KR20040047923A - 레이저 장치 - Google Patents

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KR20040047923A
KR20040047923A KR10-2004-7005650A KR20047005650A KR20040047923A KR 20040047923 A KR20040047923 A KR 20040047923A KR 20047005650 A KR20047005650 A KR 20047005650A KR 20040047923 A KR20040047923 A KR 20040047923A
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이에히사노브아키
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가부시키가이샤 가타오카 세이사쿠쇼
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Abstract

Nd:YAG 레이저 유닛으로부터 사출된 고체 레이저광과, 고체 레이저광보다 단파장 영역에서 발진하는 중첩용 LD로부터 사출된 레이저 다이오드 광을 디크로익 빔 스플리터에 의하여 중첩시킨 후，광섬유에 도광하고, 중첩용 LD 및 고체 레이저광을 피가공물 상에, 서로의 절대 조사 위치 및 조사 형상을 거의 일치시키고 조사할 수 있도록 구성했기 때문에, 고출력·고휘도 고체 레이저 유닛에 있어 문제가 되는, 저 에너지 변환 효율에 기인한 레이저 장치의 고비용, 고소비 전력의 문제를 해결하는 것이 가능해진다.

Description

레이저 장치 {LASER APPARATUS}
근래, 고체 레이저 유닛의 고출력화, 고휘도화 기술이 진전되어, 양성능을 동시에 만족하는 고체 레이저 유닛을 실현하는 것에 의하여, 종래의 가공 장치로는 해낼 수 없었던 정밀 용접이나 미세 제거 가공이 고속인 동시에 고정밀도로 가능하게 되었다. 이 때문에, 고출력·고휘도 고체 레이저 유닛은 전기·전자 부품의 점 용접이나 심 용접 가공에 사용하거나, 금속, 반도체, 세라믹 등의 스크라이빙이나 절단 가공에 활발하게 적용하게 되었다.
종래의 고체 레이저 유닛의 대표예로서, 가장 많이 시장에 보급되고 있는 레이저 활성 매체가 로드형의 Nd:YAG 결정으로, 평균 출력이 300W 급의 LD(레이저 다이오드) 여기(勵起) 펄스형 Nd:YAG 레이저 장치의 구성이 도 3에 도시되어 있다.
여기에서, Nd:YAG 결정(1)은, 여기원(勵起原)인 LD(레이저 다이오드)(2)로부터 사출(射出)된 LD광(3)에 의해 여기되고, 레이저 공진기(4)를 구성하는 전반사경(5)과 출력결합경(6) 사이에서 Nd:YAG 결정(1)으로부터 방사(放射)된 1.06㎛의 광이 선택적으로 증폭되어, 출력결합경(6)으로부터 Nd:YAG 레이저광(7)이 되어 사출된다. 또, 용도에 따른 Nd:YAG 레이저 출력의 제어는, LD(2)와 전기적으로 결합된 직류 안정화 전원(8)에 의해 이루어지고, 안정적인 Nd:YAG 레이저 출력을 유지하기 위해 Nd:YAG 결정(1) 및 LD(2)는, 직접 혹은 그 주변부가 일정한 온도가 되도록 냉각 매체 공급 장치(9)로부터 공급되는 냉각 매체를 이용하여 온도가 관리되고 있다.
Nd:YAG 레이저광(7)은 입사 집광 광학계(10)에 의해 코어 지름 0.3mm의 전송용 광섬유(11)의 전송 조건을 만족하도록 집광되고 있다. 또, 광섬유(11)로부터 사출된 레이저광은 ，CNC 테이블(12)에 놓여진 피가공물(13) 상에 가공에 적합한 빔 형상이 되도록 사출 집광 광학계(14)에 의해 정형 또는 집광되어, 원하는 레이저 가공이 이루어진다.
그럼에도 불구하고 종래의 구성에 있어서는, 레이저 가공을 행하는 경우의 여기용 LD에 입력된 전기 에너지에 대한 레이저 장치로부터 사출된 레이저광의 에너지 변환 효율(이하「전기-광변환 효율」이라 한다)은 약10∼20%로 상당히 낮은 수치가 되어 있다. 이 내역은, 여기용 LD의 전기-광변환 효율이 30∼50%, LD 여기광의 에너지에 대한 Nd:YAG 레이저광의 에너지 변환 효율(이하「광-광변환 효율」이라 한다)이 35∼50%이고, 상기 「전기-광변환 효율」은 「LD 의 전기-광변환 효율」과 「광-광변환 효율」의 곱으로 되어 있다.
또한, 일반적인 공업용 재료의 레이저광에 대한 에너지 흡수율은, 도 4에 나타낸 것처럼 Nd:YAG 레이저광의 발진(發振) 파장 1.06㎛에 있어, 알루미늄(이하 「Al」이라 한다), 동(이하 「Cu」라 한다), 철(이하 「Fe」라 한다)에 각각 약5%, 2%, 36% (출전:「J. H. Weaver저: Physics Data-Optical Properties of Metal」)로 되어 있다.
따라서, 실제로 LD에 입력된 전기 에너지에 대한 피가공물이 흡수한 에너지의 비율 또한 저하되어， Al의 경우에 0.5∼1%, 흡수율이 높은 Fe의 경우에도 3.5∼7%로 상당히 낮은 효율로 되어 있다.
이 때문에, 종래의 고체 레이저 유닛을 탑재한 레이저 가공기는, 고속·고정밀도의 가공성능을 얻을 수 있는 반면, 상당히 낮은 에너지 이용률이 원인이 되어, 레이저 장치의 도입 및 운전 비용이 고액이 된다고 하는 문제점이 있다. 또, 최종 Nd:YAG 레이저광에 이행, 변환되지 않았던 나머지 에너지는 전부 열이 되어, LD 와 Nd:YAG 결정을 냉각하는 냉각 매체가 가열되기 때문에, 결국 이러한 열은 냉각 장치로부터 주변에 배출되는 것이 되어, 결과로서 주변 환경을 깨끗하게 하지만 가열해 버린다는 2차적인 문제도 발생하고 있다.
이와 같은 문제를 감안하여, 40% 이상의 전기-광변환 효율을 갖는 LD광을 직접적으로 가공에 사용하려고 하는 시도가 있지만, LD광은 집광성이 나쁘고, 일반 가공용도로 필요한 300W 급의 출력을 0.3mm 이하의 세경(細徑) 광섬유에 의하여 전송하는 것이 곤란한 상황에 있다.
본 발명은, 고출력·고휘도 고체 레이저 유닛에 있어 문제가 되는, 저 에너지 변환 효율에 기인한 레이저 장치의 고비용, 고소비 전력의 문제를 해결하는 레이저 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 고출력·고휘도 고체 레이저 유닛을 주체로서 구성되며, 그 전력 효율을 대폭적으로 향상시킨 레이저 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 나타내는 모식적인 구성도이다. 도 2는 동(同) 실시 형태에 의한 용접 가공 특성을 나타내는 그래프이다. 도 3은 종래예를 나타내는 모식적인 구성도이다. 도 4는 재료의 파장 대 에너지 흡수율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 금속재료의 모재(母材) 온도의 상승에 동반하여 빛의 흡수율이 증대하는 물리 현상을 이용하여, 고체 레이저광에 의한 가공점에 대해 그 조사(照射)와 동시에 또는 그 이전에 다른 수단에 의하여 그 가공점을 가열함으로써 고체 레이저광의 흡수율을 높이고, 레이저 장치의 종합적인 고효율화를 도모하는 기술을 제공하는 것이다.
여기에서, 가공이 불필요한 부위까지 가열해 버린다면 원하는 가공 정밀도를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 필요없는 에너지 손실을 더욱 발생시키는 것도 되기 때문에, 가공점을 집중하여 가열할 필요가 있다. 이 때문에, 고체 레이저광 전송용 광섬유에 가열용 광을 중첩함으로써 동일 가공점에 고체 레이저광과 중첩광이 조사되도록 하였다.
고체 레이저광 전송용 광섬유의 코어 지름은, 미세 가공을 고정밀도로 실시하기 위해 일반적으로 0.3mm 이하의 것이 많이 이용되고 있고, 중첩용 광도 이 세경(細徑) 파이버로 고효율로 전송되지 않으면 안되기 때문에, 중첩용 광도 레이저광이 아니라면 실현 불가능하다.
또, 본 중첩용 레이저광으로서, 도 4에 나타낸 일반적인 금속재료의 흡수 특성으로부터 추측할 경우, Nd:YAG 레이저광의 발진 파장 1.06㎛보다 단파장측의 레이저광을 중첩용 레이저 장치로 조사하면, 보다 금속의 흡수율이 증대하기 때문에, 사전에 행하는 피가공물의 가열 효과도 증대하는 것이 된다.
따라서 중첩용의 레이저 장치로서, Nd:YAG 레이저광보다 단파장으로 발광하는 레이저 장치이고, Nd:YAG 레이저광과 거의 동일한 빔 집광성을 가지고, 게다가그 레이저 장치의 발진 효율이 가장 높은 레이저 다이오드를 선정하였다.
일반적으로 LD는, 종래 구성의 고체 레이저 유닛의 여기원으로서 이용하고 있는 것처럼, 미세한 형상으로 집광하는 것이 곤란하지만, 50W 이하의 출력 레벨이라면 발광점의 광학적인 재배열과 레이저광의 확산각의 보정을 행함으로써 0.3mm보다 미세한 집광을 가능하게 하였다.
본 발명에 관계된 레이저광 중첩 합성 기술을 적용함으로써, 가공의 정밀도나 고속성을 손상시키는 일 없이 레이저 가공 효율을 대폭적으로 향상시키는 것이 가능하기 때문에, 고체 레이저 출력의 절감이 가능해진다. 그 결과, 고체 레이저 유닛의 소형화, 즉 고체 결정의 소형화, 여기용 LD 갯수의 절감 등의 고비용 부품의 삭감이 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 동(同) 레이저 장치의 운전 비용의 절감이나 주변 환경으로의 영향도 대폭적으로 개선된다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태를, 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시 형태로서, Al을 레이저 용접 가공하는 것을 주목적으로 하는 레이저 활성 매체가 로드 형의 Nd:YAG 결정이고, 평균 출력이 300W 급인 LD 여기펄스 형 Nd:YAG 레이저 유닛(A)(본 발명의 고체 레이저 유닛에 상당)을 주체로 하는 레이저 장치 구성을 도 1에 나타내었다.
여기에서, 로드 직경 5mm, 길이 116mm의 Nd:YAG 결정(1)은, 중심 파장 808nm로 발진하는 20W/바(bar)의 LD를 60 바 탑재한 LD 여기 유닛(2)으로부터 사출된 LD광(3)에 의해 여기되고, 공진기 길이 400mm의 레이저 공진기(4)를 구성하는 전반사경(5)과 반사율 70%의 출력결합경(6) 사이에서 Nd:YAG 결정(1)으로부터 방사된 1.06㎛의 광이 선택적으로 증폭되어, 출력결합경(6)으로부터 Nd:YAG 레이저광(7)(본 발명의 고체 레이저광에 상당)이 되어 사출된다. 또, 용도에 따른 Nd:YAG 레이저 출력의 제어는, LD(2)와 전기적으로 결합된 직류 안정화 전원(8)에 의해 이루어지고, 안정된 Nd:YAG 레이저 출력을 유지하기 위해 Nd:YAG 결정(1) 및 LD(2)는, 직접 혹은 그 주변부가 일정한 온도가 되도록 순수(純水) 냉각 장치(9)로부터 공급된 순수를 이용하여 그 온도가 관리되고 있다. 본 구성에 있어, Nd:YAG 레이저광(7)의 최대 평균 레이저 출력 290W가, LD 피크 전류 110A, 펄스 폭 0.5msec, 반복 주파수 200Hz, 순수 온도 섭씨 1l도일 때 얻어졌다.
한편, 상기 Nd:YAG 레이저 유닛(A)으로부터 나오는 Nd:YAG 레이저광(7)에 중첩되는 중첩용 LD광(11)을 사출하는 중첩용 LD(l0)는 중심 파장 808nm로 발진하는 연속 출력형으로, 타원형상을 가진 중첩용 LD광(11)은 확산각을 절감시키기 위해 속축(速軸) 및 지축(遲軸)용 원통형 커리메이션(collimation) 렌즈(12)를 통과한 후, 중첩용 LD광 입사광학계(13)를 이용하여 코어 지름 0.2mm의 스텝 인덱스 형(이하 SI형이라 한다) 빔 정형용 광섬유(14)에 도광(導光)하고, 섬유 사출단에서 전방향으로 거의 균질한 원형 모양을 가진 중첩용 LD광(15)에 정형되어 사출되고 있다. 또, 중첩용 LD(l0)는 냉각수가 판중(板中)을 통과하는 구성을 한 냉각판(16)의 위에 고정되어, LD 자체는 간접적으로 냉각이 이루어지고 있다.
또한 원형 모양을 가진 중첩용 LD광(15)은 Nd:YAG 레이저광(7)과 동일한 형상이 되도록 하기 위하여 플라노컨벡스(plano-convex)형 커리메이션 렌즈(17)에 의해 광의 평행이 이루어지고, 그 후 Nd:YAG 레이저광(7)과 디크로익 빔 스플리터(Dichroic Beam Splitter)(18)에 의하여 각각의 레이저 출력이 중첩되고 있다. 여기에서, 디크로익 빔 스플리터(18)의 반사측에 Nd:YAG 레이저광(7)을, 투과측에 원형 모양을 가진 중첩 용LD광(l5)을 배치하여, 또한 각 레이저광(7, 15)이 동축에 겹쳐지도록 광축 조정을 행하고 있다. 그 후, 합성 레이저광은 입사집광 광학계(l9)에 의하여 SI형, 코어 지름 0.3mm, 전송 거리 20m의 전송용 광섬유(20)의 전송 조건을 만족하도록 집광되고 전송용 광섬유(20)에 도광된다. 전송용 광섬유(20)로부터 사출된 레이저광은 가공에 적합한 빔 형상이 되도록 가공 초점 거리 1OOmm의 사출 집광 광학계(21)에 의하여 집광되고，CNC 테이블(22)에 놓여진 피가공물(23) 상에 조사되어, 원하는 레이저 가공이 이루어진다. 여기에서, 사출 집광 광학계(21)는 Nd:YAG 레이저광 1.06㎛와 중첩용 LD광 808nm의 양 파장 영역에서 98% 이상의 투과율을 갖는 광학 부품을 탑재하고 있다.
피가공물(23) 상에 하는 중첩용 LD광(15)의 조사는, Nd:YAG 레이저광(7)의 조사 이전에 혹은 동시에 실시한다. 중첩용 LD(l0)의 사출 레이저 출력치, Nd:YAG 레이저 출력치 및 조사의 ON, OFF는, 각각 독립 가변적으로 제어 가능하다.
도 2는, Nd:YAG 레이저광(7) 단체(單體)의 경우와 동 레이저광(7)에 중첩용 LD광(15)를 중첩시킨 경우의 용접 가공 성능을 비교 실험한 결과를 나타낸 것이다. 본 실험으로는, 시험에 제공한 재료로서 JIS 규격 #3003의 알루미늄재를 이용하고, 가공 속도는 20mm/sec로 일정하게 하고, 실드 가스로서 질소(N₂) 가스를 유량 10 리터/분으로 가공점 주변에 공급하였다.
도 2로부터 알 수 있듯이, Nd:YAG 레이저광(7) 단체의 경우에 있어서는, 평균 레이저 출력이 250W일 때 너게트(nagget) 지름 0.4mm로 최대의 용입 깊이 0.74mm가 얻어질 수 있지만, 중첩용 LD광(15)의 레이저 출력을 10W 중첩한다면 Nd:YAG 레이저광(7) 단체의 경우보다 약 5% 용입이 깊어지고, 동 LD광(15)의 레이저 출력이 20W 및 30W의 경우에 있어서는, 각각 약 19%, 46%로 용입양이 증대하였다. 또，Nd:YAG 레이저 유닛(A) 단체에서는, 최대 평균 레이저 출력 290W일 때, 최대 용입 깊이 1.0mm을 얻을 수 있지만, LD광(15)을 30W 중첩한 경우에는, Nd:YAG 레이저 유닛(A) 단체의 레이저 출력은 평균 240W로서, 동일한 용입 깊이를 얻을 수 있기 때문에, Nd:YAG 레이저 유닛(A) 단체로서 약 50W의 평균 레이저 출력을 절감할 수 있었던 것이 된다.
상기 1.Omm의 용입 깊이를 얻을 수 있던 때의 소비 전력을 측정한 결과, Nd:YAG 레이저 유닛(A) 단체로 평균 290W 출력하고 있는 경우에는 2015W이었던 것이, LD광(l5)을 30W 중첩하고 Nd:YAG 레이저 유닛(A)의 단체 출력이 240W인 경우에서는, 1750W이었다. 즉, 동일한 가공을 13% 적은 에너지 양으로 실현하는 것이 가능하였다.
이때, 피가공물 상으로 하는 중첩용 LD광(15)의 조사는, Nd:YAG 레이저광(7)의 조사 이전 혹은 동시에 실시되며，또한 중첩용 LD(10)의 사출 레이저 출력치, Nd:YAG 레이저 유닛(A)의 출력치 및 조사의 ON, OFF가 각각 독립 가변적으로 제어 가능하므로, 가공점에 대한 가열의 시기나 정도를 적당하게 조정하여 고효율화를 유효하게 추구할 수 있다.
특히, 중첩용 LD(l0)로부터 사출된 중첩용 LD광(11)은, 디크로익 빔 스플리터(18)에 있어 Nd:YAG 레이저광(15)과 합성되기 이전에, 커리메이션 렌즈(12)를 이용하여 사출 레이저 빔의 확산각을 전 방향으로 거의 균등하게 되도록 보정된 후, 빔 정형용 광섬유(14)에 도광되어, LD 사출 모드 패턴의 원형화 및 지름 방향의 빔 품질의 균등화를 실시한 후, 당해 디크로익 빔 스플리터(18)에 있어 Nd:YAG 레이저광(7)과 합성되도록 하고 있다. 이 때문에, 가열용의 LD광(11)을 0.3mm보다 미세하게 집광 가능하게 하고, 가공점에 대한 고효율의 가열을 실효 있게 할 수 있다.
또한, 이 실시 형태에 있어서 Nd:YAG 레이저 유닛은 LD 여기 유닛(2)을 여기원으로 한 고체 레이저 유닛이고, 또한 당해 고체 레이저 여기용 LD와 동일한 파장을 사출하는 LD(l0)를 중첩용 레이저 다이오드로서도 사용하고 있기 때문에, 중첩 용 LD의 신뢰성도 높고，또 값이 싸게 동 LD를 입수할 수 있다.
또, 이와 같이 필요한 가공점만을 가열하고, 불필요한 부위를 가열하지 않기 때문에, 중첩용 LD(l0)로부터의 중첩용 LD광(11)의 사출 형태를 본 실시 형태처럼 시간적으로 일정한 레이저 출력을 연속적으로 사출하는 연속형으로 하여도 지장이 없고, 이것에 의해 가공점에서 레이저광 흡수율을 효과적으로 높이는 것이 가능하다.
또한, 각 부분의 구체적인 구성은, 상술한 실시 형태에만 한정되는 것이 아니다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는, Nd:YAG 레이저 여기용 레이저 다이오드와 ±3nm 이하의 파장 대역에서 동일한 파장을 사출하는 레이저 다이오드를 중첩용의 레이저 다이오드로서 사용했지만, 일반적으로 가공이 행해지는 금속이나 세라믹스의 흡수 특성으로부터, 중첩용 레이저 다이오드의 파장 대역이 여기용 레이저 다이오드와 ±50nm 이하의 파장 대역이라면, 본 실시예와 동일한 효과를 기대할 수 있다.
또, 상기 실시 형태로는, 중첩용의 레이저 다이오드는 연속 출력형인 것을 사용했지만, 펄스 출력형이라도 본 실시예와 동일한 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태로는, 레이저 활성 매체가 Nd:YAG 결정의 Nd:YAG 레이저일 경우에 관하여 설명하였지만, 레이저 활성 매체가 Yb:YAG, Nd:YVO₄등의 단일 고체 결정 또는 그 조합으로 구성된 고체 결정, 또는 세라믹 결정이더라도 본 실시예와 동일한 효과를 기대할 수 있다.
그 밖의 구성도, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능하다.
본 발명은, 이상 설명한 구성이기 때문에, 레이저 가공의 정밀도나 고속성을 손상시키는 일 없이 레이저 장치의 대폭적인 전력 절약화를 실현할 수 있고, 환경에 친한 레이저 장치를 제공할 수 있다. 또, 병합하여 레이저 장치의 소형화도 실현할 수 있기 때문에, 자원 절약화에 기여할 수 있는 레이저 장치를 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 고체 레이저 유닛으로부터 사출한 고체 레이저광과, 그 고체 레이저광보다도 단파장 영역에서 발진하는 레이저 다이오드로부터 사출한 레이저 다이오드 광을 디크로익 빔 스플리터(Dichroic Beam Splitter)에 의하여 중첩시킨 후,
    공간적으로 동일한 전송 매체로 도광하고,
    레이저 다이오드광 및 고체 레이저광이 피가공물상에, 서로의 절대 조사 위치 및 조사 형상이 거의 일치되어 조사될 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전송 매체는 고체 레이저광의 전송이 가능한 광섬유인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    피가공물 상에 시행하는 상기 중첩용 레이저 다이오드 광의 조사는, 고체 레이저광의 조사 이전에 혹은 동시에 실시되고,
    또한 레이저 다이오드의 사출 레이저 출력치, 고체 레이저 출력치 및 조사의 ON, OFF가 각각 독립 가변적으로 제어 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드로부터 사출된 중첩용 레이저 다이오드 광은,
    디크로익 빔 스플리터에 있어 고체 레이저광과 합성되기 이전에, 단일 혹은 복수의 원통형 렌즈를 이용하여 사출 레이저빔의 확산각이 전 방향으로 거의 균등하게 되도록 보정된 후, 광섬유에 도광되어, 레이저 다이오드 사출 모드 패턴의 원형화 및 지름 방향의 빔 품질의 균등화를 실시한 후,
    상기 디크로익 빔 스플리터에 있어 고체 레이저광과 합성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 고체 레이저 유닛은 레이저 다이오드를 여기원으로 하는 고체 레이저 유닛이고, 또한 상기 고체 레이저 여기용 레이저 다이오드와 ±50nm 이하의 파장 대역에서 동일한 파장을 사출하는 레이저 다이오드를 중첩용 레이저 다이오드로 하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 장치에 있어, 중첩용 레이저 다이오드로부터의 레이저광의 사출 형태는, 시간적으로 일정한 레이저 출력을 연속적으로 사출하는 연속형 또는 시간적으로 레이저 출력이 변화하는 펄스 출력형인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 고체 레이저 유닛의 레이저 활성 매체는 Nd:YAG, Yb:YAG, Nd:YVO₄등의 단일 고체 결정 또는 그러한 조합으로 구성된 고체 결정, 또는 세라믹 결정인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
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