JP2008194751A

JP2008194751A - レーザ加工装置

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Publication number: JP2008194751A
Application number: JP2008006063A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nakamae; 一男仲前; Daiki Moriwaki; 大樹森脇
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: US20080170291A1; JP5169234B2; US7843633B2

Abstract

【課題】ファイバレーザ光源の効果的な保護を達成するための構造を有する小型化可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置(1)は、ファイバレーザ光源(10)、コリメータ(20)、空間フィルタ(30)、光アイソレータ(40)及び集光レンズ(60)を備える。光アイソレータ(40)は、コリメータ(20)からのレーザ光を該レーザ光の入射方向に平行に出射させる一方、集光レンズ(60)からの戻り光を、該戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる。空間フィルタ(30)は、間に集光点を形成するよう配置された一対の集光レンズ(31,32)と、該集光点の位置にピンホールが位置するよう配置されたピンホールマスク(33)を備える。光アイソレータ(40)から出射された戻り光の少なくとも一部は、空間フィルタ(30)のピンホールマスク(33)により遮断される。
【選択図】図１

Description

この発明は、ファイバレーザ光源を含むレーザ加工装置に関するものである。

レーザ加工装置は、加工対象物にレーサ光を照射することにより該対象物を加工する装置である。また、レーザ加工装置の一例として、ファイバレーザ光源を含む装置が知られている。このようなファイバレーザ光源を含むレーザ加工装置では、ファイバレーザ光源から出射されたレーザ光は所定の拡がり角を有するため、該レーザ光は、一旦、コリメータによりビーム径が拡大された平行光になる。このようにコリメータを通過したレーザ光が集光レンズにより対象物へ集光される（レーザ光照射）。

また、コリメータと集光レンズとの間の光路上には、光アイソレータが配置される。光アイソレータは、対象物へのレーザ光照射により生じた反射光（戻り光）がファイバレーザ光源に戻ることを防止するために設けられており、これにより、ファイバレーザ光源の保護が図られている。なお、レーザ加工装置では、ファイバレーザ光源から出射されるレーザ光は無偏光であることから、無偏光型光アイソレータが適用されるのが一般的である。この無偏光型光アイソレータは、コリメータから到達したレーザ光（順方向伝搬光）のうち垂直入射成分を集光レンズへ向けて垂直出射する一方、集光レンズから到達した戻り光（逆方向伝搬光）のうち垂直入射成分をコリメータに向けて所定の出射角度で出射させる。

光アイソレータからコリメータへ伝搬する戻り光の光路（以下、逆方向光路という）は、コリメータから光アイソレータへ伝搬するレーザ光の光路（以下、順方向光路という）と異なる。このことから、コリメータと光アイソレータとの間に十分な間隔が設けられていれば、光アイソレータからコリメータへ向かう戻り光は該コリメータに入射されることはない。このように、従来のレーザ加工装置は、コリメータと光アイソレータとの設置間隔を十分に取ることにより、戻り光がファイバレーザ光源に到達することを防止している（ファイバレーザ光源の保護）。
Electro-Optics Technology, Inc ＷＥＢページ：http://www.eotech.com/techsupport/faraday/notes/faradayrotiso/2operationfara.php

発明者は、上述のような従来のレーザ加工装置について詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、従来のレーザ加工装置に適用される無偏光型光アイソレータにおいて、実際には逆方向光路を伝搬する戻り光の出射全角は２度程度であり、高精度設計された無偏光型光アイソレータでも約１度の出射全角を有する。したがって、無偏光型アイソレータからコリメータへの反射光の入射を防止することでファイバレーザ光源の保護を図るには、該コリメータと光アイソレータとの間の間隔を大きくする必要がある。その結果、レーザ加工装置は大型化する。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、ファイバレーザ光源の効果的な保護を達成するための構造を有する小型化可能なレーザ加工装置を提供することを目的としている。

この発明に係るレーザ加工装置は、ファイバレーザ光源と、コリメータと、第1集光レンズと、光アイソレータと、空間フィルタを備える。ファイバレーザ光源は、レーザ光を出射する。コリメータは、ファイバレーザ光源から出射されたレーザ光を、所定のビーム径まで拡大した状態で平行光にする。第1集光レンズは、コリメータから出射されたレーザ光を、加工対象物に集光する（レーザ照射）。光アイソレータは、コリメータと第１集光レンズとの間の光路上に配置される。また、光アイソレータは、コリメータ側から到達してきた順方向伝搬光としてのレーザ光を該レーザ光の入射方向に対して平行に出射させる一方、第１集光レンズ側から到達してきた逆方向伝搬光としての戻り光を該戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる。空間フィルタは、コリメータと光アイソレータとの間の光路上に配置される。この空間フィルタは、コリメータからのレーザ光を一旦集光する第２集光レンズと、該第２集光レンズを通過したレーザ光の集光点よりも該光アイソレータ側に配置された、該第２集光レンズにより集光されたレーザ光を平行光にする第３集光レンズと、これら第２及び第３集光レンズの間に形成されるレーザ光の集光点にピンホールが位置するよう配置されたピンホールマスクを含む。

なお、光アイソレータは、１対の楔の形状をした複屈折板と、この１対の楔の形状をした複屈折板の間に設けられたファラデーローテータとを含むのが好ましい。

この発明に係るレーザ加工装置では、ファイバレーザ光源から出射されたレーザ光は、コリメータにより所定のビーム径に拡大された平行光になる。コリメータから出射されたレーザ光は、順方向光路（コリメータ、光アイソレータ、第１集光レンズの順に伝搬するレーザ光の光路）に沿って空間フィルタ及び光アイソレータを経て、第1集光レンズにより集光される。その集光されたレーザ光が対象物に照射されると、対象物から反射光（戻り光）が生じる。その戻り光は、第1集光レンズにより平行光にされた後、光アイソレータから順方向光路と異なる逆方向光路（第１集光レンズ、光アイソレータ、コリメータの順に伝搬する戻り光の光路）に沿って空間フィルタに到達する。そのため、空間フィルタに所定角度で入射された戻り光の少なくとも一部はピンホールマスクより遮断される。この構成により、光アイソレータからコリメータを介してファイバレーザ光源に到達する戻り光は大幅に低減される。

なお、平行平板型光アイソレータの場合、出射光が平行光になるため、該光アイソレータで位置ずれする光領域よりもピンホール（アパーチャ）の径が小さいのが好ましい。空間フィルタの本来の機能は、中心付近のノイズを除去することで、この発明では、そのことが目的でない。レーザ分野では、中心付近のノイズはあまり問題にされていない。平行光の場合、レンズで集光してしまえばピンホールに入ってしまうが、レンズの開口径を制限すれば入らなくなるので平行平板型光アイソレータも適用可能である。

また、１対の楔の形状をした複屈折板及びファラデーローテータを含む光アイソレータの場合、光アイソレータからの出射光は元の位置（光路）からずれるだけでなく、角度もずれる。そのため、空間フィルタに利用している集光レンズの焦点位置が角度のズレも付加されてさらにずれ、ピンホールマスクのピンホール周辺で遮断され易くなる。集光レンズの結合効率は、入射ビームの位置ズレよりも、角度ずれによる影響のほうが大きい。集光レンズを２つ使う空間フィルタは、その効果がさらに増大する。

上述の構成を備えたレーザ加工装置において、光アイソレータは、該光アイソレータから第1集光レンズへ向かうレーザ光の順方向光路に沿って逆方向に伝搬してきた戻り光を、該戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる。この場合、光アイソレータからコリメータへ向けて出射された戻り光の逆方向光路は、コリメータから該光アイソレータへ向かうレーザ光の順方向光路に対して所定の角度をなすことになる。空間フィルタは、このようにコリメータから光アイソレータへ向かうレーザ光の順方向光路に対して所定角度で入射してきた戻り光の遮断に対して有効ではある。しかしながら、第１集光レンズから光アイソレータへ向かう戻り光のうち、該光アイソレータから第1集光レンズに向けて出射されたレーザ光の順方向光路に対して所定角度で該光アイソレータに入射された戻り光成分の中には、コリメータから光アイソレータへ向かうレーザ光の順方向光路に沿って逆方向に伝搬する成分がある。空間フィルタは、このような戻り光成分（垂直入射成分）を遮断することはできない。そこで、この発明に係るレーザ加工装置は、上述のような構造を有する空間フィルタに代え、光アイソレータと第１集光レンズとの間に配置された、該光アイソレータから該第１集光レンズへ向かうレーザ光のビーム経を拡大するビームエキスパンダを備えてもよい。このビームエキスパンダは、該光アイソレータからのレーザ光を一旦集光する第４集光レンズと、該第４集光レンズを通過したレーザ光の集光点よりも第１集光レンズ側に配置された、該第４集光レンズにより集光されたレーザ光を平行光にする第５集光レンズと、これら第４及び第５集光レンズの間に形成される集光点にピンホールが位置するよう配置されたピンホールマスクを含む。

すなわち、光アイソレータと第1集光レンズとの間に配置されたビームエキスパンダにより、コリメータから光アイソレータへ向かうレーザ光の順方向光路に沿って逆方向に伝搬する戻り光が予め遮断される。また、光アイソレータ自身、該光アイソレータから第1集光レンズへ向かうレーザ光の順方向光路に沿って逆方向に伝搬してきた戻り光を、該戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる。この構成によっても、光アイソレータからコリメータを介してファイバレーザ光源に到達する戻り光は大幅に低減される。

さらに、この発明に係るレーザ加工装置は、コリメータと光アイソレータとの間に配置された空間フィルタと、光アイソレータと第1集光レンズとの間に配置されたビームエキスパンダの両方を備えてもよい。この場合、光アイソレータと第1集光レンズとの間に配置されたビームエキスパンダにより、コリメータから光アイソレータへ向かうレーザ光の順方向光路に沿って逆方向に伝搬する戻り光が予め遮断される。また、光アイソレータからコリメータに向けて出射された戻り光であっても、コリメータから光アイソレータへ向かうレーザ光の順方向光路に対して所定角度をなす逆方向光路を伝搬するため、コリメータと光アイソレータとの間に配置された空間フィルタにより遮断される。この構成によれば、光アイソレータからコリメータを介してファイバレーザ光源に到達する戻り光のほとんどが遮断される。

この本発明に係るレーザ加工装置は、加工対象物からの戻り光を効果的に遮断する構造を備えることにより、ファイバレーザ光源の保護を可能にするとともに、装置サイズの小型化も可能にする。

以下、この発明に係るレーザ加工装置の各実施形態を、図１〜図７を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一部材には同一符号を付して重複する説明を省略する。

（第1実施形態）
図１は、この発明に係るレーザ加工装置の第1実施形態の構成を示す図である。図１に示されたように、第1実施形態に係るレーザ加工装置１は、対象物９（加工対象物）に対して集光されたレーザ光を照射することにより該対象物９を加工する装置であって、ファイバレーザ光源１０、コリメータ２０、空間フィルタ３０、光アイソレータ４０、ミラー５０、及び集光レンズ６０（第１集光レンズ）を備える。

ファイバレーザ光源１０は、光増幅媒体として増幅用光ファイバ（例えばＹｂ元素がコア領域に添加された石英系光ファイバ）を含み、増幅用光ファイバに励起光が供給されることで、この増幅用光ファイバにおいてレーザ光が発生する。増幅用ファイバ内で発生したレーザ光は、コリメータ２０へ向かって光ファイバ１１を伝搬する。光ファイバ１１は、増幅用光ファイバであってもよいし、増幅用光ファイバに接続された他の光ファイバであってもよい。

コリメータ２０は、ファイバレーザ光源１０から出射されたレーザ光を、所定のビーム径を拡大した状態で平行光にする。その後、されたレーザ光は、空間フィルタ３０へ出射される。

空間フィルタ３０は、コリメータ２０と光アイソレータ４０との間の光路上に配置されている。空間フィルタ３０は、コリメータ２０側から到達したレーザ光を一旦集光した後、光アイソレータ４０へ出射する。空間フィルタ３０は、集光レンズ３１（第２集光レンズ）、集光レンズ３２（第３集光レンズ）及びピンホールマスク３３を含む。ピンホールマスク３３は、アパーチャ３３ａ（ピンホール）を有する。集光レンズ３１とピンホールマスク３３との間の距離は、集光レンズ３１の焦点距離に等しい。集光レンズ３２とピンホールマスク３３との間の距離は、集光レンズ３２の焦点距離に等しい。ピンホールマスク３３のアパーチャ３３ａは、集光レンズ３１、３２それぞれの焦点位置にある。

光アイソレータ４０は、無偏光型アイソレータであって、空間フィルタ３０を通過したレーザ光をミラー５０へ出射する一方、ミラー５０からの戻り光を入射方向とは異なる角度で空間フィルタ３０へ出射する。すなわち、光アイソレータ４０は、コリメータ２０側から到達してきた順方向伝搬光としてのレーザ光を該レーザ光の入射方向に対して平行に出射させる一方、集光レンズ６０側から到達してきた逆方向伝搬光としての戻り光を該戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる。換言すれば、光アイソレータ４０は、該光アイソレータ４０から集光レンズ６０へ向かうレーザ光の順方向光路に沿って逆方向に伝搬してきた戻り光を、該戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる。この場合、光アイソレータ４０からコリメータ２０へ向けて出射された戻り光の順方向光路は、コリメータ２０から該光アイソレータ４０へ向かうレーザ光の順方向光路に対して所定の角度をなすことになる。

ミラー５０は、光アイソレータ４０から到達してきたレーザ光を集光レンズ６０へ向けて反射する。集光レンズ６０は、ミラー５０から到達してきたレーザ光を対象物９に向けて集光する（レーザ照射）。なお、ミラー５０は、その反射面の方位を変更することが可能であり、これによりミラー５０を経たレーザ光が集光照射される対象物９上の位置を変更することができる。

この第１実施形態に係るレーザ加工装置１の具体的な構成例は、以下のとおりである。ファイバレーザ光源１０は、１０Ｗ／５ｋＷのパルスレーザ光を出射する。コリメータ２０は、ビーム径１.６ｍｍ（１／ｅ^２）のレーザ光を平行光にする。光アイソレータ４０とコリメータ２０との間の間隔は約２５０ｍｍである。集光レンズ３１、３２それぞれは、焦点距離１００ｍｍの平凸レンズであり、２００ｍｍだけ互いに隔てて配置される。集光レンズ３１と集光レンズ３２との間の中央に配置されたピンホールマスク３３には、直径１００μｍのアパーチャ３３ａが形成されている。

図２は、光アイソレータ４０の構造及び機能を説明するための図である。光アイソレータ４０は、１対の楔の形状をした複屈折板４１、４２、及び、該１対の楔の形状をした複屈折板４１、４２の間に設けられたファラデーローテータ４３を含む。

空間フィルタ３０から順方向光路Ｐ_１（コリメータ２０から光アイソレータ４０へ向かうレーザ光の伝搬光路）に沿って光アイソレータ４０に入射された光は、複屈折板４１、ファラデーローテータ４３及び複屈折板４２を順に経て、光アイソレータ４０からミラー５０へ出射される。その出射光は、光路Ｐ_２（光アイソレータ４０から集光レンズ６０へ向かうレーザ光の伝搬光路）に沿って伝搬し、ミラー５０により反射された後、集光レンズ６０により集光される。

逆に、ミラー５０から光路Ｐ_２に沿って逆方向に伝搬し、光アイソレータ４０に到達した戻り光は、複屈折板４２、ファラデーローテータ４３及び複屈折板４１を順に経て、光アイソレータ４０から空間フィルタ３０へ出射される。その出射光は、逆方向光路Ｐ_３に（光アイソレータ４０からコリメータ２０へ向かうレーザ光の順方向光路Ｐ_１に対して所定角度をなす光路）沿って伝搬し、空間フィルタ３０に入射される。

このように、無偏光型光アイソレータ４０では、光アイソレータ４０から空間フィルタ３０へ向かう戻り光の逆方向光路Ｐ_３は、空間フィルタ３０から光アイソレータ４０へ向かうレーザ光の順方向光路Ｐ_１と所定の角度をなす。市販されている無偏光型光アイソレータでは、一般に逆方向光路Ｐ_３の広がり角は２度程度、高精度設計された光アイソレータでも１度程度である。

図３は、空間フィルタ３０の機能を説明するための図である。この図中に一点鎖線で示された、コリメータ２０から空間フィルタ３０へ向かって順方向光路Ｐ_１に沿って伝搬してきたレーザ光は、集光ンズ３１によりピンホールマスク３３のアパーチャ３３ａの位置に集光される。その後、レーザ光は、集光レンズ３２により平行光になり、順方向光路Ｐ_１に沿って光アイソレータ４０に向かって伝搬する。

一方、二点鎖線で示された、光アイソレータ４０からコリメータ２０へ向かって逆方向光路Ｐ_３に沿って伝搬してきた戻り光は、該逆方向光路Ｐ_３が順方向光路Ｐ_１と異なっていることから、集光レンズ３２によりピンホールマスク３３のアパーチャ３３ａ以外の位置に集光される。これにより、逆方向光路Ｐ_３に沿って伝搬してきた戻り光はピンホールマスク３３により遮断される。

以上のように構成された、第１実施形態に係るレーザ加工装置１では、ファイバレーザ光源１０から出射されたレーザ光は、コリメータ２０により所定のビーム径に拡大された平行光になる。コリメータ２０から出射されたレーザ光は、順方向光路Ｐ_１に沿って伝搬し、空間フィルタ３０に到達する。空間フィルタ３０に到達したレーザ光は、集光レンズ３１で一旦集光された後、ピンホールマスク３３のアパーチャ３３ａを通過し、再度集光レンズ３２により所定ビーム径まで拡大された平行光になる。さらに、空間フィルタ３０を通過したレーザ光は、光アイソレータ４０を経て、ミラー５０により反射される。この反射されたレーザ光が集光レンズ６０により集光される。集光されたレーザ光が対象物９に照射されると、該対象物９から反射光（戻り光）が生じる。

対象物９からの反射光（戻り光）は、集光レンズ６０により平行光になり、ミラー５０を経て光アイソレータ４０に到達する。光路Ｐ_２に沿って逆方向に光アイソレータ４０に入射された反射光は、光アイソレータ４０から順方向光路Ｐ_１と異なる逆方向光路Ｐ_３に沿って空間フィルタ３０に入射される。この空間フィルタ３０に入射された反射光は、集光レンズ３２によりピンホールマスク３３のアパーチャ３３ａから外れた位置に集光される。これにより、反射光の一部はピンホールマスク３３により遮断される。

以上のように、第１実施形態に係るレーザ加工装置１は、コリメータ２０と光アイソレータ４０との間に設けられた空間フィルタ３０により、コリメータ２０と光アイソレータ４０との間の間隔を小さくしても、対象物９で生じた反射光の一部を空間フィルタ３０により遮断することができる。したがって、ファイバレーザ光源１０の保護を図ることができる。また、コリメータ２０と光アイソレータ４０との間の間隔を小さくすることができるので、このレーザ加工装置１は小型化が可能である。

（第2実施形態）
上述の第１実施形態に係るレーザ加工装置１において、光アイソレータ４０は、該光アイソレータ４０から集光レンズ６０へ向かうレーザ光の光路Ｐ_２に沿って逆方向に伝搬してきた反射光（戻り光）を、該反射光の入射方向に対して所定角度で出射させる。空間フィルタ３０は、このように順方向光路Ｐ_１とは異なる逆方向光路Ｐ_３に沿って伝搬する反射光の遮断に対して有効ではある。これは、図４（ａ）に示されたように、垂直入射される光に対して、直径３ｍｍ程度の開口を有する光アイソレータ４０の出射全角が約１度〜２度程度あるからである。しかしながら、図４（ｂ）に示されたように、集光レンズ６０から光アイソレータ４０へ向かう反射光のうち、光路Ｐ_２に対して例えば約０．５度の角度で光アイソレータ４０へ入射された反射光成分の中には、順方向光路Ｐ_１に沿って逆方向に伝搬する成分がある。空間フィルタ３０は、このような反射光成分（垂直入射成分）を遮断することはできない。そこで、この発明に係るレーザ加工装置の第２実施形態は、第１実施形態における空間フィルタ３０に代え、光アイソレータ４０と集光レンズ６０との間に配置された、光アイソレータ４０から集光レンズ６０へ向かうレーザ光のビーム経を拡大するビームエキスパンダ７０を備える。

図５は、この発明に係るレーザ加工装置の第２実施形態の構成を示す図である。第２実施形態に係るレーザ加工装置２は、図５に示されたように、対象物９に対して集光されたレーザ光を照射することにより該対象物９を加工する装置であって、ファイバレーザ光源１０、コリメータ２０、光アイソレータ４０、ビームエキスパンダ７０、ミラー５０、及び集光レンズ６０（第１集光レンズ）を備える。

コリメータ２０は、ファイバレーザ光源１０から出射されたレーザ光を、所定のビーム径を拡大した状態で平行光にする。その後、レーザ光は、光アイソレータ４０へ出射される。

光アイソレータ４０は、図２の構造を有する無偏光型アイソレータであって、コリメータ２０から出射されたレーザ光をビームエキスパンダ７０へ出射する一方、ビームエキスパンダ７０からの戻り光を入射方向とは異なる角度でコリメータ２０へ出射する。すなわち、光アイソレータ４０は、コリメータ２０側から到達してきた順方向伝搬光としてのレーザ光を該レーザ光の入射方向に対して平行に出射させる一方、集光レンズ６０側から到達してきた逆方向伝搬光としての戻り光を該戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる。換言すれば、光アイソレータ４０は、該光アイソレータ４０から集光レンズ６０へ向かうレーザ光の順方向光路に沿って逆方向に伝搬してきた戻り光を、該戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる。この場合、光アイソレータ４０からコリメータ２０へ向けて出射された戻り光の順方向光路は、コリメータ２０から該光アイソレータ４０へ向かうレーザ光の順方向光路に対して所定の角度をなすことになる。

ビームエキスパンダ７０は、光アイソレータ４０と集光レンズ６０との間の光路上に配置されている。ビームエキスパンダ７０は、光アイソレータ４０側から到達したレーザ光を一旦集光した後、集光レンズ６０へ出射する。ビームエキスパンダ７０は、集光レンズ７１（第４集光レンズ）、集光レンズ７２（第５集光レンズ）及びピンホールマスク７３を含む。ピンホールマスク７３は、アパーチャ７３ａ（ピンホール）を有する。集光レンズ７１とピンホールマスク７３との間の距離は、集光レンズ７１の焦点距離に等しい。集光レンズ７２とピンホールマスク７３との間の距離は、集光レンズ７２の焦点距離に等しい。ピンホールマスク７３のアパーチャ７３ａは、集光レンズ７１、７２それぞれの焦点位置にある。

ミラー５０は、ビームエキスパンダ７０から到達してきたレーザ光を集光レンズ６０へ向けて反射する。集光レンズ６０は、ミラー５０から到達してきたレーザ光を対象物９に向けて集光する（レーザ照射）。なお、ミラー５０は、その反射面の方位を変更することが可能であり、これによりミラー５０を経たレーザ光が集光照射される対象物９上の位置を変更することができる。

この第２実施形態に係るレーザ加工装置２の具体的な構成例は、以下のとおりである。ファイバレーザ光源１０は、１０Ｗ／５ｋＷのパルスレーザ光を出射する。コリメータ２０は、ビーム径１.６ｍｍ（１／ｅ^２）のレーザ光を平行光にする。光アイソレータ４０とコリメータ２０との間の間隔は約２５０ｍｍである。集光レンズ７１は、焦点距離１００ｍｍの平凸レンズであり、集光レンズ７２は、焦点距離２００ｍｍの平凸レンズであり、これら集光レンズ７１、７２は３００ｍｍだけ互いに隔てて配置される。集光レンズ７１と集光レンズ７２との間に形成される集光点に配置されたピンホールマスク７３には、直径１００μｍのアパーチャ７３ａが形成されている。

なお、光アイソレータ４０は、図２に示された構造を有しており、また、図４（ａ）及び４（ｂ）に示されたように、第１実施形態と同様に動作する。

図６は、ビームエキスパンダ７０の機能を説明するための図である。この図中に一点鎖線で示された、光アイソレータ４０からビームエキスパンダ７０へ向かって伝搬してきたレーザ光は、集光ンズ７１によりピンホールマスク７３のアパーチャ７３ａの位置に集光される。その後、レーザ光は、集光レンズ７２により当該ビームエキスパンダ７０への入射ビーム径よりも拡大されたビーム径まで拡大された状態で平行光になり、集光レンズ６０に向かって伝搬する。

一方、実線で示された、集光レンズ６０から光アイソレータ４０へ向かって逆方向に伝搬してきた戻り光のうち、レーザ光の順方向光路に対して例えば０．５程度の角度で入射された戻り光は、集光レンズ７２によりピンホールマスク７３のアパーチャ７３ａ以外の位置に集光される。これにより、当該ビームエキスパンダ７０から出射されるレーザ光の順方向光路に対して所定角度をなす光路に沿って逆方向に伝搬してきた戻り光はピンホールマスク７３により遮断される。

以上のように構成された、第２実施形態に係るレーザ加工装置２では、ファイバレーザ光源１０から出射されたレーザ光は、コリメータ２０により所定のビーム径に拡大された平行光になる。コリメータ２０から出射されたレーザ光は、光アイソレータ４０を通過した後、ビームエキスパンダ７０に到達する。ビームエキスパンダ７０に到達したレーザ光は、集光レンズ７１で一旦集光された後、ピンホールマスク７３のアパーチャ７３ａを通過し、再度集光レンズ７２により所定ビーム径まで拡大された平行光になる。さらに、ビームエキスパンダ７０を通過したレーザ光は、ミラー５０により反射される。この反射されたレーザ光が集光レンズ６０により集光される。集光されたレーザ光が対象物９に照射されると、該対象物９から反射光（戻り光）が生じる。

対象物９からの反射光（戻り光）は、集光レンズ６０により平行光になり、ミラー５０を経てビームエキスパンダ７０に到達する。ビームエキスパンダ７０により、ミラー５０から到達した反射光のうち光アイソレータ４０から出射されたレーザ光の順方向光路に沿って逆方向に伝搬する成分のみが光アイソレータ４０に到達する。すなわち、所定角度で入射された反射光の一部は、集光レンズ７２によりピンホールマスク７３のアパーチャ７３ａから外れた位置に集光される。これにより、反射光の一部はピンホールマスク７３により遮断される（図６参照）。そして、光アイソレータ４０に入射された反射光は、図４（ａ）に示されたように、コリメータ２０から光アイソレータ４０へ向かうレーザ光の順方向光路に対して所定角度をなす光路を伝搬することになる。この場合、コリメータ２０と光アイソレータ４０との間隔がある程度確保されていれば、光アイソレータ４０からの反射光がコリメータ２０へ入射される可能性が十分に低くなる。

以上のように、この第２実施形態に係るレーザ加工装置２によっても、光アイソレータ４０からコリメータ２０を介してファイバレーザ光源１０に到達する反射光は大幅に低減される。

（第3実施形態）
さらに、この発明に係るレーザ加工装置の第３実施形態は、上述の第１及び第２実施形態の両方の特徴を備える。すなわち、図７は、この発明に係るレーザ加工装置の第３実施形態の構成を示す図である。

第３実施形態に係るレーザ加工装置３は、図７に示されたように、対象物９に対して集光されたレーザ光を照射することにより該対象物９を加工する装置であって、ファイバレーザ光源１０、コリメータ２０、空間フィルタ３０、光アイソレータ４０、ビームエキスパンダ７０、ミラー５０、及び集光レンズ６０（第１集光レンズ）を備える。

空間フィルタ３０は、図３に示されたように、コリメータ２０と光アイソレータ４０との間の光路上に配置されている。空間フィルタ３０は、コリメータ２０側から到達したレーザ光を一旦集光した後、光アイソレータ４０へ出射する。空間フィルタ３０は、集光レンズ３１（第２集光レンズ）、集光レンズ３２（第３集光レンズ）及びピンホールマスク３３を含む。ピンホールマスク３３は、アパーチャ３３ａ（ピンホール）を有する。集光レンズ３１とピンホールマスク３３との間の距離は、集光レンズ３１の焦点距離に等しい。集光レンズ３２とピンホールマスク３３との間の距離は、集光レンズ３２の焦点距離に等しい。ピンホールマスク３３のアパーチャ３３ａは、集光レンズ３１、３２それぞれの焦点位置にある。

光アイソレータ４０は、図２の構造を有する無偏光型アイソレータであって、空間フィルタ３０から出射されたレーザ光をビームエキスパンダ７０へ出射する一方、ビームエキスパンダ７０からの戻り光を入射方向とは異なる角度で区間フィルタ３０へ出射する。すなわち、光アイソレータ４０は、コリメータ２０側から到達してきた順方向伝搬光としてのレーザ光を該レーザ光の入射方向に対して平行に出射させる一方、集光レンズ６０側から到達してきた逆方向伝搬光としての戻り光を該戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる。換言すれば、光アイソレータ４０は、該光アイソレータ４０から集光レンズ６０へ向かうレーザ光の順方向光路に沿って逆方向に伝搬してきた戻り光を、該戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる。この場合、光アイソレータ４０からコリメータ２０へ向けて出射された戻り光の順方向光路は、コリメータ２０から該光アイソレータ４０へ向かうレーザ光の順方向光路に対して所定の角度をなすことになる。

この第３実施形態に係るレーザ加工装置３の具体的な構成例は、以下のとおりである。ファイバレーザ光源１０は、１０Ｗ／５ｋＷのパルスレーザ光を出射する。コリメータ２０は、ビーム径１.６ｍｍ（１／ｅ^２）のレーザ光を平行光にする。光アイソレータ４０とコリメータ２０との間の間隔は約２５０ｍｍである。また、空間フィルタ３０において、集光レンズ７１は、焦点距離１００ｍｍの平凸レンズであり、集光レンズ７２は、焦点距離２００ｍｍの平凸レンズであり、これら集光レンズ７１、７２は３００ｍｍだけ互いに隔てて配置される。集光レンズ７１と集光レンズ７２との間に形成される集光点に配置されたピンホールマスク７３には、直径１００μｍのアパーチャ７３ａが形成されている。また、ビームエキスパンダ７０において、集光レンズ７１は、焦点距離１００ｍｍの平凸レンズであり、集光レンズ７２は、焦点距離２００ｍｍの平凸レンズであり、これら集光レンズ７１、７２は３００ｍｍだけ互いに隔てて配置される。集光レンズ７１と集光レンズ７２との間に形成される集光点に配置されたピンホールマスク７３には、直径１００μｍのアパーチャ７３ａが形成されている。

なお、光アイソレータ４０は、図２に示された構造を有しており、また、図４（ａ）及び４（ｂ）に示されたように、第１及び第２実施形態と同様に動作する。

空間フィルタ３０は、図３に示されたように機能する。すなわち、この図中に一点鎖線で示された、コリメータ２０から空間フィルタ３０へ向かって順方向光路Ｐ_１に沿って伝搬してきたレーザ光は、集光ンズ３１によりピンホールマスク３３のアパーチャ３３ａの位置に集光される。その後、レーザ光は、集光レンズ３２により平行光になり、順方向光路Ｐ_１に沿って光アイソレータ４０に向かって伝搬する。

また、ビームエキスパンダ７０は、図６に示されたように機能する。すなわち、この図中に一点鎖線で示された、光アイソレータ４０からビームエキスパンダ７０へ向かって伝搬してきたレーザ光は、集光ンズ７１によりピンホールマスク７３のアパーチャ７３ａの位置に集光される。その後、レーザ光は、集光レンズ７２により当該ビームエキスパンダ７０への入射ビーム径よりも拡大されたビーム径まで拡大された状態で平行光になり、集光レンズ６０に向かって伝搬する。

以上のように構成された、第３実施形態に係るレーザ加工装置３では、ファイバレーザ光源１０から出射されたレーザ光は、コリメータ２０により所定のビーム径に拡大された平行光になる。コリメータ２０から出射されたレーザ光は、空間フィルタ３０へ到達する。空間フィルタ３０において、レーザ光は、集光レンズ３１で一旦集光された後、ピンホールマスク３３のアパーチャ３３ａを通過し、再度集光レンズ３２により所定ビーム径まで拡大された平行光になる。この空間フィルタ３０を通過したレーザ光が光アイソレータ４０通過した後、ビームエキスパンダ７０に到達する。ビームエキスパンダ７０に到達したレーザ光は、集光レンズ７１で一旦集光された後、ピンホールマスク７３のアパーチャ７３ａを通過し、再度集光レンズ７２により所定ビーム径まで拡大された平行光になる。さらに、ビームエキスパンダ７０を通過したレーザ光は、ミラー５０により反射される。この反射されたレーザ光が集光レンズ６０により集光される。集光されたレーザ光が対象物９に照射されると、該対象物９から反射光（戻り光）が生じる。

対象物９からの反射光（戻り光）は、集光レンズ６０により平行光になり、ミラー５０を経てビームエキスパンダ７０に到達する。ビームエキスパンダ７０により、ミラー５０から到達した反射光のうち光アイソレータ４０から出射されたレーザ光の順方向光路に沿って逆方向に伝搬する成分のみが光アイソレータ４０に到達する。すなわち、所定角度で入射された反射光の一部は、集光レンズ７２によりピンホールマスク７３のアパーチャ７３ａから外れた位置に集光される。これにより、反射光の一部はピンホールマスク７３により遮断される（図６参照）。そして、光アイソレータ４０に入射された反射光は、図４（ａ）に示されたように、コリメータ２０から光アイソレータ４０へ向かうレーザ光の順方向光路に対して所定角度をなす光路を伝搬することになる。このように所定の入射角度で空間フィルタ３０に入射された反射光は、集光レンズ３２によりピンホールマスク３３のアパーチャ３３ａから外れた位置に集光される。これにより、反射光の一部はピンホールマスク３３により遮断される。

以上のように、この第３実施形態に係るレーザ加工装置３によれば、光アイソレータ４０と集光レンズ６０との間に配置されたビームエキスパンダ７０と、コリメータ２０と光アイソレータ４０との間に配置された空間フィルタ３０の双方の機能により、最終的にコリメータ２０へ到達する対象物９からの反射光のほとんどを遮断することが可能になる。

この発明に係るレーザ加工装置の第1実施形態の構成を示す図である。光アイソレータの構造及び機能を説明するための図である。空間フィルタの機能を説明するための図である。第1実施形態に係るレーザ加工装置の課題を説明するための図である。この発明に係るレーザ加工装置の第２実施形態の構成を示す図である。ビームエキスパンダの機能を説明するための図である。この発明に係るレーザ加工装置の第３実施形態の構成を示す図である。

符号の説明

１…レーザ加工装置、９…対象物（加工対象物）、１０…ファイバレーザ光源、１１…光ファイバ、２０…コリメータ、３０…空間フィルタ、３１、３２、７１、７２…平凸レンズ、３３、７３…ピンホールマスク、３３ａ、７３ａ…アパーチャ（ピンホール）、４０…光アイソレータ、４１、４２…楔型の複屈折板、４３…ファラデーローテータ、５０…ミラー、６０…集光レンズ、７０…ビームエキスパンダ。

Claims

レーザ光を出射するファイバレーザ光源と、
前記ファイバレーザ光源から出射されたレーザ光を、所定のビーム径まで拡大した状態で平行光にするコリメータと、
前記コリメータから出射されたレーザ光を加工対象の所定部位に集光する第１集光レンズと、
前記コリメータと前記第１集光レンズとの間の光路上に配置された光アイソレータであって、前記コリメータ側から到達してきた順方向伝搬光としてのレーザ光を前記レーザ光の入射方向に対して平行に出射させる一方、前記第１集光レンズ側から到達してきた逆方向伝搬光としての戻り光を前記戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる光アイソレータと、そして、
前記コリメータと前記光アイソレータとの間の光路上に配置された空間フィルタであって、前記コリメータからのレーザ光を集光する第２集光レンズと、前記第２集光レンズを通過したレーザ光の集光点よりも前記光アイソレータ側に配置された、前記第２集光レンズにより集光されたレーザ光を平行光にする第３集光レンズと、前記第２及び第３集光レンズの間に形成されるレーザ光の集光点にピンホールが位置するよう配置されたピンホールマスクを含む空間フィルタとを備えたレーザ加工装置。
前記光アイソレータと前記第１集光レンズとの間に配置された、前記光アイソレータから前記第１集光レンズへ向かうレーザ光のビーム経を拡大するビームエキスパンダであって、前記光アイソレータからのレーザ光を集光する第４集光レンズと、前記第４集光レンズを通過したレーザ光の集光点よりも前記第１集光レンズ側に配置された、前記第４集光レンズにより集光されたレーザ光を平行光にする第５集光レンズと、前記第４及び第５集光レンズの間に形成されるレーザ光の集光点にピンホールが位置するよう配置されたピンホールマスクを含むビームエキスパンダを備えた請求項１記載のレーザ加工装置。
レーザ光を出射するファイバレーザ光源と、
前記ファイバレーザ光源から出射されたレーザ光を、所定のビーム径まで拡大した状態で平行光にするコリメータと、
前記コリメータから出射されたレーザ光を加工対象の所定部位に集光する第１集光レンズと、
前記コリメータと前記第１集光レンズとの間の光路上に配置された光アイソレータであって、前記コリメータ側から到達してきた順方向伝搬光としてのレーザ光を前記レーザ光の入射方向に対して平行に出射させる一方、前記第１集光レンズ側から到達してきた逆方向伝搬光としての戻り光を前記戻り光の入射方向に対して所定角度で出射させる光アイソレータと、そして、
前記光アイソレータと前記第１集光レンズとの間に配置された、前記光アイソレータから前記第１集光レンズへ向かうレーザ光のビーム経を拡大するビームエキスパンダであって、前記光アイソレータからのレーザ光を集光する第４集光レンズと、前記第４集光レンズを通過したレーザ光の集光点よりも前記第１集光レンズ側に配置された、前記第４集光レンズにより集光されたレーザ光を平行光にする第５集光レンズと、前記第４及び第５集光レンズの間に形成されるレーザ光の集光点にピンホールが位置するよう配置されたピンホールマスクを含むビームエキスパンダとを備えたレーザ加工装置。
前記光アイソレータは、１対の楔の形状をした複屈折板と、前記１対の楔の形状をした複屈折板の間に設けられたファラデーローテータとを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ加工装置。