(57)【要約】【課題】ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置に用いるシード用レーザダイオード電源装置において高ピークパワーでパルス幅の短いシード光を安定に発振出力すること。【解決手段】このシード用ＬＤ電源回路３２は、シードＬＤ３０に供給する電力を蓄積するコンデンサ５０と、このコンデンサ５０を所定電圧に充電する充電部５２とを有している。そして、充電部５２とコンデンサ５０との間に充電用スイッチン素子５４を接続し、コンデンサ５０に対してシードＬＤ３０と直列に放電用スイッチング素子５６を接続している。さらに、放電用スイッチング素子５６を介さずに、シードＬＤ３０と直列に順方向の向きで１個または複数個（Ｎ個）の整流用ダイオード５８を接続するとともに、シードＬＤ３０およびダイオード５８の直列回路と並列に放電バイパス用の抵抗６０を接続している。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においてシード光を発生するレーザダイオードを駆動するためのシード用レーザダイオード電源装置であって、
前記レーザダイオードに供給する電力を蓄積するコンデンサと、
前記コンデンサを所定電圧に充電する充電部と、
前記コンデンサに対して前記レーザダイオードと直列に接続される放電用スイッチング素子と、
前記放電用スイッチング素子を介さずに前記レーザダイオードと直列に順方向の向きで接続される１個または複数個の整流用ダイオードと、
前記放電用スイッチング素子を介さずに前記レーザダイオードおよび前記整流用ダイオードの直列回路と並列に接続される双方向通電型の放電用バイパス回路と、
前記レーザダイオードを発光駆動するために前記放電用スイッチング素子をオンさせるスイッチング制御部と
を有するシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項２】
前記放電用バイパス回路は抵抗を有する、請求項１に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項３】
前記放電用バイパス回路は、互いに逆向きで並列に接続される複数個のダイオードを有する、請求項１または請求項２に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項４】
ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においてシード光を発生するレーザダイオードを駆動するためのシード用レーザダイオード電源装置であって、
前記レーザダイオードに供給する電力を蓄積するコンデンサと、
前記コンデンサを所定電圧に充電する充電部と、
前記コンデンサに対して前記レーザダイオードと直列に接続される放電用スイッチング素子と、
前記放電用スイッチング素子を介さずに前記レーザダイオードと直列に順方向の向きで接続される１個または複数個の整流用ダイオードと、
前記放電用スイッチング素子の前記コンデンサと反対側の端子と前記コンデンサから電気的に分離された所定の基準電圧の端子との間に接続される放電用のプルダウン回路またはプルアップ回路と、
前記レーザダイオードを発光駆動するために前記放電用スイッチング素子をオンさせるスイッチング制御部と
を有するシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項５】
前記放電用プルダウン回路またはプルアップ回路は抵抗を有する、請求項４に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項６】
前記放電用プルダウン回路またはプルアップ回路は順方向で直列に接続される１個または複数個のダイオードを有する、請求項４または請求項５に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項７】
前記放電用スイッチング素子のオン時間は５００ｎｓ以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項８】
前記放電用スイッチング素子がオンすることによって前記レーザダイオードより発せられるパルス光のパルス幅は１０ｎｓ以下である、請求項７に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項９】
前記放電用スイッチング素子を２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの繰り返し周波数で周期的にオンさせる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項１０】
前記放電用スイッチング素子は、電界効果型トランジスタである、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項１１】
前記充電部と前記コンデンサとの間に接続される充電用スイッチング素子  を有し、
前記放電用スイッチング素子がオフしている期間中に前記コンデンサの充電を行うために前記充電用スイッチング素子をオンさせ、前記放電用スイッチング素子がオンしている期間中は前記充電用スイッチング素子をオフ状態に保持しておく、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項１２】
前記充電用スイッチング素子は、電界効果型トランジスタである、請求項１１に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項１３】
前記整流用ダイオードは、ショットキー・バリア・ダイオードである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシード用レーザダイオード電源装置。
【請求項１４】
シード光を生成するためのレーザダイオードと、
前記レーザダイオードを点灯駆動するための請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシード用レーザダイオード電源装置と、
希土類元素として少なくともＹｂを添加したコアを有し、前記レーザダイオードからの前記シード光を入力端より前記コアの中に入れ、前記シード光を出力端に向けて伝搬させながら誘導放出により増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅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、
前記レーザダイオードおよび前記励起光源を前記増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する光結合器と、
前記増幅用光ファイバの出力端から出るパルス波形の光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部と
を有するＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
【請求項１５】
シード光を生成するためのレーザダイオードと、
前記レーザダイオードを点灯駆動するための請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシード用レーザダイオード電源装置と、
希土類元素として少なくともＹｂを添加した第１のコアを有し、前記シード用レーザダイオードからの前記シード光を入力端より前記第１のコアの中に入れ、前記シード光を伝搬させながら誘導放出より増幅して、出力端より第１段増幅パルスの光ビームを出す第１の増幅用光ファイバと、
前記第１の増幅用光ファイバの第１のコアを励起するための第１の励起光を発生する第１の励起光源と、
前記レーザダイオードおよび前記第１の励起光源を前記第１の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第１の光結合器と、
希土類元素として少なくともＹｂを添加した第２のコアを有し、前記第１の増幅用光ファイバの出力端からの前記第１段増幅パルスの光ビームを入力端より前記第２のコアの中に入れ、前記第１段増幅パルスの光ビームを伝搬させながら誘導放出により増幅して、出力端より第２段増幅パルスの光ビームを出す第２の増幅用光ファイバと、
前記第２の増幅用光ファイバの第２のコアを励起するための第２の励起光を発生する第２の励起光源と、
前記第１の増幅用光ファイバの出力端および前記第２の励起光源を前記第２の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第２の光結合器と、
前記第２の増幅用光ファイバの出力端から出た前記第２段増幅パルスの光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部と
を有するＭＯＰＡ方式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、シード光を光ファイバの中で増幅して得られるパルス波形の光ビームを被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置およびこれに使用可能なシード用レーザダイオード電源装置に関する。
【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普及している。その中で、ＭＯＰＡ（Master Oscillator _ Power Amplifier）方式のファイバレーザ加工装置も注目されている。
【０００３】
ファイバＭＯＰＡ方式は、コアにＹｂ等の希土類元素を添加した光ファイバをレーザ増幅用のアクティブファイバに使用し、シードレーザで生成した比較的低い出力のシード光を一端から該アクティブファイバのコアに入れて他端まで伝播させながら、コアを励起光で励起することによって、コアの中でシード光を高出力の加工用光ビームに増幅または変換するものであり、光／光変換効率が高くてビームモードが安定している等の特長を有している。
【０００４】
ところで、マーキングやトリミング等のレーザ加工は、被加工物の表面部分を熱で溶かさずに一瞬に蒸発除去する方式の表面除去加工が有効であり、非常に短いパルスのレーザビームを用いる。古くから、この種のレーザ加工に使用されるレーザは、１０ｎｓ以下の短パルス発振を安定に行えるＱスイッチ方式のＹＡＧパルスレーザがほとんどであった。しかし、近年になって、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置も使われ始めてきた。ＭＯＰＡ方式ファイバレーザのシードレーザには、レーザダイオード（ＬＤ）がよく用いられている（たとえば特許文献１）。
【０００５】
図１６に、シードＬＤを駆動するための従来のシード用ＬＤ電源装置の回路構成を示す。このシード用ＬＤ電源装置は、直流電源１００に対してシードＬＤ１０２と直列にスイッチング素子１０４、電流制限用の抵抗１０６およびチョークコイル１０８を接続している。また、直流電源１００と並列に平滑用のコンデンサ１１０を接続し、シードＬＤ１０２と並列に保護用のダイオード１１２を逆向きに接続している。スイッチング素子１０４には、一般にトランジスタが用いられる。
【０００６】
図１７に、このシード用ＬＤ電源装置において１パルスのシード光を生成する際の各部の波形を示す。スイッチング素子１０４を一定時間ＴSだけオンすると、この期間中ＴSに直流電源１００の出力電圧ＶSが駆動電圧Ｖdとして抵抗１０６、チョークコイル１０８ＣおよびシードＬＤ１０２からなる直列の負荷回路に印加され、この負荷回路のインピーダンスに応じた駆動電流ｉdがシードＬＤ１０２を流れ、シードＬＤ１０２が所定波長のＬＤ光を発生する。このＬＤ光が、シード光として増幅用光ファイバ（図示せず）の入力端に注入され、増幅用光ファイバの中を伝搬する過程で増幅されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６２７５２５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
マーキングやトリミング等のレーザ加工に用いられるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、Ｑスイッチ方式のＹＡＧパルスレーザ加工装置と同等に１０ｎｓ以下の短パルスのレーザビームを安定に出力できる性能を求められている。
【０００９】
この場合、上記のような従来のシード用ＬＤ電源装置（図１６）は、スイッチング素子１０２をＴS≦１０ｎｓのオン時間でスイッチング制御することになる。しかしながら、スイッチング素子１０２のスイッチング動作によって、つまりスイッチング素子１０２の応答特性に依存して、シードＬＤ１０２に供給する駆動電流ｉdを１０ｎｓ以下の短パルスに制御することは、実際には無理があり、そのような短パルスの繰り返し発振を安定に行えないことが問題になっている。
【００１０】
また、上記従来のシード用ＬＤ電源装置においては、スイッチング素子１０２の温度特性により、環境温度によってスイッチング・オン時間ひいてはＬＤ光（シード光）のパルス幅が変動しやすいことや、抵抗１０６およびチョークコイル１０８のＲＬ回路により駆動電流ｉdのピーク値が抑制される（したがってシード光のピークパワーが低い）ことなども問題になっている。
【００１１】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、高ピークパワーでパルス幅の短いシード光を安定に発振出力できるシード用レーザダイオード電源装置およびこれを用いるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１のシード用レーザダイオード電源装置は、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においてシード光を発生するレーザダイオードを駆動するためのシード用レーザダイオード電源装置であって、前記レーザダイオードに供給する電力を蓄積するコンデンサと、前記コンデンサを所定電圧に充電する充電部と、前記コンデンサに対して前記レーザダイオードと直列に接続される放電用スイッチング素子と、前記放電用スイッチング素子を介さずに前記レーザダイオードと直列に順方向の向きで接続される１個または複数個の整流用ダイオードと、前記放電用スイッチング素子を介さずに前記レーザダイオードおよび前記整流用ダイオードの直列回路と並列に接続される双方向通電型の放電用バイパス回路と、前記レーザダイオードを発光駆動するために前記放電用スイッチング素子をオンさせるスイッチング制御部とを有する。
【００１３】
上記第１のシード用レーザダイオード電源装置においては、充電部によりコンデンサを所定電圧まで充電してから、スイッチング制御部により放電用スイッチング素子をオンさせると、コンデンサに蓄えられていた電荷が瞬時に負荷側に放出され、負荷回路にピーク値の非常に高い放電電流が流れ、レーザダイオードにも放電電流の一部が駆動電流として流れ、レーザダイオードがシード光を発生する。このシード光は、コンデンサの放電電流に基づくため、短いパルス幅と高いピークパワーを実現できる。
【００１４】
また、放電用スイッチング素子がオンすると、負荷回路に存在する寄生インダクタンスの影響により、放電用スイッチング素子の出力端子側に得られる駆動電圧が交流波形になりやすい。しかし、放電用バイパス回路の通電により減衰し、かつレーザダイオードが通電するための閾値が整流用ダイオードとの直列接続によって増倍されているので、該交流波形の駆動電圧の極性がレーザダイオードの順方向に再度転じても、レーザダイオードが再び通電することはない。
【００１５】
本発明の好適な一態様によれば、上記放電用バイパス回路は、典型的には抵抗を有し、あるいは互いに逆向きで並列に接続される複数のダイオードを有してもよい。
【００１６】
本発明の第２のシード用レーザダイオード電源装置は、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においてシード光を発生するレーザダイオードを駆動するためのシード用レーザダイオード電源装置であって、前記レーザダイオードに供給する電力を蓄積するコンデンサと、前記コンデンサを所定電圧に充電する充電部と、前記コンデンサに対して前記レーザダイオードと直列に接続される放電用スイッチング素子と、前記放電用スイッチング素子を介さずに前記レーザダイオードと直列に順方向の向きで接続される１個または複数個の第１ダイオードと、前記放電用スイッチング素子の前記コンデンサと反対側の端子と所定の基準電圧の端子との間に接続される放電用のプルダウン回路またはプルアップ回路と、前記レーザダイオードを発光駆動するために前記放電用スイッチング素子をオンさせるスイッチング制御部とを有する。
【００１７】
上記第２のシード用レーザダイオード電源装置においては、充電部によりコンデンサを所定電圧まで充電してから、スイッチング制御部により放電用スイッチング素子をオンさせると、コンデンサに蓄えられていた電荷が瞬時に負荷側に放出され、負荷回路にピーク値の非常に高い放電電流が流れ、レーザダイオードにも放電電流の一部が駆動電流として流れ、レーザダイオードがシード光を発生する。このシード光は、コンデンサの放電電流に基づくため、短いパルス幅と高いピークパワーを実現できる。
【００１８】
また、この装置構成においては、負荷回路に寄生インダクタンスが有っても、電流が逆方向に流れるパスが存在しないため、放電用スイッチング素子の出力端子側に得られる駆動電圧は交流波形にはならず、プルダウン回路またはプルアップ回路を介して基準電圧に引っ張られるように最初のピーク値から単調に低下または上昇する。したがって、駆動電圧がレーザダイオードおよび整流用ダイオードの合成閾値を再度超えることはなく、意図しない２発目ないし３発目のパルス発振を確実に防止することができる。
【００１９】
本発明の好適な一態様によれば、上記放電用プルダウン回路またはプルアップ回路は、典型的には抵抗を有し、あるいは順方向で直列に接続される１個または複数個のダイオードを有してもよい。
【００２０】
本発明の好適な一態様によれば、放電用スイッチング素子のオン時間は５００ｎｓ以下である。また、本発明態様によれば、１０ｎｓ以下のシード光のパルス幅でも発振を安定に行うことができる。また、放電用スイッチング素子を２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの繰り返し周波数で周期的にオンさせることができる。
【００２１】
また、好適な一態様においては、充電部とコンデンサとの間に充電用スイッチング素子を接続する。そして、放電用スイッチング素子がオフしている期間中にコンデンサの充電を行うために充電用スイッチング素子をオンさせ、放電用スイッチング素子がオンしている期間中は充電用スイッチング素子をオフ状態に保持しておく。
【００２２】
本発明の第１のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、シード光を生成するためのレーザダイオードと、前記レーザダイオードを点灯駆動するための本発明のシード用レーザダイオード電源装置と、希土類元素として少なくともＹｂを添加したコアを有し、前記レーザダイオードからの前記シード光を入力端より前記コアの中に入れ、前記シード光を出力端に向けて伝搬させながら誘導放出により増幅する増幅用光ファイバと、前記増幅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、前記レーザダイオードおよび前記励起光源を前記増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する光結合器と、前記増幅用光ファイバの出力端から出るパルス波形の光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部とを有する。
【００２３】
本発明の第２のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、シード光を生成するためのレーザダイオードと、前記レーザダイオードを点灯駆動するための本発明のシード用レーザダイオード電源装置と、希土類元素として少なくともＹｂを添加した第１のコアを有し、前記シード用レーザダイオードからの前記シード光を入力端より前記第１のコアの中に入れ、前記シード光を伝搬させながら誘導放出より増幅して、出力端より第１段増幅パルスの光ビームを出す第１の増幅用光ファイバと、前記第１の増幅用光ファイバの第１のコアを励起するための第１の励起光を発生する第１の励起光源と、前記レーザダイオードおよび前記第１の励起光源を前記第１の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第１の光結合器と、希土類元素として少なくともＹｂを添加した第２のコアを有し、前記第１の増幅用光ファイバの出力端からの前記第１段増幅パルスの光ビームを入力端より前記第２のコアの中に入れ、前記第１段増幅パルスの光ビームを伝搬させながら誘導放出により増幅して、出力端より第２段増幅パルスの光ビームを出す第２の増幅用光ファイバと、前記第２の増幅用光ファイバの第２のコアを励起するための第２の励起光を発生する第２の励起光源と、前記第１の増幅用光ファイバの出力端および前記第２の励起光源を前記第２の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第２の光結合器と、前記第２の増幅用光ファイバの出力端から出た前記第２段増幅パルスの光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部とを有する。
【００２４】
上記第１および第２のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においては、本発明のシード用レーザダイオード電源装置によりシード用のレーザダイオードを駆動してシード光を生成するので、Ｑスイッチ方式のＹＡＧパルスレーザ加工装置と同等に非常に短いパルスで加工用レーザビームを安定に出力することが可能であり、しかも加工用レーザビームのピークパワーをＱスイッチ方式のＹＡＧパルスレーザ加工装置よりも各段に高くすることも容易である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のシード用レーザダイオード電源装置によれば、上記のような構成および作用により、高ピークパワーでパルス幅の短いシード光を安定に発振出力することができる。
【００２６】
また、本発明のＭＯＰＡ方式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、レーザ加工の品質、加工能力および効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記ファイバレーザ加工装置に含まれるシード用ＬＤ電源回路の回路構成を示す図である。
【図３】上記シード用ＬＤ電源回路において充電用スイッチング素子および放電用スイッチング素子を交互にオンさせるシーケンスをタイミング図である。
【図４】上記シード用ＬＤ電源回路の放電期間内の各部の波形を示す図である。
【図５】上記シード用ＬＤ電源回路から整流用ダイオードおよび放電バイパス用抵抗の双方を省いた回路構成を示す図である。
【図６】図６の回路構成における放電期間内の各部の波形を示す図である。
【図７】上記シード用ＬＤ電源回路から放電バイパス用抵抗を省いた回路構成を示す図である。
【図８】図７の回路構成における放電期間内の各部の波形を示す図である。
【図９】上記シード用ＬＤ電源回路から整流用ダイオードを省いた回路構成を示す図である。
【図１０】上記シード用ＬＤ電源回路において放電バイパス用抵抗の代わりに電流制限用抵抗を設ける回路構成を示す図である。
【図１１】実施形態の一変形例によるシード用ＬＤ電源回路の回路構成を示す図である。
【図１２】実施形態の別の変形例によるシード用ＬＤ電源回路の回路構成を示す図である。
【図１３】放電バイパス用抵抗の代わりにプルダウン抵抗を用いる実施形態の回路構成を示す図である。
【図１４】放電バイパス用抵抗の代わりにプルアップ抵抗を用いる実施形態の回路構成を示す図である。
【図１５】図１３の回路構成における放電期間内の各部の波形を示す図である。
【図１６】従来のシード用ＬＤ電源回路の回路構成を示す図である。
【図１７】図１６のシード用ＬＤ電源回路における各部の波形を示す図である
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図１〜図１５を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００２９】
図１に、本発明の一実施形態におけるＭＯＰＡ方式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、シード光発生部１０、第１および第２の増幅用光ファイバ（以下「アクティブファイバ」と称する）１２，１４および光ビーム照射部１６をアイソレータ１８，２０，２２および光結合器２４，２６を介して光学的に縦続接続している。
【００３０】
シード光発生部１０は、シード用のレーザダイオード（以下「シードＬＤ」と称する。）３０と、このシードＬＤ３０をパルス波形の電流で駆動してパルス発振させるシード用ＬＤ電源回路３２と、シードＬＤ３０の温度を制御するＬＤ温調部３４とを有している。シードＬＤ３０は、ファイバカップリングＬＤとして構成されている。
【００３１】
シード光発生部１０と第１のアクティブファイバ１２との間に設けられる光結合器２４は、複数たとえば３つの入力ポート２４IN(1)，２４IN(2)，２４IN(3)と１つの出力ポート２４OUTとを有している。第１の入力ポート２４IN(1)には、アイソレータ１８を介してシードＬＤ３０が接続される。第２の入力ポート２４IN(2)には、第１のアクティブファイバ１２のコアを励起するための励起用ＬＤ（以下「ポンプＬＤ」と称する。）３６が接続される。第３の入力ポート２４IN(3)は、増設ポートであり、ここに別のポンプＬＤ３６（図示せず）を接続することも可能となっている。出力ポート２４OUTには、アクティブファイバ１２の入力端が接続される。
【００３２】
シード光発生部１０、アイソレータ１８および光結合器２４によって、第１のアクティブファイバ１２に対するシード光注入部が構成されている。また、ポンプＬＤ３６および光結合器２４によって、第１のアクティブファイバ１２に対する励起光注入部が構成されている。
【００３３】
第１のアクティブファイバ１２は、少なくともＹｂイオンを添加した石英からなるコアと、このコアを同軸に取り囲むたとえば石英からなるクラッドとを有しており、全長（ファイバ長）がたとえば３〜１５ｍに選ばれている。第１のアクティブファイバ１２（第１段アンプ）の利得は、ポンプＬＤ３６の総合出力によりたとえば１０〜４０ｄＢの範囲で調節可能となっている。
【００３４】
第１のアクティブファイバ１２と第２のアクティブファイバ１４との間に設けられる光結合器２６は、複数たとえば７つの入力ポート２６IN(1)，２６IN(2)〜２６IN(7)と１つの出力ポート２６OUTとを有している。第１の入力ポート２６IN(1)には、アイソレータ２０を介して第１のアクティブファイバ１２の出力端が接続される。第２〜第５の入力ポート２６IN(2) 〜２６IN(5)には、第２のアクティブファイバ１４のコアを励起するためのポンプＬＤ３８がそれぞれ接続される。第６および第７の入力ポート２６IN(2)，２６IN(7)は空きポートとなっているが、必要に応じてポンプＬＤを増設することもできる。出力ポート２６OUTには、第２のアクティブファイバ１４の入力端が接続される。
【００３５】
第２のアクティブファイバ１４も、第１のアクティブファイバ１２と同様に、少なくともＹｂを添加した石英からなるコアと、このコアを同軸に取り囲むたとえば石英からなるクラッドとを有しており、全長（ファイバ長）がたとえば３〜１５ｍに選ばれている。第２のアクティブファイバ１４（第２段アンプ）の利得は、ポンプＬＤ３８の総合出力によりたとえば１０〜４０ｄＢの範囲で調節可能となっている。
【００３６】
光ビーム照射部１６は、第２のアクティブファイバ１４の出力端より取り出されるパルス波形の加工用光ビームＬＢをたとえばコリメータ３９、ベントミラー４０等の光伝送系を介して受け取り、受け取った光ビームＬＢをステージ４２上の被加工物Ｗ表面の所望の位置に集光照射するようになっている。たとえば、マーキング加工を行う場合、光ビーム照射部１６にはガルバノスキャナが搭載される。
【００３７】
主制御部４４は、キーボードあるいはマウス等の入力装置４６およびディスプレイ（図示せず）等と接続するマイクロコンピュータからなり、メモリに格納された制御プログラムに基づいて上述した装置内の各部および装置全体の制御を行う。
【００３８】
このＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において、マーキング加工を行う場合、シード光発生部１０は、所定の波長を有するパルス波形のシード光（ＬＤ光）を所望のパルス幅（たとえば０．１〜２００ｎｓ）、所望のピークパワー（たとえば１０〜１０００ｍＷ）および所望の繰り返し周波数（たとえば２０〜５００ｋＨｚ）で出力するように構成されている。なお、繰り返し周波数は、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲で出力するように構成することができる。シード光発生部１０より出力されたパルス波形のシード光は、アイソレータ１８および光結合器２４を介して第１のアクティブファイバ１２のコアに注入される。
【００３９】
一方、ポンプＬＤ３６は、所定の波長を有する連続波（ｃｗ）の励起光を出力するように構成されている。ポンプＬＤ３６より出力される連続波の励起光は光結合器２４を介して第１のアクティブファイバ１２のコアに注入される。
【００４０】
第１のアクティブファイバ１２の中で、シード光は、コアとクラッドとの境界面での全反射によって閉じ込められながらコアの中を軸方向にファイバ出力端側に向って伝搬する。一方、励起光は、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながらアクティブファイバ１２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Ｙｂイオンを光励起する。
【００４１】
こうして、シード光と励起光とがアクティブファイバ１２を伝搬する間に、そのＹｂ添加コアにおいて励起光スペクトルの吸収とシード光スペクトルの誘導放出とが繰り返し行われ、アクティブファイバ１２の出力端より所望のパワー（たとえば２００Ｗのピークパワー）を有するまでに増幅されたシード光つまり第１段増幅パルスの光ビームが出力される。
【００４２】
第１のアクティブファイバ１２の出力端から出た第１段増幅パルスの光ビームは、アイソレータ２０および光結合器２６を介して第２のアクティブファイバ１４のコアに注入される。一方で、ポンプＬＤ３８からの連続波（ｃｗ）の励起光が光結合器２６を介して第２のアクティブファイバ１４のコアに注入される。
【００４３】
第２のアクティブファイバ１４においても、増幅対象の光ビームが異なるだけで、つまりシード光が第１段増幅光ビームに置き換わるだけで、第１のアクティブファイバ１２と同様の誘導放出機構による光増幅が行われ、アクティブファイバ１４の出力端より所望のパワー（たとえば２０ｋＷのピークパワー）を有する第２段増幅パルスの光ビームが出される。
【００４４】
こうして、第２のアクティブファイバ１４の出力端から取り出された第２段増幅パルスの光ビームが、加工用の光ビームＬＢとして、たとえばコリメータ３９、ベントミラー４０を介して光ビーム照射部１６へ送られる。
【００４５】
光ビーム照射部１６は、マーキング加工用のガルバノスキャナおよびｆθレンズを備えている。ガルバノスキャナは、直交する２方向に首振り運動の可能な一対の可動ミラーを有しており、制御部４４の制御の下でシード光発生部１０のパルス発振動作に同期して両可動ミラーの向きを所定角度に制御することで、加工用光ビームＬＢをステージ４２上の被加工物Ｗ表面の所望の位置に集光照射する。被加工物Ｗの表面に施されるレーザ加工は、典型的には文字や図形等を描画するマーキング加工であるが、トリミング等の他の表面除去加工等も可能である。
【００４６】
このＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においては、上記のようにシードＬＤ３０より出力されるパルス波形のシード光を第１および第２のアクティブファイバ１２，１４の中で増幅して得られるパルス波形の光ビームを加工用レーザ光ＬＢとするので、シード光の特性（パルス幅、ピーク値、繰り返し周波数等）がそのまま、または一定の比例関係で、加工用レーザ光ＬＢの特性を左右する。
【００４７】
以下、シードＬＤ３０を駆動するシード用ＬＤ電源回路３２の構成および作用を説明する。
【００４８】
図２に示すように、このシード用ＬＤ電源回路３２は、シードＬＤ３０に供給する電力を蓄積するコンデンサ５０と、このコンデンサ５０を所定電圧に充電する充電部５２とを有している。そして、充電部５２とコンデンサ５０との間に充電用スイッチング素子５４を接続し、コンデンサ５０に対してシードＬＤ３０と直列に放電用スイッチング素子５６を接続している。
【００４９】
ここで、充電部５２は、たとえばＡＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータあるいはバッテリからなり、所定レベルの直流電圧ＶCでコンデンサ５０に充電電流を供給する機能を有している。充電用スイッチング素子５４および放電用スイッチング素子５６は、いずれも任意のトランジスタを使用できるが、好ましくは電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）で構成される。
【００５０】
さらに、このシード用ＬＤ電源回路３２は、放電用スイッチング素子５６を介さずに、シードＬＤ３０と直列に順方向の向きで１個または複数個（Ｎ個）の整流用ダイオード５８を接続するとともに、シードＬＤ３０およびダイオード５８の直列回路と並列に抵抗６０を接続している。ここで、抵抗６０は、双方向通電型の放電用バイパス回路を形成している。また、シードＬＤ３０に対して逆向きで保護用のダイオード６２を並列に接続している。
【００５１】
整流用ダイオード５８は、任意のダイオードを使用できるが、好ましくは応答性に優れたショットキー・バリア・ダイオードを用いてよい。同様に、保護ダイオード６２も、ショットキー・バリア・ダイオードが好ましい。
【００５２】
そして、このシード用ＬＤ電源回路３２は、主制御部４４からの指令を受けて、充電用スイッチング素子５４および放電用スイッチング素子５６のオン／オフを制御するスイッチング制御部６４を備えている。
【００５３】
図３および図４につき、このシード用ＬＤ電源回路３２の作用を説明する。
【００５４】
上記のようなマーキング加工においてパルス波形のシード光を繰り返し発振出力する場合、図３に示すように交互または相補的にオン／オフするスイッチング制御信号ＳＣ1，ＳＣ2がスイッチング制御部６４より充電用スイッチング素子５４および放電用スイッチング素子５６にそれぞれ与えられる。たとえば、シード光の繰り返し周波数を１ＭＨｚとする場合は、後述する放電期間を規定するスイッチング制御信号ＳＣ2のオン時間を５００ｎｓ以下あるいは２００ｎｓ以下に設定することができる。
【００５５】
繰り返しパルス発振の各サイクルＴMにおいて、最初の期間（ｔ0〜ｔ1）では、放電用スイッチング素子５６がオフ状態のままで充電用スイッチング素子５４がオンし、充電部５２より充電用スイッチング素子５４を介して充電電流がコンデンサ５０に供給され、コンデンサ５０が所定電圧（たとえばＶC）まで充電される。
【００５６】
この充電期間の終了後にいったん放電用スイッチング素子５６および充電用スイッチング素子５４の双方がオフ状態になる（ｔ1〜ｔ2）。そして、その直後の期間（ｔ2〜ｔ3）で、充電用スイッチング素子５４がオフ状態のままで放電用スイッチング素子５６がオンする。
【００５７】
図４に、放電期間（ｔ2〜ｔ3）内の各部の波形を示す。放電用スイッチング素子５６がオンすると、これと同時に、コンデンサ５０に蓄積されていた電荷が瞬時に放電用スイッチング素子５６を介して負荷側に放出され、負荷回路にピーク値の非常に高い放電電流ＩCが流れる。この時、負荷回路に存在する寄生インダクタンスの影響により、コンデンサ５０の両端子に相当するノードＡ，Ｂの間にはＬＤ駆動電圧Ｖdとして図４の(ｂ)に示すような交流波形の電圧が現れる。この交流波形の周期ＴLCはコンデンサ５４のキャパシタンスと寄生インダクタンスのインダクタンスによって決まり、その半周期ＴLC／２を１０ｎｓ以下あるいは５ｎｓとすることも容易にできる。また、この交流波形の減衰率は主に抵抗６０の抵抗値Ｒ60に依存する。
【００５８】
この交流波形のＬＤ駆動電圧Ｖdは、シードＬＤ３０および整流用ダイオード５８の直列回路と放電バイパス用の抵抗６０とに並列に印加される。ここで、シードＬＤ３０と整流用ダイオード５８の直列回路においては、シードＬＤ３０の閾値電圧Ｖth30と整流用ダイオード５８の閾値電圧Ｎ＊Ｖth58とを足し合わせた合成閾値（Ｖth30＋Ｎ＊Ｖth58）よりもＬＤ駆動電圧Ｖdの電圧レベルが高くなっている期間Ｔd中のみ、コンデンサ５０からの放電電流の一部がＬＤ駆動電流Ｉdとして流れる。一方、抵抗６０には、ＩＲ＝Ｖd／Ｒ60で表わされる放電電流が流れる。
【００５９】
このように、放電用スイッチング素子５６がオンした直後、交流波形のＬＤ駆動電圧Ｖdの最初の半周期ＴLC／２サイクルではコンデンサ５０からのピーク値の非常に高い放電電流ＩCが負荷回路に供給され、シードＬＤ３０にも相当大きなピーク値ＰＩdでＬＤ駆動電流Ｉdが流れる（図４の(ｃ)）。このＬＤ駆動電流Ｉdのピーク値ＰＩdは、コンデンサ放電電流に基づくため、従来のシード用レーザダイオード電源回路（図１６）でＬＲ回路の制限を受けるＬＤ駆動電流ｉdのピーク値Ｐｉdに比して各段に大きく、たとえば数倍以上にすることもできる。また、このＬＤ駆動電流Ｉdのパルス幅または半値幅を１０ｎｓ以下とすることも容易にできる。このＬＤ駆動電流ＩdによってシードＬＤ３０が励起され、シードＬＤ３０からパルス波形のＬＤ光が出力される。
【００６０】
一方で、コンデンサ５０からの放電電流ＩCの多くは放電バイパス用の抵抗６０に流れ、ここでジュール熱を発生して指数関数的に減衰する。これによって、交流波形のＬＤ駆動電圧Ｖdが再び正極性に転じても、合成閾値（Ｖth30＋Ｎ＊Ｖth58）よりは低くなり、シードＬＤ３０にはＬＤ駆動電流Ｉdが流れない。
【００６１】
したがって、シードＬＤ３０は、放電用スイッチング素子５６がオンした直後の最初の半周期ＴLC／２の期間内だけＬＤ駆動電流Ｉdにより励起され、パルス波形のＬＤ光をシード光として１発だけ発生し、それ以上の余計なＬＤ光を発生することはない。上記したように、このパルス波形のシード光が第１および第２のアクティブファイバ１２，１４の中で増幅されることによってパルス波形の加工用レーザ光ＬＢが得られる（図４の(ｄ)）。この加工用レーザ光ＬＢは、シード光と略同じパルス幅を有し、シード光の数千倍ないし数万倍のピークパワーを有する。
【００６２】
このように、この実施形態のシード用ＬＤ電源回路３２は、ピークパワーが高くてパルス幅の短いシード光を安定に発振出力することができる。このことにより、この実施形態のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、Ｑスイッチ方式のＹＡＧパルスレーザ加工装置と同等に１０ｎｓ以下の短パルスで加工用レーザビームＬＢを安定に出力することが可能であり、しかも加工用レーザビームＬＢのピークパワーをＱスイッチ方式のＹＡＧパルスレーザ加工装置よりも各段に高くすることも容易であり、マーキングやトリミング等の表面除去加工の品質、加工能力および効率を大きく向上させることができる。
【００６３】
上記のように、この実施形態は、シード用ＬＤ電源回路３２において、シードＬＤ３０と直列に順方向の向きで１個または複数個（Ｎ個）の整流用ダイオード５８を接続するとともに、シードＬＤ３０およびダイオード５８の直列回路と並列に放電バイパス用の抵抗６０を接続する構成を主たる特徴としている。ここで、整流用ダイオード５８および／または抵抗６０を設けない場合の不利点を説明する。
【００６４】
先ず、整流用ダイオード５８および抵抗６０のいずれも設けないときの回路構成は、図５に示すようになる。この場合も、放電用スイッチング素子５６をオンさせると、シード用ＬＤ電源回路３２の負荷回路に存在する寄生インダクタンスの影響により、放電期間（ｔ3〜ｔ4）中に放電用スイッチング素子５６の出力端子側に図６の（ａ）に示すような交流波形のＬＤ駆動電圧Ｖdが得られる。
【００６５】
ところが、実施形態（図２）とは異なり、整流用ダイオード５８が無いのでシードＬＤの閾値Ｖth30だけが整流に寄与し、しかも放電バイパス用の抵抗６０が無いのでＬＤ駆動電圧Ｖdの減衰率が小さく、最初の半周期だけでなく交流波形のＬＤ駆動電圧Ｖdが再度正極性に転じる２回目ないし３回目の半周期でもＬＤ駆動電圧Ｖdが閾値Ｖth30を優に超えてしまう。これによって、図６の（ｂ）に示すように、パルス波形のＬＤ駆動電流Ｉdとして、本来の１つ目（ファーストパルス）だけでなく、余計な２つ目（セカンドパルス）ないし３つ目（サードパルス）もシード用ＬＤ３０に流れる。
【００６６】
その結果、シード用ＬＤ３０からは、本来のファーストパルスのＬＤ光（シード光）に続いて、意図しないセカンドパルスないしサードパルスのＬＤ光も出力される。これらセカンドパルスないしサードパルスのＬＤ光は、ファーストパルスのＬＤ光（シード光）と同様に第１および第２のアクティブファイバ１２，１４の中で増幅されて、被加工物Ｗに誤照射される。たとえばマーキング加工の場合は、そのような誤照射によって、被加工物Ｗ上の非描画位置に不所望な表面除去跡（汚れ）が生じる。
【００６７】
次に、シード用ＬＤ電源回路３２において、整流用ダイオード５８を設けるものの放電バイパス用の抵抗６０を設けない場合は、図７に示すような回路構成になる。この場合は、放電用スイッチング素子５６がオンした直後に、交流最初の半周期ＴLC／２ではコンデンサ５４からのピーク値の非常に高い放電電流が負荷回路に供給され、シードＬＤ３０にはパルス波形のＬＤ駆動電流Ｉdが流れる。しかし、ＬＤ駆動電圧Ｖdが合成閾値（Ｖth30＋Ｎ＊Ｖth58）まで低下すると、その後はコンデンサ５４が放電しなくなり、ＬＤ駆動電圧Ｖdは合成閾値（Ｖth30＋Ｎ＊Ｖth58）のレベルにホールドされる。実際には、図８に一点鎖線で示すようにこのレベルを中心にリンギングが発生し、意図しない２発目ないし３発目のパルス発振が起こりやすい。
【００６８】
次に、シード用ＬＤ電源回路３２において、放電バイパス用の抵抗６０を設けるものの整流用ダイオード５８を設けない場合は、図９に示すような回路構成になる。この場合は、放電用スイッチング素子５６がオンしている期間中にその出力端子側に得られるＬＤ駆動電圧Ｖdは、図６の一点鎖線で示すように、抵抗６０が無い場合よりは幾らか低くなるだけで、最初の半周期だけでなく交流波形のＬＤ駆動電圧Ｖdが再度正極性に転じる２回目ないし３回目の半周期でも閾値Ｖth30を超えてしまう。これによって、図５の回路構成の場合と同様に、意図しない２発目ないし３発目のパルスを発振出力してしまう。
【００６９】
また、整流用ダイオード５８を設けない場合において、図１０に示すように、放電バイパス用の抵抗６０を設ける代わりに、電流制限用の抵抗６４をシードＬＤ３０と直列に接続する構成も考えられる。この構成によれば、図示省略するが、ＬＤ駆動電圧Ｖdの減衰率が著しく大きいため、意図しない２発目ないし３発目のパルスを抑制ないし減少させることも可能ではあるが、ＬＤ駆動電圧ＶABの最初（１発目）のピーク値も著しく低下し、ＬＤ駆動電流Ｉdのピーク値ないしシード光のピークパワーが不十分になる。この問題に対して、コンデンサ５０の充電電圧あるいは充電部５２の出力電圧ＶCを上げる対処法も考えられるが、充電用スイッチング素子５４の耐圧には限界があることと、電気部品ないし電源の大幅なコストアップを伴う不利点がある。
【００７０】
上記のように、この実施形態におけるシード用ＬＤ電源回路３２は、シードＬＤ３０と直列に順方向の向きで整流用ダイオード５８を接続し、かつシードＬＤ３０およびダイオード５８の直列回路と並列に放電バイパス用の抵抗６０を接続する構成により、繰り返しパルス発振の各サイクル毎に高ピークパワーでパルス幅の非常に小さな１パルスのシード光を安定に出力することができる。
【００７１】
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。
【００７２】
たとえば、上記実施形態では、放電用スイッチング素子５６が、コンデンサ５０の正極端子とシードＬＤ３０のアノード端子との間に接続されている。しかし、図１１に示すように、放電用スイッチング素子５６がシードＬＤ３０のカソード端子とコンデンサ５０の負極端子との間に接続される構成も可能である。この場合も、放電用スイッチング素子５６は、コンデンサ５０と負荷回路との間に接続される。つまり、放電用スイッチング素子５６を介さずに、整流用ダイオード５８はシードＬＤ３０と直列に接続され、放電バイパス用の抵抗６０は整流用ダイオード５８およびシードＬＤ３０の直列回路と並列に接続される。
【００７３】
また、図１２に示すように、互いに逆向きで並列に接続される１個または複数個のダイオード（好ましくはショットキー・バリア・ダイオード）６６，６８によって、双方向通電型の放電用バイパス回路を構成することも可能である。この場合、放電用スイッチング素子５６がオンした時にその出力端子側に発生する交流波形のＬＤ駆動電圧は、ダイオード６６，６８の抵抗成分によって減衰する。
【００７４】
図示省略するが、別の変形例として、そのような並列接続のダイオード６６，６８および上記抵抗６０の合成直列回路により、双方向通電型の放電用バイパス回路を形成することも可能である。また、図１２に示すように、整流用ダイオード５８をシードＬＤ３０のカソード端子とコンデンサ５０の負極端子との間に接続する構成も可能である。
【００７５】
また、双方向通電型の放電用バイパス回路に代えて、図１３に示すようなプルダウン回路または図１４に示すようなプルアップ回路を設ける実施形態も可能である。
【００７６】
図１３の構成例は、放電用スイッチング素子５６がコンデンサ５０の正極端子側に接続される場合であり、放電用スイッチング素子５６のコンデンサ５０と反対側の端子またはノードＡと所定の基準電圧ＶSSの端子７０との間にプルダウン抵抗７２を接続している。ここで、基準電圧ＶSSは、放電用スイッチング素子５６がオンした直後にシードＬＤ３０が通電するのに必要な電位以下であればよい。
【００７７】
図１４の構成例は、放電用スイッチング素子５６がコンデンサ５０の負極端子側に接続される場合であり、放電用スイッチング素子５６のコンデンサ５０と反対側の端子またはノードＢと所定の基準電圧ＶBBの端子７４との間にプルアップ抵抗７６を接続している。ここで、基準電圧ＶBBは、コンデンサ５０の端子から電気的に分離（独立）しており、放電用スイッチング素子５６がオンした直後にシードＬＤ３０が通電するのに必要な電位以上であればよい。
【００７８】
図１５に、図１３の構成例における放電期間（ｔ3〜ｔ4）内の各部の波形を示す。なお、理解を容易にするため、図１３の構成例においてコンデンサ５０の負極端子が接地電位に接続されている場合について説明する。
【００７９】
放電用スイッチング素子５６がオンすると、これと同時に、コンデンサ５０に蓄積されていた電荷が瞬時に放電用スイッチング素子５６を介して負荷側に放出され、負荷回路にピーク値の非常に高い放電電流が流れる。この時、シードＬＤ３０の閾値電圧Ｖth30と整流用ダイオード５８の閾値電圧Ｎ＊Ｖth58とを足し合わせた合成閾値（Ｖth30＋Ｎ＊Ｖth58）よりもＬＤ駆動電圧Ｖdの電圧レベルが高くなっている期間Ｔd中のみ、コンデンサ５０からの放電電流の一部がＬＤ駆動電流Ｉdとして流れる。一方、抵抗７２には、ＩＲ＝{（Ｖd−ＶSS）／Ｒ58}で表わされる放電電流が流れる。
【００８０】
この場合、交流波形が収束する電圧がＶSSになるため、減衰が大きくなる。したがって、ＬＤ駆動電圧Ｖdは合成閾値（Ｖth30＋Ｎ＊Ｖth58）を再度超えにくくなり、意図しない２発目ないし３発目のパルス発振を防止することができる。
【００８１】
図１４の構成例においても、プルアップ抵抗７６により上記と同様の作用が奏され、不所望な２発目ないし３発目のパルス発振を確実に防止することができる。
【００８２】
なお、図１３の構成例において、プルダウン抵抗７２の代わりに、あるいはそれとの組み合わせで、順方向で直列に接続される１個または複数個のダイオード（図示せず）を用いることも可能である。図１４の構成例においても、プルアップ抵抗７６の代わりに、あるいはそれとの組み合わせで、順方向で直列に接続される１個または複数個のダイオード（図示せず）を用いることも可能である。
【００８３】
シード用ＬＤ３０周りの構成においても種種の変形例が可能である。たとえば、シード用ＬＤ３０を直列または並列接続で複数個設ける構成も可能である。また、整流ダイオード５８によってシード用ＬＤ３０が逆バイアスから十分に保護されるので、保護ダイオード６２を省くことも可能である。
【００８４】
上記実施形態のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置（図１）は、第１のアクティブファイバ１２に第２のアクティブファイバ１４を従続接続して２段アンプとしている。しかし、第２のアクティブファイバ１４を省いて一段（単）アンプの構成とすることや、あるいは第２のアクティブファイバ１４の後段に第３のアクティブファイバを接続して３段アンプの構成とすることも可能である。
【００８５】
本発明のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、マーキング等の表面除去加工に限るものではなく、穴あけ、切断、溶接等の他のレーザ加工にも使用可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１０    シード光発生部
１２    第１のアクティブファイバ
１４    第２のアクティブファイバ
１６    光ビーム照射部
３０    シードＬＤ
３２    シード用ＬＤ電源回路
３６，３８    ポンプＬＤ
５０    コンデンサ
５２    充電部
５４    充電用スイッチング素子
５６    放電用スイッチング素子
５８    整流用ダイオード
６０    放電バイパス用抵抗
６４    スイッチング制御部
６６，６８    放電バイパス用ダイオード
７０，７４    基準電圧端子
７２    プルダウン抵抗
７６    プルアップ抵抗
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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