JPWO2003034554A1 - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットから射出する固体レーザ光と、固体レーザ光よりも短波長領域で発振する重畳用ＬＤから射出するレーザダイオード光とをジクロイックビームスプリッターにより重畳させた後、光ファイバに導光し、重畳用ＬＤ及び固体レーザ光を被加工物上に、互いの絶対照射位置および照射形状をほぼ一致させて照射し得るように構成したので、高出力・高輝度固体レーザユニットにおいて問題となる、低エネルギー変換効率に起因するレーザ装置の高コスト、高消費電力の問題を解決することが可能となる。

Description

技術分野
本発明は、高出力・高輝度固体レーザユニットを主体として構成され、その電力効率を大幅に向上させたレーザ装置に関するものである。
背景技術
近年、固体レーザユニットの高出力化、高輝度化技術が進展し、両性能を同時に満足する固体レーザユニットが実現したことにより、従来の加工装置では成し得なかった精密溶接や微細除去加工が高速かつ高精度で得られるようになってきた。このために、高出力・高輝度固体レーザユニットは電気・電子部品のスポット溶接やシーム溶接加工に使用されたり、金属、半導体、セラミック等のスクライビングや切断加工に活発に適用されるようになった。
従来の固体レーザユニットの代表例として、最も市場に普及しているレーザ活性媒体がロッド型のＮｄ：ＹＡＧ結晶で、平均出力が３００ＷクラスのＬＤ（レーザダイオード）励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置の構成を第３図に示す。
ここで、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１は、励起源であるＬＤ２から射出したＬＤ光３により励起され、レーザ共振器４を構成する全反射鏡５と出力結合鏡６との間でＮｄ：ＹＡＧ結晶１から放射した１．０６μｍの光が選択的に増幅され、出力結合鏡６からＮｄ：ＹＡＧレーザ光７となり射出する。また、用途に応じたＮｄ：ＹＡＧレーザ出力の制御は、ＬＤ２と電気的に結合された直流安定化電源８により行われ、安定なＮｄ：ＹＡＧレーザ出力を維持するためにＮｄ：ＹＡＧ結晶１およびＬＤ２は、直接もしくはそれらの周辺部が一定の温度になるように冷却媒体供給装置９から供給された冷却媒体を介して温度管理されている。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７は入射集光光学系１０によりコア径０．３ｍｍの伝送用光ファイバ１１の伝送条件を満足するように集光されている。また、光ファイバ１１から射出したレーザ光は、ＣＮＣテーブル１２に置かれた被加工物１３上で加工に適したビーム形状になるように射出集光光学系１４により整形あるいは集光され、所望のレーザ加工が行われる。
しかしながら従来の構成においては、レーザ加工を行う場合の励起用ＬＤに入力された電気エネルギーに対するレーザ装置から射出するレーザ光のエネルギー変換効率（以降「電気‐光変換効率」と称する）は約１０〜２０％と非常に低い数値になっている。この内訳は、励起用ＬＤの電気‐光変換効率が３０〜５０％、ＬＤ励起光のエネルギーに対するＮｄ：ＹＡＧレーザ光へのエネルギー変換効率（以降「光‐光変換効率」と称する）が３５〜５０％であり、上記した「電気‐光変換効率」は「ＬＤの電気‐光変換効率」と「光‐光変換効率」との積となっている。
さらに、一般的な工業用材料のレーザ光に対するエネルギー吸収率は、第４図に示したようにＮｄ：ＹＡＧレーザ光の発振波長１．０６μｍにおいて、アルミニウム（以降「Ａｌ」と表記する）、銅（以降「Ｃｕ」と表記する）、鉄（以降「Ｆｅ」と表記する）で各々約５％、２％、３６％（出典：「Ｊ．Ｈ．Ｗｅａｖｅｒ著：Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄａｔａ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｍｅｔａｌ」）となっている。
したがって、実際にＬＤに入力された電気エネルギーに対する被加工物が吸収するエネルギーの割合はさらに低下し、Ａｌの場合で０．５〜１％、吸収率の高いＦｅの場合でも３．５〜７％と非常に低い効率となっている。
このために、従来の固体レーザユニットを搭載したレーザ加工機は、高速・高精度の加工性能が得られる反面、非常に低いエネルギー利用率が原因となり、レーザ装置の導入および運転コストが高額になるという問題点がある。また、最終のＮｄ：ＹＡＧレーザ光に移行、変換されなかった残りのエネルギーは全て熱となり、ＬＤやＮｄ：ＹＡＧ結晶を冷却する冷却媒体が加熱されるので、結局これらの熱は冷却装置から周辺に排出されることになり、結果として周辺環境をクリーンではあるが加熱してしまうという２次的な問題も発生していた。
このような問題を鑑み、４０％以上の電気‐光変換効率を有するＬＤ光を直接的に加工に使用しようとする試みがあるが、ＬＤ光は集光性が悪く、一般加工用途に必要な３００Ｗクラスの出力を０．３ｍｍ以下の細径光ファイバにより伝送することは困難な状況にある。
本発明では、高出力・高輝度固体レーザユニットにおいて問題となる、低エネルギー変換効率に起因するレーザ装置の高コスト、高消費電力の問題を解決するレーザ装置を提供するものである。
発明の開示
本発明は上記課題を解決するために、金属材料の母材温度の上昇につれ光の吸収率が増大する物理現象を利用し、固体レーザ光による加工点に対してその照射と同時若しくはそれ以前に他の手段により該加工点を加熱することにより固体レーザ光の吸収率を高め、レーザ装置の総合的な高効率化を図る技術を提供するものである。
ここで、加工不必要な部位まで加熱してしまうと所望の加工精度が得られないばかりでなく、無駄なエネルギー損失をさらに発生させることにもなるので、加工点を集中して加熱する必要がある。このために、固体レーザ光伝送用光ファイバに加熱用の光を重畳することにより同一加工点に固体レーザ光と重畳光が照射されるようにした。
固体レーザ光伝送用光ファイバのコア径は、微細加工を高精度に実施するために一般的に０．３ｍｍ以下のものが多用されており、重畳用の光もこの細径ファイバで高効率に伝送されなければならないので、重畳用の光もレーザ光でないと実現不可能である。
また、本重畳用のレーザ光として、第４図に示した一般的な金属材料の吸収特性から推測した場合、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の発振波長１．０６μｍより短波長側のレーザ光を重畳用のレーザ装置とすれば、より金属の吸収率が増大するので、事前に行う被加工物の加熱効果も増大することとなる。
したがって、重畳用のレーザ装置として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光より短波長で発光するレーザ装置であって、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光とほぼ同一のビーム集光性を持ち、しかもそのレーザ装置の発振効率が最も高いレーザダイオードを選定した。
一般的にＬＤは、従来構成の固体レーザユニットの励起源として利用しているように、微細な形状に集光することが困難であるが、５０Ｗ以下の出力レベルであれば発光点の光学的な並び替えとレーザ光の拡がり角の補正を行うことにより０．３ｍｍより微細に集光可能とした。
本発明に係るレーザ光重畳合成技術を適用することにより、加工の精度や高速性を損なうことなくレーザ加工効率を大幅に向上させることができるので、固体レーザ出力の低減が可能となる。その結果、固体レーザユニットの小型化、即ち固体結晶の小型化、励起用ＬＤ個数の低減等の高コスト部品の削減が行えるだけでなく、同レーザ装置の運転コストの低減や周辺環境への影響も大幅に改善される。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
本発明の実施形態として、Ａｌをレーザ溶接加工することを主目的としたレーザ活性媒体がロッド型のＮｄ：ＹＡＧ結晶で、平均出力が３００ＷクラスのＬＤ励起パルス型Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡ（本発明の固体レーザユニットに相当）を主体としたレーザ装置の構成を第１図に示す。
ここで、ロッド直径φ５ｍｍ、長さ１１６ｍｍのＮｄ：ＹＡＧ結晶１は、中心波長８０８ｎｍで発振する２０Ｗ／バーのＬＤを６０バー搭載したＬＤ励起ユニット２から射出したＬＤ光３により励起され、共振器長４００ｍｍのレーザ共振器４を構成する全反射鏡５と反射率７０％の出力結合鏡６との間でＮｄ：ＹＡＧ結晶１から放射した１．０６μｍの光が選択的に増幅され、出力結合鏡６からＮｄ：ＹＡＧレーザ光７（本発明の固体レーザ光に相当）となり射出する。また、用途に応じたＮｄ：ＹＡＧレーザ出力の制御は、ＬＤ２と電気的に結合された直流安定化電源８により行われ、安定なＮｄ：ＹＡＧレーザ出力を維持するためにＮｄ：ＹＡＧ結晶１およびＬＤ２は、直接もしくはそれらの周辺部が一定の温度になるように純水冷却装置９から供給された純水を介して温度管理されている。本構成において、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７の最大平均レーザ出力２９０Ｗが、ＬＤピーク電流１１０Ａ、パルス幅０．５ｍｓｅｃ、繰返し周波数２００Ｈｚ、純水温度１１℃の時に得られた。
一方、前記Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡからのＮｄ：ＹＡＧレーザ光７に重畳する重畳用ＬＤ（レーザダイオード）光１１を射出する重畳用ＬＤ１０は、中心波長８０８ｎｍで発振する連続出力型で、楕円形状を有した重畳用ＬＤ光１１は拡がり角を低減するために速軸および遅軸用のシリンドリカル型コリメーションレンズ１２を通過した後、重畳用ＬＤ光入射光学系１３を介してコア径０．２ｍｍのステップインデックス型（以降：ＳＩ型と称する）ビーム整形用光ファイバ１４に導光し、ファイバ射出端で全方向にほぼ均質な円形状を有した重畳用ＬＤ光１５に整形され射出している。また、重畳用ＬＤ１０は冷却水が板中を通過する構成の冷却板１６の上に固定し、ＬＤ自体は間接的に冷却を行っている。
円形状を有した重畳用ＬＤ光１５は、さらに Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７と同一の形状になるようにプラノコンベックス型コリメーションレンズ１７によりコリメーションが行われ、その後Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７とジクロイックビームスプリッター（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）１８により各々のレーザ出力が重畳されている。ここで、ジクロイックビームスプリッター１８の反射側にＮｄ：ＹＡＧレーザ光７を、透過側に円形状を有した重畳用ＬＤ光１５を配置し、且つ各レーザ光７，１５が同軸に重なるよう光軸調整を行っている。その後、合成レーザ光は入射集光光学系１９によりＳＩ型、コア径０．３ｍｍ、伝送距離２０ｍの伝送用光ファイバ２０の伝送条件を満足するように集光され伝送用光ファイバ２０に導光される。伝送用光ファイバ２０から射出したレーザ光は加工に適したビーム形状になるように加工焦点距離１００ｍｍの射出集光光学系２１により集光され、ＣＮＣテーブル２２に置かれた被加工物２３上に照射され、所望のレーザ加工が行われる。ここで、射出集光光学系２１はＮｄ：ＹＡＧレーザ光１．０６μｍと重畳用ＬＤ光８０８ｎｍの両波長領域で９８％以上の透過率を有する光学部品を搭載している。
重畳用ＬＤ光１５の被加工物２３上への照射は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７の照射以前もしくは同時に実施する。重畳用ＬＤ１０の射出レーザ出力値、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ出力値および照射の ＯＮ、ＯＦＦは、各々独立可変に制御可能である。
第２図は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７単体の場合と同レーザ光７に重畳用ＬＤ光１５を重畳させた場合の溶接加工性能を比較実験した結果を示したものである。本実験では、供試材としてＪＩＳ規格＃３００３のアルミニウム材を用い、加工速度は２０ｍｍ／ｓｅｃ一定で、シールドガスとして窒素（Ｎ_２）ガスを流量１０リッター／分で加工点周辺に供給した。
同図から分かるように、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７単体の場合においては、平均レーザ出力が２５０Ｗの時ナゲット径０．４ｍｍで最大の溶け込み深さの０．７４ｍｍが得られていたが、重畳用ＬＤ光１５のレーザ出力を１０Ｗ重畳するとＮｄ：ＹＡＧレーザ光７単体の場合より約５％溶け込みが深くなり、同ＬＤ光１５のレーザ出力が２０Ｗおよび３０Ｗの場合においては、それぞれ約１９％、４６％も溶け込み量が増大した。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡ単体では、最大平均レーザ出力２９０Ｗの時、最大溶け込み深さ１．０ｍｍが得られたが、ＬＤ光１５を３０Ｗ重畳した場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡ単体のレーザ出力は平均２４０Ｗで同一の溶け込み深さが得られているので、Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡ単体として約５０Ｗの平均レーザ出力を低減できたことになる。
この１．０ｍｍの溶け込み深さが得られた時の消費電力を測定した結果、Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡ単体で平均２９０Ｗ出力している場合は２０１５Ｗであったものが、ＬＤ光１５を３０Ｗ重畳しＮｄ：ＹＡＧレーザユニットＡの単体出力が２４０Ｗになった場合では、１７５０Ｗであった。即ち、同じ加工を１３％少ないエネルギー量で実現することができた。
その際、重畳用ＬＤ光１５の被加工物上への照射は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光７の照射以前もしくは同時に実施され、且つ重畳用ＬＤ１０の射出レーザ出力値、Ｎｄ：ＹＡＧレーザユニットＡの出力値および照射のＯＮ、ＯＦＦを各々独立可変に制御可能としているため、加工点に対する加熱の時期や度合いを適度に調整して高効率化を有効に追求することができる。
特に、重畳用ＬＤ１０から射出される重畳用ＬＤ光１１は、ジクロイックビームスプリッター１８においてＮｄ：ＹＡＧレーザ光１５と合成される以前に、コリメーションレンズ１２を用いて射出レーザビームの拡がり角を全方向でほぼ均等になるように補正された後、ビーム整形用光ファイバ１４に導光され、ＬＤ射出モードパターンの円形化および径方向のビーム品質の均等化を実施した後、該ジクロイックビームスプリッター１８においてＮｄ：ＹＡＧレーザ光７と合成されるようにしている。このため、加熱用のＬＤ光１１を０．３ｍｍより微細に集光可能として、加工点に対する高効率の加熱を実効あるものにすることができる。
さらに、この実施形態におけるＮｄ：ＹＡＧレーザユニットはＬＤ励起ユニット２を励起源とした固体レーザユニットであって、且つ該固体レーザ励起用ＬＤと同一の波長を射出するＬＤ１０を重畳用のレーザダイオードとしても使用しているため、重畳用ＬＤの信頼性も高く、また安価に同ＬＤを入手することができる。
また、このように必要な加工点のみを加熱し、不必要な部位を加熱しないため、重畳用ＬＤ１０からの重畳用ＬＤ光１１の射出形態を本実施形態のように時間的に一定なレーザ出力を連続的に射出する連続型としても支障はなく、これにより加工点におけるレーザ光吸収率を効果的に高めることができる。
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ励起用レーザダイオードと±３ｎｍ以下の波長帯域で同一の波長を射出するレーザダイオードを重畳用のレーザダイオードとして使用したが、一般的に加工が行われる金属やセラミクスの吸収特性から、重畳用のレーザダイオードの波長帯域は励起用レーザダイオードと±５０ｎｍ以下の波長帯域であれば、本実施例と同様の効果が期待できる。
また、上記実施形態では、重畳用のレーザダイオードは連続出力型のものを使用したが、パルス出力型であっても本実施例と同様の効果が期待できる。
さらに、上記実施形態では、レーザ活性媒体がＮｄ：ＹＡＧ結晶のＮｄ：ＹＡＧレーザの場合について説明を行ったが、レーザ活性媒体がＹｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４等の単一固体結晶あるいはそれらの組合せで構成される固体結晶、あるいはセラミック結晶であっても本実施例と同様の効果が期待できる。
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
産業上の利用可能性
本発明は、以上説明した構成であるから、レーザ加工の精度や高速性を損なうことなくレーザ装置の大幅な省電力化が実現でき、環境により優しいレーザ装置を提供することができる。また、併せてレーザ装置の小型化も実現できるので、省資源化に寄与できるレーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施形態を示す模式的な構成図である。第２図は同実施形態による溶接加工特性を示すグラフである。第３図は従来例を示す模式的な構成図である。第４図は材料の波長対エネルギ吸収率を示すグラフである。

Claims (7)

1. 固体レーザユニットから射出する固体レーザ光と、該固体レーザ光よりも短波長領域で発振するレーザダイオードから射出するレーザダイオード光とをジクロイックビームスプリッター（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）により重畳させた後、空間的に同一の伝送媒体に導光し、レーザダイオード光及び固体レーザ光を被加工物上に、互いの絶対照射位置および照射形状をほぼ一致させて照射し得るように構成していることを特徴とするレーザ装置。
2. 伝送媒体が、固体レーザ光を伝送可能な光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記重畳用レーザダイオード光の被加工物上への照射は、固体レーザ光の照射以前もしくは同時に実施され、且つレーザダイオードの射出レーザ出力値、固体レーザ出力値および照射のＯＮ、ＯＦＦは各々独立可変に制御可能であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
4. 前記レーザダイオードから射出される重畳用のレーザダイオード光は、ジクロイックビームスプリッターにおいて固体レーザ光と合成される以前に、単一もしくは複数のシリンドリカルレンズを用いて射出レーザビームの拡がり角を全方向でほぼ均等になるように補正された後、光ファイバに導光され、レーザダイオード射出モードパターンの円形化および径方向のビーム品質の均等化を実施した後、該ジクロイックビームスプリッターにおいて固体レーザ光と合成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
5. 前記固体レーザユニットはレーザダイオードを励起源とした固体レーザユニットであって、且つ該固体レーザ励起用レーザダイオードと±５０ｎｍ以下の波長帯域で同一の波長を射出するレーザダイオードを重畳用のレーザダイオードとすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
6. 前記レーザ装置において、重畳用レーザダイオードからのレーザ光の射出形態は、時間的に一定なレーザ出力を連続的に射出する連続型または時間的にレーザ出力が変化するパルス出力型であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
7. 該固体レーザユニットのレーザ活性媒体がＮｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４等の単一固体結晶あるいはそれらの組合せで構成される固体結晶、あるいはセラミック結晶であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。

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