JPWO2019163069A1 - レーザ発振装置 - Google Patents

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Abstract

レーザ発振装置(100)は、互いに波長の異なる複数の第1のレーザ光を発生するレーザ発振部であるレーザ発振部と、複数の第1のレーザ光の波長に対する受光感度を示す感度特性が相互に異なり、複数の第1のレーザ光の出力に応じた第1の電圧を出力する複数のセンサ(32a、32b、32c)とを備える。レーザ発振装置(100)は、複数のセンサ(32a、32b、32c)のそれぞれの感度特性を用いて、複数の第1の電圧を補正し、補正後の複数の第1の電圧である複数の第2の電圧によりレーザ発振部を制御するための演算部(4)を備える。

Description

本発明は、互いに波長の異なる複数のレーザ光を結合して1つのレーザ光として出力するレーザ発振装置に関する。
近年、産業用のレーザ加工機では、互いに波長の異なるレーザ光を出力する複数の半導体レーザから出射されるレーザ光を結合することによって高出力を実現する技術が注目されている。特許文献1に開示されるレーザ装置は、互いに波長の異なる複数のレーザ光の出力を検出して検出したレーザ光の出力に対応する電圧値を出力するレーザ出力検出部であるスペクトル検出器と、複数のレーザ光の波長ピークのエネルギを制御する多波長発振制御機構と、スペクトル検出器による検出結果に基づいて前記多波長発振制御機構を制御する制御部とを備える。特許文献1に開示されるレーザ装置は、1つのスペクトル検出器の検出結果に基づいてレーザ光の出力を制御している。
特開2013−062484号公報
上記スペクトル検出器のように、レーザ光の出力を検出する出力検出部の感度は波長により異なるため、出力検出部に同じ強度のレーザ光が入射された場合であっても、出力検出部から出力される電圧値は波長毎に異なる値となる。特許文献1のレーザ装置では、例えば複数の波長の内、第1の波長のレーザ光の出力が低下した場合、第1の波長のレーザ光を受光した出力検出部から出力される電圧値によって、複数の波長のレーザ光の出力が一律に制御される。従って、互いに波長の異なる複数のレーザ光が結合された1つのレーザ光の出力値を目標値に一致させることができないという課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、互いに波長の異なる複数のレーザ光が結合された1つのレーザ光の出力制御の精度を向上させることができるレーザ発振装置を得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、本発明のレーザ発振装置は、互いに波長の異なる第1のレーザ光を複数発生するレーザ発振部と、複数の第1のレーザ光のそれぞれの波長に対する受光感度を示す感度特性が相互に異なり、複数の第1のレーザ光の出力に応じた第1の電圧を出力する複数のセンサとを備える。レーザ発振装置は、複数のセンサのそれぞれの感度特性を用いて、複数の第1の電圧を補正し、補正後の複数の第1の電圧である複数の第2の電圧によりレーザ発振部を制御するための演算部とを備える。
本発明に係るレーザ発振装置は、互いに波長の異なる複数のレーザ光が結合された1つのレーザ光の出力制御の精度を向上させることができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態に係るレーザ発振装置の構成図 図1に示す複数のセンサのそれぞれの感度特性とセンサ出力とを説明するための図 図1に示すレーザ発振装置の動作を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態の第1の変形例に係るレーザ発振装置の構成図 本発明の実施の形態の第2の変形例に係るレーザ発振装置の構成図 本発明の実施の形態の第3の変形例に係るレーザ発振装置の構成図 図6に示すレーザ発振装置の動作を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態の第4の変形例に係るレーザ発振装置の構成図 図8に示すレーザ発振装置の動作を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態のレーザ出力制御部を実現するハードウェア構成の一例を示す図
以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ発振装置を図面に基づいて詳細に説明する。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。
実施の形態.
図1は本発明の実施の形態に係るレーザ発振装置の構成図である。実施の形態に係るレーザ発振装置100は、互いに波長の異なる複数のレーザ光を結合して1つのレーザ光10として出力するレーザ発振部であるレーザ共振器1と、レーザ共振器1から出力されるレーザ光10の一部を反射する第1の部分反射ミラー2と、第1の部分反射ミラー2で反射されたレーザ光を検出する出力検出部3と、演算部4と、制御部5と、記憶部6と、駆動電源7とを備える。演算部4、制御部5及び記憶部6はレーザ出力制御部300を構成する。
レーザ共振器1は、全反射ミラー1aと、第2の部分反射ミラー1bと、励起部200とを備える。例えば、半導体レーザの場合、励起部200の活性層に駆動電源7からの電力が供給される。YAGレーザの場合、駆動電源7からの電力がランプに供給されることによって励起部200のYAGロッドにランプからの光が照射され、又は駆動電源7からの電力がレーザダイオードに供給されることによって励起部200のYAGロッドにレーザダイオードからのレーザが照射される。ガスレーザの場合、励起部200内のレーザガスに駆動電源7からの電力が供給されることによって放電が行われる。このように駆動電源7から励起部200に電力が供給されると、励起部200から出力される光が全反射ミラー1aと第2の部分反射ミラー1bとの間で共振し、共振した光の一部がレーザ光10としてレーザ共振器1から出力される。レーザ光10は、例えば波長λ、波長λ、波長λ及び波長λのように互いに異なる波長のレーザ光を結合した光である。なお、レーザ光10に含まれる波長の数は複数であればよく、4つに限定されない。
以下では波長λを単にλと称する場合がある。同様に、以下では波長λ、波長λ、波長λを単にλ、λ、λと称する場合がある。レーザ共振器1から出力されたレーザ光10は、その大半が第1の部分反射ミラー2を透過し、残りの一部が出力検出部3に入射する。λはλよりも長く、λはλよりも長く、λはλよりも長い。
レーザ光を検出する出力検出部3は、第1の部分反射ミラー2から入射されるレーザ光の出力を検出し、検出したレーザ光の出力に対応する電圧値を出力する。出力検出部3は、第1の部分反射ミラー2からレーザ光が入射される積分球33と、積分球33に設けられる複数のセンサ32a,32b,32cとを備える。
複数のセンサ32a,32b,32cのそれぞれは、積分球33に入射されたレーザ光の波長に対する受光感度を示す感度特性が相互に異なる。複数のセンサ32a,32b,32cのそれぞれは、積分球33に入射されたレーザ光の強度と感度特性とに応じて、波長毎の第1の電圧である電圧値を出力する。すなわち複数のセンサ32a,32b,32cのそれぞれは、複数の第1のレーザ光のそれぞれの波長に対する受光感度を示す感度特性が相互に異なり、複数の第1のレーザ光の出力に応じた第1の電圧を出力する。以下では、複数のセンサ32a,32b,32cのそれぞれを各センサと称する場合がある。複数のセンサ32a,32b,32cのそれぞれから出力される波長毎の電圧値を、センサ出力と称する場合がある。
図2は図1に示す複数のセンサのそれぞれの感度特性とセンサ出力とを説明するための図である。図2には、上から順に、複数のセンサのそれぞれの感度特性と、互いに異なる波長の複数のレーザ光のそれぞれのスペクトルと、センサ32aの出力と、センサ32bの出力と、センサ32cの出力とが示される。
図2の上から1段目には、入射するレーザ光の波長に対するセンサ32aの受光感度と、入射するレーザ光の波長に対するセンサ32bの受光感度と、入射するレーザ光の波長に対するセンサ32cの受光感度とが示される。図2に示すように、センサ32a,32b,32cのそれぞれの受光感度は波長に応じて異なる値となる。図2の上から1段目に示すように、センサ32aの感度特性はλとλにおいて感度が高くなるような感度特性であり、センサ32bの感度特性はλとλとにおいて感度が高くなるような感度特性であり、センサ32cの感度特性はλとλにおいて感度が高くなるような感度特性である。
図2の上から2段目には、積分球33に入射されるレーザ光の一例をレーザ出力として示している。図2に示した例では、レーザ出力のλ、λ、λ及びλにおけるパワーは何れも1kWである。
図2の上から3段目には、図2の上から1段目に示す受光感度のセンサ32aに、図2の2段目に示すレーザ光が入射したときのセンサ出力を示している。図2の上から3段目に示すように、センサ32aから出力されるセンサ出力のうちλに対応する値は1.0Vであり、センサ32aから出力されるセンサ出力のうちλに対応する値は0.6Vである。図2に示した例では、センサ32aから出力されるセンサ出力の各波長の電圧値の合計が1.6Vとなる。
図2の上から4段目には、図2の上から1段目に示す受光感度のセンサ32bに、図2の2段目に示すレーザ光が入射したときのセンサ出力を示している。図2の上から4段目に示すように、センサ32bから出力されるセンサ出力のうちλに対応する値は0.4Vであり、センサ32bから出力されるセンサ出力のうちλに対応する値は0.5Vである。図2に示した例では、センサ32bから出力されるセンサ出力の各波長の電圧値の合計が0.9Vとなる。
図2の上から5段目には、図2の上から1段目に示す受光感度のセンサ32cに、図2の2段目に示すレーザ光が入射したときのセンサ出力を示している。図2の上から5段目に示すように、センサ32cから出力されるセンサ出力のうちλに対応する値は0.1Vであり、センサ32cから出力されるセンサ出力のうちλに対応する値は0.3Vである。図2に示した例では、センサ32cから出力されるセンサ出力の各波長の電圧値の合計が0.4Vとなる。
このように図1に示す出力検出部3は、感度特性が異なる3つのセンサ32a,32b,32cが用いられ、3つのセンサ32a,32b,32cのセンサ出力が異なる値となる。
実施の形態に係るレーザ発振装置100は、レーザ共振器1から出力されるレーザ光10の出力を目標出力に一致させるため、図2に示す感度特性を有する3つのセンサ32a,32b,32cのそれぞれのセンサ出力を補正し、補正後のセンサ出力を用いて各波長のレーザ出力を制御する演算部4を備える。演算部4は、複数のセンサのそれぞれの感度特性を用いて、複数の第1の電圧を補正し、補正後の複数の第1の電圧である複数の第2の電圧により、レーザ発振部を制御するための演算手段である。また、演算部4は、複数の第2の電圧の合計値を用いて、複数の第1のレーザ光を結合した第2のレーザ光の出力値が目標値と一致するように、レーザ発振部を制御する。次に図3を用いて図1に示すレーザ発振装置100の動作を説明する。
図3は図1に示すレーザ発振装置の動作を説明するためのフローチャートである。
ステップS1では、レーザ発振装置100の初期状態の設定が行われる。設定内容には以下のものが挙げられる。これらの設定内容は記憶部6に記憶される。なお、以下の設定内容において、添え字の「」は、波長全てを表す。添え字の「」は、初期を表す。「k」(k=1,2,・・・km)は、センサの番号を表し、例えばセンサ32aの番号は1、センサ32bの番号は2、センサ32cの番号は3とする。kmはセンサの数を表す。「n」は、波長の数を表す。
(1)λからλの複数のレーザ光の出力の合計値Wa0[W]
(2)各センサのセンサ出力の合計値Va0(k)[V]
(3)λからλの複数のレーザ光のそれぞれの出力の値W(n)[W]
(4)λからλの複数のレーザ光のそれぞれの出力に対応する各センサのセンサ出力V(k,n)[V]
(5)λからλの複数のレーザ光のそれぞれに対する各センサのセンサ感度α(k,n)[kW/V]
(6)各センサの各波長に対する出力割合β(k,n)
(7)各センサで検出されるレーザの波長f(k,n)
(8)同一波長を検出する複数のセンサg(k,n)
上記(7)のレーザの波長fは、例えばセンサ32aで検出されるレーザの波長としてはλ及びλであり、センサ32bで検出されるレーザの波長としてはλ及びλであり、センサ32cで検出されるレーザの波長としてはλ及びλである。上記(8)の複数のセンサgは、例えば、ともにλのレーザ出力を検出するセンサ32a及びセンサ32bである。上記(8)の複数のセンサgの他の例としては、ともにλのレーザ出力を検出するセンサ32b及びセンサ32cである。
ステップS2では、レーザ発振装置100が動作中に、加工条件などにより入力されるレーザ発振条件が設定される。レーザ発振条件には以下のものが挙げられる。これらのレーザ発振条件は記憶部6に記憶される。
(9)レーザ出力W[W]
(10)各センサの目標出力電圧V(k)[V](V=Va0×W÷Wa0
(11)各センサの各波長に対する目標出力電圧V(k,n)[V](V=V×β
ステップS3では、ステップS2で設定された条件に従ってレーザ発振が行われる。レーザ発振が行われたとき、演算部4は、各センサの目標出力電圧Vと、各センサのセンサ出力の値であるフィードバックの合計値Va−buck(k)[V]との出力比γ(k)[%]を、下記(1)式により演算する。
γ=Va−buck÷V(k)・・・(1)
またレーザ発振が行われたとき、演算部4は、各センサの出力比γの平均値γave[%]と、当該各センサのセンサ出力の最大値γmax[%]と、各センサのセンサ出力の最小値γmin[%]とを演算する。
またレーザ発振が行われたとき、演算部4は、各センサ間の出力比ばらつきσ[%]を下記(2)式により演算する。
σ=(γmax−γmin)÷γave・・・(2)
出力比γを算出した演算部4は、出力比γが100±2%以下のセンサに含まれる波長をq(n)として記憶部6に登録する。さらに演算部4は、q(n)の波長のみ検出するセンサをr(k)として記憶部6に登録する。
ステップS4において、演算部4は、λからλのそれぞれのレーザ光の出力が一様に変化しているか否かを判定する。例えば、各センサの出力比ばらつきσが全て±5%以下の場合(S4,Yes)、λからλのそれぞれのレーザ光の出力が一様に変化しているため、演算部4は、波長によってレーザ出力変化に差異がないとみなして、ステップS5の処理を実行する。
一方、演算部4は、出力比ばらつきσ及び出力比ばらつきσが±5%を超えている場合(S4,No)、λからλのレーザ光の内、一部のレーザ光の出力変化があり、波長によってレーザ出力変化に差異があると判定し、ステップS7の処理を実行する。
ステップS5において、演算部4は、出力補正率ηaveを下記(3)式により演算する。
ηave=1÷γave・・・(3)
ステップS6において、演算部4は、下記(4)式により、各センサの補正後の目標出力電圧V(k)’[V]を演算する。
(k)’=V(k)×ηave・・・(4)
ステップS7において、演算部4は、k=1として、複数のセンサg又はq(n)の波長のみ検出するセンサr(k)が記憶部6に登録されているかを判定する。
複数のセンサg又はq(n)の波長のみ検出するセンサr(k)が記憶部6に登録されている場合(S7,Yes)、演算部4は、ステップS8の処理を実行する。
複数のセンサg又はq(n)の波長のみ検出するセンサr(k)が記憶部6に登録されていない場合(S7,No)、演算部4は、ステップS14の処理を実行する。
ステップS8において、演算部4は、登録された複数のセンサgのそれぞれの出力比γ[%]を比較し、それらの差異が±10%以下であるか否かを判定する。
複数のセンサgのそれぞれの出力比γの差異が±10%以下である場合(S8,Yes)、演算部4は、ステップS14の処理を実行する。具体的には、λの出力比γが95%、λの出力比γが100.0%である場合、λの出力比γのみが低下しているが、レーザ光10全体での出力の変化は小さいため、演算部4は、λからλのそれぞれのレーザ光の出力が一様に変化しているとみなして、ステップS14の処理を実行する。
一方、複数のセンサgのそれぞれの出力比γの差異が±10%を超える場合(S8,No)、演算部4は、ステップS9の処理を実行する。
ステップS9において、演算部4は、記憶部6に登録されたq(n)以外の波長を、レーザ出力が変化した波長h(n)として記憶部6に登録する。
具体的には、λの出力比γが87.5%、λの出力比γが100.0%である場合、センサ32a及びセンサ32bの双方で検出されるλの出力比γは低下していないにも関わらず、センサ32aのみで検出されるλの出力比γのみが低下していくため、演算部4は、センサ32aの経年劣化によるセンサ出力の低下ではなく、λのレーザ出力が低下していると推定する。そして演算部4は、推定したレーザ出力のλを、波長h(n)として記憶部6に登録する。演算部4は、波長h(n)を登録した後、ステップS10の処理を実行する。
ステップS10において、演算部4は、各センサのフィードバック値に対して、各波長でのフィードバック電圧を推定する。具体的には、ステップS10において、演算部4は、波長h(n)以外の波長q(n)のフィードバック値Vbuck1(k,n)[V]を下記(5)式で演算する。
buck1=V(k,n)・・・(5)
また、ステップS10において、波長h(n)の数が各センサで1つの場合、演算部4は、波長h(n)のフィードバック値Vbuck2(k,n)[V]を下記(6)式で演算する。
buck2=V−Vbuck1(k,n)・・・(6)
また、ステップS10において、波長h(n)の数が各センサで複数の場合、演算部4は、各センサの各波長での出力Vbuck3(k,n)[V]を下記(7)式で演算する。Va−buck1(k,n)は、各センサのセンサ出力の内、変化した波長に対応するセンサ出力を合計したフィードバック値である。β(k,n)は、各センサで変化した各波長の出力割合である。
buck3=Va−buck1×β(k,n)・・・(7)
S11において、「k」が「km」未満の場合(S11,Yes)、演算部4は、ステップS12において「k」に1を加算し、その後、ステップS7からステップS11までの処理を繰り返す。「k」が「km」と等しい場合(S11,No)、演算部4は、S13の処理を実行する。
ステップS13において、演算部4は、波長毎のセンサ出力の出力補正率ηaveを下記(8)式により演算する。
ηave=W÷Wa−buck・・・(8)
上記(8)式の推定合計出力Wa−buck[kW]は、推定されるレーザ光10の出力であり、Wa−buck=Σ(Wbuck−ave(m))により演算される。mは1以上の整数である。Wbuck−aveは、各波長の推定センサ出力Wbuck(k,n)[kW]の平均値である。Wbuckは、Wbuck=Vbuck×αにより演算される。Vbuck(k,n)[V]は、各センサのフィードバック値に対して、各波長での出力電圧を推定した値である。
ステップS13の処理の後、演算部4は、ステップS6において、ステップS13で演算されたセンサ出力の出力補正率ηaveを用いて、各センサの補正後の目標出力電圧V(k)’[V]を演算する。
ステップS14において、演算部4は、下記(9)式に示すように、各センサのフィードバック値Va−buck(k,n)に、各センサの各波長に対する出力割合β(k,n)を乗じることによって、各波長でのフィードバック電圧Vbuck(k,n)[V]を推定する。フィードバック電圧Vbuck(k,n)[V]を推定した演算部4は、ステップS11の処理を実行する。
buck=Va−buck×β・・・(9)
図1に示す制御部5は、ステップS6で演算された目標出力電圧V(k)’[V]を用いて、結合される1つのレーザ光10の出力値が目標値に一致するように、駆動電源7を制御する。
レーザ発振装置100では、複数のセンサのそれぞれのセンサの感度、すなわちレーザ出力に対するセンサ出力が波長によって異なるため、センサ出力を用いてレーザ光10の出力を精度良く制御するためには、レーザ光の波長に対する各センサのセンサ感度を考慮する必要がある。各センサは、各波長のそれぞれに対応する複数のセンサ出力を足し算したものを出力するため、各波長のそれぞれのレーザ出力が一様に変化している場合、レーザ発振装置100には、センサ感度を考慮したフィードバック値を設定する必要はない。ところが、特定の波長のレーザ出力が他の波長のレーザ出力と比較して大きく変化している場合、レーザ発振装置100には、センサ感度を踏まえたフィードバック値を設定する必要がある。従って、レーザ発振装置100は、センサ出力が変化している場合、各波長のそれぞれのレーザ出力が一様に変化しているのか、特定の波長のレーザ出力が他の波長のレーザ出力と比較して大きく変化しているのかを、各センサ出力の目標値に対する差異から演算している。
また、レーザ発振装置100に利用される複数のセンサの中には、同一波長のレーザ出力が入力されるものが存在する。レーザ発振装置100は、同一波長のレーザ出力が入力される複数のセンサのそれぞれのセンサ出力の差異を特定して、特定したセンサ出力の差異から、出力が変化しているレーザ出力の波長を特定し、特定した波長以外の波長のレーザ出力は、変化していないものと推定する。また、出力が変化しているレーザ出力の波長を特定できない場合、レーザ発振装置100は、各波長のそれぞれのレーザ出力が一様に変化しているとみなす。
またレーザ発振装置100は、各センサの波長毎の出力電圧を予想し、当該出力電圧と出力感度とを用いてレーザ光10の出力、すなわち合計出力を推定する。またレーザ発振装置100は、推定された合計出力が、レーザ発振条件として設定されたレーザ出力Wに対して、どの程度異なるか示す出力補正率ηaveを演算し、出力補正率ηaveを用いて各センサの目標出力電圧V(k)’[V]を演算する。
なお実施の形態のレーザ発振装置100の構成は図1に示す例に限定されず、以下のように構成してもよい。
図4は本発明の実施の形態の第1の変形例に係るレーザ発振装置の構成図である。図4に示すレーザ発振装置100Aは、図1に示すレーザ共振器1の代わりにレーザ共振器1Aを備える。レーザ共振器1Aでは、全反射ミラー1aと第2の部分反射ミラー1bの間に、第1の部分反射ミラー2が設置されている。
このように構成した場合でも、出力検出部3には、第1の部分反射ミラー2で反射されたレーザ光10の一部が取り込まれるため、演算部4は、出力検出部3が備える各センサのセンサ出力を推定して、補正後の目標出力電圧V(k)’[V]を演算することができる。また、レーザ発振装置100Aでは、レーザ共振器1Aの製造時に、第1の部分反射ミラー2がレーザ共振器1Aに組み込まれるため、レーザ共振器1Aの外部に第1の部分反射ミラー2が設けられている場合に比べて、第1の部分反射ミラー2の取り付け位置の調整と、レーザ光10の第1の部分反射ミラー2への入射角の調整とが容易化される。
図5は本発明の実施の形態の第2の変形例に係るレーザ発振装置の構成図である。図5に示すレーザ発振装置100Bは、図1に示すレーザ共振器1と駆動電源7との代わりに、レーザ共振器1Bと複数の駆動電源30,31,32とを備える。
レーザ共振器1Bは、互いに波長の異なるレーザ光を出力する複数のレーザ共振モジュール20,21,22を備える。レーザ共振モジュール20には駆動電源30からの電力が供給される。レーザ共振モジュール21には駆動電源31からの電力が供給される。レーザ共振モジュール22には駆動電源32からの電力が供給される。
複数のレーザ共振モジュール20,21,22のそれぞれから出力されるレーザ光は、互いに結合されてレーザ光10として出力される。このように構成した場合でも、出力検出部3には、第1の部分反射ミラー2で反射されたレーザ光10の一部が取り込まれるため、演算部4は、出力検出部3が備える各センサのセンサ出力を推定して、補正後の目標出力電圧V(k)’[V]を演算することができる。また、レーザ発振装置100Bには複数のレーザ共振モジュール20,21,22が用いられるため、図1に示すレーザ共振器1を用いる場合に比べて、レーザ発振装置100Bでは、レーザ共振モジュール数を変更することによって、レーザ光10の出力調整が容易化される。
図6は本発明の実施の形態の第3の変形例に係るレーザ発振装置の構成図である。図6に示すレーザ発振装置100Dは、第1の部分反射ミラー2に加えて、複数の第4の部分反射ミラー81,82,83を備える。
第4の部分反射ミラー81は、レーザ共振モジュール20から出力されるレーザ光の一部を反射し、残りのレーザ光を透過する。第4の部分反射ミラー82は、レーザ共振モジュール21から出力されるレーザ光の一部を反射し、残りのレーザ光を透過する。第4の部分反射ミラー83は、レーザ共振モジュール22から出力されるレーザ光の一部を反射し、残りのレーザ光を透過する。複数の第4の部分反射ミラー81,82,83を透過したレーザ光は互いに結合し、レーザ光10として第1の部分反射ミラー2に入射する。なお、以下では複数のレーザ共振モジュール20,21,22のそれぞれを、各モジュールと称する場合がある。また、レーザ光10を、結合後のレーザと称する場合がある。
またレーザ発振装置100Dは、図5に示す出力検出部3の代わりに、複数の出力検出部40,41,42,43を備える。
出力検出部40は出力検出部3と同様に構成されている。出力検出部41には、第4の部分反射ミラー81で反射されたレーザ光が入射されるセンサが設置される。当該センサは、例えば図1に示すセンサ32aに相当するセンサである。
出力検出部42には、第4の部分反射ミラー82で反射されたレーザ光が入射されるセンサが設置される。当該センサは、例えば図1に示すセンサ32bに相当するセンサである。
出力検出部43には、第4の部分反射ミラー83で反射されたレーザ光が入射されるセンサが設置される。当該センサは、例えば図1に示すセンサ32cに相当するセンサである。
出力検出部40には、第1の部分反射ミラー2で反射されたレーザ光が入射される複数のセンサが設置される。当該複数のセンサは、例えば図1に示すセンサ32a,32b,32cである。
図7は図6に示すレーザ発振装置の動作を説明するためのフローチャートである。ステップS21では、レーザ発振装置100Dの初期状態の設定が行われる。設定内容には以下のものが挙げられる。これらの設定内容は記憶部6に記憶される。なお、以下の設定内容において、添え字の「」は、全てを表す。添え字の「」は、初期を表す。添え字の「」は、結合後を表す。「k」(k=1,2,・・・km)は、センサの番号を表し、例えばセンサ32aの番号は1、センサ32bの番号は2を表す。kmはセンサの数を表す。「n」は、波長の数を示す。「m」(m=1,2,・・・mm)は、レーザ共振モジュールの番号を表し、例えばレーザ共振モジュール20の番号は1、レーザ共振モジュール21の番号は2を表す。mmはレーザ共振モジュールの数を表す。
(1)各モジュールのレーザ出力Wa0(m)[W]
(2)結合後のレーザ出力の値Wca0[W]
(3)複数の出力検出部41,42,43のそれぞれに設けられるセンサのセンサ出力(各波長の合計)Va0(m,k)[V]
(4)出力検出部40に設けられる複数のセンサのセンサ出力の合計値(各波長の合計)Vca0(k)[V]
(5)各モジュールの波長毎のレーザ出力W(m,n)[W]
(6)Wに対応する各センサ出力電圧V(m,k,n)[V]
(7)結合後のレーザ出力の波長毎のレーザ出力Wco(n)[W]
(8)Wcoに対応する各センサ出力電圧Vco(k,n)[V]
(9)複数の出力検出部41,42,43のそれぞれに設けられるセンサの波長毎のセンサ感度α(m,k,n)[kW/V]
(10)出力検出部40に設けられる複数のセンサの波長毎のセンサ感度α(k,n)[kW/V]
(11)複数の出力検出部41,42,43のそれぞれに設けられるセンサの各波長に対する出力割合β(m,k,n)
(12)出力検出部40に設けられる複数のセンサの各波長に対する出力割合βc0(k,n)
(13)各センサで検出されるレーザの波長f(m,k,n)
(14)同一波長を検出する複数のセンサg(m,k,n)
ステップS22ではレーザ発振条件が設定される。レーザ発振条件には以下のものが挙げられる。これらのレーザ発振条件は記憶部6に記憶される。
(15)レーザ出力Wca[W]
(16)複数の出力検出部41,42,43のそれぞれに設けられるセンサの目標出力電圧V(m,k)[V](V=Va0×Wca÷Wca0
(17)出力検出部40に設けられる複数のセンサの目標出力電圧Vca(k)[V] (Vca=Vca0×Wca÷Wca0
(18)複数の出力検出部41,42,43のそれぞれに設けられるセンサの各波長に対する目標出力電圧V(m,k,n)[V] (V=V×β
(19)出力検出部40に設けられる複数のセンサの各波長に対する目標出力電圧V(k,n)[V] (V=Vca(k)×βc0(k,n))
ステップS23では、ステップS22で設定された条件に従ってレーザ発振が行われる。レーザ発振が行われたとき、演算部4は、複数の出力検出部41,42,43のそれぞれに設けられるセンサの目標出力電圧Vの合計値と、複数の出力検出部41,42,43のそれぞれに設けられるセンサのセンサ出力の値であるフィードバック値Va−buck(m,k)[V]との出力比γ(m)[%]を、下記(10)式により演算する。
γ=ΣVa−buck÷ΣV・・・(10)
またレーザ発振が行われたとき、演算部4は、下記(11)式により、結合後の各センサからの出力フィードバック値Vca−buck(k)[V]と設定値Vca(k)[V]との出力比γ(k)[%]を演算する。
γ=Vca−buck÷Vca・・・(11)
またレーザ発振が行われたとき、演算部4は、複数の出力検出部41,42,43のそれぞれに設けられるセンサの出力比γ(m)[%]の平均値γave(m)[%]と、当該センサのセンサ出力の最大値γmax(m)[%]と、当該センサのセンサ出力の最小値γmin(m)[%]とを演算する。
またレーザ発振が行われたとき、演算部4は、出力検出部40に設けられる複数のセンサの出力比γ(k)[%]と、当該複数のセンサのセンサ出力の平均値γc−ave[%]と、当該複数のセンサのセンサ出力の最大値γc−max[%]と、当該複数のセンサのセンサ出力の最小値γc−min[%]とを演算する。
またレーザ発振が行われたとき、演算部4は、複数の出力検出部41,42,43のそれぞれに設けられるセンサ間の出力比ばらつきσ[%]を下記(12)式により演算する。
σ=(γmax−γmin)÷γave・・・(12)
またレーザ発振が行われたとき、演算部4は、出力検出部40に設けられる複数のセンサ間の出力比ばらつきσ[%]を下記(13)式により演算する。
σ=(γc−max−γc−min)÷γc−ave・・・(13)
また、演算部4は、出力比γ及び出力比γが100±2%以下のセンサに含まれる波長をq(n)として記憶部6に登録する。また演算部4は、q(n)の波長のみ検出するセンサをr(k)として記憶部6に登録する。
ステップS24では、演算部4は各モジュールの出力が一様に変化しているか否かを判定する。例えば、出力比ばらつきσ及び出力比ばらつきσが全て±5%以下の場合、演算部4は、各モジュールの出力が一様に変化している(S24,Yes)と判定する。すなわち、演算部4は、波長によって各モジュールの出力変化に差異がないとみなして、ステップS25の処理を実行する。
一方、演算部4は、各センサの出力比ばらつきσ及び出力比ばらつきσの何れかが±5%を超えている場合、各モジュールの出力の内、一部のモジュールの出力に変化がある(S24,No)と判定する。すなわち、演算部4は、波長によって各モジュールの出力変化に差異があると判定し、ステップS27の処理を実行する。
ステップS25において、演算部4は、出力補正率ηc−aveを下記(14)式により演算する。
ηc−ave=1÷γc−ave・・・(14)
ステップS26において、演算部4は、下記(15)式により、各センサの補正後の目標出力電圧V(m,k)’[V]を演算する。
(m,k)’=V(m,k)×ηc−ave・・・(15)
ステップS27において、演算部4は、m=1として、各モジュールの出力比γ(m)が±5%以下であるか否かを判定する。
各モジュールの出力比γ(m)が±5%以下である場合(S27,Yes)、演算部4は、ステップ38の処理を実行する。
各モジュールの出力比γ(m)が±5%を超えている場合(S27,No)、演算部4は、ステップ28の処理を実行する。
ステップS28において、演算部4は、λからλのそれぞれのレーザ光の出力が一様に変化しているか否かを判定する。例えば、出力比ばらつきσが全て±5%以下の場合(S28,Yes)、λからλのそれぞれのレーザ光の出力が一様に変化しているため、演算部4は、波長によってレーザ出力変化に差異がないとみなして、ステップS38の処理を実行する。
一方、演算部4は、出力比ばらつきσが±5%を超えている場合(S28,No)、λからλのレーザ光の内、一部のレーザ光の出力変化があり、波長によってレーザ出力変化に差異があると判定し、ステップS29の処理を実行する。
ステップS29において、演算部4は、k=1として、複数のセンサg(m,k,n)又はq(n)の波長のみ検出するセンサr(k)が記憶部6に登録されているかを判定する。
複数のセンサg又はq(n)の波長のみ検出するセンサr(k)が記憶部6に登録されている場合(S29,Yes)、演算部4は、ステップS30の処理を実行する。
複数のセンサg又はq(n)の波長のみ検出するセンサr(k)が記憶部6に登録されていない場合(S29,No)、演算部4は、ステップS39の処理を実行する。
ステップS30において、演算部4は、登録された複数のセンサgのそれぞれの出力比γ[%]を比較し、それらの差異が±10%以下であるか否かを判定する。
複数のセンサgのそれぞれの出力比γの差異が±10%以下である場合(S30,Yes)、演算部4は、ステップS39の処理を実行する。
複数のセンサgのそれぞれの出力比γの差異が±10%を超える場合(S30,No)、演算部4は、ステップS31の処理を実行する。
ステップS31において、演算部4は、記憶部6に登録されたq(n)以外の波長を、レーザ出力が変化した波長h(m,k,n)として記憶部6に登録し、波長h(m,k,n)を登録した後、ステップS32の処理を実行する。
ステップS32において、演算部4は、各センサのフィードバック値に対して、各波長でのフィードバック電圧を推定する。具体的には、ステップS32において、演算部4は、波長h(m,k,n)以外の波長q(n)のフィードバック値Vbuck1(m,k,n)[V]を下記(16)式で演算する。
buck1=V(m,k,n)・・・(16)
また、ステップS32において、波長h(m,k,n)の数が各センサで1つの場合、演算部4は、波長h(m,k,n)のフィードバック値Vbuck2(m,k,n)[V]を下記(17)式で演算する。
buck2=V(m,k)−Vbuck1(m,k,n)・・・(17)
また、ステップS32において、波長h(m,k,n)の数が各センサで複数の場合、演算部4は、Vbuck3(m,k,n)[V]を下記(18)式で演算する。Va−buck1(m,k,n)は、各モジュールにおける各センサのフィードバック値に対して、各波長での出力電圧を推定した値である。β(m,k,n)は、各センサで変化した各波長の出力割合である。
buck3=Va−buck1(m,k,n)×β(m,k,n)・・・(18)
ステップS33において、「k」が「km」未満の場合(S33,Yes)、演算部4は、ステップS34において「k」に1を加算し、その後、ステップS29からステップS33までの処理を繰り返す。「k」が「km」と等しい場合(S33,No)、演算部4は、ステップS35の処理を実行する。
ステップS35において、演算部4は、波長毎のセンサ出力の出力補正率ηave(m)を下記(19)式により演算する。
ηave=W(m)÷Wa−buck(m)・・・(19)
上記(19)式の推定合計出力Wa−buck(m)[kW]は、推定されるレーザ光10の出力であり、Wa−buck=Σ(Wbuck−ave(k,n))により演算される。kは1以上の整数である。Wbuck−aveは、各波長の推定センサ出力Wbuck(m,k,n)[kW]の平均値である。Wbuckは、Wbuck=Vbuck×αにより演算される。Vbuck(k,n)[V]は、各センサのフィードバック値に対して、各波長での出力電圧を推定した値である。
ステップS35の処理の後、ステップS36において、「m」が「mm」未満の場合(S36,Yes)、演算部4は、ステップS37において「m」に1を加算し、その後、ステップS27からステップS36までの処理を繰り返す。「m」が「mm」と等しい場合(S36,No)、演算部4は、ステップS26の処理を実行する。
ステップS36の処理の後、演算部4は、ステップS26において、ステップS33で演算されたセンサ出力の出力補正率ηaveを用いて、各センサの補正後の目標出力電圧V(k)’[V]を演算する。
ステップS38において、演算部4は、出力補正率ηc−ave(m)を下記(20)式により演算する。ステップS38で出力補正率ηc−ave(m)を演算した演算部4は、ステップ36の処理を実行する。
ηc−ave=1÷γave(m)・・・(20)
ステップS39において、演算部4は、下記(21)式に示すように、各センサのフィードバック値Va−buck(m,k,n)に、各センサの各波長に対する出力割合β(m,k,n)を乗じることによって、各波長でのフィードバック電圧Vbuck(m,k,n)[V]を推定する。フィードバック電圧Vbuck(m,k,n)[V]を推定した演算部4は、ステップ33の処理を実行する。
buck=Va−buck×β・・・(21)
図6に示す制御部5は、ステップS26で演算された目標出力電圧V(k)’[V]を用いて、結合される1つのレーザ光10の出力値が目標値に一致するように、各駆動電源を制御する。
レーザ発振装置100Dでは、各モジュールのレーザ出力と、結合後のレーザ出力とが一様に変化しているか否かを判定してセンサ出力の出力補正率が設定される。また、レーザ発振装置100Dでは、各モジュールからのレーザ出力の総和を管理できるだけでなく、各モジュールのそれぞれの出力管理と出力制御とが可能となる。例えば、レーザ共振モジュール20とレーザ共振モジュール21とが同じ波長でレーザを発振する場合、出力検出部40では、このレーザが複数のレーザ共振モジュール20,21,22の内、どのレーザ共振モジュールから出力されたものであるかを判別できない。このような場合でも、レーザ発振装置100Dでは、複数の出力検出部41,42,43を用いることによって、各モジュールのそれぞれの出力管理と出力制御とが可能になる。
図8は本発明の実施の形態の第4の変形例に係るレーザ発振装置の構成図である。図8に示すレーザ発振装置100Eは、出力検出部3の代わりに出力検出部8を備える。出力検出部8は、積分球33と、複数のセンサ32a,32b,32cと、サーマルセンサ34とを備える。
サーマルセンサ34は、温度変化によってレーザ出力の強度を検出するためのセンサであり、複数のセンサ32a,32b,32cに比べて、センサ出力の変動が少ないため、定期的なセンサ出力の校正に用いられる。
図9は図8に示すレーザ発振装置の動作を説明するためのフローチャートである。ステップS1からステップS14は、図3に示すフローチャートと同様である。図9に示すフローチャートには、ステップS40及びステップS41が追加されている。
ステップS40においては、演算部4は、定期的な出力校正を行うため、サーマルセンサ34のセンサ出力を用いて、レーザ発振装置100Eの初期状態の再設定が行われる。
(1)λからλの複数のレーザ光の出力の合計値Wa0−ck[W]
(2)各センサのセンサ出力の合計値Va0−ck(k)[V]
(3)簡易補正率s(s=(Va0−ck/Wa0−ck)/(Va0/Wa0))
また、ステップS40において、演算部4は、簡易補正率sと予め設定した設定値xとを用いて、補正の要否を判定する。具体的には、サーマルセンサ34のセンサ出力とレーザ出力との間には相関性があるため、演算部4は、サーマルセンサ34のセンサ出力と応答速度が速い複数のセンサ32a,32b,32cの出力とを比較する。比較の結果、簡易補正率sが変化量が±Δs以内である場合、演算部4は、設定誤差範囲内であると判定し、補正不要を示すフラグを記憶部6に登録する。簡易補正率sが1−x≦s≦1+xである場合、演算部4は、設定誤差範囲内であると判定し、補正要を示すフラグを記憶部6に登録する。簡易補正率sがs<1−x、1+x>sである場合、演算部4は、設定範囲外であると判定し、複数のセンサ32a,32b,32cに異常が生じている可能性があるため、異常を知らせる情報を出力する。
ステップS41では、ステップS2と同様に、レーザ出力W[W]、各センサの目標出力電圧V(k)[V]、各センサの各波長に対する目標出力電圧V(k,n)[V]などのレーザ発振条件が再設定される。
図8に示すレーザ発振装置100Eによれば、応答速度が速い複数のセンサ32a,32b,32cの出力と、サーマルセンサ34のセンサ出力とを比較することによって、複数のセンサ32a,32b,32cの検出感度がどの程度低下しているかを確認できる。従って、複数のセンサ32a,32b,32cが経年劣化しているか、複数のセンサ32a,32b,32cに異常が生じているかなどを診断することができる。
ここで、実施の形態に係るレーザ発振装置が備えるレーザ出力制御部のハードウェア構成について説明する。図10は本発明の実施の形態のレーザ出力制御部を実現するハードウェア構成の一例を示す図である。
レーザ出力制御部300は、プロセッサ400及びメモリ401により実現される。
プロセッサ400は、CPU(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、DSP(Digital Signal Processor)ともいう)、又はシステムLSI(Large Scale Integration)である。メモリ401は、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、又はEEPROM(登録商標)(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)といった半導体メモリが該当する。半導体メモリは不揮発性メモリでもよいし揮発性メモリでもよい。またメモリ401は、半導体メモリ以外にも、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はDVD(Digital Versatile Disc)でもよい。
図3、図7及び図9に示す処理を実行するためのプログラムをメモリ401に格納しておき、メモリ401に格納されているプログラムをプロセッサ400が読み出して実行することにより、レーザ出力制御部300の機能が実現される。
また、本実施の形態に係るレーザ発振装置は、複数のセンサ32a,32b,32cが設けられる積分球33を備えることにより、積分球33に入射したレーザ光が積分球33内で拡散した後、複数のセンサ32a,32b,32cのそれぞれの受光面に照射されるため、複数のセンサ32a,32b,32cのそれぞれに入射されるレーザ光の強度が均一化される。従って、複数のセンサ32a,32b,32cのそれぞれから出力される第1の電圧には、複数のセンサ32a,32b,32cのそれぞれの感度特性が正確に反映される。
また、本実施の形態に係るレーザ発振装置は、温度変化によってレーザ出力の強度を検出するサーマルセンサ34を備えることにより、サーマルセンサ34を用いない場合に比べて、複数のセンサ32a,32b,32cのそれぞれから出力される第1の電圧の変動に対するロバスト性が向上すると共に、定期的なセンサ出力の校正が可能となる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1,1A,1B,1C レーザ共振器、1a 全反射ミラー、1b 第2の部分反射ミラー、2 第1の部分反射ミラー、3,8,40,41,42,43,60 出力検出部、4 演算部、5 制御部、6 記憶部、7,30,31,32 駆動電源、10 レーザ光、20,21,22 レーザ共振モジュール、32a,32b,32c センサ、33 積分球、34 サーマルセンサ、50 第3の部分反射ミラー、70 回折格子、81,82,83 第4の部分反射ミラー、100,100A,100B,100C,100D,100E レーザ発振装置、200 励起部、LD1,LD2,LD3 レーザダイオード。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ発振装置は、互いに波長の異なる第1のレーザ光を複数発生するレーザ発振部と、複数の第1のレーザ光のそれぞれの波長に対する受光感度を示す感度特性が相互に異なり、複数の第1のレーザ光の出力に応じた波長毎の第1の電圧を出力する複数のセンサと、加工条件により設定された各センサの目標出力電圧と第1の電圧との出力比を演算し、各センサ間の出力比ばらつきが設定値より大きい場合は、第1のレーザ光の波長毎に算出された各センサの出力電圧の推定値に基づき、複数のセンサ毎に出力補正率を演算し、出力補正率に基づき演算された補正後の各波長に対する目標出力電圧によって決定される複数の第2の電圧によりレーザ発振部の出力を制御するための演算部とを備える。

Claims (5)

  1. 互いに波長の異なる第1のレーザ光を複数発生するレーザ発振部と、
    複数の前記第1のレーザ光のそれぞれの波長に対する受光感度を示す感度特性が相互に異なり、複数の前記第1のレーザ光の出力に応じた第1の電圧を出力する複数のセンサと、
    複数の前記センサのそれぞれの前記感度特性を用いて、複数の前記第1の電圧を補正し、補正後の複数の前記第1の電圧である複数の第2の電圧により前記レーザ発振部を制御するための演算部と、
    を備えることを特徴とするレーザ発振装置。
  2. 前記演算部は、複数の前記第2の電圧の合計値を用いて、複数の前記第1のレーザ光を結合した第2のレーザ光の出力値が目標値と一致するように、前記レーザ発振部を制御することを特徴とする請求項1に記載のレーザ発振装置。
  3. 複数の前記センサが設けられる積分球を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ発振装置。
  4. サーマルセンサを備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ発振装置。
  5. 前記複数のセンサが設けられる積分球と、
    前記積分球に設けられるサーマルセンサと、
    を備え、
    前記演算部は、前記サーマルセンサで検出された電圧を用いて前記複数のセンサの前記感度特性を求めることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ発振装置。
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