JP2003066375A - レーザビーム分岐装置及び分岐方法 - Google Patents

レーザビーム分岐装置及び分岐方法

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JP2003066375A
JP2003066375A JP2001253050A JP2001253050A JP2003066375A JP 2003066375 A JP2003066375 A JP 2003066375A JP 2001253050 A JP2001253050 A JP 2001253050A JP 2001253050 A JP2001253050 A JP 2001253050A JP 2003066375 A JP2003066375 A JP 2003066375A
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JP
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laser beam
wave plate
laser
axis
branching
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Akira Tsunemi
明良 常見
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 分岐後の2本のレーザビームのパワーの比を
調整することが可能なレーザ分岐装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光源から出射したレーザビームの
経路内に配置された分岐光学素子が、入射するレーザビ
ームの一部の成分を反射させ、残りの成分を透過させ
る。相互に直交する第1の偏光成分と第2の偏光成分と
の反射率が、相互に異なる。1/2波長板が、レーザ光
源と分岐光学素子との間のレーザビームの経路内に配置
されている。1/2波長板の速軸及び遅軸は、レーザビ
ームの進行方向に直交する。1/2波長板の速軸及び遅
軸がレーザビームの進行方向に平行な軸を回転中心とし
て回転できるように、保持機構が1/2波長板を保持
し、かつ所望の位置で固定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビーム分岐
装置及び分岐方法に関し、特に分岐後のレーザビームの
パワーを微調整することが可能なレーザビーム分岐装置
及び分岐方法に関する。
【0002】
【従来の技術】レーザ加工機において、レーザ光源から
出射したレーザビームを2分岐させ、分岐した2本のレ
ーザビームを異なる加工対象物に入射させると、分岐さ
せない場合に比べて、実質的に2倍の加工速度を得るこ
とができる。このような、2軸同時レーザ加工機では、
半透過、半反射になるようなコーティングを施したいわ
ゆるハーフミラーを用いて、レーザビームを分岐させて
いた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術を用い
てレーザビームを分岐させる場合には、ハーフミラーの
コーティングの精度のばらつきのため、分岐後の2本の
レーザビームの各々のパワーを、高精度に、分岐前のレ
ーザビームのパワーの50%にすることが困難であっ
た。分岐後の2本のレーザビームのパワーが不一致であ
る場合には、高パワーのレーザビームの経路内に減衰板
を挿入していた。この方法では、レーザビームのパワー
の不一致がどの程度になるか不明であるため、減衰量の
異なる複数の減衰板を準備しておく必要がある。
【0004】本発明の目的は、分岐後の2本のレーザビ
ームのパワーの比を調整することが可能なレーザ分岐装
置及び分岐方法を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ
光源から出射したレーザビームの経路内に配置され、入
射するレーザビームの一部の成分を反射させ、残りの成
分を透過させる分岐光学素子であって、相互に直交する
第1の偏光成分と第2の偏光成分との反射率が、相互に
異なる前記分岐光学素子と、前記レーザ光源と前記分岐
光学素子との間のレーザビームの経路内に配置され、該
レーザビームの進行方向に直交する速軸と遅軸とを有す
る1/2波長板と、前記1/2波長板の速軸と遅軸とが
レーザビームの進行方向に平行な軸を回転中心として回
転できるように、該1/2波長板を保持し、かつ所望の
位置で固定することができる保持機構とを有するレーザ
ビーム分岐装置が提供される。
【0006】1/2波長板の速軸と遅軸とを回転させる
と、第1の偏光成分のパワーと第2の偏光成分のパワー
との比を変化させることができる。これにより、分岐光
学素子によるレーザビームの反射率が変化する。従っ
て、1/2波長板の速軸と遅軸とを回転させることによ
り、分岐光学素子によるパワーの分配比を変えることが
できる。
【0007】本発明の他の観点によると、レーザビーム
を、1/2波長板に入射させる工程と、入射するレーザ
ビームの一部の成分を反射させ、残りの成分を透過さ
せ、相互に直交する第1の偏光成分と第2の偏光成分と
の反射率が相互に異なる分岐光学素子に、前記1/2波
長板を透過したレーザビームを入射させ、入射したレー
ザビームの一部を反射させ、残りを透過させる工程と、
前記分岐光学素子で反射したレーザビーム及び該分岐光
学素子を透過したレーザビームの少なくとも一方のパワ
ーを監視しながら、前記1/2波長板の速軸と遅軸と
を、前記レーザビームの中心軸に平行な軸を回転中心と
して回転させ、監視されているレーザビームのパワーが
所望の値になると回転を停止させ、その位置で該1/2
波長板を固定する工程とを有するレーザビームの分岐方
法が提供される。
【0008】1/2波長板の速軸と遅軸とを回転させる
だけで、容易に、分岐光学素子によるパワーの分配比を
変えることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】図1に、本発明の実施例によるレ
ーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源1が、レーザ
ビームを出射する。レーザ光源1は、例えば炭酸ガスレ
ーザである。レーザ光源1から出射したレーザビーム
が、1/2波長板2に入射する。1/2波長板2は、例
えばCdSで形成することができる。
【0010】1/2波長板2を透過したレーザビーム
が、偏光板4に入射角45°で入射する。偏光板4の法
線と入射光光軸とを含む仮想平面に垂直な偏光方向(図
1の紙面に垂直な方向)を有するS偏光成分は反射し、
それに直交する偏光方向(図1の縦方向)を有するP偏
光成分は透過する。偏光板4として、例えばGe、Zn
Se、KCl、NaCl等を用いることができる。
【0011】偏光板4で反射したレーザビームは、レン
ズ6により収束され、XYステージ10の可動面上に載
置された加工対象物12に入射する。偏光板4を透過し
たレーザビームは、折返しミラー5で反射し、レンズ7
により収束され、XYステージ11の可動面上に載置さ
れた加工対象物13に入射する。加工対象物12及び1
3にレーザビームが入射することにより、穴あけ加工等
が行われる。
【0012】XYステージ10及び11の可動面上に、
それぞれパワーモニタ14および15が取り付けられて
いる。レーザビームがパワーモニタ14及び15に入射
するようにXYステージ10及び11を駆動することに
より、偏光板4で反射したレーザビーム及び偏光板4を
透過したレーザビームのパワーをモニタすることができ
る。
【0013】1/2波長板2は、その速軸と遅軸とがレ
ーザビームの中心軸に対して直交するように、保持機構
3により保持されている。保持機構3は、レーザビーム
の進行方向に平行な軸を回転中心として、1/2波長板
を回転させ、所望の位置で固定することができる。な
お、回転の中心軸は、上述のようにレーザビームの進行
方向に平行であってもよいし、実質的に同等の効果が得
られる場合には、回転中心軸がレーザビームの進行方向
からやや傾いていてもよい。
【0014】レーザ光源1から出射するレーザビームが
直線偏光である場合について説明する。1/2波長板2
の速軸と遅軸とが、入射するレーザビームの偏光方向に
一致する場合には、偏光方向が変化することなくそのま
ま透過する。1/2波長板2の速軸と遅軸とを、入射す
るレーザビームの偏光方向から角度θだけ傾けると、レ
ーザビームの偏光方向が角度2θだけ旋回する。1/2
波長板2の速軸または遅軸の傾き角θを調節することに
より、偏光板4に対するS偏光成分とP偏光成分とのパ
ワー比が50%ずつになるように制御することができ
る。
【0015】このとき、偏光板4で反射するレーザビー
ムのパワーと、偏光板4を透過するレーザビームのパワ
ーとが等しくなる。パワーモニタ14及び15でレーザ
ビームのパワーをモニタしながら、1/2波長板2の速
軸または遅軸の傾き角θを調節することにより、偏光板
4で分岐された2本のレーザビームのパワーを容易に等
しくすることができる。
【0016】次に、レーザ光源1から出射するレーザビ
ームがランダム偏光である場合について説明する。ラン
ダム偏光のレーザビームは、原理的にはS偏光成分とP
偏光成分とを同じ割合で含む。しかし、実際には光共振
器の構造や励起方式等によって、厳密には両者の割合が
等しくならない。このような場合、1/2波長板2の速
軸または遅軸の傾き角θを調節することにより、S偏光
成分とP偏光成分とのパワー比を50%ずつにすること
ができる。
【0017】上記実施例では、偏光板4でレーザビーム
を分岐させる場合について説明したが、偏光板4の代わ
りに部分反射鏡(ハーフミラー)を用いることもでき
る。ハーフミラーは、入射するレーザビームの一部を反
射させ、残りを透過させるが、部分反射鏡に対するS偏
光成分の反射率とP偏光成分の反射率とは、相互に異な
る。なお、ハーフミラーにおいては、表面コーティング
等により、入射レーザビームの透過率及び反射率を自在
に制御することが可能である。
【0018】ハーフミラーに入射するレーザビームのS
偏光成分のパワーの割合をSとすると、P偏光成分のパ
ワーの割合は1−Sになる。S偏光成分の反射率を
S、P偏光成分の反射率をRPとすると、ハーフミラー
で反射するレーザビームのパワーの割合PRは、
【0019】
【数2】 PR=S×RS+(1−S)×RP ・・・(2) となる。レーザビームのパワーが、反射ビームと透過ビ
ームとに等分されるためには、
【0020】
【数3】PR=0.5 ・・・(3) となればよい。
【0021】まず、レーザ光源1から出射するレーザビ
ームが直線偏光である場合について説明する。レーザビ
ームが直線偏光である場合には、1/2波長板2の速軸
または遅軸の傾き角θを調節することにより、S変更成
分のパワーの割合を0から1の範囲で任意に設定するこ
とができる。
【0022】式(2)と(3)とをSについて解き、S
偏光成分のパワーの割合Sが0以上1以下であるという
条件を与えると、
【0023】
【数4】RS≧0.5 かつ RP≦0.5 または、 RS≦0.5 かつ RP≧0.5 ・・・(4) という条件が導き出される。式(4)の条件を満足する
ようなハーフミラーを用いることにより、レーザビーム
を、相互に等しいパワーの2本のレーザビームに分岐さ
せることができる。
【0024】次に、レーザ光源から出射するレーザビー
ムがランダム偏光である場合について説明する。レーザ
ビームがランダム偏光である場合には、1/2波長板2
の速軸または遅軸の傾き角θを調節しても、S偏光成分
のパワーの割合Sを0から1の全範囲内で変化させるこ
とはできず、そのとり得る範囲は狭くなる。S偏光成分
のパワーの割合Sのとり得る範囲の最小値をPmin、最
大値をPmaxとする。
【0025】式(2)と(3)をSについて解き、P
min≦S≦Pmaxの条件を与えると、
【0026】
【数5】 Pmin<(0.5−RP)/(RS−RP)<Pmax ・・・(5) が得られる。式(5)の条件を満足するハーフミラーを
用いることにより、ランダム偏光のレーザビームを、相
互に等しいパワーの2本のレーザビームに分岐させるこ
とができる。
【0027】上記実施例では、レーザビームのパワーの
分配比を1:1にする場合について説明したが、1/2
波長板2の速軸または遅軸の傾き角θを調節することに
より、分配比を連続的に変えることも可能である。パワ
ーモニタ14または15でパワーをモニタしながら、1
/2波長板2を回転させることにより、2本のレーザビ
ームへのパワーの配分比を変化させることができる。所
望の配分比になったところで1/2波長板2を固定する
と、その配分比でレーザ加工を行うことができる。ま
た、上記実施例では、従来のように減衰板を用いないた
め、レーザビームのパワー損失を少なくすることができ
る。
【0028】上述の実施例によるレーザ分岐装置は、炭
酸ガスレーザ加工機に限らず、その他の固体レーザ(N
d:YAGレーザ、Nd:YLFレーザ、Nd:YVO
4レーザ、Ti:サファイアレーザ)、またはそれらの
高調波を用いた加工機にも適用可能である。
【0029】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
1/2波長板を用いてレーザビームの偏光状態を変え、
偏光状態によって分岐特性が変動する分岐光学素子を用
いてレーザビームを分岐させることにより、レーザビー
ムのパワーの分配比を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるレーザビーム分岐装置の
概略図である。
【符号の説明】
1 レーザ光源 2 1/2波長板 3 保持機構 4 偏光板 5 折返しミラー 6、7 レンズ 10、11 XYステージ 12、13 加工対象物 14、15 パワーモニタ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザビームを出射するレーザ光源と、 前記レーザ光源から出射したレーザビームの経路内に配
    置され、入射するレーザビームの一部の成分を反射さ
    せ、残りの成分を透過させる分岐光学素子であって、相
    互に直交する第1の偏光成分と第2の偏光成分との反射
    率が、相互に異なる前記分岐光学素子と、 前記レーザ光源と前記分岐光学素子との間のレーザビー
    ムの経路内に配置され、該レーザビームの進行方向に直
    交する速軸及び遅軸を有する1/2波長板と、 前記1/2波長板の速軸と遅軸とがレーザビームの進行
    方向にほぼ平行な軸を回転中心として回転できるよう
    に、該1/2波長板を保持し、かつ所望の位置で固定す
    ることができる保持機構とを有するレーザビーム分岐装
    置。
  2. 【請求項2】 前記分岐光学素子が偏光板である請求項
    1に記載のレーザビーム分岐装置。
  3. 【請求項3】 前記分岐光学素子が部分反射鏡であり、
    該部分反射鏡の反射面の法線と入射光光軸とを含む仮想
    平面に垂直な方向の第1の偏光成分の反射率をR1、該
    仮想平面に平行な第2の偏光成分の反射率をR2、前記
    1/2波長板を回転可能な範囲内で回転させたとき、該
    1/2波長板を透過したレーザビームの全パワーに対す
    る第1の偏光成分のパワーの割合の最大値をPmax、最
    小値をPm inとすると、 【数1】 Pmin<(0.5−R2)/(R1−R2)<Pmax が成立する請求項1に記載のレーザビーム分岐装置。
  4. 【請求項4】 レーザビームを、1/2波長板に入射さ
    せる工程と、 入射するレーザビームの一部の成分を反射させ、残りの
    成分を透過させ、相互に直交する第1の偏光成分と第2
    の偏光成分との反射率が相互に異なる分岐光学素子に、
    前記1/2波長板を透過したレーザビームを入射させ、
    入射したレーザビームの一部を反射させ、残りを透過さ
    せる工程と、 前記分岐光学素子で反射したレーザビーム及び該分岐光
    学素子を透過したレーザビームの少なくとも一方のパワ
    ーを監視しながら、前記1/2波長板の速軸と遅軸と
    を、前記レーザビームの中心軸に平行な軸を回転中心と
    して回転させ、監視されているレーザビームのパワーが
    所望の値になると回転を停止させ、その位置で該1/2
    波長板を固定する工程とを有するレーザビームの分岐方
    法。
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