JPH0775887A

JPH0775887A - レーザー加工装置

Info

Publication number: JPH0775887A
Application number: JP5220018A
Authority: JP
Inventors: Naoaki Kitagawa; 直明北川
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1993-09-03
Publication date: 1995-03-20

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザー光の損失による装置部品の温度上昇
を抑制し、且つ、装置の信頼性とレーザー光照射の効率
とを向上させ得る高出力のレーザー加工装置を提供する
こと。【構成】本発明による装置は、レーザー光入力端の周
辺部に冷却水を循環させる冷却器２１を設け、レーザー
光発振中に前記冷却器２１中に冷却水を流すことによ
り、前記入力端が冷却され得るように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、装置自体の温度上昇を
抑え、信頼性を向上させて長時間レーザー光の発振を可
能としたレーザー加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザー加工装置は、ロッド状や
スラブ状の固体レーザー媒質（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ，
Ｎｄ：ＧＧＧ，Ｃｒ：ＹＧＧ等の単結晶や、Ｎｄを含む
ガラス等）と、励起ランプとからなるキャビティーの両
側に、全反射鏡と部分反射鏡とを配置し、励起ランプの
放電光によって上記固体レーザー媒質を励起させ、その
励起光を反射鏡間で共振させて高出力レーザーを発振
し、これを光ファイバーで導いて加工ノズルから照射す
るもので、物質の切断，溶接，マーキング等の材料加工
に応用されていた。

【０００３】図３に従来のレーザー加工装置の概要を示
す。１は内部に固体レーザー媒質及び励起ランプが収容
されているキャビティー、１ａ及び１ｂは夫々キャビテ
ィー１の端面、２はキャビティー１の端面１ａ側に設け
られた全反射鏡、３は部分反射鏡、４はキャビティー１
の端面１ｂ側と部分反射鏡３との間に設けられた絞り装
置であり、これらが光路５ａ，５ｂ及び５ｃを介して共
振系を構成している。尚、上記固体レーザー媒質及び励
起ランプはキャビィー１内を循環する冷却水により冷却
され得るようになっている。更に、６は集光レンズ、７
は光ファイバー９へのレーザー光入力端、８ａは部分反
射鏡３と集光レンズ６との間の光路、８ｂは集光レンズ
６と入力端７との間の光路、９は光ファイバー、９ａは
入力端７と光ファイバー９とを接続するプラグ、１０は
加工ノズル、１１は被加工物である。

【０００４】従来装置は上記のように構成されているの
で、まず、キャビティー１内の励起ランプを点灯して固
体レーザー媒質に放電光を照射すると、前記固体レーザ
ー媒質に含まれている励起物質（例えば、Ｎｄ⁺³，Ｃｒ
⁺³等）が高いエネルギー準位に励起される。この高エネ
ルギー準位から低エネルギー準位に遷移する際に蛍光が
発せられ、前記蛍光が更なる刺激となって蛍光の誘導放
出を惹き起こす。上記共振系は全反射鏡２で反射された
光が端面１ａ側からキャビティー１内の固体レーザー媒
質を経由して端面１ｂに到達し、更に、端面１ｂから発
せられた光は絞り装置４を通過して部分反射鏡３に向か
い、部分反射鏡３により反射された光は再び同一光路内
を前記光の進行方向とは逆方向に進行する。このような
ことが繰り返される間に、光路５ａ，５ｂ及び５ｃ内を
当該光が往復しながら増幅されて、部分反射鏡３より高
出力レーザー光が得られる。

【０００５】次に、部分反射鏡３より出力された上記高
出力レーザー光は、光路８ａを経由して集光レンズ６に
到達し、集光レンズ６によってそのビーム径が絞られ、
光路８ｂを通りレーザー光入力端７に到達する。更に、
上記高出力レーザーはレーザー光入力端７より発せら
れ、光ファイバー９内を進行し、光ファイバー９の先端
に取り付けられた加工ノズル１０によって被加工物１１
に照射され、被加工物１１の加工に供される。尚、光フ
ァイバー９はフレキシブルであるため、当該装置から発
せられた高出力レーザー光を遠方まで導いて、自由な位
置及び方向へ照射することが可能である。

【０００６】このように、レーザー加工装置は、レーザ
ー光の高エネルギーを利用して、レーザー照射部分を加
工溶解し金属，合金等の部材の加工を行うものである
が、レーザー光の通路，ビーム径等を最適な状態に設定
しないと、当該装置を構成している部材まで損傷してし
まう。上記絞り装置４及び集光レンズ６は、レーザー光
のビーム径の調整を行ってレーザー光入力端７に当該レ
ーザー光を適宜に而も効率良く導くためのものである。
これらが最適に機能しないと、レーザー光入力端７やプ
ラグ９ａが破壊されたり、レーザー光照射の効率が低下
する。

【０００７】又、レーザー光入力端７では、装置の構造
上避けられないレーザー光の損失がある。それは、レー
ザー光入力端７におけるフレネル反射と、光ファイバー
９のプラグ９ａの固定に用いる樹脂層からの漏れ光とに
よるものがあり、上記レーザー光損失の量は、入力光１
００％に対してフレネル反射によるものが約３％，漏れ
光によるものが約１％に及び、これらの大部分は熱エネ
ルギーに変換される。これら熱損失による装置の温度上
昇は、レーザー出力３００Ｗ程度以下のレーザー装置で
は問題はないが、５００Ｗ以上の高出力レーザー装置で
は無視できないものである。

【０００８】更に、図４は従来のレーザー加工装置に用
いられている絞り装置であり、（ａ）は装置上面図、
（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）はレーザー光
照射時の状態図である。絞り装置４には、図４（ａ），
（ｂ）に示したような円形の開口部４１が設けられたア
ルミニウム合金や、真鍮，銅製の部材表面にレーザー光
を吸収するための黒化処理が施されている。又、図４
（ｃ）に示したように、レーザー光４２の不要な部分は
上記開口部４１以外の黒化処理面４３で吸収されるよう
になっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レーザー加工装置では、レーザー光入力端７においてレ
ーザー光損失による温度上昇に対する対策が何等とられ
ておらず、従って、長時間レーザー光の発振を行うと、
光ファイバー９の固定材や保護材，接続部品等が熱で破
損することがあった。又、上記従来装置では、発熱のた
め絞り装置４の黒化処理が剥がれたり、部材が溶解して
絞り装置４の開口部４１が広がり真円度がなくなったり
して、光ファイバーの損傷，レーザー光照射効率の低下
を起こしていた。

【００１０】そこで、本発明は、上記のような従来技術
の有する問題点に鑑み、レーザー光の損失による装置部
品の温度上昇を抑制し、且つ、装置の信頼性とレーザー
光照射の効率とを向上させ得る高出力のレーザー加工装
置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び】上記目的を達成する
ため、本発明によるレーザー加工装置は、少なくとも固
体レーザー媒質と励起ランプとからなるキャビティー
と、そのキャビティーの両側に配置した部分反射鏡及び
全反射鏡と、前記キャビティーと部分反射鏡との間、又
は前記キャビティーと全反射鏡との間、又はこれら両方
の位置に配置した絞り装置とで構成される高出力レーザ
ー発振器で発振したレーザー光を、集光レンズで調整し
て光ファイバーへ導光し、前記光ファイバーの他端に接
続した加工ノズルより被加工物に向けて上記レーザー光
を照射するレーザー加工装置において、上記光ファイバ
ーへのレーザー光入力端の周辺に水冷器を設けたことを
特徴としている。又、本発明による装置は、絞り装置
が、レーザー光の進行方向に向かって絞られたテーパー
状の開口部を有し、且つ、前記テーパー部にはレーザー
光を反射するための表面処理が施され、且つ、前記テー
パー部以外にはレーザー光を吸収するための表面処理が
施され、且つ、前記開口部周辺には水冷器を設けたこと
も特徴としている。更に、これらを適宜組み合わせるこ
とも可能である。

【００１２】本発明の装置に使用するキャビティー内の
固体レーザー媒質は、公知のいかなる種類のものも使用
できる。例えば、ルビーのコランダム結晶(Cr³⁺:Al
₂O₃) 、Ｎｄイオン添加ＹＡＧ結晶(Nd³⁺:Y₃Al₅O₁₂)、
Ｃｒイオン添加ガーネット結晶｛YGG(Cr³⁺:Y₃Ga₅O₁₂)、
YSGG(Cr³⁺:Y₃(Sc,Ga)2Ga₃O₁₂)、 GGG(Cr³⁺:Gd₃Ga₅O₁₂)、
GSGG(Gr³⁺:Gd₃(Ga,Sc)2Ga₃0₁₂)、LLGG(Cr³⁺:(La,Lu)5G
a₃O₁₂)｝、ＧＳＡＧ結晶(Nd³⁺:Cr³⁺:Gd₃Sc₂Al₃O₁₂)、
ＹＬＦ結晶(YLiF₄) 、斜方晶系クリソベルン構造のアレ
キサンドライト(Cr³⁺:BeAl₂O₄) 、六方晶ベリル構造の
エメラルド(Cr³⁺:Be₃Al₂(SiO₃)₆) 、単斜晶系のＢＥＬ
結晶(Nd³⁺:La₂Be₂O₅)、Ｎｄを含むガラス等がある。

【００１３】励起ランプには、Ｋｒ，Ｘｅ等の希ガスを
封入したフラッシュランプ，アークランプ等を用いるこ
とができ、連続励起又はパルス励起で使用される。全反
射鏡及び部分反射鏡には、合成石英の母材表面無反射コ
ーティングを施したもの、溶融石英にチタニア，ハフニ
ア等金属酸化物を真空蒸着したものが使用可能である。
励起ランプを点灯する電源には、直流或いはパルス電流
を使用できる。部分反射鏡の反射率は通常１０〜６０％
程度で、固体レーザー装置の構成、レーザー光出力等に
よって適宜選択され得る。絞り装置は、固体レーザー媒
質と励起ランプとからなるキャビティーと部分反射鏡と
の間、又は、キャビティーと全反射鏡との間、又は、こ
れら双方の位置に配置され得る。

【００１４】光ファイバー９へのレーザー光入力端７の
水冷は、入力端７の周辺に水冷器を設け、レーザー発振
中にこの水冷器に冷却水を流すことによって行われる。
前記水冷器の構造，冷却水の流量等は適宜選択され、
又、前記冷却水は循環させて使用することも可能であ
る。

【００１５】レーザー光を反射するための表面処理は、
金メッキ，銀及び誘電体の多層膜コーティング等レーザ
ー光を効率良く反射し得る処理であれば、特に限定され
るものではなく、又、鏡面仕上げでも、散乱仕上げでも
差し支えない。又、レーザー光を吸収するための表面処
理は、黒アルマイト処理等レーザー光を効率良く吸収し
得る処理であればいかなるものでもよい。

【００１６】従って、本発明のレーザー加工装置によれ
ば、レーザー光照射時におけるレーザー光の損失による
装置部品の温度上昇を抑制できるため、装置部品の損傷
を防止でき、長時間のレーザー光照射が可能となる。

【００１７】

【実施例】以下、従来装置と同一の部材には同一の符号
を付して本発明の第一実施例を説明する。図１は、本発
明によるレーザー加工装置のレーザー光入力端の構成図
であり、（ａ）はレーザー光入力端の上面図，（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ線断面図，（ｃ）はレーザー光入力端の
底面図である。図中、２１はレーザー光入力端の周辺部
に設けられた冷却水を循環させるための冷却器、２１ａ
は冷却水の給排水口、２２，２３はＯリング、２４ａ，
２４ｂ，２４ｃ，２４ｄはネジ穴、２５ａ，２５ｂ，２
５ｃ，２５ｄはプラグ固定用のネジ穴である。本発明の
レーザー加工装置は、従来装置のレーザー光入力端７に
代えて上記レーザー光入力端を用いる以外は図３に示し
た装置と同様の構成を有している。

【００１８】本発明による装置は上記のように構成され
ているので、冷却器２１に給排水口２１ａを介して冷却
水を給排水してやれば、上記光ファイバー９へのレーザ
ー光入力端周辺部は常時冷却され、レーザー光損失によ
る装置の温度上昇は抑制される。従って、高出力レーザ
ーを長時間発振させても、光ファイバー７の固定材，保
護材及び接続部品等が熱で破損することはなく、装置の
信頼性が向上し、安全に高出力レーザーによる加工がで
きる。

【００１９】次に、本発明による装置の効果を確認する
ため、従来装置との対比実験を行ったが、その構成及び
結果は下記の通りであった。本発明による装置のキャビ
ティー１内の固体レーザー媒質には、半径５ｍｍ，長さ
２００ｍｍでＮｄを０．８原子％添加したＹＡＧのロッ
ド型結晶を、励起ランプにはＫｒフラッシュランプ二本
を用いてパルスを発生させた。又、全反射鏡２及び部分
反射鏡３には共にチタニアを溶融石英に真空蒸着した平
面鏡を用い、共振器長を９００ｍｍとした。集光レンズ
６は５枚のレンズによって構成し、光ファイバー９には
コア系６００μｍの石英製ステップインデックス型を用
いた。絞り装置４は、真鍮製の部材に黒アルマイト処理
を施したものを用い、開口部の径は４．９ｍｍとした。
キャビティー１には、毎分４５リットルの冷却水を流し
た。冷却器付き支持台のレーザー光透過部周辺には、表
面に厚さ３０μｍの黒アルマイト処理を施し、熱を吸収
し易くした。レーザー波長は１．０６μｍ、パルス幅は
２ｍｓｅｃ、パルス繰り返し数は７０Ｈｚ、最大出力は
５５０Ｗ、広がり角は２０ｍｒａｄとした。一方、従来
装置は、光ファイバー入力端７を冷却しないこと以外
は、本発明の装置と同様条件の下で高出力レーザーの発
振を行った。

【００２０】次表−１には、レーザー光入力端の冷却器
に冷却水を流しながら高出力レーザー光を発振させた場
合（本発明の装置）と、レーザー光入力端７を冷却せず
に高出力レーザー光を発振させた場合（従来装置）とを
比較して、各装置のレーザー光入力端に固定されたプラ
グ９ａの温度変化の推移が示されている。

【００２１】

【００２２】上記対比実験の結果、表−１から明らかな
ように、本発明による装置は従来装置に比較して、当該
光ファイバー入力端の温度上昇を大幅に抑制できること
が判った。又、本発明の装置では、２４０秒間レーザー
光を発振しその停止後、１０秒以内で光ファイバー９の
プラグ９ａの温度は常温に戻った。一方、従来装置で
は、２４０秒間レーザー光を発振しその停止後、当該プ
ラグの温度が常温に戻るのに１０分以上かかった。尚、
本発明の装置は、従来装置と遜色のないレーザー加工を
行うことができた。

【００２３】次に、本発明の第二実施例を説明する。図
２は、本発明による装置に用いる絞り装置の構成を示し
ている。但し、装置上面図は従来例と同様であるため省
略した。図中、３１はレーザー光進行方向に対して６０
度の立体角度を有する真鍮製のテーパー部、３２は最小
径４．９ｍｍを有する開口部、３３，３４はＯリング、
３５は冷却水を循環させる水路である。本装置は、従来
装置の絞り装置４を図２に示したように構成した他は、
第一実施例の装置と同様の構成を有している。尚、テー
パー部３１の表面にはレーザー光をほぼ１００％反射す
る３μｍの厚さを有する金メッキが施され、又、それ以
外の装置の表面には厚さ３０μｍを有する黒アルマイト
処理が施されている。

【００２４】従って、不要なレーザー光はテーパー部３
１で反射され、この反射光はテーパー部３１以外の絞り
装置の表面で吸収され得るが、レーザー光を吸収する部
分は水冷され温度上昇が抑制されているため、表面処理
部分が剥がれたり、開口部が大きくなるようなことはな
い。よって、レーザー光入力端へ送出するレーザー光の
ビーム径の大きさが安定し、前記入力端の破壊やレーザ
ー光照射の効率の低下も起こり得ない。

【００２５】この場合も、本実施例に示した装置と従来
装置との対比実験を試みた。本実施例に示した装置は絞
り装置に冷却水を給水し、又第一実施例に示した装置の
レーザー光入力端に冷却水を供給しないこと以外は第一
実施例で行った実験と同一条件のもとで実験を行った。
又、従来装置は真鍮製で厚さ１５ｍｍでテーパー状を呈
していない４．９ｍｍの真円度１００％の開口部を有す
る絞り装置４を用いた点以外は、本実施例の装置と同一
の条件である。

【００２６】先ず、本実施例の装置において、２０時間
レーザー光を発振しても絞り装置の黒アルマイト処理が
施された部分の剥離は起こらず、レーザー光照射の効率
も低下しなかった。次に、従来装置において、１０時間
のレーザー光の発振を行った。すると、絞り装置４の黒
アルマイト処理が施された部分の一部が剥離し、開口部
４１は真円度が８０％に低下し、径も長軸側で５．１ｍ
ｍに広がった。この結果、集光レンズで集光されたレー
ザー光のビーム径も大きくなり、レーザー光入力端７の
コア径よりはみ出し、レーザー光照射の効率が低下して
しまった。以上の結果より、本実施例の装置の優れた効
果を確認することができた。

【００２７】尚、本発明では、上記第一実施例又は第二
実施例が単独で実施されても十分に本発明の目的を達成
し得るが、上記双方の実施例が同時に実施された場合に
は尚一層の効果を奏する。

【００２８】

【発明の効果】上述のように、本発明によるレーザー加
工装置は、レーザー光の損失による当該装置の部品の温
度上昇を抑制できるため、光ファイバーやコネクタ等の
装置部品に損傷を与えることなく、長時間のレーザー光
の発振を可能にする。更に、本発明の装置は、レーザー
光の損失がなく必要なビーム径が得られ、効率の良い長
時間のレーザー光の発振を可能にするという利点も有し
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザー加工装置の光ファイバー
入力端の構成図であり、（ａ）は前記入力端の上面図，
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図，（ｃ）は前記入力端
の底面図である。

【図２】本発明によるレーザー加工装置に用いられる絞
り装置の構成図である。

【図３】従来のレーザー加工装置の構成を示した概念図
である。

【図４】従来のレーザー加工装置に用いられている絞り
装置の構成図であり、（ａ）は装置の上面図，（ｂ）は
（ａ）のＢ−Ｂ線断面図，（ｃ）はレーザー光照射時の
状態図である。

【符号の説明】

１キャビティー１ａ，１ｂ端面２全反射鏡３部分反射鏡４絞り装置５ａ，５ｂ，５ｃ光路６集光レンズ７レーザー光入力端８ａ，８ｃ光路９光ファイバー９ａプラグ１０加工ノズル１１被加工物２１冷却器２１ａ冷却水の給排水口２２，２３Ｏリング２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄネジ穴２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄプラグ固定用のネジ
穴３１テーパー部３２開口部３３，３４Ｏリング３５水路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 6/42 9317−2Ｋ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも固体レーザー媒質と励起ラン
プとからなるキャビティーと、該キャビティーの両側に
配置した部分反射鏡及び全反射鏡と、該キャビティーと
部分反射鏡との間又は該キャビティーと全反射鏡との間
又はこれら両方の位置に配置した絞り装置とで構成され
る高出力レーザー発振器で発振したレーザー光を、集光
レンズで調整して光ファイバーへ導光し、該光ファイバ
ーの他端に接続した加工ノズルより被加工物に向けて上
記レーザー光を照射するレーザー加工装置において、上記光ファイバーへのレーザー光入力端の周辺に水冷器
を設けたことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】絞り装置が、レーザー光の進行方向に向
かって絞られたテーパー状の開口部を有し、且つ、上記
テーパー部にはレーザー光を反射するための表面処理が
施され、且つ、上記テーパー部以外にはレーザー光を吸
収するための表面処理が施され、且つ、上記開口部周辺
には水冷器を設けたことを特徴とする請求項１に記載の
レーザー加工装置。