JPH02295694A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ加工装置に係り、特にレーザビームをレ
ーザ発振装置から被加工物まで伝送する光学系を改良し
たレーザ加工装置に関する。

〔従来の技術〕

第１０図は従来のレーザ加工装置の概略構成を示す図で
ある。同図はレーザ加工装置の構成を示すのに十分な程
度に簡略化してある。レーザ発振器１から出力されたレ
ーザビーム２は集光レンズ４によって集光ビーム３に変
換される。この集光ビーム３はワーク５上の焦点７に集
光される。ワーク５は加工テーブル６上に設置される。

加工テーブル６はワーク５を所望の加工形状に仕上げる
ため位置制御される。

〔発明が解決しようとする課題〕

第１０図に示すように、レーザ発振器１から出力された
レーザビーム２には発散角２θが存在する。

このレーザビーム２を集光した時の焦点７におけるスポ
ット径は集光レンズ４の焦点距離をｆとすると、２『θ
になる。加工精度を上げるためには、スポット径をでき
るだけ小さくする方がよい。従って、焦点距離ｆ又は発
散角θのいずれか一方を小さくすることによって、加工
精度を向上することができる。

しかし、焦点距離『を小さくすると、球面収差の増加及
び焦点深度の減少といった問題が生じるため、焦点距離
ｆを小さくすることは一般的に好ましくない。

従って、スポット径を小さくする方法としては発散角θ
を小さくする方法が理想的であり、これを実現するため
に種々の方法が採用されている。

以下、その方法について説明する。

一般に発敗角θは次式で与えられる。

θ＝２２Ｃｍｎ／πＤ　　　　（１） （λは波長、Ｃｍｎはモードに依存する定数、Ｄは発振
器出力孔直径を示す。） 第１の方法は、Ｃｍｎを最小値１にするために、ＴＥＭ
ＯＯモードを使用する方法である。しかし、これには出
力減少を伴うと云う欠点がある。

第２の方法は、発振器出力孔直径Ｄを十分に大きくする
ことである。しかし、これは前記のＴＥＭＯＯ化すると
いう条件と矛盾する。

第３の方法は、上述の両方法の欠点を解消するために採
用されたビームエキスパンダを用いる方法である。第１
１図はスポット径を小さくする方法としてビームエキス
パンダを用いたものを示す図である。

この方法はレーザ発振器１で小径Ｄ１及びＴＥＭＯＯモ
ードのレーザビーム２を出力し、このレーザビーム２を
２枚のレンズの組合せ、即ち凹レンズ８及び凸レンズ９
からなるビームエキスパンダによって、大径Ｄ２の平行
ビームに変換するものである。このビームエキスパンダ
は小径Ｄ１のレーザビームを大径Ｄ２のレーザビームに
変換し、さらに発散角２θ１を発敗角２θ２に縮小する
ことができる。

上式（１）から明らかなように、発敗角θはレーザビー
ムの径Ｄに反比例するのでビームエキスパンダ通過前後
の各レーザビームの定数にそれぞれ１及び２の添字を付
して表せば、次式のようになる。

θ２　＝　（Ｄｉ　／Ｄ２　”）　　θ１　　　　　（
２）従って、ビームエキスパンダ通過後のレーザビーム
の発散角θ２を小さくすれば集光レンズ１０の焦点距離
『が大きくても焦点におけるスポット径を十分小さくす
ることができる。

しかしながら、この方法にも次のような欠点がある。第
１にビームエキスパンダは高価であるということと、第
２にレーザビームがビームエキスパンダを通過すること
によってレーザ出力の吸収が発生するということである
。即ち、ビームエキスパンダを使用することは、レンズ
の枚数を増加することであり、レンズの増加によってコ
ストを上昇し、レーザ出力の吸収も増大する。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、コ
スト上昇を抑えて集光特性を向上させ、レーザ出力の低
下を防止し、より精密な加工精度を維持できるレーザ加
工装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では上記課題を解決するために、少なくともレー
ザ発振器、ビームエキスパンダ及び集光系からなるレー
ザ加工装置において、前記ビームエキスパンダを構成す
る光学部品の一部が前記レーザ発振器の出力結合鏡で構
成されていることを特徴とするレーザ加工装置が、提供
される。

〔作用〕

ビームエキスパンダを使用する際に生じていた上述の欠
点はともにレンズ枚数の増大に原因がある。そこで、枚
数を減少させるために、ビームエキスパンダを構成する
光学部品の一部をレーザ発振器の出力結合鏡で構成する
。これによって、レンズの枚数を少なくとも１枚は減少
させることができる。また、本発明の推奨される一実施
例としては、ビームエキスパンダの出力端側の光学部品
及び集光系を、それらを合成した特性を有する一つの集
光系で置き換えることが望ましい。これによって、さら
に１枚のレンズを減少させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はガリレオ型エキスパンダを用いた本発明の第１
の実施例を示す図である。第１１図と同一の構成要素に
は同一の符合が付してあるので、その説明は省略する。

レーザ発振器ｌには全反射鏡１１と出力結合鏡１２とか
らなる共振器が設けられている。本実施例ではこの出力
結合鏡１２に凹レンズを使用する。

そして、出力結合鏡１２と、凸レンズ９とで第１１図と
同様のビームエキスパンダを構成する。

即ち、本実施例ではビームエキスパンダを構成する光学
部品（レンズ）の一部がレーザ発振器１内の出力結合鏡
１２で構成されているため、従来のものに比べてレーザ
ビームの通過するレンズの枚数が少なくなり、光学系に
よるレーザ出力の吸収が減少し、ビームエキスパンダ使
用時の欠点を除去することができる。

また、レーザビームの発敗角θの減少率は、凸レンズ９
及び凹レンズ１２の焦点距離の比に比例し、逆にビーム
径の比に反比例する。従って、ＴＥＭＯＯとＴＥＭＯ　
１モードの間ではビーム発散角の比は２．２５なので出
力結合鏡ｌ２の凹レンズ及び凸レンズ９の焦点距離の比
を２．２５にしてやれば、ＴＥＭＯ　１モードのレーザ
発振器を用いてもＴＥＭＯ　Ｏモードの場合と同様な加
工特性を得ることができる。こうした出力結合鏡の設計
は周知の技術で可能であるのでここでは説明を省略する
。

第２図はケプラ型エキスパンダを用いた本発明の第２の
実施例を示す図である。本実施例が第１図と異なる点は
、共振器の出力結合鏡１３の出力面が凸レンズになって
いる点である。この出力結合鏡１３と凸レンズ９とでケ
プラ型エキスパンダが構成される。但し、この方法では
出力結合鏡ｌ３を出たレーザビームは一度焦点を結ぶの
で、加工用の大出力レーザに適用するより、中出力レー
ザに適用する方が好ましい。

第３図はビームエキスパンダの一部にパラボラ反射鏡を
用いた本発明の第３の実施例を示す図である。本実施例
が第１図と異なる点は、凸レンズ９の代わりにパラボラ
反射鏡１４を用いた点である。このパラボラ反射鏡１４
を用いることによって、レーザビームを大径に拡大して
も球面収差がなく、さらに、光学部品（パラボラ反射鏡
１４）の冷却を容易に行えるという効果がある。但し、
パラボラ反射鏡はレンズよりもコマ収差が大きいのでア
ラインメントに注意を要する。

第４図は第３図の変形例である本発明の第４の実施例を
示す図である。本実施例では、ビームエキスパンダが出
力結合鏡１３の凸レンズとパラボラ反射鏡ｌ４とで構成
されている。本実施例の場合もレーザビームが一度焦点
を結ぶので中出力レーザ用として適用するほうが好まし
い。

第５図は第１図の変形例である本発明の第５の実施例を
示す図である。本実施例では凸レンズ９と集光レンズ１
０との距離が極端に短くしてある。

このように両レンズ９及び１０の距離を短くしても集光
レンズＩＯの集光特性には影響しない。なぜなら、ビー
ムエキスパンダ（凸レンズ９）を通過したレーザビーム
は集光レンズ１０に至るまで、平行ビームだからである
。

第６図は第５図の変形例である本発明の第６の実施例を
示す図である。本実施例は第５図のレンズ間の距離をゼ
ロにした場合、即ち凸レンズ９と集光レンズ１０とを合
成し、一枚の集光レンズ１５で構成したものである。従
って、本図の集光レンズ１５は第５図の凸レンズ９と集
光レンズＩＯとの合成特性を有する。本実施例のように
２枚の凸レンズ９及び１０を１枚の凸レンズｌ５で置換
することによって、レーザビームが通過するレンズの総
数を２枚減少できる。これは第１０図のようにビームエ
キスパンダを用いない場合と同じである。従って、ビー
ムエキスパンダを利用することによって生じていた欠点
も解消され、全体としてビームエキスパンダを利用した
のと同じ効果を得ることができ、その効果は大きい。

第７図は第６図の変形例である本発明の第７の実施例を
示す図である。本実施例では、共振器の出力結合鏡１３
の出力面を凸レンズで構成し、第２図と同様の改良を加
えたものである。従って、一度焦点を結ぶことを除けば
第６図のものと同様の効果を発揮する。

第８図は第３図の変形例である本発明の第８の実施例を
示す図である。本実施例はビームエキスパンダの一部に
パラボラ反射鏡１７を用い、さらにパラボラ反射鏡１７
を第３図のパラボラ反射鏡１４と集光レンズ１０とを合
成した特性を持たせたものである。本実施例によれば集
光レンズＩＯを省略でき、さらにパラボラ反射鏡１７を
用いることによって、レーザビームを大径に拡大しても
球面収差がなく、光学部品（パラボラ反射鏡１７）の冷
却を容易に行えるという効果がある。但し、第３図の場
合と同様にパラボラ反射鏡はレンズよりもコマ収差が大
きいのでアラインメントに注意を要する。

第９図は第８図の変形例である本発明の第９の実施例を
示す図である。本実施例は、共振器の出力結合鏡１３の
出力面を凸レンズで構成したものである。従って、一度
焦点を結ぶことを除けば第８図のものと同様の効果を発
揮する。

以上説明した実施例は、ビーム径を拡大して集光レンズ
特性の回折限界を向上させることを目的としている。一
方、ビーム径が増大すると集光レンズによる球面収差の
影響が無視できなくなる。

この影響を少なくするためには球面収差のない集光系、
例えばパラボラ反射鏡又は無収差レンズを用いることが
よい。従って、第３図、第４図、第８図及び第９図に示
したようにパラボラ反射鏡を用いることによって本発明
の目的を理想的に実現することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、通常のビームエキ
スパンダ使用時に比較して低価格でしかもレーザ出力の
吸収損失を抑え、ビーム径を拡大することのできるレー
ザ加工装置を提供することができる。また、これにより
レーザビームを小さなスポットに集光することができる
ので、ＴＥＭ００モードを使用しなくても、切断及び溶
接等といったレーザ加工時の特性をＴＥＭＯＯモードと
同等のものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はガリレオ型エキスパンダを用いた本発明の第１
の実施例を示す図、 第２図はケプラ型エキスパンダを用いた本発明の第２の
実施例を示す図、 第３図はビームエキスパンダの一部にパラボラ反射鏡を
用いた本発明の第３の実施例を示す図、第４図は第３図
の変形例である本発明の第４の実施例を示す図、 第５図は第１図の変形例である本発明の第５の実施例を
示す図、 第６図は第５図の変形例である本発明の第６の実施例を
示す図、 第７図は第６図の変形例である本発明の第７の実施例を
示す図、 第８図は第３図の変形例である本発明の第８の実施例を
示す図、 第９図は第８図の変形例である本発明の第９の実施例を
示す図、 第１０図は従来のレーザ加工装置の概略構成を示す図、 第１１図はスポット径を小さくする方法としてビームエ
キスパンダを用いたものを示す図である。 ４、　１０ １　２、　１３ １　４、　１７ １　５、　１６ レーザ発振器 レーザビーム 集光ビーム 集光レンズ ワーク 加エテーブル 焦点 凹レンズ 凸レンズ 全反射鏡 出力結合鏡 パラボラ 凸レンズ 第３図 第１ ０図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくともレーザ発振器、ビームエキスパンダ及
   び集光系からなるレーザ加工装置において、前記ビーム
   エキスパンダを構成する光学部品の一部が前記レーザ発
   振器の出力結合鏡で構成されていることを特徴とするレ
   ーザ加工装置。
2. （２）前記ビームエキスパンダは前記出力結合鏡の出力
   面が凹レンズで構成されるガリレオ型エキスパンダであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ
   加工装置。
3. （３）前記ビームエキスパンダは前記出力結合鏡の出力
   面が凸レンズで構成されるケプラ型エキスパンダである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ加
   工装置。
4. （４）前記集光系は無収差レンズで構成されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項記載
   のレーザ加工装置。
5. （５）前記集光系はパラボラ反射鏡で構成されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項記
   載のレーザ加工装置。
6. （６）前記ビームエキスパンダの出力側の光学部品及び
   前記集光系を、前記ビームエキスパンダの出力側の光学
   部品と前記集光系とを合成した特性を有する一つの集光
   系で置き換えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   、第２項、第３項、第４項又は第５項記載のレーザ加工
   装置。