JP5982449B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機その他のレーザ光を利用する機器にレーザ光を供給するためのレーザ装置に関する。

被加工物にレーザ光を照射して穿孔や切削その他の加工を施す加工機、レーザ光による走査で所望の文字や図形を描画するレーザマーカ、レーザ光を使用する計測装置及び医療用機器等といった各種のアプリケーションに必要なレーザ光を提供するレーザ装置が公知である。

レーザ装置からアプリケーション用の機器に供給するレーザ光の出力を安定させるべく、従来は、レーザ光源（発振器）が発振するレーザ光をビームスプリッタにより分割することでその一部をモニタ光として抽出し、当該モニタ光の出力をセンサを介して計測し、その出力と目標値との偏差を縮小するようにレーザ光源に印加する励起電流を増減調整していた（例えば、下記特許文献を参照）。

だが、励起電流の操作によるレーザ光の出力のフィードバック制御は遅延が大きい。その上、レーザ光源自体のレーザ発振性能（または、レーザ光源の入出力特性）が変動することもあり、モニタ光のみを参照してアプリケーション用の機器に供給されるレーザ光の出力を推測することが常に精確であるとは保証されていない。このような事情から、レーザ光の出力の制御の精度には改善の余地があった。

レーザ装置とアプリケーション用の機器とを結ぶ光路上にパワーメータを設置してレーザ装置から供給されるレーザ光の出力を確認し、しかる後パワーメータを撤去してアプリケーション用の機器の運用を開始するという措置をとることも考えられる。しかしながら、パワーメータの設置、レーザ光の出力の計測及びパワーメータの撤去という一連の作業を逐一遂行しなければならず、手間がかかる。

特開２００３−２９８１６０号公報

本発明は、レーザ装置がアプリケーション用の機器に供給するレーザ光の出力の制御の精度をより一層向上させることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、レーザ加工機その他のレーザ光を利用する機器にレーザ光を供給するためのレーザ装置であって、レーザ光を発振するレーザ光源（または、発振器）と、前記レーザ光源が発振するレーザ光を前記機器に供給される供給光と当該機器に供給されないモニタ光とに分割することができ、供給光の出力とモニタ光の出力との比率を変化させることが可能であり、かつ供給光を０にしてその分の出力をモニタ光に振り向けることができる、レーザ光源が発振するレーザ光を供給光及びモニタ光に分割する機能と機器に供給される供給光の出力を増大または低下させる機能とを兼ねた一つの分光素子と、前記モニタ光を受けてその出力を計測するためのセンサと、前記分光素子を操作して前記供給光を０にする閉期間中に前記センサを介して計測した損失分を除くレーザ光の全出力であるモニタ光の出力、及び同分光素子を操作して供給光を供給しながら前記モニタ光を抽出する開期間中にセンサを介して計測したモニタ光の出力の双方に基づき、開期間における現在の供給光の出力とその目標値との偏差を知得して当該偏差を縮小するように分光素子を操作する制御部とを具備するレーザ装置を構成した。

前記制御部は、前記閉期間が訪れる都度前記センサを介してモニタ光の出力を計測し、再び前記開期間に移行したときにはその直近の閉期間中に計測したモニタ光の出力の計測値を参照して現在の供給光の出力と目標値との偏差を知得するものとすることが好ましい。

前記分光素子としては、例えば音響光学変調器（ＡｃｏｕｓｔｏＯｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を採用する。この場合、ＡＯＭから出射する１次回折光を前記供給光とし、０次光を前記モニタ光とする。

レーザ装置の筐体内において、モニタ光である０次光の出力を計測するセンサと供給光となる１次回折光の光軸との干渉を回避するためには、前記ＡＯＭから出射した０次光を反射ミラーを介して前記センサに受光させるとともに、前記ＡＯＭから出射した１次回折光を反射ミラーを介することなしに筐体に設けた出射口から筐体外に出射させるようにすればよい。

本発明によれば、レーザ装置がアプリケーション用の機器に供給するレーザ光の出力の制御の精度をより一層向上させることができる。

本発明の一実施形態のレーザ装置の外観を示す斜視図。 同実施形態のレーザ装置の内部構成を模式的に示す図。 同実施形態のレーザ装置が分光素子として採用する音響光学変調器の構成及び作用を模式的に示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態のレーザ装置１は、レーザ光を利用する各種の機器にレーザ光７１を供給するものである。レーザ光７１を供給する対象となるアプリケーション用機器の例としては、レーザ加工機、レーザマーカ、計測装置や医療用機器等を挙げることができる。

図１及び図２に示すように、本実施形態のレーザ装置１は、レーザ光７を発振するレーザ光源（または、レーザ発振器）２と、レーザ光源２が発振するレーザ光７をアプリケーション用の機器に供給される供給光７１と当該機器に供給されないモニタ光７０とに分割する分光素子３と、レーザ光源２が発振するレーザ光７から分離して抽出されたモニタ光７０を受光してその出力を計測するセンサであるパワーメータ４と、分光素子３を操作することを通じてモニタ光７０及び供給光７１のそれぞれの出力を制御する制御部５と、レーザ光源２、分光素子３、パワーメータ４及び制御部５を収容する筐体６とを主要な構成要素とする。無論、これら以外に、図示しない電源装置や冷却装置（特に、水冷式）等を備えていることがある。

レーザ光源２の具体的態様は任意である。レーザ光源２に使用するレーザ媒質、発振するレーザ光７の波長、最大出力、発振するレーザ光７が連続波レーザであるかパルスレーザであるか、パルスレーザの場合におけるそのパルス幅、等の特性は一意に限定されない。本実施形態では、レーザ光源２として、レーザダイオードにより励起されるＮｄ：ＹＶＯ₄レーザを想定している。発振するレーザ光７の波長は１０６４ｎｍ、パルス幅は２５ｐｓ以下のピコ秒レーザである。

分光素子３は、レーザ光源２が発振するレーザ光７を単に二分できるだけでなく、供給光７１の出力とモニタ光７０の出力との比率を変化させることが可能であり、かつ供給光７１を０にしてその分の出力をモニタ光７０に振り向けることができるものである。そのような機能を有する分光素子３として、本実施形態ではＡＯＭを採用している。

ＡＯＭ３は、音響光学効果（ＡｃｏｕｓｔｏＯｐｔｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ）を応用した光変調器である。ＡＯＥとは、物質３１中で音響波（弾性波）８が伝搬することで当該物質３１に機械的な歪みが生じ、光の屈折率が変化する効果である。図３に、ＡＯＭ３の構成を模式的に示す。ＡＯＭ３は、光学媒体３１にトランスデューサ３２を付設したものである。光学媒体３１は、リン化インジウム、二酸化テルル、リン化ガリウム、ゲルマニウム等の結晶を主体とする。光学媒体３１の構成材料は、レーザ光７の波長に応じて、当該レーザ光７をよく透過させるものを選択する。トランスデューサ３２は、光学媒体３１に印加するべき音響波８、特に超音波を生成する、例えば圧電素子であって、光学媒体３１の所定の側面に接合している。光学素子における、トランスデューサ３２が接合している側面と反対側の側面には、トランスデューサ３２が印加する音響波８を吸収可能な吸音材３３を配置する。

光学媒体３１中の結晶を音響波８により振動させると、屈折率の周期構造が生じる。そこにレーザ光７が入射すると、直進光である０次光７０に加えて、回折光である１次光７１が現れる。光学媒体３１に入射するレーザ光７の波長をλ、音響波８の伝搬速度をｖ_a、音響波８の周波数をｆ_aとおくと、１次回折光７１の光軸の向き即ち回折角Δθは、
Δθ＝λ×ｆ_a／ｖ_a
と表される。つまり、光学媒体３１に印加する音響波８の周波数が高いほど、１次回折光７１の偏向角度が大きくなる。

また、光学媒体３１に入射するレーザ光７の強度をＩ₀、レーザ光７の波長をλ、音響波８の出力をＰ_a、光学媒体３１の音響光学性能指数をＭ₂、音響波８のビームの高さ及び長さ（音響波の幾何学的ファクタ）をそれぞれＨ_a及びＬ_aとおくと、１次回折光７１の強度Ｉ₁は、
Ｉ₁＝Ｉ₀×ｓｉｎ√η
但し、η＝｛π²／（２λ²）｝×Ｍ₂×（Ｌ_a／Ｈ_a）×Ｐ_a
と表される。つまり、光学媒体３１に印加する音響波８の出力が大きいほど、１次回折光７１の強度即ち出力が大きくなる。

その上で、本実施形態では、分光素子たるＡＯＭ３から出射する１次回折光７１を供給光とし、０次光７０をモニタ光としている。

ＡＯＭ３から出射したモニタ光７０は、筐体６内に設置した一または複数の全反射ミラー６２において反射された後、同じく筐体６内に設置したパワーメータ４に入射する。他方、ＡＯＭ３から出射した供給光７１は、筐体６内において反射ミラーにより反射されることなしに、筐体６に設けている出射口６１から筐体６外へと出射する。この供給光７１は、ミラー、光ファイバ、レンズその他所要の光学要素を使用してアプリケーション用の機器まで導かれる。

制御部５は、プロセッサ、メインメモリ、補助記憶デバイス、Ｉ／Ｏインタフェース等を有し、これらがコントローラ（システムコントローラやＩ／Ｏコントローラ等）によって制御されて連携動作するものである。補助記憶デバイスは、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、その他である。Ｉ／Ｏインタフェースは、レーザ光源２の制御回路、ＡＯＭ３の制御回路、パワーメータ４や、当該レーザ装置１に指令を与える外部のコンピュータ（または、制御装置）等と接続するためのデバイスである。プロセッサによって実行されるべきプログラムは補助記憶デバイスに格納されており、プログラムの実行の際には補助記憶デバイスからメインメモリに読み込まれ、プロセッサによって解読される。制御部５は、プログラムによりハードウェア資源を作動して、以下に述べる機能を発揮する。

制御部５は、外部のコンピュータ等からもたらされる、アプリケーション用機器に向けた供給光７１の供給の開始／停止、供給光７１の出力の大きさ、供給光７１の出射のタイミング等を指令する信号を受信する。そして、制御部５は、受け取った指令に従い、出射口６１から出射させる供給光７１の出力や、その出射のタイミングを制御する。

制御部５は、レーザ光源２の要素であるレーザダイオードに印加する励起電流のＯＮ／ＯＦＦ、及びその励起電流の大きさを調整する。励磁電流の大きさは、レーザ光源２から発振されてＡＯＭ３に入射するレーザ光７の全出力、即ちモニタ光７０の出力、供給光７１の出力及びＡＯＭ３の光学媒体３１中でのレーザ光７、７０、７１の減衰による損失分を合算した出力に影響を及ぼす。

これに加えて、制御部５は、ＡＯＭ３のトランスデューサ３２から光学媒体３１に印加する音響波８の出力の大きさを調整することにより、供給光７１の出力を精確に制御するフィードバック制御を実施する。

ＡＯＭ３から出射する１次回折光である供給光７１の出力と、０次光であるモニタ光７０の出力との比率は、光学媒体３１に印加する音響波８の出力の操作を通じて変化させることができる。音響波８の出力を増大させるほど、供給光７１の出力が増大し、その分モニタ光７０の出力が減少する。音響波８の出力を０とする、即ち光学媒体３１に音響波８を印加しない状態では、供給光７１は０となり、モニタ光７０のみがＡＯＭ３から出射することとなる。このとき、供給光７１の分の出力はモニタ光７０に振り向けられる。

つまり、レーザ装置１の出射口６１から供給光７１を出射させない閉期間中に、トランスデューサ３２から光学媒体３１に音響波８を供給せず、レーザ光源２から発振されるレーザ光７をＡＯＭ３に入射させれば、光学媒体３１中で減衰する損失分を除いたレーザ光７の全出力をモニタ光７０としてパワーメータ４に受光させ、その全出力の大きさを計測することができる。なお、レーザ光７、７０、７１が光学媒体３１中で減衰する割合、換言すれば光学媒体３１の光透過率は既知とする。制御部５が音響波８を発させないようトランスデューサ３２を制御することは極めて容易であり（圧電素子に印加する電圧を０とすればよい）、故に、閉期間中にレーザ光源２が発振するレーザ光７の全出力を計測することも極めて容易である。

しかして、レーザ装置１の出射口６１から供給光７１を出射させる開期間中には、トランスデューサ３２から光学媒体３１に音響波８を供給し、レーザ光源２から発振されるレーザ光７のうちの一部をＡＯＭ３においてモニタ光７０として抽出し、これをパワーメータ４に受光させてその出力の大きさを計測する。現在のレーザ光７の全出力が以前に計測したレーザ光７の全出力に等しいと見なせば、開期間中にＡＯＭ３から出射する供給光７１の出力の大きさは、以前に計測した全出力から、現在計測しているモニタ光７０の出力（及び、光学媒体３１における損失分）を減じたものに等しくなる。このことに基づき、制御部５は、開期間において、過去の閉期間中に計測したレーザ光７の全出力、及び現在計測しているモニタ光７０の出力の双方を参照し、現在の供給光７１の出力の大きさを算定する。レーザ光源２が発振するレーザ光７の全出力をＰ_L、閉期間中にパワーメータ４を介して計測したモニタ光７０の出力をＰ_L’、光学媒体３１の光透過率をαとおくと、
αＰ_L＝Ｐ_L’
が成立する。そして、開期間中にパワーメータ４を介して計測されるモニタ光７０の出力をＰ₀、開期間中にＡＯＭ３ひいては出射口６１から出射する供給光７１の出力をＰ₁とおくと、
αＰ_L＝Ｐ₀＋Ｐ₁
が成立する。従って、現在の供給光７１の出力Ｐ₁は、
Ｐ₁＝Ｐ_L’−Ｐ₀
として求められる。

制御部５は、現在の供給光７１の出力と、外部のコンピュータ等から指令された供給光７１の出力の目標値との偏差を縮小するように、ＡＯＭ３を制御する。即ち、現在の供給光７１の出力が目標値よりも大きいならば、トランスデューサ３２から光学媒体３１に印加する音響波８の出力を低減させてＡＯＭ３の１次回折光７１の強度を低下させる。逆に、現在の供給光７１の出力が目標値よりも小さいならば、トランスデューサ３２から光学媒体３１に印加する音響波８の出力を増強してＡＯＭ３の１次回折光７１の強度を増大させる。結果、アプリケーション用の機器に供給するべき供給光７１の出力を、指令された目標値に精密に制御することができる。

経時変化または経年変化として、レーザ光源２の発振するレーザ光７の全出力が変動してゆくとしても、その全出力を閉期間の機会を捉えて計測しておけば、供給光７１の出力を恒常的に目標値に保つことが可能である。レーザ装置１及びアプリケーション用機器を運用している最中にも、レーザ装置１の出射口６１から供給光７１を出射させない閉期間、いわば機器がレーザ光７１を必要としない期間はしばしば発生する（例えば、レーザ加工機において加工済のワークを未加工のワークと入れ替える期間等）。そのため、レーザ光７の全出力を計測する機会は頻繁に訪れる。

望ましくは、制御部５が、閉期間が訪れる都度、供給光となる１次回折光７１の出力を０とした状態でモニタ光即ち０次光７０の出力の計測を行う。そして、再び開期間に移行した際には、その直近の閉期間中に計測したモニタ光７０の出力の計測値を用いて、現在の供給光７１の出力を算出する。

分光素子たるＡＯＭ３は、閉期間中にレーザ光７１を出射口６１から出射させないようにするためのシャッタの役割を兼ねる。トランスデューサ３２から光学媒体３１に音響波８を印加しなければ、１次回折光７１は生じず、出射口６１にレーザ光７１は供給されない。つまり、レーザ装置１に別途シャッタを実装する必要がない。

本実施形態では、レーザ加工機その他のレーザ光を利用する機器にレーザ光７１を供給するためのレーザ装置１であって、レーザ光７を発振するレーザ光源２と、前記レーザ光源２が発振するレーザ光７を前記機器に供給される供給光７１と当該機器に供給されないモニタ光７０とに分割することができ、供給光７１の出力とモニタ光７０の出力との比率を変化させることが可能であり、かつ供給光７１を０にしてその分の出力をモニタ光７０に振り向けることができる分光素子３と、前記モニタ光７０を受けてその出力を計測するためのセンサ４と、前記分光素子３を操作して前記供給光７１を０にする閉期間中に前記センサ４を介して計測したモニタ光７０の出力、及び同分光素子３を操作して供給光７１を供給しながら前記モニタ光７０を抽出する開期間中にセンサ４を介して計測したモニタ光７０の出力の双方に基づき、開期間における現在の供給光７１の出力とその目標値との偏差を知得して当該偏差を縮小するように分光素子３を操作する制御部５とを具備するレーザ装置１を構成した。

本実施形態によれば、レーザ装置１からアプリケーション用の機器に供給するべき供給光７１の出力の制御の精度を一層向上させることができる。

前記制御部５が、前記閉期間が訪れる都度前記センサ４を介してモニタ光７０の出力を計測し、再び前記開期間に移行したときにはその直近の閉期間中に計測したモニタ光７０の出力の計測値を参照して現在の供給光７１の出力と目標値との偏差を知得するものであるため、レーザ光源２が発振するレーザ光７の全出力が徐々に変化していったとしても、供給光７１の出力を恒常的に目標値に収束させることができる。

本実施形態のレーザ装置１では、前記分光素子３としてＡＯＭ３を採用しており、当該ＡＯＭ３から出射する１次回折光７１を前記供給光とし、０次光７０を前記モニタ光としている。ＡＯＭ３は高速応答性を有しているため、供給光７１の出力のフィードバック制御の遅れが非常に小さくなり、レーザ装置１としての性能がさらに高まる。

アプリケーション用の機器に供給するべき供給光７１の出力の目標値がＡＯＭ３に入射する原レーザ光７の出力よりも小さい場合、ＡＯＭ３を制御して１次回折光７１の出力を抑制することとなるが、その分だけ０次光７０の出力が増加する。そうでなくとも、現実のＡＯＭ３はその最大回折効率に限界がある。即ち、１次回折光７１の出力は最大でも原レーザ光７の出力の８５％ないし９０％程度に留まり、残余のレーザ光が０次光７０としてＡＯＭ３の光学媒体３１から直線的に出射せざるを得ない。本実施形態では、この不可避的に発生する０次光７０をモニタ光として有効活用し、開期間中の供給光７１の出力のフィードバック制御を実施する。つまり、０次光７０のエネルギが無駄とならない。

加えて、本実施形態では、前記ＡＯＭ３から出射した０次光７０を反射ミラー６２を介して前記センサ４に受光させるとともに、前記ＡＯＭ３から出射した１次回折光７１を反射ミラーを介することなしに筐体６に設けた出射口６１から筐体６外に出射させるようにしているため、筐体６内において０次光７０の出力を計測するセンサ４と１次回折光７１の光軸とが互いに干渉し合うことを好適に回避できる。供給光となる１次回折光７１を反射ミラーを介することなく出射口６１から出射させることは、供給光７１の光軸のずれを防止することにつながる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。特に、レーザ光源１から出射するレーザ光７を供給光７１とモニタ光７０とに二分する分光素子３は、ＡＯＭには限定されない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、レーザ光を利用する各種機器にレーザ光を供給するためのレーザ装置に適用することができる。

１…レーザ装置
２…レーザ光源
３…分光素子（音響光学変調器）
４…センサ（パワーメータ）
５…制御部
６…筐体
６１…出射口
６２…反射ミラー
７…レーザ光
７０…モニタ光（０次光）
７１…供給光（１次回折光）

Claims (4)

1. レーザ加工機その他のレーザ光を利用する機器にレーザ光を供給するためのレーザ装置であって、
   レーザ光を発振するレーザ光源と、
   前記レーザ光源が発振するレーザ光を前記機器に供給される供給光と当該機器に供給されないモニタ光とに分割することができ、供給光の出力とモニタ光の出力との比率を変化させることが可能であり、かつ供給光を０にしてその分の出力をモニタ光に振り向けることができる、レーザ光源が発振するレーザ光を供給光及びモニタ光に分割する機能と機器に供給される供給光の出力を増大または低下させる機能とを兼ねた一つの分光素子と、
   前記モニタ光を受けてその出力を計測するためのセンサと、
   前記分光素子を操作して前記供給光を０にする閉期間中に前記センサを介して計測した損失分を除くレーザ光の全出力であるモニタ光の出力、及び同分光素子を操作して供給光を供給しながら前記モニタ光を抽出する開期間中にセンサを介して計測したモニタ光の出力の双方に基づき、開期間における現在の供給光の出力とその目標値との偏差を知得して当該偏差を縮小するように分光素子を操作する制御部と
   を具備するレーザ装置。
2. 前記制御部は、前記閉期間が訪れる都度前記センサを介してモニタ光の出力を計測し、再び前記開期間に移行したときにはその直近の閉期間中に計測したモニタ光の出力の計測値を参照して現在の供給光の出力と目標値との偏差を知得する請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記分光素子として音響光学変調器を使用しており、当該音響光学変調器から出射する１次回折光を前記供給光とし、０次光を前記モニタ光とする請求項１または２記載のレーザ装置。
4. 前記音響光学変調器から出射した０次光を反射ミラーを介して前記センサに受光させるとともに、
   前記音響光学変調器から出射した１次回折光を反射ミラーを介することなしに筐体に設けた出射口から筐体外に出射させる請求項３記載のレーザ装置。

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