WO2020183729A1 - レーザ装置およびレーザ加工機 - Google Patents

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WO2020183729A1
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laser
pipe
laser device
installation surface
laser beam
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PCT/JP2019/010682
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京藤　友博
大輔 森田
竹内　宏之
裕美 玄田
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三菱電機株式会社
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    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • the present invention relates to a laser device and a laser processing machine having a plurality of laser diodes.
  • a laser device having a plurality of laser diodes can realize a high output by combining the laser beams emitted from each laser diode as compared with the case where the laser beam is output by a single laser diode.
  • a laser device called a direct diode laser (DDL)
  • DDL direct diode laser
  • a plurality of laser beams are coupled by an optical element arranged in a resonator.
  • the optical element a wavelength dispersion element that combines a plurality of laser beams by matching the optical axes with respect to a plurality of laser beams traveling in states in which the directions of the optical axes are different from each other is used.
  • Patent Document 1 discloses a laser device that combines laser beams emitted from each of a plurality of laser light sources by a diffraction grating arranged in a resonator.
  • the position or orientation of the laser diode may be adjusted in order to adjust the traveling direction of the laser beam.
  • the position or orientation of each laser diode is adjusted in order to accurately match the optical axes of a plurality of laser beams.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a laser device capable of easily adjusting the traveling direction of each laser beam emitted from a plurality of laser diodes.
  • the laser apparatus uses a plurality of laser diodes emitting laser beams having different wavelengths and a plurality of laser beams emitted by the plurality of laser diodes.
  • Each of the plurality of laser diodes is integrally formed with an adjusting component that can rotate around the emission end of the laser diode.
  • the laser apparatus according to the present invention has an effect that the traveling direction of each laser beam emitted from a plurality of laser diodes can be easily adjusted.
  • FIG. 1 The figure which shows the structure of the laser apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • Side view of the LD package included in the laser apparatus shown in FIG. The figure which shows the main part of the laser apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention.
  • the figure which shows the state which saw the structure shown in FIG. 3 from the direction different from FIG. The figure which shows the main part of the laser apparatus which concerns on the modification of Embodiment 2.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser device according to a first embodiment of the present invention.
  • the laser device 100 according to the first embodiment is a DDL.
  • FIG. 1 shows the components arranged in the housing of the laser device 100.
  • the laser device 100 includes a plurality of laser diodes (LDs) 1 that emit laser beams having different wavelengths from each other, and a partial reflection mirror 12 that is a mirror that resonates a plurality of laser beams emitted by the plurality of LD1s. Have.
  • the LD1 emits a laser beam from the emission end 4.
  • the partial reflection mirror 12 reflects a part of the incident laser beam and transmits a part of the incident laser beam for each of the plurality of laser beams.
  • LDs laser diodes
  • the wavelength dispersion element 11 is a diffraction grating that diffracts each of a plurality of laser beams.
  • the wavelength dispersion element 11 advances a plurality of laser beams incident from a plurality of LD1s in a state where the directions of the optical axes of the laser beams are different from each other to the partial reflection mirror 12 so that the optical axes coincide with each other. Further, the wavelength dispersion element 11 advances a plurality of laser beams incident from the partial reflection mirror 12 in a state where the optical axes coincide with each other to each of the plurality of LD1s in different directions of the optical axes.
  • the optical axis is an axis representing the center of the luminous flux of the laser beam. The laser beam travels in the direction of the optical axis.
  • the wavelength dispersion element 11 diffracts a plurality of laser beams emitted from each of the plurality of LD1s, and separates the laser beams for each order.
  • the wavelength dispersion element 11 is a transmission type diffraction grating.
  • the wavelength dispersion element 11 couples the primary diffracted light of each laser beam to each other, and emits the 0th diffracted light in a direction different from the direction of the partially reflected mirror 12.
  • the wavelength dispersion element 11 may be a reflection type diffraction grating.
  • the wavelength dispersion element 11 combines a plurality of laser beams with each other by aligning the optical axes of each laser beam which is the primary diffracted light.
  • the wavelength dispersion element 11 emits a coupled beam toward the partially reflected mirror 12.
  • the coupled beam reflected by the partial reflection mirror 12 is incident on the wavelength dispersion element 11 again.
  • the wavelength dispersion element 11 separates the coupled beam into laser beams for each wavelength.
  • the wavelength dispersion element 11 emits each separated laser beam toward each of the plurality of LD1s.
  • Each LD1 is provided with a mirror that reflects the laser beam returned from the wavelength dispersion element 11 to the LD1.
  • the mirror in the LD1 and the partially reflected mirror 12 form a resonator that resonates a plurality of laser beams.
  • the wavelength dispersion element 11 is arranged in the resonator.
  • the transmission optical system 13 is an optical system that adjusts the beam diameter and the divergence angle of the laser beam incident on the wavelength dispersion element 11 from each LD1.
  • the transmission optical system 14 is an optical system that adjusts the beam diameter and the divergence angle of the laser beam incident on the partial reflection mirror 12 from the wavelength dispersion element 11.
  • the transmission optical system 15 is an optical system that adjusts the beam diameter and the divergence angle of a coupled beam traveling to a transmission line such as a process fiber outside the laser apparatus 100.
  • Each transmission optical system 13, 14, 15 has an optical element such as a lens, a mirror, or a prism.
  • the LD1 is integrated with a heat sink 2 for cooling the LD1 and an adjusting component 3 which is a component for adjusting the orientation of the LD1.
  • the adjusting component 3 is a component that can rotate around the emitting end 4 when the direction of the optical axis of the laser beam emitted from the emitting end 4 is adjusted.
  • Each of the plurality of LD packages 5-1, 5-2, ..., 5-n is a structure in which the LD 1, the heat sink 2, and the adjusting component 3 are integrated. That is, each of the plurality of LD1s is integrally formed with the adjusting component 3 that can rotate around the exit end 4.
  • n is an integer of 3 or more.
  • LD package 5 is referred to as LD package 5-1, 5-2, ..., 5-n without distinction.
  • the number of LD packages 5 included in the laser device 100 may be a plurality, and may be any number.
  • the cooling water which is a refrigerant for cooling each LD1
  • the manifold 6 in the laser apparatus 100 is provided with a pipe 8 for the inflow of the cooling water into the manifold 6 and the outflow of the cooling water from the manifold 6.
  • the manifold 6 branches the cooling water supplied by the cooling device to the heat sink 2 of each LD package 5, and joins the cooling water recovered from the heat sink 2 of each LD package 5 with each other.
  • the cooling device is not shown in FIG.
  • a pipe 7 for inflow of cooling water to the heat sink 2 and outflow of cooling water from the heat sink 2 is connected to each heat sink 2.
  • the pipe 7 is a flexible resin hose.
  • the cooling water sent out from the manifold 6 is supplied to the heat sink 2 through the pipe 7 for each heat sink 2.
  • the cooling water that has passed through the heat sink 2 is returned to the manifold 6 through the pipe 7.
  • FIG. 2 is a side view of the LD package included in the laser apparatus shown in FIG.
  • the LD1 is placed on the heat sink 2.
  • the heat sink 2 is placed on the adjusting component 3.
  • the adjusting component 3 is placed on the installation surface 21.
  • the installation surface 21 is the surface of the base material 10 provided in the housing of the laser device 100.
  • the adjusting component 3 is installed on the base material 10.
  • the pipe 7 is connected to a connecting portion 9 formed on the heat sink 2.
  • the adjustment shaft 16 is a rod-shaped part.
  • the adjusting shaft 16 is the rotation center of the adjusting component 3 when the direction of the optical axis of the laser beam emitted from the emitting end 4 is adjusted.
  • the adjusting shaft 16 is located directly below the exit end 4, and is embedded in the adjusting component 3 and the base material 10.
  • the adjustment shaft 16 is a shaft perpendicular to the installation surface 21. The rotation of the adjusting component 3 on the installation surface 21 adjusts the direction of the optical axis in the plane parallel to the installation surface 21.
  • the LD package 5 When the LD package 5 is installed on the base material 10, as shown in FIG. 2, one end side of the adjusting shaft 16 is inserted into the base material 10, and the other end of the adjusting shaft 16 is inserted. The side portion is inserted into the adjusting component 3. As a result, the LD package 5 is in a state in which the exit end 4 is positioned on the extension of the adjusting shaft 16 and is rotatable about the adjusting shaft 16 before being fixed to the base material 10. ..
  • the direction of the optical axis of the LD package 5 is adjusted with respect to the laser beam emitted from the emission end 4. After the orientation of the optical axis is adjusted, the adjustment component 3 is fixed to the base material 10, and the installation of the LD package 5 is completed.
  • the LD1 is in a state in which the exit end 4 is positioned and the direction of the exit end 4 can be adjusted by inserting the adjustment shaft 16 into the adjustment component 3. Since the exit end 4 can be positioned by inserting the adjustment shaft 16 into the adjustment component 3, the laser device 100 enables highly accurate and easy positioning of the LD1. Further, in the laser device 100, the rotation of the LD package 5 around the adjustment shaft 16 enables highly accurate and easy adjustment of the direction of the optical axis, that is, the direction of the LD1.
  • the laser device 100 is in a state in which the position of the LD1 and the orientation of the LD1 are adjusted by adjusting the direction of the optical axis after the LD package 5 is placed on the base material 10.
  • the position of the LD1 and the orientation of the LD1 can be easily adjusted as compared with the case where the position of the LD1 and the orientation of the LD1 need to be adjusted after the LD package 5 is placed on the base material 10. It will be possible.
  • the laser device 100 can easily adjust the position and orientation of each LD1 even when the LD packages 5 are densely arranged with each other.
  • the laser device 100 can emit a laser beam of high beam quality by enabling highly accurate adjustment of the direction of each LD1. Since the laser device 100 enables the positioning of the emission end 4 by the adjustment shaft 16, it is possible to reduce the amount of change in the traveling direction of the laser beam emitted from the LD1 due to the adjustment of the direction of each LD1.
  • the laser device 100 makes it possible to reduce the movement of the optical element due to the adjustment of the orientation of the LD1 for each optical element to which the laser beam emitted from the LD1 is incident. As a result, the laser device 100 can reduce the space for moving the optical element accompanying the adjustment of each LD1. Further, each optical element can reduce the size of the optical element required to receive the laser beam. This makes it possible to reduce the size of the laser device 100 and reduce the cost of the laser device 100.
  • the pipe 7 can be freely deformed according to the adjustment of the direction of the LD1 in the state where the pipe 7 is connected to the connection portion 9. Become.
  • the laser device 100 can adjust the orientation of the LD1 after the connection of the pipe 7 to the manifold 6 and the connection portion 9 is completed.
  • the resin hose has an advantage that it is cheaper and the outer diameter can be reduced as compared with the metal bellows hose, which is one of the other flexible hoses.
  • the axis perpendicular to the installation surface 21 is defined as the first axis
  • the axis parallel to the installation surface 21 and perpendicular to the optical axis is defined as the second axis.
  • the laser device 100 is provided with the adjustment shaft 16 which is the first axis, so that the direction of the optical axis in the plane parallel to the installation surface 21 can be adjusted.
  • the laser device 100 may be capable of adjusting the direction of the optical axis in a plane perpendicular to the installation surface 21 and parallel to the optical axis by rotation around the second axis.
  • the LD1 can be rotated around the emission end 4 even when the direction of the optical axis is adjusted by rotation around the second axis.
  • the laser device 100 can adjust the direction of the optical axis in a plane perpendicular to the installation surface 21 and parallel to the optical axis.
  • the orientation of each LD1 can be easily adjusted by integrating the LD1 with the adjusting component 3 which is rotatable around the emission end 4. ..
  • the laser device 100 has an effect that the traveling direction of each laser beam emitted from the plurality of LD1s can be easily adjusted.
  • FIG. 3 is a diagram showing a main part of the laser apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which the configuration shown in FIG. 3 is viewed from a direction different from that in FIG.
  • the height H2 from the installation surface 21 on which the adjusting component 3 is installed to the pipe 7 of the base material 10 is higher than the height H1 from the installation surface 21 to the optical axis 22 of the laser beam.
  • the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the configurations different from those in the first embodiment will be mainly described.
  • FIG. 3 shows a side view of the components arranged in the housing of the laser device 101. Further, in FIG. 3, the base material 10 is represented by a broken line.
  • the laser device 101 includes a covering material 20 that covers the upper part of the pipe 7.
  • the covering material 20 is a metal plate material.
  • the covering material 20 is provided at a position higher than the height H2 from the installation surface 21 to the pipe 7, and at a position lower than the height H1 from the installation surface 21 to the optical axis 22.
  • the covering material 20 covers the upper part of a plurality of pipes 7 connected to each LD package 5 and the manifold 6.
  • FIG. 4 shows a state in which the covering material 20 is removed from the configuration shown in FIG. 3 as viewed from above. Further, FIG. 4 shows one of a plurality of LD packages 5 connected to the manifold 6.
  • the laser device 101 suppresses the irradiation of the laser beam to the pipe 7 and the irradiation of the scattered light to the pipe 7 by providing the pipe 7 at a height H2 lower than the height H1 of the optical shaft 22. can do.
  • the scattered light is scattered light generated by the incident of the laser beam on each optical element provided in the optical path of the laser beam, or scattered light generated by the incident of the laser beam from each optical element to a structure such as a housing. ..
  • the laser device 101 can suppress the deterioration of the pipe 7 by making it possible to suppress the irradiation of the laser beam to the pipe 7 and the irradiation of the scattered light to the pipe 7.
  • the laser device 101 can suppress deterioration of the pipe 7 even when a resin material having poor light resistance is used for the pipe 7.
  • the laser device 101 can shield the laser beam and scattered light by the covering material 20 by providing the covering material 20. As a result, the laser device 101 can further suppress the deterioration of the pipe 7.
  • FIG. 5 is a diagram showing a main part of the laser apparatus according to the modified example of the second embodiment.
  • the pipe 7 is provided at a position opposite to the side of the adjusting component 3 with respect to the installation surface 21.
  • the pipe 7 is embedded in the base material 10.
  • the portion of the manifold 6 including the portion to which the pipe 7 is connected is embedded in the base material 10 together with the pipe 7.
  • the connecting portion 9 is embedded in the adjusting component 3.
  • the connection portion 9 is directed from the heat sink 2 toward the installation surface 21.
  • the pipe 7 is passed through the adjusting component 3 and the base material 10.
  • the entire pipe 7 provided between the heat sink 2 and the manifold 6 is covered with the adjusting component 3 and the base material 10.
  • the pipe 7 is isolated from the space through which the laser beam passes.
  • each of the plurality of pipes 7 is isolated from the space through which the laser beam passes, as in the pipe 7 shown in FIG.
  • the laser device 101 can suppress the irradiation of the laser beam to the pipe 7 and the irradiation of the scattered light to the pipe 7. As a result, the laser device 101 can suppress the deterioration of the pipe 7.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a laser device according to a third embodiment of the present invention.
  • the laser device 102 according to the third embodiment in addition to adjusting the orientation of the LD1 by the adjusting component 3, it is possible to adjust the orientation of at least one of the optical elements arranged in the optical path of the laser beam.
  • the same components as those of the first and second embodiments are designated by the same reference numerals, and the configurations different from those of the first and second embodiments will be mainly described.
  • the axis perpendicular to the installation surface 21 is defined as the first axis
  • the axis parallel to the installation surface 21 and perpendicular to the optical axis is defined as the second axis.
  • the transmission optical system 13 has n optical elements 31 and n optical elements 32.
  • the optical element 31 is a prism through which a laser beam is transmitted.
  • the optical element 32 is a mirror that reflects the laser beam.
  • the adjustment component 3 can rotate around the adjustment shaft 16 which is the first shaft.
  • Each optical element 31 is rotatably supported around the second axis when the direction of the optical axis is adjusted.
  • Each optical element 32 is rotatably supported around the first axis and rotatably around the second axis when the direction of the optical axis is adjusted.
  • illustration and description of the configuration for supporting each of the optical elements 31 and 32 will be omitted.
  • the orientation of the optical axis in the plane parallel to the installation surface 21 is the rotation of the adjustment component 3 around the adjustment axis 16 and the first axis. It is adjusted by the rotation of the optical element 32 in rotation. Further, for each laser beam traveling between each LD1 and the wavelength dispersion element 11, the direction of the optical axis in the plane perpendicular to the installation surface 21 and parallel to the optical axis is the rotation of the optical element 31 around the second axis. And the rotation of the optical element 32 around the second axis.
  • the laser device 102 for each laser beam traveling between each LD1 and the wavelength dispersion element 11, the direction of the optical axis in the plane parallel to the installation surface 21 and the direction perpendicular to the installation surface 21 and the optical axis.
  • the orientation of the optical axis in parallel planes is adjusted.
  • the optical elements 31 and 32 are fixed in a state where the orientation of the optical axis is adjusted.
  • the laser device 102 has the direction of the optical axis in the plane parallel to the installation surface 21 and the optical axis perpendicular to the installation surface 21.
  • the direction of the optical axis in a plane parallel to is adjustable.
  • the optical elements that can be rotated when the direction of the optical axis is adjusted are not limited to the optical elements 31 and 32 described in the third embodiment.
  • any of the optical elements included in the transmission optical system 13 may be rotatable.
  • the laser device 102 enables highly accurate adjustment of the direction of the optical axis for each laser beam traveling between each LD1 and the wavelength dispersion element 11.
  • the laser device 102 can emit a laser beam of high beam quality by adjusting the direction of the optical axis with high accuracy. Since the laser device 100 enables the positioning of the emission end 4 by the adjustment shaft 16, it is possible to reduce the amount of change in the traveling direction of the laser beam emitted from the LD1 due to the adjustment of the direction of each LD1.
  • Each of the optical elements 31 and 32 can reduce the dimensions of the optical elements 31 and 32 required to receive the laser beam. This makes it possible to reduce the size of the laser device 102 and reduce the cost of the laser device 102.
  • the laser device 102 can easily and accurately adjust the direction of the optical axis by rotating the adjusting component 3 and the optical elements 31 and 32. As a result, the laser device 102 has an effect that the traveling direction of each laser beam emitted from the plurality of LD1s can be easily adjusted.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a laser processing machine according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the laser processing machine 200 according to the fourth embodiment has the laser device 100 according to the first embodiment.
  • the laser processing machine 200 processes the workpiece 45 by irradiating the workpiece 45 with a laser beam emitted from the laser apparatus 100.
  • the same components as those in the first to third embodiments are designated by the same reference numerals, and the configurations different from those in the first to third embodiments will be mainly described.
  • the laser processing machine 200 supplies the processing machine drive unit 41, which is a part where the workpiece 45 is processed, the processing machine control device 42 that controls the entire laser processing machine 200, and the cooling water supplied to the laser device 100. It has a cooling device 43 for cooling.
  • the processing machine drive unit 41 has a processing head 44 that emits a laser beam and a table 46 on which a work piece 45 is placed. Further, the processing machine drive unit 41 includes an axis drive unit that moves the processing head 44 in the Z-axis direction, which is the vertical direction, and an axis drive unit that moves the table 46 in the X-axis direction and the Y-axis direction in the horizontal plane. Have. As a result, the processing machine drive unit 41 relatively moves the processing head 44 and the workpiece 45 in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. In FIG. 7, the shaft drive unit is not shown.
  • the process fiber 47 is a transmission line for sending the laser beam emitted from the laser device 100 to the processing head 44.
  • the processing machine control device 42 controls the laser device 100, the processing machine driving unit 41, and the cooling device 43.
  • the laser processing machine 200 uses a process fiber 47 that can tolerate the beam quality of the laser beam emitted from the laser device 100.
  • the laser processing machine 200 has the laser device 100 so that a laser beam having high beam quality can be incident on the process fiber 47.
  • the laser processing machine 200 can efficiently propagate the laser beam from the laser device 100 to the processing head 44.
  • the laser processing machine 200 may have the laser device 101 according to the second embodiment or the laser device 102 according to the third embodiment instead of the laser device 100. Even when the laser processing machine 200 has the laser devices 101 and 102, the laser beam can be efficiently propagated to the processing head 44. According to the fourth embodiment, by having any one of the laser devices 100, 101, and 102, the laser processing machine 200 has an effect that efficient processing can be performed by irradiating a laser beam of high beam quality. Play.
  • the configuration shown in the above-described embodiment shows an example of the content of the present invention, can be combined with another known technique, and is one of the configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.
  • LD laser diode
  • 2 heat sink 3 adjustment parts
  • 4 exit ends 5,5-1,5-2,5-n LD package, 6 manifolds, 7,8 pipes, 9 connections, 10 base materials , 11 wavelength dispersion element, 12 partial reflection mirror, 13, 14, 15 transmission optical system, 16 adjustment shaft, 20 coating material, 21 installation surface, 22 optical shaft, 31, 32 optical element, 41 processing machine drive unit, 42 Processing machine control device, 43 cooling device, 44 processing head, 45 workpiece, 46 table, 47 process fiber, 100, 101, 102 laser device, 200 laser processing machine.
  • LD laser diode
  • 6 manifolds 7,8 pipes
  • 9 connections 10 base materials , 11 wavelength dispersion element, 12 partial reflection mirror, 13, 14, 15 transmission optical system, 16 adjustment shaft, 20 coating material, 21 installation surface, 22 optical shaft, 31, 32 optical element, 41 processing machine drive unit, 42 Processing machine control device, 43 cooling device, 44 processing head, 45 workpiece, 46 table, 47 process fiber, 100, 101, 102 laser device, 200 laser processing machine.

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Abstract

レーザ装置（１００）は、互いに異なる波長のレーザビームを出射する複数のレーザダイオード（１）と、複数のレーザダイオード（１）により出射された複数のレーザビームを共振させるミラーである部分反射ミラー（１２）と、レーザビームの光軸の向きが互いに異なる状態で複数のレーザダイオード（１）の各々から入射する複数のレーザビームを、互いに光軸を一致させてミラーへ進行させる波長分散素子（１１）と、を備える。複数のレーザダイオード（１）の各々は、レーザダイオード（１）の出射端（４）を中心に回転可能な調整用部品（３）と一体に形成されている。

Description

レーザ装置およびレーザ加工機
　本発明は、複数のレーザダイオードを有するレーザ装置およびレーザ加工機に関する。
　複数のレーザダイオードを有するレーザ装置は、各レーザダイオードから出射されるレーザビームを結合させることによって、単独のレーザダイオードによりレーザビームを出力する場合に比べて高出力を実現可能とする。ダイレクトダイオードレーザ（Direct　Diode　Laser：ＤＤＬ）と称されるレーザ装置では、共振器内に配置された光学素子によって複数のレーザビームを結合させる。光学素子には、光軸の向きが互いに異なる状態で進行する複数のレーザビームについて光軸を一致させることによって複数のレーザビームを結合させる波長分散素子が使用される。
　特許文献１には、複数のレーザ光源の各々から出射されるレーザビームを、共振器内に配置された回折格子によって結合させるレーザ装置が開示されている。
特開２０１６－７８０５０号公報
　レーザ装置では、レーザ装置の筐体にレーザダイオードが配置されてから、レーザビームの進行方向を調整するためにレーザダイオードの位置あるいは向きが調整されることがある。上記特許文献１にかかるレーザ装置の場合、複数のレーザビームの光軸を精度良く一致させるために、各レーザダイオードについて位置あるいは向きの調整が行われる。複数のレーザダイオードを有するレーザ装置の場合、レーザダイオード同士が密集して配置されていることによって、各レーザダイオードの位置あるいは向きの調整に手間を要することがある。このため、上記特許文献１にかかるレーザ装置では、複数のレーザダイオードから出射される各レーザビームの進行方向を調整することが困難である場合があるという問題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数のレーザダイオードから出射される各レーザビームの進行方向を容易に調整可能とするレーザ装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ装置は、互いに異なる波長のレーザビームを出射する複数のレーザダイオードと、複数のレーザダイオードにより出射された複数のレーザビームを共振させるミラーと、レーザビームの光軸の向きが互いに異なる状態で複数のレーザダイオードの各々から入射する複数のレーザビームを、互いに光軸を一致させてミラーへ進行させる波長分散素子と、を備える。複数のレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの出射端を中心に回転可能な調整用部品と一体に形成されている。
　本発明にかかるレーザ装置は、複数のレーザダイオードから出射される各レーザビームの進行方向の容易な調整が可能となるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１にかかるレーザ装置の構成を示す図 図１に示すレーザ装置が有するＬＤパッケージの側面図 本発明の実施の形態２にかかるレーザ装置の要部を示す図 図３に示す構成を図３とは異なる方向から見た状態を示す図 実施の形態２の変形例にかかるレーザ装置の要部を示す図 本発明の実施の形態３にかかるレーザ装置の構成を示す図 本発明の実施の形態４にかかるレーザ加工機の構成を示す図
　以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ装置およびレーザ加工機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ装置の構成を示す図である。実施の形態１にかかるレーザ装置１００は、ＤＤＬである。図１には、レーザ装置１００の筐体内に配置されている構成要素を示している。レーザ装置１００は、互いに異なる波長のレーザビームを出射する複数のレーザダイオード（Laser　Diode：ＬＤ）１と、複数のＬＤ１により出射された複数のレーザビームを共振させるミラーである部分反射ミラー１２とを有する。ＬＤ１は、出射端４からレーザビームを出射する。部分反射ミラー１２は、複数のレーザビームの各々について、入射したレーザビームのうちの一部を反射するとともに入射したレーザビームの一部を透過する。
　波長分散素子１１は、複数のレーザビームの各々を回折させる回折格子である。波長分散素子１１は、レーザビームの光軸の向きが互いに異なる状態で複数のＬＤ１から入射する複数のレーザビームを、互いに光軸を一致させて部分反射ミラー１２へ進行させる。また、波長分散素子１１は、光軸が互いに一致する状態で部分反射ミラー１２から入射する複数のレーザビームを、光軸の向きを互いに異ならせて複数のＬＤ１の各々へ進行させる。なお、光軸は、レーザビームの光束の中心を表す軸とする。レーザビームは、光軸の向きに進行する。
　波長分散素子１１は、複数のＬＤ１の各々から出射された複数のレーザビームを回折させ、レーザビームを次数ごとに分離する。波長分散素子１１は透過型の回折格子である。波長分散素子１１は、各レーザビームの１次回折光を互いに結合させるとともに、０次回折光を部分反射ミラー１２の方向とは異なる方向に向けて出射する。なお、波長分散素子１１は、反射型の回折格子であっても良い。
　波長分散素子１１は、１次回折光である各レーザビームの光軸を一致させることによって、複数のレーザビームを互いに結合させる。波長分散素子１１は、部分反射ミラー１２へ向けて結合ビームを出射する。
　部分反射ミラー１２で反射した結合ビームは、再び波長分散素子１１へ入射する。波長分散素子１１は、結合ビームを波長ごとのレーザビームに分離する。波長分散素子１１は、分離させた各レーザビームを複数のＬＤ１の各々へ向けて出射する。各ＬＤ１には、波長分散素子１１からＬＤ１へ戻されたレーザビームを反射するミラーが設けられている。ＬＤ１内のミラーと部分反射ミラー１２とは、複数のレーザビームを共振させる共振器を構成する。波長分散素子１１は、共振器内に配置されている。
　伝送光学系１３は、各ＬＤ１から波長分散素子１１へ入射するレーザビームについて、ビーム径と発散角とを調整する光学系である。伝送光学系１４は、波長分散素子１１から部分反射ミラー１２へ入射するレーザビームについて、ビーム径と発散角とを調整する光学系である。伝送光学系１５は、レーザ装置１００の外部にあるプロセスファイバなどの伝送路へ進行させる結合ビームについて、ビーム径と発散角とを調整する光学系である。各伝送光学系１３，１４，１５は、レンズ、ミラーあるいはプリズムといった光学素子を有する。
　ＬＤ１は、ＬＤ１を冷却するヒートシンク２と、ＬＤ１の向きを調整するための部品である調整用部品３と一体とされている。調整用部品３は、出射端４から出射されるレーザビームの光軸の向きが調整される際に出射端４を中心に回転可能とされた部品である。複数のＬＤパッケージ５－１，５－２，・・・，５－ｎの各々は、ＬＤ１とヒートシンク２と調整用部品３とが一体とされた構造物である。すなわち、複数のＬＤ１の各々は、出射端４を中心に回転可能な調整用部品３と一体に形成されている。ｎは３以上の整数である。なお、以下の説明において、ＬＤパッケージ５とは、ＬＤパッケージ５－１，５－２，・・・，５－ｎの各々を区別せずに称したものとする。レーザ装置１００が有するＬＤパッケージ５の数は複数であれば良く、任意の数であるものとする。
　各ＬＤ１を冷却するための冷媒である冷却水は、レーザ装置１００の外部の冷却装置によって冷却される。レーザ装置１００内のマニホールド６には、マニホールド６への冷却水の流入およびマニホールド６からの冷却水の流出のための配管８が設けられている。マニホールド６は、冷却装置によって供給された冷却水を各ＬＤパッケージ５のヒートシンク２へ分岐させるとともに、各ＬＤパッケージ５のヒートシンク２から回収された冷却水を互いに合流させる。なお、図１において冷却装置の図示を省略している。
　各ヒートシンク２には、ヒートシンク２への冷却水の流入およびヒートシンク２からの冷却水の流出のための配管７が接続されている。配管７は、柔軟性を有する樹脂製のホースである。マニホールド６から送り出された冷却水は、ヒートシンク２ごとの配管７を通ってヒートシンク２へ供給される。ヒートシンク２を通った冷却水は、配管７を通ってマニホールド６へ戻される。
　図２は、図１に示すレーザ装置が有するＬＤパッケージの側面図である。ＬＤ１は、ヒートシンク２上に置かれている。ヒートシンク２は、調整用部品３上に置かれている。調整用部品３は、設置面２１の上に置かれている。設置面２１は、レーザ装置１００の筐体内に設けられている基材１０の面である。調整用部品３は、基材１０に設置されている。配管７は、ヒートシンク２に形成された接続部９に接続されている。
　調整用軸１６は、棒状の部品である。調整用軸１６は、出射端４から出射されるレーザビームの光軸の向きが調整される際における調整用部品３の回転中心である。調整用軸１６は、出射端４の直下に位置しており、調整用部品３と基材１０とに埋め込まれている。調整用軸１６は、設置面２１に垂直な軸である。設置面２１上における調整用部品３の回転によって、設置面２１に平行な面内における光軸の向きが調整される。
　ＬＤパッケージ５が基材１０に設置される際に、図２に示すように、調整用軸１６のうちの一端側の部分が基材１０に差し込まれるとともに、調整用軸１６のうちの他端側の部分が調整用部品３に差し込まれる。これにより、ＬＤパッケージ５は、基材１０へ固定されるよりも前に、出射端４が調整用軸１６の延長上に位置決めされ、かつ調整用軸１６を中心に回転可能な状態とされる。基材１０において調整用軸１６を中心にＬＤパッケージ５を回転させることによって、ＬＤパッケージ５は、出射端４から出射されるレーザビームについて、光軸の向きが調整される。光軸の向きが調整された後、調整用部品３が基材１０に固定されることによって、ＬＤパッケージ５の設置が完了する。
　このように、ＬＤ１は、調整用軸１６が調整用部品３に差し込まれることによって、出射端４が位置決めされるとともに出射端４の向きが調整可能な状態とされる。調整用部品３への調整用軸１６の差し込みによって出射端４の位置決めが可能であるため、レーザ装置１００では、ＬＤ１の高精度かつ容易な位置決めが可能となる。また、レーザ装置１００では、調整用軸１６を中心とするＬＤパッケージ５の回転によって、光軸の向き、すなわちＬＤ１の向きの高精度かつ容易な調整が可能となる。
　レーザ装置１００は、ＬＤパッケージ５が基材１０に載せられた後は光軸の向きが調整されることによって、ＬＤ１の位置とＬＤ１の向きとが調整された状態とされる。レーザ装置１００は、ＬＤパッケージ５が基材１０に載せられてからＬＤ１の位置とＬＤ１の向きとの双方についての調整を要する場合に比べて、ＬＤ１の位置とＬＤ１の向きとの容易な調整が可能となる。これにより、レーザ装置１００は、ＬＤパッケージ５同士が密集して配置される場合であっても、各ＬＤ１の位置および向きの容易な調整が可能となる。
　レーザ装置１００は、各ＬＤ１の向きの高精度な調整が可能となることによって、高いビーム品質のレーザビームを出射することが可能となる。レーザ装置１００は、調整用軸１６による出射端４の位置決めを可能としたことによって、ＬＤ１から出射したレーザビームの進行方向について、各ＬＤ１の向きの調整に伴う変化量を少なくさせることができる。レーザ装置１００は、ＬＤ１から出射したレーザビームが入射する各光学素子について、ＬＤ１の向きの調整に伴う光学素子の移動を少なくすることが可能となる。これにより、レーザ装置１００は、各ＬＤ１の調整に伴う光学素子の移動のためのスペースを縮小させることが可能となる。また、各光学素子は、レーザビームを受けるために必要な光学素子の寸法を小さくすることが可能となる。これにより、レーザ装置１００の小型化とレーザ装置１００のコスト低減とが可能となる。
　柔軟性を有する樹脂製のホースが配管７として使用されていることで、接続部９に配管７が接続されている状態において、ＬＤ１の向きの調整に合わせて配管７の自在な変形が可能となる。これにより、レーザ装置１００は、マニホールド６と接続部９とへの配管７の接続が完了した後におけるＬＤ１の向きの調整が可能となる。また、樹脂製のホースは、柔軟性を有する他のホースの１つである金属製の蛇腹ホースに比べて、安価であり、かつ外径を小さくすることができる利点がある。
　ここで、調整用部品３について、設置面２１に垂直な軸を第１軸、設置面２１に平行かつ光軸に垂直な軸を第２軸と定義する。実施の形態１では、レーザ装置１００は、第１軸である調整用軸１６が設けられることによって、設置面２１に平行な面内における光軸の向きが調整可能とされている。レーザ装置１００は、第２軸回りの回転によって、設置面２１に垂直かつ光軸に平行な面内における光軸の向きが調整可能とされていても良い。レーザ装置１００は、第２軸回りの回転によって光軸の向きが調整される場合も、出射端４を中心にＬＤ１が回転可能とされる。これにより、レーザ装置１００は、設置面２１に垂直かつ光軸に平行な面内における光軸の向きの調整が可能となる。
　実施の形態１によると、レーザ装置１００は、出射端４を中心に回転可能とされた調整用部品３にＬＤ１が一体とされていることによって、各ＬＤ１の向きの容易な調整が可能となる。これにより、レーザ装置１００は、複数のＬＤ１から出射される各レーザビームの進行方向の容易な調整が可能となるという効果を奏する。
実施の形態２．
　図３は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ装置の要部を示す図である。図４は、図３に示す構成を図３とは異なる方向から見た状態を示す図である。実施の形態２では、基材１０のうち調整用部品３が設置されている設置面２１から配管７までの高さＨ２が、設置面２１からレーザビームの光軸２２までの高さＨ１よりも低い。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。図３には、レーザ装置１０１の筐体内に配置されている構成要素を側方から見た様子を示している。また、図３では基材１０を破線により表している。
　レーザ装置１０１は、配管７の上部を覆う被覆材２０を備える。被覆材２０は、金属製の板材である。被覆材２０は、設置面２１から配管７までの高さＨ２よりも高い位置であってかつ設置面２１から光軸２２までの高さＨ１よりも低い位置に設けられている。被覆材２０は、各ＬＤパッケージ５とマニホールド６とに接続されている複数の配管７の上部を覆う。なお、図４には、図３に示す構成のうち被覆材２０が除かれた状態を上方から見た様子を示している。また、図４には、マニホールド６に接続されている複数のＬＤパッケージ５のうちの１つを示している。
　レーザ装置１０１は、光軸２２の高さＨ１よりも低い高さＨ２に配管７が設けられていることによって、配管７へのレーザビームの照射と、配管７への散乱光の照射とを抑制することができる。散乱光は、レーザビームの光路に設けられている各光学素子へのレーザビームの入射によって生じる散乱光、あるいは各光学素子から筐体等の構造物へのレーザビームの入射によって生じる散乱光である。レーザ装置１０１は、配管７へのレーザビームの照射と配管７への散乱光の照射とを抑制可能とすることによって、配管７の劣化を抑制することができる。レーザ装置１０１は、耐光性に劣る樹脂材料が配管７に使用されている場合であっても、配管７の劣化を抑制することができる。
　さらに、レーザ装置１０１は、被覆材２０が設けられることによって、レーザビームおよび散乱光を被覆材２０によって遮蔽することができる。これにより、レーザ装置１０１は、配管７の劣化をさらに抑制することができる。
　図５は、実施の形態２の変形例にかかるレーザ装置の要部を示す図である。本変形例にかかるレーザ装置１０１では、配管７は、設置面２１よりも調整用部品３の側とは逆側の位置に設けられている。図５において、配管７は、基材１０に埋め込まれている。マニホールド６のうち配管７が接続されている部分を含む部分は、配管７とともに基材１０に埋め込まれている。接続部９は、調整用部品３に埋め込まれている。接続部９は、ヒートシンク２から設置面２１の側へ向けられている。
　配管７は、調整用部品３と基材１０とを通されている。ヒートシンク２とマニホールド６との間に設けられている配管７の全体は、調整用部品３と基材１０とによって覆われている。これにより、配管７は、レーザビームが通る空間とは隔離されている。さらに、複数の配管７の各々が、図５に示す配管７と同様に、レーザビームが通る空間とは隔離されている。
　実施の形態２の変形例においても、レーザ装置１０１は、配管７へのレーザビームの照射と配管７への散乱光の照射とを抑制可能とする。これにより、レーザ装置１０１は、配管７の劣化を抑制することができる。
実施の形態３．
　図６は、本発明の実施の形態３にかかるレーザ装置の構成を示す図である。実施の形態３にかかるレーザ装置１０２では、調整用部品３によるＬＤ１の向きの調整のほかに、レーザビームの光路に配置されている各光学素子のうちの少なくとも１つについて向きの調整が可能とされている。実施の形態３では、上記の実施の形態１および２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１および２とは異なる構成について主に説明する。
　ここで、調整用部品３および各光学素子３１，３２について、設置面２１に垂直な軸を第１軸、設置面２１に平行かつ光軸に垂直な軸を第２軸と定義する。伝送光学系１３は、ｎ個の光学素子３１とｎ個の光学素子３２とを有する。光学素子３１は、レーザビームが透過するプリズムである。光学素子３２は、レーザビームが反射するミラーである。
　調整用部品３は、第１軸である調整用軸１６回りにおける回転が可能とされている。各光学素子３１は、光軸の方向が調整される際に、第２軸回りに回転可能に支持されている。各光学素子３２は、光軸の方向が調整される際に、第１軸回りに回転可能かつ第２軸回りに回転可能に支持されている。ここでは、各光学素子３１，３２の支持のための構成については、図示および説明を省略する。
　各ＬＤ１と波長分散素子１１との間を進行する各レーザビームについて、設置面２１に平行な面内における光軸の向きは、調整用軸１６回りにおける調整用部品３の回転と、第１軸回りにおける光学素子３２の回転によって調整される。また、各ＬＤ１と波長分散素子１１との間を進行する各レーザビームについて、設置面２１に垂直かつ光軸に平行な面内における光軸の向きは、第２軸回りにおける光学素子３１の回転と、第２軸回りにおける光学素子３２の回転とによって調整される。これにより、レーザ装置１０２では、各ＬＤ１と波長分散素子１１との間を進行する各レーザビームについて、設置面２１に平行な面内における光軸の向きと、設置面２１に垂直かつ光軸に平行な面内における光軸の向きとが調整される。各光学素子３１，３２は、光軸の向きが調整された状態で固定される。
　レーザ装置１０２は、調整用部品３の回転と、光学素子３１，３２の回転とが組み合わせられることによって、設置面２１に平行な面内における光軸の向きと、設置面２１に垂直かつ光軸に平行な面内における光軸の向きとを調整できる。なお、伝送光学系１３のうち、光軸の向きが調整される際に回転可能とされる光学素子は、実施の形態３にて説明する光学素子３１，３２に限られない。レーザ装置１０２では、伝送光学系１３に含まれる各光学素子のうちのいずれの光学素子が回転可能とされていても良い。
　レーザ装置１０２は、各ＬＤ１と波長分散素子１１との間を進行する各レーザビームについて、光軸の向きの高精度な調整が可能となる。レーザ装置１０２は、光軸の向きの高精度な調整によって、高いビーム品質のレーザビームを出射することが可能となる。レーザ装置１００は、調整用軸１６による出射端４の位置決めを可能としたことによって、ＬＤ１から出射したレーザビームの進行方向について、各ＬＤ１の向きの調整に伴う変化量を少なくさせることができる。各光学素子３１，３２は、レーザビームを受けるために必要な光学素子３１，３２の寸法を小さくすることが可能となる。これにより、レーザ装置１０２の小型化とレーザ装置１０２のコスト低減とが可能となる。
　実施の形態３によると、レーザ装置１０２は、調整用部品３の回転と、光学素子３１，３２の回転とによって、光軸の向きの容易かつ高精度な調整が可能となる。これにより、レーザ装置１０２は、複数のＬＤ１から出射される各レーザビームの進行方向の容易な調整が可能となるという効果を奏する。
実施の形態４．
　図７は、本発明の実施の形態４にかかるレーザ加工機の構成を示す図である。実施の形態４にかかるレーザ加工機２００は、上記の実施の形態１にかかるレーザ装置１００を有する。レーザ加工機２００は、レーザ装置１００から出射されたレーザビームを被加工物４５へ照射することによって被加工物４５を加工する。実施の形態４では、上記の実施の形態１から３と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１から３とは異なる構成について主に説明する。
　レーザ加工機２００は、被加工物４５の加工が行われる部分である加工機駆動部４１と、レーザ加工機２００全体を制御する加工機制御装置４２と、レーザ装置１００へ供給される冷却水を冷却する冷却装置４３とを有する。加工機駆動部４１は、レーザビームを出射する加工ヘッド４４と、被加工物４５が載せられるテーブル４６とを有する。また、加工機駆動部４１は、鉛直方向であるＺ軸方向へ加工ヘッド４４を移動させる軸駆動部と、水平面内のＸ軸方向とＹ軸方向とへテーブル４６を移動させる軸駆動部とを有する。これにより、加工機駆動部４１は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向において加工ヘッド４４と被加工物４５とを相対移動させる。図７では、軸駆動部の図示を省略している。
　プロセスファイバ４７は、レーザ装置１００から出射されたレーザビームを加工ヘッド４４へ送るための伝送路である。加工機制御装置４２は、レーザ装置１００と加工機駆動部４１と冷却装置４３とを制御する。
　レーザ加工機２００には、レーザ装置１００から出射されるレーザビームのビーム品質を許容可能なプロセスファイバ４７が使用される。レーザ加工機２００は、レーザ装置１００を有することによって、高いビーム品質のレーザビームをプロセスファイバ４７へ入射可能とする。レーザ加工機２００は、レーザ装置１００から加工ヘッド４４へ効率良くレーザビームを伝播することができる。
　レーザ加工機２００は、レーザ装置１００に代えて、実施の形態２にかかるレーザ装置１０１または実施の形態３にかかるレーザ装置１０２を有しても良い。レーザ加工機２００は、レーザ装置１０１，１０２を有する場合も、加工ヘッド４４へ効率良くレーザビームを伝播することができる。実施の形態４によると、レーザ加工機２００は、レーザ装置１００，１０１，１０２のいずれか１つを有することによって、高いビーム品質のレーザビームの照射による効率良い加工を行うことができるという効果を奏する。
　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１　レーザダイオード（ＬＤ）、２　ヒートシンク、３　調整用部品、４　出射端、５，５－１，５－２，５－ｎ　ＬＤパッケージ、６　マニホールド、７，８　配管、９　接続部、１０　基材、１１　波長分散素子、１２　部分反射ミラー、１３，１４，１５　伝送光学系、１６　調整用軸、２０　被覆材、２１　設置面、２２　光軸、３１，３２　光学素子、４１　加工機駆動部、４２　加工機制御装置、４３　冷却装置、４４　加工ヘッド、４５　被加工物、４６　テーブル、４７　プロセスファイバ、１００，１０１，１０２　レーザ装置、２００　レーザ加工機。

Claims (7)

  1. 　互いに異なる波長のレーザビームを出射する複数のレーザダイオードと、
    　前記複数のレーザダイオードにより出射された複数のレーザビームを共振させるミラーと、
    　レーザビームの光軸の向きが互いに異なる状態で前記複数のレーザダイオードの各々から入射する前記複数のレーザビームを、互いに光軸を一致させて前記ミラーへ進行させる波長分散素子と、
    　を備え、
    　前記複数のレーザダイオードの各々は、レーザダイオードの出射端を中心に回転可能な調整用部品と一体に形成されていることを特徴とするレーザ装置。
  2. 　前記出射端の直下には、前記調整用部品の回転中心となる調整用軸を備え、
    　前記調整用軸は、前記調整用部品が設置される基材と前記調整用部品とに埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 　前記複数のレーザダイオードの各々は、前記レーザダイオードを冷却するヒートシンクと一体とされており、
    　前記ヒートシンクには、前記ヒートシンクへの冷媒の流入および前記ヒートシンクからの前記冷媒の流出のための配管が接続されており、
    　前記配管は、柔軟性を有する樹脂製のホースであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
  4. 　前記調整用部品が設置されている設置面から前記配管までの高さが、前記設置面から前記レーザビームの光軸までの高さよりも低いことを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
  5. 　前記配管を覆う被覆材を備え、
    　前記被覆材は、前記設置面から前記配管までの高さよりも高い位置であってかつ前記設置面から前記レーザビームの光軸までの高さよりも低い位置に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ装置。
  6. 　前記配管は、前記調整用部品が設置されている設置面よりも前記調整用部品の側とは逆側の位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
  7. 　請求項１から６のいずれか１つに記載のレーザ装置を備え、
    　前記レーザ装置から出射されたレーザビームを被加工物へ照射することによって前記被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工機。
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