JP5159516B2 - Laser irradiation device - Google Patents

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本発明はレーザピーニング用のレーザ照射装置に係り、特に複雑形状の処理対象に対してもレーザピーニング処理を可能とすることができるレーザ照射装置に関する。   The present invention relates to a laser irradiation apparatus for laser peening, and more particularly to a laser irradiation apparatus capable of performing laser peening processing even for a processing object having a complicated shape.

構造物の損傷は、腐食や亀裂の発生など、表面を起点とする場合が殆どであり、構造物の寿命は表面の特性に左右される傾向が高い。このため、従来から、各種の表面処理技術を適用して材料表面の機械的あるいは化学的な性質を改善し、疲労強度、耐腐食性、耐摩耗性などを向上させることにより、構造物の寿命延長を図る試みが行われている。   In most cases, the damage to the structure starts from the surface, such as the occurrence of corrosion or cracks, and the lifetime of the structure tends to depend on the surface characteristics. For this reason, the lifetime of structures has been improved by applying various surface treatment techniques to improve the mechanical or chemical properties of the material surface and improving fatigue strength, corrosion resistance, wear resistance, etc. Attempts to extend are being made.

ショットピーニングは代表的な表面処理技術であり、部材表面層の硬さの上昇と、表面層への圧縮残留応力の導入が可能である。このため、自動車、航空機などの産業分野ではショットピーニングが多く利用されている(例えば、特許文献1参照)。   Shot peening is a typical surface treatment technique, and can increase the hardness of the member surface layer and introduce compressive residual stress into the surface layer. For this reason, shot peening is often used in industrial fields such as automobiles and aircraft (see, for example, Patent Document 1).

一方、レーザはエネルギ密度や、照射位置の精密かつ高速な制御が容易であり、他の方法では困難な高速処理、超急熱急冷処理などを行うことができるため、種々の技術が開発され、材料の加工処理への応用が拡大している。   On the other hand, lasers are capable of precise and high-speed control of energy density and irradiation position, and can perform high-speed processing, super rapid thermal quenching processing, etc. that are difficult with other methods. Applications to material processing are expanding.

その一つとして、液体を介して材料の表面にパルス状のレーザビームを照射するレーザ衝撃硬化処理が知られており、ショットピーニングと同様に部材表面層の硬さの上昇と、表面層への圧縮残留応力の導入を行うことが可能である。   As one of them, a laser shock hardening process in which a surface of a material is irradiated with a pulsed laser beam through a liquid is known. Like shot peening, the hardness of a member surface layer is increased and It is possible to introduce compressive residual stress.

レーザ衝撃硬化処理はショットピーニングと比較して処理効果が高く、非接触作業が可能であり、反力がなく、レーザ照射の条件や部位を精密に制御できる等、ショットピーニングでは実現できない優れた利点があり、開発および実用化が進められている(例えば、特許文献2〜特許文献4および非特許文献1参照)。
特開平07−246483号公報 特開平08−112681号公報 特開平08−326502号公報 特開2003−504212号公報 ショットピーニング技術協会編「金属疲労とショットピーニング」現代工学社
Laser shock hardening treatment has a higher treatment effect than shot peening, non-contact work is possible, there is no reaction force, laser irradiation conditions and parts can be precisely controlled, etc. Excellent advantages that can not be realized with shot peening Development and practical application are underway (see, for example, Patent Document 2 to Patent Document 4 and Non-Patent Document 1).
Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-246483 JP 08-111261 A Japanese Patent Laid-Open No. 08-326502 JP 2003-504212 A Shot Peening Technology Association edited by “Metallic Fatigue and Shot Peening”

時間的エネルギ密度の高いパルスレーザを用い、材料表面に照射した際に発生するプラズマの圧力により材料の機械的強度を改善させるレーザピーニング技術において、レーザの空間的エネルギ密度も改善効果に影響を及ぼす処理条件の一つである。   In laser peening technology that uses a pulsed laser with a high temporal energy density and improves the mechanical strength of the material by the pressure of the plasma generated when the material surface is irradiated, the spatial energy density of the laser also affects the improvement effect. One of the processing conditions.

このため、照射されるレーザパルスのエネルギ(J/パルス)を一定としたとき、材料表面に照射されるレーザ光の像の面積によって定まる空間的エネルギ密度(J/mm)が条件を満たすべく集光レンズの位置を調整する必要がある。 Therefore, when the energy (J / pulse) of the irradiated laser pulse is constant, the spatial energy density (J / mm 2 ) determined by the area of the image of the laser beam irradiated on the material surface should satisfy the condition. It is necessary to adjust the position of the condenser lens.

波長λ、ビーム径Dのレーザを焦点距離fのレンズで集光する場合、理想的なレーザ光の焦点径dは以下の回折限界の式によって定義される。
[数1]
d=2.44×λ×f/D
When a laser having a wavelength λ and a beam diameter D is condensed by a lens having a focal length f, an ideal focal diameter d of the laser beam is defined by the following diffraction limit equation.
[Equation 1]
d = 2.44 × λ × f / D

実際のレーザ発振器を用いたときのレーザ光のビーム品質や使用するレンズの持つ球面収差などのさまざまな収差により、実際の焦点径は回折限界よりも大きくなる。これらを考慮すれば、レンズなどの光学素子とその配置、伝送空間の屈折率、およびレンズと照射する材料表面との相対距離から材料表面に投影される像の面積を求めることができる。レーザ光は最小径まで集光された後は集光角度と同じ角度で拡大されるので、ある投影面積の像は最小径となる位置の前後に存在することになる。   The actual focal diameter becomes larger than the diffraction limit due to various aberrations such as the beam quality of the laser beam when using an actual laser oscillator and the spherical aberration of the lens used. If these are taken into consideration, the area of the image projected on the material surface can be determined from the optical element such as a lens and its arrangement, the refractive index of the transmission space, and the relative distance between the lens and the material surface to be irradiated. After the laser beam is condensed to the minimum diameter, it is enlarged at the same angle as the condensing angle, so that an image of a certain projection area exists before and after the position having the minimum diameter.

一方、集光されてエネルギ密度が高くなると、それにつれて非線形なエネルギロス(ブレークダウン)が発生する確率が高くなる。照射するレーザのパルスエネルギが大きく、水中でレーザを照射するレーザピーニングでは、光路を清浄に保っても水分子の存在により大気中よりもブレークダウンは発生し易い。   On the other hand, when the light is condensed and the energy density is increased, the probability of occurrence of nonlinear energy loss (breakdown) is increased accordingly. In laser peening in which the pulse energy of the irradiated laser is large and the laser is irradiated in water, breakdown is more likely to occur than in the atmosphere due to the presence of water molecules even if the optical path is kept clean.

このためレーザピーニングでは像面積の制限として、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度以上となる上限面積と、ブレークダウンが生じるエネルギ密度以上となる下限の面積が処理条件として設定され、照射対象材料の表面での像面積がこの条件を満たすように焦点位置を調整してレーザピーニング装置を配置しなければならない。レーザの像が上限面積となる焦点位置と下限面積となる焦点位置の幅は、処理の際に要求される装置設置精度に関わるため、照射装置の設計や装置動作制御方法を複雑化させる要因となり、処理対象の形状に対しても制限を与えていた。 For this reason, in laser peening, the image area is limited by setting an upper limit area that is greater than or equal to the energy density necessary to obtain the effect of laser peening and a lower limit area that is greater than or equal to the energy density at which breakdown occurs as processing conditions. The laser peening apparatus must be arranged with the focal position adjusted so that the image area on the surface of the target material satisfies this condition. The focal position where the laser image is the upper limit area and the width of the focal position where the lower limit area is related to the accuracy of equipment installation required for processing, which complicates the design of the irradiation device and the device operation control method. Also, there is a restriction on the shape to be processed.

本発明は、従来技術に伴うこれらの課題を解決することを目的としてなされたものであり、被処理材料表面の機械的強度の改善が可能な像面積をなす、レーザ光軸方向の範囲の広いレーザ照射装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made for the purpose of solving these problems associated with the prior art, and has a wide range in the direction of the laser optical axis that forms an image area capable of improving the mechanical strength of the surface of the material to be processed. An object is to provide a laser irradiation apparatus.

本発明では、パルス発振のレーザ光を集光して空間的エネルギ密度が高い状態とし、このレーザ光を表面が液体に接している固体材料に照射することにより発生するプラズマの圧力で当該固体材料の機械的強度を向上させるレーザ照射装置であって、レーザ光源と、このレーザ光源から出射されるレーザ光を伝送するレーザ光伝送手段と、前記固体材料に対するレーザ光の照射位置を任意に移動させる照射位置移動手段と、照射される前記レーザ光を集光する集光手段と、前記レーザ光を前記固体材料の表面に投影した際のレーザ投影面積を任意に調整する投影面積調整手段と、を備え、前記集光手段は、前記レーザ光の光軸とこの光軸に垂直な第1の軸とを含む面に対して対称にレーザ光を屈折または回折または反射させる第一の光学素子と、前記レーザ光の光軸に垂直であり、かつ前記第1の軸と異なる第2の軸とを含む面に対して対称にレーザ光を屈折、回折または反射させる第二の光学素子とを有し、前記第一の光学素子および前記第二の光学素子のうち少なくとも1つの光学素子がレーザ光を空間的に分割するための領域として、その面同士が互いに不連続に接続された複数の面の組合せによって構成される領域を持ち、それぞれの面は分割したレーザ光が屈折、回折または反射によって集光する構成とされおり、前記投影面積調整手段は、前記第一の光学素子と前記第二の光学素子のうち、少なくとも1つの素子を光軸を中心に回転させることで、前記第1の軸と前記第2の軸とが前記光軸に垂直な投影面上でなす角を変更するための回転機構であることを特徴とするレーザ照射装置を提供する。 In the present invention, pulsed laser light is condensed so that the spatial energy density is high, and the solid material is subjected to the pressure of plasma generated by irradiating the solid material whose surface is in contact with the liquid. A laser irradiation apparatus for improving the mechanical strength of the laser beam, wherein a laser light source, a laser light transmission means for transmitting laser light emitted from the laser light source, and an irradiation position of the laser light on the solid material are arbitrarily moved An irradiation position moving means; a condensing means for condensing the irradiated laser light; and a projection area adjusting means for arbitrarily adjusting a laser projection area when the laser light is projected onto the surface of the solid material. A first optical element configured to refract, diffract, or reflect the laser beam symmetrically with respect to a plane including an optical axis of the laser beam and a first axis perpendicular to the optical axis. A second optical element that refracts, diffracts, or reflects the laser beam symmetrically with respect to a plane that is perpendicular to the optical axis of the laser beam and includes a second axis different from the first axis. And a plurality of surfaces whose surfaces are discontinuously connected to each other as a region for spatially dividing the laser light by at least one of the first optical element and the second optical element. Each of the surfaces has a structure in which the divided laser light is condensed by refraction, diffraction or reflection, and the projection area adjusting means includes the first optical element and the second optical element. The angle formed between the first axis and the second axis on the projection plane perpendicular to the optical axis is changed by rotating at least one of the optical elements about the optical axis. Rotating mechanism To provide over The irradiation apparatus.

本発明によれば、ブレークダウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光の光軸上の処理可能範囲を拡大したレーザピーニング用のレーザ照射装置を供給することができる。これにより焦点調整のための制御が単純化できるとともに、複雑形状の処理対象にもレーザピーニング処理が可能となる。 According to the present invention, a laser irradiating apparatus for laser peening is provided that expands the processable range on the optical axis of laser light, which is an energy density range necessary for suppressing breakdown and obtaining the effect of laser peening. be able to. As a result, control for focus adjustment can be simplified, and laser peening processing can be performed on a processing object having a complicated shape.

以下、本発明に係るレーザ照射装置の実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of a laser irradiation apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1実施形態](図1〜図6)
図1は、本実施形態によるレーザ照射装置Aの一部を断面として示す全体構成図である。図1に示すように、レーザ照射装置Aは大別して、レーザビームLを下向きに発振するレーザ光源としてのレーザ発振器1と、このレーザ発振器1の下端部に設けられレーザビームLを制御するためのビーム制御ユニット2と、このビーム制御ユニット2から下方に伸び、その下端が略水平な方向に折曲したレーザ光伝送手段としてのレーザビーム導光用の導光管3と、この導光管3の下端部を被覆してその内部に液体、例えば水wを収容する水槽4と、導光管3の側方に略平行な配置で設けられた照射位置決め装置5とを備えている。
First Embodiment (FIGS. 1 to 6)
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a part of a laser irradiation apparatus A according to the present embodiment as a cross section. As shown in FIG. 1, the laser irradiation apparatus A is roughly divided into a laser oscillator 1 as a laser light source that oscillates a laser beam L downward, and a laser beam L provided at the lower end of the laser oscillator 1 for controlling the laser beam L. A beam control unit 2, a light guide tube 3 for guiding a laser beam as laser light transmission means extending downward from the beam control unit 2 and having its lower end bent in a substantially horizontal direction, and the light guide tube 3 The water tank 4 which covers the lower end part of this and accommodates a liquid, for example, water w, and the irradiation positioning device 5 provided in a substantially parallel arrangement to the side of the light guide tube 3 are provided.

ビーム制御ユニット2は、レーザ発振器1から発振されたレーザビームLの出力を調整する出力調整装置6を備えている。この出力調整装置6は、レーザビームLの一部をサンプリングビームSBとして抽出する部分反射ミラー7と、抽出されるサンプリングビームSBの出力を検出するパワーメータ8と、レーザビームLが出射される下方を開閉するシャッタ9とを備えた構成とされている。   The beam control unit 2 includes an output adjustment device 6 that adjusts the output of the laser beam L oscillated from the laser oscillator 1. The output adjusting device 6 includes a partial reflection mirror 7 that extracts a part of the laser beam L as a sampling beam SB, a power meter 8 that detects the output of the extracted sampling beam SB, and a lower part from which the laser beam L is emitted. And a shutter 9 that opens and closes.

導光管3の下部には鉛直線に対して45°傾斜した反射ミラー10が設けてあり、この反射ミラー10により下向きに発振されたレーザビームLを水平方向に反射して水平ビームとした後、導光管3の先端に設けた照射ヘッド11内の多面体集光素子12により収束して収束レーザ光L1とし、この収束レーザ光L1を固体材料である被処理部材13に照射するようになっている。   A reflection mirror 10 inclined by 45 ° with respect to the vertical line is provided at the lower portion of the light guide tube 3. After the laser beam L oscillated downward by the reflection mirror 10 is reflected in the horizontal direction to form a horizontal beam. The converged laser beam L1 is converged by the polyhedral condensing element 12 in the irradiation head 11 provided at the tip of the light guide tube 3, and the processed laser beam L1 is irradiated to the processing target member 13 which is a solid material. ing.

また、照射位置決め装置5は、図1の紙面厚さ方向に沿って水平方向(矢印a方向)にレーザビームLを走査するための駆動を行う水平駆動機構15と、垂直に立上る支柱14に沿って上下方向(矢印b方向)に昇降駆動を行う垂直駆動機構16と、水平駆動機構15により水平方向(矢印c方向)に移動してレーザビームLの焦点を調整する焦点調整機構17とを備えている。   Further, the irradiation positioning device 5 includes a horizontal driving mechanism 15 that performs driving for scanning the laser beam L in the horizontal direction (arrow a direction) along the thickness direction of FIG. 1 and a column 14 that rises vertically. A vertical drive mechanism 16 that moves up and down in the vertical direction (arrow b direction), and a focus adjustment mechanism 17 that moves in the horizontal direction (arrow c direction) by the horizontal drive mechanism 15 to adjust the focus of the laser beam L. I have.

このように、照射位置決め装置5は水槽4内に水wに浸されて設置されている被処理部材13の任意の領域にレーザ照射をするために、水平方向(紙面に対して垂直)にレーザビームLを走査するための水平駆動機構15と、垂直方向(紙面上方向)に走査するための垂直駆動機構16とを搭載している。   In this way, the irradiation positioning device 5 performs laser irradiation in the horizontal direction (perpendicular to the paper surface) in order to irradiate the laser beam to an arbitrary region of the member 13 to be processed which is installed in the water tank 4 soaked in the water w. A horizontal drive mechanism 15 for scanning the beam L and a vertical drive mechanism 16 for scanning in the vertical direction (upward on the paper surface) are mounted.

そして、焦点調整機構17は集光されたレーザ光Lが被処理部材13の表面で所望の投影面積を持つべく、レーザ光を被処理部材13の表面に投影した際のレーザ投影面積を調整する投影面積調整手段として用いる。 Then, to focus adjustment mechanism 17 the laser light L 1, which is condensed has a desired projected area on the surface of the member to be processed 13, adjust the laser projection area when the projection of the laser beam on the surface of the member to be processed 13 It is used as a projection area adjustment means.

すなわち、本実施形態では、レーザ光源としてのレーザ発振器1と、このレーザ光源から出射されるレーザ光を伝送するレーザ光伝送手段としての導光管3および水槽4と、固体材料である被処理部材13に対するレーザ光の照射位置を任意に移動させる照射位置移動手段としての照射位置決め装置5と、照射されるレーザ光を集光する集光手段としての多面体集光素子12と、レーザ光Lを固体材料の表面に投影した際のレーザ投影面積を任意に調整する投影面積調整手段として光学素子駆動機構26とを備えている。   That is, in the present embodiment, a laser oscillator 1 as a laser light source, a light guide tube 3 and a water tank 4 as laser light transmission means for transmitting laser light emitted from the laser light source, and a member to be processed that is a solid material The irradiation positioning device 5 as an irradiation position moving unit that arbitrarily moves the irradiation position of the laser beam with respect to the laser beam 13, the polyhedral condensing element 12 as a condensing unit that condenses the irradiated laser beam, and the laser beam L as a solid An optical element driving mechanism 26 is provided as projection area adjusting means for arbitrarily adjusting the laser projection area when projected onto the surface of the material.

以上の構成により、レーザ発振器1から照射されたレーザビームLはビーム制御ユニット2内の出力調整装置6によって出力調整される。また、出力調整のためのレーザ出力計測には、部分反射ミラー7でレーザビームLの一部(全出力の1%以下)をサンプリングして、サンプリングビームSBをパワーメータ8に入射することによって行う。   With the above configuration, the output of the laser beam L emitted from the laser oscillator 1 is adjusted by the output adjusting device 6 in the beam control unit 2. Laser output measurement for output adjustment is performed by sampling a part of the laser beam L (1% or less of the total output) by the partial reflection mirror 7 and making the sampling beam SB enter the power meter 8. .

また、ビーム制御ユニット2内のシャッタ9を「開」とすることによってレーザビームLは導光管3を伝送し、導光管3内の反射ミラー10で光軸方向を変え、照射ヘッド11から被処理部材13に照射される。   Further, by opening the shutter 9 in the beam control unit 2, the laser beam L is transmitted through the light guide tube 3, the direction of the optical axis is changed by the reflection mirror 10 in the light guide tube 3, and the irradiation head 11 Irradiates the member 13 to be processed.

図2は、図1に示した照射ヘッド11を詳細に示す拡大断面図である。この図2に示すように、照射ヘッド11と導光管3の一部は水中に設置されるため、これらの照射ヘッド11および導光管3には内部への浸水を防止するため、Oリングやガスケット、接着剤、溶接その他の手段により、防水構造が形成されている。導光管3と照射ヘッド11は防水ウインドウ18で仕切られ、導光管3または照射ヘッド11のいずれかが浸水した際に、光路を経由して相互に浸水の影響を及ぼさないようにしてある。   FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the irradiation head 11 shown in FIG. 1 in detail. As shown in FIG. 2, since the irradiation head 11 and a part of the light guide tube 3 are installed in water, the irradiation head 11 and the light guide tube 3 are provided with O-rings to prevent water from entering the inside. A waterproof structure is formed by a gasket, an adhesive, welding, or other means. The light guide tube 3 and the irradiation head 11 are partitioned by a waterproof window 18 so that when either the light guide tube 3 or the irradiation head 11 is submerged, they do not affect each other through the optical path. .

照射ヘッド11に入射したレーザビームLは、拡大鏡19によってビーム径を拡大した後に、多面体集光素子12によって集光される。拡大鏡19は、レーザビームLの光軸方向に沿って配置された凹面鏡20および凸面鏡21を備えた構成としてある。   The laser beam L incident on the irradiation head 11 is condensed by the polyhedral condensing element 12 after the beam diameter is enlarged by the magnifying mirror 19. The magnifying mirror 19 includes a concave mirror 20 and a convex mirror 21 arranged along the optical axis direction of the laser beam L.

また、多面体集光素子12は光学素子マウント22に固定保持されて、光学素子駆動機構26により光軸方向dに移動可能となっている。すなわち、光学素子駆動機構26は、照射ヘッド11内に設けたモータ23と、このモータ23に連結されたボールねじ24と、これらを支持するリニアガイド25とを備えている。そして、光学素子駆動機構26によって光学素子マウント22をレーザビームLの光軸方向(矢印d方向)に移動させることにより、照射ヘッド11から見た焦点位置を直線的に移動させることができる。   The polyhedral condensing element 12 is fixedly held by the optical element mount 22 and can be moved in the optical axis direction d by the optical element driving mechanism 26. In other words, the optical element driving mechanism 26 includes a motor 23 provided in the irradiation head 11, a ball screw 24 connected to the motor 23, and a linear guide 25 that supports them. Then, by moving the optical element mount 22 in the optical axis direction (arrow d direction) of the laser beam L by the optical element driving mechanism 26, the focal position viewed from the irradiation head 11 can be linearly moved.

このように、多面体集光素子12を介してレーザビームLは集光され、出口側防水ウインドウ27を通過して水wの環境に放出され、図1に示した被処理部材13に照射される。出口側ウインドウ27の周囲部には噴射ノズル28が突設してあり、この噴射ノズル28の基端側の周壁には浄化水供給チューブ29が連結されている。そして、図示省略のフィルタでろ過された水eが、浄化水供給チューブ29から噴射ノズル28に供給され、この噴射ノズル28から出た後の噴流30の効果により、光路中の微粒子や気泡などによる散乱、吸収が抑制されるようになっている。   In this way, the laser beam L is condensed through the polyhedral condensing element 12, passes through the outlet-side waterproof window 27, is emitted into the environment of water w, and is irradiated onto the member 13 to be processed shown in FIG. 1. . An injection nozzle 28 projects from the periphery of the outlet side window 27, and a purified water supply tube 29 is connected to a peripheral wall on the base end side of the injection nozzle 28. Then, the water e filtered by a filter (not shown) is supplied from the purified water supply tube 29 to the injection nozzle 28, and due to the effect of the jet 30 after exiting the injection nozzle 28, it is caused by fine particles or bubbles in the optical path. Scattering and absorption are suppressed.

次に、図3〜図6を参照して、多面体集光素子12の構成および作用について説明する。   Next, the configuration and operation of the polyhedral condensing element 12 will be described with reference to FIGS.

図3(a)は、多面体集光素子12の形状を光軸と直交する方向から示す正面図であり、図3(b)は縦断面図である。   3A is a front view showing the shape of the polyhedral condensing element 12 from a direction orthogonal to the optical axis, and FIG. 3B is a longitudinal sectional view.

図3(a),(b)に示すように、多面体集光素子12は六角形をした複数の小集光領域31が集合した多面体となっており、それぞれの小集光領域31がプリズムの役割を果たす。   As shown in FIGS. 3A and 3B, the polyhedral condensing element 12 is a polyhedron in which a plurality of hexagonal small condensing regions 31 are gathered, and each small condensing region 31 is a prism. Play a role.

なお、図3に示した小集光領域31の平面の法線は、全て1点で交わるように面が形成されている。このため、小集光領域31の面積を極限まで小さくすると、多面体集光素子12は球面レンズとなる。この法線が交わる点が複数、または交わらない場合には、小集光領域31の面積を極限まで小さくしたときの多面体集光素子12が非球面レンズとなり、このような形状の光学素子を用いてもよい。   Note that the plane normal lines of the small condensing region 31 shown in FIG. 3 are formed so that all intersect at one point. For this reason, when the area of the small condensing region 31 is reduced to the limit, the polyhedral condensing element 12 becomes a spherical lens. When there are a plurality of points where the normals intersect or do not intersect, the polyhedral condensing element 12 when the area of the small condensing region 31 is reduced to the limit becomes an aspherical lens, and an optical element having such a shape is used. May be.

図4および図5は、ビーム軌跡を示す説明図である。図4に示すように、本実施形態においては、レーザビームLが小集光領域31によって切り取られるため、集光後のレーザ光Lは図5に示すように、分割ビームL2の集合となり、その断面積が最小となるビームウエストL3でのレーザ光の断面積は小集光領域31の形状によって設定することができる。 4 and 5 are explanatory diagrams showing beam trajectories. As shown in FIG. 4, in the present embodiment, since the laser beam L is clipped by the small light collecting area 31, the laser light L 1 after condensing, as shown in FIG. 5, becomes the set of split beams L2, The cross-sectional area of the laser beam at the beam waist L3 having the smallest cross-sectional area can be set by the shape of the small condensing region 31.

図6は、レーザ光のプロファイルを示す説明図である。図6に示すように、プロファイル32および33は位置aに多面体集光素子12を配置した場合と、同じ位置aに球面レンズを配置した場合のレーザ光の断面積を示している。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing a profile of laser light. As shown in FIG. 6, profiles 32 and 33 show the cross-sectional areas of the laser light when the polyhedral condensing element 12 is arranged at the position a and when the spherical lens is arranged at the same position a.

多面体集光素子12からビームウエストL3の位置までの見かけの焦点距離とすると、球面レンズの焦点距離はこれに等しいものとする。ブレークダウンが生じるエネルギ密度となる断面積をs1、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度となる断面積をs2としたとき、s1からs2の範囲となるレーザ光Lの光軸方向の処理可能範囲は、球面レンズではL´1、多面体集光素子12ではL´2となる。多面体集光素子12では上記ビームウエストL3の断面積がs1に達しないため、ビームウエストL3以降でもレーザピーニング処理が可能となり、L´2はL´1よりも長い。   Assuming that the apparent focal length from the polyhedral condensing element 12 to the position of the beam waist L3, the focal length of the spherical lens is equal to this. Assuming that the cross-sectional area that is the energy density causing breakdown is s1, and the cross-sectional area that is the energy density necessary to obtain the effect of laser peening is s2, the laser beam L in the optical axis direction in the range from s1 to s2 The processable range is L′ 1 for the spherical lens and L′ 2 for the polyhedral condensing element 12. In the polyhedral condensing element 12, since the cross-sectional area of the beam waist L3 does not reach s1, laser peening can be performed after the beam waist L3, and L′ 2 is longer than L′ 1.

被処理部材13の表面での投影面積は、焦点調整機構17または光学素子駆動機構26によって制御することができる。被処理部材13の表面の処理位置や、処理面積は照射位置決め装置5のもつ駆動機構によって制御することができ、被処理部材13の表面形状がレーザビームLの光軸に対して垂直な平面でない場合、または平面でない場合にも、その形状に合わせて照射ヘッド11を動作させることによって所望のレーザ投影面積を保ちつつレーザピーニング処理を行うことができる。   The projected area on the surface of the member to be processed 13 can be controlled by the focus adjustment mechanism 17 or the optical element driving mechanism 26. The processing position and processing area of the surface of the member to be processed 13 can be controlled by the drive mechanism of the irradiation positioning device 5, and the surface shape of the member to be processed 13 is not a plane perpendicular to the optical axis of the laser beam L. Even in the case where it is not a flat surface, the laser peening process can be performed while maintaining a desired laser projection area by operating the irradiation head 11 in accordance with the shape.

図1に示された照射位置決め装置5が持つ駆動機構は、焦点調整機構17を含めて直動3軸であるが、これに加えて1つないし複数の回転機構を搭載することによって、より多彩な処理動作を実現することができる。これにより、装置と処理対象との干渉が懸念される狭隘部位でのレーザピーニング処理も可能となる。   The driving mechanism of the irradiation positioning device 5 shown in FIG. 1 is a three-axis linear movement including the focus adjustment mechanism 17, but in addition to this, by mounting one or a plurality of rotation mechanisms, a wider variety is provided. Processing operation can be realized. As a result, laser peening processing can be performed in a narrow area where there is a concern about interference between the apparatus and the processing target.

水槽4が本実施形態のレーザ照射装置に比べて大きい場合には、レーザ発振器1および照射位置決め装置5は導光管3や照射ヘッド11とともに水中に設置してもよい。その際にはレーザ発振器1、ビーム制御ユニット2、照射位置決め装置5についても水密構造とし、レーザ発振器1、ビーム制御ユニット2および導光管3の接続部についても、それぞれ水密構造とする。この場合、レーザ発振器1とビーム制御ユニット2および導光管3の接続部に、照射ヘッド11における防水ウインドウ18と同様のウインドウを配置することにより、隣接する機器からの浸水を相互に防ぐこともできる。   When the water tank 4 is larger than the laser irradiation apparatus of the present embodiment, the laser oscillator 1 and the irradiation positioning apparatus 5 may be installed in the water together with the light guide tube 3 and the irradiation head 11. In this case, the laser oscillator 1, the beam control unit 2, and the irradiation positioning device 5 are also water-tight, and the connecting portions of the laser oscillator 1, the beam control unit 2 and the light guide tube 3 are also water-tight. In this case, by arranging a window similar to the waterproof window 18 in the irradiation head 11 at the connection between the laser oscillator 1, the beam control unit 2, and the light guide tube 3, it is possible to prevent water from adjoining equipment from mutual. it can.

なお、図3に示した小集光領域31は全て平面であるが、それぞれ球面の集合体としてもよい。   3 are all flat surfaces, they may be a spherical aggregate.

また、本実施形態において被処理材料が浸漬されている液体は水wであるが、この液体は水に限らず、水溶液やシリコンオイル、有機系液体、無機系液体、液体金属などを適用してもよい。この場合には噴射ノズル28に供給される液体は水ではなく、浸漬環境と同じ組成のものとなる。水槽4からポンプで汲み上げた液体をフィルタでろ過して清浄化し、噴射ノズル28に供給することにより、環境の液体の組成に関わらず処理を行うことができる。   In this embodiment, the liquid in which the material to be treated is immersed is water w. However, this liquid is not limited to water, and an aqueous solution, silicon oil, organic liquid, inorganic liquid, liquid metal, or the like is applied. Also good. In this case, the liquid supplied to the spray nozzle 28 is not water but has the same composition as the immersion environment. The liquid pumped from the water tank 4 is filtered and purified by a filter, and is supplied to the injection nozzle 28, whereby the treatment can be performed regardless of the composition of the environmental liquid.

また、拡大鏡19のビーム径を拡大し、多面体集光素子12や出口側防水ウインドウ27の表面におけるエネルギ密度を下げることにより、これらの損傷を抑える効果がある。さらに、拡大鏡19に代えて拡散板、レンズアレイ、回折光学素子(DOE:Diffractive Optical Elements)、カレイドスコープなどを用いてもよい。   Further, by enlarging the beam diameter of the magnifying glass 19 and lowering the energy density on the surfaces of the polyhedral condensing element 12 and the outlet side waterproof window 27, there is an effect of suppressing these damages. Further, a diffusing plate, a lens array, a diffractive optical element (DOE), a kaleidoscope, or the like may be used instead of the magnifying glass 19.

また、図2に示した屈折系の拡大鏡ではなく、折り返しミラーを用いた光路を形成して、その内部に凹面鏡を配置してレーザビームLを拡大してもよい。   In addition, the laser beam L may be expanded by forming an optical path using a folding mirror instead of the refracting magnifier shown in FIG.

このように、本実施形態のレーザ照射装置においては、レーザ光を集光する集光手段は、光学素子のうち少なくとも1つの光学素子がレーザ光を空間的に分割するための不連続な複数の面の組合せによって構成される領域を持ち、それぞれの面は分割したレーザ光が屈折、回折または反射によって集光する構成とされている。   As described above, in the laser irradiation apparatus according to the present embodiment, the condensing unit that condenses the laser light includes a plurality of discontinuous plural elements for spatially dividing the laser light by at least one of the optical elements. Each region has a region constituted by a combination of surfaces, and each surface is configured such that the divided laser light is condensed by refraction, diffraction or reflection.

以上の実施形態によれば、ブレークダウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光の光軸上の処理可能範囲を拡大したレーザピーニング用のレーザ照射装置を供給することができる。これにより焦点調整のための制御が単純化できるとともに、複雑形状の処理対象にもレーザピーニング処理が可能となる。 According to the above embodiment, the laser irradiating apparatus for laser peening that expands the processable range on the optical axis of the laser beam, which is an energy density range necessary for suppressing the breakdown and obtaining the effect of laser peening, is provided. Can be supplied. As a result, control for focus adjustment can be simplified, and laser peening processing can be performed on a processing object having a complicated shape.

[第2実施形態](図7〜図9)
本実施形態では、光学素子中の不連続な面を周方向に連続させ、半径方向には不連続な同心円状面の集合としたレーザ照射装置について説明する。
Second Embodiment (FIGS. 7 to 9)
In the present embodiment, a laser irradiation apparatus will be described in which discontinuous surfaces in an optical element are continuous in the circumferential direction and a set of concentric circular surfaces discontinuous in the radial direction.

図7は本発明の第2実施形態による同心円プリズム形状を示す説明図であり、図8は図7に示した実施形態のビーム軌跡を示す説明図である。図9は図7に示した実施形態のビームウエストを示す説明図である。   FIG. 7 is an explanatory view showing a concentric prism shape according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an explanatory view showing a beam locus of the embodiment shown in FIG. FIG. 9 is an explanatory view showing a beam waist of the embodiment shown in FIG.

なお、以下の説明において、第1実施形態と同一の構成部分には図1〜図6と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 6, and redundant descriptions are omitted.

図7(a),(b)に示した同心円形状光学素子36は、図1の多面体集光素子12の代わりに用い、半径方向に不連続で、周方向に連続な複数の同心円集光領域37で構成される。この同心円集光領域37は三角錐の2箇所をその底面と平行な面で切り取ったときの傾斜面の形状であり、それぞれがプリズムの役割を果たす。二つの平面で切断する幅を極限まで小さくすると同心円形状光学素子36は球面収差のないレンズとなる。   A concentric optical element 36 shown in FIGS. 7A and 7B is used in place of the polyhedral condensing element 12 of FIG. 1, and is a plurality of concentric condensing regions discontinuous in the radial direction and continuous in the circumferential direction. 37. The concentric condensing region 37 has a shape of an inclined surface when two portions of the triangular pyramid are cut out by a plane parallel to the bottom surface, and each plays the role of a prism. If the width cut by the two planes is made as small as possible, the concentric optical element 36 becomes a lens without spherical aberration.

このように構成された本実施形態においては、図7に示すように、同心円集光領域37で屈折したレーザビームが光軸上で円形に結像する。   In the present embodiment configured as described above, as shown in FIG. 7, the laser beam refracted by the concentric condensing region 37 forms a circular image on the optical axis.

また、本実施形態では図8に示すように、異なる同心円集光領域37が同じ位置で結像するように、それぞれの傾斜が調整されている。   Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, the respective inclinations are adjusted so that different concentric condensing regions 37 are imaged at the same position.

このため、図8および図9に示すように、全ての同心円集光領域37の像を合成するビームウエスト38を持つ。ビームウエスト38の位置でのレーザ光の断面積は同心円集光領域37の幅によって設定することができる。レーザ光の断面積は第1実施形態と同様に図6で表すことができる。   For this reason, as shown in FIGS. 8 and 9, a beam waist 38 for synthesizing images of all concentric condensing regions 37 is provided. The cross-sectional area of the laser beam at the position of the beam waist 38 can be set by the width of the concentric condensing region 37. The cross-sectional area of the laser beam can be represented in FIG. 6 as in the first embodiment.

なお、同心円集光領域37は三角錐ではなく、球の2箇所をそれぞれ平行な2つの面で切り取ったときの部分球面形状としてもよい。   Note that the concentric condensing region 37 is not a triangular pyramid, and may have a partial spherical shape when two portions of a sphere are cut by two parallel surfaces.

本実施形態によれば、ブレークダウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光の光軸上の処理可能範囲を拡大したレーザピーニング用のレーザ照射装置を供給することができる。これにより焦点調整のための制御が単純化できるとともに、複雑形状の処理対象にもレーザピーニング処理が可能となる。 According to the present embodiment, a laser irradiation apparatus for laser peening is provided that expands the processable range on the optical axis of the laser beam, which is an energy density range required for suppressing the breakdown and obtaining the effect of laser peening. can do. As a result, control for focus adjustment can be simplified, and laser peening processing can be performed on a processing object having a complicated shape.

[第3実施形態](図10〜図15)
次に、本発明に係るレーザ照射装置の第3実施形態について図10〜図15を参照して説明する。以下の実施形態では、レーザ光の光軸とこの光軸に垂直な第1の軸とを含む面に対して対称にレーザ光を屈折または回折または反射させる第一の光学素子と、第1の軸に垂直な第2の軸とを含む面に対して対称にレーザ光を屈折、回折または反射させる第二の光学素子とを備え、これらの光学素子によりレーザ光を集光する構成としたレーザ照射装置について説明する。また、第一の光学素子と前記第二の光学素子のうち、少なくとも1つがシリンドリカルレンズであり、第一の光学素子と前記第二の光学素子とが平行光を集光する距離をそれぞれ異ならせたレーザ照射装置について説明する。また、第一の光学素子と第二の光学素子の間隔を変えるための水平駆動機構を備えたレーザ照射装置について説明する。また、第一の光学素子と前記第二の光学素子のうち、少なくとも1つの素子を光軸を中心に回転させるための回転機構を備えたレーザ照射装置について説明する。
[Third Embodiment] (FIGS. 10 to 15)
Next, a third embodiment of the laser irradiation apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the following embodiments, a first optical element that refracts, diffracts, or reflects a laser beam symmetrically with respect to a plane including the optical axis of the laser beam and a first axis perpendicular to the optical axis; And a second optical element that refracts, diffracts, or reflects laser light symmetrically with respect to a plane including a second axis perpendicular to the axis, and the laser is configured to collect the laser light by these optical elements An irradiation apparatus will be described. In addition, at least one of the first optical element and the second optical element is a cylindrical lens, and the distance at which the first optical element and the second optical element collect parallel light is different. The laser irradiation apparatus will be described. A laser irradiation apparatus provided with a horizontal drive mechanism for changing the distance between the first optical element and the second optical element will be described. A laser irradiation apparatus provided with a rotation mechanism for rotating at least one of the first optical element and the second optical element around the optical axis will be described.

図10は、照射ヘッド11を詳細に示す拡大断面図であり、図11はレンズ構成を示す説明図である。図10に示すように、本実施形態では、第1実施形態で示した図2の照射ヘッド11内の多面体集光素子12に代えて、垂直円筒レンズ41および水平円筒レンズ42の組合せ光学素子を用いる。垂直円筒レンズ41および水平円筒レンズ42はともにシリンドリカルレンズであるが、図11に示すように、円筒面の元となる円筒の中心軸が、互いに垂直となるように構成されている。   FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing the irradiation head 11 in detail, and FIG. 11 is an explanatory view showing the lens configuration. As shown in FIG. 10, in this embodiment, instead of the polyhedral condensing element 12 in the irradiation head 11 of FIG. 2 shown in the first embodiment, a combined optical element of a vertical cylindrical lens 41 and a horizontal cylindrical lens 42 is used. Use. The vertical cylindrical lens 41 and the horizontal cylindrical lens 42 are both cylindrical lenses, but as shown in FIG. 11, the central axes of the cylinders that form the cylindrical surfaces are configured to be perpendicular to each other.

また、垂直円筒レンズ41によってレーザビームLが集光された楕円が最も小さくなる位置と、水平円筒レンズ42によってレーザビームLが集光された楕円が最も小さくなる位置とが一致しないように、シリンドリカルレンズの焦点距離およびレンズ間距離が設定されている。他の構成は第1実施形態と略同様であるから、説明を省略する。   The position where the ellipse where the laser beam L is condensed by the vertical cylindrical lens 41 becomes the smallest and the position where the ellipse where the laser beam L is condensed by the horizontal cylindrical lens 42 do not coincide with each other do not coincide. The focal length of the lens and the distance between the lenses are set. Since other configurations are substantially the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

図12および図13は、垂直円筒レンズ41および水平円筒レンズ42の曲率が等しい場合のレーザビームLの軌跡と断面積を示している。   12 and 13 show the locus and cross-sectional area of the laser beam L when the curvatures of the vertical cylindrical lens 41 and the horizontal cylindrical lens 42 are equal.

このように構成された本実施形態においては、図12に示すように、位置a1に配意された垂直円筒レンズ42はレーザビームLをビーム軸直交方向(x方向)に集光し、x方向焦点位置cで垂直な楕円に像を結ぶ。   In the present embodiment configured as described above, as shown in FIG. 12, the vertical cylindrical lens 42 arranged at the position a1 condenses the laser beam L in the beam axis orthogonal direction (x direction) and the x direction. An image is formed in a vertical ellipse at the focal position c.

同様に、図12における位置a2に配意された水平円筒レンズ42はレーザビームLをビーム軸直交方向(y方向)に集光し、y方向焦点位置dで水平な楕円に像を結ぶ。この2種類の円筒レンズの組合せにより、図13にレーザビームの断面積101を示すように、垂直円筒レンズ41と同じ曲率の球面レンズをa1の位置に配置した場合の球面レンズビーム断面積102よりも常に大きくなる。   Similarly, the horizontal cylindrical lens 42 arranged at the position a2 in FIG. 12 condenses the laser beam L in the beam axis orthogonal direction (y direction) and forms an image in a horizontal ellipse at the y-direction focal position d. From the combination of the two types of cylindrical lenses, as shown in FIG. 13, the spherical lens beam cross-sectional area 102 when a spherical lens having the same curvature as that of the vertical cylindrical lens 41 is disposed at the position a1, as shown in the cross-sectional area 101 of the laser beam. Will always be bigger.

断面積102がブレークダウンを生じるエネルギ密度となる断面積101以下になっても、断面積101はこれに達しないためブレークダウンを生じることがないため、垂直円筒レンズ41および水平円筒レンズ42の焦点位置cおよびd以降でもレーザピーニング処理が可能となり、L´2はL´1よりも長い。   Even if the cross-sectional area 102 is equal to or smaller than the cross-sectional area 101 that is an energy density causing breakdown, the cross-sectional area 101 does not reach this, and therefore no breakdown occurs. Therefore, the focal points of the vertical cylindrical lens 41 and the horizontal cylindrical lens 42 Laser peening can be performed after positions c and d, and L′ 2 is longer than L′ 1.

図14は、本実施形態におけるビーム断面積を示している。この図14に示すように、垂直円筒レンズ41と水平円筒レンズ42との間隔を広げると、それぞれの焦点位置cおよびdの間隔が広がる。a1、a2の間隔はcとdの間で断面積101がレーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度となる断面積をs2よりも大きくならない範囲まで広げることが可能である。   FIG. 14 shows a beam cross-sectional area in the present embodiment. As shown in FIG. 14, when the distance between the vertical cylindrical lens 41 and the horizontal cylindrical lens 42 is increased, the distance between the focal positions c and d is increased. The interval between a1 and a2 can be expanded between c and d to a range where the cross-sectional area 101 becomes an energy density necessary for obtaining the effect of laser peening so as not to be larger than s2.

図15は水平円筒レンズ42の焦点距離を垂直円筒レンズ41よりも長くした例を示している。ここで、水平円筒レンズ42の焦点距離はcとdの間で断面積101がレーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度となる断面積をs2よりも大きくならない範囲で長くすることができる。   FIG. 15 shows an example in which the focal length of the horizontal cylindrical lens 42 is longer than that of the vertical cylindrical lens 41. Here, the focal length of the horizontal cylindrical lens 42 can be increased between c and d within a range in which the cross-sectional area 101 becomes an energy density necessary for obtaining the effect of laser peening so as not to be larger than s2. .

水平円筒レンズ42の焦点距離を垂直円筒レンズ41の焦点距離より短くすることも可能である。これらはピーニング処理可能な範囲の中心位置を変える効果があり、球面レンズにおいて焦点距離を変えることと同等の効果が得られる。   It is possible to make the focal length of the horizontal cylindrical lens 42 shorter than the focal length of the vertical cylindrical lens 41. These have the effect of changing the center position of the peening processable range, and the same effect as changing the focal length in the spherical lens can be obtained.

なお、垂直円筒レンズ41と水平円筒レンズ42はその円筒面を多角錐の外面と置き換えた多面体プリズムに置き換えてもよい。   The vertical cylindrical lens 41 and the horizontal cylindrical lens 42 may be replaced with a polyhedral prism in which the cylindrical surface is replaced with the outer surface of a polygonal pyramid.

本実施形態によれば、ブレークダウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光Lの光軸上の処理可能範囲を拡大したレーザピーニング用のレーザ照射装置を供給することができる。これにより焦点調整のための制御が単純化できるとともに、複雑形状の処理対象にもレーザピーニング処理が可能となる。また、被処理部材表面でのレーザ光の像として縦楕円と横楕円の条件を焦点調整機構によって選択できることにより、被処理部材表面形状に応じたレーザピーニング処理が可能となる。 According to the present embodiment, a laser irradiating apparatus for laser peening that expands the processable range on the optical axis of the laser beam L, which is an energy density range necessary for suppressing breakdown and obtaining the effect of laser peening, is provided. Can be supplied. As a result, control for focus adjustment can be simplified, and laser peening processing can be performed on a processing object having a complicated shape. Further, since the condition of the vertical ellipse and the horizontal ellipse can be selected as the image of the laser beam on the surface of the member to be processed by the focus adjustment mechanism, the laser peening process corresponding to the surface shape of the member to be processed can be performed.

[第4実施形態](図16および図17)
次に、本発明に係るレーザ照射装置の第4実施形態について図16および図17を参照して説明する。図16は照射ヘッド詳細図であり、図17は非直交配置シリンドリカル構成図である。なお第1実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
[Fourth Embodiment] (FIGS. 16 and 17)
Next, a fourth embodiment of the laser irradiation apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 16 is a detailed view of the irradiation head, and FIG. 17 is a non-orthogonal cylindrical configuration diagram. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図16に示すように、照射ヘッド11に搭載された垂直円筒レンズ41と水平円筒レンズ42はそれぞれ円筒中心軸をレーザビームLの光軸中心に回転させる中空超音波モータ45に組み込まれ、更に光学素子駆動機構26によってレーザビームLの光軸方向に直線移動する。   As shown in FIG. 16, the vertical cylindrical lens 41 and the horizontal cylindrical lens 42 mounted on the irradiation head 11 are each incorporated in a hollow ultrasonic motor 45 that rotates the central axis of the cylinder around the optical axis of the laser beam L, and further optically. The element drive mechanism 26 linearly moves in the optical axis direction of the laser beam L.

このように構成された本実施形態において、二つの中空超音波モータ45は互いに独立に動作することができるため、図17に示すように垂直円筒レンズ41と水平円筒レンズ42の円筒中心軸がなす角θは任意の角度に設定することができる。レーザビームLは紙面に対して表から裏に向かって進むものとする。また、二つの光学素子駆動機構26も同様に互いに独立に動作することができるため、2枚のシリンドリカルレンズの間隔を任意に変えることができる。なす角θが0でない限り、レーザ光Lは水平楕円焦点、垂直楕円焦点の二つの焦点位置をもつ。 In the present embodiment configured as described above, the two hollow ultrasonic motors 45 can operate independently from each other, and therefore, the cylindrical central axes of the vertical cylindrical lens 41 and the horizontal cylindrical lens 42 are formed as shown in FIG. The angle θ can be set to an arbitrary angle. It is assumed that the laser beam L travels from the front to the back with respect to the paper surface. Similarly, since the two optical element driving mechanisms 26 can operate independently from each other, the interval between the two cylindrical lenses can be arbitrarily changed. Unless the angle θ is not 0, the laser light L 1 has a horizontal oval focus, two focal positions of the vertical ellipse focus.

これらの間隔はなす角θによって決定されるため、中空超音波モータ45の回転角制御によってピーニング処理可能な範囲の中心位置を変える効果があり、球面レンズにおいて焦点距離を変えることと同等の効果が得られる。また、なす角θが0となるように制御することにより、レーザ光Lは光軸上の1箇所で一方向のみが集光され、その垂直方向には集光されない長楕円(ライン状)の像を得る。 Since these intervals are determined by the angle θ formed, there is an effect of changing the center position of the peening processable range by controlling the rotation angle of the hollow ultrasonic motor 45, and an effect equivalent to changing the focal length in the spherical lens is obtained. It is done. Further, by controlling the formed angle θ to be 0, the laser light L 1 is condensed in one direction at one place on the optical axis and is a long ellipse (line shape) that is not condensed in the vertical direction. Get a statue of.

光学素子駆動機構26によってレンズ間隔を変えることにより2枚組み合わせた組合せシリンドリカルレンズの焦点距離を可変にすることができ、ライン角度も中空超音波モータ45の回転角制御によって制御することができる。   By changing the lens interval by the optical element driving mechanism 26, the focal length of the combined cylindrical lens can be made variable, and the line angle can also be controlled by the rotation angle control of the hollow ultrasonic motor 45.

本実施形態によれば、ブレークダウンを抑制し、レーザピーニングの効果を得るために必要なエネルギ密度範囲となるレーザ光の光軸上の処理可能範囲を拡大したレーザピーニング用のレーザ照射装置を供給することができる。 According to the present embodiment, a laser irradiation apparatus for laser peening is provided that expands the processable range on the optical axis of the laser beam, which is an energy density range required for suppressing the breakdown and obtaining the effect of laser peening. can do.

また、レンズを交換することなく処理可能範囲を変えることができる。   Further, the processable range can be changed without exchanging the lens.

さらに、被処理部材13の表面でのレーザ光の像を楕円状とライン状の像を遠隔で切り替えることが可能となり、処理条件に応じたレーザピーニング処理を遠隔で選択することが可能となる。   Furthermore, it is possible to remotely switch the image of the laser beam on the surface of the member 13 to be processed between an elliptical shape and a line-shaped image, and it is possible to remotely select a laser peening process according to the processing conditions.

本発明の第1実施形態によるレーザ照射装置の全体構成図。1 is an overall configuration diagram of a laser irradiation apparatus according to a first embodiment of the present invention. 図1に示したレーザ照射装置の照射ヘッドを拡大して示す詳細図。FIG. 2 is an enlarged detailed view showing an irradiation head of the laser irradiation apparatus shown in FIG. 1. (a)は図2の多面体集光素子を示す正面図、(b)は(a)の縦断面図。(A) is a front view which shows the polyhedral condensing element of FIG. 2, (b) is a longitudinal cross-sectional view of (a). 図3に示した多面体集光素子のビーム軌跡を示す説明図。Explanatory drawing which shows the beam locus | trajectory of the polyhedral condensing element shown in FIG. 図3に示した多面体集光素子のビームウエストを示す説明図。Explanatory drawing which shows the beam waist of the polyhedral condensing element shown in FIG. 図3に示した多面体集光素子のビーム断面積を示す説明図。Explanatory drawing which shows the beam cross-sectional area of the polyhedral condensing element shown in FIG. (a),(b)は本発明の第2実施形態によるプリズム形状を示す説明図。(A), (b) is explanatory drawing which shows the prism shape by 2nd Embodiment of this invention. 図7に示した実施形態のビーム軌跡を示す説明図。Explanatory drawing which shows the beam locus | trajectory of embodiment shown in FIG. 図7に示した実施形態のビームウエストを示す説明図。Explanatory drawing which shows the beam waist of embodiment shown in FIG. 本発明の第3実施形態による照射ヘッドを示す詳細図。FIG. 5 is a detailed view showing an irradiation head according to a third embodiment of the present invention. 第3実施形態におけるレンズ構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the lens structure in 3rd Embodiment. 上記第3実施形態におけるビーム形状を示す説明図。Explanatory drawing which shows the beam shape in the said 3rd Embodiment. 上記第3実施形態におけるビーム断面積1を示す説明図。Explanatory drawing which shows the beam cross-sectional area 1 in the said 3rd Embodiment. 上記第3実施形態におけるビーム断面積2を示す説明図。Explanatory drawing which shows the beam cross-sectional area 2 in the said 3rd Embodiment. 上記第3実施形態におけるビーム断面積3を示す説明図。Explanatory drawing which shows the beam cross-sectional area 3 in the said 3rd Embodiment. 本発明の第4実施形態における照射ヘッド詳細図。Detailed view of an irradiation head in a fourth embodiment of the present invention. 上記第4実施形態における非直交配置シリンドリカル構成図。The non-orthogonal arrangement cylindrical block diagram in the said 4th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1‥レーザ発振器、2‥ビーム制御ユニット、3‥導光管、4‥水槽、5‥照射位置決め装置、6‥出力調整装置、7‥部分反射ミラー、8‥パワーメータ、9‥シャッタ、10‥反射ミラー、11‥照射ヘッド、12‥多面体集光素子、13‥被処理部材、14‥支柱、15‥水平駆動機構、16‥垂直駆動機構、17‥焦点調整機構、18‥防水ウインドウ、19‥拡大鏡、20‥凹面鏡、21‥凸面鏡、22‥光学素子マウント、23‥モータ、24‥ボールねじ、25‥リニアガイド、26‥光学素子駆動機構、27‥出口側防水ウインドウ、28‥噴射ノズル、30‥噴流、31‥小集光領域、32,33‥プロファイル、34‥浄化水供給チューブ、36‥同心円形状光学素子、37‥同心円集光領域、38‥ビームウエスト、41‥垂直円筒レンズ、42‥水平円筒レンズ、45‥中空超音波モータ、45A‥レーザ照射装置、L‥レーザビーム、L‥収束レーザ光、w‥水、SB‥サンプリングビーム。 1. Laser oscillator, 2. Beam control unit, 3. Light guide tube, 4. Water tank, 5. Irradiation positioning device, 6. Output adjustment device, 7. Partial reflection mirror, 8. Power meter, 9. Shutter, 10. Reflection mirror, 11... Irradiation head, 12 .. Polyhedral condensing element, 13... Member to be processed, 14 .. support, 15 .. horizontal drive mechanism, 16 .. vertical drive mechanism, 17. Magnifying mirror, 20 ... Concave mirror, 21 ... Convex mirror, 22 ... Optical element mount, 23 ... Motor, 24 ... Ball screw, 25 ... Linear guide, 26 ... Optical element driving mechanism, 27 ... Outlet side waterproof window, 28 ... Injection nozzle, DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Jet, 31 ... Small condensing area | region, 32, 33 ... Profile, 34 ... Purified water supply tube, 36 ... Concentric optical element, 37 ... Concentric-circle condensing area | region, 38 ... Beam waist, 1 ‥ vertical cylindrical lenses, 42 ‥ horizontal cylindrical lens, 45 ‥ hollow ultrasonic motor, 45A ‥ laser irradiation device, L ‥ laser beam, L 1 ‥ convergent laser beam, w ‥ water, SB ‥ sampling beam.

Claims (2)

パルス発振のレーザ光を集光して空間的エネルギ密度が高い状態とし、このレーザ光を表面が液体に接している固体材料に照射することにより発生するプラズマの圧力で当該固体材料の機械的強度を向上させるレーザ照射装置であって、レーザ光源と、このレーザ光源から出射されるレーザ光を伝送するレーザ光伝送手段と、前記固体材料に対するレーザ光の照射位置を任意に移動させる照射位置移動手段と、照射される前記レーザ光を集光する集光手段と、前記レーザ光を前記固体材料の表面に投影した際のレーザ投影面積を任意に調整する投影面積調整手段と、を備え、
前記集光手段は、前記レーザ光の光軸とこの光軸に垂直な第1の軸とを含む面に対して対称にレーザ光を屈折または回折または反射させる第一の光学素子と、
前記レーザ光の光軸に垂直であり、かつ前記第1の軸と異なる第2の軸とを含む面に対して対称にレーザ光を屈折、回折または反射させる第二の光学素子とを有し、
前記第一の光学素子および前記第二の光学素子のうち少なくとも1つの光学素子がレーザ光を空間的に分割するための領域として、その面同士が互いに不連続に接続された複数の面の組合せによって構成される領域を持ち、それぞれの面は分割したレーザ光が屈折、回折または反射によって集光する構成とされおり、
前記投影面積調整手段は、前記第一の光学素子と前記第二の光学素子のうち、少なくとも1つの素子を光軸を中心に回転させることで、前記第1の軸と前記第2の軸とが前記光軸に垂直な投影面上でなす角を変更するための回転機構であることを特徴とするレーザ照射装置。
The mechanical strength of the solid material is obtained by the pressure of the plasma generated by condensing the pulsed laser beam to a high spatial energy density and irradiating the solid material whose surface is in contact with the liquid. A laser light source, a laser light transmission means for transmitting laser light emitted from the laser light source, and an irradiation position moving means for arbitrarily moving the irradiation position of the laser light on the solid material And condensing means for condensing the irradiated laser light, and a projection area adjusting means for arbitrarily adjusting a laser projection area when the laser light is projected onto the surface of the solid material,
The condensing means includes a first optical element that refracts, diffracts, or reflects laser light symmetrically with respect to a plane including an optical axis of the laser light and a first axis perpendicular to the optical axis;
A second optical element that refracts, diffracts, or reflects the laser beam symmetrically with respect to a plane that is perpendicular to the optical axis of the laser beam and includes a second axis different from the first axis. ,
A combination of a plurality of surfaces whose surfaces are discontinuously connected to each other as a region for spatially dividing the laser light by at least one of the first optical element and the second optical element. Each surface has a structure in which the divided laser light is condensed by refraction, diffraction or reflection,
The projected area adjusting means rotates at least one of the first optical element and the second optical element about an optical axis, thereby causing the first axis and the second axis to be Is a rotation mechanism for changing the angle formed on the projection plane perpendicular to the optical axis.
前記回転機構は、前記第一の光学素子または前記第二の光学素子を回転させるモータと、前記モータを遠隔で制御する制御部である請求項1記載のレーザ照射装置。 The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the rotation mechanism is a motor that rotates the first optical element or the second optical element and a control unit that remotely controls the motor.
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