(57)【要約】【課題】伝送ファイバから出射されるレーザ光の出力ロスの抑制とビーム品質の維持とを両立する。【解決手段】レーザ発振器１００は、レーザ光ＬＢを出射するレーザ光源である複数のレーザモジュール１２０と、レーザ光ＬＢを所定の倍率で縮小して、伝送ファイバ２００の入射端２００ａに向けて集光する集光光学ユニット１４０とを少なくとも備えている。集光光学ユニット１４０は、入射されたレーザ光ＬＢを透過して所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された可変焦点距離レンズである集光レンズ１４２を有している。【選択図】図２
2020060725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を所定の倍率で縮小して、伝送ファイバの入射端に向けて集光する集光光学ユニットと、を少なくとも備えたレーザ発振器であって、
前記集光光学ユニットは、入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品を有していることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記光学部品は、可変焦点距離レンズであることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ発振器において、
前記光学部品は、可変曲率ミラーであることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、
前記レーザ光源は、レーザ光をそれぞれ出射する複数のレーザモジュールで構成され、
前記複数のレーザモジュールから出射された複数のレーザ光を結合して出射するビーム結合器をさらに備え、
前記集光光学ユニットは、前記ビーム結合器から出射されたレーザ光を所定の倍率で縮小して集光することを特徴とするレーザ発振器。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、
前記光学部品の焦点距離を所定の値に調整するための制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記伝送ファイバに伝送されるレーザ光の出力ロス及び前記伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光のビームパラメータ積がそれぞれ所定の範囲となるように前記光学部品の焦点距離を調整するように構成されていることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザ発振器と、
前記レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、
前記伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振器及びそれを用いたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、伝送ファイバを用いて、離れた場所にあるワークをレーザ加工するレーザ加工装置が知られている。このようなレーザ加工装置では、レーザ発振器が内部に設けられており、レーザ発振器から出射されたレーザ光は、伝送ファイバのコア内を伝搬して伝送ファイバに接続されたレーザ光出射ヘッドからワークに向けて照射される。また、レーザ光が伝送ファイバに入射されるときに、レーザ発振器内に設けられた集光レンズで伝送ファイバのコアに収まるスポット径までレーザ光のビーム径が縮小される。
【０００３】
一方、このようなレーザ加工装置では、レーザ光が入射される伝送ファイバの入射端で、レーザ光のスポット径が大きくなって所定の光量以上のレーザ光がコアから漏れ出ると、最終的に出力されるレーザ光の出力が低下したり、極端な場合は、伝送ファイバの焼損等を生じたりするおそれがある。このため、レーザ発振器から出射されるレーザ光を伝送ファイバのコア内に確実に入射させる必要があった。
【０００４】
そこで、特許文献１には、集光レンズと伝送ファイバとの間に透明平板を配置し、透明平板の傾斜角度を変化させることで、伝送ファイバの入射端でのレーザ光の集光位置を調整する構成が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、複数のレーザダイオードモジュールと、各レーザダイオードモジュールから出射されたレーザビームをスペクトルビーム結合させるグレーティングとを有し、レーザダイオードモジュールに取付けられた温度センサでの測定結果に基づいて、グレーティングに入射されるレーザビームの入射角を変化させ、スペクトルビーム結合されたレーザビームが伝送ファイバに入射される際の出力ロスを低減する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−０６０９３５号公報
【特許文献２】特開２０１６−１８１６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、レーザ加工に用いられるレーザ光では、その光出力とともにビームパラメータ積（Beam Parameter Product；以下、ＢＰＰという）に代表されるビーム品質が重要となる。例えば、ＢＰＰが大きくなると、レーザ光の発散角が大きくなる。
【０００８】
しかし、レーザ光をコア内に収めるために、必要以上にレーザ光を絞りすぎると、伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光の発散角が大きくなってしまい、所高い光密度のレーザ光が必要とされるレーザ切断等を適切に行えなくなる場合があった。
【０００９】
また、特許文献１，２に開示された従来の構成では、伝送ファイバの入射端におけるレーザ光の集光位置を調整できるものの、例えば、発散角の調整等を行うことはできなかった。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、伝送ファイバから出射されるレーザ光の出力ロスを抑制し、かつ良好なビーム品質のレーザ光が得られるレーザ発振器及びそれを用いたレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を所定の倍率で縮小して、伝送ファイバの入射端に向けて集光する集光光学ユニットと、を少なくとも備えたレーザ発振器であって、前記集光光学ユニットは、入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品を有していることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光の出力ロスを抑制することができる。また、レーザ光のビーム品質を良好なものとすることができる。
【００１３】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、上記のレーザ発振器と、前記レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、伝送ファイバを介してレーザ光出射ヘッドから出射されるレーザ光の出力ロスを抑制し、かつビーム品質を維持して、ワークの加工において良好な加工品質を保つことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のレーザ発振器によれば、伝送ファイバから出射されるレーザ光の出力ロスを抑制すし、ビーム品質を良好なものとすることができる。
【００１６】
また、本発明のレーザ加工装置によれば、ワークの加工において良好な加工品質を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。
【図２】集光光学ユニットの内部構成を示す模式図である。
【図３】レーザ発振器の点検及び調整手順を示すフローチャートである。
【図４】レーザ光と伝送ファイバとの光学結合状態を示す模式図である。
【図５】伝送ファイバの入射端でのレーザ光出力ロスと伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光のビームパラメータ積との関係を示す図である。
【図６】変形例に係る集光光学ユニットの内部構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明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、本発明、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。
【００１９】
（実施形態）
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示す。なお、以降の説明において、レーザ光ＬＢが集光光学ユニット１４０に向かう進行方向をＺ方向、複数のレーザモジュール１２０の配列方向をＹ方向、Ｚ方向及びＹ方向と直交する方向をＸ方向とそれぞれ呼ぶことがある。
【００２０】
レーザ加工装置１０００は、レーザ発振器１００と伝送ファイバ２００とレーザ光出射ヘッド３００と制御部４００と電源５００と表示部６００とを備えている。レーザ発振器１００からレーザ光ＬＢが入射される伝送ファイバ２００の端部（以下、単に入射端２００ａ（図２参照）という。また、レーザ光ＬＢが出射される伝送ファイバ２００の端部を、以下、単に出射端２００ｂ（図２参照）という。）とは筐体１１０内に収容されている。
【００２１】
レーザ発振器１００は、レーザ光源として機能する複数のレーザモジュール１２０とビーム結合器１３０と集光光学ユニット１４０と、を有している。レーザモジュール１２０は、異なる波長のレーザビームを発する複数のレーザダイオードまたはレーザダイオードアレイからなり、レーザモジュール１２０内で波長合成されたレーザ光が各レーザモジュール１２０からそれぞれ出射される。
【００２２】
ビーム結合器１３０は、複数のレーザモジュール１２０からそれぞれ出射されたレーザ光を一つのレーザ光（以下、レーザ光ＬＢという）に結合して集光光学ユニット１４０に出射する。具体的には、各々のレーザ光の光軸を近接又は一致させるとともに、互いの光軸が平行になるように結合する。
【００２３】
集光光学ユニット１４０は、筐体１４１と、その内部に配設された、入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品である集光レンズ１４２とを有している（図２参照）。集光光学ユニット１４０の各部の構造及び機能については後述する。
【００２４】
レーザ発振器１００をこのような構成とすることで、レーザ光ＬＢの出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ加工装置１０００を得ることができる。また、レーザ発振器１００は、後述する電源５００から電力が供給されてレーザ発振を行い、レーザ光ＬＢが伝送ファイバ２００の出射端２００ｂから出射される。なお、本実施形態では、４つのレーザモジュール１２０がレーザ発振器１００に搭載されているが、特にこれに限定されない。レーザモジュール１２０の搭載個数は、レーザ加工装置１０００に要求される出力仕様や、個々のレーザモジュール１２０の出力仕様によって適宜変更されうる。
【００２５】
伝送ファイバ２００は、集光光学ユニット１４０の集光レンズ１４２（図２参照）に光学的に結合され、集光レンズ１４２を介してレーザ発振器１００から受け取ったレーザ光ＬＢをレーザ光出射ヘッド３００に伝送する。また、伝送ファイバ２００は、軸心にレーザ光ＬＢを伝送するためのコア２０１と、コア２０１の外周側に、コア２０１と同軸に設けられたクラッド２０２とを有している（図２参照）。なお、コア２０１、クラッド２０２は、それぞれ石英からなるが、クラッド２０２の屈折率はコア２０１の屈折率よりも低くなるように構成されており、クラッド２０２はレーザ光ＬＢをコア２０１内に閉じ込める機能を有している。また、クラッド２０２の外周面は、伝送ファイバ２００を機械的ダメージから保護するための皮膜（図示せず）で覆われている。
【００２６】
レーザ光出射ヘッド３００は、伝送ファイバ２００で伝送されたレーザ光ＬＢを外部に向けて照射する。また、レーザ光出射ヘッド３００の内部には図示しない光学部品、例えば、コリメータレンズや集光レンズや保護ガラス等を有している。例えば、図１に示すレーザ加工装置１０００では、所定の位置に配置された加工対象物であるワークＷに向けてレーザ光ＬＢを出射する。このようにすることで、ワークＷがレーザ加工される。
【００２７】
制御部４００は、レーザ発振器１００のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１００に接続された電源５００に対して出力電圧やオン時間等の制御信号を供給することにより、各々のレーザモジュール１２０のレーザ発振制御を行う。各々のレーザモジュール１２０に対して個別にレーザ発振制御を行うことも可能である。例えば、レーザモジュール１２０毎にレーザ発振出力やオン時間等を異ならせるようにしてもよい。また、制御部４００は、後述する集光レンズ１４２の焦点距離が所望の値となるように、集光光学ユニット１４０に取付けられた駆動機構（図示せず）を制御する。また、制御部４００は、メモリ等の記憶デバイスからなる記憶部４１０を有しており、記憶部４１０には、レーザ加工条件や加工用の動作プログラム等が格納されている。また、後述するように、記憶部４１０には、レーザ光ＬＢの出力ロスの許容範囲や伝送ファイバ２００から出力されるレーザ光ＬＢのビーム品質を表すビームパラメータ積であるＢＰＰの許容範囲が格納されている。また、制御部４００は、レーザ光出射ヘッド３００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。なお、複数のレーザモジュール１２０とビーム結合器１３０と集光光学ユニット１４０と制御部４００とでレーザ発振器１００が構成されるようにしてもよい。
【００２８】
電源５００は、上述したように、レーザ発振を行うための電力をレーザ発振器１００、具体的には、複数のレーザモジュール１２０のそれぞれに対して供給する。制御部４００からの指令により、各々のレーザモジュール１２０に供給される電力を異ならせるようにしてもよい。また、電源５００は、レーザ加工装置１０００の可動部、例えば、上記のマニピュレータに対して電力を供給するようにしてもよいし、レーザ加工装置１０００の可動部向けには別の電源（図示せず）から電力を供給するようにしてもよい。
【００２９】
表示部６００は、制御部４００で判定されたレーザ発振器１００の異常箇所を表示するように構成されている。なお、表示部６００には、上記以外のデータを表示させてもよい。例えば、レーザ光ＬＢの出力を表示させるようにしてもよい。レーザ加工時の加工パラメータと実測値とを同時に表示させるようにしてもよい。表示部６００は、通常、ブラウン管や液晶ディスプレイ等の表示デバイスを含んでいる。
【００３０】
［集光光学ユニットの内部構成］
図２は、集光光学ユニットの内部構成の模式図を示す。なお、説明の便宜上、伝送ファイバ２００の出射端２００ｂに接続されたレーザ光出射ヘッド３００の図示を省略している。
【００３１】
集光光学ユニット１４０は、筐体１４１と筐体１４１内に配設された集光レンズ１４２とを有している。集光レンズ１４２によって、筐体１４１内に入射されたレーザ光ＬＢを集光し、集光されたレーザ光ＬＢは、所定の倍率でビーム径が縮小される。また、集光されたレーザ光ＬＢは、伝送ファイバ２００の入射端２００ａに入射され、コア２０１内を伝搬して出射端２００ｂから外部に出射される。なお、入射端２００ａに接して、石英からなるコネクタ（図示せず）を設けてもよい。コネクタを設けることにより、入射端２００ａでのレーザ光ＬＢの乱反射等を防止できる。なお、集光光学ユニット１４０の内部には、他の光学部品、例えば、コリメータレンズやレーザ光ＬＢの一部を異なる方向に向かわせる部分反射ミラー等が設けられていてもよい。ただし、説明の便宜上、これらの光学部品については図示及び詳細な説明を省略する。
【００３２】
集光レンズ１４２は、入射されたレーザ光ＬＢを所定の焦点、この場合は、入射端２００ａの近傍に結像させる。また、集光レンズ１４２は、焦点距離を連続的に変更可能に構成された、いわゆる可変焦点距離レンズであり、公知の構成を適用できる。例えば、空気または所定の屈折率を有する液体を弾性変形可能な透明部材に封入し、空気または液体に加わる圧力を変化させて、透明部材の変形、つまり、レンズの曲面の曲率を変化させる流体圧駆動型のレンズでもよいし、同様の構造または弾性変形可能なレンズ体を圧電アクチュエータや静電誘導型アクチュエータ等により変形させてその曲率を変化させる、いわゆる電気駆動型のレンズであってもよい。また、電気光学効果を利用したレンズとしてもよい。また、集光レンズ１４２の曲率等を変化させる駆動機構に関しては図示を省略している。
【００３３】
図２の（ａ）図に示すように、集光レンズ１４２で集光されたレーザ光ＬＢが伝送ファイバ２００の入射端２００ａに入射される入射角２θａ１が所定値よりも大きく、入射端２００ａでのレーザ光ＬＢのスポット径２ｒがコア２０１の直径Ｄ（以下、コア径Ｄという）よりも小さい場合や、あるいは（ｂ）図に示すように、入射端２００ａでのレーザ光ＬＢのスポット径２ｒがコア２０１のコア径Ｄよりも大きい場合には、後述するように、種々の不具合を生じる。
【００３４】
このような場合には、（ｃ）図に示すように、集光レンズ１４２の焦点距離を変化させて、レーザ光ＬＢが伝送ファイバ２００の入射端２００ａに入射される入射角２θａ及び入射端２００ａでのレーザ光ＬＢのスポット径２ｒが所望の値となるように調整する。
【００３５】
［レーザ発振器の点検及び調整手順］
図３は、レーザ発振器の点検及び調整手順を示し、まず、集光光学ユニット１４０に入射されるレーザ光ＬＢの出力を測定する（ステップＳ１）。この測定は、種々の方法で行うことができる。例えば、集光光学ユニット１４０内で、レーザ光ＬＢが集光光学ユニット１４０に入射される入射口と集光レンズ１４２との間に部分反射ミラー（図示せず）を設け、部分反射ミラーで反射されたレーザ光ＬＢの一部を図示しないレーザ光出力モニターで受光し、その受光信号に基づいてレーザ光ＬＢの出力を評価するようにしてもよい。また、レーザモジュール１２０の各々にレーザ光出力モニター（図示せず）を設け、それらの受光信号に基づいてレーザ光ＬＢの出力を評価するようにしてもよい。あるいは、集光光学ユニット１４０に伝送ファイバ２００を取付ける前に、直接、レーザ光ＬＢの出力を測定するようにしてもよい。
【００３６】
次に、伝送ファイバ２００から出射されるレーザ光ＬＢの出力とＢＰＰとを測定する（ステップＳ２）。この測定にあたっては、伝送ファイバ２００からレーザ光出射ヘッド３００が取り外された状態で行ってもよいし、伝送ファイバ２００にレーザ光出射ヘッド３００が取付けられた状態で行ってもよい。ただし、後者の場合は、レーザ光出射ヘッド３００内での出力ロスやビーム形状の変化を考慮して、測定値を補正する必要がある。なお、ステップＳ１，Ｓ２での測定結果は制御部４００の記憶部４１０に保存される。また、測定値の補正は制御部４００で行われる。
【００３７】
また、レーザ光ＬＢの出力は、図示しないレーザ光出力モニターによって測定され、ＢＰＰは、同じレーザ光出力モニターを用いてレーザ光ＬＢの出射角２θｂを測定することによって求められる。この点について説明する。
【００３８】
一般に、レーザ光のビーム品質を表わすＢＰＰは、式（１）に示すように、スポット径２ｒの半分の値であるｒ（以下、集光半径ｒという）と発散角２θの半分の値であるビームの拡がり角としての発散半角θとの積で表される。ＢＰＰの単位として、例えば、ｍｍ・ｍｒａｄが用いられる。
【００３９】
ＢＰＰ＝ｒ×θ  ・・・（１）
【００４０】
伝送ファイバ２００を用いてレーザ光ＬＢを伝送、出射する場合、伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢのＢＰＰをＢＰＰ１とすると、ＢＰＰ１は、式（２）で表わされる。
【００４１】
ＢＰＰ１＝ｒ×θａ  ・・・（２）
【００４２】
ここで、θａは入射角２θａの半角（以下、入射半角θａという）である。
【００４３】
また、伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢのＢＰＰとしてのＢＰＰ１は、レーザ光を整形する際に用いられる光学系の種類や配置等によらず光路上のロスがなければ所定値に維持される値である。つまり、レーザ光ＬＢのＢＰＰは、集光レンズ１４２等を経由しても伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおいて維持されるため、ＢＰＰ１は、集光光学ユニット１４０に入射され、集光レンズ１４２を透過する前のレーザ光ＬＢのＢＰＰと同等である。
【００４４】
一方、レーザ光ＬＢが伝送ファイバ２００内を伝送する場合、伝送ファイバ２００の出射端２００ｂが仮想焦点となる。そのため、出射端２００ｂにおけるレーザ光ＬＢのＢＰＰをＢＰＰ２とすると、ＢＰＰ２は、式（３）で表わされる。
【００４５】
ＢＰＰ２＝Ｄ／２×θｂ  ・・・（３）
【００４６】
ここで、θｂ（以下、出射半角θｂという）は出射角２θｂの半分の値であり、角度が非常に小さい場合、例えば、数度以下の場合を除いて、入射角２θａと出射角２θｂとは概ね一致する。また、Ｄは伝送ファイバ２００のコア径である。
【００４７】
以上から明らかなように、ステップＳ２で求められるＢＰＰは、式（３）で表わされるＢＰＰ２に相当する。伝送ファイバ２００のコア径Ｄは予めわかっているため、出射角２θｂが測定されれば、出射端２００ｂにおけるレーザ光ＬＢのＢＰＰであるＢＰＰ２を導出することができる。
【００４８】
次に、ステップＳ１，Ｓ２での測定結果に基づいて、伝送ファイバ２００におけるレーザ光ＬＢの出力ロスが求められ、かつ、この値が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ３）。出力ロスは、記憶部４１０に保存された値に基づいて制御部４００で導出される。また、記憶部４１０に予め保存された出力ロスの許容範囲に基づいて、制御部４００でステップＳ３の判断が行われる。なお、出力ロスは、ステップＳ１での測定結果とステップＳ２での測定結果との差分をステップＳ１での測定結果で除した値であるが、当該差分値をそのまま用いてもよい。
【００４９】
ステップＳ３での判断結果が肯定的であればステップＳ４に進み、ステップＳ２で測定された伝送ファイバ２００の出射端２００ｂから出射されるレーザ光ＬＢのＢＰＰ（＝ＢＰＰ２）が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ４）。また、記憶部４１０に予め保存されたＢＰＰの許容範囲に基づいて、制御部４００でステップＳ４の判断が行われる。
【００５０】
一方、出力ロスが所定値より大きく、ステップＳ３での判断結果が否定的であれば、伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおいて、レーザ光ＬＢのスポット径２ｒがコア２０１のコア径Ｄよりも大きく拡がっていると判断できるから、（ｉ）集光レンズ１４２の焦点距離を長くするとともに、伝送ファイバ２００の入射端２００ａに対して、集光レンズ１４２を離すように距離を大きくすることで、スポット径２ｒを小さくするか、または、（ｉｉ）集光レンズ１４２によってレーザ光ＬＢの入射角２θａを大きくすることで、焦点距離を短くしてスポット径２ｒを小さくする（ステップＳ５）。ステップＳ２に戻り、レーザ光ＬＢの出力とＢＰＰとを再測定する。なお、ステップＳ３からステップＳ５及びステップＳ２を経てステップＳ３に戻る一連の処理は、ステップＳ３での判断結果が肯定的になるまで連続して行われる。ただし、数回の繰り返しを経ても出力ロスが所定値より大きく、ステップＳ３での判断結果が否定的なままであれば、処理を中断して、集光光学ユニット１４０から伝送ファイバ２００を取り外し、集光光学ユニット１４０と伝送ファイバ２００の点検を行うようにしてもよい。このとき、必要に応じて集光光学ユニット１４０内の部品や伝送ファイバ２００の交換を行うようにしてもよい。
【００５１】
また、伝送ファイバ２００から出射されるレーザ光ＬＢのＢＰＰが所定値以下であり、ステップＳ４での判断結果が肯定的であれば、集光レンズ１４２の焦点距離を変更する必要が無いと判断できるから、この点検及び調整手順を終了する。一方、伝送ファイバ２００から出射されるレーザ光ＬＢのＢＰＰが所定値より大きく、ステップＳ４での判断結果が否定的であれば、伝送ファイバ２００から出射されるレーザ光ＬＢのビーム品質が低下していると判断できるから、集光レンズ１４２の焦点距離を長くして、レーザ光ＬＢの入射角２θａを小さくする（ステップＳ６）。このようにすることで、レーザ光ＬＢの出射角２θｂを小さくし、ＢＰＰ２を低下できる。ステップＳ２に戻り、レーザ光ＬＢの出力とＢＰＰとを再測定する。なお、ステップＳ４からステップＳ６及びステップＳ２を経てステップＳ４に戻る一連の処理は、ステップＳ４での判断結果が肯定的になるまで連続して行われる。ただし、数回の繰り返しを経ても伝送ファイバ２００から出射されるレーザ光ＬＢのＢＰＰが所定値より大きく、ステップＳ４での判断結果が否定的なままであれば、処理を中断して、集光光学ユニット１４０から伝送ファイバ２００を取り外し、集光光学ユニット１４０と伝送ファイバ２００の点検を行うようにしてもよい。このとき、必要に応じて集光光学ユニット１４０内の部品や伝送ファイバ２００の交換を行うようにしてもよい。
【００５２】
なお、ステップＳ５，Ｓ６において、集光レンズ１４２の焦点距離、具体的には焦点レンズ１４２の曲率等は、前述したように、制御部４００からの制御信号に基づき、図示しない駆動機構を介して変更される。
【００５３】
図３に示す手順は、レーザ発振器１００でのレーザ発振積算時間やレーザ加工装置１０００の運転積算時間等に応じて定期的に実施される。なお、レーザモジュール１２０や電源５００の安定度が予め実験等により、あるいは経験的に確認されている場合には、ステップＳ１の測定は他のステップよりも実行頻度を小さくしてもよい。例えば、図３に示す手順を数回行ううち、少なくとも１回行えばよい。そのときは、測定結果を記憶部４１０に保存して、他の処理時には保存された当該値を使用するようにすればよい。あるいは、レーザ光ＬＢの出力設定値をそのまま、ステップＳ１における測定値としてもよい。その場合は、ステップＳ２において、出力ロスに代えて、レーザ光ＬＢの出力測定値をそのまま用いるとともに、ステップＳ３において、当該測定値が所定値以下か否かを判断するようにしてもよい。
【００５４】
［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ発振器１００は、レーザ光ＬＢを出射するレーザ光源である複数のレーザモジュール１２０と、レーザ光ＬＢを所定の倍率で縮小して、伝送ファイバ２００の入射端２００ａに向けて集光する集光光学ユニット１４０とを少なくとも備えている。
【００５５】
集光光学ユニット１４０は、入射されたレーザ光ＬＢを所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品である集光レンズ１４２を有している。また、本実施形態において、集光レンズ１４２は可変焦点距離レンズである。
【００５６】
レーザ発振器１００をこのように構成することで、伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢの出力ロスを抑制することができる。また、出射端２００ｂから出射されるレーザ光ＬＢのビーム品質を良好なものとすることができる。このことについてさらに説明する。
【００５７】
前述したように、伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢのＢＰＰとしてのＢＰＰ１は、レーザ光を整形する際に用いられる光学系の種類や配置等によらず光路上のロス等がなければ所定値に維持される。よって、例えば、より小さいスポット径２ｒを得ようとするように、レーザ光ＬＢを絞ると、逆に発散半角θｂが大きくなる。より具体的に説明すると、伝送ファイバ２００における入射端２００ａでレーザ光ＬＢを単純に絞ると、出射端２００ｂでは、逆に発散半角θｂが大きくなる。前述したように、レーザ切断等で、高い光密度のレーザ光が必要とされる場合には、このような状態は好ましくない。場合によっては、所望のレーザ加工を行えないこともある。
【００５８】
ここで、レーザ光と伝送ファイバとの光学結合状態について図４を用いて詳細に説明する。なお、集光光学ユニット１４０に入射され、集光レンズ１４２を透過する前のレーザ光ＬＢのＢＰＰであるＢＰＰ１を４．０とし、伝送ファイバ２００のコア径Ｄを０．１ｍｍと仮定する。また、集光レンズ１４２の焦点距離は固定され、集光レンズ１４２に入光されるレーザ光ＬＢのスポット径（ビーム径）は一定としているものとする。
【００５９】
図４の（ａ）図に示すように、伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢのスポット径２ｒが伝送ファイバ２００のコア径Ｄとなる場合、入射端２００ａでの出力ロスもなく、レーザ光ＬＢと伝送ファイバ２００との光学結合状態は理想的なものとなる。また、本実施形態において、この場合の伝送ファイバ２００の出射端２００ｂにおけるレーザ光ＬＢの出射半角θｂは８０ｍｒａｄとなる。よって、式（３）から明らかなように、出射端２００ｂにおけるＢＰＰであるＢＰＰ２は４．０（＝０．１／２×８０）となり、もとのレーザ光のＢＰＰである集光レンズ１４２を透過する前のレーザ光ＬＢのＢＰＰ１と同じ値となる。つまり、集光光学ユニット１４０に入射されたレーザ光ＬＢのビーム品質が維持される。
【００６０】
一方、図４の（ｂ）図に示すように、伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢのスポット径２ｒが伝送ファイバ２００のコア径Ｄより小さい０．０８ｍｍとなるように、レーザ光ＬＢを絞り、集光する集光レンズ１４２の光学パラメータを選択した場合には、入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢのスポット径２ｒが伝送ファイバ２００のコア径Ｄに対して十分に小さいため、レーザ光ＬＢのスポット中心とコア２０１の中心とが重なるように集光レンズ１４２の配置を調整すれば、入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢの出力ロスは無くなる。一方で、伝送ファイバ２００の出射端２００ｂにおけるレーザ光ＬＢの出射半角θｂ１は１００ｍｒａｄと逆に拡がってしまう。従って。出射端２００ｂにおけるＢＰＰ２は５．０（＝０．１／２×１００）となり、出射端２００ｂでのビーム品質の低下が生じてしまう。
【００６１】
また、図４の（ｃ）図に示すように、伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢのスポット径２ｒが伝送ファイバ２００のコア径Ｄより大きい０．１２ｍｍとなるように集光レンズ１４２の光学パラメータを選択した場合には、入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢの入射半角θａ２は６６．７ｍｒａｄとなる。また、入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢのスポット径２ｒが伝送ファイバ２００のコア径Ｄに対して十分に大きく、入射角２θａ２と出射角２θｂ２とは同じ値となるため、ＢＰＰ２は３．３（０．１／２×６６．７）となり、伝送ファイバ２００から出射されるレーザ光ＬＢのビーム品質は向上する。一方で、レーザ光ＬＢのスポット径２ｒが伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおけるコア径Ｄよりも大きくなってしまうため、入射端２００ａでの出力ロスが生じてしまう。特に、この場合の出力ロスは、入射端２００ａにおけるレーザ光ＬＢのスポット径でのエネルギー密度にもよるが、もとの出力に対して１０％以上と大きくなるため、所望のレーザ光出力が得られず、また、伝送ファイバ２００の焼損等のリスクが高まってしまう。
【００６２】
一方、本実施形態によれば、集光レンズ１４２を可変焦点距離レンズとして構成し、この可変焦点距離レンズの集光レンズ１４２を用いて伝送ファイバ２００の入射端２００ａにレーザ光ＬＢを入射させ、レーザ光ＬＢの出射状態に応じて集光レンズ１４０の焦点距離を変更することで、伝送ファイバ２００から出射されるレーザ光ＬＢの出力ロスを抑制して、伝送ファイバ２００の焼損等を防止できる。また、ＢＰＰに代表されるビーム品質を所望の値に維持することができる。
【００６３】
レーザ発振器１００は、集光レンズ１４２の焦点距離を所定の値に調整するための制御部４００をさらに備えている。また、制御部４００は、伝送ファイバ２００に伝送されるレーザ光ＬＢの出力ロス及び伝送ファイバ２００の出射端２００ｂから出射されるレーザ光ＬＢのＢＰＰ（＝ＢＰＰ２）がそれぞれ所定の範囲となるように集光レンズ１４２の焦点距離を調整するように構成されている。
【００６４】
図５は、伝送ファイバの入射端でのレーザ光出力ロスと伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光のビームパラメータ積ＢＰＰ２との関係を示す。
【００６５】
前述したように、伝送ファイバ２００の入射端２００ａでのレーザ光ＬＢのスポット径２ｒを大きくしていくと、ＢＰＰ２は低くなる、つまり、良化する。一方、伝送ファイバ２００のコア径Ｄを超えると出力ロスが発生し始めるため、出力ロスとＢＰＰ２とは、図５に示すような関係となる。このデータ及びレーザ光ＬＢの出力ロスの許容範囲とＢＰＰ２の許容範囲とが記憶部４１０に保存されている。
【００６６】
例えば、伝送ファイバ２００から出射されるレーザ光ＬＢのＢＰＰ２の許容範囲を４以下、より好ましくは３以下で、伝送ファイバ２００の入射端２００ａでの出力ロスの許容範囲を１％以下とすると、図５の斜線で囲まれた領域にレーザ光ＬＢの出射特性を合わせ込むように、制御部４００は、図示しない駆動機構を介して可変焦点距離レンズとしての集光レンズ１４２の焦点距離を変更する。より具体的には、このことにより、レーザ光ＬＢの出力ロスの抑制とビーム品質の維持とを両立できる。
【００６７】
なお、レーザ光ＬＢのスポット径でのエネルギー密度は、レーザ光の特性によりスポット径の中心側に対してレーザ光ＬＢのエネルギー密度が集中する度合いが異なる。レーザ光のエネルギー密度の特性に応じて、入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品である集光レンズ１４２の焦点距離を変更するなどして、伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおけるコア径Ｄに対して、レーザ光ＬＢのスポット径２ｒのサイズを適切に調整することが好ましい。
【００６８】
これにより、入射端２００ａでのレーザ光ＬＢの出力ロスを抑制しつつ、伝送ファイバ２００の出射端２００ｂにおけるＢＰＰ２を小さくし、伝送ファイバ２００から出射されるレーザ光ＬＢのビーム品質をより向上させることが出来る。
【００６９】
また、レーザ加工装置１０００に組み込まれるレーザ発振器１００では、レーザ加工装置１０００を長時間運転することにより、振動や周囲環境の温度変化等によって、集光レンズ１４２を含む集光光学ユニット１４０内の縮小光学系と伝送ファイバ２００との位置ずれが起こり、両者の光学結合効率が当初よりも小さくなる場合がある。また、レーザ光ＬＢに起因する各部の発熱が長期間にわたって生じる場合にも同様の現象が生じうる。
【００７０】
一方、本実施形態によれば、定期的に、伝送ファイバ２００から出射されるレーザ光ＬＢの出力とＢＰＰとを測定し、これらの測定値に基づいて、集光レンズ１４２の焦点距離を変更できるため、上記の光学結合効率が低下するのを防止し、レーザ光ＬＢの出力ロスの抑制とビーム品質の維持とを両立できる。
【００７１】
また、上記の光学結合効率が低下した場合、従来の構成では、集光光学ユニット１４０から伝送ファイバ２００を取り外し、集光レンズ１４２等の位置や伝送ファイバ２００の入射端２００ａの位置を再調整する必要があったが、本実施形態によれば、集光レンズ１４２の焦点距離を変更することで、伝送ファイバ２００の取り外しや各部の位置の再調整が不要となる。
【００７２】
また、レーザ発振器１００は、複数のレーザモジュール１２０から出射された複数のレーザ光を結合して出射するビーム結合器１３０をさらに備え、集光光学ユニット１４０は、ビーム結合器１３０から出射されたレーザ光を所定の倍率で縮小して集光するように構成されている。
【００７３】
レーザ発振器１００をこのように構成することで、レーザ光ＬＢの出力を数ｋＷ以上の高出力とすることができる。
【００７４】
また、本実施形態に係るレーザ加工装置１０００は、レーザ発振器１００と、レーザ発振器１００に接続され、レーザ発振器１００から出射されたレーザ光ＬＢを伝送する伝送ファイバ２００と、伝送ファイバ２００の出射端２００ｂに取付けられたレーザ光出射ヘッド３００と、を少なくとも備えている。
【００７５】
レーザ加工装置１０００をこのように構成することで、出力ロスが抑制された良好なビーム品質を有するレーザ光ＬＢを用いてワークＷを加工できるため、加工品質を良好に保つことができる。また、定期点検等で、レーザ光ＬＢの出力ロスの増加やＢＰＰの低下が見られた場合に、集光レンズ１４２の焦点距離をレーザ光ＬＢの出力ロスやＢＰＰの変化の度合いに応じて変更できるため、部品の交換等を極力減らしてレーザ光ＬＢの特性を維持できる。このことにより、レーザ加工装置１０００のダウンタイムを低減できるとともに、運転コストの上昇を抑制できる。
【００７６】
＜変形例＞
図６は、本変形例に係る集光光学ユニットの内部構成の模式図を示す。なお、本変形例において、実施形態と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７７】
図６に示す構成は、集光光学ユニット１４０内に、集光レンズ１４２の代わりに可変曲率ミラー１４３が配置されている点で、図２に示す構成と異なる。
【００７８】
入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品である可変曲率ミラー１４３は、図示しない駆動機構を介して表面の曲率を連続的に変化可能に構成されている。また、可変曲率ミラー１４３に入射されたレーザ光ＬＢは可変曲率ミラー１４３の表面で反射されて所定の焦点に結像される。なお、可変曲率ミラー１４３の曲率を変化させる原理は、集光レンズ１４２と同様であり、例えば、流体圧駆動や電気駆動で曲率を変化させる。このことにより、可変曲率ミラー１４３の焦点距離を変更することができる。
【００７９】
従って、例えば、図６に示すように、伝送ファイバ２００の入射端２００ａにおいて、レーザ光ＬＢのスポット径２ｒがコア２０１のコア径Ｄよりも大きくなって出力ロスが増加している場合は、出射端２００ｂから出射されるレーザ光ＬＢの特性測定結果に基づいて、可変曲率ミラー１４３の曲率を変化させ、レーザ光ＬＢのスポット径２ｒがコア２０１ないに適切に収まるようにすることができる。このようにすることで、レーザ光ＬＢの出力ロスの抑制とビーム品質の維持とを両立できる。
【００８０】
（その他の実施形態）
なお、変形例を含む上記実施形態において、４つのレーザモジュール１２０を用いてレーザ光源を構成しているが、特にこれに限定されない。例えば、単一波長のレーザ光を出射する１つのレーザ光源を用いてもよい。その場合、図１に示すビーム結合器１３０は省略される。
【００８１】
また、集光光学ユニット１４０に入射されたレーザ光ＬＢと伝送ファイバ２００との光学結合を変化させるために、入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品として、可変焦点距離レンズである集光レンズ１４２や可変曲率ミラー１４３を用いる例を示したが、特にこれに限定されず、他の構成を採用してもよい。例えば、集光光学ユニット１４０内にそれぞれ焦点距離の異なる複数の集光レンズを配置し、出射端２００ｂから出射されるレーザ光ＬＢの特性測定結果に基づいて、これら集光レンズの中から適切なレンズを選択し、レーザ光ＬＢの光軸に配置するようにしてもよい。この構成では、集光光学ユニット１４０が大型化してしまうが、所定の位置に配置された集光レンズの交換のみでレーザ光ＬＢの出力ロスとビーム品質とを調整できるため、制御は簡素化される。なお、光学結合効率を細かく調整するためには、例えば、３枚以上のレンズを配置することが好ましい。
【００８２】
なお、集光レンズ１４２や可変曲率ミラー１４３の焦点距離調整だけで、レーザ光ＬＢと伝送ファイバ２００との光学結合を適切に調整することが難しい場合は、集光レンズ１４２や可変曲率ミラー１４３をレーザ光ＬＢの光軸方向であるＸ方向に移動可能とする移動機構（図示せず）を設けるようにしてもよい。あるいは、伝送ファイバ２００の入射端２００ａの位置をＸ方向に移動可能とする移動機構（図示せず）を設けるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係るレーザ発振器は、伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光の出力ロスを抑制し、ビーム品質を良好な値に維持できるため、レーザ加工装置に適用する上で有用である。
【符号の説明】
【００８４】
１００    レーザ発振器
１１０    筐体
１２０    レーザモジュール
１３０    ビーム結合器
１４０    集光光学ユニット
１４２    集光レンズ（可変焦点距離レンズ）
１４３    可変曲率ミラー
２００    伝送ファイバ
２００ａ  入射端
２００ｂ  出射端
３００    レーザ光出射ヘッド
４００    制御部
５００    電源
６００    表示部
１０００  レーザ加工装置
ＬＢ      レーザ光
Ｗ        ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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