JPH031104A - 加工機用レーザ光伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は加工機用レーザ光伝送装置、特に大電力の炭酸
ガスレーザ光を伝送する可撓性中空光導波路を使用した
レーザ光伝送装置に関するものである。

［従来の技術］ 高効率で大出力の得られる炭酸ガスレーザは、金属の溶
接、切断、熱処理等のレーザ加工用として既に工業分野
に導入されている。しかし、これらの産業用レーザ加工
機では、レーザ発振器からの出力光を加工対象物まで導
く方法として、反射鏡とレンズを組み合わせた空間ビー
ム伝送方式を採用していたため、複雑かつ精密な制御Ｒ
横を必要とし、装置が大型、高価格なものとなるばかり
でなく保守も容易なものではなかった。

大電力のレーザ光をフレキシブルに伝送できる可撓性光
導波路が実現できれば、これらの不便さが全て解決され
るため、その実用化が待たれて久しいものがあった。

これまで、その候補としては、カルコゲナイドやフッ化
物ガラス或いは金属ハロゲン化物やＫＨ２−５等を材料
とした赤外光ファイバや断面が開平形状の矩形金属中空
光導波路や、誘電体薄膜を中空内壁にコーティングした
円形金属中空光導波路が挙げられ、検討されてきたが、
工業加工用には金属中空光導波路タイプが最も有望視さ
れている。特に誘電体内装金属中空タイプは伝送損失０
．０５ｄＢ／ｍ以下のもが実現され、更に光導波路を冷
却することによって５００ｗ以上の電力伝送が可能であ
ることが既に実証されるなど、工業加工用としては最も
実用化への近道にあると言える。

［発明が解決しようとする課題］ 誘電体内装金属中空光導波路は冷却効率が高く、入出力
端における反射や熱的破壊あるいは絶縁破壊が無いなど
、大電力エネルギ伝送用としての長所を備えてはいるも
のの、光エネルギの伝搬領域である中空部分の径が、炭
酸ガスレーザ光の波長１０．６μｌに比べ約２桁大きな
寸法で゛ある。従って内部を伝搬するモードは数多く、
いわゆるオーバサイズのマルチモード伝送路である。そ
れ故、■入射ビームのスポットサイズと光導波路内径の
ミスマツチ、■光導波路内壁の表面粗さ、■光導波路の
急激な折れ曲がり等が原因となって、高次モードが発生
し、光導波路内を伝搬する。これらの高次モードは、光
導波路出射端から放射した場合の拡散角が光導波路の基
本モードに比べ大きなものであるため、レンズによって
集光した場合の集光径を大きなものにする。

従って、切断加工に適用した場合、切＠幅を広いものに
してしまう、更に、強度分布が中心に関して非対称な高
次モードが存在すると、切断加工性能が方向により変化
する等の欠点があった。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、切
断等の加工性能を大幅に向上させることのできる、炭酸
ガスレーザ加工機用のレーザ光伝送装置を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の加工機用レーザ光伝送装置は、大電力の炭酸ガ
スレーザ光をレーザ光照射部まで導くための可撓性中空
光導波路、前記中空光導波路にレーザ光を結合させる入
力結合部、前記中空先導波路出力を集束してアシストガ
スと共に被加工物に照射する加工ヘッドからなるレーザ
光伝送装置において、前記中空光導波路は誘電体薄膜を
内表面にコーティングされた金属中空光導波路であり、
その出力側及び入力側の少なくとも一方の端部付近に、
少なくとも１箇所以上の誘電体薄膜コーティングの無い
部分を持つ構成とし、たものである。

この場合、前記中空先導波路は、その内表面が空冷され
外表面が水冷されている光導波路とすることが好ましい
、また、前記入力結合部は、結合用レンズと中空先導波
路間に、アイリス型、金属中空型又はテーパ付金属中空
型のいずれかの励振用先導波路を含む構成とするのがよ
い、更に、前記加工ヘッドは前記中空先導波路から出射
した拡散光を集束する１枚以上のレンズを含む構成とす
るのが好ましい。

し作用］ 誘電体薄膜を内壁にコーティングした中空光導波路の一
部分を、誘電体薄膜コーティングの無い金属中空光導波
路とすることにより、それらの部分においては、光導波
路内の高次モードに対する伝送損失が基本モードに比べ
て大きくなり、高次モードを吸収するいわゆるモードフ
ィルタとして動作する。

高次モードが、吸収されるため、先導波路からの出射光
をレンズによって集光した場合の集光径が小さくなり、
従って、切断加工に適用した場合の切断幅が狭くなる等
、加工性能が大幅に向上する。

［実施例］ 以下本発明を図を引用しながら詳細に説明する。

第１図は、本発明の光導波路の縦断面図である。

中空金属管３の内壁には波長１０．６μｌでの低損失誘
電体重Ｈ２がコーティングされている。この誘を水薄膜
２をａ適に選ぶこと（詳細は文献：信字技報０ＱＥ８２
−１２０（１９８３）を参照）により、ＣＯ２レーザ光
は、中空金属管３内部で完全反射を繰り返しながら伝搬
することになる。

この光導波路の中空導波領域１は、内径が波長に比べて
十分大きな、いわゆるオーバサイズ光導波路であるため
、伝搬するモードの数は多い、このようなモードのなか
で、低次のモードは単位長当たりの壁面での反射回数は
少なく、高次モードのそれは多い、従って、第１図のご
とく誘電体内装金属中空光導波路の誘電体重ＪｉＡ２を
部分的に金属と置換することによって、低次のモードに
は殆ど影響を与えることなく、高次のモードのみを金属
壁に吸収させ減衰させるモードフィルタ部６ａ。

６ｂとして機能させることができる。

第１図の構造は、誘電体内装金属中空光導波路と金属中
空光導波路とを接続することによっても実現できる。し
かし両者の微かな軸ずれや角度折れによって高次モード
が発生してしまうためモードフィルタとして十分機能し
ないばかりか、接続部の機械的強度も問題になるなど、
フレキシブル光導波路としてのメリットが生かせなくな
る。

そこで、第２図に示すスパッタリング、メツキ。

エツチングという誘電体内装金属中空光導波路の基本プ
ロセスに微かな修正を加えて製作する。即ち、母材アル
ミバ、イブ４の外表面にスパッタリングで誘電体薄膜２
を形成するのに先立って、誘電体重１ｉ２を除去する部
分（６ａ、６ｂ）をアルミ薄又はテフロンテープ等でマ
スキングする。そして、スパッタリング終了後にこのマ
スキングを取り除き、以後は通常通りメツキ処理、エツ
チング処理を行う、上記マスキング部分においては誘電
体薄膜２が形成されず、メツキにより金属部分として残
るため、第１図の誘電体内装金属中空光導波路５におけ
るモードフィルタ部６ａ、６ｂを得ることができる。

誘電体薄膜２の厚さは通常１μ−以下と極めて薄いため
、製造プロセス上は全く問題が無く、これは試作でも確
認している。

次に、この光導波路の動作及びメリットについて、第３
図を参考に説明する。

上記モードフィルタ部６ａ、６ｂを両端付近に有する誘
電体内装金属中空光導波路５に、ＣＯ２レーザからの出
力光を、結合用レンズ７を用いて最適東件となるよう変
換し入力する。Ｃ０２レーザからの出力光は、一般には
完全なガウス型の電力分布ではなく、高次モードが含ま
れている（第３図の分布５ａ）、更に、レーザ出力光、
結合用レンズ７、光導波路５などの相互間の位置ずれに
よっても、光導波路内では高次モードが発生する。

しかし、この高次モードは、モードフィルタ部６ａを通
過することにより吸収され、光導波路５内の電力分布は
ガウス型となる（第３図の分布５ｂ）、また光導波路５
を曲げた場合、その内部の電力分布は曲げの外側に幾分
シフトする（第３図の分布５Ｃ）、更に、光導波路５の
内壁の表面に凹凸が存在した場合も高次モード発生の原
因となるが、これらは出射端側モードフィルタ部６ｂに
より吸収される。従って、光導波路５からの出射光の電
力分布は、中心に関して対称なガウス型の電力分布（第
３図の分布５ｄ）となる。

この結果、ＣＯ□レーザ固有の出力特性、光導波路の曲
げ方向等には殆ど影響されることなく常にガウス型の出
力が得られ、ＣＯ當レーザ光を使用した金属薄板、プラ
スチック、布等の切断に極めて有効な特長となる。

第４図は上記光導波路５の入力結合部の構造を示す、こ
の入力結合部の構造は、上記光導波路５の中空導波領域
１の内部を空冷、そして外表面を水冷すると共に、レー
ザ光を効率よく光導波路に入射させる構造となっている
。

即ち、冷却水導入口１０から流入した冷却水は、結合用
レンズ７を冷却し、入力部マウント８内を通過して光導
波路５の外表面を冷却しながら、出力端側へ流れる。ま
た、アシストガスと兼用の冷却ガスが光導波路５の中空
導波領域１に流され、光導波路５の内壁を冷却した後、
結合用レンズ７をら冷却し、冷却ガス流出口１１を経て
流出する。

光導波＃Ｉ５はホルダ９により入力部マウント８に固定
されている。結合用レンズ７の焦点距離は、光導波路５
の入射端におけるスポットサイズ直径が、光導波路開口
径の０．４〜０．６倍となるように選び、レンズ−光導
波路間の「［離は焦点距離とほぼ一致するものである。

第５図は上記光導波路５に接続される加工用ヘッドの構
造を示す。

光導波路５の外表面を冷却した冷却水は、加工ヘッド１
２内を通過しレンズ１３．１４を冷却し、冷却水流出口
１５から流出する。ｔたアシストガスはガス導入口１６
より流入し、出力レーザ光と同軸の加工ヘッドノズル１
７から流出し、被加工物に達する。その一部は、分岐し
て光導波路５の中空領域１を空冷する目的に使用される
。

光導波路５からの出射光は、レンズ１３．１４により集
光して被加工物に照射されるが、本実施例では集光のス
ッポット径を小さくして材料の切断特性を向上させるた
め、光導波路から出射した拡散光を概平行光に交換する
レンズ１３、及びその平行光を微小スポット径に集束し
て被加工物に照射するレンズ１４を使用している。

第６図は、結合用レンズと光導波路５の間にアイリス型
光導波路１９を設置した入力結合部の構造を示している
。

レーザ出力光に含まれる高次モード成分が原因で、光導
波路入力端が焼損するのを防ぐため、アイリス型光導波
路１９を使用して不要高次モード成分を除去し、電力伝
送容量の増大を図ったものである。このアイリス型光導
波路１９の開口１８の直径２ａは、光導波路５の入射端
からの距ＮＺに応じて変化し、光導波路の内径２ａｏと
すると、ａ２　＝ａ、２　（１＋［λ２　／（πｒ２　
ａｏ　　’　　）　　］　　）・・・・・・（１） 但し、λはレーザ光の波長 ｒは範囲は概０．４〜０．６ であり、開口１８間の距離ｄは、開口のフレネル数Ｎ＝
ａ２／λｄの値が、１１１５以上になるように選んでい
る。

第７図は、やはりレーザ光に含まれる不要高次モード成
分を除去するために、結合用レンズ７と光導波路５の間
に光導波路５の内径に等しいか、又はやや小さい内径を
持つ金属中空光導波路２０を設置したものである。

第８図は、光導波路人力°端の内径を徐々に変化させ、
いわゆるテーパ付光導波路２１としたものである。レー
ザ出力光はテーパ部分で徐々に光導波路モードに変換さ
れる。従って、光導波路５内に励振される高次モードは
少なくなる。これに対応して、光導波路入力端近傍の発
熱も小さくなり、電力伝送容量の増大が図れることにな
る。

［発明の効果］ 本発明によれば、ＣＯ２レーザの出力を被加工物までフ
ルシキブルに導くことが可能になるため、従来の加工装
置の制ｍｆｌｌ楕を極めて簡単なものにでき、且つ低価
格化も可能となる。特に出力レーザ光を微小に集束でき
ることによって、従来に比べ小電力での加工が可能とな
り、またＷ！ＩＩ！ｌＩ加工等へ応用分野も拓けること
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による両端モードフィルタ付き誘電体内
装金属中空光導波路の一実施例を示す断面図、第２図は
その誘電体内装金属中空光導波路の基本製造プロセスを
示す図、第３図は第１図の両端モードフィルタ付き誘電
体内装金属中空光導波路の動作を示す図、第４図は空水
冷付き人力結合部の構造を示す図、第５図は空水冷付き
加工ヘッドの構造を示す図、第６図は励振用アイリス型
導波路を含む入力結合部の構造を示す図、第７図は励振
用金属中空導波路を含む入力結合部の構造を示す図、第
８図はテーパ付き導波路を使用した入力結合部を示す図
である。 図中、１は中空導波領域、２は誘電体薄膜、３は金属管
、４は母材となるアルミニウム管、５は両端モードフィ
ルタ付き誘電体内装金属中空光導波路、５ａ〜５ｄは導
波路内電力分布、６ａ、６ｂはモードフィルタ部を示す
。 ａ ｂ 第 図 Ｃ ｂ ；・耘ｐ水 争 アシ又トカス 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、大電力の炭酸ガスレーザ光をレーザ光照射部まで導
   くための可撓性中空光導波路、前記中空光導波路にレー
   ザ光を結合させる入力結合部、前記中空光導波路出力を
   集束してアシストガスと共に被加工物に照射する加工ヘ
   ッドからなるレーザ光伝送装置において、前記中空光導
   波路は誘電体薄膜を内表面にコーティングされた金属中
   空光導波路であり、その出力側及び入力側の少なくとも
   一方の端部付近に、少なくとも１箇所以上の誘電体薄膜
   コーティングの無い部分を持つことを特徴とする加工機
   用レーザ光伝送装置。 ２、前記中空光導波路は、その内表面が空冷され外表面
   が水冷されている光導波路である請求項１記載の加工機
   用レーザ光伝送装置。 ３、前記入力結合部は、結合用レンズと中空光導波路間
   に、アイリス型、金属中空型又はテーパ付金属中空型の
   いずれかの励振用光導波路を含むことを特徴とする請求
   項１又は２記載の加工機用レーザ光伝送装置。 ４、前記加工ヘッドは前記中空光導波路から出射した拡
   散光を集束する１枚以上のレンズを含むことを特徴とす
   る請求項１、２又は３記載の加工機用レーザ光伝送装置
   。