(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム処置、とりわけレーザビーム切削用の装置向けにレーザビームを整形するビーム整形器であって、
上記レーザビームの中央部を整形することで少なくとも部分的に球状な第１波面をそのレーザビームに持たせるよう設計された第１ビーム整形部（２）と、
上記レーザビームの周辺部を整形することで、少なくとも部分的に平行な第２波面をそのレーザビームに持たせ第１波面と少なくとも部分的に非コヒーレント重畳させるよう、設計された第２ビーム整形部（３）と、
を備えるビーム整形器であり、更に、
第１及び第２ビーム整形部（２，３）のうち少なくとも一方が集束性光学部分であり又はそれを有すること、
第１及び第２ビーム整形部（２，３）のうち少なくとも一方が収差性光学部分であり又はそれを有すること、
第１ビーム整形部（２）が少なくとも１個の球状又は非球状形状面（１２，４２）を有すること、
第２ビーム整形部（３）が少なくとも１個のアキシコン状形状面（１３）を有すること、
少なくとも部分的に球状又は少なくとも部分的に非球状な尖端を有するアキシコンを少なくとも部分的に有し又はそれにより形成されていること、
のうち少なくとも１個を満たすビーム整形器。
【請求項２】
請求項１に係るビーム整形器であって、
第１ビーム整形部（２）が自ビーム整形器の中央部分を形成し、第２ビーム整形部（３）が自ビーム整形器の周辺部分を形成するビーム整形器。
【請求項３】
請求項１又は２に係るビーム整形器であって、
少なくとも１個の光学素子（４，５）を有するビーム整形器（１，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０）であるビーム整形器。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか一項に係るビーム整形器であって、
整形されたレーザビームのうち対応する部分が５°以下、好ましくは３°以下、より好ましくは１°以下の発散変化を呈するよう、第１及び第２ビーム整形部（２，３）のうち少なくとも一方が設計されたビーム整形器。
【請求項５】
請求項１に係るビーム整形器であって、上記球状又は非球状形状面（１２，４２）が凹又は凸であるビーム整形器。
【請求項６】
請求項１又は５に係るビーム整形器であって、
第１ビーム整形部（２）が少なくとも１個の球状又は非球状形状面（１２，４２）を有し、第２ビーム整形部（３）が少なくとも１個のアキシコン状形状面（１３）を有し、当該球状又は非球状形状面が当該アキシコン状形状面の隣にあり、当該アキシコン状形状面から当該球状又は非球状形状面への遷移が連続的なビーム整形器。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか一項に係るビーム整形器であって、
扁円尖端アキシコンで形成されたビーム整形器。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか一項に係るビーム整形器であって、
第１ビーム整形部（２）、第２ビーム整形部（３）及び自ビーム整形器から選択された少なくとも１個の要素が回転対称であるビーム整形器。
【請求項９】
請求項１〜８のうちいずれか一項に係るビーム整形器であって、
第１ビーム整形部の自由数値開口（１４ａ）が自ビーム整形器の自由数値開口（１４ｂ）の５０％以下となるよう設計されたビーム整形器。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか一項に係るビーム整形器であって、
近赤外（ＮＩＲ）有効素材及び抗反射被覆から選択された少なくとも１個の要素を備えるビーム整形器。
【請求項１１】
ワークピースのレーザビーム処置用、とりわけレーザビーム切削用の装置であって、請求項１〜１０のうちいずれか一項に係るビーム整形器（１，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０）を少なくとも１個備える装置。
【請求項１２】
請求項１１に係る装置であって、更に、上記ビーム整形器のうち少なくとも１個に入射する際の上記レーザビームの幅又は直径を変化させる装置を備える装置。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に係る装置であって、更に、
レーザ光源、とりわけ５００Ｗ以上のレーザビームパワーを提供する光源と、
上記ビーム整形器のうち少なくとも１個が設けられた処理ヘッドと、
そのビーム方向に関し上記ビーム整形器のうち少なくとも１個の手前に配置されたアパーチャと、
上記ビーム方向に関し上記ビーム整形器のうち少なくとも１個の手前又は背後に配置された集束レンズ（８２）と、
上記ビーム方向に関し上記ビーム整形器のうち少なくとも１個の背後に配置された保護窓（８３）と、
上記レーザビーム方向に対し横方向に沿い上記ビーム整形器のうち少なくとも１個を調整する調整装置と、
上記レーザビーム内及び／又は外に上記ビーム整形器のうち少なくとも１個を位置決めする位置決め装置と、
上記レーザビームのレーザビームウェスト（８７ａ）又はその背後にあるレーザビーム処置面（９２）、とりわけ切削面と、
のうち少なくとも１個の部材を備える装置。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のうちいずれか一項に係る装置であって、
上記ビーム整形器のうち少なくとも１個が、個別に交換されるよう設計された装置。
【請求項１５】
請求項１１又は１４に係る装置であって、
上記ビーム整形器（１，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０）のうち少なくとも１個と、保護窓（８３）とが、個別又は一緒に交換されるよう設計された装置。
【請求項１６】
請求項１〜１０のうちいずれか一項に係るビーム整形器をワークピースのレーザビーム処置、とりわけレーザビーム切削に使用する方法。
【請求項１７】
請求項１１〜１５のうちいずれか一項に係る装置をワークピースのレーザビーム処置、とりわけレーザビーム切削に使用する方法。
【請求項１８】
ワークピースのレーザビーム処置向け、とりわけレーザビーム切削向けの方法であって、請求項１〜１０のうちいずれか一項に係るビーム整形器（１，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０）によりレーザビームを整形するステップを有する方法。
【請求項１９】
請求項１８に係る方法であって、上記レーザビームがレーザビームウェスト（８７ａ）及びビーム方向（１５）を有し、そのビーム方向に関し少なくともそのレーザビームウェストの背後にて、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿い均質強度分布を形成するステップを有する方法。
【請求項２０】
請求項１８又は１９に係る方法であって、
上記ビーム整形器を上記レーザビーム内に位置決めするステップと、
そのレーザビーム方向に対し横方向に沿い上記ビーム整形器を調整するステップと、
上記ビーム方向に関しレーザビームウェスト（８７ａ）又はその背後に上記ワークピース（１００）を位置決めするステップと、
０．１〜１０ｍｍの幅又は直径を有するレーザビームスポットを上記ワークピースのところに形成するステップと、
上記ビーム方向に対し垂直な方向に沿った強度分布を転換するステップと、
上記ビーム整形器上に入射する際のレーザビーム幅又はレーザビーム直径を変化させるステップと、
レーザビーム外に上記ビーム整形器を位置決めするステップと、
のうち少なくとも１個を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム整形器及びその使用、ワークピースのレーザビーム処置装置及びその使用、並びにワークピースのレーザビーム処置方法を指向している。
【背景技術】
【０００２】
レーザ輻射を用いた金属シート処置例えば切削に対する主な要請は、処置後ワークピース品質を改善することである。レーザビーム切削にはアシストガスが通例的に用いられており、これは活性なことも不活性なこともある。
【０００３】
例えば活性ガスたる酸素で以て切削する際には、レーザビームによって点火温度まで加熱することで、金属を燃焼、気化させる。この酸素・金属間反応により付加的エネルギが熱形態にて実生成され、それが切削プロセスの支えとなる。熔融して液体になった金属は非常に低粘度であり、酸素ジェットの剪断力によりその切断部から除去される。不活性ガス例えば窒素で以て切削する際には、素材がレーザパワーのみで熔融され、ガスジェットの運動エネルギによってその切り溝から吹き飛ばされる。
【０００４】
一般に、また比較的厚手のワークピースをレーザ切削する場合は特に、処置後ワークピースの品質が諸システムパラメタにより左右される。処置後ワークピースの品質に悪影響を及ぼしうる要因が幾つかあり、例えば初期ワークピース表面の品質不足、点火領域周辺におけるワークピース表面の不要な強加熱、それによるホットスポットの増進、熔融物への高入熱、それによるホットスポットの発生、熔融素材流内での擾乱、並びに反応前線（フロント）及び熔融前線の非制御的成長がそれである。これらの要因は、いずれも、処置後面又は切削面に不要で目立つ表面皺（コルゲーション）の原因になりうる。厚手ワークピースをレーザ切削する場合、これらの要因それぞれが原因となり、その切削面のより深いレベルにさえもホットスポットの形成が生じうる。ホットスポットの形成は望ましくないことであり、なぜならホットスポットにより熔融素材内擾乱が増進されそれにより表面皺の振幅が増すことがあるためである。
【０００５】
軟鋼等のシートのレーザ切削に関しては、酸素ガスを用いた切削プロセスが確立されている。とはいえ、ガス切削によりレーザ処置したとしても、１５ｍｍ以上の厚みを有する軟鋼製ワークピースではその切削面に皺が現れる。加えて、ワークピースの厚みが増すにつれ、切削品質は処置パラメタにますます依存するようになる。レーザビームを用いたガス切削法であり特許文献１に示されているものでは、ワークピースの予加熱後に制御燃焼が実行される。大きな厚み、例えば１５ｍｍ超のそれを有する金属シートのレーザビーム処置に関して、切削面の皺振幅を減らせるようにすることが求められている。
【０００６】
通常は二種類の切削面皺が発生する。図１に示す切削面の上部領域（図示されている軟鋼切削面の右上エリア）内の皺は、レーザ輻射及びガスジェットによる金属の周期的熔融でもたらされたものである。なお、図１及び図２に関しては、切削処置中にレーザビームが図示切削面の上隅から左隅へと差し向けられたこと、並びにそのレーザビームが図の右下隅から左上隅へと動かされたことに留意すべきである。レーザビーム照射時には、ワークピース表面のうち一部分が点火温度に達するまで加熱され、その金属と酸素ガスとの反応が始まる。その反応前線は放射状に拡がり、そのワークピースの素材が、温度が点火温度未満に下がることで反応が止まるまでは熔融する。その動き故にレーザビームは反応前線に追従し、点火温度に到達するまでワークピースの固体面が再び加熱されてプロセスが反復される。この周期的プロセスから切削面皺の周期性がもたらされ、それが第一種切削面皺の徴となる。
【０００７】
切削面に対し数ｍｍの切削深さ以降は、通常、それら周期皺を覆う熔融膜が産生される。固化を経て、その熔融膜により、幅広（通常は０．５ｍｍ厚超）で小振幅な皺を有する円滑酸素層を残すことができる。亜臨界ガス流を用いたレーザ切削によりその熔融素材を層流にすることができる。それにより、熔融面に入射したレーザビームで熔融素材のみを加熱すること、ひいては、一方では熔融素材内でレーザビームの動きと同程度以上に迅速に反応前線を進行させつつ、他方ではその熔融素材を十分高温に保ちその処理ゾーンを去るまで液状のままにすることができる。こうして第二種切削面皺が形成される。
【０００８】
更に、処置手順変更を可能にするには、レーザビームを極力迅速且つ柔軟に調整するのが望ましい。これは、通常、ビーム品質の改変又はビーム整形により実現される。
【０００９】
特許文献２には、様々なビームプロファイル特性で以てレーザビームを生成する方法が開示されている。レーザビームがマルチクラッドファイバの片側ファイバ端に結合されている。様々なビームプロファイル特性の出射レーザビームを生成するため、マルチクラッドファイバの内側ファイバコア内又は片側外側リングコア内へと、入射レーザビームが選択的に結合されている。
【００１０】
特許文献３は素材レーザビーム処理システムを指向している。導波路内へと発射されるレーザビームの入射収束角及び／又は発射角を変化させることで、出射スポットサイズを連続的に変化させることができる。
【００１１】
特許文献４には、凹レンズを用いたビーム整形が描かれている。
【００１２】
特許文献５に係るレーザ処理装置では、平行化レンズ、アキシコンレンズ及び集束レンズを有する光学システムが設けられ、その焦点領域にて環状強度分布が生じている。
【００１３】
特許文献６により開示されているレーザ切削はリングビームによるものであり、そのリングビームの内径及び外径が、コンデンサレンズの焦点位置を通過した後に拡がる傾向がある。
【００１４】
特許文献７に係るレーザビームはアキシコンに差し向けられており、そのアキシコンによりそのレーザビームがガウス的エネルギ分布から環状エネルギ分布へと転換されている。
【００１５】
特許文献８に記載されているビーム整形はアキシコンを用いるものであり、そのアキシコンがそのビーム方向に関し集束レンズの手前に配置されている。
【００１６】
特許文献９に記載されているビーム形成用光学装置は、その厚みプロファイルが互いに逆な２枚の板状光学素子を有している。特許文献１０に描かれている２枚の板状光学素子は、交互的な傾斜ファセットを含む円形表面パターンを有している。
【００１７】
米国特許出願公開第２０１０／１７７２５３号明細書（Ａ１）により開示されているコヒーレント光源システムは、ビーム整形器ユニットをコヒーレント発光器・平行化レンズユニット間に備えており、またそれが集束レンズユニットの前方焦点面内に存している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】独国特許第４２１５５６１号明細書
【特許文献２】米国特許第８７８１２６９号明細書（Ｂ２）
【特許文献３】米国特許第９２５０３９０号明細書（Ｂ２）
【特許文献４】米国特許第９３４６１２６号明細書（Ｂ２）
【特許文献５】欧州特許出願公開第２７３０３６３号明細書（Ａ１）
【特許文献６】欧州特許出願公開第２７６２２６３号明細書（Ａ１）
【特許文献７】独国特許出願公告第２８２１８８３号明細書（Ｂ１）
【特許文献８】独国特許出願公開第１０２０１５１１６０３３号明細書（Ａ１）
【特許文献９】欧州特許第２７７８７４６号明細書（Ｂ１）
【特許文献１０】独国特許出願公開第１０２０１５１０１２６３号明細書（Ａ１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の目的は、ビーム整形器、並びにワークピースのレーザビーム処置装置及び方法、とりわけレーザビーム切削用のそれを提供することで、高品質な処置後ワークピースを実現可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この目的は、請求項１に係るビーム整形器、請求項１１に係るワークピースのレーザビーム処置装置、請求項１６に係る使用方法、請求項１７に係る使用方法、並びに請求項１８に係るワークピースのレーザビーム処置方法により、達成される。
【００２１】
第１実施形態では、レーザビーム処置、とりわけレーザビーム切削用の装置向けにレーザビームを整形するビーム整形器であり、そのレーザビームの中央部を整形することで少なくとも部分的に球状な第１波面をそのレーザビームに持たせるよう設計された第１ビーム整形部と、そのレーザビームの周辺部を整形することで、少なくとも部分的に平行な第２波面をそのレーザビームに持たせ第１波面と少なくとも部分的に非コヒーレント重畳させるよう、設計された第２ビーム整形部と、を有するものが、提供される。本ビーム整形器によれば、第１波面及び第２波面の少なくとも部分的な非コヒーレント重畳により、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿い、略均質プロファイルのレーザビーム強度分布を提供することができる。更に、ビーム整形器を有するレーザ切削装置を用いた金属切削の適用においては、その切削プロセスが好ましくも安定化される。
【００２２】
諸実施形態によれば、第１ビーム整形部により本ビーム整形器の中央部分を形成することができ、また第２ビーム整形部により本ビーム整形器の周辺部分を形成することができる。これにより本ビーム整形器が単純な構成となる。
【００２３】
更に、諸実施形態によれば、本ビーム整形器を、少なくとも１個の光学素子を有するものとすることができる。更なる諸実施形態によれば、第１及び第２ビーム整形部のうち少なくとも一方を、集束性光学部分又はそれを有するものにすることができる。これに加え又は代え、第１及び第２ビーム整形部のうち少なくとも一方を、収差性光学部分又はそれを有するものにしてもよい。これにより、供給されるレーザビームを有利に整形し、仕立て及び変化させること、例えば具体的なレーザ処置に相応しいものにすることができる。
【００２４】
幾つかの実施形態では、整形されたレーザビームのうち対応する部分が５°以下、好ましくは３°以下、より好ましくは１°以下の発散変化を呈するよう、第１及び第２ビーム整形部のうち少なくとも一方が設計される。これにより有利なビーム整形が行われ、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿い、略均質プロファイルのレーザビーム強度分布が増進される。
【００２５】
更なる諸実施形態によれば、第１ビーム整形部を、少なくとも１個の略球状又は略非球状形状面を有するものとすること、及び／又は、第２ビーム整形部を、少なくとも１個の略アキシコン状形状面を有するものとすることができる。これにより、第１及び第２ビーム整形部を、単純な光学素子又は構造で実現することができる。
【００２６】
他の諸実施形態によれば、当該少なくとも１個の略球状又は非球状形状面を凹又は凸とすることができる。これはビーム整形器の構造にバリエーションを与えるものである。
【００２７】
幾つかの実施形態では、第１ビーム整形部が少なくとも１個の略球状又は非球状形状面を有し、第２ビーム整形部が少なくとも１個のアキシコン状形状面を有し、当該球状又は非球状形状面が当該アキシコン状形状面の隣に配置され、当該アキシコン状形状面から当該球状又は非球状形状面への遷移が連続的なものとされる。これにより、第１波面及び第２波面の重畳を最適化することができる。
【００２８】
更なる諸実施形態によれば、本ビーム整形器を、少なくとも部分的に略球状又は少なくとも部分的に略非球状な尖端を有するアキシコン、とりわけ扁円尖端アキシコンで形成すること、或いはそれを部分的に有するものにすることができる。これにより、その伝搬方向に対し垂直な方向に沿い、略均質なレーザビーム強度分布を、単純な設計のビーム整形器を用い提供することができる。
【００２９】
更に、幾つかの実施形態によれば、第１ビーム整形部、第２ビーム整形部及び本ビーム整形器から選択された少なくとも１個の要素を回転対称とすることができる。即ち、円形強度分布を呈する円形レーザビームスポットを実現することができる。
【００３０】
更なる諸実施形態によれば、本ビーム整形器を、第１ビーム整形部の自由数値開口が本ビーム整形器の自由数値開口の５０％以下となるよう設計することができる。これにより、第１及び第２ビーム整形部上でレーザビームパワーを略均等分布にすることができる。自由数値開口は、その光学系をレーザパワーのうち９９％超が通る角度域を特徴付けている。
【００３１】
他の諸実施形態によれば、本ビーム整形器を、近赤外（ＮＩＲ）有効素材及び抗反射被覆から選択された少なくとも１個の要素を有するものとすることができる。どちらの実施形態でもハイパワーレーザビームの整形が進む。
【００３２】
第２実施形態は、ワークピースのレーザビーム処置装置、とりわけレーザビーム切削用の装置であって、第１実施形態に係るビーム整形器を少なくとも１個有する装置を、指向している。本レーザビーム処置装置によれば、ワークピースのレーザビーム処置、とりわけ１５ｍｍ超の厚みを有する金属シートについてのそれを行い、例えば切削面たる円滑面を有する処置面を得ることができる。
【００３３】
幾つかの実施形態によれば、本レーザビーム処置装置を、ビーム整形器のうち少なくとも１個に入射する際のレーザビームの幅又は直径を変化させる装置を、有するものとすることができる。これにより、ビーム方向に垂直な方向におけるレーザビームの強度分布及び／又はスポットサイズを変化させることができる。
【００３４】
諸実施形態によれば、本装置を、更に、レーザ光源、とりわけ５００Ｗ以上のレーザビームパワーを提供する光源と、ビーム整形器のうち少なくとも１個が設けられた処理ヘッドと、そのビーム方向に関しビーム整形器のうち少なくとも１個の手前に配置されたアパーチャ（絞り）と、そのビーム方向に関しビーム整形器のうち少なくとも１個の手前又は背後に配置された集束レンズと、そのビーム方向に関しビーム整形器のうち少なくとも１個の背後に配置された保護窓と、そのレーザビーム方向に対し横方向に沿いビーム整形器のうち少なくとも１個を調整する調整装置と、ビーム整形器のうち少なくとも１個をそのレーザビーム内及び／又は外に位置決めする位置決め装置と、そのレーザビームのレーザビームウェスト（括れ部）又はその背後にあるレーザビーム処置面、とりわけ切削面と、のうち少なくとも１個の部材を、有するものとすることができる。これにより、１５ｍｍ超の厚みを有するワークピースの安全なレーザビーム処置、とりわけ切削処置を、円滑切削面を提供しつつ、実行することができる。更に、そのワークピースの諸処置を、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿い略均質強度分布を有するレーザスポットを用い、進めることができる。
【００３５】
更なる諸実施形態のレーザビーム処置装置によれば、ビーム整形器のうち少なくとも１個を、個別に交換されるよう設計することができる。他の諸実施形態のレーザビーム処置装置によれば、ビーム整形器のうち少なくとも１個と、保護窓とを、個別又は一緒に交換されるよう設計することができる。これにより、ビーム整形器を、それ単独で又は保護窓と一緒に、所望の具体的処置に従い又は使用後に交換することができる。
【００３６】
第３実施形態は、上掲の第１実施形態に係るビーム整形器をワークピースのレーザビーム処置、とりわけレーザビーム切削に使用する方法に関する。これにより、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿い略均質プロファイルの強度分布を有するレーザビームを用い、レーザビーム処置を実現することができる。
【００３７】
第４実施形態では、上掲の第２実施形態に係る装置をワークピースのレーザビーム処置、とりわけレーザビーム切削に使用する方法が提供される。即ち、諸レーザビーム処置を実行して、例えば切削面たる円滑面を有する処置後ワークピースを得ることができる。
【００３８】
第５実施形態では、ワークピースのレーザビーム処置方法、とりわけレーザビーム切削方法であって、上掲の第１実施形態に係るビーム整形器によりレーザビームを整形するステップを有するものが、提供される。これによりレーザビーム処置、とりわけ１５ｍｍ超の厚みを有する金属シートについてのそれを行い、円滑面を有する処置後面例えば切削面を得ることができる。
【００３９】
更なる諸実施形態の方法によれば、そのレーザビームを、レーザビームウェスト及びビーム方向を有するものとすることができ、そのビーム方向に関し少なくともそのレーザビームウェストの背後、とりわけウェスト領域の背後にて、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿い略均質強度分布を形成するステップを、その方法に含めることができる。これにより、高品質な処置後ワークピース、例えば円滑切削面を有するそれを、得ることができる。
【００４０】
他の諸実施形態によれば、本方法を、ビーム整形器をレーザビーム内に位置決めするステップと、そのレーザビーム方向に対し横方向に沿いビーム整形器を調整するステップと、そのビーム方向に関しレーザビームウェスト又はその背後にワークピースを位置決めするステップと、０．１〜１０ｍｍ、好ましくは０．２〜８ｍｍ、より好ましくは０．３〜５ｍｍ、最も好ましくは０．３〜０．９ｍｍの幅又は直径を有するレーザビームスポットをワークピースのところに形成するステップと、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿った強度分布を転換するステップと、ビーム整形器上に入射する際のレーザビーム幅又はレーザビーム直径を変化させるステップと、そのレーザビーム外にビーム整形器を位置決めするステップと、のうち少なくとも１個を有するものとすることができる。これらのステップによりワークピースの処置、とりわけワークピースの円滑切削面の形成が促進される。
【００４１】
上述した諸実施形態のうち幾つかを、以下の如き図面を参照しつつ、典型的諸実施形態についての後掲の記述にて、より詳細に述べることにする。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来のレーザ処置面の画像であり、３Ｄイメージング顕微鏡により得られたものを示す図である。
【図２】本発明の諸実施形態に係る装置及び方法により得られたレーザ処置面の画像であり、３Ｄイメージング顕微鏡により得られたものを示す図である。
【図３ａ】本発明の諸実施形態に係るビーム整形器の断面を模式的に描いた図である。
【図３ｂ】本発明の諸実施形態に係るビーム整形器の断面を模式的に描いた図である。
【図３ｃ】本発明の諸実施形態に係るビーム整形器の断面を模式的に描いた図である。
【図３ｄ】本発明の諸実施形態に係るビーム整形器の断面を模式的に描いた図である。
【図４ａ】本発明の諸実施形態に係るビーム整形器の断面を模式的に描いた図である。
【図４ｂ】本発明の諸実施形態に係るビーム整形器の断面を模式的に描いた図である。
【図４ｃ】本発明の諸実施形態に係るビーム整形器の断面を模式的に描いた図である。
【図４ｄ】本発明の諸実施形態に係るビーム整形器の断面を模式的に描いた図である。
【図５】本発明の諸実施形態に係るレーザビーム処置装置の部分断面を模式的に示した図である。
【図６】本発明の諸実施形態を用い提供されたレーザビームの断面を模式的に示した図である。
【図７】本発明の諸実施形態を用い提供されたレーザビームのビーム方向直交方向沿いレーザビーム強度分布のプロファイルを示す図である。
【図８】本発明の諸実施形態を用い提供されたレーザビームスポットの様々な倍率での強度断面を描いた図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図面についての以下の記述では、同じ参照符号で以て同じ部材を参照している。総じて個別実施形態に係る差異しか記述されていない。本明細書中の用語「ビーム方向」はそのレーザビームの「伝搬方向」としても理解することができる。
【００４４】
本発明の諸実施形態では、レーザビームの中央部を整形するよう設計された第１ビーム整形部と、そのレーザビームの周辺部を整形するよう設計された第２ビーム整形部と、を有するレーザビーム整形用ビーム整形器が提供又は使用される。これにより、その入射レーザビームの中央部及び周辺部を、少なくとも部分的には、互いに別々に整形することができる。
【００４５】
ある実施形態では、レーザビーム処置、とりわけレーザビーム切削用の装置のレーザビームを整形するビーム整形器に、レーザビームの中央部を整形することで少なくとも部分的に球状な第１波面をそのレーザビームに持たせるよう設計された第１ビーム整形部と、そのレーザビームの周辺部を整形することで、少なくとも部分的に平行な第２波面をそのレーザビームに持たせ第１波面と少なくとも部分的に非コヒーレント重畳させるよう、設計された第２ビーム整形部とが、設けられる。
【００４６】
諸実施形態によれば、そのレーザビーム方向に対し垂直な方向に沿った第１ビーム整形部の幅又は直径を、約３ｍｍ以上、好ましくは約６ｍｍ以上、より好ましくは約８ｍｍ以上の範囲内にすることができる。
【００４７】
諸実施形態のうち幾つかの例によれば、第２波面によってそれらの相互作用エリア内に準ベッセルビームを誘起させることができる。更に、第１波面及び第２波面の少なくとも部分的な非コヒーレント重畳により、整形後のレーザビームを、少なくとも部分的に準ベッセルビームを含むものとすることができる。
【００４８】
本ビーム整形器によれば、第１波面及び第２波面の少なくとも部分的な非コヒーレント重畳により、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿い、略均質プロファイルのレーザビーム強度分布を形成することができる。とりわけ、そのレーザビームに、それぞれトップハットエネルギ分布又はトップハット強度分布を反映させることができる。一例としては、その強度分布を略平坦均一強度分布とし、それに急峻な縁を持たせること、ひいてはそのレーザビームの境界をくっきりと定めることができる。それにより、諸実施形態のビーム整形器によれば、驚異的なことにワークピースのレーザビーム処置、とりわけ１５ｍｍ超の厚みを有する金属シートについてのそれを行い、円滑面を有する処置後面例えば切削面を得ることができる。即ち、図１の画像により示す如く皺が寄っている従来の表面と比べ、本発明の諸実施形態を用い得られるワークピース切削面は、図２の画像により描かれている通り、小さな表面皺振幅を有するものとなる。図１及び図２の画像は、５倍の倍率を用いＡｌｉｃｏｎａ（登録商標）ＩｎｆｉｎｉｔｅＦｏｃｕｓＳＬ（商標）３Ｄ顕微鏡により得られたものである。
【００４９】
加えて、諸実施形態のビーム整形器を、熔接や選択的レーザ熔融のように、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿い略均質強度分布を有する光ビーム又はレーザビーム、例えば急峻な縁及びくっきりとした境界を伴う略平坦均一強度分布のそれが望まれる他の諸用途向けに、利用することもできる。
【００５０】
図３ａには、上掲の実施形態に係るビーム整形器１が模式的に示されている。本ビーム整形器は第１ビーム整形部２及び第２ビーム整形部３を有している。諸実施形態の諸修正形態によれば、本ビーム整形器に第２ビーム整形部３を複数個設けること、例えば図３ｂに示す如く第２ビーム整形部を２個設けることができる。更に、例えば図４ｃに示す如く、本ビーム整形器に第１ビーム整形部２を複数個設けてもよい。
【００５１】
諸実施形態では、それら第１及び第２ビーム整形部により第１波面及び第２波面がもたらされ、それらが互いに重なり合う。これにより、レーザビームウェストを有するレーザビームを得ることができる。更に、第２波面を第１波面と少なくとも部分的に非コヒーレント重畳させること、とりわけそのレーザビーム方向に関し少なくともそのレーザビームウェストの少なくとも背後にてそうすることができる。
【００５２】
幾つかの実施形態では、第１ビーム整形部により本ビーム整形器の中央部分が形成され、及び／又は、第２ビーム整形部により本ビーム整形器の周辺部分が形成される。即ち、本ビーム整形器の中央部分によって、そのレーザビーム内に、少なくとも部分的に球状な波面をもたらすことができる。更に、本ビーム整形器の周辺部分によって、そのレーザビーム内に、少なくとも部分的に平行な波面をもたらすことができる。更には、本ビーム整形器の中央部分によりそのレーザビームの中央部を整形すること、及び／又は、本ビーム整形器の周辺部分によりそのレーザビームの周辺部を整形することができる。これにより、本ビーム整形器を単純設計にすることができる。
【００５３】
それら実施形態の一例は図３ｂのビーム整形器１０により表されるものであり、この例では、その第１ビーム整形部２が中央に配置される一方、１個又は複数個の第２ビーム整形部３がそのビーム整形器の周縁部に形成されており、それにより第１ビーム整形部３をくるみ又は囲むことができる。本例のある修正形態によれば、本ビーム整形器に設けた１個の第２ビーム整形部３で第１ビーム整形部２を囲むようにすることができる。これに代わる例によれば、第１ビーム整形部２を円形、第２ビーム整形部３を環状とし、第２ビーム整形部３で第１ビーム整形部を囲むようにすることができる。
【００５４】
更に、本ビーム整形器に中心光軸を設けることができる。本ビーム整形器の使用中に、その光軸の向きをレーザビーム方向に対し平行にすることができる。図３ｂに示す如く、その中心光軸６を第１，第２ビーム整形部２，３の中央に配置することができる。第１，第２ビーム整形部２，３をそれぞれ円形，環状の構成とし、その光軸６について回転対称とすることができる。
【００５５】
更に、本ビーム整形器に少なくとも１個の光学素子を設けることができる。とりわけ、本ビーム整形器を、第１及び第２ビーム整形部を有する１個の光学素子として形成するとよい。一例としては、本ビーム整形器を一体形成して１個のユニットにすること、例えばＳｉＯ２等の屈折性素材で形成されたユニットにすることができる。
【００５６】
これに代え、本ビーム整形器が２個以上の光学素子を有し又はそれらで形成されていてもよい。一例としては、第１ビーム整形部を第１光学素子により形成し又はその一部分としてもよく、また第２ビーム整形部を第２光学素子により形成し又はその一部分としてもよい。それら２個以上の光学素子をどのような光学素子結合手法で組み合わせてもよく、例えばそれら光学素子に似た屈折率を有する光学糊による接合で組み合わせてもよい。図３ｃに描かれている例ではビーム整形器２０が２個の光学素子を有している。第１ビーム整形部２を第１光学素子４、例えば屈折性素材製第１ユニット４の一部分とすることができ、また第２ビーム整形部３を第２光学素子５、例えば屈折性素材製第２ユニット５の一部分とすることができる。それら第１，第２光学素子４，５を、互いに隣り合うよう組み合わせてもよい。一例としては、図３ｄのビーム整形器３０により示す如く、第１光学素子４を中央素子、第２光学素子５を少なくとも１個の周辺素子とし、その又はそれらの周辺素子で第１光学素子４をくるみ又は囲むようにすることができる。
【００５７】
更なる諸実施形態によれば、第１及び第２ビーム整形部のうち少なくとも一方を、集束性光学部分又はそれを有するものとすることができる。これに加え又は代え、第１及び第２ビーム整形部のうち少なくとも一方を、収差性光学部分又はそれを有するものとすることができる。それにより、提供されるレーザビームを有利に整形し、仕立て又は変化させ、例えば個別のレーザ処置に相応しいものにすることができる。更に、第１及び／又は第２ビーム整形部が収差性設計である場合、本ビーム整形器の中央部で中央収差性部分が形成されることもあるし、及び／又は、本ビーム整形器の周辺部で周辺収差性部分が形成されることもある。一例としては、本ビーム整形器の中央部に少なくとも１個の中央収差性面が備わることもあるし、及び／又は、本ビーム整形器の周辺部に少なくとも１個の周辺収差性面が備わることもある。
【００５８】
幾つかの実施形態では、整形されたレーザビームのうち対応する部分が５°以下、好ましくは３°以下、より好ましくは１°以下の発散変化を呈するよう、第１及び第２ビーム整形部のうち少なくとも一方が設計される。例えば、その発散変化を０°〜５°、好ましくは０°〜３°、より好ましくは０°〜１°の範囲内にするとよい。発散変化は、そのビーム方向に関し本ビーム整形器の前後での、レーザビーム発散角の差異を表している。更に、その発散変化を、第１及び第２ビーム整形部のうち少なくとも一方の集束性及び／又は収差性設計により得ることができる。更に、ある具体的諸実施形態によれば、第１，第２ビーム整形部双方の発散変化を似たものにすること、とりわけ実質同一にすることができる。
【００５９】
他の諸実施形態によれば、第１ビーム整形部に少なくとも１個の略球状又は略非球状形状面を設けることができる。これに代え又は加え、第２ビーム整形部に少なくとも１個の略アキシコン状形状面を設けることができる。当該少なくとも１個の略球状又は略非球状形状面によって、少なくとも部分的に球状な第１波面をもたらすことができる。当該少なくとも１個の略アキシコン状形状面によって、少なくとも部分的に平行な第２波面をもたらすことができる。これは、本ビーム整形器の個々の球状又は非球状面並びにアキシコン状形状面内を走行する際に、そのレーザビームが相応に屈折することに、よるのであろう。
【００６０】
ビーム整形器の諸実施形態のうち、第１ビーム整形部が少なくとも１個の略球状形状面を有し第２ビーム整形部が少なくとも１個の略アキシコン状形状面を有する諸例が、以下説明する通り図４ａ、図４ｃ、図４ｂ及び図４ｄに示されている。
【００６１】
注記すべきことに、図４ａ〜図４ｄの諸例によれば、各ビーム整形器４０，５０，６０，７０に光軸６を持たせることができ、且つそれを貫き光軸６が延びる２個の側部Ａ及びＢを持たせることができるが、この記述には縛られない。本ビーム整形器の使用中には、側部Ａを、本ビーム整形器にレーザビームが入射する側とすることができる。従って側部Ａを入射側と呼ぶことができる。側部Ａは、図４ａ〜図４ｄでは、本ビーム整形器の上部に位置するものとして示されている。側部Ｂは、本ビーム整形器の側部Ａからみて逆側の面とすることができ、図４ａ〜図４ｄでは本ビーム整形器の下部に位置するものとして示されている。幾つかの実施形態によれば、本ビーム整形器の使用中に、そのレーザビームを側部Ｂを介し本ビーム整形器から出射させることができる。そのため側部Ｂを出射側と呼ぶことができる。更に、図４ａ〜図４ｄに示す如く、少なくとも１個の球状形状面を有する少なくとも１個の第１ビーム整形部２を、本ビーム整形器の側部Ａ及び／又は側部Ｂに設けることができるが、この記述には縛られない。更には、図４ａ〜図４ｄに示す如く、少なくとも１個のアキシコン状形状面を有する少なくとも１個の第２ビーム整形部３を、本ビーム整形器の側部Ａ及び／又は側部Ｂに設けることができるが、やはりこの記述には縛られない。例えば、少なくとも１個のアキシコン状形状面を有する少なくとも１個のビーム整形部３を、側部Ａに設けてもそれに代え側部Ｂに設けてもよい。更に、１個は本ビーム整形器の側部Ａに、もう１個は側部Ｂに、という具合に、少なくとも２個のビーム整形部３を設けてもよい。
【００６２】
諸実施形態によれば、諸実施形態に備わる少なくとも１個の略球状又は非球状形状面を凹又は凸とすることができる。
【００６３】
凸状球状形状面の諸例が図４ａ及び図４ｃに示されている。図中、各ビーム整形器４０，５０の側部Ａには第１中央ビーム整形部２があり、それが１個の凸状球状形状面１２で形成されており、且つある幅２２を有している。球状形状面１２は球面半径３２で定義すればよい。
【００６４】
凹状球状形状面の諸例が図４ｃ、図４ｂ及び図４ｄに描かれている。図４ｃ，図４ｄに示すビーム整形器５０，７０は、それぞれ、凹状球状形状面４２を有する第１ビーム整形部２を、側部Ｂにそれぞれ有している。凹状球状面４２は球面半径３２で定義すればよい。凹状球状形状面４２の幅２２は、図４ｃでは凸状球状形状面１２の幅２２より小さいものとして示されているが、これに代え後者以上の大きさとしてもよい。図４ｂに描かれている例では、本ビーム整形器６０の側部Ｂに第１中央ビーム整形部２が設けられており、それには幅２２を有する凹状球状形状面４２が１個備わっている。
【００６５】
アキシコン状形状面の諸例が図４ａ、図４ｃ及び図４ｄに描かれている。それらに記されているビーム整形器４０、５０及び７０は、それぞれ、アキシコン状形状面１３を１個有する少なくとも１個の第２ビーム整形部３を、側部Ａに有している。図４ｂのビーム整形器６０は、アキシコン状形状面１３を１個有する少なくとも１個の第２ビーム整形部３を、側部Ｂに有している。アキシコン状形状面１３は直線２３で定義することができる。この直線２３により、アキシコン状形状面２３の原点を通る基本平面を表す基本線３３に対する、そのアキシコン状形状面１３の傾斜を表すことができる。それら直線２３及び基本線３３によりアキシコン角４３を括ることができる。基本線３３及び基本平面を光軸６に対し垂直にすることができる。
【００６６】
本ビーム整形器の幾つかの実施形態では、そのアキシコン角が０°〜５°、好ましくは０°〜３°、より好ましくは０°〜１°の範囲内とされる。更に、本ビーム整形器の諸実施形態によれば、２０００ｍｍ以上、より好ましくは１０００ｍｍ以上、最も好ましくは１００ｍｍ以上の球面半径３２を有する球状形状面を設けることができる。言及すべきことに、好ましくはその球面半径を１０ｍｍ未満にしないようにする。これらの値は１．３〜２．７なる屈折率に適している。その球面半径は、後に等式２を参照して説明される通り、その光学素子の屈折率によって左右されうる。更に、その球状形状面の幅２２は、約３ｍｍ以上、好ましくは約６ｍｍ以上、より好ましくは約８ｍｍ以上の範囲内とすることができる。
【００６７】
幾つかの実施形態では、第１ビーム整形部が少なくとも１個の略球状又は非球状形状面を有し、第２ビーム整形部が少なくとも１個のアキシコン状形状面を有し、当該球状又は非球状形状面が当該アキシコン状形状面の隣に配置され、当該アキシコン状形状面から当該球状又は非球状形状面への遷移が連続的なものとされる。
【００６８】
例えば、本ビーム整形器の側部Ａに、図４ａ及び図４ｃの断面描写により示される如く、略アキシコン状形状面１３を有する第２ビーム整形部３と、略凸状球状形状面１２を有する第１ビーム整形部２とを、隣り合わせに設けることができる。そうした実施形態では、その遷移点での球状形状面１２の接線に相当するようアキシコン状形状面１３の直線２３を定めることで、連続遷移条件を満たすことができる。
【００６９】
更なる諸実施形態によれば、本ビーム整形器を、少なくとも部分的に略球状又は少なくとも部分的に略非球状な尖端を有するアキシコンで形成すること又は少なくとも部分的にそれを有するものとすることができる。格別な諸実施形態によれば、本ビーム整形器を扁円尖端アキシコンで形成することができる。そうした実施形態の断面描写を図４ａ〜図４ｃにより提示することができる。それら実施形態の好適例によれば、本ビーム整形器を、扁円な尖端を有するアキシコンで形成することができる。その扁円尖端は、例えば図４ａ〜図４ｃの断面描写によって提示される通り、略球状又は略非球状とすることができる。
【００７０】
更に、幾つかの実施形態によれば、第１ビーム整形部、第２ビーム整形部及び本ビーム整形器から選択された少なくとも１個の要素を回転対称とすることができる。これら実施形態の諸例によれば、本ビーム整形器を、中心光軸６を有するものとすることができ、また第１，第２ビーム整形部２，３それぞれをその光軸６について回転対称とすることができる。これに代え又は加え、本ビーム整形器を、中心光軸６を有するものとすることができ、またその光軸６について回転対称なものとすることができる。一例としては、第２ビーム整形部３を、光軸６について回転対称な環状アキシコン面とすることができる。
【００７１】
諸実施形態のビーム整形器は、例えば、少なくとも１個の略アキシコン状形状面１３及び／又は少なくとも１個の略球状又は非球状面１２，４２を有する光学素子を形成することで、製造することができる。一例としては、扁円尖端を有するアキシコンで本ビーム整形器を形成する場合、アキシコンを設けること並びに例えばグラインディングによりその尖端を処置することで、例えば球状又は非球状形状を有する所望の扁円尖端を設けることができる。本件技術分野で既知な他の製造方法も遜色なく適用することができる。
【００７２】
先に言及した通り、幾つかの実施形態では、整形されたレーザビームのうち対応する部分が５°以下、好ましくは３°以下、より好ましくは１°以下の発散変化を呈するよう、第１及び第２ビーム整形部のうち少なくとも一方が設計される。本ビーム整形器の諸実施形態の好適設計によれば、第１，第２ビーム整形部の両者に由来する発散変化を、実質同一にすることができ、それに加え１°以下とすることができる。少なくとも１個の球状又は非球状形状面及び少なくとも１個のアキシコン状形状面を有する諸実施形態の場合、そのアキシコン状形状面によりもたらされる発散変化を、アキシコン角γと、本ビーム整形器の個別素材の波長依存性屈折率η（λ）とに基づき、求めることができる。諸実施形態の好適設計、特に略球状の扁円尖端を有するアキシコンで本ビーム整形器が形成される設計の場合、以下が成り立ちうる。アキシコン状部分に由来する発散変化は、
【数１】
0006731559.tif 000002
と表すことができる。球状尖端による発散変化は、その球状尖端の直径δ、個別素材の波長依存性屈折率η（λ）、並びに半径Ｒを有する尖端の有効焦点距離ｆから
【数２】
0006731559.tif 000003
と求めることができる。その球状尖端によりもたらされる最終的な発散変化は
【数３】
0006731559.tif 000004
となる。アキシコン状部分，球状尖端の両者に由来する発散変化がほぼ等しいとすると、
【数４】
0006731559.tif 000005
が成り立つので、諸実施形態に係るビーム整形器の好適設計を実現することができる。或いは、諸実施形態に係るビーム整形器の上記好適設計を記述する等式
【数５】
0006731559.tif 000006
を、アキシコン状形状面から球状形状面への上述した連続的遷移を踏まえ決定することができる。
【００７３】
本ビーム整形器の幾つかの実施形態、特に回転対称設計を有するものによれば、第１ビーム整形部の幅を第１ビーム整形部の直径に対応させることができる。一例としては、図４ａ〜図４ｄのビーム整形器それぞれに、回転対称な第１ビーム整形部２が備わっている場合、図４ａ〜図４ｄに描かれている幅２２を、第１ビーム整形部２の直径に対応させる。
【００７４】
更なる諸実施形態によれば、本ビーム整形器を、第１ビーム整形部の自由数値開口が本ビーム整形器の自由数値開口の５０％以下となるよう設計することができる。例えば、図４ａ〜図４ｄに示す如く、ビーム整形器４０，５０，６０，７０の自由数値開口１４ｂを、０．０３〜０．３、好ましくは０．０７５〜０．１５、最も好ましくは０．０９〜０．１２の範囲内とすることができる。更に、第１ビーム整形部２の自由数値開口１４ａを、幾つかの例によれば、第１ビーム整形部の幅（又は直径）２２に対応させることができる。図４ａ〜図４ｄの諸例では、第１ビーム整形部の自由数値開口１４ａが本ビーム整形器の自由数値開口１４ｂの約５０％に及んでいる。これにより、好適なビーム整形を達成することができる。一例としては、ガウス的強度分布のレーザビームが本ビーム整形器上に入射する場合、上述の条件に従い第１ビーム整形部の自由数値開口例えば直径δを本ビーム整形器の自由数値開口の５０％以下にすることで、第１及び第２ビーム整形部上でレーザビームパワーを略均等分布とすることができる。更に、上述の条件により、ビーム方向に対し垂直な方向に沿った強度分布を、そのビーム方向に関し少なくともそのレーザビームウェストの背後にて、好適なものとすることができる。更に、第１及び第２ビーム整形部が収差性設計である場合、そのレーザビームパワーを中央収差性部分・周辺収差性部分間で均等分布させることができる。
【００７５】
他の諸実施形態によれば、本ビーム整形器に、近赤外（ＮＩＲ）有効素材及び抗反射被覆から選択された少なくとも１個の要素を設けることができる。一例としては、７８０ｎｍ〜３μｍの波長域にて屈折的な素材で本ビーム整形器を形成するとよい。更に、屈折性素材例えばＺｎＳ、ＳｉＯ２又はサファイアを本ビーム整形器に含有させ又はそれで本ビーム整形器を形成してもよい。これに加え又は代え、酸化タンタル、酸化ジルコン、酸化ハフニウムその他の既知被覆素材を基材とする抗反射被覆を本ビーム整形器の表面上に例えば部分的に設けてもよい。
【００７６】
本発明のある実施形態は、ワークピースのレーザビーム処置、とりわけレーザビーム切削用の装置であって、本発明に係るビーム整形器を少なくとも１個有するものを、指向している。
【００７７】
図５には、本発明の諸実施形態の一例に係るレーザビーム処置装置８０と、それにより生成されワークピース１００方向に伝搬するレーザビームでありビーム方向１５を有するものと、について、部分断面が模式的に描かれている。本例の装置８０は図４ａに示したビーム整形器４０を有している。本装置８０はレーザ処理ヘッド、とりわけレーザ切削ヘッドとして形成することができる。
【００７８】
本レーザビーム処置装置を、本発明に係り相異なる少なくとも２個のビーム整形器を有するものとすることができる。それにより、様々なビーム処置向けに本装置を調整することが可能となる。
【００７９】
幾つかの例によれば、そのビーム整形器のうち少なくとも１個に入射するレーザビームの幅又は直径を変化させる装置を、本レーザビーム処置装置に設けることができる。それにより、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿ったレーザビームの強度分布及び／又はスポットサイズを変化させることができる。これによりそのワークピース処置用レーザビームを好適に整形し、例えば様々なワークピース素材又は様々なビーム処置例えば切削又は穿孔に相応しいものにすることができる。図５には、ビーム整形器４０上に入射するレーザビームの幅又は直径を変化させる装置の一例として、集束レンズ８２が示されている。これに代え又は加え、そのビーム整形器のうち少なくとも１個上に入射するレーザビームの幅又は直径を変化させる装置として、アパーチャを設けることができる。加えて、レーザビーム幅又は直径を変化させる装置を用い、本レーザビーム処置装置の倍率、即ちレーザビームの供給に係る拡大率を、変化させることができる。
【００８０】
諸実施形態によれば、本レーザビーム処置装置に、更に、レーザ光源、とりわけ５００Ｗ以上のレーザビームパワーを提供する光源と、ビーム整形器のうち少なくとも１個が設けられた処理ヘッドと、そのビーム方向に関しビーム整形器のうち少なくとも１個の手前に配置されたアパーチャと、そのビーム方向に関しビーム整形器のうち少なくとも１個の手前又は背後に配置された集束レンズと、そのビーム方向に関しビーム整形器のうち少なくとも１個の背後に配置された保護窓と、そのレーザビーム方向に対し横方向に沿いビーム整形器のうち少なくとも１個を調整する調整装置と、そのレーザビーム内及び／又は外にビーム整形器のうち少なくとも１個を位置決めする位置決め装置と、そのレーザビームのレーザビームウェスト又はその背後にあるレーザビーム処置面、とりわけ切削面と、のうち少なくとも１個の部材を、設けることができる。
【００８１】
諸実施形態のレーザ光源例えばファイバレーザによれば、５００Ｗ以上、好ましくは４０００Ｗ以上、より好ましくは８０００Ｗ以上のレーザビームパワーを提供することができる。これは、諸実施形態に係るビーム整形器の設計次第でハイパワーレーザビームの整形が可能となる、という事実に由来している。
【００８２】
諸実施形態の処理ヘッドには、少なくとも１個のビーム整形器だけでなく、本願にて言及したレーザビーム処置装置のその他の構成諸部材、例えばアパーチャ、集束レンズ、保護窓及び調整装置をも設けることができる。
【００８３】
本装置の幾つかの実施形態によれば、そのアパーチャで入射レーザビームの外側境界を定めることができる。一例としては、図５に示したレーザビームの外側境界８１をアパーチャで形成することができる。そのアパーチャにより、本装置の処理ヘッドの自由数値開口を定め、例えばビーム整形器の自由数値開口に対応付けることができる。
【００８４】
幾つかの実施形態では先の定義の通り集束レンズが設けられる。実施形態によっては、例えばレーザビームの集束が必要ない場合や、ビーム整形器の第１及び第２ビーム整形部のうち少なくとも一方が上述の如く集束性光学部分を有している場合に、集束レンズが必要とされないことがありうる。実施形態によっては、先に定義した集束レンズ及び／又は第１及び第２ビーム整形部を、本レーザビーム処置装置の倍率、例えばレーザビームの供給に係る拡大率を変化させるのに用いることができる。
【００８５】
本レーザビーム処置装置の諸例では、そのビーム方向に関しビーム整形器のうち少なくとも１個の背後に配置された保護窓によってそのビーム整形器が遮蔽される。それにより、処置中におけるワークピース素材でのビーム整形器の汚染及び／又は損傷を避けることができる。とはいえ例次第では保護窓が必要ないこともある。
【００８６】
諸実施形態の調整装置を用い、ビーム整形器の位置を例えば横方向に調整することで、その中心光軸をそのレーザビーム内で中心に配置させることができる。
【００８７】
幾つかの実施形態によれば、その位置決め装置によりビーム整形器をレーザビーム外に位置決めし、そのレーザビームが整形抜きでワークピースの方に向かうようにすることができる。
【００８８】
更なる諸実施形態によれば、本レーザビーム処置装置にてレーザビーム処置面、とりわけ切削面を、そのレーザビームのレーザビームウェスト又はその背後に設け又は提供することができる。幾つかの例によれば、本レーザビーム処置装置にワークピース支持器を設け、それによりワークピース、とりわけワークピースの表面を、ビーム方向に関しレーザビーム処置面に位置決めすること、即ちそのレーザビームのレーザビームウェスト又はその背後に位置決めすることができる。これらの実施形態では、そのビーム方向に垂直な方向に沿い略均質強度分布を有するレーザスポットを用いたワークピースの処置が、滞りなく行われる。
【００８９】
本レーザビーム処置装置の更なる諸例によれば、そのビーム整形器のうち少なくとも１個を、個別に交換されるよう設計することができる。本レーザビーム処置装置の他の諸例によれば、そのビーム整形器のうち少なくとも１個と、保護窓とを、個別に又は一緒に交換されるよう設計することができる。更に、そのビーム整形器のうち少なくとも１個と保護窓とで、一体ユニットを形成することができる。
【００９０】
本発明の更なる実施形態は、本発明のいずれかの実施形態に係るビーム整形器をワークピースのレーザビーム処置、とりわけレーザビーム切削に使用する方法を指向している。
【００９１】
本発明のもう一つの実施形態は、本発明のいずれかの実施形態に係る装置をワークピースのレーザビーム処置、とりわけレーザビーム切削に使用する方法である。
【００９２】
本発明のある実施形態は、ワークピースのレーザビーム処置方法、とりわけレーザビーム切削方法であって、本発明のいずれかの実施形態に係るビーム整形器によりレーザビームを整形するステップを有するものを指向している。
【００９３】
更なる諸実施形態の方法によれば、そのレーザビームを、レーザビームウェスト及びビーム方向を有するものとすることができ、本方法に、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿った略均質強度分布を、そのビーム方向に関し少なくともそのレーザビームウェストの背後、とりわけ少なくともウェスト領域の背後に形成するステップを、含めることができる。
【００９４】
レーザビームのウェスト領域とされうるのは、そのレーザビームのうち、そのレーザビームのウェストが所在する領域である。ウェスト領域内では、またビーム方向に関しそのウェスト領域の背後では、例えば少なくとも部分的な非コヒーレント重畳により、第１波面及び第２波面を少なくとも部分的に相互重畳させることができる。それにより、少なくともそのレーザビームウェストの背後、とりわけ少なくともそのレーザビームウェスト領域の背後にて、略均質強度分布を形成することができる。第１波面は少なくとも部分的に球状なものとすることができ、第２波面は少なくとも部分的に平行なものとすることができる。レーザビームのウェスト領域は、ビーム方向に対し垂直な平面であり第１波面により形成されたレーザビーム光線の焦点が所在する平面から、ビーム方向に対し垂直な平面であり第２波面により形成された外側レーザビーム光線の焦点が所在する平面までの、範囲に及びうる。第１波面により形成された光線の焦点が、第２波面により形成された内側レーザビーム光線の焦点に対応することもある。
【００９５】
略均質強度分布の例はトップハット（シルクハット）分布である。本方法の幾つかの実施形態によれば、その略均質強度分布及び／又はトップハット分布がレーザビームによって形成される領域を、そのビーム方向に対し平行な方向に沿い少なくとも５ｍｍ、好ましくは少なくとも１０ｍｍ、より好ましくは少なくとも２０ｍｍの長さとすることができる。幾つかの例によれば、第１波面で円形のビーム強度分布、第２波面で環状のビーム強度分布を形成し、それらの合計で円形のトップハット分布を形成することができる。そのトップハット強度分布の半径は、ビーム方向に対し垂直な方向に沿い０．１〜１０ｍｍ、好ましくは０．２〜８ｍｍ、より好ましくは０．３〜５ｍｍ、最も好ましくは０．３〜０．９ｍｍの範囲内にするとよい。本発明の諸実施形態により形成されるトップハット分布の諸例が図７に描かれている。
【００９６】
更なる諸実施形態によれば、本方法に、そのレーザビーム内にビーム整形器を位置決めするステップと、そのレーザビーム方向に対し横方向に沿いビーム整形器を調整するステップと、そのビーム方向に関しレーザビームウェスト又はその背後にワークピースを位置決めするステップと、０．１〜１０ｍｍ、好ましくは０．２〜８ｍｍ、より好ましくは０．３〜５ｍｍ、最も好ましくは０．３〜０．９ｍｍの幅又は直径を有するレーザビームスポットをワークピースのところに形成するステップと、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿った強度分布を転換するステップと、そのビーム整形器上に入射する際のレーザビーム幅又はレーザビーム直径を変化させるステップと、そのレーザビーム外にビーム整形器を位置決めするステップと、のうち少なくとも１個を含めることができる。
【００９７】
レーザビーム方向に対し横方向に沿いビーム整形器の位置を調整することで、例えばその中心光軸がレーザビーム内で中心に配置されるよう、そのビーム整形器を調整することができる。
【００９８】
そのビーム方向に関しレーザビームウェスト又はその背後にワークピースを位置決めするステップにより、様々なワークピース処置又はワークピース処置工程が可能となる。それにより、例えば、様々な幅又は直径のレーザビームスポット及び／又は様々な強度分布を用いることが可能となる。これは、特に、様々なワークピース、例えば様々な素材又は厚みのワークピースを処置する上で望ましかろう。他の諸例としては、ワークピースの様々なレーザ処置サイト、例えば様々な幅、直径又は深さを有するサイトの処置や、ワークピースのレーザ処置サイトの様々な深度の処置がある。
【００９９】
同じことは、そのビーム方向に対し垂直な方向に沿った強度分布を転換するステップ及び／又はそのビーム整形器上に入射する際のレーザビーム幅又はレーザビーム直径を変化させるステップに関しても成り立ち、そのどちらでも、様々なワークピース処置又はワークピース処置工程の実行・実施が可能となる。幾つかの実施形態では、そのビーム整形器上に入射するレーザビームの幅又は直径を変化させることで、ビーム方向に対し垂直な方向に沿った強度分布が転換される。
【０１００】
更に、諸実施形態の方法によれば、強度分布及び／又はレーザビームスポットを円形にすることができる。
【０１０１】
そのレーザビーム外にビーム整形器を位置決めするステップによれば、整形抜きでワークピースの方へとレーザビームを差し向けることができる。
【実施例】
【０１０２】
図５には、本発明の諸実施形態の一例に係るレーザビーム処置装置８０の部分断面が模式的に示されている。図５には装置８０により整形されたレーザビームも描かれており、その伝搬方向がビーム方向１５により表されている。本例では、装置８０がレーザ切削ヘッドとして用いられている。しかしながら、装置８０は他のどのようなレーザ処置にも用いられうる。
【０１０３】
本装置８０は、図４ａに示した諸実施形態に係るビーム整形器４０を有している。本例のビーム整形器４０は光軸６について回転対称である。レーザビーム方向１５に関しそのビーム整形器４０の手前には集束レンズ８２が設けられている。更に、本例ではそのレーザビーム方向１５に関しビーム整形器４０の背後に保護窓８３が設けられている。とはいえ、本発明の諸実施形態においては、これら集束レンズ８２及び保護窓８３は付随的特徴である。本装置８０ではレーザビーム処置面又は切削面９２が設けられ又は提供されており、そこには処置対象ワークピース１００の表面が配置され、ビーム方向に関しレーザビームのウェストの背後に位置している。
【０１０４】
レーザビームはビーム方向１５及び外側境界８１を呈しており、ビーム整形器４０上へと差し向けられている。本例の外側境界８１は本装置の処理ヘッドの数値開口１４ｃに対応している。このレーザビームは集束レンズ８２により集束される。ビーム整形器４０内を走行している間にそのレーザビームは整形される。ひいては、アキシコン状形状面１３を有する第２ビーム整形部３により環状レーザ光線束８４が形成される。加えて、球状面１２を有する第１中央ビーム整形部２により円形レーザ光線束８５が形成される。レーザ光線束８４は略平行な波面を有している。レーザ光線束８５は略球状の波面を有している。このレーザビーム整形により環状，円形となったレーザ光線束８４，８５が伝搬し、少なくともそのレーザビームのウェスト付近の領域８６内で互いに重畳する。
【０１０５】
図６には領域８６の詳細が模式的に記されている。レーザビームはビーム方向１５に沿い伝搬し、ウェスト８７ａ及びウェスト領域８７ｂを呈するように整形される。ウェスト８７ａは破線８９により表される平面に位置しており、そのレーザビームの最小直径を反映している。ウェスト領域８７ｂは、破線８８により表される平面から破線９０により表される平面までの範囲に及んでいる。破線８８により表される平面には、光線束８５により形成されたレーザビーム光線の焦点が所在している。破線９０により表される平面には、光線束８４からなる外側レーザビーム光線の焦点が所在している。本例では、光線束８５の焦点が光線束８４の内側レーザビーム光線の焦点に対応している。
【０１０６】
そのビーム方向に関しウェスト領域８７ｂの手前（図６では線８８の左側）では、ビーム整形器４０上に入射したレーザビームのうち周辺部からアキシコン状形状面１３により形成された環状レーザ光線束８４によって、ビーム整形器４０上に入射したレーザビームのうち中央部から球状形状面１２により形成された円形レーザ光線束８５が、囲まれている。
【０１０７】
環状光線束８４は、平面波が保たれるようウェスト領域８７ｂ内を伝搬している。即ち、破線９０まではレーザビームが準ベッセルビームを含んでいる。平面８９まではその環状光線束８４が収束していく。平面８９では、ウェスト８７ａの手前では光線束８４の内側光線境界であったものが、そのウェストの背後では光線束８４の外側光線境界へと転じている。従って、その伝搬方向に関し破線８９及びウェスト８７ａの背後では、レーザ光線束８４が発散環状光線束に転じている。更に、ウェスト８７ａでは、ウェスト領域８７ｂの手前では光線束８４の内側光線境界であったものの位置が転換され、そのビーム方向に関しウェスト８７ａの背後及びウェスト領域８７ｂの背後では全レーザビーム外側光線境界となっている。
【０１０８】
ウェスト領域８７ｂの始まりたる破線８８、より具体的にはレーザ光線束８５の略球状波面の焦点では、それら略球状波面の点反射が発生する。それにより、その焦点の背後にて、円形レーザ光線束８５が、全レーザビーム外側光線境界に対応する外側光線境界を有する発散円形光線束へと転換される。
【０１０９】
結果として、そのビーム方向に関しウェスト領域８７ｂの内部及び背後、即ち破線８８以降では、それら２本のレーザ光線束８４及び８５が互いに略非コヒーレント重畳する。
【０１１０】
それにより、そのレーザビームのウェスト領域８７ｂの内部及び背後では、そのビーム方向に対し垂直な様々な平面内で、様々な強度分布が図７に示す如くＰＲＩＭＥＳ社製スポットモニタで以て計測され、また様々なスポット直径が図８に示す如く形成されることとなる。図８には、様々なレーザビーム長手方向位置にて計測された環状強度分布及びそれに対応するビームスポット計算結果が示されており、またレーザビームの平面９０により長手方向位置０即ち長さが０ｍｍのところが表されている。図８の上段，下段は、それぞれ、レーザビーム倍率が２．１，１．５である装置８０でのスポットを反映している。
【０１１１】
平面８９、即ちレーザビームのウェスト８７ａでは、図７ａに示す如く鋭いピークを有する強度分布が形成されており、これは、図８中で長手方向位置−３（即ち−３ｍｍ）に描かれているレーザビームスポットがかなり小さいことに対応している。
【０１１２】
伝搬方向に沿い平面８９以降、即ちそのレーザビームのウェスト８７ａ以降では、それぞれ図７，図８に記す如くその強度分布，スポット直径が拡がっていく。図７ｂ及び図８の長手方向位置０、即ちレーザビームにより平面９０に形成される強度分布及びレーザスポットを示す図から看取できるように、それら強度分布及びレーザスポットは、それぞれ、ウェスト８７ａにある平面８９内に形成されるそれらに比べ大きな半径を有している。更に、少なくとも長手方向位置０（即ち０ｍｍ）以降は、急な縁を有する略平坦均一強度分布が形成される。この傾向はそのレーザビームの伝搬方向に沿い続いており、そのことは、図７ｃ〜図７ｆと、図８の長手方向位置３〜１２（本例では３〜１２ｍｍ）とから、看取することができる。
【０１１３】
即ち、伝搬方向に沿いウェスト８７ａの背後、とりわけ少なくともウェスト領域８７ｂの背後には、急な縁を有する略平坦均一強度分布即ちトップハット強度分布がそのレーザビームによって形成され、ウェスト８７ａからの距離が大きいところにさえも形成される。
【０１１４】
更に、図８に示す如く、本例によれば、当初の倍率たる１．５から２．１まで倍率を増加させることで、強度が外側の環状分布から中央の円形分布内へと偏倚することになる。
【０１１５】
本例では、図４ａに係るビーム整形器を有する装置を用い、３〜４の範囲内のビームパラメタ積と、５０００Ｗ〜８０００Ｗの範囲内のパワーと、を有するレーザビームを、焦点距離が６４．１ｍｍの集束レンズ１個によって、２．３なる倍率設定にて、レーザ切削向け軟鋼たる２０ｍｍＳＳＡＢ（商標）Ｌａｓｅｒ２５０Ｃ（商標）からなるワークピース１００上にイメージングした。
【０１１６】
本装置を用いた際、ファイバ・レンズ間距離は９６ｍｍ、ファイバ・ビーム整形器間距離は１２９．５ｍｍ、ファイバ・保護ガラス間距離は１３１．６ｍｍ、レンズ・ワークピース間距離は２２２ｍｍとした。
【０１１７】
そのビーム整形器は、約１．４５の屈折率を有する熔融シリカで形成した。そのビーム整形器のアキシコン角は約０．３４４°とし、それに備わる球状形状面の半径は約６６７ｍｍ±１０ｍｍ、第１ビーム整形部の幅は約８ｍｍとした。
【０１１８】
レーザ切削処置の開始時にワークピース１００の未処置面が配置された先は本装置の切削面９２であり、この切削面は、本例では、図５に示す如くレーザビームウェスト８７ａの背後にありビーム方向に対し垂直な平面に対応している。レーザビームは１１００ｍｍ／分なる切削速度で以てそのワークピース上に差し向けた。
【０１１９】
従来型レーザ切削装置を用い得られた図１の如き皺付切削面と比べ、本例により形成された切削面は、図２により描かれている通り表面皺振幅がより小さなものとなる。図１及び図２は、いずれも、５倍の倍率を用いＡｌｉｃｏｎａ（登録商標）ＩｎｆｉｎｉｔｅＦｏｃｕｓＳＬ（商標）３Ｄ顕微鏡により得られたものである。
【０１２０】
（結論）
本発明によれば、諸実施形態のビーム整形器によりレーザビームを形成することで、伝搬方向に対し垂直な方向に沿ったビーム形状即ちビームスポット及び／又はその伝搬方向に対し垂直な方向に沿った強度分布を、ある鋭敏限定されたワークピース領域内でエネルギ及び熱の輸送が生じるものとすることができる。一例としては、その強度分布を、ビーム方向に対し垂直な方向に沿い略均質なもの、例えば略平坦均一強度分布とすることができる。加えて、その強度分布を、急な縁を有するものとし、ひいてはそのレーザビームの外側境界にて鋭敏限定することができる。幾つかの例によれば、そのレーザビームを、円形のビームスポットと、その伝搬方向に対し垂直な方向に沿った円形強度分布とを、有するものとすることができる。幾つかの実施形態によれば、トップハットエネルギ分布のレーザビームを達成することができる。更に、伝搬するレーザビームに、様々なレーザビーム長手方向位置、例えば伝搬方向に沿いウェストの背後にありそのレーザビームのウェストから遠距離に位置するビームスポットにて、そうした有利な形状及び強度分布を反映させることができる。それにより、レーザビームウェスト背後のビームスポットを用いることで、例えば切削中の切削深さ増大に伴う熔融素材単位表面積当たり熱輸送を減らすことができ、それにより表面皺が少なく高品質な切削面を得ること、とりわけその切削面の全深度に亘り得ることができる。
【０１２１】
本発明の幾つかの実施形態を用いるに際しては、単一のユニットで形成されたビーム整形器、例えば少なくとも１個の光学素子込みで一体形成等されたそれによって、そうした有利なビーム形状を実現することができる。諸実施形態のビーム整形器のうち、少なくとも１個の球状又は非球状形状面及び／又は少なくとも１個のアキシコン状形状面を有するものでは、その又はそれらの表面遷移を連続的なものとすることができる。諸実施形態のビーム整形器上には抗反射被覆を容易に被着させることができる。これは、本発明の諸実施形態に係るビーム整形器をハイパワーレーザビームの整形にも用いうる理由の一つである。
【０１２２】
諸実施形態によれば、小さな振幅を有する周期的な表面皺が形成されうる点火界面を提供し、切削面の数ｍｍ後方、例えば切削面に対し約２〜３ｍｍの深度以降でそれらの皺を熔融膜により被覆することができる。諸実施形態における点火界面は、燃焼反応領域をワークピースの流体又は固体素材から分ける界面又は遷移ゾーンを表すものである。更に、諸実施形態によりもたらされる点火界面を十分大きくして切り溝を設けることで、プロセスエリア内に向かう十分大質量の活性又は不活性ガス例えば酸素又は窒素の流れを発生させることができる。加えて、幾つかの実施形態によれば、ワークピースの最上縁及びその下方に向かう円形のエネルギ入力又はエネルギ流を提供することで、０．１〜１０ｍｍ、例えば０．１〜５ｍｍ、好ましくは０．２〜８ｍｍ、より好ましくは０．３〜５ｍｍ、最も好ましくは０．３〜０．９ｍｍの半径を有する円形点火界面を実現することができる。幾つかの例によれば、その円形点火界面の半径を、３０ｍｍなる厚みを有するワークピースに関し、０．１〜１ｍｍの範囲内とすることができる。更に、諸実施形態によれば、有利なビーム形状及び点火界面を提供しうるため、ワークピースの最上縁にて少なくとも８００ｋＷ／ｃｍ２なるエネルギ流を実現することができる。加えて、点火界面外ではそのエネルギ流を最小値、例えば約０ｋＷ／ｃｍ２に保つことができる。
【０１２３】
更に、本発明の諸実施形態によれば、厚手ワークピースをレーザ切削する場合に、切削面に対しより深いレベルでも、ホットスポット及び目立った表面皺の形成を回避することができる。これは、その有利なビーム整形によってもたらされるレーザビームが、切削面に対し数ｍｍ、例えば約２〜３ｍｍのレベルにて早くも発散しうるからである。それにより、切削面に対し約２〜３ｍｍの深度以降で、整形されたレーザビームにより、ワークピースの最上縁にもたらされたものを下回るエネルギ流及び熱入力をもたらすことができる。即ち、諸実施形態でのビーム整形により、点火力学の安定化及びプロセス安定性を達成することができる。
【符号の説明】
【０１２４】
１  ビーム整形器、２  第１ビーム整形部、３  第２ビーム整形部、４  第１光学素子、５  第２光学素子、６  光軸、１０  ビーム整形器、１２  球状又は非球状形状面、１３  アキシコン状形状面、１４ａ  第１ビーム整形部の自由数値開口、１４ｂ  ビーム整形器の自由数値開口、１４ｃ  装置の処理ヘッドの数値開口、２０  ビーム整形器、２２  幅又は直径、２３  直線、３０  ビーム整形器、３２  球面半径、３３  基本線、４０  ビーム整形器、４２  球状又は非球状形状面、４３  アキシコン角、５０  ビーム整形器、６０  ビーム整形器、７０  ビーム整形器、８０  レーザビーム処置装置、８１  レーザビームの外側境界、８２  集束レンズ、８３  保護窓、８４  レーザ光線束、８５  レーザ光線束、８６  領域、８７ａ  レーザビームウェスト、８７ｂ  レーザビームウェスト領域、８８  破線、８９  破線、９０  破線、９２  レーザビーム処置面、１００  ワークピース。
【要約】
レーザビームを整形するビーム整形器（１）であり、そのレーザビームの中央部を整形するよう設計された第１ビーム整形部（２）と、そのレーザビームの周辺部を整形するよう設計された第２ビーム整形部（３）と、を有するものが提供される。更に、ワークピースのレーザビーム処置装置と、ワークピースのレーザビーム処置方法とが、提供される。【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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