JP3564845B2

JP3564845B2 - レーザ光の減衰装置

Info

Publication number: JP3564845B2
Application number: JP2585196A
Authority: JP
Inventors: 輝和大屋; 茂大柳; 美知夫亀山; 純朋猪俣
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2016-01-19
Also published as: JPH09197301A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、色素が溶解された減衰媒体中にレーザ光を透過させ、減衰媒体中の色素にレーザ光を吸収させてレーザ光を減衰させる減衰方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超４００Ｗ級の高出力ＹＡＧレーザ装置において、出力を０〜数Ｗ程度の低出力域に設定しようとすると、その出力がレーザ発振器の最低保障出力をはずれる結果、出力変動が非常に大きくなる場合があり、場合によってはレーザ光の発振が停止することもある。この状態でレーザ加工等を実施すると、安定した加工結果が得られず、特に微細加工は困難であった。
これを解決するために、２つの方法が知られている。その第一の方法は、出力が安定している高出力領域にレーザ出力を設定しておき、ＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタ等の減衰フィルタ等でレーザ光の一部を吸収し、所定の出力レベルまで減衰させることによって、レーザ出力の変動率を低減させるという方法である。
また第二の方法は、ワイヤスクリーンを用いてレーザ光を回折、反射させて減衰させると共に、加熱されたハウジング及びスクリーンをガスを用いて空冷するという方法である（ＵＳＰ４５６１７２１）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の第一の方法では、高出力のレーザ光を吸収する時点で、減衰フィルタ自体が高温に加熱され、短時間で変形して機能が低下するという問題がある。
第二の方法では、ハウジング及びスクリーンの冷却方法が空冷であるため、高出力で長時間使用する場合には、冷却効果が低く、温度上昇により機器に悪影響を与えるという問題がある。
【０００４】
従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、十分な冷却機能を有し、長時間の使用時においても加熱による機器の変形を生じることがなく、高出力のレーザ発振器から任意の低出力のレーザ光を安定して得ることができるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の手段によれば、水冷室の入射部及び出射部に、レーザ光を透過し外気を遮断する外気遮蔽体を設ける。そして色素が溶解した液状の減衰媒体を、外気遮蔽体に直接接して水冷室内に充填する。この減衰媒体を水冷室内と外部との間を循環手段を用いて循環させ、冷却手段にて減衰媒体の有する熱を吸熱する。この際、水冷室の入射部及び出射部に配された外気遮蔽体近傍にそれぞれ配管アタッチメントが設けられ、当該配管アタッチメントを通して減衰媒体が循環される。
これによりレーザ光を減衰媒体中に溶解された色素を用いて減衰させることができる。またレーザ光の吸収により加熱した色素を冷却手段によって冷却することで、減衰媒体の温度上昇によるレーザ光の減衰量の変動を防止することができる。さらに、液状の減衰媒体を用いた構成であるため、外気遮蔽体等を効果的に冷却でき、長時間の使用に十分に耐えれる減衰装置とすることができる。また、外気遮蔽体近傍にそれぞれ配管アタッチメントが設けられ、減衰媒体が外気遮蔽体表面近傍を循環して流れるため、外気遮蔽体も効果的に冷却でき、外気遮蔽体の損傷も防止することが可能である。
【０００７】
請求項２に記載の手段によれば、外気遮蔽体にレーザ光に対して透明なガラスまたはフィルタを用いることで、レーザ光の透過及び外気の遮蔽を容易に行うことができる。
【０００８】
請求項３に記載の手段によれば、透過長可変機構を用いて水冷室の入射部から出射部までの長さを変化させる。これにより、水冷室の入射部から出射部までの長さを調節することで、色素溶液内を透過するレーザ光の透過長さを調整できるため、レーザ光の減衰量を無段階に任意に設定することができる。
【０００９】
請求項４に記載の手段によれば、駆動手段を用いて透過長可変機構を駆動することにより、水冷室の入射部から出射部までの長さを容易に調整することができ、レーザ光の減衰量の設定を容易に行うことができる。
【００１０】
請求項５に記載の手段によれば、検出手段にて出射部から出力されたレーザ光の出力レベルを検出し、制御手段にて検出手段からの検出信号を入力し、その検出信号が所定の出力レベルとなるように駆動手段を駆動して、水冷室の入射部から出射部までの長さを制御する。これにより、レーザ光の減衰量を自動的に任意の値に設定することができる。
【００１１】
請求項６に記載の手段によれば、減衰媒体中に溶解された色素の量を変化させることで、減衰媒体中の色素濃度を変化させ、減衰媒体中を透過するレーザ光の減衰量を任意に設定することができる。
【００１２】
請求項７に記載の手段によれば、減衰媒体中に溶解された色素の種類を変化させることで、レーザ光の波長を吸収しやすい色素から吸収しにくい色素まで変化させ、レーザ光の減衰量を任意に設定することができる。
【００１３】
請求項８に記載の手段によれば、減衰媒体中に溶解された１種類または複数種類の色素を選択することで、不要な波長を吸収させ、必要な波長のレーザ光だけを透過させることで、レーザ光の波長を任意に設定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第一実施例）
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明に係わるレーザ光減衰装置１００の全体構成を示した模式的構造図である。レーザ光減衰装置１００は、レーザ発振器１０から出力されたレーザ光Ｌを透明ガラス３ｂから入射し、水冷室５０内に充填された色素溶液１６中の色素でレーザ光Ｌを吸収して減衰させ、透明ガラス３ａから減衰されたレーザ光Ｌ１を出力する装置である。そして減衰されたレーザ光Ｌ１を半反射鏡１２を透過させて加工等に用いる構成としている。
【００１５】
レーザ光減衰装置１００の水冷室５０は、主として筒状の減衰ハウジング１及び伸縮ハウジング２から構成されている。
減衰ハウジング１のレーザ発振器１０側の開口部にはＯリング３１ｃを介して透明ガラス３ｂが配されている。この透明ガラス３ｂは、入射部の外気遮蔽体に相当し、レンズホルダ３０ｂにて外側より押さえられている。これにより減衰ハウジング１のレーザ発振器１０側の開口部はＯリング３１ｃによって十分に気密が保持されている。
減衰ハウジング１の内側には、その他方の開口部から伸縮ハウジング２が挿入されている。伸縮ハウジング２は減衰ハウジング１に対して軸方向（図中のｘ軸方向）にスライド可能に設けられており、複数（図では３個）のＯリング３１ｂにより伸縮ハウジング２の外側面２ｂと減衰ハウジング１の内側面１ａとの気密が保持されている。この減衰ハウジング１に対する伸縮ハウジング２のスライド機構が透過長可変機構に相当する。
【００１６】
伸縮ハウジング２は、半反射鏡１２側の開口部にはＯリング３１ａを介して透明ガラス３ａが配されている。この透明ガラス３ａは、出射部の外気遮蔽体に相当し、外側よりガラスホルダ３０ａにて押さえられている。これにより伸縮ハウジング２の半反射鏡１２側の開口部は、Ｏリング３１ａによって十分に気密が保持されている。また伸縮ハウジング２の他方の開口部は、開放状態としている。このようにして減衰ハウジング１及び伸縮ハウジング２の内部に水冷室５０が構成されており、この水冷室５０内に色素が溶解された減衰媒体としての色素溶液１６が透明ガラス３ａ、３ｂに直接接触するように充填されている。
尚、減衰ハウジング１及び伸縮ハウジング２の周辺の拡大断面図及び左側面図は、それぞれ図２及び図３に示した構成となっている。
【００１７】
減衰ハウジング１の透明ガラス３ｂ近傍の下部には配管アタッチメント７ｂが設けられている。また伸縮ハウジング２の透明ガラス３ａ近傍の上部には配管アタッチメント７ａが設けられている。配管アタッチメント７ａ、７ｂのそれぞれには配管１９ａ、１９ｂが接続されている。
タンク１５内には色素溶液１６が注入されており、配管１９ａ、１９ｂのそれぞれの端部が色素溶液１６の表面より深く位置している。配管１９ｂ上には循環手段としてのポンプ１４が挿設されており、ポンプ１４の作用により水冷室５０の透明ガラス３ａ付近から色素溶液１６が取り出され、水冷室５０の透明ガラス３ｂ付近に色素溶液１６が吐出される。
タンク１５の下側に接触して冷却器１７が設けられ、タンク１５内の色素溶液１６を冷却する。この冷却器１７は恒温装置１８により色素溶液１６の温度が所定の温度に保持されるように作用するものであり、凝縮器、ファン、蒸発器、冷媒、及び圧縮器等を用いた通常の冷媒を用いた冷却方式でもよく、放熱フィンとファンを備えた空冷式でもよい。尚、冷却器１７の取付け位置は、タンク１５の下側に限定されるものではない。
【００１８】
減衰ハウジング１の外側面上には調整ロッド５ａを備えたリニアモーションモータ５が設けられている。このリニアモーションモータ５は駆動手段に相当し、ボルト３２ｄにて取付けアングル６に固定されている。そして取付けアングル６がボルト３２ａにて減衰ハウジング１に固定されることにより、リニアモーションモータ５が減衰ハウジング１に固定される。
伸縮ハウジング２の外側面上に設けられたフランジ部２ａには、ボルト３２ｂにて取付けフランジ４が固定されている。この取付けフランジ４に調整ロッド５ａがセットビス３２ｃにより固定されている。
これによりリニアモーションモータ５が回転すると調整ロッド５ａが変位し、取付けフランジ４、フランジ部２ａを介して伸縮ハウジング２が軸方向（図中のｘ軸方向）に変位し、透明ガラス３ａと３ｂとの間の長さ（透過長）が変化する。
【００１９】
伸縮ハウジング２の透明ガラス３ａ側には半反射鏡１２が配されている。また半反射鏡１２にて反射されたレーザ光Ｌ１のパワーレベルを測定するためのパワーメータ１３が配されている。このパワーメータ１３は検出手段に相当する。
パワーメータ１３にて検出されたレーザ光Ｌ１の検出信号を入力し、所定のレーザパワーを得るべく透明ガラス３ａと３ｂとの間の長さを調整するために、リニアモーションモータ５の駆動を制御する制御回路１１が設けられている。この制御回路１１は、モータ５の制御に加えてレーザ発振器１０の出力レベルの制御も行うものであり、制御手段に相当する。
【００２０】
次に、上記構成から成るレーザ光減衰装置１００の作用について説明する。
レーザ発振器１０から出力されるレーザ光Ｌは、透明ガラス３ｂから入射し、減衰ハウジング１及び伸縮ハウジング２内の色素溶液１６中を透過する。このときレーザ光Ｌは色素溶液１６中の色素に吸収されるために次第に減衰し、透明ガラス３ａから出力される時には、減衰したレーザ光Ｌ１となっている。
一方色素溶液１６は、ポンプ１４の作用により配管１９ｂ、配管アタッチメント７ｂ、減衰ハウジング１、伸縮ハウジング２、配管アタッチメント７ａ、配管１９ａの順に流れて循環している。また色素溶液１６はタンク１５内にある時に、冷却器１７及び恒温装置１８により所定の温度に冷却保持されている。
【００２１】
レーザ光Ｌ１は半反射鏡１２にて透過、反射され、反射されたレーザ光Ｌ１のパワーレベルをパワーメータ１３にて検出する。そしてパワーメータ１３の検出信号に基づいて所定のパワーレベルとなるように制御回路１１でリニアモーションモータ５またはレーザ発振器１０を制御する。一例として図４に制御回路１１の処理手順をフローチャートとして示す。
まず図示しない操作盤等を用いて減衰されたレーザ光Ｌ１のパワーレベルを設定値Ｍに設定する（ステップ１１０）。
次にレーザ発振器１０から出力されるレーザ光Ｌのパワーレベルを設定値Ｍに対応するレベルに制御する（ステップ１２０）。
続いてパワーメータ１３が検出したレーザ光Ｌ１のパワーレベルＶを入力し（ステップ１３０）、設定値Ｍとの差Ｅを算出する（ステップ１４０）。
【００２２】
この算出値Ｅを用いて例えば比例積分制御により制御量Ｉを演算し（ステップ１５０）、制御量Ｉに応じてリニアモーションモータ５を駆動させる（ステップ１６０）。即ちレーザ光Ｌ１のパワーレベルＶが設定値Ｍより大きい場合は、透明ガラス３ａ、３ｂ間が長くなるように（レーザ光Ｌの透過長が大きくなるように）リニアモーションモータ５を駆動させ、レーザ光Ｌ１のパワーレベルＶが小さくなるように制御して設定値Ｍに近づける。またレーザ光Ｌ１のパワーレベルＶが設定値Ｍより小さい場合は、透明ガラス３ａ、３ｂ間が短くなるように（レーザ光Ｌの透過長が小さくなるように）リニアモーションモータ５を駆動させ、レーザ光Ｌ１のパワーレベルＶが大きくなるように制御して設定値Ｍに近づける。
そして設定値Ｍに変更があるか否かを判定し（ステップ１７０）、設定値Ｍに変更がないときはステップ１３０に戻り、設定値Ｍに変更のあるときはステップ１１０に戻る。このようにして透明ガラス３ａから出力されるレーザ光Ｌ１のパワーレベルＶが所定の設定値Ｍに制御される。
【００２３】
従来は、１〜数枚のＮＤフィルタを組み合わせて減衰量を決定するために、定められた減衰量の範囲内でしか減衰量が設定できず、また段階的な減衰量の設定しかできなかったが、減衰装置１００を本実施例に示される構成とすることにより、色素溶液１６中の色素にレーザ光Ｌを吸収させ、モータ５、パワーメータ１３、及び制御回路１１を用いて、透明ガラス３ａ、３ｂ間の長さを変化させて自動的に任意の減衰量を設定することができる。
また、ＮＤフィルタを用いた構成では、レーザ光を吸収する際の発熱を抑制することができず、機器の損傷を生じるために短時間に限定された加工を行っていたが、本実施例では長時間の使用に耐えることができる。即ち、冷却器１７及び恒温装置１８を用いて色素溶液１６を所定温度に冷却保持し、ポンプ１４にて色素溶液１６をタンク１５内とハウジング１、２内との間を循環させることにより、ハウジング１、２及び色素溶液１６の温度上昇を抑えることができるため、機器の損傷を生じることなく、長時間の使用に耐えることができる。特に、配管アタッチメント７ａ、７ｂがそれぞれ透明ガラス３ａ、３ｂの近傍に設けることで、ポンプ１４によって吐出された色素溶液１６が透明ガラス３ａ、３ｂの表面近傍を循環して流れるため、透明ガラス３ａ、３ｂも効果的に冷却でき、透明ガラス３ａ、３ｂの損傷も防止することが可能である。
さらに色素溶液１６が所定温度に保持されるため、色素溶液１６の温度上昇によるレーザ光Ｌの減衰量の変動を小さくすることができる。
【００２４】
例えば、従来の方法では、レーザ光の減衰量を１／２０に設定し、レーザ光の入射側より透過率５０％、５０％、２０％の順に３枚の減衰フィルタを配置した場合、レーザ出力１０Ｗにて３０秒間照射しただけで機器が変形していた。また減衰フィルタが変形しない領域では、レーザ出力の減衰量も非常に小さいという問題があった。
しかし本実施例では、純水５リットルに対してニュートラルレッド（和光純薬工業製、Ｃ_１５Ｈ_１７ＣｌＮ_４）から成る色素を３５グラム溶かして色素溶液１６とし、透過長（透明ガラス３ａ、３ｂ間の長さ）を６０ｍｍに設定し、レーザ発振器１０の出力を８０Ｗにして５分以上連続照射した場合であっても、減衰後の出力が４Ｗ±２％とごく微小な変動に収まると共に、機器の損傷を生じなかった。
同様に１Ｗのレーザ出力を得たい場合には、レーザ発振器１０の出力を２０Ｗに設定し、他の条件を同一にすることで、安定した１Ｗの出力を得ることができた。尚、この場合には透明ガラス３ａ、３ｂなどによる損失があるため、レーザ発振器１０の設定値を２０Ｗより若干高くオフセットするか、透過長を減少させる必要がある。
またレーザ光Ｌの減衰量を大きくとることによって、レーザ発振器１０の保証最低出力以下の出力においても、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００２５】
なお、色素溶液１６を循環する方向は、上記に限定されるものではなく、逆方向に循環しても問題はない。またポンプ１４の位置は配管１９ｂの間に限定されるものではないが、ハウジング１内への色素溶液１６を注入する際に色素溶液１６の拡散による気泡の発生により透明ガラス３ａ、３ｂに気泡が付着してレーザ光の透過を遮断することがあるため、ポンプ１４の吐出量等を考慮する必要がある。
上記実施例では透明ガラス３ａ、３ｂ間の長さを変化させることで、レーザ光Ｌ１を変化させる構成としたが、色素溶液１６の色素濃度や色素の種類を変化させて、レーザ光の減衰量を変化させてもよく、またこれらを複合的に変化させる構成としてもよい。
【００２６】
（第二実施例）
上記の実施例では色素としてニュートラルレッドのみを用いた構成としたが、本実施例の特徴は、色素溶液中の色素を複数種類で構成し、レーザ光の特定の波長のみを透過させる構成とした点である。
図５は色素溶液中の色素を複数種類（図では２種類）の色素Ｄ１、Ｄ２で構成したときに、色素溶液を透過したレーザ光の波長を模式的に示した図である。図５（ａ）は、色素溶液を透過する前のレーザ光のスペクトル分布を模式的に示した図である。また図５（ｂ）は、色素Ｄ１、Ｄ２の波長と吸収係数との関係を示した模式図である。このような特性を有する色素Ｄ１、Ｄ２を純水中に溶解させて色素溶液とし、この色素溶液に図５（ａ）に示されるスペクトル分布を有するレーザ光を透過させると、色素Ｄ１、Ｄ２の吸収係数の大きい波長領域内にある波長は、色素Ｄ１、Ｄ２に吸収される。従ってレーザ光は、色素Ｄ１、Ｄ２の吸収係数が小さい波長領域だけが色素溶液を透過することができる。色素溶液を透過した後のレーザ光のスペクトル分布を図５（ｃ）に模式的に示す。図５（ｃ）に示されるように色素溶液中に複数の色素を溶解させ、その色素溶液にレーザ光を透過させることにより、特定の波長のみを透過させることができる。
このようにしてレーザ光の減衰量を任意に設定してもよい。
【００２７】
上記に示されるように、本発明によれば、入射部と出射部との間の長さ、色素溶液中の色素量、色素の種類等を変化させることで、レーザ光を所定のパワーレベルに容易に設定することができる。また制御回路を用いて、減衰されたレーザ光のパワーレベルが所定のレベルになるように、リニアモーションモータを駆動させて入射部と出射部との間の長さを変化させることでレーザ光を自動的に所定のパワーレベルに設定することができる。さらに色素溶液を冷却して循環させることで、加熱による機器の損傷を防止でき、長時間の使用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる第一実施例の構成を示した模式的構造図。
【図２】本発明に係わる第一実施例の水冷室周辺の構成を示した模式的拡大断面図。
【図３】本発明に係わる第一実施例の水冷室周辺の構成を示した左側面図。
【図４】本発明に係わる第一実施例の制御回路の処理手順を示したフローチャート。
【図５】本発明に係わる第二実施例において色素溶液中の色素を複数種類で構成することによって、色素溶液を透過したレーザ光の波長が特定されることを示した説明図。
【符号の説明】
１減衰ハウジング
２伸縮ハウジング
３ａ、３ｂ透明ガラス
４取付けフランジ
５リニアモーションモータ
６取付けアングル
７ａ、７ｂ配管アタッチメント
１０レーザ発振器
１１制御回路
１２半反射鏡
１３パワーメータ
１４ポンプ
１５タンク
１６色素溶液
１７冷却器
１８恒温装置
１９ａ、１９ｂ配管
１００レーザ光減衰装置
Ｌレーザ光
Ｌ１減衰後のレーザ光

Claims

レーザ発振器から出力されるレーザ光を入射部より導入し、減衰媒体中を透過させ、出射部より減衰して出力するレーザ光の減衰装置であって、
前記入射部及び出射部に、前記レーザ光を透過し外気を遮断する外気遮蔽体が配された水冷室と、
前記外気遮蔽体に直接接して前記水冷室内に充填され、前記レーザ光を吸収する色素が溶解された液状の前記減衰媒体と、
前記減衰媒体を前記水冷室内と外部との間を循環させる循環手段と、
前記減衰媒体の有する熱を吸熱する冷却手段と
を備え、
前記水冷室の前記入射部及び出射部に配された外気遮蔽体近傍にそれぞれ配管アタッチメントが設けられ、当該配管アタッチメントを通して前記減衰媒体が循環されること
を特徴とするレーザ光の減衰装置。
前記外気遮蔽体は、前記レーザ光に対して透明なガラスまたはフィルタであること
を特徴とする請求項１に記載のレーザ光の減衰装置。
前記水冷室は、前記入射部から前記出射部までの長さを変化させる透過長可変機構を備え、
前記入射部から前記出射部までの長さを調節することにより前記レーザ光の減衰量を変化できること
を特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光の減衰装置。
前記透過長可変機構を駆動する駆動手段を備え、
前記駆動手段を介して前記透過長可変機構を駆動させることにより、前記入射部から前記出射部までの長さを変化させ、前記レーザ光の減衰量を変化できること
を特徴とする請求項３に記載のレーザ光の減衰装置。
前記出射部から出力された前記レーザ光の出力レベルを検出する検出手段と、
前記検出手段からの検出信号を入力し、該検出信号が所定の出力レベルとなるように前記駆動手段を駆動し、前記入射部から前記出射部までの長さを制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項４に記載のレーザ光の減衰装置。
前記色素の量を変化させることにより、前記レーザ光の減衰量を変化できること
を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ光の減衰装置。
前記色素の種類を変化させることにより、前記レーザ光の減衰量を変化できること
を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ光の減衰装置。
前記色素を１種類選択し、または複数種類組み合わせることにより、前記レーザ光の波長を選択できること
を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ光の減衰装置。