(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シード光を励起光によって増幅する光増幅ファイバと、
発光期間に前記シード光をパルス状に複数回発生させるシード光源と、
前記発光期間の直前の非発光期間に第１のレベルのパワーを有する前記励起光を発生させ、前記発光期間に前記第１のレベルより高い第２のレベルのパワーを有する前記励起光を発生させる励起光源と、
前記光増幅ファイバから出力された出力光パルスのピークパワーを検出するための検出器と、 
前記発光期間の間に発生した最初の出力光パルスのピークパワーが、前記発光期間の間に発生した最終の出力光パルスのピークパワーを上回る場合、前記非発光期間における前記励起光のパワーを低下させ、前記最初の出力光パルスのピークパワーが前記最終の出力光パルスのピークパワーを下回る場合、前記非発光期間における前記励起光のパワーを上昇させる制御部とを備える、光増幅装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記光増幅装置の起動時に、前記出力光パルスの予め定められた条件ごとに、前記非発光期間における前記励起光のパワーを制御して、前記最初の出力光パルスと前記最終の出力光パルスとの間でパワーを同じにするための前記励起光のパワーに関するデータを取得し、
前記光増幅装置は、
前記データを前記出力光パルスの前記予め定められた条件と関連付けて記憶する記憶部をさらに備える、請求項１に記載の光増幅装置。
【請求項３】
前記光増幅装置の運転時に、前記制御部は、前記記憶部に記憶されたデータに基づいて、前記非発光期間における前記励起光のパワーを設定する、請求項２に記載の光増幅装置。
【請求項４】
前記励起光源は、半導体レーザであり、
前記データは、前記半導体レーザのバイアス電流のデータであり、
前記出力光パルスの条件が変更された場合、前記制御部は、変更前の条件に対応する前記バイアス電流のデータの変動を、変更後の条件に対応する前記バイアス電流のデータに反映させる、請求項３に記載の光増幅装置。
【請求項５】
前記出力光パルスを前記光増幅装置の外部に出力することを防ぐためのシャッタをさらに備え、
前記制御部は、前記シャッタを閉じた状態で、前記光増幅装置の起動時における前記データを取得する、請求項２に記載の光増幅装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光増幅装置を備える、レーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅装置およびレーザ加工装置に関し、特に、ＭＯＰＡ（Master Oscillator and Power Amplifier）方式のファイバ増幅器から光パルスを安定的に発生させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置においては、レーザ光のパワーが加工品質に影響を与える。このため、レーザ加工装置から発せられるレーザ光のパワーを制御するための技術がこれまでに提案されている。
【０００３】
たとえば特開２０００−３４０８７２号公報（特許文献１）は、希土類元素を含むファイバと、その希土類元素を励起するためのレーザ光源とを備えたレーザ加工装置を開示する。レーザ光源は、連続的に駆動されて低パワーの光を出力する第１の半導体レーザと、パルス駆動されて高パワーの光を出力する第２の半導体レーザとを含む。非発光期間には、第１の半導体レーザからの励起光によって、希土類ドープファイバが予備的励起状態とされる。一方、加工時には、第２の半導体レーザからの励起光によって、希土類ドープファイバが高励起状態とされる。高励起状態の希土類ドープファイバに信号光が入射されることにより、高パワーのレーザ光が希土類ドープファイバから出射される。低パワーのレーザ光によって希土類ドープファイバが予備的に励起され、それによって加工時のパルス出力を安定化することができる。
【０００４】
また、たとえば特開２０１０−１０２７４号公報（特許文献２）は、ファイバレーザ発振器から出力されるレーザパルスの平均パワーおよびピークパワーを測定して、その測定結果をＬＤ（レーザダイオード）駆動回路にフィードバックする構成を開示する。
【０００５】
また、たとえば特開２０１０−１７１１３１号公報（特許文献３）には、ファイバレーザに入射される種光を発するレーザ光源が、主照射期間にはパルス光を発し、予備照射期間には実質的な連続光を発することが開示されている。連続光のパワーは、パルス光のピークパワーよりも小さい。さらに、特開２０１０−１７１１３１号公報（特許文献３）には、予備照射期間における励起光のパワーを主照射期間における励起光のパワーよりも低下させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３４０８７２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０２７４号公報
【特許文献３】特開２０１０−１７１１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特開２０００−３４０８７２号公報（特許文献１）に開示されたレーザ加工装置はファイバレーザを利用する。ファイバレーザは、（１）パルスの繰り返し周波数、（２）パルス幅、（３）パルスのパワーなどといった、レーザ光に関する各種の条件を、互いに独立に設定することができる。一方、低パワーレーザ光の最適な出力値は、これらの条件に応じて異なりうる。低パワーレーザ光の出力値が適切でない場合には、初回パルスの強度と安定化後のパルスの強度との間に差が生じる。この場合には、加工品質の低下が生じうる。
【０００８】
また、特開２０１０−１０２７４号公報（特許文献２）に開示された方法では、レーザパルスの平均パワーがフィードバック制御に用いられる。このためパルス毎の制御が難しい。
【０００９】
また、特開２０１０−１７１１３１号公報（特許文献３）に開示された構成では、主照射期間だけでなく予備照射期間にも光増幅ファイバから増幅光が出射される。予備照射期間に増幅光を光増幅ファイバから出射することで、予備照射期間に光ファイバに蓄積されるエネルギーが大きくなりすぎるのを防止できる。これにより、主照射期間において初回パルスのパワーが過大となることが抑制される。しかしながら、特開２０１０−１７１１３１号公報（特許文献３）は、そのようなパルスのパワーの制御を確実に実行するための構成については具体的に開示していない。
【００１０】
本発明の目的は、初回からレーザパルスを安定して出力することが可能な光増幅装置およびレーザ加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある局面に係る光増幅装置は、シード光を励起光によって増幅する光増幅ファイバと、発光期間にはシード光をパルス状に複数回発生させるシード光源と、発光期間の直前の非発光期間には、第１のレベルのパワーを有する励起光を発生させ、発光期間には、第１のレベルより高い第２のレベルのパワーを有する励起光を発生させる励起光源と、光増幅ファイバから出力された出力光パルスのパワーを検出するための検出器と、検出器の検出値に基づいて、発光期間の間に発生した最初の出力光パルスと最終の出力光パルスとの間でパワーが同じになるように、非発光期間における励起光のパワーを制御する制御部とを備える。
【００１２】
好ましくは、制御部は、光増幅装置の起動時に、出力光パルスの予め定められた条件ごとに、非発光期間における励起光のパワーを制御して、最初の出力光パルスと最終の出力光パルスとの間でパワーを同じにするための励起光のパワーに関するデータを取得する。光増幅装置は、データを出力光パルスの予め定められた条件と関連付けて記憶する記憶部をさらに備える。
【００１３】
好ましくは、光増幅装置の運転時に、制御部は、記憶部に記憶されたデータに基づいて、非発光期間における励起光のパワーを設定する。
【００１４】
好ましくは、励起光源は、半導体レーザである。上記データは、半導体レーザのバイアス電流のデータである。出力光パルスの条件が変更された場合、制御部は、変更前の条件に対応するバイアス電流のデータの変動を、変更後の条件に対応するバイアス電流のデータに反映させる。
【００１５】
好ましくは、光増幅装置は、出力光パルスを光増幅装置の外部に出力することを防ぐためのシャッタをさらに備える。制御部は、シャッタを閉じた状態で、光増幅装置の起動時におけるデータを取得する。
【００１６】
本発明の他の局面に係るレーザ加工装置は、上記のいずれかに記載の光増幅装置を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、初回からレーザパルスを安定して出力することが可能な光増幅装置およびレーザ加工装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成例を示した図である。
【図２】実施の形態１に係るレーザ加工装置によるレーザ発光のタイミング図である。
【図３】図２に示したレーザ発光のタイミングをより詳細に説明した図である。
【図４】予備励起期間における励起光パワーに依存して初回パルスのパワーが変化することを説明した波形図である。
【図５】実施の形態１に従うパルスのパワーの安定化の原理を説明した波形図である。
【図６】パルスのピークパワーを検出するための具体的な構成例を示したブロック図である。
【図７】実施の形態１によるレーザ加工装置の起動時の処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】バイアス電流値の最適値の保存形式を模式的に示した図である。
【図９】実施の形態１によるレーザ加工装置の起動後の処理を説明するためのフローチャートである。
【図１０】繰り返し周波数を高くするとともにパルス群中のパルス数を増やした場合のレーザ出力を示す波形図である。
【図１１】繰り返し周波数を低下させるとともにパルス群中のパルス数を減少させた場合のレーザ出力を示す波形図である。
【図１２】実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２０】
本明細書では「パルス群」との用語は、ある時間間隔で時間軸上に並べられた複数の光パルスを意味する。ただし、パルス群に含まれる光パルスを明示的に指す場合を除き、本明細書では、パルス群を「パルス」と称する。また、本明細書では、「ＬＤ」との用語は、半導体レーザを表す。
【００２１】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成例を示した図である。図１を参照して、レーザ加工装置１００は、光増幅装置と、その光増幅装置からのレーザ光を走査するためのレーザビーム走査機構１４とを含む。光増幅装置は、光増幅ファイバ１と、シードＬＤ２と、励起ＬＤ３と、アイソレータ４，６と、コンバイナ５と、エンドキャップ１２と、ドライバ２１，２２と、受光素子１５と、波高値検出器１６と、シャッタ１９と、制御装置２０と、入力部２５とを備える。
【００２２】
光増幅ファイバ１は、光増幅成分である希土類元素が添加されたコア、およびそのコアの周囲に設けられるクラッドを有する。コアに添加される希土類元素の種類は特に限定されず、たとえばＥｒ（エルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）などがある。以下では希土類元素はＹｂであるとして説明する。光増幅ファイバ１は、たとえばコアの周囲に１層のクラッドが設けられたシングルクラッドファイバでもよいし、コアの周囲に２層のクラッドが設けられたダブルクラッドファイバでもよい。
【００２３】
シードＬＤ２はシード光を発するレーザ光源である。シード光の波長は、たとえば１０００〜１１００ｎｍの範囲から選択された波長である。ドライバ２１はシードＬＤ２にパルス状の電流を繰り返して印加することにより、シードＬＤ２をパルス駆動する。すなわちシードＬＤ２からはパルス状のシード光が発せられる。
【００２４】
シードＬＤ２から出射されるシード光はアイソレータ４を通過する。アイソレータ４は一方向の光のみを透過し、その光と逆方向に入射する光を遮断する機能を実現する。本発明の実施の形態では、アイソレータ４はシードＬＤ２からのシード光を透過させるとともに光増幅ファイバ１からの戻り光を遮断する。これによって光増幅ファイバ１からの戻り光がシードＬＤ２に入射するのを防ぐことができる。シードＬＤ２に光増幅ファイバ１からの戻り光が入射した場合にはシードＬＤ２が損傷するおそれがあるが、アイソレータ４を設けることでこのような問題を防ぐことができる。
【００２５】
励起ＬＤ３は、光増幅ファイバ１のコアに添加された希土類元素の原子を励起するための励起光を発する励起光源である。希土類元素がＹｂの場合、励起光の波長はたとえば９１５±１０ｎｍとなる。ドライバ２２は、励起ＬＤ３を駆動する。
【００２６】
コンバイナ５はシードＬＤ２からのシード光と励起ＬＤ３からの励起光とを結合して光増幅ファイバ１に入射させる。
【００２７】
光増幅ファイバ１、シードＬＤ２、および励起ＬＤ３はＭＯＰＡ（Master Oscillator and Power Amplifier）方式のファイバ増幅器を構成する。光増幅ファイバ１に入射した励起光はコアに含まれる希土類元素の原子に吸収され、原子が励起される。シードＬＤ２からのシード光が光増幅ファイバ１のコアを伝搬すると、励起された原子がシード光により誘導放出を起こすためシード光が増幅される。すなわち光増幅ファイバ１は、シード光を励起光によって増幅する。
【００２８】
光増幅ファイバ１がシングルクラッドファイバである場合、シード光および励起光はともにコアに入射する。これに対し、光増幅ファイバ１がダブルクラッドファイバである場合、シード光はコアに入射し、励起光は第１クラッドに入射する。ダブルクラッドファイバの第１クラッドは励起光の導波路として機能する。第１クラッドに入射した励起光が第１クラッドを伝搬する過程で、コアを通過するモードによりコア中の希土類元素が励起される。
【００２９】
アイソレータ６は、光増幅ファイバ１によって増幅され、かつ光増幅ファイバ１から出射されたシード光（光パルス）を通過させるとともに光増幅ファイバ１に戻る光を遮断する。アイソレータ６を通過した光パルスは、光ファイバの端面から大気中に出射される。エンドキャップ１２は、ピークパワーの高い光パルスが光ファイバから大気中に出射される際に光ファイバの端面と大気との境界面で生じるダメージを防止するために設けられる。
【００３０】
ビームスプリッタ１３は、エンドキャップ１２から出力された光パルスを２つのパルスに分割する。一方のパルスは、加工用のレーザ光としてレーザビーム走査機構１４に入力され、他方のパルスはレーザ光のパワーをモニタするために受光素子１５に入力される。
【００３１】
シャッタ１９は、加工用のレーザ光が光増幅装置の外部に出力されることを防ぐために設けられる。シャッタ１９は、制御装置２０によって開閉される。図１に示されるように、たとえばシャッタ１９はビームスプリッタ１３とレーザビーム走査機構１４との間に配置される。
【００３２】
受光素子１５は、たとえばフォトダイオードによって構成される。波高値検出器１６は、受光素子１５からの信号により、光パルスのピークパワー（波高値）を検出する。波高値検出器１６によって検出された波高値は、制御装置２０に送られる。
【００３３】
レーザビーム走査機構１４は、レーザ光を二次元方向に走査するためのものである。図示しないが、レーザビーム走査機構１４は、たとえばエンドキャップ１２からの出射光であるレーザビームの径を所定の大きさに調整するためのコリメータレンズ、および、コリメータレンズを通過後のレーザビームを加工対象物５０の表面上で二次元方向に走査するためのガルバノスキャナ、レーザビームを集光するためのｆθレンズ等を含んでもよい。加工対象物５０の表面上でレーザ光Ｌ、すなわちレーザ加工装置１００からの出力光が二次元方向に走査されることにより、金属等を素材とする加工対象物５０の表面が加工される。たとえば加工対象物５０の表面に文字や図形等からなる情報が印字（マーキング）される。
【００３４】
制御装置２０は、ドライバ２１，２２およびレーザビーム走査機構１４を制御することによりレーザ加工装置１００の動作を統括的に制御する。入力部２５は、たとえばユーザからの情報を受付ける。制御装置２０は、入力部２５からの情報に基づいて、ドライバ２１，２２を制御するとともに、レーザビーム走査機構１４の動作を制御する。
【００３５】
制御装置２０は、たとえば所定のプログラムを実行するパーソナルコンピュータにより実現される。入力部２５はユーザが情報を入力することができる装置であれば特に限定されず、たとえばマウス、キーボード、タッチパネル等を用いることができる。
【００３６】
シードＬＤ、励起ＬＤ、アイソレータ等の特性は温度により変化し得る。したがって、これらの素子の温度を一定に保つための温度コントローラをレーザ加工装置に備えることがより好ましい。
【００３７】
レーザ加工装置１００からレーザ光を出力させる場合において、シードＬＤ２はドライバ２１によって駆動されることにより、パルス状のシード光を発生させる。シード光をシードＬＤ２から繰り返し発生させる場合、シード光の繰返し周波数は、ドライバ２１からシードＬＤ２に供給されるパルス電流の繰り返し周波数に依存する。ドライバ２１から出力されるパルス電流の繰り返し周波数は制御装置２０によって制御される。
【００３８】
制御装置２０はドライバ２２を制御することによって励起ＬＤ３が発する励起光のパワーを変化させる。励起ＬＤ３は、ドライバ２２から供給されるバイアス電流に応じたパワーを有する励起光を出力する。ドライバ２２から出力されるバイアス電流の大きさは制御装置２０によって制御される。
【００３９】
図２は、実施の形態１に係るレーザ加工装置によるレーザ発光のタイミング図である。図２を参照して、予備励起期間には、ドライバ２２がバイアス電流（図２において励起ＬＤ電流と示す）を励起ＬＤ３に供給して励起光を発生させるが、シードＬＤ２は、光パルス（図２ではシードＬＤパルスと示す）を発生させない。一方、本励起期間には、励起光およびシードＬＤパルスの両方が発生する。したがって本励起期間には、ファイバ増幅器からレーザ光が出力される。
【００４０】
予備励起期間における励起ＬＤ電流は本励起期間における励起ＬＤ電流よりも小さい。すなわち励起ＬＤ３は、予備励起期間において第１のレベルのパワーの励起光を発生させ、本励起期間において、第２のレベルのパワーの励起光を発生させる。第２のレベルは第１のレベルよりも高い。
【００４１】
図３は、図２に示したレーザ発光のタイミングをより詳細に説明した図である。図３を参照して、シードＬＤ２は、本励起期間に、複数のシード光パルス１ａからなるパルス群１Ｇを周期ｔｐｒｄで繰り返し発生させる。シードＬＤ２のバイアス電流を変調させることによって、パルス群１Ｇが所定の周期で発生する。本励起期間は、ファイバ増幅器からレーザ光が出力される発光期間に対応する。一方、予備励起期間には、シードＬＤ２にバイアス電流が供給されないため、非発光期間となる。
【００４２】
本励起期間の間にファイバ増幅器から出力される複数のパルス群のうち、最初に出力されるパルス群および最後に出力されるパルス群を、以下では「初回パルス」および「最終パルス」とそれぞれ称する。
【００４３】
図４は、予備励起期間における励起光パワーに依存して初回パルスのパワーが変化することを説明した波形図である。図４（ａ）は、予備励起期間における励起光パワーを小さくした場合にファイバ増幅器から出力されたパルスを示した波形図である。図４（ｂ）は、予備励起期間における励起光パワーを大きくした場合にファイバ増幅器から出力されたパルスを示した波形図である。図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、予備励起期間における励起ＬＤ電流が小さい場合には、励起光パワーが小さいため、予備励起期間の間に光増幅ファイバ１に蓄積されるエネルギーが少ない。このため、初回パルスのパワーが小さい。光増幅ファイバ１への励起光パワーの供給と光増幅ファイバ１からの光エネルギーの放出とが繰り返されるうちに、光増幅ファイバ１に蓄積されるエネルギーが増加してほぼ一定のレベルに達する。これにより、パルスのパワーが安定化する。
【００４４】
逆に、予備励起期間における励起ＬＤ電流が大きい場合には、予備励起期間の間に光ファイバ内に蓄積されたエネルギーが大きくなる。このため、初回パルスのパワーが大きくなる。この場合、光増幅ファイバ１への励起光パワーの供給と光増幅ファイバ１からの光エネルギーの放出とが繰り返されるうちに、光増幅ファイバ１に蓄積されるエネルギーが減少してほぼ一定のレベルに達する。これにより、パルスのパワーが安定化する。
【００４５】
図４に示されるように、予備励起期間における励起光のパワー（励起ＬＤ電流）が適切でない場合には、初回パルスのパワーと一定時間経過後のパルスのパワーとの間に差が生じる。このようなパワーの差によって加工品質の低下といった問題が発生する。
【００４６】
図５は、実施の形態１に従うパルスのパワーの安定化の原理を説明した波形図である。図５を参照して、実施の形態１では、初回パルスのピークパワーと最終パルスのピークパワーとが比較される。それらの比較結果が、予備励起期間の間の励起ＬＤのバイアス電流値にフィードバックされて、初回パルスのパワーと最終パルスのパワーとの差分を０に近づける。これによって、初回パルスから、安定したレーザ出力を得ることができる。図１に示されるように、パルスのピークパワーは受光素子１５および波高値検出器１６によって検出される。
【００４７】
図６は、パルスのピークパワーを検出するための具体的な構成例を示したブロック図である。図６を参照して、波高値検出器１６は、電流／電圧変換回路３１と、積分回路３２と、ＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）３３と、ＡＤ変換回路３４とを含む。また、制御装置２０は、信号処理回路４０と、メモリ４１とを含む。
【００４８】
受光素子１５は、光パルスを受光して、その光パルスを電流信号に変換する。電流／電圧変換回路３１は、受光素子１５から出力される電流を電圧に変換する。積分回路３２は、電流／電圧変換回路３１の出力電圧を積分する。
【００４９】
図３に示すように、この実施の形態では、複数の短パルス（たとえば時間幅がｎｓのオーダー）からなるパルス群を発生させる。積分回路３２は、所定の時定数で複数の短パルスの波形を積分する。これによってパルス群に含まれる短パルスの個数に依存した振幅の変化を低減することができ、１つのパルス群におけるピークパワー（振幅）を得ることができる。
【００５０】
ＰＧＡ３３は、積分回路３２から出力された信号を増幅する。ＰＧＡ３３のゲインは、信号処理回路４０からのゲイン設定信号によって設定される。繰り返し周波数が高くなるほど１つのパルス群におけるピークパワー（振幅）が低下するので、繰り返し周波数に応じてゲインが高くなるようにＰＧＡ３３のゲインが調整される。さらに、ＡＤ変換回路３４に入力される信号の振幅がＡＤ変換回路３４のダイナミックレンジ内となるように、ＰＧＡ３３のゲインが設定される。
【００５１】
ＡＤ変換回路３４は、たとえば高速ＡＤ変換回路によって実現され、ＰＧＡ３３から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換回路３４によるＡＤ変換のタイミングは、信号処理回路４０からの制御信号によって制御される。具体的には、レーザ発光の開始から所定の遅延時間が経過した後に、ＰＧＡ３３からの信号がＡＤ変換される。パルス群のパワーのピーク付近においてＡＤ変換回路３４がＡＤ変換を行なうように遅延時間が決定される。これにより、パルス群のピークパワー、すなわち波高値が取得される。この遅延時間は、たとえば繰り返し周波数および、積分回路３２による信号の積分の時定数などを考慮して決定される。ＡＤ変換回路３４により取得された波高値は、ＡＤ変換回路３４から信号処理回路４０に送られる。
【００５２】
信号処理回路４０は、初回パルスと最終パルスとで波高値を比較する。初回パルスの波高値が最終パルスの波高値よりも高い場合、信号処理回路４０は、予備励起期間における励起ＬＤのバイアス電流値を低下させるための信号を生成し、予備励起期間に、その信号をドライバ２２に与える。逆に、初回パルスの波高値が最終パルスの波高値よりも低い場合、信号処理回路４０は、予備励起期間における励起ＬＤのバイアス電流値を上昇させるための信号を生成し、予備励起期間に、その信号をドライバ２２に与える。ドライバ２２は、信号処理回路４０からの信号によって、予備励起期間における励起ＬＤ３のバイアス電流値を低下あるいは上昇させる。これにより励起ＬＤ３からの励起光のパワーが変化する。
【００５３】
メモリ４１は、たとえば不揮発性のメモリによって実現され、レーザ条件ごとに励起ＬＤ３のバイアス電流値の最適値を保存する。さらに、信号処理回路４０による励起ＬＤ３のバイアス電流の調整結果に応じて、メモリ４１に記憶された最適値が更新される。
【００５４】
図７は、実施の形態１によるレーザ加工装置の起動時の処理を説明するためのフローチャートである。図７を参照して、ステップＳ１において、レーザ加工装置１００の電源がオンされる。これにより、制御装置２０、ドライバ２１，２２等の各種の電気回路が起動される。
【００５５】
ステップＳ２において、制御装置２０の内部でレーザ発光条件が設定される。たとえば信号処理回路４０は、メモリ４１に記憶されたテーブルを参照して、デフォルトの条件を設定する。これにより、パルスの繰り返し周波数、予備励起期間および本励起期間における励起ＬＤのバイアス電流値などが決定される。
【００５６】
ステップＳ３において、レーザ発光が行なわれる。具体的には、制御装置２０は、ステップＳ２の処理で設定された条件に従ってドライバ２１，２２を制御する。ドライバ２１，２２は、シードＬＤ２および励起ＬＤ３をそれぞれ駆動する。これによりシードＬＤ２からのシード光と励起ＬＤ３からの励起光とが光増幅ファイバ１に入力されて、光増幅ファイバ１からレーザ光パルスが出力される。
【００５７】
光増幅ファイバ１から出力されたレーザ光パルスは、ビームスプリッタ１３で分割される。一方のレーザ光パルスは受光素子１５に入力され、波高値検出器１６によって、その波高値が検出される。なお、シャッタ１９は、制御装置２０によって閉じられている。したがって、他方のレーザ光パルスは、シャッタ１９によってレーザビーム走査機構１４へは出射されない。
【００５８】
次にステップＳ４において、制御装置２０は、受光素子１５および波高値検出器１６を介して、初回パルスと最終パルスとを検出する。続いてステップＳ５において、制御装置２０は、初回パルスと最終パルスとでピーク値が同じかどうかを判定する。なお「ピーク値が同じである」との判定基準は、２つのピーク値が一致する場合を含むが、これに限定されない。たとえば、２つのピーク値の比率が予め定められた範囲内にある場合に、「ピーク値が同じである」と判定されてもよい。
【００５９】
初回パルスと最終パルスとでピーク値が異なると判定された場合（ステップＳ５においてＮＯ）、処理はステップＳ９に進む。ステップＳ９において、制御装置２０（信号処理回路４０）は、予備励起期間における励起ＬＤ３のバイアス電流を調整する。初回パルスのピーク値が最終パルスのピーク値よりも大きい場合には、制御装置２０は、予備励起期間における励起ＬＤ３のバイアス電流を低下させる。一方、初回パルスのピーク値が最終パルスのピーク値よりも小さい場合には、制御装置２０は、予備励起期間における励起ＬＤ３のバイアス電流を増加させる。
【００６０】
ステップＳ９の処理が終了すると、全体の処理はステップＳ３に戻される。すなわち、初回パルスと最終パルスとでピーク値が同じであると判定されるまで、１つのレーザ条件に対応する励起ＬＤ３のバイアス電流が調整される。
【００６１】
一方、初回パルスと最終パルスとでピーク値が同じであると判定された場合（ステップＳ５においてＹＥＳ）、処理はステップＳ６に進む。ステップＳ６において、制御装置２０は、設定レーザ条件に対応する励起ＬＤ３のバイアス電流値をメモリ４１に保存する。これにより、あるレーザ条件に対して、初回パルスと最終パルスとでピーク値を同じにするための励起ＬＤ３のバイアス電流値（予備励起期間におけるバイアス電流値）が決定される。
【００６２】
続いて制御装置２０は、全てのレーザ条件に対して励起ＬＤ３のバイアス電流値が求められたかどうかを判定する。バイアス電流値が決定されていないレーザ条件がある場合（ステップＳ７においてＮＯ）、処理はステップＳ８に進む。ステップＳ８において、信号処理回路４０は、次のレーザ条件を選択する。ステップＳ８の処理が終了すると、全体の処理はステップＳ２に戻される。
【００６３】
一方、全てのレーザ条件に対して励起ＬＤ３のバイアス電流値が求められたと判定された場合（ステップＳ７においてＹＥＳ）、処理はＳ１１（図９参照）に進む。
【００６４】
図８は、バイアス電流値の最適値の保存形式を模式的に示した図である。図８を参照して、励起ＬＤ３のバイアス電流の最適値が、テーブル形式でメモリ４１に保存される。具体的には、パルス群の繰り返し周波数の範囲（一例を示すと１００ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚ）と、１つのパルス群に含まれるパルスの数との組み合わせに対応した最適値がテーブルに格納される。
【００６５】
たとえば、ある１つのレーザ条件に対応するバイアス電流値がデフォルトの条件として予め定められる。他のレーザ条件に対応するバイアス電流値は、そのデフォルトの電流値に対する差分として、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ９の処理により決定される。なお、最適値の保存形式はテーブル形式に限定されず、たとえばデータベース形式であってもよい。さらに、本励起期間における励起ＬＤ３のバイアス電流値を、図８に示すようなテーブル形式によってメモリ４１に保存してもよい。
【００６６】
図９は、実施の形態１によるレーザ加工装置の起動後の処理を説明するためのフローチャートである。なお「起動後」とは、レーザ加工装置の運転時に対応する。図９を参照して、ステップＳ１１において、制御装置２０（信号処理回路４０）は、レーザ発光条件に応じてバイアス電流値を設定する。レーザ発光条件は、たとえば入力部２５（図１）を介してユーザから入力された情報に基づき、図８に示されたテーブルを参照して決定される。レーザ発光条件は、繰り返し周波数、パルス群に含まれるパルスの数などを含むがこれらに限定されるものではない。この処理によって、本励起期間および予備励起期間の各々における励起ＬＤ３のバイアス電流値が決定される。なお、レーザ加工装置の運転時には、制御装置２０によってシャッタ１９が開放される。
【００６７】
ステップＳ１２において、レーザ発光が開始される。制御装置２０は、ステップＳ１１の処理によって設定された、本励起期間のバイアス電流値および予備励起期間のバイアス電流値をドライバ２２に与える。ドライバ２２は、そのバイアス電流値に従う電流を励起ＬＤ３に供給する。
【００６８】
ステップＳ１３において、制御装置２０は、バイアス電流のフィードバック制御を実行する。具体的には制御装置２０は、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ９の処理と同様の処理を実行する。これにより、レーザ加工装置の動作中に、初回パルスと最終パルスとでピーク値が同じとなるように、励起ＬＤ３の予備励起期間のバイアス電流を調整することができる。ステップＳ１４において、レーザ発光が終了する。
【００６９】
ステップＳ１５において、制御装置２０は、レーザ発光条件の変更があるかどうかを判定する。たとえば加工条件が変更された場合にレーザ発光条件の変更があると判定される。この場合（ステップＳ１５においてＹＥＳ）、処理はステップＳ１１に戻る。一方、レーザ発光条件の変更がない場合（ステップＳ１５においてＮＯ）、処理はステップＳ１２に戻される。
【００７０】
なお、図７に示された処理では、レーザ加工装置の起動時に全レーザ条件に対する励起ＬＤ３のバイアス電流の最適値が決定される。ただし、初回パルスと最終パルスとのピーク値のばらつきが許容範囲であることが確保される場合には、テーブルに格納されたバイアス電流の最適値の一部あるいは全てが固定値であってもよい。これらの場合には、起動時に最適バイアス電流値を求めるための処理を簡略化あるいは省略することができる。これによって、たとえば起動時間を短縮することが可能になる。
【００７１】
さらに、実施の形態１では、起動後におけるバイアス電流のフィードバック制御により、あるレーザ条件に対応するバイアス電流の最適値を調整する。レーザ条件が変更された場合、変更後のレーザ条件に対応する最適バイアス電流は、変更前のレーザ条件に対応する最適バイアス電流の調整分が反映される（調整分が加算あるいは減算される）。励起ＬＤ３の温度特性により、レーザ加工装置の運転中に最適バイアス電流が調整される可能性がある。上記のようなバイアス電流の調整によって、励起ＬＤ３の温度特性を考慮した最適バイアス電流を得ることができる。
【００７２】
たとえば第１のレーザ条件での起動時のバイアス電流が１０であり、第２のレーザ条件でのバイアス電流が、第１のレーザ条件でのバイアス電流に対して＋５異なるよう設定されていたとする。したがって、第２のレーザ条件での起動時のバイアス電流は１５である。第１のレーザ条件でレーザ加工装置を運転している間に、励起ＬＤのバイアス電流が１１０から１１に変化したとする。第１のレーザ条件から第２のレーザ条件に変更された場合、バイアス電流は、１１＋５＝１６となる。すなわち変更後のレーザ条件に対応するバイアス電流は、変更前のレーザ条件の対応するバイアス電流と相対的に変化する。なお、これらの数値は、説明のために用いられたものであって、本発明を限定するものではない。
【００７３】
図１０は、繰り返し周波数を高くするとともにパルス群中のパルス数を増やした場合のレーザ出力を示す波形図である。図１０（ａ）は、実施の形態１に従うフィードバック制御が実行されない場合のレーザ出力の波形図である。図１０（ｂ）は、実施の形態１に従うフィードバック制御が実行された場合におけるレーザ出力を示す波形図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）を参照して、実施の形態１に従うフィードバック制御によって、レーザ条件変更前後でのバイアス電流値の差分が、フィードバック制御によって加算あるいは減算される。これにより、レーザ条件が変更された場合にも、初回パルスと最終パルスとでピーク値を等しくすることができる。
【００７４】
図１１は、繰り返し周波数を低下させるとともにパルス群中のパルス数を減少させた場合のレーザ出力を示す波形図である。図１１（ａ）は、実施の形態１に従うフィードバック制御が実行されない場合におけるレーザ出力を示す波形図である。図１１（ｂ）は、実施の形態１に従うフィードバック制御が実行された場合におけるレーザ出力を示す波形図である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）を参照して、実施の形態１に従うフィードバック制御によって、レーザ条件変更前後でのバイアス電流値の差分が、フィードバック制御によって加算あるいは減算される。これにより、レーザ条件が変更された場合にも、初回パルスと最終パルスとでピーク値を等しくすることができる。
【００７５】
このように実施の形態１では、初回パルスから安定したパワーが得られるように、レーザ発光前に光増幅ファイバ１の予備励起が行なわれる。さらに実施の形態１では、パルス（パルス群）ごとに波高値が測定され、その測定結果に基づいて、初回パルスと最終パルスとでピーク値が同じになるように励起ＬＤ３のバイアス電流値が調整される。これにより、初回パルスから安定したレーザ出力を得ることができる。したがって実施の形態１によれば高品質な加工を行なうことができる。
【００７６】
さらに実施の形態１によれば、レーザ加工装置の起動時に、レーザ条件ごとにバイアス電流値の最適値が設定され、その最適値がテーブルによって保持される。これによりレーザ条件に応じて、予備励起期間における励起光のパワーを変化させることが可能になる。
【００７７】
さらに実施の形態１によれば、レーザ加工装置の動作中にも、フィードバック制御によってバイアス電流値の最適値を設定する。これにより、レーザ条件が変更されても、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００７８】
実施の形態１によれば、レーザ加工装置の起動時および動作時にフィードバック制御によってバイアス電流の最適値が設定されるため、構成部品の性能ばらつきに起因するレーザ出力パワーのばらつきを抑制できるだけでなく、構成部品の性能の温度特性に起因するレーザ出力パワーのばらつきも抑制できる。したがって、テーブルを準備するために、バイアス電流値の最適値をレーザ加工装置ごとに測定しなくてもよい。また、温度特定を考慮したテーブルを準備しなくてもよい。これにより、レーザ加工装置のコストの上昇を抑えることができる。
【００７９】
［実施の形態２］
図１２は、実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成図である。図１２を参照して、レーザ加工装置１０１は、２段のファイバ増幅器により構成された光増幅器を備える。この点において実施の形態２に係るレーザ加工装置は実施の形態１に係るレーザ加工装置と異なる。図１および図１２を参照して、レーザ加工装置１０１は、カプラ７と、光増幅ファイバ８と、励起ＬＤ９Ａ，９Ｂと、コンバイナ１０と、アイソレータ１１と、受光素子１７と、波高値検出器１８と、ドライバ２３とをさらに備える点においてレーザ加工装置１００と異なる。
【００８０】
カプラ７は、光増幅ファイバ１からアイソレータ６を介して出力された光パルスを、コンバイナ１０に送られる光パルスと、受光素子１７に送られる光パルスとに分配する。コンバイナ１０は、カプラ７からのレーザ光と、励起ＬＤ９Ａ，９Ｂからのレーザ光とを結合して光増幅ファイバ８に入射させる。
【００８１】
励起ＬＤ９Ａ，９Ｂはドライバ２３により駆動される。ドライバ２３は制御装置２０によって制御される。光増幅ファイバ８は、カプラ７からのレーザ光を励起ＬＤ９Ａ，９Ｂからのレーザ光によって増幅する。すなわちカプラ７からのレーザ光はシード光であり、励起ＬＤ９Ａ，９Ｂからのレーザ光は励起光である。励起ＬＤ９Ａ，９Ｂから発せられる励起光のパワーは予備励起期間において小さくなり、本励起期間において大きくなる。
【００８２】
アイソレータ１１は、光増幅ファイバ８から出力されるレーザ光を通過させるとともに、光増幅ファイバ８に戻るレーザ光を遮断する。
【００８３】
受光素子１７は、カプラ７からの光パルスを受けて、その光パルスの強度を示す信号を出力する。波高値検出器１８は、受光素子１７からの信号により、光パルスの波高値を検出する。波高値検出器１８によって検出された波高値は、制御装置２０に送られる。
【００８４】
受光素子１７および波高値検出器１８の構成は、受光素子１５および波高値検出器１６の構成とそれぞれ同様である。実施の形態２では、光増幅ファイバ１から出力される光パルスの波高値が受光素子１７および波高値検出器１８によって検出され、光増幅ファイバ８から出力される光パルスの波高値が受光素子１５および波高値検出器１６によって検出される。レーザ加工装置１０１の他の部分の構成はレーザ加工装置１００の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。
【００８５】
実施の形態２によれば、受光素子１７および波高値検出器１８によって検出されたパルスのピーク値に基づいて、制御装置２０は、ドライバ２２を制御する。これにより、光増幅ファイバ１から出射されるパルス群の初回パルスと最終パルスとでピーク値が等しくなるように、光増幅ファイバ１から出射されるパルスを制御できる。さらに、受光素子１５および波高値検出器１６によって検出されたパルスのピーク値に基づいて、制御装置２０は、ドライバ２３を制御する。
【００８６】
これにより、最終の増幅段、すなわち光増幅ファイバ８から出射される複数のパルスのうちの初回パルスと最終パルスとでピーク値が等しくなるように、光増幅ファイバ８から出射されるパルスを制御できる。光増幅ファイバ８から出射されるパルスを制御する方法は実施の形態１に係る制御方法と同じ方法を適用できるので詳細な説明は以後繰り返さない。
【００８７】
このように、実施の形態２によれば、増幅段の数が複数であっても、最終の増幅段から安定したレーザパルス出力を得ることができる。なお、増幅段の数は複数であれば２段に限定されず、３段あるいはそれより大きくてもよい。
【００８８】
また、各増幅段に設けられる励起ＬＤの個数は図１あるいは図１２に示されたように限定されるものではなく、励起ＬＤの個数は任意に設定可能である。
【００８９】
さらに、上記の各実施の形態では、光増幅装置の利用形態の１つとしてレーザ加工装置を開示したが、本発明の実施の形態に係る光増幅装置の用途は、レーザ加工装置に限定されるものではない。
【００９０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９１】
１，８  光増幅ファイバ、１Ｇ  パルス群、１ａ  シード光パルス、２  シードＬＤ、３，９Ａ，９Ｂ  励起ＬＤ、４，６，１１  アイソレータ、５，１０  コンバイナ、７  カプラ、１２  エンドキャップ、１３  ビームスプリッタ、１４  レーザビーム走査機構、１５，１７  受光素子、１６，１８  波高値検出器、１９  シャッタ、２０  制御装置、２１〜２３  ドライバ、２５  入力部、３１  電圧変換回路、３２  積分回路、３３  ＰＧＡ、３４  ＡＤ変換回路、４０  信号処理回路、４１  メモリ、５０  加工対象物、１００，１０１  レーザ加工装置。
【図１】
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【図２】
0005817215.tif 000003
【図３】
0005817215.tif 000004
【図６】
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【図７】
0005817215.tif 000006
【図８】
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【図９】
0005817215.tif 000008
【図１２】
0005817215.tif 000009
【図４】
0005817215.tif 000010
【図５】
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【図１０】
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【図１１】
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