CN110036321B - 调芯方法 - Google Patents

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Abstract

在激光器振荡器(10)与光纤(30)之间具有调芯机构(20)。从激光器振荡器(10)射出的激光(11)经由调芯机构(20)从光纤(30)的射出端(32)射出。激光评价装置(200)具有CCD相机(100)，在CCD相机(100)的受光面接受激光(11)的一部分，取得光强度分布。基于该光强度分布，由调芯机构(20)进行激光器振荡器(10)与光纤(30)之间的调芯。

Description

调芯方法
技术领域
本发明涉及激光器加工装置等中的激光器振荡器与光纤之间的调芯方法。
背景技术
过去已知以光纤对来自气体激光器或固体激光器等的激光器振荡器的射出光进行导波来进行工件的焊接或加工的激光器加工装置。
为了提高激光器振荡器与光纤的结合效率来确保加工所用的激光的输出，通常在激光器振荡器与光纤之间进行调芯。
过去提出如下那样的技术：使来自激光器振荡器的射出光经由聚光透镜等光学构件入射到光纤的一个端面，用功率计或受光元件等测定从另一方射出的光的输出，调整聚光透镜的位置等以使该输出成为最大，来进行调芯(例如参考专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平08-167754号公报
发明内容
近年来，对加工精度的要求变得严格，照射到工件的激光束的形状控制变得重要。
然而，激光束的功率成为最大的聚光透镜的位置和激光束的形状成为最优的聚光透镜的位置不一定一致。因此，若在前者的位置将聚光透镜固定而结束调芯，就有可能得不到所期望的激光束形状。另外，其结果，有可能发生调芯作业的重新进行等，从而降低作业效率。
本发明的一个方式鉴于相关问题而提出，其目的在于，提供基于激光束的光强度分布的监视结果来进行调芯的方法。
为了实现上述目的，在本发明的一个方式中，基于调芯中所用的受光部的受光面上的光强度分布来进行激光器振荡器与光纤之间的调芯。
具体地，本发明的一个方式所涉及的调芯方法是使用激光评价装置在激光器振荡器与光纤之间进行调芯的方法，在激光器振荡器与光纤之间设置调芯机构，激光评价装置具有在受光面上接受从光纤射出的激光的受光部，该调芯方法具备：在受光部的受光面上接受从激光器振荡器射出并经由调芯机构在光纤被导波的激光的步骤；和基于在受光部的受光面上接受的激光的光强度分布，由调芯机构进行激光器振荡器与光纤之间的调芯的步骤。
根据该方法，由于基于在受光面上接受的激光的光强度分布来进行激光器振荡器与光纤之间的调芯，因此能够提高调芯精度，并且能够使最终输出的激光的形状良好。
优选地，进行激光器振荡器与光纤之间的调芯，使得从受光面上的光强度分布导出的从光纤射出的激光的数值孔径成为最小。
根据该方法，由于进行激光器振荡器与光纤之间的调芯，使得从受光面上的光强度分布导出的数值孔径成为最小，因此能将最终输出的激光的光斑直径缩小到所期望的大小。
优选地，光纤是双包层光纤，基于在受光面上的光强度分布中出现的2次峰值的位置来进行激光器振荡器与光纤之间的调芯。
根据该方法，能够提高激光器振荡器与双包层光纤之间的调芯精度，并且能够使最终输出的激光的形状良好。
优选地，上述的激光评价装置具有：使激光的一部分向受光部偏向的镜单元；对在镜单元偏向了的激光进行整形使得该激光的辐射角分布被变换成位置分布的fθ透镜；使在fθ透镜进行了整形的激光的行进方向变化的物镜；将通过了物镜的激光减光的减光滤光器；和将通过了减光滤光器的激光聚光到受光面的成像透镜。
根据该结构，能将激光的辐射角分布变换成受光面上的光强度分布，能简便地进行激光器振荡器与光纤之间的调芯。
如以上说明的那样，根据本发明的一个方式，能够使激光器振荡器与光纤的调芯精度提高，并且能够使最终输出的激光的形状良好。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1中的用于进行激光器振荡器与光纤之间的调芯的各种装置的配置的图。
图2是表示镜单元的分光特性的图。
图3是说明fθ透镜的功能的概略图。
图4是说明物镜的功能的概略图。
图5是说明成像透镜的功能的概略图。
图6A是示出从与激光器振荡器的光轴正交方向观察的调芯机构的概要的图。
图6B是示出从激光器振荡器的光轴方向观察的调芯机构的概要的图。
图7是表示相对于调芯机构内的聚光透镜位置的激光功率以及数值孔径的变化的图。
图8是表示CCD相机上的激光强度分布的概略图。
图9是表示镜单元的其他分光特性的图。
图10是表示本发明的实施方式2所涉及的CCD相机上的激光强度分布的概略图。
具体实施方式
以下基于附图来详细说明本发明的实施方式。以下的优选的实施方式的说明本质上只是例示，本发明完全不意图限制其应用物或其用途。
(实施方式1)
图1表示本发明的实施方式1所涉及的用于进行激光器振荡器10与光纤30之间的调芯的各种装置的配置。配置有激光器振荡器10、光纤30和调芯机构20。激光器振荡器10射出激光11。光纤30将从激光器振荡器10射出的激光11进行导波。调芯机构20用于进行激光器振荡器10与光纤30之间的调芯。进而，配置激光评价装置200，使其接受从光纤30的射出端32射出的激光，评价其特性。另外，在本实施方式中，光纤30是单包层光纤。
另外，调芯机构20通常配置于激光器振荡器10的壳体(未图示)内。
激光评价装置200具备镜单元40、积分球50和聚光部60。镜单元40使从光纤30的射出端32射出的激光11的一部分偏向，使剩余的透过。积分球50是对透过了镜单元40的激光12进行吸收、冷却的阻尼部。聚光部60将通过镜单元40进行了偏向的激光13聚光到CCD相机100的受光面。
进而，激光评价装置200具备CCD相机100、图像处理部110和监视器120。CCD相机100是具有作为受光面的CCD传感器(未图示)的受光部，接受激光13，生成图像信号。图像处理部110对来自CCD相机100的图像信号进行处理。监视器120显示由图像处理部110进行了图像处理的图像。
聚光部60具有fθ透镜61和物镜62。fθ透镜61是将通过镜单元40进行了偏向的激光13变换成与其辐射角对应的高度的光斑的等距投影透镜。物镜62配置于与fθ透镜61的焦距对应的位置，将通过了fθ透镜61的激光13聚光。进而，聚光部60具有减光滤光器63和成像透镜64。减光滤光器63将通过了物镜62的激光13减光。成像透镜64将通过了减光滤光器63的激光13聚光到CCD相机100的受光面。
为了从激光13保护聚光部60和CCD相机100，镜单元40具有图2所示那样的分光特性，使激光11的大部分透过。
镜单元40是作为热透镜对策而由低OH基材构成的镜。
另外，镜单元40为了应对从高输出到低输出的激光11而构成为能更换。在本实施方式中，使用与激光11高输出例如kW级别的输出的情况相对应的高透过且低反射的镜。
在镜单元40进行了偏向的激光13入射到fθ透镜61。fθ透镜61具有将入射的激光13变换成与其辐射角对应的高度的光斑的功能，换言之，具有将激光13的辐射角分布变换成位置分布的功能。
如图3所示那样，以角度θ入射到fθ透镜61的激光13被聚光为满足数式(1)的关系。
y＝f×θ…(1)
其中，
y：在fθ透镜61的焦点位置的像高
f：fθ透镜61的焦距
θ：激光13的辐射角。
由于fθ透镜61具有上述的特性，因此观察通过fθ透镜61后的激光13的光强度分布，就能求取激光13的特性。例如，能根据成为光强度分布的峰值的半值的高度来容易地求取入射到fθ透镜61的激光13的入射角的半值。
另外，在图3中示出用3片透镜构成fθ透镜61的示例，但也可以使用这以上或这以下的片数的透镜。
通过了fθ透镜61的激光13入射到配置于fθ透镜61的焦点位置附近的物镜62。如图4所示那样，物镜62改变通过了fθ透镜61的激光13的行进方向来使其向成像透镜64入射。在没有物镜62的情况下，通过了fθ透镜61的激光13持续扩散，像的周边的光不进入成像透镜64而不断前进。
另外，在图4中省略了减光滤光器63的图示。另外，在图4中示出了用1片透镜1构成物镜62的示例，但也可以使用这以上的片数的透镜。
通过了物镜62的激光13入射到减光滤光器63。减光滤光器63为了调整CCD相机100上的光强度而具有使入射的激光13衰减的功能。所谓“CCD相机100上”，更详细而言是“CCD相机100的CCD传感器上”。
通过了减光滤光器63的激光13入射到成像透镜64。如图5所示那样，由成像透镜64将通过了fθ透镜61后的激光13以给定的倍率缩小，以使其与CCD相机100的传感器尺寸相匹配。
另外，在图5中示出了用6片透镜构成成像透镜64的示例，但也可以使用这以上或这以下的片数的透镜。
通过了成像透镜64的激光13入射到CCD相机100。CCD相机100配置成CCD相机100的CCD传感器来到与成像透镜64的焦距对应的位置。
接下来，说明激光器振荡器10与光纤30之间的调芯方法。
CCD相机100上的光强度分布在图像处理部110被处理，在监视器120显示为图像。一边观测该光强度分布一边用调芯机构20进行激光器振荡器10与光纤30之间的调芯。以下说明具体的调整方法。
如图6A以及图6B所示那样，调芯机构20包括聚光透镜21和透镜位置调整螺丝22～24。透镜位置调整螺丝22～24是用于使聚光透镜21向X、Y、Z方向分别移动的调整螺丝。
从激光器振荡器10射出的激光11通过调芯机构20内的聚光透镜21而聚光，并入射到光纤30的入射端31。使用透镜位置调整螺丝22～24调整聚光透镜21的位置，以使由聚光透镜21聚光的激光11入射到入射端31。由此进行激光器振荡器10与光纤30之间的调芯。
在一般的调芯方法中，观测从光纤30的射出端32射出的激光11的输出，调整聚光透镜21的位置，以使该输出成为最大。
但是，如图7所示那样，在该一般的调整方法中，相对于聚光透镜21与光纤30的入射端31之间的位置偏移的灵敏度低。另外，在激光的输出成为最大的聚光透镜21的位置附近，相对于聚光透镜21的位置变动的激光的输出的变动极小。由此聚光透镜21与光纤30之间的位置调整精度变低。
这主要是因为，与光纤30的纤芯直径相比而在聚光透镜21聚光的激光11的光斑尺寸小。
若入射到光纤30的入射端31的激光11的光斑尺寸为与光纤30的纤芯直径同等以上，一部分激光就会不入射到光纤30的纤芯，会产生损耗。另外，在激光从纤芯溢出并入射到包层的情况下，入射端31的端面有可能会损伤。
因而，例如通过与光纤30的纤芯直径相比，使在聚光透镜21聚光的激光11的光斑尺寸变小，就不会发生这些问题。
但是在该情况下，即使入射到光纤30的入射端31的激光11的光轴与光纤30的光轴产生了偏移，全部激光11也会通过光纤30。由此，从光纤30的射出端32输出的激光11有可能在空间上来看成为非对称的形状。因此，有可能在最终照射到工件的激光的形状产生偏差。
因此，在本实施方式中，通过将从CCD相机100上的激光13的光强度分布导出的激光13的数值孔径(以下称作NA)作为聚光透镜21的位置调整时的指标，来解决上述的问题。
如图7所示那样，因为NA对聚光透镜21的位置变动敏感地做出反应，所以与将激光11的输出作为调整指标的情况相比，调芯的精度提高。
在此说明根据CCD相机100上的激光13的光强度分布来导出NA的方法。
图8示出CCD相机100上的激光13的光强度分布。从该分布取得X方向以及Y方向的强度曲线。
首先，在各个曲线，求取强度成为最大的X方向的位置坐标x0以及Y方向的至少一个位置坐标y0。进而求取成为最大强度的1/e2的强度下的X方向的位置坐标x1以及Y方向的至少一个位置坐标y1。
若将x0与x1的差设为x，将y0与y1的差设为y，则x、y分别满足数式(2)、(3)的关系。
x＝f’×θ…(2)
y＝f’×θ…(3)
其中，
f’：由聚光部60的光学系统决定的参数。另外，θ与数式(1)所示的相同，是激光13的辐射角。
另外，由于
NA＝sinθ…(4)
因此，将上述的数式(2)或数式(3)代入数式(4)来导出
NA＝sin(x/f’)…(5)
NA＝sin(y/f’)…(6)。
由从上述的数式(5)、(6)可知，能从CCD相机100上的光强度分布直接求取NA。可以仅从X方向的强度曲线求取NA，也可以仅从Y方向的强度曲线求取NA。
另外，通过从两方的强度曲线分别导出NA，从而NA的导出精度、进而激光器振荡器10与光纤30之间的调芯精度提高。
不管在哪种情况下，都能使用透镜位置调整螺丝22～24调整聚光透镜21的位置，以使得到的NA成为最小，通过进行激光器振荡器10与光纤30之间的调芯，来确保最终得到的激光的输出并使其形状良好。
另外，在激光11为低输出的情况下，作为图1所示的镜单元40，可以使用具有图9所示的分光特性的镜。所谓低输出，例如是指数十mW～W级别的输出。
在该情况下，在图1中，入射到镜单元40的激光11的大部分反射并入射到fθ透镜61，剩余的一部分入射到积分球50。
(实施方式2)
图10表示本发明的实施方式2所涉及的CCD相机100上的激光的光强度分布。与实施方式1的不同点在于：作为光纤30而使用双包层光纤；以及作为聚光透镜21的位置调整指标而使用CCD相机100上的光强度分布中出现的2次峰值位置。
如图10所示那样，在光纤30是双包层光纤的情况下，在CCD相机100上的光强度分布中，除了强度成为最大的位置P1以外，还产生出现2次峰值的位置P2。在图10的示例中，在X方向上有2个位置P2，在Y方向上有2个位置P2。
该2次峰值由于在包围纤芯的第1包层与包围第1包层的第2包层的界面在第1包层内导波的激光部分反射而产生。
例如导出X方向的2个位置P2，调整聚光透镜21的位置，使得这2个位置P2的中间点来到图像上的中心。由此能够进行激光器振荡器10与光纤30之间的调芯。同样地，也可以利用Y方向的2个位置P2来进行调芯。另外，还可以利用X方向的2个位置P2以及Y方向的2个位置P2来进行调芯。
(其他实施方式)
若激光器振荡器10是例如日本特开2016-73983号公报、日本特开2016-112609号公报公开的射出具有多个波长分量的激光的结构，则按各个波长的每一个，图1所示的CCD相机100上的激光的焦点不同。
在这样的情况下，能够通过在针对激光的中心波长的成像透镜64的焦点位置配置CCD相机100，来进行激光器振荡器10与光纤30之间的调芯。
另外，若将成像透镜64设为能在激光13的光轴方向上移动的结构，就能使CCD相机100的受光面上的焦点分别对于激光13中所含的不同波长分量相匹配。例如可以使成像透镜64在激光13的光轴方向上移动，按每个波长分量对准CCD相机100的受光面上的焦点，在此基础上，根据取得的多个光强度分布分别求取NA，来进行调芯。
另外，在实施方式1中将光纤30设为了单包层光纤，但也可以是双包层光纤。
作为接受激光13的相机，也可以取代CCD相机100而使用搭载CMOS图像传感器等其他二维光传感器的相机。
另外，在各实施方式中，使用从光纤30的射出端32射出的激光11来进行调芯，但例如也可以在射出端32安装搭载了准直透镜、聚光透镜以及保护玻璃等的激光器射出单元(未图示)，使用从激光器射出单元射出的激光11来进行激光器振荡器10与光纤30之间的调芯。
产业上的可利用性
本发明的一个方式的调芯方法能确保最终得到的激光的输出并使其形状良好，是有用的。
附图标记说明
10 激光器振荡器
20 调芯机构
21 聚光透镜
22～24 透镜位置调整螺丝
30 光纤
40 镜单元
50 积分球
60 聚光部
61 fθ透镜
62 物镜
63 减光滤光器
64 成像透镜
100 CCD相机(受光部)
110 图像处理部
120 监视器
200 激光评价装置
P2 2次峰值位置。

Claims (5)

1.一种调芯方法，是使用激光评价装置在激光器振荡器与光纤之间进行调芯的方法，
在所述激光器振荡器与所述光纤之间设置调芯机构，
所述激光评价装置具有在受光面上接受从所述光纤射出的激光的受光部，
所述调芯方法具备：
在所述受光部的所述受光面上接受从所述激光器振荡器射出并经由所述调芯机构在所述光纤被导波的激光的步骤；和
基于在所述受光部的所述受光面上接受的激光的光强度分布，由所述调芯机构进行所述激光器振荡器与所述光纤之间的调芯的步骤，
进行所述激光器振荡器与所述光纤之间的调芯，使得从所述受光面上的所述光强度分布利用包括X方向的强度曲线或Y方向的强度曲线的以下的数式导出的从所述光纤射出的激光的辐射角的函数即数值孔径成为最小，
NA＝sin(x/f’)
NA＝sin(y/f’)
NA是数值孔径，x是从X方向的强度曲线中的峰值起成为最大强度的1/e2的强度下的X方向的长度，y是从Y方向的强度曲线中的峰值起成为最大强度的1/e2的强度下的Y方向的长度，f’是根据光学系统决定的参数。
2.根据权利要求1所述的调芯方法，其中，
进行所述激光器振荡器与所述光纤之间的调芯，使得在从所述受光面上的所述光强度分布导出的从所述光纤射出的激光的输出成为最大的位置的附近形成激光的输出变动小的不灵敏区。
3.根据权利要求1所述的调芯方法，其中，
所述光纤是包括纤芯、包围所述纤芯的第1包层和包围所述第1包层的第2包层的双包层光纤，
基于在包围所述纤芯的所述第1包层与包围所述第1包层的所述第2包层的界面激光进行导波时在所述受光面上的所述光强度分布中出现的2次峰值的位置来进行所述激光器振荡器与所述光纤之间的调芯。
4.根据权利要求1所述的调芯方法，其中，
在使成像透镜在激光的光轴方向上移动，按每个波长分量对准所述受光面上的焦点的基础上，从所述受光面上的激光的每个波长分量的所述光强度分布导出从所述光纤射出的激光的数值孔径。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的调芯方法，其中，
所述激光评价装置具有：
镜单元，其使从所述光纤射出的所述激光的一部分向所述受光部偏向；
fθ透镜，其对在所述镜单元偏向了的所述激光进行整形，使得该激光的辐射角分布被变换成位置分布；
物镜，其使在所述fθ透镜进行了整形的所述激光的行进方向变化；
减光滤光器，其对通过了所述物镜的所述激光进行减光；和
成像透镜，其将通过了所述减光滤光器的所述激光聚光到所述受光面。
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