JP2018129452A - 光ファイバレーザ装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象にレーザ光を照射した際の、加工対象からの応答を監視すること。【解決手段】レーザ光を加工対象へ照射する光学ヘッドへレーザ光を伝送する伝送用光ファイバと、増幅用光ファイバと伝送用光ファイバとを接続するコンバイナと、加工対象へ照射される、第１波長とは異なる第２波長の光を出力する光源と、コンバイナに接続され、少なくとも前記第２波長の光を伝搬する少なくとも１つの光ファイバと、光ファイバに接続され、伝送用光ファイバをレーザ光とは逆方向に伝搬する光のうち第２波長の光を、少なくとも第１波長の光を減衰するフィルタを介して検出する光検出器と、光検出器で検出した第２波長の光の強度に基づいて、第１波長のレーザ光の強度を増減する制御部とを備える光ファイバレーザ装置。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバレーザ装置およびその制御方法に関する。

近年、レーザ加工装置として光ファイバレーザ装置が注目されている。光ファイバレーザ装置は、レーザ発振器における増幅媒質に希土類元素がコアに添加された増幅用光ファイバを用いてレーザ光を発生させる装置であり、励起光を吸収した希土類元素が増幅利得を生じることで、高出力のレーザ光を発振する。

ところで、光ファイバレーザ装置では、加工対象に照射されたレーザ光が加工対象の表面状態によっては反射ないし散乱され、その一部が戻り光となって光ファイバレーザ装置の出射端へ再び入射してしまう現象が知られている。特にレーザ光出力が高い場合は、戻り光が光ファイバレーザ装置内の通常の光路を逆方向に伝搬し、増幅用光ファイバの利得を不安定にしたり、最悪なケースでは光学部品を破壊してしまったりすることもある。そこで、従来から戻り光に対する各種技術が開発されている（例えば特許文献１〜４参照）。

特許第４６９９１３１号公報 国際公開第２０１４／０１４０６８号 特許第５８１４３１５号公報 特開２０１０−１４７１０８号公報

本来、光ファイバレーザ装置では、戻り光の問題は発生しないように設計および設定されている。すなわち、加工対象の表面状態が想定内のものであれば、照射されるレーザ光の照射角および照射強度は、戻り光の問題は発生しないように設計および設定されている。ところが、加工対象の表面状態は必ずしも想定通りではなく、想定以上に凹凸が生じていたり、反射率の異なる不純物が紛れていたりして、想定外の戻り光が発生してしまうのである。

逆に考えると、加工対象にレーザを照射した際、何らかの加工対象からの応答を監視することができるならば、戻り光の発生を抑制することが可能となる。また、加工中の加工対象の表面状態を監視することができれば、今までよりも限界に近い強度のレーザ光を照射することも可能となり、加工時間短縮等のメリットを享受することが可能となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、加工対象にレーザ光を照射した際の、加工対象からの応答を監視することができる光ファイバレーザ装置およびその制御方法を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置は、レーザ発振器における増幅媒質に増幅用光ファイバを用いて第１波長のレーザ光を発生させる光ファイバレーザ装置において、前記レーザ光を加工対象へ照射する光学ヘッドへ前記レーザ光を伝送する伝送用光ファイバと、前記増幅用光ファイバと前記伝送用光ファイバとを接続するコンバイナと、前記加工対象へ照射される、前記第１波長とは異なる第２波長の光を出力する光源と、前記コンバイナに接続され、少なくとも前記第２波長の光を伝搬する少なくとも１つの光ファイバと、前記光ファイバに接続され、前記伝送用光ファイバを前記レーザ光とは逆方向に伝搬する光のうち第２波長の光を、少なくとも第１波長の光を減衰するフィルタを介して検出する光検出器と、前記光検出器で検出した前記第２波長の光の強度に基づいて、前記第１波長のレーザ光の強度を増減する制御部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の前記制御部は、前記第２波長の光の強度の時間変化に基づいて、前記第１波長のレーザ光の強度を増減することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の前記光ファイバは、前記伝送用光ファイバを前記レーザ光とは逆方向に伝搬する光が結合しやすい光ファイバであることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の前記光ファイバは、前記コンバイナに複数接続されていることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の前記光検出器は、前記複数の光ファイバに接続されていることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の前記制御部は、前記複数の光ファイバに接続された前記光検出器の出力を統計的に処理することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の前記制御部は、前記光検出器の出力を分析して前記加工対象の表面状態を推定することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の前記第２波長の光は、前記第１波長のレーザ光が照射される位置を確認するための可視光であることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の前記フィルタは、前記第２波長を含む波長域のみを透過させるバンドパスフィルタであることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の前記フィルタは、前記第１波長を含む波長域のみを低減させるフィルタであることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の制御方法は、レーザ発振器における増幅媒質に増幅用光ファイバを用いて第１波長のレーザ光を発生させ、伝送用光ファイバを介して前記レーザ光を加工対象へ照射する光ファイバレーザ装置の制御方法において、前記第１波長とは異なる第２波長の光を、前記伝送用光ファイバを介して加工対象へ照射する工程と、前記伝送用光ファイバを前記レーザ光とは逆方向に伝搬する光のうち第２波長の光を検出する工程と、前記検出した第２波長の光の強度に基づいて、前記第１波長のレーザ光の強度を増減する工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光ファイバレーザ装置の制御方法の前記第２波長の光を前記加工対象へ照射する工程は、前記第１波長のレーザ光が照射される位置を確認する工程を兼ねている、ことを特徴とする。

本発明に係る光ファイバレーザ装置およびその制御方法は、加工対象にレーザ光を照射した際の、加工対象からの応答を監視することができるという効果を奏する。

図１は、第１実施形態に係る光ファイバレーザ装置の概略構成を示す図である。 図２は、第２実施形態に係る光ファイバレーザ装置の概略構成を示す図である。 図３は、第１波長のレーザ光を間欠照射する場合のタイミングチャートである。 図４は、従来構成の光ファイバレーザ装置を用いた加工対象の表面状態の検出例を示す図である。 図５は、本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置を用いた加工対象の表面状態の検出例を示す図である。 図６は、本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置を用いた加工対象の表面状態の検出例を示す図である。

以下、本発明に係る光ファイバレーザ装置およびその制御方法の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。なお、図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各構成の寸法の比率などは現実のものとは異なる場合があることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光ファイバレーザ装置１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、第１実施形態に係る光ファイバレーザ装置１００は、レーザ発振器１１０における増幅媒質に増幅用光ファイバ１１１を用いて第１波長のレーザ光を発生させる光ファイバレーザ型の装置である。

図１に示すように、光ファイバレーザ装置１００は、レーザ発振器１１０と伝送用光ファイバ１２０とコンバイナ１２２とダミー光ファイバ１２３とモニタ用光源１３１と光検出器１３２ａ，１３２ｂと制御部１３０とを備えている。

レーザ発振器１１０は、増幅用光ファイバ１１１と、増幅用光ファイバ１１１の前段側（紙面左側）に設けられた第１光反射器１１２と、増幅用光ファイバ１１１の後段側（紙面右側）に設けられた第２光反射器１１３と、を備えている。

増幅用光ファイバ１１１は、石英系ガラスからなるコア部に増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加され、コア部の外周には石英系ガラスからなる内側クラッド層と樹脂等からなる外側クラッド層とが順次形成されたダブルクラッド型の光ファイバである。なお、増幅用光ファイバ１１１のコア部は開口数ＮＡ（Numerical Aperture）が例えば０．０８であり、波長１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの光をシングルモードで伝搬するように構成されている。増幅用光ファイバ１１１の長さは例えば２５ｍである。増幅用光ファイバ１１１のコア部の吸収係数は、例えば波長１０７０ｎｍにおいて２００ｄＢ／ｍである。また、コア部に入力された励起光から発振するレーザ光へのパワー変換効率は例えば７０％である。

第１光反射器１１２および第２光反射器１１３は、波長特性の異なる例えばファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）で構成されている。第１光反射器１１２および第２光反射器１１３は、光ファイバのコアに回折格子を設けることによって構成されている。また、第１光反射器１１２および第２光反射器１１３は、内側クラッドを有するダブルクラッド型の光ファイバとして構成し、その内側クラッドにて励起光波長の光をマルチモードで伝搬するように構成することが好ましい。

第１光反射器１１２は、中心波長が例えば１０７０ｎｍであり、中心波長およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する特性を有する。一方、第２光反射器１１３は、中心波長が第１光反射器１１２と略同じである例えば１０７０ｎｍであり、中心波長における反射率が１０％〜３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約１ｎｍであり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する特性を有する。なお、波長９１５ｎｍの励起光ではなく、例えば波長９７５ｎｍの励起光を用いる場合、第１光反射器１１２および第２光反射器１１３は、波長９７５ｎｍの光はほとんど透過する特性とすることが好ましい。

図１に示すように、第１実施形態に係る光ファイバレーザ装置１００は、いわゆる前方励起型の構成を採用している。光ファイバレーザ装置１００には、第１光反射器１１２へ励起光を出力するための励起光合波器１１４が、第１光反射器１１２の前段側（紙面左側）に設けられている。これにより、光ファイバレーザ装置１００は、第１光反射器１１２の前段から、増幅用光ファイバ１１１へ向かって励起光を導入する。

励起光合波器１１４は、例えばＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）によって構成されている。励起光合波器１１４は、両端部を構成する前段側シグナルポートと後段側シグナルポートと複数の励起光用ポートとを備えている。前段側シグナルポートおよび後段側シグナルポートの間にはコアが延伸しており、該コアはレーザ発振波長においてシングルモード伝搬特性を有することが好ましい。一方、励起光用ポートは、励起光波長においてマルチモード伝搬特性を有する（マルチモード）コアを備えた光ファイバで構成されている。各励起光用ポートを構成するマルチモード光ファイバは、そのマルチモードコアが前段側シグナルポートを構成する光ファイバのコアの周りを囲むように構成されている。

励起光合波器１１４の後段側シグナルポートは、ダブルクラッド型の光ファイバになっており、前段側シグナルポートから延伸しているコアがシングルモードコアに、各励起光用ポートから延伸しているコアが内側クラッドに結合するように接続されている。さらに、このダブルクラッド型の光ファイバが、第１光反射器１１２を介して増幅用光ファイバ１１１に接続されている。これにより、前段側シグナルポートに入力されたレーザ発振波長の光は、実質的にシングルモードで増幅用光ファイバ１１１のコアに伝搬する。一方、各励起光用ポートに入力された励起波長の光は、マルチモードで増幅用光ファイバ１１１の内側クラッドに伝搬する。

光ファイバレーザ装置１００では、励起光合波器１１４の励起光用ポートは、励起光源１１５ａ，１１５ｂに接続されている。

上記構成により、レーザ発振器１１０は、励起光源１１５ａ，１１５ｂから波長９１５ｎｍの励起光が導入された場合に、第１波長としての波長１０７０ｎｍのレーザ光を発振し、当該レーザ光を第２光反射器１１３から出力する構成となる。

図１に示すように、レーザ発振器１１０から出力されたレーザ光は、コンバイナ１２２と伝送用光ファイバ１２０と光学ヘッド１２１とを介して加工対象Ｗへ照射される。

コンバイナ１２２は、例えばＴＦＢによって構成されている。コンバイナ１２２は、両端部を構成する前段側シグナルポートと後段側シグナルポートと複数のダミーポートとを備えている。前段側シグナルポートおよび後段側シグナルポートの間にはコアが延伸している。一方、ダミーポートは、そのコアが、例えば前段側シグナルポートを構成する光ファイバのコアの周りを囲むように構成されている。

コンバイナ１２２の後段側シグナルポートには、伝送用光ファイバ１２０が接続されており、前段側シグナルポートには第２光反射器１１３から延伸した光ファイバが接続され、複数のダミーポートにはダミー光ファイバ１２３が接続されている。

コンバイナ１２２は、前段側シグナルポートから入力されたレーザ光を後段側シグナルポートへ効率よく結合する一方で、後段側シグナルポートから入力されたレーザ光を前段側シグナルポートへは結合し難いように構成することが好ましい。伝送用光ファイバ１２０を通常とは逆方向に伝搬する光がレーザ発振器１１０へ到達するのを抑制するためである。言い換えると、コンバイナ１２２のダミーポートは、後段側シグナルポートから入力された光が結合しやすい（結合効率が高い）ように構成することが好ましい。なお、後段側シグナルポートから入力される光は、本来的に想定外の光であるので、伝搬モードも複雑であり、複数のダミーポートに等分割に結合させるように設計することは困難である。したがって、コンバイナ１２２では、複数のダミーポートに等分割に結合させるように設計することは要求しない。

伝送用光ファイバ１２０は、例えば実質的シングルモードの光ファイバで構成されている。ここで、実質的シングルモードとは、シングルモードおよびいわゆる「a few modes」（光ファイバのコア中の電界強度分布において大部分が基本モードから構成され、その他数％程度が数次程度の高次モードを含むモード）の何れかのモードのことをいう。伝送用光ファイバ１２０は、光学ヘッド１２１へレーザ光を伝送するためのものである。光学ヘッド１２１は、レーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系を備えている。

ダミー光ファイバ１２３は、モニタ用光源１３１と光検出器１３２ａ、１３２ｂとを接続するためのものであり、例えばシングルモードの光ファイバで構成されている。ダミー光ファイバ１２３は、コンバイナ１２２のダミーポートのうち、後段側シグナルポートから入力された光が結合しやすいポートに接続されている。

モニタ用光源１３１は、第１波長としての波長１０７０ｎｍとは異なる第２波長の光を加工対象Ｗへ照射するための光源であり、例えば波長６３８ｎｍの赤色光を発するレーザダイオードである。すなわち、第１波長の１０７０ｎｍは不可視波長である一方、第２波長の６３８ｎｍは可視波長であるので、モニタ用光源１３１が発する第２波長の光は、第１波長のレーザ光Ｌが照射される位置を確認するために用いることができる。すなわち、光ファイバレーザ装置１００では、レーザ光Ｌが照射される位置を確認するためのモニタ用光源１３１を、加工対象Ｗの表面状態を監視するための構成として利用することができるので、新たに追加する構成を少なく抑えることが可能である。また、先述したダミー光ファイバ１２３としては、第１波長の光とは逆方向に伝搬する光が結合しやすい様設計することが好ましい。この場合、加工対象Ｗからコンバイナ１２２に入射した第２波長の光は、コンバイナ１２２内での多様な反射条件等によりいずれのモードでダミー光ファイバ１２３に結合されるか不明な場合があるため、ダミー光ファイバ１２３をマルチモードの光ファイバで構成することが特に好ましい。尚、第２波長の光としては必ずしも単一波長である必要はなく、複数の波長が含まれる光を用いてもよい。

光検出器１３２ａ、１３２ｂは、少なくとも第２波長の６３８ｎｍに対する感応を有する例えばフォトダイオードである。光検出器１３２ａ、１３２ｂは、加工対象Ｗで反射または散乱された光Ｒであって、伝送用光ファイバ１２０を通常とは逆方向に伝搬する光のうち第２波長の光を検出するためのものである。なお、光検出器１３２ａ、１３２ｂは、少なくとも第１波長の光を減衰するフィルタ１３３ａ，１３３ｂを介して第２波長の光を検出することが好ましい。光検出器１３２ａ、１３２ｂを第１波長の光から保護し、ノイズを低減することができるからである。したがって、フィルタ１３３ａ，１３３ｂは、第２波長を含む波長域のみを透過させるバンドパスフィルタや、第１波長を含む波長域のみを減衰させるフィルタ等であることがより好ましい。特に、第２波長の光として複数波長の光を照射する場合には後者のフィルタを用いる事が好ましい。また、光検出器１３２ａ、１３２ｂは、第２波長の６３８ｎｍに対する感応を有するフォトダイオードを用いるので、シリコンを用いた一般的な可視光用のフォトダイオードを利用することができる。

なお、図１に示す構成では、ダミー光ファイバ１２３が２本であり、その各々に光検出器１３２ａ、１３２ｂが接続されているが、これに限定されるものではない。ダミー光ファイバ１２３の数を増やす程、コンバイナ１２２からダミー光ファイバ１２３へ第２波長の光が結合する際のダミー光ファイバ１２３間のバラツキを抑制することができる。また、複数のダミー光ファイバ１２３を束ねて一つの光検出器で検出してもよい。モニタ用光源１３１は、光検出器１３２ａとダミー光ファイバ１２３を共有しているが、独立させてもよい。

制御部１３０は、光検出器１３２ａ、１３２ｂで検出した第２波長の光の強度の時間変化を分析して、第１波長のレーザ光の強度を調節するためのものであり、一般的な制御装置を用いることができる。光検出器１３２ａ、１３２ｂの出力は、制御部１３０へ入力され、制御部１３０における分析結果に基づき、励起光源１１５ａ，１１５ｂの励起光出力が制御される。光検出器１３２ａ、１３２ｂは複数設けられており、各光検出器１３２ａ、１３２ｂが検出する第２波長の光の強度にはバラツキが生じるので、制御部１３０は、光検出器１３２ａ、１３２ｂの出力を統計的に処理することが好ましい。制御部１３０は、例えば加工対象の溶け方などの材質に関するデータを保持しておけば、加工対象の材質に合わせてレーザ光の強度を制御することができ、より高い精度で加工を行うことができる。なお、制御部１３０にて行う第２波長の光の強度の統計処理および時間変化の分析の例は後に詳述する。

以上説明した光ファイバレーザ装置１００は、複数のダミー光ファイバ１２３と、加工に用いる第１波長とは異なる第２波長のモニタ用光源１３１と、第２波長の光を検出する光検出器とをコンバイナ１２２に接続している構成によって、戻り光による光学デバイスに与えるダメージを低減しつつ、複数の経路により逆方向に進行する光のモードを分離することで、それぞれの情報の分析から加工状況がより正確に把握でき、励起光源１１５ａ，１１５ｂの強度を調整できるようフィードバックをかけることで、精度の高い加工を提供することができる。ここで、精度が高い加工には光ファイバレーザ装置１００の安定動作の提供も含まれる。このように、光ファイバレーザ装置１００は、積極的に加工に用いない波長の戻り光を利用し、複数の戻り光の経路を用意することで、各経路間の光のモードのバラツキを削減し、これまでは十分に得られなかった被加工物の情報を得ることができるようになる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る光ファイバレーザ装置２００の概略構成を示す図である。図２に示すように、第２実施形態に係る光ファイバレーザ装置２００は、複数の光ファイバレーザ部１００_１，・・・，１００_ｎ−１，１００_ｎを備え、各光ファイバレーザ部１００_１，・・・，１００_ｎ−１，１００_ｎが出力する各レーザ光をコンバイナ１２２にて結合し、伝送用光ファイバ１２０および光学ヘッド１２１を介してレーザ光Ｌとして加工対象物Ｗに照射する構成である。

各光ファイバレーザ部１００_１，・・・，１００_ｎ−１，１００_ｎは、実質的にそれぞれが独立した光ファイバレーザ装置であり、以下、代表例としての光ファイバレーザ部１００_１についてのみ簡単に説明する。説明を省略した点については、第１実施形態の光ファイバレーザ装置１００と同様の構成であるものとする。

光ファイバレーザ部１００_１は、レーザ発振器１１０における増幅媒質に増幅用光ファイバ１１１を用いて第１波長のレーザ光を発生させる光ファイバレーザ型の構成となっている。レーザ発振器１１０は、増幅用光ファイバ１１１を備え、第１光反射器１１２と第２光反射器１１３との間でレーザ共振を発生させるよう構成されている。レーザ発振器１１０は、前方励起型の構成を採用しており、第１光反射器１１２の前段側（紙面左側）には、励起光合波器１１４が設けられ、励起光合波器１１４には励起光源１１５ａ，１１５ｂが接続されている。

これら増幅用光ファイバ１１１、第１光反射器１１２、および第２光反射器１１３などの光学特性および構成は第１実施形態と同じであり、光ファイバレーザ部１００_１は、励起光源１１５ａ，１１５ｂから波長９１５ｎｍの励起光が導入された場合に、第１波長としての波長１０７０ｎｍのレーザ光を発振し、当該レーザ光を第２光反射器１１３から出力する構成である。

コンバイナ１２２は、例えばＴＦＢによって構成されている。コンバイナ１２２は、複数の前段側シグナルポートと後段側シグナルポートと複数のダミーポートとを備えている。前段側シグナルポートおよび後段側シグナルポートの間にはコアが延伸している。一方、ダミーポートは、そのコアが、例えば順方向側シグナルポートを構成する光ファイバのコアの周りを囲むように構成されている。

コンバイナ１２２の後段側シグナルポートには、伝送用光ファイバ１２０が接続されており、前段側シグナルポートには各光ファイバレーザ部１００_１，・・・，１００_ｎ−１，１００_ｎから延伸した光ファイバが接続され、複数のダミーポートにはダミー光ファイバ１２３が接続されている。

ダミー光ファイバ１２３は、モニタ用光源１３１と光検出器１３２ａ、１３２ｂとを接続するためのものであり、例えばシングルモードの光ファイバで構成されている。

モニタ用光源１３１は、第１波長としての波長１０７０ｎｍとは異なる第２波長の光を加工対象Ｗへ照射するための光源であり、例えば波長６３８ｎｍの赤色光を発するレーザダイオードである。すなわち、第１波長の１０７０ｎｍは不可視波長である一方、第２波長の６３８ｎｍは可視波長であるので、モニタ用光源１３１が発する第２波長の光は、第１波長のレーザ光Ｌが照射される位置を確認するために用いることができる。すなわち、光ファイバレーザ装置２００では、レーザ光Ｌが照射される位置を確認するためのモニタ用光源１３１を、加工対象Ｗの表面状態を監視するための構成として利用することができるので、新たに追加する構成を少なく抑えることが可能である。

光検出器１３２ａ、１３２ｂは、少なくとも第２波長の６３８ｎｍに対する感応を有する例えばフォトダイオードである。光検出器１３２ａ、１３２ｂは、加工対象Ｗで反射または散乱された光Ｒであって、伝送用光ファイバ１２０を通常とは逆方向に伝搬する光のうち第２波長の光を検出するためのものである。また、光検出器１３２ａ、１３２ｂは、第２波長の６３８ｎｍに対する感応を有するフォトダイオードを用いるので、シリコンを用いた一般的な可視光用のフォトダイオードを利用することができる。

なお、光検出器１３２ａ、１３２ｂは、少なくとも第１波長の光を減衰するフィルタ１３３ａ，１３３ｂを介して第２波長の光を検出することが好ましい。光検出器１３２ａ、１３２ｂを第１波長の光から保護し、ノイズを低減することができるからである。したがって、フィルタ１３３ａ，１３３ｂは、第２波長を含む波長域のみを透過させるバンドパスフィルタであることがより好ましい。加工の際に発生するプラズマ光には、可視光の波長成分も含まれ得る。このプラズマ光の強度が大きい場合は、モニタ用光源１３１からの光の反射をモニタしにくい状況も考えられる。そのような場合、モニタ用光源１３１の第２波長を、加工対象の材質を考慮し、発生するプラズマ光の最も強度の弱い波長に合わせて選択し、フィルタ１３３ａ，１３３ｂとして第２波長を含む波長域のみを透過させるバンドパスフィルタを選択することが好ましい。

制御部１３０は、光検出器１３２ａ、１３２ｂで検出した第２波長の光の強度の時間変化を分析して、第１波長のレーザ光の強度を調節するためのものであり、一般的な制御装置を用いることができる。光検出器１３２ａ、１３２ｂの出力は、制御部１３０へ入力され、制御部１３０における分析結果に基づき、各光ファイバレーザ部１００_１，・・・，１００_ｎ−１，１００_ｎの励起光源１１５ａ，１１５ｂの励起光出力が制御される。光検出器１３２ａ、１３２ｂは複数設けられており、各光検出器１３２ａ、１３２ｂが検出する第２波長の光の強度にはバラツキが生じるので、制御部１３０は、光検出器１３２ａ、１３２ｂの出力を統計的に処理することが好ましい。制御部１３０は、例えば加工対象の溶け方などの材質に関するデータを保持しておけば、加工対象の材質に合わせてレーザ光の強度を制御することができ、より高い精度で加工を行うことができる。制御部１３０は、光ファイバレーザ部１００_１，・・・，１００_ｎ−１，１００_ｎのそれぞれを独立に制御することが可能であるが、その他の点において第１実施形態と同様の機能を有している。

以上説明した光ファイバレーザ装置２００は、複数のダミー光ファイバ１２３と、加工に用いる第１波長とは異なる第２波長のモニタ用光源１３１と、第２波長の光を検出する光検出器とをコンバイナ１２２に接続している構成によって、戻り光による光学デバイスに与えるダメージを低減しつつ、複数の経路により逆方向に進行する光のモードを分離することで、それぞれの情報の分析から加工状況がより正確に把握でき、励起光源１１５ａ，１１５ｂの強度を調整できるようフィードバックをかけることで、精度の高い加工を提供することができる。ここで、精度が高い加工には光ファイバレーザ装置１００の安定動作の提供も含まれる。このように、光ファイバレーザ装置２００は、積極的に加工に用いない波長の戻り光を利用し、複数の戻り光の経路を用意することで、各経路間の光のモードのバラツキを削減し、これまでは十分に得られなかった被加工物の情報を得ることができるようになる。

（制御方法）
ここで、第１実施形態の光ファイバレーザ装置１００の構成を例に用いて光ファイバレーザ装置の制御方法について説明する。なお、以下の説明は、第２実施形態の光ファイバレーザ装置２００の制御方法に対しても適用できる。

まず、加工対象Ｗを加工台に載置する。そして、光ファイバレーザ装置１００の制御部１３０がモニタ用光源１３１を制御し、伝送用光ファイバ１２０を介して第２波長の光を加工対象へ照射する。ここで、第２波長とは、加工対象Ｗの加工に用いるレーザ光の第１波長とは異なる波長である。例えば第１波長は１０７０ｎｍの不可視波長であり、第２波長は６３８ｎｍの可視波長である。つまり、第２波長の光を加工対象Ｗへ照射するこの工程は、第１波長のレーザ光が照射される位置を確認するための工程として行うことができる。

レーザ光の照射位置の確認が完了され、加工開始の指示がなされると、制御部１３０は、第１波長のレーザ光の照射を開始するために、励起光源１１５ａ，１１５ｂのスイッチをＯＮにする。

一方、制御部１３０は、加工中のリアルタイムまたはそれに近いタイムラグで、光検出器１３２ａ，１３２ｂを介して、伝送用光ファイバ１２０を通常とは逆方向に伝搬する光のうち第２波長の光の強度を監視する。ここで、加工中のリアルタイムまたはそれに近いタイムラグとは、第１波長のレーザ光が実際に照射されている時間のみならず、レーザ光が間欠的に照射される場合における間欠時間なども含み得る。

図３は、第１波長のレーザ光を間欠照射する場合のタイミングチャートである。図３には、上から順に、第２波長であるモニタ光の照射タイミング、第１波長のレーザ光の照射タイミング、および、第２波長の検出強度が記載されている。ここで、モニタ光とは、モニタ用光源１３１から出力される第２波長の光であり、ＯｎとＯｆｆの２値制御が行われる。レーザ光とは、レーザ発振器１１０から出力される第１波長のレーザ光であり、励起光源１１５ａ，１１５ｂの出力を調節することによって第１波長のレーザ光の強度も調節可能である。検出強度は、光検出器１３２ａ，１３２ｂによって検出される第２波長の光の強度である。

図３に示す間欠照射の例では、時間ｔ_１の間にモニタ光を照射し（レーザ光は停止）、時間ｔ_２の間にレーザ光を照射し（モニタ光は停止）、時間ｔ_３の間にモニタ光を照射し（レーザ光は停止）、時間ｔ_４の間にレーザ光を照射し（モニタ光は停止）、という照射を繰り返す。この際、図示のように、時間ｔ_１の間に検出された検出強度が想定状態（強度や波形も含む）であれば、次の時間ｔ_２の間におけるレーザ光の出力は通常の強度とする。一方、時間ｔ_３の間に検出された検出強度が想定状態（強度や波形も含む）でないならば、次の時間ｔ_４の間におけるレーザ光の出力は通常よりも弱い強度とする。

このように、第１波長のレーザ光を間欠照射する場合は、間欠時間に伝送用光ファイバ１２０を通常とは逆方向に伝搬する光のうち第２波長の光の強度を監視することも可能になる。図３に示す例では、非常に短い時間内で把握できる事象、例えば突発的な加工対象の形状変化などを監視する際に有効である。

（適用例）
以下、従来構成の光ファイバレーザ装置を用いては困難であった加工対象の表面状態の検出例が本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置を用いると可能になることについて説明する。

図４は、従来構成の光ファイバレーザ装置を用いた加工対象の表面状態の検出例を示す図である。図４（ａ）には、加工対象の表面状態（破線）と加工対象で反射され光検出器で検出された第２波長の光の強度（実線）とが記載されている。図４（ｂ）には、検出された第２波長の光の強度を周波数変換したものが記載されている。なお、ここでは、説明を容易にするための仮想的な例として、加工する際の加工対象に対する光学ヘッドの相対速度や、加工対象の表面または内部の周期的な構造等の種々の加工条件に起因した、周期５０Ｈｚに相当する加工対象の状態変化が存在しているとしている。

図４（ａ）から解るように、加工対象の表面状態が周期５０Ｈｚに相当する加工対象の状態変化を有しているとしても、光検出器で検出される第２波長の光の強度からは、そのことを判別することは困難である。このことは、図４（ｂ）のように周波数変換しても変わらない。これは、加工対象で反射された第２波長の光がコンバイナで分岐される際に、ダミー光ファイバ間で強度のバラツキが時々刻々生じるからである。光検出器で検出される第２波長の光の強度の変化を単純に監視するだけでは、加工対象の表面状態の変化であるか、コンバイナにおける分岐のバラツキに変化が生じたのかを区別することができない。

一方、実施形態の光ファイバレーザ装置１００は、複数のダミー光ファイバ１２３と、加工に用いる第１波長とは異なる第２波長のモニタ用光源１３１と、第２波長の光を検出する光検出器とをコンバイナ１２２に接続している構成を有するので、複数の光検出器で検出された第２波長の光の強度を合算することで、コンバイナにおける分岐のバラツキを相殺することが可能となる。

図５および図６は、本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置を用いた加工対象の表面状態の検出例を示す図である。図５には、３つのダミー光ファイバとそれぞれに接続された光検出器とを有する構成例を用いた光検出器の検出例が記載されており、（ａ）〜（ｃ）には、加工対象の表面状態（破線）と、それぞれの光検出器によって検出された第２波長の光の強度（実線）が記載されている。なお、ここでも、説明を容易にするための仮想的な例として、加工する際の加工対象に対する光学ヘッドの相対速度や、加工対象の表面または内部の周期的な構造等の種々の加工条件に起因した、周期５０Ｈｚに相当する加工対象の状態変化が存在しているとしている。

図６（ａ）には、図５（ａ）〜（ｃ）に示した３つの光検出器によって検出された第２波長の光の強度を合成した波形が記載されている。また、図６（ｂ）には、図６（ａ）に示した合成された第２波長の光の強度を周波数変換したものが記載されている。

図５（ａ）〜（ｃ）に示された３つの光検出器によって検出された第２波長の光の強度は、コンバイナにおける分岐のバラツキの影響によって加工対象の表面状態の変化を検知することは難しい。しかしながら、図６（ａ）に示すように、３つの光検出器によって検出された第２波長の光の強度を合成した場合、コンバイナにおける分岐のバラツキの影響が相殺され、加工対象の表面状態の変化を検知しやすくなる。実際、図６（ｂ）に示すように、３つの光検出器によって検出された第２波長の光の強度を合成した後に周波数変換をすると、周期５０Ｈｚに相当する加工対象の状態変化が存在していることを示すピーク（図中破線内）が現れていることが解る。実際の加工データ解析は、このように単一の周波数ではなく、材料の性質や加工条件により特徴的な周波数パターンを解析することになり、既知のデータベースを参照しながらレーザ光の強度を調整することになる。また、仮に前記５０Ｈｚのピーク値があるレベルの範囲内にある場合が、最適な加工であるとすれば、そのピーク値を維持するようにレーザ光の強度を調整する。

以上のように、本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置を用いれば、従来構成の光ファイバレーザ装置を用いては困難であった加工対象の表面状態が推定可能となる。既に説明したように、光ファイバレーザ装置における戻り光の問題は、加工対象の表面状態が想定外である場合に生じる。したがって、本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置では、加工中のリアルタイムまたはそれに近いタイムラグで、加工対象の表面状態を監視することができるので、戻り光の発生を抑制することが可能となる。このことは、本発明の実施形態の光ファイバレーザ装置は、今までよりも限界に近い強度のレーザ光を照射することも可能となり、加工時間短縮等のメリットを享受することが可能となることも意味する。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、上記説明した実施形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、上記実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。

例えば、上記説明した実施形態では、前方励起型のレーザ発振器の構成例を用いて実施形態を説明したが、後方励起型のレーザ発振器、および、前方と後方との双方向から励起する双方向励起型のレーザ発振器であっても、本発明を適切に実施することができる。また、レーザ発振器に加え増幅器をさらに備えたＭＯＰＡ（Master Oscillator Power-Amplifier）構成とすることも可能である。

上記説明した実施形態では、第２波長の光源としてモニタ用光源と励起光源を別体として設ける構成を示したが、励起光源を第２波長の光源として用いるようにしても良い。

上記説明した実施形態において、制御部１３０において複数の光検出器で検出された第２波長の光の強度を統計的に処理する場合、これら第２波長の光の強度の合計を算出するようにしても良いし、平均値や分散を取得するようにしてもよい。

上記説明した実施形態では、制御部１３０が、光検出器で検出した第２波長の光の強度の時間変化を分析する構成としたが、この他の構成としてもよい。具体的には、例えば、光検出器で検出した第２波長の強度が一定時時間以上継続して所定の閾値を超えるまたは下回るような場合に、第１波長の光の強度を増加または減少するようにしてもよい。この他、材料の材質や種々の加工条件により第２の波長が他の波長に変換される場合があり得るため、当該変換された波長が検出された、または検出されなくなった場合に、第１波長の光の強度を増加または減少するようにしてもよい。

１００，２００ 光ファイバレーザ装置
１１０ レーザ発振器
１１１ 増幅用光ファイバ
１１２ 第１光反射器
１１３ 第２光反射器
１１４ 励起光合波器
１１５ａ，１１５ｂ 励起光源
１２０ 伝送用光ファイバ
１２１ 光学ヘッド
１２２ コンバイナ
１２３ ダミー光ファイバ
１３０ 制御部
１３１ モニタ用光源
１３２ａ，１３２ｂ 光検出器
１３３ａ，１３３ｂ フィルタ
１００_１，・・・，１００_ｎ−１，１００_ｎ 光ファイバレーザ部

Claims (12)

1. レーザ発振器における増幅媒質に増幅用光ファイバを用いて第１波長のレーザ光を発生させる光ファイバレーザ装置において、
   前記レーザ光を加工対象へ照射する光学ヘッドへ前記レーザ光を伝送する伝送用光ファイバと、
   前記増幅用光ファイバと前記伝送用光ファイバとを接続するコンバイナと、
   前記加工対象へ照射される、前記第１波長とは異なる第２波長の光を出力する光源と、
   前記コンバイナに接続され、少なくとも前記第２波長の光を伝搬する少なくとも１つの光ファイバと、
   前記光ファイバに接続され、前記伝送用光ファイバを前記レーザ光とは逆方向に伝搬する光のうち第２波長の光を、少なくとも第１波長の光を減衰するフィルタを介して検出する光検出器と、
   前記光検出器で検出した前記第２波長の光の強度に基づいて、前記第１波長のレーザ光の強度を増減する制御部と、
   を備えることを特徴とする光ファイバレーザ装置。
2. 前記制御部は、前記第２波長の光の強度の時間変化に基づいて、前記第１波長のレーザ光の強度を増減することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ装置。
3. 前記光ファイバは、前記伝送用光ファイバを前記レーザ光とは逆方向に伝搬する光が結合しやすい光ファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバレーザ装置。
4. 前記光ファイバは、前記コンバイナに複数接続されていることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバレーザ装置。
5. 前記光検出器は、前記複数の光ファイバに接続されていることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバレーザ装置。
6. 前記制御部は、前記複数の光ファイバに接続された前記光検出器の出力を統計的に処理することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバレーザ装置。
7. 前記制御部は、前記光検出器の出力を分析して前記加工対象の表面状態を推定することを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載の光ファイバレーザ装置。
8. 前記第２波長の光は、可視光であることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載の光ファイバレーザ装置。
9. 前記フィルタは、前記第２波長を含む波長域のみを透過させるバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１から請求項８の何れか１項に記載の光ファイバレーザ装置。
10. 前記フィルタは、前記第１波長を含む波長域のみを低減させるフィルタであることを特徴とする請求項１から請求項８の何れか１項に記載の光ファイバレーザ装置。
11. レーザ発振器における増幅媒質に増幅用光ファイバを用いて第１波長のレーザ光を発生させ、伝送用光ファイバを介して前記レーザ光を加工対象へ照射する光ファイバレーザ装置の制御方法において、
    前記第１波長とは異なる第２波長の光を、前記伝送用光ファイバを介して加工対象へ照射する工程と、
    前記伝送用光ファイバを前記レーザ光とは逆方向に伝搬する光のうち第２波長の光を検出する工程と、
    前記検出した第２波長の光の強度に基づいて、前記第１波長のレーザ光の強度を増減する工程と、
    を有することを特徴とする光ファイバレーザ装置の制御方法。
12. 前記第２波長の光を前記加工対象へ照射する工程は、前記第１波長のレーザ光が照射される位置を確認する工程を兼ねている、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光ファイバレーザ装置の制御方法。

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