(57)【要約】  ファイバレーザで発生したレーザパルスを使用する材料加工のための方法及び装置において、レーザビーム（Ｌ）の光路中に設置した光学的開閉要素（１６）を、早くとも、レーザビーム（Ｌ）の出力（Ｐ）が予め決められた値を下回ってから閉成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバレーザ（２）で発生したパルスレーザビーム（Ｌ）による材料加工方法であって、
前記レーザビーム（Ｌ）の光路中に設置した光学的開閉要素（１６）を、早くとも前記レーザビーム（Ｌ）の出力（Ｐ）が予め決められた値を下回ってから閉成する、方法。
【請求項２】
前記レーザビーム（Ｌ）の出力（Ｐ）が、早くとも、パルス期間中にｃｗ動作に達したときに生じるｃｗ出力（Ｐcw）へ下降するときに、前記光学的開閉要素（１６）を閉成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザビーム（Ｌ）の出力（Ｐ）が前記ｃｗ出力（Ｐｃｗ）を５０％上回る値以下で、前記光学的開閉要素（１６）を閉成する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザビーム（Ｌ）の出力（Ｐ）が前記ｃｗ出力（Ｐcw）を１０％上回る値以下で、前記光学的開閉要素（１６）を閉成する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザビーム（Ｌ）の出力（Ｐ）と相関する測定値（Ｍ）を取得し、前記光学的開閉要素（１６）の制御に使用する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
ファイバレーザ（２）で発生したパルスレーザビーム（Ｌ）により材料加工を行う装置であって、
前記ファイバレーザ（２）のレーザファイバ（４）を励起するダイオードレーザ（６）と、
前記ダイオードレーザ（６）に電流パルス（Ｉ）を供給する可制御電流源（１２）と、
前記レーザビーム（Ｌ）の光路中に設置された光学的開閉要素（１６）と、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法を実行する制御ユニット（１４）と、
を備えた装置。
【請求項７】
前記レーザビーム（Ｌ）の出力（Ｐ）と相関する測定値（Ｍ）を得るビームセンサ（１８）を備え、
前記制御ユニット（１４）が請求項５に記載の方法を実行する、
請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記光学的開閉要素（１６）が前記レーザファイバ（４）に組み込まれている、請求項６又は請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザで発生したパルスレーザビームによる材料加工方法に関する。本発明はさらに、本方法の実施に適した装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームによる材料加工では、コンパクトな構造、高効率、及び発生したレーザビームの高いビーム品質から、ファイバレーザが多用されている。しかし、特に、材料をパルスレーザビームで溶融する用途では、一連の製造技術において問題が生じている。すなわち、例えば金属又はセラミックの無機性の粉、あるいは有機性の粉の完全溶融及び部分溶融に際して、鋳巣や密度のより低い箇所といった形態の多くの欠陥が生じる。溶接での用途においても不均一な溶接ビードや点溶接での低品質溶接が見られる。
【０００３】
観察されたこれらのマイナス効果の主な原因は、特にｃｗ（連続波）ファイバレーザや高速変調のゲインスイッチファイバレーザのスタート時に際立って現れる初期の緩和時間パルス、又は、その出力がｃｗ公称出力の数倍に達することがあるピークパルスである。図１のグラフにおける曲線ａは、励起光源として使用されているダイオードレーザが曲線ｂで示す電流パルスＩで制御された場合における、ファイバレーザから発生するレーザビームの出力Ｐの典型的な時間経過を示す。このグラフから、レーザ放出の開始が電流パルスＩの開始に対して時間ｔｄだけ遅延していることが分かる。その後、出力Ｐは急速にピーク値Ｐpeakまで上昇し、この短時間の上昇後、緩和時間パルスにおける最大出力Ｐpeakの例えば２０％ほどしかないｃｗ出力Ｐcwに収束する。緩和時間パルスの遅延時間ｔｄ、最大値Ｐpeak及び幅ｔｗは、具体的にパルス周波数、パルス幅及び目標とするｃｗ出力Ｐcwに依存する。
【０００４】
このために特許文献１に、励起光源として使用してあるダイオードレーザに供給する電流パルスの制御により、上記緩和時間パルスを抑制することが提案されている。当手法は、励起光源として使用してあるダイオードレーザに供給する電流パルスをその頭の期間において低い初期値に制御し、この初期値によって、レーザ出力を少なくとも緩和時間パルスの発生が抑制される程度の低い値とする。続く第２の期間において当該電流パルスは、目標の最終値を得るべく制御される。目標とするレーザ出力の最終値に応じて、頭の期間におけるレーザ出力と該期間の長さを適切に選択することにより、緩和時間パルスの出現を回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２１３６４３９号（ＥＰ２１３６４３９Ａ２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、上述した不利な効果を極力回避できるようにした、ファイバレーザで発生したパルスレーザビームによる材料加工方法を提供することにある。さらに、この方法を実施するための装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
方法に関する本発明の上記課題は、請求項１の特徴を有する方法により解決される。この方法によれば、レーザビーム（Ｌ）の光路中に設置された光学的開閉要素（１６）が、早くとも、レーザビーム（Ｌ）の出力（Ｐ）が予め決められた値を下回ってから閉成される。
【０００８】
この予め決める値を適切に選ぶことによって、材料加工は、緩和時間ピークの出現時に、早くとも上述の不利益を生じない値まで出力が低下してから、開始される。この制御により、材料の完全溶融又は部分溶融が加工工程の重要な要素である材料加工において、加工の成果が著しく改善される。
【０００９】
光学的開閉要素の閉成とは、当光学的開閉要素がレーザビームを伝送する状態になることを意味する。
【００１０】
上記予め決められた値は、緩和時間パルスの期間中にｃｗ動作へ達した時に発生されるｃｗ出力の２倍に設定すると、前述の不利益を確実に回避できる。
【００１１】
緩和時間パルスの初期に出現する最大出力とこれに続いて生じるｃｗ出力との差が小さければ小さいほど、達成される加工の成果は良好になるので、本発明の好ましい態様では、光学的開閉要素を閉成したときのレーザビームの出力が最大で５０％、好ましくは、最大で１０％、ｃｗ出力を上回るような構成とする。
【００１２】
このようなレーザビーム出力と相関する測定値を取得して光学的開閉要素の制御に使用すれば、ファイバレーザのスイッチ投入動作及び光学的開閉要素の開閉動作を決定する校正用測定及び場合によっては閉成時点を決定するために定期的な時間間隔で実施しなければならないチェック用測定を、省くことができる。
【００１３】
装置に関する上記課題は、請求項１に係る特徴に対応している請求項６の特徴により解決される。
【００１４】
本発明のさらなる説明のために、図示した実施形態を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】光励起に使用されるダイオードレーザの制御用電流パルスＩを任意単位（ｗ．Ｅ．）で、且つこの電流で光励起されるファイバレーザの出力Ｐ（Ｗ）を、時間ｔ（μｓ）に対してプロットした、従来技術に係るダイアグラム。
【図２】本発明による方法を実施するのに適したレーザ設備の模式図。
【図３】図１同様にファイバレーザ出力Ｐ（Ｗ）と電流パルスＩ（ｗ．Ｅ．）を時間ｔ（μｓ）に対してプロットしたダイアグラムであり、ここでは初期の緩和時間ピークが光学的開閉要素の働きによりブロックされている。
【図４】本発明による方法を実施するのに適したレーザ設備のより有益な実施形態であり、このレーザ設備では、出力と相関する測定値を得るためにレーザビームの光路中にビームセンサが設置されている。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図２を参照すると、レーザ設備はファイバレーザ２を含み、このファイバレーザ２のレーザファイバ４は、ダイオードレーザ６により光励起される。通常は複数の個別エミッタをもつデバイスであるダイオードレーザ６から放射された励起光Ａ（励起レーザパルス）は、レーザファイバ４に沿って配置された励起ファイバに、すなわちレーザファイバ４のクラッドに入射し、そこからレーザ活性なファイバコアに到達する。レーザファイバ４により生成されたレーザビームＬは、シンボル的に見やすく描写したマッピング・ビーム案内装置８によって被加工材料１０にフォーカスされる。ダイオードレーザ６は、制御可能な電流源１２から電流パルスＩの供給を受ける。この電流源１２は、中央制御ユニット１４から制御信号Ｓ１で制御され、電流パルスＩの高さと期間に加えてそのパルス形状も可変制御可能である。この制御ユニット１４は、他の制御信号Ｓ２，Ｓ３により被加工材料１０とレーザビームＬとの相対移動を制御し、加工工程のためのその他の複数のプロセスパラメータを制御する。
【００１７】
レーザファイバ４に対して、制御ユニット１４により制御される、例えば、光スイッチ、開閉可能なアブソーバ、又は開閉可能なリフレクタである光学的開閉要素１６が後置されている。この光学的開閉要素１６は、初期緩和時間パルスが減衰し、レーザビームＬの出力が予め決められた値を下回ってから、すなわち遅延時間Ｔｄ後に初めて閉成され、これによりレーザビームＬが被加工材料１０に向けて伝送される。この閉成を決める値は、材料加工の方法、被加工材料及び加工のための目標出力に依存し、用途に応じて実験的に求める。この値が決められることにより、ダイオードレーザ６は、緩和時間パルスの出現を避けられない矩形の電流パルスＩで制御することができる。発生する緩和時間パルスは、少なくとも部分的に光学的にブロックされ、被加工材料へ達しないからである。
【００１８】
このことが図３のダイアグラムに示されている。レーザファイバ４がほぼ一定の出力Ｐcwになるｃｗ動作に移行してから光学的開閉要素１６が閉成することにより、曲線ａで示す材料加工レーザパルスがオーバーシュートをもたないように、遅延時間Ｔｄは決められる。曲線ｂで示す矩形の電流パルスＩのパルス期間Ｔｃは遅延時間Ｔｄよりも長く、その結果、加工プロセスのために目標とされる又は必要なレーザパルスのパルス期間Ｔｐを得ることができる。
【００１９】
本実施形態においてダイオードレーザ６の制御のために使用される電流パルスで例示したファイバレーザの諸制御パラメータ又は光学的開閉要素１６の開閉挙動は、使用されるファイバレーザごとのスイッチオン挙動に依存し、少なくとも各ファイバレーザタイプに対して事前に測定によって求め、制御ユニット１４に記憶する。
【００２０】
図４に示す実施形態においては、ファイバレーザ出力Ｌと相関する測定値が得られ、電流パルスの制御パラメータ又は光学的開閉要素１６の開閉時点に関する、上記の事前校正又は定期的なチェック計測及び更新を不要とできる。測定値を得るために、例えば、レーザビームＬの一部が反射により取り出され、この取り出したレーザビームの一部がビームセンサ１８で検出される。ビームセンサ１８による測定信号Ｍは中央制御ユニット１４に送られる。この測定信号Ｍから光学的開閉要素１６を制御するための制御信号Ｓ１が導出される。例えば、制御ユニット１４において、緩和時間パルスの出力が予め決められた値、例えば該出力の最大値に対する所定％値、へ低下したことが確認されたならば、光学的開閉要素１６が閉成される。予め決められた値を、目標ｃｗ出力の２倍以下、好ましくは１．５倍以下、最適には１．１倍以下とすると、あるいは、ｃｗ平坦域への到達が確認されたときに閉成とすると、再現性のよい加工成果を得ることができる。
【００２１】
このような好ましい最小遅延時間Ｔd,minが図３のダイアグラムに示されている。本例の場合、緩和時間パルスの出力Ｐが、約２００Ｗであるｃｗ出力の２倍まで減衰して約４００Ｗに達した時に、光学的開閉要素１６の閉成が命じられる。緩和時間ピークにより現れる初期オーバーシュートの途中にある出力Ｐ、すなわち、光学的開閉要素１６の閉成を早めにトリガー（命令）したトリガー時点において未だ減衰勾配中の出力Ｐが、ｃｗ出力Ｐcwの２倍を超えなければ、実際に十分な効果を得られることが分かっている。
【００２２】
例示したダイアグラムにおいては、ｃｗ動作中の出力が一定である矩形レーザパルスが示されている。しかし、ｃｗ動作中の出力が一定ではなく、例えば変調されているパルス形状も可能である。
【００２３】
上記実施形態では、光学的開閉要素１６がレーザファイバ４の外部に配置されている。しかし、光学的開閉要素１６は、レーザファイバ４の内部に組み込むことも可能である。
【符号の説明】
【００２４】
２  ファイバレーザ
４  レーザファイバ
６  ダイオードレーザ
１０  被加工材料
１４  中央制御ユニット
１６  光学的開閉要素
１８  ビームセンサ
Ｌ  レーザビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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