激光加工装置的制作方法

1.本公开涉及激光加工装置。


背景技术：

2.在使用了激光的加工技术中，除了利用连续的激光束进行加工之外，还存在需要利用脉冲激光束进行加工的情况。使用了脉冲激光束的加工例如在想要抑制对加工对象物的热影响而实施高精度的加工的情况下被利用。
3.例如，在专利文献1中公开了对于cw或者准cw激光而使用光学快门来生成激光脉冲串作为激光束。
4.图7表示专利文献1所记载的从单一的rf(radio frequency)脉冲激光器生成多个光束的系统1400。在图7中，rf脉冲激光器1410生成激光束，该激光束通过串联配置的声光调制器(acousto
‑
optic modulator：aom)1412、1414、1416。系统1400为了提供多个光束，使用aom1412、1414、1416，生成时间上的脉冲内切片，能够向朝向加工头的各路径分配激光束。
5.在先技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本专利第5638054号公报


技术实现要素：

8.本公开的一个方式的激光加工装置具备：光源部，包括射出激光的激光振荡器；电源，向所述光源部供给电流；偏转单元，配设于从所述光源部射出的所述激光的光路中，包括使所述激光的透过量变化的光学元件；光分离单元，配设于通过了所述偏转单元的所述激光的光路中，遮挡由所述偏转单元偏转后的高次光，使0次光透过；以及信号同步单元，与所述激光被所述光学元件偏转的定时同步地，对从所述电源向所述光源部供给的电流的接通/断开进行控制。
附图说明
9.图1是本公开的一个实施方式所涉及的激光加工装置的示意图。
10.图2a是表示本公开的一个实施方式所涉及的激光和衍射光的示意图。
11.图2b是表示本公开的一个实施方式所涉及的衍射光的光强度的图。
12.图3a是本公开的一个实施方式所涉及的光分离单元的示意图。
13.图3b是本公开的一个实施方式所涉及的光分离单元的示意图。
14.图4是表示仅通过aom调制信号控制激光的脉冲输出的情况下的aom调制信号的波形和光输出(0次光)的波形的图。
15.图5是表示本公开的一个实施方式所涉及的光输出控制中的aom调制信号的波形、电源调制信号的波形以及光输出(0次光)的波形的图。
16.图6是表示本公开的一个实施方式所涉及的光输出控制中的aom调制信号的波形、电源调制信号的波形以及光输出(0次光)的波形的基于示波器的观察结果的图。
17.图7是以往的脉冲串生成方式的示意图。
18.符号说明
[0019]1ꢀꢀꢀ
光源部
[0020]
1a
ꢀꢀ
电源
[0021]2ꢀꢀꢀ
偏转单元
[0022]
21
ꢀꢀ
光学元件
[0023]
22
ꢀꢀ
aom驱动器
[0024]
23
ꢀꢀ
0次光
[0025]
24
ꢀꢀ
衍射光
[0026]3ꢀꢀꢀ
激光
[0027]4ꢀꢀꢀ
信号同步单元
[0028]
41
ꢀꢀ
电源调制信号
[0029]
42
ꢀꢀ
aom调制信号
[0030]5ꢀꢀꢀ
光分离单元
[0031]
51
ꢀꢀ
阻尼器
[0032]
52
ꢀꢀ
反射镜
[0033]
53
ꢀꢀ
透镜
[0034]
54
ꢀꢀ
透镜
[0035]
55
ꢀꢀ
针孔
[0036]
1400 系统
[0037]
1410 rf脉冲激光
[0038]
1412 aom
[0039]
1414 aom
[0040]
1416 aom
具体实施方式
[0041]
在近年的激光加工装置中，为了能够进行大功率输出，经常有使用wbc(wavelength beam combining，波长光束耦合)型ddl振荡器的情况。
[0042]
关于这一点，在专利文献1所记载的激光加工装置中，对于rf脉冲激光器的输出光，利用基于aom的衍射现象，以脉冲的方式使激光束的高次光偏转并引导至加工头。此时的激光束的偏转角成为按该激光束的每个波长而不同的角度。因此，在将偏转后的高次光用于加工的专利文献1所记载的激光加工装置中，在采用了wbc型ddl振荡器的情况下，由aom衍射后的激光扩展，即使聚光，光斑形状也有可能变形。
[0043]
另一方面，在使用脉冲激光进行激光加工时，该脉冲激光的波形直接关系到加工精度，但在专利文献1等现有技术中，未对脉冲激光的波形的更适宜的控制方式进行研究，在提高加工精度方面存在改善的余地。
[0044]
本公开是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种具有优异的加工精度的激
光加工装置。
[0045]
以下，参照附图对本公开进行说明。
[0046]
本公开的激光加工装置具有光源部1、电源1a、偏转单元2、光分离单元5以及信号同步单元4(参照图1)。
[0047]
光源部1包括射出激光3的激光振荡器。电源1a向光源部1供给电流。偏转单元2包括使激光3的透过量变化的光学元件21。光分离单元5遮挡由偏转单元2偏转后的高次光，使0次光透过。信号同步单元4与激光3被光学元件21偏转的定时同步地控制从电源1a向光源部1供给的电流。
[0048]
在本公开的激光加工装置中，遮挡由偏转单元2偏转后的高次光，使0次光透过，从而将0次光用于加工。此外，信号同步单元4与激光3被光学元件21偏转的定时同步地控制从电源1a向光源部1供给的电流，因此能够调整电源1a的电流上升定时以及下降定时和基于光学元件21的激光3的透过的定时。
[0049]
根据本公开的激光加工装置，能够实现高加工精度的激光加工。此外，能够抑制光输出的上升以及下降时的电流损失以及效率的降低。
[0050]
(实施方式1)
[0051]
图1是本实施方式的激光加工装置的示意图。
[0052]
激光加工装置具有光源部1。光源部1包括激光振荡器。激光振荡器例如为了能够进行大功率输出而可以具有如下构造：分别使用光整形机构对从多个直接二极管激光器(ddl)射出的不同波长的激光进行准直，使用合成机构对准直后的光进行合成，使用聚光机构使合成后的光聚光。即，作为激光振荡器，可以使用wbc(wavelength beam combining)型的激光振荡器。光源部1射出激光3。激光3可以是叠加了多个不同波长的激光的叠加激光。
[0053]
激光加工装置具有电源1a。电源1a向光源部1供给电流。通过对从电源1a供给的电流进行调制，激光振荡器能够进行连续的cw激光以及脉冲状的激光的振荡。
[0054]
激光加工装置具有配设于从光源部1射出的激光3的光路中的偏转单元2。偏转单元2包括使激光的透过量变化的光学元件21。光学元件21优选为声光元件(以下也称为aom)。在本实施方式中，偏转单元2包括aom21和aom驱动器22。aom21根据aom驱动器22的信号的接通/断开而使激光3分支为衍射光24和0次光23。
[0055]
图2a表示本实施方式的激光加工装置中的激光3的行进方式。在图2a中，对于与图1相同的结构要素使用相同的符号，并省略说明。
[0056]
在本实施方式中，由于使用wbc型的ddl振荡器作为激光振荡器，因此从光源部1射出的激光3成为叠加了多个波长λ1、λ2、λ3、λ4的激光。如图2b所示的分布图那样，波长λ1、λ2、λ3、λ4以彼此不重叠的方式分布。从ddl振荡器射出的激光3包括不同波长λ1、λ2、λ3、λ4的激光，它们在同轴上叠加而作为一根激光3射出。激光3若进入从aom驱动器22输入了信号的状态下的aom21，则发生衍射，成为衍射角根据波长而不同的衍射光24。衍射光24由于按波长而衍射角不同，因而逐渐扩展。此时，在aom21中，并非全部入射的激光3作为衍射光24而衍射，激光3的约10％左右作为0次光23而透过。另一方面，在未从aom驱动器22输入信号的状态的aom21中不发生衍射，全部的激光3作为0次光23而透过。这样，由于仅选择性地取出0次光23而利用于加工，因此激光3即使在由透镜(未图示)等聚光时，多个波长的激光也会分别重叠而不从光斑偏移。由此，具有能够进行良好的加工这样的优点。
[0057]
在本实施方式中，波长λ1、λ2、λ3、λ4分别设为975nm、980nm、985nm、990nm，但只要叠加了2个以上的不同波长的激光即可。另外，此时的波段优选在300nm以上且2000nm以下的范围内。例如，在使用450nm附近的蓝色的光源的情况下，能够进行高输出下的激光加工。
[0058]
另外，激光加工装置具有配设在通过了偏转单元2的激光3的光路中的光分离单元5。光分离单元5将由偏转单元2偏转后的衍射光24与0次光23分离，对作为高次光的衍射光24进行遮光，仅使0次光23透过。然后，从光分离单元5输出的0次光23被用于激光加工。即，从光分离单元5输出的0次光23被供给至与加工对象物对置地配设而射出激光的加工头(未图示)。
[0059]
图3a以及图3b表示光分离单元5的示意图。在图3a以及图3b中，对于与图1相同的结构要素使用相同的符号，并省略说明。图3a是光分离单元5的一例。光分离单元5优选具有多个反射镜52。反射镜52通过使衍射光24和0次光23反射而将光路折叠，因此不那么增大光分离单元5的大小就能够延长光路长度。由此，使衍射光24与0次光23之间的距离逐渐变大，仅将衍射光24向阻尼器51引导。光分离单元5具有阻尼器51，阻尼器51遮挡由反射镜52引导的衍射光24。这样，光分离单元5仅使0次光23透过。另外，图3a所示的光分离单元5将反射镜52的数量设为2个，但也可以使用3个以上的反射镜52进行多次折返。
[0060]
图3b是光分离单元5的另一例。图3b所示的光分离单元5具备透镜53、圆锥状的针孔55、透镜54以及阻尼器51。0次光23和衍射光24被透镜53聚光，但衍射光24的聚光点的位置成为与0次光23的聚光点不同的位置。由于圆锥状的针孔55被配置为仅透过0次光23，因此透过了针孔55的0次光23被透镜54恢复为平行光，但衍射光24朝向阻尼器51而被遮挡。另外，透镜53和透镜54形成准直器，通过适当地设定透镜53和透镜54各自的焦距的比，能够根据需要扩大或者缩小0次光23的光束直径。此外，使透过透镜54的0次光23恢复为了平行光，但根据用途，也可以调整透镜53与透镜54之间的距离，将0次光23设为放大光束或者缩小光束。
[0061]
另外，阻尼器51、反射镜52以及针孔55由于接受高输出的激光，因此也可以具备基于水冷、空冷的冷却机构。
[0062]
信号同步单元4与激光3被光学元件21偏转的定时同步地控制从电源1a向光源部1供给的电流。在本实施方式中，信号同步单元4通过向电源1a输入电源调制信号41来控制向光源部1(在此为激光振荡器)供给电流的定时，由此，控制从光源部1振荡出激光的定时。此外，信号同步单元4通过向aom驱动器22输入aom驱动器调制信号42来控制通过aom21使0次光23透过的定时。
[0063]
图4是表示仅通过aom调制信号42控制激光的脉冲输出的情况下的aom调制信号42的波形和光输出(0次光23)的波形的图。在图4中，在aom调制信号42接通时，aom21作为衍射光栅发挥功能，但在aom21中，不能衍射全部的光，作为0次光23而透过。此时，透过光分离单元5而输出的0次光23大约为10％左右。在aom调制信号42断开时，aom21不作为衍射光栅发挥功能，因此0次光23透过光分离单元5，成为大致100％的光输出。
[0064]
也就是说，在进行了图4所示那样的光输出控制的情况下，在使用1000w输出的激光振荡器作为光源部1的激光振荡器时，即使在脉冲断开时，也输出10％的大约100w的激光。因此，在该光输出控制中，在加工时，有可能对加工对象物造成热影响导致的损伤，或者使加工对象物变形。
[0065]
从该观点出发，在本实施方式所涉及的光输出控制中，对aom调制信号42和电源调制信号41进行协调来控制激光的脉冲输出。
[0066]
图5是表示本实施方式所涉及的光输出控制中的aom调制信号42的波形、电源调制信号41的波形以及光输出(0次光23)的波形的图。
[0067]
如图4所示，在仅通过aom调制信号42对激光进行了脉冲化的情况下，在aom调制信号42为接通时，光输出也不成为0％，但在本实施方式所涉及的光输出控制中，如图5那样，与aom调制信号42成为接通的定时对应地使电源调制信号41断开。由此，在断开激光的输出的定时，能够将0次光23的光输出抑制到0％。
[0068]
在本实施方式所涉及的光输出控制中，通过aom21的调制定时来控制激光的脉冲输出的上升以及下降。由此，能够以400ns左右的时间实现激光的脉冲输出的上升以及下降。由此，能够进一步提高基于激光的加工精度。
[0069]
另外，在通过一般的电源调制控制激光的脉冲输出的上升以及下降的情况下，激光的脉冲输出的上升及下降时间为数十微秒。因此，在本实施方式所涉及的光输出控制中，与通过一般的电源调制来控制激光的脉冲输出的上升以及下降的情况相比，能够使激光的脉冲输出的上升以及下降时间为1/10以下。
[0070]
具体而言，在本实施方式所涉及的光输出控制中，在控制激光的脉冲输出的上升时采用如下结构：将电源调制信号41从断开到接通的上升开始至aom调制信号42从接通到断开的下降开始为止的延迟时间至少确保为10μs以上，更优选确保为50μs以上。另外，作为该延迟时间的上限，例如设定为500μs。即，在本实施方式所涉及的光输出控制中，在从电源1a的电流上升起经过了10μs以上之后，使基于aom21的激光的透过为开启状态。由此，激光的脉冲输出的上升时间由aom21限速，因此能够实现纳秒级的上升。
[0071]
另外，此时，若设为在将电源调制信号41从断开切换为接通的同时将aom调制信号42从接通切换为断开的控制，则电源调制信号41的上升速度被限速为微秒级，激光的脉冲输出的上升时间成为微秒级。
[0072]
此外，在本实施方式所涉及的光输出控制中，在对激光的脉冲输出的下降进行控制时设定为：在aom调制信号42从断开到接通的上升开始点以后，使电源调制信号41从接通到断开的下降开始。即，在本实施方式所涉及的光输出控制中，在电源1a的电流下降前，使基于aom21的激光3的透过为关断状态。由此，激光的脉冲输出的下降时间被aom调制信号42限速，因此能够实现纳秒级的下降。
[0073]
图6是表示本实施方式所涉及的光输出控制中的aom调制信号42的波形、电源调制信号41的波形以及光输出(0次光23)的波形的基于示波器的观察结果的图。在图6中，横轴为400μs/div，纵轴表示电源调制信号41、aom调制信号42以及光输出的波形。在图6中，将从电源调制信号41的上升到aom调制信号42的上升为止的延迟时间设定为100μs。此外，关于下降，从aom调制信号42的下降定时到电源调制信号41的上升为止设定100μs的延迟时间。
[0074]
如图6所示，可知0次光23的波形能够实现为约400ns的上升以及下降。另外，可知除了0次光23的输出成为接通的前后的短暂期间以外，能够生成0次光23的输出成为0％的脉冲。
[0075]
如上所述，根据本实施方式所涉及的激光加工装置，能够高精度地控制激光的波形，因此能够实现较高的加工精度。此外，由此也能够抑制光输出的上升以及下降时的电流
损失以及效率的降低。
[0076]
另外，在本实施方式所涉及的激光加工装置中，脉冲动作时的脉冲占空比例如能够设定为1％以上且50％以下。
[0077]
此外，在本实施方式所涉及的激光加工装置中，在使用上升以及下降响应时间较快的电源1a的情况下，能够将延迟时间设定得较少，因此例如也可以设为10μs的延迟时间。
[0078]
此外，在本实施方式所涉及的激光加工装置中，若考虑电源调制信号41以及aom调制信号42的响应，则脉冲的重复频率优选在cw(continuous wave，连续波)以上且50khz以下的范围内。
[0079]
产业上的可利用性
[0080]
本公开的激光加工装置由于具有优异的加工精度，因此能够应用于树脂、金属等各种材料的加工。