JP2019206031A - Laser machining device - Google Patents

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Abstract

To provide a machining device using a laser.SOLUTION: A laser machining device includes: a semiconductor laser device which radiates a plurality of laser beams; an optical conversion section which condenses the plurality of laser beams into L condensed beams; and L optical fibers which receive the L condensed beams. The semiconductor laser device has N semiconductor laser bars. Each of the N semiconductor laser bars has a plurality of emitters radiating the plurality of laser beams. L is an integer of 2 or more and N is an integer of 1 or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。   The present invention relates to a laser processing apparatus.

従来、COガスレーザを使用したレーザ加工機用の加熱レーザ光が知られている(例えば、特許文献1)。COガスレーザを用いることにより、材料加工に必要な数Wから数KWクラスの高強度のレーザ光が安定して得られる。数Wクラスのレーザ強度は、樹脂や布の切断、異種材料の溶接に用いられる。一方、金属板やブロック加工、切断には数KWクラスの大出力強度のレーザ源が用いられる。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特開2011−29438号公報
[特許文献2] 特開2016−175813号公報
Conventionally, a heating laser beam for a laser processing machine using a CO 2 gas laser is known (for example, Patent Document 1). By using a CO 2 gas laser, high intensity laser light of several W to several KW class necessary for material processing can be stably obtained. The laser intensity of several W class is used for cutting resin and cloth and welding different materials. On the other hand, a laser source with high output intensity of several KW class is used for metal plate, block processing, and cutting.
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-29438 [Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-175813

しかし、COガスレーザ光の発振波長は、10μmと長波長となる。COガスレーザ光用のレンズはZnSe材料に限定されおり、高圧プレスでの製作が必要で高価である。そのためにシリコン単結晶製の反射ミラーを用いるのが一般である。この結果、材料コストアップと加熱ビームの操作性が劣る。10μmと長波長領域で、透過率の高い材料が存在しない。このため、従来のレーザ加工装置では、光ファイバを使用できないので、加熱ビームの操作性が悪い。数KWクラスのCOレーザの場合は、共振器を構成するミラー間隔の光のパス長は数m必要となる。共振器ミラー間に設置したガス管の長さにより小型化が困難である。さらに、COガス冷却用循環器が必要などの付帯設備が必要となり大型になる。多数の穴を加工したい場合は、これらのレーザビームは1本の加熱ビームを反射方向にミラーを高速に反射させて加工する。よって、加工した穴形状の精度が大きく損なってしまう。 However, the oscillation wavelength of the CO 2 gas laser beam is as long as 10 μm. The lens for CO 2 gas laser light is limited to ZnSe material, and it is necessary to manufacture with a high-pressure press and is expensive. For this purpose, it is common to use a reflection mirror made of silicon single crystal. As a result, the material cost increases and the operability of the heating beam is inferior. There is no material with high transmittance in the long wavelength region of 10 μm. For this reason, in the conventional laser processing apparatus, since an optical fiber cannot be used, the operativity of a heating beam is bad. In the case of a CO 2 laser of several KW class, the path length of the light at the mirror interval constituting the resonator is several meters. It is difficult to reduce the size due to the length of the gas pipe installed between the resonator mirrors. Furthermore, additional equipment such as a circulator for cooling CO 2 gas is required, resulting in a large size. When it is desired to process a large number of holes, these laser beams are processed by reflecting a single heating beam in a reflecting direction at a high speed by a mirror. Therefore, the accuracy of the processed hole shape is greatly impaired.

なお、ファイバレーザを用いる方式では、ファイバレーザの発振波長が1μm程度であるので、石英製レンズや石英製ファイバを使用できる。しかしながら、ファイバレーザは高額である。   In the system using a fiber laser, since the oscillation wavelength of the fiber laser is about 1 μm, a quartz lens or a quartz fiber can be used. However, fiber lasers are expensive.

一方、単結晶育成装置用に限定されているが、1台の半導体レーザ装置からのレーザ光をミラーにより分岐する方法が提案されている。しかし、レーザ加工装置に用いる分岐したレーザ光は高強度パワーのレーザ光を用いる。レーザ加工装置の分岐用にミラーを用いることができない。ミラー分岐の場合、ミラーを45度程度傾斜する条件下で、100%の反射率を確保する必要がある。その為、ミラーを構成する数層からなる多層積層薄膜の高精度の膜厚制御が必要である。製造上の膜厚バラツキ発生のために、反射率100%を確保することは困難である。この場合、レーザ光のエネルギー吸収によってミラーの温度が上昇する。その結果、ミラーの反射面の多層膜が破損する場合がある。また、破損に至らない場合でも、ミラー反射面の歪みが発生する。ミラー反射面の熱ゆがみは光ファイバの入射面での集光ビームスポットを移動させる。このような歪みはファイバ出力強度を変化させるだけでなく、ファイバ入射面の端部が溶解する原因となる。また45度の傾斜角度を維持するための支持台の振動や周辺温度変化にも敏感である。そのため、レーザ光をミラーにより分岐する方法は、レーザ加工装置用には適さない。   On the other hand, although it is limited to a single crystal growth apparatus, a method of branching a laser beam from one semiconductor laser apparatus by a mirror has been proposed. However, a laser beam with high intensity is used as the branched laser beam used in the laser processing apparatus. A mirror cannot be used for branching of the laser processing apparatus. In the case of mirror branching, it is necessary to ensure 100% reflectivity under the condition that the mirror is tilted by about 45 degrees. Therefore, it is necessary to control the film thickness of the multilayer laminated thin film composed of several layers constituting the mirror with high accuracy. It is difficult to ensure a reflectivity of 100% due to film thickness variations in manufacturing. In this case, the temperature of the mirror rises due to energy absorption of the laser light. As a result, the multilayer film on the reflecting surface of the mirror may be damaged. Further, even when the damage does not occur, the mirror reflecting surface is distorted. The thermal distortion of the mirror reflecting surface moves the focused beam spot on the incident surface of the optical fiber. Such a distortion not only changes the fiber output intensity but also causes the end of the fiber entrance surface to melt. It is also sensitive to vibrations of the support base and ambient temperature changes to maintain a 45 degree tilt angle. Therefore, the method of branching the laser beam by the mirror is not suitable for the laser processing apparatus.

本発明の第1の態様においては、複数本のレーザ光を照射する半導体レーザ装置と、複数本のレーザ光を、L本の集光ビームに集光する光学変換部と、L本の集光ビームを受光するL本の光ファイバと、を備え、半導体レーザ装置は、N個の半導体レーザバーを有し、N個の半導体レーザバーのそれぞれは、複数本のレーザ光を放射する複数個のエミッタを有し、Lは2以上の整数であり、Nは1以上の整数であるレーザ加工装置を提供する。   In the first aspect of the present invention, a semiconductor laser device that irradiates a plurality of laser beams, an optical conversion unit that focuses the plurality of laser beams into L focused beams, and L focused beams A semiconductor laser device having N semiconductor laser bars, and each of the N semiconductor laser bars has a plurality of emitters for emitting a plurality of laser beams. And a laser processing apparatus in which L is an integer of 2 or more and N is an integer of 1 or more.

実施例1に係るレーザ加工装置100の概要の一例を示す。An example of the outline | summary of the laser processing apparatus 100 which concerns on Example 1 is shown. 実施例2に係るレーザ加工装置100の概要の一例を示す。An example of the outline | summary of the laser processing apparatus 100 which concerns on Example 2 is shown. 実施例1および実施例2に係るレーザ加工装置100の光学系を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the optical system of the laser processing apparatus 100 which concerns on Example 1 and Example 2. FIG. 円形の光ファイバコア62を有する光ファイバ60の一例を示す。An example of the optical fiber 60 which has the circular optical fiber core 62 is shown. 多角形の光ファイバコア62を有する光ファイバ60の一例を示す。An example of the optical fiber 60 which has the polygonal optical fiber core 62 is shown. 3つの光ファイバコア62を有する光ファイバ60の一例を示す。An example of the optical fiber 60 which has the three optical fiber cores 62 is shown. 加熱ビーム104の照射強度分布の測定例を示す。An example of measurement of the irradiation intensity distribution of the heating beam 104 is shown. 加熱ビーム104の照射強度分布の測定例を示す。An example of measurement of the irradiation intensity distribution of the heating beam 104 is shown. 加熱ビーム104の照射強度分布の測定例を示す。An example of measurement of the irradiation intensity distribution of the heating beam 104 is shown. 加熱ビーム104の照射強度分布の測定例を示す。An example of measurement of the irradiation intensity distribution of the heating beam 104 is shown. 実施例3に係るレーザ加工装置100の構成の一例を示す。An example of the structure of the laser processing apparatus 100 which concerns on Example 3 is shown. 実施例4に係るレーザ加工装置100の構成の一例を示す。An example of the structure of the laser processing apparatus 100 which concerns on Example 4 is shown. 実施例5に係るレーザ加工装置100の構成の一例を示す。An example of the structure of the laser processing apparatus 100 which concerns on Example 5 is shown.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

[実施例1]
図1は、実施例1に係るレーザ加工装置100の概要の一例を示す。レーザ加工装置100は、電源10と、半導体レーザ装置20と、調整部50と、制御部55と、光ファイバ60と、光学変換部70と、照射ヘッド80とを備える。
[Example 1]
FIG. 1 shows an example of an outline of a laser processing apparatus 100 according to the first embodiment. The laser processing apparatus 100 includes a power supply 10, a semiconductor laser apparatus 20, an adjustment unit 50, a control unit 55, an optical fiber 60, an optical conversion unit 70, and an irradiation head 80.

電源10は、半導体レーザ装置20に電力を供給する。レーザ加工装置100は、半導体レーザ装置20に電力を供給する単一の電源10のみを有する。レーザ加工装置100は、単一の電源10のみを有するので、半導体レーザ装置20に電力を供給する電源を複数必要としない。   The power supply 10 supplies power to the semiconductor laser device 20. The laser processing apparatus 100 has only a single power supply 10 that supplies power to the semiconductor laser apparatus 20. Since the laser processing apparatus 100 has only a single power supply 10, a plurality of power supplies for supplying power to the semiconductor laser apparatus 20 are not required.

冷却部15は、半導体レーザ装置20に冷却水を供給する。レーザ加工装置100は、半導体レーザ装置20を冷却する単一の冷却部15のみを有してよい。即ち、半導体レーザ装置20には、1つの入水口および1つの出水口が設けられる。例えば、冷却部15は、半導体レーザ装置20を冷却するためのチラーを有する。   The cooling unit 15 supplies cooling water to the semiconductor laser device 20. The laser processing apparatus 100 may have only a single cooling unit 15 that cools the semiconductor laser apparatus 20. That is, the semiconductor laser device 20 is provided with one water inlet and one water outlet. For example, the cooling unit 15 includes a chiller for cooling the semiconductor laser device 20.

半導体レーザ装置20は、複数本のレーザ光21を放射する。一例において、半導体レーザ装置20は、複数のエミッタを有し、1個以上のN個の半導体レーザバーを備える。本例の半導体レーザ装置20は、入出力端子22および入出力端子24を1つずつ有する。   The semiconductor laser device 20 emits a plurality of laser beams 21. In one example, the semiconductor laser device 20 includes a plurality of emitters and includes one or more N semiconductor laser bars. The semiconductor laser device 20 of this example has one input / output terminal 22 and one input / output terminal 24.

入出力端子22は、電源10と半導体レーザ装置20とを接続するための端子である。一例において、入出力端子22は、入力端子および出力端子を各1個ずつ含んでよい。入出力端子22は、第1入出力端子の一例である。   The input / output terminal 22 is a terminal for connecting the power supply 10 and the semiconductor laser device 20. In one example, the input / output terminal 22 may include one input terminal and one output terminal. The input / output terminal 22 is an example of a first input / output terminal.

入出力端子24は、冷却部15と半導体レーザ装置20とを接続するための端子である。一例において、入出力端子24は、冷却水の入水口および出水口を各1個ずつ含んでよい。入出力端子24は、第2入出力端子の一例である。   The input / output terminal 24 is a terminal for connecting the cooling unit 15 and the semiconductor laser device 20. In one example, the input / output terminal 24 may include one cooling water inlet and one water outlet. The input / output terminal 24 is an example of a second input / output terminal.

光学変換部70は、複数本のレーザ光21を、予め定められたL本の集光ビーム102に変換する。Lは、2以上の整数である。Lは、奇数であっても、偶数であってもよい。本例では、L=3の場合について説明するがこれに限られない。光学変換部70は、第1光学系30および第2光学系40を有する。   The optical conversion unit 70 converts the plurality of laser beams 21 into predetermined L focused beams 102. L is an integer of 2 or more. L may be an odd number or an even number. In this example, the case of L = 3 will be described, but the present invention is not limited to this. The optical conversion unit 70 includes a first optical system 30 and a second optical system 40.

第1光学系30は、レーザ光21を予め定められた方向に平行な光に変換する。一例において、第1光学系30は、レーザ光21を進行方向と平行な光に変換する。例えば、第1光学系30は、シリンドリカルレンズやマイクロレンズ等の任意のレンズを有する。   The first optical system 30 converts the laser light 21 into light parallel to a predetermined direction. In one example, the first optical system 30 converts the laser light 21 into light parallel to the traveling direction. For example, the first optical system 30 includes an arbitrary lens such as a cylindrical lens or a microlens.

第2光学系40は、進行方向と平行にされたレーザ光21をL個の集光ビーム102に変換する。第2光学系40は、L個の集光ビーム102を光ファイバ60に入射する。   The second optical system 40 converts the laser light 21 parallel to the traveling direction into L condensed beams 102. The second optical system 40 causes the L condensed beams 102 to enter the optical fiber 60.

調整部50は、L個の集光ビーム102の強度を調整する。調整部50は、L個の集光ビーム102の強度を個別に調整してよい。例えば、調整部50は、集光ビーム102を吸収するL個のダンパを有する。   The adjustment unit 50 adjusts the intensity of the L condensed beams 102. The adjustment unit 50 may individually adjust the intensities of the L focused beams 102. For example, the adjustment unit 50 includes L dampers that absorb the condensed beam 102.

制御部55は、調整部50を制御することにより、集光ビーム102を吸収する量を調整する。これにより、制御部55は、集光ビーム102の強度を調整する。例えば、制御部55は、調整部50が有するダンパの位置を調整する。制御部55は、L本の加熱ビーム104の強度を観察し、L本の集光ビーム102の強度をそれぞれ独立して制御してよい。制御部55は、第1制御部の一例である。   The control unit 55 adjusts the amount of the condensed beam 102 that is absorbed by controlling the adjustment unit 50. Thereby, the control unit 55 adjusts the intensity of the focused beam 102. For example, the control unit 55 adjusts the position of the damper included in the adjustment unit 50. The control unit 55 may observe the intensity of the L heating beams 104 and control the intensity of the L condensed beams 102 independently of each other. The control unit 55 is an example of a first control unit.

制御部55は、調整部50を制御することにより、集光ビーム102をパルス光に変調する。例えば、制御部55は、調整部50が有するポッケルセル素子に電圧を与え、集光ビーム102の偏向方向を調整する。制御部55は、L本の集光ビーム102のパルス周波数をそれぞれ独立して制御してよい。一例において、制御部55は、調整部50を制御することにより、集光ビーム102のパルス周波数や透過強度を制御する。集光ビーム102のパルス周波数や透過強度は、集光ビーム102のパルス幅や時間間隔を調整することにより制御する。   The control unit 55 controls the adjustment unit 50 to modulate the condensed beam 102 into pulsed light. For example, the control unit 55 applies a voltage to the Pockel cell element included in the adjustment unit 50 to adjust the deflection direction of the focused beam 102. The control unit 55 may control the pulse frequencies of the L focused beams 102 independently of each other. In one example, the control unit 55 controls the pulse frequency and transmission intensity of the focused beam 102 by controlling the adjustment unit 50. The pulse frequency and transmission intensity of the focused beam 102 are controlled by adjusting the pulse width and time interval of the focused beam 102.

光ファイバ60は、集光ビーム102を受光して伝搬する。光ファイバ60は、入射側において光ファイバコア62を有する。L本の光ファイバ60には、L本の光ファイバコア62が対応して設けられてよい。照射ヘッド80は、加熱ビーム104の放射側においてL本の放射側ファイバ66を有する。   The optical fiber 60 receives the condensed beam 102 and propagates it. The optical fiber 60 has an optical fiber core 62 on the incident side. The L optical fibers 60 may be provided with L optical fiber cores 62 correspondingly. The irradiation head 80 has L radiation-side fibers 66 on the radiation side of the heating beam 104.

光ファイバコア62は、集光ビーム102を受光する。光ファイバコア62は、L個設けられることにより、L本の集光ビーム102を受光する。本例の光ファイバコア62は、3個の光ファイバコア62a〜光ファイバコア62cを含む。   The optical fiber core 62 receives the focused beam 102. Since the L optical fiber cores 62 are provided, the L focused beams 102 are received. The optical fiber core 62 of this example includes three optical fiber cores 62a to 62c.

放射側ファイバ66は、光ファイバコア62が受光した集光ビーム102を予め定められた位置に導通して放射する。本例の放射側ファイバ66は、3つの放射側ファイバ66a〜放射側ファイバ66cを含む。例えば、放射側ファイバ66a〜放射側ファイバ66cは、集光ビーム102を照射ヘッド80に接続するべく配線される。   The radiation side fiber 66 conducts and radiates the focused beam 102 received by the optical fiber core 62 to a predetermined position. The radiation side fiber 66 of this example includes three radiation side fibers 66a to 66c. For example, the radiation side fiber 66 a to the radiation side fiber 66 c are wired to connect the condensed beam 102 to the irradiation head 80.

照射ヘッド80は、光ファイバ60の放射側に設けられる。照射ヘッド80は、光ファイバ60から受光した集光ビーム102を、加熱ビーム104として放射する。照射ヘッド80は、加熱ビーム104の照射強度分布を加工する。本例の照射ヘッド80は、放射側ファイバ66a〜放射側ファイバ66cに対応した3つの照射ヘッド80a〜照射ヘッド80cを含む。制御部55は、コンピュータ制御等により、照射ヘッド80の位置と角度を制御してもよい。照射ヘッド80は、駆動系によって3次元空間を高精度かつ高速に移動してよい。   The irradiation head 80 is provided on the radiation side of the optical fiber 60. The irradiation head 80 emits the condensed beam 102 received from the optical fiber 60 as a heating beam 104. The irradiation head 80 processes the irradiation intensity distribution of the heating beam 104. The irradiation head 80 of this example includes three irradiation heads 80a to 80c corresponding to the emission side fibers 66a to 66c. The control unit 55 may control the position and angle of the irradiation head 80 by computer control or the like. The irradiation head 80 may move in a three-dimensional space with high accuracy and high speed by a drive system.

加工材料110は、加熱ビーム104により加工される材料である。加工材料110の材料は、特に限定されない。半導体レーザ加工装置100は、加工材料110の材質に応じたワット数の加熱ビーム104を生成するように、半導体レーザ装置20の構造および光学系が設計されてよい。例えば、加工材料110は、加熱ビーム104により、複数の穴112が設けられる。本例のレーザ加工装置100は、加熱ビーム104の照射強度分布や形状を制御することにより、任意の形状の穴112を形成できる。また、加熱ビーム104の照射強度分布を最適に調整することにより、穴112の精度を向上することができる。   The processing material 110 is a material processed by the heating beam 104. The material of the processing material 110 is not particularly limited. In the semiconductor laser processing apparatus 100, the structure and optical system of the semiconductor laser apparatus 20 may be designed so as to generate the heating beam 104 having a wattage corresponding to the material of the processing material 110. For example, the work material 110 is provided with a plurality of holes 112 by the heating beam 104. The laser processing apparatus 100 of this example can form a hole 112 having an arbitrary shape by controlling the irradiation intensity distribution and shape of the heating beam 104. Moreover, the accuracy of the hole 112 can be improved by optimally adjusting the irradiation intensity distribution of the heating beam 104.

なお、L個の照射ヘッド80の位置は、加工材料110の加工方法に応じて、適宜変更されてよい。L個の照射ヘッド80は、規則的に設けられてもよいし、不規則に設けられてもよい。   Note that the positions of the L irradiation heads 80 may be changed as appropriate according to the processing method of the processing material 110. The L irradiation heads 80 may be provided regularly or irregularly.

L個の照射ヘッド80は、加工材料110の同一の領域を照射してもよいし、異なる領域を照射してもよい。L個の照射ヘッド80は、加熱ビーム104による照射領域を中心とした同一円周上において、非等間隔で配置された2以上の照射ヘッド80を含んでよい。L個の照射ヘッド80の加工材料110との距離は、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。L個の照射ヘッド80は、加熱ビーム104を照射する第1照射ヘッドと、当該第1照射ヘッドの加熱ビーム104による照射領域を中心とした同一円周上以外の領域に配置した第2照射ヘッドとを含んでよい。   The L irradiation heads 80 may irradiate the same region of the processing material 110 or different regions. The L irradiation heads 80 may include two or more irradiation heads 80 arranged at non-equal intervals on the same circumference centered on the irradiation region by the heating beam 104. The distances of the L irradiation heads 80 from the processing material 110 may be the same or different. The L irradiation heads 80 are a first irradiation head that irradiates the heating beam 104 and a second irradiation head that is disposed in a region other than the same circumference centered on the irradiation region of the first irradiation head by the heating beam 104. And may include.

L個の照射ヘッド80は、それぞれ異なる角度で加工材料110に加熱ビーム104を照射してよい。例えば、照射ヘッド80aが照射する加熱ビーム104aと加工材料110とのなす角度は垂直でもよいし、鋭角や鈍角でもよい。また、照射ヘッド80aと他の照射ヘッド80bおよび照射ヘッド80cとのなす角度は平行であってもよいし、異なる角度であってもよい。   The L irradiation heads 80 may irradiate the processing material 110 with the heating beam 104 at different angles. For example, the angle formed between the heating beam 104a irradiated by the irradiation head 80a and the processing material 110 may be vertical, or may be an acute angle or an obtuse angle. Further, the angles formed by the irradiation head 80a and the other irradiation heads 80b and 80c may be parallel or different angles.

本例のレーザ加工装置100は、L本の加熱ビーム104の本数、強度および照射位置等を自在に変更することにより、多彩な用途に応用できる。例えば、レーザ加工装置100は、加工材料110の穴の形成、パターンの形成、加工材料110の溶融等の用途に用いられる。また、レーザ加工装置100は、多数のパターンを同時に形成できるので、加工効率に優れる。レーザ加工装置100は、所望の三次元立体構造を加工できる。加熱ビーム104は三次元方向から放射できる。   The laser processing apparatus 100 of this example can be applied to various uses by freely changing the number, intensity, irradiation position, and the like of the L heating beams 104. For example, the laser processing apparatus 100 is used for applications such as forming holes in the processing material 110, forming patterns, and melting the processing material 110. Moreover, since the laser processing apparatus 100 can form many patterns simultaneously, it is excellent in processing efficiency. The laser processing apparatus 100 can process a desired three-dimensional structure. The heating beam 104 can be emitted from a three-dimensional direction.

[実施例2]
図2は、実施例2に係るレーザ加工装置100の概要の一例を示す。本例では、実施例1に係るレーザ加工装置100と相違する点について特に説明する。本例のレーザ加工装置100は、実施例1のレーザ加工装置100に、さらに、半導体レーザ装置120を追加した場合の概要を示す。レーザレーザ加工装置100は、実施例1の構成に、半導体レーザ装置120と、電源12と、第1光学系130と第2光学系140とからなる光学変換部170と、センサ部150と、制御部155と、光ファイバコア62dと、照射ヘッド80dとを備える。
[Example 2]
FIG. 2 shows an example of an outline of the laser processing apparatus 100 according to the second embodiment. In this example, differences from the laser processing apparatus 100 according to the first embodiment will be particularly described. The laser processing apparatus 100 of this example shows an outline when a semiconductor laser apparatus 120 is further added to the laser processing apparatus 100 of the first embodiment. The laser laser processing apparatus 100 includes the semiconductor laser apparatus 120, the power source 12, the optical conversion unit 170 including the first optical system 130 and the second optical system 140, the sensor unit 150, and the control in the configuration of the first embodiment. 155, an optical fiber core 62d, and an irradiation head 80d.

冷却部15は、半導体レーザ装置20および半導体レーザ装置120に冷却水を供給する。レーザ加工装置100は、半導体レーザ装置20および半導体レーザ装置120を冷却する単一の冷却部15のみを有してよい。例えば、冷却部15は、半導体レーザ装置20および半導体レーザ装置120を冷却するためのチラーを有する。   The cooling unit 15 supplies cooling water to the semiconductor laser device 20 and the semiconductor laser device 120. The laser processing apparatus 100 may include only the single cooling unit 15 that cools the semiconductor laser apparatus 20 and the semiconductor laser apparatus 120. For example, the cooling unit 15 includes a chiller for cooling the semiconductor laser device 20 and the semiconductor laser device 120.

半導体レーザ装置120は、複数本のレーザ光121を放射する。一例において、半導体レーザ装置120は、複数のエミッタを有し、N個の半導体レーザバーを備える。本例の半導体レーザ装置120は、入出力端子122および入出力端子124を1つずつ有する。   The semiconductor laser device 120 emits a plurality of laser beams 121. In one example, the semiconductor laser device 120 has a plurality of emitters and includes N semiconductor laser bars. The semiconductor laser device 120 of this example has one input / output terminal 122 and one input / output terminal 124.

入出力端子122は、電源12と半導体レーザ装置120とを接続するための端子である。本例の入出力端子122は、半導体レーザ装置120に1つ設けられている。   The input / output terminal 122 is a terminal for connecting the power supply 12 and the semiconductor laser device 120. One input / output terminal 122 of this example is provided in the semiconductor laser device 120.

入出力端子124は、冷却部15と半導体レーザ装置120とを接続するための端子である。一例において、入出力端子124は、冷却水の入水口および出水口を各1個ずつ含んでよい。冷却部15は、入出力端子24および入出力端子124と並列に接続してよい。本例の入出力端子124は、半導体レーザ装置120に1つ設けられている。   The input / output terminal 124 is a terminal for connecting the cooling unit 15 and the semiconductor laser device 120. In one example, the input / output terminal 124 may include one cooling water inlet and one water outlet. The cooling unit 15 may be connected in parallel with the input / output terminal 24 and the input / output terminal 124. One input / output terminal 124 of this example is provided in the semiconductor laser device 120.

光学変換部170は、複数本のレーザ光121を集光ビーム102dに変換する。本例の集光ビーム102dは、1本の光ファイバコア62dに入射されるが、複数の光ファイバコア62に入射されてもよい。   The optical conversion unit 170 converts the plurality of laser beams 121 into a focused beam 102d. The focused beam 102d of this example is incident on one optical fiber core 62d, but may be incident on a plurality of optical fiber cores 62.

第1光学系130は、レーザ光121を予め定められた方向に平行な光に変換する。第1光学系130は、第1光学系30と同様の構成を有してもよい。   The first optical system 130 converts the laser light 121 into light parallel to a predetermined direction. The first optical system 130 may have the same configuration as the first optical system 30.

第2光学系140は、進行方向と平行にされたレーザ光121を集光ビーム102dに変換する。第2光学系140は、第2光学系40と同様の構成を有してもよい。   The second optical system 140 converts the laser beam 121 parallel to the traveling direction into a focused beam 102d. The second optical system 140 may have the same configuration as the second optical system 40.

センサ部150は、L本の集光ビーム102の内、特定の集光ビーム102の強度を検知する。本例のセンサ部150は、集光ビーム102dの強度を検知する。センサ部150は、ファイバ入射端面からの散乱光を測定する。測定子はpn接合による光強度検出装置であってよい。   The sensor unit 150 detects the intensity of a specific focused beam 102 among the L focused beams 102. The sensor unit 150 of this example detects the intensity of the focused beam 102d. The sensor unit 150 measures scattered light from the fiber incident end face. The probe may be a light intensity detection device using a pn junction.

制御部155は、集光ビーム102dを放射する半導体レーザ装置120の供給電力を制御することにより、集光ビーム102dの強度を調整する。制御部155は、センサ部150からの電圧信号により、電源12の出力を制御するための制御電圧を出力する。これにより、集光ビーム102dの照射強度をダンパなしに、調整できる。制御部155は、第2制御部の一例である。   The control unit 155 adjusts the intensity of the focused beam 102d by controlling the power supplied to the semiconductor laser device 120 that emits the focused beam 102d. The control unit 155 outputs a control voltage for controlling the output of the power supply 12 based on the voltage signal from the sensor unit 150. Thereby, the irradiation intensity of the condensed beam 102d can be adjusted without a damper. The control unit 155 is an example of a second control unit.

光ファイバ60は、集光ビーム102を受光して伝搬する。光ファイバ60は、入射側において光ファイバコア62を有する。L本の光ファイバ60には、L本の光ファイバコア62が対応して設けられてよい。照射ヘッド80は、加熱ビーム104の放射側においてL本の放射側ファイバ66を有する。   The optical fiber 60 receives the condensed beam 102 and propagates it. The optical fiber 60 has an optical fiber core 62 on the incident side. The L optical fibers 60 may be provided with L optical fiber cores 62 correspondingly. The irradiation head 80 has L radiation-side fibers 66 on the radiation side of the heating beam 104.

光ファイバコア62は、集光ビーム102を受光する。光ファイバコア62は、L個設けられることにより、L本の集光ビーム102を受光する。本例の光ファイバコア62は、4個の光ファイバコア62a〜光ファイバコア62dを含む。   The optical fiber core 62 receives the focused beam 102. Since the L optical fiber cores 62 are provided, the L focused beams 102 are received. The optical fiber core 62 of this example includes four optical fiber cores 62a to 62d.

放射側ファイバ66は、光ファイバコア62が受光した集光ビーム102を予め定められた位置に導通して放射する。本例の放射側ファイバ66は、4つの放射側ファイバ66a〜放射側ファイバ66dを含む。例えば、放射側ファイバ66a〜放射側ファイバ66dは、集光ビーム102を照射ヘッド80に接続するべく配線される。   The radiation side fiber 66 conducts and radiates the focused beam 102 received by the optical fiber core 62 to a predetermined position. The radiation side fiber 66 of this example includes four radiation side fibers 66a to 66d. For example, the radiation side fiber 66 a to the radiation side fiber 66 d are wired to connect the condensed beam 102 to the irradiation head 80.

照射ヘッド80は、光ファイバ60の放射側に設けられる。照射ヘッド80は、光ファイバ60から受光した集光ビーム102を、加熱ビーム104として放射する。照射ヘッド80は、加熱ビーム104の照射強度分布を加工する。本例の照射ヘッド80は、放射側ファイバ66a〜放射側ファイバ66dに対応した4つの照射ヘッド80a〜照射ヘッド80dを含む。制御部55は、コンピュータ制御等により、照射ヘッド80の位置と角度を制御してもよい。照射ヘッド80は、駆動系によって3次元空間を高精度かつ高速に移動してよい。   The irradiation head 80 is provided on the radiation side of the optical fiber 60. The irradiation head 80 emits the condensed beam 102 received from the optical fiber 60 as a heating beam 104. The irradiation head 80 processes the irradiation intensity distribution of the heating beam 104. The irradiation head 80 of this example includes four irradiation heads 80a to 80d corresponding to the emission side fibers 66a to 66d. The control unit 55 may control the position and angle of the irradiation head 80 by computer control or the like. The irradiation head 80 may move in a three-dimensional space with high accuracy and high speed by a drive system.

加工材料110は、加熱ビーム104により加工される材料である。加工材料110の材料は、特に限定されない。半導体レーザ加工装置100は、加工材料110の材質に応じたワット数の加熱ビーム104を生成するように、半導体レーザ装置20および120の構造および光学系が設計されてよい。例えば、加工材料110は、加熱ビーム104により、複数の穴112が設けられる。本例のレーザ加工装置100は、加熱ビーム104の照射強度分布や形状を制御することにより、任意の形状の穴112を形成できる。また、加熱ビーム104の照射強度分布を最適に調整することにより、穴112の精度を向上することができる。   The processing material 110 is a material processed by the heating beam 104. The material of the processing material 110 is not particularly limited. In the semiconductor laser processing apparatus 100, the structures and optical systems of the semiconductor laser apparatuses 20 and 120 may be designed so as to generate the heating beam 104 having a wattage corresponding to the material of the processing material 110. For example, the work material 110 is provided with a plurality of holes 112 by the heating beam 104. The laser processing apparatus 100 of this example can form a hole 112 having an arbitrary shape by controlling the irradiation intensity distribution and shape of the heating beam 104. Moreover, the accuracy of the hole 112 can be improved by optimally adjusting the irradiation intensity distribution of the heating beam 104.

なお、L個の照射ヘッド80の位置は、加工材料110の加工方法に応じて、適宜変更されてよい。L個の照射ヘッド80は、規則的に設けられてもよいし、不規則に設けられてもよい。   Note that the positions of the L irradiation heads 80 may be changed as appropriate according to the processing method of the processing material 110. The L irradiation heads 80 may be provided regularly or irregularly.

L個の照射ヘッド80は、加工材料110の同一の領域を照射してもよいし、異なる領域を照射してもよい。L個の照射ヘッド80は、加熱ビーム104による照射領域を中心とした同一円周上において、非等間隔で配置された2以上の照射ヘッド80を含んでよい。L個の照射ヘッド80の加工材料110との距離は、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。L個の照射ヘッド80は、加熱ビーム104を照射する第1照射ヘッドと、当該第1照射ヘッドの加熱ビーム104による照射領域を中心とした同一円周上以外の領域に配置した第2照射ヘッドとを含んでよい。   The L irradiation heads 80 may irradiate the same region of the processing material 110 or different regions. The L irradiation heads 80 may include two or more irradiation heads 80 arranged at non-equal intervals on the same circumference centered on the irradiation region by the heating beam 104. The distances of the L irradiation heads 80 from the processing material 110 may be the same or different. The L irradiation heads 80 are a first irradiation head that irradiates the heating beam 104 and a second irradiation head that is disposed in a region other than the same circumference centered on the irradiation region of the first irradiation head by the heating beam 104. And may include.

L個の照射ヘッド80は、それぞれ異なる角度で加工材料110に加熱ビーム104を照射してよい。例えば、照射ヘッド80aが照射する加熱ビーム104aと加工材料110とのなす角度は垂直でもよいし、鋭角や鈍角でもよい。また、照射ヘッド80aと他の照射ヘッド80bおよび照射ヘッド80cとのなす角度は平行であってもよいし、異なる角度であってもよい。   The L irradiation heads 80 may irradiate the processing material 110 with the heating beam 104 at different angles. For example, the angle formed between the heating beam 104a irradiated by the irradiation head 80a and the processing material 110 may be vertical, or may be an acute angle or an obtuse angle. Further, the angles formed by the irradiation head 80a and the other irradiation heads 80b and 80c may be parallel or different angles.

本例のレーザ加工装置100は、L本の加熱ビーム104の本数、強度および照射位置等を自在に変更することにより、多彩な用途に応用できる。例えば、レーザ加工装置100は、加工材料110の穴の形成、パターンの形成、加工材料110の溶融等の用途に用いられる。また、レーザ加工装置100は、多数のパターンを同時に形成できるので、加工効率に優れる。レーザ加工装置100は、所望の三次元立体構造を加工できる。加熱ビーム104は三次元方向から放射できる。   The laser processing apparatus 100 of this example can be applied to various uses by freely changing the number, intensity, irradiation position, and the like of the L heating beams 104. For example, the laser processing apparatus 100 is used for applications such as forming holes in the processing material 110, forming patterns, and melting the processing material 110. Moreover, since the laser processing apparatus 100 can form many patterns simultaneously, it is excellent in processing efficiency. The laser processing apparatus 100 can process a desired three-dimensional structure. The heating beam 104 can be emitted from a three-dimensional direction.

実施例2に係るレーザ加工装置100は、複数の半導体レーザ装置の使用も可能にすることに特徴がある。本例のレーザ加工装置100は、1台の半導体レーザ装置から分割して多数本のレーザ分割する場合、分岐したレーザ強度の一部が小さい強度になってしまう場合に有効である。分岐することによるレーザ強度の低下を防止できる。このような場合でも、半導体レーザ装置を冷却水の供給システムは1台ですみ、半導体レーザ直近での温度を制御できるので、半導体出力を安定させることができる。   The laser processing apparatus 100 according to the second embodiment is characterized in that a plurality of semiconductor laser apparatuses can be used. The laser processing apparatus 100 of this example is effective in the case where a part of a branched laser intensity becomes small when dividing from a single semiconductor laser apparatus and dividing a large number of lasers. Reduction in laser intensity due to branching can be prevented. Even in such a case, the semiconductor laser device needs only one cooling water supply system, and the temperature in the immediate vicinity of the semiconductor laser can be controlled, so that the semiconductor output can be stabilized.

図3は、実施例1および実施例2に係るレーザ加工装置100の光学系を説明するための図である。レーザ加工装置100は、半導体レーザバー26と、シリンドリカルレンズ32と、マイクロレンズ34と、マイクロレンズ42と、ダンパ52と、光ファイバ60とを備える。   FIG. 3 is a diagram for explaining an optical system of the laser processing apparatus 100 according to the first and second embodiments. The laser processing apparatus 100 includes a semiconductor laser bar 26, a cylindrical lens 32, a microlens 34, a microlens 42, a damper 52, and an optical fiber 60.

半導体レーザバー26は、総数K個のエミッタ28を有し、K本のレーザ光21を放射する。本例のK個のエミッタ28は、X軸方向に幅Wを有し、予め定められたピッチPでX軸方向に配列されている。1個のエミッタ28から照射されるレーザ光21の1本の強度が数Wである。例えば、1個のエミッタ28から照射されるレーザ光21の1本の強度が10Wの場合、12個のエミッタ28を有する半導体レーザバー26が放射するレーザ光21の強度が120Wとなる。エミッタ28の数は、必要とする強度に応じて決定されてよい。X軸方向は、第1方向の一例である。Y軸方向は、第2方向の一例である。 The semiconductor laser bar 26 has a total of K emitters 28 and emits K laser beams 21. The K emitters 28 in this example have a width W x in the X-axis direction and are arranged in the X-axis direction at a predetermined pitch P. The intensity of one laser beam 21 emitted from one emitter 28 is several W. For example, when the intensity of one laser beam 21 emitted from one emitter 28 is 10 W, the intensity of the laser beam 21 emitted from the semiconductor laser bar 26 having 12 emitters 28 is 120 W. The number of emitters 28 may be determined according to the required intensity. The X-axis direction is an example of a first direction. The Y-axis direction is an example of the second direction.

ここで、半導体レーザバー26が放射するレーザ光21は、X軸方向およびY軸方向の成分を有する。例えば、半導体レーザバー26は、Y軸方向にΘ、X軸方向にΘの発散角度でレーザ光21を放射する。 Here, the laser beam 21 emitted from the semiconductor laser bar 26 has components in the X-axis direction and the Y-axis direction. For example, the semiconductor laser bar 26 emits laser light 21 with divergence angle of the Y-axis direction theta y, X-axis direction theta x.

第1光学系30は、k本のレーザ光21を進行方向(例えば、Z軸)と平行な光に変換する。第1光学系30は、シリンドリカルレンズ32およびマイクロレンズ34を有する。本例の第1光学系30は、半導体レーザバー26から放射されたK本のレーザ光21を進行方向Z軸と平行となるように変換する。第1光学系30は、レーザ光21を進行方向(例えば、Z軸)に対して平行な平行光に変換することにより、レーザ光21の伝達強度ロスや光ファイバ60の損傷を防止することができる。   The first optical system 30 converts the k laser beams 21 into light parallel to the traveling direction (for example, the Z axis). The first optical system 30 has a cylindrical lens 32 and a microlens 34. The first optical system 30 of this example converts the K laser beams 21 emitted from the semiconductor laser bar 26 so as to be parallel to the traveling direction Z-axis. The first optical system 30 can prevent loss of transmission intensity of the laser light 21 and damage to the optical fiber 60 by converting the laser light 21 into parallel light parallel to the traveling direction (for example, the Z axis). it can.

シリンドリカルレンズ32は、Y軸方向の成分を進行方向と平行な方向に変換する。シリンドリカルレンズ32は、円柱状のレンズを含む。シリンドリカルレンズ32は、レーザ光21が入射する平坦な面と、レーザ光21が放射する円柱状の曲面とを有する。但し、シリンドリカルレンズ32の形状は本例に限られない。例えば、シリンドリカルレンズ32は、ファーストアキシスシリンドリカルレンズFACである。   The cylindrical lens 32 converts the component in the Y-axis direction into a direction parallel to the traveling direction. The cylindrical lens 32 includes a cylindrical lens. The cylindrical lens 32 has a flat surface on which the laser beam 21 is incident and a cylindrical curved surface from which the laser beam 21 radiates. However, the shape of the cylindrical lens 32 is not limited to this example. For example, the cylindrical lens 32 is a first axial cylindrical lens FAC.

マイクロレンズ34は、発散角度Θで放射するレーザ光21を進行方向と平行な方向に変換する。マイクロレンズ34は、X軸方向に配列されたK個の凸レンズを有する。例えば、マイクロレンズ34は、スローアキシスレンズSACである。 Microlens 34 converts the laser beam 21 which emits a diverging angle theta x in the traveling direction parallel to the direction. The microlens 34 has K convex lenses arranged in the X-axis direction. For example, the micro lens 34 is a slow axis lens SAC.

第1光学系30は、シリンドリカルレンズ32およびマイクロレンズ34を組み合わせることにより、レーザ光21を進行方向(例えば、Z軸)に対して平行な光に変換する。   The first optical system 30 converts the laser light 21 into light parallel to the traveling direction (for example, the Z axis) by combining the cylindrical lens 32 and the microlens 34.

半導体レーザ装置20は、各エミッタ28からレーザ光21を進行方向(例えば、Z軸)に対して2次元楕円面形状に放射する。レーザ光21の発散角度はX軸方向にΘ,Y軸方向にΘである。実施例ではΘ=8°,Θ=30°である12個のエミッタを有する半導体レーザバー26を用いる。レーザ光21の発散角度にはバラツキも生じる。 The semiconductor laser device 20 emits laser light 21 from each emitter 28 in a two-dimensional elliptical shape with respect to the traveling direction (for example, the Z axis). The divergence angle of the laser beam 21 is Θ x in the X-axis direction and Θ y in the Y-axis direction. In the embodiment, a semiconductor laser bar 26 having 12 emitters with Θ x = 8 ° and Θ y = 30 ° is used. The divergence angle of the laser light 21 also varies.

レーザ加工装置100は、放射角やそのバラツキのある複数の集光ビーム102を、光ファイバ60に入射させる。光ファイバコア62の入射面の直径内にレーザ光21を入射しなければならない。そして、レーザ光21を光ファイバコア62の許容入射角度Θ内で入射する。   The laser processing apparatus 100 causes a plurality of focused beams 102 having radiation angles and variations thereof to enter the optical fiber 60. The laser beam 21 must be incident within the diameter of the incident surface of the optical fiber core 62. Then, the laser beam 21 is incident within the allowable incident angle Θ of the optical fiber core 62.

ここで、光ファイバ60への許容入射角度Θと、開口数NAとの間にはNA=sin(Θ)の関係が成り立つ。即ち、開口数NA=0.22の場合、許容入射角度Θが12.8度になり、最大許容入射角度が±12.8度になる。   Here, a relationship of NA = sin (Θ) is established between the allowable incident angle Θ to the optical fiber 60 and the numerical aperture NA. That is, when the numerical aperture NA = 0.22, the allowable incident angle Θ is 12.8 degrees and the maximum allowable incident angle is ± 12.8 degrees.

許容入射角度Θを超えて集光ビーム102が光ファイバ60に入射すると、光ファイバコア62と光ファイバコア62の周囲の材料である後述する光ファイバクラッド64との境界面で全反射することなく透過してしまい、光伝達強度が減衰する。さらには、透過した集光ビーム102の光エネルギーは発熱原因となり、光ファイバ60の石英を溶解し、破損する要因となる場合がある。   When the condensed beam 102 enters the optical fiber 60 beyond the allowable incident angle Θ, it is not totally reflected at the interface between the optical fiber core 62 and the optical fiber cladding 64 described later, which is a material around the optical fiber core 62. The light transmission intensity is attenuated. Furthermore, the light energy of the transmitted focused beam 102 may cause heat generation, which may cause the quartz of the optical fiber 60 to melt and break.

光ファイバコア62の直径は0.6mm程度である。第2光学系40は、集光ビーム102を光ファイバコア62の直径内に厳密に集光する。そのため、集光ビーム102の径が大きい場合、光ファイバ60の溶解の原因となり得る。集光ビーム102の入射角度および集光径は、光ファイバ60の特性に応じた条件を満たす。特に、加熱ビーム104の強度が大きくなる場合に、第1光学系、第2光学系への要求が厳しくなる。   The diameter of the optical fiber core 62 is about 0.6 mm. The second optical system 40 strictly condenses the condensed beam 102 within the diameter of the optical fiber core 62. Therefore, when the diameter of the focused beam 102 is large, the optical fiber 60 may be melted. The incident angle and the focused diameter of the focused beam 102 satisfy the conditions corresponding to the characteristics of the optical fiber 60. In particular, when the intensity of the heating beam 104 is increased, the requirements for the first optical system and the second optical system become severe.

第1光学系30を構成するマイクロレンズ34は、レーザ光21をL個の集光ビーム102に分岐するために、平行に変換したレーザ光21が互いに重ならないように設計する。エミッタ28の発散角度Θ、エミッタ28の幅W、エミッタ28のX軸方向におけるピッチPから、マイクロレンズ34の焦点距離が次の条件を満たすように設けられる。 The microlenses 34 constituting the first optical system 30 are designed so that the laser beams 21 converted in parallel do not overlap each other in order to branch the laser beam 21 into L condensed beams 102. From the divergence angle Θ x of the emitter 28, the width W x of the emitter 28, and the pitch P of the emitter 28 in the X-axis direction, the focal length of the microlens 34 is provided so as to satisfy the following condition.

平行光に変換されたレーザ光21のX軸方向のビーム幅Bが、隣の平行光に変換されたレーザ光21と重ならないためには、次式を満たすように設計される。
[数1]
≦P
また、ビーム幅Bは、次式で示される。
[数2]
=(Ex1・sin(Θ/2))・2+W
x1は、マイクロレンズ34を構成する凸レンズの焦点距離である。マイクロレンズ34の焦点距離Ex1は、次式を満たす。
[数3]
(Ex1・sin(Θ/2))・2+W≦P
マイクロレンズ34の焦点距離Ex1が((P−W)/2)/(sin(Θ/2))より大きい場合はX軸方向のビーム幅Bが隣のエミッタ28からのレーザ光21と重なってしまう。
X-axis direction of the beam width B x of the laser light 21 is converted into parallel light, in order not to overlap with the laser light 21 is converted into adjacent parallel light is designed to satisfy the following equation.
[Equation 1]
B x ≦ P
Further, the beam width B x is expressed by the following equation.
[Equation 2]
B x = (E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x
E x1 is the focal length of the convex lens constituting the microlens 34. The focal length Ex1 of the microlens 34 satisfies the following equation.
[Equation 3]
(E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x ≦ P
When the focal length E x1 of the microlens 34 is larger than ((P−W x ) / 2) / (sin (Θ x / 2)), the laser beam from the adjacent emitter 28 has a beam width B x in the X-axis direction. It overlaps with 21.

第1光学系30を構成するシリンドリカルレンズ32は、マイクロレンズ34よりもエミッタ28放射面近くに設けられることが好ましい。レーザ光21のY軸方向の発散角度Θが、X軸方向の発散角度Θよりも大きいので、レーザ光21のY軸方向成分を先に進行方向(例えば、Z軸)と平行な成分に変換しておくことが好ましい。これにより、レーザ光21のY軸方向の幅Bの増加を抑制できる。 The cylindrical lens 32 constituting the first optical system 30 is preferably provided closer to the emitter 28 emission surface than the microlens 34. Since the divergence angle Θ y in the Y-axis direction of the laser light 21 is larger than the divergence angle Θ x in the X-axis direction, the component parallel to the traveling direction (for example, the Z axis) of the Y-axis direction component of the laser light 21 first. It is preferable to convert to Thus, an increase in the width B y in the Y-axis direction of the laser beam 21 can be suppressed.

シリンドリカルレンズ32の焦点距離Ey1は、シリンドリカルレンズの加工形状から可能な最小サイズで設計されることが好ましい。例えば、シリンドリカルレンズ32のY軸方向の焦点距離Ey1は0.6mmである。マイクロレンズ34の焦点距離Ex1は1.4mmであってよい。シリンドリカルレンズ32の厚みは0.8mmとなるので、シリンドリカルレンズ32のZ軸方向にマイクロレンズ34を設置するために、0.8mmより大きな焦点距離Ex1が必要である。 It is preferable that the focal length E y1 of the cylindrical lens 32 is designed to be the smallest possible size based on the processed shape of the cylindrical lens. For example, the focal length E y1 of the cylindrical lens 32 in the Y-axis direction is 0.6 mm. The focal length Ex1 of the microlens 34 may be 1.4 mm. Since the thickness of the cylindrical lens 32 becomes 0.8 mm, in order to install the microlens 34 in the Z-axis direction of the cylindrical lens 32, it requires a large focal length E x1 than 0.8 mm.

本例の半導体レーザバー26では、X軸方向のエミッタ28の数が12個、X軸方向の幅Wが0.2mm、X軸方向のエミッタ28のピッチPが0.4mmであり、エミッタ28のY軸方向の長さWが0.01mmである。各エミッタから放射するレーザ光21は、2次元楕円面形状に発散する。本例の12個のエミッタから放射するレーザ光21の発散角度は、Θ=30°およびΘ=8°である。 In the semiconductor laser bar 26 of this example, 12 is the number of X-axis direction of the emitter 28, the pitch P of the X-axis direction width W x is 0.2 mm, the X-axis direction of the emitter 28 is 0.4 mm, the emitter 28 The length W y in the Y-axis direction is 0.01 mm. Laser light 21 emitted from each emitter diverges into a two-dimensional ellipsoidal shape. The divergence angles of the laser light 21 emitted from the twelve emitters in this example are Θ y = 30 ° and Θ x = 8 °.

ビーム幅Bは、次式で算出される。
[数4]
=(Ex1・sin(Θ/2))・2+W=0.195+0.2=0.395mm
ビーム幅Bは、エミッタ28のピッチP=0.4mm以下となり(数3)式を満たす。
The beam width Bx is calculated by the following equation.
[Equation 4]
B x = (E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x = 0.195 + 0.2 = 0.395 mm
The beam width B x is equal to or less than the pitch P of the emitter 28 = 0.4 mm and satisfies the formula (3).

以上、第1光学系30は、シリンドリカルレンズ32およびマイクロレンズ34の光学パラメータを適切に設定することにより、半導体レーザ装置20が照射するレーザ光21が互いに重ならないように、Z軸と平行な光に変換できる。この結果、第1光学系30は、レーザ光21をL個の集光ビーム102に分岐できる。   As described above, the first optical system 30 appropriately sets the optical parameters of the cylindrical lens 32 and the microlens 34 so that the laser beams 21 irradiated by the semiconductor laser device 20 do not overlap each other. Can be converted to As a result, the first optical system 30 can branch the laser beam 21 into L condensed beams 102.

次に平行になったレーザ光21をL個の集光ビーム102に分岐するための第2光学系40の設計指針を述べる。レーザ光21を集光ビーム102に分岐するための第1光学系30への必要条件はすでに述べたとおりである。光ファイバ60への許容入射角度Θと、開口数NAとの間にはNA=sin(Θ)の関係が成り立つことを先に述べた。即ち、開口数NA=0.22の場合、許容入射角度Θが12.8度になり、最大許容入射角度が±12.8度になる。この要請から、第2光学系40を構成するマイクロレンズ42で、K個のエミッタ28をL個のファイバに集光する場合、第2光学系40のX方向の焦点距離Fx2は、次式となる。
[数5]
x2≧ΣB/(2・sin(Θ))
Next, a design guideline for the second optical system 40 for branching the collimated laser beam 21 into L focused beams 102 will be described. The necessary conditions for the first optical system 30 for branching the laser beam 21 into the condensed beam 102 are as described above. As described above, the relationship NA = sin (Θ) is established between the allowable incident angle Θ to the optical fiber 60 and the numerical aperture NA. That is, when the numerical aperture NA = 0.22, the allowable incident angle Θ is 12.8 degrees and the maximum allowable incident angle is ± 12.8 degrees. From this request, when the K emitters 28 are condensed on L fibers by the microlens 42 constituting the second optical system 40, the focal length F x2 of the second optical system 40 in the X direction is given by It becomes.
[Equation 5]
F x2 ≧ ΣB x / (2 · sin (Θ))

第2光学系40を構成するマイクロレンズ42のX方向の焦点距離Fx2は、総数K個のエミッタ28のうちk個のエミッタ28からのレーザ光21を1個の光ファイバコア62に集光する。そのために、総数K個の一部k個のレーザ光21のX軸方向の幅ΣBからの入射角度を2・sin(Θ)内に収めるように焦点距離Fx2を設計する。ΣB/(2・sin(Θ))より大きい焦点距離Fx2であればよい。 The focal length F x2 in the X direction of the microlens 42 constituting the second optical system 40 is such that the laser light 21 from the k emitters 28 out of the total number K of emitters 28 is condensed on one optical fiber core 62. To do. For that purpose, the focal length F x2 is designed so that the incident angle from the width ΣB x in the X-axis direction of the total number K of the partial k laser beams 21 falls within 2 · sin (Θ). The focal length F x2 may be larger than ΣB x / (2 · sin (Θ)).

k個のエミッタ28からのk本のレーザ光21を光ファイバコア62に入射する場合、レーザ光21のX軸方向の幅ΣBは、次式で示される。
[数6]
ΣB=P・(k−1)+B
即ち、次式を満たす。
ΣB=P・(k−1)+(Ex1・sin(Θ/2))・2+W
Pは、エミッタ28のX軸方向におけるピッチである。
When the k laser beams 21 from the k emitters 28 are incident on the optical fiber core 62, the width ΣB x of the laser beam 21 in the X-axis direction is expressed by the following equation.
[Equation 6]
ΣB x = P · (k−1) + B x
That is, the following equation is satisfied.
ΣB x = P · (k−1) + (E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x
P is the pitch of the emitter 28 in the X-axis direction.

ここで、例えば、半導体レーザバー26では、エミッタ28の数が12個であり、エミッタ28の幅Wが0.2mmであり、ピッチPが0.4mmである。12本のレーザ光21が3本に分割される場合、1本の集光ビーム102あたりのエミッタ28の数がk=4個となる。Bは(数4)式であるから、ΣBが次式で示される。
ΣB=0.4・(4−1)+0.395=1.595mm
Here, for example, in the semiconductor laser bar 26, the number of emitters 28 is 12, the width W of the emitters 28 is 0.2 mm, and the pitch P is 0.4 mm. When the twelve laser beams 21 are divided into three, the number of emitters 28 per one condensed beam 102 is k = 4. Since B x is an expression (Expression 4), ΣB x is expressed by the following expression.
ΣB x = 0.4 · (4-1) + 0.395 = 1.595mm

したがってΣB/(2・sin(Θ))=3.65となる。開口数NA=0.22の場合、Fx2は3.65mmより大きい焦点距離を選べばよい。よって、Fx2=3.65mmは最小値である。3.65mmより大きい焦点距離のFx2の場合、光ファイバコア62への入射角度が小さくなる。エミッタ28からの距離は最小値に設定することが好ましい。 Therefore, ΣB x /(2·sin(Θ))=3.65. When the numerical aperture NA = 0.22, F x2 may be selected as a focal length greater than 3.65 mm. Therefore, F x2 = 3.65 mm is the minimum value. In the case of F x2 having a focal length larger than 3.65 mm, the incident angle to the optical fiber core 62 becomes small. The distance from the emitter 28 is preferably set to a minimum value.

第2光学系40を構成するマイクロレンズ42は3個の凸レンズからなるマイクロレンズである。マイクロレンズ42は、1体に構成した3個の凸レンズを有してよい。マイクロレンズ42に入射するレーザ光21の個数kが異なる場合、(数2)式のΣBの値が異なる。ΣBの最大の値で(数5)式を満たすようにFx2を決める。 The microlens 42 constituting the second optical system 40 is a microlens composed of three convex lenses. The microlens 42 may have three convex lenses configured as a single body. When the number k of the laser beams 21 incident on the micro lens 42 is different, the value of ΣB x in the equation (2) is different. F x2 is determined so as to satisfy Equation (5) with the maximum value of ΣB x .

第2光学系40を構成するマイクロレンズ42の位置は、光ファイバコア62の入射面からの距離がCである場合、次式を満たさなければならない。即ち、(数5)式を満たす焦点距離Fx2を設定し、さらに焦点距離Fx2をもつマイクロレンズ42の位置Cが次式を満たす位置としなければならない。
[数7]
2・Fx2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fx2
ここで、CRは、光ファイバコア62の半径である。光ファイバコア62の半径CRは、光ファイバコア62の断面が矩形の場合、当該矩形の中心から矩形の外周までの最短距離であってよい。
Position of the microlens 42 constituting the second optical system 40, when the distance from the incident surface of the optical fiber core 62 is C x, must satisfy the following equation. That is, the focal length F x2 satisfying the equation (5) must be set, and the position C x of the microlens 42 having the focal length F x2 must satisfy the following equation.
[Equation 7]
2 · F x2 ≧ C x ≧ (1-2 · CR / ΣB x ) · F x2
Here, CR is the radius of the optical fiber core 62. When the cross section of the optical fiber core 62 is rectangular, the radius CR of the optical fiber core 62 may be the shortest distance from the center of the rectangle to the outer periphery of the rectangle.

が(1−2・CR/ΣB)・Fx2より小さいと、光ファイバコア62のエッジにレーザ光21を照射してしまい、コア損傷を引き起こす。レーザ光21は高強度であるので、深刻なダメージとなる。Cが焦点距離以上に大きくなるとレーザ光21は広がる。Cが2・Fx2より大きいと、光ファイバコア62のエッジにレーザ光21を照射し、コア損傷を引き起こす。 If C x is smaller than (1-2 · CR / ΣB x ) · F x 2 , the edge of the optical fiber core 62 is irradiated with the laser beam 21, causing core damage. Since the laser beam 21 has high intensity, it causes serious damage. Laser light 21 when C x becomes larger than the focal length is increased. If C x is larger than 2 · F x 2, the edge of the optical fiber core 62 is irradiated with the laser light 21 to cause damage to the core.

ここで、光ファイバコア62はCR=0.3mmである場合は、(1−2・CR/ΣB)・Fx2=(1−2×0.3/1.595)×3.65=2.23mmである。そのため、Cが7.3mm≧C≧2.23mmを満たす位置にマイクロレンズ42を設置する。 Here, when CR = 0.3 mm, the optical fiber core 62 is (1-2 · CR / ΣB x ) · F x2 = (1-2 × 0.3 / 1.595) × 3.65 = 2.23 mm. Therefore, C x is placed microlenses 42 in a position that satisfies 7.3mm ≧ C x ≧ 2.23mm.

実施例1および実施例2では、マイクロレンズ42の位置をC=3.5mmとした。焦点距離Fx2と同程度の距離とした。コア面へのレーザ光21を極力小さくするためと、集光マイクロレンズ42と光ファイバコア62内にダンパ52を設置するためのスペースを考慮した。 In Example 1 and Example 2, the position of the microlens 42 was C x = 3.5 mm. The distance was about the same as the focal length Fx2 . The space for installing the damper 52 in the condensing microlens 42 and the optical fiber core 62 was considered in order to make the laser beam 21 to the core surface as small as possible.

このように、第1光学系30と第2光学系40を適切に設計することにより、1本の集光ビーム102あたりk個のエミッタ28から放射するk本のレーザ光21を1個の光ファイバコア62に集光することができる。   As described above, by appropriately designing the first optical system 30 and the second optical system 40, the k laser beams 21 emitted from the k emitters 28 per one condensed beam 102 are converted into one light. The light can be condensed on the fiber core 62.

上記に述べた第2光学系40の設計指針は、Y軸方向においても同様である。シリンドリカルレンズ32の焦点距離Ey1を用いた場合、進行方向と平行なレーザ光21の幅Bは、次式で示される。
[数8]
=Ey1(2・sin(Θ/2))
発散角度Θは、半導体レーザ装置20からY軸方向の発散角度である。
The design guideline for the second optical system 40 described above is the same in the Y-axis direction. When using the focal length E y1 of the cylindrical lens 32, the width B y of the traveling direction and parallel to the laser beam 21 is represented by the following formula.
[Equation 8]
B y = E y1 (2 · sin (Θ y / 2))
The divergence angle Θ y is a divergence angle in the Y-axis direction from the semiconductor laser device 20.

開口数NAの要請からY軸方向の集光用レンズの焦点距離Fy2は、次式で示される。
[数9]
y2≧B/(2・sin(Θ))
From the request of the numerical aperture NA, the focal length Fy2 of the condensing lens in the Y-axis direction is expressed by the following equation.
[Equation 9]
F y2 ≧ B y / (2 · sin (Θ))

したがって、エミッタ28の発散角度Θ、第1光学系30のシリンドリカルレンズ32の焦点距離Ey1、開口数NAとから、次式が成り立つ。
[数10]
y2≧(Ey1・sin(Θ/2))・2/(2・sin(Θ))
Therefore, the following equation is established from the divergence angle Θ y of the emitter 28, the focal length E y1 of the cylindrical lens 32 of the first optical system 30, and the numerical aperture NA.
[Equation 10]
F y2 ≧ (E y1 · sin (Θ y / 2)) · 2 / (2 · sin (Θ))

焦点距離Fy2を有する集光レンズから光ファイバコア62の受光面までの距離Cは、光ファイバコア62内に入射するように次式を満たす。
[数11]
2・Fy2≧C≧(1−2・CR/B)・Fy2
Distance C y from the condenser lens having a focal length F y2 to the light receiving surface of the optical fiber core 62 satisfies the following equation to enter the optical fiber core 62.
[Equation 11]
2 · F y2 ≧ C y ≧ (1-2 · CR / B y ) · F y2

焦点距離Fy2を有する集光レンズから光ファイバコア62の受光面までの距離Cが、入射コア面に近い配置の場合、入射する集光ビーム102が光ファイバコア62の外側に入射してしまい光ファイバ60に深刻なダメージを与える。距離Cがこれより大きい場合、入射する集光ビーム102は光ファイバコア62の外側に入射してしまい光ファイバ60が損傷する場合がある。したがって、距離Cは焦点距離Fy2程度であることが望ましい。 Distance C y from the condenser lens having a focal length F y2 to the light receiving surface of the optical fiber core 62, the case of the arrangement close to the entrance core surface, focused beam 102 which is incident is incident on the outside of the optical fiber core 62 The optical fiber 60 is seriously damaged. When the distance Cy is larger than this, the incident focused beam 102 may enter the outside of the optical fiber core 62 and the optical fiber 60 may be damaged. Accordingly, the distance C y is desirably about the focal length F y2.

実施例1および実施例2において、各エミッタ28からのY軸方向のレーザ光21はΘ=30°の発散角度を有する。第1光学系30で用いるシリンドリカルレンズを焦点距離Ey1=0.6mmとすることにより、レーザ光21のY軸方向の幅B=0.5mmで平行となる。光ファイバコア62の直径が0.6mmなのでBはこれより小さい。本実施例では、Y軸方向のレーザ光21の幅は第2光学系40により特に集光することなく、光ファイバコア62に入射できる。光ファイバコア62への入射角度は平行光であるのでゼロ度である。許容開口数NA以下であるのは自明である。したがって、実施例1および実施例2においては、第2光学系40においてY軸方向の集光レンズがなくてもよい。 In the first and second embodiments, the laser light 21 in the Y-axis direction from each emitter 28 has a divergence angle of Θ y = 30 °. By setting the cylindrical lens used in the first optical system 30 to the focal length E y1 = 0.6 mm, the laser beam 21 becomes parallel with a width B y = 0.5 mm in the Y-axis direction. Diameter 0.6mm because B y of the optical fiber core 62 is smaller than this. In the present embodiment, the width of the laser beam 21 in the Y-axis direction can be incident on the optical fiber core 62 without being particularly condensed by the second optical system 40. Since the incident angle to the optical fiber core 62 is parallel light, it is zero degrees. It is obvious that the numerical aperture is less than or equal to NA. Therefore, in the first and second embodiments, the second optical system 40 does not have to have a condenser lens in the Y-axis direction.

実施例1および実施例2においてのダンパ52は、集光ビーム102の強度を調整するカーボン製のダンパである。ダンパ52は、それぞれの集光ビーム102のエッジに設置される。ダンパ52aは集光ビーム102aの下部に設置される。ダンパ52aの上端エッジで集光ビーム102aの下部のビームを吸収し、集光ビーム102aの強度を調整する。ダンパ52cは集光ビーム102cの下部に設置される。ダンパ52cの上端エッジで集光ビーム102cの下部のビームを吸収し、集光ビーム102cの強度を調整する。ダンパ52bは集光ビーム102bの上部に設置される。ダンパ52bの下エッジで集光ビーム102bの上部のビームを吸収し、集光ビーム102bの強度を調整する。ダンパ52のカーボンは、集光ビーム102の強度を調整できる程度に十分に小さい反射率を有する。ダンパ52は、吸収効率が高い材料を有することが好ましい。   The damper 52 in the first and second embodiments is a carbon damper that adjusts the intensity of the focused beam 102. The dampers 52 are installed at the edges of the respective condensed beams 102. The damper 52a is installed below the condensed beam 102a. The lower beam of the condensed beam 102a is absorbed by the upper edge of the damper 52a, and the intensity of the condensed beam 102a is adjusted. The damper 52c is installed below the condensed beam 102c. The lower beam of the condensed beam 102c is absorbed by the upper edge of the damper 52c, and the intensity of the condensed beam 102c is adjusted. The damper 52b is installed on the upper part of the condensed beam 102b. The upper beam of the condensed beam 102b is absorbed by the lower edge of the damper 52b, and the intensity of the condensed beam 102b is adjusted. The carbon of the damper 52 has a reflectance that is small enough to adjust the intensity of the focused beam 102. The damper 52 preferably has a material with high absorption efficiency.

また、ダンパ52は、集光ビーム102を吸収した場合に放熱できるよう程度に高い熱伝導率を有することが好ましい。例えば、ダンパ52のカーボンの熱伝導率は、銅と同程度に高い。ダンパ52の裏面に設置した銅板に冷却水を導入することにより、吸収した集光ビーム102による熱を効率良く吸収される。   Moreover, it is preferable that the damper 52 has a high thermal conductivity so that heat can be dissipated when the condensed beam 102 is absorbed. For example, the thermal conductivity of carbon in the damper 52 is as high as that of copper. By introducing the cooling water into the copper plate installed on the back surface of the damper 52, the absorbed heat from the condensed beam 102 is efficiently absorbed.

本例のダンパ52は、上下端部で集光ビーム102を吸収する。ダンパ52は、集光ビーム102a〜集光ビーム102cに対応した3つのダンパ52a〜ダンパ52cを含む。ダンパ52の上下位置は、ピエゾ素子で電圧駆動することにより調整できる。ダンパ52a〜ダンパ52cは、独立に駆動されてよい。ダンパ52の高さは、ピエゾ素子を用いて数μmの精度で調整できる。ダンパ52の高さを電圧で調整することにより、加熱ビーム104の強度を測定しながら、外部電圧源で厳密に制御できる。これにより、レーザ加工装置100は、L本の加熱ビーム104の強度を外部制御できる。   The damper 52 of this example absorbs the condensed beam 102 at the upper and lower ends. The damper 52 includes three dampers 52a to 52c corresponding to the condensed beams 102a to 102c. The vertical position of the damper 52 can be adjusted by voltage driving with a piezo element. The dampers 52a to 52c may be driven independently. The height of the damper 52 can be adjusted with an accuracy of several μm using a piezo element. By adjusting the height of the damper 52 with the voltage, it is possible to strictly control with the external voltage source while measuring the intensity of the heating beam 104. Thereby, the laser processing apparatus 100 can externally control the intensity of the L heating beams 104.

図4Aは、円形の光ファイバコア62を有する光ファイバ60の一例を示す。光ファイバ60は、光ファイバコア62および光ファイバクラッド64を有する。   FIG. 4A shows an example of an optical fiber 60 having a circular optical fiber core 62. The optical fiber 60 has an optical fiber core 62 and an optical fiber cladding 64.

光ファイバコア62は、入射された集光ビーム102を伝搬する。光ファイバコア62は、円形状の断面を有する。光ファイバコア62の半径CRは、CR=0.3mmである。光ファイバ60の開口数は、開口数NA=sin(Θ)=0.22である。   The optical fiber core 62 propagates the incident focused beam 102. The optical fiber core 62 has a circular cross section. The radius CR of the optical fiber core 62 is CR = 0.3 mm. The numerical aperture of the optical fiber 60 is NA = sin (Θ) = 0.22.

光ファイバクラッド64は、光ファイバコア62の周囲を覆う。即ち、光ファイバ60の構造は、光ファイバコア62とその周囲を覆う光ファイバクラッド64との2層構造である。光ファイバクラッド64の屈折率は、光ファイバコア62の屈折率より小さい。光ファイバコア62と光ファイバクラッド64の屈折率差により、集光ビーム102が光ファイバコア62内に閉じ込められる。例えば、光ファイバクラッド64は、フッ化酸化ケイ素材料を有する。   The optical fiber cladding 64 covers the periphery of the optical fiber core 62. That is, the structure of the optical fiber 60 is a two-layer structure of an optical fiber core 62 and an optical fiber clad 64 covering the periphery thereof. The refractive index of the optical fiber cladding 64 is smaller than the refractive index of the optical fiber core 62. Due to the difference in refractive index between the optical fiber core 62 and the optical fiber cladding 64, the condensed beam 102 is confined in the optical fiber core 62. For example, the optical fiber cladding 64 comprises a fluorinated silicon oxide material.

光ファイバ60は、集光ビーム102を光ファイバコア62と光ファイバクラッド64との境界面で全反射させることにより、光ファイバコア62の内部に閉じ込める。光ファイバ60は、集光ビーム102を全反射させることにより、内部での損失を低減することができる。例えば、光ファイバ60の許容入射角度は、Θ=12.72°である。この場合、光ファイバ60は、完全受光角2・Θ=2・12.72°=25.44°内で入射した集光ビーム102を光ファイバコア62の内部に閉じ込める。   The optical fiber 60 is confined within the optical fiber core 62 by totally reflecting the focused beam 102 at the interface between the optical fiber core 62 and the optical fiber cladding 64. The optical fiber 60 can reduce the internal loss by totally reflecting the focused beam 102. For example, the allowable incident angle of the optical fiber 60 is Θ = 12.72. In this case, the optical fiber 60 confines the focused beam 102 incident within the complete acceptance angle 2 · Θ = 2 · 12.72 ° = 25.44 ° within the optical fiber core 62.

図4Bは、多角形の光ファイバコア62を有する光ファイバ60の一例を示す。多角形とは、略三角形状や略矩形形状を含んでよい。本例の光ファイバコア62は、矩形の断面を有する点で図4Aの光ファイバコア62と相違する。   FIG. 4B shows an example of an optical fiber 60 having a polygonal optical fiber core 62. The polygon may include a substantially triangular shape or a substantially rectangular shape. The optical fiber core 62 of this example is different from the optical fiber core 62 of FIG. 4A in that it has a rectangular cross section.

本例の光ファイバ60は、図4Aの場合と同一の開口数NAを有してよい。例えば、開口数NA=0.22の場合、光ファイバ60の許容入射角度は、Θ=12.72°である。この場合、光ファイバ60は、完全受光角2・Θ=25.44°内で入射した集光ビーム102を光ファイバコア62の内部に閉じ込める。   The optical fiber 60 of this example may have the same numerical aperture NA as in FIG. 4A. For example, when the numerical aperture NA = 0.22, the allowable incident angle of the optical fiber 60 is Θ = 12.72. In this case, the optical fiber 60 confines the focused beam 102 incident within the complete acceptance angle 2 · Θ = 25.44 ° within the optical fiber core 62.

第1光学系30および第2光学系40は、光ファイバ60の完全受光角2・Θ内で、光ファイバコア62の径2・CRに収まるようにレーザ光21を入射する。光ファイバコア62の径とは、光ファイバコア62の断面が矩形の場合、光ファイバコア62のY軸方向の上端と下端との間の大きさである。   The first optical system 30 and the second optical system 40 enter the laser beam 21 so as to be within the diameter 2 · CR of the optical fiber core 62 within the complete light receiving angle 2 · Θ of the optical fiber 60. The diameter of the optical fiber core 62 is the size between the upper end and the lower end of the optical fiber core 62 in the Y-axis direction when the cross section of the optical fiber core 62 is rectangular.

図4Cは、3つの光ファイバコア62を有する光ファイバ60の一例を示す。光ファイバ60は、3つの光ファイバコア62と光ファイバクラッド64とを有する。光ファイバ60は、4個以上の光ファイバコア62を有してもよい。   FIG. 4C shows an example of an optical fiber 60 having three optical fiber cores 62. The optical fiber 60 has three optical fiber cores 62 and an optical fiber cladding 64. The optical fiber 60 may have four or more optical fiber cores 62.

実施例1の光ファイバコア62は、3つの光ファイバコア62a〜光ファイバコア62cを含む。3つの光ファイバコア62a〜光ファイバコア62cは、X軸方向に1次元に配列している。3つの光ファイバコア62a〜光ファイバコア62cは、共通の光ファイバクラッド64で覆われている。これにより、1本の光ファイバ60を構成している。光ファイバコア62の断面形状は、光ファイバコア62の径と開口数NAの仕様に応じて適宜設定されてよい。   The optical fiber core 62 of the first embodiment includes three optical fiber cores 62a to 62c. The three optical fiber cores 62a to 62c are arranged one-dimensionally in the X-axis direction. The three optical fiber cores 62 a to 62 c are covered with a common optical fiber cladding 64. Thereby, the one optical fiber 60 is comprised. The cross-sectional shape of the optical fiber core 62 may be appropriately set according to the specifications of the diameter of the optical fiber core 62 and the numerical aperture NA.

光ファイバコア62aは、円形の断面を有する。光ファイバコア62aの断面形状は、図4Aで示した光ファイバコア62の断面形状と同一であってよい。   The optical fiber core 62a has a circular cross section. The cross-sectional shape of the optical fiber core 62a may be the same as the cross-sectional shape of the optical fiber core 62 shown in FIG. 4A.

光ファイバコア62bおよび光ファイバコア62cは、矩形の断面形状を有する。光ファイバコア62bおよび光ファイバコア62cの断面形状は、図4Bで示した光ファイバコア62の断面形状と同一であってよい。複数の光ファイバコア62の断面形状は、同一であっても異なっていてもよい。   The optical fiber core 62b and the optical fiber core 62c have a rectangular cross-sectional shape. The cross-sectional shapes of the optical fiber core 62b and the optical fiber core 62c may be the same as the cross-sectional shape of the optical fiber core 62 shown in FIG. 4B. The cross-sectional shapes of the plurality of optical fiber cores 62 may be the same or different.

光ファイバコア62の形状を適切に設定することにより、集光ビーム102の強度を大きくした場合であっても、光ファイバコア62の溶解などの故障を抑制することができる。また、集光ビーム102のパワーのロスを最小限にして、集光ビーム102を光ファイバ60の放射面に伝達できる。   By appropriately setting the shape of the optical fiber core 62, even when the intensity of the focused beam 102 is increased, failures such as melting of the optical fiber core 62 can be suppressed. Further, the power loss of the condensed beam 102 can be minimized and the condensed beam 102 can be transmitted to the radiation surface of the optical fiber 60.

光ファイバ60の入射側は、L個の光ファイバコア62が1つにまとめられてよい。本例の光ファイバクラッド64は、3つの光ファイバコア62a〜光ファイバコア62cを覆う。光ファイバ60の入射側を1本にすることにより、集光ビーム102を個々の独立した光学系を用いることなく入射することができる。   On the incident side of the optical fiber 60, L optical fiber cores 62 may be combined into one. The optical fiber clad 64 of this example covers the three optical fiber cores 62a to 62c. By using a single incident side of the optical fiber 60, the focused beam 102 can be incident without using individual independent optical systems.

一方、光ファイバ60の放射側は、L個の光ファイバコア62がそれぞれ独立して設けられる。即ち、光ファイバ60は、図1で示したように、それぞれ独立した3本の光ファイバ60a〜光ファイバ60cを有する。これにより、レーザ加工装置100は、任意の方向から、加工材料110に加熱ビーム104を照射することができる。   On the other hand, L optical fiber cores 62 are independently provided on the radiation side of the optical fiber 60. That is, as shown in FIG. 1, the optical fiber 60 has three independent optical fibers 60a to 60c. Thereby, the laser processing apparatus 100 can irradiate the processing material 110 with the heating beam 104 from any direction.

L個の照射ヘッド80は、同一の照射強度分布の加熱ビーム104を出射してもよいし、異なる照射強度分布の加熱ビーム104を出射してもよい。   The L irradiation heads 80 may emit the heating beams 104 having the same irradiation intensity distribution or may emit the heating beams 104 having different irradiation intensity distributions.

光ファイバ60は、光ファイバコア62の形状を適切に選択することにより、加工材料110の加工精度を向上することができる。光ファイバコア62が矩形の場合、加熱ビーム104の照射強度分布は、進行方向と直交する面を構成するX'軸、Y'軸方向に略均一なトップハット型の照射強度分布となる。照射強度分布の形状は、照射ヘッド80の光学系に応じて、変更できる。トップハット型の照射強度分布は、加工材料110を隙間なく加工する場合に適している。   The optical fiber 60 can improve the processing accuracy of the processing material 110 by appropriately selecting the shape of the optical fiber core 62. When the optical fiber core 62 is rectangular, the irradiation intensity distribution of the heating beam 104 is a top hat type irradiation intensity distribution that is substantially uniform in the X′-axis and Y′-axis directions constituting the plane orthogonal to the traveling direction. The shape of the irradiation intensity distribution can be changed according to the optical system of the irradiation head 80. The irradiation intensity distribution of the top hat type is suitable when the processing material 110 is processed without a gap.

また、光ファイバコア62が円形の場合、中心部の照射強度が最大で中心軸から離れるに従いなだらかに減少する釣鐘型形状の照射強度分布が得られる。照射強度分布の形状は、照射ヘッド80の光学系に応じて変更できる。例えば、照射ヘッド80の光学系を変更することにより、照射強度分布のX'軸方向およびY'軸方向の広がりサイズを調整できる。釣鐘型の照射強度分布は、加工材料110を滑らかな断面形状に加工する場合や、3次元面のスムーズな加工に適している。   Further, when the optical fiber core 62 is circular, a bell-shaped irradiation intensity distribution is obtained in which the irradiation intensity at the center is maximum and decreases gradually as the distance from the central axis increases. The shape of the irradiation intensity distribution can be changed according to the optical system of the irradiation head 80. For example, by changing the optical system of the irradiation head 80, the spread size of the irradiation intensity distribution in the X′-axis direction and the Y′-axis direction can be adjusted. The bell-shaped irradiation intensity distribution is suitable for processing the processed material 110 into a smooth cross-sectional shape and for smooth processing of a three-dimensional surface.

図5Aは、加熱ビーム104の照射強度分布の測定例を示す。本例では、X'軸方向8mm幅、Y'軸方向±10mm幅で囲まれた2次元の照射強度分布を示す。   FIG. 5A shows an example of measurement of the irradiation intensity distribution of the heating beam 104. In this example, a two-dimensional irradiation intensity distribution surrounded by a width of 8 mm in the X′-axis direction and a width of ± 10 mm in the Y′-axis direction is shown.

本例の加熱ビーム104は、トップハット型の照射強度分布を有する。レーザ加工装置100は、矩形の光ファイバコア62により、トップハット型の照射強度分布の加熱ビーム104を生成する。   The heating beam 104 of this example has a top hat type irradiation intensity distribution. The laser processing apparatus 100 generates a heating beam 104 having a top hat type irradiation intensity distribution by a rectangular optical fiber core 62.

本例の照射強度分布は、加工材料110の照射面における加熱ビーム104の照射強度分布をビームプラファイラーで実測した結果である。本測定結果は、加熱ビーム104の進行方向をZ'軸として、Z'軸と直交する2次元(X',Y')面での加熱ビームの照射強度を縦軸にプロットした測定結果である。加工材料110の照射面は、照射ヘッド80から200mmの位置にある。   The irradiation intensity distribution in this example is a result of actually measuring the irradiation intensity distribution of the heating beam 104 on the irradiation surface of the processing material 110 with a beam profiler. This measurement result is a measurement result obtained by plotting the irradiation intensity of the heating beam on a two-dimensional (X ′, Y ′) plane orthogonal to the Z ′ axis on the vertical axis, with the traveling direction of the heating beam 104 as the Z ′ axis. . The irradiation surface of the processing material 110 is located 200 mm from the irradiation head 80.

加熱ビーム104の照射強度分布は、X'軸方向8mm、Y'軸方向4mm幅で囲まれた2次元矩形形状において、±5%内に照射強度が収まったトップハット型の照射強度分布を示している。照射強度がゼロの位置から最大強度の位置までの距離は0.05mm内に収まっている。   The irradiation intensity distribution of the heating beam 104 is a top hat type irradiation intensity distribution in which the irradiation intensity is within ± 5% in a two-dimensional rectangular shape surrounded by a width of 8 mm in the X ′ axis direction and 4 mm in the Y ′ axis direction. ing. The distance from the position where the irradiation intensity is zero to the position where the irradiation intensity is maximum is within 0.05 mm.

レーザ加工装置100は、本例の加熱ビーム104を用いて材料を切断することにより、加工材料110の断面を50μm以下の精度で切断できる。また、レーザ加工装置100は、加熱ビーム104の断面を0.05mm以下の精度で切断することもできる。本例の加熱ビーム104は、数mmサイズの材料の加工用に用いる場合の照射強度分布を示す。レーザ加工装置100は、加熱ビーム104の断面の矩形形状の幅を数10mmから0.1μm程度まで調整することができる。   The laser processing apparatus 100 can cut the cross section of the processing material 110 with an accuracy of 50 μm or less by cutting the material using the heating beam 104 of this example. The laser processing apparatus 100 can also cut the cross section of the heating beam 104 with an accuracy of 0.05 mm or less. The heating beam 104 of this example shows an irradiation intensity distribution when used for processing a material having a size of several mm. The laser processing apparatus 100 can adjust the width of the rectangular shape of the cross section of the heating beam 104 from several tens mm to about 0.1 μm.

図5Bに、加熱ビーム104の照射強度分布の測定例を示す。本例では、X'軸方向8mm幅、Y'軸方向±10mm幅で囲まれた2次元の照射強度分布を示す。   FIG. 5B shows a measurement example of the irradiation intensity distribution of the heating beam 104. In this example, a two-dimensional irradiation intensity distribution surrounded by a width of 8 mm in the X′-axis direction and a width of ± 10 mm in the Y′-axis direction is shown.

本例の加熱ビーム104は、釣鐘型の照射強度分布を有する。レーザ加工装置100は、矩形の光ファイバコア62により、釣鐘型の照射強度分布の加熱ビーム104を生成する。   The heating beam 104 of this example has a bell-shaped irradiation intensity distribution. The laser processing apparatus 100 uses a rectangular optical fiber core 62 to generate a heating beam 104 with a bell-shaped irradiation intensity distribution.

本例の照射強度分布は、加工材料110の照射面における加熱ビーム104の照射強度分布をビームプラファイラーで実測した結果である。本測定結果は、加熱ビーム104の進行方向をZ軸'として、Z'軸と直交する2次元(X',Y')面での加熱ビームの照射強度を縦軸にプロットした測定結果である。加工材料110の照射面は、照射ヘッド80から200mmの位置にある。   The irradiation intensity distribution in this example is a result of actually measuring the irradiation intensity distribution of the heating beam 104 on the irradiation surface of the processing material 110 with a beam profiler. This measurement result is a measurement result obtained by plotting the irradiation intensity of the heating beam on the two-dimensional (X ′, Y ′) plane orthogonal to the Z ′ axis on the vertical axis, with the traveling direction of the heating beam 104 as the Z axis ′. . The irradiation surface of the processing material 110 is located 200 mm from the irradiation head 80.

加熱ビーム104の照射強度分布は、X'軸方向8mm幅、Y'軸方向±5mm(10%強度の位置)幅で囲まれた領域において、X'軸方向はトップハット型、Y'軸方向は釣鐘型の照射強度分布を示している。X'軸方向の強度分布は均一な照射強度を有する。一方、Y'軸方向は中心軸を最大強度として±方向に減少する釣鐘型の照射強度を有している。即ち、本例の加熱ビーム104は、Y'軸方向切断面を鋭く、X'軸方向の切断面が曲線形状に加工したい場合に用いられる。本例の加熱ビーム104は、数mmサイズの材料の加工用に用いる場合の照射強度分布を示す。レーザ加工装置100は、加熱ビーム104の断面のX'軸方向を数10mmから0.1μm程度まで調整することができる。   The irradiation intensity distribution of the heating beam 104 is a top hat type in the region surrounded by the width of 8 mm in the X ′ axis direction and ± 5 mm (position of 10% intensity) in the Y ′ axis direction, and the Y ′ axis direction. Indicates a bell-shaped irradiation intensity distribution. The intensity distribution in the X ′ axis direction has a uniform irradiation intensity. On the other hand, the Y′-axis direction has a bell-shaped irradiation intensity that decreases in the ± direction with the central axis as the maximum intensity. That is, the heating beam 104 of this example is used when the cut surface in the Y′-axis direction is sharp and the cut surface in the X′-axis direction is to be processed into a curved shape. The heating beam 104 of this example shows an irradiation intensity distribution when used for processing a material having a size of several mm. The laser processing apparatus 100 can adjust the X′-axis direction of the cross section of the heating beam 104 from several tens mm to about 0.1 μm.

図5Cに、加熱ビーム104の照射強度分布の測定例を示す。本例では、X'軸方向8mm幅、Y'軸方向±10mm幅で囲まれた2次元の照射強度分布を示す。   FIG. 5C shows a measurement example of the irradiation intensity distribution of the heating beam 104. In this example, a two-dimensional irradiation intensity distribution surrounded by a width of 8 mm in the X′-axis direction and a width of ± 10 mm in the Y′-axis direction is shown.

本例の加熱ビーム104は、X'軸方向にトップハット型の照射強度分布を有し、Y'軸方向に釣鐘型の照射強度分布を有する。例えば、レーザ加工装置100は、矩形の光ファイバコア62により、トップハット型の照射強度分布の加熱ビーム104を生成する。   The heating beam 104 of this example has a top-hat type irradiation intensity distribution in the X′-axis direction and a bell-shaped irradiation intensity distribution in the Y′-axis direction. For example, the laser processing apparatus 100 generates a heating beam 104 having a top hat type irradiation intensity distribution by a rectangular optical fiber core 62.

本例の照射強度分布は、加工材料110の照射面における加熱ビーム104の照射強度分布をビームプラファイラーで実測した結果である。本測定結果は、加熱ビーム104の進行方向をZ軸として、Z'軸と直交する2次元(X',Y')面での加熱ビームの照射強度を縦軸にプロットした測定結果である。加工材料110の照射面は、照射ヘッド80から200mmの位置にある。   The irradiation intensity distribution in this example is a result of actually measuring the irradiation intensity distribution of the heating beam 104 on the irradiation surface of the processing material 110 with a beam profiler. This measurement result is a measurement result in which the irradiation intensity of the heating beam on a two-dimensional (X ′, Y ′) plane orthogonal to the Z ′ axis is plotted on the vertical axis, with the traveling direction of the heating beam 104 as the Z axis. The irradiation surface of the processing material 110 is located 200 mm from the irradiation head 80.

加熱ビーム104の照射強度分布は、X'軸方向8mmにトップハット型の照射強度、Y'軸方向で±10mm(10%強度の位置)に釣鐘型の照射強度を有する。X'軸方向の強度分布は均一な照射強度を有する。一方、Y'軸方向は中心軸を最大強度として±方向に減少する釣鐘型の照射強度を有している。本例の照射強度分布は、照射ヘッド80の光学系に用いるシリンドリカルレンズの位置を調整することにより得られる。   The irradiation intensity distribution of the heating beam 104 has a top hat type irradiation intensity in the X′-axis direction of 8 mm, and a bell-shaped irradiation intensity in the ± 10 mm (10% intensity position) in the Y′-axis direction. The intensity distribution in the X ′ axis direction has a uniform irradiation intensity. On the other hand, the Y′-axis direction has a bell-shaped irradiation intensity that decreases in the ± direction with the central axis as the maximum intensity. The irradiation intensity distribution in this example is obtained by adjusting the position of the cylindrical lens used in the optical system of the irradiation head 80.

図5Dに、加熱ビーム104の照射強度分布の測定例を示す。本例の加熱ビーム104は、釣鐘型の照射強度分布を有する。レーザ加工装置100は、円形の光ファイバコア62により、釣鐘型の照射強度分布の加熱ビーム104を生成する。   FIG. 5D shows a measurement example of the irradiation intensity distribution of the heating beam 104. The heating beam 104 of this example has a bell-shaped irradiation intensity distribution. The laser processing apparatus 100 generates a heating beam 104 having a bell-shaped irradiation intensity distribution by a circular optical fiber core 62.

本例の照射強度分布は、加工材料110の照射面における加熱ビーム104の照射強度分布をビームプラファイラーで実測した結果である。本測定結果は、加熱ビーム104の進行方向をZ'軸として、Z'軸と直交する2次元(X',Y')面での加熱ビームの照射強度を縦軸にプロットした測定結果である。加工材料110の照射面は、照射ヘッド80から200mmの位置にある。   The irradiation intensity distribution in this example is a result of actually measuring the irradiation intensity distribution of the heating beam 104 on the irradiation surface of the processing material 110 with a beam profiler. This measurement result is a measurement result obtained by plotting the irradiation intensity of the heating beam on a two-dimensional (X ′, Y ′) plane orthogonal to the Z ′ axis on the vertical axis, with the traveling direction of the heating beam 104 as the Z ′ axis. . The irradiation surface of the processing material 110 is located 200 mm from the irradiation head 80.

加熱ビーム104の照射強度分布は、X'軸方向に±1mm(10%強度の位置)の釣鐘型、Y'軸方向に±1mm(10%強度の位置)の釣鐘型の照射強度を有する。このように、X'軸方向±1mm幅、Y'軸方向±1mm幅で囲まれた2次元の照射強度分布を示す。X'軸、Y'軸方向は中心点を最大強度として±方向に減少する釣鐘型の照射強度を有している。照射強度10%の強度位置は、照射ヘッド80の光学系に用いるレンズの位置を調整することにより変更できる。本例の加熱ビーム104は、数mmサイズの材料の加工用に用いる場合の照射強度分布を示す。レーザ加工装置100は、加熱ビーム104の断面の釣鐘型の幅を数10mmから0.1μm程度まで調整することができる。   The irradiation intensity distribution of the heating beam 104 has a bell-shaped irradiation intensity of ± 1 mm (10% intensity position) in the X′-axis direction and a bell-shaped irradiation intensity of ± 1 mm (10% intensity position) in the Y′-axis direction. Thus, a two-dimensional irradiation intensity distribution surrounded by a width of ± 1 mm in the X′-axis direction and a width of ± 1 mm in the Y′-axis direction is shown. The X′-axis and Y′-axis directions have a bell-shaped irradiation intensity that decreases in the ± direction with the center point as the maximum intensity. The intensity position at the irradiation intensity of 10% can be changed by adjusting the position of the lens used in the optical system of the irradiation head 80. The heating beam 104 of this example shows an irradiation intensity distribution when used for processing a material having a size of several mm. The laser processing apparatus 100 can adjust the width of the bell shape of the cross section of the heating beam 104 from several tens mm to about 0.1 μm.

[実施例3]
図6Aは、実施例1および実施例2に係るレーザ加工装置100の構成の一例を示す。本例の半導体レーザ装置20は、N層に積層されたN個の半導体レーザバー26を備える。レーザ加工装置100は、半導体レーザバー26を積層させることにより、数100W〜数KWの高出力の加熱ビーム104を出力することができる。本例のレーザ加工装置100は、図3の実施例と異なり、レーザ光21をX軸方向へは分割していない。
[Example 3]
FIG. 6A shows an example of the configuration of the laser processing apparatus 100 according to the first and second embodiments. The semiconductor laser device 20 of this example includes N semiconductor laser bars 26 stacked on an N layer. The laser processing apparatus 100 can output a high-power heating beam 104 of several hundred W to several KW by laminating the semiconductor laser bars 26. Unlike the embodiment of FIG. 3, the laser processing apparatus 100 of this example does not divide the laser beam 21 in the X-axis direction.

N個の半導体レーザバー26は、Y軸方向に積層されている。本例の半導体レーザバー26は、予め定められた積層間隔Sで積層されている。半導体レーザバー26は、等間隔で積層されてもよいし、異なる間隔で積層されてもよい。 N semiconductor laser bars 26 are stacked in the Y-axis direction. The semiconductor laser bar 26 of this example, are stacked in a stacked spacing S y predetermined. The semiconductor laser bars 26 may be stacked at equal intervals or may be stacked at different intervals.

ここで、本例のレーザ加工装置100は、複数の半導体レーザバー26を使用する場合であっても、それぞれの半導体レーザバー26に個々に独立した電源を設ける必要がない。また、レーザ加工装置100は、複数の半導体レーザバー26を使用する場合であっても、それぞれの半導体レーザバー26に個々に独立した冷却水用チラー装置を設ける必要がない。   Here, the laser processing apparatus 100 of the present example does not need to provide an independent power source for each semiconductor laser bar 26 even when a plurality of semiconductor laser bars 26 are used. Further, even when the laser processing apparatus 100 uses a plurality of semiconductor laser bars 26, it is not necessary to provide an independent cooling water chiller apparatus for each semiconductor laser bar 26.

本例のレーザ加工装置100は、積層した半導体レーザバー26を有するものの、1個の電源10および1個の冷却部15を有すればよく、半導体レーザ装置20の手前で分岐した冷却水ルートを用意しなくてよい。即ち、半導体レーザ装置20は、1個の冷却水供給口と1個の冷却水排水口を有すればよい。これにより、レーザ加工装置100は、積層した半導体レーザバー26を有する半導体レーザ装置20の温度測定点を1か所にできる。レーザ加工装置100は、複数の温度測定点で温度管理する場合よりも、半導体レーザ装置20の温度を高い精度で制御することができる。これにより、半導体レーザ装置20の温度に依存した加熱ビーム104のバラツキを低減できる。   Although the laser processing apparatus 100 of this example includes the stacked semiconductor laser bars 26, it only needs to have one power supply 10 and one cooling unit 15, and a cooling water route branched before the semiconductor laser apparatus 20 is prepared. You don't have to. In other words, the semiconductor laser device 20 may have one cooling water supply port and one cooling water drain port. Thereby, the laser processing apparatus 100 can make the temperature measuring point of the semiconductor laser apparatus 20 having the stacked semiconductor laser bars 26 at one place. The laser processing apparatus 100 can control the temperature of the semiconductor laser apparatus 20 with higher accuracy than when temperature management is performed at a plurality of temperature measurement points. Thereby, the variation of the heating beam 104 depending on the temperature of the semiconductor laser device 20 can be reduced.

一方、複数の冷却部15を設ける場合、複数の温度測定点で温度管理がなされていた。この場合、各半導体レーザ装置から流れる個々の冷却水は、合流後の冷却水温度で測定していた。そのため、温度精度を高く設定する必要があった。複数の冷却水が合流した後の温度精度を制御しても、それぞれの半導体レーザ装置のエミッタ温度を制御することができない。また、それぞれの半導体レーザ装置の温度を制御するためには、複数の冷却水ごとに半導体レーザ装置の台数と同じ台数のチラー装置が必要であった。0.1℃〜0.05℃以下の温度精度のチラーを用いるとコストの面で不利である。   On the other hand, when a plurality of cooling units 15 are provided, temperature management is performed at a plurality of temperature measurement points. In this case, each cooling water flowing from each semiconductor laser device was measured at the cooling water temperature after the merge. For this reason, it is necessary to set the temperature accuracy high. Even if the temperature accuracy after a plurality of cooling waters merge is controlled, the emitter temperature of each semiconductor laser device cannot be controlled. Further, in order to control the temperature of each semiconductor laser device, the same number of chiller devices as the number of semiconductor laser devices are required for each of the plurality of cooling waters. Using a chiller with a temperature accuracy of 0.1 ° C. to 0.05 ° C. or less is disadvantageous in terms of cost.

本例の半導体レーザバー26は、Y軸方向に6層積層している。レーザ加工装置100は、6段積層した半導体レーザバー26から3本の光ファイバ60に分岐する。即ち、光ファイバ60のそれぞれには、2段分の半導体レーザバー26が出力したレーザ光21が入射される。レーザ光21を平行光に変換して集光ビーム102とする場合、平行になったレーザ光21が互いに重なりのないように変換される。   The semiconductor laser bar 26 of this example is laminated in six layers in the Y-axis direction. The laser processing apparatus 100 branches from the semiconductor laser bar 26 stacked in six stages into three optical fibers 60. That is, the laser light 21 output from the two-stage semiconductor laser bar 26 is incident on each of the optical fibers 60. When the laser beam 21 is converted into parallel light to obtain the focused beam 102, the parallel laser beams 21 are converted so as not to overlap each other.

また、本例のレーザ加工装置100は、第1光学系30として、シリンドリカルレンズ32およびマイクロレンズ34を有する。レーザ加工装置100は、第2光学系40として、シリンドリカルレンズ44およびシリンドリカルレンズ46を有する。   Further, the laser processing apparatus 100 of the present example includes a cylindrical lens 32 and a microlens 34 as the first optical system 30. The laser processing apparatus 100 includes a cylindrical lens 44 and a cylindrical lens 46 as the second optical system 40.

シリンドリカルレンズ32およびマイクロレンズ34は、レーザ光21を進行方向と平行となるように設計される。実施例2のように、半導体レーザバー26を積層する場合であっても、実施例1の場合と同様に、シリンドリカルレンズ32の焦点距離Ey1およびマイクロレンズ34の焦点距離Ex1を適切に設計する。例えば、マイクロレンズ34の焦点距離Ex1は、実施例1の場合と同様に、隣接するレーザ光21が重ならないように設定される。 The cylindrical lens 32 and the micro lens 34 are designed so that the laser light 21 is parallel to the traveling direction. As in Example 2, even when stacking the semiconductor laser bar 26, as in Example 1, appropriately designing the focal length E x1 focal length E y1 and a microlens 34 of the cylindrical lenses 32 . For example, the focal length Ex1 of the microlens 34 is set so that the adjacent laser beams 21 do not overlap as in the case of the first embodiment.

第1光学系30を構成するシリンドリカルレンズ32は、マイクロレンズ34よりも先に設けられることが好ましい。レーザ光21のY軸方向の発散角度Θが、X軸方向の発散角度Θよりも大きいので、レーザ光21のY軸方向成分を先に進行方向(例えば、Z軸)と平行な成分に変換しておくことが好ましい。これにより、レーザ光21のY軸方向の幅Bの増加を抑制できる。 The cylindrical lens 32 configuring the first optical system 30 is preferably provided before the microlens 34. Since the divergence angle Θ y in the Y-axis direction of the laser light 21 is larger than the divergence angle Θ x in the X-axis direction, the component parallel to the traveling direction (for example, the Z axis) of the Y-axis direction component of the laser light 21 first. It is preferable to convert to Thus, an increase in the width B y in the Y-axis direction of the laser beam 21 can be suppressed.

シリンドリカルレンズ32の焦点距離Ey1は、シリンドリカルレンズの加工形状から可能な最小サイズで設計されることが好ましい。例えば、シリンドリカルレンズ32のY軸方向の焦点距離Ey1は0.6mmである。マイクロレンズ34の焦点距離Ex1は1.4mmとする。シリンドリカルレンズ32の厚みは0.8mm必要であるので、シリンドリカルレンズ32のZ軸方向にマイクロレンズ34を設置するために、0.8mmより大きな焦点距離Ex1が必要である。 It is preferable that the focal length E y1 of the cylindrical lens 32 is designed to be the smallest possible size based on the processed shape of the cylindrical lens. For example, the focal length E y1 of the cylindrical lens 32 in the Y-axis direction is 0.6 mm. The focal length Ex1 of the micro lens 34 is 1.4 mm. Since the thickness of the cylindrical lens 32 is required 0.8 mm, in order to install the microlens 34 in the Z-axis direction of the cylindrical lens 32, it requires a large focal length E x1 than 0.8 mm.

実施例3の半導体レーザバー26では、X軸方向のエミッタ28の数が12個、X軸方向の幅Wが0.2mm、X軸方向のエミッタ28のピッチPが0.4mmであり、エミッタ28のY軸方向の長さWが0.01mmである。半導体レーザバー26の積層数は6層である。半導体レーザバー26の積層間隔Sは2.5mmとした。各エミッタ28から放射するレーザ光21は、2次元楕円面形状に発散する。本例の12個のエミッタ28から放射するレーザ光21の発散角度は、Θ=30°およびΘ=8°である。 In the semiconductor laser bar 26 of Example 3, 12 the number of X-axis direction of the emitter 28, the pitch P of the X-axis direction width W x is 0.2 mm, the X-axis direction of the emitter 28 is the 0.4 mm, the emitter 28, the length W y in the Y-axis direction is 0.01 mm. The number of stacked semiconductor laser bars 26 is six. Stacking spacing S y of the semiconductor laser bar 26 was 2.5 mm. The laser light 21 emitted from each emitter 28 diverges into a two-dimensional ellipsoidal shape. The divergence angles of the laser light 21 emitted from the twelve emitters 28 in this example are Θ y = 30 ° and Θ x = 8 °.

シリンドリカルレンズ32の焦点距離Ey1は、Y軸方向に積層した半導体レーザバー26からの平行になったレーザ光21が重ならないように設定される。シリンドリカルレンズ32の焦点距離Ey1は、エミッタ発散角度Θ、エミッタ幅W、半導体レーザバー26の積層間隔Sに基づいて設計される。積層間隔Sは、積層された半導体レーザバー26におけるY軸方向のエミッタ28の間隔である。 The focal length E y1 of the cylindrical lens 32 is set so that the parallel laser beams 21 from the semiconductor laser bars 26 stacked in the Y-axis direction do not overlap. The focal length E y1 of the cylindrical lens 32 is designed based on the emitter divergence angle Θ y , the emitter width W y , and the stacking interval S y of the semiconductor laser bars 26. Stacking spacing S y is the spacing in the Y-axis direction of the emitter 28 in the stacked semiconductor laser bar 26.

第2光学系40は、第1光学系30が平行光に変換したレーザ光21をL本の光ファイバ60に集光する。本例の第2光学系40は、シリンドリカルレンズ44およびシリンドリカルレンズ46を有する。   The second optical system 40 focuses the laser light 21 converted into parallel light by the first optical system 30 onto L optical fibers 60. The second optical system 40 of this example includes a cylindrical lens 44 and a cylindrical lens 46.

シリンドリカルレンズ44は、レーザ光21をY軸方向に集光する。シリンドリカルレンズ44は、Y軸方向に配列された3個のシリンドリカルレンズ44a〜シリンドリカルレンズ44cを有する。シリンドリカルレンズ44は、第2のシリンドリカルレンズの一例である。   The cylindrical lens 44 condenses the laser light 21 in the Y-axis direction. The cylindrical lens 44 includes three cylindrical lenses 44a to 44c arranged in the Y-axis direction. The cylindrical lens 44 is an example of a second cylindrical lens.

シリンドリカルレンズ46は、レーザ光21をX軸方向に集光する。これにより、レーザ光21が光ファイバコア62に集光される。シリンドリカルレンズ46は、第1のシリンドリカルレンズの一例である。   The cylindrical lens 46 condenses the laser light 21 in the X-axis direction. Thereby, the laser beam 21 is condensed on the optical fiber core 62. The cylindrical lens 46 is an example of a first cylindrical lens.

次に、半導体レーザ装置20が積層された複数の半導体レーザバー26を有する場合において、第2光学系40のX軸方向の設計手法について説明する。レーザ光21がY軸方向において重ならないようにするために、平行光に変換されたレーザ光21のY軸方向の幅Bが次式を満たすように設計される。
[数12]
≦S
Next, a design method in the X-axis direction of the second optical system 40 when the semiconductor laser device 20 has a plurality of stacked semiconductor laser bars 26 will be described. In order to prevent the laser light 21 from overlapping in the Y-axis direction, the width B y of the laser light 21 converted into parallel light in the Y-axis direction is designed to satisfy the following expression.
[Equation 12]
B y ≦ S y

シリンドリカルレンズ32のエミッタ28からの距離を焦点距離Ey1とすると、Y軸方向のビーム幅Bは、次式で示される。
[数13]
=(Ey1・sin(Θ/2))・2+W
即ち、次式を満たす。
[数14]
(Ey1・sin(Θ/2))・2+W≦S
エミッタ幅Wは、エミッタ28のY軸方向の幅である。ここで、マイクロレンズ34の焦点距離Ey1が0.6mm、W=0.01であるから、Bが次式で算出される。
=(0.6・sin(30°/2))・2+0.01=0.31+0.01=0.32mm
そして、S=2.5mmであるから、(数12)式を満たす。したがって、半導体レーザバー26aと半導体レーザバー26bとのレーザ光21は重ならない。
When the distance from the emitter 28 of the cylindrical lens 32 and the focal length E y1, beam width B y in the Y-axis direction is represented by the following formula.
[Equation 13]
B y = (E y1 · sin (Θ y / 2)) · 2 + W y
That is, the following equation is satisfied.
[Formula 14]
(E y1 · sin (Θ y / 2)) · 2 + W y ≦ S y
The emitter width W y is the width of the emitter 28 in the Y-axis direction. Here, the focal length E y1 of the microlens 34 is 0.6 mm, since it is W y = 0.01, B y is calculated by the following equation.
B y = (0.6 · sin (30 ° / 2)) · 2 + 0.01 = 0.31 + 0.01 = 0.32 mm
Since S y = 2.5 mm, Expression (12) is satisfied. Therefore, the laser beams 21 of the semiconductor laser bar 26a and the semiconductor laser bar 26b do not overlap.

積層間隔SのN段の積層構造から照射される平行に変換されたレーザ光21のY軸方向のビーム幅ΣBは、次式で示される。
[数15]
ΣB=S・(N−1)+B
ΣB=(Ey1・sin(Θ/2))・2+W+S・(N−1)
実施例3において、ΣB=2.4・(2−1)+0.32=2.7mmとなる。
The beam width ΣB y in the Y-axis direction of the laser beam 21 converted into parallel emitted from the N-layer stacked structure with the stacking interval S y is expressed by the following equation.
[Equation 15]
ΣB y = S y · (N−1) + B y
ΣB y = (E y1 · sin (Θ y / 2)) · 2 + W y + S y · (N−1)
In Example 3, ΣB y = 2.4 · (2-1) + 0.32 = 2.7 mm.

ビーム幅ΣBの平行光に変換されたレーザ光21を開口数NA=sin(Θ)=0.22の許容集光角度に入射するためのシリンドリカルレンズ44aの焦点距離Fy2は、ビーム幅Bを、シリンドリカルレンズ44aに入射するレーザ光21のビーム幅ΣBに置き換えると、次式を満たす。
[数16]
y2≧ΣB/(2・sin(Θ))
The focal length F y2 of the cylindrical lens 44a for making the laser light 21 converted into the parallel light having the beam width ΣB y incident at the allowable condensing angle of the numerical aperture NA = sin (Θ) = 0.22 is the beam width B When y is replaced with the beam width ΣB y of the laser beam 21 incident on the cylindrical lens 44a, the following equation is satisfied.
[Equation 16]
F y2 ≧ ΣB y / (2 · sin (Θ))

ΣBが(数15)式で示されるので、シリンドリカルレンズ44aの焦点距離Fy2は、次式で示される。
[数17]
y2≧(Ey1・sin(Θ/2))・2+W+S・(N−1)/(2・sin(Θ))
Since ΣB y is expressed by Equation (15), the focal length F y2 of the cylindrical lens 44a is expressed by the following equation.
[Equation 17]
F y2 ≧ (E y1 · sin (Θ y / 2)) · 2 + W y + S y · (N−1) / (2 · sin (Θ))

また、焦点距離Fy2を有するシリンドリカルレンズ44aから光ファイバコア62の受光面までの位置Cは、光ファイバコア62内に入射する必要があるので、次式を満たす。
[数18]
2・Fy2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fy2
The position C y from the cylindrical lens 44a having a focal length F y2 to the light receiving surface of the optical fiber core 62, it is necessary to enter the optical fiber core 62 satisfies the following equation.
[Equation 18]
2 · F y2 ≧ C y ≧ (1-2 · CR / ΣB y ) · F y2

例えば、ファイバの開口数NA=sin(Θ)=0.22、CR=0.3mmの場合、B=0.32mm、ΣB=2.7mmであるから、Fy2が次式で示される。
y2=ΣB/(2・sin(Θ))=2.7/(2×0.22)=6.13
シリンドリカルレンズ21の位置は、入射コア面からの距離Cが次式を満たすように設定される。
2・6.13≧C≧(1−2・0.3/2.7)・6.13
12.26≧C≧0.126
実施例3では、シリンドリカルレンズ44aの焦点距離Fy2を6mmとした。
For example, when the numerical aperture NA of the fiber NA = sin (Θ) = 0.22 and CR = 0.3 mm, B y = 0.32 mm and ΣB y = 2.7 mm, so F y2 is expressed by the following equation. .
F y2 = ΣB y /(2·sin(Θ))=2.7/(2×0.22)=6.13
Position of the cylindrical lens 21, the distance C y from the incident core surface is set so as to satisfy the following equation.
2 · 6.13 ≧ C y ≧ (1-2 · 0.3 / 2.7) · 6.13
12.26 ≧ C y ≧ 0.126
In Example 3, the focal length F y2 of the cylindrical lens 44a was 6 mm.

なお、光ファイバ60は、光ファイバコア62および光ファイバクラッド64を有している。また、光ファイバ60は、さらに外装を含んでよい。光ファイバコア62、光ファイバクラッド64および外装用の被覆を有する個別の光ファイバ60を用いる場合、光ファイバ60の全体の直径をFmaxとすると、光ファイバコア60aと光ファイバ60bとの間隔CDは、次式を満たすように設定される。
CD≧Fmax
The optical fiber 60 has an optical fiber core 62 and an optical fiber clad 64. The optical fiber 60 may further include an exterior. When using the individual optical fiber 60 having the optical fiber core 62, the optical fiber clad 64, and the coating for the exterior, assuming that the entire diameter of the optical fiber 60 is Fmax, the distance CD between the optical fiber core 60a and the optical fiber 60b is Are set to satisfy the following equation.
CD ≧ Fmax

集光ビーム102の間隔は、光ファイバ60の間隔CDに一致する。したがって、間隔CDは、次式で示される。
CD=Fy2・(2・sin(Θ)+S・(n−1))
ここで、集光ビームの幅をBとし、第2光学系のY軸方向の焦点距離をFy2とする。Sは、半導体レーザバー26のY軸方向の間隔である。
The interval between the focused beams 102 matches the interval CD of the optical fiber 60. Therefore, the interval CD is expressed by the following equation.
CD = F y2 · (2 · sin (Θ) + S y · (n−1))
Here, the width of the focused beam and B y, a focal length of the Y-axis direction of the second optical system is F y2. S y is an interval in the Y-axis direction of the semiconductor laser bar 26.

また、焦点距離Fy2は、次式で示される。
y2=ΣB/(2・sin(Θ))
The focal length F y2 is expressed by the following equation.
F y2 = ΣB y / (2 · sin (Θ))

この場合に、レーザ加工装置100は、N個積層した半導体レーザバー26のうち、n層の半導体レーザバー26からのレーザ光21を集光した集光ビーム102を、1本の光ファイバ60に入射することができる。   In this case, the laser processing apparatus 100 makes a focused beam 102 obtained by condensing the laser light 21 from the n-layer semiconductor laser bars 26 out of N stacked semiconductor laser bars 26 incident on one optical fiber 60. be able to.

実施例2の場合、Fy2=6.13mmであるから、間隔CDが次式で示される。
CD=Fy2・(2・sin(Θ)+S・(n−1))=6.13・2・0.22+2.5=2.69+2.5=5.19mm
In the case of Example 2, since F y2 = 6.13 mm, the interval CD is expressed by the following equation.
CD = F y2 · (2 · sin (Θ) + S y · (n−1)) = 6.13 · 2 · 0.22 + 2.5 = 2.69 + 2.5 = 5.19 mm

被覆外装を有する1本の光ファイバ60の直径Fmaxが5mm以下であれば、独立した光ファイバを用いることができる。このような光ファイバを用意できない場合は、図4Cに図示した共通の光ファイバクラッド64の光ファイバ60を用いてよい。なお、レーザ光21は、反射ミラーを用いて分岐してよい。   If the diameter Fmax of one optical fiber 60 having a sheath is 5 mm or less, an independent optical fiber can be used. When such an optical fiber cannot be prepared, the optical fiber 60 of the common optical fiber cladding 64 illustrated in FIG. 4C may be used. The laser beam 21 may be branched using a reflection mirror.

シリンドリカルレンズ46は、L本の光ファイバ60にX軸方向を集光したレーザ光21を入射する。シリンドリカルレンズ46の焦点距離Fx2は、実施例1の場合と同様の数式を用いて決定されてよい。但し、本例のシリンドリカルレンズ46は、積層された半導体レーザバー26から入射されるレーザ光21のそれぞれが光ファイバ60に入射されるように調整される。 The cylindrical lens 46 makes the laser light 21 condensed in the X-axis direction incident on the L optical fibers 60. The focal length F x2 of the cylindrical lens 46 may be determined using the same mathematical formula as in the first embodiment. However, the cylindrical lens 46 of this example is adjusted so that each of the laser beams 21 incident from the stacked semiconductor laser bars 26 is incident on the optical fiber 60.

レーザ光21のX軸方向の幅ΣBは、次式で示される。
[数19]
=(Ex1・sin(Θ/2))・2+W
[数20]
ΣB=P・(K−1)+B
Width .SIGMA.B x in the X-axis direction of the laser beam 21 is represented by the following formula.
[Equation 19]
B x = (E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x
[Equation 20]
ΣB x = P · (K−1) + B x

この場合、第2光学系40のX軸方向の焦点距離Fx2は、次式で示される。
[数21]
x2≧ΣB/(2・sin(Θ))
である。焦点距離Fx2は、次式を満たす。
[数22]
x2≧(P・(K−1)+B)/(2・sin(Θ))
In this case, the focal length F x2 of the second optical system 40 in the X-axis direction is expressed by the following equation.
[Equation 21]
F x2 ≧ ΣB x / (2 · sin (Θ))
It is. The focal length F x2 satisfies the following equation.
[Equation 22]
F x2 ≧ (P · (K−1) + B x ) / (2 · sin (Θ))

また、光ファイバコア62aとシリンドリカルレンズ46aとの距離Cは、次式で示される。
[数23]
2・Fx2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fx2
The distance C x of the optical fiber core 62a and the cylindrical lens 46a is represented by the following formula.
[Equation 23]
2 · F x2 ≧ C x ≧ (1-2 · CR / ΣB x ) · F x2

本例の半導体レーザバー26は、X軸方向のエミッタ28の総数Kが12個、X軸方向の幅Wが0.2mm、X軸方向のエミッタ28のピッチPが0.4mmであり、エミッタ28のY軸方向の長さWが0.01mmである。半導体レーザバー26の積層数は6層である。半導体レーザバー26の積層間隔Sは2.5mmとした。各エミッタ28から放射するレーザ光21は、2次元楕円面形状に発散する。本例の12個のエミッタ28から放射するレーザ光21の発散角度は、Θ=30°およびΘ=8°である。 The semiconductor laser bar 26 of this example, 12 pieces total number K in the X-axis direction of the emitter 28, the pitch P of the X-axis direction width W x is 0.2 mm, the X-axis direction of the emitter 28 is 0.4 mm, the emitter 28, the length W y in the Y-axis direction is 0.01 mm. The number of stacked semiconductor laser bars 26 is six. Stacking spacing S y of the semiconductor laser bar 26 was 2.5 mm. The laser light 21 emitted from each emitter 28 diverges into a two-dimensional ellipsoidal shape. The divergence angles of the laser light 21 emitted from the twelve emitters 28 in this example are Θ y = 30 ° and Θ x = 8 °.

第1光学系30を構成するシリンドリカルレンズ32は、マイクロレンズ34よりも先に設けられることが好ましい。レーザ光21のY軸方向の発散角度Θが、X軸方向の発散角度Θよりも大きいので、レーザ光21のY軸方向成分を先に進行方向(例えば、Z軸)と平行な成分に変換しておくことが好ましい。これにより、レーザ光21のY軸方向の幅Bの増加を抑制できる。 The cylindrical lens 32 configuring the first optical system 30 is preferably provided before the microlens 34. Since the divergence angle Θ y in the Y-axis direction of the laser light 21 is larger than the divergence angle Θ x in the X-axis direction, the component parallel to the traveling direction (for example, the Z axis) of the Y-axis direction component of the laser light 21 first. It is preferable to convert to Thus, an increase in the width B y in the Y-axis direction of the laser beam 21 can be suppressed.

シリンドリカルレンズ32の焦点距離Ey1は、シリンドリカルレンズの加工形状から可能な最小サイズで設計されることが好ましい。例えば、シリンドリカルレンズ32のY軸方向の焦点距離Ey1は0.6mmである。マイクロレンズ34の焦点距離Ex1は1.4mmとする。シリンドリカルレンズ32の幅は0.8mm必要であるので、シリンドリカルレンズ32のZ軸方向にマイクロレンズ34を設置するために、0.8mmより大きな焦点距離Ex1が必要である。 It is preferable that the focal length E y1 of the cylindrical lens 32 is designed to be the smallest possible size based on the processed shape of the cylindrical lens. For example, the focal length E y1 of the cylindrical lens 32 in the Y-axis direction is 0.6 mm. The focal length Ex1 of the micro lens 34 is 1.4 mm. Since the width of the cylindrical lens 32 is required 0.8 mm, in order to install the microlens 34 in the Z-axis direction of the cylindrical lens 32, it requires a large focal length E x1 than 0.8 mm.

本例の半導体レーザバー26では、X軸方向のエミッタ28の数が12個、X軸方向の幅Wが0.2mm、X軸方向のエミッタ28のピッチPが0.4mmであり、エミッタ28のY軸方向の長さWが0.01mmである。各エミッタ28から放射するレーザ光21は、2次元楕円面形状に発散する。本例の12個のエミッタ28から放射するレーザ光21の発散角度は、Θ=30°およびΘ=8°である。 In the semiconductor laser bar 26 of this example, 12 is the number of X-axis direction of the emitter 28, the pitch P of the X-axis direction width W x is 0.2 mm, the X-axis direction of the emitter 28 is 0.4 mm, the emitter 28 The length W y in the Y-axis direction is 0.01 mm. The laser light 21 emitted from each emitter 28 diverges into a two-dimensional ellipsoidal shape. The divergence angles of the laser light 21 emitted from the twelve emitters 28 in this example are Θ y = 30 ° and Θ x = 8 °.

一例において、B、ΣBおよびFx2は、次の通りである。
=0.395mm
ΣB=P・(K−1)+B=0.4・(12−1)+0.395=4.79
x2≧ΣB/(2・sin(Θ))=4.795/(2×0.22)=10.9
In one example, B x , ΣB x and F x2 are as follows:
B x = 0.395mm
ΣB x = P · (K−1) + B x = 0.4 · (12−1) + 0.395 = 4.79
F x2 ≧ ΣB x /(2·sin(Θ))=4.795/(2×0.22)=10.9

また、光ファイバコア62aとシリンドリカルレンズ46aとの距離Cは、次式で示される。
2・Fx2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fx2
よって、Cが次式を満たす。
21.8≧C≧9.5
実施例2ではC=11mmであり、Cを焦点距離Fx2=10.9mmと同程度とした。
The distance C x of the optical fiber core 62a and the cylindrical lens 46a is represented by the following formula.
2 · F x2 ≧ C x ≧ (1-2 · CR / ΣB x ) · F x2
Therefore, C x satisfies the following equation.
21.8 ≧ C x ≧ 9.5
In Example 2, C x = 11 mm, and C x was approximately the same as the focal length F x2 = 10.9 mm.

ここで、3つの光ファイバ60において、開口数NAやコア径が異なる場合、シリンドリカルレンズ46a〜シリンドリカルレンズ46cがそれぞれ異なる特性を有してよい。また、シリンドリカルレンズ46a〜シリンドリカルレンズ46cの配置は、光ファイバ60a〜光ファイバ60cに合わせて異なっていてよい。   Here, in the three optical fibers 60, when the numerical aperture NA and the core diameter are different, the cylindrical lenses 46a to 46c may have different characteristics. Further, the arrangement of the cylindrical lenses 46a to 46c may be different depending on the optical fibers 60a to 60c.

本例のレーザ加工装置100は、X軸方向にK個のエミッタ28が配列した半導体レーザバー26を、Y軸方向にN個積層した1台の半導体レーザ装置20を備えることにより、1本の集光ビーム102に用いるエミッタ28の数をk個とした場合、次式を満たす。
K×N≧k×L
但し、K,k,Nは1以上の整数である。
The laser processing apparatus 100 of this example includes one semiconductor laser apparatus 20 in which N semiconductor laser bars 26 in which K emitters 28 are arranged in the X-axis direction are stacked in the Y-axis direction. When the number of emitters 28 used for the light beam 102 is k, the following equation is satisfied.
K × N ≧ k × L
However, K, k, and N are integers of 1 or more.

以上の通り、本例のレーザ加工装置100は、第1光学系30および第2光学系40の光学系を適切に設定することにより、大出力の加熱ビーム104を1台の半導体レーザ装置20から分岐し、取り出すことができる。   As described above, the laser processing apparatus 100 of this example appropriately sets the optical system of the first optical system 30 and the second optical system 40 to generate a high-power heating beam 104 from one semiconductor laser apparatus 20. Can branch and take out.

なお、本例のレーザ加工装置100は、6段の半導体レーザバー26を均等に分割している。但し、レーザ加工装置100は、上から1段、2段、3段として、3段階の出力強度の加熱ビーム104を形成してもよい。   Note that the laser processing apparatus 100 of this example equally divides the six-stage semiconductor laser bars 26. However, the laser processing apparatus 100 may form the heating beam 104 with three levels of output intensity from the top in the first, second, and third stages.

本例の光ファイバ60は、それぞれ矩形、円形、矩形の光ファイバコア62a〜光ファイバコア62cを有するが、これに限られない。   The optical fiber 60 of the present example includes the rectangular, circular, and rectangular optical fiber cores 62a to 62c, but is not limited thereto.

本例の光ファイバ60a〜光ファイバ60cの受光面は、シリンドリカルレンズ46a〜シリンドリカルレンズ46cとそれぞれ等しい間隔で設けられる。光ファイバ60aの受光面ンとシリンドリカルレンズ46との距離は、光学条件を満たす範囲で短く設定されることが好ましい。   The light receiving surfaces of the optical fibers 60a to 60c in this example are provided at equal intervals from the cylindrical lenses 46a to 46c, respectively. The distance between the light receiving surface of the optical fiber 60a and the cylindrical lens 46 is preferably set to be short within a range that satisfies the optical conditions.

本例の第2光学系40は、シリンドリカルレンズ44およびシリンドリカルレンズ46のレンズ系のみで構成される。これにより、第2光学系40は、レーザ光21の光学変換時に生じる熱を低減することができる。また、第2光学系40の構成が単純となり、光学系のサイズが小さくなる。   The second optical system 40 of this example includes only a lens system of a cylindrical lens 44 and a cylindrical lens 46. Thereby, the second optical system 40 can reduce heat generated during optical conversion of the laser light 21. Further, the configuration of the second optical system 40 is simplified, and the size of the optical system is reduced.

[実施例4]
図6Bは、実施例1および実施例2に係るレーザ加工装置100の構成の一例を示す。本例のレーザ加工装置100は、光ファイバコア62に集光ビーム102を集光する。本例のレーザ加工装置100は、集光レンズとして凸レンズ48を備える点で、実施例3に係るレーザ加工装置100と相違する。これにより、シリンドリカルレンズの枚数を削減できる。
[Example 4]
FIG. 6B illustrates an example of the configuration of the laser processing apparatus 100 according to the first and second embodiments. The laser processing apparatus 100 of this example focuses the focused beam 102 on the optical fiber core 62. The laser processing apparatus 100 of this example is different from the laser processing apparatus 100 according to the third embodiment in that a convex lens 48 is provided as a condenser lens. Thereby, the number of cylindrical lenses can be reduced.

光ファイバ60は、開口数NA=sin(Θ)および半径CRの光ファイバコア62を有する。凸レンズ48の第一方向の焦点距離Fx2は、総数K個のエミッタ28からのX軸方向への発散角度Θ、エミッタ幅W、ピッチP、X軸方向の焦点距離をEx1とし、レーザ光のX軸方向の幅ΣBを、
[数24]
=(Ex1・sin(Θ/2))・2+W
[数25]
ΣB=P・(K−1)+(Ex1・sin(Θ/2))・2+W
とすると、
[数26]
x2≧ΣB/(2・sin(Θ))
を満たす。これにより、集光ビーム102が光ファイバ60に損傷を与えることなく入射される。
The optical fiber 60 has an optical fiber core 62 having a numerical aperture NA = sin (Θ) and a radius CR. The focal length F x2 of the convex lens 48 in the first direction is a divergence angle Θ x from the total number K of emitters 28 in the X-axis direction, emitter width W x , pitch P, and the focal length in the X-axis direction is E x1 . The width ΣB x of the laser beam in the X-axis direction is
[Equation 24]
B x = (E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x
[Equation 25]
ΣB x = P · (K−1) + (E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x
Then,
[Equation 26]
F x2 ≧ ΣB x / (2 · sin (Θ))
Meet. Thereby, the condensed beam 102 is incident without damaging the optical fiber 60.

N個に積層された半導体レーザバー26のうちn層の半導体レーザバー26が出射するレーザ光21を分岐する場合、凸レンズ48のY軸方向の焦点距離Fy2は、集光ビーム102のY軸方向のビーム幅ΣBを用いて次式で示される。
[数27]
y2≧ΣB/(2・sin(Θ))
ここで、ビーム幅ΣBは、
=(Ey1・sin(Θ/2))・2+W
であるから、
ΣB=S・(n−1)+B
である。これにより、光ファイバ60に損傷を与えることなく集光ビーム102が入射される。
When the laser light 21 emitted from the n semiconductor laser bars 26 among the N stacked semiconductor laser bars 26 is branched, the focal length F y2 of the convex lens 48 in the Y-axis direction is the Y-axis direction focal length F y2 of the focused beam 102. represented by the following equation using the beam width .SIGMA.B y.
[Equation 27]
F y2 ≧ ΣB y / (2 · sin (Θ))
Here, the beam width ΣB y is
B y = (E y1 · sin (Θ y / 2)) · 2 + W y
Because
ΣB y = S y · (n−1) + B y
It is. Thereby, the condensed beam 102 is incident without damaging the optical fiber 60.

x2≧Fy2の場合、凸レンズ48の焦点距離は、(数26)式を満たすFx2であり、且つ、
凸レンズ48の位置は光ファイバコア62の入射面からの距離がCとすると、
2・Fx2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fx2
を満たす。
When F x2 ≧ F y2 , the focal length of the convex lens 48 is F x2 that satisfies the formula (26), and
When the distance from the incident surface of the optical fiber core 62 is C c , the position of the convex lens 48 is
2 · F x2 ≧ C c ≧ (1-2 · CR / ΣB x ) · F x2
Meet.

一方、Fx2<Fy2の場合、
凸レンズ48の焦点距離は、(数27)式を満たすFy2であり、且つ、
2・Fy2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fy2
を満たす。
On the other hand, if F x2 <F y2 ,
The focal length of the convex lens 48 is F y2 that satisfies Equation (27), and
2 · F y2 ≧ C c ≧ (1-2 · CR / ΣB y ) · F y2
Meet.

一例において、光ファイバ60は、ファイバの開口数NA=sin(Θ)=0.22、CR=0.3mmを満たす。本例の半導体レーザバー26では、X軸方向のエミッタ28の数が12個、X軸方向の幅Wが0.2mm、X軸方向のエミッタ28のピッチPが0.4mmであり、エミッタ28のY軸方向の長さWが0.01mmである。各エミッタ28から放射するレーザ光21は、2次元楕円面形状に発散する。本例の12個のエミッタ28から放射するレーザ光21の発散角度は、Θ=30°およびΘ=8°である。 In one example, the optical fiber 60 satisfies the numerical aperture NA = sin (Θ) = 0.22 and CR = 0.3 mm. In the semiconductor laser bar 26 of this example, 12 is the number of X-axis direction of the emitter 28, the pitch P of the X-axis direction width W x is 0.2 mm, the X-axis direction of the emitter 28 is 0.4 mm, the emitter 28 The length W y in the Y-axis direction is 0.01 mm. The laser light 21 emitted from each emitter 28 diverges into a two-dimensional ellipsoidal shape. The divergence angles of the laser light 21 emitted from the twelve emitters 28 in this example are Θ y = 30 ° and Θ x = 8 °.

したがって、B、ΣBおよびFx2は、次の通りである。
=0.395mm
ΣB=P・(K−1)+B=0.4・(12−1)+0.395=4.79
x2≧ΣB/(2・sin(Θ))=4.795/(2×0.22)=10.9
以上から、光ファイバコア62aと凸レンズ48との距離Cは、次式で示される。
2・Fx2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fx2
よって、Cが次式を満たす。
21.8≧C≧9.5
Therefore, B x , ΣB x and F x2 are as follows.
B x = 0.395mm
ΣB x = P · (K−1) + B x = 0.4 · (12−1) + 0.395 = 4.79
F x2 ≧ ΣB x /(2·sin(Θ))=4.795/(2×0.22)=10.9
From the above, the distance C c of the optical fiber core 62a and the convex lens 48 is represented by the following formula.
2 · F x2 ≧ C c ≧ (1-2 · CR / ΣB x ) · F x2
Therefore, C c satisfies the following equation.
21.8 ≧ C c ≧ 9.5

ここではC=11mmとして、Cを焦点距離Fx2=10.9mmと同程度とした。また、光ファイバ60の開口数NA=sin(Θ)=0.22、CR=0.3mmであるから、B=0.32mm、ΣB=2.7mmである。したがって、Fy2が次式で示される。
y2=ΣB/(2・sin(Θ))=2.7/(2×0.22)=6.13
Here, C c = 11 mm, and C x is approximately the same as the focal length F x2 = 10.9 mm. Further, since the numerical aperture NA of the optical fiber 60 = sin (Θ) = 0.22 and CR = 0.3 mm, B y = 0.32 mm and ΣB y = 2.7 mm. Therefore, F y2 is expressed by the following equation.
F y2 = ΣB y /(2·sin(Θ))=2.7/(2×0.22)=6.13

凸レンズ48の位置Cは、入射コア面からの距離Cが次式を満たすように設定される。
2・6.13≧C≧(1−2・0.3/2.7)・6.13
12.26≧C≧0.126
X軸方向の要請およびY軸方向の要請から、焦点距離Fx2=10.9mmである凸レンズ48の入射コア面から距離Cは、次式を満たす。
12.26≧C≧9.5
Position C c of the convex lens 48, the distance C y from the incident core surface is set so as to satisfy the following equation.
2 · 6.13 ≧ C c ≧ (1-2 · 0.3 / 2.7) · 6.13
12.26 ≧ C c ≧ 0.126
From the request in the X-axis direction and the request in the Y-axis direction, the distance C c from the incident core surface of the convex lens 48 with the focal length F x2 = 10.9 mm satisfies the following expression.
12.26 ≧ C c ≧ 9.5

したがって、焦点距離Fx2=10.9mmである凸レンズ48の入射コア面から距離Cは11mmと選択すればよい。凸レンズ48の焦点距離、ならびに凸レンズ48の入射コア面から距離Cを適切に選択すれば、2枚必要なシリンドリカルレンズセットを1枚の凸レンズ48でファイバ端面を損傷なく集光ビーム102を入射できる。 Therefore, the distance C c from the incident core surface of the convex lens 48 with the focal length F x2 = 10.9 mm may be selected as 11 mm. Focal length of the convex lens 48, and by appropriately selecting the distance C c from the incident core surface of the convex lens 48, the fiber end faces two required cylindrical lens set at one convex lens 48 can be incident without damage focused beam 102 .

[実施例5]
図7は、実施例5に係るレーザ加工装置100の構成の一例を示す。本例のレーザ加工装置100は、L×N本の光ファイバ60で構成される点で実施例1および実施例2に係るレーザ加工装置100と相違する。
[Example 5]
FIG. 7 shows an example of the configuration of the laser processing apparatus 100 according to the fifth embodiment. The laser processing apparatus 100 according to the present example is different from the laser processing apparatus 100 according to the first and second embodiments in that the laser processing apparatus 100 includes L × N optical fibers 60.

本例のレーザ加工装置100は、半導体レーザバー26をL個に分岐した実施例1に係る構成を、半導体レーザバー26をN層積層した場合に拡張した実施例である。本例のレーザ加工装置100は、L×N個の光ファイバコア62に集光ビーム102を集光する。但し、光ファイバ60の入射側の本数はL本でよい。一方、放射側ファイバ66の本数は、L×N本となり、照射ヘッド80の数もL×N本個となる。   The laser processing apparatus 100 of this example is an example in which the configuration according to Example 1 in which the semiconductor laser bars 26 are branched into L pieces is expanded when N layers of semiconductor laser bars 26 are stacked. The laser processing apparatus 100 of this example focuses the focused beam 102 on L × N optical fiber cores 62. However, the number of incident sides of the optical fiber 60 may be L. On the other hand, the number of radiation side fibers 66 is L × N, and the number of irradiation heads 80 is also L × N.

本例のレーザ加工装置100は、1つの半導体レーザバー26からL本の加熱ビーム104を形成し、さらに、N層に積層している。これにより、レーザ加工装置100は、さらに多数の加熱ビーム104により加工材料110を加工できる。本例のレーザ加工装置100は、多数の穴を一度に形成する場合等に特に有利である。   In the laser processing apparatus 100 of this example, L heating beams 104 are formed from one semiconductor laser bar 26 and further laminated on an N layer. Thereby, the laser processing apparatus 100 can process the processing material 110 with a larger number of heating beams 104. The laser processing apparatus 100 of this example is particularly advantageous when a large number of holes are formed at one time.

また、調整部50は、ポッケルセル素子を有してよい。ポッケルセル素子は、電圧を印加することにより、集光ビーム102の偏光面を回転させる。これにより、透過した集光ビーム102をオンオフすることができる。その結果、連続した集光ビーム102を数Hzから数MHzの広い周波数範囲のパルス光に変換できる。調整部50は、オンオフ比の調整により透過強度を調整できる。これにより、加熱ビーム104の強度が調整される。加熱ビーム104のパルス周波数、オンオフ比は、外部電圧源で制御できる。ポッケルセル素子を使用した場合は、カットした光は主方向とは異なる方向に放射することから、このカットした集光ビーム102を吸収するダンパが設けられる。   The adjustment unit 50 may include a Pockel cell element. The Pockel cell element rotates the polarization plane of the focused beam 102 by applying a voltage. As a result, the transmitted focused beam 102 can be turned on and off. As a result, the continuous focused beam 102 can be converted into pulsed light in a wide frequency range from several Hz to several MHz. The adjusting unit 50 can adjust the transmission intensity by adjusting the on / off ratio. Thereby, the intensity of the heating beam 104 is adjusted. The pulse frequency and on / off ratio of the heating beam 104 can be controlled by an external voltage source. When the Pockel cell element is used, the cut light is emitted in a direction different from the main direction, and therefore a damper for absorbing the cut focused beam 102 is provided.

以上、レーザ加工装置100は、COガスレーザの代わりに半導体レーザ装置20を用いて加熱ビーム104を生成する。本例のレーザ加工装置100は、数10Wクラスから数KWクラスの高強度の加熱ビーム104を多数本同時に提供できる。レーザ加工装置100は、光学系を適宜変更することにより、多角形状や長円形形状等の様々な形状の加熱ビーム104を生成することができる。レーザ加工装置100は、トップハット型の照射強度、釣鐘型の照射強度、トップハット型と釣鐘型を組み合わせた照射強度分布などの加熱ビーム104を生成できる。また、レーザ加工装置100は、加熱ビーム104ごとに形状や照射強度分布を変更できる。 As described above, the laser processing apparatus 100 generates the heating beam 104 using the semiconductor laser apparatus 20 instead of the CO 2 gas laser. The laser processing apparatus 100 of this example can simultaneously provide a large number of high-intensity heating beams 104 of several tens of W to several KW. The laser processing apparatus 100 can generate the heating beam 104 having various shapes such as a polygonal shape and an oval shape by appropriately changing the optical system. The laser processing apparatus 100 can generate a heating beam 104 such as a top hat type irradiation intensity, a bell type irradiation intensity, or an irradiation intensity distribution combining a top hat type and a bell type. The laser processing apparatus 100 can change the shape and irradiation intensity distribution for each heating beam 104.

レーザ加工装置100は、冷却部15を1台のみ備える。冷却水の温度制御精度の高い冷却方式を実現する。COレーザ加工装置では、数mサイズになるのに対して、本例のレーザ加工装置100は、数KWクラスの高強度出力においても数10cmサイズの設置専有面積で十分である。レーザ加工装置100のエネルギー変換効率は40%以上と極めて高く、省エネを実現できる。 The laser processing apparatus 100 includes only one cooling unit 15. Realizes a cooling system with high temperature control accuracy of cooling water. Whereas the CO 2 laser processing apparatus has a size of several meters, the laser processing apparatus 100 of the present example suffices with an installation-occupied area of several tens of centimeters even for high intensity output of several KW class. The energy conversion efficiency of the laser processing apparatus 100 is as extremely high as 40% or more, and energy saving can be realized.

半導体レーザ装置20の寿命は、数10万時間以上に達している。レーザ加工装置100は、半導体レーザ装置20を用いることにより、加熱ビーム104のオンオフの過酷な使用環境にも耐える。そのため、レーザ加工装置100は、量産用のレーザ加工装置として優れている。レーザ加工装置100は、調整部50を用いることにより、連続光の加熱ビーム104を、数HzからMHzのパルスビームに変更できる。レーザ加工装置100は、複数本の加熱ビーム104を独立して特性を変更できる。   The lifetime of the semiconductor laser device 20 has reached several hundred thousand hours or more. By using the semiconductor laser device 20, the laser processing apparatus 100 can withstand a severe use environment in which the heating beam 104 is turned on and off. Therefore, the laser processing apparatus 100 is excellent as a laser processing apparatus for mass production. The laser processing apparatus 100 can change the continuous light heating beam 104 from a few Hz to a pulse beam of MHz by using the adjustment unit 50. The laser processing apparatus 100 can change the characteristics of the plurality of heating beams 104 independently.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。   The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.

10・・・電源、12・・・電源、15・・・冷却部、20・・・半導体レーザ装置、21・・・レーザ光、22・・・入出力端子、24・・・入出力端子、26・・・半導体レーザバー、28・・・エミッタ、30・・・第1光学系、32・・・シリンドリカルレンズ、34・・・マイクロレンズ、40・・・第2光学系、42・・・マイクロレンズ、44・・・シリンドリカルレンズ、46・・・シリンドリカルレンズ、48・・・凸レンズ、50・・・調整部、52・・・ダンパ、55・・・制御部、60・・・光ファイバ、62・・・光ファイバコア、64・・・光ファイバクラッド、66・・・放射側ファイバ、70・・・光学変換部、80・・・照射ヘッド、100・・・レーザ加工装置、102・・・集光ビーム、104・・・加熱ビーム、110・・・加工材料、112・・・穴、120・・・半導体レーザ装置、121・・・レーザ光、122・・・入出力端子、124・・・入出力端子、130・・・第1光学系、140・・・第2光学系、150・・・センサ部、155・・・制御部、170・・・光学変換部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Power supply, 12 ... Power supply, 15 ... Cooling part, 20 ... Semiconductor laser apparatus, 21 ... Laser beam, 22 ... Input / output terminal, 24 ... Input / output terminal, 26 ... Semiconductor laser bar, 28 ... Emitter, 30 ... First optical system, 32 ... Cylindrical lens, 34 ... Micro lens, 40 ... Second optical system, 42 ... Micro Lens: 44 ... Cylindrical lens, 46 ... Cylindrical lens, 48 ... Convex lens, 50 ... Adjustment unit, 52 ... Damper, 55 ... Control unit, 60 ... Optical fiber, 62 ... Optical fiber core, 64 ... Optical fiber cladding, 66 ... Radiation side fiber, 70 ... Optical converter, 80 ... Irradiation head, 100 ... Laser processing device, 102 ... Focused beam, 104 ... Heating beam, 110 ... processing material, 112 ... hole, 120 ... semiconductor laser device, 121 ... laser light, 122 ... input / output terminal, 124 ... input / output terminal, 130 ... -1st optical system, 140 ... 2nd optical system, 150 ... Sensor part, 155 ... Control part, 170 ... Optical conversion part

Claims (28)

複数本のレーザ光を照射する半導体レーザ装置と、
前記複数本のレーザ光を、L本の集光ビームに集光する光学変換部と、
前記L本の集光ビームを受光するL本の光ファイバと、
を備え、
前記半導体レーザ装置は、N個の半導体レーザバーを有し、
前記N個の半導体レーザバーのそれぞれは、前記複数本のレーザ光を放射する複数個のエミッタを有し、
Lは2以上の整数であり、Nは1以上の整数である
レーザ加工装置。
A semiconductor laser device for irradiating a plurality of laser beams;
An optical converter for condensing the plurality of laser beams into L condensed beams;
L optical fibers for receiving the L condensed beams;
With
The semiconductor laser device has N semiconductor laser bars,
Each of the N semiconductor laser bars has a plurality of emitters that emit the plurality of laser beams,
L is an integer of 2 or more, and N is an integer of 1 or more.
前記光学変換部は、
前記複数本のレーザ光の第1方向の成分および前記第1方向と異なる第2方向の成分を、前記レーザ光の進行方向と平行な平行光に変換する第1光学系と、
平行光に変換した前記複数本のレーザ光を、前記L本の集光ビームに集光する第2光学系と
を備える
請求項1に記載のレーザ加工装置。
The optical converter is
A first optical system for converting a component in a first direction of the plurality of laser beams and a component in a second direction different from the first direction into parallel light parallel to the traveling direction of the laser beams;
The laser processing apparatus according to claim 1, further comprising: a second optical system that condenses the plurality of laser beams converted into parallel light into the L condensed beams.
前記第1光学系は、マイクロレンズを有し、
前記マイクロレンズは、
前記複数個のエミッタからの前記第1方向への発散角度Θ、エミッタ幅W、ピッチP、前記第1方向の焦点距離をEx1とすると、
(Ex1・sin(Θ/2))・2+W≦P
を満たす複数のレンズを含み、
前記複数のレンズは、前記複数個のエミッタに対応して、前記第1方向に配列されている
請求項2に記載のレーザ加工装置。
The first optical system has a microlens,
The microlens is
When the divergence angle Θ x from the plurality of emitters in the first direction, the emitter width W x , the pitch P, and the focal length in the first direction are E x1 ,
(E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x ≦ P
Including a plurality of lenses satisfying
The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the plurality of lenses are arranged in the first direction corresponding to the plurality of emitters.
前記光ファイバが、開口数NA=sin(Θ)および半径CRを有する光ファイバコアを有し、
前記第2光学系は、1本の前記集光ビームあたりk個のエミッタから放射するk本の前記レーザ光を前記光ファイバコアに集光し、
前記第2光学系の前記第1方向の焦点距離Fx2は、
前記複数個のエミッタからの前記第1方向への発散角度Θ、エミッタ幅W、ピッチP、前記第1方向の焦点距離をEx1とし、
前記レーザ光の前記第1方向の幅ΣBを、
=(Ex1・sin(Θ/2))・2+W
ΣB=P・(k−1)+(Ex1・sin(Θ/2))・2+W
として、
x2≧ΣB/(2・sin(Θ))
であり、
前記第2光学系の位置は前記光ファイバコアの入射面からの距離がCである場合、
2・Fx2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fx2
を満たす
請求項2又は3に記載のレーザ加工装置。
The optical fiber has an optical fiber core having a numerical aperture NA = sin (Θ) and a radius CR;
The second optical system condenses k laser beams emitted from k emitters per one condensed beam on the optical fiber core,
The focal length F x2 in the first direction of the second optical system is
A divergence angle Θ x from the plurality of emitters in the first direction, an emitter width W x , a pitch P, and a focal length in the first direction as E x1 ,
The width ΣB x of the laser beam in the first direction is
B x = (E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x
ΣB x = P · (k−1) + (E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x
As
F x2 ≧ ΣB x / (2 · sin (Θ))
And
If the position of the second optical system is the distance from the incident surface of the optical fiber core is C x,
2 · F x2 ≧ C x ≧ (1-2 · CR / ΣB x ) · F x2
The laser processing apparatus according to claim 2 or 3, wherein:
前記光ファイバが、開口数NA=sin(Θ)および半径CRの光ファイバコアを有し、
前記半導体レーザバーの前記第1方向に配列されたエミッタから放射するk個のレーザ光を前記光ファイバに集光し、
前記第2光学系の前記第2方向の焦点距離Fy2は、
前記集光ビームの前記第2方向の幅B
=Ey1(2・sin(Θ/2))
として、
y2≧B/(2・sin(Θ))
を満たし、
前記第2光学系の位置は、前記光ファイバコアの入射面からの距離がCである場合、
2・Fy2≧C≧(1−2・CR/B)・Fy2
である
請求項2から4のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The optical fiber has an optical fiber core with a numerical aperture NA = sin (Θ) and a radius CR;
Condensing k laser beams emitted from emitters arranged in the first direction of the semiconductor laser bar on the optical fiber;
The focal length F y2 of the second optical system in the second direction is
The width B y of the focused beam in the second direction is expressed as B y = E y1 (2 · sin (Θ y / 2)).
As
F y2 ≧ B y / (2 · sin (Θ))
The filling,
If the position of the second optical system, the distance from the incident surface of the optical fiber core is C y,
2 · F y2 ≧ C y ≧ (1-2 · CR / B y ) · F y2
The laser processing apparatus according to any one of claims 2 to 4.
前記半導体レーザ装置は、
前記第1方向にk個のエミッタを配列した前記半導体レーザバーを、前記第2方向にN個配列した1台の半導体レーザ装置で構成され、
1本の前記集光ビームに用いるエミッタ数をk個とした場合、
K×N≧k×L(K,k,Nは1以上の整数)
を満たす
請求項2から5のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The semiconductor laser device includes:
The semiconductor laser bar in which k emitters are arranged in the first direction is constituted by one semiconductor laser device in which N pieces are arranged in the second direction.
When the number of emitters used for one focused beam is k,
K × N ≧ k × L (K, k, N are integers of 1 or more)
The laser processing apparatus according to any one of claims 2 to 5, wherein:
前記複数個のエミッタは、予め定められた第1方向に配列され、
前記N個の半導体レーザバーは、前記第1方向と異なる第2方向に積層され、
前記半導体レーザ装置は、前記第1方向および前記第2方向と異なる第3方向に前記レーザ光を放射する
請求項2から6のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The plurality of emitters are arranged in a predetermined first direction,
The N semiconductor laser bars are stacked in a second direction different from the first direction,
The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the semiconductor laser device emits the laser light in a third direction different from the first direction and the second direction.
前記第1光学系は、シリンドリカルレンズを有し、
前記シリンドリカルレンズは、
前記複数個のエミッタから照射される前記レーザ光の前記第2方向への発散角度Θ、前記エミッタの幅W、前記N個の半導体レーザバーのピッチをS、前記シリンドリカルレンズの前記第2方向の焦点距離をEy1とすると、
(Ey1・sin(Θ/2))・2+W≦S
を満たす
請求項7に記載のレーザ加工装置。
The first optical system has a cylindrical lens,
The cylindrical lens is
The divergence angle Θ y in the second direction of the laser light emitted from the plurality of emitters, the emitter width W y , the pitch of the N semiconductor laser bars S y , and the second of the cylindrical lens If the focal length in the direction is E y1 ,
(E y1 · sin (Θ y / 2)) · 2 + W y ≦ S y
The laser processing apparatus according to claim 7, wherein:
前記第2光学系は、N個積層した前記半導体レーザバーのうち、n層の前記半導体レーザバーからの前記レーザ光を集光した前記集光ビームを、1本の前記光ファイバに入射する
請求項2から8のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
3. The second optical system makes the focused beam obtained by collecting the laser beam from the n semiconductor laser bars out of N stacked semiconductor laser bars incident on one optical fiber. The laser processing apparatus as described in any one of 8-8.
前記光ファイバが、開口数NA=sin(Θ)および半径CRを有する光ファイバコアを有し、
前記第2光学系は、前記N個に積層された半導体レーザバーのうちn層の半導体レーザバーが出射する前記半導体レーザバーを分岐し、前記光ファイバコアに集光するシリンドリカルレンズを有し、
前記シリンドリカルレンズの前記第2方向の焦点距離Fy2は、
前記集光ビームの前記第2方向のビーム幅ΣBを、
=(Ey1・sin(Θ/2))・2+W
ΣB=S・(n−1)+B
として、
y2≧ΣB/(2・sin(Θ))
を満たし、
前記シリンドリカルレンズの位置は、前記光ファイバコアの入射面からの距離がCである場合、
2・Fy2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fy2
である
請求項9に記載のレーザ加工装置。
The optical fiber has an optical fiber core having a numerical aperture NA = sin (Θ) and a radius CR;
The second optical system includes a cylindrical lens that branches the semiconductor laser bar emitted by the n-layer semiconductor laser bars from the N stacked semiconductor laser bars and focuses the light on the optical fiber core,
The focal length F y2 of the cylindrical lens in the second direction is
The beam width ΣB y in the second direction of the focused beam is
B y = (E y1 · sin (Θ y / 2)) · 2 + W y
ΣB y = S y · (n−1) + B y
As
F y2 ≧ ΣB y / (2 · sin (Θ))
The filling,
The position of the cylindrical lens, when the distance from the incident surface of the optical fiber core is C y,
2 · F y2 ≧ C y ≧ (1-2 · CR / ΣB y ) · F y2
The laser processing apparatus according to claim 9.
前記光ファイバが、開口数NA=sin(Θ)および半径CRを有する光ファイバコアを有し、
前記第2光学系は、1本の前記集光ビームあたりk個のエミッタから放射するk本の前記レーザ光を、前記集光ビームとして前記光ファイバコアに集光し、前記第2光学系が凸レンズを有し、
前記凸レンズの前記第1方向の焦点距離Fx2は、
前記複数個のエミッタからの前記第1方向への発散角度Θ、エミッタ幅W、ピッチP、エミッタ総数K、前記第1方向の焦点距離をEx1とし、
前記レーザ光の前記第1方向の幅ΣBを、
=(Ex1・sin(Θ/2))・2+W
ΣB=P・(K−1)+(Ex1・sin(Θ/2))・2+W
として、
x2≧ΣB/(2・sin(Θ))
を満たし、
前記凸レンズは、前記N個に積層された半導体レーザバーのうちn層の半導体レーザバーが出射する前記レーザ光を分岐し、前記光ファイバコアに集光し、
前記第2方向の焦点距離Fy2は、前記集光ビームの前記第2方向のビーム幅ΣBを、
=(Ey1・sin(Θ/2))・2+W
ΣB=S・(n−1)+B
として、
y2≧ΣB/(2・sin(Θ))
を満たし、
x2≧Fy2の場合、
前記凸レンズの位置は前記光ファイバコアの入射面からの距離をCとすると、
2・Fx2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fx2
を満たし、
x2<Fy2の場合、
2・Fy2≧C≧(1−2・CR/ΣB)・Fy2
を満たす
請求項9に記載のレーザ加工装置。
The optical fiber has an optical fiber core having a numerical aperture NA = sin (Θ) and a radius CR;
The second optical system focuses k laser beams emitted from k emitters per one focused beam onto the optical fiber core as the focused beam, and the second optical system Having a convex lens,
The focal length F x2 of the convex lens in the first direction is
The divergence angle Θ x from the plurality of emitters in the first direction, the emitter width W x , the pitch P, the total number of emitters K, and the focal length in the first direction as E x1 ,
The width ΣB x of the laser beam in the first direction is
B x = (E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x
ΣB x = P · (K−1) + (E x1 · sin (Θ x / 2)) · 2 + W x
As
F x2 ≧ ΣB x / (2 · sin (Θ))
The filling,
The convex lens branches the laser light emitted by the n-layer semiconductor laser bars among the N stacked semiconductor laser bars, and focuses the light on the optical fiber core.
The focal length F y2 in the second direction is the beam width ΣB y in the second direction of the focused beam,
B y = (E y1 · sin (Θ y / 2)) · 2 + W y
ΣB y = S y · (n−1) + B y
As
F y2 ≧ ΣB y / (2 · sin (Θ))
The filling,
If F x2 ≧ F y2 ,
When the distance from the incident surface of the optical fiber core is C c , the position of the convex lens is
2 · F x2 ≧ C c ≧ (1-2 · CR / ΣB x ) · F x2
The filling,
If F x2 <F y2 ,
2 · F y2 ≧ C c ≧ (1-2 · CR / ΣB y ) · F y2
The laser processing apparatus according to claim 9, wherein:
前記光ファイバの光ファイバコア、光ファイバクラッドおよび外装を含む直径をFmaxとしたとき、
前記集光ビームの幅をBとし、前記第2光学系の前記第2方向の焦点距離をFy2とし、前記N個の半導体レーザバーのピッチをSとして、
前記光ファイバの最小間隔CDは、
CD=Fy2・(2・sin(Θ)+S・(n−1))
y2=ΣB/(2・sin(Θ))
が、
CD≧Fmax
である場合に
前記第2光学系は、N個積層した前記半導体レーザバーのうち、n層の前記半導体レーザバーからの前記レーザ光を集光した前記光ファイバコア、前記光ファイバクラッドおよび前記外装からなる1本の前記光ファイバに入射する
請求項2から11のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
When the diameter of the optical fiber including the optical fiber core, the optical fiber cladding, and the sheath is Fmax,
The width of the focused beam is B y , the focal length of the second optical system in the second direction is F y2, and the pitch of the N semiconductor laser bars is S y .
The minimum distance CD of the optical fiber is
CD = F y2 · (2 · sin (Θ) + S y · (n−1))
F y2 = ΣB y / (2 · sin (Θ))
But,
CD ≧ Fmax
The second optical system is composed of the optical fiber core, the optical fiber cladding, and the exterior that collect the laser light from the n semiconductor laser bars among the N stacked semiconductor laser bars. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the laser processing apparatus is incident on a single optical fiber.
前記光ファイバは、前記集光ビームの入射側において、
L個の光ファイバコアと、
前記L個の光ファイバコアを共通して覆う光ファイバクラッドと、
を備える
請求項1から12のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The optical fiber is on the incident side of the focused beam,
L optical fiber cores;
An optical fiber clad covering the L optical fiber cores in common;
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 12.
前記光ファイバは、前記集光ビームの放射側において、
L個の独立した光ファイバコアと、
前記光ファイバコアを覆う独立したL個の光ファイバクラッドと
を有する
請求項1から13のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The optical fiber is on the radiation side of the focused beam,
L independent optical fiber cores;
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 13, further comprising: L optical fiber claddings that cover the optical fiber core.
前記光ファイバは、入射側において、断面が長円形の光ファイバコアを有する
請求項1から14のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 14, wherein the optical fiber has an optical fiber core having an oval cross section on an incident side.
前記光ファイバは、入射側において、断面が多角形の光ファイバコアを有する
請求項1から15のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 15, wherein the optical fiber has an optical fiber core having a polygonal cross section on an incident side.
前記L本の光ファイバの放射面から出たL本の加熱ビームの照射強度分布を加工するL個の照射ヘッドを更に備える
請求項1から16のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 16, further comprising L irradiation heads for processing an irradiation intensity distribution of the L heating beams emitted from the radiation surfaces of the L optical fibers.
前記照射ヘッドは、前記加熱ビームの進行方向と直交する2次元面の照射強度分布が、前記加熱ビームの前記2次元面の中心を最大強度とした釣鐘型の照射強度分布である加熱ビームを照射する
請求項17に記載のレーザ加工装置。
The irradiation head irradiates a heating beam whose irradiation intensity distribution on a two-dimensional surface orthogonal to the traveling direction of the heating beam is a bell-shaped irradiation intensity distribution with the maximum intensity at the center of the two-dimensional surface of the heating beam. The laser processing apparatus according to claim 17.
前記照射ヘッドは、前記加熱ビームの進行方向と直交する2次元面の照射強度分布が、略均一であるトップハット型の照射強度分布である加熱ビームを照射する
請求項17に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to claim 17, wherein the irradiation head irradiates a heating beam having a top-hat type irradiation intensity distribution in which an irradiation intensity distribution on a two-dimensional plane orthogonal to a traveling direction of the heating beam is substantially uniform. .
前記照射ヘッドは、前記加熱ビームの進行方向と直交する2次元面の照射強度分布が、一の方向においてトップハット型の照射強度分布であり、他の方向において釣鐘型の照射強度分布である加熱ビームを照射する
請求項17に記載のレーザ加工装置。
In the irradiation head, the irradiation intensity distribution on the two-dimensional plane orthogonal to the traveling direction of the heating beam is a top hat type irradiation intensity distribution in one direction and a bell type irradiation intensity distribution in the other direction. The laser processing apparatus according to claim 17, which irradiates a beam.
前記L個の照射ヘッドは、前記加熱ビームによる照射領域を中心とした同一円周上に非等間隔で配置された2以上の照射ヘッドを含む
請求項17から20のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The L irradiation heads include two or more irradiation heads arranged at non-equal intervals on the same circumference centered on an irradiation region by the heating beam. Laser processing equipment.
前記L個の照射ヘッドは、
前記加熱ビームを照射する第1照射ヘッドと、
前記第1照射ヘッドの前記加熱ビームによる照射領域を中心とした同一円周上以外の領域に配置した第2照射ヘッドと
を含む
請求項17から20のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
The L irradiation heads are:
A first irradiation head for irradiating the heating beam;
The laser processing apparatus according to any one of claims 17 to 20, further comprising: a second irradiation head disposed in a region other than the same circumference around the irradiation region of the first irradiation head by the heating beam.
前記半導体レーザ装置に冷却水を供給する単一の冷却部を備え、
前記半導体レーザ装置は、
前記単一の冷却部から前記冷却水を流入および流出する単一の第2入出力端子と
を有する
請求項1から22のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
A single cooling unit for supplying cooling water to the semiconductor laser device;
The semiconductor laser device includes:
The laser processing apparatus according to claim 1, further comprising: a single second input / output terminal that flows in and out of the cooling water from the single cooling unit.
前記L本の集光ビームの強度を調整する調整部を備え、
前記調整部は、L本の時間的に連続な強度を有する集光ビームを非連続な強度を有する集光ビームに変換するポッケルセル素子を有する
請求項1から23のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
An adjustment unit for adjusting the intensity of the L focused beams;
The laser according to any one of claims 1 to 23, wherein the adjustment unit includes a Pockel cell element that converts a L focused beam having continuous intensity into a focused beam having discontinuous intensity. Processing equipment.
前記調整部は、前記L本の集光ビームの強度を減衰するポッケルセル素子を有する
請求項24に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to claim 24, wherein the adjustment unit includes a Pockel cell element that attenuates the intensity of the L focused beams.
前記L本の集光ビームの強度を調整する調整部と、
前記調整部の位置を制御することにより、前記L本の集光ビームの強度をそれぞれ調整する第1制御部と
を備える
請求項1から23のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
An adjustment unit for adjusting the intensity of the L focused beams;
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 23, further comprising: a first control unit that adjusts the intensity of each of the L focused beams by controlling the position of the adjustment unit.
前記調整部は、
前記L本の集光ビームの強度を減衰するダンパを有する
請求項26に記載のレーザ加工装置。
The adjustment unit is
The laser processing apparatus according to claim 26, further comprising a damper that attenuates the intensity of the L focused beams.
前記L本の集光ビームの内、特定の集光ビームの強度を検知するセンサ部と、
前記特定の集光ビームを放射する前記半導体レーザ装置の供給電力を制御することにより、前記集光ビームの強度を調整する第2制御部と
を備える
請求項1から23のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
A sensor unit that detects the intensity of a specific focused beam among the L focused beams;
The control apparatus according to claim 1, further comprising: a second control unit that adjusts the intensity of the focused beam by controlling power supplied to the semiconductor laser device that emits the specific focused beam. Laser processing equipment.
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