JPH06252484A - レーザビーム吸収器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 レーザ発振器から出射されたレーザビームを
減衰し吸収するレーザビーム吸収器に関し、大型化およ
び耐久性の劣化を招くことなく、高出力レーザビームに
対する吸収効率を向上させる。 【構成】 内吸収体２の仮想円錐体の頂点は外筒吸収体
１の上面部分より外側に位置するので、レーザビーム吸
収器に入射したレーザビームは、内吸収体２の仮想円錐
の頂点に投射されることなく、内吸収体２の外周曲面に
当たる。したがって、高パワー密度のレーザビームによ
って円錐先端が損傷して耐久性が劣化することを防止す
ることができる。レーザビーム１００は内吸収体２の外
周曲面（レーザビーム吸収面）に大きな入射角で入射す
るので、その入射角度によってエネルギー密度を１／２
〜１／４に下げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ発振器から出射さ
れたレーザビームを減衰し吸収するレーザビーム吸収器
に関し、特に吸収効率の向上を図ったレーザビーム吸収
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザ発振器から出射されるレ
ーザビームは、加工に使用されない場合には、レーザビ
ーム吸収器に入射され外部に漏れないようにされてい
る。

【０００３】このレーザビーム吸収器の代表的なものと
して、図５にＣＯ₂ レーザ用の液冷式レーザビーム吸収
器を示す。この液冷式レーザビーム吸収器は、レーザビ
ーム吸収プレート１２０とビームシールドシリンダ１１
０とから構成されている。

【０００４】レーザビーム吸収プレート１２０は、レー
ザビーム吸収器に入射するレーザビーム１００に対して
斜面がθ10（例えば７２度）の角度をもち、頂角がレー
ザビーム１００の中心に位置するように構成された厚肉
円錐状プレートである。このレーザビーム吸収プレート
１２０は熱伝導の良い銅で構成され、そのレーザビーム
照射面（吸収面）には黒化クロム処理が施されている。

【０００５】ビームシールドシリンダ１１０はその内周
面の中央部分がレーザビーム吸収プレート１２０側に拡
大傾斜して円錐状に構成された厚肉のシリンダであり、
レーザビーム吸収プレート１２０と同様に銅で構成さ
れ、表面（吸収面）に黒化クロム処理が施されている。

【０００６】レーザビーム吸収器に入射したレーザビー
ム１００は、レーザビーム吸収プレート１２０で吸収さ
れ、吸収されない反射成分はビームシールドシリンダ１
１０に放射され、そのビームシールドシリンダ１１０に
吸収されない反射成分は、さらにレーザビーム吸収プレ
ート１２０またはビームシールドシリンダ１１０に放射
される。その後、レーザビームは複数回反射を繰り返
し、最終的には小出力となって外部に出射される。

【０００７】なお、レーザビーム吸収プレート１２０に
は冷却水路１４０が設けられており、レーザビーム吸収
プレート１２０が吸収した熱エネルギーを取り去るた
め、常時冷却水が供給されている。ビームシールドシリ
ンダ１１０は、水冷されておらず、吸収した熱量は熱伝
導によりレーザビーム吸収プレート１２０に伝えられて
いる。このレーザビーム吸収器は１ＫＷクラスレーザに
使用されている。

【０００８】ところで、高出力のレーザビーム１００を
吸収する場合、吸収面のエネルギー密度が高くなるた
め、吸収面の溶融、破壊あるいは吸収効率の低下が生
じ、長期にわたって安定したレーザビーム吸収器の機能
を果たすのが困難になる。最悪の場合、入射したレーザ
ビーム１００が逆戻りし、光学機器やレーザ発振器の故
障を発生させる。

【０００９】また、レーザビーム吸収器の吸収効率が悪
い場合、吸収器の入口から散乱光が放射され、レーザビ
ーム吸収器の近辺の機器の温度上昇や放射区域の人間に
重大な危険をもたらす。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術によるレ
ーザビーム吸収器では、高出力ビームが入射する場合、
吸収面のエネルギー密度を下げる必要があり、そのた
め、レーザビーム吸収プレート１２０の円錐の頂角（斜
面の角度θ10）を小さくして斜面の傾斜をより急にする
必要がある。しかし、円錐の中心がレーザビーム１００
の中心に位置するため、円錐の頂角を小さくすると、高
パワー密度のレーザビームによって円錐先端が損傷しや
すくなり、耐久性の劣化を招き、吸収効率も低下する。

【００１１】また、ビーム径の大きな高出力レーザビー
ムに対応させる場合、ビームシールドシリンダ１１０の
内径を広げなくてはならないため、同じ反射回数を稼ぐ
には、ビームシールドシリンダ１１０の長さが長くな
り、レーザビーム吸収器の大型化が免れない。

【００１２】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、大型化および耐久性の劣化を招くことなく、
高出力レーザビームに対する吸収効率を向上させること
ができるレーザビーム吸収器を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、レーザ発振器から出射されたレーザビー
ムを減衰し吸収するレーザビーム吸収器において、円錐
状曲面を用いて形成され前記円錐状曲面に入射したレー
ザビームを吸収する内吸収体と、前記内吸収体の外側に
設けられ内周面が円錐状に形成され前記内吸収体に吸収
されずに反射したレーザビームを前記内周面によって吸
収する外筒吸収体と、を有し、前記内吸収体の仮想円錐
の頂点が前記外筒吸収体の上部内径より外側に位置する
と共に、前記内吸収体の円錐状曲面と前記外筒吸収体の
内周面がくさび状の角度を形成するように構成したこと
を特徴とするレーザビーム吸収器が、提供される。

【００１４】

【作用】レーザビーム吸収器の内吸収体は、円錐状曲面
を用いて形成され、その円錐状曲面に入射したレーザビ
ームを吸収する。外筒吸収体は、内吸収体の外側に設け
られて内周面が円錐状に形成され、内吸収体に吸収され
ずに反射したレーザビームをその内周面によって吸収す
る。

【００１５】内吸収体の仮想円錐の頂点は、外筒吸収体
の上部内径より外側に位置している。このため、レーザ
ビーム吸収器に入射したレーザビームは、内吸収体の仮
想円錐の頂点に投射されることなく、円錐状曲面の斜面
に当たる。したがって、高パワー密度のレーザビームに
よって円錐先端が損傷して耐久性が劣化することを防止
することができ、吸収効率が低下するようなこともな
い。

【００１６】このとき、仮想円錐の頂角が例えば６０度
以下であれば、斜面ゆえにエネルギー密度を１／２〜１
／４に下げられる。入射が予想される最大パワーおよび
ビーム径を考慮し、吸収面の劣化しきい値以下になるよ
う内吸収体の斜面の傾きを決めることにより、高出力の
レーザビームの入射による吸収面の劣化を少なくするこ
とができる。

【００１７】入射角が大きくなると吸収効率が低下する
が、この内吸収体の斜面で吸収されずに反射されたレー
ザビームは、外筒吸収体に入射し、その外筒吸収体によ
って散乱される。そして、外筒吸収体で反射されたレー
ザビームは、内吸収体と外筒吸収体の間を多重反射し、
ほとんど外部に影響を与えない程度のエネルギー密度ま
で減衰される。したがって、全体としての吸収効率は向
上する。このように、レーザビームが内吸収体と外筒吸
収体との間を多重反射するのは、内吸収体の円錐状曲面
と外筒吸収体の内周面がくさび状の角度を成すように構
成したことによる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明のレーザビーム吸収器の構成を概
略的に示す縦断面図である。レーザビーム吸収器は外筒
吸収体１、内吸収体２、底蓋３及び冷却水路４から構成
される。

【００１９】外筒吸収体１は、内吸収体２の外側に内吸
収体２を収納するように設けられ、円錐体の上部を取り
除いた略円筒状の形状を有し、熱伝導率の高い銅から成
る。その内周面も円錐状に形成され、内周面表面には、
黒化クロムのコーティングによってレーザビームに対す
る吸収層が形成されている。外筒吸収体１のさらに外側
には外枠５が設けられて外筒吸収体１全体を覆って保護
している。この外筒吸収体１と外枠５とを一体に構成し
たとき、その間に冷却水路４１が形成されるようになっ
ている。

【００２０】内吸収体２は、外筒吸収体１の中に収納さ
れ固定されている。この内吸収体２は、円錐体の一部分
を外筒吸収体１の内周面斜面で切り取った形状を有して
いる。外筒吸収体１と同様に、熱伝導率の高い銅により
構成され、その外周曲面も、外筒吸収体１の内周面表面
と同様に、黒化クロムのコーティングによってレーザビ
ームに対する吸収層が形成されている。この黒化クロム
コーティングによる吸収層は、例えば炭酸ガスレーザの
１０．６μｍの波長に対し、入射角により７０〜８０％
の吸収率を有している。なお、外筒吸収体１と内吸収体
２の構成の詳細は後述する。

【００２１】外筒吸収体１及び内吸収体２の底面側に
は、略円形プレート状の底蓋３が設けられ、その底蓋３
によって外筒吸収体１、内吸収体２及び外枠５は一体に
固定されている。

【００２２】外枠５と外筒吸収体１との間には上述した
ように冷却水路４１が設けられ、また内吸収体２の内部
にはその外周曲面に沿って冷却水路４２が設けられ、さ
らに底蓋３と外筒吸収体１及び内吸収体２によって冷却
水路４３及び４４が形成されている。これらの冷却水路
４１、４２、４３及び４４は、互いに連通して一つの冷
却水路４を構成する。

【００２３】外枠５下端に設けた導入口４７から入った
冷却水は、図中矢印で示すように冷却水路４３から冷却
水路４２に入り、内吸収体２の外周曲面に沿って流れて
内吸収体２を冷却する。冷却水路４２を通過した冷却水
は、冷却水路４４に入った後、冷却水路４１に入り、外
筒吸収体５の外周面に沿って上方に流れ外筒吸収体５を
冷却する。なお、冷却水路４１には、被覆銅線４５がコ
イル状に巻かれており、その被覆銅線４５は隣合った被
覆銅線４５との間でガイド通路４６を形成している。冷
却水路４１に入った冷却水は、このガイド通路４６にガ
イドされて螺旋状に上方に流れ、外枠５上端に設けた排
出口４８から排出される。

【００２４】内吸収体２の外周曲面に沿って設けた上記
の冷却水路４２は、必要に応じてその通路の本数を増加
させ、内吸収体２の冷却効果を上げるようにすることも
できる。

【００２５】次に、外筒吸収体１と内吸収体２とをモデ
ル化してその構成を説明する。図２は図１をモデル化し
た図である。図において、外筒吸収体１はその内周面
を、内吸収体２はその外周曲面をそれぞれモデル化して
描いたものである。外筒吸収体１の円錐体１１の頂角を
θ１、内吸収体２の仮想円錐体２１の頂角をθ２とす
る。円錐体１１の中心軸１３と仮想円錐体２１の中心軸
２３とは、互いに平行である。

【００２６】内吸収体２は、上述したように、仮想円錐
体２１の一部分を外筒吸収体１の内周面で切り取った形
状を有している。また、内吸収体２の仮想円錐体２１の
頂点２２は外筒吸収体１の上面部分（上部内径）１２よ
り外側に位置する。外筒吸収体１の上面部分１２の内径
は、その上面部分１２に入射するレーザビームのビーム
径の例えば１．５倍程度となるように設定される。さら
に、内吸収体２の外周曲面と外筒吸収体１の内周面はく
さび状の空間を形成し、その空間のくさび状の角度θ３
を持たせるために、頂角θ１及びθ２は、θ２＞θ１を
満足するように決定される。

【００２７】本実施例では、ビーム径２７φのレーザビ
ームを入射させるため、外筒吸収体１の上面部分１２の
内径は４０φに設定した。また、頂角θ１は７度に、頂
角θ２は４０度にそれぞれ設定した。

【００２８】次に、上記構成のレーザビーム吸収器の作
用を図１に戻って説明する。上述したように、内吸収体
２の仮想円錐体２１の頂点２２は外筒吸収体１の上面部
分１２より外側に位置するようにしたので、レーザビー
ム吸収器に入射したレーザビームは、内吸収体２の仮想
円錐２１の頂点２２に投射されることなく、内吸収体２
の外周曲面に当たる。したがって、高パワー密度のレー
ザビームによって円錐先端（頂点２２）が損傷して耐久
性が劣化することを防止することができ、吸収効率が低
下するようなこともない。

【００２９】レーザビーム１００のビーム断面積をＡ、
出力をＰとすると、レーザビーム１００は、平均パワー
密度Ｐ／Ａでレーザビーム吸収器に入射する。このレー
ザビーム１００は内吸収体２の外周曲面（レーザビーム
吸収面）に入射角７０度（＝９０ー４０／２）で入射す
るので、平均パワー密度Ｐ／Ａはそのｃｏｓ（７０°）
分まで下がる。実験値および文献値により黒化クロムの
コーティング層は、入射するレーザビーム１００の平均
パワー密度Ｐ／Ａが４００Ｗ／ｃｍ² 以下であれば、劣
化が少ないことが知られている。よって、本実施例のレ
ーザビーム吸収器は、Ｐ／Ａ×ｃｏｓ（７０°）＜４０
０Ｗ／ｃｍ² を満たす平均パワー密度Ｐ／Ａを持つレー
ザビームに対してまで、耐久性及び信頼性を有する。ビ
ーム径２７φ、６ＫＷのレーザビームが入射した場合、
平均パワー密度Ｐ／Ａは約３６０Ｗ／ｃｍ² となり、６
ＫＷのレーザビームに対しても、十分に耐久性及び信頼
性を有することとなり、高出力レーザビームに対しても
十分対応可能である。なお、一般にレーザビームは高出
力化するほど高次成分を持ち、パワー密度Ｐ／Ａが平均
化される傾向がある。

【００３０】内吸収体２に吸収されず反射された成分
は、その外周曲面に沿って外筒吸収体１に向かって拡散
し、外筒吸収体１に吸収される。この外筒吸収体１にお
いても反射成分は発生するが、内吸収体２と外筒吸収体
１はくさび状空間を形成するため、その反射成分は両方
の間で多重反射を起こし、少なくとも７回以上反射す
る。その１回当たりの吸収率は少なく見積もっても７０
％はあるので、７回の反射で残る反射成分は、０．３⁷
以下となる。したがって、レーザビーム吸収器に吸収さ
れずに外部に放射する反射成分は０．１％以下となり、
従来型の１〜０．５％に比べ大幅に改善される。すなわ
ち、高出力レーザビームに対して、そのレーザビームを
吸収するに必要な反射回数を十分に確保することがで
き、レーザビーム吸収器を大型化せずにレーザビーム吸
収器としての機能を十分に果たすことができる。

【００３１】図３は本発明の第２の実施例を示す図であ
り、図２と同様に、外筒吸収体及び内吸収体をモデル化
して描いた図である。本実施例が、上記第１の実施例と
相違する点は、外筒吸収体１ａの円錐体１１ａの中心軸
１３ａと、内吸収体２ａの円錐体２１ａの中心軸２３ａ
とが交わる点である。

【００３２】このように双方の中心軸１１ａ及び２３ａ
が交わるようにすることにより、頂角θ１、θ２及びθ
３を第１の実施例と同じ角度に保持した状態で内吸収体
２ａの仮想円錐体２１ａの底面を小さくすることができ
る。仮想円錐体２１ａの底面を小さくすることにより、
内吸収体２ａの外周曲面は曲率半径が小さくなって湾曲
の程度が強くなり、入射したレーザビームは、その外周
曲面で反射する際により拡散するようになる。その結
果、内吸収体２ａ及び外筒吸収体１ａに入射するレーザ
ビームのパワー密度が低下し、それぞれの熱負荷を低減
することができる。なお、中心軸１３ａと中心軸２３ａ
との交角は、例えば０度以上４５度以下となる。４５度
になると、仮想円錐体２１ａの底面は円錐体１１ａの底
面に近づくことになる。

【００３３】図４は本発明の第３の実施例を示す図であ
り、（Ａ）は第１例を、（Ｂ）は第２例をそれぞれ示
す。本実施例は、外筒吸収体１及び内吸収体２の双方ま
たは一方を、２つ以上の角度の傾面を持つ円錐曲面で構
成したことを特徴としている。図４（Ａ）において、内
吸収体２ｂは、２つの傾き角度θ41、θ42で構成されて
いる。すなわち、本来の内吸収体２ｂの傾き角度θ41に
対して、点Ｐ１でその傾きをさらに急にし、傾き角度を
θ42とする。傾き角度θ41だけで内吸収体２ｂを形成す
る場合は、破線で示すようになり、そのときの入射レー
ザビームは、点Ｐ２より深い位置までは入らない。本実
施例では、点Ｐ１より下側の傾き角度をθ42としたの
で、入射レーザビームは、さらに深く点Ｐ３の位置まで
入るようになり、その分反射回数が多くなって吸収効率
も向上する。

【００３４】図４（Ｂ）においては、外筒吸収体１ｃを
２つの傾き角度θ43、θ44で構成している。すなわち、
本来の外筒吸収体２ｃの傾き角度θ43に対して、点Ｐ４
でその傾きを緩やかにし、傾き角度をθ44とする。傾き
角度θ43だけで外筒吸収体１ｃを形成する場合は、破線
で示すようになり、そのときの入射レーザビームは、点
Ｐ５より深い位置までは入らない。本実施例では、点Ｐ
４より下側の傾き角度をθ44としたので、入射レーザビ
ームは、さらに深い位置まで入るようになり、その分反
射回数が多くなって吸収効率も向上する。

【００３５】なお、図４では、内吸収体または外筒吸収
体のいずれか一方を、２つの角度の傾面を持つ円錐曲面
で構成したが、３つ以上の角度の傾面を持つ円錐曲面で
構成してもよい。また、内吸収体及び外筒吸収体の双方
を２つ以上の傾面を持つ円錐曲面で構成することもでき
る。

【００３６】また、上記の説明では、内吸収体２の外周
曲面に黒化クロム処理を施してレーザビーム吸収面を形
成するようにしたが、この外周曲面をレーザビームを反
射する物質で被覆してレーザビーム反射面として形成す
るようにしてもよい。その場合、内吸収体２に入射した
レーザビームは、その外周曲面でパワー密度が低減され
て反射し、外筒吸収体１で吸収される。その反射成分
は、再度内吸収体２の外周曲面に入射するが、その都度
パワー密度が低減されて反射し、順次外筒吸収体１に吸
収される。内吸収体２は本来熱負荷が高くなりやすい部
位であるが、レーザビームを吸収しないので、内吸収体
２をその高い熱負荷から保護することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、内吸収
体の仮想円錐の頂点が、外筒吸収体の上部内径より外側
に位置するように構成した。このため、レーザビーム吸
収器に入射したレーザビームは、内吸収体の仮想円錐の
頂点に投射されることなく、円錐状曲面の斜面に当た
る。したがって、高パワー密度のレーザビームによって
円錐先端が損傷して耐久性が劣化することを防止するこ
とができる。

【００３８】また、レーザビームが内吸収体の円錐状曲
面の斜面に入射するので、その入射角度によってエネル
ギー密度を１／２〜１／４に下げることができる。した
がって、高出力のレーザビームに対してまで、レーザビ
ーム吸収面はその耐久性及び信頼性を保持することがで
きる。

【００３９】さらに、内吸収体の円錐状曲面と外筒吸収
体の内周面がくさび状の角度を成すように構成したの
で、内吸収体の斜面で吸収されずに反射されたレーザビ
ームは、その内吸収体と外筒吸収体との間で多重反射
し、ほとんど外部に影響を与えない程度のエネルギー密
度まで減衰される。すなわち、高出力レーザビームに対
して、そのレーザビームを吸収するに必要な反射回数を
十分に確保することができ、レーザビーム吸収器を大型
化せずに全体としての吸収効率を大幅に向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザビーム吸収器の構成を概略的に
示す縦断面図である。

【図２】図１をモデル化した図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示す図である。

【図５】ＣＯ₂ レーザ用の液冷式レーザビーム吸収器を
示す図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 外筒吸収体 ２，２ａ，２ｂ，２ｃ 内吸収体 ３ 底蓋 ４ 冷却液流路 ５ 外枠 １１，１１ａ 円錐体 ２２，２２ａ 仮想円錐体

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器から出射されたレーザビー
   ムを減衰し吸収するレーザビーム吸収器において、 円錐状曲面を用いて形成され前記円錐状曲面に入射した
   レーザビームを吸収する内吸収体と、 前記内吸収体の外側に設けられ内周面が円錐状に形成さ
   れ前記内吸収体に吸収されずに反射したレーザビームを
   前記内周面によって吸収する外筒吸収体と、を有し、 前記内吸収体の仮想円錐の頂点が前記外筒吸収体の上部
   内径より外側に位置すると共に、前記内吸収体の円錐状
   曲面と前記外筒吸収体の内周面がくさび状の角度を形成
   するように構成したことを特徴とするレーザビーム吸収
   器。
2. 【請求項２】 前記内吸収体の中心軸と前記外筒吸収体
   の中心軸が平行であることを特徴とする請求項１記載の
   レーザビーム吸収器。
3. 【請求項３】 前記内吸収体の中心軸と前記外筒吸収体
   の中心軸が交わることを特徴とする請求項１記載のレー
   ザビーム吸収器。
4. 【請求項４】 前記内吸収体のレーザビーム吸収面をレ
   ーザビームを反射する物質で被覆したことを特徴とする
   請求項１記載のレーザビーム吸収器。
5. 【請求項５】 前記内吸収体及び前記外筒吸収体の双方
   または一方を、２つ以上の角度の傾面をもつ円錐曲面で
   構成したことを特徴とする請求項１記載のレーザビーム
   吸収器。
6. 【請求項６】 前記内吸収体及び前記外筒吸収体のレー
   ザビーム吸収面に沿って冷却液流路を設けたことを特徴
   とする請求項１記載のレーザビーム吸収器。