JP2010051999A

JP2010051999A - レーザ照射装置

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Publication number: JP2010051999A
Application number: JP2008218556A
Authority: JP
Inventors: Takuya Uehara; 拓也上原; Shigehiko Mukai; 成彦向井; Keiichi Hirota; 圭一廣田; Itaru Senda; 格千田; Masaki Yoda; 正樹依田; Ayaichi Saeki; 綾一佐伯
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: JP5159516B2

Abstract

【課題】ブレークダンウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光の光軸上の処理可能範囲を拡大する。
【解決手段】レーザ光源１と、このレーザ光源から出射されるレーザ光を伝送するレーザ光伝送手段１９と、固体材料に対するレーザ光の照射位置を任意に移動させる照射位置移動手段５と、照射されるレーザ光を集光する集光手段１２と、レーザ光を固体材料の表面に投影した際のレーザ投影面積を任意に調整する投影面積調整手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザピーニング用のレーザ照射装置に係り、特に複雑形状の処理対象に対してもレーザピーニング処理を可能とすることができるレーザ照射装置に関する。

構造物の損傷は、腐食や亀裂の発生など、表面を起点とする場合が殆どであり、構造物の寿命は表面の特性に左右される傾向が高い。このため、従来から、各種の表面処理技術を適用して材料表面の機械的あるいは化学的な性質を改善し、疲労強度、耐腐食性、耐摩耗性などを向上させることにより、構造物の寿命延長を図る試みが行われている。

ショットピーニングは代表的な表面処理技術であり、部材表面層の硬さの上昇と、表面層への圧縮残留応力の導入が可能である。このため、自動車、航空機などの産業分野ではショットピーニングが多く利用されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、レーザはエネルギ密度や、照射位置の精密かつ高速な制御が容易であり、他の方法では困難な高速処理、超急熱急冷処理などを行うことができるため、種々の技術が開発され、材料の加工処理への応用が拡大している。

その一つとして、液体を介して材料の表面にパルス状のレーザビームを照射するレーザ衝撃硬化処理が知られており、ショットピーニングと同様に部材表面層の硬さの上昇と、表面層への圧縮残留応力の導入を行うことが可能である。

レーザ衝撃硬化処理はショットピーニングと比較して処理効果が高く、非接触作業が可能であり、反力がなく、レーザ照射の条件や部位を精密に制御できる等、ショットピーニングでは実現できない優れた利点があり、開発および実用化が進められている（例えば、特許文献２〜特許文献４および非特許文献１参照）。
特開平０７−２４６４８３号公報特開平０８−１１２６８１号公報特開平０８−３２６５０２号公報特開２００３−５０４２１２号公報ショットピーニング技術協会編「金属疲労とショットピーニング」現代工学社

時間的エネルギ密度の高いパルスレーザを用い、材料表面に照射した際に発生するプラズマの圧力により材料の機械的強度を改善させるレーザピーニング技術において、レーザの空間的エネルギ密度も改善効果に影響を及ぼす処理条件の一つである。

このため、照射されるレーザパルスのエネルギ（Ｊ／パルス）を一定としたとき、材料表面に照射されるレーザ光の像の面積によって定まる空間的エネルギ密度（Ｊ／ｍｍ^２）が条件を満たすべく集光レンズの位置を調整する必要がある。

波長λ、ビーム径Ｄのレーザを焦点距離ｆのレンズで集光する場合、理想的なレーザ光の焦点径ｄは以下の回折限界の式によって定義される。
［数１］
ｄ＝２．４４×λ×ｆ／Ｄ

実際のレーザ発振器を用いたときのレーザ光のビーム品質や使用するレンズの持つ球面収差などのさまざまな収差により、実際の焦点径は回折限界よりも大きくなる。これらを考慮すれば、レンズなどの光学素子とその配置、伝送空間の屈折率、およびレンズと照射する材料表面との相対距離から材料表面に投影される像の面積を求めることができる。レーザ光は最小径まで集光された後は集光角度と同じ角度で拡大されるので、ある投影面積の像は最小径となる位置の前後に存在することになる。

一方、集光されてエネルギ密度が高くなると、それにつれて非線形なエネルギロス（ブレークダウン）が発生する確率が高くなる。照射するレーザのパルスエネルギが大きく、水中でレーザを照射するレーザピーニングでは、光路を清浄に保っても水分子の存在により大気中よりもブレークダウンは発生し易い。

このためレーザピーニングでは像面積の制限として、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度以上となる上限面積と、ブレークダウンが生じるエネルギ密度以上となる下限の面積が処理条件として設定され、照射対象材料の表面での像面積がこの条件を満たすように焦点位置を調整してレーザピーにグ装置を配置しなければならない。レーザの像が上限面積となる焦点位置と下限面積となる焦点位置の幅は、処理の際に要求される装置設置精度に関わるため、照射装置の設計や装置動作制御方法を複雑化させる要因となり、処理対象の形状に対しても制限を与えていた。

本発明は、従来技術に伴うこれらの課題を解決することを目的としてなされたものであり、被処理材料表面の機械的強度の改善が可能な像面積をなす、レーザ光軸方向の範囲の広いレーザ照射装置を提供することを目的とする。

本発明では、パルス発振のレーザ光を集光して空間的エネルギ密度が高い状態とし、このレーザ光を表面が液体に接している固体材料に照射することにより発生するプラズマの圧力で当該固体材料の機械的強度を向上させるレーザ照射装置であって、レーザ光源と、このレーザ光源から出射されるレーザ光を伝送するレーザ光伝送手段と、前記固体材料に対するレーザ光の照射位置を任意に移動させる照射位置移動手段と、照射される前記レーザ光を集光する集光手段と、前記レーザ光を前記固体材料の表面に投影した際のレーザ投影面積を任意に調整する投影面積調整手段とを備えたことを特徴とするレーザ照射装置を提供する。

本発明によれば、ブレークダンウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光の光軸上の処理可能範囲を拡大したレーザピーニング用のレーザ照射装置を供給することができる。これにより焦点調整のための制御が単純化できるとともに、複雑形状の処理対象にもレーザピーニング処理が可能となる。

以下、本発明に係るレーザ照射装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］（図１〜図６）
図１は、本実施形態によるレーザ照射装置Ａの一部を断面として示す全体構成図である。図１に示すように、レーザ照射装置Ａは大別して、レーザビームＬを下向きに発振するレーザ光源としてのレーザ発振器１と、このレーザ発振器１の下端部に設けられレーザビームＬを制御するためのビーム制御ユニット２と、このビーム制御ユニット２から下方に伸び、その下端が略水平な方向に折曲したレーザ光伝送手段としてのレーザビーム導光用の導光管３と、この導光管３の下端部を被覆してその内部に液体、例えば水ｗを収容する水槽４と、導光管３の側方に略平行な配置で設けられた照射位置決め装置５とを備えている。

ビーム制御ユニット２は、レーザ発振器１から発振されたレーザビームＬの出力を調整する出力調整装置６を備えている。この出力調整装置６は、レーザビームＬの一部をサンプリングビームＳＢとして抽出する部分反射ミラー７と、抽出されるサンプリングビームＳＢの出力を検出するパワーメータ８と、レーザビームＬが出射される下方を開閉するシャッタ９とを備えた構成とされている。

導光管３の下部には鉛直線に対して４５°傾斜した反射ミラー１０が設けてあり、この反射ミラー１０により下向きに発振されたレーザビームＬを水平方向に反射して水平ビームとした後、導光管３の先端に設けた照射ヘッド１１内の多面体集光素子１２により収束して収束レーザ光Ｌ１とし、この収束レーザ光Ｌ１を固体材料である被処理部材１３に照射するようになっている。

また、照射位置決め装置５は、図１の紙面厚さ方向に沿って水平方向（矢印ａ方向）にレーザビームＬを走査するための駆動を行う水平駆動機構１５と、垂直に立上る支柱１４に沿って上下方向（矢印ｂ方向）に昇降駆動を行う垂直駆動機構１６と、水平駆動機構１５により水平方向（矢印ｃ方向）に移動してレーザビームＬの焦点を調整する焦点調整機構１７とを備えている。

このように、照射位置決め装置５は水槽４内に水ｗに浸されて設置されている被処理部材１３の任意の領域にレーザ照射をするために、水平方向（紙面に対して垂直）にレーザビームＬを走査するための水平駆動機構１５と、垂直方向（紙面上方向）に走査するための垂直駆動機構１６とを搭載している。

そして、焦点調整機構１７は集光されたレーザ光Ｌ_１が被処理部材１３の表面で所望の投影面積を持つべく、レーザ光を被処理部材１３の表面に投影した際のレーザ投影面積を調整する投影面積調整手段として用いる。

すなわち、本実施形態では、レーザ光源としてのレーザ発振器１と、このレーザ光源から出射されるレーザ光を伝送するレーザ光伝送手段としての導光管３および水槽４と、固体材料である被処理部材１３に対するレーザ光の照射位置を任意に移動させる照射位置移動手段としての照射位置決め装置５と、照射されるレーザ光を集光する集光手段としての多面体集光素子１２と、レーザ光Ｌを固体材料の表面に投影した際のレーザ投影面積を任意に調整する投影面積調整手段として光学素子駆動機構２６とを備えている。

以上の構成により、レーザ発振器１から照射されたレーザビームＬはビーム制御ユニット２内の出力調整装置６によって出力調整される。また、出力調整のためのレーザ出力計測には、部分反射ミラー７でレーザビームＬの一部（全出力の１％以下）をサンプリングして、サンプリングビームＳＢをパワーメータ８に入射することによって行う。

また、ビーム制御ユニット２内のシャッタ９を「開」とすることによってレーザビームＬは導光管３を伝送し、導光管３内の反射ミラー１０で光軸方向を変え、照射ヘッド１１から被処理部材１３に照射される。

図２は、図１に示した照射ヘッド１１を詳細に示す拡大断面図である。この図２に示すように、照射ヘッド１１と導光管３の一部は水中に設置されるため、これらの照射ヘッド１１および導光管３には内部への浸水を防止するため、Ｏリングやガスケット、接着剤、溶接その他の手段により、防水構造が形成されている。導光管３と照射ヘッド１１は防水ウインドウ１８で仕切られ、導光管３または照射ヘッド１１のいずれかが浸水した際に、光路を経由して相互に浸水の影響を及ぼさないようにしてある。

照射ヘッド１１に入射したレーザビームＬは、拡大鏡１９によってビーム径を拡大した後に、多面体集光素子１２によって集光される。拡大鏡１９は、レーザビームＬの光軸方向に沿って配置された凹面鏡２０および凸面鏡２１を備えた構成としてある。

また、多面体集光素子１２は光学素子マウント２２に固定保持されて、光学素子駆動機構２６により光軸方向ｄに移動可能となっている。すなわち、光学素子駆動機構２６は、照射ヘッド１１内に設けたモータ２３と、このモータ２３に連結されたボールねじ２４と、これらを支持するリニアガイド２５とを備えている。そして、光学素子駆動機構２６によって光学素子マウント２２をレーザビームＬの光軸方向（矢印ｄ方向）に移動させることにより、照射ヘッド１１から見た焦点位置を直線的に移動させることができる。

このように、多面体集光素子１２を介してレーザビームＬは集光され、出口側防水ウインドウ２７を通過して水ｗの環境に放出され、図１に示した被処理部材１３に照射される。出口側ウインドウ２７の周囲部には噴射ノズル２８が突設してあり、この噴射ノズル２８の基端側の周壁には浄化水供給チューブ２９が連結されている。そして、図示省略のフィルタでろ過された水ｅが、浄化水供給チューブ２９から噴射ノズル２８に供給され、この噴射ノズル２８から出た後の噴流３０の効果により、光路中の微粒子や気泡などによる散乱、吸収が抑制されるようになっている。

次に、図３〜図６を参照して、多面体集光素子１２の構成および作用について説明する。

図３（ａ）は、多面体集光素子１２の形状を光軸と直交する方向から示す正面図であり、図３（ｂ）は縦断面図である。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、多面体集光素子１２は六角形をした複数の小集光領域３１が集合した多面体となっており、それぞれの小集光領域３１がプリズムの役割を果たす。

なお、図３に示した小集光領域３１の平面の法線は、全て１点で交わるように面が形成されている。このため、小集光領域３１の面積を極限まで小さくすると、多面体集光素子１２は球面レンズとなる。この法線が交わる点が複数、または交わらない場合には、小集光領域３１の面積を極限まで小さくしたときの多面体集光素子１２が非球面レンズとなり、このような形状の光学素子を用いてもよい。

図４および図５は、ビーム軌跡を示す説明図である。図４に示すように、本実施形態においては、レーザビームＬが小集光領域３１によって切り取られるため、集光後のレーザ光Ｌ_１は図５に示すように、分割ビームＬ２の集合となり、その断面積が最小となるビームウエストＬ３でのレーザ光の断面積は小集光領域３１の形状によって設定することができる。

図６は、レーザ光のプロファイルを示す説明図である。図６に示すように、プロファイル３２および３３は位置ａに多面体集光素子１２を配置した場合と、同じ位置ａに球面レンズを配置した場合のレーザ光の断面積を示している。

多面体集光素子１２からビームウエストＬ３の位置までの見かけの焦点距離とすると、球面レンズの焦点距離はこれに等しいものとする。ブレークダウンが生じるエネルギ密度となる断面積をｓ１、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度となる断面積をｓ２としたとき、ｓ１からｓ２の範囲となるレーザ光Ｌの光軸方向の処理可能範囲は、球面レンズではＬ´１、多面体集光素子１２ではＬ´２となる。多面体集光素子１２では上記ビームウエストＬ３の断面積がｓ１に達しないため、ビームウエストＬ３以降でもレーザピーニング処理が可能となり、Ｌ´２はＬ´１よりも長い。

被処理部材１３の表面での投影面積は、焦点調整機構１７または光学素子駆動機構２６によって制御することができる。被処理部材１３の表面の処理位置や、処理面積は照射位置決め装置５のもつ駆動機構によって制御することができ、被処理部材１３の表面形状がレーザビームＬの光軸に対して垂直な平面でない場合、または平面でない場合にも、その形状に合わせて照射ヘッド１１を動作させることによって所望のレーザ投影面積を保ちつつレーザピーニング処理を行うことができる。

図１に示された照射位置決め装置５が持つ駆動機構は、焦点調整機構１７を含めて直動３軸であるが、これに加えて１つないし複数の回転機構を搭載することによって、より多彩な処理動作を実現することができる。これにより、装置と処理対象との干渉が懸念される狭隘部位でのレーザピーニング処理も可能となる。

水槽４が本実施形態のレーザ照射装置に比べて大きい場合には、レーザ発振器１および照射位置決め装置５は導光管３や照射ヘッド１１とともに水中に設置してもよい。その際にはレーザ発振器１、ビーム制御ユニット２、照射位置決め装置５についても水密構造とし、レーザ発振器１、ビーム制御ユニット２および導光管３の接続部についても、それぞれ水密構造とする。この場合、レーザ発振器１とビーム制御ユニット２および導光管３の接続部に、照射ヘッド１１における防水ウインドウ１８と同様のウインドウを配置することにより、隣接する機器からの浸水を相互に防ぐこともできる。

なお、図３に示した小集光領域３１は全て平面であるが、それぞれ球面の集合体としてもよい。

また、本実施形態において被処理材料が浸漬されている液体は水ｗであるが、この液体は水に限らず、水溶液やシリコンオイル、有機系液体、無機系液体、液体金属などを適用してもよい。この場合には噴射ノズル２８に供給される液体は水ではなく、浸漬環境と同じ組成のものとなる。水槽４からポンプで汲み上げた液体をフィルタでろ過して清浄化し、噴射ノズル２８に供給することにより、環境の液体の組成に関わらず処理を行うことができる。

また、拡大鏡１９のビーム径を拡大し、多面体集光素子１２や出口側防水ウインドウ２７の表面におけるエネルギ密度を下げることにより、これらの損傷を抑える効果がある。さらに、拡大鏡１９に代えて拡散板、レンズアレイ、回折光学素子（ＤＯＥ：ＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔｓ）、カレイドスコープなどを用いてもよい。

また、図２に示した屈折系の拡大鏡ではなく、折り返しミラーを用いた光路を形成して、その内部に凹面鏡を配置してレーザビームＬを拡大してもよい。

このように、本実施形態のレーザ照射装置においては、レーザ光を集光する集光手段は、光学素子のうち少なくとも１つの光学素子がレーザ光を空間的に分割するための不連続な複数の面の組合せによって構成される領域を持ち、それぞれの面は分割したレーザ光が屈折、回折または反射によって集光する構成とされている。

以上の実施形態によれば、ブレークダンウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光の光軸上の処理可能範囲を拡大したレーザピーニング用のレーザ照射装置を供給することができる。これにより焦点調整のための制御が単純化できるとともに、複雑形状の処理対象にもレーザピーニング処理が可能となる。

［第２実施形態］（図７〜図９）
本実施形態では、光学素子中の不連続な面を周方向に連続させ、半径方向には不連続な同心円状面の集合としたレーザ照射装置について説明する。

図７は本発明の第２実施形態による同心円プリズム形状を示す説明図であり、図８は図７に示した実施形態のビーム軌跡を示す説明図である。図９は図７に示した実施形態のビームウエストを示す説明図である。

なお、以下の説明において、第１実施形態と同一の構成部分には図１〜図６と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図７（ａ），（ｂ）に示した同心円形状光学素子３６は、図１の多面体集光素子１２の代わりに用い、半径方向に不連続で、周方向に連続な複数の同心円集光領域３７で構成される。この同心円集光領域３７は三角錐の２箇所をその底面と平行な面で切り取ったときの傾斜面の形状であり、それぞれがプリズムの役割を果たす。二つの平面で切断する幅を極限まで小さくすると同心円形状光学素子３６は球面収差のないレンズとなる。

このように構成された本実施形態においては、図７に示すように、同心円集光領域３７で屈折したレーザビームが光軸上で円形に結像する。

また、本実施形態では図８に示すように、異なる同心円集光領域３７が同じ位置で結像するように、それぞれの傾斜が調整されている。

このため、図８および図９に示すように、全ての同心円集光領域３７の像を合成するビームウエスト３８を持つ。ビームウエスト３８の位置でのレーザ光の断面積は同心円集光領域３７の幅によって設定することができる。レーザ光の断面積は第１実施形態と同様に図６で表すことができる。

なお、同心円集光領域３７は三角錐ではなく、球の２箇所をそれぞれ平行な２つの面で切り取ったときの部分球面形状としてもよい。

本実施形態によれば、ブレークダンウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光の光軸上の処理可能範囲を拡大したレーザピーニング用のレーザ照射装置を供給することができる。これにより焦点調整のための制御が単純化できるとともに、複雑形状の処理対象にもレーザピーニング処理が可能となる。

［第３実施形態］（図１０〜図１５）
次に、本発明に係るレーザ照射装置の第３実施形態について図１０〜図１５を参照して説明する。以下の実施形態では、レーザ光の光軸とこの光軸に垂直な第１の軸とを含む面に対して対称にレーザ光を屈折または回折または反射させる第一の光学素子と、第１の軸に垂直な第２の軸とを含む面に対して対称にレーザ光を屈折、回折または反射させる第二の光学素子とを備え、これらの光学素子によりレーザ光を集光する構成としたレーザ照射装置について説明する。また、第一の光学素子と前記第二の光学素子のうち、少なくとも１つがシリンドリカルレンズであり、第一の光学素子と前記第二の光学素子とが平行光を集光する距離をそれぞれ異ならせたレーザ照射装置について説明する。また、第一の光学素子と第二の光学素子の間隔を変えるための水平駆動機構を備えたレーザ照射装置について説明する。また、第一の光学素子と前記第二の光学素子のうち、少なくとも１つの素子を光軸を中心に回転させるための回転機構を備えたレーザ照射装置について説明する。

図１０は、照射ヘッド１１を詳細に示す拡大断面図であり、図１１はレンズ構成を示す説明図である。図１０に示すように、本実施形態では、第１実施形態で示した図２の照射ヘッド１１内の多面体集光素子１２に代えて、垂直円筒レンズ４１および水平円筒レンズ４２の組合せ光学素子を用いる。垂直円筒レンズ４１および水平円筒レンズ４２はともにシリンドリカルレンズであるが、図１１に示すように、円筒面の元となる円筒の中心軸が、互いに垂直となるように構成されている。

また、垂直円筒レンズ４１によってレーザビームＬが集光された楕円が最も小さくなる位置と、水平円筒レンズ４２によってレーザビームＬが集光された楕円が最も小さくなる位置とが一致しないように、シリンドリカルレンズの焦点距離およびレンズ間距離が設定されている。他の構成は第１実施形態と略同様であるから、説明を省略する。

図１２および図１３は、垂直円筒レンズ４１および水平円筒レンズ４２の曲率が等しい場合のレーザビームＬの軌跡と断面積を示している。

このように構成された本実施形態においては、図１２に示すように、位置ａ１に配意された垂直円筒レンズ４２はレーザビームＬをビーム軸直交方向（ｘ方向）に集光し、ｘ方向焦点位置ｃで垂直な楕円に像を結ぶ。

同様に、図１２における位置ａ２に配意された水平円筒レンズ４２はレーザビームＬをビーム軸直交方向（ｙ方向）に集光し、ｙ方向焦点位置ｄで水平な楕円に像を結ぶ。この２種類の円筒レンズの組合せにより、図１３にレーザビームの断面積１０１を示すように、垂直円筒レンズ４１と同じ曲率の球面レンズをａ１の位置に配置した場合の球面レンズビーム断面積１０２よりも常に大きくなる。

断面積１０２がブレークダウンを生じるエネルギ密度となる断面積１０１以下になっても、断面積１０１はこれに達しないためブレークダウンを生じることがないため、垂直円筒レンズ４１および水平円筒レンズ４２の焦点位置ｃおよびｄ以降でもレーザピーニング処理が可能となり、Ｌ´２はＬ´１よりも長い。

図１４は、本実施形態におけるビーム断面積を示している。この図１４に示すように、垂直円筒レンズ４１と水平円筒レンズ４２との間隔を広げると、それぞれの焦点位置ｃおよびｄの間隔が広がる。ａ１、ａ２の間隔はｃとｄの間で断面積１０１がレーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度となる断面積をｓ２よりも大きくならない範囲まで広げることが可能である。

図１５は水平円筒レンズ４２の焦点距離を垂直円筒レンズ４１よりも長くした例を示している。ここで、水平円筒レンズ４２の焦点距離はｃとｄの間で断面積１０１がレーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度となる断面積をｓ２よりも大きくならない範囲で長くすることができる。

水平円筒レンズ４２の焦点距離を垂直円筒レンズ４１の焦点距離より短くすることも可能である。これらはピーニング処理可能な範囲の中心位置を変える効果があり、球面レンズにおいて焦点距離を変えることと同等の効果が得られる。

なお、垂直円筒レンズ４１と水平円筒レンズ４２はその円筒面を多角錐の外面と置き換えた多面体プリズムに置き換えてもよい。

本実施形態によれば、ブレークダンウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光Ｌの光軸上の処理可能範囲を拡大したレーザピーニング用のレーザ照射装置を供給することができる。これにより焦点調整のための制御が単純化できるとともに、複雑形状の処理対象にもレーザピーニング処理が可能となる。また、被処理部材表面でのレーザ光の像として縦楕円と横楕円の条件を焦点調整機構によって選択できることにより、被処理部材表面形状に応じたレーザピーニング処理が可能となる。

［第４実施形態］（図１６および図１７）
次に、本発明に係るレーザ照射装置の第４実施形態について図１６および図１７を参照して説明する。図１６は照射ヘッド詳細図であり、図１７は非直交配置シリンドリカル構成図である。なお第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１６に示すように、照射ヘッド１１に搭載された垂直円筒レンズ４１と水平円筒レンズ４２はそれぞれ円筒中心軸をレーザビームＬの光軸中心に回転させる中空超音波モータ４５に組み込まれ、更に光学素子駆動機構２６によってレーザビームＬの光軸方向に直線移動する。

このように構成された本実施形態において、二つの中空超音波モータ４５は互いに独立に動作することができるため、図１７に示すように垂直円筒レンズ４１と水平円筒レンズ４２の円筒中心軸がなす角θは任意の角度に設定することができる。レーザビームＬは紙面に対して表から裏に向かって進むものとする。また、二つの光学素子駆動機構２６も同様に互いに独立に動作することができるため、２枚のシリンドリカルレンズの間隔を任意に変えることができる。なす角θが０でない限り、レーザ光Ｌ_１は水平楕円焦点、垂直楕円焦点の二つの焦点位置をもつ。

これらの間隔はなす角θによって決定されるため、中空超音波モータ４５の回転角制御によってピーニング処理可能な範囲の中心位置を変える効果があり、球面レンズにおいて焦点距離を変えることと同等の効果が得られる。また、なす角θが０となるように制御することにより、レーザ光Ｌ_１は光軸上の１箇所で一方向のみが集光され、その垂直方向には集光されない長楕円（ライン状）の像を得る。

光学素子駆動機構２６によってレンズ間隔を変えることにより２枚組み合わせた組合せシリンドリカルレンズの焦点距離を可変にすることができ、ライン角度も中空超音波モータ４５の回転角制御によって制御することができる。

本実施形態によれば、ブレークダンウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光の光軸上の処理可能範囲を拡大したレーザピーニング用のレーザ照射装置を供給することができる。

また、レンズを交換することなく処理可能範囲を変えることができる。

さらに、被処理部材１３の表面でのレーザ光の像を楕円状とライン状の像を遠隔で切り替えることが可能となり、処理条件に応じたレーザピーニング処理を遠隔で選択することが可能となる。

本発明の第１実施形態によるレーザ照射装置の全体構成図。図１に示したレーザ照射装置の照射ヘッドを拡大して示す詳細図。（ａ）は図２の多面体集光素子を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図。図３に示した多面体集光素子のビーム軌跡を示す説明図。図３に示した多面体集光素子のビームウエストを示す説明図。図３に示した多面体集光素子のビーム断面積を示す説明図。（ａ），（ｂ）は本発明の第２実施形態によるプリズム形状を示す説明図。図７に示した実施形態のビーム軌跡を示す説明図。図７に示した実施形態のビームウエストを示す説明図。本発明の第３実施形態による照射ヘッドを示す詳細図。第３実施形態におけるレンズ構成を示す説明図。上記第３実施形態におけるビーム形状を示す説明図。上記第３実施形態におけるビーム断面積１を示す説明図。上記第３実施形態におけるビーム断面積２を示す説明図。上記第３実施形態におけるビーム断面積３を示す説明図。本発明の第４実施形態における照射ヘッド詳細図。上記第４実施形態における非直交配置シリンドリカル構成図。

符号の説明

１‥レーザ発振器、２‥ビーム制御ユニット、３‥導光管、４‥水槽、５‥照射位置決め装置、６‥出力調整装置、７‥部分反射ミラー、８‥パワーメータ、９‥シャッタ、１０‥反射ミラー、１１‥照射ヘッド、１２‥多面体集光素子、１３‥被処理部材、１４‥支柱、１５‥水平駆動機構、１６‥垂直駆動機構、１７‥焦点調整機構、１８‥防水ウインドウ、１９‥拡大鏡、２０‥凹面鏡、２１‥凸面鏡、２２‥光学素子マウント、２３‥モータ、２４‥ボールねじ、２５‥リニアガイド、２６‥光学素子駆動機構、２７‥出口側防水ウインドウ、２８‥噴射ノズル、３０‥噴流、３１‥小集光領域、３２，３３‥プロファイル、３４‥浄化水供給チューブ、３６‥同心円形状光学素子、３７‥同心円集光領域、３８‥ビームウエスト、４１‥垂直円筒レンズ、４２‥水平円筒レンズ、４５‥中空超音波モータ、４５Ａ‥レーザ照射装置、Ｌ‥レーザビーム、Ｌ_１‥収束レーザ光、ｗ‥水、ＳＢ‥サンプリングビーム。

Claims

パルス発振のレーザ光を集光して空間的エネルギ密度が高い状態とし、このレーザ光を表面が液体に接している固体材料に照射することにより発生するプラズマの圧力で当該固体材料の機械的強度を向上させるレーザ照射装置であって、レーザ光源と、このレーザ光源から出射されるレーザ光を伝送するレーザ光伝送手段と、前記固体材料に対するレーザ光の照射位置を任意に移動させる照射位置移動手段と、照射される前記レーザ光を集光する集光手段と、前記レーザ光を前記固体材料の表面に投影した際のレーザ投影面積を任意に調整する投影面積調整手段とを備えたことを特徴とするレーザ照射装置。
レーザ光を集光する前記集光手段は、光学素子のうち少なくとも１つの光学素子がレーザ光を空間的に分割するための不連続な複数の面の組合せによって構成される領域を持ち、それぞれの面は分割したレーザ光が屈折、回折または反射によって集光する構成とされている請求項１記載のレーザ照射装置。
前記光学素子中の不連続な面は、周方向に連続し、半径方向には不連続な同心円状面の集合である請求項２記載のレーザ照射装置。
前記レーザ光の光軸とこの光軸に垂直な第１の軸とを含む面に対して対称にレーザ光を屈折または回折または反射させる第一の光学素子と、前記第１の軸に垂直な第２の軸とを含む面に対して対称にレーザ光を屈折、回折または反射させる第二の光学素子とを備え、これらの光学素子によりレーザ光を集光する構成とした請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
前記第一の光学素子と前記第二の光学素子のうち、少なくとも１つがシリンドリカルレンズであり、前記第一の光学素子と前記第二の光学素子とが平行光を集光する距離をそれぞれ異ならせた請求項４記載のレーザ照射装置。
前記第一の光学素子と前記第二の光学素子の間隔を変えるための水平駆動機構を備えた請求項４または５記載のレーザ照射装置。
前記第一の光学素子と前記第二の光学素子のうち、少なくとも１つの素子を光軸を中心に回転させるための回転機構を備えた請求項４ないし請求項６のいずれか１項記載のレーザ照射装置。