(57)【要約】【課題】レーザ加工ヘッドにおいて、熱レンズ効果が形成される遷移時間を約１分程度から１秒程度まで低下させる。また、透過する光学部品で吸収されるパワーの割合を低減させるとともに、小型化、軽量化を図る。【解決手段】高輝度、つまり、単一横モード、あるいは、準単一横モードのファイバレーザ６と、コリメータレンズ６及び収束レンズ８からなるレンズ系とを備える。コリメータレンズ７における熱レンズ効果による収束レンズ８の入射面での波面曲率の変化が、収束レンズ８内で発生する熱レンズ効果により補償され、両レンズ７，８の中で起こる熱レンズ効果に対して、収束レンズ８の出射面での波面曲率が変化せず、収束レンズ８は、この収束レンズ８の出射面でのビーム半径が、コリメータレンズ７の焦点距離の変化に依らずに一定となる位置に配置されている。【選択図】図１
2011031283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高輝度、つまり、単一横モード、あるいは、準単一横モードのファイバレーザと、
コリメータレンズ及び収束レンズからなり、前記ファイバレーザからのレーザビームが入射され、加工対象物に該レーザビームを照射するレンズ系と
を備え、
前記コリメータレンズにおける熱レンズ効果による前記収束レンズの入射面での波面曲率の変化が、前記収束レンズ内で発生する熱レンズ効果により補償され、両レンズの中で起こる熱レンズ効果に対して、収束レンズの出射面での波面曲率が変化せず、
前記収束レンズは、この収束レンズの出射面でのビーム半径が、前記コリメータレンズの焦点距離の変化に依らずに一定となる位置に配置されている
ことを特徴する小型熱レンズ補償加工ヘッド。
【請求項２】
前記コリメータレンズ及び収束レンズは、それぞれ直径が数ｍｍである
ことを特徴する請求項１記載の小型熱レンズ補償加工ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属板の切断や溶接などを行うレーザ加工において使用する加工ヘッドに関し、熱レンズ効果を補償した小型熱レンズ補償加工ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属板の切断や溶接などを行うレーザ加工においては、高出力レーザ光を数百μｍ程度の範囲に収束させている。加工用レーザとしては、主としてＣＯ２レーザが使用されている。
【０００３】
しかし、近年、波長のより短い、波長１μｍ帯の高出力ファイバレーザが使用されるようになっている。高出力ファイバレーザは、より高い輝度、金属による高い吸収率、短波長による高いパワー密度、より高い電気光変換効率、より小さい加工痕及びファイバによる供給の簡便さなどの利点を有する。
【０００４】
数ｋＷのレーザ出力は、通常、多重モードファイバで供給される。しかし、最近では、単一横モードの高出力ファイバレーザが使用できるようになり、より小さいスポットにまで光束を収束でき、かつ、より長い焦点深度をもつことにより、加工速度の向上や、より板厚の厚い材料にも応用できるようになっている。
【０００５】
ファイバレーザ出力の収束には、２枚のレンズからなる光学系が用いられている。第１のレンズはコリメータレンズ（ＣＬ）で、例えば、１０ｃｍ以上の焦点距離を有する。コリメータレンズの役割は、ファイバ端から出射される発散光をｃｍオーダの平行ビームまでに集めることである。第２のレンズは、収束レンズ（ＦＬ）であり、光のパワーを加工点へ集中させるレンズである。収束レンズの表面には、加工対象物からの飛散物やほこりが吸着するのを防ぐために、透明な保護窓が設けられている。これらの光学系は、加工ヘッド（ＰＨ）と呼ばれる部分に取付けられている。
【０００６】
なお、ワーク加工中に溶けて飛散する金属を取り除く目的で、高圧ガスの噴流が加工領域に吹きつけられる。
【０００７】
特許文献１には、レーザ発振器とレーザ加工ヘッドとの間の光路上に、コリメータレンズを光軸方向へ移動可能に設けたレーザビームのコリメータ装置において、コリメータレンズとレーザ加工ヘッドとの間の光路上に、光軸方向の複数箇所におけるレーザビームのビーム径を検出するためのレーザビーム解析装置を光軸方向へ移動自在に配置して設け、レーザビーム解析装置によって検出した複数箇所のビーム径に基いてレーザビームの収縮状態又は拡散状態を演算処理し、この演算結果に基いてコリメータレンズを光軸方向へ移動するためのサーボモータの制御を行う制御手段を設け、制御手段の制御の下にコリメータレンズが移動され調整されたレーザビーム径でレーザ加工ヘッドに入射する構成としたレーザビームのコリメータ装置が記載されている。
【０００８】
特許文献２には、被加工面上のレーザ光の光径又は光面積を求め、上記光径又は光面積が所定の基準値からずれている場合は、レーザ光の焦点位置が基準となる設定位置からずれているとして、そのずれ量に応じて、レーザヘッドと被加工物とを相対移動させるようにし、このときのレーザヘッド又は被加工物の移動方向は、前回のレーザヘッド又は被加工物の移動方向と、この移動の前後に得られた光径又は光面積の変化とに基づいて決定するようにして、簡単な構造で、精度の高い焦点位置のずれの補正制御を行うことが可能なレーザ加工装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２９７０９２７号公報
【特許文献２】特開２００２−２３９７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、レンズにおいては、レンズ材そのもの、あるいは、反射防止膜に、わずかな不純物が含まれており、これら不純物が入射するレーザ光を吸収して発熱する。熱の拡散は、放物面状の温度分布を形成する。これは、屈折率の温度依存によって、収束レンズによる効果に、熱レンズの効果が付け加わる。このような熱レンズを含むレンズの焦点距離ｆについては、以下の関係が成立する。
１／ｆ＝１／ｆＬ＋１／ｆＴＬ
【００１１】
ここで、ｆＬは、レンズ固有の焦点距離であり、ｆＴＬは、熱レンズによる焦点距離である。
【００１２】
この現象は、熱レンズ効果として知られている。レーザ出力が変更されたり、レーザ発振が開始された直後では、熱レンズ効果が数十秒〜１分近くかかって形成され、その間は、焦点距離が変化する。この間、加工点表面での光パワー密度が変化し、切断や溶接の品質が変化する。このため、加工に入ることのできる定常状態になるまで待つ必要がある。
【００１３】
光吸収をする不純物が無視できる程度にしか含まれない光学部品を使用すれば、熱レンズ効果は回避できる。しかし、そのような不純物のない材料は、製造困難であり、現実的な価格で入手することも困難である。そのため、熱レンズ効果を最小にする加工ヘッドの設計が望まれる。
【００１４】
距離Ｌにわたって熱拡散により温度が定常状態に達するのに要する時間ｔについては、以下の関係が成立する。
【００１５】
ｔ∝Ｌ２／Ｄ
ここで、Ｄは、レンズをなす材料の熱拡散係数であり、Ｌは、レンズの直径である。ｍｍオーダの直径のレンズであれば、熱拡散の時間を短縮することができる。すなわち、レンズの温度が定常状態になるまでの時間を短縮することができる。
【００１６】
しかし、このような設計には、以下のような問題がある。まず、収束レンズの位置でビーム径が細いと、ターゲットのところでパワー密度が過分となり、焦点面までの距離が極めて短くなり、加工ヘッドの下端（終端）と加工対象物との間隔が狭くなり過ぎるため、レーザ加工ヘッドには適切でない。
【００１７】
次に、熱レンズ効果は、光パワー密度Ｉ〔Ｗ／ｃｍ２〕に比例するので、入射ビーム径が小さくなるように設計すると、光パワー密度が大きくなり、熱レンズ効果が大きくなってしまうのである。
【００１８】
なお、収束レンズにおけるビーム占有領域や、光学系の充填率、すなわち、〔ビーム占有領域／レンズ占有領域〕を増加させることにより、光学部品内での光パワー密度の低下を図ることが提案されている。しかし、今日まで、現実のレーザ加工において熱レンズ効果を無視できるほどまで低下させることができる解決策はないのが実情である。
【００１９】
別の解決策として、熱レンズ効果が形成される過程に合わせて、動的にコリメータレンズの位置、あるいは、加工ヘッドの位置を調整することにより、焦点移動を補償する方法がある。しかし、この方法では、レンズを光軸に沿って移動させる駆動装置が必要であり、また、加工対象物の焦点面でのビーム径を計測し、ビーム径を所定の大きさに維持するためのフィードバック回路が必要であるため、加工ヘッドの構成が複雑化、大型化してしまう。
【００２０】
本発明は、高輝度、つまり、単一横（準単一横）モードレーザビームに対して熱レンズ効果による焦点の移動なしで補償することができる小型熱レンズ補償加工ヘッドを提供することを目的とする。
【００２１】
さらに、本発明は、熱レンズ効果が形成される遷移時間を、約１分程度から、１秒程度まで低下することができる小型熱レンズ補償加工ヘッドを提供することを目的とする。また、本発明は、透過する光学部品の全厚を薄くし、界面数を少なくすることにより、単一レンズ系、すなわち、レンズ群やウィンドウで吸収されるパワーの割合を低減することができ、また、小型化、軽量化が図られた小型熱レンズ補償加工ヘッドを提供することを目的とする。
【００２２】
さらに、本発明は、小型に設計して、より迅速な加工が可能となり、かつ、電力消費量を減らことができる小型熱レンズ補償加工ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドは、以下の構成を有するものである。
【００２４】
〔構成１〕
高輝度レーザ、つまり、単一横モード、あるいは、準単一横モードのファイバレーザと、コリメータレンズ及び収束レンズからなりファイバレーザからのレーザビームが入射され加工対象物に該レーザビームを照射するレンズ系とを備え、コリメータレンズにおける熱レンズ効果による収束レンズの入射面での波面曲率の変化が、収束レンズ内で発生する熱レンズ効果により補償され、両レンズの中で起こる熱レンズ効果に対して、収束レンズの出射面での波面曲率が変化せず、収束レンズは、この収束レンズの出射面でのビーム半径が、コリメータレンズの焦点距離の変化に依らずに一定となる位置に配置されていることを特徴するものである。
【００２５】
〔構成２〕
コリメータレンズ及び収束レンズは、それぞれ直径が数ｍｍであることを特徴するものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドにおいては、構成１を有することにより、コリメータレンズにおける熱レンズ効果が収束レンズにおける熱レンズ効果により相殺されるため、熱レンズ効果による焦点位置移動が抑制される。これにより、レーザ光源に電源を投入した直後から、レーザ加工が可能になる。すなわち、本発明は、切断工程における生産性向上、再現性向上及び品質向上に寄与することができる。
【００２７】
また、本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドにおいては、構成２を有することにより、ビーム半径が減少して加工ヘッドが小型化し、レンズ径が減少して加工ヘッドの軽量化が可能となる。これらにより、加工ヘッドの移動が簡便となり、加工ヘッドの加速と位置決めがより容易に行えるようになる。また、レンズの小型化に基づく熱拡散時間の短縮により、定常状態に至るまでの時間が短縮され、熱レンズ効果の形成時間が短縮される。すなわち、本発明は、切断工程における生産性向上、再現性向上及び品質向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来の加工ヘッドの構成を示す側面図であって、熱レンズ効果の有無による焦点距離の変化を説明する図である。
【図２】レンズの収束力に対するビームウェスト位置とその像位置でのビームウェストの相関図であり、位置は焦点距離で正規化されている。
【図３】本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドの実施例の構成を示す側面図である。
【図４】本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドの実施例であって、収束レンズから約５ｃｍの位置に置かれた加工対象物表面で約１００μｍの大きさのビーム径を実現できる構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、従来の加工ヘッドの構成を示す側面図であって、熱レンズ効果の有無による焦点距離の変化を説明する図である。図１において、実線は熱レンズ効果のない場合で、破線は熱レンズ効果がある場合を示す。焦点の変化量は、コリメータレンズと収束レンズの熱レンズ効果が重畳することで発生する。
【００３０】
本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドは、金属板の切断や溶接などを行うレーザ加工において使用されるものであって、コリメータレンズ７及び収束レンズ８を有して構成され、高輝度、つまり、単一横モードビーム、あるいは、準単一横モードビームに適用される。
【００３１】
まず、高輝度、つまり、単一横モードビーム、あるいは、準単一横モードビームは、多重モードビームに比較して、より高い空間的コヒーレンスを有し、長焦点収束レンズを使用しても、より小径のスポットサイズにまで収束できる。その上、図４に示すように、サブミリの径の入射ビームを収束レンズから数ｃｍ離れた位置において、１００μｍ径の大きさに絞ることができる設計が可能になる。
【００３２】
次に、本発明においては、高輝度、つまり、単一横（準単一横）モードのガウス型ビームに対して、収束レンズ及びコリメータレンズの位置の最適設計により、熱レンズ効果を一次近似ではキャンセルすることができる。
【００３３】
焦点距離ｆのレンズにおいて、対象の位置と像のビームウェスト位置（ビーム最小半径の場所）とに関するレンズ公式は、以下の通りである。
１／〔ｚ０＋｛ｚＲ２／（ｚ０−ｆ）｝〕＋（１／ｚ１）＝（１／ｆ）  ・・・・（式１）
【００３４】
ここで、ｚ０は、レンズから対象までの距離を表し、ｚ１は、レンズから像のビームウェストまでの距離を表し、ｚＲ〔＝πω０２／Ｍ２λ〕は、レーリー長（ビーム拡がりを表す）パラメータである。λは、波長であり、ω０は、ビームウェスト径である。Ｍ２は、品質パラメータで、ビーム伝搬（拡散）というパラメータである。なお、単一横モードと準単一横モードの場合は、Ｍ２≒１であるが、このことは、本発明に制限を与えるものではない。短いレーリー長、つまり、〔ｚＲ＜＜｜ｚ０（ｚ０−ｆ）｜１／２〕に対しては、上記のレンズ公式としては、以下のような、よく知られた幾何光学のレンズ公式が有効となる。
（１／ｚ０）＋（１／ｚ１）＝（１／ｆ）  ・・・・（式２）
【００３５】
図２は、レンズの収束力に対するビームウェスト位置とその像位置でのビームウェストの相関図であり、位置は焦点距離で正規化されている。
【００３６】
多重モードビームとは異なり、幾何光学的には、ガウス型ビームの場合には、図２に示すように、ビームウェスト径ω０のビームを絞ることのきできる焦点距離には限界最大値がある。なお、図２中の下図は、問題とするビームウェストの位置を示している。
【００３７】
ここで、以下の（式３）に示すように、ウェスト位置ｚ１がｆ１の変化に対して一定であるようなコリメータレンズＬ１の焦点距離を選ぶことができる。
ｄ（ｚ１）／ｄ（ｆ１）＝０  ・・・・（式３）
【００３８】
この距離ｚ１は、以下のように、レーリパラメータに等しい。
ｚ１＝πω０２２／Ｍ２λ≒πω０２２／λ
【００３９】
ここで、ω０２＝ω２／√２、ω２はビーム半径である。しかし、ω０２（像の側のビームウェスト径）は一定ではなく、レンズの収束力（１／ｆ１）が増加するに伴い単調に減少する。
【００４０】
しかしながら、熱レンズ効果に対してビームウェスト位置とビームの大きさが一定である限り、適切な位置に第２のレンズ、つまり、収束レンズ（８）を置くことによって、結果として一定に保つことができる。コリメータレンズ（７）と収束レンズ（８）とは、それらの入射位置及び出射位置でビーム径を変えずに波面の形状だけを次式にしたがって変える働きがある。
（１／ｆ１）＝（１／Ｒ１）＋（１／Ｒ２）
（１／ｆ２）＝（１／Ｒ３）＋（１／Ｒ４）  ・・・・（式４）
【００４１】
ここで、Ｒ１（１）は、コリメータレンズの入射波面曲率半径であり、Ｒ２（２）は、コリメータレンズの出射波面曲率半径であり、Ｒ３（３）は、収束レンズの入射波面曲率半径であり、Ｒ４（４）は、収束レンズの出射波面曲率半径である。
【００４２】
本発明においては、収束レンズを、コリメータレンズからの距離が以下を満たすように設置する。
【００４３】
（１）コリメータレンズの焦点距離の変化に対して、収束レンズ入射面でのビーム径が変化しないこと、すなわち、〔ｄω３／ｄｆ１＝０〕・・・（式３）が成立する。
【００４４】
（２）ｆ１の変化、すなわち、Δ（１／ｆ１）は、収束レンズ入射面で波面に付加的な曲率変化、Δ（１／Ｒ３）をもたらす。これは、収束レンズの出射面での波面曲率の変化Δ（１／Ｒ４）がキャンセルされるように、１／ｆ２の変化、すなわち、Δ（１／ｆ２）により補償される。つまり、（式４）から、以下が導かれる。
Δ（１／ｆ２）＝Δ（１／Ｒ３）＋Δ（１／Ｒ４）
Δ（１／Ｒ４）＝Δ（１／ｆ２）−Δ（１／Ｒ３）＝０
【００４５】
（３）収束レンズの出射面でビーム径と波面曲率が一定であるので、収束レンズ以降のどの位置でも、ビームは、結果的に設計通りとなる。こうして、熱レンズ効果、あるいは、他の原因により収束力が変化しても、一次近似として焦点距離の変化は発生しない。
【実施例】
【００４６】
図３は、本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドの実施例の構成を示す側面図である。図３において、実線は定常のビームウェスト位置９をもつビーム拡がり形状を表し、破線はコリメータレンズ７の収束力がやや増加した場合のビーム拡がり形状を示している。
【００４７】
この小型熱レンズ補償加工ヘッドにおいては、以下に説明するように、収束レンズ８における熱レンズ効果は、入射面３での波面曲率の増加を補償し、収束レンズ８以降のビーム拡がりに何ら影響を及ぼさない。
【００４８】
この小型熱レンズ補償加工ヘッドにおいては、単一横モードファイバ６から、コヒーレントなガウス型ビーム５が出射される。ガウス型ビームは、どの位置においても、その断面でのビーム半径ωと波面曲率半径Ｒにより特徴付けられる。コリメータレンズ７は、２ｍｍ乃至３ｍｍの焦点距離ｆ１をもち、その直径（レンズ径）は１ｍｍ程度である。収束レンズ８は、焦点距離がｆ２であり、これも１ｍｍ程度の直径である。各位置（１），（２），（３），（４）、つまり、コリメータレンズ７及び収束レンズ８の入射面及び出射面でのビーム半径及び波面曲率半径を、それぞれ（ω１，Ｒ１）、（ω２，Ｒ２）、（ω３，Ｒ３）、（ω４，Ｒ４）とする。
【００４９】
コリメータレンズ７の焦点距離ｆ１は、その距離変化に対するビームウェスト位置ｚ１の変化が０、つまり、（式３）より、〔ｄ（ｚ１）／ｄ（ｆ１）＝０〕になるように設計されている。収束レンズ８は、コリメータレンズ７からの距離２ｚ１、すなわち、ビームウェスト位置９に対称位置になるように設置される。そうすると、位置（１），（２），（３），（４）におけるビーム半径は、全て等しくなる。つまり、〔ω１＝ω２＝ω３＝ω４〕であり、ｆ１の変化Δｆ１に対して不変になる。熱レンズ効果により、コリメータレンズ７の収束力が、Δ（１／ｆ１）のように変化する。（式４）から、これは、コリメータレンズ７以降（図３における位置（２）以降）の波面曲率の増加Δ（１／Ｒ２）を招く。なお、Ｒ１は熱レンズ効果の影響を受けない。つまり、Δ（１／Ｒ１）＝０である。
Δ（１／Ｒ２）＝Δ（１／ｆ１）  ・・・・（式５）
【００５０】
一次近似では、最小ビームウェスト位置ｚ１は変化しない。このため、位置（３）での波面曲率の変化は、対称性により、位置（２）での変化と同じであり、以下のように示される。
Δ（１／Ｒ３）＝Δ（１／Ｒ２）  ・・・・（式６）
【００５１】
同様に、Ｒ３とＲ４は、（式４）を満たしているため、以下が成立する。
Δ（１／Ｒ４）＝Δ（１／ｆ２）−Δ（１／Ｒ３）
【００５２】
そして、（式５）及び（式６）から、次式を得る。
Δ（１／Ｒ４）＝Δ（１／ｆ２）−Δ（１／ｆ１）  ・・・・（式７）
【００５３】
両方のレンズ７，８での光パワー密度は同じであり、各レンズ７，８は同一材料で作成され、厚さもほぼ同一であるので、同程度の熱レンズ効果が発生する。つまり、以下が成立する。
Δ（１／ｆ１）＝Δ（１／ｆ２）
【００５４】
そうすると、（式７）から、〔Δ（１／Ｒ４）＝０〕となる。こうして、位置（４）でのビームウェスト半径ω４及び波面曲率Ｒ４は、一定で変化しないことがわかる。すなわち、収束レンズ８以降のビームは、一定となり、設計値を保つことになる。
【００５５】
この設計では、各レンズ７，８内での光吸収の量を知る必要がないばかりか、熱レンズ効果の大きさも知る必要がない。また、この設計は、収束レンズ８の焦点距離ｆ２に依存しない。
【００５６】
図４は、本発明に係る小型熱レンズ補償加工ヘッドの実施例であって、収束レンズから約５ｃｍの位置に置かれた加工対象物表面で約１００μｍの大きさのビーム径を実現できる構成を示す側面図である。
【００５７】
この実施例においては、単一横モードファイバ６から、ビーム半径ω０１が１２μｍ、波長λが１．１μｍのガウス型ビーム５が供給される。コリメータレンズ７及び収束レンズ８間の距離は、ｚ１＋ｚ２＝３０ｃｍである。ビームウェスト９の半径ω０２は、２２９μｍ、それぞれのレンズ位置、各面（１），（２），（３），（４）でのビーム半径ω＝√（２ｚ１λ／π）＝３２４μｍに対して、ｚ１は、１５ｃｍとなる。ｚ軸に沿うガウス型ビームのビーム半径ω１は、次のように変化する。
ω１＝ω０√（１＋ｚ０２／ｚＲ２）
【００５８】
これから、もし、コリメータレンズ７がファイバ端からｚ０＝１１ｍｍの位置に置かれると、ビーム半径ωは、３２４μｍとなる。位置（１）での曲率半径Ｒ１は、以下のようになる。
Ｒ１＝ｚ０｛１＋（ｚＲ２／ｚ０２）｝≒ｚ０
【００５９】
これから、Ｒ１＝１１ｍｍとなる。こうして、ｆ１の値は、（式４）から得られ、ｆ１＝１１ｍｍとなる。そこで、もし、金属面でω０３＝５０μｍの大きさのスポットを得たければ、同様の計算により、ｔｚ２＝４．６ｍｍ、ｆ２＝４１ｍｍを得る。
【００６０】
なお、図３及び図４に示した実施例は、本発明の応用を制限するものではない。特に、コリメータレンズ７の熱レンズ効果と収束レンズ８の熱レンズ効果とが同じでない場合でも、各レンズ位置の設定及び焦点距離の設計により、熱レンズ効果の補償は常に可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、金属板の切断や溶接などに用いるレーザ加工において使用される。
【符号の説明】
【００６２】
５    ガウス型ビーム
６    単一横モードファイバ
７    コリメータレンズ
８    収束レンズ
９    ビームウェスト位置
【図１】
2011031283.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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