JP2014504956A - レーザマイクロマシニングシステムにおける戻り反射の低減 - Google Patents

Abstract

システム及び方法は、レーザ加工システムにおける戻り反射を低減又は防止する。システムは、入射レーザビームを生成するレーザ源と、入射レーザビームをビーム経路に沿ってワーク表面に向けて方向付けるレーザビーム出力部と、空間フィルタとを含んでいる。さらに、このシステムは、空間フィルタを通って受けた入射レーザビームの直径を拡大するビーム拡大器と、拡大された入射レーザビームの焦点をワーク表面上の目標位置に合わせる走査レンズとを含んでいる。ワーク表面からの反射レーザビームは、走査レンズを通ってビーム拡大器に戻り、ビーム拡大器は、反射ビームの直径を減少させるとともに、反射レーザビームの発散角を増加させる。空間フィルタは、発散する反射レーザビームの一部分がアパーチャを通過してレーザビーム出力部に戻るのを阻止する。
【選択図】図１０Ａ

Description

本開示は、レーザを用いて材料を加工することに関するものである。特に、本開示は、レーザビームの戻り反射の低減に関するものである。

一般に、特定のレーザは、ワーク表面からレーザに反射して戻るレーザビームからの光フィードバックに影響を受けやすい。レーザの戻り反射は、レーザの不安定性を招き、あるいは特定の種類のレーザに損傷を引き起こすことがある。例えば、ファイバレーザは、典型的には、ワーク表面からの戻り反射の影響を非常に受けやすい。そのような反射が適切に阻止されない場合、例えば、そのような反射が出力ファイバに再結合する戻り経路が存在する場合には、出力ファイバ及び利得ファイバの両方が損傷する可能性がある。さらに、シードレーザは、高出力の主発振器ファイバ増幅装置内で、シードレーザに戻る途中で増幅される反射光により損傷を受ける可能性がある。したがって、レーザマイクロマシニングシステムなどの多くのレーザ加工システムでは、そのような戻り反射が出力ファイバへ戻る経路に至ることを防止することが望ましい。

レーザ加工システムにおける戻り反射の低減又は回避のための１つの解決法は、例えば、米国ミシガン州トラバース・シティのElectro-Optics Technology社によって製造されたアイソレータのようなファラデーアイソレータを使用することである。ファラデーアイソレータを、レーザ源又は出力ファイバの後のビーム経路に設置することにより、戻り反射がレーザ源又は出力ファイバに戻る前に自由空間内で阻止される。

例えば、図１Ａは、レーザ源１０２と、アイソレータ１０４と、ビーム送出サブシステム１０６と、走査ヘッド１０８とを含む、典型的なレーザシステム１０１のブロック図である。レーザ源１０２は、アイソレータ１０４により受け取られるレーザビーム１０３を出力する。アイソレータ１０４は、レーザビーム１０３を（例えば矢印により表示されるように）一方向だけに伝搬させ、ビーム送出サブシステム１０６及び走査ヘッド１０８を介してワーク表面１２２上の所望の位置に照射する。このように、アイソレータ１０４は、ワーク表面１２２から走査ヘッド１０８及びビーム送出サブシステム１０６を通ってくる戻り反射を阻止し、戻り反射がレーザ源１０２に到達するのを防止する。

直線偏向レーザシステムでは、アイソレータ１０４は、入力偏向子（図示せず）と、ファラデー回転子（図示せず）と、出力偏向子（図示せず）とを含む偏向依存型アイソレータである場合がある。アイソレータ１０４はレーザ源１０２の後に示されているが、アイソレータ１０４は、走査ヘッド１０８内又は（例えば、ガルバノメーターやステアリングミラー、レンズ、他の光学素子を含み得る）ビーム送出サブシステム１０６内など、ビーム経路に沿った他の位置に配置されていてもよい。

ランダム偏向レーザシステムでは、偏向独立型光アイソレータを、戻り反射の防止又は低減に使用してもよい。例えば、図１Ｂは、出力ファイバ１１０と、コリメータアセンブリ１１２と、ファラデーアイソレータ１１４と、集束レンズ１１６とを含む、典型的なファイバレーザ加工システム１００のブロック図である。出力ファイバ１１０は、レーザ源（図示せず）からの発散レーザビーム１１８をコリメータアセンブリ１１２の方向に向ける。コリメータアセンブリ１１２は、発散レーザビーム１１８をコリメートして平行化されたレーザビーム１２０をファラデーアイソレータ１１４に供給する。

ファラデーアイソレータ１１４は一方向だけに光を透過させる。コリメートされたレーザビーム１２０は、ファラデーアイソレータ１１４を通って集束レンズ１１６に至り、集束レンズ１１６はビームの焦点をワーク表面１２２に合わせる。入射レーザビームの経路は、ワーク表面１２２に垂直であるため、反射レーザビーム１２３（点線で示す）は、入射レーザビーム１２０と同じ経路に沿って反対の方向に進み、集束レンズ１１６を通ってファラデーアイソレータ１１４に至る。しかしながら、ファラデーアイソレータ１１４は、出力ファイバ１１０へ戻る逆方向の経路に沿って反射レーザビームが進み続けるのを防止する。

出力ファイバ１１０を出射したレーザビーム１１８が、（よくあるように）ランダムに偏向される場合には、ファラデーアイソレータ１１４は、偏向の影響を受けないように構成される。図１Ｂに示すように、例えば、偏向無影響ファラデーアイソレータ１１４は、入力複屈折くさび１２４と、ファラデー回転子１２６と、出力複屈折くさび１２８とを含んでいてもよい。そのようなアイソレータは市販されているが、通常それらは（特に高パワービームとともに使用されるように構成される場合には）非常に大きく、高価で、かつシステム位置合わせを複雑にさせる。高パワーの適用分野では、光アイソレータも熱レンズ効果の影響を受ける。

戻り反射を低減又は回避する他の手法は、ワーク表面１２２に対してビーム送出サブシステム全体を「傾けて」、ワーク表面に当たるビームの入射角が９０度にならないようにすることである。例えば、図２は、入射レーザビーム１２０の経路がワーク表面１２２に直交しないように傾けられたビーム送出サブシステム（例えば出力ファイバ１１０とコリメータアセンブリ１１２と集束レンズ１１６）を有する、他の典型的なファイバレーザ加工システム２００のブロック図である。

ビーム送出サブシステムを傾けた結果として、ワーク表面１２２からの反射レーザビーム１２３は、入射レーザビーム１２０の経路から角度的に分離される。反射レーザビーム１２３の一部分２１０は、集束レンズ１１６を通って出力ファイバ１１０へ戻る可能性がある。しかしながら、入射レーザビーム１２０の経路と反射レーザビーム１２３との間の角度的な分離は、空間分離に相当し、この空間分離は、続いて、戻り反射ビーム１２３が出力ファイバ１１０に結合するのを実質的に防止する。入射レーザビーム１２０の経路と反射レーザビーム１２３との間の空間分離量は、ビーム送出サブシステムの集束レンズ１１６の焦点距離と（ワーク表面１２２に対する）角度傾斜に比例する。このように、焦点距離、角度的傾斜、又は焦点距離と角度的傾斜の両方を増加させることで空間分離量を増加させることができる。

以下に述べるように、ワーク表面１２２に対してビーム送出サブシステム全体を傾斜させることにより戻り反射が低減されるが、これによりワーク表面１２２に対する焦点面も傾斜する。このため、ワーク表面１２２でのスポットサイズ及びフルエンスにばらつきが生じる。これらのばらつきにより加工の精度が低下する。

開示されたシステム及び方法は、レーザ加工システムにおける戻り反射を低減又は防止する。一実施形態では、システムは、入射レーザビームを生成するレーザ源と、入射レーザビームをビーム経路に沿ってワーク表面に向けて方向付けるレーザビーム出力部と、空間フィルタとを含んでいる。さらに、このシステムは、空間フィルタを通って受けた入射レーザビームの直径を拡大するビーム拡大器と、拡大された入射レーザビームの焦点をワーク表面上の目標位置に合わせる走査レンズとを含んでいる。ワーク表面からの反射レーザビームは、走査レンズを通ってビーム拡大器に戻り、ビーム拡大器は、反射ビームの直径を減少させるとともに、反射レーザビームの発散角を増加させる。空間フィルタは、発散する反射レーザビームの一部分がアパーチャを通過してレーザビーム出力部に戻るのを阻止する。

加えて、あるいは他の実施形態においては、システムは、入射レーザビームをビーム経路に沿った内部焦点位置に集束させる集束光学系をさらに備えていてもよい。空間フィルタのアパーチャは焦点位置に位置する。集束光学系はケプラー望遠鏡であってもよい。

加えて、あるいは他の実施形態においては、システムはｆθレンズを含んでもよい。ｆθレンズの走査範囲の中央部分は、目標位置でワーク表面をレーザ加工するために使用されない、所定サイズの不感帯（dead zone）として規定されていてもよい。

加えて、あるいは他の実施形態においては、システムは、レーザビーム出力部と走査レンズとの間に配置され、ｆθレンズを横断して入射レーザビームを走査する２次ビームポジショナを含んでいてもよい。２次ビームポジショナは、ｆθレンズに対して入射レーザビームの経路を第１の位置から第２の位置に変更してもよい。また、２次ビームポジショナは、不感帯を回避するようにｆθレンズでの入射レーザビームの走査角を制御してもよい。

他の実施形態では、レーザで入射レーザビームを生成し、入射レーザビームをビーム経路に沿ってワーク表面に向けて伝搬させ、ビーム経路に沿って入射レーザビームを第１の直径から第２の直径に拡大して、ワーク表面でスポットサイズより小さくすることを可能にする。この拡大により入射レーザビームの発散が減少される。さらに、この方法では、ビーム経路に沿って反対の方向にワーク表面から反射レーザビームを受け、反射レーザビームのサイズを第２の直径から第１の直径に減少させる。この減少により反射レーザビームの発散角及びポインティング角が増加する。さらに、この方法では、発散する反射レーザビームを空間フィルタリングして該発散する反射レーザビームの少なくとも一部分がレーザに戻るのを阻止する。

さらなる態様及び利点は、添付図面を参照して述べられる以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

本開示の様々な実施形態を含み、限定を意図せずすべてを網羅しているものでもない実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１Ａは、典型的なレーザシステムのブロック図である。 図１Ｂは、戻り反射を低減するファラデーアイソレータを含む、典型的なファイバレーザ加工システムのブロック図である。 図２は、戻り反射を低減するように傾けられたビーム送出サブシステムを有する、他の典型的なファイバレーザ加工システムのブロック図である。 図３は、一実施形態における、戻り反射を低減又は実質的に防止するレーザ加工システムのブロック図である。 図４は、一実施形態における、入射レーザビームの伝搬を可能にし、反射レーザビームの伝搬を阻止するアパーチャを含むレーザ加工システムのブロック図である。 図５は、一実施形態における、集束レンズを横断して入射レーザビームを走査する２次ビームポジショナを含むレーザ加工システムのブロック図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、ある実施形態における、２次ビームポジショナを使用するときの焦点面を比較するそれぞれのレーザ加工システムのブロック図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、ある実施形態における、２次ビームポジショナを使用するときの焦点面を比較するそれぞれのレーザ加工システムのブロック図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、ある実施形態における、戻り反射を低減又は実質的に防止するためのケプラー望遠鏡を含むレーザ加工システムのブロック図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、ある実施形態における、戻り反射を低減又は実質的に防止するためのケプラー望遠鏡を含むレーザ加工システムのブロック図である。 図８は、ある実施形態において使用されるｆθレンズのブロック図である。 図９は、一実施形態における、図８に示すｆθレンズの走査範囲を模式的示すものである。 図１０Ａ及び図１０Ｂは、ある実施形態における、戻り反射を低減又は回避するために空間フィルタとともに使用されるビーム拡大器を含むレーザ加工システムのブロック図である。 図１０Ａ及び図１０Ｂは、ある実施形態における、戻り反射を低減又は回避するために空間フィルタとともに使用されるビーム拡大器を含むレーザ加工システムのブロック図である。

好ましい実施形態の詳細な説明

本明細書に述べられている種々のシステム及び方法は、大きいアイソレータ及び／又は高価なアイソレータを使用することなく、戻り反射がレーザ加工システムの出力ファイバに結合することを低減又は防止する。一実施形態において、集束レンズは、ワーク表面への入射ビームに対して垂直ではない「迎え角」を与えるように、ビーム経路内のビーム伝搬軸からオフセットした位置に置かれる。これにより、ワーク表面に対してビーム送出サブシステム全体を傾けることなく、入射ビーム経路と反射ビーム経路とを空間分離させることができる。一実施形態では、戻り反射レーザビームが出力ファイバに到達するのをアパーチャがさらに阻止する。加えて、あるいは他の実施形態においては、２次ビームポジショナが、集束レンズの主光学軸からのオフセット位置にある集束レンズを横断して入射レーザビームを走査して、走査焦点面がワーク表面に対して実質的に平行になるようにしている。

本明細書に開示されている他の実施形態は、低コストの構成で戻り反射を効果的に低減する。これらの実施形態では、内部焦点位置に空間フィルタを有するケプラー望遠鏡を用いること、ｆθレンズの走査範囲の所定の部分を用いること、空間フィルタを有するビーム拡大器を用いること、これらの組み合わせを用いることの少なくとも１つを行う。システム構成と加工される部品の表面品質によっては、これらの実施形態によって戻り反射の問題を効果的に低減又は防止することができる。

次に図面を参照する。図面においては、類似の参照番号が類似の要素を意味する。以下の説明においては、本明細書に述べられた実施形態を十分に理解できるように、多数の具体的な詳細が示されている。しかしながら、１つ以上の具体的な詳細がなくても、あるいは他の方法や要素、材料を用いても実施形態を実施できることは、当業者であれば理解できるであろう。さらに、場合によっては、本実施形態の態様が曖昧になることを避けるために、公知の構造、材料、又は動作については示されておらず、述べられていない。さらに、１以上の実施形態においては、本明細書で述べられた特徴や構造、特性を適切に組み合わせることができる。

図３は、一実施形態における、戻り反射を低減又は実質的に防止するレーザ加工システム３００のブロック図である。システム３００は、９０度以外の角度３０８で入射レーザビーム１２０をワーク表面１２２上に照射することにより、入射レーザビーム１２０の経路と（点線で示される）反射レーザビーム１２３の経路との間に空間分離を形成している。しかしながら、図２に関して述べたビーム送出アセンブリを傾けることによっては、このように入射ビームの「迎え角」３０８を変えることはできない。

システム３００は、出力ファイバ１１０を有するファイバレーザ源（図示せず）を含んでいる。本明細書に述べられる例においては、戻り反射の影響を受けやすいため、ファイバ型レーザが述べられている。しかしながら、他の種類のレーザも戻り反射の影響を受けやすく、任意の種類のレーザ源を用いることができることは、当業者であれば本明細書における開示から理解するであろう。したがって、他の種類のレーザが、本明細書に述べられた出力ファイバ１１０以外のレーザビーム出力部を有していてもよい。実際には、レーザビーム出力部は、ビームの焦点がワーク表面１２２に合わされる前にレーザビームの経路を案内するために使用される種々の光学要素の組み合わせを含み得る。

図３に示すシステム３００は、コリメータアセンブリ１１２と集束レンズ１１６とをさらに含んでいる。出力ファイバ１１０は、発散レーザビーム１１８をコリメータアセンブリ１１２に向ける。コリメータアセンブリ１１２は、集束レンズ１１６上の入射レーザビーム１２０が実質的に平行化されるように発散レーザビーム１１８をコリメートする。集束レンズ１１６は収束レンズであり、実質的にその主光学軸３１０に関して対称である。集束レンズ１１６の主光学軸３１０は、ワーク表面１２２に対して実質的に垂直である。

入射レーザビーム１２０は、第１の伝搬軸３１２に沿ってコリメータアセンブリ１１２から集束レンズ１１６に伝搬する。第１の伝搬軸３１２は、集束レンズ１１６の主光学軸３１０に対して実質的に平行である。しかしながら、入射レーザビーム１２０の第１の伝搬軸３１２と集束レンズ１１６の主光学軸３１０との間にはオフセット３１４がある。すなわち、（コリメートされた）入射レーザビーム１２０は、（図１Ｂ及び図２に示す標準的なレイアウトのように）レンズ１１６の中心で集束レンズ１１６に当たらない。入射レーザビーム１２０は、レンズ１１６の中心からオフセット３１４の位置で集束レンズ１１６に当たる。一実施形態においては、オフセット３１４の量は、平行化された入射レーザビーム１２０の直径の約半分以上である。後述するように、そのようなオフセット３１４の量により、反射レーザビーム１２３と入射レーザビーム１２０とが重なることを低減もしくは防止することができる。

集束レンズ１１６は、ワーク表面１２２上の集束スポット直径に入射レーザビーム１２０を収束する。入射レーザビーム１２０の第１の伝搬軸３１２と集束レンズ１１６の主光学軸３１０と間のオフセット３１４による非対称的な配置の結果として、集束レンズ１１６は、入射レーザビーム１２０を集束レンズ１１６の主光学軸３１０に向けて「傾け」ることになる。このように、集束レンズ１１６は、入射レーザビームの経路を第１の伝搬軸３１２から、垂直ではない迎え角３０８でワーク表面１２２と交差する第２の伝搬軸３１６に変更する。

オフセット３１４を用いて入射レーザビーム１２０を傾けた結果として、反射レーザビーム１２３の経路は、入射レーザビーム１２０の経路から角度的に分離される。このように、集束レンズ１１６を通って戻った後、反射レーザビーム１２３は、入射レーザビーム１２０の第１の伝搬軸３１２から空間的に分離された第３の伝搬軸３１８に沿って進む。ある実施形態においては、入射レーザビーム１２０に対応する第１の伝搬軸３１２と、反射レーザビーム１２３に対応する第３の伝搬軸３１８との間のオフセット３２０は、反射レーザビーム１２３が入射レーザビーム１２０と重ならないように構成される。このように、反射レーザビーム１２３のすべての部分あるいは少なくとも相当な部分が、コリメータアセンブリ１１２を通らず出力ファイバ１１０に戻らない。

図３に示すように、反射レーザビーム１２３のわずかな一部３２２が出力ファイバ１１０に再結合することも考えられる。実施形態によっては、これは望ましいことではない。このように、そのような実施形態においては、出力ファイバ１１０とワーク表面１２２との間のどこかにビームストッパを配置して、反射レーザビーム１２３の残りの部分３２２が出力ファイバ１１０に戻るのを防止する。

他の装置をビームストッパとして用いてもよい。例えば、図４は、一実施形態における、入射レーザビーム１２０の伝搬を可能にし、反射レーザビーム１２３の伝搬を阻止するアパーチャ４１０を含むレーザ加工システム４００のブロック図である。アパーチャ４１０は、入射レーザビーム１２０の第１の伝搬軸を実質的に中心とする開口を有している。一実施形態では、アパーチャ４１０は、入射レーザビーム１２０がコリメータアセンブリ１１２から集束レンズ１１６に向かって通過できるように、（コリメートされた）入射レーザビーム１２０の直径より大きいか、実質的に同じである。

一実施形態では、システム４００は、入射レーザビーム１２０の経路と反射レーザビーム１２３の経路との間の空間分離３２０（集束レンズ１１６の焦点距離及び入射レーザビーム１２０の第１の伝搬軸３１２と集束レンズ１１６の主光学軸３１０との間のオフセット３１４の量により決まる）が、コリメートされた入射レーザビーム１２０の直径の約１．５倍から約２．０倍の範囲にあるように構成される。このように、入射レーザビーム１２０の開口直径と同等の開口直径を有するようにアパーチャ４１０を選択することにより、相当量の戻り反射が出力ファイバ１１０に伝搬する可能性が実質的に低減される。

加えて、あるいは他の実施形態においては、集束レンズ１１６及び／又はビームストッパ（例えば図４に示すアパーチャ４１０）は、ビームストッパと集束レンズ１１６との間の位置に挿入される２次ビームポジショナと組み合わされる。例えば、図５は、一実施形態における、集束レンズ１１６を横断して入射レーザビーム１２０を走査する２次ビームポジショナ５１０を含むレーザ加工システム５００のブロック図である。２次ビームポジショナ５１０は、（例えば、アパーチャ４１０の開口を通過した後に）コリメートされた入射レーザビーム１２０を受け、レンズの主光学軸３１０からオフセットの位置で集束レンズ１１６に沿うように入射レーザビーム１２０の経路を案内する。

図５に示すように、一実施形態においては、２次位置決めシステム５１０は、入射レーザビーム１２０を２つの方向に案内するように構成される。第１のガルバノメーター５１２は、入射レーザビーム１２０を第１の方向に案内するように第１のミラー５１４を調整し、第２のガルバノメーター５１６は、入射レーザビーム１２０を第２の方向に案内するように第２のミラー５１８を調整する。２次ビームポジショナの他の構成も使用可能であることは、当業者であれば本明細書の開示から理解できるであろう。図５には示されていないが、ある実施形態では、２次ビームポジショナ５１０は、ガルバノメーター５１２，５１６の位置を制御するためのコンピュータ読取可能な媒体に記録された指令を実行するためのプロセッサを有するコントローラを含んでもよい。

図５、図６Ａ、及び図６Ｂは、図２に示す標準的な「傾斜ビーム送出アセンブリ」の手法と比較した、本明細書に開示される実施形態の利点の１つを示すものである。すなわち、開示された実施形態では、２次ビームポジショナ５１０が集束レンズ１１６の表面を横断して入射レーザビーム１２０を走査しても、集束レンズ１１６からワーク表面１２２上の照射点までのビーム経路長は実質的に一定のままである。図５を参照すると、２次ビームポジショナ５１０が、集束レンズ１１６に対して入射レーザビーム１２０の経路を第１の位置５２０から第２の位置５２２に変更しても、第１の位置５２０からワーク表面１２２に至るビーム経路５２４の長さは、第２の位置５２２からワーク表面１２２に至るビーム経路５２６の長さと実質的に同一のままである。この例では、第１のミラー５１４から第２のミラー５１８に向かい、集束レンズ１１６上の第２の位置５２２を通ってワーク表面１２２に至る入射レーザビーム１２０の経路が点線で示されている。

図６Ａ及び６Ｂは、ある実施形態における、２次ビームポジショナ５１０を使用するときの焦点面を比較するそれぞれのレーザ加工システムのブロック図である。図６Ａには、傾斜ビーム送出サブシステムを有するシステム６００で使用されるビームポジショナ５１０を示すものである。図６Ａに示す実施形態では、集束レンズ１１６の主光学軸３１０は、ワーク表面１２２に対して垂直ではない。したがって、２次ビームポジショナ５１０が、主光学軸３１０及び他の点を通るように集束レンズ１１６に沿って入射レーザビーム１２０を走査すると、焦点面６１０が変化する。図６Ａに示す焦点面６１０は、集束レンズ１１６の「傾斜した」主光学軸３１０に対して実質的に垂直である。結果として生じるワーク表面のスポットサイズ及びフルエンスのばらつきにより加工性能が悪化する。

本明細書で開示される実施形態により、この問題を低減ないし回避することができる。例えば、図６Ｂは、図５に示すシステム５００を簡略化したものを示している。図６Ｂにおいては、集束レンズ１１６の主光学軸３１０は、ワーク表面１２２に対して実質的に垂直である。したがって、２次ビームポジショナ５１０が、１つ以上のオフセット点で集束レンズ１１６に沿って入射レーザビーム１２０を走査しても、焦点面６１２はワーク表面１２２に対して実質的に平行のままである。

上述した実施形態は、偏向無影響ファラデーアイソレータ１１４（図１Ｂ参照）をビーム経路に挿入する標準的な手法に比べて、ずっと簡単で安価に実施することができる。また、上記実施形態は、集束レンズ１１６の表面を横断して入射レーザビーム１２０を走査する２次ビームポジショナ５１０が存在しても、集束レンズ１１６からワーク表面１２２に至るビーム経路長を一定にすることができるので、ビーム送出アセンブリ傾斜手法（図２参照）よりも優れている。

図３、図４、図５、及び図６Ｂで示される実施形態は、レーザビーム１２０が集束レンズ１１６の主光学軸３１０に対して平行な場合に容易に実施することができる。集束されたレーザビーム１２０をワーク表面１２２上の所望の目標位置に正確に方向付けるのはより難しくなるかもしれないが、図６Ｂに偏向されたレーザビーム１２０'が点線で示されているように、２次ビームポジショナ５１０は、集束レンズ１１６の主光学軸３１０に対してより大きい角度でレーザビーム１２０を偏向させる。すなわち、図３、図４、図５、及び図６Ｂで示す実施形態は、集束レンズ１１６の走査範囲が小さいときの方が、走査範囲が比較的大きいときよりも容易に実施することができるかもしれない。以下に述べる実施形態は、比較的大きい走査範囲に対して戻り反射を低減又は防止することに対して、図３、図４、図５、及び図６Ｂで示す形態と比較すると、より簡単に実施することができる。

図７Ａ及び図７Ｂは、ある実施形態における、戻り反射を低減又は実質的に防止するためのケプラー望遠鏡７００を含むレーザ加工システムのブロック図である。図７Ａ及び図７Ｂにおいては、便宜的に、レーザ出力部７１２から（例えば、図３の出力ファイバ１１０及び／又はコリメータアセンブリ１１２から）のレーザビーム７１０が実線で示され、ワーク表面（例えば、図３のワーク表面１２２）から走査ヘッド７１６を通って（例えば、より大きな角度で）戻る散乱又は反射レーザビーム７１４が点線で示されている。図示はされていないが、反射の一部が、レーザビーム７１０の軸に沿って（例えば、より小さな角度で）直接戻ることも、当業者であれば本明細書の開示から理解できるであろう。

ケプラー望遠鏡７００は、第１のレンズ７１８と第２のレンズ７２０とを含む。例えば、レンズ７１８，７２０はそれぞれ一重形態の平凸レンズであってもよい。第１のレンズ７１８は、レーザ出力部７１２から受けた、コリメートされたレーザビーム７１０を内部焦点位置７２２で集束させる。第２のレンズ７２０は、レーザビーム７１０を再びコリメートして走査ヘッド７１６に供給する。反射レーザビーム７１４が走査ヘッド７１６を通って戻るときに第２のレンズ７２０も反射レーザビーム７１４を受けてこれを内部焦点位置７２２で集束させる。図７Ａでは、反射レーザビーム７１４は、第１のレンズ７１８を通ってレーザ出力部７１２に戻っている。しかしながら、図７Ｂに示す実施形態は、ケプラー望遠鏡７００の内部焦点位置７２２に配置された空間フィルタ７２４を含んでおり、（例えば、より大きい角度の）反射レーザビーム７１４の相当な部分を阻止する。

一実施形態では、空間フィルタ７２４は、ピンホールアパーチャでもよい。他の実施形態では、空間フィルタ７２４は、より大きな角度の反射レーザビーム７１４を捕捉できるように構成された円錐形フィルタあるいは他の装置であってもよい。ある実施形態では、より大きな角度の反射レーザビーム７１４のパワーレベルによっては、空間フィルタ７２４を水冷することもできる。（例えばレーザ出力部７１２での）レーザビーム７１０の入力直径とケプラー望遠鏡７００のｆ１により空間フィルタ７２４のアパーチャ直径を決めてもよい。ここで、ｆ１は第１のレンズ７１８の焦点距離である。ワーク表面の平面度によるわずかな角度の変化やワーク表面の粗さによる散乱が生じた反射レーザビーム７１４は、空間フィルタ７２４により阻止される。例えば、レーザ出力部７１２からのレーザビーム７１０が、約２ｍｍでｆ１＝ｆ２＝２００ｍｍ（ｆ２は第２のレンズ７２０の焦点距離）である場合、内部焦点位置７２２に集束されるビームのサイズは約１６０μｍである。この例では、空間フィルタ７２４で約３２０μｍのアパーチャサイズを使用することにより、約０．０５度より大きな入射角を有する反射ビーム７１４を阻止することができる。比較的少量の散乱光がレーザビーム７１０の軸に沿ってアパーチャを通ってレーザ出力部７１２に戻るが、レーザでの反射レーザビームのパワーが特定のレーザに対する閾値レベルより低いときには、本実施形態を適用した多くの場合において、レーザは通常通りに、かつ損傷なく機能し続ける。

一実施形態では、図７Ａ及び７Ｂに示す走査ヘッド７１６は、テレセントリックレンズを含んでいる。他の実施形態では、ｆθレンズが使用される。テレセントリック走査レンズが、特定の用途に必要とされない場合には、より広い領域の走査のためにｆθレンズを使用し、範囲の端部で約１０度となり得るテレセントリック角の誤差を利用することができる。

図８は、ある実施形態において使用されるｆθレンズ８１０のブロック図である。便宜的に、ｆθレンズの光軸８１４に対して走査角θで入力光線８１２が示されている。走査角θ＝０の場合（例えば、入力光線８１２が光軸８１４に平行な場合）、出力光線８１６は光軸８１４に平行に伝搬し、ワーク表面１２２で反射してｆθレンズ８１０を通って戻る。しかしながら、走査角θが増加するとき、ワーク表面１２２に対して入射角８２０を持った出力光線８１８により示されるように、レーザビームは、走査角θに対して公知の角度でｆθレンズ８１０から出射する。実施形態によっては、入射角８２０は、１０度から１２度もあり、あるいはそれよりも大きくてもよい。このように、入射角８２０によっては、反射光線８２２がｆθレンズ８１０に戻らないこともある。

ある実施形態において、「不感帯」は、ゼロに近い入射角８２０に対応するｆθレンズ８１０の走査範囲の中央に画定されている。例えば、図９は、一実施形態における、図８に示されるｆθレンズ８１０の走査範囲９１０を模式的に示すものである。走査範囲９１０は、図８に示されるワーク表面１２２上の目標物のレーザ加工に使用されない所定の一部分又は不感帯９１２を含んでいる。すなわち、不感帯９１２からのレーザビーム反射は、レーザとの間で過度な干渉を引き起こし、レーザに対する損傷を引き起こすので、走査範囲９１０の不感帯９１２内でレーザビームがワーク表面１２２に入射しないように、ｆθレンズ８１０へのレーザビームの走査角θを制御する。例えば、過度の反射がレーザに戻るのを避けるために（ある実施形態においては、空間フィルタの必要がない）、図９に示す円形走査範囲９１０の直径は約２０ｍｍであってよく、不感帯９１２の直径は約５ｍｍであってよい。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、ある実施形態における、戻り反射を低減又は回避するために空間フィルタ７２４とともに使用されるビーム拡大器１０１０を含むレーザ加工システム１０００のブロック図である。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すシステム１０００は、それぞれ、第１のビーム径を有し、コリメートされたレーザビーム１０１４を供給するレーザ源１０１２を含んでいる。レーザ源１０１２は、図３に示される出力ファイバ１１０及び／又はコリメータアセンブリ１１２を含んでいてもよい。レーザビーム１０１４は、空間フィルタ７２４内のアパーチャを通ってビーム拡大器１０１０に至る。ビーム拡大器１０１０は、レーザビーム１０１４のサイズを第１のビーム径から第２のビーム径へ増加させる。第２のビーム径は、ワーク表面１２２をレーザ加工するために使用される所望のスポットサイズによって、第１のビーム径の２倍（２ｘ）、３倍（３ｘ）、５倍（５ｘ）、又は第１のビーム径よりも大きな別のサイズであってもよい。例えば、ビーム拡大器１０１０は、ケプラービーム拡大器又はガリレオビーム拡大器であってもよい。ビーム拡大器１０１０は、第２のビーム径を有する、コリメートされたレーザビーム１０１６を、レーザビームの焦点をワーク表面１２２上の目標位置に合わせるための走査ヘッド７１６に供給する。上述したように、走査ヘッド７１６は、テレセントリックレンズあるいは図８に示すｆθレンズ８１０のようなｆθレンズを含んでもよい。ある実施形態では、システム１０００は、走査範囲９１０の不感帯９１２を避けるように、選択された走査角θでｆθレンズ８１０を横断してレーザビーム１０１６を走査するために、図５に示される２次ビームポジショナ５１０を含んでいてもよい。ある実施形態では、不感帯９１２のサイズ及び／又は位置は、反射光の一部がレーザ源１０１２に戻っても、レーザ源１０１２の走査と干渉せずに、また、レーザ源１０１２に損傷を与えることのないような、反射光の閾値パワーレベルに基づいている。

ビーム拡大器１０１０に出入りするレーザビーム１０１４，１０１６はコリメートされるものとして述べられているが、各レーザビーム１０１４，１０１６は多少発散している（図示せず）。ビーム拡大器１０１０は、ビーム径、ビーム発散角、及びポインティング角を変化させる。ビーム発散角及びポインティング角は、以下のように、入力レーザビーム及び出力レーザビームの直径に依存するビームサイズ倍率に反比例する。
δ（in）／δ（out）＝Ｄ（out）／Ｄ（in）
ここで、δ（in）は入力ビーム発散角であり、δ（out）は出力ビーム発散角であり、Ｄ（out）は出力ビーム径であり、Ｄ（in）は入力ビーム径である。出力ビーム径Ｄ（out）が増加すると出力ビーム発散角δ（out）が減少し、また逆も同様である。このように、図１０Ａ及び図１０Ｂには示されていないが、レーザビーム１０１６は、レーザビーム１０１４と比べると発散が少ない。

ワーク表面１２２からの反射レーザビーム１０１８のうちの少なくとも一部（点線で示す）は、走査ヘッド７１６を通ってビーム拡大器１０１０に戻る。逆方向には、ビーム拡大器１０１０は、反射レーザビーム１０１８のサイズを減少させ、例えば、第２の直径程度から第１の直径程度に減少させるとともに発散を増加させる。このように、反射レーザビーム１０２０の一部分は、第１のビーム径程度でビーム拡大器１０１０を出射し、比例して増加したビーム発散角を有している。必ずしも実際の大きさ通りに図示されていないが、反射レーザビーム１０２０の発散は図１０Ａ及び図１０Ｂに表されている。例えば、２倍の拡大器が使用される場合、逆方向に向かってビーム拡大器１０１０に入る反射ビーム１０１８のものと比べると、反射レーザビーム１０２０のビーム径は２倍減少し、ビーム発散角は２倍増加し、ポインティング角は２倍増加する。したがって、発散を増加させることで、ビーム拡大器１０１０は、反射レーザビーム１０２０のうち空間フィルタ７２４のアパーチャを通って戻る部分を減らすことができる。

図１０Ｂでは、図７Ｂに関連して述べたように、システム１０００は、内部焦点位置７２２に配置された空間フィルタ７２４を有するケプラー望遠鏡７００を含んでいる。図１０Ｂに示す空間フィルタ７２４のアパーチャは、図１０Ａに示す空間フィルタ７２４のアパーチャより小さくてもよい。したがって、図１０Ｂの空間フィルタ７２４は、図１０Ａのものよりも多くの反射レーザビーム１０２０を阻止する。さらに、（図８及び図９に関して上記で述べたように、走査範囲９１０内に所定の不感帯９１２を有するｆθレンズ８１０を走査ヘッド７１６内に含めることなど）本明細書で述べた１以上の他の実施形態を含むことにより、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて空間フィルタ７２４を通過する反射レーザビーム１０２０の量をさらに低減することができる。

本明細書に記載のシステム及び方法は、ファイバレーザ型システムに関連する戻り反射に関するものであるが、この手法が他の種類のレーザを使用するシステムにも同様に有効であることは、当業者であれば理解できるであろう。

本発明の根底にある原理を逸脱することなく、上述した実施形態の詳細に数多くの変更を加えることができることは、当業者であれば理解できるであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ定められるべきである。

Claims (18)

1. 戻り反射を低減又は防止するレーザ加工システムであって、
   入射レーザビームを生成するレーザ源と、
   前記入射レーザビームをビーム経路に沿ってワーク表面に向けて方向付けるレーザビーム出力部と、
   前記ビーム経路に沿ってアパーチャを備えた空間フィルタであって、前記レーザビーム出力部からの前記入射レーザビームを前記アパーチャへ通過させる空間フィルタと、
   前記空間フィルタを通って受けた前記入射レーザビームの直径を拡大するビーム拡大器と、
   前記拡大された入射レーザビームの焦点をワーク表面上の目標位置に合わせる走査レンズと、
   を備え、
   前記ワーク表面からの反射レーザビームは前記走査レンズを通って前記ビーム拡大器に戻り、
   前記ビーム拡大器は、前記反射ビームの直径を減少させるとともに、前記反射レーザビームの発散角を増加させ、
   前記空間フィルタは、前記発散する反射レーザビームの一部分が前記アパーチャを通過して前記レーザビーム出力部へ戻ることを阻止する、
   レーザ加工システム。
2. 前記入射レーザビームを前記ビーム経路に沿った内部焦点位置に集束させる集束光学系をさらに備え、前記空間フィルタの前記アパーチャは前記焦点位置に位置する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記集束光学系はケプラー望遠鏡である、請求項２に記載のシステム。
4. 前記走査レンズはテレセントリックレンズである、請求項１に記載のシステム。
5. 前記走査レンズは非テレセントリックレンズである、請求項１に記載のシステム。
6. 前記非テレセントリックレンズはｆθレンズである、請求項５に記載のシステム。
7. 前記ｆθレンズの走査範囲の中央部分は、前記目標位置で前記ワーク表面をレーザ加工するために使用されない、所定サイズの不感帯を備える、請求項６に記載のシステム。
8. 前記レーザビーム出力部と前記走査レンズとの間に配置され、前記ｆθレンズを横断して前記入射レーザビームを走査する２次ビームポジショナをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
9. 前記２次ビームポジショナは、前記ｆθレンズに対して前記入射レーザビームの前記経路を第１の位置から第２の位置に変更し、前記２次ビームポジショナは、前記不感帯を回避するように前記ｆθレンズでの前記入射レーザビームの走査角を制御する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記２次ビームポジショナは１対のガルバノメーター駆動ミラーである、請求項８に記載のシステム。
11. 前記レーザ源はファイバレーザである、請求項１に記載のシステム。
12. 前記レーザビーム出力部は光ファイバである、請求項１に記載のシステム。
13. 前記レーザビーム出力部と前記空間フィルタとの間に配置されたコリメータをさらに備える、請求項１２に記載のシステム。
14. レーザでワークピースを加工するための方法であって、
    レーザで入射レーザビームを生成し、
    前記入射レーザビームをビーム経路に沿ってワーク表面に向けて伝搬させ、
    前記ビーム経路に沿って前記入射レーザビームを第１の直径から第２の直径に拡大し、該拡大により前記入射レーザビームの発散が減少され、
    前記ビーム経路に沿って反対の方向に前記ワーク表面から反射レーザビームを受け、
    前記反射レーザビームのサイズを前記第２の直径から前記第１の直径に減少させ、該減少により前記反射レーザビームの発散が増加し、
    前記発散する反射レーザビームを空間フィルタリングして該発散する反射レーザビームの少なくとも一部分が前記レーザに戻るのを阻止する、
    方法。
15. さらに、前記入射レーザビームの焦点を前記ビーム経路に沿った内部焦点位置で合わせ、前記内部焦点位置は、前記発散する反射レーザビームを阻止するために使用される空間フィルタのアパーチャに対応する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記入射レーザビームを前記ビーム経路に沿って前記ワーク表面に向けて伝搬させるときに、ある走査角で前記拡大された入射レーザビームをｆθレンズに通過させる、請求項１４に記載の方法。
17. さらに、
    前記ｆθレンズの走査範囲内の中央位置に不感帯を規定し、該規定は、前記反射レーザビームのうち前記レーザに戻る一部の閾値パワーレベルに基づいており、
    前記不感帯を避けるように前記ｆθレンズでの前記拡大された入射レーザビームの前記走査角を選択する、
    請求項１４に記載の方法。
18. レーザでワークピースを加工するためのシステムであって、
    入射レーザビームを生成する手段と、
    前記入射レーザビームをビーム経路に沿ってワーク表面に向けて伝搬する手段と、
    前記ビーム経路に沿って前記入射レーザビームを第１の直径から第２の直径に拡大する手段であって、該拡大により前記入射レーザビームの発散が減少されるような手段と、
    前記ビーム経路に沿って反対の方向に前記ワーク表面から反射レーザビームを受ける手段と、
    前記反射レーザビームのサイズを前記第２の直径から前記第１の直径に減少させる手段であって、該減少により前記反射レーザビームの発散が増加するような手段と、
    前記発散する反射レーザビームを空間フィルタリングして該発散する反射レーザビームの少なくとも一部分が前記入射レーザビームを生成するための手段に戻るのを阻止する手段と、
    を備えた、システム。

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