TWI837849B - 光束整形器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種光束整形器(25A)。光束整形器（25A)具備模式轉換器件(27)、準直透鏡(28)和聚焦透鏡(30)。模式轉換器件(27)使入射的發散光的雷射光束(LB)中入射到以光軸為中心的中央部(31c)的外周側的雷射光束向光軸(Ax)側折射並作為外周側光束(NDB1)射出，將入射到中央部(31c)的雷射光束作為具有與入射角度相同的角度的射出角度的中央光束(NDB2)射出。準直透鏡(28)將從模式轉換器件(27)射出的外周側光束(NDB1)以及中央光束(NDB2)轉換為準直光。聚焦透鏡(30)使從準直透鏡(28)射出的外周側光束(NDB1)以及中央光束(NDB2)聚焦。

Description

光束整形器

本發明係與光束整形器有關。

在專利文獻1中，記載了藉由模式轉換器件亦即軸棱錐透鏡將雷射光束整形為環狀並對中厚板的加工對象物進行加工的技術。

[先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本特開2020-116603號公報。

若藉由軸棱錐透鏡使雷射光束以朝向光軸的方式折射，並藉由聚焦透鏡使折射後的雷射光束聚焦，則對加工對象物照射具有環狀光束輪廓的雷射光束。在向加工對象物照射的雷射光束的光軸附近，橫穿光軸的光束係重疊，與環狀的部分同樣地產生光強度局部變高的峰值區域。當加工對象物被雷射光束切斷時，光軸附近的光束會通過被切斷的加工對象物的切口且在具有較高的光強度的狀態下向加工對象物的背面側行進。

若具有較高的光強度的光軸附近的光束向加工對象物的背面側行進，則位於背面側的部件會有損傷的情況。即使光軸附近的光束向加工對象物的背面側行進，也要求抑制位於背面側的部件的損傷。

一個或者一個以上實施方式的一個方式為提供一種光束整形器，具備：模式轉換器件，係將入射的發散光的雷射光束中入射到以光軸為中心的中央部的外周側的雷射光束向前述光軸側折射並作為外周側光束射出，將入射到前述中央部的雷射光束作為具有與入射角度相同的角度的射出角度的中央光束射出；準直透鏡，係將從前述模式轉換器件射出的前述外周側光束和前述中央光束轉換為準直光；以及聚焦透鏡，係使從前述準直透鏡射出的前述外周側光束以及前述中央光束聚焦；前述外周側光束中位於最內周側的內周光束係在比前述內周光束與前述外周側光束中位於最外周側的外周光束的聚焦點更靠前述模式轉換器件側的位置交叉；前述中央部的大小係被設定為使得前述聚焦透鏡將前述內周光束向與前述光軸平行或遠離前述光軸的方向射出。

根據一個或一個以上的實施方式的一個方式，入射的發散光的雷射光束中向中央部的外周側入射並向光軸側折射的外周側光束中位於最內周側的內周光束在光軸附近不會重合，不產生光強度局部變高的峰值區域。由此，即使整形光束的光軸附近的光束向加工對象物的背面側行進，照射到位於背面側的部件的光束的光強度也降低，因此會抑制該部件的損傷。

根據一個或一個以上實施方式的光束整形器，即使藉由模式轉換器件生成的整形光束的光軸附近的光束向加工對象物的背面側行進，也能夠抑制位於背面側的部件的損傷。

一個或一個以上實施方式的光束整形器具備模式轉換器件、準直透鏡、以及聚焦透鏡。模式轉換器件係使入射的發散光的雷射光束中入射到以光軸為中心的中央部外周側的雷射光束向前述光軸側折射而作為整形光束即外周側光束射出，將入射到前述中央部的雷射光束作為具有與入射角度相同的角度的射出角度的整形光束即中央光束射出。準直透鏡係將從前述模式轉換器件射出的前述外周側光束和前述中央光束轉換為準直光。聚焦透鏡係使從前述準直透鏡射出的前述外周側光束以及前述中央光束聚焦。

前述外周側光束中位於最內周側的內周光束係在比前述內周光束與前述外周側光束中位於最外周側的外周光束之間的聚焦點更靠前述模式轉換器件側的位置交叉。前述中央部的大小被設定為使得前述聚焦透鏡將前述內周光束向與前述光軸平行或遠離前述光軸的方向射出。

以下，參照圖式對第一實施方式至第三實施方式的光束整形器進行說明。在各圖式中，對相同或同等的部位或構成要素標注相同的圖式標記。以下所示的各實施方式例示了用於將本發明的技術思想具體化的裝置等。本發明的技術思想並不是將各構成要素的材質、形狀、結構、配置、功能等特定為下述內容。

[第一實施方式] 圖1係表示第一實施方式的光束整形器25A的結構圖。圖2係表示具備光束整形器25A的雷射加工機100的整體結構例的圖。圖1所示的光束整形器25A係設置於圖2所示的雷射加工機100。雷射加工機100係對加工對象物即板金W進行切斷加工的雷射切割加工機。雷射加工機100也可以是對板金W進行焊接加工的雷射焊接加工機、對板金W的表面進行改性的表面改性裝置、對板金W進行標記的標記裝置。

如圖2所示，雷射加工機100具備生成並射出雷射光束LB的雷射振盪器11、雷射加工單元15、以及將雷射光束LB向雷射加工單元15傳送的處理光纖12。雷射振盪器11例如為光纖雷射振盪器或直接二極管雷射(DDL；Direct Diode Lasers)振盪器。雷射振盪器11只要具有波長鎖定機構即可，並不限定於光纖雷射振盪器或DDL振盪器。處理光纖12係沿著配置於雷射加工單元15的X軸和Y軸的電纜管道(未圖示)安裝。

雷射加工單元15係具備：載置板金W的加工台21；在加工台21上沿X軸方向移動自如的門型X軸滑架22；以及在X軸滑架22上沿與X軸正交的Y軸方向移動自如的Y軸滑架23。另外，雷射加工單元15係具有固定於Y軸滑架23的加工頭24。加工頭24具有光束整形器25A及噴嘴26。光束整形器25A係收納於加工頭24內，噴嘴26係安裝於加工頭24的端部。

如圖1或圖2所示，光束整形器25A具有模式轉換器件27、準直透鏡28、彎曲鏡29以及聚焦透鏡30。在圖1中，省略了彎曲鏡29的圖示。

從處理光纖12的端部射出的發散光的雷射光束LB係入射到模式轉換器件27。模式轉換器件27係對入射的雷射光束LB進行整形並射出整形光束NDB。稍後將詳細描述模式轉換器件27的詳細結構和模式轉換器件27將雷射光束LB進行如何整形的情況。雷射加工機100係透過具備模式轉換器件27而適合於切斷中厚板或厚板的板金W。

準直透鏡28係將從模式轉換器件27射出的整形光束NDB轉換為準直光。彎曲鏡29係使轉換為準直光的整形光束NDB向與X軸以及Y軸正交的Z軸方向的下方反射。聚焦透鏡30係使由彎曲鏡29反射的整形光束NDB聚焦。聚焦後的整形光束NDB係從噴嘴26射出，並照射到板金W。

圖3包係含比由從圖2的加工頭24的噴嘴26射出的整形光束NDB進行加工的板金W更靠下方側的結構的局部結構圖。在圖3中，在由聚焦透鏡30聚焦後的整形光束NDB的光束腰BW係形成具有環狀的光束輪廓的雷射光束(以下稱為環狀光束)。在雷射加工機100的底板101上方係配置有多個滑動件102，在滑動件102上係載置有板金W。在圖2中的加工台21係排列有多個滑動件102。板金W係藉由光束腰BW為環狀光束的整形光束NDB進行加工。聚焦透鏡30係使整形光束NDB的光束腰BW相對於板金W的厚度方向位於預定的位置。

雷射加工機100係需要根據板金W的材質及板厚來改變整形光束NDB的焦點深度。整形光束NDB的焦點深度是整形光束NDB的光束直徑擴展到整形光束NDB的光點直徑的路線2倍的位置為止且整形光束NDB的行進方向上的距聚焦透鏡30的焦點的距離。整形光束NDB的光點直徑係整形光束NDB的光束腰BW處的光束直徑。整形光束NDB的光點直徑和焦點深度係由整形光束NDB的波長和聚焦透鏡30的焦距決定。

聚焦透鏡30具有適合於整形光束NDB成為與板金W的材質及板厚相應的焦點深度的焦距。聚焦透鏡30係使整形光束NDB聚焦，使聚焦後的整形光束NDB的光束腰BW相對於板金W的厚度方向位於適於環狀光束的加工的預定位置。

圖2的光束整形器25A中的模式轉換器件27、準直透鏡28、彎曲鏡29以及聚焦透鏡30係以預先調整了光軸的狀態被固定在加工頭24內。為了校正聚焦透鏡30的焦點位置，準直透鏡28也可以構成為在X軸方向上移動。

加工頭24係固定於在Y軸方向移動自如的Y軸滑架23，Y軸滑架23係設置於在X軸方向移動自如的X軸滑架22。因此，雷射加工單元15能夠使將從噴嘴26射出的雷射光束LB照射到板金W的位置在X軸方向和Y軸方向移動。

在藉由整形光束NDB對板金W進行加工時，從噴嘴26向板金W噴射用於去除因整形光束NDB的照射而產生的板金W的熔融物的輔助氣體。在圖2中，省略了加工頭24中的向板金W噴射輔助氣體的結構的圖示。

圖4是表示將雷射光束的光束模式轉換為環形模式的一般的光束整形器50的結構圖。光束整形器50係具有平凸透鏡的軸棱錐透鏡51、準直透鏡52、以及聚焦透鏡53。軸棱錐透鏡51的雷射光束LB的入射面為平坦面51a，射出面為中心具有頂點的圓錐狀的傾斜面51b。

在圖4中，用粗實線表示雷射光束LB入射到平坦面51a且整形光束NDB在傾斜面51b射出時的位於最外周側的光束，用細實線表示與傾斜面51b的頂點相鄰的位於最中心側的光束。將粗實線所示的位於最外周側的光束稱為外周光束BD，將細實線所示的位於最內周側的光束稱為內周光束BC。

軸棱錐透鏡51的傾斜面51b透過使發散光的雷射光束LB向單點劃線所示的光軸Ax側折射而轉換為整形光束NDB。光軸Ax係相當於通過射出雷射光束LB的處理光纖12的端部的中心、軸棱錐透鏡51的中心、準直透鏡52的中心、聚焦透鏡53的中心的軸，並為從處理光纖12向板金W行進的雷射光束的光束的中心軸。光軸Ax的定義在圖1等其他圖中也同樣。

在圖4中，從傾斜面51b的頂點附近的下側的位置射出的內周光束BC以向上方的方式折射，從傾斜面51b的頂點附近的上側的位置射出的內周光束BC以向下方的方式折射。因此，雙方的內周光束BC橫穿光軸Ax並在光軸Ax上交叉行進。

準直透鏡52係將整形光束NDB轉換為準直光。如圖4所示，比圖4的光軸Ax靠上方的外周光束BD係與從傾斜面51b的頂點附近的上側位置射出並橫穿光軸Ax且在比光軸Ax靠下方行進的內周光束BC平行。圖4的比光軸Ax靠下方的外周光束BD係與從傾斜面51b的頂點附近的下側位置射出而橫穿光軸Ax並在比光軸Ax靠上方行進的內周光束BC平行。亦即，從軸棱錐透鏡51的傾斜面51b的周向各位置射出的整形光束NDB係由準直透鏡52轉換為準直光。聚焦透鏡53係使轉換為準直光的整形光束NDB聚焦。

在由聚焦透鏡53聚焦後的整形光束NDB的光束腰BW係形成環狀光束。如圖4所示，內周光束BC係在比光束腰BW更遠的位置重合。

參照圖5，說明內周光束BC在比光束腰BW更遠的位置重合所引起的問題點。圖5表示省略了圖4中的準直透鏡52，雷射光束LB以發散角0度的平行光入射到軸棱錐透鏡51的狀態。將平行光的雷射光束LB入射到軸棱錐透鏡51是為了容易理解軸棱錐透鏡51對整形光束NDB的發散角或收斂角造成的影響。

如圖5中二維地表示光束輪廓那樣，入射到軸棱錐透鏡51的雷射光束LB係具有高斯分佈的光強度分佈。對板金W照射具有環狀的光強度分佈的環狀光束。內周光束BC在比光束腰BW更遠的位置重合並再次橫穿光軸Ax而行進。在利用整形光束NDB的環狀光束切斷板金W時，內周光束BC會通過切斷後的板金W的切口而向板金W的背面側行進。若內周光束BC向板金W的背面側行進，則內周光束BC有時會到達起滑動件102下方的底板101。

底板101的位置處的光束輪廓係具有在內周光束BC重疊的區域局部較高的光強度。當具有這樣的局部較高的光強度的雷射光束照射到底板101時，底板101有時會有損傷。底板101係位於板金W的背面側的物體的一個例子，如果在板金W的背面側存在底板101以外的物體，則該物體同樣會受損傷。

圖6係表示照射到圖3的底板101的整形光束NDB的光強度的空間分佈。圖6的縱軸係照射到底板101的整形光束NDB的光強度(W/cm ²)，橫軸係光束直徑(mm)。若照射到底板101的整形光束NDB的光強度分佈在內周光束BC重疊的區域中如圖6所示那樣具有局部較高的光強度，則位於板金W的背面側的物體會受損傷。

如圖1所示，第一實施方式的光束整形器25A具備平凸透鏡的模式轉換元件31以作為模式轉換器件27。模式轉換元件31具有雷射光束LB的入射面亦即平坦面31a(第一平坦面)、位於射出面的外周側端部的傾斜面31b、以及位於射出面的中央部的平坦面31c(第二平坦面)。傾斜面31b係凸狀的傾斜面。模式轉換元件31係具有將圖4所示的軸棱錐透鏡51中的圓錐狀的傾斜面51b的頂部以與平坦面51a平行的面切斷的形狀。

在圖1中，用粗實線表示雷射光束LB入射到平坦面31a且整形光束NDB在傾斜面31b射出時位於最外周側的光束，用細實線表示位於傾斜面31b的最內側的光束。用虛線表示雷射光束LB入射到平坦面31a且整形光束NDB在平坦面31c射出時位於最外周側的光束。整形光束NDB係由外周側光束NDB1和中央光束NDB2構成，前述外周側光束NDB1係位於由整形光束NDB通過傾斜面31b而形成的粗實線和細實線包圍的範圍，前述中央光束NDB2係位於由整形光束NDB通過平坦面31c而形成的虛線包圍的範圍。

這樣，模式轉換元件31係基於入射的發散光的雷射光束LB，而生成外周側光束NDB1以及中央光束NDB2。將外周側光束NDB1中的粗實線所示的位於最外周側的光束稱為外周光束BD，將外周側光束NDB1中的細實線所示的位於最內周側的光束稱為內周光束BC’。

模式轉換元件31中的平坦面31a和31c係與光軸Ax正交的面，面沿著雷射光束LB的光束徑向Rd擴展。平坦面31a與平坦面31c係相互平行。傾斜地入射到平坦面31a的雷射光束LB係在平坦面31a稍微折射。入射到傾斜面31b的雷射光束LB係在從傾斜面31b射出時進一步向光軸Ax側折射，並作為外周側光束NDB1射出。入射到平坦面31c的雷射光束LB係向與雷射光束LB入射到平坦面31a時折射的方向相反的方向而折射相同的角度。入射到平坦面31c的雷射光束LB係在向模式轉換元件31入射時以及射出時折射被抵消。因此，入射到平坦面31c的雷射光束LB維持入射到平坦面31a時的角度，並作為中央光束NDB2射出。

圖7A係用作圖1的模式轉換器件27的模式轉換元件31的側視圖，圖7B係用作圖1的模式轉換器件27的模式轉換元件31的俯視圖。圖7B係表示從整形光束NDB的射出側觀察模式轉換元件31的狀態。當雷射光束LB透過圖7A和圖7B所示的模式轉換元件31時，透過的雷射光束LB係被轉換為整形光束NDB並從模式轉換元件31射出。

圖7A和圖7B所示的模式轉換元件31的平坦面31a和傾斜面31b的直徑d1、平坦面31c的直徑d2、傾斜面31b的傾斜角度θ係能夠根據雷射光束LB的發散角、模式轉換元件31的配置而設定為適當的值。傾斜面31b與平坦面31c的邊界部可以是傾斜面31b所具有的角度與平坦面31c所具有的角度抵接的角部，也可以是去掉了角的曲面。直徑d1、直徑d2以及傾斜角度θ只要為與傾斜面31b以及平坦面31c的邊界部的形狀無關地被設定為適當的值即可。

返回圖1，準直透鏡28係將由外周側光束NDB1和中央光束NDB2構成的整形光束NDB轉換為準直光。如圖1所示，構成位於由外周光束BD和內周光束BC’包圍的範圍內的外周側光束NDB1的各光束係相互平行，構成位於由虛線包圍的範圍內的中央光束NDB2的各光束係相互平行。聚焦透鏡30係使轉換為準直光的整形光束NDB聚焦。

如圖1所示，內周光束BC’係在比光束腰BW更靠前側(模式轉換元件31側)交叉，外周光束BD係在比內周光束BC’交叉的位置的更遠一側且在比光束腰BW更近一側交叉。交叉後的內周光束BC’以及交叉後的外周光束BD在交叉的位置以後擴展。

參照圖8、圖9A至圖9D，對模式轉換元件31在射出面的中央部具有平坦面31c所帶來的作用效果進行說明。圖8表示省略了圖1中的準直透鏡28且雷射光束LB以發散角0度的平行光入射到模式轉換元件31的狀態。向模式轉換元件31入射平行光的雷射光束LB是為了易於理解模式轉換元件31對整形光束NDB的發散角或收斂角造成的影響。

外周側光束NDB1中在模式轉換元件31與聚焦透鏡30之間橫穿光軸Ax並入射到聚焦透鏡30的光束從聚焦透鏡30射出後，相對於光軸Ax具有怎樣的角度地行進，係由平坦面31c的大小決定。

為了進行比較，圖9A表示使用射出面不具有平坦面的軸棱錐透鏡51時從傾斜面51b的頂點附近的位置射出的內周光束BC係橫穿光軸Ax而入射到聚焦透鏡53並從聚焦透鏡53射出的狀態。從聚焦透鏡53射出的內周光束BC係以接近光軸Ax的方式行進，不久再次橫穿光軸Ax。在圖9A中，從光軸Ax到內周光束BC入射到聚焦透鏡53的位置為止的與光軸Ax正交的方向的距離D1與從光軸Ax到內周光束BC和外周光束BD聚焦的聚焦點fp(光束腰BW)為止的與光軸Ax正交的方向的距離D2具有D1＞D2的關係。

在圖9A中，省略了從上方側的傾斜面51b射出並由聚焦透鏡53聚焦的內周光束BC以及外周光束BD的圖示。從聚焦透鏡53射出的內周光束BC係以接近光軸Ax的方式行進並再次橫穿光軸Ax，因此可知由聚焦透鏡53聚焦後的整形光束NDB中的內周光束BC側的一部分光束係重合。

圖9B表示使用具有平坦面31c的模式轉換元件31時從傾斜面31b的最內側的位置射出的內周光束BC’係橫穿光軸Ax而入射到聚焦透鏡30並從聚焦透鏡30射出的狀態。圖9B表示平坦面31c較小的情況。從聚焦透鏡30射出的內周光束BC’係以接近光軸Ax的方式行進，最終再次橫穿光軸Ax。在圖9B中內周光束BC’接近光軸Ax時的角度係小於在圖9A中內周光束BC接近光軸Ax時的角度。

在圖9B中，從光軸Ax到內周光束BC’入射到聚焦透鏡30的位置的距離D1與從光軸Ax到聚焦點fp的距離D2具有D1＞D2的關係。圖9B中的距離D1與距離D2之差係小於圖9A中的距離D1與距離D2之差。

在圖9B中，從聚焦透鏡30射出的內周光束BC’也以接近光軸Ax的方式行進並再次橫穿光軸Ax，因此由聚焦透鏡30聚焦後的外周側光束NDB1中內周光束BC’側的一部分光束係重合。但是，在圖9B中內周光束BC’接近光軸Ax時的角度係小於在圖9A中內周光束BC接近光軸Ax時的角度，因此圖9B的光束在更遠方重合。

圖9C示出了平坦面31c比圖9B所示的平坦面31c大的情況下的內周光束BC'係橫穿光軸Ax而入射到聚焦透鏡30並從聚焦透鏡30射出的狀態。從聚焦透鏡30射出的內周光束BC’係與光軸Ax平行地行進，不再次橫穿光軸Ax。在圖9C中，距離D1與距離D2具有D1＝D2的關係。在圖9C中，從聚焦透鏡30射出的內周光束BC’係與光軸Ax平行地行進，因此由聚焦透鏡30聚焦後的外周側光束NDB1中的光束在聚焦點fp以後不會重合。

圖9D表示平坦面31c比圖9C所示的平坦面31c大的情況下的內周光束BC'係橫穿光軸Ax而入射到聚焦透鏡30並從聚焦透鏡30射出的狀態。從聚焦透鏡30射出的內周光束BC’係以遠離光軸Ax的方式行進，不再次橫穿光軸Ax。在圖9D中，距離D1與距離D2具有D1＜D2的關係。在圖9D中，從聚焦透鏡30射出的內周光束BC’係以遠離光軸Ax的方式行進，因此由聚焦透鏡30聚焦後的外周側光束NDB1中的光束在聚焦點fp以後不會重合。

若在模式轉換元件31設置平坦面31c，則外周側光束NDB1在光束腰BW以後開始重合的位置與使用在射出面不具有平坦面的軸棱錐透鏡51的情況相比成為更遠方。因此，照射到底板101的外周側光束NDB1的光強度降低。在光束腰BW以後，即使中央光束NDB2與外周側光束NDB1重疊，由於中央光束NDB2係與光強度降低狀態下的外周側光束NDB1重疊，因此不會向底板101照射圖5所說明的具有較高的光強度的雷射光束。

圖8表示如圖9D那樣使用了平坦面31c較大的模式轉換元件31的情況。如圖8中二維地表示光束輪廓那樣，對板金W照射在環狀的光強度分佈的中央具有基於中央光束NDB2的圓形的光強度分佈之光束。如圖8所示，在光束腰BW以後，外周側光束NDB1不重合。在底板101的位置中外周側光束NDB1與中央光束NDB2係局部重合。因此，對底板101照射具有環狀的光強度分佈之環狀光束。但是，照射到底板101的環狀光束的光強度與圖4中的局部較高的光強度相比格外低。因此，底板101幾乎不會因環狀光束的照射而受損傷。

如以上所理解的那樣，模式轉換元件31在以光軸Ax為中心的中央部係具有平坦面31c。此時，如圖9C所示，將平坦面31c的大小設為距離D1與距離D2為等距離且外周側光束NDB1中的內周光束BC'係能夠與光軸Ax平行地行進即可。更優選的是，如圖9D所示，將平坦面31c的大小設為距離D2比距離D1長且內周光束BC’能夠以遠離光軸Ax的方式行進即可。

這裡，在使用圖7A和圖7B中所示的模式轉換元件31作為模式轉換器件27的情況下和在使用圖4中所示的軸棱錐透鏡51作為模式轉換器件27的情況下，比較模式轉換器件27對雷射光束LB(整形光束NDB)的作用效果。模式轉換元件31和軸棱錐透鏡51僅在射出面是否具有平坦面不同，直徑d2以及傾斜角度θ是相同的。

圖10表示將圖1中的模式轉換元件31置換為軸棱錐透鏡51的情況下的照射到圖1的底板101的整形光束NDB的光強度的空間分佈。圖11表示如圖1所示那樣使用模式轉換元件31作為模式轉換器件27的情況下的照射到圖1的底板101的整形光束NDB的光強度的空間分佈。圖11表示模式轉換元件31的平坦面31c的直徑d2為3.0mm的情況。在圖10和圖11中，縱軸以任意單位(arbitrary unit；a.u.)表示光強度，橫軸表示照射到圖1的底板101的整形光束NDB的光束直徑(mm)。

比較圖10和圖11可知，照射到圖1的底板101的整形光束NDB的光強度透過使用具有平坦面31c的模式轉換元件31而大幅降低。

圖12表示模式轉換元件31中的平坦面31c的直徑d2為2.0mm的情況下的照射到圖1的底板101的整形光束NDB的光強度的空間分佈。圖13表示模式轉換元件31中的平坦面31c的直徑d2為2.5mm的情況下的照射到圖1的底板101的整形光束NDB的光強度的空間分佈。比較圖10和圖12，比較圖10和圖13可知，照射到圖1的底板101的整形光束NDB的光強度透過使用具有平坦面31c的模式轉換元件31而降低。

比較圖11至圖13可知，平坦面31c的直徑d2越大，光強度越低。這是因為直徑d2越大，則內周光束BC’越不會向光軸Ax行進，而以遠離光軸Ax的方式行進。

圖11至圖13所示的各特性圖表示處理光纖12的芯徑φ為100mm、光束參數積(BPP：Beam Parameter Products)為4mm•mrad(milliradian；毫弧度)的條件下的光強度的空間分佈。另外，模式轉換元件31的傾斜面31b的傾斜角度θ為0.46°，準直透鏡28的焦距f為120mm，聚焦透鏡30的焦距f為190mm，從處理光纖12的端部到模式轉換元件31的間隔為60mm。底板101係位於距聚焦透鏡30 900mm的下方。

根據雷射振盪器11、處理光纖12以及光束整形器25A的除了模式轉換元件31以外的要素的規格來適當地設定平坦面31c的直徑d2，由此能夠抑制因整形光束NDB的行進導致的底板101的損傷。

如上所述，根據第一實施方式的光束整形器25A，即使由模式轉換器件27轉換後的整形光束NDB的光軸Ax附近的光束(中央光束NDB2)向加工對象物(板金W)的背面側行進，也能夠抑制位於背面側的部件的損傷。

[第二實施方式] 參照圖14對第二實施方式的光束整形器25B進行說明。圖14是表示第二實施方式的光束整形器25B的結構圖。光束整形器25B在圖2所示的雷射加工機100中代替光束整形器25A而使用。光束整形器25B具備模式轉換元件37作為模式轉換器件27。

模式轉換元件37在入射面具有平坦面37a，在射出面具有圓錐狀的傾斜面37b(第二傾斜面)。傾斜面37b為凸狀的傾斜面。在平坦面37a的中央部形成有由凹狀的圓錐構成之凹狀的傾斜面37d(第一傾斜面)。傾斜面37b的傾斜角度與傾斜面37d的傾斜角度係相同。入射到模式轉換元件37的雷射光束LB中入射到傾斜面37d的光束係在傾斜面37d折射，在傾斜面37b向反方向折射，因此在向模式轉換元件37入射時以及射出時折射係被抵消。因此，傾斜面37d以及通過了傾斜面37d的光束所入射的傾斜面37b的區域，係與模式轉換元件31的平坦面31c同樣地發揮功能。

因此，入射到模式轉換元件37的雷射光束LB中入射到比傾斜面37d更靠外周側的平坦面37a的光束，係從模式轉換元件37作為外周側光束NDB1射出。入射到模式轉換元件37的雷射光束LB中入射到傾斜面37d的光束，係從模式轉換元件37作為中央光束NDB2射出。亦即，光束整形器25B所具備的模式轉換元件37係與光束整形器25A所具備的模式轉換元件31同樣地發揮功能。

在光束整形器25B中，模式轉換元件37對雷射光束LB(整形光束NDB)產生的作用效果與在光束整形器25A中模式轉換元件31對雷射光束LB(整形光束NDB)產生的作用效果相同。

因此，根據第二實施方式的光束整形器25B，即使由模式轉換器件27轉換後的整形光束NDB的光軸附近的光束(中央光束NDB2)向加工對象物(板金W)的背面側行進，也能夠抑制位於背面側的部件的損傷。

[第三實施方式] 參照圖15對第三實施方式的光束整形器25C進行說明。圖15係表示第三實施方式的光束整形器25C的結構圖。在圖2所示的雷射加工機100中，使用光束整形器25C以取代光束整形器25A。光束整形器25C具備第一光學元件43以及第二光學元件44作為模式轉換器件27。第一光學元件43與第二光學元件44在光軸Ax的方向上排列。

第一光學元件43在入射面具有平坦面43a(第一平坦面)，在射出面具有凸狀且圓錐狀的傾斜面43b(第一傾斜面)。第二光學元件44在入射面具有平坦面44a(第二平坦面)，在射出面具有平坦面44c(第三平坦面)，在平坦面44a的中央部形成有圓錐狀的凹狀的傾斜面44d(第二傾斜面)。傾斜面43b的傾斜角度與傾斜面44d的傾斜角度係相同。入射到第一光學元件43的雷射光束LB中經由傾斜面43b入射到傾斜面44d的光束係在傾斜面43b折射，在傾斜面44d向反方向折射，因此在從第一光學元件43射出時以及向第二光學元件44入射時折射係被抵消。

因此，傾斜面43b中將入射到傾斜面44d的光束射出的區域，係與傾斜面44d、模式轉換元件31的平坦面31c同樣地發揮功能。

因此，入射到第一光學元件43的雷射光束LB中未入射到傾斜面44d的光束係藉由傾斜面43b向光軸Ax側折射，從第二光學元件44作為外周側光束NDB1射出。入射到第一光學元件43的雷射光束LB中入射到傾斜面44d的光束係從第二光學元件44作為中央光束NDB2射出。即，光束整形器25C所具備的第一光學元件43及第二光學元件44，係與光束整形器25A所具備的模式轉換元件31同樣地發揮功能。

在光束整形器25C中，第一光學元件43以及第二光學元件44對雷射光束LB(整形光束NDB)產生的作用效果與在光束整形器25A中模式轉換元件31對雷射光束LB(整形光束NDB)產生的作用效果相同。

因此，根據第三實施方式的光束整形器25C，即使由模式轉換器件27轉換後的整形光束NDB的光軸附近的光束(中央光束NDB2)向加工對象物(板金W)的背面側行進，也能夠抑制位於背面側的部件的損傷。

在圖15中，也可以調換第一光學元件43的位置以及第二光學元件44的位置。按照任意的順序在光軸Ax的方向配置第一光學元件43以及第二光學元件44即可。

在第三實施方式的光束整形器25C中，需要2個光學元件，但第一光學元件43及第二光學元件44能夠設為比第二實施方式的光束整形器25B中使用的模式轉換元件37更簡單的結構的光學元件。

如上所述，模式轉換器件27可以是圖1所示的模式轉換元件31、圖14所示的模式轉換元件37、圖15所示的第一光學元件43和第二光學元件44中的任意一種結構，無論哪種結構，對雷射光束LB(整形光束NDB)產生的作用效果都相同。模式轉換器件27係使入射的發散光的雷射光束LB中入射到以光軸Ax為中心的中央部的外周側的雷射光束LB，向光軸Ax側折射並作為整形光束亦即外周側光束NDB1而射出。模式轉換器件27係將入射到中央部的雷射光束LB，作為具有與入射角度相同的角度的射出角度的整形光束亦即中央光束NDB2而射出。

在圖1所示的模式轉換元件31中，平坦面31c為中央部。在圖14所示的模式轉換元件37中，凹狀的傾斜面37d以及通過了傾斜面37b中的傾斜面37d的光束所入射的區域為中央部。在圖15所示的第一光學元件43和第二光學元件44中，傾斜面44d以及傾斜面43b中將入射到傾斜面44d的光束射出的區域為中央部。

在以上說明的第一實施方式至第三實施方式的光束整形器25A至25C中，可以調換模式轉換器件27與準直透鏡28在光軸Ax方向上的位置。如第一實施方式至第三實施方式的光束整形器25A至25C那樣，若在處理光纖12側配置模式轉換器件27，則在雷射光束LB的光束直徑小的狀態下，雷射光束LB藉由模式轉換器件27轉換為整形光束NDB。透過將模式轉換器件27配置在處理光纖12側，能夠使作為模式轉換器件27使用的模式轉換元件31或37、或者第一光學元件43和第二光學元件44小型化。

第一實施方式至第三實施方式的光束整形器25A至25C還具有配置在模式轉換器件27與聚焦透鏡30之間的整形光束NDB的光路上的準直透鏡28，從準直透鏡28射出的整形光束NDB係入射到聚焦透鏡30。在滿足板金W的加工所需的環狀光束的要求規格，並且能夠抑制整形光束NDB的照射導致的底板101的損傷的情況下，也可以省略準直透鏡28。

本申請主張基於2021年10月4日向日本專利局申請的特願2021-163512號的優先權，其全部公開內容透過引用而被引用於此。

11:雷射振盪器 12:處理光纖 15:雷射加工單元 21:加工台 22:X軸滑架 23:Y軸滑架 24:加工頭 25A:光束整形器 25B:光束整形器 25C:光束整形器 26:噴嘴 27:模式轉換器件 28:準直透鏡 29:彎曲 30:聚焦透鏡 31:模式轉換元件 31a:平坦面(第一平坦面) 31b:傾斜面 31c:平坦面(第二平坦面) 37:模式轉換元件 37a:平坦面 37b:傾斜面(第二傾斜面) 37d:傾斜面(第一傾斜面) 43:第一光學元件 43a:平坦面(第一平坦面) 43b:傾斜面(第一傾斜面) 44:第二光學元件 44a:平坦面(第二平坦面) 44b:傾斜面(第一傾斜面) 44c:平坦面(第三平坦面) 44d:傾斜面(第二傾斜面) 50:光束整形器 51:軸棱錐透鏡 51a:平坦面 51b:傾斜面 52:準直透鏡 53:聚焦透鏡 100:雷射加工機 101:底板 102:滑動件 Ax:光軸 BC:內周光束 BC':內周光束 BD:外周光束 BW:光束腰 d1:直徑 d2:直徑 D1:距離 D2:距離 fp:聚焦點 LB:雷射光束 NDB:整形光束 NDB1:外周側光束 NDB2:中央光束 Rd:光束徑向 W:板光 θ:傾斜角度

[圖1]係表示第一實施方式的光束整形器的結構圖。 [圖2]係表示第一實施方式的具備光束整形器的雷射加工機的整體結構例的圖。 [圖3]係包含比藉由從圖2的加工頭的噴嘴射出的整形光束進行加工的加工對象物更靠下方側的結構的局部結構圖。 [圖4]係表示將雷射光束的光束模式轉換為環形模式的一般的光束整形器的結構圖。 [圖5]係表示省略了圖4中的準直透鏡並且雷射光束以0度發散角的平行光入射在軸椎鏡上的狀態的圖。 [圖6]係表示照射到圖3的底板的整形光束的光強度的空間分佈的特性圖。 [圖7A]係表示第一實施方式的光束整形器所具備的用作模式轉換器件的模式轉換元件的側視圖。 [圖7B]係表示第一實施方式的光束整形器所具備的用作模式轉換器件的模式轉換元件的俯視圖。 [圖8]係表示省略了圖1中的準直透鏡並且雷射光束以0度發散角的平行光入射在模式轉換元件的狀態的圖。 [圖9A]係表示在使用射出面不具有平坦面的軸棱錐透鏡時從傾斜面的頂點附近的位置射出的內周光束橫穿光軸而入射到聚焦透鏡並從聚焦透鏡射出的狀態的圖。 [圖9B]係表示在使用具有平坦面的模式轉換元件時從傾斜面的最內側的位置射出的內周光束橫穿光軸而入射到聚焦透鏡並從聚焦透鏡射出的狀態的圖。 [圖9C]係表示在平坦面比圖9B所示的平坦面更大的情況下內周光束橫穿光軸而入射到聚焦透鏡並從聚焦透鏡射出的狀態的圖。 [圖9D]係表示平坦面比圖9C所示的平坦面更大的情況下內周光束橫穿光軸而入射到聚焦透鏡並從聚焦透鏡射出的狀態的圖。 [圖10]係表示當將圖1中的模式轉換元件替換為射出面不具有平坦面的軸棱錐透鏡時照射到圖1的底板的整形光束的光強度的空間分佈的特性圖。 [圖11]係表示當設置在模式轉換元件的射出面的平坦面的直徑為3.0mm時照射到圖1的底板的整形光束的光強度的空間分佈的特性圖。 [圖12]係表示當設置在模式轉換元件的射出面的平坦面的直徑為2.0mm時照射到圖1的底板的整形光束的光強度的空間分佈的特性圖。 [圖13]係表示當設置在模式轉換元件的射出面的平坦面的直徑為2.5mm時照射到圖1的底板的整形光束的光強度的空間分佈的特性圖。 [圖14]係表示第二實施方式的光束整形器的結構圖。 [圖15]係表示第三實施方式的光束整形器的結構圖。

12:處理光纖

25A:光束整形器

27:模式轉換器件

28:準直透鏡

30:聚焦透鏡

31:模式轉換元件

31a:平坦面(第一平坦面)

31b:傾斜面

31c:平坦面(第二平坦面)

101:底板

Ax:光軸

BC':內周光束

BD:外周光束

BW:光束腰

LB:雷射光束

NDB:整形光束

NDB1:外周側光束

NDB2:中央光束

Rd:光束徑向

W:板光

Claims (6)

1. 一種光束整形器，係具備：模式轉換器件，係將入射的發散光的雷射光束中入射到以光軸為中心的中央部的外周側的雷射光束向前述光軸側折射並作為外周側光束射出，將入射到前述中央部的雷射光束作為具有與入射角度相同的角度的射出角度的中央光束射出；準直透鏡，係將從前述模式轉換器件射出的前述外周側光束和前述中央光束轉換為準直光；以及聚焦透鏡，係使從前述準直透鏡射出的前述外周側光束以及前述中央光束聚焦；前述外周側光束中位於最內周側的內周光束係在比前述內周光束與前述外周側光束中位於最外周側的外周光束的聚焦點更靠前述模式轉換器件側的位置交叉；前述中央部的大小係被設定為使得前述聚焦透鏡將前述內周光束向與前述光軸平行或遠離前述光軸的方向射出；前述中央部的大小被設定為使得在將從前述光軸到前述內周光束入射到前述聚焦透鏡的位置為止的與前述光軸正交的方向的距離設為D1、將從前述光軸到前述聚焦點為止的與前述光軸正交的方向的距離設為D2時，距離D1與距離D2相同，或者距離D2比距離D1長。
2. 如請求項1所記載之光束整形器，其中前述模式轉換器件係在前述雷射光束的入射面具有第一平坦面，在前述外周側光束的射出面具有凸狀的傾斜面，在前述中央光束的射出面具有與前述第一平坦面平行的第二平坦面。
3. 如請求項1所記載之光束整形器，其中前述模式轉換器件係在前述雷射光束的入射面具有平坦面、形成於前述平坦面內且由以前述光軸為中心的凹狀圓錐構成的凹狀的第一傾斜面，在前述外周側光束及前述中央光束的射出面具有與前述第一傾斜面的傾斜角度相同的傾斜角度的第二傾斜面。
4. 如請求項1所記載之光束整形器，其中前述模式轉換器件具備在前述光軸的方向排列的第一光學元件和第二光學元件；前述第一光學元件係在前述雷射光束的入射面具有第一平坦面，在前述雷射光束的射出面具有凸狀的第一傾斜面；前述第二光學元件係在前述雷射光束的入射面具有第二平坦面、以及形成於前述第二平坦面內且由以前述光軸為中心的凹狀圓錐構成之凹狀的第二傾斜面；在前述雷射光束的射出面係具有第三平坦面，前述第一光學元件和前述第二光學元件係在前述光軸的方向以任意的順序配置。
5. 如請求項2所記載之光束整形器，其中前述第二平坦面的大小被設定為使得前述聚焦透鏡將前述內周光束向與前述光軸平行或遠離前述光軸的方向射出。
6. 如請求項5所記載之光束整形器，其中前述第二平坦面的大小被設定為使得在將從前述光軸到前述內周光束入射到前述聚焦透鏡的位置為止的與前述光軸正交的方向的距離設為D1、將從前述光軸到前述聚焦點為止的與前述光軸正交的方向的距離設為D2時，距離D1與距離D2相同，或者距離D2比距離D1長。