JP4275558B2

JP4275558B2 - 固体レーザ発振装置

Info

Publication number: JP4275558B2
Application number: JP2004080287A
Authority: JP
Inventors: 利樹腰前; 猛森本; 俊昭渡辺
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: JP2005268599A

Description

この発明は、活性媒質を含む固体レーザ素子及びこの固体レーザ素子を光励起する励起光源を有する固体レーザ発振装置に関するものである。

例えば、レーザビームを用いて溶接を行う場合、溶接対象物によって出力を変化させる必要がある。例えば、ステンレス板の突合せ溶接の場合には、板厚１ｍｍの場合、約１０００Ｗの出力が必要であるが、板厚０．６ｍｍの場合には、６００Ｗの出力で十分である。また、複数の加工を連続して行う場合など、溶接終了時にレーザ光の出力を急激に低下させると、クレータ、溶接割れ等の溶接欠陥が生じる場合がある。このような溶接欠陥の発生を防止するには、レーザ光源の発振出力を徐々に低下させればよい。しかし、レーザ光源の発振出力を一旦低下させると、次の加工のために発振出力を再び上昇させ安定した出力とするまでに所定の時間待たなければならない。

また、活性媒質を含む固体レーザ素子を光励起してレーザビームを出力させる形式の固体レーザ発振装置においては、固体レーザ素子を光励起する励起光源としてレーザダイオードを使用するものがあるが、なかでも、数十ワットクラスの大出力の固体レーザ発振装置においては、レーザダイオードの寿命はヒートサイクルに大きく影響される。すなわち、レーザダイオードに供給する直流電流のオンオフによって発生する高温と低温の温度の幅及びその変化の繰り返し頻度が大きい場合に、レーザダイオードの寿命が短くなる。また、励起光源のヒートサイクルの幅が大きいと励起される側の固体レーザ素子の寿命も短くなる。

上述の課題を解消するために、例えば、特開平９−２３６７６１号公報（特許文献１）に記載されたレーザ溶接装置においては、レーザビームの光路の途中にシャッタ装置を設け、このシャッタ装置の絞り量を調節してレーザビームの実出力を変えるという提案がされている。このシャッタ装置により、レーザ出力を変化させて、クレータ、溶接割れ等の溶接欠陥を防止することができることが示されている。

また、この特許文献１のレーザ溶接装置においては、レーザビームの光路上に、光共振器から出射されたレーザビームの発振出力を測定するモニタ装置を配設することが提案されている。このようなモニタ装置を配置すると、例えば、このモニタ装置の測定値を制御装置を介して光共振器にフィードバックすることにより、光共振器の発振出力を安定させることができる。

特開平９−２３６７６１号公報（第５−６頁、第７図）

しかしながら、上述の特許文献１に記載のレーザ溶接装置のような構造を持つ固体レーザ発振装置においては、モニタ装置はシャッタ装置を通過する前のレーザビームの光路上に配設されており、モニタ装置は光共振器から出射されたレーザビームの発振出力を測定している。そして、シャッタ装置を通過した後のレーザビームの実出力を測定してない。そのため、フィードバックされる測定値が、実際に出力ヘッドから溶接対象物に向けて出射されるレーザビームの実出力ではなく、そのため、光共振器を出る際の発振出力は安定するが、実際に出力ヘッドから照射されるレーザビームの実出力は安定性に欠けるという未解決の課題を有している。

さらに、上述の特許文献１に記載のレーザ溶接装置のような構造を持つ固体レーザ発振装置においては、加工対象物によって異なるレーザビームの出力は、励起光源への通電電流を変化させることにより制御する。このため、加工対象物毎に、通電電流を変化させる必要があり、前述のようなレーザーダイオーの寿命の問題や励起される側の固体素子の寿命の問題が発生する。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、実際に出力ヘッドから外部に照射されるレーザビームの出力を安定させることができる固体レーザ発振装置を得ることを目的とする。

この発明に係る固体レーザ発振装置は、活性媒質を含む固体レーザ素子、固体レーザ素子を光励起する励起光源を有し、レーザビームを出射する光共振器と、レーザビームの光路上に設けられ、レーザビームの光量を絞るシャッタ装置と、シャッタ装置のレーザビーム出射方向側に設けられ、シャッタ装置を通過したレーザビームのレーザ強度を測定し、実出力測定値として出力するモニタ装置と、レーザビームの粗調整を行うためにシャッタ装置の絞り量を制御し、レーザビームの微調整を行うために記励起光源の励起光量を制御する制御装置とを備えている。

この発明に係る固体レーザ発振装置においては、レーザビームの光量を絞るシャッタ装置が設けられ、シャッタ装置のレーザビーム出射方向側に、シャッタ装置を通過したレーザビームのレーザ強度を測定するモニタ装置が設けられ、外部から入力される出力指令値に基づいてシャッタ装置の絞り量が制御されてレーザビームの実出力の粗調整が行われ、モニタ装置が測定するレーザビームの実出力測定値に基づいて励起光源の励起光量が制御されてレーザビームの微調整が行われる。つまり、出力の大きな幅の粗調整についてはシャッタ装置の絞り量によって制御され、出力の微少な幅の微調整については励起光源の励起光量によって制御される。そのため、励起光源のヒートサイクルの幅が大きくなることがなく、励起光源及び固体レーザ素子に印加する熱ストレスが緩和され励起光源及び固体レーザ素子の寿命を延ばすことができる。また、実際に出力ヘッドから照射されることとなるシャッタ装置を通過したレーザビームの実出力が測定され、この測定値がフィードバックされ、これに基づいて励起光源の励起光量が制御されて光共振器から出射されるレーザビームの発信出力が微調整される。そのため、実際に出力ヘッドから照射されるレーザビームの実出力の安定性を向上させることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の固体レーザ発振装置を示す模式図である。図１において、固体レーザ発振装置１０１は、レーザビームＬを発生する光共振器１と、レーザビームＬの光路上に配置されレーザビームＬの光量を絞るシャッタ装置２と、レーザビームＬのレーザ強度をモニタするモニタ装置３と、レーザビームＬを装置外部の溶接対象物に向けて出射する出力ヘッド４と、光共振器１の出力の制御をする制御装置５とを有している。

光共振器１は、固体レーザ素子８、全反射ミラー９、部分反射ミラー１０、励起光源であるレーザダイオード１１及びレーザダイオード１１の電源１２から構成されている。固体レーザ素子８は、活性媒質を含む固体のレーザ媒質から成り、概略長尺円筒状の形状を成し、レーザビームＬの光軸に沿って延びるように配設されている。固体レーザ素子８は、レーザダイオード１１が放射する励起光を浴びて励起される。固体レーザ素子８のレーザビーム出射方向側の端部を先端とする。そして、反対側の端部を後端とする。

全反射ミラー９が、固体レーザ素子８の後端側の端から所定の距離離れた位置に主面を光軸に直交させて配設されている。また、部分反射ミラー１０が、固体レーザ素子８の先端側の端から所定の距離離れた位置に主面を光軸に直交させて配設されている。全反射ミラー９は、レーザビームＬを全反射する。一方、部分反射ミラー１０は、所定の値以下の強度のレーザビームＬを反射し、所定の値を超えた強度となったレーザビームＬを透過する。レーザビームＬは、全反射ミラー９と部分反射ミラー１０との間で往復しながら増幅され、所定の閾値を超えると部分反射ミラー１０を透過して出射される。

レーザダイオード１１が、固体レーザ素子８の側部に固体レーザ素子８と平行に配設されている。レーザダイオード１１は、複数のダイオード素子が直列に接続されて構成され、電気的に接続された電源１２から直流電流を供給されて発光し、矢印アで示されるように固体レーザ素子８に向けて励起光を放射する。

拡大レンズ１８が、光共振器１からレーザビームＬの出射方向に所定の距離離れた光路上に配設されている。そしてさらに平行化レンズ１９が、拡大レンズ１８から所定の距離離れて配置されている。拡大レンズ１８は、光共振器１から出射されたレーザビームＬを円錐状に拡大する。平行化レンズ１９は所定の直径まで拡大されたレーザビームＬを平行ビームにする。

シャッタ装置２が、平行化レンズ１９からレーザビームＬの出射方向に所定の距離離れた光路上に配設されている。シャッタ装置２は、光軸を横切るように進退動可能に設けられた可動ミラー１３と、これを駆動する駆動機構１４と、可動ミラー１３によって反射されたレーザビームＬを吸収するダンパ１５とを有している。

可動ミラー１３は、概略平板状を成し、図１に矢印イで示すように光軸に対して所定の角度傾斜した方向から光軸を横切るように進退動可能に設けられ、前進端まで進んでレーザビームＬを完全に遮断する遮蔽位置と、後退端まで退きレーザビームＬを完全に開放する開放位置との間を往復する。可動ミラー１３の表面には、図示しないラックが形成されている。駆動機構１４は、このラックと噛み合うピニオン１６と当該ピニオン１６を所定の角度回転させる例えばステッピングモータ等の位置決めモータ１７とから構成されている。可動ミラー１３はピニオン１６の回転及び逆回転により上述の遮蔽位置と開放位置との間を移動し、そしてこの間のいずれかの位置に位置決めされる。

可動ミラー１３がレーザビームＬを遮断する様子を図２に示す。図２において、位置Ａは可動ミラー１３がレーザビームＬを完全に開放する開放位置である。一方、位置Ｅは可動ミラー１３がレーザビームＬを完全に遮断する遮蔽位置である。位置Ｂは可動ミラー１３がレーザビームＬを２５％遮断した位置である。位置Ｃは５０％遮断した位置である。位置Ｄは７５％遮断した位置である。

図２の可動ミラー１３の各遮断位置に対応するレーザビームＬの実出力の大きさを図３に示す。ここで実出力とは、実際に出力ヘッド４から照射されるレーザビームＬの出力である。つまり、光共振器１から出射された後、可動ミラー１３で遮断されずにこれを通過し、後で述べるモニタ装置３の部分反射ミラー２１に遮断されずに直進して最終的に出力ヘッド４から加工対象物に照射される出力ヘッド４の照射口での出力のことである。そして、図３は光共振器１の出射口での発振出力を１とし、これに対する図２の反射ミラー２１の各遮蔽位置に対応するレーザビームＬの実出力の割合を示している。このデータは、可動ミラー１３の位置を徐々に変化させながら、出力ヘッド４から出射されるレーザビームＬの実出力を実際に測定することにより得ることができる。そして、このデータは、後述する絞り位置算出ユニット２８が、出力指令値２７に基づいて可動ミラー１３の位置を算出する際に用いられ、制御装置５内の記憶装置４０に絞り量テーブル４１として記憶されている。

モニタ装置３が、シャッタ装置２からレーザビームＬの出射方向に所定の距離離れた光路上に配設されている。モニタ装置３は、光路上に光軸に対して概略４５度傾けて配置された部分反射ミラー２１と、この部分反射ミラー２１によって反射されたレーザビームＬのレーザ強度を測定するレーザ強度測定器２２とを有している。モニタ装置３は、部分反射ミラー２１によってレーザビームＬの全光量のうち所定量の光量のレーザビームを光軸と略直角の方向に反射させ、レーザビームＬの残る光量を透過させてそのまま光軸に沿って直進させる。レーザ強度測定器２２は、部分反射ミラー２１によって反射されたレーザビームのレーザ強度を測定する。ここで、部分反射ミラー２１によって反射された光量が全体の２０％であるとする。この割合は、レーザビームＬの出力の大小にかかわらず一定である。そのため、モニタ装置３は、レーザ強度測定器２２で測定したレーザ強度を４倍して実出力測定値とする。モニタ装置３は、このようにして実際に出力ヘッド４から出射される実出力を算出し、これを実出力測定値として出力する。

光ファイバ入射レンズ２４が、モニタ装置３からレーザビームＬの出射方向に所定の距離離れた光路上に配設されている。光ファイバ入射レンズ２４は、モニタ装置３の部分反射ミラー２１を透過したレーザビームＬを集光させて光ファイバ２５に入射させる。光ファイバ２５のレーザビームＬが入射した側と反対側の端部に出力ヘッド４が接続されている。レーザビームＬは、光ファイバ２５を通った後、出力ヘッド４から装置外部の溶接対象物に向けて照射される。

固体レーザ発振装置１０１は、さらに制御装置５を有している。制御装置５は、絞り位置指令値生成手段である絞り位置指令値生成ユニット２８、絞り量制御手段である絞り量制御ユニット２９、モニタ信号入力ユニット３０、差分値算出手段である差分値算出ユニット３１、電流指令値生成手段である電流指令値生成ユニット３２及び励起光量制御手段である励起光量制御ユニット３３を有している。出力指令値２７が、操作者の操作入力或いは加工対象物を溶接する為のシーケンシャルデータ等から制御装置５に入力される。出力指令値２７は、例えば、照射出力６００ＷというようなレーザビームＬの実出力の大きさを指令する入力である。

絞り位置指令値生成ユニット２８は、入力された出力指令値２７に基づいて絞り量テーブル４１を参照して可動ミラー１３の絞り位置指令値を算出する。絞り量制御ユニット２９は、絞り位置指令値生成ユニット２８の出力する絞り位置指令値を入力し、これに基づいてシャッタ装置２の駆動機構１４に指令を出し、位置決めモータ１７を所定の角度だけ回転させて可動ミラー１３を所定の位置に位置決めする。

モニタ信号入力ユニット３０は、レーザ強度測定器２２が測定した実出力測定値を入力する。差分値算出ユニット３１は、この実出力測定値と出力指令値２７とを入力し、両者の差分値を算出する。電流指令値生成ユニット３２は、この差分値を入力し、この差分値に基づいてレーザダイオード１１の電流指令値を算出する。励起光量制御ユニット３３はこの電流指令値を入力し、この電流指令値に基づいて電源１２からレーザダイオード１１に供給される直流電流をオンオフのデューティ比を変化させて制御する。

次に動作について説明する。電源１２からレーザダイオード１１に直流電流を供給されると、レーザダイオード１１が発光し、レーザダイオード１１から励起光が放射され、固体レーザ素子８に照射される。活性媒質を含む固体レーザ素子８に光を照射すると、その活性媒質は光を吸収して励起された状態となり、レーザ増幅媒質を形成する。レーザ増幅媒質内の励起原子からは、様々な位相、偏光を持った自然放出光が様々な方向へ放射され、その自然放出光がレーザ増幅媒質内を通過する際には、誘導放出によって光の強度が増幅される。このとき、固体レーザ素子８の両端部に全反射ミラー９、部分反射ミラー１０が配設されているので、光軸方向の自然放出光はこのミラー９、１０によって反射され、再びレーザ増幅媒質内を通過する間にさらに増幅される。このように光軸に沿った光のみが２枚のミラー９、１０の間を何度も往復して強度を増し、指向性の有るレーザビームＬとなる。やがて所定の閾値を超えたレーザビームＬが部分反射ミラー１０を透過して光共振器１から出射する。光共振器１から出射されたレーザビームＬは、拡大レンズ１８によって円錐状に拡大され、平行化レンズ１９によって平行ビームにされる。

ここで、新たに出力指令値２７が制御装置５に入力されると、まず、シャッタ装置２の可動ミラー１３が所定の位置に位置決め制御され、出力ヘッド４から照射されるレーザビームＬの大きさが出力指令値２７と同じとなるように粗調整される。そして、モニタ装置３によってレーザビームＬの実出力が測定され、測定値がフィードバックされ、これにより、レーザダイオード１１の放射する励起光量が制御され、出力ヘッド４から照射されるレーザビームＬの大きさが出力指令値２７と同じとなるように微調整される。

つまり、新たに出力指令値２７が制御装置５に入力されると、絞り位置指令値生成ユニット２８は、この出力指令値２７に基づいて絞り量テーブル４１を参照して可動ミラー１３の絞り位置指令値を算出する。絞り量制御ユニット２９は、この絞り位置指令値を入力し、これに基づいてシャッタ装置２の駆動機構１４の位置決めモータ１７に指令を出し、可動ミラー１３を所定の位置に位置決めする。これにより、所定の直径の円柱状とされたレーザビームＬはその一部を可動ミラー１３により遮断され、出力指令値２７と同じになるレーザ強度に粗調整される。

モニタ装置３は、シャッタ装置２によって絞られたレーザビームＬのレーザ強度を測定する。そして、これに基づいて実出力測定値を算出しこれを出力する。モニタ信号入力ユニット３０は、レーザ強度測定器２２が算出した実出力測定値を入力する。差分値算出ユニット３１は、この実出力測定値と上述の出力指令値２７とを入力し、両者の差分値を算出する。

電流指令値生成ユニット３２は、この差分値を入力し、これに基づいてレーザダイオード１１の電流指令値を生成する。励起光量制御ユニット３３は、この電流指令値に基づいて電源１２からレーザダイオード１１に供給される直流電流をデューティ比を変化させて制御する。これにより、レーザダイオード１１の励起光量が制御され、出力ヘッド４から照射されるレーザビームＬの大きさが出力指令値２７と同じとなるように微調整される。

以上のように本実施の形態の固体レーザ発振装置１０１においては、レーザビームＬの光量を絞るシャッタ装置２が設けられ、シャッタ装置２のレーザビーム出射方向側に、シャッタ装置２を通過したレーザビームＬのレーザ強度を測定するモニタ装置３が設けられ、外部から入力される出力指令値２７に基づいてシャッタ装置２の絞り量が制御されてレーザビームＬの実出力の粗調整が行われ、モニタ装置３が測定するレーザビームＬの実出力測定値に基づいてレーザダイオード１１の励起光量が制御されてレーザビームＬの微調整が行われる。つまり、出力の大きな幅の粗調整についてはシャッタ装置２の絞り量によって制御され、出力の微少な幅の微調整についてはレーザダイオード１１の励起光量によって制御される。そのため、レーザダイオード１１のヒートサイクルの幅が大きくなることがなく、レーザダイオード１１及び固体レーザ素子８に印加する熱ストレスが緩和されレーザダイオード１１及び固体レーザ素子８の寿命を延ばすことができる。また、実際に出力ヘッド４から照射されることとなるシャッタ装置２を通過したレーザビームＬの実出力が測定され、この測定値がフィードバックされ、これに基づいてレーザダイオード１１の励起光量が制御されて光共振器１から出射されるレーザビームＬの発信出力が微調整される。そのため、実際に出力ヘッド４から照射されるレーザビームＬの実出力の安定性を向上させることができる。

ここで、レーザダイオード１１のヒートサイクルの幅がどれくらいの大きさとなるか１例を挙げて説明する。例えば、図４のような特性（通電電流１０Ａで出力０Ｗ、通電電流４０Ａで出力６００Ｗ（Ａ点）、通電電流６０Ａで出力１０００Ｗ（Ｂ点））を持つ光共振器１において、加工に必要な実出力が６００Ｗと１０００Ｗの２種類であるとする。ここで、シャッタ装置２を有してない従来のレーザ発振装置では、加工対象物の種類に応じてレーザダイオード１１の通電電流を６０Ａと４０Ａとの間で切り替えて使用することとなる。そのため、レーザダイオード１１には、通電電流６０Ａによる高温の状態と通電電流４０Ａによる低温の状態とが発生し、切り替える毎にその温度差分のヒートサイクルが印加される。一方、本実施の形態の固体レーザ発振装置１０１においては、実出力の大きな幅の粗調整はシャッタ装置２にて行われ、レーザダイオード１１による制御は小さな幅の微調整のみに係わる。そのため、レーザダイオード１１への通電電流はほぼ６０Ａ近傍に保持され、大きな幅のヒートサイクルは発生しない。

つまり、本実施の形態では、レーザビームＬの実出力を安定させるためにレーザダイオード１１により発振出力の微調整を行っているが、その変化の幅は、固体レーザ素子８の出力変動や、レーザ光の径の変動誤差を考慮しても、最大出力(図４の特性の光共振器の場合１０００Ｗ)の１％程度である。図４の特性をもつ光共振器１の場合、電流変化量は、５０Ａで１０００Ｗ変化するので、出力が１％変化する電流値は０．５Ａ程度である。この０．５Ａの電流によって発生するヒートサイクルの幅は、きわめて小さく寿命に与える影響も無視できるレベルとなる。

また、本実施の形態の制御装置５は、外部から入力された出力指令値２７に基づいてシャッタ装置２の絞り量を制御させ、実出力測定値と出力指令値２７との差分値に基づいてレーザダイオード１１の励起光量を制御させてレーザビームＬの出力を制御する。つまり、レーザビーム出力制御の制御において、出力指令値に基づく大きな幅の制御についてはシャッタ装置２の絞り量を制御することにより行い、また、これによって出力されたレーザビームＬの出力指令値に対する誤差分を補正するような微細な幅の制御についてはレーザダイオード１１の励起光量の微調整により行う。その結果、レーザダイオード１１及び固体レーザ素子８のヒートサイクルの幅が小さくなり、両者に印加される熱ストレスが緩和され、レーザダイオード１１及び固体レーザ素子８の寿命が延びる。

尚、本実施の形態の固体レーザ発振装置１０１においては、励起光源としてレーザダイオード１１が設けられているが、励起光源は、例えば、フラッシュランプ等でもよく、その場合においても、出力ヘッド４から照射されるレーザビームＬの出力安定性の向上という効果は得ることができる。しかしながら、本願の熱ストレスの緩和という効果は、特に熱ストレスに影響を受けやすいレーザダイオード１１の場合に効果を発揮する。

また、本実施の形態の固体レーザ発振装置１０１においては、絞り位置指令値は、シャッタ装置２の絞り量を増減する可動ミラー１３の位置とレーザビームの実出力との関係を示す情報であり予め実際に測定されて求められ記憶装置４０に記憶された絞り量テーブル４１に基づき生成される。そのため、生成が容易であるとともに現実的で指令値とよく一致した絞り位置指令値を生成することができる。

尚、本実施の形態の固体レーザ発振装置１０１においては、可動ミラー１３の各遮断位置に対応する実出力は、絞り量テーブル４１として記憶装置４０に記憶されている。しかしながら、このようなテーブルを使用しなくても、可動ミラー１３の位置でのビーム断面形状が真円で且つレーザ出力密度が均一であると仮定すれば、可動ミラー１３に遮断されずに通過するレーザビームＬの光量は数式にて求めることができる。そのため、マイコン等を搭載させて算出することも可能である。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２の固体レーザ発振装置を示す模式図である。図５において、本実施の形態の固体レーザ発振装置１０２の制御装置５５は、絞り位置制御ユニット２９、モニタ信号入力ユニット３０、差分値算出ユニット３１、励起光量制御ユニット３３、差分値判定ユニット３６、絞り位置算出ユニット３７及び駆動電流算出ユニット３８を有している。そして、差分値判定ユニット３６、絞り位置算出ユニット３７及び駆動電流算出ユニット３８は、指令値生成手段である指令値生成部３９を構成している制御装置５５以外の構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態の固体レーザ発振装置１０２において、モニタ信号入力ユニット３０は、レーザ強度測定器２２が測定した実出力測定値を入力する。差分値算出ユニット３１は、実出力測定値と出力指令値２７とを入力し、両者の差分値を算出する。そして、この差分値が所定の閾値を超える場合には、差分値を絞り位置算出ユニット３７に出力する。一方、差分値が所定の閾値より小さい場合には、差分値を駆動電流算出ユニット３８に出力する。

絞り位置算出ユニット３７は、差分値を入力し、この差分値から上述実施の形態１と同じように絞り量テーブル４１に基づいて可動ミラー１３の絞り位置指令値を算出する。絞り位置制御ユニット２９は、絞り位置算出ユニット２８の出力する絞り位置指令値を入力し、シャッタ装置２の駆動機構１４の位置決めモータ１７に指令を出し、可動ミラー１３を所定の位置に位置決めする。

電流指令値生成ユニット３８は、この差分値を入力し、この差分値に基づいてレーザダイオード１１の電流指令値を算出する。励起光量制御ユニット３３は、この電流指令値を入力し、この電流指令値に基づいて電源１２からレーザダイオード１１に供給される直流電流をデューティ比を変化させて制御する。これにより、レーザダイオード１１の励起光量が調整される。これにより、レーザダイオード１１の励起光量が制御され、出力ヘッド４から照射されるレーザビームＬの大きさが出力指令値２７と同じとなるように微調整される。

ここで、閾値がどれくらいの値に設定されるか１例を挙げて説明する。閾値は、通電電流の変化の大きさがレーザダイオード１１の寿命へどの程度影響するかにより決められる。例えば、図４の特性をもつ光共振器１の場合で説明する。必要とする照射出力が１０００Ｗ及び６００Ｗの２種であるとき、レーザダイオード１１の寿命への影響をより重視し通電電流の変化の幅が０．５Ａ程度となるように閾値を設定する。図４より通電電流が０．５Ａ変化するとレーザ出力は１０Ｗ変化することが解る。そのため、閾値を１０Ｗとする。これにより、レーザビームＬの１０Ｗを超える出力の変化は、シャッタ装置２の絞り量の制御によって調整され、１０Ｗ以下の出力の変化は、レーザダイオード１１の通電電流の制御によって調整される。その結果、レーザダイオード１１の通電電流の変化量は、最大でも０．５Ａ程度となる。

次に、動作を説明する。差分値算出ユニット３１の算出した差分量は、閾値と比較されて、可動ミラー１３の絞り位置指令値を算出する絞り位置算出ユニット３７またはレーザダイオード１１の電流指令値を算出する駆動電流算出ユニット３８に送られる。差分値を入力した絞り位置算出ユニット３７は、この差分値から可動ミラー１３の絞り位置指令値を算出する。絞り量制御ユニット２９は、絞り位置指令値生成ユニット２８の出力する絞り位置指令値を入力し、シャッタ装置２の駆動機構１４の位置決めモータ１７に指令を出し、可動ミラー１３を所定の位置に位置決めする。これにより、所定の直径の円柱状とされたレーザビームＬはその一部を可動ミラー１３により遮断され、出力指令値２７と同じになるようにレーザ強度に粗調整される。

一方、差分値を入力した電流指令値生成ユニット３８は、この差分値に基づいてレーザダイオード１１の電流指令値を算出する。励起光量制御ユニット３３はこの電流指令値を入力し、この電流指令値に基づいて電源１２からレーザダイオード１１に供給される直流電流をデューティ比を変化させて制御する。これにより、レーザダイオード１１の励起光量が制御される。そして、レーザダイオード１１の励起光量が制御され、出力ヘッド４から照射されるレーザビームＬの大きさが正確に出力指令値２７と同じとなるように微調整される。

以上のように、本実施の形態の固体レーザ発振装置１０２においては、制御装置５５は、レーザ強度測定器２２が出力する実出力測定値と出力指令値との差分値を算出し、この差分値が閾値以下の場合にレーザダイオード１１の励起光量を制御し、差分値が閾値を超える場合にシャッタ装置２の絞り量を制御してレーザビームＬの出力を制御する。つまり、閾値より大きな幅の出力の制御についてはシャッタ装置２の絞り量を制御することにより対応され、また、閾値より小さな幅の制御については、レーザダイオード１１の励起光量の制御で行うこととなる。その結果、レーザダイオード１１及び固体レーザ素子８のヒートサイクルの幅が小さくなり、両者に印加する熱ストレスが緩和されるのでレーザダイオード１１及び固体レーザ素子８の寿命を延ばすことができる。

ここで、実施の形態１と実施の形態２の動作の相違点に関して説明する。実施の形態１の固体レーザ発振装置１０１の場合、図３に示す可動ミラー１３の各遮断位置とレーザビームＬの実出力との関係の絞り量テーブル４１において実際のものと大きく異なっていた場合（例えば、外気温やレーザダイオード１１の冷却水温度が大きく変化した場合、可動ミラー１３上でのビーム形状が理想の円柱形状とならず大きく変形する場合がある。このような場合には、予め求めておいたデータと大きく異なる出力となる）、レーザダイオード１１への通電電流が、大きく変化してしまう可能性がある。これに対して、実施の形態２の固体レーザ発振装置１０２の場合、差分量の判断に閾値を用いることにより、レーザダイオード１１への通電電流の変化の幅を確実に制限することができる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３の固体レーザ発振装置を示す模式図である。図６において、本実施の形態の固体レーザ発振装置１０３は、シャッタ装置２の可動ミラー１３の反射光を光ファイバ２５に導光している。そして、最終的にヘッド４から出射するレーザビームがこの反射光とされている。本実施の形態においては、図３に示される可動ミラー１３とレーザビームＬの関係の絞り量テーブル４１に関して、可動ミラー１３によって遮断されなかったレーザビームの実出力に替わって、可動ミラー１３によって反射されたレーザビームの実出力に置き換えられることは言うまでもない。その他、図示しない制御装置の構成は、実施の形態２と同様である。本実施の形態の固体レーザ発振装置１０３においても、実施の形態２と同様な効果を得ることができる。

この発明の実施の形態１の固体レーザ発振装置を示す模式図である。シャッタ装置の可動ミラーがレーザビームを遮断する様子を示す図である。図２の可動ミラーの各遮断位置とレーザビームの実出力との関係を示すグラフ図である。レーザ出力と通電電流の一例を示すグラフ図である。この発明の実施の形態２の固体レーザ発振装置を示す模式図である。この発明の実施の形態３の固体レーザ発振装置を示す模式図である。

符号の説明

１光共振器、
２シャッタ装置、
３モニタ装置、
４出力ヘッド、
５制御装置、
８固体レーザ素子、
１１レーザダイオード（励起光源）、
１２電源、
２８絞り位置指令値生成ユニット（絞り位置指令値生成手段）、
２９絞り量制御ユニット（絞り量制御手段）、
３０モニタ信号入力ユニット、
３１差分値算出ユニット（差分値算出手段）、
３２電流指令値生成ユニット（電流指令値生成手段）、
３３励起光量制御ユニット（励起光量制御手段）、
３６差分値判定ユニット、
３７位置指令値生成ユニット、
３８電流指令値生成ユニット、
３９指令値生成部（指令値生成手段）、
４０記憶装置、
４１絞り量テーブル。

Claims

活性媒質を含む固体レーザ素子及び該固体レーザ素子を光励起する励起光源を有し、レーザビームを出射する光共振器と、
前記レーザビームの光路上に設けられ、該レーザビームの光量を絞るシャッタ装置と、前記シャッタ装置のレーザビーム出射方向側に設けられ、前記シャッタ装置を通過した前記レーザビームのレーザ強度を測定し、実出力測定値として出力するモニタ装置と、
前記レーザビームの強度の粗調整を行うために前記シャッタ装置の絞り量を制御し、前記レーザビームの強度の微調整を行うために前記励起光源の励起光量を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、外部から入力された出力指令値に基づき前記シャッタ装置の絞り量を制御し、前記実出力測定値と前記出力指令値との差分値に基づき前記励起光源の励起光量を制御して前記レーザビームの出力を調整する
ことを特徴とする固体レーザ発振装置。
活性媒質を含む固体レーザ素子及び該固体レーザ素子を光励起する励起光源を有し、レーザビームを出射する光共振器と、
前記レーザビームの光路上に設けられ、該レーザビームの光量を絞るシャッタ装置と、前記シャッタ装置のレーザビーム出射方向側に設けられ、前記シャッタ装置を通過した前記レーザビームのレーザ強度を測定し、実出力測定値として出力するモニタ装置と、
前記レーザビームの強度の粗調整を行うために前記シャッタ装置の絞り量を制御し、前記レーザビームの強度の微調整を行うために前記励起光源の励起光量を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記実出力測定値と外部から入力された出力指令値との差分値を算出し、該差分値が閾値以下の場合に前記差分値に基づき前記励起光源の励起光量を制御し、前記差分値が前記閾値を超える場合に前記差分値に基づき前記シャッタ装置の絞り量を制御して前記レーザビームの出力を調整する
ことを特徴とする固体レーザ発振装置。
前記制御装置は、
前記出力指令値に基づき絞り位置指令値を生成する絞り位置指令値生成手段と、
前記絞り位置指令値に基づき前記シャッタ装置の絞り量を制御する絞り量制御手段と、前記実出力測定値と前記出力指令値との差分値を算出する差分値算出手段と、
前記差分値に基づき電流指令値を生成する電流指令値生成手段と、
前記電流指令値に基づき前記励起光源の励起光量を制御する励起光量制御手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ発振装置。
前記制御装置は、
前記実出力測定値と前記出力指令値との差分値を算出する差分値算出手段と、
、前記差分値が閾値以下の場合に該差分値に基づき電流指令値を生成するとともに前記差分値が前記閾値を超える場合に該差分値に基づき絞り位置指令値を生成する指令値生成手段と、
前記絞り位置指令値に基づき前記シャッタ装置の絞り量を制御する絞り量制御手段と、前記電流指令値に基づき前記励起光源の励起光量を制御する励起光量制御手段と
を有することを特徴とする請求項２に記載の固体レーザ発振装置。
前記絞り位置指令値は、前記シャッタ装置の絞り量を増減する可動ミラーの位置と前記レーザビームの実出力との関係を示す情報であり予め実際に測定されて求められ記憶装置に記憶された絞り量テーブルに基づき生成される
ことを特徴とする請求項３または４に記載の固体レーザ発振装置。
前記励起光源は、電流を供給されて励起光を放射するレーザダイオードである
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体レーザ発振装置。