JP2017098531A - レーザー光発生装置、レーザー加工機、被加工物の生産方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発振条件の自由度が高いレーザー光発生装置の提供。【解決手段】レーザー光Lを出力する複数の発光点21を有する光源部2と、光源部2の複数の発光点側の面に向けて設けられ、複数のレーザー光Lが入射される入射面31と、レーザー光Lを増幅して射出する出射面32と、を備える光増幅部3と、光源部2のそれぞれの発光点21を制御するための制御部9と、を有し、光増幅部3は、複数の発光点21から入射するそれぞれのレーザー光Lを合成してレーザー光束L’として射出するレーザー光発生装置200。【選択図】図1
Description
本発明は、レーザー光発生装置、レーザー加工機、被加工物の生産方法に関する。
レーザー光発生装置において、高速変調制御可能な半導体レーザーをシードレーザーの光源とする光源部(MO部)と、低出力のシードレーザー光を増幅して高パワーのレーザー光束とする光増幅部(PA部)とを備えた制御方式が知られている(特許文献1〜3等参照)。
このようなMOPA(Master Oscillator and Power Amplifier)方式のレーザー光発生装置において、シードレーザーのパルス波形、繰り返し周波数等の発振条件が最終的な出力レーザー光束の特性に大きく寄与する。
そのため、特にレーザー光を用いて材料加工などに用いるレーザー光発生装置においては、短パルスやバーストパルスなど、複雑で制御性の高い、高速変調可能なシードレーザーが求められている。
しかしながら、従来のMOPA方式のレーザー光発生装置においては、シードレーザーの発振条件を高精度に制御するのは困難であった。
このようなMOPA(Master Oscillator and Power Amplifier)方式のレーザー光発生装置において、シードレーザーのパルス波形、繰り返し周波数等の発振条件が最終的な出力レーザー光束の特性に大きく寄与する。
そのため、特にレーザー光を用いて材料加工などに用いるレーザー光発生装置においては、短パルスやバーストパルスなど、複雑で制御性の高い、高速変調可能なシードレーザーが求められている。
しかしながら、従来のMOPA方式のレーザー光発生装置においては、シードレーザーの発振条件を高精度に制御するのは困難であった。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、発振条件の自由度が高いレーザー光発生装置の提供を目的とする。
上述した課題を解決するため、本発明のレーザー光発生装置は、レーザー光を出力する複数の発光点を有する光源部と、前記光源部の前記複数の発光点側の面に向けて設けられ、複数の前記レーザー光が入射される入射面と、前記レーザー光を増幅して射出する出射面と、を備える光増幅部と、前記光源部のそれぞれの発光点を制御するための制御部と、を有し、前記光増幅部は、前記複数の発光点から入射するそれぞれの前記レーザー光を合成してレーザー光束として射出する。
本発明のレーザー光発生装置によれば、レーザー光の発振条件の制御性が高い。
(概要)
以下、本発明の実施形態の一例を図面を用いて説明する。
図1には、第1の実施形態に係るレーザー光発生装置としてのレーザー装置200が示されている。
レーザー装置200は、シードレーザーL1〜Lnを出力するn個のレーザー素子21を有する光源部2と、光源部2から照射されたシードレーザーL1〜Lnを増幅するための光増幅器3と、光源部2と光増幅器3とを制御するための制御部9と、を有している。
以降、シードレーザーL1〜Lnを特に区別する必要のないときには、シードレーザーLとの文言を用いる。
レーザー装置200は、シードレーザーLを光増幅器3の入射面31に入射させるためにシードレーザーLを偏向する第1導光光学系4と、光増幅器3の出射面32から出射したレーザー光束L’を照射対象へと照射するための第2導光光学系5と、を有している。
なお、本明細書では、シードレーザーLの光軸に平行な方向を+Z方向として、XYZ3次元直交座標系を用いて説明する。
以下、本発明の実施形態の一例を図面を用いて説明する。
図1には、第1の実施形態に係るレーザー光発生装置としてのレーザー装置200が示されている。
レーザー装置200は、シードレーザーL1〜Lnを出力するn個のレーザー素子21を有する光源部2と、光源部2から照射されたシードレーザーL1〜Lnを増幅するための光増幅器3と、光源部2と光増幅器3とを制御するための制御部9と、を有している。
以降、シードレーザーL1〜Lnを特に区別する必要のないときには、シードレーザーLとの文言を用いる。
レーザー装置200は、シードレーザーLを光増幅器3の入射面31に入射させるためにシードレーザーLを偏向する第1導光光学系4と、光増幅器3の出射面32から出射したレーザー光束L’を照射対象へと照射するための第2導光光学系5と、を有している。
なお、本明細書では、シードレーザーLの光軸に平行な方向を+Z方向として、XYZ3次元直交座標系を用いて説明する。
制御部9は、光源部2から射出されるシードレーザーLのパルス波形、繰り返し周波数等の発振条件を制御する発振条件制御部92と、光増幅器3に入射したシードレーザーLを増幅させるための増幅条件を制御する増幅条件制御部93と、を有している。
レーザー装置200の動作について簡単に説明する。
光源部2は、発振条件制御部92に与えられた所定の発振条件に従って、レーザー素子21それぞれからシードレーザーLを+Z方向に射出する。
シードレーザーLは、光増幅器3の入射面31に向かって第1導光光学系4によって偏向される。
光源部2は、発振条件制御部92に与えられた所定の発振条件に従って、レーザー素子21それぞれからシードレーザーLを+Z方向に射出する。
シードレーザーLは、光増幅器3の入射面31に向かって第1導光光学系4によって偏向される。
光増幅器3は、増幅条件に従って、一方の端面すなわち入射面31から入射したシードレーザーLを増幅し、出射面32からレーザー光束L’として射出する。
光増幅器3によって増幅されたレーザー光束L’は、第2導光光学系5によって偏向及び/又は収束されて、照射対象に向けて照射される。
なお、ここではレーザー装置200は、光源部2から光増幅器3への入射効率を向上させる目的で、第1導光光学系4を用いたが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば光ファイバなどを用いて光源部2と光増幅器3とを直接つなぐ構成でも良い。
あるいは、第1導光光学系4は、集光性を備えた複数の光学部材等によって構成された集光光学系でも良い。
あるいは、第1導光光学系4は、集光性を備えた複数の光学部材等によって構成された集光光学系でも良い。
(詳細)
以下、かかるレーザー装置200の各部の構成について詳細に説明する。
以下、かかるレーザー装置200の各部の構成について詳細に説明する。
光源部2は、図2に示すように、+Z方向側の面に5行5列、25個の発光点たるレーザー素子21が2次元的に配列されたVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER)方式の面発光レーザーアレイである。
レーザー素子21は、それぞれがシードレーザーLを出力する種光源すなわち発光点としての機能を有している。
シードレーザー光Lの波長は、1060nm付近であり、シングルモード出力であることが望ましい。
レーザー素子21は、それぞれがシードレーザーLを出力する種光源すなわち発光点としての機能を有している。
シードレーザー光Lの波長は、1060nm付近であり、シングルモード出力であることが望ましい。
光増幅器3は、各レーザー素子21から入射する複数のシードレーザーL1〜Lnを合成してレーザー光束L’として射出するレーザーアンプとしての機能を有する光増幅部としての機能を有している。
光増幅器3は、図1に示すように石英ガラスを主成分とするコア部に、活性物質として希土類Ybがドープされた3つの光ファイバー増幅器33a、33b、33cを有している。
光ファイバー増幅器33a、33b、33cのそれぞれには、励起光結合光学素子として波長分割多重(WDM=Wavelength Division Multiplexing)カプラ34a、34b、34cが−Z側の端部に取り付けられている。
光ファイバー増幅器33aと、WDMカプラ34aとは1組の増幅器として動作し、光増幅器3において最上流に配置された第1段増幅器としての機能を有している。
同様に、光ファイバー増幅器33bと、WDMカプラ34bとが1組の第2段増幅器として、光ファイバー増幅器33cとWDMカプラ34bとが1組の第3段増幅器として、それぞれ動作する。
第1段増幅器と、第2段増幅器と、第3段増幅器とは、図1に示したように直列に連結された態様で、光増幅器3を形成している。
光増幅器3は、図1に示すように石英ガラスを主成分とするコア部に、活性物質として希土類Ybがドープされた3つの光ファイバー増幅器33a、33b、33cを有している。
光ファイバー増幅器33a、33b、33cのそれぞれには、励起光結合光学素子として波長分割多重(WDM=Wavelength Division Multiplexing)カプラ34a、34b、34cが−Z側の端部に取り付けられている。
光ファイバー増幅器33aと、WDMカプラ34aとは1組の増幅器として動作し、光増幅器3において最上流に配置された第1段増幅器としての機能を有している。
同様に、光ファイバー増幅器33bと、WDMカプラ34bとが1組の第2段増幅器として、光ファイバー増幅器33cとWDMカプラ34bとが1組の第3段増幅器として、それぞれ動作する。
第1段増幅器と、第2段増幅器と、第3段増幅器とは、図1に示したように直列に連結された態様で、光増幅器3を形成している。
WDMカプラ34a、34b、34cは、入力された複数の波長、波形の光を合成する合成部としての機能と、入力された複数の波長、波形の光を波長ごとに分割する分波部としての機能とを有している。
すなわち、シードレーザーL1〜Lnは、最も−Z方向側に配置されたWDMカプラ34aを通過することで、それぞれの波形が合成された合成波となって光ファイバー増幅器33aに入射されて増幅される。
WDMカプラ34a、34b、34cは、シードレーザーLとともに、後述する増幅条件制御部93からの増幅条件に基づいて、励起光源934から入射する励起光Pを光ファイバー増幅器33a、33b、33cのそれぞれに入射させる。
光ファイバー増幅器33a、33b、33cは、励起光PによってYbが励起されて生じる誘導放出により利得波長帯域である波長1060nm付近の光を増幅する。
なお、励起光Pの波長は、活性物質の種類に合わせて変更することが望ましいが、本実施形態では特にYbの吸収帯のある波長975nmの励起光Pを用いる。
すなわち、シードレーザーL1〜Lnは、最も−Z方向側に配置されたWDMカプラ34aを通過することで、それぞれの波形が合成された合成波となって光ファイバー増幅器33aに入射されて増幅される。
WDMカプラ34a、34b、34cは、シードレーザーLとともに、後述する増幅条件制御部93からの増幅条件に基づいて、励起光源934から入射する励起光Pを光ファイバー増幅器33a、33b、33cのそれぞれに入射させる。
光ファイバー増幅器33a、33b、33cは、励起光PによってYbが励起されて生じる誘導放出により利得波長帯域である波長1060nm付近の光を増幅する。
なお、励起光Pの波長は、活性物質の種類に合わせて変更することが望ましいが、本実施形態では特にYbの吸収帯のある波長975nmの励起光Pを用いる。
本実施形態では、光増幅器3は3つの光ファイバー増幅器33a、33b、33cが直列に連結して配置されるとしたが、少なくとも1つの光ファイバー増幅器とWDMカプラとを用いて、出射されたレーザー光束L’を用いるとしても良い。
あるいは、光増幅器3はさらに多数の、例えば任意のn個の光ファイバー増幅器を連結して1つの光増幅部として機能するようなレーザーアンプであってもいい。
また、最も光軸方向下流側すなわち+Z方向側に配置された光ファイバー増幅器35の+Z方向側の端部に、異なる方式のメインアンプを設けても良い。
なお、励起光Pの分離のために、光増幅器3の終端部すなわち+Z方向側の端部には、励起光Pを分離する分離部としてWDMカプラ34dが設けられている。
あるいは、光増幅器3はさらに多数の、例えば任意のn個の光ファイバー増幅器を連結して1つの光増幅部として機能するようなレーザーアンプであってもいい。
また、最も光軸方向下流側すなわち+Z方向側に配置された光ファイバー増幅器35の+Z方向側の端部に、異なる方式のメインアンプを設けても良い。
なお、励起光Pの分離のために、光増幅器3の終端部すなわち+Z方向側の端部には、励起光Pを分離する分離部としてWDMカプラ34dが設けられている。
本実施形態では、光源部2は単一のVCSELユニットを用いたが、複数の光源部2と、それぞれの光源部2に対応する光増幅器3とを並列に備え、光増幅器3の終端にビームコンバイナを設けても良い。
かかる構成により、レーザー光束L’の出力を増大させることができる。
かかる構成により、レーザー光束L’の出力を増大させることができる。
増幅条件制御部93は、図3に示すように、1段目の光ファイバー増幅器33aに取り付けられたWDMカプラ34aに供給される励起光Pを制御する第1段増幅器用LDドライバ931を有している。
増幅条件制御部93は同様に、2段目の光ファイバー増幅器33bに取り付けられたWDMカプラ34bに供給される励起光Pを制御する第2段増幅器用LDドライバ932を有している。
増幅条件制御部93は同様に、3段目の光ファイバー増幅器33bに取り付けられたWDMカプラ34bに供給される励起光Pを制御する第3段増幅器用LDドライバ933を有している。
第1段増幅器用LDドライバ931と、第2段増幅器用LDドライバ932と、第3段増幅器用LDドライバ933とは、それぞれ独立して動作可能であり、互いに異なる増幅条件で増幅するように、異なる励起光Pを出射するとしても良い。
本実施形態では励起光Pを出射する励起LDとして、励起光源934を用いている。
なお、第1段増幅器用LDドライバ931と、第2段増幅器用LDドライバ932と、第3段増幅器用LDドライバ933とがそれぞれの増幅条件に応じて励起光Pを出射するとしてもいいし、外部に別途励起光源934を用意しても良い。
増幅条件制御部93は同様に、2段目の光ファイバー増幅器33bに取り付けられたWDMカプラ34bに供給される励起光Pを制御する第2段増幅器用LDドライバ932を有している。
増幅条件制御部93は同様に、3段目の光ファイバー増幅器33bに取り付けられたWDMカプラ34bに供給される励起光Pを制御する第3段増幅器用LDドライバ933を有している。
第1段増幅器用LDドライバ931と、第2段増幅器用LDドライバ932と、第3段増幅器用LDドライバ933とは、それぞれ独立して動作可能であり、互いに異なる増幅条件で増幅するように、異なる励起光Pを出射するとしても良い。
本実施形態では励起光Pを出射する励起LDとして、励起光源934を用いている。
なお、第1段増幅器用LDドライバ931と、第2段増幅器用LDドライバ932と、第3段増幅器用LDドライバ933とがそれぞれの増幅条件に応じて励起光Pを出射するとしてもいいし、外部に別途励起光源934を用意しても良い。
発振条件制御部92は、図3に示すように、各レーザー素子21から出射されるシードレーザーL1〜Lnの波形を制御する第1シードLD制御部921〜第nシードLD制御部92nを有している。
第1シードLD制御部921〜第nシードLD制御部92nは、互いに独立して動作するが、機能は略同一であるので、ここでは特に第1シードLD制御部921についてのみ図4を用いて説明する。
第1シードLD制御部921は、シードレーザーL1のパルス幅T1と、パルス波高値I1と、パルスの立ち上がりタイミングであるパルスディレイD1と、を設定する任意波形ジェネレータとしての機能を有している。
第2シードLD制御部922〜第nシードLD制御部92nも同様の機能を備えている。したがって、光増幅器3においてシードレーザーL1〜Lnが合成されたときには、図4に模式的に例示したように、レーザー光束L’の波形は、シードレーザーL1〜Lnの合成波となる。
なお、本発明を実施するにあたり、光源部としては、端面発光型LD(Tocan型)を利用することもできるし、端面発光型LD(バタフライパッケージ型)を利用することもできる。さらに、端面発光型LD(バタフライパッケージ型)をパルスドライバ基板に実装した形で、多数個並べて構成することも可能である。
第1シードLD制御部921〜第nシードLD制御部92nは、互いに独立して動作するが、機能は略同一であるので、ここでは特に第1シードLD制御部921についてのみ図4を用いて説明する。
第1シードLD制御部921は、シードレーザーL1のパルス幅T1と、パルス波高値I1と、パルスの立ち上がりタイミングであるパルスディレイD1と、を設定する任意波形ジェネレータとしての機能を有している。
第2シードLD制御部922〜第nシードLD制御部92nも同様の機能を備えている。したがって、光増幅器3においてシードレーザーL1〜Lnが合成されたときには、図4に模式的に例示したように、レーザー光束L’の波形は、シードレーザーL1〜Lnの合成波となる。
なお、本発明を実施するにあたり、光源部としては、端面発光型LD(Tocan型)を利用することもできるし、端面発光型LD(バタフライパッケージ型)を利用することもできる。さらに、端面発光型LD(バタフライパッケージ型)をパルスドライバ基板に実装した形で、多数個並べて構成することも可能である。
ところで、図6に示すように、いわゆる端面レーザー502aをアレイ状に配置して種光源502として用いるとともに、光ファイバ増幅器503をアンプとして用いたMOPA方式のレーザー装置500を考える。
レーザー装置500では、端面レーザー502aの発光点を近づけることが難しく、従ってレーザー装置500の小型化が困難である。
また、端面レーザー502aの発光点を近づけることが難しいために、1つの光ファイバ増幅器503に対して複数のシードレーザーLを入力することが困難であり、シードレーザーLの合成によるパルス形状の詳細な制御が難しい。
レーザー装置500では、端面レーザー502aの発光点を近づけることが難しく、従ってレーザー装置500の小型化が困難である。
また、端面レーザー502aの発光点を近づけることが難しいために、1つの光ファイバ増幅器503に対して複数のシードレーザーLを入力することが困難であり、シードレーザーLの合成によるパルス形状の詳細な制御が難しい。
かかる問題を解決するために、シードレーザーLを異なる光ファイバ増幅器503で増幅したあとにコンバイナ504で合成する方法も考えられるが、例えば光ファイバ増幅器503ごとの微小な性能差や同期の問題が、最終的な出力波形に影響しやすくなる。
このように端面レーザーでは、短パルス化や多チャンネル化が難しく、ドライバ間の同期の問題もあり、特に精度の求められる加工分野、医療分野などで用いられるレーザー加工装置に応用するには、より高精度の制御が可能なレーザー装置が求められる。
そこで、本実施形態では、レーザー素子21として、すでに述べたように発光点が2次元配列された面発光レーザーを利用する。
端面発光レーザーは、一般にはへき開工程を含むため、短パルス化が困難であるが、面発光レーザーは、薄膜積層工程を用いるために短パルス化が可能である。
また、面発光レーザーは集積化が容易であるから、多チャンネル化も容易であるため、本実施形態のレーザー光発生装置は、制御性が高い。
また、面発光レーザーは活性領域の体積が小さく、比較的小さな電流で十分にキャリアを注入でき、立ち上がりの振動(緩和振動)が抑制されるから、短パルス駆動制御も比較的容易である。
そこで、本実施形態では、レーザー素子21として、すでに述べたように発光点が2次元配列された面発光レーザーを利用する。
端面発光レーザーは、一般にはへき開工程を含むため、短パルス化が困難であるが、面発光レーザーは、薄膜積層工程を用いるために短パルス化が可能である。
また、面発光レーザーは集積化が容易であるから、多チャンネル化も容易であるため、本実施形態のレーザー光発生装置は、制御性が高い。
また、面発光レーザーは活性領域の体積が小さく、比較的小さな電流で十分にキャリアを注入でき、立ち上がりの振動(緩和振動)が抑制されるから、短パルス駆動制御も比較的容易である。
本実施形態におけるレーザー光束L’の出力波形の制御について詳細に述べる。
制御部9は、発振条件制御部92を用いて、シードレーザーL1〜Lnまでの発振条件を制御する。
具体的には、図4に既に示したように、シードレーザーL1〜Lnのパルスディレイを、基準となる任意の基準時間D0から遅らせる又は早めるように設定することで、シードレーザーL1〜Lnの合成波の形状を制御する。
シードレーザーL1〜Lnは、WDMカプラ34aにより合成された後に単一の光ファイバー増幅器33aによって増幅される。
具体的には、図4に既に示したように、シードレーザーL1〜Lnのパルスディレイを、基準となる任意の基準時間D0から遅らせる又は早めるように設定することで、シードレーザーL1〜Lnの合成波の形状を制御する。
シードレーザーL1〜Lnは、WDMカプラ34aにより合成された後に単一の光ファイバー増幅器33aによって増幅される。
このように、複数のシードレーザーL1〜Lnを単一の光ファイバー増幅器33aを用いて増幅することで、レーザー装置200は最終的に出力されるレーザー光束L’の波形を高精度に制御する。
本実施形態では、レーザー装置200は、シードレーザーLを出力する複数のレーザー素子21を有する光源部2と、光源部2のそれぞれのレーザー素子21を制御するための制御部9と、を有している。
すなわち、本実施形態のレーザー光発生装置たるレーザー装置200は、レーザー光たるシードレーザーLを出力する複数の発光点としてのレーザー素子21を有する光源部2と、光源部2のそれぞれの発光点を制御するための制御部と、を有している。
すなわち、本実施形態のレーザー光発生装置たるレーザー装置200は、レーザー光たるシードレーザーLを出力する複数の発光点としてのレーザー素子21を有する光源部2と、光源部2のそれぞれの発光点を制御するための制御部と、を有している。
レーザー装置200はまた、光源部2の+Z方向側の面、言い換えると「複数の発光点側の面」に向けて設けられ、シードレーザーL1〜Lnが入射される入射面31と、シードレーザーLを増幅して射出する出射面32と、を備える光増幅器3を有している。
光増幅器3は、レーザー素子21から入射するそれぞれのシードレーザーL1〜Lnを合成してレーザー光束L’として射出する。従って、光増幅器3は、複数の発光点から入射するそれぞれのレーザー光を合成してレーザー光束として射出する。
かかる構成により、レーザー装置200は最終的に出力されるレーザー光束L’の波形を高精度に制御する。
光増幅器3は、レーザー素子21から入射するそれぞれのシードレーザーL1〜Lnを合成してレーザー光束L’として射出する。従って、光増幅器3は、複数の発光点から入射するそれぞれのレーザー光を合成してレーザー光束として射出する。
かかる構成により、レーザー装置200は最終的に出力されるレーザー光束L’の波形を高精度に制御する。
レーザー装置200は、光増幅器3を構成する直列に配置された光ファイバー増幅器33a、33b、33cを有している。
かかる構成により、段階的に波高I、言い換えると出力を向上させるから、パルス幅Tへの影響を抑えながらも、効率よくシードレーザーLを増幅する。
かかる構成により、段階的に波高I、言い換えると出力を向上させるから、パルス幅Tへの影響を抑えながらも、効率よくシードレーザーLを増幅する。
光源部2は、レーザー素子21が、シードレーザーLの光軸Z方向に対して垂直なXY平面に2次元配列されたVCSEL方式の面発光レーザーである。
かかる構成により、レーザー素子21の集積度の向上が容易であり、レーザー装置200は最終的に出力されるレーザー光束L’の波形を高精度に制御する。
かかる構成により、レーザー素子21の集積度の向上が容易であり、レーザー装置200は最終的に出力されるレーザー光束L’の波形を高精度に制御する。
本実施形態における制御部9は、シードレーザーL1〜Lnを互いに独立したパルス発振となるように光源部2を制御する。
かかる構成により、レーザー装置200は最終的に出力されるレーザー光束L’の波形をシードレーザーL1〜Lnの合成波の波形とすることができて、レーザー光束L’の波形を高精度に制御する。
かかる構成により、レーザー装置200は最終的に出力されるレーザー光束L’の波形をシードレーザーL1〜Lnの合成波の波形とすることができて、レーザー光束L’の波形を高精度に制御する。
(変形例)
本発明の実施形態の変形例として、シードレーザーL1〜Lnのうち、シードレーザーLnをパルス波形ではなく連続発振(DC)とした場合のレーザー装置200について説明する。
かかる変形例においては、連続発振を行うシードレーザーLnの制御を行う第nシードLD制御部92n’以外の構成については、既に説明した実施形態と同一であるため、同一の符号をつけて説明を省略する。
本発明の実施形態の変形例として、シードレーザーL1〜Lnのうち、シードレーザーLnをパルス波形ではなく連続発振(DC)とした場合のレーザー装置200について説明する。
かかる変形例においては、連続発振を行うシードレーザーLnの制御を行う第nシードLD制御部92n’以外の構成については、既に説明した実施形態と同一であるため、同一の符号をつけて説明を省略する。
第nシードLD制御部92n’は、シードレーザーLnの波高Inのみを決定する波高決定部300を有している。
言い換えると、本変形例における第nシードLD制御部92n’は、シードレーザーLnのパルス幅を無限大とし、Dutyを100(%)とするような制御を行う。
このとき、第nシードLD制御部92n’は、連続発振制御部としての機能を有している。
かかる構成により、シードレーザーLのうち少なくとも1つが連続発振となるので、最終的に出力されるレーザー光束L’の単位時間当たりの入射エネルギーを大きくするとともに、より波形の制御の自由度が向上する。
言い換えると、本変形例における第nシードLD制御部92n’は、シードレーザーLnのパルス幅を無限大とし、Dutyを100(%)とするような制御を行う。
このとき、第nシードLD制御部92n’は、連続発振制御部としての機能を有している。
かかる構成により、シードレーザーLのうち少なくとも1つが連続発振となるので、最終的に出力されるレーザー光束L’の単位時間当たりの入射エネルギーを大きくするとともに、より波形の制御の自由度が向上する。
なお、連続発振のDC波とするシードレーザーLの数を限定するものではなく、光増幅器3に入射する複数のシードレーザーLを連続発振にするとしても良い。
以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、上記実施形態において、レーザー装置200は、金属を加工するパルスレーザー加工機に用いても良いし、レーザーメスなどの医療用機器に用いても良い。また、分光装置、分析装置、センシング装置、レーザーライダー等、種々の装置への応用が可能である。
一例として、レーザー装置200をレーザー加工機に応用した例を示す。なお、以降の説明においては、上述の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
図7に示すように、レーザー加工機700は、レーザー装置200を備えたレーザー出力部10と、レーザー走査部11と、ワーク搬送部12と、制御部9と、を有している。
レーザー加工機700はまた、レーザー出力部10から出射されたレーザー光束L’の光路を形成するための複数の反射ミラー16、17、18と、レーザー光束L’を照射位置Qへ向けて収束させるための集光レンズたるfθレンズ28と、を有している。
図7に示すように、レーザー加工機700は、レーザー装置200を備えたレーザー出力部10と、レーザー走査部11と、ワーク搬送部12と、制御部9と、を有している。
レーザー加工機700はまた、レーザー出力部10から出射されたレーザー光束L’の光路を形成するための複数の反射ミラー16、17、18と、レーザー光束L’を照射位置Qへ向けて収束させるための集光レンズたるfθレンズ28と、を有している。
レーザー出力部10は、レーザー装置200と、レーザー装置200から出射されたレーザー光束L’のビーム径を変化させるビームエキスパンダ14とを有している。
レーザー走査部11は、後述する主走査直動ステージ27と副走査直動ステージ26とによってXY平面上を移動可能に支持され、レーザー出力部10から出射されたレーザー光束L’の照射位置Qを移動させる走査手段である。
レーザー走査部11は、レーザー光束L’の入射側の端部に配置された回折光学素子19を有している。
回折光学素子19は、レーザー光束L’の結像位置での強度分布やスポット形状を変換する回折光学素子であり、トップハット分布や矩形形状等を任意に設定することができる。
レーザー走査部11は、主走査方向たるX軸方向に移動可能なように、主走査直動ステージ27に搭載されたキャリッジ25に支持される。
主走査直動ステージ27は、副走査方向たるY方向に移動可能なように、副走査直動ステージ26に支持される。
レーザー走査部11は、レーザー光束L’の入射側の端部に配置された回折光学素子19を有している。
回折光学素子19は、レーザー光束L’の結像位置での強度分布やスポット形状を変換する回折光学素子であり、トップハット分布や矩形形状等を任意に設定することができる。
レーザー走査部11は、主走査方向たるX軸方向に移動可能なように、主走査直動ステージ27に搭載されたキャリッジ25に支持される。
主走査直動ステージ27は、副走査方向たるY方向に移動可能なように、副走査直動ステージ26に支持される。
ワーク搬送部12は、一対の搬送ローラであって、被加工物たる対象物としてのワーク35を挟み込んで移動させる搬送部である。
制御部9は、シードレーザーL1〜Lnを互いに独立したパルス発振となるように光源部2を制御する。
制御部9は、シードレーザーL1〜Lnを互いに独立したパルス発振となるように光源部2を制御する。
かかる構成のレーザー加工機700を用いて、ワーク35を加工する方法について図8を用いて説明する。
制御部9は、シードレーザーL1〜Lnを互いに独立したパルス発振となるように光源部2を制御する。シードレーザーL1〜Lnは、光増幅器3によって、図1を用いて既に述べたように、レーザー光束L’として合成されて、レーザー出力部10から射出される(ステップS101)。かかるステップS101は、互いに独立したパルス発振とした複数のシードレーザーL1〜Lnを合成してレーザー光束L’とする合成ステップである。
制御部9は、シードレーザーL1〜Lnを互いに独立したパルス発振となるように光源部2を制御する。シードレーザーL1〜Lnは、光増幅器3によって、図1を用いて既に述べたように、レーザー光束L’として合成されて、レーザー出力部10から射出される(ステップS101)。かかるステップS101は、互いに独立したパルス発振とした複数のシードレーザーL1〜Lnを合成してレーザー光束L’とする合成ステップである。
レーザー出力部10から出射されたレーザー光束L’は、レーザー出力部10に固定した反射ミラー16から主走査直動ステージ27上の反射ミラー17と、レーザー走査部11に固定した反射ミラー18とを経てfθレンズ28に入射する(ステップS102)。
集光レンズ28で集光されたレーザー光束L’は、ワーク35上の照射位置Qに向けて照射されることでワーク35の加工を行う(ステップS103)。
かかるステップS103は、対象物の加工を行うための加工ステップである。
なお、照射位置Qは、ワーク35の加工の種類に応じて、レーザー走査部11をXY平面上で移動させることにより、位置を変更することが可能である。
集光レンズ28で集光されたレーザー光束L’は、ワーク35上の照射位置Qに向けて照射されることでワーク35の加工を行う(ステップS103)。
かかるステップS103は、対象物の加工を行うための加工ステップである。
なお、照射位置Qは、ワーク35の加工の種類に応じて、レーザー走査部11をXY平面上で移動させることにより、位置を変更することが可能である。
レーザー加工機700においてレーザー装置200を適用することにより、対象の被加工物の種類、あるいは被加工部分ごとに適した加工条件での加工が可能となる。すなわち、非熱加工と熱加工を組み合わせた複雑な条件での加工をも可能となる。
例えば、金属加工において、短パルス発振により非熱加工にてディンプルを形成し、連続的な発振を行うことによって熱加工によるディンプル表面を滑らかにする等の加工が容易に行われる。
例えば、金属加工において、短パルス発振により非熱加工にてディンプルを形成し、連続的な発振を行うことによって熱加工によるディンプル表面を滑らかにする等の加工が容易に行われる。
なお、本実施形態では、制御部9を用いて、シードレーザーL1〜Lnをパルス発振の所謂パルスレーザーであるとしたが、複数のシードレーザーL1〜Lnのうち少なくとも1つが連続発振(DC発振)であるとしても良い。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
2 光源部
3 光増幅部
9 制御部
21 発光点(レーザー素子)
31 入射面
32 出射面
35 対象物(ワーク)
92 発振条件制御部
93 増幅条件制御部
92n’ 連続発振制御部(第nシードLD制御部)
L、L1〜Ln レーザー光(シードレーザー)
L’ レーザー光束
200 レーザー光発生装置(レーザー装置)
700 レーザー加工機
S101 合成ステップ
S103 加工ステップ
3 光増幅部
9 制御部
21 発光点(レーザー素子)
31 入射面
32 出射面
35 対象物(ワーク)
92 発振条件制御部
93 増幅条件制御部
92n’ 連続発振制御部(第nシードLD制御部)
L、L1〜Ln レーザー光(シードレーザー)
L’ レーザー光束
200 レーザー光発生装置(レーザー装置)
700 レーザー加工機
S101 合成ステップ
S103 加工ステップ
Claims (10)
- レーザー光を出力する複数の発光点を有する光源部と、
前記光源部の前記複数の発光点側の面に向けて設けられ、複数の前記レーザー光が入射される入射面と、前記レーザー光を増幅して射出する出射面と、を備える光増幅部と、
前記光源部のそれぞれの発光点を制御するための制御部と、
を有し、
前記光増幅部は、前記複数の発光点から入射するそれぞれの前記レーザー光を合成してレーザー光束として射出するレーザー光発生装置。 - 前記光増幅部を複数有し、当該複数の光増幅部が直列に配置されることを特徴とする請求項1に記載のレーザー光発生装置。
- 前記光源部は、前記発光点が、前記レーザー光の光軸方向に対して垂直な平面に2次元配列された面発光レーザーであることを特徴とする請求項1または2に記載のレーザー光発生装置。
- 前記制御部は、前記レーザー光を互いに独立したパルス発振となるように前記光源部を制御することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1つに記載のレーザー光発生装置。
- 前記制御部は、前記レーザー光のうち少なくとも1つを、連続発振とし、他の前記レーザー光をパルス発振となるように前記光源部を制御することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1つに記載のレーザー光発生装置。
- レーザー光を出力する複数の発光点を有する光源部と、前記光源部の前記複数の発光点側の面に向けて設けられ、複数の前記レーザー光が入射される入射面と、前記レーザー光を増幅して射出する出射面と、を備える光増幅部と、前記光源部のそれぞれの発光点を制御するための制御部と、を有し、前記光増幅部は、前記複数の発光点から入射するそれぞれの前記レーザー光を合成してレーザー光束として射出するレーザー光発生装置を備え、
前記レーザー光発生装置により射出されたレーザー光束を用いて対象物の加工を行うことを特徴とするレーザー加工機。 - 前記制御部は、前記レーザー光を互いに独立したパルス発振となるように前記光源部を制御することを特徴とする請求項6に記載のレーザー加工機。
- 前記制御部は、前記レーザー光のうち少なくとも1つを、連続発振とし、他の前記レーザー光をパルス発振となるように前記光源部を制御することを特徴とする請求項6に記載のレーザー加工機。
- 互いに独立したパルス発振とした複数のレーザー光を合成してレーザー光束とする合成ステップと、
前記レーザー光束により対象物の加工を行う加工ステップと、を有することを特徴とする被加工物の生産方法。 - 少なくとも1つの連続発振のレーザー光と、互いに独立したパルス発振としたレーザー光と、を合成してレーザー光束とする合成ステップと、
前記レーザー光束により対象物の加工を行う加工ステップと、を有することを特徴とする被加工物の生産方法。
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