JP6856765B2 - レーザ加工用の放射を成形するための方法及び装置 - Google Patents
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Description
・著しく高いレーザ放射エネルギー活用効率をもたらす(ほとんど拡散放射がない)。
・ビームシェイパにおけるレーザビーム位置に対し低いアライメント感度を有する位相マスクを形成する。
・入射ビームの個々の回折次数から所望のビーム分布を合成し、これに伴い生成されるビーム分布の焦点深度が、未成形の集束された入射ビームの焦点深度と同等になる。
・(数学的見地から)比較的に簡単に実装できる。
・(計算時間技術的見地から)高速なアルゴリズムである。
方法に関する課題は、請求項1乃至13に記載の特徴によって解決される。
1)上述のように、回折型ディフューザアルゴリズムIFTAを用いて、簡単かつ正確にビーム分割用の位相マスクを計算することができる。
2)IFTAによるビーム成形の場合、レーザ光が干渉性であることから、重畳させた回折次数間において妨害を及ぼすアーチファクト/干渉(スペックル)が発生する。
3)局所的にオーバラップ/重畳させた2つのレーザビームは、以下の場合には干渉する可能性がない。即ち、
i.それらがそれぞれ異なる偏光であるとき、
ii.それらがそれぞれ異なる波長であるとき、
iii.それらがレーザ放射の干渉長よりも時間的に長く互いに隔たって位置しているとき、
iv.それらが時間的にオーバラップしていないとき(例えば、パルス化レーザにおいて、ある1つのパルスが他のパルスと同時には到来せず、そのあとで初めて到来する場合)。
Claims (16)
- レーザ装置(20)においてレーザビーム(22)を加工/結像平面(29)上に集束させ、少なくとも1つのビームシェイパ(26、30)を用いて前記レーザビーム(22)を当該レーザビーム(22)の強度分布に関して調整可能である、レーザ加工プロセスにおけるビーム成形方法において、
前記加工/結像平面(29)における均一性障害を回避するために、少なくとも1つのビームスプリッタ(23)を用いて前記レーザビーム(22)を少なくとも2つの部分ビーム又は個別ビーム(24、25、35)に分割して前記部分ビーム又は個別ビームをそれぞれ異なるように制御し、又は、前記レーザビーム(22)の各部分ビーム又は個別ビームをそれぞれ異なる波長を有するレーザ源(21)から形成し、前記部分ビーム又は個別ビームが、当該部分ビーム又は個別ビームの合成及び前記加工/結像平面(29)上への集束の後、目標ビーム分布(33)に相当する所定の強度分布(28.1)を有する出力ビーム(28)を形成するようにし、前記所定の強度分布(28.1)の隣り合う強度最大値は、干渉形成を排除するために少なくとも1つ又は複数の光特性に関してそれぞれ異なり、
前記出力ビーム(28)の形成にあたり、前記加工/結像平面(29)における前記部分ビーム又は個別ビームの前記強度分布(24.1、25.1、37.1、37.2、37.3、37.4)を、反復パターンフィールド(MFA、MFB、MFC、MFD)を有する規則的なパターンMとして合成し、直接隣り合うパターンフィールド(MFA、MFB、MFC、MFD)は、それぞれ1つの異なるタイプの部分ビーム又は個別ビームに割り当てられており、前記異なるタイプの部分ビーム又は個別ビームは、少なくとも1つの光特性に関してそれぞれ異なる、
ことを特徴とする、レーザ加工プロセスにおけるビーム成形方法。 - 前記部分ビーム又は個別ビーム(24、25、35)を、ビームシェイパ(26、30、37)及び/又は遅延ユニット(36)及び/又は波長操作器(38)を用いて、前記部分ビーム又は個別ビーム(24、25、35)の位相及び/又は強度分布(24.1、25.1、37.1、37.2、37.3、37.4)及び/又は波長に関して、それぞれ異なるように制御する、
請求項1に記載の方法。 - 前記レーザビーム(22)を、それぞれ異なるように偏光された少なくとも2つの部分ビーム又は個別ビームに分割し、前記部分ビーム又は個別ビームをそれぞれビームシェイパ(26、30)を用いて当該部分ビーム又は個別ビームの強度分布(24.1、25.1)に関して変化させ、それぞれ異なるように偏光された前記部分ビーム又は個別ビームの合成後、両方の部分ビーム又は個別ビームの前記強度分布(24.1、25.1)を、前記目標ビーム分布(33)となるように前記加工/結像平面(29)において重畳させ、前記部分ビーム又は個別ビームの前記強度分布(24.1、25.1)の隣り合う強度最大値は、それぞれ異なる偏光を有する、
請求項1に記載の方法。 - 前記規則的なパターンMは、チェス盤パターン又はハニカムパターン又は三角形パターン又は菱形パターンを含む、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ビームシェイパ(26、30、37)を用いて、所定の時間間隔で前記部分ビーム又は個別ビーム(24、25、35)を相前後して、少なくとも1つの位相マスク及び/又は振幅マスクによって変形させる、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法。 - 前記目標ビーム分布(33)に応じて、前記レーザ加工のためにそれぞれ異なる位相マスク及び/又は振幅マスクを予め設定する、
請求項5に記載の方法。 - 前記部分ビーム又は個別ビームをそれぞれ単独で別個に又は共通に、前記位相マスク及び/又は振幅マスクによって変形させる、
請求項5又は6に記載の方法。 - 前記ビーム成形のために、空間光変調器として構成された回折型ディフューザを用いる、
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の方法。 - パルス化された又はパルス化されていない干渉性光源を用いる、
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の方法。 - パルス化されたレーザを用いた場合には、前記レーザビーム(22)を各部分ビーム又は個別ビームについてそれぞれ異なる強度分布(35.1、35.2、35.3、35.4)を有する少なくとも2つの部分ビーム又は個別ビーム(24、25、35)に分割した後、前記遅延ユニット(36)を用いて、前記レーザビーム(22)を各部分ビーム又は個別ビーム(24、25、35)についてそれぞれ異なるように時間的に遅延させ、前記部分ビーム又は個別ビーム(24、25、35)の合成及び前記加工/結像平面(29)上への集束の後、前記レーザビーム(22)は、少なくとも時間的に前記加工/結像平面(29)において重畳することなく、前記所定の強度分布(28.1)を有する出力ビーム(28)を形成し、前記ビームシェイパ(37)は、各部分ビーム又は個別ビームについてそれぞれ異なる強度分布(35.1、35.2、35.3、35.4)を生成するために、前記ビームスプリッタ(23)と組み合わせられており、又は、前記遅延ユニット(36)の下流でビーム合成器(27)の上流に配置されている、
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の方法。 - 最小遅延を前記レーザビーム(22)のパルス持続時間以上に選定する、
請求項10に記載の方法。 - 1番目の部分ビーム又は個別ビームについては遅延を選定せず、2番目の部分ビーム又は個別ビームについては前記レーザビーム(22)の少なくともパルス持続時間に対応させて遅延を選定し、3番目の部分ビーム又は個別ビームについては前記レーザビーム(22)の少なくとも2倍のパルス持続時間に対応させて遅延を選定し、n番目の部分ビーム又は個別ビームについては前記レーザビーム(22)の少なくとも(n−1)倍のパルス持続時間に対応させて遅延を選定する、
請求項10又は11に記載の方法。 - 前記レーザビーム(22)をn個の部分ビーム又は個別ビーム(35)に分割し、当該n個の部分ビーム又は個別ビーム(35)のうち一部の少なくとも1つの部分ビーム又は個別ビームを、ビームシェイパ(26、30、37)を用いて当該少なくとも1つの部分ビーム又は個別ビームのビーム形状に関して変化させ、前記n個の部分ビーム又は個別ビーム(35)のうち残余の1つ又は複数の部分ビーム又は個別ビーム(35)をビーム成形することなく、前記加工/結像平面(29)内の被加工ワークピース上で1つの照射フィールドとなるように、ビーム成形された前記少なくとも1つの部分ビーム又は個別ビームと合成し、又は、前記複数の他の部分ビーム又は個別ビーム(35)を目標とする干渉状態に至らしめる、
請求項1乃至12のいずれか一項に記載の方法。 - レーザ切削、レーザ穿孔、レーザマーキング、レーザはんだ付け若しくはレーザ溶接、レーザ切断、レーザ焼結及び肉盛溶接、レーザ洗浄、レーザ硬化、レーザ再溶解、レーザ合金化及び分散のための、又は、レーザ研磨のための、レーザ加工装置における請求項1乃至13のいずれか一項に記載の方法の使用。
- 少なくとも1つの計算ユニット(34)、レーザ源(21)及びビームシェイパ(26、30、37)を含む、レーザ装置(20)であって、
前記レーザ源(21)からのレーザビーム(22)を、加工/結像平面(29)上に集束可能であり、前記レーザビーム(22)を前記ビームシェイパ(26、30、37)により当該レーザビーム(22)の強度分布に関して調整可能であるレーザ装置(20)において、
前記レーザ装置(20)及び前記計算ユニット(34)は、請求項1乃至13のいずれか一項に記載の方法を実施するための制御装置を備えており、
少なくとも1つのビームスプリッタ(23)により前記レーザビーム(22)を部分ビーム又は個別ビーム(24、25、35)に分割可能であり、又は、各部分ビーム又は個別ビーム(24、25、35)を、それぞれ異なる波長を有するレーザ源(21)から生成可能であり、
前記計算ユニット(34)により制御可能であるビームシェイパ(26、30、37)及び/又は遅延ユニット(36)及び/又は波長操作器(38)によって、前記部分ビーム又は個別ビームを、当該部分ビーム又は個別ビームの位相、偏光、波長及び/又は強度分布(24.1、25.1、37.1、37.2、37.3、37.4)に関して、それぞれ異なるように制御可能であり、
ビーム合成器(27)による前記部分ビーム又は個別ビームの合成及び前記加工/結像平面(29)上への集束の後、目標分布(33)に相当する所定の強度分布(28.1)を有する出力ビーム(28)を形成可能であり、前記所定の強度分布(28.1)の隣り合う強度最大値は、干渉形成を排除するために少なくとも1つ又は複数の光特性に関してそれぞれ異なる、
ことを特徴とするレーザ装置(20)。 - 前記レーザ装置(20)は、材料加工のためのレーザ装置(20)である、
請求項15に記載のレーザ装置(20)。
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