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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-27
(45)【発行日】2023-07-05
(54)【発明の名称】レーザ加工装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/064 20140101AFI20230628BHJP
H01S 5/022 20210101ALI20230628BHJP
G02B 3/00 20060101ALI20230628BHJP
G02B 3/06 20060101ALI20230628BHJP
G02B 13/00 20060101ALI20230628BHJP
G02B 6/42 20060101ALI20230628BHJP
H01S 5/40 20060101ALI20230628BHJP
G02B 6/32 20060101ALI20230628BHJP
【ＦＩ】
B23K26/064 K
H01S5/022
G02B3/00 A
G02B3/06
G02B13/00
G02B6/42
H01S5/40
G02B6/32
【請求項の数】
28
(21)【出願番号】P 2019097859
(22)【出願日】2019-05-24
(65)【公開番号】P2019206031
(43)【公開日】2019-12-05
【審査請求日】2022-04-05
(31)【優先権主張番号】P 2018101926
(32)【優先日】2018-05-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】503359821
【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】金子 良夫
(72)【発明者】
【氏名】十倉 好紀
【審査官】山下 浩平
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－１１９１０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１２２８６５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１４－５０９２６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－２４３９００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２１８５４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５２０９８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０９９９８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－０３３４８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１９９１１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５６１７４９２（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０
Ｈ０１Ｓ ５／０２２
Ｇ０２Ｂ ３／００
Ｇ０２Ｂ ３／０６
Ｇ０２Ｂ １３／００
Ｇ０２Ｂ ６／４２
Ｈ０１Ｓ ５／４０
Ｇ０２Ｂ ６／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数本のレーザ光を照射する半導体レーザ装置と、前記複数本のレーザ光を、Ｌ本の集光ビームに集光する光学変換部と、
前記Ｌ本の集光ビームを受光するＬ本の光ファイバと、
を備え、
前記半導体レーザ装置は、Ｎ個の半導体レーザバーを有し、
前記Ｎ個の半導体レーザバーのそれぞれは、前記複数本のレーザ光を放射する複数個のエミッタを有し、
Ｌは２以上の整数であり、Ｎは１以上の整数であり、
前記光学変換部は、
前記複数本のレーザ光の第１方向の成分および前記第１方向と異なる第２方向の成分を、前記レーザ光の進行方向と平行な平行光に変換する第１光学系と、
平行光に変換した前記複数本のレーザ光を、前記Ｌ本の集光ビームに集光する第２光学系と
を備え、
前記光ファイバが、開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）および半径ＣＲを有する光ファイバコアを有し、
前記第２光学系は、１本の前記集光ビームあたりｋ個のエミッタから放射するｋ本の前記レーザ光を前記光ファイバコアに集光し、
前記第２光学系の前記第１方向の焦点距離Ｆ ｘ２ は、
前記複数個のエミッタからの前記第１方向への発散角度Θ ｘ 、エミッタ幅Ｗ ｘ 、ピッチＰ、前記第１方向の焦点距離をＥ ｘ１ とし、
前記レーザ光の前記第１方向の幅ΣＢ ｘ を、
Ｂ ｘ ＝（Ｅ ｘ１ ・ｓｉｎ（Θ ｘ ／２））・２＋Ｗ ｘ
ΣＢ ｘ ＝Ｐ・（ｋ－１）＋（Ｅ ｘ１ ・ｓｉｎ（Θ ｘ ／２））・２＋Ｗ ｘ
として、
Ｆ ｘ２ ≧ΣＢ ｘ ／（２・ｓｉｎ（Θ））
であり、
前記第２光学系の位置は前記光ファイバコアの入射面からの距離がＣ ｘ である場合、
２・Ｆ ｘ２ ≧Ｃ ｘ ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢ ｘ ）・Ｆ ｘ２
を満たす
レーザ加工装置。
【請求項2】
前記第１光学系は、マイクロレンズを有し、前記マイクロレンズは、
前記複数個のエミッタからの前記第１方向への発散角度Θｘ、エミッタ幅Ｗｘ、ピッチＰ、前記第１方向の焦点距離をＥｘ１とすると、
（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ≦Ｐ
を満たす複数のレンズを含み、
前記複数のレンズは、前記複数個のエミッタに対応して、前記第１方向に配列されている
請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項3】
前記光ファイバが、開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）および半径ＣＲの光ファイバコアを有し、前記半導体レーザバーの前記第１方向に配列されたエミッタから放射するｋ個のレーザ光を前記光ファイバに集光し、
前記第２光学系の前記第２方向の焦点距離Ｆｙ２は、
前記集光ビームの前記第２方向の幅Ｂｙを
Ｂｙ＝Ｅｙ１（２・ｓｉｎ（Θｙ／２））
として、
Ｆｙ２≧Ｂｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
を満たし、
前記第２光学系の位置は、前記光ファイバコアの入射面からの距離がＣｙである場合、
２・Ｆｙ２≧Ｃｙ≧（１－２・ＣＲ／Ｂｙ）・Ｆｙ２
である
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項4】
前記半導体レーザ装置は、前記第１方向にＫ個のエミッタを配列した前記半導体レーザバーを、前記第２方向にＮ個配列した１台の半導体レーザ装置で構成され、
１本の前記集光ビームに用いるエミッタ数をｋ個とした場合、
Ｋ×Ｎ≧ｋ×Ｌ（Ｋ，ｋ，Ｎは１以上の整数）
を満たす
請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項5】
前記複数個のエミッタは、予め定められた第１方向に配列され、前記Ｎ個の半導体レーザバーは、前記第１方向と異なる第２方向に積層され、
前記半導体レーザ装置は、前記第１方向および前記第２方向と異なる第３方向に前記レーザ光を放射する
請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項6】
前記第１光学系は、シリンドリカルレンズを有し、前記シリンドリカルレンズは、
前記複数個のエミッタから照射される前記レーザ光の前記第２方向への発散角度Θｙ、前記エミッタの幅Ｗｙ、前記Ｎ個の半導体レーザバーのピッチをＳｙ、前記シリンドリカルレンズの前記第２方向の焦点距離をＥｙ１とすると、
（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ≦Ｓｙ
を満たす
請求項５に記載のレーザ加工装置。
【請求項7】
前記第２光学系は、Ｎ個積層した前記半導体レーザバーのうち、ｎ層の前記半導体レーザバーからの前記レーザ光を集光した前記集光ビームを、１本の前記光ファイバに入射する請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項8】
前記光ファイバが、開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）および半径ＣＲを有する光ファイバコアを有し、前記第２光学系は、前記Ｎ個に積層された半導体レーザバーのうちｎ層の半導体レーザバーが出射する前記半導体レーザバーを分岐し、前記光ファイバコアに集光するシリンドリカルレンズを有し、
前記シリンドリカルレンズの前記第２方向の焦点距離Ｆｙ２は、
前記集光ビームの前記第２方向のビーム幅ΣＢｙを、
Ｂｙ＝（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ
ΣＢｙ＝Ｓｙ・（ｎ－１）＋Ｂｙ
として、
Ｆｙ２≧ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
を満たし、
前記シリンドリカルレンズの位置は、前記光ファイバコアの入射面からの距離がＣｙである場合、
２・Ｆｙ２≧Ｃｙ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｙ）・Ｆｙ２
である
請求項７に記載のレーザ加工装置。
【請求項9】
前記光ファイバが、開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）および半径ＣＲを有する光ファイバコアを有し、前記第２光学系は、１本の前記集光ビームあたりｋ個のエミッタから放射するｋ本の前記レーザ光を、前記集光ビームとして前記光ファイバコアに集光し、前記第２光学系が凸レンズを有し、
前記凸レンズの前記第１方向の焦点距離Ｆｘ２は、
前記複数個のエミッタからの前記第１方向への発散角度Θｘ、エミッタ幅Ｗｘ、ピッチＰ、エミッタ総数Ｋ、前記第１方向の焦点距離をＥｘ１とし、
前記レーザ光の前記第１方向の幅ΣＢｘを、
Ｂｘ＝（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
ΣＢｘ＝Ｐ・（Ｋ－１）＋（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
として、
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））
を満たし、
前記凸レンズは、前記Ｎ個に積層された半導体レーザバーのうちｎ層の半導体レーザバーが出射する前記レーザ光を分岐し、前記光ファイバコアに集光し、
前記第２方向の焦点距離Ｆｙ２は、前記集光ビームの前記第２方向のビーム幅ΣＢｙを、
Ｂｙ＝（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ
ΣＢｙ＝Ｓｙ・（ｎ－１）＋Ｂｙ
として、
Ｆｙ２≧ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
を満たし、
Ｆｘ２≧Ｆｙ２の場合、
前記凸レンズの位置は前記光ファイバコアの入射面からの距離をＣｃとすると、
２・Ｆｘ２≧Ｃｃ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
を満たし、
Ｆｘ２＜Ｆｙ２の場合、
２・Ｆｙ２≧Ｃｃ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｙ）・Ｆｙ２
を満たす
請求項７に記載のレーザ加工装置。
【請求項10】
前記光ファイバの光ファイバコア、光ファイバクラッドおよび外装を含む直径をＦｍａｘとしたとき、前記集光ビームの幅をＢｙとし、前記第２光学系の前記第２方向の焦点距離をＦｙ２とし、前記Ｎ個の半導体レーザバーのピッチをＳｙとして、
前記光ファイバの最小間隔ＣＤは、
ＣＤ＝Ｆｙ２・（２・ｓｉｎ（Θ）＋Ｓｙ・（ｎ－１））
Ｆｙ２＝ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
が、
ＣＤ≧Ｆｍａｘ
である場合に
前記第２光学系は、Ｎ個積層した前記半導体レーザバーのうち、ｎ層の前記半導体レーザバーからの前記レーザ光を集光した前記光ファイバコア、前記光ファイバクラッドおよび前記外装からなる１本の前記光ファイバに入射する
請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項11】
前記光ファイバは、前記集光ビームの入射側において、Ｌ個の光ファイバコアと、
前記Ｌ個の光ファイバコアを共通して覆う光ファイバクラッドと、
を備える
請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項12】
前記光ファイバは、前記集光ビームの放射側において、Ｌ個の独立した光ファイバコアと、
前記光ファイバコアを覆う独立したＬ個の光ファイバクラッドと
を有する
請求項１から１１のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項13】
前記光ファイバは、入射側において、断面が長円形の光ファイバコアを有する請求項１から１２のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項14】
前記光ファイバは、入射側において、断面が多角形の光ファイバコアを有する請求項１から１３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項15】
前記Ｌ本の光ファイバの放射面から出たＬ本の加熱ビームの照射強度分布を加工するＬ個の照射ヘッドを更に備える請求項１から１４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項16】
前記照射ヘッドは、前記加熱ビームの進行方向と直交する２次元面の照射強度分布が、前記加熱ビームの前記２次元面の中心を最大強度とした釣鐘型の照射強度分布である加熱ビームを照射する請求項１５に記載のレーザ加工装置。
【請求項17】
前記照射ヘッドは、前記加熱ビームの進行方向と直交する２次元面の照射強度分布が、略均一であるトップハット型の照射強度分布である加熱ビームを照射する請求項１５に記載のレーザ加工装置。
【請求項18】
前記照射ヘッドは、前記加熱ビームの進行方向と直交する２次元面の照射強度分布が、一の方向においてトップハット型の照射強度分布であり、他の方向において釣鐘型の照射強度分布である加熱ビームを照射する請求項１５に記載のレーザ加工装置。
【請求項19】
前記Ｌ個の照射ヘッドは、前記加熱ビームによる照射領域を中心とした同一円周上に非等間隔で配置された２以上の照射ヘッドを含む請求項１５から１８のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項20】
前記Ｌ個の照射ヘッドは、前記加熱ビームを照射する第１照射ヘッドと、
前記第１照射ヘッドの前記加熱ビームによる照射領域を中心とした同一円周上以外の領域に配置した第２照射ヘッドと
を含む
請求項１５から１８のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項21】
前記半導体レーザ装置に冷却水を供給する単一の冷却部を備え、前記半導体レーザ装置は、
前記単一の冷却部から前記冷却水を流入および流出する単一の第２入出力端子と
を有する
請求項１から２０のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項22】
複数本のレーザ光を照射する半導体レーザ装置と、
前記複数本のレーザ光を、Ｌ本の集光ビームに集光する光学変換部と、
前記Ｌ本の集光ビームを受光するＬ本の光ファイバと、
前記半導体レーザ装置に冷却水を供給する単一の冷却部と、
を備え、
前記半導体レーザ装置は、
Ｎ個の半導体レーザバーと、
前記単一の冷却部から前記冷却水を流入および流出する単一の第２入出力端子と、
を有し、
前記Ｎ個の半導体レーザバーのそれぞれは、前記複数本のレーザ光を放射する複数個のエミッタを有し、
Ｌは２以上の整数であり、Ｎは１以上の整数である
レーザ加工装置。
【請求項23】
前記Ｌ本の集光ビームの強度を調整する調整部を備え、前記調整部は、Ｌ本の時間的に連続な強度を有する集光ビームを非連続な強度を有する集光ビームに変換するポッケルセル素子を有する
請求項１から２２のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項24】
前記調整部は、前記Ｌ本の集光ビームの強度を減衰するポッケルセル素子を有する請求項２３に記載のレーザ加工装置。
【請求項25】
前記Ｌ本の集光ビームの強度を調整する調整部と、前記調整部の位置を制御することにより、前記Ｌ本の集光ビームの強度をそれぞれ調整する第１制御部と
を備える
請求項１から２２のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項26】
複数本のレーザ光を照射する半導体レーザ装置と、
前記複数本のレーザ光を、Ｌ本の集光ビームに集光する光学変換部と、
前記Ｌ本の集光ビームを受光するＬ本の光ファイバと、
前記Ｌ本の集光ビームの強度を調整する調整部と、
前記調整部の位置を制御することにより、前記Ｌ本の集光ビームの強度をそれぞれ調整する第１制御部と、
を備え、
前記半導体レーザ装置は、Ｎ個の半導体レーザバーを有し、
前記Ｎ個の半導体レーザバーのそれぞれは、前記複数本のレーザ光を放射する複数個のエミッタを有し、
Ｌは２以上の整数であり、Ｎは１以上の整数である
レーザ加工装置。
【請求項27】
前記調整部は、前記Ｌ本の集光ビームの強度を減衰するダンパを有する
請求項２５又は２６に記載のレーザ加工装置。
【請求項28】
前記Ｌ本の集光ビームの内、特定の集光ビームの強度を検知するセンサ部と、前記特定の集光ビームを放射する前記半導体レーザ装置の供給電力を制御することにより、前記集光ビームの強度を調整する第２制御部と
を備える
請求項１から２２のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ＣＯ２ガスレーザを使用したレーザ加工機用の加熱レーザ光が知られている（例えば、特許文献１）。ＣＯ２ガスレーザを用いることにより、材料加工に必要な数Ｗから数ＫＷクラスの高強度のレーザ光が安定して得られる。数Ｗクラスのレーザ強度は、樹脂や布の切断、異種材料の溶接に用いられる。一方、金属板やブロック加工、切断には数ＫＷクラスの大出力強度のレーザ源が用いられる。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１１－２９４３８号公報
［特許文献２］ 特開２０１６－１７５８１３号公報
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１１－２９４３８号公報
［特許文献２］ 特開２０１６－１７５８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかし、ＣＯ２ガスレーザ光の発振波長は、１０μｍと長波長となる。ＣＯ２ガスレーザ光用のレンズはＺｎＳｅ材料に限定されおり、高圧プレスでの製作が必要で高価である。そのためにシリコン単結晶製の反射ミラーを用いるのが一般である。この結果、材料コストアップと加熱ビームの操作性が劣る。１０μｍと長波長領域で、透過率の高い材料が存在しない。このため、従来のレーザ加工装置では、光ファイバを使用できないので、加熱ビームの操作性が悪い。数ＫＷクラスのＣＯ２レーザの場合は、共振器を構成するミラー間隔の光のパス長は数ｍ必要となる。共振器ミラー間に設置したガス管の長さにより小型化が困難である。さらに、ＣＯ２ガス冷却用循環器が必要などの付帯設備が必要となり大型になる。多数の穴を加工したい場合は、これらのレーザビームは１本の加熱ビームを反射方向にミラーを高速に反射させて加工する。よって、加工した穴形状の精度が大きく損なってしまう。
【0004】
なお、ファイバレーザを用いる方式では、ファイバレーザの発振波長が１μｍ程度であるので、石英製レンズや石英製ファイバを使用できる。しかしながら、ファイバレーザは高額である。
【0005】
一方、単結晶育成装置用に限定されているが、１台の半導体レーザ装置からのレーザ光をミラーにより分岐する方法が提案されている。しかし、レーザ加工装置に用いる分岐したレーザ光は高強度パワーのレーザ光を用いる。レーザ加工装置の分岐用にミラーを用いることができない。ミラー分岐の場合、ミラーを４５度程度傾斜する条件下で、１００％の反射率を確保する必要がある。その為、ミラーを構成する数層からなる多層積層薄膜の高精度の膜厚制御が必要である。製造上の膜厚バラツキ発生のために、反射率１００％を確保することは困難である。この場合、レーザ光のエネルギー吸収によってミラーの温度が上昇する。その結果、ミラーの反射面の多層膜が破損する場合がある。また、破損に至らない場合でも、ミラー反射面の歪みが発生する。ミラー反射面の熱ゆがみは光ファイバの入射面での集光ビームスポットを移動させる。このような歪みはファイバ出力強度を変化させるだけでなく、ファイバ入射面の端部が溶解する原因となる。また４５度の傾斜角度を維持するための支持台の振動や周辺温度変化にも敏感である。そのため、レーザ光をミラーにより分岐する方法は、レーザ加工装置用には適さない。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の第１の態様においては、複数本のレーザ光を照射する半導体レーザ装置と、複数本のレーザ光を、Ｌ本の集光ビームに集光する光学変換部と、Ｌ本の集光ビームを受光するＬ本の光ファイバと、を備え、半導体レーザ装置は、Ｎ個の半導体レーザバーを有し、Ｎ個の半導体レーザバーのそれぞれは、複数本のレーザ光を放射する複数個のエミッタを有し、Ｌは２以上の整数であり、Ｎは１以上の整数であるレーザ加工装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】実施例１に係るレーザ加工装置１００の概要の一例を示す。
【図2】実施例２に係るレーザ加工装置１００の概要の一例を示す。
【図3】実施例１および実施例２に係るレーザ加工装置１００の光学系を説明するための図である。
【図4A】円形の光ファイバコア６２を有する光ファイバ６０の一例を示す。
【図4B】多角形の光ファイバコア６２を有する光ファイバ６０の一例を示す。
【図4C】３つの光ファイバコア６２を有する光ファイバ６０の一例を示す。
【図5A】加熱ビーム１０４の照射強度分布の測定例を示す。
【図5B】加熱ビーム１０４の照射強度分布の測定例を示す。
【図5C】加熱ビーム１０４の照射強度分布の測定例を示す。
【図5D】加熱ビーム１０４の照射強度分布の測定例を示す。
【図6A】実施例３に係るレーザ加工装置１００の構成の一例を示す。
【図6B】実施例４に係るレーザ加工装置１００の構成の一例を示す。
【図7】実施例５に係るレーザ加工装置１００の構成の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、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。
【0009】
［実施例１］
図１は、実施例１に係るレーザ加工装置１００の概要の一例を示す。レーザ加工装置１００は、電源１０と、半導体レーザ装置２０と、調整部５０と、制御部５５と、光ファイバ６０と、光学変換部７０と、照射ヘッド８０とを備える。
図１は、実施例１に係るレーザ加工装置１００の概要の一例を示す。レーザ加工装置１００は、電源１０と、半導体レーザ装置２０と、調整部５０と、制御部５５と、光ファイバ６０と、光学変換部７０と、照射ヘッド８０とを備える。
【0010】
電源１０は、半導体レーザ装置２０に電力を供給する。レーザ加工装置１００は、半導体レーザ装置２０に電力を供給する単一の電源１０のみを有する。レーザ加工装置１００は、単一の電源１０のみを有するので、半導体レーザ装置２０に電力を供給する電源を複数必要としない。
【0011】
冷却部１５は、半導体レーザ装置２０に冷却水を供給する。レーザ加工装置１００は、半導体レーザ装置２０を冷却する単一の冷却部１５のみを有してよい。即ち、半導体レーザ装置２０には、１つの入水口および１つの出水口が設けられる。例えば、冷却部１５は、半導体レーザ装置２０を冷却するためのチラーを有する。
【0012】
半導体レーザ装置２０は、複数本のレーザ光２１を放射する。一例において、半導体レーザ装置２０は、複数のエミッタを有し、１個以上のＮ個の半導体レーザバーを備える。本例の半導体レーザ装置２０は、入出力端子２２および入出力端子２４を１つずつ有する。
【0013】
入出力端子２２は、電源１０と半導体レーザ装置２０とを接続するための端子である。一例において、入出力端子２２は、入力端子および出力端子を各１個ずつ含んでよい。入出力端子２２は、第１入出力端子の一例である。
【0014】
入出力端子２４は、冷却部１５と半導体レーザ装置２０とを接続するための端子である。一例において、入出力端子２４は、冷却水の入水口および出水口を各１個ずつ含んでよい。入出力端子２４は、第２入出力端子の一例である。
【0015】
光学変換部７０は、複数本のレーザ光２１を、予め定められたＬ本の集光ビーム１０２に変換する。Ｌは、２以上の整数である。Ｌは、奇数であっても、偶数であってもよい。本例では、Ｌ＝３の場合について説明するがこれに限られない。光学変換部７０は、第１光学系３０および第２光学系４０を有する。
【0016】
第１光学系３０は、レーザ光２１を予め定められた方向に平行な光に変換する。一例において、第１光学系３０は、レーザ光２１を進行方向と平行な光に変換する。例えば、第１光学系３０は、シリンドリカルレンズやマイクロレンズ等の任意のレンズを有する。
【0017】
第２光学系４０は、進行方向と平行にされたレーザ光２１をＬ個の集光ビーム１０２に変換する。第２光学系４０は、Ｌ個の集光ビーム１０２を光ファイバ６０に入射する。
【0018】
調整部５０は、Ｌ個の集光ビーム１０２の強度を調整する。調整部５０は、Ｌ個の集光ビーム１０２の強度を個別に調整してよい。例えば、調整部５０は、集光ビーム１０２を吸収するＬ個のダンパを有する。
【0019】
制御部５５は、調整部５０を制御することにより、集光ビーム１０２を吸収する量を調整する。これにより、制御部５５は、集光ビーム１０２の強度を調整する。例えば、制御部５５は、調整部５０が有するダンパの位置を調整する。制御部５５は、Ｌ本の加熱ビーム１０４の強度を観察し、Ｌ本の集光ビーム１０２の強度をそれぞれ独立して制御してよい。制御部５５は、第１制御部の一例である。
【0020】
制御部５５は、調整部５０を制御することにより、集光ビーム１０２をパルス光に変調する。例えば、制御部５５は、調整部５０が有するポッケルセル素子に電圧を与え、集光ビーム１０２の偏向方向を調整する。制御部５５は、Ｌ本の集光ビーム１０２のパルス周波数をそれぞれ独立して制御してよい。一例において、制御部５５は、調整部５０を制御することにより、集光ビーム１０２のパルス周波数や透過強度を制御する。集光ビーム１０２のパルス周波数や透過強度は、集光ビーム１０２のパルス幅や時間間隔を調整することにより制御する。
【0021】
光ファイバ６０は、集光ビーム１０２を受光して伝搬する。光ファイバ６０は、入射側において光ファイバコア６２を有する。Ｌ本の光ファイバ６０には、Ｌ本の光ファイバコア６２が対応して設けられてよい。照射ヘッド８０は、加熱ビーム１０４の放射側においてＬ本の放射側ファイバ６６を有する。
【0022】
光ファイバコア６２は、集光ビーム１０２を受光する。光ファイバコア６２は、Ｌ個設けられることにより、Ｌ本の集光ビーム１０２を受光する。本例の光ファイバコア６２は、３個の光ファイバコア６２ａ～光ファイバコア６２ｃを含む。
【0023】
放射側ファイバ６６は、光ファイバコア６２が受光した集光ビーム１０２を予め定められた位置に導通して放射する。本例の放射側ファイバ６６は、３つの放射側ファイバ６６ａ～放射側ファイバ６６ｃを含む。例えば、放射側ファイバ６６ａ～放射側ファイバ６６ｃは、集光ビーム１０２を照射ヘッド８０に接続するべく配線される。
【0024】
照射ヘッド８０は、光ファイバ６０の放射側に設けられる。照射ヘッド８０は、光ファイバ６０から受光した集光ビーム１０２を、加熱ビーム１０４として放射する。照射ヘッド８０は、加熱ビーム１０４の照射強度分布を加工する。本例の照射ヘッド８０は、放射側ファイバ６６ａ～放射側ファイバ６６ｃに対応した３つの照射ヘッド８０ａ～照射ヘッド８０ｃを含む。制御部５５は、コンピュータ制御等により、照射ヘッド８０の位置と角度を制御してもよい。照射ヘッド８０は、駆動系によって３次元空間を高精度かつ高速に移動してよい。
【0025】
加工材料１１０は、加熱ビーム１０４により加工される材料である。加工材料１１０の材料は、特に限定されない。半導体レーザ加工装置１００は、加工材料１１０の材質に応じたワット数の加熱ビーム１０４を生成するように、半導体レーザ装置２０の構造および光学系が設計されてよい。例えば、加工材料１１０は、加熱ビーム１０４により、複数の穴１１２が設けられる。本例のレーザ加工装置１００は、加熱ビーム１０４の照射強度分布や形状を制御することにより、任意の形状の穴１１２を形成できる。また、加熱ビーム１０４の照射強度分布を最適に調整することにより、穴１１２の精度を向上することができる。
【0026】
なお、Ｌ個の照射ヘッド８０の位置は、加工材料１１０の加工方法に応じて、適宜変更されてよい。Ｌ個の照射ヘッド８０は、規則的に設けられてもよいし、不規則に設けられてもよい。
【0027】
Ｌ個の照射ヘッド８０は、加工材料１１０の同一の領域を照射してもよいし、異なる領域を照射してもよい。Ｌ個の照射ヘッド８０は、加熱ビーム１０４による照射領域を中心とした同一円周上において、非等間隔で配置された２以上の照射ヘッド８０を含んでよい。Ｌ個の照射ヘッド８０の加工材料１１０との距離は、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。Ｌ個の照射ヘッド８０は、加熱ビーム１０４を照射する第１照射ヘッドと、当該第１照射ヘッドの加熱ビーム１０４による照射領域を中心とした同一円周上以外の領域に配置した第２照射ヘッドとを含んでよい。
【0028】
Ｌ個の照射ヘッド８０は、それぞれ異なる角度で加工材料１１０に加熱ビーム１０４を照射してよい。例えば、照射ヘッド８０ａが照射する加熱ビーム１０４ａと加工材料１１０とのなす角度は垂直でもよいし、鋭角や鈍角でもよい。また、照射ヘッド８０ａと他の照射ヘッド８０ｂおよび照射ヘッド８０ｃとのなす角度は平行であってもよいし、異なる角度であってもよい。
【0029】
本例のレーザ加工装置１００は、Ｌ本の加熱ビーム１０４の本数、強度および照射位置等を自在に変更することにより、多彩な用途に応用できる。例えば、レーザ加工装置１００は、加工材料１１０の穴の形成、パターンの形成、加工材料１１０の溶融等の用途に用いられる。また、レーザ加工装置１００は、多数のパターンを同時に形成できるので、加工効率に優れる。レーザ加工装置１００は、所望の三次元立体構造を加工できる。加熱ビーム１０４は三次元方向から放射できる。
【0030】
［実施例２］
図２は、実施例２に係るレーザ加工装置１００の概要の一例を示す。本例では、実施例１に係るレーザ加工装置１００と相違する点について特に説明する。本例のレーザ加工装置１００は、実施例１のレーザ加工装置１００に、さらに、半導体レーザ装置１２０を追加した場合の概要を示す。レーザレーザ加工装置１００は、実施例１の構成に、半導体レーザ装置１２０と、電源１２と、第１光学系１３０と第２光学系１４０とからなる光学変換部１７０と、センサ部１５０と、制御部１５５と、光ファイバコア６２ｄと、照射ヘッド８０ｄとを備える。
図２は、実施例２に係るレーザ加工装置１００の概要の一例を示す。本例では、実施例１に係るレーザ加工装置１００と相違する点について特に説明する。本例のレーザ加工装置１００は、実施例１のレーザ加工装置１００に、さらに、半導体レーザ装置１２０を追加した場合の概要を示す。レーザレーザ加工装置１００は、実施例１の構成に、半導体レーザ装置１２０と、電源１２と、第１光学系１３０と第２光学系１４０とからなる光学変換部１７０と、センサ部１５０と、制御部１５５と、光ファイバコア６２ｄと、照射ヘッド８０ｄとを備える。
【0031】
冷却部１５は、半導体レーザ装置２０および半導体レーザ装置１２０に冷却水を供給する。レーザ加工装置１００は、半導体レーザ装置２０および半導体レーザ装置１２０を冷却する単一の冷却部１５のみを有してよい。例えば、冷却部１５は、半導体レーザ装置２０および半導体レーザ装置１２０を冷却するためのチラーを有する。
【0032】
半導体レーザ装置１２０は、複数本のレーザ光１２１を放射する。一例において、半導体レーザ装置１２０は、複数のエミッタを有し、Ｎ個の半導体レーザバーを備える。本例の半導体レーザ装置１２０は、入出力端子１２２および入出力端子１２４を１つずつ有する。
【0033】
入出力端子１２２は、電源１２と半導体レーザ装置１２０とを接続するための端子である。本例の入出力端子１２２は、半導体レーザ装置１２０に１つ設けられている。
【0034】
入出力端子１２４は、冷却部１５と半導体レーザ装置１２０とを接続するための端子である。一例において、入出力端子１２４は、冷却水の入水口および出水口を各１個ずつ含んでよい。冷却部１５は、入出力端子２４および入出力端子１２４と並列に接続してよい。本例の入出力端子１２４は、半導体レーザ装置１２０に１つ設けられている。
【0035】
光学変換部１７０は、複数本のレーザ光１２１を集光ビーム１０２ｄに変換する。本例の集光ビーム１０２ｄは、１本の光ファイバコア６２ｄに入射されるが、複数の光ファイバコア６２に入射されてもよい。
【0036】
第１光学系１３０は、レーザ光１２１を予め定められた方向に平行な光に変換する。第１光学系１３０は、第１光学系３０と同様の構成を有してもよい。
【0037】
第２光学系１４０は、進行方向と平行にされたレーザ光１２１を集光ビーム１０２ｄに変換する。第２光学系１４０は、第２光学系４０と同様の構成を有してもよい。
【0038】
センサ部１５０は、Ｌ本の集光ビーム１０２の内、特定の集光ビーム１０２の強度を検知する。本例のセンサ部１５０は、集光ビーム１０２ｄの強度を検知する。センサ部１５０は、ファイバ入射端面からの散乱光を測定する。測定子はｐｎ接合による光強度検出装置であってよい。
【0039】
制御部１５５は、集光ビーム１０２ｄを放射する半導体レーザ装置１２０の供給電力を制御することにより、集光ビーム１０２ｄの強度を調整する。制御部１５５は、センサ部１５０からの電圧信号により、電源１２の出力を制御するための制御電圧を出力する。これにより、集光ビーム１０２ｄの照射強度をダンパなしに、調整できる。制御部１５５は、第２制御部の一例である。
【0040】
光ファイバ６０は、集光ビーム１０２を受光して伝搬する。光ファイバ６０は、入射側において光ファイバコア６２を有する。Ｌ本の光ファイバ６０には、Ｌ本の光ファイバコア６２が対応して設けられてよい。照射ヘッド８０は、加熱ビーム１０４の放射側においてＬ本の放射側ファイバ６６を有する。
【0041】
光ファイバコア６２は、集光ビーム１０２を受光する。光ファイバコア６２は、Ｌ個設けられることにより、Ｌ本の集光ビーム１０２を受光する。本例の光ファイバコア６２は、４個の光ファイバコア６２ａ～光ファイバコア６２ｄを含む。
【0042】
放射側ファイバ６６は、光ファイバコア６２が受光した集光ビーム１０２を予め定められた位置に導通して放射する。本例の放射側ファイバ６６は、４つの放射側ファイバ６６ａ～放射側ファイバ６６ｄを含む。例えば、放射側ファイバ６６ａ～放射側ファイバ６６ｄは、集光ビーム１０２を照射ヘッド８０に接続するべく配線される。
【0043】
照射ヘッド８０は、光ファイバ６０の放射側に設けられる。照射ヘッド８０は、光ファイバ６０から受光した集光ビーム１０２を、加熱ビーム１０４として放射する。照射ヘッド８０は、加熱ビーム１０４の照射強度分布を加工する。本例の照射ヘッド８０は、放射側ファイバ６６ａ～放射側ファイバ６６ｄに対応した４つの照射ヘッド８０ａ～照射ヘッド８０ｄを含む。制御部５５は、コンピュータ制御等により、照射ヘッド８０の位置と角度を制御してもよい。照射ヘッド８０は、駆動系によって３次元空間を高精度かつ高速に移動してよい。
【0044】
加工材料１１０は、加熱ビーム１０４により加工される材料である。加工材料１１０の材料は、特に限定されない。半導体レーザ加工装置１００は、加工材料１１０の材質に応じたワット数の加熱ビーム１０４を生成するように、半導体レーザ装置２０および１２０の構造および光学系が設計されてよい。例えば、加工材料１１０は、加熱ビーム１０４により、複数の穴１１２が設けられる。本例のレーザ加工装置１００は、加熱ビーム１０４の照射強度分布や形状を制御することにより、任意の形状の穴１１２を形成できる。また、加熱ビーム１０４の照射強度分布を最適に調整することにより、穴１１２の精度を向上することができる。
【0045】
なお、Ｌ個の照射ヘッド８０の位置は、加工材料１１０の加工方法に応じて、適宜変更されてよい。Ｌ個の照射ヘッド８０は、規則的に設けられてもよいし、不規則に設けられてもよい。
【0046】
Ｌ個の照射ヘッド８０は、加工材料１１０の同一の領域を照射してもよいし、異なる領域を照射してもよい。Ｌ個の照射ヘッド８０は、加熱ビーム１０４による照射領域を中心とした同一円周上において、非等間隔で配置された２以上の照射ヘッド８０を含んでよい。Ｌ個の照射ヘッド８０の加工材料１１０との距離は、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。Ｌ個の照射ヘッド８０は、加熱ビーム１０４を照射する第１照射ヘッドと、当該第１照射ヘッドの加熱ビーム１０４による照射領域を中心とした同一円周上以外の領域に配置した第２照射ヘッドとを含んでよい。
【0047】
Ｌ個の照射ヘッド８０は、それぞれ異なる角度で加工材料１１０に加熱ビーム１０４を照射してよい。例えば、照射ヘッド８０ａが照射する加熱ビーム１０４ａと加工材料１１０とのなす角度は垂直でもよいし、鋭角や鈍角でもよい。また、照射ヘッド８０ａと他の照射ヘッド８０ｂおよび照射ヘッド８０ｃとのなす角度は平行であってもよいし、異なる角度であってもよい。
【0048】
本例のレーザ加工装置１００は、Ｌ本の加熱ビーム１０４の本数、強度および照射位置等を自在に変更することにより、多彩な用途に応用できる。例えば、レーザ加工装置１００は、加工材料１１０の穴の形成、パターンの形成、加工材料１１０の溶融等の用途に用いられる。また、レーザ加工装置１００は、多数のパターンを同時に形成できるので、加工効率に優れる。レーザ加工装置１００は、所望の三次元立体構造を加工できる。加熱ビーム１０４は三次元方向から放射できる。
【0049】
実施例２に係るレーザ加工装置１００は、複数の半導体レーザ装置の使用も可能にすることに特徴がある。本例のレーザ加工装置１００は、１台の半導体レーザ装置から分割して多数本のレーザ分割する場合、分岐したレーザ強度の一部が小さい強度になってしまう場合に有効である。分岐することによるレーザ強度の低下を防止できる。このような場合でも、半導体レーザ装置を冷却水の供給システムは１台ですみ、半導体レーザ直近での温度を制御できるので、半導体出力を安定させることができる。
【0050】
図３は、実施例１および実施例２に係るレーザ加工装置１００の光学系を説明するための図である。レーザ加工装置１００は、半導体レーザバー２６と、シリンドリカルレンズ３２と、マイクロレンズ３４と、マイクロレンズ４２と、ダンパ５２と、光ファイバ６０とを備える。
【0051】
半導体レーザバー２６は、総数Ｋ個のエミッタ２８を有し、Ｋ本のレーザ光２１を放射する。本例のＫ個のエミッタ２８は、Ｘ軸方向に幅Ｗｘを有し、予め定められたピッチＰでＸ軸方向に配列されている。１個のエミッタ２８から照射されるレーザ光２１の１本の強度が数Ｗである。例えば、１個のエミッタ２８から照射されるレーザ光２１の１本の強度が１０Ｗの場合、１２個のエミッタ２８を有する半導体レーザバー２６が放射するレーザ光２１の強度が１２０Ｗとなる。エミッタ２８の数は、必要とする強度に応じて決定されてよい。Ｘ軸方向は、第１方向の一例である。Ｙ軸方向は、第２方向の一例である。
【0052】
ここで、半導体レーザバー２６が放射するレーザ光２１は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の成分を有する。例えば、半導体レーザバー２６は、Ｙ軸方向にΘｙ、Ｘ軸方向にΘｘの発散角度でレーザ光２１を放射する。
【0053】
第１光学系３０は、ｋ本のレーザ光２１を進行方向（例えば、Ｚ軸）と平行な光に変換する。第１光学系３０は、シリンドリカルレンズ３２およびマイクロレンズ３４を有する。本例の第１光学系３０は、半導体レーザバー２６から放射されたＫ本のレーザ光２１を進行方向Ｚ軸と平行となるように変換する。第１光学系３０は、レーザ光２１を進行方向（例えば、Ｚ軸）に対して平行な平行光に変換することにより、レーザ光２１の伝達強度ロスや光ファイバ６０の損傷を防止することができる。
【0054】
シリンドリカルレンズ３２は、Ｙ軸方向の成分を進行方向と平行な方向に変換する。シリンドリカルレンズ３２は、円柱状のレンズを含む。シリンドリカルレンズ３２は、レーザ光２１が入射する平坦な面と、レーザ光２１が放射する円柱状の曲面とを有する。但し、シリンドリカルレンズ３２の形状は本例に限られない。例えば、シリンドリカルレンズ３２は、ファーストアキシスシリンドリカルレンズＦＡＣである。
【0055】
マイクロレンズ３４は、発散角度Θｘで放射するレーザ光２１を進行方向と平行な方向に変換する。マイクロレンズ３４は、Ｘ軸方向に配列されたＫ個の凸レンズを有する。例えば、マイクロレンズ３４は、スローアキシスレンズＳＡＣである。
【0056】
第１光学系３０は、シリンドリカルレンズ３２およびマイクロレンズ３４を組み合わせることにより、レーザ光２１を進行方向（例えば、Ｚ軸）に対して平行な光に変換する。
【0057】
半導体レーザ装置２０は、各エミッタ２８からレーザ光２１を進行方向（例えば、Ｚ軸）に対して２次元楕円面形状に放射する。レーザ光２１の発散角度はＸ軸方向にΘｘ，Ｙ軸方向にΘｙである。実施例ではΘｘ＝８°，Θｙ＝３０°である１２個のエミッタを有する半導体レーザバー２６を用いる。レーザ光２１の発散角度にはバラツキも生じる。
【0058】
レーザ加工装置１００は、放射角やそのバラツキのある複数の集光ビーム１０２を、光ファイバ６０に入射させる。光ファイバコア６２の入射面の直径内にレーザ光２１を入射しなければならない。そして、レーザ光２１を光ファイバコア６２の許容入射角度Θ内で入射する。
【0059】
ここで、光ファイバ６０への許容入射角度Θと、開口数ＮＡとの間にはＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）の関係が成り立つ。即ち、開口数ＮＡ＝０．２２の場合、許容入射角度Θが１２．８度になり、最大許容入射角度が±１２．８度になる。
【0060】
許容入射角度Θを超えて集光ビーム１０２が光ファイバ６０に入射すると、光ファイバコア６２と光ファイバコア６２の周囲の材料である後述する光ファイバクラッド６４との境界面で全反射することなく透過してしまい、光伝達強度が減衰する。さらには、透過した集光ビーム１０２の光エネルギーは発熱原因となり、光ファイバ６０の石英を溶解し、破損する要因となる場合がある。
【0061】
光ファイバコア６２の直径は０．６ｍｍ程度である。第２光学系４０は、集光ビーム１０２を光ファイバコア６２の直径内に厳密に集光する。そのため、集光ビーム１０２の径が大きい場合、光ファイバ６０の溶解の原因となり得る。集光ビーム１０２の入射角度および集光径は、光ファイバ６０の特性に応じた条件を満たす。特に、加熱ビーム１０４の強度が大きくなる場合に、第１光学系、第２光学系への要求が厳しくなる。
【0062】
第１光学系３０を構成するマイクロレンズ３４は、レーザ光２１をＬ個の集光ビーム１０２に分岐するために、平行に変換したレーザ光２１が互いに重ならないように設計する。エミッタ２８の発散角度Θｘ、エミッタ２８の幅Ｗｘ、エミッタ２８のＸ軸方向におけるピッチＰから、マイクロレンズ３４の焦点距離が次の条件を満たすように設けられる。
【0063】
平行光に変換されたレーザ光２１のＸ軸方向のビーム幅Ｂｘが、隣の平行光に変換されたレーザ光２１と重ならないためには、次式を満たすように設計される。
［数１］
Ｂｘ≦Ｐ
また、ビーム幅Ｂｘは、次式で示される。
［数２］
Ｂｘ＝（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
Ｅｘ１は、マイクロレンズ３４を構成する凸レンズの焦点距離である。マイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｘ１は、次式を満たす。
［数３］
（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ≦Ｐ
マイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｘ１が（（Ｐ－Ｗｘ）／２）／（ｓｉｎ（Θｘ／２））より大きい場合はＸ軸方向のビーム幅Ｂｘが隣のエミッタ２８からのレーザ光２１と重なってしまう。
［数１］
Ｂｘ≦Ｐ
また、ビーム幅Ｂｘは、次式で示される。
［数２］
Ｂｘ＝（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
Ｅｘ１は、マイクロレンズ３４を構成する凸レンズの焦点距離である。マイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｘ１は、次式を満たす。
［数３］
（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ≦Ｐ
マイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｘ１が（（Ｐ－Ｗｘ）／２）／（ｓｉｎ（Θｘ／２））より大きい場合はＸ軸方向のビーム幅Ｂｘが隣のエミッタ２８からのレーザ光２１と重なってしまう。
【0064】
第１光学系３０を構成するシリンドリカルレンズ３２は、マイクロレンズ３４よりもエミッタ２８放射面近くに設けられることが好ましい。レーザ光２１のＹ軸方向の発散角度Θｙが、Ｘ軸方向の発散角度Θｘよりも大きいので、レーザ光２１のＹ軸方向成分を先に進行方向（例えば、Ｚ軸）と平行な成分に変換しておくことが好ましい。これにより、レーザ光２１のＹ軸方向の幅Ｂｙの増加を抑制できる。
【0065】
シリンドリカルレンズ３２の焦点距離Ｅｙ１は、シリンドリカルレンズの加工形状から可能な最小サイズで設計されることが好ましい。例えば、シリンドリカルレンズ３２のＹ軸方向の焦点距離Ｅｙ１は０．６ｍｍである。マイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｘ１は１．４ｍｍであってよい。シリンドリカルレンズ３２の厚みは０．８ｍｍとなるので、シリンドリカルレンズ３２のＺ軸方向にマイクロレンズ３４を設置するために、０．８ｍｍより大きな焦点距離Ｅｘ１が必要である。
【0066】
本例の半導体レーザバー２６では、Ｘ軸方向のエミッタ２８の数が１２個、Ｘ軸方向の幅Ｗｘが０．２ｍｍ、Ｘ軸方向のエミッタ２８のピッチＰが０．４ｍｍであり、エミッタ２８のＹ軸方向の長さＷｙが０．０１ｍｍである。各エミッタから放射するレーザ光２１は、２次元楕円面形状に発散する。本例の１２個のエミッタから放射するレーザ光２１の発散角度は、Θｙ＝３０°およびΘｘ＝８°である。
【0067】
ビーム幅Ｂｘは、次式で算出される。
［数４］
Ｂｘ＝（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ＝０．１９５＋０．２＝０．３９５ｍｍ
ビーム幅Ｂｘは、エミッタ２８のピッチＰ＝０．４ｍｍ以下となり（数３）式を満たす。
［数４］
Ｂｘ＝（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ＝０．１９５＋０．２＝０．３９５ｍｍ
ビーム幅Ｂｘは、エミッタ２８のピッチＰ＝０．４ｍｍ以下となり（数３）式を満たす。
【0068】
以上、第１光学系３０は、シリンドリカルレンズ３２およびマイクロレンズ３４の光学パラメータを適切に設定することにより、半導体レーザ装置２０が照射するレーザ光２１が互いに重ならないように、Ｚ軸と平行な光に変換できる。この結果、第１光学系３０は、レーザ光２１をＬ個の集光ビーム１０２に分岐できる。
【0069】
次に平行になったレーザ光２１をＬ個の集光ビーム１０２に分岐するための第２光学系４０の設計指針を述べる。レーザ光２１を集光ビーム１０２に分岐するための第１光学系３０への必要条件はすでに述べたとおりである。光ファイバ６０への許容入射角度Θと、開口数ＮＡとの間にはＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）の関係が成り立つことを先に述べた。即ち、開口数ＮＡ＝０．２２の場合、許容入射角度Θが１２．８度になり、最大許容入射角度が±１２．８度になる。この要請から、第２光学系４０を構成するマイクロレンズ４２で、Ｋ個のエミッタ２８をＬ個のファイバに集光する場合、第２光学系４０のＸ方向の焦点距離Ｆｘ２は、次式となる。
［数５］
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））
［数５］
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））
【0070】
第２光学系４０を構成するマイクロレンズ４２のＸ方向の焦点距離Ｆｘ２は、総数Ｋ個のエミッタ２８のうちｋ個のエミッタ２８からのレーザ光２１を１個の光ファイバコア６２に集光する。そのために、総数Ｋ個の一部ｋ個のレーザ光２１のＸ軸方向の幅ΣＢｘからの入射角度を２・ｓｉｎ（Θ）内に収めるように焦点距離Ｆｘ２を設計する。ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））より大きい焦点距離Ｆｘ２であればよい。
【0071】
ｋ個のエミッタ２８からのｋ本のレーザ光２１を光ファイバコア６２に入射する場合、レーザ光２１のＸ軸方向の幅ΣＢｘは、次式で示される。
［数６］
ΣＢｘ＝Ｐ・（ｋ－１）＋Ｂｘ
即ち、次式を満たす。
ΣＢｘ＝Ｐ・（ｋ－１）＋（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
Ｐは、エミッタ２８のＸ軸方向におけるピッチである。
［数６］
ΣＢｘ＝Ｐ・（ｋ－１）＋Ｂｘ
即ち、次式を満たす。
ΣＢｘ＝Ｐ・（ｋ－１）＋（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
Ｐは、エミッタ２８のＸ軸方向におけるピッチである。
【0072】
ここで、例えば、半導体レーザバー２６では、エミッタ２８の数が１２個であり、エミッタ２８の幅Ｗが０．２ｍｍであり、ピッチＰが０．４ｍｍである。１２本のレーザ光２１が３本に分割される場合、１本の集光ビーム１０２あたりのエミッタ２８の数がｋ＝４個となる。Ｂｘは（数４）式であるから、ΣＢｘが次式で示される。
ΣＢｘ＝０．４・（４－１）＋０．３９５＝１．５９５ｍｍ
ΣＢｘ＝０．４・（４－１）＋０．３９５＝１．５９５ｍｍ
【0073】
したがってΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））＝３．６５となる。開口数ＮＡ＝０．２２の場合、Ｆｘ２は３．６５ｍｍより大きい焦点距離を選べばよい。よって、Ｆｘ２＝３．６５ｍｍは最小値である。３．６５ｍｍより大きい焦点距離のＦｘ２の場合、光ファイバコア６２への入射角度が小さくなる。エミッタ２８からの距離は最小値に設定することが好ましい。
【0074】
第２光学系４０を構成するマイクロレンズ４２は３個の凸レンズからなるマイクロレンズである。マイクロレンズ４２は、１体に構成した３個の凸レンズを有してよい。マイクロレンズ４２に入射するレーザ光２１の個数ｋが異なる場合、（数２）式のΣＢｘの値が異なる。ΣＢｘの最大の値で（数５）式を満たすようにＦｘ２を決める。
【0075】
第２光学系４０を構成するマイクロレンズ４２の位置は、光ファイバコア６２の入射面からの距離がＣｘである場合、次式を満たさなければならない。即ち、（数５）式を満たす焦点距離Ｆｘ２を設定し、さらに焦点距離Ｆｘ２をもつマイクロレンズ４２の位置Ｃｘが次式を満たす位置としなければならない。
［数７］
２・Ｆｘ２≧Ｃｘ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
ここで、ＣＲは、光ファイバコア６２の半径である。光ファイバコア６２の半径ＣＲは、光ファイバコア６２の断面が矩形の場合、当該矩形の中心から矩形の外周までの最短距離であってよい。
［数７］
２・Ｆｘ２≧Ｃｘ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
ここで、ＣＲは、光ファイバコア６２の半径である。光ファイバコア６２の半径ＣＲは、光ファイバコア６２の断面が矩形の場合、当該矩形の中心から矩形の外周までの最短距離であってよい。
【0076】
Ｃｘが（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２より小さいと、光ファイバコア６２のエッジにレーザ光２１を照射してしまい、コア損傷を引き起こす。レーザ光２１は高強度であるので、深刻なダメージとなる。Ｃｘが焦点距離以上に大きくなるとレーザ光２１は広がる。Ｃｘが２・Ｆｘ２より大きいと、光ファイバコア６２のエッジにレーザ光２１を照射し、コア損傷を引き起こす。
【0077】
ここで、光ファイバコア６２はＣＲ＝０．３ｍｍである場合は、（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２＝（１－２×０．３／１．５９５）×３．６５＝２．２３ｍｍである。そのため、Ｃｘが７．３ｍｍ≧Ｃｘ≧２．２３ｍｍを満たす位置にマイクロレンズ４２を設置する。
【0078】
実施例１および実施例２では、マイクロレンズ４２の位置をＣｘ＝３．５ｍｍとした。焦点距離Ｆｘ２と同程度の距離とした。コア面へのレーザ光２１を極力小さくするためと、集光マイクロレンズ４２と光ファイバコア６２内にダンパ５２を設置するためのスペースを考慮した。
【0079】
このように、第１光学系３０と第２光学系４０を適切に設計することにより、１本の集光ビーム１０２あたりｋ個のエミッタ２８から放射するｋ本のレーザ光２１を１個の光ファイバコア６２に集光することができる。
【0080】
上記に述べた第２光学系４０の設計指針は、Ｙ軸方向においても同様である。シリンドリカルレンズ３２の焦点距離Ｅｙ１を用いた場合、進行方向と平行なレーザ光２１の幅Ｂｙは、次式で示される。
［数８］
Ｂｙ＝Ｅｙ１（２・ｓｉｎ（Θｙ／２））
発散角度Θｙは、半導体レーザ装置２０からＹ軸方向の発散角度である。
［数８］
Ｂｙ＝Ｅｙ１（２・ｓｉｎ（Θｙ／２））
発散角度Θｙは、半導体レーザ装置２０からＹ軸方向の発散角度である。
【0081】
開口数ＮＡの要請からＹ軸方向の集光用レンズの焦点距離Ｆｙ２は、次式で示される。
［数９］
Ｆｙ２≧Ｂｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
［数９］
Ｆｙ２≧Ｂｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
【0082】
したがって、エミッタ２８の発散角度Θｙ、第１光学系３０のシリンドリカルレンズ３２の焦点距離Ｅｙ１、開口数ＮＡとから、次式が成り立つ。
［数１０］
Ｆｙ２≧（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２／（２・ｓｉｎ（Θ））
［数１０］
Ｆｙ２≧（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２／（２・ｓｉｎ（Θ））
【0083】
焦点距離Ｆｙ２を有する集光レンズから光ファイバコア６２の受光面までの距離Ｃｙは、光ファイバコア６２内に入射するように次式を満たす。
［数１１］
２・Ｆｙ２≧Ｃｙ≧（１－２・ＣＲ／Ｂｙ）・Ｆｙ２
［数１１］
２・Ｆｙ２≧Ｃｙ≧（１－２・ＣＲ／Ｂｙ）・Ｆｙ２
【0084】
焦点距離Ｆｙ２を有する集光レンズから光ファイバコア６２の受光面までの距離Ｃｙが、入射コア面に近い配置の場合、入射する集光ビーム１０２が光ファイバコア６２の外側に入射してしまい光ファイバ６０に深刻なダメージを与える。距離Ｃｙがこれより大きい場合、入射する集光ビーム１０２は光ファイバコア６２の外側に入射してしまい光ファイバ６０が損傷する場合がある。したがって、距離Ｃｙは焦点距離Ｆｙ２程度であることが望ましい。
【0085】
実施例１および実施例２において、各エミッタ２８からのＹ軸方向のレーザ光２１はΘｙ＝３０°の発散角度を有する。第１光学系３０で用いるシリンドリカルレンズを焦点距離Ｅｙ１＝０．６ｍｍとすることにより、レーザ光２１のＹ軸方向の幅Ｂｙ＝０．５ｍｍで平行となる。光ファイバコア６２の直径が０．６ｍｍなのでＢｙはこれより小さい。本実施例では、Ｙ軸方向のレーザ光２１の幅は第２光学系４０により特に集光することなく、光ファイバコア６２に入射できる。光ファイバコア６２への入射角度は平行光であるのでゼロ度である。許容開口数ＮＡ以下であるのは自明である。したがって、実施例１および実施例２においては、第２光学系４０においてＹ軸方向の集光レンズがなくてもよい。
【0086】
実施例１および実施例２においてのダンパ５２は、集光ビーム１０２の強度を調整するカーボン製のダンパである。ダンパ５２は、それぞれの集光ビーム１０２のエッジに設置される。ダンパ５２ａは集光ビーム１０２ａの下部に設置される。ダンパ５２ａの上端エッジで集光ビーム１０２ａの下部のビームを吸収し、集光ビーム１０２ａの強度を調整する。ダンパ５２ｃは集光ビーム１０２ｃの下部に設置される。ダンパ５２ｃの上端エッジで集光ビーム１０２ｃの下部のビームを吸収し、集光ビーム１０２ｃの強度を調整する。ダンパ５２ｂは集光ビーム１０２ｂの上部に設置される。ダンパ５２ｂの下エッジで集光ビーム１０２ｂの上部のビームを吸収し、集光ビーム１０２ｂの強度を調整する。ダンパ５２のカーボンは、集光ビーム１０２の強度を調整できる程度に十分に小さい反射率を有する。ダンパ５２は、吸収効率が高い材料を有することが好ましい。
【0087】
また、ダンパ５２は、集光ビーム１０２を吸収した場合に放熱できるよう程度に高い熱伝導率を有することが好ましい。例えば、ダンパ５２のカーボンの熱伝導率は、銅と同程度に高い。ダンパ５２の裏面に設置した銅板に冷却水を導入することにより、吸収した集光ビーム１０２による熱を効率良く吸収される。
【0088】
本例のダンパ５２は、上下端部で集光ビーム１０２を吸収する。ダンパ５２は、集光ビーム１０２ａ～集光ビーム１０２ｃに対応した３つのダンパ５２ａ～ダンパ５２ｃを含む。ダンパ５２の上下位置は、ピエゾ素子で電圧駆動することにより調整できる。ダンパ５２ａ～ダンパ５２ｃは、独立に駆動されてよい。ダンパ５２の高さは、ピエゾ素子を用いて数μｍの精度で調整できる。ダンパ５２の高さを電圧で調整することにより、加熱ビーム１０４の強度を測定しながら、外部電圧源で厳密に制御できる。これにより、レーザ加工装置１００は、Ｌ本の加熱ビーム１０４の強度を外部制御できる。
【0089】
図４Ａは、円形の光ファイバコア６２を有する光ファイバ６０の一例を示す。光ファイバ６０は、光ファイバコア６２および光ファイバクラッド６４を有する。
【0090】
光ファイバコア６２は、入射された集光ビーム１０２を伝搬する。光ファイバコア６２は、円形状の断面を有する。光ファイバコア６２の半径ＣＲは、ＣＲ＝０．３ｍｍである。光ファイバ６０の開口数は、開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）＝０．２２である。
【0091】
光ファイバクラッド６４は、光ファイバコア６２の周囲を覆う。即ち、光ファイバ６０の構造は、光ファイバコア６２とその周囲を覆う光ファイバクラッド６４との２層構造である。光ファイバクラッド６４の屈折率は、光ファイバコア６２の屈折率より小さい。光ファイバコア６２と光ファイバクラッド６４の屈折率差により、集光ビーム１０２が光ファイバコア６２内に閉じ込められる。例えば、光ファイバクラッド６４は、フッ化酸化ケイ素材料を有する。
【0092】
光ファイバ６０は、集光ビーム１０２を光ファイバコア６２と光ファイバクラッド６４との境界面で全反射させることにより、光ファイバコア６２の内部に閉じ込める。光ファイバ６０は、集光ビーム１０２を全反射させることにより、内部での損失を低減することができる。例えば、光ファイバ６０の許容入射角度は、Θ＝１２．７２°である。この場合、光ファイバ６０は、完全受光角２・Θ＝２・１２．７２°＝２５．４４°内で入射した集光ビーム１０２を光ファイバコア６２の内部に閉じ込める。
【0093】
図４Ｂは、多角形の光ファイバコア６２を有する光ファイバ６０の一例を示す。多角形とは、略三角形状や略矩形形状を含んでよい。本例の光ファイバコア６２は、矩形の断面を有する点で図４Ａの光ファイバコア６２と相違する。
【0094】
本例の光ファイバ６０は、図４Ａの場合と同一の開口数ＮＡを有してよい。例えば、開口数ＮＡ＝０．２２の場合、光ファイバ６０の許容入射角度は、Θ＝１２．７２°である。この場合、光ファイバ６０は、完全受光角２・Θ＝２５．４４°内で入射した集光ビーム１０２を光ファイバコア６２の内部に閉じ込める。
【0095】
第１光学系３０および第２光学系４０は、光ファイバ６０の完全受光角２・Θ内で、光ファイバコア６２の径２・ＣＲに収まるようにレーザ光２１を入射する。光ファイバコア６２の径とは、光ファイバコア６２の断面が矩形の場合、光ファイバコア６２のＹ軸方向の上端と下端との間の大きさである。
【0096】
図４Ｃは、３つの光ファイバコア６２を有する光ファイバ６０の一例を示す。光ファイバ６０は、３つの光ファイバコア６２と光ファイバクラッド６４とを有する。光ファイバ６０は、４個以上の光ファイバコア６２を有してもよい。
【0097】
実施例１の光ファイバコア６２は、３つの光ファイバコア６２ａ～光ファイバコア６２ｃを含む。３つの光ファイバコア６２ａ～光ファイバコア６２ｃは、Ｘ軸方向に１次元に配列している。３つの光ファイバコア６２ａ～光ファイバコア６２ｃは、共通の光ファイバクラッド６４で覆われている。これにより、１本の光ファイバ６０を構成している。光ファイバコア６２の断面形状は、光ファイバコア６２の径と開口数ＮＡの仕様に応じて適宜設定されてよい。
【0098】
光ファイバコア６２ａは、円形の断面を有する。光ファイバコア６２ａの断面形状は、図４Ａで示した光ファイバコア６２の断面形状と同一であってよい。
【0099】
光ファイバコア６２ｂおよび光ファイバコア６２ｃは、矩形の断面形状を有する。光ファイバコア６２ｂおよび光ファイバコア６２ｃの断面形状は、図４Ｂで示した光ファイバコア６２の断面形状と同一であってよい。複数の光ファイバコア６２の断面形状は、同一であっても異なっていてもよい。
【0100】
光ファイバコア６２の形状を適切に設定することにより、集光ビーム１０２の強度を大きくした場合であっても、光ファイバコア６２の溶解などの故障を抑制することができる。また、集光ビーム１０２のパワーのロスを最小限にして、集光ビーム１０２を光ファイバ６０の放射面に伝達できる。
【0101】
光ファイバ６０の入射側は、Ｌ個の光ファイバコア６２が１つにまとめられてよい。本例の光ファイバクラッド６４は、３つの光ファイバコア６２ａ～光ファイバコア６２ｃを覆う。光ファイバ６０の入射側を１本にすることにより、集光ビーム１０２を個々の独立した光学系を用いることなく入射することができる。
【0102】
一方、光ファイバ６０の放射側は、Ｌ個の光ファイバコア６２がそれぞれ独立して設けられる。即ち、光ファイバ６０は、図１で示したように、それぞれ独立した３本の光ファイバ６０ａ～光ファイバ６０ｃを有する。これにより、レーザ加工装置１００は、任意の方向から、加工材料１１０に加熱ビーム１０４を照射することができる。
【0103】
Ｌ個の照射ヘッド８０は、同一の照射強度分布の加熱ビーム１０４を出射してもよいし、異なる照射強度分布の加熱ビーム１０４を出射してもよい。
【0104】
光ファイバ６０は、光ファイバコア６２の形状を適切に選択することにより、加工材料１１０の加工精度を向上することができる。光ファイバコア６２が矩形の場合、加熱ビーム１０４の照射強度分布は、進行方向と直交する面を構成するＸ'軸、Ｙ'軸方向に略均一なトップハット型の照射強度分布となる。照射強度分布の形状は、照射ヘッド８０の光学系に応じて、変更できる。トップハット型の照射強度分布は、加工材料１１０を隙間なく加工する場合に適している。
【0105】
また、光ファイバコア６２が円形の場合、中心部の照射強度が最大で中心軸から離れるに従いなだらかに減少する釣鐘型形状の照射強度分布が得られる。照射強度分布の形状は、照射ヘッド８０の光学系に応じて変更できる。例えば、照射ヘッド８０の光学系を変更することにより、照射強度分布のＸ'軸方向およびＹ'軸方向の広がりサイズを調整できる。釣鐘型の照射強度分布は、加工材料１１０を滑らかな断面形状に加工する場合や、３次元面のスムーズな加工に適している。
【0106】
図５Ａは、加熱ビーム１０４の照射強度分布の測定例を示す。本例では、Ｘ'軸方向８ｍｍ幅、Ｙ'軸方向±１０ｍｍ幅で囲まれた２次元の照射強度分布を示す。
【0107】
本例の加熱ビーム１０４は、トップハット型の照射強度分布を有する。レーザ加工装置１００は、矩形の光ファイバコア６２により、トップハット型の照射強度分布の加熱ビーム１０４を生成する。
【0108】
本例の照射強度分布は、加工材料１１０の照射面における加熱ビーム１０４の照射強度分布をビームプラファイラーで実測した結果である。本測定結果は、加熱ビーム１０４の進行方向をＺ'軸として、Ｚ'軸と直交する２次元（Ｘ'，Ｙ'）面での加熱ビームの照射強度を縦軸にプロットした測定結果である。加工材料１１０の照射面は、照射ヘッド８０から２００ｍｍの位置にある。
【0109】
加熱ビーム１０４の照射強度分布は、Ｘ'軸方向８ｍｍ、Ｙ'軸方向４ｍｍ幅で囲まれた２次元矩形形状において、±５％内に照射強度が収まったトップハット型の照射強度分布を示している。照射強度がゼロの位置から最大強度の位置までの距離は０．０５ｍｍ内に収まっている。
【0110】
レーザ加工装置１００は、本例の加熱ビーム１０４を用いて材料を切断することにより、加工材料１１０の断面を５０μｍ以下の精度で切断できる。また、レーザ加工装置１００は、加熱ビーム１０４の断面を０．０５ｍｍ以下の精度で切断することもできる。本例の加熱ビーム１０４は、数ｍｍサイズの材料の加工用に用いる場合の照射強度分布を示す。レーザ加工装置１００は、加熱ビーム１０４の断面の矩形形状の幅を数１０ｍｍから０．１μｍ程度まで調整することができる。
【0111】
図５Ｂに、加熱ビーム１０４の照射強度分布の測定例を示す。本例では、Ｘ'軸方向８ｍｍ幅、Ｙ'軸方向±１０ｍｍ幅で囲まれた２次元の照射強度分布を示す。
【0112】
本例の加熱ビーム１０４は、釣鐘型の照射強度分布を有する。レーザ加工装置１００は、矩形の光ファイバコア６２により、釣鐘型の照射強度分布の加熱ビーム１０４を生成する。
【0113】
本例の照射強度分布は、加工材料１１０の照射面における加熱ビーム１０４の照射強度分布をビームプラファイラーで実測した結果である。本測定結果は、加熱ビーム１０４の進行方向をＺ軸'として、Ｚ'軸と直交する２次元（Ｘ'，Ｙ'）面での加熱ビームの照射強度を縦軸にプロットした測定結果である。加工材料１１０の照射面は、照射ヘッド８０から２００ｍｍの位置にある。
【0114】
加熱ビーム１０４の照射強度分布は、Ｘ'軸方向８ｍｍ幅、Ｙ'軸方向±５ｍｍ（１０％強度の位置）幅で囲まれた領域において、Ｘ'軸方向はトップハット型、Ｙ'軸方向は釣鐘型の照射強度分布を示している。Ｘ'軸方向の強度分布は均一な照射強度を有する。一方、Ｙ'軸方向は中心軸を最大強度として±方向に減少する釣鐘型の照射強度を有している。即ち、本例の加熱ビーム１０４は、Ｙ'軸方向切断面を鋭く、Ｘ'軸方向の切断面が曲線形状に加工したい場合に用いられる。本例の加熱ビーム１０４は、数ｍｍサイズの材料の加工用に用いる場合の照射強度分布を示す。レーザ加工装置１００は、加熱ビーム１０４の断面のＸ'軸方向を数１０ｍｍから０．１μｍ程度まで調整することができる。
【0115】
図５Ｃに、加熱ビーム１０４の照射強度分布の測定例を示す。本例では、Ｘ'軸方向８ｍｍ幅、Ｙ'軸方向±１０ｍｍ幅で囲まれた２次元の照射強度分布を示す。
【0116】
本例の加熱ビーム１０４は、Ｘ'軸方向にトップハット型の照射強度分布を有し、Ｙ'軸方向に釣鐘型の照射強度分布を有する。例えば、レーザ加工装置１００は、矩形の光ファイバコア６２により、トップハット型の照射強度分布の加熱ビーム１０４を生成する。
【0117】
本例の照射強度分布は、加工材料１１０の照射面における加熱ビーム１０４の照射強度分布をビームプラファイラーで実測した結果である。本測定結果は、加熱ビーム１０４の進行方向をＺ軸として、Ｚ'軸と直交する２次元（Ｘ'，Ｙ'）面での加熱ビームの照射強度を縦軸にプロットした測定結果である。加工材料１１０の照射面は、照射ヘッド８０から２００ｍｍの位置にある。
【0118】
加熱ビーム１０４の照射強度分布は、Ｘ'軸方向８ｍｍにトップハット型の照射強度、Ｙ'軸方向で±１０ｍｍ（１０％強度の位置）に釣鐘型の照射強度を有する。Ｘ'軸方向の強度分布は均一な照射強度を有する。一方、Ｙ'軸方向は中心軸を最大強度として±方向に減少する釣鐘型の照射強度を有している。本例の照射強度分布は、照射ヘッド８０の光学系に用いるシリンドリカルレンズの位置を調整することにより得られる。
【0119】
図５Ｄに、加熱ビーム１０４の照射強度分布の測定例を示す。本例の加熱ビーム１０４は、釣鐘型の照射強度分布を有する。レーザ加工装置１００は、円形の光ファイバコア６２により、釣鐘型の照射強度分布の加熱ビーム１０４を生成する。
【0120】
本例の照射強度分布は、加工材料１１０の照射面における加熱ビーム１０４の照射強度分布をビームプラファイラーで実測した結果である。本測定結果は、加熱ビーム１０４の進行方向をＺ'軸として、Ｚ'軸と直交する２次元（Ｘ'，Ｙ'）面での加熱ビームの照射強度を縦軸にプロットした測定結果である。加工材料１１０の照射面は、照射ヘッド８０から２００ｍｍの位置にある。
【0121】
加熱ビーム１０４の照射強度分布は、Ｘ'軸方向に±１ｍｍ（１０％強度の位置）の釣鐘型、Ｙ'軸方向に±１ｍｍ（１０％強度の位置）の釣鐘型の照射強度を有する。このように、Ｘ'軸方向±１ｍｍ幅、Ｙ'軸方向±１ｍｍ幅で囲まれた２次元の照射強度分布を示す。Ｘ'軸、Ｙ'軸方向は中心点を最大強度として±方向に減少する釣鐘型の照射強度を有している。照射強度１０％の強度位置は、照射ヘッド８０の光学系に用いるレンズの位置を調整することにより変更できる。本例の加熱ビーム１０４は、数ｍｍサイズの材料の加工用に用いる場合の照射強度分布を示す。レーザ加工装置１００は、加熱ビーム１０４の断面の釣鐘型の幅を数１０ｍｍから０．１μｍ程度まで調整することができる。
【0122】
［実施例３］
図６Ａは、実施例１および実施例２に係るレーザ加工装置１００の構成の一例を示す。本例の半導体レーザ装置２０は、Ｎ層に積層されたＮ個の半導体レーザバー２６を備える。レーザ加工装置１００は、半導体レーザバー２６を積層させることにより、数１００Ｗ～数ＫＷの高出力の加熱ビーム１０４を出力することができる。本例のレーザ加工装置１００は、図３の実施例と異なり、レーザ光２１をＸ軸方向へは分割していない。
図６Ａは、実施例１および実施例２に係るレーザ加工装置１００の構成の一例を示す。本例の半導体レーザ装置２０は、Ｎ層に積層されたＮ個の半導体レーザバー２６を備える。レーザ加工装置１００は、半導体レーザバー２６を積層させることにより、数１００Ｗ～数ＫＷの高出力の加熱ビーム１０４を出力することができる。本例のレーザ加工装置１００は、図３の実施例と異なり、レーザ光２１をＸ軸方向へは分割していない。
【0123】
Ｎ個の半導体レーザバー２６は、Ｙ軸方向に積層されている。本例の半導体レーザバー２６は、予め定められた積層間隔Ｓｙで積層されている。半導体レーザバー２６は、等間隔で積層されてもよいし、異なる間隔で積層されてもよい。
【0124】
ここで、本例のレーザ加工装置１００は、複数の半導体レーザバー２６を使用する場合であっても、それぞれの半導体レーザバー２６に個々に独立した電源を設ける必要がない。また、レーザ加工装置１００は、複数の半導体レーザバー２６を使用する場合であっても、それぞれの半導体レーザバー２６に個々に独立した冷却水用チラー装置を設ける必要がない。
【0125】
本例のレーザ加工装置１００は、積層した半導体レーザバー２６を有するものの、１個の電源１０および１個の冷却部１５を有すればよく、半導体レーザ装置２０の手前で分岐した冷却水ルートを用意しなくてよい。即ち、半導体レーザ装置２０は、１個の冷却水供給口と１個の冷却水排水口を有すればよい。これにより、レーザ加工装置１００は、積層した半導体レーザバー２６を有する半導体レーザ装置２０の温度測定点を１か所にできる。レーザ加工装置１００は、複数の温度測定点で温度管理する場合よりも、半導体レーザ装置２０の温度を高い精度で制御することができる。これにより、半導体レーザ装置２０の温度に依存した加熱ビーム１０４のバラツキを低減できる。
【0126】
一方、複数の冷却部１５を設ける場合、複数の温度測定点で温度管理がなされていた。この場合、各半導体レーザ装置から流れる個々の冷却水は、合流後の冷却水温度で測定していた。そのため、温度精度を高く設定する必要があった。複数の冷却水が合流した後の温度精度を制御しても、それぞれの半導体レーザ装置のエミッタ温度を制御することができない。また、それぞれの半導体レーザ装置の温度を制御するためには、複数の冷却水ごとに半導体レーザ装置の台数と同じ台数のチラー装置が必要であった。０．１℃～０．０５℃以下の温度精度のチラーを用いるとコストの面で不利である。
【0127】
本例の半導体レーザバー２６は、Ｙ軸方向に６層積層している。レーザ加工装置１００は、６段積層した半導体レーザバー２６から３本の光ファイバ６０に分岐する。即ち、光ファイバ６０のそれぞれには、２段分の半導体レーザバー２６が出力したレーザ光２１が入射される。レーザ光２１を平行光に変換して集光ビーム１０２とする場合、平行になったレーザ光２１が互いに重なりのないように変換される。
【0128】
また、本例のレーザ加工装置１００は、第１光学系３０として、シリンドリカルレンズ３２およびマイクロレンズ３４を有する。レーザ加工装置１００は、第２光学系４０として、シリンドリカルレンズ４４およびシリンドリカルレンズ４６を有する。
【0129】
シリンドリカルレンズ３２およびマイクロレンズ３４は、レーザ光２１を進行方向と平行となるように設計される。実施例２のように、半導体レーザバー２６を積層する場合であっても、実施例１の場合と同様に、シリンドリカルレンズ３２の焦点距離Ｅｙ１およびマイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｘ１を適切に設計する。例えば、マイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｘ１は、実施例１の場合と同様に、隣接するレーザ光２１が重ならないように設定される。
【0130】
第１光学系３０を構成するシリンドリカルレンズ３２は、マイクロレンズ３４よりも先に設けられることが好ましい。レーザ光２１のＹ軸方向の発散角度Θｙが、Ｘ軸方向の発散角度Θｘよりも大きいので、レーザ光２１のＹ軸方向成分を先に進行方向（例えば、Ｚ軸）と平行な成分に変換しておくことが好ましい。これにより、レーザ光２１のＹ軸方向の幅Ｂｙの増加を抑制できる。
【0131】
シリンドリカルレンズ３２の焦点距離Ｅｙ１は、シリンドリカルレンズの加工形状から可能な最小サイズで設計されることが好ましい。例えば、シリンドリカルレンズ３２のＹ軸方向の焦点距離Ｅｙ１は０．６ｍｍである。マイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｘ１は１．４ｍｍとする。シリンドリカルレンズ３２の厚みは０．８ｍｍ必要であるので、シリンドリカルレンズ３２のＺ軸方向にマイクロレンズ３４を設置するために、０．８ｍｍより大きな焦点距離Ｅｘ１が必要である。
【0132】
実施例３の半導体レーザバー２６では、Ｘ軸方向のエミッタ２８の数が１２個、Ｘ軸方向の幅Ｗｘが０．２ｍｍ、Ｘ軸方向のエミッタ２８のピッチＰが０．４ｍｍであり、エミッタ２８のＹ軸方向の長さＷｙが０．０１ｍｍである。半導体レーザバー２６の積層数は６層である。半導体レーザバー２６の積層間隔Ｓｙは２．５ｍｍとした。各エミッタ２８から放射するレーザ光２１は、２次元楕円面形状に発散する。本例の１２個のエミッタ２８から放射するレーザ光２１の発散角度は、Θｙ＝３０°およびΘｘ＝８°である。
【0133】
シリンドリカルレンズ３２の焦点距離Ｅｙ１は、Ｙ軸方向に積層した半導体レーザバー２６からの平行になったレーザ光２１が重ならないように設定される。シリンドリカルレンズ３２の焦点距離Ｅｙ１は、エミッタ発散角度Θｙ、エミッタ幅Ｗｙ、半導体レーザバー２６の積層間隔Ｓｙに基づいて設計される。積層間隔Ｓｙは、積層された半導体レーザバー２６におけるＹ軸方向のエミッタ２８の間隔である。
【0134】
第２光学系４０は、第１光学系３０が平行光に変換したレーザ光２１をＬ本の光ファイバ６０に集光する。本例の第２光学系４０は、シリンドリカルレンズ４４およびシリンドリカルレンズ４６を有する。
【0135】
シリンドリカルレンズ４４は、レーザ光２１をＹ軸方向に集光する。シリンドリカルレンズ４４は、Ｙ軸方向に配列された３個のシリンドリカルレンズ４４ａ～シリンドリカルレンズ４４ｃを有する。シリンドリカルレンズ４４は、第２のシリンドリカルレンズの一例である。
【0136】
シリンドリカルレンズ４６は、レーザ光２１をＸ軸方向に集光する。これにより、レーザ光２１が光ファイバコア６２に集光される。シリンドリカルレンズ４６は、第１のシリンドリカルレンズの一例である。
【0137】
次に、半導体レーザ装置２０が積層された複数の半導体レーザバー２６を有する場合において、第２光学系４０のＸ軸方向の設計手法について説明する。レーザ光２１がＹ軸方向において重ならないようにするために、平行光に変換されたレーザ光２１のＹ軸方向の幅Ｂｙが次式を満たすように設計される。
［数１２］
Ｂｙ≦Ｓｙ
［数１２］
Ｂｙ≦Ｓｙ
【0138】
シリンドリカルレンズ３２のエミッタ２８からの距離を焦点距離Ｅｙ１とすると、Ｙ軸方向のビーム幅Ｂｙは、次式で示される。
［数１３］
Ｂｙ＝（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ
即ち、次式を満たす。
［数１４］
（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ≦Ｓｙ
エミッタ幅Ｗｙは、エミッタ２８のＹ軸方向の幅である。ここで、マイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｙ１が０．６ｍｍ、Ｗｙ＝０．０１であるから、Ｂｙが次式で算出される。
Ｂｙ＝（０．６・ｓｉｎ（３０°／２））・２＋０．０１＝０．３１＋０．０１＝０．３２ｍｍ
そして、Ｓｙ＝２．５ｍｍであるから、（数１２）式を満たす。したがって、半導体レーザバー２６ａと半導体レーザバー２６ｂとのレーザ光２１は重ならない。
［数１３］
Ｂｙ＝（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ
即ち、次式を満たす。
［数１４］
（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ≦Ｓｙ
エミッタ幅Ｗｙは、エミッタ２８のＹ軸方向の幅である。ここで、マイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｙ１が０．６ｍｍ、Ｗｙ＝０．０１であるから、Ｂｙが次式で算出される。
Ｂｙ＝（０．６・ｓｉｎ（３０°／２））・２＋０．０１＝０．３１＋０．０１＝０．３２ｍｍ
そして、Ｓｙ＝２．５ｍｍであるから、（数１２）式を満たす。したがって、半導体レーザバー２６ａと半導体レーザバー２６ｂとのレーザ光２１は重ならない。
【0139】
積層間隔ＳｙのＮ段の積層構造から照射される平行に変換されたレーザ光２１のＹ軸方向のビーム幅ΣＢｙは、次式で示される。
［数１５］
ΣＢｙ＝Ｓｙ・（Ｎ－１）＋Ｂｙ
ΣＢｙ＝（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ＋Ｓｙ・（Ｎ－１）
実施例３において、ΣＢｙ＝２．４・（２－１）＋０．３２＝２．７ｍｍとなる。
［数１５］
ΣＢｙ＝Ｓｙ・（Ｎ－１）＋Ｂｙ
ΣＢｙ＝（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ＋Ｓｙ・（Ｎ－１）
実施例３において、ΣＢｙ＝２．４・（２－１）＋０．３２＝２．７ｍｍとなる。
【0140】
ビーム幅ΣＢｙの平行光に変換されたレーザ光２１を開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）＝０．２２の許容集光角度に入射するためのシリンドリカルレンズ４４ａの焦点距離Ｆｙ２は、ビーム幅Ｂｙを、シリンドリカルレンズ４４ａに入射するレーザ光２１のビーム幅ΣＢｙに置き換えると、次式を満たす。
［数１６］
Ｆｙ２≧ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
［数１６］
Ｆｙ２≧ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
【0141】
ΣＢｙが（数１５）式で示されるので、シリンドリカルレンズ４４ａの焦点距離Ｆｙ２は、次式で示される。
［数１７］
Ｆｙ２≧（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ＋Ｓｙ・（Ｎ－１）／（２・ｓｉｎ（Θ））
［数１７］
Ｆｙ２≧（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ＋Ｓｙ・（Ｎ－１）／（２・ｓｉｎ（Θ））
【0142】
また、焦点距離Ｆｙ２を有するシリンドリカルレンズ４４ａから光ファイバコア６２の受光面までの位置Ｃｙは、光ファイバコア６２内に入射する必要があるので、次式を満たす。
［数１８］
２・Ｆｙ２≧Ｃｙ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｙ）・Ｆｙ２
［数１８］
２・Ｆｙ２≧Ｃｙ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｙ）・Ｆｙ２
【0143】
例えば、ファイバの開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）＝０．２２、ＣＲ＝０．３ｍｍの場合、Ｂｙ＝０．３２ｍｍ、ΣＢｙ＝２．７ｍｍであるから、Ｆｙ２が次式で示される。
Ｆｙ２＝ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））＝２．７／（２×０．２２）＝６．１３
シリンドリカルレンズ２１の位置は、入射コア面からの距離Ｃｙが次式を満たすように設定される。
２・６．１３≧Ｃｙ≧（１－２・０．３／２．７）・６．１３
１２．２６≧Ｃｙ≧０．１２６
実施例３では、シリンドリカルレンズ４４ａの焦点距離Ｆｙ２を６ｍｍとした。
Ｆｙ２＝ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））＝２．７／（２×０．２２）＝６．１３
シリンドリカルレンズ２１の位置は、入射コア面からの距離Ｃｙが次式を満たすように設定される。
２・６．１３≧Ｃｙ≧（１－２・０．３／２．７）・６．１３
１２．２６≧Ｃｙ≧０．１２６
実施例３では、シリンドリカルレンズ４４ａの焦点距離Ｆｙ２を６ｍｍとした。
【0144】
なお、光ファイバ６０は、光ファイバコア６２および光ファイバクラッド６４を有している。また、光ファイバ６０は、さらに外装を含んでよい。光ファイバコア６２、光ファイバクラッド６４および外装用の被覆を有する個別の光ファイバ６０を用いる場合、光ファイバ６０の全体の直径をＦｍａｘとすると、光ファイバコア６０ａと光ファイバ６０ｂとの間隔ＣＤは、次式を満たすように設定される。
ＣＤ≧Ｆｍａｘ
ＣＤ≧Ｆｍａｘ
【0145】
集光ビーム１０２の間隔は、光ファイバ６０の間隔ＣＤに一致する。したがって、間隔ＣＤは、次式で示される。
ＣＤ＝Ｆｙ２・（２・ｓｉｎ（Θ）＋Ｓｙ・（ｎ－１））
ここで、集光ビームの幅をＢｙとし、第２光学系のＹ軸方向の焦点距離をＦｙ２とする。Ｓｙは、半導体レーザバー２６のＹ軸方向の間隔である。
ＣＤ＝Ｆｙ２・（２・ｓｉｎ（Θ）＋Ｓｙ・（ｎ－１））
ここで、集光ビームの幅をＢｙとし、第２光学系のＹ軸方向の焦点距離をＦｙ２とする。Ｓｙは、半導体レーザバー２６のＹ軸方向の間隔である。
【0146】
また、焦点距離Ｆｙ２は、次式で示される。
Ｆｙ２＝ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
Ｆｙ２＝ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
【0147】
この場合に、レーザ加工装置１００は、Ｎ個積層した半導体レーザバー２６のうち、ｎ層の半導体レーザバー２６からのレーザ光２１を集光した集光ビーム１０２を、１本の光ファイバ６０に入射することができる。
【0148】
実施例２の場合、Ｆｙ２＝６．１３ｍｍであるから、間隔ＣＤが次式で示される。
ＣＤ＝Ｆｙ２・（２・ｓｉｎ（Θ）＋Ｓｙ・（ｎ－１））＝６．１３・２・０．２２＋２．５＝２．６９＋２．５＝５．１９ｍｍ
ＣＤ＝Ｆｙ２・（２・ｓｉｎ（Θ）＋Ｓｙ・（ｎ－１））＝６．１３・２・０．２２＋２．５＝２．６９＋２．５＝５．１９ｍｍ
【0149】
被覆外装を有する１本の光ファイバ６０の直径Ｆｍａｘが５ｍｍ以下であれば、独立した光ファイバを用いることができる。このような光ファイバを用意できない場合は、図４Ｃに図示した共通の光ファイバクラッド６４の光ファイバ６０を用いてよい。なお、レーザ光２１は、反射ミラーを用いて分岐してよい。
【0150】
シリンドリカルレンズ４６は、Ｌ本の光ファイバ６０にＸ軸方向を集光したレーザ光２１を入射する。シリンドリカルレンズ４６の焦点距離Ｆｘ２は、実施例１の場合と同様の数式を用いて決定されてよい。但し、本例のシリンドリカルレンズ４６は、積層された半導体レーザバー２６から入射されるレーザ光２１のそれぞれが光ファイバ６０に入射されるように調整される。
【0151】
レーザ光２１のＸ軸方向の幅ΣＢｘは、次式で示される。
［数１９］
Ｂｘ＝（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
［数２０］
ΣＢｘ＝Ｐ・（Ｋ－１）＋Ｂｘ
［数１９］
Ｂｘ＝（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
［数２０］
ΣＢｘ＝Ｐ・（Ｋ－１）＋Ｂｘ
【0152】
この場合、第２光学系４０のＸ軸方向の焦点距離Ｆｘ２は、次式で示される。
［数２１］
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））
である。焦点距離Ｆｘ２は、次式を満たす。
［数２２］
Ｆｘ２≧（Ｐ・（Ｋ－１）＋Ｂｘ）／（２・ｓｉｎ（Θ））
［数２１］
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））
である。焦点距離Ｆｘ２は、次式を満たす。
［数２２］
Ｆｘ２≧（Ｐ・（Ｋ－１）＋Ｂｘ）／（２・ｓｉｎ（Θ））
【0153】
また、光ファイバコア６２ａとシリンドリカルレンズ４６ａとの距離Ｃｘは、次式で示される。
［数２３］
２・Ｆｘ２≧Ｃｘ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
［数２３］
２・Ｆｘ２≧Ｃｘ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
【0154】
本例の半導体レーザバー２６は、Ｘ軸方向のエミッタ２８の総数Ｋが１２個、Ｘ軸方向の幅Ｗｘが０．２ｍｍ、Ｘ軸方向のエミッタ２８のピッチＰが０．４ｍｍであり、エミッタ２８のＹ軸方向の長さＷｙが０．０１ｍｍである。半導体レーザバー２６の積層数は６層である。半導体レーザバー２６の積層間隔Ｓｙは２．５ｍｍとした。各エミッタ２８から放射するレーザ光２１は、２次元楕円面形状に発散する。本例の１２個のエミッタ２８から放射するレーザ光２１の発散角度は、Θｙ＝３０°およびΘｘ＝８°である。
【0155】
第１光学系３０を構成するシリンドリカルレンズ３２は、マイクロレンズ３４よりも先に設けられることが好ましい。レーザ光２１のＹ軸方向の発散角度Θｙが、Ｘ軸方向の発散角度Θｘよりも大きいので、レーザ光２１のＹ軸方向成分を先に進行方向（例えば、Ｚ軸）と平行な成分に変換しておくことが好ましい。これにより、レーザ光２１のＹ軸方向の幅Ｂｙの増加を抑制できる。
【0156】
シリンドリカルレンズ３２の焦点距離Ｅｙ１は、シリンドリカルレンズの加工形状から可能な最小サイズで設計されることが好ましい。例えば、シリンドリカルレンズ３２のＹ軸方向の焦点距離Ｅｙ１は０．６ｍｍである。マイクロレンズ３４の焦点距離Ｅｘ１は１．４ｍｍとする。シリンドリカルレンズ３２の幅は０．８ｍｍ必要であるので、シリンドリカルレンズ３２のＺ軸方向にマイクロレンズ３４を設置するために、０．８ｍｍより大きな焦点距離Ｅｘ１が必要である。
【0157】
本例の半導体レーザバー２６では、Ｘ軸方向のエミッタ２８の数が１２個、Ｘ軸方向の幅Ｗｘが０．２ｍｍ、Ｘ軸方向のエミッタ２８のピッチＰが０．４ｍｍであり、エミッタ２８のＹ軸方向の長さＷｙが０．０１ｍｍである。各エミッタ２８から放射するレーザ光２１は、２次元楕円面形状に発散する。本例の１２個のエミッタ２８から放射するレーザ光２１の発散角度は、Θｙ＝３０°およびΘｘ＝８°である。
【0158】
一例において、Ｂｘ、ΣＢｘおよびＦｘ２は、次の通りである。
Ｂｘ＝０．３９５ｍｍ
ΣＢｘ＝Ｐ・（Ｋ－１）＋Ｂｘ＝０．４・（１２－１）＋０．３９５＝４．７９
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））＝４．７９５／（２×０．２２）＝１０．９
Ｂｘ＝０．３９５ｍｍ
ΣＢｘ＝Ｐ・（Ｋ－１）＋Ｂｘ＝０．４・（１２－１）＋０．３９５＝４．７９
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））＝４．７９５／（２×０．２２）＝１０．９
【0159】
また、光ファイバコア６２ａとシリンドリカルレンズ４６ａとの距離Ｃｘは、次式で示される。
２・Ｆｘ２≧Ｃｘ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
よって、Ｃｘが次式を満たす。
２１．８≧Ｃｘ≧９．５
実施例２ではＣｘ＝１１ｍｍであり、Ｃｘを焦点距離Ｆｘ２＝１０．９ｍｍと同程度とした。
２・Ｆｘ２≧Ｃｘ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
よって、Ｃｘが次式を満たす。
２１．８≧Ｃｘ≧９．５
実施例２ではＣｘ＝１１ｍｍであり、Ｃｘを焦点距離Ｆｘ２＝１０．９ｍｍと同程度とした。
【0160】
ここで、３つの光ファイバ６０において、開口数ＮＡやコア径が異なる場合、シリンドリカルレンズ４６ａ～シリンドリカルレンズ４６ｃがそれぞれ異なる特性を有してよい。また、シリンドリカルレンズ４６ａ～シリンドリカルレンズ４６ｃの配置は、光ファイバ６０ａ～光ファイバ６０ｃに合わせて異なっていてよい。
【0161】
本例のレーザ加工装置１００は、Ｘ軸方向にＫ個のエミッタ２８が配列した半導体レーザバー２６を、Ｙ軸方向にＮ個積層した１台の半導体レーザ装置２０を備えることにより、１本の集光ビーム１０２に用いるエミッタ２８の数をｋ個とした場合、次式を満たす。
Ｋ×Ｎ≧ｋ×Ｌ
但し、Ｋ，ｋ，Ｎは１以上の整数である。
Ｋ×Ｎ≧ｋ×Ｌ
但し、Ｋ，ｋ，Ｎは１以上の整数である。
【0162】
以上の通り、本例のレーザ加工装置１００は、第１光学系３０および第２光学系４０の光学系を適切に設定することにより、大出力の加熱ビーム１０４を１台の半導体レーザ装置２０から分岐し、取り出すことができる。
【0163】
なお、本例のレーザ加工装置１００は、６段の半導体レーザバー２６を均等に分割している。但し、レーザ加工装置１００は、上から１段、２段、３段として、３段階の出力強度の加熱ビーム１０４を形成してもよい。
【0164】
本例の光ファイバ６０は、それぞれ矩形、円形、矩形の光ファイバコア６２ａ～光ファイバコア６２ｃを有するが、これに限られない。
【0165】
本例の光ファイバ６０ａ～光ファイバ６０ｃの受光面は、シリンドリカルレンズ４６ａ～シリンドリカルレンズ４６ｃとそれぞれ等しい間隔で設けられる。光ファイバ６０ａの受光面ンとシリンドリカルレンズ４６との距離は、光学条件を満たす範囲で短く設定されることが好ましい。
【0166】
本例の第２光学系４０は、シリンドリカルレンズ４４およびシリンドリカルレンズ４６のレンズ系のみで構成される。これにより、第２光学系４０は、レーザ光２１の光学変換時に生じる熱を低減することができる。また、第２光学系４０の構成が単純となり、光学系のサイズが小さくなる。
【0167】
［実施例４］
図６Ｂは、実施例１および実施例２に係るレーザ加工装置１００の構成の一例を示す。本例のレーザ加工装置１００は、光ファイバコア６２に集光ビーム１０２を集光する。本例のレーザ加工装置１００は、集光レンズとして凸レンズ４８を備える点で、実施例３に係るレーザ加工装置１００と相違する。これにより、シリンドリカルレンズの枚数を削減できる。
図６Ｂは、実施例１および実施例２に係るレーザ加工装置１００の構成の一例を示す。本例のレーザ加工装置１００は、光ファイバコア６２に集光ビーム１０２を集光する。本例のレーザ加工装置１００は、集光レンズとして凸レンズ４８を備える点で、実施例３に係るレーザ加工装置１００と相違する。これにより、シリンドリカルレンズの枚数を削減できる。
【0168】
光ファイバ６０は、開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）および半径ＣＲの光ファイバコア６２を有する。凸レンズ４８の第一方向の焦点距離Ｆｘ２は、総数Ｋ個のエミッタ２８からのＸ軸方向への発散角度Θｘ、エミッタ幅Ｗｘ、ピッチＰ、Ｘ軸方向の焦点距離をＥｘ１とし、レーザ光のＸ軸方向の幅ΣＢｘを、
［数２４］
Ｂｘ＝（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
［数２５］
ΣＢｘ＝Ｐ・（Ｋ－１）＋（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
とすると、
［数２６］
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））
を満たす。これにより、集光ビーム１０２が光ファイバ６０に損傷を与えることなく入射される。
［数２４］
Ｂｘ＝（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
［数２５］
ΣＢｘ＝Ｐ・（Ｋ－１）＋（Ｅｘ１・ｓｉｎ（Θｘ／２））・２＋Ｗｘ
とすると、
［数２６］
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））
を満たす。これにより、集光ビーム１０２が光ファイバ６０に損傷を与えることなく入射される。
【0169】
Ｎ個に積層された半導体レーザバー２６のうちｎ層の半導体レーザバー２６が出射するレーザ光２１を分岐する場合、凸レンズ４８のＹ軸方向の焦点距離Ｆｙ２は、集光ビーム１０２のＹ軸方向のビーム幅ΣＢｙを用いて次式で示される。
［数２７］
Ｆｙ２≧ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
ここで、ビーム幅ΣＢｙは、
Ｂｙ＝（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ
であるから、
ΣＢｙ＝Ｓｙ・（ｎ－１）＋Ｂｙ
である。これにより、光ファイバ６０に損傷を与えることなく集光ビーム１０２が入射される。
［数２７］
Ｆｙ２≧ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））
ここで、ビーム幅ΣＢｙは、
Ｂｙ＝（Ｅｙ１・ｓｉｎ（Θｙ／２））・２＋Ｗｙ
であるから、
ΣＢｙ＝Ｓｙ・（ｎ－１）＋Ｂｙ
である。これにより、光ファイバ６０に損傷を与えることなく集光ビーム１０２が入射される。
【0170】
Ｆｘ２≧Ｆｙ２の場合、凸レンズ４８の焦点距離は、（数２６）式を満たすＦｘ２であり、且つ、
凸レンズ４８の位置は光ファイバコア６２の入射面からの距離がＣｃとすると、
２・Ｆｘ２≧Ｃｃ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
を満たす。
凸レンズ４８の位置は光ファイバコア６２の入射面からの距離がＣｃとすると、
２・Ｆｘ２≧Ｃｃ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
を満たす。
【0171】
一方、Ｆｘ２＜Ｆｙ２の場合、
凸レンズ４８の焦点距離は、（数２７）式を満たすＦｙ２であり、且つ、
２・Ｆｙ２≧Ｃｃ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｙ）・Ｆｙ２
を満たす。
凸レンズ４８の焦点距離は、（数２７）式を満たすＦｙ２であり、且つ、
２・Ｆｙ２≧Ｃｃ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｙ）・Ｆｙ２
を満たす。
【0172】
一例において、光ファイバ６０は、ファイバの開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）＝０．２２、ＣＲ＝０．３ｍｍを満たす。本例の半導体レーザバー２６では、Ｘ軸方向のエミッタ２８の数が１２個、Ｘ軸方向の幅Ｗｘが０．２ｍｍ、Ｘ軸方向のエミッタ２８のピッチＰが０．４ｍｍであり、エミッタ２８のＹ軸方向の長さＷｙが０．０１ｍｍである。各エミッタ２８から放射するレーザ光２１は、２次元楕円面形状に発散する。本例の１２個のエミッタ２８から放射するレーザ光２１の発散角度は、Θｙ＝３０°およびΘｘ＝８°である。
【0173】
したがって、Ｂｘ、ΣＢｘおよびＦｘ２は、次の通りである。
Ｂｘ＝０．３９５ｍｍ
ΣＢｘ＝Ｐ・（Ｋ－１）＋Ｂｘ＝０．４・（１２－１）＋０．３９５＝４．７９
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））＝４．７９５／（２×０．２２）＝１０．９
以上から、光ファイバコア６２ａと凸レンズ４８との距離Ｃｃは、次式で示される。
２・Ｆｘ２≧Ｃｃ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
よって、Ｃｃが次式を満たす。
２１．８≧Ｃｃ≧９．５
Ｂｘ＝０．３９５ｍｍ
ΣＢｘ＝Ｐ・（Ｋ－１）＋Ｂｘ＝０．４・（１２－１）＋０．３９５＝４．７９
Ｆｘ２≧ΣＢｘ／（２・ｓｉｎ（Θ））＝４．７９５／（２×０．２２）＝１０．９
以上から、光ファイバコア６２ａと凸レンズ４８との距離Ｃｃは、次式で示される。
２・Ｆｘ２≧Ｃｃ≧（１－２・ＣＲ／ΣＢｘ）・Ｆｘ２
よって、Ｃｃが次式を満たす。
２１．８≧Ｃｃ≧９．５
【0174】
ここではＣｃ＝１１ｍｍとして、Ｃｘを焦点距離Ｆｘ２＝１０．９ｍｍと同程度とした。また、光ファイバ６０の開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（Θ）＝０．２２、ＣＲ＝０．３ｍｍであるから、Ｂｙ＝０．３２ｍｍ、ΣＢｙ＝２．７ｍｍである。したがって、Ｆｙ２が次式で示される。
Ｆｙ２＝ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））＝２．７／（２×０．２２）＝６．１３
Ｆｙ２＝ΣＢｙ／（２・ｓｉｎ（Θ））＝２．７／（２×０．２２）＝６．１３
【0175】
凸レンズ４８の位置Ｃｃは、入射コア面からの距離Ｃｙが次式を満たすように設定される。
２・６．１３≧Ｃｃ≧（１－２・０．３／２．７）・６．１３
１２．２６≧Ｃｃ≧０．１２６
Ｘ軸方向の要請およびＹ軸方向の要請から、焦点距離Ｆｘ２＝１０．９ｍｍである凸レンズ４８の入射コア面から距離Ｃｃは、次式を満たす。
１２．２６≧Ｃｃ≧９．５
２・６．１３≧Ｃｃ≧（１－２・０．３／２．７）・６．１３
１２．２６≧Ｃｃ≧０．１２６
Ｘ軸方向の要請およびＹ軸方向の要請から、焦点距離Ｆｘ２＝１０．９ｍｍである凸レンズ４８の入射コア面から距離Ｃｃは、次式を満たす。
１２．２６≧Ｃｃ≧９．５
【0176】
したがって、焦点距離Ｆｘ２＝１０．９ｍｍである凸レンズ４８の入射コア面から距離Ｃｃは１１ｍｍと選択すればよい。凸レンズ４８の焦点距離、ならびに凸レンズ４８の入射コア面から距離Ｃｃを適切に選択すれば、２枚必要なシリンドリカルレンズセットを１枚の凸レンズ４８でファイバ端面を損傷なく集光ビーム１０２を入射できる。
【0177】
［実施例５］
図７は、実施例５に係るレーザ加工装置１００の構成の一例を示す。本例のレーザ加工装置１００は、Ｌ×Ｎ本の光ファイバ６０で構成される点で実施例１および実施例２に係るレーザ加工装置１００と相違する。
図７は、実施例５に係るレーザ加工装置１００の構成の一例を示す。本例のレーザ加工装置１００は、Ｌ×Ｎ本の光ファイバ６０で構成される点で実施例１および実施例２に係るレーザ加工装置１００と相違する。
【0178】
本例のレーザ加工装置１００は、半導体レーザバー２６をＬ個に分岐した実施例１に係る構成を、半導体レーザバー２６をＮ層積層した場合に拡張した実施例である。本例のレーザ加工装置１００は、Ｌ×Ｎ個の光ファイバコア６２に集光ビーム１０２を集光する。但し、光ファイバ６０の入射側の本数はＬ本でよい。一方、放射側ファイバ６６の本数は、Ｌ×Ｎ本となり、照射ヘッド８０の数もＬ×Ｎ本個となる。
【0179】
本例のレーザ加工装置１００は、１つの半導体レーザバー２６からＬ本の加熱ビーム１０４を形成し、さらに、Ｎ層に積層している。これにより、レーザ加工装置１００は、さらに多数の加熱ビーム１０４により加工材料１１０を加工できる。本例のレーザ加工装置１００は、多数の穴を一度に形成する場合等に特に有利である。
【0180】
また、調整部５０は、ポッケルセル素子を有してよい。ポッケルセル素子は、電圧を印加することにより、集光ビーム１０２の偏光面を回転させる。これにより、透過した集光ビーム１０２をオンオフすることができる。その結果、連続した集光ビーム１０２を数Ｈｚから数ＭＨｚの広い周波数範囲のパルス光に変換できる。調整部５０は、オンオフ比の調整により透過強度を調整できる。これにより、加熱ビーム１０４の強度が調整される。加熱ビーム１０４のパルス周波数、オンオフ比は、外部電圧源で制御できる。ポッケルセル素子を使用した場合は、カットした光は主方向とは異なる方向に放射することから、このカットした集光ビーム１０２を吸収するダンパが設けられる。
【0181】
以上、レーザ加工装置１００は、ＣＯ２ガスレーザの代わりに半導体レーザ装置２０を用いて加熱ビーム１０４を生成する。本例のレーザ加工装置１００は、数１０Ｗクラスから数ＫＷクラスの高強度の加熱ビーム１０４を多数本同時に提供できる。レーザ加工装置１００は、光学系を適宜変更することにより、多角形状や長円形形状等の様々な形状の加熱ビーム１０４を生成することができる。レーザ加工装置１００は、トップハット型の照射強度、釣鐘型の照射強度、トップハット型と釣鐘型を組み合わせた照射強度分布などの加熱ビーム１０４を生成できる。また、レーザ加工装置１００は、加熱ビーム１０４ごとに形状や照射強度分布を変更できる。
【0182】
レーザ加工装置１００は、冷却部１５を１台のみ備える。冷却水の温度制御精度の高い冷却方式を実現する。ＣＯ２レーザ加工装置では、数ｍサイズになるのに対して、本例のレーザ加工装置１００は、数ＫＷクラスの高強度出力においても数１０ｃｍサイズの設置専有面積で十分である。レーザ加工装置１００のエネルギー変換効率は４０％以上と極めて高く、省エネを実現できる。
【0183】
半導体レーザ装置２０の寿命は、数１０万時間以上に達している。レーザ加工装置１００は、半導体レーザ装置２０を用いることにより、加熱ビーム１０４のオンオフの過酷な使用環境にも耐える。そのため、レーザ加工装置１００は、量産用のレーザ加工装置として優れている。レーザ加工装置１００は、調整部５０を用いることにより、連続光の加熱ビーム１０４を、数ＨｚからＭＨｚのパルスビームに変更できる。レーザ加工装置１００は、複数本の加熱ビーム１０４を独立して特性を変更できる。
【0184】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【0185】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【0186】
１０・・・電源、１２・・・電源、１５・・・冷却部、２０・・・半導体レーザ装置、２１・・・レーザ光、２２・・・入出力端子、２４・・・入出力端子、２６・・・半導体レーザバー、２８・・・エミッタ、３０・・・第１光学系、３２・・・シリンドリカルレンズ、３４・・・マイクロレンズ、４０・・・第２光学系、４２・・・マイクロレンズ、４４・・・シリンドリカルレンズ、４６・・・シリンドリカルレンズ、４８・・・凸レンズ、５０・・・調整部、５２・・・ダンパ、５５・・・制御部、６０・・・光ファイバ、６２・・・光ファイバコア、６４・・・光ファイバクラッド、６６・・・放射側ファイバ、７０・・・光学変換部、８０・・・照射ヘッド、１００・・・レーザ加工装置、１０２・・・集光ビーム、１０４・・・加熱ビーム、１１０・・・加工材料、１１２・・・穴、１２０・・・半導体レーザ装置、１２１・・・レーザ光、１２２・・・入出力端子、１２４・・・入出力端子、１３０・・・第１光学系、１４０・・・第２光学系、１５０・・・センサ部、１５５・・・制御部、１７０・・・光学変換部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6A】
【図6B】
【図7】