JP2011108772A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化および構成の複雑化を回避しつつ、所望の加工のためのレーザ光（パルス列）を出力可能なレーザ加工装置、およびそのレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置１００は、シード光を発するシードＬＤ２と、励起光を発する励起ＬＤ３と、シード光および励起光が入射されることによってシード光を増幅するように構成された光ファイバ１，８とを備える。シードＬＤ２は、シード光として、複数の光パルスを含むパルス列を繰返し発生させる。複数の光パルスの間の時間間隔は、パルス列同士の間隔よりも短い。さらに、光パルスの数、パルス幅、振幅および間隔の少なくとも１つが可変である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関し、特にレーザ加工装置によるレーザ光の発生に関する。

レーザ加工装置は各種の加工に広く用いられている。レーザ加工装置の加工効率を高める等の目的のために、レーザ加工装置から発せられるレーザ光をマルチパルス化する方法がこれまでに提案されている。

たとえば特許文献１（特許第４１３２１７２号公報）、特許文献２（特許第２８４８０５２号公報）、特許文献３（特表２００５−５１１３１４号公報）の各々は、１つの光パルスを複数の光パルスに分割するとともに、それら複数の光パルスを光路長が異なる光路を通過させた後に合成する方法を開示する。複数の光パルスの光路長が互いに異なることによって、複数の光パルスの間には、その光路長の差に応じた時間間隔が生じる。これにより１つの光パルスからパルス列（マルチパルス）を生成することができる。

特許第４１３２１７２号公報 特許第２８４８０５２号公報 特表２００５−５１１３１４号公報

しかしながら上記の特許文献１から特許文献３に記載されたパルス列の生成方法は、以下に説明する点で改善の余地がある。

まず、複数の光パルスの光路長を互いに異ならせる必要があるためにレーザ加工装置が大型化する。たとえば２つの光パルスの間に１０ｎｓの時間間隔を設けるためには、光路長の差が３ｍ必要である。

次に、複数の光パルスを合成するため、複数の光パルスの光軸が完全に一致するように光学部品の光軸を調整する必要がある。しかしながら多くの光学部品の光軸を調整する必要があるために、調整に手間を要する。さらに光学部品の光軸が、周囲の温度あるいは振動の影響を受けてずれる可能性がある。光学部品の光軸のずれを防ぐためには、環境の変化に耐えうる堅牢な構造がレーザ加工装置に要求される。

さらに、装置の構成の制約のために、パルス列に含まれる各光パルスの条件を変更することが困難である。たとえば、２つの光パルスの時間間隔を変更するためには、各光パルスの光路長の差を変更しなければならない。しかしながら光路長を変更可能とするためには非常に複雑な機構が必要である。

１つの光パルスは光路数に等しい数の光パルスに分割されるので、パルス列に含まれる光パルスの数は固定である。複数の光パルスの間でのパワーの比も固定される。

上述のように、従来のレーザ加工装置では、レーザ加工装置から出力されるパルス列の制御に関する自由度が少ない。このためユーザの所望する加工がレーザ加工装置では実現できない可能性がある。

本発明の目的は、装置の大型化および構成の複雑化を回避しつつ、所望の加工のためのレーザ光（パルス列）を出力可能なレーザ加工装置、およびそのレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法を提供することである。

本発明は要約すれば、レーザ加工装置であって、シード光を発するシード光源と、励起光を発する励起光源と、シード光および励起光が入射されることによってシード光を増幅するように構成された光増幅ファイバとを備える。シード光源は、シード光として、複数の光パルスを含むパルス列を繰り返し発生させる。複数の光パルスの間の時間間隔は、パルス列同士の間隔よりも短い。光パルスの数、パルス幅、振幅および間隔のうちの少なくとも１つが可変である。

好ましくは、シード光源は、パルス列を所定の周期で発生させる。
好ましくは、シード光源は、半導体レーザを含む。レーザ加工装置は、パルス列の波形を定義するデジタルデータを用いて、半導体レーザを駆動する駆動回路をさらに備える。

好ましくは、複数の光パルスは、加工対象物の略同一の箇所に照射される。
好ましくは、光パルスのパルス幅は、２０ナノ秒以下である。

好ましくは、駆動回路は、デジタルデータをアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換器と、デジタルアナログ変換器からのアナログ信号を増幅する増幅器と、増幅器によって増幅されたアナログ信号に応答して、半導体レーザに供給される駆動電流を制御するトランジスタとを含む。

好ましくは、駆動回路は、デジタルデータを電流信号に変換するデジタルアナログ変換器と、電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器と、バイアス電圧を発生させるバイアス電圧源と、電圧信号の電圧とバイアス電圧との差分に応じた信号を発生させる差動増幅器と、差動増幅器によって発生された信号に応答して、半導体レーザに供給される駆動電流を制御するトランジスタとを含む。

好ましくは、バイアス電圧源は、バイアス電圧源に入力されたデータに応じたバイアス電圧を発生させる。

本発明は、他の局面では、シード光を発するシード光源と、励起光を発する励起光源と、シード光および励起光が入射されることによってシード光を増幅するように構成された光増幅ファイバと、光増幅ファイバからの出射光を走査するための走査機構とを備えたレーザ加工装置によるレーザ加工方法である。レーザ加工方法は、シード光源から、シード光として、複数の光パルスを含むパルス列を繰り返し発生させる工程と、走査機構を用いて、光増幅ファイバからの出射光を加工対象物に照射することにより、加工対象物の表面に所望のパターンを形成する工程とを備える。複数の光パルスの間の時間間隔は、パルス列同士の間隔よりも短い。光パルスの数、パルス幅、振幅および間隔のうちの少なくとも１つが可変である。シード光を発生させる工程において、加工対象物の加工箇所に応じて光パルスの間隔が変更される。

本発明によれば、装置の大型化および構成の複雑化を回避しつつ、所望の加工のためのレーザ光（パルス列）を出力可能なレーザ加工装置を実現できる。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成例を示した図である。 本実施の形態に係る光ファイバ１，８の構造の一例を示した図である。 本発明の実施の形態に係るシード光の波形を説明する図である。 図１に示したシードＬＤ２を駆動するドライバ２１の構成の一例を示す図である。 図４に示した構成を有するドライバ２１の動作の説明図である。 図５（Ｃ）に示した波形を有する駆動電流Ｉ_ＬＤがシードＬＤに供給されることによってシードＬＤから出力されるシード光の波形を示した図である。 パルス列に含まれる複数の光パルスのピークが一定に制御されたシード光の波形を示す図である。 光増幅ファイバの増幅度が小さい場合の出射光（パルス列）のパワー波形を示す図である。 光増幅ファイバの増幅度が中程度である場合の出射光（パルス列）のパワー波形を示す図である。 光増幅ファイバの増幅度が大きい場合の出射光（パルス列）のパワー波形を示す図である。 図９に示す波形を有するシード光を増幅した場合の出射光（パルス列）のパワー波形を示す図である。 図１に示したシードＬＤ２を駆動するドライバ２１の構成のさらに他の例を示す図である。 図１２に示した電圧Ｖｉｎの波形図である。 図１２に示したドライバ２１によって制御される電圧Ｖ_ＬＤの波形図である。 電圧Ｖｂｉａｓが０であり、かつ電圧Ｖ_ＬＤの周期が短い場合の電流Ｉ_ＬＤの波形図である。 電圧Ｖｂｉａｓが所定値に設定された場合の電流Ｉ_ＬＤの波形図である。 シードＬＤ２を駆動するドライバ２１の構成のさらに他の例を示す図である。 図１７に示した構成を有するドライバ２１の動作の説明図である。 パルス間隔ｔｐのみ変更した場合の加工実験の結果を示した図である。 本発明の実施の形態によるレーザ加工装置によって実現可能な加工の例を示した図である。 光パルスのパルス幅（半値全幅）の望ましい値を実験により求めた結果を示した図である。 ＳＢＳの発生時に、レーザ増幅器から出射された光パルスにより金属表面に印字を行なった結果を示す図である。 本実施の形態において、ＳＢＳが発生しない条件でレーザ加工装置から出射されたレーザ光（パルス列）により金属表面に印字を行なった結果を示す図である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

本明細書では「パルス列」あるいは「マルチパルス」との用語は、ある時間間隔で時間軸上に並べられた複数の光パルスを意味する。

また本明細書では、「ＬＤ」との用語は、半導体レーザを表す。
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成例を示した図である。図１を参照して、レーザ加工装置１００は２段増幅タイプのレーザ増幅器を備える。詳細には、レーザ加工装置１００は、光ファイバ１，８と、シードＬＤ２と、励起ＬＤ３，９Ａ，９Ｂと、アイソレータ４，６，１１と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７と、結合器５，１０と、エンドキャップ１２と、ドライバ２１，２２，２３Ａ，２３Ｂとを備える。これらの要素によりレーザ増幅器が構成される。レーザ加工装置１００は、さらに、レーザビーム走査機構１４と、制御装置２０と、入力部２５とを備える。

光ファイバ１，８は光増幅ファイバである。本実施の形態では光ファイバ１，８は石英を主成分とする石英系ファイバであるが、プラスチック光増幅ファイバであってもよい。

光ファイバ１，８は光増幅成分である希土類元素が添加されたコア、およびそのコアの周囲に設けられるクラッドを有する。コアに添加される希土類元素の種類は特に限定されず、たとえばＥｒ（エルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）などがある。以下では希土類元素はＹｂであるとして説明する。

光ファイバ１，８の各々は、たとえばコアの周囲に１層のクラッドが設けられたシングルクラッドファイバでもよいし、コアの周囲に２層のクラッドが設けられたダブルクラッドファイバでもよい。また、光ファイバ１，８は、同一構造（たとえばシングルクラッドファイバ）の光ファイバでもよいし、異なる構造を有する光ファイバ（たとえばシングルクラッドファイバとダブルクラッドファイバ）の組み合わせでもよい。

図２は、本実施の形態に係る光ファイバ１，８の構造の一例を示した図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、シングルクラッドファイバの一例の断面図であり、ファイバの延在方向に対して垂直方向および平行方向の断面をそれぞれ示している。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照して、シングルクラッドファイバは、希土類元素が添加されたコア３１と、コア３１の周囲に設けられ、かつコア３１よりも屈折率が低いクラッド３２とを含む。クラッド３２の外表面は外皮３４に覆われる。

図２（Ｃ）および図２（Ｄ）は、ダブルクラッドファイバの一例の断面図であり、ファイバの延在方向に対して垂直方向および平行方向の断面をそれぞれ示している。

図２（Ｃ）および図２（Ｄ）を参照して、ダブルクラッドファイバは、希土類元素が添加されたコア３５と、コア３５の周囲に設けられ、かつコア３５よりも屈折率が低い第１クラッド３６と、第１クラッド３６の周囲に設けられ、かつ第１クラッド３６よりも屈折率が低い第２クラッド３７とを含む。第２クラッド３７の外表面は外皮３８に覆われる。

図１に戻り、シードＬＤ２はシード光を発するレーザ光源である。シード光の波長は、たとえば１０００〜１１００ｎｍの範囲から選択された波長である。ドライバ２１はシードＬＤ２にパルス状の電流を繰返して印加することにより、シードＬＤ２をパルス駆動する。すなわちシードＬＤ２からはパルス状のシード光が発せられる。

シードＬＤ２から出射されるシード光はアイソレータ４を通過する。アイソレータ４は一方向の光のみを透過し、その光と逆方向に入射する光を遮断する機能を実現する。本発明の実施の形態では、アイソレータ４はシードＬＤ２からのシード光を透過させるとともに光ファイバ１からの戻り光を遮断する。これによって光ファイバ１からの戻り光がシードＬＤ２に入射するのを防ぐことができる。シードＬＤ２に光ファイバ１からの戻り光が入射した場合にはシードＬＤ２が損傷するおそれがあるが、アイソレータ４を設けることでこのような問題を防ぐことができる。

励起ＬＤ３は、光ファイバ１のコアに添加された希土類元素の原子を励起するための励起光を発する励起光源である。希土類元素がＹｂの場合、励起光の波長はたとえば９４０±１０ｎｍとなる。ドライバ２２は励起ＬＤ３をＣＷ駆動（連続動作）する。

結合器５はシードＬＤ２からのシード光と励起ＬＤ３からの励起光とを結合して光ファイバ１に入射させる。

光ファイバ１に入射した励起光はコアに含まれる希土類元素の原子に吸収され、原子が励起される。シードＬＤ２からのシード光が光ファイバ１のコアを伝搬すると、励起された原子がシード光により誘導放出を起こすためシード光が増幅される。

光ファイバ１がシングルクラッドファイバである場合、シード光および励起光はともにコアに入射する。これに対し、光ファイバ１がダブルクラッドファイバである場合、シード光はコアに入射し、励起光は第１クラッドに入射する。ダブルクラッドファイバの第１クラッドは励起光の導波路として機能する。第１クラッドに入射した励起光が第１クラッドを伝搬する過程で、コアを通過するモードによりコア中の希土類元素が励起される。

アイソレータ６は、光ファイバ１によって増幅され、かつ光ファイバ１から出射されたシード光（光パルス）を通過させるとともに光ファイバ１に戻る光を遮断する。

バンドパスフィルタ７は、光ファイバ１から出力される光パルスのピーク波長を含む波長帯の光を通過させるとともに、その波長帯と異なる波長帯の光を除去する。

励起ＬＤ９Ａ，９Ｂは、光ファイバ８のコアに含まれる希土類元素の原子を励起するための励起光を発する。ドライバ２３Ａ，２３Ｂは励起ＬＤ９Ａ，９ＢのそれぞれをＣＷ駆動する。

図１に示した構成では、１段目の励起ＬＤの個数は１であり、２段目の励起ＬＤの個数は２であるが、励起ＬＤの個数はこれらの値に限定されるものではない。

結合器１０は、バンドパスフィルタ７を通過した光パルスと、励起ＬＤ９Ａ，９Ｂからの励起光とを結合して光ファイバ８に入射させる。光ファイバ１における光増幅作用と同じ作用によって、光ファイバ８に入射した光パルスが増幅される。

アイソレータ１１は光ファイバ８から出射された光パルスを通過させるとともに、光ファイバ８に戻る光を遮断する。アイソレータ１１を通過した光パルスは、アイソレータ１１に付随する光ファイバの端面から大気中に出射される。エンドキャップ１２は、ピークパワーの高い光パルスが光ファイバから大気中に出射される際に光ファイバの端面と大気との境界面で生じるダメージを防止するために設けられる。

レーザビーム走査機構１４は、レーザ増幅器からの出射光を二次元方向に走査するためのものである。図示しないが、レーザビーム走査機構１４は、たとえばエンドキャップ１２からの出射光であるレーザビームの径を所定の大きさに調整するためのコリメータレンズ、および、コリメータレンズを通過後のレーザビームを加工対象物５０の表面上で二次元方向に走査するためのガルバノスキャナ、レーザビームを集光するためのｆθレンズ等を含んでもよい。加工対象物５０の表面上でレーザ光Ｌが二次元方向に走査されることにより、金属等を素材とする加工対象物５０の表面が加工される。たとえば加工対象物５０の表面に文字や図形等からなる情報が印字（マーキング）される。

制御装置２０は、ドライバ２１，２２，２３Ａ，２３Ｂおよびレーザビーム走査機構１４を制御することによりレーザ加工装置１００の動作を統括的に制御する。入力部２５は、たとえばユーザからの情報（たとえば加工対象物５０の表面に印字される文字、記号等の情報）を受付けて、その受付けた情報を制御装置２０に送信する。制御装置２０は、たとえば入力部２５からの情報に基づいて、ドライバ２１，２２，２３Ａ，２３Ｂの動作開始および動作終了を制御するとともに、ドライバ２１，２２，２３Ａ，２３Ｂを動作させている間（言い換えればレーザ増幅器から光が出射されている間）、レーザビーム走査機構１４の動作を制御する。

制御装置２０は、たとえば所定のプログラムを実行するパーソナルコンピュータにより実現される。入力部２５はユーザが情報を入力することができる装置であれば特に限定されず、たとえばマウス、キーボード、タッチパネル等を用いることができる。

上述のように、シードＬＤはパルス駆動され、励起ＬＤはＣＷ駆動される。ただしシードＬＤの非発光期間が長い場合には、その非発光期間の間に励起ＬＤの出力が中断されるよう、制御装置２０がドライバ２１，２２，２３Ａ，２３Ｂを制御することが好ましい。

シードＬＤ、励起ＬＤ、アイソレータ、バンドパスフィルタ等の特性は温度により変化し得る。したがって、これらの素子の温度を一定に保つための温度コントローラをレーザ加工装置に備えることがより好ましい。

図３は、本発明の実施の形態に係るシード光の波形を説明する図である。図３を参照して、繰返し期間ｔｐｒｄごとに、複数の光パルスを含むパルス列すなわちマルチパルスがシードＬＤ２から出力される。複数の光パルスの時間間隔（パルス間隔）はｔｐである。

繰返し期間ｔｐｒｄおよびパルス間隔ｔｐは、加工対象物の加工条件、たとえば加工対象物の素材（金属、樹脂など）、加工時間、加工品質等に基づいて設定される。たとえば繰返し期間ｔｐｒｄは１μｓ〜１ｍｓの範囲から選択される。一方、パルス間隔ｔｐは繰返し期間ｔｐｒｄに比較して短く、たとえば１ｎｓ〜１００ｎｓの間から選択される。

パルス間隔ｔｐが短いため、１つのマルチパルスを構成するパルス列においては、１つのパルスとその次のパルスとの間の走査距離が非常に短い。よって、前のパルスによる加工対象物表面の加工痕の範囲内に次のパルスが照射され、結果として、加工対象物表面において、１つのマルチパルスを構成するパルス列による加工痕は連続的に繋がる。すなわち、１つのマルチパルスは加工対象物のほぼ同一箇所に照射される１つの加工単位を構成する。

図３に示した波形では、パルス列に含まれる光パルスの個数は３である。しかしながらパルス列に含まれる光パルスの個数は、複数であれば特に限定されるものではなく、任意に設定可能である。また、繰返し期間ｔｐｒｄは固定値に限定されず、可変値であってもよい。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置は、光増幅ファイバを利用したＭＯＰＡ（Master Oscillator and Power Amplifier）方式を採用し、シード光として半導体レーザからの光を利用する。シードＬＤ２から発生されるシード光は光ファイバ１，８によって増幅され、レーザ加工装置１００から出力される。シードＬＤ２は複数の光パルスを含むパルス列をシード光として出力するので、レーザ加工装置１００からは複数の光パルスを含むパルス列、言い換えればマルチパルス化されたレーザ光が出力される。

ドライバ２１がシードＬＤ２を駆動することによって、シードＬＤ２はシード光（パルス列）を発生させる。シードＬＤ２に供給される電流をドライバ２１が制御することにより、シードＬＤ２から発生されるシード光（パルス列）の繰返し周期ｔｐｒｄ、パルス列に含まれるパルスの個数、パルス間隔ｔｐ、各光パルスのピークパワー（パルスの振幅）、各光パルスのパルス幅等の複数のパラメータを互いに独立に制御できる。レーザ加工装置１００から出力されるレーザ光は、光ファイバ１、８によって増幅されたシード光である。シード光に関するパラメータを制御することによってレーザ加工装置１００から出力されるレーザ光（パルス列）に関する複数のパラメータ（パルス列に含まれるパルスの個数、繰返し周期、パルス間隔、各光パルスのピークパワー（パルスの振幅）、各光パルスのパルス幅等）を互いに独立に制御することができる。

以上のように本発明の実施の形態によれば、レーザ加工装置１００からレーザ光としてパルス列（マルチパルス）を出力することができる。さらに、レーザ加工装置１００から出力されるレーザ光（パルス列）に関する複数のパラメータを互いに独立に制御できる。したがって本発明の実施の形態によれば、所望の加工を行なうためのレーザ光（パルス列）をレーザ加工装置１００から出力することができる。

ここで、各光パルスのパルス幅（半値全幅）ｔｗの望ましい値を実験により求めた結果を図２１に示す。

図２１（Ａ）は、シード光のパルス幅と、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）が発生しない範囲でシード光をできるだけ増幅したときの増幅光のピークパワー（すなわちＳＢＳ閾値）との関係をグラフ形式で示した図である。図２１（Ｂ）は、増幅光のパルス幅およびピークパワーと、励起ＬＤの駆動電流との関係を表形式で示した図である。図１９に示すように、パルス幅が２０ｎｓ以下ではＳＢＳ閾値（ピークパワー）が急激に大きくなる。よって、各パルス光のパルス幅は２０ｎｓ以下とするのが望ましい。

図２２は、ＳＢＳの発生時に、レーザ増幅器から出射された光パルスにより金属表面に印字を行なった結果を示す図である。図２３は、本実施の形態において、ＳＢＳが発生しない条件でレーザ加工装置から出射されたレーザ光（パルス列）により金属表面に印字を行なった結果を示す図である。図２２および図２３を参照して、ＳＢＳが生じた場合、金属表面に形成されたスポットの大きさは不均一であり、かつ、スポットのピッチも不均一である。これはＳＢＳによりレーザ増幅器から出射される光パルスのエネルギーが安定しなかったり、入射光がほとんど反射されて媒質中に入らなくなったりするためと考えられる。一方、本実施の形態においては、パルス幅を、ＳＢＳが発生しない条件に容易に設定することができるので、金属表面に均一の大きさのスポットを均一のピッチで形成できる。したがって、金属表面の加工（たとえば文字あるいは図形を金属表面に印字する）において、高品質の加工が可能となる。

図４は、図１に示したシードＬＤ２を駆動するドライバ２１の構成の一例を示す図である。図４を参照して、ドライバ２１は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）４２と、Ｄ／Ａコンバータ４３と、アンプ（図中、「Ａｍｐ」と示す）４４と、駆動部４５とを含む。駆動部４５は、トランジスタ４６と、抵抗４７とを含む。

記憶部４１は、シード光の波形を定義する波形データ（デジタルデータ）を不揮発的に記憶する。ＦＰＧＡ４２は記憶部４１から読み出した波形データＤをデジタルデータとして出力するデジタル信号発生器である。ＦＰＧＡ４２は、制御装置２０（図１）からの動作信号を受けると、記憶部４１から波形データＤを読み出すとともに、その波形データＤに基づいてクロック信号ＤＡＣ＿ｃｌｋと、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａ（デジタルデータ）とを出力する。ＦＰＧＡ４２は、制御装置２０からの停止信号に応じてその動作を停止する。

なお、波形データが制御装置２０に記憶されるとともにＦＰＧＡ４２が制御装置２０から波形データを読み出してもよい。また、ＦＰＧＡ４２が波形データを予め記憶してもよい。

Ｄ／Ａコンバータ４３は、クロック信号ＤＡＣ＿ｃｌｋと、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａとを受けて、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａにより示されるデジタルデータをアナログデータに変換する。Ｄ／Ａコンバータ４３は、高速の信号処理に適したＤ／Ａコンバータ（高速Ｄ／Ａコンバータ）であることが好ましい。

アンプ４４は、Ｄ／Ａコンバータ４３からのアナログ信号である電流Ｉｄａｃをトランジスタ４６の制御に必要な信号に変換する。トランジスタ４６の制御電極にはアンプ４４から出力された信号に対応する電圧Ｖ_ＬＤが与えられる。

トランジスタ４６が電圧Ｖ_ＬＤに応じて導通するとシードＬＤ２に駆動電流Ｉ_ＬＤが流れる。駆動電流Ｉ_ＬＤがしきい値電流より大きくなるとシードＬＤ２がレーザ発振してシードＬＤ２からシード光が発せられる。電圧Ｖ_ＬＤによってトランジスタ４６に流れる電流が制御されるので駆動電流Ｉ_ＬＤの強度が制御される。これによりシード光の強度が制御される。

なお、ドライバ２１は、用途に応じて複数の波形データを選択できるように構成されていることが望ましい。複数の波形データの保存先は、たとえば記憶部４１の内部、制御装置２０の内部でもよい。また、デジタル信号発生器は、ＦＰＧＡであると限定されず、マイクロプロセッサやＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などでも良い。

図５は、図４に示した構成を有するドライバ２１の動作の説明図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、図４に示したＦＰＧＡ４２から出力されるデジタルデータの出力タイミングを示した図である。図５（Ｃ）は、図４に示した駆動電流Ｉ_ＬＤの波形図である。

図５および図４を参照して、Ｄ／Ａコンバータ４３への入力値（データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａが示す値）を、０と、ある値（図１０Ａおよび図１０Ｂではａ〜ｆのいずれかの値）とに設定する。Ｄ／Ａコンバータ４３は、周期ｔを有するクロック信号ＤＡＣ＿ｃｌｋの立ち上がりおよび立下りに応じて、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａが示すデジタルデータを読み込み、その読み込んだデジタルデータをアナログデータに変換する。図５（Ａ）に示すように、入力値ａ〜ｆのうちのある値（たとえばａ）とその次の値（たとえばｂ）との間には、入力値として０が挟まれる。

図５（Ｂ）に示すように、Ｄ／Ａコンバータ４３への入力値ａ〜ｆは、ａからｆの順に大きくなる。この入力値に基づいてＤ／Ａコンバータ４３、アンプ４４および駆動部４５が動作する。これらの応答性により、図５（Ｃ）に示されるように、駆動電流Ｉ_ＬＤはそのピーク値が時間の経過とともに大きくなるように変化する。

なお、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａの値が０である期間（周期ｔに対応）は、図３に示したパルス間隔ｔｐに対応する。また、ＦＰＧＡ４２は、たとえば繰返し期間ｔｐｒｄごとに、図５（Ａ）に示すように、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａの値をａからｆまで変化させる。これにより、繰返し期間ｔｐｒｄごとに、シードＬＤ２からパルス列を発生させることができる。

図６は、図５（Ｃ）に示した波形を有する駆動電流Ｉ_ＬＤがシードＬＤに供給されることによってシードＬＤから出力されるシード光の波形を示した図である。図６を参照して、シード光波形の包絡線Ｅは時間（ｔ）に対して単調増加する。時間に対して単調増加するのであれば包絡線Ｅは直線でも曲線でもよい。シード光波形の包絡線が時間に対して単調増加するようにシード光の強度を制御することによって、レーザ加工装置から出力されるパルス列に含まれる各パルスの強度を一定に制御することができる。

図７は、マルチパルスを構成する複数の光パルスのピークが一定に制御されたシード光の波形を示す図である。図７を参照して、シード光の波形の包絡線Ｅは時間に対する傾きが０である直線となる。

図８〜図１０は、図７に示した波形を有するシード光を光増幅ファイバで増幅することにより光増幅ファイバから出射される出射光（パルス列）の波形を示す図である。図１０は、光増幅ファイバの増幅度が小さい場合の出射光（パルス列）の波形を示す図である。図１１は、光増幅ファイバの増幅度が中程度である場合の出射光（パルス列）の波形を示す図である。図１２は、光増幅ファイバの増幅度が大きい場合の出射光（パルス列）の波形を示す図である。なお、光増幅ファイバの増幅度は光増幅ファイバに入射される励起光のパワーに応じて定まる。

図８〜図１０には光増幅ファイバからの出射光である複数の光パルスの波形の包絡線（Ｅａ〜Ｅｃ）を示す。包絡線Ｅａ〜Ｅｃの形状から分かるように、光ファイバの増幅度によらず、出射光パルスのピークパワーは次第に低下する。これは光増幅ファイバにパルス列が入射した際に、パルス列に含まれる複数の光パルスが順次増幅されることによって、コア（希土類元素の原子）に蓄積されたエネルギーが次第に減衰するためである。コア（希土類元素の原子）に蓄積されたエネルギーが大きいほど、光増幅ファイバの増幅度が大きくなる一方で、光増幅ファイバによって増幅された光パルスのピークパワーの減衰の度合いが大きくなる。したがってシード光パルスの包絡線Ｅが直線状の場合、光増幅ファイバの増幅度に従って包絡線Ｅの形状が大きく変化する。

図６に示したように、シード光パルスの包絡線Ｅを時間に対して単調増加させることにより、光増幅ファイバの増幅度の低下による出射光のピークパワーの低下を補正できる。この結果、図１１に示すように出射光のピークパワーを安定させることができるので、出射光波形の包絡線Ｅｄを時間に対する傾きがほぼ０である直線とすることができる。

なお、図６は、シード光波形の一例を示したものである。複数の光パルスの包絡線の形状は、ユーザが所望する加工条件を満たすことが可能な所定の形状であればよい。したがって包絡線はたとえば直線、所定の関数に従う曲線等であってもよい。

図１２は、図１に示したシードＬＤ２を駆動するドライバ２１の構成の他の例を示す図である。図１２を参照して、ドライバ２１の構成は以下の点において図４に示した構成と異なる。まず、ドライバ２１は、Ｄ／Ａコンバータ４３から出力された電流Ｉｄａｃを電圧Ｖｉｎに変換する電流−電圧変換器（Ｉ／Ｖ）６１と、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを発生させるバイアス電圧源６２とをさらに備える。さらに、ドライバ２１は、アンプ４４に代えて差動アンプ４４Ａを備える。

差動アンプ４４Ａは、電圧Ｖｉｎがバイアス電圧Ｖｂｉａｓよりも大きい場合に、（Ｖｉｎ−Ｖｂｉａｓ）に対応する電圧Ｖ_ＬＤを発生させる。バイアス電圧源６２は、たとえばＤ／Ａコンバータにより構成される。バイアス電圧源６２は外部（たとえば制御装置２０）からの制御により、電圧Ｖｂｉａｓを任意に設定できる。具体的にはバイアス電圧源６２はバイアス電圧源６２に入力されるデータに応じた電圧Ｖｂｉａｓを発生させる。電圧Ｖｂｉａｓが制御されることによって、トランジスタ４６の制御電極に与えられる電圧Ｖ_ＬＤおよびシードＬＤ２に供給される駆動電流Ｉ_ＬＤを制御することができる。

図１３は、図１２に示した電圧Ｖｉｎの波形図である。図１３を参照して、１つの電圧パルスの幅（半値全幅）はｔｗ１である。

電圧Ｖｉｎおよび電圧Ｖｂｉａｓが差動アンプ４４Ａに入力されることにより、電圧Ｖｉｎのレベルが負方向にＶｂｉａｓだけ低下する。これにより電圧Ｖ_ＬＤのレベルが負方向にシフトする。

図１４は、図１２に示したドライバ２１によって制御される電圧Ｖ_ＬＤの波形図である。図１４および図１２を参照して電圧Ｖ_ＬＤのパルス幅はｔｗ２（ｔｗ２＜ｔｗ１）となる。すなわち電圧Ｖ_ＬＤのレベルシフトによって、電圧Ｖ_ＬＤのパルス幅が小さくなる。

電圧Ｖ_ＬＤのパルス幅を小さくすることで駆動電流Ｉ_ＬＤのパルス幅が小さくなる。駆動電流Ｉ_ＬＤのパルス幅を小さくすることによって、シードＬＤ２から発せられるシード光（パルス列）に含まれる複数の光パルスの各々のパルス幅が小さくなる。したがってレーザ加工装置から出力されるパルス列に含まれる複数の光パルスの各々のパルス幅を短くすることができる。なお、繰返し周期ｔｐｒｄ等の他のパラメータは複数の光パルスのパルス幅とは独立に制御可能である。したがって、たとえば繰返し周期ｔｐｒｄを維持したまま光パルスのパルス幅のみを変更することもできる。

図１５は、電圧Ｖｂｉａｓが０であり、かつ電圧Ｖ_ＬＤの周期が短い場合の電流Ｉ_ＬＤの波形図である。図１６を参照して、トランジスタ４６の応答などの理由により、電圧Ｖ_ＬＤの周期が短くなると電流Ｉ_ＬＤにオフセット成分が発生する。

図１６は、電圧Ｖｂｉａｓが所定値に設定された場合の電流Ｉ_ＬＤの波形図である。図１６を参照して、電圧Ｖｂｉａｓによって電流Ｉ_ＬＤのレベルを、電流Ｉ_ＬＤのオフセット成分に対応する電流Ｉ_ｏｆだけシフトさせることができる。すなわち電流Ｉ_ＬＤのオフセット成分を減少させることができる。これにより、シード光にオフセット成分が含まれたとしても、そのオフセット成分を小さくすることができる。

図１２の構成によれば、電圧Ｖ_ＬＤのパルス幅を変化させることによってシード光波形の振幅が変化する。しかし、光増幅ファイバによって増幅されたレーザ光（パルス列）のパワーは、励起光のパワーによって制御される。したがって本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置では、シード光波形の振幅を変更させてもよい。励起光のパワーを制御することによって、レーザ加工装置から出力されるレーザ光のパワー（パルス列に含まれる複数の光パルスの各々のピークパワー）を制御することができる。

図１７は、シードＬＤ２を駆動するドライバ２１の構成のさらに他の例を示す図である。図１７を参照して、ドライバ２１は、差動増幅器の入力部と同様の回路構成を有する。詳細には、ドライバ２１は、ＬＤオン／オフ信号発生回路５１と、包絡線発生回路５２と、抵抗５３と、トランジスタ５４，５５と、定電流回路部５６とを含む。定電流回路部５６は、トランジスタ５７および抵抗５８を含む。

ＬＤオン／オフ信号発生回路５１は、トランジスタ５４を制御するための制御信号ＰＬＤおよびトランジスタ５５を制御するための制御信号／ＰＬＤを出力する。制御信号ＰＬＤ，／ＰＬＤは相補の信号である。トランジスタ５５はシードＬＤ２と直列に接続される。

包絡線発生回路５２は、定電流回路部５６（トランジスタ５７）を制御するための信号Ｓｅｎｖを出力する。

図１８は、図１７に示した構成を有するドライバ２１の動作の説明図である。図１８および図１７を参照して、制御信号ＰＬＤ，／ＰＬＤが相補の信号であるのでトランジスタ５４，５５は交互にオンする。したがってトランジスタ５５は所定の繰返し期間ごとにオンする。さらに信号Ｓｅｎｖに応じてトランジスタ５７に流れる電流が制御される。これにより定電流回路部５６に流れる電流が制御される。すなわち制御信号ＰＬＤ，／ＰＬＤは誘導ブリルアン散乱が、光パルス群に含まれる複数の光パルスのいずれかによって生じることを抑制可能な所定の条件を、図１７に示した構成を有するドライバ２１によって具体的に実現するためのものである。

トランジスタ５５がオンすると、シードＬＤ２、トランジスタ５５および定電流回路部５６からなる電流経路を駆動電流ＩＬＤが流れる。この電流の大きさは信号Ｓｅｎｖに従って定められる。トランジスタ５５が所定の繰返し期間ごとにオンするので、駆動電流ＩＬＤはパルス状の電流となる。包絡線発生回路５２により信号Ｓｅｎｖの波形を所望の波形に設定することで、駆動電流ＩＬＤの波形の包絡線の形状に信号Ｓｅｎｖの波形が反映される。これによりシードＬＤ２から出射されるシード光の強度波形の包絡線の形状には信号Ｓｅｎｖの波形が反映される。なお、信号Ｓｅｎｖの波形は図１８に示される形状に限定されず、任意に設定可能である。

図１９は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置による加工実験の結果の例を示した図である。図１９を参照して、実験ではシード光（パルス列）のパルス間隔ｔｐを７ｎｓ，３５ｎｓ，７０ｎｓに変更して、ＳＵＳ（ステンレス鋼）および鉄の表面に印字を行なった。なお、この実験ではシード光のパルス間隔ｔｐのみを変更した。パルス間隔を長くすることによって、ＳＵＳの加工状態を変えることができ、結果として、印字色を白から黒へと変化させることができる。

図１９に示したように、パルス間隔ｔｐを変化させることによって、印字パターンの色が白と黒との間で変化する。したがって、たとえばレーザ光の一回の走査の間に、加工箇所に応じてパルス間隔ｔｐを変化させることにより、加工対象物の表面に白黒パターンを作成できる。このような白黒パターンの作成方法を応用することにより、たとえば図２０に示されるような白色印字部と黒色印字部との両方が含まれる２次元コードを、一度の面加工によって作成できる。図２０に示したコードは、「ＱＲ Ｃｏｄｅ」（登録商標）との文字列を示す。

図２０に示した２次元コードを従来の加工方法によって加工対象物（たとえば金属）の表面に作成する場合、まず、加工対象面全体を白地にするための加工を行ない、次に黒パターンを形成するための加工を行なう。これに対して本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を用いる場合には、シード光のパラメータに関するデータ（シード光の波形データ）を予め作成する。ドライバ２１はそのデータに従ってシードＬＤ２を駆動する。さらに、レーザビーム走査機構１４は、光ファイバ１，８によって増幅されたシード光を二次元方向に走査する。これにより、白色印字部と黒色印字部との両方を含むパターンを一度の面加工により作成できる。したがって本発明の実施の形態によれば、タクトタイムの向上を図ることができる。

以上のように本発明の実施の形態によれば、シードＬＤ２から複数の光パルスを含むパルス列を所定の周期で繰返し発生させることにより、レーザ加工装置１００からパルス列（マルチパルス化されたレーザ光）を出力することができる。レーザ加工装置からパルス列を出力するために、１つの光パルスを複数の光パルスに分割するとともにそれら複数の光パルスを合成するという方法を用いた場合には、各光パルスの光路長の間に差を設ける必要があるとともに、各光パルスの光軸を完全に一致させる必要がある。このため、レーザ加工装置が大型化するとともにその構成が複雑となる。しかしながら本発明の実施の形態によれば、このような方法を用いずとも、所望の加工のためのレーザ光（パルス列）をレーザ加工装置から出力できるので、レーザ加工装置の大型化を回避できるとともに、その構成が複雑化することを回避できる。

さらに、本発明の実施の形態によれば、ドライバ２１は波形データに基づいてシードＬＤ２を駆動する。波形データを変更することによって、シード光（パルス列）に関する複数のパラメータを互いに独立に変更できるので、シード光（パルス列）の制御に関する自由度を高めることができる。これにより、レーザ加工装置から出力されるレーザ光（パルス列）の制御に関する自由度を高めることができる。

たとえば、図１９および図２０に示されるように、シード光に関する複数のパラメータのうちの１つのパラメータのみを変更するとともに他のパラメータを維持することによって所望の加工を実現できる。さらに本発明の実施の形態によれば、シード光に関する複数のパラメータから選択された任意の数のパラメータを変更することによって所望の加工を実現することも可能である。上述のように、このようなパラメータの変更は、ドライバ２１に用いられる波形データを変更することで実現可能である。

なお、本発明の実施の形態では、ドライバ２１が波形データを用いてシードＬＤ２を駆動することにより、シードＬＤ２は、複数の光パルスを含むパルス列を所定の周期で発生させる。ただし、シード光源から複数の光パルスを含むパルス列を所定の周期で発生させるための方法は上記のように限定されるものではない。たとえばシード光源が発生した連続光をシャッタによってオン／オフすることにより複数の光パルスを含むパルス列をシード光として発生させてもよい。シャッタのオン／オフを繰返すことによって複数の光パルスを含むパルス列を発生させることができる。さらに、パルス列が発生する周期をシャッタのオン／オフの周期よりも長くすることによって、複数の光パルスを含むパルス列を所定の周期で発生させることができ、かつ複数の光パルスの時間間隔を、所定の周期よりも短くできる。この場合においても、装置の大型化、構成の複雑化を回避しつつ、複数の光パルスの時間間隔と、パルス列を発生させる周期とを互いに独立に制御できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，８ 光ファイバ、２ シードＬＤ、３，９Ａ，９Ｂ 励起ＬＤ、４，６，１１ アイソレータ、５，１０ 結合器、７ バンドパスフィルタ、１２ エンドキャップ、１４ レーザビーム走査機構、２０ 制御装置、２１，２２，２３Ａ，２３Ｂ ドライバ、２５ 入力部、３１，３５ コア、３２ クラッド、３６ 第１クラッド、３７ 第２クラッド、３４，３８ 外皮、４１ 記憶部、４２ ＦＰＧＡ、４３ Ｄ／Ａコンバータ、４４ アンプ、４４Ａ 差動アンプ、４５ 駆動部、４６，５４，５５，５７ トランジスタ、４７，５３，５８ 抵抗、５０ 加工対象物、５１ ＬＤオン／オフ信号発生回路、５２ 包絡線発生回路、５６ 定電流回路部、６１ 電流−電圧変換器、６２ バイアス電圧源、１００ レーザ加工装置、Ｅ，Ｅａ〜Ｅｄ 包絡線、Ｌ レーザ光。

Claims (9)

1. シード光を発するシード光源と、
   励起光を発する励起光源と、
   前記シード光および前記励起光が入射されることによって前記シード光を増幅するように構成された光増幅ファイバとを備え、
   前記シード光源は、前記シード光として、複数の光パルスを含むパルス列を繰り返し発生させ、
   前記複数の光パルスの間の時間間隔は、前記パルス列同士の間隔よりも短く、
   前記光パルスの数、パルス幅、振幅および間隔のうちの少なくとも１つが可変である、レーザ加工装置。
2. 前記シード光源は、前記パルス列を所定の周期で発生させる、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記シード光源は、半導体レーザを含み、
   前記レーザ加工装置は、
   前記パルス列の波形を定義するデジタルデータを用いて、前記半導体レーザを駆動する駆動回路をさらに備える、請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記複数の光パルスは、加工対象物の略同一の箇所に照射される、請求項１に記載のレーザ加工装置。
5. 前記光パルスの前記パルス幅は、２０ナノ秒以下である、請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記駆動回路は、
   前記デジタルデータをアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換器と、
   前記デジタルアナログ変換器からの前記アナログ信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器によって増幅された前記アナログ信号に応答して、前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御するトランジスタとを含む、請求項３に記載のレーザ加工装置。
7. 前記駆動回路は、
   前記デジタルデータを電流信号に変換するデジタルアナログ変換器と、
   前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器と、
   バイアス電圧を発生させるバイアス電圧源と、
   前記電圧信号の電圧と前記バイアス電圧との差分に応じた信号を発生させる差動増幅器と、
   前記差動増幅器によって発生された信号に応答して、前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御するトランジスタとを含む、請求項３に記載のレーザ加工装置。
8. 前記バイアス電圧源は、前記バイアス電圧源に入力されたデータに応じた前記バイアス電圧を発生させる、請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. シード光を発するシード光源と、励起光を発する励起光源と、前記シード光および前記励起光が入射されることによって前記シード光を増幅するように構成された光増幅ファイバと、前記光増幅ファイバからの出射光を走査するための走査機構とを備えたレーザ加工装置によるレーザ加工方法であって、
   前記シード光源から、前記シード光として、複数の光パルスを含むパルス列を繰り返し発生させる工程と、
   前記走査機構を用いて、前記光増幅ファイバからの前記出射光を加工対象物に照射することにより、前記加工対象物の表面に所望のパターンを形成する工程とを備え、
   前記複数の光パルスの間の時間間隔は、前記パルス列同士の間隔よりも短く、
   前記光パルスの数、パルス幅、振幅および間隔のうちの少なくとも１つが可変であり、
   前記シード光を発生させる工程において、前記加工対象物の加工箇所に応じて前記光パルスの間隔が変更される、レーザ加工方法。