(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ共振器内部にテレスコープを有し、該テレスコープの共焦点位置近傍にスリットを有する高速回転チョッパディスクを設置する事で、レーザ発振をＱスイッチ発振とするＱスイッチ炭酸ガスレーザ装置において、２組のテレスコープと、該２組のテレスコープの各共焦点位置近傍に高速回転する狭開口スリットを有するチョッパディスクと広開口を有するチョッパディスクの２枚のチョッパディスクを備えた事を特徴とするＱスイッチ炭酸ガスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属加工などに用いられる高平均出力のＱスイッチ炭酸ガスレーザにおいて、レーザ照射効果を向上させるため、あるいは加工後の被加工材の表面性状の劣化を避けるために、数十μｓオーダーの時間間隔で発振するＱスイッチレーザパルス群を得るＱスイッチ炭酸ガスレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザにより鋼材表面などに小径、深穴の加工を行う場合、大きなエネルギーを有する１発のレーザパルスで一度に大きな体積の金属を除去すると、加工に伴うスパッタや穴周辺への溶融物の固着が発生し被加工材の表面性状を劣化させる。この様なスパッタおよび穴周辺への溶融物の固着を避ける方法としては、比較的小さなエネルギーの複数のレーザパルスを用いて徐々に穴深さを拡大しながら、１つの穴加工を行う方法がある。
【０００３】
上記の様なレーザパルス群を得る方法としては、例えば特開平６−３２６３９５号公報において、炭酸ガスレーザ発振器の共振器内部にテレスコープを組み込み、該テレスコープの共焦点位置近傍にスリットを有した高速で回転するチョッパディスクを設置し、レーザ媒質を励起する放電を該チョッパディスクのスリットの開閉に同期して駆動し、複数のＱスイッチレーザパルスからなるＱスイッチレーザパルス群を得る方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平６−３２６３９５号公報の発明ではレーザ媒質を励起する放電をチョッパディスク上のスリットがテレスコープ光学系の共焦点位置を通過するタイミングに同期してＯＮ／ＯＦＦ駆動する必要がる。このため該従来発明では、回転するチョッパディスク上のスリット開口検出装置の信号をもとに放電をＯＮ／ＯＦＦする高速のスイッチング電源が必要であり、装置コストが高くなる問題がある。したがって本発明は、特開平６−３２６３９５号公報に開示されたＱスイッチ炭酸ガスレーザパルス群と同様なレーザパルス群を、高速駆動のスイッチング電源などの高価な設備を用いずに得る事を目的としたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、レーザ共振器内部にテレスコープを有し、該テレスコープの共焦点位置近傍にスリットを有する高速回転チョッパディスクを設置する事で、レーザ発振をＱスイッチ発振とするＱスイッチ炭酸ガスレーザ装置において、２組のテレスコープと、該２組のテレスコープの各共焦点位置近傍に高速回転する狭開口スリットを有するチョッパディスクと広開口を有するチョッパディスクの２枚のチョッパディスクを備えた事を特徴とするＱスイッチ炭酸ガスレーザ装置である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明で使用するＱスイッチ発振用の複数の微小スリットＳを１群の単位Ｓｔとして有するチョッパディスクの例示図である。また、図２は該チョッパディスクによるＱスイッチ炭酸ガスレーザ発振器構成の例示図であり、本発明の炭酸ガスレーザ共振器は、図１に例示のチョッパディスク１、該チョッパディスク回転用モータ２、集光光学系４、および共振器リアミラー３から構成されるテレスコープ光学系５、レーザ出力窓６から構成される。図２中のＬＢはレーザ光を表す。
【０００７】
図３は図２のレーザ発振器の発振波形（ａ）、チョッパディスク上スリット開口Ｓがテレスコープ５の共焦点位置近傍を通過するタイミング（スリット開口が共焦点位置を通過する時を開状態と表示）（ｂ）、レーザ媒質を励起する放電入力の状態（ｃ）を示している。図１のチョッパディスクを回転させると、チョッパディスク上に配されたスリット開口Ｓがテレスコープの共焦点位置近傍を通過する際に炭酸ガスレーザ共振器の損失が低くなり、Ｑスイッチパルスと呼ばれる尖頭値の高いパルスレーザ発振が起こる。
【０００８】
図１のチョッパディスクでは、スリット開口Ｓが数個づつ（例示図では４個）の単位Ｓｔで配置されているため、チョッパディスクを等速回転し、レーザ媒質に一定の励起放電入力を与えた場合においても、該炭酸ガスレーザのＱスイッチパルス発振は、図３（ａ）に示すような、周期Ｔ１のＱスイッチレーザパルスＰ１〜Ｐ４で構成されるレーザパルス群Ｐｔが周期Ｔ２で繰り返すレーザ発振となる。図１では微小スリットＳが４個、スリット群Ｓｔが４箇所となっているが、必ずしもこの数値に拘る必要はなく、２個以上の複数個のスリットＳを単位とするスリット群Ｓｔが１箇所以上チョッパディスク上に配置されていれば良く、スリットの配置パターンおよびチョッパディスクの回転速度を変える事で、スリットＳｔ中のスリットＳの数に対応した複数パルスからなるＱスイッチパルス群のレーザ発振を得る事が出来る。
【０００９】
図４は等間隔の狭開口スリットを有するチョッパディスク（ａ）と広開口のチョッパディスク（ｂ）を貼り合わせることで、図１のチョッパディスクと同等の機能を持たせた合成チョッパディスク（ｃ）の例示図である。図４（ｃ）の合成チョッパディスクを図２のレーザ共振器のチョッパディスク１として用いる事でも、図３（ａ）に示すＱスイッチレーザパルス群を得る事が出来る。
【００１０】
図５は本発明請求項３のＱスイッチ炭酸ガスレーザ装置の構成図である。レーザ共振器を構成する２枚のミラー１１、１２の間に２組のテレスコープ光学系２１および２２を有し、各テレスコープの共焦点位置近傍に図４（ａ）に例示したチョッパディスク２３および図４（ｂ）に例示したチョッパディスク２４が設置されている。チョッパディスク２３上には開口の細い微小スリットＳ１が等間隔にあけられており、チョッパディスク２４上には開口の広いスリット開口Ｓ２が等間隔であけられている。各チョッパディスクはモータ２５により高速回転する。
【００１１】
該チョッパディスク２３、２４を高速回転した状態でレーザ媒質に一定の放電励起入力を与えると、該チョッパディスク２３および２４のスリット開口が同時にテレスコープ２１および２２の各共焦点位置近傍を通過するタイミングにのみレーザ発振が可能となるので、図６（ａ）例示の様なＱスイッチパルス群によるレーザ発振が得られる。
【００１２】
さらに、微小スリット開口Ｓ１を有するチョッパディスク２３のスリット位置を検出し、微小スリット開口Ｓ１がテレスコープ２１の共焦点位置を通過するタイミングに同期させて、広い開口Ｓ２を持つチョッパディスク２４の開口も同時にテレスコープ２２の共焦点位置を通過する様にチョッパディスク２４の回転を制御すると、２つのチョッパディスクのスリットの合成の開閉タイミングが図７に示した様に同期し、Ｑスイッチレーザパルス群Ｐｔ内の各ＱスイッチレーザパルスＰｎのパルス巾が均一なＱスイッチレーザパルス群を得る事ができる。
【００１３】
【実施例】
［実施例１］
図１に例示したスリット群を持つチョッパディスクとして、直径３００mmのチョッパディスク上に、スリット巾０．７mmのスリットを０．７２度間隔で４個形成したスリット群を３６度間隔で１０箇所形成したものを製作した。該チョッパディスクを図２のレーザ共振器内でモータにより毎分６０００回転の速度で回転させ、繰り返し周波数５０kHz のＱスイッチレーザパルス４発で形成されるレーザパルス群が周波数１kHz で発振するＱスイッチレーザ発振を得た。パルスレーザ群の各Ｑスイッチレーザパルスのパルス巾は５μｓ、平均エネルギーは７mJであった。
【００１４】
［実施例２］
図４（ａ）に例示した等間隔微小スリットを持つチョッパディスクとして、直径３００mmのチョッパディスク上に、スリット巾０．７mmのスリットを０．７２度間隔で５００個形成したもの製作し、図４（ｂ）に例示した等間隔微小スリットを持つチョッパディスクとして、直径３００mmのチョッパディスク上に、スリット巾３．０mmのスリットを３６度間隔で１０個形成したものを製作し、２つのチョッパディスクを張り合わせ図４（ｃ）の構造を持つチョッパディスクを製作した。
該チョッパディスクを図２のレーザ共振器内でモータにより毎分６０００回転の速度で回転させ、繰り返し周波数５０kHz のＱスイッチレーザパルス４発で形成されるレーザパルス群が周波数１kHz で発振するＱスイッチレーザ発振を得た。パルスレーザ群の各Ｑスイッチレーザパルスのパルス巾は５μｓ、平均エネルギーは７mJであった。
【００１５】
［実施例３］
図４（ａ）に例示した等間隔微小スリットを持つチョッパディスクとして、直径３００mmのチョッパディスク上に、スリット巾０．７mmのスリットを０．７２度間隔で５００個形成したものを製作し、図４（ｂ）に例示した等間隔微小スリットを持つチョッパディスクとして、直径３００mmのチョッパディスク上に、スリット巾３．０mmのスリットを３６度間隔で１０個形成したもの製作した。
該２枚のチョッパディスクを図５のレーザ共振器内の２３、２４として使用し、各チョッパディスクをでモータにより毎分６０００回転の速度で回転させ、図６（ａ）に例示した周波数５０kHz のＱスイッチレーザパルス４発で形成されるレーザパルス群が周波数１kHz で発振するＱスイッチレーザ発振を得た。パルスレーザ群の各Ｑスイッチレーザパルスのパルス巾は５μｓ、平均エネルギーは７mJであった。
【００１６】
［実施例４］
実施例１、２および３のレーザ発振器を用いて、圧延ロール表面にダル穴加工をおこなった。図８は使用した圧延ロールダル加工装置の模式図である。加工装置は、実施例１および２に説明した本発明のＱスイッチレーザ発振器３１、およびベンドミラー３２、ノズル３３、集光レンズ３４、１軸ステージ３５、被加工圧延ロール３６、ロール回転装置３７により構成される。
【００１７】
レーザ発振器１１からは図３（ａ）および図６（ａ）に示したＱスイッチパルス群Ｐｔが出射される。圧延ロールは直径４５０mm、巾２０００mm（加工対象巾は１３００mm）である。圧延ロール３６はロール回転装置３７により回転数１７rpm で定速回転しており、集光レンズ３４および加工ノズル３３は１軸ステージ３５により圧延ロール３６の軸と平行に毎分６．８mmの速度で移動する。
【００１８】
Ｑスイッチレーザパルス群Ｐｔ内の各ＱスイッチレーザパルスＰｎの周波数は５０kHz あり、Ｐ１からＰ４までのＱスイッチパルスは圧延ロール表面の約４μｍずれた位置に照射される。このずれ量４μｍは集光されたレーザ光のスポット径に比べて十分小さな値であり、そのためあたかも圧延ロール表面の同一の場所にＰ１からＰ４の４発のＱスイッチレーザパルスが照射されたかの様に４発のＱスイッチレーザパルスにより順次穴深さが増大する単一開口を持つ穴加工が圧延ロール表面に行われる。
【００１９】
一方、Ｑスイッチレーザパルス群Ｐｔの繰り返し周波数は１kHz であるので、Ｐ４までのＱスイッチレーザパルスの照射が終了し、次のレーザパルス群Ｐｔの先頭パルスＰ１が照射されるまでには約９００μｓの時間があり、この間に圧延ロール外周は４００μｍずれる。このタイミングで再びＰ１からＰ４までの４発のＱスイッチレーザパルスが５０kHz 周波数で照射され、再び１つの開口を持つダル穴がロール表面に加工される。
この様にして圧延ロール表面に穴直径８０μｍ、深さ３０μｍダル穴加工を４００μｍピッチで行った。
【００２０】
レーザパルス群Ｐｔでのダル穴加工では、前Ｑスイッチレーザパルスにより形成されたダル穴が後続のＱスイッチレーザパルスを内部に多重反射により導光し穴底部でのレーザ光の吸収効率を増加させる作用がある。このため、選択的に深さ方向に加工が進み、大きなエネルギーを持つ１発のＱスイッチレーザパルスで加工した場合よりも、より小径かつ深穴のダル穴加工を行える。
【００２１】
本実施例では７mJのエネルギーを持つＱスイッチレーザパルス４発で前記の穴直径９０μｍ、深さ５０μｍのダル穴加工が可能であったが、２８mJのエネルギーを持つ１発のＱスイッチレーザパルスを圧延ロール表面に照射したところ、穴直径１２０μｍ、深さ２５μｍの穴径の大きく浅いダル穴加工が得られただけであった。
【００２２】
さらに、本実施例では１０mJのエネルギーを持つＰ１からＰ４のＱスイッチパルスで順次穴深さを拡大して１つのダル穴加工を行ったことにより、リムと呼ばれる穴外周に付着した溶融物の高さ約１μｍとわずかであったのに対し、５０mJのエネルギーを有する１発のＱスイッチレーザパルスによりダル穴加工を行った場合は、溶融物の発生が多く高さ８μｍのリム形成が見られ、よりきれいな穴加工を実現する事が可能であった。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、回転チョッパディスクを用いたＱスイッチ炭酸ガスレーザ装置において、本発明のチョッパディスクあるいは２組みのテレスコープと２枚のチョッパディスクを用いる事で、数十μｓオーダーの時間間隔で発振するＱスイッチレーザパルス群を得る事ができ、金属のレーザ加工へのレーザ照射効果を向上させる事ができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＱスイッチ炭酸ガスレーザ発振に使用するチョッパディスクの例示図である。
【図２】本発明のＱスイッチ炭酸ガスレーザ発振器構成の例示図である。
【図３】本発明のＱスイッチ炭酸ガスレーザ発振器によるレーザ発振波形の例示図である。
【図４】本発明のＱスイッチ炭酸ガスレーザ発振器に使用するチョッパディスクの例示図である。
【図５】本発明のＱスイッチ炭酸ガスレーザ発振器構成の例示図である。
【図６】本発明のＱスイッチ炭酸ガスレーザ発振器によるレーザ発振波形および２枚のチョッパディスクスリット開口の開閉タイミングの例示図である。
【図７】本発明のＱスイッチ炭酸ガスレーザ発振器によるレーザ発振波形および２枚のチョッパディスクスリット開口の開閉タイミングの例示図である。
【図８】本発明のＱスイッチ炭酸ガスレーザを用いた圧延ロールのダル加工装置の構成図である。
【符号の説明】
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、：Ｑスイッチレーザパルス波形
Ｐｔ：本発明のＱスイッチレーザパルス群
Ｔ１：ＱスイッチレーザパルスＰｎの周期
Ｔ２：レーザパルス群Ｐｔの周期
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２：スリット開口
Ｓｔ：スリット開口群
ＬＢ：レーザ光
１、２３、２４：チョッパディスク
２、２５：モーター
３：ＺｎＳｅ凹ミラー
４：ＺｎＳｅレンズ
５、２１、２２：テレスコープ
６、１１：レーザ光を出射するＺｎＳｅハーフミラー
１２：ＺｎＳｅ全反射ミラー
３１：本発明のＱスイッチレーザ発振器
３２：ベンドミラー
３３：加工ノズル
３４：集光レンズ
３５：１軸テーブル
３６：圧延ロール
３７：ロール回転装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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