JPH08155666A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザビームで穴加工、切断等を行うレーザ
加工装置に関し、レーザビームをよりシャープに集光し
ながら、加工速度が早く、加工特性のよいレーザ加工装
置を得ることを目的とする。 【構成】 マルチモードレーザビーム９を発振するレー
ザ発振器１〜７と、マルチモードレーザビーム９を被加
工物１４上に集光する集光光学系１０〜１２とを有する
レーザ加工装置であって、集光光学系１０〜１２は、マ
ルチモードレーザビーム９の光波面の位相を、位相をシ
フトしない場合に比較して、マルチモードレーザビーム
９の強度分布のピーク値を増大させかつ被加工物１４上
の集光直径を減少させるように、部分的にシフトする位
相シフト手段１１を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マルチモードレーザ
ビームで、穴加工、切断を行うレーザ加工装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】以下、従来のレーザ加工装置について説
明をする。

【０００３】図１３は、従来のレーザ加工装置の概念図
である。図１３において、１０１は凹面状の全反射ミラ
ー、１０２は全反射ミラー１０１に対向配置された凹面
状の部分反射ミラー、１０３は部分反射ミラー１０２に
施された部分反射膜、１０４は部分反射ミラー１０２に
施された無反射膜、１０５はレーザ媒質であり、例えば
ＣＯ₂レーザなどのガスレーザの場合は、放電などで励
起されるガス媒質であり、ＹＡＧなどの固体レーザの場
合は、フラッシュランプ等により励起される固体媒質で
ある。

【０００４】次に、１０６はレーザビーム径を制御する
アパーチャ、１０７は周囲を覆う箱体、１０８はミラー
１０１、１０２より構成される安定型共振器の内部に発
生するレーザビーム、１０９は部分反射ミラー１０２よ
り外部へ取り出されるレーザビーム、１１０は集光レン
ズ、１１１は集光光学系１１０に施された無反射膜、１
１２は集光光学系１１０より集光された集束ビーム、１
１３は被被加工物である。

【０００５】次に動作について説明する。ミラー１０
１、１０２は安定型共振器を構成しているから、レーザ
ビーム１０９は、ミラー１０１、１０２を往復するうち
にレーザ媒質１０５により増幅されると共に、レーザビ
ーム１０８の一部が部分反射膜１０３及び無反射膜１０
４の施されたミラー１０２を介して外部へ取り出され
る。

【０００６】ここで、アパーチャ１０６は、共振器内に
発生するレーザビーム１０８の径を調節しながらモード
次数をも制御し、所定のモードのレーザビーム１０９を
得るものである。

【０００７】そして、外部に取り出されたレーザビーム
１０９は、集光レンズ１１０を通過することにより集束
ビーム１１２となり、鉄板などの被加工物の切断、穴明
け、溶接などの加工を行う。

【０００８】さて、安定型共振器を用いたレーザ発振器
から発振されるレーザビームの内、加工の際、切断によ
く用いられるものに最低次モード、即ちＴＥＭ００モー
ドのレーザビームがある。

【０００９】このＴＥＭ００のレーザビームの強度分布
は、ガウス分布をなし、レーザビームの光波面の位相分
布は、ほぼ等位相であり、このレーザビームは集光レン
ズなどで集光すると良好な集光性を有する。

【００１０】このようなＴＥＭ００モードのレーザビー
ムを発生させるには、安定型共振器内に設置されたアパ
ーチャ１０６により、レーザビーム径の広がりを制限す
ればよい。

【００１１】一方で、アパーチャの径を大きくすると高
いレーザ出力が得られるが、マルチモードのレーザビー
ムが発生することになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上より、アパーチャ
１０６でモード選択を行った場合には、集光性のよいＴ
ＥＭ００モードのレーザビームを得ようとすると大出力
のレーザビームが得られず、加工時間が増加してしまう
という課題がある。

【００１３】一方で、大出力のレーザビームを得るため
にアパーチャ径を大きくしてマルチモードのレーザビー
ムで加工を行った場合には、レーザビームがマルチモー
ドである故に集光性が悪く、結果として加工時間が増加
するという課題が生じる。

【００１４】本発明は上記のような問題を解決するため
になされたものであり、大出力のレーザビームをよりシ
ャープに集光することができるレーザ加工装置を実現す
ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、マルチモードレーザビームを発振するレー
ザ発振器と、前記マルチモードレーザビームを被加工物
上に集光する集光光学系とを有するレーザ加工装置であ
って、前記集光光学系は前記マルチモードレーザビーム
の光波面の位相を部分的にシフトする位相シフト手段を
有し、前記位相シフト手段は、前記マルチモードレーザ
ビームの位相をシフトしない場合に比較して、前記マル
チモードレーザビームの強度分布のピーク値を増大させ
かつ前記被加工物上の集光直径を減少させるレーザ加工
装置である。

【００１６】このとき、位相シフト手段が、マルチモー
ドレーザビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記
光軸を中心とした円状に形成された光学部材であっても
よいし、マルチモードレーザビームの光軸に対し垂直な
方向に延在する前記光軸を中心とした円環状に形成され
た光学部材であってもよい。

【００１７】又、集光光学系が、マルチモードレーザビ
ームを被加工物上に集光する集光レンズを有し、位相シ
フトする光学部材が、前記集光レンズと一体に形成され
ていることが好適である。

【００１８】又、位相シフト部材の位相シフト量は、９
０度又は１８０度であってもよい。

【００１９】

【作用】上記構成によって、本発明は、マルチモードレ
ーザビームの光波面の位相を部分的に反転または９０度
シフトし、集光面でのレーザビームの強度分布のピーク
値を増大しながら集光径を減少させる。

【００２０】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の第１の実施例について、図
面を参照しながら説明する。

【００２１】図１は、本発明の実施例におけるレーザ加
工装置の概念図である。図１において、１は凹面状の全
反射ミラー、２は全反射ミラー１に対向配置された凹面
状の部分反射ミラー、３は部分反射ミラー２に施された
部分反射膜、４は部分反射ミラー２に施された無反射
膜、５はレーザ媒質で例えばＣＯ₂レーザなどのガスレ
ーザの場合は、放電などで励起されるガス媒質であり、
またＹＡＧなどの固体レーザの場合は、フラッシュラン
プ等により励起される固体媒質であるが、本実施例で
は、ＣＯ₂レーザのレーザ媒質を代表的に用いた。

【００２２】そして、６はレーザビーム径を制御するア
パーチャ、７は周囲を覆う箱体で以上がレーザ発振器を
構成する。

【００２３】ついで、８はミラー１、２より構成される
安定型共振器の内部に発生するＣＯ ₂レーザビーム、９
は部分反射ミラー２より外部へ取り出されるＣＯ₂レー
ザビーム、１０は集光レンズ、１１は集光レンズ１０に
付加されそこに入射するレーザビームの一部の位相を１
８０度シフトさせるシフト部材、１２は集光レンズ１０
と位相シフト部材１１に施された無反射膜であり、集光
レンズ１０、位相シフト部材１１及び無反射膜１２がレ
ーザビームの一部の位相をシフトさせる機能をもった集
光光学系を構成する。

【００２４】そして、１３は集光光学系で集光された集
束ビーム、１４は被加工物である。なお、集光レンズ１
０も材質は、例えば無反射膜を施したＺｎＳｅ等のＣＯ
₂レーザを透過させる材質とすればよく、位相シフト部
材１１の材質は、同様の材質とし、例えば蒸着、ＩＣＢ
（イオンクラスタビーム）コーテイングなどの方法で容
易にかつ安価な方法で製作できるものである。

【００２５】次に動作について説明する。ミラー１、２
は安定型共振器を構成しているから、レーザビーム８
は、ミラー１、２を往復するうちにレーザ媒質５により
増幅されると共に、ＣＯ₂レーザビーム８の一部が、部
分反射ミラー２を介して外部へ取り出される。

【００２６】ここで、アパーチャ６は、共振器内に発生
するＣＯ₂レーザビーム８のモード次数を制御するが、
本実施例においては、大出力レーザビームを得るため
に、そのアパーチャ径は、マルチモードレーザビームを
得るように設定される。そして、そのレーザビームのモ
ード比は、ＴＥＭ００：ＴＥＭ１０：ＴＥＭ０１＝１．
０：１．５：２．５と設定した。

【００２７】そして、外部に取り出されたＣＯ₂レーザ
ビーム９は、集光光学系を通過することにより集束ビー
ム１３となり、被加工物１４の表面に集光され鉄板など
の被加工物の加工、つまり切断、穴明け、溶接などを効
率よく行う。

【００２８】図２（ａ）は、集光光学系上でのＣＯ₂レ
ーザビームの強度分布を示すもので、横軸は光軸からの
距離を示し、縦軸は強度である。

【００２９】ビーム径は、集光光学系上でのスポットサ
イズを１．０に正規化し、集光光学系（集光レンズ１
０）の焦点距離は、正規化された値で９．６２である。

【００３０】また、図２（ｂ）は、集光光レンズ１０及
び位相シフト部材１１をレーザビーム９の光軸方向のレ
ーザ発振器側からみた図を示し、図２（ｃ）は図２
（ｂ）における中心部の断面の構成を示した断面図であ
る。

【００３１】図２（ｂ）、（ｃ）中、斜線部が位相シフ
ト部材１１であり、本実施例では、図２（ｂ）に示され
るように集光レンズ１０の中心部に設置され、円形状
で、その半径は正規化された値で０．３８とした。

【００３２】また、図２（ｃ）において示されるよう
に、集光レンズ１０と位相シフト部材１１の前側面（レ
ーザ発振器側面）の曲率は等しく設定された球状とし、
位相シフト部材１１の厚さｄは、レーザビームの位相を
１８０度シフトさせるように以下の（数１）で与えられ
る。

【００３３】

【数１】

【００３４】また、図２（ｄ）は、集束ビーム１３の集
光光学系を通過直後の位相分布を示すもので、縦軸は位
相を示し、横軸は集光光学系通過直後の波面の曲率にそ
った距離である。

【００３５】図２（ｄ）において、レーザビーム９の
内、位相シフト部材１１を通過した部分の位相は１８０
度シフトされている。

【００３６】以上のような光学系を用いてレーザビーム
９を集光した場合、強度分布は図３のようになる。

【００３７】具体的には、図３は、本実施例の集光レン
ズ１０及び位相シフト部材１１を用いた場合と、比較の
ための集光レンズ１０と焦点距離が同じで位相シフト部
材がない場合のＣＯ₂レーザビーム９の集光面での強度
分布である。

【００３８】図３において、横軸は光軸位置からの距
離、縦軸は強度を示し、横軸のスケールは、集光レンズ
１０と焦点距離が同じで位相シフト機能がない光学系で
集光した像面強度分布のスポットサイズを１に規格化し
てある。

【００３９】そして、本実施例における強度分布を実線
ａとし、集光光学系１０と同じ焦点距離で位相シフト部
材を有さない光学系を用いた場合の強度分布を点線ｂで
示してあり、実線ａ、点線ｂの強度分布曲線の中に含ま
れるエネルギーは等しい。

【００４０】ここで、被加工物１４の加工の閾値（Ｔｈ
ｒｅｓｈｏｌｄ）は、材質によって異なるので、ここで
は強度が点線ｂの強度分布のピーク値の０．１３５倍に
なるところを被加工物１４の加工の閾値と設定して、実
線ｃで表した。

【００４１】つまり、図３において、実線ｃより内側の
強度分布の幅が、実際の加工の際の集光直径に相当する
ことになる。

【００４２】なお、本実施例では、この集光直径はスポ
ットサイズに一致するとした。図３を参照すると理解で
きるように、位相シフト機能を搭載した集光光学系を用
い集光した方が、加工の際の集光直径が約２２％小さく
なる。更に、強度分布のピーク値が高いのでエネルギー
密度も大きい。

【００４３】よって、穴明け切断などの加工において、
この位相シフト機能をもつ光学系を用いるとことによ
り、通常の集光光学系に比べて加工速度が大幅に早くな
り、加工特性自体も向上することになる。

【００４４】以上のように、本実施例によれば、レーザ
加工装置にＣＯ₂レーザビーム９の位相を部分的に１８
０度シフトさせて集光する光学系を用いることにより、
マルチモードレーザビームを用いた加工の際において、
集光径を小さくかつ高エネルギー密度とすることがで
き、その結果加工速度が早くなり、加工特性も向上する
ことがわかる。

【００４５】なお、本実施例では、レーザビームは、モ
ード含有率ＴＥＭ００：ＴＥＭ１０：ＴＥＭ０１＝１．
０：１．５：２．５のマルチモードレーザビームを用い
たが、異なるモード含有率のレーザビームに対しても同
様の構成で、同等の効果があることはもちろんであり、
用いるマルチモードのレーザビームのモードと被加工物
の種類や、必要な加工の種類に応じて、位相シフト機能
を対応して設定すればよい。

【００４６】そして、本実施例中においては、レーザビ
ームとしてＣＯ₂レーザビームを用いて、代表的に説明
したが、加工の用途などに応じ、ＹＡＧレーザ、ルビー
レーザ等のその他のレーザを用いることも可能である。

【００４７】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００４８】図４は、本発明の第２の実施例におけるレ
ーザ加工装置の概念図である。図４において、２１は凹
面状の全反射ミラー、２２は全反射ミラー２１に対向配
置された凹面状の部分反射ミラー、２３は部分反射ミラ
ー２２に施された部分反射膜、２４は部分反射ミラー２
２に施された無反射膜、２５は代表的に示したＣＯ₂レ
ーザ媒質、２６はレーザビーム径を制御するアパーチ
ャ、２７は周囲を覆う箱体で以上がレーザ発振器を構成
する。

【００４９】ついで、２８はミラー１、２より構成され
る安定型共振器の内部に発生するＣＯ₂レーザビーム、
２９は部分反射ミラー２より外部へ取り出されるＣＯ₂
レーザビーム、３０は集光レンズ、３１は集光レンズ１
０に付加されそこに入射するレーザビームの一部の位相
を１８０度シフトさせるシフト部材、３２は集光レンズ
１０と位相シフト部材１１に施された無反射膜であり、
集光レンズ３０、位相シフト部材３１及び無反射膜３２
がレーザビームの一部の位相をシフトさせる機能をもっ
た集光光学系を構成する。

【００５０】そして、３３は集光光学系で集光された集
束ビーム、３４は被加工物である。なお、集光レンズ３
０も材質は、例えば無反射膜を施したＺｎＳｅ等のＣＯ
₂レーザを透過させる材質とすればよく、位相シフト部
材３１の材質は、同様の材質とし、例えば蒸着などの方
法で容易にかつ安価な方法で製作できるものである。

【００５１】以上の構成において、本実施例が第１の実
施例と異なるのは、位相シフト部材３１が集光レンズ３
０の中央部ではなく周縁部に設けられている点であり、
用いたレーザビームはマルチモードレーザビームであ
り、レーザビームのモード比は、ＴＥＭ００：ＴＥＭ１
０：ＴＥＭ０１＝１．０：１．５：２．５と設定した。

【００５２】図５（ａ）は、本実施例における集光光学
系上でのＣＯ₂レーザビームの強度分布を示すもので、
横軸は光軸からの距離を示し、縦軸は強度である。

【００５３】ビーム径は、集光光学系上でのスポットサ
イズを１．０に正規化し、集光光学系（集光レンズ３
０）の焦点距離は、正規化された値で９．６２である。

【００５４】また、図５（ｂ）は、集光レンズ３０及び
位相シフト部材３１をレーザビーム２９の光軸方向のレ
ーザ発振器側からみた図を示し、図５（ｃ）は図５
（ｂ）における中心部の断面の構成を示した断面図であ
る。

【００５５】図５（ｂ）、（ｃ）中、斜線部が位相シフ
ト部材３１であり、本実施例では、図５（ｂ）に示され
るように集光レンズ３０の周縁部に設けられた円環状
で、その半径は正規化された値で光軸より０．３８より
外側に設置されている。

【００５６】また、図５（ｃ）において示されるよう
に、集光レンズ３０と位相シフト部材３１の前側面（レ
ーザ発振器側面）の曲率は等しく設定された球状とし、
位相シフト部材３１の厚さｄは、レーザビームの位相を
１８０度シフトさせるように、前述の（数１）で与えら
れる。

【００５７】また、図５（ｄ）は、集束ビーム３３の集
光光学系を通過直後の位相分布を示すもので、縦軸は位
相を示し、横軸は集光光学系通過直後の波面の曲率にそ
った距離である。

【００５８】図５（ｄ）において、レーザビーム２９の
内、位相シフト部材３１を通過した部分の位相は１８０
度シフトされている。

【００５９】以上のような集光光学系を用いてレーザビ
ーム２９を集光した場合、強度分布は図６のようにな
る。

【００６０】図６は、本実施例の集光光学系を用いた場
合と、比較のため集光光学系と焦点距離が同じで１８０
度位相シフト機能がないもの、つまり通常の集光光学系
を用いた場合のレーザビーム２９の集光面での強度分布
であり、横軸は距離で中心が光軸位置を示し、縦軸は強
度である。

【００６１】ここで、横軸のスケールは、焦点距離が同
じだが位相シフト機能がない集光光学系で集光した像面
強度分布のスポットサイズを１に規格化してある。

【００６２】図６において、位相シフト機能を有する集
光光学系を用いた場合を実線ａ、この集光光学系と同じ
焦点距離で位相シフト機能のない通常の集光光学系を用
いた場合の強度分布を点線ｂで示し、実線ａ、点線ｂの
強度分布の中に含まれるエネルギーは等しい。

【００６３】また、被加工物３４の加工の閾値（Ｔｈｒ
ｅｓｈｏｌｄ）は、材質によって異なるので、ここでは
強度が実線ｂの強度分布のピーク値の０．１３５倍にな
るところを被加工物３の加工の閾値とし、実線cで表し
た。

【００６４】つまり、この実線ｃより内側の強度分布の
幅が、加工の際の集光直径となるが、本実施例では集光
直径はスポットサイズに一致するとした。

【００６５】図６から明らかなように、位相シフト機能
を搭載した集光光学系を用い集光した方が、加工の際の
集光直径が約２２％小さくなる。

【００６６】更に、強度分布のピーク値が高いのでエネ
ルギー密度も大きい。よって、穴明け切断などの加工に
おいて、この位相シフト機能をもつ集光光学系を用いる
と通常の集光光学系を用いた場合に比べ、加工速度が大
幅に早くなり、加工特性も向上することになる。

【００６７】以上のように本実施例によれば、レーザ加
工装置にレーザビーム２９の位相を部分的に１８０度シ
フトさせ、集光する集光光学系を用いることによりマル
チモードレーザビームの加工の際の集光径を小さく、エ
ネルギー密度を高くすることができ、その結果加工速度
が早くなり、加工特性も向上することがわかる。

【００６８】なお、本実施例でも、他のモード含有率の
マルチモードレーザビームに対しても同等の効果がある
ことはもちろんである。

【００６９】そして、本実施例においても、ＣＯ₂レー
ザビーム以外のレーザを用いても、マルチモードレーザ
ビームであれば、同様の効果が得られるものである。

【００７０】（実施例３）以下、本発明の第三の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００７１】図７において、４１は凹面状の全反射ミラ
ー、４２は全反射ミラー４１に対向配置された凹面状の
部分反射ミラー、４３は部分反射ミラー４２に施された
部分反射膜、４４は部分反射ミラー４２に施された無反
射膜、４５は代表的に示したＣＯ₂レーザ媒質、４６は
レーザビーム径を制御するアパーチャ、４７は周囲を覆
う箱体で以上がレーザ発振器を構成する。

【００７２】ついで、４８はミラー４１、４２より構成
される安定型共振器の内部に発生するＣＯ₂レーザビー
ム、４９は部分反射ミラー４２より外部へ取り出される
ＣＯ₂レーザビーム、５０は集光レンズ、５１は集光レ
ンズ５０に付加されそこに入射するレーザビームの一部
の位相を９０度シフトさせるシフト部材、１２は集光レ
ンズ５０と位相シフト部材５１に施された無反射膜であ
り、集光レンズ５０、位相シフト部材５１及び無反射膜
５２がレーザビームの一部の位相をシフトさせる機能を
もった集光光学系を構成する。

【００７３】そして、５３は集光光学系で集光された集
束ビーム、５４は被加工物である。なお、集光レンズ５
０も材質は、例えば無反射膜を施したＺｎＳｅ等のＣＯ
₂レーザを透過させる材質とすればよく、位相シフト部
材５１の材質は、同様の材質とし、例えば蒸着、ＩＣＢ
コーテイングなどの方法で容易にかつ安価な方法で製作
できるものである。

【００７４】以上の構成において、本実施例が第１の実
施例と異なるのは、位相シフト部材５１が１８０度では
なく９０度位相シフトする点であり、用いたレーザビー
ムはマルチモードレーザビームであり、レーザビームの
モード比は、同様にＴＥＭ００：ＴＥＭ１０：ＴＥＭ０
１＝１．０：１．５：２．５と設定した。

【００７５】図８（ａ）は、集光光学系上でのＣＯ₂レ
ーザビームの強度分布を示すもので、横軸は光軸からの
距離を示し、縦軸は強度である。

【００７６】ビーム径は、集光光学系上でのスポットサ
イズを１．０に正規化し、集光光学系（集光レンズ５
０）の焦点距離は、正規化された値で９．６２である。

【００７７】また、図８（ｂ）は、集光光レンズ５０及
び位相シフト部材５１をレーザビーム４９の光軸方向の
レーザ発振器側からみた図を示し、図１０（ｃ）は図１
０（ｂ）における中心部の断面の構成を示した断面図で
ある。

【００７８】図８（ｂ）、（ｃ）中、斜線部が位相シフ
ト部材５１であり、本実施例では、図８（ｂ）に示され
るように集光レンズ５０の中心部に設置され、円形状
で、その半径は正規化された値で０．５３とした。

【００７９】また、図８（ｃ）において示されるよう
に、集光レンズ５０と位相シフト部材５１の前側面（レ
ーザ発振器側面）の曲率は等しく設定された球状とし、
位相シフト部材１１の厚さｄは、レーザビームの位相を
９０度シフトさせるように以下の（数２）で与えられ
る。

【００８０】

【数２】

【００８１】また、図８（ｄ）は、集束ビーム５３の集
光光学系を通過直後の位相分布を示すもので、縦軸は位
相を示し、横軸は集光光学系通過直後の波面の曲率にそ
った距離である。

【００８２】図８（ｄ）において、レーザビーム４９の
内、位相シフト部材５１を通過した部分の位相は９０度
シフトしている。

【００８３】以上のような光学系を用いてレーザビーム
４９を集光した場合、強度分布は図９のようになる。

【００８４】具体的には、図９は、本実施例の集光レン
ズ５０及び位相シフト部材５１を用いた場合と、比較の
ための集光レンズ５０と焦点距離が同じで位相シフト部
材がない場合のＣＯ₂レーザビーム４９の集光面での強
度分布である。

【００８５】図９において、横軸は光軸位置からの距
離、縦軸は強度を示し、横軸のスケールは、集光レンズ
５０と焦点距離が同じで位相シフト機能がない光学系で
集光した像面強度分布のスポットサイズを１に規格化し
てある。

【００８６】そして、本実施例における強度分布を実線
ａとし、位相シフト部材を有する集光光学系と同じ焦点
距離で位相シフト部材を有さない光学系を用いた場合の
強度分布を点線ｂで示してあり、実線ａ、点線ｂの強度
分布曲線の中に含まれるエネルギーは等しい。

【００８７】ここで、被加工物５４の加工の閾値（Ｔｈ
ｒｅｓｈｏｌｄ）は、材質によって異なるので、ここで
は強度が点線ｂの強度分布のピーク値の０．１３５倍に
なるところを被加工物５４の加工の閾値と設定して、実
線ｃで表した。

【００８８】つまり、図９において、実線ｃより内側の
強度分布の幅が、実際の加工の際の集光直径に相当する
ことになる。

【００８９】なお、本実施例では、集光直径はスポット
サイズに一致するとした。図９を参照すると理解できる
ように、位相シフト機能を搭載した集光光学系を用い集
光した方が、加工の際の集光直径が約２２％小さくな
る。更に、強度分布のピーク値が高いのでエネルギー密
度も大きい。

【００９０】よって、穴明け切断などの加工において、
この位相シフト機能をもつ光学系を用いるとことによ
り、通常の集光光学系に比べて加工速度が大幅に早くな
り、加工特性自体も向上することになる。

【００９１】以上のように、本実施例によれば、レーザ
加工装置にＣＯ₂レーザビーム４９の位相を部分的に９
０度シフトさせて集光する光学系を用いることにより、
マルチモードレーザビームを用いた加工の際において、
集光径を小さくかつ高エネルギー密度とすることがで
き、その結果加工速度が早くなり、加工特性も向上する
ことがわかる。

【００９２】なお、本実施例においても、異なるモード
含有率のレーザビームに対しても同等の効果があること
はもちろんである。

【００９３】そして、本実施例においても、ＣＯ₂レー
ザビーム以外のその他のレーザを用いて同様の効果が得
られるものである。

【００９４】（実施例４）以下、本発明の第４の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００９５】図１０は、本発明の第４の実施例における
レーザ加工装置の概念図である。図１０において、６１
は凹面状の全反射ミラー、６２は全反射ミラー６１に対
向配置された凹面状の部分反射ミラー、６３は部分反射
ミラー６２に施された部分反射膜、６４は部分反射ミラ
ー６２に施された無反射膜、６５は代表的に示したＣＯ
₂レーザ媒質、６６はレーザビーム径を制御するアパー
チャ、６７は周囲を覆う箱体で以上がレーザ発振器を構
成する。

【００９６】ついで、６８はミラー６１、６２より構成
される安定型共振器の内部に発生するＣＯ₂レーザビー
ム、６９は部分反射ミラー６２より外部へ取り出される
ＣＯ₂レーザビーム、７０は集光レンズ、７１は集光レ
ンズ７０に付加されそこに入射するレーザビームの一部
の位相を９０度シフトさせるシフト部材、７２は集光レ
ンズ７０と位相シフト部材７１に施された無反射膜であ
り、集光レンズ７０、位相シフト部材７１及び無反射膜
７２がレーザビームの一部の位相をシフトさせる機能を
もった集光光学系を構成する。

【００９７】そして、７３は集光光学系で集光された集
束ビーム、７４は被加工物である。なお、集光レンズ７
０も材質は、例えば無反射膜を施したＺｎＳｅ等のＣＯ
₂レーザを透過させる材質とすればよく、位相シフト部
材７１の材質は、同様の材質とし、例えば蒸着、ＩＣＢ
コーテイングなどの方法で容易にかつ安価な方法で製作
できるものである。

【００９８】以上の構成において、本実施例が第１の実
施例と異なるのは、位相シフト部材７１の位相シフト量
が９０度である点と、集光レンズ７０の中央部ではなく
周縁部に設けられている点である。

【００９９】そして、用いたレーザビームはマルチモー
ドレーザビームであり、レーザビームのモード比は、Ｔ
ＥＭ００：ＴＥＭ１０：ＴＥＭ０１＝１．０：１．５：
２．５である。

【０１００】図１１（ａ）は、本実施例における集光光
学系上でのＣＯ₂レーザビームの強度分布を示すもの
で、横軸は光軸からの距離を示し、縦軸は強度である。

【０１０１】ビーム径は、集光光学系上でのスポットサ
イズを１．０に正規化し、集光光学系（集光レンズ７
０）の焦点距離は、正規化された値で９．６２である。

【０１０２】また、図１１（ｂ）は、集光光レンズ７０
及び位相シフト部材７１をレーザビーム９の光軸方向の
レーザ発振器側からみた図を示し、図１１（ｃ）は図１
１（ｂ）における中心部の断面の構成を示した断面図で
ある。

【０１０３】図１１（ｂ）、（ｃ）中、斜線部が位相シ
フト部材７１であり、本実施例では、図１１（ｂ）に示
されるように集光レンズ７０の周縁部に設けられた円環
状で、その半径は正規化された値で光軸より０．３８よ
り外側に設置されている。

【０１０４】また、図１１（ｃ）において示されるよう
に、集光レンズ７０と位相シフト部材７１の前側面（レ
ーザ発振器側面）の曲率は等しく設定された球状とし、
位相シフト部材７１の厚さｄは、レーザビームの位相を
９０度シフトさせるように、前述の（数２）で与えられ
る。

【０１０５】また、図１１（ｄ）は、集束ビーム７３の
集光光学系を通過直後の位相分布を示すもので、縦軸は
位相を示し、横軸は集光光学系通過直後の波面の曲率に
そった距離である。

【０１０６】図１１（ｄ）において、レーザビーム６９
の内、位相シフト部材７１を通過した部分の位相は９０
度シフトしている。

【０１０７】以上のような集光光学系を用いてレーザビ
ーム６９を集光した場合、強度分布は図１２のようにな
る。

【０１０８】図１２は、本実施例の集光光学系を用いた
場合と、比較のため集光光学系と焦点距離が同じで９０
度位相シフト機能がないもの、つまり通常の集光光学系
を用いた場合のレーザビーム６９の集光面での強度分布
であり、横軸は距離で中心が光軸位置を示し、縦軸は強
度である。

【０１０９】ここで、横軸のスケールは、焦点距離が同
じだが位相シフト機能がない集光光学系で集光した像面
強度分布のスポットサイズを１に規格化してある。

【０１１０】図１２において、位相シフト機能を有する
集光光学系を用いた場合を実線ａ、この集光光学系と同
じ焦点距離で位相シフト機能のない通常の集光光学系を
用いた場合の強度分布を点線ｂで示し、実線ａ、点線ｂ
の強度分布の中に含まれるエネルギーは等しい。

【０１１１】また、被加工物７４の加工の閾値（Ｔｈｒ
ｅｓｈｏｌｄ）は、材質によって異なるので、ここでは
強度が実線ｂの強度分布のピーク値の０．１３５倍にな
るところを被加工物７４の加工の閾値とし、実線cで表
した。

【０１１２】つまり、この実線ｃより内側の強度分布の
幅が、加工の際の集光直径となるが、本実施例では集光
直径はスポットサイズに一致するとした。

【０１１３】図１２から明らかなように、位相シフト機
能を搭載した集光光学系を用い集光した方が、加工の際
の集光直径が約２２％小さくなる。

【０１１４】更に、強度分布のピーク値が高いのでエネ
ルギー密度も大きい。よって、穴明け切断などの加工に
おいて、この位相シフト機能をもつ集光光学系を用いる
と通常の集光光学系を用いた場合に比べ、加工速度が大
幅に早くなり、加工特性も向上することになる。

【０１１５】以上のように本実施例によれば、レーザ加
工装置にレーザビーム６９の位相を部分的に９０度シフ
トさせ、集光する集光光学系を用いることによりマルチ
モードレーザビームの加工の際の集光径を小さく、エネ
ルギー密度を高くすることができ、その結果加工速度が
早くなり、加工特性も向上することがわかる。

【０１１６】なお、本実施例においても、異なるモード
含有率のレーザビームに対しても同等の効果があること
はもちろんである。

【０１１７】そして、本実施例においても、ＣＯ₂レー
ザビーム以外のその他のレーザを用いて同様の効果が得
られるものである。

【０１１８】更に、以上の実施例において、位相シフト
量を１８０度又は９０度と代表的に設定したが、被加工
物上に集光されるレーザビームの強度分布のピーク値を
増大しながら集光直径は減少させる機能を有することが
できれば、位相シフト量はこれらの値に限られないこと
はいうまでもない。

【０１１９】

【発明の効果】以上のように、本発明は、マルチモード
レーザビームを用い、そのマルチモードレーザビームの
光波面の位相を部分的に例えば反転または９０度シフト
し、集光面でのレーザビームの強度分布を変換すること
により、加工強度を増大しながらシャープに集光するこ
とができる。

【０１２０】よって、きわめて簡便な構成により、従来
より加工速度を向上することができ、あわせて、より微
細な加工を高品質に行うことができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるレーザ加工装置
の構成を示す概念図

【図２】（ａ）同第１の実施例におけるマルチモードレ
ーザビームの集光光学系入射直前での強度分布を示す図 （ｂ）同第１の実施例における集光光学系の光軸方向で
レーザ発振器側から見た構成図 （ｃ）同第１の実施例における集光光学系の断面図 （ｄ）同第１の実施例におけるマルチモードレーザビー
ムの集光光学系の出射直後の波面上における位相を示す
図

【図３】同第１の実施例におけるマルチモードレーザビ
ームの集光面上での強度分布と、位相シフト機能がない
通常の集光光学系の同様な強度分布とを比較した比較図

【図４】同第２の実施例におけるレーザ加工装置の構成
を示す概念図

【図５】（ａ）同第２の実施例におけるマルチモードレ
ーザビームの集光光学系入射直前での強度分布を示す図 （ｂ）同第２の実施例における集光光学系の光軸方向で
レーザ発振器側から見た構成図 （ｃ）同第２の実施例における集光光学系の断面図 （ｄ）同第２の実施例におけるマルチモードレーザビー
ムの集光光学系の出射直後の波面上における位相を示す
図

【図６】同第２の実施例におけるマルチモードレーザビ
ームの集光面上での強度分布と、位相シフト機能がない
通常の集光光学系の同様な強度分布とを比較した比較図

【図７】同第３の実施例におけるレーザ加工装置の構成
を示す概念図

【図８】（ａ）同第３の実施例におけるマルチモードレ
ーザビームの集光光学系入射直前での強度分布を示す図 （ｂ）同第３の実施例における集光光学系の光軸方向で
レーザ発振器側から見た構成図 （ｃ）同第３の実施例における集光光学系の断面図 （ｄ）同第３の実施例におけるマルチモードレーザビー
ムの集光光学系の出射直後の波面上における位相を示す
図

【図９】同第３の実施例におけるマルチモードレーザビ
ームの集光面上での強度分布と、位相シフト機能がない
通常の集光光学系の同様な強度分布とを比較した比較図

【図１０】同第４の実施例におけるレーザ加工装置の構
成を示す概念図

【図１１】（ａ）同第４の実施例におけるマルチモード
レーザビームの集光光学系入射直前での強度分布を示す
図 （ｂ）同第４の実施例における集光光学系の光軸方向で
レーザ発振器側から見た構成図 （ｃ）同第４の実施例における集光光学系の断面図 （ｄ）同第４の実施例におけるマルチモードレーザビー
ムの集光光学系の出射直後の波面上における位相を示す
図

【図１２】同第４の実施例におけるマルチモードレーザ
ビームの集光面上での強度分布と、位相シフト機能がな
い通常の集光光学系の同様な強度分布とを比較した比較
図

【図１３】従来のレーザ加工装置の構成を示す概念図

【符号の説明】

１ 全反射ミラー ２ 部分反射ミラー ３ 部分反射膜 ４ 無反射膜 ５ レーザ媒質 ６ アパーチャ ７ 箱体 ８ ＣＯ₂レーザビーム ９ ＣＯ₂レーザビーム １０ 集光レンズ １１ 位相シフト部材 １２ 無反射膜 １３ 集束ビーム １４ 被加工物 ２１ 全反射ミラー ２２ 部分反射ミラー ２３ 部分反射膜 ２４ 無反射膜 ２５ レーザ媒質 ２６ アパーチャ ２７ 箱体 ２８ ＣＯ₂レーザビーム ２９ ＣＯ₂レーザビーム ３０ 集光レンズ ３１ 位相シフト部材 ３２ 無反射膜 ３３ 集束ビーム ３４ 被加工物 ４１ 全反射ミラー ４２ 部分反射ミラー ４３ 部分反射膜 ４４ 無反射膜 ４５ レーザ媒質 ４６ アパーチャ ４７ 箱体 ４８ ＣＯ₂レーザビーム ４９ ＣＯ₂レーザビーム ５０ 集光レンズ ５１ 位相シフト部材 ５２ 無反射膜 ５３ 集束ビーム ５４ 被加工物 ６１ 全反射ミラー ６２ 部分反射ミラー ６３ 部分反射膜 ６４ 無反射膜 ６５ レーザ媒質 ６６ アパーチャ ６７ 箱体 ６８ ＣＯ₂レーザビーム ６９ ＣＯ₂レーザビーム ７０ 集光レンズ ７１ 位相シフト部材 ７２ 無反射膜 ７３ 集束ビーム ７４ 被加工物 １０１ 全反射ミラー １０２ 部分反射ミラー １０３ 部分反射膜 １０４ 無反射膜 １０５ レーザ媒質 １０６ アパーチャ １０７ 箱体 １０８ ＣＯ₂レーザビーム １０９ ＣＯ₂レーザビーム １１０ 集光レンズ １１１ 無反射膜 １１２ 集束ビーム １１３ 被加工物

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マルチモードレーザビームを発振するレ
   ーザ発振器と、前記マルチモードレーザビームを被加工
   物上に集光する集光光学系とを有するレーザ加工装置で
   あって、前記集光光学系は前記マルチモードレーザビー
   ムの光波面の位相を部分的にシフトする位相シフト手段
   を有し、前記位相シフト手段は、前記マルチモードレー
   ザビームの位相をシフトしない場合に比較して、前記マ
   ルチモードレーザビームの強度分布のピーク値を増大さ
   せかつ前記被加工物上の集光直径を減少させるように前
   記マルチモードレーザビームの位相を部分的にシフトす
   るレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 位相シフト手段が、マルチモードレーザ
   ビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中
   心とした円状に形成された光学部材である請求項１記載
   のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 位相シフト手段が、マルチモードレーザ
   ビームの光軸に対し垂直な方向に延在する前記光軸を中
   心とした円環状に形成された光学部材である請求項１記
   載のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】 集光光学系が、マルチモードレーザビー
   ムを被加工物上に集光する集光レンズを有し、位相シフ
   トする光学部材が、前記集光レンズと一体に形成されて
   いる請求項２又は３記載のレーザ加工装置。
5. 【請求項５】 位相シフトする光学部材が、マルチモー
   ドレーザビームの位相を９０度又は１８０度シフトする
   請求項４記載のレーザ加工装置。