JP2008211084A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色収差が補正された集束光学系を有するレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】希土類元素が添加されたコア部と前記コア部を囲むクラッド部とを有するファイバと、前記ファイバの端面において、前記コア部と前記クラッド部とに融着された第１の端面を有するキャップ部と、前記希土類元素を励起する励起光を放射する励起光源と、前記励起光及び励起された前記希土類元素から放射されたレーザ光を、前記コア部の中心を通る光軸上の結像点に集光する集光レンズと、を備え、前記レーザ光の結像点は前記第１の端面の位置とし、前記励起光の結像点は前記第１の端面とは反対側の前記キャップ部の端面の位置としたことを特徴とするレーザ加工装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

レーザ加工装置にファイバレーザ装置を用いることにより、波長が１μｍ及び２μｍ帯の高出力レーザ光による加工が可能となる。この場合、光ファイバの石英コアにはＴｍ（ツリウム）及びＹｂ（イットリビウム）などの希土類元素が添加され、波長が０．８〜１．１μｍの励起光により活性化された状態において、１μｍ及び２μｍ帯のレーザ光が誘導放出される。

ファイバレーザ装置を備えたレーザ加工装置において、効率よく励起を行うには平行光である励起光をファイバに集光し、使いやすいためにはファイバレーザ装置からのレーザ光を同一の集束光学系により平行光とする必要がある。

しかし、波長が異なる励起光及びレーザ光に対しては光学部品材料の屈折率が異なる。屈折率の波長依存性により生じる収差を「色収差」というが、ファイバレーザ装置においては、集束光学系における色収差を補正し、ファイバ加工に適したビーム品質を得ることが重要である。

レーザ光のビーム品質を最大限に保存したままでの光ファイバによる伝送が可能な、光伝送装置と、それを用いたレーザ光発生・伝送装置及びレーザ加工装置に関する技術開示例がある（特許文献１）。
特開２００３−７８１９０号公報

本発明は、色収差が補正された集束光学系を有するレーザ加工装置を提供する。

本発明の一態様によれば、希土類元素が添加されたコア部と前記コア部を囲むクラッド部とを有するファイバと、前記ファイバの端面において、前記コア部と前記クラッド部とに融着された第１の端面を有するキャップ部と、前記希土類元素を励起する励起光を放射する励起光源と、前記励起光及び励起された前記希土類元素から放射されたレーザ光を、前記コア部の中心を通る光軸上の結像点に集光する集光レンズと、を備え、前記レーザ光の結像点は前記第１の端面の位置とし、前記励起光の結像点は前記第１の端面とは反対側の前記キャップ部の端面の位置としたことを特徴とするレーザ加工装置が提供される。

本発明により、色収差が補正された集束光学系を有するレーザ加工装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を構成するファイバレーザ装置を表し、同図（ａ）はその集束光学系、同図（ｂ）はＡ−Ａ線に沿ったファイバの模式断面図である。
光ファイバ増幅媒体（以下、ファイバ２８と言う）は、合成石英などからなるキャップ部２６の第１の端面Ｐ１と融着されている。図示していない半導体レーザ光は伝送用ファイバで伝送され、コリメートレンズにより平行光とされ、ダイクロイックミラー３２を介して集光レンズ３０に入射する。集光レンズ３０により、伝送用ファイバの端面が所定の倍率でキャップ部２６の第２の端面Ｐ２に結像される。

ファイバ２８は図１（ｂ）に例示される断面を有しており、希土類元素が添加されたコア部２０，コア部２０を囲み屈折率がコア部２０より低い第１クラッド部２２，第１クラッド部２２を囲み屈折率が第１クラッド部２２より低い第２クラッド部２４から構成されている。このような構造は、「ダブルクラッドファイバ」という。

ファイバ２８の断面は、例えば、希土類元素を含む合成石英からなるコア部の直径Ｄ１が５０〜１００μｍ、第１クラッド部２２の直径Ｄ２が４００〜５００μｍ、第２クラッド部２４の直径Ｄ３が６５０μｍとする。第１クラッド部２２は、合成石英からなるキャップ部２６と融着するために合成石英であることが好ましい。第２クラッド部２４は、例えば樹脂としても良い。なお、図１の集束光学系における光軸５は、コア部２０の中心軸を通る。

コア部２０は、ツリウム（Ｔｍ）、イットリビウム（Ｙｂ）などの希土類元素が添加された合成石英からなる。このようにすると、コア部２０及び第１クラッド部２２が、キャップ部２６の第１の端面Ｐ１と融着できる。融着工程は、例えば、軸に対して直角に研磨し清浄にした両端面を密着させ、周辺から放電により加熱し部分的に合成石英を溶融して接合する。

次に、キャップ部２６に入射した励起光はコア部２０及び第１クラッド部２２内を伝搬する。コア部２０内において、希土類元素は励起光１０を吸収し、活性化されて、誘導放出を生じる。この結果、信号光はコア部２０の内部で増幅され、屈折率が高いコア部２０を伝搬し、ファイバ２８と融着されるキャップ部２６の第１の端面Ｐ１において、コア部２０から出射される。

出射されたレーザ光１２は、キャップ部２６を伝搬し、集光レンズ３０により平行光となりダイクロイックミラー３２により折り曲げられて、被加工物に照射される。なお、励起光１０は、例えば直径１０ｍｍ程度の平行光、レーザ加工に用いられるレーザ光１２は、例えば直径数ｍｍの平行光とする。

ここで、希土類元素をＴｍとし、励起光の波長を約０．８μｍとすると、増幅光の波長は約２μｍとできる。また、希土類元素をＹｂとし，励起光の波長を０．８〜１．１μｍとすると、レーザ光の波長を約１．５μｍとできる。この場合、ダイクロイックミラー１０は、０．８〜１．１μｍ光を透過させ、１．５〜２μｍ光を反射させるような波長選択性を持たせる。

また、集光レンズ３０は、図１において単レンズで表しているが、単レンズを複数組み合わせたレンズ系とすることができる。この場合、レンズ系を構成する単レンズの材質はすべて同一で、例えば合成石英とする。単レンズではなくレンズ系とすることにより、球面収差、コマ収差、非点収差などの収差を補正するのが容易になる。

次に、本具体例に係るファイバレーザ装置における集束光学系の作用についてより詳細に説明する。
まず、ファイバ２８の端面から出射されるレーザ光１２は、高ピーク出力である場合が多く、希土類元素が添加されたコア部２０の端面が露出していると損傷を受けやすい。この端面損傷を抑制するために少なくともコア部２０の端面には合成石英などからなるキャップ部２６を設けることが好ましい。

また、励起光１０は第１クラッド部２２内を伝搬しつつコア部２０内の希土類元素に吸収される。キャップ部２６の直径を第１クラッド部２２の直径Ｄ２と略同一とし、励起光１０の結像点を光軸５上の第２の端面Ｐ２の位置とする。一方、レーザ光１２の結像点を光軸５上の第１の端面Ｐ１とする。

さらに、合成石英などの同一材料からなるキャップ部２６及び集光レンズ３０において、波長が０．８〜１．１μｍである励起起光１０と、波長が１及び２μｍ帯であるレーザ光１２とでは、屈折率が異なり色収差を生じる。

ここで、コア部２０の直径Ｄ１を５０μｍ、第１クラッド部２２の直径Ｄ２を５００μｍとする。またキャップ部２６も第１クラッド部２２と同一の直径５００μｍを有する円柱状とする。このような円柱形状であるキャップ部２６の第２に端面Ｐ２の位置に結像すると励振光１０を外部に漏らすことなくキャップ部２６に入射させることができる。なお、キャップ部２６の断面形状は矩形、楕円などであってもよいが、励起光１０が第１クラッド部２２内に効率よく伝搬され、ファイバ２８との融着を容易にするためには第１クラッド部２２と同一断面形状であることが好ましい。

また、コア部２０の開口率（ＮＡ）を０．２とし、コア部２０からのレーザ光がキャップ部２６の外周部に当たらずにＰ２面から出射するために、キャップ部２０の厚みＴを１．１ｍｍ以下とする。また、キャップ部２６の第２の端面であるＰ２と集光レンズ３０との距離を作動距離（ＷＤ）とする。

図２は、波長２μｍのレーザ光が平行に出射されるＷＤとキャップ部２６の厚みＴとの関係を表すグラフ図である。
この関係は、光線追跡法によって計算することができる。横軸に表すキャップ厚みＴ（ｍｍ）を増すと、縦軸に表す作動距離ＷＤ（ｍｍ）は小さくなる。図１において、波長０．８μｍの励起光１０をキャップ部２６の一方の端面Ｐ２に結像する場合、ＷＤは９．６７ｍｍである。

本グラフ図から、ＷＤ＝９．６７ｍｍに対するキャップ部２６の厚みＴは０．９ｍｍである。このようにすると、平行光である励起光１０をＰ２面の直径Ｄ２内の範囲に結像できる。また、Ｐ１面においてコア部２２から出射された増幅光１２は、厚みが０．９ｍｍであるキャップ部２６を通り、集光レンズ３０に入射され、集光レンズ３０を出射後平行光となる。ファイバレーザ装置を製作する場合には、設計値より長いキャップ部２６を融着しておき、所定の厚みとなるようにキャップ部２６を端面研磨すればよい。

本実施の形態に係る本集束光学系においては、キャップ部２６の厚みを図２のように決めることにより、合成石英のような同一材料である集光レンズでも色収差を補正できる。なお、レーザ光と励起光の波長が離れるほど材料分散が大きくなるので、本具体例の効果が大きくなる。

一方、比較例として、集光レンズを材料の異なる、すなわち材料分散が異なる材料からなる単レンズを組み合わせたレンズ系を用いたレーザ加工装置を考える。材料分散が合成石英とは異なる材料、例えばセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）からなるレンズと、合成石英からなるレンズとを組み合わせたレンズ系とし色収差を補正する。

この場合、平行光である励起光１０をＰ１に結像し、レーザ光１２がＰ２から出射される場合、結像位置の違い及び色収差によりレーザ光１２は、通常では平行光とならない。これを材料分散の異なるレンズにより補正して励起光１０及びレーザ光１２を平行光とする。

しかしながら、色収差補正用の材料は特殊であり、合成石英よりも取り扱いが難しい。また、ＺｎＳｅは毒性があるので安全上の配慮が必要である。これに対して、本実施の形態に係るレーザ加工装置の集束光学系は合成石英により構成されるので取り扱い、製造が容易であり安全上の問題はない。

また、キャップ部２６が融着され希土類元素が添加されたコア部２０がファイバ内部となるので、コア部２０に吸収された励起光１０による熱が熱伝導によりキャップ部２６へ放散され温度上昇を抑制する。この結果、ファイバ端面における光パワー密度を低減でき、端面損傷を抑制できる。

ここで、ファイバレーザ発振器及びファイバレーザ増幅器について説明する。
図３は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を構成するファイバレーザ発振器５０の全体を表す模式図である。
半導体レーザなどからなる励起光源４０からの励起光は、コリメータレンズ４２により平行光とされ、ダイクロイックミラー３２により折り曲げられ、集光レンズ３０によりキャップ部２６の第１の端面に結像される。励起光１０はファイバ２８の一方の端部から入射しても良いが、図３に表したように両端部から入射するとより大きい励起光を入力することができる。

ダイクロイックミラー３２の外側には、全反射ミラー４６及び出力ミラー４４が配置され、励起光１０により励起される希土類元素のエネルギー準位により決まる波長で発振したレーザ光が、出力ミラー４４を介してレーザ加工装置の被加工物へ出力される。

図４は、ファイバレーザ増幅器の全体を表す模式図である。 本具体例においては、ダイクロイックミラー３２を介して、信号光１１がファイバ２８に入射する。信号光１１としては、他のファイバレーザ装置からのレーザ光、半導体レーザ光、固体レーザ光などを用いる。励起光によりコア部２０に添加された希土類元素が励起され、信号光１１が増幅されてダイクロイックミラー３２からレーザ加工装置の被加工物へ出力される。なお、信号光１１をパルス状とすることにより、レーザ加工に適したパルス高ピーク出力を得ることができる。

次に、ファイバレーザ増幅器またはファイバレーザ発振器を光源としたレーザ加工装置について説明する。
図５は、本実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を表す図である。
レーザ加工装置は、図３のファイバレーザ発振器５０、加工光学系５４、ファイバレーザ発振器５０や加工光学系５４を制御する制御部５２を含む。ファイバレーザ発振器５０は、制御部５２によりレーザ光の出力が制御される。加工光学系５４は、ファイバレーザ発振器５０からのレーザ光を加工点近傍に集光し、制御部５２によりレーザ光を被加工物５６上で走査する。本実施形態においては、キャップ部２６からのレーザ光１２を集束レンズ３０により平行光とでき、集束光学系とは距離的に離れた加工光学系５４で使用するのに適している。この結果、目的とする位置に、必要な光出力を、適正な走査速度で照射できる。なお、ファイバレーザ発振器５０ではなく、図４のファイバレーザ増幅器を用いることもできる。

本実施の形態にかかるレーザ加工装置において、コア部２０に添加される希土類元素の種類、励起光源４０の波長を選択することによりレーザ光１２の波長を１μｍ帯または２μｍ帯と変化させることができ、出力を変化させることができる。この結果、加工したい形状に応じて波長及び出力の選択自由度が広がる。

以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されない。例えば、レーザ加工装置を構成するファイバ、集光レンズ、励起光源、キャップ部、その他の光学部品などに関して、当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置を構成するファイバレーザ装置の集束光学系を表す模式図である。 レーザ光が平行光となる作動距離とキャップ部厚みの関係を表すグラフ図である。 ファイバレーザ発振器の構成を表す模式図である。 ファイバレーザ増幅器の構成を表す模式図である。 レーザ加工装置の構成を表す模式図である。

符号の説明

５ 光軸、１０ 励起光、１１ 信号光、１２ レーザ光、２０ コア部、２２ 第１クラッド部、２６ キャップ部、２８ ファイバ、３０ 集光レンズ、４０ 励起光源、４４ 出力ミラー、４６ 全反射ミラー

Claims (6)

1. 希土類元素が添加されたコア部と前記コア部を囲むクラッド部とを有するファイバと、
   前記ファイバの端面において、前記コア部と前記クラッド部とに融着された第１の端面を有するキャップ部と、
   前記希土類元素を励起する励起光を放射する励起光源と、
   前記励起光及び励起された前記希土類元素から放射されたレーザ光を、前記コア部の中心を通る光軸上の結像点に集光する集光レンズと、
   を備え、
   前記レーザ光の結像点は前記第１の端面の位置とし、前記励起光の結像点は前記第１の端面とは反対側の前記キャップ部の端面の位置としたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記キャップ部は、前記第１クラッド部と略同一の直径を有する円柱状であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ光は、前記集光レンズから平行光として出射されることを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
4. 全反射ミラーと、
   前記全反射ミラーとの間で光共振器を形成する出力ミラーと、
   をさらに備え、
   前記レーザ光は、前記光共振器により共振し、前記出力ミラーを介して外部に出射されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
5. 前記ファイバの一方の端面の前記コア部には、前記第２の波長を有する信号光が入射され、
   前記信号光は、前記希土類元素により増幅され前記ファイバの他方の端面の前記コア部から外部に出射されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
6. 前記集光レンズは、合成石英であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。

Images