JPH05285684A - カライドスコープを用いたレーザ加工装置 - Google Patents
カライドスコープを用いたレーザ加工装置Info
- Publication number
- JPH05285684A JPH05285684A JP4092855A JP9285592A JPH05285684A JP H05285684 A JPH05285684 A JP H05285684A JP 4092855 A JP4092855 A JP 4092855A JP 9285592 A JP9285592 A JP 9285592A JP H05285684 A JPH05285684 A JP H05285684A
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- JP
- Japan
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- kaleidoscope
- laser
- exit side
- lens
- incident
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Abstract
(57)【要約】
【目的】金属材料の表面熱処理に適した、より均一な大
出力のレーザビームが得られるレーザ加工装置を提供す
る。 【構成】少なくとも一部をレーザ光の波長において吸収
損失の小さな誘電体薄膜でコートされた金属壁からなる
カライドスコープの、出射側の先端が微小振動すること
を特徴とするもので、損失が極めて小さく、そのため複
雑な冷却機構を必要とせず、さらに、カライドスコープ
の出射側の先端を微小振動させることにより、レーザビ
ームの均一化を図るとともに、出射側集光系のパワー密
度を低くして破損を防止することができる。
出力のレーザビームが得られるレーザ加工装置を提供す
る。 【構成】少なくとも一部をレーザ光の波長において吸収
損失の小さな誘電体薄膜でコートされた金属壁からなる
カライドスコープの、出射側の先端が微小振動すること
を特徴とするもので、損失が極めて小さく、そのため複
雑な冷却機構を必要とせず、さらに、カライドスコープ
の出射側の先端を微小振動させることにより、レーザビ
ームの均一化を図るとともに、出射側集光系のパワー密
度を低くして破損を防止することができる。
Description
【０００１】
【発明の対象】本発明は、レーザ光のパワー分布を均一
にするための装置、特にＣＯ2 レーザ光による金属材料
の表面処理に有用なカライドスコープを用いたレーザ加
工装置に関するものである。
にするための装置、特にＣＯ2 レーザ光による金属材料
の表面処理に有用なカライドスコープを用いたレーザ加
工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】レーザ光による表面処理の実用化のため
には、ビーム強度をいかに長時間安定に均一化するかが
重要な開発課題である。ビーム強度を均一にするための
光学系としては従来より種々の提案されている。
には、ビーム強度をいかに長時間安定に均一化するかが
重要な開発課題である。ビーム強度を均一にするための
光学系としては従来より種々の提案されている。
【０００３】図２は、ビーム振動法と呼ばれているもの
で、レーザからの入射ビーム２１を集光ミラー２２で反
射させ、２つのオシレータ２３で振動（走査）すること
によって、照射ビーム２４の見かけ上の強度分布を均一
にするものである。しかし、このビーム振動法は可動部
分が多く、アライメントが困難で且つ狂いやすいという
欠点がある。
で、レーザからの入射ビーム２１を集光ミラー２２で反
射させ、２つのオシレータ２３で振動（走査）すること
によって、照射ビーム２４の見かけ上の強度分布を均一
にするものである。しかし、このビーム振動法は可動部
分が多く、アライメントが困難で且つ狂いやすいという
欠点がある。
【０００４】図３はビーム細分重畳法と呼ばれるもの
で、レーザからの入射ビーム３１をセグメントミラー３
２で細分し、その細分化されたビームを重ね合わせるも
のである。これは静止形でアライメントが容易であり、
レーザのビームモードが多少悪くとも細分化し、重ね合
わせるため、良好なビームが得られる。しかし、ビーム
径が小さいほど困難で、また集光深度が浅く凹凸面には
不適である。さらにセグメントミラーと呼ばれる分割さ
れたミラー３２は製作が難しく高価なものである。
で、レーザからの入射ビーム３１をセグメントミラー３
２で細分し、その細分化されたビームを重ね合わせるも
のである。これは静止形でアライメントが容易であり、
レーザのビームモードが多少悪くとも細分化し、重ね合
わせるため、良好なビームが得られる。しかし、ビーム
径が小さいほど困難で、また集光深度が浅く凹凸面には
不適である。さらにセグメントミラーと呼ばれる分割さ
れたミラー３２は製作が難しく高価なものである。
【０００５】これに対し、図４に示すような矩形の断面
を有するカライドスコープ４３を用いる光学系は、レー
ザからの入射ビーム４１に対する入射レンズ４２と、カ
ライドスコープ４３と、出射レンズ４４とで構成でき、
構造が簡単で、ビームサイズが可変でき、また分布の端
部にだれがないなどの特長があるため、最近注目されて
いる。一般のカライドスコープは、４枚の帯状の反射鏡
より構成されるもので、レーザ光は、これらの反射鏡で
囲まれた空間を多重反射しながら伝搬していく。これま
でに報告されたカライドスコープには、熱伝導率が良好
な銅を用いたものや、あるいは銅の表面上に化学反応を
受けにくい金をコートしたものが検討されている。現在
までに３×３×７５ｍｍあるいは４×２×９０ｍｍのＣ
Ｏ2 レーザのカライドスコープが試作されており、その
損失は１５％程度である（第２５回レーザ熱加工研究会
論文集 ｐ１８９，１９９１）。通常金属表面の熱処理
では、ＣＯ2 レーザ光のエネルギーで５〜１０ｋＷ程度
が使用される。このとき１５％の損失すなわちは０．７
５〜１．５ｋＷはカライドスコープ内で熱に変換され
る。エネルギーの利用効率及び複雑な冷却機構を必要と
する点で、このような金属壁のみで囲まれたカライドス
コープは、不利な点が多く、前記したその他のビーム強
度を均一にするための光学系同様、広く普及していると
は言い難い。
を有するカライドスコープ４３を用いる光学系は、レー
ザからの入射ビーム４１に対する入射レンズ４２と、カ
ライドスコープ４３と、出射レンズ４４とで構成でき、
構造が簡単で、ビームサイズが可変でき、また分布の端
部にだれがないなどの特長があるため、最近注目されて
いる。一般のカライドスコープは、４枚の帯状の反射鏡
より構成されるもので、レーザ光は、これらの反射鏡で
囲まれた空間を多重反射しながら伝搬していく。これま
でに報告されたカライドスコープには、熱伝導率が良好
な銅を用いたものや、あるいは銅の表面上に化学反応を
受けにくい金をコートしたものが検討されている。現在
までに３×３×７５ｍｍあるいは４×２×９０ｍｍのＣ
Ｏ2 レーザのカライドスコープが試作されており、その
損失は１５％程度である（第２５回レーザ熱加工研究会
論文集 ｐ１８９，１９９１）。通常金属表面の熱処理
では、ＣＯ2 レーザ光のエネルギーで５〜１０ｋＷ程度
が使用される。このとき１５％の損失すなわちは０．７
５〜１．５ｋＷはカライドスコープ内で熱に変換され
る。エネルギーの利用効率及び複雑な冷却機構を必要と
する点で、このような金属壁のみで囲まれたカライドス
コープは、不利な点が多く、前記したその他のビーム強
度を均一にするための光学系同様、広く普及していると
は言い難い。
【０００６】一方、カライドスコープとは別の目的で、
単にＣＯ2 レーザ光の伝送路として、金属の表面にレー
ザ光の発振波長で吸収の小さな薄膜を内装した誘電体内
装金属中空導波路が提案され、その低損失性が実証され
た（A.Hongo et al.,"Trans-mission of 1kW-class CO2
laser light through circular hollow waveguidefor
material processing,"Appl.Phys.Lett.,vol.58,p1582,
1991）。これは円形の導波路であるが、矩形構造の導波
路でも同様に、金属の内壁に適当な厚さの吸収の小さな
薄膜を内装すると、損失が大幅に低減される。その結
果、前記金属のみで囲まれたカライドスコープと同等の
寸法で、損失を１％程度に低減できる。この提案によ
り、カライドスコープに複雑な冷却機構を付加せず、エ
ネルギー利用効率の高いカライドスコープの実現性が高
まった。
単にＣＯ2 レーザ光の伝送路として、金属の表面にレー
ザ光の発振波長で吸収の小さな薄膜を内装した誘電体内
装金属中空導波路が提案され、その低損失性が実証され
た（A.Hongo et al.,"Trans-mission of 1kW-class CO2
laser light through circular hollow waveguidefor
material processing,"Appl.Phys.Lett.,vol.58,p1582,
1991）。これは円形の導波路であるが、矩形構造の導波
路でも同様に、金属の内壁に適当な厚さの吸収の小さな
薄膜を内装すると、損失が大幅に低減される。その結
果、前記金属のみで囲まれたカライドスコープと同等の
寸法で、損失を１％程度に低減できる。この提案によ
り、カライドスコープに複雑な冷却機構を付加せず、エ
ネルギー利用効率の高いカライドスコープの実現性が高
まった。
【０００７】
【従来技術の問題点】ところで、前記したカライドスコ
ープは、一般に長さが長いほど、すなわちカライドスコ
ープの内壁におけるレーザ光の反射の回数が多くなるほ
ど出射ビームはより均一になる。しかし、カライドスコ
ープを長くすると損失が大きくなり、さらに光学系全体
が長くなるので十分なスペースを確保できない所では実
用的でない。したがってカライドスコープの長さには制
限があり、完全に均一なビームを得ることが困難な場合
が生じる。また、図４のカライドスコープを用いた光学
系においては、出射レンズ４４上のレーザ光のパワー密
度がかなり大きくなり、長時間の連続使用によっては出
射レンズが破損する危険性がある。金属のレーザ加工に
必要なエネルギーはＣＯ2 レーザの場合、切断で０．５
〜１ｋＷ、溶接で３〜５ｋＷ、表面処理で５〜１０ｋＷ
必要で、表面処理の場合には特に出射集光系の耐パワー
性が問題となる。
ープは、一般に長さが長いほど、すなわちカライドスコ
ープの内壁におけるレーザ光の反射の回数が多くなるほ
ど出射ビームはより均一になる。しかし、カライドスコ
ープを長くすると損失が大きくなり、さらに光学系全体
が長くなるので十分なスペースを確保できない所では実
用的でない。したがってカライドスコープの長さには制
限があり、完全に均一なビームを得ることが困難な場合
が生じる。また、図４のカライドスコープを用いた光学
系においては、出射レンズ４４上のレーザ光のパワー密
度がかなり大きくなり、長時間の連続使用によっては出
射レンズが破損する危険性がある。金属のレーザ加工に
必要なエネルギーはＣＯ2 レーザの場合、切断で０．５
〜１ｋＷ、溶接で３〜５ｋＷ、表面処理で５〜１０ｋＷ
必要で、表面処理の場合には特に出射集光系の耐パワー
性が問題となる。
【０００８】
【発明の目的】本発明の目的は、前記した従来技術の問
題点を解消し、金属材料の表面熱処理に適した、より均
一な大出力のレーザビームが得られるレーザ加工装置を
提供することにある。
題点を解消し、金属材料の表面熱処理に適した、より均
一な大出力のレーザビームが得られるレーザ加工装置を
提供することにある。
【０００９】
【発明の要点】本発明は、少なくとも一部をレーザ光の
波長において吸収損失の小さな誘電体薄膜でコートされ
た金属壁からなるカライドスコープにおいて、出射側の
先端が微小振動することを特徴とするものである。前記
したように、誘電体薄膜を金属壁にコートしたカライド
スコープは、損失が極めて小さく、そのため複雑な冷却
機構を必要としない。このようなカライドスコープにお
いては、薄い金属板を組合わせて構成でき、カライドス
コープの長さが短くとも、その出射側先端を微小変動さ
せる程度の可とう性を持たせることは容易である。入射
側は、入射集光系とともに固定されているので、前記し
たミラー系からなるビーム振動法のように、アライメン
トが困難ということはない。カライドスコープの出射側
先端を微小変動することで、空間的ばかりでなく時間的
にも、金属表面に照射されるレーザエネルギーは均一化
することができる。
波長において吸収損失の小さな誘電体薄膜でコートされ
た金属壁からなるカライドスコープにおいて、出射側の
先端が微小振動することを特徴とするものである。前記
したように、誘電体薄膜を金属壁にコートしたカライド
スコープは、損失が極めて小さく、そのため複雑な冷却
機構を必要としない。このようなカライドスコープにお
いては、薄い金属板を組合わせて構成でき、カライドス
コープの長さが短くとも、その出射側先端を微小変動さ
せる程度の可とう性を持たせることは容易である。入射
側は、入射集光系とともに固定されているので、前記し
たミラー系からなるビーム振動法のように、アライメン
トが困難ということはない。カライドスコープの出射側
先端を微小変動することで、空間的ばかりでなく時間的
にも、金属表面に照射されるレーザエネルギーは均一化
することができる。
【００１０】さらに、本発明によれば、カライドスコー
プの出射側の先端を微小振動させることにより、レーザ
ビームの均一化を図るとともに、出射側集光系のパワー
密度を低くして破損を防止することができる。
プの出射側の先端を微小振動させることにより、レーザ
ビームの均一化を図るとともに、出射側集光系のパワー
密度を低くして破損を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施例】以下、本発明の一実施例を図１を用い
て説明する。
て説明する。
【００１２】図１のカライドスコープ１３は、セレン化
亜鉛薄膜１６をコートした厚さ０．５ｍｍの長さ１００
ｍｍの４枚の無酸素銅板１７からなり、断面寸法が２×
３ｍｍの矩形構造をしている。無酸素銅は熱伝導率が通
常の銅よりも良好で、また薄膜との付着力に優れてい
る。本実施例のカライドスコープ全体の重量は３２０ｇ
と極めて軽い。このセレン化亜鉛薄膜１６の膜厚は、
０．７μｍとした。このときカライドスコープの内壁に
入射されるレーザ光は壁面に対してＰ偏光でも、Ｓ偏光
でもともに大きな反射率で反射される。すなわちカライ
ドスコープに入射されるレーザ光が、円偏光あるいはラ
ンダム偏光の場合でも、カライドスコープを通過する際
の損失は小さい。金属面にレーザ光がすれすれの角度で
入射する場合には、Ｓ偏光のレーザ光に対しては大きな
反射率で反射され、Ｐ偏光のレーザ光に対しては小さな
反射率で反射される。したがって入射レーザ光が直線偏
光の場合には、Ｐ偏光をうける金属壁面のみセレン化亜
鉛薄膜１６をコートすれば十分である。なお本実施例で
は、内装する誘電体薄膜として、セレン化亜鉛を用いた
が、ゲルマニウムでも同様な低損失の効果を得ることが
できる。
亜鉛薄膜１６をコートした厚さ０．５ｍｍの長さ１００
ｍｍの４枚の無酸素銅板１７からなり、断面寸法が２×
３ｍｍの矩形構造をしている。無酸素銅は熱伝導率が通
常の銅よりも良好で、また薄膜との付着力に優れてい
る。本実施例のカライドスコープ全体の重量は３２０ｇ
と極めて軽い。このセレン化亜鉛薄膜１６の膜厚は、
０．７μｍとした。このときカライドスコープの内壁に
入射されるレーザ光は壁面に対してＰ偏光でも、Ｓ偏光
でもともに大きな反射率で反射される。すなわちカライ
ドスコープに入射されるレーザ光が、円偏光あるいはラ
ンダム偏光の場合でも、カライドスコープを通過する際
の損失は小さい。金属面にレーザ光がすれすれの角度で
入射する場合には、Ｓ偏光のレーザ光に対しては大きな
反射率で反射され、Ｐ偏光のレーザ光に対しては小さな
反射率で反射される。したがって入射レーザ光が直線偏
光の場合には、Ｐ偏光をうける金属壁面のみセレン化亜
鉛薄膜１６をコートすれば十分である。なお本実施例で
は、内装する誘電体薄膜として、セレン化亜鉛を用いた
が、ゲルマニウムでも同様な低損失の効果を得ることが
できる。
【００１３】この様な構造のカライドスコープの入射側
は、入射レンズ１２とともに固定されており、出射側の
み微小振動する。振動の振幅は１ｍｍとした。これによ
り、カライドスコープが静止しているときよりも、金属
表面に照射されるレーザエネルギーは均一化される。図
１の実施例では、出射側レンズ１４は固定されている。
カライドスコープの出射側と出射側レンズ１４とを一体
化させて出射側のレンズ共々振動させても、被加工物に
照射されるレーザエネルギーは均一となる。しかし、出
射側レンズ１４は、振動するカライドスコープからのレ
ーザ光を十分受光できる面積をもち、固定されている方
が有利である。なぜならば、出射側のレンズの同一箇所
のみに長時間レーザ光が照射されると、レーザ光のパワ
ーが大きい場合には、熱暴走によりレンズが破損する危
険性がある。これをカライドスコープの出射側を振動さ
せることによって、出射側レンズ上のビームを振らせ、
パワー密度を減少させれば、レンズが破損する危険性を
なくすことができる。
は、入射レンズ１２とともに固定されており、出射側の
み微小振動する。振動の振幅は１ｍｍとした。これによ
り、カライドスコープが静止しているときよりも、金属
表面に照射されるレーザエネルギーは均一化される。図
１の実施例では、出射側レンズ１４は固定されている。
カライドスコープの出射側と出射側レンズ１４とを一体
化させて出射側のレンズ共々振動させても、被加工物に
照射されるレーザエネルギーは均一となる。しかし、出
射側レンズ１４は、振動するカライドスコープからのレ
ーザ光を十分受光できる面積をもち、固定されている方
が有利である。なぜならば、出射側のレンズの同一箇所
のみに長時間レーザ光が照射されると、レーザ光のパワ
ーが大きい場合には、熱暴走によりレンズが破損する危
険性がある。これをカライドスコープの出射側を振動さ
せることによって、出射側レンズ上のビームを振らせ、
パワー密度を減少させれば、レンズが破損する危険性を
なくすことができる。
【００１４】図１の実施例では、入出射集光系としてレ
ンズを用いた。１０ｋＷ近いレーザパワーを使用するに
は、入出射集光系として放物面鏡を用いた方が耐パワー
性の点で有利である。この場合にも本発明は有効に適用
できる。
ンズを用いた。１０ｋＷ近いレーザパワーを使用するに
は、入出射集光系として放物面鏡を用いた方が耐パワー
性の点で有利である。この場合にも本発明は有効に適用
できる。
【００１５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
カライドスコープの出射端を微小振動させることによ
り、従来のカライドスコープを用いたレーザ加工装置よ
りも、さらに被加工物に照射されるレーザエネルギーは
均一となる。また同時に出射側集光系上のパワー密度を
減少させることができるので、長時間使用しても出射側
集光系が破損する恐れが少ない。
カライドスコープの出射端を微小振動させることによ
り、従来のカライドスコープを用いたレーザ加工装置よ
りも、さらに被加工物に照射されるレーザエネルギーは
均一となる。また同時に出射側集光系上のパワー密度を
減少させることができるので、長時間使用しても出射側
集光系が破損する恐れが少ない。
【図１】本発明の一実施例を示すカライドスコープを用
いたレーザ加工装置の概略図。
いたレーザ加工装置の概略図。
【図２】ビーム強度を均一にするための従来例であるビ
ーム振動法の概略図。
ーム振動法の概略図。
【図３】ビーム強度を均一にするための従来例であるビ
ーム細分重畳法の概略図。
ーム細分重畳法の概略図。
【図４】従来のカライドスコープを用いたレーザ加工装
置の概略図。
置の概略図。
１１，２１，３１，４１ レーザからの入射ビーム １２，４２ 入射レンズ １３ 薄膜が内装されているカライドスコープ １４，４４ 出射レンズ １５，２４，３３，４５ 照射ビーム １６ セレン化亜鉛薄膜 １７ 無酸素銅板 ２２ 集光ミラー ２３ オシレータ ３２ セグメントミラー ４３ カライドスコープ
Claims (1)
- 【請求項１】少なくとも一部をレーザ光の波長において
吸収損失の小さな誘電体薄膜でコートされた金属壁で囲
まれる断面が正方形あるいは長方形の矩形構造をなすカ
ライドスコープと入出射集光部からなり、カライドスコ
ープの入射側及び入出射集光部は固定され、カライドス
コープの出射側の先端が微小振動するよう構成されたこ
とを特徴とするカライドスコープを用いたレーザ加工装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4092855A JPH05285684A (ja) | 1992-04-13 | 1992-04-13 | カライドスコープを用いたレーザ加工装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4092855A JPH05285684A (ja) | 1992-04-13 | 1992-04-13 | カライドスコープを用いたレーザ加工装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05285684A true JPH05285684A (ja) | 1993-11-02 |
Family
ID=14066049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4092855A Pending JPH05285684A (ja) | 1992-04-13 | 1992-04-13 | カライドスコープを用いたレーザ加工装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05285684A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008147643A (ja) * | 2006-11-17 | 2008-06-26 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | ビームホモジナイザ、レーザ照射装置およびレーザ照射方法 |
-
1992
- 1992-04-13 JP JP4092855A patent/JPH05285684A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008147643A (ja) * | 2006-11-17 | 2008-06-26 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | ビームホモジナイザ、レーザ照射装置およびレーザ照射方法 |
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