JP2009195976A - 戻り光測定方法、戻り光測定装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 あらかじめアイソレータを逆方向に透過する戻り光を確認することができる戻り光測定方法、戻り光測定装置及びレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】 レーザ加工装置１は、レーザ光源部１０、導光部２０、出射光学系３０、照射光学系３５及び集光光学系３６を備え、レーザ光を照射して加工対象物を加工する。また、戻り光測定装置として、光源４１、光検出部４２及び制御部４３を備えている。光源４１は、出射光学系３０のレンズ３８による集光点を含み、光軸方向に垂直な面に配置されレンズ３８に向けて参照光を出力する。光検出部４２は、コリメータ３２とアイソレータ３３との間に配置され、光源４１から出力され、レンズ３８を経てアイソレータ３３の第２端３３ｂに入力し、第１端３３ａから出力された参照光を検出し、この検出した光のパワーが事前に設定された基準パワーに達しているか判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、戻り光測定方法、戻り光測定装置及びレーザ加工方法に関する。

レーザ加工等に用いられる光源装置は、光源部から出力された光を導光部により光学モジュール（出射光学系）へ導き、この光学モジュールから光を出射して該光を対象物へ照射する。光源部としては、一般にレーザ光源が用いられ、また、増幅用光ファイバを含むレーザ光源が用いられる場合がある。このような光源装置において、レーザ光が照射された対象物で生じた反射光が光学モジュール及び導光部を経て光源部に戻って来ると、光源部が損傷を被る危険性がある。これを防止する為には、光源部への戻り光の入射を阻止する光アイソレータが使用されることが望ましい。

通常、光アイソレータは横モード単一ビームに対して用いられるのが一般的である。このときのアイソレーションは、特許文献１及び２に記載されているとおり、順方向に入射された光が光アイソレータを通過した後に通る光路と同じ光路を通って逆方向から光が入射された場合を想定して定義される。この場合、特許文献１及び２に記載されているとおり、逆方向に入射された光は、光アイソレータ内部で終端されるのではなく、光アイソレータ入射端から、出射位置及び出射角度にずれを生じて出射されるので、順方向の入射ビームを発する光源には結合されないだけである。

また、特許文献１に開示されているように、光アイソレータに含まれる複屈折素子が平板型である場合、光アイソレータ入射端から出射される逆方向ビームは出射位置のみが変わるだけであるが、出射位置のズレにも複屈折率などによる制約があり、仮にモードフィールド径の大きいビームなど用いるとアイソレーションが劣化する危険性がある。
特開平０５−２２４１５１号公報 特公昭６１−０５８８０９号公報

両端が光ファイバで結合されていないレーザ加工装置の出射光学ヘッドなどの場合、入射ビームのパワーまたはエネルギーも高く、再度、光ファイバに集光するのは危険であり、且つ、挿入損失も嫌うことから、入射側にはデリバリー用の光ファイバがあっても、出射側は空間光学系のまま加工対象物に到達する場合が殆どである。対象物が平面状の単純な構造の場合、反射光があったとしても、その反射光は、図２（ａ）に示されるように順方向のビーム光路と一致した光路を辿る。アイソレータ３３を逆方向に透過した光の角度分離が±θである場合、アイソレータ３３を透過する反射光は、図２（ａ）のような光路を辿るため、デリバリー用光ファイバに再入射する危険性は無い。しかし、対象物の形状が、ワイヤ類などのように不規則な場合や、平板上であっても表面の粗さがある場合、更には滑らかな平板上であっても加工に伴い孔や溝ができた場合、反射光はランダムな光路を辿ることが予想される。

こうなると、図２（ｂ）、（ｃ）に示されるように、実線矢印で示される反射光がアイソレータ３３の出射端に入射する際の位置や角度が順方向ビームと異なるので、アイソレータ３３の入射端から出射される際に、偶然にも、アイソレータ３３の入射端の側に光学的接続されるデリバリー用光ファイバに結合してしまう危険性がある。なお、図中で、破線は順方向ビームの光路を示す。特に、アイソレータ３３を逆方向に透過した光の角度分離が±θである場合、θだけ角度のずれた反射光が存在した場合（図２（ｃ））が最悪である。また、必ずしもこれと光路が一致しなくとも、ビームは或る程度のモード広がりを有するので、その一部がデリバリー用光ファイバに結合してしまう危険性がある。このように、デリバリー用光ファイバに反射光を結合させないためには、あらかじめ反射光がデリバリー用光ファイバに結合するかどうかを確認することが必要である。

本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、あらかじめアイソレータを逆方向に透過する戻り光を確認することにより戻り光を制御することができる戻り光測定方法、戻り光測定装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本目的を達成するため、本発明に係る戻り光測定方法は、入射光に対し特定の光路の出射光を出射し、特定の光路に対し出射方向とは逆方向に進む戻り光を遮断するアイソレータを含む出射光学系と、出射光学系からの出射光を入射し、ミラーを操作し、ｆθレンズを介し、出射光を照射する光学系であり、その照射する照射位置を制御する照射光学系とを有する装置において、アイソレータを逆方向に通過する戻り光のパワーを測定する戻り光測定方法であり、開口数の大きな光を出射する光源を用いて、ｆθレンズの照射側よりｆθレンズに向かって参照光を出射し、照射位置を変更しながら、照射位置毎に、アイソレータに逆方向に通過後の戻り光のパワーを測定し、測定された各パワーが事前に設定された基準のパワーに達しているかどうかを判定することを特徴とする。

このように、開口数の大きな光を出射する光源を用いて、ｆθレンズの照射側よりｆθレンズに向かって参照光を出力することにより、出射光学系から出力され、ｆθレンズにより集光された光による戻り光を再現することができる。また、光源から出力された参照光のうち、逆方向に通過した戻り光のパワーを測定し得られる結果を事前に設定した基準のパワーに達しているかを判定することにより、アイソレータに逆方向に通過する戻り光を適切に評価することができる。

また、本発明に係る戻り光測定方法は、測定された各パワーが基準パワーよりも高い場合は、戻り光調整手段の位置を調整し、戻り光のパワーが基準パワー以下となるように設定する態様とすることができる。

上記の態様とすることで、戻り光調整手段の位置の調整により戻り光をあらかじめ設定された基準パワー以下に設定することができるため、高い強度の戻り光がレーザ光の光源へ入射することを防ぐことができる。

さらに、本発明に係る戻り光測定方法は、測定された各パワーが基準パワーより高い各照射位置毎に、戻り光調整手段の位置を調整し、戻り光のパワーを基準パワーに設定し、各照射位置毎に、調整された戻り光調整手段の位置を記録することを特徴とする。

これにより、実際のレーザ加工の際、各照射位置毎に、この調整された戻り光調整手段の位置となるように、制御することができるため。レーザ加工時の照射位置を変更した場合であっても戻り光が増加しないように制御することができる。

また、戻り光調整手段は、アイソレータの位置、アイソレータの戻り光出射側に設けたコリメータの位置およびアイソレータの前又は後に設けた透過領域を制限する光学部品の位置の少なくともいずれか一つを移動させることで、戻り光の出射光学系から出射される光量を調整する装置である態様とすることが好ましい。

アイソレータの戻り光出射側に設けた透過領域を制限する光学部品の位置もしくはコリメータの位置を変更することによれば、アイソレータで除去できずに戻り光としてコリメータの方向へ出射された戻り光を減少させることができる。また、アイソレータの位置もしくはアイソレータの戻り光入射側に設けた透過領域を制限する光学部品の位置を変更することによれば、戻り光がアイソレータに入射することを阻止することができる。また、これらを組み合わせることによって、アイソレータに入射する戻り光及びアイソレータを通過した戻り光を低減することができるため、より戻り光の低減効果を高めることができる。

また、本発明による戻り光測定方法において、光源は、前記参照光を前記ｆθレンズの光軸に対し所定の角度を有する状態で、出射する態様とすることもできる。

本発明に係るレーザ加工方法は、上記の戻り光測定方法で、加工対象となる全照射位置範囲で、前記戻り光のパワーが基準パワー以下となる安全な状態であることを事前に確認又は前記安全な状態となるように事前に調整した後に、出射光学系を組み込んだレーザ加工装置で、加工対象物をレーザ加工することを特徴とする。

また、本発明に係るレーザ加工方法は、上記の戻り光測定方法で記録された、各照射位置毎の調整された戻り光調整手段の位置の情報に基づいて、出射光学系を組み込んだレーザ加工装置で、各照射位置毎に戻り光調整手段の位置を調整しながら、加工対象物をレーザ加工する態様としてもよい。

本発明に係る戻り光測定装置は、入射光に対し特定の光路の出射光を出射し、特定の光路に対し出射方向とは逆方向に進む戻り光を遮断するアイソレータを含む出射光学系と、出射光学系からの出射光を入射し、ミラーを操作し、出射光を照射する照射位置を制御しながら照射する照射光学系と、照射光学系からの光を集光するｆθレンズとを有し、ｆθレンズの照射側よりｆθレンズに向かって、開口数の大きな参照光を出射する光源と、アイソレータを逆方向に通過後の戻り光のパワーを検出する光検出部と、照射位置を変更しながら、照射位置と対応する検出された戻り光のパワーを記録する制御部とを有することを特徴とする。

開口数の大きな光を出射する光源を用いて、ｆθレンズの照射側よりｆθレンズに向かって参照光を出力することにより、出射光学系から出力され、ｆθレンズにより集光された光による戻り光を再現することができる。

本発明に係る戻り光測定装置は、制御部は、測定された各パワーが事前に設定された基準パワーに達しているかどうかを判定することが好ましい。

上記のように、制御部において、光源から出力された参照光のうち、アイソレータに逆方向に通過した戻り光のパワーを測定し得られる結果を事前に設定した基準のパワーに達しているかを判定することにより、アイソレータに逆方向に通過する戻り光を適切に評価することができる。

また、本発明に係る戻り光測定装置は、位置を制御することで、戻り光のパワーを調整する戻り光調整手段と、制御部は、加工対象となる全照射位置範囲で、測定された各パワーが事前に設定された基準パワー以下となるように、戻り光調整手段の位置を調整する態様をとることができる。

これにより、実際のレーザ加工の際、各照射位置毎に、この調整された戻り光調整手段の位置となるように、制御することができるため。レーザ加工時の照射位置を変更した場合であっても戻り光が増加しないように制御することができる。

また、戻り光調整手段は、アイソレータの位置、アイソレータの戻り光出射側に設けたコリメータの位置およびアイソレータの前又は後に設けた透過領域を制限する光学部品の位置の少なくともいずれか一つを移動させることで、戻り光の前記出射光学系から出射される光量を調整する装置である態様とすることができる。

アイソレータの戻り光出射側に設けた透過領域を制限する光学部品の位置もしくはコリメータの位置を変更することによれば、アイソレータで除去できずに戻り光としてコリメータの方向へ出射された戻り光を減少させることができる。また、アイソレータの位置もしくはアイソレータの戻り光入射側に設けた透過領域を制限する光学部品の位置を変更することによれば、戻り光がアイソレータに入射することを阻止することができる。また、これらを組み合わせることにより、より戻り光を低減することができる。

さらに、光源は、前記参照光を前記ｆθレンズの光軸に対し所定の角度を有する状態に設定可能であり、前記ｆθレンズの光軸に対し垂直な方向に移動可能である態様とすることができる。

本発明によれば、あらかじめアイソレータを逆方向に透過する戻り光を確認することができる戻り光測定方法、戻り光測定装置及びレーザ加工方法が提供される。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１の構成を示す図である。図１に示すレーザ加工装置１は、レーザ光源部１０、導光部２０、出射光学系３０、照射光学系（ガルバノミラー）３５及び集光光学系（ｆθレンズ）３６を備え、レーザ光を照射して加工対象物を加工するものである。またレーザ加工装置１は、戻り光測定装置として、光源４１、光検出部４２及び制御部４３を備えている。集光光学系３６は、複数のレンズが組み合わされた光学系であり、用途によりレンズの形状、特性も様々であるためブラックボックスとしている。本発明で用いているｆθレンズは、照射光学系からのレーザ光を加工サンプルに対してほぼ垂直に照射する特性をもつ。

レーザ光源部１０は、種光源１１、増幅用光ファイバ１２，光カプラ１３及び励起光源１４を含む。増幅用光ファイバ１２は、Ｙｂ元素がコア領域に添加された石英系光ファイバであり、励起光源１４から出力された励起光が光カプラ１３を経て供給され、また、種光源１１から出力された種光が一端に入力される。この増幅用光ファイバ１２は、励起光の供給によりＹｂ元素が励起されて、種光を光増幅して他端から出力する。レーザ光源部１０は、増幅用光ファイバ１２で光増幅されて光カプラ１３を経た光を出力する。

導光部２０は、レーザ光源部１０と出射光学系３０との間に設けられ、レーザ光源部１０から出力された光を一端に入力して導光し、その光を出射光学系３０へ向けて出力する。導光部２０としてデリバリー用光ファイバが用いられる。なお、導光部２０と出射光学系３０との間に光コネクタを備える態様とすることもできる。

出射光学系３０は、コリメータ３２、アイソレータ３３及びビームエキスパンダ３４を含む。コリメータ３２は、導光部２０から出力された光を入力してコリメートし、コリメート光をアイソレータ３３へ出力する。

アイソレータ３３は、偏波無依存型のものであり、第１端３３ａで偏波の分離、第２端３３ｂで偏波の合成の役割を果たす複屈折素子を有し、コリメータ３２から出力されたコリメート光を第１端３３ａに入力して、そのコリメート光を第２端３３ｂからビームエキスパンダ３４へ出力する。

ビームエキスパンダ３４は、アイソレータ３３の第２端３３ｂから出力された光を入力し、その光のビーム径を拡大して照射光学系３５へ出力する。

照射光学系３５は、ビームエキスパンダ３４から出力された光を集光光学系３６へ反射させる。照射光学系３５は反射方位が可変であり、照射光学系３５により反射された光の照射位置が、加工対象物上を走査するように反射方位を変更することができる照射光学系として機能する。照射光学系３５は、ガルバノミラーであることが好適である。本実施形態の照射光学系３５は、ビームエキスパンダ３４から出力された光の主光線の反射点を中心として回転することで、照射光学系３５において反射する主光線の出力方向を変えることができる。本実施形態の照射光学系３５は、互いに直交する２本の回転軸を備えている。なお、照射光学系３５は、ビームエキスパンダ３４から出力された主光線の反射点が集光光学系３６の前焦点位置となるように配置される。

集光光学系３６は、照射光学系３５により出力された光を入力し加工対象物へ向けてレーザ光を集光するｆθレンズである。集光光学系３６の前焦点位置は、照射光学系３５における主光線の反射点となるように配置されている。

本実施形態では、集光光学系３６によって集光される光の集光位置に、戻り光検出装置として用いる参照光の光源４１が設けられているが、レーザ加工を行う場合にはこの光源４１の位置に加工対象物を配置して、当該加工対象物の表面を加工する。

本実施形態に係るレーザ加工装置１は、戻り光測定装置として、参照光を出力する光源４１と、光源４１から出力された光を検出する光検出部４２と、光源４１の位置及び光検出部４２の検出する光の強度等を制御する制御部４３と、を備える。

光源４１は、参照光を集光光学系３６の方向へ出力する。この光源４１は、集光光学系３６の後焦点を含み、集光光学系３６の光軸に対して垂直な平面上であり、レーザ光源部１０から出力されたレーザ光が、導光部２０、出射光学系３０、照射光学系３５及び集光光学系３６を経て照射することが可能な範囲に設けられる。また、図１には図示していないが、光源４１を移動するための移動機構及び光源４１から出力する参照光の出力方向を変更する出力方向変更機構を備えていてもよい。なお、光源４１は、レーザ光源部１０からレーザ光を出力して加工対象物をレーザ加工する場合には用いられず、レーザ加工時に加工対象物が配置される場所に設けられる装置であるため、レーザ光源部１０からレーザ光を出力する際には図１に示す配置から取り除かれる。光源４１から出力される参照光の強度は、レーザ光源部１０を損傷することがない程度にしておくことが好ましく、１００ｍＷ以下であることが好ましい。また、参照光の波長は、１０００〜１１００ｎｍの範囲であることが好ましく、波長１０６０ｎｍのマルチモード光に限られず、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源等の非コヒーレント光源を用いることも好ましい。

光検出部４２は、出射光学系３０のコリメータ３２とアイソレータ３３との間に設けられる。光検出部４２は、パワーメータ等の測定器や、フォトダイオード等の受光機能を有したものからなることが好適である。なお、光検出部４２は、レーザ光源部１０からレーザ光を出力して加工対象物をレーザ加工する場合には用いられないことから、レーザ光源部１０からレーザ光を出力する際には図１に示す配置から取り除かれる。

制御部４３は、光源４１及び光検出部４２と接続されており、光源４１の位置及び参照光の出力方向と、光検出部４２の検出する光強度等を記録する。また、光源４１を移動するための移動機構及び光源４１から出力する参照光の出力方向を変更する出力方向変更機構を備えている場合は、それらの移動についても制御部４３により制御される構造とすることができる。光源４１及び光検出部４２等と制御部４３との接続は、シリアル通信、ＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus）通信等により実施することができる。

以上により、本実施形態に係るレーザ加工装置１が構成される。

次に、本実施形態に係るレーザ加工装置１における戻り光の測定方法について説明する。

まず、レーザ加工装置１において、レーザ光を加工対象物に照射した際の戻り光について説明する。図３は、本実施形態に係るレーザ加工装置１を用いて加工対象物５０にレーザ光を照射した際の戻り光の出射の一例を示す図である。図３（ａ）に示すように、集光光学系３６の光軸方向に垂直であり表面が平坦な加工対象物５０を、集光光学系３６により集光されたレーザ光Ｌが照射した場合、反射光Ｌ’は、入射時のレーザ光Ｌの光路を辿って、集光光学系３６に入射する。集光光学系３６に入射した反射光Ｌ’は、レーザ光Ｌの光路を辿って、照射光学系３５、ビームエキスパンダ３４を経由して、アイソレータ３３に到達するので、図２（ａ）に示すような光路によりアイソレータ３３を透過し、アイソレータ３３の第１端３３ａから角度±θの広がりをもって出射される。したがって、コリメータ３２に対して入射することもなく、コリメータ３２から導光部２０へも光が入射されず、レーザ光源部１０へダメージを与えることがない。

一方、図３（ｂ）に示すように、レーザ光を照射する加工対象物５０の表面が複雑な形状をしている場合や、集光光学系３６の光軸方向に対して垂直ではない場合において、集光光学系３６により集光されたレーザ光Ｌは反射面でレーザ光Ｌの入力方向とは異なる方向へ反射する。すなわち、反射光Ｌ’はレーザ光Ｌと角度αだけ異なる光路を進み集光光学系３６に入射した後、照射光学系３５に到達する。照射光学系３５は、レーザ光の照射位置を走査するという機能を有するためにある程度反射面が大きくなっているため、レーザ光の入力方向とは異なる方向へ反射される光についても反射してしまう。したがって、集光光学系３６から出射される反射光Ｌ’は、レーザ光Ｌの入力時とは異なる光路を進み、照射光学系３５、ビームエキスパンダ３４を経由して、アイソレータ３３に到達する。このように、図２（ｂ）又は図２（ｃ）に示すような光路を辿ってアイソレータ３３に到達するおそれがあり、レーザ光源部１０へダメージを与える危険がある。

このように、一般的に、アイソレータは、特定光路を伝播する光に対して、順方向の光は透過し、逆方向の光は遮断するという機能を有する。しかし、上記の特定光路から外れた逆方向の光、例えば図２（ｂ）又は図２（ｃ）に示すように出射端面に斜めから入射する逆方向の光は透過されてしまうという問題がある。

したがって、本実施形態のレーザ加工装置１における戻り光測定装置は、図３（ｂ）のように、加工対象物５０の表面が複雑な形状をしている場合に入射方向とは異なる方向へレーザ光が反射することを想定して、参照光の光源４１から参照光を出射して戻り光を測定する必要がある。

図４は、本実施形態に係るレーザ加工装置１を用いて加工可能領域５２の端部にレーザ光を集光した際の戻り光を説明する図である。加工可能領域５２は、レーザ光源部１０から出力された光によって加工対象物を加工することができる領域を示す。この加工可能領域５２は、集光光学系３６の特性及び照射光学系３５の回転による主光線の反射方向によって決定される。本実施形態の照射光学系３５のように主光線の反射線を中心として２本の回転軸により回転することにより反射方向を変更する場合、照射光学系３５により反射された後集光光学系３６により集光したときの集光点により作られる加工可能領域５２は四角形となる。加工可能領域幅Ｌ_Ｗは、加工可能領域５２の幅を示す。加工可能領域幅Ｌ_Ｗは、四角形を構成する各辺のうちの最大長により規定する。なお、照射光学系３５の構造が上記と異なり加工可能領域５２が円形となる場合は、加工可能領域幅Ｌ_Ｗは円形の最大直径により規定する。さらに、図４においてＬ_Ｌは集光光学系３６の直径、Ｌ_Ｆは集光光学系３６の焦点距離を示す。

ここで、図４を参照して戻り光としてレーザ光源部１０に到達する可能性のある光について考える。レーザ光源部１０に到達する可能性のある戻り光は、レーザ光源部１０から出力されたレーザ光を加工対象物の表面に集光した際に加工対象物の表面で反射することにより発生する戻り光である。すなわち、戻り光は集光光学系３６により集光した際の集光点に位置する加工対象物の表面で反射し、集光光学系３６へ入射する。この戻り光を模して光源４１を用いて参照光を集光光学系３６に対して照射する場合、光源４１を加工可能領域５２上に配置することにより、戻り光を再現することができる。

一方、集光光学系３６へ入射する戻り光は、図３（ｂ）で示したように、集光光学系３６の光軸方向に平行であるとは限らず、ある程度の角度を有している可能性が考えられる。図４のように加工可能領域５２の端部に設けられた光源の位置で、レーザ光が反射した場合、集光光学系３６に到達する戻り光の入射角は、レーザ光の反射位置とは集光光学系３６の光軸方向に対して反対側の集光光学系３６の端部へ到達する場合に最大となる。したがってこの戻り光を参照光により再現する場合、光源４１の出射方向を集光光学系３６の光軸と平行に配置したときに、光源４１から出力する参照光の広がり角（開口数）をθとすると、この広がり角θは、図４においてθ_ＭＡＸ／２により示される角度、すなわち上記で示した入射角が最大となる方向を照射できるような角度である必要がある。したがって、光源４１は、加工可能領域幅Ｌ_Ｗ、集光光学系３６の直径Ｌ_Ｌ及び集光光学系３６の焦点距離Ｌ_Ｆを用いて示す下記（１）を満たす広がり角θをもって参照光を出射することが好ましい。

Ｌ_Ｆ×θ≧Ｌ_Ｌ＋Ｌ_Ｗ ・・・（１）

例えば、集光光学系３６の直径Ｌ_Ｌが１２０ｍｍ、集光光学系３６の焦点距離Ｌ_Ｆが１６０ｍｍ、加工可能領域５２が正方形であり、一辺の長さ６３ｍｍの正方形状の加工可能領域の幅Ｌ_Ｗが８９ｍｍである場合、上記（１）式より、光源４１から出射する参照光の広がり角θは、６４．２６°以上であることが好ましい。上記（１）式を満たす広がり角θを有する光源４１を、移動機構を用いて、加工可能領域５２内を移動させることにより、レーザ光源部１０から出力されたレーザ光が加工可能領域５２を照射する際に発生する可能性のある戻り光を再現することができる。なお、光源４１から出力する参照光の広がり角θが上記（１）式より小さい場合は、出力方向変更機構を用いて、光源４１による参照光の出力方向を変更することにより、上記（１）式に示す広がり角θを満たすことにより同様の効果を得ることが可能である。

なお、加工対象物の厚みＬ_Ｓが１ｍｍ以上で、集光光学系３６からの焦点距離Ｌ_Ｆよりも厚みＬ_Ｓだけ手前でレーザ加工を照射する場合は、厚みＬ_Ｓによる影響を無視することができないため、光源４１から出射される参照光の広がり角θは下記（２）を満たすことが好ましい。

（Ｌ_Ｆ−Ｌ_Ｓ）×θ≧Ｌ_Ｌ＋Ｌ_Ｗ ・・・（２）

光検出部４２では、上記の光源４１から出力された後、集光光学系３６、照射光学系３５、ビームエキスパンダ３４及びアイソレータ３３を経た参照光を検出する。光検出部４２に到達する参照光には、導光部２０に入射し導光部２０を伝播してレーザ光源部１０を損傷する可能性のある光のほか、レーザ光源部１０を損傷する可能性がない光も含まれる。すなわち、光源４１から集光光学系３６の光軸方向に平行に出射され、レーザ光源部１０からレーザ光を出射したときにレーザ光が辿る光路を逆行して進み、図２（ａ）のように順方向のビーム光路と一致した光路からアイソレータ３３に入射し、アイソレータ３３から出力されるデリバリーファイバへ入射する危険性が低い光も、光検出部４２では検出される。

制御部４３は、光検出部４２で測定した参照光の強度及びその参照光を出力した光源４１の配置を元に、光源４１が配置されている場所を集光位置としてレーザを照射することにより、その戻り光がレーザ光源部１０を破損させる可能性があるかを判定する。例えばあらかじめ導光部２０へ入射してレーザ光源部１０を破損する可能性の高い光のパワーを基準パワーとして設定しておき、光検出部４２が検出した参照光の強度から、基準パワーを減算した値が正であれば、光検出部４２が検出した光の中に導光部２０へ入射してレーザ光源部１０を破損する可能性の高い光が含まれていると判定することができる。具体的には、光検出部４２が検出する参照光の強度が約５０ｄＢ以上であれば導光部２０へ入射し、導光部２０を経た光が、レーザ光源部１０を損傷させるおそれがある。この判定は、人間が行ってもよいし、制御部４３にあらかじめ基準パワーを記憶させておいて自動判定させるという態様でもよい。

制御部４３では上記の情報を収集し、加工可能領域５２のうち、戻り光によるレーザ光源部１０を損傷する危険性がある領域を決定する。このようにして決定されたレーザ光源部１０を損傷する危険性がある領域、すなわち基準パワーより高い戻り光が検出された領域以外の領域において、レーザ光を照射して加工対象物のレーザ加工を行うことにより、レーザ光照射時に発生する戻り光によってレーザ光源部１０を損傷する危険性を低減することができる。

上記のように、本実施形態によれば、あらかじめ加工対象物をレーザ加工することによる戻り光が発生するかを、光源４１から参照光を照射し光検出部４２により検出することによって測定しておくことで、実際にレーザ光源部１０からレーザ光を照射してレーザ加工を行うときにレーザ光の戻り光が発生してレーザ光源部１０を破損することを防ぐことができる。

（第２実施形態）
図５は、本実施形態に係るレーザ加工装置２の構成を示す図である。図５に示すレーザ加工装置２は、レーザ光源部１０、導光部２０、出射光学系３０、照射光学系３５及び集光光学系３６を備え、レーザ光を照射して加工対象物を加工するものである。またレーザ加工装置２は、戻り光測定装置として、光源４１、光検出部４２及び制御部４３を備えている。

第１実施形態に係るレーザ加工装置１と比較して、本実施形態に係るレーザ加工装置２は、出射光学系３０に含まれるコリメータ３２及びアイソレータ３３の位置を制御部４３によって変更することができる点で相違する。

本実施形態に係るレーザ加工装置２において、光源４１が参照光を出力し、光検出部４２が参照光のうち集光光学系３６、照射光学系３５、ビームエキスパンダ３４、及びアイソレータ３３を経て到達した光を検出し、その光強度及び光源４１の位置から、その光源４１が配置されている場所を集光位置としてレーザを照射することにより、その戻り光がレーザ光源部１０を破損させる可能性があるかを判定する方法については、第１実施形態に係るレーザ加工装置１と同様である。しかしながら、本実施形態におけるレーザ加工装置２では、制御部４３において、戻り光によるレーザ光源部１０の破損の危険性を判定するほか、レーザ光源部１０の破損の危険性を下げるために、コリメータ３２の位置及びアイソレータ３３の位置をレーザ光源部１０から出力されるレーザ光の進行方向に対して平行な方向へ移動させる機能を有する。アイソレータ３３の位置を変更することにより、アイソレータ３３の第１端３３ａから出力される参照光の方向を、変更前と異なる方向へ出力させることができる。また、コリメータ３２の位置を変更することによっても、アイソレータ３３の第１端３３ａから出力される参照光のうちコリメータ３２に入力した光の集光位置を変更することができる。したがって、導光部２０へ入射する光を減らすことができるため、レーザ光源部１０の損傷リスクを低減させることが可能となる。

制御部４３の機能をさらに詳細に説明する。まず、光源４１と照射光学系３５の位置を変更及び光検出部４２で検出する光のパワーを記録する。この結果を、あらかじめ設定した基準パワーと比較して、基準パワーより高いか低いかを判定する。この判定は、人間が行ってもよいし、制御部４３にあらかじめ基準パワーを記憶させておいて自動判定させるという態様でもよい。検出光のパワーが基準パワーよりも高い場合には、出射光学系３０に含まれるコリメータ３２の位置及びアイソレータ３３の位置を変更した後、再度光源４１と照射光学系３５の位置を同じ条件として測定を行う。位置変更後に光検出部４２で検出する光のパワーが基準パワーよりも低くなっていれば、その設定を保存する。基準パワーよりも光検出部４２で検出する光のパワーが高い場合は、再度コリメータ３２の位置及びアイソレータ３３の位置を変更し、上記の手順を繰り返す。このようにして、制御部４３は、照射位置毎に参照光が基準パワー以下となるコリメータ３２の位置及びアイソレータ３３の位置を求め、保存する。レーザ光源部１０からレーザ光を照射してレーザ加工を行う際には、上記で得られた結果に基づいて出射光学系３０の位置を変更してレーザ加工を行う。

このように、本実施形態によれば、光源４１から参照光を出力することにより測定した戻り光の測定結果に基づいて、出射光学系３０に含まれるコリメータ３２及びアイソレータ３３の位置を変更することによって、戻り光が導光部２０へ入力するのを防ぐことができるため、レーザ光源部１０の損傷を回避することが可能となる。

（第３実施形態）
図６は、本実施形態に係るレーザ加工装置３の構成を示す図である。図６に示すレーザ加工装置３は、レーザ光源部１０、導光部２０、出射光学系３０、照射光学系３５及び集光光学系３６を備え、レーザ光を照射して加工対象物を加工するものである。またレーザ加工装置３は、戻り光測定装置として、光源４１、光検出部４２及び制御部４３を備えている。

出射光学系３０は、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、コリメータ３２、アイソレータ３３、ビームエキスパンダ３４、照射光学系３５及び集光光学系３６を含む。第３実施形態においては、出射光学系３０は、さらに第１光学部品３７及び第２光学部品３８を含む。また、制御部４３は第１光学部品３７及び第２光学部品３８の調整を行う機能を有する。

第１光学部品３７は、光検出部４２とアイソレータ３３との間に設けられる。また、第２光学部品３８は、アイソレータ３３とビームエキスパンダ３４との間に設けられる。第１光学部品３７及び第２光学部品３８のそれぞれは、レーザ光源部１０から出力され出射光学系３０に入力するレーザ光の光軸を中心とした窓を有する。第１光学部品３７及び第２光学部品３８の窓のサイズは、コリメータ３２によってコリメートされたレーザ光のモードフィールド径の２倍程度であるが、窓のサイズは可変である。また、第１光学部品３７及び第２光学部品３８の位置も光軸に対して平行に移動することが可能である。第１光学部品３７及び第２光学部品３８の窓のサイズの変更及び位置の変更は制御部４３によって行われる。

本実施形態に係る出射光学系３０において、第１光学部品３７及び第２光学部品３８は、順方向のビーム、すなわちレーザ光源部１０から出力されて導光部２０を経て出射光学系３０に入力されるレーザ光のみを通過させる。進行方向が順方向のレーザ光の光軸とは異なる角度を有し、かつ逆方向に進む戻り光を遮断することを目的として設けられている。つまり、戻り光のうち、第１光学部品３７及び第２光学部品３８のいずれかの窓を通過することができない戻り光は、遮断されてしまうため、導光部２０まで到達することができず、レーザ光源部１０を損傷させることもない。

上記構成を含むレーザ加工装置３において、光源４１が参照光を出力し、光検出部４２が参照光のうち集光光学系３６、照射光学系３５、ビームエキスパンダ３４、及びアイソレータ３３を経て到達した光を検出し、その光強度及び光源４１の位置から、その光源４１が配置されている場所を集光位置としてレーザを照射することにより、その戻り光がレーザ本体を破損させる可能性があるかを判定する方法については、第１実施形態に係るレーザ加工装置１及び第２実施形態に係るレーザ加工装置２と同様である。しかしながら、本実施形態におけるレーザ加工装置３では、制御部４３において、戻り光によるレーザ光源部１０の破損の危険性を判定するほか、レーザ光源部１０の破損の危険性を下げるために、第１光学部品３７及び第２光学部品３８の位置を移動させる機能と、第１光学部品３７及び第２光学部品３８の窓のサイズを変更させる機能と、を有する。このように第１光学部品３７及び第２光学部品３８を調整することにより、導光部２０へ到達する戻り光を減らすことができ、導光部２０へ入力する戻り光を減らすことができるため、レーザ光源部１０の損傷リスクを低減させることが可能となる。

このように、第３実施形態によれば、光源４１から参照光を出力することにより測定した戻り光の測定結果に基づいて、出射光学系３０に含まれる第１光学部品３７及び第２光学部品３８の位置及び窓のサイズを変更することによって、戻り光が導光部２０へ入力するのを防ぐことができるため、レーザ光源部１０の損傷を回避することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第３実施形態のレーザ加工装置３において、制御部４３は第１光学部品３７及び第２光学部品３８の位置及び窓サイズを変更する機能を有しているが、第２実施形態のレーザ加工装置２と同様に、さらにコリメータ３２及びアイソレータ３３の位置を変更する機能を有していてもよい。

第１実施形態に係るレーザ加工装置１の構成を示す図である。 アイソレータ３３において逆方向に入射する光の出射方向を説明する図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置１を用いて加工対象物５０にレーザ光を照射した際の戻り光の一例を示す図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置１を用いて加工可能領域５２の端部にレーザ光を集光した際の戻り光を説明する図である。 第２実施形態に係るレーザ加工装置２の構成を示す図である。 第３実施形態に係るレーザ加工装置３の構成を示す図である。

符号の説明

１、２、３…レーザ加工装置、１０…光源部、１１…種光源、１２…増幅用光ファイバ、１３…光カプラ、１４…励起光源、２０…導光部、３０…出射光学系、３２…コリメータ、３３…アイソレータ、３４…ビームエキスパンダ、３５…照射光学系（ガルバノミラー）、３６…集光光学系（ｆθレンズ）、３７…第１光学部品、３８…第２光学部品、４１…光源、４２…光検出部、４３…制御部。

Claims (12)

1. 入射光に対し特定の光路の出射光を出射し、前記特定の光路に対し出射方向とは逆方向に進む戻り光を遮断するアイソレータを含む出射光学系と、
   前記出射光学系からの出射光を入射し、ミラーを操作し、ｆθレンズを介し、前記出射光を照射する光学系であり、その照射する照射位置を制御する照射光学系とを有する装置において、
   前記アイソレータを逆方向に通過する戻り光のパワーを測定する戻り光測定方法であり、
   開口数の大きな光を出射する光源を用いて、前記ｆθレンズの照射側より前記ｆθレンズに向かって参照光を出射し、
   前記照射位置を変更しながら、前記照射位置毎に、前記アイソレータに逆方向に通過後の戻り光のパワーを測定し、
   測定された各パワーが事前に設定された基準のパワーに達しているかどうかを判定する
   戻り光測定方法。
2. 測定された各パワーが前記基準パワーよりも高い場合は、戻り光調整手段の位置を調整し、前記戻り光のパワーが基準パワー以下となるように設定する
   ことを特徴とする請求項１記載の戻り光測定方法。
3. 測定された各パワーが前記基準パワーよりも高い各照射位置毎に、戻り光調整手段の位置を調整し、前記戻り光のパワーを基準パワーに設定し、
   各照射位置毎に、調整された戻り光調整手段の位置を記録する
   ことを特徴とする請求項１記載の戻り光測定方法。
4. 前記戻り光調整手段は、前記アイソレータの位置、前記アイソレータの戻り光出射側に設けたコリメータの位置および前記アイソレータの前又は後に設けた透過領域を制限する光学部品の位置の少なくともいずれか一つを移動させることで、戻り光の前記出射光学系から出射される光量を調整する装置である
   ことを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項記載の戻り光測定方法。
5. 前記光源は、前記参照光を前記ｆθレンズの光軸に対し所定の角度を有する状態で、出射することを特徴とする請求項１記載の戻り光測定方法。
6. 請求項１または２の戻り光測定方法で、加工対象となる全照射位置範囲で、前記戻り光のパワーが基準パワー以下となる安全な状態であることを事前に確認又は前記安全な状態となるように事前に調整した後に、前記出射光学系を組み込んだレーザ加工装置で、加工対象物をレーザ加工することを特徴とするレーザ加工方法。
7. 請求項３の戻り光測定方法で記録された、各照射位置毎の調整された戻り光調整手段の位置の情報に基づいて、前記出射光学系を組み込んだレーザ加工装置で、各照射位置毎に戻り光調整手段の位置を調整しながら、加工対象物をレーザ加工することを特徴とするレーザ加工方法。
8. 入射光に対し特定の光路の出射光を出射し、前記特定の光路に対し出射方向とは逆方向に進む戻り光を遮断するアイソレータを含む出射光学系と、
   前記出射光学系からの出射光を入射し、ミラーを操作し、前記出射光を照射する照射位置を制御しながら照射する照射光学系と、
   前記照射光学系からの光を集光するｆθレンズとを有し、
   前記ｆθレンズの照射側より前記ｆθレンズに向かって、開口数の大きな参照光を出射する光源と、
   前記アイソレータを逆方向に通過後の戻り光のパワーを検出する光検出部と、
   前記照射位置を変更しながら、前記照射位置と対応する前記検出された戻り光のパワーを記録する制御部とを有する戻り光測定装置。
9. 前記制御部は、測定された各パワーが事前に設定された基準パワーに達しているかどうかを判定する
   ことを特徴とする請求項８記載の戻り光測定装置。
10. 位置を制御することで、戻り光のパワーを調整する戻り光調整手段と、
    前記制御部は、加工対象となる全照射位置範囲で、測定された各パワーが事前に設定された基準パワー以下となるように、戻り光調整手段の位置を調整する
    ことを特徴とする請求項８記載の戻り光測定装置。
11. 前記戻り光調整手段は、前記アイソレータの位置、前記アイソレータの戻り光出射側に設けたコリメータの位置および前記アイソレータの前又は後に設けた透過領域を制限する光学部品の位置の少なくともいずれか一つを移動させることで、戻り光の前記出射光学系から出射される光量を調整する装置である
    ことを特徴とする請求項１０又は１１のいずれか１項記載の戻り光測定装置。
12. 前記光源は、前記参照光を前記ｆθレンズの光軸に対し所定の角度を有する状態に設定可能であり、前記ｆθレンズの光軸に対し垂直な方向に移動可能である
    ことを特徴とする請求項８に記載の戻り光測定装置。

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