WO2012102138A9 - 光ファイバ、及びそれを備えたレーザ加工装置 - Google Patents
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- G02B6/03688—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 5 or more layers
Definitions
- the present invention relates to an optical fiber for propagating a laser beam and a laser processing apparatus including the same.
- YAG laser processing apparatuses that oscillate high-power laser light are widely used for processing metals (cutting, welding, etc.).
- a YAG laser processing apparatus is generally configured to perform processing by guiding laser light oscillated from a laser oscillator to an output unit with an optical fiber, and condensing it on a workpiece by an optical system provided in the output unit. ing.
- a core center portion made of pure quartz is covered with a core outer periphery portion formed by doping quartz with boron trifluoride (BF 3 ), and the refractive index of the core outer periphery portion is adjusted.
- boron trifluoride boron trifluoride
- the surface condition of the workpiece, the performance variation of the laser oscillator itself (for example, variation in pulse interval), the shape of the optical fiber, etc. have a great influence on the processing stability.
- an SHG (second harmonic) processing device or a hybrid laser processing device hybrid of SHG laser light and fundamental wave
- the processing apparatus it is difficult to increase the output of the laser beam.
- the hybrid laser processing apparatus there is a problem that the cost increases. Therefore, there is a demand for development of means for stably processing the workpiece using the fundamental laser beam.
- the incident angle of the laser beam to the optical fiber, the incident numerical aperture (NA), and the bending degree of the optical fiber become large, or the optical fiber becomes long. As a result, the peak intensity of the laser beam decreases.
- the workpiece When the peak intensity of the laser beam on the workpiece falls below the reaction threshold (the minimum intensity value at which machining can be performed) of the workpiece, the workpiece may not be machined.
- the reaction threshold the minimum intensity value at which machining can be performed
- An object of the present invention is to provide an optical fiber capable of stably processing a workpiece with high reflectivity and a laser processing apparatus including the optical fiber.
- An optical fiber according to the present invention is an optical fiber for propagating a laser beam, and includes a first core, a first clad covering the first core, and the first clad. A second core that covers the second core; and a second cladding that covers the second core, wherein the first core and the second core are made of non-doped quartz glass, The clad and the second clad have a refractive index lower than that of the non-doped quartz glass.
- the optical fiber of the present invention for example, when a Gaussian-distributed laser beam is incident on one end surface of the optical fiber, the center portion of the laser beam propagates through the first core, and the laser beam The outer peripheral portion can be propagated by the second core. Thereby, it can suppress that peak intensity falls, without reducing the output of a laser beam. Therefore, when processing a highly reflective workpiece using the fundamental laser beam, the peak intensity of the laser beam on the workpiece can be made higher than the reaction threshold without reducing the laser beam output. Therefore, the workpiece can be processed stably.
- first core and the second core are made of non-doped quartz glass, the energy loss of the laser light propagating through the first core and the second core can be suitably suppressed.
- the first cladding and the second cladding may be formed by doping quartz glass with fluorine.
- the refractive indexes of the first clad and the second clad are made non-doped.
- the refractive index of the quartz glass (the first core and the second core) can be suitably lowered.
- the durability (laser light resistance) of the first cladding and the second cladding with respect to laser light can be made substantially equal to that of non-doped quartz glass.
- the laser light incident on the end face of the optical fiber includes a part incident on the first core (first laser light), a part incident on the first cladding (second laser light), It is divided into a portion (third laser beam) incident on the second core. Then, the third laser light may enter the second core from the first clad and further pass through the second clad and leak to the outside.
- the NA of the second core may be larger than the NA of the first core.
- NA is equivalent to the fiber NA in a normal SI fiber, and represents the maximum numerical aperture that can be confined in the core.
- NA may be referred to as “confined NA”.
- the NA of the second core is larger than the NA of the first core, even if the second laser light enters the second core, It is possible to suppress leakage to the outside by being favorably reflected by the clad. Therefore, it is possible to suitably suppress the output from decreasing during the propagation of the laser beam.
- the difference between the NA of the second core and the NA of the first core may be 0.03 to 0.15. According to such a configuration, leakage of the third laser light to the outside can be further suppressed.
- the refractive index of the second cladding may be lower than the refractive index of the first cladding. According to such a configuration, since the refractive index of the second cladding is lower than the refractive index of the first cladding, the NA of the second core is preferably made larger than the NA of the first core. be able to.
- the thickness of the second cladding may be larger than the thickness of the first cladding.
- the NA of the second core is preferably made larger than the NA of the first core. be able to. Further, by reducing the thickness of the first cladding, it is possible to reduce the substantial confinement NA even if the refractive index is the same as that of the second cladding due to the tunnel effect.
- the first core is formed in a circular cross section
- the second core is formed in a circular cross section
- the outer diameter of the second core is the first core. It may be 1.5 to 10 times as long as the diameter.
- the beam diameter of the laser beam is set to the second core. It is possible to make the average intensity of the first laser beam (the peak intensity of the laser beam emitted from the optical fiber) larger than the reaction threshold of the workpiece while keeping it within the outer diameter of the workpiece.
- the optical fiber further includes a third core that covers the second cladding, and a third cladding that covers the third core, and the third core is non-doped.
- the third clad may be made of quartz glass, and the third cladding may have a lower refractive index than the non-doped quartz glass.
- the central portion of the laser beam propagates through the first core, and the outer circumferential portion of the laser beam is transmitted.
- a relatively high intensity portion can be propagated by the second core, and a relatively low intensity portion of the outer peripheral portion of the laser beam can be propagated by the third core.
- the intensity distribution of the laser light emitted from the optical fiber can be brought close to the intensity distribution of the laser light before entering the optical fiber. Therefore, it is possible to suitably suppress the intensity reduction (quality deterioration) of the laser light propagating in the optical fiber.
- a refractive index of the third cladding may be lower than a refractive index of the first cladding and a refractive index of the second cladding. According to such a structure, it can suppress suitably that the laser beam which propagates the inside of an optical fiber leaks outside.
- the first core may have a single mode characteristic. According to such a configuration, the peak intensity of the laser light emitted from the optical fiber can be increased as compared with an optical fiber configured such that the first core has multimode characteristics. Thereby, the peak intensity of the laser beam can be surely made higher than the reaction threshold value of the workpiece.
- a laser processing apparatus includes a laser output unit that outputs laser light, an optical fiber that propagates the laser light, and a laser emitting unit that irradiates a workpiece with the laser light propagated by the optical fiber.
- the optical fiber is the optical fiber described above. According to the laser processing apparatus of the present invention, the same effect as the above-described optical fiber can be obtained.
- the laser processing device further includes a laser incident portion that makes the laser beam output from the laser output portion incident on an end face of the optical fiber, and the laser incident portion is equal to or larger than the diameter of the first core.
- the laser beam may be incident on the end face of the optical fiber so as to be equal to or smaller than the outer diameter of the outermost core.
- the central portion of the laser light is incident on the first core, and the outer peripheral portion of the laser light (the portion other than the central portion and within the range of the beam diameter) is positioned on the outermost side. It can inject into a core (2nd core, 3rd core). As a result, it is possible to reliably suppress a decrease in output of the laser beam and to suppress a decrease in peak intensity.
- the laser incident part can change a relative position between the condensing lens for condensing the laser light on the end face of the optical fiber and the end face of the condensing lens and the optical fiber.
- Various position adjusting means can be used.
- the position adjusting means since the relative position between the condensing lens and the end face of the optical fiber can be changed by the position adjusting means, the intensity ratio between the central portion and the outer peripheral portion of the laser light emitted from the optical fiber. (Energy balance, power balance) can be freely adjusted. Therefore, it is possible to easily obtain a laser beam having a suitable intensity distribution according to the workpiece (processing object).
- the center portion of the laser beam propagates through the first core and the outer periphery of the laser beam Since the portion can be propagated by the second core, it is possible to prevent the peak intensity from decreasing without decreasing the output of the laser beam. Therefore, when processing a highly reflective workpiece using the fundamental laser beam, the peak intensity of the laser beam on the workpiece can be made higher than the reaction threshold without reducing the laser beam output. Therefore, the workpiece can be processed stably.
- FIG. 1 is a block diagram showing a main part of the laser processing apparatus according to the first embodiment.
- 2 is a partially omitted longitudinal sectional view of one end side of the optical fiber shown in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 2 and an explanatory diagram showing the refractive index distribution of the optical fiber shown in FIG. 4A is an explanatory view showing the intensity distribution of the laser light before entering the optical fiber shown in FIG. 2, and FIG. 4B is an explanatory view showing the intensity distribution of the laser light emitted from the optical fiber.
- FIG. 5 is a partially omitted enlarged cross-sectional view of the optical fiber shown in FIG. FIG.
- FIG. 6 is an explanatory view showing a cross-sectional view of an optical fiber according to a first modification and a refractive index distribution of the optical fiber.
- FIG. 7 is a partially omitted longitudinal sectional view of an optical fiber according to a second modification.
- FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 7 and an explanatory diagram showing the refractive index distribution of the optical fiber shown in FIG.
- FIG. 9 is a partially omitted longitudinal sectional view of an optical fiber according to a third modification.
- FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 9 and an explanatory diagram showing the refractive index distribution of the optical fiber shown in FIG. FIG.
- FIG. 11A is an explanatory diagram showing the intensity distribution of the laser beam before entering the optical fiber shown in FIG. 9, and FIG. 11B is an explanatory diagram showing the intensity distribution of the laser beam emitted from the optical fiber.
- FIG. 12 is an explanatory view showing a cross-sectional view of an optical fiber according to a fourth modification and a refractive index distribution of the optical fiber.
- FIG. 13 is an explanatory view showing a cross-sectional view of an optical fiber according to a fifth modification and a refractive index distribution of the optical fiber.
- FIG. 14 is a partially omitted longitudinal sectional view of an optical fiber according to a sixth modification.
- 15 is a cross-sectional view taken along the line XV-XV in FIG.
- FIG. 16 is a block diagram showing a main part of the laser processing apparatus according to the second embodiment.
- FIG. 17 is a block diagram showing a main part of a laser processing apparatus according to the third embodiment.
- 18 is an enlarged partial side view of the position adjusting mechanism shown in FIG.
- FIG. 19 is an enlarged front view of the optical fiber holder shown in FIG.
- FIG. 20 is a partial cross-sectional enlarged side view showing a state in which the holder main body constituting the lens holder is moved to the one end face side of the optical fiber.
- FIG. 21A is an explanatory view showing the intensity distribution of the laser light before entering the optical fiber before and after the movement of the holder body constituting the lens holder
- FIG. 21B is before and after the movement of the holder body constituting the lens holder. It is explanatory drawing which showed intensity distribution of the laser beam radiate
- FIG. 22 is a cross-sectional explanatory diagram for explaining the shape of the melted portion when lap welding is performed with the laser beam having the intensity distribution indicated by the broken line A2 in FIG. 21B.
- FIG. 23 is a cross-sectional explanatory diagram for explaining the shape of the melted portion when lap welding is performed with laser light having the intensity distribution indicated by the solid line B2 (C2) in FIG. 21B.
- FIG. 24 is an explanatory diagram showing the intensity distribution of the laser light before entering the optical fiber before and after the movement of the holder main body constituting the optical fiber holder.
- the laser processing apparatus 10A is configured as a so-called YAG laser processing apparatus, and propagates a laser beam L1 having a wavelength of 1.064 [ ⁇ m] through an optical fiber 12a to work W. It is an apparatus for performing processing (cutting or welding) by irradiating with.
- the workpiece W can be arbitrarily selected.
- a metal material copper, copper alloy, gold, etc.
- a high reflectance low absorptance
- the laser processing apparatus 10A is output from a laser output unit 14 that outputs a laser beam L1 for processing, an optical fiber 12a for propagating the laser beam L1, and the laser output unit 14.
- the laser beam L1 reflected in a predetermined direction, the laser beam L1 reflected by the mirror 15 is incident on one end surface of the optical fiber 12a, and is emitted from the other end surface of the optical fiber 12a.
- a laser emitting unit 20 that irradiates the processing target portion of the workpiece W with the laser beam L3 that has been processed, a processing table 22 that positions and holds the workpiece W, and a control unit 24 are provided.
- the laser output unit 14 includes a YAG rod 26 made of an Nd: YAG crystal, an excitation lamp 28 such as an Xe flash lamp for optically exciting the atoms of the YAG rod 26, and a power source 30 for starting the excitation lamp 28.
- a transmissive output mirror 36 and a pair of shutters 38, 38 disposed between the total reflection mirror 34 and the output mirror 36 with the YAG rod 26 interposed therebetween.
- the configuration of the optical fiber 12a will be described later.
- the laser incident part 18 has a condensing lens 42 for condensing and incident the laser light L1 on one end face of the optical fiber 12a.
- the laser emitting unit 20 collimates the laser light L3 emitted from the other end surface of the optical fiber 12a into parallel light, and the condensing lens 48 condenses the collimated laser light L3 on the processing target portion of the workpiece W. And have.
- the laser processing apparatus 10A in the present embodiment further includes a guide laser output unit 16 that outputs a guide laser light L2 that is visible light so as to be coaxial with the laser light L1.
- a guide laser output unit 16 for example, a He—Ne laser device, a GaAlPAs semiconductor laser device, or the like is used. Thereby, the optical path of the laser beam L1 that cannot be visually recognized by the naked eye can be easily known from the guide laser beam L2.
- the optical fiber 12a includes a first cladding 52 and a second core concentrically with respect to a first core 50 that extends on an axis Ax and is formed in a columnar shape. 54, a second cladding 56, and a thick support layer 58 are sequentially disposed.
- the first cladding 52 is the outer peripheral surface of the first core 50
- the second core 54 is the outer peripheral surface of the first cladding 52
- the second cladding 56 is the outer peripheral surface of the second core 54
- the support layer 58 covers the outer peripheral surface of the second cladding 56.
- the laser light L1 before being incident on one end face of the optical fiber 12a has a substantially Gaussian distribution, and its beam diameter (beam intensity P0 at 1 / e 2 level of the peak beam intensity P3).
- the first core 50 and the outer diameter d2 of the second core 54 are condensed by the condenser lens 42 of the laser incident portion 18 described above.
- the beam diameter d0 is the same as the outer diameter d2 of the second core 54.
- a portion of the laser beam L1 having a beam intensity equal to or higher than P2 enters the first core 50, and a portion having a beam intensity of less than P2 and equal to or higher than P1 is the first.
- a portion that enters the clad 52 and has a beam intensity less than P1 and greater than or equal to P0 enters the second core 54.
- the portion of the laser light L1 incident on one end surface of the optical fiber 12a is incident on the first core 50 as the first laser light L1a, and the portion incident on the first cladding 52 is the second.
- the laser beam L1b and the portion incident on the second core 54 may be referred to as a third laser beam L1c (see FIGS. 2 and 5).
- the third laser beam L1c is not shown in FIG.
- the first core 50 and the second core 54 are made of non-doped quartz glass. Thereby, the energy loss of the 1st laser beam L1a and the 3rd laser beam L1c can be suppressed suitably.
- the second core 54 has an annular cross section, and its outer diameter d2 is 1.5 to 10 times the diameter d1 of the first core.
- the range is set, preferably three times as large.
- the first clad 52 and the second clad 56 are formed in an annular cross section, and the thickness thereof is the same and sufficiently smaller than the thickness of the second core 54. Thereby, the amount of the second laser beam L1b can be reduced. Therefore, the energy loss of the laser beam L1 incident on the optical fiber 12a can be suppressed.
- the first clad 52 and the second clad 56 are configured by doping quartz glass with fluorine (F).
- the fluorine doping amount per unit mass in the second cladding 56 is larger than the fluorine doping amount per unit mass in the first cladding 52. Therefore, the refractive index n2 of the first cladding 52 is lower than the refractive index n3 of the first core 50 and the second core 54 (non-doped quartz glass), and the refractive index n1 of the second cladding 56 is the first.
- the confinement NA of the second core 54 becomes larger than the confinement NA of the first core 50.
- the amount of fluorine doped in the first cladding 52 and the amount of fluorine doped in the second cladding 56 can be arbitrarily set.
- the confinement NA of the second core 54 and the first core 50 It is preferable to set so that the difference from the confined NA is 0.03 to 0.15. In this case, leakage of the second laser light L1b to the outside can be further suppressed.
- the first clad 52 and the second clad 56 may be formed by doping quartz glass with boron trifluoride (BF 3 ) or boron oxide (B 2 O 3 ). Even with such a configuration, the refractive index n2 of the first cladding 52 and the refractive index n3 of the second cladding 56 can be made lower than the refractive index n1 of non-doped quartz glass.
- boron trifluoride boron trifluoride
- B 2 O 3 boron oxide
- the support layer 58 is made of non-doped quartz glass and has an annular cross section.
- the thickness of the support layer 58 can be changed as appropriate according to the size of the connector connected to the laser incident portion 18 and the laser emitting portion 20.
- the refractive index n3 of the support layer 58 is the same as the refractive index n3 of the first core 50 and the second core 54.
- the control unit 24 includes a first control unit 60 that drives and controls the power supply 30 of the laser output unit 14 and a second control unit 62 that drives and controls the guide laser output unit 16.
- the control unit 24 opens and closes the shutters 38 and 38 and controls the cooler 32.
- the control unit 24 opens the shutters 38 and 38, and then the second control unit 62 drives the guide laser output unit 16 to generate the guide laser light L2.
- the position of the mirror 15, the laser incident part 18, the optical fiber 12a, the laser emitting part 20, and the processing table 22 is adjusted.
- the second control unit 62 stops driving the guide laser output unit 16.
- the first control unit 60 drives the power source 30 to flash the excitation lamp 28.
- the laser active medium in the YAG rod 26 is excited, and light having an inverted distribution is emitted.
- the light with the inverted distribution is resonantly amplified between the total reflection mirror 34 and the output mirror 36, and the amplified light is transmitted through the output mirror 36 and output as the laser light L1.
- the first controller 60 cools the YAG rod 26 and the excitation lamp 28 by driving the cooler 32.
- the laser beam L1 output from the laser output unit 14 is reflected by the mirror 15 and guided to the laser incident unit 18, and is collected by the condensing lens 42 on one end surface of the optical fiber 12a. Specifically, the laser light L1 is incident on one end surface of the optical fiber 12a so that the optical axis thereof substantially coincides with the axis Ax of the optical fiber 12a (first core 50).
- the laser beam L1 includes the first laser beam L1a incident on the first core 50, the second laser beam L1b incident on the first cladding 52, and the third laser beam incident on the second core 54. It will be divided into L1c. That is, the first laser light L1a propagates in the first core 50, and the second laser light L1b and the third laser light L1c propagate in the second core 54. The first to third laser beams L1a to L1c emitted from the optical fiber 12a are combined into a laser beam L3. As shown in FIG.
- the average intensity of the first laser beam L1a appears as the peak beam intensity P5
- the average intensity of the second laser beam L1b and the third laser beam L1c appears as the beam intensity P4.
- the peak intensity P5 of the laser beam L3 is sufficiently higher than the workpiece reaction threshold PL.
- the laser beam L3 is collimated by the collimator lens 46 and then condensed by the condenser lens 48 on the processing target portion of the workpiece W.
- the laser central portion having the beam intensity P5 becomes an opportunity for the processing of the processing target portion of the workpiece W, and the processing can be advanced (expanded) at the laser outer peripheral portion having the beam intensity P4. Therefore, the workpiece W having high reflectivity can be stably processed using the laser beam L1 having a wavelength of 1.064 [ ⁇ m].
- a second cladding 64 is used in place of the second cladding 56 and the support layer 58 constituting the optical fiber 12a. That is, in the present modification, the support layer 58 of the optical fiber 12 a is omitted, and the thickness of the second cladding 64 is made larger than the thickness of the second cladding 56.
- the fluorine doping amount per unit mass in the second cladding 64 is the same as the fluorine doping amount per unit mass in the second cladding 56, and the fluorine doping amount per unit mass in the first cladding 52. Is set more than. In this case, the refractive index of the second cladding 64 is n1. According to the optical fiber 12b of this modification, the same effect as the above-described optical fiber 12a can be obtained.
- a second cladding 66 is used instead of the second cladding 56 constituting the optical fiber 12a.
- the thickness of the second clad 66 is larger than the thickness of the first clad 52.
- the fluorine doping amount per unit mass in the second cladding 66 is set to be the same as the fluorine doping amount per unit mass in the first cladding 52.
- the refractive index n2 of the second cladding 66 is the same as the refractive index n2 of the first cladding 52.
- the fluorine doping amount per unit mass in the second cladding 66 may be larger than the fluorine doping amount per unit mass in the first cladding 52.
- the fluorine doping amount per unit mass in the second cladding 66 may be larger than the fluorine doping amount per unit mass in the first cladding 52.
- the thickness of the second clad 66 is larger than the thickness of the first clad 52, so that the confinement NA of the second core 54 is the same as that of the first core 50. It can be larger than the confinement NA. Thereby, the same effect as the optical fiber 12a mentioned above can be produced.
- the difference between the thickness of the first clad 52 and the thickness of the second clad 66 can be arbitrarily set.
- the confinement NA of the second core 54 and the confinement NA of the first core 50 can be set. It is preferable to set the difference between 0.03 and 0.15. In this case, leakage of the second laser light L1b to the outside can be further suppressed.
- the support layer 58 may be omitted and the thickness of the second cladding 66 may be increased by the thickness of the support layer 58, as in the optical fiber 12b according to the first modification described above. Even in this case, the same effect is obtained.
- an optical fiber 12d according to a third modification will be described with reference to FIGS. 9 to 11B.
- the third core 68 that covers the outer peripheral surface of the second cladding 56 and the first core that covers the outer peripheral surface of the third core 68. 3 claddings 70 are provided.
- the optical fiber 12d includes a first clad 52, a second core 54, a second clad 56, a third core 68, a third clad 70, and a support concentrically with respect to the first core 50.
- Layers 58 are formed in sequence.
- the support layer 58 covers the outer peripheral surface of the third clad 70.
- the laser light L1 before entering the one end face of the optical fiber 12d has a substantially Gaussian distribution, and its beam diameter (the beam intensity P0 at 1 / e 2 level of the peak beam intensity P3).
- the width d0 of the laser beam is condensed by the condensing lens 42 of the laser incident portion 18 to a diameter d1 or more of the first core 50 and a diameter d3 or less of the third core 68.
- the beam diameter d0 is the same as the outer diameter d3 of the third core 68.
- a portion of the laser beam L1 having a beam intensity equal to or higher than P2 enters the first core 50, and a portion having a beam intensity of less than P2 and equal to or higher than P1 is the first.
- a portion having a beam intensity less than P1 and greater than or equal to Pb is incident on the second core 54, and a portion having a beam intensity less than Pb and greater than or equal to Pa is incident on the second cladding 56.
- a portion having a beam intensity less than Pa and greater than or equal to P0 is incident on the third core 68.
- the portion of the laser light L1 incident on one end face of the optical fiber 12d is incident on the second cladding 56 as the fourth laser light L1d, and the portion incident on the third core 68 is the fifth.
- laser light L1e Sometimes referred to as laser light L1e.
- the third core 68 has an annular cross section, and its outer diameter d3 is in the range of 1.5 to 10 times, preferably 3 times the diameter d1 of the first core. Is set. By setting in this way, when the beam diameter d0 of the laser light L1 is substantially matched with the outer diameter of the third core 68, the average intensity of the first laser light L1a is determined from the reaction threshold PL of the workpiece W. It is because it can also be enlarged.
- the third core 68 is made of non-doped quartz glass. Thereby, the energy loss of the 5th laser beam L1e can be suppressed suitably.
- the third clad 70 is formed in an annular cross section, and the thickness thereof is the same as the thickness of the first clad 52 and the second clad 56.
- the third cladding 70 is configured by doping quartz glass with fluorine.
- the fluorine doping amount per unit mass in the third cladding 70 is larger than the fluorine doping amount per unit mass in the second cladding 56. Therefore, the refractive index n0 of the third cladding 70 is lower than the refractive index n1 of the second cladding 56, and as a result, the confinement NA of the third core 68 is larger than the confinement NA of the second core 54. .
- the amount of fluorine doped in the second cladding 56 and the amount of fluorine doped in the third cladding 70 can be arbitrarily set.
- the confinement NA of the third core 68 and the second core 54 It is preferable to set so that the difference from the confined NA is 0.03 to 0.15. In this case, the leakage of the fourth laser beam L1d to the outside can be further suppressed.
- the third clad 70 may be formed by doping quartz glass with boron trifluoride (BF 3 ) or boron oxide (B 2 O 3 ). Even with such a configuration, the refractive index n0 of the third cladding 70 can be made lower than the refractive index n1 of the non-doped quartz glass.
- the laser beam L1 is incident on the first laser beam L1a incident on the first core 50, the second laser beam L1b incident on the first cladding 52, and the second core 54.
- the laser beam is divided into a third laser beam L1c, a fourth laser beam L1d incident on the second cladding 56, and a fifth laser beam L1e incident on the third core 68.
- the first laser light L1a propagates in the first core 50
- the second laser light L1b and the third laser light L1c propagate in the second core 54
- L1e propagates through the third core 68.
- the first to fifth laser beams L1a to L1e emitted from the optical fiber 12d are combined into a laser beam L3.
- the average intensity of the first laser beam L1a appears as the peak beam intensity P5
- the average intensity of the second laser beam L1b and the third laser beam L1c appears as the beam intensity P4
- the average intensity of the fourth laser beam L1d and the fifth laser beam L1e appears as the beam intensity Pc.
- the intensity distribution (see FIG. 11B) of the laser beam L3 obtained by propagating through the optical fiber 12d of this modification is the intensity distribution (see FIG. 11B) of the laser beam L3 obtained by propagating through the optical fiber 12a.
- the optical fiber 12d of this modification it is possible to suitably suppress a decrease in intensity (quality deterioration) of the laser light L1 propagating through the optical fiber 12d.
- a second cladding 72 is used in place of the second cladding 56 constituting the optical fiber 12d according to the third modification.
- the second cladding 72 has the same fluorine doping amount per unit mass as the fluorine doping amount per unit mass in the first cladding 52, and the other configuration is the same as that of the second cladding 56. It is the same.
- the refractive index of the second cladding 72 is n2 which is the same as the refractive index of the first cladding 52.
- an optical fiber 12f according to a fifth modification will be described with reference to FIG.
- a third cladding 74 is used in place of the third cladding 70 and the support layer 58, as compared with the optical fiber 12d according to the third modification. . That is, in the present modification, the support layer 58 of the optical fiber 12 d is omitted, and the thickness of the third cladding 74 is made larger than the thickness of the third cladding 70.
- the amount of fluorine doped per unit mass in the third cladding 74 is the same as the amount of fluorine doped per unit mass in the third cladding 70, and the amount of fluorine doped per unit mass in the second cladding 56. Is set more than. According to this modification, the optical fiber 12f can achieve the same effects as the optical fiber 12d described above.
- an optical fiber 12g according to a sixth modification will be described with reference to FIGS.
- the optical fiber 12g according to this modification example uses a second cladding 66 instead of the second cladding 56, as compared with the optical fiber 12d according to the third modification example.
- a third clad 78 is used instead of the third clad 70.
- the thickness of the second cladding 66 is formed larger than the thickness of the first cladding 52, and the thickness of the third cladding 78 is formed larger than the thickness of the second cladding 66.
- the amount of fluorine doped per unit mass in each of the clads 52, 66, and 78 is set to be the same. In this case, the refractive indexes of the clads 52, 66, 78 are the same at n2.
- the thickness of the second cladding 66 is made larger than the thickness of the first cladding 52, and the thickness of the third cladding 78 is made larger than the thickness of the second cladding 66. Therefore, the confinement NA of the second core 54 is made larger than the confinement NA of the first core 50, and the confinement NA of the third core 68 is made larger than the confinement NA of the second core 54. be able to. According to the optical fiber 12g according to this modification, the same effects as those of the above-described optical fiber 12d can be obtained.
- the fluorine doping amount per unit mass in the third cladding 78 may be larger than the fluorine doping amount per unit mass in the second cladding 66.
- the YAG rod 26 may be excited using a laser diode (LD) instead of the excitation lamp 28.
- the laser processing apparatus 10A according to the present embodiment may be configured as a pulse YAG laser welder.
- optical fibers 12a to 12g described above may be configured such that the first core 50 has a single mode characteristic.
- Such optical fibers 12a to 12g can be obtained, for example, by forming the diameter of the first core 50 to a size of 8 to 10 [ ⁇ m].
- the peak intensity P5 of the laser light L3 can be increased as compared with the optical fiber configured such that the first core 50 has multi-mode characteristics. Thereby, the peak intensity P5 of the laser beam L3 can be surely made higher than the reaction threshold value PL of the workpiece.
- the cross-sectional shape of the first core 50 may be a cross-sectional polygonal shape, a cross-sectional elliptical shape, or the like.
- the shape may be a polygonal cross section, an elliptical cross section, or the like.
- the laser processing apparatus 10 ⁇ / b> B is configured as a so-called fiber laser processing apparatus.
- the laser output unit 100 is used instead of the laser output unit 14, and the control unit 102 is replaced with the control unit 24. Used, the guide laser output unit 16 is omitted.
- the laser output unit 100 outputs a fiber laser beam FB1 having a wavelength of 1.064 [ ⁇ m].
- the laser output unit 100 is driven to emit light by the power source 104 and the excitation current from the power source 104 and outputs the excitation light MB.
- Optical resonator mirrors 110 and 112 an optical lens 114 disposed between one end face of the active fiber 108 and the optical resonator mirror 110, and the other end face of the active fiber 108 and the optical resonator mirror 112.
- an optical lens 116 disposed therein.
- the active fiber 108 has a core doped with a predetermined light-emitting element and a clad surrounding the core coaxially.
- the core is used as an active medium, and the clad is used as the excitation light MB.
- the pair of optical resonator mirrors 110 and 112 resonate and amplify the energy of the fiber laser light FB1 oscillated from the active fiber 108.
- the optical resonator mirror 110 transmits the excitation light MB from the LD 106 from the back side of the reflection surface, and totally reflects the fiber laser light FB1 guided from one end surface of the active fiber 108 along the optical axis.
- the optical resonator mirror 112 partially reflects the fiber laser FB1 guided from the other end face of the active fiber 108 along its optical axis, and transmits part of the fiber laser light FB1.
- the optical lens 114 condenses the excitation light MB from the fiber laser light FB1 and LD 106 reflected by the optical resonator mirror 110 on one end surface of the active fiber 108, while being guided from one end surface of the active fiber 108.
- the parallel fiber laser beam FB1 is collimated.
- the optical lens 116 condenses the fiber laser light FB1 reflected by the optical resonator mirror 112 on the other end face of the active fiber 108, while paralleling the fiber laser light FB guided from the other end face of the active fiber 108.
- the control unit 102 controls driving of the power source 104.
- the control unit 102 drives and controls the power supply 104 and the excitation current is supplied from the power supply 104 to the LD 106
- the excitation light MB is oscillated from the LD 106
- the oscillated excitation light MB is converted into an optical resonator.
- the light passes through the mirror 110 and is focused and incident on one end face of the active fiber 108 by the optical lens 114.
- the excitation light MB incident on one end face of the active fiber 108 propagates in the clad while traversing the core of the active fiber 108 a plurality of times, and excites the light emitting element in the core.
- the fiber laser beam FB1 is emitted from the active fiber 108, and after being resonantly amplified by the pair of optical resonator mirrors 110 and 112, is transmitted through the optical resonator mirror 112 and guided to the mirror 15.
- the fiber laser beam FB1 emitted from the laser output unit 100 is reflected by the mirror 15 and then is transmitted through the condensing lens 42 of the laser incident unit 18 to the propagation optical fiber 12a. It is focused and incident on the end face.
- the generally Gaussian distribution fiber laser beam FB1 that is focused and incident on the optical fiber 12a is propagated separately to the first core 50 and the second core 54 of the optical fiber 12a.
- the fiber laser beam FB2 having a peak intensity sufficiently higher than the reaction threshold PL of the workpiece W is emitted from the other end face of the optical fiber 12a without reducing the output of the fiber laser beam FB1, and the laser emitting unit 20 Then, the light is condensed on the processing target portion of the workpiece W.
- work W with a high reflectance with respect to the light of an infrared region can be processed stably using the fiber laser beam FB2 which has a wavelength of 1.064 [micrometer].
- the laser processing apparatus 10B according to the present embodiment also has the same effects as the laser processing apparatus 10A according to the first embodiment described above.
- the laser processing apparatus 10B may be configured as a laser processing apparatus (laser welding machine) including the active fiber 108 having multimode characteristics.
- optical fibers 12b to 12g may be used instead of the optical fiber 12a.
- Each of the optical fibers 12a to 12g may be configured such that the first core 50 has a single mode characteristic.
- Such optical fibers 12a to 12g can be obtained, for example, by forming the diameter of the first core 50 to a size of 8 to 10 ⁇ m.
- the peak intensity P5 of the laser light L3 can be increased as compared with the optical fiber configured such that the first core 50 has multi-mode characteristics. Thereby, the peak intensity P5 of the laser beam L3 can be surely made higher than the reaction threshold value PL of the workpiece W.
- the pumping light MB emitted from the LD 106 is incident on the active fiber 108, and the fiber laser light FB1 amplified by the optical resonator mirrors 110 and 112 is incident on the optical fiber 12a.
- the configuration in which the excitation light MB emitted from the LD 106 is directly incident on the optical fibers 12a (12b to 12g) without using the active fiber 108, the optical resonator mirrors 110 and 112, etc. (so-called LD direct). Processing device).
- the laser processing apparatus 10 ⁇ / b> C according to the present embodiment is configured as a YAG laser welder, and a laser incident unit 200 is provided instead of the laser incident unit 18.
- the laser incident part 200 includes a position adjusting mechanism 201 that adjusts the relative position between the condensing lens 42 and one end face of the optical fiber 12a.
- the position adjustment mechanism 201 includes a lens holder 202 for supporting the condensing lens 42 and an optical fiber holder 204 for supporting one end side (side closer to the condensing lens 42) of the optical fiber 12a.
- the lens holder 202 includes a holder main body 206 that holds the condenser lens 42, a support portion 208 that supports the holder main body 206 movably along the optical axis direction of the laser light L ⁇ b> 1, A position adjusting screw 210 provided on the support portion 208 for moving the holder main body 206 along the optical axis direction of the laser beam L1 and a rod 212 fixed to the support portion 208 are provided.
- the optical fiber holder 204 includes a holder main body 214 that holds one end of the optical fiber 12a, and a direction in which the holder main body 214 is orthogonal to the optical axis of the laser light L1 (the center axis Ax of the optical fiber 12a).
- a support portion 216 that is movably supported along a direction orthogonal to the position), and a position adjusting screw that is provided on the support portion 216 and moves the holder body 214 along a direction orthogonal to the optical axis of the laser beam L1. 218 and 220, and a rod 222 fixed to the support portion 216.
- the holder main body 214 can be moved relative to the support portion 216 along the extending direction of the rod 222 by turning the position adjusting screw 218, thereby adjusting the position.
- the holder main body 214 can be moved relative to the support portion 216 along a direction orthogonal to the extending direction of the rod 222.
- the holder main body 206 can be moved along the optical axis of the laser light L1 by turning the position adjusting screw 210 of the lens holder 202, so that one end surface (incident side end surface) of the optical fiber 12a and The distance to the condenser lens 42 (the focal position of the laser light L1) can be changed.
- the intensity distribution of the laser light L1 before entering the optical fiber 12a in a state where the holder main body 206 is disposed at the position shown in FIG. 18 is as indicated by a two-dot chain line A1 shown in FIG. 21A.
- the intensity distribution of the laser light L3 emitted from the optical fiber 12a is as indicated by a two-dot chain line A2 shown in FIG. 21B.
- the laser beam L3 has a relatively high peak intensity at the center and a relatively low intensity at the outer periphery.
- Such laser light L3 has a relatively deep penetration into the workpiece W and the width (diameter) of the melted portion 300 is narrowed.
- lap welding of the thick plates 302 and 304 can be suitably performed ( (See FIG. 22).
- the intensity distribution of the laser light L1 before entering the optical fiber 12a is As shown by a solid line B1 in FIG. 21A.
- the intensity distribution of the laser light L3 emitted from the optical fiber 12a is as shown by a solid line B2 in FIG. 21B.
- the laser beam L3 has a relatively low peak intensity at the center and a relatively high intensity at the outer periphery.
- Such laser light L3 has a relatively shallow penetration into the workpiece W and the width (diameter) of the melted portion 306 is widened.
- lap welding of the thin plates 308 and 310 can be suitably performed (FIG. 23).
- the focal position of the condenser lens 42 can be changed by turning the position adjusting screw 210 of the lens holder 202 and moving the holder body 206 along the optical axis direction of the laser light L1. Therefore, the intensity ratio (energy balance, power balance) between the central portion and the outer peripheral portion of the laser light L3 emitted from the optical fiber 12a can be freely adjusted. Thereby, the laser beam L3 having a suitable intensity distribution can be easily obtained according to the welding conditions (processing conditions) such as the plate thickness of the workpiece W.
- the optical fiber 12a The intensity distribution of the laser beam L1 before entering is as shown by a solid line C1 in FIG.
- the intensity distribution of the laser light L3 emitted from the optical fiber 12a is as shown by a solid line C2 in FIG. 21B.
- the intensity ratio energy balance, power of the center portion and the outer peripheral portion of the laser light L3. (Balance) can be adjusted freely. Thereby, the laser beam L3 having a suitable intensity distribution can be easily obtained according to the welding conditions (processing conditions) such as the plate thickness of the workpiece W.
- the position adjustment mechanism 201 may be configured such that the holder main body 206 of the lens holder 202 is immovable or the holder main body 214 of the optical fiber holder 204 is immovable.
- the lens holder 202 may be configured such that the holder main body 206 can be moved in a direction orthogonal to the optical axis of the laser light L1, and the optical fiber holder 204 has the holder main body 214 as the optical axis of the laser light L1. You may comprise so that it can move along. Further, the mechanism for moving the holder main bodies 206 and 214 may use a motor or the like. In short, the position adjusting mechanism 201 may be configured in any way as long as the relative position between the condensing lens 42 and the one end face of the optical fiber 12a can be changed.
- the laser processing apparatus 10C according to the present embodiment can use the optical fibers 12b to 12g described above instead of the optical fiber 12a.
- the laser processing apparatus 10C may be used for welding of a foil material (aluminum foil, copper foil, etc.) constituting an electrode of a lithium ion battery.
- a foil material (aluminum foil, copper foil, etc.) constituting an electrode of a lithium ion battery.
- the relative position between the condensing lens 42 and one end face of the optical fiber 12a (12b to 12g) is adjusted to reduce the peak intensity of the laser light L3 emitted from the optical fiber 12a (12b to 12g).
- the foil material can be suitably prevented from being damaged by the laser beam L3. Further, it is possible to suppress the displacement of the foil material when the foil material is irradiated with the laser light L3.
- the optical fiber according to the present invention may be configured by arranging a plurality of cores and clads alternately in a concentric manner (for example, four or more layers).
- the intensity distribution of the laser light emitted from the optical fiber can be made closer to the intensity distribution of the laser light before entering the optical fiber. Thereby, deterioration of the quality of the laser beam by an optical fiber can be suppressed suitably.
- the refractive index of the outermost clad it is preferable to set the refractive index of the outermost clad to be smaller than the refractive indexes of the other clads.
- the confinement NA of the outermost core can be made equal to or greater than the confinement NA of other cores, and as a result, leakage of laser light incident on the optical fiber to the outside can be suitably suppressed. It is.
- the laser processing apparatus may be applied to a welding apparatus (copper ribbon wire bonding apparatus) for welding copper ribbon wires.
- a high reflectance copper ribbon wire can be stably welded using the laser beam L1 having a wavelength of 1.064 [ ⁇ m].
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Abstract
レーザ加工装置は、レーザ出力部(14、100)から出力されたレーザ光(L1)を光ファイバ(12a~12g)で伝搬し、該光ファイバから出射されたレーザ光(L2)をレーザ出射部(20)によりワーク(W)に照射する。前記光ファイバ(12a~12g)は、第1のコア(50)と、該第1のコア(50)を被覆する第1のクラッド(52)と、該第1のクラッド(52)を被覆する第2のコア(54)と、該第2のコア(54)を被覆する第2のクラッド(56)と有し、該第1のコア(50)及び該第2のコア(54)は、ノンドープの石英ガラスで構成され、該第1のクラッド(52)及び該第2のクラッド(56)は、前記石英ガラスの屈折率よりも低い屈折率を有する。
Description
本発明は、レーザ光を伝搬するための光ファイバ、及びそれを備えたレーザ加工装置に関する。
従来から、金属等の加工(切断や溶接等)に高出力のレーザ光を発振するYAGレーザ加工装置が広汎に利用されている。
YAGレーザ加工装置は、一般的に、レーザ発振器から発振されたレーザ光を光ファイバで出射ユニットに導き、該出射ユニットに設けられた光学系によりワークに集光させて加工を行うように構成されている。
この種の光ファイバとして、純粋石英で形成されたコア中心部を、石英に三フッ化ホウ素(BF3)をドープして形成されたコア外周部で被覆し、前記コア外周部の屈折率を前記コア中心部の屈折率よりも低くする技術的思想が提案されている(例えば、実開昭64-010707号公報参照)。
ところで、赤外領域の光に対する反射率が高いワーク(銅等)は、YAGレーザ光等の基本波(波長が1[μm]近傍の波)のレーザ光を用いて加工をすることが容易ではない。
このような加工では、前記ワークの表面状態、レーザ発振器自体の性能バラツキ(例えば、パルス間隔のバラツキ等)、光ファイバの形状等が加工安定性に与える影響も大きい。
該ワークを安定して加工する方法としては、例えば、SHG(第2高調波)加工装置や、ハイブリッドレーザ加工装置(SHGレーザ光と基本波のハイブリッド)等を利用することが考えられるが、SHG加工装置を利用した場合には、レーザ光を高出力化することが困難であり、一方、ハイブリッドレーザ加工装置を利用した場合には、コストが高騰化する問題がある。そのため、前記基本波のレーザ光を用いて該ワークを安定して加工する手段の開発が希求されている。
ここで、光ファイバを例にとると、該光ファイバへのレーザ光の入射角度、入射開口数(NA)、及び光ファイバの曲がり度合いのそれぞれが大となったり、光ファイバが長尺化したりすると、レーザ光のピーク強度が低下する。
また、上述した実開昭64-010707号公報に記載の光ファイバにおいて、例えば、ガウス分布状のレーザ光を入射した場合にも、該光ファイバ内を伝搬する最中に、該レーザ光の強度が平均化されるため、ピーク強度が低下する。
そして、ワーク上でのレーザ光のピーク強度が前記ワークの反応閾値(加工を行うことが可能な最低強度値)未満にまで低下すると、該ワークを加工することができなくなるおそれがある。
なお、該レーザ光の中心部(ピーク強度とその近傍の部分)のみを該光ファイバに入射することにより、ピーク強度の低下を抑えることも可能であるが、この場合、レーザ光の外周部(中心部以外の部分)が該光ファイバに入射されないので、レーザ光の出力が低下してしまう。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、レーザ光の出力を低下させることなくピーク強度が低下することを抑えることができ、これにより、基本波のレーザ光を用いて高反射率のワークを安定して加工することが可能となる光ファイバ及びそれを備えたレーザ加工装置を提供することを目的とする。
[1] 本発明に係る光ファイバは、レーザ光を伝搬するための光ファイバであって、第1のコアと、前記第1のコアを被覆する第1のクラッドと、前記第1のクラッドを被覆する第2のコアと、前記第2のコアを被覆する第2のクラッドと、を備え、前記第1のコア及び前記第2のコアは、ノンドープの石英ガラスで構成され、前記第1のクラッド及び前記第2のクラッドは、前記ノンドープの石英ガラスの屈折率よりも低い屈折率を有することを特徴とする。
本発明に係る光ファイバによれば、例えば、ガウス分布状のレーザ光を光ファイバの一端面に入射した際に、該レーザ光の中心部を第1のコアで伝搬すると共に、該レーザ光の外周部を第2のコアで伝搬することができる。これにより、レーザ光の出力を低下させることなく、ピーク強度が低下することを抑えることができる。よって、基本波のレーザ光を用いて高反射率のワークを加工する場合に、レーザ光の出力を低下させることなく該ワーク上でのレーザ光のピーク強度を反応閾値よりも高くすることができので、該ワークを安定して加工することができる。
また、前記第1のコア及び前記第2のコアをノンドープの石英ガラスで構成しているので、該第1のコア及び第2のコア内を伝搬するレーザ光のエネルギ損失も好適に抑えられる。
[2] 上記の光ファイバにおいて、前記第1のクラッド及び前記第2のクラッドが、石英ガラスにフッ素をドープして形成されていてもよい。
このような構成によれば、石英ガラスにフッ素をドープすることにより第1のクラッド及び第2のクラッドを形成しているので、該第1のクラッド及び該第2のクラッドの屈折率をノンドープの石英ガラス(第1のコア及び第2のコア)の屈折率よりも好適に低くすることができる。また、前記第1のクラッド及び前記第2のクラッドのレーザ光に対する耐久性(耐レーザ光強度)をノンドープの石英ガラスと略同等にすることができる。
ところで、前記光ファイバの端面に入射されるレーザ光は、第1のコアに入射される部分(第1レーザ光)と、第1のクラッドに入射される部分(第2レーザ光)と、第2のコアに入射される部分(第3レーザ光)とに分かれる。そして、第3レーザ光は、第1のクラッドから第2のコア内に侵入し、さらに、第2のクラッドを透過して外部に漏れるおそれがある。
[3] 上記の光ファイバにおいて、前記第2のコアのNAが、前記第1のコアのNAよりも大きくてもよい。
ここでいうNAは、通常のSIファイバにおけるファイバのNAに相当し、コア内に閉じ込める事が可能な最大開口数を表している。なお、本明細書において、前記NAを「閉じ込めNA」ということがある。
このような構成によれば、第2のコアのNAを第1のコアのNAよりも大きくしているので、第2レーザ光が第2のコアに侵入した場合であっても、第2のクラッドで好適に反射して外部への漏れを抑えることができる。よって、レーザ光の伝搬中に出力が低下することを好適に抑えることができる。
[4] 上記の光ファイバにおいて、前記第2のコアのNAと前記第1のコアのNAとの差が、0.03~0.15であってもよい。このような構成によれば、第3レーザ光の外部への漏れを一層抑えることができる。
[5] 上記の光ファイバにおいて、前記第2のクラッドの屈折率が、前記第1のクラッドの屈折率よりも低くてもよい。このような構成によれば、第2のクラッドの屈折率を第1のクラッドの屈折率よりも低くしているので、第2のコアのNAを第1のコアのNAよりも好適に大きくすることができる。
[6] 上記の光ファイバにおいて、前記第2のクラッドの厚みが、前記第1のクラッドの厚みよりも大きくてもよい。
このような構成によれば、第2のクラッドの厚みを第1のクラッドの厚みよりも大きくしているので、前記第2のコアのNAを前記第1のコアのNAよりも好適に大きくすることができる。また、第1のクラッドの厚みを薄くする事で、トンネル効果により第2のクラッドと同じ屈折率であっても、実質的な閉じこめNAを小さくする事が可能である。
[7] 上記の光ファイバにおいて、前記第1のコアが断面円形状に形成され、前記第2のコアが断面円環状に形成され、前記第2のコアの外径が、前記第1のコアの直径に比して1.5~10倍の長さであってもよい。
このような構成によれば、第2のコアの外径を第1のコアの直径に比して1.5~10倍の長さにしているので、レーザ光のビーム径を第2のコアの外径内に納めつつ、第1レーザ光の平均強度(光ファイバから出射したレーザ光のピーク強度)をワークの反応閾値よりも大きくすることができる。
[8] 上記の光ファイバにおいて、前記第2のクラッドを被覆する第3のコアと、前記第3のコアを被覆する第3のクラッドと、をさらに備え、前記第3のコアは、ノンドープの石英ガラスで構成され、前記第3のクラッドは、前記ノンドープの石英ガラスよりも低い屈折率を有していてもよい。
このような構成によれば、例えば、ガウス分布状のレーザ光を光ファイバの一端面に入射した際に、該レーザ光の中心部を第1のコアで伝搬し、該レーザ光の外周部のうち比較的強度の高い部分を第2のコアで伝搬し、該レーザ光の外周部のうち比較的強度の低い部分を第3のコアで伝搬することができる。これにより、光ファイバから出射したレーザ光の強度分布を該光ファイバに入射する前のレーザ光の強度分布に近づけることができる。よって、光ファイバ内を伝搬するレーザ光の強度低下(品質の劣化)を好適に抑えることができる。
[9] 上記の光ファイバにおいて、前記第3のクラッドの屈折率は、前記第1のクラッドの屈折率及び前記第2のクラッドの屈折率よりも低くてもよい。このような構成によれば、光ファイバ内を伝搬するレーザ光が外部に漏れることを好適に抑えることができる。
[10] 上記の光ファイバにおいて、前記第1のコアは、シングルモード特性を有していてもよい。このような構成によれば、第1のコアがマルチモード特性を有するように構成した光ファイバと比較して、光ファイバから出射したレーザ光のピーク強度を高くすることができる。これにより、該レーザ光のピーク強度をワークの反応閾値よりも確実に高くすることができる。
[11] 本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を出力するレーザ出力部と、前記レーザ光を伝搬する光ファイバと、前記光ファイバにより伝搬された前記レーザ光をワークに照射するレーザ出射部と、を備え、前記光ファイバは、上述した光ファイバであることを特徴とする。本発明に係るレーザ加工装置によれば、上述した光ファイバと同様の効果を奏することができる。
[12] 上記のレーザ加工装置において、前記レーザ出力部から出力されたレーザ光を前記光ファイバの端面に入射するレーザ入射部をさらに備え、前記レーザ入射部は、前記第1のコアの直径以上、且つ最も外側に位置するコアの外径以下となるように該レーザ光を該光ファイバの端面に入射してもよい。
このような構成によれば、レーザ光の中心部を第1のコアに入射すると共に、レーザ光の外周部(前記中心部以外であってビーム径の範囲内の部分)を最も外側に位置するコア(第2のコア、第3のコア)に入射することができる。これにより、レーザ光の出力低下を確実に抑えることができると共に、ピーク強度が低下することを抑えることができる。
[13] 上記のレーザ加工装置において、前記レーザ入射部は、前記光ファイバの端面にレーザ光を集光する集光レンズと、前記集光レンズと前記光ファイバの端面との相対位置を変更可能な位置調整手段と、有していてもよい。
このような構成によれば、位置調整手段にて集光レンズと光ファイバの端面との相対位置を変更することができるので、該光ファイバから出射したレーザ光の中心部と外周部の強度比(エネルギバランス、パワーバランス)を自在に調節することができる。よって、ワーク(加工対象物)に応じて好適な強度分布を有するレーザ光を簡単に得ることができる。
以上説明したように、本発明によれば、例えば、ガウス分布状のレーザ光を光ファイバに入射した際に、該レーザ光の中心部を第1のコアで伝搬すると共に、該レーザ光の外周部を第2のコアで伝搬することができるので、レーザ光の出力を低下させることなく、ピーク強度が低下することを抑えることができる。よって、基本波のレーザ光を用いて高反射率のワークを加工する場合に、レーザ光の出力を低下させることなく該ワーク上でのレーザ光のピーク強度を反応閾値よりも高くすることができので、該ワークを安定して加工することができる。
添付した図面と協同する次の好適な実施の形態例の説明から、上記の目的及び他の目的、特徴及び利点がより明らかになるであろう。
以下、本発明に係る光ファイバと、それを備えたレーザ加工装置について好適な実施の形態を例示し、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
先ず、第1の実施の形態に係るレーザ加工装置10Aは、いわゆるYAGレーザ加工装置として構成されており、1.064[μm]の波長を有するレーザ光L1を光ファイバ12aで伝搬してワークWに照射することにより、加工(切断又は溶接等)を行うための装置である。なお、ワークWとしては、任意に選択することが可能であるが、例えば、赤外領域の光の反射率が高い(吸収率が低い)金属材料(銅、銅合金、金等)が用いられる。
先ず、第1の実施の形態に係るレーザ加工装置10Aは、いわゆるYAGレーザ加工装置として構成されており、1.064[μm]の波長を有するレーザ光L1を光ファイバ12aで伝搬してワークWに照射することにより、加工(切断又は溶接等)を行うための装置である。なお、ワークWとしては、任意に選択することが可能であるが、例えば、赤外領域の光の反射率が高い(吸収率が低い)金属材料(銅、銅合金、金等)が用いられる。
図1に示すように、レーザ加工装置10Aは、加工用のレーザ光L1を出力するレーザ出力部14と、前記レーザ光L1を伝搬するための光ファイバ12aと、前記レーザ出力部14から出力されたレーザ光L1を所定方向に反射するミラー15と、前記ミラー15で反射されたレーザ光L1を前記光ファイバ12aの一端面に入射するレーザ入射部18と、前記光ファイバ12aの他端面から出射されたレーザ光L3をワークWの加工対象部位に照射するレーザ出射部20と、前記ワークWを位置決め保持する加工テーブル22と、制御部24とを備える。
レーザ出力部14は、Nd:YAG結晶からなるYAGロッド26と、該YAGロッド26の原子を光励起させるためのXeフラッシュランプ等の励起ランプ28と、前記励起ランプ28を起動するための電源30と、前記YAGロッド26及び前記励起ランプ28を冷却するためのクーラ32と、前記YAGロッド26の一端側に配設された全反射ミラー34と、前記YAGロッド26の他端側に配置された半透過性の出力ミラー36と、前記YAGロッド26を挟むようにして前記全反射ミラー34及び前記出力ミラー36間に配設された一対のシャッタ38、38とを有する。光ファイバ12aの構成については追って説明する。
レーザ入射部18は、光ファイバ12aの一端面にレーザ光L1を集光入射するための集光レンズ42を有する。
レーザ出射部20は、光ファイバ12aの他端面から出射したレーザ光L3を平行光にコリメートするコリメートレンズ46と、コリメートされたレーザ光L3をワークWの加工対象部位に集光する集光レンズ48とを有する。
本実施の形態におけるレーザ加工装置10Aは、前記レーザ光L1と同軸となるように可視光であるガイドレーザ光L2を出力するガイドレーザ出力部16をさらに備えている。ガイドレーザ出力部16としては、例えば、He-Neレーザ装置やGaAlPAs系半導体レーザ装置等が用いられる。これにより、肉眼で視認することができないレーザ光L1の光路をガイドレーザ光L2により容易に知ることができる。
図2及び図3に示すように、光ファイバ12aは、軸線Ax上に延在して円柱状に形成された第1のコア50に対して同心円状に第1のクラッド52、第2のコア54、第2のクラッド56、及び分厚いサポート層58を順次配設して形成されている。
つまり、第1のクラッド52が第1のコア50の外周面を、第2のコア54が第1のクラッド52の外周面を、第2のクラッド56が第2のコア54の外周面を、サポート層58が第2のクラッド56の外周面をそれぞれ被覆している。
図4Aに示すように、光ファイバ12aの一端面に入射する前のレーザ光L1は、概ねガウス分布状となっており、そのビーム径(ピークビーム強度P3の1/e2レベルのビーム強度P0の幅)d0は、上述したレーザ入射部18の集光レンズ42によって、第1のコア50の直径d1以上、且つ第2のコア54の外径d2以下に集光される。
なお、本実施の形態では、前記ビーム径d0の大きさは、第2のコア54の外径d2と同一の大きさとなっている。これにより、レーザ光L1のうちP2以上のビーム強度を有する部分(レーザ光L1の中心部)が第1のコア50に入射し、前記P2未満且つP1以上のビーム強度を有する部分が第1のクラッド52に入射し、前記P1未満且つ前記P0以上のビーム強度を有する部分が第2のコア54に入射することになる。
なお、以下の説明では、光ファイバ12aの一端面に入射するレーザ光L1のうち第1のコア50に入射した部分を第1レーザ光L1aと、第1のクラッド52に入射した部分を第2レーザ光L1bと、第2のコア54に入射した部分を第3レーザ光L1cと称することがある(図2及び図5参照)。なお、説明の便宜上、図5では第3レーザ光L1cの図示を省略している。
第1のコア50と第2のコア54は、ノンドープの石英ガラスで構成されている。これにより、第1レーザ光L1aと第3レーザ光L1cのエネルギ損失を好適に抑えることができる。
図2及び図3に示すように、第2のコア54は、断面円環状に形成されており、その外径d2は、第1のコアの直径d1に比して1.5~10倍の範囲、好ましくは3倍の大きさに設定されている。このように設定しておくことで、レーザ光L1のビーム径d0を第2のコア54の外径に略一致させたときに、第1レーザ光L1aの平均強度をワークWの反応閾値PLよりも大きくすることができるからである。
第1のクラッド52と第2のクラッド56は、断面円環状に形成されており、その厚みは、同一であると共に第2のコア54の厚みよりも充分に薄くなっている。これにより、第2レーザ光L1bの量を少なくすることができる。よって、光ファイバ12aに入射されたレーザ光L1のエネルギ損失を抑えることができる。
第1のクラッド52と第2のクラッド56は、石英ガラスにフッ素(F)をドープして構成される。そして、第2のクラッド56における単位質量当たりのフッ素のドープ量は、第1のクラッド52における単位質量当たりのフッ素のドープ量よりも多くなっている。そのため、第1のクラッド52の屈折率n2が第1のコア50及び第2のコア54(ノンドープの石英ガラス)の屈折率n3よりも低くなると共に、第2のクラッド56の屈折率n1が第1のクラッド52の屈折率n2よりも低くなり、その結果、第2のコア54の閉じ込めNAが第1のコア50の閉じ込めNAよりも大きくなる。
これにより、図5に示すように、第1のクラッド52に入射された第2レーザ光L1bが、第2のコア54に侵入したときに、第2のクラッド56にて確実に反射させることができる。よって、第2レーザ光L1bが第2のクラッド56を透過して(図5中の破線矢印L0を参照)、外部に漏れることを抑えることができる。
第1のクラッド52におけるフッ素のドープ量と第2のクラッド56におけるフッ素のドープ量は、任意に設定することが可能であるが、例えば、第2のコア54の閉じ込めNAと第1のコア50の閉じ込めNAとの差が0.03~0.15となるように設定するとよい。この場合、第2レーザ光L1bの外部への漏れを一層抑えることができる。
なお、第1のクラッド52と第2のクラッド56は、石英ガラスに三フッ化ホウ素(BF3)又は酸化ホウ素(B2O3)をドープして構成してもよい。このような構成であっても、第1のクラッド52の屈折率n2と第2のクラッド56の屈折率n3をノンドープの石英ガラスの屈折率n1よりも低くすることができる。
サポート層58は、ノンドープの石英ガラスで構成されると共に断面円環状に形成されている。サポート層58の厚みは、レーザ入射部18やレーザ出射部20に接続するコネクタ等の大きさに合わせて適宜変更可能である。なお、サポート層58の屈折率n3は、第1のコア50及び第2のコア54の屈折率n3と同一である。
制御部24は、レーザ出力部14の電源30を駆動制御する第1制御部60と、ガイドレーザ出力部16を駆動制御する第2制御部62とを有する。また、制御部24は、上述したシャッタ38、38を開閉駆動すると共に、クーラ32を駆動制御する。
以上のように構成されるレーザ加工装置10Aでは、先ず、制御部24がシャッタ38、38を開放した上で、第2制御部62がガイドレーザ出力部16を駆動して、ガイドレーザ光L2を出力し、ミラー15、レーザ入射部18、光ファイバ12a、レーザ出射部20、及び加工テーブル22の位置調整を行う。位置調整が終わった段階で、第2制御部62は、ガイドレーザ出力部16の駆動を停止する。
続いて、第1制御部60は、電源30を駆動することにより励起ランプ28を閃光点灯させる。これにより、YAGロッド26中のレーザ活性媒質が励起して反転分布の光が放出することになる。反転分布の光は、全反射ミラー34と出力ミラー36との間で共振増幅して、増幅した光が出力ミラー36を透過してレーザ光L1として出力される。なお、このとき、第1制御部60は、クーラ32を駆動することにより、YAGロッド26及び励起ランプ28を冷却する。
レーザ出力部14から出力されたレーザ光L1は、ミラー15に反射してレーザ入射部18に導かれ、集光レンズ42によって光ファイバ12aの一端面に集光される。具体的には、レーザ光L1は、その光軸が光ファイバ12a(第1のコア50)の軸線Axと略一致するように、該光ファイバ12aの一端面に入射される。
そうすると、前記レーザ光L1は、第1のコア50に入射する第1レーザ光L1aと、第1のクラッド52に入射する第2レーザ光L1bと、第2のコア54に入射する第3レーザ光L1cとに分かれることになる。つまり、第1レーザ光L1aが第1のコア50内を伝搬すると共に、第2レーザ光L1b及び第3レーザ光L1cが第2のコア54内を伝搬することになる。そして、光ファイバ12aから出射した第1~第3レーザ光L1a~L1cは、合成されてレーザ光L3となる。図4Bに示すように、このレーザ光L3では、第1レーザ光L1aの平均強度がピークビーム強度P5として現れ、第2レーザ光L1b及び第3レーザ光L1cの平均強度がビーム強度P4として現れる。その結果、レーザ光L3のピーク強度P5がワークの反応閾値PLよりも充分に高くなる。
その後、前記レーザ光L3は、コリメートレンズ46で平行化された後に、集光レンズ48にてワークWの加工対象部位に集光される。これにより、ビーム強度P5を有するレーザ中心部がワークWの加工対象部位の加工の契機となり、ビーム強度P4を有するレーザ外周部で該加工を進行(拡張)させることができる。よって、1.064[μm]の波長を有するレーザ光L1を用いて高反射率のワークWを安定して加工することができる。
(第1変形例)
次に、上述した光ファイバ12aの第1変形例に係る光ファイバ12bについて図6を参照しながら説明する。この変形例では、上記実施形態の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。後述する第2及び第3変形例についても同様である。
次に、上述した光ファイバ12aの第1変形例に係る光ファイバ12bについて図6を参照しながら説明する。この変形例では、上記実施形態の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。後述する第2及び第3変形例についても同様である。
図6に示すように、本変形例に係る光ファイバ12bでは、光ファイバ12aを構成する第2のクラッド56及びサポート層58に代えて第2のクラッド64が用いられる。すなわち、本変形例では、光ファイバ12aのサポート層58を省略し、第2のクラッド64の厚みを第2のクラッド56の厚みよりも大きくしている。
[規則91に基づく訂正 31.05.2012]
第2のクラッド64における単位質量当たりのフッ素のドープ量は、第2のクラッド56における単位質量当たりのフッ素のドープ量と同一であって、第1のクラッド52における単位質量当たりのフッ素のドープ量よりも多く設定されている。この場合、第2のクラッド64の屈折率はn1となる。本変形例の光ファイバ12bによれば、上述した光ファイバ12aと同様の効果を奏することができる。
第2のクラッド64における単位質量当たりのフッ素のドープ量は、第2のクラッド56における単位質量当たりのフッ素のドープ量と同一であって、第1のクラッド52における単位質量当たりのフッ素のドープ量よりも多く設定されている。この場合、第2のクラッド64の屈折率はn1となる。本変形例の光ファイバ12bによれば、上述した光ファイバ12aと同様の効果を奏することができる。
(第2変形例)
次に、第2変形例に係る光ファイバ12cについて図7及び図8を参照しながら説明する。
次に、第2変形例に係る光ファイバ12cについて図7及び図8を参照しながら説明する。
図7及び図8に示すように、本変形例に係る光ファイバ12cでは、光ファイバ12aを構成する第2のクラッド56に代えて第2のクラッド66が用いられる。具体的には、第2のクラッド66は、その厚みが第1のクラッド52の厚みよりも大きく形成されている。第2のクラッド66における単位質量当たりのフッ素のドープ量は、第1のクラッド52における単位質量当たりのフッ素のドープ量と同一に設定されている。この場合、第2のクラッド66の屈折率n2が第1のクラッド52の屈折率n2と同一になる。
なお、上述した光ファイバ12aと同様に、第2のクラッド66における単位質量当たりのフッ素のドープ量を、第1のクラッド52における単位質量当たりのフッ素のドープ量よりも多くしても構わないことは勿論である。
本変形例に係る光ファイバ12cによれば、第2のクラッド66の厚みを第1のクラッド52の厚みよりも大きくしているので、第2のコア54の閉じ込めNAを第1のコア50の閉じ込めNAよりも大きくすることができる。これにより、上述した光ファイバ12aと同一の効果を奏することができる。
第1のクラッド52の厚みと第2のクラッド66の厚みとの差は、任意に設定することが可能であるが、例えば、第2のコア54の閉じ込めNAと第1のコア50の閉じ込めNAとの差が0.03~0.15となるように設定するとよい。この場合、第2レーザ光L1bの外部への漏れを一層抑えることができる。
本変形例では、上述した第1変形例に係る光ファイバ12bのように、サポート層58を省略すると共に、該サポート層58の厚み分だけ第2のクラッド66の厚みを大きく構成してもよく、この場合であっても、同様の効果を奏する。
(第3変形例)
次に、第3変形例に係る光ファイバ12dについて図9~11Bを参照しながら説明する。図9及び図10に示すように、本変形例に係る光ファイバ12dでは、第2のクラッド56の外周面を被覆する第3のコア68と、第3のコア68の外周面を被覆する第3のクラッド70とが設けられている。
次に、第3変形例に係る光ファイバ12dについて図9~11Bを参照しながら説明する。図9及び図10に示すように、本変形例に係る光ファイバ12dでは、第2のクラッド56の外周面を被覆する第3のコア68と、第3のコア68の外周面を被覆する第3のクラッド70とが設けられている。
すなわち、光ファイバ12dは、第1のコア50に対して同心円状に第1のクラッド52、第2のコア54、第2のクラッド56、第3のコア68、第3のクラッド70、及びサポート層58が順次配設して形成されている。なお、サポート層58は、第3のクラッド70の外周面を被覆している。
図11Aに示すように、光ファイバ12dの一端面に入射する前のレーザ光L1は、概ねガウス分布状になっており、そのビーム径(ピークビーム強度P3の1/e2レベルのビーム強度P0の幅)d0は、レーザ入射部18の集光レンズ42によって、第1のコア50の直径d1以上、且つ第3のコア68の直径d3以下に集光される。なお、本変形例では、前記ビーム径d0の大きさは、第3のコア68の外径d3と同一の大きさとなっている。
これにより、レーザ光L1のうちP2以上のビーム強度を有する部分(レーザ光L1の中心部)が第1のコア50に入射し、前記P2未満且つP1以上のビーム強度を有する部分が第1のクラッド52に入射し、前記P1未満且つPb以上のビーム強度を有する部分が第2のコア54に入射し、前記Pb未満且つPa以上のビーム強度を有する部分が第2のクラッド56に入射し、前記Pa未満且つP0以上のビーム強度を有する部分が第3のコア68に入射することになる。
なお、以下の説明では、光ファイバ12dの一端面に入射するレーザ光L1のうち第2のクラッド56に入射した部分を第4レーザ光L1dと、第3のコア68に入射した部分を第5レーザ光L1eと称することがある。
第3のコア68は、断面円環状に形成されており、その外径d3は、第1のコアの直径d1に比して1.5~10倍の範囲、好ましくは3倍の大きさに設定されている。このように設定しておくことで、レーザ光L1のビーム径d0を第3のコア68の外径に略一致させたときに、第1レーザ光L1aの平均強度をワークWの反応閾値PLよりも大きくすることができるからである。
第3のコア68は、第1のコア50及び第2のコア54と同様に、ノンドープの石英ガラスで構成されている。これにより、第5レーザ光L1eのエネルギ損失を好適に抑えることができる。
[規則91に基づく訂正 31.05.2012]
第3のクラッド70は、断面円環状に形成されており、その厚みは、第1のクラッド52及び第2のクラッド56の厚みと同一である。第3のクラッド70は、石英ガラスにフッ素をドープして構成される。そして、第3のクラッド70における単位質量当たりのフッ素のドープ量は、第2のクラッド56における単位質量当たりのフッ素のドープ量よりも多くなっている。そのため、第3のクラッド70の屈折率n0が第2のクラッド56の屈折率n1よりも低くなり、その結果、第3のコア68の閉じ込めNAが第2のコア54の閉じ込めNAよりも大きくなる。
第3のクラッド70は、断面円環状に形成されており、その厚みは、第1のクラッド52及び第2のクラッド56の厚みと同一である。第3のクラッド70は、石英ガラスにフッ素をドープして構成される。そして、第3のクラッド70における単位質量当たりのフッ素のドープ量は、第2のクラッド56における単位質量当たりのフッ素のドープ量よりも多くなっている。そのため、第3のクラッド70の屈折率n0が第2のクラッド56の屈折率n1よりも低くなり、その結果、第3のコア68の閉じ込めNAが第2のコア54の閉じ込めNAよりも大きくなる。
これにより、第2のクラッド56に入射された第4レーザ光L1dが、第3のコア68に侵入したときに、第3のクラッド70にて確実に反射させることができる。よって、第4レーザ光L1dが第3のクラッド70を透過して外部に漏れることを抑えることができる。
第2のクラッド56におけるフッ素のドープ量と第3のクラッド70におけるフッ素のドープ量は、任意に設定することが可能であるが、例えば、第3のコア68の閉じ込めNAと第2のコア54の閉じ込めNAとの差が0.03~0.15となるように設定するとよい。この場合、第4レーザ光L1dの外部への漏れを一層抑えることができる。
[規則91に基づく訂正 31.05.2012]
なお、第3のクラッド70は、石英ガラスに三フッ化ホウ素(BF3)又は酸化ホウ素(B2O3)をドープして構成してもよい。このような構成であっても、第3のクラッド70の屈折率n0をノンドープの石英ガラスの屈折率n1よりも低くすることができる。
なお、第3のクラッド70は、石英ガラスに三フッ化ホウ素(BF3)又は酸化ホウ素(B2O3)をドープして構成してもよい。このような構成であっても、第3のクラッド70の屈折率n0をノンドープの石英ガラスの屈折率n1よりも低くすることができる。
本変形例によれば、レーザ光L1は、第1のコア50に入射する第1レーザ光L1aと、第1のクラッド52に入射する第2レーザ光L1bと、第2のコア54に入射する第3レーザ光L1cと、第2のクラッド56に入射する第4レーザ光L1dと、第3のコア68に入射する第5レーザ光L1eとに分かれることになる。
つまり、第1レーザ光L1aが第1のコア50内を伝搬し、第2レーザ光L1b及び第3レーザ光L1cが第2のコア54内を伝搬し、第4レーザ光L1d及び第5レーザ光L1eが第3のコア68内を伝搬することになる。そして、光ファイバ12dから出射した第1~第5レーザ光L1a~L1eは、合成されてレーザ光L3となる。
図11Bに示すように、このレーザ光L3は、第1レーザ光L1aの平均強度がピークビーム強度P5として現れ、第2レーザ光L1b及び第3レーザ光L1cの平均強度がビーム強度P4として現れ、第4レーザ光L1d及び第5レーザ光L1eの平均強度がビーム強度Pcとして現れる。
そのため、本変形例の光ファイバ12dにて伝搬して得られたレーザ光L3の強度分布(図11B参照)は、上述した光ファイバ12aにて伝搬して得られたレーザ光L3の強度分布(図4B参照)に比して、レーザ光L1の強度分布に近くなる。換言すれば、本変形例の光ファイバ12dを用いることにより、該光ファイバ12d内を伝搬するレーザ光L1の強度低下(品質の劣化)を好適に抑えることができる。
[規則91に基づく訂正 31.05.2012]
(第4変形例)
次に、第4変形例に係る光ファイバ12eについて図12を参照しながら説明する。この変形例では、上記第3変形例の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。後述する第5及び第6変形例についても同様である。
(第4変形例)
次に、第4変形例に係る光ファイバ12eについて図12を参照しながら説明する。この変形例では、上記第3変形例の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。後述する第5及び第6変形例についても同様である。
図12に示すように、本変形例に係る光ファイバ12eは、第3変形例に係る光ファイバ12dを構成する第2のクラッド56に代えて第2のクラッド72が用いられる。第2のクラッド72は、その単位質量当たりのフッ素のドープ量が第1のクラッド52における単位質量当たりのフッ素のドープ量と同一に設定されており、それ以外の構成が第2のクラッド56と同様となっている。これにより、第2のクラッド72の屈折率は、第1のクラッド52の屈折率と同一のn2になる。
[規則91に基づく訂正 31.05.2012]
本変形例では、第3のクラッド70の屈折率n0が第1のクラッド52及び第2のクラッド72の各屈折率n2よりも低いため、第1~第5レーザ光L1a~L1eが第3のクラッド70を透過して漏れ出ることを好適に抑えることができる。本変形例に係る光ファイバ12eによれば、上述した光ファイバ12dと同様の効果を奏することができる。
本変形例では、第3のクラッド70の屈折率n0が第1のクラッド52及び第2のクラッド72の各屈折率n2よりも低いため、第1~第5レーザ光L1a~L1eが第3のクラッド70を透過して漏れ出ることを好適に抑えることができる。本変形例に係る光ファイバ12eによれば、上述した光ファイバ12dと同様の効果を奏することができる。
(第5変形例)
次に、第5変形例に係る光ファイバ12fについて図13を参照しながら説明する。図13に示すうに、本変形例に係る光ファイバ12fは、第3変形例に係る光ファイバ12dと比較して、第3のクラッド70及びサポート層58に代えて第3のクラッド74が用いられる。すなわち、本変形例では、光ファイバ12dのサポート層58を省略し、第3のクラッド74の厚みを第3のクラッド70の厚みよりも大きくしている。
次に、第5変形例に係る光ファイバ12fについて図13を参照しながら説明する。図13に示すうに、本変形例に係る光ファイバ12fは、第3変形例に係る光ファイバ12dと比較して、第3のクラッド70及びサポート層58に代えて第3のクラッド74が用いられる。すなわち、本変形例では、光ファイバ12dのサポート層58を省略し、第3のクラッド74の厚みを第3のクラッド70の厚みよりも大きくしている。
第3のクラッド74における単位質量当たりのフッ素のドープ量は、第3のクラッド70における単位質量当たりのフッ素のドープ量と同一であって、第2のクラッド56における単位質量当たりのフッ素のドープ量よりも多く設定されている。本変形例に光ファイバ12fによれば、上述した光ファイバ12dと同様の効果を奏することができる。
(第6変形例)
次に、第6変形例に係る光ファイバ12gについて図14及び図15を参照しながら説明する。図14及び図15に示すように、本変形例に係る光ファイバ12gは、第3変形例に係る光ファイバ12dと比較して、第2のクラッド56に代えて第2のクラッド66が用いられ、第3のクラッド70に代えて第3のクラッド78が用いられる。
次に、第6変形例に係る光ファイバ12gについて図14及び図15を参照しながら説明する。図14及び図15に示すように、本変形例に係る光ファイバ12gは、第3変形例に係る光ファイバ12dと比較して、第2のクラッド56に代えて第2のクラッド66が用いられ、第3のクラッド70に代えて第3のクラッド78が用いられる。
第2のクラッド66の厚みは第1のクラッド52の厚みよりも大きく形成され、第3のクラッド78の厚みは第2のクラッド66の厚みよりも大きく形成されている。各クラッド52、66、78における単位質量当たりのフッ素のドープ量は同一に設定されている。この場合、各クラッド52、66、78の屈折率は、n2で同一になる。
本変形例に係る光ファイバ12gによれば、第2のクラッド66の厚みを第1のクラッド52の厚みよりも大きくすると共に、第3のクラッド78の厚みを第2のクラッド66の厚みよりも大きくしているので、第2のコア54の閉じ込めNAを第1のコア50の閉じ込めNAよりも大きくすると共に、第3のコア68の閉じ込めNAを第2のコア54の閉じ込めNAよりも大きくすることができる。本変形例に係る光ファイバ12gによれば、上述した光ファイバ12dと同様の効果を奏することができる。
なお、第3のクラッド78における単位質量当たりのフッ素のドープ量を、第2のクラッド66における単位質量当たりのフッ素のドープ量よりも多くしても構わないことは勿論である。
本実施の形態は、上述した構成に限定されない。例えば、励起ランプ28に代えてレーザダイオード(LD)を用いてYAGロッド26を励起しても構わない。また、本実施の形態に係るレーザ加工装置10Aは、パルスのYAGレーザ溶接機として構成してもよい。
さらに、上述した光ファイバ12a~12gは、第1のコア50がシングルモード特性を有するように構成されていてもよい。このような光ファイバ12a~12gは、例えば、前記第1のコア50の直径を8~10[μm]の大きさに形成することにより得ることができる。
これにより、第1のコア50がマルチモード特性を有するように構成した光ファイバと比較して、レーザ光L3のピーク強度P5を高くすることができる。これにより、レーザ光L3のピーク強度P5をワークの反応閾値PLよりも確実に高くすることができる。
第1のコア50の断面形状は、断面多角形状、断面楕円形状等であってもよい。また、第1のクラッド52、第2のコア54、第2のクラッド56、64、66、72、第3のコア68、第3のクラッド70、74、78、及びサポート層58のそれぞれの断面形状は、断面多角環状、断面楕円環状等であってもよい。
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態に係るレーザ加工装置10Bについて図16を参照しながら説明する。この実施の形態では、上記第1の実施の形態の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。後述する第3の実施の形態についても同様である。
次に、本発明の第2の実施の形態に係るレーザ加工装置10Bについて図16を参照しながら説明する。この実施の形態では、上記第1の実施の形態の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。後述する第3の実施の形態についても同様である。
図16に示すように、レーザ加工装置10Bは、いわゆるファイバレーザ加工装置として構成されており、レーザ出力部14に代えてレーザ出力部100が用いられると共に、制御部24に代えて制御部102が用いられ、ガイドレーザ出力部16が省略されている。
レーザ出力部100は、1.064[μm]の波長を有するファイバレーザ光FB1を出力するものであって、電源104と、前記電源104からの励起電流によって発光駆動されて励起光MBを出力するレーザダイオード(LD)106と、前記励起光MBが伝搬することによりファイバレーザ光FB1を発振する発振用の光ファイバ(アクティブファイバ)108と、前記アクティブファイバ108を介して光学的に対向する一対の光共振器ミラー110、112と、前記アクティブファイバ108の一端面及び前記光共振器ミラー110間に配設された光学レンズ114と、前記アクティブファイバ108の他端面及び前記光共振器ミラー112間に配設された光学レンズ116とを有する。
アクティブファイバ108は、詳細な図示は省略するが、所定の発光元素をドープしたコアと、前記コアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、該コアを活性媒体とし、該クラッドを励起光MBの伝搬光路としている。
一対の光共振器ミラー110、112は、アクティブファイバ108から発振されるファイバレーザ光FB1のエネルギを共振して増幅させる。光共振器ミラー110は、LD106からの励起光MBを反射面の裏側から透過し、且つアクティブファイバ108の一端面から導かれたファイバレーザ光FB1をその光軸に沿って全反射する。光共振器ミラー112は、アクティブファイバ108の他端面から導かれたファイバレーザFB1をその光軸に沿って部分反射し、一部のファイバレーザ光FB1を透過する。
光学レンズ114は、光共振器ミラー110で反射された前記フィバレーザ光FB1及びLD106からの前記励起光MBをアクティブファイバ108の一端面に集光する一方で、該アクティブファイバ108の一端面から導かれたファイバレーザ光FB1を平行化する。光学レンズ116は、光共振器ミラー112で反射された前記ファイバレーザ光FB1をアクティブファイバ108の他端面に集光する一方で、該アクティブファイバ108の他端面から導かれたファイバレーザ光FBを平行化する。なお、制御部102は、前記電源104を駆動制御する。
本実施の形態では、制御部102が電源104を駆動制御して該電源104からLD106に励起電流が供給されると、LD106から励起光MBが発振され、発振された励起光MBが光共振器ミラー110を透過して光学レンズ114によってアクティブファイバ108の一端面に集光入射される。アクティブファイバ108の一端面に入射した励起光MBは、アクティブファイバ108のコアを複数回横切りながらクラッド内を伝搬してコア中の発光元素を励起する。こうして、アクティブファイバ108からファイバレーザ光FB1が放出され、一対の光共振器ミラー110、112にて共振増幅された後に、光共振器ミラー112を透過してミラー15に導かれることとなる。
レーザ出力部100から出射したファイバレーザ光FB1は、第1の実施の形態と同様に、ミラー15で反射された後に、レーザ入射部18の集光レンズ42にて伝搬用の光ファイバ12aの一端面に集光入射される。光ファイバ12aに集光入射された概ねガウス分布のファイバレーザ光FB1は、光ファイバ12aの第1のコア50及び第2のコア54に分かれて伝搬される。これにより、ファイバレーザ光FB1の出力を低下させることなく、ワークWの反応閾値PLよりも充分に高いピーク強度を有したファイバレーザ光FB2が光ファイバ12aの他端面から出射され、レーザ出射部20を介してワークWの加工対象部位に集光されることになる。これにより、1.064[μm]の波長を有するファイバレーザ光FB2を用いて赤外領域の光に対する反射率が高いワークWを安定して加工することができる。
このように、本実施の形態に係るレーザ加工装置10Bにおいても、上記した第1の実施の形態に係るレーザ加工装置10Aと同様の効果を奏する。
本実施の形態は、上述した構成に限定されない。例えば、本実施の形態に係るレーザ加工装置10Bは、マルチモード特性を有するアクティブファイバ108を備えたレーザ加工装置(レーザ溶接機)として構成してもよい。
また、本実施の形態において、光ファイバ12aに代えて光ファイバ12b~12gを用いてもよい。そして、各光ファイバ12a~12gは、第1のコア50がシングルモード特性を有するように構成されていてもよい。このような光ファイバ12a~12gは、例えば、前記第1のコア50の直径を8~10μmの大きさに形成することにより得ることができる。この場合、レーザ出力部100は、ファイバレーザ光FB1の品質がM2=2となるように構成してもよい。
これにより、第1のコア50がマルチモード特性を有するように構成した光ファイバと比較して、レーザ光L3のピーク強度P5を高くすることができる。これにより、レーザ光L3のピーク強度P5をワークWの反応閾値PLよりも確実に高くすることができる。
さらに、本実施の形態では、LD106から出射した励起光MBをアクティブファイバ108に入射し、光共振器ミラー110、112によって増幅したファイバレーザ光FB1を光ファイバ12aに入射する構成としている。これに対して、アクティブファイバ108、光共振器ミラー110、112等を用いることなく、LD106から出射した励起光MBを直接的に光ファイバ12a(12b~12g)に入射する構成(いわゆる、LDダイレクト加工装置)とすることもできる。
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態に係るレーザ加工装置10Cについて図17~図24を参照しながら説明する。図17に示すように、本実施の形態に係るレーザ加工装置10Cは、YAGレーザ溶接機として構成されており、レーザ入射部18に代えてレーザ入射部200が設けられている。
次に、本発明の第3の実施の形態に係るレーザ加工装置10Cについて図17~図24を参照しながら説明する。図17に示すように、本実施の形態に係るレーザ加工装置10Cは、YAGレーザ溶接機として構成されており、レーザ入射部18に代えてレーザ入射部200が設けられている。
レーザ入射部200は、集光レンズ42と光ファイバ12aの一端面との相対位置を調整する位置調整機構201を備える。位置調整機構201は、集光レンズ42を支持するためのレンズホルダ202と、光ファイバ12aの一端側(集光レンズ42に近い側)を支持するための光ファイバホルダ204とを有する。
図18に示すように、レンズホルダ202は、集光レンズ42を保持するホルダ本体206と、前記ホルダ本体206をレーザ光L1の光軸方向に沿って移動可能に支持する支持部208と、前記支持部208に設けられて前記ホルダ本体206をレーザ光L1の光軸方向に沿って移動させるための位置調整ねじ210と、支持部208に固定されたロッド212とを有する。
図19に示すように、光ファイバホルダ204は、光ファイバ12aの一端側を保持するホルダ本体214と、ホルダ本体214をレーザ光L1の光軸と直交する方向(光ファイバ12aの中心軸Axと直交する方向)に沿って移動可能に支持する支持部216と、前記支持部216に設けられて前記ホルダ本体214をレーザ光L1の光軸と直交する方向に沿って移動させるための位置調整ねじ218、220と、支持部216に固定されたロッド222とを有する。
このように構成される光ファイバホルダ204によれば、位置調整ねじ218を回すことにより、ロッド222の延在方向に沿ってホルダ本体214を支持部216に対して移動することができ、位置調整ねじ220を回すことにより、ロッド222の延在方向と直交する方向に沿ってホルダ本体214を支持部216に対して移動することができる。
本実施の形態では、レンズホルダ202の位置調整ねじ210を回すことによりホルダ本体206をレーザ光L1の光軸に沿って移動させることができるので、光ファイバ12aの一端面(入射側端面)と集光レンズ42との距離(レーザ光L1の焦点位置)を変えることができる。
具体的には、例えば、ホルダ本体206が図18に示す位置に配置されている状態において光ファイバ12aに入射する前のレーザ光L1の強度分布は図21Aに示す二点鎖線A1のようになる。そして、光ファイバ12aから出射されたレーザ光L3の強度分布は、図21Bに示す二点鎖線A2のようになる。
すなわち、レーザ光L3は、その中心部のピーク強度が比較的高く維持されると共にその外周部の強度が比較的低くなる。このようなレーザ光L3は、ワークWに対する溶け込みが比較的深くなると共に溶融部300の幅(直径)が狭くなるため、例えば、厚板302、304の重ね溶接等を好適に行うことができる(図22参照)。
一方、例えば、レンズホルダ202の位置調整ねじ210を回してホルダ本体206を光ファイバ12aの一端面側に移動すると(図20参照)、光ファイバ12aに入射する前のレーザ光L1の強度分布は図21Aに示す実線B1のようになる。そうすると、第1のコア50に入射するレーザ光L1のエネルギ量が減少すると共に第2のコア54に入射するレーザ光L1のエネルギ量が増加する。そのため、光ファイバ12aから出射したレーザ光L3の強度分布は、図21Bに示す実線B2のようになる。
すなわち、レーザ光L3は、その中心部のピーク強度が比較的低くなると共にその外周部の強度が比較的高くなる。このようなレーザ光L3は、ワークWに対する溶け込みが比較的浅くなると共に溶融部306の幅(直径)が広くなるため、例えば、薄板308、310の重ね溶接等を好適に行うことができる(図23参照)。
このように、本実施の形態では、レンズホルダ202の位置調整ねじ210を回してホルダ本体206をレーザ光L1の光軸方向に沿って移動させて集光レンズ42の焦点位置を変えることができるので、光ファイバ12aから出射したレーザ光L3の中心部と外周部の強度比(エネルギバランス、パワーバランス)を自在に調節することができる。これにより、ワークWの板厚等の溶接条件(加工条件)に応じて好適な強度分布を有するレーザ光L3を簡単に得ることができる。
また、例えば、光ファイバホルダ204の位置調整ねじ220を回してホルダ本体214をレーザ光L1の光軸と直交する方向(ロッド222の延在方向と直交する方向)に移動すると、光ファイバ12aに入射する前のレーザ光L1の強度分布は図24に示す実線C1のようになる。そうすると、第1のコア50に入射するレーザ光L1のエネルギ量が減少すると共に第2のコア54に入射するレーザ光L1のエネルギ量が増加する。そのため、光ファイバ12aから出射したレーザ光L3の強度分布は、図21Bに示す実線C2のようになる。
このように、レンズホルダ202のホルダ本体206を移動させずに、光ファイバホルダ204のホルダ本体214を移動させた場合においても、レーザ光L3の中心部と外周部の強度比(エネルギバランス、パワーバランス)を自在に調節することができる。これにより、ワークWの板厚等の溶接条件(加工条件)に応じて好適な強度分布を有するレーザ光L3を簡単に得ることができる。
本実施の形態は、上述した構成に限定されない。例えば、位置調整機構201は、レンズホルダ202のホルダ本体206を移動不能に構成するか、又は光ファイバホルダ204のホルダ本体214を移動不能に構成してもよい。
また、レンズホルダ202は、そのホルダ本体206をレーザ光L1の光軸と直交する方向に移動可能に構成してもよく、光ファイバホルダ204は、そのホルダ本体214をレーザ光L1の光軸に沿って移動可能に構成してもよい。さらに、これらホルダ本体206、214を移動させる機構は、モータ等を利用したものであってもよい。要は、位置調整機構201は、集光レンズ42と光ファイバ12aの一端面との相対位置を変更可能であればどのように構成しても構わない。
また、例えば、本実施の形態に係るレーザ加工装置10Cは、光ファイバ12aに代えて上述した光ファイバ12b~12gを用いることができる。
さらに、本実施の形態に係るレーザ加工装置10Cは、リチウムイオン電池の電極を構成する箔材(アルミニウム箔、銅箔等)の溶接に用いてもよい。この場合、集光レンズ42と光ファイバ12a(12b~12g)の一端面との相対位置を調整して、光ファイバ12a(12b~12g)から出射したレーザ光L3のピーク強度を低くすることにより、該箔材が該レーザ光L3によって損傷することを好適に抑えることができる。また、該レーザ光L3を前記箔材に照射した時の該箔材の位置ずれを抑えることもできる。
本発明は、上記した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。例えば、本発明に係る光ファイバは、コアとクラッドを同心円状に交互に複数(例えば、4重以上)配設して構成しても構わない。この場合、光ファイバから出射したレーザ光の強度分布を光ファイバに入射する前のレーザ光の強度分布に一層近づけることができる。これにより、光ファイバによるレーザ光の品質の劣化を好適に抑えることができる。
この場合、最も外側に位置するクラッドの屈折率を他のクラッドの屈折率よりも小さく設定することが好ましい。これにより、最も外側に位置するコアの閉じ込めNAを他のコアの閉じ込めNA以上にすることができ、その結果、光ファイバに入射されたレーザ光の外部への漏れを好適に抑えることができるからである。
本発明に係るレーザ加工装置は、銅リボン線を溶接する溶接装置(銅リボン線ボンディング装置)に適用してもよい。この場合、1.064[μm]の波長を有するレーザ光L1を用いて高反射率の銅リボン線を安定して溶接することができる。
Claims (13)
- レーザ光を伝搬するための光ファイバであって、
第1のコア(50)と、
前記第1のコア(50)を被覆する第1のクラッド(52)と、
前記第1のクラッド(52)を被覆する第2のコア(54)と、
前記第2のコア(54)を被覆する第2のクラッド(56、64、66、72)と、を備え、
前記第1のコア(50)及び前記第2のコア(54)は、ノンドープの石英ガラスで構成され、
前記第1のクラッド(52)及び前記第2のクラッド(56、64、66、72)は、前記ノンドープの石英ガラスの屈折率よりも低い屈折率を有することを特徴とする光ファイバ。 - 請求項1記載の光ファイバにおいて、
前記第1のクラッド(52)及び前記第2のクラッド(56、64、66、72)が、石英ガラスにフッ素をドープして形成されていることを特徴とする光ファイバ。 - 請求項1記載の光ファイバにおいて、
前記第2のコア(54)のNAが、前記第1のコア(50)のNAよりも大きいことを特徴とする光ファイバ。 - 請求項3記載の光ファイバにおいて、
前記第2のコア(54)のNAと前記第1のコア(50)のNAとの差が、0.03~0.15であることを特徴とする光ファイバ。 - 請求項3記載の光ファイバにおいて、
前記第2のクラッド(56、64)の屈折率が、前記第1のクラッド(52)の屈折率よりも低いことを特徴とする光ファイバ。 - 請求項3記載の光ファイバにおいて、
前記第2のクラッド(64、66)の厚みが、前記第1のクラッド(52)の厚みよりも大きいことを特徴とする光ファイバ。 - 請求項1記載の光ファイバにおいて、
前記第1のコア(50)が断面円形状に形成され、
前記第2のコア(54)が断面円環状に形成され、
前記第2のコア(54)の外径が、前記第1のコア(50)の直径に比して1.5~10倍の長さであることを特徴とする光ファイバ。 - 請求項1記載の光ファイバにおいて、
前記第2のクラッド(56、64、66、72)を被覆する第3のコア(68)と、
前記第3のコア(68)を被覆する第3のクラッド(70、74、78)と、をさらに備え、
前記第3のコア(68)は、ノンドープの石英ガラスで構成され、
前記第3のクラッド(70、74、78)は、前記ノンドープの石英ガラスよりも低い屈折率を有することを特徴とする光ファイバ。 - 請求項8記載の光ファイバにおいて、
前記第3のクラッド(70、74)の屈折率は、前記第1のクラッド(52)の屈折率及び前記第2のクラッド(56、64、66、72)の屈折率よりも低いことを特徴とする光ファイバ。 - 請求項1~9のいずれか1項に記載の光ファイバにおいて、
前記第1のコア(52)は、シングルモード特性を有していることを特徴とする光ファイバ。 - レーザ光を出力するレーザ出力部(14、100)と、
前記レーザ光を伝搬する光ファイバと、
前記光ファイバにより伝搬された前記レーザ光をワーク(W)に照射するレーザ出射部(20)と、を備え、
前記光ファイバは、請求項1~10のいずれか1に記載の光ファイバ(12a~12g)であることを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項11記載のレーザ加工装置において、
前記レーザ出力部(14、100)から出力されたレーザ光を前記光ファイバ(12a~12g)の端面に入射するレーザ入射部(18、200)をさらに備え、
前記レーザ入射部(18、200)は、前記レーザ光のビーム径が、前記第1のコア(50)の直径以上、且つ最も外側に位置するコアの外径以下となるように該レーザ光を該光ファイバ(12a~12g)の端面に入射することを特徴とするレーザ加工装置。 - 請求項11記載のレーザ加工装置において、
前記レーザ入射部(200)は、前記光ファイバ(12a~12g)の端面にレーザ光を集光する集光レンズ(42)と、
前記集光レンズ(42)と前記光ファイバ(12a~12g)の端面との相対位置を変更可能な位置調整手段(201)と、有することを特徴とするレーザ加工装置。
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