CN101286617A - 具有起动准备功能的激光装置以及激光装置的起动方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光装置以及激光装置的起动方法，该激光装置具有在从低温环境或者高温环境起动激光振荡器的情况下，在使用激光前的准备阶段中使各部的温度接近热平衡状态，能够高效判断准备结束状态的功能。在满足规定基准前重复如下操作：仅在从时刻T1到T2的时间Ta进行激光振荡试行，在经过时间Tb的激光不振荡状态后，从时刻T3到T4进行第二次激光振荡试行。记录各次的激光振荡试行的最后瞬间的激光输出P2、P4、P6、…。求取连续两次的激光振荡试行的激光输出的差，如果该差达到规定的基准值以下则可以判断出准备结束。
Description
技术领域
本发明涉及激光装置以及激光装置的起动方法，特别涉及具有起动准备功能的激光装置以及激光装置的起动方法。
背景技术
在激光振荡器中，激光输出、激光输出稳定性、光束形状以及光束聚光性等激光性能、或者激光输出测定器的灵敏度等的测定器性能，有时依赖于振荡器、激励介质、冷却水、激光电源或者激光输出测定器等的温度。即，从低温环境或者高温环境起动后不久的激光性能或者激光输出测定器的性能有时和温度平衡时的性能不同。在这种情况下，如果通过由激光振荡导致的发热或者振荡器具有的冷却功能使各部分的温度从起动时开始变化，随着时间的经过而接近热平衡状态，则激光性能更加稳定。
因此，在从低温环境或者高温环境起动激光振荡器的情况下，通过在使用激光前的准备阶段进行使各部分的温度接近热平衡状态的过程，使激光输出稳定，能够稳定地进行激光加工等。例如，特开2005-25 1855号公报公开了，测定激光装置的温度，根据该温度判断准备结束或者未结束的方法。另外，提出了测定激光振荡中的激光输出，根据该激光输出值判断准备结束或者未结束的方法。
但是，有时仅用激光装置的温度无法正确地判断准备结束或者未结束。另外，即使在根据激光振荡中的激光输出值判断准备结束或者未结束的方法中，在简单的进行恒定值和输出值的比较那样的同样的基准的应用中，有时也会产生不合适的情况。例如，在激光振荡器部件随时间老化、性能比设计性能变差的激光振荡器中，一般在稳定状态(准备结束状态)下的激光输出比最初的激光输出降低，所以使用和随时间老化前相同的基准不能恰当地判断准备结束或者未结束。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种激光装置以及激光装置的起动方法，所述激光装置具有如下功能：即使是由于随时间老化等而导致性能降低的激光装置，在从低温环境或者高温环境起动激光振荡器的情况下，也能够在使用激光前的准备阶段中使各部分的温度自动地接近稳定状态，高效率地判断准备结束状态。
为实现上述目的，根据本发明的一个形态，提供一种激光装置，具有：激光振荡器；向该激光振荡器供给电力的激光电源；测定激光输出的激光输出测定器；吸收激光的光束吸收装置；和接收激光输出指令，控制所述激光振荡器、所述激光电源、所述激光输出测定器以及所述光束吸收装置的控制装置。所述控制装置包含：试行实施部，在从激光振荡器起动时起、直到进入激光使用适宜状态的准备过程中，经过规定的时间使所述激光振荡器成为激光振荡状态，在通过所述光束吸收装置吸收振荡产生的激光中的至少一部分的状态下，进行通过所述激光输出测定器测定激光振荡状态下的激光输出的激光振荡试行；判断部，在通过所述试行实施部进行的激光振荡试行中，判断通过所述激光输出测定器测定的激光输出是否满足根据激光装置的稳定输出状态而决定的规定基准；反复起动部，在所述判断部判断出已满足所述规定基准前，自动地交替重复通过所述试行实施部进行的激光振荡试行和激光不振荡状态。
所述规定基准的合适的具体例是，连续两次的激光振荡试行中的激光输出值的差达到规定值以下。
所述规定基准的另一合适的具体例是，预定的稳定状态的基准激光输出值和所述激光振荡试行中的激光输出值的差达到规定值以下。
激光装置可以进一步具有测量激光振荡器、激励介质、冷却水、激光电源以及激光输出测定器中至少一个的温度的温度测定器，在这种情况下，所述控制装置，在通过所述温度测定器测定的温度进入根据稳定输出状态而决定的规定的基准温度范围内之前，可以不进行基于所述反复起动部的激光振荡试行的重复，而继续进行激光振荡试行。
所述规定的基准温度范围的合适的具体例是，预定的所述激光装置的稳定输出状态的最低基准温度以上。
所述规定的基准温度范围的可选择的或者附加的具体例是，预定的所述激光装置的稳定输出状态的最高基准温度以下。
所述规定的基准温度范围的可选择的或者附加的具体例是，所述激光装置的激光输出相对于时间经过而单调增加或者单调减小的温度范围。
根据本发明的另一形态，提供一种激光装置的起动方法，所述激光装置具有：激光振荡器；向该激光振荡器供给电力的激光电源；测定激光输出的激光输出测定器；吸收激光的光束吸收装置；和接收激光输出指令，控制所述激光振荡器、所述激光电源、所述激光输出测定器以及所述光束吸收装置的控制装置。所述方法包含以下步骤：在从所述激光振荡器起动时起、直到进入激光使用适宜状态的准备过程中，经过规定时间使所述激光振荡器成为激光振荡状态，在通过所述光束吸收装置吸收振荡产生的激光中的至少一部分的状态下，进行通过所述激光输出测定器测定激光振荡状态下的激光输出的激光振荡试行的步骤；在所述激光振荡试行中，判断通过所述激光输出测定器测定的激光输出是否满足根据激光装置的稳定输出状态而决定的规定基准的步骤；在判断出已满足所述规定基准前，自动地交替重复所述激光振荡试行和激光不振荡状态的步骤。
附图说明
通过参照附图说明以下的优选实施形态，本发明的上述以及其他目的、特征以及优点会更加明了。
图1是表示本发明的激光振荡装置的基本结构的功能框图。
图2是说明从低温状态起动本发明的激光装置的情况下的激光输出和时间的关系的图表。
图3与图2类似，是说明用和图2不同的思路判断激光装置的准备结束状态的图表。
图4是说明从极低温状态起动本发明的激光装置的情况下的激光输出和时间的关系的图表。
图5是说明从高温状态起动本发明的激光装置的情况下的激光输出和时间的关系的图表。
图6与图5类似，是说明用和图5不同的思路判断激光装置的准备结束状态的图表。
具体实施方式
图1是表示本发明的激光装置10的基本结构的功能框图。此外，在图示的例子中，激光装置10是气体循环式的气体激光装置，但是本发明也可以应用于不使气体循环的气体密封式的气体激光器或者固体激光器。
激光装置10具有：包含输出镜12、后镜14以及在输出镜12和后镜14之间被夹持配置的放电管16的激光振荡器18；与放电管16连通的气体流路20；向放电管16供给电力的激光电源22；和控制激光电源22、后述的激光输出测定器40以及光束吸收装置44的控制装置24。控制装置24包含：进行后述的激光振荡试行的试行实施部26、判断是否满足规定基准的判断部28以及反复起动部30。
包含二氧化碳气、氮气、氩气等激光介质的激光振荡用媒质气体(以下称为激光气体)，通过设置在气体流路20内的送风机32被送出，通过第一热交换器34被冷却。这里，第一热交换器34以及后述的第二热交换器36例如是在激光气体和冷却水之间进行热交换的热交换器。气体流路20内的激光气体被导入放电管16内。在通过该放电管16的过程中，激光气体被激励而成为激光激活状态。由激光电源22供给电力的放电管16作为向激光气体放电的激励部而工作，但也可以是基于光或者化学反应的激励方式的部件。
通过放电管16产生的光在输出镜12和后镜14之间被放大，进行激光振荡，发生激光。输出镜12是部分透射镜，透过输出镜12的激光成为输出激光38而被输出。通过放电管16的激光气体用第二热交换器36冷却，返回送风机32。
后镜14也是部分透射镜，透过后镜14的激光的一部分入射到热传感器等激光输出测定器40中。激光输出测定器40测定激光输出，将其信息传递至控制装置24。由热电偶等温度传感器组成的振荡器温度测定器42测定振荡器(谐振器)18的温度，将其信息传递至控制装置24。控制装置24收集激光输出测定器40或者振荡器温度测定器42等各种传感器的信息，具有通过程序控制激光电源22的动作的功能。此外，振荡器温度测定器42也可以具有在测定对象物达到规定温度时向控制装置24发送信号等的温度开关功能。此外，送风机以及热交换器等不是必需的单元。
图1的激光装置10具有吸收振荡产生的激光的至少一部分的光束吸收装置44。在从激光振荡器起动时到进入激光使用适宜状态为止的准备过程中，向控制装置24发出规定的激光输出指令，成为激光振荡状态，通过光束吸收装置44吸收振荡产生的激光的至少一部分。在该状态下，进行通过激光输出测定器40测定该激光振荡状态下的激光输出的激光振荡试行(后述)。
这里，光束吸收装置44构成为可在激光38的光路上的位置(图1)和离开光路的位置(未图示)之间移动。或者也可以构成为未图示的镜子(mirror)可在激光38的光路上和离开光路的状态之间移动，通过该镜子把激光38的至少一部分导向光束吸收装置44。通常，在激光38被光束吸收装置44吸收期间，不向激光装置外面输出激光，所以不能用于加工等目的。
下面说明从图1的激光装置的起动时到达到适宜(稳定)使用状态为止的操作。图2表示从低温状态起动图1的激光装置的情况下的激光输出和时间的关系。此外，这里所说的低温状态，意味着激光振荡器等的温度比后述的预热后的准备结束状态(可以输出稳定的激光的状态)的温度低，所以未达到准备结束状态的状态。在图示的例子中，在从时刻T1到T2的时间Ta期间，试行实施部26进行上述的激光振荡试行。接着，在经过时间Tb的激光不振荡状态后，在判断部28判断出满足后述的规定基准之前，通过反复起动部30，在从时刻T3到T4进行第二次激光振荡试行，在从时刻T5到T6进行第三次激光振荡试行。在该激光振荡试行期间，激光的至少一部分被上述光束吸收装置吸收。一般，从低温状态起动的情况下的激光输出呈随时间经过上升的趋势。
此外，各振荡试行的持续时间Ta以及各试行之间的不振荡时间Tb分别可根据激光振荡器的特性等适当设定，但是例如设定在大概数十秒～数分钟之间。
记录所述每次激光振荡试行的最后的瞬间(即时刻T2、T4、T6...)的激光输出P2、P4、P6...。各激光输出也可以不是振荡试行的最后的瞬间的输出，但是从利用更稳定的激光输出这点出发，最后瞬间的激光输出是理想的。接着，求出连续的激光振荡试行的最后的激光输出的差ΔP1(＝P4-P2)、ΔP2(＝P6-P4)...、ΔPn，在ΔPn达到规定的基准值以下时，判断部28判断出激光装置的准备结束，成为使用适宜状态。一般，随着通过激光振荡而预热进展，激光装置接近稳定输出状态，所以连续的激光振荡试行的激光输出的差慢慢减小。因此，通过监视ΔPn能够恰当地判断激光输出已稳定(即准备结束)的状态。此外，规定的基准值有时根据激光装置的种类或用途而不同，但是通常根据经验规律而决定。
图3和图2同样，是表示从低温环境起动图1的激光装置的情况下的激光输出和时间的关系的图表，但关于激光输出稳定的判断，表示和图2不同的思路。首先，预先求出激光振荡器的温度在基准温度范围内时的激光输出P0作为第一基准激光输出。这里所谓基准温度范围，例如可以根据从经验规律等得到的稳定输出状态的最低基准温度以及最高基准温度来决定。接着，求出作为振荡器温度未进入上述基准温度范围的情况下的准备结束判断基准的第二基准激光输出P0’。这里的第二基准激光输出，和第一基准激光输出的差在规定值以下，即未到稳定状态，但是表示依据其用途·目的，即使和第一基准激光输出同等对待也无妨的输出水平，具体来说，从第一基准P0减去规定的正数或者乘以一个不到1的规定的正数来求得。在上述各次激光振荡试行的最后瞬间的激光输出(P2、P4、P6...)初次超过这样求得的第二基准值P0’的情况下，判断为准备结束。在图示的例子中，因为第三次的激光输出P6初次超过基准值P0’，所以可以判断通过第三次的激光振荡试行，准备结束。
图3的方法的优点是，例如即使在由于激光振荡器部件随时间老化、激光装置的性能比设计性能差的情况下，也能够恰当地判断准备结束或者未结束。其理由是，随着随时间的老化基准激光输出P0降低，所以准备结束判断基准值P0’也随之降低。
下面说明的图4是表示从极低温状态起动图1的激光装置的情况下的激光输出和时间的关系的图表。此外，这里所说的极低温状态，意味着激光振荡器处于10℃以下等的寒冷地区或者接近冬季的室温的状态。在该例中激光输出呈现在极低温状态(时刻T11)下较高、随温度上升(接近上述的低温状态)而降低、从那里随着渐近准备结束状态又上升的趋势。一般，激光振荡器有温度高则激光输出升高、但是反之激光气体温度低则激光输出升高的趋势。因此根据激光装置的种类，也有时成为图4那样的趋势。在激光振荡器有如图4表示的特性、即激光输出相对于时间的经过有极小值的情况下，因为在起动初期的极低温状态(时刻T11)激光输出高，所以当单纯地使用上述图2或者图3的方法时，会在极低温状态下判断为准备结束，不能恰当地判断准备结束。
因此，测定监视激光振荡器等的温度，同时在该温度成为根据稳定状态而决定的规定的基准温度前不进行上述激光振荡试行的重复，而继续进行用于预热的激光振荡试行这样的方法是有效的。这里，规定的基准温度设定为上述的最低基准温度、或者根据经验规律等能够判断激光输出相对于时间经过超过极小值的温度，在图示的例子中假定在时刻T12达到该温度。在振荡器温度成为基准温度以上的时刻T12以后，可以进行和上述图2或者图3同样的激光振荡试行。这样做的话，因为在激光输出也可能和稳定状态相同程度高的情况下的极低温状态下不进行基于激光输出的准备结束判断，所以能够正确地判断准备结束状态。该方法的优点是，即使像极低温状态那样激光振荡器温度和激光输出的关系有复杂的关系的情况下，也能够恰当地判断准备结束或者未结束。
此外，代替测定监视激光振荡器的温度，例如通过测定监视激光气体、在上述热交换器或者激光振荡器的冷却中使用的冷却水、激光电源、激光输出测定器的温度，也能得到同样的效果。另外，即使是这些以外的激光装置的构成部件，只要呈现能够判断和激光输出相关的变量或者激光输出相对于时间经过超过了极小值(进入单调增加区域)的温度变化，就可以在温度的测定监视中使用。
使用图2～图4说明了从低温状态或者极低温状态起动激光装置的情况，但是根据激光装置的设置环境等，也有时从比适宜使用状态高的温度的高温状态起动激光装置。使用图5以及图6说明这种情况。
图5是说明利用和图2类似的思路从高温状态起动激光装置的情况下的操作例的图表。在图示的例子中，在从时刻T21到T22的时间Ta期间，试行实施部26进行上述的激光振荡试行。在判断部28判断为满足后述的规定基准前，通过反复起动部30，在经过时间Tb的不振荡状态后，从时刻T23到T24进行第二次激光振荡试行，同样地，从时刻T25到T26进行第三次激光振荡试行。在激光振荡试行期间，激光的至少一部分被光束吸收装置吸收，不用于激光加工等。一般，从高温状态起动的情况下的激光输出呈现随时间经过而降低的趋势。
记录所述每次激光振荡试行的最后的瞬间(即时刻T22、T24、T26...)的激光输出P22、P24、P26...。接着，求出连续的激光振荡试行最后的激光输出的差ΔP21(＝P22-P24)、ΔP22(＝P24-P26)...、ΔPn，在ΔPn达到规定的基准值以下时，判断部28判断出激光装置的准备结束，成为使用适宜状态。一般，随着通过激光振荡预热进展，激光装置接近稳定状态，所以连续的激光振荡试行的激光输出的差慢慢减小。因此，通过监视ΔPn能够恰当地判断激光输出稳定(即准备结束)的状态。此外，规定的基准值有时根据激光装置的种类或者用途而不同，但是通常可以根据经验规律而决定。
接着，图6和图5同样是表示从高温环境起动图1的激光装置的情况下的激光输出和时间的关系的图表，但是关于激光输出的稳定的判断利用和图3类似的思路。首先，预先求出激光振荡器的温度在基准温度范围内时的激光输出P20作为第一基准激光输出。此外，所谓基准温度范围，例如可以根据从经验规律等得到的稳定状态的最低基准温度以及最高基准温度来决定。接着，求出作为振荡器温度未进入上述基准温度范围的情况下的准备结束判断基准的第二基准激光输出P20’。在此，第二基准激光输出，虽然激光输出未达到稳定状态，但是依据其用途·目的，表示即使和第一基准激光输出同等对待也无妨的输出水平，具体来说，在第一基准P20上加上规定的正数或者乘以一个比1大的规定的正数来求得。在上述各次激光振荡试行的最后瞬间的激光输出(P22、P24、P26...)初次低于这样求得的第二基准值P20’的情况下，判断为准备结束。在图示的例子中，因为第三次的激光输出P26初次小于基准值P20’，所以可以判断出通过第三次的激光振荡试行，准备结束。
另外，在从高温环境起动激光装置的情况下，也可能有通过激光振荡器的热畸变等使得激光输出和经过时间呈现复杂的关系的情况，在那种情况下，通过把振荡器等的温度设定为上述的最高基准温度，或者根据经验规律等能够判断激光输出相对于时间经过进入了单调变化区域的温度，也能够恰当地判断准备结束或者未结束。
根据本发明，从低温环境或者高温环境起动的激光装置，在激光性能稳定的准备结束状态前，重复激光振荡试行，能够自动而且高效地进行接近热平衡状态等稳定状态的操作。另外，如果将规定基准设为根据激光输出的稳定状态而决定的基准，则因为该稳定状态由于振荡器随时间老化等而变化(降低)，所以即使是性能有所降低的激光装置也能够恰当地判断准备结束状态。
具体的规定基准，可以取连续两次的激光振荡试行中的激光输出值的差、或者预定的稳定状态的基准激光输出值和某次激光振荡试行中的激光输出值的差成为规定值以下这样简单的基准。
测量激光振荡器、激励介质、冷却水、激光电源以及激光输出测定器中至少一个的温度，在该温度成为根据激光装置的稳定状态而决定的规定基准温度之前，通过不进行激光振荡试行的重复而继续进行激光振荡，能够避免将极低温状态那样的、不是准备结束状态但是激光输出和稳定状态相同那样的状态判断为准备结束。
如果将具体的规定的基准温度范围设为预定的激光装置的稳定状态的最低基准温度以上或者最高基准温度以下，则可以从稳定状态或者极为接近稳定状态的状态起开始振荡试行。另一方面，如果将规定的基准温度范围设为激光装置的激光输出相对于时间经过单调增加或者单调减小那样的温度范围，则因为从更早的阶段开始激光振荡试行，所以有缩短激光装置起动时间的效果。
参照为说明而选定的特定实施形态说明了本发明，但是本领域技术人员明了，可以不脱离本发明的基本概念以及范围来进行多种变更。
Claims (8)
1.一种激光装置(10)，具有：激光振荡器(18)；向该激光振荡器(18)供给电力的激光电源(22)；测定激光输出的激光输出测定器(40)；吸收激光的光束吸收装置(44)；和接收激光输出指令，控制所述激光振荡器(18)、所述激光电源(22)、所述激光输出测定器(40)以及所述光束吸收装置(44)的控制装置(24)，所述激光装置(10)的特征在于，
所述控制装置(24)包含：
试行实施部(26)，在从所述激光振荡器(18)起动时起、直到进入激光使用适宜状态的准备过程中，经过规定时间使所述激光振荡器(18)成为激光振荡状态，在通过所述光束吸收装置(44)吸收振荡产生的激光(38)中的至少一部分的状态下，进行通过所述激光输出测定器(40)测定激光振荡状态下的激光输出的激光振荡试行；
判断部(28)，在通过所述试行实施部(26)进行的激光振荡试行中，判断通过所述激光输出测定器(40)测定的激光输出是否满足根据激光装置(10)的稳定输出状态而决定的规定基准；以及
反复起动部(30)，在所述判断部(28)判断出已满足所述规定基准前，自动地交替重复通过所述试行实施部(26)进行的激光振荡试行和激光不振荡状态。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其中，
所述规定基准是连续两次的激光振荡试行中的激光输出值的差达到规定值以下。
3.根据权利要求1所述的激光装置，其中，
所述规定基准是预定的稳定状态的基准激光输出值和所述激光振荡试行中的激光输出值的差达到规定值以下。
4.根据权利要求1所述的激光装置，其中，
还具有测量激光振荡器(18)、激励介质、冷却水、激光电源(22)以及激光输出测定器(40)中至少一个的温度的温度测定器(42)，
所述控制装置(24)，在通过所述温度测定器(42)测定的温度进入根据稳定输出状态而决定的规定的基准温度范围内之前，不进行基于所述反复起动部(30)的激光振荡试行的重复，而继续进行激光振荡试行。
5.根据权利要求4所述的激光装置，其中，
所述规定的基准温度范围是预定的所述激光装置(10)的稳定输出状态的最低基准温度以上。
6.根据权利要求4所述的激光装置，其中，
所述规定的基准温度范围是预定的所述激光装置(10)的稳定输出状态的最高基准温度以下。
7.根据权利要求4所述的激光装置，其中，
所述规定的基准温度范围是所述激光装置(10)的激光输出相对于时间经过而单调增加或者单调减小的温度范围。
8.一种激光装置(10)的起动方法，所述激光装置(10)具有：激光振荡器(18)；向该激光振荡器(18)供给电力的激光电源(22)；测定激光输出的激光输出测定器(40)；吸收激光的光束吸收装置(44)；和接收激光输出指令，控制所述激光振荡器(18)、所述激光电源(22)、所述激光输出测定器(40)以及所述光束吸收装置(44)的控制装置(24)，所述起动方法的特征在于，包含以下步骤：
在从所述激光振荡器(18)起动时起、直到进入激光使用适宜状态的准备过程中，经过规定时间使所述激光振荡器(18)成为激光振荡状态，在通过所述光束吸收装置(44)吸收振荡产生的激光(38)中的至少一部分的状态下，进行通过所述激光输出测定器(40)测定激光振荡状态下的激光输出的激光振荡试行的步骤；
在所述激光振荡试行中，判断通过所述激光输出测定器(40)测定的激光输出是否满足根据激光装置(10)的稳定输出状态而决定的规定基准的步骤；以及
在判断出已满足所述规定基准前，自动地交替重复所述激光振荡试行和激光不振荡状态的步骤。
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