JPH0466288A - ビーム集光器 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、レーザ光エネルギを伝送する中空導波路の出
射ビームを集光するビーム集光器に間するものである。

［従来の技術］ 炭酸ガスレーザは発振効率が高く、数ワットから数キロ
ワットまでの出力を得ることができるため、鉄板の切断
や溶接を中心とする工業加工分野で広く普及している。

炭酸ガスレーザ光は、その波長の持つ性質上、石英系材
料に対する吸収が大きく、一般の光ファイバ等では伝送
できない。そこで従来は、炭酸ガスレーザ光を被照射物
まで導くために、金や銅のミラーを用いてレーザ光を反
射させ、空間を伝搬する方式が用いられていた。

この方式は空間伝搬によってレーザ光を伝送するため、
ミラーによる反射部以外ではほとんど損失が生じないと
いう利点かあフたが、ミラー間の光軸調整が難しく、振
動等により光軸がずれやすいという欠点があった。また
、レーザ光の単なる照射のみでなく、レーザ光を走査し
て任意の形状に切断等を行うためには、駆動する組合わ
せミラーを複雑に制御したり、被加工物自体を駆動制御
する等の必要があった。

そこで、炭酸ガスレーザ光を伝送する導波路の研究が盛
んに行われた。開発初期においては、炭酸ガスレーザ光
に対して低損失な臭化タリウム等の材料をコアに用いた
中実型の導波路が試作・検討された。しかし、中実型導
波路は、導波路の入出射端においてレーザ光の反射が起
り、損失による熱が端面に集中して破壊に至るため、キ
ロワットにも及ぶ炭酸ガスレーザ光を伝送することはで
きなかった。また、コア材料の経時劣化等も発生したた
め、実用化されるには至らなかった。

一方、金属バイブの内面に、ゲルマニウムやセレン化亜
鉛等の低損失材料をコーティングして、空気をコアとす
る中空型導波路が提案された。この導波路はレーザ光を
内壁面で繰返し反射させ、低損失で伝送するものであり
、入出射端での反射がほとんど無いため、大パワーの伝
送に適している。これまでにニッケル中空導波路にゲル
マニウムを内装したものと、銀中空導波路にゲルマニウ
ムを内装したものが開発され、最大伝送容量１ｋＷを実
現している。

しかし、シングルモードのレーザビームを中空導波路で
伝送しても、出射ビームは必ずしもシングルモードには
ならない。導波路の入射端において、結合用レンズで集
光したレーザビームのビームウェストにおけるスポット
サイズ２ｗと、中空導波路の内径２ｔとの比ｗ／ｌの値
が０．６４よりも小さい場合は、導波路内に基本モード
以外のモードも励振される。この場合、出射ビームは高
次モードの影響を受け、パワ分布は対称にならない。出
射ビーム中に含まれる高次モードの割合は、ｗ／ｌの値
が小さくなるほど多くなり、ビームの非対称性も強くな
る。

また、一般に広く使われている大パワの炭酸ガスレーザ
発振器のビームは必ずしも完全なシングルモードではな
く、１５％程度の高次モードも含まれている。このよう
なビームを中空導波路に結合させた場合は、導波路内に
、より多くの高次モードが励振される。また、加工用レ
ーザからの出射ビームの拡り角は一般に小さいので実際
に励振条件ｗ／ｌの値を０．６４にするためには、焦点
距離の長い結合用レンズを使用するか、あるいは内径の
細い導波路を用いなければならない。前者の場合、結合
用レンズから中空導波路入射端までの距離は焦点距離に
ほぼ等しく設定するため、長焦点レンズを用いるほど入
射側光学系が大きくなってしまう。また後者の場合は、
導波路の内径が細くなるにつれて伝送できる最大パワが
制限されてしまう。

以上の理由により、中空導波路で１ｋＷ程度のパワを伝
送する場合は、入射側光学系規模と最大パワとのトレー
ドオフを考慮に入れて、結合用レンズに焦点距離１０イ
ンチのレンズを用い、導波路は内径φ１．０〜１．５ｍ
ｍのものがよく使われていた。即ち、大パワ伝送におけ
るｗ／ｌの値は０．２５４〜０．３８１程度であり、出
射ビームには高次モートが含まれているのが一般的であ
った。

しかしながら、この様な中空導波路出射ビームをレーザ
加工、特に切断に使用すると、切断条件及び切断性能が
空間伝搬ビームよりも悪くなってしまうという問題があ
った。中空導波路を使った切断加工では、切断に用いる
ビームがシングルモードでないために、切断に必要なパ
ワが分散して切断効率を下げ、切断面を粗くすると共に
、ドロスを多量に発生させていた。

［発明が解決しようとする課題］ このように、従来は中空導波路で大パワを伝送し良好な
切断加工を安定に行うことは難しかった。

そこで、出射ビームのパワ分布を対称性のよいガウス分
布型のビームに近付ける工夫がなされた。

即ち、出射側に、出射ビーム中の高次モードの干渉によ
り形成された非対称なパワを空間的に除去する金属フィ
ルタの利用である。

この金属フィルタを利用した空間型ビーム整形器は、第
３図に示したように、モードによるビーム拡がり角の違
いを利用して、空間的に高次モードを除去する方式であ
る。即ち、中空導波路１６と集光レンズ１５との間にビ
ーム整形器である金属フィルタ１７を設け、この金属フ
ィルタ１７は、出射ビーム１４が通る開口径を順次大き
くした開口金属板１８を光軸上に沿って複数枚配設して
構成したものである。これを用いれば、出射ビーム１４
中に含まれていた高次モードを除去して、集光レンズ１
５で集光し、中心にパワが集中したガウス分布型のビー
ムを照射することができる。

しかしながら、この金属フィルタ１７によってカットさ
れた高次モードのエネルギは、ビーム集光器内の導波路
１６の出射端付近で熱を発生し、ビーム集光器全体の温
度上昇を招く。５００Ｗを越える大パワを使用した場合
は、フィルタ１７て反射されたパワがビーム集光器の内
壁にあたり、局部的かつ急激な温度上昇をひき起こし、
ビーム集光器が破壊に至る危険があった。また、フィル
タ１７によって反射されたビームが導波路１６の出射端
に当たると、導波路１６を破損する恐れがあった。

これは一つには、フィルタの反射面や器体の内壁が特に
レーザ光の反射率を高めるように形成されているわけで
はないので、高いエネルギ密度のビームが反射されずに
フィルタや器体に吸収されるため、出射ビームにより直
接フィルタや器体の内壁が加熱されるからである。

また他の一つには、出射ビーム１４の光軸に対して間口
金属板１８の反射面が垂直に設置されていたため、出射
ビーム１４の当たる領域が、ごく狭い範囲に限られてい
たためである。また、大パワで使用すると、高いエネル
ギ密度のビームを反射し、これが金属フィルタ１７の内
壁ないし、図示しないビーム集光器の器体内壁に照射す
ることにより、大パワで使用する場合は反射したビーム
によりフィルタや器体の内壁が加熱されるためである。

このように従来のビーム整形のためのフィルタを備えた
集光器では、出射ビームのパワ分布をガウス分布型のビ
ームに近付けることができても、フィルタ付近の発熱及
び破損の恐れがあり、５００Ｗを越える大パワに適用す
ることはできなかった。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解決し、大
パワを使用する場合でも、中空導波路の出射ビーム中の
高次モード成分を安定に除去することが可能なビーム集
光器を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明のビーム集光器は、レーザ光エネルギを伝送する
中空導波路の出射端から出射された出射ビームをフィル
タに導き、フィルタの反射面で出射ビームの一部を反射
させて高次モードを除去し、その後集光レンズによりビ
ームを集光するビーム集光器において、フィルタの反射
面にレーザ光の反射率を高める反射層を形成したもので
ある。

また、本発明のビーム集光器は、レーザ光エネルギを伝
送する中空導波路の出射端から出射された出射ビームを
フィルタに導くことにより、出射ビームの一部を反射さ
せて高次モードを除去し、その後集光レンズによりビー
ムを集光するビーム集光器において、フィルタに出射ビ
ームの一部を器体内の広い範囲に分散して反射させる反
射面を形成したものであり、さらに、このフィルタの反
射面にレーザ光の反射率を高める反射層を形成しても良
い。

そして、これらのビーム集光器には、フィルタと導波路
出射端の間の器体の内壁に、レーザ光の吸収率を高める
吸収層を形成することが好ましい。

［作用］ フィルタの反射面が出射ビームの光軸に対して垂直に設
置されているために、出射ビームの当る領域が、ごく狭
い範囲に限られていても、フィル夕の反射面にレーザ光
の反射率を高める反射層が形成されていると、高いエネ
ルギ密度のビームも有効に反射されるので、出射ビーム
により直接フィルタや器体の内壁が加熱されることがな
く、大パワにも十分耐えられる。

また、フィルタに出射ビームの一部を器体内の広い範囲
に分散して反射させる反射面が形成されていると、反射
ビームのエネルギが広い範囲に分散することになる。こ
れによりフィルタ自体の温度上昇が低減される。さらに
、反射したビームは大きな拡がり角で器体内壁に照射さ
れる。エネルギ密度はこの反射によりさらに小さくなる
ため器体内壁へのエネルギの集中も低減される。この内
壁にレーザ光の吸収性の高い材料をコーティングしてお
けば、フィルタによって反射されたパワは、一部に集中
することなく、また導波路に当たることもなく、低いエ
ネルギ密度で広範囲に吸収される。従って、大パワでも
安定に出射ビームの整形ができる。

［実施例コ 以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

実施例１ 第１図は中空導波路の出射側に本実施例によるビーム集
光器を取付けたものである。

１はゲルマニウムを内装したゲルマニウム内装ニッケル
中空導波路である。この中空導波路１は冷却ジャケット
４内に挿通され、中空導波路１の出射側かアルミニウム
製の固定スリーブ３を介して冷却ジャケット４に固定さ
れて取り付けられる。

この冷却ジャケット４に取り付けられた中空導波路１の
出射側にビーム集光器２が取り付けられる。

ビーム集光器２は、出射ビーム５中に含まれる高次モー
ドを除去する金属フィルタと、高次モードの除去された
出射ビーム５を集光する集光レンズ１１とが光軸２５に
沿って設けられ、全体が金属ホルダ２３で覆われたもの
ある。

金属フィルタは、出射ビーム５の一部を反射させ、残り
を通過させる所定径の開口を中央に有する開口金属板６
から構成され、中空導波路ｌの出射端２１と集光レンズ
１１との間に配設される。

出射ビーム５の一部を反射する開口金属板６のビーム反
射面２６は、出射ビーム５の光軸２５に対して斜めに形
成され、かつ、その斜めの方向はビーム出射端２１側に
凸となる方向である。また、この凸となる方向に傾斜し
たビーム反射面２６はなだらかな凸面を構成している。

即ち、ビーム反射面２６はちょうど集光レンズ１１を潰
したときの外表面のような形となる。ビーム反射面２６
の傾斜角度は、これにより反射される反射ビーム７が、
開口金属板６と導波路出射端２１の間の金属ホルダ２３
の内壁には当るが、中空導波路１の出射端２１には当ら
ないように決定される。

この開口金属板６と導波路出射端２１の間の、反射ビー
ム７の照射される金属ホルダ２３の内壁には、レーザ光
の吸収率の良い材料、例えば黒体塗料８がコーティング
されている。また、レーザ光の吸収によりこの黒体塗０
８で発生した熱を冷却水１０に吸収させて外部に逃すた
めに、金属ホルダ２３を水冷ジャケット構造にしである
。

さて、次に上記した構成の作用を説明する。

固定スリーブ３て冷却ジャケット４に取り付けられた導
波路１の出射端２１から出射された出射ビーム５は、ビ
ーム集光器２に取付けられた開口金属板６によってビー
ムの中心から離れた部分のパワがビーム中心から遮断さ
れる。凸面形状をした間口金属板６のビーム反射面２６
で反射された反射ビーム７は、分散によりパワ密度を下
げながら黒体塗料８をコートした集光器内壁９に当り、
吸収される。この黒体塗料８をコートした集光器内壁９
の外部は毎分５讐の冷却水１０が流れているため、内部
で発生した熱は中空導波路１あるいは集光レンズ１１に
ほとんど伝わらず、効率良く除去できる。

具体的には、内径φ１．Ｏｍｍ、長さ１ｍの中空導波路
１に、１ｋＷのパワを入射しても、集光器２を通過後の
出射パワは８００Ｗであり、透過率８０％を維持してい
た。この集光器２の使用により、中心にパワが集中した
対称性のよい整形８射ビーム１２が得られた。この集光
器２の出射ビーム１２を用いて酸素アシストガス流量４
０￥λ／■ｉｎの条件でレーザ切断を行ったところ１．
パワ及び切断速度の広い範囲においてドロスの無い良好
な切断面が得られた。

このように、反射ビームのエネルギを分散するようにし
たので、５００Ｗ以上の大パワを使用する場合でも、中
空導波路の出射ビーム中の高次モード成分を安定に除去
し、レーザ切断に適するビームに整形できる 以上述べたように本実施例によるフィルタは、ビーム反
射面が出射ビームの光軸に対して斜めに形成されている
ため、反射ビームのエネルギを広い範囲に分散させるこ
とができ、導波路出射ビームの周辺に広がったパワをビ
ームの中心から遮断。

反射し、これによりフィルタ自体の温度上昇を低減する
ことができる。

さらに、反射面をなだらかな凸面形状にしているため、
反射したビームは大きな拡がり角で金属ホルダ内壁に照
射される。エネルギ密度はこの反射によりさらに小さく
なるため金属ホルダ内壁へのエネルギの集中も低減され
る。

また、この内壁にレーザ光の吸収性の高い材料をコーテ
ィングしであるので、フィルタによって反射されたパワ
は、一部に集中することなく、また導波路出射端に当た
り出射端を破壊したり、導波路が集光レンズに熱的な影
響を及ぼしたるすることもなく、低いエネルギ密度で広
範囲に吸収される。しかも、この吸収された熱エネルギ
は冷却ジャケット構造にしたホルダ内部に流した十分な
量の冷却水でビーム集光器の外部に取り出される。

従って、大パワでも安定に出射ビームの整形ができ、そ
のパワ分布をガウス型に整形することができる。

実施例２ 実施例１と異なる点は、第２図に示すように、間口金属
板６のビーム反射面２６にレーザ光の反射率を高める材
料、例えば金層１３をコーティングして金ミラーとした
点である。

このような構成のビーム集光器２を実施例１と同様の光
学系でパワを結合したところ、実施例１の場合には入射
パワ２ｋＷで開口金属板の温度が急激に上昇したが、本
実施例では３ｋＷのパワを入射しても間口金属板６の温
度は殆ど上昇せず、良好な形状の出射ビーム１２が得ら
れた。

このように、開口金属板の反射面にレーザ光の反射率を
高めるための材料をさらにコーティングしたので、間口
金属板にエネルギが吸収されるのを有効に防止すること
ができ、ビーム集光器の発熱をより一層抑えることがで
きる。

なお、上記実施例において開口金属板が光軸に対して斜
めに形成した凸型反射面を有する場合について述べたが
、本発明はこれに限定されるものではなく、光軸に対し
て垂直に配置した平型反射面を用いた間口金属板に、単
に金層などのコーティングを施すだけでも、反射を有効
に制御できるので良好な結果を得ることができる。

また、上記実施例において間口金属板が１枚の場合につ
いて述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく
複数枚用いたものにも適用することができる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明のよれば次のような優れた効果
を発揮する。

（１）請求項１に記載のビーム集光器によれば、フィル
タの反射面にレーザ光の反射率を高める反射層を形成し
たので、フィルタの発熱を有効に阻止することができ、
中空導波路の出射ビーム中の高次モード成分を安定に除
去し、レーザ切断に適するビームに整形できる。

（２）請求項２に記載のビーム集光器によれば、フィル
タに出射ビームの一部を器体内の広い範囲に分散して反
射させる反射面を形成したので、大パワ出射ビームを整
形する場合に心配されるフィルタの破壊、及び反射光に
よる集光器の異常発熱を防ぐことができ、導波路の出射
ビームを大パワでも安定に整形し、そのパワ分布をガウ
ス型に近付けることができる。これによって、中空導波
路の特徴である可どう性及び機能性を生かして、切断パ
ワ及び切断速度の広い範囲てドロスの発生しない良好な
切断加工が可能となる。

（３）請求項３に記載のビーム集光器によれば、分散反
射面に加えて、レーザ光の反射率を高める反射層を形成
したので、フィルタの破壊、及び反射光による集光器の
異常発熱を一層効果的に防ぐことができ、導波路の出射
ビームをざらに大きなパワでも安定に整形することがで
きる。

（４）請求項４に記載のビーム集光器によれば、器体の
内壁にレーザ光の吸収率を高める吸収層を形成したので
、集光器の異常発熱をより一層効果的に防ぐことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるビーム集光器の実施例を示す断面
図、第２図は本発明によるコーティングを施したビーム
集光器の実施例を示す断面図、第３図は従来の空間型ビ
ーム整形器の断面図である。 １はゲルマニウム内装ニッケル中空導波路、２はビーム
集光器、３は固定スリーブ、４は冷却ジャケット、５は
出射ビーム、６は開口金属板、７は反射ビーム、８は黒
体塗料、９は集光器内壁、１０は冷却水、１１は集光レ
ンズ、１２は整形出射ビーム、１３は金層、２１は導波
路出射端部、２３は金属ホルダ、２５は出射ビームの光
軸、２６はビーム反射面である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ光エネルギを伝送する中空導波路の出射端か
   ら出射された出射ビームをフィルタに導き、フィルタの
   反射面で出射ビームの一部を反射させて高次モードを除
   去し、その後集光レンズによりビームを集光するビーム
   集光器において、前記フィルタの反射面にレーザ光の反
   射率を高める反射層を形成したことを特徴とするビーム
   集光器。 ２、レーザ光エネルギを伝送する中空導波路の出射端か
   ら出射された出射ビームをフィルタに導くことにより、
   出射ビームの一部を反射させて高次モードを除去し、そ
   の後集光レンズによりビームを集光するビーム集光器に
   おいて、 前記フィルタに出射ビームの一部を器体内の広い範囲に
   分散して反射させる反射面を形成したことを特徴とする
   ビーム集光器。 ３、請求項２に記載の集光器において、 前記フィルタの反射面にレーザ光の反射率を高める反射
   層を形成したことを特徴とするビーム集光器。 ４、請求項１ないし３のいずれかに記載のビーム集光器
   において、 前記フィルタと前記導波路出射端の間の器体の内壁に、
   レーザ光の吸収率を高める吸収層を形成したことを特徴
   とするビーム集光器。