JPH1076385A - レーザ加工用光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】出力を大きくすることでマルチモードとなった
拡り角の大きいレーザビームを集光しても、十分にパワ
ー密度を集中させることが可能なレーザ加工用光学系を
提供する。 【解決手段】集光レンズ３の前のレーザビーム５の光路
上に光線入れ換え光学手段としてのコーンレンズ１０を
配置する。これにより、コーンレンズ１０から出射後の
レーザビーム５断面内のパワー密度分布Ｐ₂が中心部で
大きく、最外周部で小さくなる。このようなパワー密度
分布のレーザビーム５を集光レンズ３で集光し、その集
光位置で十分にパワー密度を集中させたパワー密度分布
を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ発振器より
発射されるレーザビームを被加工物に照射して溶接、穴
開け、切断等の加工を行うためのレーザ加工用光学系に
関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光を利用した加工（以下、適宜、
レーザ加工という）としては、切断、穴あけ、溶接等の
加工方法が機械、電子、半導体装置などの多方面の分野
の製造過程で利用されている。図３に従来の一般的なレ
ーザ加工装置におけるレーザ加工用光学系の一例を示
す。レーザ発振器１から出射されたレーザビーム５はベ
ンディングミラー２で方向が例えば９０゜曲げられ、集
光レンズ３により集光され、その焦点付近に置かれた被
加工物４の表面に照射される。レーザビーム５が集光レ
ンズ３で集光されることによってそのスポット内に高パ
ワー密度の部分が生じ、これによって被加工物４を溶融
あるいは蒸発させ、切断、穴開け、溶接等の加工を実現
している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般にレーザ加工で
は、上記のように集光レンズ３によって高パワー密度を
得ることがまず必要となるが、その時にはレーザビーム
５の集光性が重要となる。レーザ発振器１から出射され
るレーザビーム５の集光性やパワー密度に関係するパラ
メータとしては、図４（ａ）に示すようなレーザ発振器
１から出射されるレーザビーム５の拡り角θと、図４
（ｂ）に示すようなレーザビーム５のビームモードとが
ある。集光性に直接関係するのは図４（ａ）に示す拡り
角θであり、集光レンズ３で集光した時の集光位置での
集光径ｄは、集光レンズ３の焦点距離をｆとすると次式
（１）で示される。 ｄ＝２ｆθ … （１） 従って、レーザ発振器１より出射されるレーザビーム５
の全パワーが同一であれば、拡り角θが小さい程集光径
ｄは小となり、集光位置では高いパワー密度が得られる
ことになる。

【０００４】また、レーザビーム５のビームモードに
は、シングルモードとマルチモードとがあり、レーザビ
ーム５の断面方向でみると、図４（ｂ）に示すようにシ
ングルモードは中央に鋭いピークを有する分布となって
おり、マルチモードはいくつかのピークを有する分布と
なっている。前述の拡り角θは、シングルモードとマル
チモードとで異なり、シングルモードではθが小さく、
マルチモードではθが大きい。つまり、集光性の面で
は、シングルモードの方が優れており、このシングルモ
ードのレーザビームは微細切断などに利用されることが
多い。

【０００５】ところで、高いエネルギー密度を得るため
にはレーザ発振器１から出射されるレーザビームの出力
を上げることが考えられる。しかし、レーザ発振器１の
出力を上げるとシングルモードのレーザビームは得られ
にくくなり、マルチモードとなってしまう。そのため、
拡り角θも大となって集光性が悪くなり、レーザ発振器
１の出力を大きくしたにもかかわらず、パワー密度の集
中が不十分でパワー密度の増加にはつながらないことに
なる。

【０００６】本発明の目的は、出力を大きくすることで
マルチモードとなった拡り角の大きいレーザビームを集
光しても、十分にパワー密度を集中させることが可能な
レーザ加工用光学系を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、光軸に垂直な断面内のパワー密度
がマルチモードであるレーザビームを出射するレーザ発
振器と、前記レーザビームを集光する集光レンズとを有
するレーザ加工用光学系において、上記レーザビームを
構成する互いに平行な個々の光線の位置をそのレーザビ
ームの光軸に対して内外で入れ替える光線入れ替え光学
手段を、前記集光レンズ入射前の前記レーザビームの光
路上に配置したことを特徴とするレーザ加工用光学系が
提供される。

【０００８】上記のように構成した本発明においては、
集光レンズ入射前のレーザビームの光路上に光線入れ替
え光学手段を配置し、それによってレーザビーム断面内
のパワー密度分布をそのレーザビームの光軸に対して変
化させる。この光線入れ替え光学手段としては、具体的
には例えばコーンレンズを用いることができる。これに
より、光線入れ替え光学手段に入射する前においてレー
ザビーム断面内のある半径方向の幅を有する輪環部分に
存在していたレーザビームのエネルギーは、光線入れ替
え光学手段を通過後にはレーザビーム断面内における同
一幅の別の輪環領域に移されることになる。

【０００９】ところが、上記光線入れ替え光学手段に入
射する前の外周側に近い輪環部分の面積に比べて、光線
入れ替え光学手段から出射後に光線が集まる中央に近い
同一幅の輪環領域の面積の方が小さいことは明らかであ
る。従って、光線入れ替え光学手段から出射後のパワー
密度分布における中心部に近い輪環領域のパワー密度
（単位面積当たりのパワー）は、光線入れ替え光学手段
を設けない場合に比べて増加することになる。

【００１０】一方、光線入れ替え光学手段に入射する前
においてレーザビーム断面内中央付近に存在していた光
線は、光線入れ替え光学手段を通過後にはレーザビーム
断面内の外周側に近い輪環部分に移されることになるた
め、光線入れ替え光学手段から出射後のパワー密度分布
における外周側に近い輪環部分のパワー密度（単位面積
当たりのパワー）は小さくなる。

【００１１】以上のことから、光線入れ替え光学手段か
ら出射後のレーザビームは、その断面内のパワー密度分
布が中心部で大きく、外周部で小さくなり、一見シング
ルモードの如き分布になる。このようなパワー密度分布
を有するレーザビームを集光レンズで集光することによ
り、その集光位置では十分にパワー密度を集中させるこ
とが可能となる。

【００１２】また、上記のような光線入れ替え光学手段
をレーザビームの光路上に配置してもレーザビームの拡
り角は何ら変化しないため、そのレーザビームを集光レ
ンズで集光した集光径にも変化はなく、集光径が広がる
ことによるパワー密度の低下の心配もない。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態について、図
１及び図２を参照しながら説明する。図１は本実施形態
のレーザ加工用光学系を示す図である。図１の集光レン
ズ３の前のレーザビーム５（直径Ｄ₁）の光路上には光
線入れ替え光学手段としてのコーンレンズ１０が配置さ
れている。コーンレンズ１０には図１と同様の方式で出
射されたレーザビーム５が入射する。図１には、コーン
レンズ１０への入射前のＡ点及び出射後のＢ点、さらに
集光レンズ３の集光位置のＣ点におけるレーザビーム５
の断面内のパワー密度分布をその該当する位置に付記し
てあり、このパワー密度分布において半径方向距離をｙ
とする。

【００１４】コーンレンズ１０は、例えば特開昭６０−
１９１６８９号公報や特開昭６２−２０１４１６号公報
などに開示されているコーンレンズと同様のものであ
り、このコーンレンズ１０によれば、図１中に矢印で示
すようにレーザビーム５断面内の光線の位置がその光軸
に対して内外で入れ替わる。ここで、コーンレンズ１０
に入射する前のＡ点においてレーザビーム５断面内のパ
ワー密度分布がＰ₁で示すような平坦な分布に近いマル
チモードの分布であったとすると、レーザビーム５の断
面内の中心から距離ｙ₁のところにある半径方向の幅が
ｄｙ₁である外周側に近い輪環部分に存在していた光線
の束は、コーンレンズ１０を通過後のＢ点では外周から
の距離ｙ₂のところでｄｙ₂の幅を有するレーザビーム５
の断面内中央に近い円環領域に移されることになる。こ
こに、当然、ｙ₁＝ｙ₂、かつｄｙ₁＝ｄｙ₂となる。

【００１５】ところが、コーンレンズ１０に入射する前
のＡ点における幅ｄｙ₁の外周側に近い輪環部分の面積
に比べて、コーンレンズ１０から出射後における半径ｄ
ｙ₂（ｄｙ₂＝ｄｙ₁）の円環領域の面積の方が小さいこ
とは明らかである。従って、コーンレンズ１０から出射
後のＢ点のパワー密度分布Ｐ₂における中心部のパワー
密度は、コーンレンズ１０を設けない場合に比べて増加
することになる。

【００１６】一方、コーンレンズ１０に入射する前のＡ
点においてパワー密度分布Ｐ₁の中央付近に存在してい
たパワーは、コーンレンズ１０を通過後のＢ点ではパワ
ー密度分布Ｐ₂の外周側に近い輪環部分に移されること
になるため、コーンレンズ１０から出射後のＢ点のパワ
ー密度分布Ｐ₂における外周側に近い輪環部分のパワー
密度（単位面積当たりのパワー）は小さくなる。

【００１７】なお、当然のことであるが、コーンレンズ
１０に入射する前のＡ点におけるパワー密度分布Ｐ₁の
パワーの総量（全断面積に亘って積分した量）とコーン
レンズ１０から出射後のＢ点におけるパワー密度分布Ｐ
₂のパワーの総量（全断面積に亘って積分した量）とは
等しい。

【００１８】以上のことから、コーンレンズ１０から出
射後のＢ点におけるレーザビーム５は、その断面内のパ
ワー密度分布Ｐ₂が中心部で大きく（この最大値をＰ
_3maxとする）、最外周部で小さくなり、一見シングルモ
ードの如き分布になる。このようなパワー密度分布Ｐ₂
のレーザビーム５を集光レンズ３で直径Ｄ₁からＤ₂に集
光することにより、その集光位置Ｃでは十分にパワー密
度を集中させたパワー密度分布Ｐ₃を得ることが可能と
なる。

【００１９】また、上記のようなコーンレンズ１０をレ
ーザビーム５の光路上に配置してもその拡り角θ（図４
参照）は何ら変化しないため、そのレーザビーム５を集
光レンズ３で集光した集光径Ｄ₂にも変化はなく、集光
径が広がることによるパワー密度の低下の心配もない。

【００２０】ここで、コーンレンズ１０を用いないでマ
ルチモードのレーザビーム５を集光する従来の場合につ
いて、本実施形態と比較しながら説明する。図２は、コ
ーンレンズ１０を用いないレーザ光学系を示す図であ
り、図１と同様に、集光レンズ３への入射前のＫ点及び
集光レンズ３の集光位置Ｌ点におけるレーザビーム５の
断面内のパワー密度分布をその該当する位置に付記して
あり、このパワー密度分布において中心からの半径方向
距離をｙとする。

【００２１】図２に示すように、レーザビーム５断面内
のパワー密度分布がＰ₄で示すようなマルチモードの分
布であった場合、集光レンズ３の集光作用により、集光
レンズ３に入射する前のＫ点で直径Ｄ₃であったもの
が、集光レンズ３の集光位置Ｌ点ではレーザビーム５の
拡り角θに応じて決まる直径Ｄ₄となり、それに対応し
てパワー密度は増加する。この時、Ｌ点におけるレーザ
ビーム５断面内のパワー密度分布Ｐ₅は、集光レンズ３
に入射する前のＫ点でのパワー密度分布Ｐ₄とほぼ相似
な関係が保存されることになる。勿論、この時も、集光
レンズ３に入射する前のＫ点におけるパワー密度分布Ｐ
₄のパワーの総量（全断面積に亘って積分した量）と集
光位置Ｌ点におけるパワー密度分布Ｐ₅のパワーの総量
（全断面積に亘って積分した量）とは等しいことは言う
までもない。従って、集光位置Ｌ点におけるパワー密度
分布Ｐ₅ではその最外周部付近まである程度高いパワー
密度となり、そのため上述のパワーの総量が一定という
条件を考慮するとパワー密度の最大値Ｐ_5maxはある値に
とどまる。

【００２２】これに対し、図１に示した本実施形態によ
るパワー密度分布Ｐ₃では、最外周部でのパワー密度は
ほぼ零で中心に向かうほど大きくなり、パワーの総量が
一定という条件を考慮すると図２のパワー密度分布の中
心における最大値Ｐ_5maxよりも図１のパワー密度分布の
中心における最大値Ｐ_3maxの方がはるかに大きくなるこ
とは明らかである。

【００２３】以上のような本実施形態によれば、集光レ
ンズ３の前のレーザビーム５の光路上に光線入れ換え光
学手段としてのコーンレンズ１０を配置するので、コー
ンレンズ１０から出射後のレーザビーム５断面内のパワ
ー密度分布Ｐ₂を中心部で大きく、最外周部で小さくす
ることができ、そのようなパワー密度分布のレーザビー
ム５を集光レンズ３で集光することにより、その集光位
置で十分にパワー密度を集中させたパワー密度分布を得
ることができる。従って、出力を大きくすることでレー
ザビーム５が拡り角の大きいマルチモードとなっても、
十分にパワー密度を集中させることが可能になり、例え
ば溶接においては溶け込み深さを大きくすることがで
き、また切断や穴あけにおいては適用できる板厚を厚く
することができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、集光レンズの前のレー
ザビームの光路上に光線入れ換え光学手段を配置するの
で、レーザビームの集光位置で十分にパワー密度を集中
させたパワー密度分布を得ることができる。従って、出
力を大きくすることでレーザビームが拡り角の大きいマ
ルチモードとなっても、十分にパワー密度を集中させる
ことが可能になり、例えば溶接においては溶け込み深さ
を大きくすることができ、また切断や穴あけにおいては
適用できる板厚を厚くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によるレーザ加工用光学系
を示す図である。

【図２】コーンレンズを用いないでマルチモードのレー
ザビームを集光する従来の場合を説明する図である。

【図３】従来の一般的なレーザ加工装置におけるレーザ
加工用光学系の一例を示す図である。

【図４】（ａ）はレーザビームの拡り角を示す図であ
り、（ｂ）はレーザビームのビームモードを示す図であ
る。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ ベンディングミラー ３ 集光レンズ ４ 被加工物 ５ レーザビーム １０ コーンレンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸に垂直な断面内のパワー密度がマル
   チモードであるレーザビームを出射するレーザ発振器
   と、前記レーザビームを集光する集光レンズとを有する
   レーザ加工用光学系において、 前記レーザビームを構成する互いに平行な個々の光線の
   位置をそのレーザビームの光軸に対して内外で入れ替え
   る光線入れ替え光学手段を、前記集光レンズ入射前の前
   記レーザビームの光路上に配置したことを特徴とするレ
   ーザ加工用光学系。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレーザ加工用光学系にお
   いて、前記光線入れ替え光学手段はコーンレンズである
   ことを特徴とするレーザ加工用光学系。