JP2019084542A - ビーム重畳光学系、及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を制限しない構成とされたビーム重畳光学系を提供する。【解決手段】ビーム重畳光学系１０は、一次レーザ光ＬＢ１を出射する第１レーザ光源２２、一次レーザ光ＬＢ１を光軸に直交する径方向に分割して半割り形状の第１ビームＬＢ１１と第２ビームＬＢ１２とを得るビーム分割光学部材２６、二次レーザ光ＬＢ２を出射する第２レーザ光源２４、第１ビームＬＢ１１と第２ビームＬＢ１２との間に配置され、第１ビームＬＢ１１と第２ビームＬＢ１２との間に入射した二次レーザ光ＬＢ２を第１ビームＬＢ１１と第２ビームＬＢ１２の出射方向に向けて反射して出射するプリズム３０、プリズム３０よりもレーザ光出射方向に配置され、第１ビームＬＢ１１、第２ビームＬＢ１２、及び二次レーザ光ＬＢ２を同対象に集光させる集光レンズ３２を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、複数のレーザ光を重畳するビーム重畳光学系、及びそれを用いたレーザ加工装置に関する。

レーザ加工の分野において、複合材料の切断や金属溶接において最適なビーム内強度分布を実現するために、２種類のビームを同一集光点に重畳照射して加工する新しい加工技術が報告されている。

レーザ加工に用いる高出力のレーザ光は、インコヒーレントな光であり、偏光面や波面が時間的に安定した光ではないため、偏光ビームスプリッタを用いたビーム重畳光学系は効率面で実施されていない。また、２種類のレーザ光がほぼ同一の波長の場合、ダイクロイックミラーのような波長分離素子を用いてビーム重畳することも容易ではない。

そのため、ビーム重畳照射するために、中央に開口が形成された環状ミラーを用い、一次レーザ光は４５度傾けた環状ミラーの開口を通過させ、二次レーザ光を環状ミラーに反射させて一次レーザ光と同一方向に出射させ、２種類のレーザビームを同軸にして、単一の集光レンズで集光照射する方法が知られている。

しかしながら、この方法では、構成上、一次レーザ光が通過する環状ミラーにおける開口を大きくできないため、一次レーザ光のパワーに制限がある。環状ミラーには、開口が形成されているため、開口の孔の内周面（ミラー表面でない部分）で二次レーザ光の一部が散乱され、集光レンズによる集光部で安定な集光が困難となる。さらに、散乱した二次レーザ光が、光学系を支持している加工ヘッドの筐体に照射されて加工ヘッドが発熱し、光学的に不安定となる場合がある。また、二次レーザ光は、一次レーザ光を通過させる開口の形成された環状ミラーで反射させる構成のため、二次レーザ光を一次レーザ光よりも大径のビームにしなければならず、加工ヘッドが大型化する。

環状ミラーによる二次レーザ光の散乱を抑制するために、環状ミラーにリング状の二次レーザ光を照射し、二次レーザ光が環状ミラーの開口に当たらないように改良を行ったレーザ加工装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１５７３１２号公報

しかしながら、二次レーザ光がリング状で、二次レーザ光を反射するミラーが環状ミラーの場合、一次レーザ光が通過する開口のエッジによる二次レーザ光の散乱はないが、一次レーザ光のビーム径は、環状ミラーの開口の径に制限されて集光レンズでの集光径や集光部でのパワー密度を自由に設定できない問題がある。また、二次レーザ光を一次レーザ光よりも大径のビームにする必要上、加工ヘッドの小型化は困難となっている。

本願発明の課題は、レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を制限しない構成とされたビーム重畳光学系、及びレーザ加工装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、複数のインコヒーレントなレーザ光を、同一対象に集光するビーム重畳光学系であって、一次レーザ光を出射する第１レーザ光源と、前記第１レーザ光源のレーザ光出射方向に配置され、前記一次レーザ光を光軸に直交する径方向に分割して半割り形状の第１ビームと第２ビームとを得るビーム分割光学系と、二次レーザ光を出射する第２レーザ光源と、前記第１ビームと前記第２ビームとの間に配置され、前記第１ビームと前記第２ビームとの間に入射した前記二次レーザ光を、前記第１ビームと前記第２ビームの出射方向に向けて反射して出射する反射部材と、前記反射部材よりもレーザ光出射方向に配置され、前記第１ビーム、前記第２ビーム、及び前記二次レーザ光を同一対象に集光させる集光光学系と、を有する。

請求項１に記載のビーム重畳光学系では、第１レーザ光源から出射された一次レーザ光がビーム分割光学系によって半割り形状の第１ビームと第２ビームとに分割される。
第１ビームと第２ビームとの間に配置された反射部材に、第２レーザ光源から出射された二次レーザ光が入射すると、反射部材で反射された二次レーザ光は第１ビームと第２ビームの出射方向に向けて出射する。

反射部材よりもレーザ光出射方向に配置された集光光学系に、第１ビーム、第２ビーム、及び二次レーザ光が通過すると、集光光学系はこれら第１ビーム、第２ビーム、及び二次レーザ光を同一対象に集光させる。第１ビーム、第２ビーム、及び二次レーザ光が集光した部分に被加工材を配置することで、被加工材の加工を効率的に行うことができる。

また、請求項１のビーム重畳光学系では、第１レーザ光源から出射された一次レーザ光を分割し、分割した半割り形状の第１ビームと第２ビームとの間に第２レーザ光源から出射された二次レーザ光を入射させており、従来技術のように、開口が形成された環状ミラーを用いていないので、一次レーザ光のビーム径、及び二次レーザ光のビーム径が従来技術のように制限されることはなく、従来技術対比で、一次レーザ光のビーム径、及び二次レーザ光のビーム径を自由に設定することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のビーム重畳光学系において、前記ビーム分割光学系は、入射する前記第１ビームの光軸を挟んで径方向の両側に、前記光軸と直交する直交面に対して光軸側から外側に向けて厚みが漸増したテーパー状の光学部材からなる一対の第１偏向部材を備え、前記光軸を挟んで一方側に配置される前記第１偏向部材、及び他方側に配置される前記第１偏向部材に前記第１ビームを通過させて屈折させることで前記第１ビームを２分割する。

請求項２に記載のビーム重畳光学系のビーム分割光学系は、入射する一次レーザ光の光軸を挟んで径方向の両側に、光軸と直交する直交面に対して光軸側から外側に向けて厚みが漸増したテーパー状の光学部材からなる一対の第１偏向部材を備えている。このため、一対の第１偏向部材に一次レーザ光を入射させると、一次レーザ光の一方側が一方の第１偏向部材によって光軸から離れる方向へ出射するように屈折されると共に、一次レーザ光の他方側が他方の第１偏向部材によって光軸から離れる方向へ出射するように屈折され、一次レーザ光が第１ビームと第２ビームとに２分割される。

請求項３に記載の発明は前記ビーム分割光学系は、請求項１に記載のビーム重畳光学系において、入射する前記一次レーザ光の光軸を挟んで径方向の両側に、前記光軸と直交する直交面に対して光軸側から外側に向けて厚みが漸減したテーパー状の光学部材からなる一対の第２偏向部材を備え、前記光軸を挟んで一方側に配置される前記第２偏向部材、及び他方側に配置される前記第２偏向部材に前記一次レーザ光を通過させて屈折させることで前記一次レーザ光を２分割する。

請求項３に記載のビーム重畳光学系のビーム分割光学系は、入射する一次レーザ光の光軸を挟んで径方向の両側に、光軸と直交する直交面に対して光軸側から外側に向けて厚みが漸減したテーパー状の光学部材からなる一対の第２偏向部材を備えている。このため、一対の第２偏向部材に一次レーザ光を入射させると、一次レーザ光の一方側が一方の第２偏向部材によって光軸に接近する方向へ出射するように屈折されると共に、一次レーザ光の他方側が他方の第２偏向部材によって光軸に接近する方向へ出射するように屈折され、該第１ビームと該第２ビームとは、互いに交差した後、光軸から離れる方向へ出射する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のビーム重畳光学系において、前記集光光学系は、前記第１ビームと前記第２ビームとの中心軸を挟んで径方向の両側に、前記中心軸と直交する直交面に対して中心軸側が径方向外側に向けて厚みが漸減したテーパー状の光学部材からな一対の第３偏向部材を備え、前記中心軸を挟んで一方側に配置される前記第３偏向部材に前記第１ビームを通過させて屈折させ、他方側に配置される前記第３偏向部材に第２ビームを通過させて屈折させることで前記第１ビームと前記第２ビームとを互いに平行にして出射させる偏向光学系と、前記二次レーザ光と、前記偏向光学系から出射されて互いに平行にされた前記第１ビーム、及び前記第２ビームとを同一対象に集光させる集光レンズと、を有している。

請求項４に記載のビーム重畳光学系の集光光学系は、偏向光学系と集光レンズとを含んで構成されている。第３偏向部材は、第１ビームと第２ビームとの中心軸を挟んで径方向の両側に配置され、中心軸と直交する直交面に対して中心軸側が径方向外側に向けて厚みが漸減したテーパー状の光学部材からなっている。このため、中心軸を挟んで一方側に配置される第３偏向部材に第１ビームを通過させて屈折させ、他方側に配置される第３偏向部材に第２ビームを通過させて屈折させると、第１ビームと第２ビームとが互いに平行となって偏向光学系から出射する。

集光レンズは、偏向光学系から出射されて互いに平行とされた第１ビーム、及び第２ビームと、反射部材で反射された二次レーザ光とを同一対象に集光させる。

請求項５に記載のレーザ加工装置は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のビーム重畳光学系と、前記第１ビーム、前記第２ビーム、及び前記二次レーザ光が集光する位置に被加工部材を支持して前記被加工部材を相対的に移動する移動装置と、を有する。

請求項５に記載のレーザ加工装置では、移動装置は、一次レーザ光を分割して得た第１ビーム、及び第２ビームと、二次レーザ光とが集光する位置に被加工部材を支持し、支持した被加工部材を相対移動することができる。これにより、集光位置を変えながら一次レーザ光のエネルギーと、第２のレーザ光のエネルギーによって被加工部材の加工を行うことができる。

本発明のビーム重畳光学系、及びレーザ加工装置によれば、レーザ光源から出射されるレーザ光のビーム径を制限しない構成を実現できる、という優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示した構成図である。 （Ａ）はビーム重畳光学系を示す第２レーザ光源側から見た正面図であり、（Ｂ）は第１レーザ光源から出射された一次レーザ光を光軸に直角な断面で見た断面図であり、（Ｃ）はビーム分割光学部材から出射された第１ビーム、及び第２ビームを光軸に直角な断面で見た断面図であり、（Ｄ）はビーム偏向光学部材から出射した第１ビーム、及び第２ビームと、プリズムから出射された二次レーザ光とを光軸に直角な断面で見た断面図であり、（Ｅ）は集光レンズから出射した第１ビーム、第２ビーム、及び二次レーザ光を光軸に直角な断面で見た断面図であり、（Ｆ）は集光位置のビームスポット形状を模式的に表した平面図である。 （Ａ）はビーム重畳光学系を示す側面図であり、（Ｂ）は、第２レーザ光源から出射された二次レーザ光を光軸に直角な断面で見た断面図である。 第２の実施形態のビーム重畳光学系を示す正面図である。 （Ａ）二次レーザ光の中心軸が集光レンズの光軸に対してθ°傾斜して二次レーザ光が集光レンズに入射した状態を示す説明図であり、（Ｂ）は、集光位置における一次レーザ光と二次レーザ光とのずれ量を示す説明図である。 第２レーザ光源における、二次レーザ光を出射するファイバーのコアの径ｄ_０と、コリメートレンズの焦点距離ｆ_１と、集光レンズの焦点距離ｆ_２と、集光部分のビーム径ｄ_ｆとの関係を示す説明図である。 （Ａ）は第３の実施形態に係るビーム重畳光学系を示す一部を変形した正面図であり、（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すビーム重畳光学系の７（Ｂ）−７（Ｂ）線断面図であり、（Ｃ）は、図７（Ａ）に示すビーム重畳光学系の変形例における図７（Ｂ）に相当する断面図である。

［第１の実施形態］
図１乃至図６にしたがって、本発明の第１の実施形態に係るビーム重畳光学系１０が用いられたレーザ加工装置１２を説明する。
図１に示すように、本実施形態のレーザ加工装置１２は、ヘッド１４、移動ステージ１６、コントローラ１８等を含んで構成されている。
移動ステージ１６は、コントローラ１８で制御される駆動装置１７で、Ｘ（図１の紙面左右方向）、Ｙ（図１の紙面裏表方向）、及びＺ方向（図１の紙面上下方向）に移動可能とされている。

図１〜図３に示すように、ヘッド１４の内部にビーム重畳光学系１０が設けられており、ヘッド１４は、後述するインコヒーレント（位相、波長が一定していない）な一次レーザ光ＬＢ１、及びインコヒーレントな二次レーザ光ＬＢ２を下方に向けて出射する。ヘッド１４は筐体２０を備えている。筐体２０の上部に、一次レーザ光ＬＢ１を直下に向けて出射する第１レーザ光源２２を備え、筐体２０の側部に、二次レーザ光ＬＢ２を水平かつ一次レーザ光ＬＢ１に向けて出射する第２レーザ光源２４を備えている。本実施形態のレーザ加工装置１２に用いる第１レーザ光源２２、及び第２レーザ光源２４に特に制限はなく、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、Ａｒレーザ等の従来公知のレーザ光源を用いることができる。

第１レーザ光源２２から出射される一次レーザ光ＬＢ１の光軸ＣＬ１に直角な断面形状は、一例として図２（Ｂ）に示すような円形である。また、第２レーザ光源２４から出射される二次レーザ光ＬＢ２の光軸ＣＬ２に直角な断面形状は、一例として図３（Ｂ）に示すような円形である。

ビーム重畳光学系１０には、第１レーザ光源２２の下方に、本発明のビーム分割光学系の一例としてのビーム分割光学部材２６が配置されている。本実施形態のビーム分割光学部材２６は、一例として、図２、及び図３に示すように、一方向から見た断面がテーパー状とされた一対の第１偏向部材の一例としてのガラス板２６Ａを、薄い部分同士を向かい合わせて接合した構造とされている。ビーム分割光学部材２６を通過した一次レーザ光ＬＢ１は２分割され、図２（Ｃ）に示すように、光軸ＣＬ１を挟んで一方側に位置する半円状の第１ビームＬＢ１_１と他方側に位置する半円状の第２ビームＬＢ１_２となってビーム分割光学部材２６から、出射方向に向かうに従って徐々に離間するように出射される。なお、ビーム分割光学部材２６は、２つのガラス板２６Ａを接合したものに限らず、一つのガラス部材を研削等で加工して形成したものであってもよい。

ビーム分割光学部材２６の下方には、第１ビームＬＢ１_１と第２ビームＬＢ１_２とを互いに平行にするビーム偏向光学部材２８、及びプリズム３０が配置され、ビーム偏向光学部材２８、及びプリズム３０の下方には集光レンズ３２が配置されている。集光レンズ３２には、一般的な凸レンズが用いられている。これらビーム分割光学部材２６、ビーム偏向光学部材２８、プリズム３０、及び集光レンズ３２は、筐体２０の内部に支持されている。なお、プリズム３０は、二次レーザ光ＬＢ２の入射面とは反対側から支持されている。

本実施形態のビーム偏向光学部材２８は、一例として、図２、及び図３に示すように、光軸ＣＬ１から離れるに従って薄く形成された一対のガラス板２８Ａを光軸ＣＬ１を挟んで両側に配置した構造とされている。ビーム偏向光学部材２８を通過した第１ビームＬＢ１_１と第２ビームＬＢ１_２とは、光軸ＣＬ１に対して互いに平行な状態で集光レンズ３２に向けて出射される。なお、ビーム偏向光学部材２８を通過した第１ビームＬＢ１_１と第２ビームＬＢ１_２とは、図２（Ｄ）に示すように、断面形状は半円状のままである。

プリズム３０は、ビーム偏向光学部材２８の中央において、第１ビームＬＢ１_１と第２ビームＬＢ１_２とに当たらない位置に配置されている。プリズム３０は、第２レーザ光源２４から出射される二次レーザ光ＬＢ２を集光レンズ３２に向けて反射する。プリズム３０で反射された二次レーザ光ＬＢ２は、光軸ＣＬ１上を集光レンズ３２に向けて出射される。即ち、第１ビームＬＢ１_１、第２ビームＬＢ１_２、及び二次レーザ光ＬＢ２は互いに平行な状態で集光レンズ３２に入射する（図２（Ａ）参照）。なお、プリズム３０は、ミラーに代えてもよい。図２（Ｄ）に示すように、プリズム３０の下方においては、第１ビームＬＢ１_１と第２ビームＬＢ１_２との間に二次レーザ光ＬＢ２が位置している。

ここで、プリズム３０の大きさは、二次レーザ光ＬＢ２を反射可能な最小限の大きさとし、第１ビームＬＢ１_１と第２ビームＬＢ１_２との隙間は、第１ビームＬＢ１_１、及び第２ビームＬＢ１_２がプリズム３０に当たらないような最小限の隙間とすることが好ましい。これにより、ヘッド１４に収容するビーム重畳光学系１０の大きさを最小限に抑えることができ、ヘッド１４の小型化を図ることができる。

集光レンズ３２は、ビーム偏向光学部材２８から出射された第１ビームＬＢ１_１、及び第２ビームＬＢ１_２と、プリズム３０で反射された二次レーザ光ＬＢ２とを集光レンズ３２の下方へ離間した位置で集光する。図２（Ａ），（Ｅ）に示すように、集光レンズ３２から下方へ向かうにしたがって、第１ビームＬＢ１_１と第２ビームＬＢ１_２は互いに接近し、二次レーザ光ＬＢ２、第１ビームＬＢ１_１、及び第２ビームＬＢ１_２の断面形状は集光位置に向けて徐々に小さくなる。

なお、コントローラ１８は、コンピュータ等を含んで構成され、駆動装置１７、第１レーザ光源２２、第２レーザ光源２４等の作動をコントロールする。

（作用、効果）
次に、本実施形態のレーザ加工装置１２の作用、効果を説明する。
本実施形態のレーザ加工装置１２では、図２（Ａ），（Ｆ）に示すように、移動ステージ１６に支持された被加工材料３４上に、一次レーザ光ＬＢ１（第１ビームＬＢ１_１、第２ビームＬＢ１_２）と二次レーザ光ＬＢ２を重畳させて集光させ、移動ステージ１６を移動させることで被加工材料３４の切断等を行うことができる。

本実施形態のビーム重畳光学系１０では、一次レーザ光ＬＢ１を半円状の第１ビームＬＢ１_１と半円状の第２ビームＬＢ１_２とに分割し、互いに離間した第１ビームＬＢ１_１と第２ビームＬＢ１_２との間に配置したプリズム３０で二次レーザ光ＬＢ２を反射している。このため、プリズム３０に第１ビームＬＢ１_１、及び第２ビームＬＢ１_２が当たらず、また、第２レーザ光源２４から出射した二次レーザ光ＬＢ２の全てをプリズム３０で反射させることができる。

したがって、第１レーザ光源２２から出射された第１ビームＬＢ１_１、及び第２ビームＬＢ１_２と、第２レーザ光源２４から出射した二次レーザ光ＬＢ２とを無駄なく同一対象（本実施形態では同一箇所）に集光させることができ、効率的に被加工材料３４の加工を行うことができる。

本実施形態のビーム重畳光学系１０では、分割した半割り形状の第１ビームＬＢ１_１と第２ビームＬＢ１_２との間に第２レーザ光源２４から出射された二次レーザ光ＬＢ２を反射するプリズム３０を配置しており、従来技術のように、中央に開口が形成された環状ミラーを用いていない。このため、一次レーザ光ＬＢ１のビーム径、及び二次レーザ光ＬＢ２のビーム径が従来技術のように制限されることはなく、従来技術対比で、第１レーザ光源２２から出射される一次レーザ光ＬＢ１のビーム径、及び第２レーザ光源２４から出射される二次レーザ光ＬＢ２のビーム径を自由に設定することができる。

さらに、一次レーザ光ＬＢ１の波長と二次レーザ光ＬＢ２の波長とを異ならせることで、単一の波長のレーザ光で被加工材料３４を加工する場合に比較して、効率的に被加工材料３４の加工を行うことが可能となる。例えば、被加工材料３４が、強化繊維を母材に含む複合材料である場合、一次レーザ光ＬＢ１を強化繊維の切断に適した波長、及び強度に設定し、二次レーザ光ＬＢ２を母材の切断に適した波長、及び強度に設定することで、単一のレーザビームを用いた場合に比較して、強化繊維を母材に含む複合材料を効率的、かつ高速で切断することが可能となる。
また、金属材料を切断する場合においても、効率的、かつ高速で切断することが可能となる。

本実施形態では、第１レーザ光源２２から出射される一次レーザ光ＬＢ１の径が、第２レーザ光源２４から出射される二次レーザ光ＬＢ２の径よりも若干大径であったが、一次レーザ光ＬＢ１の径と二次レーザ光ＬＢ２の径とを同一径にしてもよく、一次レーザ光ＬＢ１の径を二次レーザ光ＬＢ２の径よりも小径にしてもよい。

従来技術では、環状ミラーで反射する二次レーザ光の径を、環状ミラーの開口を通過する一次レーザ光の径よりも大径にする光学系が必要となっていたが、本実施形態では、二次レーザ光ＬＢ２を大径にする光学系を必要としない。

図２（Ａ）に示すように、本実施形態では、第１ビームＬＢ１_１、第２ビームＬＢ１_２、及び二次レーザ光ＬＢ２を光軸ＣＬ１に対して平行な状態で集光レンズ３２に入射させていたが、例えば、第２レーザ光源２４から出射される二次レーザ光ＬＢ２の出射方向を若干変更し、図４（Ａ）に示すように、二次レーザ光ＬＢ２を光軸ＣＬ１に対して角度θで傾斜させて集光レンズ３２に入射させてもよい。

ここで、集光レンズ３２の焦点距離をｆとすると、図４（Ｂ）の模式図で示すように、集光位置においては、一次レーザ光ＬＢ１（集光位置において第１ビームＬＢ_１＋第２ビームＬＢ_２）の中心と二次レーザ光ＬＢ２の中心とのずれ量ｄがｆ・ｔａｎθとなる。

これにより、レーザ加工装置１２では、一次レーザ光ＬＢ１と二次レーザ光ＬＢ２とを異なる位置で集光させて被加工材料３４の切断を行うこともできる。例えば、図４（Ｂ）に示すように、二次レーザ光ＬＢ２がビーム進行方向（矢印Ａ）となるように被加工材料３４の移動を行い、二次レーザ光ＬＢ２を照射した後に、一次レーザ光ＬＢ１を照射して被加工材料３４の切断を行うことができる。

図５には、第２レーザ光源２４の内部構成の一例が記載されている。この例で示す第２レーザ光源２４は、光ファイバー３６の先端のコア（図示せず）から二次レーザ光ＬＢ２が拡散しながら出射され、コリメータレンズ３８で平行にされて、プリズム３０に入射するように構成されている。

ここで、光ファイバー３６のコアの径をｄ_０、コリメータレンズ３８の焦点距離をｆ_１、集光レンズ３２の焦点距離をｆ_２とすると、集光位置における二次レーザ光ＬＢ２の集光ビーム径ｄ_ｆは、（ｆ１／ｆ２）ｄ_０で表すことができる。したがって、コリメータレンズ３８の焦点距離ｆ_１を変えることで集光位置における二次レーザ光ＬＢ２の集光ビーム径ｄ_ｆを簡単に変更することができる。

なお、被加工材料３４は、複合材料に限らず、単一の材料から構成されていてもよく、金属材料等であってもよい。被加工材料３４が金属材料の場合、レーザ加工装置１２は、切断（溶断）のみならず、溶接を行うこともできる。また、レーザ加工装置１２は、被加工材料３４の表面硬化、表面改質、穴あけ等、従来公知の加工を行うことができる、

［第２の実施形態］
次に、図６にしたがって、本発明の第２の実施形態に係るビーム重畳光学系１０を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。図６に示すように、本実施形態のビーム重畳光学系１０では、第１の実施形態で用いられていたビーム分割光学部材２６とは異なる構成のビーム分割光学部材４０が用いられている。

本実施形態のビーム分割光学部材４０は、一方向から見た断面がテーパー状とされた一対のガラス板４０Ａを、厚い部分同士を向かい合わせて接合した構造とされている。ビーム分割光学部材４０を通過した一次レーザ光ＬＢ１は２分割され、光軸ＣＬ１を挟んで一方側に位置する半円状の第１ビームＬＢ１_１と他方側に位置する半円状の第２ビームＬＢ１_２となってビーム分割光学部材４０から出射し、出射方向側で交差した後、出射方向に向かうに従って徐々に離間する。

なお、本実施形態のビーム重畳光学系１０は、ビーム分割光学部材４０以外の構成は、第１の実施形態と同様である。したがって、本実施形態のビーム重畳光学系１０も第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

［第３の実施形態］
次に、図７（Ａ），（Ｂ）にしたがって、本発明の第２の実施形態に係るビーム重畳光学系１０を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
図７（Ａ）に示すように、本実施形態のビーム重畳光学系１０は、一次レーザ光ＬＢ１と、二次レーザ光ＬＢ２と、三次レーザ光ＬＢ３との３種類のレーザビームを重畳するものである。

ビーム偏向光学部材２８と集光レンズ３２との間には、ビーム分割光学部材２６、ビーム偏向光学部材２８、及びプリズム３０と同様の構成とされた第２ビーム分割光学部材４２、第２ビーム偏向光学部材４４、及び第２プリズム４６が配置されている。

第２ビーム分割光学部材４２は、プリズム３０から出射された二次レーザ光ＬＢ２を第１ビームＬＢ２_１と第２ビームＬＢ２_２とに分割し、第２ビーム偏向光学部材４４は、第２ビーム分割光学部材４２から出射された第１ビームＬＢ２_１、及び第２ビームＬＢ２_２を互いに平行にして集光レンズ３２に向けて出射する。

第２ビーム偏向光学部材４４の中央に配置された第２プリズム４６には、図示しない第３レーザ光源から水平方向に出射された三次レーザ光ＬＢ３を集光レンズ３２に向けて反射する。

集光レンズ３２に入射する一次レーザ光ＬＢ１、二次レーザ光ＬＢ２、及び三次レーザ光ＬＢ３は、全て光軸ＣＬ１に平行とされており、集光レンズ３２から出射した一次レーザ光ＬＢ１、二次レーザ光ＬＢ２、及び三次レーザ光ＬＢ３は、光軸ＣＬ１上の同一箇所に集光する。なお、図７（Ｂ）には、図７（Ａ）に示すビーム重畳光学系１０において、第２レーザ光源２４（図７では図示せず）から出射される二次レーザ光ＬＢ２、及び図示しない第３レーザ光源から出射される二次レーザ光ＬＢ３の出射方向、集光レンズ３２に入射する第１ビームＬＢ１_１、第２ビームＬＢ１_２、第１ビームＬＢ２_１、第２ビームＬＢ２_２、三次レーザ光ＬＢ３の各々の断面形状、及び位置関係が記載されている。

このようにして、ビーム分割光学部材、プリズム、及びビーム偏向光学部材からなる光学系を集光レンズ３２に向けて直列的に複数配置することで、更に多くのレーザビームを重畳させて同一箇所に集光させることもできる。

なお、レーザ光と光学部材とが干渉しなければ、光学部材の向きを適宜変更し、例えば、図７（Ｃ）に示すように、鉛直方向上側から光軸ＣＬ１に沿って見た時に、第２レーザ光源２４から出射される二次レーザ光ＬＢ２と、図示しない第３レーザ光源から出射される二次レーザ光ＬＢ３とを光軸ＣＬに向けて異なる方向から入射させてもよい。

［その他の実施形態］
なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。

なお、第１の実施形態において、一次レーザ光の波長と二次レーザ光の波長は異なっていたが、同一であってもよい。同様に、第３の実施形態において、一次レーザ光の波長、二次レーザ光の波長、及び三次レーザ光の波長は各々異なっていてもよく、同一であってもよい。

１０ ビーム重畳光学系
１２ レーザ加工装置
１６ 移動装置
２２ 第１レーザ光源
２４ 第２レーザ光源
ＬＢ１ 一次レーザ光
ＬＢ２ 二次レーザ光
ＬＢ１_１ 第１ビーム
ＬＢ１_２ 第２ビーム
２６ ビーム分割光学部材（ビーム分割光学系）
２６Ａ ガラス板（第１偏向部材）
２８ ビーム偏向光学部材（偏向光学系）
２８Ａ ガラス板（第３偏向部材）
３０ プリズム（反射部材）
３２ 集光レンズ（集光光学系）
３４ 被加工部材
４０ ビーム分割光学部材（ビーム分割光学系）
４０Ａ ガラス板（第２偏向部材）

Claims (5)

1. 複数のインコヒーレントなレーザ光を、同一対象に集光するビーム重畳光学系であって、
   一次レーザ光を出射する第１レーザ光源と、
   前記第１レーザ光源のレーザ光出射方向に配置され、前記一次レーザ光を光軸に直交する径方向に分割して半割り形状の第１ビームと第２ビームとを得るビーム分割光学系と、
   二次レーザ光を出射する第２レーザ光源と、
   前記第１ビームと前記第２ビームとの間に配置され、前記第１ビームと前記第２ビームとの間に入射した前記二次レーザ光を、前記第１ビームと前記第２ビームの出射方向に向けて反射して出射する反射部材と、
   前記反射部材よりもレーザ光出射方向に配置され、前記第１ビーム、前記第２ビーム、及び前記二次レーザ光を同一対象に集光させる集光光学系と、
   を有するビーム重畳光学系。
2. 前記ビーム分割光学系は、入射する前記第１ビームの光軸を挟んで径方向の両側に、前記光軸と直交する直交面に対して光軸側から外側に向けて厚みが漸増したテーパー状の光学部材からなる一対の第１偏向部材を備え、
   前記光軸を挟んで一方側に配置される前記第１偏向部材、及び他方側に配置される前記第１偏向部材に前記第１ビームを通過させて屈折させることで前記第１ビームを２分割する、請求項１に記載のビーム重畳光学系。
3. 前記ビーム分割光学系は、入射する前記第１ビームの光軸を挟んで径方向の両側に、前記光軸と直交する直交面に対して光軸側から外側に向けて厚みが漸減したテーパー状の光学部材からなる一対の第２偏向部材を備え、
   前記光軸を挟んで一方側に配置される前記第２偏向部材、及び他方側に配置される前記第２偏向部材に前記第１ビームを通過させて屈折させることで前記第１ビームを２分割する、請求項１に記載のビーム重畳光学系。
4. 前記集光光学系は、前記第１ビームと前記第２ビームとの中心軸を挟んで径方向の両側に、前記中心軸と直交する直交面に対して中心軸側が径方向外側に向けて厚みが漸減したテーパー状の光学部材からな一対の第３偏向部材を備え、前記中心軸を挟んで一方側に配置される前記第３偏向部材に前記第１ビームを通過させて屈折させ、他方側に配置される前記第３偏向部材に第２ビームを通過させて屈折させることで前記第１ビームと前記第２ビームとを互いに平行にして出射させる偏向光学系と、
   前記二次レーザ光と、前記偏向光学系から出射されて互いに平行にされた前記第１ビーム、及び前記第２ビームとを同一対象に集光させる集光レンズと、
   を有する、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のビーム重畳光学系。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のビーム重畳光学系と、
   前記第１ビーム、前記第２ビーム、及び前記二次レーザ光が集光する位置に被加工部材を支持して前記被加工部材を相対的に移動する移動装置と、
   を有するレーザ加工装置。

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