JP2018190905A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ装置において、レーザ共振器および／または光路が備える光学素子で発生する散乱光を抑制することにより、光ファイバモジュール内部や光ファイバ端面の異常の検出精度を高める。【解決手段】複数のレーザ共振器と、複数のレーザ共振器に給電する電源部と、複数のレーザ共振器から出射されたレーザ光を合成する光コンバイナと、光コンバイナで合成されたレーザ光を、光学レンズを介して集光して光ファイバに導光する光ファイバモジュールと、光ファイバの導入端面からの散乱光を検出する光検出器と、光コンバイナと光ファイバモジュールとの間に配された恒温恒湿チャンバと、恒温恒湿チャンバ内部を所定の水蒸気量に調整するとともに光検出器の出力が所定の閾値を超えるか否かに基づいて光ファイバモジュールの異常の有無を検知する異常検出処理を実行する制御部と、を備えるレーザ装置。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置に関する。

レーザ装置を具備する加工装置は、被加工物を非接触で、かつ熱影響も少なく加工できるという特徴があり、多様な材質および形状の被加工物に対する溶接、切断などに採用されている。

近年、近赤外線領域のレーザ光を出力するレーザ装置が多用されている要因の一つとして、光伝送に光ファイバを用いることが可能な点が挙げられる。

特許文献１には、伝送用の光ファイバにレーザ光を導くファイバ結合器として、光ファイバモジュール（ＦＯＭ：Fiber Optical Module）が開示されている。光ファイバモジュールは、入射するレーザ光の光軸に沿って配置された集光用の光学レンズと光ファイバとを備えている。そして、光学レンズによって集光されたレーザ光の焦点と光ファイバのコアとの相対位置の調整、すなわち調心の重要性が示されている。

特許文献２には、光ファイバの導光端面における散乱光を、フォトダイオードなどの光検出器でモニタする構成が開示されている。

図３には、従来のレーザ装置の構成が示されている。レーザ装置は、レーザ媒質を励起してレーザ光を出力する複数のレーザ共振器１−１〜１−ｎと、複数のレーザ共振器に給電する電源部２と、複数のレーザ共振器からのレーザ光を合成する光コンバイナ３と、光コンバイナ３で合成されたレーザ光を光ファイバ１０に導光する光ファイバモジュール８とを備えている。

光ファイバモジュール８の内部で、光学レンズ９によって集光されたレーザ光の焦点は、光ファイバ１０のコアに調心される。ただし、光ファイバ１０に全ての光が導光されるのではなく、僅かに光ファイバ１０の導光端面で反射して散乱光となる。そして、光ファイバモジュール８に設置されている光検出器１１で、その光量がモニタされる。

レーザ共振器から出射されるレーザ光の強度を上昇させるにしたがって、光検出器１１でモニタされる散乱光の強度は僅かずつ増加する。しかし、例えばレーザ光と光ファイバ１０との調心がずれたり、光ファイバ１０の導光端面が損傷したりする異常が発生した場合には、光検出器１１でモニタされる散乱光の強度がそれ以上に大きく増加する。そこで、制御部１２は、散乱光の大きな強度変化を捉えると電源部２の出力を遮断して、大きな破損を招く前にレーザ装置を保護するように構成されている。

米国公開特許２０１４／００１６８９７号公報 特開２００１−２９１９２７号公報

図３のレーザ装置では、レーザ共振器１−１〜１−ｎから出射されたレーザ光ＬＢ１−１〜ＬＢ１−ｎ、および光コンバイナ３を経由したレーザ光ＬＢ２に、それぞれの光学系で発生した散乱光が含まれているため、光ファイバモジュール８内部で光ファイバ１０の導光端面における散乱光ＬＢ５の強度が常態的に大きくなる。よって、光学レンズ９で集光されたレーザ光ＬＢ４と光ファイバ１０との調心がずれた場合、もしくは光ファイバ１０の端面が損傷した場合に、光検出器１１でモニタされるべき異常時の散乱光の強度変動が小さくなってしまい、制御部で適正に異常の発生を検出することが困難になる。

本発明の目的は、レーザ共振器および／または光路が備える光学素子で発生する散乱光を抑制することにより、光ファイバモジュールの内部でのレーザ光と光ファイバとの調心のずれ、光ファイバの導光端面の損傷といった、異常の検出精度を高めたレーザ装置を提供する点にある。

本発明の一側面は、レーザ媒質を励起してレーザ光を出力するレーザ共振器と、前記レーザ共振器に給電する電源部と、前記レーザ共振器から出射されたレーザ光を、光学レンズを介して集光して光ファイバに導光する光ファイバモジュールと、前記光ファイバの導光端面からの散乱光を検出する光検出器と、前記レーザ共振器と前記光ファイバモジュールとの間に配された恒温恒湿チャンバと、前記恒温恒湿チャンバの内部を所定の水蒸気量に調整するとともに、前記光検出器の出力が所定の閾値を超えるか否かに基づいて前記光ファイバモジュールの異常の有無を検知する異常検出処理を実行する制御部と、を備えている、レーザ装置に関する。

本発明の別の側面は、レーザ媒質を励起してレーザ光を出力する複数のレーザ共振器と、前記複数のレーザ共振器に給電する電源部と、前記複数のレーザ共振器からのレーザ光を合成する光コンバイナと、前記光コンバイナで合成されたレーザ光を、光学レンズを介して集光して光ファイバに導光する光ファイバモジュールと、前記光ファイバの導光端面からの散乱光を検出する光検出器と、前記光コンバイナと前記光ファイバモジュールとの間に配された恒温恒湿チャンバと、前記恒温恒湿チャンバの内部を所定の水蒸気量に調整するとともに、前記光検出器の出力が所定の閾値を超えるか否かに基づいて前記光ファイバモジュールの異常の有無を検知する異常検出処理を実行する制御部と、を備えている。

本発明によれば、レーザ共振器や光路に備えた光学素子で発生した散乱光を抑制し、光ファイバモジュールの内部でレーザ光と光ファイバとの調心のずれや光ファイバの端面の損傷といった異常の検出精度を高めたレーザ装置を提供することができる。

本発明に係るレーザ装置の一例を示す構成図である。 恒温恒湿チャンバ内の水蒸気量とＦＯＭ散乱光検出値との関係を示すグラフである。 従来のレーザ装置の構成図である。

本発明の一実施形態に係るレーザ装置は、レーザ媒質を励起してレーザ光を出力するレーザ共振器と、レーザ共振器に給電する電源部と、レーザ共振器から出射されたレーザ光を、光学レンズを介して集光して光ファイバに導光する光ファイバモジュールと、光ファイバの導光端面からの散乱光を検出する光検出器と、レーザ共振器と光ファイバモジュールとの間に配された恒温恒湿チャンバと、恒温恒湿チャンバの内部を所定の水蒸気量に調整するとともに、光検出器の出力が所定の閾値を超えるか否かに基づいて光ファイバモジュールの異常の有無を検知する異常検出処理を実行する制御部と、を備えている。

本発明の別の実施形態に係るレーザ装置は、レーザ媒質を励起してレーザ光を出力する複数のレーザ共振器と、複数のレーザ共振器に給電する電源部と、複数のレーザ共振器からのレーザ光を合成する光コンバイナと、光コンバイナで合成されたレーザ光を、光学レンズを介して集光して光ファイバに導光する光ファイバモジュールと、光ファイバの導光端面からの散乱光を検出する光検出器と、光コンバイナと光ファイバモジュールとの間に配された恒温恒湿チャンバと、恒温恒湿チャンバの内部を所定の水蒸気量に調整するとともに、光検出器の出力が所定の閾値を超えるか否かに基づいて光ファイバモジュールの異常の有無を検知する異常検出処理を実行する制御部と、を備えている。

ここで、所定の水蒸気量は、例えば、恒温恒湿チャンバ内部の水蒸気量と光検出器の出力との相関関係に基づいて定められる値であればよい。所定の水蒸気量は、光検出器の出力が最小値を示す水蒸気量であることが好ましい。また、所定の水蒸気量は、恒温恒湿チャンバ内の飽和水蒸気量より低い値に設定されていることが、さらに好ましい。

上記レーザ装置は、恒温恒湿チャンバに接続される温度湿度調整器と、恒温恒湿チャンバ内部の温度と相対湿度を検出する温湿度検出器と、をさらに備えることが好ましい。このとき、制御部は、電源部を介してレーザ共振器から出力されるレーザ光の強度を所定値に制御した状態で、温度湿度調整器を介して恒温恒湿チャンバ内部の水蒸気量を可変制御したときの、温湿度検出器の出力および光検出器の出力のサンプリング値に基づいて恒温恒湿チャンバ内部の水蒸気量と光検出器の出力との相関関係を求め、当該相間関係から光検出器の検出値が最小値となる水蒸気量を所定の水蒸気量として定める水蒸気量設定処理を実行するように構成されることが好ましい。

そして、制御部は、所定条件を満たす場合にのみ、水蒸気量設定処理を実行することが好ましい。

所定の閾値は、水蒸気量設定処理で求められる光検出器の検出値の最小値の２〜４倍の値に設定されることが好ましい。

光検出器で検出される散乱光の光強度が所定の閾値を超えると、制御部は、電源部の出力を停止する動作停止処理を実行するように構成されることが好ましい。あるいは、光検出器で検出される散乱光の光強度が所定の閾値を超えると、制御部は、レーザ装置の外部に警報を発する発報処理を実行するように構成されることが好ましい。

以下、本発明を適用したレーザ装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、レーザ装置１００の全体構成が示されている。レーザ装置１００は、レーザ媒質を励起してレーザ光ＬＢ１−１〜ＬＢ１−ｎを出力する複数のレーザ共振器１−１〜１−ｎと、複数のレーザ共振器１−１〜１−ｎに給電する電源部２と、複数のレーザ共振器１−１〜１−ｎからのレーザ光ＬＢ１−１〜ＬＢ１−ｎを合成する光コンバイナ３と、光コンバイナで合成されたレーザ光ＬＢ２を、光学レンズ９を介して集光して光ファイバ１０に導光するファイバ結合器である光ファイバモジュール８と、光ファイバモジュール８の内部で光ファイバ１０の導光端面からの散乱光を検出する光検出器１１と、光コンバイナ３と光ファイバモジュール８との間に配した恒温恒湿チャンバ４と、恒温恒湿チャンバ４の内部環境を所定の水蒸気量に調整するとともに、光検出器１１の出力が所定の閾値を超えるか否かに基づいて光ファイバモジュール８の異常の有無を検知する異常検出処理を実行する制御部１２と、を備えている。

複数のレーザ共振器１−１〜１−ｎからそれぞれ出射された複数本のレーザ光ＬＢ１−１〜ＬＢ１−ｎは、光コンバイナ３に入射して光学素子による偏光合成や空間合成によって１本のレーザ光ＬＢ２となって出射する。この段階で、レーザ光ＬＢ１−１〜ＬＢ１−ｎおよびレーザ光ＬＢ２には、光学素子経由時に発生する進行方向が揃っていない散乱光が潜在的に含まれている。なお、レーザ共振器１−１〜１−ｎとして、ダイレクトダイオードレーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザ、ＹＡＧレーザなどを用いることができる。

恒温恒湿チャンバ４は、外気と隔離するハウジングとハウジングに設置された一対の保護ウィンドウ５を備えて構成され、光コンバイナ３から出射された１本のレーザ光ＬＢ２が一方の保護ウィンドウ５からハウジング内に入射し、他方の保護ウィンドウ５から出射するように、レーザ光ＬＢ２の光軸上に配されている。保護ウィンドウ５はレーザ光の周波数に対して吸収率が低い素材を採用することが好ましく、レーザ光の周波数が近赤外線である場合には石英やジンクセレンなどの素材を好ましく採用できる。

恒温恒湿チャンバ４には、内部温度と相対湿度を検出する温湿度検出器６が設置され、温湿度検出器６で検出された温度と相対湿度を目標値に調整するための温度湿度調整器７が接続されている。

光ファイバモジュール（FOMともいう。FOMは、Fiber Optical Moduleの略称である。）８は、空洞部に集光用の光学レンズ９と光ファイバ１０の導光端面側を固定する固定部を備え、恒温恒湿チャンバ４を通過したレーザ光ＬＢ３を光学レンズ９によってレーザ光ＬＢ４として集光して、導光端面から光ファイバ１０に導光するように構成されている。空洞部内部には、光ファイバ１０の導入端面からの散乱光ＬＢ５の強度を検出して電気信号に変換して出力する光検出器１１が設置されている。光検出器１１として、フォトダイオードやサーモパイルなどが採用される。

制御部１２は、温湿度検出器６により検出された恒温恒湿チャンバの温湿度に基づいて温度湿度調整器７を制御して、恒温恒湿チャンバ４の内部環境を所定の水蒸気量に調整し、光検出器１１の出力が所定の閾値を超えるか否かに基づいて光ファイバモジュール８の異常の有無を検知する異常検出処理を実行する。

所定の水蒸気量とは、恒温恒湿チャンバ４の内部の水蒸気量と光検出器１１の出力との相関関係に基づいて定められる値であり、例えば、レーザ共振器１−１〜１−ｎからのレーザ光ＬＢ１−１〜ＬＢ１−ｎの強度が一定である場合に、光検出器１１の出力が最小値を示す水蒸気量である。当該水蒸気量は、保護ウィンドウ５の結露を回避するために、恒温恒湿チャンバ４内の飽和水蒸気量より低い値に設定されることが好ましい。

以下、所定の水蒸気量について詳述する。制御部１２は、先ず、電源部２を介してレーザ共振器１−１〜１−ｎから出力されるレーザ光ＬＢ１−１〜ＬＢ１−ｎの強度を一定に制御した状態で、温度湿度調整器７を介して恒温恒湿チャンバ４の内部の水蒸気量を可変制御し、そのときの温湿度検出器６の出力及び光検出器１１の出力をサンプリングする。

次に、当該サンプリング値に基づいて恒温恒湿チャンバ４内部の水蒸気量Ｈと光検出器の出力つまり散乱光ＬＢ５の光強度Ｇとの相関関係を求める。求めた相間関係から光検出器１１の検出値が最小値となる水蒸気量を所定の水蒸気量として定める。これら一連の処理が制御部１２により実行される水蒸気量設定処理である。

図２には、水蒸気量Ｈと散乱光ＬＢ５の光強度Ｇの相関が示されている。水蒸気量Ｈが増えるに従い散乱光ＬＢ５の光強度Ｇが低下する傾向が認められる。これは、水分子のエネルギー遷移に必要な波長である近赤外線領域の９７０ｎｍ、１４５０ｎｍ、１９４０ｎｍ近傍のレーザ光が水分子に吸収され、水分子量つまり水蒸気量が増加するほどレーザ光の吸収も増加するためである。

また、水蒸気量Ｈが増加してある値ｈを通過すると、散乱光ＬＢ５の光強度Ｇがその時の値ｇより低下することなく一定に維持されるようになる。これは、レーザ光ＬＢ１−１〜ＬＢ１−ｎおよびレーザ光ＬＢ２に含まれる散乱光が恒温恒湿チャンバ４の内部の水分子に吸収され、光ファイバモジュール８の内部で光ファイバ１０の導光端面からの散乱光のみが光検出器１１により検出されるようになるためである。

従って、レーザ光ＬＢ４と光ファイバ１０との調心のずれや、光ファイバ１０の端面の損傷による異常状態を、散乱光ＬＢ５の光強度Ｇに基づいて検出する際に、レーザ光ＬＢ４に含まれる散乱光の殆どが恒温恒湿チャンバ４で吸収された状態、つまり散乱光ＬＢ５の光強度Ｇがｇとなる状態が、最も精度の高い検出が可能になる。そのため、制御部１２は、温度湿度調整器７を制御して恒温恒湿チャンバ４の内部の水蒸気量Ｈをｈに一定制御する。

このとき散乱光ＬＢ５の光強度Ｇがｇとなる水蒸気量Ｈの値ｈが恒温恒湿チャンバ４の内部の飽和水蒸気量ｈｓに近い場合には、保護ウィンドウ５への水付着による汚染リスクが高まる。そこで、制御部１２は温度湿度調整器７を制御して、水蒸気量ｈと飽和水蒸気量ｈｓの関係が、ｈ＜ｈｓとなるよう調整することにより、より安定した継続稼働を実現する。

なお、レーザ光ＬＢ１−１〜ＬＢ１−ｎおよびレーザ光ＬＢ２に含まれる散乱光の強度は、光が経由する光学素子の作用に依存して定まり、経時変化は小さいという特性がある。そのため上述した水蒸気量設定処理を頻繁に行なう必要はなく、レーザ光ＬＢ１−１〜ＬＢ１−ｎおよびレーザ光ＬＢ２に含まれる散乱光の強度が変化する可能性のある場合や、温度湿度調整器７の調整状態が変化する可能性のある場合などの所定条件を満たす場合にのみ行なうように構成すればよい。例えば、レーザ装置１００の電源投入時や、レーザ装置１００のメンテナンス後の最初の電源投入時のみに行なえばよい。

制御部１２は、光検出器１１で検出される散乱光の光強度ｇ１が所定の閾値ｇＥＲＲＯを超えると、電源部２の出力を停止する動作停止処理を実行することにより、レーザ装置１００が大きな損傷を受けないように保護する。また、レーザ装置１００の外部に警報を発する発報処理を実行する。動作停止処理と発報処理の双方を実行することが好ましいが、何れか一方のみを実行してもよい。所定の閾値ｇＥＲＲＯは、正常時の散乱光の光強度ｇの２〜４倍の値に設定されていると、誤動作防止と異常検出応答のバランスが良い。

レーザ装置１００に配されたレーザ共振器１−１〜１−ｎ、光コンバイナ３および光ファイバモジュール８を構成する様々な光学素子は、レーザ光が照射された際に吸熱して温度上昇するため、熱破損を防止するために、冷却機構が設けられている。また、冷却により周辺雰囲気の湿度により光学素子に生じる結露によって破損を招くことがないように低湿度に調整される必要もある。

そのため、光コンバイナ３と光ファイバモジュール８との間に、閉空間として区画された恒温恒湿チャンバ４が設置され、恒温恒湿チャンバ４内でのみ水蒸気量Ｈが調整できるように構成されている。

以上説明した実施形態では、複数のレーザ共振器を備え、各レーザ共振器から出射されたレーザ光を合成する光コンバイナを備えたレーザ装置について説明したが、光コンバイナを備えることなく、単一のレーザ共振器と、当該レーザ共振器から出射されたレーザ光を、光学レンズを介して集光して光ファイバに導光する光ファイバモジュールを備えたレーザ装置であっても、本発明と適用できることはいうまでもない。

上述した実施形態は本発明の一例に過ぎず、各部の具体的な構成は上述した例に限定されるものではなく、本発明の作用効果が奏される範囲にて適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

以上説明したように、本発明によれば、光ファイバモジュール内部のレーザ光と光ファイバとの調心がずれた場合や、光ファイバの端面が損傷した場合などに、異常を検出する精度を高めることができるため、高品質なレーザ装置を実現できる。

１−１〜１−ｎ：レーザ共振器
２：電源部
３：光コンバイナ
４：恒温恒湿チャンバ
５：保護ウィンドウ
６：温湿度検出器
７：温度湿度調整器
８：光ファイバモジュール
９：光学レンズ
１０：光ファイバ
１１：光検出器
１２：制御部
１００：レーザ装置
ＬＢ１−１〜１−ｎ：レーザ光
ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４、ＬＢ５、ＬＢ６：レーザ光

Claims (10)

1. レーザ媒質を励起してレーザ光を出力するレーザ共振器と、
   前記レーザ共振器に給電する電源部と、
   前記レーザ共振器から出射されたレーザ光を、光学レンズを介して集光して光ファイバに導光する光ファイバモジュールと、
   前記光ファイバの導光端面からの散乱光を検出する光検出器と、
   前記レーザ共振器と前記光ファイバモジュールとの間に配された恒温恒湿チャンバと、
   前記恒温恒湿チャンバ内部を所定の水蒸気量に調整するとともに、前記光検出器の出力が所定の閾値を超えるか否かに基づいて前記光ファイバモジュールの異常の有無を検知する異常検出処理を実行する制御部と、
   を備えている、レーザ装置。
2. レーザ媒質を励起してレーザ光を出力する複数のレーザ共振器と、
   前記複数のレーザ共振器に給電する電源部と、
   前記複数のレーザ共振器から出射されたレーザ光を合成する光コンバイナと、
   前記光コンバイナで合成されたレーザ光を、光学レンズを介して集光して光ファイバに導光する光ファイバモジュールと、
   前記光ファイバの導光端面からの散乱光を検出する光検出器と、
   前記光コンバイナと前記光ファイバモジュールとの間に配された恒温恒湿チャンバと、
   前記恒温恒湿チャンバ内部を所定の水蒸気量に調整するとともに、前記光検出器の出力が所定の閾値を超えるか否かに基づいて前記光ファイバモジュールの異常の有無を検知する異常検出処理を実行する制御部と、
   を備えている、レーザ装置。
3. 前記所定の水蒸気量は、前記恒温恒湿チャンバ内部の水蒸気量と前記光検出器の出力との相関関係に基づいて定められる値である、請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記所定の水蒸気量は、前記光検出器の出力が最小値を示す水蒸気量である、請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記所定の水蒸気量は、前記恒温恒湿チャンバ内の飽和水蒸気量より低い値に設定されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
6. 前記恒温恒湿チャンバに接続される温度湿度調整器と、
   前記恒温恒湿チャンバ内部の温度と相対湿度を検出する温湿度検出器と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記電源部を介して前記レーザ共振器から出射されるレーザ光の強度を所定値に制御した状態で、前記温度湿度調整器を介して前記恒温恒湿チャンバ内部の水蒸気量を可変制御したときの、前記温湿度検出器の出力および前記光検出器の出力のサンプリング値に基づいて前記恒温恒湿チャンバ内部の水蒸気量と前記光検出器の出力との相関関係を求め、当該相間関係から前記光検出器の検出値が最小値となる水蒸気量を前記所定の水蒸気量として定める水蒸気量設定処理を実行する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
7. 前記制御部は、所定条件を満たす場合にのみ、前記水蒸気量設定処理を実行する、請求項６に記載のレーザ装置。
8. 前記所定の閾値は、前記水蒸気量設定処理で求められる前記光検出器の検出値の最小値の２〜４倍の値に設定される、請求項６または７に記載のレーザ装置。
9. 前記光検出器で検出される散乱光の光強度が前記所定の閾値を超えると、前記制御部は前記電源部の出力を停止する動作停止処理を実行する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ装置。
10. 前記光検出器で検出される散乱光の光強度が前記所定の閾値を超えると、前記制御部はレーザ装置の外部に警報を発する発報処理を実行する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ装置。

Images