JP3644145B2 - レーザ装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加工や計測を安定して行えるレーザ装置を供給するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２９は従来の光走査型レーザ加工装置を示す構成図である。
図において１はレーザ発振器、２はレーザ発振器１に配置された出力鏡、３はレーザ発振器１に配置された全反射鏡、４は出力鏡２と全反射鏡３との間に配置され、所定の穴径に設定された開孔手段、５および５ａはレーザ発振器１から得られるレーザビームを導く反射鏡、６および６ａは反射鏡５によって導かれたレーザ光を集光する集光手段、７はテーブル、８は被加工物、９はレーザビーム、１０は加工経路、１１はレーザ媒質、１２はレーザ発振器１の制御、テーブル７の移動、光路中の反射鏡５や集光手段６の位置を制御する中央処理装置である。
【０００３】
次に動作について説明する。レーザ媒質１１は炭酸ガスレーザ発振器ではＣＯ２を含んだ混合ガスであり、固体レーザではＹＡＧ等の結晶が使われる。ここでは炭酸ガスレーザの場合で説明する。レーザ媒質１１を例えば放電や光などでＣＯ２分子を励起すると光を放出するようになる。レーザ媒質に相対向して出力鏡２と全反射鏡３を配置すると、出力鏡２と全反射鏡３との間で光が反射往復し、その光がレーザ媒質中を通過することで誘導放出が発生する。この誘導放出と出力鏡２と全反射鏡３との光の往復によりレーザ光が増幅放射される。出力鏡２は一部分を反射し、残りを透過する性質を持っているので、透過した光は外にレーザ光９として取り出され、反射した光はまたさらに増幅されるのに用いられる。開孔手段４は、出力鏡２と全反射鏡３との間に生成されるビームモードの形状{モード次数(集光特性)}を決定する機能を有する。
【０００４】
レーザ加工装置では取り出されたレーザ光９を反射鏡５を用いて、集光手段６へと導く。集光手段６はレーザ光９を一定の大きさに小さくしたり、大きくしたりする作用がある。テーブル７の上に配置された被加工物８に集光手段６で集光されたレーザ光９を照射することにより、切断や計測などの行為を実施できる。光走査型の場合、テーブル７は固定され、光が移動する。移動方法としては、反射鏡５および集光手段６とが反射鏡５ａおよび集光手段６ａへと移動することにより加工経路１０のような形状に切断したりすることができる。
これらの一連の動作は中央処理装置１２の制御によって実施される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ発振器から得られるレーザ光は一般に平行光は得られず、ホイヘンスの原理により発散して（あるいは集束してから発散へと向かう）いく。従来例のように光を移動させる方式では、出力鏡２から集光手段６との距離が変化するため、集光手段６へ入射するレーザビームの径や発散角が異なり、図３０のように集光スポット径ω0や集光位置ｌ0がω0■やｌ0■のように変化したりして切断経路１０によって加工が不安定になってしまったりする課題があった。
【０００６】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、レーザ光の集光特性を安定させ、切断や計測精度の優れた安定なレーザ装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるレーザ装置は、レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、前記出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、加工経路により前記出力鏡との距離が変動する集光手段と、前記出力鏡と前記集光手段との距離の変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたものである。
【０００８】
また、レーザ光の一部を反射し、残りを透過し、温度検出手段を有する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、前記出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させる集光手段と、前記出力鏡の温度の変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたものである。
【０００９】
また、レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、前記出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、温度検出手段を有する集光手段と、前記集光手段の温度の変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたものである。
【００１０】
また、レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられ、温度検出手段を有するレーザ媒質と、前記出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させる集光手段と、前記レーザ媒質の温度変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたものである。
【００１１】
また、前記制御手段は、前記集光手段に入射するビーム径をＤ、ビームモードをＭ ２ とした場合、Ｍ ２ ／Ｄなる値をほぼ一定となるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御するものである。
【００１２】
また、前記制御手段は、前記集光手段に入射するレーザビームのビーム径とビームモードをそれぞれほぼ一定となるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御するものである。
【００１３】
また、レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、前記出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、加工経路により前記出力鏡との距離が変動する集光手段と、この集光手段と前記出力鏡との間に設けられた集光特性検出手段と、この集光特性検出手段の出力に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたものである。
【００１４】
また、圧力センサにより流量を制御された流体圧により、全反射鏡の曲率を変化させるものである。
【００１５】
また、外部入力によって圧力センサの信号を制御するようにしたものである。
【００１６】
また、全反射鏡の曲率を変化させるための流体がレーザ光を吸収しないガスである場合、出力鏡と集光手段との間の光路に光路パイプを設け、前記流体を前記光路内に流すものである。
【００２８】
また、レーザ光を反射する反射鏡と前記反射されたレーザ光を集光させる集光手段を備え、前記反射鏡の曲率を変化させるものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である。
図中、従来のレーザ装置と同一符号は従来と同一であるため、説明を省略する。１３はレーザ発振器１の動作の制御、光路系の移動やテーブルの駆動制御を制御するとともに全反射鏡３や開孔手段４に制御信号を送り、全反射鏡３の曲率や開孔手段４の径を変化させる中央処理装置である。
【００３０】
図２は、特開平２−３０２０８３号公報に示された代表的な全反射鏡の曲率変更構造を示している。図において１４はミラーホルダ、１５は凸面プレート、１６はＰＺＴやマイクロメータなどの外部からの信号によって伸び及び駆動力を発生するものである。
【００３１】
また、例えば図３は特開平２−１７４２８３号公報に示された開孔手段の径を変化させる機構である。１７はドラム、１８は羽である。具体的な開孔の変更方法については前記公報に開示されている。
【００３２】
次に動作について説明する。レーザ発振器１から射出されたレーザ光９を使って被加工物８に加工経路１０のような形状を切断するには反射鏡５を例えば反射鏡５ａに移動しなければならない。この場合出力鏡２と集光手段６との距離関係が異なるために図３０のように集光手段６へ入射するビーム特性が変化した。そこで、この距離に応じて中央処理装置１３によって演算される量または記憶された数値だけＰＺＴ１６を伸縮させ、凸面鏡１５を圧迫することにより、全反射鏡３の曲率を変更する。全反射鏡３の曲率変化により図４のようにビームの伝搬特性が変化し、集光手段６の位置で同じビーム特性{入射ビーム径やモード次数(集光特性)など}が得られるようにすることができる。
【００３３】
また、全反射鏡３の曲率を変更すると、レーザ発振器１内部で生じるビーム特性も同時に変化し、開孔手段４位置での開孔径φとシングルモード発生時のビーム半径ωとの関係が変化する。
そこで全反射鏡３の曲率変化量に併せて、中央処理装置１３にてφ／ωの値を一定にすべく、開孔手段４に信号を送り、ドラム１７を回転させることにより、羽１８が動き、開孔の径を変化させる。これらの制御により、図４に示すとおり一番遠いところ（遠点）では全反射鏡を３ａ（点線）のような曲率とし、開孔を４ａの様な径とすることでレーザ光９ａは点線のように伝搬する。一番近いところ（近点）では反射鏡は５（実線）、開孔は４（実線）にし、レーザ光９は実線のように伝搬する。このような変更により、反射鏡が５ａであっても５であっても集光手段６を通ったレーザ光９および９ａは同じ伝搬特性を示し、集光点位置ｌ0や集光径ω0は変化しない。そのため全ての切断経路１０において一定のモード次数とビーム径が得られ、安定な切断が実行できる。
【００３４】
ここで全反射鏡３の曲率と開孔手段４の開孔径を変化させるとレーザ光がどのような振る舞いをするかを説明する。出力鏡２の曲率半径Ｒ１と全反射鏡３の曲率半径Ｒ２が決定されると共振器内部（出力鏡と全反射鏡間の長さＬ）に発生するシングルモード（ガウス状のビームモード）の伝搬形状が図４のように一義的に決められる。共振器内部に発生するビームウエスト（ビーム径が最小になる）位置をＺ1、ビームウエストでのシングルモードの1/e2半径をω1とすると任意の位置（Ｚ1からの距離：Ｚ）での1/e2半径：ω（Ｚ）は
Figure 0003644145
で表される。
【００３５】
Ｚの位置に開孔手段４を設置するとして、開孔手段４の径φによってレーザ発振器１から得られるビームモードの形状が決定される。
実験ではφ（Ｚ）／ω（Ｚ）により、
図５に示すような集光特性Ｍ2、ビームモード形状の変化が確認されている。集光特性Ｍ2が何を意味しているかはSPIE Vol.1414■Laser Beam Diagnostics■(1991)に開示されている。
集光特性Ｍ2が変化すると、シングルモードの径ωに対して
ω’＝Ｍ2・ω
の関係でレーザ光の径ω’が変化するため、集光特性が変化することは伝搬特性をも変化させることとなる。
【００３６】
この発明では、安定なビーム特性を加工や計測のために供給できなければならないので、φ／ωを一定に制御する必要がある。φ／ωを一定にしておけば、ビーム特性のうち集光特性（ビームモード形状）は一定にすることができる。あとは集光手段の位置でのビーム径が一定になるように曲率を変化させればよい。
開孔手段の設定位置によってωがどのように変化するか、一例として図６を用いて説明する。この計算では開孔手段４を４種類の位置に配置した場合の比較を実施している。出力鏡２の曲率半径は２０ｍ、共振器長は約４．７ｍ、開孔手段４ａは全反射鏡３から４．６ｍの位置に、開孔手段４ｂは３．１ｍの位置に、開孔手段４ｃは１．６ｍの位置に、開孔手段４ｄは０．２ｍの位置に配置したとして計算している。全反射鏡３の曲率変化によるシングルモードの半径ωの変化は単調な変化ではなく、曲率が大きくなるとωの値が大きくなるわけではないことがはっきりわかるし、開孔手段の配置場所によってもωの値の変化の振る舞いが異なっていることがわかる。制御する開孔手段の径も簡単に算出できるものではなく、数値計算ができる装置かまたは曲率変化に対応した径のデータを記憶しておく記憶装置が必要となる場合がある。数値計算できる装置や記憶装置が必要かどうかは曲率変化の領域で直線近似ができるかどうかで決まる。
【００３７】
例えば、特開昭６１−７８１８３号公報に反射鏡の曲率を変化させることが開示されているが、前記公報のように反射鏡の曲率を変更すると一般にモード次数が変化する。そのため、ビーム径は一致させることができても、被加工物照射のレーザ光のスポットサイズが異なり、安定加工はできない。この発明のように全反射鏡の曲率を変更するのに合わせ、開孔の径を変化させることで、モード次数を変えずに伝搬特性のみを変更することができるのである。
【００３８】
上記実施の形態では、開孔手段の径と全反射鏡の曲率は無段階に変更できる装置を示したが、例えば特公昭６３−１７２３４号公報の第３図で示された開孔手段のように段階的に変更されるものであってもよい。この場合は、全反射鏡３の曲率も段階的に調節されるのがよい。一般に加工ができる径には、ある幅があり、通常ハイブリッド型の加工機では光走査型加工機に比べて出力鏡２と集光手段６との距離変化は少なく、レーザ発振器１から得られるビームは一定であっても、遠点と近点とで安定加工できる範囲が図８のようにオーバーラップする。加工条件が十分にオーバーラップできる構成の加工機では本発明の構成を使用しなくても良い。しかし、オーバーラップする条件が狭かったり、無いような加工機ではこの発明の構成が特に有効に作用する。
【００３９】
走査型のテーブルの場合、遠点と近点での加工条件がオーバーラップしない場合がある。こういった場合に段階的に制御してオーバーラップする領域が十分できるようにすれば効果がある場合もある。加工対象によってこのオーバーラップする範囲は異なるのでできる限りは無段階で対応する必要があるが、機械の構成やコスト面で段階制御にいたる場合もある。また、開孔手段４の位置は、図中では出力鏡２よりに記載しているが、出力鏡２と反射鏡３との間であればどこであっても同様の効果が得られる。
【００４０】
図８に示したような安定加工領域が変化するのは次の理由のためと考えられる。集光手段６へ入射するビーム径が変化すると、集光手段通過後の最小スポットサイズが変化する。被加工物に照射されるスポットサイズが異なれば当然加工現象は異なる現象を示す。そのため、同一スポットサイズを被加工物の位置で実現するために焦点位置をディフォーカス状態にする。ディフォーカスにするとノズル−被加工物の距離が変化するため加工ガス圧力も変化する。以上のような理由により図８のように遠点近点で加工条件が違うという現象が発生する。
【００４１】
レーザ発振器から集光手段までの距離は、距離検出手段があっても良いし、ＮＣデータの機械座標から読みとっても良い。
【００４２】
曲率変化させる全反射鏡３は、例えば図７に示されるＺ型共振器の反射鏡３ａでも３ｂでもよく、共振器を構成する反射鏡であればどれでもよい。
【００４３】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。
図において１９は出力鏡２に取り付けられた温度検出器である。図中同一符号は実施の形態１または従来例と同一なので説明を省略する。
出力鏡２は長期間使用すると、ゴミが付着したり、オイルミストが付着したりして出力鏡の吸収率が上昇する。
【００４４】
吸収率αは、出力鏡の径Ｄ、厚みｔ、比重ρがわかっていれば出力鏡端面の温度を測定することで求めることができる。
α＝ {Ｃ（πＤ2・ｔ/4）ρ／Ｐ} ・ｄＴ／ｄｔ
Ｐ：入射出力
Ｃ：熱容量
ｄＴ／ｄｔ：単位時間での温度変化
吸収率が上昇すると、出力鏡内部に温度分布が生じ、ひいては屈折率分布が生じ、出力鏡直後にあたかもレンズが挿入されたのと同様な作用が生じる（光は屈折率の高い方向に進むという性質を持っている）。これを熱レンズと称する。
【００４５】
吸収率αと熱レンズの焦点距離ｆは
Figure 0003644145
χ:光学歪パラメータ
λ:熱伝達率
で示される。
【００４６】
熱レンズが発生すると、出力鏡２から出射されるレーザ光は熱レンズが発生する前の伝搬特性図１０ａから丁度出力鏡２の光軸背後に焦点距離ｆのレンズを挿入した場合と同じように振る舞い、図１０ｂのように変化する。そこで、温度検出器１９からの信号を中央処理装置に送り、出力鏡の吸収率（熱レンズの焦点距離）を検出することにより、中央処理装置１３から信号をだし、全反射鏡３の曲率を変化させて伝搬特性を変化させる。同時に開孔手段４にも信号を出し、φ／ωの値を一定にすることでビームモードの次数を一定に制御し、図１０ｃのようにする。以上の操作により、集光手段６へ入射するビームの特性が一定になり、安定な加工が実現できる。
【００４７】
実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３によるレーザ装置を示す構成図である。
図において２０は集光手段６に取り付けられた温度検出器である。図中同一符号は実施の形態１または従来例と同一なので説明を省略する。集光手段６は長期間使用すると、ゴミ、オイルミストや加工によるスパッタが付着したりして集光手段の吸収率が上昇する。集光手段の吸収率が上昇すると、集光手段内部に屈折率分布が生じ、集光手段直後にあたかもレンズが挿入されたのと同様な作用が生じる。これを熱レンズと称する。
【００４８】
熱レンズが発生すると、集光手段６を通過したレーザ光９は熱レンズが発生する前の伝搬特性図１２ａから図１２ｂのように変化する。そこで、温度検出器２０からの信号を中央処理装置１３ｂに送り、集光手段の吸収率（熱レンズの焦点距離ｆ）を検出することにより、中央処理装置１３ｂから信号をだし、全反射鏡３の曲率を変化させて伝搬特性を変化させる。同時に開孔手段４にも信号を出し、φ／ωの値を一定にすることでビームモードの次数を一定に制御し、図１２ｃのようにする。以上の操作により、安定な加工が実現できる。
【００４９】
実施の形態４．
図１３は、この発明の実施の形態４によるレーザ装置を示す構成図である。
図において２１はレーザ媒質１１に取り付けられた温度検出器である。図中同一符号は実施の形態１または従来例と同一なので説明を省略する。レーザ媒質１１は、例えば固体レーザの場合、長期間使用すると、ゴミやオイルミストがレーザ媒質１１に付着したりしてレーザ媒質の吸収率が上昇する。レーザ媒質の吸収率が上昇すると、レーザ媒質内部に屈折率分布が生じ、レーザ媒質内部にレンズが挿入されたのと同様な作用が生じる。これを熱レンズと称する。熱レンズが発生すると、レーザ媒質内部を通過するレーザ光９はレンズ作用を受け、熱レンズが発生する前の伝搬特性図１４ａから図１４ｂのように変化する。そこで、温度検出器２１からの信号を中央処理装置１３ｃに送り、レーザ媒質の吸収率（熱レンズ量）を検出することにより、中央処理装置１３ｃから信号をだし、全反射鏡３の曲率を変化させて伝搬特性を変化させる。同時に開孔手段４にも信号を出し、φ／ωの値を一定にすることでビームモードの次数を一定に制御し、図１４ｃのようにする。以上の操作により、集光手段へ入射するビームの特性が一定になり、安定な加工が実現できる。
【００５０】
また、ビーム特性のうち、集光手段６に入射するビーム径を考える。集光手段に入射する発散角が小さい場合（mradオーダー）は集光スポットサイズｄは以下の式で表現できる。
ｄ＝1.27・Ｍ2・λ・ｆ／Ｄ ・・・・・・・・（１）
Ｄ：集光手段入射ビーム径
λ：波長
ｆ：集光手段の焦点距離
Ｍ2：集光特性（＝モード次数＋１）
この式より、集光光学径入射ビーム径Ｄを一定にするように、反射鏡５の位置により、全反射鏡３の曲率と開孔手段４の径を中央処理装置１３により制御すれば一定の集光スポットサイズが得られ、加工が安定する。
【００５１】
また、ビーム特性のうち、集光手段６に入射するビームの集光特性を考える。集光手段に入射する発散角が小さい場合（mradオーダー）は集光スポットサイズｄは（１）式で表現できる。（１）式より、反射鏡５の位置により、集光手段へ入射するビーム径Ｄが変化した分だけ、集光光学径入射ビームの集光特性Ｍ2が変化するように、全反射鏡３の曲率と開孔手段４の径を中央処理装置１３により制御すれば一定の集光スポットサイズが得られ、加工が安定する。
【００５２】
実施の形態５．
図１５は、この発明の実施の形態５によるレーザ装置を示す構成図である。
また、図１６は、図１５のレーザ装置の集光特性検出手段を示す構成図である。
２２はレンズ、２３は開孔手段、２４は検出器、２５はレーザ光の極一部を透過し、大多数を反射する反射鏡、２６はレンズ２２、開孔手段２３、検出器２４、反射鏡２５を一体化させて構成した集光特性検出手段である。図中同一符号は実施の形態１または従来例と同じなので説明を省略する。出力鏡２と集光手段６との距離が変化すると、集光手段６直前の反射鏡２５の位置が２５ａのように変化する。反射鏡２５の透過した一部のレーザ光２７はレンズ２２を通り集光される。レンズ２２から一定の距離に開孔手段２３を設け、開孔手段を通るレーザ光が検出器２４を通る。検出器２４からの出力値が一定になるようにレーザ発振器１の全反射鏡３でレーザ光９の伝搬特性を変化させ、同一のモード形状になるように開孔手段４の径を変化させれば、反射鏡２５および２５ａの位置では同一のビーム特性が得られる。ひいては集光手段６に入射するビーム特性も同一に制御することができる。したがって、光路長が変化しても、全ての領域で一定のビーム特性が得られるので安定な加工が実現できる。
【００５３】
実施の形態６．
この実施の形態は、これまで示した実施の形態１から５までの全反射鏡３の曲率を変更する手段について示すものである。
図１７は全反射鏡３の拡大図である。
図において２８は圧縮空気を供給するコンプレッサ、２９は全反射鏡３を保持するミラーホルダ、３０はＯリング、３１は密閉された空洞部３２の圧力を検出する圧力センサ、３３は中央処理装置１３から得られる信号により、開閉をコントロールできるバルブ、３４はレーザ発振器１の箱体である。コンプレッサ２８から圧縮空気が空洞部３２に送られると空洞部の圧力が上昇する。空洞部と箱体３４（紙面右側）の圧力差により反射鏡３は凸化する。空洞部の圧力によって凸化の度合いが変化し、全反射鏡３の曲率が変化する。全反射鏡３の曲率の制御には、中央処理装置１３が判定した圧力になるように圧力センサー３１の信号から、バルブ３３の開閉や開孔の大きさを変化させて実施する。中央処理装置にはあらかじめ圧力に対応した曲率のテーブルが保管されてあったり、計算によって算出されたりする。この制御により目的にあった曲率を選定でき、加工を安定にさせることができる。
【００５４】
実施の形態７．
実施の形態６で使用した圧力媒体がレーザ光を吸収しないガスである場合、図１８、１９に示すように光路パイプ３５とバルブ３３を配管し、光路内部のパージに利用する。光路内部をパージすれば、光路外と圧力差が生じ、外部からレーザ吸収ガスの侵入をゆるさず、ビーム特性を安定に集光手段６まで伝送することができる。全反射鏡３の曲率変化に使用した媒体を光路のパージに使用することにより、安価でランニングコストの低いレーザ装置を供給できる。
【００５５】
参考例１．図２０は、この発明の参考例１によるレーザ装置の透過鏡の曲率変化を説明する構造図である。図２０において３６は出力鏡２より厚みが薄いかまたはヤング率の小さい材料で構成された透過鏡、３７は空洞である。図において同一符号は実施の形態１、実施の形態６、及び従来例にて説明したので省略する。コンプレッサ２８で圧力媒体を空洞３７内に送り込むと、出力鏡２には紙面右側より圧力が加わり、透過鏡３６には紙面左側より圧力が加わる。
【００５６】
透過鏡３６は出力鏡２より厚みが薄いかもしくはヤング率が小さい材料で構成してあるため、同一圧力をかけると透過鏡の方がより曲率変化が著しく変化する。この際、光路側の屈折率（例えば空気）と圧力媒体との屈折率が全く同じ場合には透過鏡を通過したレーザ光９は変化しないが、圧力媒体の屈折率が異なる場合にはレーザ光９の伝搬特性が変化する。つまり、この圧力媒体がレンズのような作用を引き起こすのである。出力鏡は透過鏡より剛性が強いので曲率変化はほとんど無く、出力鏡から得られるレーザ光のビーム特性は変化しないが、透過鏡の曲率変化によって、圧力媒体がビーム特性を変化させてくれる。そのため、任意の位置で異なるビーム特性を実現できるレーザ装置を供給できる。
【００５７】
参考例２．図２１は、この発明の参考例２によるレーザ装置の出力鏡の曲率変化を説明する構造図である。図２１は参考例１とほとんど同じであるが、出力鏡２は透過鏡３６と厚みや材質が全く同じものであってもよい。参考例１のように圧力を加えると、今度は出力鏡も曲率変化する。よって、レーザ発振器１から得られるビーム特性（モード次数(集光特性)や伝搬特性）をも変化させることができる。そのため、一つのレーザ装置で異なったビーム特性が得られるレーザ装置を供給することができる。
【００５８】
参考例２で異なったビーム特性が得られたが、そのうち、伝搬特性だけ変化させ、モード次数を変えないようにしたい場合がある。このときは出力鏡２の曲率変化に合わせ、開孔手段４の径を変化させる。出力鏡の曲率に合わせ、適切な開孔径にすれば、同一のモード次数が得られ、出力鏡と集光手段との距離が変化するレーザ装置において、集光手段へ入射するビーム特性を固定できるので安定な加工が実現できる。この際、透過鏡も曲率変化するが、圧力媒体の屈折率が光路の屈折率と同じであれば、出力鏡から出たレーザビームについての作用はない。
【００５９】
参考例３．図２２は、この発明の参考例３によるレーザ装置の出力鏡の曲率変化を説明する構造図である。図２２は、図２０、２１に対して圧力センサ３１を配置したことが特徴である。これにより、中央処理装置１３による制御が可能となる。透過鏡３６もしくは出力鏡２の曲率変化を監視するために、圧力センサ３１の信号を持って、バルブ３３を開閉もしくは径を変化させることで空洞３７の圧力を制御し、曲率を制御する。圧力の値は、別途記憶装置に記憶された数値を参照するも計算にて算出しても良く、全て中央処理装置が統括する。これによりさまざまな制御が可能なレーザ装置が得られる。
【００６０】
参考例４．図２３は、この発明の参考例４によるレーザ装置を示す構成図であリ、参考例１の応用で全体構成は基本的に同じである。レーザ装置から得られる被加工物に照射されるビーム特性は出力鏡の熱吸収率や集光手段の熱吸収率、あるいは出力鏡と集光手段間の光路長に左右される。そこで前記値が変化しても被加工物に照射されるビーム特性がほぼ一致するように透過鏡の曲率を制御する。この制御により、安定なレーザ加工のできるレーザ装置を供給できる。
【００６１】
また、レーザ装置から得られる被加工物に照射されるビーム特性は出力鏡の熱吸収率や集光手段の熱吸収率、あるいは出力鏡と集光手段間の光路長に左右される。そこで前記値が変化しても被加工物に照射されるビーム特性がほぼ一致するように出力鏡の曲率、開孔手段の径を制御する。この制御により、安定なレーザ加工のできるレーザ装置を供給できる。
【００６２】
参考例５．図２４は、この発明の参考例５によるレーザ装置を示す構成図である。図２４において実施の形態７や従来例と同一符号は同一構造のため説明を省略する。出力鏡２の曲率変化に使用した圧力媒体がレーザ光を吸収しないガスである場合、光路パイプ３５とバルブ３３を配管し、光路内部のパージに利用する。光路内部をパージすれば、光路外と圧力差が生じ、外部からレーザ吸収ガスの侵入をゆるさず、ビーム特性を安定に集光手段６まで伝送することができる。出力鏡２の曲率変化に使用した媒体を光路のパージに使用することにより、安価でランニングコストの低いレーザ装置を供給できる。
【００６３】
参考例６．図２５は、この発明の参考例６によるレーザ装置のビーム伝搬を示す模式図である。従来のレーザ加工機では集光手段から被加工物までの距離は一定になるように制御していた。そのため、図３０に示したように被加工物照射のビーム径が変化して加工不良を誘発する原因となっていた。ところで図２５に示したように集光手段と被加工物との距離を光路長によって変化させる。例えば反射鏡５の位置では被加工物表面は集光手段６からｌ0の距離で、反射鏡５ａではｌ0’の距離に変化させ、被加工物表面に照射されるレーザ光のスポットサイズをω0に合わせる。被加工物に照射されるスポットサイズを一定になるように制御すれば、光路長が変化しても加工が安定なレーザ装置が供給できる。
【００６４】
また、出力鏡や集光手段が劣化して吸収率が上昇すると、図１０ｂ、図１２ｂに示したように被加工物照射のビーム径が変化して加工不良を誘発する原因となっていた。ところで図２５に示したように集光手段と被加工物との距離を出力鏡や集光手段に設置された温度検出器の信号により変化させ、被加工物に照射されるスポットサイズを一定になるように制御すれば、光学系の劣化による伝搬特性の変化が生じても加工が安定なレーザ装置を供給できる。
【００６５】
参考例７．図２６は、この発明の参考例７によるレーザ装置を示す構成図である。図２６において３８は集光手段を構成する少なくとも一つのレンズを被加工物８から遠ざけたり、近ずけたりできる駆動制御部である。集光特性検出器２６は図１６に示した構成と同一の構成でよい。従来のレーザ加工機では集光手段から被加工物までの距離は一定になるように制御していた。そのため、外的な要因（例えば出力鏡の熱歪、光路内部ガスによるレーザ光の吸収など）によってビーム特性が変化すると、図１０、１２に示したのと同様に被加工物照射のビーム径が変化して加工不良を誘発する原因となっていた。ところで図２６に示したように出力鏡と集光手段との間に集光特性検出器２６を設け、その出力によって集光手段６と被加工物８との距離を変化させ、被加工物に照射されるスポットサイズを一定になるように制御すれば、光路長の変化や出力鏡の熱レンズなどの外的要因が変化しても加工が安定する。
【００６６】
実施の形態８．図２７は、この発明の実施の形態８によるレーザ装置を示す構成図である。図２７において３９は光路系に配置され、反射鏡５の曲率を変化させることができるホルダーである。図中１４’、１５’、１６’は図２と同一の構成であっても良い。その他の項目は実施の形態１と同一であるので説明を省略する。図２８は、例えば光路長（遠点、近点）によって全反射鏡３の曲率と開孔手段４の径と反射鏡５の曲率を変化させる方式について示してある。
【００６７】
図において、近点では全反射鏡３をフラットに近くし、開孔をやや大きめに設定し、反射鏡５にＤ0の径でレーザ光９を反射させ、集光手段に発散角θで入射するように構成してある。遠点では全反射鏡３に曲率をもたせ、開孔手段４の径を小さくし、近点と同じモード次数でかつ同じビーム径Ｄ0で反射鏡５ａに反射させる。遠点のレーザ光９ａは９に比べると発散角が小さいため、反射鏡５ａは凸化して、集光手段６ａに近点と同じ発散角θで入射させる。これまでの実施の形態および参考例では被加工物に照射されるビームスポット位置は焦点面である場合についてであるが、この実施の形態では加工や測定が焦点面を使わない場合に特に効果が現れる。レーザビームは焦点面では波面が無限大であり、被加工物へのビームの発散角はあたかも０゜のようになる。しかし、焦点面をはずして使用すると、図２８のように被加工物８に対してある発散角θ0を持って照射される。
【００６８】
この状態を光路長が変化したり、外的要因が変化した場合でも維持するためには、ビーム特性のビーム径とモード次数（集光特性）を一定にするだけではなく、集光手段へ入射するビームの発散角も同一にする必要がある。これを実現するには光学系のうち、最低でも２箇所の光学系で実施する必要がある。１箇所はレーザ発振器１で実施するので、光路内の反射鏡５で実施すれば、集光手段６にビーム径、発散角、モード次数を揃えたレーザ光を入射することができる。そのため、集光点以外のポイントを使用する加工や測定法でも安定な加工や測定が実施できる。
【００６９】
以上の実施の形態では、全反射鏡３を曲率変化させる方式について特に説明したが、出力鏡２や透過鏡３６の曲率を変更する方式であっても同様の効果を奏する。また、図２６では９０゜の折り返し光路であるから、凸面プレートは、球面の凸面ではなく、放物面の凸面にしてあると収差が少なくなり、さらに効果がある。
【００７０】
【発明の効果】
以上により、この発明によれば、レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、加工経路により前記出力鏡との距離が変動する集光手段と、前記出力鏡と前記集光手段との距離の変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたことにより、光路長が変化する全ての切断経路において、一定のビーム特性が得られ、安定な加工が実施できる効果がある。
【００７１】
また、レーザ光の一部を反射し残りを透過し、温度検出手段を有する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、出力鏡から出射されたレーザ光を集光させる集光手段と、出力鏡の温度の変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたことにより、出力鏡の劣化があっても、一定のビームの特性が得られ、安定な加工が実施できる効果がある。
【００７２】
また、レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、温度検出手段を有する集光手段と、集光手段の温度の変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたことにより、集光手段の劣化があっても、一定のビームの特性が得られ、安定な加工が実施できる効果がある。
【００７３】
また、レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために出力鏡と全反射鏡の間に設けられ、温度検出手段を有するレーザ媒質と、出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、出力鏡から出射されたレーザ光を集光させる集光手段と、レーザ媒質の温度変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたことにより、レーザ媒質の劣化があっても、一定のビームの特性が得られ、安定な加工が実施できる効果がある。
【００７４】
また、前記制御手段は、前記集光手段に入射するビーム径をＤ、ビームモードをＭ ２ とした場合、Ｍ ２ ／Ｄなる値をほぼ一定となるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御することにより、光路長変化やシステムを構成する構成物の劣化があっても一定の集光スポットサイズが得られ、安定な加工が実現できる効果がある。
【００７５】
また、前記制御手段は、前記集光手段に入射するレーザビームのビーム径とビームモードをそれぞれほぼ一定となるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御することにより、光路長変化やシステムを構成する構成物の劣化があっても一定の集光スポットサイズとビームモードが得られ、安定な加工が実現できる効果がある。
【００７６】
また、レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、加工経路により出力鏡との距離が変動する集光手段と、この集光手段と出力鏡との間に設けられた集光特性検出手段と、この集光特性検出手段の出力に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたことにより、光路長が変化する全ての切断経路において集光特性を検出し、一定のビームの特性が得られるようにレーザ発振器側を制御するので、安定な加工が実施できる効果がある。
【００７７】
また、圧力センサにより流量を制御された流体圧により、全反射鏡の曲率を変化させることにより、全反射鏡を目的の曲率に自在に変更できるので、安定な加工を実現できる効果がある。
【００７８】
また、外部入力によって圧力センサの信号を制御するようにしたことにより、例えば、出力鏡の吸収率、出力鏡と集光手段距離などの外部入力の信号によって、全反射鏡にかかる流体圧を制御し、全反射鏡の変化する曲率を決定することができる。
【００７９】
また、全反射鏡の曲率を変化させるための流体がレーザ光を吸収しないガスである場合、出力鏡と集光手段との間の光路に光路パイプを設け、流体を光路内に流すことにより、圧力媒体を有効利用することができ、安価でランニングコストの低いレーザ装置を供給できる効果がある。
【００９１】
また、レーザ光を反射する反射鏡と反射されたレーザ光を集光させる集光手段を備え、反射鏡の曲率を変化させることにより、集光手段に入射するレーザ光のパラメータ全てをほぼ同一になるようにしたため、あらゆる変化に対応して安定な加工が実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である。
【図２】 全反射鏡の曲率変化を発生させる構造図である。
【図３】 図１のレーザ装置の開孔手段の径を変化させる構造図である。
【図４】 図１のレーザ装置のビーム伝搬を示す模式図である。
【図５】 φ／ωと集光特性との関係を示す説明図である。
【図６】 全反射鏡曲率変化と開孔手段位置でのビームモードの半径との関係を示す説明図である。
【図７】 図１のレーザ装置のＺ型共振器の一例を示す構成図である。
【図８】 光路長変化によって加工条件が変化することを示す概念図である。
【図９】 この発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。
【図１０】 図９のレーザ装置によるビーム特性の制御方法を示す概念図である。
【図１１】 この発明の実施の形態３によるレーザ装置を示す構成図である。
【図１２】 図１１のレーザ装置によるビーム特性の制御方法を示す概念図である。
【図１３】 この発明の実施の形態４によるレーザ装置を示す構成図である。
【図１４】 図１３のレーザ装置によるビーム特性の制御方法を示す概念図である。
【図１５】 この発明の実施の形態５によるレーザ装置を示す構成図である。
【図１６】 図１５のレーザ装置の集光特性検出手段を示す構成図である。
【図１７】 この発明の実施の形態１から５によるレーザ装置の全反射鏡を示す構造図である。
【図１８】 この発明の実施の形態７によるレーザ装置の全反射鏡を示す構造図である。
【図１９】 この発明の実施の形態７によるレーザ装置を示す構成図である。
【図２０】 この発明の参考例１によるレーザ装置の透過鏡の曲率変化を説明する構造図である。
【図２１】 この発明の参考例２によるレーザ装置の出力鏡の曲率変化を説明する構造図である。
【図２２】 この発明の参考例３によるレーザ装置の出力鏡の曲率変化を説明する構造図である。
【図２３】 この発明の参考例４によるレーザ装置を示す構成図である。
【図２４】 この発明の参考例５によるレーザ装置を示す構成図である。
【図２５】 図２５は、この発明の参考例６によるレーザ装置のビーム伝搬を示す模式図である。
【図２６】 この発明の参考例７によるレーザ装置を示す構成図である。
【図２７】 この発明の実施の形態８によるレーザ装置を示す構成図である。
【図２８】 図１５のレーザ装置のビーム伝搬を示す模式図である。
【図２９】 従来のレーザ装置を示す構成図である。
【図３０】 従来のレーザ装置のビーム伝搬を示す模式図である。

Claims (11)

  1. レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、前記出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、加工経路により前記出力鏡との距離が変動する集光手段と、前記出力鏡と前記集光手段との距離の変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ装置。
  2. レーザ光の一部を反射し、残りを透過し、温度検出手段を有する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、前記出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させる集光手段と、前記出力鏡の温度の変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ装置。
  3. レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、前記出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、温度検出手段を有する集光手段と、前記集光手段の温度の変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ装置。
  4. レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられ、温度検出手段を有するレーザ媒質と、前記出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させる集光手段と、前記レーザ媒質の温度変化に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ装置。
  5. レーザ光の一部を反射し、残りを透過する出力鏡と、この出力鏡と相対する側に配置され、レーザ光を全反射し、その曲率を変化させるようにした全反射鏡と、誘導放出を生成するために前記出力鏡と全反射鏡の間に設けられたレーザ媒質と、前記出力鏡と全反射鏡の間に生成されるレーザ光のビームモードを決定し、その開孔径を変化させるようにした開孔手段と、前記出力鏡から出射されたレーザ光を集光させ、加工経路により前記出力鏡との距離が変動する集光手段と、この集光手段と前記出力鏡との間に設けられた集光特性検出手段と、この集光特性検出手段の出力に応じて、ほぼ一定の集光スポットサイズが得られるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ装置。
  6. 前記制御手段は、前記集光手段に入射するビーム径をＤ、ビームモードをＭ ２ とした場合、Ｍ ２ ／Ｄなる値をほぼ一定となるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御するものであることを特徴とする請求項１、２、４、５のいずれかに記載のレーザ装置。
  7. 前記制御手段は、前記集光手段に入射するレーザビームのビーム径とビームモードをそれぞれほぼ一定となるように、前記全反射鏡の曲率および前記開孔手段の開孔径の変化を制御するものであることを特徴とする請求項１、２、４、５に記載のレーザ 装置。
  8. 圧力センサにより流量を制御された流体圧により、全反射鏡の曲率を変化させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のレーザ装置。
  9. 外部入力によって圧力センサの信号を制御するようにしたことを特徴とする請求項８に記載のレーザ装置。
  10. 全反射鏡の曲率を変化させるための流体がレーザ光を吸収しないガスである場合、出力鏡と集光手段との間の光路に光路パイプを設け、前記流体を前記光路内に流すことを特徴とする請求項８に記載のレーザ装置。
  11. レーザ光を反射する反射鏡と前記反射されたレーザ光を集光させる集光手段を備え、前記反射鏡の曲率を変化させることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のレーザ装置。
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