JP4251132B2 - レーザ装置 - Google Patents
レーザ装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4251132B2 JP4251132B2 JP2004337002A JP2004337002A JP4251132B2 JP 4251132 B2 JP4251132 B2 JP 4251132B2 JP 2004337002 A JP2004337002 A JP 2004337002A JP 2004337002 A JP2004337002 A JP 2004337002A JP 4251132 B2 JP4251132 B2 JP 4251132B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mirror
- output mirror
- laser
- transmission window
- curvature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Description
図において1はレーザ発振器、2はレーザ発振器1に配置された出力鏡、3はレーザ発振器1に配置された全反射鏡、4は出力鏡2と全反射鏡3との間に配置され、所定の穴径に設定された開孔手段、5および5aはレーザ発振器1から得られるレーザビームを導く反射鏡、6および6aは反射鏡5によって導かれたレーザ光を集光する集光手段、7はテーブル、8は被加工物、9はレーザビーム、10は加工経路、11はレーザ媒質、12はレーザ発振器1の制御、テーブル7の移動、光路中の反射鏡5や集光手段6の位置を制御する中央処理装置である。
これらの一連の動作は中央処理装置12の制御によって実施される。
図1は、この発明の参考例1によるレーザ装置を示す構成図である。
図中、従来のレーザ装置と同一符号は従来と同一であるため、説明を省略する。13はレーザ発振器1の動作の制御、光路系の移動やテーブルの駆動制御を制御するとともに全反射鏡3や開孔手段4に制御信号を送り、全反射鏡3の曲率や開孔手段4の径を変化させる中央処理装置である。
そこで全反射鏡3の曲率変化量に併せて、中央処理装置13にてφ/ωの値を一定にすべく、開孔手段4に信号を送り、ドラム17を回転させることにより、羽18が動き、開孔の径を変化させる。これらの制御により、図4に示すとおり一番遠いところ(遠点)では全反射鏡を3a(点線)のような曲率とし、開孔を4aの様な径とすることでレーザ光9aは点線のように伝搬する。一番近いところ(近点)では反射鏡は5(実線)、開孔は4(実線)にし、レーザ光9は実線のように伝搬する。このような変更により、反射鏡が5aであっても5であっても集光手段6を通ったレーザ光9および9aは同じ伝搬特性を示し、集光点位置l0や集光径ω0は変化しない。そのため全ての切断経路10において一定のモード次数とビーム径が得られ、安定な切断が実行できる。
ω(Z)=ω1{1+(λZ/πω12)}1/2
ω1=(λZ1/π)1/2
Z1 2=L(−R1−L)(R2−L)(R2−R1ーL)/(R2−R1−2L)2
で表される。
実験ではφ(Z)/ω(Z)により、図5に示すような集光特性M2、ビームモード形状の変化が確認されている。集光特性M2が何を意味しているかは非特許文献1に開示されている。
集光特性M2が変化すると、シングルモードの径ωに対して
ω’=M2・ω
の関係でレーザ光の径ω’が変化するため、集光特性が変化することは伝搬特性をも変化させることとなる。
開孔手段の設定位置によってωがどのように変化するか、一例として図6を用いて説明する。この計算では開孔手段4を4種類の位置に配置した場合の比較を実施している。出力鏡2の曲率半径は20m、共振器長は約4.7m、開孔手段4aは全反射鏡3から4.6mの位置に、開孔手段4bは3.1mの位置に、開孔手段4cは1.6mの位置に、開孔手段4dは0.2mの位置に配置したとして計算している。全反射鏡3の曲率変化によるシングルモードの半径ωの変化は単調な変化ではなく、曲率が大きくなるとωの値が大きくなるわけではないことがはっきりわかるし、開孔手段の配置場所によってもωの値の変化の振る舞いが異なっていることがわかる。制御する開孔手段の径も簡単に算出できるものではなく、数値計算ができる装置かまたは曲率変化に対応した径のデータを記憶しておく記憶装置が必要となる場合がある。数値計算できる装置や記憶装置が必要かどうかは曲率変化の領域で直線近似ができるかどうかで決まる。
図9は、この発明の参考例2によるレーザ装置を示す構成図である。
図において19は出力鏡2に取り付けられた温度検出器である。図中同一符号は参考例1または従来例と同一なので説明を省略する。
出力鏡2は長期間使用すると、ゴミが付着したり、オイルミストが付着したりして出力鏡の吸収率が上昇する。
α= {C(πD2・t/4)ρ/P} ・dT/dt
P:入射出力
C:熱容量
dT/dt:単位時間での温度変化
吸収率が上昇すると、出力鏡内部に温度分布が生じ、ひいては屈折率分布が生じ、出力鏡直後にあたかもレンズが挿入されたのと同様な作用が生じる(光は屈折率の高い方向に進むという性質を持っている)。これを熱レンズと称する。
1/f=α・P・χ/(2πω2・λ・t)
=(1/8) (χ・C・ρ・D2 /ω2 )dT/dt
χ:光学歪パラメータ
λ:熱伝達率
で示される。
図11は、この発明の参考例3によるレーザ装置を示す構成図である。
図において20は集光手段6に取り付けられた温度検出器である。図中同一符号は参考例1または従来例と同一なので説明を省略する。集光手段6は長期間使用すると、ゴミ、オイルミストや加工によるスパッタが付着したりして集光手段の吸収率が上昇する。集光手段の吸収率が上昇すると、集光手段内部に屈折率分布が生じ、集光手段直後にあたかもレンズが挿入されたのと同様な作用が生じる。これを熱レンズと称する。
図13は、この発明の参考例4によるレーザ装置を示す構成図である。
図において21はレーザ媒質11に取り付けられた温度検出器である。図中同一符号は参考例1または従来例と同一なので説明を省略する。レーザ媒質11は、例えば固体レーザの場合、長期間使用すると、ゴミやオイルミストがレーザ媒質11に付着したりしてレーザ媒質の吸収率が上昇する。レーザ媒質の吸収率が上昇すると、レーザ媒質内部に屈折率分布が生じ、レーザ媒質内部にレンズが挿入されたのと同様な作用が生じる。これを熱レンズと称する。熱レンズが発生すると、レーザ媒質内部を通過するレーザ光9はレンズ作用を受け、熱レンズが発生する前の伝搬特性図14aから図14bのように変化する。そこで、温度検出器21からの信号を中央処理装置13cに送り、レーザ媒質の吸収率(熱レンズ量)を検出することにより、中央処理装置13cから信号をだし、全反射鏡3の曲率を変化させて伝搬特性を変化させる。同時に開孔手段4にも信号を出し、φ/ωの値を一定にすることでビームモードの次数を一定に制御し、図14cのようにする。以上の操作により、集光手段へ入射するビームの特性が一定になり、安定な加工が実現できる。
d=1.27・M2・λ・f/D ・・・・・・・・(1)
D:集光手段入射ビーム径
λ:波長
f:集光手段の焦点距離
M2:集光特性(=モード次数+1)
この式より、集光光学径入射ビーム径Dを一定にするように、反射鏡5の位置により、全反射鏡3の曲率と開孔手段4の径を中央処理装置13により制御すれば一定の集光スポットサイズが得られ、加工が安定する。
図15は、この発明の参考例5によるレーザ装置を示す構成図である。
また、図16は、図15のレーザ装置の集光特性検出手段を示す構成図である。
22はレンズ、23は開孔手段、24は検出器、25はレーザ光の極一部を透過し、大多数を反射する反射鏡、26はレンズ22、開孔手段23、検出器24、反射鏡25を一体化させて構成した集光特性検出手段である。図中同一符号は参考例1または従来例と同じなので説明を省略する。出力鏡2と集光手段6との距離が変化すると、集光手段6直前の反射鏡25の位置が25aのように変化する。反射鏡25の透過した一部のレーザ光27はレンズ22を通り集光される。レンズ22から一定の距離に開孔手段23を設け、開孔手段を通るレーザ光が検出器24を通る。検出器24からの出力値が一定になるようにレーザ発振器1の全反射鏡3でレーザ光9の伝搬特性を変化させ、同一のモード形状になるように開孔手段4の径を変化させれば、反射鏡25および25aの位置では同一のビーム特性が得られる。ひいては集光手段6に入射するビーム特性も同一に制御することができる。したがって、光路長が変化しても、全ての領域で一定のビーム特性が得られるので安定な加工が実現できる。
この参考例は、これまで示した参考例1から5までの全反射鏡3の曲率を変更する手段について示すものである。
図17は全反射鏡3の拡大図である。
図において28は圧縮空気を供給するコンプレッサ、29は全反射鏡3を保持するミラーホルダ、30はOリング、31は密閉された空洞部32の圧力を検出する圧力センサ、33は中央処理装置13から得られる信号により、開閉をコントロールできるバルブ、34はレーザ発振器1の箱体である。コンプレッサ28から圧縮空気が空洞部32に送られると空洞部の圧力が上昇する。空洞部と箱体34(紙面右側)の圧力差により反射鏡3は凸化する。空洞部の圧力によって凸化の度合いが変化し、全反射鏡3の曲率が変化する。全反射鏡3の曲率の制御には、中央処理装置13が判定した圧力になるように圧力センサ31の信号から、バルブ33の開閉や開孔の大きさを変化させて実施する。中央処理装置にはあらかじめ圧力に対応した曲率のテーブルが保管されてあったり、計算によって算出されたりする。この制御により目的にあった曲率を選定でき、加工を安定にさせることができる。
参考例6で使用した圧力媒体がレーザ光を吸収しないガスである場合、図18、19に示すように光路パイプ35とバルブ33を配管し、光路内部のパージに利用する。光路内部をパージすれば、光路外と圧力差が生じ、外部からレーザ吸収ガスの侵入をゆるさず、ビーム特性を安定に集光手段6まで伝送することができる。全反射鏡3の曲率変化に使用した媒体を光路のパージに使用することにより、安価でランニングコストの低いレーザ装置を供給できる。
図20は、この発明の実施の形態1によるレーザ装置の透過窓の曲率変化を説明する構造図である。
図20において36は出力鏡2より厚みが薄いかまたはヤング率の小さい材料で構成された透過窓、37は空洞である。図において同一符号は参考例1、参考例6、及び従来例にて説明したので省略する。コンプレッサ28で圧力媒体を空洞37内に送り込むと、出力鏡2には紙面右側より圧力が加わり、透過窓36には紙面左側より圧力が加わる。
図21は、この発明の実施の形態2によるレーザ装置の出力鏡の曲率変化を説明する構造図である。
図21は実施の形態1とほとんど同じであるが、出力鏡2は透過窓36と厚みや材質が全く同じものであってもよい。実施の形態1のように圧力を加えると、今度は出力鏡も曲率変化する。
よって、レーザ発振器1から得られるビーム特性(モード次数(集光特性)や伝搬特性)をも変化させることができる。そのため、一つのレーザ装置で異なったビーム特性が得られるレーザ装置を供給することができる。
図22は、この発明の実施の形態3によるレーザ装置の出力鏡の曲率変化を説明する構造図である。
図22は、図20、21に対して圧力センサ31を配置したことが特徴である。これにより、中央処理装置13による制御が可能となる。透過窓36もしくは出力鏡2の曲率変化を監視するために、圧力センサ31の信号を持って、バルブ33を開閉もしくは径を変化させることで空洞37の圧力を制御し、曲率を制御する。圧力の値は、別途記憶装置に記憶された数値を参照するも計算にて算出しても良く、全て中央処理装置が統括する。これによりさまざまな制御が可能なレーザ装置が得られる。
図23は、この発明の実施の形態4によるレーザ装置を示す構成図であリ、実施の形態1の応用で全体構成は基本的に同じである。レーザ装置から得られる被加工物に照射されるビーム特性は出力鏡の熱吸収率や集光手段の熱吸収率、あるいは出力鏡と集光手段間の光路長に左右される。
そこで前記値が変化しても被加工物に照射されるビーム特性がほぼ一致するように透過窓の曲率を制御する。この制御により、安定なレーザ加工のできるレーザ装置を供給できる。
図24は、この発明の実施の形態5によるレーザ装置を示す構成図である。
図24において参考例7や従来例と同一符号は同一構造のため説明を省略する。出力鏡2の曲率変化に使用した圧力媒体がレーザ光を吸収しないガスである場合、光路パイプ35とバルブ33を配管し、光路内部のパージに利用する。光路内部をパージすれば、光路外と圧力差が生じ、外部からレーザ吸収ガスの侵入をゆるさず、ビーム特性を安定に集光手段6まで伝送することができる。出力鏡2の曲率変化に使用した媒体を光路のパージに使用することにより、安価でランニングコストの低いレーザ装置を供給できる。
図25は、この発明の参考例8によるレーザ装置のビーム伝搬を示す模式図である。
従来のレーザ加工機では集光手段から被加工物までの距離は一定になるように制御していた。そのため、図30に示したように被加工物照射のビーム径が変化して加工不良を誘発する原因となっていた。一方、本参考例では図25に示したように、集光手段と被加工物との距離を光路長によって変化させる。例えば反射鏡5の位置では被加工物表面は集光手段6からl0の距離で、反射鏡5aではl0''の距離に変化させ、被加工物表面に照射されるレーザ光のスポットサイズをω0に合わせる。被加工物に照射されるスポットサイズを一定になるように制御すれば、光路長が変化しても加工が安定なレーザ装置が供給できる。
図26は、この発明の参考例9によるレーザ装置を示す構成図である。
図26において38は集光手段を構成する少なくとも一つのレンズを被加工物8から遠ざけたり、近づけたりできる駆動制御部である。集光特性検出器26は図16に示した構成と同一の構成でよい。従来のレーザ加工機では集光手段から被加工物までの距離は一定になるように制御していた。そのため、外的な要因(例えば出力鏡の熱歪、光路内部ガスによるレーザ光の吸収など)によってビーム特性が変化すると、図10、12に示したのと同様に被加工物照射のビーム径が変化して加工不良を誘発する原因となっていた。ところで図26に示したように出力鏡と集光手段との間に集光特性検出器26を設け、その出力によって集光手段6と被加工物8との距離を変化させ、被加工物に照射されるスポットサイズを一定になるように制御すれば、光路長の変化や出力鏡の熱レンズなどの外的要因が変化しても加工が安定する。
図27は、この発明の実施の形態6によるレーザ装置を示す構成図である。
図27において39は光路系に配置され、反射鏡5の曲率を変化させることができるホルダーである。図中14’、15’、16’は図2と同一の構成であっても良い。その他の項目は参考例1と同一であるので説明を省略する。図28は、例えば光路長(遠点、近点)によって全反射鏡3の曲率と開孔手段4の径と反射鏡5の曲率を変化させる方式について示してある。
Claims (9)
- レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、
この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射する全反射鏡と、
誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、
レーザ光が前記出力鏡を出た直後に前記レーザ光が通過するように配置された透過窓と、
前記出力鏡と前記透過窓を保持するミラーホルダーと、
前記出力鏡と前記透過窓と前記ミラーホルダーにより囲まれた空洞部に、前記透過窓のレーザビーム出射側の媒質の屈折率と異なる屈折率を有した圧力媒体を送り込み、前記透過窓の曲率を変化させる圧力媒体供給手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ装置。 - 透過窓は、出力鏡より厚みが薄いかまたはヤング率の小さい材料で構成されたことを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
- レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、
この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射する全反射鏡と、
誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、
レーザ光が出力鏡を出た直後に前記レーザ光が通過するように配置された透過窓と、
前記出力鏡と前記透過窓を保持するミラーホルダーと、
前記出力鏡と前記透過窓と前記ミラーホルダーにより囲まれた空洞部に圧力媒体を送り込み、前記出力鏡の曲率を変化させる圧力媒体供給手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ装置。 - 出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段を備え、前記出力鏡の曲率を変化させるとともに、開孔手段の開孔径を変化させることを特徴とする請求項3に記載のレーザ装置。
- 圧力センサにより圧力媒体の流量を制御し、透過窓および出力鏡に圧力を付与するようにしたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のレーザ装置。
- レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、
この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射する全反射鏡と、
誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、
前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、加工経路により前記出力鏡との距離が変動する集光手段と、
レーザ光が出力鏡を出た直後に前記レーザ光が通過するように配置された透過窓と、
前記出力鏡と前記透過窓を保持するミラーホルダーと、
前記出力鏡と前記集光手段との距離の変化に応じて、前記出力鏡と前記透過窓と前記ミラーホルダーにより囲まれた空洞部に、前記透過窓のレーザビーム出射側の媒質の屈折率と異なる屈折率を有した圧力媒体を送り込み、前記透過窓の曲率を変化させる圧力媒体供給手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ装置。 - 透過窓は、出力鏡より厚みが薄いかまたはヤング率の小さい材料で構成されたことを特徴とする請求項6に記載のレーザ装置。
- 前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、加工経路により前記出力鏡との距離が変動する集光手段と、
前記出力鏡から出射されたレーザ光を反射し前記集光手段に導く反射鏡とを備え、
前記出力鏡と前記集光手段との距離の変化に応じて、前記反射鏡の曲率を変化させ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装置。 - 前記出力鏡から出射されたレーザ光を反射し前記集光手段に導く反射鏡を備え、
前記出力鏡と前記集光手段との距離の変化に応じて、前記反射鏡の曲率を変化させることを特徴とする請求項6または7のいずれかに記載のレーザ装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004337002A JP4251132B2 (ja) | 2004-11-22 | 2004-11-22 | レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004337002A JP4251132B2 (ja) | 2004-11-22 | 2004-11-22 | レーザ装置 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21994696A Division JP3644145B2 (ja) | 1996-08-21 | 1996-08-21 | レーザ装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005094030A JP2005094030A (ja) | 2005-04-07 |
JP4251132B2 true JP4251132B2 (ja) | 2009-04-08 |
Family
ID=34464386
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004337002A Expired - Fee Related JP4251132B2 (ja) | 2004-11-22 | 2004-11-22 | レーザ装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4251132B2 (ja) |
-
2004
- 2004-11-22 JP JP2004337002A patent/JP4251132B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2005094030A (ja) | 2005-04-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3644145B2 (ja) | レーザ装置 | |
US9987709B2 (en) | Method for cutting stainless steel with a fiber laser | |
JP5054535B2 (ja) | イメージリレーを用いたアクティブビーム供給システム | |
CA2637535C (en) | Cutting method using a laser having at least one ytterbium-based fibre, in which at least the power of the laser source, the diameter of the focused beam and the beam quality factor are controlled | |
JP5941113B2 (ja) | 集光径を拡大できるレーザ加工装置 | |
CN102481665B (zh) | 采用具有至少5mm的边缘厚度的ZnS透镜的激光聚焦头和激光切割装置以及使用这样的聚焦头的方法 | |
PT1790427E (pt) | Processo de corte de uma peça de aço c-mn com o auxílio de uma fibra contendo itérbio | |
KR20130028632A (ko) | 레이저 조사 장치 및 레이저 조사 방법 | |
EP1700665B1 (en) | Laser apparatus | |
JP6956328B2 (ja) | レーザ加工装置及びレーザ加工方法 | |
EP3978183B1 (en) | Laser machining device and laser machining method using same | |
JP2009178720A (ja) | レーザ加工装置 | |
EP0998369B1 (fr) | Dispositif et procede de decoupe a distance etendue par laser, en mode impulsionnel | |
KR102691408B1 (ko) | 기계 공구를 위한 레이저 절단 헤드 | |
JP7504743B2 (ja) | 材料加工用機械のレーザビームの伝播経路に沿って配置された光学素子の動作状態を検出する方法、当該方法を実行するためのシステム、及び当該システムを備えるレーザ加工機 | |
JP4251132B2 (ja) | レーザ装置 | |
JP2670857B2 (ja) | レーザ加工装置 | |
JPH01166894A (ja) | レーザ加工機 | |
JP5190421B2 (ja) | 小型熱レンズ補償加工ヘッド | |
JP2000263267A (ja) | レーザ加工装置用ファイバ入射光学系 | |
JP5909537B1 (ja) | ダイレクトダイオードレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及び反射光検出方法 | |
JP2016078049A (ja) | ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びこれを用いた板金の加工方法 | |
JP2020082149A (ja) | レーザ照射システム | |
JP2021049542A (ja) | レーザ加工装置、レーザ加工方法、および、物品の製造方法 | |
Hachfeld | Laser-beam quality and brightness in industrial applications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081014 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20081127 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20081224 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090106 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120130 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130130 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130130 Year of fee payment: 4 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |