CN102214890B - 稳定地控制微小的激光输出的激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种稳定地控制微小的激光输出的激光装置。激光装置(1)具备：互相串联配置的第一以及第二激光激励区域(21、22)；在第一激光激励区域中注入第一能量的第一电源单元(PSU1)；以及在第二激光激励区域中注入第二能量的第二电源单元(PSU2)，第一电源单元把开始激光振荡的临界注入能量以上的预定的激励能量作为第一能量，注入到第一激光激励区域，第二电源单元，把在放电管进行预备放电所需要的预备激励能量和临界注入能量之间，被注入到第二激光激励区域的能量作为第二能量，注入到第二激光激励区域，由此控制激光输出。因此，即使是高输出的激光装置也可以稳定地输出微小的激光。

Description

稳定地控制微小的激光输出的激光装置

技术领域

本发明涉及控制激光输出的激光装置，尤其涉及稳定地控制微小的激光输出的激光装置。

背景技术

通常，高输出激光装置的输出为数kW左右。众所周知，这种高输出的激光被用于厚板的切断、以及熔化深度较深的焊接等用途。

另一方面，激光装置也可以输出额定输出的一成以下的微小的激光。在输出微小的激光的情况下，可以进行向被加工物表面的印字、或者在后续工序中使用的指示线的描绘等激光标刻(laser marking)，或者不熔化被加工物表面地改良被加工物表面。

例如在具备额定输出为6kW的激光振荡器的激光切断机中，使用氧辅助气体，当设定为脉冲频率700Hz、平均输出4.5kW时，通过每分钟550mm的进给速度能够切断30mm厚的钢板。另外，在这种激光切断机中，同样地使用氧辅助气体，当设定为脉冲频率1000Hz、输出50W±10W时，通过每分钟5000mm的加工速度可以在钢板的表面上进行激光标刻。

然而，当输出额定输出一成以下的输出这样的微小的激光时，容易受到激光装置周围的外部环境以及激光装置内部的温度状况等的影响，激光输出有变得不稳定的趋势。其理由是，在输出微小的激光的区域中，通过注入激励能量，激光振荡的特性灵敏地变化。

在额定输出为6kW的所述激光振荡器中，为了获得额定输出，在激光介质中注入的能量相当于30kW。因此，包含激光介质、光学部件的激光共振器的热状态在获得额定输出的前后有很大不同。在这种状况下，作为额定输出的一成以下的输出的微小的激光输出，受激光振荡器的热状态的影响很大，结果，激光输出不稳定。

关于这一点，在日本特开2006-344722号公报中，通过在多个激光激励区域的各个区域中，使放电相位、占空比以及脉冲频率互不相同地进行控制，稳定地控制微小的激光输出。

但是，在仅考虑某一瞬间时，在日本特开2006-344722号公报中公开的具备多个激光激励区域的结构，与选择性地激励一个激励区域中的多个部分没有区别。因此，关于与用于激光激励的注入能量相对应的激光输出的增减，其比值也不改变。即，微小的激光输出灵敏地对激励能量的指令值的变化进行反应，因此，在日本特开2006-344722号公报中也依然存在难以控制微小的激光输出的问题。

发明内容

鉴于这种情况提出本发明，其目的在于提供即使是高输出的激光装置，也可以稳定地输出微小的激光的、改善了控制性的激光装置。

为了达成上述目的，根据第一方式提供一种激光装置，其中，具备：互相串联配置的第一以及第二激光激励区域；在所述第一激光激励区域中注入第一能量的第一电源单元；以及在所述第二激光激励区域中注入第二能量的第二电源单元，所述第一电源单元，把开始激光振荡的临界注入能量以上的预定的激励能量作为第一能量，注入到所述第一激光激励区域，所述第二电源单元，把在所述放电管预备放电所需要的预备激励能量和所述临界注入能量之间，注入到所述第二激光激励区域的能量作为第二能量，注入到所述第二激光激励区域，由此控制激光输出。

根据第二方式提供一种激光装置，其中，具备在激光激励区域中注入能量的电源单元，该电源单元，在第一能量和比该第一能量小的第二能量之间，脉冲状地注入能量，所述第一能量是开始激光振荡的临界注入能量以上的预定的激励能量，所述第二能量是所述放电管预备放电所需要的预备激励能量和所述临界注入能量之间的能量，所述电源单元，在所述预备激励能量和所述临界注入能量之间变更所述第二能量，由此控制激光输出。

根据第三方式，在第一或第二方式中，使所述预备激励能量加上或者减去预定的偏置激励能量，来设定所述第二能量。

根据第四方式，在第一或第二方式中还具备，使激光输出的目标值、所述第一能量和根据所述激光输出的目标值以及所述第一能量而决定的第二能量互相对应，作为数据表或函数来存储的存储部，根据所述激光输出的目标值、在使所述激光装置工作的程序中记载的第一能量、和在所述存储部中存储的数据表或函数，决定所述第二能量。

根据第五方式，在第一或第二方式中还具备：还具备：指令生成部，其生成与激光输出的目标值对应的所述第一以及第二能量的指令值；输出检测部，其取得从所述激光装置输出的激光的检测值；以及指令运算部，其根据通过所述指令生成部生成的所述第一以及第二能量的指令值、和通过所述输出检测部检测出的激光的检测值，通过预定的运算更新所述第二能量的指令值。

在第一方式中，将第一能量设定为临界注入能量以上，并且将第二能量设定在预备激励能量和临界注入能量之间。并且，通过仅使第二能量变化可以减小激光输出的变化率。因此，即使是高输出的激光装置，特别是在激光输出比较小的区域中，也可以稳定地微调激光输出。

在第二方式中，在临界注入能量以上的第一能量、和预备激励能量以及临界注入能量之间的第二能量之间脉冲状地输入了能量。因此，通过仅使第二能量变化可以减小激光输出的变化率。因此，即使是高输出的激光装置，特别是在激光输出比较小的区域中，也可以稳定地微调激光输出。第二方式在激光区域单一的情况下特别有利。

在第三方式中，即使第二能量比较大时也可以稳定地微调激光输出。

在第四方式中，通过利用数据表简单地求出第二能量。

在第五方式中，通过更新第二能量可以更准确地微调激光输出。

通过对附图所示的实施例进行的详细描述，本发明的上述以及其他目的、特征以及优点将更加明确。

附图说明

图1是表示基于本发明的激光装置的一般结构的概要图。

图2是表示在一个激光激励区域中注入的能量E和激光输出P之间的关系的图。

图3a是表示现有技术中的时间t和所注入的能量E的关系的图。

图3b是表示本发明的第一实施方式中时间t和所注入的能量E的关系的图。

图4a是表示在现有技术中，将第二激光激励区域中的能量Es固定为临界注入能量Et时，第一激光激励区域中的能量Em和激光输出P的关系的图。

图4b是表示在本发明的第一实施方式中，将第一激励区域中的能量Em固定为比临界注入能量Et大的值时，第二激光激励区域中的能量E和激光输出P的关系的图。

图5a是表示现有技术中的时间t和所注入的能量E的关系的另一图。

图5b是表示本发明的第二实施方式中时间t和所注入的能量E的关系的图。

图6a是表示在将低能量固定为预备激励能量Eb的同时，使高能量在临界注入能量Et以上的区域中变化时的高能量E1和激光输出P的关系的图。

图6b是表示在本发明的第二实施方式中，在将高能量E1固定为临界注入能量Et以上的值的同时，使低能量E2在预备激励能量Eb和临界注入能量Et之间变化时的低能量E2和激光输出P的关系的图。

图7a至图7c表示在第一以及第二激光激励区域中注入了预备激励能量Eb的情况下的时间t和能量E的关系的图。

图8是与第二高频电源单元相关的功能框图。

图9是表示在第二激光激励区域中注入的激励能量Es和激光输出P的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。在以下的附图中，对同样的部件标注同样的参照符号。为了易于理解，在这些附图中适当地变更了比例尺。

图1是表示基于本发明的激光装置的一般结构的概要图。众所周知，一般通过增减对激光装置的多个激励区域的注入能量使激光输出增减。在这种情况下，存在对全部激励区域同时施加能量的方式、和对多个激励区域依次施加能量的方式。在本发明那样的气体激光器的情况下，在放电管中形成激励区域。但是本发明不限于气体激光器，也可以是固体激光器。应该注意，在为固定激光器的情况下，在结晶杆或光纤中形成激励区域。以下，对气体激光器的情况进行说明。

图1所示的激光装置1主要包含CNC10和激光振荡器20。激光振荡器20输出放电激励型的比较高输出的激光。该激光振荡器20包含配置了互相相向的后镜23和输出镜24的放电管26。在此，输出镜24为部分透过性，其透过率约为20％～80％。另外，后镜23几乎不具有部分透过性，其透过率为0.1％左右。

另外，在后镜23的后方配置了激光功率传感器25。通过激光功率传感器25检测从后镜23取出的激光，其激光检测值Pm被输入到CNC10的指令运算部12。

在图1中，隔着放电管26配置的两组放电电极对21、22被设置在后镜23和输出镜24之间的光共振空间中。这些放电电极对21、22在放电管26上互相串联地配置。这些放电电极对21、22为同一尺寸，假定涂布了电介质。在本申请的说明书中，将放电电极对21之间的空间称为第一激光激励区域A，将放电电极对22之间的空间称为第二激光激励区域B。

另外，这些放电电极对21、22分别与第一高频电源单元PSU1、第二高频电源单元PSU2连接。此外，假定在这些放电电极对21、22和第一以及第二高频电源单元PSU1、PSU2之间分别设置了未图示的匹配电路。

并且，第一以及第二高频电源单元PSU1、PSU2与CNC10连接。假定通过CNC10以及高频电源单元PSU1、PSU2，控制向第一以及第二激光激励区域A、B分别供给的激励能量Em、Es。

如图1所示，在放电管26中配置送风机28，在送风机28的上游以及下游分别配置了热交换器27、27’。而且，激光振荡器20与冷却水循环系统34连接，放电管26内的激光气体等被适当冷却。另外，在放电管26上连接的激光气体压力控制系统33可以进行对放电管26的激光气体供给、以及来自放电管26的激光气体的排出。

CNC10是数字计算机，控制激光振荡器20整体的动作。如图所示，CNC10起到生成与激光输出Pt的目标值对应的第一以及第二激励能量Em、Es的指令值的指令生成部11的作用。而且，CNC10起到根据指令生成部11生成的第一以及第二激励能量Em、Es的指令值和激光功率传感器25检测出的激光的检测值Pm，通过预定的运算更新第二激励能量Es的指令值的指令运算部12的作用。

而且，CNC10包含存储部13，该存储部13将激光输出Pt的目标值、用于第一激光激励区域A的激励能量Em、和根据用于第一激光激励区域A的激励能量Em以及激光输出Pt的目标值决定的用于第二激励区域B的激励能量Es的指令值的对应关系，预先作为数据表或函数来存储。该存储部13还存储使激光装置1工作的工作程序以及各种数据。此外，假定在工作程序中预先记载了用于第一激光激励区域A的激励能量Em的指令值。

图2是表示在一个激光激励区域中注入的能量E和激光输出P之间的关系的图。如图2所示，在能量E小时不发生激光输出P，当能量E达到临界注入能量Et时开始激光振荡，获得激光输出P。此外，可以认为被放大的激光和在共振器内损失的激光为均衡的状态。并且，如图2所示，当注入比临界注入能量Et大的激励能量、例如激励能量Em时，激光输出P也与之相应地增大。

然而，在当前实用化的大量激光装置中，有时在激光输出之前，预先或者经常在激光激励区域A、B中注入比临界注入能量Et小的预备激励能量Eb。在预备激励能量Eb中不发生激光输出P。但是，通过如此注入预备激励能量Eb可以维持放电管26中的放电状态，或者在激光输出时的过渡特性中，可以使激光输出值不超调。如此注入预备激励能量Eb的方式有时被称为预备放电和预燃(simmer)放电。

图3a以及图3b是分别表示现有技术以及本发明的第一实施方式中时间t和注入的能量E的关系的图。在这些附图中，横轴表示时间t，纵轴表示在激光激励区域A、B中注入的能量E。

以下，参照这些附图说明本发明的第一实施方式中的激光装置的动作。如图3a所示，在现有技术中，把第一激光激励区域A中的激励能量Em设为比临界注入能量Et大的激励能量，在第二激光激励区域B中不注入激励能量Es。

图4a是表示在现有技术中把第二激光激励区域B中的激励能量Es固定为临界注入能量Et时，第一激光激励区域A中的激励能量Em和激光输出P的关系的图。从图4a可知，当在第二激光激励区域B中注入临界注入能量Et的同时，在第一激光激励区域A中注入某激励能量Em1时，获得作为目标的激光输出Pt。并且如图所示，当第一激光激励区域A中的激励能量Em为临界注入能量Et以上时，激光输出P线性变化。

但是，如图所示，表示能量Em的横轴和关系式之间所成的角度比较大。因此，当微小地变更第一激光激励区域A中的激励能量Em时，激光输出P大幅度变化。因此，特别在第一激光激励区域A中的激励能量Em接近临界注入能量Et时，难以产生微小的激光输出P。

与之相对，在本发明的第一实施方式中，如图3b所示，把第一激光激励区域A中的激励能量Em设为比临界注入能量Et大的激励能量的同时，在第二激光激励区域B中注入临界注入能量Et以下的激励能量Es。在此，假定第二激光激励区域B中的激励能量Es比预备激励能量Eb大。

并且，图4b是表示在本发明的第一实施方式中把第一激光激励区域A中的激励能量Em固定为比临界注入能量Et大的值的情况下的、第二激光激励区域B中的激励能量Es和激光输出P的关系的图。如图4b所示，在第一实施方式中，激光输出P的变化率根据第二激光激励区域B中的激励能量Es是否在临界注入能量Et以上而不同。

具体来说，第二激光激励区域B中的激励能量Es比临界注入能量Et小时的激光输出P的变化率，小于第二激光激励区域B中的激励能量Es在临界注入能量Et以上时的激光输出P的变化率。

即，在本发明中，在激光输出P比较小的区域中，激光输出P相对于能量E比较迟缓地变化。因此，当第二激光激励区域B中的激励能量Es比临界注入能量Et小时，可以稳定地产生微小的激光输出P，容易地进行微调。在这种情况下可知，即使激光振荡器20受到热变化的影响，热变化对激光输出P的影响也较小。

第一实施方式中的激光振荡器20具有两个高频电源单元PSU1、PSU2和与它们分别对应的两个激光激励区域A、B。但是，根据激光装置1的形式，有时仅具有单一的高频电源单元以及单一的激光激励区域。在以下所述的第二实施方式的激光装置1中，假定不存在高频电源单元PSU2以及第二激光激励区域B。

图5a以及图5b分别表示在现有技术以及本发明的第二实施方式中时间t和能量E的关系。在这些图中脉冲状地交替输入高能量E1和低能量E2。

图5a所示的现有技术中的高能量E1比临界注入能量Et大，低能量E2相当于预备激励能量Eb。在现有技术中，通过使高能量E1在比临界注入能量Et大的区域中变化，控制激光输出P。

另外，图6a表示将低能量E2固定为预备激励能量Eb，同时使高能量E1在临界注入能量Et以上的区域中变化时的能量E与激光输出P的关系。如图6a所示，当高能量E1在临界注入能量Et以上时，激光输出P线性变化。但是在这种情况下，表示高能量E1的横轴与关系式之间所成的角度比较大，产生与上述相同的问题。

与此相对，在图5b所示的第二实施方式中，将高能量E1固定为临界注入能量Et以上的值，同时使低能量E2在预备激励能量Eb和临界注入能量Et之间变化。此外由图5b可知，有时把低激励能量Es相对于预备激励能量Eb的偏差称为偏差能量E0。

并且，图6b表示在本发明的第二实施方式中将高能量E1固定为临界注入能量Et以上的值，同时使低能量E2在预备激励能量Eb和临界注入能量Et之间变化时的能量E2与激光输出P的关系。

如图6b所示，低能量E2比临界注入能量Et小时的激光输出P的变化率，小于低能量E2处在临界注入能量Et和高能量E1之间时的激光输出P的变化率。因此可知，在第二实施方式中，在低能量E2比临界注入能量Et小时也可以稳定地产生微小的激光输出P，容易进行微调。

图7a～图7c是与表示在第一以及第二激光激励区域A、B中注入预备激励能量Eb时的时间t和能量E的关系的图3b同样的图。在第一以及第二激光激励区域A、B中如此注入能量时，通过使在激光激励区域B中注入的能量增加偏差能量E0(图7b)或者减少偏差能量E0(图7c)，使激光输出P变更。

在这种情况下也同样可以稳定地产生微小的激光输出P，容易地进行微调。这在需要使第二能量比较大的情况下特别有利。此外，应该注意图7所示的方法可以应用于所述第一以及第二实施方式双方。

如前所述，在图4a中，在第二激光激励区域B中将激励能量Es固定为临界注入能量Et时，使第一激光激励区域A中的激励能量Em变化。并且，在图4b中，在将第一激光激励区域A中的激励能量Em固定为比临界注入能量Et大的值时，使第二激光激励区域B中的激励能量Es变化。

由所述图4a以及图4b的内容可知，这种情况下的激光输出不与在第一以及第二激光激励区域A、B中注入的能量的合计值成比例。换言之，难以根据激光输出唯一地计算出第一以及第二能量。

因此，在本发明中如下表中所示那样，将激光输出Pt的目标值、用于第一激光激励区域A的激励能量Em、和根据用于第一激光激励区域A的激励能量Em以及激光输出Pt的目标值而决定的用于第二激光激励区域B的激励能量Es的指令值的对应关系预先作为数据表或函数，存储在CNC10的存储部13中。假定该数据表的内容通过实验等而生成。在以下的表1中表示了将该对应关系的一部分作为数据表来存储的状态。

【表1】

条件编号	目标激光输出Pt	第一激励能量Em	第二激励能量Es
				条件1	50W	2000W	1600W
条件2	100W	2000W	1700W
				条件3	150W	2000W	1780W
条件4	50W	2100W	1610W
				条件5	100W	2100W	1670W

在用于使激光装置1工作的程序中记载了注入第一激光激励区域A的激励能量Em的指令值。因此，若确定激光输出Pt的目标值，则也自动地根据程序和数据表决定应该注入到第二激光激励区域B中的激励能量Es的指令值。

通常，首先决定激光输出Pt的目标值，接着，根据在程序中记载的注入到第一激光激励区域A中的激励能量Em的指令值，确定应该在第二激光激励区域B中注入的激励能量Es的指令值。通过如此利用数据表，在本发明中能够简单地求出第二激励能量Es。或者也可以根据表1的左方所示的“条件”的编号，决定激励能量Es的指令值。

此外，在表1的条件4、5中的激光输出Pt的目标值，与条件1、2中的激光输出Pt的目标值分别相同。但是，第一激光激励区域A中的激励能量Em的指令值互不同，因此，第二激光激励区域B中的激励能量Es的指令值也成为不同的值。换言之，为了决定第二激光激励区域B中的激励能量Es，需要激光输出Pt和第一激光激励区域A中的激励能量Em双方。

图8是与第二高频电源单元相关的功能框图。当被赋予了输出条件Lx和激光输出Pt的目标值时，CNC10根据预定的计算式计算第一激光激励区域A中的能量的指令值Em^*。或者可以采用在激光装置1的程序中记载的第一激光激励区域A中的能量的指令值Em^*。

并且，在本发明中使用图8所示的反馈电路计算应该注入第二激光激励区域B的能量的指令值Es^*。由此，在第一以及第二激光激励区域A、B中分别注入与指令值Em^*、Es^*对应的能量。

如图8所示，对激光输出Pt的指令值和通过激光功率传感器25检测出的激光检测值Pm的差分乘以增益G1。在此，从输出镜24输出的激光的强度与激光检测值Pm成比例，因此，通过对激光检测值Pm乘以预定的系数，可以将激光输出的值提供给CNC10。

并且，进一步减去通过监视器M检测出的注入能量的检测值Esm^*，然后通过乘以增益G2决定应该注入到第二激光激励区域B的激励能量Es的指令值。该计算可以由指令运算部12来进行。

换言之，在图8所示的实施方式中，根据以下式子决定第二激励能量Es的指令值。

Es^*＝G2×(G1×(Pt-Pm)-Esm^*)

由该式可知，由于Es^*的影响，激光输出迅速增减，激光输出Pt的强度接近指令值。

或者，在通过来自激光装置1的激光进行激光加工前，修正激光输出也是有效的。图9表示在第二激光激励区域中注入的激励能量Es和激光输出Pt的关系。

首先，从高频电源单元PSU1向第一激光激励区域A提供激励能量Em。接着，从高频电源单元PSU2取得注入了能量EA时的激光输出PA、和注入了能量EB时的激光输出PB。由此，计算出图9所示的输出特性直线。使用该直线可以计算出图9所示的激光输出Pt所需的注入激励能量Es1。这样的计算通过CNC10的指令运算部12来实施。通过使用如此得到的注入激励能量Es1获得稳定的激光输出Pt，结果可以进行波动少的激光加工。

另外，也可以使用这样的方法进行将表1所示的数据表内的注入激励能量Es置换为激励能量Es1的修正。由此，能够不在CNC10的程序上变更指令地，更准确地对激光输出进行微调整。

在所述实施方式中对激励能量的指令值的生成进行了说明。但是，当实际指示激励能量的量时，可以根据针对放电管26的电压或电流来指示，或者根据相对于最大的注入能量的比来指示。

以上，根据实施例对本发明进行了表现和描述，但本领域技术人员应能理解，在不脱离本发明的主旨以及范围的情况下，可以进行上述以及其它变更、省略以及增加。

Claims (5)

1.一种激光装置(1)，其特征在于，

具备：

互相串联配置的第一激光激励区域(21)以及第二激光激励区域(22)；

在所述第一激光激励区域(21)中注入第一能量的第一电源单元(PSU1)；以及

在所述第二激光激励区域(22)中注入第二能量的第二电源单元(PSU2)，

所述第一电源单元(PSU1)，把开始激光振荡的临界注入能量以上的预定的激励能量作为第一能量，注入到所述第一激光激励区域(21)，所述第二电源单元(PSU2)，把在预备放电所需要的预备激励能量和所述临界注入能量之间，注入到所述第二激光激励区域(22)的能量作为第二能量，注入到所述第二激光激励区域(22)，由此控制激光输出。

2.一种激光装置(1)，其特征在于，

具备在激光激励区域中注入能量的电源单元(PSU1)，

该电源单元(PSU1)，在第一能量和比该第一能量小的第二能量之间，脉冲状地注入能量，

所述第一能量是开始激光振荡的临界注入能量以上的预定的激励能量，所述第二能量是预备放电所需要的预备激励能量和所述临界注入能量之间的能量，

所述电源单元(PSU1)，在所述预备激励能量和所述临界注入能量之间变更所述第二能量，由此控制激光输出。

3.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，

使所述预备激励能量加上或者减去预定的偏置激励能量，来设定所述第二能量。

4.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，

还具备，使激光输出的目标值、所述第一能量和根据所述激光输出的目标值以及所述第一能量而决定的第二能量互相对应，作为数据表或函数来存储的存储部(13)，

根据所述激光输出的目标值、在使所述激光装置(1)工作的程序中记载的第一能量、和在所述存储部(13)中存储的数据表或函数，决定所述第二能量。

5.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，

还具备：

指令生成部(11)，其生成与激光输出的目标值对应的所述第一能量以及第二能量的指令值；

输出检测部(25)，其取得从所述激光装置(1)输出的激光的检测值；以及

指令运算部(12)，其根据通过所述指令生成部(11)生成的所述第一能量以及第二能量的指令值、和通过所述输出检测部(25)检测出的激光的检测值，通过预定的运算更新所述第二能量的指令值。

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