(57)【要約】【課題】光ファイバの端面あるいは内部に欠損的な損傷が発生した場合に損傷の発生をリアルタイムに検知することができる光ファイバモニタ装置および該装置を備えた信頼性の高いレーザ加工システムを提供する。【解決手段】特定の周波数のレーザ光２を出射するレーザ発振器１と、レーザ光２を入射された光ファイバ４からの反射光６を集光する集光光学系８と、集光光学系８から反射光６を入射されて反射光６の光量を測定する光検出器５とを備えている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の周波数のレーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ光が入射された光ファイバからの反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系から前記反射光が入射されて前記反射光の光量を測定する光検出器とを備えていることを特徴とする光ファイバモニタ装置。
【請求項２】
前記レーザ光は、可視光領域のレーザ光または赤外波長領域のレーザ光であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバモニタ装置。
【請求項３】
前記レーザ光は、パルスレーザであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバモニタ装置。
【請求項４】
前記光ファイバの端面状態を画像表示する画像処理装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバモニタ装置。
【請求項５】
請求項１記載の光ファイバモニタ装置と、被加工物に照射される加工用レーザ光を出射する加工用レーザ発振器と、前記レーザ光および加工用レーザ光を導く光ファイバとを備えていることを特徴とするレーザ加工システム。
【請求項６】
前記加工用レーザ光はジャイアントパルスYAGレーザ光であることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工システム。
【請求項７】
前記加工用レーザ光の光路上に、前記光ファイバに異常が発生した場合に前記加工用レーザ光を遮断するシャッターを備えていることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工システム。
【請求項８】
前記光検出器は、検出すべき波長以外の光を遮断する干渉フィルタを備えていることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工システム。
【請求項９】
前記光ファイバの出射端でのレーザ出力を前記光検出器によって測定し、前記加工用レーザ発振器の出力制御を行うことを特徴とする請求項５記載のレーザ加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を伝送する光ファイバの端面および内部の損傷を検知する光ファイバモニタ装置および該装置を備えて物品をレーザ加工するレーザ加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、YAGレーザを用いた切断や溶接などの加工システムには、レーザ光の伝送に光ファイバが用いられている。YAGレーザ用の光ファイバとしては石英が一般に多く用いられており、光ファイバのコア径はφ0.4〜1.0mmが一般的であり、用途によってコア径がφ2.0mmを超えるような光ファイバが用いられる場合もある。
【０００３】
産業用に用いられるYAGレーザは、レーザ出力として１〜４kWクラスのものが一般的に用いられており、入射位置がずれる、あるいはレーザ加工ヘッドからの戻り光が直接光ファイバに戻ってきた場合には、光ファイバが瞬時に溶融するといった損傷が発生する場合がある。
【０００４】
光ファイバの損傷をモニタする装置としては、下記特許文献１に示されているような装置が用いられる。この装置は、保護管の中に光ファイバと導電線とが挿入されており、光ファイバが損傷した際に損傷部分から放出されるレーザ光あるいは損傷部分から逆行するレーザ光による高温で損傷検知回路をオープンさせ、それを検出装置が検知して、レーザ発振器に信号を送って発振を停止させるものである。
【０００５】
また同様に、図１０に示すように光ファイバ４と同軸に熱を感知するための導電線（熱電対）２６を配備し、導電線２６に流れる電流の変化を検出装置２７で検出することにより光ファイバ４の状態をモニタする装置が用いられている。この装置では、例えば光ファイバ４の端面に入射異常等により熱が発生した場合、その熱が導電線２６に伝わることで導電線２６の抵抗値に変化が生じ、その変化を検出装置２７により検出してレーザ発振器自体にフィードバックをかけるなどの方法により損傷の発生を未然に防ぐ。
【０００６】
一方で、ジャイアントパルスYAGレーザを用いたレーザアブレーションやレーザピーニングのような施工においては、光ファイバの損傷は端面が溶融するのではなく、欠けのような損傷が発生して、その欠けが拡大する形で損傷が進んでいく。この場合、損傷発生時には熱はほとんど発生せず、微視的に衝撃が加わることによる欠損が損傷の主因である。したがって、このような損傷形態の場合には、前述の熱感知型の光ファイバ損傷検知システムでは損傷の発生を検知することができない。
【特許文献１】特開２００３−２７９４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の従来の光ファイバモニタ装置では、ジャイアントパルスYAGレーザ発振器等から照射されるパルスレーザの微視的な衝撃によって光ファイバ端面あるいは内部に発生する欠損的な損傷は検知することができない。
【０００８】
そこで本発明は、光ファイバの端面あるいは内部に欠損的な損傷が発生した場合に損傷の発生をリアルタイムに検知することができる光ファイバモニタ装置および該装置を備えた信頼性の高いレーザ加工システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光ファイバモニタ装置は、特定の周波数のレーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ光が入射された光ファイバからの反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系から前記反射光が入射されて前記反射光の光量を測定する光検出器とを備えている構成とする。
【００１０】
本発明のレーザ光加工システムは、請求項１記載の光ファイバモニタ装置と、被加工物に照射される加工用レーザ光を出射する加工用レーザ発振器と、前記レーザ光および加工用レーザ光を導く光ファイバとを備えている構成とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光ファイバの端面あるいは内部に欠損的な損傷が発生した場合に損傷の発生をリアルタイムに検知することができる光ファイバモニタ装置および該装置を備えた信頼性の高いレーザ加工システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る光ファイバモニタ装置およびレーザ加工システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
本実施の形態の光ファイバモニタ装置は、図１に示すように、レーザ発振器１と部分反射ミラー７と集光光学系３，８と光検出器５から構成されている。レーザ発振器１から照射されたレーザ光２は、部分反射ミラー７を透過して集光光学系３により集光されて光ファイバ４に入射される。光ファイバ４の端面あるいは内部で反射したレーザ反射光６は、集光光学系３で集光され部分反射ミラー７で反射され集光光学系８で集光されて光検出器５に入る。
【００１４】
部分反射ミラー７の表面にはレーザ発振器１の発振波長に対応したコーティングが施されており、特定の波長のみ透過及び反射させる構造となっている。例えば、レーザ発振器１が波長488nmの青色レーザである場合には、レーザ発振器１側の表面には488nmの波長の光だけを透過するコーティングを施し、光ファイバ４側の表面には488nmの光を反射させるコーティングを施す。これによって、光ファイバ４の端面あるいは内部で反射したレーザ反射光６は部分反射ミラー７で反射され、集光光学系８を介して光検出器５へ入射する。部分反射ミラー７の構成はこの限りではなく、十分にレーザ反射光６の光量が見込める場合には、部分反射ミラー７にレーザ光２が通過する孔を設けた構成としてもよい。
【００１５】
光ファイバ４へ入射したレーザ光２は、大部分は光ファイバ４内を伝播して光ファイバ４の出射端まで達するが、一部は光ファイバ４の入射端面４ａおよび、光ファイバ４の内部に損傷があるときはその損傷で反射してレーザ反射光６となってレーザ発振器１側へ戻ってくる。レーザ反射光６は、レーザ光２が光ファイバ４の入射端面４ａに対して垂直に入射したときに最も光量が多くなるので図１のような装置構成が望ましいが、レーザ反射光６が光検出器５に入射されるのであれば図２に示すように斜めからレーザ光２を入射させる構成をとってもよい。また、図１，図２には示されていないが、光ファイバ４の入射端面４ａの画像を表示する画像処理装置を備えた構成としてもよい。
【００１６】
損傷検出用に使用するレーザ光２は、光ファイバ４中を伝播することが可能なものであれば良いが、加工用レーザ光とともに使用する場合には波長の異なるレーザ光を用いることが望ましい。レーザ光２として可視光のレーザ光を用いれば、光ファイバ４のアライメントはもとより、光検出器５への入射調整が容易になる。また、レーザ光２として赤外の波長領域のものを用いれば、水中加工を行うような場合に水でレーザ光２が吸収されるため、被加工物表面に光沢がある場合でも、戻り光の光量に変化が生じなくなり、被加工物表面の反射の影響を受けない。
【００１７】
検出器５に導光されたレーザ反射光６は、光検出器５内においてレーザパワーメータや圧電素子などによって光量を測定した後で電気信号に変換され、図示されていないデータ処理装置に取り込まれる。データ処理装置としては、オシロスコープやボックスカー積分器等を用いてデータ信号を処理する。
【００１８】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すような損傷が発生した光ファイバ端面２１に検査用のレーザ光２を照射した場合についてレーザ反射光６の光量を検出器５を用いて測定したところ、図４に示すように、光ファイバ端面２１の損傷２２，２３，２４の面積率が大きくなるにつれてレーザ反射光６の光量は低くなる傾向が認められた。これは、レーザ光２を反射する光ファイバ端面２１の表面積が損傷の拡大に伴って小さくなるために、レーザ反射光６の光量が低下したものである。したがって、レーザ反射光６の光量を測定することで、光ファイバ端面の損傷状態を把握することができる。光ファイバ４内部の損傷も同様に把握することができる。
【００１９】
このように本実施の形態の光ファイバモニタ装置は、レーザ光２の反射光の光量により光ファイバ端面あるいは内部の損傷の有無と大きさを検知することができる。また、レーザ光２の光源として可視光レーザを用いることにより、光軸調整が容易である上、一般に光ファイバでの加工に用いられるYAGレーザの基本波（波長：1064nm）等とは波長が異なるため、光ファイバ端面あるいは内部から発せられる反射光の検出が容易となる。
【００２０】
さらにレーザ光の光源として赤外波長のレーザ光を用いることにより、水中レーザ加工のようなレーザ照射を水中で行うような場合に被加工物表面の反射の影響を受けないため、光ファイバの安定したモニタが可能となる。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図１におけるレーザ光２としてパルスレーザを用いた場合、光ファイバ４にはレーザ光２の特性に応じて特定の周期・振幅を有するレーザ光が入射される。レーザ光が光ファイバ中を伝播する速度は200mm/nsであり、光ファイバ４の全長が40ｍの場合には200nsで光ファイバ先端に到達することになる。光ファイバ先端まで到達した光は、一部分が光ファイバ先端面で反射して光ファイバ入射端面まで同じ時間をかけて戻ってくることになり、結果的にレーザ光を光ファイバに入射してから400ns後に入射端面にレーザ反射光が戻ってくる計算になる。
【００２２】
図１に示した光ファイバモニタ装置では、光検出器５には光ファイバ４の入射端面４ａで反射したレーザ反射光に加えて光ファイバ出射端面での反射光も取り込まれる。これをオシロスコープなどの測定器により連続的に波形を測定することによって、光ファイバ４の入射端面４ａと出射端面からの反射光６の光量を測定することが可能となる。例として、全長40ｍの光ファイバ４に検査用のレーザ光２を入射し、反射光６の光量を光検出器５により測定したモニター値をプロットした結果を図５，６，７に示す。
【００２３】
光ファイバ入射端面４ａに損傷が発生した場合、図５に示すように健全な場合に比べて入射端面のモニター値が低くなっていることから、光ファイバ入射端面に損傷が発生していることがわかる。光ファイバ出射端面に損傷が発生した場合、図６に示すように出射端面におけるモニター値が低くなっていることから、光ファイバ出射端面に損傷が発生していることが判断できる。また、光ファイバ４が途中で断線した場合、図７に示すように本来反射光が戻ってこないはずの途中（20ｍ）の位置から反射光が戻ってきていることから、光ファイバ４に断線が発生したことが判断できる。
【００２４】
このように本実施の形態の光ファイバモニタ装置においては、レーザ光２としてパルス発振のレーザ光を用いているため、パルス幅を短くすることにより、また光検出器５を調整することにより、より分解能の高い損傷検出が可能となる。
【００２５】
（第３の実施の形態）
本実施の形態はレーザ加工システムであり、図８に示すように、加工用レーザ発振器１５と、加工用レーザ光１６を伝送する全反射ミラー９ａおよび部分反射ミラー９ｂと、モニタ用のレーザ発振器１と、モニタ用のレーザ光２を伝送する部分反射ミラー９ｃおよび９ｄと、レーザ光２，１６を集光する集光光学系３と、光ファイバ４と、レーザ反射光６を検出する光検出器５と、光ファイバのコア径が連続的に変化するテーパファイバ１１と、光ファイバ４とテーパファイバ１１を接続するコネクタ１０と、被加工物にレーザ照射を行うための照射ヘッド１２と、光ファイバ端面の状態を観察するためのCCDカメラ１８及び画像処理装置１９から構成されている。
【００２６】
加工用レーザ発振器１５から出射された加工用レーザ光１６は、全反射ミラー９ａおよび部分反射ミラー９ｂにより反射され、集光光学系３により集光されて光ファイバ４に入射される。加工用レーザ発振器１５としては、ジャイアントパルスYAGレーザがアブレーション加工やレーザピーニング施工に用いられる。
【００２７】
レーザアブレーションやレーザピーニング等の加工プロセスは、ピークエネルギーの高いパルスレーザを固体に照射したとき、レーザ光の照射強度がある大きさ以上になると、固体表面で熱的・光化学的および力学的エネルギーに変換され、その結果、中性原子・分子・イオン・クラスタ・電子・光子（フォトン）が爆発的に放出される現象を利用して固体表面にエッチングしたり応力改善を行ったりするプロセスである。このようなプロセスにおいて、レーザ光を照射ヘッドまで伝送する手段として光ファイバを用いた場合には、光ファイバ端面には欠けのような損傷が発生しやすい。損傷は図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したように発生した損傷を基点として面積が大きくなっていく。
【００２８】
ジャイアントパルスYAGレーザは、出力そのものは10Ｗ程度と低いものの、パルスエネルギーが100ｍＷと非常に高いため、そのまま光ファイバ４に入射すると瞬時に端面損傷が発生してしまう。そのため、加工用レーザ光１６の強度分布を均一化するためのホモジナイザ２０を用いることで光ファイバへ４の入射が可能となる。レーザピーニング施工に用いるレーザ発振器としては、波長532nm、繰返し周波数60Ｈｚ、平均出力10Ｗ以上のYAGレーザ発振器が望ましいが、その限りではない。光ファイバ４に入射した加工用レーザ光１６は、光ファイバ内部を伝播して、コネクタ１０を介してテーパファイバ１１に入射され、照射ヘッド１２に入射した後、図示されていない被加工物へ照射される。
【００２９】
一方、損傷検出用のレーザ発振器１から出射されたレーザ光２は、レーザ光光路に沿ってミラー９ｃ，９ｄ，９ｂ、集光光学系３を介して光ファイバ４端面に入射される。光ファイバ４端面で反射したレーザ反射光６は、レーザ光２と同じ光路を戻ってきて、光検出器５へ導入される。モニタ用のレーザ発振器１としては、レーザ加工用に用いるレーザ発振器１５と異なる波長のレーザ発振器を用いれば、光検出器５によるレーザ反射光６の検出が行いやすい。
【００３０】
さらに、CCDカメラ１８により光ファイバ端面の画像を撮影し、画像処理装置１９により光ファイバ端面の状態を観察することで、光ファイバ４の端面における損傷の発生部位を特定することができ、光検出器５のモニター値と組み合わせることにより、より精細な光ファイバの損傷状態について把握することができる。また、CCDカメラ１８として時間分解機能を有するCCDカメラを用いれば、モニタ用のレーザ光２が光ファイバ４内を伝播する速度から光ファイバ４内の損傷の位置を時間により特定することができ、光検出器５のモニター値と併用することでより精度の高い光ファイバのモニタリングを行うことができる。
【００３１】
本実施の形態のように、光ファイバをコネクタ１０用いて接続したシステムの場合、光ファイバ４に入射したレーザ光は、光ファイバ入射端面、コネクタ内部の端面、及び出射端面の３ヶ所からレーザ反射光が光検出器５に取り込まれることになる。光検出器５に取り込まれたレーザ反射光６について、オシロスコープを用いて連続的に波形を測定した結果を図９に示す。レーザ反射光６は、光ファイバ４の入射端面、コネクタ、及び出射端面から戻ってくるため、図９に示すようにモニター値曲線にピークが３ヶ所発生する。前述のように、光ファイバ端面で損傷が発生している場合には、これらのピークが下がることにより判別が可能となる。さらに、光検出器５の内部に干渉フィルタを具備すれば、検出したい波長だけを光検出器内に取り込むことが可能になるため、検出性能が向上する。
【００３２】
また、レーザピーニングで用いられる波長532nmの光を検出する光検出器を用いれば、レーザピーニング施工中のレーザ反射光を検出することができる。ここで、出射端面からのレーザ反射光について、得られた波形を積分すればレーザ光の強度データとして扱うことができる。例えば、図９に示されるピーク値が標準レーザ照射出力とした場合、光ファイバ出射端面に損傷が発生した場合にはピーク値が下がるため、積分値も低くなる。レーザピーニング施工中に発生する損傷は、前述のように損傷が比較的時間をかけて進行するために、損傷が発生してもしばらくはレーザピーニング施工を継続することが可能である。しかし、光ファイバが損傷すると実際に被加工物に照射されるレーザ出力が低下してしまう。そこで、図９のレーザ出射端でのピークの積分値を必要なレーザ出力として定義することで、加工用レーザ発振器１５の出力を上げることでピーク値を積分値と同じにすれば、光ファイバが損傷してもレーザピーニング施工を継続することができる。
【００３３】
また、レーザ発振器１５から光ファイバ４間の光路上にシャッターを設けておけば、光ファイバの損傷が進行してレーザピーニング施工に必要なレーザ出力が確保できなくなった場合、出力低下と同時にシャッターへ遮断命令を出すことで光路を遮断でき、被加工物に与える影響及び光ファイバに与える損傷の程度を最小限に抑えることができる。
【００３４】
このように本実施の形態のレーザ加工システムにおいては、光ファイバ４の端面の状態について画像処理装置１９を用いて観察することで、より正確に光ファイバ４の損傷監視を行うことができる。また、加工用レーザ発振器１５を使ってレーザ加工を行いながられ光ファイバ４の端面状態を監視することができるので、ある閾値のもとでレーザ加工を連続して行うことができる。
【００３５】
さらに加工用レーザ発振器１５としてジャイアントパルスYAGレーザを具備しており、リアルタイムで光ファイバ端面の状態を監視しながらレーザアブレーション加工やレーザピーニング施工を行うことができるので、光ファイバ損傷に伴うレーザ加工の不具合を低減することができる。
【００３６】
さらに、加工用レーザ光の光路上にレーザ光遮断用のシャッターを具備することにより、レーザ加工中に光ファイバに異常が発生した場合にシャッターを閉じることでレーザ光を遮断することができるので、光ファイバの損傷を防止することができる。
【００３７】
さらに、光検出器５内に干渉フィルタを具備することにより、モニタ用のレーザ発振器１からの特定の波長を有する反射光だけを取り込むことができ、より正確な測定を行うことができる。
【００３８】
さらに、光ファイバ出射端でのレーザ反射光の光量を検出器５により読み取り、読み取った波形を積分することで出射端でのレーザ出力として取り扱うことが可能となり、加工用レーザ発振器１５側にフィードバックをかけることで出力制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の光ファイバモニタ装置の構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の変形例の光ファイバモニタ装置の構成を示す図。
【図３】光ファイバ端面の損傷状態を概念的に示し、本発明の第１の実施の形態の光ファイバモニタ装置の作用を説明する図。
【図４】光ファイバ端面の損傷面積率とレーザ反射光光量相対値の関係を示し、本発明の第１の実施の形態の光ファイバモニタ装置の作用を説明するグラフ。
【図５】光ファイバ入射端面に損傷がある場合の入射端面からの距離とモニター値の関係を示し、本発明の第１の実施の形態の光ファイバモニタ装置の作用を説明するグラフ。
【図６】光ファイバ出射端に損傷がある場合の入射端面からの距離とモニター値の関係を示し、本発明の第１の実施の形態の光ファイバモニタ装置の作用を説明するグラフ。
【図７】光ファイバに断線がある場合の入射端面からの距離とモニター値の関係を示し、本発明の第１の実施の形態の光ファイバモニタ装置の作用を説明するグラフ。
【図８】本発明の第３の実施の形態のレーザ加工システムの構成を示す図。
【図９】光ファイバ入射端面からの距離とモニター値の関係を示し、本発明の第３の実施の形態の光ファイバモニタ装置の作用を説明するグラフ。
【図１０】従来の光ファイバモニタ装置を示す図。
【符号の説明】
【００４０】
１…レーザ発振器、２…レーザ光、３…集光光学系、４…光ファイバ、４ａ…入射端面、５…光検出器、６…レーザ反射光、７…部分反射ミラー、８…集光光学系、９ａ…全反射ミラー、９ｂ，９ｃ，９ｄ…部分反射ミラー、１０…コネクタ、１１…テーパファイバ、１２…照射ヘッド、１５…加工用レーザ発振器、１６…加工用レーザ光、１８…CCDカメラ、１９…画像処理装置、２０…ホモジナイザ、２１…光ファイバ端面、２２…損傷（面積率５％）、２３…損傷（面積率１０％）、２４…損傷（面積率２０％）、２６…導電線、２７…検出装置。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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