专利名称：激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激发气体或固体介质得到激光输出的激光起振器，或涉及包含由来自此类激光起振器的激光输出进行激光切割等激光加工的激光加工机的激光装置。
背景技术：
在激光装置中使用碳酸气体激光作为代表性的高输出激光。由于碳酸气体激光因输出及波长的关系而难以通过光纤，所以从激光起振器起振的碳酸气体激光在空间中传播并被导引到工件上以加工工件。即使其它的高输出激光，也存在由于波长的关系而在空间中传播并被导引到工件上的情况。
在此类激光装置中，由于在工件的整个加工区域上扫描激光束，所以使用使光程长度即激光起振器和聚光光学系统之间的距离变化的方式。在此类情况下，即使光程长度变化，工件上的激光光斑直径也为一定，故而是有利的，这样，可在工件的整个加工区域范围内使加工结果相同。反之，在光斑直径变化的情况下，加工结果根据工件的加工区域的地点而变化，从而很有可能限制激光装置的加工能力。
但是，图11是表示此类现有技术的激光装置的光程长度和激光束半径之间关系的图。在图11中，表示光程长度的横轴原点0表示激光装置中的激光起振器的透射性输出镜的位置。因此，横轴的正区域表示激光起振器起振的激光的光程长度。在图11中，由表示激光加工开始时的激光束半径r的变化的曲线Y1可知，在原点处激光起振器的输出镜输出的激光的激光束半径r一度缩小后，便超过输出时的激光束半径r而增大。将这样输出后的激光束半径r一度变小的区域称为光束束腰W。
通常，在空间传播的激光由聚光光学系统例如聚光透镜聚光，在形成高能密度的状态下加工工件。此时，为了均匀加工工件，期望在工件的整个加工区域范围内将激光的聚光光斑直径大体保持一定。如图11所示，由于在光束束腰W中激光束半径r变化较小，所以通常将聚光光学系统配置在光束束腰W处。而且，通过使聚光光学系统于光束束腰W处在横轴上前后移动来改变光程长度，这样，入射到聚光光学系统的激光束的外径保持一定(参照特公平4-36794号公报、特开平8-112687号公报、特开平7-185860号公报及特开平7-185861号公报)。
但是，在激光装置以比较高的输出例如超过1kW的输出继续使用的情况下，透射性输出镜由通过该输出镜中心的激光加热。对于激光从中心加热输出镜，输出镜由来自激光装置的冷却水循环系统的冷却水来从其周围进行冷却。因此，如果从激光的输出经过足够时间，则输出镜中，产生温度从输出镜中心部朝向该输出镜外周部逐渐下降的温度梯度。其结果，在输出镜中心部比外周部膨胀的同时，受温度强烈影响的折射率在中心部也比在输出镜外周部大。这样，产生了输出镜的焦距变得比常温状态小的所谓热透镜效果。
图11中的曲线Y2表示从开始激光加工到发生热透镜效果经过足够时间后的激光束半径r变化。这样，到发生热透镜效果经过足够时间后的曲线Y2的激光束半径r比激光加工开始时的曲线Y1的激光束半径r小。即，图11中的光束束腰W因热透镜效果的产生而变得进一步缩小。
特公平4-36794号公报、特开平8-112687号公报、特开平7-185860号公报及特开平7-185861号公报所公开的聚光光学系统例如聚光透镜配置于光束束腰W的区域内，所以激光束半径r因从激光加工开始的经过时间而变化。其结果，由于工件上的光斑直径也变化，所以工件的加工在工件的整个加工区域内出现不均匀，从而产生加工不良的问题。虽然通过使聚光光学系统在光束束腰W的区域内前后移动可在某种程度上吸收光斑直径的变化，但在激光装置的输出比较高的情况下，由于光斑直径的变化也变大，所以通过聚光光学系统的移动来吸收该变化是有限的。
发明内容
本发明鉴于此类问题而进行，其目的是提供一种与从激光加工开始的经过时间无关地在工件的加工区域内均匀加工工件的激光装置。
为实现上述目的，根据第一方式，提供一种激光装置，具备激光起振器和聚集从该激光起振器输出的激光的聚光光学系统，上述聚光光学系统包含激光输出开始时的激光束传播曲线和在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够时间后的激光束传播曲线的交点地定位在上述激光的中心线上。
虽然激光输出开始时的激光束传播曲线与在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够的时间后的激光束传播曲线形状不同且经时变化，但是这些激光束传播曲线的交点没有变化。因此，在第一方式中，通过该交点地将聚光光学系统例如将聚光透镜配置于中心线上，可使入射到聚光光学系统的激光的激光束直径与从激光加工开始后的经过时间无关地保持一定。因此，由于工件上的激光的光斑直径为一定，所以可与从激光加工开始后的经过时间无关地在工件的加工区域均匀地加工工件。
根据第二方式，在第一方式中还具备将从上述激光起振器到上述聚光光学系统的光程长度保持一定的光程长度保持机构。
通常，聚光光学系统安装于激光装置的激光加工机所具备的加工头上，聚光光学系统将与加工头一体地移动。在第二方式中，通过具备将使光程长度保持一定的光程长度保持机构吸收根据工件的加工进程的激光头及聚光光学系统的移动。因此，与工件的加工进行状况无关地使光程长度保持一定，这样，可使工件上的激光的光斑直径为一定且可在工件的加工区域内均匀地加工。再有，光程长度保持机构理想的是具备至少两个反射镜，这样，可不改变激光束半径及漫射角，容易地形成光程长度保持机构。
根据第三方式，在第一或第二方式中，还具备在上述激光起振器和上述聚光光学系统之间配置的准直机构。
即，在第三方式中，由于在准直机构后方，激光输出开始时的激光束传播曲线和到热透镜效果产生而经过足够时间后的激光束传播曲线较平缓地相交，所以可在大范围内形成激光束半径r极接近的区域。即，关于应配置聚光光学系统的位置，可具有富余度，即使在聚光光学系统稍微移动的情况下，也可使工件上的光斑直径变化成为最小限度。在激光束半径r极接近区域理想的是激光束传播曲线之间的差的绝对值是10％左右。
根据第四方式，在第三方式中，上述准直机构包含至少一个球面镜、椭圆体面镜、抛物面镜和/或透镜。
即，在第四方式中，由比较容易的构成可在大范围内形成激光束半径r极接近的区域。
根据第五方式，提供一种激光装置，具备激光起振器和聚集从该激光起振器输出的激光的聚光光学系统，在上述激光起振器和上述聚光光学系统之间配置的光束漫射角改变机构，该光束漫射角改变机构包含激光输出开始时的激光束传播曲线和在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够时间后的激光束传播曲线的交点地定位在上述激光的中心线上，控制上述光束漫射角改变机构，使得在上述光束漫射角改变机构的后方的激光束传播曲线在激光输出开始时和在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够时间后大体相等。
即，在第五方式中，由于在光束漫射角改变机构的后方能够得到在激光输出开始时和到热透镜效果产生而经过足够时间后同一形状的激光束传播曲线，所以入射到聚光光学系统的激光束的激光束半径总是一定。因此，由于工件上的光斑直径为一定，所以可与从激光加工开始经过的时间无关地在工件的加工区域内均匀地加工工件。作为光束漫射角改变机构，理想的是采用例如可变曲率镜或可动校准仪单元。
根据第六方式，提供一种激光装置，具备激光起振器和聚集从该激光起振器输出的激光的聚光光学系统，在第一面和第二面之间定位上述聚光光学系统，该第一面是通过在上述激光起振器的输出镜刚更换后或在刚清洁后激光输出开始时的激光束传播曲线和在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够的时间后的激光束传播曲线的第一交点并相对于上述激光的中心线垂直的面，该第二面是通过在上述激光起振器的上述输出镜就要更换前或在就要清洁前激光输出开始时的激光束传播曲线和在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够的时间后的激光束传播曲线的第二交点并相对于上述激光的中心线垂直的面。
虽然由于在长时间内使用激光装置，激光起振器内的输出镜和/或后镜等被污染，从而激光束传播曲线变化，但是在第六方式中，在预先考虑了输出镜等的污染的基础上配置聚光光学系统。因此，在使输出镜等的污染对激光束传播曲线的影响为最小限度的同时，可在工件的加工区域内均匀加工工件。
根据各方式，能取得与从工件加工开始的经过的时间无关地可在工件加工区域内均匀加工工件的相同的效果。
再有，根据第二方式，能取得可吸收根据工件的加工进行的加工头及聚光光学系统的移动的效果。
而且，根据第三方式，能取得可在大范围内形成激光束半径r极接近的区域的效果。
此外，根据第四方式，能取得用比较简单的构成可在大范围内形成激光束半径r极接近的区域的效果。
还有，根据第五方式，能取得可使入射到聚光光学系统的激光束的激光束半径总是为一定的效果。
另有，根据第六方式，能取得在使输出镜等的污染对激光束传播曲线的影响为最小限度的同时，可在工件的加工区域内均匀加工工件的效果。
从附图所示的本发明的典型实施方式的详细说明，可更明了本发明的这些目的、特征和优点以及其它目的、特征和优点。
图1是根据本发明的激光装置的简图。
图2是控制装置的详细图。
图3是表示从激光起振器输出的激光形状的简图。
图4是表示根据本发明的第一实施方式的光程长度和激光束半径之间关系的图。
图5是表示光程长度L1对应关系的图。
图6是表示光程长度和激光束半径之间关系的其它的图。
图7a是表示根据本发明的第二实施方式的光程长度和激光束半径之间关系的与图4同样的图。
图7b是表示光程长度和激光束半径之间关系的其它的图。
图8是表示根据本发明的第三实施方式的光程长度和激光束半径之间关系的与图4同样的图。
图9是表示曲率对应关系的图。
图10是表示根据本发明的第四实施方式的光程长度和激光束半径之间关系的与图4同样的图。
图11是表示现有技术的激光装置中的光程长度和激光束半径之间关系的图。
图中1-控制装置2-激光起振器6-后镜7a、7b-放电电极 8-输出镜9-放电管10a、10b、10c-反射镜 11-激光加工机 12、12’-热交换器13-聚光透镜 16-加工头 20-加工工件21-加工台 30-光程长度保持机构部31a、31b-上方反射镜 32a、32b-下方反射镜33-可动台 51-温度传感器 52-位置传感器60-准直仪系统 61-凸面镜 62-凹面镜65-可变曲率镜 100-激光装置Y1、Y2-激光束传播曲线具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施方式。在下面的附图中，相同部件标以相同标记。为便于理解，将这些附图进行了适当变更比例尺。
图1是根据本发明的激光装置的简图。根据本发明的激光装置100主要用于金属加工用，包括激光起振器2和激光加工机11及光程长度保持机构部30。如图1所示，这些激光起振器2和激光加工机11及光程长度保持机构部30经控制装置1互相之间电连接。
激光起振器2是作为感应放电激发型的较高输出的激光气体起振器，例如，输出1kW以上的碳酸气体激光器。激光起振器2包括与激光气体压力控制系统18连接的放电管9。激光气体压力控制系统18经在激光起振器2上形成的激光气体供给口17及激光气体排出口19可完成向放电管9供给激光气体及从放电管9排出激光气体。放电管9一端设有不具有部分透射性的后镜6(谐振腔内部镜)，放电管9另一端设有具有部分透射性的输出镜8。输出镜8由ZnSe形成，在输出镜8内面涂有部分反射涂层的同时，在输出镜8外面涂有全反射涂层。后镜6的背面配置有激光功率传感器5。如图所示，在后镜6及输出镜8之间的光谐振空间内设有两个放电部分29a、29b。
各放电部分29a、29b分别包括夹持放电管9配置的一对放电电极7a、7b。这些放电电极7a、7b为同一尺寸，施有感应体涂层。如图1所示，放电电极7a经匹配电路7a连接到激光器电源4。再有，虽然放电电极7b也同样经匹配电路7a连接到激光器电源，但是为便于理解而未图示。这些激光器电源分别独立地被控制，可自由调整供给到对应的各放电部分29a、29b的电力。
再有，如图所示，放电管9上配置有鼓风机14，鼓风机的上游和下游分别配置有热交换器12、12。再有，激光起振器2与冷却水循环系统22连接，适当地冷却放电管9内的激光气体等。
还有，如图1所示，测定激光起振器2的输出镜8的温度Q的温度传感器51设于激光起振器2上。此外，在图1中，虽然表示了高速轴流型激光起振器2，但是激光起振器2也可以是其他方式的激光起振器，例如三轴正交型起振器或根据热扩散冷却的气体平板激光器。
从激光起振器2的输出镜8输出的激光经后述的光程长度保持机构部30入射到激光加工机11。在激光加工机11中，包括多个反射入射的激光的(在图1中为三个)反射镜10a、10b、10c。如图所示，由这些反射镜10a、10b、10c反射的激光经聚光透镜13及加工头16照射到加工台21上的加工工件20上。这里，聚光透镜13由ZnSe形成，聚光透镜13的两面涂有全反射涂层。再有，虽然未图示，但是可采用抛物面镜来代替聚光透镜13。
此外，加工工件20通过在水平方向上改变加工台21的位置可定位于规定位置。设有检测激光加工机11的加工头16的位置的位置传感器52。再有，如图1所示，激光加工机11上设有辅助气体供给系统15。来自激光加工机11外部设置的辅助气体源(未图示)的辅助气体由辅助气体供给系统15供给到加工头16的期望位置。
图2是控制装置的详图。如图2所示，将激光起振器2和激光加工机11及光程长度保持机构部30电连接的控制装置1由数字计算机构成，具备包括由双向总线106相互连接的ROM(只读存储器)及RAM(随机存取存储器)的存储部105、CPU(微处理器)等的处理部104以及作为输入端口的输入部102及作为输出端口的输出部103。这些输入部102及输出部103适当地连接到激光起振器2及激光加工机11的规定的构成单元上。例如，图1所示的温度传感器51及位置传感器52经对应的AD转换器(未图示)分别连接到控制装置1的输入部102上。而且，检测放电管9的激光气体的压力的压力传感器(未图示)也连接到控制装置1的输入部102上。
在激光装置100工作时，激光气体由激光气体压力控制系统18经激光器气体供给口17供给到放电管9内。接着，由鼓风机14使激光气体在由放电管9构成的循环通道内循环。如图1中箭头所示，从鼓风机14送出的激光气体通过用于除去压缩热的热交换器12’供给到各放电部分29a、29b。
在放电部分29a、29b通过放电电极7a、7b，若施加规定电压例如数百kHz到数十MHz的交流电压，则由放电作用激发激光气体，从而产生激光。根据公知原理，激光在光谐振空间内放大，经输出镜8射出输出激光。因放电作用成为高温的激光气体由热交换器12冷却，再次回到鼓风机14中。再有，这时，冷却水循环系统22工作，冷却放电管9内的激光气体等。
如图所示，从输出镜8射出的激光从激光起振器2经光程长度保持机构部30供给到激光加工机11。在激光加工机11中，激光由三个反射镜10a、10b、10c适当反射。反射的激光由聚光透镜13聚光，经加工头16照射到加工工件20上。这样，可加工例如切割或焊接在加工台21上的加工工件20。
这里，图3是表示从激光起振器输出的激光的形状的简图。为便于理解，在图3中，省略了光程长度保持机构部30、反射镜10a～10c等，并将输出镜8和聚光透镜13之间的光程画为一条直线。在图3中，激光从激光起振器2的输出镜8在中心线C周围输出。外侧的曲线Y1表示来自激光起振器2的激光输出开始时的激光的轨迹。如曲线Y1所示，在后镜6和输出镜8之间放大的激光具有微小漫射角度在空间中传播。
一方面，内侧曲线Y2表示从开始激光加工到产生热透镜效果而经过足够时间后的激光的轨迹。从这些曲线Y1、Y2可知，如果从开始激光加工到产生热透镜效果而经过足够的时间，则输出镜8和聚光透镜13之间产生激光束半径r变小的区域。再有，如图3所示，激光起振器2的输出镜8和聚光透镜13之间的距离是光程长度L。
关于此类激光束半径r的变化，参照作为表示第1实施方式的光程长度L和激光束半径r之间关系的图的图4来进行说明。图4的横轴表示光程长度L，相当于图3的中心线C。此外，图4的纵轴表示激光束半径r，相当于从图3的中心线C到曲线Y1、Y2的垂直方向的距离。再有，图4的横轴的原点0表示激光起振器2的输出镜8的位置。横轴的负的区域相当于激光起振器2内部。关于后述的其它的图6、图7、图8及图10也一样。
从图4的激光输出开始时的激光束传播曲线Y1可知，在原点从激光起振器的输出镜输出的激光的激光束半径r从约为4mm到约为10mm，在图4中为约8mm。再有，图4中的横轴和纵轴的数值只作为实施例表示，本发明并不限定于这些数值。其它附图的横轴(及纵轴)的数值也同样。
由于在输出的激光的激光束半径r一度变小后，便超过输出时的激光束半径r而增大，所以存在上述光束束腰W。而且，如图4所示，在光束束腰W中，如果从开始激光加工到产生热透镜效果而经过足够的时间，则激光束传播曲线Y1如箭头所示进一步向下方弯曲(参照激光束传播曲线Y2)。即，在光束束腰W中，激光束半径r将按照从激光输出开始的经过时间而缩小。
再有，如图4所示，激光束传播曲线Y1、Y2在交点A1相互交叉。而且，在从该交点A1向横轴正方向的区域中，光束半径r将按照从激光输出开始的经过时间而增大。即，光束半径r按照经过时间，在从点A1向横轴负方向上减小，在从交点A1向横轴正方向上增大。
换言之，交点A1处的激光的激光束半径r与从激光输出开始的经过时间无关不变化。因此，如果在与交点A1对应的横轴上的位置处确定聚光透镜13的位置，则加工工件20上的光斑直径与从激光输出开始的经过时间无关不变化。因此，在本发明中，将在横轴上配置其中心的聚光透镜13经交点A1沿相对于横轴垂直的线段H1进行配置。
该线段H1与横轴相交的点L1的横轴座标与配置于该位置上的聚光透镜13和输出镜8之间的光程长度L1相当。如图5所示，该光程长度L1是根据激光起振器2的输出P及输出镜8的直径D等确定的值，通过实验等作为输出P及输出镜8的直径D等的函数而预先求出并以对应关系形式预存于控制装置1的存储部105中。因此，在本发明中，根据图5所示的对应关系，可容易地将聚光透镜13定位于与交点A1相当的位置上(光程长度L1)。在图4所示的实施方式中，光程长度L1为约10m。
在光程长度L1的位置上配置聚光透镜13的情况下，入射到聚光透镜13的激光束半径r在激光加工开始时及从激光加工开始到热透镜效果产生经过足够的时间后这两种情况下相等。即，入射到聚光透镜13的激光束半径r与从激光加工开始的经过时间无关保持一定。因此，通过聚光透镜13从加工头16照射的激光在加工工件20上的光斑直径也与从激光加工开始的经过时间无关不发生变化。因此，在本发明中，可在加工工件20的整个加工区域内进行均匀的加工。
而且，将图4中的激光束传播曲线Y1、Y2作为没在光程长度L1的位置上配置聚光透镜13的曲线而描绘，因此，曲线Y1、Y2在从线段H1往后处原样地发散。对于后述的其它图6、图7、图8也同样。
此外，在图4中，虽然激光加工时的激光束传播曲线Y1具备光束束腰W，但是在激光加工开始时不出现光束束腰W的情况也存在。图6是此类情况下的与表示光程长度L和激光束半径r之间关系的图4同样的图。在图6中，在加工工件开始时的激光束传播曲线Y1从输出镜8输出后，逐渐增大，图6中的激光束传播曲线Y1中不存在或几乎不存在光束束腰W。即使在此类情况下，若从激光加工开始经过一段时间，则也产生热透镜效果，激光束传播曲线Y1如曲线Y2所示，要具备光束束腰W地弯曲。
在此类情况下，由于与上述同样存在激光束半径r不变化的交点？A2，所以如果在与该交点A2对应的位置上确定聚光透镜13的位置，就能得到与上述同样的效果。
如果再参照图1，光程长度保持机构部30配置于激光起振器2和激光加工机11之间。光程长度保持机构部30具备再规定位置上固定的一对上方反射镜31a、31b及在可动台33上固定的一对下方反射镜32a、32b。如图所示，从激光起振器2的输出镜8输出的激光由一个上方反射镜31a反射，接着由可动台33的下方反射镜32a、32b反射，并在由另一上方反射镜31b反射后入射到激光加工机11。
通过公知机构，例如致动器，可动台33可与下方反射镜32a、32b一同在方向Z2上移动，从图1可知，该方向Z2相对于在上方反射镜31a及下方反射镜32a之间传播的激光及在上方反射镜31b及下方反射镜32b之间传播的激光平行。
在此，在加工工件20被加工例如切割或焊接时，加工头16按照加工工件20的加工进行状况在方向Z1上移动。该方向Z1相对于上述方向Z2平行。由于激光加工机11的加工头16上设有聚光透镜13，所以如果加工头16移动，则聚光透镜13与其一体地移动，这样，输出镜8和聚光透镜13之间的光程长度L改变。光程长度L的改变被表示为从图4中的线段H1所表示的点L1向横轴正方向及负方向移动。而且，因光程长度L的改变，加工工件20上的加工的光斑直径也变化，这样，加工工件20的加工精度因其加工区域不同而变化。
在本发明中，当激光装置100的工作时，根据存储部105中预存的加工头16的初期位置，由位置传感器52来随时检测从加工头16初期位置的移动量及移动方向。如上所述，由于聚光透镜13安装到加工头16上，所以加工头16的预定量及移动方向与聚光透镜13的移动量及移动方向相当。再有，也可以用位置传感器52直接检测聚光透镜13的移动量及移动方向。
将这些聚光透镜13的移动量及移动方向供给到控制装置1，在控制装置1中根据该移动量及移动方向来决定可动台33的移动量及移动方向，并使可动台33与下方反射镜32a、32b一起在方向Z2上移动。在图示实施方式中，可动台33的移动方向为加工头16的移动方向的相反方向，可动台33的移动量是加工头16的移动量的一半。这样，通过根据加工头16的移动使可动台33移动，输出镜8和聚光透镜13之间的光程长度L与加工工件20的加工进行状况无关保持一定。即，在本发明中，通过采用具备光程长度保持机构部30的构成，即使在激光加工时加工头16及聚光透镜13移动的情况下也可吸收其移动而使光程长度L1保持一定。即，由于在本实施方式中可使加工工件20上的激光的光斑直径保持一定，所以可在加工工件20的整个加工区域内更均匀的加工。
在上述第一实施方式中，也可以如下设定根据确定的光程长度L1来定位聚光透镜13，通过只使光程长度保持机构部30的可动台33移动，使聚光透镜13不从其初期位置移动，光程长度L为光程长度L1。在该情况下，由于光程长度保持机构部30配置于激光加工机11的外部，所以与改变激光加工机11内的聚光透镜13的位置相比，可容易且迅速地设定光程长度L1。
此外，也可以按照聚光透镜13及加工头16的移动，使激光加工机11内的加工工件20移动，由此设置使光程长度L保持一定的其它光程长度保持机构。
接着，在本发明的第二实施方式中，输出镜8和聚光透镜13之间的光程长度L上配置准直仪系统60。准直仪系统60包括例如凸面镜和凹面镜，在第二实施方式中，图1所示的反射镜10a、10b分别对应于凸面镜61及凹面镜62。这些凸面镜61及凹面镜62是在市场上可得到的球面镜、椭圆体面镜或抛物面镜，通过使用这些，用比较简易的构成可形成准直仪系统60。
图7a是表示根据具备由凸面镜61和凹面镜62构成的准直仪系统60的本发明第二实施方式的光程长度和激光束半径之间关系的与图4相同的图。在图7a中，准直仪系统60的凸面镜61配置成在相对于横轴垂直的线段CX上将凸面镜61的中心在横轴上，凹面镜62配置成在位于凸面镜61后方的同样线段CC上凹面镜62的中心在横轴上。
如图7a中激光束传播曲线Y1所示，激光的激光束半径r在线段CX上在通过凸面镜61后快速增大。接着，当激光在线段CC上从准直仪系统60的凹面镜62射出时，激光束半径r相对于横轴大体平行。在热透镜效果发生经过足够的时间后的激光束传播曲线Y2也同样，在从准直仪系统60射出后相对于横轴大体平行。
严格来说，准直仪系统60后的激光束传播曲线Y1、Y2相对于横轴不完全平行，这些曲线Y1、Y2较平缓地相交。即，这些曲线Y1、Y2在横轴方向上形成钝角α1相交(参照图7a)。由于这些曲线Y1、Y2的交点A3是激光束半径r不因热透镜效果而变化的位置，所以可与上述第一实施方式等同样地将聚光透镜13定位在对应于交点A3的横轴上的位置上。
再有，如图所示，在这些曲线Y1、Y2的交点A3的前后规定的区域HA中，由于这些曲线Y1、Y2成钝角α1相交，所以可判断激光束半径r大体保持一定。选择区域HA以使将聚光透镜13定位于该区域HA上时的加工工件20的加工结果不会变为不良。在优选实施方式中，区域HA中的曲线Y1、Y2间的激光束半径r的差的绝对值为原激光束半径r的10％或以下。
即，在本发明的第二实施方式中，如果在区域HA范围内，则无论将聚光透镜13定位于何处，也可在期望的加工精度范围内加工加工工件20。即，在本发明的第二实施方式中，对于配置聚光透镜13的地点，可具有富余量。其结果，即使在加工工件20的加工时聚光透镜13与加工头16一同在方向Z1上移动，也可将加工工件20的光斑直径的变化抑制为最小限度，从而也可在加工工件20的整个加工区域内较均匀地加工。
再有，由凸面镜61及凹面镜62构成的准直仪系统60需要在离开输出镜8某一段距离的位置上定位。图7b是表示光程长度和激光束半径之间关系的其它的图。如图7b所示，在凸面镜61及凹面镜62与输出镜8相邻地分别定位在线段CX及线段CC上的情况下，不存在曲线Y1、Y2相交的交点，不能特定应定位聚光透镜13的位置。因此，由凸面镜61及凹面镜62构成的准直仪系统60需要在离输出镜8某段距离、在图7a所示实施方式中为约5m之处定位。
此外，在本实施方式中，可采用具备校准透镜的构成来代替凹面镜62及凸面镜61。在采用校准透镜作为准直仪系统60的情况下，这些校准透镜配置于同一线上。再有，当然也可通过将上述凹面镜62及凸面镜61和校准透镜组合来形成准直仪系统60。
图8是表示根据本发明第三实施方式的光程长度和激光束半径之间关系的与图4相同的图。在图8中，凸面镜61配置于线段CX上，可改变激光的漫射角的可变曲率镜65配置于位于线段CX后方的线段CA上。这些凸面镜61及可变曲率镜65与图1中反射镜10a、10b对应地配置。通过控制装置1其曲率变化地调整可变曲率镜65。此外，在第三实施方式中，聚光透镜13如果在可变曲率镜65和加工工件20之间，则无论在何处定位都可以。换言之，可变曲率镜65配置于输出镜8和聚光透镜13之间。
如图8的曲线Y1所示，在线段CX上通过凸面镜61的激光的激光束半径r急剧增大，并在线段CA处入射到可变曲率镜65中。由于可变曲率镜65起到与凹面镜62同样的作用，所以激光的激光束半径r在可变曲率镜65后与横轴大体平行。
一方面，当从激光的输出开始经过一段时间后，通过热透镜效果，曲线Y1向曲线Y2弯曲。在第三实施方式中，位于线段CA处的可变曲率镜65由控制装置1随时调整，由此可变曲率镜65后方的激光束传播曲线Y2可与激光输出开始时的激光束传播曲线Y1相等。即，通过随时调整可变曲率镜65的曲率R，可使比变曲率镜65靠后的激光的激光束半径r为一定。
输出镜8的热透镜效果是由激光起振器2的输出P、从激光输出开始的经过时间T及输出镜8的温度Q确定的值。输出P及经过时间T能从激光装置100的控制装置1容易地得到，且输出镜温度Q也由温度传感器51(参照图1)检测并供给控制装置1。于是，激光束半径r不变化的可变曲率镜65的曲率R可从热透镜效果的状况求出。如图9所示，该曲率R作为输出P、经过时间T及温度Q的函数通过实验等预求并以对应关系形式预存到控制装置1的存储部105。当然，也可进一步考虑输出镜8的直径D求出可变曲率镜65的曲率R。
即，在本发明的第三实施方式中，可将在比可变曲率镜65靠后的区域中的激光束半径r与从激光输出开始的经过时间无关地保持一定。因此，如果将聚光透镜13定位于比线段CA上的可变曲率镜65更靠后的位置上，则加工工件20上的光斑直径也与经过时间无关地保持一定，其结果，可在加工工件20的整个加工区域上均匀加工。此外，在本实施方式中，可将聚光透镜13定位于比可变曲率镜65更靠后的区域HA’中任意位置。即，与第二实施方式同样，关于配置聚光透镜13的位置，可有富余量。再有，在不具备凸面镜61而只配置可变曲率镜65的情况下，可得到与第三实施方式大体相同的效果。
此外，可使用可动准直仪单元来代替可变曲率镜65改变激光的漫射角。在该情况下，当使用可动准直仪单元时，使用与可动准直仪单元的可动距离有关的与图9同样的对应关系，代替曲率R通过改变可动准直仪单元的可动距离，可知可以得到大体相同的效果。
但是，由于在以较高输出例如1kW或以上运转激光装置100的激光起振器2时，给予激光的介质极大能量，所以在激光起振器2内产生了多种粒子，例如等离子粒子。这些粒子附着在激光起振器2内的后镜6和/或输出镜8的表面，将其污染，这样，促进了热透镜效果。因此，定期清洁激光起振器2内的后镜6和/或输出镜8。由于在就要清洁前及刚清洁后，激光束传播曲线Y1、Y2变化，所以理想的是在考虑粒子对输出镜8等的污染的基础上，确定聚光透镜13的位置。
输出镜8的规格参数的焦距是焦距f1。而且，将根据激光起振器2的输出开始时的所谓初期状态的热透镜效果的焦距设为焦距fH1，将由因粒子污染而增大的部分的热透镜效果的焦距设为焦距fH2。这时的输出镜8的实际焦距f由下式(1)表示。
1/f＝1/f1+1/fH1+1/fH2(1)于是，使用焦距fH2，求出在输出镜8等由粒子引起的污染就要清洁前的状态下的激光输出开始时的激光束传播曲线Y1’及同样地在就要清洁前的状态下的从激光输出开始到热透镜效果发生经过足够的时间后的激光束传播曲线Y2’。
图10是表示光程长度与激光束半径之间关系的与图4相同的图，表示激光束传播曲线Y1’、Y2’。如图10所示，这些曲线Y1’、Y2’与在由粒子污染输出镜8等前、即刚清理后或在输出镜8等刚更换后的曲线Y1、Y2比较，向下方弯曲的程度大。而且，通过这些曲线Y1’、Y2’的交点A1’且相对于横轴垂直的线段H1’比图4所示的线段H1向光程长度L变小的方向移动。也就是，定位聚光透镜13的线段H1根据输出镜8等的污染的状况从线段H1移动到线段H1’。即，即使在刚清洁后或在输出镜8等刚更换后聚光透镜13定位在优选地点(光程长度L1)上，如果在长时间内继续激光起振器2所进行的作业，则加工工件20上的光斑直径变化，变得不能将加工工件20均匀加工。
因此，在本发明的第四实施方式中，在刚清洁后或在输出镜8等刚更换后的线段H1和在就要清洁前或在输出镜8等就要更换前的线段H1’之间定位聚光透镜13。再有，与线段H1’对应的光程长度L1’用与图5同样的对应关系形式存储到控制装置1的存储部105中。在此类情况下，与聚光透镜13定位于线段H1的位置或比线段H1更靠近正方向侧(图10的右方)的情况比较，输出镜8等的污染所引起的对激光束传播曲线的影响小。即，在本实施方式中，预测在激光起振器2使用时的输出镜8等的污染的影响，可使对激光束传播曲线的污染的影响成为最小。
再有，适当组合几个上述实施方式包含于本发明的范围内。因此，例如，可以是在第四实施方式的情况下在对应于线段H1’的横轴的位置配置可变曲率镜65，并在可变曲率镜65后方配置聚光透镜13的构成。
虽然使用典型的实施方式说明了本发明，但是可以理解的是作为本领域技术人员，在不脱离本发明范围的情况下可进行上述改变及种种改变、省略、追加等。
权利要求
1.一种激光装置(100)，具备激光起振器(2)和聚集从该激光起振器(2)输出的激光的聚光光学系统(13)，其特征在于，上述聚光光学系统(13)包含激光输出开始时的激光束传播曲线(Y1)和在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够的时间后的激光束传播曲线(Y2)的交点(A1)地定位在上述激光的中心线(C)上。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，还具备将从上述激光起振器(2)到上述聚光光学系统(13)的光程长度保持一定的光程长度保持机构(30)。
3.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，还具备在上述激光起振器(2)和上述聚光光学系统(13)之间配置的准直机构(60)。
4.根据权利要求3所述的激光装置，其特征在于，上述准直机构(60)包含至少一个球面镜、椭圆体面镜、抛物面镜和/或透镜。
5.一种激光装置(100)，具备激光起振器(2)和聚集从该激光起振器(2)输出的激光的聚光光学系统(13)，其特征在于，还具备在上述激光起振器(2)和上述聚光光学系统(13)之间配置的光束漫射角改变机构(65)，该光束漫射角改变机构(65)包含激光输出开始时的激光束传播曲线(Y1)和在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够的时间后的激光束传播曲线(Y2)的交点(A1)地定位在上述激光的中心线(C)上，控制上述光束漫射角改变机构(65)，使得在上述光束漫射角改变机构(65)的后方的激光束传播曲线在激光输出开始时和在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够的时间后大体相等。
6.一种激光装置(100)，具备激光起振器(2)和聚集从该激光起振器(2)输出的激光的聚光光学系统(13)，其特征在于，在第一面(H1)和第二面(H1’)之间定位上述聚光光学系统(13)，该第一面(H1)是通过在上述激光起振器(2)的输出镜(8)刚更换后或在刚清洁后激光输出开始时的激光束传播曲线(Y1)和在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够的时间后的激光束传播曲线(Y2)的第一交点(A1)并相对于上述激光的中心线(C)垂直的面，该第二面(H1’)是通过在上述激光起振器(2)的上述输出镜(8)就要更换前或在就要清洁前激光输出开始时的激光束传播曲线(Y1’)和在从上述激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够的时间后的激光束传播曲线(Y2’)的第二交点(A1’)并相对于上述激光的中心线(C)垂直的面。
全文摘要
本发明提供了激光装置(100)，具备激光起振器(2)和聚集从该激光起振器输出的激光的聚光光学系统(13)，聚光光学系统包含激光输出开始时的激光束传播曲线(Y1)和在从激光输出开始到产生热透镜效果而经过足够的时间后的激光束传播曲线(Y2)的交点(A1)地定位在激光的中心线(C)上。这样，可与从激光加工开始的经过时间无关地在工件的加工区域内均匀加工工件。再有，可采用具备在激光起振器和上述聚光光学系统之间配置的准直机构(60)或光束漫射角改变机构(65)的构成。
文档编号B23K26/06GK1830612SQ20061005733
公开日2006年9月13日 申请日期2006年3月8日 优先权日2005年3月9日
发明者森敦, 冈崎龙马 申请人:发那科株式会社