JP2019046919A - レーザ光合成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工歪を抑えつつ、高品質かつ高効率の加工が行えるレーザ光を出力できるレーザ光合成装置を提供する。【解決手段】本開示の一態様は、レーザ加工用のレーザ光合成装置である。レーザ光合成装置は、複数のレーザ光を合成する光学素子を備える。光学素子は、エネルギー分布がガウシアン型の第１レーザ光と、エネルギー分布がトップハット型又は環状型の第２レーザ光とを光軸が重なるように合成する。【選択図】図１

Description

本開示は、レーザ光合成装置に関する。

レーザ光を発生する発振器と、発生したレーザ光を伝送する光ファイバと、レーザ光を集光する集光レンズとを備えたレーザ加工機が公知である。レーザ加工機においては、集光性に優れるエネルギー分布がガウシアン型のレーザ光（以下、「ガウシアン分布のレーザ光」ともいう。）が一般に使用される。

ガウシアン分布のレーザ光を用いることにより、直径が数１０〜数１００μｍの微小領域に高密度のエネルギーを集中的に印加できる。そのため、被加工材の厚み方向において表面から離間した深い加工点で小面積の溶融が可能となる。その結果、加工点以外の部位の不要な温度上昇を抑え、熱歪（つまり加工歪）を極力排除した局所的かつ高速な加工が行える。

しかし、高密度のレーザ光を用いた加工では、エネルギーの集中印加によって、被加工材の内部にポロシティと呼ぶ空間部が形成されることがある。このポロシティは、溶融金属の急激な金属蒸気の発生などに起因して発生する。また、金属蒸気が被加工材の表面に噴出し、その際に溶融した被加工材の一部が飛散して被加工材表面に異物として付着するスパッタが生じやすい。

このような不具合は、レーザ光の照射スポット径を大きくしたり、エネルギー分布をトップハット型にしたりすることで抑制できるが、このような対応では被加工材への照射面積が大きく、且つ加工深さが浅くなる。そのため、加工歪などの不具合が発生しやすくなる。

これに対し、真空環境下でレーザ加工を行うことで、上記不具合を抑制することが可能であることが報告されている（非特許文献１参照）。

「真空中ＹＡＧレーザ溶接現象」、溶接学会全国大会講演概要、第６７集、２０００年９月、ｐｐ．９２，９３

真空環境下でのレーザ加工は、レーザ光を取り込み可能な窓を有する真空チャンバ内で行われる。このような真空チャンバを使用すると、真空チャンバ内の被加工材の取り換えや減圧に時間を要するほか、被加工材の寸法制約も生じる。

本開示の一局面は、加工歪を抑えつつ、高品質かつ高効率の加工が行えるレーザ光を出力できるレーザ光合成装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様は、レーザ加工用のレーザ光合成装置である。レーザ光合成装置は、複数のレーザ光を合成する光学素子を備える。光学素子は、エネルギー分布がガウシアン型の第１レーザ光と、エネルギー分布がトップハット型又は環状型の第２レーザ光とを光軸が重なるように合成する。

このような構成によれば、ガウシアン型の第１レーザ光と、トップハット型又は環状型の第２レーザ光との出力を個別に制御して最適化することで、真空チャンバを用いることなく、ポロシティ及びスパッタの発生を抑制しつつ、被加工材に対し深い加工点で小面積の溶融加工が可能なレーザ光を出力することができる。

本開示の一態様は、光学素子により合成された合成レーザ光を集光する集光レンズを有する出力ヘッドをさらに備えてもよい。また、光学素子は、出力ヘッドに格納されてもよい。このような構成によれば、被加工材に合成レーザ光を照射する出力ヘッドでレーザ光の合成が行われるため、合成したレーザ光の伝送中にエネルギー分布が乱れることを抑制できる。そのため、加工精度を高めることができる。

本開示の一態様では、第２レーザ光は、エネルギー分布が環状型であってもよい。このような構成によれば、光軸から離間した位置にエネルギーピークを配置及び制御できるので、ポロシティ及びスパッタの発生をより確実に抑制できる。

本開示の一態様は、第１レーザ光と第２レーザ光とを、それぞれのエネルギー分布におけるピークエネルギーの５０％以上のエネルギーを有する領域が重ならないように合成してもよい。このような構成によれば、第１レーザ光と第２レーザ光との波長を同じにすることができる。そのため、第１レーザ光と第２レーザ光とに同一の発振器を用いることができる。あるいは、単一の発振器とビームスプリッタとの組合せによって、第１レーザ光と第２レーザ光とを生成できる。その結果、装置の構成を簡易化できる。

本開示の一態様では、光学素子は無偏光ビームスプリッタであってもよい。このような構成によれば、容易かつ確実に第１レーザ光と第２レーザ光とを空間的に（つまり、エネルギー分布におけるピークエネルギーの５０％以上のエネルギーを有する領域が重ならないように）合成することができる。

本開示の一態様は、第１レーザ光と第２レーザ光とを波長合成してもよい。このような構成によれば、第１レーザ光及び第２レーザ光のエネルギー分布やエネルギー比率が制限されないため、出力される合成レーザ光の設計自由度が高められる。

本開示の一態様では、光学素子はダイクロイックッミラーであってもよい。このような構成によれば、容易かつ確実に第１レーザ光と第２レーザ光とを波長合成することができる。

本開示の一態様は、エネルギー分布がガウシアン型のレーザ光を第２レーザ光に変換する変換部をさらに備えもよい。このような構成によれば、第１レーザ光と第２レーザ光とを同種の発振器を用いて生成できるので、装置の構成を簡易化できる。

図１は、実施形態におけるレーザ光合成装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図２Ａは、ガウシアン型のエネルギー分布を示す模式図であり、図２Ｂは、トップハット型のエネルギー分布を示す模式図であり、図２Ｃは、環状型のエネルギー分布を示す模式図である。 図３は、図１のレーザ光合成装置の出力ヘッドの構成を概略的に示すブロック図である。 図４Ａは、ガウシアン型のエネルギー分布とトップハット型のエネルギー分布とを合成した複合型のエネルギー分布を示す模式図であり、図４Ｂは、ガウシアン型のエネルギー分布と環状型のエネルギー分布とを合成した複合型のエネルギー分布を示す模式図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示すレーザ光合成装置１は、被加工材を加工するために、エネルギー分布がガウシアン型の第１レーザ光とエネルギー分布がトップハット型又は環状型の第２レーザ光とを合成した合成レーザ光を生成する装置である。この合成レーザ光を用いた加工としては、切断、溶接、切削、穿孔等が挙げられる。

レーザ光合成装置１は、図１に示すように、第１発振器２と、第２発振器３と、第１レーザ光伝送路４と、第２レーザ光伝送路５と、出力ヘッド６と、変換部７と、光学素子８とを備える。

＜第１発振器及び第２発振器＞
第１発振器２は、ガウシアン型のエネルギー分布を有するレーザ光を発生させる発振回路２Ａと、発振回路２Ａに電力を供給する電源２Ｂとを有する。第２発振器３は、第１発振器２と同様に、ガウシアン型のエネルギー分布を有するレーザ光を発生させる発振回路３Ａと、発振回路３Ａに電力を供給する電源３Ｂとを有する。

第１発振器２及び第２発振器３から発生するレーザ光は、図２Ａに示すようにエネルギー分布がガウス分布とみなせるレーザ光である。このレーザ光は、光軸Ｏがエネルギー分布のピーク点となる。

第１発振器２から発生するレーザ光は、そのまま第１レーザ光として後述する光学素子８に伝送される。一方、第２発振器３から発生するレーザ光は、後述する変換部７によって第２レーザ光に変換された後に光学素子８に伝送される。

第１発振器２及び第２発振器３は、筐体９内に配置されている。第１発振器２と第２発振器３とは、独立してレーザ出力や輝度を調整することができる。第１発振器２及び第２発振器３から発生したレーザ光は、それぞれ、第１レーザ光伝送路４及び第２レーザ光伝送路５によって、出力ヘッド６へ伝送される。

＜第１レーザ光伝送路及び第２レーザ光伝送路＞
第１レーザ光伝送路４は、第１発振器２が生成したレーザ光を出力ヘッド６に伝送する。また、第２レーザ光伝送路５は、第２発振器３が生成したレーザ光を出力ヘッド６に伝送する。

第１レーザ光伝送路４及び第２レーザ光伝送路５としては、例えば光ファイバが使用できる。また、図１に示すように、２つの光ファイバをカプラ１０で接続して第１レーザ光伝送路４及び第２レーザ光伝送路５をそれぞれ形成してもよい。

＜出力ヘッド＞
出力ヘッド６は、第１レーザ光及び第２レーザ光を合成した合成レーザ光Ｌを被加工材Ｗ１，Ｗ２に照射し、溶接等の加工を行う。

出力ヘッド６は、図３に示すように、集光レンズ６Ａと、第１コリメートレンズ６Ｂと、第２コリメートレンズ６Ｃとを有する。また、出力ヘッド６は、変換部７及び光学素子８を格納している。

集光レンズ６Ａは、光学素子８により合成された合成レーザ光Ｌを被加工材Ｗ１，Ｗ２に集光する。
第１コリメートレンズ６Ｂ及び第２コリメートレンズ６Ｃは、それぞれ、第１発振器２及び第２発振器３から発生したレーザ光を平行な光束に変換する。

出力ヘッド６には、第１レーザ光伝送路４及び第２レーザ光伝送路５が接続されている。第１レーザ光伝送路４と第２レーザ光伝送路５とは、互いに異なる向きでレーザ光を出力ヘッド６内に出力する。具体的には、第１レーザ光伝送路４及び第２レーザ光伝送路５は、光学素子８にてそれぞれが伝送したレーザ光が交わるように配置されている。

＜変換部＞
変換部７は、第２発振器３から発生したレーザ光のエネルギー分布をトップハット型又は環状型に変換する。つまり、変換部７は、エネルギー分布がガウシアン型のレーザ光を第２レーザ光に変換する。

変換部７によって生成される第２レーザ光は、図２Ｂに示すトップハット型、又は図２Ｃに示す環状型のエネルギー分布を有する。トップハット型のエネルギー分布では、光軸Ｏ近傍のエネルギーがほぼ一定（つまりフラット）となる。トップハット型では、通常ピーク点が存在しない。また、環状型のエネルギー分布では、光軸Ｏでの第１レーザ光との干渉を避ける為、エネルギーが可能な限りゼロに近く、光軸Ｏから一定距離離間した位置にピーク点が円環状に配置される。

変換部７は、図３に示すように、出力ヘッド６内において、第２コリメートレンズ６Ｃと光学素子８との間に配置されている。
変換部７としては、例えば、ビームシェーパ、ディフューザ、ホモジナイザ等が使用できる。また、変換部７としてこれらを組み合わせたものを使用してもよい。

＜光学素子＞
光学素子８は、複数のレーザ光を合成する。具体的には、光学素子８は、エネルギー分布がガウシアン型の第１レーザ光と、エネルギー分布がトップハット型又は環状型の第２レーザ光とを光軸Ｏが重なる（つまり、一致する）ように合成し、合成レーザ光Ｌを出力する。

第２レーザ光のエネルギー分布がトップハット型の場合、合成レーザ光Ｌは、図４Ａに示すエネルギー分布を有する。また、第２レーザ光のエネルギー分布が環状型の場合、合成レーザ光Ｌは、図４Ｂに示すエネルギー分布を有する。

第１レーザ光と第２レーザ光との合成の方法としては、（１）それぞれのエネルギー分布におけるピークエネルギーの５０％以上のエネルギーを有する領域（図４Ｂ中のＳ１，Ｓ２）が重ならないように合成（以下、「空間合成」ともいう）する方法と、（２）第１レーザ光と第２レーザ光とを波長合成する方法とがある。

空間合成では、第１レーザ光と第２レーザ光との波長を同じにすることができる。そのため、第１レーザ光と第２レーザ光とに同一の発振器を用いることができる。あるいは、単一の発振器とビームスプリッタとの組合せによって、第１レーザ光と第２レーザ光とを生成できる。その結果、装置の構成を簡易化できる。さらに、第１レーザ光と第２レーザ光との波長を同じにすることができるので、変換部７によってエネルギー分布を変換する際の制約が生じ難い。

一方、波長合成では、第１レーザ光及び第２レーザ光のエネルギー分布やエネルギー比率が制限されないため、出力される合成レーザ光Ｌの設計自由度が高められる。また、第１レーザ光と第２レーザ光との干渉による輝度やエネルギーの変動が生じにくい。そのため、合成に求められる精度が低くなるので、装置のコストを下げることができる。

第２レーザ光のピークエネルギー（つまり最大強度）は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第１レーザ光の最大強度よりも小さくすることが好ましい。これにより、第１レーザ光のピークエネルギーによって加工精度を高めつつ、第１レーザ光のピーク点の周囲に配置される第２レーザ光のエネルギー分布によって、ポロシティ及びスパッタの発生をより確実に抑制できる。

また、第１レーザ光の最大強度に対する、第２レーザ光の最大強度の比率の下限としては、４０％が好ましく、５０％がより好ましい。一方、上記比率の上限としては、８０％が好ましく、７０％がより好ましい。上記比率が小さすぎると、ポロシティ及びスパッタの発生が不十分となるおそれがある。逆に、上記比率が大き過ぎると、合成レーザ光Ｌの光軸Ｏ以外におけるエネルギーピークが増大し、加工精度が低下するおそれがある。

空間合成をする場合は、光学素子８として、例えば無偏光ビームスプリッタが使用できる。無偏光ビームスプリッタは、入射光を透過光と反射光とに所定の比で分割する光学素子である。

波長合成をする場合は、光学素子８として、例えばダイクロイックプリズム等のダイクロイックミラーが使用できる。ダイクロイックミラーは、入射光を波長に基づいて透過光と反射光とに分離する光学素子である。

図３に示すように、無偏光ビームスプリッタ又はダイクロイックミラーの透過光及び反射光の出口側から第１レーザ光及び第２レーザ光を入力することで、これらのレーザ光が合成された合成レーザ光Ｌが得られる。

［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）ガウシアン型の第１レーザ光と、トップハット型又は環状型の第２レーザ光との出力を個別に制御して最適化することで、真空チャンバを用いることなく、ポロシティ及びスパッタの発生を抑制しつつ、被加工材に対し深い加工点で小面積の溶融加工が可能なレーザ光を出力することができる。そのため、例えば溶接加工において、加工歪の低減と、小面積で板厚方向に深い溶融接合とを両立することができる。

（１ｂ）被加工材に合成レーザ光Ｌを照射する出力ヘッド６でレーザ光の合成が行われるため、合成したレーザ光の伝送中にエネルギー分布が乱れることを抑制できる。そのため、加工精度を高めることができる。

（１ｃ）変換部７でエネルギー分布をガウシアン型からトップハット型又は環状型に変換することによって、第１レーザ光と第２レーザ光とを同種の発振器を用いて生成できる。その結果、装置の構成を簡易化できる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態のレーザ光合成装置１において、光学素子８は、必ずしも出力ヘッド６内に格納される必要はない。
例えば、光学素子８を筐体９内に配置し、筐体９内で合成レーザ光を生成してもよい。この場合、筐体９と出力ヘッド６とは、１つの適切なレーザ光伝送路で接続される。

また、例えば光学素子８をレーザ光伝送路内に配置してもよい。具体的には、図１の２つのカプラ１０を１つにまとめ、このカプラ内に光学素子８を配置してもよい。この場合、カプラと出力ヘッド６とは、１つの適切なレーザ光伝送路で接続される。

（２ｂ）上記実施形態のレーザ光合成装置１は、必ずしも変換部７を備えなくてもよい。エネルギー分布がトップハット型又は環状型のレーザ光を発生する第２発振器３を用いれば、変換部７は省略することができる。

（２ｃ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…レーザ光合成装置、２…第１発振器、２Ａ…発振回路、２Ｂ…電源、
３…第２発振器、３Ａ…発振回路、３Ｂ…電源、４…第１レーザ光伝送路、
５…第２レーザ光伝送路、６…出力ヘッド、６Ａ…集光レンズ、
６Ｂ…第１コリメートレンズ、６Ｃ…第２コリメートレンズ、７…変換部、
８…光学素子、９…筐体、１０…カプラ。

Claims (8)

1. レーザ加工用のレーザ光合成装置であって、
   複数のレーザ光を合成する光学素子を備え、
   前記光学素子は、エネルギー分布がガウシアン型の第１レーザ光と、エネルギー分布がトップハット型又は環状型の第２レーザ光とを光軸が重なるように合成する、レーザ光合成装置。
2. 請求項１に記載のレーザ光合成装置であって、
   前記光学素子により合成された合成レーザ光を集光する集光レンズを有する出力ヘッドをさらに備え、
   前記光学素子は、前記出力ヘッドに格納される、レーザ光合成装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のレーザ光合成装置であって、
   前記第２レーザ光は、エネルギー分布が環状型である、レーザ光合成装置。
4. 請求項３に記載のレーザ光合成装置であって、
   前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを、それぞれのエネルギー分布におけるピークエネルギーの５０％以上のエネルギーを有する領域が重ならないように合成する、レーザ光合成装置。
5. 請求項４に記載のレーザ光合成装置であって、
   前記光学素子は無偏光ビームスプリッタである、レーザ光合成装置。
6. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ光合成装置であって、
   前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを波長合成する、レーザ光合成装置。
7. 請求項６に記載のレーザ光合成装置であって、
   前記光学素子はダイクロイックッミラーである、レーザ光合成装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレーザ光合成装置であって、
   エネルギー分布がガウシアン型のレーザ光を前記第２レーザ光に変換する変換部をさらに備える、レーザ光合成装置。

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