JP2018521859A - レーザ処理装置およびこの装置を備えたワークステーション - Google Patents
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Abstract
本発明は、レーザ処理装置及びそのような装置を含むワークステーションに関する。レーザ処理装置は、ファイバの自由端部(5’)から成形されてビーム集束エンドピースで終端する光ファイバを含むレーザヘッドを一体に備える。装置(1)は、集束エンドピース(6)は軸を中心に回転対称であり、所与の寸法の実質的に半楕円形の凸曲線によって外部的に確定される形状を有すること、および、集束エンドピース(6)の端(6’)と作業領域(9)との間の距離dと、エンドピース(6)の幾何学形状および位置決めが、レーザヘッド(2)が、波長λの大きさのオーダーの作業領域(9)における直径を有する光子ジェットの形で、わずかに発散しかつ集束するレーザビームを生成するようにされることを特徴とする。
Description
本発明は、産業用、医療用、芸術用または他の用途のための、パワーレーザ放射を使用する処理装置、方法および設備の分野に関する。
より具体的には、本発明は、レーザ処理装置、この装置を含むワークステーション、およびこの装置を用いた処理方法に関する。
部品、品目または材料の処理を行うためにレーザビームを使用することは、当業者には公知であり、この技術的状況において多くの装置およびシステムが既に提案されている。
しかしながら、約1μmの加工精度と、パルスモード(約1016W/m2のピーク出力密度)で約1012W/m2の作業領域に供給される平均出力密度とを必要とする用途では、ビームを作業領域に運ぶ点で、簡単で費用効率が高く、適応性のある解決策に対する需要が満たされていない。
当業者に公知のレーザビームを作業領域に運ぶ1つの手段として、その自由端に投影されたレーザビームを集束させる手段を備えた光ファイバが挙げられる。
文献EP 2,056,144は、例えば、ファイバのコアの材料と同一の材料から作られ、ビームを集束するように意図されて取り付けられたエンドピースの形態の光ファイバおよび要素を教示している。しかしながら、エンドピースの取り付けは非常に正確でなければならず、その製造は複雑で繊細なものになる。さらに、ファイバの端部を硬化させ、放射されるビームの方向性を制限してしまう。相当量のレーザが流された場合、持ちこたえられるか保証されていない。
Petru Ghenucheらによる文献「中空コアフォトニック結晶ファイバプローブのためのフォトニックナノジェット集束」、Applied Optics、Vol.51、No.36、December 20、2012、Optical Society of America、およびHeykel Aouaniらによる文献「リモート蛍光相関分光法のための光ファイバ−マイクロスフェア」、OPTICS EXPRESS、Vol.17、No.21、October 12、2009、OSA、には中空または部分的に中空の光ファイバの実施形態が開示され、その自由端には放出された光の流れを集束させるための微小球が取り付けられている。しかし、従来と同様、このアセンブリは繊細であり、ファイバのコアと微小球との間に伝達境界面が生じてしまい、光の流れがいつも正確に決定されるわけではなく必然的に損失が生じる。さらにこれらの2つの文献で使用されているファイバのタイプは、高出力の適用を可能にしない。
さらに文献JP 63−98977は、光通信の分野において、これらのファイバの端部の材料を単に溶融して得られる半球形端部を含む光ファイバの実装を開示している。ファイバの端部の形態をこのように特定する目的は反射光の戻りを制限することのみであり、ビームまたはパワーアプリケーションのいかなる集束にも言及していない。
Petru Ghenucheらによる文献「中空コアフォトニック結晶ファイバプローブのためのフォトニックナノジェット集束」、Applied Optics、Vol.51、No.36、December 20、2012、Optical Society of America
Heykel Aouaniらによる文献「リモート蛍光相関分光法のための光ファイバ−マイクロスフェア」、OPTICS EXPRESS、Vol.17、No.21、October 12、2009、OSA
本発明の第1の目的は、製造が容易であり、高出力に耐え、マイクロメータ加工ビームを提供することができる簡単な構造を有するレーザヘッドを備えた機能的なレーザ処理装置、さらにレーザヘッドを最適に使用することができ、有利には放射ビームの回折限界を超える集束を可能にするレーザ処理装置を提供することである。
この目的を達成するため、本発明は、一方では、レーザ源により、および少なくとも1つのシースで囲まれたコアによって形成された光ファイバにより電力を供給され得る、およびされることが意図された射出モジュールにより本質的に構成され、前記射出モジュールに接続され、ビーム集束エンドピースで終端するレーザヘッドと、他方では、該レーザヘッドによって処理される少なくとも1つの領域、または作業領域を含む部品、品目もしくは材料のための支持システムとを備え、この集束エンドピース及び部品、品目または材料が互いに連動して位置決めおよび移動するように制御されたレーザ処理装置であって、ソリッドコアを有するタイプの集束エンドピースが光ファイバと一体に形成され、該光ファイバの自由端部の成形された部品が、その端部の反対側で射出モジュールに接続される構成において、集束エンドピースは回転軸対称性を有し、光ファイバの自由端部の中央軸または対称軸を含む平面に沿った断面で見た場合、a=DC/2を満たす中央軸に垂直に延びる第1のハーフ軸aと、DC/4≦b≦2DC/3であり、1000λ≧DC≧40λ(ここで、DCは光ファイバのコアの直径であり、注入されたレーザ放射のλは波長である)を満たす中央軸に整列した第2のハーフ軸bとを有する実質的に半楕円形の凸曲線によって外向きに画定された形状であって、この構成において集束エンドピースの先端と作業領域との間の距離dが5DC≧d≧50λを満たし、レーザヘッドが、波長λの大きさのオーダーの作業領域における直径を有する光子ジェットの形態で集束しかつわずかに発散するレーザビームを生成するように、エンドピースの幾何形状および位置決めがされることを特徴とする、レーザ処理装置に関する。
本発明はまた、この装置に実装されるワークステーションおよび処理方法にも関する。
本発明は、非限定的な例として提供され、よりよい理解のため、添付の概略図を参照して説明する好ましい実施形態に以下に記載する。
図1は、本発明によるワークステーションに取り付けられた本発明によるレーザ処理装置の代表的な図である。
図2は、図1に示す装置(この図の詳細A)に属する光ファイバの自由端を異なる尺度で示す部分概略図である。
図3A及び図3Bは、図2に部分的に示されているファイバの集束エンドピースの外形を画定する2つの例示的な曲線のグラフ図である。
図3A及び図3Bは、図2に部分的に示されているファイバの集束エンドピースの外形を画定する2つの例示的な曲線のグラフ図である。
図4は、図1に示す装置に属する、レーザ源と光ファイバとの間の光結合デバイスを示す概略詳細図である。
図5は、図1に示す装置の主要構成要素構成の1つの概略図である。
図1、図4、図5は、レーザ源4によって電力を供給することを可能にする射出モジュール3で本質的に構成され、少なくとも1つのシース10’、10”によって囲まれたコア10で形成され、前記射出モジュールに接続され、ビームの集束エンドピース6で終端する光ファイバ5によって構成されたレーザヘッド2と、このレーザヘッド2によって処理される少なくとも1つの領域9、または作業領域を含む部品、品目または材料8のための支持システム7とを備え、この集束エンドピース6及び部品、アイテムまたは材料8は相互に連動して位置決めおよび移動することができるように制御されるレーザ処理装置を示す。
本発明によれば、図1と組み合わせて図2に具体的に示すように、ソリッドコアを有するタイプの集束エンドピース6が光ファイバ5と一体に形成され、該光ファイバの自由端部5’の成形された部品が、その端部の反対側で射出モジュール3に接続される。さらに、集束エンドピース6は回転軸対称性を有し、光ファイバ5の自由端部5’の中央軸または対称軸AMを含む平面に沿った断面で見た場合、a=DC/2を満たす中央軸に垂直に延びる第1のハーフ軸aと、DC/4≦b≦2DC/3であり、1000λ≧DC≧40λ(ここで、DCは光ファイバのコアの直径であり、λは波長である)を満たす中央軸AMに整列した第2のハーフ軸bとを有する実質的に半楕円形の凸曲線6’によって外向きに画定された形状であって、DC/4≦b≦2DC/3、1000λ≧D≧40λを満たす。DCは光ファイバ5のコア10の直径であり、λは注入されたレーザ放射の波長である。
好ましくは、b≠DC/2であり、従ってb≠aである。
集束エンドピース6の先端6”と作業領域9との間の距離dは、5DC≧d≧50λを満たし、レーザヘッド2が、波長λの大きさのオーダーの作業領域9における直径Djを有する光子ジェットの形態で集束しかつわずかに発散するレーザビーム11を生成するように、エンドピース6の幾何形状および位置決めがされる。
上述した技術的構成を組み合わせることにより、集束エンドピース6の作業領域9の形状、構造、寸法及び位置決めに関して、本発明の所望の目的が達成される。
特に、これらの様々な具体的な構成は、ファイバ出力5において、平均出力密度が高い(典型的には1012W/m2を超える)光子ジェット11を、非常に小さな表面積(典型的にはスポット約1μmの直径Djを有する)に、および十分な距離d(典型的には材料の性質に応じて50〜500μm)で生成することを可能にし、引き出された材料の突出部または昇華ガス堆積物によるエンドピース6の汚れを防止する。
さらに、(典型的には数十〜数百μmの横断寸法Dcを有する)ファイバ5とソリッドコア10を使用することにより、高出力の光の流れの輸送だけでなく、この流れの集束も可能にする光子ジェット11を、コア10の端部を再融解させ構造成形することによるファイバ5の自由端5’の脆化を招く限界距離において発生させることができ、その結果、集束エンドピース6を得ることができる。
本発明の1つの特徴によれば、本発明の本質的なパラメータの1つである確実な再現性を可能にすることにより、有利にはハーフ軸bを中心とした回転対称性を有し、すなわち有理ベジエ曲線Z(R)
言及する所望の目的に関して高性能レベルをもたらす本発明の有利な実用的な代替の実施形態は、本発明者らによって得られた結果によれば、以下の1つまたはいくつか式を含む。
−500λ≧DC≧40λ、好ましくは100λ≧DC≧40λ、
−DC/4≦b≦DC/2、好ましくはDC/4≦b≦DC/2(図3B)
−500λ≧DC≧40λ、好ましくは100λ≧DC≧40λ、
−DC/4≦b≦DC/2、好ましくはDC/4≦b≦DC/2(図3B)
後者の式も検証すると、d>DCとなるように作動距離dを確保することができ、レーザ処理方法を実施する時、エンドピース6の完全性を保障し、エンドピース6と作業領域9との間の距離のスレーブに寛容で、エンドピース出力6で生成される光子ジェットによる約λの横分解能lを可能にする。
図3Aに示す別の実施形態によれば、bはDC/2<b≦2DC/3を満たす。
この実施形態によると、前の実施形態(横方向分解能1<λ)よりも高い解像度を得ることを可能にする。この第2の実施形態は、作業距離dがd<DC(例えば、シリコンウェハをマイクロエッチングする)であっても、エンドピース6の完全性を損なう危険性のない所定の材料にレーザ処理方法を適用する場合には有利である。
さらに、本発明の文脈において好ましい使用のために有利な技術的特性を有するファイバ5のタイプの選択に関して以下のタイプが挙げられる:
−ファイバ5は、好ましくは限られた数のモードを有する単モードまたはマルチモード型、または少数の励起モードを有するマルチモードであり、有利には小さな開口数、機械的シース10”または半透明の機械的鞘(図示せず)を有するファイバによって包囲された二重光学シース10’を有するファイバである。
−ファイバ5は、好ましくは円形断面を有する円筒形状を有し、および/または
−ファイバ5は、少なくとも20mmまで、好ましくは10mmまでの最小曲げ半径で曲げることを可能にする可撓性構造を有する。
−ファイバ5は、好ましくは限られた数のモードを有する単モードまたはマルチモード型、または少数の励起モードを有するマルチモードであり、有利には小さな開口数、機械的シース10”または半透明の機械的鞘(図示せず)を有するファイバによって包囲された二重光学シース10’を有するファイバである。
−ファイバ5は、好ましくは円形断面を有する円筒形状を有し、および/または
−ファイバ5は、少なくとも20mmまで、好ましくは10mmまでの最小曲げ半径で曲げることを可能にする可撓性構造を有する。
別の実施形態として、光ファイバ5が、コア10とそれを取り囲むシース10’との間に光学的な屈折率勾配を有するようにすることができ、屈折率は、ファイバ5の中心で高い値、例えば1.3と3.5との間で変化し、シース10’において低い値、例えば1.2と3との間で変化する。この屈折率勾配は好ましくは放物線タイプであり、ファイバ5の事前のドーピングによって得ることができ(屈折率分布ファイバまたは屈折率分布レンズ−GRINを製造する技術として知られている)、または熱成形によってエンドピース6を成形する際に得られる。
図4に示す別の実施形態によれば、光ファイバ5は、長手方向軸AMの方向に、比較的小さいモードを有するが大きい直径、好ましくは小さな開口数を有する単一モード、例えば大きなモード直径を有する光ファイバタイプまたはLMA(大モードエリア)ファイバからなるファイバで構成される第1の部分16(入力端または注入端5”を含む)を有する一方、第1の部分16に溶接され、より大きなコア直径を有し、その自由端に、光子ジェット11を生成することができる単一部品で成形された集束エンドピース6を含む第2の部分16’とを備える複合構造を有していてもよい。
これらの構成により、第1の部分16は、第2の部分16’の低次モードのみを励起することを可能にし、したがって、出力の際、光子ジェット11の現象をより良好に支持することができ、それにより、ビームを回折限界を超えて集束させることが可能になる。さらに、第1の部分16への注入がより容易になる(大径のコア)。
非限定的に、光ファイバ5または少なくとも第1の部分16は、小さな開口数NA(例えば、0.05≦NA≦0.25)を有し、1μmの波長に対して、例えば以下のタイプがある:
−コアが20ミクロンで開口数が0.08のLMA単一モードファイバ。
−コア直径が50μmの単一モードLMAファイバと、ブラッグ構造を形成し約0.12の開口数を有する同心リング内のシース。
−高出力マルチモードステップインデックスファイバ:シリカコア/シリカ光学シース/ポリマーコーティング:μm単位の各寸法50/125/250;ゲルマニウムをドープしたコア;開口数は0.12。
−コアが20ミクロンで開口数が0.08のLMA単一モードファイバ。
−コア直径が50μmの単一モードLMAファイバと、ブラッグ構造を形成し約0.12の開口数を有する同心リング内のシース。
−高出力マルチモードステップインデックスファイバ:シリカコア/シリカ光学シース/ポリマーコーティング:μm単位の各寸法50/125/250;ゲルマニウムをドープしたコア;開口数は0.12。
非限定的に、1の部分16に当接するように溶接された第2のファイバ部分16’として、例えば以下のタイプがある:
−50μmまたは100μmの直径および0.22の開口数を有するコアを備えるシリカステップインデックスファイバ。
−ハイパワーステップインデックスファイバ:シリカコア/シリカ光学シース1/TEQS光学シース2/ポリマーコーティング:μm単位の各寸法200/240/260/400であり、ゲルマニウムをドープしたコア;開口数は0.22。
−50μmまたは100μmの直径および0.22の開口数を有するコアを備えるシリカステップインデックスファイバ。
−ハイパワーステップインデックスファイバ:シリカコア/シリカ光学シース1/TEQS光学シース2/ポリマーコーティング:μm単位の各寸法200/240/260/400であり、ゲルマニウムをドープしたコア;開口数は0.22。
本発明の全ての実施シナリオでは、大きなコア直径(有利には10μmより大きく、好ましくは少なくとも20μm)およびいくつかのモードを有するファイバ5または第1の部分16を使用することを目指しているが、好ましくは実質的に単一モードであり、小さな開口数(例えば、0.20より小さい)を有する。
これに関連して、LMAタイプのファイバが好まれる。
従って、上述した本発明によるレーザ処理装置1は、パワーレーザ源4(すなわち、連続モードまたはパルスモードで100MW以上、好ましくは少なくとも約1Wの動作電力Pのパワーレーザ源)と、このような出力を伝達することができる固体ファイバ5(単一の部品または溶接によって接続された2つの部分16,16’によって形成される)とを接続することにより、材料の処理、特に表面処理(表面エッチング、材料の表面溶融、表面酸化、マーキング、表面結晶化、光重合、薄層穿孔など)をλ2と5λとの間に含まれる高い横分解能で行うことができる。
さらに、可撓性を有し、集積された(コア10の塊に形成された)小型の集束エンドピース6を備えた光ファイバ5を実現することによって結果として得られるレーザヘッド2は、その自由な動作端で超コンパクト化が実現し、アクセスが困難なゾーンに到達して処理することを可能にする大きな侵襲性、つまり、内視鏡適用における組織または器官に対する作用、金属管の内部の機械加工、アンダーカットでの表面処理など、を実現した。
装置1のメンテナンスを容易にし、結合[射出モジュール3/ファイバ5]を最適化するために、射出モジュール3は、有利には光ファイバ5の入力端5”用の迅速結合手段3’(図4参照)を備え光ファイバ5の入力部の保護を確保し、またモジュール3の集束レンズの焦点に前記入力部分を配置することができる三次元マイクロ位置決め手段3’’を備えている。迅速結合手段3’は、好ましくは、冷却可能な高出力光ファイバコネクタである。マイクロ位置決め手段3”は、例えば、最適化された光結合を達成するために、入力端5”に対して正確な位置決めを確実にするための集束レンズ3’”を有してもよい。
射出モジュール3は、有利にはパワーレーザまたはパワーレーザダイオードの出力に固定することができるように構成され、または既存のエッチングシステムの光学ヘッドを(例えばガルバノメーターヘッドを交換することによって)交換することができるように構成されている。
前述の構成により、本発明は、回折限界を超えて放射線を集束させることによって光子ジェットを生成することを可能にする。
上記現象は、放射線の注入制御および低次モードからの光の好ましい使用に特に有利となる。
前述の本質的な構造的および構造的特性を維持しながら、前述の寸法パラメータを変更したり組み合わせたりすることによって前記レーザヘッドを最適に利用することによって、冒頭で述べた以外の用途にも本発明を応用することができる。
したがって、上述の解像度よりも低い解像度、例えば5λと10λの間でのエッチングを求める用途では、直径5λ≦D≦10λの光ファイバ端部で光子ジェットによりビームを集束させるのにそれほどのパワーを必要とせず、費用効率の高い環境にやさしいレーザ源となる。つまり現時点で解決されていない技術的解決策の必要性を満たす。これらの用途を満たすため、エンドピース6および装置1の構成は、
5DC≦d≦10DC(距離:端部/作業領域)および
0.75≦w0≦2(ベジエ曲線の重み)である。
5DC≦d≦10DC(距離:端部/作業領域)および
0.75≦w0≦2(ベジエ曲線の重み)である。
以下の実施例4は、本発明の課題に対応する実際的で非限定的な実施形態を示す。
本発明はまた、図1に概略的かつ象徴的に、図5に部分的に示すように、特に表面処理、エッチング、切断、穿孔またはマーキングのための部品、品目または材料8を機械加工するためのワークステーション12に関するものである。
このワークステーション12は、パルス状または連続的放射を有するパワーレーザ源4と、センサ(図示せず)、アクチュエータ(特にヘッド2と支持体7との間の相対運動)に接続された制御ユニット13と、レーザ源4、また任意に制御および/またはプログラミングインタフェース14と、レーザ源4に結合され制御ユニット13によって制御されるレーザ処理装置1と、構造または支持フレーム15とを備える。
このワークステーション12は、レーザ処理装置1が前述の装置に対応し、光ファイバ5の端部5’に成形された集束エンドピース6と処理すべき部品、品目、または材料8との相対的な位置決め及び移動を、レーザヘッド2および/または支持システム7を備えた対応するセンサおよびアクチュエータ(当業者に公知であるため図示せず)を使用した制御ユニット13による制御下で行うことを特徴とする。
好ましくは、一方で部品、品目または材料8と他方でレーザヘッド2または光ファイバ5との間の連続的または断続的な相対運動は、このような相対運動中に、有効な処理サイクルまたは位相に対応させて、最初に調整された値を維持することによって、またはこの距離に対して1つまたは複数の調整を行うことによって集束エンドピース6と作業領域9との間の距離dの制御を保証するスレーブを実施する制御ユニット13の制御下で行う。
ステーション12はまた、特に処理対象の部分、品目または材料8の機能と行われるべき処理として、オペレータが前記ステーションの動作を構成、命令、制御することを可能にする通信、表示およびプログラミングインタフェース14を備えることができる。
有利には、レーザ源4は、有効出力レーザ源であり、100mWより大きい、好ましくは少なくとも約1ワットまたは約10ワットの動作電力を有する。
図5に概略的に示す本発明のさらなる特徴によれば、ワークステーション12は、エンドピース6を通って光ファイバ5の作業領域9によって再帰反射する光を測定するためのセンサ17と、一方、光ファイバ5の入力端5”に取り付けられ、エンドピース6から前記ファイバ5を通過した再帰反射光を回収して前記センサ17に送ることができるカプラ(図示せず)とを備え、これらの測定値は、好ましくはリアルタイムで、エンドピース6と作業領域9との間の距離dをスレーブするために制御ユニット13によって利用される。
別の実施形態によれば、ワークステーション12は、1つまたは複数の専用光源(図示せず)によって照明されたエンドピース6および作業領域9の領域を観察するマクロレンズを有するカメラの形態の測定センサ17を備え、前記カメラ17によって提供された画像は、好ましくはリアルタイムで、エンドピース6と作業領域9との間の距離dをスレーブするために制御ユニット13によって利用される。
専用光源の1つは、必要に応じて、パワーレーザ源4と関連する作業領域9を点灯させるレーザポインタに対応するものであってもよい。
最後に、本発明はまた、レーザ処理装置1に実装された、好ましくは上述のワークステーション12に属する部品、品目または材料8を処理する方法に関する。
この方法は、実際の処理サイクルまたは位相に先立って、単一ピース状に形成され光子ジェット11を生成することができる集束エンドピース6を有する光ファイバ5を作業領域9内の部品、品目または材料8上に固定する工程と、(光源4からのレーザビームの)注入を最適化するためファイバ5の入力部の相対的な位置を調節して、必要に応じて処理すべき部品、品目または材料8の形状、作業領域9の位置、処理サイクルを行うために移動する経路、または同様の幾何学的形状および/または地形学的形状を考慮してその関数としてファイバ5を適合させる工程、特にレーザ源4のパワー、エンドピース6と部品、材料または材料8との間の最適距離dおよび相対移動速度を調整して、少なくとも前記部品、前記品目または前記材料8またはその表面の性質の関数としてファイバ5を適合させる工程と、好ましくは事前にプログラムされた移動または処理サイクルに従って制御ユニット13の制御下で処理を開始する工程、とを含む方法を提供する。
光ファイバ5のエンドピース6を溶融することによるモデリング方法は、例えば、SNOM(近接場光学顕微鏡法)においてプローブを生成するために実施され、Lovalite and Laseoptics社によって提案されたものと同様であってもよい。
本発明の様々な実用的な実施形態を、非限定的な実施形態の例示として説明する。
実施例1
実施例1
ワークステーション12は、動作電力P≒20W、λ≒1μm、パルス持続時間150ns、繰り返し周波数5kHzの近赤外でナノ秒パルスレーザ4を用いて作製され、シリカファイバ5は、コア直径DC=200μmを有する光学二重シースである。ファイバ5は、ハーフ軸b=100μmを有し、ベジエ曲線の重みw0=0.45を有する成形されたエンドピース6を含む。作業領域9はエンドピースから150μmの距離dに位置し、エッチング分解能は1〜3μmである。
このようなワークステーション12では、スペクトル領域における吸収が低いにもかかわらず、ガラス表面をエッチングすることが可能である。
実施例2(2つの選択肢)
実施例2(2つの選択肢)
ワークステーション12は、動作電力P≒5Wおよびλ≒1μm(例えば、Nd:YAGまたはイッテルビウム添加ファイバ)、パルス持続時間20ns、繰り返し周波数20kHzを有する近赤外のナノ秒パルスレーザとシリカファイバ5を用いて生成される:
−コア直径DC=100μmの場合:この場合、端部の長さb=33μm、ベジエ曲線の重みw0=0.45とすることができる。作業領域は、端部ピースから90μmの距離dにあり、エッチングの分解能は1〜2μmとなる。
−またはコア直径DC=50μmの場合:この場合、端部の長さb=13μm、ベジエ曲線の重みw0=0.45とすることができる。作業領域は、端部ピースから60μmの距離dにあり、エッチングの分解能は1〜2μmとなる。
−コア直径DC=100μmの場合:この場合、端部の長さb=33μm、ベジエ曲線の重みw0=0.45とすることができる。作業領域は、端部ピースから90μmの距離dにあり、エッチングの分解能は1〜2μmとなる。
−またはコア直径DC=50μmの場合:この場合、端部の長さb=13μm、ベジエ曲線の重みw0=0.45とすることができる。作業領域は、端部ピースから60μmの距離dにあり、エッチングの分解能は1〜2μmとなる。
これらの2つの場合においても、ガラス表面をエッチングすることが可能である。
実施例3
実施例3
ワークステーション12は、動作電力P≒20Wおよびλ≒248nmを有する紫外線のナノ秒パルスレーザ(例えば、KrFエキシマレーザー)と、コア直径DC=50μmを有するシリカファイバ5とを用いて製造される。この場合、端部の長さb=38μm、ベジエ曲線の重みw0=0.45とすることができる。作業領域9は、端部ピースから38μmの距離dにあり、エッチングの分解能は1〜0.5μmとなる。
実施例4
実施例4
ワークステーション12は、動作電力P≒100MW、λ≒1μmを有する近赤外のパルスレーザダイオード4または連続レーザダイオード4を備えて製造される。コア径DC=400μm、長さb=150μmのエンドピース6を有するシリカファイバ5が使用される。エンドピース6の外形は、重みw0=1.7の有理ベジエ曲線によって画定される。作業領域9は端部ピースから800μmの距離dに位置し、エッチングの分解能は1〜5〜10μmである。
上記の5つの選択肢(例1〜4)の特性データと、2つの追加の選択肢(具体的には記載されていない)の特性データを、以下の表にまとめる。
もちろん、本発明は、実施形態に記載され添付の図面に示されたものに限定されない。本発明の趣旨を逸脱することなく、様々な要素の構成または同等の技術的置換によって変更は可能である。
Claims (18)
- レーザ処理装置であって、
一方では、レーザ源により、および少なくとも1つのシースで囲まれたコアによって形成された光ファイバにより電力を供給され得る、およびされることが意図された射出モジュールにより本質的に構成され、前記射出モジュールに接続され、ビーム集束エンドピースで終端するレーザヘッドと、他方では、前記レーザヘッドによって処理される少なくとも1つの領域、または作業領域を含む部品、品目もしくは材料のための支持システムとを備え、
相互に連動して位置決めおよび移動することができるように制御される、前記集束エンドピース及び部品、品目または材料であって、
前記装置(1)であって、
ソリッドコアを有するタイプの集束エンドピース(6)が光ファイバ(5)と一体に形成され、前記光ファイバ(5)の自由端部(5’)の前記成形された部品が、その端部の反対側で前記射出モジュール(3)に接続され、
集束エンドピース(6)が回転軸対称性を有し、前記光ファイバ(5)の前記自由端部(5’)の中央軸または対称軸(AM)を含む平面に沿った断面で見た場合、a=DC/2を満たす中央軸(AM)に垂直に延びる第1のハーフ軸aと、DC/4≦b≦2DC/3であり、1000λ≧DC≧40λ(ここで、DCは光ファイバ(5)のコア(10)の直径であり、λは注入されたレーザ放射の波長である)を満たす中央軸に整列した第2のハーフ軸bとを有する実質的に半楕円形の凸曲線によって外向きに画定された形状とを有し、および、
集束エンドピース(6)端(6’)と作業領域(9)との間の距離dが5DC≧d≧50λを満たし、レーザヘッド(2)が、波長λの大きさのオーダーの作業領域(9)における直径Djを有する光子ジェットの形態で集束しかつわずかに発散するレーザビーム(11)を生成するように、前記エンドピース(6)の幾何形状および位置決めがされることを特徴とするレーザ処理装置。 - 前記光ファイバ(5)は、マルチモード型であり、好ましくは機械的シース(10”)で囲まれた二重光学シース(10’)を有し、または半透明の機械的鞘を有するファイバであることを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ処理装置。
- 前記ファイバ(5)は、好ましくは円形断面および最小曲げ半径で少なくとも20mm、好ましくは10mmまで曲げることを可能にする、可撓性構造を有する円筒形状であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
- 100λ≧DC≧40λ、λ2≧Dj≧5λを満たすことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
- 前記第2のハーフ軸(b)は、DC/4≦b≦2DC/3かつb≠DC/2を満たすことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
- 前記第2のハーフ軸(b)は、DC/4≦b≦DC/2を満たすことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
- 前記第2のハーフ軸(b)は、DC/4≦b<DC/2を満たすことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
- 前記第2のハーフ軸(b)は、DC/2≦b≦2DC/3を満たすことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
- 前記光ファイバ(5)は、前記コア(10)と前記コア(10)を取り囲む前記シース(10”)との間にファイバ(5)の中心で高い値からシース(10’)でより低い値に変化する光学勾配指数を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
- 光ファイバ(5)が、長手方向軸(AM)の方向に、一方で、比較的小さいモード、好ましくは単一モード、大きい直径、および小さな開口数、例えば大きなモード直径を有する光ファイバタイプまたはLMAファイバからなるファイバ、を有するファイバで構成される第1の部分(16)を備え、他方で、前記第1の部分(16)に溶接され、より大きなコア直径を有し、その自由端に、光子ジェット(11)を生成することができる単一部品で成形された集束エンドピース(6)を含む第2の部分(16’)、とを備える複合構造を有することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
- 射出モジュール(3)が、光ファイバ(5)の入力部の保護を確保する、光ファイバ(5)の入力端(5”)用の迅速結合手段(3’)と、前記モジュール(3)の集束レンズ(3’’’)の焦点に前記入力部分を配置することができ、および配置することを意図する三次元マイクロ位置決め手段(3”)とを備えることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに一項に記載のレーザ処理装置。
- 特に表面処理、エッチング、切断、穿孔またはマーキングのための部品、品目または材料を機械加工するためのワークステーションであって、
パルス状または連続的放射を有するパワーレーザ源と、センサ、アクチュエータに接続された制御ユニットと、レーザ源と、また任意に制御および/またはプログラミングインタフェースと、レーザ源に結合され制御ユニットによって制御されるレーザ処理装置と、構造または支持フレームとを備え、
このワークステーション(12)が、レーザ処理装置(1)が請求項1〜12のいずれか一項に記載の装置に対応し、光ファイバ(5)の端部(5’)に成形された集束エンドピース(6)と処理すべき部品、品目、または材料(8)との相対的な位置決め及び移動を、レーザヘッド(2)および/または支持システム(7)を備えた対応するセンサおよびアクチュエータを使用した制御ユニット(13)による制御下で行うことを特徴とするワークステーション。 - 一方で部品、品目または材料(8)と、他方でレーザヘッド(2)または光ファイバ(5)との間の連続的または断続的な相対運動は、このような相対運動中に、または有効な処理サイクルまたは位相に対応させて、最初に調整された値を維持することによって、またはこの距離に対して1つまたは複数の調整を行うことによって集束エンドピース(6)と作業領域(9)との間の距離dの制御を保証するスレーブを実施することによって制御ユニット(13)が制御する、請求項13に記載のワークステーション。
- レーザ源(4)は、出力レーザ源であり、100mWより大きい、好ましくは少なくとも約1ワットまたは約10ワットの動作電力を有する請求項13または14に記載のワークステーション。
- 前記ワークステーションが、エンドピース(6)を通って光ファイバ(5)の作業領域(9)によって再帰反射する光を測定するためのセンサ(17)と、一方、光ファイバ(5)の入力端(5”)に取り付けられ、エンドピース(6)から前記ファイバ(5)を通過した再帰反射光を回収して前記センサ(17)に送ることができるカプラとを備え、これらの測定値は、好ましくはリアルタイムで、エンドピース(6)と作業領域(9)との間の距離dをスレーブするために制御ユニット(13)によって利用されることを特徴とする、請求項13〜15のいずれか一項に記載のワークステーション。
- 1つまたは複数の専用光源によって照明されたエンドピース(6)および作業領域(9)の領域を観察するマイクロレンズを有するカメラの形態の測定センサ(17)を備え、前記カメラ(17)によって提供された画像は、好ましくはリアルタイムで、エンドピース(6)と作業領域(9)との間の距離dをスレーブするために制御ユニット(13)によって利用されることを特徴とする、請求項13〜15のいずれか一項に記載のワークステーション。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載のレーザ処理装置に実装された、好ましくは請求項13〜17のいずれか一項に記載のワークステーションに属する、品目、部品または材料を処理する方法であって、
実際の処理サイクルまたは位相に先立って、単一ピース状に形成され光子ジェット(11)を生成することができ、および生成することを意図する集束エンドピース(6)を有する光ファイバ(5)を作業領域(9)内の部品、材料または材料(8)上に固定する工程と、
注入を最適化するためファイバ(5)の入力部の相対的な位置を調節して、必要に応じて処理すべき部品、品目または材料(8)の形状、作業領域(9)の位置、処理サイクルを行うために移動する経路、または同様の幾何学的形状および/または地形学的形状を考慮してその関数としてファイバ(5)を適合させる工程、特にレーザ源(4)のパワー、エンドピース(6)と部品、品目または材料(8)との間の最適距離dおよび相対移動速度を、少なくとも前記部品、前記品目、または前記材料(8)またはその表面の性質の関数として適合させる工程と、および最後に、好ましくは事前にプログラムされた移動または処理サイクルに従って制御ユニット(13)の制御下で処理を開始する工程、とを含むことを特徴とする、方法。
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