JP4794649B2

JP4794649B2 - レーザ加工用偏光変換器

Info

Publication number: JP4794649B2
Application number: JP2009106984A
Authority: JP
Inventors: ジャンフランソワビソン; 寿充倉金; 宏迫
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: JP2010256637A

Description

本発明は、レーザ加工において汎用的に使用することができるレーザ加工用偏光変換器に関する。

円偏光は、偏光方向が光軸を中心として点対称となっているため、断面方向性がない。また、円偏光は、ランダム偏光と比較して非常に安定である。そのため、円偏光は、金属シートのＣＯ_２レーザ加工用の光束として、最も普及している。

レーザ切断、または、穿孔（ピアス）では、入射光と材料相互作用面の角度がかなり大きく、このことは、垂直成分（ｓ偏光）と比較して入射面に対して平行な電場の成分（ｐ偏光）に関して遥かに大きい光吸収を引き起こす（非特許文献１）。

それゆえ、レーザ切断など、相互作用前面での吸収が重要である用途では、ｐ偏光は促進されるべきであり、これに対して、レーザ穿孔など、相互作用前面での反射が重要である用途では、ｓ偏光が好ましく思われる（非特許文献２）。

ラジアル（放射）偏光（RP）、または、アジマス（方位）偏光（AP）は、加工方向性のない必要な点対称性を達成しながら、どちらの条件も達成することを可能にする。従来、ＣＯ_２レーザから、ラジアル偏光（RP）及びアジマス偏光（AP）を発生させるために複数の技法がうまく使用されてきた（非特許文献３、非特許文献４）。

しかしながら、いくつかのタスクも、所与の加工作業について連続的に実施する必要がある。そのため、一つの偏光状態から、もう一つの偏光状態へ容易に切り換えられる汎用ツールが望まれる。

一方が他方に対して４５度回転した２枚の透明な半波長板を使用することによって、ラジアル偏光（RP）からアジマス偏光（AP）へ、そして、アジマス偏光（AP）からラジアル偏光（RP）へ切り換えられることが周知である（非特許文献５、非特許文献６）。

また、特許文献１には、主として材料加工用の工業用高出力レーザが記載されている。この工業用高出力レーザは、環状レーザ空洞を有する偏光した軸対称レーザビームを発生する手段として、円錐形の空洞内鏡を有している。この工業用高出力レーザは、円錐形の空洞内鏡を使用することにより、加工に好適なアジマス偏光及び好適なラジアル偏光のレーザビームを発生する。

特表平１１−５０９９７８号公報

R.M. Azzam, J. Opt. Soc. Am. A3,928-929(1986) M. Meier, V. Romano, T. Feurer, Appl. Phys. A, 86,329-334(2007) Endo, Opt. Lett, 33,1771-1773(2008) M. Abdou Ahmed, Opt. Lett, Vol 32 Issue 13, pp.1824-1826(2007) D. J. Armstrong, Appl. Opt, 42(18), 3550-3554(2003) V.G.Niziev, A.V.Nestorov, J. Phys. D. Appl. Phys. 32, 1455-1561(1999)

しかしながら、以下の条件を満足するように、２枚の素子（４５度回転した２枚の透明な半波長板）を組み合せ得るデバイスは存在しない。

（１）ｋＷ級レーザとの適合性が良いこと。

（２）アジマス偏光（AP）とラジアル偏光（RP）との切り換えは、ビーム方向、位置及び伝搬距離を変更せずに実施されること。

（３）アジマス偏光（AP）とラジアル偏光（RP）との切り換えは、ビームの再調整を必要とせずに、容易に実施できること。

（４）アジマス偏光（AP）とラジアル偏光（RP）との切り換え機構は、合理的に十分に速く動作すること。

（５）デバイスは、構成が簡単で安価であること。

例えば、条件（１）及び（５）を満たすには、自動的に複数の複屈折素子を除外して、反射素子を使用することが必要となる。また、条件（５）を満たすことは、条件（２）及び（３）を満たすことを困難にする。

そこで、本発明は、上記の条件（１）乃至（５）を全て満足するレーザ加工用偏光変換器、すなわち、反射素子のみを使用して、ビーム位置、その方向及び総伝搬長のいずれをも維持しながら、簡単、かつ、安価な構成で、アジマス偏光（AP）からラジアル偏光（RP）へ、また、ラジアル偏光（RP）からアジマス偏光（AP）への切り換えができるレーザ加工用偏光変換器を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工用偏光変換器は、以下の構成を有するものである。

〔構成１〕
入射光が順次入射される第１の４分の１波長鏡、第１の全反射鏡、第２の全反射鏡及び第２の４分の１波長鏡、あるいは、半波長鏡及び全反射鏡を有して構成され、入射光に対して同軸の出射光を出射し、入射光に対して半波長板と同等の作用を与える第１のユニットと、第１のユニットからの出射光が入射光として順次入射される第１の４分の１波長鏡、第１の全反射鏡、第２の全反射鏡及び第２の４分の１波長鏡、あるいは、半波長鏡及び全反射鏡を有して構成され、入射光に対して同軸の出射光を出射し、入射光に対して半波長板と同等の作用を与える第２のユニットとを備え、第１及び第２のユニットの少なくとも一方は、入射光の光軸回りに任意の角度だけ回転されるようになっており、各ユニットの相対角度位置が０度位置であるとき、入射光がアジマス偏光（AP）であれば、出射光の偏光分布をアジマス偏光（AP）とし、入射光がラジアル偏光（RP）であれば、出射光の偏光分布をラジアル偏光（RP）とし、各ユニットの相対角度位置が４５度位置であるとき、入射光がアジマス偏光（AP）であれば、出射光の偏光分布をラジアル偏光（RP）とし、入射光がラジアル偏光（RP）であれば、出射光の偏光分布をアジマス偏光（AP）とすることを特徴するものである。

〔構成２〕
入射光が順次入射される第１の４分の１波長鏡、第２の４分の１波長鏡、回転ユニット、第３の４分の１波長鏡及び第４の４分の１波長鏡、あるいは、第１の半波長鏡、第１の全反射鏡、回転ユニット、第２の半波長鏡及び第２の全反射鏡を備え、回転ユニットは、入射光が順次入射される第１乃至第３の全反射鏡を有して構成され、この回転ユニットに対する入射光に対して同軸の出射光を出射し、入射光の光軸回りに任意の角度だけ回転されるようになっており、回転ユニットの角度位置が０度位置であるとき、入射光がアジマス偏光（AP）であれば、出射光の偏光分布をアジマス偏光（AP）とし、入射光がラジアル偏光（RP）であれば、出射光の偏光分布をラジアル偏光（RP）とし、回転ユニットの角度位置が２２．５度位置であるとき、入射光がアジマス偏光（AP）であれば、出射光の偏光分布をラジアル偏光（RP）とし、入射光がラジアル偏光（RP）であれば、出射光の偏光分布をアジマス偏光（AP）とすることを特徴するものである。

本発明に係るレーザ加工用偏光変換器を用いることにより、加工ステップの所与のシーケンスのそれぞれについて、最適処理品質及び生産性のために、相当する最も適切な偏光状態を選択して使用することができる。

すなわち、本発明に係るレーザ加工用偏光変換器を用いることにより、加工の種類に応じた適切な方位偏光を使用することができ、加工時間を短縮し、生産性を高めることができる。アジマス偏光（AP）を使用することによって、穿孔（ピアス）時間を短縮することができる。また、ラジアル偏光（RP）を使用することによって、切断速度を従来の約１．５倍に増加させることができる。すなわち、ラジアル偏光（RP）に変換することによって、アジマス偏光（AP）、または、円偏光と比較して、切断速度を増加させることができる。

本発明に係るレーザ加工用偏光変換器において、このような偏光状態の切り換えは、１個の機構のみを使用して実現することができる。

すなわち、本発明は、反射素子のみを使用し、ビーム位置、その方向及び総伝搬長のいずれをも維持しながら、簡単、かつ、安価な構成で、アジマス偏光（AP）からラジアル偏光（RP）へ、また、ラジアル偏光（RP）からアジマス偏光（AP）への切り換えができるレーザ加工用偏光変換器を提供することができるものである。

本発明に係るレーザ加工用偏光変換器の第１の実施形態における構成を示す平面図である。図１に示したレーザ加工用偏光変換器の内部における偏光状態の展開を示す図である。本発明に係るレーザ加工用偏光変換器の第２の実施形態における構成を示す平面図である。図３に示したレーザ加工用偏光変換器の内部における偏光状態の展開を示す図である。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明に係るレーザ加工用偏光変換器の第１の実施形態における構成を示す平面図である。

本発明に係るレーザ加工用偏光変換器は、図１に示すように、２つの独立した第１及び第２のユニット１，２よりなる。第１のユニット１は、入射光１１が順次入射される第１の４分の１波長鏡（ＱＷＭ）３、第１の全反射鏡（ＨＲＭ）４、第２の全反射鏡（ＨＲＭ）５及び第２の４分の１波長鏡（ＱＷＭ）６を有して構成されている。また、第２のユニット２も、第１のユニット１の出射光１２が順次入射される第１の４分の１波長鏡（ＱＷＭ）７、第１の全反射鏡（ＨＲＭ）８、第２の全反射鏡（ＨＲＭ）９及び第２の４分の１波長鏡（ＱＷＭ）１０を有して構成されている。

各ユニット１，２は、入射光に対して半波長板と同等の作用を与えるが、一対のＱＷＭ３，６、７，１０は、半波長板よりも安価である。

各ユニット１，２の各ＱＷＭ３，６、７，１０における反射光のｐ偏光の位相は、反射光のｓ偏光の位相に対して９０度遅延、または、９０度先行され、反射率（絶対値）振幅は、どちらの偏光についても同じである。各ユニット１，２の第１及び第２のＨＲＭ４，５、８，９における反射光は、位相シフトが偏光状態に依存しない。

第１のユニット１において、各ＱＷＭ３，６及び各ＨＲＭ４，５は、その垂直軸をｘ−ｙ平面上に位置させ、ビーム方向を９０度変化させる。したがって、第１のユニット１への入射光１１と、出射光１２とは、同軸である。また、第２のユニット２において、各ＱＷＭ７，１０及び各ＨＲＭ８，９は、その垂直軸をｘ−ｙ平面上に位置させ、ビーム方向を９０度変化させる。したがって、第１のユニット１からの出射光１２と、出射光１３とは、同軸である。

各ユニット１，２において、各ＱＷＭ３，６、７，１０及び各ＨＲＭ４，５、８，９の配置は重要ではなく、これらＱＷＭ３，６、７，１０及びＨＲＭ４，５、８，９の配置は、各ユニット１，２からの出射光の偏光状態が所定のものとなるものであればよい。

一方のユニットは、入射光の光軸回りに任意の角度だけ回転され得るようになっている。例えば、第２のユニット２は、ｘ軸を中心として、任意の角度だけ回転され得るようになっている。この場合、第２のユニット２の入射面は、ｘｙ′軸によって与えられる。したがって、このレーザ加工用偏光変換器は、入射光１１に対して、互いの回転角が任意となっている２枚の半波長板と同等の作用を与える。

なお、このレーザ加工用偏光変換器においては、一対のＱＷＭ３，６、７，１０の代わりに、半波長鏡１枚とＨＲＭ１枚を使用してもよい。

図２は、図１に示したレーザ加工用偏光変換器の内部における偏光状態の展開を示す図である。

このレーザ加工用偏光変換器において、図２に示すように、第１のユニット１への入射光１１の偏光分布（初期偏光）が、アジマス偏光（AP）である場合について説明する。出射光１３における偏光は、ｙ軸とｙ′軸との角度が０度のとき（１３ａ）及びｙ軸とｙ′軸との角度が４５度のとき（１３ｂ）の回転角について示す。

このレーザ加工用偏光変換器において、第２のユニット２からの出射光１３の偏光分布は、ｙ軸とｙ′軸との角度が０度のときには、第１のユニット１への入射光１１と同一である（１３ａ）。そして、ｙ軸とｙ′軸との角度が４５度のときには、第２のユニット２からの出射光１３の偏光分布は、第１のユニット１への入射光１１の偏光に対して９０度回転されている（１３ｂ）。

すなわち、第１のユニット１への入射光１１がアジマス偏光（AP）であるとき、第２のユニット２を０度位置、または、４５度位置に回転させることにより、第２のユニット２からの出射光１３の偏光分布は、アジマス偏光（AP）、または、ラジアル偏光（RP）となる。同様に、第１のユニット１への入射光１１がラジアル偏光（RP）であるとき、第２のユニット２を０度位置、または、４５度位置に回転させることにより、第２のユニット２からの出射光１３の偏光分布は、ラジアル偏光（RP）、または、アジマス偏光（AP）となる。

〔第２の実施の形態〕
図３は、本発明に係るレーザ加工用偏光変換器の第２の実施形態における構成を示す平面図である。

この実施形態においては、本発明に係るレーザ加工用偏光変換器は、図３に示すように、前述の第１の実施形態とは異なり、４枚のＱＷＭ３，６、７，１０が固定されて構成されている。各ＱＷＭ３，６、７，１０は、その垂直軸をｘ−ｙ平面上に位置させている。入射光１１は、第１及び第２のＱＷＭ３，６に順次反射された後、回転ユニット２１を経て、第３及び第４のＱＷＭ７，１０に順次反射されて、出射光１４となる。

回転ユニット２１は、３枚のＨＲＭ４，５，８から構成されている。第２のＱＷＭ６からの出射光１２は、第１のＨＲＭ４に反射された後、第２のＨＲＭ５に反射され、第３のＨＲＭ８に反射されて、出射される。この回転ユニット２１への入射される第２のＱＷＭ６からの出射光１２と、回転ユニット２１からの出射光１３とは、同軸（ｘ軸）となっている。この回転ユニット２１は、ｘ軸を中心として任意の角度だけ回転されるようになっている。回転ユニット２１の入射面は、ｘｙ′軸によって与えられる。

なお、各ＱＷＭ３，６、７，１０及び各ＨＲＭ４，５，８は、前述の第１の実施の形態におけるものと同様のものである。

回転ユニット２１は、反射性ドーブプリズムとして作用する。反射性ドーブプリズムについては、「L.H. Johnston, Appl. Opt. 16(4), 1082-1084, (1977)」に記載されている。回転ユニット２１の回転角がθであるとき、この回転ユニット２１からの出射光１３及びその偏光方向は、角度２θだけ回転される。

なお、このレーザ加工用偏光変換器においては、第１及び第２のＱＷＭ３，６の代わりに、半波長鏡１枚とＨＲＭ１枚を使用し、第３及び第４のＱＷＭ７，１０の代わりに、半波長鏡１枚とＨＲＭ１枚を使用してもよい。

図４は、図３に示したレーザ加工用偏光変換器の内部における偏光状態の展開を示す図である。

このレーザ加工用偏光変換器において、図４に示すように、入射光１１の偏光分布（初期偏光）が、アジマス偏光（AP）である場合について説明する。出射光１３及び出射光１４における偏光は、ｙ軸とｙ′軸との角度が０度のとき（１３ａ，１４ａ）及びｙ軸とｙ′軸との角度が２２．５度のとき（１３ｂ，１４ｂ）の回転角について示す。

このレーザ加工用偏光変換器において、出射光１４の偏光分布は、ｙ軸とｙ′軸との角度が０度のときには、入射光１１と同一である（１４ａ）。そして、ｙ軸とｙ′軸との角度が２２．５度のときには、出射光１４の偏光分布は、入射光１１の偏光に対して９０度回転されている（１４ｂ）。

すなわち、入射光１１がアジマス偏光（AP）であるとき、回転ユニット２１を０度位置、または、２２．５度位置に回転させることにより、出射光１４の偏光分布は、アジマス偏光（AP）、または、ラジアル偏光（RP）となる。同様に、入射光１１がラジアル偏光（RP）であるとき、回転ユニット２１を０度位置、または、２２．５度位置に回転させることにより、出射光１４の偏光分布は、ラジアル偏光（RP）、または、アジマス偏光（AP）となる。

本発明は、レーザ加工において汎用的に使用することができるレーザ加工用偏光変換器に適用される。

１第１のユニット
２第２のユニット
３第１のＱＷＭ
４第１のＨＲＭ
５第２のＨＲＭ
６第２のＱＷＭ
７第３のＱＷＭ
８第３のＨＲＭ
９第４のＨＲＭ
１０第４のＱＷＭ
１１入射光
１２出射光
１３出射光
１４出射光
２１回転ユニット

Claims

入射光が順次入射される第１の４分の１波長鏡、第１の全反射鏡、第２の全反射鏡及び第２の４分の１波長鏡、あるいは、半波長鏡及び全反射鏡を有して構成され、前記入射光に対して同軸の出射光を出射し、前記入射光に対して半波長板と同等の作用を与える第１のユニットと、
前記第１のユニットからの出射光が入射光として順次入射される第１の４分の１波長鏡、第１の全反射鏡、第２の全反射鏡及び第２の４分の１波長鏡、あるいは、半波長鏡及び全反射鏡を有して構成され、前記入射光に対して同軸の出射光を出射し、前記入射光に対して半波長板と同等の作用を与える第２のユニットと
を備え、
前記第１及び第２のユニットの少なくとも一方は、入射光の光軸回りに任意の角度だけ回転されるようになっており、前記各ユニットの相対角度位置が０度位置であるとき、入射光がアジマス偏光であれば、出射光の偏光分布をアジマス偏光とし、入射光がラジアル偏光であれば、出射光の偏光分布をラジアル偏光とし、前記各ユニットの相対角度位置が４５度位置であるとき、入射光がアジマス偏光であれば、出射光の偏光分布をラジアル偏光とし、入射光がラジアル偏光であれば、出射光の偏光分布をアジマス偏光とする
ことを特徴するレーザ加工用偏光変換器。
入射光が順次入射される第１の４分の１波長鏡、第２の４分の１波長鏡、回転ユニット、第３の４分の１波長鏡及び第４の４分の１波長鏡、あるいは、第１の半波長鏡、第１の全反射鏡、回転ユニット、第２の半波長鏡及び第２の全反射鏡を備え、
前記回転ユニットは、入射光が順次入射される第１乃至第３の全反射鏡を有して構成され、この回転ユニットに対する入射光に対して同軸の出射光を出射し、前記入射光の光軸回りに任意の角度だけ回転されるようになっており、
前記回転ユニットの角度位置が０度位置であるとき、入射光がアジマス偏光であれば、出射光の偏光分布をアジマス偏光とし、入射光がラジアル偏光であれば、出射光の偏光分布をラジアル偏光とし、前記回転ユニットの角度位置が２２．５度位置であるとき、入射光がアジマス偏光であれば、出射光の偏光分布をラジアル偏光とし、入射光がラジアル偏光であれば、出射光の偏光分布をアジマス偏光とする
ことを特徴するレーザ加工用偏光変換器。