JP7086300B2 - レーザー加工システムのための装置およびそのような装置を含むレーザー加工システム - Google Patents

Description

本開示は、レーザー加工システムのための装置、または、切断ヘッドまたは溶接ヘッドなどのレーザー加工ヘッド、および、そのような装置を含むレーザー加工システムに関する。特に、本開示は、レーザービーム光学部品に対する、レーザービームによって引き起こされる損傷を避けることに関する。

レーザーを用いる材料加工のための装置において、例えば、レーザー溶接またはレーザー切断用のレーザー加工ヘッドにおいて、レーザー光源またはレーザーガイドファイバの端部から生じるレーザービームが、ビームガイド光学部品および集束光学部品を用いて加工対象の被加工物に対して集束またはコリメートされる。一般的に、レーザー光が光ファイバを介して提供されている状態で、コリメータ光学部品および集束光学部品を有するレーザー加工ヘッドが用いられる。

レーザー材料加工の最中に、レンズまたはミラーなどのビーム成形光学部品または画像形成素子の汚損といった、レーザー加工ヘッドの汚損が発生し、レーザー材料加工の品質および／または生産性が低下することがある。汚損の原因は異なる。例えば、レーザー切断またはレーザー溶接の最中に生じる金属の煙およびスパッタリングにより汚損が生じることがある。さらなる実施例において、例えば、ファイバ接続されたビームガイドシステムの光ファイバを交換するために、工業環境において、レーザー加工ヘッドを開かなくてはならない。開くことによって周囲からの汚損が生じる、および／または擦り減った材料がヘッドに入ることがある。汚損の原因のさらなる例は、冷却水の温度が露点より低い場合の凝縮水であり、切断ガスまたはフラッシングガスからの汚染、および、光学部品に付いた指紋などの、組み立てミスまたは取り扱いミスである。

汚損によって、汚損された光学部品の屈折力が変更されることにより、例えば、切断品質などのレーザー加工の品質が低減する。その理由は、汚損は通常、その対応箇所で、レーザーエネルギーを吸収する原因になり、局所的な加熱が生じ、それにより屈折力の変化が生じるためである。これにより、熱による焦点シフトとして知られるものを引き起こすことがある。局所的な加熱によって、光学部品が損傷し、機械の停止時間が生じ、修理や予備部品のためのさらなる費用が生じることがある。

光学部品における局所的な吸収という欠陥は、レーザーによって引き起こされる損傷につながるため、高レーザー出力用光学部品にとって弱点である。汚損が光学部品の表面に位置するため、レーザーによって引き起こされる損傷は、まず、表面上またはコーティング上に生じる。概して、光学吸収プロセスは、熱エネルギーをコーティング、または、光学部品に結合し、加熱による故障が生じるまで急激な温度上昇を生じさせる。いくつかの場合において、これは、コーティングの溶融を引き起こす場合もあるし、別の場合において、熱膨張は、光学部品自体に、高い機械的応力を生じさせ、その後、コーティングの剥離、または、クラックさえも生じさせる。

本開示の目的は、レーザービーム光学部品の汚損による悪影響を低減する、または防止する、レーザー加工システムのための装置および、そのような装置を含むレーザー加工システムを提供することである。具体的には、本開示の目的は、レーザービーム光学部品の汚損により引き起こされる機械の停止時間を防止することができるレーザービーム光学部品を提供することである。

この目的は、独立請求項の発明の主題により実現される。本発明の有利な発展は、従属請求項に明記される。

本開示の独立的態様によれば、レーザー加工システムのための、具体的には、レーザー加工ヘッドのための装置が設けられる。装置は、レーザービームのためのレーザービーム光学部品を含み、レーザービームのビーム経路に連続的に配置される光学素子の配置を含む。レーザービームの伝搬方向に関して、光学素子の配置の第１の最外光学素子は、２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、さらには９Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率ｋ_Ｔを有する材料から構成される。第１の最外光学素子は、外部に対して光学素子の配置を閉鎖する光学素子であってもよい。最外光学素子は閉鎖光学素子と称されてもよい。

つまり、レーザー加工システム、具体的には、レーザー加工ヘッドのための装置は、レーザービーム光学部品に対する光学素子の配置を含み、光学素子は、配置の（光学）軸に沿って、順に、または、続けて配置され、少なくとも１つの閉鎖光学素子は、配置の（光学）軸の方向にある光学素子の配置を閉鎖し、２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率ｋ_Ｔを有する材料から構成される。配置の光学素子は、それぞれ、配置の光学軸と同軸である光学軸を有してもよい。配置の（光学）軸は、レーザー加工システム、または、レーザー加工ヘッドに挿入された装置の状態でレーザービームのビーム軸に対応してもよい。

本発明によれば、外部に対して配置を閉鎖し、高い熱伝導率を有する材料、具体的には、石英ガラスよりも高い熱伝導率を有する材料から構成される、少なくとも１つの最外光学素子または閉鎖光学素子が設けられる。汚損がこの素子の表面に存在する場合、レーザービームによって引き起こされる局所的な加熱が、汚損の部分に発生することがある。高い熱伝導率により、熱が効率的および迅速に放散されることにより、レーザービームによって引き起こされる損傷を防止することができる。これにより機械の停止時間が短縮され、生産性が高まる。

さらに、高い熱伝導率を有する本発明による材料の使用は、光学素子のパッシブ冷却を可能にするだけではなく、効率的なアクティブ冷却の可能性も提供する。例えば、水冷式ヒートシンクを用いて冷却された、サファイアの光学部品は、極めて一層効率的である。アクティブな水冷却は、パッシブに冷却された光学部品と比べて、機械の停止時間をさらに短縮できる。

レーザービーム光学部品は、それを介してレーザービームがレーザー光学部品に入射するレーザービーム入力側、および、それを介してレーザービームがレーザービーム光学部品を出射するレーザービーム出力側を含んでもよい。第１の最外光学素子または閉鎖光学素子は、レーザービーム入力側に配置されることが好ましい。例えば、配置の光学素子は、垂直線に沿って配置されてもよいため、第１の最外光学素子は、最上の光学素子となる。重力により上から下に落下する汚れの粒子が、第１の最外光学素子の外側表面に落下することがある。高い熱伝導率のおかげで、レーザーにより引き起こされる損傷をさらに防止することができる。

光学素子の配置は、加工レーザービームの伝搬方向に対して、第２の最外光学素子または閉鎖光学素子を含むことが好ましい。第２の最外光学素子は、レーザービームの出力側に配置されてもよい。例えば、第２の最外光学素子は、配置の最下光学素子であってもよい。第１の最外光学素子および第２の最外光学素子は、配置の両側に配置されてもよい。具体的には、第１の最外光学素子および第２の最外光学素子は、例えばレンズカートリッジなどの配置または装置の終端部を形成してもよい。

光学素子の配置は、第１の最外光学素子および第２の最外光学素子の間に配置される、少なくとも１つのさらなる光学素子を含むことが好ましい。したがって、配置には複数の光学素子を含んでもよく、配置を閉鎖する光学素子、または、上部の装置は、高い熱伝導率を有する材料から構成されてもよい。少なくとも１つのさらなる光学素子および任意の第２の最外光学素子は、それぞれ、第１の最外光学素子の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する材料から構成されてもよい。

第２の最外光学素子もまた、２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、さらには、９Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率ｋ_Ｔを有する材料から構成されることが好ましい。例えば、第１の最外光学素子および第２の最外光学素子は、同じ材料から構成されてもよい。具体的には、外部に対して閉鎖する要素は、高い熱伝導率を有してもよい。別の実施形態において、第１の最外光学素子および第２の最外光学素子は、異なる材料から構成されてもよい。

第１の最外光学素子および／または第２の最外光学素子は、保護ガラス、レンズ、ビーム成形光学部品、ビームスプリッタ、ミラー、透過性光学素子、集束レンズ、およびコリメータレンズから成る群から選択されることが好ましい。

第１の最外光学素子の材料および／または第２の最外光学素子の材料は、ＡＬ_２Ｏ_３（サファイア）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＣａＦ_２（フッ化カルシウム）、結晶石英、およびダイアモンドから成る群から選択されることが好ましい。第１の最外光学素子の材料および／または第２の最外光学素子の材料は、サファイアであることが好ましい。

装置は、レンズカートリッジ、具体的には、交換可能なレンズカートリッジであることが好ましい。光学素子の配置は、レンズカートリッジに含まれる。第１および／または第２の閉鎖光学素子は、レンズカートリッジを気密にシールしてもよい。１つ以上のシーリング素子が、この目的のために設けられてもよい。レンズカートリッジは、具体的には、レーザー加工ヘッドである、レーザー加工システムから除去され、または、レーザー加工システムに挿入されてもよい。レンズカートリッジは、例えば、異なる用途に応じて交換されてもよく、レーザー加工ヘッドに高い汎用性を提供している。

装置は、具体的には反射防止コーティングである、コーティングを、第１の最外光学素子および／または第２の最外光学素子に含むことが好ましい。反射防止コーティングは、例えば、ＭｇＦ_２から構成されてもよい。高い熱伝導率を有する最外光学素子の材料は、例えば、反射防止コーティングが施される基板を形成してもよい。コーティングを有する最外光学素子は、コーティングがないものよりも低熱膨張率および／または高破壊靱性を有することが好ましい。例えば、コーティングを有する最外光学素子は、７．７＊１０^－６Ｋ^－１以下の熱膨張率を有してもよい。

本開示のさらなる態様によれば、レーザー加工システム、具体的には、切断ヘッドまたは溶接ヘッドなどのレーザー加工ヘッドが設けられる。レーザー加工システムは、レーザービーム、具体的には、加工レーザービームを提供するためのレーザー装置、および、レーザービームのビーム経路に挿入される、本明細書に記載される装置を含む。レーザービームのビーム経路は、装置の光軸と、または、装置に含まれる光学素子の光軸と同軸に配置されてもよい。レーザービーム光学部品は、装置の光学素子が垂直方向に順に配置されるようにレーザービームのビーム経路に配置されることが好ましい。ここで、レーザービーム光学部品のレーザービーム入力側は、上部に配置されてもよく、レーザービーム光学部品のレーザービーム出力側は、下部に配置されてもよい。

開示の例示的な実施形態が、図に示され、より詳細に以下に説明される。

本開示の実施形態によるレーザー加工システムを示す図である。 本開示の実施形態による光学素子の配置を示す図である。 本開示のさらなる実施形態による光学素子の配置を示す図である。 本開示のさらなる実施形態による光学素子の配置を示す図である。

以下、特に記載されない限り、同一の要素および同一の効果を有する要素に対して、同一の参照記号が使用される。

図１は、本開示の実施形態によるレーザー加工システム１００を示す。

レーザー加工システム１００は、切断ヘッドまたは溶接ヘッドなどの加工ヘッド１０１を含んでもよく、または、そのような加工ヘッド１０１でもよい。実施形態によれば、レーザー加工システム１００、または、加工ヘッド１０１などのそれらの部品は、加工方向２０に沿って、移動可能であってもよい。加工方向２０は、加工ヘッド１０１などのレーザー加工システム１００の、被加工物１に対する溶接方向および／または移動方法であってもよい。具体的には、加工方向２０は、水平方向であってもよい。加工方向２０は、「送り方向」と称してもよい。

レーザー加工システム１００は、加工レーザービーム１０を提供するためのレーザー装置１１０を含む（「加工ビーム」または「レーザービーム」とも称される）。レーザー装置１１０は、光ファイバを含んでもよく、または、それを介してレーザービーム１０が加工ヘッド１０１に供給される光ファイバであってもよい。

レーザー加工システム１００は、レーザービーム光学部品を含む。レーザービーム光学部品は、具体的には、レーザービーム１０をコリメートするための、コリメータレンズまたは、複数のレンズを有するレンズシステムなどの、コリメータ光学部品１１５を含んでもよい。レーザービーム１０は、レーザー装置１１０から、コリメータ光学部品、ミラー、レンズ、もしくはダイアフラム、またはそれらの組み合わせの前方にある保護ガラスであってもよい、レーザービーム光学部品（図示せず）の任意の光学装置を介して、コリメータ光学部品１１５に伝搬してもよい。

いくつかの実施形態において、レーザービーム光学部品は、レーザービーム１０を被加工物１に対して焦点を合わせるための、集束レンズもしくはズームシステム、または、複数のレンズなどの集束光学部品１２０を含む。コリメータ１１５および集束光学部品１２０は、加工ヘッド１０１に一体化されてもよい。

レーザービーム光学部品は、加工ヘッド１０１に常時一体化される、１つ以上の交換可能なレンズカートリッジまたは光学素子を含んでもよい。例えば、加工ヘッド１０１は、加工ヘッド１０１に一体化される、または、加工ヘッド１０１に取り付けられる、例えば、コリメータ、ズーム、または焦点合わせモジュールなどの光学部品モジュールを含んでもよい。コリメータモジュールおよび集束モジュールは、例えば、交換可能なレンズカートリッジとして設けられてもよい。

レーザービーム光学部品は、本発明による光学素子の配置を含み（または、配置であり）、少なくとも１つの最外または外側の閉鎖光学素子が、熱伝導率ｋ_Ｔが１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である光学部品に通常用いられる石英ガラスより高い熱伝導率ｋ_Ｔを有する材料から構成される。

閉鎖光学素子の材料は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（サファイア）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＣａＦ_２（フッ化カルシウム）、結晶石英またはダイアモンドであってよい。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３は、約４６Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率ｋ_Ｔを有する。ＺｎＳは、約２７Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率ｋ_Ｔを有する。ＺｎＳｅは、約１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率ｋ_Ｔを有する。ＣａＦ_２は、約９．７１Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率ｋ_Ｔを有する。ダイアモンドは、約２２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率ｋ_Ｔを有する。このような高い熱伝導率を有するため、汚損を有する表面位置において、加工レーザービーム１０により導入される熱は、効率的かつ迅速に放散され、その結果として、レーザービームにより引き起こされる損傷を防止することができる。これにより、機械の停止時間を短縮し、生産性を高めることができる。

サファイアが、閉鎖光学素子に用いられることが好ましい。サファイアの熱伝導率は、これまで用いられてきた石英ガラスの熱伝導率よりおよそ３０倍高いため、汚損により生じる温度上昇は、およそ３０倍低い。

本明細書で記載される他の実施形態と組み合わせてもよい、いくつかの実施形態において、装置は、閉鎖光学素子のコーティングを含んでもよい。熱膨張率が低下する、または、破壊靱性が増加するように、コーティングの材料は、閉鎖光学素子の材料に適合されることが好ましい。例えば、コーティングは、誘電体コーティングまたは反射防止コーティングであってもよい。コーティングは、例えば、ＭｇＦ_２（フッ化マグネシウム）から構成されてもよい。光学素子の材料は、例えば、その上にコーティングが層またはフィルムとして施される基板を形成してもよい。

通常、反射防止コーティングの熱膨張率は、高い熱伝導率を有する光学素子の材料の熱膨張率に適合する。例えば、反射防止コーティングの材料は、レーザー加工の最中に通常生じる温度差によって反射防止コーティングが光学素子から剥離しないように選択される。つまり、温度差によって生じる機械応力が、反射防止コーティングの損傷または剥離を防止するために十分に小さくなることがある。

閉鎖光学素子は、汚損の高いリスクがある光学素子であってよく、頻繁に交換不要、つまり、摩耗部品ではないことが好ましい。閉鎖光学素子は、レーザー装置１１０の最も近くに配置される光学素子であってよい。閉鎖光学素子は、加工ヘッド１０１に実質的に水平に配置されてもよい。閉鎖光学素子は、レーザービームが実質的に垂直に伝搬する加工ヘッド１０１の領域に配置されてもよい。例えば、閉鎖光学素子は、レーザービーム光学部品の上部に配置されてもよい。つまり、閉鎖光学素子は、レーザービーム経路においてレーザービーム光学素子の他の光学素子の前方に配置されてもよい。

高い熱伝導率を有する少なくとも１つの閉鎖光学素子は、保護ガラス、ミラー、ビームスプリッタ、ビーム成形光学部品、レンズ、透過性光学素子、集束レンズ、およびコリメータレンズから成る群から選択されることが好ましい。レーザービーム光学部品の光学素子の少なくともいくつかの配置は、例えば、交換可能なレンズカートリッジに含まれてもよい。具体的には、少なくとも１つの光学素子は、レンズカートリッジを外部に対してシールするように、レンズカートリッジに配置されてもよい。このために、高い熱伝導率を有する閉鎖光学素子は、レーザー装置１１０に対向するレンズカートリッジの端部に配置されることが好ましい。レーザー加工システムは、例えば、それぞれ１つずつが、コリメートおよび／または集束するための、複数のレンズカートリッジを含んでもよい。複数のレンズカートリッジのうち、少なくとも１つのレンズカートリッジは、本発明による閉鎖光学素子を含んでもよい。サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料は、石英ガラスなどの光学素子に用いられる従来の材料よりも、高い製造費または材料費がかかることがある、または、光学特性または材料特性が劣ることがあるため、高い熱伝導率を有する材料は、本発明によるレーザー光学部品の特定の複数位置における光学素子に用いられる。

以下の図２から図４において、本発明による光学素子の配置のさまざまな実施例が示される。例示的な配置はそれぞれ、他の光学素子と比較すると、より高い熱伝導率を有する少なくとも１つの閉鎖光学素子を有する。以下の図において、高い熱伝導率を有する材料から作られる光学素子は、影付きで示される。

図２において、２つのレンズグループ、つまり、コリメータ光学部品２２０および集束光学部品２３０が示される。コリメータ光学部品２２０は、例えば、コリメータレンズ、またはコリメータレンズの配置であってもよい。集束光学部品２３０は、例えば、集束レンズまたは集束レンズの配置であってもよい。さらに、２つ以上の保護ガラスが設けられる。

図２の上図において、コリメータ光学部品２２０の前に第１の保護ガラス２１０があり、集束光学部品２３０の後ろに第２の保護ガラス２４０がある。「の前に」および「後ろに」という用語は、加工レーザービームの伝搬方向に関する。コリメータ光学部品２２０の前にある保護ガラス２１０は、例えば、レーザー装置１１０が変更されるとき、例えば、ファイバが挿入されるときなどに生じる得る汚損からコリメーションを保護する。集束光学部品２３０の後ろの保護ガラス２４０は、例えば、レーザー加工により生じる煙およびスパッタリングから、集束を保護する。

第１の保護ガラス２１０および第２の保護ガラス２４０は、図２の上側の配置の最外または閉鎖光学素子を形成し、レーザー装置１１０の最も近くに配置される少なくとも保護ガラス２１０は、サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料から構成される。例えば、第１の保護ガラス２１０および／または第２の保護ガラス２４０は、レーザー加工ヘッドの外側に配置、または、挿入されてもよい。いくつかの実施形態において、第１の保護ガラス２１０および／または第２の保護ガラス２４０は、ほぼ気密にレーザー加工ヘッドをシールしてもよい。

図２の下図において、コリメータ光学部品２２０の前にある第１の保護ガラス２１０に加えて、集束光学部品２３０の後ろに、少なくとも２つの第２の保護ガラス２５０，２６０がある。少なくとも２つの第２の保護ガラス２５０，２６０のうち、少なくとも１つの第２の保護ガラスは、サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料から構成される。集束光学部品２３０と外部に対して閉鎖する保護ガラス２６０との間に配置される内側の保護ガラス２５０は、図２の下部に示すように、高い熱伝導率を有する材料から作られることが好ましい。第２のガラス２６０は、第１のガラス２５０の材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材料から構成されてもよい。具体的には、第２のガラスは、石英ガラスから構成されてもよい。外部に対して閉鎖する第２の保護ガラス２６０は、レーザー加工が行われるとき、汚損から保護する摩耗部品であってもよい。

図３は、本開示のさらなる実施形態による光学素子の配置を示す。通常、汚れの粒子は、引力の方向に上から下に落下する。したがって、経済的な理由から、代替的にビーム経路の上部、つまり、レーザー装置１１０の隣に配置される光学素子のみを高い熱伝導率を有する材料から構成してもよい。レンズカートリッジが、閉鎖光学素子およびシーリング要素を用いてシールされることが好ましい。シーリング要素は、それぞれの光学素子の間のレンズカートリッジ内に設けられてもよい。

図３の左側において、コリメータ光学部品を有するレンズカートリッジを示す。図３の右側において、集束光学部品を有するレンズカートリッジを示す。レーザービーム１０の伝搬方向は、図３の両図において、上から下である。レンズカートリッジは、互いに独立してもよく、具体的には、互いに独立して交換可能であってもよい。レンズカートリッジはそれぞれ、レーザー装置１１０に対向するレンズカートリッジの側面に配置される光学素子を有するそれぞれの配置を含み、高い熱伝導率を有する材料から構成される。当然、この概念は、例えば、ビーム成形光学部品、ミラー、ビームスプリッタ、レンズグループ、またはズーム光学部品などの光学素子のあらゆる種類に応用されてもよい。

図３の左図において、レンズカートリッジのコリメータ光学部品は、第１のコリメータレンズ３１０および第２のコリメータレンズ３１２を含むレンズの群から構成される。垂直線に対して上側のレンズであってよい第１のコリメータレンズ３１０は、サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料で作られる。第１のコリメータレンズ３１０は、例えば、シールリングなどのシール材を用いて、レンズカートリッジを外部に対してほぼ気密にシールしてもよい。

垂直線に対して下側レンズであってもよい第２のコリメータレンズ３１２もまた、いくつかの実施形態において、サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料から作られてもよい。具体的には、第１のコリメータレンズ３１０および第２のコリメータレンズ３１２は、同一材料で構成されてもよい。代替的には、第１のコリメータレンズ３１０および第２のコリメータレンズ３１２は、異なる材料から作られてもよい。例えば、第２のコリメータレンズ３１２は、第１のコリメータレンズ３１０の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する材料で作られてもよい。具体的には、第２のコリメータレンズ３１２は、石英ガラスから構成されてもよい。第２のコリメータレンズ３１２は、例えば、シールリングなどのシール材を用いて、レンズカートリッジを外部に対してほぼ気密にシールしてもよい。

図３の右図に示すようにレンズカートリッジは、第１の集束レンズ３２０および第２の集束レンズ３２２を有するレンズの群から構成される集束光学部品を含む。垂直線に対して上側レンズであってもよい第１の集束レンズ３２０は、サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料で作られる。第１の集束レンズ３２０は、例えば、シールリングなどのシール材を用いて、レンズカートリッジを外部に対してほぼ気密にシールしてもよい。

垂直線に対して下側レンズであってもよい第２の集束レンズ３２２もまた、いくつかの実施形態において、サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料で作られてもよい。具体的には、第１の集束レンズ３２０および第２の集束レンズ３２２は、同一材料で構成されてもよい。代替的には、第１の集束レンズ３２０および第２の集束レンズ３２２は、異なる材料で作られてもよい。例えば、第２の集束レンズ３２２は、第１の集束レンズ３２０の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する材料で作られてもよい。具体的には、第２の集束レンズ３２２は、石英ガラスから構成されてもよい。第２の集束レンズ３２２は、例えば、シールリングなどのシール材を用いて、レンズカートリッジを外部に対してほぼ気密にシールしてもよい。

図４は、本開示のさらなる実施形態による光学素子の配置を示す。図４は、少なくとも１つの最外の光学素子、または、閉鎖光学素子が、高い熱伝導率を有する材料（例えば、サファイア）から構成され、レーザービームの入力側に配置、つまり、レーザー装置１１０に対向する側面に配置される実施例を示す。図４に示される概念は、具体的には、汚損のリスクがより大きい、交換可能なレンズカートリッジを有する加工ヘッドに用いられてもよい。サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料は、外部に対してレンズカートリッジを閉鎖する光学素子に用いられることが好ましい。

実施例「１」は、サファイアで作られる単レンズを示す。単レンズは、例えば、コリメータレンズまたは集束レンズであってもよい。

実施例「２」は、２つの保護ガラスを有する単レンズを示す。単レンズは、２つの保護ガラスとの間に配置される。レーザー装置１１０に対向する、つまり、レーザービーム入力側に配置される、少なくとも１つの保護ガラスは、サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料から構成されることが好ましい。両方の保護ガラスは、高い熱伝導率を有する材料から構成される。各レンズは、保護ガラスの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材料から構成されてもよい。単レンズは、例えば、石英から構成されてもよい。図４の実施例「２」に示される配置は、レンズカートリッジとして実施されてもよい。

実施例「３」は、空隙および保護ガラスを有する２つのレンズから構成されるレンズシステムを示す。保護ガラスは、レーザービーム出力側に配置される。保護ガラスは、例えば、レーザービームの焦点に対向してもよい。つまり、保護ガラスは、ビームの出力側、または、レーザー装置１１０とは反対の側面に配置されてもよい。集束レンズシステムであってもよいレンズシステムは、第１のレンズおよび第２のレンズを含んでもよく、第２のレンズは、第１のレンズと保護ガラスとの間に配置される。最外光学素子、つまり、第１のレンズおよび保護ガラスは、サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料から構成されてもよい。しかし、レーザービームの入力側に配置される少なくとも光学素子、つまり、第１のレンズは、高い熱伝導率を有する材料から構成されてもよい。第２のレンズは、例えば、石英から作られてもよい。図４の実施例「３」に示す配置は、レンズカートリッジとして実施されてもよい。

実施例「４」は、実施例「３」に類似し、保護ガラスが、レーザービーム入力側に配置され、高い熱伝導率を有する材料から作られる。保護ガラスは、例えば、コリメータレンズに対向してもよい。図４の実施例「４」に示される配置は、レンズカートリッジとして実施されてもよい。

実施例「５」は、空隙を有する２つのレンズから構成されるレンズシステムを示す。レンズシステムは、集束レンズシステムであってもよい。両レンズは、サファイアなどの高い熱伝導率を有する材料から構成されてもよい。少なくともレーザー装置１１０に対向するレンズは、高い熱伝導率を有する材料から構成される。図４の実施例「５」に示す配置は、レンズカートリッジとして実施されてもよい。

上述の実施形態は、汚損によりレーザービームによって引き起こされる光学部品に対する損傷を防止できる。しかし、これらの実施形態は、レーザービームによって引き起こされる損傷に関して利点があるだけではなく、汚損した光学部品の屈折力における変化を補償するためにも用いることができる。

具体的には、本開示の実施形態は、後述する熱レンズの効果による焦点シフトを最小化するために用いられる。いわゆる熱レンズが発生する理由の１つは、温度関数としての屈折率の変化である。汚損のレーザー吸収による温度勾配は、屈折率における変化、それにより、焦点シフトを引き起こす。焦点シフトを最小化する方法の１つは、受動的補償である。この目的のために、少なくとも２つの材料、すなわち、正の屈折率変化または正の焦点シフトを有する材料、および負の屈折率変化または負の焦点シフトを有する材料が用いられる。

温度が高くなると、つまり、屈折率変化が正になると、石英ガラスまたはサファイアなどのいくつかの材料は、屈折率が高くなる。温度が上昇すると屈折率が小さくなる材料は、フッ化カルシウムであり、例えば、焦点シフトの受動的補償に用いられる。フッ化カルシウムは、高い熱膨張率および低い破壊靱性を有するため、非常に汚損しやすく、フッ化カルシウムは、レーザービームの伝搬方向に対して高い熱伝導率（サファイア）を有する材料から作られる光学素子の後ろに配置される、レーザー光学部品のさらなる光学素子に対して用いられることが好ましい。

図４における実施例「２」から「４」に関し、ＣａＦ_２で作られる光学素子は、本発明による第１の閉鎖光学素子と第２の閉鎖光学素子との間に配置（サンドイッチ概念）される。ここで、各光学素子の材料は、焦点シフトが受動的に補償されるように、選択されてもよい。具体的には、正の屈折率勾配を有する材料で作られる第１の閉鎖光学素子および第２の閉鎖光学素子と、それらの間に負の屈折率勾配を有する材料で作られるさらなる光学素子とを設けてもよい。屈折率勾配は、実質的に互いに打ち消されてもよい。第１の閉鎖光学素子および第２の閉鎖光学素子は、例えば、石英またはサファイアから構成されてもよく、間に挟まれるさらなる光学素子は、フッ化カルシウムから構成されてもよい。第１の閉鎖光学素子および第２の閉鎖光学素子が、レンズカートリッジを気密にシールする場合、例えば、フッ化カルシウムで作られる光学素子などの、汚損しやすい少なくとも１つのさらなる光学素子は、汚損によって機械の停止時間のリスクを高めることなく、レンズカートリッジの間に挿入されてもよい。

本開示のさらなる実施形態によると、高い熱伝導率を有する材料から作られる少なくとも１つの閉鎖光学素子をアクティブに冷却するための装置が設けられる。高い熱伝導率を有する材料の好ましい実施例は、サファイアである。その高い熱伝導率から、サファイアは、対応する光学素子のアクティブ冷却を可能にし、それは、石英ガラスで作られる光学素子のアクティブ冷却よりもはるかに効率的である。アクティブ冷却のための装置の一例は、水冷式ヒートシンクである。

本発明によれば、その配置を外部に対して閉鎖し、高い熱伝導率を有する材料から作られる、少なくとも１つの光学素子が設けられる。汚損がこの素子の表面に存在する場合、レーザービームによって引き起こされる局所的な加熱が、汚損の位置において発生することがある。高い熱伝導率により、熱が効率的かつ迅速に放散されることにより、レーザービームにより引き起こされる損傷を防止することができる。機械の停止時間は、それにより短縮され、生産性が高まる。閉鎖光学素子もまた、コーティングを有してもよい。コーティングされた光学素子が減少した熱膨張率を有し、および／または、コーティングがなくても光学素子より高い破壊靱性を有するように、コーティング用材料と閉鎖光学素子自体の材料との組み合わせを互いに適合させてもよい。

Claims (12)

1. レーザー加工システム（１００）のための装置であって、
   コリメータ光学部品（２２０）と集束光学部品（２３０）とを含む光学素子の配置を有するレーザービーム光学部品を備え、前記光学素子は、前記配置の軸に順に配置され、
   第１の閉鎖光学素子（２１０）は、最も外側の光学素子であり、前記レーザービーム光学部品のレーザービーム入力側に前記軸の方向の光学素子の前記配置を閉鎖し、２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率ｋ_Ｔを有する材料から構成され、
   第２の閉鎖光学素子（２６０）は、光学素子の前記配置をレーザービームの出力側に閉鎖し、石英ガラスから作られる保護ガラスであり、
   光学素子の前記配置は、さらに、前記集束光学部品（２３０）と前記第２の閉鎖光学素子（２６０）との間に、石英ガラスよりも高い熱伝導率ｋ_Ｔを有する材料から構成される内側保護ガラス（２５０）を含む、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、光学素子の前記配置は、前記第１の閉鎖光学素子（２１０）と前記第２の閉鎖光学素子（２４０，２６０）との間に配置される少なくとも１つのさらなる光学素子（２２０，２３０）を含む、装置。
3. 請求項２に記載の装置であって、前記第１の閉鎖光学素子（２１０）と前記第２の閉鎖光学素子（２４０，２６０）との間の前記さらなる光学素子（２２０，２３０）は、フッ化カルシウムから構成される、または、フッ化カルシウムを含む、装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の装置であって、前記第１の閉鎖光学素子（２１０）は、石英ガラスよりも高い熱伝導率を有する材料から構成される、装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の装置であって、前記第１の閉鎖光学素子（２１０）の前記材料は、サファイア、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、フッ化カルシウム、結晶石英、およびダイアモンドから成る群から選択される、装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の装置であって、コーティングは、前記第１の閉鎖光学素子（２１０）および／または前記第２の閉鎖光学素子（２４０）に設けられる、装置。
7. 請求項６に記載の装置であって、前記コーティングを有する前記閉鎖光学素子（２１０，２６０）は、前記コーティングがないものよりも低い熱膨張率および／または高い破壊靱性を有し、および／または前記コーティングは、Ｍｇｆ_２で作られる反射防止コーティングである、装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の装置であって、前記第１の閉鎖光学素子（２１０）は、保護ガラス、ビーム成形光学部品、ビームスプリッタ、ミラー、レンズ、透過性光学素子、集束レンズ、およびコリメータレンズから成る群から選択される、装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の装置であって、前記装置は、光学素子の前記配置が含まれる、交換可能なレンズカートリッジである、装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、前記第１の閉鎖光学素子（２１０）および／または前記第２の閉鎖光学素子（２６０）は、ほぼ気密に前記レンズカートリッジをシールする、装置。
11. レーザー加工システム（１００）であって、
    レーザービーム（１０）を提供するためのレーザー装置（１１０）と、
    前記レーザービーム（１０）のビーム経路に挿入される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の前記装置と、を含む、レーザー加工システム（１００）。
12. 請求項１１に記載のレーザー加工システム（１００）であって、前記レーザービーム光学部品の前記光学素子は、垂直方向の前記レーザービーム（１０）の伝搬方向に沿って配置される、レーザー加工システム（１００）。

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