JP5664913B2 - ファイバレーザ装置および出力監視方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ファイバレーザ装置および出力監視方法に関し、特に、ファイバレーザ装置の出力光に含まれる信号増幅光や背景光の検出精度を向上させるようにしたファイバレーザ装置および出力監視方法に関する。
光ファイバを媒質に用いたファイバレーザ装置では、光ファイバのコア内で生じる自然放出光が、加工に用いられる信号増幅光の増幅に寄与しない余剰な利得により増幅され、背景光（ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光）となって、ファイバレーザ装置から出力される出力光に混入する。この背景光は、高ピーク出力の効果を目的としたレーザ加工（例えば、レーザマーキング、レーザトリミング、レーザパターニングなど）には影響しないため、出力光に含まれる背景光の比率が増大すると、出力光のパワー（または強度）の測定結果と実際の加工結果との間の誤差が大きくなり、加工精度に悪影響を及ぼす恐れがある。
そこで、従来、励起光をパルス変調することにより背景光を低減させることが行われている。
図１は、励起光を連続光とするＣＷ励起によりシード光を増幅した場合の信号増幅光と背景光の関係の例を示すグラフである。一方、図２は、励起光をパルス光とするパルス変調励起によりシード光を増幅した場合の信号増幅光と背景光の関係の例を示すグラフである。
なお、図１および図２のいちばん上のグラフは、シード光の波形を示しており、横軸が時間を示し、縦軸がパワーを示している。図１および図２の真ん中のグラフは、励起光および励起光により得られる増幅利得の波形を示しており、横軸が時間を示し、縦軸がパワーまたは利得を示している。いちばん下のグラフは、ファイバレーザ装置から出力される信号増幅光および背景光の波形を示しており、横軸が時間を示し、縦軸がパワーを示している。
いずれの方式の場合も、信号増幅光を出力する前に、主に励起中のエネルギーにより背景光が増幅されて出力され、信号増幅光を出力した直後に、主に信号光の増幅に寄与しなかった余剰利得により背景光が増幅されて出力される。
また、ＣＷ励起の場合、励起光が連続して光ファイバに入射されるため、信号増幅光を増幅する期間以外の期間も常に励起中の状態となり、増幅利得が高いレベルに保たれる。従って、信号増幅光の増幅に寄与しない余剰利得が増大し、背景光が増大する。一方、パルス変調励起の場合、シード光が光ファイバに入射されるときに増幅利得がピークになるように励起光が光ファイバに入射されるため、ＣＷ励起の場合と比較して、信号増幅光を増幅する期間以外の期間の増幅利得を低く抑えることができる。従って、図１と図２を比較して明らかなように、パルス変調励起の方が、ＣＷ励起と比較して、背景光が減少する。
さらに、いずれの方式の場合も、励起光が強くなるほど（励起エネルギーが高くなるほど）、余剰利得が増大し、背景光が増大し、励起光が弱くなるほど（励起エネルギーが低くなるほど）、余剰利得が減少し、背景光が減少する。
また、いずれの方式の場合も、信号増幅光の繰り返し周波数が高くなるほど、光ファイバ内に蓄積される励起エネルギー（利得）が多く抽出され、余剰利得が減少し、背景光が減少する。一方、信号増幅光の繰返し周波数が低くなるほど、光ファイバ内に蓄積される励起エネルギー（利得）の抽出量が減少し、背景光が増大する。
図３は、ＣＷ励起によりファイバレーザ装置から出力される出力光のスペクトルを、繰り返し周波数を１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲内で変化させながら測定した結果の一例を示すグラフである。なお、横軸は波長を示し、縦軸は出力光の強度の対数値を示している。
繰り返し周波数が１００ｋＨｚの場合、出力光には背景光がほとんど含まれず、出力光のスペクトルは、信号増幅光の中心波長をピークとするほぼ左右対称の波形となる。一方、繰り返し周波数が低くなるにつれて、出力光に含まれる背景光が増大し、信号増幅光の中心波長の周囲の波長成分が増大するとともに、スペクトルの範囲も広がる。
これは、パルス変調励起の場合も同様であり、例えば、繰り返し周波数が数ｋＨｚの場合、出力光に占める背景光の比率は、数％から１０数％に達する。
従って、信号増幅光の繰り返し周波数が低くなるほど、出力光に占める背景光の比率が増大するため、出力光のパワーの測定結果と実際の加工結果との間の誤差が大きくなり、加工精度が低下する。
より具体的には、例えば、加工パラメータとして用いられる出力光のエネルギーＥおよびピークパワーＰｐは、次式（１）および（２）により算出される。
Ｅ＝Ｐａｖｅ／ｆ ・・・（１）
Ｐｐ＝Ｅ／Δｔ ・・・（２）
ここで、出力光の平均パワーＰａｖｅは、例えば、計測用のパワーメータにより、熱変換により時間平均した値が測定される。また、繰り返し周波数ｆは既知であり、パルス幅Δｔは、出力光の光量を検出する光ディテクタにより測定される。
背景光が増大すると、出力光の平均パワーＰａｖｅの測定値と、信号増幅光の平均パワーとの間の差が大きくなる。その結果、出力光のエネルギーＥおよびピークパワーＰｐの測定値が、実際に加工に寄与する信号増幅光のエネルギーおよびピークパワーと乖離し、加工精度が低下する。
これは、例えば、パワーメータの代わりに、一般的にファイバレーザ装置に組み込まれるフォトダイオードを用いたパワーモニタにより、出力光の平均パワーを測定する場合も同様である。
従って、従来のファイバレーザ装置の中には、加工精度の低下を防止するために、信号増幅光の繰り返し周波数を低く設定した場合に、出力光のパワーを制限するものがある。
図４は、そのようなファイバレーザ装置の動作特性の一例を示すグラフである。横軸は信号増幅光の繰り返し周波数を示し、縦軸は出力光のパルスエネルギーを示している。
実線１１は、出力光の平均パワーが１０Ｗになるラインを示している。ただし、出力光（信号増幅光）のパルス幅を一定にした場合、ＳＲＳ（誘導ラマン錯乱）によりピークパワーを所定の値以下に制限する必要があり、出力光のピークパワーを一定にした場合、ＳＢＳ（誘導ブルリアン錯乱）によりパルス幅を所定の値以下に制限する必要がある。そのため、この図に示されるように、例えば、繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以下の範囲において、出力光のパルスエネルギーが一定の値に制限され、その結果、出力光の平均パワーが１０Ｗ未満に制限される。
一方、点線１２は、ファイバレーザ装置から実際に出力される出力光のパルスエネルギーを示している。このように、繰り返し周波数が例えば約２０〜３０ｋＨｚ以下の範囲において、出力光の平均パワーが小さくなるように、出力光のパルスエネルギーに制限がかけられる。前記のように低繰り返し周波数にて不要な背景光が増加するためである。その結果、繰り返し周波数を低く設定した場合に、利用可能な加工エネルギーが低下する。
そこで、従来、ＦＢＧ（Fiber Bragg Gratings）を用いて、出力光から信号増幅光の波長帯の光を抽出し、モニタすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１８３４３４号公報
しかしながら、先の図３に示されるように、背景光のスペクトルは、信号増幅光と中心波長が近く、信号増幅光のスペクトルより範囲が広く重畳しているためスペクトル的に分離することができない。
従って、上述したＦＢＧ等を用いて、波長に基づいて、出力光から信号増幅光や背景光を抽出するのは困難である。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ファイバレーザ装置の出力光に含まれる信号増幅光や背景光の検出精度を向上できるようにするものである。
本発明の一側面のファイバレーザ装置は、パルス状のシード光を光ファイバにより増幅することにより得られる信号増幅光を出力するファイバレーザ装置であって、光ファイバから出射されるレーザ光の一部を分岐して、サンプリング光を抽出する分岐部と、サンプリング光を光電変換して電気信号を生成する光電変換部と、信号増幅光が出力される期間を含む第１の期間における電気信号である第１の抽出信号、および、第１の期間を除く第２の期間における電気信号である第２の抽出信号を抽出する抽出部と、第１の抽出信号に基づく検出値および第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、または、第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、ファイバレーザ装置の出力を制御する出力制御部とを備える。
本発明の一側面のファイバレーザ装置においては、光ファイバから出射されるレーザ光の一部が分岐されて、サンプリング光が抽出され、サンプリング光が光電変換されて電気信号が生成され、信号増幅光が出力される期間を含む第１の期間における電気信号である第１の抽出信号、および、第１の期間を除く第２の期間における電気信号である第２の抽出信号が抽出され、第１の抽出信号に基づく検出値および第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、または、第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、ファイバレーザ装置の出力が制御される。
従って、ファイバレーザ装置の出力光に含まれる信号増幅光や背景光の検出精度を向上させることができる。また、加工精度を向上させることができる。さらに、低い繰り返し周波数で、高い加工エネルギーでレーザ加工を行うことが可能なファイバレーザ装置を実現することができる。
この分岐部は、例えば、ＴＡＰカプラにより構成される。この光電変換部は、例えば、高速ＰＩＮフォトダイオードにより構成される。この抽出部は、例えば、高速アナログマルチプレクサにより構成される。この出力制御部は、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のプロセッサにより構成される。
この抽出部には、所定の光源からのシード光の出力を制御するクロック信号に従って、第１の抽出信号および第２の抽出信号を抽出させることができる。
これにより、第１の抽出信号および第２の抽出信号を抽出するタイミングを簡単に制御することが可能になる。
この第１の期間は、クロック信号から所定の第１の時間経過後から開始し、所定の第２の時間経過後に終了するようにすることができる。
これにより、より確実に出力光に含まれる信号増幅光の成分および背景光の成分を分離して抽出することが可能になる。
このファイバレーザ装置には、第２の抽出信号を平滑化する平滑化部と、平滑化した第２の抽出信号が所定の閾値を超えた場合、エラー信号を出力するエラー検出部とをさらに設けることができる。
背景光（ＡＳＥ光）が多量に発生している状態は、過剰な利得が光ファイバに蓄積している状態を示しており、光サージ（強いピーク出力のスパイク状パルスの発生）が、信号光の進行方向と逆方向に発生しやすい状態にある。従って、このエラー検出部により、光サージの発生、および、それによる光学部品の損傷を未然に防止することができる。
この平滑化部は、例えば、コンデンサ等を用いた平滑化回路により構成される。このエラー検出部は、例えば、コンパレータにより構成される。
このファイバレーザ装置においては、電気信号が第１の電気信号と第２の電気信号に分岐され、第２の電気信号のレベルを制限する制限部と、レベルが制限された第２の信号を増幅する増幅部とをさらに設け、抽出部には、第１の電気信号から第１の抽出信号を抽出し、増幅された第２の電気信号から第２の抽出信号を抽出させることができる。
これにより、出力光に含まれる背景光の成分を増幅して検出することができる。
この制限部は、例えば、ツェナーダイオードにより構成される。この増幅部は、例えば、高速オペアンプ増幅回路により構成される。
このファイバレーザ装置においては、シード光を増幅するための励起光の波長帯の成分をサンプリング光から除去する除去部をさらに設け、光電変換部には、励起光の波長帯の成分を除去したサンプリング光を光電変換させることができる。
これにより、光ファイバに入力される励起光のうち増幅に寄与せずに出力される残留励起光を除去して、信号増幅光および背景光を検出することができる。
この除去部は、例えば、バンドパスフィルタとＮＤフィルタ等の光学フィルタにより構成される。
本発明の一側面の出力監視方法は、パルス状のシード光を光ファイバ内で増幅することにより得られる信号増幅光を出力するファイバレーザ装置の出力監視方法であって、光ファイバから出射されるレーザ光の一部を分岐して、サンプリング光を抽出し、サンプリング光を光電変換して電気信号を生成し、信号増幅光が出力される期間を含む第１の期間における電気信号である第１の抽出信号、および、第１の期間を除く第２の期間における電気信号である第２の抽出信号を抽出し、第１の抽出信号に基づく検出値および第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、または、第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、ファイバレーザ装置の出力を制御するステップを含む。
本発明の一側面の出力監視方法においては、光ファイバから出射されるレーザ光の一部が分岐されて、サンプリング光が抽出され、サンプリング光が光電変換されて電気信号が生成され、信号増幅光が出力される期間を含む第１の期間における電気信号である第１の抽出信号、および、第１の期間を除く第２の期間における電気信号である第２の抽出信号が抽出され、第１の抽出信号に基づく検出値および第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、または、第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、ファイバレーザ装置の出力が制御される。
従って、ファイバレーザ装置の出力光に含まれる信号増幅光や背景光の検出精度を向上させることができる。また、加工精度を向上させることができる。さらに、低い繰り返し周波数で、高い加工エネルギーでレーザ加工を行うことが可能なファイバレーザ装置を実現することができる。
サンプリング光の抽出は、例えば、ＴＡＰカプラにより行われる。光電変換は、例えば、高速ＰＩＮフォトダイオードにより行われる。第１の抽出信号および第２の抽出信号の抽出は、例えば、高速アナログマルチプレクサにより行われる。ファイバレーザ装置の出の制御は、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のプロセッサにより行われる。
本発明の一側面によれば、ファイバレーザ装置の出力光に含まれる信号増幅光や背景光の検出精度を向上させることができる。
ＣＷ励起時のシード光、励起光、増幅利得、信号増幅光、および、背景光の推移を示すグラフである。 パルス変調励起時のシード光、励起光、増幅利得、信号増幅光、および、背景光の推移を示すグラフである。 ファイバレーザ装置の信号増幅光の繰り返し周波数とスペクトルの関係を示すグラフである。 従来のファイバレーザ装置の動作特性の一例を示すグラフである。 本発明を適用したファイバレーザ装置の一実施の形態を示すブロック図である。 ファイバレーザ装置の検出部の構成例を示す図である。 ファイバレーザ装置により実行される出力監視処理を説明するためのフローチャートである。 ファイバレーザ装置により実行される出力監視処理を説明するための波形図である。
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態
２．変形例
＜１．実施の形態＞
図５は、本発明を適用したファイバレーザ装置１０１の一実施の形態を示す図である。
ファイバレーザ装置１０１は、レーザ光源１１１、レーザ光源１１１を制御するためのレーザ制御系１１２、および、加工ユニット１１３を備える。
レーザ光源１１１は、シードＬＤ（Laser Diode）１３１、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１３２、アイソレータ１３３、励起ＬＤ（Laser Diode）１３４、結合器１３５、光増幅ファイバ１３６、アイソレータ１３７、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１３８、励起ＬＤ（Laser Diode）１３９Ａ乃至１３９Ｄ、結合器１４０、光増幅ファイバ１４１、アイソレータ１４２、ＴＡＰカプラ１４３、エンドキャップ１４４、光学フィルタ１４５、および、光ディテクタ１４６を含むように構成される。
シードＬＤ１３１は、レーザ制御系１１２の制御の基にパルス発振して、パルス状のシード光を発する。なお、シード光の波長は、例えば１０００〜１１００ｎｍの範囲の中から選択される。
シードＬＤ１３１から発せられたシード光は、ＢＰＦ１３２およびアイソレータ１３３を通過する。
ＢＰＦ１３２は、シード光の中心波長を含む所定の波長帯の光を通過させるとともに、その波長帯と異なる波長帯の光を遮断する。
アイソレータ１３３は、シード光を通過させるとともに、光増幅ファイバ１３６からの戻り光を遮断し、戻り光がシードＬＤ１３１に入射するのを防止する。
励起ＬＤ１３４は、レーザ制御系１１２の制御の基に、光増幅ファイバ１３６のコアに添加された希土類元素を励起するための励起光を発する。例えば、希土類元素がＹｂ（イッテルビウム）の場合、励起光の波長は、例えば９１５〜９７５ｎｍに設定される。
結合器１３５は、シードＬＤ１３１からのシード光および励起ＬＤ１３４からの励起光の光路を結合し、光増幅ファイバ１３６に入射させる。
光増幅ファイバ１３６は、光増幅成分である希土類元素が添加されたコア、およびそのコアの周囲に設けられるクラッドを有する。コアに添加される希土類元素の種類は特に限定されず、例えば、Ｅｒ（エルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）などがある。
そして、光増幅ファイバ１３６のコアに含まれる希土類元素が励起光を吸収することによって、その希土類元素が励起される。この状態において、シード光が光増幅ファイバ１３６のコアを伝播すると、励起された希土類元素による誘導放出が生じる。この誘導放出により、光増幅ファイバ１３６に入射したシード光が増幅される。
なお、以下、光増幅ファイバ１３６内でシード光を増幅することにより得られるパルス光を信号増幅光と称する。
アイソレータ１３７は、光増幅ファイバ１３６から出射された信号増幅光を通過させるとともに、光増幅ファイバ１３６への戻り光を遮断する。
ＢＰＦ１３８は、光増幅ファイバ１３６から出射された信号増幅光の中心波長を含む所定の波長帯の光を通過させるとともに、その波長帯と異なる波長帯の光を遮断する。
励起ＬＤ１３９Ａ乃至１３９Ｄの各々は、レーザ制御系１１２の制御の基に、光増幅ファイバ１４１のコアに含まれる希土類元素を励起するための励起光を発する。
なお、図５では、光増幅ファイバ１４１に対して４個の励起ＬＤが設けられているが、励起ＬＤの個数は特に限定されるものではない。
結合器１４０は、ＢＰＦ１３８を通過した信号増幅光と、励起ＬＤ１３９Ａ乃至１３９Ｄからの励起光の光路を結合し、光増幅ファイバ１４１に入射させる。
光増幅ファイバ１４１は、光増幅ファイバ１３６と同様の構成を有しており、信号増幅光と励起光とが入射されることにより、信号増幅光をさらに増幅してから出射する。
なお、以下、光増幅ファイバ１４１から出射される光を出力光と称する。出力光には、光増幅ファイバ１３６および光増幅ファイバ１４１により増幅された信号増幅光および背景光、並びに、信号増幅光および背景光の増幅に用いられずに残留した励起光（以下、残留励起光と称する）が含まれる。
アイソレータ１４２は、光増幅ファイバ１４１から出射された出力光を通過させるとともに、光増幅ファイバ１４１への戻り光を遮断する。
ＴＡＰカプラ１４３は、光増幅ファイバ１４１から出射された出力光の一部（例えば、約１％）を分岐し、光学フィルタ１４５に入射させる。残りの出力光は、エンドキャップ１４４を通過して、加工ユニット１１３に入射する。
なお、以下、ＴＡＰカプラ１４３により分岐され、光学フィルタ１４５に入射する出力光をサンプリング光と称する。
エンドキャップ１４４は、ピークパワーの高い出力光が光ファイバから大気中に出射される際に、光ファイバの端面と大気との境界面で生じるダメージを防止するために設けられる。
加工ユニット１１３は、例えば、ｆθレンズ、スキャンミラー、スリット等を含む加工光学系を内蔵し、レーザ光源１１１から出射された出力光を、加工対象物１０３に照射するとともに、加工面上で走査し、加工対象物１０３を加工する。
一方、光学フィルタ１４５に入射したサンプリング光は、光学フィルタ１４５により所定の波長帯の光を遮断するとともに、その波長帯と異なる波長帯の光を通過させる。より具体的には、上述したように、サンプリング光には、信号増幅光の他に、背景光および残留励起光が含まれる。また、上述したように、信号増幅光の波長（＝シード光の波長）は、例えば１０００〜１１００ｎｍの範囲内であり、励起光の波長は、例えば９１５〜９７５ｎｍであり、互いに離れている。そこで、光学フィルタ１４５は、励起光の波長帯の光を遮断し、それ以外の波長帯の光を通過させることにより、サンプリング光から残留励起光を除去するバンドパスフィルタと、光量を調整するＮＤフィルタにより構成される。
なお、バンドパスフィルタは、例えば、誘電体蒸着の光学的フィルタにより構成される。
光学フィルタ１４５を通過したサンプリング光は、光ディテクタ１４６に入射する。光ディテクタ１４６は、例えば、高速ＰＩＮフォトダイオードにより構成され、入射したサンプリング光を光電変換し、サンプリング光の光量（強度）に応じた電気信号（以下、検出信号と称する）を生成し、レーザ制御系１１２の検出部１６６に供給する。
レーザ制御系１１２は、駆動制御部１６１、パルスジェネレータ１６２、ドライバ１６３，１６４，１６５Ａ乃至１６５Ｄ、および、検出部１６６を含むように構成される。
駆動制御部１６１は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０３から与えられる条件（例えば、信号増幅光のパワー、出射時間等）を満たす信号増幅光をレーザ光源１１１から出射させるように、ファイバレーザ装置１０１全体の制御を行う。より具体的には、駆動制御部１６１は、検出部１６６により検出される信号増幅光および背景光のパワー（または強度）に基づいて、パルスジェネレータ１６２、ドライバ１６４、および、ドライバ１６５Ａ乃至１６５Ｄを統括的に制御することにより、レーザ光源１１１の動作を制御する。
パルスジェネレータ１６２は、駆動制御部１６１の制御の基に、駆動制御部１６１から指令された周期のクロック信号を発生し、ドライバ１６３および検出部１６６に供給する。
ドライバ１６３は、パルスジェネレータ１６２から供給されるクロック信号に同期して、シードＬＤ１３１に供給する駆動電流を変調させる。そして、シードＬＤ１３１に供給される駆動電流が変調されることにより、シードＬＤ１３１から発せられるシード光の強度波形は、その駆動電流の波形を反映したものとなる。また、シードＬＤ１３１から発せられるシード光の繰り返し周波数は、パルスジェネレータ１６２から供給されるクロック信号の周波数と一致する。
ドライバ１６４は、駆動制御部１６１の制御の基に、励起ＬＤ１３４に駆動電流を供給する。これにより、励起ＬＤ１３４が励起光を発する。
ドライバ１６５Ａ乃至１６５Ｄの各々は、励起ＬＤ１３９Ａ乃至１３９Ｄの各々に対応するように設けられる。ドライバ１６５Ａ乃至１６５Ｄは、それぞれ駆動制御部１６１の制御の基に、対応する励起ＬＤに駆動電流を供給する。これにより、励起ＬＤ１３９Ａ乃至１３９Ｄの各々が励起光を発する。
検出部１６６は、光ディテクタ１４６から供給される検出信号に基づいて、信号増幅光および背景光のパワー（または強度）を検出し、検出結果を示す信号を駆動制御部１６１に供給する。また、検出部１６６は、検出した背景光に基づいてレーザ光源１１１の異常の検出を行い、異常を検出した場合、エラー信号を駆動制御部１６１に供給する。
なお、以下、レーザ光源１１１の出力監視に関わるＴＡＰカプラ１４３、光学フィルタ１４５、光ディテクタ１４６、および、検出部１６６をまとめてモニタリング部１８１と称する。
［検出部１６６の構成例］
図６は、検出部１６６の構成例を示している。
検出部１６６は、パルス電圧変換回路２０１、増幅回路２０２、ツェナーダイオード２０３、増幅回路２０４、マルチプレクサ２０５、信号処理部２０６Ａ，２０６Ｂ、基準電源２０７、コンパレータ２０８、電源２０９、および、スイッチ２１０を含むように構成される。また、コンパレータ２０８は、クロック回路２２１およびスイッチ２２２Ａ，２２２Ｂを含むように構成される。
なお、検出部１６６の各部の動作については、図７および図８を参照して後述する。
［出力監視処理］
次に、図７のフローチャートおよび図８の波形図を参照して、ファイバレーザ装置１０１により実行される出力監視処理について説明する。
ステップＳ１において、ＴＡＰカプラ１４３は、サンプリング光を分岐する。すなわち、ＴＡＰカプラ１４３は、光増幅ファイバ１４１から出射され、アイソレータ１４２を通過した出力光の一部（すなわち、サンプリング光）を分岐して、光学フィルタ１４５に入射させる。
図８の波形２は、ＴＡＰカプラ１４３により分岐されたサンプリング光の波形を示している。なお、波形２において、最下層の白抜きの部分が、残留励起光の成分を示し、斜線の部分が背景光の成分を示し、高いピークを有するパルス状の部分が信号増幅光の成分を示している。
信号増幅光は、レーザ光源１１１内を伝送されるため、波形１に示されるシード光より所定の時間だけ遅延してから光増幅ファイバ１４１から出射され、光学フィルタ１４５を通過する。
背景光は、信号増幅光よりなだらかに変化し、信号増幅光の出力前および出力後に最も強くなる。ただし、背景光は、信号増幅光の出力中にはほぼ０になる。
残留励起光は、ＣＷ励起の場合、信号増幅光とは無関係にほぼ一定の強さとなる。
ステップＳ２において、光学フィルタ１４５は、サンプリング光から残留励起光を除去する。すなわち、光学フィルタ１４５は、入射したサンプリング光のうち、励起光の波長帯の光を遮断し、それ以外の波長帯の光を通過させる。これにより、サンプリング光から残留励起光が除去され、ほぼ信号増幅光および背景光のみを含むサンプリング光が、光ディテクタ１４６に入射する。
ステップＳ３において、光ディテクタ１４６は、サンプリング光の強度を検出する。すなわち、光ディテクタ１４６は、入射したサンプリング光を光電変換し、サンプリング光の光量（強度）に応じた電流からなる検出信号を生成し、パルス電圧変換回路２０１に供給する。
ステップＳ４において、パルス電圧変換回路２０１は、光ディテクタ１４６から供給される電流からなる検出信号を電圧に変換し、増幅回路２０２に供給する。
ステップＳ５において、増幅回路２０２は、検出信号を増幅する。増幅回路２０２は、例えば、高速オペアンプ増幅回路により構成され、検出信号のレベルが、処理しやすい値になるように（例えば、波高値が数Ｖになるように）検出信号を増幅する。
これにより、例えば、検出信号のＳ／Ｎ比、すなわち、背景光成分に対する信号増幅光成分の比は１０３〜１０４なので、検出信号の波高値が数Ｖになるように増幅された場合、増幅後の検出信号の背景光成分の信号レベルは数ｍＶになる。
図８の波形３は、増幅回路２０２から出力される検出信号の波形を示している。波形２と比較して、残留励起光の成分が除去されて、信号増幅光と背景光の成分のみになっている。
ステップＳ６において、検出部１６６は、検出信号を２つに分岐し、一方の信号レベルを制限する。具体的には、増幅回路２０２から出力された検出信号は、２つの同じレベルの信号に分岐され、一方がマルチプレクサ２０５に入力され、他方が、ツェナーダイオード２０３を介して増幅回路２０４に入力される。
なお、以下、マルチプレクサ２０５に入力される検出信号を、信号光検出用信号と称し、ツェナーダイオード２０３を介して増幅回路２０４に入力される検出信号を、背景光検出用信号と称する。
背景光検出信号は、増幅回路２０４に入力する前に、ツェナーダイオード２０３により所定の電圧値以上の成分がカットされる。これにより、増幅回路２０４に入力する背景光検出用信号が、所定の電圧値以下に制限される。なお、この電圧の制限値は、例えば、背景光検出用信号を増幅回路２０４により増幅したときに電圧値が飽和しないレベルに設定される。
ステップＳ７において、増幅回路２０４は、検出信号の背景光成分を増幅する。具体的には、増幅回路２０４は、例えば、高速オペアンプ増幅回路により構成される。また、増幅回路２０４のゲインは、例えば、背景光成分の信号レベルを数ｍＶから数１００ｍＶ〜数Ｖに増幅し、かつ、背景光の強度が所定の範囲内で変動しても背景光成分の信号レベルが飽和しない値に設定されている。そして、増幅回路２０４は、そのゲインに基づいて、入力された背景光検出用信号を増幅して、マルチプレクサ２０５に供給する。
図８の波形４は、増幅回路２０４から出力される背景光検出用信号の波形の例を示している。波形３と比較して、背景光成分が増幅されるとともに、信号増幅光成分が所定の電圧制限レベルＬ１以下に制限されている。
ステップＳ８において、マルチプレクサ２０５は、検出信号から信号増幅光成分および背景光成分を抽出する。
具体的には、マルチプレクサ２０５は、例えば、応答性が約２０ナノ秒以下の高速のアナログマルチプレクサにより構成される。マルチプレクサ２０５の内部のクロック回路２２１は、パルスジェネレータ１６２から供給されるクロック信号、すなわち、シードＬＤ１３１からのシード光の出力を制御するクロック信号に従って、パルス状の選択信号を生成する。
そして、選択信号がオンされている期間には、マルチプレクサ２０５の信号光検出用信号側のスイッチ２２２Ａがオンされ、背景光検出用信号側のスイッチ２２２Ｂがオフされる。これにより、信号光検出用信号のみがマルチプレクサ２０５から出力され、信号処理部２０６Ａに入力される。
一方、選択信号がオフされている期間には、マルチプレクサ２０５の信号光検出用信号側のスイッチ２２２Ａがオフされ、背景光検出用信号側のスイッチ２２２Ｂがオンされる。これにより、背景光検出用信号のみがマルチプレクサ２０５から出力され、信号処理部２０６Ｂに入力される。
図８の波形５は、選択信号の波形の例を示し、波形６はマルチプレクサ２０５から信号処理部２０６Ａに入力される信号光検出用信号の波形の例を示し、波形７はマルチプレクサ２０５から信号処理部２０６Ｂに入力される背景光検出用信号の波形の例を示している。
選択信号は、パルスジェネレータ１６２から供給されるクロック信号から所定の第１の時間経過後から開始し（オンし）、所定の第２の時間経過後に終了する（オフする）。より具体的には、選択信号は、シードＬＤ１３１がシード光を発するタイミング（クロック信号がオンするタイミング）から所定のディレイ時間だけ遅延したタイミングでオンになる。このディレイ時間は、例えば、レーザ光がレーザ光源１１１内の光ファイバを伝播するのに要する時間（例えば、光ファイバの総延長が１０ｍなら約３０ナノ秒）、あるいは、それより所定の時間だけ短い時間に設定される。
また、選択信号がオンされる期間（選択信号のパルス幅）は、シードＬＤ１３１の駆動信号のパルス幅（≒シード光のパルス幅）と同じか、あるいは、それより所定の時間だけ長い期間に設定される。
これにより、信号増幅光が出力される期間が選択信号のオン期間に確実に含まれるようになり、波形６に示されるように、信号光検出用信号から信号増幅光の成分が抽出される。また、波形７に示されるように、背景光検出用信号から信号増幅光の成分を除いた背景光の成分が抽出される。
なお、以下、マルチプレクサ２０５により信号光検出用信号から信号増幅光の成分を抽出し、信号処理部２０６Ａに入力される信号を信号光抽出信号と称する。また、以下、マルチプレクサ２０５により背景光検出用信号から背景光の成分を抽出し、信号処理部２０６Ｂに入力される信号を背景光抽出信号と称する。
ここで、背景光抽出信号には、選択信号がオンされている期間の背景光の成分が含まれない。しかし、背景光が加工品質に影響するのは、信号増幅光の繰り返し周波数が低い場合、例えば、信号増幅光の繰り返し周波数が５０ｋＨｚ以下で、パルス幅が２００ナノ秒以下の場合であると想定される。従って、選択信号のデューティ比は約１％以下になる。また、選択信号がオンされている期間のうち、信号増幅光が出力されている期間は、背景光がほぼ０になる。従って、選択信号がオンされているときに抽出できない背景光の成分は、選択信号がオフされているときに抽出される背景光の成分と比較して、十分小さく、無視できるレベルである。
ステップＳ９において、信号処理部２０６Ａ，２０６Ｂは、信号処理を行う。具体的には、信号処理部２０６Ａは、信号光抽出信号を積分回路等により平滑化する。図８の波形８は、波形６の信号光抽出信号を平滑化することにより得られる信号の波形を示している。さらに、信号処理部２０６Ａは、平滑化した信号光抽出信号をＡ／Ｄ変換した後、適当な周期でサンプリングしてから時間平均を行う。これにより、信号増幅光のパワー（または強度）の時間平均値に対応した値（以下、信号光検出値と称する）を検出することができる。信号処理部２０６Ａは、その信号光検出値を駆動制御部１６１に供給する。
また、信号処理部２０６Ｂは、背景光抽出信号を積分回路等により平滑化する。図８の波形９は、波形７の背景光抽出信号を平滑化することにより得られる信号の波形の例を示している。さらに、信号処理部２０６Ｂは、平滑化した背景光抽出信号をＡ／Ｄ変換した後、適当な周期でサンプリングしてから時間平均を行うとともに、得られた値を増幅回路２０４のゲインで除算する。これにより、背景光のパワー（または強度）の時間平均値に対応した値（以下、背景光検出値と称する）を検出することができる。信号処理部２０６Ｂは、その背景光検出値を駆動制御部１６１に供給する。
さらに、信号処理部２０６Ｂは、平滑化した背景光抽出信号をコンパレータ２０８に供給する。
ステップＳ１０において、コンパレータ２０８は、背景光の強度に基づいて、異常の検出を行う。具体的には、コンパレータ２０８は、信号処理部２０６Ｂから供給される平滑化した背景光抽出信号の電圧値と、基準電源２０７から入力される異常検知レベルＬ２（図８）の電圧値とを比較し、背景光抽出信号の電圧値が異常検知レベルＬ２を超えている場合、エラー信号を駆動制御部１６１に出力する。
図８の波形１０は、波形９の平滑化された背景光抽出信号が点線で示されるように推移し、異常検知レベルＬ２を超えた場合に、コンパレータ２０８から出力されるエラー信号の波形の例を示している。
例えば、レーザ光源１１１を長期間使用している場合に背景光が大幅に増加するときは、シード光が減衰または停止し、光増幅ファイバ１３６，１４１の増幅利得が高い状態になっている可能性がある。この場合、光サージが発生し、レーザ光源１１１の光学部品が損傷する恐れがある。従って、コンパレータ２０８は、上述したように背景光の強度を監視し、背景光の強度が所定の閾値以上になった場合にエラー信号を出力する。
ステップＳ１１において、駆動制御部１６１は、検出結果に基づいて、出力制御を行う。すなわち、駆動制御部１６１は、信号処理部２０６Ａ，２０６Ｂから供給される信号光検出値および背景光検出値に基づいて、パルスジェネレータ１６２、ドライバ１６４、および、ドライバ１６５Ａ乃至１６５Ｄを統括的に制御することにより、信号増幅光のパワーおよび出射時間等を制御する。
また、駆動制御部１６１は、コンパレータ２０８からエラー信号が入力された場合、例えば、パルスジェネレータ１６２、ドライバ１６４、および、ドライバ１６５Ａ乃至１６５Ｄを制御して、出力光のパワーを下げたり、あるいは、出力を停止させたりする。これにより、光サージの発生、および、光サージによるレーザ光源１１１の光学部品の損傷が未然に防止される。
以上のステップＳ１乃至Ｓ１１の処理が、ファイバレーザ装置１０１の稼働中に継続して行われる。
以上のようにして、ファイバレーザ装置１０１の出力光に含まれる信号増幅光および背景光のパワー（または強度）をリアルタイムに検出することができるとともに、その検出精度を向上させることができる。従って、出力光に背景光が混入しやすい低い繰返し周波数や高励起の条件下でも、信号増幅光の平均パワー、パルスエネルギー、ピークパワー等を正確に検出し、その検出結果に基づいて、加工精度を向上させることができる。その結果、例えば、信号増幅光の繰り返し周波数を低く設定しても、加工エネルギーを高く設定することが可能になる。
また、モニタリング部１８１は、標準的な仕様の安価な電子機器により実現できるため、低コストで、かつ、コンパクトなサイズにすることができる。従って、ファイバレーザ装置１０１に容易に組み込むことが可能になる。
さらに、上述したように、光サージの発生を防止することができ、レーザ光源１１１の故障を未然に防ぐことができる。
［モニタリング部１８１のモニタ校正の方法］
次に、モニタリング部１８１のモニタ校正の方法の一例について説明する。
マルチプレクサ２０５は、外部のスイッチ２１０をオンし、電源２０９の電圧をクロック回路２２１に印加することにより、強制的にスイッチ２２２Ａをオンし、スイッチ２２２Ｂをオフさせることができる。そして、スイッチ２２２Ａを連続してオンさせることにより、信号増幅光と背景光を含む出力光のパワー（または強度）を検出することができる。
さらに、このときの信号処理部２０６Ａによる検出値（電圧値）と、ファイバレーザ装置１０１に一般的に設けられているパワーメータ（不図示）により測定される出力光の平均パワーとに基づいて、信号処理部２０６Ａにより検出される検出値と実際の出力光の平均パワーとの相関関係を示す校正値を求めることができる。そして、この校正値を、例えば、駆動制御部１６１やＰＣ１０２に記憶させておき、記憶させた校正値を用いて、信号処理部２０６Ａによる信号光検出値に基づいて、信号増幅光の平均パワーを求めたり、信号処理部２０６Ｂによる背景光検出値に基づいて、背景光の平均パワーを求めたりすることができる。
［モニタリング部１８１の雑音の除去方法］
次に、モニタリング部１８１の雑音の除去方法について説明する。
上述したように、信号増幅光と背景光のＳ／Ｎ比が１０３〜１０４であるため、背景光の検出精度を高めるために、モニタリング部１８１の雑音を除去することは重要である。
ここで、光ディテクタ１４６の暗電流と検出部１６６の雑音の影響を除去する方法について説明する。例えば、励起ＬＤ１３４および励起ＬＤ１３９Ａ乃至１３９Ｄをオフし、出力光の出力を停止した状態のときの信号処理部２０６Ａおよび信号処理部２０６Ｂの検出値（以下、補正値と称する）を、例えば、駆動制御部１６１やＰＣ１０２に記憶させておく。そして、実際に出力光の出力中に信号処理部２０６Ａおよび信号処理部２０６Ｂにより検出された値から、記憶させた補正値を減算することにより、光ディテクタ１４６の暗電流と検出部１６６の雑音の影響を除去することができる。
また、モニタリング部１８１では、上述したように、光学フィルタ１４５を用いて、モニタリング光から残留励起光を除去することにより、残留励起光による雑音を除去することができる。
＜２．変形例＞
［変形例１］
以上の説明では、信号処理部２０６Ａおよび２０６Ｂから、デジタル化した検出値を駆動制御部１６１に供給する例を示したが、例えば、図８の波形８および波形９のようなアナログの電気信号を駆動制御部１６１に供給するようにしてもよい。
［変形例２］
また、信号処理部２０６Ａおよび信号処理部２０６Ｂにおいて、信号光検出値および背景光検出値を算出する際の時間平均の期間の長さを、目的に応じて調整するようにしてもよい。例えば、設定したレーザ条件（繰り返し周波数、励起パワーなど）に対する信号増幅光および背景光の平均パワーを認識する場合は、比較的長い期間（例えば１００ミリ秒程度）に設定することが望ましい。また、信号増幅光の平均パワーのモニタリング値を、レーザ出力を安定化させるためのフィードバック制御に用いる場合、比較的短い期間（例えば、数ミリ秒程度）に設定することが望ましい。
［変形例３］
さらに、図６の検出部１６６内の点線で囲まれたツェナーダイオード２０３と増幅回路２０４の部分と、マルチプレクサ２０５の部分を前後入れ替えるようにすることが可能である。
［変形例４］
また、図６では、信号処理部２０６Ａと信号処理部２０６Ｂを２つに分ける例を示したが、１つにまとめた構成にすることも可能である。
［変形例５］
さらに、以上の説明では、信号増幅光および背景光の両方の検出を行う例を示したが、必要に応じて一方のみの検出を行うようにしてもよい。また、一方のみの検出を行う場合、例えば、マルチプレクサ２０５から、信号光抽出信号および背景光抽出信号の一方のみを出力するようにすることが可能である。さらに、この場合、例えば、駆動制御部１６１は、信号光検出値および背景光検出値の一方のみを用いて、ファイバレーザ装置１０１の出力制御を行うようになる。
また、本発明の実施の形態は、上述した実施の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の変更が可能である。
１０１ ファイバレーザ装置
１１１ レーザ光源
１１２ レーザ制御系
１１３ 加工ユニット
１３１ シードＬＤ
１３４ 励起ＬＤ
１３６ 光増幅ファイバ
１３９Ａ乃至１３９Ｄ 励起ＬＤ
１４１ 光増幅ファイバ
１４３ ＴＡＰカプラ
１４５ 光学フィルタ
１４６ 光ディテクタ
１６１ 駆動制御部
１６２ パルスジェネレータ
１６３，１６４，１６５Ａ乃至１６５Ｄ ドライバ
１６６ 検出部
１８１ モニタリング部
２０３ ツェナーダイオード
２０４ 増幅回路
２０５ マルチプレクサ
２０６Ａ，２０６Ｂ 信号処理部
２０８ コンパレータ

Claims (7)

  1. パルス状のシード光を光ファイバにより増幅することにより得られる信号増幅光を出力するファイバレーザ装置において、
    前記光ファイバから出射されるレーザ光の一部を分岐して、サンプリング光を抽出する分岐部と、
    前記サンプリング光を光電変換して電気信号を生成する光電変換部と、
    前記信号増幅光が出力される期間を含む第１の期間における前記電気信号である第１の抽出信号、および、前記第１の期間を除く第２の期間における前記電気信号である第２の抽出信号を抽出する抽出部と、
    前記第１の抽出信号に基づく検出値および前記第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、または、前記第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、前記ファイバレーザ装置の出力を制御する出力制御部と
    を備えることを特徴とするファイバレーザ装置。
  2. 前記抽出部は、シード光源からの前記シード光の出力を制御するクロック信号に従って、前記第１の抽出信号および前記第２の抽出信号を抽出する
    ことを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
  3. 前記第１の期間は、前記クロック信号から所定の第１の時間経過後から開始し、所定の第２の時間経過後に終了する
    ことを特徴とする請求項２に記載のファイバレーザ装置。
  4. 前記第２の抽出信号を平滑化する平滑化部と、
    平滑化した前記第２の抽出信号が所定の閾値を超えた場合、エラー信号を出力するエラー検出部と
    をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のファイバレーザ装置。
  5. 前記電気信号は第１の電気信号と第２の電気信号に分岐され、
    前記第２の電気信号のレベルを制限する制限部と、
    レベルが制限された前記第２の信号を増幅する増幅部と
    をさらに備え、
    前記抽出部は、前記第１の電気信号から前記第１の抽出信号を抽出し、増幅された前記第２の電気信号から前記第２の抽出信号を抽出する
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のファイバレーザ装置。
  6. 前記シード光を増幅するための励起光の波長帯の成分を前記サンプリング光から除去する除去部をさらに備え、
    前記光電変換部は、前記励起光の波長帯の成分を除去した前記サンプリング光を光電変換する
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のファイバレーザ装置。
  7. パルス状のシード光を光ファイバ内で増幅することにより得られる信号増幅光を出力するファイバレーザ装置の出力監視方法において、
    前記光ファイバから出射されるレーザ光の一部を分岐して、サンプリング光を抽出し、
    前記サンプリング光を光電変換して電気信号を生成し、
    前記信号増幅光が出力される期間を含む第１の期間における前記電気信号である第１の抽出信号、および、前記第１の期間を除く第２の期間における前記電気信号である第２の抽出信号を抽出し、
    前記第１の抽出信号に基づく検出値および前記第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、または、前記第２の抽出信号に基づく検出値に基づいて、前記ファイバレーザ装置の出力を制御する
    ステップを含むことを特徴とする出力監視方法。
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