JP5260097B2

JP5260097B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP5260097B2
Application number: JP2008068988A
Authority: JP
Inventors: 年賢難波
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Current assignee: Amada Weld Tech Co Ltd
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-03-18
Also published as: JP2009220161A

Description

本発明は、被加工物にレーザ光を照射して所望のレーザ加工を施すレーザ加工装置に関する。

最近、ファイバレーザで生成したレーザ光を被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うファイバレーザ加工装置が実用化されてきている。その中で、ファイバＭＯＰＡ（Master Oscillator _ Power Amplifier）方式のファイバレーザ加工装置も注目されている。

ファイバＭＯＰＡ方式は、特許文献１に開示されるように、所定の希土類元素を含むコアを有する光ファイバをレーザ増幅用に使用し、シード（種）レーザ発振部で生成した低出力のシードレーザ光を一端から該光ファイバのコアに入れて他端まで伝播させながら、コアを励起することによって、コアの中でシードレーザ光を高出力の加工用レーザ光に増幅または変換するものであり、光／光変換効率が高くてビームモードが安定している等の特長を有している。

ファイバＭＯＰＡ方式において、シードレーザ発振部の活性媒質を光学的に励起するための励起光源は、半導体レーザつまりレーザダイオード（ＬＤ）が主流になっている。また、増幅用光ファイバのコアを光学的に励起するための励起光源にもレーザダイオードがよく使われている。
特開２００７−２５３１８９

上記のようなファイバＭＯＰＡ方式を採る従来のファイバレーザ加工装置は、加工用レーザ光の出力を所望の値または波形に制御するために、加工用レーザ光の出力を測定して、レーザ出力測定値をシードレーザ発振部にフィードバックし、活性媒質励起用のレーザダイオードに供給するＬＤ駆動電流を可変制御するようにしている。シードレーザ発振部では、例えばQスイッチ等を用いて繰り返しパルスを発振出力している。そして、その繰り返しパルスの繰り返し周波数を変化させることがある。このように繰り返し周波数が変化する場合、シードレーザ発振部内のＬＤ駆動電流をフィードバック制御によって可変制御する方式ではレーザ出力制御の応答速度や自由度が低くなるおそれがある。

加えて、上記のように、従来のこの種のファイバレーザ加工装置では、シードレーザ発振部の活性媒質や増幅用光ファイバのコアを光学的に励起するために複数のレーザダイオードを使用し、各レーザダイオードの出力の管理ないし制御をＬＤ電流で行っている。これらのレーザダイオードは経時変化または経年劣化により個々の出力を低下させる。そこで、人（作業員、保守員等）がレーザパワー測定器を用いて随時または定期的に各レーザダイオードのＬＤ出力を測定し、所望のレーザ出力を保つようにＬＤ電流の調整を行っている。また、加工用レーザ光の出力が異常に低下して加工不良が出た場合も、人的作業によって各部のＬＤ出力を測定して原因調査を行っている。このような人的作業は、メンテナンスの効率性や精度が良くなく、生産性の低下を来たす。

さらに、励起用のレーザダイオードは消耗品であり、定格の出力が得られなくなる前に交換する必要がある。この点に関して、従来のファイバレーザ加工装置は、励起用レーザダイオードの寿命または交換時機を告知するモニタリング機能がない。このため、人的作業によって各レーザダイオードの寿命または交換時機を累積使用時間等から推定している。しかし、レーザダイオードの寿命は個体差や使用環境によってばらつきがあり、一律に累積使用時間から各レーザダイオードの寿命を推し量るのは的確性に欠けていた。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、加工用レーザ出力の安定性および制御性を改善するファイバＭＯＰＡ方式のレーザ加工装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、レーザ発振部、レーザ増幅部、励起部等の各部の機能または状態（性能、安全性、劣化状況等）について人的作業を不要とする診断機能を備え、メンテナンス性および生産性を向上させるファイバＭＯＰＡ方式のレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるレーザ加工装置は、シードレーザ光を発振出力するシードレーザ発振部と、所定の希土類元素を含むコアを有し、前記シードレーザ発振部からの前記シードレーザ光を一端より前記コアの中に入れ、該シードレーザ光を増幅して他端より出す増幅用の光ファイバと、前記増幅用光ファイバの一端から該増幅用光ファイバの中に入射して前記シードレーザ光を増幅させるためのコア励起用レーザ光を出力するファイバコア励起部と、前記増幅用光ファイバの他端から出射したレーザ光を加工用レーザ光として出射するレーザ出射部と、前記シードレーザ発振部より出射される前記シードレーザ光の出力を測定するシードレーザ出力測定部と、前記加工用レーザ光の出力を測定する加工用レーザ出力測定部と、前記加工用レーザ出力測定部より得られる加工用レーザ出力測定値が予め設定された指令値に一致するように前記ファイバコア励起部を制御する加工用レーザ出力制御部とを有する。

上記の装置構成においては、シードレーザ発振部で生成されるシードレーザ光の出力をシードレーザ出力測定部でモニタリングし、加工用レーザ出力の安定性および制御性を向上させることができる。たとえば、本発明の好適な一態様として、シードレーザ出力制御部によりシードレーザ発振部を制御して、シードレーザ出力測定値を予め設定された基準値に一致させることで、加工用レーザ出力の安定性を高めることができる。特に好適な一態様においては、シードレーザ発振部が、固体の活性媒質を含むレーザ共振器と、活性媒質を励起する活性媒質励起部とを有する。この場合、シードレーザ出力制御部は、シードレーザ出力測定値を基準値に一致させるように、活性媒質励起部を制御してよい。

また、好適な一態様においては、シードレーザ発振部が、レーザ共振器内で活性媒質と同一の光路上に配置されたＱスイッチと、Ｑスイッチパルスのレーザ光を所定の繰り返し周波数で生成するようにＱスイッチを駆動するＱスイッチ駆動部とを有する。

また、好ましくは、活性媒質励起部が、活性媒質を励起するための活性媒質励起用レーザ光を発振出力する第１レーザダイオードと、この第１レーザダイオードに第１ＬＤ駆動電流を供給する第１ＬＤ電源とを有する。この場合、シードレーザ出力制御部は、シードレーザ出力測定値を基準値に一致させるように、第１ＬＤ電源を通じて第１ＬＤ駆動電流を制御する。第１レーザダイオードは、第１伝送用光ファイバを介して活性媒質に光学的に結合されてもよい。こうすれば、第１レーザダイオードから出力された活性媒質励起用レーザ光をレーザ発振器へ確実に入射することができる。また、伝送用光ファイバはシードレーザ発振部内において自在に曲げた状態で配設できるので、シードレーザ発振部を構成する要素、特に第１レーザダイオードとレーザ共振器の配置に自由度をもたせることができる。

また、上記第１の観点の装置構成においては、加工用レーザ光の出力を測定する加工用レーザ出力測定部と、この加工用レーザ出力測定部より得られる加工用レーザ出力測定値が予め設定された指令値に一致するようにファイバコア励起部を制御する加工用レーザ出力制御部とが更に設けられる。この場合、好ましくは、ファイバコア励起部が、コア励起用レーザ光を発振出力する第２レーザダイオードと、この第２レーザダイオードに第２ＬＤ駆動電流を供給する第２ＬＤ電源とを有する。そして、加工用レーザ出力制御部が、加工用レーザ出力測定値を指令値に一致させるように、第２ＬＤ電源を通じて第２ＬＤ駆動電流を制御する。かかる構成によれば、上記のように、シードレーザ発振部と、シードレーザ出力測定部と、シードレーザ出力制御部とを含むシードレーザ・パワーフィードバック機構によりシードレーザ光の出力を安定かつ正確に基準値に一致させているので、ファイバコア励起部を通じて加工用レーザ光の出力を指令値に一致または追従させるパワーフィードバック制御をより安定に高速化することができる。

なお、第２レーザダイオードは、第２伝送用光ファイバを介して活性媒質に光学的に結合されてもよい。こうすれば、第２レーザダイオードから出力されたコア励起用レーザ光を増幅用光ファイバへ確実に入射することができる。また、第２伝送用光ファイバは自在に曲げた状態で配設できるので、ファイバコア励起部と増幅用光ファイバとの配置に自由度をもたせることができる。

本発明の第２の観点におけるレーザ加工装置は、シードレーザ光を発振出力するための固体の活性媒質を含むレーザ共振器と、前記活性媒質を励起するための活性媒質励起用レーザ光を発振出力するレーザダイオードと、前記レーザダイオードにＬＤ駆動電流を供給するＬＤ電源と、所定の希土類元素を含むコアを有し、前記レーザ共振器からの前記シードレーザ光を一端より前記コアの中に入れ、該シードレーザ光を増幅して他端より出す増幅用の光ファイバと、前記増幅用光ファイバの一端から該増幅用光ファイバの中に入射して前記シードレーザ光を増幅させるためのコア励起用レーザ光を出力するファイバコア励起部と、前記増幅用光ファイバの他端から出射したレーザ光を加工用レーザ光として出射するレーザ出射部と、前記レーザダイオードより出射される前記活性媒質励起用レーザ光の出力を測定する活性媒質励起用レーザ出力測定部と、前記活性媒質励起用レーザ出力測定部より得られる活性媒質励起用レーザ出力測定値が予め設定された上限値を超えないように、前記ＬＤ電源を制御する活性媒質励起用レーザ出力制御部とを有する。

上記の装置構成においては、レーザ共振器の活性媒質を励起するためのレーザダイオードの出力をシードレーザ出力測定部でモニタリングし、レーザ共振器ないしこれを励起する機構（レーザダイオード、ＬＤ電源等）の保護または安定性能の維持を図ることができる。さらに、活性媒質励起用レーザ出力測定部より得られる励起用レーザ出力測定値を励起用レーザ出力制御部にフィードバックし、励起用レーザ出力測定値が予め設定された上限値を超えないように、励起用レーザ出力制御部がＬＤ電源を制御する。これにより、過大な励起エネルギーでレーザ共振器の活性媒質が破損するのを未然に防ぐことができる。

また、好適な一態様として、励起用レーザ出力測定部より得られる励起用レーザ出力測定値に基づいて、レーザダイオードの寿命または交換時機を告知するＬＤ寿命告知部を備えてもよい。

また、好適な一態様においては、レーザ共振器より出射されるシードレーザ光の出力を測定するシードレーザ出力測定部と、この励起用レーザ出力測定部より得られる励起用レーザ出力測定値とシードレーザ出力測定部より得られるシードレーザ出力測定値とに基づいて、ＬＤ電源、レーザダイオードおよびレーザ共振器の少なくとも１つについてその機能が正常であるのか異常であるのかを診断する診断部とが更に設けられる。該レーザダイオードは、伝送用の光ファイバを介してレーザ共振器の活性媒質に光学的に結合されてもよい。この場合、診断部は、伝送用光ファイバの正常／異常を診断することもできる。

本発明の第３の観点におけるレーザ加工装置は、シードレーザ光を発振出力するシードレーザ発振部と、所定の希土類元素を含むコアを有し、前記シードレーザ発振部からの前記シードレーザ光を一端より前記コアの中に入れ、該シードレーザ光を増幅して他端より出す増幅用の光ファイバと、前記増幅用光ファイバの他端から出射したレーザ光を加工用レーザ光として出射するレーザ出射部と、前記増幅用光ファイバのコアの中で前記シードレーザ光を増幅するために、前記コアを励起するためのコア励起用レーザ光を発振出力するレーザダイオードと、前記レーザダイオードにＬＤ駆動電流を供給するＬＤ電源と、前記レーザダイオードより出射される前記コア励起用レーザ光の出力を測定するコア励起用レーザ出力測定部とを有する。

上記の装置構成においては、増幅用光ファイバのコアを励起するためのレーザダイオードの出力を励起用レーザ出力測定部でモニタリングし、増幅用光ファイバ、レーザ共振器ないしこれを励起する機構（レーザダイオード、ＬＤ電源等）の保護または安定性能の維持を図ることができる。たとえば、好適な一態様として、励起用レーザ出力測定部より得られる励起用レーザ出力測定値を励起用レーザ出力制御部にフィードバックし、励起用レーザ出力測定値が予め設定された上限値を超えないように、励起用レーザ出力制御部がＬＤ電源を制御するようにしてよく、これによって過大な励起エネルギーでレーザ共振器の活性媒質が破損するのを未然に防ぐことができる。

また、好適な一態様においては、加工用レーザ光の出力を測定する加工用レーザ出力測定部と、この励起用レーザ出力測定部より得られる励起用レーザ出力測定値と加工用レーザ出力測定部より得られる加工用レーザ出力測定値とに基づいて、ＬＤ電源、レーザダイオードおよび増幅用光ファイバの少なくとも１つについてその機能が正常であるのか異常であるのかを診断する診断部とが更に備えられる。該レーザダイオードは、伝送用の光ファイバを介して増幅用光ファイバに光学的に結合されてよい。この場合、診断部は、伝送用光ファイバの正常／異常を診断することもできる。

本発明のレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、ファイバＭＯＰＡ方式における加工用レーザ出力の安定性および制御性を改善することができる。さらに、レーザ発振部、レーザ増幅部、励起部等の各部の機能または状態（性能、安全性、劣化状況等）を人的作業を必要とせずに装置側で自動的に診断することが可能であり、メンテナンス性および生産性を向上させることができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるレーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置は、ファイバＭＯＰＡ方式のファイバレーザ加工装置として構成されており、増幅用の光ファイバ（以下「アンプファイバ」と称する。）１０、シードレーザ発振部１２、ファイバコア励起部１４、レーザ出射部１６、加工テーブル１８、制御部２０、レーザ出力測定部２２，２４、ＬＤ出力測定部２６，２８等を備えている。

アンプファイバ１０は、図示省略するが、希土類元素たとえばイッテルビウム（Ｙｂ）のイオンをドープしたたとえば石英からなるコアと、このコアを同軸に取り囲むたとえば石英からなるクラッドとを有しており、コアを後述するシードレーザ光ＳＢの伝播光路とし、クラッドを後述するコア励起用レーザ光ＦＢの伝播光路としている。このアンプファイバ１０の長さは任意に、たとえば数ｍに選ばれてよい。

シードレーザ発振部１２は、ＱスイッチパルスのＹＡＧレーザ光（波長１０６４ｎｍ）を発振出力するレーザ共振器３０を有している。このレーザ共振器３０は、光学的に対向して配置された一対の共振器ミラー３２，３４の間に直線配列型でＹＡＧロッド（活性媒質）３６とＱスイッチ３８とを配置している。Ｑスイッチ３８は、たとえば音響光学スイッチからなり、制御部２０の制御の下でＱスイッチドライバ４０により所定の周波数でスイッチングされる。

シードレーザ発振部１２は、ＹＡＧロッド３６を励起するために端面励起方式の電気光学励起部４２を有している。この電気光学励起部４２は、ファイバカップリングＬＤ４４およびＬＤ電源４６等を備えている。ファイバカップングＬＤ４４は、制御部２０の制御の下でＬＤ電源４６よりＬＤ駆動電流Ｉ₁を注入され、たとえば波長８０８ｎｍのＹＡＧロッド励起用レーザ光ＥＢを連続発振で出力する。ファイバカップリングＬＤ４４で生成されたＹＡＧロッド励起用レーザ光ＥＢは、収束レンズ（図示せず）を介して伝送用の光ファイバ（以下、「伝送ファイバ」と称する。）４８の一端面（入射端面）に入射し、伝送ファイバ４８の中を伝搬してその他端面（出射端面）より放射状に出て、コリメートレンズおよび収束レンズ（図示せず）を通ってレーザ共振器３０の中に入り、全反射ミラー３２を裏側から透過してＹＡＧロッド３６の一端面に入射し、ＹＡＧロッド３６を連続的または持続的にポンピングする。この連続ポンピングによりレーザ共振器３０内にエネルギーを蓄積して（反転分布を生成して）Ｑスイッチ３８をスイッチングさせると、ジャイアントパルス発振が起こって、ピークパワーのきわめて高いＱスイッチパルスのＹＡＧレーザ光がレーザ共振器３０の出力ミラー３４から出力される。なお、伝送ファイバ４８は、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバであってよい。

この実施形態では、電気光学励起部４２に付随して、ファイバカップリングＬＤ４４で生成されたＹＡＧロッド励起用レーザ光ＥＢのパワー（ＬＤ出力）を測定するために、ミラー５０およびＬＤ出力測定部２６が設けられている。ミラー５０は、伝送ファイバ４８の入射端面の手前でＹＡＧロッド励起用レーザ光ＥＢのごく一部（たとえば１％）を反射する。ＬＤ出力測定部２６は、光電変換素子および測定回路を有し、ミラー５０からの反射光Ｍ_EBを受光して電気信号に変換し、信号処理によってレーザ光ＥＢのレーザ出力（ＬＤ出力）測定値を求める。ＬＤ出力測定部２６で得られたＬＤ出力測定値は、後述するモニタリングのために制御部２０へ送られる。

上記のようにしてシードレーザ発振部１２より発振出力されるＱスイッチパルスのＹＡＧレーザ光は、シードレーザ光ＳＢとしてアンプファイバ１０に導入される。図示省略するが、シードレーザ発振部１２のレーザ出射口とアンプファイバ１０の入射端面１０ａとの間に入射光学系のビームエクスパンダおよび収束レンズが配置されている。シードレーザ発振部１２からのＱスイッチパルスのシードレーザ光ＳＢは、該ビームエクスパンダでビーム径を拡げてから該収束レンズを通ってアンプファイバ１０の入射端面１０ａ（より正確にはコアの入射端面）に集光入射するようになっている。

このファイバレーザ加工装置においては、後述するようにアンプファイバ１０内でシードレーザ光ＳＢを増幅して被加工物Ｗ向けの加工用レーザ光ＭＢを生成するので、シードレーザ光ＳＢのレーザ出力（実効値）を非常に低い値（たとえば１Ｗ程度）に設定することが可能であり、それに関連してシードレーザ発振部１２を小出力の固体レーザとして構成し、特に電気光学励起部４２に小出力のファイバカップリングＬＤを使用することができる。このように、シードレーザ発振部１２は小出力のＹＡＧレーザであり、しかも端面励起方式を採るので、シングルモードのシードレーザ光ＳＢを容易に得ることができる。

この実施形態では、シードレーザ発振部１２より発振出力されるシードレーザ光ＳＢのパワーまたはレーザ出力を測定するために、ミラー５２およびレーザ出力測定部２４が設けられている。ミラー５２は、シードレーザ発振部１２より出射されたシードレーザ光ＳＢの大部分を透過させ、そのごく一部（たとえば１％）を反射する。ＬＤ出力測定部２４は、光電変換素子および測定回路を有しており、ミラー５２からの反射光Ｍ_SBを受光して電気信号に変換し、信号処理によってシードレーザ光ＳＢのレーザ出力測定値を求める。ＬＤ出力測定部２６で得られたシードレーザ出力測定値は、後述するレーザ出力制御およびモニタリングのために制御部２０へ送られる。

ファイバコア励起部１４は、ファイバカップリングＬＤ５４、ＬＤ電源５６、伝送ファイバ５８等を有している。ファイバカップリングＬＤ５４は、制御部２０の制御の下でＬＤ電源５６よりＬＤ駆動電流Ｉ₂を注入され、たとえば波長９８０ｎｍのコア励起用のレーザ光ＦＢを連続発振で出力する。なお、ファイバカップリングＬＤ５４は、アンプファイバ１０のコアをたとえば３０〜８０Ｗ程度の比較的高いパワーで励起できるように、ＬＤ素子を一次元または二次元に多数配列してなる比較的大規模なアレイ構造またはスタック構造を採るのが好ましい。

ファイバカップリングＬＤ５４より出射されたコア励起用レーザ光ＦＢは、収束レンズ（図示せず）を通って伝送ファイバ５８の一端面（入射端面）に集光入射する。伝送ファイバ５８は、たとえばＳＩ形ファイバからなり、ＬＤ５４から取り込んだコア励起用レーザ光ＦＢをアンプファイバ１０の入射面１０ａ付近まで伝送する。

伝送ファイバ５８の他端面（出射端面）は、コリメートレンズ，収束レンズ（図示せず）および折り返しミラー６０を介してアンプファイバ１０の入射面１０ａに光学的に結合されている。折り返しミラー６０は、伝送ファイバ５８の出射側の光軸とアンプファイバ１０の入射側の光軸とが交差する位置に所定の角度または向きで配置されており、コア励起光ＦＢの波長に対して反射性の膜と加工用レーザ光ＭＢの波長に対して非反射性の膜とをコーティングしている。伝送ファイバ５８の出射端面から出射されたコア励起用レーザ光ＦＢは、上記コリメートレンズで平行光にコリメートされ，上記収束レンズで集光させられ、折り返しミラー６０で光路を直角に曲げてアンプファイバ１０の入射端面１０ａに入射する。

この実施形態では、ファイバコア励起部１４に付随して、ファイバカップリングＬＤ５４で生成されたコア励起用レーザ光ＦＢのパワー（ＬＤ出力）を測定するために、ミラー６２およびＬＤ出力測定部２８が設けられている。ミラー６２は、伝送ファイバ５８の入射端面の手前でコア励起用レーザ光ＦＢのごく一部（たとえば１％）を反射する。ＬＤ出力測定部２８は、光電変換素子および測定回路を有し、ミラー６２からの反射光Ｍ_FBを受光して電気信号に変換し、信号処理によってコア励起用レーザ光ＦＢのレーザ出力測定値を求める。ＬＤ出力測定部２８で得られたレーザ出力測定値は、後述するモニタリングのために制御部２０へ送られる。

アンプファイバ１０においては、上記のように、その入射端面１０ａに、シードレーザ発振部１２からのＱスイッチパルスのシードレーザ光ＳＢとファイバコア励起部１４からの連続発振のコア励起用レーザ光ＦＢとが入射する。なお、後述するようにアンプファイバ１０の反対側の端面１０ｂにコア励起用レーザ光ＦＢを入射させることも可能である。

アンプファイバ１０において、シードレーザ光ＳＢは、コアとクラッドとの境界面での全反射によって閉じ込められながらコアの中を軸方向にファイバ他端面（出射端面１０ｂ）側に向って伝搬する。一方、コア励起用レーザ光ＦＢは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながらアンプファイバ１０の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中のＹｂイオンを光励起する。こうして、シードレーザ光ＳＢは、アンプファイバ１０を伝搬する間に活性状態のコアの中で指令値（たとえば３０Ｗ）のレーザ出力を有するまでに増幅され、高出力の加工用レーザ光ＭＢとしてアンプファイバ１０の出射端面１０ｂより外へ出る。この加工用レーザ光ＭＢは、シードレーザ光ＳＢと同じ波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光である。

アンプファイバ１０は、口径が１０μｍ程度、長さが数メートル程度の細長いコアにシードレーザ光ＳＢを閉じ込めて増幅するので、ビーム径が細くてビーム広がり角の小さな加工用レーザ光ＭＢを取り出すことができる。しかも、アンプファイバ１０の入射端面１０ａに入射したコア励起用レーザ光ＦＢがアンプファイバ１０の中で長い光路を伝搬する間に何度もコアを横切って励起エネルギーを使い果たすので、非常に高い効率で低出力（たとえば１Ｗ）のシードレーザ光ＳＢを高出力（３０Ｗ）の加工用レーザ光ＭＢまで増幅することができる。

加えて、アンプファイバ１０のコアは熱レンズ効果を起こさないため、ビームモードが非常に安定しており、特別な冷却は要らない。したがって、シードレーザ光ＳＢのシングルモードをアンプファイバ１０内でも安定に保ったまま増幅して、シングルモードの加工用レーザ光ＭＢを得ることができる。

なお、コア励起用レーザ光ＦＢは、アンプファイバ１０内でそのレーザエネルギーを殆ど使い果たし、その光強度を相当減衰させた状態でアンプファイバ１０の出射端面１０ｂから外へ出る。アンプファイバ１０を通り抜けたこの用済みの光ＦＢを側方へ外すための折り返しミラー（図示せず）を配置してもよい。

上記のようにアンプファイバ１０の出射端面１０ｂより光軸上に出たＱスイッチパルスの加工用レーザ光ＭＢは、折り返しミラー６４をまっすぐ透過し、たとえばベントミラー６６で光路を変えて出射ユニット１６に入る。

出射ユニット１６には、ガルバノメータ・スキャナやｆθレンズなどが収容されている。ガルバノメータ・スキャナは、直交する２方向に首振り運動の可能な一対の可動ミラーを有しており、制御部２０の制御の下でシードレーザ発振部１２のＱスイッチング動作に同期して両可動ミラーの向きを所定角度に制御することで、アンプファイバ１０からのＱスイッチパルスの加工用レーザ光ＭＢを加工テーブル１８上の被加工物Ｗ表面の所望の位置に集光照射する。被加工物Ｗの表面に施されるマーキング加工は、典型的には文字や図形等を描画するものであるが、トリミング等の表面除去加工等も可能である。

この実施形態では、Ｑスイッチパルスの加工用レーザ光ＭＢのレーザ出力を測定するために、上記折り返しミラー６４およびレーザ出力測定部２２が設けられている。ミラー６４は、アンプファイバ１０より出射された加工用レーザ光ＭＢの大部分を透過させ、そのごく一部（たとえば１％）を反射する。レーザ出力測定部２２は、光電変換素子および測定回路を有しており、ミラー６４からの反射光Ｍ_MBを受光して電気信号に変換し、信号処理によって加工用レーザ光ＭＢのレーザ出力測定値を求める。ＬＤ出力測定部２２で得られた加工用レーザ出力測定値は、後述するレーザ出力制御およびモニタリングのために制御部２０へ送られる。

制御部２０は、マイクロコンピュータで構成されてよく、入力・設定・演算等のデータ処理を行って装置全体ないし各部の制御を行い、キーボード等の入力部（図示せず）および液晶ディスプレイ等の表示部６８からなるマン・マシン・インタフェースを介して人（作業員、保守員等）とデータまたは情報のやりとりを行う。

上記のように、このファイバレーザ加工装置は、加工用レーザ光ＭＢのレーザ出力を測定するためのレーザ出力測定部２２だけでなく、シードレーザ光ＳＢのレーザ出力を測定するためのレーザ出力測定部２４、ＹＡＧロッド励起用レーザ光ＥＢのレーザ出力（ＬＤ出力）を測定するためのＬＤ出力測定部２６およびコア励起用レーザ光ＦＢのレーザ出力（ＬＤ出力）を測定するためのＬＤ出力測定部２８も備えている。制御部２０は、これら４つのレーザ出力（またはＬＤ出力）測定部２２，２４，２６，２８で求められたレーザ出力（またはＬＤ出力）測定値を所定のレーザ出力制御用またはモニタリング用のプログラムにかけて所定の演算処理を行い、演算結果にしたがって各部の動作の制御や所要のモニタ情報の表示出力を行う。

以下に、このファイバレーザ加工装置においてレーザ出力（またはＬＤ出力）測定部２２，２４，２６，２８を用いる種種の機能について説明する。

第１に、このファイバレーザ加工装置は、レーザ出力測定部２４を用いてシードレーザ光ＳＢのレーザ出力を基準値に保持する機能を有している。より詳細には、シードレーザ発振部１２より出射されたシードレーザ光ＳＢのレーザ出力がレーザ出力測定部２４で測定され、そのレーザ出力測定値が制御部２０にフィードバックされる。制御部２０は、レーザ共振器３０で発振出力されるＱスイッチパルスのシードレーザ光ＳＢについてその繰り返し周波数に応じたレーザ出力基準値を設定しており、レーザ出力測定部２４からのレーザ出力測定値が該レーザ出力基準値に一致するように、ＬＤ電源４６を通じて、ファイバカップリングＬＤ４４に供給されるＬＤ駆動電流Ｉ₁の電流値を制御する。

すなわち、ＬＤ駆動電流Ｉ₁の電流値を可変することで、ファイバカップリングＬＤ４４で生成されるＹＡＧロッド励起用レーザ光ＥＢの出力を可変し、ひいてはレーザ共振器３０内の反転分布生成速度を可変し、シードレーザ光ＳＢの出力（実効値または平均値）を可変することができる。ここで、シードレーザ光ＳＢの出力は主としてＱスイッチパルスの繰り返し周波数によって左右されるので、反転分布生成速度の可変調整は微調整に留まるものである。しかし、シードレーザ光ＳＢの出力を安定かつ正確に基準値に一致させるうえで、上記のようなレーザ出力測定部２４を用いるパワーフィードバック制御機構は不可欠なものである。例えばレーザ共振器の周囲温度の変化によってシードレーザ光ＳＢの出力が変動することがあり、そのような環境の変化や外乱等に基づく動的なレーザ出力変動を抑制するうえでレーザ出力測定部２４を用いたパワーフィードバック制御機構はきわめて有効である。

第２に、このファイバレーザ加工装置は、レーザ出力測定部２２を用いて加工用レーザ光ＭＢのレーザ出力を指令値に一致させる機能を有している。より詳細には、アンプファイバ１０より出射された加工用レーザ光ＭＢのレーザ出力がレーザ出力測定部２２で測定され、そのレーザ出力測定値が制御部２０にフィードバックされる。制御部２０は、入力部より入力するレーザ加工条件の１つとして加工用レーザ光ＭＢに対するレーザ出力指令値を設定しており、レーザ出力測定部２２からのレーザ出力測定値が該レーザ出力指令値に一致するように、ファイバカップリングＬＤ５４に供給されるＬＤ駆動電流Ｉ₂の電流値をＬＤ電源５６を通じて制御する。

この場合、ＬＤ駆動電流Ｉ₂の電流値を可変することで、ファイバカップリングＬＤ５４で生成されるコア励起用レーザ光ＦＢの出力を可変し、ひいてはアンプファイバ１０の中でシードレーザ光ＳＢの出力（特にピークパワー）を増幅する度合い（増幅率）を可変し、加工用レーザ光ＭＢの出力を可変することができる。このように、ピークパワーを可変して加工用レーザ光ＭＢの出力を可変する方式は、レーザ出力制御の応答性に優れ、レーザ加工能力を向上させることができる。しかも、上記のようにシードレーザ・パワーフィードバック制御機構によりシードレーザ光ＳＢの出力を安定かつ正確に基準値に一致させているので、ファイバコア励起部１４を通じて加工用レーザ光ＭＢの出力を指令値に一致または追従させるパワーフィードバック制御をより安定に高速化することができる。

第３に、このファイバレーザ加工装置は、ＬＤ出力測定部２６を用いてシードレーザ発振部１２における光学部品、特にレーザ共振器３０内のＹＡＧロッド（活性媒質）３６を保護する機能を有している。より詳細には、ファイバカップリングＬＤ５４で生成されたＹＡＧロッド励起用レーザ光ＥＢの出力がレーザ出力測定部２６で測定され、そのレーザ出力測定値が制御部２０に与えられる。制御部２０は、ＹＡＧロッド３６に損傷を与えないＬＤ出力の最大許容値を設定しており、ＹＡＧロッド励起用レーザ光ＥＢの出力が最大許容値を超えないように監視する。たとえば、上記のようなシードレーザ・パワーフィードバック制御の中でＹＡＧロッド励起用レーザ光ＥＢの出力が上昇して最大許容値を超えそうになったときは、それ以上上昇しないようにＬＤ電源４６を制御する。

第４に、このファイバレーザ加工装置は、ＬＤ出力測定部２６を用いてファイバカップリングＬＤ４４の寿命または交換時機を告知する機能を有している。より詳細には、制御部２０は、ＬＤ電源４６を通じてＬＤ駆動電流Ｉ₁を可変制御する際に、ＬＤ出力測定部２６で得られるＬＤ出力測定値をＬＤ駆動電流指令値と対応させ、直線補間等を用いて図２に示すようなＬＤ駆動電流−ＬＤ出力特性を求める。このＬＤ駆動電流−ＬＤ出力特性の傾きＫは、ファイバカップリングＬＤ４４の経時劣化が進むにつれてＫ₁→Ｋ₂→→Ｋ₃・・と漸次的に小さくなる。そこで、経験値等に基づいてファイバカップリングＬＤ４４の寿命が尽きる直前の傾きＫ_Sを監視値として設定しておき、ＬＤ駆動電流−ＬＤ出力特性の傾きＫがこの監視値Ｋ_Sまで低くなると、制御部２０はこの時点でファイバカップリングＬＤ４４の寿命が間近いこと、つまり部品交換すべき時機に来ていることを表示出力（告知）する。このようなＬＤ寿命告知機能によれば、ファイバカップリングＬＤ４４に個体差や使用環境の違いがあっても、的確な時機にＬＤ部品交換を行うことができる。

第５に、このファイバレーザ加工装置は、レーザ出力測定部２４およびＬＤ出力測定部２６を用いてシードレーザ発振部１２におけるファイバカップリングＬＤ４４、ＬＤ電源４６、レーザ共振器３０の少なくとも１つについてその機能が正常であるのか異常であるのかを診断する機能を有している。より詳細には、レーザ出力測定部２４より得られるシードレーザ測定値が異常に低下した場合、あるいは上記のようなシードレーザ・パワーフィードバック制御をかけても基準値になかなか達しない場合、制御部２０は、ＬＤ電源４６を通じてＬＤ駆動電流Ｉ₁の電流値を可変制御しつつ、ＬＤ出力測定部２６で得られるＬＤ出力測定値を検査する。検査の結果、ＬＤ出力測定値も異常に低下していたり、あるいは応答性がよくないときは、ファイバカップリングＬＤ４４またはＬＤ電源４６が性能劣化または故障していると判定する。ＬＤ出力測定値が正常または許容範囲内にあるときは、伝送ファイバ４８ないしレーザ共振器３０の何処かで不具合または不良があると判定する。そして、判定（診断）結果を表示部６８を通じて表示出力する。

第６に、このファイバレーザ加工装置は、ＬＤ出力測定部２８を用いてアンプファイバ１０のコアを保護する機能を有している。より詳細には、ファイバカップリングＬＤ５４で生成されたコア励起用レーザ光ＦＢの出力がレーザ出力測定部２８で測定され、そのレーザ出力測定値が制御部２０に与えられる。制御部２０は、アンプファイバ１０のコアに損傷を与えないＬＤ出力の最大許容値を設定しており、コア励起用レーザ光ＦＢの出力が最大許容値を超えないように監視する。たとえば、上記のような加工用レーザ・パワーフィードバック制御の中でコア励起用レーザ光ＦＢの出力が上昇して最大許容値を超えそうになったときは、それ以上上昇しないようにＬＤ電源５６を制御する。

第７に、このファイバレーザ加工装置は、ＬＤ出力測定部２８を用いてファイバカップリングＬＤ５４の寿命または交換時機を告知する機能を有している。より詳細には、制御部２０は、ＬＤ電源５６を通じてＬＤ駆動電流Ｉ₂を可変制御する際に、ＬＤ出力測定部２８で得られるＬＤ出力測定値をＬＤ駆動電流指令値と対応させ、直線補間等を用いて図２に示すようなＬＤ駆動電流−ＬＤ出力特性を求める。そして、電気光学励起部４２におけるファイバカップリングＬＤ４４に対するのと全く同じ手法で、ファイバカップリングＬＤ５４の寿命が間近に迫っている時にその告知を行うことができる。

最後に、このファイバレーザ加工装置は、レーザ出力測定部２２およびＬＤ出力測定部２８を用いてシードレーザ発振部１２０におけるファイバカップリングＬＤ５４、ＬＤ電源５６、伝送ファイバ５８、アンプファイバ１０の少なくとも１つについてその機能が正常であるのか異常であるのかを診断する機能を有している。より詳細には、レーザ出力測定部２２より得られる加工用レーザ測定値が異常に低下した場合、あるいは上記のような加工用レーザに対してパワーフィードバック制御をかけても基準値になかなか達しない場合、制御部２０は、ＬＤ電源５６を通じてＬＤ駆動電流Ｉ₂の電流値を可変制御しつつ、ＬＤ出力測定部２６で得られるＬＤ出力測定値を検査する。検査の結果、ＬＤ出力測定値も異常に低下していたり、あるいは応答性がよくないときは、ファイバカップリングＬＤ５４またはＬＤ電源５６が性能劣化または故障していると判定する。ＬＤ出力測定値が正常または許容範囲内にあるときは、伝送ファイバ５８ないしアンプファイバ１０の何処かで不具合または不良があると判定する。そして、判定（診断）結果を表示部６８を通じて表示出力する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、上記した実施形態はＱスイッチング方式のレーザ加工装置に係るものであったが、本発明はＱスイッチング方式に限定されるものではない。たとえば、シードレーザ発振部１０のレーザ共振器３０においてＱスイッチ２８を省く構成とし、制御部２０の制御の下でＬＤ電源４６がファイバカップリングＬＤ４４に供給するＬＤ駆動電流Ｉ₁を任意のパルス波形に制御することで、シードレーザ発振部１０にシードレーザ光ＳＢとしてパルスレーザ光を生成させ、ひいてはアンプファイバ１０からたとえばレーザ溶接用レーザ光ＭＢとしてパルスレーザ光を取り出すことができる。

また、レーザ出射部１６を、ガルバノメータ・スキャナおよびｆθレンズからなるスキャニング機構に代えて、コリメートレンズ、シャッタおよび収束レンズ（図示せず）からなる固定出射型（非スキャニング型）に構成することも可能である。さらに、加工テーブル１８にＸＹテーブル機構、昇降機構、θ回転機構等を設ける構成も可能である。

また、上記した実施形態はシードレーザ発振部１２にＹＡＧレーザを用いたが、他の形式または方式のレーザも使用可能であり、シードレーザ光および励起用レーザ光の波長も任意に選べる。伝送ファイバ４８，５８を省いて、ファイバカップリングＬＤ４４，５４を普通のＬＤまたはＬＤアレイに置き換えることも可能である。

また、図１の実施形態では、ファイバコア励起部１４から出射された励起用レーザ光ＦＢは、シードレーザ光ＳＢと一緒にアンプファイバ１０の端面１０ａからファイバ内に入射する構成となっている。これに代えて、励起用レーザ光ＦＢを反対側の端面１０ｂからアンプファイバ１０内に入射する構成としても良い。

本発明の一実施形態におけるファイバＭＯＰＡ方式のファイバレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。実施形態においてファイバカップリングＬＤの寿命を判定する手法の一例を示す図である。

符号の説明

１０増幅用光ファイバ（アンプファイバ）
１２シードレーザ発振部
１４ファイバコア励起部
１６出射ユニット
２０制御部
２２，２４レーザ出力測定部
２６，２８ＬＤ出力測定部
３０レーザ共振器
４２電気光学励起部
４４ファイバカップリングＬＤ
４６ＬＤ電源
４８伝送用光ファイバ（伝送ファイバ）
５４ファイバカップリングＬＤ
５６ＬＤ電源
５８伝送用光ファイバ（伝送ファイバ）
６８表示部

Claims

シードレーザ光を発振出力するシードレーザ発振部と、
所定の希土類元素を含むコアを有し、前記シードレーザ発振部からの前記シードレーザ光を一端より前記コアの中に入れ、該シードレーザ光を増幅して他端より出す増幅用の光ファイバと、
前記増幅用光ファイバの一端から該増幅用光ファイバの中に入射して前記シードレーザ光を増幅させるためのコア励起用レーザ光を出力するファイバコア励起部と、
前記増幅用光ファイバの他端から出射したレーザ光を加工用レーザ光として出射するレーザ出射部と、
前記シードレーザ発振部より出射される前記シードレーザ光の出力を測定するシードレーザ出力測定部と、
前記加工用レーザ光の出力を測定する加工用レーザ出力測定部と、
前記加工用レーザ出力測定部より得られる加工用レーザ出力測定値が予め設定された指令値に一致するように前記ファイバコア励起部を制御する加工用レーザ出力制御部と
を有するレーザ加工装置。
前記シードレーザ出力測定部より得られるシードレーザ出力測定値が予め設定された基準値に一致するように前記シードレーザ発振部を制御するシードレーザ出力制御部を有する請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記シードレーザ発振部が、固体の活性媒質を含むレーザ共振器と、前記活性媒質を励起する活性媒質励起部とを有し、
前記シードレーザ出力制御部が、前記シードレーザ出力測定値を前記基準値に一致させるように、前記活性媒質励起部を制御する、
請求項２に記載のレーザ加工装置。
前記シードレーザ発振部が、
前記レーザ共振器内で前記活性媒質と同一の光路上に配置されたＱスイッチと、
Ｑスイッチパルスのレーザ光を所定の繰り返し周波数で生成するように前記Ｑスイッチを駆動するＱスイッチ駆動部と
を有する、請求項３に記載のレーザ加工装置。
前記活性媒質励起部が、前記活性媒質を励起するための活性媒質励起用レーザ光を発振出力する第１レーザダイオードと、この第１レーザダイオードに第１ＬＤ駆動電流を供給する第１ＬＤ電源とを有し、
前記シードレーザ出力制御部が、前記シードレーザ出力測定値を前記基準値に一致させるように、前記第１ＬＤ電源を通じて前記第１ＬＤ駆動電流を制御する、
請求項３または請求項４に記載のレーザ加工装置。
前記第１レーザダイオードが、第１伝送用光ファイバを介して前記活性媒質に光学的に結合される、請求項５に記載のレーザ加工装置。
前記ファイバコア励起部が、前記コア励起用レーザ光を発振出力する第２レーザダイオードと、この第２レーザダイオードに第２ＬＤ駆動電流を供給する第２ＬＤ電源とを有し、
前記加工用レーザ出力制御部が、前記加工用レーザ出力測定値を前記指令値に一致させるように、前記第２ＬＤ電源を通じて前記第２ＬＤ駆動電流を制御する、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
前記第２レーザダイオードが、第２伝送用光ファイバを介して前記増幅用光ファイバのコアに光学的に結合される、請求項７に記載のレーザ加工装置。
シードレーザ光を発振出力するための固体の活性媒質を含むレーザ共振器と、
前記活性媒質を励起するための活性媒質励起用レーザ光を発振出力するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードにＬＤ駆動電流を供給するＬＤ電源と、
所定の希土類元素を含むコアを有し、前記レーザ共振器からの前記シードレーザ光を一端より前記コアの中に入れ、該シードレーザ光を増幅して他端より出す増幅用の光ファイバと、
前記増幅用光ファイバの一端から該増幅用光ファイバの中に入射して前記シードレーザ光を増幅させるためのコア励起用レーザ光を出力するファイバコア励起部と、
前記増幅用光ファイバの他端から出射したレーザ光を加工用レーザ光として出射するレーザ出射部と、
前記レーザダイオードより出射される前記活性媒質励起用レーザ光の出力を測定する活性媒質励起用レーザ出力測定部と、
前記活性媒質励起用レーザ出力測定部より得られる活性媒質励起用レーザ出力測定値が予め設定された上限値を超えないように、前記ＬＤ電源を制御する活性媒質励起用レーザ出力制御部と
を有するレーザ加工装置。
前記活性媒質励起用レーザ出力測定部より得られる活性媒質励起用レーザ出力測定値に基づいて、前記レーザダイオードの寿命または交換時機を告知するＬＤ寿命告知部を有する請求項９に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ共振器より出射される前記シードレーザ光の出力を測定するシードレーザ出力測定部と、
前記活性媒質励起用レーザ出力測定部より得られる活性媒質励起用レーザ出力測定値と前記シードレーザ出力測定部より得られるシードレーザ出力測定値とに基づいて、前記ＬＤ電源、前記レーザダイオードおよび前記レーザ共振器の少なくとも１つについてその機能が正常であるのか異常であるのかを診断する診断部と
を有する請求項９または請求項１０に記載のレーザ加工装置。
前記レーザダイオードが、伝送用の光ファイバを介して前記レーザ共振器内の活性媒質に光学的に結合される、請求項９〜１１のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
前記診断部が、前記活性媒質励起用レーザ出力測定部より得られる活性媒質励起用レーザ出力測定値と前記シードレーザ出力測定部より得られるシードレーザ出力測定値とに基づいて、前記ＬＤ電源、前記レーザダイオード、前記伝送用光ファイバおよび前記レーザ共振器の少なくとも１つについてその機能が正常であるのか異常であるのかを診断する、請求項１２に記載のレーザ加工装置。
シードレーザ光を発振出力するシードレーザ発振部と、
所定の希土類元素を含むコアを有し、前記シードレーザ発振部からの前記シードレーザ光を一端より前記コアの中に入れ、該シードレーザ光を増幅して他端より出す増幅用の光ファイバと、
前記増幅用光ファイバの他端から出射したレーザ光を加工用レーザ光として出射するレーザ出射部と、
前記増幅用光ファイバのコアの中で前記シードレーザ光を増幅するために、前記コアを励起するためのコア励起用レーザ光を発振出力するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードにＬＤ駆動電流を供給するＬＤ電源と、
前記レーザダイオードより出射される前記コア励起用レーザ光の出力を測定するコア励起用レーザ出力測定部と
を有するレーザ加工装置。
前記コア励起用レーザ出力測定部より得られるコア励起用レーザ出力測定値が予め設定された上限値を超えないように、前記ＬＤ電源を制御するコア励起用レーザ出力制御部を有する請求項１４に記載のレーザ加工装置。
前記コア励起用レーザ出力測定部より得られるコア励起用レーザ出力測定値に基づいて、前記レーザダイオードの寿命または交換時機を告知するＬＤ寿命告知部を有する請求項１４または請求項１５に記載のレーザ加工装置。
前記加工用レーザ光の出力を測定する加工用レーザ出力測定部と、
前記コア励起用レーザ出力測定部より得られるコア励起用レーザ出力測定値と前記加工用レーザ出力測定部より得られる加工用レーザ出力測定値とに基づいて、前記ＬＤ電源、前記レーザダイオードおよび前記増幅用光ファイバの少なくとも１つについてその機能が正常であるのか異常であるのかを診断する診断部と
を有する請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
前記レーザダイオードが、伝送用の光ファイバを介して前記増幅用光ファイバに光学的に結合される、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
前記診断部が、前記コア励起用レーザ出力測定部より得られるコア励起用レーザ出力測定値と前記シードレーザ出力測定部より得られるシードレーザ出力測定値とに基づいて、前記ＬＤ電源、前記レーザダイオード、前記伝送用光ファイバおよび前記増幅用光ファイバレーザの少なくとも１つについてその機能が正常であるのか異常であるのかを診断する、請求項１８に記載のレーザ加工装置。