(57)【要約】【課題】集束高出力レーザ光ビームを伴う切断工具を使用して金属及び他の材料を切断する方法を提供する。【解決手段】半径方向又は方位角偏光レーザ光を使用する４ｋＷを超えるレーザビーム出力を伴う、ＺｎＳｅレンズシステムによって集束させたＣＯ2レーザ光ビームを使用するレーザ切断方法。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｎＳｅレンズシステムによって集束させたＣＯ2レーザ光ビームを使用するレーザ切断方法であって、
「半径方向偏光レーザ光」を使用して４ｋＷを超えるレーザビーム出力を印加する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
半径方向偏光レーザ光が印加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
方位角偏光レーザ光が印加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
６ｋＷを超えるレーザビーム出力が印加されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
標準的なＺｎＳｅレンズシステムが適用されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集束高出力レーザ光ビームを伴う切断工具を使用して、特に鋼板のような金属及び他の材料を切断する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の特定の部類の切断機械又は切断工具は、特に、１０．６マイクロメートル波長で放射するいわゆるＣＯ2レーザビームの使用を伴っている。この１０年間にわたって、ＣＯ2レーザ光を使用する鋼板の切断は、重要かつ成熟した技術に発展した。
【０００３】
切断作用は、レーザ光を鋼板上に集束させることにより達成される。鋼板は、放射線を吸収することになるので、材料は、温度が上がって最終的に溶融することになる。光の集中が鋼板表面で良好なほど、切断速度を速くすることができる。このレーザ光集中は、レーザビームを集束させることにより達成される。入射（ほぼ）平行レーザビームは、収束ビームに変形され、収束の区域は、鋼板表面又はその近くに位置決めされる。この集束した区域の縦方向（ビーム伝播軸に沿った）及び横方向の範囲により、鋼板表面上へのレーザ光の集中の程度が判断されることになる。それは、次に、切断速度を決めることになる。この論理により、切断速度は、（他のパラメータの中でも）集束点集中度、入射レーザ出力、及び鋼板吸収度によって判断されることが明らかである。
【０００４】
ＣＯ2レーザビームの集束は、レンズ（屈折光学要素）、特に、セレン化亜鉛レンズ、又はミラー（反射光学要素）により達成することができる。
【０００５】
鋼板の切断に向けた機械は、資本集約的であるので、これらの機械の生産性を改善する絶え間ない要求が存在する。
【０００６】
より具体的には、このような高出力レーザ切断機械の生産性を改善するために、毎時間でより多くの鋼板を切断することができるようにより高い切断速度を用いなければならず、従って、レーザ出力を増大する必要がある。
【０００７】
従って、切断工具業界の現在の傾向は、このような高価な切断機械の生産性を増大させるためにレーザ源の出力を増大させることである。
【０００８】
比較的短期間で、切断工具レーザ源は、「高出力」源（２から４ｋＷのレーザビームを用いる）から「超高出力」源（４から６ｋＷのレーザビームを用いる）に進化した。
【０００９】
この点に関して、この傾向を例示するために、例えば、Ｐ．Ｈｉｌｔｏｎ著「二酸化炭素レーザによる切断」（標準出力として１から１．５ｋＷを開示）、ＴＷＩ知識の要約として、２０００年、及びＤ．Ｔｏｅｂａｅｒｔ及びＷ．Ｗａｇｅｎａａｒ著「高出力ＣＯ2レーザ設計」（標準出力として４ｋＷを開示）、レーザ応用学会誌、第１６巻、第２号、１００から１１０ページ、２００４年５月を参照することができる。
【００１０】
ＺｎＳｅレンズの信頼性は、出力増加と共に減少するので、多くの製造業者は、光学要素が４ｋＷを超える出力で機能しなければならなくなると、レンズ（屈折光学要素）からミラー（反射光学要素）に切り換える。ミラーは、レンズより遥かに良好に冷却することができ、すなわち、変形しないと共に堅牢である。レンズは、壊れやすく、かつ熱衝撃に弱い。この点に対しては、２ｋＷ時の反射光学要素からの遷移を説明している、１９８９年にＬ．Ｍｉｇｌｉｏｒｅにより編集された「レーザ材料処理」の６１から６３ページの開示（ＩＳＢＮ０−８２４７−９７１４−０）、１０５０Ｗ時のＺｎＳｅレンズの変形を説明している、Ｈ．タカハシ、Ｍ．キムラ、及びＲ．サノ著「高出力ＣＯ2レーザ照射時の透過光学要素の光学変形」、応用光学、第２８巻、第９号、１９８９年５月、１７２７から１７３０ページ、及びミラーに基づく＞３ｋＷの用途のための切断ヘッドを開示している、Ｄ．Ｐｅｔｒｉｎｇ著「肉厚断面切断」、ＡＩＬＵ技術作業部会、Ｌｅｉｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ、２００１年２月を参照することができる。
【００１１】
しかし、ミラーを使用する大きな欠点は、光学的な制約に由来するものではなく、切断処理自体に由来するものである。レンズ又はミラーを使用して放射線を集束し、切り口から溶融材料を停止させるためにレーザビームと同軸に流れるアシストガスが常に必要である。いわゆる切断ヘッドにおいては、レンズは、集束点近くに位置する小さなノズルと共に設けられる。レンズ、レンズハウジング、及びノズルは、一種のラバル管を形成し、レンズ集束点において、高速、高圧ガスビームがある。これは、ミラーがレーザ光を集束するのに使用される時に可能ではない。ミラーは、４５°の入射角で使用され、かつノズルを有する閉鎖容器を成すことはできず、従って、ガス圧が蓄積することができない。従って、実際にそれを行うことになるのは、溶融材料を壊す多くの機械的問題が発生するので、実際にミラーに切り換えざるをえない時だけである。
【００１２】
ＥＰ０３６５５１１に説明されているように、高出力レーザ切断機械は、レーザ管内で生成されたレーザ光の公知の割合（９９％台又はそれよりも多く）を透過し、かつ残りの割合を反射又は吸収するという特性を有することは公知である。レンズは、高出力レーザ放射線自体の影響を受けて変形することによりビーム特性を劣化してはならない。しかし、レンズは、透過光の一部を吸収することは、回避不可能である。この吸収レーザ光は、レンズを加熱して膨張及び熱応力を引き起こす。
【００１３】
産業用途に対しては、専ら、レンズ基体の原材料としてセレン化亜鉛が使用される。レンズ表面上の適切な反射防止コーティングにより、レンズ透過率は、大雑把にいうと９９．７％を超えるものになる。残りの部分（０．３０％）は、レンズの残留吸収量を成し、レンズ本体での熱として現れる。この熱は、一般的に１０から３０ワットであり、レンズ集束機能に不利であるいくつかの熱の影響を引き起こすが、０．３０％未満の吸収量は、無視可能と考えられるであろう。
【００１４】
化学気相堆積ＺｎＳｅ（ＣＶＤ−ＺｎＳｅ）は、立方晶系結晶対称性を有し、かつ約６０マイクロメートルの直径の粒度を有する多結晶材料である。これは、巨視的レベルの材料を光学等方性として挙動させる。この材料は、ＣＯ2レーザのための切断レンズを製造するのに基体として使用される。非常に高い純度のために、この材料は、入射レーザ光の僅かを吸収するに過ぎず、これは、全ての実際的な目的に対して無視することができる。先に明記したような０．３０％の全体的なレンズ吸収量は、従って、ＺｎＳｅ基体の吸収を圧倒する、反射防止コーティングの寄与により支配される。高出力ＣＯ2レーザからの現在利用可能な出力が大きいために、このミラーの全体的な吸収量でさえも、レーザ放射線の集束性に関してレンズ性能に顕著な結果を与える。
【００１５】
レンズ本体内で発生する大きな熱影響が２種類あり、共に、ビームの集束性、従って、レーザビーム品質に影響を与えるものである。すなわち、
−熱レンズ効果、吸収のために昇温する時のレンズの有効焦点距離の変化と定義される。この余分なレンズ効果は、レンズ中心とレンズ縁部の間の温度勾配により作り出される。温度勾配は、レンズ本体材料内に発生する熱光学的効果を通じてレンズ材料の局所的屈折率に影響を与える。それによって、結果的に光線の余分な屈曲が発生する。
−応力複屈折、レンズ本体の不均一な熱膨張により生じる。この不均一性は、入射レーザビーム内の強度分布の形状により課せられる。この形状は、通常、ガウス分布に近いものであり、これは、ビーム外縁部に向けてゼロに徐々に落ちるビーム中心部での高い強度を意味する。従って、レンズは、縁部よりも中心部の方が加熱される。更に、この縁部は、冷却後の放熱板と熱接触しており、従って、レンズの中心部から縁部までの熱膨張の明確な半径方向の変動がある。レンズ中心部では、吸収熱によりレンズ材料が膨張し、冷却後の縁部では、材料は、自発的には膨張しない。このようにして、かなりの半径方向向きの応力がレンズの中心部と縁部との間で生成される。図示すると、低温レンズ縁部は、高温膨張レンズ中心を締め付けている。この位置では、弾性光学的効果が重要になる。熱応力によりレンズ材料の局所的屈折率が変化する。入射光の偏光状態がここで影響を受けることになる。光の偏光方向が本体材料の応力方向に沿ったものである場合、偏光状態は変化しない。光の偏光方向が本体材料の応力方向に垂直である場合、偏光状態は伝達されない。この挙動は、直線偏光ビームが２つの直列の偏向器に入射する状況と似たものである。しかし、偏光軸が平行である状態で偏向器が配置された場合、光は透過されない。
【００１６】
加熱レンズ内の応力パターンは、全く複雑なものである可能性があるので、透過波面の偏光状態は、大幅に影響を受ける可能性がある。これは、初期に平面偏光されたレーザビームにより透過後に平面偏光状態を失い、収束するレーザビームの集束性の損失が発生することになることを意味する可能性がある。
【００１７】
要約すると、レンズ材料の屈折率分布に、熱効果による２つの明確な変化が発生する。第１の変化は、昇温により誘発された屈折率の変化である。この効果は、強力に加熱された空気層内に発生する蜃気楼効果に密接に関連するものであり、「幻影」という名前で公知である。第２の効果は、熱効果により誘発された屈折率の変化である。これは、応力複屈折又は代替的に弾性光学効果と呼ばれる。
【００１８】
両効果により同時に局所的屈折率、従ってレンズを通る光路長が変化するので、熱収差が誘発され、熱収差により、収差レンズ媒体への透過時に入射球面波面が激しく変形する。球形度の狂いがあれば、波面が回折限定集束点サイズに収束する機能に悪影響を与えることになる。これは、加工物表面でのレーザエネルギ集中の損失、従って切断速度の減少を意味する。
従って、レンズ温度及び／又は温度勾配を最小にすることが必要である。
【００１９】
第１の解決法は、レンズによる熱吸収を低減することにより熱効果を低減する乱流ガス膜によりレンズ冷却する方法が開示されているＥＰ０３６５５１１に見出される。この方法は、レンズ表面からガス膜への伝導性熱伝達に基づくものである。
【００２０】
第２の解決法は、レンズ内での熱吸収を低減することにより熱効果を低減する低吸収反射防止コーティングの使用が説明されているＵＳ６０２０９９２に見出される。
【００２１】
第３の解決法は、平坦なフランジをレンズ縁部に設置することにより熱伝達特性が改善したレンズが説明されているＥＰ１３８０８７０に見出される。従って、レンズと水冷支持マウントとの熱接触が改善されてレンズ温度が低減される。
【００２２】
第４の解決法は、低レーザ吸収力及び高耐湿性の高密度光学薄膜が表面に形成される赤外線レーザ光学要素が開示されているＵＳ６６０３６０１に見出される。この光学要素は、平滑化主面と、主面上に形成されたＢａＦ2膜と、ＢａＦ2膜上に形成されたＺｎＳｅ膜とを含む。従って、ＢａＦ2の高密度膜を形成することができると共に、コーティング全体の吸収力を光学要素として高々０．１５％という低さの値に維持することができる。
【００２３】
【特許文献１】ＥＰ０３６５５１１
【特許文献２】ＵＳ６０２０９９２
【特許文献３】ＥＰ１３８０８７０
【特許文献４】ＵＳ６６０３６０１
【非特許文献１】Ｐ．Ｈｉｌｔｏｎ著「二酸化炭素レーザによる切断」、ＴＷＩ知識の要約として、２０００年
【非特許文献２】Ｄ．Ｔｏｅｂａｅｒｔ及びＷ．Ｗａｇｅｎａａｒ著「高出力ＣＯ2レーザ設計」、レーザ応用学会誌、第１６巻、第２号、１００から１１０ページ、２００４年５月
【非特許文献３】Ｌ．Ｍｉｇｌｉｏｒｅ編集「レーザ材料処理」、６１から６３ページ、１９８９年（ＩＳＢＮ０−８２４７−９７１４−０）
【非特許文献４】Ｈ．タカハシ、Ｍ．キムラ、及びＲ．サノ著「高出力ＣＯ2レーザ照射時の透過光学要素の光学変形」、応用光学、第２８巻、第９号、１９８９年５月
【非特許文献５】Ｄ．Ｐｅｔｒｉｎｇ著「肉厚断面切断」、ＡＩＬＵ技術作業部会、Ｌｅｉｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ、２００１年２月
【非特許文献６】Ｒ．Ｏｒｏｎ他著「純粋な方位角又は半径方向偏光を有するレーザビームの形成」、応用物理学レター、第７７巻、３３２２から３３２４ページ（２０００年１１月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
残念ながら、上述の解決法には、全て、高出力レーザ切断機械運転費用増になる複雑なレンズ又は複雑な処理をもたらすという欠点がある。例えば、一部の解決法は、収率が一般的に低減される困難かつ臨界的処理に頼るという欠点がある吸収力が非常に低いコーティングに基づくものである。従って、高出力レーザ切断機械運転の費用増大になる。
【００２５】
現在、驚くべきことに、ＺｎＳｅレンズによる集束は、６ｋＷを超えるレーザビーム出力でさえも、及び／又は標準的なＺｎＳｅレンズシステム（すなわち、超低反射防止コーティングなし及び／又は高度の冷却の実施なしのレンズ）でさえも、超高出力ＣＯ2レーザビームに使用して、本発明の特徴を適用することにより上述の熱効果に関する問題を防止することができることが見出されている。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
従って、本発明は、ＺｎＳｅレンズシステムを用いて集束させたＣＯ2レーザ光ビームを使用するレーザ切断方法を提供し、本方法は、４ｋＷを超えるレーザビーム出力を印加し、かつ「半径方向偏光レーザ光」を使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
「半径方向偏光レーザ光」又は「半径方向偏光」という用語により、半径方向又は方位角に偏光されたレーザ光、又はそれぞれ半径方向又は方位角偏光を意図している。方位角及び半径方向偏光のいずれも、２つの垂直偏光レーザビームの適正な重ね合わせにより得られる。方位角偏光は、光学要素により半径方向偏光に変換することができる。
【００２８】
このようなレーザビームの半径方向又は方位角偏光は、Ｒ．Ｏｒｏｎ他著「純粋な方位角又は半径方向偏光を有するレーザビームの形成」、応用物理学レター、第７７巻、３３２２から３３２４ページ（２０００年１１月）により公知であり、この開示は、本明細書において引用により組み込まれている。
【００２９】
上述の論文において開示されているようなレーザビームの半径方向又は方位角偏光の公知の使用は、キロワット範囲ではなくワット範囲で使用される「Ｎｄ−Ｙ  ＡＧ」レーザ源（１．０６マイクロメートルの波長を伴う）を伴っており、一方、本発明は、キロワット範囲で使用されるＣＯ2レーザ源（１０．６マイクロメートルの波長を伴う）に関連するものである。
【００３０】
半径方向（又は方位角）偏光を有するレーザビームは、リング形状の強度分布を示す。従って、レンズ内に生成された熱も、リング形状を示すことになる。このリング形状の熱分布を境界条件としてフーリエ熱伝導方程式を解いた場合、得られる温度分布は、シルクハットに近い分布を示すことになることが見出される。従って、全体的には、レンズは昇温するが、ほぼ均一な方法でそうなることになる。温度勾配がこのように低減されるので、直線又は円偏光状態（ガウス形強度分布で）同じ出力で照射された場合と比較すると、レンズの示す熱効果も小さくなることになる。
【００３１】
具体的には、熱効果は、熱レンズ効果及び応力複屈折である。これらの熱効果は、切断レンズに存在する最も重要な熱効果であるから、具体的に熱レンズ効果及び応力複屈折を低減することが特に有利である。
【００３２】
通常、入射レーザビームの強度分布は、回転対称を示す。レンズ上への入射出力の僅かは、レンズにおける残留吸収のために熱に変換される。この熱により、材料の膨張が発生する。ガウス分布モードの場合、レーザ強度がビームの中心部で最大値を示すので、レンズの（及びビームの）中心部の膨張は最も大きい。しかし、中心部で膨張するレンズの傾向に対抗するのは、レンズ縁部が低温のままであるという理由でレンズ縁部である。このようにして、レンズの中心部と縁部の間に大きな応力差が発生する。
【００３３】
レンズ材料が応力複屈折を示す場合にも、その屈折率が影響を受けることになる。これは、円形対称を有するビームに対しては、屈折率の弾性光学的変化が純粋半径方向及び純粋方位角成分を有することを意味する。
【００３４】
例えば横ｘ方向に沿って直線偏光を有する入射レーザ放射線は、複雑な影響を受けることになる。ｘ軸に沿って、半径方向は、この軸に垂直である。ｙ軸に沿って、半径方向の偏光は、この軸に平行である。中間の半径方向軸に対しては、ｘ軸及びｙ軸に沿ってこの軸の投影を考慮すべきである。これは、極座標を直交座標に変換する数学的変換法則により解決される。
【００３５】
しかし、本発明によれば、複屈折材料が半径方向（又は方位角）偏光を有するビームにより照明される場合、偏光方向は、常にレンズ本体内の応力方向の１つに平行である。
【００３６】
従って、本発明によれば、レンズの透過後には偏光状態の変化はないことになる。応力複屈折は、透過した波面に影響を与えず、半径方向（又は方位角）偏光の下でのレンズの弾性光学的挙動と結び付いた収差はない。
【００３７】
半径方向偏光レーザ光を使用した超高レーザビーム出力に対するＺｎＳｅレンズの予想外の適用性に関する本発明のこの特定の教示は、同じレーザ出力及び従って同じレーザ経費に関して半径方向偏光の方が回転偏光と比較すると良好に吸収される（２倍まで）というありがちな観察とは直接に結び付かない。しかし、切断速度に関する後者の付帯的な性能改善は、本発明の特定の範囲の外である。
【００３８】
従って、半径方向偏光レーザ光の使用により、熱効果及びより具体的には応力複屈折及び熱レンズ効果の両方が低減される。
【００３９】
本発明による方法に使用されるレンズは、ＺｎＳｅレンズである。
産業用途に好ましいセレン化亜鉛材料は、例えば、直径約６０ミクロンの平均粒径を有する化学気相堆積ＺｎＳｅ（ＣＶＤ−ＺｎＳｅ）多結晶材料である。これは、このような材料を巨視的レベルで等方性として挙動させる。この材料を基体として使用して、ＣＯ2レーザのための切断レンズを製造する。
【００４０】
本発明の好ましい実施形態を例示目的で開示したが、当業者は、特許請求の範囲に開示する本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、様々な修正、追加、又は置換が可能であることを認めるであろう。
【国際調査報告】
2009517217.tif 000002
2009517217.tif 000003
2009517217.tif 000004