JP7411868B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ装置に関し、より詳細には、集光レンズを用いてレーザ発振器から出射されたレーザビームを伝送ファイバに伝送するレーザ装置に関する。

近年、ダイレクトダイオードレーザ（以下、「ＤＤＬ」という）の高出力化に伴い、ＤＤＬを用いたレーザ加工装置の開発が加速している。ＤＤＬは複数のレーザモジュールから出射されたレーザビームを合成することで数ｋＷを超える高い出力を得ることができる。ビーム合成器から出射されたレーザビームは、伝送ファイバを介して所定の位置に設置された加工ヘッドに伝送される。この際、ビーム合成器から出射されたレーザビームは集光レンズで集光され、伝送ファイバのレーザビーム入射端面（以下、単に「入射端面」という）において、その集光スポット（以下、単に「スポット」という）が伝送ファイバのコアに収まるサイズまで縮小されて伝送ファイバに入射される（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１６／１５２４０４号

ところで、レーザビームの発振前に、伝送ファイバの入射端面においてレーザビームのスポットが伝送ファイバのコアに収まるように、集光レンズの位置が調整される。しかしながら、レーザビームの発振後にレーザビームの焦点位置がずれることにより、そのスポットが伝送ファイバのコアに入りきらず、クラッドに漏れ込む光の光量が増加する場合がある。

例えば、集光レンズ等の光学素子にレーザビームを入射すると、熱レンズ効果と呼ばれる現象が生じる場合がある。図１０は、熱レンズ効果によるレーザビーム７０の焦点位置のシフトを説明する模式図である。同図において、集光レンズ２１にレーザビーム７０が入射した直後のレーザビーム７０の焦点位置をｆ０とする。集光レンズ２１にレーザビーム７０が入射し続けると、集光レンズ２１はレーザビーム７０の一部を吸収してその温度が上昇し熱膨張する。この熱膨張により、レーザビーム７０の焦点位置がレンズ側にシフト、この場合はｆ１の位置にシフトする。この現象が前述の熱レンズ効果である。つまり、集光レンズ２１通過後のレーザビーム７０は、集光レンズ２１の熱膨張に応じて異なる位置に焦点位置を有することになる。

しかし、上記従来の構成において、レーザビームのスポット径に対して伝送ファイバのコア径に十分な余裕がない場合、レーザビームの焦点位置がずれることにより伝送ファイバでの漏れ光、つまり、伝送ファイバのコアに入りきらず、クラッドに漏れ込む光の光量が増加することになる。この漏れ光の増加は伝送ファイバで伝送されるレーザビームの出力低下や、伝送ファイバの入射端面近傍の局所的な発熱を招くおそれがある。特に、発熱によるダメージが蓄積すると伝送ファイバの破損に至るおそれがある。

本開示はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は、集光レンズを用いて伝送ファイバにレーザビームを伝送するレーザ装置において、伝送ファイバでの漏れ光を低減するレーザ装置を提供することにある。

本開示は、レーザビームを発生するレーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザビームを集光する集光レンズと、集光レンズで集光されたレーザビームを伝送するコアとコアの周囲に設けられたクラッドとを少なくとも有する伝送ファイバと、集光レンズの位置を調整するレンズ駆動部と、前記レーザビームが前記伝送ファイバのレーザビーム入射部に入射されるときに、前記レーザビーム入射部で反射あるいは散乱された前記レーザビームの光量を含む光量を検出する反射光モニタと、を備え、前記レンズ駆動部は、前記反射光モニタが検出した光量が低減するように、前記集光レンズの位置を調整することを特徴とするレーザ装置を提供する。
また、本開示は、レーザビームを発生するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射された前記レーザビームを集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された前記レーザビームを伝送するコアと前記コアの周囲に設けられたクラッドとを少なくとも有する伝送ファイバと、前記クラッドに入射される前記レーザビームの光量を低減するように前記集光レンズの位置を調整するレンズ駆動部と、を備え、前記レンズ駆動部は、前記レーザ発振器による加工中に調整されることを特徴とするレーザ装置を提供する。

本開示によれば、伝送ファイバでの漏れ光、すなわち、伝送ファイバのクラッドに直接入射されるレーザビームの光量を低減することができる。

実施形態１に係るレーザ装置の構成を示す図である。 図１におけるＩＩ－ＩＩ線での断面模式図である。 レンズ駆動部の機能ブロック図である。 伝送ファイバのレーザビーム入射端面におけるレーザビームの入射状態を示す模式図である。 伝送ファイバのレーザビーム入射端面におけるレーザビームの別の入射状態を示す模式図である。 伝送ファイバのレーザビーム入射端面におけるレーザビームのさらなる別の入射状態を示す模式図である。 レンズ駆動部によるレーザビームの焦点位置シフトを補償する機能を説明する模式図である。 伝送ファイバのレーザビーム入射部近傍の断面模式図である。 レーザビーム出力と反射光モニタの検出信号との関係を示す図である。 集光レンズ通過後のレーザビームの焦点位置に対する、反射光モニタの検出信号と出力光モニタの検出信号とレーザビーム出力との挙動を示す図である。 実施形態２に係る集光レンズの位置調整手順を示すフローチャートである。 熱レンズ効果によるレーザビームの焦点位置シフトを説明する模式図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
［レーザ装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ装置１００の構成図である。また、図２は、図１におけるＩＩ－ＩＩ線での断面模式図である。また、図３は、レンズ駆動部８０の機能ブロック図である。なお、以降の説明において、図２におけるレーザビーム７０が部分透過ミラー１３に向かう方向をＹ方向、部分透過ミラー１３から伝送ファイバ４０に向かう方向をＺ方向、Ｙ方向及びＺ方向と直交する方向をＸ方向と呼ぶことがある。なお、Ｚ方向は、集光レンズユニット２０から出射されるレーザビーム７０の光軸方向に、レーザ装置１００の光学系の組立公差の範囲で一致している。

図１に示すように、レーザ装置１００は、レーザ発振器１０と、集光レンズユニット２０と、レーザビーム出射ヘッド３０と、伝送ファイバ４０と、制御部５０とを備えている。レーザ発振器１０と、集光レンズユニット２０と、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４（図２参照）とは筐体６０内に収容されている。

レーザ発振器１０は、複数のレーザモジュール１１とビーム合成器１２とを有している。レーザ発振器１０は、複数のレーザモジュール１１からそれぞれ出射された異なる波長のレーザビームをビーム合成器１２で一つのレーザビーム７０に波長合成する。なお、以降の説明において、レーザ発振器１０をＤＤＬ発振器と呼ぶことがある。また、レーザモジュール１１自体が複数のレーザダイオードからなっており、例えば、半導体レーザアレイで構成されている。

図２に示すように、ビーム合成器１２で波長合成されたレーザビーム７０は、集光レンズユニット２０に配設された集光レンズ２１で集光され、伝送ファイバ４０に入射する。レーザ発振器１０をこのような構成とすることで、レーザビーム出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ装置１００を得ることができる。また、ビーム合成器１２は内部に部分透過ミラー１３と出力光モニタ１４とを有している。部分透過ミラー１３はビーム合成器１２内で波長合成されたレーザビーム７０を集光レンズユニット２０に向けて偏向する一方、レーザビーム７０の一部、例えば、０．１％を透過するように構成されている。出力光モニタ１４は、部分透過ミラー１３を透過したレーザビーム７０を受光し、受光されたレーザビーム７０の光量に対応する検出信号を生成するようにビーム合成器１２内に配設されている。出力光モニタ１４の機能については後述する。また、レーザ発振器１０は、図示しない電源装置から電力が供給されてレーザ発振を行う。

集光レンズユニット２０は、内部に集光レンズ２１とスライダ２２と反射光モニタ２３とを有している。集光レンズ２１は、伝送ファイバ４０の入射端面４６において、伝送ファイバ４０のコア径よりも小さいスポット径となるようにレーザビーム７０を集光する。スライダ２２は、制御部５０からの制御信号に応じて集光レンズ２１をＺ方向に自動で移動可能に保持している。スライダ２２は、例えば、モータ（図示せず）で駆動されるボールねじ（図示せず）に連結され、ボールねじの回転に伴い、Ｚ方向に移動する。なお、スライダ２２は、光学系の初期位置調整時に、主にＸＹ方向に移動し、後述する焦点位置のシフト補償時にはＺ方向に沿って移動する。ＸＹ方向へスライダ２２が移動する際は手動でもよいし自動で移動してもよい。自動で移動する場合は、上記のボールねじ等がスライダ２２に連結される。反射光モニタ２３は、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４で反射または散乱されたレーザビーム７０を受光して、受光されたレーザビーム７０の光量に対応する検出信号を生成する。反射光モニタ２３の機能については後述する。また、集光レンズユニット２０はコネクタ２４を有し、コネクタ２４には伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４が接続されている。また、コネクタ２４は、伝送ファイバ４０の入射端面４６に接して設けられた石英ブロック２５を保持している。石英ブロック２５は入射端面４６を保護する機能を有している。

伝送ファイバ４０は、レーザ発振器１０及び集光レンズ２１に光学的に結合され、集光レンズ２１を介してレーザ発振器１０から受け取ったレーザビーム７０をレーザビーム出射ヘッド３０に伝送する。また、伝送ファイバ４０はレーザビーム７０を伝送するコア４１と、その周囲に設けられ、レーザビーム７０をコア４１内に閉じ込める機能を有するクラッド４２と、クラッド４２の表面を覆う被膜４３とを有している（図６参照）。また、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４にはモードストリッパ４５（図６参照）が設けられており、その詳細は後述する。なお、図示しないが、モードストリッパ４５は、伝送ファイバ４０のレーザビーム出射部にも設けられている。

レーザビーム出射ヘッド３０は、伝送ファイバ４０で伝送されたレーザビーム７０を外部に向けて照射する。例えば、このレーザ装置１００をレーザ加工に用いる場合は、所定の位置に配置されたワーク（図示せず）に向けてレーザビーム７０を出射する。

制御部５０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された電源装置（図示せず）に対して出力及びオン時間等を制御することによりレーザ発振の制御を行う。また、図３に示すように、制御部５０は、レンズ移動制御部５１を有している。レンズ移動制御部５１は、反射光モニタ２３及び出力光モニタ１４の検出信号を受けて、スライダ２２を移動させ集光レンズ２１が所期の位置に来るように調整する。レンズ移動制御部５１とスライダ２２とはレンズ駆動部８０を構成する。なお、このレーザ装置１００をレーザ加工に用いる場合は、制御部５０は、レーザビーム出射ヘッド３０が取り付けられたマニピュレータ（図示せず）の動作を制御してもよい。

［レーザビームの光路及び焦点位置のシフト補償］
次に、レーザ発振器１０から伝送ファイバ４０に入射するレーザビーム７０の光路及び伝送ファイバ４０の入射端面４６でのレーザビーム７０のスポット形状について説明する。図２に示すように、複数のレーザモジュール１１から出射されたレーザビームはビーム合成器１２で一つのレーザビーム７０に合成された後、ビーム合成器１２内に設けられた部分透過ミラー１３で反射され、集光レンズユニット２０内の集光レンズ２１へと導かれる。集光レンズ２１は、例えば伝送ファイバ４０のコア径が１００μｍであれば、伝送ファイバ４０の入射端面４６において１００μｍよりも小さいスポット径となるようにレーザビーム７０を集光する。集光されたレーザビーム７０は石英ブロック２５を通過し、さらに伝送ファイバ４０のコア４１へと入射すると、コア４１内を全反射により伝搬し、伝送ファイバ４０のレーザビーム出射部（図示せず）へと伝送される。ここで、伝送ファイバ４０とレーザ発振器１０との光結合効率を高め、高品質のレーザビーム７０を得るためには、集光レンズ２１で集光されたレーザビーム７０を伝送ファイバ４０のコア４１内に正確に入射する必要がある。言い換えるとレーザビーム７０のスポット７１の径であるスポット径を伝送ファイバ４０のコア４１の径であるコア径内に正確に収める必要がある。

図４Ａは、伝送ファイバ４０の入射端面４６におけるレーザビームの入射状態を示し、コア４１内にレーザビーム７０が収まっている理想的な状態を示す。図４Ｂは、コア４１の中心とレーザビーム７０との光軸がずれて、レーザビーム７０がクラッド４２にはみ出して入射された状態を示している。また、図４Ｃは、レーザビーム７０のスポット径が伝送ファイバ４０のコア径よりも大きく、レーザビーム７０がクラッド４２にはみ出して入射された状態を示している。

図４Ａに示す状態では、レーザビーム７０の焦点位置が伝送ファイバ４０のコア４１の中心にほぼ一致し、かつレーザビーム７０のスポット７１はその径が伝送ファイバ４０のコア径以下となっている。また、図４Ｂに示す状態は、図４Ａに示す場合に比べて、レーザビーム７０の焦点位置が伝送ファイバ４０の入射端面４６に平行な面内、つまり、ＸＹ平面内でずれてレーザビーム７０がコア４１からはみ出している。このような状態でレーザビーム７０を出射するとクラッド４２にレーザビーム７０が入射し、レーザビーム７０の品質が低下するとともに伝送ファイバ４０にダメージを与えるおそれがある。そのため、この場合は、集光レンズ２１をＸＹ平面内で移動させて焦点レンズの焦点位置を調整することにより、コア４１内にレーザビーム７０を収めるようにすることができる。

一方、図４Ｃに示す状態は、レーザビーム７０の焦点位置は、伝送ファイバ４０のコア４１の中心にほぼ一致するものの、レーザビーム７０のスポット７１のスポット径が伝送ファイバ４０のコア４１のコア径より大きく、スポット７１がコア４１からはみ出してクラッド４２に入射された状態となっている。これは、集光レンズ２１から伝送ファイバ４０の入射端面４６までの距離が集光レンズ２１の焦点距離に一致していない状態である。

ここで、集光レンズ２１の位置を調整する作業は、通常、伝送ファイバ４０を集光レンズユニット２０に接続した時点で行うものであり、レーザ発振を行う際には集光レンズ２１の位置は固定されている。また、図４Ｂに示すような状態は、通常、この初期の調整作業で解消される。

しかし、前述したように、集光レンズ２１等の光学部品はレーザ発振により温度が上昇することで熱レンズ効果を生じる。そのため、レーザ発振直後から、各光学部品のサイズ等が熱的に飽和するまでの間、レーザビーム７０の焦点位置はシフトし続け、この場合、焦点位置はＺ方向にシフトする。よって、レーザ発振前に集光レンズ２１の位置を調整し、図４Ａに示す状態を実現したとしても、レーザ発振中の発熱により、伝送ファイバ４０の入射端面４６でレーザビーム７０のスポット７１のスポット径は図４Ｃに示す状態になってしまい、伝送ファイバ４０コア４１のコア径内に収まらず、漏れ光が増加するおそれがあった。

そこで、図２，３に示すように、本実施形態では、集光レンズユニット２０内に、集光レンズ２１を保持しつつＺ方向に移動可能なスライダ２２を設けている。また、スライダ２２とレンズ移動制御部５１とで構成されるレンズ駆動部８０により集光レンズ２１を移動させてレーザビーム７０の焦点位置のシフトを補償するようにしている。

図５は、レンズ駆動部８０によるレーザビーム７０の焦点位置シフトを補償する機能を説明する模式図である。伝送ファイバ４０の調芯及び光学系の初期調整を行い、集光レンズ２１を通過したレーザビーム７０の光軸と伝送ファイバ４０のコア４１の中心軸とは、組立公差の範囲で一致している。

図５の上側の（ａ）に示すように、レーザ発振初期は、伝送ファイバ４０の入射端面４６において、レーザビーム７０のスポット径が伝送ファイバ４０のコア径よりも小さくなるようにレーザビーム７０の焦点位置が調整されている。一方、レーザ発振が継続すると、図５の中段の（ｂ）に示すように、熱レンズ効果によりレーザビーム７０の焦点位置が集光レンズ２１側にシフトして、レーザビーム７０のスポット径が伝送ファイバ４０のコア径よりも大きくなる。よって、図５の下側の（ｃ）に示すように、本実施形態に係るレーザ装置１００において、このシフトを補償するようにレンズ駆動部８０は集光レンズ２１の位置をＺ方向に伝送ファイバ４０側へ近づける。この結果、再びレーザビーム７０のスポット径が伝送ファイバ４０のコア径よりも小さくなるようにレーザビーム７０の焦点位置が調整される。

また、集光レンズ２１をＺ方向に移動するにあたっては、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４近傍に反射光モニタ２３を設け、その検出信号に基づいてレンズ駆動部８０が、集光レンズ２１の移動方向、つまり、Ｚ方向にレーザ発振器１０側か伝送ファイバ４０側かのどちら側に移動するかを決定するとともに、その移動量を決定するようにしている。

図６は、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４近傍の断面模式図である。また、図７はレーザビーム７０の出力と反射光モニタ２３の検出信号との関係を示す図である。なお、図７に示す（ａ）～（ｃ）は、図５に示す（ａ）～（ｃ）に対応している。

ここで、反射光モニタ２３の機能について説明する。図６に示すように、一般的な伝送ファイバ４０は、レーザビーム入射部４４の近傍と出射部近傍のそれぞれにモードストリッパ４５を備えている。モードストリッパ４５は、伝送ファイバ４０に入射されるレーザビーム７０のうち、コア４１を伝搬せずクラッド４２に入射される漏れ光を除去するための機構である。モードストリッパ４５が無い場合、クラッド４２に入射されたレーザビーム７０がクラッド４２中を伝搬し、伝送ファイバ４０のレーザビーム出射部から低品質のレーザビーム７０が出射されてしまう。モードストリッパ４５の詳細な機構は伝送ファイバ４０を製造するメーカーにより異なるが、原理としては、クラッド４２に入射した光を全反射させずに、熱に変換して除去するものであり、この時、クラッド４２に入射した光の一部は散乱あるいは反射される。

本実施形態では、伝送ファイバ４０が接続される集光レンズユニット２０内に、モードストリッパ４５で散乱あるいは反射された光を検出するよう反射光モニタ２３を配設している。モードストリッパ４５で散乱あるいは反射された光が反射光モニタ２３で検出されると、検出された光量に対応する検出信号が生成される。そして、図３に示すように、反射光モニタ２３での検出信号はレンズ移動制御部５１に入力され、この検出信号に基づいて、レンズ移動制御部５１でスライダ２２の移動方向及び移動量が算出される。この算出結果に基づいてレンズ移動制御部５１からスライダ２２に制御信号が供給され、所期の位置に集光レンズ２１が来るようにスライダ２２を移動させる。なお、レンズ移動制御部５１は、専用の電子回路やＬＳＩで構成される必要はなく、例えば、汎用ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェア上でソフトウェアを実行して実現される機能ブロックであってもよい。

反射光モニタ２３の検出信号が所定値以下になるようにレンズ駆動部８０が集光レンズ２１を移動させることで、レーザビーム７０の焦点位置のシフトが補償され、伝送ファイバ４０での漏れ光、すなわち、クラッド４２に直接入射されるレーザビーム７０の光量が低減される。また、伝送ファイバ４０の入射端面４６において、集光レンズ２１で集光されたレーザビーム７０をコア４１内に収めるようにすることができる。

ここで、図７に示すように、反射光モニタ２３は、伝送ファイバ４０のコア４１に入りきらない漏れ光が無くても、レーザ発振器１０のレーザ発振出力に比例した信号を出力する。これは、集光レンズユニット２０と伝送ファイバ４０との接続部に石英ブロック２５が位置する等、レーザビーム７０の光路に各種の光学部品が配置され、各々の境界面において必然的に反射光が発生しているためである。従って、伝送ファイバ４０における漏れ光の光量を正確にモニタするにはこのレーザ発振出力に比例する信号を差し引かなければならない。

レーザ発振器１０のレーザ発振出力に比例する信号は、制御部５０からレーザ発振器１０に送られる発振指令値から算出することも可能である。しかし、例えば、レーザモジュール１１の経時劣化等による出力低下が生じると、正確なモニタリングができなくなる。

そこで、本実施形態では、反射光モニタ２３とは別に、ビーム合成器１２内に前述の出力光モニタ１４を設け、この検出信号に基づいて、レーザビーム７０の実際の出力を算出するようにしている。部分透過ミラー１３を透過したレーザビーム７０の一部が出力光モニタ１４で検出されると、検出された光量に対応する検出信号が生成される。出力光モニタ１４での検出信号は、反射光モニタ２３での検出信号と同様にレンズ移動制御部５１に入力され、この検出信号に基づいてレンズ移動制御部５１でレーザビーム７０の実出力値が算出される。算出されたレーザビーム７０の実出力値から、この実出力値のときに出力される反射光モニタ２３の値が算出され（図７参照）、算出された反射光モニタ２３の出力値を、反射光モニタ２３の検出信号に対応する値から差し引くことで伝送ファイバ４０における漏れ光の光量に対応する差分信号が生成される。そして、この差分信号に基づいて集光レンズ２１を保持するスライダ２２の移動を制御する制御信号が生成される。

図８は、集光レンズ２１通過後のレーザビーム７０の焦点位置に対する、反射光モニタ２３の検出信号と出力光モニタ１４の検出信号と伝送ファイバ４０から出射されるレーザビーム７０の出力との挙動を示している。なお、図８に示す（ａ）～（ｃ）は、図５に示す（ａ）～（ｃ）に対応している。

レーザビーム７０の焦点位置が伝送ファイバ４０の入射端面４６付近にあれば伝送ファイバ４０から出射されるレーザビーム７０の出力は最大値となる。レーザビーム７０のスポット径が伝送ファイバ４０のコア径に対して十分な余裕をもっていれば、この最大値を取る焦点位置の範囲、つまり、レーザ装置１００の使用可能範囲が広がる（図８の（ａ））。しかし、焦点位置がずれて、例えば、レーザビーム７０のスポット径が大きくなると、伝送ファイバ４０での漏れ光が増加して、伝送ファイバ４０から出射されるレーザビーム７０の出力が低下する（図８の（ｂ））。

ここで、レーザビーム７０の焦点位置がシフトして、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４において、伝送ファイバ４０にレーザビーム７０が入光する際の伝送ファイバ４０に対する漏れ光が多くなると、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４にあるモードストリッパ４５で散乱される散乱光の増加に伴い、集光レンズ２１の後に設けられた反射光モニタ２３の検出信号が増加する。なお、出力光モニタ１４の検出信号は集光レンズ２１より手前で、集光レンズ２１に入光される前に分光して検出されるレーザビーム７０の出力を反映しているため、集光レンズ２１で生じる熱レンズ効果には依存しない。

よって、反射光モニタ２３での検出信号と出力光モニタ１４での検出信号とに基づいて得られる差分信号はモードストリッパ４５で散乱あるいは反射される光の光量に比例し、この差分信号が所定値以下になるように集光レンズ２１を移動させることで、レーザビーム７０の焦点位置のシフトに伴う伝送ファイバ４０での漏れ光を確実に低減することができる。このことにより、伝送ファイバ４０の入射端面４６における損傷を抑制し、また、レーザ発振器１０と伝送ファイバ４０との光結合効率を高めて、レーザビーム出力の低下を抑制することができる。

特に、レーザ発振器１０としてレーザダイオードを用いたＤＤＬ発振器を用いる場合、レーザダイオードからの出射ビーム形状が楕円形である。そのため、ビーム合成器１２で波長合成されたレーザビーム７０のスポット形状が円形になりにくく、コーナー部を有する形状となる場合がある。この場合、コア４１からはみ出てクラッド４２に漏れ込む漏れ光は、モードストリッパ４５の特定箇所に集中して照射されるため、モードストリッパ４５の当該箇所で局所発熱が起こりやすく、伝送ファイバ４０の損傷が発生しやすくなっていた。

本実施形態によれば、上記の場合にも集光レンズ２１の位置を調整して、レーザビーム７０の焦点位置を変更することにより、伝送ファイバ４０での漏れ光を低減することができる。このことにより、伝送ファイバ４０の損傷を抑制し、また、レーザビーム７０の出力の低下を抑制することができる。

［効果等］
以上のように、レーザビームが伝送ファイバのレーザビーム入射部に入射されるときに、レーザビーム入射部で反射あるいは散乱されたレーザビームの光量を含む光量を検出する反射光モニタをさらに備え、レンズ駆動部は、反射光モニタが検出した光量が低減するように、集光レンズの位置を調整するのが好ましい。

この構成によれば、反射光モニタが、伝送ファイバからの漏れ光に起因する反射光あるいは散乱光を含む光量を検出し、検出した光量が低減するように集光レンズの位置を調整するので、伝送ファイバでの漏れ光を低減することができる。

反射光モニタが検出する光量は、レーザ発振器から出射されたレーザビームの出力に比例して検出される光量を含み、レーザ発振器から出射されたレーザビームの一部の光量を検出する出力光モニタをさらに備え、レンズ駆動部は、出力光モニタが検出した光量に基づいて、レーザ発振器から出射されたレーザビームの出力に比例して検出される光量を算出し、算出した光量を、反射光モニタが検出した光量から差し引いた光量が低減するように、集光レンズの位置を調整するのが好ましい。

この構成によれば、反射光モニタが検出した光量に含まれる漏れ光に依存しない成分を出力光モニタが検出した光量を用いて算出することで、漏れ光の光量を正確に算出することができ、伝送ファイバでの漏れ光を確実に低減することができる。

レンズ駆動部は、レーザ装置内での温度上昇に起因した熱レンズ効果によってレーザビームの焦点位置がシフトするのを補償するように集光レンズの位置を調整するのが好ましい。

この構成によれば、レーザ装置で発生する熱レンズ効果の影響を抑制して、伝送ファイバでの漏れ光を低減できる。

レーザ発振器は、互いに異なる波長のレーザビームを発する複数のレーザモジュールと、複数のレーザモジュールから出射された互いに異なる波長の複数のレーザビームを波長合成して一つのレーザビームとして出射するビーム合成器と、を有するのが好ましい。

この構成によれば、高出力のレーザ装置を実現できる。

（実施形態２）
本実施形態に係るレーザ装置１００は、実施形態１に示す構成と基本的に同じであり、レーザ発振時の集光レンズ２１の移動制御の態様が異なる。

図９は、本実施形態に係る集光レンズ２１の位置調整手順を示す。まず、レーザ加工前に、集光レンズ２１の位置等光学系の初期調整を行う。具体的には、レーザ発振器１０でレーザ発振を行い、レーザビーム７０を発生させ、レンズ駆動部８０により集光レンズ２１を移動させて、その位置を調整し、集光レンズ２１の初期位置を決定する（ステップＳ１）。この場合、レーザビーム７０による集光レンズ２１の発熱温度が所定値以下になるようレーザ発振時間を調整している。また、ステップＳ１において、図４Ａに示すように、レーザビーム７０の光軸は、伝送ファイバ４０のコア４１の中心にほぼ位置し、スポット径は伝送ファイバ４０のコア径以下となるように集光レンズ２１の位置が調整される。また、初期調整後はレーザ発振を停止する。

次に、レーザ発振器１０でレーザ発振を行い、レーザビーム７０を発生させる（ステップＳ２）。この状態でレーザ発振を継続すると、レーザビーム７０の一部を集光レンズ２１が吸収することで集光レンズ２１が発熱し、前述の熱レンズ効果が生じて集光レンズ２１の曲率が変化する。このことにより、レーザビーム７０のスポット７１が、例えば、図４Ｂに示すようにコア４１からはみ出すようにレーザビーム７０の焦点位置がシフトする。反射光モニタ２３の検出信号と出力光モニタ１４の検出信号とに基づいて、焦点位置のシフト量を算出し、このシフト量が所定値以下になるように、レンズ駆動部８０により集光レンズ２１をＺ方向、つまり、レーザビーム７０の進行方向に沿って移動させる（ステップＳ３）。

次に、レーザ発振器１０でのレーザ発振を停止すると、集光レンズ２１でのレーザビーム７０の吸収が無くなり、集光レンズ２１が冷えて温度が低下する。これに伴い、熱レンズ効果が小さくなり、焦点位置のシフトが元に戻るように集光レンズ２１の曲率が復元する。集光レンズ２１の温度が元に戻るのに、所定の時間、例えば、５秒かかるとすると、レンズ駆動部８０は５秒をかけて集光レンズ２１をステップＳ１における初期位置に移動させる（ステップＳ４）。なお、所定の時間は、予め求めておいた時間に対する集光レンズ２１の温度低下特性に基づいて予測される。

再び、レーザ発振器１０でのレーザ発振が行われるかどうかを確認し（ステップＳ５）、レーザ発振が行われる場合は、ステップＳ２～Ｓ４を繰り返し、レーザ発振が行われない場合はフローを終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ発振器１０が断続的にレーザ発振を繰り返す場合、言いかえると断続発振期間に、集光レンズ２１の温度低下時間を予測し、それに合わせて、集光レンズ２１の位置を調整することで、レーザビーム７０の焦点位置のシフトを補償することができる。このことにより、集光レンズ２１の熱膨張、収縮が繰り返される断続発振期間を通じて伝送ファイバ４０での漏れ光を低減することができる。また、伝送ファイバ４０の入射端面４６での損傷を抑制し、さらに、レーザ発振器１０と伝送ファイバ４０との光結合効率を高めて、レーザビーム７０の出力低下を抑制することができる。

［効果等］
以上のように、レンズ駆動部は、レーザ発振器がレーザ発振を断続的に繰り返す断続発振期間におけるレーザ発振中に集光レンズを所定の位置からレーザビームの進行方向に沿って移動させ、レーザ発振停止後に所定の時間をかけて所定の位置に戻すことにより、断続発振期間を通じてクラッドに入射されるレーザビームの光量を低減するのが好ましい。

この構成によれば、断続的なレーザ発振により、集光レンズの熱膨張、収縮が繰り返される場合にも、安定して伝送ファイバでの漏れ光を低減できる。

なお、実施形態１，２において、レーザビーム７０の焦点位置がシフトする原因として、集光レンズ２１の熱レンズ効果を例にとって説明してきたが、実際には他の要因による焦点位置のシフトも発生しうる。例えば、ビーム合成器１２や集光レンズユニット２０内の他の光学部品の熱膨張による熱レンズ効果やレーザモジュール１１、特に温度に対してレーザダイオードから出射されるレーザビーム７０の特性が変化すること等により、集光レンズ２１へのレーザビーム７０の入射角度や入射ビーム径が変化し、レーザビーム７０の焦点位置が変動することが考えられる。この場合においても、実施形態１，２に示す構成によれば、レーザビーム７０の焦点位置のシフトを補償し、伝送ファイバ４０での漏れ光を低減することができる。

また、実施形態１，２において、出力光モニタ１４での検出信号に基づいて、反射光モニタ２３での検出信号に含まれるレーザ発振出力に比例した信号を差し引いたが、前述したように、この比例信号を発振指令値から求めて反射光モニタ２３での検出信号から差し引いてもよい。その場合は、レンズ移動制御部５１は、出力光モニタ１４での検出信号を用いることなく、スライダ２２を移動させる制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて集光レンズ２１の位置を調整することも可能である。

本開示に係るレーザ装置は、伝送ファイバでの漏れ光を低減して、レーザビーム出力低下や伝送ファイバの損傷を抑制できるため、高出力のレーザビームを要するレーザ加工装置等に適用する上で有用である。

１０ レーザ発振器
１１ レーザモジュール
１２ ビーム合成器
１３ 部分透過ミラー
１４ 出力光モニタ
２０ 集光レンズユニット
２１ 集光レンズ
２２ スライダ
２３ 反射光モニタ
２４ コネクタ
２５ 石英ブロック
３０ レーザビーム出射ヘッド
４０ 伝送ファイバ
４１ コア
４２ クラッド
４４ レーザビーム入射部
４５ モードストリッパ
４６ 伝送ファイバ４０のレーザビーム入射端面
５０ 制御部
５１ レンズ移動制御部
６０ 筐体
７０ レーザビーム
７１ スポット
８０ レンズ駆動部
１００ レーザ装置

Claims (6)

1. レーザビームを発生するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出射された前記レーザビームを集光する集光レンズと、
   前記集光レンズで集光された前記レーザビームを伝送するコアと前記コアの周囲に設けられたクラッドとを少なくとも有する伝送ファイバと、
   前記レーザビームが前記伝送ファイバのレーザビーム入射部に入射されるときに、前記レーザビーム入射部で反射あるいは散乱された前記レーザビームの光量を含む光量を検出する反射光モニタと、
   前記反射光モニタが検出した光量が低減するように、前記集光レンズの位置を調整するレンズ駆動部と、を備えるレーザ装置。
2. 請求項１に記載のレーザ装置において、
   前記反射光モニタが検出する光量は、前記レーザ発振器から出射された前記レーザビームの出力に比例して検出される光量を含み、
   前記レーザ発振器から出射された前記レーザビームの一部の光量を検出する出力光モニタをさらに備え、
   前記レンズ駆動部は、前記出力光モニタが検出した光量に基づいて、前記レーザ発振器から出射された前記レーザビームの出力に比例して検出される光量を算出し、算出した光量を、前記反射光モニタが検出した光量から差し引いた光量が低減するように、前記集光レンズの位置を調整することを特徴とするレーザ装置。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
   前記レンズ駆動部は、前記レーザ発振器がレーザ発振を断続的に繰り返す断続発振期間におけるレーザ発振中に前記集光レンズを所定の位置から前記レーザビームの進行方向に沿って移動させ、レーザ発振停止後に所定の時間をかけて前記所定の位置に戻すことにより、前記断続発振期間を通じて前記クラッドに入射される前記レーザビームの光量を低減することを特徴とするレーザ装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
   前記レンズ駆動部は、前記レーザ装置内での温度上昇に起因した熱レンズ効果によって前記レーザビームの焦点位置がシフトするのを補償するように前記集光レンズの位置を調整することを特徴とするレーザ装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
   前記レーザ発振器は、互いに異なる波長のレーザビームを発する複数のレーザモジュールと、
   前記複数のレーザモジュールから出射された互いに異なる波長の複数のレーザビームを波長合成して一つのレーザビームとして出射するビーム合成器と、を有することを特徴とするレーザ装置。
6. レーザビームを発生するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出射された前記レーザビームを集光する集光レンズと、
   前記集光レンズで集光された前記レーザビームを伝送するコアと前記コアの周囲に設けられたクラッドとを少なくとも有する伝送ファイバと、
   前記クラッドに入射される前記レーザビームの光量を低減するように前記集光レンズの位置を調整するレンズ駆動部と、を備え、
   前記レンズ駆動部は、前記レーザ発振器による加工中に調整されることを特徴とするレーザ装置。

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