JP2009176944A - ファイバーレーザ装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光のオンオフ制御による高平均出力化を、レーザパルス光の立ち上がり時に生ずる緩和発振を抑制しつつ可能にするとともに、レーザパルス光の波形制御を可能にするファイバーレーザ装置及び制御方法を得ること。
【解決手段】制御装置１０は、発振部１の駆動電源６ａ，６ｂに、発振部１の光ファイバー３ａにおける励起状態がレーザ発振しきい値の状態となるまで、発振部１の半導体レーザ５ａ，５ｂに駆動電流を供給させる制御を行った後に、発振部１の駆動電源６ａ，６ｂと増幅部２の駆動電源６ｃ，６ｄとを個別に制御して、対応する半導体レーザに供給する駆動電流の電流値とその供給時間とを制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ファイバーレーザ装置及び制御方法に関し、特に、レーザ加工装置のレーザ光源として好適なファイバーレーザ装置及び制御方法に関するものである。

ファイバーレーザ装置の特徴点としては、（１）非常に細長い光ファイバーのコアを活性媒質とするので、ビーム径が細くなり、ビーム広がり角度の小さいレーザ光が容易に得られること、（２）光ファイバーの中に入射した励起光が光ファイバー中の長い光路を伝搬する間に何度もコアを横切ってほぼ全てが吸収されるので、非常に高い発振効率でレーザ光を発生させることができること、（３）光ファイバーのコアでは、活性媒質にロッド状のＮｄ：ＹＡＧ結晶などを用いる固体レーザ装置で見られる熱レンズ効果を起こさないので、励起入力を変化させてもレーザ出力のビーム品質は変化なく非常に安定していること、（４）活性媒質にロッド状のＮｄ：ＹＡＧ結晶などを用いる固体レーザ装置では得ることが困難であった基本モード発振が容易に得られること、などが挙げられる。

なお、特許文献１では、Ｑスイッチによるパルス発振によって種光となるパルス光を発生する種光パルス光源と、該種光パルス光源の出力端に接続され種光パルスを増幅して出力する光ファイバ増幅器とからなるファイバーレーザ装置に、種光パルスが発生してから光ファイバ増幅器による増幅を開始するまでの遅延時間を変化させて、ファイバーレーザ装置から出力されるパルスを安定化させる遅延時間調整手段を設ける技術が開示されている。

特開２００７−２３４９４３号公報

ところで、一般に、レーザ光を用いて板金の加工（切断、溶接、穴開けなど）を行う加工装置のレーザ光源には、平均出力として少なくとも５００Ｗ以上のパルス光出力が必要である。これに対して、従来のファイバーレーザ装置で採用されているレーザ発振は、例えば特許文献１に開示されているように、レーザ発振の過渡現象を利用したＱスイッチパルスを用いるので、出力されるレーザパルス光は、尖頭値は高いがパルス幅はナノ秒オーダであり、平均出力は高々１００Ｗ程度と出力不足である。

そのため、従来では、５００Ｗ以上の平均出力を得るために、Ｑスイッチパルスを用いるのではなく、レーザ発振を連続発振が可能な状態にしておいて、励起光をオンオフしてレーザ出力光をチョッピングすることで、パルス幅がマイクロ秒オーダのパルス光を得るようにしている。

しかし、このように、励起光をオンオフすると、励起光がオフからオンに立ち上がる時に、レーザ媒質内部に発生する励起状態の急激な変化によって、レーザ発振の立ち上がり時に、尖頭値が定常発振時（連続発振時）の値を大きく超えるパルスを発生する緩和発振が現れる。この緩和発振を伴うレーザパルス光は、その立ち上がり時でのレーザ強度がその後の定常発振時よりも過大になる。

したがって、励起光をオンオフして高平均出力化を図った従来のファイバーレーザ装置をレーザ光源に用いる板金加工装置では、加工品質が、レーザパルス光の立ち上がり時とその後の定常発振時とで異なるものとなり、加工品質に悪影響を与える。

なお、上記したレーザパルス光の立ち上がり時の緩和発振は、レーザパルス発振が立ち上がるまでの時間を長くすることで、ある程度抑制できることは知られている。しかし、レーザパルス光の立ち上がり時間を長くすると、今度は、そのレーザパルス光が立ち上がるまでの間に、ビーム品質が変化する。板金加工装置では、このビーム品質の変化が加工状態に悪影響を与え、高品質な加工が困難になる。

この緩和発振が現れる問題は、固体レーザ装置に特有の問題であり、Ｑスイッチパルスを用いるレーザ発振でも同様に起こるので、上記した特許文献１では、Ｑスイッチパルスを用いるファイバーレーザ装置において、緩和発振を抑制するために、種パルス光源から安定な出力パルスが出力されるようになった後に、光ファイバ増幅器による増幅を開始するという技術が開示されている。しかし、この特許文献１に記載の緩和発振を抑制する技術では、レーザパルス光の波形制御ができない。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、励起光のオンオフ制御による高平均出力化を、レーザパルス光の立ち上がり時に生ずる緩和発振を抑制しつつ可能にするとともに、レーザパルス光の波形制御を可能にするファイバーレーザ装置及び制御方法を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明にかかるファイバーレーザ装置は、レーザ共振器内に配置され、レーザ媒質がドープされた光ファイバー、前記光ファイバーに励起光を供給できるように光結合された半導体レーザ、及び前記半導体レーザに駆動電流を供給する駆動電源を備える発振部と、一端が前記発振部の光ファイバーの光出力端に光結合され、他端が外部への光出力端である光ファイバーであってレーザ媒質がドープされた光ファイバー、前記光ファイバーに励起光を供給できるように光結合された半導体レーザ、及び前記半導体レーザに駆動電流を供給する駆動電源を備える増幅部と、前記発振部の駆動電源に、前記発振部の光ファイバーにおける励起状態がレーザ発振しきい値の状態となるまで、前記発振部の半導体レーザに駆動電流を供給させる制御を行った後に、前記発振部の駆動電源と前記増幅部の駆動電源とを制御して、対応する半導体レーザに供給する駆動電流の電流値とその供給時間とを個別に制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、励起光のオンオフ制御による高平均出力化を、レーザパルス光の立ち上がり時に生ずる緩和発振を抑制しつつ可能にするとともに、レーザパルス光の波形制御を可能にするファイバーレーザ装置が得られるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかるファイバーレーザ装置及び制御方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるファイバーレーザ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この実施の形態１によるファイバーレーザ装置は、発振部１と増幅部２と出力部である光学素子８と制御装置１０とを備えている。

発振部１は、この実施の形態１では、レーザ発振を行う光ファイバー３ａと、レーザ共振器を構成する反射ミラーとしての、例えば、ブラッグ型回折格子４ａ，４ｂと、励起光源としての半導体レーザ（以降「ＬＤ」と記す）５ａ，５ｂと、ＬＤ５ａ，５ｂを１対１の関係で駆動する駆動電源６ａ，６ｂと、ＬＤ５ａ，５ｂの出射光を１対１の関係で光ファイバー３ａのクラッド部に導光する光結合素子７ａ，７ｂとを備えている。

光ファイバー３ａは、いわゆるダブルクラッドファイバーと呼ばれているもので、レーザ発振に必要なレーザ媒質（例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）等の希土類元素）がドープされているコア部と、その外周を被覆するクラッド部とで構成される。

そして、レーザ共振器を構成する反射ミラーの一方であるブラッグ型回折格子４ａが、光ファイバー３ａの一端側のコア部に形成され、レーザ共振器を構成する反射ミラーの他方であるブラッグ型回折格子４ｂが、光ファイバー３ａの他端側のコア部に形成されている。要するに、光ファイバー３ａは、ブラッグ型回折格子（４ａ，４ｂ）付きの光ファイバーである。

なお、図１に示す配置構成例では、増幅部２側（光ファイバー３ａの他端側）のブラッグ型回折格子４ｂの反射率は約５％に設計され、反対側（光ファイバー３ａの一端側）に位置するブラッグ型回折格子４ａの反射率は約９９％に設計されている。

ＬＤ５ａ，５ｂは、それぞれ、複数のシングルエミッタで構成され、各シングルエミッタのレーザ光出射部には、コア直径が１００μｍ程度の光ファイバー接続されている。

そして、ＬＤ５ａを構成する各シングルエミッタのレーザ光出射部に一端が接続されている光ファイバーの他端は、束ねられて光結合素子７ａの一端に融着接続されている。光結合素子７ａの他端は、ブラッグ型回折格子４ａが形成されている光ファイバー３ａの一端に融着接続されている。

また、ＬＤ５ｂを構成する各シングルエミッタのレーザ光出射部に一端が接続されている光ファイバーの他端は、束ねられて光結合素子７ｂの一端に融着接続されている。光結合素子７ｂの他端は、ブラッグ型回折格子４ｂが形成されている光ファイバー３ａの他端に融着接続されている。

駆動電源７ａ，７ｂは、制御装置１０の指示に従って、対応するＬＤ５ａ，５ｂへの駆動電流の供給とその停止を行う。

次に、増幅部２は、この実施の形態１では、レーザ発振を行う光ファイバー３ｂと、励起光源としてのＬＤ５ｃ，５ｄと、ＬＤ５ｃ，５ｄを１対１の関係で駆動する駆動電源６ｃ，６ｄと、ＬＤ５ｃ，５ｄの出射光を１対１の関係で光ファイバー３ｂのクラッド部に導光する光結合素子７ｃ，７ｄとを備えている。

光ファイバー３ｂは、いわゆるダブルクラッドファイバーと呼ばれているもので、レーザ発振に必要なレーザ媒質（例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）等の希土類元素）がドープされているコア部と、その外周を被覆するクラッド部とで構成される。

ＬＤ５ｃ，５ｄは、それぞれ複数のシングルエミッタで構成され、各シングルエミッタのレーザ光出射部には、コア直径が１００μｍ程度の光ファイバーが接続されている。

そして、ＬＤ５ｃを構成する各シングルエミッタのレーザ光出射部に一端が接続されている光ファイバーの他端は、束ねられて光結合素子７ｃの一端に融着接続されている。光結合素子７ｃの他端は、光ファイバー３ｂの一端に融着接続されている。

また、ＬＤ５ｄを構成する各シングルエミッタのレーザ光出射部に一端が接続されている光ファイバーの他端は、束ねられて光結合素子７ｄの一端に融着接続されている。光結合素子７ｄの他端は、光ファイバー３ａの他端に融着接続されている。

そして、発振部１の光結合素子７ｂの一端が光ファイバーを介して増幅部２の光結合素子７ｃの一端と接続されている。つまり、発振部１の光ファイバー３ａがブラッグ型回折格子４ｂを通して他端側から出射するレーザ光は、光結合素子７ｂ，７ｃを介して増幅部２の光ファイバー３ｂの一端に入射される。

また、増幅部２の光結合素子７ｄの一端は、光ファイバーを介して光学素子８に接続されている。つまり、増幅部２の光ファイバー３ａが他端側から出射するレーザ光は、光結合素子７ｄ、光学素子８を介して外部にレーザビーム９として出射される。

駆動電源７ｃ，７ｄは、制御装置１０の指示に従って、対応するＬＤ５ｃ，５ｄへの駆動電流の供給とその停止を行う。

以下、動作について説明する。まず、図１を参照して基本的な動作を概略説明する。なお、発振部１のＬＤ５ａ，５ｂと、増幅部２のＬＤ５ｃ，５ｄは、それぞれ、いずれか一方のみ動作させることでもよいが、ここでは、双方を同時に動作させるとして説明する。

発振部１では、駆動電源６ａ，６ｂから駆動電流の供給を受けてレーザ発振動作をしているＬＤ５ａ，５ｂの出力レーザ光が、光結合素子７ａ，７ｂを経て光ファイバー３ａのクラッド部に導光される。光ファイバー３ａでは、クラッド部に導光されたＬＤ５ａ，５ｂのレーザ光がクラッド部を伝搬していく過程でコア部にドープされた希土類元素に吸収されていき、コア部を励起状態にする。そして、光ファイバー３ａのコア部の両端に形成されたブラッグ型回折格子４ａ，４ｂによるレーザ共振器の作用によって、コア部の励起状態がレーザ発振しきい値を超えると、ブラッグ型回折格子４ｂからレーザビームが増幅部２へ出射される。

並行して、増幅部２では、駆動電源６ｃ，６ｄから駆動電流の供給を受けてレーザ発振動作をしているＬＤ５ｃ，５ｄの出力レーザ光が光結合素子７ｃ，７ｄを経て光ファイバー３ｂのクラッド部に導光される。光ファイバー３ｂでは、クラッド部に導光されたＬＤ５ｃ，５ｄのレーザ光がクラッド部を伝搬していく過程でコア部にドープされた希土類元素に吸収されていき、コア部を励起状態にする。この状態で、光ファイバー３ｂの一端に発振部１から入射されるレーザ光は、光ファイバー３ｂを伝搬していく過程で増幅され、光学素子８からレーザビーム９が出射される。

次に、図１〜図７を参照してこの実施の形態１による動作を説明する。なお、図２は、図１に示す発振部の動作例（その１）を説明する図である。図３は、図２に示す動作状態において図１に示す増幅部の一方のＬＤを駆動した場合の動作内容を説明する図である。図４は、図３に示す動作状態において図１に示す増幅部の他方のＬＤも駆動した場合の動作内容を説明する図である。図５は、図１に示す発振部の動作例（その２）を説明する図である。図６は、図５に示す動作状態において図１に示す増幅部の一方のＬＤを駆動した場合の動作内容を説明する図である。図７は、図６に示す動作状態において図１に示す増幅部の他方のＬＤも駆動した場合の動作内容を説明する図である。

この実施の形態１では、制御装置１０は、発振部１の駆動電源６ａ，６ｂと、増幅部２の駆動電源６ｃ，６ｄとを、それぞれ個別に、所定時間オン動作させ、所定時間オフ動作させる制御機能を備えている。

これによって、制御装置１０は、出力レーザビーム９の波形を、例えば、（１）図２〜図４に示すように階段状に増加する波形とすることも、（２）図５〜図７に示すように凹凸形状に変化する波形とすることもできる。なお、発振部１のＬＤ５ａ，５ｂは、いずれか一方のみ動作させることでもよいが、ここでは、双方を同時に動作させるとして説明する。増幅部２のＬＤ５ｃ，５ｄは、個別に動作させる。

（１）出力レーザビーム９の波形を階段状に増加する波形にする場合。まず、制御装置１０は、図２に示すように、発振部１において、駆動電源６ａ，６ｂを２段階に分けて制御する。最初の時間Ｔ１１の間は、駆動電源６ａ，６ｂは、制御装置１０からのオン動作指示に従って、光ファイバー３ａの励起状態がレーザ発振しきい値の状態に至るように、駆動電流をＬＤ５ａ，５ｂに供給する。光ファイバー３ａは、励起状態がレーザ発振しきい値の状態にあるので、レーザ発振には至らない。

その後の時間Ｔ１２の間では、駆動電源６ａ，６ｂは、制御装置１０からの指示に従って、ＬＤ５ａ，５ｂにレーザ発振しきい値時の電流値よりも大きい値の駆動電流を供給する。これによって、光ファイバー３ａは、励起状態がレーザ発振しきい値状態を超えるので、レーザ発振に至る。

このとき、図２に示すように、光ファイバー３ａから増幅部２へ出射されるレーザ光の立ち上がり時に生ずる緩和発振によるピーク値１５は、ＬＤ５ａ，５ｂに供給した時間Ｔ１１と時間Ｔ１２での駆動電流の変化が余り大きくないので、かなり小さいものになる。

次に、制御装置１０は、発振部１と増幅部２の双方の制御へ移行する。まず、図３に示すように、発振部１の駆動電源６ａ，６ｂには、時間Ｔ１３の間は、前の時間Ｔ１２において供給していた電流値と同じ値の駆動電流をＬＤ５ａ，５ｂに継続して供給させる。したがって、時間Ｔ１３の間も、光ファイバー３ａから時間Ｔ１２でのレーザ光と同じレベルのレーザ光が増幅部２へ出射される。一方、増幅部２では、時間Ｔ１３の間は駆動電源６ｃ，６ｄのいずれか一つを制御する。例えば、駆動電源６ｃにオン動作指示を出して駆動電流をＬＤ５ｃに供給させる。

そうすると、増幅部２では、時間Ｔ１３の間、光ファイバー３ｂが励起されるので、光ファイバー３ａから入射されるレーザ光に対する増幅動作が行われる。その結果、時間Ｔ１３の間でのレーザ出力は、図３に示すように、ＬＤ５ｃに駆動電流が供給された瞬間から、時間Ｔ１２でのレーザ出力から増加するので、時間Ｔ１２と時間Ｔ１３との全体で外部へ出射されるレーザパルス９は、２段階のステップ状応答を示すことになる。

このときも、図３に示すように、時間Ｔ１３の間に光ファイバー３ｂにおけるレーザ光の増幅時に生ずる緩和発振によって発生するピーク値１６は、ＬＤ５ｃに供給した電流値変化があまり大きくないので、かなり小さいものである。

そして、図４に示すように、次の時間Ｔ１４の間、制御装置１０は、発振部１の駆動電源６ａ，６ｂには、前の時間Ｔ１３において供給していた電流値と同じ値の駆動電流をＬＤ５ａ，５ｂに継続して供給させる。また、制御装置１０は、増幅部２の駆動電源６ｃには、前の時間Ｔ１３において供給していた電流値と同じ値の駆動電流をＬＤ５ｃに継続して供給させると同時に、増幅部２の駆動電源６ｄにオン動作指示を出し、駆動電流をＬＤ５ｄに供給させる。

そうすると、増幅部２では、時間Ｔ１４の間、光ファイバー３ｂがＬＤ５ｄによっても励起されるので、増幅度が上がり、図４に示すように、レーザ出力は、ＬＤ５ｄに駆動電流が供給された瞬間から、時間Ｔ１３でのレーザ出力から増加する。したがって、時間Ｔ１２と時間Ｔ１３と時間Ｔ１４との全体で外部へ出射されるレーザパルス９は、３段階のステップ状応答を示すことになる。

このときも、図４に示すように、時間Ｔ１４の間に光ファイバー３ｂにおけるレーザ光の増幅時に生ずる緩和発振によって発生するピーク値１７は、ＬＤ５ｄに供給した電流値変化があまり大きくないので、かなり小さいものである。

要するに、図４に示すように、制御時間を、Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４に分け、発振部１では、最初の時間Ｔ１１の間は、ＬＤ５ａ，５ｂを駆動して光ファイバー３ａを発振しきい値の状態にし、その後の時間Ｔ１２〜時間Ｔ１４の間では、ＬＤ５ａ，５ｂを時間Ｔ１１に供給した電流値から増加した駆動電流で駆動する。一方、増幅部２では、まず、時間Ｔ１３の間は、ＬＤ５ｃのみを駆動し、最後の時間Ｔ１４の間はＬＤ５ｃ，５ｄの双方を駆動する。

以上の動作を繰り返すことで、３段階のステップ状波形をしたレーザパルス９を繰り返し出力することができる。このとき、３段の各ステップ状の立ち上がり時に発生する緩和発振によるピーク値１５，１６，１７は、いずれも電流値変化が小さいので、従来よりも大幅に小さいものとすることができる。

（２）出力レーザビーム９の波形を凹凸形状に変化する波形にする場合。この場合には、図５〜図７に示すように、制御装置１０は、発振部１の駆動電源６ａ，６ｂを４段階に分けて制御し、増幅部２の駆動電源６ｃ，６ｄを３段階に分けて制御する。

まず、発振部１から説明すると、図５に示すように、最初の時間Ｔ２１の間は、駆動電源６ａ，６ｂは、制御装置１０からのオン動作指示に従って、光ファイバー３ａの励起状態がレーザ発振しきい値の状態に至るように、駆動電流をＬＤ５ａ，５ｂに供給する。光ファイバー３ａは、励起状態がレーザ発振しきい値の状態にあるので、レーザ発振には至らない。

その後の比較的長い時間Ｔ２２の間は、駆動電源６ａ，６ｂは、制御装置１０からの指示に従って、ＬＤ５ａ，５ｂに、レーザ発振しきい値時の電流値より高い値の駆動電流を供給する。これによって、光ファイバー３ａは、励起状態がレーザ発振しきい値状態を超えるので、レーザ発振に至る。

このとき、図５に示すように、光ファイバー３ａから増幅部２へ出射されるレーザ光の立ち上がり時に生ずる緩和発振によって発生するピーク値１８は、ＬＤ５ａ，５ｂに供給した時間Ｔ２１と時間Ｔ２２での駆動電流の変化が余り大きくないので、かなり小さいものになる。

次の短い時間Ｔ２３の間は、駆動電源６ａ，６ｂは、制御装置１０からの指示に従ってＬＤ５ａ，５ｂに、レーザ発振しきい値時の電流値よりも大きい値であるが、前の時間Ｔ２２時での値よりも小さい値の駆動電流を供給する。これによって、光ファイバー３ａでは継続してレーザ発振を行われるが、発振出力が低下するので、時間Ｔ２３の期間では光レベルが低下する。

そして、次の時間Ｔ２４の間は、駆動電源６ａ，６ｂは、制御装置１０からの指示に従って、ＬＤ５ａ，５ｂに、時間Ｔ２２時での電流値と同じ値の駆動電流を供給する。これによって、光ファイバー３ａでは、時間Ｔ２２時と同様レベルでレーザ発振を行われる。増幅部２へ射出されるレーザ光は、時間Ｔ２４の期間では光レベルが時間Ｔ２２と同じレベルに増加する。図５に示すように、発振部１が増幅部２へ出射するレーザパルスの波形は、変化の程度は小さいが、凹凸形状に変化する波形となる。

このときも、図５に示すように、時間Ｔ２４の開始時におけるレーザパルスの立ち上がり時に生ずる緩和発振によるピーク値１９は、ＬＤ５ａ，５ｂに供給した時間Ｔ２３と時間Ｔ２４での駆動電流の変化が余り大きくないので、かなり小さいものになる。

次に、増幅部２では、図６と図７に示すように、ＬＤ５ｃが先に駆動され、その後、ＬＤ５ｄが駆動されるとしている。図６に示すように、時間Ｔ２２の前半時間Ｔ２２１を経過した後半時間Ｔ２２２の間は、駆動電源６ｃは、制御装置１０からの指示に従って、ＬＤ５ｃに駆動電流を供給し、次の時間Ｔ２３の間は、駆動電源６ｃは、制御装置１０からの指示に従って、ＬＤ５ｃに駆動電流を供給しない。そして、図６と図７に示すように、次の時間Ｔ２４の間は、駆動電源６ｃ，６ｄは、制御装置１０からの指示に従って、ＬＤ５ｃ，５ｄに駆動電流を供給する。

したがって、増幅部２では、時間Ｔ２２２の間でＬＤ５ｃが出力する励起光による増幅動作が行われ、時間Ｔ２４の間でＬＤ５ｃ，５ｄがそれぞれ出力する励起光による２倍の増幅動作が行われる。一方、時間Ｔ２２１の間と、時間Ｔ２３の間とにおいては、増幅動作が行われないことになる。その結果、図７に示すように、レーザパルス９の波形は、凹凸形状に大きく変化する波形となる。

このときも、時間Ｔ２２２の開始時における出力増加時において、レーザパルス９の立ち上がり時に生ずる緩和発振によって発生するピーク値２０は、ＬＤ５ｃに供給した駆動電流の変化が余り大きくないので、図６と図７に示すように、かなり小さいものになる。また、時間Ｔ２４の開始時においては増幅度が２倍に高くなるが、レーザパルス９の立ち上がり時に生ずる緩和発振によって発生するピーク値１９は、ＬＤ５ｄに供給した駆動電流の変化が余り大きくないので、それほど、大きくはならない。

要するに、図７に示すように、発振部１では、制御時間幅を、Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ２３，Ｔ２４に分けて、最初の時間Ｔ２１の間は、ＬＤ５ａ，５ｂを駆動して光ファイバー３ａを発振しきい値の状態にし、その後の時間Ｔ２２〜時間Ｔ２４の間では、ＬＤ５ａ，５ｂを時間Ｔ１１に供給した電流値から増加した駆動電流を凹凸状に変化させて駆動する。一方、増幅部２では、制御時間を、Ｔ２２２，Ｔ２３，Ｔ２４に分け、時間Ｔ２２２の間ではＬＤ５ｃのみを駆動し、時間Ｔ２３ではその駆動を停止し、Ｔ２４の間では、ＬＤ５ｃ，５ｄの双方を駆動する。

以上の動作を繰り返すことで、凹凸形状をしたレーザパルス９を繰り返し出力することができる。このとき、凹凸形状の各立ち上がり時に発生する緩和発振によるピーク値１８，１９，２０は、いずれも電流値変化が小さいので、従来よりも大幅に小さいものとすることができる。

次に、図８は、各ＬＤの制御間隔を５０μｓ以下とする内容を説明する図である。図４や、図７に示すように、一連の電流制御を繰り返すことで、任意形状のレーザパルス波形が得られることがわかったが、例えば、このファイバーレーザ装置を用いてレーザ加工を実施する場合は、パルスの繰返し周波数が重要なパラメータとなる。

一般のファイバーレーザ装置のレーザパルス波形は、レーザパルスの立ち上がり時から約５０μｓで定常値に到達する。この５０μｓという時間は、駆動電源の立ち上がり時間等も影響要因であるが、迅速に立ち上がる時間に関しては、主としてファイバーレーザ装置のレーザ発振を行う部分の希土類元素の物性値に起因している。

図８は、図４にて説明した手順で得られる階段状波形の場合を示すが、例えば図８に示すように、発振部１と増幅部２とにおける各ＬＤに供給する電流値と供給時間とを制御装置１０によって制御するときの各ＬＤの制御間隔を５０μｓに設定すると、レーザパルス波形に平坦部がはっきりと現れる安定なパルスが得られる。

このとき、パルス幅は、１５０μｓであり、デューティ５０％を考えた場合、繰返し周波数は約３ｋＨｚとなる。レーザ加工を実施する場合のパルスの繰返し周波数は、大体ｋＨｚのオーダーで使用される場合が多いので、以上に説明した任意形状のレーザパルス波形は、この要求に沿った繰返し周波数で発生させることが可能である。

以上のように、実施の形態１によれば、励起光をオンオフ制御しての高平均出力化を、レーザパルス光の立ち上がり時に生ずる緩和発振を抑制しつつ可能にするとともに、レーザパルス光の波形制御を可能にするファイバーレーザ装置を得ることができる。

そして、図８に示すように、レーザパルスをファイバーレーザ加工装置のレーザ光源に要求される繰り返し周波数で発生することができるので、ファイバーレーザ加工装置のレーザ光源として好適なファイバーレーザ装置を得ることができる。以下に適用例を示す。

実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２によるファイバーレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。図９に示す実施の形態２によるファイバーレーザ加工装置は、切断、溶接、穴あけ等の加工を行うレーザ加工装置であり、実施の形態１にて説明したファイバーレーザ装置３１と、加工ヘッド３２と、加工材料３６が載置される加工テーブル３７とを備えている。

ファイバーレーザ装置３１と加工ヘッド３２との間は、光ファイバー３３を介して接続される。加工ヘッド３２は、コリメートレンズ３４と集光レンズ３５とを備えている。

次に、動作について説明する。ファイバーレーザ装置３１から出射されたレーザ光は、光ファイバー３３を経て加工ヘッド３２まで導光される。加工ヘッド３２まで導光されたレーザ光は、まず、コリメートレンズ３４によって平行光に変換され、その後、集光レンズ３５によって、加工テーブル３７の上に載置されている加工材料３６に向けて集光照射される。加工材料３６が加工される。

ここに、ファイバーレーザ装置３１では、図４にて説明したように、出力レーザビーム波形を階段状波形とすることができるので、加工材料３６に与える入熱量を階段状に制御することが可能になる。したがって、例えば、切断加工時に適用すると、切断面が綺麗になるなど、高品位な加工が行えるようになる。

また、図７にて説明したように、出力レーザビーム波形を凹凸形状に変化する波形とすることができるので、上記と同様に、加工材料３６に与える入熱量を凹凸状に制御することが可能になり、同様に、高品位な加工が行えるようになる。

以上のように、実施の形態２によれば、従来の固体レーザ装置において励起光をオンオフ制御して高平均出力化を図る場合に特有の課題であったレーザパルス立ち上がり時に生ずる緩和発振を抑制し、かつ任意のレーザパルス波形に制御できる実施の形態１によるファイバーレーザ装置をレーザ光源に適用するので、ファイバーレーザ装置の特徴である安定なビーム品質・基本モード発振が容易に得られることと相俟って、従来の活性媒質がロッド状の固体レーザ装置やファイバーレーザ装置では実現できなかった高品質・高精度な加工が可能なファイバーレーザ加工装置が実現できる。

以上のように、この発明にかかるファイバーレーザ装置及び制御方法は、励起光をオンオフ制御しての高平均出力化をレーザパルス光の立ち上がり時の緩和発振を抑制しつつ可能にするとともに、レーザパルス光の波形制御を可能にするのに有用であり、特に、ファイバーレーザ加工装置のレーザ光源に適用して高品質・高精度な加工を実現するのに適している。

この発明の実施の形態１によるファイバーレーザ装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す発振部の動作例（その１）を説明する図である。 図２に示す動作状態において図１に示す増幅部の一方のＬＤを駆動した場合の動作内容を説明する図である。 図３に示す動作状態において図１に示す増幅部の他方のＬＤも駆動した場合の動作内容を説明する図である。 図１に示す発振部の動作例（その２）を説明する図である。 図５に示す動作状態において図１に示す増幅部の一方のＬＤを駆動した場合の動作内容を説明する図である。 図６に示す動作状態において図１に示す増幅部の他方のＬＤも駆動した場合の動作内容を説明する図である。 各ＬＤの制御間隔を５０μｓ以下とする内容を説明する図である。 この発明の実施の形態２によるレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 発振部
２ 増幅部
３ａ，３ｂ 光ファイバー
４ａ，４ｂ ブラッグ型回折格子
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 半導体レーザ（ＬＤ）
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 駆動電源
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 光結合素子
８ 出力部である光学素子
９ レーザビーム
１０ 制御装置
３１ レーザ光源（実施の形態１によるファイバーレーザ装置）
３２ 加工ヘッド
３３ 光ファイバー
３４ コリメートレンズ
３５ 集光レンズ
３６ 加工材料
３７ 加工テーブル

Claims (6)

1. レーザ共振器内に配置され、レーザ媒質がドープされた光ファイバー、前記光ファイバーに励起光を供給できるように光結合された半導体レーザ、及び前記半導体レーザに駆動電流を供給する駆動電源を備える発振部と、
   一端が前記発振部の光ファイバーの光出力端に光結合され、他端が外部への光出力端である光ファイバーであってレーザ媒質がドープされた光ファイバー、前記光ファイバーに励起光を供給できるように光結合された半導体レーザ、及び前記半導体レーザに駆動電流を供給する駆動電源を備える増幅部と、
   前記発振部の駆動電源に、前記発振部の光ファイバーにおける励起状態がレーザ発振しきい値の状態となるまで、前記発振部の半導体レーザに駆動電流を供給させる制御を行った後に、前記発振部の駆動電源と前記増幅部の駆動電源とを制御して、対応する半導体レーザに供給する駆動電流の電流値とその供給時間とを個別に制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とするファイバーレーザ装置。
2. 前記増幅部が、前記光ファイバーに励起光を供給できるように光結合された複数の半導体レーザ、及び前記複数の半導体レーザに１対１の関係で駆動電流を供給する複数の駆動電源を備える場合は、
   前記制御装置は、前記増幅部における複数の駆動電源を個別に制御して、対応する半導体レーザに供給する駆動電流の電流値とその供給時間とを個別に制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ装置。
3. 前記制御装置は、前記の各半導体レーザの制御間隔が５０μｓ以下となるように対応する前記駆動電源を制御する、ことを特徴とする請求項１または２に記載のファイバーレーザ装置。
4. レーザ共振器内に配置され、レーザ媒質がドープされた光ファイバー、前記光ファイバーに励起光を供給できるように光結合された半導体レーザ、及び前記半導体レーザに駆動電流を供給する駆動電源を備える発振部と、一端が前記発振部の光ファイバーの光出力端に光結合され、他端が外部への光出力端である光ファイバーであってレーザ媒質がドープされた光ファイバー、前記光ファイバーに励起光を供給できるように光結合された半導体レーザ、及び前記半導体レーザに駆動電流を供給する駆動電源を備える増幅部と、を備えたファイバーレーザ装置において、
   前記発振部の駆動電源に、前記発振部の光ファイバーにおける励起状態がレーザ発振しきい値の状態となるまで、前記発振部の半導体レーザに駆動電流を供給させる制御を行う第１の工程と、
   前記第１の工程の後に、前記発振部の駆動電源と前記増幅部の駆動電源とを制御して、対応する半導体レーザに供給する駆動電流の電流値とその供給時間とを個別に制御する第２の工程と、
   を含むことを特徴とするファイバーレーザ装置の制御方法。
5. 前記増幅部が、前記光ファイバーに励起光を供給できるように光結合された複数の半導体レーザ、及び前記複数の半導体レーザに１対１の関係で駆動電流を供給する複数の駆動電源を備える場合は、
   前記第２の工程は、前記増幅部における複数の駆動電源を個別に制御して、対応する半導体レーザに供給する駆動電流の電流値とその供給時間とを個別に制御する工程、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載のファイバーレーザ装置の制御方法。
6. 板金の切断、溶接、穴開け等のレーザ加工に用いるレーザ光源に、請求項１〜３のいずれか一つに記載のファイバーレーザ装置を用いる、ことを特徴とするファイバーレーザ加工装置。

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