JPS63501444A - レ−ザビ−ムの半径方向強度分布を検出する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 片肌０各称 レーザビームの半径方向強度分布を検出する装置技術分野 この発明は、ビーム全体から選択的に部分ビームを絞り込んでレーザビームの半 径方向強度分布を検出する装置に関する。

レーザビームを使った工作物の加工では、特にレーザビームの半径方向強度分布 によって結果が決定的に左右される。それゆえこの強度分布を知ることが重要で ある。ただしその際未集束レーザビームのビーム品質を調べても加工結果の判定 には不十分である。加工プロセスにとって重要なのはむしろ焦点におけるビーム の分布および横断面、そして工作物表面を基準とした焦点の位置である。

先行員北 ビーム横断面によりワイヤを回転させ、ワイヤの高反射面でレーザ放射幅を広げ 、ビームの軸に対し適当な位置に置いた検出器にそれを向けることが知られてい る［光学素子とレーザ技術６，１４９乃至１５３頁、１９８２］。しかしこの配 置ではレーザビームの焦点、そして焦点前後、集束レンズとその２倍の焦点距離 との間の範囲においてひずみ誤差が発生するのでビーム分布を十分に突き止める ことができない。更に２次元強度横断面全体を検出するのに複数の検出器が必要 であり、しかも配置をビームの中心に調整しないと像がＲ夙ｑ皿丞 この発明は、未集束レーザビームの強度分布も集束レーザビームの強度分布もで きるだけ少ない数の検出器を頼りにめることができる装置を提供することを目的 とする。この配置は調整に鈍感で、１０ｋＷを超えるレーザ出力でも使用可能で なければならない。

この目的が、類概念に記載の装置において請求の範囲第１項特徴部の特徴により 達成される。

本発明装置では支持体が１回転する間にレーザビームの１断面がピックアップさ れる。さまざまな箇所でレーザビームの幾つかの断面をピックアップしてビーム 横断面全体を検出するため、本発明の別の１構成によれば支持体の回転軸がステ ッパモータにより平行移動可能である。

本発明で達成される利点は特に下記の点にある。

未集束レーザビームでも集束レーザビームの焦点および焦点前後、集束レンズと その２倍の焦点距離との間にある範囲でも本発明装置によりビームの強度分布お よび横断面をめることができる。

所要の検出器は１個にすぎない。

ビームの中心にセンタリングする必要がなく、しかもビームの位置のずれが検出 される。

高強度のレーザビームも調べることができる。

図面の簡単な説明 本発明の実施例を図面に示し、以下詳しく説明する′。

第１図は本発明装置の縦断面図。

第２図は第１図部分の拡大図。

第３図は両端をそれぞれプラグで密封した直管を導波路として有する支持体。

第４図は両端を曲げた光ファイバを導波路として有する支持体。

第５図は両端を研磨して４５°にした直線状光ファイバを有する支持体。

第６図は底の内面を４５°面取りした保護キャップ付き直線状光ファイバを有す る支持体。

第７図は複数の導波路を有する支持体の側面図。

第８図は２枚の円板から成る支持体の縦断面図。

第９図は同上側面図。

第１０図は本発明に係る別の支持体の部分側面図及び第１１図は第１０図に示し た支持体の部分断面図。

及虱０叉茄 第１図において１は回転可能に支承された支持体であり、その回転軸２はレーザ ビーム３の軸と平行である。支持体１と結合された小管４は導波路として働く円 筒中空導波路であり、その両端は９０’曲げである。

この曲げは小管４の支持体側末端５に示すように１ステツプで行うことができる 。それに対し小管４の他端６は幾つかのステップに分けて曲げた例を示し、反射 損失が小さくなる利点を有する。

小管４はレーザビーム３を通す方の末端６がキャップ７で密封しである。キャッ プは中心に回転軸２と平行な六８を有する。穴の直径はビームの横断面および小 管４の内径に準じて決まる。レーザがＣＯ２レーザで、本装置を自走レーザビー ム用に使用する場合穴の直径は主に０．５乃至１．０ｍ、集束レーザビーム用に 使用する場合主に１０乃至５０μ瓦である。

小管４は他端５に回転軸２と同軸上に射出孔９を有する。射出孔９の前に市販の 検出器１０、例えばＣＯ２レーザと合わせて使用する場合焦電検出器が、固定配 置しである。

レーザをオンにし支持体１を回転させると小管４は支持体１が１回転するたびに １回、レーザビームを通す。穴８を通って小管４の内部に達した微量のレーザ放 射部分は射出孔９まで導かれ、そこから固定検出器１０に結像される。

第２図は第１図の部分“Ａ″を拡大図示したものであり、穴８近辺での小管４内 の放射分布を認めることができる。減衰をできるだけ小さく抑えるため小管４の 内壁はレーザ波長にとって高反射物質、例えば銅、銀または金から構成し、また はそれらの被膜を設けるべきであり、必要なら表面を研磨してあくことができる 。

第３図に示した実施例では小管４の末端が曲げてなく、内面１３又は１４を回転 軸２に対し４５°の角度に面取りしたプラグ１１または１２で密封しである。

内面１４の高ざに小管４は第１図の射出孔９に対応した穴１９を有する。

第４図に示す実施例では、単数または複数のガラス繊維から形成され末端１６． １７に保護キャップ２０または２１を有する光ファイバ１５が導波路として使わ れている。光ファイバ１５は第１図の小管４と同様に両端１６．１７が９０’曲 げである。保護キャップ２０は同心の穴２８（第１図の穴８に相当）、そして保 護キャップ２１は同心の穴２９（第１図の射出孔９に相当）を有する。

第５図では光ファイバ１５を直線状に形成しその両端１６．１７が光ファイバの 軸に対し４５°の角度に研磨してあり、この研磨平面で入射ビームの全反射が起 きる。保護キャップ３０はレーザに対向した壁に穴３８（第１図の穴８に相当） 、そして保護キャップ３１は検出器に対向した壁に穴３９（第１図の射出孔９に 相当）を有する。

第６図に示す実施例でも光ファイバ１５はやはり直線状に形成しであるが、両端 １６．１７を光ファイバの軸に対し９０’の角度に研磨し、保護キャップ４０ま たは４１の底２３．２４は内面が４５°に面取りしである。保護キャップ４０の 穴４８、保護キャップ４１の穴は第５図の穴３８．３９に相当する。保護キャッ プ４０．４１の内部は高反射性にしである。

光ファイバ１５が捩れるのを防ぐため第４．５．６図の実施態様では支管２２を 設け、これに光ファイバ１５が例えば接着により固着しである。保護キャップ２ ０．３０または４０はレーザビームを横切る外壁が加熱をできるだけ低く抑える ため高反射性にしである。

第７図は本発明対象の別の構成を示す。ここでは支持体内に円筒中空導波路が半 径方向に穿設してあり、円筒中空導波路は差込み式導波路により延長することが できる。この目的のため支持体１′が通路２５を有し、該通路２５はその製造後 、板２６で１Ｍ蓋されて円筒中空導波路の性格をおびる。通路２５の内端は通路 ２５の射出孔２７が板２６内で支持体１′の回転軸２と同軸になるよう曲げであ る。ビームをできるだけ損失なしに案内する上で、通路２５の曲げを幾つかの部 分、主に各４５°の２つの曲折部に細分すると有利である。

通路２５が外向き末端に径拡大部３２を有し、そのなかに円筒中空導波路、つま り第３図に示す小管４が、ただし内プラグ１２および穴１９を設けることなく配 置しである。円筒中空導波路に代え、第４．第５の又は第６図に示す光ファイバ １５を通路２５の径拡大部に配置することもできる。ただしこの場合ビームは通 路２５の方向に射出する。

支持体１′内に設けた円筒中空導波路２５を差し込み式導波路３２で延長するの でなく、支持体１′の直径を適当に大きくしかつ円筒中空導波路２５の支持体周 面に対向した方の末端も９０°曲げ、第８図に示すようにその入射孔をレーザに 対向させることもやはり本発明に含まれる。板２６はこの箇所に第１図の穴８に 相当する穴８′を有する。しかしこの実施態様は、レーザビームが支持体１′で 完全にまたは大部分覆われるので、限定的にのみ使用することができる。

第１乃至第８図を基に説明した本発明の実施例では・支持体１または１′が１回 転するとレーザビームの１断面がピックアップされる。さまざまな箇所でレーザ ビーム断面をピックアップしてビーム横断面全体を検出するため、図示省略した ステッパモータにより支持体１または１′の回転軸を平行移動させることができ る。その際個々の断面は順次ピックアップされる。

本発明の１展開によれば、支持体内の同一平面上に幾つかの通路がそれぞれ同一 角度距離に配設され、そのなかに導波路が挿入してあり、支持体から張り出した 導波路部分の長さ、従ってその穴と回転軸との距離は支持体周面にわたって均一 に減少している。こうして１回転でもってレーザビームの断面を幾つか検出する ことが可能となる。この場合にも所要の検出器が１個にすぎない点が特に有利で ある。

第９図は１６個の導波路（小管４または光ファイバ１５）をそれぞれ２２．５° の角度距離に配設して有する支持体１′を示す。導波路は支持体１′から張り出 した部分の長さが支持体１′の周面にわたって均一に減少している。１巡した後 、最短導波路の長さが最長導波路の長さにジャンプする。それらの穴５８（＝８ ．１８．２８．３８または４８）と支持体１′の回転軸との距離もそれに対応し 、穴と回転軸との距離差はビームまたは焦点の直径に左右される。個々の穴５８ で絞り込まれたレーザ放射部分は射出孔２７に供給され、そこから固定検出器１ ０に、ビームの中心がその目標位置からずれた場合でも、平行断面として結像さ れる。この場合検出器に結像されたビーム断面の像がそれに応じて変位し、この 変位量はビーム位置の自動補正に利用することができる。

幾つかの通路２５を射出孔２７でまとめることから困難が生じることがあるので 、本発明の更に別の構成により支持体は第１０．１１図に示すように２枚の、好 ましくはねじ３３で互いに結合した円板３４．３５から構成され、円板は縁部３ ６でのみ互いに重なり合い、この縁部に小管４または光ファイバ１５を受容する 凹部３７を有し、またその内部に円錐形突部４２またはそれに適合したくぼみ４ ３を有する。くぼみ４３は検出器１０に対向した射出孔２７′に移行し、また円 板３４．３５間の環状隙間４４が通路として動く。

放射速度が導波路の穴５８の運動速度よりかなり大きいので、隙間４４内で放射 の個々の断面が相互に邪魔し合うこともない。射出穴２７′の直径は本発明をＣ Ｏ２レーザと合わせて使用する場合約１乃至２ｍである。

本発明のこの実施態様は多数の通路を集合させたものより製造が簡単であるとい う利点を有するだけではない。更にそれは導波路の容易な交換、例えば穴径また は長さの異なる導波路との交換を容易に可能とする。

しかもこの交換に必要なのは、隣接したねじを多少緩め、当該小管または光ファ イバの交換後再び締付けることだけである。

第１０図、１１図を塁に上述した本発明の実ＩＮ態様の更に別の構成では、円板 ３４の平面４６から円錐形突部４２に移行する移行部４５が面取りしである。こ れにより放射の反射は適切な進路に転向される。

支持体が１回転すると本発明対象によりレーザビームの１断面がピックアップさ れる。さまざまな箇所でレーザビームの断面をピックアップしてビーム横断面全 体を検出するため支持体の回転軸がステッパモータにより平行移動される。これ は例えば工作物、金泥表面の加工、溶接等に用いるＣＯ２レーザ又はその他あら ゆる好適なレーザにおいて監視に利用することができる。

１・・・支持体（第８図の支持体１′　）２・・・１の回転軸、３・・・レーザ ビーム、４・・・小管、５・・・４の支持体側末端、６・・・４のイ也端、７・ ・・キャップ、８・・・穴、９・・・射出孔、１０・・・検出器、　１１・・・ 上プラグ、１２・・・下プラグ、１３・・・１１の内面、１４・・・１３の内面 、１５・・・光ファイバ、１６・・・１５の上端、１７・・・１５の下端、１８ −・・穴、１９・・・穴（射出孔）、 ２０・・・１５の上側保護キャップ、 ２１・・・１５の下側保護キャップ、 ２２・・・１５用支管、２３・・・２０の底、２４・・・２１の底、２５・・・ 通路、　２６・・・板、２７・・・射出孔、２８・・・穴、　２９・・・穴（射 出孔）、３０・・・１５の上側保護キャップ、 ３１・・・１５の下側保護キャップ、 ３２・・・２５の径拡大部、３３・・・ねじ、３４・・・円板、３５・・・円板 、３６・・・縁部、３７・・・凹部、３８・・・穴、 ３９・・・穴（射出孔）、 ４０・・・１５の上側保護キャップ、 ４１・・・１５の下側保護キャップ、 ４２・・・突部、４３・・・くぼみ、 ４４・・・隙間、４５・・・移行部、 ４６・・・平面、４８・・・穴、 ４９・・・穴（射出孔）、５８・・・穴。

国隙調査報告　ＰＣＴ／ＤＥ　Ｂ６１０ｏ＊＜ＱＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　Ｔ：’Ｅ　 ＩＮＴ三ＲＮＡＴｌ０ＮＡＬ　５ＥＡＲＣ！（ＲＥ？ＯＲＴ　ＯＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ビーム全体から選択的に部分ビームを絞り込んでレーザビームの半径方向強 度分布を検出する装置にむいて、回転可能に支承された支持体（１）がレーザビ ームの軸と平行な回転軸（２）を有し、支持体（１）の表面または内部に導波路 （４，１５）が半径方向に延ばして配設してあり、支持体（１）が１回転する間 に導波路の外端がレーザビーム（３）を横切り、その際レーザ放射の部分ビーム を検出し、この部分ビームを、回転軸（２）上に固定配設された周知の検出器（ １０）に供給することを特徴とする装置。 ２．導波路として円筒中空導波路、主に高反射性壁を有する小管（４）を用いる ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。 ３．円筒中空導波路の両端がそれぞれ１ステップまたは幾つかのステップで合計 ９０°曲げてあることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の装置。 ４．小管（４）を直線状に構成し少なくとも一端を主に４５°の角度で密閉し、 この密閉部の高さでレーザに対向した壁に穴（１８）を回転軸（２）と平行に設 け、両側を密閉する場合には検出器（１０）に対向した壁にも穴（１９）を回転 軸（２）と同軸に設けることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の装置。 ５．単数または複数のガラス繊維から形成し両端（１６，１７）に保護キャップ を設けた光ファイバ（１５）を導波路として用い、レーザビームを横切る保護キ ャップ（２０，３０，４０）の外壁が高反射性にしてあることを特徴とする請求 の範囲第１項に記載の装置。 ６．光ファイバ（１５）の両端（１６，１７）をそれぞれ９０°曲げ、その保護 キャップ（２０，２１）に各１つの同軸穴（２８，２９）を設けることを特徴と する請求の範囲第５項に記載の装置。 ７．光ファイバ（１５）を直線状に形成し少なくとも一端（１６）を光ファイバ の軸に対し主に４５°の角度に研磨し、研磨個所の範囲で保護キャップ（３０） のそれぞれレーザに対向した壁に穴（３８）を回転軸（２）と平行に設け、光フ ァイバ（１５）の両端を研磨する場合には他方の保護キャップ（３１）の、それ ぞれ検出器（１０）に対向した壁にも穴（３９）を回転軸（２）ど同軸に設ける ことを特徴とする請求の範囲第５項に記載の装置。 ８．光ファイバ（１５）の少なくとも一端を９０°の角度に研磨し、付属の保護 キャップ（４０，４１）の底（２３，２４）内面を主に４５°に面取りし、この 保護キャップ（４０，４１）の内部を高反射性にしたことを特徴とする請求の範 囲第７項に記載の装置。 ９．支持体（１′）が、円筒中空導波路として形成され半径方向に穿設された通 路（２５）を有し、小管（４）の密閉してない方の末端、または光ファイバ（１ ５）の９０°に研磨された検出器側末端は長さの一部が、支持体（１′）の周面 に対向した通路（２５）末端の適当な径拡大部（３２）内に配設てあり、通路（ ２５）の他端が複数回、主に２回、各４５°曲げてあり、その射出穴（２７）が 支持体（１′）の回転軸（２）と同軸上にあることを特徴とする請求の範囲第４ ，７または８項に記載の装置。 １０．支持体（１）の回転軸（２）がステッパモータにより平行移動可能である ことを特徴とする請求の範囲第１乃至９項のいずれかに記載の装置。 １１．支持体（１′）内の同一平面上に複数の通路をそれぞれ同一角度距離に配 設し、これに導波路（小管４または光ファイバ１５）が導入してあり、支持体（ １′）から張り出した導波路部分の長さ、従って導波路の穴（５８）と回転軸（ ２）との距離が支持体（１′）の周面にわたって均一に減少していることを特徴 とする請求の範囲第９項に記載の装置。 １２．支持体が２枚の主にねじ（３３）で互いに結合した円板（３４，３５）か ら成り、円板が縁部（３６）でのみ互いに重なり合い、この縁部（３６）に小管 （４）または光ファイバ（１５）を受容するための凹部（３７）、そしてその下 部には円錐形突部（４２）またはそれに対応したくぼみ（４３）を有し、くぼみ （４３）が検出器（１０）に対向した射出孔（２７′）に移行し、円板（３４， ３５）間の環状隙間（４４）が通路として働くことを特徴とする請求の範囲第１ １項の記載の装置。 １３．円板平面（４６）から円錐形突部（４８）に移行する移行部（４５）を面 取りしたことを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の装置。 １４．小管（４）または保護キャップ（２８，３８，４８）の穴（８，１８）の 直径が、ＣＯ２レーザにおいて自走レーザビーム用に使用する場合０．５乃至１ ．０ｍｍ、集束レーザビーム用に使用する場合１０乃至５０μｍであることを特 徴とする請求の範囲第１項から第１３項のいずれか１項に記載の装置。