JP6050607B2 - Laser processing apparatus and laser output calibration method - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ加工装置に係り、特にレーザ加工装置のレーザ出力を校正する技術に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus, and more particularly to a technique for calibrating a laser output of a laser processing apparatus.
レーザ加工は、コヒーレントなレーザ光を微小なスポットに集光して加工点に照射することにより、被加工材料を高密度のレーザエネルギーで瞬時に溶融もしくは蒸発させる無接触の熱加工であり、鉄、非鉄、セラミック、プラスチック、紙など殆どあらゆる種類の被加工材料に穴あけ、溶接、切断、表面処理などの加工を施すことができる。 Laser processing is a non-contact thermal process that instantaneously melts or evaporates the material to be processed with high-density laser energy by condensing coherent laser light into a minute spot and irradiating the processing point. Almost all kinds of work materials such as non-ferrous metals, ceramics, plastics, and papers can be processed such as drilling, welding, cutting, and surface treatment.
一般に、レーザの波長が一定であれば、加工点の溶融もしくは蒸発は、レーザの出力を高くするほど増し、レーザの出力を低くするほど減少する。レーザ加工において、レーザ出力は、レーザの加工能力を左右する最も重要な加工条件であり、常にユーザの管理下に置かれる。 In general, if the laser wavelength is constant, the melting or evaporation of the processing point increases as the laser output increases, and decreases as the laser output decreases. In laser processing, the laser output is the most important processing condition that affects the processing capability of the laser, and is always under the control of the user.
レーザ加工装置においては、レーザ加工の品質管理の面でも装置性能の信頼性の面でも、被加工物に照射されるレーザ光のレーザ出力がユーザの設定通りになっていなければならない。ところが、レーザ加工装置のレーザ出力特性は、レーザ発振部の経時変化、光軸のずれ、レーザ伝送光学系の劣化・汚れ等により変動する。したがって、レーザ加工装置の稼働の合間に、または定期的に、レーザ出力の校正を行う必要がある。 In the laser processing apparatus, the laser output of the laser beam applied to the workpiece must be in accordance with the setting of the user, both in terms of quality control of laser processing and reliability of the apparatus performance. However, the laser output characteristics of the laser processing apparatus fluctuate due to a change with time of the laser oscillation unit, a deviation of the optical axis, deterioration or contamination of the laser transmission optical system, and the like. Therefore, it is necessary to calibrate the laser output between the operations of the laser processing apparatus or periodically.
通常、レーザ加工装置において、レーザ出力の校正には光パワーメータが用いられる。光パワーメータの使用形態には、装置に組み込む形態と、レーザ加工装置から分離独立して加工位置に配置する形態の2種類がある。 Usually, in a laser processing apparatus, an optical power meter is used for calibration of laser output. There are two types of usage forms of the optical power meter: a form incorporated in the apparatus and a form in which the optical power meter is arranged at the machining position separately from the laser machining apparatus.
組み込み型の場合は、発振出力されたレーザ光を光パワーメータに導くように、部分反射ミラー(ビームスプリッタ)または全反射ミラー(折り返しミラー)がレーザ伝送路上に配置または挿入される。部分反射ミラーは、一般にレーザ伝送路上に固定して配置され、発振出力されたレーザ光の一部をモニタ光として分岐させ、残りのレーザ光を加工用レーザ光として透過させる。もっとも、通常は、レーザ出力を校正する際にレーザ加工が行われることはなく、部分反射ミラーを透過した加工用レーザ光は被加工物の代わりにダンパ(吸収体)に入射するようになっている。一方、全反射ミラーは、レーザ出力の校正が行われる時だけレーザ伝送路上に挿入され、レーザ発振部より入射したレーザ光の全部を光パワーメータに向けて反射する。したがって、ダンパは要らない。 In the case of the built-in type, a partial reflection mirror (beam splitter) or a total reflection mirror (folding mirror) is arranged or inserted on the laser transmission path so as to guide the laser light output by oscillation to the optical power meter. The partial reflection mirror is generally arranged fixedly on a laser transmission path, branches a part of the laser beam oscillated and output as monitor light, and transmits the remaining laser light as processing laser light. However, normally, laser processing is not performed when the laser output is calibrated, and the processing laser light transmitted through the partial reflection mirror is incident on a damper (absorber) instead of the workpiece. Yes. On the other hand, the total reflection mirror is inserted on the laser transmission path only when the laser output is calibrated, and reflects all of the laser light incident from the laser oscillation unit toward the optical power meter. Therefore, no damper is required.
分離独立型の場合は、レーザ加工装置より出射されたレーザ光が加工位置の光パワーメータに入射するので、校正用の部分反射ミラーまたは全反射ミラーおよびダンパのいずれも不要である。もっとも、光パワーメータの取り扱い(設置および取り外し等)においてユーザの手作業を必要とする。 In the case of the separate stand-alone type, the laser light emitted from the laser processing apparatus is incident on the optical power meter at the processing position, so that neither a partial reflection mirror or a total reflection mirror for calibration nor a damper is required. However, manual operation of the user is required in handling (installation and removal) of the optical power meter.
レーザ加工装置において、光パワーメータを用いる従来のレーザ出力校正法は、校正用に連続発振(CW)のレーザ光を使用し、1〜3分程度の長い時間を費やしている。このため、日常的または頻繁にレーザ出力を校正する場合、特に装置の起動時にレーザ出力を校正する場合は、冗長で不便になっている。 In a laser processing apparatus, a conventional laser output calibration method using an optical power meter uses a continuous wave (CW) laser beam for calibration, and takes a long time of about 1 to 3 minutes. For this reason, when the laser output is calibrated routinely or frequently, especially when the laser output is calibrated at the start-up of the apparatus, it is redundant and inconvenient.
また、レーザ出力の校正用に部分反射ミラーを組み込む場合は、部分反射ミラーの反射率および透過率がレーザ光の偏光や波長によって変化するため、校正の精度や信頼性を損ねることがある。 In addition, when a partial reflection mirror is incorporated for calibration of laser output, the reflectance and transmittance of the partial reflection mirror change depending on the polarization and wavelength of the laser beam, which may impair calibration accuracy and reliability.
一方、全反射ミラー組み込み型や分離独立型では、連続発振のレーザ光を分岐させずに光パワーメータに長時間入射させるので、光パワーメータに多量のレーザエネルギーが入熱する。このため、たとえばファイバレーザのようなkWクラスのレーザ加工装置においては、水冷式の冷却機構を備えた大型の光パワーメータを使用しなくてはならない。全反射ミラー組み込み型の場合、そのような大型の光パワーメータを搭載するのでは装置のコンパクト化や省スペース化が困難になる。分離独立型の場合は、そのような大型の光パワーメータを加工位置にセットするのに多くの手間がかかるうえ、正しくセットするのが難しく、作業者によって校正結果にバラツキが出やすくなる。 On the other hand, in the total reflection mirror built-in type and the separation independent type, continuous oscillation laser light is incident on the optical power meter for a long time without branching, so that a large amount of laser energy is input to the optical power meter. For this reason, in a kW class laser processing apparatus such as a fiber laser, a large optical power meter having a water cooling type cooling mechanism must be used. In the case of the total reflection mirror built-in type, it is difficult to reduce the size and space of the apparatus by installing such a large optical power meter. In the case of the separate stand-alone type, it takes a lot of time and effort to set such a large optical power meter at the processing position, and it is difficult to set it correctly, and the calibration results easily vary by the operator.
部分反射ミラー組み込み型を採用する場合にも、kWクラスのレーザ加工装置においては、ダンパに水冷式等の冷却機構を備える必要があり、分岐レーザ光(モニタ光)の分岐比が大きい場合はやはり冷却機構を備えた大型の光パワーメータが用いられている。 Even when the partial reflection mirror built-in type is adopted, in the kW class laser processing apparatus, it is necessary to provide the damper with a cooling mechanism such as a water cooling type, and when the branching ratio of the branching laser light (monitoring light) is large. A large optical power meter provided with a cooling mechanism is used.
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、レーザ出力の高低如何にかかわらず、簡易で小型の光パワーメータを用いてレーザ出力の校正を短時間で適確に行えるレーザ校正方法およびレーザ加工装置を提供する。 The present invention solves the problems of the prior art as described above. Regardless of whether the laser output is high or low, the laser output can be calibrated accurately in a short time using a simple and compact optical power meter. Provided are a laser calibration method and a laser processing apparatus which can be used.
本発明の第1の観点におけるレーザ校正方法は、レーザ加工装置においてレーザ出力を校正するためのレーザ出力校正方法であって、前記レーザ加工装置においてパルスレーザ光のピーク出力およびパルス幅を設定する工程と、前記設定されたピーク出力およびパルス幅を条件として前記レーザ加工装置のレーザ生成部により単発のパルスレーザ光を生成する工程と、前記レーザ生成部により生成された前記パルスレーザ光を光パワーメータに入射させて、前記光パワーメータにより前記パルスレーザ光のレーザエネルギーを測定する工程と、前記レーザ生成部により生成された前記パルスレーザ光を高速応答可能なフォトダイオードに入射させて、前記フォトダイオードの出力信号を基に前記パルスレーザ光のパルス幅を測定する工程と、前記パルスレーザ光に係る前記レーザエネルギーの測定値と前記パルス幅の測定値とから、前記パルスレーザ光に係る単位時間当たりのレーザエネルギー測定値または平均ピーク出力測定値に相当する正規化レーザ出力測定値を求める工程と、前記レーザ生成部のレーザ出力特性に、前記正規化レーザ出力測定値と前記設定されたピーク出力との偏差を零にするような校正をかける工程とを有する。 A laser calibration method according to a first aspect of the present invention is a laser output calibration method for calibrating a laser output in a laser processing apparatus, and a step of setting a peak output and a pulse width of pulsed laser light in the laser processing apparatus. A step of generating a single pulse laser beam by a laser generation unit of the laser processing apparatus on the condition of the set peak output and pulse width, and an optical power meter for the pulse laser beam generated by the laser generation unit And measuring the laser energy of the pulse laser beam with the optical power meter, and making the pulse laser beam generated by the laser generator incident on a photodiode capable of high-speed response, Measuring the pulse width of the pulse laser beam based on the output signal of A normalized laser output measurement corresponding to a laser energy measurement value or an average peak output measurement value per unit time related to the pulse laser beam from the laser energy measurement value and the pulse width measurement value related to the pulse laser beam A step of obtaining a value, and a step of calibrating the laser output characteristics of the laser generator so that a deviation between the normalized laser output measurement value and the set peak output is zero.
本発明の第1の観点におけるレーザ加工装置は、パルスレーザ光のピーク出力およびパルス幅を設定する条件設定部と、前記条件設定部により設定されたピーク出力およびパルス幅を条件として単発のパルスレーザ光を生成するレーザ生成部と、前記レーザ生成部により生成された前記パルスレーザ光を受光して前記パルスレーザ光のレーザエネルギーを測定する光パワーメータと、前記レーザ生成部により生成された前記パルスレーザ光を受光して前記パルスレーザ光の光強度に応じた電気信号を発生する高速応答可能なフォトダイオードと、前記フォトダイオードの出力信号を基に前記パルスレーザ光のパルス幅を測定するパルス幅測定部と、前記光パワーメータより得られる前記レーザエネルギーの測定値と前記フォトダイオードより得られる前記パルス幅の測定値とから、前記パルスレーザ光の単位時間当たりのレーザエネルギー測定値または平均ピーク出力測定値に相当する正規化レーザ出力測定値を演算する演算部と、前記レーザ生成部のレーザ出力特性に、前記正規化レーザ出力測定値と前記設定されたピーク出力との偏差を零にするような校正をかける校正部とを有する。
A laser processing apparatus according to a first aspect of the present invention includes a condition setting unit that sets a peak output and a pulse width of a pulse laser beam, and a single pulse laser that uses the peak output and the pulse width set by the condition setting unit as conditions. A laser generator that generates light, an optical power meter that receives the pulsed laser light generated by the laser generator and measures the laser energy of the pulsed laser light, and the pulses generated by the laser generator A fast-response photodiode that receives laser light and generates an electrical signal corresponding to the light intensity of the pulsed laser light, and a pulse width that measures the pulse width of the pulsed laser light based on the output signal of the photodiode From the measurement unit, the measured value of the laser energy obtained from the optical power meter, and the photodiode From the measured value of the pulse width is, a calculator for calculating a normalized laser power measurement value corresponding to the laser energy measurement or an average peak measured output value per unit time of the pulsed laser beam, the laser generating unit A calibration unit that calibrates the laser output characteristic so that a deviation between the measured value of the normalized laser output and the set peak output is zero ;
上記第1の観点におけるレーザ加工方法または装置においては、持続時間の短い単発のパルスレーザ光を用いてレーザ出力の校正を行うので、校正処理に要する時間を大幅に短縮できるとともに、光パワーメータへの入熱が非常に少ない。したがって、光パワーメータが冷却機構を備えなくても、光パワーメータはその計測動作を安定に行うことができる。また、レーザ生成部より生成される校正用のパルスレーザ光の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジが不定の時間遅れを伴っても、光パワーメータはパルスレーザ光のレーザエネルギーを正確に測定するだけでよい。代わりに、フォトダイオードがパルスレーザ光の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを高速応答で正確に検出し、パルスレーザ光のパルス幅に関して高精度の測定値を得る。このような光パワーメータおよびフォトダイオードの組み合わせにより、信頼性の高いレーザ出力校正用のモニタ情報を取得することができる。そして、簡易・小型の光パワーメータを用いることができる。 In the laser processing method or apparatus according to the first aspect, since the laser output is calibrated using a single pulse laser beam having a short duration, the time required for the calibration process can be greatly shortened and the optical power meter can be used. Very low heat input. Therefore, even if the optical power meter does not include a cooling mechanism, the optical power meter can stably perform the measurement operation. Even if the rising edge and the falling edge of the pulse laser beam for calibration generated by the laser generator have an indefinite time delay, the optical power meter only needs to accurately measure the laser energy of the pulse laser beam. . Instead, the photodiode accurately detects the rising edge and the falling edge of the pulse laser beam with a high-speed response, and obtains a highly accurate measurement value regarding the pulse width of the pulse laser beam. With such a combination of an optical power meter and a photodiode, it is possible to acquire highly reliable monitor information for laser output calibration. A simple and small optical power meter can be used.
本発明の第2の観点におけるレーザ校正方法は、レーザ加工装置においてレーザ出力を校正するためのレーザ出力校正方法であって、前記レーザ加工装置において繰り返しパルスレーザ光のピーク出力、パルス幅および繰り返し周波数を設定する工程と、前記設定されたピーク出力、パルス幅および繰り返し周波数を条件として前記レーザ加工装置のレーザ生成部により繰り返しパルスレーザ光を生成する工程と、前記レーザ生成部により生成された前記繰り返しパルスレーザ光を光パワーメータに入射させて、前記光パワーメータにより前記繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力を測定する工程と、前記レーザ生成部により生成された前記繰り返しパルスレーザ光を高速応答可能なフォトダイオードに入射させて、前記フォトダイオードの出力信号を基に前記繰り返しパルスレーザ光のデューティを測定する工程と、前記繰り返しパルスレーザ光に係る前記レーザ出力の測定値と前記デューティの測定値とから、デューティを100%に置き換えたときの前記繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力に相当する正規化レーザ出力測定値を求める工程と、前記レーザ生成部のレーザ出力特性に、前記正規化レーザ出力測定値と前記設定されたピーク出力との偏差を零にするような校正をかける工程とを有する。
A laser calibration method according to a second aspect of the present invention is a laser output calibration method for calibrating a laser output in a laser processing apparatus, and includes a peak output, a pulse width, and a repetition frequency of repetitively pulsed laser light in the laser processing apparatus. A step of generating a pulse laser beam repeatedly by the laser generator of the laser processing apparatus on the condition of the set peak output, pulse width and repetition frequency, and the repetition generated by the laser generator A step of making a pulse laser beam incident on an optical power meter, measuring a laser output of the repetitive pulse laser beam by the optical power meter, and a photo capable of high-speed response of the repetitive pulse laser beam generated by the laser generator. Make it incident on the diode, The step of measuring the duty of the repetitive pulsed laser light based on the force signal, the measured value of the laser output related to the repetitive pulsed laser light, and the measured value of the duty when the duty is replaced with 100% A step of obtaining a normalized laser output measurement value corresponding to the laser output of the repetitively pulsed laser light, and a difference between the normalized laser output measurement value and the set peak output is set to zero in the laser output characteristics of the laser generator. And a step of applying calibration such as
本発明の第2の観点におけるレーザ加工装置は、繰り返しパルスレーザ光のピーク出力、パルス幅および繰り返し周波数を設定する条件設定部と、前記条件設定部により設定されたピーク出力、パルス幅および繰り返し周波数を条件として繰り返しパルスレーザ光を生成するレーザ生成部と、前記レーザ生成部により生成された前記繰り返しパルスレーザ光を受光して前記繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力を測定する光パワーメータと、前記レーザ生成部により生成された前記パルスレーザ光を受光して 前記パルスレーザ光の光強度に応じた電気信号を発生する高速応答可能なフォトダイオードと、前記フォトダイオードの出力信号を基に前記繰り返しパルスレーザ光のデューティを測定するデューティ測定部と、前記光パワーメータより得られる前記レーザ出力の測定値と前記デューティ測定部より得られる前記デューティの測定値とから、デューティを100%に置き換えたときの前記繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力に相当する正規化レーザ出力測定値を演算する演算部と、前記レーザ生成部のレーザ出力特性に、前記正規化レーザ出力測定値と前記設定されたピーク出力との偏差を零にするような校正をかける校正部とを有する。 A laser processing apparatus according to a second aspect of the present invention includes a condition setting unit that sets a peak output, pulse width, and repetition frequency of a repetitively pulsed laser beam, and a peak output, pulse width, and repetition frequency that are set by the condition setting unit. A laser generating unit that repeatedly generates pulsed laser light on the condition, an optical power meter that receives the repeated pulsed laser beam generated by the laser generating unit and measures the laser output of the repeated pulsed laser beam, and the laser A fast-response photodiode that receives the pulse laser beam generated by the generator and generates an electrical signal corresponding to the light intensity of the pulse laser beam, and the repetitive pulse laser based on the output signal of the photodiode A duty measurement unit that measures the duty of light and the optical power meter Normalized laser output measurement corresponding to the laser output of the repetitively pulsed laser light when the duty is replaced with 100% from the measured value of the laser output obtained and the measured value of the duty obtained from the duty measuring unit. A calculation unit that calculates a value; and a calibration unit that calibrates a laser output characteristic of the laser generation unit so that a deviation between the normalized laser output measurement value and the set peak output is zero .
上記第2の観点におけるレーザ加工方法または装置においては、繰り返しパルスレーザ光を用いてレーザ出力の校正を行うので、校正処理に要する時間を短縮できるとともに、光パワーメータへの入熱が少ない。したがって、光パワーメータが冷却機構を備えなくても、光パワーメータはその計測動作を安定に行うことができる。また、連続的な多数のパルスレーザ光について平均化された正規化レーザ出力測定値を取得するので、レーザ出力を適確または安定に校正することもできる。 In the laser processing method or apparatus according to the second aspect, since the laser output is calibrated using repetitively pulsed laser light, the time required for the calibration process can be shortened and the heat input to the optical power meter is small. Therefore, even if the optical power meter does not include a cooling mechanism, the optical power meter can stably perform the measurement operation. Further, since the normalized laser output measurement value averaged over a large number of continuous pulse laser beams is obtained, the laser output can be calibrated accurately or stably.
本発明のレーザ校正方法およびレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、レーザ出力の高低如何にかかわらず、簡易で小型の光パワーメータを用いてレーザ出力の校正を短時間で適確に行うことができる。 According to the laser calibration method and the laser processing apparatus of the present invention, the laser output calibration can be performed in a short time using a simple and small optical power meter regardless of the level of the laser output. It can be done accurately.
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
[実施例1]
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[Example 1]
図1に、本発明の第1の実施例におけるレーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置は、基本構成として、連続発振またはパルス発振のレーザ光を生成することができるレーザ発振部10と、このレーザ発振部10にレーザ発振用の電力を供給するレーザ電源部12と、装置内の各部および装置全体の制御を行う制御部14と、マン・マシン・インタフェース用の操作パネル16と、レーザ出力校正用の光パワーモニタ部18とを有している。
FIG. 1 shows the configuration of a laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention. This laser processing apparatus has, as a basic configuration, a
制御部14は、1つまたは複数のマイクロコンピュータからなり、機能的には、操作パネル16の表示部16aおよび入力部16bを介してユーザにより入力された各種設定値を保持する設定部20と、この設定部20より与えられる所定の設定値にしたがってレーザ電源部12を制御するレーザ制御部22と、装置の動作モードに応じて各部の制御または切り換えを行うモード制御部24と、光パワーモニタ部18からのモニタ情報に基づいてレーザ生成部25のレーザ出力に関係する機能を校正する校正部26とを有している。この実施例におけるレーザ生成部25は、レーザ発振部10、レーザ電源部12および制御部14(特にレーザ制御部22)によって構成されている。校正部26は、レーザ出力の校正に必要な演算または信号処理を行う機能(演算部)を含んでいる。
The
なお、この実施例では、制御部14が1つの制御ユニットとして示されているが、複数の制御ユニットが制御部14の諸機能を並列的または階層的に分担する形態を採ってもよい。
In this embodiment, the
光パワーモニタ部18は、光パワーメータ28とPINフォトダイオード30とを有しており、たとえば装置本体の中に、または外付けで取り付けられている。この実施例では、レーザ発振部10より出射されるレーザ光LBを空中で伝搬させるレーザ伝送路35上に可動の全反射ミラー(折り返しミラー)32が設けられている。この全反射ミラー32は、制御部14(モード制御部24)の制御の下でミラーアクチエータ34により、レーザ出力の校正が行われる時はレーザ発振部10と光パワーモニタ部18とを光学的に結合するようにレーザ伝送路35に挿入され、レーザ出力の校正が行われない時はレーザ伝送路35から退避するようになっている。
The optical
全反射ミラー32がレーザ伝送路35に挿入されると、レーザ発振部10からのレーザ光、つまり後述する校正用の単発のパルスレーザ光LBSは、全反射ミラー32で全反射して光路を折り曲げられ、光パワーメータ28の受光面へ入射するようになっている。光パワーメータ28の出力端子は、制御部14に接続されている。
When the
光パワーメータは、その測定原理として、吸収体でレーザ光を吸収して熱に変換し温度変化を測定する熱変換型と、光電変換素子を用いて入射光子数に比例した電圧もしくは電流を測定する光電変換型の2種類がある。この実施例で用いる光パワーメータ28としては、光エネルギーの測定範囲が広い熱変換型が好ましいが、光電変換型も勿論使用可能である。この実施例においては、後述するように、光パワーメータ28が冷却機構を備えていなくても、kWクラスの高いレーザ出力に対して信頼性の高い校正を行うことができる。このため、光パワーメータ28として、熱変換型または光電変換型を問わず、簡易・小型の光パワーメータを使用することができる。
The optical power meter measures the voltage or current proportional to the number of incident photons using a photoelectric conversion element and a thermal conversion type that absorbs laser light with an absorber and converts it into heat to measure temperature change. There are two types of photoelectric conversion type. As the
PINフォトダイオード30は、光パワーメータ28の受光面で散乱した光ΔLBSとしてパルスレーザ光LBSを受光するように、光パワーメータ28の近くに配置される。PINフォトダイオード30の出力端子は、制御部14に接続されている。
The
PINフォトダイオード30が光パワーメータ28からの散乱光ΔLBSを受光する上で感度的に好ましい位置は、光パワーメータ28の受光面からの距離が100mm〜200mmで、パルスレーザ光LBSの光路からの距離が50mm以内にある場所である。もっとも、PINフォトダイオード30に求められる機能は、パルスレーザ光LBSにおけるレーザ出力波形(パルス波形)の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを高い応答速度つまり短い応答時間(好ましくは10ns以下)で正確に検出することだけであり、上記の配置条件を満たしているか否かは大して重要ではない(つまり、感度の精度は低くてもよい)。
A sensitive position for the
レーザ加工が行われる時は、制御部14(モード制御部24)の制御の下で、ミラーアクチエータ34が全反射ミラー32をレーザ伝送路35から退避させる。これにより、レーザ発振部10より出射された加工用のレーザ光LBは、光パワーモニタ部18へ導かれることなく、加工位置の被加工物Wに入射するようになっている。
When laser processing is performed, the
次に、このレーザ加工装置においてレーザ出力の校正が行われるときの作用を説明する。この実施例では、ユーザが操作パネル16を通じて装置にレーザ出力校正モードを指示した時、あるいは電源スイッチがオンして装置が起動する時、あるいは定期的(たとえば毎日の決まった時刻)に、制御部14がレーザ出力校正モードに切り換わる。制御部14は、所定の制御プログラムの下でレーザ出力校正のための処理手順(シーケンス)を実行する。
Next, the operation when the laser output is calibrated in this laser processing apparatus will be described. In this embodiment, the control unit is instructed when the user instructs the apparatus through the
レーザ出力校正モードでは、図2の(a)に示すような単発のパルスレーザ光LBSが用いられる。このパルスレーザ光LBSのピーク出力PSおよびパルス幅TSは、ユーザにより操作パネル16を通じて、あるいは制御部14内でデフォルトとして設定され、設定部20からレーザ制御部22に与えられるとともに、校正部26にも与えられる。
In the laser output calibration mode, a single pulse laser beam LB S as shown in FIG. The peak output P S and the pulse width T S of the pulse laser beam LB S are set as defaults by the user through the
パルスレーザ光LBSの波形は任意でよいが、通常は矩形のパルス波形が選ばれる。ここで、パルス幅TSは、特に制限はないが、光パワーメータ28の一般的な性能を考慮すると、0.1ms〜100msの範囲が好ましい。パルスレーザ光LBSのピーク出力PSは、当該レーザ加工装置の仕様つまり定格出力に応じて設定される。たとえば、当該レーザ加工装置の定格出力が6kWである場合は、ピーク出力PSも6kWに設定される。したがって、パルス幅TSを10ms、ピーク出力PSを6kWに設定した場合、パルスレーザ光LBSのレーザエネルギー(設定値)は60J(ジュール)である。勿論、パルスレーザ光LBSのピーク出力PSを、定格出力値(6kW)以外の値たとえば実際に使用しているパワー値(たとえば5kW)に設定することも可能である。
The waveform of the pulse laser beam LB S may be arbitrary, but a rectangular pulse waveform is usually selected. Here, the pulse width T S is not particularly limited, but considering the general performance of the
レーザ制御部22は、設定されたピーク出力PSおよびパルス幅TSを条件として、所定の時点taでパルスレーザ光LBSを基底出力(零ワット)からピーク出力PSまで立ち上げ、所定の時点tb(tb=ta+TS)でパルスレーザ光LBSをピーク出力PSから基底出力(零ワット)まで立ち下げるようにレーザ電源部12を制御する。しかしながら、レーザ制御部22およびレーザ電源部12内の電気的な制御系の時間遅れや、レーザ発振部10内のパルス発振動作の遅れ(特に反転分布状態に関係する時間遅れ)等が足し合わさって、レーザ発振部10より実際に出射されるパルスレーザ光LBSの立ち上がりエッジの時点ta'および立ち下がりエッジの時点tb'は、レーザ制御部20の見込んだ立ち上がりエッジの時点taおよび立ち下がりエッジの時点tbよりそれぞれδtα,δtβだけ遅れる。これら立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの時間遅れδtα,δtβは、同一の機種であっても個々のレーザ加工装置によって(いわゆる機差ないし固体差として)ばらつき、個々のレーザ加工装置においても種種の要因(温度特性、経時変化等)でばらつく。また、設定ピーク出力PSと実際のピーク出力PS'との間にも誤差δPが生じ得ることはもちろんであり、この誤差δPを補正(解消)することがレーザ出力校正の目的でもある。
The
光パワーモニタ部18において、光パワーメータ28は、レーザ発振部10より出射された単発のパルスレーザ光LBSを全反射ミラー32を介して受光し、パルスレーザ光LBSのレーザエネルギーELBSを測定する。この場合、光パワーメータ28は、パルスレーザ光LBSのパルス波形の面積(図2の斜線部分)に相当するレーザエネルギーELBSを測定するので、パルスレーザ光LBSの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの時間遅れδtα,δtβを反映させた精度の高い正味のレーザエネルギー測定値[ELBS]を取得する。光パワーメータ28で取得されたレーザエネルギー測定値[ELBS]は、制御部14の校正部26に送られる。
In the
一方、PINフォトダイオード30は、光パワーメータ28からの散乱光ΔLBsとしてパルスレーザ光LBSを受光し、パルスレーザ光LBSの光強度つまりレーザ出力の波形に対応するパルス波形の出力信号を発生する。ここで、PINフォトダイオード30は、受光したパルスレーザ光LBSのレーザ出力波形を高速かつ高感度で検知できる反面、図2の(c)に示すように、その出力信号の基底レベルおよびピークレベルには大きなノイズ(一般にホワイトノイズ)が混じりやすい。このため、PINフォトダイオード30の出力信号は、パルスレーザ光LBSのレーザ出力を直接測定するためのモニタ情報には適していない。しかし、PINフォトダイオード30の出力信号の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジは、ノイズの影響を受けず、受光したパルスレーザ光LBSの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを鮮明かつ忠実に表わす。
On the other hand, the
この実施例では、このようなPINフォトダイオード30の出力特性を利用し、制御部14の校正部26においてPINフォトダイオード30の出力信号をたとえば所定の閾値THを有するコンパレータからなるパルス整形回路(図示せず)に通すことにより、図2の(d)に示すような2値信号つまりパルス幅測定信号を取得する。このパルス幅測定信号のパルス幅[TS']は、PINフォトダイオード30の出力信号のパルス幅に対応し、ひいてはレーザ発振部10より実際に出射されたパルスレーザ光LBSのパルス幅(ta'〜tb ')に対応する。
In this embodiment, using such output characteristics of the
次に、校正部26は、光パワーメータ28より取り込んだ上記レーザエネルギー測定値[ELBS]を上記パルス幅測定値[TS']で除することにより、単位時間当たりのレーザエネルギー測定値(ジュール/s)または平均ピーク出力測定値(ワット)に相当する正規化レーザ出力測定値MPsを取得する。ここで、MPs=[ELBS]/[TS']である。
Next, the
次いで、校正部26は、上記のようにして取得した実際のパルスレーザ光LBSに係る正規化レーザ出力測定値MPsを、設定部20に設定されたパルスレーザ光LBSに係るレーザ出力基準値つまりピーク出力(または単位時間当たりのレーザエネルギー)PSと比較して、偏差δPを求める。ここで、δP=MPs−PSまたはδP=PS−MPsである。
Next, the
この偏差δPが零であるときは、正規化レーザ出力測定値MPsが基準値PSに一致している場合である。したがって、レーザ生成部25のレーザ出力特性は正常な状態にあり、校正部26は補正(校正)不要と判定する。この場合、レーザ制御部22および/またはレーザ電源部12において校正部26によるレーザ出力の校正は行われない。
When the deviation δP is zero, the normalized laser output measurement value MP s matches the reference value P S. Therefore, the laser output characteristic of the
しかし、偏差δPが有意の値であるときは、正規化レーザ出力測定値MPsが基準値PSからずれている場合である。この場合、校正部26は、レーザ制御部22および/またはレーザ電源部12を通じて、レーザ生成部25のレーザ出力特性に偏差δPを零にするような補正(校正)をかける。たとえば、レーザ電源部12において、レーザ発振部10に供給される電流、電圧または電力を増幅するための増幅回路の増幅率を校正する。あるいは、レーザ制御部22において、レーザ電源部12に対する制御量を校正する。なお、偏差δPが零に一致または近似するまで、上記のような単発のパルスレーザ光LBSを用いる自動校正作業を複数回繰り返すことも可能である。
However, when the deviation δP is a significant value, the normalized laser output measurement value MP s is deviated from the reference value P S. In this case, the
上記のように、この第1の実施例では、持続時間の短い単発のパルスレーザ光LBSを用いてレーザ出力の校正を行うので、図3の(a)に示すような連続発振(CW)のレーザ光を用いる従来のレーザ出力校正法に比して校正処理に要する時間が大幅に短縮されるともに、光パワーメータ28への入熱が非常に少ない。したがって、光パワーメータ28が冷却機構を備えなくても、光パワーメータ28はその計測動作を安定に行うことができる。また、レーザ生成部25より生成される校正用のパルスレーザ光LBSの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジが不定の時間遅れを伴っても、光パワーメータ28はパルスレーザ光LBSのレーザエネルギーを正確に測定するだけでよい。代わりに、PINフォトダイオード30がパルスレーザ光LBSの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを高速応答で正確に検出し、パルスレーザ光LBSのパルス幅TS'に関して高精度の測定値を得る。これにより、光パワーモニタ部18(光パワーメータ28およびPINフォトダイオード30)全体で信頼性の高いレーザ出力校正用のモニタ情報を取得することができる。かかる理由から、光パワーメータ28として、簡易・小型の光パワーメータを用いることができる。したがって、全反射ミラー組み込み型を採用しても、装置のコンパクト化や省スペース化に支障を来すこともない。
[実施例2]
As described above, in this first embodiment, since the laser output is calibrated using the single pulse laser beam LB S having a short duration, continuous oscillation (CW) as shown in FIG. Compared with the conventional laser output calibration method using the above laser beam, the time required for the calibration process is greatly reduced and the heat input to the
[Example 2]
上記した第1の実施例では、単発のパルスレーザ光LBSを用いてレーザ出力の校正を行った。本発明によれば、図3の(c)に示すように、第2の実施例として、繰り返し(連続)のパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・,LBSnを用いることも可能である。 In the first embodiment described above, the laser output was calibrated using the single pulse laser beam LB S. According to the present invention, as shown in FIG. 3C, it is also possible to use repetitive (continuous) pulsed laser beams LB S1 , LB S2 ,. is there.
この場合も、パルスレーザ光LBSの波形は任意でよいが、通常は矩形のパルス波形が選ばれる。ここで、パルス幅TSは、特に制限はないが、光パワーメータ28の一般的な性能を考慮すると、上記第1の実施例(単発パルス方式)と同様に0.1ms〜100msの範囲が好ましい。個々のパルスレーザ光LBSi(i=1,2,・・)のピーク出力PSも、当該レーザ加工装置の定格出力に合わせて設定されてよい。また、連続パルスの繰り返し周波数は、光パワーメータ28の一般的な性能を考慮すると、10ppm〜10kppmの範囲が好ましい。たとえば、パルス幅TSを1ms、ピーク出力PSを6kW、繰り返し周波数を10ppsに設定した場合、繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・のレーザ出力(設定値)は60W(ワット)、デューティDは1%である。
In this case as well, the waveform of the pulse laser beam LB S may be arbitrary, but a rectangular pulse waveform is usually selected. Here, the pulse width T S is not particularly limited, but considering the general performance of the
この第2の実施例(繰り返しパルス方式)を第1の実施例(単発パルス方式)に代えて上記レーザ加工装置(図1)に適用した場合、光パワーモニタ部18の光パワーメータ28は、繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・のレーザ出力を測定する。たとえば、単位時間(1秒間)当たりの繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・のレーザエネルギーを測定し、その単位時間当たりのレーザエネルギー測定値をレーザ出力測定値mPSとしてよい。その場合、光パワーメータ28は、個々のパルスレーザ光LBSiについてその立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの時点を正確に検出できなくても(あるいは無視しても)、繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・のレーザ出力(単位時間当たりのレーザエネルギー)について精度の高い測定値mPSを取得することができる。
When the second embodiment (repetitive pulse method) is applied to the laser processing apparatus (FIG. 1) instead of the first embodiment (single pulse method), the
一方、PINフォトダイオード30は、光パワーメータ28からの散乱光ΔLBsとして繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・を受光し、それら繰り返しのパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・の光強度波形つまりレーザ出力波形に対応するパルス波形の出力信号を発生する。第1の実施例と同様に、PINフォトダイオード30の出力信号の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジは、ノイズの影響を受けず、受光した繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを鮮明かつ忠実に表わす。
On the other hand,
制御部14の校正部26は、PINフォトダイオード30の出力信号を基に繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの各時点を検出して、パルス幅Tsおよび周期Tcの平均値(または代表値)を測定し、デューティDを測定する。ここで、デューティDの測定値をMD(%)とすると、MD=100×Ts/Tcである。
The calibrating
次に、校正部26は、繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・についてパワーメータ28で取得されたレーザ出力測定値mPSとPINフォトダイオード30を通じて取得したデューティ測定値MDとから、デューティを100%に置き換えたときの繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・のレーザ出力(つまり連続発振のレーザ光LBに換算した場合のレーザ出力)に相当する正規化レーザ出力測定値MPSを演算する。ここで、MPS=100×mPS/MDである。したがって、たとえば、mPS=58W、MD=0.98の場合は、MPS=5.92kWである。
Next, from the
次いで、校正部26は、上記のようにして取得した実際の繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・に係る正規化レーザ出力測定値MPsを、設定部20に設定されたレーザ出力基準値つまりピーク出力または定格値PSと比較して、偏差δPを求める。ここで、δP=MPs−PSまたはδP=PS−MPsである。そして、第1の実施例と同様に、偏差δPが有意の値であるときは、レーザ制御部22および/またはレーザ電源部12を通じて、レーザ生成部25のレーザ出力特性に偏差δPを零にするような補正(校正)をかける。
Next, the
このように、この第2の実施例では、繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・を用いてレーザ出力の校正を行うので、連続発振(CW)のレーザ光を用いる従来のレーザ出力校正法に比して、第1の実施例ほどではないが、校正処理に要する時間が大幅に短縮されるともに、光パワーメータ28への入熱が少ない。したがって、この第2の実施例においても、レーザ出力の高低如何にかかわらず(特にkWクラスのレーザ出力であっても)、簡易・小型の光パワーメータ28を用いることができる。また、連続的な多数のパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・について平均化された正規化レーザ出力測定値MPSを取得するので、1回の校正処理(通常10秒以内)によってレーザ出力を適確に校正することもできる。
As described above, in the second embodiment, since the laser output is calibrated using the repetitively pulsed laser beams LB S1 , LB S2 ,..., The conventional laser output using the continuous wave (CW) laser beam is used. Compared to the calibration method, although not as much as in the first embodiment, the time required for the calibration process is greatly shortened and the heat input to the
なお、この実施例では制御部14において校正部26が演算部およびデューティ測定部の機能を兼ねたが、それらの機能を分離独立させることも可能である。
[実施例3]
In this embodiment, the
[Example 3]
図4に、一般的なファイバレーザ加工装置に本発明を適用した一実施例(第3の実施例)を示す。図中、上述した第1または第2の実施例のものと同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。 FIG. 4 shows an embodiment (third embodiment) in which the present invention is applied to a general fiber laser processing apparatus. In the figure, parts having the same configuration or function as those of the first or second embodiment described above are denoted by the same reference numerals.
このファイバレーザ加工装置のレーザ発振部10は、発振用の光ファイバ(以下「発振ファイバ」と称する。)40と、この発振ファイバ40の一端面にポンピング用の励起光MBを照射する電気光学励起部42、発振ファイバ40を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー44,46とを有している。電気光学励起部42は、励起光源としてのレーザダイオード(LD)48および集光用の光学レンズ50を有している。
A
レーザ電源12よりLD30に供給されるLD駆動電流IDを測定するために、電流センサ52およびLD電流測定回路54が設けられている。電流センサ52は、たとえばホール素子からなり、無接触でLD駆動電流IDを検出する。LD電流測定回路54は、電流センサ52の出力信号を入力してLD駆動電流IDの電流測定値(たとえば電流実効値)MIDを演算する。LD電流測定回路54で得られた電流測定値MIDは、フィードバック信号としてレーザ電源12に与えられる。
To measure the LD drive current I D supplied to the
レーザ発振部10より出射される加工用のレーザ光LB(または校正用のパルスレーザ光LBS)は、部分反射ミラー(ビームスプリッタ)56を通ってレーザ入射部58に入る。
The processing laser beam LB (or the calibration pulse laser beam LB S ) emitted from the
部分反射ミラー56は、入射したレーザ光LB(またはパルスレーザ光LBS)の一部(たとえば1%)を所定方向つまりパワーモニタ用のPINフォトダイオード60側へ反射し、残りの大部分(99%)をまっすぐ透過させる。PINフォトダイオード60の正面には、部分反射ミラー56からの反射光または分岐光ΔLB(ΔLBs)を集光させる集光レンズ62が配置されている。
The
PINフォトダイオード60は、部分反射ミラー56からの分岐光ΔLB(ΔLBs)を光電変換して、レーザ光LB(またはパルスレーザ光LBS)の光強度またはレーザ出力を表す電気信号(レーザ出力測定信号)を出力する。レーザ出力測定回路64は、PINフォトダイオード60の出力信号を基に、アナログ信号処理によってレーザ光LB(またはパルスレーザ光LBS)のレーザ出力測定値MPsを求める。レーザ出力測定回路64で得られたレーザ出力測定値MPsはフィードバック信号としてレーザ電源12に与えられる。
The
この実施例では、PINフォトダイオード60が光パワーモニタ部18のPINフォトダイオード30を兼ねており、レーザ出力の校正が行われる時はPINフォトダイオード60の出力信号が制御部14(校正部26)に取り込まれるようになっている。
In this embodiment, the
部分反射ミラー56をまっすぐ透過してレーザ入射部58に入ったレーザ光LB(またはパルスレーザ光LBS)は、最初にベントミラー66で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット68内で集光レンズ70により集光されてファイバ伝送系72の伝送用光ファイバ(以下「伝送ファイバ」と称する。)74の一端面に入射する。伝送用光ファイバ74は、たとえばSI(ステップインデックス)形ファイバからなり、入射ユニット68内で入射したレーザ光LB(またはパルスレーザ光LBs)をレーザ出射部の出射ユニット76まで伝送する。出射ユニット76は、伝送ファイバ74の終端面より出たパルスレーザ光FBを平行光にコリメートするコリメートレンズ78と、平行光のレーザ光LB(またはパルスレーザ光LBs)を所定の加工位置に配置されている被加工物Wに集光させる集光レンズ80とを有している。
The laser beam LB (or pulsed laser beam LB S ) that has passed straight through the
このファイバレーザ加工装置において、レーザ出力の校正が行われる時は、加工位置には被加工物Wに代わって光パワーメータ28が配置される。そして、上述した第1の実施例または第2の実施例と同様に、校正用のレーザ光として、図3の(b)に示すような単発のパルスレーザ光LBS、または図3の(c)に示すような繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・LBSが用いられる。
In this fiber laser processing apparatus, when the laser output is calibrated, an
レーザ発振部10より出射された校正用の単発パルスレーザ光LBS(または繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・)は部分反射ミラー56に入射し、そこで分岐した光ΔLBS(1%)がPINフォトダイオード60に入射し、残り(99%)がレーザ入射部58、ファイバ伝送系72およびレーザ出射部75を通って加工位置の光パワーメータ28に入射する。
Calibration single-shot pulsed laser light LB S (or repetitively pulsed laser light LB S1 , LB S2 ,...) Emitted from the
光パワーメータ28は、冷却機構を備えない簡易・小型のものでよく、上記第1の実施例または第2の実施例の場合と同様の構成または機能を有し、同様の計測動作を行う。PINフォトダイオード60(30)も、上記第1の実施例または第2の実施例の場合と同様の構成または機能を有し、同様の光検知ないし光電変換動作を行う。
The
制御部14においても、校正部26が上記第1の実施例または第2の実施例の場合と同様の構成または機能を有し、同様の校正(演算、判定、補正等)処理を行う。特に、この実施例では、電流フィードバックループのLD電流測定回路54内およびパワーフィードバックループのレーザ出力測定回路64内にセンサ信号またはフィードバック信号を増幅するための増幅回路(図示せず)が備わっている。校正部26は、レーザ生成部25のレーザ出力特性に偏差δPを零にするような補正(校正)をかけるために、それらの増幅回路の増幅率を調整できるようになっている。
Also in the
この第3の実施例でも、第1の実施例または第2の実施例と同様の作用効果が得られる。特に、レーザ出力の高低如何にかかわらず(特にkWクラスのレーザ出力であっても)、簡易・小型で安価な光パワーメータ28を用いることができる。また、独立型を採用する場合は、光パワーメータ28の取り扱いが簡単であり、誰でも加工位置に光パワーメータ28を正しい姿勢および向きでセットすることができる。
[実施例4]
In the third embodiment, the same function and effect as in the first embodiment or the second embodiment can be obtained. In particular, regardless of the level of the laser output (especially kW class laser output), a simple, small and inexpensive
[Example 4]
図5に、MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)方式のファイバレーザ加工装置に本発明を適用した一実施例(第4の実施例)を示す。図中、上述した第1、第2または第3の実施例のものと同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。 FIG. 5 shows an embodiment (fourth embodiment) in which the present invention is applied to a MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) type fiber laser processing apparatus. In the figure, parts having the same configuration or function as those of the first, second, or third embodiments are denoted by the same reference numerals.
このMOPA方式ファイバレーザ加工装置は、シード光発生部100、第1および第2の増幅用光ファイバ(以下「アクティブファイバ」と称する)102,104およびレーザ照射部106をアイソレータ108,110,112および光結合器114,116を介して光学的に縦続接続している。
This MOPA type fiber laser processing apparatus includes a seed
シード光発生部100は、シード用のレーザダイオード(以下「シードLD」と称する。)118と、このシードLD118をパルス波形または連続波(CW)の電流で駆動してパルス発振または連続発振させるシードLD電源回路120とを有している。シードLD118は、ファイバカップリングLDとして構成されている。
The seed
シード光発生部100と第1のアクティブファイバ102との間に設けられる光結合器114は、複数たとえば3つの入力ポート114IN(1),114IN(2),114IN(3)と1つの出力ポート114OUTとを有している。第1の入力ポート114IN(1)には、アイソレータ108を介してシードLD118が接続される。第2の入力ポート114IN(2)には、第1のアクティブファイバ102のコアを励起するための励起用LD(以下「ポンプLD」と称する。)122が接続される。第3の入力ポート114IN(3)は、増設ポートであり、ここに別のポンプLD122(図示せず)を接続することも可能となっている。出力ポート114OUTには、アクティブファイバ102の入力端が接続される。
The
シード光発生部100、アイソレータ108および光結合器114によって、第1のアクティブファイバ102に対するシード光注入部が構成されている。また、ポンプLD122および光結合器114によって、第1のアクティブファイバ102に対する励起光注入部が構成されている。
The seed
第1のアクティブファイバ102は、少なくともYbイオンを添加した石英からなるコアと、このコアを同軸に取り囲むたとえば石英からなるクラッドとを有しており、全長(ファイバ長)がたとえば3〜15mに選ばれている。第1のアクティブファイバ102(第1段アンプ)の利得は、ポンプLD122の総合出力によりたとえば10〜40dBの範囲で調節可能となっている。
The first
第1のアクティブファイバ102と第2のアクティブファイバ104との間に設けられる光結合器116は、複数たとえば7つの入力ポート116IN(1),116IN(2)〜116IN(7)と1つの出力ポート116OUTとを有している。第1の入力ポート116IN(1)には、アイソレータ110を介して第1のアクティブファイバ102の出力端が接続される。第2〜第5の入力ポート116IN(2) 〜116IN(5)には、第2のアクティブファイバ104のコアを励起するためのポンプLD124がそれぞれ接続される。第6および第7の入力ポート116IN(2),116IN(7)は空きポートとなっているが、必要に応じてポンプLDを増設することもできる。出力ポート116OUTには、第2のアクティブファイバ104の入力端が接続される。
The
第2のアクティブファイバ104も、第1のアクティブファイバ102と同様に、少なくともYbを添加した石英からなるコアと、このコアを同軸に取り囲むたとえば石英からなるクラッドとを有しており、全長(ファイバ長)がたとえば3〜15mに選ばれている。第2のアクティブファイバ104(第2段アンプ)の利得は、ポンプLD124の総合出力によりたとえば10〜40dBの範囲で調節可能となっている。
Similarly to the first
第1および第2のアクティブファイバ102,104のポンピングに用いられる各々のポンプLD122,124は、制御部14からの制御信号PCにしたがいポンプLD電源回路134によって駆動される。これらのポンプLD電源回路134およびシードLD電源部120は、レーザ電源部12を構成する。
The
レーザ照射部106は、第2のアクティブファイバ104の出力端より取り出される加工用のレーザ光LBをたとえばコリメータ130、ベントミラー132等の光伝送系を介して受け取り、受け取ったレーザ光LBを加工位置に配置されている被加工物Wに集光照射するようになっている。
The
レーザ照射部106の出射口付近にはPINフォトダイオード30が取り付けられている。このPINフォトダイオード30は、レーザ出力の校正の際には加工位置に配置されている光パワーメータ28からの散乱光ΔLBSを受光するようになっている。
A
このMOPA方式ファイバレーザ加工装置において、レーザ出力の校正が行われる時は、被加工物Wに代わって光パワーメータ28が加工位置に配置される。光パワーメータ28は、冷却機構を備えない簡易・小型のものでよく、上記第1の実施例または第2の実施例の場合と同様の構成または機能を有し、同様の計測動作を行う。
In the MOPA type fiber laser processing apparatus, when the laser output is calibrated, the
そして、上述した第1の実施例または第2の実施例と同様に、校正用のレーザ光として、図3の(b)に示すような単発のパルスレーザ光LBS、または図3の(c)に示すような繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・LBSが用いられる。この場合、シードLD118をパルス発振させると、パルス幅が200nsec程度と短すぎるので、この実施例ではシードLD118を連続発振させる。そして、代わりに、ポンプLD122,124を、たとえば0.1msec〜10msec程度のパルス幅でパルス発振させることにより、校正用の単発パルスレーザ光LBSまたは繰り返しパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・LBSを生成する。
As in the first or second embodiment described above, the single-shot pulse laser beam LB S as shown in FIG. 3B or the (c) of FIG. 3 is used as the calibration laser beam. The repetitive pulsed laser beams LB S1 , LB S2 ,... LB S as shown in FIG. In this case, if the
制御部14においても、校正部26が上記第1の実施例、第2または第3の実施例の場合と同様の構成または機能を有し、同様の校正(演算、判定、補正等)処理を行う。特に、この実施例では、ポンプLD電源回路134およびシードLD電源部120内にLD駆動電流を調整するための増幅回路(図示せず)が備わっている。校正部26は、レーザ生成部25のレーザ出力特性に偏差δPを零にするような補正(校正)をかけるために、それらの増幅回路の増幅率を調整できるようになっている。
Also in the
この第4の実施例でも、第1、第2または第3の実施例と同様の作用効果が得られる。特に、レーザ出力の高低如何にかかわらず(特にkWクラスのレーザ出力であっても)、簡易・小型で安価な光パワーメータ28を用いることができる。また、独立型を採用する場合は、光パワーメータ28の取り扱いが簡単であり、誰でも加工位置に光パワーメータ28を正しい姿勢および向きでセットすることができる。
[他の実施例または変形例]
In the fourth embodiment, the same function and effect as in the first, second, or third embodiment can be obtained. In particular, regardless of the level of the laser output (especially kW class laser output), a simple, small and inexpensive
[Other Examples or Modifications]
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, embodiment mentioned above does not limit this invention. Those skilled in the art can make various modifications and changes in specific embodiments without departing from the technical idea and technical scope of the present invention.
たとえば、第1または第2のレーザ加工装置(図1)において、全反射ミラー32を部分反射ミラーに置き換えることができる。その場合、レーザ出力の校正が行われる時は、被加工物Wに代わってダンパが加工位置に配置される。本発明によれば、持続時間の短い単発のパルスレーザ光LBSまたは繰り返しのパルスレーザ光LBS1,LBS2,・・・LBSがダンパに入射(入熱)するので、ダンパに冷却機構を設ける必要はない。
For example, in the first or second laser processing apparatus (FIG. 1), the
また、PINフォトダイオード30は、校正用のパルスレーザ光LBS(LBS1,LBS2,・・)のパルス波形を検知できればよいので、レーザ加工装置のレーザ伝送路上で漏れ、もしくは散乱するパルスレーザ光LBS(LBS1,LBS2,・・)パルスレーザ光を受光できる任意の位置に配置可能である。
Further, the
また、光パワーメータ28として、冷却機構を備えた大型のパワーメータを使用できることは勿論である。
Of course, a large power meter having a cooling mechanism can be used as the
また、ファイバレーザ加工装置に係る第3の実施例(図4)におけるレーザ発振部10として、ファイバブラッググレーティング(FBG)を有するファイバレーザ発振器やコンバイナ(光結合器)を有するファイバレーザ発振器を用いることも可能である。
In addition, a fiber laser oscillator having a fiber Bragg grating (FBG) or a fiber laser oscillator having a combiner (optical coupler) is used as the
10 レーザ発振部
12 レーザ電源部
14 制御部
18 光パワーモニタ部
20 設定部
22 レーザ制御部
26 校正部
28 光パワーメータ
30 PINフォトダイオード
32 全反射ミラー
54 LD電流測定回路
60 PINフォトダイオード
64 レーザ出力測定回路
120 シードLD電源回路
134 ポンプLD電源回路
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記レーザ加工装置においてパルスレーザ光のピーク出力およびパルス幅を設定する工程と、
前記設定されたピーク出力およびパルス幅を条件として前記レーザ加工装置のレーザ生成部により単発のパルスレーザ光を生成する工程と、
前記レーザ生成部により生成された前記パルスレーザ光を光パワーメータに入射させて、前記光パワーメータにより前記パルスレーザ光のレーザエネルギーを測定する工程と、
前記レーザ生成部により生成された前記パルスレーザ光を高速応答可能なフォトダイオードに入射させて、前記フォトダイオードの出力信号を基に前記パルスレーザ光のパルス幅を測定する工程と、
前記パルスレーザ光に係る前記レーザエネルギーの測定値と前記パルス幅の測定値とから、前記パルスレーザ光に係る単位時間当たりのレーザエネルギー測定値または平均ピーク出力測定値に相当する正規化レーザ出力測定値を求める工程と、
前記レーザ生成部のレーザ出力特性に、前記正規化レーザ出力測定値と前記設定されたピーク出力との偏差を零にするような校正をかける工程と
を有するレーザ出力校正方法。 A laser output calibration method for calibrating laser output in a laser processing apparatus,
A step of setting a peak output and a pulse width of the pulse laser beam in the laser processing apparatus;
A step of generating a single pulse laser beam by a laser generation unit of the laser processing apparatus on the condition of the set peak output and pulse width;
Making the pulse laser beam generated by the laser generator incident on an optical power meter, and measuring the laser energy of the pulse laser beam with the optical power meter;
Making the pulse laser beam generated by the laser generator incident on a photodiode capable of high-speed response, and measuring a pulse width of the pulse laser beam based on an output signal of the photodiode;
A normalized laser output measurement corresponding to a laser energy measurement value or an average peak output measurement value per unit time related to the pulse laser light from the laser energy measurement value and the pulse width measurement value related to the pulse laser light. A process for determining a value;
A method of calibrating the laser output characteristics of the laser generating unit so as to make a deviation between the normalized laser output measurement value and the set peak output zero.
前記レーザ加工装置において繰り返しパルスレーザ光のピーク出力、パルス幅および繰り返し周波数を設定する工程と、
前記設定されたピーク出力、パルス幅および繰り返し周波数を条件として前記レーザ加工装置のレーザ生成部により繰り返しパルスレーザ光を生成する工程と、
前記レーザ生成部により生成された前記繰り返しパルスレーザ光を光パワーメータに入射させて、前記光パワーメータにより前記繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力を測定する工程と、
前記レーザ生成部により生成された前記繰り返しパルスレーザ光を高速応答可能なフォトダイオードに入射させて、前記フォトダイオードの出力信号を基に前記繰り返しパルスレーザ光のデューティを測定する工程と、
前記繰り返しパルスレーザ光に係る前記レーザ出力の測定値と前記デューティの測定値とから、デューティを100%に置き換えたときの前記繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力に相当する正規化レーザ出力測定値を求める工程と、
前記レーザ生成部のレーザ出力特性に、前記正規化レーザ出力測定値と前記設定されたピーク出力との偏差を零にするような校正をかける工程と
を有するレーザ出力校正方法。 A laser output calibration method for calibrating laser output in a laser processing apparatus,
A step of setting a peak output, a pulse width and a repetition frequency of a repetitively pulsed laser beam in the laser processing apparatus;
A step of repeatedly generating a pulsed laser beam by a laser generating unit of the laser processing apparatus on the condition of the set peak output, pulse width and repetition frequency;
Making the repetitive pulse laser beam generated by the laser generator incident on an optical power meter, and measuring the laser output of the repetitive pulse laser beam by the optical power meter; and
Making the repetitive pulsed laser light generated by the laser generator incident on a photodiode capable of high-speed response, and measuring the duty of the repetitive pulsed laser light based on the output signal of the photodiode;
A normalized laser output measurement value corresponding to the laser output of the repetition pulse laser beam when the duty is replaced with 100% is obtained from the measurement value of the laser output and the measurement value of the duty related to the repetition pulse laser beam. Process,
A method of calibrating the laser output characteristics of the laser generating unit so as to make a deviation between the normalized laser output measurement value and the set peak output zero.
前記条件設定部により設定されたピーク出力およびパルス幅を条件として単発のパルスレーザ光を生成するレーザ生成部と、
前記レーザ生成部により生成された前記パルスレーザ光を受光して前記パルスレーザ光のレーザエネルギーを測定する光パワーメータと、
前記レーザ生成部により生成された前記パルスレーザ光を受光して前記パルスレーザ光の光強度に応じた電気信号を発生する高速応答可能なフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの出力信号を基に前記パルスレーザ光のパルス幅を測定するパルス幅測定部と、
前記光パワーメータより得られる前記レーザエネルギーの測定値と前記フォトダイオードより得られる前記パルス幅の測定値とから、前記パルスレーザ光の単位時間当たりのレーザエネルギー測定値または平均ピーク出力測定値に相当する正規化レーザ出力測定値を演算する演算部と、
前記レーザ生成部のレーザ出力特性に、前記正規化レーザ出力測定値と前記設定されたピーク出力との偏差を零にするような校正をかける校正部と
を有するレーザ加工装置。 A condition setting unit for setting the peak output and pulse width of the pulse laser beam;
A laser generator that generates a single pulse laser beam on the condition of the peak output and the pulse width set by the condition setting unit;
An optical power meter that receives the pulse laser beam generated by the laser generator and measures the laser energy of the pulse laser beam; and
A photodiode capable of high-speed response that receives the pulsed laser light generated by the laser generator and generates an electrical signal according to the light intensity of the pulsed laser light;
A pulse width measuring unit that measures the pulse width of the pulsed laser light based on the output signal of the photodiode;
From the measured value of the laser energy obtained from the optical power meter and the measured value of the pulse width obtained from the photodiode, it corresponds to a measured value of laser energy or an average peak output value per unit time of the pulsed laser light. A calculation unit for calculating a normalized laser output measurement value;
The laser processing apparatus which has a calibration part which calibrates the laser output characteristic of the said laser production | generation part so that the deviation of the said normalized laser output measured value and the said set peak output may be set to zero.
前記条件設定部により設定されたピーク出力、パルス幅および繰り返し周波数を条件として繰り返しパルスレーザ光を生成するレーザ生成部と、
前記レーザ生成部により生成された前記繰り返しパルスレーザ光を受光して前記繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力を測定する光パワーメータと、
前記レーザ生成部により生成された前記パルスレーザ光を受光して 前記パルスレーザ光の光強度に応じた電気信号を発生する高速応答可能なフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの出力信号を基に前記繰り返しパルスレーザ光のデューティを測定するデューティ測定部と、
前記光パワーメータより得られる前記レーザ出力の測定値と前記デューティ測定部より得られる前記デューティの測定値とから、デューティを100%に置き換えたときの前記繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力に相当する正規化レーザ出力測定値を演算する演算部と、
前記レーザ生成部のレーザ出力特性に、前記正規化レーザ出力測定値と前記設定されたピーク出力との偏差を零にするような校正をかける校正部と
を有するレーザ加工装置。 A condition setting unit for setting the peak output, pulse width and repetition frequency of the repetitive pulse laser beam;
A laser generator that repeatedly generates pulsed laser light on condition that the peak output, the pulse width, and the repetition frequency set by the condition setting unit;
An optical power meter that receives the repetitive pulse laser beam generated by the laser generator and measures the laser output of the repetitive pulse laser beam; and
A photodiode capable of high-speed response that receives the pulsed laser light generated by the laser generation unit and generates an electrical signal corresponding to the light intensity of the pulsed laser light;
A duty measuring unit that measures the duty of the repetitively pulsed laser light based on an output signal of the photodiode;
A normal value corresponding to the laser output of the repetitively pulsed laser light when the duty is replaced with 100% from the measured value of the laser output obtained from the optical power meter and the measured value of the duty obtained from the duty measuring unit. A calculation unit for calculating the measured laser output measurement value;
The laser processing apparatus which has a calibration part which calibrates the laser output characteristic of the said laser production | generation part so that the deviation of the said normalized laser output measured value and the said set peak output may be set to zero.
前記校正部は、前記レーザ電源部内で前記レーザ発振部に供給される電流、電圧または電力を増幅する増幅回路の増幅率を校正する、
請求項12または請求項13に記載のレーザ加工装置。 The laser generation unit controls the laser power supply unit, a laser oscillation unit that generates laser light upon receiving power supply, a laser power supply unit that supplies power for continuous oscillation or pulse oscillation to the laser oscillation unit, and the laser power supply unit A laser control unit,
The calibration unit calibrates an amplification factor of an amplification circuit that amplifies current, voltage, or power supplied to the laser oscillation unit in the laser power source unit.
The laser processing apparatus of Claim 12 or Claim 13.
前記校正部は、前記レーザ制御部より前記レーザ電源部に与えられる制御量を校正する、請求項12または請求項13に記載のレーザ加工装置。 The laser generation unit receives a supply of electric power to generate a laser beam, a laser power supply unit that supplies electric power for continuous oscillation or pulse oscillation to the laser oscillation unit, and the laser power supply unit A laser control unit for controlling the current value of the driving or excitation current supplied to the oscillation unit;
The laser processing apparatus according to claim 12, wherein the calibration unit calibrates a control amount given from the laser control unit to the laser power supply unit.
前記校正部は、前記増幅回路の増幅率を校正する、
請求項15に記載のレーザ加工装置。 The laser control unit controls the laser power supply unit using a current feedback loop, and detects a current for driving or excitation, and a current of the current based on an output signal of the current sensor. A current measurement circuit that generates a feedback signal representing a measurement value, and an amplification circuit provided in the current measurement circuit to amplify the feedback signal;
The calibration unit calibrates the amplification factor of the amplifier circuit;
The laser processing apparatus according to claim 15.
前記校正部は、前記増幅回路の増幅率を校正する、
請求項15に記載のレーザ加工装置。 The laser control unit is configured to receive a part of the laser beam generated from the laser generation unit and control the laser power source unit using a power feedback loop, and represents an electric signal representing the laser output of the laser beam. A laser output measuring circuit for generating a feedback signal representing a laser output measurement value of the laser light based on an output signal of the photoelectric conversion element, and the laser output for amplifying the feedback signal An amplifier circuit provided in the measurement circuit,
The calibration unit calibrates the amplification factor of the amplifier circuit;
The laser processing apparatus according to claim 15.
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