WO2019049914A1 - レーザ装置 - Google Patents

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WO2019049914A1
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laser
laser beam
light
lens
transmission fiber
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真也 堂本
加藤　直也
諒 石川
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/034—Optical devices within, or forming part of, the tube, e.g. windows, mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
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    • B23K26/702—Auxiliary equipment
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    • G02B6/4206—Optical features
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser device, and more particularly to a laser device that transmits a laser beam emitted from a laser oscillator using a condenser lens to a transmission fiber.
  • DDL direct diode lasers
  • the DDL can obtain a high output exceeding several kW by combining laser beams emitted from a plurality of laser modules.
  • the laser beam emitted from the beam combiner is transmitted to a processing head installed at a predetermined position via a transmission fiber.
  • the laser beam emitted from the beam combiner is condensed by a condenser lens, and the focused spot (hereinafter simply referred to as “spot”) on the laser beam incident end face (hereinafter simply referred to as “incident end face”) of the transmission fiber. Is reduced to a size that fits in the core of the transmission fiber and is incident on the transmission fiber (see, for example, Patent Document 1).
  • the position of the condenser lens is adjusted so that the spot of the laser beam can be contained in the core of the transmission fiber at the incident end face of the transmission fiber.
  • the focal position of the laser beam is shifted after the laser beam is oscillated, the spot may not enter the core of the transmission fiber, and the amount of light leaking into the cladding may increase.
  • FIG. 10 is a schematic view for explaining the shift of the focal position of the laser beam 70 due to the thermal lens effect.
  • the focal position of the laser beam 70 immediately after the laser beam 70 is incident on the condenser lens 21 is f0.
  • the condenser lens 21 absorbs a part of the laser beam 70 and its temperature rises to cause thermal expansion. Due to this thermal expansion, the focal position of the laser beam 70 shifts to the lens side, in this case, to the position of f1.
  • This phenomenon is the thermal lens effect described above. That is, the laser beam 70 after passing through the focusing lens 21 has a focal position at a different position according to the thermal expansion of the focusing lens 21.
  • the focal position of the laser beam shifts and leakage light in the transmission fiber It does not enter the core, and the amount of light leaking into the cladding increases.
  • the increase of the leaked light may lower the output of the laser beam transmitted through the transmission fiber or cause local heat generation in the vicinity of the incident end face of the transmission fiber.
  • the transmission fiber may be damaged.
  • the present disclosure has been made in view of such a point, and it is an object of the present invention to provide a laser device that transmits a laser beam to a transmission fiber using a condensing lens and that reduces leakage light in the transmission fiber. is there.
  • a laser apparatus includes a laser oscillator that generates a laser beam, a condensing lens that condenses a laser beam emitted from the laser oscillator, and a condensing lens.
  • a transmission fiber having at least a core for transmitting a focused laser beam and a cladding provided around the core, and the position of the condensing lens automatically adjusted to reduce the amount of light of the laser beam incident on the cladding And a lens drive unit.
  • the present disclosure it is possible to reduce leaked light in the transmission fiber, that is, the amount of light of the laser beam directly incident on the cladding of the transmission fiber.
  • FIG. 1 is a view showing a configuration of a laser device according to Embodiment 1. It is a cross-sectional schematic diagram in the II-II line in FIG. It is a functional block diagram of a lens drive part. It is a schematic diagram which shows the incident state of the laser beam in the laser beam incident end surface of a transmission fiber. It is a schematic diagram which shows the another incident state of the laser beam in the laser beam incident end surface of a transmission fiber. It is a schematic diagram which shows the further another incident state of the laser beam in the laser beam incident end surface of a transmission fiber. It is a schematic diagram explaining the function to compensate the focus position shift of the laser beam by a lens drive part.
  • 7 is a flowchart showing a position adjustment procedure of a focusing lens according to Embodiment 2. It is a schematic diagram explaining the focus position shift of the laser beam by the thermal lens effect.
  • FIG. 1 is a block diagram of a laser apparatus 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of the lens driving unit 80.
  • the direction in which the laser beam 70 in FIG. 2 travels to the partial transmission mirror 13 is Y
  • the direction from the partial transmission mirror 13 to the transmission fiber 40 is orthogonal to the Z, Y, and Z directions.
  • the Z direction coincides with the direction of the optical axis of the laser beam 70 emitted from the condensing lens unit 20 within the range of the assembly tolerance of the optical system of the laser device 100.
  • the laser device 100 includes a laser oscillator 10, a condensing lens unit 20, a laser beam emission head 30, a transmission fiber 40, and a control unit 50.
  • the laser oscillator 10, the condenser lens unit 20, and the laser beam entrance 44 (see FIG. 2) of the transmission fiber 40 are accommodated in a housing 60.
  • the laser oscillator 10 has a plurality of laser modules 11 and a beam combiner 12.
  • the laser oscillator 10 wavelength-synthesizes laser beams of different wavelengths emitted from the plurality of laser modules 11 into one laser beam 70 by the beam combiner 12.
  • the laser oscillator 10 may be referred to as a DDL oscillator.
  • the laser module 11 itself is composed of a plurality of laser diodes, and for example, is configured of a semiconductor laser array.
  • the laser beam 70 wavelength-combined by the beam combiner 12 is condensed by the condensing lens 21 disposed in the condensing lens unit 20 and enters the transmission fiber 40.
  • the beam combiner 12 has a partially transmitting mirror 13 and an output light monitor 14 inside.
  • the partially transmitting mirror 13 is configured to deflect the wavelength-combined laser beam 70 in the beam combiner 12 toward the condensing lens unit 20 while transmitting a portion of the laser beam 70, for example, 0.1%. It is done.
  • the output light monitor 14 is disposed in the beam combiner 12 so as to receive the laser beam 70 transmitted through the partial transmission mirror 13 and generate a detection signal corresponding to the light amount of the received laser beam 70.
  • the function of the output light monitor 14 will be described later.
  • the laser oscillator 10 is supplied with power from a power supply device (not shown) to perform laser oscillation.
  • the condensing lens unit 20 internally includes a condensing lens 21, a slider 22, and a reflected light monitor 23.
  • the condensing lens 21 condenses the laser beam 70 so that the spot diameter is smaller than the core diameter of the transmission fiber 40 at the incident end face 46 of the transmission fiber 40.
  • the slider 22 holds the condensing lens 21 so as to be automatically movable in the Z direction according to a control signal from the control unit 50.
  • the slider 22 is connected to, for example, a ball screw (not shown) driven by a motor (not shown), and moves in the Z direction as the ball screw rotates.
  • the slider 22 mainly moves in the X and Y directions at the time of initial position adjustment of the optical system, and moves in the Z direction at the time of shift compensation of the focus position described later.
  • the slider 22 may be moved manually or automatically.
  • the above-mentioned ball screw or the like is connected to the slider 22.
  • the reflected light monitor 23 receives the laser beam 70 reflected or scattered by the laser beam incident part 44 of the transmission fiber 40 and generates a detection signal corresponding to the light quantity of the received laser beam 70.
  • the function of the reflected light monitor 23 will be described later.
  • the condenser lens unit 20 also has a connector 24.
  • the connector 24 is connected to the laser beam incident part 44 of the transmission fiber 40.
  • the connector 24 holds a quartz block 25 provided in contact with the incident end face 46 of the transmission fiber 40.
  • the quartz block 25 has a function of protecting the incident end face 46.
  • the transmission fiber 40 is optically coupled to the laser oscillator 10 and the condenser lens 21, and transmits the laser beam 70 received from the laser oscillator 10 through the condenser lens 21 to the laser beam emission head 30.
  • the transmission fiber 40 has a core 41 for transmitting the laser beam 70, a cladding 42 provided around the core 41 and having a function of confining the laser beam 70 in the core 41, and a coating 43 covering the surface of the cladding 42. (See Figure 6).
  • a mode stripper 45 (see FIG. 6) is provided in the laser beam incident part 44 of the transmission fiber 40, the details of which will be described later. Although not shown, the mode stripper 45 is also provided to the laser beam emitting portion of the transmission fiber 40.
  • the laser beam emission head 30 irradiates the laser beam 70 transmitted by the transmission fiber 40 to the outside. For example, when the laser device 100 is used for laser processing, the laser beam 70 is emitted toward a work (not shown) disposed at a predetermined position.
  • the control unit 50 controls the laser oscillation of the laser oscillator 10. Specifically, control of laser oscillation is performed by controlling an output, an on time, and the like with respect to a power supply device (not shown) connected to the laser oscillator 10. Further, as shown in FIG. 3, the control unit 50 includes a lens movement control unit 51.
  • the lens movement control unit 51 receives the detection signals of the reflected light monitor 23 and the output light monitor 14 and moves the slider 22 to adjust the condensing lens 21 to a desired position.
  • the lens movement control unit 51 and the slider 22 constitute a lens driving unit 80.
  • the control unit 50 may control the operation of a manipulator (not shown) to which the laser beam emission head 30 is attached.
  • the optical path of the laser beam 70 entering the transmission fiber 40 from the laser oscillator 10 and the spot shape of the laser beam 70 at the incident end face 46 of the transmission fiber 40 will be described.
  • the laser beams emitted from the plurality of laser modules 11 are combined into one laser beam 70 by the beam combiner 12 and then reflected by the partially transmitting mirror 13 provided in the beam combiner 12. And is guided to the condensing lens 21 in the condensing lens unit 20.
  • the condensing lens 21 condenses the laser beam 70 so as to have a spot diameter smaller than 100 ⁇ m on the incident end face 46 of the transmission fiber 40.
  • the laser beam 70 When the condensed laser beam 70 passes through the quartz block 25 and enters the core 41 of the transmission fiber 40, the laser beam 70 propagates in the core 41 by total reflection, and a laser beam emitting portion (not shown) of the transmission fiber 40 Transmitted to
  • the laser beam 70 collected by the collection lens 21 is placed in the core 41 of the transmission fiber 40. It is necessary to enter it accurately. In other words, it is necessary to accurately fit the spot diameter which is the diameter of the spot 71 of the laser beam 70 within the core diameter which is the diameter of the core 41 of the transmission fiber 40.
  • FIG. 4A shows the incident state of the laser beam at the incident end face 46 of the transmission fiber 40, and shows the ideal state in which the laser beam 70 is contained in the core 41.
  • FIG. FIG. 4B shows a state in which the center of the core 41 and the optical axis of the laser beam 70 are deviated, and the laser beam 70 is projected to the cladding 42 and is incident.
  • FIG. 4C shows a state in which the spot diameter of the laser beam 70 is larger than the core diameter of the transmission fiber 40, and the laser beam 70 enters the cladding 42 as it protrudes.
  • the focal position of the laser beam 70 substantially coincides with the center of the core 41 of the transmission fiber 40, and the diameter of the spot 71 of the laser beam 70 is equal to or less than the core diameter of the transmission fiber 40.
  • 4B is different from the case shown in FIG. 4A in that the focal position of the laser beam 70 is deviated in a plane parallel to the incident end face 46 of the transmission fiber 40, that is, in the XY plane. It protrudes from the core 41.
  • the laser beam 70 is emitted in such a state, the laser beam 70 is incident on the cladding 42 and the quality of the laser beam 70 may be degraded and the transmission fiber 40 may be damaged. Therefore, in this case, the laser beam 70 can be accommodated in the core 41 by moving the condensing lens 21 in the XY plane to adjust the focal position of the focusing lens.
  • the spot diameter of the spot 71 of the laser beam 70 is the core diameter of the core 41 of the transmission fiber 40.
  • the spot 71 is larger than the core 41 and is incident on the clad 42. This is a state in which the distance from the focusing lens 21 to the incident end face 46 of the transmission fiber 40 does not coincide with the focal length of the focusing lens 21.
  • the work of adjusting the position of the condensing lens 21 is usually performed when the transmission fiber 40 is connected to the condensing lens unit 20, and when performing laser oscillation, the position of the condensing lens 21 is It is fixed. Further, the state as shown in FIG. 4B is usually eliminated by this initial adjustment operation.
  • an optical component such as the condenser lens 21 produces a thermal lens effect by the temperature rise due to the laser oscillation. Therefore, the focal position of the laser beam 70 continues to shift from immediately after laser oscillation until the size and the like of each optical component is thermally saturated. In this case, the focal position shifts in the Z direction. Therefore, even if the position shown in FIG. 4A is realized by adjusting the position of the focusing lens 21 before laser oscillation, the spot of the spot 71 of the laser beam 70 at the incident end face 46 of the transmission fiber 40 due to heat generation during laser oscillation.
  • the diameter is in the state shown in FIG. 4C, and the diameter does not fit within the core diameter of the transmission fiber 40 core 41, and there is a possibility that leakage light may increase.
  • the slider 22 which can move to a Z direction is provided in the condensing lens unit 20, holding the condensing lens 21.
  • the condenser lens 21 is moved by the lens driving unit 80 constituted by the slider 22 and the lens movement control unit 51 to compensate for the shift of the focal position of the laser beam 70.
  • FIG. 5 is a schematic view for explaining the function of compensating the focal position shift of the laser beam 70 by the lens driving unit 80.
  • the alignment of the transmission fiber 40 and the initial adjustment of the optical system are performed, and the optical axis of the laser beam 70 that has passed through the condenser lens 21 and the central axis of the core 41 of the transmission fiber 40 coincide within the assembly tolerance. .
  • the spot diameter of the laser beam 70 is smaller than the core diameter of the transmission fiber 40 at the incident end face 46 of the transmission fiber 40.
  • the focus position is adjusted.
  • the focal position of the laser beam 70 is shifted to the condensing lens 21 side by the thermal lens effect as shown in (b) in the middle of FIG. 5, and the spot diameter of the laser beam 70 is transmitted. It becomes larger than the core diameter of the fiber 40. Therefore, as shown in (c) on the lower side of FIG. 5, in the laser device 100 according to the present embodiment, the lens drive unit 80 transmits the position of the condensing lens 21 in the Z direction to compensate for this shift. Close to the 40 side. As a result, the focal position of the laser beam 70 is adjusted so that the spot diameter of the laser beam 70 becomes smaller than the core diameter of the transmission fiber 40 again.
  • the reflected light monitor 23 is provided in the vicinity of the laser beam incident part 44 of the transmission fiber 40, and the lens driving part 80 detects the concentration of the condensing lens 21 based on the detection signal.
  • the movement direction that is, the side of the laser oscillator 10 or the transmission fiber 40 in the Z direction is determined, and the amount of movement is determined.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the vicinity of the laser beam incident part 44 of the transmission fiber 40.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the output of the laser beam 70 and the detection signal of the reflected light monitor 23. Note that (a) to (c) shown in FIG. 7 correspond to (a) to (c) shown in FIG.
  • the general transmission fiber 40 includes a mode stripper 45 in the vicinity of the laser beam incident part 44 and in the vicinity of the emission part.
  • the mode stripper 45 is a mechanism for removing leaked light that does not propagate through the core 41 and is incident on the cladding 42, of the laser beam 70 that is incident on the transmission fiber 40. If the mode stripper 45 is not present, the laser beam 70 incident on the cladding 42 propagates in the cladding 42 and a low quality laser beam 70 is emitted from the laser beam emitting portion of the transmission fiber 40.
  • the detailed mechanism of the mode stripper 45 varies depending on the manufacturer of the transmission fiber 40, but in principle, the light incident on the cladding 42 is converted into heat and removed without being totally reflected. Part of the light incident on the cladding 42 is scattered or reflected.
  • the reflected light monitor 23 is disposed in the condensing lens unit 20 to which the transmission fiber 40 is connected so as to detect the light scattered or reflected by the mode stripper 45.
  • a detection signal corresponding to the detected light quantity is generated.
  • the detection signal from the reflected light monitor 23 is input to the lens movement control unit 51, and the movement direction and movement amount of the slider 22 are calculated by the lens movement control unit 51 based on this detection signal. Be done.
  • a control signal is supplied from the lens movement control unit 51 to the slider 22 based on the calculation result, and the slider 22 is moved so that the condensing lens 21 comes to the desired position.
  • the lens movement control unit 51 does not have to be configured with a dedicated electronic circuit or LSI, and is a functional block realized by executing software on hardware such as a general-purpose CPU (Central Processing Unit), for example. May be
  • a general-purpose CPU Central Processing Unit
  • the lens drive unit 80 moves the condensing lens 21 so that the detection signal of the reflected light monitor 23 becomes equal to or less than a predetermined value, thereby compensating for the shift of the focal position of the laser beam 70 and leaking light from the transmission fiber 40, That is, the light amount of the laser beam 70 directly incident on the cladding 42 is reduced. Further, at the incident end face 46 of the transmission fiber 40, the laser beam 70 focused by the focusing lens 21 can be contained in the core 41.
  • the reflected light monitor 23 outputs a signal proportional to the laser oscillation output of the laser oscillator 10 even if there is no leaked light that does not fit into the core 41 of the transmission fiber 40.
  • the quartz block 25 is positioned at the connection portion between the condensing lens unit 20 and the transmission fiber 40, and reflected light is inevitably It is because it has occurred. Therefore, in order to accurately monitor the amount of leaked light in the transmission fiber 40, a signal proportional to this laser oscillation output must be subtracted.
  • the signal proportional to the laser oscillation output of the laser oscillator 10 can also be calculated from the oscillation command value sent from the control unit 50 to the laser oscillator 10. However, for example, when the output decrease due to the deterioration with time of the laser module 11 or the like occurs, accurate monitoring can not be performed.
  • the output light monitor 14 described above is provided in the beam combiner 12 separately from the reflected light monitor 23, and the actual output of the laser beam 70 is calculated based on this detection signal. There is.
  • a detection signal corresponding to the detected light amount is generated.
  • the detection signal from the output light monitor 14 is input to the lens movement control unit 51 in the same manner as the detection signal from the reflected light monitor 23, and the lens movement control unit 51 calculates the actual output value of the laser beam 70 based on this detection signal. It is calculated.
  • the value of the reflected light monitor 23 output at the time of this actual output value is calculated from the calculated actual output value of the laser beam 70 (see FIG.
  • FIG. 8 shows the behavior of the detection signal of the reflected light monitor 23, the detection signal of the output light monitor 14, and the output of the laser beam 70 emitted from the transmission fiber 40 with respect to the focal position of the laser beam 70 after passing through the condenser lens 21. Is shown. Note that (a) to (c) shown in FIG. 8 correspond to (a) to (c) shown in FIG.
  • the focal position of the laser beam 70 When the focal position of the laser beam 70 is in the vicinity of the incident end face 46 of the transmission fiber 40, the output of the laser beam 70 emitted from the transmission fiber 40 becomes the maximum value. If the spot diameter of the laser beam 70 has a sufficient margin with respect to the core diameter of the transmission fiber 40, the range of the focal point position taking this maximum value, that is, the usable range of the laser device 100 is expanded (see FIG. )). However, if the focal position is shifted, for example, the spot diameter of the laser beam 70 becomes large, leaked light in the transmission fiber 40 increases and the output of the laser beam 70 emitted from the transmission fiber 40 decreases (FIG. 8). (B)).
  • the transmission fiber With the increase of the scattered light scattered by the mode stripper 45 in the laser beam incident part 44 of 40, the detection signal of the reflected light monitor 23 provided behind the condensing lens 21 increases.
  • the detection signal of the output light monitor 14 reflects the output of the laser beam 70 which is detected by being separated before being incident on the condensing lens 21 before the condensing lens 21. It does not depend on the thermal lens effect that occurs at 21.
  • the difference signal obtained based on the detection signal of the reflected light monitor 23 and the detection signal of the output light monitor 14 is proportional to the light amount of the light scattered or reflected by the mode stripper 45, and this difference signal is a predetermined value
  • the shape of the beam emitted from the laser diode is elliptical. Therefore, the spot shape of the laser beam 70 wavelength-synthesized by the beam combiner 12 may not be circular, and may have a corner portion. In this case, since the leaked light which leaks out from the core 41 and leaks into the cladding 42 is concentrated and applied to a specific portion of the mode stripper 45, local heat generation tends to occur easily at that portion of the mode stripper 45 and damage to the transmission fiber 40. Was likely to occur.
  • the leaked light in the transmission fiber 40 can be reduced by adjusting the position of the condenser lens 21 and changing the focal position of the laser beam 70 in the above case as well.
  • damage to the transmission fiber 40 can be suppressed, and a decrease in the output of the laser beam 70 can be suppressed.
  • the present invention further comprises a reflected light monitor for detecting the light quantity including the light quantity of the laser beam reflected or scattered at the laser beam incident part when the laser beam is incident on the laser beam incident part of the transmission fiber,
  • the drive unit preferably adjusts the position of the condensing lens so that the amount of light detected by the reflected light monitor is reduced.
  • the reflected light monitor detects the amount of light including the reflected light or the scattered light resulting from the leaked light from the transmission fiber, and adjusts the position of the condenser lens so that the detected light amount is reduced. Leakage light in the transmission fiber can be reduced.
  • the amount of light detected by the reflected light monitor includes the amount of light detected in proportion to the output of the laser beam emitted from the laser oscillator, and an output light monitor for detecting the amount of light of a portion of the laser beam emitted from the laser oscillator
  • the lens drive unit further calculates the amount of light detected in proportion to the output of the laser beam emitted from the laser oscillator based on the amount of light detected by the output light monitor, and the calculated amount of light is It is preferable to adjust the position of the condenser lens so as to reduce the amount of light subtracted from the detected amount of light.
  • the light amount of leaked light can be accurately calculated by calculating the component not depending on the leaked light included in the light amount detected by the reflected light monitor using the light amount detected by the output light monitor. Leakage light in the transmission fiber can be reliably reduced.
  • the lens drive unit preferably adjusts the position of the focusing lens to compensate for the shift of the focal position of the laser beam due to the thermal lens effect caused by the temperature rise in the laser device.
  • the laser oscillator comprises a plurality of laser modules emitting laser beams of different wavelengths, and a beam combiner for wavelength combining a plurality of laser beams of different wavelengths emitted from the plurality of laser modules and emitting them as one laser beam. It is preferable to have.
  • the laser device 100 according to the present embodiment is basically the same as the configuration shown in the first embodiment, and the aspect of movement control of the focusing lens 21 at the time of laser oscillation is different.
  • FIG. 9 shows the position adjustment procedure of the focusing lens 21 according to the present embodiment.
  • initial adjustment of the optical system such as the position of the condensing lens 21 is performed. Specifically, laser oscillation is performed by the laser oscillator 10, the laser beam 70 is generated, the condensing lens 21 is moved by the lens driving unit 80, the position is adjusted, and the initial position of the condensing lens 21 is determined. To do (step S1). In this case, the laser oscillation time is adjusted so that the heat generation temperature of the condensing lens 21 by the laser beam 70 becomes equal to or less than a predetermined value. In step S1, as shown in FIG.
  • the optical axis of the laser beam 70 is approximately located at the center of the core 41 of the transmission fiber 40, and the spot diameter is condensed so as to be equal to or less than the core diameter of the transmission fiber 40.
  • the position of the lens 21 is adjusted. After the initial adjustment, the laser oscillation is stopped.
  • step S2 laser oscillation is performed by the laser oscillator 10 to generate a laser beam 70 (step S2). If laser oscillation is continued in this state, a part of the laser beam 70 is absorbed by the condenser lens 21 so that the condenser lens 21 generates heat, the above-mentioned thermal lens effect occurs, and the curvature of the condenser lens 21 changes. . This shifts the focal position of the laser beam 70 so that the spot 71 of the laser beam 70 protrudes from the core 41 as shown in FIG. 4B, for example.
  • the shift amount of the focal position is calculated based on the detection signal of the reflected light monitor 23 and the detection signal of the output light monitor 14, and the condensing lens 21 is calculated by the lens driving unit 80 so that this shift amount becomes equal to or less than a predetermined value. Is moved in the Z direction, that is, along the traveling direction of the laser beam 70 (step S3).
  • the lens driving unit 80 moves the condensing lens 21 to the initial position in step S1 in 5 seconds (step S4).
  • the predetermined time is predicted based on the temperature decrease characteristic of the condensing lens 21 with respect to the time obtained in advance.
  • step S5 it is confirmed whether or not laser oscillation is performed by the laser oscillator 10 (step S5), and if laser oscillation is performed, steps S2 to S4 are repeated, and if laser oscillation is not performed, the flow is ended.
  • the temperature decrease time of the condensing lens 21 is predicted during the intermittent oscillation period, and accordingly, By adjusting the position of the condenser lens 21, the shift of the focal position of the laser beam 70 can be compensated.
  • the shift of the focal position of the laser beam 70 can be compensated.
  • damage at the incident end face 46 of the transmission fiber 40 can be suppressed, and further, the optical coupling efficiency between the laser oscillator 10 and the transmission fiber 40 can be enhanced to suppress the reduction in the output of the laser beam 70.
  • the lens driving unit moves the condensing lens from the predetermined position along the traveling direction of the laser beam during laser oscillation in the intermittent oscillation period in which the laser oscillator intermittently repeats laser oscillation, and stops the laser oscillation. It is preferable to reduce the light amount of the laser beam incident on the cladding during the intermittent oscillation period by later returning to a predetermined position by taking a predetermined time.
  • the thermal lens effect of the condenser lens 21 has been described as an example of the cause of the shift of the focal position of the laser beam 70.
  • the shift of the focal position also occurs due to other factors. It can.
  • the incident angle of the laser beam 70 to the focusing lens 21 and the incident beam diameter change due to the light source etc., and the focal position of the laser beam 70 changes.
  • the signal proportional to the laser oscillation output included in the detection signal of the reflected light monitor 23 is subtracted based on the detection signal of the output light monitor 14, but as described above, A proportional signal may be obtained from the oscillation command value and subtracted from the detection signal at the reflected light monitor 23.
  • the lens movement control unit 51 generates a control signal for moving the slider 22 without using a detection signal from the output light monitor 14, and adjusts the position of the condensing lens 21 based on the control signal. It is also possible.
  • the laser device according to the present disclosure can reduce leakage light in the transmission fiber and can suppress reduction in laser beam output and damage to the transmission fiber, and therefore, it is useful for application to a laser processing device that requires a high output laser beam. It is.

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Abstract

レーザ装置は、レーザビームを発生するレーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザビーム（７０）を集光する集光レンズ（２１）と、集光レンズ（２１）で集光されたレーザビーム（７０）を伝送するコア（４１）とその周囲に設けられたクラッド（４２）とを少なくとも有する伝送ファイバ（４０）と、集光レンズ（２１）の位置を調整するレンズ駆動部と、を備えている。レンズ駆動部は、クラッド（４２）に入射するレーザビーム（７０）の光量を低減するように集光レンズ（２１）の位置を自動で調整する。

Description

レーザ装置
　本開示は、レーザ装置に関し、より詳細には、集光レンズを用いてレーザ発振器から出射されたレーザビームを伝送ファイバに伝送するレーザ装置に関する。
　近年、ダイレクトダイオードレーザ（以下、「ＤＤＬ」という）の高出力化に伴い、ＤＤＬを用いたレーザ加工装置の開発が加速している。ＤＤＬは複数のレーザモジュールから出射されたレーザビームを合成することで数ｋＷを超える高い出力を得ることができる。ビーム合成器から出射されたレーザビームは、伝送ファイバを介して所定の位置に設置された加工ヘッドに伝送される。この際、ビーム合成器から出射されたレーザビームは集光レンズで集光され、伝送ファイバのレーザビーム入射端面（以下、単に「入射端面」という）において、その集光スポット（以下、単に「スポット」という）が伝送ファイバのコアに収まるサイズまで縮小されて伝送ファイバに入射される（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第２０１６／１５２４０４号
　ところで、レーザビームの発振前に、伝送ファイバの入射端面においてレーザビームのスポットが伝送ファイバのコアに収まるように、集光レンズの位置が調整される。しかしながら、レーザビームの発振後にレーザビームの焦点位置がずれることにより、そのスポットが伝送ファイバのコアに入りきらず、クラッドに漏れ込む光の光量が増加する場合がある。
　例えば、集光レンズ等の光学素子にレーザビームを入射すると、熱レンズ効果と呼ばれる現象が生じる場合がある。図１０は、熱レンズ効果によるレーザビーム７０の焦点位置のシフトを説明する模式図である。同図において、集光レンズ２１にレーザビーム７０が入射した直後のレーザビーム７０の焦点位置をｆ０とする。集光レンズ２１にレーザビーム７０が入射し続けると、集光レンズ２１はレーザビーム７０の一部を吸収してその温度が上昇し熱膨張する。この熱膨張により、レーザビーム７０の焦点位置がレンズ側にシフト、この場合はｆ１の位置にシフトする。この現象が前述の熱レンズ効果である。つまり、集光レンズ２１通過後のレーザビーム７０は、集光レンズ２１の熱膨張に応じて異なる位置に焦点位置を有することになる。
　しかし、上記従来の構成において、レーザビームのスポット径に対して伝送ファイバのコア径に十分な余裕がない場合、レーザビームの焦点位置がずれることにより伝送ファイバでの漏れ光、つまり、伝送ファイバのコアに入りきらず、クラッドに漏れ込む光の光量が増加することになる。この漏れ光の増加は伝送ファイバで伝送されるレーザビームの出力低下や、伝送ファイバの入射端面近傍の局所的な発熱を招くおそれがある。特に、発熱によるダメージが蓄積すると伝送ファイバの破損に至るおそれがある。
　本開示はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は、集光レンズを用いて伝送ファイバにレーザビームを伝送するレーザ装置において、伝送ファイバでの漏れ光を低減するレーザ装置を提供することにある。
　上記の目的を達成するために、本開示の一態様に係るレーザ装置は、レーザビームを発生するレーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザビームを集光する集光レンズと、集光レンズで集光されたレーザビームを伝送するコアとコアの周囲に設けられたクラッドとを少なくとも有する伝送ファイバと、クラッドに入射されるレーザビームの光量を低減するように集光レンズの位置を自動で調整するレンズ駆動部と、を備える。
　本開示によれば、伝送ファイバでの漏れ光、すなわち、伝送ファイバのクラッドに直接入射されるレーザビームの光量を低減することができる。
実施形態１に係るレーザ装置の構成を示す図である。 図１におけるＩＩ－ＩＩ線での断面模式図である。 レンズ駆動部の機能ブロック図である。 伝送ファイバのレーザビーム入射端面におけるレーザビームの入射状態を示す模式図である。 伝送ファイバのレーザビーム入射端面におけるレーザビームの別の入射状態を示す模式図である。 伝送ファイバのレーザビーム入射端面におけるレーザビームのさらなる別の入射状態を示す模式図である。 レンズ駆動部によるレーザビームの焦点位置シフトを補償する機能を説明する模式図である。 伝送ファイバのレーザビーム入射部近傍の断面模式図である。 レーザビーム出力と反射光モニタの検出信号との関係を示す図である。 集光レンズ通過後のレーザビームの焦点位置に対する、反射光モニタの検出信号と出力光モニタの検出信号とレーザビーム出力との挙動を示す図である。 実施形態２に係る集光レンズの位置調整手順を示すフローチャートである。 熱レンズ効果によるレーザビームの焦点位置シフトを説明する模式図である。
　以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
　（実施形態１）
　［レーザ装置の構成］
　図１は、本実施形態に係るレーザ装置１００の構成図である。また、図２は、図１におけるＩＩ－ＩＩ線での断面模式図である。また、図３は、レンズ駆動部８０の機能ブロック図である。なお、以降の説明において、図２におけるレーザビーム７０が部分透過ミラー１３に向かう方向をＹ方向、部分透過ミラー１３から伝送ファイバ４０に向かう方向をＺ方向、Ｙ方向及びＺ方向と直交する方向をＸ方向と呼ぶことがある。なお、Ｚ方向は、集光レンズユニット２０から出射されるレーザビーム７０の光軸方向に、レーザ装置１００の光学系の組立公差の範囲で一致している。
　図１に示すように、レーザ装置１００は、レーザ発振器１０と、集光レンズユニット２０と、レーザビーム出射ヘッド３０と、伝送ファイバ４０と、制御部５０とを備えている。レーザ発振器１０と、集光レンズユニット２０と、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４（図２参照）とは筐体６０内に収容されている。
　レーザ発振器１０は、複数のレーザモジュール１１とビーム合成器１２とを有している。レーザ発振器１０は、複数のレーザモジュール１１からそれぞれ出射された異なる波長のレーザビームをビーム合成器１２で一つのレーザビーム７０に波長合成する。なお、以降の説明において、レーザ発振器１０をＤＤＬ発振器と呼ぶことがある。また、レーザモジュール１１自体が複数のレーザダイオードからなっており、例えば、半導体レーザアレイで構成されている。
　図２に示すように、ビーム合成器１２で波長合成されたレーザビーム７０は、集光レンズユニット２０に配設された集光レンズ２１で集光され、伝送ファイバ４０に入射する。レーザ発振器１０をこのような構成とすることで、レーザビーム出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ装置１００を得ることができる。また、ビーム合成器１２は内部に部分透過ミラー１３と出力光モニタ１４とを有している。部分透過ミラー１３はビーム合成器１２内で波長合成されたレーザビーム７０を集光レンズユニット２０に向けて偏向する一方、レーザビーム７０の一部、例えば、０．１％を透過するように構成されている。出力光モニタ１４は、部分透過ミラー１３を透過したレーザビーム７０を受光し、受光されたレーザビーム７０の光量に対応する検出信号を生成するようにビーム合成器１２内に配設されている。出力光モニタ１４の機能については後述する。また、レーザ発振器１０は、図示しない電源装置から電力が供給されてレーザ発振を行う。
　集光レンズユニット２０は、内部に集光レンズ２１とスライダ２２と反射光モニタ２３とを有している。集光レンズ２１は、伝送ファイバ４０の入射端面４６において、伝送ファイバ４０のコア径よりも小さいスポット径となるようにレーザビーム７０を集光する。スライダ２２は、制御部５０からの制御信号に応じて集光レンズ２１をＺ方向に自動で移動可能に保持している。スライダ２２は、例えば、モータ（図示せず）で駆動されるボールねじ（図示せず）に連結され、ボールねじの回転に伴い、Ｚ方向に移動する。なお、スライダ２２は、光学系の初期位置調整時に、主にＸＹ方向に移動し、後述する焦点位置のシフト補償時にはＺ方向に沿って移動する。ＸＹ方向へスライダ２２が移動する際は手動でもよいし自動で移動してもよい。自動で移動する場合は、上記のボールねじ等がスライダ２２に連結される。反射光モニタ２３は、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４で反射または散乱されたレーザビーム７０を受光して、受光されたレーザビーム７０の光量に対応する検出信号を生成する。反射光モニタ２３の機能については後述する。また、集光レンズユニット２０はコネクタ２４を有し、コネクタ２４には伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４が接続されている。また、コネクタ２４は、伝送ファイバ４０の入射端面４６に接して設けられた石英ブロック２５を保持している。石英ブロック２５は入射端面４６を保護する機能を有している。
　伝送ファイバ４０は、レーザ発振器１０及び集光レンズ２１に光学的に結合され、集光レンズ２１を介してレーザ発振器１０から受け取ったレーザビーム７０をレーザビーム出射ヘッド３０に伝送する。また、伝送ファイバ４０はレーザビーム７０を伝送するコア４１と、その周囲に設けられ、レーザビーム７０をコア４１内に閉じ込める機能を有するクラッド４２と、クラッド４２の表面を覆う被膜４３とを有している（図６参照）。また、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４にはモードストリッパ４５（図６参照）が設けられており、その詳細は後述する。なお、図示しないが、モードストリッパ４５は、伝送ファイバ４０のレーザビーム出射部にも設けられている。
　レーザビーム出射ヘッド３０は、伝送ファイバ４０で伝送されたレーザビーム７０を外部に向けて照射する。例えば、このレーザ装置１００をレーザ加工に用いる場合は、所定の位置に配置されたワーク（図示せず）に向けてレーザビーム７０を出射する。
　制御部５０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された電源装置（図示せず）に対して出力及びオン時間等を制御することによりレーザ発振の制御を行う。また、図３に示すように、制御部５０は、レンズ移動制御部５１を有している。レンズ移動制御部５１は、反射光モニタ２３及び出力光モニタ１４の検出信号を受けて、スライダ２２を移動させ集光レンズ２１が所期の位置に来るように調整する。レンズ移動制御部５１とスライダ２２とはレンズ駆動部８０を構成する。なお、このレーザ装置１００をレーザ加工に用いる場合は、制御部５０は、レーザビーム出射ヘッド３０が取り付けられたマニピュレータ（図示せず）の動作を制御してもよい。
　［レーザビームの光路及び焦点位置のシフト補償］
　次に、レーザ発振器１０から伝送ファイバ４０に入射するレーザビーム７０の光路及び伝送ファイバ４０の入射端面４６でのレーザビーム７０のスポット形状について説明する。図２に示すように、複数のレーザモジュール１１から出射されたレーザビームはビーム合成器１２で一つのレーザビーム７０に合成された後、ビーム合成器１２内に設けられた部分透過ミラー１３で反射され、集光レンズユニット２０内の集光レンズ２１へと導かれる。集光レンズ２１は、例えば伝送ファイバ４０のコア径が１００μｍであれば、伝送ファイバ４０の入射端面４６において１００μｍよりも小さいスポット径となるようにレーザビーム７０を集光する。集光されたレーザビーム７０は石英ブロック２５を通過し、さらに伝送ファイバ４０のコア４１へと入射すると、コア４１内を全反射により伝搬し、伝送ファイバ４０のレーザビーム出射部（図示せず）へと伝送される。ここで、伝送ファイバ４０とレーザ発振器１０との光結合効率を高め、高品質のレーザビーム７０を得るためには、集光レンズ２１で集光されたレーザビーム７０を伝送ファイバ４０のコア４１内に正確に入射する必要がある。言い換えるとレーザビーム７０のスポット７１の径であるスポット径を伝送ファイバ４０のコア４１の径であるコア径内に正確に収める必要がある。
　図４Ａは、伝送ファイバ４０の入射端面４６におけるレーザビームの入射状態を示し、コア４１内にレーザビーム７０が収まっている理想的な状態を示す。図４Ｂは、コア４１の中心とレーザビーム７０との光軸がずれて、レーザビーム７０がクラッド４２にはみ出して入射された状態を示している。また、図４Ｃは、レーザビーム７０のスポット径が伝送ファイバ４０のコア径よりも大きく、レーザビーム７０がクラッド４２にはみ出して入射された状態を示している。
　図４Ａに示す状態では、レーザビーム７０の焦点位置が伝送ファイバ４０のコア４１の中心にほぼ一致し、かつレーザビーム７０のスポット７１はその径が伝送ファイバ４０のコア径以下となっている。また、図４Ｂに示す状態は、図４Ａに示す場合に比べて、レーザビーム７０の焦点位置が伝送ファイバ４０の入射端面４６に平行な面内、つまり、ＸＹ平面内でずれてレーザビーム７０がコア４１からはみ出している。このような状態でレーザビーム７０を出射するとクラッド４２にレーザビーム７０が入射し、レーザビーム７０の品質が低下するとともに伝送ファイバ４０にダメージを与えるおそれがある。そのため、この場合は、集光レンズ２１をＸＹ平面内で移動させて焦点レンズの焦点位置を調整することにより、コア４１内にレーザビーム７０を収めるようにすることができる。
　一方、図４Ｃに示す状態は、レーザビーム７０の焦点位置は、伝送ファイバ４０のコア４１の中心にほぼ一致するものの、レーザビーム７０のスポット７１のスポット径が伝送ファイバ４０のコア４１のコア径より大きく、スポット７１がコア４１からはみ出してクラッド４２に入射された状態となっている。これは、集光レンズ２１から伝送ファイバ４０の入射端面４６までの距離が集光レンズ２１の焦点距離に一致していない状態である。
　ここで、集光レンズ２１の位置を調整する作業は、通常、伝送ファイバ４０を集光レンズユニット２０に接続した時点で行うものであり、レーザ発振を行う際には集光レンズ２１の位置は固定されている。また、図４Ｂに示すような状態は、通常、この初期の調整作業で解消される。
　しかし、前述したように、集光レンズ２１等の光学部品はレーザ発振により温度が上昇することで熱レンズ効果を生じる。そのため、レーザ発振直後から、各光学部品のサイズ等が熱的に飽和するまでの間、レーザビーム７０の焦点位置はシフトし続け、この場合、焦点位置はＺ方向にシフトする。よって、レーザ発振前に集光レンズ２１の位置を調整し、図４Ａに示す状態を実現したとしても、レーザ発振中の発熱により、伝送ファイバ４０の入射端面４６でレーザビーム７０のスポット７１のスポット径は図４Ｃに示す状態になってしまい、伝送ファイバ４０コア４１のコア径内に収まらず、漏れ光が増加するおそれがあった。
　そこで、図２，３に示すように、本実施形態では、集光レンズユニット２０内に、集光レンズ２１を保持しつつＺ方向に移動可能なスライダ２２を設けている。また、スライダ２２とレンズ移動制御部５１とで構成されるレンズ駆動部８０により集光レンズ２１を移動させてレーザビーム７０の焦点位置のシフトを補償するようにしている。
　図５は、レンズ駆動部８０によるレーザビーム７０の焦点位置シフトを補償する機能を説明する模式図である。伝送ファイバ４０の調芯及び光学系の初期調整を行い、集光レンズ２１を通過したレーザビーム７０の光軸と伝送ファイバ４０のコア４１の中心軸とは、組立公差の範囲で一致している。
　図５の上側の（ａ）に示すように、レーザ発振初期は、伝送ファイバ４０の入射端面４６において、レーザビーム７０のスポット径が伝送ファイバ４０のコア径よりも小さくなるようにレーザビーム７０の焦点位置が調整されている。一方、レーザ発振が継続すると、図５の中段の（ｂ）に示すように、熱レンズ効果によりレーザビーム７０の焦点位置が集光レンズ２１側にシフトして、レーザビーム７０のスポット径が伝送ファイバ４０のコア径よりも大きくなる。よって、図５の下側の（ｃ）に示すように、本実施形態に係るレーザ装置１００において、このシフトを補償するようにレンズ駆動部８０は集光レンズ２１の位置をＺ方向に伝送ファイバ４０側へ近づける。この結果、再びレーザビーム７０のスポット径が伝送ファイバ４０のコア径よりも小さくなるようにレーザビーム７０の焦点位置が調整される。
　また、集光レンズ２１をＺ方向に移動するにあたっては、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４近傍に反射光モニタ２３を設け、その検出信号に基づいてレンズ駆動部８０が、集光レンズ２１の移動方向、つまり、Ｚ方向にレーザ発振器１０側か伝送ファイバ４０側かのどちら側に移動するかを決定するとともに、その移動量を決定するようにしている。
　図６は、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４近傍の断面模式図である。また、図７はレーザビーム７０の出力と反射光モニタ２３の検出信号との関係を示す図である。なお、図７に示す（ａ）～（ｃ）は、図５に示す（ａ）～（ｃ）に対応している。
　ここで、反射光モニタ２３の機能について説明する。図６に示すように、一般的な伝送ファイバ４０は、レーザビーム入射部４４の近傍と出射部近傍のそれぞれにモードストリッパ４５を備えている。モードストリッパ４５は、伝送ファイバ４０に入射されるレーザビーム７０のうち、コア４１を伝搬せずクラッド４２に入射される漏れ光を除去するための機構である。モードストリッパ４５が無い場合、クラッド４２に入射されたレーザビーム７０がクラッド４２中を伝搬し、伝送ファイバ４０のレーザビーム出射部から低品質のレーザビーム７０が出射されてしまう。モードストリッパ４５の詳細な機構は伝送ファイバ４０を製造するメーカーにより異なるが、原理としては、クラッド４２に入射した光を全反射させずに、熱に変換して除去するものであり、この時、クラッド４２に入射した光の一部は散乱あるいは反射される。
　本実施形態では、伝送ファイバ４０が接続される集光レンズユニット２０内に、モードストリッパ４５で散乱あるいは反射された光を検出するよう反射光モニタ２３を配設している。モードストリッパ４５で散乱あるいは反射された光が反射光モニタ２３で検出されると、検出された光量に対応する検出信号が生成される。そして、図３に示すように、反射光モニタ２３での検出信号はレンズ移動制御部５１に入力され、この検出信号に基づいて、レンズ移動制御部５１でスライダ２２の移動方向及び移動量が算出される。この算出結果に基づいてレンズ移動制御部５１からスライダ２２に制御信号が供給され、所期の位置に集光レンズ２１が来るようにスライダ２２を移動させる。なお、レンズ移動制御部５１は、専用の電子回路やＬＳＩで構成される必要はなく、例えば、汎用ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェア上でソフトウェアを実行して実現される機能ブロックであってもよい。
　反射光モニタ２３の検出信号が所定値以下になるようにレンズ駆動部８０が集光レンズ２１を移動させることで、レーザビーム７０の焦点位置のシフトが補償され、伝送ファイバ４０での漏れ光、すなわち、クラッド４２に直接入射されるレーザビーム７０の光量が低減される。また、伝送ファイバ４０の入射端面４６において、集光レンズ２１で集光されたレーザビーム７０をコア４１内に収めるようにすることができる。
　ここで、図７に示すように、反射光モニタ２３は、伝送ファイバ４０のコア４１に入りきらない漏れ光が無くても、レーザ発振器１０のレーザ発振出力に比例した信号を出力する。これは、集光レンズユニット２０と伝送ファイバ４０との接続部に石英ブロック２５が位置する等、レーザビーム７０の光路に各種の光学部品が配置され、各々の境界面において必然的に反射光が発生しているためである。従って、伝送ファイバ４０における漏れ光の光量を正確にモニタするにはこのレーザ発振出力に比例する信号を差し引かなければならない。
　レーザ発振器１０のレーザ発振出力に比例する信号は、制御部５０からレーザ発振器１０に送られる発振指令値から算出することも可能である。しかし、例えば、レーザモジュール１１の経時劣化等による出力低下が生じると、正確なモニタリングができなくなる。
　そこで、本実施形態では、反射光モニタ２３とは別に、ビーム合成器１２内に前述の出力光モニタ１４を設け、この検出信号に基づいて、レーザビーム７０の実際の出力を算出するようにしている。部分透過ミラー１３を透過したレーザビーム７０の一部が出力光モニタ１４で検出されると、検出された光量に対応する検出信号が生成される。出力光モニタ１４での検出信号は、反射光モニタ２３での検出信号と同様にレンズ移動制御部５１に入力され、この検出信号に基づいてレンズ移動制御部５１でレーザビーム７０の実出力値が算出される。算出されたレーザビーム７０の実出力値から、この実出力値のときに出力される反射光モニタ２３の値が算出され（図７参照）、算出された反射光モニタ２３の出力値を、反射光モニタ２３の検出信号に対応する値から差し引くことで伝送ファイバ４０における漏れ光の光量に対応する差分信号が生成される。そして、この差分信号に基づいて集光レンズ２１を保持するスライダ２２の移動を制御する制御信号が生成される。
　図８は、集光レンズ２１通過後のレーザビーム７０の焦点位置に対する、反射光モニタ２３の検出信号と出力光モニタ１４の検出信号と伝送ファイバ４０から出射されるレーザビーム７０の出力との挙動を示している。なお、図８に示す（ａ）～（ｃ）は、図５に示す（ａ）～（ｃ）に対応している。
　レーザビーム７０の焦点位置が伝送ファイバ４０の入射端面４６付近にあれば伝送ファイバ４０から出射されるレーザビーム７０の出力は最大値となる。レーザビーム７０のスポット径が伝送ファイバ４０のコア径に対して十分な余裕をもっていれば、この最大値を取る焦点位置の範囲、つまり、レーザ装置１００の使用可能範囲が広がる（図８の（ａ））。しかし、焦点位置がずれて、例えば、レーザビーム７０のスポット径が大きくなると、伝送ファイバ４０での漏れ光が増加して、伝送ファイバ４０から出射されるレーザビーム７０の出力が低下する（図８の（ｂ））。
　ここで、レーザビーム７０の焦点位置がシフトして、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４において、伝送ファイバ４０にレーザビーム７０が入光する際の伝送ファイバ４０に対する漏れ光が多くなると、伝送ファイバ４０のレーザビーム入射部４４にあるモードストリッパ４５で散乱される散乱光の増加に伴い、集光レンズ２１の後に設けられた反射光モニタ２３の検出信号が増加する。なお、出力光モニタ１４の検出信号は集光レンズ２１より手前で、集光レンズ２１に入光される前に分光して検出されるレーザビーム７０の出力を反映しているため、集光レンズ２１で生じる熱レンズ効果には依存しない。
　よって、反射光モニタ２３での検出信号と出力光モニタ１４での検出信号とに基づいて得られる差分信号はモードストリッパ４５で散乱あるいは反射される光の光量に比例し、この差分信号が所定値以下になるように集光レンズ２１を移動させることで、レーザビーム７０の焦点位置のシフトに伴う伝送ファイバ４０での漏れ光を確実に低減することができる。このことにより、伝送ファイバ４０の入射端面４６における損傷を抑制し、また、レーザ発振器１０と伝送ファイバ４０との光結合効率を高めて、レーザビーム出力の低下を抑制することができる。
　特に、レーザ発振器１０としてレーザダイオードを用いたＤＤＬ発振器を用いる場合、レーザダイオードからの出射ビーム形状が楕円形である。そのため、ビーム合成器１２で波長合成されたレーザビーム７０のスポット形状が円形になりにくく、コーナー部を有する形状となる場合がある。この場合、コア４１からはみ出てクラッド４２に漏れ込む漏れ光は、モードストリッパ４５の特定箇所に集中して照射されるため、モードストリッパ４５の当該箇所で局所発熱が起こりやすく、伝送ファイバ４０の損傷が発生しやすくなっていた。
　本実施形態によれば、上記の場合にも集光レンズ２１の位置を調整して、レーザビーム７０の焦点位置を変更することにより、伝送ファイバ４０での漏れ光を低減することができる。このことにより、伝送ファイバ４０の損傷を抑制し、また、レーザビーム７０の出力の低下を抑制することができる。
　［効果等］
　以上のように、レーザビームが伝送ファイバのレーザビーム入射部に入射されるときに、レーザビーム入射部で反射あるいは散乱されたレーザビームの光量を含む光量を検出する反射光モニタをさらに備え、レンズ駆動部は、反射光モニタが検出した光量が低減するように、集光レンズの位置を調整するのが好ましい。
　この構成によれば、反射光モニタが、伝送ファイバからの漏れ光に起因する反射光あるいは散乱光を含む光量を検出し、検出した光量が低減するように集光レンズの位置を調整するので、伝送ファイバでの漏れ光を低減することができる。
　反射光モニタが検出する光量は、レーザ発振器から出射されたレーザビームの出力に比例して検出される光量を含み、レーザ発振器から出射されたレーザビームの一部の光量を検出する出力光モニタをさらに備え、レンズ駆動部は、出力光モニタが検出した光量に基づいて、レーザ発振器から出射されたレーザビームの出力に比例して検出される光量を算出し、算出した光量を、反射光モニタが検出した光量から差し引いた光量が低減するように、集光レンズの位置を調整するのが好ましい。
　この構成によれば、反射光モニタが検出した光量に含まれる漏れ光に依存しない成分を出力光モニタが検出した光量を用いて算出することで、漏れ光の光量を正確に算出することができ、伝送ファイバでの漏れ光を確実に低減することができる。
　レンズ駆動部は、レーザ装置内での温度上昇に起因した熱レンズ効果によってレーザビームの焦点位置がシフトするのを補償するように集光レンズの位置を調整するのが好ましい。
　この構成によれば、レーザ装置で発生する熱レンズ効果の影響を抑制して、伝送ファイバでの漏れ光を低減できる。
　レーザ発振器は、互いに異なる波長のレーザビームを発する複数のレーザモジュールと、複数のレーザモジュールから出射された互いに異なる波長の複数のレーザビームを波長合成して一つのレーザビームとして出射するビーム合成器と、を有するのが好ましい。
　この構成によれば、高出力のレーザ装置を実現できる。
　（実施形態２）
　本実施形態に係るレーザ装置１００は、実施形態１に示す構成と基本的に同じであり、レーザ発振時の集光レンズ２１の移動制御の態様が異なる。
　図９は、本実施形態に係る集光レンズ２１の位置調整手順を示す。まず、レーザ加工前に、集光レンズ２１の位置等光学系の初期調整を行う。具体的には、レーザ発振器１０でレーザ発振を行い、レーザビーム７０を発生させ、レンズ駆動部８０により集光レンズ２１を移動させて、その位置を調整し、集光レンズ２１の初期位置を決定する（ステップＳ１）。この場合、レーザビーム７０による集光レンズ２１の発熱温度が所定値以下になるようレーザ発振時間を調整している。また、ステップＳ１において、図４Ａに示すように、レーザビーム７０の光軸は、伝送ファイバ４０のコア４１の中心にほぼ位置し、スポット径は伝送ファイバ４０のコア径以下となるように集光レンズ２１の位置が調整される。また、初期調整後はレーザ発振を停止する。
　次に、レーザ発振器１０でレーザ発振を行い、レーザビーム７０を発生させる（ステップＳ２）。この状態でレーザ発振を継続すると、レーザビーム７０の一部を集光レンズ２１が吸収することで集光レンズ２１が発熱し、前述の熱レンズ効果が生じて集光レンズ２１の曲率が変化する。このことにより、レーザビーム７０のスポット７１が、例えば、図４Ｂに示すようにコア４１からはみ出すようにレーザビーム７０の焦点位置がシフトする。反射光モニタ２３の検出信号と出力光モニタ１４の検出信号とに基づいて、焦点位置のシフト量を算出し、このシフト量が所定値以下になるように、レンズ駆動部８０により集光レンズ２１をＺ方向、つまり、レーザビーム７０の進行方向に沿って移動させる（ステップＳ３）。
　次に、レーザ発振器１０でのレーザ発振を停止すると、集光レンズ２１でのレーザビーム７０の吸収が無くなり、集光レンズ２１が冷えて温度が低下する。これに伴い、熱レンズ効果が小さくなり、焦点位置のシフトが元に戻るように集光レンズ２１の曲率が復元する。集光レンズ２１の温度が元に戻るのに、所定の時間、例えば、５秒かかるとすると、レンズ駆動部８０は５秒をかけて集光レンズ２１をステップＳ１における初期位置に移動させる（ステップＳ４）。なお、所定の時間は、予め求めておいた時間に対する集光レンズ２１の温度低下特性に基づいて予測される。
　再び、レーザ発振器１０でのレーザ発振が行われるかどうかを確認し（ステップＳ５）、レーザ発振が行われる場合は、ステップＳ２～Ｓ４を繰り返し、レーザ発振が行われない場合はフローを終了する。
　以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ発振器１０が断続的にレーザ発振を繰り返す場合、言いかえると断続発振期間に、集光レンズ２１の温度低下時間を予測し、それに合わせて、集光レンズ２１の位置を調整することで、レーザビーム７０の焦点位置のシフトを補償することができる。このことにより、集光レンズ２１の熱膨張、収縮が繰り返される断続発振期間を通じて伝送ファイバ４０での漏れ光を低減することができる。また、伝送ファイバ４０の入射端面４６での損傷を抑制し、さらに、レーザ発振器１０と伝送ファイバ４０との光結合効率を高めて、レーザビーム７０の出力低下を抑制することができる。
　［効果等］
　以上のように、レンズ駆動部は、レーザ発振器がレーザ発振を断続的に繰り返す断続発振期間におけるレーザ発振中に集光レンズを所定の位置からレーザビームの進行方向に沿って移動させ、レーザ発振停止後に所定の時間をかけて所定の位置に戻すことにより、断続発振期間を通じてクラッドに入射されるレーザビームの光量を低減するのが好ましい。
　この構成によれば、断続的なレーザ発振により、集光レンズの熱膨張、収縮が繰り返される場合にも、安定して伝送ファイバでの漏れ光を低減できる。
　なお、実施形態１，２において、レーザビーム７０の焦点位置がシフトする原因として、集光レンズ２１の熱レンズ効果を例にとって説明してきたが、実際には他の要因による焦点位置のシフトも発生しうる。例えば、ビーム合成器１２や集光レンズユニット２０内の他の光学部品の熱膨張による熱レンズ効果やレーザモジュール１１、特に温度に対してレーザダイオードから出射されるレーザビーム７０の特性が変化すること等により、集光レンズ２１へのレーザビーム７０の入射角度や入射ビーム径が変化し、レーザビーム７０の焦点位置が変動することが考えられる。この場合においても、実施形態１，２に示す構成によれば、レーザビーム７０の焦点位置のシフトを補償し、伝送ファイバ４０での漏れ光を低減することができる。
　また、実施形態１，２において、出力光モニタ１４での検出信号に基づいて、反射光モニタ２３での検出信号に含まれるレーザ発振出力に比例した信号を差し引いたが、前述したように、この比例信号を発振指令値から求めて反射光モニタ２３での検出信号から差し引いてもよい。その場合は、レンズ移動制御部５１は、出力光モニタ１４での検出信号を用いることなく、スライダ２２を移動させる制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて集光レンズ２１の位置を調整することも可能である。
　本開示に係るレーザ装置は、伝送ファイバでの漏れ光を低減して、レーザビーム出力低下や伝送ファイバの損傷を抑制できるため、高出力のレーザビームを要するレーザ加工装置等に適用する上で有用である。
１０　　レーザ発振器
１１　　レーザモジュール
１２　　ビーム合成器
１３　　部分透過ミラー
１４　　出力光モニタ
２０　　集光レンズユニット
２１　　集光レンズ
２２　　スライダ
２３　　反射光モニタ
２４　　コネクタ
２５　　石英ブロック
３０　　レーザビーム出射ヘッド
４０　　伝送ファイバ
４１　　コア
４２　　クラッド
４４　　レーザビーム入射部
４５　　モードストリッパ
４６　　伝送ファイバ４０のレーザビーム入射端面
５０　　制御部
５１　　レンズ移動制御部
６０　　筐体
７０　　レーザビーム
７１　　スポット
８０　　レンズ駆動部
１００　レーザ装置

Claims (6)

  1. 　レーザビームを発生するレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器から出射された前記レーザビームを集光する集光レンズと、
    　前記集光レンズで集光された前記レーザビームを伝送するコアと前記コアの周囲に設けられたクラッドとを少なくとも有する伝送ファイバと、
    　前記クラッドに入射される前記レーザビームの光量を低減するように前記集光レンズの位置を自動で調整するレンズ駆動部と、を備えることを特徴とするレーザ装置。
  2. 　請求項１に記載のレーザ装置において、
    　前記レーザビームが前記伝送ファイバのレーザビーム入射部に入射されるときに、前記レーザビーム入射部で反射あるいは散乱された前記レーザビームの光量を含む光量を検出する反射光モニタをさらに備え、
    　前記レンズ駆動部は、前記反射光モニタが検出した光量が低減するように、前記集光レンズの位置を調整することを特徴とするレーザ装置。
  3. 　請求項２に記載のレーザ装置において、
    　前記反射光モニタが検出する光量は、前記レーザ発振器から出射された前記レーザビームの出力に比例して検出される光量を含み、
    　前記レーザ発振器から出射された前記レーザビームの一部の光量を検出する出力光モニタをさらに備え、
    　前記レンズ駆動部は、前記出力光モニタが検出した光量に基づいて、前記レーザ発振器から出射された前記レーザビームの出力に比例して検出される光量を算出し、算出した光量を、前記反射光モニタが検出した光量から差し引いた光量が低減するように、前記集光レンズの位置を調整することを特徴とするレーザ装置。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
    　前記レンズ駆動部は、前記レーザ発振器がレーザ発振を断続的に繰り返す断続発振期間におけるレーザ発振中に前記集光レンズを所定の位置から前記レーザビームの進行方向に沿って移動させ、レーザ発振停止後に所定の時間をかけて前記所定の位置に戻すことにより、前記断続発振期間を通じて前記クラッドに入射される前記レーザビームの光量を低減することを特徴とするレーザ装置。
  5. 　請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
    　前記レンズ駆動部は、前記レーザ装置内での温度上昇に起因した熱レンズ効果によって前記レーザビームの焦点位置がシフトするのを補償するように前記集光レンズの位置を調整することを特徴とするレーザ装置。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザ装置において、
    　前記レーザ発振器は、互いに異なる波長のレーザビームを発する複数のレーザモジュールと、
    　前記複数のレーザモジュールから出射された互いに異なる波長の複数のレーザビームを波長合成して一つのレーザビームとして出射するビーム合成器と、を有することを特徴とするレーザ装置。
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