JP4234697B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ装置に関し、特に、レーザ加工に適した強度プロファイルを有するレーザビームを生成するレーザ装置に関する。

従来から、レーザを用いて被加工物を加工することが行われている。例えば、レーザによる金属加工、特に鋼板の溶接は、自動車産業を中心とした多くの産業で幅広く利用されている。図１は、二枚の鋼板７１および７２をレーザ溶接する様子を示している。図１（ａ）に示されるように、ＣＯ_２レーザ溶接やＹＡＧレーザ溶接では、鋼板７１および７２の端部同士を突き合わせ、ほぼ円形の横断面を有するレーザビーム７４を突き合わせ領域７３に照射する。図１（ｂ）は、レーザビーム７４の強度プロファイルを示している。突き合わせ領域７３の長手方向に沿ったＡ軸と、Ａ軸に垂直なＢ軸を有する座標系を設定すると、レーザビーム７４は、Ａ軸方向およびＢ軸方向の双方においてガウシアン形の強度プロファイルを有している。

レーザ溶接用の光源としては、下記の特許文献１に開示されるように、半導体レーザ素子を使用することもできる。通常、半導体レーザ素子から出射するレーザビームは、その速軸方向と遅軸方向とで拡がり角が異なるため、細長い横断面を有している。特許文献１に記載される発明は、複数の半導体レーザ素子からのレーザビームを、それらの横断面の長手方向を互いに異ならせて重ね合わせることで、円形に近い横断面を有する合成ビームを生成する。

このほかに、半導体レーザアレイから出射する高出力（数１００W以上）のレーザビームを用いてレーザ溶接を行うことも可能である。半導体レーザアレイは、遅軸方向に並んだ複数の発光部を有しているため、図１（ｃ）に示されるように、半導体レーザアレイからのレーザビーム７５は矩形の横断面を有している。レーザビーム７５の長径方向を突き合わせ領域７３の長手方向に合致させ、レーザビーム７５をその長径方向に走査することにより、予備加熱および徐冷しながら溶接を行うことができる。これにより熱歪が抑えられるので、高い加工品質が得られる。

図１（ｄ）は、レーザビーム７５の長径方向および短径方向における強度プロファイルを示している。レーザビーム７５の長径方向のプロファイルは、各発光部から出射するレーザビームのガウシアン形のプロファイルが重なり合って形成される。このため、レーザビーム７５は、平坦な頂部を有するトップハット形のプロファイルを長径方向において有する。一方、短径方向のプロファイルは、単一の発光部から出射するレーザビームと同様にガウシアン形である。このようなプロファイルを有するレーザビームは、下記の特許文献２に開示されている。
特開平８−３０９５７４号公報 特開２００２−３３５０３５号公報

図２は、図１に示される突き合わせ領域７３の拡大図である。鋼板７１および７２の端部を完全な直線とすることは難しく、曲がっていたり変形していたりすることが多い。このため、二枚の鋼板の端部を突き合わせたとき、両者の間にギャップが生じることがある。このギャップの幅Ｗは非常に不均一（例えば、０〜２００μｍ程度）である。

上記のレーザビーム７４、７５は、突き合わせ領域７３を横切る方向（Ｂ軸方向）に沿ってガウシアン形のプロファイルを有するので、鋼板間のギャップやビーム照射位置のずれに対して許容度が小さい。例えば、レーザビームのうち最も強度の高い部分がギャップに照射されてしまい、その結果、溶接効率が低下して、加工不良を起こすことがある。また、通常、レーザビームの照射位置は、Ｂ軸方向に±５０〜１００μｍ程度の誤差を有するため、照射位置がわずかにずれただけで、レーザビームの高強度部分が突き合わせ領域７３に照射されなくなり、加工不良を起こすおそれがある。

そこで、本発明は、レーザ加工の際に加工不良を起こしにくいレーザビームを生成するレーザ装置を提供することを課題とする。

本発明に係るレーザ装置は、各々が第１レーザビームを出射する複数の第１半導体レーザアレイを積層した第１レーザアレイスタックを含む第１光源と、各々が第２レーザビームを出射する複数の第２半導体レーザアレイを積層した第２レーザアレイスタックを含む第２光源と、第１および第２レーザビームの少なくとも一方を偏向して、第１および第２レーザビームからなる合成ビームを生成するビーム合成手段と、この合成ビームを集光する集光手段とを備えている。ビーム合成手段から出射する第１レーザビームは、互いに平行な光軸と、互いに平行な遅軸方向とを有している。ビーム合成手段から出射する第２レーザビームは、互いに平行で、かつ第１レーザビームの光軸に対して傾斜した光軸と、第１レーザビームの遅軸方向と平行な遅軸方向とを有している。集光手段は、第１レーザビームを遅軸方向に垂直な平面内で第１の集光位置に集光すると共に、第２レーザビームを遅軸方向に垂直な当該平面内で第２の集光位置に集光する。第２の集光位置は、集光手段の光軸および遅軸方向の双方に垂直な方向に沿って第１の集光位置から所定の距離だけ離間しているとともに、所定の距離は、第１および第２の集光位置にそれぞれ集光された第１および第２レーザビームの強度プロファイルが、遅軸方向に垂直な平面内で部分的に重なり合うように定められている。

半導体レーザアレイから出射する第１および第２レーザビームが、それらの遅軸方向に垂直な方向にずらされて集光されるので、第１および第２レーザビームの強度プロファイルを当該方向に沿って部分的に重ね合わせることができる。これにより、レーザビームの遅軸方向と垂直な方向においてトップハット形の強度プロファイルを形成することができる。このレーザビームを使用してレーザ溶接などのレーザ加工を行えば、遅軸方向と垂直な方向における被加工物の寸法誤差やビーム照射位置のずれによって加工不良が起きにくくなる。

第１および第２の集光位置間の距離は、第１および第２の集光位置にそれぞれ集光された第１および第２レーザビームの強度プロファイルが、遅軸方向に垂直な平面内で部分的に重なり合うように定められていてもよい。第１および第２レーザビームの強度プロファイルは、例えば、ガウシアン形であってもよい。強度プロファイルが遅軸方向に垂直な方向に沿ってずれながら部分的に重なり合うことにより、トップハット形の強度プロファイルが形成される。

このレーザ装置は、第２レーザビームの遅軸方向に平行な回転軸を中心として第２レーザビームの光軸が回転するように第２レーザアレイスタックの向きを調整する手段を更に備えていてもよい。第２レーザアレイスタックの向きを調整することで、第１および第２の集光位置間の距離を適切に定め、合成ビームの強度プロファイルを最適化することができる。

第２光源は、第２レーザアレイスタックから第２レーザビームを受けるビーム屈折手段を更に含んでいてもよい。ビーム屈折手段は、合成ビームに含まれる第２レーザビームが第１レーザビームの光軸に対して傾斜した光軸を有するように第２レーザビームを屈折させてもよい。この場合、比較的簡易な構成でトップハット形の強度プロファイルを得ることができる。

ビーム合成手段は、第１レーザビームを透過させる透過部と、第１および第２レーザビームの遅軸方向が互いに平行になるように第２レーザビームを反射する反射部とを有していてもよい。このビーム合成手段を用いることで、第１および第２レーザビームを容易に合成することができる。

本発明のレーザ装置は、複数の半導体レーザアレイからのレーザビームを合成して、それらの遅軸方向と垂直な方向においてトップハット形の強度プロファイルを有する合成ビームを生成することができる。この合成ビームを使用してレーザ加工を行えば、遅軸方向と垂直な方向において被加工物の寸法誤差やビーム照射位置のずれが生じても加工不良が起こりにくい。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

始めに、本実施形態の基本原理を説明する。本実施形態では、複数の光源から出射するレーザビームを異なる位置に集光し、レーザビームのガウシアン形の強度プロファイルを相互にずらして重ね合わせることにより、トップハット形の強度プロファイルを形成する。

図３は、３個の光源１１ａ〜１１ｃの各々から出射するレーザビーム３２ａ〜３２ｃの光路と、それらのレーザビームの重ね合わせを示す概略側面図である。各レーザビームは、図３の紙面に垂直な方向に並んだ複数の発光部を有する半導体レーザアレイによって生成される。光源１１ａ〜１１ｃは、複数の半導体レーザアレイを発光部の配列方向と垂直に積層して構成される半導体レーザアレイスタック１２ａ〜１２ｃを含んでいる。レーザアレイスタック１２ａ〜１２ｃから出射するレーザビーム３２ａ〜３２ｃは、図３の紙面に垂直な平面内でコリメートレンズ３８によって平行化（コリメート）される。平行化されたレーザビーム３２ａ〜３２ｃは、集光光学系２０によって集光される。

図３（ａ）に示されるように、集光光学系２０は、第１の光源１１ａから出射するレーザビーム３２ａのうち図３の紙面に平行な成分を点Ｐａに集光する。この例では、各レーザビーム３２ａの光軸は集光光学系２０の光軸３０に平行なので、集光位置Ｐａは集光光学系２０の焦点であり、したがって、集光光学系２０の焦平面５５と光軸３０の交点でもある。集光されたレーザビーム３２ａは、符号５６ａで示されるようなガウシアン形の強度プロファイルを有する。

図３（ｂ）に示されるように、第２の光源１１ｂから出射するレーザビーム３２ｂは、集光光学系２０の光軸３０から反時計回りに僅かに傾斜した方向に沿って集光光学系２０に入射する。集光光学系２０は、各レーザビーム３２ｂのうち図３の紙面に平行な成分を、焦平面５５上の点Ｐｂに集光する。集光されたレーザビーム３２ｂは、符号５６ｂで示されるようなガウシアン形の強度プロファイルを有する。

図３（ｃ）に示されるように、第３の光源１１ｃから出射するレーザビーム３２ｃは、集光光学系２０の光軸３０から時計回りに僅かに傾斜した方向に沿って集光光学系２０に入射する。集光光学系２０は、各レーザビーム３２ｃのうち図３の紙面に平行な成分を、焦平面５５上の点Ｐｃに集光する。集光されたレーザビーム３２ｃは、符号５６ｃで示されるようなガウシアン形の強度プロファイルを有する。

図３（ｄ）に示されるように、レーザビーム３２ａ〜３２ｃを合成すると、強度プロファイル５６ａ〜５６ｃが相互にずれながら重なり合う。その結果、符号５７で示されるようなトップハット形の強度プロファイルを得ることができる。

以下では、上記の基本原理に従って構成された本発明に係るレーザ装置の実施形態を説明する。図４および図５は、本実施形態に係るレーザ装置１０の構成を示す概略平面図および概略側面図である。レーザ装置１０は、第１の光源１１ａ、第２の光源１１ｂ、および第３の光源１１ｃを有している。図５に示されるように、これらの光源１１ａ〜１１ｃは、それぞれ複数（本実施形態では３本）のレーザビーム３２ａ〜３２ｃを出力する。レーザ装置１０は、スリットミラー１４、偏光ビームスプリッタ１６、１／２波長板１８、および集光光学系２０を更に有しており、これらの光学部品を用いてレーザビーム３２ａ〜３２ｃを合成する。なお、図４の符号３０は、集光光学系２０の光軸を表している。また、図示の便宜上、図５では、スリットミラー１４、偏光ビームスプリッタ１６および１／２波長板１８が省略されている。

以下では、理解を容易にするため、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなる直交座標系を設定する。ｘ軸は、各光源における半導体レーザアレイ（後述する）の積層方向に平行であり、ｚ軸は、レーザ装置１０からの光の出射方向に平行であり、ｙ軸は、ｘ軸およびｚ軸の双方に垂直である。

図６は、光源１１ａの一例を示す分解斜視図である。光源１１ａは、半導体レーザアレイスタック１２ａとコリメートレンズ３８から構成されており、ｚ方向に光を出射するように配置されている。レーザアレイスタック１２ａは、複数（本実施形態では３個）の半導体レーザアレイ２７と複数（本実施形態では３個）のヒートシンク２８がｘ方向に沿って交互に積層された構造を有する。

半導体レーザアレイ２７は、ｙ方向に沿って等間隔に並んだ複数の発光部２９を有するレーザ素子であり、レーザダイオードアレイやレーザダイオードバーとも呼ばれる。各発光部２９は、半導体レーザアレイ２７の軸方向（共振器方向）に沿ってレーザビームを出射する。光源１１ａでは、軸方向はｚ軸に平行である。

各発光部２９から出射するレーザビームは、速軸（ファーストアクシス（fast axis））および遅軸（スローアクシス（slow axis））を有している。発光部２９からレーザビームが出射する際、速軸は、半導体レーザアレイ２７のｐｎ接合面に垂直な方向を示し、遅軸は、速軸および半導体レーザアレイ２７の軸方向の双方に垂直な方向を示す。発光部２９から出射するレーザビームは、速軸方向において最大の拡がり角を有し、遅軸方向において最小の拡がり角を有する。光源１１ａに関しては、速軸方向がｘ軸と平行であり、遅軸方向がｙ軸と平行である。複数の半導体レーザアレイ２７は、速軸方向および遅軸方向が揃うように積層されている。また、複数の発光部２９は遅軸方向に沿って配列されている。

各半導体レーザアレイ２７において複数の発光部２９から出射するレーザビームは、遅軸方向に沿って互いに混ざり合い、１本のレーザビーム３２ａを成す。レーザビーム３２ａの光軸に垂直な断面（横断面）は、発光部２９の配列方向、すなわち遅軸方向に沿って細長い形状（例えば、楕円形）を有している。

ヒートシンク２８は、半導体レーザアレイ２７を冷却するための部材であり、その一例は、水冷プレートである。各ヒートシンク２８は、階段状の上面を形成する高位部２８ａ及び低位部２８ｂを有している。半導体レーザアレイ２７は、低位部２８ｂの先端に搭載されている。以下では、ヒートシンク２８のうち半導体レーザアレイ２７が搭載される部分２８ｃを、レーザアレイ搭載部と呼ぶことにする。

半導体レーザアレイ２７およびヒートシンク２８から成る積層構造の両側面は、サイドカバー８１及び８２によって覆われている。また、この積層構造の上下には、方形の上板８３及び底板８４が設置されている。サイドカバー８１及び８２ならびに上板８３の上には、上部カバー８５が設置されている。通常、上部カバー８５の表面には、半導体レーザアレイ２７に駆動電圧を供給する電極板（図示せず）が設置される。

レーザビーム３２ａは、遅軸方向への拡がりは小さいが、速軸方向には比較的大きな拡がり角を有する。そこで、速軸方向の拡がり角を抑えて集光効率を高めるべく、レーザアレイスタック１２ａの前方にはコリメートレンズ３８が設置されている。コリメートレンズ３８は、ＦＡＣ（Fast Axis Collimator、速軸用コリメータ）とも呼ばれ、半導体レーザアレイ２７から出射するレーザビーム３２ａを速軸方向で平行化する。言い換えると、コリメートレンズ３８は、レーザビーム３２ａをその遅軸方向に垂直な平面内で平行ビームに変換する。

なお、コリメート手段を通過したビームは、コリメート手段の設計によっては、厳密な意味で完全には平行化されず、ビームの進行に伴ってわずかに広がり角や狭まり角を有することもある。本明細書において「平行」とは、ビームがこの様なわずかな角度を有する場合、すなわち実質的に平行な場合も含んでいる。

コリメートレンズ３８は、任意の手法によって、レーザアレイスタック１２ａの前方に固定することができる。例えば、レーザアレイスタック１２ａの出射面を覆うように透光性のカバー（図示せず）を上板８３及び底板８４に取り付け、そのカバーにコリメートレンズ３８を固定してもよい。

本実施形態では、コリメートレンズ３８として、レンズ面３８ａを有するシリンドリカルレンズを用いる。レンズ面３８ａは、遅軸方向に平行な母線を有する円柱面である。これらのコリメートレンズ３８は、速軸方向に沿って等間隔に配列されており、半導体レーザアレイ２７に一対一に対応している。各コリメートレンズ３８は、対応する半導体レーザアレイ２７の出射面の前方に出射面と近接させて設置される。上述のように、半導体レーザアレイ２７から出射したレーザビーム３２ａは、コリメートレンズ３８によって、ｘ方向でコリメートされる。この結果、図４に示されるように、第１の光源１１ａは、ｘ方向に沿って平行に配列された一群のレーザビーム３２ａを出力する。これらのレーザビーム３２ａは、互いに平行な光軸と、互いに平行な遅軸方向を有している。

第２、第３の光源１１ｂ、１１ｃは、第１の光源１１ａと同じ構造を有している。したがって、光源１１ｂから出射するレーザビーム３２ｂは、互いに平行な光軸と、互いに平行な遅軸方向を有している。また、光源１１ｃから出射するレーザビーム３２ｃも、互いに平行な光軸と、互いに平行な遅軸方向を有している。ただし、光源１１ｂ、１１ｃの向きは、光源１１ａと異なっている。この点については、以下で詳細に説明する。

図５に示されるように、光源１１ａ〜１１ｃは、それぞれゴニオステージ４０ａ〜４０ｃ上に搭載されており、これらのゴニオステージ４０ａ〜４０ｃは、それぞれ支持台４６ａ〜４６ｃ上に設置されている。これらの支持台は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の任意の一つ以上に沿って平行移動することの可能な移動ステージであってもよい。なお、図面の簡単のため、図４ではゴニオステージおよび支持台の図示を省略してある。

ゴニオステージ４０ａ〜４０ｃは、光源１１ａ〜１１ｃの向きを調整するための装置である。各ゴニオステージは、台座４１、本体４２および調整ツマミ４３を有している。台座４１の上面はステージ面と呼ばれ、光源１１ａ〜１１ｃはそこに設置される。台座４１は、ゴニオステージの上方に位置する回転軸４５ａ、４５ｂまたは４５ｃを中心として、本体４２に対して相対的に回転することができる。回転角度は、調整ツマミ４３を回すことにより調節することができる。

ゴニオステージ４０ａ〜４０ｃは、光源１１ａ〜１１ｃの仰角を変更することができる。図５に示されるように、ゴニオステージ４０ａは、ｙ軸に平行な回転軸４５ａを有しており、その回転軸４５ａを中心として台座４１を回転させることができる。本実施形態では、ゴニオステージ４０ａの回転角度は０度に設定されており、したがって、第１の光源１１ａは水平面、すなわちｙｚ平面に対して平行に配置されている。このため、光源１１ａの仰角は０°である。

図７は、ゴニオステージを用いた光源の仰角の調整を示す概略側面図である。ゴニオステージ４０ｂおよび４０ｃは、ｚ軸に平行な回転軸４５ｂおよび４５ｃをそれぞれ有しており、それらの回転軸を中心として台座４１を回転させることができる。

図７（ａ）に示されるように、ゴニオステージ４０ｂの台座４１は、回転軸４５ｂを中心として水平位置４６から反時計回りに角度θだけ回転させた位置にある。レーザアレイスタック１２ｂの出射面を水平面（ｙｚ平面）に対して上向きに傾ける角度を正、下向きに傾ける角度を負とすると、光源１１ｂの仰角は＋θである。このため、光源１１ｂから出射するレーザビーム３２ｂの光軸５２ｂおよび速軸５３ｂは、それぞれｙ軸およびｘ軸に対して＋θの角度で傾斜している。θは鋭角（０°より大きく９０°より小さい角度）である。また、レーザビーム３２ｂの遅軸５４ｂはｚ軸に平行である。

図７（ｂ）に示されるように、ゴニオステージ４０ｃの台座４１は、回転軸４５ｃを中心として水平位置４６から時計回りに角度θだけ回転させた位置にある。すなわち、光源１１ｃの仰角は−θである。このため、光源１１ｃから出射するレーザビーム３２ｃの光軸５２ｃおよび速軸５３ｃは、それぞれｙ軸およびｘ軸に対して−θの角度で傾斜している。また、レーザビーム３２ｃの遅軸５４ｃはｚ軸に平行である。

図８は、スリットミラー１４を示す斜視図である。スリットミラー１４は、方形平板状の光反射器であり、ｘ方向に沿って等間隔に設けられた３個の方形のスリット１４ａを有している。これらのスリット１４ａは、互いに等しい寸法形状を有しており、スリットミラー１４をその厚さ方向に沿って貫通している。スリット１４ａの間隔は、第１の光源１１ａにおいて半導体レーザアレイ２７が積層される間隔に等しい。これらのスリット１４ａは、光源１１ａから出射する３本のビーム３２ａと一対一に対応しており、これらのビーム３２ａをそれぞれ通過させる。

スリットミラー１４は、ｘ軸に平行に、かつｙ軸およびｚ軸に対して４５°の角度を成すように配置されている。スリットミラー１４は、互いに対向する二つの主面１５ａおよび１５ｂを有しており、主面１５ａは第１の光源１１ａに面し、主面１５ｂは第２の光源１１ｂに面している。主面１５ｂは、ｘ軸方向に沿ってスリット１４ａと交互に配置された３個の方形の反射部１４ｂを含んでいる。これらの反射部１４ｂは等間隔に配置されており、その間隔は、第２の光源１１ｂにおいて半導体レーザアレイ２７が積層される間隔に等しい。これらの反射部１４ｂは、光源１１ｂから出射する３本のレーザビーム３２ｂと一対一に対応しており、これらのレーザビーム３２ｂを十分に高い反射率で反射する。この反射率は、９０％以上であることが好ましい。

スリットミラー１４は、第１の光源１１ａからのレーザビーム３２ａを第２の光源１１ｂからのレーザビーム３２ｂと合成する。第１の光源１１ａから出射する各レーザビーム３２ａは、対応するスリット１４ａを通過して＋ｚ方向に進行する。一方、第２の光源１１ｂから出射する各レーザビーム３２ｂは、ｚ軸に垂直な平面内で＋ｙ方向に対して＋θの角度で傾斜した方向に進行して、対応する反射部１４ｂに入射する。図４に示されるように、反射部１４ｂは、レーザビーム３２ｂをｘ軸に垂直な平面内で＋ｚ方向に反射する。これにより、レーザビーム３２ａおよび３２ｂからなるビーム群、すなわち合成ビーム３３が生成される。

スリットミラー１４によって反射された各レーザビーム３２ｂは、ｙ軸に平行な回転軸を中心として＋ｚ方向から反時計回りにθだけ傾斜した光軸と、ｙ軸に平行な回転軸を中心として＋ｘ方向から反時計回りにθだけ傾斜した速軸と、ｙ軸に平行な遅軸を有している。

このように、スリットミラー１４は、レーザビーム３２ａの速軸方向と垂直な平面内でレーザビーム３２ｂを偏向し、当該平面内でレーザビーム３２ａおよび３２ｂを重ね合わせる。図５に示されるように、反射部１４ｂは、ｙ軸に垂直な平面内で＋ｚ方向から上向きにθだけ傾斜した方向にレーザビーム３２ｂを反射する。すなわち、反射されたレーザビーム３２ｂは、レーザビーム３２ａの光軸に対して上向きにθの角度で傾斜した光軸を有する。しかし、θは十分に小さいので、合成ビーム３３は、ほぼ＋ｚ方向に進行する。

合成ビーム３３は、スリットミラー１４から偏光ビームスプリッタ１６に入射する。偏光ビームスプリッタ１６は、ｙ軸に平行な方向に偏光した直線偏光を透過させ、ｘ軸に平行な方向に偏光した直線偏光を反射する。レーザ装置１０は、偏光ビームスプリッタ１６のこのような性質を利用して、第３の光源１１ｃから出射するレーザビーム３２ｃを合成ビーム３３と合成する。

一般に、半導体レーザ素子から出射する光のほとんどはｐ偏光であり、遅軸方向に平行な偏光方向を有している。したがって、第１の光源１１ａから出射するレーザビーム３２ａの偏光方向はｙ軸に平行である。また、第２の光源１１ａから出射するレーザビーム３２ｂの偏光方向はｚ軸に平行である。レーザビーム３２ｂがスリットミラー１４によって反射されると、レーザビーム３２ｂの偏光方向はｙ軸に平行になる。したがって、合成ビーム３３は、実質的に、ｙ方向に偏光した成分のみを含むことになる。このため、合成ビーム３３は偏光ビームスプリッタ１６を透過する。

一方、第３の光源１１ｃからのレーザビーム３２ｃは、１／２波長板１８によってｐ偏光からｓ偏光に変換される。１／２波長板１８は、自身に入射する直線偏光の偏光方向を９０°回転させる偏光変換素子である。１／２波長板１８は、第３の光源１１ｃと偏光ビームスプリッタ１６との間に配置されている。光源１１ｃから出射したレーザビーム３２ｃはｐ偏光であり、レーザビーム３２ｃの遅軸５４ｃに平行な偏光方向を有している。レーザビーム３２ｃは、光源１１ｃから１／２波長板１８に入射して透過する。このとき、１／２波長板１８は、レーザビーム３２ｃの偏光方向を９０°回転させる。この結果、レーザ光３２ｃの偏光方向は、速軸５３ｃに平行となる。この後、レーザビーム３２ｃは偏光ビームスプリッタ１６に入射する。

図７（ｂ）に示されるように、レーザビーム３２ｃの速軸５３ｃはｘ軸に対して傾斜しているので、偏光ビームスプリッタ１６に入射するレーザビーム３２ｃは、ｙ軸に平行に偏光した成分と、ｘ軸に平行に偏光した成分の双方を含んでいる。ｘ軸に対する遅軸５４ｃの傾斜角度θは十分に小さいので、レーザビーム３２ｃの大部分はｘ軸に平行に偏光している。したがって、偏光ビームスプリッタ１６は、レーザビーム３２ｃの大部分を反射する。

レーザビーム３２ｃは、ｚ軸に垂直な平面内で＋ｙ方向から下向きにθだけ傾斜した方向に進行して、偏光ビームスプリッタ１６に入射する。図４に示されるように、偏光ビームスプリッタ１６は、レーザビーム３２ｃをｘ軸に垂直な平面内で＋ｚ方向に反射する。これにより、レーザビーム３２ｃがｘ軸に垂直な平面内で合成ビーム３３と合成され、レーザビーム３２ａ、３２ｂおよび３２ｃからなる合成ビーム３４が生成される。

偏光ビームスプリッタ１６によって反射された各レーザビーム３２ｃは、ｙ軸に平行な回転軸を中心として＋ｚ方向から時計回りにθだけ傾斜した光軸と、ｙ軸に平行な回転軸を中心として＋ｘ方向から時計回りにθだけ傾斜した速軸と、ｙ軸に平行な遅軸を有している。

このように、偏光ビームスプリッタ１６は、レーザビーム３２ａの速軸方向と垂直な平面内でレーザビーム３２ｃを偏向し、当該平面内でレーザビーム３２ａ、３２ｂおよび３２ｃを重ね合わせる。図５に示されるように、偏光ビームスプリッタ１６は、ｙ軸に垂直な平面内で＋ｚ方向から下向きにθだけ傾斜した方向にレーザビーム３２ｃを反射する。しかし、角度θは十分に小さいので、合成ビーム３４は、ほぼ＋ｚ方向に沿って進行し、集光光学系２０に入射する。

集光光学系２０は、例えば、単一または複数のレンズから構成されている。図４に示されるように、集光光学系２０は、ｘ軸に垂直な平面内において、合成ビーム３４中のレーザビーム３２ａ〜３２ｃを同じ位置に集光する。また、図５に示されるように、集光光学系２０は、ｙ軸に垂直な平面内では、レーザビーム３２ａ〜３２ｃを複数の位置Ｐａ〜Ｐｃにそれぞれ集光する。図３に示される例と同様に、これらの集光位置Ｐａ〜Ｐｃは、集光光学系２０の焦平面上に配置されている。また、集光位置Ｐａ〜Ｐｃは、レーザビーム３２ａ〜３２ｃの遅軸方向と集光光学系２０の光軸３０の双方に垂直な方向、すなわちｘ方向に沿って互いに等間隔に離間している。集光されたレーザビーム３２ａ〜３２ｃの強度プロファイルは、ｘ方向に沿って相互にずれながら重なり合う。その結果、合成ビーム３４は、平坦な上部を有するトップハット形の強度プロファイル７７を有することになる。

隣接する集光位置間の距離は、レーザビーム３２ａ〜３２ｃの光軸間の角度θに依存する。トップハット形の強度プロファイル７７を形成するのに適したθの値は、集光光学系２０の後側焦点距離やレーザビーム３２ａ〜３２ｃの強度プロファイルの形状にも依存するが、通常は、０°＜θ≦２°であり、より好ましくは０°＜θ≦１°である。

以下では、図９を参照しながら、本実施形態の利点を説明する。図９は、合成ビーム３４を用いたレーザ溶接の様子と、集光光学系２０の焦平面上における合成ビーム３４の強度プロファイルを示している。図９（ａ）に示されるように、鋼板７１および７２の突き合わせ領域７３に合成ビーム３４を照射してレーザ溶接が行われる。合成ビーム３４の横断面は、合成ビーム３４中のレーザビーム３２ａ〜３２ｃの遅軸方向（ｙ方向）に沿って長尺である。合成ビーム３４は、その横断面の長手方向が突き合わせ領域７３の長手方向と合致するように照射される。

図９（ｂ）に示されるように、合成ビーム３４は遅軸方向においてトップハット形の強度プロファイル７６を有する。このため、鋼板同士をレーザ溶接する際、合成ビーム３４の遅軸方向（ビーム横断面の長手方向）を突き合わせ領域７３の長手方向に合致させ、合成ビーム３４を遅軸方向に走査することにより、予備加熱および徐冷しながら溶接を行うことができる。これにより、熱歪を抑えて、高い加工品質が得ることができる。

更に、合成ビーム３４は、遅軸方向に垂直な方向（ｘ方向）においてもトップハット形の強度プロファイル７７を有する。強度プロファイル７７の半値幅と裾部の幅（例えば、１／ｅ^２幅）との比率は、ガウシアン形の強度プロファイル７６の同じ比率に比べて、より１に近くなっている。強度プロファイル７７のこの比率、すなわち（１／ｅ^２幅）／半値幅は、好ましくは１以上２以下であり、より好ましくは１以上１．５以下である。

強度プロファイル７７がトップハット形であるため、合成ビーム３４は、鋼板同士をレーザ溶接する際、鋼板間のギャップやビーム照射位置のずれに対して大きな許容度を有する。すなわち、鋼板間に不均一なギャップが存在する場合や、合成ビーム３４の照射位置が最適な位置からｘ方向に沿ってずれている場合でも、加工不良が起きにくくなる。したがって、このレーザビーム３４は、レーザ溶接などのレーザ加工に好適に利用することができる。

また、本実施形態では、ゴニオステージ４０ｂ、４０ｃを使用することにより、レーザアレイスタック１２ｂ、１２ｃの向きを調整することができる。このため、集光位置Ｐａ〜Ｐｃ間の距離を適切に定め、合成ビーム３４の強度プロファイルを最適化することが可能である。

第２実施形態
以下では、本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置を説明する。第１の実施形態では、ゴニオステージ４０ｂおよび４０ｃを用いて光源１１ｂ、１２ｃの向きを調整することにより、ビーム合成手段（スリットミラー１４、偏光ビームスプリッタ１６）から出射するレーザビーム３２ａ〜３２ｃの光軸を相互に傾斜させる。しかし、本発明に係るレーザ装置は、他の手段によって、複数のレーザビームの光軸を相互に傾けてもよい。

図１０は、本実施形態においてレーザビームの光軸を相互に傾ける手段を示す概略側面図である。本実施形態では、光源１１ａ〜１１ｃからゴニオステージ４０ａ〜４０ｃおよび支持台４６ａ〜４６ｃが取り除かれている。また、光源１１ｂおよび１１ｃにおいてコリメートレンズ３８の前方に、ウェッジプリズム６０ｂおよび６０ｃが設置されている。

ウェッジプリズム６０ｂは、コリメートレンズ３８を介してレーザアレイスタック１２ｂに面する入射面６１ｂと、入射面６１ｂの反対側に位置する出射面６２ｂを有している。出射面６２ｂは、ｘ軸に垂直な平面から反時計回りに所定の鋭角を成すように傾斜している。同様に、ウェッジプリズム６０ｃは、コリメートレンズ３８を介してレーザアレイスタック１２ｃに面する入射面６１ｃと、入射面６１ｃの反対側に位置する出射面６２ｃを有している。出射面６２ｃは、ｘ軸に垂直な平面から反時計回りに所定の鈍角を成すように傾斜している。

光源１１ｂにおいて、レーザアレイスタック１２ｂは、ｙｚ平面に対して水平に配置されており、ｙ方向に平行な光軸を有するレーザビーム３２ｂを出射する。各レーザビーム３２ｂの遅軸方向はｚ方向に、速軸方向はｘ方向に平行である。レーザビーム３２ｂのうち遅軸方向に垂直な成分はコリメートレンズ３８によって平行化される。ウェッジプリズム６０ｂは、平行化されたレーザビーム３２ｂを遅軸方向に垂直な平面内で屈折させる。これにより、レーザビーム３２ｂの光軸５２ｂおよび速軸５３ｂは、それぞれｙ軸およびｘ軸に対して＋θの角度で傾斜する。ここで、レーザビーム３２ｂの光軸をｘ軸に垂直な平面に対して上向きに傾ける角度を正、下向きに傾ける角度を負としており、θは鋭角である。一方、遅軸５４ｂはｚ軸に平行のままである。

同様に、レーザアレイスタック１２ｃもｙｚ平面に対して水平に配置されており、ｙ方向に平行な光軸を有するレーザビーム３２ｃを出射する。各レーザビーム３２ｃの遅軸方向はｚ方向に、速軸方向はｘ方向に平行である。レーザビーム３２ｃのうち遅軸方向に垂直な成分はコリメートレンズ３８によって平行化される。ウェッジプリズム６０ｃは、コリメートレンズ３８によって平行化されたレーザビーム３２ｃを、遅軸方向に垂直な平面内で屈折させる。これにより、光軸５２ｃおよび速軸５３ｃは、それぞれｙ軸およびｘ軸に対して−θの角度で傾斜する。一方、遅軸５４ｂはｚ軸に平行のままである。

ウェッジプリズム６０ｂ、６０ｃを使用することで、第１実施形態と同様の方向に延びる光軸を有するレーザビーム３２ｂ、３２ｃがスリットミラー１４および偏光ビームスプリッタ１６に入射する。したがって、偏光ビームスプリッタ１６から集光光学系２０に向かうレーザビーム３２ａ〜３２ｃは相互に傾斜した光軸を有することになる。その結果、レーザビーム３２ａ〜３２ｃの遅軸方向に垂直な方向に沿ってトップハット形の強度プロファイルを有する合成ビーム３４を、比較的簡易な構成で形成することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では、三つの光源から出射するレーザビームの光軸および遅軸方向を含む平面が互いに非平行となるように、レーザビームの光軸を相互に傾斜させている。しかし、複数の光源から出射するレーザビームの光軸および遅軸方向を含む平面が互いに平行である場合は、これらのビームを合成する手段がレーザビームの一部を偏向させるときに、そのレーザビームの光軸を他のレーザビームの光軸に対して傾斜させてもよい。

上記実施形態では、複数のレーザビームを合成する手段として、複数のレーザビームの一部を透過し、残りを反射するスリットミラー１４および偏光ビームスプリッタ１６が使用されている。しかし、ビーム合成手段は、異なる方向から入射する第１および第２のレーザビームを双方とも反射することにより両ビームを合成してもよい。

図１は、二枚の鋼板をレーザ溶接する様子を示す図である。 鋼板の突き合わせ領域の拡大図である。 図３は、複数の光源から出射するレーザビームと、それらの重ね合わせを示す概略側面図である。 図４は、第１の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す概略平面図である。 図５は、図４に示されるレーザ装置の概略側面図である。 図６は、光源の一例を示す分解斜視図である。 図７は、ゴニオステージを用いた光源の仰角の調整を示す概略側面図である。 図８は、スリットミラーを示す斜視図である。 図９は、合成ビームを用いたレーザ溶接の様子を示す概略図である。 図１０は、第２実施形態における光源を示す概略側面図である。

符号の説明

１０…レーザ装置、１１ａ〜１１ｃ…光源、１２ａ〜１２ｃ…レーザアレイスタック、１４…スリットミラー、１６…偏光ビームスプリッタ、１８…１／２波長板、２０…集光光学系、３２ａ〜３２ｃ…レーザビーム、３８…コリメートレンズ、４０ａ〜４０ｃ…ゴニオステージ、４１…台座、４５ａ〜４５ｃ…回転軸、５２ａ〜５２ｃ…光軸、５３ａ〜５３ｃ…速軸、５４ａ〜５４ｃ…遅軸。

Claims (4)

1. 各々が第１レーザビームを出射する複数の第１半導体レーザアレイを積層した第１レーザアレイスタックを含む第１光源と、
   各々が第２レーザビームを出射する複数の第２半導体レーザアレイを積層した第２レーザアレイスタックを含む第２光源と、
   前記第１および第２レーザビームの少なくとも一方を偏向して、前記第１および第２レーザビームからなる合成ビームを生成するビーム合成手段と、
   前記合成ビームを集光する集光手段と、
   を備え、
   前記ビーム合成手段から出射する前記第１レーザビームは、互いに平行な光軸と、互いに平行な遅軸方向とを有しており、
   前記ビーム合成手段から出射する前記第２レーザビームは、互いに平行で、かつ前記第１レーザビームの光軸に対して傾斜した光軸と、前記第１レーザビームの遅軸方向と平行な遅軸方向とを有しており、
   前記集光手段は、前記第１レーザビームを前記遅軸方向に垂直な平面内で第１の集光位置に集光すると共に、前記第２レーザビームを前記遅軸方向に垂直な平面内で第２の集光位置に集光し、
   前記第２の集光位置は、前記集光手段の光軸および前記遅軸方向の双方に垂直な方向に沿って前記第１の集光位置から所定の距離だけ離間しているとともに、
   前記所定の距離は、前記第１および第２の集光位置にそれぞれ集光された前記第１および第２レーザビームの強度プロファイルが、前記遅軸方向に垂直な平面内で部分的に重なり合うように定められている、
   レーザ装置。
2. 前記第２レーザビームの遅軸方向に平行な回転軸を中心として前記第２レーザビームの光軸が回転するように前記第２レーザアレイスタックの向きを調整する手段を更に備える請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記第２光源は、前記第２レーザアレイスタックから前記第２レーザビームを受けるビーム屈折手段を更に含んでおり、
   前記ビーム屈折手段は、前記合成ビームに含まれる前記第２レーザビームが前記第１レーザビームの光軸に対して傾斜した光軸を有するように前記第２レーザビームを屈折させる、
   請求項１に記載のレーザ装置。
4. 前記ビーム合成手段は、前記第１レーザビームを透過させる透過部と、前記第１および第２レーザビームの遅軸方向が互いに平行になるように前記第２レーザビームを反射する反射部とを有している、
   請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ装置。