特開 2016-136569 レーザ加工システム、及びレーザ加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-136569(P2016-136569A)

(43)【公開日】2016年7月28日

(54)【発明の名称】レーザ加工システム、及びレーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/23 20060101AFI20160701BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20160701BHJP

   H01S 3/092 20060101ALI20160701BHJP

   H01S 3/095 20060101ALI20160701BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/23

   H01S3/00 B

   H01S3/092

   H01S3/095

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-11055(P2015-11055)

(22)【出願日】2015年1月23日

(71)【出願人】

【識別番号】507351702

【氏名又は名称】武久 究

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(74)【代理人】

【識別番号】100129953

【弁理士】

【氏名又は名称】岩瀬 康弘

(72)【発明者】

【氏名】武久 究

【テーマコード（参考）】

5F172

【Ｆターム（参考）】

5F172AD04

5F172AD05

5F172AE03

5F172AE08

5F172AE12

5F172AF01

5F172AF02

5F172AF03

5F172AF05

5F172AL04

5F172DD06

5F172EE02

5F172EE26

5F172NR06

5F172ZA04

5F172ZZ01

(57)【要約】

【課題】途中の大気中に霧や雲が存在する場合でも、遠方の加工対象物を加工することができるレーザ加工システム、及びレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様にかかるレーザ加工システムは、フラッシュランプ励起による波長１．０６μm帯の固体レーザ、あるいはパルス動作させたヨウ素レーザ、あるいは酸素分子レーザである加工用レーザ１００と、波長1.40μmより長い波長で動作する蒸発用レーザ２００と、蒸発用レーザ２００の発振直後に加工用レーザ１００を発振させる制御装置３と、を備えたものである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フラッシュランプ励起による波長１．０６μm帯の固体レーザ、パルス動作させたヨウ素レーザ、又は酸素分子レーザである第一のパルスレーザ装置と、
波長１．４０μmより長い波長で動作する第二のパルスレーザ装置と、
前記第二のパルスレーザ装置の発振直後に前記第一のパルスレーザ装置を発振させる制御装置と、を備えたレーザ加工システム。

【請求項2】

前記第一のパルスレーザ装置から取り出されたレーザ光と、前記第二のパルスレーザ装置から取り出されたレーザ光とを、同一の集光用ミラーを用いて、伝送させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工システム。

【請求項3】

前記第二のパルスレーザ装置が、エリビウムYAGレーザであることを特徴とする請求項１、又は２に記載のレーザ加工システム。

【請求項4】

前記第二のパルスレーザ装置が、炭酸ガスレーザであることを特徴とする請求項１、又は２に記載のレーザ加工システム。

【請求項5】

前記第一のパルスレーザ装置としてパルス動作させたヨウ素レーザ、あるいは酸素分子レーザを用い、かつ前記ヨウ素レーザ、あるいは酸素分子レーザで用いられる励起酸素発生器に塩素ガスを供給するタイミングに基づき、前記第二のパルスレーザ装置のレーザ光を発振させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工システム。

【請求項6】

第一のパルスレーザ装置と第二のパルスレーザ装置とを用いたレーザ加工方法であって、
前記第二のパルスレーザ装置によって、波長１．４０μmより長い波長のパルスレーザ光を発振させるステップと、
フラッシュランプ励起による波長１．０６μm帯の固体レーザ、パルス動作させたヨウ素レーザ、又は酸素分子レーザである第一のパルスレーザ装置を、前記第二のパルスレーザ装置の発振直後に発振させるステップと、を備えるレーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工システム、及びレーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ光は、ライトなどの自然光に比べると、ほとんど広がらずに長距離伝送できる特長を有する。このため、１０ｋｍ以上の遠方に配置された金属板などに対してレーザ光を集光させて穴加工を施すことも可能である。ただしこれを実現するには、大気伝送特性の良好な高出力レーザ、すなわち大気を構成する窒素分子、酸素分子、及び水蒸気に吸収されにくい波長で発振する高出力レーザを用いる必要がある。そのようなレーザとしては、特に近赤外域で動作する固体レーザ（例えば、Nd:YAGレーザやファイバレーザ等）、あるいはヨウ素レーザなどが好ましい。

【0003】

特にヨウ素レーザはCOIL（Chemical Oxygen Iodine Laser）と呼ばることがあり、波長１．３１５μmにおいて、大出力に連続（ＣＷ：Continuous Wave）動作できることが広く知られている。レーザ動作させるには、過酸化水素水（H₂O₂）と水酸化カリウム（KOH）または水酸化ナトリウム（NaOH）の混合溶液（以下、ＢＨＰ溶液と呼ぶ。）と、塩素ガスとの化学反応によって一重項の励起状酸素分子（通常、O₂(¹Δ_g)と示される。）を生成させる。そして、O₂(¹Δ_g)のエネルギーをヨウ素原子（I）に移乗させる（すなわち基底状態のI(²P_1/2)から励起状態のI(²P_3/2)を生成する）ことでレーザ動作する。なお、ヨウ素レーザに関しては、下記、非特許文献１〜４において説明されている。

【0004】

前記大気伝送特性が良好なレーザを用いても、加工対象物が１０ｋｍ以上離れると、大気中に霧や雲が存在する場合、レーザ光を伝送できないことが問題である。つまり雲や霧は大気中の水分子がクラスタ状に集合して巨大化したものであり、これによってレーザ光が散乱されてしまうからである。なお、水分子がクラスタ化するには、核となる微粒子が存在し、これはエアロゾルと呼ばれる。ただし、水分子のクラスタも含めて、エアロゾルと呼ばれることもある。

【0005】

そこで、霧や雲を蒸発させることが可能なレーザを用いて、大気の伝送特性を改善する手法も研究されており、例えば、下記非特許文献６によると、エアロゾルへの吸収が良好なＫｒＦエキシマレーザを用いると、これを蒸発できるとされており、レーザによってエアロゾルを蒸発させることは、ＬＡＶ（Laser for Aerosol Vaporization）と呼ばれている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Stephen C. Hurlick, et al., “COIL technology development at Boeing,” Proceedings of SPIE Vol. 4631, 101-115 (2002).

【非特許文献2】Masamori Endo, “History of COIL development in Japan: 1982-2002,” Proceedings of SPIE Vol. 4631, 116-127 (2002).

【非特許文献3】Edward A. Duff and Keith A. Truesdell, “Chemical oxygen iodine laser (COIL) technology and development,” Proceedings of SPIE Vol. 5414, 52-68 (2004).

【非特許文献4】Jarmila Kodymova, “COIL--Chemical Oxygen Iodine Laser: advances in development and applications,” Proceedings of SPIE Vol. 5958, 595818 (2005).

【非特許文献5】Kevin B. Hewett, “Singlet oxygen generators - the heart of chemical oxygen iodine lasers: past, present and future,” Proceedings of SPIE Vol. 7131 (2009).

【非特許文献6】Atmospheric thermal blooming and beam clearing by aerosol vaporization_SPIE Vol. 1221_p.91 (1990)

【非特許文献7】M. Endo, K. Shiroki, and T. Uchiyama, “Chemically pumped atomic iodine pulse laser,” Appl. Phys. Lett. Vol. 59, 891-892 (1991).

【非特許文献8】Kenji Suzuki, Kozo Minoshima, Daichi Sugimoto, Kazuyoku Tei, Masamori Endo, Taro Uchiyama, Kenzo Nanri, Shuzaburo Takeda, and Tomoo Fujioka, “High pressure pulsed COIL assisted with an instantaneous production of atomic iodine,” Proc. SPIE 4184, 124-127 (2001).

【非特許文献9】Masamori Endo, Kozo Minoshima, Koichi Murata, Oleg Vyskubenko, Kenzo Nanri, Shuzaburo Takeda, and Tomoo Fujioka, “High pressure pulsed COIL assisted with an instantaneous production of atomic iodine II,” Proc. SPIE 5120, 397-404 (2003).

【非特許文献10】K. Takehisa “New concepts of realizing a chemical oxygen laser,” Proc. SPIE 9251 (2014).

【非特許文献11】Janez Diaci and Boris Gaspirc, “Comparison of Er:YAG and Er,Cr:YSGG lasers used in dentistry,” Journal of the Laser and Health Academy, Vol. 2012, No.1.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

大気中に雲や霧が発生した場合、水への吸収特性の良いレーザ光（以下、蒸発用レーザと呼ぶ。）を伝送させて、大気中の霧や雲を蒸発させたとしても、大気は常に揺らいでいる。特に風の強い日は、毎秒数十メートルの速度で雲や霧が移動する。このことから、レーザ加工を行う間、常に蒸発用レーザを照射し続ける必要がある。従って、蒸発用レーザに極めて大出力の連続波（ＣＷ：Continuous Wave）レーザ、あるいは高繰り返し動作のレーザが必要になってしまうことが問題であった。

【0008】

雲は巻雲など軽いもので１立方メートル当たり０．０５グラム、雨雲など重いものでグラムぐらいの重さがあると言われている。例えば、１立方メートル当たり１グラムの雲が存在する場合、雲を通過する際のレーザのビーム径を平均５０ｃｍとすると、雲の厚みがトータル１００ｍである場合、約２０グラムの水がレーザ光路内に含まれることになる。なお、ビーム径を５０ｃｍと太く仮定する理由としては、何キロもの遠方で集光できるように、最初にビーム径を１ｍ前後に太くしてから伝搬させる必要があるためである。

【0009】

一方、室温（２５℃）の水１グラム蒸発させる熱量は約２５６０Ｊであることから、約２０グラムの水を全て蒸発させるために必要なレーザ出力は約５１ｋＪとなる。これは、水を２５℃から１００℃まで温度上昇させる熱量と、蒸発熱（２２５０Ｊ／ｇ）とを加えた値である。しかし、これは一瞬の場合であり、雲が毎秒１０メートルで移動するならば、ビーム径の５０ｃｍを横切るのに０．０５秒掛かることになる。すなわち、ビーム光路内に入る雲を１秒間除去しようとすれば、このエネルギーの２０倍ものエネルギーが必要になる。ＣＷレーザあるいは高繰返しレーザを用いるならば、平均約１ＭＷもの大出力のレーザ装置が必要になってしまう。しかしながら実際にこのような大出力レーザは、開発するだけでも極めて困難であるため、蒸発用レーザとして用いるのは非現実である。以上より、従来、霧や雲が発生する場合は、レーザ加工を行うことはほぼ不可能であった。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記目的を達成するために、本発明のレーザ加工システムでは、加工用レーザに、フラッシュランプ励起で動作する１μm帯の固体レーザ（例えばNd:YAGレーザやNdガラスレーザ）、あるいはパルス型ヨウ素レーザ、あるいは酸素分子レーザを用いている。また、蒸発用レーザには、波長1.4μm以上でレーザ動作するパルスレーザを用いている。蒸発用レーザとしては、例えば、波長２．０μm付近で発振するツリウムYAGレーザ（Tm:YAGレーザ）、ツリウムYLFレーザ（Tm:YLFレーザ）、あるいはホルミウムYLFレーザ（Ho:YLFレーザ）、あるいは波長２．９４μmで発振するエルビウムYAGレーザ（Er:YAGレーザ）、あるいは波長９．４〜１０．６μmでパルス動作できる炭酸ガスレーザ（CO₂レーザ）などが適している。

【0011】

また加工用レーザと蒸発用レーザのそれぞれの発振タイミングに関しては、蒸発用レーザをレーザ発振させた瞬間から、１ｍｓ以内に加工用レーザを発振させたものである。これによると、蒸発用レーザの伝送によって大気中に、加工用レーザに対する高透過率領域が形成され、その領域が風で流される前に、加工用レーザのレーザ光を伝送させることができる。

【0012】

加工用レーザの発振タイミングが蒸発用レーザの発振のタイミングから１ｍｓ後の場合、レーザ光の伝送方向に直角な方向に秒速１０ｍの風が吹くと仮定すると、高透過率領域は１０ｍｍ移動することになる。したがって、そのような強風下では、蒸発用レーザのビーム半径を、加工用レーザのビーム半径より１０ｍｍ以上大きくしてから伝送させれば良い。

【0013】

前記に示したフラッシュランプ励起Nd:YAGレーザ、パルス型ヨウ素レーザ、あるいは酸素分子レーザでは、大出力のジャイアントパルスレーザ光を発生できるため、金属板などに１パルスで穴を空けることができる。これによると、蒸発用レーザもパルス型のレーザを用いて、１パルス発振させるだけで、加工用レーザ光が伝送する伝送路内を高透過率領域にできる。つまり、蒸発用レーザに要求されるレーザ出力を小さくすることができる。なお、パルス型ヨウ素レーザに関しては、前記、非特許文献７、８、９において示されており、酸素分子レーザに関しては、前記、非特許文献１０において示されている。

【0014】

また、加工用レーザがパルス型ヨウ素レーザ、あるいは酸素分子レーザの場合、蒸発用レーザが加工用レーザの発振直前に自動的に発振するようにするには、これらのレーザに用いられる励起酸素発生器に塩素を供給する塩素タンクのバルブを開くための信号を用いて、蒸発用レーザで用いられるフラッシュランプを発光させたものである。これによると、蒸発用レーザが発振した直後に加工用レーザを１ｍｓ以下の遅れで発振させることができる。したがって、強風の場合でも、レーザ伝送路内がクリアーになった状態で、加工用のレーザ光を伝送できる。

【発明の効果】

【0015】

本発明の目的は、途中の大気中に霧や雲が存在する場合でも、遠方の対象物を加工することができるレーザ加工システム、及びレーザ加工方法を提供することである。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態に係るパルス型ヨウ素レーザ発振器１００の構成を示す断面図である。

【図2】加工用レーザであるパルス型ヨウ素レーザ発振器を横から見た断面図である。

【図3】パルス型ヨウ素レーザ発振器における光軸に垂直な断面図である。

【図4】本発明の蒸発用レーザ２００の構成図である。

【図5】水の吸収係数の波長依存性を示すグラフである。

【図6】本発明の実施形態におけるパルス型ヨウ素レーザ発振器と蒸発用レーザの動作タイミングの説明図である。

【図7】本実施形態にかかる加工用レーザと蒸発用レーザのビーム半径を示す説明図である。

【図8】本実施形態にかかる加工用レーザと蒸発用レーザのビーム半径の差を示す説明図である。

【図9】加工用レーザと波長０．２４８μｍの蒸発用レーザのビーム半径を示す説明図である。

【図10】加工用レーザと波長０．２４８μｍの蒸発用レーザのビーム半径の差を示す説明図である。

【図11】加工用レーザと波長１０．６μｍの蒸発用レーザのビーム半径を示す説明図である。

【図12】加工用レーザと波長１０．６μｍの蒸発用レーザのビーム半径の差を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１は本発明の長距離レーザ加工システム１の全体構成を示す断面図である。長距離レーザ加工システム１では、加工用レーザ１００に第一のパルスレーザ装置であるパルス型ヨウ素レーザ発振器が用いられており、第二のパルスレーザ装置である水蒸気の蒸発用レーザ２００にフラッシュランプ励起エルビウムYAGレーザ発振器が用いられている。エルビウムYAGレーザは波長2.94μmで発振する固体レーザであり、図５に示したように、水に対する吸収率が極めて高いことで広く知られている。なお、エルビウムYAGレーザに関しては、非特許文献１１に示されている。

【0018】

長距離レーザ加工システム１の構成要素である蒸発用レーザ２００から、パルス状のレーザ光Ｌ２が取り出され、ミラー４で反射する、ミラーで反射したレーザ光Ｌ２は、ダイクロイックミラー５に入射して、ダイクロイックミラー５を透過する。一方、蒸発用レーザ２００の発振直後に加工用レーザ１００であるパルス型ヨウ素レーザ発振器が発振し、波長１．３１５μmでパルス状のレーザ光Ｌ１が取り出される。レーザ光Ｌ１はダイクロイックミラー５に入射し、ダイクロイックミラー５で反射する。ダイクロイックミラー５からのレーザ光Ｌ３では、波長１．３１５μmのレーザ光Ｌ１と波長２．９４μmのレーザ光Ｌ２が空間的に重ね合わさられている。ただし時間的には、波長２．９４μmのレーザ光Ｌ２が先に進むことになる。

【0019】

レーザ光Ｌ３は可変型ミラー６で反射して、直径約１ｍの大型集光ミラー８の中心部に設けられた穴を通過する。大型集光ミラー８の穴を通過したレーザ光Ｌ３は、凸面鏡７に当たって反射し、大型集光ミラー８に入射する。レーザ光Ｌ３は大型集光ミラー８の反射面（図で右側の凹面）のほぼ全面に当たって反射して進み、約１０キロ離れた位置に置かれている加工対象物１０であるアルミ板に集光される。なお、伝送距離が長いため、レーザ光は波線で分割されて描かれている。なお、可変型ミラー６では、レーザ光を伝搬させた際に影響される大気の揺らぎの影響を補正するための波面補正を行っている。

【0020】

図１ではレーザ光の包絡線が描かれているが、波長１．３１５μmのレーザ光Ｌ４，Ｌ６の包絡線は実線で示されており、波長２．９４μmのレーザ光Ｌ５、Ｌ７は点線で示されている。どちらもシングル横モードのレーザ光であるが、波長が長い方がビーム広がり角は大きい。このため、波長２．９４μmのレーザ光は、レーザ光Ｌ５、及びレーザ光Ｌ７のように太くなっている。

【0021】

加工対象物１０における集光幅に関しては、加工用レーザ１００から取り出された波長１．３１５μmのレーザ光Ｌ６は約１．７ｍｍになる。一方、蒸発用レーザ２００から取り出された波長２．９４μmのレーザ光Ｌ７は約４ｍｍになっている。したがって、加工用レーザ光が通過する伝送路は、蒸発用レーザ光が通過した伝送路内に含まれることになる。このため、加工用レーザ光は散乱を受けずに加工対象物１０まで伝送できる。これが本発明の効果の一つであり、加工用レーザ１００の波長より長い波長のレーザを蒸発用レーザ２００に用いたものである。

【0022】

つまり、もしも蒸発用レーザ２００にエキシマレーザを用いるならば、加工用レーザ１００より波長が短くなる。このため、同一の集光ミラーを用いて集光させるならば、加工対象物１０の近くでは、エキシマレーザの伝送路が細くなってしまい、加工用レーザ光Ｌ６が、蒸発用レーザ光Ｌ７からはみ出してしまうことになる（つまり図１に描かれた状態とは反対になってしまう）。これに関しては、図９、及び図１０を用いて後述する。

【0023】

一方、加工用レーザ１００であるパルス型ヨウ素レーザ発振器では、蒸発用レーザ２００であるエルビウムYAGレーザ発振器で発振した直後の約１ｍｓ後に発振するように、制御装置３によって発振タイミングが制御されている。具体的には、制御装置３は信号Ｓ１を加工用レーザ１００に出力し、信号Ｓ２を蒸発用レーザ２００に出力する。信号Ｓ１は、加工用レーザ１００の発振タイミングを制御し、信号Ｓ２は蒸発用レーザ２００の発振タイミングを制御する。これにより、蒸発用レーザ２００の発振直後に、加工用レーザ１００が発振する。

【0024】

したがって、加工用レーザ光の伝送中に、毎秒１０メートルの強風が吹いたとしても、霧や雲の移動距離は１０ｍｍ程度である。このため、加工用のレーザ光Ｌ４、Ｌ６の光路において、蒸発用レーザ２００によって形成された高透過率領域からはみ出す部分の割合は無視できる程小さい。

【0025】

ここで、加工用レーザ１００であるパルス型ヨウ素レーザ発振器の構造に関して図２及び図３を用いて説明する。図２は加工用レーザ１００を横から見た断面図であり、図３は加工用レーザ１００の光軸に対して垂直に切った断面内の構造を示している。

【0026】

図２に示されているように、加工用レーザ１００では、真空対応の気密性を有するハウジング１０１の中にレーザ共振器が配置されている。レーザ共振器は、全反射鏡１０２と出力鏡１０３とで構成されており、レーザ共振器の下に励起酸素発生器１０４が配置されている。励起酸素発生器１０４ではＢＨＰ溶液１０５が溜められている。ＢＨＰ溶液１０５の上側に多数の円板１０６が並べられている。これら多数の円板１０６の共通の中心軸１０７は、矢印１０７Ａのように回転するようになっている。すなわち回転円板方式の励起酸素発生器が用いられている。これに関しては、例えば、前記非特許文献５において説明されている。

【0027】

加工用レーザ１００においてレーザ動作させるには、予めハウジング１０１内を真空排気しておく。それには排気管１０８内に設けられた開閉バルブ１０９を開き、図示されていない真空ポンプから矢印１０８Ａのように真空排気しておく。次に励起酸素発生器１０４における円板１０６の表面に付着したＢＨＰ溶液１０５に対して、瞬時に大量に注入された塩素ガスを接触させることで、励起酸素分子が発生する。これに関しては、図３を用いて後述する。

【0028】

励起酸素分子が発生したら、ヨウ素注入管１１０から、矢印１１０Ａのようにヨウ素分子が注入される。なお、ヨウ素分子は常温で固体であるため、加熱によって蒸発した気体状のヨウ素分子を、アルゴンあるいはヘリウムと一緒に流し込めば良い。なおヨウ素注入管１１０における励起酸素発生器１０４の直上には、ヨウ素分子を取り出すために表面に多数の穴が設けられている。ヨウ素分子は励起酸素分子と反応し、励起状態のヨウ素原子が発生し、これがレーザ発振して、レーザ光Ｌ１となって出力鏡１０３から取り出される。なお、ヨウ素注入管１１０自体を加熱してもよい。

【0029】

加工用レーザ１００であるパルス型ヨウ素レーザ発振器の詳細構造を、その光軸１１３に対して垂直な断面構造が示された図３を用いて説明する。パルス型ヨウ素レーザ発振器は、大別すると、レーザ共振器１１２と励起酸素発生器１０４とで構成されている。円板１０６の表面から発生した励起酸素分子は矢印１１１のように、上部に配置されたレーザ共振器１１２内に進む。その際にヨウ素注入管１１０の表面の穴から飛び出したヨウ素分子と反応する。なお、円板１０６の下部はＢＨＰ溶液１０５に浸されているが、円板１０６は回転軸１０７の周りに回転している。このため、ＢＨＰ溶液１０５の液面より上の部分の表面にもＢＨＰ溶液は付着する。

【0030】

なお、励起酸素分子を発生させるために必要な塩素ガスは、塩素ガス容器１１５から供給されるが、一旦、内容積の大きな塩素ガスタンク１１６中に蓄えられる。その理由としては、一度に大量の塩素ガスを励起酸素発生器１０４に供給する必要があるからである。塩素ガスを供給する際は、バルブ１１７を開き、塩素ガス注入管１１８から励起酸素発生器１０４内に塩素ガスを供給する。供給された塩素ガスは、ＢＨＰ溶液が付着している円板１０６の上部に直ぐに当たるようになっており、瞬時に大量の励起酸素分子が発生して、ヨウ素レーザ発振器はパルス動作する。したがってパルス動作させる際は、信号Ｓ１が届く瞬間にバルブ１１７が開くようになる。

【0031】

以上に説明したように本実施形態では、加工用レーザ１００にパルス型のヨウ素レーザを用いているが、その代わりにフラッシュランプ励起Nd:YAGレーザを用いても良い。ただし、本実施例でヨウ素レーザを用いた理由としては、ヨウ素レーザは気体レーザであるため、ビーム品質を高くすることが容易であり、回折限界に近いシングル横モードのレーザ光を発生できるからである。つまり、図２に示したように、共振器内のモードボリュームの形状として、光軸方向に長くなる細長い形状にすることが容易であることから、シングル横モードで発振しやすくなるからである。

【0032】

次に図１で示された蒸発用レーザ２００の詳細構造を、図４を用いて説明する。図４は蒸発用レーザ２００としてのフラッシュランプ励起エルビウムYAGレーザ発振器における光軸に沿った断面図である。

【0033】

レーザ媒質であるエルビウムYAG結晶２０１は、スラブ形状をしており、全反射鏡２０２と出力鏡２０３とで構成されたレーザ共振器間に配置している。またエルビウムYAG結晶２０１の上面近傍にはフラッシュランプ２０４Ａ、下面近傍にはフラッシュランプ２０４Ｂが配置されている。これらフラッシュランプ２０４Ａ、フラッシュランプ２０４Ｂは、それぞれ配線２０５Ａ１、２０５Ａ２、及び２０５Ｂ１、２０５Ｂ２のように電気回路２０６に繋がれている。

【0034】

蒸発用レーザ２００を発振させるための信号Ｓ２が電気回路２０６に届くと、フラッシュランプ２０４Ａ、フラッシュランプ２０４Ｂが発光して、エルビウムYAG結晶２０１が励起し、レーザ発振して、レーザ光Ｌ２が出力鏡２０３から取り出される。

【0035】

ここで、加工用レーザ１００の発振タイミングと、蒸発用レーザの発振タイミングに関して、図６を用いて説明する。図６は横軸に時間をとったタイミングを説明するためのグラフであり、縦軸は定量的な値を示している訳ではない。ここでは、信号Ｓ１のタイミングを横軸０ｍｓとしている。

【0036】

加工用レーザ１００であるパルス型ヨウ素レーザ発振器に対して、信号Ｓ１により塩素ガスが励起酸素発生器１０４に供給され始めると、グラフに示されたように、レーザ共振器１１２内に供給される酸素分子の圧力が線形に増加していく。ただしヨウ素レーザが発振するには、酸素分圧が一定値以上になってからであり、ここでは塩素ガスの供給開始から約４ｍｓ後に発振が開始され、レーザ光Ｌ１が取り出される。

【0037】

一方、信号Ｓ１より約３ｍｓ遅れたタイミングで信号Ｓ２が発生し、蒸発用レーザ２００に用いられているフラッシュランプ２０４Ａと２０４Ｂとが発光する。その結果、フラッシュランプ２０４Ａ、２０４Ｂの発光から約１ｍｓ後にレーザ発振して、レーザ光Ｌ２が取り出される。したがって、レーザ光Ｌ２は、レーザ光Ｌ１が発振し始めるより約１ｍｓ早めに取り出されることになる。もちろん、１ｍｓ以下のタイミングで発振タイミングをずらしてもよい。

【0038】

ところで、本発明の長距離レーザ加工システム１で用いられる蒸発用レーザ２００によって、加工用レーザ１００からのレーザ光の伝送路内が高透過率領域にできることを図７〜図１２を用いて以下で説明する。図７〜図１２は、加工用レーザも蒸発用レーザも回折限界の高品質なビームが伝送されると仮定して、１０ｋｍ先の対象物体に集光させようとした場合のシミュレーション結果を示している。図７、図９、図１１は、伝送途中の加工用レーザと蒸発用レーザのビーム半径を示すグラフである。図８、図１０、図１２は、伝送途中のビーム半径の差を示すグラフである。すなわち、図８、図１０、図１２では、蒸発用レーザのビーム半径から加工用レーザのビーム半径を差し引いた値を示している。

【0039】

図７、図８は、上記実施形態の長距離レーザ加工システム１で説明したように、加工用レーザ１００が波長１．３１５μmのヨウ素レーザ、蒸発用レーザ２００が波長２．９４μmのエルビウムYAGレーザの場合である。図７、図８では、加工用レーザ１００から取り出されるレーザ光Ｌ１が大型集光ミラー８に当たる際のビーム半径を５００ｍｍ、蒸発用レーザ２００から取り出されたレーザ光Ｌ２が同じ大型集光ミラー８に当たる際のビーム半径を５１０ｍｍとしている。

【0040】

図８に示されたように、ビーム半径の差は常にプラスになる。すなわち、蒸発用のレーザ光Ｌ５、Ｌ７によって形成されたクリアーな領域内に加工用レーザ１００のレーザ光Ｌ４、Ｌ６の全体が含まれることになる。したがって、加工用レーザ１００のレーザ光Ｌ４、Ｌ６が加工対象物１０まで効率良く伝送される。

【0041】

これに対して、蒸発用のレーザ光として、水への吸収が比較的高いとされている波長０．２４８μmのKrFエキシマレーザを用いた場合のビーム半径の変化の様子を図９、図１０に示す。図９、図１０では、加工用レーザ１００から取り出されるレーザ光Ｌ１が大型集光ミラー８に当たる際のビーム半径を５００ｍｍ、蒸発用レーザ２００から取り出されたレーザ光Ｌ２が同じ大型集光ミラー８に当たる際のビーム半径を５００ｍｍとしている。図１０に示すように、ビーム半径の差が負となってしまう。加工対象物１０近傍では、KrFエキシマレーザのビーム径が加工用レーザ光Ｌ６のビーム径よりも小さくなってしまう。

【0042】

図９、図１０は、加工用レーザ１００にヨウ素レーザを用いた場合であるが、加工用レーザ１００にNd:YAGレーザを用いたとしても、どちらもKrFエキシマレーザより波長が長い。このため、大型集光ミラー８におけるレーザ光Ｌ２のビーム径を、レーザ光Ｌ１のビーム径と同じ、あるいはそれ以上にすると、加工対象物１０近傍では、蒸発用のレーザ光Ｌ７のビーム径が加工用のレーザ光Ｌ６のビーム径よりも小さくなってしまう。つまり波長が短いと回折広がりが小さく、集光性が高いからである。その結果、加工用レーザ１００のレーザ光Ｌ６がクリアーな領域からはみ出すことになってしまう。したがって、本発明の長距離レーザ加工システム１では、蒸発用レーザ２００の波長は加工用レーザ１００の波長より長くしてある。例えば、蒸発用レーザ２００の波長を１．４０μｍ以上とすることができる。

【0043】

さらに、図１１、図１２に加工用レーザが波長１．３１５μmのヨウ素レーザ、蒸発用レーザ２００は、波長１０．６μｍのＣＯ２レーザを用いた場合のシミュレーション結果を示す。なお、図１１、図１２では、加工用レーザ１００から取り出されるレーザ光Ｌ１が大型集光ミラー８に当たる際のビーム半径を５００ｍｍ、蒸発用レーザ２００から取り出されたレーザ光Ｌ２が同じ大型集光ミラー８に当たる際のビーム半径を５５０ｍｍとしている。

【0044】

蒸発用レーザ２００の波長を１０．６μｍとした場合でもビーム径の差が常時プラスとなる。したがって、蒸発用のレーザ光Ｌ５、Ｌ７が通過したクリアーな領域を加工用のレーザ光Ｌ４、Ｌ６が通過する。よって、雲や霧による吸収を低減することができる。

【0045】

本実施の形態では、加工用レーザ１００として、フラッシュランプ励起による波長１．０６μm帯の固体レーザ、パルス動作させたヨウ素レーザ、あるいは酸素分子レーザ等のパルスレーザ装置を用いることができる。蒸発用レーザ２００として、波長１．４０μmより長い波長で動作するパルスレーザ装置と用いることができる。そして、制御装置３が蒸発用レーザ２００の発振直後に加工用レーザ１００を発振させる。

【0046】

この構成では、蒸発用レーザ２００もパルス型のレーザを用いており、蒸発用レーザ２００を１パルス発振させるだけで、加工用レーザ光が伝送する伝送路内を高透過率領域にできる。これにより、雲や霧を蒸発させることができる。強風の場合でも、加工用のレーザ光Ｌ４、Ｌ６の伝送路内がクリアーになった状態で、加工用のレーザ光Ｌ４、Ｌ６を伝送できる。伝送途中の大気中に霧や雲が存在する場合でも、遠方の加工対象物１０を加工することができる

【0047】

蒸発用レーザ２００として、エリビウムYAGレーザ、又は炭酸ガスレーザを用いることが好ましい。こうすることで、霧や雲を効率よく蒸発させることができる。また、加工用レーザ１００として、パルス動作させたヨウ素レーザ、あるいは酸素分子レーザを用い、かつヨウ素レーザ、あるいは酸素分子レーザで用いられる励起酸素発生器に塩素ガスを供給するタイミングに基づき、蒸発用レーザ２００を発振させる。

【0048】

本発明によると、多少の霧や雲が存在する大気中の遠方にある物体に穴加工を施すことができる。このため、例えば、危害を加えてくる可能性のある飛行物体におけるボディーに穴を空けて、飛行不能あるいは撃墜させることができる。

【0049】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。

【符号の説明】

【0050】

１ 長距離レーザ加工システム
３ 制御装置
４ ミラー
５ ダイクロイックミラー
６ 可変型ミラー
７ 凸面鏡
８ 大型集光ミラー
１０ 加工対象物
１００ 加工用レーザ
１０１ ハウジング
１０２ 全反射鏡
１０３ 出力鏡
１０４ 励起酸素発生器
１０５ ＢＨＰ溶液
１０６ 円板
１０７ 回転軸
１０７Ａ 回転方向
１０８ 排気管
１０８Ａ 排気方向
１０９ 開閉バルブ
１１０ ヨウ素注入管
１１１ 励起酸素分子の流れ
１１２ レーザ共振器
１１３ 光軸
１１５ 塩素ガス容器
１１６ 塩素ガスタンク
１１７ バルブ
１１８ 塩素ガス注入管
２００ 蒸発用レーザ
２０１ エリビウムYAG結晶
２０２ 全反射鏡
２０３ 出力鏡
２０４Ａ、２０４Ｂ フラッシュランプ
２０５Ａ１、２０５Ａ２、２０５Ｂ１、２０５Ｂ２ 配線
２０６ 電気回路
Ｌ１ 加工用レーザ１００からのレーザ光
Ｌ２ 蒸発用レーザ２００からのレーザ光
Ｌ３ 加工用レーザ１００からのレーザ光と蒸発用レーザ２００からのレーザ光とが合成されたレーザ光
Ｌ４ 加工用レーザ１００からのレーザ光レーザ光
Ｌ５ 蒸発用レーザ２００からのレーザ
Ｌ６ 加工用レーザ１００からのレーザ光レーザ光
Ｌ７ 蒸発用レーザ２００からのレーザ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】