JP2005000941A - 加工用光源 - Google Patents
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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、特にＤＤＬの集光形状を小面積、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。
【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から出力されたレーザ光を、レーザ光の広がり角を変化させるレンズに通し、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、安価な手段により、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
【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から出力されたレーザ光を、レーザ光の広がり角を変化させるレンズに通し、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、安価な手段により、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、溶接等を行うレーザ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。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（ＤＤＬ）は、速軸コリメータレンズとｆ１００ｍｍ程度の加工用集光レンズを有し、ビーム形状が約０．５ｍｍ×１０ｍｍと矩形の形状となる。
【０００３】
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、正方形のビーム形状を得ることが出来る。また、特許文献１記載の複数のミラーにより構成された導波路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。
【０００４】
【特許文献１】
特願２００２−２０１３７２号
【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、導波路を用いる方法によると、ＤＤＬの元々のビーム広がり角に制限され、ＷＤとビーム径の選べる範囲が限定されてしまう。
【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／簡便にかつ、ＷＤを短くすることなく、Ｍ値の大きいレーザ、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と、前記レーザから出射されたレーザ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加工用光源において、該導波路の入射端面側に、レーザ光の広がり角を変化させるためのレンズを配置していることを特徴とする加工用光源を要旨とする。
【０００８】
【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。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・配置図である。
ＤＤＬ１は、波長７９０〜８１０ｎｍで発振し、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手前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から出力されたレーザ光２は導波路５の入射端面３から入り、導波路の側面を構成するミラー８ａ、８ｂ間を反射しつつ、出射端面４から出力される。出射端面４から出力されたレーザ光は、伝播するにつれ広がっていくが、出射端近傍のレーザ光２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。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。
【０００９】
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５は４枚のミラー８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで構成されている。ミラー８ａ、８ｂはＤＤＬの長軸側の導波路を形成し、ミラー８ｃ、８ｄは短軸側の導波路を形成している。ミラーには、それぞれ７９０〜８１０ｎｍ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。対向するミラーの角度は、レーザ光が入射端面５側に反射しない範囲に設定され、長軸側入射開口径２９ｍｍのとき、出射開口径を３ｍｍ、導波路長さ９８ｍｍとすると、図４に示すような光路を通り、出射端面４から出力される。この時、ＷＤ１０１ｍｍ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、短軸側のレーザ光はミラーで反射すること無く出力され、ＷＤ１０１ｍｍでのビーム形状は２ｍｍとなる。
【００１０】
出射ビーム形状を変更したい場合には、導波路の入射開口径、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４から出力される。この時、ＷＤ１０８ｍｍ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、短軸側のレーザ光はミラーで反射すること無く出力され、ＷＤ１０８ｍｍでのビーム形状は５ｍｍとなる。
【００１１】
前記したように導波路を構成する対向するミラーの角度は、レーザ光が入射端面５側に反射しない範囲であるが、その範囲はレーザ光の広がり角により制約を受けてしまう。ＤＤＬから出射するレーザ光の広がり角が大きい場合、導波路内の光の反射回数が増加するため、出射するレーザ光の発散角の増大を引き起こし、最悪の場合出射端面から出力されず、入射端面側に戻ってしまう。そのため、前記したような広がり角を持つレーザ光の場合、３〜４ｍｍのビーム径を得ようとすると、導波路の長さは１００ｍｍ程度、５ｍｍのビーム径を得ようとすると、１１０ｍｍ程度が限界となる。そこで、ＤＤＬ１と入射端面３の間に凹レンズ７を入れることで、レーザ光２の広がり角を小さくさせることができ、ミラー８ａ、８ｂで構成される導波路５を伝播する光の反射回数を減らすことができ、導波路の長さも長くすることが可能となる。
【００１２】
集光点でのビーム形状が長軸側１２ｍｍ、短軸側０．５ｍｍで、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手前での長軸側ビーム径がおよそ５０ｍｍ、短軸側ビーム径がおよそ３４ｍｍであるときに、集光点から４０ｍｍ前方に焦点距離が−７０ｍｍの凹レンズを入れると、短軸側、長軸側ともＮＡが極めて小さくすることができる。特に短軸側は、凹レンズから１２０ｍｍ先においてもビーム径が４ｍｍ程度であり、導波路でのビーム整形を行わずとも幅の細いビームを長距離伝播することができる。
一方、長軸側は、前記したようなミラーを用いた導波路を用いることで、容易にビーム径を変更できることは言うまでも無く、例えば、凹レンズから１２０ｍｍ先の出射端面４の位置で４ｍｍ×４ｍｍのビームサイズを得ることも可能である。
【００１３】
さらに、凹レンズを用いた方法によれば、前述したように短軸側の導波路ミラーは不要となり、短軸側の導波路幅を狭くすることができ、細く深い溝の内部の焼入れができる。例えば、前述したような構成の場合、幅は１２ｍｍで良く、一方向だけ幅の制約があるような加工対象、例えばエンジンの部品であるクランクシャフトの軸部及び、コーナー部の焼き入れが容易に行えるようになる。
また、図２に示すように、底面ミラー６を入れるようなミラー構成にすることで、レーザ光を任意の角度に反射できることは自明のことであり、このような構成にすれば、溝の側面やコーナー部へのレーザ照射が可能となる。
【００１４】
【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から出力されたレーザ光を、レーザ光の広がり角を変化させるレンズに通し、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】他の実施例を示した図。
【図３】図１に示す導波路の具体的な構成図。
【図４】長軸側のレーザ光の軌跡を表した図。
【図５】他の構成での長軸側のレーザ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
２ レーザ光
３ 入射端面
４ 出射端面
５ 導波路
６ 底面ミラー
７ 凹レンズ
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ ミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼入れ、クラッディング、溶接等を行うレーザ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。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（ＤＤＬ）は、速軸コリメータレンズとｆ１００ｍｍ程度の加工用集光レンズを有し、ビーム形状が約０．５ｍｍ×１０ｍｍと矩形の形状となる。
【０００３】
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、正方形のビーム形状を得ることが出来る。また、特許文献１記載の複数のミラーにより構成された導波路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。
【０００４】
【特許文献１】
特願２００２−２０１３７２号
【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、導波路を用いる方法によると、ＤＤＬの元々のビーム広がり角に制限され、ＷＤとビーム径の選べる範囲が限定されてしまう。
【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／簡便にかつ、ＷＤを短くすることなく、Ｍ値の大きいレーザ、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と、前記レーザから出射されたレーザ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加工用光源において、該導波路の入射端面側に、レーザ光の広がり角を変化させるためのレンズを配置していることを特徴とする加工用光源を要旨とする。
【０００８】
【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。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・配置図である。
ＤＤＬ１は、波長７９０〜８１０ｎｍで発振し、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手前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から出力されたレーザ光２は導波路５の入射端面３から入り、導波路の側面を構成するミラー８ａ、８ｂ間を反射しつつ、出射端面４から出力される。出射端面４から出力されたレーザ光は、伝播するにつれ広がっていくが、出射端近傍のレーザ光２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。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。
【０００９】
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５は４枚のミラー８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで構成されている。ミラー８ａ、８ｂはＤＤＬの長軸側の導波路を形成し、ミラー８ｃ、８ｄは短軸側の導波路を形成している。ミラーには、それぞれ７９０〜８１０ｎｍ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。対向するミラーの角度は、レーザ光が入射端面５側に反射しない範囲に設定され、長軸側入射開口径２９ｍｍのとき、出射開口径を３ｍｍ、導波路長さ９８ｍｍとすると、図４に示すような光路を通り、出射端面４から出力される。この時、ＷＤ１０１ｍｍ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、短軸側のレーザ光はミラーで反射すること無く出力され、ＷＤ１０１ｍｍでのビーム形状は２ｍｍとなる。
【００１０】
出射ビーム形状を変更したい場合には、導波路の入射開口径、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４から出力される。この時、ＷＤ１０８ｍｍ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、短軸側のレーザ光はミラーで反射すること無く出力され、ＷＤ１０８ｍｍでのビーム形状は５ｍｍとなる。
【００１１】
前記したように導波路を構成する対向するミラーの角度は、レーザ光が入射端面５側に反射しない範囲であるが、その範囲はレーザ光の広がり角により制約を受けてしまう。ＤＤＬから出射するレーザ光の広がり角が大きい場合、導波路内の光の反射回数が増加するため、出射するレーザ光の発散角の増大を引き起こし、最悪の場合出射端面から出力されず、入射端面側に戻ってしまう。そのため、前記したような広がり角を持つレーザ光の場合、３〜４ｍｍのビーム径を得ようとすると、導波路の長さは１００ｍｍ程度、５ｍｍのビーム径を得ようとすると、１１０ｍｍ程度が限界となる。そこで、ＤＤＬ１と入射端面３の間に凹レンズ７を入れることで、レーザ光２の広がり角を小さくさせることができ、ミラー８ａ、８ｂで構成される導波路５を伝播する光の反射回数を減らすことができ、導波路の長さも長くすることが可能となる。
【００１２】
集光点でのビーム形状が長軸側１２ｍｍ、短軸側０．５ｍｍで、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手前での長軸側ビーム径がおよそ５０ｍｍ、短軸側ビーム径がおよそ３４ｍｍであるときに、集光点から４０ｍｍ前方に焦点距離が−７０ｍｍの凹レンズを入れると、短軸側、長軸側ともＮＡが極めて小さくすることができる。特に短軸側は、凹レンズから１２０ｍｍ先においてもビーム径が４ｍｍ程度であり、導波路でのビーム整形を行わずとも幅の細いビームを長距離伝播することができる。
一方、長軸側は、前記したようなミラーを用いた導波路を用いることで、容易にビーム径を変更できることは言うまでも無く、例えば、凹レンズから１２０ｍｍ先の出射端面４の位置で４ｍｍ×４ｍｍのビームサイズを得ることも可能である。
【００１３】
さらに、凹レンズを用いた方法によれば、前述したように短軸側の導波路ミラーは不要となり、短軸側の導波路幅を狭くすることができ、細く深い溝の内部の焼入れができる。例えば、前述したような構成の場合、幅は１２ｍｍで良く、一方向だけ幅の制約があるような加工対象、例えばエンジンの部品であるクランクシャフトの軸部及び、コーナー部の焼き入れが容易に行えるようになる。
また、図２に示すように、底面ミラー６を入れるようなミラー構成にすることで、レーザ光を任意の角度に反射できることは自明のことであり、このような構成にすれば、溝の側面やコーナー部へのレーザ照射が可能となる。
【００１４】
【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から出力されたレーザ光を、レーザ光の広がり角を変化させるレンズに通し、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】他の実施例を示した図。
【図３】図１に示す導波路の具体的な構成図。
【図４】長軸側のレーザ光の軌跡を表した図。
【図５】他の構成での長軸側のレーザ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
２ レーザ光
３ 入射端面
４ 出射端面
５ 導波路
６ 底面ミラー
７ 凹レンズ
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ ミラー
Claims (1)
- 難加工材であるアルミニウムの加工が可能な波長７９０〜８１０ｎｍで発振し、加工用の集光レンズを備えたダイレクト半導体レーザと、前記レーザから出射されたレーザ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加工用光源において、該導波路の入射端面側に、レーザ光の広がり角を変化させるためのレンズを配置していることを特徴とする加工用光源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003165975A JP2005000941A (ja) | 2003-06-11 | 2003-06-11 | 加工用光源 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003165975A JP2005000941A (ja) | 2003-06-11 | 2003-06-11 | 加工用光源 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005000941A true JP2005000941A (ja) | 2005-01-06 |
Family
ID=34092263
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003165975A Withdrawn JP2005000941A (ja) | 2003-06-11 | 2003-06-11 | 加工用光源 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005000941A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111020569A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-17 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 单光束双光斑复合能场激光熔覆头及其光学组件 |
-
2003
- 2003-06-11 JP JP2003165975A patent/JP2005000941A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111020569A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-17 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 单光束双光斑复合能场激光熔覆头及其光学组件 |
| CN111020569B (zh) * | 2019-12-31 | 2020-09-01 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 单光束双光斑复合能场激光熔覆头及其光学组件 |
| CN111650756A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-09-11 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 使用单激光光束实现双光斑复合能场的方法、装置、工艺及其应用 |
| CN111650756B (zh) * | 2019-12-31 | 2021-05-14 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 使用单激光光束实现双光斑复合能场的方法、装置、工艺及其应用 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060905 |