JP7013413B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

効率的なレーザ加工は、複数の異なるプロセスでの、レーザ光と物質の相互作用の最適化に基づいている。

例えば、薄い金属シートを切断（切削）する際には、浅い焦点深度を有する小さな焦点が、大きな焦点よりも切断速度及び切断品質を向上させ得ることが知られている。一方、６ｍｍ以上の厚みを有する厚いシートの場合は、効率的な切断にはより大きな焦点が必要となる。また、液化物を効率的に排出するためにはより広い切り口を生成する必要がある一方、薄いシートに対しては細い切り口で十分である。異なる加工対象に素早く焦点を合わせるため、レンズの機械的な移動を許容する特別な切断光学系が開発されている。さらに、材料が異なるとレーザに対して異なる相互作用をするため、材料に応じた焦点の調節が必要なことも知られている。

レーザ溶接では、焦点形状が溶接継目の形状に大きな影響を与える。例えば、一般的に１５ｍ／ｍｉｎ以上の高速溶接ではハンピングが観測されるが、この場合、溶接ビードは大きな凹凸を形成する。細長いビームは、最大溶接速度を２倍以上に増加させる。一般的に、２つの焦点を生成する溶接光学系が用いられており、これら２つの焦点は互いの位置とそれぞれの強度を調節することが可能となっている。

さらに、焦点形状は溶接するシートの厚さと接合縁の形状に合わせなければならない。このことは突合せ接合において重要である。両方の接合縁が矩形形状である場合は、接合ギャップが最小となり、焦点を小さくすることで溶接速度を高速化し、品質を向上させることができる。しかしながら、不適当な接合ギャップの場合にはギャップが大きくなり、大きな焦点を用いなければならなくなる。重ね溶接では、深い焦点深度と小さな焦点が高いギャップ架橋性を示す一方、大きな焦点と浅い焦点深度は僅かなギャップ幅しか埋めることができないことが知られている。既知の端面品質及び端面形状の場合、それぞれ特殊な光学システムが用いられる。ギャップ架橋は、例えば、ミグ溶接（metal inert gas welding）とレーザ溶接とを組み合わせるか、又はレーザ光に追加材料としてのワイヤを導入するハイブリット光学系によって達成される。スキャナもまた用いられており、スキャナはレーザ光をすばやく振動させ、ギャップを架橋するための追加の材料を溶融する。

突合せ接合において材料の厚さが異なる場合は、専用のビーム整形が必要である。その目的は、接合領域に対称に熱入力を行うことによって、薄板の過熱を防止し、且つ厚板をそれ相応に加熱することである。この際には、以下で説明する二重ビーム光学系がよく用いられる。

異なる材料の溶接には、金属間化合物相による課題もある。ここで、溶接品質のためには、特定の熱入力及び接合する材料間の温度分布が重要である。例えば、アルミニウムと銅を接合する際には、その熱伝導性と高い融点を補償するため、ビーム強度の大部分は銅に与えられる。

ビーム整形の別の例は、異なる幅の接合領域、例えばプラスチックの重ね溶接に見出すことができる。微細な（接合）形状と平坦な接合は多くの構成要素中に見られる。プラスチックの端面が燃焼しないよう、熱入力の絶対量と線エネルギーは正確に制御しなければならない。ここでは、シーム形状に適合したフォーカスラインを生成するために、マスク又はスキャナによる露光が用いられる。

亜鉛めっきされたシートの溶接にも課題がある。なぜなら、亜鉛はレーザ溶接中に中間層で蒸発し、溶融の間ガスを放出して、大きく不規則な気泡を溶接継目に発生させ、安定性に悪影響を及ぼすからである。そこで、特殊で複雑な焦点形状がガス放出を防止することが示されている。ここでも、二重ビーム光学系が用いられているが、多くの場合、より複雑な焦点形状が必要とされる。

肉盛溶接の分野では、複数の異なる焦点形状が使用される。高い表面仕上げを有する細線粒金（フィリグリー）構造では、小さなスポットと性能が必要とされる一方、大きな表面は、一般的に大きな丸または線状の焦点でコーティングされる。ここでは、ほとんど場合、専用の焦点を有する固定光学系が使用される。

同様に、レーザ焼入れの場合には、表面層の溶融を防止するため、焦点と出力を動的に構成要素に適合させなければならない。ここでは、スキャナだけでなく特別な固定光学系が、対応する焦点を選択するため又はそれを工具形状に適合させるために使用される。

切断処理及び穴あけも、焦点と出力の動的な変化を利用している。例えば、異なる構造又はいかなる穴の形状も、それぞれ簡単に切断（アブレーション）することができる。ほとんどの場合、スキャナはこの目的のために使用される。

レーザ加工の単一プロセスにおけるスポット形状及び出力のために必要な柔軟性に加えて、光学系に複数プロセスを行わせることが、システムの利用を最適化するために望ましい。しかしながら、焦点形状と強度に対する要求は、単一プロセスの場合よりも多様であり、現在の光学系では不可能である。

工業的な光学システムは、焦点形状を変化させる柔軟性が非常に制限されている。２つの焦点の距離及びそれらの強度が可変である２スポット光学系、主に線焦点の生成に関連した強度を均一化するためのマイクロレンズアレイ、及び低性能に関連して決定された任意のパターンを生成するための回折光学素子（図１参照）が知られている。これら全ての光学系は、決められた焦点形状を生成するという共通点を有しており、焦点形状は、たとえ許容するとしても僅かな柔軟性しか許容しない。したがって、プロセスの多様な要件に適応するためには、膨大な時間と資金が不可欠である。

スキャナは、２つの可動ミラーにレーザ光を向け、続いてｆθレンズによってレーザ光を集束させる。この構成により、集束されたレーザ光は被加工物上を１０ｍ／ｓ以上の早さで移動することができる。特定の形状がプログラムされており、これにより非常に柔軟に異なる焦点形状をとるよう調節することができる。しかしながら、レーザとスキャナとの間の高速制御には技術的な課題がある。したがって、出力をプロセスに動的に適応させることは、限定的にしか可能ではない。良好な空間分解能のためには、数マイクロ秒の調整時間が必要とされるが、一般的にその時間は数十から数百マイクロ秒に達する。この時間の間に、焦点はすでに被加工物上を数十ミリメートル移動してしまっている。

また、スキャナは複雑で高価な光学ユニットであり、被加工物から離間してもいるため、追加材料の導入にはかなりの付加的な労力を要する。

本発明の目的は、上記欠点を持っていないか、少なくともそれらの欠点を希薄化する光学装置を提供することにある。特に、レーザ加工のための改良された装置及びこれに対応する方法は、レーザ加工のパラメータ及び条件をより正確に調節することよって提供される。

この目的及びその他の目的は、本発明の請求項１に記載のレーザ加工装置及び請求項１６に記載の対応するレーザ加工方法によって達成される。また、さらなる有利な実施形態が関連する従属クレームの主題となっている。

本発明によれば、高速な電子制御又は調整と組み合わせて被加工物上の強度分布を任意に得るという簡単な方法で、任意の焦点形状を実現することができる。本発明は、切断及び溶接などの特定のレーザ加工プロセスの、広範囲の材料、材料厚さ及び接合ギャップ形状の品質及び生産性の最適化を可能にする。さらに、本発明は、光学系とは異なる処理を行うので、レーザ加工の生産性をさらに向上させることができる。

本発明の一態様によれば、波長の異なるレーザ光を放射する少なくとも２つのレーザ光源と、当該レーザ光源と関連し、適切に各レーザ光の光路を調節するように構成された複数のビーム結像手段と、前記レーザ光を互いに重ね合わせるよう構成されたビーム重畳装置と、結像光学系であって、当該結像光学系の被加工物上の焦点において各集束点を前記レーザ光と関連させることで、前記重ね合わせられたレーザ光を前記被加工物上に結像するよう構成された結像光学系と、前記結像光学系の焦点において前記各集束点の強度が所定の方法で変化するよう、異なる方法で前記各レーザ光の出力を変化させるように設計された電子制御装置と、を備え、前記ビーム結像手段は、当該ビーム結像手段を用いて変化させることの可能な所定の配置で前記各集束点にレーザ光を結像するレーザ加工装置が開示されている。

好ましくは、レーザ光源はダイオードレーザとして形成される。好ましくは、レーザ光源（中心波長）は２００～２０００ｎｍの波長範囲で発光し、より好ましくは８００～１１００ｎｍ及び１４００～１９００ｎｍの波長範囲で発光する。好ましくは、レーザ光源の線幅は２０ｎｍ以下であり、より好ましくは１０ｎｍ以下である。さらに好ましくは２ｎｍ以下であり、最も好ましくは、１ｎｍ以下である。好ましくは、レーザ光源の波長範囲は互いに異なる、すなわち、重なり合っていない。個々のレーザ光源の最大出力は、好ましくは１０Ｗ～１０ｋＷの間であり、より好ましくは５０Ｗ～１ｋＷの間である。好ましくは、複数のレーザ光源の最大出力と最小出力との比は１～５の間であり、より好ましくは１～２の間であり、さらに好ましくは１～１．２の間である。好ましくは、複数のレーザ光源の最大線幅（放射エネルギーの９０％を含む）と最小線幅（放射エネルギーの９０％を含む）との比は１～５の間であり、より好ましくは１～２の間であり、さらに好ましくは１～１．２の間である。

好ましくは、ビーム重畳装置及びビーム結像手段は一体的に形成されている。好ましくは、ビーム結像手段及び／又はビーム重畳装置は（第１）偏向ミラーから形成される。一体的に形成されたビーム結像手段／ビーム重畳装置は、好ましくはレーザ光源の数に対応する数（又はレーザ光源の数－１）の（第１）偏向ミラーを含む。これらの（第１）偏向ミラーは、好ましくは、共通の光軸に沿って配置される。好ましくは、少なくとも１つの（第１）偏向ミラーは回転可能に配置され、より好ましくは、全ての（第１）偏向ミラーは回転可能に配置される。偏向ミラーの回転軸は、好ましくは、共通の光学軸に沿って配置される。結像光学系に最も近い（第１）偏向ミラーは、好ましくは、関連するレーザ光源のレーザ放射を反射するとともに、透過性を利用して他の全てのレーザ光源のレーザ放射が通過するように構成される。
ここで、関連するレーザ光源のレーザ放射に対する反射は０．７以上（好ましくは０．８、より好ましくは０．９）であり、他のレーザ光源に対する透過は０．７以上（好ましくは０．８、より好ましくは０．９）であることが好ましい。この偏向ミラーに最も近い（共通の光軸に沿った）偏向ミラーは、好ましくは、関連しするレーザ光源のレーザ放射を反射し、残りの他のレーザ光源のレーザ放射の通過を透過的な方法などにより許容する。好ましくは、全てのレーザ光源は（これらの放射方向に関して）互いに平行に配向され、さらにそれぞれの（第２）偏向ミラーは、複数のレーザ光源（好ましくは各レーザ光源又は各レーザ光源から１を引いたもの）と関連付けられており、これら複数のレーザ光源は、関連するレーザ光源を結像光学系に向かって反射させる第１偏向ミラーへの関連するレーザ光源の放射を偏向させるように配置される。本発明の好ましい実施形態の変形例では、第１偏向ミラーの少なくとも一方は、関連するレーザ光に対応する集束点が共通の光軸の外側及び／又は結像光学系の回転軸の外側となるよう傾斜している。結像光学系は、好ましくは、回転対称光学系で形成される。結像光学系の回転軸は、好ましくは第１偏向ミラーの共通の光軸と一致する。好ましくは、偏向ミラーは少なくとも１つの関連するレーザ光の集束点が結像光学系の回転軸上にあるよう配置され、少なくとも他の関連したレーザ光の集束点は結像光学系の回転軸の外側となる。第１／第２偏向ミラーの回転（又は傾斜）を異ならせることで、各集束点は可変となり、所定の配置に応じて調節可能となる。

好ましい代替実施形態の変形例によれば、傾斜した偏光選択素子を選択することによって、各レーザの異なる偏光方向を利用することができる。個々の部分ビームの出力は、容易に電子的に調整することができ、例えばポッケルスセル（及び偏光板）を減衰器として使用することができる。したがって、第１／第２偏向ミラーは、好ましくは、（傾斜可能な）偏光選択素子及び／又は対応する偏光選択素子として構成され、対応する偏光選択素子はビーム経路に設けられる。ここで、偏光の反射／透過の依存度は電子的に調節され得ることが好ましい。

本発明によれば、電子制御装置は、各レーザ光の出力を異ならせるよう、これらレーザ光の出力を変化させるように設計される。そのため、結像光学系の焦点における各集束点の強度は所定の値に変化する。これは、各レーザ光の出力が異なる瞬間に異なる値（及び互いに異なる比）を取ることを意味する。したがって、共通の焦点の形状分布及び（材料加工のための）エネルギー分布を、必ずしも機械的な可動部品を用いることなく、電子出力制御によって高速かつ柔軟な方法で変えることができる。本発明によれば、共通の焦点の形状分布及びエネルギー分布の変化はともに、電子的な出力制御及び第１／第２偏向ミラーの回転（又は傾斜）によって達成することができる。ただし、共通の焦点の形状分布及びエネルギー分布の変化をともに、電子的な出力制御又は第１／第２偏向ミラーの回転（又は傾斜）によって実現することも可能である。

好ましくは、電子制御装置は各レーザ光の出力を変化させることで連続的なレーザ動作を生成するよう設計されており、結像光学系の焦点において各集束点の強度は所定の方法で変化するようになっている。言い換えると、連続的なレーザ動作は材料加工中に行われるため、（全てのレーザ光の）共通の焦点の形状分布及びエネルギー分布は時間的に変化するようになっている。

好ましくは、ビーム結像手段は、それぞれ関連するレーザ光の光路を（略）同一直線上にすることで調節する。なお、レーザ光はそれぞれ同一直線上にある。好ましくは、電子制御装置はそれぞれ関連するレーザ光源によって各レーザ光の出力を変化させる。代替的又は付加的に、電子制御装置は各レーザ光の出力を変化させるため、関連するレーザ光源の下流に配置された各電子制御減衰器の透過率を変化させる。好ましくは、複数の（第１）偏向ミラーは、関連するレーザ光（５ａ～５ｃ）の各スペクトル範囲内で透過又は反射する端面を有するダイクロイックフィルタで形成される。

好ましくは、中央制御装置は。電子制御装置、ビーム結像手段、ビーム重畳装置及び／又は結像光学系を制御する。具体的には、中央制御装置は、電子制御装置、ビーム結像手段、ビーム重畳装置及び／又は結像光学系の制御によって共通の焦点の位置を制御するよう構成される。好ましくは、中央制御装置は、電子制御装置、ビーム結像手段、ビーム重畳装置及び／又は結像光学系を時間変数を用いて制御するよう構成されている。具体的には、中央制御装置は、電子制御装置、ビーム結像手段、ビーム重畳装置及び／又は結像光学系の制御により共通の焦点の形状分布及び／又はエネルギー分布を制御するよう構成される。

好ましくは、結像光学系の焦点の範囲内のレーザ加工に対応する信号を検出する検出装置が設けられる。好ましくは、検出装置は、光電センサ又はビデオカメラによって形成される。
好ましくは、中央制御装置は電子制御装置、ビーム結像手段、ビーム重畳装置及び／又は結像光学系を、検出した信号に応じて制御するよう設計される。

好ましくは、電子制御装置、ビーム結像手段、ビーム重畳装置及び／又は結像光学系を制御するための所定のパラメータが、中央制御装置（又はこれに関連した記憶装置）に記憶される。これらのパラメータは参照テーブルの形で一連のテストに基づいて前もって決定するのが好ましい。代替的に、これらのパラメータはシミュレーション又は計算に基づいて決定してもよい。
ここで、パラメータは、次元及び使用する被加工物の材料に応じて決定され、記憶されることが好ましい。また、パラメータは一般的なプロセス条件に応じて決定され、記憶されることがより好ましい。

本発明の他の一態様によれば、少なくとも２つのレーザ光源は波長の異なるレーザ光を放射し、前記レーザ光の光路はそれぞれ関連するビーム結像手段によって適切に調節され、前記レーザ光はビーム重畳装置によって互いに（好ましくは一直線上に）重ね合わせられ、各集束点は前記被加工物上の前記結像光学系の焦点に関連付けられるよう、重ねあわせられたレーザ光は結像光学系によって被加工物上に結像され、前記ビーム結像手段は、前記ビーム結像手段によって変化させることの可能な所定の配列（内）の前記各集束点にレーザ光を結像し、前記結像光学系の焦点において前記各集束点の強度が所定の値に変化するよう、電子制御装置によって前記各レーザ光の出力が異なる値に変化するレーザ加工方法が開示される。

好ましくは、レーザ光の出力は各レーザダイオード電流を変調することにより直接的に変化させる。好ましくは、被加工物と結像光学系との間には他のビーム整形要素は配置されていない。好ましくは、被加工物は、レーザ加工時に静止状態で固定される。代替として、レーザ加工の間、被加工物は、結像光学系の回転軸に略垂直な平面に沿って移動可能に形成され、且つ／又は結像光学系の回転軸に略垂直な平面に沿ったレーザ加工装置がレーザ加工の間移動可能に形成されることが好ましい。好ましくは、被加工物と結合光学系との（最小）距離は１０ｍ以下とし、より好ましくは２ｍとし、さらに好ましくは１ｍ以下とし、さらにより好ましくは５０ｃｍ以下とし、さらにより好ましくは、２０ｃｍ以下とする。

以下に、添付図面を参照して本発明を例示的に説明し、ついでさらなる特徴、利点及び解決すべき課題を示す。
１又は複数の焦点距離及び焦点強度を変化させる従来の方法の概要。 本発明の第1実施形態に係る、位置空間とスペクトル空間内の複数のレーザ光の強度分布及びこのような強度分布を用いたレーザ加工装置。 本発明の第２実施形態に係る、位置空間とスペクトル空間内の複数のレーザ光の強度分布及びこのような強度分布を用いたレーザ加工装置。 本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法における被加工物上の結像光学系の焦点の範囲内の複数のレーザ光の実現可能な強度分布。 本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法におけるレーザ光の変調の可能性。 本発明のレーザ加工の例としての、従来のレーザ穴あけ方法の幾何形状。 本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法におけるレーザ光の変調のさらなる可能性。 本発明に係るレーザ加工装置の概略図。これらの図において、実質的に同じ作用する要素又は要素のグループには同じ符号が付与される。

本発明は、波長及び位置という相互に独立した次元を組み合わせることに基づく（図２ａ参照）。別々に駆動可能な複数の異なる波長のレーザを有するレーザシステムが、レーザ光源として提供される。個々のレーザ（１１０，１１１，１１２）の通常の波長結合は、その位置に単一のレーザ光をもたらすが、このレーザ光は、広範囲のスペクトルを有している（図２ｂ参照）。ここで、波長λ１及びλ３を有するビームは固定された偏向ミラー１２０，１２１を介して波長選択素子３０，３１に向かうが、その後３つ全てのレーザ光は同一直線上を進むようになっている。波長選択素子はある波長を透過し、他の波長を反射する。これらの素子はダイクロイックミラー又は体積ブラッグ格子（ＶＢＧ）によって実現することができ、具体的な構成はそれぞれに応じて適合させなければならない。結合されたレーザ光はその後レンズ４０によって集束される。レンズ位置における遠視野と焦点位置における近視野の対応が図２ｂに例示される。

波長選択素子３０，３１を傾けると、各レーザ１１０，１１１，１１２の３つのビームは互いに平行には進まなくなる。しかしながら、光源までの距離及び偏向角が小さいことから、個々の遠視野は、フォーカスレンズ４０の位置における遠視野では互いに対してごくわずかにしかシフトしない。例として、個々のレーザは、広がり角が約０．５ｍｒａｄでビーム断面が１４×１４ｍｍ^２のダイオードレーザによって実現される。この場合、１００ｍｍの焦点距離を有するフォーカスレンズによって約２００μｍの焦点が生成される。この構成では、２つのレーザ光間の１ｍｒａｄの角度によって２つの個別の焦点が生じ、これらの焦点の中心は２００μｍだけ互いに離間している。波長選択素子３０，３１をそれぞれ同じ軸周りに同じ量だけの傾斜させた場合、レンズ４０の焦点距離で線焦点が得られる（図３ａ参照）。

波長選択素子３０，３１は、任意の軸周りに傾斜させることができる。また、個々のレーザの数は３つよりも十分多くすることができ、例えば２０以上にまで増やすことができる。これによって、被加工物上の焦点形状を多数の形状に調節することができる（図４参照）。全ての波長選択素子を同じ軸周りに異なる量傾斜させることによって、線形状が生成される。２つの軸上のＮ個のレーザのＮ個の波長選択素子を傾斜させることで、環状の強度分布を有する１つの円形焦点が得られる。Ｎ個のレーザのビームは円形に発散し、それに応じた形で焦点に結像される。Ｍ個のレーザは同一直線上を進み、全てが１つの焦点に結像される。リング－コアの出力比は各レーザの数の比Ｎ／Ｍに等しくなる。

同様に、異なるサイズの２つの焦点を被加工物上に生成することもできる。この場合、Ｎ個のレーザは焦点位置に直線状に結像され、Ｍ個のレーザは別の焦点位置に異なる点として結像される。この別の焦点は、異なる直径を有することもできる。そしてこの場合、焦点の出力はレーザの数ＮとＭ及びそれらの出力によって再び決定される。同様にして、例えば矢印形状のように、多数の焦点形状を生成することができる。

放射光がファイバ内に結合される場合は、半径方向に対称性を有する形状のみが上述の方法で生成できる。

上記説明した構成及び方法によって、被加工物上に任意の焦点形状を生成することが可能になる。ここで、波長選択素子は、互いに対してわずかにではあるが明確に傾斜している。したがって、波長の異なる個々のレーザの出力調整と併せて、空間と時間の制限なしに光子密度を選択することができる（図５参照）。このことは最大限の柔軟性をもたらし、個々のプロセスを最適化し、ただ１つの集束光学系で複数のプロセスを実行することを可能にする。

図８は、本発明に係る、レーザ切断、レーザ焼入れ、レーザ肉盛溶接、レーザアブレーションあるいはレーザ穴あけ等のためのレーザ加工装置を模式的に示す。レーザ装置１は、複数のレーザ光源２ａ～２ｃを備えているが、その数は２以上であり、３から１０又は２０の範囲が好ましい。レーザ光源２Ａ～２Ｃはそれぞれレーザ光５ａ～５ｃを放射するが、これらのレーザ光５ａ～５ｃは互いに異なる所定の波長λ１～λ３を有している。これは、レーザ光源２ａ～２ｃの適切な動作によって簡単に実現することができる。好ましくは、レーザ光源２ａ～２ｃは、例えば出力が数キロワットのレーザダイオード又はレーザダイオードスタックとする。レーザ光５ａ～５ｃは、下流部の影響を受ける領域に到達する前にコリメートされた状態とすることができ、それぞれ結像光学系３ａ～３ｃと関連付けることができる。コリメート光学系６、必要に応じて設けられる光学ファイバ又は光学ファイバ束等の光導体７、及び通常の集束対物レンズ等の集束光学系８は、結像光学系３ａ～３ｃと関連しており、集束光学系８は電子的に駆動可能なＸＹＺ調整装置等のアクチュエータ９によって、空間方向に自由に調節することができる。このように、集束光学系８によって焦点１１の所望の位置又は所望の曲線を被加工物１２上に実現することができる。電子的に駆動可能なＸＹＺ調整装置等のアクチュエータによって、被加工物を集束光学系８に対して相対的に自由に移動させることができるため、焦点１１の被加工物１２上の適切な結像及び／又は移動が可能となる。

光電センサやビデオカメラ等の検出装置１４は、被加工物上の焦点１１の範囲に向けられ、中央制御装置１５に送信される電子信号を検出する。中央制御装置１５の例であるＣＰＵは、後述するように、図示されたレーザ装置１の全ての構成要素を要求に応じて適切に制御し、調節することができる。

レーザ光源２Ａ～２Ｃは、電子制御装置４Ａ～４Ｃと関連付けられており、電子制御装置４Ａ～４Ｃは関連動作パラメータ、特に、レーザダイオード電流及び、レーザ波長、レーザ抽出、レーザ光変調などを提供する構成要素などを適切に制御するようになっている。

結像光学系３ａ～３ｃは、個別に、又は下流のコリメーション光学系６と協働して、被加工物１２上に形成される集束光学系８の焦点１１での各レーザ光５ａ～５ｃに対応する集束点をの所定の配置とする。

電子制御装置４ａ～４ｃは、レーザ光５ａ～５ｃの強度又は結像を変化させることによって、レーザ光源２ａ～２ｃの関連する動作パラメータを、高い周波数、とりわけ通常の機械部品の動作周波数よりも著しく大きな周波数且つ高い分解能で特に制御又は調節することができる。通常の機械部品の動作周波数は多くても１から数ｋＨｚの範囲であるが、レーザ光源２ａ～２ｃの動作パラメータの周波数は、本発明では、電子制御装置４ａ～４ｃによって数十ｋＨｚから１又は数ＭＨｚの間で変化させることができ、レーザ加工のパラメータ調節によってさらなる自由度を持たせることができる。例えば、レーザダイオード又はレーザダイオードスタックのダイオード電流は、ＭＨｚの範囲で変化させることができる。

電子制御装置４ａ～４ｃは、例えばダイオード電流を変化させることによってレーザ光源２ａ～２ｃに直ちに影響を与えることが好ましい。本発明では、原理的には、レーザ光源２Ａ～２Ｃの下流のさらなる光学構成要素にレーザ光５ａ～５ｃの出力を適切に調節させることも考えられる。その形態としては、例えば、ＭＨｚの範囲で容易に動作し、結像光学系３ａ～３ｃの一部とすることができる電気光学変調器がある。

本発明では、レーザ光５ａ～５ｃの波長λ１～λ３は異なっており、互いに数ナノメートル以上異ならせることができる。好ましくは、レーザ光５ａ～５ｃの周波数又は波長距離は、図７ａ～７ｃに例示されるように、等間隔になっているか又は、周波数空間又は波長空間において互いに規則的に変化する比を有している。

結像光学系３ａ～３ｃは具体的には、特に図２ｂ又は図３ｂに示すビームが折り重ねられる構成では、複数の偏向ミラーから形成可能である。したがって、図８に示すように、全てのレーザ光５ａ～５ｃは、コリメートされた状態で結像させて共通のコリメートされたビーム束にすることができる。このビーム束は、わずかに発散した状態で、結像光学系８に結像される。レーザ光５ａ～５ｃはほぼ完全に重ならせることができ、この場合、レーザ光５ａ～５ｃは図２ａの上図に示すように実質的に共通の焦点１１（色収差を除く）に結像される。また、レーザ光５ａ～５ｃは互いに離間するか又は集束光学系８の焦点１１の一部のみが重複する複数の集束点に結像されても良い（例えば、図３ａの上図参照）。したがって、共通の集束光学系８を用いて、各レーザ光５ａ～５ｃと関連する収束点をほぼ任意の幾何学的配置で集束光学系８の焦点１１に結像することができる（図４に示される例参照）。

本発明では、個々のレーザ光５ａ～５ｃの出力は、高い周波数で電子的に変化させることができる。そのため、各レーザ光５ａ～５ｃと関連する集束点の強度は、集束光学系８の焦点において高い周波数で、ほぼ随意に変化させることができ、本発明では、以下に示すように、被加工物のレーザ加工に新たな自由度を与えることになる。

図８は、共通の集束光学系８が全てのレーザ光５ａ～５ｃを被加工物１２上の焦点に結像させることを示す。この集束光学系８は、複数の集束光学部品、又はあるいは１つ又は複数のレーザ光５ａ～５ｃのそれぞれに関連するイメージングシステムを備えていることが主に想定される。このような実施形態では、全てのレーザ光５ａ～５ｃを共通の焦点又は被加工物１２上の焦点に結像するため、複数の集束光学部品又はイメージングシステムの正確な調節が必要である。

上述した結像光学系３ａ～３ｃのミラーは、それぞれ関連するレーザ光５ａ～５ｃの波長範囲内で、透過又は反射を促進する端面を有するダイクロイックフィルタとして形成することができる。図２ｂ及び図３ｂに例示されるこのようなダイクロイックフィルタの折り畳まれた配置を用いることで、レーザ２ａ～２ｃの波長（図２ｂ及び図３ｂの符号１１０～１１２参照）を安定化することができ、特に、個々のレーザ２ａ～２ｃの波長選択及び／又は安定化も実現することができる。特に、個々のレーザ２ａ～２ｃの波長選択及び波長安定化は、偏向ミラーとして機能するダイクロイックフィルタを回転させるか又は傾斜させることによって同時に実現することができる（図３ｂの符号２０，２１，３０，３１参照）。

図２ｂ又は図３ｂの全ての折り重ねられた構成の偏向ミラーは、共通の軸周りに傾斜又は回転可能である。そのため、各レーザ光５ａ～５ｃの集束点は、図４の一番上の図に例示されるような線に沿って、集束光学系８の被加工物上の焦点の範囲内に配置される。各レーザ光５ａ～５ｃの集束点のほぼ任意形状の分布（幾何学的分布）は、そのような偏向ミラーを傾斜又は回転させることにより、図４の他の図に例示されるように、被加工物１２上の集束光学系８の焦点の範囲内に実現される。

本発明の各レーザ光５ａ～５の変調の例が図７ａ～７ｃにまとめられている。図７ａに示すように、波長範囲内の複数のレーザ光は、好ましくは波長がλ１～λ６の等間隔に配置され、特にそれぞれがガウススペクトル分布であるとよい。図７ａの上図に示すガウス強度分布の幅は、特に同じであっても良い。図７ａの下図に示すように、個々のレーザ光の強度は適宜波長λ１～λ６で変化させることができ、特に、適切な振幅幅変調又は各ダイオード電流のパルス幅変調（ＰＷＭ）によって調節することができる。被加工物上の焦点の位置空間に転送し、レーザ光のそれぞれの焦点の強度を調節することで、強度のほぼ任意の空間的分布が集束光学系８の被加工物上の集束点に実現される。

図７ｂを参照すると、レーザ光の波長は、強度に加えて（あるいは強度に代えて）変化するが、それは単に集束光学系８（図８参照）の波長結像収差によって、被加工物上の焦点におけるレーザ光の各集束点の強度の局所的な変化をももたらし得る。

図７ｃを参照すると、各レーザ光のスペクトル幅は、強度に加えて（あるいは強度に代えて）波長λ１～λ６で変化するが、これは被加工物上の焦点においてレーザ加工のプロセスパラメータも変化させることができる。このような変化は、例えば電子制御Ｑスイッチ、特に共振器（キャビティ）内のＱスイッチを用いて実現することができる。

レーザ穴あけの実施例（本発明の他のレーザ加工プロセスを代表する例）を用いて、本発明の効果を以下に説明する。

図６ａは、集束されたレーザ光を用いた従来のレーザ穴あけの状態をまとめたものである。レーザ光１０は集束光学系の焦点の範囲にガウシアンビームウェストを形成する。そのため、ドリル穴の開口幅Ｄ１は被加工物表面において被加工物１２の材料のより深い位置よりも大きくなる（開口幅Ｄ２が一例として示されている）。このことによって、レーザドリル穴の端面の得られる急峻さが制限され、他の材料加工プロセスにおいては、被加工物の対応する幾何学的な量と特性とが制限される。例えば、使用される集束光学系の距離又は集束が材料加工の途中で変化させることができることはＤＥ１９９６１９１８Ａに例示されているが、このような変更を定常的に行うことは、機械的な調節によって比較的ゆっくりと行うことでのみ可能である。

これとは対照的に、本発明で定められるレーザ加工プロセスのパラメータは、純粋に（あるいは付加的に）電子的に変更することができるため、対応する変更ははるかに（数桁のオーダーまで）高速に実行することができる。このことは、レーザ穴あけ（本発明の他のレーザ加工プロセスを代表する例）として図６ｂ及び６ｃに例示され、レーザ穴あけの２つの異なる瞬間のドリル穴２０の形状を示している。レーザ穴あけの開始時には、入射した集束レーザ光１０（図８に記載のレーザ装置１の結像特性と動作パラメータとによってあらかじめ定められている）が例示の方法で被加工物１２の表面上に集束される。その結果、レーザ穴あけの開始時にドリル穴２０の開口幅Ｄ１がもたらされる。

図６に示すその後のある瞬間、レーザ光束１０の結像及び集束特性は、図８に示す本発明のレーザ装置１の構成要素である電子制御により異なっている。その結果、ドリル穴２０の略同一の開口幅Ｄ１もまた、上述したその後の瞬間に、それぞれ支配するレーザ光束１０の結像及び集束状況によって実現される。したがって、本発明によれば、ドリル穴２０端面を急峻にでき、かつ高精度に形成することができる。

本発明によれば、レーザ光束１０の各レーザ光５ａ～５ｃ（図８参照）の結像及び集束の条件は、高周波によって変更することができる。本発明によれば、高速でより高精度な材料加工が可能になる。前述の変調技術（出力又は強度変調、周波数変調、品質変調）は、空間的かつ時間的に自由に組み合わせることができる。もちろん、前述の変調技術は、従来のより遅い機械的な変調技術又は他に実現された変調技術と組み合わせることも可能である。例えば、結像光学系の偏向ミラーは、スキャナミラーのように、定期的に又は所定のパターンに対応してスキャン又は調節できるが、それは、上記の出力又は強度変調、周波数変調、結像変調、品質変調等が電子的かつ適切な頻度で同時に行われている間に行われる。

これらの変調技術はまた、図８に示す中央制御装置１５によって制御又は調節することができる。この目的のため焦点１１はモニタされ、上述した検出装置１４によって検出されており、検出された信号に基づいて、変調についての制御又は調節が適切に行われる。また、この目的のために、電子制御装置４ａ～４ｃ及び／又はレーザ装置１のさらなる構成要素（ビーム結像手段３ａ～３ｃ及び／又はビーム監視装置６及び／又は結像光学系８等）を制御するための所定のパラメータが中央制御装置１５又はそれに関連付けられた１つの記憶装置（図示せず）にそれぞれ所望の所定のレーザ加工と対応して記憶されている。もちろん、これらのパラメータは被加工物１２のそれぞれに用いられる材料又はさらに一般的なプロセス条件によって特別に記憶することもできる。例えば、これらのパラメータは参照テーブルの形で一連のテストに基づいて前もって決定してもよいが、シミュレーション又は計算に基づいて決定してもよい。

当業者には明らかであるが、上述した説明の検討により、本発明の上述した特徴は、上述した以外の任意の他の適切な方法で互いに組み合わせることができる。上述した本発明の一般的な解決のコンセプトを利用する限り、それらの変形は、添付の特許請求の範囲に含まれるものとする。

１：レーザ加工装置
2a-2c：レーザ光源
3a-3c：結像光学系
4a-4c：レーザ制御装置
5a-5c：レーザ光
6：コリメート光学系
7：結像光学系／光導体
8：集束光学系
9：アクチュエータ
10：集束レーザ光
11：焦点
12：加工物
13：アクチュエータ
14：カメラ／センサ
15：中央制御装置／ＣＰＵ
20：ドリル穴
30：波長選択素子
31：波長選択素子
40：レンズ
110：レーザ
111：レーザ
112：レーザ
120：偏向ミラー
121：偏向ミラー

Claims (15)

1. 被加工物（１２）のレーザ加工装置（１）であって、
   波長の異なるレーザ光（５ａ～５ｃ）を放射する少なくとも２つのレーザ光源（２ａ～２ｃ）と、
   当該レーザ光源（２ａ～２ｃ）とそれぞれ関連し、適切に各レーザ光の光路を調節するように構成された複数の結像光学系（３ａ～３ｃ）と、
   前記レーザ光（５ａ～５ｃ）を互いに重ね合わせるよう構成されたコリメーション光学系（６）と、
   集束光学系（８）であって、当該集束光学系（８）の前記被加工物（１２）上の焦点（１１）において各集束点を前記レーザ光（５ａ～５ｃ）と関連させることで、前記重ね合わせられたレーザ光（５ａ～５ｃ）を前記被加工物（１２）上に結像するよう構成された集束光学系（８）と、
   前記集束光学系（８）の前記焦点（１１）において前記各集束点の強度が所定の方法で変化するよう、前記各レーザ光（５ａ～５ｃ）の出力を別々に変化させるように設計された電子制御装置（４ａ～４ｃ）と、
   前記電子制御装置（４ａ～４ｃ）、前記結像光学系（３ａ～３ｃ）、前記コリメーション光学系（６）及び／又は前記集束光学系（８）を制御するよう構成された中央制御装置（１５）と、
   を備え、
   前記結像光学系（３ａ～３ｃ）は、当該結像光学系（３ａ～３ｃ）を用いて変化させることの可能な所定の配置で前記各集束点に前記レーザ光（５ａ～５ｃ）を結像し、
   前記結像光学系（３ａ～３ｃ）は、傾斜可能且つ／又は回転可能な波長選択素子（３０，３１）を備え、前記集束光学系（８）の前記焦点（１１）における前記各集束点の所定の配置を適切に調節するよう構成される、レーザ加工装置（１）。
2. 前記コリメーション光学系（６）及び前記結像光学系（３ａ～３ｃ）は一体的に形成され、これら一体的に形成された装置が前記レーザ光源（２ａ～２ｃ）の数に対応する数又は前記レーザ光源（２ａ～２ｃ）の数－１の偏向ミラー（１２０，１２１）を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記結像光学系（３ａ～３ｃ）は複数の偏向ミラー（１２０，１２１）及び前記波長選択素子（３０，３１）を備え、少なくとも１つの前記波長選択素子（３０，３１）は、少なくとも１つの前記レーザ光（５ａ～５ｃ）を通過させ、且つ少なくとも１つのレーザ光（５ａ～５ｃ）を反射させるよう構成される、請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記結像光学系（３ａ～３ｃ）が、それぞれ関連したレーザ光（５ａ～５ｃ）の光路を調節して前記各レーザ光（５ａ～５ｃ）を略同一直線状にさせ、前記レーザ光（５ａ～５ｃ）は、コリメートされている、請求項１～請求項３のいずれかに記載の装置。
5. 前記電子制御装置（４ａ～４ｃ）は、それぞれ関連するレーザ光源（２ａ～２ｃ）を制御することによって各レーザ光（５ａ～５ｃ）の出力を変化させる、請求項１～請求項４のいずれかに記載の装置。
6. 前記電子制御装置（４ａ～４ｃ）は、各レーザ光（５ａ～５ｃ）の出力を変化させることによって、前記結像光学系（３ａ～３ｃ）において関連するレーザ光源（２ａ～２ｃ）の下流にそれぞれ配置される各電子制御減衰器の透過率を変化させる、請求項１～請求項５のいずれかに記載の装置。
7. 前記コリメーション光学系（６）は、前記レーザ光（５ａ～５ｃ）の重ね合わせを調節して前記集束光学系（８）の前記焦点（１１）における前記各集束点の結像を変化させるように、調節可能になっている、請求項１～請求項６のいずれかに記載の装置。
8. 複数の前記波長選択素子（３０，３１）が、関連したレーザ光（５ａ～５ｃ）の各スペクトル範囲内で透過と反射とが切り替わるエッジを有するダイクロイックフィルタによって形成される、請求項１～請求項７のいずれかに記載の装置。
9. 前記集束光学系（８）の焦点（１１）の範囲においてレーザ加工により発生する信号を検出する検出装置（１４）をさらに備える、請求項１～請求項８のいずれかに記載の装置。
10. 前記検出装置（１４）が光電センサ又はビデオカメラによって形成される、請求項９に記載の装置。
11. 前記中央制御装置（１５）が、前記電子制御装置（４ａ～４ｃ）、前記結像光学系（３ａ～３ｃ）、前記コリメーション光学系（６）及び／又は前記集束光学系（８）を、前記検出した信号に応じて制御するよう設計される、請求項９又は請求項１０に記載の装置。
12. 前記電子制御装置（４ａ～４ｃ）、前記結像光学系（３ａ～３ｃ）、前記コリメーション光学系（６）及び／又は前記集束光学系（８）を制御するための所定のパラメータが、前記中央制御装置（１５）又はこれに関連した記憶装置に記憶されている、請求項１０～請求項１１のいずれかに記載の装置。
13. 少なくとも１つのレーザ光（５ａ～５ｃ）を通過させる複数の偏光選択素子が設けられていることを特徴とする、請求項１～請求項１２のいずれかに記載の装置。
14. 請求項１～請求項１３のいずれかに記載のレーザ加工装置（１）を用いた被加工物（１２）のレーザ加工方法であって、
    少なくとも２つのレーザ光源（２ａ～２ｃ）から波長の異なるレーザ光（５ａ～５ｃ）を放射し、
    前記レーザ光（５ａ～５ｃ）の光路を、それぞれ関連する前記結像光学系（３ａ～３ｃ）によって適切に調節することと、
    前記レーザ光（５ａ～５ｃ）を前記コリメーション光学系（６）によって互いに重ね合わせることと、
    各集束点が前記被加工物（１２）上の前記集束光学系（８）の焦点に関連付けられるよう、重ね合わせられた前記レーザ光（５ａ～５ｃ）を前記集束光学系（８）によって被加工物（１２）上に結像することと、
    前記結像光学系（３ａ～３ｃ）によって、変化させることの可能な所定の配列（内）の前記各集束点に前記レーザ光（５ａ～５ｃ）を結像することと、
    前記集束光学系（８）の前記焦点（１１）において前記各焦点の強度が所定の方法で変化するよう、前記各レーザ光（５ａ～５ｃ）の出力を前記電子制御装置（４ａ～４ｃ）によって別々に変化させることと、
    前記電子制御装置（４ａ～４ｃ）、前記結像光学系（３ａ～３ｃ）、前記コリメーション光学系（６）及び／又は前記集束光学系（８）を、前記中央制御装置（１５）によって制御することと、
    を含む、方法。
15. 各レーザダイオード電流を変調することにより前記レーザ光（５ａ～５ｃ）の出力を直接的に変化させることを含む、請求項１４に記載の方法。

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