JP2021086838A

JP2021086838A - レーザ装置

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Publication number: JP2021086838A
Application number: JP2019211979A
Authority: JP
Inventors: 山口　裕; Yutaka Yamaguchi; 裕山口; 智之藤田; Tomoyuki Fujita; 松本　亮吉; Ryokichi Matsumoto; 亮吉松本
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-06-03

Abstract

【課題】出力光ファイバのそれぞれの光導波路を伝搬しているレーザ光のパワーを個別に検出するレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置１は、センタコア５１とリングコア５３とを含む出力光ファイバ５０と、センタコア５１に導入される第１のレーザ光を生成するレーザ光源１１と、リングコア５３に導入される第２のレーザ光を生成するレーザ光源１２と、レーザ光源１１から出力光ファイバ５０に向かうレーザ光のパワーを検出可能な第１の光検出器６１と、出力光ファイバ５０に沿った光路上に配置される第２の光検出器６２と、第１のレーザ光に対する第１の光検出器６１の感度α₁、第２の光検出器６２の感度β₁と、第２のレーザ光に対する第１の光検出器６１の感度α₂、第２の光検出器６２の感度β₂とを用いて、センタコア５１を伝搬するレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬するレーザ光のパワーＶ₂とを算出するパワー算出部６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置に係り、特に複数の光導波路を有する出力光ファイバからレーザ光を出力可能なレーザ装置に関するものである。

レーザ加工の分野では、加工速度や加工品質などの加工性能を向上する上で、加工対象物に照射するレーザ光のビームプロファイルを加工対象物の材料や厚みに合わせて変更することが重要である。近年、このような観点から、出力側の光ファイバに複数の光導波路を形成し、これらの光導波路のそれぞれに導入するレーザ光を制御することによって、加工対象物に照射されるレーザ光のビームプロファイルを所望の形態に変化させる技術も開発されている。例えば、複数の光導波路を有する出力光ファイバに接続された光ファイバを曲げ径を変化させることで、それぞれの光導波路に導入するレーザ光のパワーを調整する方法などが考えられている（例えば、特許文献１参照）。

このような技術においては、加工対象物に照射されるレーザ光のビームプロファイルを調整するために、出力光ファイバのそれぞれの光導波路を伝搬しているレーザ光のパワーを把握してビームプロファイルを推定することが重要である。従来から光ファイバを伝搬するレーザ光の散乱光を測定して光ファイバを伝搬するレーザ光の全体のパワーを検出する方法は知られているが、上述したような出力光ファイバのそれぞれの光導波路を伝搬しているレーザ光のパワーを個別に検出する方法については未だ報告されていない。したがって、出力光ファイバから出射されるレーザ光のビームプロファイルをより細かく制御するために、出力光ファイバのそれぞれの光導波路を伝搬しているレーザ光のパワーを個別に検出できる技術が必要とされている。

米国特許出願公開第２０１８／００８８３５８号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、出力光ファイバのそれぞれの光導波路を伝搬しているレーザ光のパワーを個別に検出することができるレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、出力光ファイバのそれぞれの光導波路を伝搬しているレーザ光のパワーを個別に検出することができるレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、第１の光導波路と第２の光導波路とを含む出力光ファイバと、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路に導入される第１のレーザ光と上記出力光ファイバの上記第２の光導波路に導入される第２のレーザ光とを含むレーザ光を生成する少なくとも１つのレーザ光源と、上記少なくとも１つの光源から上記出力光ファイバに向かう上記第１のレーザ光のパワーを感度α₁で検出するとともに、上記少なくとも１つの光源から上記出力光ファイバに向かう上記第２のレーザ光のパワーを感度α₂で検出することが可能な第１の光検出器と、上記出力光ファイバに沿った光路の近傍に配置され、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路を伝搬する上記第１のレーザ光のパワーを感度β₁で検出するとともに、上記第２の光導波路を伝搬する上記第２のレーザ光のパワーを感度β₂で検出することが可能な第２の光検出器と、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路を伝搬する上記第１のレーザ光のパワーＶ₁と上記第２の光導波路を伝搬する上記第２のレーザ光のパワーＶ₂とを上記第１の光検出器の出力信号Ｉ₁及び上記第２の光検出器の出力信号Ｉ₂から次式

に基づいて算出するパワー算出部とを備える。上記第１の光検出器と上記第２の光検出器とは、α₁β₂−α₂β₁≠０を満たすように構成される。

このような構成によれば、上記第１のレーザ光に対する第１の光検出器の感度α₁と、第１のレーザ光に対する第２の光検出器の感度β₁と、第２のレーザ光に対する第１の光検出器の感度α₂と、第２のレーザ光に対する第２の光検出器の感度β₂とを用いることにより、出力ファイバの第１の光導波路を伝搬するレーザ光のパワーＶ₁と第２の光導波路を伝搬するレーザ光のパワーＶ₂とを個別に算出することができる。このように、第１の光導波路を伝搬するレーザ光のパワーＶ₁と第２の光導波路を伝搬するレーザ光のパワーＶ₂とを個別に把握することができるので、レーザ装置の出射端部から出力されるレーザ光のビームプロファイルを精度良く推定することが可能となる。

上記感度α₁は上記感度α₂と等しく、上記感度β₁は上記感度β₂と異なっていてもよい。

上記レーザ装置は、上記出力光ファイバの上記第１の光導波路に導入される上記第１のレーザ光のパワーと上記第２の光導波路に導入される上記第２のレーザ光のパワーとを変更可能なパワー変更部をさらに備えていることが好ましい。

この場合において、上記パワー変更部によって上記出力光ファイバの上記第２の光導波路に導入する上記第２のレーザ光のパワーをゼロにすることによって上記感度β₁を取得してもよい。また、上記パワー変更部によって上記出力光ファイバの上記第１の光導波路に導入する上記第１のレーザ光のパワーをゼロにすることによって上記感度β₂を取得してもよい。

上記パワー変更部は、上記パワー算出部により算出された上記第１のレーザ光のパワー及び上記第２のレーザ光のパワーに基づいて、上記第１のレーザ光のパワーと上記第２のレーザ光のパワーとを変更するように構成されることが好ましい。これにより第１のレーザ光のパワー及び第２のレーザ光のパワーのフィードバック制御が可能となる。

上記少なくとも１つのレーザ光源は、上記第１のレーザ光を生成する少なくとも１つの第１のレーザ光源と、上記第２のレーザ光を生成する少なくとも１つの第２のレーザ光源とを含んでいてもよい。この場合において、上記パワー変更部は、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源及び上記少なくとも１つの第２のレーザ光源を制御することにより、上記第１のレーザ光のパワーと上記第２のレーザ光のパワーとを変更するように構成されていてもよい。

また、上記少なくとも１つの第１のレーザ光源は、レーザ光を生成する複数の第１のレーザ光源を含んでいてもよい。この場合において、上記レーザ装置は、上記複数の第１のレーザ光源で生成されたレーザ光を結合して上記第１のレーザ光として上記出力光ファイバの上記第１の光導波路に導入する第１の光コンバイナをさらに備えていてもよい。上記第１の光検出器は、上記第１の光コンバイナと上記出力光ファイバとの間の光路の近傍に配置されることが好ましい。

また、上記少なくとも１つの第２のレーザ光源は、レーザ光を生成する複数の第２のレーザ光源を含んでいてもよい。この場合において、上記レーザ装置は、上記複数の第２のレーザ光源で生成されたレーザ光を結合して上記第２のレーザ光として上記出力光ファイバの上記第２の光導波路に導入する第２の光コンバイナをさらに備えていてもよい。

上記パワー変更部は、上記少なくとも１つの光源から上記出力光ファイバに向かうレーザ光を伝搬する光ファイバに外的作用を加えることにより、上記第１のレーザ光のパワーと上記第２のレーザ光のパワーとを変更するように構成されていてもよい。上記第１の光検出器は、上記少なくとも１つの光源と上記パワー変更部との間の光路の近傍に配置されていてもよい。

上記少なくとも１つのレーザ光源は、レーザ光を生成する複数のレーザ光源を含んでいてもよい。また、上記レーザ装置は、上記複数の第１のレーザ光源で生成されたレーザ光を結合する光コンバイナをさらに備えていてもよい。この場合において、上記第１の光検出器は、上記光コンバイナと上記出力光ファイバとの間の光路の近傍に配置されることが好ましい。

本発明によれば、出力ファイバの第１の光導波路を伝搬するレーザ光のパワーと第２の光導波路を伝搬するレーザ光のパワーとを個別に算出することができる。このように、それぞれの光導波路を伝搬するレーザ光のパワーを把握することができるので、レーザ装置から出力されるレーザ光のビームプロファイルをより細かく制御することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す模式的ブロック図である。図２は、図１に示すレーザ装置の出力光ファイバの断面を半径方向に沿った屈折率分布とともに示す図である。図３は、本発明の第２の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す模式的ブロック図である。

以下、本発明に係るレーザ装置の実施形態について図１から図３を参照して詳細に説明する。図１から図３において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図３においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置１の構成を示す模式的ブロック図である。図１に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１は、レーザ光を生成する第１のレーザ光源１１及び第２のレーザ光源１２と、第１のレーザ光源１１と光ファイバ１３を介して接続された第１の光コンバイナ２１と、第２の光コンバイナ２２と光ファイバ１４を介して接続された第２の光コンバイナ２２と、第１の光コンバイナ２１と第２の光コンバイナ２２とを接続する中間光ファイバ３０と、第２の光コンバイナ２２に接続される出力光ファイバ５０と、出力光ファイバ５０の下流側の端部に設けられたレーザ出射部４と、レーザ光源１１，１２を制御する制御部５とを備えている。レーザ光源１１，１２としては例えばファイバレーザや半導体レーザを用いることができる。本実施形態におけるレーザ装置１は、６つのレーザ光源１１と６つのレーザ光源１２を含んでいるが、レーザ光源１１，１２の数はこれに限られるものではない。なお、本実施形態では、特に言及がない場合には、レーザ光源１１，１２からレーザ出射部４に向かう方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。

光ファイバ１３は、コアと、コアの周囲を覆うクラッドとを有しており、クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低くなっている。これにより、光ファイバ１３のコアの内部にレーザ光が伝搬する光導波路が形成される。したがって、第１のレーザ光源１１で生成されたレーザ光は、光ファイバ１３のコアを伝搬して第１の光コンバイナ２１に入射する。

中間光ファイバ３０は、コアと、コアの周囲を覆うクラッドとを有しており、クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低くなっている。これにより、中間光ファイバ３０のコアの内部にレーザ光が伝搬する光導波路が形成される。第１の光コンバイナ２１は、複数のレーザ光源１１からのレーザ光を結合して中間光ファイバ３０のコアに導入するように構成されており、これにより、第１のレーザ光源１１で生成されたレーザ光は、第１の光コンバイナ２１で結合され、中間光ファイバ３０のコアを伝搬して第２の光コンバイナ２２に入射する。

光ファイバ１４は、コアと、コアの周囲を覆うクラッドとを有しており、クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低くなっている。これにより、光ファイバ１４のコアの内部にレーザ光が伝搬する光導波路が形成される。したがって、第２のレーザ光源１２で生成されたレーザ光は、光ファイバ１４のコアを伝搬して第２の光コンバイナ２２に入射する。

図２は、出力光ファイバ５０の断面を半径方向に沿った屈折率分布とともに示す図である。図２に示すように、出力光ファイバ５０は、センタコア５１と、センタコア５１の周囲を覆う内側クラッド５２と、内側クラッド５２の周囲を覆うリングコア５３と、リングコア５３の周囲を覆う外側クラッド５４とを有している。内側クラッド５２の屈折率はセンタコア５１及びリングコア５３の屈折率よりも低くなっており、外側クラッド５４の屈折率はリングコア５３の屈折率よりも低くなっている。これにより、センタコア５１の内部にレーザ光が伝搬する第１の光導波路が形成され、リングコア５３の内部にレーザ光が伝搬する第２の光導波路が形成される。本実施形態では、リングコア５３の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率媒質として、リングコア５３の周囲に外側クラッド５４が形成されているが、このような低屈折率媒質は、外側クラッド５４のような被覆層に限られるものではなく、例えばリングコア５３の周囲に空気の層を形成し、この空気の層を低屈折率媒質として用いてもよい。

本実施形態では、この出力光ファイバ５０の上流側端部が第２の光コンバイナ２２を構成している。出力光ファイバ５０の上流側端部（第２の光コンバイナ２２）には、中間光ファイバ３０の下流側端部と光ファイバ１４の下流側端部とが融着接続されている。より具体的には、中間光ファイバ３０の下流側端部は、中間光ファイバ３０のコアが出力光ファイバ５０のセンタコア５１の領域内に位置するように出力光ファイバ５０の上流側端部（第２の光コンバイナ２２）に融着接続され、光ファイバ１４の下流側端部は、すべての光ファイバ１４のコアが出力光ファイバ５０のリングコア５３の領域内に位置するように出力光ファイバ５０の上流側端部（第２の光コンバイナ２２）に融着接続される。このとき、光ファイバ１４は、中間光ファイバ３０を取り囲んでその外周面に接するように配置され、隣り合う光ファイバ１４は互いに接した状態となっている。なお、このような第２の光コンバイナ２２を出力光ファイバ５０とは別の部材により構成してもよい。

このような構成において、第１のレーザ光源１１で生成されたレーザ光は、光ファイバ１３のコアを伝搬して第１の光コンバイナ２１で結合され、中間光ファイバ３０のコアを伝搬して第２の光コンバイナ２２を介して出力光ファイバ５０のセンタコア５１に入射する。出力光ファイバ５０のセンタコア５１に入射したレーザ光は、第１の光導波路であるセンタコア５１の内部を伝搬してレーザ出射部４（図１参照）から出射される。また、第２のレーザ光源１２で生成されたレーザ光は、光ファイバ１４のコアを伝搬し、第２の光コンバイナ２２を介して出力光ファイバ５０のリングコア５３に入射する。出力光ファイバ５０のリングコア５３に入射したレーザ光は、第２の光導波路であるリングコア５３の内部を伝搬してレーザ出射部４（図１参照）から出射される。

ここで、制御部５は、第１のレーザ光源１１（例えば第１のレーザ光源１１に供給する電流）及び第２のレーザ光源１２（例えば第２のレーザ光源１２に供給する電流）を制御できるようになっている。このように、制御部５によって第１のレーザ光源１１及び第２のレーザ光源１２を制御することによって、第１のレーザ光源１１によって生成されるレーザ光のパワー及び第２のレーザ光源１２によって生成されるレーザ光のパワーを変更することができる。したがって、制御部５によって第１のレーザ光源１１及び第２のレーザ光源１２を制御して、第１のレーザ光源１１から出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入されるレーザ光（第１のレーザ光）の強度と、第２のレーザ光源１２から出力光ファイバ５０のリングコア５３に導入されるレーザ光（第２のレーザ光）の強度の割合を調整することができる。すなわち、本実施形態における制御部５は、第１のレーザ光源１１から出力光ファイバ５０のセンタコア５１（第１の光導波路）に導入される第１のレーザ光のパワーとリングコア５３（第２の光導波路）に導入される第２のレーザ光のパワーとを変更可能なパワー変更部としての役割を有する。このような制御部５による制御により、レーザ装置１のレーザ出射部４から出力されるレーザ光Ｌの中心側のパワーとその外側のパワーを調整することができ、レーザ光Ｌのプロファイルを容易に変化させることができる。

図１に示すように、第１の光コンバイナ２１と第２の光コンバイナ２２との間の中間光ファイバ３０の光路の近傍には、中間光ファイバ３０の内部を伝搬するレーザ光（第１のレーザ光）のパワーを検出可能な第１の光検出器６１が配置されている。この第１の光検出器６１としては、例えば中間光ファイバ３０を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光を測定することにより中間光ファイバ３０を伝搬するレーザ光のパワーを検出することが可能な光検出器を用いることができる。この場合には、第１の光検出器６１は、中間光ファイバ３０を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光の強度に応じて出力信号Ｉ₁（電気信号）を出力し、この出力信号Ｉ₁はレーザ装置１の制御システムやユーザが使用可能な形態に適宜変換及び増幅される。

第１の光検出器６１は、出力信号の増幅率を調整する信号増幅部（ゲインアンプ）を有していることが好ましい。第１の光検出器６１が信号増幅部を有している場合には、検出されるレーザ光の強度に対して出力信号が適切な値となるように（例えば、レーザ光の強度が１ｋＷであった場合に１Ｖの出力信号を出力するなど）、第１の光検出器６１の増幅率を調整することが好ましい。

また、出力光ファイバ５０の光路の近傍には、出力光ファイバ５０の内部を伝搬するレーザ光全体のパワーを検出可能な第２の光検出器６２が配置されている。この第２の光検出器６２は、出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬する第１のレーザ光とリングコア５３を伝搬する第２のレーザ光の両方を合わせたパワーを検出することができる。第２の光検出器６２としては、第１の光検出器６１と同様に、例えば出力光ファイバ５０を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光を測定することにより出力光ファイバ５０を伝搬するレーザ光のパワーを検出することが可能な光検出器を用いることができる。この場合には、第２の光検出器６２は、出力光ファイバ５０を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光の強度に応じて出力信号Ｉ₂（電気信号）を出力し、この出力信号Ｉ₂はレーザ装置１の制御システムやユーザが使用可能な形態に適宜変換及び増幅される。

第２の光検出器６２は、出力信号の増幅率を調整する信号増幅部（ゲインアンプ）を有していることが好ましい。第２の光検出器６２が信号増幅部を有している場合には、検出されるレーザ光の強度に対して出力信号が適切な値となるように（例えば、レーザ光の強度が１ｋＷであった場合に１Ｖの出力信号を出力するなど）、第２の光検出器６２の増幅率を調整することが好ましい。または、第１の光検出器６１の出力信号Ｉ₁と、第２の光検出器６２の出力信号Ｉ₂に対し、出力される信号強度がともに同等となるように増幅率を調整することで、その後の演算部で出力値に変換される際に演算を簡易化することができる。

図１に示すように、第２の光検出器６２の上流側及び下流側には、出力光ファイバ５０の外側クラッド５４を伝搬するクラッドモード光を除去するためのクラッドモード除去部７１，７２が設けられている。これらのクラッドモード除去部７１，７２としては公知のクラッドモード除去構造を用いることができるため、その詳細については説明を省略する。上流側のクラッドモード除去部７１は、出力光ファイバ５０を伝搬するレーザ光から不要なクラッドモード光を除去することができるため、第２の光検出器６２の検出結果に対するクラッドモード光の影響を低減することができる。また、レーザ出射部４から出射されたレーザ光Ｌが例えば加工対象物に反射して戻り光となってレーザ出射部４から上流に向かって伝搬した場合には、不要な戻り光が第２の光検出器６２に至る前に、下流側のクラッドモード除去部７２がそのような戻り光を除去できるので、第２の光検出器６２の検出結果に対する戻り光の影響を低減することができる。

図１に示すように、レーザ装置１は、第１の光検出器６１の出力信号Ｉ₁と第２の光検出器６２の出力信号Ｉ₂とを用いて、出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬する第１のレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬する第２のレーザ光のパワーＶ₂とを算出するパワー算出部６を含んでいる。

ここで、第１の光検出器６１が、第１のレーザ光源１１から出力光ファイバ５０に向かう第１のレーザ光のパワーを感度α₁で検出することができ、第２のレーザ光源１２から出力光ファイバ５０に向かう第２のレーザ光のパワーを感度α₂で検出できると仮定する。また、第２の光検出器６２が、出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬する第１のレーザ光のパワーを感度β₁で検出することができ、リングコア５３を伝搬する第２のレーザ光のパワーを感度β₂で検出することができると仮定する。このとき、以下の式（１）が成立する。

この式（１）は以下の式（２）のように書き換えることができる。

この式（２）を用いることにより、第１の光検出器６１の出力信号Ｉ₁及び第２の光検出器６２の出力信号Ｉ₂から出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬する第１のレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬する第２のレーザ光のパワーＶ₂とを求めることができる。ただし、この式（２）の解が存在するためには、α₁β₂−α₂β₁≠０が成立していなければならない。

本実施形態におけるパワー算出部６は、これを利用してセンタコア５１を伝搬する第１のレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬する第２のレーザ光のパワーＶ₂とを算出している。この算出に当たっては、レーザ装置１の運転に先立って上述した感度α₁，α₂，β₁，β₂を取得しておく必要がある。本実施形態においては、以下のようにして感度α₁，α₂，β₁，β₂を取得している。

まず、レーザ装置１の運転に先立ち、制御部５によって第２のレーザ光源１２をオフにして、出力光ファイバ５０のリングコア５３に導入するレーザ光（第２のレーザ光）のパワーをゼロにした状態で、第１のレーザ光源１１をオンにして第１のレーザ光源１１からのレーザ光（第１のレーザ光）のみを出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入する。このときに第１の光検出器６１で得られる出力信号と第２の光検出器６２で得られる出力信号がそれぞれの光検出器６１，６２の第１のレーザ光に対する感度となる。すなわち、このときに第１の光検出器６１で得られる出力信号が第１の光検出器６１の第１のレーザ光に対する感度α₁となり、第２の光検出器６２で得られる出力信号が第２の光検出器６２の第１のレーザ光に対する感度β₁となる。

また、制御部５によって第１のレーザ光源１１をオフにし、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入するレーザ光（第１のレーザ光）のパワーをゼロにした状態で、第２のレーザ光源１２をオンにして第２のレーザ光源１２からのレーザ光（第２のレーザ光）のみを出力光ファイバ５０のリングコア５３に導入する。このときに第１の光検出器６１で得られる出力信号と第２の光検出器６２で得られる出力信号がそれぞれの光検出器６１，６２の第２のレーザ光に対する感度となる。すなわち、このときに第１の光検出器６１で得られる出力信号が第１の光検出器６１の第２のレーザ光に対する感度α₂となり、第２の光検出器６２で得られる出力信号が第２の光検出器６２の第２のレーザ光に対する感度β₂となる。本実施形態ではα₂＝０である。このようにして得られた感度α₁，α₂，β₁，β₂は、レーザ装置１内の記憶装置（図示せず）に格納される。

レーザ装置１の運転中は、上述したように、制御部５が第１のレーザ光源１１と第２のレーザ光源１２とを制御することで、第１のレーザ光源１１からのレーザ光と第２のレーザ光源１２からのレーザ光とがそれぞれ出力光ファイバ５０のセンタコア５１とリングコア５３に導入され、レーザ光Ｌがレーザ出射部４から出射される。パワー算出部６は、このときの第１の光検出器６１の出力信号Ｉ₁、第２の光検出器６２の出力信号Ｉ₂と、運転前に取得した感度α₁，α₂，β₁，β₂とから上述した式（２）により出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬する第１のレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬する第２のレーザ光のパワーＶ₂とを算出する。

このパワー算出部６により得られた結果を制御部５にフィードバックして第１のレーザ光源１１及び第２のレーザ光源１２を制御してもよい。すなわち、パワー算出部６の算出結果を制御部５に入力し、制御部５が、センタコア５１を伝搬する第１のレーザ光のパワーとリングコア５３を伝搬する第２のレーザ光のパワーに基づいて（例えば両者の比率に基づいて）、第１のレーザ光源１１及び第２のレーザ光源１２を制御し、第１のレーザ光源１１によって生成されるレーザ光のパワーと第２のレーザ光源１２によって生成されるレーザ光のパワーとを変更するようにしてもよい。このようにすることで、レーザ装置１のレーザ出射部４から出力されるレーザ光Ｌのビームプロファイルを理想の形により近づけることができる。

上述した第１の光検出器６１及び第２の光検出器６２は、それぞれ信号増幅機能（ゲインアンプ）を有していることが好ましい。第１の光検出器６１及び第２の光検出器６２が信号増幅機能を有している場合には、それぞれの光検出器６１，６２における出力信号の増幅率を調整することができ、上述した運転前の測定結果で得られる感度α₁，α₂と感度β₁，β₂とを個別に調整することが可能である。

上述したように、本実施形態によれば、第１のレーザ光に対する第１の光検出器６１の感度α₁と、第１のレーザ光に対する第２の光検出器６２の感度β₁と、第２のレーザ光に対する第１の光検出器６１の感度α₂と、第２のレーザ光に対する第２の光検出器６２の感度β₂とを用いることにより、出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬するレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬するレーザ光のパワーＶ₂とを個別に算出することができる。このように、センタコア５１を伝搬するレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬するレーザ光のパワーＶ₂とを個別に把握することができるので、レーザ出射部４から出力されるレーザ光のビームプロファイルの形状を精度良く推定することが可能となる。したがって、パワー算出部６により得られた結果を制御部５にフィードバックすることにより、レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌのビームプロファイルをより細かく制御することができる。また、第２の光検出器６２の位置をレーザ装置１のレーザ出射部４に近づければ、レーザ出射部４から出力されるレーザ光のビームプロファイルの形状をより精度良く推定することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態におけるレーザ装置１０１の構成を示す模式的ブロック図である。図３に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１０１は、レーザ光を生成するレーザ光源１１１と、レーザ光源１１１と光ファイバ１１３を介して接続された光コンバイナ１２１と、光コンバイナ１２１に接続される光ファイバ１３０と、光ファイバ１３０の下流側端部に設けられたパワー変更部１８０と、パワー変更部１８０に接続される出力光ファイバ５０と、出力光ファイバ５０の下流側の端部に設けられたレーザ出射部４と、レーザ光源１１１（例えばレーザ光源１１１に供給する電流）を制御する制御部１０５とを備えている。レーザ光源１１１としては例えばファイバレーザや半導体レーザを用いることができる。本実施形態におけるレーザ装置１０１は、６つのレーザ光源１１１を含んでいるが、レーザ光源１１１の数はこれに限られるものではない。なお、本実施形態では、特に言及がない場合には、レーザ光源１１１からレーザ出射部４に向かう方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。

光ファイバ１１３は、コアと、コアの周囲を覆うクラッドとを有しており、クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低くなっている。これにより、光ファイバ１１３のコアの内部にレーザ光が伝搬する光導波路が形成される。したがって、レーザ光源１１１で生成されたレーザ光は、光ファイバ１１３のコアを伝搬して光コンバイナ１２１に入射する。

光ファイバ１３０は、コアと、コアの周囲を覆うクラッドとを有しており、クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも低くなっている。これにより、光ファイバ１３０のコアの内部にレーザ光が伝搬する光導波路が形成される。光コンバイナ１２１は、複数のレーザ光源１１１からのレーザ光を結合して光ファイバ１３０のコアに導入するように構成されており、これにより、レーザ光源１１１で生成されたレーザ光は、光コンバイナ１２１で結合され、光ファイバ１３０のコアを伝搬してパワー変更部１８０に導入される。

パワー変更部１８０は、光ファイバ１３０の下流側端部に外的作用を加えることにより、レーザ光源１１１からのレーザ光を出力光ファイバ５０のセンタコア５１とリングコア５３とに分配して供給することができるものである。換言すれば、パワー変更部１８０は、光ファイバ１３０の下流側端部に外的作用を加えることにより、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入されるレーザ光（第１のレーザ光）のパワーとリングコア５３に導入されるレーザ光（第２のレーザ光）のパワーとを変更できるようになっている。パワー変更部１８０の具体的な構成としては、特許文献１において述べられているように、光ファイバ１３０の下流側端部の曲げ径を変化させることにより出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入されるレーザ光とリングコア５３に導入されるレーザ光の割合を変化させるものや、光ファイバ１３０の下流側端部に応力や熱を加えることにより出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入されるレーザ光とリングコア５３に導入されるレーザ光の割合を変化させるもの、光ファイバ１３０の下流側端部から出射されるレーザ光の方向を光学素子により変えることにより出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入されるレーザ光とリングコア５３に導入されるレーザ光の割合を変化させるものなどが考えられる。

図３に示すように、光コンバイナ１２１とパワー変更部１８０との間の光ファイバ１３０の光路上には、光ファイバ１３０の内部を伝搬するレーザ光のパワーを検出可能な第１の光検出器１６１が配置されている。この第１の光検出器１６１としては、例えば光ファイバ１３０を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光を測定することにより光ファイバ１３０を伝搬するレーザ光のパワーを検出することが可能な光検出器を用いることができる。この場合には、第１の光検出器１６１は、光ファイバ１３０を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光の強度に応じて出力信号Ｉ₁（電気信号）を出力し、この出力信号Ｉ₁はレーザ装置１の制御システムやユーザが使用可能な形態に適宜変換及び増幅される。

第１の光検出器１６１は、出力信号の増幅率を調整する信号増幅部（ゲインアンプ）を有していることが好ましい。第１の光検出器１６１が信号増幅部を有している場合には、検出されるレーザ光の強度に対して出力信号が適切な値となるように（例えば、第１のレーザ光の強度が１ｋＷであった場合に１Ｖの出力信号を出力するなど）、第１の光検出器１６１の増幅率を調整することが好ましい。

また、第１の光検出器１６１の上流側及び下流側には、光ファイバ１３０のクラッドを伝搬するクラッドモード光を除去するためのクラッドモード除去部１７１，１７２が設けられている。これらのクラッドモード除去部１７１，１７２としては公知のクラッドモード除去構造を用いることができるため、その詳細については説明を省略する。上流側のクラッドモード除去部１７１は、光ファイバ１３０を伝搬するレーザ光から不要なクラッドモード光を除去することができるため、第１の光検出器１６１の検出結果に対するクラッドモード光の影響を低減することができる。また、レーザ出射部４から出射されたレーザ光Ｌが例えば加工対象物に反射して戻り光となってレーザ出射部４から上流に向かって伝搬した場合には、不要な戻り光が第１の光検出器１６１に至る前に、下流側のクラッドモード除去部１７２がそのような戻り光を除去できるので、第１の光検出器１６１の検出結果に対する戻り光の影響を低減することができる。

また、出力光ファイバ５０の光路上には、出力光ファイバ５０の内部を伝搬するレーザ光全体のパワーを検出可能な第２の光検出器１６２が配置されている。この第２の光検出器１６２は、出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬する第１のレーザ光とリングコア５３を伝搬する第２のレーザ光の両方を合わせたパワーを検出することができる。第２の光検出器１６２としては、第１の光検出器１６１と同様に、例えば出力光ファイバ５０を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光を測定することにより出力光ファイバ５０を伝搬するレーザ光のパワーを検出することが可能な光検出器を用いることができる。この場合には、第２の光検出器１６２は、出力光ファイバ５０を伝搬するレーザ光のレイリー散乱光の強度に応じて出力信号Ｉ₂（電気信号）を出力し、この出力信号Ｉ₂はレーザ装置１の制御システムやユーザが使用可能な形態に適宜変換及び増幅される。

第２の光検出器１６２は、出力信号の増幅率を調整する信号増幅部（ゲインアンプ）を有していることが好ましい。第２の光検出器１６２が信号増幅部を有している場合には、検出されるレーザ光の強度に対して出力信号が適切な値となるように（例えば、第１のレーザ光の強度が１ｋＷであった場合に１Ｖの出力信号を出力するなど）、第２の光検出器１６２の増幅率を調整することが好ましい。

図３に示すように、レーザ装置１０１は、第１の光検出器１６１の出力信号Ｉ₁及び第２の光検出器１６２の出力信号Ｉ₂から出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬する第１のレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬する第２のレーザ光のパワーＶ₂とを算出するパワー算出部１０６を含んでいる。このパワー算出部１０６においては、第１の実施形態と同様に、第１のレーザ光に対する第１の光検出器１６１の感度α₁、第２のレーザ光に対する第１の光検出器１６１の感度α₂、第１のレーザ光に対する第２の光検出器１６２の感度β₁、及び第２のレーザ光に対する第２の光検出器１６２の感度β₂と上述した式（２）に基づいて第１のレーザ光のパワーＶ₁と第２のレーザ光のパワーＶ₂とが算出される。

ここで、本実施形態における第１の光検出器１６１は、出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入される第１のレーザ光のパワーとリングコア５３に導入される第２のレーザ光のパワーとを区別なく検出する。すなわち、第１のレーザ光に対する第１の光検出器１６１の感度α₁と第２のレーザ光に対する第１の光検出器１６１の感度α₂とが等しい。ここで、式（２）の解が存在するためには、上述したようにα₁β₂−α₂β₁≠０が成立していなければならない。このため、本実施形態では、β₁≠β₂である必要があり、第２の光検出器１６２は、出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬する第１のレーザ光に対する感度β₁とリングコア５３を伝搬する第２のレーザ光に対する感度β₂とが異なるように構成される。例えば、第２の光検出器１６２が上述したレイリー散乱光を用いた検出器のようにフォトダイオードを用いた検出器である場合には、次のような方法で第１のレーザ光に対する感度β₁と第２のレーザ光に対する感度β₂とが異なるように構成することができる。
１）第２の光検出器１６２と出力光ファイバ５０との間の距離を変える。
２）第２の光検出器１６２の受光面を出力光ファイバ５０の半径方向からずらして配置する。
３）出力光ファイバ５０に隣接して反射材を配置して第１のレーザ光と第２のレーザ光の反射率とを変えることで第１のレーザ光の拡散量と第２のレーザ光の拡散量を異ならせる
４）出力光ファイバ５０のセンタコア５１にのみファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）などの回折格子を形成し、センタコア５１を伝搬する第１のレーザ光の拡散量を増やす。

パワー算出部１０６における算出に際しては、レーザ装置１０１の運転に先立って上述した感度α₁，α₂，β₁，β₂を取得しておく必要があるが、本実施形態においては、以下のようにして感度α₁，α₂，β₁，β₂を取得している。

まず、レーザ装置１０１の運転に先立ち、レーザ光源１１１から一定のパワーでレーザ光をパワー変更部１８０に供給するとともに、パワー変更部１８０によって光ファイバ１３０を伝搬するレーザ光のすべてを出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入する。これにより、リングコア５３に導入される第２のレーザ光のパワーはゼロとなる。このときに第１の光検出器１６１で得られる出力信号と第２の光検出器１６２で得られる出力信号がそれぞれの光検出器１６１，１６２の第１のレーザ光に対する感度となる。すなわち、このときに第１の光検出器６１で得られる出力信号が第１の光検出器１６１の第１のレーザ光に対する感度α₁となり、第２の光検出器６２で得られる出力信号が第２の光検出器１６２の第１のレーザ光に対する感度β₁となる。

また、レーザ光源１１１から上記と同一のパワーでレーザ光をパワー変更部１８０に供給するとともに、パワー変更部１８０によって光ファイバ１３０を伝搬するレーザ光のすべてを出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入する。これにより、センタコア５１に導入される第１のレーザ光のパワーはゼロとなる。このときに第１の光検出器１６１で得られる出力信号と第２の光検出器１６２で得られる出力信号がそれぞれの光検出器１６１，１６２の第２のレーザ光に対する感度となる。すなわち、このときに第１の光検出器１６１で得られる出力信号が第１の光検出器１６１の第２のレーザ光に対する感度α₂となり、第２の光検出器６２で得られる出力信号が第２の光検出器６２の第２のレーザ光に対する感度β₂となる。本実施形態では、上述したようにα₁＝α₂、β₁≠β₂である。このようにして得られた感度α₁，α₂，β₁，β₂は、レーザ装置１０１内の記憶装置（図示せず）に格納される。なお、各光検出器１６１，１６２が信号増幅部を有し、増幅後の信号を用いてレーザ出力を演算する場合には、上記感度α₁，α₂，と感度β₁，β₂にそれぞれ信号増幅率が乗算されたものが演算に用いられる。また、信号増幅率を適切に選択することで（例えばα₁とβ₁の感度が一致するように増幅率を設定することで）、感度パラメータを削減してもよい。

レーザ装置１の運転中は、上述したように、パワー変更部１８０によってレーザ光源１１１からのレーザ光が出力光ファイバ５０のセンタコア５１とリングコア５３とに分配して供給され、レーザ光Ｌがレーザ出射部４から出射される。パワー算出部１０６は、このときの第１の光検出器１６１の出力信号Ｉ₁、第２の光検出器１６２の出力信号Ｉ₂と、運転前に取得した感度α₁，α₂，β₁，β₂とから上述した式（２）により出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬する第１のレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬する第２のレーザ光のパワーＶ₂とを算出する。

上述した第１の実施形態と同様に、このパワー算出部１０６により得られた結果を制御部１０５にフィードバックしてレーザ光源１１１を制御してもよい。また、パワー算出部１０６により得られた結果をパワー変更部１８０にフィードバックして出力光ファイバ５０のセンタコア５１に導入される第１のレーザ光のパワーとリングコア５３に導入される第２のレーザ光のパワーを変更してもよい。

本実施形態によれば、第１のレーザ光に対する第１の光検出器１６１の感度α₁と、第１のレーザ光に対する第２の光検出器１６２の感度β₁と、第２のレーザ光に対する第１の光検出器１６１の感度α₂と、第２のレーザ光に対する第２の光検出器１６２の感度β₂とを用いることにより、出力光ファイバ５０のセンタコア５１を伝搬するレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬するレーザ光のパワーＶ₂とを個別に算出することができる。このように、センタコア５１を伝搬するレーザ光のパワーＶ₁とリングコア５３を伝搬するレーザ光のパワーＶ₂とを個別に把握することができるので、レーザ出射部４から出力されるレーザ光のビームプロファイルの形状を精度良く推定することが可能となる。したがって、パワー算出部１０６により得られた結果を制御部１０５又はパワー変更部１８０にフィードバックすることにより、レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌのビームプロファイルをより細かく制御することができる。また、第２の光検出器１６２の位置をレーザ装置１０１のレーザ出射部４に近づければ、レーザ出射部４から出力されるレーザ光のビームプロファイルの形状をより精度良く推定することができる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１レーザ装置
４レーザ出射部
５制御部（パワー変更部）
６パワー算出部
１１第１のレーザ光源
１２第２のレーザ光源
１３，１４光ファイバ
２１第１の光コンバイナ
２２第２の光コンバイナ
３０中間光ファイバ
５０出力光ファイバ
５１センタコア（第１の光導波路）
５２内側クラッド
５３リングコア（第２の光導波路）
５４外側クラッド
６１第１の光検出器
６２第２の光検出器
７１，７２クラッドモード除去部
１０１レーザ装置
１０５制御部
１０６パワー算出部
１１１レーザ光源
１１３，１３０光ファイバ
１２１光コンバイナ
１６１第１の光検出器
１６２第２の光検出器
１７１，１７２クラッドモード除去部
１７２クラッドモード除去部
１８０パワー変更部

Claims

第１の光導波路と第２の光導波路とを含む出力光ファイバと、
前記出力光ファイバの前記第１の光導波路に導入される第１のレーザ光と前記出力光ファイバの前記第２の光導波路に導入される第２のレーザ光とを含むレーザ光を生成する少なくとも１つのレーザ光源と、
前記少なくとも１つの光源から前記出力光ファイバに向かう前記第１のレーザ光のパワーを感度α₁で検出するとともに、前記少なくとも１つの光源から前記出力光ファイバに向かう前記第２のレーザ光のパワーを感度α₂で検出することが可能な第１の光検出器と、
前記出力光ファイバに沿った光路の近傍に配置され、前記出力光ファイバの前記第１の光導波路を伝搬する前記第１のレーザ光のパワーを感度β₁で検出するとともに、前記第２の光導波路を伝搬する前記第２のレーザ光のパワーを感度β₂で検出することが可能な第２の光検出器と、
前記出力光ファイバの前記第１の光導波路を伝搬する前記第１のレーザ光のパワーＶ₁と前記第２の光導波路を伝搬する前記第２のレーザ光のパワーＶ₂とを前記第１の光検出器の出力信号Ｉ₁及び前記第２の光検出器の出力信号Ｉ₂から次式

に基づいて算出するパワー算出部と
を備え、
前記第１の光検出器と前記第２の光検出器とは、
α₁β₂−α₂β₁≠０
を満たすように構成される、
レーザ装置。
前記感度α₁は前記感度α₂と等しく、前記感度β₁は前記感度β₂と異なる、請求項１に記載のレーザ装置。
前記出力光ファイバの前記第１の光導波路に導入される前記第１のレーザ光のパワーと前記第２の光導波路に導入される前記第２のレーザ光のパワーとを変更可能なパワー変更部をさらに備え、
前記感度β₁は、前記パワー変更部によって前記出力光ファイバの前記第２の光導波路に導入する前記第２のレーザ光のパワーをゼロにすることによって得られ、
前記感度β₂は、前記パワー変更部によって前記出力光ファイバの前記第１の光導波路に導入する前記第１のレーザ光のパワーをゼロにすることによって得られる、
請求項２に記載のレーザ装置。
前記出力光ファイバの前記第１の光導波路に導入される前記第１のレーザ光のパワーと前記第２の光導波路に導入される前記第２のレーザ光のパワーとを変更可能なパワー変更部をさらに備える、請求項１又は２に記載のレーザ装置。
前記パワー変更部は、前記パワー算出部により算出された前記第１のレーザ光のパワー及び前記第２のレーザ光のパワーに基づいて、前記第１のレーザ光のパワーと前記第２のレーザ光のパワーとを変更するように構成される、請求項３又は４に記載のレーザ装置。
前記少なくとも１つのレーザ光源は、
前記第１のレーザ光を生成する少なくとも１つの第１のレーザ光源と、
前記第２のレーザ光を生成する少なくとも１つの第２のレーザ光源と
を含み、
前記パワー変更部は、前記少なくとも１つの第１のレーザ光源及び前記少なくとも１つの第２のレーザ光源を制御することにより、前記第１のレーザ光のパワーと前記第２のレーザ光のパワーとを変更するように構成される、
請求項３から５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記少なくとも１つの第１のレーザ光源は、レーザ光を生成する複数の第１のレーザ光源を含み、
前記レーザ装置は、前記複数の第１のレーザ光源で生成されたレーザ光を結合して前記第１のレーザ光として前記出力光ファイバの前記第１の光導波路に導入する第１の光コンバイナをさらに備え、
前記第１の光検出器は、前記第１の光コンバイナと前記出力光ファイバとの間の光路の近傍に配置される、
請求項６に記載のレーザ装置。
前記少なくとも１つの第２のレーザ光源は、レーザ光を生成する複数の第２のレーザ光源を含み、
前記レーザ装置は、前記複数の第２のレーザ光源で生成されたレーザ光を結合して前記第２のレーザ光として前記出力光ファイバの前記第２の光導波路に導入する第２の光コンバイナをさらに備える、
請求項６又は７に記載のレーザ装置。
前記パワー変更部は、前記少なくとも１つの光源から前記出力光ファイバに向かうレーザ光を伝搬する光ファイバに外的作用を加えることにより、前記第１のレーザ光のパワーと前記第２のレーザ光のパワーとを変更するように構成される、請求項３から５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記第１の光検出器は、前記少なくとも１つの光源と前記パワー変更部との間の光路の近傍に配置される、請求項９に記載のレーザ装置。
前記少なくとも１つのレーザ光源は、レーザ光を生成する複数のレーザ光源を含み、
前記レーザ装置は、前記複数のレーザ光源で生成されたレーザ光を結合する光コンバイナをさらに備え、
前記第１の光検出器は、前記光コンバイナと前記出力光ファイバとの間の光路の近傍に配置される、
請求項１から５、９、及び１０のいずれか一項に記載のレーザ装置。