JP5546119B2

JP5546119B2 - ファイバレーザ加工装置及びファイバレーザ加工方法

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Publication number: JP5546119B2
Application number: JP2008292014A
Authority: JP
Inventors: 年賢難波
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Current assignee: Amada Weld Tech Co Ltd
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: JP2010115698A

Description

本発明は、被加工物にＱスイッチパルスのレーザ光を照射して所望のレーザ加工を施すファイバレーザ加工装置およびファイバレーザ加工方法に関する。

最近、ファイバレーザで生成したレーザ光を被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うファイバレーザ加工装置が実用化されてきている。その中で、ファイバＭＯＰＡ（Master Oscillator _ Power Amplifier）方式のファイバレーザ加工装置も注目されている。

ファイバＭＯＰＡ方式は、特許文献１に開示されるように、所定の希土類元素を含むコアを有する光ファイバをレーザ増幅用に使用し、シード（種）レーザ発振器で生成した低出力のシードレーザ光を一端から該光ファイバのコアに入れて他端まで伝播させながら、コアを励起することによって、コアの中でシードレーザ光を高出力の加工用レーザ光に増幅または変換するものであり、光／光変換効率が高くてビームモードが安定している等の特長を有している。

ファイバＭＯＰＡ方式を採るＱスイッチ型のファイバレーザ加工装置は、シードレーザ発振器にＱスイッチ型の固体レーザたとえばＹＡＧレーザを用いて、ピークパワーの比較的低いＱスイッチパルスのシードレーザ光を一定の繰り返し周波数で生成し、増幅用光ファイバに通して、十分高いピーク出力を有するＱスイッチパルスの加工用レーザ光を得るようにしている。

シードレーザ発振器のＱスイッチには、通常の音響光学式あるいは電気光学式のＱスイッチが用いられる。シードレーザ発振器内の活性媒質（ＹＡＧロッド）を光学的に励起するための励起光源は、半導体レーザつまりレーザダイオード（ＬＤ）が主流になっている。また、増幅用光ファイバのコアを光学的に励起するための励起光源にもレーザダイオード（ＬＤ）がよく使われている。
特開２００７−２５３１８９

上記のようなファイバＭＯＰＡ方式を採るＱスイッチ型ファイバレーザ加工装置では、Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を開始させる際に加工用レーザ光に１発目から所望のレーザ出力を持たせるように増幅用光ファイバを待機させておく目的で、装置電源がオンになっている限り、シードレーザ発振器のオン／オフ状況に関わらず、つまりＱスイッチパルスのシードレーザ光が発振出力されているか否かに関係なく、ファイバコア励起部は励起用ＬＤを常時点灯させて増幅用光ファイバのコアを励起し続けている。しかしながら、待機期間中は、増幅用光ファイバに導入された励起用ＬＤ光のエネルギー、さらにはファイバ内で発生する特定波長（たとえば１０４０ｎｍ）の蛍光のエネルギーを吸収するはずのシードレーザ光がコア内を伝播しないため、励起用ＬＤ光や蛍光が十分減衰せずに増幅用光ファイバの端面から不用なノイズ光として漏れることが加工現場では嫌われている。

さらに、従来のこの種のファイバレーザ加工装置には、次のようなより深刻な問題があった。すなわち、コア励起用ＬＤの出力に比してシードレーザ光の出力が低すぎると、たとえばコア励起用ＬＤの出力が７５Ｗでシードレーザ光の出力が０．１Ｗ（７５０分の１の出力）である場合は、シードレーザ光を増幅している最中でも励起用ＬＤ光が増幅用光ファイバ内で十分消費されず、その余ったエネルギーによってピークパワーの異常に高い（正常時の数倍の）加工用のパルスレーザ光が発生する。したがって、シードレーザ光の出力はある程度高い値にした方が光−光変換の効率やレーザ増幅の安定性には良いとされており、通常は大体１Ｗ以上に設定されている。

一方で、Ｑスイッチ型の固体レーザからなるシードレーザ発振器においては、Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を開始させる際に、それまで飽和状態にあった反転分布を急激に下げると１発目のパルス（ファーストパルス）が異常に高いピークパワーを持ったシードレーザであるジャイアントパルスとなって発振出力されるという不所望な特性がある。これを回避する方法（いわゆる、ファーストパルスキラーの一手法）として、発振器内のＱ値をステップ的にではなく一定勾配のアップスロープで立ち上げる手法が常用的に採られている。

この手法によれば、反転分布の急激な減少を抑制してファーストパルスを低出力で発振出力させ、ジャイアントパルスの発生を防止することができる。

実際には、ファーストパルスキラーの手法によってファーストパルスのピークパワーを設定値に制御するのは非常に難しく、通常はジャイアントパルスの発生防止を重視して、ファーストパルスが非常に低いピークパワーで発振出力されるようにＱ値立ち上げのアップスロープを制御し、２発目のパルスから設定通りのピーク出力を得るようにしている。

ところが、シードレーザ発振器から極端に低いピークパワーのファーストパルスが増幅用光ファイバに導入または投与されることによって、増幅用光ファイバではシードレーザ光の出力がコア励起用ＬＤ光の出力に比して著しく低い関係（条件）が成立することとなり、結果としてピークパワーの異常に高いパルスの加工用レーザ光が増幅用光ファイバから射出され、その増幅用光ファイバの端面が焼けたり、レーザ加工の特性・品質が損なわれる等の問題があった。

また、上記のように待機状態の増幅用光ファイバは励起用ＬＤによってポンピングされ続けているため、励起用ＬＤ光や蛍光のエネルギーで満ち溢れており、繰り返し発振の開始直後の増幅率は定常時の増幅率（設定値）よりも高い。このため、シードレーザ発振器より発せられるファーストパルスのピークパワーをファーストパルスキラーの手法によって設定値に制御できた場合でも、繰り返し発振の開始直後に加工用レーザ光の出力がオーバーシュートして設定値を超えてしまい、これも増幅用光ファイバの端面焼けやレーザ加工特性・品質の低下を来たす原因となっていた。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、繰り返し発振の開始または再開直後に異常増幅パルスの発生を防止して、増幅用光ファイバの保護およびレーザ加工特性・品質の向上を実現するファイバレーザ加工装置およびファイバレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明のファイバレーザ加工装置は、光学的に対向して配置された一対のミラーからなる光共振器と、前記光共振器内の光路上に配置された固体の活性媒質と、前記活性媒質を連続的に励起する活性媒質励起部と、前記光共振器内で前記活性媒質と同一の光路上に配置されたＱスイッチと、前記Ｑスイッチを駆動するためのＱスイッチ駆動部とを有し、所定の繰り返し周波数でＱスイッチパルスのシードレーザ光を発振出力するシードレーザ発振部と、所定の希土類元素を含むコアを有し、前記シードレーザ発振部からの前記シードレーザ光を一端より前記コアの中に入れ、該シードレーザ光を増幅して他端より出す増幅用の光ファイバと、前記増幅用光ファイバの一端から前記コアの中に入射して前記シードレーザ光を増幅させるための第１の励起用レーザ光を連続発振で出力するファイバコア励起部と、前記増幅用光ファイバの他端から出射したレーザ光を加工用レーザ光として出射するレーザ出射部と、前記シードレーザ発振部が前記Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を開始または再開する際に、１発目ないし数発目までの前記Ｑスイッチパルスのシードレーザ光については前記光共振器内のＱ値が一定の勾配を有する第１のアップスロープ波形で立ち上がるように前記Ｑスイッチ駆動部を制御するとともに、前記第１の励起用レーザ光の出力が一定の勾配を有する第２のアップスロープ波形で立ち上がり、かつ前記第２のアップスロープ波形の立ち上がりが１発目ないし数発目までの前記Ｑスイッチパルスのシードレーザ光が発振出力された後に完了するように前記ファイバコア励起部を制御する制御部とを有する。

本発明のファイバレーザ加工方法は、Ｑスイッチ型の光共振器を有するシードレーザ発振部により所定の繰り返し周波数でＱスイッチパルスのシードレーザ光を発振出力し、増幅用の光ファイバのコアを連続発振の第１の励起用レーザ光で励起しながら前記コアの一端から他端まで前記シードレーザ光を伝搬させ、前記増幅用光ファイバの他端より増幅されたシードレーザ光として取り出される加工用レーザ光を被加工物に向けて照射して、前記被加工物に所望のレーザ加工を施すファイバレーザ加工方法であって、前記Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を開始または再開する際に、１発目ないし数発目までの前記Ｑスイッチパルスのシードレーザ光については前記光共振器内のＱ値を一定の勾配を有する第１のアップスロープ波形で立ち上げると同時に、前記第１の励起用レーザ光の出力を一定の勾配を有する第２のアップスロープ波形で立ち上げ、かつ前記第２のアップスロープ波形の立ち上がりを１発目ないし数発目までの前記Ｑスイッチパルスのシードレーザ光が発振出力された後に完了させる。

上記の装置構成または方法においては、被加工物に所望のレーザ加工を施すために、シードレーザ発振部がＱスイッチパルスの繰り返し発振を開始または再開する際に、１発目ないし数発目までのＱスイッチパルスのシードレーザ光については制御部がＱスイッチ駆動部の制御を通じて光共振器内のＱ値を一定の勾配を有する第１のアップスロープ波形で立ち上げることにより、いわゆるファーストパルスキラーがかけられ、シードレーザ発振部より１発目（あるいは１発目〜数発目）のＱスイッチパルスが非常に低いピークパワーで発振出力される。一方、制御部の制御の下でファイバコア励起部が、増幅用光ファイバをポンピングするための第１の励起用レーザ光の出力を一定の勾配を有する連続発振の第２のアップスロープ波形で立ち上げ、かつその第２のアップスロープ波形の立ち上がりを１発目ないし数発目までのＱスイッチパルスのシードレーザ光が発振出力された後に完了させることにより、１発目（あるいは１発目〜数発目）のシードレーザ光が増幅用光ファイバ内でさほど増幅されずに伝播する。これにより、増幅用光ファイバ内で異常増幅パルスが生成されることはなく、つまり増幅用光ファイバより異常増幅パルスが射出されることはない。したがって、増幅用光ファイバの端面が焼けることはなく、レーザ加工特性・品質が損なわれることもない。

本発明の好適な一態様においては、ファイバコア励起部が、第１の励起用レーザ光を発振出力する第１のレーザダイオードと、この第１のレーザダイオードに第１のＬＤ駆動電流を供給する第１のＬＤ電源とを有する。この場合、制御部は、第１の励起用レーザ光の出力を制御するために、第１のＬＤ電源を通じて第１のＬＤ駆動電流を制御する。また、活性媒質励起部が、活性媒質を励起するための第２の励起用レーザ光を発振出力する第２のレーザダイオードと、この第２のレーザダイオードに第２のＬＤ駆動電流を供給する第２のＬＤ電源とを有する。好適な一態様として、第１および第２のレーザダイオードは、第１および第２の伝送用光ファイバを介して増幅用光ファイバに光学的に結合される。

本発明の好適な一態様においては、Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を行っている時は、第１の励起用レーザ光の出力を所望のレーザ加工に適した増幅用のレーザ出力値に制御し、Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を休止または中断している時は、第１の励起用レーザ光の出力を増幅用のレーザ出力値よりも低くて所望の立ち上がり特性に適した待機用のレーザ出力値に制御する。この場合、増幅用のレーザ出力値を変更するときは、これに応じて待機用のレーザ出力値も最適な値に変更する。これにより、レーザ加工を開始した時に、加工用レーザ光の出力がオーバーシュートすることがなくなる。

本発明のファイバレーザ加工装置またはファイバレーザ加工方法によれば、繰り返し発振の開始または再開直後から設定通りのレーザ出力を有するＱスイッチパルスのレーザ光を被加工物に照射して、増幅用光ファイバの保護を図り、レーザ加工の特性・品質を向上させることができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるレーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置は、ファイバＭＯＰＡ方式のファイバレーザ加工装置として構成されており、増幅用の光ファイバ（以下「アンプファイバ」と称する。）１０、シードレーザ発振部１２、ファイバコア励起部１４、レーザ出射部１６、加工テーブル１８、制御部２０を備えている。

アンプファイバ１０は、図示省略するが、希土類元素たとえばイッテルビウム（Ｙｂ）のイオンをドープしたたとえば石英からなるコアと、このコアを同軸に取り囲むたとえば石英からなるクラッドとを有しており、コアを後述するシードレーザ光ＳＢの伝播光路とし、クラッドを後述するコア励起用ＬＤ光ＦＢの伝播光路としている。このアンプファイバ１０の長さは任意に、たとえば数ｍに選ばれてよい。

シードレーザ発振部１２は、ＱスイッチパルスのＹＡＧレーザ光（波長１０６４ｎｍ）を発振出力するＱスイッチ型のＹＡＧレーザ発振器（光共振器）２２を有している。このＹＡＧレーザ発振器２２は、光学的に対向して配置された一対の共振器ミラー２４，２６の間に直線配列型でＹＡＧロッド（活性媒質）２８とＱスイッチ３０とを配置している。Ｑスイッチ３０は、たとえば音響光学スイッチからなり、制御部２０の制御の下でＱスイッチドライバ３２により所定の繰り返し周波数でスイッチングされる。

シードレーザ発振部１２は、ＹＡＧロッド２８を励起するために端面励起方式の電気光学励起部３４を有している。この電気光学励起部３４は、ファイバカップリングＬＤ３６およびＬＤ電源３８を備えている。ファイバカップングＬＤ３６は、制御部２０の制御の下でＬＤ電源３８よりＬＤ駆動電流Ｉ₁を注入され、たとえば８０８ｎｍの波長を有するＹＡＧロッド励起用のレーザ光またはＬＤ光ＥＢを連続発振で出力する。

ファイバカップリングＬＤ３６で生成された励起用ＬＤ光ＥＢは、収束レンズ（図示せず）を介して伝送用の光ファイバ（以下、「伝送ファイバ」と称する。）４０の一端面（入射端面）に入射し、この伝送ファイバ４０の中を伝搬してその他端面（出射端面）より放射状に出て、コリメートレンズおよび収束レンズ（図示せず）を通ってＹＡＧレーザ発振器２２の中に入り、全反射ミラー２４を裏側（反射面の反対側）から透過してＹＡＧロッド２８の一端面に入射し、ＹＡＧロッド２８を連続的または持続的にポンピングする。この連続ポンピングによりレーザ共振器２２内にエネルギーを蓄積して（反転分布を高くして）おいて共振器内のＱ値を立ち上げる（反転分布を下げる）ようにＱスイッチ３０をスイッチングさせると、ジャイアントパルス発振が起こって、ピークパワーの高いＱスイッチパルスのＹＡＧレーザ光がレーザ共振器２２の出力ミラー２６から出力される。なお、伝送ファイバ４０はたとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバであってよい。

上記のようにしてシードレーザ発振部１２より発振出力されるＱスイッチパルスのＹＡＧレーザ光は、シードレーザ光ＳＢとしてアンプファイバ１０に導入される。図示省略するが、シードレーザ発振部１２のレーザ出射口とアンプファイバ１０の入射端面１０ａとの間に入射光学系のビームエクスパンダおよび収束レンズが配置されている。シードレーザ発振部１２からのＱスイッチパルスのシードレーザ光ＳＢは、該ビームエクスパンダでビーム径を拡げてから該収束レンズを通ってアンプファイバ１０の入射端面１０ａ（より正確にはコアの入射端面）に集光入射するようになっている。

このファイバレーザ加工装置においては、後述するようにアンプファイバ１０内でシードレーザ光ＳＢを増幅して被加工物Ｗ向けの加工用レーザ光ＭＢを生成するので、シードレーザ光ＳＢのレーザ出力（実効値）を低い値（たとえば１〜５Ｗ）に設定することが可能であり、それに関連してシードレーザ発振部１２を小出力の固体レーザとして構成し、特に電気光学励起部３４に小出力のファイバカップリングＬＤを使用することができる。このように、シードレーザ発振部１２は小出力のＹＡＧレーザであり、しかも端面励起方式を採るので、シングルモードのシードレーザ光ＳＢを容易に得ることができる。

ファイバコア励起部１４は、ファイバカップリングＬＤ４２、ＬＤ電源４４、伝送ファイバ４６等を有している。ファイバカップリングＬＤ４２は、制御部２０の制御の下でＬＤ電源４４よりＬＤ駆動電流Ｉ₂を注入され、たとえば９８０ｎｍの波長を有するコア励起用のレーザ光またはＬＤ光ＦＢを連続発振で出力する。ファイバカップリングＬＤ４２は、アンプファイバ１０のコアをたとえば５０〜８０Ｗ程度の比較的高いパワーで励起できるように、ＬＤ素子を一次元または二次元に多数配列してなる比較的大規模なアレイ構造またはスタック構造を採るのが好ましい。

ファイバカップリングＬＤ４２より出射されたコア励起用ＬＤ光ＦＢは、収束レンズ（図示せず）を通って伝送ファイバ４６の一端面（入射端面）に集光入射する。伝送ファイバ４６は、たとえばＳＩ形ファイバからなり、ＬＤ４２から取り込んだコア励起用ＬＤ光ＦＢをアンプファイバ１０の入射面１０ａ付近まで伝送する。

伝送ファイバ４６の他端面（出射端面）は、コリメートレンズ，収束レンズ（図示せず）および折り返しミラー４８を介してアンプファイバ１０の入射面１０ａに光学的に結合されている。折り返しミラー４８は、伝送ファイバ４６の出射側の光軸とアンプファイバ１０の入射側の光軸とが交差する位置に所定の角度または向きで配置されており、コア励起用ＬＤ光ＦＢの波長に対して反射性の膜と加工用レーザ光ＭＢの波長に対して非反射性の膜とをコーティングしている。伝送ファイバ４６の出射端面から出射されたコア励起用ＬＤ光ＦＢは、上記コリメートレンズで平行光にコリメートされ，上記収束レンズで集光させられ、折り返しミラー４８で光路を直角に曲げてアンプファイバ１０の入射端面１０ａに入射する。

アンプファイバ１０においては、上記のように、その入射端面１０ａに、シードレーザ発振部１２からのＱスイッチパルスのシードレーザ光ＳＢとファイバコア励起部１４からの連続発振のコア励起用ＬＤ光ＦＢとが入射する。シードレーザ光ＳＢは、コアとクラッドとの境界面での全反射によって閉じ込められながらコアの中を軸方向にファイバ他端面（出射端面１０ｂ）側に向って伝搬する。一方、コア励起用ＬＤ光ＦＢ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アンプファイバ１０の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中のＹｂイオンを光励起する。こうして、シードレーザ光ＳＢは、アンプファイバ１０を伝搬する間に活性状態のコアの中で設定値（たとえば３０Ｗ）のレーザ出力を有するまでに増幅され、高出力の加工用レーザ光ＭＢとしてアンプファイバ１０の出射端面１０ｂより外へ出る。この加工用レーザ光ＭＢは、シードレーザ光ＳＢと同じ波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光である。

アンプファイバ１０は、口径が５０μｍ程度、長さが数メートル程度の細長いコアにシードレーザ光ＳＢを閉じ込めて増幅するので、ビーム径が細くてビーム広がり角の小さな加工用レーザ光ＭＢを取り出すことができる。しかも、アンプファイバ１０の入射端面１０ａに入射したコア励起用ＬＤ光ＦＢがアンプファイバ１０の中で長い光路を伝搬する間に何度もコアを横切って励起エネルギーを使い果たすので、非常に高い効率で低出力（たとえば１Ｗ）のシードレーザ光ＳＢを高出力（３０Ｗ）の加工用レーザ光ＭＢまで増幅することができる。

加えて、アンプファイバ１０のコアは熱レンズ効果を起こさないため、ビームモードが安定しており、特別な冷却は要らない。

なお、コア励起用ＬＤ光ＦＢは、アンプファイバ１０内でそのレーザエネルギーを殆ど使い果たし、その光強度を相当減衰させた状態でアンプファイバ１０の出射端面１０ｂから外へ出る。アンプファイバ１０を通り抜けたこの用済みの光ＦＢを側方へ外すための折り返しミラー（図示せず）を配置してもよい。

上記のようにアンプファイバ１０の出射端面１０ｂより光軸上に出たＱスイッチパルスの加工用レーザ光ＭＢは、たとえばベントミラー５０で光路を変えて出射ユニット１６に入る。

出射ユニット１６には、ガルバノメータ・スキャナやｆθレンズなどが収容されている。ガルバノメータ・スキャナは、直交する２方向に首振り運動の可能な一対の可動ミラーを有しており、制御部２０の制御の下でシードレーザ発振部１２のＱスイッチング動作に同期して両可動ミラーの向きを所定角度に制御することで、アンプファイバ１０からのＱスイッチパルスの加工用レーザ光ＭＢを加工テーブル１８上の被加工物Ｗ表面の所望の位置に集光照射する。被加工物Ｗの表面に施される加工は、典型的には文字や図形等を描画（マーキング）するものであるが、トリミング等の表面除去加工等も可能である。

制御部２０は、マイクロコンピュータで構成されてよく、キーボード等の入力部（図示せず）および液晶ディスプレイ等の表示部５２からなるマン・マシン・インタフェースを介して人（作業員、保守員等）とデータまたは情報をやりとりし、所定のプログラムにしたがって装置全体ないし各部を制御する。

とりわけ、制御部２０は、シードレーザ発振部１２に対しては、ファイバカップリングＬＤ３６よりＹＡＧロッド励起用ＬＤ光ＥＢが所望の一定パワーで発振出力されるようにＬＤ電源３８にＬＤ駆動電流Ｉ₁に関する指令値ＡＩ₁を与えるとともに、ＹＡＧレーザ発振器２２よりＱスイッチパルスのシードレーザ光ＳＢが所望のタイミングおよび期間に、かつ所望の繰り返し周波数で発振出力されるようにＱスイッチドライバ３２にＱスイッチ変調信号ＡＱ_SWを与える。Ｑスイッチドライバ３２は、たとえば２４ＭＨｚの高周波を発生する発振回路を有しており、制御部２０からのＱスイッチ変調信号ＡＱ_SWにより該高周波を振幅変調し、この振幅変調された高周波でＱスイッチ３０を駆動する。この実施形態では、上述したいわゆるジャイアントパルスの発生を防止するために、制御部２０がＱスイッチ変調信号ＡＱ_SWに対する波形制御を通じてファーストパルスキラーをかけるようにしている。

また、制御部２０は、ファイバコア励起部１４に対しては、ファイバカップリングＬＤ４２より生成されるコア励起用ＬＤ光ＦＢの出力がシードレーザ発振部２２でＱスイッチパルスの繰り返し発振を行っている時と休止または中断している時とで所望の値（繰り返し発振を行っている時は加工用のレーザ出力値、休止または中断している時は待機用のレーザ出力値）に切り替わり、かつ繰り返し発振の開始または再開直後に所望または最適なアップスロープ特性で待機用のレーザ出力値から増幅用のレーザ出力値まで立ち上がるように、電流切替制御信号ＣＨ、待機用電流指令値Ｉ_W，増幅用電流指令値Ｉ_S、立ち上がり時間（あるいは立ち上がり速度、傾斜度等）指令値Ｊ_upをＬＤ電源４４に与える。

次に、図２の波形図につき、この実施形態のファイバレーザ加工装置における主要な作用を説明する。

加工テーブル１８上の被加工物Ｗに加工用レーザ光ＭＢを照射する前の待機中は、シードレーザ発振部２２においてＱスイッチパルスの繰り返し発振は行われない。この待機期間中、電気光学励起部３４は、ファイバカップリングＬＤ３６よりＹＡＧロッド励起用のＬＤ光ＥＢを連続発振で出力し続けている。また、Ｑスイッチドライバ３２には制御部２０よりＱスイッチ変調信号ＡＱ_SWが入力されず、Ｑスイッチドライバ３２は無変調の高周波をＱスイッチ駆動信号としてＹＡＧレーザ発振器２２内のＱスイッチ３０に印加している。これにより、ＹＡＧレーザ発振器２２内では反転分布が最大値または飽和状態になっていてＱ値が最も低い値に保たれている。

一方、ファイバコア励起部１４は、待機期間中もファイバカップリングＬＤ４２よりコア励起用のＬＤ光ＦＢを連続発振で出し続ける。ただし、ＬＤ電源４４は、ファイバカップリングＬＤ４２に供給（注入）するＬＤ駆動電流Ｉ₂を待機用電流値Ｉ_Wに合わせる。

ここで、待機用電流値Ｉ_Wは、増幅用電流値Ｉ_Sへの立ち上がり特性を最適化するように、すなわち被加工物Ｗに対するレーザ照射（Ｑスイッチパルスの繰り返し発振）を開始した直後にＱスイッチパルスの加工用レーザ光ＭＢがオーバーシュートを起こさずに１発目から設定通りの加工用レーザ出力値を持つように、増幅用電流指令値Ｉ_Sに対応した適度な電流値に選定される。

この実施形態では、たとえば図３に示すような表あるいは図４に示すような関数として増幅用電流値Ｉ_Sに対応（比例）する待機用電流値Ｉ_Wが設定され、制御部２０内のメモリにテーブルが設けられている。この例によれば、増幅用電流値Ｉ_Sが４０Ａ（アンペア）に選定されたときは、待機用電流値Ｉ_Wが１６Ａ（アンペア）に選定される。したがって、待機期間中は、１６Ａ（アンペア）のＬＤ駆動電流Ｉ₂がＬＤ電源４４よりファイバカップリングＬＤ４２に供給される。

このように、待機期間中は、ファイバコア励起部１４よりアンプファイバ１０に供給されるコア励起用ＬＢ光ＦＢがレーザ加工時のレーザ出力値よりも低い待機用のレーザ出力値に抑制されているので、アンプファイバ１０の中が励起用ＬＤ光や蛍光のエネルギーで満ち溢れることはなく、アンプファイバ１０の端面から不用なノイズ光として漏れるＬＤ光ＦＢおよび蛍光の量もわずかである。

被加工物Ｗに対するレーザ照射のシーケンスはすべて制御部２０の制御の下で行われる。制御部２０は、レーザ照射を開始するために、図２に示すように、Ｑスイッチドライバ３２へのＱスイッチ変調信号ＡＱ_SWの供給を開始し、これと同時にファイバコア励起部１４のＬＤ電源４４に対する電流切替制御信号ＣＨをそれまでのＬレベルからＨレベルに立ち上げる。

制御部２０より与えられるＱスイッチ変調信号ＡＱ_SWは、ファーストパルスキラーの手法にしたがい、図２に示すように、最初の変調パルスが所望の勾配を有するアップスロープ波形で立ち上がる。Ｑスイッチドライバ３２は、このアップスロープ波形の変調パルスで高周波を振幅変調し、変調パルスのアップスロープ勾配に対応したダウンスロープ勾配で出力信号つまりＱスイッチ駆動信号の振幅を減衰させる。これによって、ＹＡＧレーザ発振器２２内の反転分布がそれまでの最大値から急激に（ステップ的に）ではなく漸次的に（一定の勾配をもって）減少し、つまりＹＡＧレーザ発振器２２内のＱ値がそれまでの基底値から急激に（ステップ的）ではなく漸次的に（一定の勾配をもって）上昇し、少ないエネルギー損失でＱスイッチパルス発振が行われる。こうして、ＹＡＧレーザ発振器２２より非常に低いピークパワーで１発目のシードレーザ光ＳＢ(1)が発振出力される。

一方、ファイバコア励起部１４のＬＤ電源４４は、電流切替制御信号ＣＨのＬレベルからＨレベルへの切り替わりに応じて、ＬＤ駆動電流Ｉ₂をそれまでの待機用電流値Ｉ_Wから所定の勾配および時間特性を有するアップスロープ波形で増幅用電流値Ｉ_Sまで立ち上げる。

アンプファイバ１０においては、ＹＡＧレーザ発振器２２より１発目のシードレーザ光ＳＢ(1)がコアに入ってきた時にコア励起用ＬＤ光や蛍光のエネルギーで満ち溢れている状態ではなく、しかもファイバコア励起部１４がコア励起用ＬＤ光ＦＢの出力を待機用レーザ出力値から増幅用レーザ出力値までステップ的にではなくアップスロープ波形で立ち上げるので、図２に仮想線で示すようにピークパワーの異常に高いパルスレーザ光ＭＢ(1)'が発生することはなく、むしろ１発目のシードレーザ光ＳＢ(1)が殆ど増幅されないままアンプファイバ１０の射出端面１０ｂから１発目の加工用レーザ光ＭＢ(1)として取り出される。

このピーク出力のきわめて低い１発目の加工用レーザ光ＭＢ(1)は、ベントミラー５０およびレーザ出射部１６を介して被加工物Ｗに照射されるが、レーザ加工には殆ど寄与せず、レーザ加工特性・品質を損なうものではない。

シードレーザ発振部１２は、上記のようにファーストパルスキラーの手法によって１発目のシードレーザ光ＳＢ(1)を抑制的に発振出力してジャイアントパルスの発生を防止し、２発目からは正常パルスのＱスイッチ変調信号ＡＱ_SWによって安定した一定のピークパワーを有するシードレーザ光ＳＢ(2)，ＳＢ(3)，ＳＢ(4)・・・を所定の繰り返し周波数で順次発振出力する。一方、ファイバコア励起部１４は、上記のように１発目のシードレーザ光ＳＢ(1)がアンプファイバ１０のコアを伝播する時は、アンプファイバ１０の励起エネルギーを抑制して増幅率を下げ、異常増幅パルスの発生を防止する。そして、２発目からはアンプファイバ１０を正常な励起状態に保持して各シードレーザ光ＳＢ(2)，ＳＢ(3)，ＳＢ(4)・・・を設定通りの増幅率で増幅し、アンプファイバ１０の射出端面１０ｂよりピークパワーの揃った一連の加工用レーザ光ＭＢ(2)，ＭＢ(3)，ＭＢ(4)・・・を取り出すことができる。

こうして、ピークパワーの揃った２発目以降の加工用レーザ光ＭＢ(2)，ＭＢ(3)，ＭＢ(4)・・・が被加工物Ｗの各加工点に照射され、被加工物Ｗ上に所望のマーキング加工あるいは表面除去加工が施される。

上述したように、この実施形態のファイバレーザ加工装置においては、アンプファイバ１０から異常増幅パルスは発生されないので、アンプファイバ１０の端面１０ｂが焼けることもなければ、レーザ加工特性・品質が損なわれることもない。

また、ファイバコア励起部１４においては、待機期間中にＬＤ駆動電流Ｉ₂を増幅用電流値Ｉ_Wよりも適度に低い待機用電流値Ｉ_Sに保持し、しかも増幅用電流値Ｉ_Wに応じて待機用電流値Ｉ_Sを最適な値に調整するので、加工用レーザ光ＭＢの出力がオーバーシュートすることはなく、この点でもレーザ加工特性・品質を向上させることができる。

上記した例では、Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を開始または再開した直後に、１発目のパルスに対してシードレーザ発振部１２がファーストパルスキラーをかけ、１発目のシードレーザ光ＳＢ(1)がアンプファイバ１０を伝播している間にファイバコア励起部１４がＬＤ駆動電流Ｉ₂を待機用電流値Ｉ_Wから増幅用電流値Ｉ_Sまで立ち上げるようにした。しかし、必要に応じて、シードレーザ発振部１２において２発目ないし３発目のパルスにもファーストパルスキラーと同様のパルスキラーをかけることも可能であり、あるいはファイバコア励起部１４においてＬＤ駆動電流Ｉ₂の立ち上げ完了時点を２発目のパルス以降まで引き延ばすことも可能である。

また、上記した実施形態はシードレーザ発振部１２にＹＡＧレーザを用いたが、他のＱスイッチ型固体レーザ、たとえばＹＶＯ４レーザ等も使用可能であり、シードレーザ光および励起用レーザ光の波長も任意に選べる。伝送ファイバ４０，４６を省いて、ファイバカップリングＬＤ３６，４２を普通のＬＤまたはＬＤアレイに置き換えることも可能である。

本発明の一実施形態におけるファイバＭＯＰＡ方式のファイバレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。実施形態のファイバレーザ加工装置における主要な作用を説明するための各部の波形を示す波形図である。実施形態のファイバレーザ加工装置で用いる増幅用電流値−待機用電流値テーブルの一例を示す表である。図３の増幅用電流値−待機用電流値テーブルに相当する近似式の関数を示すグラフ図である。

符号の説明

１０増幅用光ファイバ（アンプファイバ）
１２シードレーザ発振部
１４ファイバコア励起部
１６出射ユニット
２０制御部
２２ＹＡＧレーザ発振器
２８ＹＡＧロッド
３０Ｑスイッチ
３２Ｑスイッチドライバ
３４電気光学励起部
３６ＹＡＧロッド励起用のファイバカップリングＬＤ
３８ＬＤ電源
４０伝送用光ファイバ（伝送ファイバ）
４２ファイバコア励起用のファイバカップリングＬＤ
４４ＬＤ電源
４６伝送用光ファイバ（伝送ファイバ）

Claims

光学的に対向して配置された一対のミラーからなる光共振器と、前記光共振器内の光路上に配置された固体の活性媒質と、前記活性媒質を連続的に励起する活性媒質励起部と、前記光共振器内で前記活性媒質と同一の光路上に配置されたＱスイッチと、前記Ｑスイッチを駆動するためのＱスイッチ駆動部とを有し、所定の繰り返し周波数でＱスイッチパルスのシードレーザ光を発振出力するシードレーザ発振部と、
所定の希土類元素を含むコアを有し、前記シードレーザ発振部からの前記シードレーザ光を一端より前記コアの中に入れ、該シードレーザ光を増幅して他端より出す増幅用の光ファイバと、
前記増幅用光ファイバの一端から前記コアの中に入射して前記シードレーザ光を増幅させるための第１の励起用レーザ光を連続発振で出力するファイバコア励起部と、
前記増幅用光ファイバの他端から出射したレーザ光を加工用レーザ光として出射するレーザ出射部と、
前記シードレーザ発振部が前記Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を開始または再開する際に、１発目ないし数発目までの前記Ｑスイッチパルスのシードレーザ光については前記光共振器内のＱ値が一定の勾配を有する第１のアップスロープ波形で立ち上がるように前記Ｑスイッチ駆動部を制御するとともに、前記第１の励起用レーザ光の出力が一定の勾配を有する第２のアップスロープ波形で立ち上がり、かつ前記第２のアップスロープ波形の立ち上がりが１発目ないし数発目までの前記Ｑスイッチパルスのシードレーザ光が発振出力された後に完了するように前記ファイバコア励起部を制御する制御部と
を有するファイバレーザ加工装置。
前記制御部は、前記シードレーザ発振部が前記Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を行っている時は、前記第１の励起用レーザ光が所望のレーザ加工に適した加工用のレーザ出力値を有するように前記ファイバコア励起部を制御し、前記シードレーザ発振部が前記Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を休止または中断している時は、前記第１の励起用レーザ光が前記第１のレーザ出力値よりも低くて所望の立ち上がり特性に適した待機用のレーザ出力値を有するように前記ファイバコア励起部を制御する、請求項１に記載のファイバレーザ加工装置。
前記ファイバコア励起部が、前記第１の励起用レーザ光を発振出力する第１のレーザダイオードと、前記第１のレーザダイオードに第１のＬＤ駆動電流を供給する第１のＬＤ電源とを有し、
前記制御部が、前記第１の励起用レーザ光の出力を制御するために、前記第１のＬＤ電源を通じて前記第１のＬＤ駆動電流を制御する、
請求項２に記載のファイバレーザ加工装置。
前記制御部が、前記第１の励起用レーザ光の出力を前記加工用のレーザ出力値に制御するときは、前記第１のＬＤ駆動電流を増幅用電流値に制御し、前記第１の励起用レーザ光の出力を前記待機用のレーザ出力値に制御するときは、前記第１のＬＤ駆動電流を待機用電流値に制御し、前記増幅用電流値に前記待機用電流値を対応づけるためのテーブルをメモリに有するか、または前記増幅用電流値に前記待機用電流値を対応づけるための関数を演算する、請求項３に記載のファイバレーザ加工装置。
前記第１のレーザダイオードが、第１の伝送用光ファイバを介して前記増幅用光ファイバに光学的に結合される、請求項３または請求項４に記載のファイバレーザ加工装置。
前記活性媒質励起部が、前記活性媒質を励起するための第２の励起用レーザ光を発振出力する第２のレーザダイオードと、この第２のレーザダイオードに第２のＬＤ駆動電流を供給する第２のＬＤ電源とを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のファイバレーザ加工装置。
前記第２のレーザダイオードが、第２の伝送用光ファイバを介して前記活性媒質に光学的に結合される、請求項６に記載のファイバレーザ加工装置。
Ｑスイッチ型の光共振器を有するシードレーザ発振部により所定の繰り返し周波数でＱスイッチパルスのシードレーザ光を発振出力し、増幅用の光ファイバのコアを連続発振の第１の励起用レーザ光で励起しながら前記コアの一端から他端まで前記シードレーザ光を伝搬させ、前記増幅用光ファイバの他端より増幅されたシードレーザ光として取り出される加工用レーザ光を被加工物に向けて照射して、前記被加工物に所望のレーザ加工を施すファイバレーザ加工方法であって、
前記Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を開始または再開する際に、１発目ないし数発目までの前記Ｑスイッチパルスのシードレーザ光については前記光共振器内のＱ値を一定の勾配を有する第１のアップスロープ波形で立ち上げると同時に、前記第１の励起用レーザ光の出力を一定の勾配を有する第２のアップスロープ波形で立ち上げ、かつ前記第２のアップスロープ波形の立ち上がりを１発目ないし数発目までの前記Ｑスイッチパルスのシードレーザ光が発振出力された後に完了させることを特徴とするファイバレーザ加工方法。
前記Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を行っている時は、前記第１の励起用レーザ光の出力を所望のレーザ加工に適した増幅用のレーザ出力値に制御し、前記Ｑスイッチパルスの繰り返し発振を休止または中断している時は、前記第１の励起用レーザ光の出力を前記増幅用のレーザ出力値よりも低くて所望の立ち上がり特性に適した待機用のレーザ出力値に制御する請求項８に記載のファイバレーザ加工方法。
前記加工用のレーザ出力値に対応させて前記待機用のレーザ出力値を選定する請求項９に記載のファイバレーザ加工方法。