JP2011082298A - レーザ光吸収装置及びその固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のレーザ光吸収装置の問題点であった、ビーム径拡大レンズ上でのレーザ強度を、ビーム径拡大レンズの両面に施されている無反射コーティングが長期的に十分に耐えられるレベルにまで弱め、数キロワットクラスのレーザ光に対しても長期的に信頼性のあるレーザ光吸収装置を得る。
【解決手段】 レーザ光１ａを拡散する機能を有し、レーザ光１ａが入射あるいは出射する両面には無反射コーティングが施されていない拡散板１１を、ビーム径拡大レンズ８と同一光路上でレーザ光吸収体２とは反対側のビーム径拡大レンズ８の前方に備え、ビーム径拡大レンズ８に入射するビームの直径を拡大する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、レーザ光を遮蔽し、吸収するレーザ光吸収装置及びそれを用いた固体レーザ装置に関する。

レーザ装置の使用方法の一つに、レーザ装置内部でレーザ発振させたまま、必要な時以外はレーザ光をレーザ装置外に出さない場合があり、このような使用方法に備えて、レーザ装置内部には、レーザ装置内部で発振しているレーザ光を遮蔽し、そして吸収するレーザ光吸収装置を設ける必要がある。ただし、レーザ光吸収装置にレーザ光を直接入射させると、高いレーザ出力の場合、単位面積当たりのレーザ出力（以後、レーザ強度と称す）が強くなり、レーザ光吸収装置内部のレーザ光照射部で発生する単位面積当たりの吸収熱量が急激に増加し、レーザ光吸収装置の内部がレーザ光照射部を起点に溶融する等、損傷してしまうので、レーザ強度を弱める何らかの工夫が必要になる。

従来では、レーザ光吸収装置のレーザ光入射口前方に凹レンズ等のビーム径拡大レンズを置き、レーザ光がこのビーム径拡大レンズを通過することによりビーム径が拡大し、その結果、レーザ光はレーザ強度が弱まった状態でレーザ光吸収装置に入射するので、レーザ光吸収装置内部のレーザ光照射部で発生する単位面積当たりの吸収熱量を大幅に緩和でき、レーザ光吸収装置の損傷が防止できた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３４２４８７号公報（第２−３頁、第１図）

一般に、凹レンズ等のビーム径拡大レンズの両面には、レーザ光のレンズ表面反射を防止する目的で無反射コーティングが施されている。一方、産業用の高出力固体レーザ装置の場合、そのビームの直径は１〜２ｍｍ程度で、かつレーザ出力は数キロワットクラスにもなるため、ビーム径拡大レンズ自身に入射するレーザ強度が非常に強くなる。その結果、ビーム径拡大レンズのレーザ光が照射される部分が、レンズ両面に施された無反射コーティングに付着したゴミ等を起点に発熱し、経時的に劣化が進み、やがて損傷し、さらにはレンズ損傷が引き金となり、レーザ光吸収装置も損傷に至る場合があり、長期的な信頼性の観点から、従来のレーザ光吸収装置では、産業用高出力固体レーザ装置の内部に設置できないという問題点があった。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、その目的は、レーザ出力が数キロワットクラスのレーザ光にも十分に耐えることができ、長期的に信頼性のあるレーザ光吸収装置と、このレーザ光吸収装置を内部に備えた固体レーザ装置を得るものである。

この発明に係るレーザ光吸収装置においては、レーザ光を拡散する機能を有し、レーザ光が入射あるいは出射する両面にはコーティングが施されていない光学素子を、ビーム径拡大レンズと同一光路上でレーザ光吸収体とは反対側のビーム径拡大レンズ前方に備えたものである。

この発明は、ビーム径拡大レンズ程度のビーム径拡大率は得られないがレーザ光を拡散する機能を有する光学素子により、ビーム径拡大レンズに入射するビームの直径を数ｍｍ程度に拡大し、ビーム径拡大レンズ上でのレーザ強度を、ビーム径拡大レンズの両面に施されている無反射コーティングが長期的に十分に耐えられるレベルにまで弱めることができる。このため、レーザ光吸収装置をレーザ出力が数キロワットクラスの産業用高出力固体レーザ装置内部に設置することが可能となる。

この発明の実施の形態１を示すレーザ光吸収装置の断面図である。 この発明の実施の形態１を示す固体レーザ装置の構成図である。 この発明の実施の形態１を示す固体レーザ装置の構成図である。 この発明の実施の形態１を示す固体レーザ装置の構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるレーザ光吸収装置の断面図である。図１において、１ａ〜１ｃはレーザ光であり、波長が約１μｍで発振するＹＡＧレーザ等の固体レーザ発振器（図示省略）から出射される。２はレーザ光１ｃを遮蔽し、吸収するレーザ光吸収体であり、熱伝導率の良い銅やアルミニウム等で構成される。レーザ光吸収体２は、レーザ光１ｃが入射するレーザ光入射口は大きく、ある鋭角でもってしだいに狭まる円錐構造であり、レーザ光１ｃが照射される円錐構造の内表面がレーザ光吸収部になる。

３は水冷ジャケット、４ａ〜４ｃはＯリングであり、Ｏリング４ａによって、レーザ光吸収体２と水冷ジャケット３は封止されている。５は冷却水であり、Ｏリング４ａによって封止されたレーザ光吸収体２と水冷ジャケット３の内部空間に満たされており、レーザ光１ｃを吸収することで発熱するレーザ光吸収体２の温度上昇を抑え、一定温度に保つ。６は給水口、７は排水口であり、給水口６と排水口７は水路を形成しており、冷却水５はこの水路を通して外部チラー（図示省略）により温度管理され、循環される。

８はビーム径拡大レンズであり、石英ガラスやＢＫ７光学ガラス等の基板から成る、直径と厚みを有する凹レンズである。石英ガラスやＢＫ７光学ガラスは、波長が約１μｍのレーザ光に対してバルク吸収率が非常に小さく、さらに熱伝導率が良いため、キロワットクラスの固体レーザ用光学部品として良く使われる材質である。ビーム径拡大レンズ８のレーザ光１ｂが入射、あるいは出射する両面には、波長が約１μｍのレーザ光に対する無反射コーティングが施されている。

９はレンズホルダ、１０は固定筒であり、ビーム径拡大レンズ８は、レンズホルダ９の固定筒１０側の面に設けられたビーム径拡大レンズ８全体が収まる窪みに、Ｏリング４ｂを介して設置され、さらに固定筒１０で押当てられ、レーザ光吸収体２のレーザ光１ｃが入射するレーザ光入射口の前方に固定されている。Ｏリング４ｂは、ビーム径拡大レンズ８が固定筒１０によってレンズホルダ９に押当てられる際の緩衝材である。

１１は拡散板であり、石英ガラスやＢＫ７光学ガラス等の基板から成る、直径と厚みを有する平板形状である。拡散板１１は、片面もしくは両面を擦りガラス状の表面に加工した、レーザ光を拡散する機能を有する光学素子であり、レーザ光１ａが入射、あるいは出射する両面には、無反射コーティングは施されていない。一般的に、擦りガラス状の表面を有する拡散板の光学特性として、表面の擦りガラス状の凹凸状態によってレーザ光の拡散板透過率とビーム径拡大率は決定され、凹凸面が細かいと拡散板透過率は高いがビーム径拡大率は小さく、逆に凹凸面が粗いと拡散板透過率は低いがビーム径拡大率は大きい。高出力の固体レーザ発振器から発振されるレーザ光に拡散板を適用する場合、拡散板透過率とビーム径拡大率の兼合いを考慮して、ビームの発散角度に変換して全角で５度以下のビーム径拡大率を有する拡散板が最も良く用いられる。

１２は拡散板ホルダ、１３はガイド筒であり、拡散板１１は、拡散板ホルダ１２のガイド筒１３側の面に設けられた拡散板１１全体が収まる窪みに、Ｏリング４ｃを介して設置され、さらにガイド筒１３で押当てられ、ビーム径拡大レンズ８の前方で同一光路上に固定されている。Ｏリング４ｃは、拡散板１１がガイド筒１３によって拡散板ホルダ１２に押当てられる際の緩衝材である。

このように構成されたレーザ光吸収装置においては、まず、高出力の固体レーザ発振器から発振した、ビームの直径が１〜２ｍｍで平行なレーザ光１ａが、拡散板１１に入射する。拡散板１１に入射したレーザ光１ａは、拡散板１１の拡散効果によって弱く発散するレーザ光１ｂに変換される。レーザ光１ｂの発散角度は、拡散板１１の光学特性によって決定され、例えば、拡散板１１の有するビーム径拡大率、すなわちビーム発散角度が全角で３度の場合は、全角で３度を有することになる。

レーザ光１ｂの発散角度が全角で３度を有し、拡散板１１とビーム径拡大レンズ８の間の距離が１００ｍｍの場合、レーザ光１ｂがビーム径拡大レンズ８に入射するときのビームの直径は、レーザ光１ａのビームの直径が１ｍｍの場合は約６ｍｍに、２ｍｍの場合は約７ｍｍに拡大される。従って、レーザ光１ｂのビーム断面積は、レーザ光１ａのビーム断面積よりも約１２〜３６倍に拡大されることになり、結果として、レーザ光１ｂのレーザ強度は、レーザ光１ａのレーザ強度に対して約１／１２〜１／３６倍に弱められる。この弱められたレーザ強度を定量的に示すと、例えば、ビームの直径が１ｍｍで、レーザ出力が５ｋＷのレーザ光が持つレーザ強度を１／３６倍に弱めた場合、弱めたレーザ強度は約１８ｋＷ／ｃｍ^２となる。この値は、ビームの直径が１ｍｍでレーザ出力が約１４０Ｗのレーザ光が持つレーザ強度と等価であり、ビーム径拡大レンズ８の両面に施されている無反射コーティングが長期的に十分に耐えられるレベルである。

ビーム径拡大レンズ８に入射したレーザ光１ｂは、ビーム径拡大レンズ８のビーム径拡大効果によって、さらに発散するレーザ光１ｃに変換される。レーザ光吸収体２のレーザ光入射口に入射したレーザ光１ｃは、レーザ光吸収体２の円錐構造の内表面で多重反射を繰返しながら、しだいに吸収され、最終的に熱に変換される。

このように、実施の形態１では、レーザ光を拡散する機能を有し、レーザ光が入射あるいは出射する両面には無反射コーティングが施されていない拡散板によって、ビーム径拡大レンズに入射するビームの直径を拡大する。その結果、ビーム径拡大レンズ上でのレーザ強度を、ビーム径拡大レンズの両面に施されている無反射コーティングが長期的に十分に耐えられるレベルにまで弱めることができるので、数キロワットクラスのレーザ光に対しても長期的に信頼性のあるレーザ光吸収装置を得ることができる。

なお、実施の形態１では、レーザ光を拡散する機能を有し、レーザ光が入射あるいは出射する両面には無反射コーティングが施されていない拡散板を用いたレーザ光吸収装置について説明したが、この拡散板に替えて、レーザ光を拡散する機能を有する回折光学素子を用いても同様の効果が得られる。回折光学素子とは、光学基板の表面に、例えば、波長の１〜１０倍程度の間隔で周期的な溝を加工した素子であり、この周期的な溝にレーザ光が入射すると、回折現象によりレーザ光の進行方向が変わり、散乱される作用を有するものである。周期的な溝は、一次元的な直線配列や二次元的な同心円状配列等があり、直線配列では一次元的な散乱、同心円状配列では同心円状の散乱が発生する。

実施の形態１で説明した拡散板１１に替えて回折光学素子を適用する場合は、その回折光学素子は、石英ガラスやＢＫ７光学ガラス等の基板から成る、直径と厚みを有する平板形状であり、レーザ光が入射、あるいは出射する両面には、無反射コーティングは施されておらず、その表面には、例えば、１〜１０μｍ程度の間隔で周期的な溝が加工されており、この周期的な溝にレーザ光が入射すると、レーザ光が散乱される作用を有する構成となる。

ところで、上記説明では、この発明のレーザ光吸収装置について述べたが、この発明のレーザ光吸収装置を固体レーザ装置の内部に設けることで、長期的に信頼性のある高出力固体レーザ装置を得ることができる。図２は、この発明のレーザ光吸収装置を内部に備えた固体レーザ装置の構成図である。図２において、２１はこの発明のレーザ光吸収装置であり、その構成は図１に示す通りであり、動作についても上述の通りである。

２２は波長が約１μｍで発振するＹＡＧレーザ等の固体レーザ発振器、２３ａ〜２３ｃはレーザ光であり、レーザ光２３ａが固体レーザ発振器２２から出射される。２４はレーザ光２３ａの進行方向を切換えるシャッタ、２５はシャッタ２４の内部に設けられ、レーザ光２３ａの光路上に位置する時はレーザ光２３ａを反射させ、反射したレーザ光２３ｂをレーザ光吸収装置２１へ導くシャッタ板である。２６は固体レーザ装置であり、その内部には、レーザ光吸収装置２１、固体レーザ発振器２２、シャッタ板２５を備えたシャッタ２４が設けられている。２７は被加工対象物である。

このように構成された固体レーザ装置においては、固体レーザ装置２６の内部ではレーザ発振中であるが、レーザ光２３ａを固体レーザ装置２６の外に出さない場合、シャッタ２４を作動させ、シャッタ板２５をレーザ光２３ａの光路上に移動させることにより、レーザ光２３ａは固体レーザ装置２６の外には出なくなる。そして、シャッタ板２５で反射したレーザ光２３ｂは、レーザ光吸収装置２１に入射し、吸収される。一方、レーザ光２３ａを固体レーザ装置２６の外に出す場合、シャッタ２４を作動させ、シャッタ板２５をレーザ光２３ａの光路上からはずれた位置に移動させる。これにより、固体レーザ装置２６からレーザ光２３ｃが出射され、このレーザ光２３ｃによって被加工対象物２７が加工される。

なお、図２ではシャッタ板２５で反射したレーザ光２３ｂが、レーザ光吸収装置２１にて吸収される構成を示したが、図３に示すように、シャッタ板２５をレーザ光２３ａの光路上に移動させることにより、レーザ光２３ａがシャッタ板２５で反射され、反射したレーザ光２３ｂが固体レーザ装置２６から出射され、被加工対象物２７が加工される構成にしても良い。この構成では、シャッタ板２５をレーザ光２３ａの光路上からはずれた位置に移動させると、レーザ光２３ａはレーザ光吸収装置２１に入射し、吸収される。

また、固体レーザ装置２６の内部ではレーザ発振中であるが、レーザ光２３ａを固体レーザ装置２６の外に出さない場合、図４に示すように、レーザ光吸収装置２１をレーザ光２３ａの光路上に直接移動させ、レーザ光２３ａを遮蔽し、吸収する構成にしても良い。この構成では、レーザ光吸収装置２１をレーザ光２３ａの光路上からはずれた位置に移動させると、レーザ光２３ａが固体レーザ装置２６から出射され、被加工対象物２７が加工される。

１ａ〜１ｃ レーザ光、２ レーザ光吸収体、８ ビーム径拡大レンズ、１１ 拡散板、２１ レーザ光吸収装置、２６ 固体レーザ装置。

Claims (4)

1. レーザ光吸収体のレーザ光入射口前方に、レーザ光が入射あるいは出射する両面に無反射コーティングが施されたビーム径拡大レンズを設けたレーザ光吸収装置において、
   前記ビーム径拡大レンズと同一光路上で前記レーザ光吸収体とは反対側の前記ビーム径拡大レンズ前方に、レーザ光を拡散する機能を有し、レーザ光が入射あるいは出射する両面にはコーティングが施されていない光学素子を備えたことを特徴とするレーザ光吸収装置。
2. 上記光学素子は、擦りガラス状の表面を片面もしくは両面に有する板状の石英ガラス又はＢＫ７光学ガラスであることを特徴とする請求項１記載のレーザ光吸収装置。
3. 上記光学素子は、基板が石英ガラス又はＢＫ７光学ガラスからなる回折光学素子であることを特徴とする請求項１記載のレーザ光吸収装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光吸収装置を内部に備えたことを特徴とする固体レーザ装置。

Images