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JP2020060725A - Laser oscillator and laser processing apparatus using the same - Google Patents

Laser oscillator and laser processing apparatus using the same Download PDF

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JP2020060725A
JP2020060725A JP2018193217A JP2018193217A JP2020060725A JP 2020060725 A JP2020060725 A JP 2020060725A JP 2018193217 A JP2018193217 A JP 2018193217A JP 2018193217 A JP2018193217 A JP 2018193217A JP 2020060725 A JP2020060725 A JP 2020060725A
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laser
laser light
transmission fiber
laser oscillator
focal length
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JP2018193217A
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Japanese (ja)
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真也 堂本
Shinya Domoto
真也 堂本
諒 石川
Ryo Ishikawa
諒 石川
元希 森岡
Motoki Morioka
元希 森岡
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

【課題】伝送ファイバから出射されるレーザ光の出力ロスの抑制とビーム品質の維持とを両立する。【解決手段】レーザ発振器100は、レーザ光LBを出射するレーザ光源である複数のレーザモジュール120と、レーザ光LBを所定の倍率で縮小して、伝送ファイバ200の入射端200aに向けて集光する集光光学ユニット140とを少なくとも備えている。集光光学ユニット140は、入射されたレーザ光LBを透過して所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された可変焦点距離レンズである集光レンズ142を有している。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve both suppression of output loss of laser light emitted from a transmission fiber and maintenance of beam quality. A laser oscillator 100 reduces a plurality of laser modules 120, which are laser light sources that emit laser light LB, and the laser light LB by a predetermined magnification, and condenses them toward an incident end 200a of a transmission fiber 200. It is provided with at least a condensing optical unit 140. The condensing optical unit 140 has a condensing lens 142 which is a variable focal length lens configured to transmit an incident laser beam LB to form an image at a predetermined focal point and to change the focal length. .. [Selection diagram] Fig. 2

Description

本発明は、レーザ発振器及びそれを用いたレーザ加工装置に関する。   The present invention relates to a laser oscillator and a laser processing device using the same.

従来、伝送ファイバを用いて、離れた場所にあるワークをレーザ加工するレーザ加工装置が知られている。このようなレーザ加工装置では、レーザ発振器が内部に設けられており、レーザ発振器から出射されたレーザ光は、伝送ファイバのコア内を伝搬して伝送ファイバに接続されたレーザ光出射ヘッドからワークに向けて照射される。また、レーザ光が伝送ファイバに入射されるときに、レーザ発振器内に設けられた集光レンズで伝送ファイバのコアに収まるスポット径までレーザ光のビーム径が縮小される。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a laser processing device that laser-processes a work at a remote place by using a transmission fiber. In such a laser processing apparatus, a laser oscillator is provided inside, and the laser light emitted from the laser oscillator propagates in the core of the transmission fiber and reaches the workpiece from the laser light emission head connected to the transmission fiber. It is irradiated toward. Further, when the laser light is incident on the transmission fiber, the beam diameter of the laser light is reduced to a spot diameter that can be accommodated in the core of the transmission fiber by a condenser lens provided in the laser oscillator.

一方、このようなレーザ加工装置では、レーザ光が入射される伝送ファイバの入射端で、レーザ光のスポット径が大きくなって所定の光量以上のレーザ光がコアから漏れ出ると、最終的に出力されるレーザ光の出力が低下したり、極端な場合は、伝送ファイバの焼損等を生じたりするおそれがある。このため、レーザ発振器から出射されるレーザ光を伝送ファイバのコア内に確実に入射させる必要があった。   On the other hand, in such a laser processing device, when the spot diameter of the laser light becomes large at the incident end of the transmission fiber where the laser light is incident and the laser light of a predetermined light amount or more leaks from the core, the laser light is finally output. The output of the generated laser light may be reduced, or in extreme cases, the transmission fiber may be burnt or the like. Therefore, it is necessary to surely make the laser light emitted from the laser oscillator enter the core of the transmission fiber.

そこで、特許文献1には、集光レンズと伝送ファイバとの間に透明平板を配置し、透明平板の傾斜角度を変化させることで、伝送ファイバの入射端でのレーザ光の集光位置を調整する構成が開示されている。   Therefore, in Patent Document 1, a transparent flat plate is disposed between the condenser lens and the transmission fiber, and the tilt angle of the transparent flat plate is changed to adjust the focus position of the laser light at the incident end of the transmission fiber. A configuration is disclosed.

また、特許文献2には、複数のレーザダイオードモジュールと、各レーザダイオードモジュールから出射されたレーザビームをスペクトルビーム結合させるグレーティングとを有し、レーザダイオードモジュールに取付けられた温度センサでの測定結果に基づいて、グレーティングに入射されるレーザビームの入射角を変化させ、スペクトルビーム結合されたレーザビームが伝送ファイバに入射される際の出力ロスを低減する構成が開示されている。   Further, in Patent Document 2, a plurality of laser diode modules and a grating for combining the laser beams emitted from the respective laser diode modules into a spectral beam are provided, and the measurement result by a temperature sensor attached to the laser diode module is shown. Based on this, a configuration is disclosed in which the incident angle of the laser beam incident on the grating is changed to reduce the output loss when the laser beam combined with the spectrum beam is incident on the transmission fiber.

特開平05−060935号公報Japanese Patent Laid-Open No. 05-060935 特開2016−181643号公報JP, 2016-181643, A

ところで、レーザ加工に用いられるレーザ光では、その光出力とともにビームパラメータ積(Beam Parameter Product;以下、BPPという)に代表されるビーム品質が重要となる。例えば、BPPが大きくなると、レーザ光の発散角が大きくなる。   By the way, in a laser beam used for laser processing, a beam quality represented by a beam parameter product (hereinafter referred to as BPP) is important together with its optical output. For example, as BPP increases, the divergence angle of laser light increases.

しかし、レーザ光をコア内に収めるために、必要以上にレーザ光を絞りすぎると、伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光の発散角が大きくなってしまい、所高い光密度のレーザ光が必要とされるレーザ切断等を適切に行えなくなる場合があった。   However, if the laser light is excessively narrowed down in order to fit the laser light in the core, the divergence angle of the laser light emitted from the emission end of the transmission fiber becomes large, and laser light with a high optical density is generated. In some cases, the required laser cutting or the like could not be performed properly.

また、特許文献1,2に開示された従来の構成では、伝送ファイバの入射端におけるレーザ光の集光位置を調整できるものの、例えば、発散角の調整等を行うことはできなかった。   Further, with the conventional configurations disclosed in Patent Documents 1 and 2, although the focus position of the laser light at the incident end of the transmission fiber can be adjusted, for example, the divergence angle cannot be adjusted.

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、伝送ファイバから出射されるレーザ光の出力ロスを抑制し、かつ良好なビーム品質のレーザ光が得られるレーザ発振器及びそれを用いたレーザ加工装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to suppress an output loss of a laser beam emitted from a transmission fiber, and to use a laser oscillator and a laser beam having good beam quality. It is to provide a laser processing apparatus.

上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を所定の倍率で縮小して、伝送ファイバの入射端に向けて集光する集光光学ユニットと、を少なくとも備えたレーザ発振器であって、前記集光光学ユニットは、入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品を有していることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a laser device according to the present invention is a laser light source that emits a laser beam, and a condensing optical system that condenses the laser beam at a predetermined magnification and condenses it toward an incident end of a transmission fiber. A laser oscillator including at least a unit, wherein the condensing optical unit has an optical component configured to form an incident laser beam at a predetermined focus and change a focal length. It is characterized by being

この構成によれば、伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光の出力ロスを抑制することができる。また、レーザ光のビーム品質を良好なものとすることができる。   With this configuration, it is possible to suppress the output loss of the laser light emitted from the emission end of the transmission fiber. In addition, the beam quality of the laser light can be improved.

また、本発明に係るレーザ加工装置は、上記のレーザ発振器と、前記レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とする。   Further, a laser processing apparatus according to the present invention is attached to the above laser oscillator, a transmission fiber that is connected to the laser oscillator and transmits the laser light emitted from the laser oscillator, and an emission end of the transmission fiber. And a laser beam emitting head.

この構成によれば、伝送ファイバを介してレーザ光出射ヘッドから出射されるレーザ光の出力ロスを抑制し、かつビーム品質を維持して、ワークの加工において良好な加工品質を保つことができる。   With this configuration, it is possible to suppress the output loss of the laser light emitted from the laser light emitting head through the transmission fiber, maintain the beam quality, and maintain good processing quality in processing the work.

本発明のレーザ発振器によれば、伝送ファイバから出射されるレーザ光の出力ロスを抑制すし、ビーム品質を良好なものとすることができる。   According to the laser oscillator of the present invention, it is possible to suppress the output loss of the laser light emitted from the transmission fiber and improve the beam quality.

また、本発明のレーザ加工装置によれば、ワークの加工において良好な加工品質を保つことができる。   Further, according to the laser processing apparatus of the present invention, good processing quality can be maintained in processing a work.

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the laser processing apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 集光光学ユニットの内部構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the internal structure of a condensing optical unit. レーザ発振器の点検及び調整手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the inspection and adjustment procedure of a laser oscillator. レーザ光と伝送ファイバとの光学結合状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical coupling state of a laser beam and a transmission fiber. 伝送ファイバの入射端でのレーザ光出力ロスと伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光のビームパラメータ積との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the laser beam output loss in the incident end of a transmission fiber, and the beam parameter product of the laser beam radiate | emitted from the emission end of a transmission fiber. 変形例に係る集光光学ユニットの内部構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the internal structure of the condensing optical unit which concerns on a modification.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The description of the preferred embodiments below is merely exemplary in nature and is not intended to limit the present invention, its application, or its application.

(実施形態)
[レーザ加工装置の構成]
図1は、本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の模式図を示す。なお、以降の説明において、レーザ光LBが集光光学ユニット140に向かう進行方向をZ方向、複数のレーザモジュール120の配列方向をY方向、Z方向及びY方向と直交する方向をX方向とそれぞれ呼ぶことがある。
(Embodiment)
[Configuration of laser processing equipment]
FIG. 1 shows a schematic diagram of the configuration of a laser processing apparatus according to this embodiment. In the following description, the traveling direction of the laser beam LB toward the condensing optical unit 140 is the Z direction, the arrangement direction of the plurality of laser modules 120 is the Y direction, and the direction orthogonal to the Z direction and the Y direction is the X direction. May be called.

レーザ加工装置1000は、レーザ発振器100と伝送ファイバ200とレーザ光出射ヘッド300と制御部400と電源500と表示部600とを備えている。レーザ発振器100からレーザ光LBが入射される伝送ファイバ200の端部(以下、単に入射端200a(図2参照)という。また、レーザ光LBが出射される伝送ファイバ200の端部を、以下、単に出射端200b(図2参照)という。)とは筐体110内に収容されている。   The laser processing apparatus 1000 includes a laser oscillator 100, a transmission fiber 200, a laser light emitting head 300, a control unit 400, a power supply 500, and a display unit 600. The end of the transmission fiber 200 from which the laser light LB is incident from the laser oscillator 100 (hereinafter, simply referred to as the incident end 200a (see FIG. 2). The end of the transmission fiber 200 from which the laser light LB is emitted is hereinafter referred to as The emitting end 200b (see FIG. 2)) is housed in the housing 110.

レーザ発振器100は、レーザ光源として機能する複数のレーザモジュール120とビーム結合器130と集光光学ユニット140と、を有している。レーザモジュール120は、異なる波長のレーザビームを発する複数のレーザダイオードまたはレーザダイオードアレイからなり、レーザモジュール120内で波長合成されたレーザ光が各レーザモジュール120からそれぞれ出射される。   The laser oscillator 100 includes a plurality of laser modules 120 functioning as a laser light source, a beam combiner 130, and a condensing optical unit 140. The laser module 120 is composed of a plurality of laser diodes or laser diode arrays that emit laser beams of different wavelengths, and the laser light whose wavelengths have been combined in the laser module 120 are emitted from each laser module 120.

ビーム結合器130は、複数のレーザモジュール120からそれぞれ出射されたレーザ光を一つのレーザ光(以下、レーザ光LBという)に結合して集光光学ユニット140に出射する。具体的には、各々のレーザ光の光軸を近接又は一致させるとともに、互いの光軸が平行になるように結合する。   The beam combiner 130 combines the laser light emitted from each of the plurality of laser modules 120 into one laser light (hereinafter referred to as laser light LB) and emits the combined laser light to the condensing optical unit 140. Specifically, the optical axes of the respective laser lights are brought close to or coincide with each other, and they are coupled so that their optical axes are parallel to each other.

集光光学ユニット140は、筐体141と、その内部に配設された、入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品である集光レンズ142とを有している(図2参照)。集光光学ユニット140の各部の構造及び機能については後述する。   The condensing optical unit 140 is a casing 141 and an optical component arranged inside the casing 141, which is an optical component configured to form an image of the incident laser light at a predetermined focus and change the focal length. And a lens 142 (see FIG. 2). The structure and function of each part of the condensing optical unit 140 will be described later.

レーザ発振器100をこのような構成とすることで、レーザ光LBの出力が数kWを超える高出力のレーザ加工装置1000を得ることができる。また、レーザ発振器100は、後述する電源500から電力が供給されてレーザ発振を行い、レーザ光LBが伝送ファイバ200の出射端200bから出射される。なお、本実施形態では、4つのレーザモジュール120がレーザ発振器100に搭載されているが、特にこれに限定されない。レーザモジュール120の搭載個数は、レーザ加工装置1000に要求される出力仕様や、個々のレーザモジュール120の出力仕様によって適宜変更されうる。   With the laser oscillator 100 having such a configuration, it is possible to obtain the high-power laser processing apparatus 1000 in which the output of the laser light LB exceeds several kW. Further, the laser oscillator 100 is supplied with power from a power supply 500 described later to perform laser oscillation, and the laser light LB is emitted from the emission end 200b of the transmission fiber 200. In the present embodiment, four laser modules 120 are mounted on the laser oscillator 100, but the number of laser modules 120 is not limited to this. The number of laser modules 120 mounted can be appropriately changed according to the output specifications required for the laser processing apparatus 1000 and the output specifications of the individual laser modules 120.

伝送ファイバ200は、集光光学ユニット140の集光レンズ142(図2参照)に光学的に結合され、集光レンズ142を介してレーザ発振器100から受け取ったレーザ光LBをレーザ光出射ヘッド300に伝送する。また、伝送ファイバ200は、軸心にレーザ光LBを伝送するためのコア201と、コア201の外周側に、コア201と同軸に設けられたクラッド202とを有している(図2参照)。なお、コア201、クラッド202は、それぞれ石英からなるが、クラッド202の屈折率はコア201の屈折率よりも低くなるように構成されており、クラッド202はレーザ光LBをコア201内に閉じ込める機能を有している。また、クラッド202の外周面は、伝送ファイバ200を機械的ダメージから保護するための皮膜(図示せず)で覆われている。   The transmission fiber 200 is optically coupled to the condensing lens 142 (see FIG. 2) of the condensing optical unit 140, and the laser light LB received from the laser oscillator 100 via the condensing lens 142 is directed to the laser light emitting head 300. To transmit. Further, the transmission fiber 200 has a core 201 for transmitting the laser light LB to the axis and a clad 202 coaxially provided with the core 201 on the outer peripheral side of the core 201 (see FIG. 2). . The core 201 and the clad 202 are each made of quartz, but the clad 202 has a refractive index lower than that of the core 201. The clad 202 has a function of confining the laser light LB in the core 201. have. The outer peripheral surface of the clad 202 is covered with a film (not shown) for protecting the transmission fiber 200 from mechanical damage.

レーザ光出射ヘッド300は、伝送ファイバ200で伝送されたレーザ光LBを外部に向けて照射する。また、レーザ光出射ヘッド300の内部には図示しない光学部品、例えば、コリメータレンズや集光レンズや保護ガラス等を有している。例えば、図1に示すレーザ加工装置1000では、所定の位置に配置された加工対象物であるワークWに向けてレーザ光LBを出射する。このようにすることで、ワークWがレーザ加工される。   The laser light emitting head 300 emits the laser light LB transmitted by the transmission fiber 200 toward the outside. Further, the laser light emitting head 300 has optical components (not shown) such as a collimator lens, a condenser lens, and protective glass inside. For example, in the laser processing apparatus 1000 shown in FIG. 1, the laser beam LB is emitted toward the workpiece W, which is a processing target object arranged at a predetermined position. By doing so, the work W is laser-processed.

制御部400は、レーザ発振器100のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器100に接続された電源500に対して出力電圧やオン時間等の制御信号を供給することにより、各々のレーザモジュール120のレーザ発振制御を行う。各々のレーザモジュール120に対して個別にレーザ発振制御を行うことも可能である。例えば、レーザモジュール120毎にレーザ発振出力やオン時間等を異ならせるようにしてもよい。また、制御部400は、後述する集光レンズ142の焦点距離が所望の値となるように、集光光学ユニット140に取付けられた駆動機構(図示せず)を制御する。また、制御部400は、メモリ等の記憶デバイスからなる記憶部410を有しており、記憶部410には、レーザ加工条件や加工用の動作プログラム等が格納されている。また、後述するように、記憶部410には、レーザ光LBの出力ロスの許容範囲や伝送ファイバ200から出力されるレーザ光LBのビーム品質を表すビームパラメータ積であるBPPの許容範囲が格納されている。また、制御部400は、レーザ光出射ヘッド300が取り付けられたマニピュレータ(図示せず)の動作を制御してもよい。なお、複数のレーザモジュール120とビーム結合器130と集光光学ユニット140と制御部400とでレーザ発振器100が構成されるようにしてもよい。   The control unit 400 controls the laser oscillation of the laser oscillator 100. Specifically, the laser oscillation control of each laser module 120 is performed by supplying a control signal such as an output voltage and an ON time to a power source 500 connected to the laser oscillator 100. It is also possible to individually control laser oscillation for each laser module 120. For example, the laser oscillation output, the ON time, and the like may be different for each laser module 120. Further, the control unit 400 controls a driving mechanism (not shown) attached to the condensing optical unit 140 so that the focal length of the condensing lens 142 described later has a desired value. Further, the control unit 400 has a storage unit 410 formed of a storage device such as a memory, and the storage unit 410 stores laser processing conditions, operation programs for processing, and the like. Further, as will be described later, the storage unit 410 stores the allowable range of the output loss of the laser light LB and the allowable range of the BPP which is the beam parameter product representing the beam quality of the laser light LB output from the transmission fiber 200. ing. The controller 400 may also control the operation of a manipulator (not shown) to which the laser light emitting head 300 is attached. The laser oscillator 100 may be configured by the plurality of laser modules 120, the beam combiner 130, the condensing optical unit 140, and the controller 400.

電源500は、上述したように、レーザ発振を行うための電力をレーザ発振器100、具体的には、複数のレーザモジュール120のそれぞれに対して供給する。制御部400からの指令により、各々のレーザモジュール120に供給される電力を異ならせるようにしてもよい。また、電源500は、レーザ加工装置1000の可動部、例えば、上記のマニピュレータに対して電力を供給するようにしてもよいし、レーザ加工装置1000の可動部向けには別の電源(図示せず)から電力を供給するようにしてもよい。   As described above, the power supply 500 supplies power for performing laser oscillation to the laser oscillator 100, specifically, each of the plurality of laser modules 120. The electric power supplied to each laser module 120 may be different according to a command from the control unit 400. Further, the power source 500 may supply power to a movable part of the laser processing apparatus 1000, for example, the above manipulator, or another power source (not shown) for the movable part of the laser processing apparatus 1000. ) May supply electric power.

表示部600は、制御部400で判定されたレーザ発振器100の異常箇所を表示するように構成されている。なお、表示部600には、上記以外のデータを表示させてもよい。例えば、レーザ光LBの出力を表示させるようにしてもよい。レーザ加工時の加工パラメータと実測値とを同時に表示させるようにしてもよい。表示部600は、通常、ブラウン管や液晶ディスプレイ等の表示デバイスを含んでいる。   The display unit 600 is configured to display the abnormal portion of the laser oscillator 100 determined by the control unit 400. Data other than the above may be displayed on the display unit 600. For example, the output of the laser beam LB may be displayed. It is also possible to display the processing parameter and the actual measurement value at the time of laser processing at the same time. The display unit 600 usually includes a display device such as a cathode ray tube or a liquid crystal display.

[集光光学ユニットの内部構成]
図2は、集光光学ユニットの内部構成の模式図を示す。なお、説明の便宜上、伝送ファイバ200の出射端200bに接続されたレーザ光出射ヘッド300の図示を省略している。
[Internal structure of condensing optical unit]
FIG. 2 shows a schematic diagram of the internal configuration of the condensing optical unit. For convenience of description, the laser light emitting head 300 connected to the emitting end 200b of the transmission fiber 200 is not shown.

集光光学ユニット140は、筐体141と筐体141内に配設された集光レンズ142とを有している。集光レンズ142によって、筐体141内に入射されたレーザ光LBを集光し、集光されたレーザ光LBは、所定の倍率でビーム径が縮小される。また、集光されたレーザ光LBは、伝送ファイバ200の入射端200aに入射され、コア201内を伝搬して出射端200bから外部に出射される。なお、入射端200aに接して、石英からなるコネクタ(図示せず)を設けてもよい。コネクタを設けることにより、入射端200aでのレーザ光LBの乱反射等を防止できる。なお、集光光学ユニット140の内部には、他の光学部品、例えば、コリメータレンズやレーザ光LBの一部を異なる方向に向かわせる部分反射ミラー等が設けられていてもよい。ただし、説明の便宜上、これらの光学部品については図示及び詳細な説明を省略する。   The condensing optical unit 140 has a housing 141 and a condensing lens 142 arranged in the housing 141. The condenser lens 142 condenses the laser light LB that has entered the housing 141, and the condensed laser light LB has a beam diameter reduced by a predetermined magnification. The condensed laser light LB is incident on the incident end 200a of the transmission fiber 200, propagates in the core 201, and is emitted to the outside from the emitting end 200b. A connector (not shown) made of quartz may be provided in contact with the incident end 200a. By providing the connector, irregular reflection of the laser light LB at the incident end 200a can be prevented. Note that other optical components such as a collimator lens and a partial reflection mirror that directs a part of the laser light LB in different directions may be provided inside the condensing optical unit 140. However, for convenience of description, illustration and detailed description of these optical components are omitted.

集光レンズ142は、入射されたレーザ光LBを所定の焦点、この場合は、入射端200aの近傍に結像させる。また、集光レンズ142は、焦点距離を連続的に変更可能に構成された、いわゆる可変焦点距離レンズであり、公知の構成を適用できる。例えば、空気または所定の屈折率を有する液体を弾性変形可能な透明部材に封入し、空気または液体に加わる圧力を変化させて、透明部材の変形、つまり、レンズの曲面の曲率を変化させる流体圧駆動型のレンズでもよいし、同様の構造または弾性変形可能なレンズ体を圧電アクチュエータや静電誘導型アクチュエータ等により変形させてその曲率を変化させる、いわゆる電気駆動型のレンズであってもよい。また、電気光学効果を利用したレンズとしてもよい。また、集光レンズ142の曲率等を変化させる駆動機構に関しては図示を省略している。   The condenser lens 142 forms an image of the incident laser light LB at a predetermined focus, in this case, the vicinity of the incident end 200a. Further, the condenser lens 142 is a so-called variable focal length lens configured so that the focal length can be continuously changed, and a known configuration can be applied. For example, air or a liquid having a predetermined refractive index is enclosed in an elastically deformable transparent member, and the pressure applied to the air or the liquid is changed to deform the transparent member, that is, the fluid pressure that changes the curvature of the curved surface of the lens. It may be a drive type lens, or a so-called electrically driven type lens in which a lens body having the same structure or elastically deformable is deformed by a piezoelectric actuator, an electrostatic induction type actuator or the like to change its curvature. Further, it may be a lens utilizing the electro-optical effect. A drive mechanism for changing the curvature of the condenser lens 142 is not shown.

図2の(a)図に示すように、集光レンズ142で集光されたレーザ光LBが伝送ファイバ200の入射端200aに入射される入射角2θa1が所定値よりも大きく、入射端200aでのレーザ光LBのスポット径2rがコア201の直径D(以下、コア径Dという)よりも小さい場合や、あるいは(b)図に示すように、入射端200aでのレーザ光LBのスポット径2rがコア201のコア径Dよりも大きい場合には、後述するように、種々の不具合を生じる。   As shown in FIG. 2 (a), the incident angle 2θa1 at which the laser beam LB condensed by the condenser lens 142 is incident on the incident end 200a of the transmission fiber 200 is larger than a predetermined value, and at the incident end 200a. When the spot diameter 2r of the laser light LB is smaller than the diameter D of the core 201 (hereinafter referred to as the core diameter D), or as shown in FIG. 7B, the spot diameter 2r of the laser light LB at the incident end 200a. Is larger than the core diameter D of the core 201, various problems occur as described later.

このような場合には、(c)図に示すように、集光レンズ142の焦点距離を変化させて、レーザ光LBが伝送ファイバ200の入射端200aに入射される入射角2θa及び入射端200aでのレーザ光LBのスポット径2rが所望の値となるように調整する。   In such a case, as shown in FIG. 6C, the focal length of the condenser lens 142 is changed and the laser light LB is incident on the incident end 200a of the transmission fiber 200 at the incident angle 2θa and the incident end 200a. The spot diameter 2r of the laser beam LB at is adjusted to a desired value.

[レーザ発振器の点検及び調整手順]
図3は、レーザ発振器の点検及び調整手順を示し、まず、集光光学ユニット140に入射されるレーザ光LBの出力を測定する(ステップS1)。この測定は、種々の方法で行うことができる。例えば、集光光学ユニット140内で、レーザ光LBが集光光学ユニット140に入射される入射口と集光レンズ142との間に部分反射ミラー(図示せず)を設け、部分反射ミラーで反射されたレーザ光LBの一部を図示しないレーザ光出力モニターで受光し、その受光信号に基づいてレーザ光LBの出力を評価するようにしてもよい。また、レーザモジュール120の各々にレーザ光出力モニター(図示せず)を設け、それらの受光信号に基づいてレーザ光LBの出力を評価するようにしてもよい。あるいは、集光光学ユニット140に伝送ファイバ200を取付ける前に、直接、レーザ光LBの出力を測定するようにしてもよい。
[Laser oscillator inspection and adjustment procedure]
FIG. 3 shows the procedure for checking and adjusting the laser oscillator. First, the output of the laser light LB incident on the condensing optical unit 140 is measured (step S1). This measurement can be performed by various methods. For example, in the condensing optical unit 140, a partial reflection mirror (not shown) is provided between an entrance through which the laser light LB enters the condensing optical unit 140 and the condensing lens 142, and is reflected by the partial reflection mirror. A part of the generated laser light LB may be received by a laser light output monitor (not shown), and the output of the laser light LB may be evaluated based on the received light signal. Further, each of the laser modules 120 may be provided with a laser light output monitor (not shown), and the output of the laser light LB may be evaluated based on the light reception signals of these laser light output monitors. Alternatively, the output of the laser light LB may be directly measured before attaching the transmission fiber 200 to the condensing optical unit 140.

次に、伝送ファイバ200から出射されるレーザ光LBの出力とBPPとを測定する(ステップS2)。この測定にあたっては、伝送ファイバ200からレーザ光出射ヘッド300が取り外された状態で行ってもよいし、伝送ファイバ200にレーザ光出射ヘッド300が取付けられた状態で行ってもよい。ただし、後者の場合は、レーザ光出射ヘッド300内での出力ロスやビーム形状の変化を考慮して、測定値を補正する必要がある。なお、ステップS1,S2での測定結果は制御部400の記憶部410に保存される。また、測定値の補正は制御部400で行われる。   Next, the output of the laser light LB emitted from the transmission fiber 200 and the BPP are measured (step S2). This measurement may be performed with the laser light emitting head 300 removed from the transmission fiber 200, or with the laser light emitting head 300 attached to the transmission fiber 200. However, in the latter case, it is necessary to correct the measured value in consideration of the output loss in the laser light emitting head 300 and the change in the beam shape. The measurement results in steps S1 and S2 are stored in the storage unit 410 of the control unit 400. The correction of the measured value is performed by the control unit 400.

また、レーザ光LBの出力は、図示しないレーザ光出力モニターによって測定され、BPPは、同じレーザ光出力モニターを用いてレーザ光LBの出射角2θbを測定することによって求められる。この点について説明する。   The output of the laser beam LB is measured by a laser beam output monitor (not shown), and the BPP is obtained by measuring the emission angle 2θb of the laser beam LB using the same laser beam output monitor. This point will be described.

一般に、レーザ光のビーム品質を表わすBPPは、式(1)に示すように、スポット径2rの半分の値であるr(以下、集光半径rという)と発散角2θの半分の値であるビームの拡がり角としての発散半角θとの積で表される。BPPの単位として、例えば、mm・mradが用いられる。   In general, the BPP representing the beam quality of the laser light is a value of half the spot diameter 2r (hereinafter, referred to as a focusing radius r) and a value of half the divergence angle 2θ, as shown in Expression (1). It is represented by the product of the beam divergence angle and the divergence half-angle θ. For example, mm · mrad is used as the unit of BPP.

BPP=r×θ ・・・(1)   BPP = r × θ (1)

伝送ファイバ200を用いてレーザ光LBを伝送、出射する場合、伝送ファイバ200の入射端200aにおけるレーザ光LBのBPPをBPP1とすると、BPP1は、式(2)で表わされる。   When transmitting and emitting the laser light LB using the transmission fiber 200, if the BPP of the laser light LB at the incident end 200a of the transmission fiber 200 is BPP1, then BPP1 is expressed by equation (2).

BPP1=r×θa ・・・(2)   BPP1 = r × θa (2)

ここで、θaは入射角2θaの半角(以下、入射半角θaという)である。   Here, θa is the half angle of the incident angle 2θa (hereinafter referred to as the incident half angle θa).

また、伝送ファイバ200の入射端200aにおけるレーザ光LBのBPPとしてのBPP1は、レーザ光を整形する際に用いられる光学系の種類や配置等によらず光路上のロスがなければ所定値に維持される値である。つまり、レーザ光LBのBPPは、集光レンズ142等を経由しても伝送ファイバ200の入射端200aにおいて維持されるため、BPP1は、集光光学ユニット140に入射され、集光レンズ142を透過する前のレーザ光LBのBPPと同等である。   The BPP1 as the BPP of the laser light LB at the incident end 200a of the transmission fiber 200 is maintained at a predetermined value if there is no loss on the optical path regardless of the type and arrangement of the optical system used for shaping the laser light. Is the value to be set. That is, since the BPP of the laser light LB is maintained at the incident end 200a of the transmission fiber 200 even though it passes through the condenser lens 142 and the like, the BPP1 is incident on the condenser optical unit 140 and transmitted through the condenser lens 142. It is equivalent to the BPP of the laser beam LB before being processed.

一方、レーザ光LBが伝送ファイバ200内を伝送する場合、伝送ファイバ200の出射端200bが仮想焦点となる。そのため、出射端200bにおけるレーザ光LBのBPPをBPP2とすると、BPP2は、式(3)で表わされる。   On the other hand, when the laser light LB is transmitted through the transmission fiber 200, the emission end 200b of the transmission fiber 200 becomes a virtual focus. Therefore, assuming that the BPP of the laser light LB at the emitting end 200b is BPP2, BPP2 is expressed by equation (3).

BPP2=D/2×θb ・・・(3)   BPP2 = D / 2 × θb (3)

ここで、θb(以下、出射半角θbという)は出射角2θbの半分の値であり、角度が非常に小さい場合、例えば、数度以下の場合を除いて、入射角2θaと出射角2θbとは概ね一致する。また、Dは伝送ファイバ200のコア径である。   Here, θb (hereinafter referred to as “emission half-angle θb”) is half the value of the emission angle 2θb, and when the angle is very small, for example, except when it is several degrees or less, the incident angle 2θa and the emission angle 2θb are equal to each other. Generally agrees. D is the core diameter of the transmission fiber 200.

以上から明らかなように、ステップS2で求められるBPPは、式(3)で表わされるBPP2に相当する。伝送ファイバ200のコア径Dは予めわかっているため、出射角2θbが測定されれば、出射端200bにおけるレーザ光LBのBPPであるBPP2を導出することができる。   As is clear from the above, the BPP obtained in step S2 corresponds to the BPP2 represented by the equation (3). Since the core diameter D of the transmission fiber 200 is known in advance, BPP2, which is the BPP of the laser light LB at the emitting end 200b, can be derived by measuring the emitting angle 2θb.

次に、ステップS1,S2での測定結果に基づいて、伝送ファイバ200におけるレーザ光LBの出力ロスが求められ、かつ、この値が所定値以下であるか否かを判断する(ステップS3)。出力ロスは、記憶部410に保存された値に基づいて制御部400で導出される。また、記憶部410に予め保存された出力ロスの許容範囲に基づいて、制御部400でステップS3の判断が行われる。なお、出力ロスは、ステップS1での測定結果とステップS2での測定結果との差分をステップS1での測定結果で除した値であるが、当該差分値をそのまま用いてもよい。   Next, based on the measurement results in steps S1 and S2, the output loss of the laser light LB in the transmission fiber 200 is obtained, and it is determined whether or not this value is equal to or less than a predetermined value (step S3). The output loss is derived by the control unit 400 based on the value stored in the storage unit 410. Further, the control unit 400 makes the determination in step S3 based on the allowable range of the output loss stored in the storage unit 410 in advance. The output loss is a value obtained by dividing the difference between the measurement result in step S1 and the measurement result in step S2 by the measurement result in step S1, but the difference value may be used as it is.

ステップS3での判断結果が肯定的であればステップS4に進み、ステップS2で測定された伝送ファイバ200の出射端200bから出射されるレーザ光LBのBPP(=BPP2)が所定値以下であるか否かを判断する(ステップS4)。また、記憶部410に予め保存されたBPPの許容範囲に基づいて、制御部400でステップS4の判断が行われる。   If the determination result in step S3 is affirmative, the process proceeds to step S4, and whether the BPP (= BPP2) of the laser light LB emitted from the emission end 200b of the transmission fiber 200 measured in step S2 is equal to or less than a predetermined value. It is determined whether or not (step S4). Further, the control unit 400 makes the determination in step S4 based on the allowable range of the BPP stored in the storage unit 410 in advance.

一方、出力ロスが所定値より大きく、ステップS3での判断結果が否定的であれば、伝送ファイバ200の入射端200aにおいて、レーザ光LBのスポット径2rがコア201のコア径Dよりも大きく拡がっていると判断できるから、(i)集光レンズ142の焦点距離を長くするとともに、伝送ファイバ200の入射端200aに対して、集光レンズ142を離すように距離を大きくすることで、スポット径2rを小さくするか、または、(ii)集光レンズ142によってレーザ光LBの入射角2θaを大きくすることで、焦点距離を短くしてスポット径2rを小さくする(ステップS5)。ステップS2に戻り、レーザ光LBの出力とBPPとを再測定する。なお、ステップS3からステップS5及びステップS2を経てステップS3に戻る一連の処理は、ステップS3での判断結果が肯定的になるまで連続して行われる。ただし、数回の繰り返しを経ても出力ロスが所定値より大きく、ステップS3での判断結果が否定的なままであれば、処理を中断して、集光光学ユニット140から伝送ファイバ200を取り外し、集光光学ユニット140と伝送ファイバ200の点検を行うようにしてもよい。このとき、必要に応じて集光光学ユニット140内の部品や伝送ファイバ200の交換を行うようにしてもよい。   On the other hand, if the output loss is larger than the predetermined value and the result of the determination in step S3 is negative, the spot diameter 2r of the laser light LB at the incident end 200a of the transmission fiber 200 is larger than the core diameter D of the core 201. Therefore, (i) the focal length of the condenser lens 142 is increased, and the distance from the incident end 200a of the transmission fiber 200 is increased so that the condenser lens 142 is separated from the incident end 200a. 2r is reduced, or (ii) the incident angle 2θa of the laser light LB is increased by the condenser lens 142 to shorten the focal length and reduce the spot diameter 2r (step S5). Returning to step S2, the output of the laser light LB and the BPP are measured again. It should be noted that a series of processes from step S3 to step S5 and step S2 and returning to step S3 is continuously performed until the determination result in step S3 becomes affirmative. However, if the output loss is larger than the predetermined value even after repeating several times and the determination result in step S3 remains negative, the process is interrupted and the transmission fiber 200 is removed from the condensing optical unit 140, The light collection optical unit 140 and the transmission fiber 200 may be inspected. At this time, the components in the condensing optical unit 140 and the transmission fiber 200 may be replaced as needed.

また、伝送ファイバ200から出射されるレーザ光LBのBPPが所定値以下であり、ステップS4での判断結果が肯定的であれば、集光レンズ142の焦点距離を変更する必要が無いと判断できるから、この点検及び調整手順を終了する。一方、伝送ファイバ200から出射されるレーザ光LBのBPPが所定値より大きく、ステップS4での判断結果が否定的であれば、伝送ファイバ200から出射されるレーザ光LBのビーム品質が低下していると判断できるから、集光レンズ142の焦点距離を長くして、レーザ光LBの入射角2θaを小さくする(ステップS6)。このようにすることで、レーザ光LBの出射角2θbを小さくし、BPP2を低下できる。ステップS2に戻り、レーザ光LBの出力とBPPとを再測定する。なお、ステップS4からステップS6及びステップS2を経てステップS4に戻る一連の処理は、ステップS4での判断結果が肯定的になるまで連続して行われる。ただし、数回の繰り返しを経ても伝送ファイバ200から出射されるレーザ光LBのBPPが所定値より大きく、ステップS4での判断結果が否定的なままであれば、処理を中断して、集光光学ユニット140から伝送ファイバ200を取り外し、集光光学ユニット140と伝送ファイバ200の点検を行うようにしてもよい。このとき、必要に応じて集光光学ユニット140内の部品や伝送ファイバ200の交換を行うようにしてもよい。   If the BPP of the laser light LB emitted from the transmission fiber 200 is less than or equal to the predetermined value and the result of the determination in step S4 is affirmative, it can be determined that the focal length of the condenser lens 142 need not be changed. This completes the inspection and adjustment procedure. On the other hand, if the BPP of the laser light LB emitted from the transmission fiber 200 is larger than the predetermined value and the determination result in step S4 is negative, the beam quality of the laser light LB emitted from the transmission fiber 200 is degraded. Since it can be determined that the laser beam LB is present, the focal length of the condenser lens 142 is increased to reduce the incident angle 2θa of the laser light LB (step S6). By doing so, the emission angle 2θb of the laser beam LB can be reduced and BPP2 can be reduced. Returning to step S2, the output of the laser light LB and the BPP are measured again. It should be noted that a series of processing from step S4 to step S6 and step S2 and returning to step S4 is continuously performed until the determination result in step S4 becomes affirmative. However, if the BPP of the laser light LB emitted from the transmission fiber 200 is larger than a predetermined value even after several repetitions, and the determination result in step S4 remains negative, the process is interrupted and the light collection is performed. The transmission fiber 200 may be removed from the optical unit 140 and the condensing optical unit 140 and the transmission fiber 200 may be inspected. At this time, the components in the condensing optical unit 140 and the transmission fiber 200 may be replaced as needed.

なお、ステップS5,S6において、集光レンズ142の焦点距離、具体的には焦点レンズ142の曲率等は、前述したように、制御部400からの制御信号に基づき、図示しない駆動機構を介して変更される。   In steps S5 and S6, the focal length of the condensing lens 142, specifically, the curvature of the focusing lens 142 and the like is, as described above, based on the control signal from the control unit 400, via a drive mechanism (not shown). Be changed.

図3に示す手順は、レーザ発振器100でのレーザ発振積算時間やレーザ加工装置1000の運転積算時間等に応じて定期的に実施される。なお、レーザモジュール120や電源500の安定度が予め実験等により、あるいは経験的に確認されている場合には、ステップS1の測定は他のステップよりも実行頻度を小さくしてもよい。例えば、図3に示す手順を数回行ううち、少なくとも1回行えばよい。そのときは、測定結果を記憶部410に保存して、他の処理時には保存された当該値を使用するようにすればよい。あるいは、レーザ光LBの出力設定値をそのまま、ステップS1における測定値としてもよい。その場合は、ステップS2において、出力ロスに代えて、レーザ光LBの出力測定値をそのまま用いるとともに、ステップS3において、当該測定値が所定値以下か否かを判断するようにしてもよい。   The procedure shown in FIG. 3 is periodically performed according to the laser oscillation integrated time of the laser oscillator 100, the operation integrated time of the laser processing apparatus 1000, and the like. If the stability of the laser module 120 or the power source 500 has been confirmed in advance by experiments or the like, the measurement in step S1 may be performed less frequently than other steps. For example, the procedure shown in FIG. 3 may be performed at least once among several times. In that case, the measurement result may be stored in the storage unit 410, and the stored value may be used in other processing. Alternatively, the output setting value of the laser beam LB may be used as it is as the measurement value in step S1. In that case, in step S2, instead of the output loss, the output measurement value of the laser beam LB may be used as it is, and in step S3, it may be determined whether or not the measurement value is equal to or less than a predetermined value.

[効果等]
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ発振器100は、レーザ光LBを出射するレーザ光源である複数のレーザモジュール120と、レーザ光LBを所定の倍率で縮小して、伝送ファイバ200の入射端200aに向けて集光する集光光学ユニット140とを少なくとも備えている。
[Effects, etc.]
As described above, the laser oscillator 100 according to the present embodiment reduces a plurality of laser modules 120, which are laser light sources that emit the laser light LB, and the laser light LB at a predetermined magnification, and then enters the transmission fiber 200. At least the condensing optical unit 140 that condenses toward the end 200a is provided.

集光光学ユニット140は、入射されたレーザ光LBを所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品である集光レンズ142を有している。また、本実施形態において、集光レンズ142は可変焦点距離レンズである。   The condensing optical unit 140 has a condensing lens 142 which is an optical component configured to form the incident laser light LB at a predetermined focus and change the focal length. Further, in this embodiment, the condenser lens 142 is a variable focal length lens.

レーザ発振器100をこのように構成することで、伝送ファイバ200の入射端200aにおけるレーザ光LBの出力ロスを抑制することができる。また、出射端200bから出射されるレーザ光LBのビーム品質を良好なものとすることができる。このことについてさらに説明する。   By configuring the laser oscillator 100 in this way, it is possible to suppress the output loss of the laser light LB at the incident end 200a of the transmission fiber 200. Further, the beam quality of the laser light LB emitted from the emission end 200b can be made good. This will be further described.

前述したように、伝送ファイバ200の入射端200aにおけるレーザ光LBのBPPとしてのBPP1は、レーザ光を整形する際に用いられる光学系の種類や配置等によらず光路上のロス等がなければ所定値に維持される。よって、例えば、より小さいスポット径2rを得ようとするように、レーザ光LBを絞ると、逆に発散半角θbが大きくなる。より具体的に説明すると、伝送ファイバ200における入射端200aでレーザ光LBを単純に絞ると、出射端200bでは、逆に発散半角θbが大きくなる。前述したように、レーザ切断等で、高い光密度のレーザ光が必要とされる場合には、このような状態は好ましくない。場合によっては、所望のレーザ加工を行えないこともある。   As described above, the BPP1 as the BPP of the laser light LB at the incident end 200a of the transmission fiber 200 has no loss on the optical path regardless of the type or arrangement of the optical system used for shaping the laser light. It is maintained at a predetermined value. Therefore, for example, when the laser light LB is narrowed down so as to obtain a smaller spot diameter 2r, the divergence half-angle θb is increased. More specifically, if the laser light LB is simply narrowed down at the entrance end 200a of the transmission fiber 200, then the divergence half-angle θb becomes large at the exit end 200b. As described above, such a state is not preferable when high-density laser light is required for laser cutting or the like. In some cases, desired laser processing may not be performed.

ここで、レーザ光と伝送ファイバとの光学結合状態について図4を用いて詳細に説明する。なお、集光光学ユニット140に入射され、集光レンズ142を透過する前のレーザ光LBのBPPであるBPP1を4.0とし、伝送ファイバ200のコア径Dを0.1mmと仮定する。また、集光レンズ142の焦点距離は固定され、集光レンズ142に入光されるレーザ光LBのスポット径(ビーム径)は一定としているものとする。   Here, the optical coupling state between the laser light and the transmission fiber will be described in detail with reference to FIG. It is assumed that BPP1, which is the BPP of the laser light LB that has entered the condenser optical unit 140 and has not yet passed through the condenser lens 142, is 4.0, and the core diameter D of the transmission fiber 200 is 0.1 mm. The focal length of the condenser lens 142 is fixed, and the spot diameter (beam diameter) of the laser light LB entering the condenser lens 142 is assumed to be constant.

図4の(a)図に示すように、伝送ファイバ200の入射端200aにおけるレーザ光LBのスポット径2rが伝送ファイバ200のコア径Dとなる場合、入射端200aでの出力ロスもなく、レーザ光LBと伝送ファイバ200との光学結合状態は理想的なものとなる。また、本実施形態において、この場合の伝送ファイバ200の出射端200bにおけるレーザ光LBの出射半角θbは80mradとなる。よって、式(3)から明らかなように、出射端200bにおけるBPPであるBPP2は4.0(=0.1/2×80)となり、もとのレーザ光のBPPである集光レンズ142を透過する前のレーザ光LBのBPP1と同じ値となる。つまり、集光光学ユニット140に入射されたレーザ光LBのビーム品質が維持される。   As shown in FIG. 4A, when the spot diameter 2r of the laser light LB at the incident end 200a of the transmission fiber 200 becomes the core diameter D of the transmission fiber 200, there is no output loss at the incident end 200a and the laser The optical coupling state between the light LB and the transmission fiber 200 becomes ideal. In the present embodiment, the emission half angle θb of the laser light LB at the emission end 200b of the transmission fiber 200 in this case is 80 mrad. Therefore, as is clear from the equation (3), BPP2 which is BPP at the emission end 200b becomes 4.0 (= 0.1 / 2 × 80), and the condensing lens 142 which is the BPP of the original laser light is set. It has the same value as BPP1 of the laser light LB before being transmitted. That is, the beam quality of the laser light LB incident on the condensing optical unit 140 is maintained.

一方、図4の(b)図に示すように、伝送ファイバ200の入射端200aにおけるレーザ光LBのスポット径2rが伝送ファイバ200のコア径Dより小さい0.08mmとなるように、レーザ光LBを絞り、集光する集光レンズ142の光学パラメータを選択した場合には、入射端200aにおけるレーザ光LBのスポット径2rが伝送ファイバ200のコア径Dに対して十分に小さいため、レーザ光LBのスポット中心とコア201の中心とが重なるように集光レンズ142の配置を調整すれば、入射端200aにおけるレーザ光LBの出力ロスは無くなる。一方で、伝送ファイバ200の出射端200bにおけるレーザ光LBの出射半角θb1は100mradと逆に拡がってしまう。従って。出射端200bにおけるBPP2は5.0(=0.1/2×100)となり、出射端200bでのビーム品質の低下が生じてしまう。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, the laser beam LB is adjusted so that the spot diameter 2r of the laser beam LB at the incident end 200a of the transmission fiber 200 becomes 0.08 mm smaller than the core diameter D of the transmission fiber 200. When the optical parameter of the condenser lens 142 for converging and condensing is selected, the spot diameter 2r of the laser light LB at the incident end 200a is sufficiently smaller than the core diameter D of the transmission fiber 200, so that the laser light LB If the arrangement of the condenser lens 142 is adjusted so that the center of the spot and the center of the core 201 overlap, the output loss of the laser light LB at the incident end 200a is eliminated. On the other hand, the emission half-angle θb1 of the laser beam LB at the emission end 200b of the transmission fiber 200 is widened to the opposite of 100 mrad. Therefore. BPP2 at the exit end 200b is 5.0 (= 0.1 / 2 × 100), and the beam quality is degraded at the exit end 200b.

また、図4の(c)図に示すように、伝送ファイバ200の入射端200aにおけるレーザ光LBのスポット径2rが伝送ファイバ200のコア径Dより大きい0.12mmとなるように集光レンズ142の光学パラメータを選択した場合には、入射端200aにおけるレーザ光LBの入射半角θa2は66.7mradとなる。また、入射端200aにおけるレーザ光LBのスポット径2rが伝送ファイバ200のコア径Dに対して十分に大きく、入射角2θa2と出射角2θb2とは同じ値となるため、BPP2は3.3(0.1/2×66.7)となり、伝送ファイバ200から出射されるレーザ光LBのビーム品質は向上する。一方で、レーザ光LBのスポット径2rが伝送ファイバ200の入射端200aにおけるコア径Dよりも大きくなってしまうため、入射端200aでの出力ロスが生じてしまう。特に、この場合の出力ロスは、入射端200aにおけるレーザ光LBのスポット径でのエネルギー密度にもよるが、もとの出力に対して10%以上と大きくなるため、所望のレーザ光出力が得られず、また、伝送ファイバ200の焼損等のリスクが高まってしまう。   Further, as shown in FIG. 4C, the condenser lens 142 so that the spot diameter 2r of the laser light LB at the incident end 200a of the transmission fiber 200 is 0.12 mm larger than the core diameter D of the transmission fiber 200. When the optical parameter of is selected, the incident half angle θa2 of the laser beam LB at the incident end 200a is 66.7 mrad. Further, since the spot diameter 2r of the laser light LB at the incident end 200a is sufficiently larger than the core diameter D of the transmission fiber 200 and the incident angle 2θa2 and the outgoing angle 2θb2 are the same value, BPP2 is 3.3 (0 .1 / 2 × 66.7), and the beam quality of the laser light LB emitted from the transmission fiber 200 is improved. On the other hand, since the spot diameter 2r of the laser light LB becomes larger than the core diameter D at the incident end 200a of the transmission fiber 200, an output loss occurs at the incident end 200a. In particular, the output loss in this case depends on the energy density at the spot diameter of the laser light LB at the incident end 200a, but is 10% or more of the original output, so that the desired laser light output can be obtained. In addition, the risk of burnout of the transmission fiber 200 increases.

一方、本実施形態によれば、集光レンズ142を可変焦点距離レンズとして構成し、この可変焦点距離レンズの集光レンズ142を用いて伝送ファイバ200の入射端200aにレーザ光LBを入射させ、レーザ光LBの出射状態に応じて集光レンズ140の焦点距離を変更することで、伝送ファイバ200から出射されるレーザ光LBの出力ロスを抑制して、伝送ファイバ200の焼損等を防止できる。また、BPPに代表されるビーム品質を所望の値に維持することができる。   On the other hand, according to the present embodiment, the condensing lens 142 is configured as a variable focal length lens, and the condensing lens 142 of the variable focal length lens is used to make the laser light LB enter the incident end 200a of the transmission fiber 200. By changing the focal length of the condenser lens 140 according to the emission state of the laser light LB, it is possible to suppress the output loss of the laser light LB emitted from the transmission fiber 200 and prevent the transmission fiber 200 from burning. Moreover, the beam quality represented by BPP can be maintained at a desired value.

レーザ発振器100は、集光レンズ142の焦点距離を所定の値に調整するための制御部400をさらに備えている。また、制御部400は、伝送ファイバ200に伝送されるレーザ光LBの出力ロス及び伝送ファイバ200の出射端200bから出射されるレーザ光LBのBPP(=BPP2)がそれぞれ所定の範囲となるように集光レンズ142の焦点距離を調整するように構成されている。   The laser oscillator 100 further includes a control unit 400 for adjusting the focal length of the condenser lens 142 to a predetermined value. In addition, the control unit 400 causes the output loss of the laser light LB transmitted to the transmission fiber 200 and the BPP (= BPP2) of the laser light LB emitted from the emission end 200b of the transmission fiber 200 to fall within predetermined ranges. It is configured to adjust the focal length of the condenser lens 142.

図5は、伝送ファイバの入射端でのレーザ光出力ロスと伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光のビームパラメータ積BPP2との関係を示す。   FIG. 5 shows the relationship between the laser light output loss at the entrance end of the transmission fiber and the beam parameter product BPP2 of the laser light emitted from the exit end of the transmission fiber.

前述したように、伝送ファイバ200の入射端200aでのレーザ光LBのスポット径2rを大きくしていくと、BPP2は低くなる、つまり、良化する。一方、伝送ファイバ200のコア径Dを超えると出力ロスが発生し始めるため、出力ロスとBPP2とは、図5に示すような関係となる。このデータ及びレーザ光LBの出力ロスの許容範囲とBPP2の許容範囲とが記憶部410に保存されている。   As described above, as the spot diameter 2r of the laser light LB at the incident end 200a of the transmission fiber 200 is increased, the BPP2 becomes lower, that is, improved. On the other hand, when the core diameter D of the transmission fiber 200 is exceeded, an output loss starts to occur, so the output loss and the BPP2 have a relationship as shown in FIG. The data and the allowable range of the output loss of the laser beam LB and the allowable range of the BPP2 are stored in the storage unit 410.

例えば、伝送ファイバ200から出射されるレーザ光LBのBPP2の許容範囲を4以下、より好ましくは3以下で、伝送ファイバ200の入射端200aでの出力ロスの許容範囲を1%以下とすると、図5の斜線で囲まれた領域にレーザ光LBの出射特性を合わせ込むように、制御部400は、図示しない駆動機構を介して可変焦点距離レンズとしての集光レンズ142の焦点距離を変更する。より具体的には、このことにより、レーザ光LBの出力ロスの抑制とビーム品質の維持とを両立できる。   For example, assuming that the allowable range of BPP2 of the laser beam LB emitted from the transmission fiber 200 is 4 or less, more preferably 3 or less, and the allowable range of the output loss at the incident end 200a of the transmission fiber 200 is 1% or less, The control unit 400 changes the focal length of the condenser lens 142 as a variable focal length lens via a drive mechanism (not shown) so that the emission characteristics of the laser light LB are matched with the region surrounded by the diagonal line of 5. More specifically, this makes it possible to both suppress the output loss of the laser light LB and maintain the beam quality.

なお、レーザ光LBのスポット径でのエネルギー密度は、レーザ光の特性によりスポット径の中心側に対してレーザ光LBのエネルギー密度が集中する度合いが異なる。レーザ光のエネルギー密度の特性に応じて、入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品である集光レンズ142の焦点距離を変更するなどして、伝送ファイバ200の入射端200aにおけるコア径Dに対して、レーザ光LBのスポット径2rのサイズを適切に調整することが好ましい。   The energy density at the spot diameter of the laser light LB differs in the degree to which the energy density of the laser light LB is concentrated on the center side of the spot diameter depending on the characteristics of the laser light. According to the characteristics of the energy density of the laser light, the incident laser light is imaged at a predetermined focal point, and the focal length of the condenser lens 142, which is an optical component configured to change the focal length, is changed. Then, it is preferable to appropriately adjust the size of the spot diameter 2r of the laser light LB with respect to the core diameter D at the incident end 200a of the transmission fiber 200.

これにより、入射端200aでのレーザ光LBの出力ロスを抑制しつつ、伝送ファイバ200の出射端200bにおけるBPP2を小さくし、伝送ファイバ200から出射されるレーザ光LBのビーム品質をより向上させることが出来る。   Thereby, while suppressing the output loss of the laser light LB at the incident end 200a, the BPP2 at the emitting end 200b of the transmission fiber 200 is made small, and the beam quality of the laser light LB emitted from the transmission fiber 200 is further improved. Can be done.

また、レーザ加工装置1000に組み込まれるレーザ発振器100では、レーザ加工装置1000を長時間運転することにより、振動や周囲環境の温度変化等によって、集光レンズ142を含む集光光学ユニット140内の縮小光学系と伝送ファイバ200との位置ずれが起こり、両者の光学結合効率が当初よりも小さくなる場合がある。また、レーザ光LBに起因する各部の発熱が長期間にわたって生じる場合にも同様の現象が生じうる。   Further, in the laser oscillator 100 incorporated in the laser processing apparatus 1000, the inside of the condensing optical unit 140 including the condensing lens 142 is reduced by operating the laser processing apparatus 1000 for a long time due to vibration or temperature change of the surrounding environment. There is a case where the optical system and the transmission fiber 200 are displaced from each other, and the optical coupling efficiency between the two becomes smaller than the initial value. The same phenomenon may occur when heat is generated in each part due to the laser beam LB for a long period of time.

一方、本実施形態によれば、定期的に、伝送ファイバ200から出射されるレーザ光LBの出力とBPPとを測定し、これらの測定値に基づいて、集光レンズ142の焦点距離を変更できるため、上記の光学結合効率が低下するのを防止し、レーザ光LBの出力ロスの抑制とビーム品質の維持とを両立できる。   On the other hand, according to the present embodiment, the output of the laser light LB emitted from the transmission fiber 200 and the BPP are periodically measured, and the focal length of the condenser lens 142 can be changed based on these measured values. Therefore, it is possible to prevent the above optical coupling efficiency from being lowered, and to suppress the output loss of the laser light LB and maintain the beam quality at the same time.

また、上記の光学結合効率が低下した場合、従来の構成では、集光光学ユニット140から伝送ファイバ200を取り外し、集光レンズ142等の位置や伝送ファイバ200の入射端200aの位置を再調整する必要があったが、本実施形態によれば、集光レンズ142の焦点距離を変更することで、伝送ファイバ200の取り外しや各部の位置の再調整が不要となる。   Further, when the above optical coupling efficiency decreases, in the conventional configuration, the transmission fiber 200 is removed from the condensing optical unit 140, and the positions of the condensing lens 142 and the like and the position of the incident end 200a of the transmission fiber 200 are readjusted. Although it was necessary, according to the present embodiment, by changing the focal length of the condenser lens 142, it is not necessary to remove the transmission fiber 200 or readjust the position of each part.

また、レーザ発振器100は、複数のレーザモジュール120から出射された複数のレーザ光を結合して出射するビーム結合器130をさらに備え、集光光学ユニット140は、ビーム結合器130から出射されたレーザ光を所定の倍率で縮小して集光するように構成されている。   The laser oscillator 100 further includes a beam combiner 130 that combines and emits the plurality of laser beams emitted from the plurality of laser modules 120, and the condensing optical unit 140 includes the laser emitted from the beam combiner 130. The light is reduced at a predetermined magnification and condensed.

レーザ発振器100をこのように構成することで、レーザ光LBの出力を数kW以上の高出力とすることができる。   By configuring the laser oscillator 100 in this way, the output of the laser light LB can be made a high output of several kW or more.

また、本実施形態に係るレーザ加工装置1000は、レーザ発振器100と、レーザ発振器100に接続され、レーザ発振器100から出射されたレーザ光LBを伝送する伝送ファイバ200と、伝送ファイバ200の出射端200bに取付けられたレーザ光出射ヘッド300と、を少なくとも備えている。   Further, the laser processing apparatus 1000 according to the present embodiment includes a laser oscillator 100, a transmission fiber 200 that is connected to the laser oscillator 100 and transmits the laser light LB emitted from the laser oscillator 100, and an emission end 200 b of the transmission fiber 200. And a laser beam emitting head 300 attached to the.

レーザ加工装置1000をこのように構成することで、出力ロスが抑制された良好なビーム品質を有するレーザ光LBを用いてワークWを加工できるため、加工品質を良好に保つことができる。また、定期点検等で、レーザ光LBの出力ロスの増加やBPPの低下が見られた場合に、集光レンズ142の焦点距離をレーザ光LBの出力ロスやBPPの変化の度合いに応じて変更できるため、部品の交換等を極力減らしてレーザ光LBの特性を維持できる。このことにより、レーザ加工装置1000のダウンタイムを低減できるとともに、運転コストの上昇を抑制できる。   By configuring the laser processing apparatus 1000 in this way, the work W can be processed using the laser light LB having a good beam quality in which output loss is suppressed, so that the processing quality can be kept good. In addition, when an increase in output loss of the laser light LB or a decrease in BPP is observed in a periodic inspection or the like, the focal length of the condenser lens 142 is changed according to the output loss of the laser light LB or the degree of change in BPP. Therefore, it is possible to maintain the characteristics of the laser beam LB by minimizing the replacement of parts. As a result, downtime of the laser processing apparatus 1000 can be reduced and an increase in operating cost can be suppressed.

<変形例>
図6は、本変形例に係る集光光学ユニットの内部構成の模式図を示す。なお、本変形例において、実施形態と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
<Modification>
FIG. 6 is a schematic diagram of the internal configuration of the condensing optical unit according to this modification. In this modified example, the same parts as those in the embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

図6に示す構成は、集光光学ユニット140内に、集光レンズ142の代わりに可変曲率ミラー143が配置されている点で、図2に示す構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 6 is different from the configuration shown in FIG. 2 in that a variable curvature mirror 143 is arranged in place of the condenser lens 142 in the condenser optical unit 140.

入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品である可変曲率ミラー143は、図示しない駆動機構を介して表面の曲率を連続的に変化可能に構成されている。また、可変曲率ミラー143に入射されたレーザ光LBは可変曲率ミラー143の表面で反射されて所定の焦点に結像される。なお、可変曲率ミラー143の曲率を変化させる原理は、集光レンズ142と同様であり、例えば、流体圧駆動や電気駆動で曲率を変化させる。このことにより、可変曲率ミラー143の焦点距離を変更することができる。   The variable curvature mirror 143, which is an optical component configured to form an incident laser beam at a predetermined focus and change the focal length, can continuously change the curvature of the surface via a driving mechanism (not shown). Is configured. Further, the laser light LB incident on the variable curvature mirror 143 is reflected by the surface of the variable curvature mirror 143 and imaged at a predetermined focus. The principle of changing the curvature of the variable curvature mirror 143 is similar to that of the condenser lens 142, and the curvature is changed by, for example, fluid pressure driving or electric driving. As a result, the focal length of the variable curvature mirror 143 can be changed.

従って、例えば、図6に示すように、伝送ファイバ200の入射端200aにおいて、レーザ光LBのスポット径2rがコア201のコア径Dよりも大きくなって出力ロスが増加している場合は、出射端200bから出射されるレーザ光LBの特性測定結果に基づいて、可変曲率ミラー143の曲率を変化させ、レーザ光LBのスポット径2rがコア201ないに適切に収まるようにすることができる。このようにすることで、レーザ光LBの出力ロスの抑制とビーム品質の維持とを両立できる。   Therefore, for example, as shown in FIG. 6, when the spot diameter 2r of the laser light LB is larger than the core diameter D of the core 201 at the incident end 200a of the transmission fiber 200 and the output loss is increased, the light is emitted. Based on the characteristic measurement result of the laser light LB emitted from the end 200b, the curvature of the variable curvature mirror 143 can be changed so that the spot diameter 2r of the laser light LB can be properly contained in the core 201. By doing so, it is possible to both suppress the output loss of the laser light LB and maintain the beam quality.

(その他の実施形態)
なお、変形例を含む上記実施形態において、4つのレーザモジュール120を用いてレーザ光源を構成しているが、特にこれに限定されない。例えば、単一波長のレーザ光を出射する1つのレーザ光源を用いてもよい。その場合、図1に示すビーム結合器130は省略される。
(Other embodiments)
Although the laser light source is configured using the four laser modules 120 in the above-described embodiment including the modification, the invention is not particularly limited to this. For example, one laser light source that emits laser light having a single wavelength may be used. In that case, the beam combiner 130 shown in FIG. 1 is omitted.

また、集光光学ユニット140に入射されたレーザ光LBと伝送ファイバ200との光学結合を変化させるために、入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品として、可変焦点距離レンズである集光レンズ142や可変曲率ミラー143を用いる例を示したが、特にこれに限定されず、他の構成を採用してもよい。例えば、集光光学ユニット140内にそれぞれ焦点距離の異なる複数の集光レンズを配置し、出射端200bから出射されるレーザ光LBの特性測定結果に基づいて、これら集光レンズの中から適切なレンズを選択し、レーザ光LBの光軸に配置するようにしてもよい。この構成では、集光光学ユニット140が大型化してしまうが、所定の位置に配置された集光レンズの交換のみでレーザ光LBの出力ロスとビーム品質とを調整できるため、制御は簡素化される。なお、光学結合効率を細かく調整するためには、例えば、3枚以上のレンズを配置することが好ましい。   Further, in order to change the optical coupling between the laser light LB incident on the condensing optical unit 140 and the transmission fiber 200, the incident laser light is imaged at a predetermined focus and the focal length can be changed. Although an example in which the condenser lens 142 which is a variable focal length lens and the variable curvature mirror 143 are used as the optical components described above is shown, the present invention is not particularly limited to this and other configurations may be adopted. For example, a plurality of condenser lenses having different focal lengths are arranged in the condenser optical unit 140, and an appropriate condenser lens is selected from these condenser lenses based on the characteristic measurement result of the laser light LB emitted from the emission end 200b. A lens may be selected and placed on the optical axis of the laser beam LB. With this configuration, the condensing optical unit 140 becomes large, but since the output loss and the beam quality of the laser light LB can be adjusted only by exchanging the condensing lens arranged at a predetermined position, the control is simplified. It In order to finely adjust the optical coupling efficiency, it is preferable to dispose, for example, three or more lenses.

なお、集光レンズ142や可変曲率ミラー143の焦点距離調整だけで、レーザ光LBと伝送ファイバ200との光学結合を適切に調整することが難しい場合は、集光レンズ142や可変曲率ミラー143をレーザ光LBの光軸方向であるX方向に移動可能とする移動機構(図示せず)を設けるようにしてもよい。あるいは、伝送ファイバ200の入射端200aの位置をX方向に移動可能とする移動機構(図示せず)を設けるようにしてもよい。   If it is difficult to properly adjust the optical coupling between the laser beam LB and the transmission fiber 200 only by adjusting the focal lengths of the condenser lens 142 and the variable curvature mirror 143, the condenser lens 142 and the variable curvature mirror 143 are used. A moving mechanism (not shown) that can move in the X direction, which is the optical axis direction of the laser light LB, may be provided. Alternatively, a moving mechanism (not shown) that can move the position of the incident end 200a of the transmission fiber 200 in the X direction may be provided.

本発明に係るレーザ発振器は、伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光の出力ロスを抑制し、ビーム品質を良好な値に維持できるため、レーザ加工装置に適用する上で有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The laser oscillator according to the present invention can suppress the output loss of the laser light emitted from the emission end of the transmission fiber and maintain the beam quality at a good value, and thus is useful in application to a laser processing apparatus.

100 レーザ発振器
110 筐体
120 レーザモジュール
130 ビーム結合器
140 集光光学ユニット
142 集光レンズ(可変焦点距離レンズ)
143 可変曲率ミラー
200 伝送ファイバ
200a 入射端
200b 出射端
300 レーザ光出射ヘッド
400 制御部
500 電源
600 表示部
1000 レーザ加工装置
LB レーザ光
W ワーク
100 laser oscillator 110 housing 120 laser module 130 beam combiner 140 condensing optical unit 142 condensing lens (variable focal length lens)
143 variable curvature mirror 200 transmission fiber 200a incident end 200b emitting end 300 laser light emitting head 400 control unit 500 power supply 600 display unit 1000 laser processing device LB laser light W work

Claims (6)

レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を所定の倍率で縮小して、伝送ファイバの入射端に向けて集光する集光光学ユニットと、を少なくとも備えたレーザ発振器であって、
前記集光光学ユニットは、入射されたレーザ光を所定の焦点に結像させ、かつ焦点距離を変更可能に構成された光学部品を有していることを特徴とするレーザ発振器。
A laser oscillator comprising at least a laser light source for emitting laser light, and a condensing optical unit for condensing the laser light at a predetermined magnification to condense it toward an incident end of a transmission fiber,
The laser oscillator, wherein the condensing optical unit has an optical component configured to form an incident laser beam at a predetermined focus and change a focal length.
請求項1に記載のレーザ発振器において、
前記光学部品は、可変焦点距離レンズであることを特徴とするレーザ発振器。
The laser oscillator according to claim 1,
The laser oscillator, wherein the optical component is a variable focal length lens.
請求項1に記載のレーザ発振器において、
前記光学部品は、可変曲率ミラーであることを特徴とするレーザ発振器。
The laser oscillator according to claim 1,
The laser oscillator, wherein the optical component is a variable curvature mirror.
請求項1ないし3のいずれか1項に記載のレーザ発振器において、
前記レーザ光源は、レーザ光をそれぞれ出射する複数のレーザモジュールで構成され、
前記複数のレーザモジュールから出射された複数のレーザ光を結合して出射するビーム結合器をさらに備え、
前記集光光学ユニットは、前記ビーム結合器から出射されたレーザ光を所定の倍率で縮小して集光することを特徴とするレーザ発振器。
The laser oscillator according to any one of claims 1 to 3,
The laser light source is composed of a plurality of laser modules each emitting a laser beam,
Further comprising a beam combiner for combining and emitting a plurality of laser beams emitted from the plurality of laser modules,
The laser oscillator, wherein the condensing optical unit reduces the laser light emitted from the beam combiner at a predetermined magnification and condenses the laser light.
請求項1ないし4のいずれか1項に記載のレーザ発振器において、
前記光学部品の焦点距離を所定の値に調整するための制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記伝送ファイバに伝送されるレーザ光の出力ロス及び前記伝送ファイバの出射端から出射されるレーザ光のビームパラメータ積がそれぞれ所定の範囲となるように前記光学部品の焦点距離を調整するように構成されていることを特徴とするレーザ発振器。
The laser oscillator according to any one of claims 1 to 4,
Further comprising a control unit for adjusting the focal length of the optical component to a predetermined value,
The control unit adjusts the focal length of the optical component so that the output loss of the laser light transmitted to the transmission fiber and the beam parameter product of the laser light emitted from the emission end of the transmission fiber fall within predetermined ranges. A laser oscillator configured to be tuned.
請求項1ないし5のいずれか1項に記載のレーザ発振器と、
前記レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を伝送する伝送ファイバと、
前記伝送ファイバの出射端に取付けられたレーザ光出射ヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
A laser oscillator according to any one of claims 1 to 5,
A transmission fiber connected to the laser oscillator and transmitting the laser light emitted from the laser oscillator,
A laser processing apparatus comprising at least a laser beam emitting head attached to an emitting end of the transmission fiber.
JP2018193217A 2018-10-12 2018-10-12 Laser oscillator and laser processing apparatus using the same Pending JP2020060725A (en)

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