JP5810264B2

JP5810264B2 - レーザ発振装置

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Publication number: JP5810264B2
Application number: JP2012267126A
Authority: JP
Inventors: 山本　敦樹; 敦樹山本; 豊田端; 西村　哲二; 哲二西村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: JP2014116346A

Description

本発明はレーザ発振装置に関し、特に光共振器や励起装置の劣化状態を監視する機能を備えたレーザ発振装置に関する。

レーザ発振装置は、光共振器に使用されているミラーの汚染や材質変質などの劣化、またはレーザ媒質励起のための励起装置の劣化、例えばガスレーザ発振装置では高電圧電源による放電用電極の磨耗、あるいは固体レーザ発振装置では光源の照度低下によって、同じレーザ出力をレーザ発振装置の外部に出力するに必要な励起用電力が経時的に数千時間程度の期間で比較的緩やかに増加していく。

なお、励起用電力は高電圧電源や光源の励起装置の性能などにより上限があり、その上限に達すると、光共振器のミラーや、励起装置の放電用電極や、光源などの交換が必要になり、継続したレーザ発振装置の使用が阻害される。

このため光共振器や励起装置の劣化状態を監視する方法として、レーザ出力値と励起用電力の比率を演算し、正常値と比較する方法がある（例えば、特許文献１、または、特許文献２を参照）。

また、同義の方法として任意のレーザ出力値における励起用電力の比較で監視する方法もある。

特開昭６１−１３３６８１号公報特開平０２−１４３５７７号公報

しかしながら、この方法では、レーザ発振装置が熱平衡に至るまでの過渡状態ではレーザ出力が変化するため、レーザ出力値と励起用電力の比率が短時間で変化し、正確に光共振器や励起装置の劣化状態を監視することができず、レーザ発振装置が熱平衡に至るまで凡そ数十分間の間、レーザ出力をした状態で待つ必要があり、特別にこの劣化状態を監視するための時間を設けなければならない。

そこで本発明はレーザ発振装置が熱平衡に至らずとも、光共振器や励起装置の劣化状態推定することで正確に監視することができる機能を備えたレーザ発振装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のレーザ発振装置は、光共振器と、該光共振器内のレーザ媒質に励起エネルギーを与える励起装置と、励起装置の励起用電力を測定する励起用電力測定器と、レーザ出力値を測定するレーザ出力測定器と、レーザ出力値指令を受けて、前記レーザ出力測定器により測定されたレーザ出力値がレーザ出力値指令と一致するように前記励起装置をフィードバック制御する制御装置を備え、前記制御装置は、レーザ発振装置の安定状態に至るまで、任意のレーザ出力値指令における前記励起用電力測定器により測定された励起用電力を時系列に離散的に記憶する安定時励起用電力記憶器と、任意のレーザ出力値指令における前記励起用電力測定器により測定された励起用電力を時系列に離散的に記憶する一時励起用電力記憶器と、レーザ発振装置が安定状態に至らない期間での、前記安定時励起用電力記憶器の励起用電力値と前記一時励起用電力記憶器の励起用電力値との励起用電力変化率が近似しているタイミングでの励起用電力値比率を算出する励起用電力比率演算器と、前記安定時励起用電力記憶器の励起用電力値において、レーザ発振装置が安定状態に至った後の安定時励起用電力値に、前記励起用電力比率演算器が算出した励起用電力値比率を乗算し、レーザ発振装置が安定状態の励起用電力推定値を算出する安定時励起用電力推定器と、励起用電力上限値を設定した励起用電力上限記憶器と、前記安定時励起用電力推定器の演算結果と、前記励起用電力上限記憶器の設定値を比較する励起用電力比較器を具備し、前記励起用電力比較器の演算結果が、励起用電力推定値が励起用電力上限値のある割合以上になったことを示す場合に警報を発生させることにより、所期の目的を達成するものである。

さらに好ましい構成の本発明のレーザ発振装置は、レーザ発振装置が安定状態に至らない期間での、前記安定時励起用電力記憶器の励起用電力値と前記一時励起用電力記憶器の励起用電力値との励起用電力変化率が近似しているタイミングを検出できなかった場合に、前記励起用電力比率演算器と、前記安定時励起用電力推定器と、前記励起用電力比較器を動作させないようにするものであり、このことにより誤動作を防止でき、信頼性を向上できる。

以上のように本発明は、レーザ発振装置が熱平衡に至り、任意のレーザ出力時に励起用電力が一定する、つまりはレーザ発振器の安定状態に至るのを待つ必要なく、レーザ発振装置が熱平衡に至るまでの過渡時の短時間に安定時励起用電力値を推定し、光共振器や励起装置の劣化状態推定することで正確に監視することができる。レーザ発振装置を使用した加工の生産性を向上させるためには、加工ワーク搬送などの短時間で行われる加工外時間を有効活用する必要があり、本発明はこれを満足する。

また、安定時励起用電力値の推定ができない場合には、前記励起用電力比率演算器と、前記安定時励起用電力推定器と、前記励起用電力比較器を動作させないようにすることにより誤動作を防止でき、加工の生産性低下を防止できる。

本発明のレーザ発振装置の実施の形態を示す構成図本発明のレーザ発振装置の励起用電力推定概念を示すグラフ

（実施の形態１）
以下、本発明の実施形態の一例について、図を用いて説明する。

なお、実施形態ではガス循環方式のガスレーザ発振装置を示しているが、ガス封じ切り方式のガスレーザや、固体レーザにも本発明は適用できる。

図１において、レーザ発振装置２０は出力鏡２とリア鏡３との間に配置された放電管４を具備した光共振器１と、放電管４に接続されたガス流路５と、放電管４に配置された電極６に励起エネルギーを供給する励起装置７と、励起装置７の励起用電力を測定する励起用電力測定器８と、レーザ出力値を測定するレーザ出力測定器９と、励起装置７を制御する制御装置１０を具備する。

炭酸ガスや窒素ガス等を含んだレーザ媒質ガスが送風機１１により、ガス流路５および放電管４を循環する。ここで、熱交換器１２ａは送風機１１の圧縮熱を除去し、熱交換器１２ｂは放電管４通過後の放電時の熱を除去する。

放電管４を通過するレーザ媒質ガスは、励起装置７による励起エネルギーによって電極６間で放電励起される。なお、レーザ媒質ガスの励起には光源を使用するもの等があるが、その場合には励起装置７は光源の電源を指す。

放電管４で放電励起したレーザ媒質ガスからは自然放出および誘導放出により特定波長の光が発生し、出力鏡２とリア鏡３との間で増幅され、部分透過鏡である出力鏡２よりレーザ発振装置２０外部にレーザ光２１ａとして出力される。

レーザ出力値を測定するレーザ出力測定器９は、部分透過鏡であるリア鏡３より光共振器１外部に取り出されたレーザ光２１ｂを、熱電対等の熱センサで受光することで電気信号に変換される。

制御装置１０は、まず基本データとしてレーザ発振装置２０が熱平衡となる安定状態に至るまでの、任意のレーザ出力値指令における励起用電力を時系列に離散的に測定する。これはレーザ発振装置２０の製造時などに最低１回は設定を行う。任意のレーザ出力値は、レーザ発振装置２０のレーザ定格出力が適切である。

なお、励起用電力測定器８には、放電管４の印加電圧を測定する電圧測定器と、放電管４内の放電電流を測定する電流測定器を用い乗算する方法や、簡易的に電圧測定器または電流測定器のいずれか一方を用いることで実現できる。

励起用電力値を時系列に離散的に測定、記憶する方法としては、数ｍｓ程度のクロックでサンプリング動作するＡＤ変換器と、ＣＰＵ、半導体メモリを用いることで実現できる。

始めの手順として、上記の具体的な手段でレーザ発振装置２０が熱平衡となる安定状態に至るまでの任意のレーザ出力値指令における励起用電力測定器８により測定された励起用電力値を時系列に離散的に記憶する安定時励起用電力記憶器１３に蓄積する。

次の手順は、都度必要な場合に手動または自動で実行される。その別はレーザ発振装置２０に接続されるＣＮＣなどで選択してもよい。

ここからのは図２も参考に説明をする。

任意のレーザ出力値指令における励起用電力測定器８により測定された励起用電力のデータを時系列に離散的に一時励起用電力記憶器１４へ記憶させる。

レーザ発振装置２０が安定状態に至らない熱平衡までの過渡期間で、安定時励起用電力記憶器１３の励起用電力値Ａと一時励起用電力記憶器１４の励起用電力値Ｂとのサンプリング時間当たりの励起用電力変化率が近似しているタイミングをＣＰＵで演算検出し、励起用電力値Ａでの励起用電力変化率αと、励起用電力値Ｂでの励起用電力変化率βより、励起用電力値比率γ＝β／αを励起用電力比率演算器１５で算出する。なお、励起用電力比率演算器１５はＣＰＵの機能を用いてもよい。

安定時励起用電力記憶器１３に蓄積された励起用電力値において、レーザ発振装置２０が安定状態に至った後の安定時励起用電力値δに、励起用電力比率演算器１５が算出した励起用電力値比率γを乗算し、安定時励起用電力推定器１６でレーザ発振装置２０が安定状態の励起用電力推定値ε＝δ・γを算出する。

励起用電力上限記憶器１７に予め励起装置７の性能より決まる励起用電力上限値ζを設定し、安定時励起用電力推定器１６の演算結果εと、励起用電力上限記憶器１７の設定値ζを励起用電力比較器１８により比較する。

励起用電力比較器１８の演算結果が、励起用電力推定値εが励起用電力上限値ζのある割合以上になったことを示す場合、つまりε≧ζ・Ｋの場合に警報を発生させ、光共振器１のミラーや、励起装置７の放電用の電極６や、光源などの交換などのメンテナンスを実施することで急なレーザ発振装置２０のレーザ出力低下が回避される。ここでＫは係数であり、１未満と設定することで励起用電力上限値ζに至るまでの時間を稼ぐことができ、メンテナンスを事前に計画することが可能となる。

また、レーザ発振装置２０が安定状態に至らない熱平衡までの過渡期間で、安定時励起用電力記憶器１３の励起用電力値Ａと前記一時励起用電力記憶器１４の励起用電力値Ｂとの励起用電力変化率αおよびβが近似しているタイミングを検出できなかった場合には、励起用電力比率演算器１５と、安定時励起用電力推定器１６と、励起用電力比較器１８を動作させないことにより、誤動作を防止できる。

本発明のレーザ発振装置は、レーザ発振装置が熱平衡に至るまでの過渡状態でも、光共振器や励起装置の劣化状態を推定することで正確に監視することができる機能を備えたレーザ発振装置を提供することでき、産業上有用である。

１光共振器
２出力鏡
３リア鏡
４放電管
５ガス流路
６電極
７励起装置
８励起用電力測定器
９レーザ出力測定器
１０制御装置
１１送風機
１２ａ、１２ｂ熱交換器
１３安定時励起用電力記憶器
１４一時励起用電力記憶器
１５励起用電力比率演算器
１６安定時励起用電力推定器
１７励起用電力上限記憶器
１８励起用電力比較器
２０レーザ発振装置
２１ａ、２１ｂレーザ光

Claims

光共振器と、該光共振器内のレーザ媒質に励起エネルギーを与える励起装置と、励起装置の励起用電力を測定する励起用電力測定器と、レーザ出力値を測定するレーザ出力測定器と、レーザ出力値指令を受けて、前記レーザ出力測定器により測定されたレーザ出力値がレーザ出力値指令と一致するように前記励起装置をフィードバック制御する制御装置を備えたレーザ発振装置であって、
前記制御装置は、レーザ発振装置の安定状態に至るまで、任意のレーザ出力値指令における前記励起用電力測定器により測定された励起用電力を時系列に離散的に記憶する安定時励起用電力記憶器と、
任意のレーザ出力値指令における前記励起用電力測定器により測定された励起用電力を時系列に離散的に記憶する一時励起用電力記憶器と、
レーザ発振装置が安定状態に至らない期間での、前記安定時励起用電力記憶器の励起用電力値と前記一時励起用電力記憶器の励起用電力値との励起用電力変化率が近似しているタイミングでの励起用電力値比率を算出する励起用電力比率演算器と、
前記安定時励起用電力記憶器の励起用電力値において、レーザ発振装置が安定状態に至った後の安定時励起用電力値に、前記励起用電力比率演算器が算出した励起用電力値比率を乗算し、レーザ発振装置が安定状態の励起用電力推定値を算出する安定時励起用電力推定器と、
励起用電力上限値を設定した励起用電力上限記憶器と、前記安定時励起用電力推定器の演算結果と、前記励起用電力上限記憶器の設定値を比較する励起用電力比較器を具備し、
前記励起用電力比較器の演算結果が、励起用電力推定値が励起用電力上限値の所定の割合以上になったことを示す場合に警報を発生させるレーザ発振装置。
レーザ発振装置が安定状態に至らない期間での、前記安定時励起用電力記憶器の励起用電力値と前記一時励起用電力記憶器の励起用電力値との励起用電力変化率が近似しているタイミングを検出できなかった場合に、前記励起用電力比率演算器と、前記安定時励起用電力推定器と、前記励起用電力比較器を動作させない、請求項１に記載のレーザ発振装置。