JP2006525659A - 材料加工用のレーザ装置 - Google Patents
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Abstract
希土類添加ファイバ(1)、レーザダイオードソース(2)、ショートパルスレーザ(18)、及びコントローラ(9)を有し、希土類添加ファイバ(1)が、レーザダイオードソース(2)によって励起されて光放射(10)を供給し、この希土類添加ファイバ(1)によって放出された光放射(10)とショートパルスレーザ(18)によって放出された光放射(11)を合成する材料加工用の装置であって、この装置は、コントローラ(9)が、希土類添加ファイバ(1)から放出された光放射(10)をショートパルスレーザ(18)によって放出された光放射(11)と同期化させてプリパルス(21)とメインパルス(22)を有する複数のパルス(5)を供給し、プリパルス(21)の平均ピークパワー(23)がメインパルス(22)のピークパワー(24)を上回っていることを特徴としている。
Description
本発明は、材料加工用の装置に関するものである。この装置は、例えば、自動車、飛行機、ヘリコプター、又は宇宙船などの金属板部品を溶接するレーザ溶接装置、及び切削及び機械加工用のレーザ装置などの様々な形態をとることができる。
レーザは、溶接、切削、及びマーキングなどの材料加工アプリケーションにおいて広範に使用されている。従来のレーザには、炭酸ガスレーザ及びYAG(Yttrium Aluminium Garnet)レーザが含まれる。炭酸ガス及びランプ励起YAGレーザは、通常、大量の電力を消費し、通常、別個の高価な冷却チラー又は水冷ユニットと、冷却を維持するための対応する冷却器コントローラ及び電源を必要としている。これの装置は、いずれも、稼働に費用を所要し、大きなフロア面積を占有する。
このため、過去十年にわたり、電力消費及び信頼性の観点で大きな利点を有しているレーザダイオード励起レーザを導入する傾向にあった。これらのレーザダイオード励起レーザの例には、レーザダイオード励起YAGレーザ及びレーザダイオード励起バナデートレーザが含まれる。これらのダイオード励起半導体レーザは、そのランプ励起の同等品と比べて、格段に消費電力が少なく、外部のチラーなしに稼働可能であり、且つ、信頼性が大幅に改善されている。
ダイオード励起半導体レーザの弱点は、金属薄板の溶接などのアプリケーションにおいて必要とされる長パルス動作を実現することが困難であるという点にある。このようなアプリケーションにおいては、定期的なランプの交換を要することに起因する高保守、電力と外部チラーユニットに起因する高インフラストラクチャーコスト、及び大きなフロア面積占有要件という欠点にも拘らず、依然として、ランプ励起レーザが、レーザの最良の選択肢である。
廉価で、消費電力が少なく、保守コストが低廉であり、それでいて、溶接、切削、及び機械加工などのアプリケーションに必要とされる相対的に長いパルスを供給可能な、例えば、レーザ溶接、切削、及び微細機械加工などの材料加工用の装置に対するニーズが存在している。
このような問題点を軽減する材料加工用の装置を提供することが本発明の目的である。
本発明の非制限的な実施例によれば、希土類添加ファイバ、レーザダイオードソース、ショートパルスレーザ、及びコントローラを有し、希土類添加ファイバがレーザダイオードソースによって励起されることによって光放射を供給し、この希土類添加ファイバによって放出された光放射をショートパルスレーザによって放出された光放射と合成する材料加工用の装置が提供され、この装置は、コントローラが、希土類添加ファイバから放出された光放射をショートパルスレーザによって放出された光放射と同期化させてプリパルスとメインパルスを有する複数のパルスを供給し、プリパルスの平均ピークパワーがメインパルスのピークパワーを上回っていることを特徴としている。
本発明の装置によれば、ショートパルスレーザを使用可能であり、このショートパルスレーザは、保存されているエネルギーを利用し、レーザダイオードソースが供給するパワーと比べて格段に大きなピークパワーを具備するパルスを出力する。従って、この装置は、装置コスト(これは、レーザダイオードの価格によって決定される)を節約すると共に、インフラストラクチャの費用と光熱費を低減する。
ショートパルスレーザは、Qスイッチレーザであってよい。Qスイッチレーザは、光ファイバQスイッチレーザであってよい。ショートパルスレーザは、主発振器電力増幅器(master oscillator power amplifier:MOPA)であってよい。
希土類添加ファイバとレーザダイオードソースは、クラッド励起ファイバレーザの形態であってよい。
希土類添加ファイバからの光放射とショートパルスレーザからの光放射は、並列に合成可能である。或いは、この代わりに、希土類添加ファイバからの光放射とショートパルスレーザからの光放射を直列に合成することも可能である。
本装置は、0.01mJ〜10Jのパルスエネルギーを放出するべく構成可能である。パルスは、1μs〜10,000μsの長さを具備可能である。パルス反復周波数は、1Hz〜10kHzであってよい。
希土類添加ファイバ及びレーザダイオードソースは、ショートパルスレーザの出力を増幅するべく構成された電力増幅器の形態であってよい。ショートパルスレーザは、半導体レーザダイオードであってよい。本装置は、0.01mJ〜1mJのパルスエネルギーを具備するパルスを放出するべく構成可能である。パルスは、10ns〜10μsの長さを具備可能である。パルス反復周波数は、10kHz〜500kHzであってよい。
メインパルスは、実質的に均一なピークパワーを具備可能である。メインパルスの立ち下がりエッジの形状は、プリパルスの立ち上がりエッジの形状と異なったものであってよい。
本装置は、レーザダイオードソースを変調する変調器を含むことができる。変調器は、スイッチを有することができる。スイッチは、少なくとも10Aの電流をレーザダイオードソースに流すことができる。電流は、500ns未満の期間においてスイッチング可能である。電流は、250ns未満の期間においてスイッチング可能である。電流は、100ns未満の期間においてスイッチング可能である。
レーザダイオードソースは、希土類添加ファイバから離れて配置可能である。
レーザダイオードソースは、単一エミッタのアレイ、半導体レーザバー、半導体レーザスタック、又は垂直共振器面発光レーザのアレイを有することができる。
本装置は、金属板を溶接するレーザ装置の形態であってよい。或いは、この代わりに、本装置は、自動車、飛行機、ヘリコプター、又は宇宙船の金属板部品を溶接するレーザ溶接装置の形態であってもよい。或いは、この代わりに、本装置は、切削及び機械加工用のレーザ装置の形態であってもよい。
以下、純粋に一例として、添付の図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
図1を参照すれば、希土類添加ファイバ1、レーザダイオードソース2、ショートパルスレーザ18、及びコントローラ9を有し、希土類添加ファイバ1がレーザダイオードソース2によって励起されて光放射10を供給し、この希土類添加ファイバ1によって放出された光放射10をショートパルスレーザ18によって放出された光放射11と合成する材料加工用の装置が示されており、この装置は、コントローラ9が、希土類添加ファイバ1から放出された光放射10をショートパルスレーザ18から放出された光放射11と同期させてプリパルス21及びメインパルス22を有する複数のパルス5を供給し、プリパルス21の平均ピークパワー23がメインパルス22のピークパワーを上回っていることを特徴としている。
光放射10と光放射11は、カプラ19によって合成されるものとして示されている。カプラ19は、ダイクロイックミラー、ミラー、半銀被覆ミラー(half−silvered mirror)、ビームコンバイナ、偏光ビームコンバイナ、又は光導波カプラであってよい。
又、図1には、希土類添加ファイバ1によって放出された光放射10を変調する変調器3も示されている。変調器3は、レーザダイオードソース2の出力を変調する変調器であってよい。この変調は、レーザダイオードソースの直流変調によるか、又は、レーザダイオードソース2と希土類添加ファイバ1間に光学変調器を配置することによって実現可能である。コントローラ9が、変調器3及びショートパルスレーザ18に対して制御入力を供給するものとして示されている。コントローラ9によって提供される制御機能は、外部から提供される信号から、或いは、例えば、カメラ、熱検出器、化学センサ、又は光学検出器などのプロセス監視装置から導出されるフィードバックを提供することによって導出可能である。コントローラ9は、1つ又は複数のコンピュータ又はマイクロプロセッサを包含可能な電子コントローラであってよい。
パルス5は、0.01mJ〜10Jのパルスエネルギー6、1ns〜10,000μsのパルス長7、及び1Hz〜500kHzのパルス反復周波数8を具備可能である。
図2は、プリパルス21とメインパルス22を有するパルス5を示しており、プリパルス21の平均ピークパワー23は、メインパルス22のピークパワー24を上回っている。プリパルス21は、エネルギー29を具備している。メインパルス22は、好ましくは、実質的に均一なピークパワー24を具備している。メインパルス22の立ち下がりエッジ25の形状は、プリパルス21の立ち上がりエッジ26の形状と同一であってもよく、或いは、異なっていてもよい。金属薄板の溶接などの多くの材料加工アプリケーションにおいては、立ち下がりエッジ25の形状を、意図的に立ち上がりエッジ26の形状と異なったものにしている。多くの材料加工アプリケーションにおいては、プリパルス21は、プロセスを開始するべく(例えば、溶接アプリケーションにおいて、溶接を開始するべく)、十分なエネルギー29を有する相対的に大きな平均ピークパワー23を具備することが必要である。次いで、プロセスは、メインパルス22によって継続され、メインパルス22の立ち下がりエッジ25と共に休止することになる。プリパルス21は、長さが20ns〜1μsであってよい。プリパルス21の平均ピークパワー23は、100W〜100,000Wであってよい。メインパルス22のピークパワーは、50W〜10,000Wであってよい。
図3は、スイッチ31を有する変調器3を示している。材料加工アプリケーションの場合には、しばしば、50ns〜500nsなどの相対的に短い時間尺度で1A〜100Aの電流をレーザダイオードソースに流す必要があるため、スイッチ31の選択は、重要である。好適なスイッチ31は、Directed Energy Incorporated社が販売している50ns未満から40μs超まで調節可能な立ち上がり時間(l0%から90%まで)を有する60Aを供給可能なPCO−6140パルス/CWレーザダイオードドライバモジュールである。
図4は、Qスイッチレーザ41とクラッド励起ファイバレーザ42を有するファイバレーザシステム40を示している。Qスイッチレーザ41は、半導体Qスイッチレーザ又はQスイッチファイバレーザであってよい。クラッド励起ファイバレーザ42は、希土類添加ファイバ1とレーザダイオードソース2を有している。Qスイッチレーザ41とクラッド励起ファイバレーザ42の出力は、材料46の表面などの場所45において、これらのレーザ出力44が1つに合成されるように、レンズ43を使用して並列に組み合わされた状態で示されている。或いは、この代わりに、Qスイッチレーザ41とクラッド励起ファイバレーザ42を、ダイクロイックファイタを介して組み合わせることも可能である。Qスイッチレーザ41が、プリパルス21内のエネルギーの大部分を提供しており、クラッド励起ファイバレーザ42が、メインパルス22内のエネルギーを提供している。クラッド励起ファイバレーザ42は、レーザダイオードソース2をスイッチオンするべく、スイッチ31を有利に利用可能である。
図5は、直列に組み合わせられたQスイッチレーザ41とクラッド励起ファイバレーザ42の出力を示している。Qスイッチレーザ41とクラッド励起ファイバレーザ42の出力を直列に組み合わせる際には、異なるレーザ発振波長を具備することが有利であり、このような波長は、例えば、ダイクロイックミラー又は回折格子によって決定される。又、図5には、自動車、飛行機、ヘリコプター、又は宇宙船の製造などにおいて見られる金属板51も示されている。
図4及び図5を参照すれば、Qスイッチレーザ41及びクラッド励起レーザ42の組み合わせは、Qスイッチレーザ41のエネルギー保存という利点と、クラッド励起ファイバレーザ42のハイパワーという利点を組み合わせている。クラッド励起ファイバレーザ42にのみ基づいた代替構成は、大きなピークパワーのプリパルス21を実現するために、多くのポンプダイオードを利用しなければならないという欠点を有している。Qスイッチレーザ41は、ポンプによって供給されたエネルギーを保存すると共に、このポンプによって供給されたパワーを上回るピークパワーを具備するパルス内に保存されたエネルギーと、このパルス内において十分なエネルギーを放出して材料プロセスを開始する能力を有する主発振器電力増幅器やその他の光学ソースによって置換可能である。
図4及び図5に示されている構成の利点は、保存されているエネルギーソースとクラッド励起ファイバレーザを組み合わせて図2のパルス形状を提供する方法が、相対的に経済的であるという点にある。これは、プリパルス21の大きなピークパワーと大きなエネルギーコンテンツを、クラッド励起レーザのみからプリパルス21を得る場合に必要とされるものよりも低パワーのポンプを有するソースによって取得可能であるためである。例えば、平均ピークパワー23が10kWであり、メインパルスのピークパワー24が1kWであった場合に、単一のクラッド励起ファイバレーザによる解決策では、約20kWのポンプパワーを必要とすることになろう(50%の光/光効率を仮定した場合)。図4及び図5に示されている実施例は、(0.1Hz〜1000Hzなどの相対的に低い反復レートを仮定した場合に)1W〜200Wのポンプパワーを有する(10kWの平均ピークパワー23を供給する)保存エネルギーソースと、(50%の光効率を仮定した場合に)2kWのポンプパワーを有するクラッド励起ファイバレーザと、によって実現可能であろう。この利点は、高エネルギー、高パワーのプリパルス21を必要とする溶接などのプロセスに使用される5kW又は10kWのファイバレーザの場合に更に顕著なものとなる。様々な出力パワーを具備するファイバレーザ42は、JDS Uniphase社やSouthampton Photonics, Inc.社などの企業から市販されている。
図4及び図5に示されている構成の更なる利点は、メインパルス22とは独立してプリパルス21を制御可能であるという点である。この結果、プロセスパラメータの最適化と製造へのプロセスの導入が円滑に行われる。そして、クラッド励起ファイバレーザ42とは独立してQスイッチレーザ41を最適化することにより、異なる材料のプロセスの開始について、プリパルス21の平均ピークパワー23及びエネルギー29を適合させることができる。Qスイッチレーザ41は、ポンプパワー、共振器内損失、及び波長を変化させることによって最適化可能である。又、異なる共振器長を具備するQスイッチレーザ41を使用することも可能である。特に、電気的に変調された半導体ダイオードレーザによって主発振器電力増幅器がシーディングされている場合には、主発振器電力増幅器によってQスイッチレーザ41を置換することにより、更に大きな柔軟性を実現可能である。従って、これらの実施例は、ポンプ変調されたファイバレーザにおける弛張発振を使用して実現可能なものを大幅に上回る柔軟性を提供する。
図6は、主発振器電力増幅器60の形態のファイバレーザを有する装置を示している。主発振器電力増幅器60は、発振器61と電力増幅器62を具備している。電力増幅器62は、希土類添加ファイバ1とレーザダイオードソース2を具備している。発振器61は、Qスイッチレーザであってよく、電力増幅器62は、少なくとも1つのファイバ増幅器を有することが可能であり、これには、前置増幅器、コア励起ファイバ増幅器、及びクラッド励起ファイバ増幅器の中の少なくとも1つが含まれ、これは、シングルモード又はマルチモードであってよい。発振器61は、半導体レーザダイオード(例えば、分布帰還型半導体レーザ)又はファイバレーザであってよい。使用可能なファイバ増幅器の例が米国特許第6,288,835号に開示されており、この内容は、本引用によって本明細書に包含される。主発振器電力増幅器60を使用して図4及び図5のQスイッチレーザを置換可能である。或いは、この代わりに、狭いパルス(1ns〜1μs)で動作する高反復レートのシステム(10kHz〜250kHz)、又はクラッド励起ファイバレーザ42を有するQスイッチレーザ41の使用が経済的に許容されない低い平均パワー23のシステムにとって有利な、図2に示されているパルス5の全体を主発振器電力増幅器60を使用して生成可能である。
好都合なことに、コントローラ9は、プリパルス21の平均ピークパワー23、エネルギー29、及び形状、メインパルス22のパワー24、及び立ち下がりエッジ25の形状を制御するべく構成されている。この結果、主発振器電力増幅器60によって放出されるレーザパルス5を相対的に正確なプロファイルで成形可能である。
図4、図5、及び図6に示されている実施例は、自動車、飛行機、ヘリコプター、又は宇宙船の金属板部品を溶接するレーザ溶接装置と、切削及び機械加工用のレーザ装置に特に有用である。尚、「切削(cutting)」は、パルス切除と、(短パルス切除切削とは対照的な)溶融を通じて実現される精密切削の両方を意味している。本発明の装置は、0.75mm〜1.5mmの厚さを具備する金属板の溶接と、金属の厚さが0.3mm未満(しばしば、0.1mm未満)の場合もある時計、宝石、電子装置、及び医療用コンポーネント(例えば、埋植物、ペースメーカー、及びステント)などの精密な機械部品の溶接、切削、及び機械加工に特に適している。
図1を再度参照すれば、レーザダイオードソース2は、ファイバレーザシステム1から離れたところに配置可能である。ファイバレーザシステム1を溶接ツールの近傍に配置すると共にポンプダイオードを整備エリアの近傍に配置することによって保守を円滑に実行可能であるため、これは、産業的な溶接設備において利点を具備している。
レーザダイオードソース2は、単一エミッタのアレイ、半導体レーザバー、半導体レーザスタック、又は垂直共振器面発光レーザのアレイを有することができる。本装置は、クラッド励起ファイバレーザ42からのハイパワーを実現するべく、複数のレーザダイオードソース2と変調器3を有することができる。
以上、添付の図面を参照して説明した本発明の実施例は、一例として提供したものに過ぎず、変更並びに追加コンポーネントを提供することによって性能を向上させることが可能であることを理解されたい。従って、例えば、本発明の装置は、自動車、飛行機、ヘリコプター、又は宇宙船の金属板部品を溶接するレーザ溶接装置、又は切削及び機械加工用のレーザ装置であってよい。
前述の特徴の中の1つ又はそれらの組み合わせも本発明の範囲に属している。
Claims (28)
- 希土類添加ファイバ、レーザダイオードソース、ショートパルスレーザ、及びコントローラを有し、前記希土類添加ファイバは、前記レーザダイオードソースによって励起されて光放射を供給し、前記希土類添加ファイバによって放出された前記光放射を前記ショートパルスレーザによって放出された光放射と合成する、材料加工用の装置であって、
前記コントローラが、前記希土類添加ファイバから放出された前記光放射を前記ショートパルスレーザによって放出された前記光放射と同期化させて、プリパルスとメインパルスを有する複数のパルスを供給し、前記プリパルスの平均ピークパワーが前記メインパルスのピークパワーを上回っていることを特徴とする、材料加工用の装置。 - 請求項1に記載の装置において、前記ショートパルスレーザは、Qスイッチレーザである、材料加工用の装置。
- 請求項2に記載の装置において、前記Qスイッチレーザは、光ファイバQスイッチレーザである、材料加工用の装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記ショートパルスレーザは、主発振器電力増幅器である、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至4の何れか1項に記載の装置において、前記希土類添加ファイバと前記レーザダイオードソースは、クラッド励起ファイバレーザの形態である、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至5の何れか1項に記載の装置において、前記希土類添加ファイバからの前記光放射と前記ショートパルスレーザからの前記光放射は、並列に合成される、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至5の何れか1項に記載の装置において、前記希土類添加ファイバからの前記光放射と前記ショートパルスレーザからの前記光放射は、直列に合成される、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至7の何れか1項に記載の装置において、前記装置は、0.01mJ〜10Jのパルスエネルギーを放出するべく構成されている、材料加工用の装置。
- 請求項8に記載の装置において、前記パルスは、1μs〜10,000μsの長さを具備している、材料加工用の装置。
- 請求項9に記載の装置において、前記パルス反復周波数は、1Hz〜10kHzである、材料加工用の装置。
- 請求項1に記載の装置において、前記希土類添加ファイバと前記レーザダイオードソースは、前記ショートパルスレーザの出力を増幅するべく構成された電力増幅器の形態である、材料加工用の装置。
- 請求項11に記載の装置において、前記ショートパルスレーザは、半導体レーザダイオードである、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至12の何れか1項に記載の装置において、前記装置は、0.01mJ〜1mJのパルスエネルギーを放出するべく構成されている、材料加工用の装置。
- 請求項13に記載の装置において、前記パルスは、10ns〜10μsの長さを具備している、材料加工用の装置。
- 請求項13記載の装置において、前記パルス反復周波数は、10kHz〜500kHzである、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至15の何れか1項に記載の装置において、前記メインパルスは、実質的に均一なピークパワーを具備している、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至16の何れか1項に記載の装置において、前記メインパルスの立ち下がりエッジの形状は、前記プリパルスの立ち上がりエッジの形状と異なっている、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至17の何れか1項に記載の装置において、前記装置は、前記レーザダイオードソースを変調する変調器を含んでいる、材料加工用の装置。
- 請求項18に記載の装置において、前記変調器は、スイッチを有している、材料加工用の装置。
- 請求項19に記載の装置において、前記スイッチは、少なくとも10Aの電流を前記レーザダイオードソースに流す、材料加工用の装置。
- 請求項20に記載の装置において、前記電流は、500ns未満の期間においてスイッチングされる、材料加工用の装置。
- 請求項21に記載の装置において、前記電流は、250ns未満の期間においてスイッチングされる、材料加工用の装置。
- 請求項22に記載の装置において、前記電流は、100ns未満の期間においてスイッチングされる、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至23の何れか1項に記載の装置において、前記レーザダイオードソースは、前記希土類添加ファイバから離れたところに配置されている、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至24の何れか1項に記載の装置において、前記レーザダイオードソースは、単一エミッタのアレイ、半導体レーザバー、半導体レーザスタック、又は垂直共振器面発光レーザのアレイを有している、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至25の何れか1項に記載の装置において、前記装置は金属板を溶接するレーザ装置の形態である、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至25の何れか1項に記載の装置において、前記装置は自動車、飛行機、ヘリコプター、又は宇宙船の金属板部品を溶接するレーザ溶接装置の形態である、材料加工用の装置。
- 請求項1乃至25の何れか1項に記載の装置において、前記装置は切削及び機械加工用のレーザ装置の形態である、材料加工用の装置。
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