JP2012501855A - レーザービームのｑ値を回折光学部材によって変更する手段を用いる、レーザー切断方法および装置 - Google Patents

Abstract

切断される被加工物(30)をレーザービーム(10)により切断する方法であって、所定の初期ビームパラメータ積(BPP)をもつ入射レーザービームを、ビームを伝送する少なくとも１の光ファイバに結合したレーザー源(1)、好ましくはイッテルビウムドープまたはエルビウムドープファイバレーザー源により発生させる。前記入射レーザービーム(10)を少なくとも１の光学集束デバイス(14)を有する集束ヘッドへ導く。入射レーザービーム(10)を前記光学集束デバイス(14)により集束して集束レーザービームを得て、被加工物(30)を集束レーザービームにより切断する。本発明によれば、入射レーザービーム(10)のQ値をレーザービームのBPPを変更するまたはこれに作用するのに好適でそのように設計された光学デバイス(16)により調節または変更し、前記入射レーザービームの前記BPPと異なる変更BPPをもつ変更集束ビーム(10b)を得る。前記方法を実行するための関連する装置。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザー切断プロセスであって、その効率をレーザービーム、特にイッテルビウムドープファイバレーザーデバイスから発せられるレーザービームの品質を変更する光学デバイスを使用することによって向上させるプロセスに関する。

ＣＯ₂レーザーは金属または非金属材料を切断するのに産業界で広く用いられている。

固体レーザー、たとえばイッテルビウムドープファイバレーザーまたはディスクレーザーも、バルク固体レーザー、すなわちＮｄ：ＹＡＧレーザーと異なり、近年の大きな進歩から利益を受け、数ｋＷの出力レベルと優れたビーム品質とを兼ね備えている。

ファイバレーザーを金属材料の工業的切断に非常に好適なレーザー源にする特性、この場合、金属により多く吸収されおよび光ファイバによって伝送されうる、ＣＯ₂レーザーのものよりも短い波長、より小さいサイズおよびより高い信頼性に加えて、それらの高い輝度が切断性能を著しく向上させることが期待されている。

高出力レーザービームを切断される被加工物上に小さなビーム径および小さな広がり角で集束させることは速度に関しておよび切断品質、すなわちバリのないまっすぐな切断面に関して利得をもたらすであろうことが一般に認められている。

加えて、ビームのレイリー長を最大にすることによって、このプロセスを、材料の厚さにおける焦点の位置決めに関してより許容性にする。

これらの条件は切断プロセスが良好なビーム品質すなわちＢＰＰ（Beam Parameter Product）を有するレーザー源を用いる場合に満足される。レーザービームの品質はそのＢＰＰによって評価され、図５ａおよび図５ｂに示すように、これはレーザービームのウェスト半径ωとその広がり角の半角θとの積として表される。

したがって、低いＢＰＰのレーザービームを選択して良好な切断性能を保証することが多くの場合に好ましい理由が理解されるであろう。これは特に小さな厚さ、すなわち４ｍｍ未満の金属材料を切断する場合に確認でき、この場合により低いＢＰＰは一般に、プロセスのより良好な効率のおかげで、切断速度の増加を意味する。

しかし、より大きな厚さ、典型的には４ｍｍ以上の厚さの場合には特に、より高いＢＰＰがビームの通過後に切断面の底部に付着して残っているバリの除去を促進することも期待される。特に、軟鋼上およびステンレス鋼上での切断試験において、より高いＢＰＰのレーザービームを８ないし１０ｍｍ厚の軟鋼板および４ｍｍ厚のステンレス鋼板に対して使用してより良好なバリ除去が達成された。切断される被加工物へのより大きな径のレーザービームの衝突はより広い切断カーフを開けて、それにより切断用ガスの浸透および効率を増加させることを可能にするこということがわかっている。

この現象に加えて、集束ビームのＢＰＰを変更するという事実は切断深さ全体にわたってビームエネルギーの空間分布を変更することを可能にする。したがって、レーザービームを切断用途に使用する場合、切断される厚さの範囲に応じてそのＢＰＰを変更することが可能であることは、特に要求の厳しい用途たとえば残留バリの除去が重大な問題である小さな輪郭の切断にとって非常に有利なことである。

しかし、ＢＰＰはレーザービームを発する光ファイバの特性によっておよびレーザー源の特性によって課されるパラメータである。このように、このパラメータはファイバレーザーを使用する切断プロセスの性能、特に切断速度および切断品質に影響を及ぼす。

プロセスの性能を最適化する１つの解決策は様々な径を有する一群の光ファイバを用いて作業していくつかのＢＰＰ値を得ることであろう。しかし、この解決策はファイバの集約的な取り扱いが推奨されない産業的環境では考えられない。これは、高価な素子であり、その性能が経時的に劣化するファイバカプラーの使用も課する。

この状況下において、単純な方法で、ファイバレーザー切断プロセスの効率、特に切断速度および／または切断品質を改善し、いくつかのファイバを使用して様々なＢＰＰ値を与えることも、特に切断される材料の厚さおよび／または切断される材料の組成に応じてレーザービームのＢＰＰを形成することも必要なく、切断プロセスの速度および品質性能を最適化することが可能であることが望ましい。

そこで、この問題の１つの解決策は被加工物をレーザービームを使用して切断する方法であって：
ａ）所定の初期ビーム品質（ＢＰＰ）を有する入射レーザービームを、前記ビームを伝送する少なくとも１本の光ファイバに結合したレーザー源を用いて発生させ；
ｂ）前記入射レーザービームを少なくとも１つの集束光学部品を有する集束ヘッドへ導き；
ｃ）前記入射レーザービームを前記集束光学部品を用いて集束させて集束レーザービームを得て；
ｄ）被加工物を切断レーザービームとも呼ばれる前記集束レーザービームを用いて切断する
方法において、
レーザービームのＢＰＰを変更するまたはこれに作用するのに好適でそのように設計された光学デバイスを用いて前記入射レーザービームの前記ＢＰＰを調節または変更し、前記入射レーザービームの、すなわちＢＰＰ変更光学デバイスがないときの前記ＢＰＰと異なる変更ＢＰＰを有する集束ビームを得るようにし、前記光学デバイスは少なくとも１つの回折光学部材を備え変更集束レーザービームを生じさせることができ、そのＢＰＰは前記入射レーザービームの前記初期ＢＰＰと１．２以上であるが５以下である乗数だけ異なることを特徴とする。

場合に応じて、本発明の方法は以下の特徴のうち１つ以上を備えていてもよい：
−レーザービームのＢＰＰを変更するように好適に設計された光学デバイスをレーザービームの経路に、好ましくはビーム伝送ファイバと集光光学部品との間に配置する；
−入射ビームのＢＰＰは、ＢＰＰ変更光学デバイスへのそれの通過前には、０．３３ないし２５ｍｍ．ｍｒａｄであり、特に２００μｍ以下の径を有する伝送光ファイバの場合には好ましくは１０ｍｍ．ｍｒａｄ以下である；
−ＢＰＰ変更光学デバイスはレーザービームのＢＰＰに１．５以上であるおよび／または３以下である乗数を乗ずることが可能である；
−ＢＰＰ変更光学デバイスは少なくとも１つの透過型または反射型の回折光学素子である；
−集束ヘッドは少なくとも１つの集束光学部品を備えており、光学デバイスは入射レーザービームのＢＰＰを変更するのに好適でそのように設計されており、好ましくは集束ヘッドは少なくとも１つのビームコリメーション光学部品をさらに含んでいる；
−透過型光学デバイスは溶融シリカ、石英から、特殊ガラス、硫化亜鉛（ＺｎＳ）またはセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）から作られており、および好ましくはそれは反射防止コーティングを含んでいる；
−光学デバイスは０．５ないし１０ｍｍ、好ましくは３ないし７ｍｍの厚さを有しており、および有利には好ましくは２５ないし７５ｍｍの径を有する円形である；
−光学デバイスは反射型であって、５ないし５０°の入射角（α）で機能し、および溶融シリカ、石英から、特殊ガラス、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）または金属材料から作られており、および好ましくは反射コーティングを含んでいる；
−光学デバイスは初期ビームのＢＰＰおよび、好ましくはガウシアンまたは偽ガウシアンタイプの強度分布を他の強度分布、たとえばリングタイプの、すなわち中空リングまたはドーナツ型の分布に変更するように設計されている；
−光学デバイスは回折機能と他の機能、特にレーザービーム集束機能とを兼ね備えている；
−レーザービームの波長は１．０６ないし１．１０μｍである；
−レーザービームの出力は０．１ないし２５ｋＷである；および
−レーザービームを、イッテルビウムドープまたはエルビウムドープファイバレーザー源、好ましくはイッテルビウムドープファイバを用いて発生させる。

また本発明はレーザー切断ユニットであって、集束光学部品を含む集束ヘッドに伝播する所定の初期ＢＰＰの入射レーザービームを発生させるためにビーム伝送ファイバに結合したレーザー源、特に少なくとも１つのイッテルビウムドープまたはエルビウムドープファイバ、好ましくはイッテルビウムドープファイバを備えたレーザー源を具備し、集束レーザービームのＢＰＰを変更または調節するのに好適でそのように設計された少なくとも１つの光学デバイスがビームの経路に、好ましくはビーム伝送ファイバと集束光学部品との間に配置され、前記光学デバイスは少なくとも１つの回折光学部材を備え変更集束レーザービームを生じさせるのに好適でありおよびそのように設計されており、前記変更集束レーザービームのＢＰＰは入射レーザービームの初期ＢＰＰと１．２以上であるが５以下である乗数だけ異なることを特徴とするユニットにも関する。

本発明は添付の図面を参照しながら示した以下の説明からより十分に理解されるであろう。

図１は本発明の実施のないレーザー切断ユニットの例を示している。 図２は本発明の実施の例を示している。 図３は本発明の実施の例を示している。 図４は本発明の実施の例を示している。 図５ａおよび図５ｂは集束レーザービームを、主たるパラメータ、すなわち、本発明による回折光学素子がレーザービームの経路にない場合およびある場合のレーザービームのウェスト半径および広がり角と共に図示しており、およびこのような素子が集束レーザービームのパラメータに与えうる効果の例を概略的に示している。 図６は、本発明による回折光学素子の挿入前後での、伝播軸に沿った集束レーザービームの半径の変化について実験的に測定したもの示している。 図７は軟鋼上で行った切断試験の結果を示しており、２つの異なるＢＰＰ値を有する集束レーザービームによって得られた性能を比較することができる。 図８はステンレス鋼上で行った切断試験の結果を示しており、２つの異なるＢＰＰ値を有する集束レーザービームによって得られた性能を比較することができる。 図９は本発明によるユニットの１つの実施形態のブロック図である。

図１ないし図４および図９に図示したように、レーザービーム１０で切断するには、切断される被加工物３０と対向して設置されるレーザーノズル４を有する集束ヘッド３へ伝播する入射レーザービーム１０を発生させるために、伝送ファイバ２に結合したレーザー発生器またはレーザーデバイスとも呼ばれるレーザー源１を有するレーザー切断ユニットを用いるのが一般的である。

有利には、レーザー源１はイッテルビウムドープファイバからなる、すなわちイッテルビウム（Ｙｂ）を含有するまたはドープされたいくつかの光ファイバを備えた、レーザー放射を発生させるに役立つソースである。このようなＹｂファイバレーザー源は広く市販されている。

あるいは、レーザー源１はエルビウムドープファイバ源でもよい。

集束ヘッド３は前記集束ヘッド３の壁に設けられたガス入口５を介して補助ガスが供給され、そのガス入口５を介してガス源、たとえば１つ以上のガスボンベ、貯蔵タンクまたは１つ以上のガスライン、たとえばガス配送ネットワークから来る加圧ガスまたはガス混合物がノズル４の上流に導入され、このノズル４を介してレーザービームによって切断される被加工物３０に向けて放出される。

補助ガスは切断される被加工物３０の表面に対して位置１１に集束されたレーザービーム１０によって金属を溶融させることによって得られる切断カーフ１２から溶融金属を吹き払うのに役立つ。

ガスの選択は切断される材料の特性、特にその組成、そのグレードおよびその厚さに応じて行われる。

たとえば、空気、酸素、窒素／酸素混合物またはヘリウム／窒素混合物は鋼を切断するのに使用されうるものであり、一方で窒素、窒素／水素混合物またはアルゴン／窒素混合物はアルミニウムまたはステンレス鋼を切断するのに使用されうるものである。

実際、レーザー切断される被加工物３０は様々な金属材料、たとえば鋼、ステンレス鋼、軟鋼または軽量合金たとえばアルミニウムおよびその合金、さらにはチタンおよびその合金から形成されてもよく、典型的に０．１ｍｍないし３０ｍｍの厚さを有してもよい。

切断プロセスの間、ビーム１０を（１１で）被加工物３０にまたはその近くに、すなわち外側、つまり被加工物３０の上面３０ａの上方もしくは下面３０ｂの下方数ｍｍのところに；内側、つまり被加工物の厚さの中に；または切断される被加工物３０の上面３０ａ上もしくは下面３０ｂ上に集束してもよい。好ましくは、焦点の位置１１は被加工物３０の上面３０ａの上方５ｍｍと下面３０ｂの下方５ｍｍとの間にある。

本発明の切断プロセスにおいて使用されるレーザービーム１０は好ましくは固体レーザー、好ましくはファイバレーザーによって発生され、その波長は好ましくは１．０６ないし１．１０μｍである。レーザービーム１０の出力は典型的には０．１ないし２５ｋＷ、好ましくは１ないし８ｋＷである。

レーザー発生器１は連続、準連続またはパルスモードで動作しうる。レージング効果、すなわちレーザー放射を発生させるのに使用される光増幅の現象は、好ましくはレーザーダイオードによってポンピングされ、１本または、典型的には、１本より多いドープ光ファイバ、好ましくはイッテルビウムドープシリカファイバからなる増幅媒体を用いて得られる。その後、レーザービームが放射され、その径が典型的には５０ないし２００μｍであり好ましくは溶融シリカからなる１本以上の光学伝送ファイバを介して伝送され、この伝送ファイバはイッテルビウムを含有していない。

レーザー源１の特性および光学ビーム伝送ファイバ２の径に依存するが、入射ビーム１０のＢＰＰ値および初期集束ビームのＢＰＰ値は０．３３ないし２５ｍｍ．ｍｒａｄであり、２００μｍ以下の径を有する伝送ファイバの場合には好ましくは１０ｍｍ．ｍｒａｄ以下である。

わかるように、本発明によれば、次に光学デバイス１３、１４、１５を用いて、切断される被加工物３０上にレーザービーム１０を向けて集束させ、１つ以上の光学デバイス１６を用いて入射レーザービームのＢＰＰを変更または調節し、初期集束ビーム、すなわち従来技術（図１）に従う変更されていないＢＰＰを有するビーム１０ａの初期ＢＰＰと異なる変更ＢＰＰを有する変更集束ビーム１０ｂ（図２ないし４および９）を得る。

より正確には、１つ以上のコリメート用１３、方向変換用１５および集束用１４の光学部品が、レーザービーム１０が伝送ファイバ２によって被加工物３０へ伝播および伝達されるのを可能にする。これらの光学部材または素子は透過型としてまたは反射型として機能しうる。たとえば、光学コリメートおよび／または集束系はレンズまたは鏡、球面もしくは非球面の鏡、たとえば放物面鏡もしくは楕円鏡から構成されていてもよい。

これらの光学部材１３ないし１５は市販されている様々なタイプの鏡およびレンズから選択できる。それらは以下のタイプの材料から作られていてもよい：溶融シリカ、石英、特殊ガラス、ＺｎＳ、ＺｎＳｅからなる材料または金属材料、たとえば銅、またはレーザービーム１０用の集束ヘッド３に使用できる他の任意の材料。

本発明によれば、ファイバレーザー源１および伝送ファイバ２によって伝達されるレーザービーム１０を使用する切断プロセスの効率を高めるために、１つ以上の光学デバイスまたは部材１６を好ましくはレーザー切断ヘッド３内のビーム１０の経路に配置し、ユニットを複雑にすることなくレーザービーム１０の所定の初期ＢＰＰと異なるＢＰＰを有する変更集束レーザービームを得ることを可能にする。

より正確には、本発明の主題を構成する光学デバイス１６は集束レーザービームのＢＰＰを変更して、その変更ＢＰＰがファイバによって放射されたビームの所定の初期ＢＰＰと１．２ないし５の乗数だけ異なるようにし、それによりＢＰＰを好ましくは少なくとも１．５だけ増加させる。

図５ａおよび図５ｂに図示したように、光学デバイス１６は、集束レーザービーム１０ａの主たるパラメータ、すなわちウェスト半径ω_aおよび広がり角θ_aを変更することによって、初期集束ビームのＢＰＰの値を変更する。したがって、光学デバイス１６は、そのＢＰＰが前記光学デバイス１６がないときに得られる集束ビーム１０ａのそれと異なる、集束ビーム１０ｂを得ることを可能にする。

集束ビーム１０ｂは変更されていないビーム１０ａのそれと類似の、好ましくはガウシアンもしくは偽ガウシアンタイプの強度分布、または異なる強度分布、たとえばリングタイプの、すなわち中空リングまたはドーナツ型分布を有する。

図２ないし図４は本発明の様々な実施形態、すなわち透過型の実施形態および反射型の実施形態を図示している。

第１の実施形態では、本発明の光学デバイス１６は透過型で機能する（図２および図３）。透過モードでは、光学デバイス１６を製造するのに使用される材料は溶融シリカ、石英、特殊ガラス、ＺｎＳもしくはＺｎＳｅタイプの材料、または作動波長において透明な任意の他の材料でありうる。この部材の２つの面は好ましくは反射防止コーティングなどを堆積させることによって処理されている。しかし、光学部材１６は反射防止コーティングなしでも機能しうる。

この場合、ビームをコリメートする、方向付けするおよび集束させる、切断ヘッド３に組み込まれた光学部品は透過型で機能する（図１および図２）かまたはそれらは５ないし５０°の間の入射角αで機能する少なくとも１つの反射部材、たとえば平面鏡（図３）または球面もしくは非球面形状の鏡を含む。

あるいは、ＢＰＰを変更するデバイスは反射型として、５ないし５０°の間の入射角αで機能するように構成された少なくとも１つの光学素子を含む（図４）。反射型では、光学部材１６の少なくとも１つの面が反射コーティングでコーティングされている。光学デバイス１６を製造するのに使用される材料は溶融シリカ、石英、特殊ガラス、ＺｎＳもしくはＺｎＳｅタイプの材料、または金属材料、たとえば銅でありうる。

加えて、集束ビーム１０ａのＢＰＰを変更するデバイスはビームを集束させる、修正するまたは均一にするタイプの他の光学機能を利用してもよい。好ましくは、本発明の光学デバイスは集束機能と集束レーザービームのＢＰＰを変更する機能とを兼ね備えている。

部材１６の厚さは典型的には０．５ないし１０ｍｍ、好ましくは３ないし７ｍｍである。これら厚さの値はデバイスが高い圧力または温度、すなわち２５ｂａｒまででありうる圧力および１００℃を超える温度に耐えるのを必要とされる場合に好ましい。典型的には、部材１６は円形でありおよびその径は約２５ないし７５ｍｍであり好ましくは切断ヘッド３のコリメート用および集束用光学素子のものに等しい。

以下の説明は本発明が基づく光学デバイスの性質をより十分に理解させるであろう。

レーザービームのＢＰＰを変更するのに使用される光学デバイス１６は光学位相部材、またはより好ましくは回折光学素子から形成されている。この部材は入射ビーム１０の波面の位相を空間的に変調するのに役立つ。好適な位相変調特徴部を使用することによって、入射ビーム１０の波面を変え、調節しまたは変更して、入射ビーム１０のＢＰＰ値と異なる所望されるＢＰＰ値を有する集束ビーム１０ｂを得る。

光学デバイス１６は、図９に図示するように、レーザー切断ヘッド（３、４）に組み込まれかつレーザービーム１０の光路内に配置される。好ましくは、レーザービームのＢＰＰを変更するのに好適でそのように設計された光学デバイス１６はコリメートされたレーザービーム１０の経路における１つまたは複数の集束光学部品１４の前に位置決めされる。

本発明の実施形態によれば、回折光学素子１６を、図２に図示するように、集束ビーム１０ａのＢＰＰを変更するのに使用する。回折光学部品１６の表面は部材１６の基板におよそ動作波長の多様な深さでエッチングされた微細構造を有する。これら微起伏は入射波の多様な回折および移相を局所的に生じさせる２Ｄ位相マップを形成する。典型的には、回折光学素子１６は２段以上のエッチング深さを有する。光学素子１６の位相変調マップはしたがって２つ以上の移相値からなる。用いられる素子１６の位相分布はレーザービームのＢＰＰを変更して、ＢＰＰが回折光学素子１６が存在しない場合に得られる集束ビーム１０ａのものと異なる集束ビーム１０ｂを得るように設計されている。

ビーム整形光学部材１６上で実行できる空間位相変調マップの例およびこのような部材を製造するのに使用される技術の例は以下の文書に挙げられており、読者はこの主題に関する他の詳細についてこれらを参照できる：
−"Diffractive Optics: Design, Fabrication and Test", D. C. O'Shea et al., SPIE Press, Bellingham, Washington (2003)；
−"Creation of Diffractive Optical Elements by One Step E-beam Lithography for Optoelectronics and X-ray Lithography", A. A. Aristov et al., Baltic Electronics Conference, October 7-11, 1996, p. 483-486, Tallinn, Estonia；および
−"Development of Diffractive Beam Homogenizer", T. Hirai et al., SEI Technical Review, No. 60, June 2005, p. 17-23。

加えて、回折光学部品１６は従来の反射型部材と同様の光学機能を果たしてもよい。結果的に、回折機能１６と他の機能、たとえばレーザービーム１０を集束させる集束デバイス１４とを兼ね備えた光学デバイス１６を切断ヘッド３に組み込んでもよい。

本発明による光学素子１６の使用の効率を試験するために、図３によるユニットを使用して、Ｙｂ−ドープファイバレーザー発生器１および伝送ファイバ２によって発生させられる２ｋＷの出力のレーザービーム１０のＢＰＰを調節／変更する試験を行った。

図５ａおよび図５ｂは、それぞれ光学素子１６がない場合および光学素子１６がある場合の試験された構成を、このような素子の組み込みが集束ビームの主たるパラメータに与えうる効果と共に概略的に示している。

レーザービームのＢＰＰを、図５ｂに図示したように、回折光学素子１６を使用して変更した。素子１６は切断ヘッド３内のコリメートされたビーム１０の光路内の集束系１４の上流に配置した。

比較のために、図５ａに図示したように、コリメート用素子１３の下流への回折光学素子１６の組み込みがない以外は同様のユニットを使用した。

使用した光学素子１６は溶融シリカから作られた回折素子であった。この光学素子１６を用いた場合、得られる効果は、ＢＰＰが変更されていない得られた集束レーザービーム１０ａと比較して変更レーザービーム１０ｂを概略的に示した図５ｂの断続線（---）によって図示したように、集束レーザービームのウェスト半径の増加とその広がり角の増加とである。ビーム１０ｂは光学素子１６が存在しない場合の集束ビーム１０ａのものとは異なるウェスト半径ω_bおよび広がり角θ_bを有する。

ビームアナライザを使用して測定された集束ビームの火面は光学素子１６をコリメートされたレーザービーム１０の経路へ導入したあとの集束ビームの、このような光学素子１６が存在しない場合と比較したＢＰＰの増加を確認した。

図６は、回折光学素子１６の挿入前後での、集束ビームの半径の光伝播軸に沿った変化に関する実験的測定の結果を示している。

これら火面プロットは、ビームの半径であって、レーザー出力のうち８６％がこの半径の円板内に含まれるビームの半径を、集束ビームのウェストの片面から１０ｍｍの範囲内にある連続伝播平面内で測定することによって得られた。

集束ビームのウェスト半径の増加およびその広がり角の増加の結果から得られるＢＰＰの増加が光学素子１６の導入後に認められた。試験されたユニットでは、最初の集束ビーム１０ａのＢＰＰは光学素子１６なしで３ｍｍ．ｒａｄであった（図６における連続線）一方、光学素子１６を用いた変更集束ビーム１０ｂのＢＰＰは８．６ｍｍ．ｒａｄ（図６における点線）であった。

したがって、これは、回折光学部品をレーザービーム集束デバイス、たとえば切断ヘッドに組み込むことによって、集束ビームのＢＰＰを従来の光学デバイス、たとえばレンズ、鏡を単に使用するのではこれら素子がレーザービームのＢＰＰを大きく変更できないために得ることができない値にすることが可能であることを証明する。

全ての場合において、入射レーザービームのＢＰＰを変更することができる光学デバイス１６をレーザー切断ヘッド（３、４）へ組み込むことによって、集束ビーム１０ａのＢＰＰを切断される厚さの範囲に応じて調節でき、それにより切断速度および品質の点でのプロセスの性能を最適化することができる。

結局は、集束レーザービームの初期ＢＰＰが１．２ないし５倍増加し、ビームの初期強度プロファイル、すなわち偽ガウシアン、リングまたは他のプロファイルを変更することも可能である。

本発明のプロセスの利点を証明するために、軟鋼およびステンレス鋼に対して、波長が１．０７μｍであり出力が２ｋＷである輻射エネルギーを放射するファイバレーザーを使用し、異なるＢＰＰ値を有するビームを使用して切断試験を行った。より正確には、２つの異なるＢＰＰ値、すなわち２．４ｍｍ．ｍｒａｄおよび４．３ｍｍ．ｍｒａｄを有する集束ビームでの切断速度および品質に関しての得られた性能を比較した。

使用した切断ヘッドは、切断される材料に応じて１２７ｍｍおよび１９０．５ｍｍに等しい焦点距離の集束レンズを兼ね備えた、５５ｍｍの焦点距離のコリメータから構成されていた。

各材料について、２つの異なるＢＰＰ値と同一の光学部品の組み合わせとで得られた性能を比較した。

軟鋼の場合、２から１０ｍｍまでの範囲内にある厚さに対して０．５から１．６ｂａｒまでの範囲内にある酸素圧力で試験を行い、一方ステンレス鋼の場合、１．５から８ｍｍまでの範囲内にある厚さに対して１５から１９ｂａｒまでの範囲内にある窒素圧力で試験を行った。

全ての場合において、１ないし３ｍｍの径を有するノズルによって補助ガスを伝達した。

図７は達成された切断速度を処理される軟鋼の厚さと切断中に使用された集束ビームのＢＰＰとの関数として示している。

実線の曲線（−）は２．４ｍｍ．ｒａｄのＢＰＰを有する集束ビームについて得られた点をつなげたものであり、一方点線の曲線（---）は４．３ｍｍ．ｒａｄのＢＰＰを有する集束ビームについて得られた点をつなげたものである。

中実の記号は良好な切断性能（バリの非存在、許容される粗さ）に対応しており、一方白抜きの記号はバリが存在することと品質が工業的に許容されるレベルにないこととを示している。

軟鋼で得られた結果は、低い方のＢＰＰの集束ビームはより小さな厚さ（２ｍｍ）をより早く切断させ、一方で高いＢＰＰの集束ビームは８ないし１０ｍｍの厚さの場合に切断品質を向上させることを示している。

その結果、集束レーザービームのＢＰＰを、本発明にしたがってたとえばここでは、切断される材料の特徴および特殊性、特にその組成および厚さを考慮に入れて、２．４ｍｍ．ｒａｄのＢＰＰから４．３ｍｍ．ｒａｄのＢＰＰにすることができる適切な位相部材を使用して単純に変更できるという工業的利点が速やかに理解される。

同様の原理によって、図８はステンレス鋼に対して得られた結果を示している。わかるように、２ｍｍのプレートが２．４ｍｍ．ｒａｄのＢＰＰを有する集束ビームによって高速で切断された一方、４ｍｍ厚のプレートでは４．３ｍｍ．ｒａｄのＢＰＰを有する集束ビームによって切断品質が向上した。ＢＰＰ値は前の試験と同じように得られた。

これらの結果は本発明の方法およびデバイスの利点を確認し、これは、それらが処理される材料の厚さに特に応じた集束レーザービームのＢＰＰの賢明な選択がレーザー切断プロセスの性能を切断速度および品質に関して最適化させることを証明するからである。

特に金属学的組成もしくはグレードおよび／または厚さに関する所定の特性のプレートを切断するのに最も適切なＢＰＰの、および／または前記所望されるＢＰＰを得るのに使用される位相もしくは同様の成分の選択は、切断されるプレートの供試体に対して、異なるＢＰＰを有するかまたは異なる乗数をもたらす異なる位相成分を有する集束レーザービームを用いる切断試験を行うことによって、およびそれによって得られる結果を比較することによって経験的に行うことができる。

本発明の方法はそれゆえにイッテリビウムドープファイバレーザの使用と、切断される材料の特徴を特に考慮に入れるための、集束レーザービーム、すなわち切断ビームの品質またはＢＰＰを変更する少なくとも１つの光学素子の使用とに基づいており、それにより集束レーザービームの伝播特性およびエネルギー分布をカーフに沿って変更する。

Claims (15)

1. 被加工物（３０）をレーザービーム（１０）を使用して切断する方法であって：
   ａ）所定の初期ビーム品質（ＢＰＰ）を有する入射レーザービームを、前記ビームを伝送する少なくとも１本の光ファイバに結合したレーザー源（１）を用いて発生させ；
   ｂ）前記入射レーザービーム（１０）を少なくとも１つの集束光学部品（１４）を有する集束ヘッドへ導き；
   ｃ）前記入射レーザービーム（１０）を前記集束光学部品（１４）を用いて集束させて集束レーザービームを得て；
   ｄ）被加工物（３０）を前記集束レーザービームを用いて切断する
   方法において、
   レーザービームのＢＰＰを変更するまたはこれに作用するのに好適でそのように設計された光学デバイス（１６）を用いて前記入射レーザービーム（１０）の前記ＢＰＰを調節または変更し、前記入射レーザービームの前記ＢＰＰと異なる変更ＢＰＰを有する集束ビーム（１０ｂ）を得るようにし、前記光学デバイス（１６）は少なくとも１つの回折光学部材を備え変更集束レーザービームを生じさせることができ、そのＢＰＰは前記入射レーザービーム（１０）の前記初期ＢＰＰと１．２以上であるが５以下である乗数だけ異なることを特徴とする方法。
2. 前記レーザービームの前記ＢＰＰを変更できる前記光学デバイス（１６）を前記入射レーザービーム（１０）の経路に配置することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記入射ビームの前記ＢＰＰは０．３３ないし２５ｍｍ．ｍｒａｄであり、２００μｍ以下の径を有する伝送光ファイバの場合には好ましくは１０ｍｍ．ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記光学デバイス（１６）は変更集束レーザービームを生じさせることができ、そのＢＰＰは前記入射レーザービーム（１０）の初期ＢＰＰと１．５以上および／または３以下の乗数だけ異なることを特徴とする請求項１ないし３のうちの１項に記載の方法。
5. 前記光学デバイス（１６）は、前記初期集束ビームの前記ＢＰＰの値の変化を、前記集束レーザービーム（１０ａ）のウェスト半径（ω_a）および広がり角（θ_a）を変更することによって生じさせることを特徴とする請求項１ないし４のうちの１項に記載の方法。
6. 前記光学デバイス（１６）は少なくとも１つの透過型または反射型の回折光学素子であることを特徴とする請求項１ないし５のうちの１項に記載の方法。
7. 前記集束ヘッド（３、４）は少なくとも１つの集束光学部品（１４）を備えており、前記光学デバイス（１６）は前記入射レーザービームの前記初期ＢＰＰを変更するまたはこれに作用するのに好適でそのように設計されていることを特徴とする請求項１ないし６のうちの１項に記載の方法。
8. 前記光学デバイス（１６）が溶融シリカ、石英から、特殊ガラス、ＺｎＳ、ＺｎＳｅまたは金属材料から作られていることを特徴とする請求項１ないし７のうちの１項に記載の方法。
9. 前記光学デバイス（１６）が０．５ないし１０ｍｍの厚さを有し、２５ないし７５ｍｍの径を有する円形であることを特徴とする請求項１ないし８のうちの１項に記載の方法。
10. 前記光学デバイス（１６）は反射型であって、５ないし５０°の入射角（α）で機能することを特徴とする請求項１ないし９のうちの１項に記載の方法。
11. 前記レーザービームの波長が１．０６ないし１．１０μｍであることを特徴とする請求項１ないし１０のうちの１項に記載の方法。
12. 前記レーザービーム（１０）の出力が０．１ないし２５ｋＷであることを特徴とする請求項１ないし１１のうちの１項に記載の方法。
13. レーザービーム（１０）を、イッテルビウムドープファイバレーザー源を用いて発生させることを特徴とする請求項１ないし１２に記載の方法。
14. レーザー源（１）とビーム伝送ファイバ（２）とを有し、所定の初期ＢＰＰを有する入射レーザービームを発生させ、集束光学部品（１４）を含む集束ヘッド（３、４）に伝播するレーザー切断ユニットであって、入射レーザービームの初期ＢＰＰを変更するまたは調節するのに好適でそのように設計された少なくとも１つの光学デバイス（１６）が前記ビーム（１０）の経路に配置され、前記光学デバイス（１６）は少なくとも１つの回折光学部材を備え変更集束レーザービームを生じさせるのに好適でそのように設計されており、そのＢＰＰは前記入射レーザービーム（１０）の初期ＢＰＰと１．２以上であるが５以下である乗数だけ異なることを特徴とするユニット。
15. 前記光学デバイス（１６）は前記ビーム伝送ファイバ（２）と前記集束光学部品（１４）との間に配置され、および／または前記レーザー源（１）はイッテルビウムドープファイバレーザー源であることを特徴とする請求項１４に記載のユニット。

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