KR101898371B1 - 광증폭 장치 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

광증폭 장치 및 레이저 가공 장치 Download PDF

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타다마사 요코이
타츠오 오가키
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타츠노리 사카모토
유이치 이시즈
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Abstract

본 발명의 한 국면에 관한 광증폭기는, 펄스형상의 시드광을 발생하는 시드 광원(2)과, 여기광을 발생하는 여기 광원(3, 7)과, 시드광을 여기광에 의해 증폭하고, 증폭광을 출력하는 광증폭 파이버(1, 9)와, 시드 광원(2) 및 여기 광원(3, 7)을 제어하는 제어부(20)를 구비한다. 제어부(20)는, 증폭광의 펄스폭의 설정치가 커질수록, 펄스폭의 최소 설정치에서의 임계치 이내에서 증폭광의 피크 에너지가 증대하도록, 여기광의 파워를 제어하는 모드를 갖는다.

Description

광증폭 장치 및 레이저 가공 장치{OPTICAL AMPLIFICATION DEVICE AND LASER PROCESSING DEVICE}
본 발명은, 광증폭 장치 및 레이저 가공 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, MOPA(Master Oscillator and Power Amplifier) 방식의 파이버 증폭기로부터 레이저 펄스를 안정적으로 출사시키기 위한 기술에 관한 것이다.
광증폭 파이버를 이용하는 MOPA(Master Oscillator and Power Amplifier) 방식을 채용하고, 시드 광(光)으로서 반도체 레이저(LD)로부터의 광을 이용하는 레이저 가공 장치는, 출사광의 반복 주파수, 피크 파워, 펄스폭 등을 서로 독립적으로 변경할 수 있기 때문에, 가공 대상에 응하여 최적의 파라미터를 선택하기 쉽다는 특징을 갖고 있다. 예를 들면, 일본 특개2011-181761호 공보는, 드라이버를 제어함에 의해 비발광 기간에서의 여기광의 조건을 변화시키고, 이에 의해 레이저 가공 장치로부터 출력되는 펄스광의 에너지를 비발광 기간의 길이에 의하지 않고서 안정화시킬 수 있는 구성을 개시한다.
일본 특개2012-248615호 공보는, 파고치(波高値) 검출기의 검출치에 의거하여, 발광 기간의 사이에 발생한 최초의 출력광 펄스와 최종의 출력 펄스와의 사이에서 파워가 같게 되도록, 비발광 기간에서의 여기광의 파워(드라이버의 바이어스 전류)를 제어하는 광증폭 장치를 개시한다.
특허문헌 : 일본 특개2011-181761호 특허문헌 : 일본 특개2012-248615호
파이버 레이저 발진기를 갖는 종래의 레이저 가공 장치에서는, 발진 주기의 저주파수 영역에서 평균 파워를 올리는 것이 어려웠다. 그 이유는, 이하와 같은 문제가 발생하기 때문이다. 여기광의 파워를 일정하게 한 채로 주파수를 저하시킨 경우에는, 피크 파워가 상승한다. 피크 파워가 상승하는 경우, 파이버를 손상시킬 가능성이 있다. 또한, 피크 파워의 상승에 의해, 유도 라만 산란(SRS : Stimulated Raman Scattering)으로 대표되는 비선형 광학 현상이 발생한 경우에는, 위상이 정돈되지 않는 전송 모드가 증장(增長)된다.
상술한 문제를 피하기 위해, 파이버 레이저 발진기를 저주파수로 사용하는 경우에는, 여기광 파워를 저하시킴에 의해 평균 파워를 내린 상태로 사용하지 않으면 안된다.
한편으로, 예를 들면 금속의 심굴(深堀) 또는 흑색 인자(印字)라는 가공을, 레이저광을 이용하여 행하는 경우에는, 그 레이저광의 파워가 어느 정도 클 것이 요구된다. 그 때문에, 금속을 레이저광에 의해 가공하는 경우에는, 평균 파워가 큰 레이저 발진기를 저주파수로 사용하고 있다. 종래의 파이버 레이저 발진기에서는, 출력의 평균 파워를 높일 수가 없었기 때문에, 금속의 심굴(深堀) 또는 흑색 인쇄라는 가공이 어려웠다. 따라서 가공을 위한 고(高)파워의 광을 출력 가능한 파이버 레이저 발진기가 요망된다.
본 발명의 한 국면에 관한 광증폭기는, 펄스형상의 시드광을 발생하는 시드 광원과, 여기광(勵起光)을 발생하는 여기 광원과, 시드광을 여기광에 의해 증폭하여, 증폭광을 출력하는 광증폭 파이버와, 시드 광원 및 여기 광원을 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 증폭광의 펄스폭의 설정치가 커질수록, 펄스폭의 최소 설정치에서의 임계치 이내에서 증폭광의 피크 에너지가 증대하도록, 여기광의 파워를 제어하는 모드를 갖는다.
상기한 「모드」란, 펄스폭을 크게 한 경우에, 여기광의 파워를 증대시키는 모드를 말한다.
바람직하게는, 모드가 설정된 경우에 있어서, 제어부는, 증폭광의 반복 주파수의 상한을, 모드와는 다른 타(他)모드에서의 반복 주파수의 상한보다도 저하시킴과 함께, 펄스폭을 최소 설정치보다도 크게 설정한다. 제어부는, 여기 광원이 발생하는 여기광의 파워를, 타모드에서의 여기광의 파워보다도 증가시킨다.
「타모드」란 펄스폭, 반복 주파수의 파라미터 조정에 대해 여기광의 파워가 일정한 모드를 말한다.
바람직하게는, 제어부는, 모드에서의 증폭광의 평균 파워를, 타모드에서의 평균 파워보다도 높게 한다.
바람직하게는, 모드에서의 펄스폭의 최대치는, 타모드에서의 펄스폭의 최대치보다도 크다.
바람직하게는, 제어부는, 펄스폭을 크게 하는 경우에는, 시드광이 복수의 광펄스를 포함하는 펄스열(列)로서 시드 광원으로부터 출사되도록, 시드 광원을 제어한다.
바람직하게는, 제어부는, 펄스열을 구성하는 광펄스의 수를 결정하기 위한 복수의 설정 패턴 중에서, 모드 및 타모드의 각각을 설정하기 위한 패턴을 유저에게 선택시키는 처리를 실행한다.
바람직하게는, 제어부는, 반복 주파수를 결정하기 위한 복수의 설정 패턴 중에서, 모드 및 타모드의 각각을 설정하기 위한 패턴을 유저에게 선택시키는 처리를 실행한다.
바람직하게는, 제어부는, 리프트 처리에 의해 모드와 타모드를 서로 전환한다.
바람직하게는, 모드와는 다른 타모드로부터 모드가 설정된 경우에 있어서, 제어부는, 증폭광의 반복 주파수의 상한을 저하시키기 위한 유저로부터의 입력에 응하여, 펄스폭을, 타모드에서의 펄스폭보다도 증가시킴과 함께, 여기광의 파워를, 타모드에서의 여기광의 파워보다도 증가시킨다.
바람직하게는, 모드와는 다른 타모드로부터 모드가 설정된 경우에 있어서, 제어부는, 펄스폭을 증가시키기 위한 유저로부터의 입력에 응하여, 여기광의 파워를 타모드에서의 여기광의 파워보다도 증가시킴과 함께, 반복 주파수의 상한을, 타모드에서의 반복 주파수의 상한보다도 저하시킨다.
바람직하게는, 모드와는 다른 타모드로부터 모드가 설정된 경우에 있어서, 제어부는, 여기광의 파워를 증가시키기 위한 유저로부터의 입력에 응하여, 펄스폭을, 타모드에서의 펄스폭보다도 증가시킴과 함께, 반복 주파수의 상한을, 타모드에서의 반복 주파수의 상한보다도 저하시킨다.
본 발명의 다른 국면에 관한 레이저 가공 장치는, 상기한 어느 하나에 기재된 광증폭 장치를 구비하는, 레이저 가공 장치이다.
이본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은, 첨부한 도면과 관련하여 이해되는 본 발명에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성례를 도시하는 도면.
도 2는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치에 의해 발하여지는, 최소 펄스폭을 갖는 레이저 펄스를 설명하기 위한 파형도.
도 3은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치에 의해 발하여지는, 최소 펄스폭보다도 큰 펄스폭을 갖는 레이저 펄스를 설명하기 위한 파형도.
도 4는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치가 제1의 모드에서 펄스폭을 증가시킨 때의 피크 파워의 변화를 설명하기 위한 파형도.
도 5는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치가 제2의 모드에서 펄스폭을 증가시킨 때의 피크 파워의 변화를 설명하기 위한 파형도.
도 6은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치를 제1의 모드 및 제2의 모드로 동작시킨 경우에 있어서 레이저 펄스의 파형의 예를 도시한 파형도.
도 7은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치를, 제1의 모드 및 제2의 모드의 각각에서 동작시키기 위한 설정 패턴의 예를 도시한 도면.
도 8은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치의 설정 처리를 설명하기 위한 플로 차트.
도 9는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치의 모드를 설정하기 위한 유저 인터페이스 화면의 한 예를 도시하는 모식도.
도 10은, 모드 선택을 위한 다이얼로그의 한 예를 도시한 모식도.
도 11은, 스탠더드 모드(제1의 모드)를 위한 설정 화면의 한 예를 도시하는 모식도.
도 12는, EE 모드(제2의 모드)를 위한 설정 화면의 한 예를 도시하는 모식도.
도 13은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치를 제1의 모드 및 제2의 모드로 동작시킨 때의 출력의 평균 파워를 도시한 그래프.
도 14는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치를 제1의 모드 및 제2의 모드로 동작시킨 때의 펄스 에너지를 도시한 그래프.
도 15는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치를 제1의 모드 및 제2의 모드로 동작시킨 때의 피크 파워를 도시한 그래프.
도 16은, 제2의 모드에 의한 금속의 심굴(深堀)의 효과를 설명하기 위한 도면.
본 발명의 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 도 중의 동일 또는 상당 부분에 관해서는, 동일 부호를 붙여서 그 설명은 반복하지 않는다.
<A. 장치 구성>
우선, 본 발명의 실시의 형태에 관한 광증폭 장치 및 그 광증폭 장치를 포함하는 레이저 가공 장치의 장치 구성에 관해 설명한다. 도 1은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치의 구성례를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)는, 예를 들면 레이저 마커로서 실현된다. 레이저 가공 장치(100)는, 컨트롤러(101)와, 마커 헤드(102)를 포함한다. 컨트롤러(101)는, 본 발명의 실시의 형태에 관한 광증폭 장치의 주요부를 구성한다.
이 실시의 형태에서는, 광증폭 장치는, 그 강도가 펄스형상으로 주기적 변화하는 레이저광을 출사한다. 이하, 출사광을 「레이저 펄스」라고도 칭한다. 이하의 설명에서, 특히 단서가 없는 한, 「레이저 펄스」는, 1 또는 복수의 펄스로 이루어지는 레이저광을 의미한다. 「레이저 펄스」에 포함되는 각각의 펄스의 강도(파워)의 최대치를 「피크 파워」라고 총칭한다. 전형적으로는, 「레이저 펄스」가 갖는 파워의 포락선이 「피크 파워」에 상당한다.
레이저 가공 장치(100)는, 전형적으로는, MOPA(Master Oscillator and Power Amplifier) 방식의 파이버 증폭기를 포함한다. 이 실시의 형태에서는, 레이저 가공 장치(100)는, 2단계의 파이버 증폭기를 포함한다. 보다 구체적으로는, 컨트롤러(101)는, 광증폭 파이버(1)와, 시드용 레이저 다이오드(LD)(2)와, 여기용 레이저 다이오드(3, 7)과, 아이솔레이터(4, 6)와, 콤바이너(5, 8)과, 구동 회로(21, 22)와, 제어부(20)를 포함한다. 마커 헤드(102)는, 광증폭 파이버(9)와, 광 커플러(10)와, 아이솔레이터(11)와, 빔 엑스펜더(12)와, Z축 주사 렌즈(13)와, 갈바노 스캐너(14, 15)를 포함한다. 이하의 설명에서는, 레이저 다이오드를 단지 「LD」로 표기하는 일도 있다.
광증폭 파이버(1), 시드용 LD(2) 및 여기용 LD(3)는, MOPA 방식의 파이버 증폭기의 기본적인 구성 요소이다. 광증폭 파이버(1)는, 광증폭 성분인 희토류 원소가 첨가된 코어, 및 그 코어의 주위에 마련된 클래드를 포함한다. 광증폭 파이버(9)는, 광증폭 파이버(1)와 같이, 광증폭 성분인 희토류 원소가 첨가된 코어, 및 그 코어의 주위에 마련된 클래드를 포함한다.
광증폭 파이버(1, 9)의 코어에 첨가되는 희토류 원소의 종류는, 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, Yb(이테르븀), Er(에르븀), Nd(네오디뮴) 등을 사용할 수 있다. 본 실시의 형태에서는, 희토류 원소로서 Yb가 첨가된 광증폭 파이버를 이용하는 경우에 관해 예시한다. 광증폭 파이버(1, 9)는, 예를 들면, 코어의 주위에 1층의 클래드가 마련된 싱글 클래드 파이버이라도 좋고, 코어의 주위에 2층의 클래드가 마련된 더블 클래드 파이버라도 좋다.
광증폭 파이버(1)는, 시드용 LD(2)로부터의 시드광을 여기용 LD(3)로부터의 여기광에 의해 증폭한다. 즉, MOPA 방식의 파이버 증폭기에서는, 여기용 LD(3)로부터의 여기광 및 시드용 LD(2)로부터의 펄스형상의 시드광이, 광증폭 파이버(1)에 주어진다. 광증폭 파이버(1)에 입사한 여기광은, 코어에 포함되는 희토류 원소의 원자에 흡수되고, 원자의 여기가 생긴다. 원자의 여기가 생긴 상태에서, 시드광이 광증폭 파이버(1)의 코어를 전반(傳搬)하면, 시드광에 의해 여기된 원자가 유도 방출이 생기기 때문에, 시드광이 증폭된다. 이와 같이, 광증폭 파이버(1)는, 여기광을 이용하여 시드광을 증폭한다.
시드용 LD(2)는, 레이저광원이고, 시드광을 발생하는 시드 광원이다. 시드광의 파장은, 예를 들면, 1000∼1100㎚의 범위로부터 선택된다. 구동 회로(21)는, 제어부(20)로부터의 지령에 따라, 시드용 LD(2)에 펄스형상의 전류를 반복하여 인가함에 의해, 시드용 LD(2)를 펄스 구동한다. 즉, 시드용 LD(2)는 펄스형상의 시드광을 출사한다.
시드용 LD(2)로부터 출사되는 시드광은, 아이솔레이터(4)를 통과한 후에, 광증폭 파이버(1)에 입사한다. 아이솔레이터(4)는, 광을 일방향으로만 통과시키고, 그와는 역방향으로 입사하는 광을 차단하는 기능을 갖는다. 아이솔레이터(4)는, 시드용 LD(2)로부터의 시드광을 통과시킴과 함께, 광증폭 파이버(1)로부터의 되돌아오는 광을 차단한다. 이에 의해, 광증폭 파이버(1)로부터의 되돌아오는 광이 시드용 LD(2)에 입사하는 것을 방지할 수 있다. 이것은, 광증폭 파이버(1)로부터의 되돌아오는 광이 시드용 LD(2)에 입사한 경우에는, 시드용 LD(2)가 손상될 우려가 있기 때문이다.
여기용 LD(3)는, 레이저광원이고, 광증폭 파이버(1)의 코어에 첨가된 희토류 원소의 원자를 여기하기 위한 여기광을 발생하는 여기 광원이다. 희토류 원소로서 Yb를 광증폭 파이버(1)의 코어에 첨가한 경우, 여기광의 파장은, 예를 들면 915±10㎚로 설정된다. 여기용 LD(3)는, 구동 회로(22)에 의해 구동된다.
시드용 LD(2)로부터의 시드광과 여기용 LD(3)로부터의 여기광은, 콤바이너(5)에 의해 결합되어 광증폭 파이버(1)에 입사한다. 광증폭 파이버(1)가 싱글 클래드 파이버인 경우에는, 시드광 및 여기광은 모두 코어에 입사한다. 이에 대해, 광증폭 파이버(1)가 더블 클래드 파이버인 경우에는, 시드광은 코어에 입사하고, 여기광은 제1 클래드에 입사한다. 더블 클래드 파이버의 제1 클래드는 여기광의 도파로로서 기능한다. 제1 클래드에 입사한 여기광이 제1 클래드를 전반하는 과정에서, 코어를 통과하는 모드에 의해 코어 중의 희토류 원소가 여기된다.
광증폭 파이버(1)에서 증폭된 레이저광은, 아이솔레이터(6)를 통과하고, 콤바이너(8)에서, 여기용 LD(7)로부터의 여기광과 결합된다. 여기용 LD(7)는, 광증폭 파이버(9)의 코어에 첨가된 희토류 원소의 원자를 여기하기 위한 여기광을 발생한다. 여기용 LD(7)는, 구동 회로(22)에 의해 구동된다.
광증폭 파이버(9)는, 광 커플러(10)에 의해, 컨트롤러(101)로부터의 파이버에 광학적으로 결합된다. 광증폭 파이버(1)에 의해 증폭된 레이저광은, 광증폭 파이버(9)의 내부에서, 여기용 LD(7)로부터의 여기광에 의해 더욱 증폭된다.
광증폭 파이버(9)로부터 출사된 레이저광은, 아이솔레이터(11)를 통과한다. 아이솔레이터(11)는, 광증폭 파이버(9)에서 증폭되고, 또한 광증폭 파이버(9)로부터 출사된 레이저광을 통과시킴과 함께, 광증폭 파이버(9)에 되돌아오는 레이저광을 차단한다.
아이솔레이터(11)를 통과한 레이저광은, 빔 엑스펜더(12)에 의해, 그 빔 지름이 확대된다. Z축 주사 렌즈(13)는, 레이저광을 Z축방향(즉 상하 방향)으로 주사한다. 갈바노 스캐너(14, 15)는, 레이저광을, X축방향 및 Y축방향으로 각각 주사한다. 이에 의해, 레이저광이 가공 대상물(250)의 표면에서, 2차원 방향으로 주사되다. 또한, 도시하지 않지만, 레이저광을 집광하기 위한 fθ 렌즈 등의 다른 광학 부품이 마커 헤드(102)에 포함되어도 좋다.
가공 대상물(250)의 표면상에서 레이저광, 즉 광증폭 장치로부터의 레이저 펄스를 2차원 방향으로 주사함에 의해, 수지, 금속 등을 소재로 하는 가공 대상물(250)의 표면에 가공이 시행된다. 예를 들면, 가공 대상물(250)의 표면에, 문자나 도형 등으로 이루어지는 정보가 인쇄(마킹)된다.
본 실시의 형태에서는, 광증폭 장치는, 1단째의 증폭(컨트롤러(101)에서 증폭)에서 여기광을 증대하도록 구성된다. 그렇지만, 마커 헤드(102)가 광증폭을 행하는 것은, 반드시 필수가 아니다. 즉 마커 헤드(102)에서 광증폭 파이버(9)가 생략되어도 좋다.
제어부(20)는, 주로, 시드용 LD(2)(시드 광원) 및 여기용 LD(3)(여기 광원)에 의한 광의 발생을 제어한다. 보다 구체적으로는, 제어부(20)는, 상위 장치(300)로부터, 레이저광의 주사를 위해 필요한 지령을 수신한다. 또한, 제어부(20)는, 설정 장치(301)를 통하여, 유저로부터의 설정을 접수한다. 제어부(20)는, 설정 장치(301)로부터의 유저 조작에 따라, 구동 회로(21, 22)를 제어함과 함께, 갈바노 스캐너(14, 15) 등을 제어한다.
제어부(20)는, 제어 지령을 주는 구성이라면, 어떤 하드웨어를 이용하여도 좋다. 예를 들면, 소정의 프로그램을 실행하는 컴퓨터를 이용하여, 제어부(20)를 실장하여도 좋다. 설정 장치(301)로서는, 예를 들면, 퍼스널 컴퓨터를 사용할 수 있다. 퍼스널 컴퓨터는, 입력부로서, 마우스, 키보드, 터치 패널 등을 구비할 수 있다.
시드용 LD(2), 여기용 LD(3, 7), 아이솔레이터(4, 6, 11) 등의 광학 소자의 특성은, 온도에 의존하여 변화할 수 있다. 그 때문에, 이들 광학 소자의 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도 컨트롤러를 레이저 가공 장치(100)에 마련하는 것이 보다 바람직하다.
본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)는, 평균 파워, 레이저 펄스의 반복 주파수 및, 레이저 펄스의 펄스폭을, 서로 독립적으로 제어 가능하다. 유저는, 평균 파워, 레이저 펄스의 반복 주파수 및 레이저 펄스의 펄스폭을, 서로 독립적으로 설정할 수 있다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 본 실시의 형태에서는, 광증폭 장치는, 다단 증폭 구성을 갖기 때문에, 각 증폭단(增幅段)에서 여기광을 증대시킴에 의해, 비선형 현상이 일어나지 않는 범위에서 레이저광의 평균 파워를 높게할 수 있다.
본 실시의 형태에 관한 광증폭 장치(레이저 가공 장치(100))는, 2개의 모드를 갖는다. 환언하면, 제어부(20)는 2개의 제어 모드를 갖는다. 제1의 모드는, 펄스폭, 반복 주파수 등의 파라미터 조정에 대해 여기광의 파워가 일정한 모드이다. 제2의 모드는, 펄스폭을 크게 한 경우에, 여기광의 파워를 증대시키는 모드이다. 또한, 제2의 모드는, 본 발명 및 그 실시의 형태에서의 「모드」에 대응하고, 제1의 모드는, 본 발명 및 그 실시의 형태에 있어서 「타(他)모드」에 대응한다.
<B. 제1의 모드>
제1의 모드에서는, 레이저 펄스의 반복 주파수의 설정, 및, 레이저 펄스의 펄스폭을 넓은 범위에서 설정할 수 있다.
도 2는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)에 의해 발하여지는, 최소 펄스폭을 갖는 레이저 펄스를 설명하기 위한 파형도이다. 도 2를 참조하면, f는, 레이저 펄스의 반복 주파수를 나타낸다. w는, 레이저 펄스의 펄스폭을 나타낸다. 평균 파워는, 단위 시간(예를 들면 1초)에 광증폭 장치로부터 출력된 레이저 펄스의 에너지의 총합이라고 정의할 수 있다.
Pp는, 레이저 펄스의 피크 파워를 나타낸다. 피크 파워(Pp)는, 임계치 파워(Pth)를 초과하지 않도록 제어된다. 임계치 파워(Pth)는, 예를 들면 광증폭 파이버의 파손이 생기지 않는 상한의 파워가 되도록 미리 정하여진다.
도 3은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)에 의해 발하여지는, 최소 펄스폭보다도 큰 펄스폭을 갖는 레이저 펄스를 설명하기 위한 파형도이다. 도 3을 참조하면, 이 실시의 형태에서는, 펄스폭(w)을 크게 하는 경우에는, 하나의 펄스의 폭을 크게 하는 것이 아니라, 복수의 펄스를 포함하는 펄스열(列)이 출력된다. 하나의 펄스의 폭은, 최소 펄스폭과 같다. 따라서 펄스폭(w)은, 펄스의 수에 비례한다.
제1의 모드에서, 펄스폭(w)의 최소치는, 예를 들면 15㎱이고, 펄스폭(w)은 15㎱∼300㎱의 사이에서 가변(可變)이다. 또한, 반복 주파수(f)는, 예를 들면 10㎑∼1000㎑의 범위 내에서 가변이다.
도 4는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)가 제1의 모드에서 펄스폭을 증가시킨 때의 피크 파워(Pp)의 변화를 설명하기 위한 파형도이다. 도 4를 참조하면, 레이저 펄스의 에너지가 일정한 채로 펄스폭(w)을 크게 하는 경우에는, 피크 파워(Pp)가 저하된다.
예를 들면 금속 가공(예를 들면 금속의 심굴(深堀) 또는 흑색 인쇄)에서는, 레이저 펄스의 에너지를 보다 높게 할 필요가 있다. 파이버 레이저 발진기를 갖는 레이저 가공 장치에서는, 평균 파워를 크게 함과(한 예로는 50W) 함께, 반복 주파수를 내리지 않으면 안된다. 반복 주파수를 내림에 의해, 레이저 펄스가 광증폭 파이버로부터 출력되는 시간 간격이 길어진다. 광증폭 파이버에 여기광의 파워가 축적되는 시간이 길어지기 때문에, 피크 파워(Pp)는, 반복 주파수(f)를 저하시킴에 의해 증대한다.
파이버 레이저 발진기를 갖는 레이저 가공 장치에서는, 반복 주파수, 피크 파워, 펄스폭 등을 서로 독립적으로 변경할 수 있기 때문에, 높은 평균 파워를 필요로 한 가공에 필요한 레이저 펄스를 발생시키기 위한 조건을 설정하는 것은 용이하지가 않다. 그래서 본 실시의 형태에서는, 레이저 가공 장치(100)는 제2의 모드를 갖는다. 제2의 모드는, 제1의 모드보다도, 높은 평균 에너지로 레이저 펄스를 출력하는 것을 가능하게 하는 모드이다.
<C. 제2의 모드>
제2의 모드에서는, 제1의 모드에 비하여 평균 파워를 높게할 수 있도록, 반복 주파수의 설정 범위, 및 펄스폭의 설정 범위가 정하여진다.
도 5는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)가 제2의 모드에서 펄스폭을 증가시킨 때의 피크 파워(Pp)의 변화를 설명하기 위한 파형도이다. 도 5를 참조하면, 실선에 의해 도시된 파형은, 제2의 모드에서 레이저 가공 장치(100)로부터 출력되는 레이저 펄스의 파워를 나타낸다. 점선에 의해 도시된 파형은 제1의 모드에서 레이저 가공 장치(100)로부터 출력되는 레이저 펄스의 파워를 나타낸다. 제2의 모드에서는, 레이저 펄스의 펄스폭(w)을, 최소의 펄스폭보다도 크게 하고, 또한, 임계치 파워(Pth) 내에서 피크 파워(Pp)를 증대시킨다. 이에 의해 평균 파워를 높일 수 있기 때문에, 예를 들면 금속의 심굴(深堀) 또는 흑색 인쇄라는 가공을 행할 수가 있다.
제2의 모드에서는, 반복 주파수(f)의 설정 범위는, 제1의 모드에서의 반복 주파수의 설정 범위보다도 좁고, 펄스폭(w)의 설정 범위도, 제1의 모드에서의 반복 주파수의 설정 범위보다도 좁다. 구체적으로는, 제2의 모드에서는, 반복 주파수(f)의 설정 범위의 상한치는, 제1의 모드에서의 반복 주파수의 설정 범위의 상한치보다도 작다. 즉 제2의 모드에서는, 반복 주파수는, 낮은 주파수 영역 내에서 설정 가능하다. 이에 의해, 피크 파워를 증대시킬 수 있다. 또한, 제2의 모드에서는, 펄스폭(w)의 하한치는, 펄스폭의 최소치보다도 크다. 이에 의해, 피크 파워(Pp)가 임계치 파워(Pth)를 상회할 가능성을 저감할 수 있다.
또한, 펄스폭(w)의 최대치는, 제1의 모드에서의 펄스폭의 최대치보다도 크다. 이에 의해, 금속의 심굴, 또는 흑색 인쇄라는 가공에 적합한 높은 파워의 레이저 펄스를 출력할 수 있다.
도 6은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)를 제1의 모드 및 제2의 모드로 동작시킨 경우에 있어서의 레이저 펄스의 파형의 예를 도시한 파형도이다. 도 6을 참조하면, 2개의 그래프의 사이에서는, 파워를 나타내는 종축의 스케일, 시간을 나타내는 횡축의 스케일은 같다. 제2의 모드에서는, 제1의 모드보다도 피크 에너지를 높게 할 수 있다. 도 6에 도시된 예에서는, 제2의 모드에서, 펄스열의 최초의 펄스의 피크 파워가 특히 높다. 이와 같은 펄스파형은, 금속의 심굴(深堀)에의 기여를 높게할 수 있다.
도 7은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)를, 제1의 모드 및 제2의 모드의 각각에서 동작시키기 위한 설정 패턴의 예를 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 예를 들면 제1의 모드에서는, 사용자는, 레이저 가공 장치(100)가 기억하는 15개의 설정 패턴 중에서, 가공의 조건에 적합한 패턴을 선택할 수 있다. 한편, 제2의 모드에서는, 유저는, 레이저 가공 장치(100)가 기억하는 3개의 설정 패턴 중에서, 가공의 조건에 적합한 패턴을 선택할 수 있다. 제2의 모드에서의 설정 패턴에서는, 설정 가능한 펄스의 수, 환언하면 펄스폭의 설정 범위가 제1의 모드에서의 설정 패턴에 비하여 제한된다.
제2의 모드에서의 펄스폭의 최대치는, 제1의 모드에서의 펄스폭의 최대치보다도 크다. 즉 제2의 모드에서 설정 가능한 펄스 수의 최대치는 30임에 대해, 제1의 모드에서 설정 가능한 펄스 수의 최대치는 20이다.
<D. 모드의 설정>
도 8은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)의 설정 처리를 설명하기 위한 플로 차트이다. 이 플로 차트에 도시되는 처리는, 주로 제어부(20)에 의해 실행된다. 도 8을 참조하면, 스텝 S1에서, 제어부(20)는, 레이저 가공 장치(100)의 리프트 처리가 실행되었는지의 여부를 판단한다. 리프트 처리가 실행되지 않은 경우(스텝 S1에서 NO), 모드는 현재의 모드(제1의 모드 또는 제2의 모드)에 유지된다(스텝 S2). 한편, 리프트 처리가 실행된 경우(스텝 S1에서 YES), 제어부(20)는, 모드를 전환한다(스텝 S3).
스텝 S2 또는 스텝 S3에 이어서, 스텝 S4에서, 제어부(20)는, 현재의 모드에 응한 설정 패턴(도 7을 참조)을 준비한다. 예를 들면 제어부(20)는, 그 내부에 기억된 설정 패턴을 판독한다.
스텝 S5에서, 제어부(20)는, 복수의 설정 패턴 중에서, 제1의 모드 및 제2의 모드의 각각을 설정하기 위한 패턴을 유저에게 선택시키는 처리를 실행한다. 예를 들면, 설정 장치(301)는, 제어부(20)로부터의 지시에 의해, 유저가 펄스폭 등을 입력하기 위한 입력 화면을 준비한다. 유저는, 그 입력 화면을 통하여, 펄스폭(펄스 수)을 선택할 수 있다. 설정 장치(301)에 입력된 파라미터는 설정 장치(301)로부터 제어부(20)로 보내진다. 입력 화면의 예는 후에 상세히 설명된다.
스텝 S6에서, 제어부(20)는, 설정 장치(301)를 통하여, 유저로부터의 입력(설정 파라미터)을 접수한다. 설정 파라미터는, 예를 들면 반복 주파수, 평균 파워 등이다. 도시의 편의상, 도 8에서는 유저에 의한 설정을 제어부(20)가 접수하는 처리를, 스텝 S5와 스텝 S6으로 나누어 기재되어 있지만, 유저에 의한 설정을 제어부(20)가 접수하는 처리는 하나의 스텝에서 실행되어도 좋다. 또한, 복수의 설정 패턴은, 펄스폭의 패턴으로 한정되지 않고, 반복 주파수의 설정 패턴이라도 좋고, 펄스폭과 반복 주파수를 조합시킨 설정 패턴이라도 좋다.
스텝 S7에서, 제어부(20)는, 유저의 설정이 완료되었는지의 여부를 판단한다. 예를 들면 유저가 설정 장치(301)에서 설정 완료를 지시한 경우, 그 지시가 설정 장치(301)로부터 제어부(20)로 보내진다. 이에 의해, 제어부(20)는, 유저의 설정이 완료되었다고 판단한다. 이 경우(스텝 S7에서 YES), 제어부(20)는, 유저가 설정한 파라미터를 기억한다. 기억된 파라미터는, 레이저 가공 장치(100)의 동작시에 사용된다. 한편, 유저의 설정이 아직 완료되지 않았다고 제어부(20)가 판단한 경우(스텝 S7에서 NO), 처리는 스텝 S5로 되돌아와, 유저의 설정 처리가 계속된다.
<E. 유저 인터페이스>
유저 인터페이스에 관한 이하의 설명에서, 제1의 모드 및 제2의 모드를, 각각 「스탠더드 모드」 및「EE 모드」라고 칭한다. 이들의 명칭은, 본 실시의 형태를 한정하는 것을 의도로서 사용되는 것이 아님에 유의하여야 한다.
도 9는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치의 모드를 설정하기 위한 유저 인터페이스 화면의 한 예를 도시하는 모식도이다. 도 9를 참조하면, 레이저 가공 장치(100)의 모드를 설정하는 경우, 유저는, 메뉴 일람 중에서 「환경 설정」 메뉴(부호 210)를 선택한다. 이에 의해, 「EE 모드 설정(옵션)」가 선택 가능해지기 때문에, 유저는, 예를 들면 마우스의 클릭 동작에 의해「EE 모드 설정(옵션)」를 선택한다. 이에 의해, 스탠더드 모드 및 EE 모드 중에서 모드를 선택하기 위한 다이얼로그가 표시된다.
도 10은, 모드 선택을 위한 다이얼로그의 한 예를 도시한 모식도이다. 도 10을 참조하면, 유저는, 다이얼로그(211)를 통하여, EE 모드 또는 스탠더드 모드를 선택하고, OK 버튼(212)을 누른다. 이에 의해, 레이저 가공 장치(100)가 리프트 되고, 모드가 전환된다. 즉, 도 8에 도시된 스텝 S1 및 스텝 S3의 처리가 실행된다.
도 11은, 스탠더드 모드(제1의 모드)를 위한 설정 화면의 한 예를 도시하는 모식도이다. 도 11을 참조하면, 「기본 설정」(부호 221) 및 「상세 설정」(부호 222)은, 파라미터를 설정하기 위한 난이다. 레이저 펄스의 파워, 반복 주파수(도 11에서 「주파수」로 표시), 펄스 형상(펄스폭에 대응), 및 가공 속도가 기본적인 설정 파라미터이다. 스탠더드 모드에서, 반복 주파수는, 예를 들면 10.0㎑∼1000.0㎑의 범위 내에서 설정 가능하다. 펄스 형상은, 패턴(1)∼패턴(15) 중에서 선택 가능하다.
도 12는, EE 모드(제2의 모드)를 위한 설정 화면의 한 예를 도시하는 모식도이다. 도 12를 참조하면, EE 모드에서는, 반복 주파수는, 10.0㎑∼100.0㎑의 범위 내에서 설정 가능하다. 펄스 형상은, 패턴(1)∼패턴(3) 중에서 선택 가능하다.
스탠더드 모드 및 EE 모드의 각각에서, 패턴과 펄스 수는 도 7에 도시되는 바와 같이 관련시켜지고, 제어부(20)의 내부에 기억된다. 유저가, 도 11 또는 도 12에 도시된 설정 화면에서 파라미터를 입력함에 의해, 도 7에 도시된 스텝 S5, S6의 처리가 실행된다.
<F. 레이저 특성>
도 13∼도 16에, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)를 동작시킨 때의 레이저 특성의 한 예를 도시한다. 도 13은, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)를 제1의 모드 및 제2의 모드로 동작시킨 때의 출력의 평균 파워를 도시한 그래프이다. 도 14는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)를 제1의 모드 및 제2의 모드로 동작시킨 때의 펄스 에너지를 도시한 그래프이다. 도 15는, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)를 제1의 모드 및 제2의 모드로 동작시킨 때의 피크 파워를 도시한 그래프이다.
도 13∼도 15에서, 그래프의 종축은, 제2의 모드에서의 특성치를 1로 규격화한 경우의 수치를 나타낸다. 또한, 도 13 및 도 14에서는, 제1의 모드 및 제2의 모드 모두, 펄스 수(도 7을 참조)가 20일 때의 레이저 특성이 나타난다. 도 15에서는, 제1의 모드 및 제2의 모드 모두, 펄스 수(도 7을 참조)가 20일 때의 피크 파워에 더하여, 제2의 모드에서 펄스 수(도 7을 참조)가 10일 때의 피크 파워가 도시된다.
도 13∼도 15에 도시되는 바와 같이, 100㎑ 이하의 반복 주파수에서, 레이저 가공 장치(100)의 평균 출력, 펄스 에너지, 및 피크 파워는, 모두 제2의 모드에서 제1의 모드보다도 높다. 또한, 제2의 모드에서, 펄스 수가 20일 때의 피크 파워에 비하여, 펄스 수가 10일 때의 피크 파워가 높다. 즉 펄스폭이 작을수록, 피크 파워는 높다.
이상과 같이, 본 실시의 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)는, 증폭광의 펄스폭의 설정치(펄스의 수)가 커질수록, 펄스폭의 최소 설정치에서의 임계치 이내에서 증폭광의 피크 에너지가 증대하도록, 여기광의 파워를 제어하는 모드(제2의 모드)를 갖는다. 이에 의해, 파이버 레이저 발진기로부터 보다 높은 평균 파워의 레이저 펄스를 출력 가능하게 할 수 있다.
도 16은, 제2의 모드에 의한 금속의 심굴(深堀)의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 금속의 재질은 알루미늄이다. 도 16에 도시되는 바와 같이, 제1의 모드에 비하여 제2의 모드에서는, 가공 회수에 대한 금속 표면부터의 가공 깊이가 보다 커진다. 따라서 가공비(제2의 모드에 의한 가공 깊이/제1의 모드에 의한 가공 깊이)는, 1보다도 크고, 또한, 가공 회수가 증가함에 따라 증대한다. 도 16은, 제2의 모드에서, 금속의 심굴이 실현 가능한 것을 나타낸다.
<G. 변형례>
상기에 개시된 실시의 형태에서는, 제1의 모드와 제2의 모드 사이의 2개의 모드에서의 전환이 설명된다. 다른 실시의 형태에서, 제1의 모드로부터 제2의 모드가 설정된 경우, 제어부(20)는, 증폭광의 반복 주파수(f)의 상한을 단계적 또는 연속적으로 변화시키는 유저 인터페이스로부터의 입력(유저 입력)에 응하여, 펄스폭을, 제1의 모드에서의 펄스폭보다도 증가시킴과 함께, 여기광의 파워를, 제1의 모드에서의 여기광의 파워보다도 증가시켜도 좋다. 제어부(20)는, 펄스폭 및 여기광의 파워를, 단계적으로 증가시켜도 좋고, 연속적으로 증가시켜도 좋다.
또한, 다른 실시의 형태에서, 제1의 모드로부터 제2의 모드가 설정된 경우, 제어부(20)는, 펄스폭을 단계적 또는 연속적으로 변화시키는 유저 인터페이스로부터의 입력에 응하여, 여기광의 파워를, 제1의 모드에서의 여기광의 파워보다도 단계적 또는 연속적으로 증가시킴과 함께, 반복 주파수의 상한을, 제1의 모드에서의 반복 주파수의 상한보다도 단계적 또는 연속적으로 저하시켜도 좋다.
또한 다른 실시의 형태에서, 제1의 모드로부터 제2의 모드가 설정된 경우, 제어부(20)는, 증폭광의 파워를 단계적 또는 연속적으로 변화시키기 위한 유저 인터페이스로부터의 입력에 응하여, 펄스폭을, 제1의 모드에서의 펄스폭보다도 단계적 또는 연속적으로 증가시킴과 함께, 반복 주파수의 상한을, 타모드에서의 반복 주파수의 상한보다도 단계적 또는 연속적으로 저하시켜도 좋다.
본 발명의 실시의 형태에 관해 설명하였지만, 금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1, 9: 광증폭 파이버 2: 시드용 레이저 다이오드(LD)
3, 7: 여기용 레이저 다이오드 4, 6: 아이솔레이터
5, 8: 콤바이너 10: 광 커플러
11: 아이솔레이터 12: 빔 엑스펜더
13: Z축 주사 렌즈 14, 15: 갈바노 스캐너

Claims (12)

  1. 펄스형상의 시드광을 발생하는 시드 광원과,
    여기광을 발생하는 여기 광원과,
    상기 시드광을 상기 여기광에 의해 증폭하고, 증폭광을 출력하는 광증폭 파이버와,
    상기 시드 광원 및 상기 여기 광원을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 증폭광의 펄스폭이 커질수록, 상기 증폭광의 피크 에너지가 증대되고, 또한, 상기 증폭광의 상기 피크 에너지가 상기 증폭광의 상기 펄스 폭의 최소 설정치에서의 상기 증폭광의 상기 피크 에너지에 의거하여 미리 정해진 상기 피크 에너지의 임계치 이내로 되도록 상기 여기광의 파워를 제어하는 제1의 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 모드에 있어서, 상기 제어부는, 상기 증폭광의 반복 주파수의 상한을 상기 제1의 모드와는 다른 제2의 모드에서의 상기 반복 주파수의 상한보다도 저하시킴과 함께, 상기 증폭광의 상기 펄스폭을 상기 최소 설정치보다도 크게 하고,
    상기 제1의 모드에 있어서, 상기 제어부는, 상기 여기 광원이 발생하는 상기 여기광의 파워를, 상기 제2의 모드에서의 상기 여기광의 파워보다도 증가시키는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1의 모드에서의 상기 증폭광의 평균 파워를 상기 제2의 모드에서의 상기 증폭광의 상기 평균 파워보다도 높게 하는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1의 모드에서의 상기 증폭광의 상기 펄스폭의 최대치는, 상기 제2의 모드에서의 상기 증폭광의 상기 펄스폭의 최대치보다도 큰 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 증폭광의 상기 펄스폭을 크게 하는 경우에는, 상기 시드광이 복수의 광펄스를 포함하는 펄스열로서 상기 시드 광원으로부터 출사되도록, 상기 시드 광원을 제어하는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 펄스열을 구성하는 상기 광펄스의 수를 설정하기 위한 복수의 설정 패턴 중에서, 상기 제1의 모드에 적합한 패턴 및 상기 제2의 모드에 적합한 패턴을 유저에게 선택시키는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 반복 주파수를 설정하기 위한 복수의 설정 패턴 중에서, 상기 제1의 모드에 적합한 패턴 및 상기 제2의 모드에 적합한 패턴을 유저에게 선택시키는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 리프트 처리에 의해 상기 제1의 모드와 상기 제2의 모드를 서로 전환하는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 모드와는 다른 제2의 모드로부터 상기 제1의 모드로 전환하는 경우에 있어서, 상기 제어부는, 상기 증폭광의 반복 주파수의 상한을 저하시키기 위한 유저로부터의 입력에 응하여, 상기 펄스폭을, 상기 제2의 모드에서의 펄스폭보다도 증가시킴과 함께, 상기 여기광의 파워를, 상기 제2의 모드에서의 상기 여기광의 파워보다도 증가시키는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 모드와는 다른 제2의 모드로부터 상기 제1의 모드로 전환하는 경우에 있어서, 상기 제어부는, 상기 펄스폭을 증가시키기 위한 유저로부터의 입력에 응하여, 상기 여기광의 파워를 상기 제2의 모드에서의 상기 여기광의 파워보다도 증가시킴과 함께, 반복 주파수의 상한을, 상기 제2의 모드에서의 상기 반복 주파수의 상한보다도 저하시키는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 모드와는 다른 제2의 모드로부터 상기 제1의 모드로 전환하는 경우에 있어서, 상기 제어부는, 상기 여기광의 파워를 증가시키기 위한 유저로부터의 입력에 응하여, 상기 펄스폭을, 상기 제2의 모드에서의 펄스폭보다도 증가시킴과 함께, 반복 주파수의 상한을, 상기 제2의 모드에서의 상기 반복 주파수의 상한보다도 저하시키는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 광증폭 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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