JP7411851B1 - Polarization adjustment device and laser processing machine - Google Patents

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Abstract

Figure 0007411851000001

【課題】ランダム偏光のレーザビームに含まれる2つの直線偏光の偏光方向を平行に揃えることができ、且つ、偏光方向を平行に揃えた2つのレーザビームの切断進行方向に対する異方性をなくす。
【解決手段】第1の光学素子は、ランダム偏光のレーザビームを、第1の偏光方向を有する第1の直線偏光と第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向を有する第2の直線偏光とに分離する。第2の光学素子は、第1の光学素子によって分離された第2の直線偏光の偏光方向を第1の偏光方向に変換する。アキシコンレンズは、第2の光学素子より射出された第2の直線偏光、または第2の光学素子に入射される第2の直線偏光をリング状に広げる。第3の光学素子は、第1の光学素子によって分離された第1の直線偏光と、アキシコンレンズによってリング状に広げられた第2の直線偏光とを同軸で射出する。
【選択図】図2

Figure 0007411851000001

The object of the present invention is to make it possible to align the polarization directions of two linearly polarized lights included in a randomly polarized laser beam in parallel, and to eliminate anisotropy with respect to the cutting progress direction of the two laser beams whose polarization directions are aligned in parallel.
A first optical element converts a randomly polarized laser beam into first linearly polarized light having a first polarization direction and a second straight line having a second polarization direction perpendicular to the first polarization direction. Separates into polarized light. The second optical element converts the polarization direction of the second linearly polarized light separated by the first optical element into the first polarization direction. The axicon lens spreads the second linearly polarized light emitted from the second optical element or the second linearly polarized light incident on the second optical element into a ring shape. The third optical element coaxially emits the first linearly polarized light separated by the first optical element and the second linearly polarized light expanded into a ring shape by the axicon lens.
[Selection diagram] Figure 2

Description

本発明は、偏光調整装置及びレーザ加工機に関する。 The present invention relates to a polarization adjustment device and a laser processing machine.

レーザ加工機は、レーザ発振器より射出されたレーザビームによって金属の被加工材を切断加工する。レーザ発振器が射出するレーザビームは、互いに直交する2つの直線偏光成分(以下、p偏光、s偏光と言う)を含むランダム偏光である。ランダム偏光のレーザビームにより切断加工を行う際の被加工材のレーザビームの吸収率は、レーザビームが被加工材へ入射する入射角度に応じて変化することが知られている。ランダム偏光のレーザビームの吸収率は、p偏光の吸収率とs偏光の吸収率の平均値となる。 A laser processing machine cuts a metal workpiece using a laser beam emitted from a laser oscillator. The laser beam emitted by the laser oscillator is randomly polarized light including two linearly polarized light components (hereinafter referred to as p-polarized light and s-polarized light) that are orthogonal to each other. It is known that the absorption rate of a laser beam of a workpiece when cutting is performed using a randomly polarized laser beam changes depending on the incident angle at which the laser beam is incident on the workpiece. The absorption rate of a randomly polarized laser beam is the average value of the absorption rate of p-polarized light and the absorption rate of s-polarized light.

レーザ加工機による一般的な切断加工においては、レーザビームは被加工材に対して82度~88度の入射角度で入射されて、被加工材が切断される。被加工材の金属が鉄、レーザビームの波長が1μm帯である場合を例として、レーザビームの入射角が82度~88度であると、p偏光の吸収率が最大で90%程度となるのに対し、s偏光の吸収率は10%未満となる。ランダム偏光のレーザビームの吸収率はp偏光の吸収率とs偏光の吸収率との平均値となるため、ランダム偏光のレーザビームの吸収率は40%またはそれ以下となってしまい、被加工材を切断加工するときの加工効率を低下させる要因の一つとなっている。 In a typical cutting process using a laser beam machine, a laser beam is incident on a workpiece at an incident angle of 82 degrees to 88 degrees, and the workpiece is cut. For example, when the metal of the workpiece is iron and the wavelength of the laser beam is in the 1 μm band, if the incident angle of the laser beam is 82 degrees to 88 degrees, the absorption rate of p-polarized light will be about 90% at maximum. On the other hand, the absorption rate of s-polarized light is less than 10%. The absorption rate of a randomly polarized laser beam is the average value of the absorption rate of p-polarized light and the absorption rate of s-polarized light, so the absorption rate of a randomly polarized laser beam is 40% or less, and the workpiece material This is one of the factors that reduces machining efficiency when cutting.

この問題を解決する方法として、特許文献1には、ランダム偏光のレーザビームに含まれる2つの直線偏光の偏光方向を平行に揃え、偏光方向が平行に揃った2つの直線偏光の偏光方向を、切断加工を行う方向(以下、切断進行方向と言う)と一致させるように制御するレーザ加工機が開示されている。直線偏光の偏光方向を切断進行方向と一致させることにより、カッティングフロントに対するレーザビームの偏光方向がp偏光となり、被加工材のレーザビームの吸収率がp偏光の吸収率となる。これにより、被加工材のレーザビームの吸収率が向上して加工効率を向上させることができる。なお、ここでのカッティングフロントとは、被加工材が溶融して切断されていくときの切断進行方向の非溶融領域と溶融領域との境界の切断面である。 As a method to solve this problem, Patent Document 1 discloses that the polarization directions of two linearly polarized lights included in a randomly polarized laser beam are aligned in parallel, and the polarization directions of the two linearly polarized lights whose polarization directions are aligned in parallel are A laser processing machine has been disclosed that is controlled to match the cutting direction (hereinafter referred to as the cutting progress direction). By making the polarization direction of the linearly polarized light coincide with the cutting progress direction, the polarization direction of the laser beam with respect to the cutting front becomes p-polarized light, and the absorption rate of the laser beam of the workpiece becomes the absorption rate of p-polarized light. This improves the absorption rate of the laser beam of the workpiece and improves the processing efficiency. Note that the cutting front here refers to a cutting surface at the boundary between the non-melting region and the melting region in the direction of cutting progress when the workpiece is melted and cut.

特開平7-266071号公報Japanese Patent Application Publication No. 7-266071

特許文献1に記載されているレーザ加工機は、偏光方向が同一且つ波長が同一である2つの直線偏光のレーザビームを一つの集束レンズによって集束させて、被加工材に照射する。しかしながら、原理的に、偏光方向が同一且つ波長が同一の2つのレーザビームを同じ位置に集束させることはできない。したがって、実際には、2つのレーザビームを集束させる位置を異ならせて、2つのレーザビームを例えば横並びに隣接するように配置する必要がある。すなわち、偏光方向を平行に揃えた2つのレーザビームは互いに異なる2つの軸に沿って進行するため、2つのレーザビームは切断進行方向に対して異方性を有する。2つのレーザビームが切断進行方向に対する異方性を有すると、被加工材の切断進行方向が任意に変化するレーザ切断加工において切断品質が一定とならず、切断品質の低下を招くことがある。 The laser processing machine described in Patent Document 1 focuses two linearly polarized laser beams having the same polarization direction and wavelength using one focusing lens, and irradiates the workpiece with the laser beams. However, in principle, two laser beams with the same polarization direction and the same wavelength cannot be focused on the same position. Therefore, in reality, it is necessary to focus the two laser beams at different positions and arrange the two laser beams, for example, side by side and adjacent to each other. That is, since two laser beams whose polarization directions are parallel to each other travel along two different axes, the two laser beams have anisotropy with respect to the cutting direction. If the two laser beams have anisotropy with respect to the cutting direction, the cutting quality will not be constant during laser cutting in which the cutting direction of the workpiece changes arbitrarily, which may lead to a reduction in cutting quality.

ランダム偏光のレーザビームに含まれる2つの直線偏光の偏光方向を平行に揃えることができ、且つ、偏光方向を平行に揃えた2つのレーザビームの切断進行方向に対する異方性をなくすことができる偏光調整装置、及びそのような偏光調整装置を備えるレーザ加工機の登場が望まれている。 Polarized light that can align the polarization directions of two linearly polarized lights included in a randomly polarized laser beam in parallel, and eliminate anisotropy with respect to the cutting progress direction of the two laser beams with parallel polarization directions. The emergence of an adjustment device and a laser processing machine equipped with such a polarization adjustment device is desired.

1またはそれ以上の実施形態の第1の態様は、第1の偏光方向を有する第1の直線偏光と、前記第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向を有する第2の直線偏光とを含むランダム偏光のレーザビームを、前記第1の直線偏光と前記第2の直線偏光とに分離する第1の光学素子と、前記第1の光学素子によって分離された前記第2の直線偏光の偏光方向を前記第1の偏光方向に変換する第2の光学素子と、前記第2の光学素子より射出された前記第2の直線偏光、または前記第2の光学素子に入射される前記第2の直線偏光をリング状に広げるアキシコンレンズと、前記第1の光学素子によって分離された前記第1の直線偏光と、前記アキシコンレンズによってリング状に広げられた前記第2の直線偏光とを同軸で射出する、前記第1の光学素子と兼用されている、または前記第1の光学素子とは別体であるの第3の光学素子と、を備える偏光調整装置である。 A first aspect of one or more embodiments includes: a first linearly polarized light having a first polarization direction; and a second linearly polarized light having a second polarization direction orthogonal to the first polarization direction. a first optical element that separates a randomly polarized laser beam containing the first linearly polarized light into the first linearly polarized light and the second linearly polarized light; and the second linearly polarized light separated by the first optical element. a second optical element that converts the polarization direction to the first polarization direction; and the second linearly polarized light emitted from the second optical element, or the second linearly polarized light that is incident on the second optical element. an axicon lens that spreads the linearly polarized light into a ring shape; the first linearly polarized light separated by the first optical element; and the second linearly polarized light spread by the axicon lens into a ring shape. The polarization adjusting device includes a third optical element that emits light coaxially and is also used as the first optical element or is separate from the first optical element.

1またはそれ以上の実施形態の第2の態様は、第1の態様の偏光調整装置と、前記偏光調整装置より同軸で射出された前記第1の直線偏光及び前記第2の直線偏光の偏光方向を、被加工材にレーザビームを照射して前記被加工材を切断するときの切断進行方向と平行となるように制御する偏光方向制御機構と、を備えるレーザ加工機である。 A second aspect of one or more embodiments includes the polarization adjustment device of the first aspect, and the polarization directions of the first linearly polarized light and the second linearly polarized light coaxially emitted from the polarization adjustment device. and a polarization direction control mechanism that controls the laser beam to be parallel to a cutting progress direction when cutting the workpiece by irradiating the workpiece with a laser beam.

1またはそれ以上の実施形態に係る偏光調整装置によれば、ランダム偏光のレーザビームに含まれる2つの直線偏光の偏光方向を平行に揃えることができ、且つ、偏光方向を平行に揃えた2つのレーザビームの切断進行方向に対する異方性をなくすことができる。1またはそれ以上の実施形態に係るレーザ加工機によれば、偏光方向を平行に揃えた異方性のない2つのレーザビームによって被加工材を加工することができる。 According to the polarization adjustment device according to one or more embodiments, it is possible to align the polarization directions of two linearly polarized lights included in a randomly polarized laser beam in parallel, and to align the polarization directions of two linearly polarized lights included in a randomly polarized laser beam in parallel. It is possible to eliminate anisotropy with respect to the cutting progress direction of the laser beam. According to the laser processing machine according to one or more embodiments, a workpiece can be processed using two non-anisotropic laser beams with parallel polarization directions.

図1は、第1実施形態に係るレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of a laser processing machine according to a first embodiment. 図2は、第1実施形態に係る加工ヘッドの構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the processing head according to the first embodiment. 図3は、図2に示す加工ヘッドが備える特殊偏光ビームスプリッタの構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a special polarization beam splitter included in the processing head shown in FIG. 2. 図4は、図2におけるレーザビームの偏光方向及び形状と、第1及び第2の直線偏光が同軸で射出されるときの第1及び第2の直線偏光の位置関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the polarization direction and shape of the laser beam in FIG. 2, and the positional relationship between the first and second linearly polarized lights when the first and second linearly polarized lights are coaxially emitted. 図5は、図2に示す加工ヘッドが備えるレンズアレイの構成例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of a lens array included in the processing head shown in FIG. 2. FIG. 図6Aは、被加工材の切断進行方向と、被加工材Wに照射されるレーザビームの偏光方向との関係を示す図である。FIG. 6A is a diagram showing the relationship between the cutting progress direction of the workpiece and the polarization direction of the laser beam irradiated onto the workpiece W. FIG. 図6Bは、被加工材の切断進行方向が曲線を描くときの切断進行方向と、被加工材Wに照射されるレーザビームの偏光方向との関係を示す図である。FIG. 6B is a diagram showing the relationship between the cutting progress direction of the workpiece and the polarization direction of the laser beam irradiated onto the workpiece W when the cutting progress direction of the workpiece draws a curve. 図7Aは、カッティングフロントの形状が半円状であるときの、カッティングフロントと偏光方向及び切断進行方向との関係を示す図である。FIG. 7A is a diagram showing the relationship between the cutting front, the polarization direction, and the cutting direction when the cutting front has a semicircular shape. 図7Bは、カッティングフロントの形状が矩形状であるときの、カッティングフロントと偏光方向及び切断進行方向との関係を示す図である。FIG. 7B is a diagram showing the relationship between the cutting front, the polarization direction, and the cutting direction when the cutting front has a rectangular shape. 図8は、第2実施形態に係る加工ヘッドの構成例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a processing head according to the second embodiment. 図9は、図8におけるレーザビームの偏光方向及び形状と、第1及び第2の直線偏光が同軸で射出されるときの第1及び第2の直線偏光の位置関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the polarization direction and shape of the laser beam in FIG. 8, and the positional relationship between the first and second linearly polarized lights when the first and second linearly polarized lights are coaxially emitted. 図10は、図8に示す加工ヘッドが備える特殊ミラーを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a special mirror included in the processing head shown in FIG. 8.

1またはそれ以上の実施形態に係る偏光調整装置は、第1の光学素子、第2の光学素子、アキシコンレンズ、第3の光学素子を備える。 A polarization adjustment device according to one or more embodiments includes a first optical element, a second optical element, an axicon lens, and a third optical element.

第1の光学素子は、第1の偏光方向を有する第1の直線偏光と、第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向を有する第2の直線偏光とを含むランダム偏光のレーザビームを、第1の直線偏光と第2の直線偏光とに分離する。第2の光学素子は、第1の光学素子によって分離された第2の直線偏光の偏光方向を第1の偏光方向に変換する。アキシコンレンズは、第2の光学素子により射出された第2の直線偏光、または第2の光学素子に入射される第2の直線偏光を、リング状に広げる。第3の光学素子は、第1の光学素子によって分離された第1の直線偏光と、アキシコンレンズによってリング状に広げられた第2の直線偏光とを同軸で射出する。第3の光学素子は、第1の光学素子と兼用されている、または第1の光学素子とは別体である。 The first optical element generates a randomly polarized laser beam including first linearly polarized light having a first polarization direction and second linearly polarized light having a second polarization direction orthogonal to the first polarization direction. , the light is separated into first linearly polarized light and second linearly polarized light. The second optical element converts the polarization direction of the second linearly polarized light separated by the first optical element into the first polarization direction. The axicon lens spreads the second linearly polarized light emitted by the second optical element or the second linearly polarized light incident on the second optical element into a ring shape. The third optical element coaxially emits the first linearly polarized light separated by the first optical element and the second linearly polarized light expanded into a ring shape by the axicon lens. The third optical element is also used as the first optical element, or is separate from the first optical element.

[第1実施形態]
以下、第1実施形態に係る偏光調整装置及びレーザ加工機について、図面を参照して具体的に説明する。
[First embodiment]
Hereinafter, the polarization adjustment device and laser processing machine according to the first embodiment will be specifically described with reference to the drawings.

図1は、第1実施形態に係る偏光調整装置を備えるレーザ加工機100の全体的な構成例を示す図である。図1において、レーザ加工機100は、レーザビームによって被加工材Wを切断加工する加工機である。加工対象の被加工材Wは例えば軟鋼板である。被加工材Wは、ステンレス鋼等の軟鋼板以外の鉄系の板金であってもよいし、アルミニウム、アルミニウム合金、銅等の鉄系以外の板金であってもよい。 FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of a laser processing machine 100 including a polarization adjustment device according to the first embodiment. In FIG. 1, a laser processing machine 100 is a processing machine that cuts a workpiece W using a laser beam. The workpiece W to be processed is, for example, a mild steel plate. The workpiece W may be an iron-based sheet metal other than a mild steel plate such as stainless steel, or may be a non-iron-based sheet metal such as aluminum, aluminum alloy, copper, etc.

図1に示すように、レーザ加工機100は、レーザビームを生成して射出するレーザ発振器10と、レーザ加工ユニット20と、レーザ発振器10より射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット20へと伝送するプロセスファイバ12とを備える。また、レーザ加工機100は、NC(数値制御:Numerical Control)装置50と、アシストガス供給装置60とを備える。NC装置50は、レーザ加工機100の各部を制御する制御装置の一例である。 As shown in FIG. 1, the laser processing machine 100 includes a laser oscillator 10 that generates and emits a laser beam, a laser processing unit 20, and a laser processing unit 20 that transmits the laser beam emitted from the laser oscillator 10 to the laser processing unit 20. A process fiber 12 is provided. The laser processing machine 100 also includes an NC (Numerical Control) device 50 and an assist gas supply device 60. The NC device 50 is an example of a control device that controls each part of the laser processing machine 100.

レーザ発振器10としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器10は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器(DDL発振器)である。 As the laser oscillator 10, a laser oscillator that amplifies excitation light emitted from a laser diode and emits a laser beam of a predetermined wavelength, or a laser oscillator that directly uses the laser beam emitted from a laser diode is suitable. The laser oscillator 10 is, for example, a solid-state laser oscillator, a fiber laser oscillator, a disk laser oscillator, or a direct diode laser oscillator (DDL oscillator).

レーザ発振器10は、波長900nm~1100nmの1μm帯のレーザビームを射出する。ファイバレーザ発振器及びDDL発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長1060nm~1080nmのレーザビームを射出し、DDL発振器は、波長910nm~950nmのレーザビームを射出する。 The laser oscillator 10 emits a laser beam in the 1 μm band with a wavelength of 900 nm to 1100 nm. Taking a fiber laser oscillator and a DDL oscillator as examples, the fiber laser oscillator emits a laser beam with a wavelength of 1060 nm to 1080 nm, and the DDL oscillator emits a laser beam with a wavelength of 910 nm to 950 nm.

プロセスファイバ12は、レーザ発振器10より射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット20へと伝送する。なお、第1実施形態においてプロセスファイバ12で伝送されるレーザビームは、第1の偏光方向を有する第1の直線偏光と、第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向を有する第2の直線偏光とを含むランダム偏光のレーザビームである。 Process fiber 12 transmits the laser beam emitted from laser oscillator 10 to laser processing unit 20 . In addition, in the first embodiment, the laser beam transmitted through the process fiber 12 has a first linearly polarized light having a first polarization direction and a second linearly polarized light having a second polarization direction orthogonal to the first polarization direction. It is a randomly polarized laser beam including linearly polarized light.

レーザ加工ユニット20は、プロセスファイバ12によって伝送されたレーザビームを用いて、被加工材Wを切断する。レーザ加工ユニット20は、被加工材Wを載せる加工テーブル21と、門型のX軸キャリッジ22と、Y軸キャリッジ23と、加工ヘッド30Aとを有している。X軸キャリッジ22は、加工テーブル21上でX軸方向に沿って移動自在に構成されている。Y軸キャリッジ23は、X軸キャリッジ22上でX軸に垂直なY軸方向に沿って移動自在に構成されている。X軸キャリッジ22及びY軸キャリッジ23は、加工ヘッド30Aを被加工材Wの表面に沿って、X軸方向、Y軸方向、または、X軸とY軸との任意の合成方向に移動させる移動機構として機能する。 The laser processing unit 20 cuts the workpiece W using the laser beam transmitted by the process fiber 12. The laser processing unit 20 includes a processing table 21 on which a workpiece W is placed, a gate-shaped X-axis carriage 22, a Y-axis carriage 23, and a processing head 30A. The X-axis carriage 22 is configured to be movable along the X-axis direction on the processing table 21. The Y-axis carriage 23 is configured to be movable on the X-axis carriage 22 along the Y-axis direction perpendicular to the X-axis. The X-axis carriage 22 and the Y-axis carriage 23 move the processing head 30A along the surface of the workpiece W in the X-axis direction, the Y-axis direction, or any combination direction of the X-axis and the Y-axis. It functions as a mechanism.

加工ヘッド30Aは、プロセスファイバ12によって伝送されたレーザビームを被加工材Wに照射する。加工ヘッド30Aの詳細な構成については、図2~図4を参照して後述する。加工ヘッド30Aの先端には、レーザビームを射出するノズル24が着脱自在に取り付けられている。ノズル24の先端部には円形の開口25が設けられており、レーザビームは開口25から被加工材Wに照射される。 The processing head 30A irradiates the workpiece W with the laser beam transmitted by the process fiber 12. The detailed structure of the processing head 30A will be described later with reference to FIGS. 2 to 4. A nozzle 24 for emitting a laser beam is detachably attached to the tip of the processing head 30A. A circular opening 25 is provided at the tip of the nozzle 24, and the workpiece W is irradiated with a laser beam from the opening 25.

加工ヘッド30Aは、Y軸方向に移動自在のY軸キャリッジ23に固定され、Y軸キャリッジ23は、X軸方向に移動自在のX軸キャリッジ22に設けられている。よって、加工ヘッド30A、即ち、レーザビームを被加工材Wに照射する位置を、被加工材Wの面(X軸方向及びY軸方向)に沿って移動させることができる。なお、加工ヘッド30Aを被加工材Wの面に沿って移動させる構成に代えて、加工ヘッド30Aの位置を固定したまま、被加工材Wを移動する構成であってもよい。レーザ加工機100は、被加工材Wの面に対して加工ヘッド30Aを相対的に移動させる移動機構を備えていればよい。 The processing head 30A is fixed to a Y-axis carriage 23 that is movable in the Y-axis direction, and the Y-axis carriage 23 is provided on an X-axis carriage 22 that is movable in the X-axis direction. Therefore, the processing head 30A, that is, the position at which the laser beam is irradiated onto the workpiece W can be moved along the surface of the workpiece W (X-axis direction and Y-axis direction). Note that instead of the configuration in which the processing head 30A is moved along the surface of the workpiece W, a configuration may be adopted in which the workpiece W is moved while the position of the processing head 30A is fixed. The laser processing machine 100 may include a movement mechanism that moves the processing head 30A relative to the surface of the workpiece W.

NC装置50は、加工プログラムデータベース(図示せず)より、被加工材Wを切断加工するための加工プログラムと、加工プログラムに対応して、後述する第1のモータ41及び第2のモータ42を制御するための情報とを読み出す。 The NC device 50 uses a machining program database (not shown) to create a machining program for cutting the workpiece W, and a first motor 41 and a second motor 42, which will be described later, in accordance with the machining program. Read out control information.

加工プログラムには、加工条件の設定、レーザビームの射出開始及びレーザビームの射出停止、加工ヘッド30Aの移動経路(切断加工経路)等の、被加工材Wを切断加工するために必要なレーザ加工機100の一連の動作を規定するコードが記述されている。NC装置50は、読み出した情報に基づいて、第1のモータ41及び第2のモータ42を制御しつつ、加工プログラムに基づいて被加工材Wを切断加工するようX軸キャリッジ22及びY軸キャリッジ23を制御する。 The processing program includes laser processing necessary for cutting the workpiece W, such as setting processing conditions, starting and stopping laser beam injection, and moving path of the processing head 30A (cutting processing path). Code that defines a series of operations of the machine 100 is written. The NC device 50 controls the first motor 41 and the second motor 42 based on the read information and moves the X-axis carriage 22 and Y-axis carriage to cut the workpiece W based on the processing program. 23.

アシストガス供給装置60は、被加工材Wの加工時に、アシストガスを加工ヘッド30Aに供給する。アシストガスは、窒素、酸素、窒素と酸素との混合気体、または空気である。例えば、被加工材Wがステンレス鋼であれば窒素がアシストガスとして用いられ、被加工材Wが軟鋼板であれば酸素がアシストガスとして用いられる。アシストガスは、ノズル24の開口25から被加工材Wに対して垂直な方向に吹き付けられる。アシストガスは、被加工材Wが溶融した切断溝内の溶融金属を排出する。 The assist gas supply device 60 supplies assist gas to the processing head 30A when processing the workpiece W. The assist gas is nitrogen, oxygen, a mixture of nitrogen and oxygen, or air. For example, if the workpiece W is stainless steel, nitrogen is used as the assist gas, and if the workpiece W is a mild steel plate, oxygen is used as the assist gas. The assist gas is blown from the opening 25 of the nozzle 24 in a direction perpendicular to the workpiece W. The assist gas discharges the molten metal in the cutting groove in which the workpiece W is melted.

[加工ヘッド30Aの構成例]
図2~図5を参照して、加工ヘッド30Aの詳細な構成例について説明する。図2は、加工ヘッド30Aの構成例を示す。図2に示すように、加工ヘッド30Aは、コリメートレンズ31、特殊偏光ビームスプリッタ32、1/4波長板33、第1の反射ミラー34、アキシコンレンズ35、第2の反射ミラー36を有する。図2における特殊偏光ビームスプリッタ32、1/4波長板33、第1の反射ミラー34、アキシコンレンズ35、第2の反射ミラー36は、第1の偏光方向を有する第1の直線偏光L1と、第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向を有する第2の直線偏光L2とを含むランダム偏光のレーザビームLにおける第1の直線偏光L1を第1の直線偏光L1として射出し、第2の直線偏光L2を第1の偏光方向を有する第2の直線偏光L22に変換して射出する偏光調整部(偏光調整装置)として機能する。
[Example of configuration of processing head 30A]
A detailed configuration example of the processing head 30A will be described with reference to FIGS. 2 to 5. FIG. 2 shows an example of the configuration of the processing head 30A. As shown in FIG. 2, the processing head 30A includes a collimating lens 31, a special polarizing beam splitter 32, a quarter-wave plate 33, a first reflecting mirror 34, an axicon lens 35, and a second reflecting mirror 36. The special polarization beam splitter 32, the quarter-wave plate 33, the first reflection mirror 34, the axicon lens 35, and the second reflection mirror 36 in FIG. , a first linearly polarized light L1 in a randomly polarized laser beam L including a second linearly polarized light L2 having a second polarization direction orthogonal to the first polarization direction is emitted as the first linearly polarized light L1, It functions as a polarization adjustment unit (polarization adjustment device) that converts the second linearly polarized light L2 into the second linearly polarized light L22 having the first polarization direction and emits the second linearly polarized light L22.

第1実施形態においては、特殊偏光ビームスプリッタ32は、第1の光学素子と第3の光学素子とを兼用する兼用光学素子として機能する。また、1/4波長板33及び第1の反射ミラー34は、第2の光学素子として機能する。また、加工ヘッド30Aは、1/2波長板37、1/2波長板37を回転させる第1のモータ41、レンズアレイ38、レンズアレイ38を回転させる第2のモータ42、集束レンズ39を有する。なお、図2において、中心が黒の二重丸は第1の直線偏光を示し、両矢印は第2の直線偏光を示す。 In the first embodiment, the special polarization beam splitter 32 functions as a dual-purpose optical element that serves both as a first optical element and a third optical element. Moreover, the quarter wavelength plate 33 and the first reflection mirror 34 function as a second optical element. The processing head 30A also includes a 1/2 wavelength plate 37, a first motor 41 that rotates the 1/2 wavelength plate 37, a lens array 38, a second motor 42 that rotates the lens array 38, and a focusing lens 39. . In addition, in FIG. 2, a double circle with a black center indicates the first linearly polarized light, and a double arrow indicates the second linearly polarized light.

コリメートレンズ31は、プロセスファイバ12の射出端より射出された発散光のレーザビームが入射される。コリメートレンズ31に入射される発散光のレーザビームは、第1の偏光方向を有する第1の直線偏光L1と、第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向を有する第2の直線偏光L2とを含むランダム偏光のレーザビームLである。コリメートレンズ31は、入射されたランダム偏光のレーザビームLを平行光(コリメート光)に変換する。コリメートレンズ31によりコリメート光に変換されたランダム偏光のレーザビームLは、特殊偏光ビームスプリッタ32へ入射する。特殊偏光ビームスプリッタ32は光軸に対して面が45度の角度となるように配置されている。 A diverging laser beam emitted from the exit end of the process fiber 12 is incident on the collimator lens 31 . The diverging laser beam incident on the collimating lens 31 includes a first linearly polarized light L1 having a first polarization direction and a second linearly polarized light L2 having a second polarization direction orthogonal to the first polarization direction. This is a randomly polarized laser beam L including the following. The collimating lens 31 converts the incident randomly polarized laser beam L into parallel light (collimated light). The randomly polarized laser beam L converted into collimated light by the collimating lens 31 enters the special polarizing beam splitter 32 . The special polarization beam splitter 32 is arranged so that its surface forms an angle of 45 degrees with respect to the optical axis.

図3は、特殊偏光ビームスプリッタ32の構成例を示す。図3に示すように、特殊偏光ビームスプリッタ32は、中心部に楕円状の偏光分離領域321を有し、偏光分離領域321の周囲に透過領域322を有する。図4は、図2におけるレーザビームの偏光方向及び形状と、第1及び第2の直線偏光L1、L2が同軸で射出されるときの第1及び第2の直線偏光L1、L2の位置関係を示す。図4は、ランダム偏光のレーザビームL、第1の直線偏光L1、及び第2の直線偏光L2、L21、L22の外形を模式的に示している。また、図4のランダム偏光のレーザビームL、第1の直線偏光L1、及び第2の直線偏光L2、L21、L22の中の矢印は、単に各々のレーザビームの偏光方向を模式的に示すものであり、矢印の長さの違いに特に意味はない。 FIG. 3 shows an example of the configuration of the special polarization beam splitter 32. As shown in FIG. 3, the special polarization beam splitter 32 has an elliptical polarization separation region 321 at the center and a transmission region 322 around the polarization separation region 321. FIG. 4 shows the polarization direction and shape of the laser beam in FIG. 2, and the positional relationship between the first and second linearly polarized lights L1 and L2 when the first and second linearly polarized lights L1 and L2 are coaxially emitted. show. FIG. 4 schematically shows the external shapes of the randomly polarized laser beam L, the first linearly polarized light L1, and the second linearly polarized lights L2, L21, and L22. Further, the arrows in the randomly polarized laser beam L, the first linearly polarized light L1, and the second linearly polarized lights L2, L21, and L22 in FIG. 4 merely schematically indicate the polarization direction of each laser beam. Therefore, the difference in the length of the arrows has no particular meaning.

偏光分離領域321は、入射されたランダム偏光のレーザビームLにおける第1の直線偏光L1を反射させ、第2の直線偏光L2を透過させることによって、図4に示すように、ランダム偏光のレーザビームLにおける第1の直線偏光L1と第2の直線偏光L2とを分離する偏光ビームスプリッタである。透過領域322には反射防止コーティングが施されており、透過領域322は入射されたレーザビームを透過させる。 The polarization separation region 321 reflects the first linearly polarized light L1 in the incident randomly polarized laser beam L and transmits the second linearly polarized light L2, thereby forming a randomly polarized laser beam as shown in FIG. This is a polarizing beam splitter that separates first linearly polarized light L1 and second linearly polarized light L2 in L. The transmission region 322 is coated with an anti-reflection coating, and transmits the incident laser beam.

コリメートレンズ31より射出されたランダム偏光のレーザビームLは、特殊偏光ビームスプリッタ32の偏光分離領域321へ入射する。偏光分離領域321は、ランダム偏光のレーザビームLに含まれる第1の直線偏光L1をX軸及びY軸に垂直なZ軸方向下方に向けて反射させる。また、偏光分離領域321は、ランダム偏光のレーザビームLに含まれる第2の直線偏光L2を透過させて、1/4波長板33へ入射させる。 The randomly polarized laser beam L emitted from the collimating lens 31 enters the polarization separation region 321 of the special polarization beam splitter 32 . The polarization separation region 321 reflects the first linearly polarized light L1 included in the randomly polarized laser beam L downward in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis and the Y-axis. Further, the polarization separation region 321 transmits the second linearly polarized light L2 included in the randomly polarized laser beam L, and causes the second linearly polarized light L2 to be incident on the quarter-wave plate 33.

1/4波長板33は、特殊偏光ビームスプリッタ32と、第1の反射ミラー34との間に配置され、特殊偏光ビームスプリッタ32の偏光分離領域321を透過した第2の直線偏光L2を、第1の円偏光に変換する。1/4波長板33は例えば水晶により形成され、1/4波長板33に入射して透過するレーザビームの位相遅れが90°+n×360°(nは整数)となるように構成されることが好ましい。1/4波長板33は、例えば互いに直交する方向に光学軸を持つように2枚の水晶板が貼り合わされることにより作製されてもよい。1/4波長板33により変換された第1の円偏光は、第1の反射ミラー34へ入射する。 The quarter-wave plate 33 is disposed between the special polarization beam splitter 32 and the first reflection mirror 34, and converts the second linearly polarized light L2 that has passed through the polarization separation region 321 of the special polarization beam splitter 32 into a second Convert to circularly polarized light of 1. The quarter-wave plate 33 is formed of, for example, crystal, and configured so that the phase delay of the laser beam that enters and passes through the quarter-wave plate 33 is 90° + n × 360° (n is an integer). is preferred. The quarter-wave plate 33 may be manufactured, for example, by bonding two crystal plates together so that their optical axes are in directions orthogonal to each other. The first circularly polarized light converted by the quarter-wave plate 33 enters the first reflection mirror 34 .

第1の反射ミラー34は、入射された第1の円偏光を反射して、第1の円偏光と位相が反転した第2の円偏光として射出する。第1の反射ミラー34より射出された第2の円偏光は、1/4波長板33へ入射する。1/4波長板33は、第1の反射ミラー34で反射した第2の円偏光を、第1の偏光方向に変換する。 The first reflecting mirror 34 reflects the incident first circularly polarized light and emits it as second circularly polarized light whose phase is reversed to that of the first circularly polarized light. The second circularly polarized light emitted from the first reflecting mirror 34 enters the quarter-wave plate 33 . The quarter-wave plate 33 converts the second circularly polarized light reflected by the first reflecting mirror 34 into the first polarization direction.

以上のような構成により、1/4波長板33及び第1の反射ミラー34は、特殊偏光ビームスプリッタ32によって分離された第2の直線偏光L2を、図4に示すように、第1の偏光方向を有する第2の直線偏光L21に変換する。1/4波長板33より射出された第2の直線偏光L21は、特殊偏光ビームスプリッタ32の偏光分離領域321へ入射する。偏光分離領域321は、1/4波長板33より射出された第2の直線偏光L21を、Z軸方向上方に向けて反射させる。 With the above configuration, the quarter-wave plate 33 and the first reflection mirror 34 convert the second linearly polarized light L2 separated by the special polarization beam splitter 32 into the first polarized light, as shown in FIG. It is converted into second linearly polarized light L21 having a direction. The second linearly polarized light L21 emitted from the quarter-wave plate 33 enters the polarization separation region 321 of the special polarization beam splitter 32. The polarization separation region 321 reflects the second linearly polarized light L21 emitted from the quarter-wave plate 33 upward in the Z-axis direction.

アキシコンレンズ35は、特殊偏光ビームスプリッタ32と、第2の反射ミラー36との間に配置されている。特殊偏光ビームスプリッタ32から見て、アキシコンレンズ35におけるレーザビームの入射面は円錐状の傾斜面、射出面は平坦面となっている。アキシコンレンズ35の傾斜面は、特殊偏光ビームスプリッタ32の偏光分離領域321で上方に向けて反射した第2の直線偏光L21を、図4に示すように、リング状に広げる。なお、図4アキシコンレンズ35によりリング状に広げられた第2の直線偏光L22は、第2の反射ミラー36へ入射する。 The axicon lens 35 is arranged between the special polarization beam splitter 32 and the second reflection mirror 36. When viewed from the special polarization beam splitter 32, the laser beam entrance surface of the axicon lens 35 is a conical inclined surface, and the exit surface is a flat surface. The inclined surface of the axicon lens 35 spreads the second linearly polarized light L21 reflected upward by the polarization separation region 321 of the special polarization beam splitter 32 into a ring shape, as shown in FIG. Note that the second linearly polarized light L22 spread into a ring shape by the axicon lens 35 in FIG. 4 enters the second reflection mirror 36.

第2の反射ミラー36は、アキシコンレンズ35より射出されたた第2の直線偏光L22を反射する。第2の反射ミラー36で反射した第2の直線偏光L22は、アキシコンレンズ35の平坦面に入射して傾斜面より射出する。アキシコンレンズ35は、入射したリング状の第2の直線偏光L22をコリメート光に変換し、特殊偏光ビームスプリッタ32の透過領域322へ入射させる。 The second reflecting mirror 36 reflects the second linearly polarized light L22 emitted from the axicon lens 35. The second linearly polarized light L22 reflected by the second reflecting mirror 36 enters the flat surface of the axicon lens 35 and exits from the inclined surface. The axicon lens 35 converts the incident ring-shaped second linearly polarized light L22 into collimated light, and causes the collimated light to enter the transmission region 322 of the special polarization beam splitter 32.

透過領域322は、アキシコンレンズ35より射出されたリング状の第2の直線偏光L22を透過させる。透過領域322を透過した、リング状の第2の直線偏光L22は、図4に示すように、偏光分離領域321により反射した第1の直線偏光L1の外側に配置される。 The transmission region 322 transmits the ring-shaped second linearly polarized light L22 emitted from the axicon lens 35. The ring-shaped second linearly polarized light L22 that has passed through the transmission region 322 is placed outside the first linearly polarized light L1 that has been reflected by the polarization separation region 321, as shown in FIG.

以上の構成により、偏光調整部は、特殊偏光ビームスプリッタ32の偏光分離領域321により下方に反射した第1の直線偏光L1の外側に、第1の偏光方向を有するリング状の第2の直線偏光L22を配置して、第1の直線偏光L1と第2の直線偏光L22とを同軸で射出する。これにより、ランダム偏光のレーザビームLに含まれる2つの直線偏光L1、L2の偏光方向を平行に揃えることができ、且つ、偏光方向を平行に揃えた2つのレーザビームの切断進行方向に対する異方性をなくすことができる。 With the above configuration, the polarization adjustment section generates ring-shaped second linearly polarized light having the first polarization direction on the outside of the first linearly polarized light L1 reflected downward by the polarization separation region 321 of the special polarization beam splitter 32. L22 is arranged to coaxially emit the first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L22. As a result, the polarization directions of the two linearly polarized lights L1 and L2 included in the randomly polarized laser beam L can be aligned in parallel, and the anisotropy with respect to the cutting progress direction of the two laser beams with the polarization directions aligned in parallel can be achieved. You can eliminate gender.

特殊偏光ビームスプリッタ32より同軸で射出された、第1の直線偏光L1及び第2の直線偏光L22は、1/2波長板37へ入射する。1/2波長板37は、特殊偏光ビームスプリッタ32より同軸で射出された第1の直線偏光L1及び第2の直線偏光L22の光路上に配置され、第1のモータ41(第1の回転機構)によりXY平面上で回転可能に構成される。 The first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L22 coaxially emitted from the special polarized beam splitter 32 enter the half-wave plate 37. The 1/2 wavelength plate 37 is disposed on the optical path of the first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L22 coaxially emitted from the special polarized beam splitter 32, and is connected to the first motor 41 (first rotation mechanism). ), it is configured to be rotatable on the XY plane.

第1のモータ41はNC装置50(第1の制御部)により制御され、1/2波長板37をXY平面上で回転させる。NC装置50は、1/2波長板37を透過した第1の直線偏光L1及び第2の直線偏光L22の偏光方向が、レーザ加工機100の切断進行方向と平行となるように、第1のモータ41を制御する。 The first motor 41 is controlled by the NC device 50 (first control section) and rotates the 1/2 wavelength plate 37 on the XY plane. The NC device 50 sets the first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L22 that have passed through the half-wave plate 37 so that their polarization directions are parallel to the cutting direction of the laser processing machine 100. The motor 41 is controlled.

以上のように、1/2波長板37と、第1のモータ41と、NC装置50は、特殊偏光ビームスプリッタ32より射出された第1の直線偏光L1及び第2の直線偏光L22の偏光方向を、被加工材Wにレーザビームを照射して被加工材Wを切断するときの切断進行方向と平行となるように制御する偏光方向制御機構として機能する。 As described above, the half-wave plate 37, the first motor 41, and the NC device 50 control the polarization directions of the first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L22 emitted from the special polarization beam splitter 32. It functions as a polarization direction control mechanism that controls the laser beam to be parallel to the cutting progress direction when cutting the workpiece W by irradiating the workpiece W with a laser beam.

レーザ加工機100は、ランダム偏光のレーザビームに含まれる第1の直線偏光L1と第2の直線偏光L2の偏光方向を第1の偏光方向に揃え、偏光方向が第1の偏光方向に揃えられたレーザビームにおける偏光方向を、切断進行方向と平行となるように制御する。レーザビームの偏光方向を切断進行方向と一致させることにより、被加工材Wが溶融して切断されていくときの切断進行方向の非溶融領域と溶融領域との境界の切断面であるカッティングフロントに対するレーザビームの偏光方向がp偏光となるため、被加工材Wのレーザビームの吸収率を向上させることができる。 The laser processing machine 100 aligns the polarization directions of the first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L2 included in the randomly polarized laser beam to the first polarization direction, and aligns the polarization directions to the first polarization direction. The polarization direction of the laser beam is controlled so that it is parallel to the cutting direction. By matching the polarization direction of the laser beam with the cutting direction, the cutting front, which is the cut surface at the boundary between the unmelted region and the molten region in the cutting direction when the workpiece W is melted and cut, is Since the polarization direction of the laser beam becomes p-polarized light, the absorption rate of the laser beam of the workpiece W can be improved.

1/2波長板37より射出され、偏光方向が切断進行方向と平行となるように制御されたレーザビームは、レンズアレイ38へ入射する。レンズアレイ38は、1/2波長板37により偏光方向が切断進行方向と平行となるように制御されたレーザビームの光路上に配置され、第2のモータ42(第2の回転機構)により回転可能に構成される。 A laser beam emitted from the 1/2 wavelength plate 37 and whose polarization direction is controlled to be parallel to the cutting direction enters the lens array 38 . The lens array 38 is placed on the optical path of the laser beam whose polarization direction is controlled by a half-wave plate 37 so that it is parallel to the direction of cutting progress, and is rotated by a second motor 42 (second rotation mechanism). configured as possible.

図5は、レンズアレイ38の構成例を示す。図5に示すように、レンズアレイ38は、2次元配列された複数の矩形状のレンズ38aを含む。複数のレンズ38aの各々には、1/2波長板37により偏光方向が切断進行方向と平行となるように制御されたレーザビームが入射される。なお、複数のレンズ38aにおける各レンズ38aは、凸レンズであっても凹レンズであってもよく、レンズアレイ38は、複数のレンズ38aの全体が凸レンズと凹レンズとのうちのいずれか一方で構成される。 FIG. 5 shows an example of the configuration of the lens array 38. As shown in FIG. 5, the lens array 38 includes a plurality of rectangular lenses 38a arranged two-dimensionally. A laser beam whose polarization direction is controlled to be parallel to the cutting progress direction by the half-wave plate 37 is incident on each of the plurality of lenses 38a. In addition, each lens 38a in the plurality of lenses 38a may be a convex lens or a concave lens, and the lens array 38 is configured such that the entire plurality of lenses 38a is either a convex lens or a concave lens. .

集束レンズ39は、レンズアレイ38における各レンズ38aを透過したレーザビームを互いに重畳させるように集束させることにより、強度分布が均一な矩形状のレーザビームを被加工材Wの加工点WPに照射する。 The focusing lens 39 irradiates the processing point WP of the workpiece W with a rectangular laser beam with a uniform intensity distribution by focusing the laser beams that have passed through each lens 38a in the lens array 38 so as to overlap each other. .

第2のモータ42はNC装置50(第2の制御部)により制御される。NC装置50は、レンズアレイ38及び集束レンズ39を透過して、被加工材Wの加工点WPに照射される矩形状のレーザビームにおける一辺が切断進行方向と平行となるように、第2のモータ42を制御する。なお、NC装置50が第1及び第2の制御部として機能しているが、第1のモータ41を制御する制御部と第2のモータ42を制御する制御部とが別々に設けられていてもよい。 The second motor 42 is controlled by an NC device 50 (second control section). The NC device 50 transmits the second laser beam so that one side of the rectangular laser beam that passes through the lens array 38 and the focusing lens 39 and irradiates the processing point WP of the workpiece W is parallel to the cutting progress direction. The motor 42 is controlled. Note that although the NC device 50 functions as the first and second control sections, a control section that controls the first motor 41 and a control section that controls the second motor 42 are provided separately. Good too.

以上のように、レンズアレイ38と、第2のモータ42と、集束レンズ39と、NC装置50は、偏光方向制御機構により偏光方向が切断進行方向と平行となるように制御されたレーザビームを矩形状に整形し、矩形状に整形されたレーザビームにおける一辺が切断進行方向と平行となるように制御する矩形ビーム角度制御機構として機能する。 As described above, the lens array 38, the second motor 42, the focusing lens 39, and the NC device 50 generate a laser beam whose polarization direction is controlled to be parallel to the cutting direction by the polarization direction control mechanism. It functions as a rectangular beam angle control mechanism that controls the rectangular shaped laser beam so that one side of the rectangular shaped laser beam is parallel to the cutting direction.

図6Aは、被加工材Wの切断進行方向と、被加工材Wに照射されるレーザビームの偏光方向との関係を示している。図6Aは、特殊偏光ビームスプリッタ32より同軸で射出された第1の直線偏光L1及び第2の直線偏光L22が、レンズアレイ38により矩形状に整形され、被加工材に照射されるときのレーザビームの概形を示している。図6Aに示すように、偏光方向制御機構は、特殊偏光ビームスプリッタ32より同軸で射出され、レンズアレイ38により矩形状に整形された第1の直線偏光L1及び第2の直線偏光L22の偏光方向Pを、被加工材Wにレーザビームを照射して被加工材Wを切断するときの切断進行方向Dと平行となるように制御する。矩形ビーム角度制御機構は、偏光方向Pが切断進行方向Dと平行となるように制御されたレーザビームを矩形状に整形し、矩形状に整形されたレーザビームにおける一辺が切断進行方向と平行となるように制御する。 FIG. 6A shows the relationship between the cutting progress direction of the workpiece W and the polarization direction of the laser beam irradiated onto the workpiece W. FIG. 6A shows the laser beam when the first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L22 coaxially emitted from the special polarizing beam splitter 32 are shaped into a rectangular shape by the lens array 38 and irradiated onto the workpiece. The outline of the beam is shown. As shown in FIG. 6A, the polarization direction control mechanism controls the polarization directions of the first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L22 that are coaxially emitted from the special polarized beam splitter 32 and shaped into a rectangular shape by the lens array 38. P is controlled so as to be parallel to the cutting progress direction D when cutting the workpiece W by irradiating the workpiece W with a laser beam. The rectangular beam angle control mechanism shapes the laser beam, which is controlled so that the polarization direction P is parallel to the cutting direction D, into a rectangular shape, and one side of the rectangularly shaped laser beam is parallel to the cutting direction. control so that

図6Bは、被加工材Wの切断進行方向が曲線を描くときの切断進行方向と、被加工材Wに照射されるレーザビームの偏光方向との関係を示している。図6Bは、特殊偏光ビームスプリッタ32より同軸で射出された第1の直線偏光L1及び第2の直線偏光L22が、レンズアレイ38により矩形状に整形され、被加工材に照射されるときのレーザビームの概形を示している。図6Bは、被加工材Wの切断進行方向が曲線を描く場合の一例として、製品のコーナRを切断する場合を示している。図6Bに示すように、レーザ加工機100が被加工材Wの切断加工経路に沿ってコーナRの切断加工をする際、NC装置50は、第1及び第2のモータ41、42を制御して、偏光方向Pと矩形状に整形されたレーザビームの一辺が常に切断進行方向Dと平行となるように、1/2波長板37及びレンズアレイ38を回転させる。これにより、切断加工時に、カッティングフロントにおけるレーザビームの偏光方向P及びカッティングフロントにおいて矩形状に整形されたレーザビームの一辺が、常に切断進行方向と平行となる。 FIG. 6B shows the relationship between the cutting progress direction of the workpiece W when the cutting progress direction of the workpiece W draws a curve and the polarization direction of the laser beam irradiated onto the workpiece W. FIG. 6B shows the laser beam when the first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L22 coaxially emitted from the special polarizing beam splitter 32 are shaped into a rectangular shape by the lens array 38 and irradiated onto the workpiece. The outline of the beam is shown. FIG. 6B shows a case where a corner R of a product is cut, as an example of a case where the cutting progress direction of the workpiece W draws a curve. As shown in FIG. 6B, when the laser processing machine 100 cuts the corner R along the cutting path of the workpiece W, the NC device 50 controls the first and second motors 41 and 42. Then, the half-wave plate 37 and the lens array 38 are rotated so that the polarization direction P and one side of the rectangularly shaped laser beam are always parallel to the cutting direction D. As a result, during cutting, the polarization direction P of the laser beam at the cutting front and one side of the laser beam shaped into a rectangular shape at the cutting front are always parallel to the cutting progress direction.

図7Aは、加工ヘッド30Aがレンズアレイ38を備えないと仮定した場合の比較例であり、カッティングフロントの形状が半円状であるときの、カッティングフロントと偏光方向及び切断進行方向との関係を示している。図7Bは、加工ヘッド30Aがレンズアレイ38を備えることによりカッティングフロントの形状が矩形状であるときの、カッティングフロントと偏光方向及び切断進行方向との関係を示している。ここでのカッティングフロントの形状とは、被加工材Wの表面から見た、被加工材Wが溶融して切断されていくときの切断進行方向の非溶融領域と溶融領域との境界の形状である。 FIG. 7A is a comparative example assuming that the processing head 30A does not include the lens array 38, and shows the relationship between the cutting front, the polarization direction, and the cutting direction when the cutting front has a semicircular shape. It shows. FIG. 7B shows the relationship between the cutting front, the polarization direction, and the cutting direction when the processing head 30A includes the lens array 38 and the cutting front has a rectangular shape. The shape of the cutting front here refers to the shape of the boundary between the non-melting area and the molten area in the cutting direction when the workpiece W is melted and cut, as seen from the surface of the workpiece W. be.

図7Aに示すように、カッティングフロントの形状が半円状である場合には、レーザビームの偏光方向Pが切断進行方向Dと平行であったとしても、切断溝の幅方向の外側に近付くにしたがって、偏光方向Pがカッティングフロントに対して垂直に入射しなくなる。p偏光は、偏光方向Pがカッティングフロントに対して垂直な方向Nで入射するときに作用するため、切断溝の幅方向の外側に近付くにしたがって、p偏光の作用が弱くなり、被加工材Wのレーザビームの吸収率が低下する。 As shown in FIG. 7A, when the cutting front has a semicircular shape, even if the polarization direction P of the laser beam is parallel to the cutting progress direction D, as it approaches the outside in the width direction of the cutting groove, Therefore, the polarization direction P is no longer incident perpendicularly to the cutting front. Since p-polarized light acts when the polarization direction P is incident in the direction N perpendicular to the cutting front, the effect of p-polarized light becomes weaker as it approaches the outside in the width direction of the cutting groove, and the workpiece W The absorption rate of the laser beam decreases.

これに対し、図7Bに示すように、カッティングフロントの形状が矩形状である場合には、レーザビームの偏光方向Pが切断進行方向Dと平行であれば、切断溝の幅方向のどの位置においても、偏光方向Pがカッティングフロントに対して垂直な方向Nで入射する。したがって、カッティングフロントに対して効率よくp偏光が作用し、被加工材Wのレーザビームの吸収率が向上する。 On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the shape of the cutting front is rectangular, if the polarization direction P of the laser beam is parallel to the cutting progress direction D, at which position in the width direction of the cutting groove can Also, the polarization direction P is incident in the direction N perpendicular to the cutting front. Therefore, the p-polarized light acts efficiently on the cutting front, and the absorption rate of the laser beam of the workpiece W is improved.

従来のランダム偏光のレーザビームであって、カッティングフロントが半円状、すなわち断面形状が円形のレーザビームにより切断加工を行った場合の被加工材Wのレーザビームの吸収率と、本実施形態に係るレーザ加工機100において切断加工を行った場合の被加工材Wのレーザビームの吸収率とを、コンピュータ上のシミュレーションにより比較した。シミュレーションでは、レーザビームの波長を1.08μm、被加工材Wの材質を鉄、厚さを8mmとした。その結果、従来のレーザビームにより切断加工を行った場合の吸収率は約55%であった。これに対し、本実施形態に係るレーザ加工機100において切断加工を行った場合の被加工材Wのレーザビームの吸収率は約74%となり、約19%吸収率が向上することが確認された。 The absorption rate of the laser beam of the workpiece W when cutting is performed using a conventional randomly polarized laser beam with a semicircular cutting front, that is, a circular cross-sectional shape, and the present embodiment The absorptivity of the laser beam of the workpiece W when cutting is performed using the laser processing machine 100 was compared using a computer simulation. In the simulation, the wavelength of the laser beam was 1.08 μm, the material of the workpiece W was iron, and the thickness was 8 mm. As a result, the absorption rate when cutting was performed using a conventional laser beam was about 55%. On the other hand, when cutting is performed using the laser processing machine 100 according to the present embodiment, the absorption rate of the laser beam of the workpiece W is approximately 74%, and it was confirmed that the absorption rate is improved by approximately 19%. .

[第1実施形態の作用効果]
以上説明したように、第1実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。
[Operations and effects of the first embodiment]
As explained above, according to the first embodiment, the following effects can be obtained.

第1実施形態に係る偏光調整装置は、ランダム偏光のレーザビームLに含まれる、第1の偏光方向を有する第1の直線偏光L1と、第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向を有する第2の直線偏光L2の偏光方向を、第1の偏光方向に揃え、同軸で射出する。第1実施形態に係る偏光調整装置は、第1の光学素子(特殊偏光ビームスプリッタ32)の偏光分離領域321により反射した第1の直線偏光L1の外側に、第1の偏光方向を有するリング状の第2の直線偏光L22を配置して、第1の直線偏光L1と第2の直線偏光L22とを同軸で射出する。これにより、ランダム偏光のレーザビームLに含まれる2つの直線偏光L1、L2の偏光方向を平行に揃えることができ、且つ、偏光方向を平行に揃えた2つのレーザビームの切断進行方向に対する異方性をなくすことができる。 The polarization adjustment device according to the first embodiment adjusts first linearly polarized light L1 having a first polarization direction, which is included in a randomly polarized laser beam L, and a second polarization direction orthogonal to the first polarization direction. The polarization direction of the second linearly polarized light L2 is aligned with the first polarization direction and emitted coaxially. The polarization adjustment device according to the first embodiment has a ring shape having a first polarization direction on the outside of the first linearly polarized light L1 reflected by the polarization separation region 321 of the first optical element (special polarization beam splitter 32). , and the first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L22 are coaxially emitted. As a result, the polarization directions of the two linearly polarized lights L1 and L2 included in the randomly polarized laser beam L can be aligned in parallel, and the anisotropy with respect to the cutting progress direction of the two laser beams with the polarization directions aligned in parallel can be achieved. You can eliminate gender.

また、第1実施形態に係る偏光調整装置を備えるレーザ加工機100は、偏光方向を平行に揃えた2つレーザビームにおける偏光方向を、切断進行方向と平行となるように制御する。偏光方向を切断進行方向と一致させることにより、カッティングフロントに対するレーザビームの偏光方向がp偏光となるため、被加工材Wのレーザビームの吸収率を向上させることができる。 Further, the laser processing machine 100 including the polarization adjustment device according to the first embodiment controls the polarization directions of two laser beams whose polarization directions are aligned in parallel to be parallel to the cutting progress direction. By making the polarization direction coincide with the cutting progress direction, the polarization direction of the laser beam with respect to the cutting front becomes p-polarized light, so that the absorption rate of the laser beam of the workpiece W can be improved.

また、第1実施形態に係る偏光調整装置と、偏光方向制御機構を備えるレーザ加工機100は、偏光調整装置より同軸で射出された第1の直線偏光L1及び第2の直線偏光L22の偏光方向Pを、被加工材Wにレーザビームを照射して被加工材Wを切断するときの切断進行方向Dと平行となるように制御する。第1実施形態に係るレーザ加工機100の矩形ビーム角度制御機構は、偏光方向Pが切断進行方向Dと平行となるように制御されたレーザビームを矩形状に整形し、矩形状に整形されたレーザビームにおける一辺が切断進行方向と平行となるように制御する。 Further, the laser processing machine 100 including the polarization adjustment device and the polarization direction control mechanism according to the first embodiment has the polarization direction of the first linearly polarized light L1 and the second linearly polarized light L22 coaxially emitted from the polarization adjustment device. P is controlled so as to be parallel to the cutting progress direction D when cutting the workpiece W by irradiating the workpiece W with a laser beam. The rectangular beam angle control mechanism of the laser processing machine 100 according to the first embodiment shapes the laser beam, which is controlled so that the polarization direction P is parallel to the cutting direction D, into a rectangular shape. Control is performed so that one side of the laser beam is parallel to the cutting direction.

これにより、偏光方向を平行に揃えた異方性のない2つのレーザビームによって被加工材Wを加工することができる。また、切断加工時に、カッティングフロントにおけるレーザビームの偏光方向P及びカッティングフロントにおいて矩形状に整形されたレーザビームの一辺が、常に切断進行方向と平行となる。切断溝の幅方向のどの位置においても、偏光方向Pがカッティングフロントに対して垂直な方向Nで入射する。したがって、カッティングフロントに対して効率よくp偏光が作用し、被加工材Wのレーザビームの吸収率が向上する。よって、切断加工時の加工効率が向上する。 Thereby, the workpiece W can be processed using two non-anisotropic laser beams with parallel polarization directions. Further, during the cutting process, the polarization direction P of the laser beam at the cutting front and one side of the laser beam shaped into a rectangular shape at the cutting front are always parallel to the cutting progress direction. At any position in the width direction of the cutting groove, the polarization direction P is incident in the direction N perpendicular to the cutting front. Therefore, the p-polarized light acts efficiently on the cutting front, and the absorption rate of the laser beam of the workpiece W is improved. Therefore, processing efficiency during cutting is improved.

[第2実施形態]
以下、図8~図10を参照して、第2実施形態に係る偏光調整装置及びレーザ加工機100を説明する。図8は、第2実施形態に係る加工ヘッド30Bの構成例を示す。図8において、図2と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略することがある。第2実施形態に係るレーザ加工機100は、第1実施形態に係るレーザ加工機100と比べて、加工ヘッドの内部の構成に違いを有する。その他の構成は、第1実施形態に係るレーザ加工機100と同一である。よって、第2実施形態に係るレーザ加工機100においては、第1実施形態に係るレーザ加工機100と相違する部分を中心に説明し、同一部分については再度の説明を省略する。
[Second embodiment]
The polarization adjustment device and laser processing machine 100 according to the second embodiment will be described below with reference to FIGS. 8 to 10. FIG. 8 shows a configuration example of a processing head 30B according to the second embodiment. In FIG. 8, parts that are the same as those in FIG. 2 are given the same reference numerals, and detailed explanations may be omitted. The laser processing machine 100 according to the second embodiment has a difference in the internal configuration of the processing head compared to the laser processing machine 100 according to the first embodiment. The other configurations are the same as the laser processing machine 100 according to the first embodiment. Therefore, in the laser processing machine 100 according to the second embodiment, the parts that are different from the laser processing machine 100 according to the first embodiment will be mainly explained, and the same parts will not be explained again.

図8に示すように、加工ヘッド30Bは、コリメートレンズ31、偏光ビームスプリッタ71、第3の反射ミラー72、アキシコンレンズ73及び74、第4の反射ミラー75、1/2波長板76、特殊ミラー77を有する。図8における偏光ビームスプリッタ71、第3の反射ミラー72、アキシコンレンズ73及び74、第4の反射ミラー75、1/2波長板76、特殊ミラー77は、第1の偏光方向を有する第1の直線偏光L1’と、第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向を有する第2の直線偏光L2’とを含むランダム偏光のレーザビームL’における第1の直線偏光L1’を第1の直線偏光L1’として射出し、第2の直線偏光L2’を第1の偏光方向を有する第2の直線偏光L22’に変換して射出する偏光調整部(偏光調整装置)として機能する。 As shown in FIG. 8, the processing head 30B includes a collimating lens 31, a polarizing beam splitter 71, a third reflecting mirror 72, axicon lenses 73 and 74, a fourth reflecting mirror 75, a half-wave plate 76, a special It has a mirror 77. The polarizing beam splitter 71, the third reflecting mirror 72, the axicon lenses 73 and 74, the fourth reflecting mirror 75, the 1/2 wavelength plate 76, and the special mirror 77 in FIG. and a second linearly polarized light L2' having a second polarization direction perpendicular to the first polarization direction. It functions as a polarization adjustment unit (polarization adjustment device) that converts the second linearly polarized light L2' into a second linearly polarized light L22' having the first polarization direction and emits the linearly polarized light L1'.

第2実施形態においては、偏光ビームスプリッタ71は、第1の光学素子として機能する。また、1/2波長板76は、第2の光学素子として機能する。さらに、特殊ミラー77は、第1の光学素子とは別体の第3の光学素子として機能する。また、第2実施形態に係るレーザ加工機100の加工ヘッド30Bは、1/2波長板37、第1のモータ41、レンズアレイ38、第2のモータ42、第5の反射ミラー78、集束レンズ39を有する。なお、図8において、中心が黒の二重丸は第1の直線偏光を示し、両矢印は第2の直線偏光を示す。 In the second embodiment, the polarizing beam splitter 71 functions as a first optical element. Moreover, the 1/2 wavelength plate 76 functions as a second optical element. Furthermore, the special mirror 77 functions as a third optical element separate from the first optical element. Further, the processing head 30B of the laser processing machine 100 according to the second embodiment includes a 1/2 wavelength plate 37, a first motor 41, a lens array 38, a second motor 42, a fifth reflection mirror 78, a focusing lens It has 39. In addition, in FIG. 8, a double circle with a black center indicates the first linearly polarized light, and a double-headed arrow indicates the second linearly polarized light.

図8において、コリメートレンズ31は、プロセスファイバ12の射出端より射出された発散光のレーザビームが入射される。コリメートレンズ31に入射される発散光のレーザビームは、第1の偏光方向を有する第1の直線偏光L1’と、第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向を有する第2の直線偏光L2’とを含むランダム偏光のレーザビームL’である。コリメートレンズ31は、入射されたランダム偏光のレーザビームL’をコリメート光に変換する。コリメートレンズ31によりコリメート光に変換されたランダム偏光のレーザビームL’は、偏光ビームスプリッタ71へ入射する。 In FIG. 8, a diverging laser beam emitted from the exit end of the process fiber 12 is incident on the collimating lens 31. The diverging laser beam incident on the collimating lens 31 includes a first linearly polarized light L1' having a first polarization direction and a second linearly polarized light having a second polarization direction orthogonal to the first polarization direction. This is a randomly polarized laser beam L' including L2'. The collimating lens 31 converts the incident randomly polarized laser beam L' into collimated light. The randomly polarized laser beam L' converted into collimated light by the collimating lens 31 enters the polarizing beam splitter 71.

図9は、図8におけるレーザビームの偏光方向及び形状と、第1及び第2の直線偏光L1’、L2’が同軸で射出されるときの第1及び第2の直線偏光L1’、L2’の位置関係を示す。図9は、ランダム偏光のレーザビームL’、第1の直線偏光L1’、及び第2の直線偏光L2’、L21’、L22’の外形を模式的に示している。また、図9のランダム偏光のレーザビームL’、第1の直線偏光L1’、及び第2の直線偏光L2’、L21’、L22’の中の矢印は、単に各々のレーザビームの偏光方向を模式的に示すものであり、矢印の長さの違いに特に意味はない。 FIG. 9 shows the polarization direction and shape of the laser beam in FIG. 8, and the first and second linearly polarized lights L1' and L2' when the first and second linearly polarized lights L1' and L2' are emitted coaxially. Indicates the positional relationship between FIG. 9 schematically shows the outlines of the randomly polarized laser beam L', the first linearly polarized light L1', and the second linearly polarized lights L2', L21', and L22'. Further, the arrows in the randomly polarized laser beam L', the first linearly polarized light L1', and the second linearly polarized lights L2', L21', and L22' in FIG. 9 simply indicate the polarization direction of each laser beam. This is shown schematically, and the difference in length of the arrows has no particular meaning.

偏光ビームスプリッタ71は、ランダム偏光のレーザビームL’における第1の直線偏光L1’を透過させ、第2の直線偏光L2’を反射させることによって、図9に示すように、第1の直線偏光L1’と第2の直線偏光L2’とを分離する偏光ビームスプリッタである。 The polarizing beam splitter 71 transmits the first linearly polarized light L1' in the randomly polarized laser beam L' and reflects the second linearly polarized light L2', thereby converting the first linearly polarized light into the first linearly polarized light, as shown in FIG. It is a polarization beam splitter that separates L1' and second linearly polarized light L2'.

偏光ビームスプリッタ71は、ランダム偏光のレーザビームL’に含まれる第1の直線偏光L1’を透過させ、特殊ミラー77へ入射させる。偏光ビームスプリッタ71を透過した第1の直線偏光L1’は、後述する特殊ミラー77の透過領域771(図10参照)へ入射する。また、偏光ビームスプリッタ71は、ランダム偏光のレーザビームL’に含まれる第2の直線偏光L2’をX軸及びY軸に垂直なZ軸方向上方に向けて反射させる。偏光ビームスプリッタ71により上方に反射された第2の直線偏光L2’は、第3の反射ミラー72へ入射する。 The polarizing beam splitter 71 transmits the first linearly polarized light L1' included in the randomly polarized laser beam L' and causes it to enter the special mirror 77. The first linearly polarized light L1' transmitted through the polarizing beam splitter 71 is incident on a transmission region 771 (see FIG. 10) of a special mirror 77, which will be described later. Further, the polarizing beam splitter 71 reflects the second linearly polarized light L2' included in the randomly polarized laser beam L' upward in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis and the Y-axis. The second linearly polarized light L2' reflected upward by the polarizing beam splitter 71 is incident on the third reflecting mirror 72.

第3の反射ミラー72は、偏光ビームスプリッタ71より反射された第2の直線偏光L2’をX軸方向に反射する。第3の反射ミラー72より反射された第2の直線偏光L2’は、アキシコンレンズ73へ入射する。アキシコンレンズ73は、円錐状の傾斜面を第3の反射ミラー72に向け、平坦面をアキシコンレンズ74に向けて配置されている。 The third reflecting mirror 72 reflects the second linearly polarized light L2' reflected from the polarizing beam splitter 71 in the X-axis direction. The second linearly polarized light L2' reflected by the third reflecting mirror 72 enters the axicon lens 73. The axicon lens 73 is arranged with its conical inclined surface facing the third reflecting mirror 72 and its flat surface facing the axicon lens 74.

アキシコンレンズ73の傾斜面は、第3の反射ミラー72より反射された第2の直線偏光L2’を、図9に示すように、リング状に広げる。アキシコンレンズ73によりリング状に広げられた第2の直線偏光L21’は、アキシコンレンズ74へ入射する。アキシコンレンズ74は、平坦面をアキシコンレンズ73に向け、円錐状の傾斜面を第4の反射ミラー75に向けて配置されている。 The inclined surface of the axicon lens 73 spreads the second linearly polarized light L2' reflected by the third reflection mirror 72 into a ring shape, as shown in FIG. The second linearly polarized light L21' spread into a ring shape by the axicon lens 73 is incident on the axicon lens 74. The axicon lens 74 is arranged with its flat surface facing the axicon lens 73 and its conical inclined surface facing the fourth reflecting mirror 75.

アキシコンレンズ74は、アキシコンレンズ73より射出されたリング状の第2の直線偏光L21’をコリメート光に変換し、第4の反射ミラー75へ入射させる。第4の反射ミラー75は、アキシコンレンズ73より射出され、アキシコンレンズ74によりコリメート光に変換されたリング状の第2の直線偏光L21’をZ軸方向下方に向けて反射させ、1/2波長板76へ入射させる。 The axicon lens 74 converts the ring-shaped second linearly polarized light L21' emitted from the axicon lens 73 into collimated light, and causes the collimated light to enter the fourth reflection mirror 75. The fourth reflection mirror 75 reflects the ring-shaped second linearly polarized light L21' emitted from the axicon lens 73 and converted into collimated light by the axicon lens 74 downward in the Z-axis direction, and The light is made incident on the two-wavelength plate 76.

1/2波長板76は、第4の反射ミラー75より反射されたリング状の第2の直線偏光L21’の偏向方向を、第1の偏光方向に変換する。以上のような構成により、1/2波長板76は、偏光ビームスプリッタ71によって分離され、アキシコンレンズ73によりリング状に広げられた第2の直線偏光L21’を、図9に示すように、第1の偏光方向を有するリング状の第2の直線偏光L22’に変換する。1/2波長板76より射出されたリング状の第2の直線偏光L22’は、特殊ミラー77へ入射する。 The half-wave plate 76 converts the polarization direction of the ring-shaped second linearly polarized light L21' reflected by the fourth reflection mirror 75 into the first polarization direction. With the above configuration, the half-wave plate 76 splits the second linearly polarized light L21' by the polarizing beam splitter 71 and spreads it into a ring shape by the axicon lens 73, as shown in FIG. It is converted into ring-shaped second linearly polarized light L22' having the first polarization direction. The ring-shaped second linearly polarized light L22' emitted from the half-wave plate 76 enters the special mirror 77.

図10は、特殊ミラー77の構成例を示す。図10に示すように、特殊ミラー77は、中心部に楕円状の透過領域771を有し、透過領域771の周囲に反射領域772を有する。透過領域771には反射防止コーティングが施されており、入射されたレーザビームを透過させる。反射領域772には高反射コーティングが施されており、反射領域772は入射されたレーザビームを反射する。 FIG. 10 shows an example of the configuration of the special mirror 77. As shown in FIG. 10, the special mirror 77 has an elliptical transmission region 771 at the center and a reflection region 772 around the transmission region 771. The transmission region 771 is coated with an antireflection coating and transmits the incident laser beam. A highly reflective coating is applied to the reflective region 772, and the reflective region 772 reflects the incident laser beam.

偏光ビームスプリッタ71を透過した第1の直線偏光L1’は、特殊ミラー77の透過領域771へ入射する。透過領域771は、偏光ビームスプリッタ71を透過した第1の直線偏光L1’を透過させる。1/2波長板76より射出されたリング状の第2の直線偏光L22’は、特殊ミラー77の反射領域772へ入射する。反射領域772は、入射されたリング状の第2の直線偏光L22’をX軸方向に反射させる。反射領域772により反射された、リング状の第2の直線偏光L22’は、図9に示すように、透過領域771を透過した第1の直線偏光L1’の外側に配置される。 The first linearly polarized light L1' transmitted through the polarizing beam splitter 71 enters the transmission region 771 of the special mirror 77. The transmission region 771 transmits the first linearly polarized light L1' that has passed through the polarization beam splitter 71. The ring-shaped second linearly polarized light L22' emitted from the half-wave plate 76 enters the reflection region 772 of the special mirror 77. The reflection region 772 reflects the incident ring-shaped second linearly polarized light L22' in the X-axis direction. As shown in FIG. 9, the ring-shaped second linearly polarized light L22' reflected by the reflection area 772 is placed outside the first linearly polarized light L1' that has passed through the transmission area 771.

以上の構成により、偏光調整部は、偏光ビームスプリッタ71及び特殊ミラー77の透過領域771を透過した第1の直線偏光L1’の外側に、第1の偏光方向を有するリング状の第2の直線偏光L22’を配置して、第1の直線偏光L1’と第2の直線偏光L22’とを同軸で射出する。これにより、ランダム偏光のレーザビームL’に含まれる2つの直線偏光L1’、L2’の偏光方向を平行に揃えることができ、且つ、レーザビームの切断進行方向に対する異方性をなくすことができる。 With the above configuration, the polarization adjustment section creates a ring-shaped second straight line having the first polarization direction on the outside of the first linearly polarized light L1' that has passed through the polarization beam splitter 71 and the transmission area 771 of the special mirror 77. The polarized light L22' is arranged, and the first linearly polarized light L1' and the second linearly polarized light L22' are coaxially emitted. As a result, the polarization directions of the two linearly polarized lights L1' and L2' included in the randomly polarized laser beam L' can be aligned in parallel, and anisotropy with respect to the cutting direction of the laser beam can be eliminated. .

特殊ミラー77より同軸で射出された、第1の直線偏光L1’及び第2の直線偏光L22’は、1/2波長板37へ入射する。1/2波長板37は、特殊ミラー77より同軸射出された第1の直線偏光L1’及び第2の直線偏光L22’の光路上に配置され、第1のモータ41によりXZ平面上で回転可能に構成される。 The first linearly polarized light L1' and the second linearly polarized light L22' coaxially emitted from the special mirror 77 enter the half-wave plate 37. The 1/2 wavelength plate 37 is arranged on the optical path of the first linearly polarized light L1' and the second linearly polarized light L22' coaxially emitted from the special mirror 77, and can be rotated on the XZ plane by the first motor 41. It is composed of

1/2波長板37より射出され、偏光方向が切断進行方向と平行となるように制御されたレーザビームは、レンズアレイ38へ入射する。レンズアレイ38は、1/2波長板37により偏光方向が切断進行方向と平行となるように制御されたレーザビームの光路上に配置され、第2のモータ42によりXZ平面上で回転可能に構成される。 A laser beam emitted from the 1/2 wavelength plate 37 and whose polarization direction is controlled to be parallel to the cutting direction enters the lens array 38 . The lens array 38 is arranged on the optical path of a laser beam whose polarization direction is controlled to be parallel to the cutting direction by a half-wave plate 37, and is configured to be rotatable on the XZ plane by a second motor 42. be done.

第5の反射ミラー78は、レンズアレイ38を透過したレーザビームをZ軸方向下方に向けて反射し、集束レンズ39へ入射する。 The fifth reflection mirror 78 reflects the laser beam that has passed through the lens array 38 downward in the Z-axis direction and enters the focusing lens 39 .

集束レンズ39は、第5の反射ミラー78により反射されたレーザビームを集束させ、強度分布が均一な矩形状のレーザビームを被加工材Wの加工点WPに照射する。 The focusing lens 39 focuses the laser beam reflected by the fifth reflecting mirror 78 and irradiates the processing point WP of the workpiece W with a rectangular laser beam having a uniform intensity distribution.

第1のモータ41はNC装置50により制御され、1/2波長板37を回転させる。NC装置50は、1/2波長板37及びレンズアレイ38を透過し、第5の反射ミラー78により反射されて集束レンズ39を透過した第1の直線偏光L1’及び第2の直線偏光L22’の偏光方向が切断進行方向と平行となるように、第1のモータ41を制御する。 The first motor 41 is controlled by the NC device 50 and rotates the 1/2 wavelength plate 37. The NC device 50 transmits the first linearly polarized light L1' and the second linearly polarized light L22' that have passed through the 1/2 wavelength plate 37 and the lens array 38, been reflected by the fifth reflection mirror 78, and passed through the focusing lens 39. The first motor 41 is controlled so that the direction of polarization of the light is parallel to the direction of cutting progress.

以上のように、1/2波長板37と、第1のモータ41と、NC装置50は、特殊ミラー77より同軸で射出された、第1の直線偏光L1’及び第2の直線偏光L22’の偏光方向を、被加工材Wにレーザビームを照射して被加工材Wを切断するときの切断進行方向と平行となるように制御する偏光方向制御機構として機能する。 As described above, the 1/2 wavelength plate 37, the first motor 41, and the NC device 50 are capable of handling the first linearly polarized light L1' and the second linearly polarized light L22' coaxially emitted from the special mirror 77. It functions as a polarization direction control mechanism that controls the polarization direction of the workpiece W to be parallel to the cutting progress direction when the workpiece W is irradiated with a laser beam to cut the workpiece W.

第2のモータ42はNC装置50により制御され、レンズアレイ38を回転させる。NC装置50は、レンズアレイ38を透過し、第5の反射ミラー78により反射されて集束レンズ39を透過して、被加工材Wの加工点WPに照射される矩形状のレーザビームにおける一辺が切断進行方向と平行となるように、第2のモータ42を制御する。 The second motor 42 is controlled by the NC device 50 and rotates the lens array 38. The NC device 50 is configured such that one side of a rectangular laser beam that passes through the lens array 38, is reflected by the fifth reflecting mirror 78, passes through the focusing lens 39, and is irradiated onto the processing point WP of the workpiece W. The second motor 42 is controlled so as to be parallel to the cutting direction.

以上のように、レンズアレイ38と、第2のモータ42と、集束レンズ39と、NC装置50は、偏光方向制御機構により偏光方向が切断進行方向と平行となるように制御されたレーザビームを矩形状に整形し、矩形状に整形されたレーザビームにおける一辺が切断進行方向と平行となるように制御する矩形ビーム角度制御機構として機能する。 As described above, the lens array 38, the second motor 42, the focusing lens 39, and the NC device 50 generate a laser beam whose polarization direction is controlled to be parallel to the cutting direction by the polarization direction control mechanism. It functions as a rectangular beam angle control mechanism that controls the rectangular shaped laser beam so that one side of the rectangular shaped laser beam is parallel to the cutting direction.

[第2実施形態の作用効果]
以上説明したように、第2実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。
[Operations and effects of the second embodiment]
As explained above, according to the second embodiment, the following effects can be obtained.

第2実施形態に係る偏光調整装置は、偏光ビームスプリッタ71、第3の反射ミラー72、アキシコンレンズ73及び74、第4の反射ミラー75、1/2波長板76、特殊ミラー77により、第1の直線偏光L1’と第2の直線偏光L2’を含むランダム偏光のレーザビームL’の偏光方向を、第1の偏光方向に揃える。第2実施形態に係る偏光調整装置の各光学素子は、プロセスファイバ12の射出端の方向に向かってレーザビームを反射しないように配置できる。これにより、第1実施形態に係る偏光調整装置において、第1の反射ミラー34により反射され、1/4波長板33より射出された第2の直線偏光L21の一部が特殊偏光ビームスプリッタ32を透過してしまい、プロセスファイバ12の射出端に入射するリスクを低減できる。 The polarization adjustment device according to the second embodiment has a polarization beam splitter 71, a third reflection mirror 72, axicon lenses 73 and 74, a fourth reflection mirror 75, a half-wave plate 76, and a special mirror 77. The polarization direction of the randomly polarized laser beam L' including the first linearly polarized light L1' and the second linearly polarized light L2' is aligned to the first polarization direction. Each optical element of the polarization adjustment device according to the second embodiment can be arranged so as not to reflect the laser beam toward the exit end of the process fiber 12. As a result, in the polarization adjustment device according to the first embodiment, a part of the second linearly polarized light L21 reflected by the first reflection mirror 34 and emitted from the quarter-wave plate 33 passes through the special polarization beam splitter 32. The risk of the light passing through and entering the exit end of the process fiber 12 can be reduced.

本発明は以上説明した第1または第2実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。 The present invention is not limited to the first or second embodiment described above, and various changes can be made without departing from the gist of the present invention.

32 特殊偏光ビームスプリッタ(第1の光学素子、第3の光学素子)
33 1/4波長板33(第2の光学素子)
34 第1の反射ミラー(第2の光学素子)
35、73、74 アキシコンレンズ
71 偏光ビームスプリッタ(第1の光学素子)
76 1/2波長板(第2の光学素子)
77 特殊ミラー(第3の光学素子)
100 レーザ加工機
L、L’ ランダム偏光のレーザビーム
L1、L1’ 第1の直線偏光
L2、L21、L22、L2’、L21’、L22’ 第2の直線偏光
32 Special polarizing beam splitter (first optical element, third optical element)
33 1/4 wavelength plate 33 (second optical element)
34 First reflecting mirror (second optical element)
35, 73, 74 Axicon lens 71 Polarizing beam splitter (first optical element)
76 1/2 wavelength plate (second optical element)
77 Special mirror (third optical element)
100 Laser processing machine L, L' Randomly polarized laser beam L1, L1' First linearly polarized light L2, L21, L22, L2', L21', L22' Second linearly polarized light

Claims (4)

第1の偏光方向を有する第1の直線偏光と、前記第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向を有する第2の直線偏光とを含むランダム偏光のレーザビームを、前記第1の直線偏光と前記第2の直線偏光とに分離する第1の光学素子と、
前記第1の光学素子によって分離された前記第2の直線偏光の偏光方向を前記第1の偏光方向に変換する第2の光学素子と、
前記第2の光学素子より射出された前記第2の直線偏光、または前記第2の光学素子に入射される前記第2の直線偏光をリング状に広げるアキシコンレンズと、
前記第1の光学素子によって分離された前記第1の直線偏光と、前記アキシコンレンズによってリング状に広げられた前記第2の直線偏光とを同軸で射出する、前記第1の光学素子と兼用されている、または前記第1の光学素子とは別体の第3の光学素子と、
を備える偏光調整装置。
A randomly polarized laser beam including a first linearly polarized light having a first polarization direction and a second linearly polarized light having a second polarization direction perpendicular to the first polarization direction is directed to the first straight line. a first optical element that separates the polarized light and the second linearly polarized light;
a second optical element that converts the polarization direction of the second linearly polarized light separated by the first optical element to the first polarization direction;
an axicon lens that spreads the second linearly polarized light emitted from the second optical element or the second linearly polarized light incident on the second optical element into a ring shape;
Also serves as the first optical element, coaxially emitting the first linearly polarized light separated by the first optical element and the second linearly polarized light spread in a ring shape by the axicon lens. or a third optical element separate from the first optical element;
A polarization adjustment device comprising:
前記第1の光学素子と前記第3の光学素子とを兼用する兼用光学素子を備え、
前記兼用光学素子は、入射された前記ランダム偏光のレーザビームにおける前記第1の直線偏光を反射させ、前記第2の直線偏光を透過させることによって、前記第1の直線偏光と前記第2の直線偏光とを分離する偏光分離領域を中心部に有し、前記偏光分離領域の周囲に前記第1の偏光方向の直線偏光を透過させる透過領域を有し、
前記第2の光学素子は、前記偏光分離領域を透過した前記第2の直線偏光を第1の円偏光に変換する1/4波長板と、前記第1の円偏光を反射させて第2の円偏光として射出する第1の反射ミラーとを有し、
前記1/4波長板は、前記第1の反射ミラーより反射された前記第2の円偏光を前記第1の偏光方向の前記第2の直線偏光に変換し、
前記偏光分離領域は、前記1/4波長板より射出された前記第2の直線偏光を反射させ、
前記アキシコンレンズは、前記偏光分離領域で反射した前記第2の直線偏光をリング状に広げ、
前記アキシコンレンズより射出された前記第2の直線偏光を反射する第2の反射ミラーをさらに備え、
前記アキシコンレンズは、前記第2の反射ミラーより反射された前記第2の直線偏光を前記透過領域に入射させ、
前記兼用光学素子は、前記偏光分離領域により反射した前記第1の直線偏光と、前記透過領域を透過した前記第2の直線偏光とを同軸で射出する
請求項1に記載の偏光調整装置。
comprising a dual-purpose optical element that serves as both the first optical element and the third optical element,
The dual-purpose optical element reflects the first linearly polarized light in the incident randomly polarized laser beam and transmits the second linearly polarized light, thereby separating the first linearly polarized light and the second linearly polarized light. It has a polarization separation region in the center that separates the polarized light, and has a transmission region around the polarization separation region that transmits the linearly polarized light in the first polarization direction,
The second optical element includes a quarter-wave plate that converts the second linearly polarized light transmitted through the polarization separation region into a first circularly polarized light, and a quarter-wave plate that reflects the first circularly polarized light and converts the second linearly polarized light into a second circularly polarized light. a first reflecting mirror that emits circularly polarized light;
The quarter-wave plate converts the second circularly polarized light reflected from the first reflecting mirror into the second linearly polarized light in the first polarization direction,
The polarization separation region reflects the second linearly polarized light emitted from the quarter-wave plate,
The axicon lens spreads the second linearly polarized light reflected by the polarization separation region into a ring shape,
further comprising a second reflecting mirror that reflects the second linearly polarized light emitted from the axicon lens,
The axicon lens allows the second linearly polarized light reflected by the second reflecting mirror to enter the transmission region,
The polarization adjustment device according to claim 1, wherein the dual-purpose optical element coaxially emits the first linearly polarized light reflected by the polarization separation region and the second linearly polarized light transmitted through the transmission region.
前記第3の光学素子は、
前記第1の光学素子とは別体であり、
入射されたレーザビームを透過させる透過領域を中心部に有し、前記透過領域の周囲に、入射されたレーザビームを反射させる反射領域を有し、
前記第1の光学素子は、前記ランダム偏光のレーザビームにおける前記第1の直線偏光を透過させて前記透過領域に入射させ、前記第2の直線偏光を反射させることにより前記第1の直線偏光と前記第2の直線偏光とを分離し、
前記第1の光学素子より反射された前記第2の直線偏光を反射させる第1の反射ミラーをさらに備え、
前記アキシコンレンズは、前記第1の反射ミラーより反射された前記第2の直線偏光をリング状に広げ、
前記アキシコンレンズより射出された前記第2の直線偏光を反射する第2の反射ミラーをさらに備え、
前記第2の光学素子は、
1/2波長板であり、
前記第2の反射ミラーより反射された前記第2の直線偏光の偏光方向を前記第1の偏光方向に変換して前記反射領域に入射させ、
前記第3の光学素子は、前記透過領域を透過した前記第1の直線偏光と、前記反射領域により反射した前記第2の直線偏光とを同軸で射出する
請求項1に記載の偏光調整装置。
The third optical element is
is separate from the first optical element,
It has a transmissive region in the center that transmits the incident laser beam, and has a reflective region around the transmissive region that reflects the incident laser beam,
The first optical element transmits the first linearly polarized light in the randomly polarized laser beam and makes it enter the transmission region, and reflects the second linearly polarized light, thereby converting the first linearly polarized light into the first linearly polarized light. separating the second linearly polarized light,
further comprising a first reflecting mirror that reflects the second linearly polarized light reflected from the first optical element,
The axicon lens spreads the second linearly polarized light reflected from the first reflecting mirror into a ring shape,
further comprising a second reflective mirror that reflects the second linearly polarized light emitted from the axicon lens,
The second optical element is
It is a 1/2 wavelength plate,
converting the polarization direction of the second linearly polarized light reflected by the second reflecting mirror to the first polarization direction and making it incident on the reflection region;
2. The polarization adjustment device according to claim 1, wherein the third optical element coaxially emits the first linearly polarized light that has passed through the transmission region and the second linearly polarized light that has been reflected by the reflection region.
請求項1~3のいずれか1項に記載の偏光調整装置と、
前記偏光調整装置より同軸で射出された前記第1の直線偏光及び前記第2の直線偏光の偏光方向を、被加工材にレーザビームを照射して前記被加工材を切断するときの切断進行方向と平行となるように制御する偏光方向制御機構と、
を備えるレーザ加工機。
The polarization adjustment device according to any one of claims 1 to 3,
The polarization directions of the first linearly polarized light and the second linearly polarized light coaxially emitted from the polarization adjustment device are set as the cutting progress direction when cutting the workpiece by irradiating the workpiece with a laser beam. a polarization direction control mechanism that controls the polarization direction so that it is parallel to the
A laser processing machine equipped with
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