JP5190421B2 - Compact thermal lens compensating head - Google Patents

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本発明は、金属板の切断や溶接などを行うレーザ加工において使用する加工ヘッドに関し、熱レンズ効果を補償した小型熱レンズ補償加工ヘッドに関する。   The present invention relates to a machining head used in laser machining for cutting or welding a metal plate, and to a small thermal lens compensating machining head that compensates for a thermal lens effect.

金属板の切断や溶接などを行うレーザ加工においては、高出力レーザ光を数百μm程度の範囲に収束させている。加工用レーザとしては、主としてCOレーザが使用されている。 In laser processing for cutting or welding a metal plate, high-power laser light is converged in a range of about several hundred μm. As a processing laser, a CO 2 laser is mainly used.

しかし、近年、波長のより短い、波長1μm帯の高出力ファイバレーザが使用されるようになっている。高出力ファイバレーザは、より高い輝度、金属による高い吸収率、短波長による高いパワー密度、より高い電気光変換効率、より小さい加工痕及びファイバによる供給の簡便さなどの利点を有する。   However, in recent years, a high-power fiber laser having a shorter wavelength and a wavelength of 1 μm has been used. The high power fiber laser has advantages such as higher brightness, higher absorption rate by metal, higher power density by shorter wavelength, higher electro-optical conversion efficiency, smaller processing marks and easy supply by fiber.

数kWのレーザ出力は、通常、多重モードファイバで供給される。しかし、最近では、単一横モードの高出力ファイバレーザが使用できるようになり、より小さいスポットにまで光束を収束でき、かつ、より長い焦点深度をもつことにより、加工速度の向上や、より板厚の厚い材料にも応用できるようになっている。   A laser power of several kW is usually supplied by a multimode fiber. Recently, however, single-transverse mode high-power fiber lasers can be used, which can focus the light beam to a smaller spot and have a longer depth of focus. It can be applied to thick materials.

ファイバレーザ出力の収束には、2枚のレンズからなる光学系が用いられている。第1のレンズはコリメータレンズ(CL)で、例えば、10cm以上の焦点距離を有する。コリメータレンズの役割は、ファイバ端から出射される発散光をcmオーダの平行ビームまでに集めることである。第2のレンズは、収束レンズ(FL)であり、光のパワーを加工点へ集中させるレンズである。収束レンズの表面には、加工対象物からの飛散物やほこりが吸着するのを防ぐために、透明な保護窓が設けられている。これらの光学系は、加工ヘッド(PH)と呼ばれる部分に取付けられている。   An optical system composed of two lenses is used to converge the fiber laser output. The first lens is a collimator lens (CL), and has a focal length of 10 cm or more, for example. The role of the collimator lens is to collect the divergent light emitted from the fiber end up to a parallel beam of the order of cm. The second lens is a converging lens (FL), and is a lens that concentrates the light power to the processing point. A transparent protective window is provided on the surface of the converging lens in order to prevent scattered objects and dust from the object to be adsorbed. These optical systems are attached to a portion called a processing head (PH).

なお、ワーク加工中に溶けて飛散する金属を取り除く目的で、高圧ガスの噴流が加工領域に吹きつけられる。   A jet of high-pressure gas is blown to the machining area for the purpose of removing the metal that melts and scatters during workpiece machining.

特許文献1には、レーザ発振器とレーザ加工ヘッドとの間の光路上に、コリメータレンズを光軸方向へ移動可能に設けたレーザビームのコリメータ装置において、コリメータレンズとレーザ加工ヘッドとの間の光路上に、光軸方向の複数箇所におけるレーザビームのビーム径を検出するためのレーザビーム解析装置を光軸方向へ移動自在に配置して設け、レーザビーム解析装置によって検出した複数箇所のビーム径に基いてレーザビームの収縮状態又は拡散状態を演算処理し、この演算結果に基いてコリメータレンズを光軸方向へ移動するためのサーボモータの制御を行う制御手段を設け、制御手段の制御の下にコリメータレンズが移動され調整されたレーザビーム径でレーザ加工ヘッドに入射する構成としたレーザビームのコリメータ装置が記載されている。   Patent Document 1 discloses a light beam between a collimator lens and a laser processing head in a collimator device for a laser beam in which a collimator lens is provided on an optical path between a laser oscillator and a laser processing head so as to be movable in the optical axis direction. On the road, a laser beam analyzer for detecting the beam diameter of the laser beam at a plurality of locations in the optical axis direction is provided so as to be movable in the optical axis direction, and the beam diameter at the plurality of locations detected by the laser beam analyzer is adjusted. A control means is provided for controlling the servo motor for calculating the contraction state or the diffusion state of the laser beam based on the calculation result and moving the collimator lens in the optical axis direction based on the calculation result. A collimator device for a laser beam having a configuration in which a collimator lens is moved and adjusted to be incident on a laser processing head with a laser beam diameter adjusted. It has been described.

特許文献2には、被加工面上のレーザ光の光径又は光面積を求め、上記光径又は光面積が所定の基準値からずれている場合は、レーザ光の焦点位置が基準となる設定位置からずれているとして、そのずれ量に応じて、レーザヘッドと被加工物とを相対移動させるようにし、このときのレーザヘッド又は被加工物の移動方向は、前回のレーザヘッド又は被加工物の移動方向と、この移動の前後に得られた光径又は光面積の変化とに基づいて決定するようにして、簡単な構造で、精度の高い焦点位置のずれの補正制御を行うことが可能なレーザ加工装置が記載されている。   In Patent Document 2, the light diameter or light area of the laser light on the surface to be processed is obtained, and when the light diameter or light area deviates from a predetermined reference value, the focal position of the laser light is set as a reference. Assuming that the laser head is displaced from the position, the laser head and the workpiece are moved relative to each other according to the amount of deviation, and the moving direction of the laser head or workpiece at this time is the previous laser head or workpiece. It is possible to perform a highly accurate correction control of the focal position deviation with a simple structure by determining based on the movement direction and the change in the light diameter or light area obtained before and after this movement. A simple laser processing apparatus is described.

特許第2970927号公報Japanese Patent No. 2970927 特開2002−239768号公報JP 2002-239768 A

ところで、レンズにおいては、レンズ材そのもの、あるいは、反射防止膜に、わずかな不純物が含まれており、これら不純物が入射するレーザ光を吸収して発熱する。熱の拡散は、放物面状の温度分布を形成する。これは、屈折率の温度依存によって、収束レンズによる効果に、熱レンズの効果が付け加わる。このような熱レンズを含むレンズの焦点距離fについては、以下の関係が成立する。
1/f=1/f+1/fTL
Incidentally, in the lens, the lens material itself or the antireflection film contains a small amount of impurities, and these impurities absorb the laser light incident thereon and generate heat. The diffusion of heat forms a parabolic temperature distribution. This is because the effect of the thermal lens is added to the effect of the convergent lens due to the temperature dependence of the refractive index. Regarding the focal length f of the lens including such a thermal lens, the following relationship is established.
1 / f = 1 / f L + 1 / f TL

ここで、fは、レンズ固有の焦点距離であり、fTLは、熱レンズによる焦点距離である。 Here, f L is a focal length specific to the lens, and f TL is a focal length of the thermal lens.

この現象は、熱レンズ効果として知られている。レーザ出力が変更されたり、レーザ発振が開始された直後では、熱レンズ効果が数十秒〜1分近くかかって形成され、その間は、焦点距離が変化する。この間、加工点表面での光パワー密度が変化し、切断や溶接の品質が変化する。このため、加工に入ることのできる定常状態になるまで待つ必要がある。   This phenomenon is known as the thermal lens effect. Immediately after the laser output is changed or laser oscillation is started, the thermal lens effect is formed taking several tens of seconds to nearly one minute, and the focal length changes during that time. During this time, the optical power density on the surface of the processing point changes, and the quality of cutting and welding changes. For this reason, it is necessary to wait until it reaches a steady state in which machining can be started.

光吸収をする不純物が無視できる程度にしか含まれない光学部品を使用すれば、熱レンズ効果は回避できる。しかし、そのような不純物のない材料は、製造困難であり、現実的な価格で入手することも困難である。そのため、熱レンズ効果を最小にする加工ヘッドの設計が望まれる。   The thermal lens effect can be avoided by using an optical component that contains negligible impurities that absorb light. However, such an impurity-free material is difficult to manufacture and difficult to obtain at a realistic price. Therefore, it is desirable to design a machining head that minimizes the thermal lens effect.

距離Lにわたって熱拡散により温度が定常状態に達するのに要する時間tについては、以下の関係が成立する。   Regarding the time t required for the temperature to reach a steady state by thermal diffusion over the distance L, the following relationship is established.

t∝L/D
ここで、Dは、レンズをなす材料の熱拡散係数であり、Lは、レンズの直径である。mmオーダの直径のレンズであれば、熱拡散の時間を短縮することができる。すなわち、レンズの温度が定常状態になるまでの時間を短縮することができる。
t∝L 2 / D
Here, D is the thermal diffusion coefficient of the material forming the lens, and L is the diameter of the lens. If the lens has a diameter of the order of mm, the heat diffusion time can be shortened. That is, the time until the lens temperature reaches a steady state can be shortened.

しかし、このような設計には、以下のような問題がある。まず、収束レンズの位置でビーム径が細いと、ターゲットのところでパワー密度が過分となり、焦点面までの距離が極めて短くなり、加工ヘッドの下端(終端)と加工対象物との間隔が狭くなり過ぎるため、レーザ加工ヘッドには適切でない。   However, such a design has the following problems. First, if the beam diameter is small at the position of the converging lens, the power density becomes excessive at the target, the distance to the focal plane becomes extremely short, and the distance between the lower end (end) of the processing head and the object to be processed becomes too narrow. Therefore, it is not suitable for a laser processing head.

次に、熱レンズ効果は、光パワー密度I〔W/cm〕に比例するので、入射ビーム径が小さくなるように設計すると、光パワー密度が大きくなり、熱レンズ効果が大きくなってしまうのである。 Next, since the thermal lens effect is proportional to the optical power density I [W / cm 2 ], if the design is made such that the incident beam diameter is small, the optical power density is increased and the thermal lens effect is increased. is there.

なお、収束レンズにおけるビーム占有領域や、光学系の充填率、すなわち、〔ビーム占有領域/レンズ占有領域〕を増加させることにより、光学部品内での光パワー密度の低下を図ることが提案されている。しかし、今日まで、現実のレーザ加工において熱レンズ効果を無視できるほどまで低下させることができる解決策はないのが実情である。   It has been proposed to reduce the optical power density in the optical component by increasing the beam occupation area in the converging lens and the filling ratio of the optical system, that is, [beam occupation area / lens occupation area]. Yes. However, to date, there is no solution that can reduce the thermal lens effect to a negligible level in actual laser processing.

別の解決策として、熱レンズ効果が形成される過程に合わせて、動的にコリメータレンズの位置、あるいは、加工ヘッドの位置を調整することにより、焦点移動を補償する方法がある。しかし、この方法では、レンズを光軸に沿って移動させる駆動装置が必要であり、また、加工対象物の焦点面でのビーム径を計測し、ビーム径を所定の大きさに維持するためのフィードバック回路が必要であるため、加工ヘッドの構成が複雑化、大型化してしまう。   As another solution, there is a method of compensating for the focal shift by dynamically adjusting the position of the collimator lens or the position of the processing head in accordance with the process in which the thermal lens effect is formed. However, this method requires a driving device that moves the lens along the optical axis, and measures the beam diameter at the focal plane of the workpiece and maintains the beam diameter at a predetermined size. Since a feedback circuit is required, the configuration of the machining head becomes complicated and large.

本発明は、高輝度、つまり、単一横(準単一横)モードレーザビームに対して熱レンズ効果による焦点の移動なしで補償することができる小型熱レンズ補償加工ヘッドを提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a compact thermal lens compensation processing head capable of compensating a high brightness, that is, a single transverse (quasi-single transverse) mode laser beam without moving the focal point due to the thermal lens effect. And

さらに、本発明は、熱レンズ効果が形成される遷移時間を、約1分程度から、1秒程度まで低下することができる小型熱レンズ補償加工ヘッドを提供することを目的とする。また、本発明は、透過する光学部品の全厚を薄くし、界面数を少なくすることにより、単一レンズ系、すなわち、レンズ群やウィンドウで吸収されるパワーの割合を低減することができ、また、小型化、軽量化が図られた小型熱レンズ補償加工ヘッドを提供することを目的とする。   Furthermore, an object of the present invention is to provide a small thermal lens compensation processing head capable of reducing the transition time for forming the thermal lens effect from about 1 minute to about 1 second. In addition, the present invention can reduce the ratio of power absorbed by a single lens system, that is, a lens group and a window, by reducing the total thickness of the optical component to be transmitted and reducing the number of interfaces. It is another object of the present invention to provide a compact thermal lens compensation processing head that is reduced in size and weight.

さらに、本発明は、小型に設計して、より迅速な加工が可能となり、かつ、電力消費量を減らことができる小型熱レンズ補償加工ヘッドを提供することを目的とする。   Furthermore, an object of the present invention is to provide a compact thermal lens compensation processing head that is designed to be small in size, enables faster processing, and can reduce power consumption.

本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドは、以下の構成を有するものである。   The small thermal lens compensating head according to the present invention has the following configuration.

〔構成1〕
高輝度レーザ、つまり、単一横モード、あるいは、準単一横モードのファイバレーザと、コリメータレンズ及び収束レンズからなりファイバレーザからのレーザビームが入射され加工対象物に該レーザビームを照射するレンズ系とを備え、コリメータレンズの焦点距離をfとしたときコリメータレンズの焦点距離f は、レンズから像のビームウェスト(ビーム最小半径の場所)までの距離z のf の変化に対する変化が0、つまり、〔d(z )/d(f )=0〕になるように設計されており、収束レンズは、コリメータレンズからの距離が2z になるように設置されており、収束レンズの焦点距離をfとし、コリメータレンズの入射面及び出射面でのビーム半径及び波面曲率半径を、(ω,R)、(ω,R)とし、収束レンズの入射面及び出射面でのビーム半径及び波面曲率半径を、(ω,R)、(ω,R)としたとき、
〔dω/df=0〕
が成立しており、fの変化をΔ(1/f)とし、fの変化をΔ(1/f)とし、Rの変化をΔ(1/R)とし、Rの変化をΔ(1/R)としたとき、
Δ(1/f)=Δ(1/R)+Δ(1/R
Δ(1/R)=Δ(1/f)−Δ(1/R)=0
が成立しており、コリメータレンズにおける熱レンズ効果による収束レンズの入射面での波面曲率の変化が、収束レンズ内で発生する熱レンズ効果により補償され、両レンズの中で起こる熱レンズ効果に対して、収束レンズの出射面での波面曲率が変化せず、収束レンズは、この収束レンズの出射面でのビーム半径が、コリメータレンズの焦点距離の変化に依らずに一定となる位置に配置されていることを特徴するものである。
[Configuration 1]
A high-intensity laser, that is, a single transverse mode or quasi-single transverse mode fiber laser, a lens comprising a collimator lens and a converging lens, which is irradiated with the laser beam from the fiber laser and irradiates the workpiece with the laser beam and a system, when the focal length of the collimator lens was set to f 1, the focal length f 1 of the collimator lens with respect to a change in f 1 of the distance z 1 from the lens to the beam waist of the image (beam minimum radius location) The change is 0, that is, [d (z 1 ) / d (f 1 ) = 0], and the converging lens is installed so that the distance from the collimator lens is 2z 1. , the focal length of the converging lens is f 2, the beam radius and wavefront radius of curvature of the incident surface and the exit surface of the collimator lens, (ω 1, R 1) , (ω 2, R ), And the beam radius and wavefront radius of curvature of the incident surface and the exit surface of the convergent lens, (omega 3, R 3), when the (omega 4, R 4),
[Dω 3 / df 1 = 0]
The change in f 1 is Δ (1 / f 1 ), the change in f 2 is Δ (1 / f 2 ), the change in R 3 is Δ (1 / R 3 ), and R 4 When the change in Δ is Δ (1 / R 4 ),
Δ (1 / f 2 ) = Δ (1 / R 3 ) + Δ (1 / R 4 )
Δ (1 / R 4 ) = Δ (1 / f 2 ) −Δ (1 / R 3 ) = 0
The change in wavefront curvature at the entrance surface of the converging lens due to the thermal lens effect in the collimator lens is compensated by the thermal lens effect generated in the converging lens. Therefore, the wavefront curvature at the exit surface of the convergent lens does not change, and the convergent lens is arranged at a position where the beam radius at the exit surface of the convergent lens is constant regardless of the change in the focal length of the collimator lens. It is characterized by being.

〔構成2〕
コリメータレンズ及び収束レンズは、それぞれ直径がmmであることを特徴するものである。
[Configuration 2]
Each of the collimator lens and the converging lens has a diameter of 1 mm.

本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドにおいては、構成1を有することにより、コリメータレンズにおける熱レンズ効果が収束レンズにおける熱レンズ効果により相殺されるため、熱レンズ効果による焦点位置移動が抑制される。これにより、レーザ光源に電源を投入した直後から、レーザ加工が可能になる。すなわち、本発明は、切断工程における生産性向上、再現性向上及び品質向上に寄与することができる。   In the small thermal lens compensation processing head according to the present invention, since the thermal lens effect in the collimator lens is offset by the thermal lens effect in the converging lens, the focal position movement due to the thermal lens effect is suppressed. . Thereby, laser processing becomes possible immediately after turning on the power to the laser light source. That is, the present invention can contribute to productivity improvement, reproducibility improvement, and quality improvement in the cutting process.

また、本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドにおいては、構成2を有することにより、ビーム半径が減少して加工ヘッドが小型化し、レンズ径が減少して加工ヘッドの軽量化が可能となる。これらにより、加工ヘッドの移動が簡便となり、加工ヘッドの加速と位置決めがより容易に行えるようになる。また、レンズの小型化に基づく熱拡散時間の短縮により、定常状態に至るまでの時間が短縮され、熱レンズ効果の形成時間が短縮される。すなわち、本発明は、切断工程における生産性向上、再現性向上及び品質向上に寄与することができる。   Further, in the small thermal lens compensating machining head according to the present invention, by having the configuration 2, the beam radius is reduced, the machining head is miniaturized, the lens diameter is reduced, and the machining head can be reduced in weight. As a result, the movement of the machining head is simplified and the machining head can be more easily accelerated and positioned. In addition, by shortening the thermal diffusion time based on the miniaturization of the lens, the time until the steady state is reached is shortened, and the time for forming the thermal lens effect is shortened. That is, the present invention can contribute to productivity improvement, reproducibility improvement, and quality improvement in the cutting process.

従来の加工ヘッドの構成を示す側面図であって、熱レンズ効果の有無による焦点距離の変化を説明する図である。It is a side view which shows the structure of the conventional process head, Comprising: It is a figure explaining the change of the focal distance by the presence or absence of a thermal lens effect. レンズの収束力に対するビームウェスト位置とその像位置でのビームウェストの相関図であり、位置は焦点距離で正規化されている。It is a correlation diagram of the beam waist position and the beam waist at the image position with respect to the convergence force of the lens, the position is normalized by the focal length. 本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドの実施例の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the Example of the small thermal lens compensation processing head which concerns on this invention. 本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドの実施例であって、収束レンズから約5cmの位置に置かれた加工対象物表面で約100μmの大きさのビーム径を実現できる構成を示す側面図である。FIG. 4 is a side view showing an example of a small thermal lens compensation processing head according to the present invention, which can realize a beam diameter of about 100 μm on the surface of an object to be processed placed at a position of about 5 cm from the convergent lens. is there.

図1は、従来の加工ヘッドの構成を示す側面図であって、熱レンズ効果の有無による焦点距離の変化を説明する図である。図1において、実線は熱レンズ効果のない場合で、破線は熱レンズ効果がある場合を示す。焦点の変化量は、コリメータレンズと収束レンズの熱レンズ効果が重畳することで発生する。   FIG. 1 is a side view showing a configuration of a conventional processing head, and is a diagram for explaining a change in focal length depending on the presence or absence of a thermal lens effect. In FIG. 1, a solid line indicates a case without a thermal lens effect, and a broken line indicates a case with a thermal lens effect. The amount of change in focus is generated by superimposing the thermal lens effects of the collimator lens and the converging lens.

本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドは、金属板の切断や溶接などを行うレーザ加工において使用されるものであって、コリメータレンズ7及び収束レンズ8を有して構成され、高輝度、つまり、単一横モードビーム、あるいは、準単一横モードビームに適用される。   The small thermal lens compensation processing head according to the present invention is used in laser processing for cutting or welding a metal plate, and has a collimator lens 7 and a converging lens 8, and has high brightness, that is, Applied to a single transverse mode beam or a quasi-single transverse mode beam.

まず、高輝度、つまり、単一横モードビーム、あるいは、準単一横モードビームは、多重モードビームに比較して、より高い空間的コヒーレンスを有し、長焦点収束レンズを使用しても、より小径のスポットサイズにまで収束できる。その上、図4に示すように、サブミリの径の入射ビームを収束レンズから数cm離れた位置において、100μm径の大きさに絞ることができる設計が可能になる。   First, high brightness, ie single transverse mode beam or quasi-single transverse mode beam has higher spatial coherence compared to multimode beam, It is possible to converge to a smaller spot size. In addition, as shown in FIG. 4, it is possible to design the incident beam having a diameter of sub millimeters to be reduced to a size of 100 μm at a position several cm away from the focusing lens.

次に、本発明においては、高輝度、つまり、単一横(準単一横)モードのガウス型ビームに対して、収束レンズ及びコリメータレンズの位置の最適設計により、熱レンズ効果を一次近似ではキャンセルすることができる。   Next, in the present invention, the thermal lens effect is first-order approximated by optimizing the positions of the converging lens and the collimating lens for a Gaussian beam having a high luminance, that is, a single transverse (quasi-single transverse) mode. Can be canceled.

焦点距離fのレンズにおいて、対象の位置と像のビームウェスト位置(ビーム最小半径の場所)とに関するレンズ公式は、以下の通りである。
1/〔z+{z /(z−f)}〕+(1/z)=(1/f) ・・・・(式1)
For a lens with a focal length f, the lens formula for the object position and the image beam waist position (the location of the minimum beam radius) is:
1 / [z 0 + {z R 2 / (z 0 −f)}] + (1 / z 1 ) = (1 / f) (Equation 1)

ここで、zは、レンズから対象までの距離を表し、zは、レンズから像のビームウェストまでの距離を表し、z〔=πω /Mλ〕は、レーリー長(ビーム拡がりを表す)パラメータである。λは、波長であり、ωは、ビームウェスト径である。Mは、品質パラメータで、ビーム伝搬(拡散)というパラメータである。なお、単一横モードと準単一横モードの場合は、M≒1であるが、このことは、本発明に制限を与えるものではない。短いレーリー長、つまり、〔z<<|z(z−f)|1/2〕に対しては、上記のレンズ公式としては、以下のような、よく知られた幾何光学のレンズ公式が有効となる。
(1/z)+(1/z)=(1/f) ・・・・(式2)
Here, z 0 represents the distance from the lens to the object, z 1 represents the distance from the lens to the beam waist of the image, and z R [= πω 0 2 / M 2 λ] represents the Rayleigh length (beam Parameter). λ is the wavelength, and ω 0 is the beam waist diameter. M 2 is a quality parameter, which is a parameter called beam propagation (diffusion). In the single transverse mode and the quasi-single transverse mode, M 2 ≈1, but this does not limit the present invention. For short Rayleigh lengths, that is, [z R << | z 0 (z 0 -f) | 1/2 ], the lens formula described above is a well-known geometric optical lens as follows: The formula becomes valid.
(1 / z 0 ) + (1 / z 1 ) = (1 / f) (Equation 2)

図2は、レンズの収束力に対するビームウェスト位置とその像位置でのビームウェストの相関図であり、位置は焦点距離で正規化されている。   FIG. 2 is a correlation diagram of the beam waist position with respect to the convergence force of the lens and the beam waist at the image position, and the position is normalized by the focal length.

多重モードビームとは異なり、幾何光学的には、ガウス型ビームの場合には、図2に示すように、ビームウェスト径ωのビームを絞ることのきできる焦点距離には限界最大値がある。なお、図2中の下図は、問題とするビームウェストの位置を示している。 Unlike a multimode beam, geometrically, in the case of a Gaussian beam, as shown in FIG. 2, there is a limit maximum value for the focal length at which a beam with a beam waist diameter ω 0 can be narrowed. . The lower diagram in FIG. 2 shows the position of the beam waist in question.

ここで、以下の(式3)に示すように、ウェスト位置zがfの変化に対して一定であるようなコリメータレンズLの焦点距離を選ぶことができる。
d(z)/d(f)=0 ・・・・(式3)
Here, as shown in the following (Formula 3), the focal length of the collimator lens L 1 can be selected such that the waist position z 1 is constant with respect to the change of f 1 .
d (z 1 ) / d (f 1 ) = 0 (Expression 3)

この距離zは、以下のように、レーリパラメータに等しい。
=πω02 /Mλ≒πω02 /λ
This distance z 1 is equal to the Rayleigh parameter as follows:
z 1 = πω 02 2 / M 2 λ≈πω 02 2 / λ

ここで、ω02=ω/√2、ωはビーム半径である。しかし、ω02(像の側のビームウェスト径)は一定ではなく、レンズの収束力(1/f)が増加するに伴い単調に減少する。 Here, ω 02 = ω 2 / √2, ω 2 is the beam radius. However, ω 02 (the beam waist diameter on the image side) is not constant and decreases monotonously as the lens convergence force (1 / f 1 ) increases.

しかしながら、熱レンズ効果に対してビームウェスト位置とビームの大きさが一定である限り、適切な位置に第2のレンズ、つまり、収束レンズ(8)を置くことによって、結果として一定に保つことができる。コリメータレンズ(7)と収束レンズ(8)とは、それらの入射位置及び出射位置でビーム径を変えずに波面の形状だけを次式にしたがって変える働きがある。
(1/f)=(1/R)+(1/R
(1/f)=(1/R)+(1/R) ・・・・(式4)
However, as long as the beam waist position and the beam size are constant with respect to the thermal lens effect, placing the second lens, i.e. the converging lens (8) in the proper position, can be kept constant as a result. it can. The collimator lens (7) and the converging lens (8) have a function of changing only the wavefront shape according to the following equation without changing the beam diameter at the incident position and the exit position.
(1 / f 1 ) = (1 / R 1 ) + (1 / R 2 )
(1 / f 2 ) = (1 / R 3 ) + (1 / R 4 ) (Equation 4)

ここで、R(1)は、コリメータレンズの入射波面曲率半径であり、R(2)は、コリメータレンズの出射波面曲率半径であり、R(3)は、収束レンズの入射波面曲率半径であり、R(4)は、収束レンズの出射波面曲率半径である。 Here, R 1 (1) is the incident wavefront radius of curvature of the collimator lens, R 2 (2) is the outgoing wavefront radius of curvature of the collimator lens, and R 3 (3) is the incident wavefront curvature of the convergent lens. R 4 (4) is the outgoing wavefront curvature radius of the converging lens.

本発明においては、収束レンズを、コリメータレンズからの距離が以下を満たすように設置する。   In the present invention, the converging lens is installed so that the distance from the collimator lens satisfies the following.

(1)コリメータレンズの焦点距離の変化に対して、収束レンズ入射面でのビーム径が変化しないこと、すなわち、〔dω/df=0〕・・・(式3)が成立する。 (1) The beam diameter at the entrance surface of the convergent lens does not change with respect to the change in the focal length of the collimator lens, that is, [dω 3 / df 1 = 0] (Equation 3) holds.

(2)fの変化、すなわち、Δ(1/f)は、収束レンズ入射面で波面に付加的な曲率変化、Δ(1/R)をもたらす。これは、収束レンズの出射面での波面曲率の変化Δ(1/R)がキャンセルされるように、1/fの変化、すなわち、Δ(1/f)により補償される。つまり、(式4)から、以下が導かれる。
Δ(1/f)=Δ(1/R)+Δ(1/R
Δ(1/R)=Δ(1/f)−Δ(1/R)=0
(2) The change in f 1 , that is, Δ (1 / f 1 ) causes an additional curvature change, Δ (1 / R 3 ), on the wavefront at the convergent lens entrance surface. This is compensated by a 1 / f 2 change, ie, Δ (1 / f 2 ), so that a wavefront curvature change Δ (1 / R 4 ) at the exit surface of the converging lens is cancelled. That is, the following is derived from (Equation 4).
Δ (1 / f 2 ) = Δ (1 / R 3 ) + Δ (1 / R 4 )
Δ (1 / R 4 ) = Δ (1 / f 2 ) −Δ (1 / R 3 ) = 0

(3)収束レンズの出射面でビーム径と波面曲率が一定であるので、収束レンズ以降のどの位置でも、ビームは、結果的に設計通りとなる。こうして、熱レンズ効果、あるいは、他の原因により収束力が変化しても、一次近似として焦点距離の変化は発生しない。 (3) Since the beam diameter and the wavefront curvature are constant on the exit surface of the converging lens, the beam is as designed at any position after the converging lens. Thus, even if the convergence force changes due to the thermal lens effect or other causes, the focal length does not change as a primary approximation.

図3は、本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドの実施例の構成を示す側面図である。図3において、実線は定常のビームウェスト位置9をもつビーム拡がり形状を表し、破線はコリメータレンズ7の収束力がやや増加した場合のビーム拡がり形状を示している。   FIG. 3 is a side view showing the configuration of an embodiment of the small thermal lens compensating head according to the present invention. In FIG. 3, the solid line represents the beam divergence shape having the steady beam waist position 9, and the broken line represents the beam divergence shape when the converging force of the collimator lens 7 is slightly increased.

この小型熱レンズ補償加工ヘッドにおいては、以下に説明するように、収束レンズ8における熱レンズ効果は、入射面3での波面曲率の増加を補償し、収束レンズ8以降のビーム拡がりに何ら影響を及ぼさない。   In this small thermal lens compensating head, as will be described below, the thermal lens effect in the converging lens 8 compensates for an increase in the wavefront curvature at the entrance surface 3 and has no effect on the beam divergence after the converging lens 8. Does not reach.

この小型熱レンズ補償加工ヘッドにおいては、単一横モードファイバ6から、コヒーレントなガウス型ビーム5が出射される。ガウス型ビームは、どの位置においても、その断面でのビーム半径ωと波面曲率半径Rにより特徴付けられる。コリメータレンズ7は、2mm乃至3mmの焦点距離fをもち、その直径(レンズ径)は1mm程度である。収束レンズ8は、焦点距離がfであり、これも1mm程度の直径である。各位置(1),(2),(3),(4)、つまり、コリメータレンズ7及び収束レンズ8の入射面及び出射面でのビーム半径及び波面曲率半径を、それぞれ(ω,R)、(ω,R)、(ω,R)、(ω,R)とする。 In this small thermal lens compensation processing head, a coherent Gaussian beam 5 is emitted from a single transverse mode fiber 6. A Gaussian beam is characterized by a beam radius ω and a wavefront curvature radius R in its cross section at any position. The collimator lens 7 has a focal length f 1 of 2 mm to 3 mm, and its diameter (lens diameter) is about 1 mm. The converging lens 8 has a focal length of f 2 and has a diameter of about 1 mm. The beam radius and the wavefront curvature radius at each of the positions (1), (2), (3), (4), that is, the incident surface and the exit surface of the collimator lens 7 and the converging lens 8, are (ω 1 , R 1 ), (Ω 2 , R 2 ), (ω 3 , R 3 ), (ω 4 , R 4 ).

コリメータレンズ7の焦点距離fは、その距離変化に対するビームウェスト位置zの変化が0、つまり、(式3)より、〔d(z)/d(f)=0〕になるように設計されている。収束レンズ8は、コリメータレンズ7からの距離2z、すなわち、ビームウェスト位置9に対称位置になるように設置される。そうすると、位置(1),(2),(3),(4)におけるビーム半径は、全て等しくなる。つまり、〔ω=ω=ω=ω〕であり、fの変化Δfに対して不変になる。熱レンズ効果により、コリメータレンズ7の収束力が、Δ(1/f)のように変化する。(式4)から、これは、コリメータレンズ7以降(図3における位置(2)以降)の波面曲率の増加Δ(1/R)を招く。なお、Rは熱レンズ効果の影響を受けない。つまり、Δ(1/R)=0である。
Δ(1/R)=Δ(1/f) ・・・・(式5)
The focal length f 1 of the collimator lens 7 is such that the change in the beam waist position z 1 with respect to the change in the distance is 0, that is, [d (z 1 ) / d (f 1 ) = 0] from (Equation 3). Designed to. The converging lens 8 is installed so as to be symmetrical with respect to the distance 2z 1 from the collimator lens 7, that is, the beam waist position 9. Then, the beam radii at the positions (1), (2), (3), and (4) are all equal. That is, [ω 1 = ω 2 = ω 3 = ω 4 ], which is invariant to the change Δf 1 of f 1 . Due to the thermal lens effect, the converging force of the collimator lens 7 changes as Δ (1 / f 1 ). From (Equation 4), this leads to an increase Δ (1 / R 2 ) in wavefront curvature after the collimator lens 7 (after position (2) in FIG. 3). R 1 is not affected by the thermal lens effect. That is, Δ (1 / R 1 ) = 0.
Δ (1 / R 2 ) = Δ (1 / f 1 ) (Formula 5)

一次近似では、最小ビームウェスト位置zは変化しない。このため、位置(3)での波面曲率の変化は、対称性により、位置(2)での変化と同じであり、以下のように示される。
Δ(1/R)=Δ(1/R) ・・・・(式6)
In the first order approximation, the minimum beam waist position z 1 does not change. For this reason, the change in the wavefront curvature at the position (3) is the same as the change at the position (2) due to symmetry, and is expressed as follows.
Δ (1 / R 3 ) = Δ (1 / R 2 ) (Expression 6)

同様に、RとRは、(式4)を満たしているため、以下が成立する。
Δ(1/R)=Δ(1/f)−Δ(1/R
Similarly, since R 3 and R 4 satisfy (Equation 4), the following holds.
Δ (1 / R 4 ) = Δ (1 / f 2 ) −Δ (1 / R 3 )

そして、(式5)及び(式6)から、次式を得る。
Δ(1/R)=Δ(1/f)−Δ(1/f) ・・・・(式7)
Then, the following expression is obtained from (Expression 5) and (Expression 6).
Δ (1 / R 4 ) = Δ (1 / f 2 ) −Δ (1 / f 1 ) (Expression 7)

両方のレンズ7,8での光パワー密度は同じであり、各レンズ7,8は同一材料で作成され、厚さもほぼ同一であるので、同程度の熱レンズ効果が発生する。つまり、以下が成立する。
Δ(1/f)=Δ(1/f
The optical power density of both the lenses 7 and 8 is the same, and the lenses 7 and 8 are made of the same material and have substantially the same thickness. Therefore, the same thermal lens effect is generated. That is, the following holds.
Δ (1 / f 1 ) = Δ (1 / f 2 )

そうすると、(式7)から、〔Δ(1/R)=0〕となる。こうして、位置(4)でのビームウェスト半径ω及び波面曲率Rは、一定で変化しないことがわかる。すなわち、収束レンズ8以降のビームは、一定となり、設計値を保つことになる。 Then, from (Equation 7), [Δ (1 / R 4 ) = 0]. Thus, it can be seen that the beam waist radius ω 4 and the wavefront curvature R 4 at the position (4) are constant and do not change. That is, the beam after the converging lens 8 is constant, and the design value is maintained.

この設計では、各レンズ7,8内での光吸収の量を知る必要がないばかりか、熱レンズ効果の大きさも知る必要がない。また、この設計は、収束レンズ8の焦点距離fに依存しない。 In this design, it is not necessary to know the amount of light absorption in each lens 7, 8, and it is not necessary to know the magnitude of the thermal lens effect. Further, this design does not depend on the focal length f 2 of the converging lens 8.

図4は、本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドの実施例であって、収束レンズから約5cmの位置に置かれた加工対象物表面で約100μmの大きさのビーム径を実現できる構成を示す側面図である。   FIG. 4 shows an embodiment of a small thermal lens compensation processing head according to the present invention, which has a configuration capable of realizing a beam diameter of about 100 μm on the surface of the processing object placed at a position of about 5 cm from the converging lens. FIG.

この実施例においては、単一横モードファイバ6から、ビーム半径ω01が12μm、波長λが1.1μmのガウス型ビーム5が供給される。コリメータレンズ7及び収束レンズ8間の距離は、z 2z 30cmである。ビームウェスト9の半径ω02は、229μm、それぞれのレンズ位置、各面(1),(2),(3),(4)でのビーム半径ω=√(2zλ/π)=324μmに対して、zは、15cmとなる。z軸に沿うガウス型ビームのビーム半径ωは、次のように変化する。
ω=ω√(1+z /z
In this embodiment, a Gaussian beam 5 having a beam radius ω 01 of 12 μm and a wavelength λ of 1.1 μm is supplied from a single transverse mode fiber 6. The distance between the collimator lens 7 and the converging lens 8 is z 1 + z 1 = 2z 1 = 30 cm. The radius ω 02 of the beam waist 9 is 229 μm, the respective lens positions, the beam radius ω = √ (2z 1 λ / π) = 324 μm at each surface (1), (2), (3), (4). On the other hand, z 1 is 15 cm. The beam radius ω 1 of the Gaussian beam along the z-axis changes as follows.
ω 1 = ω 0 √ (1 + z 0 2 / z R 2 )

これから、もし、コリメータレンズ7がファイバ端からz=11mmの位置に置かれると、ビーム半径ωは、324μmとなる。位置(1)での曲率半径Rは、以下のようになる。
=z{1+(z /z )}≒z
From this, if the collimator lens 7 is placed at a position of z 0 = 11 mm from the fiber end, the beam radius ω becomes 324 μm. The radius of curvature R 1 at position (1) is as follows.
R 1 = z 0 {1+ (z R 2 / z 0 2 )} ≈z 0

これから、R=11mmとなる。こうして、fの値は、(式4)から得られ、f=11mmとなる。そこで、もし、金属面でω03=50μmの大きさのスポットを得たければ、同様の計算により、tz=4.6mm、f=41mmを得る。 From this, R 1 = 11 mm. Thus, the value of f 1 is obtained from (Equation 4), and f 1 = 11 mm. Therefore, if it is desired to obtain a spot having a size of ω 03 = 50 μm on the metal surface, tz 2 = 4.6 mm and f 2 = 41 mm are obtained by the same calculation.

なお、図3及び図4に示した実施例は、本発明の応用を制限するものではない。特に、コリメータレンズ7の熱レンズ効果と収束レンズ8の熱レンズ効果とが同じでない場合でも、各レンズ位置の設定及び焦点距離の設計により、熱レンズ効果の補償は常に可能である。   Note that the embodiments shown in FIGS. 3 and 4 do not limit the application of the present invention. In particular, even when the thermal lens effect of the collimator lens 7 and the thermal lens effect of the converging lens 8 are not the same, it is always possible to compensate for the thermal lens effect by setting each lens position and designing the focal length.

本発明は、金属板の切断や溶接などに用いるレーザ加工において使用される。   The present invention is used in laser processing used for cutting or welding a metal plate.

5 ガウス型ビーム
6 単一横モードファイバ
7 コリメータレンズ
8 収束レンズ
9 ビームウェスト位置
5 Gaussian beam 6 Single transverse mode fiber 7 Collimator lens 8 Converging lens 9 Beam waist position

Claims (2)

高輝度、つまり、単一横モード、あるいは、準単一横モードのファイバレーザと、
コリメータレンズ及び収束レンズからなり、前記ファイバレーザからのレーザビームが入射され、加工対象物に該レーザビームを照射するレンズ系と
を備え、
前記コリメータレンズの焦点距離をfとしたとき前記コリメータレンズの焦点距離f は、レンズから像のビームウェスト(ビーム最小半径の場所)までの距離z のf の変化に対する変化が0、つまり、〔d(z )/d(f )=0〕になるように設計されており、
前記収束レンズは、前記コリメータレンズからの距離が2z になるように設置されており、
前記収束レンズの焦点距離をfとし、前記コリメータレンズの入射面及び出射面でのビーム半径及び波面曲率半径を、(ω,R)、(ω,R)とし、前記収束レンズの入射面及び出射面でのビーム半径及び波面曲率半径を、(ω,R)、(ω,R)としたとき、
〔dω/df=0〕
が成立しており、
の変化をΔ(1/f)とし、fの変化をΔ(1/f)とし、Rの変化をΔ(1/R)とし、Rの変化をΔ(1/R)としたとき、
Δ(1/f)=Δ(1/R)+Δ(1/R
Δ(1/R)=Δ(1/f)−Δ(1/R)=0
が成立しており、
前記コリメータレンズにおける熱レンズ効果による前記収束レンズの入射面での波面曲率の変化が、前記収束レンズ内で発生する熱レンズ効果により補償され、両レンズの中で起こる熱レンズ効果に対して、収束レンズの出射面での波面曲率が変化せず、
前記収束レンズは、この収束レンズの出射面でのビーム半径が、前記コリメータレンズの焦点距離の変化に依らずに一定となる位置に配置されている
ことを特徴する小型熱レンズ補償加工ヘッド。
High intensity, ie single transverse mode or quasi-single transverse mode fiber laser;
A lens system comprising a collimator lens and a converging lens, a laser beam from the fiber laser being incident, and irradiating the workpiece with the laser beam;
When the focal length of the collimator lens was set to f 1, the focal length f 1 of the collimator lens is changed with respect to a change in f 1 of the distance z 1 to beam waist image (beam minimum radius location) from the lens is 0 That is, it is designed to be [d (z 1 ) / d (f 1 ) = 0],
The convergent lens is installed so that the distance from the collimator lens is 2z 1 ;
Wherein the focal length of the converging lens is f 2, the beam radius and wavefront radius of curvature of the incident surface and the exit surface of the collimator lens, and (ω 1, R 1), (ω 2, R 2), wherein the converging lens When the beam radius and the wavefront curvature radius at the entrance surface and the exit surface are (ω 3 , R 3 ) and (ω 4 , R 4 ),
[Dω 3 / df 1 = 0]
Is established,
The change in f 1 is Δ (1 / f 1 ), the change in f 2 is Δ (1 / f 2 ), the change in R 3 is Δ (1 / R 3 ), and the change in R 4 is Δ (1 / R 4 )
Δ (1 / f 2 ) = Δ (1 / R 3 ) + Δ (1 / R 4 )
Δ (1 / R 4 ) = Δ (1 / f 2 ) −Δ (1 / R 3 ) = 0
Is established,
The change of the wavefront curvature at the entrance surface of the convergent lens due to the thermal lens effect in the collimator lens is compensated by the thermal lens effect generated in the convergent lens, and converges with respect to the thermal lens effect occurring in both lenses. The wavefront curvature at the exit surface of the lens does not change,
The converging lens is disposed at a position where the beam radius on the exit surface of the converging lens is constant regardless of the change in the focal length of the collimator lens.
前記コリメータレンズ及び収束レンズは、それぞれ直径が1mmである
ことを特徴する請求項1記載の小型熱レンズ補償加工ヘッド。
The small thermal lens compensation processing head according to claim 1, wherein each of the collimator lens and the converging lens has a diameter of 1 mm.
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