WO2021241313A1 - レーザ加工装置 - Google Patents

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WO2021241313A1
WO2021241313A1 PCT/JP2021/018711 JP2021018711W WO2021241313A1 WO 2021241313 A1 WO2021241313 A1 WO 2021241313A1 JP 2021018711 W JP2021018711 W JP 2021018711W WO 2021241313 A1 WO2021241313 A1 WO 2021241313A1
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laser
cooling water
laser beam
core
optical fiber
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PCT/JP2021/018711
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English (en)
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智之 景山
仁 長野
進一 有田
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures

Definitions

  • This disclosure relates to a laser processing device.
  • a laser processing device that transmits high-power laser light via an optical fiber and irradiates a workpiece is widely known.
  • the optical fiber has a so-called double core structure in which a first core is provided at the axis and a second core is provided with a first clad provided coaxially with the first core.
  • the beam profile of the laser beam applied to the work can be changed by changing the incident position of the laser beam on the incident end face of the optical fiber.
  • Patent Document 1 discloses a configuration in which the incident position of laser light on an incident end face of an optical fiber is changed by changing the inclination of a reflection mirror with an actuator for an optical fiber having a double core structure. ing. The beam quality of the laser beam is improved by appropriately adjusting the incident position.
  • the present disclosure has been made in view of this point, and an object thereof is a laser processing apparatus capable of adjusting the beam profile of a laser beam by changing the incident position of the laser beam to the incident end face of an optical fiber with a simple configuration. Is to provide.
  • the laser processing apparatus receives a laser oscillator that generates a laser beam, an optical fiber that transmits the laser beam, and the laser beam transmitted by the optical fiber into a work.
  • the laser oscillator includes at least a laser head that irradiates the laser head and a chiller that flows cooling water through the laser oscillator to cool the laser oscillator.
  • the laser oscillator has one or a plurality of laser diodes and a cooling water channel inside, and the laser diode is provided.
  • the beam profile of the laser beam applied to the work can be changed, and appropriate laser processing can be performed on the work.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of an optical fiber.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line IIB-IIB of FIG. 2A and a diagram showing the refractive index distribution inside the optical fiber.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a laser oscillator.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an optical path of a laser beam when the water pressure P of the cooling water is P 0.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an optical path of a laser beam when the water pressure P of the cooling water is P 1.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an optical path of a laser beam when the water pressure P of the cooling water is P 2.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the water pressure of the cooling water and the numerical aperture of the laser beam incident on the optical fiber.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus according to the present embodiment.
  • the direction perpendicular to the incident end surface 30a of the optical fiber 30 is referred to as the X direction
  • the direction from the laser head 40 toward the work W is referred to as the Z direction
  • the directions orthogonal to each of the X direction and the Z direction. May be called the Y direction.
  • the laser processing apparatus 100 has at least a laser oscillator 10, a condensing optical unit 20, an optical fiber 30, a laser head 40, and a chiller 50.
  • the laser processing device 100 has a power source for driving the laser oscillator 10, a control device thereof, and the like, but the illustration and description thereof are omitted for convenience of explanation.
  • the laser oscillator 10 is a semiconductor laser light source (DDL; Direct DIode Laser) that directly uses the light emitted from the semiconductor laser, and emits the laser light LB.
  • the wavelength of the laser beam LB is about 950 nm to 1000 nm.
  • the value is not particularly limited to this, and may be another value. The configuration of the laser oscillator 10 will be described in detail later.
  • the condensing optical unit 20 has at least a first housing 21, a reflecting mirror 22, and a first condensing lens (condensing lens) 23, and the reflecting mirror 22 and the first condensing lens 23 are mutually exclusive. It is fixedly arranged inside the first housing 21 while maintaining a predetermined arrangement relationship. Further, the first housing 21 has a light incident port (not shown) to which the laser beam LB emitted from the laser oscillator 10 is incident, and a connector portion (not shown) to which the optical fiber 30 is connected. doing.
  • the reflection mirror 22 reflects the laser beam LB incident on the inside of the first housing 21 toward the first condenser lens 23.
  • the first condensing lens 23 condenses the laser beam LB reflected by the reflection mirror 22 so as to be incident on the incident end surface 30a of the optical fiber 30.
  • the angle formed by the optical axis of the laser beam LB and the outermost side of the laser beam LB is widened. Let the angle ⁇ be.
  • NA numerical aperture
  • NA sin ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (1)
  • the initial arrangement relationship between the reflection mirror 22 and the first condenser lens 23 is set so that the laser beam LB is incident on the first core 31 (see FIGS. 2A and 2B) of the optical fiber 30. ing. However, as will be described later, the laser beam LB may be incident on the first clad 32 or the second core 33 (see FIGS. 2A and 2B) of the optical fiber 30.
  • the optical fiber 30 receives the laser beam LB condensed by the first condenser lens 23 of the condenser optical unit 20 and transmits it to the laser head 40.
  • the configuration of the optical fiber 30 will be described in detail later.
  • the laser head 40 is configured to receive the laser beam LB transmitted by the optical fiber 30 and irradiate it toward the work W, and the second housing 41 and a plurality of optical components, in the example shown in FIG. It has at least a collimation lens 42, a second condensing lens 43, and a protective glass 44.
  • the second housing 41 has a connector portion (not shown) to which the optical fiber 30 is connected and a light emitting port (not shown) from which the laser beam LB is emitted toward the work W. Further, the plurality of optical components described above are housed inside the second housing 41 in a state of maintaining a predetermined arrangement relationship with each other.
  • the laser beam LB incident on the inside of the second housing 41 from the emission end surface 30b of the optical fiber 30 is incident on the collimation lens 42 and the second condenser lens 43, which are the condensing optical systems.
  • the collimation lens 42 converts the laser beam LB into parallel light
  • the second condensing lens 43 is configured to condense the laser beam LB transmitted through the collimation lens 42 on or near the surface of the work W. ..
  • the protective glass 44 is provided to prevent fume and spatter generated by melting the work W by irradiation with the laser beam LB from adhering to the optical components inside the second housing 41.
  • the chiller 50 is provided to flow cooling water through the laser oscillator 10 to cool the laser oscillator 10, and has at least a heat exchanger 51, a pump 52, and a control unit 53.
  • the heat exchanger 51 adjusts the temperature of the cooling water flowing through the cooling water pipes 61 and 62.
  • the heat exchanger 51 has a known configuration, and includes, for example, a tank (not shown), a pipe (not shown), and a compressor (not shown), and this pipe is the outer periphery of the cooling water pipes 61 and 62. It has a structure that wraps around the surface.
  • the refrigerant stored in the tank is vaporized by a compressor and circulated in the pipe to flow, and the heat of vaporization of the refrigerant cools the cooling water pipes 61 and 62 and the cooling water flowing inside the pipes 61 and 62.
  • control unit 53 receives a signal of a temperature sensor (not shown) provided in the cooling water pipes 61 and 62, and the operation of the compressor is controlled based on this signal, and the temperature of the cooling water is within a certain range. Keeped inside.
  • a temperature sensor not shown
  • the configuration of the heat exchanger 51 is not particularly limited to this, and other configurations may be appropriately adopted.
  • the pump 52 is configured to circulate and flow the cooling water through the cooling water passages 11a (see FIG. 3) provided in the laser oscillator 10 via the cooling water pipes 61 and 62.
  • the flow rate of the cooling water discharged from the pump 52 is controlled by the control unit 53.
  • control unit 53 controls the operations of the heat exchanger 51 and the pump 52.
  • the control unit 53 controls at least the operation of the pump 52.
  • the control unit 53 is composed of a microcomputer, an LSI, or the like.
  • the cooling water pipes 61 and 62 are configured to connect the laser oscillator 10 and the chiller 50 so that the cooling water flows inside.
  • the cooling water pipes 61 and 62 are integrated, and are configured to circulate and flow the cooling water through the cooling water passage 11a (see FIG. 3) provided in the laser oscillator 10. That is, a closed loop flow path is formed by the cooling water pipes 61 and 62 and the cooling water passage 11a.
  • the cooling water pipe 61 is a pipe connected to the discharge port (not shown) of the pump 52, and is a pipe on the inflow side to the laser oscillator 10.
  • the cooling water pipe 62 is a pipe connected to a suction port (not shown) of the pump 52, and is a pipe on the outflow side from the laser oscillator 10.
  • the cooling water pipe 61 and the cooling water pipe 62 may be interchanged.
  • the laser processing apparatus 100 may be provided with a manipulator (not shown) for holding the laser head 40.
  • the manipulator is, for example, an articulated robot, which is connected to a control device (not shown) and moves the laser head 40 to a desired position at a desired speed based on an operation command from the control device. By doing so, the laser beam LB emitted from the laser head 40 is irradiated on the surface of the work W so as to draw a desired trajectory.
  • FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of the optical fiber
  • FIG. 2B shows a cross-sectional view taken along the line IIB-IIB of FIG. 2A and the refractive index distribution inside the optical fiber. Note that FIGS. 2A and 2B are only schematic views, and are different from the actual dimensions of each part of the optical fiber 30.
  • the optical fiber 30 has at least a first core 31 and a second core 33, and a first clad 32 and a second clad 34, which are optical waveguides, respectively, and the second clad.
  • the outer peripheral surface of 34 is covered with a light-shielding film (not shown).
  • the first core 31 has a circular shape in a cross-sectional view and is arranged at the axis of the optical fiber 30.
  • the first clad 32 is in contact with the outer peripheral surface of the first core 31 and is arranged coaxially with the first core 31, and has a ring shape in a cross-sectional view.
  • the second core 33 is in contact with the outer peripheral surface of the first clad 32 and is arranged coaxially with the first core 31, and has a ring shape in a cross-sectional view.
  • the second clad 34 is in contact with the outer peripheral surface of the second core 33 and is arranged coaxially with the first core 31, and has a ring shape in a cross-sectional view.
  • the first core 31, the second core 33, the first clad 32, and the second clad 34 are all made of quartz.
  • the refractive index n 1 of the first clad 32 is set to be lower than the refractive index n 0 of the first core 31.
  • the refractive index n 0 of the second core 33 is set to be the same as the refractive index n 0 of the first core 31.
  • the refractive index n 2 of the second clad 34 is set to be lower than the refractive index n 1 of the first clad 32.
  • the laser beam LB when the laser beam LB is incident on the first clad 32, the laser beam LB is mainly propagated to the first core 31 and the second core 33.
  • the ratio of the laser beam LB propagated to the first core 31 and the second core 33 depends on the incident position of the laser beam LB and the respective distances between the first core 31 and the second core 33. Further, a part of the laser beam LB is also propagated to the first clad 32.
  • the laser light LB when the laser light LB propagates through the second core 33, the laser light LB hardly enters the inside of the second clad 34. That is, the laser beam LB propagates inside the second core 33 and reaches the laser head 40.
  • FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of a laser oscillator.
  • the laser oscillator 10 is configured such that at least a base 11, a plurality of laser diodes 12, and a beam coupler 13 are arranged inside a housing (not shown).
  • the thickness direction of the base 11 may be referred to as the vertical direction.
  • the side on which the laser diode 12 of the base 11 is mounted may be referred to as an upper, upper, or upper side, and the opposite side thereof may be referred to as a lower, lower, or lower side.
  • the base 11 is a rectangular parallelepiped part provided with a cooling water channel 11a inside.
  • the base 11 is made of a metal having high thermal conductivity such as copper, and the surface thereof is coated with gold or the like (not shown) as needed.
  • the cooling water channel 11a is composed of a first water channel 11a1, a second water channel 11a2, and a plurality of third water channels 11a3.
  • the broken line arrow shown in FIG. 3 indicates the direction in which the cooling water flows.
  • the first water channel 11a1 extends from the inflow port 11b1 to which the cooling water pipe 61 is connected along the arrangement direction of the plurality of laser diodes 12. This portion of the first water channel 11a1 is arranged in the vicinity of the light emitting points of the plurality of laser diodes 12. Further, the first water channel 11a1 surrounds the plurality of laser diodes 12 in a plan view, is folded back, extends along the arrangement direction of the plurality of laser diodes 12, and reaches the outlet 11b2 to which the cooling water pipe 62 is connected. ing.
  • the second water channel 11a2 branches from the folded portion of the first water channel 11a1 and extends along the outer circumference of the base 11 to reach the outlet 11b2.
  • the third water channel 11a3 extends so as to connect two portions of the first water channel 11a1 extending in parallel. Further, the third water channel 11a3 is provided below each of the plurality of laser diodes 12.
  • the plurality of laser diodes 12 are each mounted on the surface of the base 11 via an adhesive (not shown).
  • the laser diode 12 may be mounted directly on the surface of the base 11. Further, the laser diode 12 may be mounted on the surface of the base 11 via a submount or the like (not shown). Further, the plurality of laser diodes 12 are arranged so as to be spaced apart from each other along the longitudinal direction of the first water channel 11a1. In the present embodiment, the number of laser diodes 12 is 11, but the number is not particularly limited.
  • the cooling water When the cooling water is supplied from the inflow port 11b1 to the cooling water channel 11a, the cooling water flows to the outflow port 11b through the first water channel 11a1. At this time, the cooling water supplied from the chiller 50 via the cooling water pipe 61, that is, the cooling water whose temperature is kept constant, directly flows into the first water channel 11a. As a result, the cooling efficiency on the side closer to the light emitting point among the plurality of laser diodes 12 can be improved, and the temperature rise of the laser diode 12 can be suppressed.
  • the cooling efficiency of the laser diode 12 can be further improved and the temperature rise of the laser diode 12 can be suppressed.
  • the cooling water flows through the first water channel 11a1 and at the same time flows from the branch portion of the first water channel 11a1 through the second water channel 11a2 to the outlet 11b. Therefore, the base 11 can be cooled as a whole and the temperature of the base 11 is stabilized. As a result, the temperature rise of the laser diode 12 can be suppressed.
  • the beam coupler 13 receives the laser beams LB 1 to LB n emitted from each of the plurality of laser diodes 12 and couples them to the one laser beam LB.
  • the coupling method may be spatial coupling. When the wavelengths of the laser beams LB 1 to LB n are different from each other, these may be wavelength-coupled to form one laser beam LB.
  • the type and number of optical components provided in the beam coupler 13 and the arrangement relationship with each other can be appropriately changed.
  • the beam coupler 13 is omitted.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the optical path of the laser beam when the water pressure P of the cooling water is P 0
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the optical path of the laser beam when the water pressure P of the cooling water is P 1 .
  • FIG. 7 shows the relationship between the water pressure of the cooling water and the numerical aperture of the laser beam incident on the optical fiber.
  • the laser beam LB shows only the optical axis.
  • a one-dimensional distribution of the power density in the X direction is shown.
  • the X direction is shown as a direction parallel to the surface of the work W.
  • the laser beam LB incident on the condensing optical unit 20 is incident on the reflection mirror 22.
  • the surface of the reflection mirror 22 is arranged so as to form an angle of 45 degrees with the optical axis of the laser beam LB. Therefore, the laser beam LB reflected by the reflection mirror 22 is incident on the first condenser lens 23 at an angle of 90 degrees with the original optical axis.
  • the first condensing lens 23 and the optical fiber 30 are arranged so that the optical axis of the laser beam LB, the center of the first condensing lens 23, and the first core 31 of the optical fiber 30 are located substantially in a straight line. It is arranged in advance. Therefore, the laser beam LB is incident substantially perpendicular to the incident end surface 30a of the optical fiber 30, and the laser beam LB propagates inside the first core 31 and reaches the laser head 40.
  • the inventors of the present application have found that the numerical aperture of the laser beam LB incident on the optical fiber 30 changes when the water pressure P of the cooling water is changed.
  • the numerical aperture of the laser beam LB does not change substantially.
  • the numerical aperture of the laser beam LB increases as the water pressure P decreases.
  • the numerical aperture of the laser beam LB becomes larger as the water pressure P becomes higher.
  • this phenomenon is because the base 11 is slightly deformed in the vicinity of the cooling water channel 11a, particularly the first water channel 11a1 in which the cooling water first flows, due to the change in the water pressure P of the cooling water. That is, when the water pressure P of the cooling water becomes lower than the normal use range, the pressure balance changes greatly between the inside and the outside of the cooling water channel 11a, and the base 11 is slightly deformed. As a result, the optical axes of the laser beams LB 1 to LB n emitted from the laser diode 12 are directed downward with respect to the original direction.
  • the pressure balance greatly changes between the inside and the outside of the cooling water channel 11a, and the base 11 is slightly deformed.
  • the optical axes of the laser beams LB 1 to LB n emitted from the laser diode 12 are directed upward with respect to the original direction.
  • the change in the direction of the optical axis of the laser light LB 1 to LB n changes the direction of the optical axis of the laser light LB formed by synthesizing them.
  • the laser beam LB is tilted by an angle ⁇ 1 from the original optical axis and is incident on the condensing optical unit 20. Will be done.
  • the incident angle of the laser beam LB incident on the incident end surface 30a of the optical fiber 30 is also tilted by an angle ⁇ 1 from the original angle.
  • the inclination of the optical axis is reflected in the numerical aperture of the laser beam LB, and in the example shown in FIG. 5, the numerical aperture of the laser beam LB is represented by the relation shown in the equation (2).
  • NA 1 sin ( ⁇ + ⁇ 1) ⁇ ⁇ ⁇ (2)
  • NA 1 sin ( ⁇ + ⁇ 1) ⁇ ⁇ ⁇ (2)
  • NA 1 > sin ⁇ ( NA 0 ) ⁇ ⁇ ⁇ (3)
  • the laser beam LB is tilted by an angle ⁇ 2 from the original optical axis and is incident on the condensing optical unit 20.
  • the incident angle of the laser beam LB incident on the incident end surface 30a of the optical fiber 30 is also tilted by an angle ⁇ 2 from the original angle.
  • the inclination of this optical axis is reflected in the numerical aperture of the laser beam LB.
  • the laser beam LB incident on the first clad 32 is transmitted separately to the first core 31 and the second core 33.
  • the beam profile of the laser beam LB emitted from the optical fiber 30 has a monomodal Gaussian distribution, whereas in the examples shown in FIGS. 5 and 6, the beam profile has a bimodal shape. Is the distribution of.
  • the laser processing apparatus 100 includes a laser oscillator 10 for generating a laser beam LB and an optical fiber 30 for transmitting the laser beam LB. Further, the laser processing apparatus 100 includes at least a laser head 40 that receives the laser beam LB transmitted by the optical fiber 30 and irradiates it toward the work W, and a chiller 50 that cools the laser oscillator 10 by flowing cooling water. I have.
  • the laser oscillator 10 has at least a plurality of laser diodes 12 and a base 11 having a cooling water channel 11a inside and a laser diode 12 mounted on the surface.
  • the laser processing apparatus 100 is configured to change the incident angle of the laser beam LB incident on the optical fiber 30 by changing the water pressure P of the cooling water circulating in the cooling water passage 11a.
  • the laser processing apparatus 100 is configured to change the numerical aperture (NA) of the laser beam LB emitted from the optical fiber 30 by changing the water pressure P of the cooling water circulating in the cooling water passage 11a. Has been done.
  • NA numerical aperture
  • the optical fiber 30 has a first core 31 at the axis, and a first clad 32 provided coaxially with the first core 31 in contact with the outer peripheral surface of the first core 31.
  • optical fiber 30 is in contact with the outer peripheral surface of the first clad 32, is in contact with the second core 33 provided coaxially with the first core 31, and is in contact with the outer peripheral surface of the second core 33, and is in contact with the first core 31. It has at least a second clad 34 provided coaxially.
  • the laser beam LB is an optical fiber. It propagates inside the first core 31 of 30 and reaches the laser head 40.
  • the laser processing apparatus 100 of the present embodiment changes the water pressure P of the cooling water from P 0 to a pressure P1 lower than that or a pressure P 2 higher than P 0 by providing the above-mentioned configuration.
  • the laser beam LB propagates inside each of the first core 31 and the second core 33 and reaches the laser head 40.
  • the laser processing apparatus 100 of the present embodiment is configured to change the beam profile of the laser beam LB emitted from the optical fiber 30 by changing the water pressure P of the cooling water circulating in the cooling water passage 11a. Has been done.
  • the beam profile of the laser beam LB emitted from the optical fiber 30 and irradiated to the work W has a single peak shape as shown in FIG. Make it a Gaussian distribution. That is, the laser beam LB is incident on the incident end surface 30a of the optical fiber 30 substantially perpendicularly, so that the laser beam LB propagates inside the first core 31 and reaches the laser head 40. By doing so, the cutting width of the work W can be reduced and the cut surface can be smoothed.
  • the beam profile shown in FIG. 4 may not be able to perform desired cutting because the heat input range to the work W is narrowed.
  • the beam profile of the laser beam LB emitted from the optical fiber 30 and irradiated to the work W by reducing the water pressure P of the cooling water from P 0 to P 1 is as shown in FIG. , Make it a bimodal distribution. By doing so, it is possible to secure heat input to the cut portion of the work W and to make the cut surface smooth.
  • the beam profile of the laser beam LB irradiated on the work W is changed by changing the water pressure P of the cooling water according to the shape of the work W and the like, and the work W is changed to the work W.
  • appropriate laser processing can be performed.
  • the water pressure P of the cooling water is set to the pressure P 0 within the normal use range. preferably, changing to a lower pressure P 1 than. It is possible to suppress an excessive load from being applied to the base 11. However, if the strength of the base 11 is sufficiently secured, the water pressure P of the cooling water may be changed to a pressure P 2 higher than the pressure P 0 within the normal use range. Further, in accordance with the incidence angle of the laser beam LB is incident on the optical fiber 30, the pressure P 1 or the pressure P 2 is changed of course.
  • the laser beam LB when the water pressure P of the cooling water is set to the pressure P 0 within the normal working pressure, the laser beam LB propagates inside the first core 31 of the optical fiber 30. Under this pressure condition, the laser beam LB may propagate inside the first core 31 and the second core 33. In that case, the water pressure P of the cooling water by changing the pressure P 0, the laser beam LB is transmitted to the first core 31 of the optical fiber 30, the beam profile of the laser beam LB is irradiated on the workpiece W is, single peak It may have a Gaussian distribution in the shape of a shape.
  • the chiller 50 has at least a heat exchanger 51 that adjusts the temperature of the cooling water, a pump 52 that circulates and flows the cooling water through the cooling water passage 11a, and at least a control unit 53 that controls the operation of the pump 52. There is.
  • the control unit 53 is configured to change the water pressure of the cooling water flowing through the cooling water passage 11a by changing the flow rate of the cooling water discharged from the pump 52.
  • the water pressure of the cooling water flowing in the cooling water channel 11a can be easily changed by using the chiller 50 having a known configuration.
  • the laser processing apparatus 100 provided with the high output laser oscillator 10 it can be said that it is indispensable to provide the chiller 50 for cooling the laser oscillator 10. That is, in configuring the laser processing apparatus 100 that is normally used, the incident angle of the laser beam LB incident on the optical fiber 30 can be changed without adding special equipment. As a result, the beam profile of the laser beam LB irradiated on the work W can be changed, and appropriate laser processing can be performed on the work W.
  • the laser processing apparatus 100 further includes a condensing optical unit 20 having at least a reflection mirror 22 and a first condensing lens (condensing lens) 23.
  • the reflection mirror 22 reflects the laser beam LB emitted from the laser oscillator 10 toward the first condensing lens 23, and the first condensing lens 23 condenses the laser beam LB and condenses the laser beam LB to the incident end face of the optical fiber 30. It is incident on 30a.
  • the laser processing apparatus 100 is further configured to change the incident angle of the laser beam LB incident on the reflection mirror 22 by changing the water pressure of the cooling water circulating in the cooling water passage 11a.
  • the incident angle of the laser beam LB incident on the incident end surface 30a of the optical fiber 30 can be easily changed. Further, the beam profile of the laser beam LB irradiated on the work W can be changed to perform appropriate laser processing on the work W.
  • the optical fiber 30 has a so-called double-core structure, but may be a fiber having a single-core structure. Also in this case, by changing the water pressure P of the cooling water, the incident angle of the laser beam LB incident on the incident end surface 30a of the optical fiber 30 can be changed. As a result, for example, the numerical aperture of the laser beam LB can be increased. Further, in this case, as shown in FIG. 4, the beam profile of the laser beam LB irradiated to the work W is maintained in a single peak shape, but the half width is widened and the shape is widened.
  • laser cutting has been described as an example, but it goes without saying that the laser processing apparatus 100 of the present disclosure can be applied to other processing such as laser welding and laser drilling.
  • the laser processing apparatus of the present disclosure has a simple configuration and can change the incident position of the laser beam on the incident end face of the optical fiber to adjust the beam profile of the laser beam. It is useful.
  • Laser oscillator 11 Base 11a Cooling water channel 12 Laser diode 13 Beam coupler 20 Condensing optical unit 21 First housing 22 Reflective mirror 23 First condensing lens (condensing lens) 30 Optical fiber 30a Incident end face 30b Outlet end face 31 1st core 32 1st clad 33 2nd core 34 2nd clad 40 Laser head 41 2nd housing 42 Collimation lens 43 2nd condensing lens 44 Protective glass 50 Chiller 51 Heat exchange Instrument 52 Pump 53 Control unit 61, 62 Cooling water piping 100 Laser processing equipment

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Abstract

レーザ加工装置（１００）は、レーザ光（ＬＢ）を発生させるレーザ発振器（１０）と、レーザ光（ＬＢ）を伝送する光ファイバ（３０）と、レーザ光（ＬＢ）をワーク（Ｗ）に向けて照射するレーザヘッド（４０）と、レーザ発振器（１０）に冷却水を流して冷却するチラー（５０）と、を備えている。レーザ発振器（１０）は、複数のレーザダイオードと、内部に冷却水路を有し、レーザダイオードが表面に実装されたベースと、を有している。レーザ加工装置（１００）は、冷却水路を流れる冷却水の水圧を変化させることで、光ファイバ（３０）に入射されるレーザ光（ＬＢ）の入射角度を変化させるように構成されている。

Description

レーザ加工装置
　本開示は、レーザ加工装置に関する。
　従来、高出力のレーザ光を光ファイバで伝送し、ワークに照射するレーザ加工装置が広く知られている。光ファイバが、軸心に第１コアが設けられ、これと同軸状に設けられた第１クラッドを挟んで第２コアが設けられた、いわゆる二重コア構造である場合を考える。この場合、光ファイバの入射端面へのレーザ光の入射位置を変化させることで、ワークに照射されるレーザ光のビームプロファイルを変化させることができる。
　例えば、特許文献１には、二重コア構造の光ファイバに対して、反射ミラーの傾きをアクチュエータで変化させることで、光ファイバの入射端面へのレーザ光の入射位置を変化させる構成が開示されている。当該入射位置を適切に調整することで、レーザ光のビーム品質を向上させている。
特表２０１９－５１０２７６号公報
　しかし、特許文献１に開示される従来の構成では、アクチュエータを別途設けるとともに、反射ミラー自体に可動機構を設ける必要がある。このような場合、レーザ加工装置の構成や制御が複雑化するとともにコストが増加してしまう。また、反射ミラーに設けられた可動機構に不具合が生じた場合、反射ミラーの交換頻度が増え、レーザ加工装置のダウンタイムが増加するおそれがある。
　本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡便な構成で、光ファイバの入射端面へのレーザ光の入射位置を変化させ、レーザ光のビームプロファイルを調整可能なレーザ加工装置を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本開示に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、前記レーザ光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバで伝送された前記レーザ光を受け取ってワークに向けて照射するレーザヘッドと、前記レーザ発振器に冷却水を流して冷却するチラーと、を少なくとも備え、前記レーザ発振器は、１または複数のレーザダイオードと、内部に冷却水路を有し、前記レーザダイオードが表面に実装されたベースと、を少なくとも有し、前記冷却水路を循環して流れる冷却水の水圧を変化させることで、前記光ファイバに入射される前記レーザ光の入射角度を変化させるように構成されていることを特徴とする。
　本開示によれば、冷却水の水圧を変化させることで、ワークに照射されるレーザ光のビームプロファイルを変化させ、ワークに対して適切なレーザ加工を行うことができる。
図１は、一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 図２Ａは、光ファイバの断面模式図である。 図２Ｂは、図２ＡのＩＩＢ－ＩＩＢ線での断面図及び光ファイバ内部の屈折率分布を示す図である。 図３は、レーザ発振器の概略構成図である。 図４は、冷却水の水圧ＰがＰ０の場合におけるレーザ光の光路を説明する図である。 図５は、冷却水の水圧ＰがＰ１の場合におけるレーザ光の光路を説明する図である。 図６は、冷却水の水圧ＰがＰ２の場合におけるレーザ光の光路を説明する図である。 図７は、冷却水の水圧と光ファイバに入射されるレーザ光の開口数との関係を示す図である。
　以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
　（実施形態）
　［レーザ加工装置の構成］
　図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図を示す。なお、以降の説明において、光ファイバ３０の入射端面３０ａと垂直な方向をＸ方向と呼び、レーザヘッド４０からワークＷに向かう方向をＺ方向と呼び、Ｘ方向及びＺ方向のそれぞれと直交する方向をＹ方向と呼ぶことがある。
　図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０と集光光学ユニット２０と光ファイバ３０とレーザヘッド４０とチラー５０とを少なくとも有している。なお、レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０の駆動用電源やその制御装置等を有しているが、これらについては、説明の便宜上、図示及び説明を省略する。
　レーザ発振器１０は、半導体レーザからの出射光を直接に用いる半導体レーザ光源（ＤＤＬ；Ｄｉｒｅｃｔ　Ｄｉｏｄｅ　Ｌａｓｅｒ）であり、レーザ光ＬＢを出射する。本実施形態では、レーザ光ＬＢの波長は９５０ｎｍ～１０００ｎｍ程度である。ただし、特にこれに限定されず、別の値であってもよい。レーザ発振器１０の構成については後で詳述する。
　集光光学ユニット２０は、第１筐体２１と反射ミラー２２と第１集光レンズ（集光レンズ）２３とを少なくとも有しており、反射ミラー２２と第１集光レンズ２３とは、互いに所定の配置関係を保った状態で、第１筐体２１の内部に固定配置されている。また、第１筐体２１は、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢが入射される光入射口（図示せず）と、光ファイバ３０が接続されるコネクタ部（図示せず）とを有している。
　反射ミラー２２は、第１筐体２１の内部に入射されたレーザ光ＬＢを第１集光レンズ２３に向けて反射する。第１集光レンズ２３は、反射ミラー２２で反射されたレーザ光ＬＢを光ファイバ３０の入射端面３０ａに入射されるように集光する。
　図１に示すように、第１集光レンズ２３から光ファイバ３０の入射端面３０ａに向かうレーザ光ＬＢの光路において、レーザ光ＬＢの光軸と、レーザ光ＬＢの最外側とがなす角度を拡がり角θとする。
　このとき、レーザ光ＬＢの開口数（ＮＡ）は、以下に示す式（１）で定義される。
　ＮＡ＝ｓｉｎθ　・・・（１）
　なお、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢにおいても、通常、開口数（ＮＡ）は維持される。つまり、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢにおいても、式（１）の関係が成立する。
　本実施形態では、レーザ光ＬＢが光ファイバ３０の第１コア３１（図２Ａ，２Ｂ参照）に入射されるように、反射ミラー２２と第１集光レンズ２３との初期の配置関係が設定されている。ただし、後で述べるように、レーザ光ＬＢは、光ファイバ３０の第１クラッド３２や第２コア３３（図２Ａ，２Ｂ参照）に入射されてもよい。
　光ファイバ３０は、集光光学ユニット２０の第１集光レンズ２３で集光されたレーザ光ＬＢを受け取ってレーザヘッド４０に向けて伝送する。光ファイバ３０の構成については後で詳述する。
　レーザヘッド４０は、光ファイバ３０で伝送されたレーザ光ＬＢを受け取って、ワークＷに向けて照射するように構成されており、第２筐体４１と複数の光学部品、図１に示す例では、コリメーションレンズ４２と第２集光レンズ４３と保護ガラス４４とを少なくとも有している。
　第２筐体４１は、光ファイバ３０が接続されるコネクタ部（図示せず）とレーザ光ＬＢがワークＷに向けて出射される光出射口（図示せず）とを有している。また、前述した複数の光学部品が、互いに所定の配置関係を保った状態で、第２筐体４１の内部に収容されている。
　光ファイバ３０の出射端面３０ｂから第２筐体４１の内部に入射したレーザ光ＬＢは、集光光学系であるコリメーションレンズ４２及び第２集光レンズ４３に入射される。
　コリメーションレンズ４２は、レーザ光ＬＢを平行光に変換し、第２集光レンズ４３は、コリメーションレンズ４２を透過したレーザ光ＬＢをワークＷの表面またはその近傍に集光するように構成されている。
　保護ガラス４４は、レーザ光ＬＢの照射によりワークＷが溶融して発生するヒュームやスパッタが、第２筐体４１の内部の光学部品に付着するのを防止するために設けられる。
　チラー５０は、レーザ発振器１０に冷却水を流してレーザ発振器１０を冷却するために設けられており、熱交換器５１とポンプ５２と制御部５３とを少なくとも有している。
　熱交換器５１は、冷却水配管６１，６２に流れる冷却水の温度を調整する。熱交換器５１は、公知の構成であり、例えば、タンク（図示せず）と配管（図示せず）とコンプレッサ（図示せず）とを備え、この配管が、冷却水配管６１，６２の外周面に巻き付く構造となっている。タンクに貯留された冷媒をコンプレッサで気化させ、配管内を循環して流すことで、冷媒の気化熱により、冷却水配管６１，６２及びその内部に流れる冷却水を冷却する。また、冷却水配管６１，６２に設けられた温度センサ（図示せず）の信号を制御部５３が受け取って、この信号に基づいて、コンプレッサの運転が制御され、冷却水の温度が一定の範囲内に保たれる。ただし、熱交換器５１の構成は、特にこれに限定されず、他の構成を適宜取りうる。
　ポンプ５２は、冷却水配管６１，６２を介して、レーザ発振器１０に設けられた冷却水路１１ａ（図３参照）に冷却水を循環して流すように構成されている。ポンプ５２から吐出される冷却水の流量は、制御部５３によって制御される。
　制御部５３は、前述したように、熱交換器５１とポンプ５２の動作を制御する。なお、熱交換器５１が特別な制御を行わずに運転できる場合、制御部５３は、少なくともポンプ５２の動作を制御する。制御部５３は、マイクロコンピュータやＬＳＩ等で構成される。
　冷却水配管６１，６２は、レーザ発振器１０とチラー５０とを接続し、内部に冷却水が流れるように構成されている。冷却水配管６１，６２は一体化されており、レーザ発振器１０に設けられた冷却水路１１ａ（図３参照）に循環して冷却水を流すように構成されている。つまり、冷却水配管６１，６２と冷却水路１１ａとで閉ループの流路が構成されている。
　冷却水配管６１が、ポンプ５２の吐出口（図示せず）に接続された配管であり、レーザ発振器１０への流入側の配管である。冷却水配管６２が、ポンプ５２の吸入口（図示せず）に接続された配管であり、レーザ発振器１０からの流出側の配管である。ただし、冷却水配管６１と冷却水配管６２とが入れ替わっていてもよい。
　なお、レーザ加工装置１００には、レーザヘッド４０を保持するマニピュレータ（図示せず）が設けられていてもよい。マニピュレータは、例えば、多関節ロボットであり、図示しない制御装置に接続され、当該制御装置からの動作指令に基づいて、所望の速度でレーザヘッド４０を所望の位置に移動させる。このようにすることで、レーザヘッド４０から出射されたレーザ光ＬＢは、ワークＷの表面に所望の軌跡を描くように照射される。
　［光ファイバの構成］
　図２Ａは、光ファイバの断面模式図を示し、図２Ｂは、図２ＡのＩＩＢ－ＩＩＢ線での断面図及び光ファイバ内部の屈折率分布を示す。なお、図２Ａ，２Ｂはあくまでも模式図であり、光ファイバ３０の各部の実際の寸法とは異なっている。
　図２Ａ，２Ｂに示すように、光ファイバ３０は、それぞれが光導波路である第１コア３１及び第２コア３３と第１クラッド３２及び第２クラッド３４とを少なくとも有しており、第２クラッド３４の外周面が遮光性の被膜（図示せず）で覆われている。
　第１コア３１は、断面視で円形状であり、光ファイバ３０の軸心に配置されている。第１クラッド３２は、第１コア３１の外周面に接して、第１コア３１と同軸に配置されており、断面視でリング状である。第２コア３３は、第１クラッド３２の外周面に接して、第１コア３１と同軸に配置されており、断面視でリング状である。第２クラッド３４は、第２コア３３の外周面に接して、第１コア３１と同軸に配置されており、断面視でリング状である。
　第１コア３１及び第２コア３３と第１クラッド３２及び第２クラッド３４とは、いずれも石英からなる。ただし、第１クラッド３２の屈折率ｎ１は、第１コア３１の屈折率ｎ０よりも低くなるように設定されている。なお、第２コア３３の屈折率ｎ０は、第１コア３１の屈折率ｎ０と同じになるように設定されている。また、第２クラッド３４の屈折率ｎ２は、第１クラッド３２の屈折率ｎ１よりも低くなるように設定されている。
　光ファイバ３０をこのように構成することで、レーザ光ＬＢが第１クラッド３２に入射された場合、レーザ光ＬＢは、主に第１コア３１と第２コア３３とに伝搬される。第１コア３１と第２コア３３とに伝搬されるレーザ光ＬＢの割合は、レーザ光ＬＢの入射位置と、第１コア３１及び第２コア３３とのそれぞれの距離に依存する。また、レーザ光ＬＢの一部は、第１クラッド３２にも伝搬される。
　一方、レーザ光ＬＢが第２コア３３を伝搬する場合、レーザ光ＬＢは、第２クラッド３４の内部にほぼ進入しない。つまり、レーザ光ＬＢは、第２コア３３の内部を伝搬してレーザヘッド４０に到達する。
　［レーザ発振器の構成］
　図３は、レーザ発振器の概略構成図を示し、レーザ発振器１０は、図示しない筐体の内部に、少なくともベース１１と複数のレーザダイオード１２とビーム結合器１３とが配置されて構成されている。なお、以降の説明において、ベース１１の厚さ方向を上下方向と呼ぶことがある。上下方向において、ベース１１のレーザダイオード１２が実装された側を上または上方あるいは上側と呼び、その反対側を下または下方あるいは下側と呼ぶことがある。
　ベース１１は、内部に冷却水路１１ａが設けられた直方体状の部品である。ベース１１は、銅等の熱伝導性の高い金属からなり、必要に応じて、表面に金等のコーティング（図示せず）が施されている。
　冷却水路１１ａは、第１水路１１ａ１と第２水路１１ａ２と複数の第３水路１１ａ３とで構成されている。図３に示す破線の矢印は、冷却水が流れる方向を示している。
　第１水路１１ａ１は、冷却水配管６１が接続された流入口１１ｂ１から複数のレーザダイオード１２の配列方向に沿って延びている。第１水路１１ａ１のうち、この部分は、複数のレーザダイオード１２の発光点の近傍に配置される。また、第１水路１１ａ１は、平面視で複数のレーザダイオード１２の周りを囲んで折り返し、複数のレーザダイオード１２の配列方向に沿って延びて、冷却水配管６２が接続された流出口１１ｂ２に達している。
　第２水路１１ａ２は、第１水路１１ａ１の折り返し部分から分岐して、ベース１１の外周に沿って延び、流出口１１ｂ２に達している。第３水路１１ａ３は、第１水路１１ａ１のうち、並列して延びる２つの部分を接続するように延びている。また、第３水路１１ａ３は、複数のレーザダイオード１２のそれぞれの下方に設けられている。
　複数のレーザダイオード１２は、図示しない接着材を介して、それぞれベース１１の表面に実装されている。レーザダイオード１２がベース１１の表面に直接実装されていてもよい。また、レーザダイオード１２が図示しないサブマウント等を介してベース１１の表面に実装されていてもよい。また、複数のレーザダイオード１２は、第１水路１１ａ１の長手方向に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。なお、本実施形態では、レーザダイオード１２の個数は、１１個であるが、特にこれに限定されない。
　冷却水が流入口１１ｂ１から冷却水路１１ａに供給されると、冷却水は、第１水路１１ａ１を通って流出口１１ｂに流れる。このとき、第１水路１１ａには、冷却水配管６１を介してチラー５０から供給された冷却水、つまり、温度が一定に保たれた冷却水が直接流れ込む。このことにより、複数のレーザダイオード１２のうち、発光点に近い側の冷却効率を向上でき、レーザダイオード１２の温度上昇を抑制できる。
　また、複数のレーザダイオード１２のそれぞれの下方に設けられた第３冷却水路１１ａ３に冷却水が流れることで、レーザダイオード１２の冷却効率がさらに向上し、レーザダイオード１２の温度上昇を抑制できる。
　また、冷却水は、第１水路１１ａ１を流れると同時に、第１水路１１ａ１の分岐部から第２水路１１ａ２を通って流出口１１ｂに流れる。このため、ベース１１を全体的に冷却でき、ベース１１の温度を安定化させる。このことにより、レーザダイオード１２の温度上昇を抑制できる。
　ビーム結合器１３は、複数のレーザダイオード１２のそれぞれから出射されたレーザ光ＬＢ１～ＬＢｎを受け取って、これら１つのレーザ光ＬＢに結合する。結合方式は、空間結合であってもよい。また、レーザ光ＬＢ１～ＬＢｎの波長がそれぞれ異なる場合は、これらを波長結合して１つのレーザ光ＬＢとしてもよい。結合方式に応じて、ビーム結合器１３に設けられた光学部品の種類や個数、また、互いの配置関係は適宜変更されうる。
　なお、ベース１１に実装されるレーザダイオード１２の個数が１個の場合は、ビーム結合器１３は省略される。
　［本願発明に至った知見］
　図４は、冷却水の水圧ＰがＰ０の場合におけるレーザ光の光路の説明図を、図５は、冷却水の水圧ＰがＰ１の場合におけるレーザ光の光路の説明図を、図６は、冷却水の水圧ＰがＰ２の場合におけるレーザ光の光路の説明図をそれぞれ示す。図７は、冷却水の水圧と光ファイバに入射されるレーザ光の開口数との関係を示す。なお、説明の便宜上、図４～６において、レーザ光ＬＢは、光軸のみを示している。また、レーザ光ＬＢのビームプロファイルとして、パワー密度のＸ方向の一次元分布を示している。なお、図４～６において、Ｘ方向は、ワークＷの表面に平行な方向として示している。
　図４に示すように、冷却水の水圧ＰがＰ０の場合、集光光学ユニット２０に入射されたレーザ光ＬＢは、反射ミラー２２に入射される。反射ミラー２２の表面は、レーザ光ＬＢの光軸と４５度の角度をなすように配置されている。よって、反射ミラー２２で反射されたレーザ光ＬＢは、もとの光軸と９０度の角度をなして、第１集光レンズ２３に入射される。このとき、レーザ光ＬＢの光軸と第１集光レンズ２３の中心と光ファイバ３０の第１コア３１とが、ほぼ一直線上に位置するように、第１集光レンズ２３及び光ファイバ３０が予め配置されている。したがって、レーザ光ＬＢは、光ファイバ３０の入射端面３０ａに対してほぼ垂直に入射され、レーザ光ＬＢは、第１コア３１の内部を伝搬してレーザヘッド４０に達する。
　一方、本願発明者等は、冷却水の水圧Ｐを変化させた場合、光ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢの開口数が変化することを見出した。
　図７に示すように、冷却水の水圧ＰがＰ０を含む所定の範囲（以下、通常の使用範囲と呼ぶことがある）内である場合、レーザ光ＬＢの開口数はほぼ変化しない。一方、冷却水の水圧Ｐが前述の所定の範囲よりも低くなると、レーザ光ＬＢの開口数は、水圧Ｐが低下するにつれて大きくなる。また、冷却水の水圧Ｐが通常の使用範囲よりも高くなると、レーザ光ＬＢの開口数は、水圧Ｐが高くなるにつれて大きくなる。
　この現象は、冷却水の水圧Ｐの変化によって、冷却水路１１ａ、特に冷却水が最初に流れ込む第１水路１１ａ１の近傍で、ベース１１が若干変形するためだと考えられた。つまり、冷却水の水圧Ｐが通常の使用範囲よりも低くなると、冷却水路１１ａの内部と外部とで圧力バランスが大きく変化し、ベース１１が若干変形する。その結果、レーザダイオード１２から出射されるレーザ光ＬＢ１～ＬＢｎの光軸が、もとの方向に対して下方を向くようになる。また、冷却水の水圧Ｐが通常の使用範囲よりも高くなると、冷却水路１１ａの内部と外部とで圧力バランスが大きく変化し、ベース１１が若干変形する。その結果、レーザダイオード１２から出射されるレーザ光ＬＢ１～ＬＢｎの光軸が、もとの方向に対して上方を向くようになる。
　レーザ光ＬＢ１～ＬＢｎの光軸の方向変化が、これらが合成されてなるレーザ光ＬＢの光軸の方向を変化させる。その結果、例えば、図５に示すように、冷却水の水圧ＰがＰ０よりも低いＰ１になると、レーザ光ＬＢがもとの光軸から角度θ１傾いて、集光光学ユニット２０に入射される。その結果、光ファイバ３０の入射端面３０ａに入射されるレーザ光ＬＢの入射角度も、もとの角度から角度θ１傾く。この光軸の傾きは、レーザ光ＬＢの開口数に反映され、図５に示す例では、レーザ光ＬＢの開口数は式（２）に示す関係で表される。
　ＮＡ１＝ｓｉｎ（θ＋θ１）　・・・（２）
　ここで、０°＜θ＜９０°、０°＜θ＋θ１＜９０°を満たせば、式（３）の関係が成り立つ。
　ＮＡ１＞ｓｉｎθ（＝ＮＡ０）　・・・（３）
　また、冷却水の水圧ＰがＰ０よりも高いＰ２になると、レーザ光ＬＢがもとの光軸から角度θ２傾いて、集光光学ユニット２０に入射される。その結果、光ファイバ３０の入射端面３０ａに入射されるレーザ光ＬＢの入射角度も、もとの角度から角度θ２傾く。この光軸の傾きは、レーザ光ＬＢの開口数に反映される。ここで、０°＜θ＜９０°、０°＜θ＋θ２＜９０°、θ１＝θ２を満たせば、図６に示す例では、レーザ光ＬＢの開口数は式（４）、（５）に示す関係で表される。
　ＮＡ１＝ｓｉｎ（θ＋θ２）（＝ｓｉｎ（θ＋θ１））・・・（４）
　ＮＡ１＞ｓｉｎθ（＝ＮＡ０）　・・・（５）
　また、図５，６に示すように、光ファイバ３０の入射端面３０ａに入射されるレーザ光ＬＢの入射角度が、もとの角度から角度θ１または角度θ２程度傾くと、レーザ光ＬＢは、第１クラッド３２に入射されるようになる。前述したように、第１クラッド３２に入射されたレーザ光ＬＢは、第１コア３１と第２コア３３に分かれて伝送されるようになる。
　その結果、図４に示す例では、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルが、単峰状のガウシアン分布となるのに対して、図５，６に示す例では、双峰状の分布となる。
　［効果等］
　以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１０と、レーザ光ＬＢを伝送する光ファイバ３０と、を備えている。また、レーザ加工装置１００は、光ファイバ３０で伝送されたレーザ光ＬＢを受け取ってワークＷに向けて照射するレーザヘッド４０と、レーザ発振器１０に冷却水を流して冷却するチラー５０と、を少なくとも備えている。
　レーザ発振器１０は、複数のレーザダイオード１２と、内部に冷却水路１１ａを有し、レーザダイオード１２が表面に実装されたベース１１と、を少なくとも有している。
　レーザ加工装置１００は、冷却水路１１ａを循環して流れる冷却水の水圧Ｐを変化させることで、光ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢの入射角度を変化させるように構成されている。
　言い換えると、レーザ加工装置１００は、冷却水路１１ａを循環して流れる冷却水の水圧Ｐを変化させることで、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢの開口数（ＮＡ）を変化させるように構成されている。
　また、光ファイバ３０は、軸心に第１コア３１と、第１コア３１の外周面に接して、第１コア３１と同軸に設けられた第１クラッド３２と、を有している。
　また、光ファイバ３０は、第１クラッド３２の外周面に接して、第１コア３１と同軸に設けられた第２コア３３と、第２コア３３の外周面に接して、第１コア３１と同軸に設けられた第２クラッド３４と、を少なくとも有している。
　本実施形態のレーザ加工装置１００において、冷却水の水圧Ｐを通常の使用範囲内の圧力Ｐ０に設定している場合は、図４及び図７に示すように、レーザ光ＬＢは、光ファイバ３０の第１コア３１の内部を伝搬してレーザヘッド４０に達する。
　一方、本実施形態のレーザ加工装置１００は、前述した構成を備えることにより、冷却水の水圧ＰをＰ０から、それよりも低い圧力Ｐ１、または、Ｐ０よりも高い圧力Ｐ２に変化させることで、レーザ光ＬＢが第１コア３１及び第２コア３３のそれぞれの内部を伝搬してレーザヘッド４０に達する。
　このことにより、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを、単峰状のガウシアン分布から双峰状の分布に変化させることができる。
　つまり、本実施形態のレーザ加工装置１００は、冷却水路１１ａを循環して流れる冷却水の水圧Ｐを変化させることで、光ファイバ３０から出射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変化させるように構成されている。
　例えば、材質が軟鋼のワークＷをレーザ切断する場合を考える。ワークＷが、例えば、板厚が１ｍｍ～３ｍｍ程度の薄板の場合、光ファイバ３０から出射され、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルが、図４に示すように、単峰状のガウシアン分布になるようにする。つまり、レーザ光ＬＢを光ファイバ３０の入射端面３０ａにほぼ垂直に入射させ、レーザ光ＬＢが第１コア３１の内部を伝搬してレーザヘッド４０に達するようにする。このようにすることで、ワークＷの切断幅を小さくできるとともに、切断面を滑らかにすることができる。
　一方、ワークＷが、例えば、板厚が１５ｍｍ～２５ｍｍ程度の厚板の場合、図４に示すビームプロファイルでは、ワークＷへの入熱範囲が狭くなり、所望の切断を行えないことがある。このような場合には、冷却水の水圧ＰをＰ０からＰ１に低下させて、光ファイバ３０から出射され、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルが、図５に示すように、双峰状の分布になるようにする。このようにすることで、ワークＷの切断箇所に対して、入熱を確保でき、また、切断面を滑らかにすることができる。
　このように、本実施形態によれば、ワークＷの形状等に応じて、冷却水の水圧Ｐを変化させることで、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変化させ、ワークＷに対して適切なレーザ加工を行うことができる。
　なお、光ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢの入射角度、ひいては、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変化させる場合、冷却水の水圧Ｐを通常の使用範囲内の圧力Ｐ０よりも低い圧力Ｐ１に変化させるのが好ましい。ベース１１に過度の負荷が加わるのを抑制できる。ただし、ベース１１の強度が十分に確保されていれば、冷却水の水圧Ｐを通常の使用範囲内の圧力Ｐ０よりも高い圧力Ｐ２に変化させてもよい。また、光ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢの入射角度に応じて、圧力Ｐ１または圧力Ｐ２が変更されるのは言うまでもない。
　また、本実施形態では、冷却水の水圧Ｐを通常の使用圧力内の圧力Ｐ０に設定している場合、レーザ光ＬＢが光ファイバ３０の第１コア３１の内部を伝搬するようにしたが、この圧力条件で、レーザ光ＬＢが第１コア３１及び第２コア３３の内部を伝搬するようにしてもよい。その場合、冷却水の水圧Ｐを圧力Ｐ０から変化させることで、レーザ光ＬＢが光ファイバ３０の第１コア３１に伝送され、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルが、単峰状のガウシアン分布となるようにしてもよい。
　チラー５０は、冷却水の温度を調整する熱交換器５１と、冷却水路１１ａに冷却水を循環して流すポンプ５２と、少なくともポンプ５２の動作を制御する制御部５３と、を少なくとも有している。制御部５３は、ポンプ５２から吐出される冷却水の流量を変化させることで、冷却水路１１ａに流れる冷却水の水圧を変化させるように構成されている。
　このようにすることで、公知の構成のチラー５０を用いて、簡便に冷却水路１１ａに流れる冷却水の水圧を変化させることができる。また、高出力のレーザ発振器１０を備えたレーザ加工装置１００では、レーザ発振器１０を冷却するチラー５０を設けることは必須と言える。つまり、通常、使用されるレーザ加工装置１００を構成するにあたって、特別な設備を追加することなく、光ファイバ３０に入射されるレーザ光ＬＢの入射角度を変化させることができる。このことにより、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変化させ、ワークＷに対して適切なレーザ加工を行うことができる。
　また、レーザ加工装置１００は、反射ミラー２２と第１集光レンズ（集光レンズ）２３とを少なくとも有する集光光学ユニット２０をさらに備えている。
　反射ミラー２２は、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢを第１集光レンズ２３に向けて反射し、第１集光レンズ２３は、レーザ光ＬＢを集光して光ファイバ３０の入射端面３０ａに入射させる。
　レーザ加工装置１００は、さらに、冷却水路１１ａを循環して流れる冷却水の水圧を変化させることで、反射ミラー２２に入射されるレーザ光ＬＢの入射角度を変化させるように構成されている。
　このようにすることで、光ファイバ３０の入射端面３０ａに入射されるレーザ光ＬＢの入射角度を簡便に変化させることができる。また、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変化させ、ワークＷに対して適切なレーザ加工を行うことができる。
　（その他の実施形態）
　前述の実施形態では、光ファイバ３０は、いわゆる二重コア構造であったが、シングルコア構造のファイバであってもよい。この場合も、冷却水の水圧Ｐを変化させると、光ファイバ３０の入射端面３０ａに入射されるレーザ光ＬＢの入射角度を変化させることができる。このことにより、例えば、レーザ光ＬＢの開口数が大きくなるようにできる。また、この場合、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルは、図４に示すように、単峰状が維持されるが、半値幅が大きくなり、拡がった形状になる。
　また、本願明細書では、レーザ切断を例に取って説明したが、本開示のレーザ加工装置１００が、それ以外の加工、例えば、レーザ溶接やレーザ穴開け等に適用できることは言うまでもない。
　本開示のレーザ加工装置は、簡便な構成で、光ファイバの入射端面へのレーザ光の入射位置を変化させ、レーザ光のビームプロファイルを調整できるため、種々のレーザ加工が可能なレーザ加工装置として有用である。
１０　　レーザ発振器
１１　　ベース
１１ａ　冷却水路
１２　　レーザダイオード
１３　　ビーム結合器
２０　　集光光学ユニット
２１　　第１筐体
２２　　反射ミラー
２３　　第１集光レンズ（集光レンズ）
３０　　光ファイバ
３０ａ　入射端面
３０ｂ　出射端面
３１　　第１コア
３２　　第１クラッド
３３　　第２コア
３４　　第２クラッド
４０　　レーザヘッド
４１　　第２筐体
４２　　コリメーションレンズ
４３　　第２集光レンズ
４４　　保護ガラス
５０　　チラー
５１　　熱交換器
５２　　ポンプ
５３　　制御部
６１，６２　冷却水配管
１００　レーザ加工装置

Claims (7)

  1. 　レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
    　前記レーザ光を伝送する光ファイバと、
    　前記光ファイバで伝送された前記レーザ光を受け取ってワークに向けて照射するレーザヘッドと、
    　前記レーザ発振器に冷却水を流して冷却するチラーと、を少なくとも備え、
    　前記レーザ発振器は、
    　　１または複数のレーザダイオードと、
    　　内部に冷却水路を有し、前記レーザダイオードが表面に実装されたベースと、を少なくとも有し、
    　前記冷却水路を循環して流れる冷却水の水圧を変化させることで、前記光ファイバに入射される前記レーザ光の入射角度を変化させるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 　請求項１に記載のレーザ加工装置において、
    　前記チラーは、
    　　前記冷却水の温度を調整する熱交換器と、
    　　前記冷却水路に前記冷却水を循環して流すポンプと、
    　　少なくとも前記ポンプの動作を制御する制御部と、を少なくとも有し、
    　前記制御部は、前記ポンプから吐出される前記冷却水の流量を変化させることで、前記冷却水路に流れる前記冷却水の水圧を変化させるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
  3. 　請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
    　反射ミラーと集光レンズとを少なくとも有する集光光学ユニットをさらに備え、
    　前記反射ミラーは、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を前記集光レンズに向けて反射し、
    　前記集光レンズは、前記レーザ光を集光して前記光ファイバの入射端面に入射させ、
    　前記冷却水路を循環して流れる冷却水の水圧を変化させることで、前記反射ミラーに入射される前記レーザ光の入射角度を変化させるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
    　前記光ファイバは、
    　　軸心に第１コアと、
    　　前記第１コアの外周面に接して、前記第１コアと同軸に設けられた第１クラッドと、
    　　前記第１クラッドの外周面に接して、前記第１コアと同軸に設けられた第２コアと、
    　　前記第２コアの外周面に接して、前記第１コアと同軸に設けられた第２クラッドと、を少なくとも有することを特徴とするレーザ加工装置。
  5. 　請求項４に記載のレーザ加工装置において、
    　前記冷却水路を循環して流れる前記冷却水の水圧を変化させることで、前記レーザ光が前記第１コア及び前記第２コアにそれぞれ伝送されるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
  6. 　請求項４に記載のレーザ加工装置において、
    　前記冷却水路を循環して流れる前記冷却水の水圧を変化させることで、前記レーザ光が前記第１コアに伝送されるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
  7. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
    　前記冷却水路を循環して流れる前記冷却水の水圧を変化させることで、前記光ファイバから出射される前記レーザ光のビームプロファイルを変化させるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
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