JPH04266493A - レーザ加工用伝送装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工用伝送装置
、特に金属の切断、穿孔、溶接、熱処理等のレーザ加工
に有用な高出力のエネルギを伝送するためのレーザ加工
用伝送装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＣＯ２　レーザは、発振効率が高く大出
力が得られるため、医療用のレーザメスや切断、溶接等
の工業加工用として広く用いられるようになった。しか
し、その発振波長が１０．６μｍという赤外領域にある
ため従来の石英系光ファイバを伝送路として用いること
はできない。そこで、レーザ加工に適用することを目的
として、ゲルマニウム等の誘電体薄膜をニッケルや銀の
金属中空導波路に内装した導波路が開発されている。こ
れまで伝送損失０．０５ｄＢ／ｍ、伝送容量３ｋＷを達
成し、金属板の切断及び溶接に十分なエネルギを伝送で
きることが確認されている。

【０００３】ところで、高出力のレーザ光を伝送する中
空導波路の径は、通常レーザ光源から発振されるビーム
径よりも十分小さい。そのためレーザ光は入射側のレン
ズで集光されて導波路に励振される。導波路入射端にお
けるビーム径が導波路径に対しておよそ０．６４倍のと
き最も効率よく導波路内に最低次のＨＥ１１モードが励
振される。ただし、ここでレーザビームはガウスビーム
で近似されるものとし、ビーム径は最大パワのｅ−２の
範囲で定義される。ほぼＴＥＭ００のシングルモード主
成分で発振するレーザビームを、導波路の中心に上記励
振条件で励振すれば、導波路入射端に顕著な発熱を生じ
ることなく、数百Ｗまで励振できる。しかし実際には、
光軸調整中の軸ずれにより導波路の中心にレーザ光が集
光されなかったり、入射ビームの高次モード成分により
集光しきれないで励振される場合がある。この様な場合
には、中空導波路の中空領域以外の部分にレーザ光が照
射され、導波路入射端が極度に加熱され破損する危険性
がある。

【０００４】一方、レーザ光を用いて金属材料を加工す
る場合、導波路の出射側においては、被加工物からの反
射が大きな問題となる。一般に金属材料は、ＣＯ２　レ
ーザの発振波長である１０．６μｍ帯において複素屈折
率の絶対値が非常に大きい。そのためレーザビームは金
属面に対してほぼ垂直に照射されたとき、その９０％近
くが反射される。レーザ光が照射され被加工物が溶融す
れば反射率は急激に低下するが、溶融が始る前に反射光
は導波路の出射端を瞬時に加熱し破損させる危険性があ
る。また、金属材料を加工する場合には反射光が大きい
ので、レーザ光のエネルギが被加工物内で効率よく熱エ
ネルギに変換されず、金属以外の材料の加工と比較して
出力のかなり大きなレーザ光源を使用しなければならな
いことも大きな問題であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、中空導波路
ではないが、光ファイバでは、光ファイバの先端を反射
レーザ光から保護するために、光ファイバの先端に取り
付けられる位置決めねじを金属製にして、これに金メッ
キを施すようにしたもの（　特開平１−２１０９０９号
公報）　や、反射光の逆行によりファイバが損傷するの
を防止するために、ファイバの出射端シース表面に金メ
ッキを施すようにしたもの（　特開平１−３０６０９２
号公報）　等は知られている。

【０００６】そこで、中空導波路においても、上述した
光ファイバについての技術を適用して、例えば、図５に
示すように中空導波路５１の端面を研磨して反射面５３
としたり、図６に示すように中空導波路６１の端部に装
着したスリーブ６３の端面を反射面６３としたりするこ
とが考えられる。なお、図中５２、６２は中空領域であ
る。

【０００７】このような構成にすれば、入射側にせよ出
射側にせよ、確かに中空導波路端部を保護することはで
きるが、同図のように、反射面５３，６３を入出射光と
直角に取り付けた場合には、次のような欠点が生じる。

【０００８】（１）　入射側にあっては、入射光が反射
面に垂直に入射することにより、反射光が逆行してその
一部が入射光と同一の光路を取りレーザ光源に戻るため
、レーザ光源を破損する恐れがある。

【０００９】（２）　また、出射側にあっては、エネル
ギ有効利用の観点から、入射側と異なり、反射光を再利
用することが望ましい。しかし、被加工物からの反射光
が導波路出射端の反射面にぶつかっても、被加工物と出
射端との中間に存在する集光レンズ等の光学系の影響を
受けるため、被加工物に戻る量は少なく、多くは反射エ
ネルギが空間に無駄に放出されることになる。このよう
に無駄に放出されるエネルギが大きいことが予想される
ため、出力の大きなレーザ光源を依然使用しなければな
らないという問題が解決されない。

【００１０】本発明の目的は、中空導波路を用いたレー
ザ加工用伝送装置において、前記した従来技術の問題点
を解消し、より信頼性が高く、効率のよいレーザ加工用
伝送装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ加工用伝
送装置は、レーザ光を伝送する中空導波路の入射端に、
中空領域に入りきれない入射光を反射する鏡面が設けら
れ、この鏡面の向きは、反射ビームが同一光路を逆行し
ないように、入射ビームと反射ビームの光路が異なるよ
うな角度に設定したものである。

【００１２】また本発明のレーザ加工用伝送装置は、レ
ーザ光を伝送する中空導波路の出射端に、被加工物から
の反射光を反射する鏡面が設けられ、この鏡面の曲率半
径を、導波路出射端から出射端に最も近くに置かれたレ
ンズまでの距離よりも大きく、導波路出射端から被加工
物までの距離よりも小くなるように設定したものである
。これらの場合において、鏡面は、反射率を高めるため
に、金属表面または金属表面上に被覆されたこれと異種
の金属薄膜で形成することが好ましい。

【００１３】

【作用】中空導波路の入射側に導波路端の中空領域を取
り巻く鏡面を角度を付けて取り付けると、中空領域に入
りきれず導波路入射端の鏡面から反射された光は、入射
光と異なる光路をとる。従って、反射光がレーザ光源に
戻ることなくレーザ光源の破損を防止することができる
。

【００１４】さらに、中空導波路の出射側に導波路端の
中空領域を取り巻く鏡面を設け、その曲率半径を上述し
た範囲内に設定すると、被加工物からの反射光をこの鏡
面によって繰り返し反射させ、被加工物に再照射するこ
とができる。従って、レーザ光のエネルギを効率よく熱
エネルギに変換することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明する
。

【００１６】図１（　Ａ）　ないし図３の実施例は、中
空導波路の入射端に設けた鏡面に入射ビームを垂直に入
射させないように角度をもたせたものである。

【００１７】図３の実施例は最も簡易な例を示し、スリ
ーブを装着しない中空導波路３１の入射端を、斜に直線
カットして、そのカット面をそのまま鏡面３３としたも
のである。中空導波路３１の先端の中空領域３２を取り
巻く鏡面３３は、導波路３１を構成する金属部分の端面
を研磨することによって形成される。これまでに試作さ
れている中空導波路では導波路の内壁にゲルマニウム等
の誘電体薄膜（　図示せず）　が形成されているが、そ
の膜厚は高々１μｍ以下であり、導波路を構成する大部
分はニッケル等の金属材料でできている。従って、この
金属部分の端面研磨は容易である。

【００１８】なお、ニッケルは金属の中では比較的ＣＯ
２　レーザ光に対して反射率が小さいので、この端面に
さらに金やモリブデン等の薄膜３３ａを蒸着により形成
すれば、反射効果は大きい。しかも、金やモリブデンは
反射率が大きいばかりではなく、金は化学的に安定で、
モリブデンは機械的強度が強いので、信頼性を向上でき
る。また、これまでに試作された中空導波路のパイプの
肉厚は１００μｍ程度であるが、この程度の肉厚による
鏡面形成では、その表面積が必ずしも十分ではない場合
には、この肉厚を厚くすることは容易であり、また導波
路端付近のみ部分的に肉厚を厚くすることも可能である
。

【００１９】このように導波路端に形成する鏡面を、金
属端面の研磨あるいは、さらに研磨面にこの金属とは異
種の金属薄膜で形成するが、導波路端には必要に応じて
補強用のスリーブを被せることがある。

【００２０】図１（　Ａ）　及び図２の実施例はこのよ
うなスリーブを中空導波路の周辺に新たに装着した場合
を示すものである。図１（　Ａ）の実施例は、中空導波
路１１の入射側に装着したスリーブ１４の端面を鏡面１
３とし、かつ、その鏡面１３は丁度、入射ビームと直交
する導波路開口端がそのまま残るように、スリーブ端を
斜に直線カットして得ている。導波路開口端面は、もち
ろん鏡面仕上になっている。これによれば、中空領域１
２に入りきれずにこれを取り巻く鏡面１３に当って反射
したレーザ反射光は、入射光と同一光路を採ることなく
、全て同じ方向に曲げられレーザ光源（　図示せず）　
から外れた方向に導かれる。このようにすることは有効
であり、レーザ光源への悪影響を容易に改善することが
できる。

【００２１】図２の実施例は、鏡面２３を出射側に反ら
せるようにして、反射光を放射状に発散させるようにし
たものであり、図１（　Ａ）　のものと同様の効果を得
ることができる。なお、鏡面１３，２３，３３は曲面カ
ットであってもよい。

【００２２】ここで、スリーブ１４，２４は中空導波路
１１，２１を構成する金属材料と同種の材料を用いても
よいが、好ましくは反射率及び熱伝導率の大きい材料が
よい。銅やアルミニウムは、反射率及び熱伝導率が大き
く好適な材料である。特に無酸素銅は最も適した材料と
いえる。通常、導波路１１，２１の外壁及びスリーブ１
４，２４は水冷され、このスリーブ１４，２４は最も高
温になる導波路入出射部を冷却するヒートシンクの役目
も兼ねることができる。

【００２３】一般に熱伝導率の大きな材料は、ＣＯ２　
レーザの発振波長帯で反射率も大きいが、化学的安定性
、及び機械的強度を改善するために、図３の実施例と同
様スリーブ１４，２４の鏡面１３，２３上にさらに金や
モリブデン等の薄膜（　図示せず）　を形成することも
効果的である。

【００２４】このように、導波路の入射端に設けた鏡面
に角度を付けて、鏡面からの反射光が入射光と同一光路
を採らないようにした上記実施例によれば、鏡面からの
反射光が直接レーザ光源に戻るのを有効に防止すること
ができる。従って、レーザ光源に悪い影響を与えず、ま
た、特にレーザ光源と導波路入射端との距離が短い場合
であっても、反射光が直接レーザ光源に戻る危険がなく
、光源の発振を安定、かつ、発振器内の光学部品を安全
に保つことができる。このことは、光ファイバで伝送す
るよりも比較にならない程大きなエネルギを伝送できる
中空導波路にあって特に意義が大きい。

【００２５】一方、導波路の出射側においては図１（　
Ｂ）　の実施例に示すように、中空導波路４１の出射側
に装着したスリーブ４４の端面に、その中空領域４２を
取り巻く鏡面４３を設け、この鏡面４３に曲率をもたせ
ている。これによって、導波路４１を保護するだけでな
く被加工物４６からの反射光を有効に利用することがで
きる。導波路４１から出射されたビームはある広がり角
をもって広がるので、通常少なくとも１枚のレンズ４５
によって集光され、被加工物４６に照射される。被加工
物４６が金属材料の場合には、溶融が始るまでに照射パ
ワの約９０％近くが反射され、再び導波路４１に戻って
くる。反射光の一部は、中空領域４２に入りレーザ光源
方向に戻るが結合損失が大きいためにほとんどは導波路
４１内で減衰する。中空領域４２内に入りきらない反射
光は、導波路出射端を取り巻く鏡面４３によって再び反
射され被加工物４６に照射される。この過程を繰り返す
ことによって、レーザ光のエネルギを被加工物４６内で
効率よく熱エネルギに変換することができる。

【００２６】導波路４１の出射端に取り付けられた鏡面
４３の曲率半径Ｒは、被加工物の表面状態あるいは加工
の種類によって適宜決定されるが、通常の鋼板の切断や
溶接では、この鏡面の曲率半径Ｒは、導波路出射端から
出射端に最も近くに置かれたレンズ４５までの距離ｄ１
　よりも大きく、導波路出射端から被加工物４６までの
距離ｄ２　よりも小さいとき、最も効率よく加工される
ことが実験により確認されている。

【００２７】このように本実施例によれば、レーザ光の
エネルギが被加工物内で効率よく熱エネルギに変換され
るので、反射光の特に大きい金属材料を加工する場合で
あっても、金属以外の材料の加工と比較して同等ないし
、やや大きなレーザ光源を使用すれば足りる。これは、
光ファイバで伝送するよりも比較にならない程大きなエ
ネルギを伝送できる中空導波路にあって特に有用である
。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば次の効果を発揮する。

【００２９】入射側に角度を付けた鏡面を設けて、反射
光がレーザ光源に戻らないようにしたので、レーザ光源
系を保護することができる。

【００３０】出射側に所定の曲率半径をもつ鏡面を設け
て、被加工物からの反射光を再照射するようにしたので
、レーザ光のエネルギを効率よく熱エネルギに変換する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】導波路の入射端側に装着したスリーブの端面に
、反射光を同一方向に曲げる角度をもつ鏡面を設けた本
発明のレーザ加工用伝送装置の実施例を示す縦断面図及
び導波路の出射端側に装着したスリーブの端面に、所定
の曲率面をもつ鏡面を設けた本発明のレーザ加工用伝送
装置の他の実施例を示す縦断面図。

【図２】導波路の入射端側に装着したスリーブの端面に
、入射光を放射状に反射させる角度をもつ鏡面を設けた
本発明のレーザ加工用伝送装置の変形実施例を示す縦断
面図。

【図３】スリーブを装着しない導波路の入射端に、角度
を付けた薄膜をもつ鏡面を設けた本発明のレーザ加工用
伝送装置の簡易実施例を示す縦断面図。

【図４】スリーブを装着しない導波路の端面に、角度を
もつ鏡面を設けた従来のレーザ加工用伝送装置の縦断面
図。

【図５】導波路の端面側に装着したスリーブの端面に、
角度を付けない鏡面を設けた従来のレーザ加工用伝送装
置の縦断面図。

【符号の説明】

１１，２１，３１，４１，５１，６１　　中空導波路１
２，２２，３２，４２，５２，６２　　中空領域１３，
２３，３３，４３　　鏡面 １４，２４，４４，６４　　スリーブ ３３ａ　　　　薄膜 ４５　　　　レンズ ４６　　　　被加工物 ５３，６３　　反射面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ光を伝送する中空導波路の入射
   端に、中空領域に入りきれない入射光を反射する鏡面を
   設け、この鏡面の向きを、入射光と反射光の経路が異な
   るような角度に設定したことを特徴とするレーザ加工用
   伝送装置。
2. 【請求項２】　　レーザ光を伝送する中空導波路の出射
   端に、被加工物からの反射光を反射する鏡面を設け、こ
   の鏡面の曲率半径を、導波路出射端から出射端に最も近
   くに置かれたレンズまでの距離よりも大きく、導波路出
   射端から被加工物までの距離よりも小くしたことを特徴
   とするレーザ加工用伝送装置。
3. 【請求項３】　　前記鏡面は、金属表面または金属表面
   上に被覆されたこれと異種の金属薄膜で形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工用
   伝送装置。