(57)【要約】【課題】簡易小型でメンテナンス性にすぐれ、レーザ加工に適う高出力のファイバレーザ光を簡便に得ること。【解決手段】このファイバレーザ加工装置は、ファイバレーザ発振器１０、レーザ電源部１２、レーザ入射部１４、ファイバ伝送系１６、レーザ出射部１８および加工テーブル２０等から構成される。ファイバレーザ発振器１０は、発振用の光ファイバ２２と、この発振ファイバ２２の一端面にポンピング用の励起光ＭＢを照射する電気光学励起部２４と、発振ファイバ２２を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー２６，２８とを有している。発振用光ファイバ２２は、その中心軸上に延びるコアと、このコアを取り囲むクラッドと、このクラッドを取り囲む空気層と、この空気層を取り囲んで保持する保持部とを有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光元素を含むコアと、このコアを取り囲むクラッドと、このクラッドを取り囲む気体層と、この気体層を取り囲んで保持する保持部とを有する発振用の光ファイバと、
前記発振用光ファイバのコアを励起するための励起光を発生する励起光源と、
前記励起光源からの励起光を集光して前記発振用光ファイバの一端面または両端面に入射させる光学レンズと、
前記発振用光ファイバより生成された前記レーザ光を被加工物の加工点に向けて集光照射するレーザ出射部と
を有するファイバレーザ加工装置。
【請求項２】
前記コアが、発光元素として希土類元素のイオンをドープした石英ガラスからなる請求項１に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項３】
前記クラッドが、石英ガラスからなる請求項１または請求項２に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項４】
前記気体層が、前記クラッドと同一または近似した屈折率を有する材質からなる中空ファイバを円周方向に密に並べて構成される請求項１〜３のいずれか一項に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項５】
前記中空ファイバの材質が石英である請求項４に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項６】
前記コアより生成される所定波長の発振光線を共振増幅するための光共振器を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項７】
前記光共振器が、前記光学レンズを介して前記発振用光ファイバの端面と対向する反射ミラーを有する請求項６に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項８】
前記光学レンズが、前記発振用光ファイバの端面より放出されてきた発振光線を平行光にコリメートし、前記反射ミラーで反射して戻ってきた発振光線を前記発振用光ファイバの端面に集光させる請求項７に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項９】
前記励起光源がレーザダイオードからなる請求項１〜８のいずれか一項に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記レーザ光のレーザ出力について所望の基準値または基準波形を設定する設定部と、
前記発振用の光ファイバより発振出力された前記レーザ光のレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、
前記レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が前記基準値または基準波形に一致するように前記励起光源を駆動するレーザ電源部と
を有する請求項１〜９のいずれか一項に記載のファイバレーザ加工装置。
【請求項１１】
前記発振用光ファイバより生成された前記レーザ光を前記レーザ出射部まで伝送するための伝送用光ファイバを有する請求項１〜１０のいずれか一項に記載のファイバレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はファイバレーザを用いてレーザ加工を行うファイバレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
従来のファイバレーザ加工装置は、インナークラッドとアウタークラッドの２層クラッド構造を有するダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ）を発振用の光ファイバに使用し、励起光を両クラッド間の境界面における全反射によってインナークラッドの中に閉じ込めながら軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切らせることでコア中の励起元素を光励起し、コアの端面より軸方向に所定波長の発振光線ないしファイバレーザ光を取り出すようにしている。また、励起光源にはレーザダイオード（ＬＤ）を使用しており、ＬＤの励起用レーザ光を光学レンズに通してＤＣＦの端面に集光入射させる構成となっている。
【０００４】
上記のようなＬＤ端面励起方式のＤＣＦレーザの他に、発振用光ファイバの側面から多数本の光ガイド（たとえば光ファイバ）を枝状に分岐させて各ガイドの先端に励起用ＬＤを一体に結合した構成のいわゆるピグテール方式のファイバレーザも従来のファイバレーザ加工装置で使われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、ファイバレーザの励起光には小型軽量で発光効率の高いＬＤのレーザ光が用いられている。しかしながら、ＬＤ光はビームモードや集光性などの面でビーム品質がよくない。このため、従来のファイバレーザ加工装置におけるＬＤ端面励起方式のＤＣＦレーザは、励起用ＬＤとＤＣＦ間の光学的なカップリング効率が低く、高出力のファイバレーザ光を得るのが難しかった。一方、ピグテール方式は、励起用ＬＤのレーザ光を発振用光ファイバに光ガイド（分岐ファイバ）を介して供給するのでカップリング効率ないし励起効率が高く、高出力のファイバレーザ光を比較的容易に得られる反面、励起部（光ガイドおよび励起用ＬＤ）が煩雑で嵩張るうえ発振用光ファイバに物理的に一体結合されているため、各部（特に励起用ＬＤ）のメンテナンスや修理が難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、簡易小型の構成でメンテナンス性にすぐれたファイバレーザを搭載し、しかもレーザ加工に適う高出力のファイバレーザ光を簡便に得ることができるファイバレーザ加工装置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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明のファイバレーザ加工装置は、発光元素を含むコアと、このコアを取り囲むクラッドと、このクラッドを取り囲む気体層と、この気体層を取り囲んで保持する保持部とを有する発振用の光ファイバと、前記発振用光ファイバのコアを励起するための励起光を発生する励起光源と、前記励起光源からの励起光を集光して前記発振用光ファイバの一端面または両端面に入射させる光学レンズと、前記発振用光ファイバより生成されたファイバレーザ光を被加工物の加工点に向けて集光照射するレーザ出射部とを有する。
【０００８】
本発明は、発振用光ファイバを励起するために、励起部の簡易小型化が図れ、かつメンテナンス性にすぐれた端面励起方式を用いる。すなわち、励起光源からの励起光が光学レンズを介し発振用光ファイバの端面に集光入射され、発振用光ファイバ内で励起光がクラッドと空気層との境界面で全反射を繰り返しながら、クラッド内を軸方向に伝搬する。かかる端面励起方式において、発振ファイバが励起光を受け入れられる入射角の最大値または開口数はクラッドの屈折率とクラッドを取り囲む材質の屈折率で規定され、両者の差が相対的に大きいほど開口数が大きく広角度で励起光がクラッドに端面入射する。本発明においては、最小屈折率を有する空気層でクラッドを取り囲む構成により、励起光に対する開口数の大幅アップを図り、高効率のカップリングで励起光を発振用光ファイバに供給することができる。これにより、端面励起方式においてファイバレーザ光の高出力化を容易かつ簡便に実現できるようになり、所望のレーザ溶接加工を良好に行うことができる。
【０００９】
本発明の好適な一態様によれば、コアが発光元素として希土類元素のイオンをドープした石英ガラスからなり、クラッドが石英ガラスからなる。
【００１０】
また、好適な一態様によれば、気体層が、クラッドと同一または近似した屈折率を有する材質からなる中空ファイバを円周方向に密に並べて構成される。クラッドが石英ガラスの場合は、中空ファイバの材質も石英とするのが好ましい。
【００１１】
また、好適な一態様によれば、コアより生成される所定波長の発振光線を共振増幅するための光共振器が設けられる。この光共振器は、好適な一態様として、光学レンズを介して発振用光ファイバの端面と対向する反射ミラーで構成される。この場合、光学レンズは、発振用光ファイバの端面より放出されてきた発振光線を平行光にコリメートし、反射ミラーで反射して戻ってきた発振光線を発振用光ファイバの端面に集光させる。
【００１２】
また、好適な一態様によれば、励起光源がレーザダイオードで構成される。レーザダイオードの個数は任意であり、アレイ構造あるいはスタック構造をとることも可能である。
【００１３】
また、好適な一態様として、レーザ光のレーザ出力について所望の基準値または基準波形を設定する設定部と、発振用光ファイバより発振出力されたレーザ光のレーザ出力を測定するレーザ出力測定部と、このレーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値が基準値または基準波形に一致するように励起光源を駆動するレーザ電源部とでリアルタイムのパワーフィードバック制御機構が構成される。励起光源の劣化あるいは波長シフト等が生じても、このパワーフィードバック制御機構の働きにより、ファイバレーザ光のレーザ出力は設定値に保持され、任意の波形制御が設定通りに正確に行われる。
【００１４】
また、好適な一態様によれば、発振用光ファイバより生成されたファイバレーザ光を伝送用光ファイバに通してレーザ出射部まで伝送する。かかる構成においては、ファイバレーザ光のビームモードおよびレーザ出力がいずれも安定しているので、伝送用光ファイバに対する集光性が良く、入射・出射開口数（ＮＡ）も安定するので、高精度かつ高効率のファイバ伝送が可能となり、遠隔レーザ加工の品質を向上させることができる。しかも、発振用光ファイバあるいはファイバレーザ発振器を加工場所から離すことができるので、加工場所で発生する振動、熱、周囲光等の外乱からファイバレーザ発振器を保護することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のファイバレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、簡易小型の構成でメンテナンス性にすぐれ、しかもレーザ加工に適う高出力のファイバレーザ光を簡便に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１に、本発明の一実施形態におけるファイバレーザ加工装置の構成を示す。このファイバレーザ加工装置は、ファイバレーザ発振器１０、レーザ電源部１２、レーザ入射部１４、ファイバ伝送系１６、レーザ出射部１８および加工テーブル２０等から構成される。
【００１８】
ファイバレーザ発振器１０は、発振用の光ファイバ（以下「発振ファイバ」と称する。）２２と、この発振ファイバ２２の一端面にポンピング用の励起光ＭＢを照射する電気光学励起部２４と、発振ファイバ２２を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー２６，２８とを有している。
【００１９】
電気光学励起部２４は、レーザダイオード（ＬＤ）３０および集光用の光学レンズ３２を有している。ＬＤ３０は、レーザ電源部１２からの励起電流ＩLDによって発光駆動され、励起用のレーザ光ＭＢを発振出力する。ＬＤ３０を構成するＬＤ素子の個数は任意であり、アレイ構造あるいはスタック構造をとることも可能である。光学レンズ３２は、ＬＤ３０からの励起用レーザ光ＭＢを発振ファイバ２２の一端面に集光入射させる。ＬＤ３０と光学レンズ３２との間に配置される光共振器ミラー２６は、ＬＤ３０側から入射した励起用レーザ光ＭＢを透過させ、発振ファイバ２２側から入射した発振光線を共振器の光軸上で全反射するように構成されている。
【００２０】
発振ファイバ２２は、後述するように、所定の発光元素をドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝搬光路としている。上記のようにして発振ファイバ２２の一端面に入射した励起レーザ光ＭＢは、クラッド外周境界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ２２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発光元素を光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー２６，２８の間を何度も行き来して共振増幅され、部分反射ミラーからなる片側の光共振器ミラー２８より該所定波長を有するファイバレーザ光ＦＢが取り出される。
【００２１】
なお、光学レンズ３２，３４は、発振ファイバ２２の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして光共振器ミラー２６，２８へ通し、光共振器ミラー２６，２８で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ２２の端面に集光させる。また、発振ファイバ２２を通り抜けた励起用レーザ光ＭＢは、光学レンズ３４および光共振器ミラー２８を透過したのち折り返しミラー３６にて側方のレーザ吸収体３８に向けて折り返される。光共振器ミラー２８より出力されたファイバレーザ光ＦＢは、この折り返しミラー３６をまっすぐ透過し、次いでビームスプリッタ４０を通ってからレーザ入射部１４に入る。
【００２２】
ビームスプリッタ４０は、入射したファイバレーザ光ＦＢの一部（たとえば１％）を所定方向つまりパワーモニタ用の受光素子たとえばフォトダイオード（ＰＤ）４２側へ反射する。フォトダイオード（ＰＤ）４２の正面に、ビームスプリッタ４０からの反射光またはモニタ光ＲFBを集光させる集光レンズ４４が配置されてよい。
【００２３】
フォトダイオード（ＰＤ）４２は、ビームスプリッタ４０からのモニタ光ＲFBを光電変換して、ファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力（ピークパワー）を表す電気信号（レーザ出力測定信号）ＳFBを出力し、この信号ＳFBをレーザ電源部１２に与える。レーザ電源部１２は、フォトダイオード（ＰＤ）４２からのレーザ出力測定信号ＳFBをフィードバック信号として入力し、ファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力がコントロールボード６２より入力されたユーザ所望のレーザ出力設定値または設定波形に一致または追従するようにリアルタイムでＬＤ３０に対する励起電流ＩLDを制御する。このようなリアルタイムのパワーフィードバック制御が働くことにより、ＬＤ３０の劣化あるいは波長シフト等が生じても、ファイバレーザ発振器１０より発振出力されるファイバレーザ光ＦＢのレーザ出力は設定値に保持され、任意の波形制御が設定通りに正確に行われる。
【００２４】
レーザ入射部１４に入ったファイバレーザ光ＦＢは、最初にベントミラー４６で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット４８内で集光レンズ５０により集光されてファイバ伝送系１６の伝送用光ファイバ（以下「伝送ファイバ」と称する。）５２の一端面に入射する。伝送ファイバ５２は、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバからなり、入射ユニット４８内で入射したファイバレーザ光ＦＢをレーザ出射部１８の出射ユニット５４まで伝送する。
【００２５】
出射ユニット５４は、伝送ファイバ５２の終端面より出たファイバレーザ光ＦＢを平行光にコリメートするコリメートレンズ５６と、平行光のファイバレーザ光ＦＢを所定の焦点位置に集光させる集光レンズ５８とを有しており、加工テーブル２０に載置されている被加工物６０の加工点Ｗにファイバレーザ光ＦＢを集光照射する。
【００２６】
たとえばレーザ溶接の場合は、レーザ電源部１２よりパルス波形の励起電流がＬＤ３０に供給されることにより、ファイバレーザ発振器１０内でＬＤ３０よりパルス波形の励起レーザ光ＭＢが発振ファイバ２２に供給され、ファイバレーザ発振器１０よりパルス波形のファイバレーザ光ＦＭが発振出力される。このパルス波形のファイバレーザ光ＦＭが、レーザ入射部１４、ファイバ伝送系１６およびレーザ出射部１８を介して被加工物６０の加工点Ｗに集光照射される。加工点Ｗにおいては、パルス波形のファイバレーザ光ＦＢのエネルギーにより被加工材質が溶融し、パルス照射終了後に凝固してナゲットが形成される。
【００２７】
このファイバレーザ加工装置において、ファイバレーザ発振器１０は、発振ファイバ２２が口径１０μｍ程度、長さ数メートル程度の細長いコアを活性媒体とするため、ビーム径が細くてビーム広がり角の小さなファイバレーザ光ＦＢを発振出力することができる。しかも、発振ファイバ２２の一端面に入射した励起レーザ光ＭＢが発振ファイバ２２の中で数メートルの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、高い発振効率でファイバレーザ光ＦＢを生成することができる。また、ファイバレーザ発振器１０は、発振ファイバ２２のコアが熱レンズ効果を起こさないため、ビームモードが非常に安定している。
【００２８】
さらに、このファイバレーザ加工装置においては、上記のようにＬＤ端面励起方式を採用しているので、励起機構が簡易小型であり、各部（特にＬＤ３０回り）のメンテナンスや修理も簡単に行える。しかも、以下に説明するように、ＬＤ３０と発振ファイバ２２間の光学的なカップリング効率を大幅に向上させており、高エネルギーを必要とするレーザ溶接加工に適う高出力のファイバレーザ光ＦＢを簡便に得ることができるようになっている。
【００２９】
図２に、この実施形態における発振ファイバ２２の構造を示す。この発振ファイバ２２は、その中心軸上に延びるコア６４と、このコア６４を取り囲むクラッド６６と、このクラッド６６を取り囲む空気層６８と、この空気層６８を取り囲んで保持する保持部７０と、この保持部７０を取り囲む被覆７２とを有している。
【００３０】
コア６４は希土類元素イオンたとえばＮｄ3+をドープした石英ガラスからなり、クラッド６６はたとえば石英ガラスからなり、保持部７０はたとえば多成分ガラスまたは樹脂からなり、被覆７２はたとえば樹脂からなる。空気層６８は、クラッド６６と同一または近似した屈折率を有する材質たとえば石英ガラスからなる中空ファイバ７４を円周方向に密に並べて構成されており、各中空ファイバ（石英ガラス）７４はクラッド（石英ガラス）６６と一体化または融合している。中空ファイバ７４の両端面は閉塞され、内部の空気を外気から遮断する構造としてよい。また、通常は中空ファイバ７４内の気体を空気とするが、他の気体たとえばＮ2ガスを封入することも可能である。
【００３１】
図３に、この発振ファイバ２２における光の伝搬の仕組みを示す。ＬＤ３０（図１）からの励起用レーザ光ＭＢは、光学レンズ３２（図１）により集光されて発振ファイバ２２の端面に入射し、クラッド６６と空気層６８との境界面７６で全反射を繰り返しながら、クラッド６６内を軸方向に伝搬する。ここで、クラッド６６の屈折率をｎ1、空気層６８の屈折率をｎ2、発振ファイバ２２が励起用レーザ光ＭＢを受け入れられる入射角の最大値をθA、開口数をＮＡとすると、たとえばＮＡ＝０．５５である。
【００３２】
図５に、比較例として、空気層６８を省いてクラッド６６の周りに保持部７０を設ける構成とした場合の発振ファイバ２２'における光の伝搬の仕組みを示す。このファイバ構造は背景技術の欄で述べたＤＣＦに相当する。この場合、発振ファイバ２２'の端面よりクラッド６６に入った励起用レーザ光ＭＢは保持部（アウタークラッド）７０との境界面８０で全反射を繰り返しながら軸方向に伝搬する。ここで、保持部７０の屈折率をｎ3、発振ファイバ２２'が励起用レーザ光ＭＢを受け入れられる入射角の最大値をθB、開口数をＮＡとすると、たとえばＮＡ＝０．４５である。因みに、最大入射角θBを超える入射角でクラッド６６の中に入った励起用レーザ光ＭＢ'は図５中の点線で示すようにクラッド境界面８０で全反射せずにクラッド６６の外へ出てしまい（保持部７０へ抜けてしまい）、コア６４を励起することはできない。
【００３３】
このように、この実施形態においては、発振ファイバ２２のクラッド６６の周りに最小屈折率１の空気層６８を設けるファイバ構造により、励起用レーザ光ＭＢに対する開口数ＮＡの大幅（約２０％）アップを実現して、ＬＤ端面励起方式における光学的なカップリング効率を格段に向上させることが可能であり、これによりファイバレーザ光ＦＢの高出力化を容易かつ簡便に実現し、所望のレーザ溶接加工を良好に行うことができる。
【００３４】
図４に、この実施形態における発振ファイバ２２の一変形例を示す。図示のように、コア６４を取り囲むクラッド６６の内周または内壁部に多数の空孔７８を円周方向に並べる第２（内側）空気層を追加している。かかるファイバ構造によれば、コア６４を伝搬する発振光線またはファイバレーザ光ＦＭをコア６４内に閉じ込める導波特性を向上させ、ファイバレーザ光ＦＭのビーム品質を一層改善することができる。
【００３５】
なお、本発明においては、第１（外側）の空気層６８をクラッド６６または保持部７０の中に空孔の形態で設ける構成も可能である。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【００３７】
たとえば、上記した実施形態では、ファイバレーザ発振器１０とレーザ出射部１８とをファイバ伝送系１６（伝送ファイバ５２）を介して光学的に接続し、加工現場の外乱からファイバレーザ発振器１０を保護できるようにしている。しかし、ファイバ伝送系１６を使用せずに、ファイバレーザ発振器１０より発振出力されたファイバレーザ光ＦＢを直接あるいはベントミラー等を介してレーザ出射部１８に送る方式または構成も可能である。
【００３８】
また、ファイバレーザ発振器１０において、電気光学励起部２４、光共振器２６，２８、光学レンズ３２，３４等の変形あるいは一部省略は可能であり、同様の機能または作用を奏する他の構成を採用することも可能である。たとえば、上記実施形態は発振ファイバ２２の片側の端面に励起レーザ光ＥＭを照射する片面励起方式であったが、発振ファイバ２２の両側の端面に励起レーザ光を照射する両端面励起方式も可能である。あるいは、ファイバレーザ発振器１０内にＱスイッチを設け、Ｑスイッチパルスのファイバレーザ光を生成することも可能である。
【００３９】
本発明のファイバレーザ加工装置は、レーザ溶接に限るものではなく、レーザマーキング、穴あけ、切断等のレーザ加工にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】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図である。
【図２】実施形態における発振用光ファイバの構造を模式的に示す略断面図である。
【図３】実施形態の発振用光ファイバにおける光の伝搬の仕方を示す図である。
【図４】実施形態の一変形例による発振用光ファイバの構造を模式的に示す略断面図である。
【図５】比較例の発振用光ファイバ構造における光の伝搬の仕方を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０    ファイバレーザ発振器
１２    レーザ電源部
１４    レーザ入力部
１６    ファイバ伝送系
１８    レーザ出射部
２０    加工テーブル
２２    発振用光ファイバ（発振ファイバ）
２４    電気光学励起部
２６，２８    光共振器ミラー
３０    レーザダイオード（ＬＤ）
３２，３４    光学レンズ
【図１】
2007207856.tif 000003
【図２】
2007207856.tif 000004
【図３】
2007207856.tif 000005
【図４】
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【図５】
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