レーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニット
【課題】レーザ加工用のレーザダイオードの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことができるレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットを提供すること。
【解決手段】レーザ加工用の２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光の進行方向側に光が順方向および逆方向に進行する光学系が設けられているレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光の強度を検出するレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置であって、光学系の途中に２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光を合流させて同一方向に出力する光コンバイナ１８を有し、該光コンバイナ１８は、順方向の光は出力するが逆方向の光は出力しない選択出力部１８ａを有し、光コンバイナ１８の選択出力部１８ａには、２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光のみの強度を検出する検出手段を設けたことを特徴とする。
【解決手段】レーザ加工用の２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光の進行方向側に光が順方向および逆方向に進行する光学系が設けられているレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光の強度を検出するレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置であって、光学系の途中に２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光を合流させて同一方向に出力する光コンバイナ１８を有し、該光コンバイナ１８は、順方向の光は出力するが逆方向の光は出力しない選択出力部１８ａを有し、光コンバイナ１８の選択出力部１８ａには、２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光のみの強度を検出する検出手段を設けたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザダイオードを励起用レーザ光の光源とするレーザ加工装置が提案されている（例えば、特許文献１、図１参照）。
【０００３】
このレーザ加工装置においては、レーザ光の進行方向に従って概略して説明すると、最初に、レーザ加工用のレーザダイオードによって励起用レーザ光を励起させ、続いて、励起用レーザ光を発振ファイバによって所定波長のファイバレーザ光として取り出し、続いて、光ファイバ等の導光手段によって加工ヘッドに導光し、続いて、加工ヘッドによって加工対象物にファイバレーザ光を照射してレーザ加工を施すように形成されている。
【０００４】
このように形成されているレーザ加工装置においては、金属等の加工対象物に対して大エネルギを必要とする溶接、切断等の加工を円滑かつ確実に施すために、光源として２０Ｗ以上の大出力に形成されているレーザ加工用のレーザダイオードが用いられている。更に、より一層の大出力を得るために２個のレーザダイオードを用いたり、大エネルギを発振するために高温となるレーザダイオードを前記発振ファイバと独立したユニットとして形成している。また、ファイバレーザ光の出力を設定値に保持して適正なレーザ加工を施したり、レーザダイオードの劣化を検出するためのフォトセンサをユニット内に備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０１０２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のレーザダイオードユニットにおいては、レーザダイオードからの出力光を光ファイバの方向へ反射して折り返すための折返しミラーが当該ユニット内に設けられている。そして、その折返しミラーの反射面の裏側にレーザダイオードが出力する光の出力値を検出するためのフォトセンサが設置されてる。ところが、前記フォトセンサの従来の位置には、折返しミラーより出力光の進行方向後流側に設置されている導光手段や光学部品から反射して逆方向に戻る戻り光も同時に受光することがある。これにより、当該フォトセンサの出力が大きく変動してしまい、レーザダイオードの劣化判定を正確に行うことができないという不都合があった。
【０００７】
本発明は、これらの点に鑑みてなされたものであり、レーザ加工用のレーザダイオードの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことのできるレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の１態様は、２個のレーザダイオードの出力光の進行方向側に光が順方向および逆方向に進行する光学系が設けられている前記レーザダイオードの出力光の強度を検出するレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置であって、前記光学系の途中に前記２個のレーザダイオードの出力光を合流させて同一方向に出力する光コンバイナを有し、該光コンバイナは順方向の光は出力するが逆方向の光は出力しない選択出力部を有し、前記光コンバイナの前記選択出力部には、前記２個のレーザダイオードの出力光のみの強度を検出する検出手段を設けたことを特徴とする。これにより本発明によれば、レーザ加工用のレーザダイオードの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことができる。
【０００９】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記偏光ビームスプリッタには、前記選択出力部から前記検出手段に向かう出力光を拡散させる拡散手段が設けられていることを特徴とする。これにより本発明によれば、マルチエミッタ構造のレーザダイオードを用いても、レーザダイオードの出力を精度よく検出することができる。
【００１０】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記フォトダイオードには、散乱光の入光を遮蔽する遮蔽手段が設けられていることを特徴とする。これにより本発明によれば、散乱光に影響されることなく、レーザダイオードの出力を精度よく検出することができる。
【００１１】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記光コンバイナは偏光ビームスプリッタであり、前記検出手段はフォトダイオードであることを特徴とする。これにより本発明によれば、偏光ビームスプリッタによって２個のレーザダイオードの出力光のみを検出手段に出力させることができ、レーザダイオードの出力を精度よく検出することができる。
【００１２】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記２個のレーザダイオードの一方からの出力光は横偏光の光として前記偏光ビームスプリッタに入力され、他方からの出力光は縦偏光の光として前記偏光ビームスプリッタに入力されることを特徴とする。これにより本発明によれば、横偏光の光を偏光ビームスプリッタを透過させて直進させ、縦偏光の光を偏光ビームスプリッタによって反射させて、２個のレーザダイオードを適正に用いることができる。
【００１３】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記光学系の後流側にはレーザ加工部に前記２個のレーザダイオードの出力光を導く導光手段が配設され、前記逆方向の光は前記導光手段において反射する反射光であることを特徴とする。これにより本発明によれば、レーザダイオードの光学系の後流側に接続されているとともにレーザ加工部に２個のレーザダイオードの出力光を導く導光手段側からの戻り光に影響されることなく、レーザダイオードの出力を精度よく検出することができる。
【００１４】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記導光手段は、前記２個のレーザダイオードの出力光を導く光ファイバ系または発振器ユニットであることを特徴とする。これにより本発明によれば、２個のレーザダイオードの出力光を導く光ファイバ系または発振器ユニット側からの戻り光に影響されることなく、レーザダイオードの出力を精度よく検出することができる。
【００１５】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードユニットの態様は、前記各態様のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置を備えていることを特徴とする。これにより本発明によれば、レーザ加工用のレーザダイオードの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットは、レーザ加工用のレーザダイオードの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことができるなどの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットの一実施形態を適用したレーザ加工装置を示す概念図
【図２】本発明のレーザ加工用のレーザダイオードユニットの一実施形態を示す平面図
【図３】図２のＢ羽根矢視図
【図４】図２のＡ−Ａ線にそった断面図
【図５】２個のレーザダイオードから出力された各レーザ光の位置制御の状態を示す図２の伝送用の光ファイバの端面における集光図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットを図１から図５により説明する。
【００１９】
図１は本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットの実施形態を備えたレーザ加工装置１を示している。
【００２０】
このレーザ加工装置１は、レーザ光の進行順に、レーザ発振部２、レーザ入射部３、ファイバ伝送部４、レーザヘッド部５および加工テーブル６を備えている。
【００２１】
レーザ発振部２は、レーザ光ＭＢを発振するレーザ加工用のレーザダイオードユニット９と、レーザ光ＭＢを発振用の光ファイバ（以下、「発振ファイバ」という）１０によって所定波長のファイバレーザ光ＦＢとして取り出して出力する発振器ユニット８とを有している。
【００２２】
まず、ファイバレーザ光ＦＢの発振について説明すると、本実施形態においては、発振器ユニット８において、発振ファイバ１０を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー１１、１２が配置されている。各光共振器ミラー１１、１２と発振ファイバ１０の端面との間にはそれぞれ光学レンズ１３、１４が配置されている。一方の光学レンズ１３は、レーザダイオードユニット９側から出力されるとともに励起用として利用されるレーザ光ＭＢを発振ファイバ１０の一端面に集光入射させる。レーザダイオードユニット９と光学レンズ１３との間に配置されている光共振器ミラー１１は、レーザダイオードユニット９側から入射した励起用のレーザ光ＭＢを透過させ、発振ファイバ１０側から入射した発振光線を共振器の光軸上で全反射するように形成されている。発振ファイバ１０は、発光元素としてたとえば希土類元素のイオンをドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝播光路としている。前記のようにして発振ファイバ１０の一端面に入射した励起用のレーザ光ＭＢは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ１０の中を軸方向に伝播し、その伝播中にコアを何度も横切ることでコア中の希土類元素イオンを光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー１１、１２の間を何度も行き来して共振増幅され、部分反射ミラーからなる片側の共振器ミラー１２より該所定波長を有するファイバレーザ光ＦＢが取り出されて、順方向に進行する。光学レンズ１３、１４は、発振ファイバ１０の端面から放出されてきた発振光線を平行にコリメートして光共振器ミラー１１、１２で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ１０の端面に集光させる。また、発振ファイバ１０を通り抜けた励起用のレーザ光ＭＢは、光学レンズ１４および光共振器ミラー１２を透過したのちに折り返しミラー１５にて側方のレーザ吸収体１６に向けて折り返される。光共振器ミラー１２より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、この折り返しミラー１５をまっすぐ透過し、レーザ入射部３に進行する。
【００２３】
次に、レーザダイオードユニット９を説明する。
【００２４】
このレーザダイオードユニット９は、いわゆるＦＣ−ＬＤ（Fiber Coupling - Laser Diode）として形成されており、ユニット９内において発振されたレーザ光ＭＢの出力部分に伝送用の光ファイバ７が接続された構造とされている。この光ファイバ７の端面７ａが２個のレーザダイオードから出力されるレーザ光のユニット９からの出力基準面となる。
【００２５】
本実施形態においては、図２に示すように、レーザ加工用の大出力を得るために２０Ｗ以上の出力を有する２個のレーザダイオード９ａ、９ｂを、密閉可能な箱型に形成されているチャンバ１７内に各出力光となるレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを互いに直行させて出力するように配置している。両レーザダイオード９ａ、９ｂは、大出力を得るために複数のエミッタが並設されたマルチエミッタ構造（図示せず）とすると好適である。マルチエミッタ構造のレーザダイオード９ａ、９ｂにおいては、出力されるレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの断面が一方向に長い棒状となる。両レーザダイオード９ａ、９ｂにはレーザ電源部２２から励起電力が通電されてレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを出力するように形成されている。両レーザダイオード９ａ、９ｂから出力された両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、その後、図２に示す光学系に沿って順方向に進行し、反射光が戻り光として逆方向に進行する。ここで言う反射光とは、例えばレーザダイオードユニット９に接続されている伝送用の光ファイバ７の端面７ａで反射する光や、その前後に配設された光学素子からの反射光等のことである。両レーザダイオード９ａ、９ｂから互いに直行させて出力された両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの交点位置には、レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを合流させて同一方向に出力するとともに、順方向の光は出力するが逆方向の光は出力しない選択出力部１８ａを有する光コンバイナ１８を設けている。この光コンバイナ１８は、互いに直行させて出力された両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂに対して４５度に傾斜している傾斜面１９ａを備えた偏光ビームスプリッタ１９により形成されている。一方のレーザダイオード９ａから出力された横偏光の光からなるレーザ光ＭＢａは、大部分が前記傾斜面１９ａを裏面側から表面側に透過して直進し、その一部（たとえば１％）が傾斜面１９ａの裏面側において反射して選択出力部１８ａとなる端面から出力される。他方のレーザダイオード９ｂから出力されて後述する波長板４０を透過した縦偏光の光からなるレーザ光ＭＢｂは、大部分が前記傾斜面１９ａの表面側において反射されて、当該傾斜面１９ａを裏面側から表面側に透過した一方のレーザ光ＭＢａと合流して順方向に進行し、その一部（たとえば１％）が当該傾斜面１９ａを表面側から裏面側に透過して選択出力部１８ａとなる端面から出力される。偏光ビームスプリッタ１９の選択出力部１８ａを形成する端面に対向して２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光のみの強度を検出する検出手段としてのフォトダイオード２０を設置している。また、偏光ビームスプリッタ１９の選択出力部１８ａには、当該選択出力部１８ａを形成する端面からの出力光を拡散させる拡散手段を設けるとよい。たとえば、拡散手段としては、選択出力部１８ａを形成する端面をすりガラス状（図示せず）に形成したり、選択出力部１８ａを形成する端面に拡散板（図示せず）を添設するとよい。これにより両レーザダイオード９ａ、９ｂとしてマルチエミッタ構造を採用することによりレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂが細長い棒状であっても、選択出力部１８ａを形成する端面からは拡散されて出力することとなり、均一化された光がフォトダイオード２０によって受光されて正確な検出が実行される。また、このフォトダイオード２０には、チャンバ１７内の散乱光が入光することを遮蔽する遮蔽手段としての遮蔽板２１を設けることが好ましい。これにより２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光のみの検出精度を向上させることができる。
【００２６】
前記傾斜面１９ａの表面側において反射されたレーザ光ＭＢｂを出力するレーザダイオード９ｂと偏光ビームスプリッタ１９との間には、当該レーザ光ＭＢｂの振動方向を回転させる波長板４０が、レーザ光ＭＢｂの光軸と直行するとともに図２において紙面と平行な回動軸４１をもって回動自在に支持されて、光軸に対する直交位置から傾斜可能に配設されている。本実施形態においては１／２波長板４０が設けられている。１／２波長板４０を回動させると透過したレーザ光ＭＢｂの光軸を、図３の実線と破線とに示すように、高さ方向に移動させることができる。両レーザダイオード９ａ、９ｂから出力される両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、それぞれ図２において紙面に平行で光軸に対して直行する方向（矢印ａ、ｂ参照）に振動している。レーザ光ＭＢｂは１／２波長板４０を通過すると振動方向が紙面と垂直方向（図２において黒丸によって表示参照）に回転させられる。これにより偏光ビームスプリッタ１９の傾斜面１９ａの表面側から進行する合成後のレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、一方のレーザ光ＭＢａが紙面と平行に振動し、他方の励起用レーザ光ＭＢｂが紙面と垂直方向に振動するものとなる（図２において傾斜面１９ａの後流側の光軸上の矢印および黒丸によって表示参照）。本実施形態においては、図５に示すように、伝送用の光ファイバ７の端面７ａ（出力の基準面）に到達する入射光となる両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの入射点（集光位置）の高さ位置が同図（ａ）に示すようにずれている場合には、１／２波長板４０を回動させて、一方のレーザ光ＭＢｂの高さ位置を移動させて、同図（ｂ）に示すように、両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの高さ位置を一致させることができる。
【００２７】
図２において、偏光ビームスプリッタ１９の光学系の後流側には合流された両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを光路上の集光レンズ２３ａ、２３ｂに向けて反射させる反射板２４が設置されている。このように反射板２４によって光路を屈曲させることにより、レーザダイオードユニット９の長尺化を防止して、小型化を図ることができる。反射版２４によって反射されたレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、それぞれ集光レンズ２３ａ、２３ｂによってレーザダイオードユニット９のチャンバ１７に接続具２５をもって接続されている伝送用の光ファイバ７の一方の端面７ａに焦点を合わせるようにして集光させられ、光ファイバ７を通してユニット９の外部へ出射される。この時、各レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、それぞれｆａｓｔ側の集光レンズ２３ａによってレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの幅方向（図２の紙面に平行方向）に集光され、続いてｓｌｏｗ側の集光レンズ２３ｂによってレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの高さ方向（図２の紙面に垂直方向）に集光される。このようにして集光されるレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、レーザダイオードユニット９の設定時には、光ファイバ７に変えてＣＣＤカメラの入射部を取り付けて、前記端面７ａにおける各レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの集光位置を測定しながら、１／２波長板４０を回動させて両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの集光位置を一致させるようにして設定される（図５参照）。その後、本実施形態においては、この光ファイバ７の他方の端面７ｂから出射したレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂはコリメートレンズ２３ｃによってコリメートされて、光共振器ミラー１１に入射して、励起用のレーザ光ＭＢとして使用されるように形成されている。
【００２８】
各レーザダイオード９ａ、９ｂは、発振による発熱を放熱するために、図４に示すように、密封可能な箱型に形成されている金属製のチャンバ１７内の底板１７ａの上面にペルチェ素子２５を積層し、当該ペルチェ素子２５の上部に（本実施形態においては金属板２６を介装して）レーザダイオード９ａ、９ｂを積層して配置するとともに、チャンバ１７の底板１７ａの下面にヒートシンク２７を取付けている。更に、チャンバ１７の底板１７ａ部分から側壁１７ｂや蓋部１７ｃの上部に熱が伝達されることを阻止するために断熱層２８を設けている。この断熱層２８としては、チャンバ１７の底板１７ａに連設されている側壁１７ｂの全周に亘って形成するとよく、また、樹脂材料（例えば、ＰＰＳ：ポリフェニレンサルファイド樹脂）等の断熱効率の高い素材によって形成するとよい。ペルチェ素子２５には外部より冷却用の電力が供給されるようになっている。なお、前記金属板２６は省略することができる。
【００２９】
図１に戻って、レーザ入射部３より先の光学系をファイバレーザ光ＦＢの進行順に説明する。すなわち、レーザ入射部３に入ったファイバレーザ光ＦＢは、最初にベントミラー２９で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット３０内で集光レンズ３１により集光されてファイバ伝送部４の伝送用光ファイバ３２の一端面に入射する。伝送用光ファイバ３２は、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバからなり、入射ユニット３０内で入射したファイバレーザ光ＦＢをレーザヘッド部５の出射ユニット３３まで伝送する。出射ユニット３３は、伝送用光ファイバ３２の終端面より出たファイバレーザ光ＦＢを平行光にコリメートするコリメートレンズ３４と、平行光のファイバレーザ光ＦＢを所定の焦点位置に集光させる集光レンズ３５とを有しており、加工テーブル６に載置されている被加工物３６の加工点Ｗにファイバレーザ光ＦＢを集光照射する。
【００３０】
次に、本実施形態のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットの作用を説明する。
【００３１】
まず、準備としてペルチェ素子２５に通電して両レーザダイオード９ａ、９ｂを放熱可能とする。
【００３２】
次に、レーザ電源部２２からレーザ発振部２の両レーザダイオード９ａ、９ｂに励起電流が供給されると、両レーザダイオード９ａ、９ｂはそれぞれレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを発振する。
【００３３】
一方のレーザダイオード９ａから出力された横偏光の光からなるレーザ光ＭＢａは、大部分が光コンバイナ１８となる偏光ビームスプリッタ１９の傾斜面１９ａを裏面側から表面側に透過して直進し、その一部（たとえば１％）が傾斜面１９ａの裏面側において反射して選択出力部１８ａとなる端面から出力される。他方のレーザダイオード９ｂから出力された横偏光の光からなるレーザ光ＭＢｂは、１／２波長板４０を透過することによって偏光方向が４５°回転され、縦偏光の光になる。縦偏光の光となったレーザ光ＭＢｂは、一方のレーザ光ＭＢａの光ファイバ７の端面７ａにおける入射点（集光位置）と自身の入射点（集光位置）とを一致させられ、その後に大部分が前記傾斜面１９ａの表面側において反射されて、当該傾斜面１９ａを裏面側から表面側に透過した一方のレーザ光ＭＢａと合流して順方向に進行し、その一部（たとえば１％）が当該傾斜面１９ａを表面側から裏面側に透過して選択出力部１８ａとなる端面から出力される。
【００３４】
この偏光ビームスプリッタ１９の選択出力部１８ａを形成する端面から出力された２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光であるレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの一部がフォトダイオード２０に受光されてその強度が検出される。これにより、レーザダイオード９ａ，９ｂの出力を正確に検出できる。
【００３５】
光コンバイナ１８には後流側より戻り光が逆方向に進行してくることがある。この戻り光は、レーザダイオードユニット９に接続された光ファイバ７の入射側の端面７ａにおける反射光や、当該光ファイバ７の前後に設けられた種々の光学素子における反射光等である。。一方のレーザ光ＭＢａの戻り光については、光コンバイナ１８の傾斜面１９ａを表面側から裏面側に透過するので、フォトダイオード２０には進行することはない。他方のレーザ光ＭＢｂの戻り光については、光コンバイナ１８の傾斜面１９ａの表面側において反射してレーザダイオード９ｂに向かうので、フォトダイオード２０には進行することはない。このように本実施形態においては、レーザ加工用のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことができる。
【００３６】
また、偏光ビームスプリッタ１９の選択出力部１８ａに、当該選択出力部１８ａを形成する端面からの出力光を拡散させる拡散手段を設けると、両レーザダイオード９ａ、９ｂとしてマルチエミッタ構造を採用することによりレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂが細長い棒状であっても、選択出力部１８ａを形成する端面からは拡散されて出力することとなり、均一化された光がフォトダイオード２０によって受光されて正確な検出が実行される。この場合、マルチエミッタ構造のレーザダイオード９ａ、９ｂの一部に不調がっても、拡散手段によって均一化されたレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂをフォトダイオードによって検出することができる。
【００３７】
また、フォトダイオード２０にチャンバ１７内の散乱光が入光することを遮蔽する遮蔽手段としての遮蔽板２１を設けると、２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光のみの検出精度を向上させることができる。
【００３８】
両レーザダイオード９ａ、９ｂから出力されて光コンバイナ１８によって合流されたレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、反射板２４によって折り返すように反射され、集光レンズ２３ａ、２３ｂによって光ファイバ７の入射端面７ａに集光入射される。光ファイバ７に入射されたレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは光ファイバ７内を伝播して出射側の端面７ｂから出射されて、レーザ加工用に利用される。
【００３９】
本実施形態においては、レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは励起用として利用されるために、光ファイバ７内を伝播して出射側の端面７ｂから光共振器ミラー１１に向けて出射される。すると、光共振器ミラー１１は、合流された励起用レーザ光ＭＢを透過させるとともに、発振ファイバ１０側から入射した発振光線を全反射する。光学レンズ１３は合流された励起用レーザ光ＭＢを発振ファイバ１０の一端面に集光入射させる。また、光学レンズ１３は、発振ファイバ１０の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートする。
【００４０】
次に、発振ファイバ１０の一端面に入射した合流された励起用レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ１０の内部を軸方向に伝播し、その伝播中にコアを何度も横切ることによってコアのイオンを光励起する。これにより、コアの両端面から軸方向に所定の波長の発振光線が放出される。この発振光線が光学レンズ１３、１４を通して光共振器ミラー１１、１２の間を何度も行き来することによって共振増幅され、光共振器ミラー１２を透過したときに所定の波長のファイバレーザ光ＦＢが得られる。
【００４１】
光共振器ミラー１２より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、折り返しミラー１５をまっすぐ透過し、ベントミラー２９に反射されてレーザ入射部３に入射して、被加工物３６の加工に供される。一方、所定の波長のファイバレーザ光ＦＢを得る前に合流した励起用レーザ光ＭＢが光学レンズ１３および光共振器ミラー１４を透過した場合には、折り返しミラー１５によってレーザ吸収体１６の方向に折り返される。
【００４２】
レーザ入射部３に入ったファイバレーザ光ＦＢは、最初にベントミラー２９で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット３０内で集光レンズ３１により集光されてファイバ伝送部４の伝送用光ファイバ３２の一端面に入射する。伝送用光ファイバ３２は、入射ユニット３０内で入射したファイバレーザ光ＦＢをレーザヘッド部５の出射ユニット３３まで伝送する。出射ユニット３３は、加工テーブル６に載置されている被加工物３６の加工点Ｗにファイバレーザ光ＦＢを集光照射して、レーザ加工を施す。
【００４３】
このようにして本実施形態においては、適正な出力のファイバレーザ光ＦＢをもって高品位なレーザ加工を実行することができる。
【００４４】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて変更することができる。
【００４５】
例えば、図２の破線に示すように、フォトダイオード２０の出力をレーザ電源部２２の出力を制御する制御部４２にフィードバックしてレーザダイオード９ａ、９ｂの出力を制御することもできる。制御部４２は、フォトダイオード２０からの検出出力と両レーザダイオード９ａ、９ｂの設定出力とを比較して、両レーザダイオード９ａ、９ｂが設定出力を維持するようにレーザ電源部２２へ出力を指示する。これにより両レーザダイオード９ａ、９ｂはフィードバックによって指示された励起電力の通電をレーザ電源部２２から受けて適正なレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを出力することができる。これにより、レーザ加工装置の励起光を適切に制御することができる。
【００４６】
なお、このようにフォトダイオードの出力を制御部にフィードバックする構成は、レーザダイオードユニットが出力するレーザ光を直接に被加工物に照射して加工する、いわゆるＬＤダイレクト方式のレーザ加工装置に好ましく適用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１ レーザ加工装置
２ レーザ発振部
８ 発振器ユニット
９ レーザダイオードユニット
９ａ、９ｂ レーザダイオード
１０ 発振ファイバ
１８ 光コンバイナ
１９ 偏光ビームスプリッタ
２０ フォトダイオード
２１ 遮蔽板
２２ レーザ電源部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザダイオードを励起用レーザ光の光源とするレーザ加工装置が提案されている（例えば、特許文献１、図１参照）。
【０００３】
このレーザ加工装置においては、レーザ光の進行方向に従って概略して説明すると、最初に、レーザ加工用のレーザダイオードによって励起用レーザ光を励起させ、続いて、励起用レーザ光を発振ファイバによって所定波長のファイバレーザ光として取り出し、続いて、光ファイバ等の導光手段によって加工ヘッドに導光し、続いて、加工ヘッドによって加工対象物にファイバレーザ光を照射してレーザ加工を施すように形成されている。
【０００４】
このように形成されているレーザ加工装置においては、金属等の加工対象物に対して大エネルギを必要とする溶接、切断等の加工を円滑かつ確実に施すために、光源として２０Ｗ以上の大出力に形成されているレーザ加工用のレーザダイオードが用いられている。更に、より一層の大出力を得るために２個のレーザダイオードを用いたり、大エネルギを発振するために高温となるレーザダイオードを前記発振ファイバと独立したユニットとして形成している。また、ファイバレーザ光の出力を設定値に保持して適正なレーザ加工を施したり、レーザダイオードの劣化を検出するためのフォトセンサをユニット内に備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０１０２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のレーザダイオードユニットにおいては、レーザダイオードからの出力光を光ファイバの方向へ反射して折り返すための折返しミラーが当該ユニット内に設けられている。そして、その折返しミラーの反射面の裏側にレーザダイオードが出力する光の出力値を検出するためのフォトセンサが設置されてる。ところが、前記フォトセンサの従来の位置には、折返しミラーより出力光の進行方向後流側に設置されている導光手段や光学部品から反射して逆方向に戻る戻り光も同時に受光することがある。これにより、当該フォトセンサの出力が大きく変動してしまい、レーザダイオードの劣化判定を正確に行うことができないという不都合があった。
【０００７】
本発明は、これらの点に鑑みてなされたものであり、レーザ加工用のレーザダイオードの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことのできるレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の１態様は、２個のレーザダイオードの出力光の進行方向側に光が順方向および逆方向に進行する光学系が設けられている前記レーザダイオードの出力光の強度を検出するレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置であって、前記光学系の途中に前記２個のレーザダイオードの出力光を合流させて同一方向に出力する光コンバイナを有し、該光コンバイナは順方向の光は出力するが逆方向の光は出力しない選択出力部を有し、前記光コンバイナの前記選択出力部には、前記２個のレーザダイオードの出力光のみの強度を検出する検出手段を設けたことを特徴とする。これにより本発明によれば、レーザ加工用のレーザダイオードの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことができる。
【０００９】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記偏光ビームスプリッタには、前記選択出力部から前記検出手段に向かう出力光を拡散させる拡散手段が設けられていることを特徴とする。これにより本発明によれば、マルチエミッタ構造のレーザダイオードを用いても、レーザダイオードの出力を精度よく検出することができる。
【００１０】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記フォトダイオードには、散乱光の入光を遮蔽する遮蔽手段が設けられていることを特徴とする。これにより本発明によれば、散乱光に影響されることなく、レーザダイオードの出力を精度よく検出することができる。
【００１１】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記光コンバイナは偏光ビームスプリッタであり、前記検出手段はフォトダイオードであることを特徴とする。これにより本発明によれば、偏光ビームスプリッタによって２個のレーザダイオードの出力光のみを検出手段に出力させることができ、レーザダイオードの出力を精度よく検出することができる。
【００１２】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記２個のレーザダイオードの一方からの出力光は横偏光の光として前記偏光ビームスプリッタに入力され、他方からの出力光は縦偏光の光として前記偏光ビームスプリッタに入力されることを特徴とする。これにより本発明によれば、横偏光の光を偏光ビームスプリッタを透過させて直進させ、縦偏光の光を偏光ビームスプリッタによって反射させて、２個のレーザダイオードを適正に用いることができる。
【００１３】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記光学系の後流側にはレーザ加工部に前記２個のレーザダイオードの出力光を導く導光手段が配設され、前記逆方向の光は前記導光手段において反射する反射光であることを特徴とする。これにより本発明によれば、レーザダイオードの光学系の後流側に接続されているとともにレーザ加工部に２個のレーザダイオードの出力光を導く導光手段側からの戻り光に影響されることなく、レーザダイオードの出力を精度よく検出することができる。
【００１４】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置の他の態様は、前記導光手段は、前記２個のレーザダイオードの出力光を導く光ファイバ系または発振器ユニットであることを特徴とする。これにより本発明によれば、２個のレーザダイオードの出力光を導く光ファイバ系または発振器ユニット側からの戻り光に影響されることなく、レーザダイオードの出力を精度よく検出することができる。
【００１５】
また、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードユニットの態様は、前記各態様のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置を備えていることを特徴とする。これにより本発明によれば、レーザ加工用のレーザダイオードの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットは、レーザ加工用のレーザダイオードの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことができるなどの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットの一実施形態を適用したレーザ加工装置を示す概念図
【図２】本発明のレーザ加工用のレーザダイオードユニットの一実施形態を示す平面図
【図３】図２のＢ羽根矢視図
【図４】図２のＡ−Ａ線にそった断面図
【図５】２個のレーザダイオードから出力された各レーザ光の位置制御の状態を示す図２の伝送用の光ファイバの端面における集光図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットを図１から図５により説明する。
【００１９】
図１は本発明のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットの実施形態を備えたレーザ加工装置１を示している。
【００２０】
このレーザ加工装置１は、レーザ光の進行順に、レーザ発振部２、レーザ入射部３、ファイバ伝送部４、レーザヘッド部５および加工テーブル６を備えている。
【００２１】
レーザ発振部２は、レーザ光ＭＢを発振するレーザ加工用のレーザダイオードユニット９と、レーザ光ＭＢを発振用の光ファイバ（以下、「発振ファイバ」という）１０によって所定波長のファイバレーザ光ＦＢとして取り出して出力する発振器ユニット８とを有している。
【００２２】
まず、ファイバレーザ光ＦＢの発振について説明すると、本実施形態においては、発振器ユニット８において、発振ファイバ１０を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー１１、１２が配置されている。各光共振器ミラー１１、１２と発振ファイバ１０の端面との間にはそれぞれ光学レンズ１３、１４が配置されている。一方の光学レンズ１３は、レーザダイオードユニット９側から出力されるとともに励起用として利用されるレーザ光ＭＢを発振ファイバ１０の一端面に集光入射させる。レーザダイオードユニット９と光学レンズ１３との間に配置されている光共振器ミラー１１は、レーザダイオードユニット９側から入射した励起用のレーザ光ＭＢを透過させ、発振ファイバ１０側から入射した発振光線を共振器の光軸上で全反射するように形成されている。発振ファイバ１０は、発光元素としてたとえば希土類元素のイオンをドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝播光路としている。前記のようにして発振ファイバ１０の一端面に入射した励起用のレーザ光ＭＢは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ１０の中を軸方向に伝播し、その伝播中にコアを何度も横切ることでコア中の希土類元素イオンを光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー１１、１２の間を何度も行き来して共振増幅され、部分反射ミラーからなる片側の共振器ミラー１２より該所定波長を有するファイバレーザ光ＦＢが取り出されて、順方向に進行する。光学レンズ１３、１４は、発振ファイバ１０の端面から放出されてきた発振光線を平行にコリメートして光共振器ミラー１１、１２で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ１０の端面に集光させる。また、発振ファイバ１０を通り抜けた励起用のレーザ光ＭＢは、光学レンズ１４および光共振器ミラー１２を透過したのちに折り返しミラー１５にて側方のレーザ吸収体１６に向けて折り返される。光共振器ミラー１２より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、この折り返しミラー１５をまっすぐ透過し、レーザ入射部３に進行する。
【００２３】
次に、レーザダイオードユニット９を説明する。
【００２４】
このレーザダイオードユニット９は、いわゆるＦＣ−ＬＤ（Fiber Coupling - Laser Diode）として形成されており、ユニット９内において発振されたレーザ光ＭＢの出力部分に伝送用の光ファイバ７が接続された構造とされている。この光ファイバ７の端面７ａが２個のレーザダイオードから出力されるレーザ光のユニット９からの出力基準面となる。
【００２５】
本実施形態においては、図２に示すように、レーザ加工用の大出力を得るために２０Ｗ以上の出力を有する２個のレーザダイオード９ａ、９ｂを、密閉可能な箱型に形成されているチャンバ１７内に各出力光となるレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを互いに直行させて出力するように配置している。両レーザダイオード９ａ、９ｂは、大出力を得るために複数のエミッタが並設されたマルチエミッタ構造（図示せず）とすると好適である。マルチエミッタ構造のレーザダイオード９ａ、９ｂにおいては、出力されるレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの断面が一方向に長い棒状となる。両レーザダイオード９ａ、９ｂにはレーザ電源部２２から励起電力が通電されてレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを出力するように形成されている。両レーザダイオード９ａ、９ｂから出力された両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、その後、図２に示す光学系に沿って順方向に進行し、反射光が戻り光として逆方向に進行する。ここで言う反射光とは、例えばレーザダイオードユニット９に接続されている伝送用の光ファイバ７の端面７ａで反射する光や、その前後に配設された光学素子からの反射光等のことである。両レーザダイオード９ａ、９ｂから互いに直行させて出力された両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの交点位置には、レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを合流させて同一方向に出力するとともに、順方向の光は出力するが逆方向の光は出力しない選択出力部１８ａを有する光コンバイナ１８を設けている。この光コンバイナ１８は、互いに直行させて出力された両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂに対して４５度に傾斜している傾斜面１９ａを備えた偏光ビームスプリッタ１９により形成されている。一方のレーザダイオード９ａから出力された横偏光の光からなるレーザ光ＭＢａは、大部分が前記傾斜面１９ａを裏面側から表面側に透過して直進し、その一部（たとえば１％）が傾斜面１９ａの裏面側において反射して選択出力部１８ａとなる端面から出力される。他方のレーザダイオード９ｂから出力されて後述する波長板４０を透過した縦偏光の光からなるレーザ光ＭＢｂは、大部分が前記傾斜面１９ａの表面側において反射されて、当該傾斜面１９ａを裏面側から表面側に透過した一方のレーザ光ＭＢａと合流して順方向に進行し、その一部（たとえば１％）が当該傾斜面１９ａを表面側から裏面側に透過して選択出力部１８ａとなる端面から出力される。偏光ビームスプリッタ１９の選択出力部１８ａを形成する端面に対向して２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光のみの強度を検出する検出手段としてのフォトダイオード２０を設置している。また、偏光ビームスプリッタ１９の選択出力部１８ａには、当該選択出力部１８ａを形成する端面からの出力光を拡散させる拡散手段を設けるとよい。たとえば、拡散手段としては、選択出力部１８ａを形成する端面をすりガラス状（図示せず）に形成したり、選択出力部１８ａを形成する端面に拡散板（図示せず）を添設するとよい。これにより両レーザダイオード９ａ、９ｂとしてマルチエミッタ構造を採用することによりレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂが細長い棒状であっても、選択出力部１８ａを形成する端面からは拡散されて出力することとなり、均一化された光がフォトダイオード２０によって受光されて正確な検出が実行される。また、このフォトダイオード２０には、チャンバ１７内の散乱光が入光することを遮蔽する遮蔽手段としての遮蔽板２１を設けることが好ましい。これにより２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光のみの検出精度を向上させることができる。
【００２６】
前記傾斜面１９ａの表面側において反射されたレーザ光ＭＢｂを出力するレーザダイオード９ｂと偏光ビームスプリッタ１９との間には、当該レーザ光ＭＢｂの振動方向を回転させる波長板４０が、レーザ光ＭＢｂの光軸と直行するとともに図２において紙面と平行な回動軸４１をもって回動自在に支持されて、光軸に対する直交位置から傾斜可能に配設されている。本実施形態においては１／２波長板４０が設けられている。１／２波長板４０を回動させると透過したレーザ光ＭＢｂの光軸を、図３の実線と破線とに示すように、高さ方向に移動させることができる。両レーザダイオード９ａ、９ｂから出力される両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、それぞれ図２において紙面に平行で光軸に対して直行する方向（矢印ａ、ｂ参照）に振動している。レーザ光ＭＢｂは１／２波長板４０を通過すると振動方向が紙面と垂直方向（図２において黒丸によって表示参照）に回転させられる。これにより偏光ビームスプリッタ１９の傾斜面１９ａの表面側から進行する合成後のレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、一方のレーザ光ＭＢａが紙面と平行に振動し、他方の励起用レーザ光ＭＢｂが紙面と垂直方向に振動するものとなる（図２において傾斜面１９ａの後流側の光軸上の矢印および黒丸によって表示参照）。本実施形態においては、図５に示すように、伝送用の光ファイバ７の端面７ａ（出力の基準面）に到達する入射光となる両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの入射点（集光位置）の高さ位置が同図（ａ）に示すようにずれている場合には、１／２波長板４０を回動させて、一方のレーザ光ＭＢｂの高さ位置を移動させて、同図（ｂ）に示すように、両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの高さ位置を一致させることができる。
【００２７】
図２において、偏光ビームスプリッタ１９の光学系の後流側には合流された両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを光路上の集光レンズ２３ａ、２３ｂに向けて反射させる反射板２４が設置されている。このように反射板２４によって光路を屈曲させることにより、レーザダイオードユニット９の長尺化を防止して、小型化を図ることができる。反射版２４によって反射されたレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、それぞれ集光レンズ２３ａ、２３ｂによってレーザダイオードユニット９のチャンバ１７に接続具２５をもって接続されている伝送用の光ファイバ７の一方の端面７ａに焦点を合わせるようにして集光させられ、光ファイバ７を通してユニット９の外部へ出射される。この時、各レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、それぞれｆａｓｔ側の集光レンズ２３ａによってレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの幅方向（図２の紙面に平行方向）に集光され、続いてｓｌｏｗ側の集光レンズ２３ｂによってレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの高さ方向（図２の紙面に垂直方向）に集光される。このようにして集光されるレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、レーザダイオードユニット９の設定時には、光ファイバ７に変えてＣＣＤカメラの入射部を取り付けて、前記端面７ａにおける各レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの集光位置を測定しながら、１／２波長板４０を回動させて両レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの集光位置を一致させるようにして設定される（図５参照）。その後、本実施形態においては、この光ファイバ７の他方の端面７ｂから出射したレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂはコリメートレンズ２３ｃによってコリメートされて、光共振器ミラー１１に入射して、励起用のレーザ光ＭＢとして使用されるように形成されている。
【００２８】
各レーザダイオード９ａ、９ｂは、発振による発熱を放熱するために、図４に示すように、密封可能な箱型に形成されている金属製のチャンバ１７内の底板１７ａの上面にペルチェ素子２５を積層し、当該ペルチェ素子２５の上部に（本実施形態においては金属板２６を介装して）レーザダイオード９ａ、９ｂを積層して配置するとともに、チャンバ１７の底板１７ａの下面にヒートシンク２７を取付けている。更に、チャンバ１７の底板１７ａ部分から側壁１７ｂや蓋部１７ｃの上部に熱が伝達されることを阻止するために断熱層２８を設けている。この断熱層２８としては、チャンバ１７の底板１７ａに連設されている側壁１７ｂの全周に亘って形成するとよく、また、樹脂材料（例えば、ＰＰＳ：ポリフェニレンサルファイド樹脂）等の断熱効率の高い素材によって形成するとよい。ペルチェ素子２５には外部より冷却用の電力が供給されるようになっている。なお、前記金属板２６は省略することができる。
【００２９】
図１に戻って、レーザ入射部３より先の光学系をファイバレーザ光ＦＢの進行順に説明する。すなわち、レーザ入射部３に入ったファイバレーザ光ＦＢは、最初にベントミラー２９で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット３０内で集光レンズ３１により集光されてファイバ伝送部４の伝送用光ファイバ３２の一端面に入射する。伝送用光ファイバ３２は、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバからなり、入射ユニット３０内で入射したファイバレーザ光ＦＢをレーザヘッド部５の出射ユニット３３まで伝送する。出射ユニット３３は、伝送用光ファイバ３２の終端面より出たファイバレーザ光ＦＢを平行光にコリメートするコリメートレンズ３４と、平行光のファイバレーザ光ＦＢを所定の焦点位置に集光させる集光レンズ３５とを有しており、加工テーブル６に載置されている被加工物３６の加工点Ｗにファイバレーザ光ＦＢを集光照射する。
【００３０】
次に、本実施形態のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置およびこれを備えたレーザ加工用のレーザダイオードユニットの作用を説明する。
【００３１】
まず、準備としてペルチェ素子２５に通電して両レーザダイオード９ａ、９ｂを放熱可能とする。
【００３２】
次に、レーザ電源部２２からレーザ発振部２の両レーザダイオード９ａ、９ｂに励起電流が供給されると、両レーザダイオード９ａ、９ｂはそれぞれレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを発振する。
【００３３】
一方のレーザダイオード９ａから出力された横偏光の光からなるレーザ光ＭＢａは、大部分が光コンバイナ１８となる偏光ビームスプリッタ１９の傾斜面１９ａを裏面側から表面側に透過して直進し、その一部（たとえば１％）が傾斜面１９ａの裏面側において反射して選択出力部１８ａとなる端面から出力される。他方のレーザダイオード９ｂから出力された横偏光の光からなるレーザ光ＭＢｂは、１／２波長板４０を透過することによって偏光方向が４５°回転され、縦偏光の光になる。縦偏光の光となったレーザ光ＭＢｂは、一方のレーザ光ＭＢａの光ファイバ７の端面７ａにおける入射点（集光位置）と自身の入射点（集光位置）とを一致させられ、その後に大部分が前記傾斜面１９ａの表面側において反射されて、当該傾斜面１９ａを裏面側から表面側に透過した一方のレーザ光ＭＢａと合流して順方向に進行し、その一部（たとえば１％）が当該傾斜面１９ａを表面側から裏面側に透過して選択出力部１８ａとなる端面から出力される。
【００３４】
この偏光ビームスプリッタ１９の選択出力部１８ａを形成する端面から出力された２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光であるレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂの一部がフォトダイオード２０に受光されてその強度が検出される。これにより、レーザダイオード９ａ，９ｂの出力を正確に検出できる。
【００３５】
光コンバイナ１８には後流側より戻り光が逆方向に進行してくることがある。この戻り光は、レーザダイオードユニット９に接続された光ファイバ７の入射側の端面７ａにおける反射光や、当該光ファイバ７の前後に設けられた種々の光学素子における反射光等である。。一方のレーザ光ＭＢａの戻り光については、光コンバイナ１８の傾斜面１９ａを表面側から裏面側に透過するので、フォトダイオード２０には進行することはない。他方のレーザ光ＭＢｂの戻り光については、光コンバイナ１８の傾斜面１９ａの表面側において反射してレーザダイオード９ｂに向かうので、フォトダイオード２０には進行することはない。このように本実施形態においては、レーザ加工用のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力状態を戻り光に影響されることなく正確に検出することができ、高品質のレーザ加工を施すことができる。
【００３６】
また、偏光ビームスプリッタ１９の選択出力部１８ａに、当該選択出力部１８ａを形成する端面からの出力光を拡散させる拡散手段を設けると、両レーザダイオード９ａ、９ｂとしてマルチエミッタ構造を採用することによりレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂが細長い棒状であっても、選択出力部１８ａを形成する端面からは拡散されて出力することとなり、均一化された光がフォトダイオード２０によって受光されて正確な検出が実行される。この場合、マルチエミッタ構造のレーザダイオード９ａ、９ｂの一部に不調がっても、拡散手段によって均一化されたレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂをフォトダイオードによって検出することができる。
【００３７】
また、フォトダイオード２０にチャンバ１７内の散乱光が入光することを遮蔽する遮蔽手段としての遮蔽板２１を設けると、２個のレーザダイオード９ａ、９ｂの出力光のみの検出精度を向上させることができる。
【００３８】
両レーザダイオード９ａ、９ｂから出力されて光コンバイナ１８によって合流されたレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、反射板２４によって折り返すように反射され、集光レンズ２３ａ、２３ｂによって光ファイバ７の入射端面７ａに集光入射される。光ファイバ７に入射されたレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは光ファイバ７内を伝播して出射側の端面７ｂから出射されて、レーザ加工用に利用される。
【００３９】
本実施形態においては、レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは励起用として利用されるために、光ファイバ７内を伝播して出射側の端面７ｂから光共振器ミラー１１に向けて出射される。すると、光共振器ミラー１１は、合流された励起用レーザ光ＭＢを透過させるとともに、発振ファイバ１０側から入射した発振光線を全反射する。光学レンズ１３は合流された励起用レーザ光ＭＢを発振ファイバ１０の一端面に集光入射させる。また、光学レンズ１３は、発振ファイバ１０の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートする。
【００４０】
次に、発振ファイバ１０の一端面に入射した合流された励起用レーザ光ＭＢａ、ＭＢｂは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ１０の内部を軸方向に伝播し、その伝播中にコアを何度も横切ることによってコアのイオンを光励起する。これにより、コアの両端面から軸方向に所定の波長の発振光線が放出される。この発振光線が光学レンズ１３、１４を通して光共振器ミラー１１、１２の間を何度も行き来することによって共振増幅され、光共振器ミラー１２を透過したときに所定の波長のファイバレーザ光ＦＢが得られる。
【００４１】
光共振器ミラー１２より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、折り返しミラー１５をまっすぐ透過し、ベントミラー２９に反射されてレーザ入射部３に入射して、被加工物３６の加工に供される。一方、所定の波長のファイバレーザ光ＦＢを得る前に合流した励起用レーザ光ＭＢが光学レンズ１３および光共振器ミラー１４を透過した場合には、折り返しミラー１５によってレーザ吸収体１６の方向に折り返される。
【００４２】
レーザ入射部３に入ったファイバレーザ光ＦＢは、最初にベントミラー２９で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット３０内で集光レンズ３１により集光されてファイバ伝送部４の伝送用光ファイバ３２の一端面に入射する。伝送用光ファイバ３２は、入射ユニット３０内で入射したファイバレーザ光ＦＢをレーザヘッド部５の出射ユニット３３まで伝送する。出射ユニット３３は、加工テーブル６に載置されている被加工物３６の加工点Ｗにファイバレーザ光ＦＢを集光照射して、レーザ加工を施す。
【００４３】
このようにして本実施形態においては、適正な出力のファイバレーザ光ＦＢをもって高品位なレーザ加工を実行することができる。
【００４４】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて変更することができる。
【００４５】
例えば、図２の破線に示すように、フォトダイオード２０の出力をレーザ電源部２２の出力を制御する制御部４２にフィードバックしてレーザダイオード９ａ、９ｂの出力を制御することもできる。制御部４２は、フォトダイオード２０からの検出出力と両レーザダイオード９ａ、９ｂの設定出力とを比較して、両レーザダイオード９ａ、９ｂが設定出力を維持するようにレーザ電源部２２へ出力を指示する。これにより両レーザダイオード９ａ、９ｂはフィードバックによって指示された励起電力の通電をレーザ電源部２２から受けて適正なレーザ光ＭＢａ、ＭＢｂを出力することができる。これにより、レーザ加工装置の励起光を適切に制御することができる。
【００４６】
なお、このようにフォトダイオードの出力を制御部にフィードバックする構成は、レーザダイオードユニットが出力するレーザ光を直接に被加工物に照射して加工する、いわゆるＬＤダイレクト方式のレーザ加工装置に好ましく適用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１ レーザ加工装置
２ レーザ発振部
８ 発振器ユニット
９ レーザダイオードユニット
９ａ、９ｂ レーザダイオード
１０ 発振ファイバ
１８ 光コンバイナ
１９ 偏光ビームスプリッタ
２０ フォトダイオード
２１ 遮蔽板
２２ レーザ電源部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個のレーザダイオードの出力光の進行方向側に光が順方向および逆方向に進行する光学系が設けられている前記レーザダイオードの出力光の強度を検出するレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置であって、
前記光学系の途中に前記２個のレーザダイオードの出力光を合流させて同一方向に出力する光コンバイナを有し、
該光コンバイナは、順方向の光は出力するが逆方向の光は出力しない選択出力部を有し、
前記光コンバイナの前記選択出力部には、前記２個のレーザダイオードの出力光のみの強度を検出する検出手段が設けられていることを特徴とするレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項２】
前記光コンバイナには、前記選択出力部から前記検出手段に向かう出力光を拡散させる拡散手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項３】
前記検出手段には、散乱光の入光を遮蔽する遮蔽手段が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項４】
前記光コンバイナは偏光ビームスプリッタであり、前記検出手段はフォトダイオードであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項５】
前記２個のレーザダイオードの一方からの出力光は横偏光の光として前記偏光ビームスプリッタに入力され、他方からの出力光は縦偏光の光として前記偏光ビームスプリッタに入力されることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項６】
前記光学系の後流側にはレーザ加工部に前記２個のレーザダイオードの出力光を導く導光手段が配設され、前記逆方向の光は前記導光手段において反射する反射光であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項７】
前記導光手段は、前記２個のレーザダイオードの出力光を導く光ファイバ系または発振器ユニットであることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置を備えていることを特徴とするレーザ加工用のレーザダイオードユニット。
【請求項１】
２個のレーザダイオードの出力光の進行方向側に光が順方向および逆方向に進行する光学系が設けられている前記レーザダイオードの出力光の強度を検出するレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置であって、
前記光学系の途中に前記２個のレーザダイオードの出力光を合流させて同一方向に出力する光コンバイナを有し、
該光コンバイナは、順方向の光は出力するが逆方向の光は出力しない選択出力部を有し、
前記光コンバイナの前記選択出力部には、前記２個のレーザダイオードの出力光のみの強度を検出する検出手段が設けられていることを特徴とするレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項２】
前記光コンバイナには、前記選択出力部から前記検出手段に向かう出力光を拡散させる拡散手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項３】
前記検出手段には、散乱光の入光を遮蔽する遮蔽手段が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項４】
前記光コンバイナは偏光ビームスプリッタであり、前記検出手段はフォトダイオードであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項５】
前記２個のレーザダイオードの一方からの出力光は横偏光の光として前記偏光ビームスプリッタに入力され、他方からの出力光は縦偏光の光として前記偏光ビームスプリッタに入力されることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項６】
前記光学系の後流側にはレーザ加工部に前記２個のレーザダイオードの出力光を導く導光手段が配設され、前記逆方向の光は前記導光手段において反射する反射光であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項７】
前記導光手段は、前記２個のレーザダイオードの出力光を導く光ファイバ系または発振器ユニットであることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレーザ加工用のレーザダイオードの出力モニタ装置を備えていることを特徴とするレーザ加工用のレーザダイオードユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２０４７６０（Ｐ２０１２−２０４７６０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７０１６５（Ｐ２０１１−７０１６５）
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００１６１３６７）ミヤチテクノス株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００１６１３６７）ミヤチテクノス株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
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