WO2016060095A1 - ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びその出力監視方法 - Google Patents

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稔 緒方
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株式会社アマダホールディングス
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    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms

Definitions

  • the present invention relates to a direct diode laser processing apparatus and an output monitoring method thereof.
  • a laser processing apparatus for processing a sheet metal an apparatus using a carbon dioxide gas (CO 2 ) laser oscillator, a YAG laser oscillator, or a fiber laser oscillator as a laser light source is known.
  • CO 2 carbon dioxide gas
  • the fiber laser oscillator has advantages such as better light quality and extremely high oscillation efficiency than the YAG laser oscillator. For this reason, a fiber laser processing apparatus using a fiber laser oscillator is used for industrial purposes, particularly for sheet metal processing (cutting or welding).
  • DDL processing apparatus using a direct diode laser (DDL: Direct Diode Laser) oscillator as a laser light source
  • the DDL processing apparatus superimposes multiple-wavelength laser light using a plurality of laser diodes (LD) and transmits the laser light to the processing head using a transmission fiber. Then, the laser light emitted from the end face of the transmission fiber is condensed and irradiated on the workpiece by a collimator lens and a condenser lens.
  • LD laser diodes
  • Patent Document 1 As a technique for monitoring the output of a related laser diode or the like, the output of the laser diode is monitored using a photodiode, and the failure of the laser diode is detected. And methods for managing lifespan are known.
  • Patent Document 2 the wavelength division multiplexed laser light from the optical fiber is separated using a polarization separating element, and each light receiving element is used to separate each laser beam.
  • An apparatus that receives a polarization component and measures a change in wavelength from a light intensity ratio between deflection components is known.
  • Patent Document 1 the output of the laser diode is individually monitored, and the output of the multi-wavelength laser light used in the DDL processing apparatus cannot be monitored. Moreover, in patent document 2, the change of a wavelength is measured according to the change of the light intensity ratio between deflection components. On the other hand, the output of the multi-wavelength laser light used in the DDL processing apparatus is variable for each wavelength or wavelength band, and the method of Patent Document 2 cannot be applied to the DDL processing apparatus.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and according to the present invention, when processing is performed using a multi-wavelength laser beam, it is possible to appropriately monitor the output decrease of the multi-wavelength laser beam. It is possible to provide a direct diode laser processing apparatus and an output monitoring method thereof.
  • a laser oscillator having a plurality of laser diodes that oscillate multi-wavelength laser light, a transmission fiber that transmits multi-wavelength laser light oscillated by the laser oscillator, and a transmission fiber that transmits the laser light.
  • a laser processing machine that collects multi-wavelength laser light and processes the workpiece, and a detection mechanism that samples part of the multi-wavelength laser light and detects the light intensity of the sampled laser light for each wavelength.
  • a monitoring unit that monitors a decrease in output of the multi-wavelength laser light based on a change in light intensity for each wavelength of the multi-wavelength laser light, and a control module that controls a plurality of laser diodes based on a monitoring result by the monitoring unit
  • a direct diode laser processing apparatus including the above and an output monitoring method thereof.
  • FIG. 2A is a front view showing an example of a laser oscillator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a side view showing an example of a laser oscillator according to the embodiment of the present invention.
  • It is the schematic which shows an example of the DDL module which concerns on embodiment of this invention.
  • It is the schematic which shows an example of the detection mechanism and monitoring part periphery which concern on embodiment of this invention.
  • FIG. 5A is a graph showing an example of a normal wavelength profile.
  • FIG. 5B is a graph showing an example of the generated wavelength profile.
  • FIG. 5C is a graph showing another example of the generated wavelength profile. It is a flowchart for demonstrating an example of the output monitoring method of the DDL processing apparatus which concerns on embodiment of this invention.
  • a DDL processing apparatus includes a laser oscillator 11 that oscillates multi-wavelength laser light LB, and a transmission fiber (process) that transmits the laser light LB oscillated by the laser oscillator 11.
  • Fiber) 12 and a laser beam machine 13 for condensing the laser beam LB transmitted by the transmission fiber 12 to a high energy density and irradiating the workpiece (workpiece) W.
  • the laser processing machine 13 includes a collimator unit 14 that converts the laser light LB emitted from the transmission fiber 12 into substantially parallel light by the collimator lens 15, and the laser light LB converted to substantially parallel light in the X-axis and Y-axis directions.
  • a bending mirror 16 that reflects downward in the Z-axis direction perpendicular to the laser beam, and a processing head 17 that condenses the laser beam LB reflected by the bending mirror 16 with a condenser lens 18.
  • a general lens such as a plano-convex lens made of quartz can be used.
  • a lens driving unit that drives the collimator lens 15 in a direction parallel to the optical axis (X-axis direction) is installed in the collimator unit 14.
  • the DDL processing apparatus further includes a control unit that controls the lens driving unit.
  • the laser processing machine 13 further includes a processing table 21 on which the workpiece W is placed, a portal X-axis carriage 22 that moves in the X-axis direction on the processing table 21, and an X-axis direction on the X-axis carriage 22. And a Y-axis carriage 23 that moves in the Y-axis direction perpendicular to the axis.
  • the collimator lens 15 in the collimator unit 14, the bend mirror 16, and the condensing lens 18 in the processing head 17 are fixed to the Y-axis carriage 23 in a state where the optical axis has been adjusted in advance. Move in the axial direction. It is also possible to provide a Z-axis carriage that can move in the vertical direction with respect to the Y-axis carriage 23 and to provide the condenser lens 18 on the Z-axis carriage.
  • the DDL processing apparatus irradiates the workpiece W with the laser beam LB having the smallest condensing diameter (minimum condensing diameter) that is condensed by the condensing lens 18 and injects assist gas coaxially. Then, the X-axis carriage 22 and the Y-axis carriage 23 are moved while removing the melt. Thereby, the DDL processing apparatus can cut the workpiece W.
  • the workpiece W is a variety of materials such as stainless steel, mild steel, and aluminum.
  • the thickness of the workpiece W is, for example, about 0.1 mm to 100 mm. In the present embodiment, the thickness of the workpiece W is preferably 15 mm or more, may be 2 mm or more, and may be 30 mm. The thickness is preferably 100 mm or less.
  • the laser oscillator 11 will be described with reference to FIGS. 2A and 2B, the laser oscillator 11 includes a housing 60, the DDL module 10 housed in the housing 60 and connected to the transmission fiber 12, and the housing 60.
  • a power supply unit 61 that is housed in the DDL module 10 and supplies power to the DDL module 10
  • a control module 62 that is housed in the housing 60 and controls the output of the DDL module 10, and the like are provided.
  • An air conditioner 63 that adjusts the temperature and humidity in the housing 60 is installed outside the housing 60.
  • the DDL module 10 superimposes and outputs laser beams of multiple wavelengths ( ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 ,..., ⁇ n (hereinafter referred to as ⁇ i ⁇ ). To do.
  • the DDL module 10 includes a plurality of laser diodes (hereinafter referred to as “LD”) 3 1 , 3 2 , 3 3 ,...
  • LD 3 1 , 3 2 , 3 3 , ⁇ ⁇ ⁇ 3 n to the fiber 4 1, 4 2, 4 3, is connected via a ⁇ ⁇ ⁇ 4 n, the spectrum of performing spectral beam combining (spectral beam combining) the laser beam of multiple wavelengths ⁇ lambda i ⁇
  • a beam combining unit 50 and a condensing lens 54 that condenses the laser light from the spectral beam combining unit 50 and enters the transmission fiber 12 are provided.
  • Various semiconductor lasers can be employed for the plurality of LD3 1 , 3 2 , 3 3 ,... 3 n (hereinafter referred to as a plurality of LD3).
  • the combination of the type and number of the plurality of LDs 3 is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the purpose of sheet metal processing.
  • Each wavelength ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 ,..., ⁇ n of the plurality of LDs 3 is selected, for example, to be less than 1000 nm, selected from a range of 800 nm to 990 nm, or selected from a range of 910 nm to 950 nm. can do.
  • the laser light of multiple wavelengths ⁇ i ⁇ is controlled by group (block) management for each wavelength band, for example.
  • the output can be variably adjusted individually for each wavelength band.
  • the output of the entire wavelength band can be adjusted so that the absorptance is constant.
  • a plurality of LDs are simultaneously operated and an appropriate assist gas such as oxygen or nitrogen is blown near the focal position.
  • an appropriate assist gas such as oxygen or nitrogen
  • the laser beams having the respective wavelengths from the plurality of LDs 3 cooperate with each other and also with the assist gas such as oxygen to melt the workpiece at a high speed.
  • the molten work material is blown off by the assist gas, and the work is cut at a high speed.
  • the spectral beam combining unit 50 includes a fixing unit 51 that bundles and fixes the emission ends of the fibers 4 1 , 4 2 , 4 3 ,... 4 n to form a fiber array 4, and fibers 4 1 , 4 2 , 4 3. ,... 4 n Collimator lens 52 that collimates laser light from n, diffraction grating 53 that diffracts multi-wavelength ⁇ i ⁇ laser light and matches the optical axis, and a plurality of LDs 3
  • a partial reflection coupler 55 constituting a resonator is provided with a reflection surface provided at the end.
  • the arrangement position of the partial reflection coupler 55 shown in FIG. 3 is an example, and the present invention is not limited to this.
  • the beam waist for each wavelength of the laser light of multiple wavelengths ⁇ i ⁇ is, for example, about 100 ⁇ m to 400 ⁇ m, and a large number of these multiple diameters. Make focus.
  • the beam waist is formed by an optical element having an incident diameter of the condenser lens 18 of about 2 mm to 20 mm and a focal length of 50 mm to 300 mm.
  • the axis perpendicular to the cut surface of the workpiece W is assumed to be an incident angle of 0 °, and when the incident angle is 0 to 40 °, the wavelength on the short wavelength side
  • the output of the band can be made higher than the wavelength band on the long wavelength side.
  • the cutting speed of the workpiece W can be selected, for example, in the range of 60 m / min to 250 m / min.
  • the output of multi-wavelength laser light may decrease mainly due to deterioration (lifetime) or failure of a plurality of LDs 3 or misalignment of the optical elements in the spectral beam coupling unit 50.
  • the DDL processing apparatus further includes a detection mechanism 7 and a monitoring unit 73 connected to the detection mechanism 7 as shown in FIG. Have.
  • the detection mechanism 7 separates (samples) a part of the laser beams having the multi-wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 emitted from the transmission fiber 12, and changes the light intensity of the sampled laser beams to the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2. , Detected every ⁇ 3 .
  • the number of wavelengths is not limited to this.
  • the detection mechanism 7 is disposed between the collimator lens 15 and the condenser lens 18, and includes a separation element 71 that separates a part of the multi-wavelength ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 laser light that has passed through the collimator lens 15.
  • wavelength lambda 1 the separated laser beams, lambda 2, the spectral element 72 to be dispersed every lambda 3, dispersed wavelength lambda 1 of the laser light, lambda 2, detecting element group is detected for each lambda 3 81, 82, 83 With.
  • the propagation of light from the separation element 71 to the detection element groups 81, 82, 83 is performed by space or fiber transmission.
  • an optical element such as a beam splitter or a clad light stripper can be used.
  • an optical element such as a diffraction grating (grating) or a prism can be used.
  • the detection element groups 81, 82, and 83 detect light that has been spectrally separated with a range and resolution that can sufficiently perform target control for each wavelength region including the oscillation regions of wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3. Possible single or multiple photodetectors or measuring devices with similar functions can be used.
  • wavelengths other than the wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 may change, so that detection is possible that can measure wavelengths other than the wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3.
  • the elements may be provided separately from the detection element groups 81, 82, and 83.
  • an optical spectrum analyzer that integrates and incorporates the spectroscopic element 72 and the detection element groups 81, 82, and 83 is provided. It may be.
  • the monitoring unit 73 is a controller and includes a central processing unit (CPU).
  • the monitoring unit 73 monitors a decrease in output of a large number of laser beams based on the detection results of the detection element groups 81, 82, and 83.
  • the monitoring unit 73 stores the intensity distribution (hereinafter also referred to as “wavelength profile”) for each of the normal wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 as shown in FIG.
  • the monitoring unit 73 generates a wavelength profile as shown in FIG. 5B from the detection results of the detection element groups 81, 82, and 83.
  • strength of wavelength (lambda) 2 has fallen compared with the time of normal. This is assumed to be caused by degradation or failure of the LD corresponding to the wavelength ⁇ 2 or misalignment of the LD corresponding to the wavelength ⁇ 2 .
  • the monitoring unit 73 compares the generated wavelength profile with the normal wavelength profile to determine the output decrease from the change in the light intensity of the wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 with respect to the normal time. For example, as shown in FIG. 5B, in the generated wavelength profile, when the intensity of at least one wavelength ⁇ 2 changes outside a predetermined range at the normal time, more specifically, it falls below a predetermined threshold value. When it does, the monitoring part 73 determines with the output falling. At the same time, the monitoring unit 73 identifies the LD corresponding to the wavelength ⁇ 2 as an abnormal LD.
  • the predetermined threshold value can be set within a range allowed for a normal wavelength profile, and may be stored in advance in a memory or the like of the monitoring unit 73.
  • the monitoring unit 73 notifies the control module 62 of identification information of the alarmed and abnormal LD.
  • the control module 62 can receive the alarm from the monitoring unit 73 and stop the entire apparatus or display the identification information of the abnormal LD on the display unit or the like. Alternatively, the control module 62 stops the output of the abnormal LD based on the identification information of the abnormal LD from the monitoring unit 73 and increases the output of the other normal LD to increase the output of the abnormal LD. May be compensated. Thereby, the sum total of the output of each wavelength of the generated wavelength profile can be brought close to or coincident with the sum of the output of each wavelength of the normal wavelength profile, and the operation of the apparatus can be continued.
  • the monitoring unit 73 may generate a wavelength profile in which the intensities of the plurality of wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 3 are reduced. This is assumed to be caused by misalignment of the wavelength mixing section.
  • the monitoring unit 73 determines that the output has decreased, and the wavelength ⁇ The LD corresponding to 1 and ⁇ 3 is specified as an abnormal LD.
  • the monitoring unit 73 the wavelength lambda 1 generated wavelength profiles, lambda 2, the sum of the output of the lambda 3 is, the wavelengths lambda 1 wavelength profile of a normal, lambda 2, with respect to the sum of the output of the lambda 3 If the output falls below a predetermined threshold, it may be determined that the output has dropped. In this case, the monitoring unit 73 notifies the control module 62 of the alarm and the comparison result of the wavelength profile, and the control module 62 can stop the whole apparatus or display the comparison result of the wavelength profile on the display unit.
  • the lifetime measuring element group 74 includes, for example, a plurality of pin photodiodes.
  • the elements included in the lifetime measuring element group 74 are arranged in the vicinity of the LDs 3 1 , 3 2 , 3 3 ,... 3 n shown in FIG.
  • the lifetime measuring element group 74 receives the laser light output from each of the LD3 1 , 3 2 , 3 3 ,... 3 n and detects the light intensity of the laser light, thereby detecting the LD3 1 , 3 2 , Measure the life (deterioration) or failure of 3 3 ... 3 n .
  • the control module 62 stops the output of the life (deteriorated) or failed LD based on the detection result by the life measuring element group 74 and increases the output of other normal LDs to compensate for the output of the abnormal LD. May be. Further, the control module 62 may increase the control current value of the deteriorated LD based on the detection result by the lifetime measuring element group 74 and bring it close to the rated output.
  • the control module 62 may further specify (estimate) the cause of the output decrease of the multi-wavelength laser light based on the monitoring result by the monitoring unit 73 and the detection result by the lifetime measuring element group 74. Specifically, the control module 62 indicates that the LD included in the identification information of the abnormal LD from the monitoring unit 73 does not have a reduced light intensity as a result of detection from the lifetime measuring element group 74 (failure or deterioration). If not detected, the cause of the decrease in the output of the multi-wavelength laser light is not caused by the failure or deterioration of the LD, but is caused by the misalignment of the multi-wavelength laser light. This function may be a function on the monitoring unit 73 side instead of the control module 62 side.
  • the output of the multi-wavelength laser light is reduced, it is possible to distinguish whether the cause is failure or degradation of the LD or misalignment of the multi-wavelength laser light.
  • the output decrease is caused by the misalignment of the spectrum beam combining unit 50, feedback that increases the current value in order to obtain the rated output as a countermeasure when the LD is broken or deteriorated is provided. This can be avoided, and fiber loss and fiber burnout can be prevented. Further, since the cause of the output decrease is clear, an appropriate measure can be taken.
  • the beam parameter product (BPP) is deteriorated. Even if the output is reduced to such an extent that it does not cause a problem in the case of a single-wavelength laser beam, in the case of a multi-wavelength laser beam, there may be a processing failure due to the accompanying deterioration of the BPP. Furthermore, when the output is reduced due to the misalignment of the spectral beam combining unit 50, the heat generated when entering the transmission fiber 12 is increased step by step and is easily burned.
  • the apparatus is immediately stopped even if the output drop is not necessary due to the failure or deterioration of the LD. This can prevent the transmission fiber 12 from being burned out.
  • the control module 62 may be able to specify (estimate) that the cause is the misalignment of the spectral beam combining unit 50 based only on the monitoring result by the monitoring unit 73. Specifically, as shown in FIG. 5C, when the intensity of the plurality of wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 3 is significantly reduced with respect to the normal wavelength profile, or the laser oscillation is not changed in design. When the intensity of the wavelength band that should not be changed changes, it can be specified (estimated) that the cause is not the degradation or failure of the LD but the misalignment of the spectral beam combining unit 50.
  • step S1 the detection mechanism 7 samples a part of the multi-wavelength laser light emitted from the transmission fiber 12, and detects the light intensity of the sampled laser light for each wavelength.
  • step S2 the monitoring unit 73 generates a wavelength profile from the detection result by the detection mechanism 7.
  • step S3 the wavelength profile generated by the monitoring unit 73 is compared with the normal wavelength profile read from the memory. If the change in the generated wavelength profile is greater than or equal to a predetermined threshold with respect to the normal time, it is determined that there is an abnormality in the LD, and the process proceeds to step S4.
  • step S4 the monitoring unit 73 notifies the control module 62 of an alarm together with the identification information of the abnormal LD.
  • the control module 62 receives the alarm and stops the device.
  • a part of the multi-wavelength laser light is sampled, the light intensity of the sampled laser light is detected for each wavelength, and the multi-wavelength laser light for each wavelength is detected.
  • the output decrease of the laser light with multiple wavelengths is monitored, and the plurality of laser diodes are controlled based on the monitoring result, so that the output decrease can be appropriately monitored. Accordingly, it is possible to prevent processing defects due to burnout or an increase in BPP.
  • the detection mechanism 7 is mounted between the collimator lens 15 and the condensing lens 18 (processing head portion) in the laser processing machine 13 and samples the laser light emitted from the transmission fiber 12.
  • the detection mechanism 7 detects the light intensity of the laser light before being incident on the transmission fiber 12.
  • the transmission fiber 12 shown in FIG. 1 includes a first transmission fiber connected to the laser oscillator 11 and a second transmission fiber 2 connected between the first transmission fiber and the laser processing machine 13.
  • the detection mechanism 7 may be mounted on the optical element portion. The detection mechanism 7 detects the light intensity of the laser light emitted from the first fiber.
  • the sheet metal processing by the DDL processing apparatus can be applied to various sheet metal processing such as laser forming processing, annealing, annealing, and ablation in addition to cutting processing.

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Abstract

　多波長のレーザ光を発振する複数のレーザダイオードを有するレーザ発振器（１１）と、レーザ発振器（１１）により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバ（１２）と、伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材（Ｗ）を加工するレーザ加工機（１３）と、多波長のレーザ光の一部をサンプリングし、当該サンプリングしたレーザ光の光強度を波長毎に検出する検出機構（７）と、多波長のレーザ光の波長毎の光強度の変化に基づいて、多波長のレーザ光の出力低下を監視する監視部と、監視部（７３）による監視結果に基づいて複数のレーザダイオードを制御する制御モジュールとを備えることで、多波長のレーザ光の出力低下を適切に監視する。

Description

ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びその出力監視方法
　本発明は、ダイレクトダイオードレーザ加工装置及びその出力監視方法に関する。
　従来、板金加工用のレーザ加工装置として、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器、ファイバレーザ発振器をレーザ光源として用いたものが知られている。ファイバレーザ発振器は、ＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れ、発振効率が極めて高い等の利点を有する。このため、ファイバレーザ発振器を用いたファイバレーザ加工装置は、産業用、特に板金加工用（切断又は溶接等）に利用されている。
　更に近年では、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）発振器をレーザ光源として用いるＤＤＬ加工装置が開発されている。ＤＤＬ加工装置は、複数のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）を用いて多波長（multiple-wavelength）のレーザ光を重畳し、伝送ファイバを用いて加工ヘッドまで伝送する。そして、伝送ファイバの端面から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ及び集光レンズ等により被加工材上に集光されて照射される。
　ところで、国際公開公報ＷＯ９３／１６５１２号（特許文献１）に例示されるように、関連のレーザダイオードの出力等の監視手法として、フォトダイオードを用いてレーザダイオードの出力を監視し、レーザダイオードの故障や寿命を管理する手法が知られている。
　また、日本国特許公開公報特開２０００－０８１３７０号（特許文献２）に例示されるように、光ファイバからの波長多重伝送されたレーザ光を偏光分離素子を用いて分離し、受光素子により各偏光成分を受光して、偏向成分同士の光強度比から波長の変化を計測する装置が知られている。
　しかしながら、特許文献１では、レーザダイオードの出力を個別に監視するものであり、ＤＤＬ加工装置で用いる多波長のレーザ光の出力を監視することができない。また、特許文献２では、偏向成分同士の光強度比の変化に応じて波長の変化を計測する。一方、ＤＤＬ加工装置で用いる多波長のレーザ光の出力は波長毎又は波長帯域毎に可変であり、特許文献２の手法はＤＤＬ加工装置には適用することができない。
　本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、本発明によれば、多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、多波長のレーザ光の出力低下を適切に監視することができるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びその出力監視方法を提供することができる。
　本発明の一態様によれば、多波長のレーザ光を発振する複数のレーザダイオードを有するレーザ発振器と、レーザ発振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機と、多波長のレーザ光の一部をサンプリングし、当該サンプリングしたレーザ光の光強度を波長毎に検出する検出機構と、多波長のレーザ光の波長毎の光強度の変化に基づいて多波長のレーザ光の出力低下を監視する監視部と、監視部による監視結果に基づいて複数のレーザダイオードを制御する制御モジュールとを備えるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びその出力監視方法が提供される。
本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置の一例を示す斜視図である。 図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ発振器の一例を示す正面図である。図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ発振器の一例を示す側面図である。 本発明の実施形態に係るＤＤＬモジュールの一例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る検出機構及び監視部周辺の一例を示す概略図である。 図５（ａ）は、正常時の波長プロファイルの一例を示すグラフである。図５（ｂ）は、生成した波長プロファイルの一例を示すグラフである。図５（ｃ）は、生成した波長プロファイルの他の一例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置の出力監視方法の一例を説明するためのフローチャートである。
　図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
　図１を参照して、本発明の実施形態に係るダイレクトダイオードレーザ（以下、「ＤＤＬ」という）加工装置の全体構成を説明する。本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、図１に示すように、多波長のレーザ光ＬＢを発振するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振されたレーザ光ＬＢを伝送する伝送ファイバ（プロセスファイバ）１２と、伝送ファイバ１２により伝送されたレーザ光ＬＢを高エネルギー密度に集光させて被加工材（ワーク）Ｗに照射するレーザ加工機１３とを備える。
　レーザ加工機１３は、伝送ファイバ１２から射出されたレーザ光ＬＢをコリメータレンズ１５で略平行光に変換するコリメータユニット１４と、略平行光に変換されたレーザ光ＬＢを、Ｘ軸及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射するベンドミラー１６と、ベンドミラー１６により反射されたレーザ光ＬＢを集光レンズ１８で集光する加工ヘッド１７とを備える。コリメータレンズ１５及び集光レンズ１８は、例えば石英製の平凸レンズ等の一般的なレンズが使用可能である。
　なお、図１では図示を省略するが、コリメータユニット１４内には、コリメータレンズ１５を光軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に駆動するレンズ駆動部が設置されている。また、ＤＤＬ加工装置は、レンズ駆動部を制御する制御部を更に備える。
　レーザ加工機１３は更に、被加工材Ｗが載置される加工テーブル２１と、加工テーブル２１上においてＸ軸方向に移動する門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上においてＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に移動するＹ軸キャリッジ２３とを備える。コリメータユニット１４内のコリメータレンズ１５、ベンドミラー１６、及び加工ヘッド１７内の集光レンズ１８は、予め光軸の調整が成された状態でＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３と共にＹ軸方向に移動する。なおＹ軸キャリッジ２３に対して上下方向へ移動可能なＺ軸キャリッジを設け、当該Ｚ軸キャリッジに集光レンズ１８を設けることも出来る。
　本実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、集光レンズ１８により集光されて最も小さい集光直径（最小集光直径）のレーザ光ＬＢを被加工材Ｗに照射し、また同軸にアシストガスを噴射して溶融物を除去しながら、Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３を移動させる。これにより、ＤＤＬ加工装置は被加工材Ｗを切断加工することができる。被加工材Ｗは、ステンレス鋼、軟鋼、アルミニウム等の種々の材料である。被加工材Ｗの厚さは、例えば０．１ｍｍ～１００ｍｍ程度である。本実施形態においては、被加工材Ｗの厚さは、１５ｍｍ以上であるのが好ましく、２ｍｍ以上でも良く、また３０ｍｍでも良い。また当該厚さは、１００ｍｍ以下であるのが好ましい。
　図２及び図３を参照して、レーザ発振器１１について説明する。レーザ発振器１１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、筐体６０と、筐体６０内に収容され、伝送ファイバ１２に接続されているＤＤＬモジュール１０と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０に電力を供給する電源部６１と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０の出力等を制御する制御モジュール６２等が設けられている。また、筐体６０の外側には、筐体６０内の温度及び湿度を調整する空調機器６３が設置されている。
　ＤＤＬモジュール１０は、図３に示すように、多波長（multiple-wavelength）λ１，λ２，λ３，・・・，λｎ（以下｛λｉ｝という）のレーザ光を重畳して出力する。ＤＤＬモジュール１０は、複数のレーザダイオード（以下、「ＬＤ」という）３１，３２，３３,・・・３ｎ（ｎは４以上の整数）と、ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎにファイバ４１，４２，４３,・・・４ｎを介して接続され、多波長｛λｉ｝のレーザ光に対してスペクトルビーム結合（spectral beam combining）を行うスペクトルビーム結合部５０と、スペクトルビーム結合部５０からのレーザ光を集光して伝送ファイバ１２へ入射させる集光レンズ５４とを備える。
　複数のＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎ（以下複数のＬＤ３という）は各種の半導体レーザが採用可能である。複数のＬＤ３の種類と数の組み合わせは特に限定されず、板金加工の目的に合わせて適宜選択可能である。複数のＬＤ３の各波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎは、例えば１０００ｎｍ未満で選択したり、８００ｎｍ～９９０ｎｍの範囲で選択したり、９１０ｎｍ～９５０ｎｍの範囲で選択したりすることができる。
　多波長｛λｉ｝のレーザ光は、例えば、波長帯域毎に群（ブロック）管理されて制御される。そして、波長帯域毎に個別に出力を可変調節することができる。また、全波長帯域の出力を吸収率が一定となるよう調整することができる。
　切断加工に際しては、複数のＬＤを同時に動作させると共に、酸素、窒素等の適宜のアシストガスを焦点位置近傍へ吹き付ける。これにより、複数のＬＤ３からの各波長のレーザ光が、相互に協働すると共に、酸素等のアシストガスとも協働してワークを高速で溶融する。また当該溶融ワーク材料がアシストガスにより吹き飛ばされてワークが高速で切断される。
　スペクトルビーム結合部５０は、ファイバ４１，４２，４３,・・・４ｎの射出端側を束ねて固定しファイバアレイ４とする固定部５１と、ファイバ４１，４２，４３,・・・４ｎからのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ５２と、多波長｛λｉ｝のレーザ光を回折し光軸を一致させる回折格子（diffraction grating）５３と、複数のＬＤ３後端部に設けた反射面と共に共振器を構成する部分反射カプラ５５を備える。なお、図３に示す部分反射カプラ５５の配置位置は一例であり、これに限定されるものではない。
　このようなＤＤＬ加工装置による切断加工等の加工においては、多波長｛λｉ｝のレーザ光の波長毎のビームウエストは、例えば１００μｍ～４００μｍ程度であって、これら複数の径で以って多焦点をなす。ビームウエストは、集光レンズ１８の入射径が２ｍｍ～２０ｍｍ程度であって、焦点距離が５０ｍｍ～３００ｍｍである光学要素により形成される。レーザ発振器１１の波長毎又は波長帯域毎の制御の出力可変調節において、被加工材Ｗの切断面に垂直な軸を入射角０°として、入射角が０～４０°においては短波長側の波長帯域の出力を、長波長側の波長帯域より高めることができる。被加工材Ｗの切断速度は、例えば６０ｍ／ｍｉｎ～２５０ｍ／ｍｉｎの範囲で選択できる。
　ＤＤＬ加工装置において、複数のＬＤ３の劣化（寿命）又は故障や、スペクトルビーム結合部５０内の光学素子のミスアライメントを主な原因として、多波長のレーザ光の出力が低下する場合がある。
　そこで、多波長のレーザ光の出力を監視するために、本実施形態に係るＤＤＬ加工装置は更に、図４に示すように、検出機構７と、検出機構７に接続された監視部７３とを有する。検出機構７は、伝送ファイバ１２から射出された多波長λ１，λ２，λ３のレーザ光の一部を分離（サンプリング）し、サンプリングされたレーザ光の光強度を波長λ１，λ２，λ３毎に検出する。なお、ここでは３つの波長λ１，λ２，λ３で説明するが、波長の数はこれに限定されるものではない。
　検出機構７は、コリメータレンズ１５と集光レンズ１８との間に配置され、コリメータレンズ１５を通過した多波長λ１，λ２，λ３のレーザ光の一部を分離する分離素子７１と、分離されたレーザ光を波長λ１，λ２，λ３毎に分散させる分光素子７２と、分散したレーザ光を波長λ１，λ２，λ３毎に検出する検出素子群８１，８２，８３とを備える。分離素子７１から検出素子群８１，８２，８３までの光の伝播は、空間又はファイバ伝送によって行われる。
　分離素子７１は、例えばビームスプリッタ又はクラッドライトストリッパ等の光学素子が使用可能である。分光素子７２は、回折格子（グレーティング）又はプリズム等の光学素子が使用可能である。検出素子群８１，８２，８３は、波長λ１，λ２，λ３の発振領域をそれぞれ含んだ波長域毎に、目的の制御を十分に行えるような範囲及び分解能で分光された光を検出できる単一もしくは複数の光検出器又は同様の機能を有する測定器が使用可能である。例えば、スペクトルビーム結合部５０のミスアライメントの場合、波長λ１，λ２，λ３以外の波長が変化する場合があるので、波長λ１，λ２，λ３以外の波長を測定可能な検出素子を、検出素子群８１，８２，８３とは個別に設けていてもよい。また、分光素子７２と検出素子群８１，８２，８３とが個別に設けられている代わりに、分光素子７２と検出素子群８１，８２，８３とを統合し内蔵した光スペクトラムアナライザ等を有していてもよい。
　監視部７３はコントローラであり中央演算処理装置（ＣＰＵ）等で構成される。監視部７３は、検出素子群８１，８２，８３による検出結果に基づいて、多数のレーザ光の出力低下を監視する。監視部７３は、図５（ａ）に示すような正常時の波長λ１，λ２，λ３毎の強度分布（以下、「波長プロファイル」ともいう）をメモリ等に予め記憶しておく。監視部７３は、検出素子群８１，８２，８３による検出結果から、図５（ｂ）に示すような波長プロファイルを生成する。図５（ｂ）においては、波長λ２の強度が正常時よりも低下している。これは、波長λ２に対応するＬＤの劣化又は故障や、波長λ２に対応するＬＤのミスアライメントが原因と想定される。
　監視部７３は、生成した波長プロファイルを正常時の波長プロファイルと比較することにより、正常時に対する各波長λ１，λ２，λ３の光強度の変化から出力低下を判定する。例えば、図５（ｂ）に示すように、生成した波長プロファイルにおいて、少なくとも１つの波長λ２の強度が正常時の所定の範囲外に変化した場合、より具体的には所定の閾値以下に低下した場合には、監視部７３は、出力が低下したと判定する。それと同時に、監視部７３は波長λ２に対応するＬＤを異常のあるＬＤとして特定する。所定の閾値は、正常時の波長プロファイルに対して許容される範囲で設定可能であり、監視部７３のメモリ等に予め記憶しておけばよい。監視部７３は、アラーム及び異常のあるＬＤの識別情報を制御モジュール６２に通知する。
　制御モジュール６２は、監視部７３からのアラームを受けて、装置全体を停止したり、異常のあるＬＤの識別情報を表示部等に表示したりできる。或いは、制御モジュール６２は、監視部７３からの異常のあるＬＤの識別情報に基づいて、異常のあるＬＤの出力を停止し、他の正常なＬＤの出力を高めて異常のあるＬＤの出力分を補填してもよい。これにより、生成した波長プロファイルの各波長の出力の総和を、正常時の波長プロファイルの各波長の出力の総和に近づける又は一致させることができ、装置の運転を継続させることができる。
　また、監視部７３は、図５（ｃ）に示すように、複数の波長λ１，λ３の強度が低下した波長プロファイルを生成する場合もある。これは、波長混合部のミスアライメント等が原因と想定される。監視部７３は、生成した波長プロファイルにおいて、複数の波長λ１，λ３の強度が所定の閾値以下に変化（低下）した場合、監視部７３は、出力が低下したと判定するとともに、波長λ１，λ３に対応するＬＤを異常のあるＬＤとして特定する。
　また、監視部７３は、生成した波長プロファイルの各波長λ１，λ２，λ３の出力の総和が、正常時の波長プロファイルの各波長λ１，λ２，λ３の出力の総和に対して所定の閾値以下に低下した場合に、出力が低下したと判定してもよい。この場合、監視部７３は、アラーム及び波長プロファイルの比較結果を制御モジュール６２に通知し、制御モジュール６２は装置全体を停止したり、波長プロファイルの比較結果を表示部に表示したりできる。
　更に、制御モジュール６２には、複数の寿命測定素子（寿命測定素子群）７４が接続されている。寿命測定素子群７４は、例えば複数のｐｉｎフォトダイオード等で構成される。寿命測定素子群７４に含まれる素子は、図３に示した各ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎの近傍に配置されている。寿命測定素子群７４は、各ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎから出力されるレーザ光を受光して、レーザ光の光強度を検出することにより、ＬＤ３１，３２，３３,・・・３ｎの寿命（劣化）又は故障を測定する。
　制御モジュール６２は、寿命測定素子群７４による検出結果に基づいて寿命（劣化）又は故障したＬＤの出力を停止し、他の正常なＬＤの出力を高めて異常のあるＬＤの出力分を補填してもよい。また、制御モジュール６２は、寿命測定素子群７４による検出結果に基づいて、劣化したＬＤの制御電流値を上げて、定格出力に近づけてもよい。
　制御モジュール６２は更に、監視部７３による監視結果と、寿命測定素子群７４による検出結果とに基づいて、多波長のレーザ光の出力低下の原因を特定（推測）してもよい。具体的には、制御モジュール６２は、監視部７３からの異常のあるＬＤの識別情報に含まれるＬＤが、寿命測定素子群７４からの検出結果では光強度が低下していない（故障又は劣化と検出されていない）場合には、多波長のレーザ光の出力低下の原因はＬＤの故障又は劣化ではなく、多波長のレーザ光のミスアライメントが原因であると特定する。なおこの機能は、制御モジュール６２側ではなく、監視部７３側の機能としてもよい。
　これにより、多波長のレーザ光の出力が低下したときに、その原因がＬＤの故障又は劣化か、或いは多波長のレーザ光のミスアライメントかを区別することができる。ここで、出力低下がスペクトルビーム結合部５０のミスアライメントが原因であることを特定することにより、ＬＤの故障又は劣化したときの対策のように定格出力を得るため電流値を増やすようなフィードバックを回避することができ、ファイバロス及びファイバ焼損を防止することができる。また、出力低下の原因が明確であるため、的確な対策をとることができる。
　更に、スペクトルビーム結合部５０のミスアライメントが原因で出力低下した場合、ビームパラメータ積（ＢＰＰ）が劣化する。単波長のレーザ光の場合には問題とならない程度の出力低下であっても、多波長のレーザ光の場合にはそれに伴うＢＰＰの劣化によって加工不良となる場合がある。更には、スペクトルビーム結合部５０のミスアライメントが原因で出力低下した場合、伝送ファイバ１２に入射時の発熱は段違いに高くなり焼損しやすい。このため、出力低下がスペクトルビーム結合部５０のミスアライメントが原因であることを特定することにより、ＬＤの故障又は劣化が原因では対策が不要な程度の出力低下であっても、直ちに装置を停止させて伝送ファイバ１２の焼損を防止することができる。
　制御モジュール６２は、監視部７３による監視結果のみに基づいて、スペクトルビーム結合部５０のミスアライメントが原因であることを特定（推定）できる場合もある。具体的には、図５（ｃ）に示すように、正常時の波長プロファイルに対して複数の波長λ１，λ３の強度が大幅に低下した場合や、設計上、レーザ発振をしておらず変化しないはずの波長域の強度が変化した場合には、ＬＤの劣化又は故障が原因ではなく、スペクトルビーム結合部５０のミスアライメントが原因であることを特定（推定）することができる。
　＜レーザ光の出力監視方法＞
　図６のフローチャートを参照しながら、本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置を用いた出力監視方法の一例を説明する。
　ステップＳ１において、検出機構７が伝送ファイバ１２から射出された多波長のレーザ光の一部をサンプリングし、サンプリングしたレーザ光の光強度を波長毎に検出する。
　ステップＳ２において、監視部７３が検出機構７による検出結果から波長プロファイルを生成する。ステップＳ３において、監視部７３が生成した波長プロファイルとメモリから読み出した正常時の波長プロファイルとを比較する。生成した波長プロファイルの変化が正常時に対して所定の閾値以上であれば、ＬＤに異常があると判定しステップＳ４に移行する。
　ステップＳ４において、監視部７３が、制御モジュール６２に対して、異常のあるＬＤの識別情報とともにアラームを通知する。制御モジュール６２は、アラームを受信し装置を停止させる。
　以上説明したように、本発明の実施形態によれば、多波長のレーザ光の一部をサンプリングし、サンプリングしたレーザ光の光強度を波長毎に検出して多波長のレーザ光の波長毎の光強度（波長プロファイル）の変化に基づいて、多波長のレーザ光の出力低下を監視し、監視結果に基づいて複数のレーザダイオードを制御することにより、適切に出力低下を監視することができる。したがって、焼損やＢＰＰ増加による加工不良を防止することができる。
　（その他の実施形態）
　本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
　本発明の実施形態では、検出機構７がレーザ加工機１３内のコリメータレンズ１５と集光レンズ１８の間（加工ヘッド部分）に搭載され、伝送ファイバ１２から射出後のレーザ光をサンプリングする場合を説明したが、これに特に限定されない。例えば、図３に示したレーザ発振器１１内のスペクトルビーム結合部５０と伝送ファイバ１２との間に搭載されていてもよい。検出機構７は、伝送ファイバ１２に入射前のレーザ光の光強度を検出する。
　また、図１に示した伝送ファイバ１２が、レーザ発振器１１に接続された第１の伝送ファイバと、第１の伝送ファイバとレーザ加工機１３との間に接続された第２の伝送ファイバの２本からなり、第１及び第２の伝送ファイバがビームカプラ等の光学要素で接続されている場合、その光学要素部分に検出機構７が搭載されていてもよい。検出機構７は、第１のファイバから射出されたレーザ光の光強度を検出する。
　本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置による板金加工は、切断加工の他にも、レーザフォーミング加工、焼鈍、アニーリング及びアブレーション等の種々の板金加工に適用可能である。
　このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
　本発明によれば、多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、多波長のレーザ光の出力低下を適切に監視することができるダイレクトダイオードレーザ加工装置及びその出力監視方法を提供することができる。
　（米国指定）
　本国際特許出願は米国指定に関し、２０１４年１０月１４日に出願された日本国特許出願第２０１４－２０９９１３号について米国特許法第１１９条（ａ）に基づく優先権の利益を援用し、当該開示内容を引用する。

Claims (9)

  1. 　多波長のレーザ光を発振する複数のレーザダイオードを有するレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器により発振された多波長のレーザ光を伝送する伝送ファイバと、
    　前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して被加工材を加工するレーザ加工機と、
    　前記多波長のレーザ光の一部をサンプリングし、当該サンプリングしたレーザ光の光強度を波長毎に検出する検出機構と、
    　前記多波長のレーザ光の波長毎の光強度の変化に基づいて、前記多波長のレーザ光の出力低下を監視する監視部と、
    　前記監視部による監視結果に基づいて前記複数のレーザダイオードの出力を制御する制御モジュールと
    を備えることを特徴とするダイレクトダイオード加工装置。
  2. 　前記監視部が、前記多波長のレーザ光の波長毎の光強度のいずれかが正常時よりも所定の閾値以上変化した場合に、前記多波長のレーザ光の出力が低下したと判定するとともに、前記光強度が所定の閾値以下となった波長に対応するレーザダイオードを特定し、
    　前記制御モジュールが、前記監視部により特定されたレーザダイオードの出力を停止するとともに、当該出力を停止したレーザダイオードの出力分を補填するように他の正常なレーザダイオードの出力を高める
    　ことを特徴とする請求項１に記載のダイレクトダイオード加工装置。
  3. 　前記監視部が、前記多波長のレーザ光の波長毎の光強度の総和が正常時よりも所定の閾値以上変化した場合に、前記多波長のレーザ光の出力が低下したと判定し、
    　前記制御モジュールが、前記監視部により多波長のレーザ光の出力が低下したと判定された場合に、装置を停止することを特徴とする請求項１に記載のダイレクトダイオード加工装置。
  4. 　前記複数のレーザダイオードからそれぞれ出力されるレーザ光の光強度をそれぞれ検出する複数のフォトダイオードを更に備え、
    　前記制御モジュールは、前記監視部による監視結果と、前記複数のフォトダイオードの検出結果とに基づいて、前記多波長のレーザ光の出力低下の原因を特定することを判定することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のダイレクトダイオード加工装置。
  5. 　前記検出機構は、
    　前記多波長のレーザ光の一部を分離する分離素子と、
    　前記分離されたレーザ光を波長毎に分光する分光素子と、
    　前記分光されたレーザ光を波長毎に検出する検出素子群と
    を備えることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のダイレクトダイオード加工装置。
  6. 　前記検出機構が、前記レーザ加工機内に設けられ、前記伝送ファイバから射出された多波長のレーザ光の光強度を検出することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のダイレクトダイオード加工装置。
  7. 　前記伝送ファイバが、前記レーザ発振器に接続された第１の伝送ファイバと、前記第１の伝送ファイバと前記レーザ加工機との間に接続された第２の伝送ファイバとを備え、
    　前記検出機構が、前記第１及び第２の伝送ファイバの間に設けられ、前記第１の伝送ファイバから射出された多波長のレーザ光の光強度を検出することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のダイレクトダイオード加工装置。
  8. 　前記検出機構が、前記レーザ発振器内に設けられ、前記伝送ファイバに入射前の多波長のレーザ光の光強度を検出することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のダイレクトダイオード加工装置。
  9. 　請求項１～８のいずれか１項に記載のダイレクトダイオード加工装置の出力監視方法であって、
    　前記多波長のレーザ光の一部をサンプリングし、当該サンプリングしたレーザ光の光強度を波長毎に検出するステップと、
    　前記多波長のレーザ光の波長毎の光強度の変化に基づいて、前記多波長のレーザ光の出力低下を監視するステップと
    を含むことを特徴とするダイレクトダイオード加工装置の出力監視方法。
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