JP6694754B2 - レーザ装置及びレーザシステム - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置及びレーザシステムに関する。

近年、加工分野、自動車分野、医療分野等の様々な分野において、ファイバレーザが注目されている。このファイバレーザは、従来のレーザ装置（例えば、炭酸ガスレーザ装置）に比べて、ビーム品質及び集光性に優れている。このため、従来に比べて加工時間を短縮することができる、省エネルギーを図ることができる、質の高い微細加工を容易に行うことができる、等の優れた特徴を有する。また、ファイバレーザは、空間光学部品が不要なため、アライメント等の問題がない、メンテナンスが不要である、等の利点もある。

その一方で、ファイバレーザは、反射光（例えば、ワークの加工面からの反射光）がファイバレーザに戻ってしまうと発振状態が不安定になる。その結果、出力光のパワーが変動してしまい、加工特性が劣化する虞が考えられる。また、不安定な発振がランダムパルス発振になってしまうと、励起光源の故障、ファイバの破断等が引き起こされて、ファイバレーザが故障する可能性も考えられる。このような問題に対処するには、反射光のパワーをモニタして、発振状態が不安定になることを未然に防ぐ必要がある。

以下の特許文献１には、反射光のパワーをモニタする従来の装置及び方法が開示されている。具体的に、以下の特許文献１には、光ファイバの融着接続点で漏れ出した出力光を検出する第１検出器と、融着接続点で漏れ出した反射光を検出する第２検出器とを設け、反射光が生じない状況下で予め得られた第１検出器及び第２検出器の検出結果の関係を用い、第２検出器の検出結果から出力光の影響を排除する演算を行うことで、反射光のパワーをモニタする装置等が開示されている。

特許第５８６５９７７号公報

ところで、上述した特許文献１に開示された装置等を用いれば、簡易的に反射光の大小を検出することが可能であると考えられる。しかしながら、上述した特許文献１に開示された装置等では、実際にファイバレーザに戻ってくる反射光のパワーと第２検出器（反射光を検出する検出器）の検出結果との関係を求めていない。このため、検出値に定量性がなく、今後、より高い精度が要求された場合には、その要求に応えることができない可能性も考えられる。

ここで、上述した特許文献１に開示された装置等において、上記の関係を予め求めてしまえば、上述した精度向上の要求に応えられるとも考えられる。しかしながら、ファイバレーザが完成した後に、ファイバレーザに対して光を反射光として入射させて、上記の関係を求めることは、イレギュラーな接続を行ったうえでの装置評価といった、少なくない追加工数が必要となることが考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で反射光のモニタ精度の向上を図ることが可能なレーザ装置及びレーザシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光パワーモニタ装置は、光ファイバ（Ｆ、Ｆ１０）から出力される出力光（Ｌ１、Ｌ１１）の反射光のうち前記光ファイバに入力する反射光（Ｌ２、Ｌ１２）のパワーをモニタする光パワーモニタ装置（１３）において、前記光ファイバの近傍に配置され、前記光ファイバによって導波される光のレイリー散乱光を検出する光検出器（２１）と、前記反射光が生じない状況下で予め得られた前記出力光の出力と前記光検出器の検出結果との関係を示す第１情報（ＩＦ２）を用い、前記光検出器で得られた検出結果から前記出力光の出力に応じた成分を除外する演算を行う演算部（２２）と、を備える。
また、本発明の光パワーモニタ装置は、前記演算部が、前記反射光が生じない状況下で予め得られた前記出力光の励起光源に供給される電流と前記出力光の出力との関係を示す第２情報（ＩＦ１）を用い、前記励起光源に供給されている電流に基づいて前記出力光の出力を求める。
また、本発明の光パワーモニタ装置は、前記演算部が、前記第１情報及び前記第２情報を記憶する記憶部（Ｍ）を備える。
また、本発明の光パワーモニタ装置は、前記演算部が、前記反射光が生じない状況下で新たに得られた前記第２情報と、前記記憶部に記憶された前記第２情報との差分を求め、該差分を用いて演算結果を補正する。
また、本発明の光パワーモニタ装置は、前記演算部が、前記励起光源に対する電流の供給開始後の所定時間及び供給停止後の所定時間の少なくとも一方で前記光検出器の検出結果をマスクする。
また、本発明の光パワーモニタ装置は、前記光検出器が、前記光ファイバが接続点（Ｐ）を有するものである場合には、該接続点から前記光ファイバの長手方向に予め規定された距離だけ離間した位置に配置される。
本発明のレーザ装置は、光を伝送する伝送媒体として機能する伝送用光ファイバ（Ｆ）を備えるレーザ装置（１、２）において、前記伝送用光ファイバに入力する反射光（Ｌ２）のパワーを、前記光ファイバに入力する反射光のパワーとしてモニタする上記の何れかに記載の光パワーモニタ装置を備える。
また、本発明のレーザ装置は、前記レーザ装置が、励起光源（ＥＬ）と、前記励起光源から出力される光に対して増幅媒体として機能する増幅用光ファイバ（Ｆ１）と、を更に備え、前記増幅用光ファイバからの光を前記伝送用光ファイバによって伝送するファイバレーザ装置である。
本発明のレーザシステムは、複数のレーザ装置（３１）と、該複数のレーザ装置から出力される光を合波する合波装置（３２）と、該合波装置で合波された光を導波する出力光ファイバ（Ｆ１０）と、を備えるレーザシステム（ＬＳ）において、前記出力光ファイバに入力する反射光（Ｌ１２）のパワーを、前記光ファイバに入力する反射光のパワーとしてモニタする上記の何れかに記載の光パワーモニタ装置を備える。
また、本発明のレーザシステムは、前記光パワーモニタ装置でモニタされる前記反射光のパワーが、予め規定された閾値を超えた場合に、前記複数のレーザ装置の出力を低下させる制御を行う制御部（３３）を更に備える。
また、本発明のレーザシステムは、前記複数のレーザ装置の各々が、上記のレーザ装置である。

本発明によれば、予め得られた第１情報（出力光の出力と光検出器の検出結果との関係を示す情報）を用いて、光検出器で得られた検出結果（レイリー散乱光の検出結果）から、出力光の出力に応じた成分を除外するようにしているため、簡素な構成で反射光のモニタ精度の向上を図ることができるという効果がある。

本発明の第１実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態で用いられる特性情報の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態において光検出器から出力されるモニタ信号出力の経時変化の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態において演算により求められた光強度の経時変化の一例を示す図である。 融着接続点からの距離を変えながら光検出器のモニタ出力信号を取得した結果の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態によるレーザシステムの要部構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態によるレーザ装置及びレーザシステムについて詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態のレーザ装置１は、伝送媒体として機能する光ファイバＦ（伝送用光ファイバ）、電流源１１、電流励起レーザ１２、光パワーモニタ装置１３、及び出力制御部１４を備える。このようなレーザ装置１は、出力制御部１４の制御の下で、光ファイバＦの出力端Ｘ１から出力光Ｌ１（レーザ光）を出力するとともに、出力光Ｌ１の反射光のうち、光ファイバＦの出力端Ｘ１に入射する反射光Ｌ２のパワーを検出する。尚、レーザ装置１から射出される出力光Ｌ１の波長は、例えば１０８０［ｎｍ］である。

光ファイバＦは、コアと、コアを取り囲むクラッドとを備えるシングルクラッドファイバである。この光ファイバＦとしては、例えばコアの径が５０［μｍ］であり、クラッドの径が４００［μｍ］である光ファイバを用いることができる。この光ファイバＦは、一端が電流励起レーザ１２と光学的に結合されており、他端が出力光Ｌ１の出力端Ｘ１とされている。

電流源１１は、出力制御部１４の制御の下で、電流励起レーザ１２を励起するための励起電流を電流励起レーザ１２に供給する。具体的に、電流源１１は、出力制御部１４から出力される電流制御信号Ｃ１に応じた励起電流を電流励起レーザ１２に供給する。尚、出力制御部１４からの電流制御信号Ｃ１は、電流源１１に出力されるとともに光パワーモニタ装置１３にも出力される。

電流励起レーザ１２は、例えば複数の半導体レーザを備えており、電流源１１から供給される励起電流によって励起されてレーザ光を出力する。尚、電流励起レーザ１２に設けられる半導体レーザの種類及び数は、出力光Ｌ１の波長及びパワーに応じて適宜選択される。ここで、上述の通り、電流励起レーザ１２の出力端には光ファイバＦの一端が結合されているため、電流励起レーザ１２から出力されたレーザ光は、光ファイバＦに入射して光ファイバＦによって導波される。

光パワーモニタ装置１３は、光検出器２１、演算部２２、及びモニタ信号出力部２３を備えており、光ファイバＦの出力端Ｘ１から出力される出力光Ｌ１の反射光のうち、光ファイバＦの出力端Ｘ１に入射した反射光Ｌ２のパワーを検出する。つまり、光パワーモニタ装置１３は、光ファイバＦ内を、出力光Ｌ１とは逆向きに（出力端Ｘ１から電流励起レーザ１２に向けて）導波される反射光Ｌ２のパワーを検出する。

光検出器２１は、光ファイバＦの近傍に配置され、光ファイバＦによって導波される光のレイリー散乱光を検出する。ここで、レイリー散乱光は、光ファイバＦ内における光の導波方向とは関係なく、光ファイバＦによって導波される光のパワーに応じたパワーを有する。このため、光検出器２１は、光ファイバＦによって導波される出力光Ｌ１のパワーに応じたレイリー散乱光、及び反射光Ｌ２のパワーに応じたレイリー散乱光を検出する。

上記の光検出器２１としては、例えばＰＩＮフォトダイオードを用いることができる。光検出器２１としてＰＩＮフォトダイオードを用いた場合には、光検出器２１は、例えば光ファイバＦの側面から（被覆樹脂から）数［ｍｍ］程度離間した位置に配置される。尚、光検出器２１は、外乱（例えば、迷光等）に影響されることなく、光ファイバＦによって導波される光のレイリー散乱光を検出できるのであれば、任意の位置に配置することが可能である。

演算部２２は、光検出器２１で得られた検出結果に対して所定の演算を行って、光ファイバＦの出力端Ｘ１に入射した反射光Ｌ２のパワーを検出する。具体的に、演算部２２は、出力制御部１４からの電流制御信号Ｃ１に基づいて出力光Ｌ１のパワーを求め、光検出器２１で得られた検出結果から出力光Ｌ１のパワーに応じた成分を除外する演算を行って、反射光Ｌ２のパワーを検出する。演算部２２は、不揮発性メモリ等の記憶部Ｍに記憶された電流−光出力特性情報ＩＦ１（第２情報）及び光検出特性情報ＩＦ２（第１情報）を用いて上記の演算を行う。

図２は、本発明の第１実施形態で用いられる特性情報の一例を示す図である。尚、図２（ａ）が電流−光出力特性情報ＩＦ１の一例を示すグラフであり、図２（ｂ）が光検出特性情報ＩＦ２の一例を示すグラフである。図２（ａ）に示す電流−光出力特性情報ＩＦ１は、電流励起レーザ１２に供給される励起電流［Ａ］と、レーザ装置１の光出力（出力光Ｌ１のパワー）［Ｗ］との関係を示す情報である。また、図２（ｂ）に示す光検出特性情報ＩＦ２は、レーザ装置１の光出力（出力光Ｌ１のパワー）［Ｗ］と、光検出器２１の出力（モニタ信号出力）［Ｖ］との関係を示す情報である。尚、光検出特性情報ＩＦ２は、レーザ装置１の光出力と、光ファイバＦで生ずるレイリー散乱光のモニタ結果との関係を示す情報ということもできる。

これらの特性情報は、出力光Ｌ１の反射光が生じない状況下において、例えばパワーモニタを用いて予め得られたものである。具体的には、出力光Ｌ１の反射光が生じない状況下において、レーザ装置１から実際に出力される出力光Ｌ１のパワーをモニタするパワーモニタを設置する。そして、出力制御部１４からの電流制御信号Ｃ１によって電流励起レーザ１２に供給する励起電流を変化させながら、パワーモニタのモニタ結果と光検出器２１の出力（モニタ出力信号）を得る。電流制御信号Ｃ１とパワーモニタのモニタ結果とを対応づけると、図２（ａ）に示す電流−光出力特性情報ＩＦ１が得られ、パワーモニタのモニタ結果と光検出器２１の出力（モニタ出力信号）とを対応づけると、図２（ｂ）に示す光検出特性情報ＩＦ２が得られる。

図２（ａ）を参照すると、励起電流と光出力とは以下の関係にある。つまり、励起電流がある閾電流（数［Ａ］程度）以下である場合には、電流励起レーザ１２でレーザ発振が起こらないため光出力は０である。励起電流が上記の閾電流よりも大になった場合には、電流励起レーザ１２でレーザ発振が起こり、励起電流の大きさにほぼ比例して光出力が増大する。演算部２２は、このような電流−光出力特性情報ＩＦ１を用い、出力制御部１４からの電流制御信号Ｃ１に基づいて出力光Ｌ１のパワーを求める。

図２（ｂ）を参照すると、光出力とモニタ信号出力とは、光出力の増大に伴ってモニタ信号出力も増大し、光出力の減少に伴ってモニタ信号出力も減少する関係にある。但し、光出力とモニタ信号出力との関係は、完全な比例関係にある訳ではなく、光検出器２１の特性によって完全な比例関係からのずれが生じている。演算部２２は、このような光検出特性情報ＩＦ２を用い、光検出器２１で得られた検出結果（モニタ信号出力）から出力光Ｌ１のパワーに応じた成分を除外する演算を行って反射光Ｌ２のパワーを求める。

モニタ信号出力部２３は、演算部２２で求められた反射光Ｌ２のパワーを示す情報を外部に出力する。例えば、モニタ信号出力部２３は、液晶表示装置等の表示装置を備えており、演算部２２で求められた反射光Ｌ２のパワーを示す情報を表示装置に表示する。或いは、モニタ信号出力部２３は、外部出力端子を備えており、演算部２２で求められた反射光Ｌ２のパワーを示す信号（モニタ信号）を外部出力端子から外部に出力する。

出力制御部１４は、レーザ装置１から出力される出力光Ｌ１のパワーを制御する。具体的に、出力制御部１４は、電流励起レーザ１２に励起電流を供給する電流源１１に対し、電流制御信号Ｃ１を出力することによってレーザ装置１から出力される出力光Ｌ１のパワーを制御する。尚、出力制御部１４は、不図示の入力部から入力される指示に基づいて、レーザ装置１から出力される出力光Ｌ１のパワーを制御する。

次に、上記構成におけるレーザ装置１の動作について説明する。出力制御部１４に対する動作開始の指示等によって動作が開始されると、出力制御部１４から電流源１１に対して電流制御信号Ｃ１が出力され、電流制御信号Ｃ１に応じた励起電流が電流源１１から電流励起レーザ１２に供給される。電流励起レーザ１２に供給される励起電流が上述した閾電流（数［Ａ］程度）よりも大になると、電流励起レーザ１２においてレーザ発振が起こり、電流励起レーザ１２からレーザ光が出力される。

電流励起レーザ１２から出力されたレーザ光（出力光Ｌ１）は、光ファイバＦの一端から光ファイバＦに入射し、光ファイバＦによって導波された後に、光ファイバＦの出力端Ｘ１から出力される。ここで、出力端Ｘ１の前方にワーク等が配置されている場合には、そのワークの加工面で生じた反射光の一部が、反射光Ｌ２として出力端Ｘから光ファイバＦに入力される。この反射光Ｌ２は、光ファイバＦによって出力光Ｌ１とは逆方向に導波される。

このとき、光ファイバＦによって、図１の紙面右方向に出力光Ｌ１が導波されるとともに、図１の紙面左方向に反射光Ｌ２が導波される。これにより、光ファイバＦの内部では、出力光Ｌ１のパワーに応じたレイリー散乱光、及び反射光Ｌ２のパワーに応じたレイリー散乱光が生ずる。このため、光パワーモニタ装置１３の光検出器２１では、出力光Ｌ１のパワーに応じたレイリー散乱光、及び反射光Ｌ２のパワーに応じたレイリー散乱光の双方が検出される。

図３は、本発明の第１実施形態において光検出器から出力されるモニタ信号出力の経時変化の一例を示す図である。尚、図３に示すグラフは、横軸に時間をとり、縦軸にモニタ信号出力をとってある。レーザ装置１の動作が開始された時点は、図３に示すグラフの時間０である。図３を参照すると、レーザ装置１の動作開始時点から数［μｓｅｃ］経過した時点でモニタ信号出力が急激に上昇し、レーザ装置１の動作開始時点から１５［μｓｅｃ］程度経過した後はモニタ信号出力がほぼ一定（３．３［Ｖ］程度）になっているのが分かる。

このような経時変化を示すモニタ信号出力が演算部２２に入力されると、演算部２２では、記憶部Ｍに記憶された光検出特性情報ＩＦ２を用いて、光ファイバＦによって導波される光の光強度（出力光Ｌ１及び反射光Ｌ２の光強度）を求める演算が行われる。また、演算部２２では、記憶部Ｍに記憶された電流−光出力特性情報ＩＦ１を用いて、出力制御部１４からの電流制御信号Ｃ１に基づいて出力光Ｌ１の光強度を求める演算が行われる。

そして、光検出特性情報ＩＦ２を用いて求められた光強度から、電流−光出力特性情報ＩＦ１を用いて求められた出力光Ｌ１の光強度を除外する演算が行われる。これにより、反射光Ｌ２の光強度（パワー）が求められる。このようにして求められた反射光Ｌ２の光強度（パワー）を示す情報は、演算部２２からモニタ信号出力部２３に出力され、モニタ信号出力部２３に設けられた表示装置に表示され、或いはモニタ信号出力部２３に設けられた外部出力端子から外部に出力される。

図４は、本発明の第１実施形態において演算により求められた光強度の経時変化の一例を示す図である。図４（ａ）は、光検出特性情報ＩＦ２を用いて求められた出力光Ｌ１及び反射光Ｌ２の光強度の経時変化を示す図である。図４（ｂ）は、電流−光出力特性情報ＩＦ１を用いて電流制御信号Ｃ１に基づいて求められた出力光Ｌ１の光強度の経時変化を示す図である。図４（ｃ）は、光検出特性情報ＩＦ２を用いて求められた光強度から、電流−光出力特性情報ＩＦ１を用いて求められた出力光Ｌ１の光強度を除外する演算により得られた反射光Ｌ２の光強度の経時変化を示す図である。尚、図４に示すグラフの横軸は、図３に示すグラフの横軸と同じである。

まず、図４（ａ）を参照すると、出力光Ｌ１及び反射光Ｌ２の光強度は、レーザ装置１の動作開始時点から数［μｓｅｃ］経過した時点で急激に上昇して最大で９５０［Ｗ］程度になる。その後、出力光Ｌ１及び反射光Ｌ２の光強度は、８００［Ｗ］程度まで低下して、レーザ装置１の動作開始時点から１５［μｓｅｃ］程度経過した後はほぼ一定（８２０［Ｗ］程度）になっている。このため、光検出特性情報ＩＦ２を用いて演算部２２で求められた出力光Ｌ１及び反射光Ｌ２の光強度の経時変化は、図３に示すモニタ信号出力とほぼ同様の経時変化となる。

次に、図４（ｂ）を参照すると、出力光Ｌ１の光強度は、レーザ装置１の動作開始時点から数［μｓｅｃ］経過した時点で急激に上昇し、レーザ装置１の動作開始時点から５［μｓｅｃ］程度経過した後はほぼ一定（８００［Ｗ］）になっている。続いて、図４（ｃ）を参照すると、反射光Ｌ２の光強度は、出力光Ｌ１の光強度が一定になる時点（レーザ装置１の動作開始時点から５［μｓｅｃ］程度の時点）において上昇し始め、最大で１５０［Ｗ］になった後、レーザ装置１の動作開始時点から十数［μｓｅｃ］の時点でほぼ０になり。その後は、ほぼ一定（約３０［Ｗ］）になっている。

図４（ｃ）において、レーザ装置１の動作開始時点から５［μｓｅｃ］程度経過した時点で反射光Ｌ２の光強度が上昇するのは、出力光Ｌ１の強度が最大になるものの（図４（ｂ）参照）、ワークが加工されておらずワークの表面状態が平面に近い状態であることから、多くの反射光Ｌ２が出力端Ｘから光ファイバＦに入力されるためである。その後に、反射光Ｌ２の光強度が低下するのは、ワークが加工され始めることによってワークの表面状態が変化し、これにより出力端Ｘから光ファイバＦに入力される反射光Ｌ２が減るためである。このように、本実施形態では、精度良く反射光Ｌ２をモニタできていることが分かる。

以上の通り、本実施形態では、光検出特性情報ＩＦ２を用いて、光検出器２１のモニタ出力信号から出力光Ｌ１及び反射光Ｌ２の光強度を求める演算を行い、電流−光出力特性情報ＩＦ１を用いて、出力制御部１４からの電流制御信号Ｃ１に基づいて出力光Ｌ１の光強度を求める演算を行っている。そして、光検出特性情報ＩＦ２を用いて求められた光強度から、電流−光出力特性情報ＩＦ１を用いて求められた出力光Ｌ１の光強度を除外する演算を行うことで、反射光Ｌ２の光強度（パワー）を求めるようにしている。これにより、高い精度で反射光Ｌ２をモニタすることができるため、反射光Ｌ２のモニタ精度を向上させることができる。

尚、上記実施形態では、演算部２２が、以下の（Ａ）〜（Ｃ）に示す演算を行って反射光Ｌ２の光強度を求める例ついて説明した。
（Ａ）光検出特性情報ＩＦ２を用いて光検出器２１のモニタ出力信号から出力光Ｌ１及び反射光Ｌ２の光強度を求める演算
（Ｂ）電流−光出力特性情報ＩＦ１を用いて電流制御信号Ｃ１に基づいた出力光Ｌ１の光強度を求める演算
（Ｃ）出力光Ｌ１及び反射光Ｌ２の光強度から出力光Ｌ１の光強度を除外する演算

しかしながら、演算部２２は、例えば以下の（ａ）〜（ｄ）に示す演算を行って、反射光Ｌ２の光強度を求めても良い。
（ａ）電流−光出力特性情報ＩＦ１を用いて電流制御信号Ｃ１に基づいた出力光Ｌ１の光強度を求める演算
（ｂ）上記（ａ）で得られた光強度の出力光Ｌ１を光検出器２１で検出したならば得られるであろうモニタ出力信号を、光検出特性情報ＩＦ２を用いて求める演算
（ｃ）光検出器２１のモニタ出力信号から上記（ｂ）で得られたモニタ出力信号を除外する演算
（ｄ）上記（ｃ）の演算結果を光強度に変換する演算

次に、光ファイバＦの融着接続点（接続点）と光検出器２１との位置関係について検討する。レイリー散乱光は、光ファイバＦの至るところで生じているため、融着接続点が存在しない場合には、光検出器２１を光ファイバＦの長手方向における任意の位置に配置することが可能である。しかしながら、光ファイバＦの内部で生ずるレイリー散乱光は強度が低いため、融着接続点が存在する場合には、光検出器２１を大量の漏れ光が発生する融着接続点から離間させて配置する必要がある。

図５は、融着接続点からの距離を変えながら光検出器のモニタ出力信号を取得した結果の一例を示す図である。尚、図５に示すグラフでは、横軸に融着接続点からの距離をとり、縦軸に光検出器２１から得られるモニタ出力信号をとってある。また、図５に示すグラフにおいて、融着接続点からの距離が大きくなる方向（紙面左から右に向かう方向）は、出力光Ｌ１が進む方向である。

図５中に示す曲線Ｑ１は、光検出器から得られたモニタ出力信号の実測値を示す曲線である。紙面左から右に向かう方向に出力光Ｌ１が進んでいるため、曲線Ｑ１は、図５に示す通り、融着接続点の位置（距離が０［ｍｍ］となる位置）から紙面右方向にずれた位置（図５に示す例では、距離が４［ｍｍ］程度の位置）にピークが現れる。また、融着接続点からの漏れ光は、光ファイバＦによって導波されることはないため、図５に示す通り、数［ｍｍ］程度の距離で急激に減衰する。

図５中に示す曲線Ｑ２は、モニタ出力信号の減衰部分（モニタ出力信号が低下する部分）をフィッティングして得られた曲線である。この曲線Ｑ２は、減衰係数を４［ｃｍ^−１］としたときのものである。つまり、この曲線Ｑ２から、曲線Ｑ１の減衰部分における減衰係数は４［ｃｍ^−１］であることが分かった。また、曲線Ｑ２を参照すると、融着接続点からの漏れ光は、ピーク位置から約１０［ｍｍ］程度以上離れた位置では強度がほぼ０になることが分かる。

また、図５に示す曲線Ｑ１を参照すると、モニタ出力信号が０になることはなく、図中破線で示す一定以上の値になっていることが分かる。これは、光ファイバＦの内部で生ずるレイリー散乱光の成分であると考えられる。以上から、光ファイバＦの融着接続点から、光ファイバＦの長手方向に数［ｃｍ］離間した位置（予め規定された距離だけ離間した位置）に光検出器２１を配置すれば、融着接続点からの漏れ光の影響を受けることなく、レイリー散乱光を精度良く検出することができると考えられる。

ここで、光ファイバＦで生ずるレイリー散乱光は、光ファイバＦのコア、クラッドを問わず、光ファイバＦによって導波される光が光ファイバＦの内部でレイリー散乱を受けることによって生ずるものである。尚、レイリー散乱光は、光の波長以下の微小な屈折率揺らぎに起因する散乱光で、方向性はなく、全方位に均一に発生する（但し、散乱光が導波モードに結合すれば、それは結果的に方向性を持つことになる）。

これに対し、上記の漏れ光は、融着接続点等の不連続点でコアからクラッドに漏れ出した光のうち、光ファイバの外部に漏れ出した光であり、光ファイバ中を導波されない光である。この漏れ光は、波長程度以上の屈折率不連続性に起因して導波光から非導波光となるものであり、その光強度の空間分布は不連続点付近に局在するものとなり、導波光の進行方向に応じた方向性がある。尚、レイリー散乱光の光強度は、例えば漏れ光のピーク値の１／１０弱程度である。

本実施形態では、光ファイバＦのコアによって導波される導波光のレイリー散乱光を光検出器２１で検出することを特徴としているが、この光検出器２１は、漏れ光の影響を受けない位置に設置されることが好ましい。具体的には、光ファイバＦの融着接続点等から光ファイバＦの長手方向に十分離れた位置（例えば、融着接続点等から数［ｃｍ］離れた位置）に光検出器２１を設置するのが好ましい。尚、前述した特許文献１（特許第５８６５９７７号公報）では、上述した漏れ光を検出しており、レイリー散乱光を検出する本実施形態とは、検出対象が本質的に異なると言える。

〈第１変形例〉
前述したレーザ装置１では、電流励起レーザ１２に供給される励起電流と、レーザ装置１の光出力（出力光Ｌ１のパワー）との関係を電流−光出力特性情報ＩＦ１として予め求めておき、この関係を用いて反射光Ｌ２のパワーを求めるようにしていた。レーザ装置１の特性の変化（例えば、経時変化）が生ずると、上記の関係が変化して反射光Ｌ２の検出精度が悪化する虞が考えられる。本変形例は、このようなレーザ装置１の特性の変化が生じても、反射光Ｌ２のモニタ精度を維持するようにしたものである。

本変形例では、レーザ装置１の運用が開始された後に、出力光Ｌ１の反射光が生じない状況下において、電流励起レーザ１２に供給される励起電流と、レーザ装置１の光出力（出力光Ｌ１のパワー）との関係を示す電流−光出力特性情報ＩＦ１を新たに求めて演算部２２の記憶部Ｍに記憶しておく。そして、前述した実施形態と同様の演算を行って反射光Ｌ２のパワーを求めた後に、新たに求められた電流−光出力特性情報ＩＦ１と元の電流−光出力特性情報ＩＦ１との差分を求め、その差分を用いて反射光Ｌ２のパワーを補正する演算を演算部２２が行う。このような補正を行うことで、レーザ装置１の特性の変化が生じても、反射光Ｌ２のモニタ精度が維持される。尚、新たに電流−光出力特性情報ＩＦ１を求める処理は、定期的に行うのが望ましい。

〈第２変形例〉
前述したレーザ装置１では、動作が開始された直後の時点において、電流源１１から電流励起レーザ１２に対して大きな電流が供給され、これにより、図４（ｂ）に示す通り、出力光Ｌ１の光強度が急激に増加する。このような電流が急変する部分を用いて反射光Ｌ２のパワーを求めるようにすると、反射光Ｌ２のパワーが誤って検出される可能性が考えられる。本変形例は、このような電流の急変部分をマスクすることで、反射光Ｌ２のパワーの誤検出を抑制するものである。

具体的に、本変形例では、電流制御信号Ｃ１の変化を検出し、変化量がある閾値を超えた場合に、演算部２２は、電流制御信号Ｃ１をマスクする処理を行う。或いは、電流励起レーザ１２に対する電流の供給が開始された後の一定時間、及び電流の供給が停止された後の一定時間の少なくとも一方で、光検出器２１から出力されるモニタ信号出力をマスクする処理を行う。尚、電流制御信号Ｃ１がマスクされている間、或いはモニタ信号出力がマスクされている間は、演算部２２で反射光Ｌ２のパワーを求める演算は行われない。このような処理を行うことで、反射光Ｌ２のパワーの誤検出を抑制することができる。

〔第２実施形態〕
図６は、本発明の第２実施形態によるレーザ装置の要部構成を示すブロック図である。尚、図６においては、図１に示す構成に相当する構成には、同一の符号を付してある。図６に示す通り、本実施形態のレーザ装置２は、増幅媒体として機能する光ファイバＦ１（増幅用光ファイバ）、伝送媒体として機能する光ファイバＦ（伝送用光ファイバ）、励起光源ＥＬ、光パワーモニタ装置１３、及び出力制御部１４を備えるファイバレーザ装置である。このようなレーザ装置２は、光ファイバＦの出力端Ｘ１から出力光Ｌ１（レーザ光）を出力するとともに、出力光Ｌ１の反射光のうち、光ファイバＦの出力端Ｘ１に入射する反射光Ｌ２のパワーを検出する。

増幅媒体として機能する光ファイバＦ１は、活性元素が添加されたコアと、コアを取り囲むクラッドとを備えるシングルクラッドファイバである。この光ファイバＦ１は、励起光源ＥＬから供給される励起光によって励起された活性元素により、光ファイバＦ１のコアを伝播する光を増幅するものである。この光ファイバＦ１には、コアの屈折率を周期的に変化させたファイバブラッググレーティングＧ１，Ｇ２が形成されている。このため、光ファイバＦ１のコアを伝播する光は、これら２つのファイバブラッググレーティングＧ１，Ｇ２による反射が繰り返されつつ増幅される。尚、光ファイバＦ１の一端は、光ファイバＦの一端と融着接続されており、その接続点は融着接続点Ｐとされている。

励起光源ＥＬは、例えば複数の半導体レーザを備えており、出力制御部１４の制御の下で光ファイバＦに対して励起光を供給する。光パワーモニタ装置１３は、図１に示す光パワーモニタ装置１３と同じものである。但し、本実施形態では、光ファイバＦ１と光ファイバＦ２との融着接続点Ｐが存在するため、光パワーモニタ装置１３は、融着接続点Ｐから、光ファイバＦの長手方向に予め規定された距離だけ離間した位置（例えば、数［ｃｍ］離間した位置）に配置される。具体的に、融着接続点Ｐと光パワーモニタ装置１３との距離は、前述した（１）式が成り立つ距離に設定される。出力制御部１４は、図１に示す出力制御部１４と同じものである。

次に、上記構成におけるレーザ装置２の動作について説明する。出力制御部１４に対する動作開始の指示等によって動作が開始されると、出力制御部１４から励起光源ＥＬに対して電流制御信号Ｃ１が出力され、これにより励起光源ＥＬからは励起光が出力される。励起光源ＥＬから出力された励起光が光ファイバＦ１に入射されると、光ファイバＦ１のコアに添加された活性元素が励起される。光ファイバＦ１のコアを伝播する光が、光ファイバＦ１に形成されたファイバブラッググレーティングＧ１，Ｇ２によって反射されつつ励起された活性元素により増幅されることによりレーザ発振が起こり、光ファイバＦ１からはレーザ光である出力光Ｌ１が出力される。

この出力光Ｌ１は、光ファイバＦによって導波された後に出力端Ｘ１から出力される。ここで、出力端Ｘ１の前方にワーク等が配置されている場合には、そのワークの加工面で生じた反射光の一部が、反射光Ｌ２として出力端Ｘから光ファイバＦに入力される。この反射光Ｌ２は、光ファイバＦによって出力光Ｌ１とは逆方向に導波される。光ファイバＦの内部では、出力光Ｌ１のパワーに応じたレイリー散乱光、及び反射光Ｌ２のパワーに応じたレイリー散乱光が生じ、光パワーモニタ装置１３の光検出器２１で検出される。この検出結果は、演算部２２に出力され、前述した第１実施形態と同様の演算が行われて、反射光Ｌ２のパワーが求められる。

以上の通り、本実施形態のレーザ装置２は、増幅媒体として機能する光ファイバＦ１等を備えており、第１実施形態のレーザ装置１とは構成が若干異なっている。しかしながら、本実施形態のレーザ装置２は、第１実施形態のレーザ装置１が備える光パワーモニタ装置１３と同様のものを備えており、第１実施形態と同様の演算が行われている。このため、本実施形態においても、高い精度で反射光Ｌ２をモニタすることができるため、反射光Ｌ２のモニタ精度を向上させることができる。

〔第３実施形態〕
図７は、本発明の第２実施形態によるレーザシステムの要部構成を示すブロック図である。図７に示す通り、本実施形態のレーザシステムＬＳは、複数のレーザ装置３１、コンバイナ３２（合波装置）、光ファイバＦ１０（出力光ファイバ）、光パワーモニタ装置１３、及び制御装置３３（制御部）を備える。このようなレーザシステムＬＳは、光ファイバＦ１０の出力端Ｘから出力光Ｌ１１（レーザ光）を出力するとともに、出力光Ｌ１１の反射光のうち、光ファイバＦの出力端Ｘに入射する反射光Ｌ１２のパワーを検出する。

レーザ装置３１は、制御装置３３の制御の下で、レーザ光を出力する装置である。このレーザ装置３１としては、図１に示すレーザ装置１及び図６に示すレーザ装置２の何れのレーザ装置を用いることもできる。尚、レーザ装置３１としては、図１に示すレーザ装置１及び図６に示すレーザ装置２に限られる訳ではなく、レーザ光を出力するものであれば、任意のものを用いることができる。

コンバイナ３２は、複数のレーザ装置３１から出力される複数の出力光Ｌ１を光学的に結合する。具体的に、コンバイナ３２の内部では、レーザ装置３１の各々から延びる光ファイバＦが束ねられて１本にされており（溶融延伸により１本にされており）、その１本にされた光ファイバが光ファイバＦ１０の一端に融着接続されている。光ファイバＦ１０は、伝送媒体として機能する光ファイバであり、出力光Ｌ１１（レーザ装置３１の各々から出力される複数の出力光Ｌ１をコンバイナ３２で光学的に結合して得られる光）を導波する。尚、光ファイバＦ１０によって導波された出力光Ｌ１は、光ファイバＦ１０の出力端Ｘから出力される。

光パワーモニタ装置１３は、図１に示す光パワーモニタ装置１３と同じものである。但し、上述の通り、コンバイナ３２の内部には融着接続点が存在するため、光パワーモニタ装置１３は、コンバイナ３２の内部の融着接続点から、光ファイバＦの長手方向に予め規定された距離だけ離間した位置（例えば、数［ｃｍ］離間した位置）に配置される。具体的に、融着接続点Ｐと光パワーモニタ装置１３との距離は、前述した（１）式が成り立つ距離に設定される。

制御装置３３は、光パワーモニタ装置１３でモニタされる反射光Ｌ１２のパワーを参照しつつ、出力端Ｘから出力される出力光Ｌ１１のパワーが一定となるように複数のレーザ装置３１を。また、制御装置３３は、光パワーモニタ装置１３でモニタされる反射光Ｌ２のパワーが、予め規定された閾値を超えた場合には、レーザ装置３１を保護するために、レーザ装置３１の出力を低下させる制御を行う。尚、図７に示すレーザシステムＬＳの動作は、複数のレーザ装置３１から出力された出力光Ｌ１がコンバイナ３２で光学的に結合されて出力されるＬ１１とされる点を除いては、第１実施形態のレーザ装置１の動作及び第２実施形態のレーザ装置２の動作とほぼ同じであるため、説明を省略する。

以上の通り、本実施形態のレーザシステムＬＳは、第１実施形態のレーザ装置１及び第２実施形態のレーザ装置２が備える光パワーモニタ装置１３と同様のものを備えており、光ファイバＦ１０の内部で生ずるレイリー散乱光を検出して第１実施形態及び第２実施形態と同様の演算が行われている。このため、本実施形態においても、高い精度で反射光Ｌ１２をモニタすることができるため、反射光Ｌ１２のモニタ精度を向上させることができる。

このように、上述した第１〜第３実施形態では、予め得られた光検出特性情報ＩＦ２（出力光の出力と光検出器の検出結果との関係を示す情報）を用いて、光検出器で得られた検出結果（レイリー散乱光の検出結果）から、出力光の出力に応じた成分を除外するようにしているため、簡素な構成で反射光のモニタ精度の向上を図ることができる。また、光検出特性情報ＩＦ２を用いていることから、定量的な反射光検出が可能である。
また、上述した第１〜第３実施形態では、予め得られた電流−光出力特性情報ＩＦ１（電流と出力光の出力との関係を示す情報）を用いて、出力光の出力を求めているため、追加の構成を必要とすることなく、容易に出力光の出力を得ることができる。

また、上述した第１〜第３実施形態では、予め得られた電流−光出力特性情報ＩＦ１及び光検出特性情報ＩＦ２が記憶部に記憶されているため、装置が設置されて運用が開始された時点から直ちに、反射光を高い精度でモニタすることができる。
また、上述した第１〜第３実施形態では、記憶部に記憶された電流−光出力特性情報ＩＦ１と新たに得られた電流−光出力特性情報ＩＦ１との差分を用いて演算部の演算結果を補正しているため、電流と光出力との関係の経時変化が生じた場合でも、精度を維持することができる。
また、上述した第１〜第３実施形態では、電流の急変部分をマスクするようにしているため、誤検出を抑制することができる。

また、上述した第１〜第３実施形態では、光ファイバの接続点から予め規定された距離だけ離間した位置に光検出器を配置しているため、光検出器で受光される漏れ光の影響を少なくすることができ、これによりモニタ精度を維持することができる。
また、上述した第１〜第３実施形態では、励起光源及び第１，第２光ファイバを備える光ファイバレーザ装置に入力される反射光のモニタ精度の向上を図ることができる。

また、上述した第３実施形態では、モニタされる反射光のパワーが閾値を超えた場合には、ファイバレーザ装置の出力を低下させているため、発振状態が不安定になることを未然に防ぐことができ、ファイバレーザが故障する事態を防止することができる。
また、上述した第３実施形態では、ファイバレーザ装置の各々でも反射光をモニタすることができるため、ファイバレーザ装置の各々に入力される反射光の量を特定することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した第２実施形態では、光ファイバＦ１が、活性元素が添加されたコアと、コアを取り囲むクラッドとを備えるシングルクラッドファイバである場合について説明した。しかしながら、光ファイバＦ１が、活性元素が添加されたコアと、コアを取り囲む内側クラッドと、内側クラッドを取り囲む外側クラッドとを備えるダブルクラッドファイバである場合も、本発明を適用することが可能である。

また、本発明の光パワーモニタ装置は、上述した第１〜第３実施形態によるレーザ装置以外のレーザ装置にも適用可能である。例えば、半導体レーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）やディスクレーザのように、共振器が光ファイバ以外で構成され、共振器から射出されるレーザ光を光ファイバに集光するレーザ装置にも適用可能である。

１，２…レーザ装置、１３…光パワーモニタ装置、２１…光検出器、２２…演算部、３１…レーザ装置、３２…コンバイナ、３３…制御装置、ＥＬ…励起光源、Ｆ，Ｆ１，Ｆ１０…光ファイバ、ＩＦ１…電流−光出力特性情報、ＩＦ２…光検出特性情報、Ｌ１，Ｌ１１…出力光、Ｌ２，Ｌ１２…反射光、ＬＳ…レーザシステム、Ｍ…記憶部、Ｐ…融着接続点

Claims (10)

1. 光を伝送する伝送媒体として機能する伝送用光ファイバを備えるレーザ装置において、
   前記伝送用光ファイバの近傍に配置され、前記伝送用光ファイバによって導波される光のレイリー散乱光を検出する光検出器と、
   前記伝送用光ファイバから出力される出力光の反射光のうち前記伝送用光ファイバに入力する反射光が生じない状況下で予め得られた前記出力光の出力と前記光検出器の検出結果との関係を示す第１情報を用い、前記光検出器で得られた検出結果から前記出力光の出力に応じた成分を除外する演算を行う演算部と、
   を有し、前記伝送用光ファイバに入力する前記反射光のパワーをモニタする光パワーモニタ装置を備えるレーザ装置。
2. 前記演算部は、前記反射光が生じない状況下で予め得られた前記出力光の励起光源に供給される電流と前記出力光の出力との関係を示す第２情報を用い、前記励起光源に供給されている電流に基づいて前記出力光の出力を求める、請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記演算部は、前記第１情報及び前記第２情報を記憶する記憶部を備える、請求項２記載のレーザ装置。
4. 前記演算部は、前記反射光が生じない状況下で新たに得られた前記第２情報と、前記記憶部に記憶された前記第２情報との差分を求め、該差分を用いて演算結果を補正する、請求項３記載のレーザ装置。
5. 前記演算部は、前記励起光源に対する電流の供給開始後の所定時間及び供給停止後の所定時間の少なくとも一方で前記光検出器の検出結果をマスクする、請求項２から請求項４の何れか一項に記載のレーザ装置。
6. 前記光検出器は、前記伝送用光ファイバが接続点を有するものである場合には、該接続点から前記伝送用光ファイバの長手方向に予め規定された距離だけ離間した位置に配置される、請求項１から請求項５の何れか一項に記載のレーザ装置。
7. 前記レーザ装置は、励起光源と、
   前記励起光源から出力される光に対して増幅媒体として機能する増幅用光ファイバと、を更に備え、
   前記増幅用光ファイバからの光を前記伝送用光ファイバによって伝送するファイバレーザ装置である、請求項１から請求項６の何れか一項に記載のレーザ装置。
8. 複数のレーザ装置と、該複数のレーザ装置から出力される光を合波する合波装置と、該合波装置で合波された光を導波する出力光ファイバと、を備えるレーザシステムにおいて、
   前記出力光ファイバの近傍に配置され、前記出力光ファイバによって導波される光のレイリー散乱光を検出する光検出器と、
   前記出力光ファイバから出力される出力光の反射光のうち前記出力光ファイバに入力する反射光が生じない状況下で予め得られた前記出力光の出力と前記光検出器の検出結果との関係を示す第１情報を用い、前記光検出器で得られた検出結果から前記出力光の出力に応じた成分を除外する演算を行う演算部と、
   を有し、前記出力光ファイバに入力する前記反射光のパワーをモニタする光パワーモニタ装置を備えるレーザシステム。
9. 前記光パワーモニタ装置でモニタされる前記反射光のパワーが、予め規定された閾値を超えた場合に、前記複数のレーザ装置の出力を低下させる制御を行う制御部を更に備える請求項８記載のレーザシステム。
10. 前記複数のレーザ装置の各々は、請求項１から請求項７の何れか一項に記載のレーザ装置である請求項８又は請求項９記載のレーザシステム。

Images