JPH0455084A - エネルギー伝送路光学系 - 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、エネルギー伝送路光学系、特に金属の切断、
穿孔などのレーザ加工に有用な高出力のエネルギー伝送
路光学系に関するものである。

［従来の技術］ ＣＯｘレーザは、発振効果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、溶接などの工業加工用
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
、現在のところＣＯ２レーザ光を導くエネルギー伝送路
光学系としては、数枚のミラーを用いた空間伝送が主で
あり、操作性、高速性において極めて不利である。

以上のような理由から、Ｃ０２レーザ光を容易に伝送で
きる可視性導波路の開発が活発になった。

現在、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内装した金属中空導波路の開発
が行われている。これまでに伝送損失０．０５ｄ　Ｂ　
／１１．伝送容量ＩＫｖを達成し、金属の切断に十分な
エネルギーを伝送できるということが確認されている。

［発明が解決しようとする課Ｂ］ ところで、従来のエネルギー伝送路光学系はエネルギー
伝送効率に主眼がおかれており、切断面の面粗さ等の加
工精度については考慮が払われていないが、伝送路から
出射されたビームの特性は加工精度に大きな影響を与え
る。この出射ビームの特性は、入射側における励振条件
や伝送路の曲り、導波路壁面の粗さ等の不完全性等に依
存する。

レーザ光によって切断、穿孔をする場合、最も照射パワ
ーの密度が高いところが瞬時に加工される。現在開発が
進められている誘電体内装金属中空導波路は、高次モー
ドでも比較的低損失であ゛るので、出力側には高次モー
ド成分もある程度台まれる。高次モードの強度分布は、
最大ピークの外周部に、それよりも低強度のピークが存
在する。

最大ピークは、あるしきい値を越えると切断に寄与する
が、一般に最大ピークの外周部に存在する低強度のピー
クは、有効に切断に寄与することがなく、切断面の面粗
さを増大させ、ドロス付着等の“加工精度に悪影響を及
ぼす。

これまで中空導波路を用いた切断実験では、空間伝搬の
ときと比較して、切断面の面粗さが２〜３倍大きく、ま
た良好な加工面を与える加工条件の範囲か狭いという問
題があった。

本発明の目的は、可撓性導波路を用いたレーザ加ニジス
テムにおいて、前記した従来技術の問題点を解消し、よ
り加工精度の高いエネルギー伝送路光学系を提供するこ
とにある。

５課題を解決するための手段］ 本発明のエネルギー伝送路光学系は、基本的には、中空
導波路の出力側に少なくとも１枚の円形の開口を設けた
構成のものである。

この場合、中空導波路の出力側に少なくとも２枚のレン
ズが配置されており、この２枚のレンズの間に少なくと
も１枚の円形の開口が挿入されている構成とするのが好
ましい。

加工精度上、ａ適なエネルギー伝送路光学系は、上記レ
ンズ間におけるレーザビームのビーム半径Ｗを、 但し、λ：レーザ光の波長 Ｔ；中空導波路の導波路半径 ２：導波路出射端から開口までの距離 ｄＴ、導波路出射端から１枚目のレンズまでの距離 ｆｌ　；導波路出射端から１枚目のレンズの焦点距離 ｕ　；　２．４０５又は５．５２ としたとき、上記開口の直径りを ２ｗ＜Ｄ＜３．４ｗ を満足する値とすることにより得られる。

［作用］ 理論的には、横方向の軸ずれがなく（レーザビームの中
心が導波路の中心と一致）、入射ビームのビームウェス
トで伝送路を励振したとき、励振されるモードはＨＥ、
、モードのみである。但し、ここでｍ＝１．２，３．・
・・・・・　である。

第４図にＨＥ、、〜ＨＥ、、６モードの結合効率η１．
の計算結果を示す、ここで、Ｔは導波路半径。

Ｗはビームウェストでのスポットサイズである。

第４図から分かるように、最低次のＨＥ、、モードを最
大効率で励振するためには、 ｗ／　Ｔ　−０、６４＝−（１） を満足すれば良く、このときのＨＥ、、モードの励振動
率は９８．１％である。ＨＥ、、モードは最も低損失な
モードであり、しかもその強度分布がガウス分布に近い
ため、最も加工に適したモードといえる。

一方、透過率最大の条件は、必ずしも式（１）とは一致
しない、即ち、高次モードでも比較的低損失となる伝送
路においては、高次モードの損失量よりも伝送路内部に
入り切れないパワーの方が無視できず、もう少しビーム
を絞って入射させた方が透過率が大きくなる場合がある
。

第５図に入射ビームのスポットサイズを変えたときの各
種中空導波路の透過率の理論値を示す。

但し、ここで導波路の半径Ｔは０．７５ｍｍ、長さは１
１としている。第５図から分かるように、例えばゲルマ
ニウム内装銀中空導波路の場合の透過率最大の条件は、
ｗ／Ｔ＝０．３〜０．５である。このときＨＥ、、モー
ドばかりでなくＨＥ＋ｘモードも比較的多く励振される
ことが第４図より分かる。

導波路直径１．５　Ｉ’ｌｌ、導波路長１１の中空導波
路において、Ｃ０２レーザ光を伝搬させ、アクリルブロ
ックにレーザ光を照射してＩ［測したバーンパターンよ
り、出力光のビーム広がりの全角２θは３０〜３５１ｒ
ａｄであった。このビーム広がりより、伝搬しているモ
ードは、第６図に示す高々１０４１程度であると考えら
れる。

第６図には、導波路直径１．５ｕ、導波路長Ｉ１１のゲ
ルマニウム内装銀中空導波路における、各々のモードの
損失も併せて示しである。

Ｔ　Ｅ　ｏ　ｌモードは、ＨＥ、、モードと同程度の損
失であるが、その電界は導波路壁面に対して平行な成分
のみを持ち、その強度分布はドーナツ型をしており、通
常のレーザ発振器からのレーザ光を入射させた場合には
、励振効率は極めて小さい、またＴＭモードは、その磁
界が導波路壁面に対して平行な成分のみを持つモードあ
り、ＴＥモードと同様に励振効率は小さく、更に損失も
他のモードに比べるとやや大きいので、殆ど伝搬してい
ないと考えられる。

理論的には、前述したように横方向に軸ずれがなく、入
射ビームのビームウェストで導波路を励振する場合には
、導波路に励振されるモードはＨＥ、、モードのみであ
る。実際には、レーザ光源の高次モード成分や光軸との
不整合、又は導波路の曲りや表面粗さ等に起因して、そ
の他のモードも励振されていると考えられるが、多くは
ＨＥ、。

モードであり、次にＨＥ　１ｘモードが励振されている
。

本発明は、ＨＥ　＋　ｌモードのみ、又はＨＥ、ｌモー
ドとＨＥ、２モードの中心のエネルギーのみを有効に利
用するために、伝送路の出力側に少なくとも１枚の円形
の開口を設けることによって、エネルギー伝送効率より
加工精度を優先し、切断、穿孔における加工精度を高め
たものである。

中空導波路の出力側に少なくとも２枚のレンズを配置し
た構成の場合、上記円形の開口は、１枚目のレンズの前
或いは２枚目のレンズの後に挿入することもできるが、
この２枚のレンズの間に上記開口を挿入すると、当該開
口のダメージを小さくでき、ビーム系の変動を少なくす
ることができる。

加工精度上、最適なエネルギー伝送路光学系は、上記レ
ンズ間におけるレーザビームのビーム半径Ｗを上記式で
表しなとき、上記開口の直径りを２ｗ＜Ｄ＜３．４ｗ　
　を満足する値とすることにより得られる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

第１図において、中空導波路１１の出射端がらの距離を
２とし、ｚ＝ｄｉのところに焦点距離ｆ１のレンズ１２
が、更にｚ＝ｄｌ＋ｄ２のところに焦点圧Ｍｆ２のレン
ズ１３が置かれでいる。

このとき、ＨＥ、、モードとＨＥ、２モードの中心の最
大ピークのみに着目したときの、導波路出射端からの距
Ｈｚに対するビーム半径は、第２図のようになる。第２
図は、ｄｌ　＝ｆ１．ｄ２　＝ｆｌｆ２のいわゆる共焦
点レンズ系とした場合である。但し、導波路径はφ１．
５　ａｍで、レンズ１２゜１３の焦点距離はｆｌ　＝１
２７　　ｍｍ　、　ｆ２　＝３８．１１１１１としてい
る。共焦点レンズ系の場合には、集光点の位Ｉはモード
によらず、全てｚ＝２（ｆｌ−ｆ２）、即ち２枚目のレ
ンズ１３から距離ｆ２のところで集光する。ＨＥ、、モ
ードとＨＥ、□モードの中心の最大ピークは集光点で重
なり合い、高いパワー密度で被加工物に照射される。

第２図では、ＨＥ　１＋モードとＨＥ　１２モードの中
心の最大ピークのみに着目しているが、実際には、前述
したようにＨＥ　ｒ□□モード周辺部のピークやそれ以
外のモードが存在し、加工精度に悪影響を及ぼす。

第１図では、これらの切断に寄与しないパワーをカット
するために、円形の開口１４を、レンズ１２とレンズ１
３との間に挿入している。開口１４は、第２図で示した
ビーム径より僅かに大きければ切断に寄与しないパワー
をカットすることができ、その位１はレンズ１２とレン
ズ１３との間に限らず、レンズ１２の前であってもレン
ズ１３の後であっても本発明の効果は現れる。

しかしながら、第２図から分かるように、ｄ１＝ｆ１の
ときレンズ１２を通過後のレーザビームはほぼ平行光に
なり、またパワー密度が小さい。

従って、レンズ１２とレンズ１３との間に開口１４を置
くと、最も開口１４のダメージを小さくできるばかりで
なく、ビーム径の変動が少なく高い位置精度も必要でな
くなるので、より実用的な配置となる。

ところで第２図において、レンズ１２とレンズ１３との
間のレーザビームのビーム半径Ｗは、ｖｒ４　＜　（１
”７％”　＞’　＋　＜％　＞　’　［Ｚ−９ヨ且１．
．１／！・・・Ｑ］ と表される。ここで、λはレーザ光の波長、Ｔは中空導
波路の導波路半径、Ｚは導波路出射端から開口までの距
離、ｄｌは導波路出射端から１枚目のレンズまでの距離
、ｆｌは導波路出射端から１枚目のレンズの焦点距離で
ある。まなＵは、ＨＥ１１モードに対しては２．４０ｊ
　、　ＨＥ　＋ｔモードに対しては５．５２である。

今、ｕ＝５．５２とした式（２）のＷに対して、２Ｗよ
り僅かに大きな開口１４をレンズ１２とレンズ１３との
間に置けば、ＨＥ　ｌ　１モードとＨＥ　ｌ　２モード
の中心部分のエネルギーのみが被照射物の加工に寄与し
、面粗さの小さい切断が実現できる。

ところで、式（２）で表されるビーム径は、最も大きな
ピーク付近をガウス分布で近似し、そのピークのｅ　−
１となる範囲で理論的に定義されている。

この定義によれば、完全なガウス分布のとき、式（２）
で表されるビーム径の範囲内でのパワーは、全パワーの
８６，５％にすぎない、レーザ光源のパワーが十分でな
く、開口によってカットされるパワーが無視できない場
合には、開口の大きさは最大３．４Ｗまで許容すること
ができる。このとき、不要モードの加工精度に及ぼす悪
影響を抑え、且つＨＥロモードスはＨＥ　ｌ　２モード
の中心部分のみのエネルギーを最大限に利用することが
できる。

即ち、開口の直径りは、 ２ｗ＜Ｄ＜３．４　ｗ　　　　　・・・・・・　（３）
を満足しなければならない。

第２図は共焦点レンズ系の場合であるが、レンズ１２と
レンズ１３との距離が２つのレンズの焦点距離の和だけ
あるので、光学系の長さが比較的長くなっている。

第３図は、ｄ１＝ｆ１　、ｄ２　＝５ｎｉとし、ＨＥ１
１モードとＨＥ、、モードの中心の最大ピークのみに着
目した時の、導波路出射端からの距離２に対するビーム
半径を示したものである。但し、ｆｌ　、ｆ２は第２図
の場合と同様で、ｆ１＝１２７ｉｎ　、　　ｆ　２　＝
３８１　＋ｕである。このとき、レンズ１２とレンズ１
３及び開口１４とを１つのホルダにマウントすることが
でき、光学系の長さを小さくできる。

但し、第３図より分かるように、各モードに対して集光
点の位１が興なる。この結果、切断面の厚さ方向に亘っ
て面粗さが不均一となる場合がある。この不均一性が問
題となる場合には、切断はＨＥ、　＋　＋モードのみで
行う必要があり、ｕ＝２．４０５とした式（２）のＷに
対して、２Ｗより僅かに大きな開口をレンズ１２とレン
ズ１３の間に挿入しなければならない、この場合も、開
口りの大きさの許容範囲は、式（３）を満足しなければ
ならない。

更に、ｕ＝５．５２とした式（２）のＷに対して、２Ｗ
より僅かに大きな開口を挿入した場合でも、全く開口を
挿入しない場合よりは加工面での面粗さは小さいことが
確かめられている。

以上は、開口１４を１枚挿入した場合であるが、大パワ
ーの場合は、開口１４の損傷を避けるため、数枚の開口
１４を大きいものから順に挿入し、最終的にＨＥ　＋　
＋モード又はＨＥ　Ｉ　２モードの中心部分のみのエネ
ルギーを利用することもできる。また出力側光学系のレ
ンズは、更に集光系を小さくするため、あるいは任意の
ビーム径を得るなめ、２枚に限らず複合レンズ系を用い
ても良い。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、可撓性導波路を
用いたレーザ加ニジステムにおいて、切断面の面粗さが
小さく加工精度の高いエネルギー伝送路光学系を形成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すエネルギー伝送路光学系
の模式図、第２図及び第３図はそれぞれＨＥ、、モード
とＨＥ、２モードの中心の最大ピークのみに着目した時
の導波路出射端からの距離２に対するビーム半径を示す
図、第４図は導波路径に対する入射ビーム径を変化させ
たときのＨＥ、、〜ＨＥ、、、モードの結合効率の計算
結果を示す図、第５図は導波路径に対する入射ビーム径
を変化させたときの各種空中導波路の透過率の理論値示
す図、第６図は中空導波路を伝搬していると考えられる
モードとその伝送損失を表の形で示す図である。 図中、１１は中空導波路、１２．１３はレンズ、１４は
開口を示す。 特許出願人　　日立電線株式会社 代理人弁理士　　絹　谷　信　雄 ビーム半径（ｍｍ） 第１図 ＃ＰＪ４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中空導波路の出力側に少なくとも１枚の円形の開口
   を設けたことを特徴とするエネルギー伝送路光学系。 ２、中空導波路の出力側に少なくとも２枚のレンズが配
   置され、この２枚のレンズの間に少なくとも１枚の円形
   の開口が挿入されていることを特徴とするエネルギー伝
   送路光学系。 ３、請求項２記載のエネルギー伝送路光学系において、
   上記レンズ間におけるレーザビームのビーム半径ｗを、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 但し、λ；レーザ光の波長 Ｔ；中空導波路の導波路半径 Ｚ；導波路出射端から開口までの距離 ｄ１；導波路出射端から１枚目のレンズまでの距離 ｆ１；導波路出射端から１枚目のレンズの焦点距離 ｕ；２．４０５又は５．５２ としたとき、上記開口の直径Ｄを ２ｗ＜Ｄ＜３．４ｗ を満足する値としたことを特徴とするエネルギー伝送路
   光学系。