特開 2024-90400 レーザーシステム

(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】P2024090400

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】レーザーシステム

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/064 20140101AFI20240627BHJP

   G02B 6/26 20060101ALI20240627BHJP

【ＦＩ】

B23K26/064 K

G02B6/26

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022206288

(22)【出願日】2022-12-23

(71)【出願人】

【識別番号】521337126

【氏名又は名称】騰▲りょう▼▲らい▼射股▲ふん▼有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】110003214

【氏名又は名称】弁理士法人服部国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】王 啓倫

(72)【発明者】

【氏名】李 鴻生

(72)【発明者】

【氏名】蘇 益信

(72)【発明者】

【氏名】林 師偉

(72)【発明者】

【氏名】歐 思村

【テーマコード（参考）】

2H137

4E168

【Ｆターム（参考）】

2H137AA13

2H137AB01

2H137AB06

2H137BA16

2H137BB08

2H137BB17

2H137BC02

2H137BC12

4E168DA02

4E168DA03

4E168DA13

4E168DA26

4E168DA28

4E168EA02

4E168EA08

4E168EA17

(57)【要約】

【課題】レーザーシステムを提供する。
【解決手段】青色レーザービームを発射する少なくとも１つのブルーレイレーザーモジュールと、赤外線レーザービームを発射する赤外線光ファイバーレーザーモジュールと、前述の２種類のレーザービームを結束する光ファイバーコンバイナーと、ビームを平行に集束させると共に２つの波長の集束点を発生させる出力光学組立部材と、を含んで構成されている。出力される青色レーザービーム及び赤外線レーザービームは同軸で重合するように発光し、ＢＰＰは全て１０ ｍｍ ｍｒａｄ未満である。青色光のパワーは２０～１００Ｗの間の範囲であり、赤外線のパワーは５００～５０００Ｗの間の範囲である。青色光の焦点は加工する部材の表面に形成され、赤外線の焦点との間隔は１～３ｍｍであり、且つ加工する部材中に進入し、これにより最良の溶接及び積層溶融被覆効果を獲得する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

青色光ファイバーにより青色レーザービームを発射する少なくとも１つのブルーレイレーザーモジュールと、
赤外線光ファイバーにより赤外線レーザービームを発射する赤外線光ファイバーレーザーモジュールと、
前記青色光ファイバー及び前記赤外線光ファイバーを嵌入させ、且つ出力光ファイバーにより出力ビームを発生させる光ファイバーコンバイナーと、
前後に配置されるコリメートレンズ及び集束レンズを有する出力光学組立部材であって、前記コリメートレンズは前記出力ビームが互いに平行な平行ビームを形成させるために用いられ、且つ前記集束レンズは通過する前記平行ビームにより２つの波長の集束点を発生させ、即ち、第一焦点及び第二焦点を発生させる前記出力光学組立部材と、を備え、
前記出力光ファイバーが発生させる出力ビームは、前記青色レーザービーム及び前記赤外線レーザービームを含み、同軸で重合するように発光し、且つ前記青色レーザービーム及び前記赤外線レーザービームのＢＰＰは全て１０ ｍｍ ｍｒａｄ未満であり、前記集束レンズにより調整することで、前記青色レーザービームの前記第一焦点が加工する材料の表面に形成され、且つ前記赤外線レーザービームの前記第二焦点が前記加工する材料中に進入し、且つ前記第一焦点と前記第二焦点との位置の間隔が１～３ｍｍに達し、これにより溶接及び積層溶融被覆効果を獲得することを特徴とするレーザーシステム。

【請求項2】

前記ブルーレイレーザーモジュールは、４００ｎｍ～６７０ｎｍの波長範囲の少なくとも７本の青色光ビームを励起するように少なくとも７個以上のブルーレイレーザーダイオードを有し、光学レンズ組立部材は、少なくとも７台の高速軸コリメータと、遅軸コリメータと、リフレクターと、集束ミラーと、を備え、個別の前記青色光ビームが各前記高速軸コリメータ及び各前記遅軸コリメータによりそれぞれ平行に集束された後、各前記リフレクターを経て空間で青色レーザービームとして結束され、且つ前記青色レーザービームは前記集束ミラーの作用により前記青色光ファイバーの繊維芯中に結合されることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。

【請求項3】

前記赤外線光ファイバーレーザーモジュールは、赤外線レーザーダイオードを使用して１０６４ｎｍの波長の種レーザービームを発射する種光源装置と、ハイパワー半導体レーザーを使用して８００～９８０ｎｍの波長範囲の励起レーザービームを発射する励起光源装置と、前記種レーザービーム及び前記励起レーザービームを前記赤外線光ファイバーの繊維芯中に結合させ、前記赤外線レーザービームを形成するコンバイナーと、前記赤外線レーザービームのエネルギーを増幅させる光ファイバーアンプと、を有していることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。

【請求項4】

前記出力光ファイバーは、直径１００μｍの繊維芯及び３００μｍの被覆層を有していることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー出力混光型レーザーシステム。

【請求項5】

前記出力ビーム中の青色レーザービームの波長は４００ｎｍ～４８０ｎｍの間の範囲であり、パワーは２０～１００Ｗの間の範囲であり、前記出力ビーム中の赤外線レーザービームの波長は９００ｎｍ～１１００ｎｍの間の範囲であり、パワーは５００～５０００Ｗの間の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のレーザーシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー光加工に関し、より詳しくは、２種類の波長のレーザー光を応用し、光ファイバーにより結束して出力ビームを同軸で重合するように発光させ、且つ光学組立部材により２つの波長の集束点を発生させ、レーザー加工プロセスの安定性を改善する光ファイバーを用いる出力混光型レーザーシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

レーザー光は良好な指向性及び集中性を有し、且つレーザー加工はカッターが摩耗したり、環境を汚染するという問題がないため、レーザーによる金属溶接は、今日の工業製造における重要な課題である。

【0003】

従来の特許文献では、例えば、下記特許文献１から特許文献４の記載がある。しかしながら、銅、金、銀、アルミニウム等の高反射金属は、２９５Ｋの絶対温度において、各波長のレーザー光に対する異なる表面吸収率を有し、状態の変化は図１に示す通りである。波長約１０６０ｎｍの近赤外線（Ｎｅａｒ－ＩＲ）レーザーに対する銅材料（Ｃｕ）の表面吸収率は５％であり、波長約４５０ｎｍの青色光（Ｂｌｕｅ）レーザーに対する銅材料（Ｃｕ）の表面吸収率は６５％に達する。続いて、図２は赤外線（ＩＲ）レーザーを応用して銅材を加熱し、レーザーのパワーに対する材料の温度の双安定現象が発生する。銅材が融点に達すると、溶融温度（吸収率）が５倍に増加し、この際、赤外線（ＩＲ）レーザーのパワーを高速に減少させて表面温度を沸騰エリアに進入させる必要がある。この際、表面に溶融池（液態金属）が発生するが、レーザーのパワーの変化により溶融池が中断し、溶接プロセスの安定性にも影響が及ぶことがある。明らかに、赤外線（ＩＲ）レーザーにより銅材料を溶接する場合、溶融池が中断し易く、飛び散りやすい等の品質不良の問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】台湾特許出願公開第２０２２１６３３４号公報

【特許文献2】台湾特許出願公開第２０１６１７１５９号公報

【特許文献3】台湾特許出願公開第２００８０４０２３号公報

【特許文献4】台湾特許出願公開第２００７１６２９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、国際的に銅板の溶接において青色光レーザーが赤外線レーザーに徐々に取って代わっている。但し、青色光レーザーは多くの青色光半導体レーザーを結束して構成したものであり、パワーが高くなるほど結束する半導体レーザーが多く必要となり、そのビームの品質が低下することになる。例えば、５００Ｗクラスの青色光レーザーでは、ビームパラメータ積（ｂｅａｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔ， ＢＰＰ）が４０ｍｍ ｍｒａｄにも達し、ビームの被写界深度が浅くなりすぎ、厚さが１ｍｍを超える銅板の溶接は不可能である。一般的なレーザービームの品質状態はビームパラメータ積（ＢＰＰ）を用いて測定する（図３参照）。ＢＰＰの数値はレーザービームの発散角αとレーザービームの最も狭い点の半径Ｒの積から取得する。このため、ＢＰＰの数値はレーザービームの品質を量化できるのみならず、同時にレーザービームの焦点が一点に集束する程度も測定できる。半導体レーザーが高パワー状態でＢＰＰの数値が１０以上に達すると、ビームの伝播特性及び変換特性が制限を受ける。

【0006】

前述の問題に基づくと、産業界でも数百Ｗの青色光レーザー及び１０００Ｗの光ファイバーレーザーを応用して空間結束しているが、これはコストが非常に高く、且つ空間結束には光学レンズに対する精密な調整が必要であるため、安定性が低いという欠点があり、実用性が疑われている。

【0007】

したがって、本発明者は青色光レーザー及び光ファイバーレーザーの２種類の異なる波長のレーザー光源を応用すると、レーザーの出力パワー及びＢＰＰ数値が低下するという状況を認識し、結束したレーザービームの焦点を溶接エリアに合わせることで、銅溶接プロセスの安定性を更に改善できることを見出した。但し、前記方法の効果をどのように達成するかが、本発明者が積極的に試案する課題である。

【0008】

そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に至った。

【0009】

本発明は、上述に鑑みてなされたものであり、その目的は、高輝度の青色光モジュール及び赤外線光ファイバーレーザーを混光し、且つ１本の光ファイバーから出力する光ファイバー出力混光型のレーザーシステムを提供することにある。

【0010】

本発明の他の目的は、出力するビームが銅金属の吸収を効果的に高め、且つ高いビーム品質を有し、加工コストを低下させ、銅溶接プロセスの安定性を改善する。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明のある態様のレーザーシステムは、青色光ファイバーにより青色レーザービームを発射する少なくとも１つのブルーレイレーザーモジュールと、赤外線光ファイバーにより赤外線レーザービームを発射する赤外線光ファイバーレーザーモジュールと、前記青色光ファイバー及び前記赤外線光ファイバーを嵌入させ、且つ出力光ファイバーにより出力ビームを発生させる光ファイバーコンバイナーと、前後に配置されるコリメートレンズ及び集束レンズを有する出力光学組立部材であって、前記コリメートレンズは前記出力ビームが互いに平行な平行ビームを形成させるために用いられ、且つ前記集束レンズは通過する前記平行ビームにより２つの波長の集束点を発生させ、即ち、第一焦点及び一第二焦点を発生させる出力光学組立部材と、を含んで構成されている。前記出力光ファイバーが発生させる出力ビームは、前記青色レーザービーム及び前記赤外線レーザービームを含み、同軸で重合するように発光し、且つ前記青色レーザービーム及び前記赤外線レーザービームのビームパラメータ積ＢＰＰは全て１０ ｍｍ ｘ ｍｒａｄ未満である。前記集束レンズにより調整することで、前記青色レーザービームの前記第一焦点を加工する材料の表面に形成し、且つ前記赤外線レーザービームの前記第二焦点を前記加工する材料中に進入させ、前記第一焦点と第二焦点との距離位置を１～３ｍｍの間の範囲にし、最良の溶接及び積層溶融被覆効果を獲得する。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係る「光ファイバー出力混光型レーザーシステム」は、少なくとも１つのブルーレイレーザーモジュール及び赤外線光ファイバーレーザーモジュールを応用し、総パワーが１００Ｗ未満の青色レーザービーム及び総パワーが１０００Ｗに達する赤外線レーザービームをそれぞれ発射する。光ファイバーコンバイナーが前記青色レーザービーム及び赤外線レーザービームを結束する。出力光学組立部材は、ビームを互いに平行にさせると共に２つの波長の集束点を発生させる。出力する青色レーザービーム及び赤外線レーザービームは同軸で重合するように発光し、ビームパラメータ積ＢＰＰは全て１０ ｍｍ ｍｒａｄ未満である。青色光のパワーは２０～１００Ｗの間の範囲であり、赤外線のパワーは５００～５０００Ｗの間の範囲であり、且つ青色光の焦点が加工する部材の表面に形成され、赤外線の焦点との間隔は１～３ｍｍの間の範囲であり、且つ加工する部材中に進入することで、最良の溶接及び積層溶融被覆効果を獲得する。本発明に応用する光ファイバーの結束は、従来の空間結束と比較し、コストが低いという効果を有している。また、出力する青色レーザービーム及び赤外線レーザービームのビームパラメータ積ＢＰＰが全て１０ ｍｍ ｍｒａｄ未満であり、結束したレーザービームが溶接エリアに集束し、そのビーム品質が優れ、銅溶接プロセスの安定性が更に改善する。

【0013】

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかである。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】従来の異なる波長レーザーによる各種の金属表面の吸収率を示すグラフである。

【図2】従来の赤外線による銅の加熱の材料温度とレーザーパワーの双安定状態を示す模式図である。

【図3】従来のレーザービームのパラメータ積を示す概略構成図である。

【図4】本発明の一実施例に係るレーザーシステムの実施例を示す概略構成図である。

【図5】本発明の一実施例に係る光ファイバーコンバイナーの断面を示す概略構成図である。

【図6】本発明の一実施例に係る出力コリメータを示す概略構成図である。

【図7】本発明の一実施例に係る２つの波長の集束点の状態を示す概略構成図である。

【図8】本発明の一実施例に係るブルーレイレーザーモジュールを示す概略構成図である。

【図9】本発明の一実施例に係る赤外線光ファイバーレーザーモジュールを示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態によるレーザーシステムを図面に基づき説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0016】

まず、本発明に係るレーザーシステムの実施例１００の構造（図４参照）は、青色光ファイバー１１により青色レーザービームＬ１を発射する少なくとも１つのブルーレイレーザーモジュール１０であって、本実施例では、ブルーレイレーザーモジュール１０は２組有し、よって、本実施例では、第一青色光ファイバー１１ａに連結されて第一青色レーザービームＬ１ａを発射する第一ブルーレイレーザーモジュール１０ａと、第二青色光ファイバー１１ｂに連結されて第二青色レーザービームＬ１ｂを発射する第二ブルーレイレーザーモジュール１０ｂと、を含む少なくとも１つのブルーレイレーザーモジュール１０と、赤外線光ファイバー２１により赤外線レーザービームＬ２を発射する赤外線光ファイバーレーザーモジュール２０と、青色光ファイバー１１及び赤外線光ファイバー２１を嵌入させ、且つ直径１００μｍの繊維芯及び３００μｍの被覆層を有する出力光ファイバー３１により、出力ビームＬ３を発生させる光ファイバーコンバイナー３０であって、本実施例では、光ファイバーコンバイナー３０中には第一青色光ファイバー１１ａ、第二青色光ファイバー１１ｂ、及び赤外線光ファイバー２１が嵌入される（図５参照）光ファイバーコンバイナー３０と、前後に配置されるコリメートレンズ４１及び集束レンズ４２を有している出力光学組立部材４０（図６参照）と、を含んで構成されている。コリメートレンズ４１は出力ビームＬ３が互いに平行な平行ビームＬ３１を形成させるために用いられ、且つ集束レンズ４２は通過した平行ビームＬ３１により２つの波長の集束点Ｆを発生させ、即ち、第一焦点Ｆ１及び第二焦点Ｆ２を発生させる。出力光ファイバー３１が発生させる出力ビームＬ３は、波長が４００ｎｍ～４８０ｎｍの間の範囲であり、パワーが２０～１００Ｗの間の範囲である青色レーザービームＬ１と、波長が９００ｎｍ～１１００ｎｍの間の範囲であり、パワーが５００～５０００Ｗの間の範囲である赤外線レーザービームＬ２と、を含む。２本のビームが同軸で重合するように発光し、且つ青色レーザービームＬ１及び赤外線レーザービームＬ２のビームパラメータ積ＢＰＰは全て１０ ｍｍ ｍｒａｄ未満である。集束レンズ４２により調整することで、青色レーザービームＬ１の第一焦点Ｆ１を加工する材料９０の表面に形成し、且つ赤外線レーザービームＬ２の第二焦点Ｆ２を加工する材料９０中に進入させ、第一焦点Ｆ１及び第二焦点Ｆ２の距離位置ΔＺが１～３ｍｍに達し、図７に示す如く、最良の溶接及び積層溶融被覆効果を獲得する。

【0017】

本発明において、ブルーレイレーザーモジュール１０（図８参照）は、少なくとも７個以上のブルーレイレーザーダイオードを有し、本応用ではブルーレイレーザーダイオード１２は９個であり、これにより４００ｎｍ～６７０ｎｍの波長範囲の９本の青色光ビームＬ１１を励起する。光学レンズ組立部材１３は、少なくとも７台の高速軸コリメータ１３１と、本応用では各々９台ある遅軸コリメータ１３２及びリフレクター１３３と、集束ミラー１３４と、を含んで構成され、個別の青色光ビームＬ１１は各高速軸コリメータ１３１及び各遅軸コリメータ１３２によりそれぞれ互いに平行した後、各リフレクター１３３により反射され、空間で青色レーザービームＬ１として結束される。青色レーザービームＬ１は集束ミラー１３４により集束された後に青色光ファイバー１１の繊維芯中に結合される。

【0018】

本発明において、赤外線光ファイバーレーザーモジュール２０（図９参照）は、赤外線レーザーダイオードを使用して波長１０６４ｎｍの種レーザービームＬ２１を発射する光源装置２２と、ハイパワー半導体レーザーを使用して８００～９８０ｎｍの波長範囲の励起レーザービームＬ２２を発射する励起光源装置２３と、種レーザービームＬ２１及び励起レーザービームＬ２２を赤外線光ファイバー２１の繊維芯中に結合し、赤外線レーザービームＬ２を形成するコンバイナー２４と、赤外線レーザービームＬ２のエネルギーを増幅する光ファイバーアンプ２５と、を有している。

【0019】

本発明に係るレーザーシステムは、少なくとも１つのブルーレイレーザーモジュール１０及び赤外線光ファイバーレーザーモジュール２０を応用して、総パワーが１００Ｗ未満の青色レーザービームＬ１及び総パワーが１０００Ｗに達する赤外線レーザービームＬ２をそれぞれ発射する。光ファイバーコンバイナー３０は前述の青色レーザービームＬ１及び赤外線レーザービームＬ２を結束させ、出力光学組立部材４０はビームを互いに平行させて２つの波長の集束点Ｆを発生させる。出力する青色レーザービームＬ１及び赤外線レーザービームＬ２は同軸で重合するように発光し、ビームパラメータ積ＢＰＰは全て１０ ｍｍ ｍｒａｄ未満である。青色光のパワーは２０～１００Ｗの間の範囲であり、赤外線のパワーは５００～５０００Ｗの間の範囲であり、且つ青色光の第一焦点Ｆ１は加工する部材９０の表面に形成され、赤外線の第二焦点Ｆ２との間隔は１～３ｍの間の範囲であり、且つ加工する部材９０中に進入することで、最良の溶接及び積層溶融被覆効果を獲得する。本発明に応用する光ファイバーの結束は、従来の空間結束と比べ、コストを低下させる効果を有している。また、出力する青色レーザービームＬ１及び赤外線レーザービームＬ２は、ビームパラメータ積ＢＰＰが全て１０ ｍｍ ｍｒａｄ未満であり、結束したレーザービームを溶接エリアに集束させ、ビーム品質が高く、銅溶接プロセスの安定性を更に改善している。

【0020】

以上、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

【符号の説明】

【0021】

１０ ブルーレイレーザーモジュール
１０ａ 第一ブルーレイレーザーモジュール
１０ｂ 第二ブルーレイレーザーモジュール
１１ 青色光ファイバー
１１ａ 第一青色光ファイバー
１１ｂ 第二青色光ファイバー
１２ ブルーレイレーザーダイオード
１３ 光学レンズ組立部材
１３１ 高速軸コリメータ
１３２ 遅軸コリメータ
１３３ リフレクター
１３４ 集束ミラー
２０ 赤外線光ファイバーレーザーモジュール
２１ 赤外線光ファイバー
２２ 種光源装置
２３ 励起光源装置
２４ コンバイナー
２５ 光ファイバーアンプ
３０ 光ファイバーコンバイナー
３１ 出力光ファイバー
４０ 出力光学組立部材
４１ コリメートレンズ
４２ 集束レンズ
９０ 加工する材料
１００ レーザーシステムの実施例
Ｆ 集束点
Ｆ１ 第一焦点
Ｆ２ 第二焦点
Ｌ１ 青色レーザービーム
Ｌ１１ 青色光ビーム
Ｌ１ａ 第一青色レーザービーム
Ｌ１ｂ 第二青色レーザービーム
Ｌ２ 赤外線レーザービーム
Ｌ２１ 種レーザービーム
Ｌ２２ 励起レーザービーム
Ｌ３ 出力ビーム
Ｌ３１ 平行ビーム
ΔＺ 距離位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】