JP6077263B2 - レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ装置に関するものである。
従来、炭酸ガスレーザや光ファイバレーザを用いたレーザ加工用のレーザ装置が開示されている（特許文献１〜４参照）。
特開平１１−２６１１４６号公報 特開２００７−１９０５６６号公報 特開２００７−１３４６２６号公報 特開２００７−１１４３３５号公報
レーザ加工用のレーザ装置において、たとえば加工品質を安定させるためには、出力されるレーザ光の強度が安定していることが好ましい。特許文献１、２では、レーザ光の強度をモニタし、そのモニタ結果に基づいてレーザ光の強度を一定にする制御を行っている。
しかしながら、レーザ加工に用いられるレーザ光の強度はたとえば１ｋＷ以上ときわめて高いので、特許文献１、２に開示される方法では、高い光強度のモニタを高精度に行うことが困難な場合があり、かえって出力されるレーザ光の強度が不安定になる場合がある。このように出力が不安定になると、想定よりも高強度または低強度のレーザ光が出力される場合があり、加工品質が不安定になる等という問題がある。また、特許文献３、４のように、出力されるレーザ光の強度を一定にする制御を行う手段を備えていない場合は、レーザ光の強度を一定にするためにたとえば作業者による定期的なメンテナンスが必要となるので、装置の取り扱いが煩雑であるという問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した強度のレーザ光を出力できるレーザ装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバを光励起する励起光を出力する複数の励起光源と、前記励起光源を制御する制御部と、を有する光ファイバレーザ部を備え、前記制御部は、所定の駆動電流を前記各励起光源に供給するための指示値が入力されると、当該指示値に対応する初期電流値に補正係数を乗算した補正電流値を駆動電流として前記各励起光源に供給する制御を行い、前記補正係数は、前記光ファイバレーザ部から出力されるレーザ光の強度の経時的な低下が抑制されるように設定されていることを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記補正係数は、前記各励起光源の累積駆動時間の関数であることを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記補正係数は、前記複数の励起光源の偶発故障率に依存する励起光強度の総和の低下を補うように設定された関数であることを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記補正係数は、前記累積駆動時間の多項式関数を含むことを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記補正係数は、前記増幅用光ファイバのフォトダークニングに起因する前記光ファイバレーザ部から出力されるレーザ光の強度の低下を補うように設定された関数であることを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記補正係数は、前記累積駆動時間の多項式関数または指数関数を含むことを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記補正係数は、前記複数の励起光源の偶発故障率に依存する励起光強度の総和の低下および前記増幅用光ファイバフォトダークニングに起因する前記光ファイバレーザ部から出力されるレーザ光の強度の低下を補うように設定された関数であることを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記制御部は、前記各励起光源の累積駆動時間を記憶する記憶部と、前記記憶された累積駆動時間を読み出して前記補正係数を演算する演算部とを有することを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記補正係数は、さらに前記複数の励起光源の励起光強度の総和の時間平均値の関数であることを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記制御部は、前記各励起光源に供給した前記補正電流値の累積値を記憶する記憶部と、前記記憶された累積値を読み出して前記励起光強度の総和の時間平均値を演算する演算部とを有することを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記制御部は、前記補正係数に校正係数を乗算することによって、前記補正係数を校正することを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置は、上記発明において、前記制御部は、前記補正係数が上限値を越えたら、前記各励起光源への駆動電流の供給の停止、および、アラームの発生の少なくともいずれか一方を行うことを特徴とする。
本発明によれば、レーザ光の強度の経時的な低下が抑制されるので、安定した強度のレーザ光を出力できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態に係るレーザ装置の模式的な構成図である。 図２は、図１に示す光ファイバレーザ部の模式的な構成図である。 図３は、半導体励起レーザの故障率の累積駆動時間依存性の一例を示す図である。 図４は、増幅用光ファイバのフォトダークニングによる光ファイバレーザ部の出力光強度の経時的な減衰特性の一例を示す図である。
以下に、図面を参照して本発明に係るレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ装置の模式的な構成図である。レーザ装置１００は、４つの光ファイバレーザ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと、７本のデリバリ光ファイバ２０と、光合波器３０と、出力光ファイバ４０と、光コネクタ５０とを備える。
４つの光ファイバレーザ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、外部からそれぞれ指示信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｃが入力されて動作し、それぞれシングルモードのレーザ光Ｌ１を出力する。指示信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｃについては後述する。
７本のデリバリ光ファイバ２０は、シングルモード光ファイバであり、光合波器３０の入力ポートに接続している。７本のデリバリ光ファイバ２０のうち光ファイバレーザ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに接続した４つのデリバリ光ファイバ２０は、光合波器３０にレーザ光Ｌ１をシングルモードで伝搬する。
光合波器３０は、たとえば合波すべき光が入力される入力ポートが７ポートであるＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）で構成されている。光合波器３０は、４本のデリバリ光ファイバ２０が伝搬したレーザ光Ｌ１を合波し、出力光ファイバ４０へ出力する。
出力光ファイバ４０は、マルチモード光ファイバであり、光合波器３０が合波したレーザ光Ｌ１をマルチモードで伝搬する。
光コネクタ５０は、合波されて出力光ファイバ４０が伝搬したレーザ光Ｌ１を出力光Ｌ２として出力する。光コネクタ５０の光出射端面は出力光ファイバ４０の光軸に垂直であり、たとえば反射率が０．５％程度以下となるようにＡＲコートが施されている。
図２は、図１に示す光ファイバレーザ部１０ａの模式的な構成図である。なお、他の光ファイバレーザ部１０ｂ、１０ｃ、１０ｃも光ファイバレーザ部１０ａと同様の構成とできる。図２に示すように、光ファイバレーザ部１０ａは、光合波器１１ａと、励起光源としての複数の半導体励起レーザ１２ａと、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）１３ａと、増幅用光ファイバ１４ａと、ＦＢＧ１３ｂと、光合波器１１ｂと、複数の半導体励起レーザ１３ｂと、増幅用光ファイバ１４ｂと、光検出器１５と、制御部１６とを備えている。図中「×」の記号は光ファイバ同士の融着接続部を示している。また、増幅用光ファイバ１４ｂの出力側はデリバリ光ファイバ２０の一部を構成している。この光ファイバレーザ部１０ａはＭＯＰＡ（(Master Oscillator Power Amplifier）構造を有している。
光合波器１１ａは、たとえばＴＦＢで構成されている。光合波器１１ａは、複数の半導体励起レーザ１２ａから出力され励起光を合波し、増幅用光ファイバ１４ａへ出力する。励起光は波長がたとえば９１５ｎｍであるが、増幅用光ファイバ１４ａを光励起できる波長であれば特に限定はされない。
増幅用光ファイバ１４ａは、石英系ガラスからなるコア部に増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加され、コア部の外周には石英系ガラスからなる内側クラッド層と樹脂等からなる外側クラッド層とが順次形成されたダブルクラッド型のイッテルビウム添加光ファイバ（Ytterbium-doped optical fiber：ＹＤＦ）である。
ＦＢＧ１３ａは、中心波長がたとえば１０８４ｎｍであり、中心波長およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、励起光の波長である波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。また、ＦＢＧ１３ｂは、中心波長がＦＢＧ１３ａと略同じであるたとえば１０８４ｎｍであり、中心波長における反射率が１０％〜３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約１ｎｍであり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。
したがって、ＦＢＧ１３ａ、１３ｂは、波長１０８４ｎｍの光に対して、増幅用光ファイバ１４ａを挟んで光ファイバ共振器を構成する。なお、ＦＢＧ１３ａ、１３ｂの中心波長は、１０８４ｎｍには限定されず、増幅用光ファイバ１４ａの発光波長の範囲内であればよい。
光合波器１１ｂも、たとえばＴＦＢで構成されており、複数の半導体励起レーザ１２ｂから出力された、波長がたとえば９１５ｎｍの励起光を合波し、増幅用光ファイバ１４ｂへ出力する。
増幅用光ファイバ１４ｂも、増幅用光ファイバ１４ａと同様の構成を有するダブルクラッド型のＹＤＦである。
光検出器１５はたとえばフォトダイオードであり、光ファイバレーザ部１０ａの出力側の融着接続部の近傍に配置されている。光検出器１５は光ファイバレーザ部１０ａから出力されるレーザ光Ｌ１の強度モニタのために使用される。
制御部１６は、演算部１６ａと、記憶部１６ｂと、記憶部１６ｃと、記憶部１６ｄとを備えている。
演算部１６ａは、光ファイバレーザ部１０ａの制御のための各種演算処理を行うものであり、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成される。記憶部１６ｂは、演算部１６ａが演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータ等が格納されており、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）で構成される。記憶部１６ｃは、演算部１６ａが演算処理を行う際の作業スペース等として使用されるものであり、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）で構成される。記憶部１６ｄは、演算部１６ａの演算処理の結果等を記憶するためのものであり、たとえば不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）やFerroelectric RAMで構成される。
つぎに、レーザ装置１００の動作について説明する。まず、光ファイバレーザ部１０ａにおいて、制御部１６には、外部から指示信号Ｓａ（たとえば電圧信号）が入力される。制御部１６は、指示信号Ｓａが入力されると、指示信号Ｓａに基づいて複数の半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂのそれぞれに駆動電流Ｉａを供給する。半導体励起レーザ１２ａは駆動電流Ｉａが供給されることによってその電流値に応じた光強度の励起光を出力する。光合波器１１ａは、各半導体励起レーザ１２ａから出力された励起光を合波し、増幅用光ファイバ１４ａへ出力する。
増幅用光ファイバ１４ａでは、励起光によってコア部のＹｂイオンが光励起され、波長１０８４ｎｍを含む帯域の光を発光する。波長１０８４ｎｍの発光は、増幅用光ファイバ１４ａの光増幅作用とＦＢＧ１３ａ、１３ｂによって構成される光共振器の作用とによってレーザ発振する。
一方、半導体励起レーザ１２ｂも、駆動電流Ｉａが供給されることによってその電流値に応じた光強度の励起光を出力する。増幅用光ファイバ１３ｂは、光合波器１１ｂによって、発振したレーザ光と半導体励起レーザ１２ａからの励起光とが入力されて、レーザ光を増幅する。増幅されたレーザ光はレーザ光Ｌ１として光ファイバレーザ部１０ａから出力する。レーザ光Ｌ１の強度はたとえば５００Ｗである。なお、使用される半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂの総個数は、所望のレーザ光Ｌ１の強度と、半導体励起レーザ１個あたりの励起光強度と、光ファイバレーザ部１０ａにおける励起光からレーザ光Ｌ１へのパワー変換効率によって設定される。使用される半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂの総個数はたとえば１５×４＝６０個である。
また、光ファイバレーザ部１０ａにおいて、波長１０８４ｎｍのレーザ光が通過する光ファイバは、このレーザ光をシングルモードで伝搬するように構成されている。
他の光ファイバレーザ部１０ｂ、１０ｃ、１０ｄも、外部からそれぞれ指示信号Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄが入力されると、光ファイバレーザ部１０ａと同様の作用にてレーザ光Ｌ１を出力する。
デリバリ光ファイバ２０は、各光ファイバレーザ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄから出力されたレーザ光Ｌ１を伝搬する。
光合波器３０は、レーザ光Ｌ１を合波し、出力光ファイバ４０へ出力する。出力光ファイバ４０は、光合波器３０が合波したレーザ光Ｌ１をマルチモードで伝搬する。
光コネクタ５０は、出力光ファイバ４０が伝搬したレーザ光Ｌ１を出力光Ｌ２として出力する。出力光Ｌ２のパワーはたとえば２０００Ｗである。この出力光Ｌ２は加工対象に導かれて照射され、当該加工対象にカッティング等のレーザ加工を施すために使用される。
光ファイバレーザ部１０ａが出力するレーザ光Ｌ１の強度は、光検出器１５が、近傍の融着接続部からのレーザ光Ｌ１の漏洩光を受光することによってモニタされる。
光ファイバレーザ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、外部からの指示信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄの入力が停止するとその駆動が停止する。また、指示信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、ＳｄをＣＷ（Continuous Wave）信号とすれば、光ファイバレーザ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄをＣＷ駆動させることができ、指示信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄをパルス等の変調信号とすれば、光ファイバレーザ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを変調駆動させることができる。
つぎに、制御部１６の動作についてより具体的に説明する。まず、記憶部１６ｂには、外部からの指示信号Ｓａが有する指示値（たとえば電圧値）と、その指示値が入力されたときに各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに供給すべき駆動電流Ｉａの電流値とを対応させたデータテーブルが格納されている。この電流値は、その電流値の駆動電流を各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに供給したときに、光ファイバレーザ部１０ａから出力されたレーザ光Ｌ１の強度が、指示値と対応した所定の値になるように設定されている。データテーブルについては、すべての半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに対して１つのデータテーブルが用意されているが、各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂ毎にデータテーブルが用意されていても良い。
ところで、記憶部１６ｂに格納されたデータテーブルの指示値および電流値（初期電流値とする）は、レーザ装置１００の使用前（たとえば、レーザ装置１００の出荷前）に設定される値である。ここで、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂのうちの或る半導体励起レーザに偶発故障などが発生すると、故障した半導体励起レーザからは励起光が出力されなくなる。この場合、所定の指示信号Ｓａが入力されたときに、記憶部１６ｂに格納されたデータテーブルに従った初期電流値の駆動電流Ｉａを各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに供給しても、光ファイバレーザ部１０ａから出力されたレーザ光Ｌ１の強度が設定した所定の値よりも低くなる。励起光強度の総和が低下するからである。その結果、レーザ加工に使用されるべき出力光Ｌ２の強度が設定した所望の強度よりも低くなってしまう。このような出力光Ｌ２の強度の低下は、一般的に経時的に増大する。
そこで、本実施の形態では、所定の指示信号Ｓａが入力されたときに、記憶部１６ｂに格納されたデータテーブルに従った初期電流値に、補正係数を乗算した補正電流値の駆動電流Ｉａを各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに供給するようにしている。この補正電流値は、その補正電流値の電流を、故障していない残りの各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに供給したときに、光ファイバレーザ部１０ａから出力されたレーザ光Ｌ１の強度が、指示値と対応した所定の値になるように設定される。これによって、レーザ光Ｌ１の強度の経時的な低下が抑制される。
すなわち、データテーブルに含まれる初期電流値をＩini、補正電流値をＩcor、補正係数をαとすると、次の式（１）が成り立つ。
Ｉcor＝α×Ｉini ・・・ （１）
本実施の形態では、光ファイバレーザ部１０ａにおいて、指示信号Ｓａが入力されたときに、初期電流値に補正係数を乗算した補正電流値の駆動電流Ｉａを各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに供給するようにしている。これによって、たとえば半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂの幾つかが故障したとしても、励起光強度の総和の低下が抑制されるので、レーザ光Ｌ１の強度の低下が抑制され、安定した強度のレーザ光Ｌ１を出力することができる。また、他の光ファイバレーザ部１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにおいても、指示信号Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄがそれぞれ入力されたときに、初期電流値に補正係数を乗算した補正電流値の駆動電流を各半導体励起レーザに供給するようにしているので、安定した強度のレーザ光Ｌ１を出力することができる。したがって、レーザ装置１００としても、安定した一定の強度の出力光Ｌ２を出力することができる。
補正係数αは、光ファイバレーザ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ毎に設定されることが好ましいが、光ファイバレーザ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに対して１つの補正係数αが設定されても良い。
この補正係数αは、制御部の演算部１６ａが演算処理を行うことによって得ることができる。以下、補正係数αの例について具体的に説明する。
（半導体励起レーザの偶発故障を考慮した補正係数α）
たとえば、半導体励起レーザの偶発故障による故障率は、半導体励起レーザの累積駆動時間、駆動電流、環境温度等に依存する。ここで、故障率とは、多数の半導体励起レーザのチップを動作させた場合に、単位時間あたりに何個のチップが偶発故障するかを示す統計的な量である。
図３は、半導体励起レーザの故障率の累積駆動時間依存性の一例を示す図である。図３は、駆動電流と環境温度を一定の値に設定した場合を示している。横軸は累積駆動時間を示している。ここで、累積駆動時間とは、半導体励起レーザを駆動していた時間、すなわち電流を流して励起光を出力させていた時間を、使用開始時から累積したものである。図３に示すように、半導体励起レーザの故障率は、所定の駆動時間ｔ１までは略時間に比例して小さい値で推移するが、その後急激に増大する傾向がある。駆動時間ｔ１の例としては１０，０００時間である。
したがって、αは、半導体励起レーザの累積駆動時間の関数として表すことができ、たとえば１次関数や２次関数や３次関数等の多項式関数で表すことができる。式（２）はα（ｔ）を３次関数で表した場合である。
α（ｔ）＝ａ×ｔ３＋ｂ×ｔ２＋ｃ×ｔ＋１ ・・・ （２）
ここで、ｔは累積駆動時間である。ａ、ｂ、ｃは、図３に示すような故障率の駆動時間依存性を考慮して、励起光強度の総和の低下を補うように設定することができる係数であり、たとえば使用する半導体励起レーザと同種の半導体励起レーザの故障率の実績値等に基づいて設定することができる。
式（２）において、累積駆動時間ｔがゼロの場合は、α（０）＝１となり、式（１）においてＩcor＝Ｉiniが成り立つ。
ところで、本実施の形態のように、レーザ装置が光ファイバレーザ部を用いたものである場合は、光ファイバレーザ部からレーザ装置の出力部である光コネクタまでは、発振したレーザ光を機械的に遮る手段がないのが通常である。この場合は、半導体励起レーザの累積駆動時間ｔは、光ファイバレーザ部がレーザ発振してレーザ光Ｌ１が出力している時間の累積Ｈ（以下、累積発振時間とする）と同じ値であるので、式（２）において累積駆動時間ｔの代わりに累積発振時間Ｈを用いてもよい。
このように、補正係数α（ｔ）は累積駆動時間ｔの関数である。そこで、本実施の形態では、制御部１６において、演算部１６ａは、記憶部１６ｂに格納されたプログラムに従って、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂの駆動状態をモニタし、レーザ装置１００の使用開始時からの駆動時間を累積して累積駆動時間ｔとして記憶部１６ｄに書き込み記憶させ、値を更新するようにしている。累積駆動時間ｔは一時的に記憶部１６ｃに記憶させてもよいが、その場合はレーザ装置１００の使用終了時（電源オフ時）には不揮発性メモリである記憶部１６ｄに書き込まれる。
そして、演算部１６ａは、記憶部１６ｄに記憶された累積駆動時間ｔを読み出して、記憶部１６ｂに格納されたプログラムに従って演算処理を行って、補正係数α（ｔ）を算出し、記憶部１６ｄにその補正係数α（ｔ）を書き込み、値を更新する。補正係数α（ｔ）も一時的に記憶部１６ｃに記憶させても良い。
その後、演算部１６ａは、所定の指示信号Ｓａが入力されたときに、記憶部１６ｄに記憶された補正係数α（ｔ）を読み出す。そして、演算部１６ａは、記憶部１６ｂに格納されたプログラムに従って、記憶部１６ｄに格納されたデータテーブルの初期電流値に、補正係数を乗算して補正電流値を算出する演算処理を行って、当該補正電流値を駆動電流Ｉａとして各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに供給する。これによって、光ファイバレーザ部１０ａは、所望の光強度のレーザ光Ｌ１を安定して出力することができる。最終的には、レーザ装置１００としても、所望の強度の出力光Ｌ２を安定して出力することができる。
半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂの駆動状態のモニタは、所定のサンプリング時間周期（たとえば１μｓ周期）で行うことができる。記憶部１６ｄへの累積駆動時間ｔの書き込みは、サンプリング毎に行っても良いし、複数のサンプリング時間周期を含むより長い時間周期（たとえば２００ｍｓ周期）で行っても良い。累積駆動時間ｔについては、たとえば書き込みの周期（たとえば２００ｍｓ）内で１度でも半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂが駆動していることをモニタしたら、書き込みの際にはその周期（２００ｍｓ）をその直前の累積駆動時間ｔの値に加算して、新たな累積駆動時間ｔとして書き込むようにしてもよい。または、累積駆動時間ｔを２００ｍｓ周期で記憶部１６ｃに記憶させ、より長い周期（例えば２分周期）で、不揮発性メモリである記憶部１６ｄに書き込むようにしてもよい。
また、補正係数α（ｔ）の更新は、レーザ装置１００の使用中に逐次行っても良いし、たとえばレーザ装置１００の電源を投入した後の初期立ち上げ処理中に行っても良い。
また、補正係数α（ｔ）は駆動時間ｔの増加に従って増大するが、あまり大きくなると、補正電流値Ｉcorが増大してたとえば半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂの定格電流を越えてしまう場合も発生する。これを防止するために、補正係数α（ｔ）に上限値を設けることが好ましい。たとえば上限値を１．４とすると、１≦α（ｔ）≦１．４が成り立つ。補正係数α（ｔ）が上限値を越えたら、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂへの駆動電流Ｉａの供給を停止することが好ましい。また、制御部１６がアラーム発生部を備えており、補正係数α（ｔ）が上限値を越えたら、アラーム発生部が音声や表示によってアラームを発生するようにしてもよい。
ところで、図３に示す故障率の累積駆動時間依存性は、駆動電流と環境温度を一定の値に設定した場合を示している。しかし、実際のレーザ装置１００の使用状態では、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに供給する駆動電流の値を変更し、レーザ装置１００からの出力光Ｌ２の強度を変更して使用する場合がある。半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに供給する駆動電流を変更すると、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに掛かる負荷も変化するため、故障率の累積駆動時間依存性の曲線も変化しうる。
この場合、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに掛かった負荷の情報を補正係数α（ｔ）に取り込むようにしても良い。
たとえば、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂにそれまでに供給した補正電流値Ｉcorの累積値である累積電流値Ｉsumを用いて、補正係数α（ｔ）を以下の式（３）のように設定しても良い。
α（ｔ、Ｉsum）＝ａ（Ｉsum）×ｔ３＋ｂ（Ｉsum）×ｔ２＋ｃ（Ｉsum）×ｔ＋１ ・・・ （３）
ここで、ａ（Ｉsum）、ｂ（Ｉsum）、ｃ（Ｉsum）は累積電流値Ｉsumの関数であり、或α（ｔ、Ｉsum）も累積電流値Ｉsumの関数である。
なお、累積電流値Ｉsumは、各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂにそれまでに供給した補正電流値Ｉcorの総和の累積値でも良い。累積電流値Ｉsumは、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂの駆動状態をモニタする際に、レーザ装置１００の使用開始時からの補正電流値Ｉcorの累積値として記憶部１６ｄに書き込み、値を更新するようにしてもよい。
また、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに掛かった負荷は、各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂから出力された励起光の強度の総和の平均値で表すこともできる。たとえば、各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂからそれまでに実際に出力された励起光の強度の総和の時間平均値である平均出力強度Ｗを用いて、補正係数α（ｔ）を以下のように設定しても良い。
α（ｔ、Ｗ）＝ａ（Ｗ）×ｔ３＋ｂ（Ｗ）×ｔ２＋ｃ（Ｗ）×ｔ＋１ ・・・ （４）
平均出力強度Ｗは、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂの駆動状態をモニタする際にそのときの補正電流値Ｉcorを累積して累積電流値Ｉsumとして記憶部１６ｃに記録しておき、その後必要に応じて演算部１６ａが累積電流値Ｉsumを読み出して累積駆動時間ｔで除算する演算処理をすることによって、平均出力強度Ｗに比例する値を求めることができる。 したがって、この値に所定の係数を乗算することによって、平均出力強度Ｗを求めることができる。
なお、各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂから出力される励起光の強度は、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂのバックファセットモニタ等でモニタすることができる。したがって、上記平均出力強度Ｗは、モニタした励起光の強度から求めても良い。
さらに、上記補正係数α（ｔ）は、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂ（ＬＤ）のジャンクション温度を考慮して設定しても良い。例えば、ＬＤの発生熱量がＱ(ここで、Ｑは、ＬＤへの投入電力(駆動電圧×駆動電流)から、ＬＤの光出力を差し引いた値)の時、ＬＤの周囲温度とジャンクション温度との差がΔＴとして測定されたとすると、ＬＤのジャンクション温度は、ＬＤの周囲温度とΔＴとの加算値として算出される。ここで、周囲温度は、ＬＤを搭載したヒートシンクの温度、ＬＤの筐体温度、またはＬＤの設置場所の環境温度、等を測定して得られる。また、当該周囲温度測定箇所とジャンクションとの間の熱抵抗はΔＴ／Ｑ（ＱはＬＤの発生熱量）であることから、予めこの熱抵抗を算出しておき、任意のＱの値に対してΔＴを算出しても良い。
このようにして得られたΔＴに対応した加速係数を予め算出しておき、その加速係数を、補正係数α（ｔ）全体や、（２）〜（４）式の各係数ａ〜ｃに乗ずるなどして、ジャンクション温度を考慮した補正係数α（ｔ）を算出することができる。
ところで、式（１）に示されたように、初期電流値をＩini、補正電流値をＩcor、補正係数をαとすると、Ｉcor＝α（ｔ）×Ｉiniが成り立つ。
補正係数α（ｔ）は、故障率から、駆動時間ｔの時点では、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに初期電流値を流しても、出力される励起光の強度の総和が、ｔ＝０の時よりも低下していると仮定し、その低下の程度を予測して、補正係数α（ｔ）が設定されているものである。しかしながら、実際の低下の程度が、当初の予測からずれている場合がある。この場合は、補正電流値Ｉcorとして、α（ｔ）×Ｉiniを設定しても、所望の励起光の強度の総和とはならなくなる。
このような場合は、補正係数α（ｔ）を校正することが好ましい。校正は、当初設定されたα（ｔ）に所定の校正係数α０を乗算し、α０×α（ｔ）を新たな補正係数α１（ｔ）として用いることで実行される。なお、式（１）において、α（ｔ＝０）＝１に設定すると、補正電流値Ｉcorとして初期電流値Ｉiniが供給される。そのときの各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂから出力された励起光の強度の総和を求め、初期状態（ｔ＝０）の時の励起光の強度の総和と比較すれば、初期状態から実際にどれくらいの半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂが故障したか（すなわち励起光の強度の総和がどれくらい低下したか）を確認することができる。この確認結果に従って校正係数α０を決定してもよい。
（増幅用光ファイバのフォトダークニングを考慮した補正係数α）
上述したように、記憶部１６ｂに格納されたデータテーブルに従った初期電流値の駆動電流Ｉａを各半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂに供給しても、光ファイバレーザ部１０ａから出力されたレーザ光Ｌ１の強度が設定した所定の値よりも低くなる場合がある。このようにレーザ光Ｌ１の強度が設定した所定の値よりも低くなる原因としては、半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂの偶発故障の他に、たとえばＹＤＦである増幅用光ファイバ１４ａ、１４ｂのフォトダークニングがある。フォトダークニングとは、ＹＤＦにより光増幅を行っている時に、ＹＤＦから出力される増幅光の強度が経時的に減衰する現象である。フォトダークニングはＹＤＦ中でカラーセンターが形成されることが原因であるとも言われている。
図４は、増幅用光ファイバ１４ａ、１４ｂのフォトダークニングによる光ファイバレーザ部１０ａの出力光強度の経時的な減衰特性の一例を示す図である。横軸は光ファイバレーザ部１０ａの累積駆動時間（半導体励起レーザ１２ａ、１２ｂの累積駆動時間）を示している。図４に示すように、出力光強度は初期値Ｐ０から徐々に減衰し、駆動時間ｔ２以降は略一定値となる。駆動時間ｔ２の例としては２００時間である。
したがって、この場合も、αは、半導体励起レーザの累積駆動時間の関数として表すことができ、たとえば指数関数、あるいは２次関数や３次関数等の多項式関数で表すことができる。式（５）はα（ｔ）を指数関数で表した場合である。
α（ｔ）＝α２＋（１−α２）×ｅ（−ｆ×ｔ） ・・・ （５）
ここで、ｔは累積駆動時間である。ｄ、ｆ、α２は、図４に示すようなフォトダークニングによる減衰特性を考慮して、フォトダークニングに起因する励起光強度の総和の低下を補うように設定することができる係数であり、たとえば使用するＹＤＦと同種のＹＤＦのフォトダークニングの実験結果等を用いて設定することができる。
式（５）において、駆動時間ｔがゼロの場合は、α（０）＝１となり、式（１）においてＩcor＝Ｉiniが成り立つ。また、駆動時間ｔが十分に大きくなると、α（ｔ）は一定値α２となる。
また、αを、偶発故障率とフォトダークニングとの両方を考慮して、以下の式（６）または式（７）で表されるものを用いてもよい。
α（ｔ）＝｛ａ×ｔ３＋ｂ×ｔ２＋ｃ×ｔ＋１｝×｛α２＋（１−α２）×ｅ（−ｆ×ｔ）｝ ・・・ （６）
α（ｔ）＝ｇ×ｔ３＋ｈ×ｔ２＋ｉ×ｔ＋１ ・・・ （７）
ここで、ｇ、ｈ、ｉは、故障率の駆動時間依存性およびフォトダークニングによる減衰特性の両方を考慮して、励起光強度の総和の低下を補うように設定することができる係数である。
なお、α（ｔ）としては、上述した偶発補償の故障率や、フォトダークニングの影響だけで無く、出力されたレーザ光Ｌ１の強度が設定した所定の値よりも低くなる他の原因を考慮して、用いる関数を設定しても良い。
また、上記実施の形態では、指示信号Ｓａの指示値と初期電流値Ｉiniとを対応させたデータテーブルを記憶部１６ｂに格納するようにしているが、データテーブルの代わりに、記憶部１６ｂが指示信号Ｓａの指示値をもとに初期電流値Ｉiniを演算するプログラムを格納しており、指示信号Ｓａが入力されたときに演算部１６ａが演算プログラムを読み出して初期電流値Ｉiniを演算する構成としても良い。
また、上記実施の形態では、レーザ装置が光ファイバレーザ部を４つ備えているが、光ファイバレーザ部の数は特に限定されず、１または複数の光ファイバレーザ部を備えていても良い。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 光ファイバレーザ部
１１ａ、１１ｂ、３０ 光合波器
１２ａ、１２ｂ 半導体励起レーザ
１３ａ、１３ｂ ＦＢＧ
１４ａ、１４ｂ 増幅用光ファイバ
１５ 光検出器
１６ 制御部
１６ａ 演算部
１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 記憶部
２０ デリバリ光ファイバ
４０ 出力光ファイバ
５０ 光コネクタ
１００ レーザ装置
Ｌ１ レーザ光
Ｌ２ 出力光
Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄ 指示信号

Claims (8)

  1. 増幅用光ファイバと、
    前記増幅用光ファイバを光励起する励起光を出力する複数の励起光源と、
    前記励起光源を制御する制御部と、
    を有する光ファイバレーザ部
    を備え、前記制御部は、所定の駆動電流を前記各励起光源に供給するための指示値が入力されると、当該指示値に対応する初期電流値に補正係数を乗算した補正電流値を駆動電流として前記各励起光源に供給する制御を行い、前記補正係数は、前記光ファイバレーザ部から出力されるレーザ光の強度の経時的な低下が抑制されるように設定されており、
    前記補正係数は、前記各励起光源の累積駆動時間の多項式関数を含み、かつ前記複数の励起光源の偶発故障率に依存する励起光強度の総和の低下を補うように設定された関数であることを特徴とするレーザ装置。
  2. 増幅用光ファイバと、
    前記増幅用光ファイバを光励起する励起光を出力する複数の励起光源と、
    前記励起光源を制御する制御部と、
    を有する光ファイバレーザ部
    を備え、前記制御部は、所定の駆動電流を前記各励起光源に供給するための指示値が入力されると、当該指示値に対応する初期電流値に補正係数を乗算した補正電流値を駆動電流として前記各励起光源に供給する制御を行い、前記補正係数は、前記光ファイバレーザ部から出力されるレーザ光の強度の経時的な低下が抑制されるように設定されており、
    前記補正係数は、前記各励起光源の累積駆動時間の多項式関数または指数関数を含み、かつ前記増幅用光ファイバのフォトダークニングに起因する前記光ファイバレーザ部から出力されるレーザ光の強度の低下を補うように設定された関数であることを特徴とするレーザ装置。
  3. 前記補正係数は、さらに、前記各励起光源の累積駆動時間の多項式関数または指数関数を含みかつ前記増幅用光ファイバのフォトダークニングに起因する前記光ファイバレーザ部から出力されるレーザ光の強度の低下を補うように設定された関数、を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
  4. 前記制御部は、前記各励起光源の累積駆動時間を記憶する記憶部と、前記記憶された累積駆動時間を読み出して前記補正係数を演算する演算部とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ装置。
  5. 前記補正係数は、さらに前記複数の励起光源の励起光強度の総和の時間平均値の関数であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のレーザ装置。
  6. 前記制御部は、前記各励起光源に供給した前記補正電流値の累積値を記憶する記憶部と、前記記憶された累積値を読み出して前記励起光強度の総和の時間平均値を演算する演算部とを有することを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置。
  7. 前記制御部は、前記補正係数に校正係数を乗算することによって、前記補正係数を校正することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ装置。
  8. 前記制御部は、前記補正係数が上限値を越えたら、前記各励起光源への駆動電流の供給の停止、および、アラームの発生の少なくともいずれか一方を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のレーザ装置。
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