JP2007190566A - ファイバレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバレーザ出力の安定性を向上させ、ひいてはレーザ加工の再現性および信頼性を向上させること。
【解決手段】 このファイバレーザ加工装置は、ファイバレーザ発振器１０、レーザ電源部１２、レーザ入射部１４、ファイバ伝送系１６、レーザ出射部１８および加工テーブル１８等から構成される。ファイバレーザ発振器１０より発振出力されたファイバレーザ光ＦＢの一部がビームスプリッタ４０を介してパワーモニタ用のフォトダイオード（ＰＤ）４２に受光され、ＰＤ４２の出力信号がレーザ電源部１２に送られる。レーザ電源部１２は、ＰＤ４２の出力信号をフィードバック信号として受け取り、ファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力を設定値に一致させるように、励起部２４のＬＤ３０に供給する駆動電流のたは励起用電流を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明はファイバレーザを用いてレーザ加工を行うファイバレーザ加工装置に関する。

従来より、発光元素を含むコアを所定の励起光で励起して所定波長の原レーザ光を発振出力する光ファイバ構造のレーザいわゆるファイバレーザが知られている。ファイバレーザは、非常に細長いコアを活性媒体とするため、ビーム径が細くてビーム広がり角の小さなレーザ光（ファイバレーザ光）を発振出力することができる。しかも、ファイバの中に入射した励起光がファイバ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、非常に高い発振効率でファイバレーザ光を生成することができる。さらに、ファイバレーザは、ファイバのコアが熱レンズ効果を起こさないため、ファイバレーザ光のビームモードが非常に安定している。

従来のファイバレーザ加工装置は、所望のレーザ出力に対応する励起用の電流値を設定し、レーザ電源部が設定電流値に等しい励起電流を励起光源たとえばレーザダイオード（ＬＤ）に流すようにしていた。また、ファイバレーザのファイバの長さを任意に選べることから、ファイバレーザの出力側端部を加工場所まで引いて、ファイバレーザより発振出力されたファイバレーザ光を集光光学系に通して被加工物の加工点に直接照射するようにしていた。

しかしながら、従来のファイバレーザ加工装置は、励起用ＬＤの劣化や波長シフト等の影響でレーザ出力が安定しない面があり、レーザ加工の再現性および信頼性が低かった。また、加工場所で発生する熱、振動、周囲光等の影響をファイバレーザが受けやすく、レーザ発振性能の低下や部品（発振用光ファイバ、光共振器等）の損傷・劣化等を起こしやすいという問題もあった。

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、ファイバレーザ出力の安定性を向上させ、ひいてはレーザ加工の再現性および信頼性を向上させるファイバレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、ファイバレーザあるいはファイバレーザ発振器が加工場所の外乱から受ける影響を少なくしてレーザ発振性能の低下や発振用光ファイバの損傷・劣化を防止するようにしたファイバレーザ加工装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１のファイバレーザ加工装置は、 発光元素を含むコアとこのコアを取り囲むクラッドとを有する発振用の光ファイバと、前記発振用光ファイバのコアに励起光を供給するための励起部と、前記発振用光ファイバに所定波長のレーザ光を発振出力させるために前記励起部を発光駆動する電源部と、前記発振用光ファイバより生成された前記レーザ光を被加工物の加工点に向けて集光照射するレーザ出射部と、前記レーザ光のレーザ出力について所望の基準値または基準波形を設定する設定部と、前記発振用の光ファイバより発振出力された前記レーザ光のレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が前記基準値または基準波形に一致するように前記電源部を制御する制御部とを有する。

本発明の第２のファイバレーザ加工装置は、発光元素を含むコアを活性媒質とし、前記コアを所定の励起光で励起して所定波長のレーザ光を発振出力する光ファイバ構造のファイバレーザ発振器と、前記ファイバレーザ発振器より発振出力された前記レーザ光を被加工物の加工点に向けて出射するレーザ出射部と、前記ファイバレーザ発振器より発振出力された前記レーザ光のレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をフィードバックして前記ファイバレーザ発振器で用いる前記励起光の出力を制御するレーザ電源部とを有する。

本発明のファイバレーザ加工装置においては、発振用光ファイバあるいはファイバレーザ発振器より生成されるファイバレーザ光のレーザ出力（パワー）がリアルタイムのパワーフィードバック制御により所望の基準値または基準波形に正確に倣って常時安定する。このため、電源部の出力変動、励起部の劣化あるいは波長シフト等が生じても、任意の波形制御を安定かつ正確に行うことができ、レーザ加工の再現性や信頼性を向上させることができる。

本発明の好適な一態様によれば、発振用光ファイバあるいはファイバレーザ発振器より生成されるファイバレーザ光を伝送用光ファイバに通して加工場所のレーザ出射部まで伝送する。かかる構成においては、ファイバレーザ光のビームモードおよびレーザ出力がいずれも安定しているので、伝送用光ファイバに対する集光性が良く、入射・出射開口数（ＮＡ）も安定するので、高精度かつ高効率のファイバ伝送が可能となり、遠隔レーザ加工の品質を向上させることができる。しかも、発振用光ファイバあるいはファイバレーザ発振器を加工場所から離すことができるので、加工場所で発生する振動、熱、周囲光等の外乱からファイバレーザ発振器を保護することができる。

別の好適な一態様においては、発振用光ファイバのコアを介して光学的に対向する一対の共振器ミラーが設けられる。また、励起部が、励起光を発光するレーザダイオードと、レーザダイオードからの励起光を発振用光ファイバの端面に集光させる光学レンズとを有する。

本発明のファイバ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、ファイバレーザ出力の安定性を向上させ、ひいてはレーザ加工の再現性および信頼性を向上させることが可能であり、さらにはファイバレーザあるいはファイバレーザ発振器が加工場所の外乱から受ける影響を少なくしてレーザ発振性能の低下や発振用光ファイバの損傷・劣化を防止することもできる。

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ファイバレーザ加工装置の構成を示す。このファイバレーザ加工装置は、ファイバレーザ発振器１０、レーザ電源部１２、レーザ入射部１４、ファイバ伝送系１６、レーザ出射部１８および加工テーブル１８等から構成される。

ファイバレーザ発振器１０は、発振用の光ファイバ（以下「発振ファイバ」と称する。）２２と、この発振ファイバ２２の一端面にポンピング用の励起光ＭＢを照射する電気光学励起部２４と、発振ファイバ２２を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー２６，２８とを有している。

電気光学励起部２４は、レーザダイオード（ＬＤ）３０および集光用の光学レンズ３２を有している。ＬＤ３０は、レーザ電源部１２からの励起電流によって点灯駆動され、励起用のレーザ光ＭＢを発振出力する。光学レンズ３２は、ＬＤ３０からの励起用レーザ光ＭＢを発振ファイバ２２の一端面に集光入射させる。ＬＤ３０と光学レンズ３２との間に配置される光共振器ミラー２６は、ＬＤ３０側から入射した励起用レーザ光ＭＢを透過させ、発振ファイバ２２側から入射した発振光線を共振器の光軸上で全反射するように構成されている。

発振ファイバ２２は、図示省略するが、発光元素としてたとえば希土類元素のイオンをドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝播光路としている。上記のようにして発振ファイバ２２の一端面に入射した励起レーザ光ＭＢ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発振ファイバ２２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希土類元素イオンを光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー２６，２８の間を何度も行き来して共振増幅され、部分反射ミラーからなる片側の光共振器ミラー２８より該所定波長を有するファイバレーザ光ＦＢが取り出される。

なお、光共振器において、光学レンズ３２，３４は、発振ファイバ２２の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして光共振器ミラー２６，２８へ通し、光共振器ミラー２６，２８で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ２２の端面に集光させる。また、発振ファイバ２２を通り抜けた励起用レーザ光ＭＢは、光学レンズ３４および光共振器ミラー２８を透過したのち折り返しミラー３６にて側方のレーザ吸収体３８に向けて折り返される。光共振器ミラー２８より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、この折り返しミラー３６をまっすぐ透過し、次いでビームスプリッタ４０を通ってからレーザ入射部１４に入る。

ビームスプリッタ４０は、入射したファイバレーザ光ＦＢの一部（たとえば１％）を所定方向つまりパワーモニタ用の受光素子たとえばフォトダイオード（ＰＤ）４２側へ反射する。フォトダイオード（ＰＤ）４２の正面に、ビームスプリッタ４０からの反射光またはモニタ光Ｒ_FBを集光させる集光レンズ４４が配置されてよい。

フォトダイオード（ＰＤ）４２は、ビームスプリッタ４０からのモニタ光Ｒ_FBを光電変換して、ファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力（ピークパワー）を表す電気信号（レーザ出力測定信号）Ｓ_FBを出力し、この信号Ｓ_FBをレーザ電源部１２に送る。

レーザ入射部１４に入ったファイバレーザ光ＦＢは、最初にベントミラー４６で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット４８内で集光レンズ５０により集光されてファイバ伝送系１６の伝送用光ファイバ（以下「伝送ファイバ」と称する。）５２の一端面に入射する。伝送用光ファイバ５２は、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバからなり、入射ユニット４８内で入射したファイバレーザ光ＦＢをレーザ出射部１８の出射ユニット５４まで伝送する。

出射ユニット５４は、伝送ファイバ５２の終端面より出たファイバレーザ光ＦＢを平行光にコリメートするコリメートレンズ５６と、平行光のファイバレーザ光ＦＢを所定の焦点位置に集光させる集光レンズ５８とを有しており、加工テーブル１８に載置されている被加工物６０の加工点Ｗにファイバレーザ光ＦＢを集光照射する。

たとえばレーザ溶接の場合は、レーザ電源部１２よりパルス波形の励起電流がＬＤ３０に供給されることにより、ファイバレーザ発振器１０内でＬＤ３０よりパルス波形の励起レーザ光ＭＢが発振ファイバ２２に供給され、ファイバレーザ発振器１０よりパルス波形のファイバレーザ光ＦＭが発振出力される。このパルス波形のファイバレーザ光ＦＭが、レーザ入射部１４、ファイバ伝送系１６およびレーザ出射部１８を介して被加工物６０の加工点Ｗに集光照射される。加工点Ｗにおいては、パルス波形のファイバレーザ光ＦＢのエネルギーにより被加工材質が溶融し、パルス照射終了後に凝固してナゲットが形成される。

この実施形態のファイバレーザ加工装置において、ファイバレーザ発振器１０は、発振ファイバ２２が口径１０μｍ程度、長さ数メートル程度の細長いコアを活性媒体とするため、ビーム径が細くてビーム広がり角の小さなファイバレーザ光ＦＢを発振出力することができる。しかも、発振ファイバ２２の一端面に入射した励起レーザ光ＭＢが発振ファイバ２２の中で数メートルの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、非常に高い発振効率でファイバレーザ光ＦＢを生成することができる。また、ファイバレーザ発振器１０は、発振ファイバ２２のコアが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いる。そして、後述するように、ファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力がリアルタイムのパワーフィードバック制御によって所望の基準値または基準波形に正確に倣って常時安定している。

このように、ビームモードおよびレーザ出力のいずれも安定していることで、レーザ入射部１４およびレーザ出射部１８において伝送ファイバ５２に対する集光性が良く、入射・出射開口数（ＮＡ）も安定するので、高精度かつ高効率のファイバ伝送が可能となり、レーザ加工の品質を向上させることができる。

さらに、ファイバレーザ発振器１０と加工場所のレーザ出射部１８との間に伝送ファイバ５２を介在させることによって、加工場所で存在または発生する振動、熱、周囲光等の外乱からファイバレーザ発振器１０を保護することができる。また、加工点Ｗからの反射光がレーザ出射部１８、ファイバ伝送系１６およびレーザ入射部１４を通ってファイバレーザ発振器１０に戻ってくることもあるが、発振ファイバ２２の開口数（ＮＡ）を伝送ファイバ４６の開口数（ＮＡ）より大きくすることで、戻り光を発振ファイバ２２の中に閉じ込めることができ（ＮＡ過大とならず）、戻り光による発振ファイバ２２の破損を防止することができる。

このファイバレーザ加工装置においては、ファイバレーザ発振器１０（特にＬＤ３０、発振ファイバ２２）、レーザ電源部１２、ＰＤ４２およびコントロールボード６２によって、ファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力をリアルタイムでフィードバック制御するためのパワーフィードバック制御機構が構成されている。

図２に、レーザ電源部１２内の構成を示す。図示のように、レーザ電源部１２には、ＬＤ３０に励起電流Ｉ_LDを供給する直流電源６４と、励起電流Ｉ_LDを制御するための制御部６６が設けられている。直流電源６４は、たとえば変圧器、整流回路、インバータ回路等を含み、商用交流を入力して直流のＬＤ駆動電流または励起用電流Ｉ_LDを出力するように構成されている。

制御部６６は、直流電源６４に対してＬＤ３０と直列に接続されたスイッチング素子６８、このスイッチング素子６８をたとえばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式でスイッチング制御するスイッチング制御部７０、このスイッチング制御部７０に各種設定値およびフィードバック制御信号を与える回路等を含んでいる。

レーザ出力設定部７２は、コントロールボード６２より入力されたユーザ所望のレーザ出力設定値または設定波形をパワーフィードバック制御用の基準値または基準波形Refとして保持または出力する。レーザ出力測定回路７４は、パワーモニタ用のＰＤ４２より送られてきた電気信号（レーザ出力測定信号）Ｓ_FBを基にファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力をリアルタイムで表すレーザ出力測定値Ｍ_FBを求める。比較回路７６は、レーザ出力測定回路７４で得られるレーザ出力測定値Ｍ_FBをレーザ出力設定部７２からの基準値または基準波形Refと比較して、その差分を表す比較誤差δを生成し、この比較誤差δを切換回路７８を介してスイッチング制御部７０に与える。

スイッチング制御部７０は、比較回路７６で生成される比較誤差δを零に近づけるように、つまりレーザ出力測定値Ｍ_FBを基準値または基準波形Refに一致させるようにＰＷＭ方式でスイッチング素子（たとえばトランジスタ）をスイッチング制御する。

このレーザ電源部１２内には、立ち上げ時にＬＤ３０の出力を安定化させるための電流フィードバック制御回路として、励起電流Ｍ_FBを検出する電流センサ８０および励起電流Ｍ_FBの電流測定値をスイッチング制御部７０にフィードバックする電流測定回路８２が設けられている。切換回路７８は、ファイバレーザ発振器１０の立ち上げ開始直後は電流フィードバック制御を選択し、ファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力が安定化してからパワーフィードバック制御に切り換える。

基準電流設定部８４は、電流フィードバック制御のための基準電流値を設定する。待機電流回路８６は、待機時にＬＤ３０に流すバイアス電流を設定するためのものである。セレクト回路８８は、待機時にはバイアス電流設定値をスイッチング制御部７０に与え、立ち上げ時には基準電流値をスイッチング制御部７０に与える。

コントロールボックス６２は、マン・マシン・インタフェースを構成し、キーボード等の入力部やＬＣＤディスプレイ等の表示部を含むとともに、条件設定用の演算回路等も有している。たとえば、ユーザにおいて所望のレーザエネルギーを設定入力すると、コントロールボックス６２がそのレーザエネルギー設定値をレーザ出力設定値に換算するようになっている。

この実施形態においては、直流電源６４の出力変動、ＬＤ３０の劣化あるいは波長シフト等が生じても、上記のようなリアルタイムのパワーフィードバック制御が働くことにより、ファイバレーザ発振器１０より発振出力されるファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力は設定値に保持され、任意の波形制御が設定通りに正確に行われる。また、複数のファイバレーザ加工装置を並列的に稼動させる場合には、レーザパワーに関しては機差がなく、全加工機で同じレーザパワー（あるいはレーザエネルギー）に揃えることが可能であり、レーザ加工の再現性や信頼性を大幅に改善することができる。

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、上記した実施形態では、ファイバレーザ発振器１０とレーザ出射部１８とをファイバ伝送系１６（伝送ファイバ５２）を介して光学的に接続し、上記のように加工現場の外乱からファイバレーザ発振器１０を保護するようにした。しかし、ファイバ伝送系１６を使用せずに、ファイバレーザ発振器１０より発振出力されたファイバレーザ光ＦＢを直接あるいはベントミラー等を介してレーザ出射部１８に送る方式または構成も可能である。

また、ファイバレーザ発振器１０において、電気光学励起部２４、光共振器２６，２８、光学レンズ３２，３５等の変形あるいは一部省略は可能であり、同様の機能または作用を奏する他の構成を採用することも可能である。たとえば、上記実施形態は発振ファイバ２２の片側の端面に励起レーザ光ＥＭを照射する片面励起方式であったが、発振ファイバ２２の両側の端面に励起レーザ光を照射する両面励起方式も可能である。あるいは、ファイバレーザ発振器１０内にＱスイッチを設け、Ｑスイッチパルスのファイバレーザ光を生成することも可能である。また、パワーフィードバック制御ループにおいて、ＰＤ４２をレーザ電源部１２内に設け、ビームスプリッタ４０からのモニタ光ＲＦＢを伝送用光ファイバを介してレーザ電源部１２内のＰＤ４２まで伝送することも可能である。
本発明のファイバレーザ加装置は、レーザ溶接に限るものではなく、レーサマーキング、穴あけ、切断等のレーザ加工にも適用可能である。

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図である。 実施形態におけるレーザ加工装置のレーザ電源部内の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ ファイバレーザ発振器
１２ レーザ電源部
１４ レーザ入力部
１６ ファイバ伝送系
１８ レーザ出射部
２０ 加工テーブル
２２ 発振用光ファイバ（発振ファイバ）
２４ 電気光学励起部
２６，２８ 光共振器ミラー
３０ レーザダイオード（ＬＤ）
３２，３４ 光学レンズ
４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ 分岐ミラー
４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ 入射ユニット
４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃ 伝送用光ファイバ（伝送ファイバ）
４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ 出射ユニット
５８ Ｑスイッチ

Claims (6)

1. 発光元素を含むコアとこのコアを取り囲むクラッドとを有する発振用の光ファイバと、
   前記発振用光ファイバのコアに励起光を供給するための励起部と、
   前記発振用光ファイバに所定波長のレーザ光を発振出力させるために前記励起部を発光駆動する電源部と、
   前記発振用光ファイバより生成された前記レーザ光を被加工物の加工点に向けて集光照射するレーザ出射部と、
   前記レーザ光のレーザ出力について所望の基準値または基準波形を設定する設定部と、
   前記発振用の光ファイバより発振出力された前記レーザ光のレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、
   前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が前記基準値または基準波形に一致するように前記電源部を制御する制御部と
   を有するファイバレーザ加工装置。
2. 前記発振用光ファイバより生成された前記レーザ光を前記レーザ出射部まで伝送するための伝送用光ファイバを有する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記発振用光ファイバのコアを介して光学的に対向する一対の共振器ミラーを有する請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記励起部が、前記励起光を発光するレーザダイオードと、前記レーザダイオードからの前記励起光を前記発振用光ファイバの端面に集光させる光学レンズとを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 発光元素を含むコアを活性媒質とし、前記コアを所定の励起光で励起して所定波長のレーザ光を発振出力する光ファイバ構造のファイバレーザ発振器と、
   前記ファイバレーザ発振器より発振出力された前記レーザ光を被加工物の加工点に向けて出射するレーザ出射部と、
   前記ファイバレーザ発振器より発振出力された前記レーザ光のレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、
   前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をフィードバックして前記ファイバレーザ発振器で用いる前記励起光の出力を制御するレーザ電源部と
   を有するファイバレーザ加工装置。
6. 前記ファイバレーザ発振器より生成された前記レーザ光を前記レーザ出射部まで伝送するための伝送用光ファイバを有する請求項５に記載のレーザ加工装置。
   
   
   
   

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