JP5580638B2

JP5580638B2 - 光出力減衰器

Info

Publication number: JP5580638B2
Application number: JP2010082076A
Authority: JP
Inventors: 典洋井上; 直晃福田; 俊夫滝谷
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011215287A

Description

本発明は、レーザビーム（光）の出力を減衰させる光出力減衰器に関するものである。

例えば、溶接などのレーザ加工では、被加工物に応じた出力（エネルギー）のレーザビームを照射する必要がある。この場合、レーザ発振器の出力等を調整することは可能であるが、レーザ発振器の出力等を調整した場合はレーザビームの質が変化する。そこで、レーザ発振器の出力等の条件はそのままで、レーザビームの出力（エネルギー）のみを制御する装置として、光出力減衰器が知られている。

この光出力減衰器として、例えば光透過率が位置に応じて段階的に変化する光強度減衰フィルタの所定位置に、光学部材により入力光を照射させることで、所定の減衰量に減衰した出力光を得るものが提案されている（例えば特許文献１）。

しかしながら、特許文献１で提案された光出力減衰器を、レーザ加工装置などのレーザ発振器と被加工物間で使用する場合、光出力減衰器に入射されたレーザビームは、一度、光強度減衰フィルタの所定位置に照射する必要がある。

従って、光出力減衰器から出射する出力光を被加工物側の適切な位置に照射するためには、再度光軸を位置決めする必要がある。特にレーザ加工工程の一部で光出力減衰器を使用する場合は、前記位置決め作業が煩雑であり、その間レーザ加工工程を中断する必要がある。

また、特許文献１で提案されているような透過型の光強度減衰フィルタを使用する場合は、大出力のレーザビームを透過し続けると、エネルギーの吸収によりフィルタが変形し、レーザビーム形状の変形や素子が破損するという問題もある。

特開２０１０−１４７４２号公報

本発明が解決しようとする問題点は、レーザ加工工程の途中に光強度減衰フィルタを配置する場合は、光出力減衰器からの出力光の光軸を再度位置決めする作業が必要で、その間レーザ加工工程を中断する必要があるという点である。また、光強度減衰フィルタに大出力のレーザビームを透過し続けると、エネルギーの吸収により光強度減衰フィルタが変形し、レーザビーム形状の変形や素子が破損するという点である。

本発明の光出力減衰器は、
光出力減衰器からの出力光の光軸を再度位置決めする作業を必要とせず、かつ、エネルギーの吸収による変形や破損を抑制できるようにするために、
入射するレーザビームを繰り返し反射させ、保有するエネルギーを段階的に減衰させて出射側に案内した後、入射する前記レーザビームの光軸と一致する光軸で出射するように、反射面を向かい合わせて配置したミラー対を複数組み合わせたことを最も主要な特徴としている。

本発明の光出力減衰器は、入射するレーザビームの光軸と一致する光軸で出射するように、反射面を向かい合わせて配置したミラー対を複数組み合わせることで、所定の減衰量のレーザビームを得ることとしている。従って、光出力減衰器からの出力光の光軸を再度位置決めする作業を必要としない。また、ミラー対を複数組み合わせることで、所定の減衰量のレーザビームを得るので、エネルギーの吸収による変形や破損を抑制できる。

本発明の光出力減衰器において、対をなすミラー間の間隔を変化可能に構成してレーザビームの前記反射回数を変化させる場合には、ミラー間の間隔を変化するという容易な操作で、円滑かつ適切な減衰量制御を行うことができる。

また、本発明の光出力減衰器において、対をなすミラーのうちの少なくとも一方のミラーが、反射面に異なる反射率を有する箇所を備えたものとすれば、よりきめ細やかな減衰量の制御が可能となる。

本発明では、光出力減衰器へのレーザビームの入射と出射の光軸が一致しているので、出力光の光軸を再度位置決めする作業が不要である。また、レーザビームを透過させず反射して出力光を減衰するので、透過型の光学素子により減衰できない波長のレーザ（CO₂レーザ等）であっても、ミラーの変形や破損が起きにくい構成で減衰できる。

レーザ発振器と被加工物の間に本発明の光出力減衰器を配置した場合を示した図である。は本発明の光出力減衰器の第２の例を説明する図である。本発明の光出力減衰器の第３の例を説明する図である。本発明の光出力減衰器の第４の例を説明する図である。（ａ）（ｂ）は本発明の光出力減衰器に適用する冷却手段を説明する図である。

本発明では、出力光の光軸の位置決めを要せず、エネルギーの吸収による変形や破損を抑制するという目的を、レーザビームを繰り返し反射させて保有するエネルギーを段階的に減衰させ、入射側の光軸と一致する光軸上に出射することで実現した。

以下、図１〜図５を用いて本発明の光出力減衰器を詳細に説明する。
図１はレーザ発振器と被加工物の間に本発明の光出力減衰器を配置した場合を示した図である。

図１において、１はレーザ発振器１１から出射されたレーザビーム１２ａを、被加工物１３に照射して加工するに際し、被加工物１３に応じたエネルギーのレーザビーム１２ｂに減衰する本発明の光出力減衰器であり、以下のような構成と成されている。なお、図１中の１４は本発明の光出力減衰器１から出射されたレーザビーム１２ｂを被加工物１３に向けて反射するミラーである。

２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、それぞれ前記レーザビーム１２ａを反射する例えば平面ミラーであり、２ａと２ｂ、３ａと３ｂがそれぞれ対となっている。これら対をなす平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂの、それぞれの反射面２ａａと２ｂａ，３ａａと３ｂａは、例えば共に同じ間隔を存して向かい合わせに平行に配置されている。そして、対をなす平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂ同士は、例えば二等辺三角形を形成するように左右対称な山形に配置されている。

このような構成とすることで、レーザビーム２ａは、対をなす平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂの、それぞれの反射面２ａａと２ｂａ，３ａａと３ｂａを繰り返し同じ角度で反射して、保有するエネルギーを段階的に減衰させる。また、入力側の光軸と出力側の光軸を一致させることができる。

本発明において、前記平面ミラー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの反射率は、目標とする減衰率と、レーザビームの条件、繰り返し反射回数を考慮して決定する。

但し、対をなす平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂの反射率はできる限り高くすることが好ましい。その理由は、平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂへのエネルギーの吸収を抑制し、平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂの変形劣化、損傷を防止するためである。

例えば図１に示す繰り返し反射回数が１２回の場合は、２ａ，３ａを反射率が９９％（透過率、光学損失が１％未満）の全反射ミラー、２ｂ，３ｂを反射率が９０％の部分反射ミラーとすると、透過率は入射側から、順次段階的に減衰し、５０．５％に減衰できる。

図１の例において繰り返し反射回数を４回とした場合の減衰率は７９．４％、同じく８回とした場合の減衰率は６３．０％、同じく１６回とした場合の減衰率は３９．７％、同じく２０回とした場合の減衰率は３１．５％となり、約１０％ずつ減衰できる。

上記構成の光出力減衰器１では、図２に示すように、図１に示した例から、対をなす平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂで形成する二等辺三角形の頂角のみをより鋭角にすれば、繰り返し反射回数が多くなる。

従って、部分反射の平面ミラー２ｂ，３ｂの反射率を全反射の平面ミラー２ａ，３ａの反射率に近づけた場合は、減衰量の変化を細かくすることができる。

例えば図２の例において、平面ミラー２ａ，３ａの反射率を９９％、平面ミラー２ｂ，３ｂの反射率を９８％とした場合の減衰率は以下のようになる。

繰り返し反射回数を４回とした場合：９４．１％、
繰り返し反射回数を８回とした場合：８８．６％、
繰り返し反射回数を１２回とした場合：８３．４％、
繰り返し反射回数を１６回とした場合：７７．７％、
繰り返し反射回数を２０回とした場合：７３．９％、

また、上記構成の光出力減衰器１において、対をなす平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂ間の間隔を、変化可能に構成した場合には、前記ミラー間の間隔を変化させることにより、減衰量を変化できる。

例えば図３に実線で示した例（繰り返し反射回数：８回）では、対をなす平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂの反射率を、前記図１で説明したのと同じ反射率とした場合、透過率は６３．０％に減衰できる。

一方、図３に想像線で示したように、対をなす平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂの間隔を大きくして繰り返し反射回数を４回とした場合は、減衰率は７９．４％になる。

さらに、減衰率が異なる又は同じ、対をなす平面ミラーを、レーザビーム１２ａの光路上に複数段配置しても良い。例えば図４に示すように、２段配置する場合、１段目の平面ミラー４ａａと４ａｂ，５ａａと５ａｂの少なくとも一方４ａｂと５ａｂを部分反射ミラー（例えば反射率８０％）、２段目の平面ミラー４ｂａと４ｂｂ，５ｂａと５ｂｂの少なくとも一方４ｂｂと５ｂｂを高反射ミラー（例えば反射率９９％）とする。この場合、１段目で所望の減衰率近傍まで減衰させ、２段目で所望の減衰率まで減衰すべく微調整を行う。なお、平面ミラー４ａａ，５ａａ，４ｂａ，５ｂａは全反射ミラーである。

なお、各平面ミラー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂには、エネルギー吸収による温度上昇を防ぐため、図５に示すように、冷却手段１５（例えば冷却水を流す等）が施されていることは言うまでもない。また、レーザビームを減衰させる必要がない場合は、光出力減衰器１をレーザビームの光軸から外れるように移動させればよい。

本発明は、上記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、上記の例では、対をなす平面ミラー２ａと３ａを全反射ミラー（反射率９９％）としたが、部分反射ミラーとしても良い。また、平面ミラー２ａと２ｂ、３ａと３ｂの形状、反射率等の条件は統一する必要はなく、用途や必要とされる減衰率に応じて適宜変更すれば良い。但し、対をなす平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂの形状、条件を統一しない場合は、対をなす平面ミラー２ａと２ｂ，３ａと３ｂの表面形状を部分的に変えて、常に出射側に導かれるようにする必要がある。

１光出力減衰器
２ａ，３ａ（全反射）平面ミラー
２ａａ，３ａａ反射面
２ｂ，３ｂ（部分反射）平面ミラー
２ｂａ，３ｂａ反射面
２ｂｂ，３ｂｂ異なる反射率の箇所
１２ａ，１２ｂレーザビーム

Claims

入射するレーザビームを繰り返し反射させ、保有するエネルギーを段階的に減衰させて出射側に案内した後、入射する前記レーザビームの光軸と一致する光軸で出射するように、反射面を向かい合わせて配置したミラー対を複数組み合わせたことを特徴とする光出力減衰器。
前記対をなすミラー間の間隔を変化可能に構成してレーザビームの前記反射回数を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光出力減衰器。
前記対をなすミラーのうちの少なくとも一方のミラーは、反射面に異なる反射率を有する箇所を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光出力減衰器。