JPS63121813A - Optical system for laser cutting - Google Patents

Optical system for laser cutting

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JPS63121813A
JPS63121813A JP61267944A JP26794486A JPS63121813A JP S63121813 A JPS63121813 A JP S63121813A JP 61267944 A JP61267944 A JP 61267944A JP 26794486 A JP26794486 A JP 26794486A JP S63121813 A JPS63121813 A JP S63121813A
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JP
Japan
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optical system
energy
laser beam
laser
energy density
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JP61267944A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Katsuragi
葛城 廣治
Toshinori Domoto
堂本 寿紀
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Minolta Co Ltd
Original Assignee
Minolta Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To enable cutting with good cutting quality by providing a mode conversion optical system which converts the mode of incident laser light so that the maximum energy density is distributed to the outer periphery of laser luminous flux and an energy compression optical system which compresses the energy of the luminous flux. CONSTITUTION:This optical system consists of the mode conversion optical system 10 and energy compression optical system 30. The mode conversion optical system 10 consists of a splitting optical system 1, an optical path conversion optical system 20, and a composition optical system 12. Composite laser light L2 is variable in energy density distribution and shape by adjusting the position of a reflecting mirror 12. For example, when the reflecting mirror 12 is moved to left, the energy density distribution and the section of the luminous flux vary. Namely, the size of the luminous flux can be adjusted regardless of the energy compression optical system 30, so the adjustment of the width of the luminous flux is facilitate greatly. Consequently, a material to be worked on a cut surface is vaporized sufficiently and to fused body sticks on the cut surface of the workpiece 40, so that the cutting with good cutting quality is enabled.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、レーザー元によって被加工物を切断加工する
レーザー切断装置に用いる光学系に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an optical system used in a laser cutting device that cuts a workpiece using a laser source.

従来の技術 従来のレーザー切断用光学系では、第12図に示すよう
に、不図示の光源から発せられた平行光束であるシング
ルモードのレーザー光(!1)が、図中、左方から入射
し、集光用レンズ(60)で光束のエネルギーが圧縮さ
れてレーザー光(!2)となる。
2. Description of the Related Art In a conventional laser cutting optical system, as shown in FIG. 12, a single-mode laser beam (!1), which is a parallel beam of light emitted from a light source (not shown), is incident from the left in the figure. However, the energy of the light beam is compressed by the condensing lens (60) and becomes a laser beam (!2).

そして、レンズ(60)の焦点付近に置かれた被加工物
(40)にレーザー光(!2)が当てられ、被加工物を
蒸発させることにより被加工物(40)が切断加工され
る。なお、シングルモードのレーザー光とは、その光束
の断面においてエネルギー密度がガウス分布をなすレー
ザー光のことである。
Then, the laser beam (!2) is applied to the workpiece (40) placed near the focal point of the lens (60), and the workpiece (40) is cut by evaporating the workpiece. Note that a single mode laser beam is a laser beam whose energy density forms a Gaussian distribution in the cross section of its light beam.

発明が解決しようとする問題1、 ところで、切断に用いるレーザー光(AI ) 、(7
2)はシングルモードであるため、最大エネルギー密度
は光束の中心に分布し、光束の外周部はエネルギー密度
が低くなっている。このようなレーザー光(71)、(
72)で切断加工すると、被加工物(40)の切断面に
接するレーザー光(!2)の外周部のエネルギー密度が
低いので、切断面の被加工物を蒸発させるまでに至らず
、熱による熔融物が被加工物(40)の切断面に付着し
、切れ味の悪い切断加工になってしまうことがある。
Problem 1 to be solved by the invention By the way, the laser beam (AI) used for cutting, (7
Since 2) is a single mode, the maximum energy density is distributed at the center of the luminous flux, and the energy density is low at the outer periphery of the luminous flux. Such laser light (71), (
72), the energy density of the outer periphery of the laser beam (!2) in contact with the cut surface of the workpiece (40) is low, so it does not evaporate the workpiece on the cut surface, and the heat The molten material may adhere to the cut surface of the workpiece (40), resulting in a dull cutting process.

本発明は、前記の問題点を解決し、被加工物の切断面に
熔融物が付着せず、切れ味の良い切断加工ができるレー
ザー切断装置の光学系を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide an optical system for a laser cutting device that can cut a workpiece with good sharpness without causing melt to adhere to the cut surface of the workpiece.

前記の目的を達成するために、本発明のレーザー切断用
光学系は、レーザー光束の外周に最大エネルギー密度が
分布するように入射レーザー光のモードを変換するモー
ド変換光学系と、光束のエネルギーを圧縮するエネルギ
ー圧縮光学系とからなる。
In order to achieve the above object, the optical system for laser cutting of the present invention includes a mode conversion optical system that converts the mode of the incident laser beam so that the maximum energy density is distributed around the outer periphery of the laser beam, and a mode conversion optical system that converts the mode of the incident laser beam so that the maximum energy density is distributed around the outer periphery of the laser beam. It consists of an energy compression optical system that compresses energy.

作   用 前記のような構成をとることによって、被加工物の切断
面に接するレーザー光の外周部に最大エネルギー密度が
分布するので、切断面の被加工物を充分に蒸発させるこ
とができ、熔融物が被加工物の切断面に付着せず、切れ
味の良い切断加工が可能となる。
Effect By adopting the above configuration, the maximum energy density is distributed in the outer periphery of the laser beam that comes into contact with the cut surface of the workpiece, so the workpiece on the cut surface can be sufficiently evaporated and melted. Materials do not stick to the cut surface of the workpiece, allowing for sharp cutting.

実施例 以下、本発明のレーザー切断用光学系の実施例を図面を
用いて詳aに説明する。
EXAMPLES Hereinafter, examples of the optical system for laser cutting of the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.

第1図は、本発明のレーザー切断用光学系の実施例を示
す平面図である。同図に示すように、この光学系は、モ
ード変換光学系(10)とエネルギー圧縮光学系(30
)とからなる。モード変換光学系(10)は、分割光学
系(11)と光路変換光学系(20)、合成光学系(1
2)の三つの光学系で構成されている。分割光学系(1
1)および合成光学系(12)は、それぞれ断面が二等
辺三角形状をしている三角柱状の反射鏡で構成されてお
シ、光路変換光学系(20)は(21)。
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of the laser cutting optical system of the present invention. As shown in the figure, this optical system includes a mode conversion optical system (10) and an energy compression optical system (30).
). The mode conversion optical system (10) includes a splitting optical system (11), an optical path conversion optical system (20), and a combining optical system (1
It is composed of three optical systems (2). Split optical system (1
1) and the combining optical system (12) are each composed of a triangular prism-shaped reflecting mirror having an isosceles triangular cross section, and the optical path conversion optical system (20) is (21).

(23)、(26)、(28)および(22) 、 (
24) 、 (25) 、 (27)の4枚ずつ2組の
計8枚の鏡で構成されている。エネルギー圧縮光学系(
30)は、図示したように後で詳述するプリズム元学系
であってもよいし、従来例(第12図)で示したように
集光用レンズを用いてもよい。
(23), (26), (28) and (22), (
It consists of a total of eight mirrors, two sets each of four mirrors: 24), (25), and (27). Energy compression optical system (
30) may be of a prism element system as shown in the figure, which will be described in detail later, or may be a condensing lens as shown in the conventional example (FIG. 12).

不図示の光源から発せられた平行光束であるシングルモ
ードのレーザー光(≠1)ハ、図中、左方= 5− から入射し、反射鏡(11)によって、図中、上下方向
二つに分割され、一方は鏡(21) 、 (23) 、
 (26) 、 (28)で反射を〈シ返して反射鏡(
12)に到達し、他方は鏡(22) 、 (24) 、
 (25) 、 (27)で反射をくり返して反射鏡(
12)に到達する。そして、分割された二つの光束が反
射鏡(12)によって合成され、レーザー光(−#2)
となってエネルギー圧縮光学系(3o)に向がい、プリ
ズム(31)に垂直入射して、図中、紙面に平行、かつ
、光の進行方向に垂直な方向に光束のエネルギーが圧縮
されてレーザー光(13)となり、プリズム(32)で
も同様に、図中、紙面に垂直な方向に光束のエネルギー
が圧縮されてレーザー光し く$4 )となって、被加工物(40)を切断加工する
A single-mode laser beam (≠1), which is a parallel light beam emitted from a light source (not shown), enters from the left side = 5- in the figure, and is reflected by the reflecting mirror (11) into two directions in the upper and lower directions in the figure. Divided, one side has mirrors (21), (23),
(26) and (28) to convert the reflection into a reflector (
12), and the other mirror (22), (24),
(25) and (27) repeat the reflection to form a reflecting mirror (
12). Then, the two divided beams are combined by a reflecting mirror (12), and the laser beam (-#2) is
The energy of the light beam is directed toward the energy compression optical system (3o), and enters the prism (31) perpendicularly, and the energy of the light beam is compressed in a direction parallel to the plane of the paper and perpendicular to the direction of light propagation in the figure, resulting in a laser beam. Similarly, in the prism (32), the energy of the light beam is compressed in the direction perpendicular to the plane of the paper and becomes a laser beam ($4), which cuts the workpiece (40). .

次に、モード変換光学系(1o)について、さらに詳し
く説明する。モード変換光学系(1o)は、第1る分割
光学系(11)と、最大エネルギー密度が光束光学系(
12)とからなる。
Next, the mode conversion optical system (1o) will be explained in more detail. The mode conversion optical system (1o) has a first division optical system (11) and a luminous flux optical system (1o) whose maximum energy density is
12).

同図では、分割光学系(11)および圧縮光学系(12
)は、先に述べたように、それぞれ断面が二等辺三角形
状をしている一つの反射鏡で構成されているが、これに
限ったものではなく、たとえば、それぞれ2枚の板状の
鏡を二等辺三角形の等しい二辺をなすように配置して構
成してもよい。
In the same figure, a splitting optical system (11) and a compression optical system (12) are shown.
) are each composed of a single reflecting mirror with an isosceles triangular cross section, but are not limited to this; for example, each mirror is composed of two plate-shaped mirrors. may be arranged to form two equal sides of an isosceles triangle.

光路変換光学系(20)は、先に述べたように、(21
) 。
As mentioned earlier, the optical path conversion optical system (20) is composed of (21
).

(23) 、 (26) 、 (28)の4枚と(22
) 、 (24) 、 (25) 、 (27ンの4枚
の2組8枚の鏡で構成されており、鏡(23)。
(23), (26), (28) and (22)
) , (24) , (25) , (Mirror (23) consists of 2 sets of 8 mirrors, 4 mirrors of 27 mm.

(24)で反射した二つの光束がそれぞれ鏡(26) 
、 (25)へ向かうように光路を交差させることによ
って、光路を反転させている。光路変換光学系(20)
は、このような、それぞれ偶数枚の2組の鏡群で構成し
、途中で奇数回、光路を交差させるものに限ったもので
はなく、第2図に示すような、それぞれ奇数枚(図では
3枚)の2組の鏡群で構成し、途中で、偶数回0図では
0回)光路を交差させることによって、光路を反転させ
るようにしてもよい。
The two beams of light reflected at (24) are each mirrored at (26)
, (25), the optical path is reversed. Optical path conversion optical system (20)
is not limited to such a configuration consisting of two sets of mirrors, each with an even number of mirrors, whose optical paths intersect an odd number of times along the way, but also with an odd number of mirrors, as shown in Figure 2. The optical path may be reversed by intersecting the optical path an even number of times (0 times in the figure) on the way.

なお、第2図では、分割された二つの光束の光路が等し
くなるように、鏡(24) 、 (25) 、 (26
)を置いているが、光路差が問題にならない場合(たと
えば、光路差が使用するレーザー光の波長の整数倍であ
って、二つの光が互いに弱め合うことがない場合)には
、鏡(24)を図に破線で示した位置(24’)に置き
鏡(25) 、 (26)を取り去って、鏡(24’)
から直接に合成光学系(12)へ光束が向かうようにし
てもよい。
In Fig. 2, mirrors (24), (25), (26) are used so that the optical paths of the two divided light beams are equal.
), but if the optical path difference is not a problem (for example, if the optical path difference is an integral multiple of the wavelength of the laser light used and the two lights do not weaken each other), a mirror ( 24) at the position (24') shown by the broken line in the figure, remove the mirrors (25) and (26), and place the mirror (24').
The light beam may be directed directly to the combining optical system (12).

また、入射レーザー光(≠1)と同じ向きにレーザ−光
(dk2 )を射出したけれは図に破線で示したように
、3枚の鏡(13) 、 (14) 、 (15)でレ
ーザー光(t)を反射させればよい。
In addition, if you want to emit the laser beam (dk2) in the same direction as the incident laser beam (≠1), three mirrors (13), (14), and (15) are used to emit the laser beam (dk2) in the same direction as the incident laser beam (≠1). What is necessary is to reflect the light (t).

入射レーザー光(41)Uシングルモードであるために
、光束のエネルギー密度分布は、第3図(a)に示すよ
うに、ガウス分布をなしており、最大エネルギー密度は
光束の中央に分布している。第1図および第2図の太線
は最大エネルギー密度が分布している部分を示しており
、図から明らかなように、モード変換光学系(10)に
よって最大エネルギー密度が光束の外周に分布させられ
る。したがって、モード変換光学系(10〕によってモ
ードが変換されたレーザー光(t2)は、第3図(b)
に示すようなエネルギー密度分布を持つことになる。な
お、第3図(a) 、 (+))におけるエネルギー密
度分布図の横に描いである円または半円は、それぞれ、
レーザし 一光(+1 ) 、 (42)の光束の断面を表わして
いる。
Since the incident laser beam (41)U is a single mode, the energy density distribution of the luminous flux has a Gaussian distribution, as shown in Figure 3(a), and the maximum energy density is distributed at the center of the luminous flux. There is. The thick lines in Figures 1 and 2 indicate the area where the maximum energy density is distributed, and as is clear from the figures, the mode conversion optical system (10) causes the maximum energy density to be distributed around the outer periphery of the light beam. . Therefore, the laser beam (t2) whose mode has been converted by the mode conversion optical system (10) is as shown in FIG. 3(b).
It will have an energy density distribution as shown in . Note that the circles or semicircles drawn next to the energy density distribution diagrams in Figure 3 (a) and (+)) are, respectively,
It represents the cross section of the beam of one laser beam (+1), (42).

し また、合成されたレーザー光(メ2うば、反射鏡(12
)の位置を調整することによって、エネルギー密度分布
および光束の形を変えることができる。たとえば、第1
図の状態より左方へ、あるいは、第2図の状態より上方
へ反射鏡(12)を移動すると、エネルギー密度分布お
よび光束の断面は第3図(C)のようになる。これによ
って、エネルギー圧縮光学系(30)に関係なく、光束
の太ささを調整できるので、光束幅の調整が非常に簡単
になる。
In addition, the combined laser beam (Member 2, Reflector (12
) can change the energy density distribution and the shape of the luminous flux. For example, the first
When the reflecting mirror (12) is moved to the left from the state shown in the figure or upward from the state shown in FIG. 2, the energy density distribution and the cross section of the light beam become as shown in FIG. 3(C). This allows the thickness of the light beam to be adjusted regardless of the energy compression optical system (30), making it very easy to adjust the width of the light beam.

紮 このように、モード変換光学=#−(10)を通ってき
し たレーザー光(≠2)は、被加工物(40)の切断面と
接する光束の外周部に最大エネルギー密度が分布する。
In this way, the laser beam (≠2) that has passed through the mode conversion optics=#-(10) has a maximum energy density distributed in the outer periphery of the light beam that is in contact with the cut surface of the workpiece (40).

それゆえ、光源からのレーザー光(τ1)のエネルギー
をそのま捷圧縮して被加工物を切断加ム エする第12図の場合に比べて、レーザー光(f2)=
 9− のエネルギーを圧縮して切断加工する方が、切断面の被
加工物が充分に蒸発し、熔融物が被加工物(40)の切
断面に付着せず、切れ味の良い切断加工が可能となる。
Therefore, compared to the case shown in Fig. 12 in which the energy of the laser beam (τ1) from the light source is directly compressed to cut the workpiece, the laser beam (f2) =
9- It is better to cut by compressing the energy, the workpiece on the cut surface evaporates sufficiently, the molten material does not adhere to the cut surface of the workpiece (40), and it is possible to cut with good sharpness. becomes.

また、第1図のモード変換光学系(10)とエネルギー
圧縮光学系(30)との間に、レーザー光(≠1)およ
び(捗2)の光束の中心を通る直線を軸としてモード変
換光学系(10)を90°回転した他のモード変換光学
系を配置することによって、レーザー光し く≠2)をさらに、図中、紙面に垂直な方向に二つに分
割して合成し、光束の断面が第4図に示すような形のレ
ーザー光にすることができる。あるいば、分割光学系(
11)および合成光学系(12)を正四角錐の反射鏡ま
たは4枚の三角形の板状の鏡をピラミッド型につらねた
もので構成して、レーザー光(惑1)を互いに垂直な2
方向、たとえば、第1の鏡で構成して、たとえば、同図
中、紙面に垂直な方向にも同図に示しである光路変換光
学系(20)= 10− と同じものを配置することによって、光束の断面が第4
図に示すような形のレーザー光にすることができる。こ
れによって、最大エネルギー密度が光束の四隅に分布す
るので、被加工物(40)をどのような方向に切断加工
しようとも、光束の最大エネルギー密度が分布している
部分が、常に被加工物(40)の切断面に接し、したが
って、常に、切断面の切れ味が良くなる。すなわち、二
分割して合成したレーザー光では、第5図(a)に示す
方向(矢印の向きに切断していく)に切断加工する場合
には、光束の最大エネルギー密度が分布する部分(黒丸
部分)が被加工物(40)の切断面(41) 、 (4
2)に接しているが、同図(b)に示す方向に切断加工
する場合には、光束のエネルギー密度が低い部分が被加
工物(40)の切断面(41) 、 (42)に接して
しまう。
In addition, between the mode conversion optical system (10) and the energy compression optical system (30) in FIG. By arranging another mode conversion optical system in which the system (10) is rotated by 90 degrees, the laser beam (≠2) is further divided into two in the direction perpendicular to the plane of the paper in the figure and combined, and the luminous flux is The laser beam can have a cross section as shown in FIG. In other words, split optical system (
11) and the synthetic optical system (12) are composed of a regular square pyramid reflecting mirror or four triangular plate-shaped mirrors connected in a pyramid shape, and the laser beam (mistake 1) is directed into two directions perpendicular to each other.
direction, for example, by arranging the same optical path conversion optical system (20) = 10- shown in the same figure in the direction perpendicular to the plane of the paper in the same figure, consisting of a first mirror. , the cross section of the light beam is the fourth
The laser beam can be shaped as shown in the figure. As a result, the maximum energy density is distributed at the four corners of the light flux, so no matter what direction the workpiece (40) is cut, the part where the maximum energy density of the light flux is distributed will always be at the four corners of the workpiece (40). 40), and therefore the cutting surface always has good sharpness. In other words, when using a laser beam that is divided into two parts and combined, when cutting in the direction shown in Figure 5(a) (cutting in the direction of the arrow), the part where the maximum energy density of the luminous flux is distributed (black circle) ) are the cut surfaces (41) and (4) of the workpiece (40).
2), but when cutting in the direction shown in FIG. I end up.

これに対し、四分割して合成したレーザー光では、第5
図(C) 、 (d) 、 (e)に示すように、いか
なる方向に被加工物(40)を切断加工しようとも、常
に光束の最大エネルギー密度が分布する部分(黒丸部分
)が被加工物(40)の切断面(41) 、 (42)
に接するので、常に、切れ味のよい切断加工が可能とな
る。
On the other hand, when the laser beam is divided into four parts and combined, the fifth
As shown in Figures (C), (d), and (e), no matter what direction the workpiece (40) is cut, the part (black circle) where the maximum energy density of the light beam is distributed is always the workpiece. Cut surfaces (41) and (42) of (40)
Since the cutting edge is in contact with the cutting edge, sharp cutting is always possible.

また、第手6図に示すように、合成光学系(12)を集
光レンズで構成して、分割されたレーザー光を集光して
被加工物を切断加工するようにしてもよい。すなわち、
合成光学系とエネルギー圧縮光学系とを同一に構成して
もよい。このような構成にすると、エネルギーを圧縮す
る光学系を別に設ける必要がなくなり、装置を小さくす
ることができる。ただし、この場合、光路変換光学系(
20)は偶数枚の鏡で構成されておれば、偶数回、光路
を交差させ、奇数枚の鏡で構成されておれば、奇数明す
る。レーザー光によって被加工物を切断加工する場合、
レーザー光のエネルギー密度は10’W/Crn2程度
にする必要があり、そのためエネルギー圧縮光学系が必
要となる。ところで、従来例(第12図)で示したよう
にエネルギー圧縮光学系に集光レンズを用いると、以下
に示すような様々力久点がある。すなわち、集光用レン
ズ(60)によってレーザー光(!1)を集光すると第
12図から明らかなように、被加工物に当たるレーザー
光(!2)は平行光束でなく、したがって、厚みのある
被加工物(40)を切断加工する場合、深度による制限
を受け、厚み方向に均等な幅での加工が困難となる。ま
た、集光用レンズ(60)の焦点付近に被加工物(40
)を置かねばならないので、レンズ(60)と被加工物
(40)との相対的距離を考慮しなければならず、焦点
合わせも複雑になる。そこで、本実施例では、それらの
欠点をなくすため、エネルギー圧縮光学系(30)を1
組2個のプリズム(31) 、 (32)で構成した。
Alternatively, as shown in FIG. 6, the synthetic optical system (12) may be configured with a condensing lens to condense the divided laser beams to cut the workpiece. That is,
The combining optical system and the energy compression optical system may be configured to be the same. With such a configuration, there is no need to separately provide an optical system for compressing energy, and the device can be made smaller. However, in this case, the optical path conversion optical system (
20), if it is composed of an even number of mirrors, the optical path will cross an even number of times, and if it is composed of an odd number of mirrors, it will illuminate an odd number of times. When cutting a workpiece using laser light,
The energy density of the laser beam needs to be about 10'W/Crn2, and therefore an energy compression optical system is required. By the way, when a condensing lens is used in an energy compression optical system as shown in the conventional example (FIG. 12), there are various failure points as shown below. That is, when the laser beam (!1) is condensed by the condensing lens (60), the laser beam (!2) that hits the workpiece is not a parallel beam, as is clear from FIG. When cutting the workpiece (40), it is limited by the depth, making it difficult to cut the workpiece with an even width in the thickness direction. In addition, the workpiece (40
), the relative distance between the lens (60) and the workpiece (40) must be considered, and focusing becomes complicated. Therefore, in this embodiment, in order to eliminate these drawbacks, the energy compression optical system (30) is
It consists of two prisms (31) and (32).

プリズムによって光束のエネルギーを圧縮すると、以下
に示すように、平行光束は平行光束のままエネルギーが
圧縮されるので、厚みのある被加工物を切断加工する場
合でも深度による制限を受けず、厚み方向に均等な加工
ができ、しかも、レンズを用いないので、被加工物とレ
ンズとの相対的距離を考慮する必要がなく、複雑であっ
た焦点合わせを示す図で、プリズム(50)は第1図の
プリズム(31) 、 (32)に相当する。プリズム
(50)の頂角をα、率mは、よく知られているように
、 mHd7d=5−”rr:/cosα      (1
)と表わされる。また、図から明らかなように、入射光
束が平行光束であれば、射出光束も平行光束である。な
お、βは射出光の屈折角である。
When the energy of the light beam is compressed by a prism, as shown below, the energy of the parallel light beam is compressed while it remains a parallel light beam, so even when cutting a thick workpiece, it is not limited by the depth, and the energy is reduced in the thickness direction. In addition, since a lens is not used, there is no need to consider the relative distance between the workpiece and the lens. This corresponds to the prisms (31) and (32) in the figure. The apex angle of the prism (50) is α, and the ratio m is, as is well known, mHd7d=5−”rr:/cosα (1
). Moreover, as is clear from the figure, if the incident light beam is a parallel light beam, the exit light beam is also a parallel light beam. Note that β is the refraction angle of the emitted light.

第7図において、入射光束の断面の形が円である場合、
入射光束と射出光束の断面の形は、それぞれ、第8図(
a) 、 (b)のようになる。したがって、第7図中
、紙面に垂直な方向に光束のエネルギーを圧縮するよう
に置かれたプリズムで射出光束のエネルギーを圧縮させ
る(第10図参照)と、圧(≠4)の光束の断面の形は
、それぞれ、第9図の(a) 、 (t)) 、 (C
)のようになる。
In FIG. 7, when the cross-sectional shape of the incident light beam is circular,
The shapes of the cross sections of the incident light flux and the exit light flux are shown in Fig. 8 (
a) and (b). Therefore, in Fig. 7, if the energy of the emitted light flux is compressed by a prism placed so as to compress the energy of the light flux in the direction perpendicular to the plane of the paper (see Fig. 10), the cross section of the light flux of pressure (≠4) The shapes of (a), (t)) and (C
)become that way.

ところで、式(1〕によれば、プリズムの頂角αを大き
くするほど縮小倍率mは小さくなるが、臨界条件等によ
り頂角αを大きくすれば透過効率が低下するため、あま
り頂角αを犬きくすることはできない。そこで、小さい
縮小倍率を得るために、プリズム(31) 、 (32
)の組を複数個用いてエネルギー圧縮光学系(30)を
構成する。たとえば、第11図のように、エネルギー圧
縮光学系(30)を4組8向に光束のエネルギーを圧縮
するプリズムだけを描いである。図において、プリズム
のなす角はレーザー光の屈折角βと等しくなるように置
き、各プリズムの入射面に対して垂直にレーザー光が入
射するようにする。このように構成すれば、各プリズム
の縮小倍率はすべて式(1)で表わされるから、一般に
、一方向に光束を圧縮するプリズムを1個使用したとき
、その方向における縮小倍率m′は、m’=mJ’= 
 (1−n”5in2α)A/2/CO8!α   (
2)となる。たとえば、第11図の場合、!=4である
から、 m’ =m’ = (1−n2sin2a )” /c
os’ aとなる。
By the way, according to formula (1), the larger the apex angle α of the prism, the smaller the reduction magnification m becomes. However, if the apex angle α is increased due to critical conditions, etc., the transmission efficiency decreases, so it is not recommended to increase the apex angle α too much. Therefore, in order to obtain a small reduction magnification, we used prisms (31) and (32
) is used to configure an energy compression optical system (30). For example, as shown in FIG. 11, only four sets of energy compression optical systems (30) and prisms that compress the energy of the light beam in eight directions are depicted. In the figure, the angle formed by the prisms is set to be equal to the refraction angle β of the laser beam, so that the laser beam is incident perpendicularly to the incident surface of each prism. With this configuration, the reduction magnification of each prism is expressed by equation (1), so generally, when one prism that compresses the luminous flux in one direction is used, the reduction magnification m' in that direction is m '=mJ'=
(1-n”5in2α)A/2/CO8!α (
2). For example, in the case of Figure 11,! = 4, so m' = m' = (1-n2sin2a)"/c
os' a.

レーザー光としてYAG L/−ザー(波長10106
0nを用いるときは、エネルギー圧縮光学系(30〕の
各プリズムは、BK−7等の一般によく使われる材料を
使用し、C0・2レーザー(波長1010600nを用
いる場合は、CO2レーザー波長に対する透過率が比較
的よいKCJL、などを材料としたプリズムを用いる。
YAG L/- laser (wavelength 10106
When using 0n, each prism of the energy compression optical system (30) should be made of a commonly used material such as BK-7, and the transmittance for the CO2 laser wavelength should be A prism made of material such as KCJL, which has a relatively good resistance, is used.

YAGレーザーを使用し、プリズム材料にBK−7(屈
折率n=1.5069)を用いた例を考えると、光束を
一方向に1150に圧縮するのにプリズムを6組使用す
る場合、(2)式よりプリズム頂角αを求メルト、α=
3q、13°となる。また、プリズムのなす角、すなわ
ち屈折角βは、スネルの法則よりsinβ’:n5in
α 、、β:6S、4S。
Considering an example in which a YAG laser is used and BK-7 (refractive index n = 1.5069) is used as the prism material, if 6 sets of prisms are used to compress the luminous flux to 1150 in one direction, (2 ) Find the prism apex angle α from the formula, α=
3q, 13°. Also, the angle formed by the prism, that is, the refraction angle β, is sin β': n5in from Snell's law.
α,, β: 6S, 4S.

となる。becomes.

なお、この場合、反射率が大きくなってプリズムを透過
する光の割合が少なくなってし1うが、プリズムに減反
対コート等を施すことによって、プリズムを透過する光
の割i合遼多くすることができる。
In this case, the reflectance increases and the proportion of light that passes through the prism decreases, but by applying a reduction coating etc. to the prism, the proportion of light that passes through the prism can be increased. be able to.

発明の効果 以上、詳細に説明したように、本発明のレーザー切断用
光学系は、レーザー光束の外周に最大エネルギー密度が
分布するように入射レーザー光のモードを変換するモー
ド変換光学系を備えているので、被加工物の切断面に光
束の最大エネルギー密度が分布する部分が接し、それに
よって、切断面の被加工物が完全に蒸発し、熔融物が被
加工物の切断面に付着せず、切れ味の良い切断加工が可
能となる。
Effects of the Invention As described in detail above, the optical system for laser cutting of the present invention includes a mode conversion optical system that converts the mode of the incident laser beam so that the maximum energy density is distributed around the outer periphery of the laser beam. Because the cut surface of the workpiece is in contact with the part where the maximum energy density of the light beam is distributed, the workpiece on the cut surface is completely evaporated and the molten material does not adhere to the cut surface of the workpiece. , enables sharp cutting.

実施態様によると、結合光学系の位置を調整することに
よって、レーザー光束の形を変えることができるので、
エネルギー圧縮光学系と無関係に光束の大きさを調整で
き、光束幅の調整が非常に簡単になる。
According to embodiments, the shape of the laser beam can be changed by adjusting the position of the coupling optics, so that
The size of the luminous flux can be adjusted independently of the energy compression optical system, making it extremely easy to adjust the luminous flux width.

また、入射レーザー光を四分割して合成するので、レー
ザー光束の四隅に最大エネルギー密度が分布し、いかな
る方向に被加工物を切断加工しようとも、常に、切れ味
の良い加工が可能となる。
Furthermore, since the incident laser beam is divided into four parts and combined, the maximum energy density is distributed at the four corners of the laser beam, and no matter what direction the workpiece is cut, it is always possible to cut the workpiece with good sharpness.

さらに、エネルギー圧縮光学系をプリズム光学系とした
ので、厚みのある被加工物でも厚み方向に均等な加工が
できる。また、集光レンズを用いないので、被加工物と
レンズとの相対的距離を考慮する必要がなく、複雑な焦
点合わせも不要で、操作が簡単になる。
Furthermore, since the energy compression optical system is a prism optical system, even thick workpieces can be processed uniformly in the thickness direction. Furthermore, since no condensing lens is used, there is no need to consider the relative distance between the workpiece and the lens, and no complicated focusing is required, making the operation simple.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明を実施したレーザー切断用光学系の平面
図である。第2図はモード変換光学系の実施例の変形例
の平面図である。第3図はレーザー光の光束の断面にお
けるエネルギー密度分布および光束の断面の形状を表わ
す図であり、(a)は光源から発せられたレーザー光、
(b)はモード変換元学系で二分割されて合成されたレ
ーザー光、(C)は合成光学系の位置を変えて光束の形
状が変えられたレーザー光である。第4図はモード変換
光学系ユ で四分削去れて合成されたレーザー光の光束の断面図で
ある。第5図は被加工物を切断加工する方向を表わした
図で、(a) 、 (b)はモード変換光学系で二分割
されて合成されたレーザー光で、(C) 、 (d) 
。 (e)は四分割されて合成されたレーザー光で切断加工
する場合を表わした図である。第6図は本発明の他の実
施例の平面図である。第7図はプリズムで構成されるエ
ネルギー圧縮光学系の原理を説明するための図である。 第8図および第9図はプリズムによって光束のエネルギ
ーが圧縮されるにつれて変形する光束の様子を表わした
図で、第8図は円形状の平行光束、第9図はモード変換
光学系で二分割されて合成されたレーザー光の光束を表
わした図である。第10図はエネルギー圧縮光学系の斜
視図である。第11図は、4組8個のプリズムで構成さ
れたエネルギー圧縮光学系における、一方向に光束のエ
ネルギーを圧縮するプリズムのみを描いた平面図である
。第12図はレーザー切断用光学系の従来例を表わす平
面図である。 10・・・モード変換光学系、30・・・エネルギー圧
縮光学系、Ll・・・入射レー°ザー光。 出願人   ミノルタカメラ株式会社 第7図 軍8図 第q図
FIG. 1 is a plan view of a laser cutting optical system embodying the present invention. FIG. 2 is a plan view of a modification of the embodiment of the mode conversion optical system. FIG. 3 is a diagram showing the energy density distribution and the shape of the cross section of the beam of laser light in the cross section; (a) shows the laser beam emitted from the light source;
(b) shows a laser beam that is split into two parts by the mode conversion source optical system and is combined, and (C) shows a laser beam whose shape of the light beam is changed by changing the position of the combining optical system. FIG. 4 is a cross-sectional view of a beam of laser light that has been cut into quarters by the mode conversion optical system and combined. Figure 5 shows the direction in which the workpiece is cut. (a) and (b) are the laser beams that are split into two by the mode conversion optical system and combined, and (c) and (d)
. (e) is a diagram showing a case where cutting is performed using a laser beam that is divided into four parts and combined. FIG. 6 is a plan view of another embodiment of the invention. FIG. 7 is a diagram for explaining the principle of an energy compression optical system composed of prisms. Figures 8 and 9 are diagrams showing how the light flux deforms as the energy of the light flux is compressed by the prism. Figure 8 is a circular parallel light flux, and Figure 9 is divided into two by a mode conversion optical system. FIG. FIG. 10 is a perspective view of the energy compression optical system. FIG. 11 is a plan view depicting only the prisms that compress the energy of a luminous flux in one direction in an energy compression optical system composed of 4 sets of 8 prisms. FIG. 12 is a plan view showing a conventional example of an optical system for laser cutting. 10... Mode conversion optical system, 30... Energy compression optical system, Ll... Incident laser beam. Applicant Minolta Camera Co., Ltd. Figure 7 Army Figure 8 Figure q

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、レーザー光束の外周に最大エネルギー密度が分布す
るように入射レーザー光のモードを変換するモード変換
光学系と、 光束のエネルギーを圧縮するエネルギー圧縮光学系とか
らなる、レーザー切断用光学系。 2、前記モード変換光学系は、 入射レーザー光の最大エネルギー密度を有する部分で光
束を少なくとも二つに分割する分割光学系と、 最大エネルギー密度が光束の周辺に至るように光路を反
転する光路変換光学系と、 分割・反転された光束を合成する合成光学系とからなる
特許請求の範囲第1項記載のレーザー切断用光学系。 3、前記分割光学系は光束を四つに分割する、特許請求
の範囲第2項記載のレーザー切断用光学系。 4、前記合成光学系は、移動可能に配置され、光束の大
きさを調整する光束幅調整機能を備えている、特許請求
の範囲第2項記載のレーザー切断用光学系。 5、前記エネルギー圧縮光学系はプリズム光学系である
、特許請求の範囲第1項記載のレーザー切断用光学系。 6、前記プリズム光学系は、光束のエネルギーを一方向
に圧縮するプリズムと、その方向に垂直な方向に圧縮す
るプリズムの組を、少なくとも一組有する、特許請求の
範囲第5項記載のレーザー切断用光学系。
[Claims] 1. A laser comprising a mode conversion optical system that converts the mode of an incident laser beam so that the maximum energy density is distributed around the outer periphery of the laser beam, and an energy compression optical system that compresses the energy of the laser beam. Optical system for cutting. 2. The mode conversion optical system includes: a splitting optical system that splits the light beam into at least two parts at a portion having the maximum energy density of the incident laser beam; and an optical path conversion system that reverses the optical path so that the maximum energy density reaches the periphery of the light beam. The optical system for laser cutting according to claim 1, comprising: an optical system; and a combining optical system that combines the divided and inverted light beams. 3. The optical system for laser cutting according to claim 2, wherein the dividing optical system divides the light beam into four parts. 4. The optical system for laser cutting according to claim 2, wherein the combining optical system is movably arranged and has a beam width adjustment function for adjusting the size of the beam. 5. The optical system for laser cutting according to claim 1, wherein the energy compression optical system is a prism optical system. 6. Laser cutting according to claim 5, wherein the prism optical system includes at least one set of a prism that compresses the energy of the light beam in one direction and a prism that compresses the energy of the light beam in a direction perpendicular to that direction. optical system.
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