JP2009248136A - レーザ光分岐装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光が変動するレーザを分岐する場合であってもレーザ出力の変動を防止することができるレーザ光分岐装置およびレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】本発明のレーザ加工装置１のレーザ光分岐装置２は、レーザ光ＦＢの光路上に配設される複数の分岐ミラー９、１０と、レーザ光ＦＢの光路上であって複数の分岐ミラー９、１０よりもレーザ光ＦＢの入射側に配設されるλ／２波長板８と、レーザ光ＦＢの光路上であってλ／２波長板８よりもレーザ光ＦＢの入射側に配設される光アイソレータ４とを備える。λ／２波長板８の偏光面回転角θは４５度に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光分岐装置およびレーザ加工装置に係り、特に、レーザ加工箇所が複数存在する際に好適に利用できるレーザ光分岐装置およびレーザ加工装置に関する。

従来のレーザ加工装置１０１は、その一例として、図６に示すように、１個のレーザ発振器１０３を用いて複数の加工点に対してレーザ照射を行なうことがある。この場合、レーザ発振器１０３および光アイソレータ１０４と被加工物５０との間にレーザ光分岐装置１０２を配設し、そのレーザ光分岐装置１０２によってレーザ光を分岐して各加工点にレーザ光を照射する。

従来のレーザ光分岐装置１０２は、複数の分岐ミラー１０９、１１０を備えている。複数の分岐ミラー１０９、１１０は、部分反射ミラーまたは全反射ミラーであり、レーザ光ＦＢの光路上に配設されている。複数の分岐ミラー１０９、１１０の透過率はそれぞれ異なっており、一般的には、レーザ光ＦＢの入射側から順に分岐ミラー１０９、１１０の透過率が小さくなるように設定されている（特許文献１を参照）。

特開平８−５７６７７号公報

しかしながら、分岐ミラー１０９、１１０においては、ｐ偏光成分の透過率およびｓ偏光成分の透過率がそれぞれ異なる。そのため、レーザ光分岐装置１０２によって無偏光（ランダム偏光）のレーザ光ＦＢを分岐する場合においては問題はないが、光アイソレータ４によってｐ偏光成分またはｓ偏光成分のいずれかに片寄るような、偏光が変動する（例えば、楕円偏光）レーザ光ＦＢを分岐する場合、レーザ光ＦＢの偏光変動に依存して分岐ミラー１０９、１１０の透過率が異なってしまう。そのため、レーザ光分岐装置１０２を経由して得たレーザ光ＦＢの出力はレーザ光ＦＢの偏光変動によって変動してしまうという問題があった。

上記問題を解決する従来の手段として、偏光解消板の使用、または、分岐ミラー１０９、１１０の傾斜角の狭小化の２つが考えられる。しかし、偏光解消板を使用すると、レーザ光ＦＢのビーム品質の低下が生じてしまう欠点があった。また、分岐ミラー１０９、１１０の傾斜角を小さくすると、分岐ミラー１０９、１１０の配設スペースを増大させるわりには偏光無依存性を完全に作り出せないという欠点があった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、偏光が変動するレーザを分岐する場合であってもレーザ出力の変動を防止することができるレーザ光分岐装置およびレーザ加工装置を提供することを本発明の目的としている。

前述した目的を達成するため、本発明のレーザ光分岐装置は、その第１の態様として、レーザ光の光路上に配設されており、ランダム偏光のレーザ光を偏光面が互いに直交し、かつ、互いに平行に伝播する第１および第２の直線偏光成分に分離または合成する分離合成手段と、レーザ光の光路上であって分離合成手段の光出射側に設けられたλ／２波長板と、レーザ光の光路上であってλ／２波長板の光出射側に設けられた複数の分岐ミラーとを備えており、 λ／２波長板を透過した後のレーザ光の第１および第２直線偏光成分の偏光面を、λ／２波長板に入射するレーザ光の第１および第２直線偏光成分の偏光面に対して４５°回転させることを特徴としている。

本発明の第１の態様のレーザ光分岐装置によれば、λ／２波長板の透過後において、λ／２波長板の偏光面回転角（旋光する角度）に基づいて、偏光が変動するレーザ光からｐ偏光成分の出力とｓ偏光成分の出力比を１対１に設定することができる。

本発明の第２の態様のレーザ光分岐装置は、第１の態様のレーザ光分岐装置において、複数の分岐ミラーは、光路に対して複数の分岐ミラーの反射方向に４５度傾いていることを特徴としている。

本発明の第２の態様のレーザ光分岐装置によれば、レーザ光分岐装置における分岐ミラーの光学配置および角度調整を容易にすることができる。

また、前述した目的を達成するため、本発明のレーザ加工装置は、その第１の態様として、第１の態様または第２の態様のレーザ光分岐装置と、レーザ光分岐装置に対してレーザ光を照射するレーザ発振器とを備えていることを特徴としている。

本発明の第１の態様のレーザ加工装置によれば、λ／２波長板の透過後において、λ／２波長板の偏光面回転角に基づいて、偏光が変動するレーザ光からｐ偏光成分の出力とｓ偏光成分の出力を一定の割合で得ることができる。

本発明のレーザ光分岐装置は、λ／２波長板の透過後において、λ／２波長板の偏光面回転角に基づいて、偏光が変動するレーザ光からｐ偏光成分の出力とｓ偏光成分の出力比を１対１に設定することができるので、レーザ光の偏光変動にかかわらずレーザ出力を一定に維持することができる。したがって、本発明のレーザ光分岐装置を有するレーザ加工装置においても、レーザ光の偏光変動にかかわらずレーザ出力を一定に維持することができるという効果を奏する。

以下、本発明のレーザ光分岐装置およびレーザ加工装置をその一実施形態により説明する。

図１は、本実施形態のレーザ加工装置１およびレーザ光分岐装置２を示している。本実施形態のレーザ加工装置１は、図１に示すように、１個のレーザ発振器３を用いて２箇所のレーザ加工を同時に行なうための装置である。レーザ加工装置１は、図１に示すように、レーザ発振器３、レーザ光分岐装置２、入射ユニット５、伝送用光ファイバ６、出射ユニット７を備えている。

レーザ発振器３としては、種々の発振器、例えば、レーザ光ＦＢとしてファイバレーザ光を出力するファイバレーザ発振器や、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などといった励起媒質をランプによって励起してレーザ光を発振する固体レーザ発振器を用いることができる。

レーザ光分岐装置２は、分離合成手段としての光アイソレータ４、２個の分岐ミラー９、１０、およびλ／２波長板８を備えている。

光アイソレータ４は、レーザ発振器３側から順方向に進行するレーザ光ＦＢを通過させるとともに、被加工物５０側から反射した戻り光ＲＢを除去する光アイソレータである。また、この光アイソレータ４は、レーザ光を、偏光面が互いに直交し、かつ、互いに平行に伝播するｐ偏光成分（第１の直線偏光成分）Ｐおよびｓ偏光成分（第２の直線偏光成分）Ｓに分離または合成する偏光ビームスプリッタとしての機能も有する。

光アイソレータ４の具体的な構成を図５に示す。この光アイソレータ４は、図５の左側から順に示すように、レーザ光ＦＢの光路上に、第１の偏光子４２、ファラデー回転子４３、λ／２波長板４４、第２の偏光子４５を備えている。

第１の偏光子４２は、レーザ光ＦＢをｐ偏光成分Ｐおよびｓ偏光成分Ｓに分離する光学素子である。第１の偏光子４２としては、偏光ビームスプリッタ４２ａおよび全反射ミラー４２ｂが用いられている。

ファラデー回転子４３は、ｐ偏光成分Ｐおよびｓ偏光成分Ｓをそれぞれ４５°回転させる。λ／２波長板４４は、ファラデー回転子４３から出射する偏光回転したｐ偏光成分Ｐ’およびｓ偏光成分Ｓ’の光路上に配設されている。λ／２波長板４４は、入射した偏光成分を偏光軸を挟んで反転させることにより、ｐ偏光成分Ｐとｓ偏光成分Ｓに戻す。

第２の偏光子４５は、λ／２波長板４４を通過して得たｐ偏光成分Ｐおよびｓ偏光成分Ｓを合成する光学素子である。第２の偏光子４５としては、第１の偏光子４２と同様、偏光ビームスプリッタ４５ａおよび全反射ミラー４５ｂが用いられている。

２個の分岐ミラー９、１０は、図２または図３に示すように、レーザ光ＦＢの光路上に配設されている。これらの分岐ミラー９、１０は部分反射ミラーまたは全反射ミラーであり、それぞれの透過率が異なる。２個の分岐ミラー９、１０は、レーザ光ＦＢの光路に対して２個の分岐ミラー９、１０の反射方向（本実施形態であれば被加工物５０の載置方向）に４５度傾いていることが好ましい。

λ／２波長板８は、図１から図３に示すように、レーザ光ＦＢの光路上であって２個の分岐ミラー９、１０よりもレーザ光ＦＢの入射側、すなわち光アイソレータ４側に配設されている。本実施形態のλ／２波長板８としては、水晶波長板が用いられている。このλ／２波長板８は、直線偏光成分をそれと直交する直線偏光成分に変換する光学素子である。本実施形態においては、例えばλ／２波長板８の偏光面回転角が４５°に設定されていることにより、変換後の偏光面が変換前の偏光面に対して４５°の角度となるように配設されている。そのため、レーザ光ＦＢのｐ偏光成分Ｐおよびｓ偏光成分Ｓは、図２および図３に示すように、λ／２波長板８を透過することにより、λ／２波長板８の偏光面Ｎを挟んで反転する。

入射ユニット５は、図示はしないが、集光レンズを用いて形成されている。伝送用光ファイバ６としては、図示はしないが、ＳＩ（ステップ・インデックス）形ファイバが選択されている。出射ユニット７は、図示はしないが、コリメートレンズおよび集光レンズを用いて形成されている。

次に、本実施形態のレーザ光分岐装置２およびレーザ加工装置１の作用を説明する。

本実施形態のレーザ加工装置１においては、図１に示すように、レーザ発振器３から出力されたレーザ光ＦＢが、レーザ光分岐装置２の分離合成手段となる光アイソレータ４を通過して、レーザ光分岐装置２の２個の分岐ミラー９、１０側に照射される。ここで、レーザ光分岐装置２において、光アイソレータ４は、図５に示すように、第１の偏光子４２によってレーザ光ＦＢをｐ偏光成分Ｐ（入射面に対して偏光方向が垂直になる偏光成分）およびｓ偏光成分Ｓ（入射面に対して偏光方向が水平になる偏光成分）に分離し、ファラデー回転子４３およびλ／２波長板４４の透過によりｐ偏光成分Ｐおよびｓ偏光成分Ｓの偏光面を回転させた後、第２の偏光子４５によって偏光面が回転したｐ偏光成分Ｐおよびｓ偏光成分Ｓを再合成することにより、レーザ光ＦＢを図２または図３に示すレーザ光分岐装置２の２個の分岐ミラー９、１０側に供給する。したがって、無偏光のレーザ光ＦＢでなく、偏光が変動しやすいレーザ光ＦＢがレーザ光分岐装置２のλ／２波長板８に供給される可能性が高くなる。

そのため、レーザ光分岐装置２においては、図２または図３に示すように、２個の分岐ミラー９、１０よりもレーザ光ＦＢの入射側にλ／２波長板８が配設されている。偏光が変動しやすいレーザ光ＦＢをλ／２波長板８に透過させると、λ／２波長板８における所定の偏光面回転角θに基づいて、偏光が変動するレーザ光ＦＢからｐ偏光成分Ｐの出力とｓ偏光成分Ｓの出力との出力割合を一定の割合で得ることができる。これにより、２個の分岐ミラー９、１０から得られる各偏光成分の出力比も一定の割合で得られるため、ｐ偏光成分Ｐの出力とｓ偏光成分Ｓの出力とを合算して得たレーザ出力は従来よりもある一定の値に近づく。

ここで、図４に示すように、λ／２波長板８の偏光面回転角θが４５度傾いている場合、λ／２波長板８の透過後のレーザ出力におけるｐ偏光成分Ｐの出力とｓ偏光成分Ｓの出力との出力比率は１：１となる。この比率を具体的に示したのが表１である。また、比較対称として、従来例を表２に示す。

表１に示すように、本実施形態については、「波長板の透過後（分岐前のレーザ出力）」におけるｐ偏光成分Ｐの出力およびｓ偏光成分Ｓの出力は、いずれもλ／２波長板８の透過前におけるレーザ光ＦＢの出力１００Ｗの半分の値（５０Ｗ）になっている。つまり、ｐ偏光成分Ｐの出力およびｓ偏光成分Ｓの出力は、レーザ光ＦＢの偏光変動の有無やレーザ光ＦＢの偏光変動がｐ偏光成分Ｐ側またはｓ偏光成分Ｓ側のどちらに生じたかに依存しない。そのため、「分岐ミラー反射率」が異なるために「分岐後のレーザ出力」におけるｐ偏光成分Ｐの出力およびｓ偏光成分Ｓの出力がそれぞれ異なってしまっても、ｐ偏光成分Ｐの出力およびｓ偏光成分Ｓの出力を合算して得られる「レーザ出力」は、いずれも５０Ｗとなる。

一方、表２に示すように、従来例については、「分岐前のレーザ出力」の合計出力はいずれも１００Ｗになるが、ｐ偏光成分Ｐの出力およびｓ偏光成分Ｓの出力はそれぞれ一定になっていない。つまり、ｐ偏光成分Ｐの出力およびｓ偏光成分Ｓの出力は、レーザ光ＦＢの偏光変動の有無やレーザ光ＦＢの偏光変動がｐ偏光成分Ｐ側またはｓ偏光成分Ｓ側のどちらに生じたかに大きく依存することになる。そのため、「分岐ミラー反射率」が異なることにより「分岐後のレーザ出力」におけるｐ偏光成分Ｐの出力およびｓ偏光成分Ｓの出力がそれぞれ大きく異なってしまうので、ｐ偏光成分Ｐの出力およびｓ偏光成分Ｓの出力を合算して得られる「レーザ出力」は４０Ｗ〜６０Ｗの間を行き来する不安定な状態となる。

つまり、λ／２波長板８が配設され、その偏光面回転角θが４５度に設定されている場合、λ／２波長板８の透過後のｐ偏光成分Ｐの出力とｓ偏光成分Ｓの出力との出力比率は１：１になるので、ｐ偏光成分Ｐの出力とｓ偏光成分Ｓの出力とを合算して得た被加工物５０へのレーザ出力は、レーザ光ＦＢの偏光変動に依存すくことなく、常に一定になる。

さらに、これら２個の分岐ミラー９、１０は、光路に対して複数の分岐ミラー９、１０の反射方向（本実施形態であれば被加工物５０の載置方向）に４５度傾いている。そのため、レーザ光分岐装置２における分岐ミラー９、１０の光学配置および角度調整を容易に設定することができる。

すなわち、本実施形態のレーザ光分岐装置２およびレーザ加工装置１によれば、λ／２波長板８の透過後において、λ／２波長板８の偏光面回転角に基づいて、偏光が変動するレーザ光ＦＢからｐ偏光成分Ｐの出力とｓ偏光成分Ｓの出力比を１：１に設定することができるので、レーザ光ＦＢの偏光変動にかかわらずレーザ出力を一定に維持することができるという作用効果を奏する。

なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。例えば、光アイソレータ４においては、ファラデー回転子４３以外の回転子を用いてもよい。また、分離合成手段としては、本実施形態のような光アイソレータ４に限ることなく、レーザ光の光路上に配設されており、ランダム偏光のレーザ光を偏光面が互いに直交し、かつ、互いに平行に伝播する第１および第２の直線偏光成分に分離または合成する手段であればよく、偏光ビームスプリッタのみであってもよい。さらに、本実施形態の分岐ミラー９、１０は２個に設定されているが、分岐ミラーの個数は従来のように２個以外の複数個に設定されていてもよい。

本発明のレーザ加工装置における一実施形態を示す概略図 本実施形態のレーザ光分岐装置にｐ偏光成分のみに偏光変動したレーザ光が入射した状態を示す概略図 本実施形態のレーザ光分岐装置にｓ偏光成分のみに偏光変動したレーザ光が入射した状態を示す概略図 λ／２波長板の偏光面回転角を示す斜視図 本実施形態のレーザ光分岐装置において分離合成手段となる光アイソレータを示す概念図 従来のレーザ加工装置における一例を示す概略図

符号の説明

１ レーザ加工装置
２ レーザ光分岐装置
３ レーザ発振器
４ 光アイソレータ
８ λ／２波長板
９、１０ 分岐ミラー
ＦＢ （順方向の）レーザ光
Ｎ 光軸
ＲＢ （レーザ光の）戻り光

Claims (3)

1. レーザ光の光路上に配設されており、ランダム偏光のレーザ光を偏光面が互いに直交し、かつ、互いに平行に伝播する第１および第２の直線偏光成分に分離または合成する分離合成手段と、
   前記レーザ光の光路上であって前記分離合成手段の光出射側に設けられたλ／２波長板と、
   前記レーザ光の光路上であって前記λ／２波長板の光出射側に設けられた複数の分岐ミラーと
   を備えており、
   前記λ／２波長板を透過した後のレーザ光の第１および第２直線偏光成分の偏光面を、前記λ／２波長板に入射するレーザ光の第１および第２直線偏光成分の偏光面に対して４５°回転させる
   ことを特徴とするレーザ光分岐装置。
2. 前記複数の分岐ミラーは、前記光路に対して前記複数の分岐ミラーの反射方向に４５度傾いている
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光分岐装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザ光分岐装置と、
   前記レーザ光分岐装置に対してレーザ光を照射するレーザ発振器と
   を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。

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