JP2004042076A

JP2004042076A - 加工用光源

Info

Publication number: JP2004042076A
Application number: JP2002201372A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ueda; 植田　健司; Hiroyuki Yamamoto; 山本　博之; Masashi Oikawa; 及川　昌志; Katsuhiro Minamida; 南田　勝宏
Original assignee: Nippon Steel Techno Research Corp
Current assignee: Nippon Steel Techno Research Corp
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】加工用光源において、ＷＤを短くすることなく、Ｍ値の大きいレーザー、特にＤＤＬのビーム形状を小面積、或いは対称な形状にすることを可能とする加工用光源を提供することにある。
【解決手段】難加工材であるアルミニウムの加工が可能な波長７９０〜８１０ｎｍで発振するダイレクト半導体レーザー１から出力されたレーザー光３を、出射端面６が入射端面５よりも小面積なミラー２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで構成された導波路７に入射し伝播させるという簡便かつ、安価な方法により、任意のビーム形状を得ることが出来る。これにより、難加工材とされるアルミニウムの加工プロセスを有利にすることが出来る。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼入れ、クラッディング、溶接等を行う加工用光源に関するものであり、特に難加工材であるアルミニウムの加工に優れた特性を持つ加工用光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加工用光源は、その性質上高いエネルギーを発生させるため、Ｍ値が大きく集光特性が悪くなってしまう。特に、半導体レーザーは、素子１個あたりの出力には限りがあり、金属等を変質／溶融させるだけのエネルギーを出すためには、多数の素子から出た光を集める必要がある。
【０００３】
しかし、多数の素子から出た光は小面積に集光しづらい、非対称な集光形状になるなどの問題があった。例えば、１ＫＷ以上の出力であるダイレクト半導体レーザー（ＤＤＬ）は、ビーム形状が約０．５ｍｍ×１０ｍｍと非対称な形状となる。
【０００４】
そこで、ビーム形状をより小さく、或いは対称形にしようとした場合、レンズを追加することが考えられ、凸レンズを用いれば、より小さな形状に集光でき、シリンドリカル凸レンズを用いれば、対称なビーム形状を得ることが出来る。また、光ファイバーを用いることでも対称なビーム形状を得ることが出来る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レンズを用いる方法によると、ＤＤＬ本体から集光点までの距離（ＷＤ：ワークディスタンス）が短くなり、加工点からのスパッタ、ヒュームなどによるＤＤＬ本体へのダメージや汚染の危険性が高まり、適用対象を制限する結果となり、あまり実用的ではない。また、光ファイバーを用いる方法によると、光ファイバーに入射するために、複雑な光学系が必要となり、装置コストも高価なものになってしまう。
【０００６】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その主な目的は、安価で簡便にかつ、ＷＤを短くすることなく、Ｍ値の大きいレーザー、特にＤＤＬのビーム形状を小面積、或いは対称な形状にすることを可能とする加工用光源を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、難加工材であるアルミニウムの加工が可能な波長７９０〜８１０ｎｍで発振するダイレクト半導体レーザーと、前記レーザーから出射されたレーザー光を伝播する導波路とを有し、該導波路の出射端面が入射端面より小面積である事を特徴とする加工用光源を提供する。なお、前記導波路として、ミラーを用いるとよい。
【０００８】
また、前記加工用光源における前記導波路が２枚以上のミラーにより構成され、その傾斜角及び長さは、レーザー光が全て導波路の出射端面から出力される範囲にあることが望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面に示された好適な実施形態に基づき本発明について詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明に基づく加工用光源の基本構成を模式的に示す構成・配置図であり、集光点でのビーム形状の長軸側のＮＡが０．１以下、短軸側のＮＡが０．２以下で、集光点から９４ｍｍ前方での長軸側ビーム径がおよそ２５ｍｍ、短軸側のビーム径がおよそ３４ｍｍであるＤＤＬ１から出力された波長７９０〜８１０ｎｍのレーザー光３は導波路７の入射端面５から入り導波路の側面を構成するミラー２ａ，２ｂ間を反射しつつ、出射端面６から出力される。
【００１１】
出射端面６から出力されたレーザー光は、伝播するにつれて広がっていくが、出射端近傍のレーザー光４はそのビーム形状が保存されているため、レンズなどを用いて集光する場合に比べ、任意にビーム形状を設計することができる。
【００１２】
これにより、焼入れやクラッディングなどで限定された部分にだけ熱を加え改質層を形成したい用途などには、非常に有効な方法と言える。またここでは、一方向のみのレーザー光の軌跡の記述となっているが、これと垂直方向に付いても同様な考え方が成り立つ。
【００１３】
図２は高出力半導体レーザーの構成を示したものである。図２（１）にその基本となるレーザーダイオードバー１０の構造を示し、このレーザーダイオードバー１０を複数個積層することにより、図２（２）に示すレーザーダイオードアレイ１１を組み上げるが、レーザーダイオードアレイ１１のサイズは、およそ１０ｍｍ×５０ｍｍである。
【００１４】
そして、レーザーダイオードアレイ１１をおよそ１５ｍｍ間隔で２個組み合わせることで、図２（３）に示すような２ＫＷの出力が得られる高出力半導体レーザー１２が完成する。
【００１５】
図３は、図１に示した導波路の具体的な構成を示した図である。導波路７は４枚のミラー２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで構成されている。ミラー２ａ，２ｂはＤＤＬの長軸側の導波路を形成し、ミラー２ｃ，２ｄは短軸側の導波路を形成している。ミラーには、波長７９０〜８１０ｎｍのレーザー光３にそれぞれに高い反射率を持つ、金属蒸着膜や、誘電体多層膜によるコーティングが施されている。
【００１６】
対向するミラーの角度は、レーザー光が入射端面５側に反射しない範囲に設定され、図２に示したＤＤＬを使用した場合、長軸側入射開口径２９ｍｍのとき、出射開口径を３ｍｍ、長さ９８ｍｍとすると、図４に示すような光路を通り、出射端面６から出力される。この時、ＷＤが１０１ｍｍでのビーム形状は４ｍｍとなる。またこの時、短軸側入射開口径４０ｍｍ、出射開口径を２ｍｍ以上に設定すると、短軸側のレーザー光はミラーで反射すること無く出力され、ＷＤが１０１ｍｍでのビーム形状は２ｍｍとなる。
【００１７】
出射ビーム形状を変更したい場合には、入射開口径、出射開口径および、長さを変化させればよく、例えば長軸側入射開口径２８ｍｍのとき、出射開口径を３ｍｍ、長さ１０５ｍｍとすると、図５に示すような光路を通り、出射端面６から出力される。この時、ＷＤが１０８ｍｍでのビーム形状は５ｍｍとなる。またこの時、短軸側入射開口径４０ｍｍ、出射開口径を４ｍｍ以上に設定すると、短軸側のレーザー光はミラーで反射すること無く出力され、ＷＤが１０８ｍｍでのビーム形状は５ｍｍとなる。
【００１８】
上記実施例では、短軸側のレーザー光がミラーで反射しない構成について記述しているが、反射させたとしてもなんら問題はなく、例えば、短軸側入射開口径を４０ｍｍ、出射開口径を２ｍｍ、長さを１０５ｍｍにした場合、図６に示すような光路を通り、ＷＤが１０８ｍｍでのビーム形状は４ｍｍとなる。
【００１９】
【発明の効果】
上記説明から明らかなごとく、本発明の加工用光源によれば、難加工材であるアルミニウムの加工が可能な波長７９０〜８１０ｎｍで発振するダイレクト半導体レーザーから出力されたレーザー光を、出射端面が入射端面よりも小面積なミラーで構成された導波路に入射し伝播させるという簡便かつ、安価な方法により、任意のビーム形状を得ることが出来る。これにより、難加工材とされるアルミニウムの加工プロセスを有利にすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく加工用光源の基本構成を模式的に示す構成・配置図。
【図２】高出力半導体レーザーの構成図。
【図３】図１に示す導波路の具体的な構成図。
【図４】長軸側のレーザー光の軌跡を表した図。
【図５】他の構成での長軸側のレーザー光の軌跡を表した図。
【図６】短軸側のレーザー光の軌跡を表した図。
【符号の説明】
１　ダイレクト半導体レーザー
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ　ミラー
３　レーザー光
４　出射端近傍のレーザー光
５　入射端面
６　出射端面
７　導波路
１０　レーザーダイオードバー
１１　レーザーダイオードアレイ
１２　高出力半導体レーザー

Claims

難加工材であるアルミニウムの加工が可能な波長７９０〜８１０ｎｍで発振するダイレクト半導体レーザーと、前記レーザーから出射されたレーザー光を伝播する導波路とを有し、該導波路の出射端面が入射端面より小面積である事を特徴とする加工用光源。
前記導波路が２枚以上のミラーにより構成され、その傾斜角及び長さは、レーザー光が全て導波路の出射端面から出力される範囲にあることを特徴とする請求項１記載の加工用光源。