(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザ発振装置と、レーザ発振装置のレーザ光を集光する集光光学系とを備え、各レーザ発振装置のそれぞれに接続された光ファイバを光軸を揃えて束ねた光ファイバ束が形成されており、前記光ファイバのレーザ光出力がそれぞれ独立して時間的に制御可能であるレーザ光照射装置において、前記光ファイバ束の光軸に直角な断面が円形または正多角形であり、時間平均の光強度分布が光ファイバの中央部より周辺部が高い擬似リング分布となるように前記光ファイバのレーザ光出力を制御したレーザ光照射装置であって、
前記周辺部の光ファイバのレーザ光出力は、時計回りまたは反時計回りに周回するように順次出力されることを特徴とするレーザ光照射装置。
【請求項２】
複数のレーザ発振装置と、レーザ発振装置のレーザ光を集光する集光光学系とを備え、各レーザ発振装置のそれぞれに接続された光ファイバを光軸を揃えて束ねた光ファイバ束が形成されており、前記光ファイバのレーザ光出力がそれぞれ独立して時間的に制御可能であるレーザ光照射装置において、前記光ファイバ束の光軸に直角な断面が円形または正多角形であり、時間平均の光強度分布が光ファイバの中央部より周辺部が高い擬似リング分布となるように前記光ファイバのレーザ光出力を制御したレーザ光照射装置であって、
前記周辺部の光ファイバのレーザ光出力は、対となる２つずつの光ファイバの出力が互いに逆方向に周回するように順次出力されることを特徴とするレーザ光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加工、計測、医療などに用いられるレーザ光照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、金属、セラミックなどの加工分野で溶接、切断、穴あけ、表面処理その他の加工にレーザ光が広く用いられている。主要な加工用レーザとして、ＣＯ2レーザ、ＹＡＧレーザなどがある。また、加工能率を上げる、あるいはレーザ光のエネルギー利用率を上げるなどのために多くの提案がなされている。例えば、特開平９−１５０２８８号公報で開示された「ツインビーム加工方法」は、集光レンズ系に分割用レンズを挿入し、レーザビームを２つに分けることにより深い溶込みと溶接ワイヤの溶融とを同時に行なう。また、特開平１１−３０７８４８号公報で開示された「固体レーザ装置」は、レーザ発振器とレーザ増幅器との間に光強度分布をガウシアン分布からスーパーガウシアン分布に変換する光学素子を挿入し、レーザ光の増幅効率を向上する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記ツインビーム加工方法では照射点が２点の分布に、また固体レーザ装置はスーパーガウシアン分布に限られている。したがって、これら方法または装置では、種々の光強度分布が得られないという欠点がある。
【０００４】
この発明の課題は、任意の光強度分布を容易に得ることができるレーザ光照射装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明のレーザ光照射装置は、複数のレーザ発振装置と、レーザ発振装置のレーザ光を集光する集光光学系とを備え、各レーザ発振装置のそれぞれに接続された光ファイバを光軸を揃えて束ねた光ファイバ束が形成されており、前記光ファイバのレーザ光出力がそれぞれ独立して時間的に制御可能であるレーザ光照射装置において、前記光ファイバ束の光軸に直角な断面が円形または正多角形であり、時間平均の光強度分布が光ファイバの中央部より周辺部が高い擬似リング分布となるように前記光ファイバのレーザ光出力を制御する。そして、前記周辺部の光ファイバのレーザ光出力は、時計回りまたは反時計回りに周回するように順次出力されることを特徴としている。また、前記周辺部の光ファイバのレーザ光出力は、対となる２つずつの光ファイバの出力が互いに逆方向に周回するように順次出力されることを特徴としている。
【０００６】
レーザ発振装置として、ＹＡＧレーザ発振装置、半導体レーザ発振装置、ファイバレーザ発振装置など可視光、近赤外線領域で発振する装置が用いられる。光ファイバ束を形成する光ファイバの本数は用途によって異なるが、例えば２〜１００本程度である。良好な光強度分布を得るには、隣り合う光ファイバはできるだけ密にして束ねることが好ましい。光ファイバ束の光軸に直角な断面は、円形または多角形である。６角形以上の正多角形で、円形を近似することができる。レーザ発振装置がファイバレーザ発振装置である場合、能動光ファイバ（レーザ発振用光ファイバ）を束ねるか、または能動光ファイバに接続した受動光ファイバ（パワー伝送用光ファイバ）を束ねて光ファイバ束を形成する。レーザ発振装置がＹＡＧレーザ発振装置、半導体レーザ発振装置などの場合、これらレーザ発振装置を縦方向および横方向にマトリックス状に配列する。
【０００７】
上記レーザ光照射装置は、複数本の受動光ファイバまたは能動光ファイバを光軸を揃えて束ねた光ファイバ束が形成されており、光ファイバからのレーザ光出力がそれぞれ独立して調整可能であるので、任意の光強度分布を容易に得ることができる。
【００１１】
レーザ光出力が上記擬似リング分布となるレーザ光照射装置において、前記周辺部の光ファイバのレーザ光出力は、時計回りまたは反時計回りに周回するように順次出力するようにしてもよい。これにより、複雑な回転機構を用いることなくレーザビームを回転しながら照射することができる。また、前記周辺部の光ファイバのレーザ光出力は、２つの光ファイバの出力が互いに逆方向に周回するように順次出力するようにしてもよい。例えば、移動する被加熱材をレーザ光で加熱する場合、熱投入量の非対称性および方向性をなくすことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の１実施の形態であって、レーザ光照射装置を模式的に示している。レーザ光照射装置１０は、複数のレーザ発振装置１２、光ファイバ束２２、光ファイバ束ホルダ２６および集光光学系３０から構成されている。ここでは、レーザ発振装置１２をファイバレーザ発振装置として説明する。
【００１３】
ファイバレーザ発振装置１２は、励起装置として半導体レーザ発振装置（図示しない）を備えている。半導体レーザ発振装置として、例えばＧａ−Ａｓ系半導体レーザ発振装置を用いることができる。半導体レーザ発振装置から能動光ファイバに励起レーザ光（波長：約０．８μm）を照射して、能動光ファイバでレーザ光（波長：約１．０６μm）で発振させる。それぞれのファイバレーザ発振装置で半導体レーザ発振装置の出力を調整することにより、能動光ファイバの出力を独立して調整することができる。能動光ファイバの出力は例えば１kWであり、コア径は５０μm、クラッド断面は２００×６００μmの長方形である。
【００１４】
能動光ファイバの端部がレーザ光出力端１４となっており、出力端１４に受動光ファイバ（パワー伝送用光ファイバ）が融着により接続されている。受動光ファイバの先端部は、光軸が揃うように束ねられて光ファイバ束２２となっており、光ファイバ束ホルダ２６で保持されている。光ファイバ束２２の先端面は、図２に示すように円形となっている。各受動光ファイバ２０の先端は揃えられており、光ファイバ束２２の先端面は光軸に直角な平面となっている。
【００１５】
光ファイバ束ホルダ２６に隣接して集光光学系３０が設けられている。集光光学系３０は光ファイバ束２２の光軸と一致しており、光ファイバ束２２からのレーザ光を加工物表面などに集光する。
【００１６】
ここで、光ファイバ束を備えたレーザ光照射装置の応用例について説明する。図３および図４は、光ファイバ束２２により鋼板１を切断するレーザ加工装置４０を示している。レーザ加工装置４０は、光ファイバ束ホルダ２６および集光光学系３０が鋼板パスラインＡの上方に設置されている。光ファイバ束には受動光ファイバ２０を介して前記ファイバレーザ発振装置１２が接続されている。図４に示すように、光ファイバ束２２の径方向に並ぶ光ファイバ群２３が点灯され、他の光ファイバ群２４は消灯されている。光ファイバ束２２から直線状パターンのレーザ光が出力される。鋼板１は鋼板パスラインＡに沿って送られ、切断線５に沿った線状のレーザ光３で溶融され、切断される。直線状に並ぶ複数のレーザ光で切断するので、単一のレーザ光で切断する場合に比べて短時間で切断することができる。
【００１７】
上記レーザ光加工装置で、線状のレーザ光を鋼板幅方向に沿うように照射すると、鋼板の突合せ溶接、熱処理などに利用することができる。
【００１８】
前述のように、この発明では光ファイバからのレーザ光出力がそれぞれ独立して調整可能である。したがって、種々のレーザ光の照射パターンを生成することができる。例えば、光ファイバ束の光軸に直角な断面が円形または正多角形であり、光ファイバ束の中心から周辺に向かうに従い光強度が漸減するようにして擬似正規分布の光強度分布を生成することができる。擬似正規分布では、中央部のレーザ光強度が高いので、板材の切断、溶接などに適している。
【００１９】
また、能動光ファイバ束の光軸に直角な断面が円形または正多角形であり、光ファイバ束の中央部より周辺部の光強度を高くして擬似リング分布の光強度分布を生成することも可能である。擬似リング分布では両端部のレーザ光強度が高いので、加熱温度が下がり気味となる板材の両端部は中央部より高いレーザ光強度で加熱される。この結果、板材を全幅にわたり一様に加熱することができる。
【００２０】
上記擬似リング状に周辺部の光ファイバのすべてにレーザ光を同時に出力する外に、周辺部を擬似リング状に周回するように順次出力してもよい。この場合、レーザ発振装置として出力制御が容易な点からファイバレーザ発振装置が好ましい。以下、周回するように順次出力する方法について、板材を切断する場合を例として説明する。
【００２１】
従来、レーザビームを光軸を中心として回転させながら切断し、限界板厚を拡大する方法が知られている（特開平１０−３２８８７０号公報参照）。この従来法では複雑な構造の回転機構を必要とするので、制御が複雑であり、しかも操作およびメンテナンスが面倒である。
【００２２】
このような従来法に対し、この発明では図５(a)〜(d) に示すように、光ファイバ束の周辺部の光ファイバは、時計回りａに周回するように順次点灯される。例えば、１２時位置の光ファイバＦ12、１時位置の光ファイバＦ01、２時位置の光ファイバＦ02、３時位置の光ファイバＦ03……のように時計回りに順次点灯される。同様に、反時計回りに順次点灯することも可能である。上記照射方法では、電気的に出力制御して出力を周回させるので、複雑な回転機構を用いる必要はない。したがって、この発明は良好な制御性、容易な操作性、かつメンテナンスは不要であるという利点がある。
【００２３】
また、前記従来法のように、レーザビームを単に回転するだけでは、被切断材への投入熱量は被切断材の進行方向に対して左右非対称となる。例えば、時計回りにレーザビームが回転する場合、切断進行方向左側では被切断材とレーザビームとの相対速度は増速され、右側では減速される。この結果、左側では単位時間当りの熱投入量は減少し、右側では増大するので切断線の左右で投入熱量がアンバランスとなる。したがって、切断面品質が左右非対称となる問題が生じる。実際問題として、左右のどちらか優れた切断面を採用して他方は犠牲にすることになり、進行方向左側を取る場合は反時計回り、右側を取る場合は時計回りに制御する等の工夫が必要となる。また、曲線に沿って切断する場合は、転回点でレーザビーム回転方向の切替えが必要である。これでは材料の利用歩留りが低下し、制御が複雑化する。
【００２４】
この発明では図６(a)〜(d)に示すように、周辺部の光ファイバのレーザ光出力は、２つの光ファイバの出力が互いに逆方向に周回するように順次出力される。例えば、１時位置の光ファイバＦ01、３時位置の光ファイバＦ03、５時位置の光ファイバＦ05、７時位置の光ファイバＦ07……のように時計回りａに順次点灯される。同時に、１２時位置の光ファイバＦ12、１０時位置の光ファイバＦ10、８時位置の光ファイバＦ08、６時位置の光ファイバＦ06……のように反時計回りｂに順次点灯される。このように時計回り回転と反時計回り回転とを重ね合わせれば、前記従来法の問題点は解決される。熱投入量の非対称性および方向性を解消するために、回転機構を用いて左右の重ね合せを実現するのは困難であるが、この発明では電気的に出力制御するので容易に実現できる。また、出力は周辺部全周にわたって平準化するように電気的に制御してもよい。こうして一定の動作条件で切断方向に関係なく均一な切断が可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明のレーザ光照射装置は、複数本の受動光ファイバまたは能動光ファイバを光軸を揃えて束ねた光ファイバ束が形成されており、受動光ファイバまたは能動光ファイバからのレーザ光出力がそれぞれ独立して調整可能であるので、任意の光強度分布を容易に得ることができる。したがって、レーザ光を利用した加工、計測、医療などの広い分野で用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の１実施の形態であって、レーザ光照射装置を模式的に示す装置概略図である。
【図２】この発明のレーザ光照射装置で用いられる光ファイバ束の正面図である。
【図３】光ファイバ束を利用して鋼板を切断するレーザ加工装置を模式的に示す斜視図である。
【図４】図３に示すレーザ加工装置において、光ファイバ束の出力状態を示す正面図である。
【図５】擬似リング分布のレーザ光出力例を説明する模式図である。
【図６】擬似リング分布のレーザ光出力の他の例を説明する模式図である。
【符号の説明】
１  鋼板（加工物）                    ３  照射レーザ光
５  切断線                          １０  レーザ光照射装置
１２  レーザ発振装置                  １４  出力端
２０  受動光ファイバ                  ２２  光ファイバ束
２３  点灯光ファイバ群                ２４  消灯光ファイバ群
２６  光ファイバ束ホルダ              ３０  集光光学系
４０  レーザ加工装置
【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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