JP6104489B1 - レーザ装置及びレーザ加工機 - Google Patents
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Abstract
レーザ装置（１）は、励起光であるレーザ光（Ｌａ）を出射する光源（２）と、光源（２）が出射したレーザ光（Ｌａ）が入射されるレーザ媒質（３）と、光源（２）が出射したレーザ光（Ｌａ）をレーザ媒質（３）に入射させる励起光学系（４）と、を備える。励起光学系（４）は、レーザ媒質（３）のレーザ光（Ｌａ）が入射する端面（３ａ，３ｂ）におけるレーザ光（Ｌａ）の強度分布を、レーザ光（Ｌａ）の光軸を中心とする周方向の全周に亘って、光軸上のレーザ光（Ｌａ）の強度よりも強い強度分布を光軸の外周方向に形成するコリメートレンズ及び集光レンズを備える。コリメートレンズ及び集光レンズは、球面レンズである。
Description
本発明は、レーザ光を発生するレーザ装置及びレーザ加工機に関する。
レーザ加工機には、加工ヘッドから加工対象物に照射されるレーザ光を発生するレーザ装置が用いられている（特許文献１参照）。特許文献１に示されたレーザ装置は、レーザ媒質、励起光を発生する光源、励起光学系、高反射ミラー、及び出力ミラーを備える。特許文献１に示されたレーザ装置は、ファイバ結合型半導体レーザを光源として用い、光ファイバから出射された励起光を、励起光学系を介してレーザ媒質に入射することにより、レーザ媒質を光学的に励起する。特許文献１に示されたレーザ装置の励起光学系からレーザ媒質に入射する励起光の強度分布は、光軸を含む中央部の強度が一定であるトップハット形状、又は強度がガウス分布状であるガウス形状である。
特許文献１に示されたレーザ装置は、レーザ媒質に励起光を入射させると、レーザ媒質が励起光を吸収して、発熱する。レーザ装置は、レーザ媒質の側面を冷却する場合、レーザ媒質の励起光の光軸を通りかつ光軸と平行な断面における中央の温度が、光軸の周縁部よりも高くなる。通常、レーザ媒質の屈折率は、温度と比例する。レーザ媒質は、レーザ媒質の光軸を通りかつ光軸と平行な断面において温度の勾配が発生すると、屈折率にも勾配が生じ、光学的にレンズとして機能する。レーザ媒質が温度の勾配によりレンズとして機能することを熱レンズと呼ぶ。
特許文献１に示されたレーザ装置は、高反射ミラーの曲率、出力ミラーの曲率、レーザ媒質と高反射ミラーとの間の距離、及びレーザ媒質と出力ミラーとの間の距離とが一定の場合、安定動作範囲がレーザ媒質の熱レンズの作用によって決定される。レーザ装置は、安定動作範囲を超えて、レーザ媒質の熱レンズの作用が強くなると、安定なレーザ光の発振を維持することは困難となる。このために、特許文献１に示されたレーザ装置は、励起光の出力を増加させると熱レンズの作用が強くなるために、励起光の出力を増加させることが困難で、高出力な発振光を出射することが困難であった。
特許文献１に示されたレーザ装置は、レーザ媒質の熱レンズの作用を弱くすることができれば、励起光の出力を上げることができ、高出力レーザ発振が可能となる。特許文献１に示されたレーザ装置は、励起光のビーム径を大きくすることで、レーザ媒質の熱レンズの作用を弱くすることができる。しかし、特許文献１に示されたレーザ装置は、高反射ミラーと出力ミラーとの間で往復する発振光に対して励起光のビーム径を大きくすると、発振光のビーム品質が低下するということが知られている。
このように、特許文献１に示されたレーザ装置は、ビーム品質を低下させることなく、高出力な発振光を得ることが困難という問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ビーム品質を低下させることなく、高出力な発振光を得ることができるレーザ装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、励起光であるレーザ光を出射する光源と、光源が出射したレーザ光が入射されるレーザ媒質と、光源が出射したレーザ光をレーザ媒質に入射させる励起光学系と、を備えるレーザ装置である。励起光学系は、レーザ媒質のレーザ光が入射する端面におけるレーザ光の強度分布を、レーザ光の光軸を中心とする周方向の全周に亘って、光軸上のレーザ光の強度よりも強い強度分布を前記光軸の外周方向に形成する強度形成部材を備える。
本発明に係るレーザ装置は、ビーム品質を低下させることなく、高出力な発振光を得ることができる、という効果を奏する。
以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ装置及びレーザ加工機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザ装置の構成を示す図である。図２は、図１に示されたレーザ装置の光源と励起光学系の構成を示す図である。図３は、図２に示された励起光学系とレーザ光とを示す図である。
図１は、実施の形態１に係るレーザ装置の構成を示す図である。図２は、図１に示されたレーザ装置の光源と励起光学系の構成を示す図である。図３は、図２に示された励起光学系とレーザ光とを示す図である。
図１に示すレーザ装置１は、加工対象物にレーザ光Ｌｂを照射して、加工対象物をレーザ加工するレーザ加工機１００を構成する。実施の形態１において、レーザ装置１は、レーザ加工機１００のレーザ共振器であるが、レーザ増幅器でも良い。
レーザ装置１は、図１に示すように、励起光であるレーザ光Ｌａを出射する光源２と、光源２が出射した励起光であるレーザ光Ｌａが入射されるレーザ媒質３と、光源２が出射した励起光であるレーザ光Ｌａをレーザ媒質３に入射させる励起光学系４とを備える。光源２は、レーザ光Ｌａを出射する半導体レーザを一つ以上備える。また、実施の形態１において、光源２は、二つ設けられている。
レーザ媒質３は、レーザ結晶、ガラス又はセラミックスに希土類元素又はチタンが添加された固体型のレーザ媒質である。レーザ媒質３を構成するレーザ結晶は、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）、ＹＶＯ４（Yttrium Vanadate）、ＧｄＶＯ４（Gadolinium Vanadate）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ＫＧＷ（カリウム ガドリニウムタングステン）、又はＫＹＷ（カリウム イットリウムタングステン）である。希土類元素は、Ｎｄ（ネオジム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｔｍ（ツリウム）、又はＰｒ（プラセオジム）である。
実施の形態１において、レーザ媒質３の一方の端面３ａは、一方の光源２ａが出射したレーザ光Ｌａが一方の励起光結合ミラー５ａを介して入射する。レーザ媒質３の一方の端面３ａの裏側に位置する他方の端面３ｂは、他方の光源２ｂが出射したレーザ光Ｌａが他方の励起光結合ミラー５ｂを介して入射する。一方の端面３ａと他方の端面３ｂとは、互いに平行である。一方の励起光結合ミラー５ａは、一方の光源２ａと一方の端面３ａとの間で、かつ高反射ミラー６と間隔をあけて配置される。他方の励起光結合ミラー５ｂは、他方の光源２ｂと他方の端面３ｂとの間で、かつ出力ミラー７と間隔をあけて配置されている。
レーザ媒質３は、一方の端面３ａ及び他方の端面３ｂから入射した励起光であるレーザ光Ｌａを吸収して、発振光であるレーザ光Ｌｂを、一方の端面３ａ（もしくは他方の端面３ｂ）を通して、一方の励起光結合ミラー５ａ（もしくは他方の励起光結合ミラー５ｂ）に向けて出射する。一方の励起光結合ミラー５ａに向けて出射された発振光であるレーザ光Ｌｂは、一方の励起光結合ミラー５ａにより高反射ミラー６に向けて反射され、高反射ミラー６により一方の励起光結合ミラー５ａに向けて反射される。他方の励起光結合ミラー５ｂに向けて出射された発振光であるレーザ光Ｌｂは、他方の励起光結合ミラー５ｂにより出力ミラー７に向けて反射され、出力ミラー７により一部が他方の励起光結合ミラー５ｂに向けて反射される。レーザ媒質３は、発振光であるレーザ光Ｌｂを高反射ミラー６と出力ミラー７との間で往復させながら増幅し、出力ミラー７を通して、発振光であるレーザ光Ｌｂの一部を出射する。
実施の形態１において、レーザ装置１は、レーザ媒質３の一方の端面３ａと他方の端面３ｂとの双方にレーザ光Ｌａを入射させる構成としたが、本発明では、レーザ装置１は、レーザ媒質３の一方の端面３ａと他方の端面３ｂとのうちのいずれか一方にレーザ光Ｌａを入射させても良い。なお、Ｎｄを添加したＹＶＯ４により構成されたレーザ媒質３から出射する発振光であるレーザ光Ｌｂの波長は、１０６４ｎｍ（ナノメートル）であり、励起光であるレーザ光Ｌａの波長は、８０８ｎｍ、８７９ｎｍ又は８８８ｎｍである。
実施の形態１において、励起光学系４は、二つ設けられる。一方の励起光学系４ａは、一方の光源２ａと一方の励起光結合ミラー５ａとの間に配置され、他方の励起光学系４ｂは、他方の光源２ｂと他方の励起光結合ミラー５ｂとの間に配置される。以下、二つの励起光学系４ａ，４ｂは、構成が等しいので、本明細書は、一方の励起光学系４ａを代表して説明し、他方の励起光学系４ｂの構成部分を一方の励起光学系４ａの構成部分と同一符号で示す。
一方の励起光学系４ａは、図２及び図３に示すように、光源２から出射されたレーザ光Ｌａが一端４１ａに入射する光ファイバ４１と、光ファイバ４１が出射したレーザ光Ｌａが入射するコリメートレンズ４２と、コリメートレンズ４２が出射したレーザ光Ｌａを集光する集光レンズ４３とを備える。光ファイバ４１は、レーザ光Ｌａを伝送する円柱状のコアを有している。光ファイバ４１は、一端４１ａから入射したレーザ光Ｌａを他端４１ｂまで伝送し、他端４１ｂからレーザ光Ｌａをコリメートレンズ４２に向けて出射させる。光ファイバ４１は、マルチモード光ファイバ又はシングルモード光ファイバにより構成される。光ファイバ４１は、マルチモード光ファイバにより構成される場合、コアがグレーデッドインデックス型、マルチステップインデックス型又はステップインデックス型である。
コリメートレンズ４２は、光ファイバ４１から入射したレーザ光Ｌａを平行光にして、集光レンズ４３に向けて出射する。集光レンズ４３は、コリメートレンズ４２から入射した平行光であるレーザ光Ｌａを集光して、一方の励起光結合ミラー５ａを介してレーザ媒質３の一方の端面３ａに向けて出射する。コリメートレンズ４２と集光レンズ４３とは、収差を有する球面レンズである。ここでは、コリメートレンズ４２は、光ファイバ４１から入射したレーザ光Ｌａを平行光にしているが、平行光である必要はない。実施の形態１において、励起光学系４は、二つの球面レンズを備えるが、本発明において、励起光学系４は、球面レンズを一つ以上備えれば良い。
実施の形態１において、コリメートレンズ４２及び集光レンズ４３として用いられる球面レンズは、出射ＮＡ（Numerical Aperture）が０．１５以上で、かつ焦点距離が１００ｎｍ以下であるが、出射ＮＡ及び焦点距離はこれらに限定されない。また、実施の形態１において、励起光学系４は、図３に示すように、光ファイバ４１の他端４１ｂをコリメートレンズ４２と集光レンズ４３によって、転写点ＣＰに転写する。レーザ光Ｌａは、光ファイバ４１の他端４１ｂから出射され、コリメートレンズ４２および集光レンズ４３、励起光結合ミラー５ａを透過し、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する一方の端面３ａを通った後、転写点ＣＰを形成する。他方の端面３ｂは、転写点ＣＰよりも上流にあるか、下流にあるかは問わない。一方の励起光学系４ａは、転写点ＣＰよりも光源２寄り即ち転写点ＣＰよりも上流側のレーザ光Ｌａをレーザ媒質３の一方の端面３ａに入射させる。なお、転写点ＣＰは、集光レンズ４３から出射されたレーザ光Ｌａのスポット形状が、光ファイバ４１の他端４１ｂから出射されるレーザ光Ｌａのスポット形状と同じ形状となる点をいう。励起光学系４は、レーザ光Ｌａのビーム直径をレーザ発振に適したビーム直径に変換する。なお、励起光であるレーザ光Ｌａのビーム直径は、ＩＳＯ（International Organization for Standardization）により定義されたＤ４σにより定義することができる。
次に、実施の形態１において、レーザ媒質３に入射するレーザ光の強度分布を説明する。図４は、図１に示されたレーザ装置のレーザ媒質の端面に入射するレーザ光の強度分布を示す平面図である。図５は、図４中のＶ−Ｖ線に沿うレーザ光の強度分布を示す図である。
実施の形態１において、励起光学系４は、コリメートレンズ４２と集光レンズ４３とが球面レンズである。また、励起光学系４は、転写点ＣＰよりも光源２寄り即ち転写点ＣＰよりも上流側のレーザ光Ｌａを、レーザ媒質３の端面３ａ，３ｂに入射させる位置に配置されている。
このために、励起光学系４のコリメートレンズ４２及び集光レンズ４３は、端面３ａ，３ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを、図４及び図５に示すように、レーザ光Ｌａの光軸Ｐを中心とする周方向の全周に亘って、光軸Ｐ上のレーザ光Ｌａの強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成する。即ち、励起光学系４のコリメートレンズ４２及び集光レンズ４３は、端面３ａ，３ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを、図４及び図５に示すように、レーザ光Ｌａの光軸Ｐを中心とする周方向の全周に亘って、光軸Ｐ上のレーザ光Ｌａの強度Ｄａａよりも強い強度分布を光軸Ｐの外周方向に形成する。コリメートレンズ４２及び集光レンズ４３は、端面３ａ，３ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを、図４及び図５に示すように形成する強度形成部材である。また、コリメートレンズ４２及び集光レンズ４３は、球面レンズであるので、端面３ａ，３ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを全周に亘って光軸Ｐに関して軸対称な形状に形成する。なお、光軸Ｐは、光源２が出射するレーザ光Ｌａの光軸Ｐを示している。
なお、実施の形態１において、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａの平面形状は、図４及び図５に示すように、光軸Ｐを中心とする円形に形成されている。また、レーザ光Ｌａの強度分布Ｄａの最も強度が強い最大強度位置Ｄａｃは、図４に示すように、光軸Ｐを中心とする円形に形成されている。なお、図５の横軸は、光軸Ｐを原点とする光軸Ｐからの距離を示し、縦軸は、レーザ光Ｌａの強度を示している。
実施の形態１に係るレーザ装置１は、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおける励起光であるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成するコリメートレンズ４２及び集光レンズ４３を備えている。このために、実施の形態１に係るレーザ装置１は、強度分布がトップハット形状又はガウス形状である比較例と同じ出力かつ同じビーム直径のレーザ光Ｌａをレーザ媒質３に入射させる場合に、レーザ媒質３の光軸Ｐを含む中央部の温度を比較例よりも抑制することができ、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａの光軸Ｐに直交する断面における温度の勾配を抑制することができる。その結果、実施の形態１に係るレーザ装置１は、レーザ媒質３の熱レンズを比較例よりも抑制することができる。
レーザ装置１は、高反射ミラー６の曲率、出力ミラー７の曲率、高反射ミラー６とレーザ媒質３との間の距離、及び出力ミラー７とレーザ媒質３との間の距離により、安定して動作することができるレーザ媒質３の熱レンズの作用の強さの上限が定められる。実施の形態１に係るレーザ装置１は、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおける励起光であるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａが、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布であるために、レーザ媒質３の熱レンズの作用を抑制することができる。このため、レーザ装置１は、安定して動作することができるレーザ媒質３の熱レンズの作用の強さの上限までレーザ光Ｌａの出力を増加させることができる。その結果、レーザ装置１は、高出力な発振光であるレーザ光Ｌｂを得ることができる。
一般に、レーザ装置１は、レーザ媒質３の端面３ａ，３ｂの中央部における発熱密度が大きくなり、端面３ａ，３ｂ上の温度の勾配が大きくなると、レーザ媒質３の端面３ａ，３ｂがひずんでしまい、端面３ａ，３ｂを通過するレーザ光Ｌａ，Ｌｂのビーム品質が悪化する。実施の形態１に係るレーザ装置１は、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおける励起光であるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａが、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布であるために、比較例よりもレーザ媒質３の端面３ａ，３ｂの光軸Ｐを含む中央部における発熱密度を抑制することができる。
このために、実施の形態１に係るレーザ装置１は、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおける励起光であるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａが、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布であるために、端面３ａ，３ｂの歪みを抑制することができ、高ビーム品質のレーザ光Ｌｂを得ることが可能となる。その結果、実施の形態１に係るレーザ装置１は、ビーム品質を低下させることなく、高出力なレーザ光Ｌｂを得ることができる。
また、実施の形態１に係るレーザ装置１は、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおける励起光であるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａが、光軸Ｐに関して軸対称な形状であるので、軸対称のレーザ光Ｌｂを容易に得ることができ、レーザ光Ｌｂを用いた加工品質を向上することができる。
一般に、レーザ装置１は、コリメートレンズ４２及び集光レンズ４３が球面レンズであると、光ファイバ４１の他端４１ｂから出射されるレーザ光Ｌａの転写点ＣＰの上流側において、球面収差の影響を大きくすることができる。このために、実施の形態１に係るレーザ装置１は、レーザ媒質３の端面３ａ，３ｂに転写点ＣＰよりも光源２寄り、即ち転写点ＣＰよりも上流側のレーザ光Ｌａを入射させるので、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおける励起光であるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを光軸Ｐに関して軸対称な形状でかつ光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布とすることができる。その結果、実施の形態１に係るレーザ装置１は、ビーム品質を低下させることなく、高出力なレーザ光Ｌｂを得ることができる。
また、実施の形態１に係るレーザ装置１は、励起光学系４のコリメートレンズ４２及び集光レンズ４３が球面レンズであるので、低コスト化を図ることができる。
次に本発明の発明者らは、実施の形態１に係るレーザ装置１の効果を確認した。結果を図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１に示す。図６は、本発明品の励起光であるレーザ光が入射する端面におけるレーザ光の強度分布を示す平面図である。図７は、図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿うレーザ光の強度分布を示す図である。図８は、比較例の励起光であるレーザ光が入射する端面におけるレーザ光の強度分布を示す平面図である。図９は、図８中のＩＸ−ＩＸ線に沿うレーザ光の強度分布を示す図である。図１０は、本発明品と比較例の端面における温度分布を示す図、図１１は、本発明品と比較例のレーザ光の出力を示す図である。
本発明品は、実施の形態１に係るレーザ装置１である。比較例は、実施の形態１に係るレーザ装置１のコリメートレンズ４２及び集光レンズ４３が、収差を球面レンズよりも抑制した非球面レンズであるものである。図６及び図８に示す強度分布Ｄａｉ，Ｄａｅは、強度が強い部分を濃い黒で示し、強度が弱い部分を淡い黒で示している。強度が零の部分を白で示している。図７及び図９に示す強度分布Ｄａｉ，Ｄａｅは、横軸が光軸Ｐを原点とする光軸Ｐからの距離を示し、縦軸がレーザ光Ｌａの強度を示している。図１０は、横軸が光軸Ｐを原点とする光軸Ｐからの距離を示し、縦軸が温度を示している。
図６及び図７に示す結果によれば、本発明品のレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａｉが、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布Ｄａになる。図８及び図９に示す結果によれば、比較例のレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａｅが、光軸Ｐを含む中央部の強度が一定であるトップハット形状になる。したがって、レーザ装置１は、強度形成部材であるコリメートレンズ４２及び集光レンズ４３が球面レンズであることにより、レーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成できることが、明らかとなった。また、図１０に示す結果によれば、本発明品のようにレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成することは、比較例よりもレーザ媒質３の光軸Ｐを含む中央部の温度を比較例よりも抑制することができ、光軸Ｐに直交する断面における温度の勾配を抑制することができることが明らかとなった。
図１１の横軸は、励起光であるレーザ光Ｌａの出力を任意単位で示し、図１１の縦軸は、発振光であるレーザ光Ｌｂの出力を任意単位で示している。図１１に示す結果によれば、比較例におけるレーザ光Ｌｂの出力が飽和するレーザ光Ｌａの出力は、０．８２であるのに対し、本発明におけるレーザ光Ｌｂの出力が飽和するレーザ光Ｌａの出力は、１である。また、比較例におけるレーザ光Ｌｂの出力の最大値は、約０．６６であるのに対し、本発明におけるレーザ光Ｌｂの出力の最大値は、１である。このように、図１１に示す結果によると、本発明品は、比較例よりもレーザ光Ｌｂの出力が飽和するレーザ光Ｌａの出力を高くすることが可能となり、結果的に高出力なレーザ光Ｌｂを得ることができることが明らかとなった。
また、本発明品のレーザ光Ｌｂのビーム品質を示すＭ２（エムスクエア）値が１．８であるのに対し、比較例のレーザ光のビーム品質を示すＭ２値は、２．２であった。Ｍ２値は、１よりも大きな値であり、１に近いほどビーム品質が良いことを示す。したがって、レーザ装置１は、強度形成部材であるコリメートレンズ４２及び集光レンズ４３が球面レンズであることにより、ビーム品質を低下させることなく高出力なレーザ光Ｌｂを得ることができることが、明らかとなった。
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係るレーザ装置１を図面に基づいて説明する。図１２は、実施の形態２に係るレーザ装置の構成を示す図である。図１２において、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の実施の形態２に係るレーザ装置１を図面に基づいて説明する。図１２は、実施の形態２に係るレーザ装置の構成を示す図である。図１２において、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
実施の形態２に係るレーザ装置１−２は、図１２に示すように、レーザ光Ｌｂをパルス状に出射するためのＱスイッチ８と、レーザ光Ｌｂのモードを制限するアパーチャ９と、レーザ光Ｌｂの波長を変換する波長変換素子１０とを備えること以外、実施の形態１と同じ構成である。Ｑスイッチ８は、レーザ光Ｌｂをパルス状に出射するためのスイッチ素子である。実施の形態２において、Ｑスイッチ８は、他方の励起光結合ミラー５ｂと、出力ミラー７との間に配置されているが、Ｑスイッチ８の位置は、これに限定されない。実施の形態２において、アパーチャ９は、他方の励起光結合ミラー５ｂと、出力ミラー７との間に配置されているが、アパーチャ９の位置は、これに限定されない。
波長変換素子１０は、出力ミラー７から出射されるレーザ光Ｌｂの波長を変換する。実施の形態２において、波長変換素子１０は、出力ミラー７から出射されるレーザ光Ｌｂの波長を３５５ｎｍに変換するが、波長変換素子１０による変換後のレーザ光Ｌｂの波長は、３５５ｎｍに限定されない。
実施の形態２に係るレーザ装置１−２は、実施の形態１と同様に、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおける励起光であるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成するコリメートレンズ４２及び集光レンズ４３を備えている。このために、実施の形態２に係るレーザ装置１−２は、実施の形態１と同様に、ビーム品質を低下させることなく、高出力なレーザ光Ｌｂを得ることができる。
また、実施の形態２に係るレーザ装置１−２は、Ｑスイッチ８を備えるので、高出力のパルス状のレーザ光Ｌｂが得られ、高品質の加工が可能となる。また、実施の形態２に係るレーザ装置１−２は、アパーチャ９を備えているために、レーザ光Ｌｂのうちの高次の発振モードのレーザ光及び、熱レンズの作用の収差により発生する収束性の悪いレーザ光を除去することができるので、より高ビーム品質のレーザ光Ｌｂが得やすくなる。実施の形態２に係るレーザ装置１−２は、アパーチャ９を高反射ミラー６と出力ミラー７との間に配置しているので、アパーチャ９の配置によるレーザ光Ｌｂの出力低下を抑制することができる。
また、実施の形態２に係るレーザ装置１−２は、波長変換素子１０が出力ミラー７から出射されるレーザ光Ｌｂの波長を３５５ｎｍに変換する場合、高ビーム品質でかつ高出力の紫外光により、高品質で高速の加工が可能となる。
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係るレーザ装置１を図面に基づいて説明する。図１３は、実施の形態３に係るレーザ装置の光源と励起光学系の構成を示す図である。図１４は、図１３中のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う光ファイバの断面図である。図１５は、図１４中のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う光ファイバの屈折率を示す図である。図１６は、図１３に示された励起光学系とレーザ光とを示す図である。図１７は、図１３に示されたレーザ装置の光ファイバの他端から出射するレーザ光の強度分布を示す平面図である。図１８は、図１７中のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿うレーザ光の強度分布を示す図である。図１９は、実施の形態３に係るレーザ装置のレーザ媒質の端面に入射するレーザ光の強度分布を示す平面図である。図２０は、図１９中のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿うレーザ光の強度分布を示す図である。図１３から図２０において、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。なお、図１７及び図１９に示す強度分布Ｄｂ，Ｄａ−３は、強度が強い部分を濃い黒で示し、強度が弱い部分を白で示している。図１８及び図２０に示す強度分布Ｄｂ，Ｄａ−３は、横軸が光軸Ｐを原点とする光軸Ｐからの距離を示し、縦軸がレーザ光Ｌａの強度を示している。
次に、本発明の実施の形態３に係るレーザ装置１を図面に基づいて説明する。図１３は、実施の形態３に係るレーザ装置の光源と励起光学系の構成を示す図である。図１４は、図１３中のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う光ファイバの断面図である。図１５は、図１４中のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う光ファイバの屈折率を示す図である。図１６は、図１３に示された励起光学系とレーザ光とを示す図である。図１７は、図１３に示されたレーザ装置の光ファイバの他端から出射するレーザ光の強度分布を示す平面図である。図１８は、図１７中のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿うレーザ光の強度分布を示す図である。図１９は、実施の形態３に係るレーザ装置のレーザ媒質の端面に入射するレーザ光の強度分布を示す平面図である。図２０は、図１９中のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿うレーザ光の強度分布を示す図である。図１３から図２０において、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。なお、図１７及び図１９に示す強度分布Ｄｂ，Ｄａ−３は、強度が強い部分を濃い黒で示し、強度が弱い部分を白で示している。図１８及び図２０に示す強度分布Ｄｂ，Ｄａ−３は、横軸が光軸Ｐを原点とする光軸Ｐからの距離を示し、縦軸がレーザ光Ｌａの強度を示している。
実施の形態３に係るレーザ装置１の励起光学系４−３は、図１３に示す光ファイバ４１−３のコア４１ｃが、図１４に示すように、光源２から出射されるレーザ光Ｌａの光軸Ｐと同軸となる位置に配置された、円筒状に形成されている。このために、光ファイバ４１−３の屈折率は、図１５に示すように、光軸Ｐの外周側に最も屈折率が高くなる箇所が生じる。図１５の横軸は、光軸Ｐを原点とする光軸Ｐからの距離を示し、図１５の縦軸は、屈折率を示している。
また、実施の形態３に係るレーザ装置１は、励起光学系４−３の図１６に示すコリメートレンズ４２−３及び集光レンズ４３−３が、球面レンズよりも収差が抑制された非球面レンズである。実施の形態３に係るレーザ装置１は、コア４１ｃが円筒状に形成され、コリメートレンズ４２−３及び集光レンズ４３−３が非球面レンズであること以外、実施の形態１と同じ構成である。実施の形態３において、レーザ装置１は、励起光学系４−３が非球面レンズであるコリメートレンズ４２−３及び集光レンズ４３−３を備えているが、励起光学系４−３が、コリメートレンズ４２−３及び集光レンズ４３−３の代わりに球面レンズよりも収差が抑制され、かつ複数のレンズにより構成される組レンズを備えても良い。また、実施の形態３に係るレーザ装置１は、実施の形態１と同様に、励起光学系４−３が、転写点ＣＰよりも光源２寄り即ち転写点ＣＰよりも上流側のレーザ光Ｌａを、レーザ媒質３の端面３ａ，３ｂに入射させる位置に配置されている。
実施の形態３に係るレーザ装置１は、光ファイバ４１−３のコア４１ｃが円筒状に形成されているので、光ファイバ４１−３の他端４１ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄｂが、図１７及び図１８に示すように、コア４１ｃに相当する部分以外の強度が零となる。また、転写点ＣＰにおけるレーザ光Ｌａの強度分布は、図１７及び図１８に示す光ファイバ４１−３の他端４１ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄｂと等しくなる。このために、実施の形態３に係るレーザ装置１は、転写点ＣＰのレーザ光Ｌａをレーザ媒質３に入射させると、光軸Ｐを含む中央部のレーザ光Ｌａが零に等しくなって、効率が低下する。
実施の形態３に係るレーザ装置１は、励起光学系４−３が転写点ＣＰよりも光源２寄り即ち転写点ＣＰよりも上流側のレーザ光Ｌａを、レーザ媒質３の端面３ａ，３ｂに入射させる位置に配置されているので、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａ−３が、図１９及び図２０に示すように、光軸Ｐ上の強度Ｄａａが零よりも強く、かつ光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布になる。このように、実施の形態３に係るレーザ装置１の円筒状に形成されたコア４１ｃを有する光ファイバ４１−３は、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａ−３を、レーザ光Ｌａの光軸Ｐを中心とする周方向の全周に亘って、光軸Ｐ上のレーザ光Ｌａの強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成する強度形成部材である。
実施の形態３に係るレーザ装置１は、実施の形態１と同様に、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおける励起光であるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａ−３を、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成する光ファイバ４１−３を備えている。このために、実施の形態３に係るレーザ装置１は、実施の形態１と同様に、ビーム品質を低下させることなく、高出力なレーザ光Ｌｂを得ることができる。
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４に係るレーザ装置１を図面に基づいて説明する。図２１は、実施の形態４に係るレーザ装置の光源と励起光学系の構成を示す図である。図２１において、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の実施の形態４に係るレーザ装置１を図面に基づいて説明する。図２１は、実施の形態４に係るレーザ装置の光源と励起光学系の構成を示す図である。図２１において、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
実施の形態４に係るレーザ装置１は、励起光学系４−４のコリメートレンズ４２−４及び集光レンズ４３−４が球面レンズよりも収差が抑制された非球面レンズであり、かつ強度形成部材であるアキシコンレンズ４４−４を備えること以外、実施の形態１と同じ構成である。実施の形態４において、レーザ装置１は、励起光学系４−４が非球面レンズであるコリメートレンズ４２−４及び集光レンズ４３−４を備えているが、励起光学系４−４が、コリメートレンズ４２−４及び集光レンズ４３−４の代わりに球面レンズよりも収差が抑制され、かつ複数のレンズにより構成される組レンズを備えても良い。
アキシコンレンズ４４−４は、コリメートレンズ４２−４と集光レンズ４３−４との間に配置されている。実施の形態４に係るアキシコンレンズ４４−４は、凹部４４−４ａを有する凹型のアキシコンレンズであり、平坦な平坦面４４−４ｂがコリメートレンズ４２−４と対向し、凹部４４−４ａが集光レンズ４３−４と対向している。アキシコンレンズ４４−４は、コリメートレンズ４２−４から入射したレーザ光Ｌａを凹部４４−４ａの内面から集光レンズ４３−４の外縁部に向けて出射する。このために、アキシコンレンズ４４−４は、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成する。
実施の形態４に係るレーザ装置１は、実施の形態１と同様に、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおける励起光であるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成するアキシコンレンズ４４−４を備えている。このために、実施の形態４に係るレーザ装置１は、実施の形態１と同様に、ビーム品質を低下させることなく、高出力なレーザ光Ｌｂを得ることができる。
実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５に係るレーザ装置１を図面に基づいて説明する。図２２は、実施の形態５に係るレーザ装置の光源と励起光学系の構成を示す図である。図２２において、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の実施の形態５に係るレーザ装置１を図面に基づいて説明する。図２２は、実施の形態５に係るレーザ装置の光源と励起光学系の構成を示す図である。図２２において、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
実施の形態５に係るレーザ装置１は、励起光学系４−５のコリメートレンズ４２−５及び集光レンズ４３−５が球面レンズよりも収差が抑制された非球面レンズであり、かつ強度形成部材であるアキシコンレンズ４４−５を備えること以外、実施の形態１と同じ構成である。実施の形態５において、レーザ装置１は、励起光学系４−５が非球面レンズであるコリメートレンズ４２−５及び集光レンズ４３−５を備えているが、励起光学系４−５が、コリメートレンズ４２−５及び集光レンズ４３−５の代わりに球面レンズよりも収差が抑制され、かつ複数のレンズにより構成される組レンズを備えても良い。
アキシコンレンズ４４−５は、コリメートレンズ４２−５と集光レンズ４３−５との間に配置されている。実施の形態５に係るアキシコンレンズ４４−５は、凸部４４−５ａを有する凸型のアキシコンレンズであり、平坦な平坦面４４−５ｂがコリメートレンズ４２−５と対向し、凸部４４−５ａが集光レンズ４３−５と対向している。アキシコンレンズ４４−５は、コリメートレンズ４２−５から入射したレーザ光Ｌａを凸部４４−５ａの表面から集光レンズ４３−５の外縁部に向けて出射する。このために、アキシコンレンズ４４−５は、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおけるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成する。
実施の形態５に係るレーザ装置１は、実施の形態１と同様に、レーザ媒質３のレーザ光Ｌａが入射する端面３ａ，３ｂにおける励起光であるレーザ光Ｌａの強度分布Ｄａを、光軸Ｐ上の強度Ｄａａよりも光軸Ｐの外周側の強度Ｄａｂが強い強度分布に形成するアキシコンレンズ４４−５を備えている。このために、実施の形態５に係るレーザ装置１は、実施の形態１と同様に、ビーム品質を低下させることなく、高出力なレーザ光Ｌｂを得ることができる。
実施の形態６．
次に、本発明の実施の形態６に係るレーザ加工機１００を図面に基づいて説明する。図２３は、実施の形態６に係るレーザ加工機の構成を示す図である。図２３において、実施の形態１から実施の形態５と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の実施の形態６に係るレーザ加工機１００を図面に基づいて説明する。図２３は、実施の形態６に係るレーザ加工機の構成を示す図である。図２３において、実施の形態１から実施の形態５と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
実施の形態６に係るレーザ加工機１００は、図２３に示すように、実施の形態１から実施の形態５に係るレーザ装置１，１−２のいずれかと、加工対象物Ｗを支持する加工対象物支持部３００とを備える。レーザ加工機１００は、レーザ装置１，１−２のいずれかのレーザ媒質３が出射した発振光であるレーザ光Ｌｂを加工対象物Ｗに照射する加工ヘッド２００と、加工ヘッド２００と加工対象物支持部３００とを相対的に移動させる相対移動部４００と、相対移動部４００及びレーザ装置１，１−２の動作を制御する制御装置５００とを備える。
加工対象物支持部３００は、加工対象物Ｗが置かれて、加工対象物Ｗを支持する。実施の形態６において、加工対象物Ｗは、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuits）、又はプリント配線板 (ＰＣＢ：Printed Circuit Board)を多層化した多層基板であるが、これらに限定されない。フレキシブルプリント基板及びプリント配線板は、樹脂及び銅により構成される。このために、実施の形態６に係るレーザ加工機１００が出射するレーザ光Ｌｂの波長は、樹脂と銅との双方に吸収される紫外領域であることが好ましい。
加工ヘッド２００は、ビーム調整光学系２０１と、導光ミラー２０２と、集光レンズ２０３と、ビーム調整光学系２０１と導光ミラー２０２と集光レンズ２０３とを収容するケーシング２０４とを備える。加工ヘッド２００は、レーザ装置１が出射したレーザ光Ｌｂをビーム調整光学系２０１により予め設定された所望のビーム径及び強度分布に調整する。加工ヘッド２００は、ビーム調整光学系２０１によりビーム径及び強度分布が調整されたレーザ光Ｌｂを導光ミラー２０２により導光し、集光レンズ２０３により加工対象物Ｗに集光する。
相対移動部４００は、加工ヘッド２００が照射するレーザ光Ｌｂと加工対象物支持部３００とをＸ方向とＹ方向との少なくとも一方に沿って相対的に移動させる。実施の形態６において、相対移動部４００は、加工対象物支持部３００をＸ方向とＹ方向との少なくとも一方に沿って移動させるが、加工ヘッド２００をＸ方向とＹ方向との双方に沿って移動させても良く、加工ヘッド２００と加工対象物支持部３００との双方をＸ方向とＹ方向との少なくとも一方に沿って移動させても良い。
相対移動部４００は、モータ、モータの回転駆動力により加工対象物支持部３００を移動させるリードスクリュー、及び加工対象物支持部３００の移動方向を案内するリニアガイドにより構成される。相対移動部４００の構成は、モータ、リードスクリュー、及びリニアガイドによる構成に限定されない。相対移動部４００は、制御装置５００により制御される。
また、相対移動部４００は、ガルバノミラー又はポリゴンミラーを備え、ガルバノミラー又はポリゴンミラーによりレーザ光Ｌｂを走査しても良い。この場合、集光レンズ２０３は、Ｆθレンズにより構成されるのが望ましい。
実施の形態６に係るレーザ加工機１００は、相対移動部４００により加工対象物支持部３００を移動させながら、加工ヘッド２００からレーザ光Ｌｂを照射して、レーザ光Ｌｂを加工対象物Ｗ上で走査する。レーザ加工機１００は、加工対象物Ｗの予め設定された所望の位置に微細な加工穴Ｗａを形成する。加工穴Ｗａは、止まり穴又は貫通穴である。加工穴Ｗａの大きさは、適宜設定することができる。
実施の形態６に係るレーザ加工機１００は、実施の形態１から実施の形態５に係るレーザ装置１，１−２のいずれかを備えるので、ビーム品質を低下させることなく、高出力なレーザ光Ｌｂを得ることができる。また、実施の形態６に係るレーザ加工機１００は、実施の形態１から実施の形態５に係るレーザ装置１，１−２のいずれかを備えるので、高出力でかつ高ビーム品質のレーザ光Ｌｂにより加工対象物Ｗを加工することができ、高速で高品質な加工対象物Ｗの加工が可能になる。
次に、図２４を用いて実施の形態６に係るレーザ加工機１００の制御装置５００を説明する。図２４は、実施の形態６に係るレーザ加工機の制御装置のハードウエア構成を示す図である。実施の形態６に係るレーザ加工機１００の制御装置５００は、ＯＳ（Operating System）５０１上でコンピュータプログラムを実行するコンピュータであって、図２４に示すように、入力装置５０２と、表示装置５０３と、記憶装置５０４と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５０５と、ＲＡＭ（Random Access Memory）５０６と、ＲＯＭ（Read Only Memory）５０７と、通信インタフェース５０８と、を備える。ＣＰＵ５０５、ＲＡＭ５０６、ＲＯＭ５０７、記憶装置５０４、入力装置５０２、表示装置５０３及び通信インタフェース５０８は、バスＢを介して接続されている。
制御装置５００の機能は、ＣＰＵ５０５がＲＡＭ５０６を作業領域として使用しながら、ＲＯＭ５０７及び記憶装置５０４に記憶されているプログラムを実行することにより実現される。プログラムは、ソフトウエア、ファームウエア、又はソフトウエアとファームウエアとの組み合わせにより実現される。記憶装置５０４は、ＳＳＤ（Solid State Drive）又はＨＤＤ（Hard Disk Drive）であるが、記憶装置５０４は、ＳＳＤ又はＨＤＤに限定されない。
表示装置５０３は、文字及び画像を表示する。各実施の形態において、表示装置５０３は、液晶表示装置が例示される。入力装置５０２は、タッチパネル、キーボード、マウス、トラックボール又はこれらの組み合わせにより構成される。通信インタフェース５０８は、レーザ装置１，１−２及び相対移動部４００と通信を行う。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
１，１−２ レーザ装置、２，２ａ，２ｂ 光源、３ レーザ媒質、３ａ，３ｂ 端面、４，４ａ，４ｂ，４−３，４−４，４−５ 励起光学系、４２ コリメートレンズ（強度形成部材、球面レンズ）、４３ 集光レンズ（強度形成部材、球面レンズ）、４１−３ 光ファイバ（強度形成部材）、４１ｃ コア、４４−４，４４−５ アキシコンレンズ（強度形成部材）、１００ レーザ加工機、２００ 加工ヘッド、３００ 加工対象物支持部、４００ 相対移動部、Ｗ 加工対象物、Ｌａ 励起光であるレーザ光、Ｌｂ 発振光であるレーザ光、Ｄａ，Ｄａ−３ 強度分布、Ｄａａ，Ｄａｂ 強度、Ｐ 光軸。
Claims (6)
- 励起光であるレーザ光を出射する光源と、
前記光源が出射した前記レーザ光が入射されるレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の一つの端面に対して一つの前記レーザ光を入射させる励起光学系と、を備えるレーザ装置であって、
前記励起光学系は、前記端面において、前記レーザ媒質における前記レーザ光の光軸上の前記レーザ光の強度よりも強い強度分布を、前記レーザ光の光軸を中心とする外周方向の全周に亘って形成する強度形成部材を備える
ことを特徴とするレーザ装置。 - 前記強度形成部材は、前記レーザ媒質の前記端面における前記レーザ光の強度分布を、前記レーザ光の光軸に関して軸対称な形状に形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。 - 前記強度形成部材は、球面レンズである
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。 - 前記強度形成部材は、円筒状に形成されたコアを有する光ファイバである
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。 - 前記強度形成部材は、アキシコンレンズである
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。 - 請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載のレーザ装置と、
加工対象物を支持する加工対象物支持部と、
前記レーザ装置のレーザ媒質が出射したレーザ光を前記加工対象物に照射する加工ヘッドと、
前記加工ヘッドが照射するレーザ光と前記加工対象物支持部とを相対的に移動させる相対移動部と、を備える
ことを特徴とするレーザ加工機。
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