JP6143940B2 - 線形強度分布を有するレーザビームを生成するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の線形強度分布を有するレーザビームを生成するための装置に関する。

定義：レーザビーム、部分ビームまたはビームについては、明確に別段の記載がない場合には、幾何光学の理想的ビームを意味するのではなく、現実の光ビーム、たとえば、無限小ではなく、拡大するビーム断面を有する、たとえば、ガウスプロファイルを有する、もしくは、変形ガウスプロファイルを有する、またはトップハットプロファイルを有するレーザビームである。レーザビームの伝播方向とは、特に、レーザビームが平面波ではない、または少なくとも部分的に発散している場合には、レーザビームの中間伝播方向を意味する。トップハット分布、またはトップハット強度分布、またはトップハットプロファイルとは、少なくとも、方向に関しては、実質的に矩形関数（ｒｅｃｔ（Ｘ））によって記載することが可能である強度分布を意味している。その場合、矩形関数からのパーセント範囲のずれ、傾斜した側部を有する現実の強度分布も、トップハット分布またはトップハットプロファイルとして記載され得る。

冒頭で述べたタイプの装置は、ＤＥ１０２００７００１６３９Ａ１から公知である。そこに記載された装置では、マルチモード運転の複数のレーザ光源が設けられている。各レーザビームは、棒状のホモジナイザーにおいて混合されて、自らとさえも重畳される。次いで、それらは、コリメートおよび集束レンズによって作業面における線形強度分布に変換される。

線焦点と均質な強度分布とを有するこのようなレーザシステムは、これまで、マルチモードレーザ光源を用いる多くの技術的用途において知られており、利用されている。それについての物理的な理由は、マルチモードレーザからのビームは、ビーム束に分配され、次いでこれらのビーム束を、ほとんど干渉させることなく、光学的に重畳させて、混合するか、または均質化することが可能だからである。したがって、マルチモードレーザ光源から、ほぼ任意の形状の均質な光照射野を作ることが可能である。特に、技術的に利用されているのは、矩形のトップハットの強度分布を有する矩形および線形の光照射野である。

その場合問題となるのは、ＤＥ１０２００７００１６３９Ａ１に記載された均質化および重畳のためには、基本モードレーザが適していないとうことが証明されていることである。基本モードレーザは、今日では多くの場合、旧知の点焦点で使用されている。わずかの例外的な場合において、基本モードレーザで、その機能がマルチモードレーザとは物理学的にみて根本的に異なるビーム成形光学装置が利用される。基本モードレーザのビームは非常に可干渉性であり、したがって、自分自身と重畳する場合、強い干渉縞が生じる。基本モードレーザにおいて利用される成形は、したがって、技術の水準においては、回折効果によって行われ、すなわち、波面の回折または可干渉性による成形によって行われることを意味している。

本発明の根底にある問題は、冒頭で挙げたタイプの装置であって、基本モードレーザを利用しているにもかかわらず、比較的均質な線形強度分布を作業面に生じさせることが可能である装置を提供することである。

これは、発明に従えば、請求項1の特徴を有する、冒頭で述べたタイプの装置によって達成される。下位の請求項は、発明の好ましい実施形態に対応する。

請求項１に従えば、レーザ光源は、基本モードレーザとして形成され、装置は、レーザ光源から出射されるレーザビームの各々が、それ自体とは重畳されないように構成されてなる。このような方法で、自身との重畳の場合に干渉光を生じさせる、邪魔な干渉縞ができない。

各基本モードレーザの光が自身と重畳されないことは、特に、典型的なマルチレンズホモジナイザーを放棄することにより保証することが可能である。このようなマルチレンズホモジナイザーは、レーザビームを、複数の部分ビームに分割し、次いで、これらの部分ビームをそれ自体と重畳させる。

レーザ光源は、回折指数Ｍ^２が、２よりも小さい、特に１．５より小さい、好ましくは１．３より小さい、たとえば１．０５のレーザビームを発生することが可能であるように構成することが可能である。

好ましくは、レーザ光源はそれぞれ、ファイバレーザとして構成される。近年、全種の材料加工において、売上と販売個数とが最速で成長しているレーザのタイプは、ファイバレーザである。ファイバレーザの多くの用途において、伝統的な固体レーザおよび気体レーザよりも、ファイバレーザは、明らかにコストパフォーマンスがよいというメリットがある。ファイバレーザは、ビーム品質と輝度の高さとが際立っており、材料加工に関する実績としては最高である。たとえば、基本モードレーザは５０キロワットまでのものが市販されている。本発明の実施形態に従えば、ファイバレーザの特別な特性によって、これまで達成されなかった、線焦点への適用のための新たな強度範囲への挑戦が可能となる。

本発明の装置は、作業面における線形強度分布が、１０よりも大きい、特に２０より大きい、好ましくは３０より大きい、幅に対する長さの比を有するように構成されてなるものを提供することが可能である。アスペクト比の大きい線形強度分布は、多くの用途にとって特に関心のあるものである。

本発明の装置は、各レーザ光源から出射されるレーザビームが、作業面において、長手方向に実質的に互いに相並んで配設され、共に線形強度分布を形成し、その場合、特に、各レーザビームの強度分布の長手方向における側部のみが重畳するように構成されてなることが可能である。この方法であれば、ライン形成の場合にも、望ましくない、レーザビームの重畳が避けられる。

光学手段は、コリメートレンズおよび/または結像レンズを含むことが可能である。

さらにまた、光学手段は、ガウス分布をトップハット分布に変換可能である少なくとも１つの変換要素であって、たとえば、パウエルレンズであるか、またはパウエルレンズを含むことができる、少なくとも１つの変換要素を含むことが可能である。

特に、本装置は、複数の変換要素を含むことが可能であって、それらの１つ１つが、レーザ光源の１つから出射されるレーザビームが、第１変換要素を通過して進行し、そして、第２レーザ光源から出射されるレーザビームが、第２変換要素を通過して進行するように、レーザ光源のそれぞれ１つに対応して配設される。このような方法では、作業面において、比較的矩形の強度分布は、相並んで結合可能であり、したがって、非常に均質なラインが生じる。

この場合、変換要素または変換要素のそれぞれは、さらにまた変換によって、それによって変換されたレーザビームを、各レーザビームを自身と重畳させずに均質化することが可能である。これは、特に、変換要素または変換要素のそれぞれは、位相板のように、重畳させることなく、レーザビームのエネルギーを再分配するからである。重畳は、隣接する、比較的矩形の強度分布であって、作業面内で相並んで結合している強度分布間でのみ見られる。しかし、これらは互いに干渉性ではないので、したがって、それらの重畳によって、邪魔な干渉縞が生じるということはない。

本装置は、ファイバレーザの端部のための、またはファイバレーザと結合される光ファイバのためのフェルールを含み、好ましくは、各レーザ光源に配設されたフェルールは、少なくとも１つの、共通の、特に熱伝導性のホルダ内で互いに結合される。熱伝導性ホルダがあるために、レーザ光源は、非常に高い動力の場合に駆動することが可能である。ラインの長さを増加させるために、複数のこのホルダを、長手方向に互いに結合することが可能である。

光学手段は、特に熱伝導性のものとして構成されるホルダを少なくとも１つ含むことが可能である。この場合も、少なくとも１つの熱伝導性ホルダが、レーザ光源を、非常に高い動力の場合に駆動させることを可能にすることを保証する。

フェルールの少なくとも１つのホルダと、光学手段の少なくとも１つのホルダとは、少なくとも１つのモジュールに互いに結合されてなる構成とすることが可能である。特に、本装置は、モジュールとして、特に、発生される強度分布の長手方向に互いに結合することが可能である、ホルダを有する複数のモジュールを含むことが可能である。また、このような方法でラインの長さを増加させることが可能である。

本発明のさらなる特徴と利点は、添付の図を参照して、以下の好適な実施形態についての説明によって明らかになるであろう。

発明に従った装置の第1実施形態の概略側面図である。 第１実施形態について、長手方向に関する、作業面内における線形強度分布の発生を示す概略図である。 長手横断方向に関する、作業面内における線形強度分布の発生を示す概略図である。 作業面における等強度線を示す概略図である。 発明に従った装置の第2実施形態の概略側面図である。 第２実施形態について、長手方向に関する、作業面内における線形強度分布の発生を示す概略図である。 長手横断方向に関する、作業面内における線形強度分布の発生を示す概略図である。 作業面における等強度線を示す概略図である。

図面において、同一または機能的に同一の部品または光ビームは、同一符号を付している。さらに、方向を明らかにするために、図のいくつかでは、座標系が示されている。

図１から明らかな、第１実施形態は、基本モードレーザとして構成されてなるレーザ光源を複数備えている。特に、これらのレーザ光源はファイバレーザである。図１において、光ファイバ１の端部は、ファイバレーザの一部であるか、またはそれに結合されてなる。光ファイバ１は、基本モードの光ファイバである。レーザ光源および／または光ファイバ１の出射端部は、図１において紙面に垂直に延びるＸ方向に互いに相並んで配設されている。

光ファイバ１のそれぞれの端部には、熱伝導性の、熱について最適化されたフェルールが配設されている。特に、その場合、複数の光ファイバ１のフェルールは、熱伝導性と熱とについて最適化されてなる共通のホルダ２内に収容されている。複数のこのホルダ２は、Ｘ方向に線形に互いに隣接して配設し、互いに結合することが可能であり、したがって、ファイバ端部を直線的に配設することによって、全長を任意の長さに延ばしていくことが可能である。さらにまた、ホルダ２は、迷光２を吸収することが可能である。

光ファイバ１の端部から出射されるレーザビーム３の伝播方向Ｚには、第１実施形態においては、少なくとも１つのコリメートレンズ４、特に、少なくとも１つのコリメートレンズアレイを含む、光学手段が配設されている。この少なくとも１つのレンズアレイは、テレスコープとして形成され、開口の中心が、配設される光ファイバ１のファイバコアの中心にある、互いに対向する線形レンズを含むことが可能である。ファイバ端部から出射される光は、対応する、または対向するテレスコープを通過してコリメートされる。

装置はさらに、少なくとも１つのコリメートレンズ手段４のための熱放散性ホルダ５を含む。このホルダ５は、レンズ手段４を担持し、そして迷光を吸収する、熱伝導性を有し、熱について最適化されたソケットからなることが可能である。

装置の第１実施形態は、さらに、ガウス形状プロファイルをトップハットプロファイルに変換することが可能である、少なくとも１つの変換要素６、特に、少なくとも１つのレンズアレイを含む。その場合、レンズのそれぞれ、またはレンズアレイにおける対向しているレンズは、開口の中心が、対応する光ファイバ１のファイバコア中心に位置するように配設することが可能である。

装置の第１実施形態は、少なくとも１つの変換要素６のための、少なくとも１つの熱放散性のホルダ７を含む。この少なくとも１つのホルダ７は、少なくとも１つの変換要素６を担持し、迷光を吸収する、熱伝導性の、熱について最適化されたソケットからなるものとすることが可能である。

光学手段は、さらに、レーザビーム３を作業面９内に集束することが可能である、少なくとも１つの集束レンズ手段８または少なくとも１つの集束レンズアレイを含む。図示の実施例において、少なくとも１つの変換要素６のように、少なくとも１つの集束レンズ手段８が、少なくとも１つの変換要素６のように、同じホルダ７内に配設される。しかしながら、この少なくとも１つの集束レンズは、図５に従った第２実施形態における場合のように、ホルダ４とは別に設けてもよいし、ホルダ４内に設けてもよい。

レンズ手段４の長さ、および変換要素６の長さ、さらにまたそれらのホルダ５，７の長さは、対向するファイバ端部のホルダ２，５，７とレンズ手段４と変換要素６とを、光学機械的な、熱に関して結合されたユニット（サブモジュール）に組合せることが可能であるように、ファイバ端部のホルダ２の長さに合わせられている。

レンズアレイとして構成される変換要素６は、線形に対向しているアレイとして配設されたレンズからなり、これらのレンズが、それぞれのコリメートビームから、矩形の強度分布１０を、特に作業面９内に発生させる。個々のファイバ端部、および属するレンズからのビームから生じるビームプロファイルは、強度分布１０の側部１０ａが、隣接する強度分布１０の側部１０ａと重畳されて、合成されたレーザビーム１４の連続した一様な線形強度分布１１になるような、長軸（Ｘ方向）に沿った強度の減衰を伴う側部１０ａを有する。

これは、図２に示されており、作業面における強度Ｉは、Ｘ方向に背を向けた方向に描かれている。それぞれの強度分布１０の下方には、ファイバ端部の図における黒点の位置が１２で示されている。図３においては、作業面における強度Ｉが、Ｙ方向に背を向けた方向に描かれている。

図４は、作業面９の等強度線１３を示している。その場合、等強度線１３は、図４において左右にずっと延び、特に、長手線方向（Ｘ方向）において非常に長い線形強度分布１１が生じる。等強度線１３は、作業面における、ビームによる断面を近似的に表している等強度線１３は、作業面におけるレーザビーム１４の断面を示している。

図５に従った実施形態では、ガウスプロファイルからトップハットプロファイルに変換するための、変換要素またはレンズアレイを示していない。したがって、図５では、たとえば、少なくとも１つの集束レンズ手段８、または少なくとも１つの集束レンズアレイを、ホルダ４に収容することが可能である。

ガウスプロファイルからトップハットプロファイルに変換するための変換要素６が欠けているために、作業面９における各強度プロファイル１０はガウス形状を有している。また、第２実施形態では、個々の強度プロファイル１０は重畳されて、組合されたレーザビーム１４の、連続した直線状の強度分布１１となる。この連続した直線状の強度分布１１は、一様でない。しかし、それらの変動は、多くの用途にとって許容可能なものである。

このことは、図６に示されており、図６において、作業面における強度Ｉが、Ｘ方向に背を向けた方向に描かれている。それぞれの強度分布１０の下では、ファイバ端部の図中の黒点の位置は、１２で示されている。図７においては、Ｙ方向に背を向けた方向に、作業面における強度Ｉが、しかるべく描かれている。

図８は再度作業面９内の等強度線１３を示している。その場合、等強度線１３は、特に、長手方向（Ｘ方向）に非常に長い線形の強度分布１１が生じるときには、図８において左右の方にさらに延びる。等強度線１３は、各部分レーザビーム３のガウスプロファイルのために、やはりいくらか一様さに欠ける。

両実施形態では、フェルール間の長手方向Ｘにおける距離（ピッチ）は、ラインフォーカスの強度を所望の値に調整可能である設計パラメータの１つである。ピッチは、ホルダの機械的安定性、必要な熱伝導率、最小開口サイズ、およびコリメーションアレイのマイクロレンズの焦点距離によって、下限が制限される（かつ達成可能な線焦点強度は上限が制限される）。

実施例１：
例示的な実施形態では、市販の、水冷ＩＰＧファイバレーザＹＬＲＳＭは、それぞれ、１キロワットの電力、および回折指数Ｍ^２＝１．０５で利用可能である。

さらにまた、光ファイバとして、開口数０．１に達してもよい、シングルモードファイバを利用することが可能である。

レンズアレイにおけるレンズの最小焦点距離は０．３ｍｍとすることが可能である。レンズアレイにおけるレンズの最小開口も、０．３ｍｍとすることが可能である。したがって、作業面において０．０６ｍｍのスポットサイズを達成することが可能である。

開口を完全に照射する場合の強度は、１．４１ＭＷ／ｃｍ^２に達してもよい。個々の矩形の強度分布１０の膨張は、長軸（Ｘ方向）において２ｍｍ、および短軸（Ｙ方向）において０．０５ｍｍであってもよい。

各強度分布１０を互いに相並べることによって、０．５ｋＷ／ｍｍ、または１０００ｋＷ／ｃｍ^２のライン強度を生じさせることが可能である。

Claims (13)

1. 直線形状のレーザビーム（１４）を作業面（９）に生成するための装置であって、
   レーザビーム（３）を生成するための複数のレーザ光源であって、レーザ光源はそれぞれ、ファイバレーザとして構成され、ファイバレーザの端部のための、またはファイバレーザと結合される光ファイバ（１）のためのフェルールを含み、各レーザ光源に配設されたフェルールは、複数の共通のホルダ（２）内で互いに結合される、複数のレーザ光源と、
   レーザ光源から出射されるレーザビーム（３）を、作業面（９）における直線形状のレーザビーム（１４）に変換するための、コリメートレンズおよび／または結像レンズ（４，８）を含む光学手段とを備える、装置において、
   レーザ光源は、基本モードレーザとして形成され、装置は、レーザ光源から出射されるレーザビーム（３）の各々は、それ自体とは重畳されないように構成されてなり、フェルールの少なくとも１つのホルダ（２）と、光学手段の少なくとも１つのホルダ（５，７）とは、少なくとも１つのモジュールに互いに結合されてなり、装置は、作業面（９）に生成される直線形状のレーザビーム（１４）の長手方向（Ｘ）に互いに結合することが可能である、ホルダ（２，５，７）を有する複数のモジュールを含むことを特徴とする装置。
2. レーザ光源は、回折指数Ｍ^２が、２よりも小さいレーザビーム（３）を発生することが可能であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. レーザ光源は、回折指数Ｍ ^２ が、１．５より小さいレーザビーム（３）を発生することが可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. レーザ光源は、回折指数Ｍ ^２ が、１．３より小さいレーザビーム（３）を発生することが可能であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. レーザ光源は、回折指数Ｍ ^２ が、１．０５のレーザビーム（３）を発生することが可能であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 作業面（９）における直線形状のレーザビーム（１４）が、１０よりも大きい、幅に対する長さの比を有するように構成されてなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 作業面（９）における直線形状のレーザビーム（１４）が、２０より大きい、幅に対する長さの比を有するように構成されてなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 作業面（９）における直線形状のレーザビーム（１４）が、３０より大きい、幅に対する長さの比を有するように構成されてなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 各レーザビーム（３）の強度分布（１０）の長手方向（Ｘ）における側部（１０ａ）のみが重畳するように構成されてなることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 光学手段は、ガウス分布をトップハット分布に変換可能である少なくとも１つの変換要素（６）であって、パウエルレンズであるか、またはパウエルレンズを含むことができる、少なくとも１つの変換要素（６）を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 複数の変換要素（６）を含み、それらの１つ１つが、レーザ光源の１つから出射されるレーザビーム（３）が、第１変換要素（６）を通過して進行し、そして、第２レーザ光源から出射されるレーザビーム（３）が、第２変換要素（６）を通過して進行するように、レーザ光源のそれぞれ１つに対応して配設されることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 複数の共通のホルダ（２）は、熱伝導性であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 光学手段は、熱伝導性のものとして構成されるホルダ（５，７）を少なくとも１つ含むことを特徴とする、請求項１２に記載の装置。

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