WO2014061662A1 - レーザ装置 - Google Patents

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WO2014061662A1
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laser
optical fiber
correction coefficient
excitation light
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泰三 宮戸
田中　完二
康嗣 梶原
藤崎　晃
清一 林
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古河電気工業株式会社
株式会社小松製作所
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    • H01S3/10069—Memorized or pre-programmed characteristics, e.g. look-up table [LUT]

Definitions

  • the present invention relates to a laser device.
  • Patent Documents 1 to 4 Conventionally, a laser apparatus for laser processing using a carbon dioxide laser or an optical fiber laser has been disclosed (see Patent Documents 1 to 4).
  • the intensity of the output laser light is stable.
  • the intensity of the laser beam is monitored, and control is performed to keep the intensity of the laser beam constant based on the monitoring result.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a laser device that can output laser light having a stable intensity.
  • a laser apparatus includes an amplification optical fiber, a plurality of excitation light sources that output excitation light for optically exciting the amplification optical fiber, and the excitation light source.
  • An optical fiber laser unit having a control unit that controls the initial value corresponding to the instruction value when an instruction value for supplying a predetermined drive current to each pumping light source is input. Control is performed to supply a correction current value obtained by multiplying the current value by a correction coefficient to each pumping light source as a drive current, and the correction coefficient may decrease with time in intensity of the laser light output from the optical fiber laser unit. It is set to be suppressed.
  • the laser apparatus according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the correction coefficient is a function of an accumulated driving time of each pumping light source.
  • the laser apparatus is characterized in that, in the above invention, the correction coefficient is a function set so as to compensate for a decrease in the sum of pumping light intensities depending on a random failure rate of the plurality of pumping light sources. To do.
  • the laser apparatus according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the correction coefficient includes a polynomial function of the cumulative driving time.
  • the correction coefficient is set so as to compensate for a decrease in the intensity of the laser beam output from the optical fiber laser unit due to photodarkening of the amplification optical fiber. It is a function.
  • the correction coefficient includes a polynomial function or an exponential function of the cumulative driving time.
  • the correction coefficient is caused by a decrease in the sum of pumping light intensities depending on a random failure rate of the plurality of pumping light sources and photodarkening of the amplification optical fiber. It is a function set so as to compensate for a decrease in the intensity of the laser beam output from the optical fiber laser unit.
  • control unit stores a cumulative drive time of each of the excitation light sources, and a calculation unit that reads the stored cumulative drive time and calculates the correction coefficient It is characterized by having.
  • the laser apparatus is characterized in that, in the above-mentioned invention, the correction coefficient is a function of a time average value of a sum of excitation light intensities of the plurality of excitation light sources.
  • control unit stores a cumulative value of the correction current value supplied to each of the excitation light sources, and reads the stored cumulative value to read the excitation light.
  • an arithmetic unit that calculates a time average value of the sum of the intensities.
  • the laser apparatus according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the control unit calibrates the correction coefficient by multiplying the correction coefficient by a calibration coefficient.
  • the control unit when the correction coefficient exceeds an upper limit value, stops at least one of supply of drive current to each excitation light source and generation of an alarm. It is characterized by performing.
  • the present invention since the decrease in the intensity of the laser beam with time is suppressed, an effect that the laser beam having a stable intensity can be output is produced.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the optical fiber laser section shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the cumulative drive time dependence of the failure rate of the semiconductor pump laser.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the attenuation characteristic with time of the output light intensity of the optical fiber laser section by the photodarkening of the amplification optical fiber.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the laser device 100 includes four optical fiber laser units 10a, 10b, 10c, and 10d, seven delivery optical fibers 20, an optical multiplexer 30, an output optical fiber 40, and an optical connector 50.
  • the four optical fiber laser units 10a, 10b, 10c, and 10d are operated by receiving instruction signals Sa, Sb, Sc, and Sd from the outside, and each output a single mode laser beam L1.
  • the instruction signals Sa, Sb, Sc, and Sd will be described later.
  • the seven delivery optical fibers 20 are single mode optical fibers and are connected to the input port of the optical multiplexer 30. Of the seven delivery optical fibers 20, four delivery optical fibers 20 connected to the optical fiber laser units 10a, 10b, 10c, and 10d propagate the laser light L1 to the optical multiplexer 30 in a single mode.
  • the optical multiplexer 30 is composed of, for example, a TFB (Tapered Fiber Bundle) in which seven input ports to which light to be multiplexed is input are input.
  • the optical multiplexer 30 multiplexes the laser light L 1 propagated by the four delivery optical fibers 20 and outputs it to the output optical fiber 40.
  • the output optical fiber 40 is a multimode optical fiber, and propagates the laser light L1 combined by the optical multiplexer 30 in multimode.
  • the optical connector 50 outputs the laser light L1 that has been combined and propagated through the output optical fiber 40 as output light L2.
  • the light emitting end face of the optical connector 50 is perpendicular to the optical axis of the output optical fiber 40 and is AR-coated so that the reflectivity is about 0.5% or less, for example.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the optical fiber laser unit 10a shown in FIG.
  • the other optical fiber laser units 10b, 10c, and 10d can have the same configuration as the optical fiber laser unit 10a.
  • the optical fiber laser section 10a includes an optical multiplexer 11a, a plurality of semiconductor pump lasers 12a as pump light sources, an FBG (Fiber Bragg Grating) 13a, an optical fiber for amplification 14a, and an FBG 13b.
  • the symbol “x” indicates a fusion splicing part between optical fibers.
  • the output side of the amplification optical fiber 14b constitutes a part of the delivery optical fiber 20.
  • the optical fiber laser unit 10a has a MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) structure.
  • MOPA Master Oscillator Power Amplifier
  • the optical multiplexer 11a is composed of, for example, TFB.
  • the optical multiplexer 11a combines the pumping lights output from the plurality of semiconductor pumping lasers 12a and outputs them to the amplification optical fiber 14a.
  • the wavelength of the excitation light is, for example, 915 nm, but is not particularly limited as long as it is a wavelength that can optically excite the amplification optical fiber 14a.
  • ytterbium (Yb) ions which are amplification substances, are added to a core portion made of silica glass, and an outer clad layer made of silica glass and an outer clad layer made of resin or the like on the outer periphery of the core portion.
  • YDF double clad type ytterbium-doped optical fibers
  • the FBG 13a has a central wavelength of, for example, 1084 nm, and has a reflectance of about 100% in the wavelength band having a width of about 2 nm around the central wavelength and the periphery of the central wavelength.
  • the FBG 13b has a center wavelength that is substantially the same as that of the FBG 13a, for example, 1084 nm, a reflectivity at the center wavelength of about 10% to 30%, a full width at half maximum of the reflection wavelength band of about 1 nm, and a wavelength of 915 nm. Is almost transparent.
  • the FBGs 13a and 13b constitute an optical fiber resonator with respect to light having a wavelength of 1084 nm with the amplification optical fiber 14a interposed therebetween.
  • the center wavelengths of the FBGs 13a and 13b are not limited to 1084 nm, and may be within the range of the emission wavelength of the amplification optical fiber 14a.
  • the optical multiplexer 11b is also composed of, for example, TFB, and combines the excitation light having a wavelength of, for example, 915 nm output from the plurality of semiconductor excitation lasers 12b, and outputs it to the amplification optical fiber 14b.
  • the amplification optical fiber 14b is also a double clad YDF having the same configuration as the amplification optical fiber 14a.
  • the photodetector 15 is, for example, a photodiode, and is disposed in the vicinity of the fusion splicing portion on the output side of the optical fiber laser portion 10a.
  • the photodetector 15 is used for monitoring the intensity of the laser beam L1 output from the optical fiber laser unit 10a.
  • the control unit 16 includes a calculation unit 16a, a storage unit 16b, a storage unit 16c, and a storage unit 16d.
  • the calculation unit 16a performs various types of calculation processing for controlling the optical fiber laser unit 10a, and includes, for example, a CPU (Central Processing Unit).
  • the storage unit 16b stores various programs, data, and the like that are used by the calculation unit 16a to perform calculation processing, and includes, for example, a ROM (Read Only Memory).
  • the storage unit 16b is used as a work space or the like when the calculation unit 16a performs calculation processing, and includes, for example, a RAM (Random Access Memory).
  • the storage unit 16c is for storing the result of the arithmetic processing of the arithmetic unit 16a, and is configured by, for example, an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) or Ferroelectric RAM which is a nonvolatile memory.
  • EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
  • Ferroelectric RAM which is a nonvolatile memory.
  • an instruction signal Sa (for example, a voltage signal) is input to the control unit 16 from the outside.
  • the control unit 16 supplies the drive current Ia to each of the plurality of semiconductor excitation lasers 12a and 12b based on the instruction signal Sa.
  • the semiconductor excitation laser 12a outputs excitation light having a light intensity corresponding to the current value.
  • the optical multiplexer 11a combines the pumping lights output from the respective semiconductor pumping lasers 12a and outputs them to the amplification optical fiber 14a.
  • the Yb ions in the core part are optically excited by the excitation light, and light in a band including a wavelength of 1084 nm is emitted.
  • Light emitted at a wavelength of 1084 nm is oscillated by the optical amplification effect of the amplification optical fiber 14a and the action of the optical resonator constituted by the FBGs 13a and 13b.
  • the semiconductor excitation laser 12b also outputs excitation light having a light intensity corresponding to the current value when the drive current Ia is supplied.
  • the amplification optical fiber 14b receives the oscillated laser light and the pumping light from the semiconductor pumping laser 12b by the optical multiplexer 11b and amplifies the laser light.
  • the amplified laser light is output from the optical fiber laser unit 10a as laser light L1.
  • the intensity of the laser beam L1 is 500 W, for example.
  • the total number of semiconductor pumping lasers 12a and 12b used is the intensity of the desired laser beam L1, the pumping light intensity per semiconductor pumping laser, and the pumping light from the optical fiber laser unit 10a to the laser beam L1. Is set by the power conversion efficiency.
  • the optical fiber through which the laser beam having a wavelength of 1084 nm passes is configured to propagate this laser beam in a single mode.
  • the other optical fiber laser units 10b, 10c, and 10d also output the laser beam L1 by the same action as the optical fiber laser unit 10a when the instruction signals Sb, Sc, and Sd are respectively input from the outside.
  • the delivery optical fiber 20 propagates the laser light L1 output from each of the optical fiber laser units 10a, 10b, 10c, and 10d.
  • the optical multiplexer 30 combines the laser light L1 and outputs it to the output optical fiber 40.
  • the output optical fiber 40 propagates the laser light L1 combined by the optical multiplexer 30 in multimode.
  • the optical connector 50 outputs the laser light L1 propagated through the output optical fiber 40 as output light L2.
  • the power of the output light L2 is 2000 W, for example.
  • the output light L2 is guided to and irradiated on the processing target, and is used to perform laser processing such as cutting on the processing target.
  • the intensity of the laser beam L1 output from the optical fiber laser unit 10a is monitored by the photodetector 15 receiving the leaked light of the laser beam L1 from the nearby fusion splicing unit.
  • the optical fiber laser units 10a, 10b, 10c, and 10d are stopped when the input of the external instruction signals Sa, Sb, Sc, and Sd is stopped. Further, if the instruction signals Sa, Sb, Sc, and Sd are CW (Continuous Wave) signals, the optical fiber laser units 10a, 10b, 10c, and 10d can be driven in CW, and the instruction signals Sa, Sb, Sc, and Sd. Is a modulation signal such as a pulse, the optical fiber laser units 10a, 10b, 10c, and 10d can be modulated and driven.
  • CW Continuous Wave
  • an instruction value (for example, a voltage value) included in the instruction signal Sa from the outside and a current of the drive current Ia to be supplied to each of the semiconductor excitation lasers 12a and 12b when the instruction value is input.
  • a data table in which values are associated is stored. This current value is such that when the drive current of the current value is supplied to each of the semiconductor pump lasers 12a and 12b, the intensity of the laser light L1 output from the optical fiber laser unit 10a becomes a predetermined value corresponding to the indicated value. It is set to be.
  • the data table one data table is prepared for all the semiconductor excitation lasers 12a and 12b, but a data table may be prepared for each semiconductor excitation laser 12a and 12b.
  • the indicated value and current value (referred to as initial current value) in the data table stored in the storage unit 16b are values set before use of the laser device 100 (for example, before shipment of the laser device 100).
  • initial current value when an accidental failure or the like occurs in a certain semiconductor excitation laser among the semiconductor excitation lasers 12a and 12b, no excitation light is output from the failed semiconductor excitation laser.
  • the drive current Ia having the initial current value according to the data table stored in the storage unit 16b is supplied to each of the semiconductor excitation lasers 12a and 12b when the predetermined instruction signal Sa is input, the optical fiber The intensity of the laser beam L1 output from the laser unit 10a is lower than the set predetermined value. This is because the sum of the excitation light intensities decreases. As a result, the intensity of the output light L2 to be used for laser processing becomes lower than the set desired intensity. Such a decrease in the intensity of the output light L2 generally increases with time.
  • the drive current Ia having a correction current value obtained by multiplying the initial current value according to the data table stored in the storage unit 16b by the correction coefficient is obtained.
  • Each semiconductor excitation laser 12a and 12b is supplied.
  • This correction current value is determined by the intensity of the laser light L1 output from the optical fiber laser unit 10a when the current of the correction current value is supplied to the remaining semiconductor pump lasers 12a and 12b that have not failed. It is set to be a predetermined value corresponding to the value. This suppresses a decrease in the intensity of the laser beam L1 with time.
  • a driving current Ia having a correction current value obtained by multiplying the initial current value by a correction coefficient is supplied to each of the semiconductor excitation lasers 12a and 12b. I am doing so.
  • a decrease in the sum of the pump light intensity is suppressed, so that a decrease in the intensity of the laser light L1 is suppressed, and the laser light L1 having a stable intensity. Can be output.
  • the laser device 100 can also output the output light L2 having a stable and constant intensity.
  • the correction coefficient ⁇ is preferably set for each of the optical fiber laser units 10a, 10b, 10c, and 10d, but even if one correction coefficient ⁇ is set for the optical fiber laser units 10a, 10b, 10c, and 10d. good.
  • the correction coefficient ⁇ can be obtained by the calculation unit 16a of the control unit 16 performing calculation processing.
  • the correction coefficient ⁇ will be specifically described.
  • the failure rate due to the accidental failure of the semiconductor pump laser depends on the cumulative drive time, drive current, environmental temperature, etc. of the semiconductor pump laser.
  • the failure rate is a statistical quantity indicating how many chips are accidentally failed per unit time when a large number of semiconductor pump laser chips are operated.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the cumulative drive time dependence of the failure rate of the semiconductor pump laser.
  • FIG. 3 shows a case where the drive current and the environmental temperature are set to constant values.
  • the horizontal axis indicates the cumulative drive time.
  • the cumulative drive time is the cumulative time from the start of use, the time during which the semiconductor pump laser is driven, that is, the time during which the current is supplied and the pump light is output.
  • the failure rate of the semiconductor excitation laser changes with a small value substantially in proportion to the time until a predetermined driving time t1, but then tends to increase rapidly.
  • An example of the driving time t1 is 10,000 hours.
  • ⁇ can be expressed as a function of the cumulative driving time of the semiconductor pump laser, and for example, can be expressed by a polynomial function such as a linear function, a quadratic function, or a cubic function.
  • Equation (2) is a case where ⁇ (t) is represented by a cubic function.
  • ⁇ (t) a ⁇ t 3 + b ⁇ t 2 + c ⁇ t + 1 (2)
  • t is the cumulative driving time.
  • a, b, and c are coefficients that can be set so as to compensate for the decrease in the sum of pumping light intensity in consideration of the cumulative drive time dependence of the failure rate as shown in FIG. It can be set based on the actual value of the failure rate of the same type of semiconductor pump laser as the pump laser.
  • the oscillated laser beam is mechanically transmitted from the optical fiber laser unit to the optical connector that is the output unit of the laser device.
  • the cumulative drive time t of the semiconductor pump laser is the same value as the cumulative H of the time during which the optical fiber laser section oscillates and outputs the laser light L1 (hereinafter referred to as cumulative oscillation time).
  • the accumulated oscillation time H may be used instead of the accumulated drive time t.
  • the correction coefficient ⁇ (t) is a function of the cumulative driving time t. Therefore, in the present embodiment, in the control unit 16, the calculation unit 16a monitors the driving state of the semiconductor excitation lasers 12a and 12b in accordance with the program stored in the storage unit 16b, and starts using the laser device 100 from the start of use.
  • the drive time is accumulated and stored in the storage unit 16c as the accumulated drive time t, and the value is updated.
  • the accumulated drive time t may be temporarily stored in the storage unit 16b. In this case, the accumulated drive time t is written in the storage unit 16c, which is a non-volatile memory, when the use of the laser device 100 is completed (when the power is turned off).
  • the calculation unit 16a reads the accumulated drive time t stored in the storage unit 16c, performs calculation processing according to the program stored in the storage unit 16b, calculates the correction coefficient ⁇ (t), and stores the storage unit 16c.
  • the correction coefficient ⁇ (t) is written in and the value is updated.
  • the correction coefficient ⁇ (t) may also be temporarily stored in the storage unit 16b.
  • the arithmetic unit 16a reads the correction coefficient ⁇ (t) stored in the storage unit 16c when a predetermined instruction signal Sa is input. Then, according to the program stored in the storage unit 16b, the calculation unit 16a performs a calculation process of calculating a correction current value by multiplying the initial current value of the data table stored in the storage unit 16b by a correction coefficient, The correction current value is supplied as drive current Ia to each of the semiconductor pump lasers 12a and 12b.
  • the optical fiber laser unit 10a can stably output the laser light L1 having a desired light intensity.
  • the laser apparatus 100 can stably output the output light L2 having a desired intensity.
  • the driving state of the semiconductor excitation lasers 12a and 12b can be monitored at a predetermined sampling time period (for example, 1 ⁇ s period).
  • the cumulative drive time t may be written to the storage unit 16c at every sampling or at a longer time period (for example, a 200 ms period) including a plurality of sampling time periods.
  • the cumulative drive time t for example, if it is monitored that the semiconductor excitation lasers 12a and 12b are driven even once in a write cycle (for example, 200 ms), the cycle (200 ms) is set to the immediately preceding cycle when writing. It may be added to the value of the cumulative drive time t and written as a new cumulative drive time t.
  • the cumulative drive time t may be stored in the storage unit 16b at a cycle of 200 ms and written to the storage unit 16c, which is a nonvolatile memory, at a longer cycle (for example, a cycle of 2 minutes).
  • correction coefficient ⁇ (t) may be updated sequentially while the laser apparatus 100 is in use, or may be performed, for example, during an initial startup process after the laser apparatus 100 is turned on.
  • the correction coefficient ⁇ (t) increases as the drive time t increases. However, if the correction coefficient ⁇ (t) increases too much, the correction current value Icor may increase, for example, exceeding the rated current of the semiconductor excitation lasers 12a and 12b. In order to prevent this, it is preferable to provide an upper limit value for the correction coefficient ⁇ (t). For example, if the upper limit is 1.4, 1 ⁇ ⁇ (t) ⁇ 1.4 holds. When the correction coefficient ⁇ (t) exceeds the upper limit value, it is preferable to stop supplying the drive current Ia to the semiconductor excitation lasers 12a and 12b. Further, the control unit 16 may include an alarm generation unit, and when the correction coefficient ⁇ (t) exceeds the upper limit value, the alarm generation unit may generate an alarm by voice or display.
  • the cumulative drive time dependence of the failure rate shown in FIG. 3 shows a case where the drive current and the environmental temperature are set to constant values.
  • the value of the drive current supplied to the semiconductor excitation lasers 12a and 12b may be changed to change the intensity of the output light L2 from the laser apparatus 100.
  • the drive current supplied to the semiconductor pump lasers 12a and 12b is changed, the load applied to the semiconductor pump lasers 12a and 12b also changes, so that the curve of the cumulative drive time dependence of the failure rate can also change.
  • a (Isum), b (Isum), and c (Isum) are functions of the accumulated current value Isum
  • ⁇ (t, Isum) is also a function of the accumulated current value Isum.
  • the cumulative current value Isum may be a cumulative value of the sum of the correction current values Icor supplied to each of the semiconductor pump lasers 12a and 12b.
  • the accumulated current value Isum is written to the storage unit 16c as the accumulated value of the corrected current value Icor from the start of use of the laser device 100 when the driving state of the semiconductor pump lasers 12a and 12b is monitored, and the value is updated. May be.
  • the load applied to the semiconductor excitation lasers 12a and 12b can also be expressed by an average value of the sum of the intensities of the excitation lights output from the semiconductor excitation lasers 12a and 12b.
  • the correction coefficient ⁇ (t) is set as follows using the average output intensity W, which is the time average value of the sum of the intensity of the pump light actually output from each of the semiconductor pump lasers 12a and 12b. You may do it.
  • ⁇ (t, W) a (W) ⁇ t 3 + b (W) ⁇ t 2 + c (W) ⁇ t + 1 (4)
  • the average output intensity W is accumulated in the storage unit 16c as the accumulated current value Isum by accumulating the correction current value Icor at the time of monitoring the driving state of the semiconductor excitation lasers 12a and 12b.
  • a value proportional to the average output intensity W can be obtained by the calculation process in which the calculation unit 16a reads the accumulated current value Isum and divides it by the accumulated drive time t. Therefore, the average output intensity W can be obtained by multiplying this value by a predetermined coefficient.
  • strength of the excitation light output from each semiconductor excitation laser 12a, 12b can be monitored with the back facet monitor of the semiconductor excitation lasers 12a, 12b. Therefore, the average output intensity W may be obtained from the intensity of the monitored excitation light.
  • the correction coefficient ⁇ (t) may be set in consideration of the junction temperature of the semiconductor pump lasers 12a and 12b (LD). For example, when the amount of heat generated by the LD is Q (where Q is the value obtained by subtracting the optical output of the LD from the input power to the LD (drive voltage ⁇ drive current)), the ambient temperature of the LD and the junction temperature Assuming that the difference is measured as ⁇ T, the junction temperature of the LD is calculated as an added value of the ambient temperature of the LD and ⁇ T.
  • the ambient temperature is obtained by measuring the temperature of the heat sink on which the LD is mounted, the casing temperature of the LD, the environmental temperature at the location where the LD is installed, or the like.
  • the thermal resistance between the ambient temperature measurement point and the junction is ⁇ T / Q (Q is the amount of heat generated by the LD)
  • this thermal resistance is calculated in advance, and for any Q value ⁇ T may be calculated.
  • An acceleration coefficient corresponding to ⁇ T obtained in this way is calculated in advance, and the acceleration coefficient is multiplied by the entire correction coefficient ⁇ (t) and the coefficients a to c in the expressions (2) to (4).
  • the correction coefficient ⁇ (t) considering the junction temperature can be calculated.
  • the correction coefficient ⁇ (t) is set on the assumption that the time is lower than the time and the degree of the decrease is predicted. However, the actual degree of decline may deviate from the original prediction. In this case, even if ⁇ (t) ⁇ Iini is set as the correction current value Icor, the desired sum of the intensity of the excitation light is not obtained.
  • the calibration is executed by multiplying the initially set ⁇ (t) by a predetermined calibration coefficient ⁇ 0 and using ⁇ 0 ⁇ ⁇ (t) as a new correction coefficient ⁇ 1 (t).
  • the calibration coefficient ⁇ 0 may be determined according to the confirmation result.
  • the laser beam L1 output from the optical fiber laser unit 10a May be lower than a predetermined value.
  • the reason why the intensity of the laser beam L1 becomes lower than the predetermined value thus set is not only the accidental failure of the semiconductor pump lasers 12a and 12b, but also photodarkening of the amplification optical fibers 14a and 14b, which are YDF, for example. There is.
  • Photodarkening is a phenomenon in which the intensity of amplified light output from YDF attenuates over time when optical amplification is performed by YDF. It is also said that photodarkening is caused by the formation of a color center in YDF.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a time-dependent attenuation characteristic of the output light intensity of the optical fiber laser unit 10a due to photodarkening of the amplification optical fibers 14a and 14b.
  • the horizontal axis represents the cumulative drive time of the optical fiber laser unit 10a (cumulative drive time of the semiconductor pump lasers 12a and 12b).
  • the output light intensity gradually attenuates from the initial value P0, and becomes a substantially constant value after the driving time t2.
  • An example of the driving time t2 is 200 hours.
  • t is the cumulative driving time.
  • f and ⁇ 2 are coefficients that can be set so as to compensate for a decrease in the sum of excitation light intensities caused by photodarkening in consideration of attenuation characteristics due to photodarkening as shown in FIG. It can be set using the experimental results of photodarkening of YDF of the same type as YDF.
  • ⁇ may be expressed by the following formula (6) or formula (7) in consideration of both the accidental failure rate and photodarkening.
  • ⁇ (t) ⁇ a ⁇ t 3 + b ⁇ t 2 + c ⁇ t + 1 ⁇ ⁇ ⁇ 2 + (1 ⁇ 2) ⁇ e ( ⁇ f ⁇ t) ⁇ (6)
  • ⁇ (t) g ⁇ t 3 + h ⁇ t 2 + i ⁇ t + 1 (7)
  • g, h, and i are coefficients that can be set so as to compensate for a decrease in the sum of pumping light in consideration of both the driving time dependence of the failure rate and the attenuation characteristics due to photodarkening. .
  • ⁇ (t) takes into account not only the incidental failure rate and the effect of photodarkening described above, but also other causes that cause the intensity of the output laser light L1 to be lower than a predetermined value.
  • the function to be used may be set.
  • a data table in which the instruction value of the instruction signal Sa and the initial current value Iini are associated with each other is stored in the storage unit 16b.
  • the storage unit 16b indicates A program for calculating the initial current value Iini based on the instruction value of the signal Sa is stored, and when the instruction signal Sa is input, the calculation unit 16a reads the calculation program and calculates the initial current value Iini. Also good.
  • the laser device includes four optical fiber laser units, but the number of optical fiber laser units is not particularly limited, and may include one or a plurality of optical fiber laser units.
  • the laser apparatus according to the present invention is useful for a laser apparatus for laser processing.
  • Optical fiber laser unit 11a, 11b, 30 Optical multiplexer 12a, 12b Semiconductor pump laser 13a, 13b FBG 14a, 14b Amplifying optical fiber 15 Photo detector 16 Control unit 16a Arithmetic unit 16b, 16c, 16d Storage unit 20 Delivery optical fiber 40 Output optical fiber 50 Optical connector 100 Laser device L1 Laser light L2 Output light Sa, Sb, Sc, Sd instruction signal

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Abstract

　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レーザ装置。これにより、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。

Description

レーザ装置
　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、Ｓｄ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、Ｓｄ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、１０ｄも光ファイバレーザ部１０ａと同様の構成とすることができる。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１２ｂ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から出力された励起光を合波し、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１６ｂ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１６ｃ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１４ｂ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１２ｂ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１６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累積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１６ｃ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１６ｂ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１６ｃに書き込まれる。
　そして、演算部１６ａは、記憶部１６ｃ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１６ｃ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１６ｂ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１６ｃ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１６ｂ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１６ｃ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１６ｂ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１６ｃ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、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１６ｃ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、累積駆動時間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。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は、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。
　以上のように、本発明に係るレーザ装置は、レーザ加工用のレーザ装置に有用である。
　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 (12)

  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いることを特徴とするレーザ装置。
  2. 　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請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 　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請求項２に記載のレーザ装置。
  4. 　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請求項３に記載のレーザ装置。
  5. 　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請求項２に記載のレーザ装置。
  6. 　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請求項５に記載のレーザ装置。
  7. 　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請求項２に記載のレーザ装置。
  8. 　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２～７のいずれか一つに記載のレーザ装置。
  9. 　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２～８のいずれか一つに記載のレーザ装置。
  10. 　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９に記載のレーザ装置。
  11. 　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１～１０のいずれか一つに記載のレーザ装置。
  12. 　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１～１１のいずれか一つに記載のレーザ装置。
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