JPS60171776A - レ−ザ・エネルギを送り出す方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発　明　の　背　■ この発明はレーザ゛・ビームを送り出”ｌ’　ｉｊ法と
装置、更に具体的に云えば、製造目的にとって十分に高
いエネルギ・レベルでレーザ・エネルギを光学繊維を介
しＣ伝達りることに関す−る。

典型的には、材料を処理する為にレーザ・ビームを送り
出Ｊのは、ビームを方向ぎめ゛りる為の鏡とプリズムの
集成体を用い０行なわれる。レーザ・ビームを光学４Ｊ
Ｊｉｌに通り時、ビームの方向ぎめの８１ｉ通性を高め
ることが出来る。この融通性により、製造時に工作物の
困難な場所への接近が容易に／、「る。穿孔、切削、溶
接及び選択的な熱処理及σレー１アによる吹付り塗装の
様な月料の処理が、加］Ｔ部から離れた所にあるレーザ
を用いて可能になる。

レー１ｒ・エネルギはレーザ通信並びに医療の分野のレ
ーザによる外科手術の目的の為に、光学繊維に沿って伝
達されていた。何れの場合も、レーザ・ビームは連続波
（ＣＷ）であっＣ１１００ワツ１〜の平均エネルギ・レ
ベルを越えることはなかった。遠赤外線の１０．６マイ
クロメードルの波長を持つＣＯ２レー１Ｆからの２０ワ
ツトものＣＷ上ネルギが光学１１維を介し゛Ｃ伝達され
た。近赤外線の１．０６マイクロメードルの波長を持つ
レーＩＰからの１００ワツＩ〜のＣＷエネルギ・レベル
も達成されＣいる。製版及び布地の切断の様な用途で、
材料を処理Ｍる為に、ＣＯ２レーザだけが光学繊維とＪ
ｔに用いられている。平均エネルギ又は尖りｆ１土ネル
ギは、コスト効果がある様な割合で、金属の溶接、切削
、穿孔及び熱処理を行なうのに十分ではない。Ｇ　Ｏ２
レーリ゛の光学繊維は、臭化タリウム及び沃化タリウム
で構成され−Ｃいて、１０．６マイクＬＪメー１〜ルで
５５％の透過率を持つことが出来、この様なレベルの透
過率に覆るには、冷却が必要′Ｃある。波長１．０６マ
イクロメー１−ルのエネルギ源であるネオジウム−イソ
１ヘリウム・アルミニウム・ガーネッ１〜・レーザは、
外′ｆｒｉ川の１００ワットのＣＷ平均１ネルギを発生
している。こういうエネルギ・レベルは限られｌこ金属
処理には適しているが、用いられたことがない。１゜０
００ワツトを越える尖頭エネルギのノフが金属処理には
一層望ましい。

発　明　の　概　要 この弁明では、１本の光学ｍ雑にレーザ・エネルギを結
合する。この光学ＩＪｌｉ帷はライトガイドとしＣ使わ
れ、材料の処理の為、工作物に十分なパルス・エネルギ
を送り出す。パルス様式で動作し、且つ近赤外線及び可
視スペクトルの範囲内の波長を持つ固体ネオジウム−Ｙ
ＡＧレーず又はその他のレーザによって発生されＩｃレ
ーザ・ビームが、りｆましくは石英で作られた光学ｉｌ
雑のコアの１端に集束される。キロワット範囲の尖頭レ
ベルを持つ１．ネルギが、繊維を介しＣ出力側の端に通
される。出−Ｃ来るレーザ・ビームを、穿孔、切削、溶
接、熱処理及びレーザ゛による吹付り塗装の様な製造過
程にとつ−Ｃ十分高い］−ネルギ密度で、工作物に集束
りる。

この装置は、レーザ・ビームを光学Ｉｌｉ雑のコアの直
径より小さい直径を持つ小さなスポットに集束するレン
ズを持っている。その間口値は、集束されたビームの内
角が約２４°より小さくなる様になつＣいる。特定の実
施例では、銅又は金で作られた保持治具を介して結合が
行なわれる。この治具がレーザ“・エネルギを反射し、
漂遊エネルギが光学繊維の被覆に入り込んで、それを溶
融リ−るのを防止りる。繊維の端にある被覆を取り去り
、繊耗を治具の孔に収める。２５０ワツ１〜までの平均
１ネルギ・レベルの場合の２番目の実り色間は、別の人
力結合器をＪ−’ｉ　−Ｊ　’Ｃいる。繊組の錆１ｉ　
１Ｊ冒う被）■及び遮蔽物をはぎ取り、次の部分では遮
蔽物だけを取り去り、とうして調製した繊維の端を硝子
保持体に取イ」りる。出力側にレンズ装置があっ（、レ
ーザ゛・ビームを丙びコリメー１〜して工作物に丙び集
束りる。

このブを明の装置ｆＴｊ　Ｉｔよ光損失が最低の可撓性
レーザ゛・ビーム送り出し装置であり、レーザ・ビーム
の操作の自山磨を人さくりる。これは１」ボッ１〜制御
装置を用いた金属処理に特に有用である。

弁明の訂１１な記載 図面に示しＩｃレーザ・エネルギ送り出し装置により、
金ＩＩ只の処理及び他の材料の処理が（−１なわれる。

２５０ワッｌ−程度の平均エネルギ・レベル及び数キロ
ワットの尖頭エネルギが個別の光学ｍ維を介しで伝達さ
れる。近赤外線の範囲内の波長を持つネＡジウムーイッ
１−リウム・アルミニウム・ガーネット・レーザをパル
ス様式で動作させる。

他の適当な固体レーザ“は、６８０プノメータの波にを
持つルビー・レーザ及び６３０乃至７３０ナノメータの
波長を拍つアレキリ−ンドライ１〜・レーザＣ゛あり、
何れも可視スペクトル１ｅ囲内である。

近赤外線及び可視範囲の全ての波長が、石英を溶１Ｍｉ
さけることなく、６英の光学ＩＩｉ紐の中で伝達される
。この種の光学繊維は、この繊維が可撓性ＣあつＣ，（
２英を良い繊維に引張ることが出来ると几に、純粋な材
料である点で好ましい。不純物は」ネルギを吸収づる１
１１１向がある。′！Ａ置は、レーザ・［ネルギを繊維
に結合するど共に、繊維から出Ｉ、−じ−ムを、材料の
処理に十分な１ネルギ密度に東９＃！する手段を含んＣ
いる。

第１図で、パルス様式で使うＮｄ　−ＹＡＧレーリ゛１
０が、直径ｉ、ｏｏｏマイクＬ１メートルの溶融６英の
光学繊維１１に結合される。この為、レ−ＩＪ’・ビー
ム１２をレンズ１３を用いて繊維の端に集束する。レー
ザ・エネルギが繊維に入る為には、２つの条イ′１が必
要である。第１に、焦点面の小さなスボッ１〜がｈ英の
コア１４の直径より小さな直径を持つことである。第２
に、光学繊維の開口１１は、集束されたビームの（円錐
角の様な）内角が２２°乃至２４°より小さくなる様に
なっていることＣある。最善の結果を得る為に番よ、］
コア４の端は光学的に平１１４になる様に１Ｉｌｌ削し
て、反＋４４防１１．被苗１５を設（）る。ｍル「１゛
１を受入れる孔を持つ銅製の保持冶具１゛６を介しＣ結
合が１１なわれる。繊維の端から約１　／　４１１＝Ｊ
の透明４「シリ−１ン被覆１７を取り去る。銅の冶具１
６は、繊維の端に入らない漂遊レ一番！・エネルギがら
繊維の被覆を保護Ｊる助けをりると其に、被覆の溶８１
；を防止する。銅は中位のエネルギ・レベルを持つ１．
０６マイクロメードルのレーザ・エネルギを反射す゛る
傾向を持つ。更によい材料は、更に反射性が高い材料で
ある金ぐある。

第２図に示した光学繊ｌｉｔ　１１の断面について説明
すると、レー１，１′・ビームはジグザグ通路に沿って
６英のコア１４の中を進み、シリ」ン被覆１７どの界面
（・反射δれる。光学繊維はブイＬ」ンの遮蔽物又はジ
１？ケット１８を持つ−Ｃいる。硝子の被覆を持つ溶融
６英の光学繊維を使う場合、繊維のｉｉＪ　ＩＱ性が低
下り−るが、エネルギを伝達Ｊる能力を昌めることか出
来る。これは、１．０６マイクロメードルの波長が硝子
に透明ぐあり、この為被覆が損傷を受りる危険が小さく
なるからぐある。繊耗は１ミリメートルより小８いＩ！
′１径を持つ（いる。

これより太い繊維は可撓性が小さくなる。

光学繊維１１を介し゛Ｃレーザ・エネルギを伝達した後
、レンズ集成体１９．２０を使ってレーザ・ビームをコ
リメートし且つ集束づる。光学Ｉｌｉ帷の出力側の端か
ら出て来るビームは拡がる傾向を持つ。ビームがレンズ
１９によって（１１びコリメー１〜され、レンズ２０に
よっ−Ｃ金屈工作物２１に集束される。焦点面に集束さ
れたビームのエネルギ密度は、種々の金属処理に十分で
ある。レンズを金属の蒸気から保護する為に、レーザ・
ビームは６ｒｌ　−Ｆ　４Ｎ　、２２に通１ことが出来
る。３つのレンズ素子反射防止被覆が透過率を高める。

１５５ワツトまでの平均１ネルギ・レベルをこの４１！
Ｉに伝達した。０．６ミリ秒のパルス幅（パルス１ｋ）
及び毎秒パルス数３０個のパルス速度ｅ１／Ｉ、０００
乃至（３，０００ソツ１〜の尖頭１ネルギ範囲を達成し
た。光学ＩＩの出力でこのビームを集束した接は、穿孔
並びに切削が出来る１０６乃至１０７ワツト／ｃＩｌ１
２のエネルギ密度が達成された。１５５ワツトのレーザ
・パルス・エネルギを１ミリメー］−ルの光学繊維を介
しＣ伝達したが、曲げの半径を８１１４（２００ミリメ
ートル）まり人きくすると、検出しく５する様な減衰は
なかった。繊維の曲げの半径を１．５吋（３７，５ミリ
メートル）にりると、１．０６マイクＵメートルに於け
る透過率は８７％である。光学繊維からのレーク゛・ビ
ーム出力を１９さ０．３０１１・Ｊ　（０，７５ミリメ
ートル）のインコネル７１８の工作物に集束した結果、
材料の穿孔及び切削の両りが出来た。

出力レンズ１９．２０の直径は図に示したよりずっと小
さくしてもよく、この結果出力側の端はあちこち動か１
のが一層容易になる。繊維の端はレンズ素子になるか又
はレンズの一部分になる様に４１ＩＩ削り”ることが出
来、或いは別個の六子を１ｌｉｌｆｆに取りイ」（プる
ことが出来る。

第１図の人力機構は１５５ワツ１〜までの平均レーｔＦ
・」ニネルギしかとれない。これはあらゆる処理作業に
とって十分ではない。これより高い１ネルギは、入力結
合部に於ける熱的な制約の為に禁止される。第３図に示
した改良された結合器を用いｒ、２５０ワツトまぐの平
均エネルギを光学繊維に伝達した。繊維の先端から０．
７５吋にわたっＣ、シリ」ン被覆１７及び遮蔽物１８を
はぎ取る。次の部分では、同じ距離だけ、遮蔽物だけを
取り去る。この様に調製した端をパイレックス（Ｏ，録
商標）の保持体２３内に配置し、レーザのましい焦点面
に配置コする。こうし°Ｃ調製した端は、２つの区域、
即ちコアと空気及びコアと被覆を介してビームの結合が
出来る様にする。第１の区域は、発散性の強い入射ビー
ムが、コアと空気の界面に出来る一層大きな受入れ角を
介して、繊維１１に入ることが出来る様にりる。第２の
区域が付船釣な反射をもたらし、収集された光エネルギ
の伝？２を保証りる。コア、被覆及び遮蔽物から成る第
３の区域が繊維を取り扱う為の頑丈なハウジングになる
。

長さ約５５メートルの繊維に２５０ワツトまでの平均１
ネルギ・レベルを伝達した。０．２ミリ秒のパルス幅及
び１０秒パルス数２００のパルス速度で、ｂ、０００／
ｌＩ至９．０００ワツ１への尖頭１ネルギ範囲が達成さ
れＩ、：。光学繊維の出カーＣ′ビームを集束した後、
穿孔及び切削が可能な土ネルギ密Ｕ　（１０６乃Ｊ　Ｉ
　Ｑ　７ワツｌ−／Ｃ１１１２）が達成されＩＣ。

２５０ワツ１〜よぐのＮｄ　−ＹＡＧレーリ゛のパルス
・エネルギを１ミリメートルの光学繊維に伝達しても、
ｌ！ｌｉ雑の曲げの半径が４１１’ｊ　（１００ミリメ
ー１〜ル）より大きければ、検出し得る様な減衰はなか
った。半径が４１１ｉＪの時、１．０６マイクＣｌメー
トルに於ける透過率は９０％である。厚さ０゜０００１
１４（１，５４ミリメー１〜ル）のチタン６Ａ１−４ｖ
の工作物の穿孔も切削も出来た。一層多量の平均エネル
ギを伝達する能力を持つことにより、この装置はｉＡ別
処理の業界にとって非常に融通性が大きい。

光学繊維レーザ送り出し装置の主な利点は、ビームの方
向ぎめの融通性が高まることである。レーザ・ビームを
操作り−る自由度が大きくなる。光ｑ・繊維は基本的に
は軽量であるから、レーザ・ビームは速い速度で殆んど
どんな方向にも動かずことが出来る。加工部から離れた
所でレーザを位置さめ出来ることが、光学繊維の様なラ
イトガイドを介しくレーザ・ビームを伝達づることの別
の利点ひある。光学繊維レーザ・ビーム送り出し装置に
固有の可撓性の為、この装置はロボット制御装置を用い
たレーザ′による月料処理にどっτ非常に自力である。

この発明を好ましい実施例について具体的に図示し、説
明したが、この発明の範囲内で種々の変更が可能である
ことは明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属工作物にレーザ・１ネルギを適用する為に
使われるレーザに結合された光学繊維装置の略図、第２
図は光学繊維の縦断面図であって、コアに沿っ−Ｃレー
デ・ビームが通過Ｊること′を示しＣいる。第３図は光
学繊維に一層多！Ｊｉの平均エネルギを伝達りる為の改
良された人力ＰＧＭ　１ｆｉｉを小しＣいる。 主な荷÷］の説明 １０：レーザ、 １１：光学繊維、 １３：集束レンズ、 １９．２０＋出力レンズ装置。 特許出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）製造過程を実施する為にレーザ・１ネルギを送り出
   ず方法に於て、近赤外線又は可視範囲の波長のパルス形
   し−ナ・ビームを発生し、該レーザ・ビームを１本の光
   学繊維のコアの端上の小さなスポットに集束し、キロワ
   ラ１−範囲の尖頭レベルを持つエネルギを前記光学１ｕ
   　１１＆を介して伝達し、出て来るビームを材料の処理
   に十分な１ネルギ密度で工作物に再び集束り゛る工程か
   ら成る方法。 ２、特許請求の範囲１）に記載しｔｓ方法に於Ｃ１前記
   レーザ・ビームが前記コアの直径より小さい直径を持つ
   小さなスポットに集束され、間口値は集束されたビーム
   の内角が約２４°より小さい角度を持つ様にする方法。 ３）特許請求の範囲１）に記載した方法に於て、前記光
   学繊維のコアの端が光学的に平坦であってエネルギ結合
   を高める為に反射防止被覆を持つている方法。 ４）特許請求の範囲１）に記載した方法に於て、前記光
   学繊維に約２５０ワツトまでの平均エネルギ・レベルが
   伝達される方法。 ５）近赤外線又は可視範囲の波長のレーザ・ビームを発
   生する、パルス式に動作するレーザと、石英のコア及び
   被覆を持つ光学繊維と、前記レーザ・ビームを前記石英
   のコアの端、［の小さなスポラ１〜に集束する手段とを
   有し、前記光学繊維は１キロワツトを越える尖頭エネル
   ギを出力側の端に伝達し、更に、出て来るレーザ・ビー
   ムをコリメー；へして、月利の処理を実施する為に工作
   物に集束Ｊる手段を有Ｊる工業用レーザ・エネルギ送り
   出し装Ｆｌ　。 ６）特許請求の範囲５）に記載した工業用レーザ・エネ
   ルギ送り出し装置に於′Ｃ１前記レーザが、ネオジウム
   −ＹＡＧレーザ、ルビー・レーザ及びアレキサンドライ
   ト・レーザから成る群から選ばれる工業用レーザ・エネ
   ルギ送り出し装置。 ７）特許請求の範囲５）に記載した工業用レーザ・エネ
   ルギ送り出し装置に於Ｃ１前記光学繊維の前記端に対す
   る保持治具が前記レーザ・ビームを反射して、沈遊ビー
   ムが前記被覆に入らない様にした工業用レーザ・エネル
   ギ送り出し装置。 ８）特許請求の範囲５）に記載した工業用レーザ・エネ
   ルギ送り出し装置に於−Ｃ，前記光学繊維の１＠にある
   被覆を取り去り、前記レーザ・ビームを反射して前記被
   ｔ℃の溶融を防止Ｊる様な、銅及び金の様な金属ぐ作ら
   れた保持治具の孔に前記光学繊維を入れた工業用レーザ
   ・エネルギ送り出し装置。 ９）特ｉ、′［請求の範囲５）に記載した工業用レーザ
   ・エネルギ送り出し装置に於−Ｃ１前記光学繊維の１端
   から短な距離１にわたって前記被１ｎ及びその上の遮蔽
   物を取り去り、該遮蔽物だけを次の部分で取り去り、こ
   うして調整した光学繊維の端を硝子保持体に取り１号【
   プた工業用レーザ・エネルギ送り出し装置。 １０）波長１．０６マイクロメードルのレーザ・ビーム
   を発生づる、パルス様式で動作４るネオジウム−ＹＡＧ
   レーザと、溶融石英のコア、被覆及び遮蔽物を持つ１本
   の光学繊維と、前記光ビームを前記光学ｍ維のコアの１
   端で、該コアの直径Ｊ、り小さい直径を持つ小さなスポ
   ットに集束すると共に、集束されたビームの内角が２４
   °より小さくなる様な聞１」値を持つレンズとをイラし
   、前記光学１１［Ｅはキロワット範囲の尖頭エネルギを
   出力側の端に伝達１−るライトガイドどして作用し、更
   に、出て来るレーザ・ビームをコリメートして、金属処
   理を実／ｌ１ｉｌする為に工作物に集束りるレンズ装置
   を有する工業用レーＩｆ・エネルギ送り出し装置。 １１）特許請求の範囲１０）に記載した工業用レーザ・
   エネルギ送り出し装置に於て、前記光学繊維の１＠にあ
   る被覆及び遮蔽物を取り去り、前記レーザ・ビームを反
   射すると共に漂遊光が前記被覆を溶融り−ることを防止
   −リ゛る銅の保持治具の孔に＋’＋Ｆｊ記光学ａＩ＆紺
   を収めｌζ工業用レーザ・エネルギ送り出し装置。 １２、特許請求の範囲１０）に記載した工業用レー１Ｆ
   ・１ネルギ送り出し装置に於て、前記光学繊維の１端か
   ら短な距離にわｌζって前記被覆及び遮蔽物を取り去り
   、次の部分で前記遮蔽物だりを大体同じ距離だり取り去
   り、この様に調製した光学繊維の端を硝子保１．１体内
   に配置りる工業用レー１Ｆ・エネルギ送り出し装置。 １３）特許請求の範囲１０）に記載した工業用レーザ・
   エネルギ送り出し装置に於て、前記光学Ｗ！雑の被覆が
   透明なシリコンである工業用レーザ゛・エネルギ送り出
   し装置。 １４）特許請求の範囲１０）に記載しＩこ工業用レーＩ
   ア・エネルギ送り出し装置に於て、前記レーＩＪ″・ビ
   ームが結合８れる光学！ｌｉ紺の前記１端が光学的に平
   坦であつＣ１反射防」被覆をＴｈ！Ｊる工業用レーザ”
   ・ｊ〜ネルギ送り出し装置。