JP2019207932A - レーザ発振器 - Google Patents

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Abstract

【課題】反射光から適切に保護できるレーザ発振器を提供する。【解決手段】レーザ発振器１は、レーザ光を出射する光ファイバ３０からの漏れ光に対して、特性がそれぞれ異なるフィルタ４１を介して、互いに異なる波長の強度を検出する複数の光検出センサ４０と、複数の光検出センサ４０のいずれかにより検出された漏れ光の強度が当該光検出センサ４０毎に設定された閾値を超えた場合に、レーザ光の発振を停止する制御部５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、反射光からの保護機能を有するレーザ発振器に関する。
従来、金属若しくはプラスチック等の切断、又は溶接等に使用される、光ファイバを用いたレーザ発振器は、１ｋＷを超えるレーザ出力で対象物を加工する。このようなレーザ発振器は、レーザ出力が高いため、対象物から反射してレーザ発振器に戻ってくる反射光がレーザ発振器を破損させることがある。
そこで、レーザ発振器には、閾値を超える強度の反射光を検知するとレーザ光の発振を停止する機能が設けられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１３−１４６７５２号公報
しかしながら、レーザ加工の種類によって反射光の強度及び波長は様々なため、適切な閾値を設定することは難しかった。そして、閾値が低いとレーザ発振器を保護できなくなり、閾値が高いとレーザ発振器が不必要に停止して稼働率が下がる等、閾値が適切でないことによる不具合が生じていた。
本発明は、反射光から適切に保護できるレーザ発振器を提供することを目的とする。
（１） 本発明に係るレーザ発振器（例えば、後述のレーザ発振器１）は、レーザ光を出射する光ファイバ（例えば、後述の光ファイバ３０）からの漏れ光に対して、特性がそれぞれ異なるフィルタ（例えば、後述のフィルタ４１）を介して、互いに異なる波長の強度を検出する複数のセンサ（例えば、後述の光検出センサ４０）と、前記複数のセンサのいずれかにより検出された漏れ光の強度が当該センサ毎に設定された閾値を超えた場合に、レーザ光の発振を停止する制御部（例えば、後述の制御部５０）と、を備える。
（２） （１）に記載のレーザ発振器において、前記複数のセンサは、互いに波長毎の感度が異なってもよい。
（３） （１）又は（２）に記載のレーザ発振器は、複数のレーザ光を結合するビームコンバイナ（例えば、後述のビームコンバイナ２０）を備え、前記複数のセンサのうち、一部のセンサが前記ビームコンバイナの入射側のポートに配置されてもよい。
（４） （１）から（３）のいずれかに記載のレーザ発振器において、レーザ光の発振波長を検出するセンサに対する閾値は、当該発振波長とは異なる波長を検出するセンサに対する閾値よりも低く設定されてもよい。
（５） （１）から（４）のいずれかに記載のレーザ発振器は、互いに異なる波長に対応した複数のセンサにより検出された複数の時系列データを記憶する記憶部（例えば、後述の記憶部６０）を備え、前記制御部は、前記複数の時系列データの波形の類似度を判定し、類似した波形を検出したセンサに対する閾値を、他のセンサに対する閾値よりも高く設定してもよい。
（６） （５）に記載のレーザ発振器において、前記制御部は、前記時系列データにおける所定期間の波形を正規化し、強度の差分を前記所定期間で積分した値が所定未満の場合に、波形が類似していると判定してもよい。
（７） （１）から（６）のいずれかに記載のレーザ発振器において、前記制御部は、入力された加工条件に応じて、前記閾値を変更してもよい。
本発明によれば、レーザ発振器を反射光から適切に保護できる。
第１実施形態に係るレーザ発振器の構成を示す図である。 第１実施形態に係る光ファイバに対する光検出センサの配置例を示す図である。 第１実施形態に係る加工条件と閾値との関係を定義した加工条件表を示す図である。 第２実施形態に係るレーザ発振器の構成を示す図である。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るレーザ発振器１の構成を示す図である。
レーザ発振器１は、レーザキャビティ（ＬＣ）１０と、ビームコンバイナ（ＢＣ）２０と、光ファイバ３０と、光検出センサ４０と、フィルタ４１と、制御部５０と、記憶部６０とを備える。
レーザ発振器１は、ＬＣ１０で発生したレーザ光を、ＢＣ２０で結合させて、光ファイバ３０により伝搬させる。
レーザ光は、加工又は溶接等に利用されるが、対象物からの反射光の他、散乱、加工点での発熱に伴う発光、プラズマ発光、２倍波の発生等により、光ファイバ３０に光が戻ってくることがある。戻り光は、強度が高いと、ＢＣ２０又はＬＣ１０等を損傷させる場合がある。
そこで、光ファイバ３０の融着点等、外部に光が漏れやすい箇所に光検出センサ４０が複数配置される（例えば、光検出センサ４０ａ及び４０ｂ）。
光検出センサ４０は、例えば、フォトダイオード等であり、光強度に応じて変化する電流値等を検出することで、光強度を測定する。
図２は、本実施形態に係る光ファイバ３０に対する光検出センサ４０の配置例を示す図である。
レーザ発振器１で発生するレーザ光（順光）は、光ファイバ３０のコア３１に入射され、対象物からの反射光等の戻り光は、コア３１及びクラッド３２に入射される。これらの順光及び戻り光は、光ファイバ３０の融着点３３、特にクラッド３２の部分から外部へ漏れやすい。
したがって、この融着点３３に光検出センサ４０を配置することで、主に戻り光で占められるクラッド３２内の光強度と相関した漏れ光の強度が検出される。
ここで、複数配置される光検出センサ４０は、特性がそれぞれ異なるフィルタを介して、互いに異なる波長の光強度を検出する。
また、複数の光検出センサ４０は、互いに波長毎の感度特性が異なっていてもよい。
例えば、フォトダイオードの種類により特定の波長に対する感度が異なるため、検出する波長の感度が良好な光検出センサ４０が選択される。さらに、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、又はバンドパスフィルタ等の適切なフィルタ４１（例えば、フィルタ４１ａ及び４１ｂ）を介在させることで、光検出センサ４０は、特定の波長の光強度を選択的に検出できる。
制御部５０は、複数の光検出センサ４０のいずれかにより検出された漏れ光の強度がセンサ毎に設定された閾値を超えた場合に、ＬＣ１０によるレーザ光の発振を停止する。
ここで、戻り光のうち、対象物からの反射光は、変換を伴わないことから強度が最も強く、レーザ発振器１を損傷させる可能性が高いため、レーザ光と同じ波長の検出値に基づく制御が優先される。
具体的には、レーザ光の発振波長を検出する光検出センサ４０に対する閾値は、発振波長とは異なる波長を検出する光検出センサ４０に対する閾値よりも低く設定される。例えば、発振波長が１０７０ｎｍのとき、６００ｎｍ、１１５０ｎｍ、１５００ｎｍの波長に対する閾値が１００μＷなのに対して、１０７０ｎｍの波長に対する閾値が５０μＷに設定される。
また、制御部５０は、加工内容及びレーザ光の種類等、入力された加工条件に応じて、各光検出センサ４０に設定される閾値を変更する。
記憶部６０は、制御部５０による制御方法を実施するためのソフトウェア、及び各種データを記憶する。前述の光検出センサ４０毎の閾値も記憶部６０に記憶され、制御部５０から参照される。
図３は、本実施形態に係る加工条件と閾値との関係を定義した加工条件表を示す図である。
この例では、加工対象物の材料及び板厚、レーザ出力、周波数、デューティ、加工速度、集光レンズの焦点距離、加工ノズルの径、アシストガスの種類及び圧力等で示される加工条件それぞれに対して、発振波長の光強度に対する閾値が設定されている。
ここで、発振波長とは異なる波長の光強度に対しても、各光検出センサ４０に紐づけてそれぞれ閾値が設定されてもよいし、所定の計算式により算出されてもよい。
なお、レーザ光の発振を停止するための閾値は、実際の加工に伴ってデータを蓄積することにより求められる。また、ユーザは、状況に応じて、閾値を適宜調整することもできる。
本実施形態によれば、レーザ発振器１は、光ファイバからの漏れ光に対して、特性がそれぞれ異なるフィルタを介して、互いに異なる波長の強度を検出し、複数の光検出センサ４０のいずれかにより検出された漏れ光の強度が光検出センサ４０毎に設定された閾値を超えた場合に、レーザ光の発振を停止する。
したがって、レーザ発振器１は、複数の波長の光強度を検出し、レーザ光の発振波長等、特定の波長に対する閾値と、他の波長に対する閾値とを別々に設定し、破損のリスクに応じて、適切にレーザ光の発振を停止できる。
この結果、レーザ発振器１は、反射光から適切に保護できると共に、レーザ光の発振の不必要な停止による稼働率の低下を抑制でき、安定稼働を実現できる。
光検出センサ４０は、互いに波長毎の感度が異なるので、透過する波長の異なるフィルタと組み合わせることで、それぞれが特定の異なる波長を検出することができる。したがって、レーザ発振器１は、複数の波長の光強度を選択的にそれぞれ検出でき、それぞれに独立して閾値を設けることで適切に稼働の可否を判定できる。
レーザ発振器１は、レーザ光の発振波長に対する閾値を、他の波長に対する閾値よりも低く設定するので、戻り光のうち最も強い反射光に対して敏感となり、適切にレーザ光の発振を停止できると共に、他の波長の戻り光に対して不必要にレーザ光の発振を停止することなく安定稼働できる。
レーザ発振器１は、加工条件に応じて閾値を変更することにより、レーザ光の利用状況に適した各波長の閾値を用いて、適切に稼働の可否を判定できる。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態と比べて光検出センサ４０の配置が異なる。
図４は、本実施形態に係るレーザ発振器１の構成を示す図である。
複数の光検出センサ４０のうち、少なくとも発振波長の光強度を検出するための光検出センサ４０ｃがＢＣ２０の入射側のポートに配置される。
ＢＣ２０は、ＬＣ１０で発生したレーザ光を結合するため、発生するレーザ光の波長に最適化された構造である。このため、ＢＣ２０は、レーザ光の波長以外の波長では、レーザ光の波長に比べて透過率が低くなっている。
光検出センサ４０ｃは、ＢＣ２０のＬＣ１０側のポートの一つに取り付けられることにより、発生するレーザ光と波長が同じである反射光以外の成分が減衰された戻り光を検出できる。
また、光検出センサ４０ｃがＬＣ１０と並列に配置されることにより、戻り光が分岐されることで減衰されるため、光検出センサ４０ｃへの入力が過大となるリスクを抑制できる。さらに、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ等を設けることにより、光検出センサ４０ｃへの入力を減衰させてもよい。
本実施形態によれば、レーザ発振器１は、ＢＣ２０のＬＣ１０側のポートに光検出センサ４０を配置することにより、レーザ光の発振波長以外の成分が減衰されるため、反射光単独の強度を精度良く検出でき、適切に稼働の可否を判定できる。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について説明する。
本実施形態では、光検出センサ４０による検出値の所定期間の時系列データを利用して、閾値が設定される。
記憶部６０は、互いに異なる波長に対応した複数の光検出センサ４０により検出された複数の時系列データを記憶する。
制御部５０は、記憶された複数の時系列データの波形の類似度を判定し、類似した波形を検出した光検出センサ４０に対する閾値を、他の光検出センサ４０に対する閾値よりも高く設定する。
具体的には、制御部５０は、時系列データにおける所定期間の波形を正規化し、強度の差分を所定期間で積分した値が所定未満の場合に、波形が類似していると判定する。
例えば、ａ（ｔ）及びｂ（ｔ）の２つの時系列データについて、時刻ｔでの正規化された値は、それぞれａ（ｔ）／Σａ（ｔ）及びｂ（ｔ）／Σｂ（ｔ）となる。両者の差分の絶対値を積分すると、Σ｜ａ（ｔ）／Σａ（ｔ）−ｂ（ｔ）／Σｂ（ｔ）｜となる。
波形が類似する場合、波長帯の広い戻り光が検出されており、この戻り光は、レーザ光と同一の波長の光が主体の反射光ではないと判断できる。この場合、レーザ発振器１の損傷のリスクは低いため、制御部５０は、判定の閾値を相対的に高く設定する。一方、波形が類似していない場合、特定の波長の戻り光が検出されており、レーザ発振器１の損傷のリスクが高いため、判定の閾値を相対的に低く設定する。
本実施形態によれば、レーザ発振器１は、検出した光強度の時系列データを光検出センサ４０毎に、すなわち波長毎に記憶する。そして、時系列データの波形同士を比較した結果、類似している場合には広範囲の波長を含む戻り光であり、レーザ発振器１を損傷させる特定の波長のみからなる戻り光ではないと判断できるため、レーザ発振器１は、閾値を高く設定する。これにより、レーザ発振器１は、不必要な稼働停止を抑制できる。
レーザ発振器１は、時系列データの波形を正規化し、差分を所定期間で積分した値により波形の類似度を判定する。したがって、レーザ発振器１は、所定期間の検出データを用いて容易に、また、連続的に戻り光の危険度を判定でき、判定結果を閾値に反映することができる。この結果、レーザ発振器１は、より適切に稼働の可否を判定できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施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、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
１ レーザ発振器
１０ レーザキャビティ
２０ ビームコンバイナ
３０ 光ファイバ
４０ 光検出センサ
４１ フィルタ
５０ 制御部
６０ 記憶部

Claims (7)

  1. レーザ光を出射する光ファイバからの漏れ光に対して、特性がそれぞれ異なるフィルタを介して、互いに異なる波長の強度を検出する複数のセンサと、
    前記複数のセンサのいずれかにより検出された漏れ光の強度が当該センサ毎に設定された閾値を超えた場合に、レーザ光の発振を停止する制御部と、を備えるレーザ発振器。
  2. 前記複数のセンサは、互いに波長毎の感度が異なる請求項１に記載のレーザ発振器。
  3. 複数のレーザ光を結合するビームコンバイナを備え、
    前記複数のセンサのうち、一部のセンサが前記ビームコンバイナの入射側のポートに配置される請求項１又は請求項２に記載のレーザ発振器。
  4. レーザ光の発振波長を検出するセンサに対する閾値は、当該発振波長とは異なる波長を検出するセンサに対する閾値よりも低く設定される請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ発振器。
  5. 互いに異なる波長に対応した複数のセンサにより検出された複数の時系列データを記憶する記憶部を備え、
    前記制御部は、前記複数の時系列データの波形の類似度を判定し、類似した波形を検出したセンサに対する閾値を、他のセンサに対する閾値よりも高く設定する請求項１から請求項４のいずれかに記載のレーザ発振器。
  6. 前記制御部は、前記時系列データにおける所定期間の波形を正規化し、強度の差分を前記所定期間で積分した値が所定未満の場合に、波形が類似していると判定する請求項５に記載のレーザ発振器。
  7. 前記制御部は、入力された加工条件に応じて、前記閾値を変更する請求項１から請求項６のいずれかに記載のレーザ発振器。
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