JP6503063B2 - レーザ加工ヘッド及びその応用、レーザ加工システム及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、２０１４年１０月２８日に中国出願番号が２０１４１０５８６２４６．１であり、発明の名称が「レーザ加工ヘッド及びその応用、レーザ加工システム及び方法」である出願を優先権として主張し、その内容を参照によりここに援用する。
本発明は、レーザ加工技術分野に関し、特に、高エネルギーレーザ加工に用いられるレーザ加工ヘッド及びその応用、レーザ加工システム及び方法に関する。
本発明は、レーザ加工技術分野に関し、特に、高エネルギーレーザ加工に用いられるレーザ加工ヘッド及びその応用、レーザ加工システム及び方法に関する。
例えば、数キロワットの連続波ファイバレーザ、炭素ガスレーザ、固体レーザ、及びパルス式の高電力レーザ等の高エネルギーレーザは、工業製造の除去加工に広く用いられている。レーザ光による除去加工の際において、パルス幅が比較的大きい（１０ピコ秒より大きい）場合に、除去のメカニズムは、一般的に、溶融と昇華を併用し、補助ガスにより、材料を基体から除去するものである。しかし、その過程においては、大量の熱量が発生し、加工ワークに影響を与える。多くの場合には、例えば、感熱材料の加工及び金属掘削を行う場合に、熱量の加工ワークへの影響をできるだけ避けることを必要とする。
研究者らは、熱影響を低減させるために、レーザ加工分野において一連の措置を採用している。例えば水流のような補助流体を用いて、レーザ加工における熱影響を低減させることは、そのうちの１つである。
レーザ光を水流に結合して、水冷とレーザ加工の効果を複合することにより、レーザ光を主として材料を除去するとともに、水流により冷却して熱影響領域を制限することができることが報道されている。同様に、欧州のＳＹＮＯＶＡ社は、高圧チャンバ及び宝石ノズルにより微細なウォータージェットを形成し、さらにレーザ光を宝石ノズルに合わせ集めることにより、パルスレーザ光が直径１００μｍ未満のウォータージェットに伴って吐出し、空気で自然な導光効果（全反射により長距離かつ低損失で伝送を達成する。）が形成され、パルスレーザ光のエネルギーが結合されたウォータージェットが、ナノ秒パルスレーザ光により熱影響が極めて小さい加工を実現できるマイクロジェットレーザ加工システムを開発した。
しかし、前記技術は、空気におけるウォータージェットの導光効果に依存するため、理論的には、層状の水流と空気界面がなくなると、その導光効果が消滅するから、上述した水補助レーザ加工方法により超大深度（１０ｍｍより大きい）の加工を効率的に達成することが困難である。
米国のＧＥ社は、液体コア光ファイバレーザ加工システムを開発した。導光係数が水より低い中空管を採用し、該中空管は、材質が特殊なポリマー材料であるテフロン(登録商標)であり、融点が４００℃未満である。水が該中空管を流れる時に、水と管壁が導光システムを形成する。実験によれば、該導光システムは、エネルギーが４ＧＷ／ｃｍ２を超えるナノ秒緑色光により、多くのレーザ加工に対するエネルギー要求を達成できることが確認された。また、前記中空管は水の中に深く進入してレーザ加工を行うことができ、論理的には、材料に進入して深さ制限無しのレーザ光除去加工を達成することができる。
しかし、上記の二つのレーザ加工システム及び従来の他の水補助レーザ加工システムでは、マイクロジェットを発生するために、ノズル／中空管の内径を十分に小さくすることにより、結合されたレーザ光のエネルギー密度を向上させる必要がある一方、レーザ光が小さな入射口で中空管を損害することを避ける必要があるという技術問題がある。例えば、ＳＹＮＯＶＡ社製のマイクロジェットレーザ加工システムは、正常の作動において薄いデバイスの加工効果が良好であるが、そのノズルの易損傷性により、信頼性を向上させることが困難である。ここでいう「ノズルの易損傷性」は、システムの作動中に、光点の変位が発生する場合があり、高エネルギーのレーザ光が直接にノズルの中空でない部位に照射すると、高価の宝石ノズルを損害する恐れがある。また、光点が変位しないとしても、不純物粒子が狭いノズル部位を通過する時に、不純物粒子が昇華されて生成した高温プラズマが入射口を腐食し、ノズルを損傷する。
上記の事情を鑑みて、システムの信頼性を保証するために、現在の水補助レーザ加工システムの適用電力は十分ではない。レーザ加工の能力をさらに向上させるために、高エネルギー密度レーザ光の結合とシステム信頼性との矛盾を解決する必要がある。
本発明は、レーザ加工における高エネルギー密度レーザ光の結合とシステム信頼性との矛盾を有効に解決することができるレーザ加工ヘッド及びその応用、レーザ加工システム及び方法を提供する。
本発明は、上記の目的を達成するために、以下の技術手段を採用する。
レーザ光を被加工ワークに伝送するレーザ加工ヘッドであって、
第１段ノズルと、
前記第１段ノズルの下流方向に設置され、前記第１段ノズルに連通する第２段ノズルと、を備え、
前記第２段ノズルの内径は、前記レーザ光の伝送方向に沿って徐々に小さくなり、前記第１段ノズルの最小内径は、前記第２段ノズルの末端内径より大きいレーザ加工ヘッド。
第１段ノズルと、
前記第１段ノズルの下流方向に設置され、前記第１段ノズルに連通する第２段ノズルと、を備え、
前記第２段ノズルの内径は、前記レーザ光の伝送方向に沿って徐々に小さくなり、前記第１段ノズルの最小内径は、前記第２段ノズルの末端内径より大きいレーザ加工ヘッド。
一実施例において、前記レーザ加工ヘッドは、前記第１段ノズルの上流方向に設置されている集光レンズをさらに備える。
一実施例において、前記レーザ加工ヘッドは、前記集光レンズの上流方向に設置されている透明窓をさらに備える。
一実施例において、前記第１段ノズルの最小内径は、前記レーザ光が集光された光点の直径の２倍より大きく、前記第２段ノズルの末端内径は、前記第１段ノズルの最小内径の１／２より小さい。
一実施例において、前記第２段ノズルと前記第１段ノズルとが一体成形される。
一実施例において、前記第１段ノズル及び前記第２段ノズルは、ともに内壁が滑らかな金属管、ガラス管、セラミック管又はプラスチック管である。
一実施例において、前記レーザ加工ヘッドは、前記第１段ノズルに連通する第１チャンバと、前記第２段ノズルに連通する第２チャンバとをさらに備える。
一実施例において、前記第１チャンバは、前記第１段ノズルの上流方向に設置され、
第１段ノズルの外側壁は、直径が徐々に小さくなる曲線構造であり、第２段ノズルにおける内径が比較的大きい部分は、第１段ノズルの外側を囲んで設置され、前記第２チャンバは、前記第１段ノズルの外側壁と前記第２段ノズルの内側壁との間に設置されている。
第１段ノズルの外側壁は、直径が徐々に小さくなる曲線構造であり、第２段ノズルにおける内径が比較的大きい部分は、第１段ノズルの外側を囲んで設置され、前記第２チャンバは、前記第１段ノズルの外側壁と前記第２段ノズルの内側壁との間に設置されている。
レーザ光を発生するレーザと、
前記レーザ光を被加工ワークに伝送する前記レーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドに一定の圧力の第１流体を提供する第１供給部と、
前記レーザ加工ヘッドに一定の圧力の第２流体を提供する第２供給部と、
前記第１供給部、第２供給部、及び前記レーザの動作を制御する制御部と、
を備えるレーザ加工システム。
前記レーザ光を被加工ワークに伝送する前記レーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドに一定の圧力の第１流体を提供する第１供給部と、
前記レーザ加工ヘッドに一定の圧力の第２流体を提供する第２供給部と、
前記第１供給部、第２供給部、及び前記レーザの動作を制御する制御部と、
を備えるレーザ加工システム。
一実施例において、前記第１流体の光に対する屈折率は、前記第２流体の光に対する屈折率より大きい。
一実施例において、前記第１流体は液体であり、前記第２流体は気体である。
一実施例において、前記レーザ加工ヘッドの第１段ノズルの光に対する屈折率は、前記第１流体の光に対する屈折率より小さい。
一実施例において、前記レーザ加工システムは、レーザとレーザ加工ヘッドとの間に設置されている光学部をさらに備える。
レーザ光を集光した後、第１段ノズルの第１流体に結合するステップＳ１００と、
前記レーザ光が結合された第１流体が第２段ノズルに流入し、前記第２段ノズルの第２流体に囲まれるステップＳ２００と、
前記第２段ノズル及び前記第２流体による二重拘束により、前記レーザ光が結合された第１流体の直径が徐々に小さくなり、最終にレーザジェットが形成され、前記第２段ノズルの末端から出射されるステップＳ３００と、
前記レーザジェットが被加工ワークに作用し、レーザ加工を行うステップＳ４００と、
を備えるレーザ加工方法。
前記レーザ光が結合された第１流体が第２段ノズルに流入し、前記第２段ノズルの第２流体に囲まれるステップＳ２００と、
前記第２段ノズル及び前記第２流体による二重拘束により、前記レーザ光が結合された第１流体の直径が徐々に小さくなり、最終にレーザジェットが形成され、前記第２段ノズルの末端から出射されるステップＳ３００と、
前記レーザジェットが被加工ワークに作用し、レーザ加工を行うステップＳ４００と、
を備えるレーザ加工方法。
一実施例において、前記第１流体は液体であり、前記第２流体は気体である。
一実施例において、前記第１流体の光に対する屈折率は、前記第２流体の光に対する屈折率より大きい。
一実施例において、前記第１段ノズルの最小内径は、前記レーザ光が集光された光点の直径の２倍より大きく、前記第２段ノズルの末端内径は、前記第１段ノズルの最小内径の１／２より小さい。
一実施例において、前記レーザジェットの直径は、前記第１流体と前記第２流体の圧力により調整される。
ワーク又は流体の内部に深く進入してレーザ加工を行う前記レーザ加工ヘッドの応用。
本発明は、以下の有益な効果を有する。
本発明が提供するレーザ加工ヘッド及びその応用、レーザ加工システム及び方法は、段階的な結合により、高エネルギー密度レーザ光とシステム信頼性との矛盾を解決する。作動の際に、まず、レーザ光を第１段ノズルの第１流体に結合し、第１段ノズルの直径が比較的大きいため、レーザ光結合の難しさが低く、レーザ光の光点の変位、又は不純物粒子の腐食によるレーザ加工ヘッドへの損傷を回避し、システムの信頼性を向上させる。次に、外部制約により、第１流体の直径を徐々に小さくすることで、最終にレーザジェットを形成して出射し、第１流体の直径を徐々に小さくすることにつれて、第１流体に結合されたレーザ光の光束が徐々に小さくなり、レーザ光のエネルギー密度が徐々に大きくなり、最終的に、高エネルギーレーザ光束を出力する。このようなレーザエネルギーの出力方式は、極めて微細なレーザジェットを生成することにより、従来のレーザ光集光の解像度限界を突破し、５ミクロン、さらにサブミクロンのレベルを達成するとともに、末端の水流直径の長さよりはるかに大きい加工深度の能力を保持する。さらに、信頼性の向上により、キロワットレベルレーザ光の水補助レーザ加工成を可能となり、現在の水補助レーザ加工に比べて、加工速度を大幅に向上させる。
以下、本発明の実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を制限するものではなく、本発明を説明し、解釈するためのものだけである。各部品の位置関係を容易に説明するために、本発明において、レーザ光の伝送方向を下流方向、その反対の方向を上流方向と定義する。
本発明は、レーザで出射されたレーザ光を被加工ワークに伝送するレーザ加工ヘッドであって、特に、高エネルギーレーザ光の伝送に適用されるものを提供する。
図１に示すように、本発明のレーザ加工ヘッド１００は、互いに連通する第１段ノズル１１０と第２段ノズル１２０とを備え、第２段ノズル１２０は、第１段ノズル１１０の下流方向に位置し、即ち、レーザが出射したレーザ光は、まず、第１段ノズル１１０に入り、さらに第２段ノズル１２０に入る。図１における矢印で示す方向はレーザ光の伝送方向である。
第２段ノズル１２０の内径は、レーザ光の伝送方向に沿って徐々に小さくなり、第１段ノズル１１０の最小内径は、前記第２段ノズル１２０の末端（レーザ光の出射端）内径より大きい。
なお、本発明において、第１段ノズル１１０は固定内径構造であってもよいが、可変内径構造であってもよい。好ましくは、図１に示すように、第１段ノズル１１０は固定内径構造であり、即ち内部直径が同一である。この場合に、その最小内径はその内部直径である。固定内径の設計は、レーザ光における最初の結合に寄与し、レーザ光における最初の結合による損失を効果的に避けることができる。
作動の際に、第１段ノズル１１０に一定の圧力の第１流体を導入し、第２段ノズル１２０に一定の圧力の第２流体を導入する。ここで、該第１流体は、第１段ノズル１１０に入射するレーザ光を結合するために用いられ、該第２流体は、レーザ光が結合された第１流体を囲むために用いられる。レーザ加工の時に、まず、レーザ光を第１流体に結合し、さらに、第１流体に結合されたレーザ光が第１流体に伴い第２段ノズル１２０に入り、第２段ノズル１２０において、第２流体がレーザ光が結合された第１流体を囲む。第２段ノズル１２０の内径がレーザ光の伝送方向に沿って徐々に小さくなり、且つ第２流体が一定の圧力を有するため、レーザ光が結合された第１流体の直径が第２段ノズル１２０と第２流体による二重拘束により、徐々に小さくなり、それに伴って、レーザ光の光点が徐々に小さくなり、レーザ光のエネルギー密度（レーザ光強度）が大きくなる。レーザ光が結合された第１流体は、最終に第２流体に囲まれたままレーザジェットを形成して、第２段ノズル１２０の末端から出射され、被加工ワークに作用し、高エネルギーのレーザ加工を達成する。
本発明のレーザ加工ヘッド１００は、段階的結合により、高エネルギーレーザ光密度とシステム信頼性との矛盾を解決する。第１段ノズル１１０の最小内径が前記第２段ノズル１２０の末端内径より大きいため、第１流体は比較的大きな内径を有し、レーザ光結合の際に、比較的大きなレーザ光の光点を使用することができる。それにより、最初の結合の時のレーザ光のエネルギー密度が低減され、レーザ光が第１段ノズル１１０を損傷するリスクが低減され、レーザ光の結合効率とシステムの信頼性が向上する。また、第１段ノズル１１０は、例えば、石英管の低コストの高温材料を採用してもよく、宝石ノズルに比べて、コストを大幅に低減できる。また、固体による直接拘束ではなく、第２流体で拘束することにより、第１流体の直径を徐々に小さくするため、レーザ光の強度向上領域においてレーザ光と第２段ノズル１２０との直接接触を効果的に回避し、システムの信頼性をさらに向上させ、超ハイパワーの連続波レーザ光（１０００Ｗ以上）又は高い平均パワーのパルスレーザ光（百ワットレベル以上のナノ秒、ピコ秒、フェムト秒レーザ）のエネルギーを非常に細い端末レーザジェットに結合することができ、レーザ光の高い除去速度及び高い加工品質の優位性を発揮することができる。
好ましくは、第１段ノズル１１０の末端内径は、第２段ノズル１２０の初端内径の以下である。それにより、第２流体が第１流体を囲みやすくなり、乱流を効果的に回避することができる。
本発明において、第１流体の最終直径（第２段ノズル１２０の末端から出射する時の直径）は、第１流体と第２流体の圧力を調整することに調整されてもよく、第２段ノズル１２０の末端直径を変化させることにより調整されてもよいが、レーザ光が結合された第１流体が層流状態であることを保証し、乱流を回避し、レーザ光をスムーズに伝送することができれば、特に制限されない。
具体的なレーザ加工において、第１流体の最終直径は、入力したレーザ光のパワーと必要なレーザ光の強度に関係する。例えば、ナノ秒パルスレーザ光による除去加工では、５００ＭＷ／ｃｍ２以上のレーザ光強度を達成するために、一般的に、１００μｍ以下の最終直径を必要とする一方、１０００Ｗの連続波レーザ光では、５ＭＷ／ｃｍ２以上のレーザ光強度を達成するために、１５０μｍ未満の最終直径を必要とする。
好ましくは、図１に示すように、本発明のレーザ加工ヘッド１００は、集光レンズ１３０をさらに備える。集光レンズ１３０は、第１段ノズル１１０の上流方向に設置され、即ち、レーザが出射したレーザ光が集光レンズ１３０により集光された後、第１段ノズル１１０に入る。集光レンズ１３０は、光束を集光する作用を有し、レーザ光のエネルギーを１つの光点に集光することで、第１流体への結合がより容易になり、レーザ光の伝送及び結合における損失を低減させることができる。
ここで、集光レンズ１３０の焦点距離と具体的な設置位置は、実際の必要に応じて選択されることができる。第１段ノズル１１０に導光構造を使用しない（即ち、第１流体の光に対する屈折率が第１段ノズル１１０の光に対する屈折率の以下である）場合に、レーザ光の焦点を第１段ノズル１１０の出口の下方に集光することで、レーザ光のエネルギー損失を低減させることができる。第１段ノズル１１０に導光構造を使用する（即ち、第１流体の光に対する屈折率が第１段ノズル１１０の光に対する屈折率より大きい）場合に、レーザ光の焦点を第１段ノズル１１０の任意位置に位置させることができる。
より好ましくは、前記レーザ加工ヘッド１００は、透明窓１４０をさらに備える。該透明窓１４０は、集光レンズ１３０の上流方向に設置され、集光レンズ１３０を保護するために用いられ、集光レンズ１３０が汚染されることにより集光効果に影響を与えることを防止する。一般的に、透明窓１４０の材質は石英ガラスである。
レーザ光結合の信頼性を向上させ、レーザ光が入射する時にレーザ加工ヘッド１００の損傷を避けるために、第１段ノズル１１０の最小内径は、レーザ光が集光された光点の直径の２倍より大きくされることが好ましく、０．２５ｍｍ−０．７５ｍｍであることが好ましい。また、最終的に出力するレーザ光のエネルギー密度を向上させるために、第２段ノズル１２０の最小内径（即ち、第２段ノズル１２０の末端内径）は、第１段ノズル１１０の最小内径の１／２より小さくされることが好ましく、５μｍ−１００μｍであることが好ましい。必要に応じて、サブミクロンレベルとされてもよい。
さらに、レーザ光のノズルに対する損傷を回避するとともに、コストを低減させるために、第１段ノズル１１０は、内壁が滑らかな金属管、セラミック管又はガラス管を使用することができる。長期安定性を損なわない限り、プラスチック管を使用してもよい。金属管は、ステンレス鋼管、銅管等を含み、ガラス管は、石英管等を含む。第２段ノズル１２０も、前記管材を使用することができる。
図１に示すように、前記レーザ加工ヘッド１００は、第１チャンバ１５０と第２チャンバ１６０とをさらに備える。第１チャンバ１５０は、第１段ノズル１１０に連通し、第２チャンバ１６０は、第２段ノズル１２０に連通する。レーザ加工の際に、第１流体が第１チャンバ１５０を介して第１段ノズル１１０に導入され、第２流体が第２チャンバ１６０を介して第２段ノズル１２０に導入される。
図１に示すように、第１流体の導入を容易にするために、実施可能な形態として、第１チャンバ１５０が第１段ノズル１１０の上流方向に設置される。図１の方位からみて、第１チャンバ１５０が第１段ノズル１１０の真上に設置されている。第２流体の導入を容易にするとともに、第２流体に第１流体を囲ませるために、第１段ノズル１１０の外側壁は、直径が徐々に小さくなる円弧状又は他の曲線構造に設計され、第２段ノズル１２０の内径が比較的大きい部分は、第１段ノズル１１０の外側を囲んで設置されている。この場合に、第１段ノズル１１０の外側壁と第２段ノズル１２０の内側壁との間に円弧状領域が形成され、第２チャンバ１６０は、この円弧状領域に設置されている。このように、第２流体の流れの均一性を向上させ、レーザ光が結合された第１流体を均一に囲むことができ、レーザ光の伝送に有利である。
好ましくは、本発明のレーザ加工ヘッド１００において、第１段ノズルと第２段ノズルは気密接続されている。第１段ノズル１１０と第２段ノズル１２０は、一体成形により接続されることができる。このように、第１段ノズル１１０と第２段ノズル１２０との接続の気密性を向上させることができ、チャンバ内の圧力制御に有利である。なお、第１段ノズル１１０と第２段ノズル１２０は、溶接又はネジ接続等の別形態により接続されてもよい。この別形態による接続方式は、第２段ノズル１２０の交換に便利である。
本発明のレーザ加工ヘッド１００は、高エネルギーのレーザ光の出力を達成することができ、小さい熱影響、高い加工品質、高いシステム信頼性等の利点を有する。出力するレーザ光の強度が一定のレベルになると、洗浄、表面彫刻、切削、穿孔、レーザ耐衝撃強化等の加工に適用可能になる。段階的にエネルギーを結合することにより、レーザ光が入射する時に第１段ノズル１１０を損傷することを避け、レーザ光の強度向上領域において固体管壁とレーザ光との直接接触を避けることができる。二重層流体（第１流体と第２流体）で隔離することにより、現在の水補助レーザ加工に一般に存在している、システム信頼性と高エネルギー密度結合との矛盾を解決する。また、レーザ加工ヘッド１００のノズルの規格、第１流体と第２流体の圧力パラメータを調整することにより、端末レーザジェットを制御可能に調整することができ、プロセスの最適化と技術の共通性の実現のための基礎となる。
さらに、本発明は、ワーク又は流体の内部に深く進入してレーザ加工を行うレーザ加工ヘッドの応用を提供することにより、従来、複雑な環境又は狭い領域に深く進入して加工する時の技術問題を解決し、加工品質を保証する。図２と図３は、示されたように、それぞれ本発明のレーザ加工ヘッド１００がワーク内部及び流体内部に深く進入してレーザ加工を行う状況を示す構造模式図である。好ましくは、第２段ノズル１２０の末端長さは、必要に応じて延長されることができ、それにより良好に複雑な環境に深く進入し、加工をスムーズに実現することができる。
図４に示すように、本発明は、レーザ加工ヘッド１００、レーザ２００、第１供給部３００、第２供給部４００、及び制御部５００を備えるレーザ加工システムを提供する。
レーザ２００はレーザ光を発生し、レーザ加工ヘッド１００は、レーザで発生したレーザ光を被加工ワークに伝送し、第１供給部３００は、レーザ加工ヘッド１００に一定の圧力の第１流体を提供し、第２供給部４００は、レーザ加工ヘッド１００に一定の圧力の第２流体を提供し、制御部５００は、第１供給部３００、第２供給部４００、及びレーザ２００の動作を制御する。
図１と図４に示すように、レーザ加工の際に、レーザ２００がレーザ光を発生し、第１供給部３００が一定の圧力の第１流体を第１チャンバ１５０に押し込み、その後、第１流体が第１段ノズル１１０に入る。第２供給部４００が第２流体を第２チャンバ１６０に押し込み、その後、第２流体が第２段ノズル１２０に入る。レーザ２００が発生したレーザ光が、まず第１流体に結合され、次に第１流体に伴って第２段ノズル１２０に入り、第１流体が第２段ノズル１２０において第２流体に囲まれる。第２流体と第２段ノズル１２０の二重拘束により、第１流体の直径が徐々に小さくなり、最終にレーザジェットが形成されて第２段ノズル１２０の末端から出射されて被加工ワークに作用し、レーザ加工を行う。
好ましくは、前記レーザ加工システムにおいて、第１流体の光に対する屈折率が第２流体の光に対する屈折率より大きい。レーザ光が結合された第１流体が最終に第２流体に囲まれる状態で第２段ノズル１２０の末端から出射されて被加工ワークに作用するため、第１流体の光に対する屈折率が第２流体の光に対する屈折率より大きい場合に、第１流体と第２流体が導光構造を形成でき、レーザ光の伝送におけるエネルギー損失が大幅に低減され、また、第１流体と第２流体の二重展延性により、レーザ光の有効な作用距離を増加させ、深い、極めて深いレーザ加工の実現に寄与する。
好ましくは、前記レーザ加工システムにおいて、第１流体は液体であり、第２流体は気体である。これにより、レーザ光の結合に有利で、第２流体による囲みを形成しやすく、より優れた制御性を有する。ここで、第１流体は、水であることが好ましいが、他の液体であってもよい。第２流体は、不純物が濾別された空気、窒素ガス、ネオンガス又はアルゴンガスであることが好ましいが、他の気体であってもよい。気体の導光係数が約１で、水の光屈折率が約１．３３４で、両者の全反射入射角が約４８°であるため、気体と水の組合せは自然な光ファイバ効果、即ち全反射効果を形成することができ、且つ、比較的大きな全反射角は、直径の変化に必要な伝送長さを短縮し、レーザ光結合におけるエネルギー損失を低減させることに有利であるとともに、レーザ加工において、気流と水流の二重作用により、良好な切り屑排出性が優れ、除去された材料の二次堆積を回避することでき、レーザ加工品質を向上させる。
なお、第１流体が液体である場合に、第２流体は、密度が第１流体より小さい液体であってもよい。
第１流体が水であり、第２流体が気体である場合に、レーザ光が純水で伝送するエネルギー強度の限界が非常に高く、例えば、ナノ秒レベルの５３２ｎｍ又は１０６４ｎｍのレーザ光に対して、水が破壊されるレーザ光強度が６０００ＭＷ／ｃｍ２であり、固体光ファイバ（１０００ＭＷ／ｃｍ２未満）よりはるかに大きいことに加えて、自然な水冷却効果によって、本発明のレーザ加工システムは、連続波やパルスレーザ光が含まれる大きいパワーのレーザ光を伝送することができる。例えば、直径２５μｍの層流水柱は、原則的に３７．５ＫＷを超える５３２ｎｓ又は１０６４ｎｓのレーザ光を伝送することができ、１００μｍの層流水柱は、６００ＫＷのレーザ光を伝送することができる。本発明者は、フェムト秒の８００ｎｍレーザ光、ピコ秒の１０６４ｎｍレーザ光と５３２ｎｍレーザ光、ナノ秒の１０６４ｎｍレーザ光と５３２ｎｍレーザ光、連続波１０６４ｎｍレーザ光について、いずれも実験を行った結果、本発明の技術手段の信頼性が確認された。
本発明者は、流体拘束により直径を縮小することについて、シミュレーション及び実験を行った結果、その実現可能性が確認された。図５は、ＡＮＳＹＳソフトウェアにより得られた、空気の水流に対する拘束のシミュレーションのキャプチャーであり、ここで、中央の黒色部分は水、外側の比較的淡い部分は空気である。シミュレーションの結果から分かるように、水流と気体に関するパラメータを調整することにより、安定した囲まれた層流マイクロジェットを形成することができる。
さらに、レーザ加工ヘッド１００の第１段ノズル１１０の光に対する屈折率が第１流体の光に対する屈折率より小さい。即ち、第１段ノズル１１０には導光構造を採用する。第１流体が水である場合に、第１段ノズル１１０は、フッ素樹脂（ＴＥＦＬＯＮＡＦ）を採用してもよい。フッ素樹脂の光学屈折率は１．２９である一方、水の光学屈折率は１．３３４であるため、両者は導光構造を形成して、レーザ光の結合におけるエネルギー損失を低減させることができる。
一実施可能な形態として、前記レーザ加工システムは、レーザとレーザ加工ヘッド１００との間に設置されている光学部６００をさらに備える。該光学部６００は、反射レンズ、レンズ調整フレーム、ビームエキスパンダー、グレーティング等の素子を含み、レーザ２００が出射するレーザ光がレーザ加工ヘッド１００に正確に入射できることを保証する。
本発明のレーザ加工システムにおいて、レーザが出射するレーザ光の波長は２６６ｎｍ−１１００ｎｍとすることができ、該波長範囲のレーザ光は水の中で伝送される時にある程度減衰することがあり、そのうち、５３２ｎｍのレーザ光の減衰幅が最も小さく、有効な伝送距離は２０ｍ以上であり、１０６４ｎｍのレーザ光でも有効な伝送距離が１００ｍｍに達することができる。
本発明のレーザ加工システムにおいて、本発明のレーザ加工ヘッド１００を採用するため、レーザ光エネルギーの段階的結合を達成することができ、結合信頼性が高く、結合効率が高く、固体デバイスを損傷することがなく、熱影響が小さく、加工品質が高く、加工範囲及び加工の有効性を広げる等利点を有する。本発明のレーザ加工システムは、レーザ光切削、レーザ光穿孔、又はレーザ光三次元除去加工に直接適用できる。それを改造すると、より多くの加工プロセス、例えば、水中洗浄、溶接等に適用できるようになる。
さらに、本発明は、
レーザ光を集光した後、第１段ノズルの第１流体に結合するステップＳ１００と、
レーザ光が結合された第１流体が第２段ノズルに流入し、第２段ノズルの第２流体に囲まれるステップＳ２００と、
第２段ノズルと第２流体の二重拘束により、レーザ光が結合された第１流体の直径が徐々に小さくなり、最終にレーザジェットが形成され、第２段ノズルの末端から出射されるステップＳ３００と、
レーザジェットが被加工ワークに作用し、レーザ加工を行うステップＳ４００と、
を備えるレーザ加工方法を提供する。
レーザ光を集光した後、第１段ノズルの第１流体に結合するステップＳ１００と、
レーザ光が結合された第１流体が第２段ノズルに流入し、第２段ノズルの第２流体に囲まれるステップＳ２００と、
第２段ノズルと第２流体の二重拘束により、レーザ光が結合された第１流体の直径が徐々に小さくなり、最終にレーザジェットが形成され、第２段ノズルの末端から出射されるステップＳ３００と、
レーザジェットが被加工ワークに作用し、レーザ加工を行うステップＳ４００と、
を備えるレーザ加工方法を提供する。
前記レーザ加工方法において、第１流体は液体であり、第２流体は気体である。好ましくは、第１流体の光に対する屈折率が第２流体の光に対する屈折率より大きい。より好ましくは、第１段ノズルの最小内径が前記レーザ光が集光された光点直径の２倍より大きく、第２段ノズルの末端内径が前記第１段ノズルの最小内径の１／２より小さい。該方法による有益な効果について、上記のレーザ加工ヘッドについての説明において詳述したので、ここで、説明を省略する。
本発明のレーザ加工方法において、レーザ加工ヘッドのノズルの規格、第１流体と第２流体の圧力パラメータを調整することにより、レーザジェット直径を制御可能に調整することができ、プロセスの最適化と技術の共通性の実現のための基礎となる。
本発明が提供するレーザ加工方法は、段階的結合により、高エネルギー密度レーザ光とシステム信頼性との矛盾を解決し、大きいパワーのレーザ加工を達成することができる。なお、本発明のレーザ加工方法は、本発明のレーザ加工ヘッドと本発明のレーザ加工システムにより実現されることができる。また、本発明のレーザ加工方法は、他の条件を満足できる装置により実現されてもよい。
上記の実施例は、本発明の幾つかの実施形態についての具体的な説明に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨及び範囲を逸脱しない限り、当業者であれば、様々な変更及び修飾を加えることができ、これらの変更及び修飾は本発明の範囲に含まれるべきであるため、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲に基づくものである。
Claims (16)
- レーザ光を被加工ワークに伝送するレーザ加工ヘッドであって、
第１段ノズルと、
前記第１段ノズルの下流方向に設置され、前記第１段ノズルに連通する第２段ノズルと、を備え、
前記第２段ノズルの内径は、前記レーザ光の伝送方向に沿って徐々に小さくなり、前記第１段ノズルの最小内径は、前記第２段ノズルの末端内径より大きく、
前記第１段ノズルに連通する第１チャンバと、前記第２段ノズルに連通する第２チャンバとをさらに備え、
前記第１チャンバは、前記第１段ノズルの真上に設置され、
第１段ノズルの外側壁は、直径が徐々に小さくなる円弧状であり、第２段ノズルにおける内径が比較的大きい部分は、第１段ノズルの外側を囲んで設置され、前記第２チャンバは、前記第１段ノズルの外側壁と前記第２段ノズルの内側壁との間に形成されている円弧状領域に設置されることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 前記第１段ノズルの上流方向に設置されている集光レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
- 前記集光レンズの上流方向に設置されている透明窓をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
- 前記第１段ノズルの最小内径は、前記レーザ光が集光された光点の直径の２倍より大きく、前記第２段ノズルの末端内径は、前記第１段ノズルの最小内径の１／２より小さいことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
- 前記第２段ノズルと前記第１段ノズルとが一体成形されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
- 前記第１段ノズル及び前記第２段ノズルは、ともに内壁が滑らかな金属管、ガラス管、セラミック管又はプラスチック管であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
- レーザ光を発生するレーザ発生部と、
前記レーザ光を被加工ワークに伝送する請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドに一定の圧力の第１流体を提供する第１供給部と、
前記レーザ加工ヘッドに一定の圧力の第２流体を提供する第２供給部と、
前記第１供給部、第２供給部、及び前記レーザ発生部の動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とするレーザ加工システム。 - 前記第１流体の光に対する屈折率は、前記第２流体の光に対する屈折率より大きいことを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工システム。
- 前記第１流体は液体であり、前記第２流体は気体であることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工システム。
- 前記レーザ加工ヘッドの第１段ノズルの光に対する屈折率は、前記第１流体の光に対する屈折率より小さいことを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工システム。
- 前記レーザ発生部とレーザ加工ヘッドとの間に設置されている光学部をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工システム。
- レーザ光を集光した後、第１段ノズルの第１流体に結合するステップＳ１００と、
前記レーザ光が結合された第１流体が第２段ノズルに流入し、前記第２段ノズルの第２流体に囲まれるステップＳ２００と、
前記第２段ノズルと前記第２流体の二重拘束により、前記レーザ光が結合された第１流体の直径が徐々に小さくなり、最終にレーザジェットが形成され、前記第２段ノズルの末端から出射されるステップＳ３００と、
前記レーザジェットが被加工ワークに作用し、レーザ加工を行うステップＳ４００と、を備えることを特徴とするレーザ加工方法。 - 前記第１流体は液体であり、前記第２流体は気体であることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ加工方法。
- 前記第１流体の光に対する屈折率は、前記第２流体の光に対する屈折率より大きいことを特徴とする請求項１２に記載のレーザ加工方法。
- 前記第１段ノズルの最小内径は、前記レーザ光が集光された光点の直径の２倍より大きく、
前記第２段ノズルの末端内径は、前記第１段ノズルの最小内径の１／２より小さいことを特徴とする請求項１２に記載のレーザ加工方法。 - 前記レーザジェットの直径は、前記第１流体と前記第２流体の圧力により調整されることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
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