JP2005313195A - 二波長重畳型レーザ出射ユニット及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 集束レンズに色消しレンズを使わなくても波長の異なる２つのレーザ光をほぼ同じ位置に重畳集束させること。
【解決手段】 このレーザ溶接装置は、１台のレーザ発振器１０と、このレーザ発振器１０を電気的に駆動するレーザ電源部１２と、所望の加工場所に配置される二波長重畳レーザ出射ユニット１４と、レーザ発振器１０で生成される基本波長および第２高調波のレーザ光（光ビーム）を出射ユニット１４まで個別に伝送する光ファイバ伝送系１６とを有している。出射ユニット１４では、内蔵の集束レンズにおいて基本波の光ビームＬＢが集束する位置と第２高調波の光ビームＳＨＧが集束する位置とを任意に調整できるようになっている。

【選択図】 図１

Description

本発明は、二波長の光ビームを用いるレーザ加工の技術に係わり、より詳しくは二波長の光ビームを重畳させて被加工物に照射する二波長重畳型のレーザ出射ユニットおよびレーザ加工装置に関する。

近年、高出力レーザは、溶接、切断あるいは表面処理等の加工業の分野で広く利用されている。特にレーザ溶接加工技術は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物に与える熱歪が小さいこと、高度の自動化が可能であることから、ますますその重要性を高めている。現在、レーザ溶接に最も多く使用されている固体レーザは、波長約１μｍの光ビームを発生するＹＡＧレーザである。ＹＡＧレーザは、母材としてＹＡＧ（Ｙ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂）結晶に希土類活性イオン（Ｎｄ³⁺、Ｙｂ³⁺等）をドープしたものであり、代表的なＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波長は１０６４ｎｍである。

レーザ溶接においては、被溶接材とレーザ光の光学的な結合性が重要である。光学的な結合性がよくないと、被溶接材からの反射率が高くレーザエネルギーの吸収効率が低くなり、良好な溶接接合を得ることが難しくなる。上記基本波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光は、銅、アルミニウム、金等の被溶接材に対しては光学的結合性が悪い。これらの金属に対しては、むしろ第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光が高い光学的結合性を有することが知られている。

本出願人は、特許文献１で、第１のＹＡＧレーザにより基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧパルスレーザ光を生成するとともに、第２のＹＡＧレーザにより第２高調波（５３２ｎｍ）のＱスイッチレーザ光を生成し、両者を同一の光軸上に重畳して被溶接材に照射する二波長重畳型のレーザ溶接法を開示している。この二波長重畳型レーザ溶接法によれば、銅、金、アルミニウム等の被溶接物においてレーザエネルギーの吸収効率を高めて良好な溶接接合を得ることができる。すなわち、この種の被溶接物に基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光と第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光とを重畳して照射すると、先ず吸収率の高い第２高調波のＹＡＧレーザ光によって溶接部にキーホールが形成され、次いで基本波長のＹＡＧレーザ光がこのキーホール内で多重反射しながら内奥へ進むことにより、小さなレーザパワーでも確実に溶融接合させることができる。このため、銅、金、アルミニウム等の精密溶接への利用が期待されている。
特開２００２−２８７９５号

上記のような二波長重畳型レーザ溶接法では、基本波（１０６４ｎｍ）のレーザ光と第２高調波（５３２ｎｍ）のレーザ光とを重畳してから共通の集束レンズにより集光して被溶接物に照射する。その際、両レーザ光の波長が２：１の関係で大きく相違するため、集束レンズに１枚のレンズ（単レンズ）を用いた場合は、色収差により基本波長のレーザ光の焦点位置と第２高調波のレーザ光の焦点位置とが一致しなくなり、レーザ加工において上記のような両レーザ光による重畳的ないし相乗的な作用効果が弱められる。すなわち、集束レンズの光軸上で基本波レーザ光の焦点位置を被溶接物の溶接ポイントに合わせると、第２高調波のレーザ光の焦点位置が溶接ポイントから外れてしまい、上記のような第２高調波のレーザ光による初期のキーホール形成が不十分なものとなる。反対に、第２高調波のレーザ光の焦点位置を被溶接物の溶接ポイントに合わせると、基本波レーザ光の焦点位置が溶接ポイントから外れてしまい、基本波レーザ光による溶け込みが不十分なものとなる。いずれの場合でも、溶接不良の可能性が高くなる。

このため、従来の二波長重畳型レーザ加工装置は、二波長の焦点位置を合わせるための色消しレンズを集束レンズに用いている。しかしながら、色消しレンズは、複数枚のレンズ（複合レンズ）で構成されるため、単レンズに比して格段に高価であるばかりか、サイズや重量も大きい。このため、集束レンズを内蔵する出射ユニットが大型化し、ロボットを用いたレーザ加工の自動化で不利点となる。また、二波長の組み合わせに応じて個別の色消しレンズを用意しなければならないという不利点もある。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、集束レンズに色消しレンズを使わなくても波長の異なる２つのレーザ光をほぼ同じ位置に集束させ、あるいは個別に任意に位置に集束させるようにして、コスト性や加工性を向上させる二波長重畳型のレーザ出射ユニットおよびレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点による二波長重畳型レーザ出射ユニットは、第１および第２の光ファイバよりそれぞれ伝送されてくる波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射する二波長重畳型レーザ出射ユニットであって、前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズとを有し、前記集束レンズを通った前記第１および第２の光ビームがほぼ同一の位置に集束するように、前記第１の光ファイバの出射端面および前記第２の光ファイバの出射端面の少なくとも一方が前記第１のコリメートレンズの焦点位置または前記第２のコリメートレンズの焦点位置からオフセットした所定位置に配置される。

また、本発明の第１の観点による二波長重畳型レーザ加工装置は、波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射し、前記被加工物に熱加工を施す二波長重畳型レーザ加工装置であって、前記第１の光ビームを生成する第１のレーザと、前記第１のレーザで生成された前記第１の光ビームを伝送する第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、前記第２の光ビームを生成する第２のレーザ生成部と、前記第２のレーザで生成された前記第２の光ビームを伝送する第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記光軸上に反射するダイクロイックミラーと、前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズとを有し、前記集束レンズを通った前記第１および第２の光ビームがほぼ同一の位置に集束するように、前記第１の光ファイバの出射端面および前記第２の光ファイバの出射端面の少なくとも一方が前記第１のコリメートレンズの焦点位置または前記第２のコリメートレンズの焦点位置からオフセットした所定位置に配置される。

上記第１の観点の構成においては、第１の光ファイバの出射端面が第１のコリメートレンズの焦点位置からオフセットした所定位置に配置されることで、あるいは第２の光ファイバの出射端面が第２のコリメートレンズの焦点位置からオフセットした所定位置に配置されることで、結果的に集束レンズの色収差を補償し、第１の光ビームと第２の光ビームとをほぼ同一の位置（加工ポイント）にオンフォーカスで重畳集束させることができる。

本発明の第２の観点による二波長重畳型レーザ出射ユニットは、第１および第２の光ファイバよりそれぞれ伝送されてくる波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射する二波長重畳型レーザ出射ユニットであって、前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、前記第１の光ファイバの出射端面と前記第１のコリメートレンズとの距離間隔を調整するための調整部と、前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズとを有する。

また、本発明の第２の観点による二波長重畳型レーザ加工装置は、波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射し、前記被加工物に熱加工を施す二波長重畳型レーザ加工装置であって、前記第１の光ビームを生成する第１のレーザと、前記第１のレーザで生成された前記第１の光ビームを伝送する第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、前記第１の光ファイバの出射端面と前記第１のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための調整部と、前記第２の光ビームを生成する第２のレーザ生成部と、前記第２のレーザで生成された前記第２の光ビームを伝送する第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズとを有する。

上記第２の観点の構成においては、第１の光ファイバの出射端面と第１のコリメートレンズとの距離間隔を調整部により調整することで、集束レンズにおける第１の光ビームの集束位置を任意に調整することができる。

本発明の第３の観点による二波長重畳型レーザ出射ユニットは、第１および第２の光ファイバよりそれぞれ伝送されてくる波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射する二波長重畳型レーザ出射ユニットであって、前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、前記第２の光ファイバの出射端面と前記第２のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための調整部と、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズとを有する。

また、本発明の第３の観点による二波長重畳型レーザ加工装置は、波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射し、前記被加工物に熱加工を施す二波長重畳型レーザ加工装置であって、前記第１の光ビームを生成する第１のレーザと、前記第１のレーザで生成された前記第１の光ビームを伝送する第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、前記第２の光ビームを生成する第２のレーザ生成部と、前記第２のレーザで生成された前記第２の光ビームを伝送する第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、前記第２の光ファイバの出射端面と前記第２のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための調整部と、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズとを有する。

上記第３の観点の構成においては、第２の光ファイバの出射端面と第２のコリメートレンズとの距離間隔を調整部により調整することで、集束レンズにおける第２の光ビームの集束位置を任意に調整することができる。

本発明の第４の観点による二波長重畳型レーザ出射ユニットは、第１および第２の光ファイバよりそれぞれ伝送されてくる波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射する二波長重畳型レーザ出射ユニットであって、前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、前記第１の光ファイバの出射端面と前記第１のコリメートレンズとの間の距離間隔を可変調整するための第１の調整部と、前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、前記第２の光ファイバの出射端面と前記第２のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための第２の調整部と、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズとを有する。

また、本発明の第４の観点による二波長重畳型レーザ加工装置は、波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射し、前記被加工物に熱加工を施す二波長重畳型レーザ加工装置であって、前記第１の光ビームを生成する第１のレーザと、前記第１のレーザで生成された前記第１の光ビームを伝送する第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、前記第１の光ファイバの出射端面と前記第１のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための第１の調整部と、前記第２の光ビームを生成する第２のレーザと、前記第２のレーザで生成された前記第２の光ビームを伝送する第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、前記第２の光ファイバの出射端面と前記第２のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための第２の調整部と、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズとを有する。

上記第４の観点の構成においては、第１の光ファイバの出射端面と第１のコリメートレンズとの距離間隔を第１の調整部により調整することで、集束レンズにおける第１の光ビームの集束位置を任意に調整することができる一方で、第２の光ファイバの出射端面と第２のコリメートレンズとの距離間隔を第２の調整部により調整することで、集束レンズにおける第２の光ビームの集束位置を任意に調整することができる。

本発明の好適な一態様によれば、集束レンズが単レンズで構成されてよい。上記のように集束レンズの色収差を光ファイバおよびコリメートレンズ側の光学系で補償できるため、単レンズであっても全く構わない。

好適な一態様によれば、第１および第２の光ビームのうち一方が所定の基本波長を有する基本波であり、他方が基本波長の１／２の波長を有する第２高調波である。好適な例は、基本波長が１０６４ｎｍであり、第２高調波の波長が５３２ｎｍである。

好適な一態様によれば、本発明のレーザ加工装置における第２のレーザは、基本波長を有する基本波の光ビームを生成するレーザ発振器と、前記レーザ発振器内に配置され、前記基本波の光ビームとの非線型相互作用により高調波の前記第２の光ビームを生成する波長変換結晶と、前記レーザ発振器内に配置され、前記第２の光ビームを前記基本波の光ビームから分離して前記レーザ発振器の外へ出力する高調波分離出力ミラーとを有する。レーザ発振器は、光学的に対向して配置された第１および第２の終端ミラーを有する光共振器と、この光共振器の光路上に配置された活性媒体と、基本波の光ビームを生成するために活性媒体をポンピングする励起部とを有してよい。好ましくは、活性媒質は、Ｎd：ＹＡＧ、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ₄およびＹb：ＹＡＧからなる群より選ばれた固体活性媒質である。波長変換結晶はＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）結晶である。

本発明によれば、上記のような構成と作用により、二波長重畳型レーザ加工法において、集束レンズに色消しレンズを使わなくても波長の異なる２つのレーザ光をほぼ同じ位置に集束させたり、あるいは個別に任意に位置に集束させることが可能であり、コスト性や加工性を向上させることができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態による二波長重畳型レーザ溶接装置の構成を示す。このレーザ溶接装置は、１台のレーザ発振器１０と、このレーザ発振器１０を電気的に駆動するレーザ電源部１２と、所望の加工場所に配置される二波長重畳レーザ出射ユニット１４と、レーザ発振器１０で生成される基本波長および第２高調波のレーザ光（光ビーム）を出射ユニット１４まで個別に伝送する光ファイバ伝送系１６とを有している。

レーザ発振器１０は、支持台１８上に直線配列型で一対の終端ミラー２０，２２、固体レーザ活性媒質２４、波長変換結晶２６、偏光素子２８、高調波分離出力ミラー３０および集束レンズ３２を配置している。両終端ミラー２０，２２は互いに向かい合って光共振器を構成している。一方の終端ミラー２０の反射面２０ａには、後述する所定の基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされている。他方の終端ミラー２２の反射面２２ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされるとともに、後述する第２高調波（５３２ｎｍ）に対して高反射性の膜もコーティングされている。

活性媒質２４は、たとえばＮd：ＹＡＧロッドからなり、一方の終端ミラー２０寄りに配置され、電気光学励起部３４によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部３４は、活性媒質２４に向けて励起光を発生するための励起光源（たとえば励起ランプまたはレーザダイオード）を有し、この励起光源をレーザ電源部１２からの励起電流で点灯駆動することにより、活性媒質２４を持続的または断続的にポンピングする。活性媒質２４で生成される基本波長の光ビームは、終端ミラー２０，２２の間に閉じ込められて増幅される。このように、両終端ミラー（光共振器）２０，２２、活性媒質２４および電気光学励起部３４によって基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームまたはレーザ光を生成するレーザ発振器が構成されている。

偏光素子２８は、たとえばポラライザまたはブリュースタ板等からなり、活性媒質２４からの基本波長の光ビームが非法線方向で入射するように光共振器の光路または光軸に対して所定の斜めの角度で配置されている。活性媒質２４からの基本波長の光ビームのうち、Ｐ偏光は偏光素子２８をまっすぐ透過して波長変換結晶２６に入射し、Ｓ偏光は偏光素子２８で所定の方向つまり光ファイバ伝送系１６における第１の入射ユニット３６に向けて反射されるようになっている。ここで、Ｐ偏光およびＳ偏光は基本波長の光ビームの進行方向に垂直な面内で振動方向が互いに直交する直線偏光成分（電界成分）である。たとえば、Ｐ偏光は鉛直方向で振動する直線偏光成分であり、Ｓ偏光は水平方向で振動する直線偏光成分である。好ましくは、基本波長（１０６４ｎｍ）においてＰ偏光透過率は略１００％でＳ偏光反射率は略１００％であるような偏光フィルタ特性が選ばれる。集束レンズ３２は、偏光素子２８で反射された基本波の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢを集束して波長変換結晶の一端面に入射させる。

波長変換結晶２６は、ＫＴＰ結晶からなり、他方の終端ミラー１２寄りに配置され、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、基本波長との非線型相互作用により第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧを光共振器の光路上に生成する。

波長変換結晶２６より終端ミラー２２側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、終端ミラー２２で戻されて、波長変換結晶２６を通り抜ける。波長変換結晶２６より終端ミラー２２の反対側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、光共振器の光路または光軸に対して所定の角度（たとえば４５゜）で斜めに配置されている高調波分離出力ミラー３０に入射し、このミラー３０で所定の方向つまり光ファイバ伝送系１６における第２の入射ユニット３８に向けて反射または分離出力されるようになっている。

光ファイバ伝送系１６において、第１の入射ユニット３６は、集束レンズ４０を内蔵しており、偏光素子２８からの基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢを集束レンズ４０により集束して第１の光ファイバ４２の一端面（入射端面）に入射させる。第２の入射ユニット３８も集束レンズ４４を内蔵しており、高調波分離出力ミラー３０からの第２高調波の光ビームＳＨＧを集束レンズ４４により集束して第２の光ファイバ４６の一端面（入射端面）に入射させる。

第１および第２の光ファイバ４２，４６は出射ユニット１４で終端している。第１の光ファイバ４２は、レーザ発振器１０で生成された基本波長の光ビームＬＢを入射ユニット３６から出射ユニット１４まで伝送する。第２の光ファイバ４６は、レーザ発振器１０で生成された第２高調波の光ビームＳＨＧを入射ユニット３８から出射ユニット１４まで伝送する。

出射ユニット１４は、後に詳述するように、第１の光ファイバ４２を介して伝送されてきた基本波長の光ビームＬＢと第２の光ファイバ４６を介して伝送されてきた第２高調波の光ビームＳＨＧとを共通の光軸上に重畳したうえで共通の集束レンズにより集束させて被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに照射するようになっている。

この実施形態では、後述するように、出射ユニット１４内の集束レンズに単レンズを用いても、両光ビームＬＢ，ＳＨＧを一緒に溶接ポイントＰ付近のほぼ同一の位置にオンフォーカスで重畳集束させることができ、基本波長（１０６４ｎｍ）と第２高調波（５３２ｎｍ）との二波長重畳の作用効果を存分に発揮させることができる。

被溶接物Ｗは任意の金属からなるものでよいが、特に銅、金またはアルミニウムからなる場合に本発明の大なる利点が得られる。すなわち、銅、金またはアルミニウムからなる被溶接物Ｗにおいては、基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢと第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧとが溶接ポイントＰに一緒にオンフォーカスで同時照射または重畳照射されることで、先ず吸収率の高い第２高調波の光ビームＳＨＧによって溶接ポイントＰ付近にキーホールが形成され、次いで基本波長の光ビームＬＢがキーホール内で多重反射しながら内奥へ進むことにより、溶接ポイントＰ付近が良好かつ確実に溶融する。

また、この実施形態では、１系統のＹＡＧレーザから基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢと第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧとを重畳または合成した異波長重畳ビーム（ＬＢ_S，ＳＨＧ）を出力するようにしたので、銅、金またはアルミニウム等の精密溶接に好適なレーザ溶接装置を小型かつ低コストで提供することができる。

さらに、この実施形態では、基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢと第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧとがパルス幅可変のロングパルスで生成されることも重要な特徴である。この特徴については、後に詳述する。

次に、図２〜図４につき、この実施形態における二波長重畳型レーザ出射ユニット１４の詳細な構成および作用を説明する。

図２に、出射ユニット１４内における光学系の要部の構成を示す。図示のように、出射ユニット１４内の中心部には、ダイクロイックミラー５０が垂直軸（ユニット長手方向の軸）に対して４５゜の傾きで配置されている。第１の光ファイバ４２は出射ユニット１４の上部で終端し、その終端面つまり出射端面が垂直下向きでダイクロイックミラー５０の上面５０ａと対向する。また、第２の光ファイバ４２は出射ユニット１４の一側面で終端し、その終端面つまり出射端面が水平内向きでダイクロイックミラー５０の下面５０ｂと対向する。第１の光ファイバ４２の出射端面とダイクロイックミラー５０との間には第１のコリメートレンズ５２が配置され、第２の光ファイバ４６の出射端面とダイクロイックミラー５０との間には第２のコリメートレンズ５４が配置されている。ダイクロイックミラー５０の真下には集束レンズ５６が配置されている。ダイクロイックミラー５０は透明基板を母材とし、この基板上に基本波長（１０６４ｎｍ）に対して透過性の膜と第２高調波（５３２ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされている。

第１の光ファイバ４２の出射端面より垂直下方に放射状に出た基本波の光ビームＬＢは、第１のコリメートレンズ５２によりコリメートされてからダイクロイックミラー５０をまっすぐ透過して集束レンズ５６に入射する。また、第２の光ファイバ４６の出射端面より水平方向に放射状に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、第２のコリメータレンズ５４によりコリメートされてからダイクロイックミラー５０で垂直下方に直角に反射して集束レンズ５６に入射する。ここで、ダイクロイックミラー５０を垂直下方に透過した基本波の光ビームＬＢとダイクロイックミラー５０で垂直下方に反射した第２高調波の光ビームＳＨＧとは実質的に同一の光軸上で重畳し、重畳したまま集束レンズ５６により各々集束される。

このように、ダイクロイックミラー５０を透過した基本波の光ビームＬＢとダイクロイックミラー５０で反射した第２高調波の光ビームＳＨＧとが、同一の光軸上を垂直下方にそれぞれ直進して共通の集束レンズ５６を通り、集束レンズ５６により被溶接物Ｗの溶接ポイントＰ付近に重畳集束または集光させられる。ここで、集束レンズ５６は、たとえば石英からなる１枚の光学レンズ（単レンズ）であり、色収差を有する安価なもので構わない。

この出射ユニット１４では、後述するように、第１の光ファイバ４２の出射端面と第１のコリメートレンズ５２との距離間隔Ｌ₁と第２の光ファイバ４６の出射端面と第２のコリメートレンズ５４との距離間隔Ｌ₂とがそれぞれ調節可能になっており、これにより集束レンズ５６において基本波の光ビームＬＢが集束する位置と第２高調波の光ビームＳＨＧが集束する位置とを任意に調整できるようになっている。

ここで、図３につき、本発明の出射ユニットにおいて集束レンズにより集束される光ビームの結像位置を調整するための原理を示す。基本波の光ビームＬＢおよび第２高調波の光ビームＳＨＧのいずれに対しても、出射ユニット１４内における幾何光学上の光路は図３に示すものと等価になる。図３において、光ファイバ１の出射端面から放射状に出た光ビームＭＢは、コリメートレンズ２でコリメートされ、次いで集束レンズ３で集束させられる。コリメートレンズ２の焦点距離はｆ_Aで、集束レンズ３の焦点距離はｆ_Bである。光ファイバ１の出射端面とコリメートレンズ２との距離間隔Ｌ_Aは可変調整できるものとする。

図３の（ａ）は、Ｌ_A＝ｆ_Aであり、光ファイバ１の出射端面がコリメートレンズ２の焦点位置Ｆ_Aに配置される。この場合、光ファイバ１より出射された光ビームＭＢはコリメートレンズ２を通ると平行ビームＭＢ_aとなる。この平行ビームＭＢ_aは、集束レンズ３の色収差を受けなければ実線Ｓで示すように集束レンズ３の焦点位置Ｆ_Bに集束（結像）するが、集束レンズ３の色収差を受けると点線Ｄで示すように光軸上で焦点位置Ｆ_Bの前または後にずれた位置に集束（結像）する。

図３の（ｂ）は、Ｌ_A＞ｆ_Aであり、光ファイバ１の出射端面がコリメートレンズ２に対して焦点位置Ｆ_Aよりも遠い位置にオフセットして配置される。この場合、光ファイバ１より出射された光ビームＭＢはコリメートレンズ２を通ると前方に向かって先細りのテーパビームＭＢ_bとなる。このテーパビームＭＢ_bは、集束レンズ３の色収差を受けなければ実線Ｓで示すように集束レンズ３の焦点位置Ｆ_Bよりも光軸上の手前で集束（結像）するが、集束レンズ３の色収差を受けると点線Ｄで示すように焦点位置Ｆ_Bに集束（結像）することもある。この結像条件は、当該光ビームの波長（周波数）と光ファイバ１側のオフセット量（Ｆ_A−ｆ_A）に依存する。

図３の（ｃ）は、Ｌ_A＜ｆ_Aであり、光ファイバ１の出射端面がコリメートレンズ２に対して焦点位置Ｆ_Aよりも近い位置にオフセットして配置される。この場合、光ファイバ１より出射された光ビームＭＢはコリメートレンズ２を通ると後方に向かって先細りの逆テーパビームＭＢ_cとなる。この逆テーパビームＭＢ_cは、集束レンズ３の色収差を受けなければ実線Ｓで示すように集束レンズ３の焦点位置Ｆ_Bよりも光軸上の後方で集束（結像）するが、集束レンズ３の色収差を受けると点線Ｄで示すように焦点位置Ｆ_Bに集束（結像）することもある。この結像条件は、当該光ビームの波長（周波数）と光ファイバ１側のオフセット量（ｆ_A−Ｆ_A）に依存する。

図３の原理は、実施形態の出射ユニット１４内の光学系にも同様にあてはまる。すなわち、図３において光ファイバ１、コリメートレンズ２および集束レンズ３からなる光学系は、出射ユニット１４において第１の光ファイバ４２、第１のコリメートレンズ５２、ダイクロイックミラー５０および集束レンズ５６からなる基本波用の光学系に対応するとともに、出射ユニット１４において第２の光ファイバ４６、第２のコリメートレンズ５４、ダイクロイックミラー５０および集束レンズ５６からなる第２高調波用の光学系にも対応する。

この実施形態では、基本波の光学系については第１の光ファイバ４２と第１のコリメートレンズ５２との距離間隔Ｌ₁を調節することにより上記のような３通り（図３の(a),(b),(c)）のパターンのいずれかで基本波の光ビームＬＢを集束レンズ５６の焦点位置またはその近傍の設定位置に集束（結像）させ、第２高調波の光学系については第２の光ファイバ４６と第２のコリメートレンズ５４との距離間隔Ｌ₂を調節することにより上記のような３通り（図３の(a),(b),(c)）のパターンのいずれかで第２高調波の光ビームＳＨＧを集束レンズ５６の焦点位置またはその近傍の設定位置に集束（結像）させることができる。したがって、被溶接物Ｗの溶接ポイントＰを集束レンズ５６の焦点位置またはその近傍の設定位置に合わせることで、集束レンズ５６に色収差があっても、両光ビームＬＢ，ＳＨＧを溶接ポイントＰにオンフォーカスで重畳集束させることができる。あるいは、両光ビームＬＢ，ＳＨＧの一方または双方を溶接ポイントＰに任意または可変のデフォーカスで照射することもできる。

この実施形態では、集束レンズ５６に単レンズを使用するので、第１の光ファイバ４２の出射端面および第２の光ファイバ４６の出射端面がそれぞれ第１のコリメートレンズ５２の焦点位置および第２のコリメートレンズ５４の焦点位置に配置されるときは、集束レンズ５６の色収差により、波長が著しく異なる基本波の光ビームＬＢと第２高調波の光ビームＳＨＧとは同一の位置（溶接ポイントＰ）にオンフォーカスで重畳集束することはできない。しかし、本発明にしたがい、上記のように第１の光ファイバ４２の出射端面および第２の光ファイバ４６の出射端面の少なくとも一方を第１のコリメートレンズ５２の焦点位置または第２のコリメートレンズ５４の焦点位置からオフセットした所定の位置に配置することで、結果的に集束レンズ５６の色収差を補償し、基本波の光ビームＬＢと第２高調波の光ビームＳＨＧとを同一の位置（溶接ポイントＰ）にオンフォーカスで重畳集束させることができる。

なお、図３の説明では、コリメートレンズ２に色収差がないものと仮定した。コリメートレンズ２に色収差がある場合は、光ファイバ１の出射端面を焦点位置Ｆ_Aに配置しても光ビームの波長（周波数）によっては平行光が得られないこともある。しかし、光ファイバ１の出射端面とコリメートレンズ２との距離間隔Ｌ_Aを可変調整することで、任意のビーム波長についてそのようなコリメートレンズ２の色収差を補正する所定の位置を割り出すことができる。

図４に、この実施形態におけるレーザ出射ユニット１４の具体的な構成例を示す。このレーザ出射ユニット１４は、主要な構成要素として、上記の光学部品つまりダイクロイックミラー５０、第１および第２のコリメートレンズ５２，５４および集束レンズ５６の外に、第１の光ファイバ４２の終端部を取付けするための第１のコネクタ６０と、この第１のコネクタ６０を支持する垂直支持筒６２と、第１のコリメートレンズ５２（不図示）の位置を光軸方向で調整するための第１のレンズ位置調整リング６４と、第２の光ファイバ４８の終端部を取付けするための第２のコネクタ６６と、この第２のコネクタ６６を支持する水平支持筒６８と、第２のコリメートレンズ５４の位置を光軸方向で調整するための第２のレンズ位置調整リング７０と、集束レンズ５６（不図示）を保持する円筒状のレンズ保持部７２とを有している。

第１のレンズ位置調整リング６４を回すと、その回転方向に応じて第１のコリメートレンズ５２が垂直方向で上下に移動し、第１の光ファイバ４２の出射端面と第１のコリメートレンズ５２との距離間隔Ｌ₁が調節されるようになっている。また、第２のレンズ位置調整リング７０を回すと、その回転方向に応じて第２のコリメートレンズ５４が水平方向で左右に移動し、第２の光ファイバ４６の出射端面と第２のコリメートレンズ５４との距離間隔Ｌ₂が調節されるようになっている。この実施例では、第１および第２のコリメートレンズ５２，５４の各々を変位可能としているが、片方を固定配置する構成、つまりレンズ位置調整リング６４，７０の片方を省く構成も可能である。

図５に、上記実施形態の一変形例を示す。この変形例は、基本波の光ビームＬＢと第３高調波（ＴＨＧ：Third Harmonic Generation）の光ビームＴＨＧとを重畳させて被溶接物Ｗに集光照射するものである。

レーザ発振器１０'は、支持台（不図示）上に直線配列型で、終端ミラー２０、ＳＨＧ反射ミラー７４、ＴＨＧ反射ミラー７６、ＴＨＧ分離出力ミラー７８を所定の間隔を置いて配置し、終端ミラー２０とＳＨＧ反射ミラー７４との間に活性媒質２４と偏光素子２８とを配置し、ＳＨＧ反射ミラー７４とＴＨＧ反射ミラー７６との間にＳＨＧ用の波長変換結晶２６を配置し、ＴＨＧ反射ミラー７６とＴＨＧ分離出力ミラー７８との間にＴＨＧ用の波長変換結晶８０を配置している。

ＴＨＧ分離出力ミラー７８の内側面７８ａには、基本波長および第２高調波に対して高反射性の膜がコーティングされている。ＳＨＧ反射ミラー７４の波長変換結晶２６と対向する面７４ａには、第２高調波に対して高反射性の膜がコーティングされている。ＴＨＧ反射ミラー７６の波長変換結晶８０と対向する面７６ａには、第３高調波に対して高反射性の膜がコーティングされている。

終端ミラー２０とＴＨＧ分離出力ミラー７８との間で、活性媒質２４より生成される基本波長（たとえば１０６４ｎｍ）の光ビームを閉じ込めるための第１の光共振器が形成される。また、ＳＨＧ反射ミラー７４とＴＨＧ分離出力ミラー７８との間で、波長変換結晶２６より生成される第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームを閉じ込めるための第２の光共振器が形成される。それらの第１および第２の光共振器内で、波長変換結晶８０が、基本波長および第２高調波との非線形相互作用により第３高調波（３５５ｎｍ）の光ビームＴＨＧを生成する。波長変換結晶８０よりＴＨＧ反射ミラー７６側に出た第３高調波の光ビームＴＨＧは、ＴＨＧ反射ミラー７６で反射されて、波長変換結晶８０に戻される。

波長変換結晶８０よりＴＨＧ分離出力ミラー７８側に出た第３高調波の光ビームＴＨＧは、ミラー７８７を透過して発振器の外へ出力され、入射ユニット３８で第２の光ファイバ４６に入射され、光ファイバ４６を介して出射ユニット１４へ伝送される。一方、偏光素子２８で発振器の外へ反射された基本波の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢは、入射ユニット３６で第１の光ファイバ４２に入射され、光ファイバ４２を介して出射ユニット１４へ伝送される。

出射ユニット１４は、第１のファイバ４２を介して伝送されてきた基本波長の光ビームＬＢと第２のファイバ４６を介して伝送されてきた第３高調波の光ビームＴＨＧとを共通の光軸上に重畳したうえで共通の集束レンズにより集束させて被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに照射するようになっている。上記した第２高調波ＳＨＧの場合と同様に、出射ユニット１４内の集束レンズに単レンズを用いても、両光ビームＬＢ，ＳＨＧを溶接ポイントＰ付近のほぼ同一または極近傍の位置にオンフォーカスで重畳集束させることができ、基本波長（１０６４ｎｍ）と第３高調波（３５５ｎｍ）との二波長重畳の作用効果を存分に発揮させることができる。

図６に、別の実施形態による二波長重畳型レーザ溶接装置の構成を示す。上記した実施形態におけるものと実質的に同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附している。

この実施形態では、個別の基本波レーザ８２および高調波レーザ８４によりそれぞれ基本波の光ビームＬＢおよび高調波たとえば第２高調波の光ビームＳＨＧを生成する。高調波レーザ８４は、たとえば図１（または図５）のレーザ発振器１０（１０'）と同様のレーザ発振器で構成されてよい。基本波レーザ８２は、図示省略するが、独立した周知のＹＡＧレーザ発振器で構成されてよい。制御部９０は、レーザ電源部８６，８８を通じて基本波レーザ８２および高調波レーザ８４を同期させて（あるいは独立させて）制御する。この実施形態によれば、装置コストが高くなる反面、基本波の光ビームＬＢおよび高調波の光ビームＳＨＧを個別に任意のレーザパワー、レーザエネルギー、パルス幅、パルス波形あるいはタイミングで被溶接物Ｗに照射することができる。図７に、両ビームのプロファイルを個別に設定して組み合わせる方式の一例を示す。

図７に示すように、本発明の二波長重畳型レーザ溶接装置における重要な特徴は、基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢと高調波（たとえば第２高調波：５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧとがパルス幅可変のロングパルスで生成されることである。

ここで、本発明者がロングパルス方式の高調波パルスレーザ装置を実現する至った経緯を説明する。

強度の高いレーザ光を非線形光学結晶に入力（入射）すると、光学的な非線形効果により入射光の２倍や３倍などの周波数をもつ光つまり高調波の光が発生する。このような非線形光学結晶は波長変換結晶とも称され、表１に例示するように各種の波長変換結晶が知られている。

強度の高いレーザ光をこの種の波長変換結晶に与えるために、従来はＱスイッチ方式を用いていた。Ｑスイッチ方式によれば、エネルギー準位の反転分布が極力高くなるようにレーザ活性媒質を十分に励起してから、ＱスイッチをＯＮにして共振器のＱ値を急激に高くすることにより、共振器内で瞬間的で大きな発振を起こし、パルス幅が狭くピークパワーの高いレーザ出力を得ることができる。このようなＱスイッチ型のレーザ装置で生成されるＱスイッチレーザ光はジャイアントパルスと呼ばれる。

一般に、波長変換結晶により波長変換された（たとえば入射波または基本波の２倍の周波数を持つ第２高調波の）高出力レーザ光を加工などに応用する際に、最も重要な特性値はダメージしきい値である。変換効率を左右する非線形光学定数が高くても、ダメージしきい値（損失閾値：damage threshold）が小さいと非実用的である。なぜなら、ダメージしきい値を超えるピークエネルギー密度（単位は通常、ＧＷ／ｃｍ²）をもつレーザ光が与えられると波長変換結晶にダメージ（多くは亀裂）が発生して、使用不能になるからである。

従来より、Ｑスイッチ型レーザで生成した高出力のジャイアントパルスを第２高調波（ＳＨＧ：second harmonic generation）に波長変換するために最も多く用いられている波長変換結晶はＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）結晶であり、そのダメージしきい値（１８．９ＧＷ／ｃｍ²）は十分に高い。一方、この種の波長変換結晶としてＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）結晶も知られているが、表２に示すように、ＫＴＰ結晶のダメージしきい値（４．６ＧＷ／ｃｍ²）はＬＢＯのそれと比較して約１／４であり、かなり低い。

この意味で、上記特許文献１（特開２００２−２８７９５号公報）に記載のＱスイッチＹＡＧレーザにおける波長変換器としてＬＢＯ結晶は好適な素材であった。これに対して、ＫＴＰ結晶は、基本波ジャイアントパルスのピークエネルギー（尖頭値エネルギー密度）がある程度以上小さくないと、つまりＫＴＰ結晶のダメージしきい値以下でない限り、波長変換結晶として不適当であった。換言すれば、基本波ジャイアントパルスの尖頭値エネルギー密度をＫＴＰ結晶のダメージしきい値以下に設定すれば、ＫＴＰ結晶にグレイトラッキング（ダークニングとも呼ばれる結晶が黒く変質する現象）等の損傷を与えることなく、ＫＴＰ結晶から第２高調波のレーザ光を生成することはできる。しかし、その場合の第２高調波のレーザ光は、レーザ出力が低く、加工対象によっては十分な加工能力を持ち得ないという制限があった。

以上の点に鑑み、本発明者は、高調波パルスレーザ装置を研究開発するに当たり、ダメージしきい値が比較的高い高出力用の波長変換結晶であるＬＢＯ結晶について、ＹＡＧパルスレーザより生成される基本波長１０６４ｎｍの比較的パルス幅が長いロングパルス（１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓ）のレーザ光を入射してＳＨＧ（第２高調波）生成の実験を行った。

残念なことに、ＬＢＯ結晶に亀裂（cracking）が入り、ＬＢＯ結晶は使用不能になった。理由は完全には明らかでないが、ダメージしきい値の条件は問題なくクリアされているものの、ＬＢＯ結晶がもつ熱膨張／収縮特性のために、亀裂が入ったと考えられる。すなわち、ＬＢＯ結晶の熱膨張係数は異方性が大きく、ｘ軸方向はα_X＝１０８×１０^-6／Ｋでかなりの膨張率を有し、ｙ軸方向はα_X＝−８８×１０^-6／Ｋでかなりの収縮率を有し、１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓのロングパルスレーザ光の入射または入力により、ＬＢＯ結晶内部に相当な熱ストレスが局所的に発生し、結果として亀裂が発生するものと推定される。

他の幾つかの実験とともに、ダメージしきい値が比較的低い低出力用の波長変換結晶であるＫＴＰ結晶について、ＹＡＧパルスレーザにより生成される波長１０６４ｎｍの比較的パルス幅が長いロングパルス（１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓ）のレーザ光を入射してＳＨＧ（第２高調波）発生の実験を行った。

驚くべきことに、ＫＴＰ結晶にグレイトラッキングの損傷は発生せず、また亀裂も発生せずに、第２高調波（波長５３２ｎｍ）のパルスレーザ光を生成することができた。理由は明らかではないが、次のように考えられる。すなわち、ロングパルスの基本波ＹＡＧパルスレーザ光は、パルス当たりのエネルギーは通常数ジュール程度で、決して小さくはないが、ジャイアントパルスと比較して尖頭値ないしピークエネルギーが格段に低く（通常、数ｋＷ程度）、そのエネルギー密度はＱスイッチまたはジャイアントパルスを前提にしたＫＴＰ結晶のダメージしきい値（４．６ＧＷ／ｃｍ²）を超えることはない。その一方で、基本波ＹＡＧパルスレーザは所要の非線形光学効果をＫＴＰ結晶に発生させるに十分なレーザ出力を有している。そして、ＫＴＰ結晶は、ロングパルスの基本波ＹＡＧパルスレーザ光を与えられても、その熱膨張率が低いため、問題になるような熱ストレスは発生せず、亀裂は生じなかったものと考えられる。

図８に、本発明における波長変換方法の基本原理を示す。本発明の波長変換方法は、波長変換結晶２６にタイプII位相整合角にカットされたＫＴＰ結晶を使用し、タイプIIの位相整合で基本波から第２高調波への波長変換を行う。より詳細には、固体パルスレーザたとえばＹＡＧパルスレーザ（図示せず）で生成された１００μｍ以上のパルス幅を有するパルス（以下、「ロングパルス」と称する。）の基本波パルスレーザ光（たとえば１０６４ｎｍ）を楕円偏光（好ましくは円偏光）またはランダム偏光の形態でＫＴＰ結晶２６に入射させる。そうすると、入射光のうち基本波光の垂直偏光成分と水平偏光成分のみが直線偏光としてＫＴＰ結晶２６を通過する。ＫＴＰ結晶２６は、基本波ＹＡＧパルスレーザと光学的に結合し、非線形光学効果により基本波光の垂直偏光成分と同じ方向に直線偏光したロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧ（５３２ｎｍ）を生成する。

しかしながら、上記のような波長変換方法（図８）においては、基本波パルスレーザ光の偏光分布に偏りまたは異方性があったりすると、波長変換効率が低下し、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力が下がったり変動することがある。特に、活性媒質２４に対する電気光学励起部３４のポンピング（励起光の照射）が不均一であると、基本波パルスレーザ光の偏光分布に偏りまたは異方性が生じる。

図９に、本発明の好適な一態様（本実施形態）における波長変換方法を示す。この波長変換方法は、基本波のＰ偏光を透過させると同時にＳ偏光を反射する偏光素子２８をその直線偏光化方向（Ｐ偏光の振動方向）がＫＴＰ結晶２６の光学軸に対して相対的に４５度傾くように配置する。実施形態の高調波レーザ装置（図１、図５、図６）では、図９に示すように、偏光素子２８の直線偏光化方向を鉛直方向に設定し、ＫＴＰ結晶２６の方をその光学軸が鉛直方向に対して４５゜傾くように配置している。

このように偏光素子２８の直線偏光化方向とＫＴＰ結晶２６の光学軸とを相対的に４５度傾けて配置する構成によれば、偏光素子２８からのＰ偏光がＫＴＰ結晶２６の座標系において見かけ上直交する等強度の２つの基本波光成分として非線形光学効果に作用する。仮に偏光素子２８を省くと、Ｐ偏光と直交するＳ偏光もＫＴＰ結晶２６に入射することになり、それによってＫＴＰ結晶２６の座標系において垂直偏光成分と水平偏光成分とのバランスが崩れ、タイプIIの波長変換効率は低下する。こうして、偏光素子２８の直線偏光化により、高効率のタイプII波長変換が可能であり、安定かつ高出力でロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを生成することができる。これにより、銅や金等の被溶接材Ｗに対しては、第２高調波の入熱時間をパルス幅で任意に制御し、第２高調波の作用（特にキーホール形成作用）を存分に発揮させ、良好な溶接接合を得ることができる。

しかも、図１および図５の実施形態では、偏光素子２８で反射させたロングパルスの基本波パルスレーザ光（Ｓ偏光）ＬＢを無駄に捨てるのではなく、出射ユニット１４において高調波分離出力ミラー３０（７８）からのロングパルスの高調波パルスレーザ光ＳＨＧ（ＴＨＧ）と合成してレーザパワー密度を増大させており、基本波パルスレーザ光のエネルギーをフルに有効利用している。これにより、溶接加工における入熱効率を一層向上させることができる。一例として、出射ユニット１４で得られる二波長重畳ビーム（ＳＨＧ，ＬＢ）においては、第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧのエネルギーが約２ジュールに対して、基本波パルスレーザ光ＬＢのエネルギーは２〜５ジュールである。つまり、第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧに少なくともこれと同程度のエネルギーを有する基本波パルスレーザ光ＬＢを重畳させて被溶接物Ｗに照射することになり、異波長重畳方式の作用効果を十全に発揮させることができる。本発明によれば、銅や金等の精密溶接を飛躍的に発展させることができる。

なお、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、光共振器の光路上にＱスイッチを配置してＱスイッチ方式のパルスレーザを構成し、ジャイアントパルスの形態で第２高調波の光ビームＳＨＧや基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢを生成することも可能である。活性媒体２４の材質は上記実施形態のＮd：ＹＡＧに限定されるものではなく、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ₄、Ｙb：ＹＡＧ等も可能であり、ＹＡＧ以外の結晶でもよい。また、波長変換結晶２６もＫＴＰ結晶に限定されるわけではなく、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ（β−ＢaＢ₂Ｏ₄）結晶、ＣＬＢＯ（ＣsＬiＢ₆Ｏ₁₀）結晶等も可能である。

上記実施形態の出射ユニット１４では、第１の光ファイバ４２の出射端面と第１のコリメートレンズ５２との距離間隔Ｌ₁を変えるために、第１のコリメートレンズ５２の位置を光軸方向で調節可能に構成した。しかしながら、第１のコリメートレンズ５２の位置を固定し、第１の光ファイバ４２の出射端面の位置を光軸方向で調節可能に構成することも可能である。同様に、第２の光ファイバ４６の出射端面と第２のコリメートレンズ５４との距離間隔Ｌ₂を変えるために、第２のコリメートレンズ５４の位置を固定し、第２の光ファイバ４６の出射端面の位置を光軸方向で調節可能に構成することも可能である。また、出射ユニット１４内の集束レンズに単レンズを用いる場合に本発明の大なる利点が得られるが、集束レンズに複合レンズも使用できることは無論である。また、出射ユニット１４において、高調波用の第２の光ファイバ４６をユニット上面に取り付けるとともに基本波用の第１の光ファイバ４２をユニット側面に取り付けて、ダイクロイックミラー５０が集束レンズ５６に向けて高調波の光ビームを透過させ基本波の光ビームを反射させる構成も可能である。また、高調波同士たとえば第２高調波の光ビームと第３高調波の光ビームとを重畳させて被加工物に照射することも可能である。

上記実施形態はレーザ溶接に係わるものであったが、本発明は他の用途たとえばレーザ曲げ加工やレーザ熱処理その他の物理的プロセスにも適用可能であり、加熱を必要とする多種多様なレーザ用途に適用できる。

本発明の一実施形態における二波長重畳型レーザ溶接装置の構成を示す図である。 実施形態における二波長重畳型レーザ出射ユニット内の光学系の要部の構成を示す略側面図である。 実施形態の出射ユニットにおいて集束される光ビームの焦点位置を調整するための原理を説明するための図である。 実施形態における出射ユニットの具体的な構成例を示す一部断面側面図である。 実施形態の一変形例の構成を示す図である。 別の実施形態の構成を示す図である。 実施形態において基本波の光ビームと高調波の光ビームとをロングパルスで組み合わせる例を示す図である。 本発明における波長変換方法の基本原理を示す図である。 本発明の波長変換方法を示す図である。

符号の説明

１０，１０' レーザ発振器
１４ 二波長重畳型レーザ出射ユニット
２０，２２ 終端ミラー
２４ 固体レーザ活性媒体
２６ 波長変換結晶
２８ 偏光素子
３０ 高調波分離出力ミラー
３４ 電気光学励起部
３６ 第１の入射ユニット
３８ 第２の入射ユニット
４２ 第１の光ファイバ
４６ 第２の光ファイバ
５０ ダイクロイックミラー
５２ 第１のコリメートレンズ
５４ 第２のコリメートレンズ
５６ 集束レンズ
６４ 第１のレンズ位置調整リング
７０ 第２のレンズ位置調整リング
８２ 基本波レーザ
８４ 高調波レーザ
９０ 制御部

Claims (19)

1. 第１および第２の光ファイバよりそれぞれ伝送されてくる波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射する二波長重畳型レーザ出射ユニットであって、
   前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、
   前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、
   前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、
   前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズと
   を有し、前記集束レンズを通った前記第１および第２の光ビームがほぼ同一の位置に集束するように、前記第１の光ファイバの出射端面および前記第２の光ファイバの出射端面の少なくとも一方が前記第１のコリメートレンズの焦点位置または前記第２のコリメートレンズの焦点位置からオフセットした所定位置に配置される二波長重畳型レーザ出射ユニット。
2. 第１および第２の光ファイバよりそれぞれ伝送されてくる波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射する二波長重畳型レーザ出射ユニットであって、
   前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、
   前記第１の光ファイバの出射端面と前記第１のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための調整部と、
   前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、
   前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、
   前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズと
   を有する二波長重畳型レーザ出射ユニット。
3. 第１および第２の光ファイバよりそれぞれ伝送されてくる波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射する二波長重畳型レーザ出射ユニットであって、
   前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、
   前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、
   前記第２の光ファイバの出射端面と前記第２のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための調整部と、
   前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、
   前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズと
   を有する二波長重畳型レーザ出射ユニット。
4. 第１および第２の光ファイバよりそれぞれ伝送されてくる波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射する二波長重畳型レーザ出射ユニットであって、
   前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、
   前記第１の光ファイバの出射端面と前記第１のコリメートレンズとの間の距離間隔を可変調整するための第１の調整部と、
   前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、
   前記第２の光ファイバの出射端面と前記第２のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための第２の調整部と、
   前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、
   前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズと
   を有する二波長重畳型レーザ出射ユニット。
5. 前記集束レンズが単レンズからなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の二波長重畳型レーザ出射ユニット。
6. 前記第１および第２の光ビームのうち一方が所定の基本波長を有する基本波であり、他方が前記基本波長の１／２の波長を有する第２高調波である請求項１〜５のいずれか一項に記載の二波長重畳型レーザ出射ユニット。
7. 前記基本波長が１０６４ｎｍであり、前記第２高調波の波長が５３２ｎｍである請求項６に記載の二波長重畳型レーザ出射ユニット。
8. 波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射し、前記被加工物に熱加工を施す二波長重畳型レーザ加工装置であって、
   前記第１の光ビームを生成する第１のレーザと、
   前記第１のレーザで生成された前記第１の光ビームを伝送する第１の光ファイバと、
   前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、
   前記第２の光ビームを生成する第２のレーザ生成部と、
   前記第２のレーザで生成された前記第２の光ビームを伝送する第２の光ファイバと、
   前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、
   前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記光軸上に反射するダイクロイックミラーと、
   前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズと
   を有し、前記集束レンズを通った前記第１および第２の光ビームがほぼ同一の位置に集束するように、前記第１の光ファイバの出射端面および前記第２の光ファイバの出射端面の少なくとも一方が前記第１のコリメートレンズの焦点位置または前記第２のコリメートレンズの焦点位置からオフセットした所定位置に配置される二波長重畳型レーザ加工装置。
9. 波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射し、前記被加工物に熱加工を施す二波長重畳型レーザ加工装置であって、
   前記第１の光ビームを生成する第１のレーザと、
   前記第１のレーザで生成された前記第１の光ビームを伝送する第１の光ファイバと、
   前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、
   前記第１の光ファイバの出射端面と前記第１のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための調整部と、
   前記第２の光ビームを生成する第２のレーザ生成部と、
   前記第２のレーザで生成された前記第２の光ビームを伝送する第２の光ファイバと、
   前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、
   前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、
   前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズと
   を有する二波長重畳型レーザ加工装置。
10. 波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射し、前記被加工物に熱加工を施す二波長重畳型レーザ加工装置であって、
    前記第１の光ビームを生成する第１のレーザと、
    前記第１のレーザで生成された前記第１の光ビームを伝送する第１の光ファイバと、
    前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、
    前記第２の光ビームを生成する第２のレーザ生成部と、
    前記第２のレーザで生成された前記第２の光ビームを伝送する第２の光ファイバと、
    前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、
    前記第２の光ファイバの出射端面と前記第２のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための調整部と、
    前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、
    前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズと
    を有する二波長重畳型レーザ加工装置。
11. 波長の異なる第１および第２の光ビームを重畳して被加工物に照射し、前記被加工物に熱加工を施す二波長重畳型レーザ加工装置であって、
    前記第１の光ビームを生成する第１のレーザと、
    前記第１のレーザで生成された前記第１の光ビームを伝送する第１の光ファイバと、
    前記第１の光ファイバの出射端面より出射された前記第１の光ビームを実質的にコリメートする第１のコリメートレンズと、
    前記第１の光ファイバの出射端面と前記第１のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための第１の調整部と、
    前記第２の光ビームを生成する第２のレーザと、
    前記第２のレーザで生成された前記第２の光ビームを伝送する第２の光ファイバと、
    前記第２の光ファイバの出射端面より出射された前記第２の光ビームを実質的にコリメートする第２のコリメートレンズと、
    前記第２の光ファイバの出射端面と前記第２のコリメートレンズとの間の距離間隔を調整するための第２の調整部と、
    前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを共通の光軸上で重畳させるために、前記第１のコリメートレンズからの前記第１の光ビームを前記共通の光軸上に透過させると同時に前記第２のコリメートレンズからの前記第２の光ビームを前記共通の光軸上に反射するダイクロイックミラーと、
    前記共通の光軸上で重畳した前記第１および第２の光ビームを前記被加工物に向けて集束させる集束レンズと
    を有する二波長重畳型レーザ加工装置。
12. 前記集束レンズが単レンズからなる請求項８〜１１のいずれか一項に記載の二波長重畳型レーザ加工装置。
13. 前記第１および第２の光ビームのうち一方が所定の基本波長を有する基本波であり、他方が前記基本波長の１／２の波長を有する第２高調波である請求項８〜１２のいずれか一項に記載の二波長重畳型レーザ加工装置。
14. 前記基本波長が１０６４ｎｍであり、前記第２高調波の波長が５３２ｎｍである請求項１３に記載の二波長重畳型レーザ加工装置。
15. 前記第２のレーザが、
    基本波長を有する基本波の光ビームを生成するレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器内に配置され、前記基本波の光ビームとの非線型相互作用により高調波の前記第２の光ビームを生成する波長変換結晶と、
    前記レーザ発振器内に配置され、前記第２の光ビームを前記基本波の光ビームから分離して前記レーザ発振器の外へ出力する高調波分離出力ミラーと
    を有する請求項８〜１３のいずれか一項に記載の二波長重畳型レーザ加工装置。
16. 前記レーザ発振器が、
    光学的に対向して配置された第１および第２の終端ミラーを有する光共振器と、
    前記光共振器の光路上に配置された活性媒体と、
    前記基本波の光ビームを生成するために前記活性媒体をポンピングする励起部と
    を有する請求項１５に記載の二波長重畳型レーザ加工装置。
17. 前記励起部が、可変のパルス幅を有する前記基本波の光ビームを生成するために前記活性媒体を前記パルス幅の持続時間だけポンピングする請求項１６に記載の二波長重畳型レーザ加工装置。
18. 前記活性媒質が、Ｎd：ＹＡＧ、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ₄およびＹb：ＹＡＧからなる群より選ばれた固体活性媒質である請求項１６または請求項１７に記載の二波長重畳型レーザ加工装置。
19. 前記波長変換結晶がＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）結晶である請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の二波長重畳型レーザ加工装置。

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