a, 72a, 80a, 82a, 84a, 86a, 92a, 94a) erstrecken.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die mehreren konischen Plattenabschnitte (80, 82, 84, 86, 92, 94) ein Paar von konischen Plattenabschnitten (80, 82, 84, 86, 92, 94) umfassen, die sich in Winkeln mit einem gleichen absoluten Wert schräg zu der Symmetrieachse (80a, 82a, 84a, 86a, 92a, 94a) in zueinander entgegengesetzte Richtungen erstrecken.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei das optische Transmissionselement (96) ein erstes Element (100) und ein zweites Element (102) umfasst, die als zwei Hälften des konischen Plattenabschnitts (58) geformt sind und Teilungsflächen (100a, 102a) aufweisen, welche senkrecht zu der Symmetrieachse (58a) verlaufen; und wobei das erste und das zweite Element (100, 102) zueinander koaxial angeordnet sind, wobei die Teilungsflächen (100a, 102a) zueinander gewandt sind, oder die Teilungsflächen (100a, 102a) alternativ voneinander weg gewandt sind.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahldurchmesservergrößerungsteil (108, 110) einen senkrecht zu einer Symmetrieachse (108a) verlaufenden und eine gleichmäßige Dicke aufweisenden rotationssymmetrischen mittleren flachen Plattenabschnitt (108) des optischen Transmissionselements (104) und einen senkrecht zu einer Symmetrieachse (110a) verlaufenden und eine gleichmäßige Dicke aufweisenden rotationssymmetrischen ringförmigen flachen Plattenabschnitt (110) des optischen Transmissionsabschnitts (104) umfasst, wobei der ringförmige flache Plattenabschnitt (11) entlang eines Umfangs des mittleren flachen Plattenabschnitts (108) gebildet ist, wobei sich die Dicke des mittleren flachen Plattenabschnitts (108) von der Dicke des ringförmigen flachen Plattenabschnitts (110) unterscheidet; und wobei sich das optische Transmissionselement (104) an einer Position befindet, an der die Symmetrieachse (108a) des mittleren flachen Plattenabschnitts (108) und die Symmetrieachse (110a) des ringförmigen flachen Plattenabschnitts (11) mit einer optischen Achse (32a) des optischen Lichtfokussierungsabschnitts (32) übereinstimmen.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahldurchmesservergrößerungsteil (116, 118) einen senkrecht zu einer Symmetrieachse (116a) verlaufenden und eine gleichmäßige Dicke aufweisenden rotationssymmetrischen mittleren flachen Plattenabschnitt (116) des optischen Transmissionselements (112) und einen senkrecht zu einer Symmetrieachse (118a) verlaufenden und eine gleichmäßige Dicke aufweisenden rotationssymmetrischen ringförmigen flachen Plattenabschnitt (118) des optischen Transmissionselements (112) umfasst, wobei der ringförmige flache Plattenabschnitt (118) entlang eines Umfangs des mittleren flachen Plattenabschnitts (116) gebildet ist, wobei sich ein Brechungsindex des mittleren flachen Plattenabschnitts (116) von einem Brechungsindex des ringförmigen flachen Plattenabschnitts (118) unterscheidet; und wobei sich das optische Transmissionselement (112) an einer Position befindet, an der die Symmetrieachse (116a) des mittleren flachen Plattenabschnitts (116) und die Symmetrieachse (118a) des ringförmigen flachen Plattenabschnitts (118) mit einer optischen Achse (32a) des optischen Lichtfokussierungsabschnitts (32) übereinstimmen.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahldurchmesservergrößerungsteil (118) einen senkrecht zu einer Symmetrieachse (118a) verlaufenden und eine gleichmäßige Dicke aufweisenden rotationssymmetrischen ringförmigen flachen Plattenabschnitt (118) des optischen Transmissionselements (122) umfasst, wobei das optische Transmissionselement (122) im Inneren des ringförmigen flachen Plattenabschnitts (118) mit einer kreisförmigen Öffnung (120) versehen ist, die an der Symmetrieachse (118a) zentriert ist; und wobei sich das optische Transmissionselement (122) an einer Position befindet, an der die Symmetrieachse (118a) des ringförmigen flachen Plattenabschnitts (118) mit einer optischen Achse (32a) des optischen Lichtfokussierungsabschnitts (32) übereinstimmt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der ringförmige flache Plattenabschnitt (110, 118) bei einem Aufbau, bei dem sich das optische Transmissionselement (104, 112, 122) an der stromaufwärts befindlichen Seite befindet, einen Innendurchmesser aufweist, der größer als ein minimaler Strahldurchmesser des Laserstrahls (L) mit dem Diffusionswinkel (α) ist; oder wobei der ringförmige flache Plattenabschnitt (110, 118) bei einem Aufbau, bei dem sich das optische Transmissionselement (104, 112, 122) an der stromabwärts befindlichen Seite befindet, einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser (D) des fokussierten Strahls des Laserstrahls (L) mit dem Konvergenzwinkel (β) ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das optische Transmissionselement (44, 44', 52, 62, 64, 74, 88, 88', 96, 104, 112, 122) an einer vorherbestimmten Position des Bearbeitungskopfs (18) abnehmbar an dem Bearbeitungskopf (18) angebracht ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das optische Transmissionselement (44, 44', 52, 62, 64, 74, 88, 88', 96, 104, 112, 122) entlang einer optischen Achse (32a) des optischen Lichtfokussierungsabschnitts (32) beweglich an dem Bearbeitungskopf (18) angebracht ist.