JP3241707B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
レーザ加工装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は効率良く、品質の
良いレーザ加工を行うことができるレーザ加工装置に関
するものである。
良いレーザ加工を行うことができるレーザ加工装置に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】図２は、例えばレーザ学会編，「レーザ
ハンドブック」，第２２２頁，オーム社，（1982年）に
示された、従来のレーザ加工装置に使用される固体レー
ザ装置を示す断面図である。図において、１は全反射ミ
ラー、２は部分反射ミラーで、これら両者によりレーザ
共振器が構成されている。また、３は固体レーザのレー
ザ媒質となる固体素子、４は固体素子３を励起するアー
クランプ等の励起光源、５は励起光源４を点灯する電
源、６は励起光源４の集光器、７は固体素子３の周面と
集光器６の接触部を封止するＯリングなどのシール材、
８は基台、１４はこのレーザ共振器内で発生するレーザ
光、１５はこのレーザ装置から射出されるレーザビーム
である。
ハンドブック」，第２２２頁，オーム社，（1982年）に
示された、従来のレーザ加工装置に使用される固体レー
ザ装置を示す断面図である。図において、１は全反射ミ
ラー、２は部分反射ミラーで、これら両者によりレーザ
共振器が構成されている。また、３は固体レーザのレー
ザ媒質となる固体素子、４は固体素子３を励起するアー
クランプ等の励起光源、５は励起光源４を点灯する電
源、６は励起光源４の集光器、７は固体素子３の周面と
集光器６の接触部を封止するＯリングなどのシール材、
８は基台、１４はこのレーザ共振器内で発生するレーザ
光、１５はこのレーザ装置から射出されるレーザビーム
である。
【０００３】固体素子３はレーザ活性物質を含み、ＹＡ
Ｇ(Yttrium Aluminum Garnet)固体レーザの場合は、レ
ーザ活性物質としてＮｄ3+をドーピングしたＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶を用いる。集光器６は、例えば断面形状が楕円
で、その２つの焦点にそれぞれ固体素子３と励起光源４
を配置し、内面を光反射面とすることにより励起光源４
からの光を固体素子３に集光する。
Ｇ(Yttrium Aluminum Garnet)固体レーザの場合は、レ
ーザ活性物質としてＮｄ3+をドーピングしたＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶を用いる。集光器６は、例えば断面形状が楕円
で、その２つの焦点にそれぞれ固体素子３と励起光源４
を配置し、内面を光反射面とすることにより励起光源４
からの光を固体素子３に集光する。
【０００４】次に動作について説明する。固体素子３
は、励起光源４から所定波長の光を吸収すると、レーザ
遷移によりレーザ光１４を発生するが、このレーザ光１
４は、レーザ共振器内で２つのミラー１，２間を往復す
る間に増幅され、一定の強度に達すると、指向性のよい
レーザビーム１５として、部分反射ミラー２を通して外
部に放出される。
は、励起光源４から所定波長の光を吸収すると、レーザ
遷移によりレーザ光１４を発生するが、このレーザ光１
４は、レーザ共振器内で２つのミラー１，２間を往復す
る間に増幅され、一定の強度に達すると、指向性のよい
レーザビーム１５として、部分反射ミラー２を通して外
部に放出される。
【０００５】また、図３は、例えば米国特許第３，８０
３，５０９号に示された従来のレーザ加工装置に使用さ
れる固体レーザ装置を示す断面図である。図３におい
て、１，２，４，５，６，７，８，１４，１５は、図２
のレーザ装置と同一のものである。３は活性固体媒質を
含む固体素子で、寄生発振を防ぐために、その表面は５
０μインチＲＭＳ程度にあらされている。ここで、ＲＭ
Ｓ（Root Mean Square）はあらさの単位で、２乗平均値
を表す。例えば、「５０μインチＲＭＳ」とは、「１イ
ンチの間のあらさの２乗平均値が５０ミクロン」という
ことである。また、９、９００は光源４、活性媒質を含
む固体素子３の周囲を冷却する媒体７０の流れを整える
筒管で、９００については、その表面があらされてい
る。８１、８２は冷却媒体７０の流入口、流出口であ
る。
３，５０９号に示された従来のレーザ加工装置に使用さ
れる固体レーザ装置を示す断面図である。図３におい
て、１，２，４，５，６，７，８，１４，１５は、図２
のレーザ装置と同一のものである。３は活性固体媒質を
含む固体素子で、寄生発振を防ぐために、その表面は５
０μインチＲＭＳ程度にあらされている。ここで、ＲＭ
Ｓ（Root Mean Square）はあらさの単位で、２乗平均値
を表す。例えば、「５０μインチＲＭＳ」とは、「１イ
ンチの間のあらさの２乗平均値が５０ミクロン」という
ことである。また、９、９００は光源４、活性媒質を含
む固体素子３の周囲を冷却する媒体７０の流れを整える
筒管で、９００については、その表面があらされてい
る。８１、８２は冷却媒体７０の流入口、流出口であ
る。
【０００６】次に動作について説明する。上記構成の固
体レーザ装置では、励起光源４と固体素子３は、断面形
状が楕円状の集光器６の焦点に配置され、電源５により
点灯された光源４から発せられた光は、その表面があら
された筒管９００を通過する段階で拡散され、固体媒質
中に周囲から均一に入射する。固体素子３は、この光に
より励起されレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生さ
れた自然放出光は、ミラー１と２により構成される共振
器間を往復する間に増幅され、一定以上の大きさに達す
ると指向性の良いレーザビーム１５として外部に放出さ
れる。また光源４と固体素子３は、周囲から筒管９００
のなかを循環する冷却媒体７０により周囲より冷却され
ている。
体レーザ装置では、励起光源４と固体素子３は、断面形
状が楕円状の集光器６の焦点に配置され、電源５により
点灯された光源４から発せられた光は、その表面があら
された筒管９００を通過する段階で拡散され、固体媒質
中に周囲から均一に入射する。固体素子３は、この光に
より励起されレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生さ
れた自然放出光は、ミラー１と２により構成される共振
器間を往復する間に増幅され、一定以上の大きさに達す
ると指向性の良いレーザビーム１５として外部に放出さ
れる。また光源４と固体素子３は、周囲から筒管９００
のなかを循環する冷却媒体７０により周囲より冷却され
ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ加工装置
は以上のように構成されているので、使用する固体レー
ザ装置の固体素子３に吸収される励起光源４の光（エネ
ルギー）は、特定の波長のもののみがレーザ出力に利用
されるのであり、他の波長のものは固体素子３に吸収さ
れて固体素子３を加熱する。このため、固体素子３は冷
却の必要があるが、固体レーザ装置の構造上、固体素子
３はその周囲から冷却せざるを得ない。その結果、固体
素子３の断面には、中央部が高温で、周辺部はそれより
低温という温度分布が生ずる。すると、固体素子３の屈
折率は、断面内でこの温度分布に対応した分布を有する
ようになり、固体素子３を通過するレーザ光１４の波面
には歪みが生ずる。このため、共振器内のレーザ光１４
は一般には集光されるようになる。このような固体素子
３によるレーザビーム集光作用は、「固体素子の熱レン
ズ作用」と呼ぶが、この固体素子３の熱レンズ作用は、
レーザ共振器の動作を不安定にする。その結果、レーザ
共振器内のレーザ光１４の断面積は小さくなり、さらに
射出レーザビーム１５は、電源５における投入電力の変
化に伴うこの熱レンズ差容量の変化により、不規則に発
散することになる。このため、伝送ミラーを使ってレー
ザビームをこれを利用する加工ステージ等へ導く際、レ
ーザビーム１５が伝送ミラーからはみ出したり、レーザ
ビーム１５をレンズで集光して加工に用いる際、熱レン
ズ作用が安定するまでは、レーザビーム１５の焦点の位
置を正確に定められず安定な加工ができない等の問題点
があった。
は以上のように構成されているので、使用する固体レー
ザ装置の固体素子３に吸収される励起光源４の光（エネ
ルギー）は、特定の波長のもののみがレーザ出力に利用
されるのであり、他の波長のものは固体素子３に吸収さ
れて固体素子３を加熱する。このため、固体素子３は冷
却の必要があるが、固体レーザ装置の構造上、固体素子
３はその周囲から冷却せざるを得ない。その結果、固体
素子３の断面には、中央部が高温で、周辺部はそれより
低温という温度分布が生ずる。すると、固体素子３の屈
折率は、断面内でこの温度分布に対応した分布を有する
ようになり、固体素子３を通過するレーザ光１４の波面
には歪みが生ずる。このため、共振器内のレーザ光１４
は一般には集光されるようになる。このような固体素子
３によるレーザビーム集光作用は、「固体素子の熱レン
ズ作用」と呼ぶが、この固体素子３の熱レンズ作用は、
レーザ共振器の動作を不安定にする。その結果、レーザ
共振器内のレーザ光１４の断面積は小さくなり、さらに
射出レーザビーム１５は、電源５における投入電力の変
化に伴うこの熱レンズ差容量の変化により、不規則に発
散することになる。このため、伝送ミラーを使ってレー
ザビームをこれを利用する加工ステージ等へ導く際、レ
ーザビーム１５が伝送ミラーからはみ出したり、レーザ
ビーム１５をレンズで集光して加工に用いる際、熱レン
ズ作用が安定するまでは、レーザビーム１５の焦点の位
置を正確に定められず安定な加工ができない等の問題点
があった。
【０００８】この発明は固体レーザ装置から発生するレ
ーザビームを用いて、効率良く、品質の良いレーザ加工
を行うことができるレーザ加工装置を提供することを目
的とする。
ーザビームを用いて、効率良く、品質の良いレーザ加工
を行うことができるレーザ加工装置を提供することを目
的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明に係るレーザ加
工装置は、レーザ装置から発生されたレーザビームを、
加工物近傍まで伝送する光学系と、この光学系から出射
されたレーザビームを集光する第１集光光学系と、この
第１集光光学系の焦点近傍に配置された開口と、この開
口の後に広がったレーザビームを加工物上に集光する第
２集光光学系とを備えるものである。
工装置は、レーザ装置から発生されたレーザビームを、
加工物近傍まで伝送する光学系と、この光学系から出射
されたレーザビームを集光する第１集光光学系と、この
第１集光光学系の焦点近傍に配置された開口と、この開
口の後に広がったレーザビームを加工物上に集光する第
２集光光学系とを備えるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態１．図１（ａ）はこの発明の実施の形態１に
よるレーザ加工装置を示す構成図、（ｂ）は固体レーザ
装置部分の横断面図である。図において、２、４、５、
６、７、８、１４、１５、７０、８１、８２は、前述し
た図３に示した従来装置と同一のものである。また、９
は活性媒質を含む固体素子３００の周囲を冷却する媒体
７０の流れを整える筒管で、透明ガラスからなる。１１
は曲率半径Ｒの全反射ミラー、１１ａは部分反射ミラー
２を通過したレーザビーム１５を集光レンズ１２ａ２に
導く全反射ミラー、１２は固体レーザ装置のレーザ共振
器を構成する集光レンズ、１２ａ１は固体レーザ装置か
ら出射されたレーザビームを集光する集光レンズ（第１
集光光学系）、１２ａ２は開口５００を通過した後に再
び広がったレーザビームを集光して加工物に導く集光レ
ンズ（第２集光光学系）、１３ａ，１３ｂはそれぞれ全
反射ミラー１１と集光レンズ１２ａ１を部分反射ミラー
２に対して前後に移動させるための移動ステージであ
る。３００は表面があらされた固体素子、５００は金
属、セラミック、ガラスの筒、光ファイバーなどからな
り、レーザビーム１５の光路上に配置してこれを端切り
する開口、８００は加工物、８１０は加工ノズル、８２
０は加工ガスの導入口である。
説明する。 実施の形態１．図１（ａ）はこの発明の実施の形態１に
よるレーザ加工装置を示す構成図、（ｂ）は固体レーザ
装置部分の横断面図である。図において、２、４、５、
６、７、８、１４、１５、７０、８１、８２は、前述し
た図３に示した従来装置と同一のものである。また、９
は活性媒質を含む固体素子３００の周囲を冷却する媒体
７０の流れを整える筒管で、透明ガラスからなる。１１
は曲率半径Ｒの全反射ミラー、１１ａは部分反射ミラー
２を通過したレーザビーム１５を集光レンズ１２ａ２に
導く全反射ミラー、１２は固体レーザ装置のレーザ共振
器を構成する集光レンズ、１２ａ１は固体レーザ装置か
ら出射されたレーザビームを集光する集光レンズ（第１
集光光学系）、１２ａ２は開口５００を通過した後に再
び広がったレーザビームを集光して加工物に導く集光レ
ンズ（第２集光光学系）、１３ａ，１３ｂはそれぞれ全
反射ミラー１１と集光レンズ１２ａ１を部分反射ミラー
２に対して前後に移動させるための移動ステージであ
る。３００は表面があらされた固体素子、５００は金
属、セラミック、ガラスの筒、光ファイバーなどからな
り、レーザビーム１５の光路上に配置してこれを端切り
する開口、８００は加工物、８１０は加工ノズル、８２
０は加工ガスの導入口である。
【００１１】次に動作について説明する。固体レーザ装
置から発生されたレーザビーム１５を、大気中を離れた
場所まで伝送し、全反射ミラー１１ａにより方向を変え
た後、集光レンズ１２ａ１により集光し、この集光され
たレーザビーム１５を、金属、セラミック、ガラスの
筒、光ファイバーなどからなる開口５００を通過させて
端切りした後、さらに集光レンズ１２ａ２により集光
し、この集光されたレーザビームを用いて加工物８００
のレーザ加工を行うものである。
置から発生されたレーザビーム１５を、大気中を離れた
場所まで伝送し、全反射ミラー１１ａにより方向を変え
た後、集光レンズ１２ａ１により集光し、この集光され
たレーザビーム１５を、金属、セラミック、ガラスの
筒、光ファイバーなどからなる開口５００を通過させて
端切りした後、さらに集光レンズ１２ａ２により集光
し、この集光されたレーザビームを用いて加工物８００
のレーザ加工を行うものである。
【００１２】また、固体素子３００表面をあらすことに
より、固体素子３００の断面内の収差が小さいために、
本実施例の固体レーザ装置から発生されたレーザビーム
１５は、小さいスポットに集光される。したがって、こ
の小さく集光されたレーザビーム１５により、加工物８
００のレーザ加工を行うことができる。
より、固体素子３００の断面内の収差が小さいために、
本実施例の固体レーザ装置から発生されたレーザビーム
１５は、小さいスポットに集光される。したがって、こ
の小さく集光されたレーザビーム１５により、加工物８
００のレーザ加工を行うことができる。
【００１３】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、レーザ装置から発生されたレーザビーム１５を、加
工物８００近傍まで伝送する部分反射ミラー２や全反射
ミラー１１ａなどからなる光学系と、この光学系から出
射されたレーザビーム１５を集光する集光レンズ１２ａ
１と、この集光レンズ１２ａ１の焦点近傍に配置された
開口５００と、この開口５００の後の再び広がったレー
ザビーム１５を再度集光して加工物８００に導く集光レ
ンズ１２ａ２とを備えるので、レーザビーム１５を光路
上で集光すると同時に開口５００に通過させ、この開口
５００により回折波を切り去るようにしているので、回
折波のないレーザビーム１５によりレーザ加工を行うこ
とができる。
ば、レーザ装置から発生されたレーザビーム１５を、加
工物８００近傍まで伝送する部分反射ミラー２や全反射
ミラー１１ａなどからなる光学系と、この光学系から出
射されたレーザビーム１５を集光する集光レンズ１２ａ
１と、この集光レンズ１２ａ１の焦点近傍に配置された
開口５００と、この開口５００の後の再び広がったレー
ザビーム１５を再度集光して加工物８００に導く集光レ
ンズ１２ａ２とを備えるので、レーザビーム１５を光路
上で集光すると同時に開口５００に通過させ、この開口
５００により回折波を切り去るようにしているので、回
折波のないレーザビーム１５によりレーザ加工を行うこ
とができる。
【００１４】なお、この実施の形態１は、レーザ共振器
内にミラーの端部が存在する固体レーザ装置を用いた場
合に、特に有効に作用する。
内にミラーの端部が存在する固体レーザ装置を用いた場
合に、特に有効に作用する。
【００１５】また、上記実施の形態において、特に説明
しなかったが、光学素子のうち特に指示のない部分に
も、レーザビームが通過する部分には通常の光学素子の
ように無反射薄膜を施せば、共振器内のロスが減少し、
効率の良いレーザ発振を実現することができる。
しなかったが、光学素子のうち特に指示のない部分に
も、レーザビームが通過する部分には通常の光学素子の
ように無反射薄膜を施せば、共振器内のロスが減少し、
効率の良いレーザ発振を実現することができる。
【００１６】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、レー
ザ装置から発生されたレーザビームを、加工物近傍まで
伝送する光学系と、この光学系から出射されたレーザビ
ームを集光する第１集光光学系と、この第１集光光学系
の焦点近傍に配置された開口と、この開口の後に広がっ
たレーザビームを加工物上に集光する第２集光光学系と
を備えるので、レーザビームの集光点での回折波の影響
である周辺ビームを除去して、効率良く、品質の高いレ
ーザ加工を実現することができるという効果がある。
ザ装置から発生されたレーザビームを、加工物近傍まで
伝送する光学系と、この光学系から出射されたレーザビ
ームを集光する第１集光光学系と、この第１集光光学系
の焦点近傍に配置された開口と、この開口の後に広がっ
たレーザビームを加工物上に集光する第２集光光学系と
を備えるので、レーザビームの集光点での回折波の影響
である周辺ビームを除去して、効率良く、品質の高いレ
ーザ加工を実現することができるという効果がある。
【図１】 この発明の実施の形態１によるレーザ加工装
置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は固体レ
ーザ装置部分の横断面図である。
置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は固体レ
ーザ装置部分の横断面図である。
【図２】 従来のレーザ加工装置に使用される固体レー
ザ装置を示す断面図である。
ザ装置を示す断面図である。
【図３】 従来のレーザ加工装置に使用される固体レー
ザ装置の他の例を示す構成図であり、（ａ）は側断面
図、（ｂ）は横断面図である。
ザ装置の他の例を示す構成図であり、（ａ）は側断面
図、（ｂ）は横断面図である。
２ 部分反射ミラー、３，３００ 固体素子、４ 励起
光源、５ 電源、６集光器、７ シール材、８ 基台、
９ 筒管、１１ 全反射ミラー、１２，１２ａ１，１２
ａ２ 集光レンズ（熱レンズ修正光学系、像転写光学
系、第１集光光学系、第２集光光学系）、１３ａ，１３
ｂ 移動ステージ、１４ レーザ光、１５，３６ レー
ザビーム、７０ 冷却媒体、８１ 流入口、８２ 流出
口、５００ 開口、８００ 加工物、８１０ 加工ノズ
ル、８２０ 導入口。
光源、５ 電源、６集光器、７ シール材、８ 基台、
９ 筒管、１１ 全反射ミラー、１２，１２ａ１，１２
ａ２ 集光レンズ（熱レンズ修正光学系、像転写光学
系、第１集光光学系、第２集光光学系）、１３ａ，１３
ｂ 移動ステージ、１４ レーザ光、１５，３６ レー
ザビーム、７０ 冷却媒体、８１ 流入口、８２ 流出
口、５００ 開口、８００ 加工物、８１０ 加工ノズ
ル、８２０ 導入口。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石森 彰 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 中央研究所内 (72)発明者 小島 哲夫 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 中央研究所内 (56)参考文献 特開 平１−313195（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/073 H01S 3/00
Claims (1)
- 【請求項１】 レーザ装置から発生されたレーザビーム
を、加工物近傍まで伝送する光学系と、 この光学系から出射されたレーザビームを集光する第１
集光光学系と、 この第１集光光学系の焦点近傍に配置された開口と、この開口の後に広がったレーザビームを加工物上に集光
する第２集光光学系と を備えたレーザ加工装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000121481A JP3241707B2 (ja) | 1992-09-16 | 2000-04-21 | レーザ加工装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27252092 | 1992-09-16 | ||
| JP4-272520 | 1992-09-16 | ||
| JP2000121481A JP3241707B2 (ja) | 1992-09-16 | 2000-04-21 | レーザ加工装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05191441A Division JP3083688B2 (ja) | 1992-09-16 | 1993-08-02 | 固体レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000334591A JP2000334591A (ja) | 2000-12-05 |
| JP3241707B2 true JP3241707B2 (ja) | 2001-12-25 |
Family
ID=26550245
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000121481A Expired - Fee Related JP3241707B2 (ja) | 1992-09-16 | 2000-04-21 | レーザ加工装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3241707B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113681152B (zh) * | 2021-09-08 | 2023-08-01 | 安徽长青建筑制品有限公司 | 一种节能型激光切割装置 |
-
2000
- 2000-04-21 JP JP2000121481A patent/JP3241707B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000334591A (ja) | 2000-12-05 |
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