JP2020188247A - レーザ光源及びレーザ被覆剥離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極めてシンプルな構成とシンプルな調整方法で細い光ファイバへの入光を可能にしたばかりでなく、光ファイバを介さずに直接対象物への高輝度加工を可能にすることを目的とする。【解決手段】図１（ｂ）においてＬＤ素子１から出射されたレーザ光２はＬＤ缶３に接合された凸レンズ４により、図１（ａ）に示すように、直角プリズム５のエッジ反射部６では、直角反射されＦＡＳＴ方向に長い長方形ビーム７にコリメートし、高密度な積層ビーム１１を得、この積層ビーム１１をシリンドリカルレンズ１２でＳＬＯＷ方向に集光することにより、焦点位置２９にて高輝度なラインビーム１３がｃ−ｃ断面で得ることができ、他の位置、例えばａ−ａ断面やｂ−ｂ断面では種々の方形ビーム１４を得ることが容易にできることを特徴とする。【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、対象物にレーザ照射を行う為のレーザ光源装置に関する。

近年、レーザ光源として半導体レーザ（以後ＬＤと表記する）の高性能化、長寿命化、高輝度化が進み、光ファイバを介してファイバレーザの励起光源のみならず、レーザはんだづけや溶接等への加工用の活用が進んでいる。

図７に示す先行文献１は複数個のＬＤを集めて加工できるまでに輝度をあげた後、細い光ファイバに入射した代表例であり、図８は積層コリメート光を得るための扁平コリメート光を形成する単位の拡大図である。図７におけるＬＤ素子にＦＡＳＴ軸コリメートレンズＦＡＣとＳＬＯＷ軸コリメートレンズＳＡＣにより各軸をコリメート後、階段状に並んだ複数個の９０度回転反射鏡Ｍで直角に反射した扁平なビームを形成後積層して積層ビームを形成した後、光ファイバＯＦの断面形状である円形型に近い正四角形スポットにしている。

図７に示すように、一般的なレーザ光源は１つのＬＤ素子に対し、ＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸毎に複数個のシリンドリカルレンズや多くの光学系を用いてレーザ光を集め、各軸のアスペクト比が１：１になるようにして光ファイバ結合に必要な円状のＳＰＯＴを得ている

特許６０９３３８８

しかしながら図７に示すように、細かい光ファイバに注入するには、多くの複雑な光学系を用い、更に高精度に光学部品を調整する必要があり、大きなコストがかかっていた。

また、ＬＤの特性として、照射体からの戻り光が約１０％を超えると異常発振をして寿命が大幅に減り、また、輝度があがるとＬＤが破損する為、光ファイバを経由させて戻り光を減らさざるを得ない理由もあった。よって、光ファイバを介さずに直接加工した例は低輝度でしか実現されてなかった。本発明は上記課題を全て解決すべく、極めてシンプルな構成とシンプルな調整方法で細い光ファイバへの入光を可能にしたばかりでなく、光ファイバを介さずに直接対象物への高輝度加工を可能にすることを目的とする。

本発明では、シンプルな構成、簡単な調整で円形状の微小ＳＰＯＴを得る為に、ＦＡＳＴ，ＳＬＯＷレンズやアスペクト比調整用光学系を無くし、代わりに凸レンズを用いてライン状のコリメート光を得ている。また、ＳＬＯＷ方向の拡がりが小さい特性を活用して、近接した積層光束を形成している。この積層光束を凸レンズで集光するとジャストフォーカス（以後ＪＦと表記する）の位置では細いラインＳＰＯＴとなるが、ＬＤの非点較差によりデフォーカスしていくにつれＳＰＯＴのアスペクト比が変化する特性があるので、微小な円形状になる位置にて細い光ファイバに入光するように、各直角反射体を調整している。

上記のように、本来ＬＤ素子の有する非点較差によりデフォーカスするとアスペクト比が１：１になる特性を活用したシンプルな手段により、複雑なアスペクト比を調整する光学系が不要となる。また、各ＬＤ素子につき各直角反射体の反射角を、所定のデフォーカス位置で集光するように調整するだけなので、極めて簡単に光軸調整が可能となる。

また、本発明の別の効果として、ＬＤ素子の材質として、一般的なシリコン由来のＬＤとは異なり耐熱温度が極めて高いＧａＮ由来のＬＤにすることで、戻り光破損しにくいことを見出し、高輝度での直接照射をも可能にした。戻り光破損しにくい詳しい原理についてはまだ研究中であるが、戻り光による寿命低下原因は戻り光疲労による発熱が原因と推測されているので、ＧａＮの高耐熱性が理由で戻り光破損しにくいと思われる。尚、ＧａＮ−ＬＤの発振波長は一般的な金属に吸収率が高く、特に銅や金では半分ほど吸収するので戻り光自体が大幅に削減する効果もある。

更にまた、光ファイバを介するとビーム形状が光ファイバの出口の形状で決まる為、例えばライン状のビームを作ることは困難であった。本発明は直接加工を可能にした為、ＬＤ光のＦＡＳＴとＳＬＯＷ比率をフォーカスや照射角を変えるだけで簡単に変えることができるので、ラインビームのみならず、任意のサイズ、アスペクト比の長方形ビームも照射位置や照射角度だけで実現できる効果もある。

第１の実施形態に係るレーザ光源の基本構成図の上面図（ａ）と側面図（ｂ） 第２の実施形態に係るレーザ光源の基本構成図の上面図（ａ）と側面図（ｂ） 第３の実施形態に係るレーザ光源の基本構成図の上面図（ａ）と側面図（ｂ） デフォーカスとスポット形状の変化 第４の実施形態に係る被覆剥離原理図 第５の実施形態に係るレーザ光源の基本構成側面図 従来の実施形態 従来の実施形態における主要部の拡大図

以下、本発明形態に係るレーザ光源を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は第１の実施形態に係るレーザ光源の基本構成図で（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。なお、以後説明するプリスムは全て直角の透明プリズムであり、斜めの面の内部にて全反射し直角に光束を折り曲げる特性を活用している。

図１（ｂ）においてＬＤ素子１から出射されたレーザ光２はＬＤ缶３に接合された凸レンズ４により、図１（ａ）に示すように、直角プリズム５のエッジ反射部６では、直角反射されＦＡＳＴ方向に長い長方形ビーム７にコリメートされる。ここで長方形ビーム厚ｄとＬＤ缶３の放熱を兼用した階段状プリズム台１０の段差ｓとはｄ≦ｓになるようにしている。同様にして得られた第２、第３の長方形ビーム８、及び９をできるだけｄ＝ｓに近づけることにより、高密度な積層ビーム１１を得ている。この積層ビーム１１をシリンドリカルレンズ１２でＳＬＯＷ方向に集光することにより、図１（ｃ）に示すように、焦点位置２９にて高輝度なラインビーム１３がｃ−ｃ断面で得られている。他の位置、例えばａ−ａ断面やｂ−ｂ断面では種々の方形ビーム１４を得ることが容易にできる。

図２は第２の実施形態に係るレーザ光源の基本構成図で（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。

図２（ａ）において階段状プリズム台１０の横（ＦＡＳＴ方向）に接するように、階段状プリズム台１０と同様な階段状プリズム台２０にＬＤ缶３と直角プリズム２１〜２３が同様に配置されており、積層ビーム１１と同様な第２の積層ビーム２４を得ている。

直角プリズム２３のレーザ出射面２５には平行四辺形プリズム２６が接合されており、エッジ部２７が積層ビーム１１に接する位置にて反射されＦＡＳＴ方向に幅広な合成積層ビーム２８を得ている。ここで平行四辺形プリズム２６を、紙面垂直軸対し少し右回転させて、集光位置２９が重なる位置３０に移動することで、集光位置２９におけるラインスポットの輝度を２倍近くにすることができる。なお、平行四辺形プリズム２６の位置はそのままで、各直角プリズム２１〜２３を同様に少し右回転して集光２９の位置に来るように調整しても良い。

図３は第３の実施形態に係るレーザ光源の基本構成図で（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。

図３（ａ）において２つの階段状プリズム台１０、２０の側面３１，３２と下面３３には合成積層ビーム２８と平行に、強制空冷ファン３４からの冷却風３５が冷却フィン３６に沿ってシンプルかつ高効率に階段状プリズム台１０、２０を伝熱冷却している。なお、これらの材質は高熱伝導体、例えば銅やアルミが好適である。

図３ではシリンドリカルレンズ１２の代わりに凸型集光レンズ４４を配置して集光点３７近傍に光ファイバ３８の入射コネクタ３９が前後に移動できるように配置されている。

図４は凸レンズ４４を用いた場合の焦点位置近傍のスポット形状変化を示した図である。ＬＤ素子１の非点較差（ＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸の発光位置が異なる）の影響で、ジャストフォーカス位置（以後ＪＦと略す）では縦長のライン状スポット４０であるが、デフォーカスするにつれて次第に短くなり長方形４１から丸に近い正方形４２、更に横長の長方形４３と変化する特性がある。この丸に近い正方形４２の位置に光ファイバ３８の入射端面が来るように光コネクタ３９を前後に調整することにより、多くの光学部品を用いずにシンプルかつ簡単に細い光ファイバにも結合することができる。

図５は第４の実施形態に係るレーザ被覆剥離方法の原理図である。図５において車載用モータに一般的に使用されている正方形の断面を有する半透明な耐熱絶縁被覆電線５１は、銅棒５２の周囲に半透明な耐熱絶縁被覆５３がコートされている。

一方、図２に示す構造を有するレーザ光源５０の集光位置２９では、高輝度なライン状スポット１３に集光されている。ＧａＮ―ＬＤは４５０ｎｍ付近の青色であり、銅への吸収が約半分と通常の金属の１０倍以上の吸収率を有している。この青色レーザ光５４は半透明な耐熱絶縁被覆５３を通過して銅棒５２側面にライン状スポット１３が集光照射されている。

集光照射された焦点位置２９では銅棒５２が青色レーザ光５４の吸収により急激に高温になり、耐熱絶縁被覆５３と銅棒５２の界面５５にて爆発的膨張をして耐熱絶縁被覆５３が内圧により浮き上がり、盛り上がり部５６を形成する。この盛り上がり部５６をカッター５７でカットすることにより、銅棒表面５８が外面に現れる。この盛り上がり部５６内では、外気５９と絶縁された状態で剥離しているので、銅棒５２表面５８は酸化されておらず、はんだづけや溶接が可能な表面状態が維持されている。なお、銅棒５２として正方形断面で説明したが、丸形でも同様な原理で剥離できるのは自明である。

図６は第５の実施形態に係るレーザ光源の基本構成側面図である。
図６においてＬＤ素子１から出射されたレーザ光２はＬＤ缶３に接合された凸レンズ４によりコリメート光束６０になる。コリメート光束６０の内、約半分の光束６１は直角プリズム７のエッジ反射部６２にて、直角反射された光束６３を得ている。同様にして階段状プリズム台１０に光軸を調整固定された第２のプリズム６４により同様にして得られた第２の光束６５と光束６３を平行に積層するようにプリズム６４を調整固定することにより、紙面に直角方向の偏向６６を有する第１の積層光束６７得ている。

一方、プリズム７にて反射されずにそのまま直進したコリメート光束６８は透明な第２の階段状プリズム台６９を透過後、階段状プリズム台６９に調整固定された第３のプリズム７０のエッジ反射部７１にて、直角反射された第３の光束７２を得ている。同様にして透明状階段状プリズム台６９に光軸を調整固定された第４のプリズム７３により同様にして得られた第４の光束７４と光束７２を平行に積層するようにプリズム７３を調整固定することにより、紙面に直角方向の偏向６６を有する第２の積層光束７５得ている。

第２の積層光束７５は１／２波長板７７により、偏向方向が９０度回転し、紙面に平行な偏向７８を有する積層ビーム８０となり、直角プリズム７６で直角に反射された光束８０を得ている。光束８０は透明な第２の階段プリズム台６９を透過して偏向ビームスピリッター（以後ＰＢＳと略す）８１により直角に反射される。

一方、紙面に垂直な偏向特性を有する積層光束６７は、ＰＢＳ８１をそのまま直線透過するので、紙面に平行な偏向特性を有する積層光束８０と完全一致するように、プリズム７６又は、プリズム７０，７３を調整固定することにより、ＰＢＳ加算積層光束８２となり、集光レンズ１２で集光することで光ファイバ３８に倍密度で入光することができる。

以上の様に構成・調整することにより、ＳＬＯＷ方向のレーザ光束をコリメート状態で半分にしているので、光学の基本原理により第１〜３実施例と比較して倍の密度に集光することができる。また、コリメートレンズ４の焦点距離を長くすることで、更に集光性が増加するのは、光学の基本原理により自明である。

なお、透明な第２の階段状プリズム台６９の代わりに、光路に穴が開いた非透明な階段状プリズム台に置き換えることができるのは自明である。

また、以上の説明に於いて、直角に光束を折り曲げ、積層光束を得る為の光軸調整可能物として透明の直角プリズムを用いて説明したが、直角に反射する９０度反射ミラーに置き換えることができるのは自明である。

本発明は、ＬＤモジュールに好適に利用することができる。特に、ＬＤ素子を光源とするＬＤモジュールに好適に利用することができる。

１・・・ＬＤ素子 ２・・・レーザ光 ３・・・ＬＤ缶 ４・・・凸レンズ
５・・・直角プリズム ６・・・エッジ反射部 ７・・・長方形ビーム
８，９・・・第２、第３の長方形ビーム １０・・・階段状プリズム台
１１・・・積層ビーム １２・・・シリンドリカルレンズ
１３・・・ラインビーム １４・・・方形ビーム
２０・・・階段状プリズム台１０と同様な階段状プリズム台
２１〜２３・・・直角プリズム ２４・・・第２の積層ビーム
２５・・・レーザ出射面 ２６・・・平行四辺形プリズム ２７・・・エッジ部
２８・・・合成積層ビーム
２９・・・焦点位置 ３０・・・集光位置２９が重なる位置
３１，３２・・・２つの階段状プリズム台１０、２０の側面 ３３・・・下面
３４・・・強制空冷ファン ３５・・・冷却風３５ ３６・・・冷却フィン
３７・・・集光点 ３８・・・光ファイバ ３９・・・入射コネクタ
４０・・・縦長のライン状スポット ４１・・・長方形 ４２・・・丸に近い正方形
４３・・・横長の長方形 ４４・・・凸型集光レンズ
５０・・・レーザ光源 ５１・・・耐熱絶縁被覆電線 ５２・・・銅棒５２
５３・・・半透明な耐熱絶縁被覆 ５４・・・青色レーザ光
５５・・・界面 ５６・・・盛り上がり部 ５７・・・カッター
５８・・・銅棒表面 ５９・・・外気
６０・・・コリメート光束 ６１・・・コリメート光束６０の内の約半分の光束
６２・・・直角プリズム５のエッジ反射部 ６３・・・光束
６４・・・第２のプリズム ６５・・・第２の光束
６６・・・紙面に直角方向の偏向 ６７・・・第１の積層光束
６８・・・コリメート光束 ６９・・・透明な第２の階段状プリズム台
７０・・・第３のプリズム ７１・・・エッジ反射部 ７２・・・第３の光束
７３・・・第４のプリズム ７４・・・第４の光束 ７５・・・第２の積層光束
７６・・・直角プリズム ７７・・・第２の積層光束
７８・・・紙面に平行な偏向 ７９・・・積層光束
８０・・・直角に反射された光束 ８１・・・偏向ビームスピリッター（ＰＢＳ）
８２・・・ＰＢＳ加算積層光束

Claims (8)

1. 凸レンズの焦点をＧａＮ―ＬＤ素子の発光端面に対し、光軸調整固定された凸レンズ付きＬＤと、複数個の前記ＬＤのＦＡＳＴ軸方向を平行に保ちながら一列に配置したＬＤモジュールと、前記ＬＤモジュールの上部に階段状に一列に並べられた複数個の直角反射体のみからなる１列積層レーザ光源において、前記複数個の直角反射体の各々のエッジ部にて前記凸レンズ付きＬＤからの複数個のレーザ光を直角に反射させて積層することにより、互いに平行なレーザ光からなる１次元積層レーザ光を生成した後、集光レンズにて前記１次元積層レーザ光が１点で集光するように、前記複数個の直角反射体のあおりと回転の２次元光軸調整したことを特徴としたレーザ光源
2. 複数個平行に並べられた前記１列積層レーザ光源と、複数個の前記１列積層レーザ光源からの積層レーザ光を平行にシフトさせるビームシフターとからなるレーザ光源において、複数個の前記１列積層レーザ光源からの複数個の平行な積層レーザ光が、互いに近接する位置になるように前記ビームシフターを配置したことを特徴とした請求項１記載のレーザ光源
3. 平行四角形形状を含む、前記ビームシフターのエッジ部で反射させることにより、前記複数個の積層レーザ光を近接させたことを特徴とした請求項１ないし２記載のレーザ光源
4. 前記複数個の積層レーザ光を集光させる際、集光レンズの焦点位置からあえてずらしたデフォーカス位置に集光するように前記直角反射体をあおりと回転の２つの２次元光軸調整したことを特徴とした請求項１〜３記載のレーザ光源
5. 集光スポットが正四角形または丸型になるデフォーカス位置にて前記光ファイバを結合させたことを特徴とした請求項１〜４記載のレーザ光源
6. 前記複数個の積層レーザ光と平行な風向を有する放熱フィンを、前記複数個の１列積層レーザ光源の周囲に密着するように、前記積層レーザ光源の後方に取り付けられた冷却ファンにより強制空冷されたことを特徴とした請求項１〜５記載のレーザ光源
7. 前記集光レンズにより、高輝度なラインスポットを形成し、銅棒にコートされた透明な厚い保護膜に直接的に瞬間照射することにより、前記銅棒のレーザ加熱と前記保護膜の瞬間熱膨張と熱変性により、銅棒表面が酸化する前に前記コート界面を分解剥離させたことを特徴としたレーザ被覆剥離方法
8. 前記ＬＤモジュールの上部に階段状に一列に並べられた複数個の直角反射体と前記一列に配置されたＬＤモジュールにおいて、前記複数個の直角反射体の各々のエッジ部にて前記凸レンズ付きＬＤからの複数個のレーザ光の半分を直角に反射させて積層した第１の積層光束を生成する。
   一方、階段状に一列に並べられた複数個の直角反射体の上部に、更に、前記複数個の直角反射体と同様に階段状に一列に並べられた複数数個の直角反射体にて、前記レーザ光の残りの半分を同様に直角に折り曲げて積層し、第２の積層光束を生成する。前記第２の積層光束を９０度偏向させた後、前記第１の積層光束と同じ光軸になるように位置調整された偏向加算器により合成することを特長とした請求項１〜６記載のレーザ光源

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