JPH10118781A

JPH10118781A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH10118781A
Application number: JP9210259A
Authority: JP
Inventors: Hiromoto Ichihashi; 宏基市橋; Hiroshi Yamashita; 博山下
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1997-08-05
Publication date: 1998-05-12
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JP3458668B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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、大出力であって、被加工物面上でレー
ザビームの集光直径が減少するよう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。【解決手段】被加工物１４上に集光光学系（１０から
１２）を介してレーザビーム９を集光して被加工物１４
を加工するレーザ加工装置であって、位相シフト手段１
１を用いて、加工に用いるレーザビーム９の光波面の位
相を光軸回りの偏角に対応して変化させるレーザ加工装
置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置に
関し、特にマルチモードレーザビームまたはＴＥＭ００
モード等の単一レーザビームを用いて穴加工、切断等を
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１７は、従来のレーザ加工装置の概念図
である。図１７において、８１は凹面状の全反射ミラ
ー、８２は全反射ミラー８１に対向配置された凹面状の
部分反射ミラー、８３は部分反射ミラー８２に施された
部分反射膜、８４は部分反射ミラー８２に施された無反
射膜、８５はレーザ媒質であり、例えば炭酸ガスレーザ
等のガスレーザの場合は、放電等で励起されるガス媒質
であり、ＹＡＧ等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、８６はレーザビーム径を制御するア
パーチャ、８７は周囲を覆う箱体、８８はミラー８１、
８２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、８９は部分反射ミラー８２より外部へ取り出
されたレーザビーム、９０は集光レンズ、９１は集光レ
ンズ９０に施された無反射膜、９２は集光光学系９０よ
り集光された集束ビーム、９３は被加工物である。

【０００５】以上の構成において、次に動作について説
明する。まず、ミラー８１、８２は、安定型共振器を構
成しているから、発生したレーザビーム８８は、アパー
チャ８６を通過しつつミラー８１、８２を往復するうち
にレーザ媒質８５により増幅されると共に、レーザビー
ム８８の一部が、部分反射膜８３及び無反射膜８４の施
されたミラー８２を介して外部へ取り出される。

【０００６】ここで、アパーチャ８６は、共振器内に発
生するレーザビーム８８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８９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
８９は、集光レンズ９０を通過することにより集束ビー
ム９２となり、鉄板等の被加工物の切断、穴明け、溶接
等の加工を行う。

【０００８】さて、安定型共振器を用いたレーザ発振機
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モードのレーザビームの波
面上の強度分布は、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
ームは集光レンズ等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８６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８６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
８６でモード選択を行った場合には、集光性のよいＴＥ
Ｍ００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
ドであるが故に集光性が悪く、結果として加工時間が増
加するという課題が生じる。

【００１４】従って、レーザビームの出力の大きさ自体
は確保しながら、多様なモードを有するレーザビームの
集光性を向上し得るレーザ加工装置の実現が大いに望ま
れている。

【００１５】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、大出力のレーザビームとしな
がら、被加工物面上でレーザビームの集光直径が減少す
るよう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。

【００１６】

【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、被加工物上に集光光学系を介してレーザビ
ームを集光して被加工物を加工するレーザ加工装置であ
って、位相シフト手段を用いて、加工に用いるレーザビ
ームの光波面の位相を光軸回りの偏角に対応して変化さ
せるレーザ加工装置である。

【００１７】このように構成することにより、大出力の
レーザビームとしながら、被加工物面上でレーザビーム
の集光直径が減少するように集光することができるレー
ザ加工装置を実現する。

【００１８】

【発明の実施の形態】請求項１記載の本発明は、レーザ
ビームを発振するレーザ発振機と、前記レーザビームを
被加工物上に集光する集光光学系と、前記レーザビーム
の光波面の位相をシフトする位相シフト手段とを有し、
前記位相シフト手段が、前記集光光学系の光軸に垂直な
面における極座標系に対し、前記光軸回りの偏角に対応
して位相をシフトするレーザ加工装置である。

【００１９】このような構成により、レーザビームの位
相をシフトをさせ、多様なモードのレーザビームの被加
工物上の集光直径を減少させ、かつ強度分布ピーク値を
増大させ得る。

【００２０】例えば、レーザビームは、マルチモードの
レーザビームであっても適用可能であり、ＴＥＭ００モ
ード、ＴＥＭ１０モード、ＴＥＭ０１モードまたはＴＥ
Ｍ１１モードに対しても適用可能とする。

【００２１】ここで、請求項２記載のように、位相シフ
ト手段は、偏角に対応して連続的に位相をシフトする位
相シフト部材であってもよい。

【００２２】より具体的には、請求項３記載のように、
集光光学系は、集光レンズと、前記集光レンズと光軸を
一致させて一体に設けられた位相シフト部材とを有し、
前記位相シフト部材は、光軸方向の厚さが偏角の増加に
対応して連続的に増加する構成であってもよく、請求項
４記載のように、位相シフト部材は、光軸方向の厚さ
が、偏角の増加に比例して連続的に増加する構成であっ
てもよい。

【００２３】このような構成により、マルチモードのレ
ーザビームであっても適用可能であり、特にＴＥＭ０１
モードまたはＴＥＭ１１モードに対しても適用可能とす
る。

【００２４】または、請求項５記載のように、位相シフ
ト手段は、偏角に対応して断続的に位相をシフトする位
相シフト部材であってもよい。

【００２５】より具体的には、請求項６記載のように、
集光光学系は、集光レンズと、前記集光レンズと光軸を
一致させてさせて一体に設けられた位相シフト部材とを
有し、前記位相シフト部材は、光軸方向の厚さが偏角の
増加に対応して断続的に増加する構成であってもよく、
請求項７記載のように、位相シフト部材は、偏角につい
て均等に分割された複数の領域を有し、前記領域の光軸
方向の厚さが、偏角の増加に対応して断続的に等しく増
加する構成であってもよい。

【００２６】このような構成によっても、マルチモード
のレーザビームであっても適用可能であり、特にＴＥＭ
０１モードまたはＴＥＭ１１モードに対しても適用可能
とする。

【００２７】一方、請求項８記載のように、位相シフト
手段は、光軸中に２つ配置される構成を有していてもよ
い。

【００２８】このような構成によっても、マルチモード
のレーザビームであっても適用可能であり、特にＴＥＭ
００モードまたはＴＥＭ１０モードに対しても適用可能
とする。

【００２９】そして、請求項９記載のように、位相シフ
ト手段の一方は、偏角に対応して位相シフト量を増加さ
せ、他方は偏角に対応して位相シフト量を減少させる構
成が好適である。

【００３０】ここで、請求項１０記載のように、位相シ
フト手段の双方は、偏角に対応して連続的に位相をシフ
トする位相シフト部材であってもよい。

【００３１】より具体的には、請求項１１記載のよう
に、位相シフト部材の一方は、集光光学系の集光レンズ
と光軸を一致させて一体に設けられており、光軸方向の
厚さが偏角の増加に対応して連続的に増加するものであ
り、他方の位相シフト部材は、レーザ発振機の共振器の
出力鏡と光軸を一致させて一体に設けられており、光軸
方向の厚さが偏角の増加に対応して連続的に減少する構
成であってもよく、請求項１２記載のように、位相シフ
ト部材の一方は、光軸方向の厚さが偏角の増加に比例し
て連続的に増加し、他方は、光軸方向の厚さが偏角の増
加に比例して連続的に減少する構成であってもよい。

【００３２】または、請求項１３記載のように、位相シ
フト手段の双方は、偏角に対応して断続的に位相をシフ
トする位相シフト部材であってもよい。

【００３３】より具体的には、請求項１４記載のよう
に、位相シフト部材の一方は、集光光学系の集光レンズ
と光軸を一致させて一体に設けられており、光軸方向の
厚さが偏角の増加に対応して断続的に増加するものであ
り、他方の位相シフト部材は、レーザ発振機の共振器の
出力鏡と光軸を一致させて一体に設けられており、光軸
方向の厚さが偏角の増加に対応して断続的に減少する構
成であってもよく、請求項１５記載のように、光軸中に
２つ配置される位相シフト部材の一方は、偏角について
均等に分割された複数の領域を有し、前記領域の光軸方
向の厚さが、偏角の増加に対応して断続的に等しく増加
し、他方は、偏角について均等に分割された複数の領域
を有し、前記領域の光軸方向の厚さが、偏角の増加に対
応して断続的に等しく減少する構成であってもよい。

【００３４】また、位相シフト部材を一つ設けた構成で
は、請求項１６記載のように、位相シフト部材と集光レ
ンズとが同一の光学材料を用いて形成されている構成で
あってもよく、さらに、位相シフト部材を二つ設けた構
成では、請求項１７記載のように、位相シフト部材と集
光レンズ、及び／または位相シフト部材とレーザ発振機
の共振器の出力鏡は同一の光学材料を用いて形成されて
いる構成であってもよい。

【００３５】以上において、請求項１８記載のように、
レーザビームが、マルチモードレーザビームであっても
よいし、請求項１９記載のように、レーザビームが、Ｔ
ＥＭ００モード、ＴＥＭ１０モード、ＴＥＭ０１モード
またはＴＥＭ１１モードの単一モードレーザビームであ
ってもよい。

【００３６】以下、本発明の各実施の形態を用い、図面
を参照しながら、より詳細に説明する。

【００３７】（実施の形態１）以下、本発明の第１の実
施の形態について、図面を参照しながら説明する。

【００３８】図１は、本実施の形態におけるレーザ加工
装置の断面を示す概念図である。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、炭酸ガス（ＣＯ
₂）レーザ等のガスレーザの場合は、放電等で励起され
るガス媒質であり、またＹＡＧ等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、本実施の形態では、ＣＯ₂レーザのレーザ媒質を
代表的に用いた。

【００３９】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機を
構成する。

【００４０】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た好適にはマ
ルチモードのＣＯ₂レーザビーム、１０は集光レンズ、
１０ａは集光レンズ前面、１０ｂは集光レンズ後面、１
１は集光レンズ前面１０ａに付加されそこに入射するレ
ーザビーム位相を光軸に垂直な面における極座標系に対
し、その光軸回りの偏角に対応して位相を連続的にシフ
トする位相シフト部材、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る。これらの集光
レンズ１０、位相シフト部材１１及び無反射膜１２がレ
ーザビームの位相をシフトする機能を有する集光光学系
を構成する。

【００４１】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、本実施の形態
では、位相シフト部材は、代表的にその偏角と同じ角度
だけ位相をシフトする様に構成した。

【００４２】また、集光レンズ１０の材質は、例えば無
反射膜を施したＺｎＳｅ等のＣＯ₂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の材質も、同様
の材質とし、例えば蒸着、ＩＣＢ（イオンクラスタビー
ム）コーテイング等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。

【００４３】以上の構成に基づき、さらに詳細構成に触
れながら、動作について説明する。まず、ミラー１、２
は、安定型共振器を構成しているから、発生したレーザ
ビーム８は、アパーチャ６を通過しながらミラー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。

【００４４】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、
本実施の形態においては、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
を得るように設定する。

【００４５】具体的には、各モードのエネルギー比をＴ
ＥＭ００：ＴＥＭ１０：ＴＥＭ０１＝１．０：１．５：
２．５と設定した。

【００４６】そして、外部に取り出されたマルチモード
の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
光され鉄板等の被加工物の加工、つまり切断、穴明け、
溶接等を効率よく行うこととなる。

【００４７】ここで、一般にマルチモードレーザビーム
の中に含まれる各モードの波面上の振幅分布は、以下の
（数１）で与えられる。

【００４８】

【数１】

【００４９】また、異なるモード間はインコヒーレント
なので、マルチモードレーザの波面上の強度分布は、各
モードの強度分布にそのモードのエネルギーを乗算した
ものの加算値になる。

【００５０】図２（ａ）は、集光光学系の瞳における波
面上でのＣＯ₂レーザビーム９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。
なお、横軸の単位はｍｍで、縦軸は強度分布のピーク値
を１．０に規格化し、集光レンズ１０の焦点距離は１２
７ｍｍとした。

【００５１】本実施の形態の場合、位相シフト部材１１
は、集光レンズ前面１０ａに光軸を一致させて設けら
れ、位相シフト部材１１の厚さｄは、光軸に垂直な平面
内での極座標系に対し、以下の（数２）で与えられるよ
うな連続的に変化させられており、厚さｄが偏角の大き
さに比例して連続的に変化している。但し、光軸上の部
分や光軸近傍の変化面の形状は作製しずらいため、位相
シフト機能に影響ない範囲内で、その部分は一定厚さと
してもよい。

【００５２】

【数２】

【００５３】具体的には、位相シフト部材１１の位相シ
フト量は、図２（ｂ）に示され、縦軸は位相を示し、横
軸は光軸に垂直な面内の極座標系に対する偏角であり、
本実施の形態では位相シフト量と偏角とは等しくなって
いる。

【００５４】このような機能を有する本実施形態の集光
レンズ１０及び位相シフト部材１１を、光軸に垂直な面
に対して斜め前方から見た斜視図を図２（ｃ）に示す。
なお、光軸近傍の形状には、作製上等の理由から、さら
に例えば、微小な円筒孔を光軸と中心を一致させながら
底辺の厚さが位相シフト部材１１の最も薄い厚さと一致
する深さまで形成することが、実際上は好ましいが、図
面上は省略して概略のみを示している。

【００５５】よって、以上のような集光光学系を用いて
ＣＯ₂レーザビーム９を集光すると、集光光学系を通過
した後の集束ビーム１３の強度分布は、図３に示される
結果となった。

【００５６】この図３では、本実施の形態の位相シフト
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とのＣＯ
₂レーザビーム９の集光面での強度分布を示している。

【００５７】ここで、集光面での振幅分布は、各モード
ごとについては、瞳上の波面の微小部分から発した２次
波が集光面の各点において有する振幅を考え、これら２
次波の影響を波面全体について重ね合わせることによっ
て、以下の（数３）のように計算式が得られる。

【００５８】

【数３】

【００５９】但し、（数３）中においては、位相シフト
部材１１がない場合は、ｗｐｓ＝０であり、位相シフト
部材１１がある場合には、一般的には、（数２）よりｗ
ｐｓ＝２π（ｎ−１）ｄ／λであるが、本実施の形態で
は、図２（ｂ）に示す位相シフト量となる。

【００６０】そして、マルチモードレーザビームの集光
面での強度分布は、各モードの強度分布にモードのエネ
ルギーを乗算したものを加算することによって得られ
る。

【００６１】図３において、横軸は光軸からの距離、縦
軸は強度を示す。但し、横軸は、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
面強度分布の強度のピーク値の１／ｅ²倍の強度の点を
結んでできる円の半径を１に規格化した。また、縦軸
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ピーク値を１に
規格化した。

【００６２】そして、本実施の形態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で示した。

【００６３】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
なるところを加工の閾値と想定し、点線ｃで表した。

【００６４】つまり、図３において、点線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。

【００６５】図３を参照すると理解できるように、位相
シフト機能を有する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３１％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。

【００６６】よって、穴明け切断等の加工において、こ
の位相シフト機能を有する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速くな
り、加工特性自体も向上することになる。

【００６７】ここで、本実施の形態における位相シフト
部材１１の位相シフト量は、代表的に、光軸に垂直な面
内の極座標系に対する偏角と位相シフト量とは等しい場
合について説明したが、この偏角に対応して連続的に変
化する位相シフト量を与えれば、加工の際の集光直径が
小さくなり、かつエネルギー密度も大きくなることは同
様である。

【００６８】また、レーザビームがマルチモードレーザ
ビームでなく、所定の単一モードに対しても同様の効果
が得られる場合があり、特にＴＥＭ０１モード、ＴＥＭ
１１モードに対しては良好な効果が認められる。

【００６９】以上のように、本実施の形態によれば、加
工に用いるマルチモードレーザビームまたは特定の単一
モードレーザビームの位相を、光軸に垂直な面に対し極
座標の偏角に対応して、例えば同じ角度だけシフトさせ
て集光する光学系を用いることにより、被加工物上での
集束ビームの集光直径を減少させ、かつ強度分布のピー
ク値を増大させることができ、その結果加工速度を速
め、加工特性をも向上することができた。

【００７０】なお、本実施の形態では、レーザビーム
は、各モードのエネルギー比をＴＥＭ００：ＴＥＭ１
０：ＴＥＭ０１＝１．０：１．５：２．５のマルチモー
ドレーザビームとして説明したが、位相シフト部材と組
み合わせ可能なエネルギー比がこれに限られないことは
もちろんである。

【００７１】（実施の形態２）以下、本発明の第２の実
施の形態について、図面を参照しながら説明する。

【００７２】図４は、本実施の形態におけるレーザ加工
装置の断面を示す概念図である。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
２２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機を構成
する。

【００７３】そして、２８はミラー２１、２２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Ｃ
Ｏ₂レーザビーム、３０は集光レンズ、３０ａは集光レ
ンズ前面、３０ｂは集光レンズ後面、３１は位相シフト
部材である。

【００７４】また、３２は集光レンズ３０と位相シフト
部材３１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
位相をシフトさせる機能を有する集光光学系を構成す
る。

【００７５】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。以上の構成におい
て、本実施の形態の構成における実施の形態１との相違
点は、位相シフト部材３１にある。

【００７６】この位相シフト部材３１は、集光レンズ前
面３０ａに付加され、そこに入射するレーザビームの位
相を光軸に垂直な平面内での極座標系の偏角に対し、実
質的には連続的な変化とみなし得る程度に、その厚さｄ
が以下の（数４）に示されるような所定の規則性を持っ
て段階的に変化させている。

【００７７】

【数４】

【００７８】例えば、本実施の形態では、図５（ａ）に
示されるように、偏角が０ラジアン〜π／６ラジアンの
範囲の位相を０ラジアン、π／６ラジアンからπ／３ラ
ジアンまでの範囲の位相をπ／６ラジアン、π／３ラジ
アンからπ／２ラジアンまでの範囲の位相をπ／３ラジ
アン、π／２ラジアンから２π／３ラジアンまでの範囲
の位相をπ／２ラジアン、２π／３ラジアンから５π／
６ラジアンまでの範囲の位相を２π／３ラジアン、５π
／６ラジアンからπラジアンまでの範囲の位相を５π／
６ラジアン、πラジアンから７π／６ラジアンまでの範
囲の位相をπラジアン、７π／６ラジアンから４π／３
ラジアンまでの範囲の位相を７π／６ラジアン、４π／
３ラジアンから３π／２ラジアンまでの範囲の位相を４
π／３ラジアン、３π／２ラジアンから５π／３ラジア
ンまでの範囲の位相を３π／２ラジアン、５π／３ラジ
アンから１１π／６ラジアンまでの範囲の位相を５π／
３ラジアン、１１π／６ラジアンから２πラジアンまで
の範囲の位相を１１π／６ラジアンだけシフトさせるも
のである。

【００７９】図５（ｂ）は、このような位相シフト機能
を実現する本実施の形態の集光レンズ３０及び位相シフ
ト部材３１を、光軸に垂直な面の斜め方向前側から見た
斜視図を示したものである。なお、光軸近傍の形状にに
ついては、実施の形態１と同様に、作製上等の理由か
ら、微小な円筒孔等を形成してもかまわない。

【００８０】以上の構成において、次に動作について説
明する。まず、ミラー２１、２２は安定型共振器を構成
しているから、ＣＯ₂レーザビーム２８は、ミラー２
１、２２を往復するうちにレーザ媒質２５により増幅さ
れると共に、ＣＯ₂レーザビーム２８の一部が、部分反
射ミラー２２を介して外部へ取り出されることは実施の
形態１と同様である。

【００８１】ここで、アパーチャ２６は、共振器内に発
生するＣＯ₂レーザビーム２８のモード次数を制御する
もので、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
する。本実施の形態でも、一例として、各モードのエネ
ルギー比をＴＥＭ００：ＴＥＭ１０：ＴＥＭ０１＝１．
０：１．５：２．５とした。

【００８２】そして、外部に取り出されたＣＯ₂レーザ
ビーム２９は、集光光学系を通過することにより集束ビ
ーム３３となり、被加工物３４の表面に集光され鉄板等
の被加工物の加工、つまり切断、穴明け、溶接等を行う
ことになることも実施の形態１と同様である。

【００８３】以上のような集光光学系を用いてレーザビ
ーム２９を集光すると、その強度分布は図６のようにな
る。

【００８４】図６は、本実施の形態の集光光学系を用い
た場合と、比較のため本実施例の集光光学系と焦点距離
が同じで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でのレーザビーム２９の集光面での
強度分布を実施の形態１と同様に示したものであり、本
実施の形態の強度分布を実線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で示した。なお、加工の閾
値は、実施の形態１と同様に設定し点線ｃで示した。

【００８５】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３１％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。

【００８６】よって、本実施の形態においても、穴明け
切断等の加工において、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、加工特性自体も向上す
ることになる。

【００８７】なお、本実施の形態では、位相シフト部材
３１をマルチモードレーザビームの進行方向に垂直な面
内での極座標系において、極座標の偏角の０ラジアン〜
２πラジアンまでの間をπ／６ラジアンごとの領域に分
割したが、要は実質的に偏角に対応して厚さが断続的に
変化して、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
能を実現することができればよいのであり、区切られる
領域の大きさや隣合う領域間の位相シフト量の差が限定
されるものではなく、領域同士の大きさが異なっていた
り、領域内で連続的に厚さが変わるような構成をもとり
得る。

【００８８】また、本実施の形態でも、モード間のエネ
ルギー比を限定するものではなく、単一モードレーザビ
ームに対しても、特にＴＥＭ０１、ＴＥＭ１１モードに
対しては良好な効果を発揮し得る。

【００８９】以上のように、本実施の形態によれば、加
工に用いるマルチモードレーザビームまたは特定の単一
モードレーザビームの位相を、光軸に垂直な面に対し極
座標系の偏角に対応して、例えば同じ角度だけ断続的に
シフトさせて集光する光学系を用いることにより、被加
工物上での集束ビームの集光直径を減少させ、かつ強度
分布のピーク値を増大させることができ、その結果加工
速度を速め、加工特性をも向上することができた。

【００９０】なお、以上の実施の形態中においては、位
相シフト部材は集光レンズに一体化したが、別体として
光軸中に設けてもよいことはもちろんである。

【００９１】（実施の形態３）以下、本発明の第３の実
施の形態について、図面を参照しながら説明する。

【００９２】図７は、本実施の形態におけるレーザ加工
装置の断面を示す概念図である。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、４２ａは部分反射
ミラー前面、４２ｂは部分反射ミラー後面、４３は部分
反射ミラー前面４２ａに施された部分反射膜、４４は部
分反射ミラー後面４２ｂに付加されそこに入射するレー
ザビーム位相を光軸に垂直な面における極座標系に対
し、その光軸回りの偏角に対応して位相を連続的にシフ
トする位相シフト部材、４５は位相シフト部材４４に施
された無反射膜、４６はレーザ媒質で、例えば、炭酸ガ
ス（ＣＯ₂）レーザ等のガスレーザの場合は、放電等で
励起されるガス媒質であり、またＹＡＧ等の固体レーザ
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、本実施の形態では、ＣＯ₂レーザのレーザ
媒質を代表的に用いた。

【００９３】そして、４７はレーザビーム径を制御する
アパーチャ、４８は周囲を覆う箱体で以上がレーザ発振
機を構成する。

【００９４】ついで、４９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、５０は部分反射ミラー４２より外部へ取り出された
好適にはＴＥＭ００モードのＣＯ₂レーザビーム、５１
は集光レンズ、５１ａは集光レンズ前面、５１ｂは集光
レンズ後面、５２は集光レンズ前面５１ａに付加されそ
こに入射するレーザビームの位相を光軸に垂直な面にお
ける極座標系に対し、その光軸回りの偏角に対応して位
相を連続的にシフトする位相シフト部材、５３は集光レ
ンズ５１と位相シフト部材５３に施された無反射膜であ
る。これらの集光レンズ５１、位相シフト部材５２及び
無反射膜５３がレーザビームの位相をシフトする機能を
有する集光光学系を構成する。

【００９５】そして、５４は集光光学系で集光された集
束ビーム、５５は被加工物である。ここで、本実施の形
態では、位相シフト部材５２は、代表的にその偏角と同
じ角度だけ位相を増加させる様に構成し、もう一方の位
相シフト部材４４は、偏角と同じ角度だけ位相を減少さ
せるように構成した。

【００９６】また、部分反射ミラー４２及び集光レンズ
５１の材質は、例えば無反射膜を施したＺｎＳｅ等のＣ
Ｏ₂レーザを透過させる材質とすればよく、位相シフト
部材４４、５２の材質も、同様の材質とし、例えば蒸
着、ＩＣＢ（イオンクラスタビーム）コーテイング等の
方法で容易にかつ安価な方法で製作できるものである。

【００９７】また、凹面ミラー４１、４２の曲率半径
は、双方とも４０００ｍｍ、また凹面ミラー４１、４２
のミラー間隔は、４０００ｍｍとし、部分反射ミラー後
面４２から集光レンズ瞳面までの距離は、５４３５ｍｍ
とした。

【００９８】また、集光レンズ５１の焦点距離は、１２
７ｍｍとした。以上の構成に基づき、さらに詳細構成に
触れながら、動作について説明する。

【００９９】まず、ミラー４１、４２は、安定型共振器
を構成しているから、発生したＣＯ ₂レーザビーム４９
は、アパーチャ４７を通過しながらミラー４１、４２を
往復するうちにレーザ媒質４６により増幅されると共
に、ＣＯ₂レーザビーム４９の一部が、部分反射ミラー
４２を介して外部へ取り出される。

【０１００】また、アパーチャ４７は、共振器内に発生
するＣＯ₂レーザビーム４９のモード次数を制御する
が、本実施の形態においては、そのアパーチャ径は、Ｔ
ＥＭ００モードのレーザビームを得るように設定する。

【０１０１】ここで、一般にレーザビームの波面上のＴ
ＥＭ００モードの振幅分布は、以下の（数５）で与えら
れる。

【０１０２】

【数５】

【０１０３】なお、本実施の形態に示すような共振器を
用いた場合、部分反射ミラー前面でのＣＯ₂レーザビー
ム４９の波面の曲率半径は４０００ｍｍ、ビームスポッ
ト径は３．６７３７３６ｍｍである。

【０１０４】そして、外部に取り出されたＴＥＭ００モ
ードのＣＯ₂レーザビーム５０は、位相シフト部材４
４、５２により位相変調をされるとともに、集光光学系
を通過することにより集束ビーム５４となり、被加工物
５５の表面に集光され鉄板等の被加工物の加工、つまり
切断、穴明け、溶接等を効率よく行うこととなる。

【０１０５】さて、本実施の形態の場合、位相シフト部
材４４は、部分反射ミラー後面４２ｂに光軸を一致させ
て一体に設けられ、位相シフト部材４４の厚さｄは、光
軸に垂直な平面内での極座標系に対し、以下の（数６）
で与えられるように連続的に変化させられており、厚さ
ｄが偏角の大きさに比例して連続的に変化している。但
し、光軸上の部分や光軸近傍の変化面の形状は、作製し
づらいため、位相シフト機能に影響ない範囲内で、その
部分は一定厚さとしてもよい。

【０１０６】

【数６】

【０１０７】具体的には、位相シフト部材４４の位相シ
フト量は、図８（ａ）に示され、縦軸は位相を示し、横
軸は光軸に垂直な平面内の極座表系に対する偏角であ
り、位相シフト量は、偏角に比例して減少するようにな
っている。

【０１０８】このような機能を有する本実施形態の部分
反射ミラー４２及び位相シフト部材４４を、光軸に垂直
な面に対して斜め後方から見た斜視図を図８（ｂ）に示
す。なお、光軸近傍の形状には、作製上等の理由から、
さらに例えば、微小な円筒孔を光軸と中心を一致させな
がら底辺の厚さが位相シフト部材４４の最も薄い厚さと
一致する深さまで形成することが、実際上は好ましい
が、図面上は省略して概略のみを示している。

【０１０９】図９（ａ）は、位相シフト部材４４により
位相シフトされ、部分反射ミラー４２より、光軸方向に
５４３０ｍｍ伝播したＣＯ₂レーザビーム５０の強度分
布を示す。但し、この強度分布は、本実施の形態におけ
るレーザ発振機において、位相シフト部材４４がないと
仮定した場合の波面上での強度分布を示すものである。
つまり、ここでいう波面とは、本実施の形態におけるレ
ーザ発振機から出力されるレーザビームに対し、位相シ
フトを行わずに、従来どおりレーザビームを部分反射ミ
ラーから５４３０ｍｍ伝播させた場合の波面のことであ
る。

【０１１０】この図９（ａ）において、横軸は光軸から
の距離を示し、縦軸は強度である。なお、横軸の単位は
ｍｍで、縦軸は強度分布のピーク値を１．０に規格化し
た。

【０１１１】また、図９（ｂ）は、位相シフト部材４４
により位相シフトされ、部分反射ミラー４２より光軸方
向に５４３０ｍｍ伝播したＣＯ₂レーザビーム５０の波
面収差を示すものである。但し、この波面収差は、本実
施の形態におけるレーザ発振機において位相シフト部材
４４がないと仮定した場合の波面を、参照球面として計
算したものである。つまり、ここでいう参照球面とは、
本実施の形態におけるレーザ発振機から出力されるレー
ザビームに対し、位相シフトを行わず、従来どおりにレ
ーザビームを部分反射ミラー４２から５４３０ｍｍ伝播
させた場合の波面のことである。

【０１１２】なお、本実施の形態おいて、部分反射ミラ
ー４２は、実際には有限の厚さを持つが、図９（ａ）に
示す強度分布と図９（ｂ）に示す波面収差を計算するに
あたっては、部分反射ミラーの厚さは０ｍｍとして扱っ
た。

【０１１３】ここで、本実施の形態において、部分反射
ミラーの厚さを０ｍｍとして扱った場合、部分反射ミラ
ー上でのレーザビームの振幅分布と、任意の距離伝播し
たレーザビームの光軸上に曲率中心を持つ任意の球面ま
たは光軸に垂直な平面上の振幅分布の関係は、以下の
（数７）で与えられる。

【０１１４】

【数７】

【０１１５】この（数７）は、任意の面（光軸上に曲率
中心を持つ任意の球面または光軸に垂直な任意の平面）
上の振幅から観測面（光軸上に曲率中心を持つ任意の観
測球面または光軸に垂直な任意の観測平面）の振幅を計
算するものであり、任意の面（ここでは部分反射ミラー
面）の微小部分から発した２次波を、観測面の各点にお
いて重ね合わるものであり、ここで観測面は、本実施の
形態のレーザ発振機において位相シフト部材４４がない
と仮定した場合に、レーザビームが、部分反射ミラーか
ら５４３５ｍｍ伝播したところの波面に相当する。但
し、（数７）中の位相シフト部材４４がない場合は、ｗ
ｐｓ＝０であり、位相シフト部材４４がある場合には、
ｗｐｓの値は（数６）から一般的に求まるが、本実施の
形態の場合には、図８（ａ）に示す位相シフト量であ
る。

【０１１６】一方、位相シフト部材５２は、集光レンズ
前面５１ａに光軸を一致させて設けられ、位相シフト部
材５２の厚さｄは、光軸に垂直な平面内での極座標系に
対し、以下の（数８）で与えられるように連続的に変化
させられており、厚さｄが偏角の大きさに比例して連続
的に変化している。但し、光軸上の部分や光軸近傍の変
化面の形状は、作製しづらいため、位相シフト機能に影
響ない範囲内で、その部分は一定厚さとしてもよい。

【０１１７】

【数８】

【０１１８】具体的には、位相シフト部材５２の位相シ
フト量は、図１０（ａ）に示され、縦軸は位相を示し、
横軸は光軸に垂直な面内の極座標系に対する偏角であ
り、本実施の形態では位相シフト量と偏角とは等しい構
成にしている。

【０１１９】（数６）と（数８）、及び図８（ａ）と図
１０（ａ）を比較して解るように、位相シフト部材４４
と位相シフト部材５２の偏角に対する位相シフトの変化
量は、絶対値が等しく符号が逆になっている。つまり、
位相シフト部材４４で位相シフトされ、集光光学系まで
伝播したレーザビーム５０に対し、位相シフト部材５２
は位相シフト部材４４で位相シフトされた量をもとに戻
す構成となっている。

【０１２０】このような機能を有する本実施形態の集光
レンズ５１及び位相シフト部材５２を、光軸に垂直な面
に対して斜め前方から見た斜視図を図１０（ｂ）に示
す。なお、光軸近傍の形状には、作製上等の理由から、
例えば、微小な円筒孔を光軸と中心を一致させながら底
辺の厚さが位相シフト部材５２の最も薄い厚さと一致す
る深さまで形成することが、実際上は好ましいが、図面
上は省略して概略のみを示している。

【０１２１】そして、以上のようなレーザ発振機及び集
光光学系を用いてＣＯ₂レーザビーム５０を集光する
と、集光光学系を通過した後の集束ビーム５４の強度分
布は、図１１に示される結果となった。

【０１２２】この図１１では、本実施の形態の位相シフ
ト部材４４及び５２を用いた場合と、比較のための本実
施の形態と条件が同じで位相シフト部材がない場合との
ＣＯ ₂レーザビーム５０の各々のベストフォーカス位置
での強度分布を示している。

【０１２３】ここで、ベストフォーカス位置におけるレ
ーザビームの振幅分布は、単一モードのレーザビームの
場合、前述した（数７）を用いて求められ、この場合、
観測面がベストフォーカス位置（光軸に垂直な平面）、
任意の面が集光光学系瞳上の波面に相当する。但し、
（数７）中の位相シフト部材５２がない場合は、ｗｐｓ
＝０であり、位相シフト部材５２がある場合には、ｗｐ
ｓの値は（数８）から一般的に求まるが、本実施の形態
の場合には、図１０（ａ）に示すとおりである。また、
集光レンズ５１は、無収差の薄レンズとした。

【０１２４】図１１において、横軸は光軸からの距離、
縦軸は強度を示す。但し、縦軸は、本実施の形態と条件
が同じで位相シフト部材がない場合とのＣＯ₂レーザビ
ーム５０のベストフォーカス位置での強度分布のピーク
値を１に規格化した。

【０１２５】そして、本実施の形態におけるベストフォ
ーカス位置での強度分布を実線ａとし、本実施の形態と
条件が同じで位相シフト部材がない場合のＣＯ₂レーザ
ビーム５０のベストフォーカス位置での強度分布を点線
ｂで示した。

【０１２６】ここで、被加工物５５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
なるところを加工の閾値と想定し、点線ｃで表した。

【０１２７】つまり、図１１において、点線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。

【０１２８】図１１を参照すると理解できるように、本
実施の形態のような位相シフト機能を有するレーザ発振
機及び集光光学系を用いた場合、位相シフト機能を有さ
ない通常の場合に比べ、加工の際の集光直径が約２３％
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。

【０１２９】よって、穴明け切断等の加工において、こ
の位相シフト機能を有するレーザ発振機及び集光光学系
を用いるとことにより、通常のレーザ発振機及び集光光
学系に比べて加工速度が大幅に速くなり、加工特性自体
も向上することになる。

【０１３０】また、レーザビームがＴＥＭ００モードレ
ーザビームでなく、他の単一モードあるいはマルチモー
ドレーザビームに対しても同様の効果が得られる場合が
あり、特にＴＥＭ１０モードあるいはこれらのモードを
多く含むマルチモードレーザビームに対しては良好な効
果が認められる。

【０１３１】以上のように、本実施の形態によれば、光
軸の厚さが偏角の増加に比例して連続的に増加する位相
シフト部材を集光光学系と光軸を一致させて一体に設
け、光軸の厚さが偏角の増加に比例して連続的に減少す
る位相シフト部材をレーザ発振機の部分反射ミラーの後
面と光軸を一致させて一体に設けることで、被加工物上
での集束ビームの集光直径を減少させ、かつ強度分布の
ピーク値を増大させることができ、その結果加工速度を
速め、加工特性をも向上することができた。

【０１３２】（実施の形態４）以下、本発明の第４の実
施の形態について、図面を参照しながら説明する。

【０１３３】図１２は、本実施の形態におけるレーザ加
工装置の断面を示す概念図である。図１２において、６
１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、６２ａは部分
反射ミラー前面、６２ｂは部分反射ミラー後面、６３は
部分反射ミラー前面６２ａに施された部分反射膜、６４
は部分反射ミラー後面６２ｂに付加される位相シフト部
材、６５は位相シフト部材６４に施された無反射膜、６
６はレーザ媒質で、例えば、炭酸ガス（ＣＯ ₂）レーザ
等のガスレーザの場合は、放電等で励起されるガス媒質
であり、またＹＡＧ等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
の形態では、ＣＯ₂レーザのレーザ媒質を代表的に用い
た。

【０１３４】そして、６７はレーザビーム径を制御する
アパーチャ、６８は周囲を覆う箱体で以上がレーザ発振
機を構成する。

【０１３５】ついで、６９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、７０は部分反射ミラー６２より外部へ取り出された
好適にはＴＥＭ００モードのＣＯ₂レーザビーム、７１
は集光レンズ、７１ａは集光レンズ前面、７１ｂは集光
レンズ後面、７２は集光レンズ前面７１ａに付加される
位相シフト部材、７３は集光レンズ７１と位相シフト部
材７２に施された無反射膜である。これらの集光レンズ
７１、位相シフト部材７２及び無反射膜７３がレーザビ
ームの位相をシフトする機能を有する集光光学系を構成
する。

【０１３６】そして、７４は集光光学系で集光された集
束ビーム、７５は被加工物である。ここで、凹面ミラー
６１、６２の曲率半径は双方とも４０００ｍｍ、また凹
面ミラー６１、６２のミラー間隔は、４０００ｍｍとし
た。

【０１３７】また、部分反射ミラー後面６２ｂから集光
レンズ瞳面までの距離は、５４３５ｍｍとした。

【０１３８】また、集光レンズ７１の焦点距離は１２７
ｍｍとした。なお、部分反射ミラー６２及び集光レンズ
７１の材質は、例えば無反射膜を施したＺｎＳｅ等のＣ
Ｏ₂レーザを透過させる材質とすればよく、位相シフト
部材６４、７２の材質も、同様の材質とし、例えば蒸
着、ＩＣＢ（イオンクラスタビーム）コーテイング等の
方法で容易にかつ安価な方法で製作できるものである。

【０１３９】以上の構成において、本実施の形態の構成
における実施の形態３との相違点は、位相シフト部材６
４及び７２にある。

【０１４０】位相シフト部材６４は、部分反射ミラー６
２に追加され、そこに入射するレーザビームの位相を光
軸に垂直な平面内での極座標系の偏角に対し、実質的に
は連続的な変化と見なし得る程度に、その厚さｄが以下
の（数９）に示される様な所定の規則性を持って段階的
に変化されている。

【０１４１】

【数９】

【０１４２】例えば、本実施の形態では、図１３（ａ）
に示されるように、偏角が０ラジアン〜π／６ラジアン
の範囲の位相を１１π／６ラジアン、π／６ラジアンか
らπ／３ラジアンまでの範囲の位相を５π／３ラジア
ン、π／３ラジアンからπ／２ラジアンまでの範囲の位
相を３π／２ラジアン、π／２ラジアンから２π／３ラ
ジアンまでの範囲の位相を４π／３ラジアン、２π／３
ラジアンから５π／６ラジアンまでの範囲の位相を７π
／６ラジアン、５π／６ラジアンからπラジアンまでの
範囲の位相をπラジアン、πラジアンから７π／６ラジ
アンまでの範囲の位相を５π／６ラジアン、７π／６ラ
ジアンから４π／３ラジアンまでの範囲の位相を２π／
３ラジアン、４π／３ラジアンから３π／２ラジアンま
での範囲の位相をπ／２ラジアン、３π／２ラジアンか
ら５π／３ラジアンまでの範囲の位相をπ／３ラジア
ン、５π／３ラジアンから１１π／６ラジアンまでの範
囲の位相をπ／６ラジアン、１１π／６ラジアンから２
πラジアンまでの範囲の位相を０ラジアンだけシフトさ
せるものである。

【０１４３】図１３（ｂ）は、このような位相シフト機
能を実現する本実施の形態の部分反射ミラー６２及び位
相シフト部材６４を、光軸に垂直な面の斜め方向後ろ側
からみた斜視図を示したものである。なお、光軸近傍の
形状については、作製上等の理由から、微少な円筒孔等
を形成しても構わない。

【０１４４】一方、位相シフト部材７２は、集光レンズ
７１に追加され、そこに入射するレーザビームの位相を
光軸に垂直な平面内での極座標系の偏角に対し、実質的
には連続的な変化と見なし得る程度に、その厚さｄが、
以下の（数１０）に示される様な所定の規則性を持って
段階的に変化されている。

【０１４５】

【数１０】

【０１４６】例えば、本実施の形態では、図１４（ａ）
に示されるように、偏角が０ラジアン〜π／６ラジアン
の範囲の位相を０ラジアン、π／６ラジアンからπ／３
ラジアンまでの範囲の位相をπ／６ラジアン、π／３ラ
ジアンからπ／２ラジアンまでの範囲の位相をπ／３ラ
ジアン、π／２ラジアンから２π／３ラジアンまでの範
囲の位相をπ／２ラジアン、２π／３ラジアンから５π
／６ラジアンまでの範囲の位相を２π／３ラジアン、５
π／６ラジアンからπラジアンまでの範囲の位相を５π
／６ラジアン、πラジアンから７π／６ラジアンまでの
範囲の位相をπラジアン、７π／６ラジアンから４π／
３ラジアンまでの範囲の位相を７π／６ラジアン、４π
／３ラジアンから３π／２ラジアンまでの範囲の位相を
４π／３ラジアン、３π／２ラジアンから５π／３ラジ
アンまでの範囲の位相を３π／２ラジアン、５π／３ラ
ジアンから１１π／６ラジアンまでの範囲の位相を５π
／３ラジアン、１１π／６ラジアンから２πラジアンま
での範囲の位相を１１π／６ラジアンだけシフトさせる
ものである。

【０１４７】図１４（ｂ）は、このような位相シフト機
能を実現する本実施の形態の集光レンズ７１及び位相シ
フト部材７２を、光軸に垂直な面の斜め方向前側からみ
た斜視図を示したものである。なお、光軸近傍の形状に
ついては、実施の形態３と同様に、作製上等の理由か
ら、微少な円筒光等を形成しても構わない。

【０１４８】（数９）と（数１０）、及び図１３（ａ）
と図１４（ａ）を比較して解るように、位相シフト部材
６４と位相シフト部材７２の偏角に対する位相シフトの
変化量は、絶対値が等しく符号が逆になっている。つま
り、位相シフト部材６４で位相シフトされ、集光光学系
まで伝播したレーザビーム７０に対し、位相シフト部材
７２は位相シフト部材６４で位相シフトされた量をもと
に戻す構成となっている。

【０１４９】以上の構成に基づき、さらに詳細構成に触
れながら、動作について説明する。まず、ミラー６１、
６２は、安定型共振器を構成しているから、発生したＣ
Ｏ ₂レーザビーム６９は、アパーチャ６７を通過しなが
らミラー６１、６２を往復するうちにレーザ媒質６６に
より増幅されると共に、ＣＯ₂レーザビーム６９の一部
が、部分反射ミラー６２を介して外部へ取り出されるこ
とは実施の形態３と同様である。

【０１５０】ここで、アパーチャ６７は、共振器内に発
生するＣＯ₂レーザビーム６９のモード次数を制御する
が、本実施の形態においては、実施の形態３同様そのア
パーチャ径は、ＴＥＭ００モードのレーザビームを得る
ように設定する。

【０１５１】また、本実施の形態に示すような共振器を
用いた場合、部分反射ミラー前面でのＣＯ₂レーザビー
ム４９の波面の曲率半径は４０００ｍｍ、ビームスポッ
トは３．６７３７３６ｍｍである。

【０１５２】そして、外部に取り出されたＴＥＭ００モ
ードのＣＯ₂レーザビーム７０は、位相シフト部材６
４、７２により位相変調をされるとともに集光光学系を
通過することにより集束ビーム７４となり、被加工物７
５の表面に集光され鉄板等の被加工物の加工、つまり切
断、穴明け、溶接等を効率よく行うこととなる。

【０１５３】図１５（ａ）は、位相シフト部材６４によ
り位相シフトされ、部分反射ミラー６２より光軸方向に
５４３０ｍｍ伝播したＣＯ₂レーザビーム７０の強度分
布である。但し、この強度分布は、本実施の形態におけ
るレーザ発振機において位相シフト部材６４がないと仮
定した場合の波面上での強度分布を示すものである。つ
まり、ここでいう波面とは、レーザ発振機から出力され
るレーザビームに対し、位相シフトを行わず従来どおり
にレーザビームを部分反射ミラーから５４３０ｍｍ伝播
させた場合の波面のことである。

【０１５４】この図１５（ａ）において、横軸は光軸か
らの距離を示し、縦軸は強度である。なお、横軸の単位
はｍｍで、縦軸は強度分布のピーク値を１．０に規格化
した。

【０１５５】また、図１５（ｂ）は、位相シフト部材６
４により位相シフトされ、部分反射ミラー６２より光軸
方向に５４３０ｍｍ伝播したＣＯ₂レーザビーム６０の
波面収差を示すものである。但し、この波面収差は、本
実施の形態におけるレーザ発振機において位相シフト部
材６４がないと仮定した場合の波面を参照球面として計
算したものである。つまり、ここでいう参照球面とは、
レーザ発振機から出力されるレーザビームに対し、位相
シフトを行わず従来どおりにレーザビームを部分反射ミ
ラー６２から５４３０ｍｍ伝播させた場合の波面のこと
である。

【０１５６】また、本実施の形態おいて部分反射ミラー
６２は、実際には有限の厚さを持つが図１５（ａ）に示
す強度分布と図１５（ｂ）に示す波面収差を計算するに
あたっては、部分反射ミラーの厚さは０ｍｍとして扱っ
た。

【０１５７】ここで、本実施の形態において、部分反射
ミラーの厚さを０ｍｍとして扱った場合、部分反射ミラ
ー上でのレーザビームの振幅分布と任意の距離伝播した
レーザビームの光軸上に曲率中心を持つ任意の球面また
は光軸に垂直な平面上の振幅分布の関係は、前述の（数
７）で与えられ、任意の面は、部分反射ミラー面であ
り、観測面は、位相シフト部材６４がないと仮定した場
合にレーザビームが部分反射ミラーから５４３５ｍｍ伝
播したところの波面に相当する。但し、（数７）中の位
相シフト部材６４がない場合は、ｗｐｓ＝０であり、位
相シフト部材６４がある場合には、ｗｐｓは、一般的に
は前述の（数９）で示されるが、具体的には、図１３
（ａ）に示す位相シフト量になる。

【０１５８】以上のようなレーザ発振機及び集光光学系
を用いてＣＯ₂レーザビーム７０を集光すると、集光光
学系を通過した後の集束ビーム７４の強度分布は、図１
６に示される結果となった。

【０１５９】この図１６では、本実施の形態の位相シフ
ト部材６４及び７２を用いた場合と、比較のための本実
施の形態と条件が同じで位相シフト部材がない場合との
ＣＯ ₂レーザビーム７０の各々のベストフォーカス位置
での強度分布を示している。

【０１６０】ここで、ベストフォーカス位置におけるレ
ーザビームの振幅分布は、単一モードのレーザビームの
場合前述の（数７）から得られる。この場合、（数７）
において観測面がベストフォーカス位置（光軸に垂直な
平面）、任意の面が集光光学系瞳上の波面に相当する。
但し、（数７）中の位相シフト部材７２がない場合は、
ｗｐｓ＝０であり、位相シフト部材７２がある場合に
は、ｗｐｓは、前述の（数１０）で一般的に示される
が、具体的には図１４（ａ）に示す位相シフト量にな
る。また、集光レンズ７１は無収差の薄レンズとした。

【０１６１】図１６において、横軸は光軸からの距離、
縦軸は強度を示す。但し、縦軸は、本実施の形態と条件
が同じで位相シフト部材がない場合とのＣＯ₂レーザビ
ーム７０のベストフォーカス位置での強度分布のピーク
値を１に規格化した。

【０１６２】そして、本実施の形態における強度分布を
実線ａとし、本実施の形態と条件が同じで位相シフト部
材がない場合のＣＯ₂レーザビーム７０のベストフォー
カス位置での強度分布を点線ｂで示した。

【０１６３】ここで、被加工物７５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
なるところを加工の閾値と想定し、点線ｃで表した。

【０１６４】つまり、図１６において、点線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。

【０１６５】図１６を参照すると理解できるように、本
実施の形態のような位相シフト機能を有するレーザ発振
機及び集光光学系を用いた場合、位相シフト機能を有さ
ない通常の場合に比べ、加工の際の集光直径が約２３％
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。

【０１６６】よって、穴明け切断等の加工において、こ
の位相シフト機能を有するレーザ発振機及び集光光学系
を用いるとことにより、通常のレーザ発振機及び集光光
学系に比べて加工速度が大幅に速くなり、加工特性自体
も向上することになる。

【０１６７】なお、本実施の形態では、位相シフト部材
６４及び７２をレーザビームの進行方向に垂直な面内で
の極座標系において、極座標の偏角の０ラジアン〜２π
ラジアンまでの間をπ／６ラジアンごとの領域に分割し
たが、要は実質的に偏角に対応して厚さが断続的に変化
して、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
実現することができればよいのであり、区切られる領域
の大きさや隣合う領域間の位相シフト量の差が限定され
るものではなく、領域同士の大きさが異なっていたり、
領域内で連続的に厚さが変わるような構成をも採り得
る。

【０１６８】また、レーザビームがＴＥＭ００モードレ
ーザビームでなく、他の単一モードあるいはマルチモー
ドレーザビームに対しても同様の効果が得られる場合が
あり、特にＴＥＭ１０モードあるいはこれらのモードを
多く含むマルチモードレーザビームに対しては良好な効
果が認められる。

【０１６９】以上のように、本実施の形態によれば、光
軸の厚さが偏角の増加に比例して断続的に増加する位相
シフト部材を集光光学系と光軸を一致させて一体に設
け、光軸の厚さが偏角の増加に比例して断続的に減少す
る位相シフト部材をレーザ発振機の部分反射ミラーの後
面と光軸を一致させて一体に設けることで、被加工物上
での集束ビームの集光直径を減少させ、かつ強度分布の
ピーク値を増大させることができ、その結果加工速度を
速め、加工特性をも向上することができた。

【０１７０】なお、実施の形態３及び４中においては、
位相シフト部材は、部分反射ミラー及び集光レンズに一
体化したが、別体として光軸中に設けてもよいことはも
ちろんである。

【０１７１】また、以上の実施の形態中においては、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、加工の用途等に応じ、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。

【０１７２】

【発明の効果】以上のように、本発明の位相シフト手段
を有するレーザ加工装置は、レーザビームの位相をシフ
トしない場合に比べて、レーザビームの被加工物上での
集光直径を減少させ、かつ強度分布のピーク値を増大さ
せることができ、集光ビーム径を減少させ、かつ加工強
度を増大しながらシャープに集光することができる。

【０１７３】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の実施の形態におけるレーザ加工
装置の構成図

【図２】（ａ）同集光光学系入射直前での強度分布を示
す図（ｂ）同位相シフト部材の位相シフト量を示す図（ｃ）同集光光学系の光軸に垂直な面に対しての斜視構
成図

【図３】同レーザビームの集光面上での強度分布と、位
相シフトしない集光面上での強度分布とを比較した図

【図４】本発明の第２の実施の形態におけるレーザ加工
装置の構成図

【図５】（ａ）同位相シフト部材の位相シフト量を示す
図（ｂ）同集光光学系の光軸に垂直な面に対しての斜視構
成図

【図６】同レーザビームの集光面上での強度分布と、位
相シフトしない集光面上での強度分布とを比較した図

【図７】本発明の第３の実施の形態におけるレーザ加工
装置の構成図

【図８】（ａ）同位相シフト部材４４の位相シフト量を
示す図（ｂ）同部分反射ミラーと位相シフト部材４４の光軸に
垂直な面に対しての斜視構成図

【図９】（ａ）同集光光学系入射直前での強度分布を示
す図（ｂ）同集光光学系入射直前での波面収差を示す図

【図１０】（ａ）同位相シフト部材５２の位相シフト量
を示す図（ｂ）同集光光学系の光軸に垂直な面に対しての斜視構
成図

【図１１】同レーザビームのベストフォーカス位置上で
の強度分布と、位相シフトしないベストフォーカス位置
での強度分布とを比較した図

【図１２】本発明の第４の実施の形態におけるレーザ加
工装置の構成図

【図１３】（ａ）同位相シフト部材６４の位相シフト量
を示す図（ｂ）同部分反射ミラーと位相シフト部材６４の光軸に
垂直な面に対しての斜視構成図

【図１４】（ａ）同位相シフト部材７２の位相シフト量
を示す図（ｂ）同集光光学系の光軸に垂直な面に対しての斜視構
成図

【図１５】（ａ）同集光光学系入射直前での強度分布を
示す図（ｂ）同集光光学系入射直前での波面収差を示す図

【図１６】同レーザビームのベストフォーカス位置での
強度分布と、位相シフトしないベストフォーカス位置で
の強度分布とを比較した図

【図１７】従来のレーザ加工装置の構成図

【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レーザビーム９レーザビーム１０集光レンズ１０ａ集光レンズ前面１０ｂ集光レンズ後面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レーザビーム２９レーザビーム３０集光レンズ３０ａ集光レンズ前面３０ｂ集光レンズ後面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４２ａ部分反射ミラー前面４２ｂ部分反射ミラー後面４３部分反射膜４４位相シフト部材４５無反射膜４６レーザ媒質４７アパーチャ４８箱体４９レーザビーム５０レーザビーム５１集光レンズ５１ａ集光レンズ前面５１ｂ集光レンズ後面５２位相シフト部材５３無反射膜５４集束ビーム５５被加工物６１全反射ミラー６２部分反射ミラー６２ａ部分反射ミラー前面６２ｂ部分反射ミラー後面６３部分反射膜６４位相シフト部材６５無反射膜６６レーザ媒質６７アパーチャ６８箱体６９レーザビーム７０レーザビーム７１集光レンズ７１ａ集光レンズ前面７１ｂ集光レンズ後面７２位相シフト部材７３無反射膜７４集束ビーム７５被加工物８１全反射ミラー８２部分反射ミラー８３部分反射膜８４無反射膜８５レーザ媒質８６アパーチャ８７箱体８８レーザビーム８９レーザビーム９０集光レンズ９１無反射膜９２集束ビーム９３被加工物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザビームを発振するレーザ発振機
と、前記レーザビームを被加工物上に集光する集光光学
系と、前記レーザビームの光波面の位相をシフトする位
相シフト手段とを有し、前記位相シフト手段が、前記集
光光学系の光軸に垂直な面における極座標系に対し、前
記光軸回りの偏角に対応して位相をシフトするレーザ加
工装置。
【請求項２】位相シフト手段は、偏角に対応して連続
的に位相をシフトする位相シフト部材である請求項１記
載のレーザ加工装置。
【請求項３】集光光学系は、集光レンズと、前記集光
レンズと光軸を一致させて一体に設けられた位相シフト
部材とを有し、前記位相シフト部材は、光軸方向の厚さ
が偏角の増加に対応して連続的に増加する請求項２記載
のレーザ加工装置。
【請求項４】位相シフト部材は、光軸方向の厚さが、
偏角の増加に比例して連続的に増加する請求項３記載の
レーザ加工装置。
【請求項５】位相シフト手段は、偏角に対応して断続
的に位相をシフトする位相シフト部材である請求項１記
載のレーザ加工装置。
【請求項６】集光光学系は、集光レンズと、前記集光
レンズと光軸を一致させてさせて一体に設けられた位相
シフト部材とを有し、前記位相シフト部材は、光軸方向
の厚さが偏角の増加に対応して断続的に増加する請求項
５記載のレーザ加工装置。
【請求項７】位相シフト部材は、偏角について均等に
分割された複数の領域を有し、前記領域の光軸方向の厚
さが、偏角の増加に対応して断続的に等しく増加する請
求項６記載のレーザ加工装置。
【請求項８】位相シフト手段は、光軸中に２つ配置さ
れる請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項９】位相シフト手段の一方は、偏角に対応し
て位相シフト量を増加させ、他方は偏角に対応して位相
シフト量を減少させる請求項８記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】位相シフト手段の双方は、偏角に対応
して連続的に位相をシフトする位相シフト部材である請
求項９記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】位相シフト部材の一方は、集光光学系
の集光レンズと光軸を一致させて一体に設けられてお
り、光軸方向の厚さが偏角の増加に対応して連続的に増
加するものであり、他方の位相シフト部材は、レーザ発
振機の共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に設けら
れており、光軸方向の厚さが偏角の増加に対応して連続
的に減少する請求項１０記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】位相シフト部材の一方は、光軸方向の
厚さが偏角の増加に比例して連続的に増加し、他方は、
光軸方向の厚さが偏角の増加に比例して連続的に減少す
る請求項１１記載のレーザ加工装置。
【請求項１３】位相シフト手段の双方は、偏角に対応
して断続的に位相をシフトする位相シフト部材である請
求項９記載のレーザ加工装置。
【請求項１４】位相シフト部材の一方は、集光光学系
の集光レンズと光軸を一致させて一体に設けられてお
り、光軸方向の厚さが偏角の増加に対応して断続的に増
加するものであり、他方の位相シフト部材は、レーザ発
振機の共振器の出力鏡と光軸を一致させて一体に設けら
れており、光軸方向の厚さが偏角の増加に対応して断続
的に減少する請求項１３記載のレーザ加工装置。
【請求項１５】光軸中に２つ配置される位相シフト部
材の一方は、偏角について均等に分割された複数の領域
を有し、前記領域の光軸方向の厚さが、偏角の増加に対
応して断続的に等しく増加し、他方は、偏角について均
等に分割された複数の領域を有し、前記領域の光軸方向
の厚さが、偏角の増加に対応して断続的に等しく減少す
る請求項１４記載のレーザ加工装置。
【請求項１６】位相シフト部材と集光レンズとは、同
一の光学材料を用いて形成されている請求項３、４、６
または７記載のレーザ加工装置。
【請求項１７】位相シフト部材と集光レンズ、及び／
または位相シフト部材とレーザ発振機の共振器の出力鏡
は同一の光学材料を用いて形成されている請求項１１、
１２、１４または１５記載のレーザ加工装置。
【請求項１８】レーザビームが、マルチモードレーザ
ビームである請求項１から１７のいずれかに記載のレー
ザ加工装置。
【請求項１９】レーザビームが、ＴＥＭ００モード、
ＴＥＭ１０モード、ＴＥＭ０１モードまたはＴＥＭ１１
モードの単一モードレーザビームである請求項１から１
７のいずれかに記載のレーザ加工装置。