JPH11513935A

JPH11513935A - 材料をレーザー切断するための方法及び装置

Info

Publication number: JPH11513935A
Application number: JP9516847A
Authority: JP
Inventors: コブサ，ヘンリー
Original assignee: イー・アイ・デユポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 1999-11-30

Abstract

(57)【要約】物体をレーザービームで切断する改良法及び装置は、約２から約１００ワットの平均出力を有し、１０¹²W/m²*sr超の平均レーザービーム輝度と１０¹³W/m²*sr超の最大輝度を物体に送出するダイオードレーザー励起パルス固体レーザーを使用することにより成る。レーザー切断法で切断された物体の熱影響領域(HAZ)は４mm未満であり、微視亀裂は実質的に認められない。

Description

【発明の詳細な説明】材料をレーザー切断するための方法及び装置発明の背景１．発明の分野本発明は、集束高エネルギーレーザービームによる加工形成物のレーザー切断法、材料の精密加工及び切削のためのシステム及び本方法により切断された加工形成物に関する。２．関連技術の記述集束レーザービームによる加工形成物の切断方法は本技術において周知である。ほとんどの工業用システムは光ファイバー束を利用し、ビームを切断部に送り出す。しかし、光ファイバーの利用は精密切断には全く適さない。なぜならば、光ファイバーはビーム特性を非常に劣化させるからである。ファイバー経由ビームのビーム特性因子M²（以下に定義）は通例５０から１５０の範囲であるのに対し、精密切断に要求されるビーム特性因子M²は２未満である。M²は輝度（以下に定義）の等式の分母に二乗で効いてくるので、ファイバー結合レーザーでは必要輝度が桁違いに低下することになる。切断に直接レーザービームを利用することについては、数少ない参考文献に論じられているにすぎない。典型的なものは、Johnson等による米国特許番号５，０５７，６６４であり、薄膜抵抗体として用いられるニクロムあるいはタンタル窒化物等の高融点材料のきわめて薄い（約１mmもしくはそれ以下）フィルムを切断するために、ダイオード励起QスイッチYAGレーザーを利用することについて記述したものである。きわめて平滑で整った切断面が得られたことが報告されている。 Basu等による米国特許番号４，８９０，２８９は、レーザー切断等に適用可能な高エネルギーダイオード励起固体レーザー装置について記述したものである。放射とともに生ずる熱によるレーザー材料の歪みを防ぐために、励起ダイオードをレーザー材料から一定距離離して配置し、光ファイバーにより励起放射を誘導、集中させ、励起部を周期運動させて光励起放射によりレーザーに生ずる熱を分散させることを提案している。このような構成は、明らかにかなり精巧な機械的及び制御手段を要する。更に、Basu等が開示したようなスラブレーザーは、ロッドレーザーに比べ、精密切断には適さない。なぜならば、スラブレーザーは通例非点収差を示し、ビーム特性因子M²が望ましい範囲になることを妨げるからである。 Baerによる米国特許番号５，０５９，７６４は、レーザーダイオードにより励起される端面励起ファイバー結合固体ロッドレーザーを採用し、半導体の製造及び修理に適用するものである。この装置においては、ビーム幅を１−２mm程度に低くすることが可能であり、パルスは通例３０mJのエネルギーを有する。単一パルスを用い、半導体回路における不都合な接続を除去する。上述のJohnson等及びBaerによる方法は、半導体回路における金属層等のかなり薄い物体の加工に有用であり、材料は主に溶融除去される。Basu等の方法は、通例、より厚い材料に適するが、切り口が比較的粗くであり、所望のものの１０倍程度の幅になる。より厚い加工物の精密微細切断法、すなわち、材料厚Lと切り込み幅Dのアスペクト比L/Dが高い切断法が依然必要とされている。Kobsa等による米国特許番号５，１６８，１４３は、紡績口金平板の複合細孔の切断にレーザービームを採用するものである。この平板は０．１mm程度の薄さでも２．０mm程度の厚さのこともあるが、通例、金属で形成され、０．２から１．０mmの厚さを有する。この方法では、集束レーザーエネルギーにより平板の表面（上面）と底面（下面）の間に溶融材料の貯留が生ずるので、その溶融金属をレーザービームと同軸方向に流れる加圧流体で除去する。レーザービームは実質的に単モードビームであり、平板上面上部に位置設定された１００mm未満のスポットサイズに集束される。レーザーはキセノンフラッシュ管で励起され、１００から２００Hzの繰り返し周波数で作動されることが望ましい。この方法により、十分な平滑な切断端部をもつ４０mm幅の切り込みが、約０．２から１．３mm厚の金属あるいはセラミック平板に形成可能であった。この方法に特徴的なのは、熱影響領域(HAZ)が切り口に生ずることである。これは、流体噴射では除去されずに残り、加工物における再結晶化の熱放散により固体化した溶融材料や、熱応力による亀裂の発生、その他の影響により生ずるものである。既知のレーザー切断法により生ずる熱影響領域の厚さは、切断される材料とプロセスパラメーターに左右され、通例２５から５０mmである。一般に、熱影響領域における材料は、本体材料とは異なる物理的化学的性質を有する。この結果、加工物を使用する際に、本体材料に比べ、熱影響領域は機械的摩耗及び又はは薬品腐食に対する耐性が弱く、使用時の切断部の寸法が急に変化することがある。このことは明らかに不利である。したがって、本発明の目的は、レーザー切断された物体の熱影響領域の厚さを従来技術より有意に低下させ、レーザー切断法を改良することである。本発明の概要本発明により、約０．１から２．０mm厚の加工物の切断法が提供され、その切断法はレーザーを使用する操作が含まれ、そのレーザーは、側面励起ダイオード棒を有し、約２から約１００ワットの平均出力をもち、１０¹²W/m²*sr超の平均レーザービーム輝度と１０¹³Ｗ/m²*sr超の最大輝度を送出してレーザービームを発する。レーザービームは、物体の上面と下面の間の平面に集束され、材料を溶融あるいは気化させる。レーザービームにより溶融あるいは気化した材料は、レーザービームと同軸方向に流れる加圧流体により物体から除去される。本発明は、材料及び加工物の精密加工及び切削のためのレーザーシステムをも包含する。このシステムは、レーザー媒質、望ましくはネオジム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット(Nd : YAG)の円筒形ロッドからなる固体（ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅ）レーザー光源と、二枚の止端ミラーからなるレーザー洞、レーザー媒質を励起するためにその周囲に配置された複数のダイオード棒と、ビーム特性を改善するための光学要素とを具備する。このような光学要素は周知のものであり、単一モード（すなわちTEMooモード）を選択するための開口、レンズ、曲面ミラー等である。更に、本システムは、レーザービームを拡大、平行化、集束するレンズシステムを有する。集束レンズは、コリメーターの近くか、ビーム減衰器やビーム検証のためのビーム・スプリッタ等のシステムの他の要素の空間を確保するためにいくらかの距離をおいて配置してもよい。更に、本システムは、加工物をレーザービームに対し保持し移動するためのワークステーションを有する。このワークステーションは、加工物を締め付け要素等により保持し、直交する二方向に独立に動かし、また、レーザーの焦点を前記二方向と直交する第三方向に独立に動かす手段を有する。図面の簡単な記述図１は、本発明の装置の説明図である。図２は、本発明の光学要素の様式略図である。図３は、レーザービーム送出アセンブリの部分断面立面図である。図４は、レーザーロッド及び励起ダイオードの斜視図であり、レーザーロッドを光励起するための好適構成を示す。本発明の詳細記述レーザーの平均輝度Bavは、レーザー出力とその焦点面におけるレーザービームの断面積及び立体角に依存する。ここでパルスレーザーの輝度は次式により定義される。 Bav ＝（n * E） / （A * Q）［W/m²*sr］この式において、 E [J] ＝一パルス当たりのエネルギー、 n [l/s] ＝繰り返し率、 A [m²] ＝焦点面におけるビームの断面積、 Q [sr] ＝くびれ部におけるビームによる立体角、 Q [sr] ＝くびれ部におけるビームによる立体角、連続波レーザーの場合、n * Eは［W］単位で表現された出力に置き換え可能である。測定の容易な単位を用いると、この式は次のようになる。 Bav ＝ (4/p)² * (n * E)/(Wo² * q²) ［W/m² * sr］この式において Wo [m] ＝くびれ部におけるビーム直径、 q [rad] ＝レーザービームの発散度発散度qは、集束レンズに入射する前の平行ビーム直径とこのレンズの焦点距離の比として決定される。 Woは便宜上mmで測定されるため、この式は次のようになる。 Bav ＝ 10¹² * (4 / p)² * (n * E) / (Wo² * q²) ［W/m²*sr］ Bavをデューティーサイクルrで割ると、最大輝度が得られる。 Bp ＝ Bav / r ［W/m² * sr］例えば等しい矩形レーザーパルスでは、デューティーサイクルとは１つのパルスの始点から次のパルスの始点間の時間間隔に対するレーザーパルスの持続時間比を意味する。したがって、高輝度を得るためには、パルスエネルギーEを増大させるか、ビーム特性を示す積Wo*qを低下させるかのどちらか、あるいは、両方がなされなければならない。Wo*qの最小値は回折限界４ l/pに等しく、ここで、lはレーザー放射の波長である。以下の考察において、ビーム特性因子M²を用いるが、これは（Wo*q）の実測値と最小値の比であり、次式により定義される。 Wo*q ＝ M² * 4 * l / p ［m*rad］これを用いて平均輝度を求めることができる。 Bav ＝（n * E） / （l²*（M²）²）＝ 0.883*10¹²*n*E / (M²)² ［W/m²*sr］ Nd : YAGレーザーの場合、l ＝１．０６４mmである。この式は、高輝度レーザーを得るためには、ビーム特性因子M²を可能な限り小さくしなければならないことを意味する。本発明による装置では、以下に説明するように、（１）レーザー洞内の一以上のレンズあるいは一以上の曲面止端ミラーを利用し、熱集束を補正することにより、また、（２）レーザー媒質に対する熱負荷を最小にし、補正困難あるいは不可能な非点収差等の高次の歪みを防ぐことにより、M²を制御する。本発明による装置は通例１０で示される。装置１０は、防震支持構造体２０、３軸位置決め機構３０、加工物保持固定具４０、レーザーシステム５０、レーザービーム減衰器６０、レーザービーム拡大器７０、レーザー抽出器８０、レーザービーム送出アセンブリ９０、レーザービーム特性モニタ１００、切断部位検分システム１１０、容量距離検知器１４０、加圧ガス切断補助装置１５０及び遮光安全格納装置１６０により構成される。レーザー切断システム５０は、レーザーダイオード励起パルスNd : YAG固体レーザーヘッド５２を中心とする。レーザーシステム５０は、二枚の止端ミラーからなるレーザー洞、レーザー媒質、レーザー媒質を励起するための複数のダイオード棒及びビーム特性を改善するための一以上の光学要素を有する。モデル3621 -3000-1等のVA、HerndonのFibertek社製レーザーシステムは、レーザーヘッド５２、出力源５４及び熱冷却装置５６により構成されている。レーザーヘッドにおいてレーザーロッド５２Ｒを含むレーザー媒質は、各々５０ワットの８０個のレーザーダイオード棒により励起される。これらのダイオード棒は、レーザーロッドの周囲に、一列４×４個ずつ５２D１から５２D５まで５列に配置されている。図４はその配置を示す。平均レーザー出力は約２から約１００ワットであるが、約３０ワットが望ましい。パルス波長は１５０マイクロセカンド［μs ］であり、パルス繰り返し率は１秒当たり１０００パルス［l/s］で、これはデューティーサイクル０．１５に相当する。ダイオード５２D及びレーザーロッド５２Rは空気接触水冷装置５６により冷却される。レーザー媒質の温度分布は可能な限り対称であることが重要である。このことは、スラブ型レーザー媒質より円筒ロッド型レーザー媒質において容易に実現されることが多いが、これはその対称性による。本発明による最適実施例においては、図５に示されるように、レーザーロッド媒体が数列（例えば５列）のレーザーダイオード棒により側面励起され、均一な温度分布を示し、半径方向に変化するが、円周方向にはほとんど変化しない。円筒ロッド５２Rは透明な石英管５２Q に封入されるのが望ましく、冷却装置５６から供給される脱イオン水等の温度調節された冷却剤が、この管を介し一定速度で流れることにより、レーザーロッド５２Rを一定の平均温度に保つ。レーザー励起ダイオードを保持する棒５２Dは、高い熱伝導度をもつ放熱材で形成されており、これを介して温度調節された冷却剤が一定の割合で冷却装置５６から流れ、レーザー励起ダイオードを一定平均温度に保つ。高パルスエネルギーを得るために、本発明による方法では、最大光励起効率を得るように、レーザーロッド５２Rと直接結合するレーザー励起ダイオード５２Dを有する側面励起レーザーロッド５２Rを使用するのが望ましい。特に、円筒ロッド型レーザー媒質が望ましい。励起ダイオードアレイはレーザー媒質の近くに配置される。励起ダイオードはレーザー媒質の周囲に配置されるのが望ましい。このように２０から１６０という多数のダイオードをレーザー媒質の近くに配置すると、各ダイオードは２０から１００ワットの励起放射出力を有するので、数キロワットの励起出力が得られる。同時に、励起エネルギーがレーザー媒質全体により均一に分布するので、熱応力がより低くなる。レーザーロッド内の熱を最も均一に分布させるためには、５あるいは７等の奇数のダイオード棒アレイ列が、レーザーロッドの周囲に対称的に配置されるのが望ましい。奇数が望ましいのは、ダイオード棒アレイ列からの光エネルギーのうちレーザーロッドに吸収されない分が対面のダイオード棒アレイ列に衝突することがないからである。本発明では、一以上の曲面止端ミラーを使用し、レーザー媒質を側面励起することにより、ビーム特性因子M²＝１．２が得られる。ビーム減衰器６０は、くさびフィルターとしても知られる密度変動グレイ（中性）フィルターか、図２に示されるような反射率変動部分反射ミラー（部分反射ビーム・スプリッタ）６２等であり、光路に対し実質的に垂直方向に動かすことができる。反射されたレーザーエネルギーはビームダンプ６４に吸収される。減衰器６０としては、回折ビーム・スプリッタとしても知られる回折レーザービーム減衰器が特に望ましい。ビーム・スプリッタが広い減衰領域にわたり連続的に可変であり、切断される材料を適切に処理するためのビーム出力をこの領域で選択することができれば、これも有利なことである。適当な減衰器としては、Gent ec社（カナダ、Quebec、Saint-Foy）の光学出力変調器（Optical Power Modulat or）モデル OPM121-45021がある。ビーム減衰器は、レーザーヘッド５２の外部結合ミラー５２M２と最終集束レンズ９４の間のいかなる場所にも便宜的に配置可能である。例えば、図１及び２に示されるように、コーナーミラー５８の直後に配置することも可能であるし、ビームが拡大され平行になった後のレーザーシステムに挿入することも可能である。ビームは上述のようにビーム減衰器６０を通過する。その後、ビームはビーム拡大レンズ７２を通り、用途に応じこのレンズにより直径５から２０mmに拡大され、ビームを平行化するビームコリメーターレンズ７４を通る。次いでビーム分離ミラーを含むビーム抽出器８０が、約０．１％のビームを分析のためにレーザービーム特性モニタ１００に分離し、９９．９％のビームを切断部にビームを集束させるレーザービーム送出アセンブリ９０に反射させる。ビーム抽出器８０は可視光に対し透過性であるため、切断過程の監視が可能であり、このことは切断部位検分システム１１０に関して述べる通りである。レーザービーム特性モニタ１００のCCDカメラ１０２で検出される部分ビームにより、レーザービーム輪郭のオンライン写真が得られるが、その写真はモニター１０９に表示され、オペレーターはビーム特性を視覚的に監視できる。レーザービーム送出アセンブリ９０の集束レンズ９４は、８０ミリメートル（８０mm）の焦点距離を有する。ノズル９８はレーザービーム送出アセンブリ９０に取り付けられ、加工物表面に流体をレーザービームと同軸方向に噴射するものであるが、これはKobsaの米国特許番号５，１６８，１４３と同様である。切断のための加圧ガス切断補助装置１５０に用いる好適流体は、酸素、窒素、二酸化炭素、アルゴンであり、その圧力は最良の切断特性が得られるように調節可能で、例えば、約０．５MPaとすることが可能である。支持構造体２０は、Thyssen Laser-Technik G mbH から入手できるユニット等、花崗岩もしくは類似材料で形成され、これにより、振動が抑制され、光学系の適切な整合を維持することが望ましい。３軸位置決め機構３０は、コントローラー３２、X軸位置決めステージ３４、Y 軸位置決めステージ３６及びZ軸位置決めステージ３８から成る。位置決めステージ３４、３６、３８は、各々、可動台３４T、３６T、３８Tを有する。レーザーシステム５０は、レーザーヘッド５２、レーザー出力源５４及びレーザー冷却装置５６を含む。レーザービーム拡大器７０は、ビーム拡大レンズ７２とビームコリメーターレンズ７４を具備する。レーザービーム送出アセンブリ９０は、ビーム送出管９２、対物あるいは集束レンズ９４、ウィンド９６及びノズル９８を具備する。レーザービーム特性モニタ１００は、調焦装置１０４を有するビーム像影CCD カメラアセンブリ１０２と画像処理・制御装置１０８により構成される。ビーム抽出器８０を通過するレーザービームエネルギーの一部は、調焦装置１０４を通り、ビーム像影CCDカメラアセンブリ１０２のCCD配列平面１０２A に集束される。画像処理・制御装置１０８は調焦装置１０４を制御し、集束レンズ１０６を数カ所の特定の位置に位置決めする。レンズ１０６の第一位置はビームを正確にCC Dアレイ１０２Aに集束され、第二位置はビームをCCDアレイ１０２Aの平面から少し離れた位置に集束され、第三位置はビームをCCDアレイ１０２Aの平面から更に離れた位置に調焦集束されるのに対応する。これら異なる焦点位置に形成された画像は画像処理・制御装置１０８に受像され、ビーム特性因子M²が、１９９３年、Carl HanserVerlagによるWerkstoffbearbeitungmit Laserstrahlung(Munchen) におけるHerziger及びLoosenの第３及び４章に記載された方法により計算される。切断部位検分システム１１０は、CCDカメラアセンブリ１１２、補助光源１１４及び画像表示装置１１６を具備する。切断部位検分システム１１０は、レーザービーム送出アセンブリ９０に隣接したZ軸位置決めステージ３８に取り付けられる。加工物の切断部位で反射されたレーザービームあるいは補助光源１１４からの光は、対物レンズ９４により平行化され、ビーム抽出器８０を通る。カメラアセンブリ１１２のレンズ１１２Lは、切断部位の画像をCCD像影アレイ１１２A に集束させる。支持構造体２０はベース２２を有し、その上に二本の支持支柱２４が取り付けられ、更にその上に上部プラットフォーム２６が設けられる。加工物保持固定具４０はY軸位置決めステージ３６に取り付けられるが、これはX軸位置決めステージ３４に取り付けられ、さらにX軸位置決めステージは支持構造体２０のベース２２に取り付けられる。レーザーヘッド５２、コーナーミラー５８、レーザービーム減衰器６０、コーナーミラー６８、レーザービーム拡大器７０及びZ軸位置決めステージ３８は上部プラットフォーム２６に取り付けられる。レーザービーム送出アセンブリ９０はZ軸位置決めステージ３８に取り付けられる。３軸位置決め補助機構３０として使用に適するのは、市販装置PA（ピッツバーグのAerotech社）であり、モデルUNIDEX(R)model 31 シリーズコントローラー３２、X軸ステージ３４となるモデルATS 50060位置決め台、Y軸ステージ３６となるモデルATS 50060位置決め台及びZ軸部３８となるモデルATS 50060位置決め台により構成される。容量距離検知器１４０は、距離検知要素１４２と制御モジュール１４４を具備する。モジュール１４４の出力は、ケーブル１４６を介しコントローラー３２に接続される。距離検知器１４０は、対物集束レンズ１１６から加工物表面までの距離を測定する。検知要素１４２はノズル９８に取り付けられてもよい。操作時、制御モジュール１４４が対物レンズと加工物間の距離を表わす電気信号を送り、コントローラー３２が制御信号をZ軸ステージ３８に送ることにより、Z軸ステージ台３８Tすなわちレーザービーム送出アセンブリ９０を位置決めし、これを加工物表面から所望の距離に保持し、最終的に対物レンズ９４がレーザービームを加工物表面に対して所望の位置に集束させる。ガス切断補助装置１５０は、ガス供給源１５０C、供給管１５２及び切断ノズル９８を含み、このノズルは集束レンズ９４と加工物W間のレーザービームと同軸に位置合わせして取り付けられ、ワークステーションに保持される加工物表面に加圧流体を噴射する。この流体は、酸素、アルゴン、二酸化炭素、窒素等のガスであることが望ましい。更に、本発明により、厚さ約０．１から２．０mmで物体を切断する方法が提供される。その切断法にはレーザーを使用する操作が含まれ、そのレーザーは、側面励起ダイオード棒を有し、約２から約１００ワットの平均出力をもち、１０¹² W/m²*sr超の平均レーザービーム輝度と１０¹³W/m²*sr超の最大輝度を放出してレーザービームを発するものである。レーザービームは、物体の上面と下面の間の平面に集束され、材料を溶融あるいは気化させる。レーザービームにより溶融あるいは気化した材科は、レーザービームと同軸方向に流れる加圧流体により物体から除去される。本発明による方法では、パルスレーザーが望ましい。なぜならば、パルスレーザーにより、システムに過度の熱負荷をかけることなくきわめて高い最大輝度を得ることができるからである。少なくとも１秒当たり５００パルス[l/s]の繰り返し周波数nでレーザー切断機器を動作させることが更に望ましい。本発明による方法では、レーザー５０を一定の平均出力で作働させ、最適ビーム特性を維持すること、そして、レーザーヘッド５２と加工物Wの間、望ましくはレーザーヘッド５２の直後に配置される減衰器６０によりレーザー強度を調整することが更に望ましい。こうすると、レーザーは一定の平均出力で進み、加工物におけるレーザービームの有効平均出力は、減衰器６０により、特定の用途に適したレベルに調節される。加工物におけるレーザービームの出力をレーザー切断の実行に必要十分なレベルに調整することは概して有益なことである。過度のレベルの出力を用いると、熱影響領域が増大する。このことは、レーザー媒質の屈折率の半径方向の非均一性、つまり半径方向の熱勾配により生じる媒体不可避の熱集束が、共振洞の適切な設計、或いは図２に示される光学補正要素５２Eにより、一定に維持され、効果的に補正可能であることを意味する。集束レンズ９４と加工物W表面間の距離を監視し、この距離を一定値に制御することは更に望ましい。こうすると、加工物の凹凸や曲りの影響を排除し、レーザービームの焦点を加工物表面に対して所望の位置に保持することができる。このような制御は、ドイツ、GaggenauのPrecitec GmbHのLasermaticRＩＩ等の距離検知システム１４０によってなされ、そのシステムは、レーザービーム送出管９２に取り付けられる容量検知器１４２を有し、適切に３座標ワークステーション３０の制御装置３２に電気信号を送り、これにより、レーザービームの焦点を加工物表面に対して所望の位置に保持する。厚い物体を切断する時は、ビームの最小断面積すなわち最大フルエンス、貯まり、最大輝度が一平面に限定されることを覚えておかなければならない。このビームは集束光学系のため、この平面の上下では、ビームは広広がっている。これは、ビームが最小面積（くびれ部における）の２倍以上に発散される距離を意味する所謂レイリー長Zrにより表わされ、次式により与えられる。 Zr ＝ Wo² * p / （M² * l）＝ 4 Wo / q ここで、Zr、Wo及びlは同一単位で測定される。一般に、Zrの約２倍かそれより僅かに厚い材料までは質の高い切断が可能である。このことは、Zrが材料厚の約０．４倍超であるのが望ましいことを意味する。適当なビーム拡大器を選択することにより、レイリー長Zrを制御することができる。ビームを拡大すればするほど、くびれ部ビーム直径Woすなわち発散度qは小さくなり、レイリー長Zrも小さくなる。一方、くびれ部のビーム直径Woが小さくなればなるほど切断の切り口を細くすることができる。Zrの約２倍の厚さの材料を切断する時にできる切り口幅は、Woの約１．４倍である。実際の切り口幅は切断される材料の熱伝導度に左右され、この値より僅かに大きくなる。本発明による切断法は多種の材料に適用可能である。ステンレス鋼、銅、アルミニウム等の金属やタングステン等の高融点金属、アルミナ（HoechstのKERAMTE CR^(R)708等）、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム等のセラミック材に好適である。また、炭素繊維補強熱硬化性樹脂、炭素繊維補強炭素等の複合材料やセラミック層で被覆されたステンレス鋼等のクラッド材を切断することもできる。本発明の方法による切断面はきわめて平滑であり、その熱影響領域も非常に薄く、通例４mm以下であることが認められた。これは、本発明によるレーザー切断機器がきわめて低いM²値を有することと、１パルス当たりの有効出力を、切断には適するが加工物に余分なエネルギーを残存させないレベルに調整することによるものである。セラミック等の脆い材料を切断する時も、従来技術の方法による結果とは対照的に、切断面に微視亀裂が実質的に認められなかった。本発明による方法は、自動車工業及び電気電子工業の精密セラミック部品製造における金属板や繊維工業における紡糸口金板、ディーゼルエンジン等の燃料噴射ノズルの精密切断等、種々の技術分野に適用できる。本システムにおける光路はレーザーヘッドから加工物へ延びる。ミラーやレンズ、ビーム・スプリッタ等の光学要素は、光路上に本技術の通例と同様に配置される。ダイオード側面励起レーザーが小型構造であり消費出力が適度であるため、本レーザーシステムは比較的小型に格納配置可能であることがわかった。したがって、本システムを外側ハウジングに格納し、その扉をレーザー出力供給と連動させるのが望ましい。このような装備は、公認されているレーザー安全基準に準ずる第Ｉ種レーザーシステムとして取り扱うことができる。実施例１０．５mm厚のステンレス鋼板を、上述の装置を用い、切断速度３ｍ／分、最大平均レーザー出力n*E＝３０ワットで切断した。上記のように定義されるビーム特性因子M²は１．２であった。本実験における最大輝度を上記にしたがい計算すると、Bp＝１２．３*１０¹³[W/m²*sr]であり、平均輝度はBav＝１８．４*１０¹²[W/m²*sr]であった。実施例２第二実験において、０．２mm厚のステンレス鋼板を、０．２ｍ／分の速度で切断した。切断過程をモニタ１１６で視覚的に観察し、切断に必要十分な出力になるよう減衰器６０を調節すると、その時の平均レーザー出力はn*E＝２．５ワットであった。ビーム特性は実施例１と変化なく、ビーム特性因子M²は１．２であった。本実験における輝度は、Bp＝１．０３*１０¹³[W/m²*sr]であり、Bav＝１．５３*１０¹²［W/m²*sr］であった。熱影響領域幅が金属組織学的方法（研磨及びエッチング）により測定され、実施例１及び２の材料切断面双方において、２mmであった。更なる試験で、中間の切断速度、１０ワットの平均レーザー出力においても、ビーム特性因子は変わらなかった。これらの結果に対し、Kobsa等の米国特許番号５，１６８，１４３に記載の従来技術による方法では、n*E＝１１ワット、Wo＝４２mm、q＝８０mrad、すなわち、平均輝度Bav＝０．４*１０¹²[W/m²*sr]であり、熱影響領域は５mmよりかなり厚く、約２５mmになることもあった

Claims

【特許請求の範囲】１．材料を精密加工及び切削するためのレーザーシステムにおいて、（ａ）（ｉ）二枚の止端ミラーにより構成されるレーザー洞と、（ｉｉ）レーザー媒質と、（ｉｉｉ）複数のレーザーダイオードアレイにより直接側面励起される円筒レーザーロッドと、（ｉｖ）ビーム特性を改善するための一以上の光学要素とを具備するパルス固体レーザーと、（ｂ）レーザービームを拡大し、平行化し、集束するレーザービーム送出システムと、（ｃ）加工物をレーザービームに対し保持、移動するためのワークステーションと、（ｄ）前記加工物表面に加圧流体を噴射する切断ノズルとを具備し、レーザービームは約２から約１００ワットの平均出力をもち、集束レーザービームは１０¹² W/m²*sr超の平均レーザービーム輝度と１０¹³W/m²*sr超の最大輝度を有することを特徴とするレーザーシステム。２．固体レーザー媒質はネオジム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット(Nd : YAG)であることを特徴とする上記１に記載のシステム。３．レーザー洞の外に連続可変ビーム・スプリッタを更に具備することを特徴とする上記１に記載のシステム。４．光路にビーム抽出器と、レーザービーム特性モニタとを更に具備し、前記ビーム抽出器は、ビームのごく一部をビーム特性モニタに導くことを特徴とする上記１に記載のシステム。５．レーザービーム特性モニタは、２次元CCDアレイと調焦装置と画像処理・制御装置とを有するCCDカメラアセンブリを具備し、ビーム抽出器を通過したレーザービームエネルギーの一部が調焦装置を通り、２次元CCDアレイに集束され、レーザービーム特性の監視のためのレーザービームの画像を形成することを特徴とする上記４に記載のシステム。６．レーザービーム送出システムに固定された距離検知器を更に具備し、ワークステーションへの入力を与え、ワークステーション集束レンズと材料表面間の距離を制御することを特徴とする上記１に記載のシステム。７．約０．１から２．０mm厚の加工物の切断法において、（ａ）複数のダイオードアレイにより直接側面励起される円筒レーザーロッドを有するレーザーを用い、該レーザーは約２から約１００ワットの平均出力をもち、１０¹²W/m²*sr超の平均レーザービーム輝度と１０¹³W/m²*sr超の最大輝度を放出してレーザービームを発し（ｂ）レーザービームを物体の上面と下面の間の平面に集束し、材料を溶融あるいは気化させ、（ｃ）レーザービームにより溶融あるいは気化した材料をレーザービームと同軸方向に流れる加圧流体により物体から除去することを特徴とする方法。８．レーザーは２未満のビーム特性因子M²を有することを特徴とする上記７に記載の方法。９．レーザーは１．５未満のビーム特性因子M²を有することを特徴とする上記７に記載の方法。１０．レーザー出力は、ビーム特性因子M²が２．０未満になるような一定の平均出力に維持され、レーザービーム強度は、レーザーと物体間の光路に配置された減衰器により物体のレーザー切断に必要十分なレベルに調節され、これらにより、物体の熱影響領域を最小限に抑えることを特徴とする上記８に記載の方法。１１．レーザービームの集束レンズと材料表面間の距離が自動的に制御されることを特徴とする上記７に記載の方法。１２．レーザービームのレイリー長が、切断される材料厚の約０．４倍超であることを特徴とする上記７に記載の方法。１３．レーザーの繰り返し率が、５００Hz超であることを特徴とする上記７に記載の方法。１４．上記７に記載の方法でなされるレーザー切断により生じる表面を有する物体。１５．前記表面下の熱影響領域が４mm未満であることを特徴とする上記１４に記載の物体。１６．該物体は金属であることを特徴とする上記１４に記載の物体。１７．該物体はセラミック材であることを特徴とする上記１４に記載の物体。１８．該物体は複合材料あるいはクラッド材で形成されていることを特徴とする上記１４に記載の物体。１９．前記表面下の熱影響領域は２mm未満であることを特徴とする上記１４に記載の物体。２０．セラミック材の表面に微視亀裂が実質的に認められないことを特徴とする上記１７に記載の物体。