JP2014187225A - レーザ発振装置及びレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図ることができるレーザ発振装置を提供する。
【解決手段】 固体レーザ結晶１１、ヒートシンク１３、波長変換素子１５、ミラー素子１７、励起用光源装置２０、及び受光器４０などを有している。励起用光源装置２０は、バータイプの半導体レーザ素子、励起光学系、及びホルダを有している。半導体レーザ素子は、射出面の長手方向が、励起光学系の光軸と共振器における共振レーザ光の光路とが含まれる仮想面（ここでは、ＹＺ面）に直交するように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ発振装置及びレーザ加工機に係り、更に詳しくは、固体レーザ結晶を有するレーザ発振装置、及び該レーザ発振装置を備えるレーザ加工機に関する。

近年、レーザ光を利用した装置として、レーザ加工機やレーザ計測器などが実用化されている。そして、レーザ光を射出するレーザ発振装置として、固体レーザ結晶を励起用レーザ光で励起し、特定波長のレーザ光を射出するレーザ発振装置が検討されている。このレーザ発振装置は、安定性及び高出力の点で優れている。特に、薄い板状の固体レーザ結晶を用いたレーザ発振装置は、マイクロチップレーザとも呼ばれ、固体レーザ結晶における熱の影響が小さく、ビーム品質に優れたレーザ光を射出することができる。

例えば、特許文献１には、レーザ結晶と、該レーザ結晶が内部に配置されたレーザ共振器と、上記レーザ結晶を励起するための励起用半導体レーザと、該励起用半導体レーザからのレーザ光を集光し上記レーザ結晶に入射させる励起用半導体レーザ集光光学系を備えた小型半導体レーザ励起固体レーザ装置が開示されている。

また、特許文献２には、半導体レーザ素子からの半導体レーザ光により、ディスク状のレーザ結晶を励起し、レーザ発振を行わせる半導体レーザ励起固体レーザ装置が開示されている。

近年、レーザ発振装置に対する小型化の要求が年々高くなってきている。しかしながら、従来のレーザ発振装置では、更なる小型化を図るのは困難であった。

本発明は、固体レーザ結晶と、２つの反射面の間に前記固体レーザ結晶を挟む共振器と、前記固体レーザ結晶の励起用レーザ光を射出する半導体レーザと、前記半導体レーザからの前記励起用レーザ光を集光する光学系とを備え、前記半導体レーザは、射出面の長手方向が、前記光学系の光軸と前記共振器における共振レーザ光の光路とが含まれる仮想面に交差するように配置されているレーザ発振装置である。

なお、本明細書では、共振器によって共振されるレーザ光を「共振レーザ光」という。

本発明のレーザ発振装置によれば、小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工機の概略構成を説明するための図である。 図１におけるレーザ発振装置の構成を説明するための図（その１）である。 図１におけるレーザ発振装置の構成を説明するための図（その２）である。 励起光学系を説明するための図（その１）である。 励起光学系を説明するための図（その２）である。 半導体レーザ素子を説明するための図である。 励起光学系の４つのレンズの作用を説明するための図（その１）である。 励起光学系の４つのレンズの作用を説明するための図（その２）である。 励起用光源装置の配置に関する比較例を説明するための図である。 受光器の配置に関する比較例を説明するための図である。 受光器の受光面への反射レーザ光の斜入射を説明するための図である。 図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ受光器の受光面を説明するための図である。 図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、それぞれ受光器の受光面の変形例を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１２（Ｂ）に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係るレーザ加工機２０００の概略構成が示されている。

レーザ加工機２０００は、レーザ発振装置１０、光学系１００、被加工物Ｐが載置されるテーブル１５０、テーブル駆動装置１６０、操作パネル１８０及び制御装置２００などを備えている。

なお、以下では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、レーザ発振装置１０から射出されるレーザ光の進行方向を＋Ｚ方向とする。

レーザ発振装置１０は、制御装置２００の指示に基づいて、波長が５３２ｎｍのレーザ光を射出する。このレーザ発振装置１０の詳細については、後述する。

光学系１００は、レーザ発振装置１０から射出されたレーザ光を被加工物Ｐの表面近傍で集光させる。

テーブル駆動装置１６０は、制御装置２００の指示に基づいて、テーブル１５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に沿って移動させる。

操作パネル１８０は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。

制御装置２００は、操作パネル１８０からの各種設定情報に基づいて、レーザ発振装置１０及びテーブル駆動装置１６０を制御する。

ここで、レーザ発振装置１０の詳細について説明する。レーザ発振装置１０は、一例として図２及び図３に示されるように、固体レーザ結晶１１、ヒートシンク１３、波長変換素子１５、ミラー素子１７、励起用光源装置２０、及び受光器４０などを有している。なお、以下では、説明を分かりやすくするため、励起用光源装置２０から固体レーザ結晶１１に向かう方向をａ方向、該ａ方向及びＸ軸方向のいずれにも直交する方向をｂ方向とする。

固体レーザ結晶１１は、Ｎｄ（ネオジム）の濃度が５ａｔ％のＮｄ：ＹＶＯ_４結晶が、いわゆるｃ軸カットされた板状部材である。一例として、この板状部材は、３ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍ（板厚）である。以下では、便宜上、固体レーザ結晶１１の−Ｚ側の面を「Ａ面」と表記し、＋Ｚ側の面を「Ｂ面」と表記する。

固体レーザ結晶１１のＡ面には、波長が８０８ｎｍの光に対して９８．０％以上の反射率を有し、波長が１０６４ｎｍの光に対して９９．０％以上の反射率を有する誘電体多層膜がコーティングされている。

また、固体レーザ結晶１１のＢ面には、波長が８０８ｎｍの光に対して９５．０％以上の透過率を有し、波長が１０６４ｎｍの光に対して９９．０％以上の透過率を有し、波長が５３２ｎｍの光に対して９９．０％以上の反射率を有する誘電体多層膜がコーティングされている。

ヒートシンク１３は、熱伝導率の高い材料で構成され、内部に水路となる空洞を有している。熱伝導率の高い材料として、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ダイヤモンド、及びそれらを組合せたものを用いることができる。

ヒートシンク１３は、固体レーザ結晶１１の−Ｚ側に配置されている。ヒートシンク１３と固体レーザ結晶１１は、ＡｕＳｎはんだなどによって接合されている。そこで、固体レーザ結晶１１で発生した熱は、Ａ面を介してヒートシンク１３に移行することができる。なお、ヒートシンク１３と固体レーザ結晶１１の接合は、これに限定されるものではなく、要するに、固体レーザ結晶１１で発生した熱がヒートシンク１３に移行することができれば良い。

励起用光源装置２０は、一例として図４及び図５に示されるように、半導体レーザ素子２１、励起光学系２２及びホルダ３０を有している。

半導体レーザ素子２１は、シングルエミッタと呼ばれる点光源を基礎ユニットとし、該基礎ユニットが複数個（例えば、１０〜１５個）、Ｘ軸方向に沿って配列されたバータイプの半導体レーザ素子である。すなわち、半導体レーザ素子２１は、一例として図６に示されるように、Ｘ軸方向に沿って配列された複数の発光部を有している。

半導体レーザ素子２１における射出面は、Ｘ軸方向を長手方向、ｂ方向を短手方向とする長方形状を有している。ここでは、一例として、長手方向の長さＬ１は約１１ｍｍであり、短手方向の長さＬ２は約４ｍｍである。なお、射出面の形状は長方形状に限定されるものではない。要するに、長手方向を有し、該長手方向がＸ軸方向と一致していれば良い。

半導体レーザ素子２１は、外部から電力が供給されると、波長が８０８ｎｍのレーザ光（励起用レーザ光）を射出する。半導体レーザ素子２１の出力は４５Ｗである。

図７及び図８に示されるように、励起光学系２２は、第１レンズ２３、第２レンズ２４、第３レンズ２５、及び第４レンズ２６を含んでいる。

第１レンズ２３は、半導体レーザ素子２１の＋ａ側に配置され、半導体レーザ素子２１から射出されたレーザ光をＸ軸に直交する面内で略平行光にする。

第２レンズ２４は、第１レンズ２３の＋ａ側に配置され、第１レンズ２３を介したレーザ光をａＸ面内で略平行光にする。

第３レンズ２５は、第２レンズ２４の＋ａ側に配置され、第２レンズ２４を介したレーザ光をＸ軸に直交する面内で集光する。

第４レンズ２６は、第３レンズ２５の＋ａ側に配置され、第３レンズ２５を介したレーザ光をａＸ面内で集光する。この第４レンズ２６を介した波長が８０８ｎｍのレーザ光が、励起用レーザ光として励起用光源装置２０から固体レーザ結晶１１のＢ面に向けて射出される。なお、固体レーザ結晶１１のＢ面における励起用レーザ光の入射角をθ１（図２参照）とする。

半導体レーザ素子２１と４つのレンズは、所定の位置関係でホルダ３０に保持されている。

ところで、仮に、図９に示されるように、半導体レーザ素子２１における射出面の長手方向がｂ方向と一致するように励起用光源装置２０が配置されていると、レーザ発振装置の大型化を招く。そして、干渉を避けるために固体レーザ結晶１１のＢ面における励起用レーザ光の入射角θ２は、上記θ１よりも大きくなる。

なお、固体レーザ結晶を励起用レーザ光で励起し、特定波長のレーザ光を射出するレーザ発振装置で、高出力化を図るのには、励起用レーザ光の固体レーザ結晶への入射角を小さくすることが好適である。

本実施形態では、半導体レーザ素子２１における射出面の長手方向がＸ軸方向と一致するように励起用光源装置２０が配置されているため、小型化を図るとともに、励起用レーザ光の固体レーザ結晶への入射角を小さくすることができる。

図２に戻り、波長変換素子１５は、固体レーザ結晶１１の＋Ｚ側に配置され、固体レーザ結晶１１から射出されたレーザ光の波長を変換する。

この波長変換素子１５は、３ｍｍ×３ｍｍ×１０ｍｍの四角柱状の部材であり、長手方向がＺ軸方向と一致するように配置されている。

ここでは、波長変換素子１５として、ＬｉＢ_３Ｏ_５結晶、いわゆるＬＢＯ結晶が用いられている。

波長変換素子１５のＺ軸方向に関する両端面には、波長が１０６４ｎｍの光及び波長が５３２ｎｍの光に対して９９．０％以上の透過率を有する誘電体多層膜がコーティングされている。

ミラー素子１７は、波長変換素子１５の＋Ｚ側に配置されている。ミラー素子１７の−Ｚ側の面は曲面であり、＋Ｚ側の面は平面である。ここでは、ミラー素子１７の−Ｚ側の面の曲率半径は、４００ｍｍである。

ミラー素子１７の−Ｚ側の面には、波長が１０６４ｎｍの光に対して９９．５％以上の反射率を有し、波長が５３２ｎｍの光に対して９９．０％以上の透過率を有する誘電体多層膜がコーティングされている。

そこで、固体レーザ結晶１１のＡ面にコーティングされている誘電体多層膜とミラー素子１７の−Ｚ側の面にコーティングされている誘電体多層膜とによって、いわゆる共振器が構成されている。このように、該共振器は、２つの反射面の間に固体レーザ結晶１１を挟んでいる。

ここでは、Ｚ軸方向に関して、固体レーザ結晶１１のＡ面とミラー素子１７の−Ｚ側の面との距離は２５０ｍｍである。すなわち、共振器の長さは２５０ｍｍである。

また、ミラー素子１７の＋Ｚ側の面には、波長が５３２ｎｍの光に対して９９．５％以上の透過率を有する誘電体多層膜がコーティングされている。

励起用光源装置２０から波長が８０８ｎｍの励起用レーザ光が射出されると、該励起用レーザ光は固体レーザ結晶１１に吸収される。そして、該吸収によって固体レーザ結晶１１は発光し、上記共振器によって波長が１０６４ｎｍのレーザ光が共振される。ここでは、共振器によって共振される波長が１０６４ｎｍのレーザ光が「共振レーザ光」である。

波長変換素子１５は、波長が１０６４ｎｍのレーザ光を波長が５３２ｎｍのレーザ光に変換する。波長変換素子１５から射出された波長が５３２ｎｍのレーザ光は、ミラー素子１７を透過し、レーザ発振装置１０から外部に射出される。以下では、ミラー素子１７を透過したレーザ光を「発振レーザ光」ともいう。

本実施形態では、励起用レーザ光の固体レーザ結晶への入射角を小さくすることができるため、高出力の発振レーザ光を得ることができる。

換言すれば、発振レーザ光のビーム品質を低下させることなく、小型化を図ることができる。

ところで、固体レーザ結晶に励起用レーザ光を斜入射させると、固体レーザ結晶に吸収されなかった励起用レーザ光が入射角と同じ大きさの反射角で反射される。例えば、Ｎｄ（ネオジム）の濃度が５ａｔ％のＮｄ：ＹＶＯ_４結晶で、板厚が０．５ｍｍの場合、固体レーザ結晶に入射された励起用レーザ光の約６０％が吸収されずに反射される。固体レーザ結晶に吸収されなかった励起用レーザ光は、レーザ発振に対する影響は少ないが、該励起用レーザ光が照射された光学部材は、照射された部分の温度が上昇し、寸法変化や変形等の何らかの不都合を引き起こすおそれがある。

上記温度上昇を抑制する方法として、ファンなど利用した空冷方式と冷却水を用いた水冷方式とが考えられる。空冷方式の場合は、発生する熱を処理しきれないため、高出力の励起用レーザ光には対応できない、あるいは対応できても、大型化していた。水冷方式の場合は、高出力の励起用レーザ光に対応できるが、サイズの大きいものが多く、その機構上、高価な構成であることがほとんどであった。

本実施形態では、固体レーザ結晶１１で反射された励起用レーザ光を吸収する受光器４０が設けられている。以下では、便宜上、固体レーザ結晶１１で反射された励起用レーザ光を、「反射レーザ光」と略述する。ところで、反射レーザ光を受け止める従来の装置は、レーザ光減衰装置、ダンパー、ストッパなどと呼ばれていた。

この受光器４０は、−Ｙ側の面が受光面であり、該受光面がＸＺ面に平行となるように配置されている。従来は、反射レーザ光を効率的に受光するため、受光面に直交する方向から反射レーザ光が受光面に入射するように受光器を配置していた（図１０参照）。しかしながら、この場合は、他の光学部材との干渉を避けるため、固体レーザ結晶１１に対する励起用レーザ光の入射角を大きくするなど、レーザ発振装置の大型化を招来していた。

本実施形態では、一例として図１１に示されるように、反射レーザ光が受光器４０の受光面に斜入射されるように受光器４０が配置されている。そして、受光器４０の受光面には、一例として図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示されるように、Ｘ軸方向に延びる複数の溝が形成されている。この場合は、反射レーザ光が受光面に斜入射されても、反射レーザ光を効率的に受光することができる。そして、受光面がＸＺ面に平行となるように受光器４０を配置することができるため、固体レーザ結晶１１に対する励起用レーザ光の入射角を大きくする必要がない。そこで、本実施形態では、レーザ発振装置の小型化を図ることができる。

受光器４０は、アルミニウム製の部材であり、表面に反射防止のつや消し黒塗装、あるいはサテン処理＋アルマイト処理がなされている。また、反射レーザ光の波長が近赤外のときは、カニブラック（登録商標）などの無電解黒色めっき処理を行っても良い。要するに、反射レーザ光を効率的に吸収し、熱的に安定した表面状態が得られる処理であれば良い。なお、受光器４０の材質は、アルミニウムに限定されるものではなく、例えば、アルミニウム合金、銅、銅合金など熱伝導率が大きく、加工が容易なものであれば良い。

また、受光器４０には、冷却水の流路となる貫通孔が設けられている。すなわち、受光器４０は、受光部と冷却部とが一体化されている。この場合は、製造コストを低減することができる。

受光器４０の貫通孔は、冷却水の供給源とパイプ等で繋がっており、該パイプ等の途中に電磁弁が設けられている。制御装置２００は、レーザ発振装置１０が稼働を開始すると、電磁弁を開状態にし、受光器４０の貫通孔への冷却水の供給を開始する。そして、レーザ発振装置１０が稼働を終了すると、制御装置２００は、電磁弁を閉状態にし、受光器４０の貫通孔への冷却水の供給を停止する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係るレーザ加工機２０００では、テーブル駆動装置１６０と制御装置２００とによって、本発明のレーザ加工機における駆動機構が構成されている。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ発振装置１０によると、固体レーザ結晶１１、ヒートシンク１３、波長変換素子１５、ミラー素子１７、励起用光源装置２０、及び受光器４０などを有している。

励起用光源装置２０は、バータイプの半導体レーザ素子２１、励起光学系２２、及びホルダ３０を有している。

そして、半導体レーザ素子２１は、射出面の長手方向が、励起光学系２２の光軸と共振器における共振レーザ光の光路とが含まれる仮想面（ここでは、ＹＺ面）に直交するように配置されている。

この場合は、固体レーザ結晶１１に対する励起用レーザ光の入射角を小さくすることができるとともに、レーザ発振装置１０の小型化を図ることができる。

また、反射レーザ光を吸収する受光器４０は、受光面が共振器における共振レーザ光の光路に対して平行となるように配置されている。そして、受光面には、共振器における共振レーザ光の光路に直交する方向（ここでは、Ｘ軸方向）に延びる複数の溝が設けられている。この場合は、反射レーザ光が受光面に斜入射されても、反射レーザ光を効率的に受光することができる。また、小さなスペースであっても所望の位置に受光器を配置することができる。そこで、レーザ発振装置の小型化を更に図ることができる。

また、受光面に複数の溝が設けられているため、受光面の表面積が大きくなり、冷却効率を向上させることができる。

また、受光器４０は、冷却水の流路となる貫通孔が設けられているため、励起用光源装置が高出力タイプであっても、受光器４０の温度上昇を抑えることができる。

そして、レーザ加工機２０００は、レーザ発振装置１０を備えているため、その結果として、加工効率を低下させることなく、小型化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、半導体レーザ素子２１は、射出面の長手方向が、励起光学系２２の光軸と共振器における共振レーザ光の光路とが含まれる仮想面（ここでは、ＹＺ面）に直交するように配置されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。射出面の長手方向が、上記仮想面に交差するように半導体レーザ素子２１が配置されていれば良い。この場合であっても、射出面の長手方向が、上記仮想面に平行となるように半導体レーザ素子２１が配置されている場合よりも、レーザ発振装置の小型化を図ることができる。

また、上記実施形態では、受光器が反射レーザ光を吸収する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、反射レーザ光を散乱させても良いし、反射レーザ光の一部を吸収し、残りを散乱させても良い。

また、上記実施形態では、受光器における受光面に複数の溝が設けられている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、受光面に凹凸が設けられていれば良い。例えば、図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示されるように、受光面に複数の柱状突起が設けられていても良い。この場合は、反射レーザ光を一様に吸収することができる。また、複数の溝が設けられている場合は、溝の方向がＸ軸方向と一致するように取り付ける必要があるが、複数の柱状突起が設けられている場合は、Ｙ軸まわりの姿勢について、有る程度ラフに取り付けることができる。

また、上記実施形態では、レーザ発振装置の励起光学系が４つのレンズで構成される場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、半導体レーザ素子からの励起用レーザ光を固体レーザ結晶に集光できれば良い。

また、上記実施形態では、発振レーザ光の波長が５３２ｎｍの場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、レーザ加工機が１つのレーザ発振装置を有している場合について説明したが、これに限定されるものではなく、レーザ加工機が複数のレーザ発振装置を有しても良い。

また、上記実施形態では、レーザ光の照射位置を固定し、被加工物を移動させながら加工を行うレーザ加工機について説明したが、これに限定されるものではなく、被加工物を固定し、レーザ光の照射位置を移動させながら加工を行うレーザ加工機であっても良い。

また、レーザ発振装置１０は、レーザ加工機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。この場合であっても、装置の小型化を図ることができる。

１０…レーザ発振装置、１１…固体レーザ結晶、１３…ヒートシンク、１５…波長変換素子、１７…ミラー素子（共振器の一部）、２０…励起用光源装置、２１…半導体レーザ素子、２２…励起光学系（光学系）、２３…第１レンズ、２４…第２レンズ、２５…第３レンズ、２６…第４レンズ、３０…ホルダ、４０…受光器、１００…光学系、１５０…テーブル、１６０…テーブル駆動装置、１８０…操作パネル、２００…制御装置、２０００…レーザ加工機、Ｐ…被加工物。

特開平１１−１７７１６７号公報 特開２００６−１６５２９２号公報

Claims (9)

1. 固体レーザ結晶と、
   ２つの反射面の間に前記固体レーザ結晶を挟む共振器と、
   前記固体レーザ結晶の励起用レーザ光を射出する半導体レーザと、
   前記半導体レーザからの前記励起用レーザ光を集光する光学系とを備え、
   前記半導体レーザは、射出面の長手方向が、前記光学系の光軸と前記共振器における共振レーザ光の光路とが含まれる仮想面に交差するように配置されているレーザ発振装置。
2. 前記射出面の長手方向は、前記仮想面に直交することを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
3. 前記固体レーザ結晶で反射された前記励起用レーザ光を吸収する、あるいは散乱させる受光器を備え、
   前記受光器は、その受光面に前記励起用レーザ光が斜入射するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ発振装置。
4. 前記受光器は、前記受光面が前記共振器における共振レーザ光の光路に対して平行となるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ発振装置。
5. 前記受光面は、凹凸を有していることを特徴とする請求項３又は４に記載のレーザ発振装置。
6. 前記受光面は、前記共振器における共振レーザ光の光路に直交する方向に延びる複数の溝を有していることを特徴とする請求項５に記載のレーザ発振装置。
7. 前記受光面は、複数の柱状突起を有していることを特徴とする請求項５に記載のレーザ発振装置。
8. 前記受光器は、冷却水の流路となる貫通孔を有することを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載のレーザ発振装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ発振装置と、
   被加工物が載置されるテーブルと、
   前記テーブルを少なくとも互いに直交する２軸方向に移動させる駆動機構と、
   前記レーザ発振装置からのレーザ光を集光するとともに、前記テーブル上の前記被加工物に照射する光学系とを備えるレーザ加工機。

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