特開 2022-6981 レーザ加工機

(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】P2022006981

(43)【公開日】2022-01-13

(54)【発明の名称】レーザ加工機

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/23 20060101AFI20220105BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20220105BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20220105BHJP

【ＦＩ】

H01S3/23

B23K26/00 N

H01S3/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020109590

(22)【出願日】2020-06-25

(71)【出願人】

【識別番号】514135111

【氏名又は名称】マイクロプロセス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100137394

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 敏弘

(72)【発明者】

【氏名】宮岸 喜幸

(72)【発明者】

【氏名】小関 良治

【テーマコード（参考）】

4E168

5F172

【Ｆターム（参考）】

4E168DA43

4E168EA11

4E168JA16

4E168JA17

4E168JA25

4E168KA04

5F172DD03

5F172DD06

5F172NR14

5F172ZZ01

(57)【要約】

【課題】 効率的に発振器を小型化することができるレーザ加工機を提供することを目的とする。
【解決手段】
本実施形態のレーザ加工機は、レーザ光を出力する第１のマスターオシレータと、前記第１のマスターオシレータが出力するレーザ光に対して、直交するレーザ光を出力する第２のマスターオシレータと、前記第１のマスターオシレータから出力されたレーザ光と、前記第２のマスターオシレータから出力されたレーザ光とを合成するビームコンバイナと、前記ビームコンバイナにより合成されたレーザ光を増幅する光増幅器と、前記光増幅器により増幅されたレーザ光から、寄生発振光を除去する寄生発振フィルタと
を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出力する第１のマスターオシレータと、
前記第１のマスターオシレータが出力するレーザ光に対して、直交するレーザ光を出力する第２のマスターオシレータと、
前記第１のマスターオシレータから出力されたレーザ光と、前記第２のマスターオシレータから出力されたレーザ光とを合成する合成手段と、
前記合成手段により合成されたレーザ光を増幅する増幅手段と
を有するレーザ加工機。

【請求項2】

前記増幅手段により増幅されたレーザ光から、寄生発振光を除去するフィルタ
をさらに有する請求項１に記載のレーザ加工機。

【請求項3】

前記第１のマスターオシレータは、平均出力２８０ｗ～３２０ｗの偏光パルスレーザを出力し、
前記第２のマスターオシレータは、平均出力２８０ｗ～３２０ｗの直交する偏光パルスレーザを出力し、
前記増幅手段は、直列に接続された複数の増幅器を含み、
含まれている増幅器の数は、炭素繊維強化プラスチックの切断に適した出力となる程度である
請求項２に記載のレーザ加工機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工機に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、加工レーザービーム（３，３’，３''）により被加工物（４）を加工する方法であって、少なくとも二つのレーザービーム（２ａ，２ｂ）がビーム結合手段（５）によって合一化され、且つ共通ビーム案内手段を通って被加工物（４）に送られることを特徴とする方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２００３－５２５１２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、効率的に発振器を小型化することができるレーザ加工機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係るレーザ加工機は、レーザ光を出力する第１のマスターオシレータと、前記第１のマスターオシレータが出力するレーザ光に対して、直交するレーザ光を出力する第２のマスターオシレータと、前記第１のマスターオシレータから出力されたレーザ光と、前記第２のマスターオシレータから出力されたレーザ光とを合成する合成手段と、
前記合成手段により合成されたレーザ光を増幅する増幅手段とを有する。

【0006】

好適には、前記増幅手段により増幅されたレーザ光から、寄生発振光を除去するフィルタをさらに有する。

【0007】

好適には、前記第１のマスターオシレータは、平均出力２８０ｗ～３２０ｗの偏光パルスレーザを出力し、前記第２のマスターオシレータは、平均出力２８０ｗ～３２０ｗの直交する偏光パルスレーザを出力し、前記増幅手段は、直列に接続された複数の増幅器を含み、含まれている増幅器の数は、炭素繊維強化プラスチックの切断に適した出力となる程度である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、効率的に発振器を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】レーザ加工機１の構成を説明する図である。

【図2】合成パルスレーザ光３０４のエネルギーの平均出力と増幅段数との関係を例示する図である。

【図3】放電励起によるガス温度上昇の解析を例示する図である。

【図4】寄生発振フィルタ１３０の内部構造及び除去原理を例示する図である。

【図5】ＳＦ６ガスのＣＯ２レーザ光透過率とエネルギー密度との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

まず、本発明がなされた背景を説明する。
炭素繊維複合材（以下炭素繊維強化プラスチックと称呼する場合もある）に対する加工手法として、例えば、消耗が無く安定して使用することができるレーザ加工が国内外で有望視されている。炭素繊維複合材は、保護材であるプラスチック樹脂（融点：３００℃）が炭素繊維（融点：３，０００℃）を覆う構成であり、薄板の複合材であれば、ドイツのフランホッファー研究所が、短パルス光により高速で何度も走査することにより加工を実現している。これは、一般的にリモート切断（アブレーション加工）と呼ばれている。しかしながら、プラスチック樹脂と炭素繊維とを何層にも重ねた厚板の複合材では、レーザ加工による切断が難しくなる。具体的には、複合材の厚さが増すことによりレーザ光が複合材の側面で吸収される割合が多くなり加工点までレーザ光を導光することが出来ない。そこで、レーザ光の出力を高める必要がある。

【0011】

レーザ加工において、既知の方式であり教科書にも掲載されているマスターオシレータ・パワーアンプ（ＭＯＰＡ）方式のレーザ加工があるが、経済的に実現し産業目的に使える廉価コンパクトにするには課題がある。パルス化には、ＡＯモジュレータで、結晶中を超音波が伝搬する時にブラグ反射の現象を利用して、レーザ光を偏向させる。これにより、発振が停止するので高繰り返しのパルス発振が可能となる。これを光増幅し出力を上げることは原理的には可能であるが、所要の出力にするためには光増幅器が多く必要となるため価格やサイズが大きくなり商品化は難しくなる。
また、ＡＯモジュレータを透過する際にわずかな透過ロスが発生し、熱レンズが発生する。これを防止するためには、レーザ光の透過出力を落とす必要があるが、これでは光増幅段数を増やすことになりその結果発振器が大きくなるため、廉価することは難しくなる。
そこで、上記事情を一着眼点にして本発明の実施形態を創作するに至った。本発明の実施形態によれば、所要のレーザ出力としながらも光増幅器の数を少なくすることにより、小型化し廉価することが可能である。以下、このような本発明の実施形態によるレーザ加工機１を図面を参照して説明する。

【0012】

図１は、レーザ加工機１の構成を説明する図である。
図１に例示するように、レーザ加工機１は、２つのパルスレーザ光を合成及び増幅したパルスレーザ光を用いて、例えば炭素繊維複合材である被加工物の切断又は穴あけ加工を行う加工機である。レーザ加工機１は、ＭＯＰＡが１つになったオールインワン構造となっている。
レーザ加工機１は、パルス発振器を有し、パルス発振器は、第１マスターオシレータ１００、第２マスターオシレータ１０２、ビームコンバイナ１１０、光増幅器１２０、寄生発振フィルタ１３０、及び、伝送ミラー１４０を有する。

【0013】

第１マスターオシレータ１００は、共振器とＡＯモジュレータとにより、偏光パルスレーザ光（第１パルスレーザ光３００）を生成し出力する。第１マスターオシレータ１００の発振器構造は、電気光変換効率の良い高速軸流が好ましい。第１マスターオシレータ１００は、伝送ミラー１４０Ａを介して、第２マスターオシレータ１０２が出力する偏光パルスレーザ光に対して直交する第１パルスレーザ光３００を出力する。出力された第１パルスレーザ光３００は、ビームコンバイナ１１０に入射する。
また、第１マスターオシレータ１００は、平均出力２８０ｗ～３２０ｗの偏光パルスレーザ光を出力し、本例では平均出力３００ｗである。また、第１パルスレーザ光３００は、２５０ｋＨｚのパルス（周期：４μｓｅｃ）で発振している。

【0014】

第２マスターオシレータ１０２は、共振器とＡＯモジュレータとにより、偏光パルスレーザ光（第２パルスレーザ光３０２）を生成し出力する。第２マスターオシレータ１０２の発振器構造は、電気光変換効率の良い高速軸流が好ましい。第２マスターオシレータ１０２は、第１マスターオシレータ１００が出力する第１パルスレーザ光３００に対して、直交する第２パルスレーザ光３０２を出力する。出力された第２パルスレーザ光３０２は、ビームコンバイナ１１０に入射する。
また、第２マスターオシレータ１０２は、平均出力２８０ｗ～３２０ｗの偏光パルスレーザ光を出力し、本例では平均出力３００ｗである。また、第２パルスレーザ光３０２は、２５０ｋＨｚのパルス（周期：４μｓｅｃ）で発振している。

【0015】

ビームコンバイナ１１０は、直交する２つの偏光パルスレーザ光を光学的に合成する光学部品であり、第１マスターオシレータ１００から出力された第１パルスレーザ光３００と、第２マスターオシレータ１０２から出力された第２パルスレーザ光３０２とを１本のレーザ光に合成する。本例のビームコンバイナ１１０は、平均出力３００ｗである第１パルスレーザ光３００と、平均出力３００ｗであり第２パルスレーザ光３０２とを、平均出力６００ｗであるレーザ光（合成パルスレーザ光３０４）に合成する。また本例のビームコンバイナ１１０は、炭酸ガスレーザ用の偏光ビームコンバイナである。なお、ビームコンバイナ１１０は、本発明に係る合成手段の一例である。

【0016】

光増幅器１２０は、ビームコンバイナ１１０により合成された合成パルスレーザ光３０４を増幅する光学用の増幅器である。光増幅器１２０は、複数段の増幅器を含み、炭素繊維強化プラスチックの切断に適した出力となる程度の増幅器の数となっている。本例の光増幅器１２０は、第１増幅器１２２、第２増幅器１２４、第３増幅器１２６、及び、第４増幅器１２８の４つの増幅器を含み、これらは直列に接続されている。光増幅器１２０は、４つの増幅器を介して、平均出力６００ｗの合成パルスレーザ光３０４を平均出力３０００ｗの合成パルスレーザ光３０４に増幅する。このように、合成パルスレーザ光３０４のモードやパルス条件を維持した状態で、出力を上げることができる。なお、光増幅器１２０は、本発明に係る増幅手段の一例である。

【0017】

寄生発振フィルタ１３０は、光増幅器１２０により増幅された合成パルスレーザ光３０４から、寄生発振のレーザ光（寄生発振光）を除去する。ここで、寄生発振光とは、光増幅器１２０により増幅の段階でガラスチューブ内面等で反射増幅（寄生発振）された領域の光であり、切断加工に悪影響を与える光である。寄生発振フィルタ１３０は、可飽和吸収ガスを内部循環させながら格納しており、可飽和吸収ガス中に合成パルスレーザ光３０４を通すことで、寄生発振光を除去する。本例では、可飽和吸収ガスは、ＳＦ６ガスであり、寄生発振フィルタ１３０は、ＳＦ６ガスによるフィルタリングにより寄生発振レーザ光を除去する。なお、寄生発振フィルタ１３０は、本発明に係るフィルタの一例である。

【0018】

伝送ミラー１４０は、偏向パルスレーザ光を伝送する光学用ミラーである。伝送ミラー１４０は、伝送ミラー１４０Ａ、伝送ミラー１４０Ｂ、及び伝送ミラー１４０Ｃを含む。伝送ミラー１４０Ａは、第１マスターオシレータ１００から出力された第１パルスレーザ光３００を反射させビームコンバイナ１１０に伝送する。また、伝送ミラー１４０Ｂは、第２増幅器１２４から出射された合成パルスレーザ光３０４を伝送ミラー１４０Ｃに伝送し、伝送ミラー１４０Ｃは、伝送ミラー１４０Ｂから伝送された合成パルスレーザ光３０４を第３増幅器１２６に伝送する。本例の伝送ミラー１４０Ａ、伝送ミラー１４０Ｂ、及び伝送ミラー１４０Ｃは、ゼロシフト全反射ミラーである。

【0019】

次に、光増幅器１２０の増幅段数及びレーザチューブ内径を説明する。
（光増幅器１２０：増幅段数の選択）
図２は、合成パルスレーザ光３０４のエネルギーの平均出力と増幅段数との関係を例示する図である。縦軸に合成パルスレーザ光３０４のエネルギー平均出力を、横軸に増幅段数をとり、増幅段数による平均出力の変化を示した。
図２に例示するように、出力制限のある直交する２つのＡＯＭで取り出される第１パルスレーザ光３００及び第２パルスレーザ光３０２をビームコンバイナ１１０により合成し、１本の合成パルスレーザ光３０４とする。増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を、平均出力０．５ｍＪ＠２５０ｋＨｚ、平均出力１．５ｍＪ＠２５０ｋＨｚ、及び平均出力３．０ｍＪ＠２５０ｋＨｚとして比較した。
解析結果から、増幅後における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力３０００ｗ＠２５０ｋＨｚ以上として得るには、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力１．５ｍＪ＠２５０ｋＨｚ以上、かつ、増幅段数を６段以下であると解った。すなわち、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を高めると、増幅器の数を減らすことができるため、結果として小型化することができる。よって、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力に応じて炭素繊維複合材の切断に適した出力を得られるよう増幅器の数を適宜選択できる。なお、本例では、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力６００ｗとし、４段の増幅を経て、増幅後における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力３０００ｗとしている。

【0020】

（光増幅器１２０：レーザチューブ内径の選択）
図３は、放電励起によるガス温度上昇の解析を例示する図である。縦軸にガス温度を、横軸にガラス内径をとり、ガラス内径によるガス温度の変化を示した。
光増幅器１２０は、２つのマスターオシレータの発振器と同様の構造とした。ただし、図３に例示するように、放電によるレーザガス温度上昇が３００℃を越えるとレーザ光増幅の低下と、発生したレーザ光の吸収とが生じる。そのため、レーザチューブ内径をΦ１５ｍｍ以上１７ｍｍ以下としガス流速を上げ単位時間流量を増すことで、ガス温度上昇を低減させた。

【0021】

次に、寄生発振フィルタ１３０を詳細に説明する
図４は、寄生発振フィルタ１３０の内部構造及び除去原理を例示する図である。図４（Ａ）は、寄生発振フィルタ１３０の内部構造を例示し、図４（Ｂ）は、寄生発振フィルタ１３０の除去原理を例示する図である。
図４（Ａ）に例示するように、寄生発振フィルタ１３０は、集光レンズとコリメータレンズとを備え、集光レンズの焦点位置を通るように可飽和吸収ガスが通り内部で循環する構造となっている。
光増幅器１２０から出射した合成パルスレーザ光３０４は、集光レンズから入射し焦点位置にて集光する。集光した合成パルスレーザ光３０４は、寄生発振フィルタ１３０に格納された可飽和吸収ガスの中を通過する。このとき、可飽和吸収ガスは、集光レンズの焦点位置近傍において、合成パルスレーザ光３０４に対して直交する方向に流れ高速循環している。これにより、焦点位置近傍において、可飽和吸収ガスの劣化のない、フレッシュな可飽和吸収ガスと合成パルスレーザ光３０４とが常に反応可能となり、２５０ｋＨｚの繰返しパルスに対応することができる。可飽和吸収ガス内を通過した合成パルスレーザ光３０４は、コリメータレンズからコリメートされ出射し、加工レーザ光３０となる。

【0022】

図４（Ｂ）に例示するように、合成パルスレーザ光３０４を光増幅器１２０で増幅（ＰＭ）した際に、ガラスチューブ内面の反射等で発生した寄生発振レーザ光も同時に増幅する。そのため、増幅した寄生発振レーザ光は、レーザ加工に悪影響を及ぼすため除去する必要がある。合成パルスレーザ光３０４は、寄生発振フィルタ１３０内にて集光レンズにより集光し、集光部にシングルモード及び高次モードを出現させる。このとき、焦点位置近傍において、シングルモードのレーザ光のスポット径は、回折限界付近まで絞り込まれる。一方、焦点位置近傍において、高次モードのレーザ光（いわゆる、寄生発振レーザ光に相当）のスポット径は、シングルモードのレーザー光のスポット径よりも大きくなる。光増幅器１２０で増幅した合成パルスレーザ光３０４は、エネルギー密度が高いパルスレーザ光となっているため、例えば、スペイシャルフィルタにより高次モードのレーザ光の除去を行っても、ナイフエッジピンホールの一部が加熱溶融され損傷部分が発生する。そのため、通常使われるピンホールでの高次モードの除去は難しい。そこで、可飽和吸収ガスであるＳＦ６ガスをスペイシャルフィルタのように機能させることで、高次モードのレーザ光を除去し加工に良好なレーザ光にすることができる。

【0023】

図５は、合成パルスレーザ光３０４におけるＳＦ６ガスの透過率曲線を例示する図である。
図５に例示するように、エネルギー密度が低い高次モード領域に対して、エネルギー密度が高いシングルモード領域の透過率が大きい。つまり、レーザエネルギー密度に依存してＳＦ６ガスの吸収割合に違いがある。このため、集光レンズにより集光されたシングルモード領域のレーザー光は、焦点位置近傍において、エネルギー密度が高くなり可飽和吸収ガスであるＳＦ６ガスを透過する。一方、エネルギー密度の低い高次モード領域のレーザー光は、焦点位置近傍において、エネルギー密度が低くなり可飽和吸収ガスであるＳＦ６ガスにより吸収される。入射光によりＳＦ６ガスは、振動励起されレーザ光を吸収する。通常は、レーザ光のエネルギー密度が低いためＳＦ６ガスの解離は発生しない。光励起されたＳＦ６ガスは、数～数１０ｎｓｅｃで分子間衝突効果の励起や緩和が行われる。この吸収パラメータは、ガス圧・混合比や温度に依存するため安定した動作を保障するためにはパルス間にフレッシュなＳＦ６ガスと置換する必要がある。
従って、寄生発振フィルタ１３０は、集光レンズの焦点位置近傍において、合成パルスレーザ光３０４に対して直交する方向にＳＦ６ガスを高速循環させることにより、フレッシュな可飽和吸収ガスと合成パルスレーザ光３０４とを常に反応させることで、合成パルスレーザ光３０４から、寄生発振レーザ光を除去することができる。

【0024】

以上説明したのように、本実施形態のレーザ加工機１によれば、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を高めると、増幅器の数を減らすことができるため、結果として小型化することができる。よって、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力に応じて炭素繊維複合材の切断に適した出力を得られるよう増幅器の数を適宜選択できる。これにより、レーザ加工機の発振器を小型化すると共に廉価することができる。また、寄生発振レーザ光を除去することにより、加工に良好なレーザ光にすることができる。

【符号の説明】

【0025】

１…レーザ加工機
５…パルスレーザ共振器
１００…第１マスターオシレータ
１０２…第２マスターオシレータ
１１０…ビームコンバイナ
１２０…光増幅器
１３０…寄生発振フィルタ
１４０…伝送ミラー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】