JP2022059708A - レーザ発振器、レーザ加工機、及び誘導ラマン散乱抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発振器がパルス発振動作を行ってレーザビームを発振するときに発生する誘導ラマン散乱を効果的に抑制することができるレーザ発振器を提供する。【解決手段】パルス生成部１１は、パルス信号よりなる出力指令信号に基づいて、パルス信号よりなる駆動電圧信号を生成する。レーザ発振モジュール１２は、駆動電圧信号に基づいてパルス発振動作を行ってレーザビームを発振する。パルス生成部１１は、出力指令信号が、ハイの期間に所定のレーザ出力を超えるレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、駆動電圧信号のハイの期間の電圧値を、駆動電圧信号のハイの期間の立ち上がり時刻から予め設定した時間だけ、電圧値を維持するハイの状態と電圧値を駆動電圧信号のローの期間の電圧値まで低下させることなく所定の電圧値だけ低下させるローの状態とを交互に繰り返すようにパルス状に変調する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ発振器、レーザ加工機、及び誘導ラマン散乱抑制方法に関する。

近年、レーザ加工機に搭載されているレーザ発振器は高輝度・高出力化が進み、レーザ出力が１０ｋＷ以上のレーザ発振器を搭載するレーザ加工機が市場に投入されている。レーザ加工機によって薄板の板金を高速に切断するには、高輝度で集光性のよいレーザビームを板金に照射することが必要である。そのために、レーザ発振器が備える光ファイバのコア径を小さくするのが一般的である。

レーザ発振器が高出力化すると、光ファイバの非線形現象の１つである誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering）が発生しやすくなる。以下、誘導ラマン散乱をＳＲＳと略記することがある。また、光ファイバのコア径を小さくすると、ＳＲＳが発生しやすくなる。ＳＲＳが発生するレーザパワーの閾値であるＳＲＳ発生閾値Ｐsrs_thは、光ファイバの有効コア断面積をＡeff、定数である偏光因子をｆｐ、定数であるラマン利得をＧｒ、光ファイバの有効ファイバ長をＬeffとすると、式（１）で計算される。
Ｐsrs_th＝１６×（Ａeff／（ｆｐ×Ｇｒ×Ｌeff）） …（１）

式（１）より分かるように、光ファイバのコア径が小さいとＳＲＳ発生閾値Ｐsrs_thが小さくなって、ＳＲＳが発生しやすくなる。コア径を大きくするとレーザビームのビーム品質が悪化して薄板の加工品質を低下させてしまうので、コア径を大きくすることはできない。光ファイバの有効ファイバ長Ｌeffを短くすればＳＲＳ発生閾値Ｐsrs_thは大きくなるが、レーザ発振器が備えるフィーディングファイバは１０ｍ～２０ｍの長さを有するので、有効ファイバ長Ｌeffを短くすることは困難である。

特開２０２０－６１５１２号公報

レーザ発振器でＳＲＳが多く発生すると、レーザ発振器より射出されるレーザビームの出力が不安定となり、ビーム品質が悪化する。すると、板金を切断する加工速度または加工品質を低下させてしまう。レーザ発振器は、連続波（ＣＷ）発振動作とパルス発振動作とのいずれかを行ってレーザビームを発振する。ＳＲＳは、レーザ発振器がＣＷ発振動作を行うときにはほとんど発生しないが、パルス発振動作を行うときに多く発生する。レーザ発振器がパルス発振動作を行ってレーザビームを発振するときに発生するＳＲＳを抑制することが求められる。

本発明は、レーザ発振器がパルス発振動作を行ってレーザビームを発振するときに発生する誘導ラマン散乱を効果的に抑制することができるレーザ発振器、レーザ加工機、及び誘導ラマン散乱抑制方法を提供することを目的とする。

本発明は、ハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる出力指令信号に基づいて、ハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる駆動電圧信号を生成するパルス生成部と、前記駆動電圧信号に基づいてパルス発振動作を行ってレーザビームを発振するレーザ発振モジュールとを備え、前記パルス生成部は、前記出力指令信号が、ハイの期間に所定のレーザ出力を超えるレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値を、前記駆動電圧信号のハイの期間の立ち上がり時刻から予め設定した時間だけ、電圧値を維持するハイの状態と電圧値を前記駆動電圧信号のローの期間の電圧値まで低下させることなく所定の電圧値だけ低下させるローの状態とを交互に繰り返すようにパルス状に変調して、前記駆動電圧信号にサブパルスを重畳し、前記出力指令信号が、ハイの期間に前記所定のレーザ出力以下のレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値をパルス状に変調せず、前記駆動電圧信号にサブパルスを重畳しないレーザ発振器を提供する。

本発明は、ハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる出力指令信号を生成する制御装置と、前記出力指令信号に基づいてパルス発振動作を行ってレーザビームを発振して、レーザビームを射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器が射出するレーザビームを用いて板金を加工する加工部とを備え、前記レーザ発振器は、前記出力指令信号に基づいてハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる駆動電圧信号を生成するパルス生成部と、前記駆動電圧信号に基づいてパルス発振動作を行ってレーザビームを発振するレーザ発振モジュールとを備え、前記パルス生成部は、前記出力指令信号が、ハイの期間に所定のレーザ出力を超えるレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値を、前記駆動電圧信号のハイの期間の立ち上がり時刻から予め設定した時間だけ、電圧値を維持するハイの状態と電圧値を前記駆動電圧信号のローの期間の電圧値まで低下させることなく所定の電圧値だけ低下させるローの状態とを交互に繰り返すようにパルス状に変調して、前記駆動電圧信号にサブパルスを重畳し、前記出力指令信号が、ハイの期間に前記所定のレーザ出力以下のレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値をパルス状に変調せず、前記駆動電圧信号にサブパルスを重畳しないレーザ加工機を提供する。

本発明は、制御装置が、レーザ発振器によってレーザビームを射出させるために、ハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる出力指令信号を生成し、ハイの期間の電圧指令値を前記レーザ発振器が射出するレーザビームのレーザ出力に応じて設定し、前記レーザ発振器が備えるパルス生成部が、前記制御装置から供給される前記出力指令信号に基づいてハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる駆動電圧信号を生成し、前記レーザ発振器が備えるレーザ発振モジュールが、前記駆動電圧信号に基づいてパルス発振動作を行ってレーザビームを発振し、前記出力指令信号が、ハイの期間に誘導ラマン散乱が発生するレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、前記パルス生成部が生成する前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値を、前記駆動電圧信号のハイの期間の立ち上がり時刻から予め設定した時間だけ、電圧値を維持するハイの状態と、誘導ラマン散乱が発生しないレーザ出力に対応する電圧指令値に対応する電圧値まで低下させるローの状態とを交互に繰り返すようにパルス状に変調して、前記駆動電圧信号にサブパルスを重畳する誘導ラマン散乱抑制方法を提供する。

本発明のレーザ発振器、レーザ加工機、及び誘導ラマン散乱抑制方法によれば、レーザ発振器がパルス発振動作を行ってレーザビームを発振するときに発生する誘導ラマン散乱を効果的に抑制することができる。

一実施形態のレーザ発振器を備える一実施形態のレーザ加工機を示す図である。 図１におけるＮＣ装置３０がパルス生成部１１に供給する出力指令信号の第１の例を示す波形図である。 図２Ａに示す出力指令信号が入力されるパルス生成部１１が生成する駆動電圧信号を示す波形図である。 ＮＣ装置３０がパルス生成部１１に供給する出力指令信号の第２の例を示す波形図である。 図３Ａに示す出力指令信号が入力されるパルス生成部１１が生成する駆動電圧信号を示す波形図である。 ＮＣ装置３０がパルス生成部１１に供給する出力指令信号の第３の例を示す波形図である。 図４Ａに示す出力指令信号が入力されるパルス生成部１１が生成する駆動電圧信号を示す波形図である。 駆動電圧信号のハイの期間に重畳されるサブパルスの詳細を説明するための部分拡大波形図である。 図１におけるレーザ発振モジュール１２が、ハイの期間にサブパルスを重畳しない駆動電圧信号に基づいてレーザビームを発振したときのレーザ出力と、そのときに発生する誘導ラマン散乱の出力を示す波形図である。 レーザ発振モジュール１２が、ハイの期間にサブパルスを重畳した駆動電圧信号に基づいてレーザビームを発振したときのレーザ出力と、そのときに発生する誘導ラマン散乱の出力を示す波形図である。 レーザ発振モジュール１２が、サブパルスを重畳せず、ハイの期間の立ち上がり時刻から所定の時間だけ一律に電圧値を低減させた駆動電圧信号に基づいてレーザビームを発振したときのレーザ出力と、そのときに発生する誘導ラマン散乱の出力を示す波形図である。 出力指令信号の周波数を変化させたときの誘導ラマン散乱の出力割合の変化を示す特性図である。 出力指令信号の周波数を変化させたときのビームパラメータ積の比の変化を示す特性図である。

以下、一実施形態のレーザ発振器、レーザ加工機、及び誘導ラマン散乱抑制方法について、添付図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態のレーザ加工機１００を示す。レーザ加工機１００は、板金Ｗを切断するレーザ切断機である。レーザ加工機１００は、板金Ｗを溶接するレーザ溶接機であってもよい。図１に示すように、レーザ加工機１００は、ファイバレーザ発振器１０、プロセスファイバ１５、加工部２０、ＮＣ装置３０を備える。ファイバレーザ発振器１０は、一実施形態のレーザ発振器である。プロセスファイバ１５は、ファイバレーザ発振器１０が射出するレーザビームを加工部２０に伝送する。ＮＣ装置３０は、レーザ加工機１００による板金Ｗの加工を制御する。ＮＣ装置３０はレーザ加工機１００を制御する制御装置の一例である。レーザ発振器はファイバレーザ発振器に限定されない。

ファイバレーザ発振器１０は、パルス生成部１１、レーザ発振モジュール１２、フィーディングファイバ１３、ビームカプラ１４を備える。後に詳述するように、パルス生成部１１は、ＮＣ装置３０から供給される出力指令信号に基づいて、レーザ発振モジュール１２を駆動するための駆動電圧信号を生成してレーザ発振モジュール１２に供給する。

レーザ発振モジュール１２は、複数のレーザダイオードと、コンバイナと、高反射ファイバブラッググレーティング、アクティブファイバ、低反射ファイバブラッググレーティングを備える公知の構成を有する。コンバイナは、複数のレーザダイオードから射出されて光ファイバによって伝送されるレーザビームを光結合させる。アクティブファイバのコアには、典型的にはＹｂ（イッテルビウム）である希土類の元素が添加されている。コンバイナより射出されたレーザビームは、高反射ファイバブラッググレーティングと低反射ファイバブラッググレーティングとの間に設けられたアクティブファイバに入射される。

アクティブファイバから射出されたレーザビームは、高反射ファイバブラッググレーティングと低反射ファイバブラッググレーティングとの間で往復を繰り返す。低反射ファイバブラッググレーティングは、レーザダイオードが射出するレーザビームの波長とは異なる例えば波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍのレーザビームを射出する。

レーザ発振モジュール１２より射出されたレーザビームは、フィーディングファイバ１３のコアに入射される。フィーディングファイバ１３は、レーザビームをビームカプラ１４へと伝送する。

ビームカプラ１４は、コリメートレンズ１４１、全反射ミラー１４２、集束レンズ１４３を備える。コリメートレンズ１４１は、フィーディングファイバ１３の射出端より射出された発散光のレーザビームを平行化して、コリメート光に変換する。全反射ミラー１４２は、入射されたコリメート光を全反射させて集束レンズ１４３に入射させる。集束レンズ１４３は、入射されたコリメート光のレーザビームを集束して収束光に変換して、プロセスファイバ１５のコアに入射させる。プロセスファイバ１５は、レーザビームを加工部２０へと伝送する。

加工部２０は、加工ヘッド２１と、加工ヘッド２１を駆動する駆動部２２とを備える。加工ヘッド２１は、コリメートレンズ２１１と集束レンズ２１２とを備える。コリメートレンズ２１１は、プロセスファイバ１５の射出端より射出された発散光のレーザビームを平行化して、コリメート光に変換する。集束レンズ２１２は、入射されたコリメート光のレーザビームを集束して収束光に変換し、板金Ｗに照射する。駆動部２２は、板金Ｗに照射されるレーザビームを移動させて板金Ｗを切断するよう、加工ヘッド２１を板金Ｗに沿って移動させる。駆動部２２は、加工ヘッド２１が固定されていて、板金Ｗを移動させてもよい。駆動部２２は、板金Ｗを切断するよう板金Ｗに対して相対的に加工ヘッド２１を移動させればよい。

次に、以上のように構成されるレーザ加工機１００において、ファイバレーザ発振器１０がパルス発振動作を行ってレーザビームを発振するときのＮＣ装置３０及びパルス生成部１１の動作を説明する。

図２Ａに示すように、ＮＣ装置３０は、ハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる出力指令信号をパルス生成部１１に供給する。出力指令信号はデジタル信号で構成されており、ハイの期間の各パルスの高さは電圧指令値を示す。ＮＣ装置３０は、ハイの期間の電圧指令値をファイバレーザ発振器１０（レーザ発振モジュール１２）が射出するレーザビームの所望のレーザ出力（レーザパワー）に応じて設定する。図２Ａは、レーザ出力１００％に対応する電圧指令値（１００％の電圧指令値）を有する出力指令信号を示す。

出力指令信号の周期をＴ０、ハイの期間をＨ０とすると、デューティ比は（Ｈ０／Ｔ０）×１００で表される。図２Ａに示す出力指令信号及び後述する出力指令信号は、デューティ比５０％である場合を例としている。デューティ比は５０％に限定されるものではなく、例えば１０％～９０％のうちの任意のデューティ比に設定されていればよい。図２Ａに示す出力指令信号においては、期間Ｈ０は一例として６００μｓである。

図２Ｂは、図２Ａに示す出力指令信号がパルス生成部１１に供給されたときにパルス生成部１１が生成する駆動電圧信号を示す。パルス生成部１１が生成する駆動電圧信号は例えばアナログ信号である。但し、パルス生成部１１が生成する駆動電圧信号はアナログ信号に限定されるものではない。

パルス生成部１１は、入力される出力指令信号に基づいて、ハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる駆動電圧信号を生成する。出力指令信号のハイの期間Ｈ０の電圧指令値が１００％であるので、パルス生成部１１は、ハイの期間に１００％の電圧値を有する駆動電圧信号を生成する。このとき、図２Ｂに示すように、パルス生成部１１は、ハイの期間の立ち上がり時刻から予め設定した時間だけ、電圧値をパルス状に変調する。パルス生成部１１は、駆動電圧信号の電圧値を維持するハイの状態と、電圧値を、駆動電圧信号のローの期間の電圧値（最小電圧値）まで低下させることなく所定の電圧値だけ低下させるローの状態とを交互に繰り返すように、電圧値をパルス状に変調する。

電圧値の変調によって駆動電圧信号に重畳されるパルス波形をサブパルスと称することとする。ハイの期間にサブパルスを重畳する時間は、ハイの期間の立ち上がり時刻から一例として４００μｓである。

図２Ａに示す出力指令信号は期間Ｈ０が６００μｓであるため、駆動電圧信号のハイの期間も６００μｓであり、そのうちの一部である４００μｓの期間にサブパルスが重畳されている。ハイの期間の立ち上がり時刻から４００μｓを超えた時間には、サブパルスは重畳されていない。

図３Ａは、レーザ出力９０％に対応する９０％の電圧指令値を有し、期間Ｈ０が４００μｓである出力指令信号を示している。図３Ｂは、パルス生成部１１が生成する駆動電圧信号を示している。図３Ａに示す出力指令信号は期間Ｈ０が４００μｓであるため、図３Ｂに示すように、駆動電圧信号のハイの期間も４００μｓであり、４００μｓの全期間にサブパルスが重畳されている。駆動電圧信号のハイの期間が上記の予め設定した時間以下であれば、駆動電圧信号のハイの全期間にサブパルスが重畳される。

このように、パルス生成部１１は、出力指令信号がハイの期間に所定のレーザ出力を超えるレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、駆動電圧信号のハイの期間の電圧値をパルス状に変調して、駆動電圧信号にサブパルスを重畳するように構成されている。一方、パルス生成部１１は、出力指令信号がハイの期間に所定のレーザ出力以下のレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、駆動電圧信号のハイの期間の電圧値をパルス状に変調せず、駆動電圧信号にサブパルスを重畳しないように構成されている。所定のレーザ出力とは、レーザ出力１００％に対する所定の割合であり、所定の割合は例えば８０％である。

図４Ａは、レーザ出力７０％に対応する７０％の電圧指令値を有する出力指令信号を示している。パルス生成部１１は、図４Ａに示す出力指令信号が入力された場合には、８０％以下の電圧指令値を有する出力指令信号であるため、図４Ｂに示すように、ハイの期間にサブパルスを重畳しない駆動電圧信号を生成する。

図５に示す駆動電圧信号の１つのパルスの拡大図を用いて、サブパルスを詳細に説明する。０％の電圧指令値に対応する０％の電圧値（最小電圧値）からサブパルスがローとなっている期間の電圧値までを出力制限率ＰＬＲと称することとする。なお、最小電圧値は電圧値０ではない所定の小さな電圧値である。

レーザ発振モジュール１２がパルス発振動作を行ってレーザビームを発振するとき、レーザ出力が高出力であれば誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）が発生し、低出力であればＳＲＳは発生しない。出力制限率ＰＬＲはＳＲＳが発生しないレーザ出力に対応する電圧値に設定されている。出力制限率ＰＬＲは、ＳＲＳが発生しないできるだけ高出力のレーザ出力に対応する電圧値に設定するのがよい。電圧指令値が８０％であるときにＳＲＳが発生しない場合、上記のように、パルス生成部１１は８０％以下の電圧指令値でサブパルスを重畳しない。このときの出力制限率ＰＬＲは、８０％の電圧指令値に対応して８０％の電圧値とすればよい。

図５に示すように駆動電圧信号のハイの期間の電圧値が１００％であるとすれば、パルス生成部１１は、駆動電圧信号のハイの期間を電圧値１００％と電圧値８０％とを交互に繰り返すように変調する。これにより、パルス生成部１１は、駆動電圧信号のハイの期間に、サブパルスのハイの期間に電圧値１００％でサブパルスのローの期間に電圧値８０％のサブパルスを重畳する。

サブパルスの周期Ｔ１は例えば２０μｓである。サブパルスのデューティ比は例えば５０％である。図２Ｂ、図３Ｂ、図５では図示の都合上、周期Ｔ１を時間方向に拡大している。サブパルスが重畳されている期間において、レーザ発振モジュール１２が射出するレーザビームの単位時間当たりのレーザ出力の平均値は、サブパルスを重畳しない場合と比較して低下する。しかしながら、サブパルスが重畳されている期間においても、レーザ出力の電圧指令値で指令されている最大値は維持されている。サブパルスを重畳する期間を出力制限時間ＰＬＴと称することとする。上記のように、出力制限時間ＰＬＴは一例として４００μｓである。

レーザ発振モジュール１２においてＳＲＳが発生し始める駆動電圧信号の電圧値は、レーザ発振モジュール１２の個体差によって変化する。よって、出力制限率ＰＬＲは各個体のレーザ発振モジュール１２によって設定すればよい。サブパルスの周期Ｔ１及びデューティ比は特に限定されない。

図６及び図７を用いて、パルス生成部１１が駆動電圧信号にサブパルスを重畳することによる作用効果を説明する。図６は、レーザ発振モジュール１２が、サブパルスを重畳しない駆動電圧信号に基づいてレーザビームを発振したときのレーザ出力と、そのときに発生するＳＲＳ出力を示している。ＳＲＳ出力とは、ＳＲＳの発生量を示すレーザパワーである。図６に示す例では、駆動電圧信号のハイの期間を５００μｓ、デューティ比を５０％、周波数を１ｋＨｚとした場合のレーザ出力及びＳＲＳ出力を示している。

図６に示すように、実線で示すレーザ出力は、駆動電圧信号の時刻０での立ち上がりに伴って最小値から急増し、その後、漸増して最大値となって最大値を維持する。レーザ出力は、５００μｓ経過した時点の駆動電圧信号の立ち下がりに伴って最大値から急減し、その後、漸減して最小値となる。破線で示すＳＲＳ出力は、レーザ出力の立ち上がりに伴って最小値から漸増して最大値に至り、その後、漸減して３００μｓ程度経過した時点で最小値となる。ＳＲＳは一例として１１１０ｎｍ～１１３０ｎｍを中心波長として発生する。最小値は、ほぼ０の極めて小さい値である。なお、図６及び図７において、レーザ出力とＳＲＳ出力とは、各出力値が発生する時間的なタイミングを示し、縦軸方向の各出力値は両者の絶対的な値の関係を示すものではない。

図６より分かるように、本発明者による検証によって、ＳＲＳは、駆動電圧信号のハイの期間が５００μｓのように３００μｓより長くても、時刻０から３００μｓ程度の時間でしか発生しないことが確認されている。ＳＲＳは、長くても時刻０から４００μｓの時間でしか発生しない。

図７は、レーザ発振モジュール１２が、サブパルスを重畳した駆動電圧信号に基づいてレーザビームを発振したときのレーザ出力と、そのときに発生するＳＲＳ出力を示している。図７においても、駆動電圧信号のハイの期間を５００μｓ、デューティ比を５０％、周波数を１ｋＨｚとした場合のレーザ出力及びＳＲＳ出力を示している。図７においては、出力制限時間ＰＬＴを３００μｓとしている。

図７に示すように、ＳＲＳが発生する時刻０から３００μｓの出力制限時間ＰＬＴにサブパルスを重畳すると、サブパルスのハイの期間ではＳＲＳがわずかに発生するものの、サブパルスのローの期間ではＳＲＳが発生しない。従って、ＳＲＳ出力は、サブパルスのハイの期間で一旦増加するものの、サブパルスのローの期間で減少するので、図６に示すように山状の大きな値となることはなく、小さな値で増減を繰り返す。レーザ発振モジュール１２が駆動電圧信号にサブパルスを重畳することによって、ＳＲＳ出力を大幅に減少させることができる。上記の例において、出力制限時間ＰＬＴを４００μｓとしているのは、ＳＲＳは、長くても時刻０から４００μｓの時間でしか発生しないからである。

このように、本実施形態の誘導ラマン散乱抑制方法は、出力指令信号が、ハイの期間にＳＲＳが発生するレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、次のようにしてＳＲＳを抑制する。パルス生成部１１が、生成する駆動電圧信号のハイの期間の電圧値を、駆動電圧信号のハイの期間の立ち上がり時刻から予め設定した時間だけ、パルス状に変調して、駆動電圧信号にサブパルスを重畳する。パルス生成部１１が重畳するサブパルスは、駆動電圧信号の電圧値を維持するハイの状態と、ＳＲＳが発生しないレーザ出力に対応する電圧指令値に対応する電圧値まで低下させるローの状態とを交互に繰り返す。

以上のようにして、本実施形態のレーザ発振器であるレーザ発振モジュール１２を備えるファイバレーザ発振器１０、及び本実施形態の誘導ラマン散乱抑制方法によれば、ＳＲＳを効果的に抑制することができる。本実施形態のレーザ加工機であるレーザ加工機１００によれば、ＳＲＳの抑制によってビーム品質をほとんど悪化させることがないので、板金Ｗを良好な加工品質で加工することができる。

上記のように、駆動電圧信号にサブパルスを重畳してもレーザ出力の電圧指令値で指令されている最大値は維持されているから、レーザ加工機１００は、高輝度のレーザビームを用いて板金Ｗを加工することができる。

図８は比較例であり、レーザ発振モジュール１２が、サブパルスを重畳するのではなく、時刻０から２００μｓの時間に一律に電圧値を８０％に低減させてレーザビームを発振したときのレーザ出力と、そのときに発生するＳＲＳ出力を示している。図８においても、駆動電圧信号のハイの期間を５００μｓ、デューティ比を５０％、周波数を１ｋＨｚとした場合のレーザ出力及びＳＲＳ出力を示している。

図８に示すように、時刻０から２００μｓの時間に電圧値を８０％に低減させると、時刻０から２００μｓの時間にＳＲＳは発生しない。ところが、２００μｓの時点で電圧値を１００％に増加させると、２００μｓの時点以降に、図６と同様の山状の比較的大きな値のＳＲＳが発生する。これに対して、図７に示すように、駆動電圧信号にサブパルスを重畳した場合には、出力制限時間ＰＬＴを経過した後に山状のＳＲＳは発生しない。

図９及び図１０を用いて、パルス生成部１１が駆動電圧信号にサブパルスを重畳することによって得られる効果をさらに説明する。図９は、出力指令信号（駆動電圧信号）の周波数を変化させたときのＳＲＳ出力割合の変化を示している。ここでのＳＲＳ出力割合とは、ＳＲＳ出力をレーザ出力とＳＲＳ出力との加算値で除算した値である。即ち、ＳＲＳ出力割合とは、１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍと１１１０ｎｍ～１１３０ｎｍを含む全体のレーザパワーのうちの１１１０ｎｍ～１１３０ｎｍのレーザパワーの割合である。図９及び図１０において、三角を結んだ折れ線は駆動電圧信号をサブパルスで変調しなかった場合、丸を結んだ折れ線は駆動電圧信号をサブパルスで変調した場合のＳＲＳ出力割合を示している。周波数の最小値は１００Ｈｚである。

図９に示すように、駆動電圧信号をサブパルスで変調することにより、１００Ｈｚ～１０ｋＨｚの全周波数範囲でＳＲＳがわずかしか発生しないことが分かる。駆動電圧信号をサブパルスで変調しないと、ＳＲＳ出力割合は周波数２ｋＨｚで最大の２５％も発生し、全周波数範囲でＳＲＳが多く発生していることが分かる。

図１０は、出力指令信号の周波数を変化させたときのＢＰＰ比の変化を示している。ＢＰＰとはビームパラメータ積（Beam Parameter Products）を示し、ビームウェストの半径とビームの発散角の半値半幅の積として定義されるビーム品質を表す指標である。ここでのＢＰＰ比とは、レーザ発振モジュール１２がレーザ出力１００％、デューティ比５０％でパルス発振動作したときのＢＰＰを、レーザ発振モジュール１２がレーザ出力５０％でＣＷ発振動作したときのＢＰＰで除算した値である。

なお、ＮＣ装置３０がパルス信号ではなく一定値の出力指令信号をパルス生成部１１に供給すれば、パルス生成部１１は一定値の駆動電圧信号をレーザ発振モジュール１２に供給して、レーザ発振モジュール１２はＣＷ発振動作を行う。

レーザ出力１００％、デューティ比５０％でパルス発振動作したときの平均出力と、レーザ出力５０％でＣＷ発振動作したときの平均出力とはいずれも５０％である。平均出力が同じであるため、ファイバレーザ発振器１０及び測定光学系にかかる単位時間当たりの熱負荷は同等である。熱負荷が大きくなると熱レンズを引き起こしてＢＰＰが悪化する。熱負荷を同等にしているので両者のＢＰＰを適切に比較することができる。

前述のようにレーザ発振モジュール１２がＣＷ発振動作を行うときにはＳＲＳはほとんど発生しない。よって、レーザ発振モジュール１２がレーザ出力１００％、デューティ比５０％でパルス発振動作するときにＳＲＳが少ないほど、ＢＰＰ比は１００％に近付くことになる。逆に言えば、図１０において、ＢＰＰ比が１００％に近いほど、レーザ発振モジュール１２がレーザ出力１００％でパルス発振動作するときにＳＲＳが発生しないということである。

図１０に示すように、駆動電圧信号をサブパルスで変調することにより、１００Ｈｚ～１０ｋＨｚの全周波数範囲でＳＲＳがわずかしか発生しないことが分かる。駆動電圧信号をサブパルスで変調しないと、ＢＰＰ比は周波数３ｋＨｚで最大の１５０％近くまで達しており、全周波数範囲でＳＲＳの発生によってＢＰＰが悪化していることが分かる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１０ ファイバレーザ発振器
１１ パルス生成部
１２ レーザ発振モジュール
１３ フィーディングファイバ
１４ ビームカプラ
１５ プロセスファイバ
２０ 加工部
２１ 加工ヘッド
２２ 駆動部
３０ ＮＣ装置（制御装置）
１００ レーザ加工機
Ｗ 板金

Claims (5)

1. ハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる出力指令信号に基づいて、ハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる駆動電圧信号を生成するパルス生成部と、
   前記駆動電圧信号に基づいてパルス発振動作を行ってレーザビームを発振するレーザ発振モジュールと、
   を備え、
   前記パルス生成部は、
   前記出力指令信号が、ハイの期間に所定のレーザ出力を超えるレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値を、前記駆動電圧信号のハイの期間の立ち上がり時刻から予め設定した時間だけ、電圧値を維持するハイの状態と電圧値を前記駆動電圧信号のローの期間の電圧値まで低下させることなく所定の電圧値だけ低下させるローの状態とを交互に繰り返すようにパルス状に変調して、前記駆動電圧信号にサブパルスを重畳し、
   前記出力指令信号が、ハイの期間に前記所定のレーザ出力以下のレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値をパルス状に変調せず、前記駆動電圧信号にサブパルスを重畳しない
   レーザ発振器。
2. 前記パルス生成部は、前記サブパルスのローの期間の電圧値が、前記所定のレーザ出力に対応する電圧指令値に対応する電圧値となるよう、前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値を変調する請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記パルス生成部は、
   前記駆動電圧信号のハイの期間が前記予め設定した時間より長いときには、前記駆動電圧信号のハイの期間の立ち上がり時刻から前記予め設定した時間だけ前記サブパルスを重畳し、前記駆動電圧信号のハイの期間の前記予め設定した時間を超えた期間には前記サブパルスを重畳せず、
   前記駆動電圧信号のハイの期間が前記予め設定した時間以下であるときには、前記駆動電圧信号のハイの全期間前記サブパルスを重畳する
   請求項１または２に記載のレーザ発振器。
4. ハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる出力指令信号を生成する制御装置と、
   前記出力指令信号に基づいてパルス発振動作を行ってレーザビームを発振して、レーザビームを射出するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器が射出するレーザビームを用いて板金を加工する加工部と、
   を備え、
   前記レーザ発振器は、
   前記出力指令信号に基づいてハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる駆動電圧信号を生成するパルス生成部と、
   前記駆動電圧信号に基づいてパルス発振動作を行ってレーザビームを発振するレーザ発振モジュールと、
   を備え、
   前記パルス生成部は、
   前記出力指令信号が、ハイの期間に所定のレーザ出力を超えるレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値を、前記駆動電圧信号のハイの期間の立ち上がり時刻から予め設定した時間だけ、電圧値を維持するハイの状態と電圧値を前記駆動電圧信号のローの期間の電圧値まで低下させることなく所定の電圧値だけ低下させるローの状態とを交互に繰り返すようにパルス状に変調して、前記駆動電圧信号にサブパルスを重畳し、
   前記出力指令信号が、ハイの期間に前記所定のレーザ出力以下のレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値をパルス状に変調せず、前記駆動電圧信号にサブパルスを重畳しない
   レーザ加工機。
5. 制御装置が、レーザ発振器によってレーザビームを射出させるために、ハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる出力指令信号を生成し、ハイの期間の電圧指令値を前記レーザ発振器が射出するレーザビームのレーザ出力に応じて設定し、
   前記レーザ発振器が備えるパルス生成部が、前記制御装置から供給される前記出力指令信号に基づいてハイとローとを交互に繰り返すパルス信号よりなる駆動電圧信号を生成し、
   前記レーザ発振器が備えるレーザ発振モジュールが、前記駆動電圧信号に基づいてパルス発振動作を行ってレーザビームを発振し、
   前記出力指令信号が、ハイの期間に誘導ラマン散乱が発生するレーザ出力に対応する電圧指令値を有するとき、前記パルス生成部が生成する前記駆動電圧信号のハイの期間の電圧値を、前記駆動電圧信号のハイの期間の立ち上がり時刻から予め設定した時間だけ、電圧値を維持するハイの状態と、誘導ラマン散乱が発生しないレーザ出力に対応する電圧指令値に対応する電圧値まで低下させるローの状態とを交互に繰り返すようにパルス状に変調して、前記駆動電圧信号にサブパルスを重畳する
   誘導ラマン散乱抑制方法。

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