JP2000275568A

JP2000275568A - ビームモード変換光学系

Info

Publication number: JP2000275568A
Application number: JP11081632A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Taguchi; 滋田口; Sadahiko Kimura; 定彦木村
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ加工装置から出射するレーザ光のスポ
ット形状を容易に変更できるようにし、加工品質の向上
を実現するビームモード変換光学系を提供する。【解決手段】所定の広がり角で入射するレーザ光を平
行光に変換するコリメートレンズ１２と、平行光を加工
対象物上で集光するフォーカシングレンズ１３と、コリ
メートレンズの前段に配置され、所定方向（Ｘ軸方向）
に関してのみ、入射するレーザ光を集光し、コリメート
レンズに入射するレーザ光の広がり角を変更するシリン
ドリカルレンズ１１とを有している。シリンドリカルレ
ンズは、光軸方向に移動可能にケースに保持されてお
り、シリンドリカルレンズの位置を変更することで、コ
リメートレンズに入射するレーザビームの広がり角が変
化し、ビームスポットの長径を変化させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビームモード変換
光学系に関し、特に、レーザ加工装置に使用されるビー
ムモード変換光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工装置は、レーザ光を利用し
て、加工対象物を切断したり、穴を空けたり、あるいは
溶接を行う装置である。このようなレーザ加工装置の中
には、レーザ発振器からのレーザ光を光ファイバを用い
て加工対象物の近傍に導き、光ファイバの出射端に取り
付けた出射光学系（加工ヘッド）を通して加工対象物に
照射するタイプのものがある。

【０００３】従来のレーザ加工装置における加工ヘッド
は、図７に示すように、コリメートレンズ７１とフォー
カシングレンズ７２とを有し、光ファイバ７３から出射
したレーザ光をコリメートレンズ７１でコリメートし、
フォーカシングレンズ７２で集光して、加工対象物７４
に照射する。

【０００４】なお、この種のレーザ加工装置では、レー
ザ発振器からのレーザ光を、光ファイバを用いて伝搬さ
せるため、そのビーム断面形状（スポット形状）は、図
７に示すように直径ｄの円形である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のレーザ加工装置では、加工対象物に照射されるビーム
形状は円形であって、その形状を変更することはできな
い。このため、従来のレーザ加工装置のスポット径は、
加工しようとする走査領域の幅（加工幅）に基づいて決
定される。つまり、大きな加工幅に対応するためには、
スポット径を大きくする必要がある。

【０００６】しかしながら、大きなスポット径のレーザ
光を走査すると、走査領域の中央部と両側部とでは、照
射されるレーザ光の量が異なってしまう。これは、円形
のビームスポットでは、その中央部ほどビーム強度が強
く、周辺部ほどビーム強度が弱いからである。従って、
従来のレーザ加工装置では、加工幅が大きくなるほど、
均質な加工が不可能になるという問題点がある。

【０００７】本発明は、レーザ加工装置から出射するレ
ーザ光のスポット形状を楕円にして加工品質の向上を実
現するとともに、その長径と短径との比を容易に変更で
きるようにしたビームモード変換光学系を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
発振器から出射したレーザ光を加工対象物に照射して加
工を行うレーザ加工装置に使用されるビームモード変換
光学系であって、前記レーザ光のビーム形状を楕円にす
るとともに、その長径と短径の比率を変更するビーム形
状変更手段を有することを特徴とするビームモード変換
光学系が得られる。

【０００９】具体的には、前記ビーム形状変更手段は、
シリンドリカルレンズを含む。

【００１０】また、前記ビーム形状変更手段は、前記ビ
ーム形状の長径と短径の比率変更を変更するために、前
記シリンドリカルレンズを光軸に沿って移動させる移動
手段を有している。

【００１１】さらに、本発明のビームモード変換光学系
は、入射するレーザ光を平行光にするコリメートレンズ
と、該コリメートレンズからの平行光を集光するフォー
カシングレンズとを備え、前記コリメートレンズの前段
に前記シリンドリカルレンズを設けられている。

【００１２】本発明のビームモード変換光学系は、光フ
ァイバを用いてレーザ光を伝搬させるレーザ加工装置に
用いられ、前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間に
配置される。または、光ファイバの途中に配置される。
あるいは、光ファイバの先端に設けられる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について詳細に説明する。

【００１４】図１（ａ）及び（ｂ）に、本発明の第１の
実施の形態によるビームモード変換光学系を示す。な
お、図１（ａ）及び図１（ｂ）は、それぞれ、レーザ光
の進行方向をＺ軸方向とした場合に、Ｙ方向から見た
図、及び、Ｘ方向から見た図である。

【００１５】図１（ａ）及び（ｂ）のビームモード変換
光学系は、一定の広がり角を持って拡散しながらＺ軸方
向に進行するレーザ光が入射し、入射したレーザ光を所
定方向（ここでは、Ｘ軸方向）に関して集光する（広が
り角を小さくする）シリンドリカルレンズ１１と、シリ
ンドリカルレンズ１１から出射されたレーザ光を、所定
方向と直交する方向（ここでは、Ｙ軸方向）に関して平
行光に変換するコリメートレンズ１２と、コリメートレ
ンズ１２からのレーザ光を集光するフォーカシングレン
ズ１３と、シリンドリカルレンズ１１を入射レーザ光の
光軸（即ち、Ｚ軸）に沿って移動可能に保持するとも
に、コリメートレンズ１２及びフォーカシングレンズ１
３を保持固定するケース（図示せず）とを有している。

【００１６】次に、このビームモード変換光学系の動作
について説明する。

【００１７】このビームモード変換光学系は、例えば、
光ファイバ１４の先端に固定される。光ファイバ１４か
ら出射するレーザ光は、一定の広がり角を持って拡散し
ながらＺ軸方向に進行し、シリンドリカルレンズ１１に
入射する。

【００１８】シリンドリカルレンズ１１は、図１（ａ）
に示すように、入射するレーザ光をＸ軸方向に関してそ
の広がり角を小さくするように変換する。このシリンド
リカルレンズ１１は、Ｚ軸方向に移動可能にケースに保
持されており、その位置によって、広がり角を小さくす
る度合いを変えることができる。一方、シリンドリカル
レンズ１１は、図１（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向に関
しては、入射するレーザー光の広がり角については影響
を与えない（屈折率と厚みの影響はある）。そして、シ
リンドリカルレンズ１１を通過したレーザ光は、コリメ
ートレンズ１２に入射する。

【００１９】コリメートレンズ１２は、図１（ｂ）に示
すように、Ｙ軸方向に関して入射したレーザ光を平行光
に変換するように設定されている。従って、このコリメ
ートレンズ１２は、Ｙ軸方向に関して入射したレーザ光
を平行光に変換する。一方、Ｘ軸方向に関しては、シリ
ンドリカルレンズ１１の働きにより、入射するレーザ光
の広がり角がＹ軸方向の広がり角より小さくなっている
ため、コリメートレンズ１２を通過したレーザ光は、平
行光とはならず、図１（ａ）に示すように収束光とな
る。そして、コリメートレンズ１２を通過したレーザ光
は、フォーカシングレンズ１３に入射する。

【００２０】フォーカシングレンズ１３は、図１(ｂ)に
示すように、入射するレーザ光が平行光の場合に、加工
対象物１５上に焦点を結ぶようにレーザ光を集光する。
従って、Ｙ軸方向に関して、レーザ光は、スポット径ｄ
となるよう集光される。一方、Ｘ軸方向に関しては、図
１（ａ）に示すように、入射するレーザ光は、平行光で
はなく収束光なので、加工対象物１５の手前で焦点を結
ぶ。その結果、レーザ光は、焦点から再び拡散し、加工
対象物表面では、スポット径ｄ_L（Ｌ＞ｄ）を持つ。

【００２１】以上のようにして、本実施の形態によるビ
ームモード変換光学系は、加工対象物１５の表面に照射
されるレーザ光のビーム形状（スポット形状）を、Ｘ方
向に長軸をＹ軸方向に短軸を有する楕円形とすることが
できる。そして、シリンドリカルレンズ１１をＺ軸方向
に移動させるだけで、容易に長径（スポット径ｄ_L）を
変化させることができる。即ち、楕円形のビーム形状
の、長径と短径との比を変えることができる。

【００２２】本実施の形態によるビームモード変換光学
系を備えたレーザ加工装置は、例えば、２つの加工対象
物を突き合わせ、突き合わせ部分を溶接する突き合わせ
溶接に利用できる。即ち、図２に示すように、２つの加
工対象物２１，２２を突き合わせることによって形成さ
れる突き合わせ線２３に対して、レーザ光スポット２４
の長軸が直交するようにレーザ光を照射し、突き合わせ
線２３に沿って（レーザ光スポットの短軸方向に）レー
ザ光を走査することで、広い範囲にレーザ光を均一に照
射することができ、加工品質を向上させることができ
る。

【００２３】また、レーザ光の進行方向をスポット形状
の短軸方向から長軸方向に変更することで、ビードの断
面形状を変更することができる。

【００２４】さらに、本実施の形態によるビームモード
変換光学系を備えたレーザ加工装置を切断加工に使用し
た場合には、スポット形状と走査方向を、それぞれ変更
することにより、切断品質を変えることができる。

【００２５】本実施の形態によるビームモード変換光学
系は、例えば、図３に示すように、レーザ発振器３１
と、レーザ発振器３１から出射されるレーザ光を加工対
象物の近傍まで伝搬させる光ファイバ３２と、光ファイ
バ３２の先端に固定され、光ファイバ３２からのレーザ
光を加工対象物に集光照射する出射光学系（加工ヘッ
ド）３３とを備えたレーザ加工装置の、出射光学系３３
として利用することができる。この場合のレーザ加工装
置は、従来のレーザ加工装置にシリンドリカルレンズを
１枚だけ追加した構成となるので、ビームの伝搬損失
は、ほとんど増加しない。また、シリンドリカルレンズ
の位置変更により、レンズの光軸にずれが生じても、加
工点の位置を合わせるだけで容易に修正できる。

【００２６】また、本実施の形態によるビームモード変
換光学系は、図４に示すように、レーザ発振器４１と、
レーザ発振器４１から出射されるレーザ光を加工対象物
の近傍まで伝搬させる光ファイバ４２と、光ファイバ４
２の先端に固定され、光ファイバ４２からのレーザ光を
加工対象物に集光照射する出射光学系（加工ヘッド）４
３とを備えたレーザ加工装置の、光ファイバ４２の途中
（２本の光ファイバ４２ａと４２ｂとの間）に、光ファ
イバ入射光学系４４として接続するようにしてもよい。
このように、本実施の形態によるビームモード変換光学
系を用いたレーザ加工装置では、加工ヘッドの大型化や
重量化を避けることができるという長所がある。また、
光ファイバ４２が比較的長い場合であっても、光ファイ
バ４２ｂを例えば５ｍ以下にすることで、ビーム形状の
変形を少なくできるという長所がある。ただし、光ファ
イバ４２ｂとしては、そのコア径がスポット径（長径）
ｄ_Lよりも大きいものを使用しなければならない。

【００２７】さらに、本実施の形態によるビームモード
変換光学系は、図５に示すように、レーザ発振器５１
と、レーザ発振器５１から出射されるレーザ光を加工対
象物の近傍まで伝搬させる光ファイバ５２と、光ファイ
バ５２の先端に固定され、光ファイバ５２からのレーザ
光を加工対象物に集光照射する出射光学系（加工ヘッ
ド）５３とを備えたレーザ加工装置の、レーザ発振器５
１と光ファイバ５２との間に、光ファイバ入射光学系５
４として挿入配置するようにしてもよい。この例では、
図４に示す場合と同様、加工ヘッドの大型化や重量化を
避けることができるという長所がある。ただし、光ファ
イバ５２としては、そのコア径がスポット径ｄ_Lよりも
大きいものを使用しなければならない。なお、光ファイ
バ５２の長さは、ビーム形状の劣化を考慮して、比較的
短め、例えば５ｍ以下であることが望ましい。

【００２８】次に、本発明の第２の実施の形態について
図６を参照して説明する。

【００２９】図６（ａ）及び（ｂ）に示すビームモード
変換光学系は、第１の実施の形態によるビームモード変
換光学系のシリンドリカルレンズ１１に変えて、シリン
ドリカルレンズ６１を有している。このシリンドリカル
レンズ６１は、シリンドリカルレンズ１１の表面形状が
凸であったのに対して、その表面が凹である点で異な
る。

【００３０】本実施の形態によるビームモード変換光学
系の動作も、基本的には、第１の実施の形態によるビー
ムモード変換光学系と同じである。したがって、以下で
は、相違点のみについて説明する。

【００３１】シリンドリカルレンズ６１は、図２（ａ）
に示すように、入射するレーザ光をＸ軸方向に関してそ
の広がり角を大きくするようにレーザ光を変換する。こ
のシリンドリカルレンズ６１も、Ｚ軸方向に移動可能
に、図示しないケースに保持されており、その位置によ
って、広がり角を大きくする度合いを変えることができ
る。

【００３２】コリメートレンズ１２は、図２（ｂ）に示
すように、Ｙ軸方向に関して入射するレーザ光を平行光
に変換するように設計されている。従って、Ｘ軸方向に
関しては、図２（ａ）に示すように、入射するレーザ光
の広がり角がＹ軸方向より大きいので、そこを通過した
レーザ光は、平行光にはならず拡散光となる。

【００３３】フォーカシングレンズ１３は、図２(ｂ)に
示すように、入射レーザ光が平行光の場合に加工対象物
用に焦点を結ぶように設定されている。このため、図２
(ａ)に示すように、入射するレーザ光が、平行光ではな
く拡散光の場合は、加工対象物１５の表面上で焦点を結
ぶことができない。その結果、ビーム形状は、Ｘ軸方向
に平行な長軸を有する楕円となる。

【００３４】以上のようにして、本実施の形態によるビ
ームモード変換光学系も、加工対象物１５の表面に照射
されるレーザ光のビーム形状を、Ｘ方向に長軸をＹ軸方
向に短軸を有する楕円形とすることができる。また、シ
リンドリカルレンズ６１をＺ軸方向に移動させるだけ
で、容易に長径を変化させることができる。

【００３５】本実施の形態によるビームモード変換光学
系も、第１の実施の形態と同様、レーザ発振器、光ファ
イバ、及び出射光学系を備えた加工装置の、出射光学系
として、または、ファイバ入射光学系として使用され
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ加工装置に使用
されるビームモード変換光学系に、レーザ光のビーム形
状を楕円にするとともに、その長径と短径の比率を変更
するビーム形状変更手段を設けたことで、加工形状の変
更が容易となり、かつ加工品質の向上が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるビームモード
変換光学系の構成を示す図であって、（ａ）はＹ方向か
ら見た図、（ｂ）はＸ方向から見た図である。

【図２】図１のビームモード変換光学系の適用例を説明
するための図である。

【図３】図１のビームモード変換光学系を備えたレーザ
加工装置の一例を示す図である。

【図４】図１のビームモード変換光学系を備えたレーザ
加工装置の他の例を示す図である。

【図５】図１のビームモード変換光学系を備えたレーザ
加工装置のさらに別の例を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態によるビームモード
変換光学系の構成を示す図であって、（ａ）はＹ方向か
ら見た図、（ｂ）はＸ方向から見た図である。

【図７】従来の出射光学系（加工ヘッド）の構成を示す
図である。

【符号の説明】

１１シリンドリカルレンズ１２コリメートレンズ１３フォーカシングレンズ１４光ファイバ１５加工対象物２１，２２加工対象物２３突き合わせ線２４レーザ光スポット３１レーザ発振器３２光ファイバ３３出射光学系４１レーザ発振器４２ａ，４２ｂ光ファイバ４３出射光学系４４ファイバ入射光学系５１レーザ発振器５２光ファイバ５３出射光学系５４ファイバ入射光学系６１シリンドリカルレンズ７１コリメートレンズ７２フォーカシングレンズ７３光ファイバ７４加工対象物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器から出射したレーザ光を加
工対象物に照射して加工を行うレーザ加工装置に使用さ
れるビームモード変換光学系であって、前記レーザ光のビーム形状を楕円にするとともに、その
長径と短径の比率を変更するビーム形状変更手段を有す
ることを特徴とするビームモード変換光学系。
【請求項２】前記ビーム形状変更手段が、シリンドリ
カルレンズを含むことを特徴とする請求項１のビームモ
ード変更光学系。
【請求項３】前記ビーム形状変更手段が、前記ビーム
形状の長径と短径の比率変更を変更するために、前記シ
リンドリカルレンズを光軸に沿って移動させる移動手段
を有していることを特徴とする請求項２のビームモード
変換光学系。
【請求項４】入射するレーザ光を平行光にするコリメ
ートレンズと、該コリメートレンズからの平行光を集光
するフォーカシングレンズとを備え、前記コリメートレ
ンズの前段に前記シリンドリカルレンズを設けたことを
特徴とする請求項２または３に記載のビームモード変換
光学系。
【請求項５】前記レーザ発振器から出射したレーザ光
を光ファイバを用いて伝搬させるレーザ加工装置に用い
られ、前記レーザ発振器と前記光ファイバとの間に配置
されることを特徴とする請求項１，２，３、または４の
ビームモード変換光学系。
【請求項６】前記レーザ発振器から出射したレーザ光
を光ファイバを用いて伝搬させるレーザ加工装置に用い
られ、前記光ファイバの途中に配置されていることを特
徴とする請求項１，２，３、または４のビームモード変
換光学系。
【請求項７】前記レーザ発振器から出射したレーザ光
を光ファイバを用いて伝搬させるレーザ加工装置に用い
られ、前記光ファイバの先端に設けられていることを特
徴とする請求項１，２，３、または４のビームモード変
換光学系。