JP2025022340A - Laser oscillator and laser processing device equipped with same - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、レーザ発振器及びそれを備えたレーザ加工装置に関する。 This disclosure relates to a laser oscillator and a laser processing device equipped with the same.
レーザ光の出力は、レーザ発振器を用いたレーザ加工における重要な加工パラメータの一つであり、レーザ発振器にはレーザ光の出力を適切に制御することが求められる。一方、レーザ加工中にレーザ光の出力を直接モニタすることは難しいため、レーザ光の出力の間接的なモニタ方法が種々提案されている。 Laser light output is one of the important processing parameters in laser processing using a laser oscillator, and the laser oscillator is required to appropriately control the laser light output. On the other hand, since it is difficult to directly monitor the laser light output during laser processing, various methods for indirectly monitoring the laser light output have been proposed.
例えば、特許文献1に示すように、加工用レーザ光の一部を分岐し、分岐されたレーザ光をパワーメータに入射させる構成が記載されている。パワーメータは、入射したレーザ光のパワーに応じた電圧を発生させ、この電圧に基づいて加工用レーザ光のパワーが算出、評価される。なお、このパワーメータは、熱伝導部材を介して、水冷式の冷却器により冷却された状態で使用される。 For example, as shown in Patent Document 1, a configuration is described in which a portion of the processing laser light is branched off and the branched laser light is made incident on a power meter. The power meter generates a voltage according to the power of the incident laser light, and the power of the processing laser light is calculated and evaluated based on this voltage. This power meter is used in a state where it is cooled by a water-cooled cooler via a heat conductive member.
しかし、特許文献1に開示されるような、もとのレーザ光の一部を分岐して光検出器でモニタする場合、入射するレーザ光の光軸が設定よりもずれた場合、光軸ずれに伴い、光検出器の出力信号の大きさが変化してしまうことがある。レーザ光のビームプロファイルが時間やレーザ光のパワーレベルによって変動する場合も同様に、当該変動に伴い、光検出器の出力信号の大きさが変動してしまうことがある。 However, when a portion of the original laser light is branched off and monitored by a photodetector as disclosed in Patent Document 1, if the optical axis of the incident laser light deviates from a set value, the magnitude of the output signal from the photodetector may change due to the optical axis deviation. Similarly, if the beam profile of the laser light fluctuates with time or the power level of the laser light, the magnitude of the output signal from the photodetector may fluctuate due to the fluctuation.
光軸ずれやビームプロファイルの変動によらず、入射したレーザ光の光量に基づいて、もとのレーザ光の出力を正確に算出するには、入射したレーザ光の全量を光検出器で確実に受光することが求められている。 In order to accurately calculate the output of the original laser light based on the amount of incident laser light, regardless of optical axis misalignment or fluctuations in the beam profile, it is necessary to reliably receive the entire amount of incident laser light with the photodetector.
また、光検出器として、フォトダイオード等の光電変換素子を用いる場合、受光面内の感度が一定でない場合、入射したレーザ光の全量を受光したとしても、光検出器の出力信号の大きさが変動してしまうことがある。 In addition, when a photoelectric conversion element such as a photodiode is used as a photodetector, if the sensitivity within the light receiving surface is not constant, the magnitude of the output signal from the photodetector may fluctuate even if the entire amount of incident laser light is received.
本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、高速かつ高精度で入射されたレーザ光のパワーを評価可能な出力モニタ機構を備えたレーザ発振器及びそれを備えたレーザ加工装置を提供することにある。 The present disclosure has been made in consideration of these points, and its purpose is to provide a laser oscillator equipped with an output monitor mechanism capable of evaluating the power of incident laser light at high speed and with high accuracy, and a laser processing device equipped with the same.
上記目的を達成するため、本開示に係るレーザ発振器は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の一部である第1レーザ光を集光して外部に出射する集光光学ユニットと、前記第1レーザ光の出力をモニタする出力モニタ機構と、を少なくとも備え、前記出力モニタ機構は、前記レーザ光を前記第1レーザ光と、前記第1レーザ光と異なる方向に進行する第2レーザ光と、に分岐する光分岐素子と、入射端面と出射端面とを有する光均一化素子と、前記第2レーザ光を前記入射端面に向けて集光する集光光学素子と、前記第2レーザ光を受光する受光面を有し、受光された前記第2レーザ光の光量に基づいて出力信号を出力する光検出器と、を少なくとも有し、前記光検出器は、受光面が前記出射端面と接しているか、または前記出射端面と所定の間隔をあけて対向するように配置され、前記光検出器の前記出力信号に基づいて、前記第1レーザ光の出力を算出する制御部をさらに備えたことを特徴とする。 To achieve the above object, the laser oscillator according to the present disclosure includes at least a laser light source that emits laser light, a focusing optical unit that focuses a first laser light, which is a part of the laser light, and outputs it to the outside, and an output monitor mechanism that monitors the output of the first laser light, and the output monitor mechanism includes at least a light branching element that branches the laser light into the first laser light and a second laser light traveling in a direction different from that of the first laser light, a light homogenizing element having an entrance end face and an exit end face, a focusing optical element that focuses the second laser light toward the entrance end face, and a photodetector that has a light receiving surface that receives the second laser light and outputs an output signal based on the amount of light of the received second laser light, and the photodetector is arranged so that the light receiving surface is in contact with the exit end face or faces the exit end face at a predetermined interval, and further includes a control unit that calculates the output of the first laser light based on the output signal of the photodetector.
本開示に係るレーザ加工装置は、前記レーザ発振器と、前記第1レーザ光を受け取って、ワークに向けて照射するレーザヘッドと、を少なくとも備えたことを特徴とする。 The laser processing device according to the present disclosure is characterized by having at least the laser oscillator and a laser head that receives the first laser light and irradiates it toward a workpiece.
本開示によれば、第1レーザ光の出力を高速かつ高精度でモニタすることができる。また、レーザ光の光軸ずれやビームプロファイルが変動した場合も、これらに影響されず、第1レーザ光の出力を正確にモニタすることができる。 According to the present disclosure, the output of the first laser light can be monitored at high speed and with high accuracy. Furthermore, even if the optical axis of the laser light is misaligned or the beam profile fluctuates, the output of the first laser light can be accurately monitored without being affected by these.
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、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、本開示、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ない。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Note that the following description of the preferred embodiments is merely illustrative in nature and is not intended to limit the present disclosure, its applications, or its uses.
(実施形態1)
[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、ビーム合成器20から出射された、後述する第1レーザ光LB1が集光光学ユニット40に向かう進行方向をX方向と呼ぶことがある。X方向は、集光光学ユニット40の第4筐体41の内部における第1レーザ光LB1の光軸方向でもある。複数のレーザモジュール10の配列方向をY方向と呼ぶことがある。X方向及びY方向とそれぞれ直交する方向をZ方向と呼ぶことがある。
(Embodiment 1)
[Configuration of laser processing device]
1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser processing apparatus according to this embodiment. In the following description, the traveling direction of a first laser beam LB1 (described later) emitted from a beam combiner 20 toward a focusing optical unit 40 may be referred to as an X-direction. The X-direction is also the optical axis direction of the first laser beam LB1 inside a fourth housing 41 of the focusing optical unit 40. The arrangement direction of the multiple laser modules 10 may be referred to as a Y-direction. A direction perpendicular to the X-direction and the Y-direction may be referred to as a Z-direction.
なお、本願明細書において、「直交」または「平行」あるいは「同じ」とは、レーザ加工装置200やその構成部品の組立公差や加工公差を含んで直交しているか、または平行であるか、あるいは同じであるという意味であり、比較対象同士が厳密な意味で直交しているか、または平行であるか、あるいは同じであることまでを意味するものではない。 In this specification, "orthogonal," "parallel," or "same" means that the two are orthogonal, parallel, or the same, including the assembly tolerances and processing tolerances of the laser processing device 200 and its components, and does not mean that the objects being compared are orthogonal, parallel, or the same in the strict sense.
レーザ加工装置200は、第5筐体50とレーザ発振器80と光ファイバ90とレーザヘッド100とを備えている。制御部60と電源70とを除き、レーザ発振器80は第5筐体50の内部に収容されている。また、光ファイバ90の一部も第5筐体50の内部に収容されている。 The laser processing device 200 includes a fifth housing 50, a laser oscillator 80, an optical fiber 90, and a laser head 100. Except for the control unit 60 and the power supply 70, the laser oscillator 80 is housed inside the fifth housing 50. In addition, a portion of the optical fiber 90 is also housed inside the fifth housing 50.
レーザ発振器80は、複数のレーザモジュール10とビーム合成器20と出力モニタユニット30と集光光学ユニット40と制御部60と電源70とを有している。レーザモジュール10は、複数のレーザダイオードまたはレーザダイオードバーを有するレーザ光源である。レーザモジュール10内で合成されたモジュールレーザ光LBM1~LBM4(図10、11参照)が各レーザモジュール10からそれぞれ出射される。 The laser oscillator 80 has a plurality of laser modules 10, a beam combiner 20, an output monitor unit 30, a focusing optical unit 40, a control unit 60, and a power supply 70. The laser modules 10 are laser light sources having a plurality of laser diodes or laser diode bars. Module laser beams LB M1 to LB M4 (see FIGS. 10 and 11) combined within the laser modules 10 are emitted from each of the laser modules 10.
ビーム合成器20は、複数のレーザモジュール10からそれぞれ出射されたモジュールレーザ光LBM1~LBM4(図10、11参照)を1本のレーザ光LB0に結合する。また、レーザ光LB0の一部を第1レーザ光LB1として集光光学ユニット40に入射させる(図2参照)。ビーム合成器20の構成については、後で述べる。 The beam combiner 20 combines the module laser beams LB M1 to LB M4 (see FIGS. 10 and 11) emitted from the multiple laser modules 10 into one laser beam LB 0. Also, a part of the laser beam LB 0 is made incident on the focusing optical unit 40 as a first laser beam LB 1 (see FIG. 2). The configuration of the beam combiner 20 will be described later.
出力モニタユニット30は、ビーム合成器20に接続されており、レーザ光LB0の残部である第2レーザ光LB2を受光し、受光された第2レーザ光LB2の光量に基づいて、第1レーザ光LB1の出力を算出、評価する(図2参照)。出力モニタユニット30の構成については、後で述べる。 The output monitor unit 30 is connected to the beam combiner 20, receives the second laser light LB2 which is the remaining part of the laser light LB0 , and calculates and evaluates the output of the first laser light LB1 based on the amount of light of the received second laser light LB2 (see FIG. 2). The configuration of the output monitor unit 30 will be described later.
集光光学ユニット40は、ビーム合成器20から出射された第1レーザ光LB1を受け取って、光ファイバ90の入射端に向けて集光する。集光光学ユニット40の構成については、後で述べる。 The focusing optical unit 40 receives the first laser light LB1 emitted from the beam combiner 20, and focuses the light toward the incident end of the optical fiber 90. The configuration of the focusing optical unit 40 will be described later.
光ファイバ90は、図示しないコアとクラッドとを少なくとも有している。コアは、光ファイバ90の軸心に設けられ、集光光学ユニット40から入射された第1レーザ光LB1をレーザヘッド100に導光する光導波路として機能する。クラッドは、コアの外周を囲むように設けられ、第1レーザ光LB1をコアの内部に閉じ込める光閉じ込め層として機能する。 The optical fiber 90 has at least a core and a cladding (not shown). The core is provided at the axial center of the optical fiber 90 and functions as an optical waveguide that guides the first laser light LB1 incident from the focusing optical unit 40 to the laser head 100. The cladding is provided so as to surround the outer periphery of the core and functions as an optical confinement layer that confines the first laser light LB1 inside the core.
制御部60は、レーザ発振器80のレーザ発振を制御する。具体的には、電源70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10のレーザ発振制御を行う。各々のレーザモジュール10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10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。 The control unit 60 controls the laser oscillation of the laser oscillator 80. Specifically, the control unit 60 controls the laser oscillation of each laser module 10 by supplying control signals such as output voltage and on-time to the power supply 70. It is also possible to control the laser oscillation of each laser module 10 individually. For example, the laser oscillation output and on-time may be different for each laser module 10.
また、制御部60は、演算部62を有している。演算部62は、後で述べる光検出器36(図2、4参照)の出力信号を受け取って、この出力信号に基づいて、光ファイバ90から出射される第1レーザ光LB1の出力値を算出する。 The control unit 60 also has a calculation unit 62. The calculation unit 62 receives an output signal from a photodetector 36 (see FIGS. 2 and 4) described later, and calculates an output value of the first laser light LB1 emitted from the optical fiber 90 based on this output signal.
演算部62は、例えば、CPU(Central Processing Unit)で構成される。制御部60は、演算部62以外に、1または複数のCPUを備えていてもよい。 The calculation unit 62 is configured, for example, by a CPU (Central Processing Unit). The control unit 60 may also include one or more CPUs in addition to the calculation unit 62.
制御部60は、演算部62で算出された出力値に基づいて、第1レーザ光LB1の出力が、レーザ加工で使用される所定の目標値となるように、電源70を制御する。具体的には、制御部60は、第1レーザ光LB1の出力が所定の目標値となるように、電源70から各レーザモジュール10に含まれるレーザ光源に供給される電力を制御する。 The control unit 60 controls the power supply 70 so that the output of the first laser light LB1 becomes a predetermined target value used in laser processing based on the output value calculated by the calculation unit 62. Specifically, the control unit 60 controls the power supplied from the power supply 70 to the laser light source included in each laser module 10 so that the output of the first laser light LB1 becomes a predetermined target value.
なお、制御部60の制御対象がレーザ光LB0の出力であってもよい。つまり、制御部60は、レーザ光LB0の出力が所定の目標値となるように、電源70から各レーザモジュール10に含まれるレーザ光源に供給される電力を制御するにしてもよい。 The control target of the control unit 60 may be the output of the laser beam LB 0. In other words, the control unit 60 may control the power supplied from the power source 70 to the laser light source included in each laser module 10 so that the output of the laser beam LB 0 becomes a predetermined target value.
また、制御部60は、記憶部61を有しており、記憶部61には、レーザ加工条件や加工用の動作プログラムが格納されている。記憶部61は、RAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等の半導体メモリで構成される。なお、記憶部61は、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)等で構成されてもよい。また、制御部60は、レーザヘッド100が取り付けられたロボット(図示せず)の動作を制御してもよい。 The control unit 60 also has a memory unit 61, which stores laser processing conditions and processing operation programs. The memory unit 61 is composed of semiconductor memory such as a random access memory (RAM) or a read only memory (ROM). The memory unit 61 may also be composed of a hard disk drive (HDD) or a solid state drive (SSD). The control unit 60 may also control the operation of a robot (not shown) to which the laser head 100 is attached.
表示部63は、演算部62で算出された、第1レーザ光LB1の出力値を時系列で可視化して表示するように構成されている。なお、表示部63には、上記以外のデータを表示させてもよい。例えば、レーザ加工時の加工パラメータを同時に表示させるようにしてもよい。表示部63は、通常、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等の表示デバイスを含んでいる。 The display unit 63 is configured to visualize and display the output value of the first laser beam LB1 calculated by the calculation unit 62 in a time series. The display unit 63 may display data other than the above. For example, processing parameters during laser processing may be displayed at the same time. The display unit 63 usually includes a display device such as a liquid crystal display or an organic EL display.
電源70は、前述したように、レーザ発振を行うための電力を複数のレーザモジュール10のそれぞれに対して供給する。制御部60からの指令により、各々のレーザモジュール10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70は、レーザ加工装置200の可動部、例えば、前述のロボットに対して電力を供給するようにしてもよい。なお、レーザ加工装置200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 70 supplies power for laser oscillation to each of the multiple laser modules 10. The power supplied to each laser module 10 may be different based on a command from the control unit 60. The power supply 70 may also supply power to a moving part of the laser processing device 200, such as the robot mentioned above. Note that power may be supplied to the moving part of the laser processing device 200 from a separate power supply (not shown).
レーザ発振器80をこのような構成とすることで、第1レーザ光LB1の出力が数kWを超える高出力のレーザ加工装置200を得ることができる。 By configuring the laser oscillator 80 in this manner, it is possible to obtain a high-output laser processing apparatus 200 in which the output of the first laser light LB1 exceeds several kW.
レーザヘッド100は、光ファイバ90で伝送された第1レーザ光LB1を外部に向けて照射する。例えば、図1に示すレーザ加工装置200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に向けて第1レーザ光LB1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 head 100 irradiates the first laser light LB1 transmitted through the optical fiber 90 toward the outside. For example, in the laser processing device 200 shown in Fig. 1, the first laser light LB1 is emitted toward a workpiece W, which is an object to be processed and is arranged at a predetermined position. In this manner, the workpiece W is laser processed.
なお、本実施形態では、4個のレーザモジュール10がレーザ発振器80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10の搭載個数は、レーザ加工装置200に要求される出力仕様や、個々のレーザモジュール10の出力仕様によって適宜変更されうる。 In this embodiment, four laser modules 10 are mounted on the laser oscillator 80, but this is not particularly limited. The number of laser modules 10 mounted can be changed as appropriate depending on the output specifications required for the laser processing device 200 and the output specifications of each laser module 10.
例えば、レーザモジュール10が1個の場合、前述のレーザ光LB0は、レーザモジュール10から出射されるモジュールレーザ光となる。また、ビーム合成器20は省略される。この場合、例えば、レーザモジュール10の第1筐体11A(図10参照)と出力モニタユニット30の第3筐体31とが接続され、両者を区画する隔壁に第2集光レンズ33が配置される。また、部分反射ミラー24は、第1筐体11Aの内部に配置される。部分反射ミラー24に入射したモジュールレーザ光が、集光光学ユニット40に入射する第1レーザ光LB1と出力モニタユニット30に入射する第2レーザ光LB2とに分岐される。 For example, in the case where there is one laser module 10, the above-mentioned laser light LB0 becomes a module laser light emitted from the laser module 10. Also, the beam combiner 20 is omitted. In this case, for example, the first housing 11A (see FIG. 10) of the laser module 10 and the third housing 31 of the output monitor unit 30 are connected, and the second condenser lens 33 is disposed on the partition wall separating the two. Also, the partial reflection mirror 24 is disposed inside the first housing 11A. The module laser light incident on the partial reflection mirror 24 is branched into the first laser light LB1 incident on the condensing optical unit 40 and the second laser light LB2 incident on the output monitor unit 30.
[レーザ発振器及び出力モニタ機構の構成]
図2は、レーザ発振器の要部の概略構成図である。図3Aは、ミキシングロッドの斜視図である。図3Bは、図3AのIIIB-IIIB線での断面図である。
[Configuration of laser oscillator and output monitor mechanism]
Fig. 2 is a schematic diagram of the main part of the laser oscillator, Fig. 3A is a perspective view of a mixing rod, and Fig. 3B is a cross-sectional view taken along line IIIB-IIIB in Fig. 3A.
なお、ビーム合成器20の内部には、図2に示す以外の光学部品が複数配置されているが(図10、11参照)、説明の便宜上、図2において、これらの図示及び説明を省略する。 Note that, inside the beam combiner 20, there are several optical components other than those shown in FIG. 2 (see FIGS. 10 and 11), but for the sake of convenience, these are not shown or described in FIG. 2.
ビーム合成器20は、第2筐体21の内部に1/4波長板23と部分反射ミラー(光分岐素子)24とを少なくとも有している。ビーム合成器20の内部でZ方向に進行するレーザ光LB0は、1/4波長板23を透過することで直線偏光から円偏光となり、さらに部分反射ミラー24に入射する。 The beam combiner 20 has at least a quarter-wave plate 23 and a partial reflection mirror (light branching element) 24 inside the second housing 21. The laser light LB0 traveling in the Z direction inside the beam combiner 20 is converted from linearly polarized light to circularly polarized light by transmitting through the quarter-wave plate 23, and then enters the partial reflection mirror 24.
部分反射ミラー24は、板状の部材であり、レーザ光LB0の入射面は、レーザ光LB0の光軸に対し45度傾いている。また、部分反射ミラー24は、レーザ光LB0の大部分を反射し、残部を透過するように構成されている。このため、部分反射ミラー24に入射したレーザ光LB0は、X方向に進行する第1レーザ光LB1とZ方向に進行する第2レーザ光LB2とに分岐される。第1レーザ光LB1は、集光光学ユニット40に入射し、第2レーザ光LB2は、出力モニタユニット30に入射する。第1レーザ光LB1の出力は、レーザ光LB0の出力の99.99%であり、第2レーザ光LB2の出力は、レーザ光LB0の出力の0.01%である。ただし、第1レーザ光LB1と第2レーザ光LB2との出力比は、特にこの値に限定されず、適宜変更しうる。 The partial reflection mirror 24 is a plate-shaped member, and the incident surface of the laser light LB 0 is inclined at 45 degrees with respect to the optical axis of the laser light LB 0. The partial reflection mirror 24 is configured to reflect most of the laser light LB 0 and transmit the remaining part. Therefore, the laser light LB 0 incident on the partial reflection mirror 24 is branched into a first laser light LB 1 traveling in the X direction and a second laser light LB 2 traveling in the Z direction. The first laser light LB 1 is incident on the focusing optical unit 40, and the second laser light LB 2 is incident on the output monitor unit 30. The output of the first laser light LB 1 is 99.99% of the output of the laser light LB 0 , and the output of the second laser light LB 2 is 0.01% of the output of the laser light LB 0. However, the output ratio of the first laser light LB 1 and the second laser light LB 2 is not particularly limited to this value and can be changed as appropriate.
出力モニタユニット30は、第3筐体31と第2集光レンズ(集光光学素子)33とを有している。また、第3筐体31の内部に、ホルダ32と減光フィルタ34とミキシングロッド(光均一化素子)35と光検出器36とが配置されている。 The output monitor unit 30 has a third housing 31 and a second focusing lens (focusing optical element) 33. Inside the third housing 31, a holder 32, a neutral density filter 34, a mixing rod (light homogenizing element) 35, and a photodetector 36 are arranged.
第3筐体31は、第2筐体21に接続され、両者は隔壁31aを共有している。隔壁31aは開口を有しており、この開口に第2集光レンズ33が嵌め込まれている。 The third housing 31 is connected to the second housing 21, and the two share a partition 31a. The partition 31a has an opening, and the second focusing lens 33 is fitted into this opening.
なお、後で述べる第1筐体11Aを含め、第1~第5筐体11A、21、31、41、50及び隔壁31aは、いずれもレーザ光LB0を透過しない材質の材料で構成される。第2集光レンズ33を除いて、第3筐体31と第2筐体21とを隔壁31aで仕切ることにより、レーザ光LB0または第1レーザ光LB1がビーム合成器20の内部で反射等されたときに発生する迷光が、出力モニタユニット30に漏れ込むのを防止している。 The first to fifth housings 11A, 21, 31, 41, 50, and the partition wall 31a, including the first housing 11A described later, are all made of a material that does not transmit the laser light LB 0. By separating the third housing 31 and the second housing 21 with the partition wall 31a, except for the second condenser lens 33, stray light generated when the laser light LB 0 or the first laser light LB 1 is reflected inside the beam combiner 20 is prevented from leaking into the output monitor unit 30.
第2集光レンズ33は、ビーム合成器20から入射する第2レーザ光LB2の光路上に配置されており、第2レーザ光LB2を集光して減光フィルタ34に入射させる。 The second condenser lens 33 is disposed on the optical path of the second laser light LB2 incident from the beam combiner 20, and condenses the second laser light LB2 and makes it incident on the neutral density filter .
ホルダ32は、両端に開口を有する筒状の部材であり、第3筐体31に取り付け固定されている。ホルダ32の一方の開口を覆うように減光フィルタ34がホルダ32に取り付けられている。また、他方の開口を覆うように光検出器36がホルダ32に取り付けられている。また、ホルダ32の内部にミキシングロッド35が配置されている。言い換えると、ミキシングロッド35は、ホルダ32に保持されている。 The holder 32 is a cylindrical member having openings on both ends, and is attached and fixed to the third housing 31. A neutral density filter 34 is attached to the holder 32 so as to cover one of the openings of the holder 32. A photodetector 36 is attached to the holder 32 so as to cover the other opening. A mixing rod 35 is disposed inside the holder 32. In other words, the mixing rod 35 is held by the holder 32.
減光フィルタ34は、入射した第2レーザ光LB2の光量を低下させる。部分反射ミラー24を透過した第2レーザ光LB2は、もとのレーザ光LB0に対して十分に光量が低下している。しかし、レーザ光LB0の出力が数kWである場合、第2レーザ光LB2の出力は数十mWとなり、光検出器36の出力信号が飽和してしまうおそれがある。このため、減光フィルタ34を透過させることで、第2レーザ光LB2の出力を、例えば、数mW以下に低下させて、出力信号の飽和を防止することができる。 The neutral density filter 34 reduces the amount of light of the incident second laser light LB2 . The amount of light of the second laser light LB2 that has passed through the partial reflection mirror 24 is sufficiently reduced compared to the original laser light LB0 . However, when the output of the laser light LB0 is several kW, the output of the second laser light LB2 becomes several tens of mW, and there is a risk that the output signal of the photodetector 36 will become saturated. For this reason, by passing the second laser light LB2 through the neutral density filter 34, the output of the second laser light LB2 can be reduced to, for example, several mW or less, thereby preventing saturation of the output signal.
ミキシングロッド35は、第2レーザ光LB2と同じ波長の光に対して透明な材料、例えば、溶融石英からなる。 The mixing rod 35 is made of a material that is transparent to light having the same wavelength as the second laser light LB2 , such as fused quartz.
図3A、3Bに示すように、ミキシングロッド35の形状は、互いに対向する端面を有する六角柱である。一方の端面が、第2レーザ光LB2が入射される入射端面35aであり、他方の端面が、第2レーザ光LB2が出射される入射端面35aである。 3A and 3B, the mixing rod 35 is shaped like a hexagonal prism having opposing end faces. One end face is an incident end face 35a through which the second laser beam LB2 is incident, and the other end face is an incident end face 35a through which the second laser beam LB2 is emitted.
減光フィルタ34を透過した第2レーザ光LB2は、ホルダ32の一方の開口を通過して、ミキシングロッド35の入射端面35aに入射する。入射端面35a及び出射端面35bはそれぞれ正六角形であり、図3Bに示すミキシングロッド35の断面と同じ形状である。 The second laser light LB2 transmitted through the neutral density filter 34 passes through one opening of the holder 32 and is incident on the incident end face 35a of the mixing rod 35. The incident end face 35a and the exit end face 35b are each a regular hexagon, and have the same shape as the cross section of the mixing rod 35 shown in FIG.
入射端面35aからミキシングロッド35の内部に入射した第2レーザ光LB2は、屈折されて、ミキシングロッド35の側面に達する。このとき、第2レーザ光LB2は、臨界角以上の角度側面に入射するため、当該側面で全反射されて、ミキシングロッド35の内部に戻される。このような反射を繰り返しながら、第2レーザ光LB2は、ミキシングロッド35の出射端面35bまで導光され、出射端面35bからミキシングロッド35の外部に出射される。 The second laser light LB2 incident on the inside of the mixing rod 35 from the incident end face 35a is refracted and reaches the side face of the mixing rod 35. At this time, the second laser light LB2 is incident on the side face at an angle equal to or greater than the critical angle, and is therefore totally reflected by the side face and returned to the inside of the mixing rod 35. By repeating such reflections, the second laser light LB2 is guided to the exit end face 35b of the mixing rod 35 and is emitted to the outside of the mixing rod 35 from the exit end face 35b.
また、ミキシングロッド35の内部で1回または複数回の反射を繰り返しながら、第2レーザ光LB2が導光されることで、ミキシングロッド35の外部に出射された第2レーザ光LB2は、拡散されて光強度が空間的に均一化される。 In addition, the second laser light LB2 is guided while being reflected once or multiple times inside the mixing rod 35, and the second laser light LB2 emitted to the outside of the mixing rod 35 is diffused and the light intensity is spatially uniformed.
光検出器36は、フォトダイオードである。ただし、特にこれに限定されず、光電変換により、受光した光を電気信号に変換する光電変換素子であればよい。 The photodetector 36 is a photodiode. However, it is not limited to this and may be any photoelectric conversion element that converts received light into an electrical signal by photoelectric conversion.
ミキシングロッド35の出射端面35bから出射された第2レーザ光LB2は、光検出器36の受光面36aに入射する。なお、受光面36aの面積は、ミキシングロッド35の出射端面35bの面積よりも大きくなるように設定されている。 The second laser beam LB2 emitted from the emission end face 35b of the mixing rod 35 is incident on the light receiving surface 36a of the photodetector 36. The area of the light receiving surface 36a is set to be larger than the area of the emission end face 35b of the mixing rod 35.
受光面36aとミキシングロッド35の出射端面35bとは接しているのが好ましい。ミキシングロッド35の出射端面35bから出射された第2レーザ光LB2がロス無く光検出器36で受光されるからである。ただし、受光面36aとミキシングロッド35とが直接、接する場合、光検出器36にストレスが加わり、出力特性が変動するおそれがある。よって、受光面36aとミキシングロッド35の出射端面35bとの間にギャップを設けてもよい。このギャップは、ミキシングロッド35の出射端面35bの寸法に応じて、適宜設定される。例えば、ミキシングロッド35の出射端面35bにおける対角線の長さ、つまり、図3Bに示す直径Rが3mm程度である場合、前述のギャップは1mm程度まで許容される。なお、このギャップに、大気の屈折率(=1)とミキシングロッド35の屈折率との中間の屈折率を有する透光性の接着材を充填してもよい。 It is preferable that the light receiving surface 36a and the output end surface 35b of the mixing rod 35 are in contact with each other. This is because the second laser light LB2 emitted from the output end surface 35b of the mixing rod 35 is received by the photodetector 36 without any loss. However, if the light receiving surface 36a and the mixing rod 35 are in direct contact with each other, stress may be applied to the photodetector 36, causing the output characteristics to fluctuate. Therefore, a gap may be provided between the light receiving surface 36a and the output end surface 35b of the mixing rod 35. This gap is appropriately set according to the dimensions of the output end surface 35b of the mixing rod 35. For example, when the length of the diagonal line at the output end surface 35b of the mixing rod 35, that is, the diameter R shown in FIG. 3B, is about 3 mm, the above-mentioned gap is allowed to be up to about 1 mm. The gap may be filled with a translucent adhesive having a refractive index intermediate between the refractive index of the air (=1) and the refractive index of the mixing rod 35.
受光面36aに入射した第2レーザ光LB2は、光電変換により電気信号に変換され、光検出器36の出力信号として制御部60に入力される。この出力信号の大きさは、第2レーザ光LB2の光量に対応している。制御部60は、光検出器36の出力信号に基づいて、第1レーザ光LB1の出力を算出する。具体的には、以下の手順で、先ず換算係数を導出する。 The second laser light LB2 incident on the light receiving surface 36a is converted into an electric signal by photoelectric conversion and input to the control unit 60 as an output signal of the photodetector 36. The magnitude of this output signal corresponds to the light amount of the second laser light LB2 . The control unit 60 calculates the output of the first laser light LB1 based on the output signal of the photodetector 36. Specifically, a conversion coefficient is first derived in the following procedure.
レーザ光LB0の出力を変化させ、その都度、光検出器36の出力信号を取得する。また、集光光学ユニット40の光出射口44から実際に出射される第1レーザ光LB1の出力を別途取得する。この出力信号と第1レーザ光LB1の出力との相関を予め取得し、換算係数が算出される。 The output of the laser beam LB0 is changed, and the output signal of the photodetector 36 is obtained each time. Also, the output of the first laser beam LB1 actually emitted from the light emission port 44 of the focusing optical unit 40 is obtained separately. The correlation between this output signal and the output of the first laser beam LB1 is obtained in advance, and a conversion coefficient is calculated.
実際の第1レーザ光LB1の出力をモニタするにあたっては、光検出器36の出力信号に前述の換算係数を乗じて、第1レーザ光LB1の出力を算出する。 When monitoring the actual output of the first laser beam LB1 , the output signal of the photodetector 36 is multiplied by the conversion coefficient described above to calculate the output of the first laser beam LB1 .
集光光学ユニット40は、第4筐体41の内部に、少なくとも第1集光レンズ43を有している。ビーム合成器20の第2筐体21に設けられた光出射口22から入射した第1レーザ光LB1は、第4筐体41に設けられた光入射口42を通って第4筐体41の内部に入射される。第1レーザ光LB1は、さらに第1集光レンズ43で集光されて、光ファイバ90の入射端に入射される。光ファイバ90で導光された第1レーザ光LB1は、レーザヘッド100に達し、レーザヘッド100からワークWに向けて照射される。 The focusing optical unit 40 has at least a first focusing lens 43 inside a fourth housing 41. The first laser light LB1 incident from the light exit port 22 provided in the second housing 21 of the beam combiner 20 is incident into the inside of the fourth housing 41 through a light entrance port 42 provided in the fourth housing 41. The first laser light LB1 is further focused by the first focusing lens 43 and is incident on the entrance end of the optical fiber 90. The first laser light LB1 guided by the optical fiber 90 reaches the laser head 100 and is irradiated from the laser head 100 toward the workpiece W.
以降の説明において、部分反射ミラー24と第2集光レンズ33と減光フィルタ34とミキシングロッド35と光検出器36とを総称して、出力モニタ機構30Aと呼ぶことがある。出力モニタ機構30Aを構成する各光学部品は、それぞれ公知の光学部品である。なお、一部の光学部品が省略されている場合や別の部品に置換されている場合も、出力モニタ機構30Aと呼ぶことがある。以下、出力モニタ機構30Aの機能についてさらに説明する。 In the following description, the partial reflection mirror 24, the second focusing lens 33, the neutral density filter 34, the mixing rod 35, and the photodetector 36 may be collectively referred to as the output monitor mechanism 30A. Each of the optical components that make up the output monitor mechanism 30A is a known optical component. Note that even when some of the optical components are omitted or replaced with other components, they may still be referred to as the output monitor mechanism 30A. The function of the output monitor mechanism 30A will be further described below.
[出力モニタ機構の構成]
図4は、出力モニタ機構の概略構成図である。なお、図4及び以降に示す図5A~図7において、レーザ光LB0と第2レーザ光LB2のビーム径のイメージをそれぞれ破線で示している。ただし、これらは、他の部品のサイズとの関係で、正確なサイズになっているわけではない。
[Configuration of output monitor mechanism]
Fig. 4 is a schematic diagram of the output monitor mechanism. In Fig. 4 and Figs. 5A to 7 shown below, the beam diameters of the laser beam LB0 and the second laser beam LB2 are shown by dashed lines. However, these are not accurate sizes due to the size of other components.
図4に示す本実施形態の出力モニタ機構30Aにおいて、レーザ光LB0のうち、部分反射ミラー24を透過した第2レーザ光LB2が第2集光レンズ33で集光される。この際、第2レーザ光LB2をその光軸に直交する仮想面で切断したときの断面積(以下、ビーム断面積と言う。)が、ミキシングロッド35の出射端面35bの面積よりも十分に小さくなるように、第2レーザ光LB2が第2集光レンズ33で集光される。 4, of the laser beam LB0 , the second laser beam LB2 transmitted through the partial reflection mirror 24 is collected by the second collecting lens 33. At this time, the second laser beam LB2 is collected by the second collecting lens 33 so that the cross-sectional area of the second laser beam LB2 cut by a virtual plane perpendicular to its optical axis (hereinafter referred to as the beam cross-sectional area) is sufficiently smaller than the area of the emission end surface 35b of the mixing rod 35.
第2集光レンズ33を透過した第2レーザ光LB2は、さらに減光フィルタ34を透過して光量が低下した状態でミキシングロッド35に入射する。第2レーザ光LB2は、ミキシングロッド35で均一化され、この状態で光検出器36の受光面36aに入射される。前述したように、受光面36aの面積は、ミキシングロッド35の出射端面35bの面積よりも大きくなるように設定されている。 The second laser beam LB2 transmitted through the second condenser lens 33 is further transmitted through the neutral density filter 34, and in a state where the amount of light is reduced, enters the mixing rod 35. The second laser beam LB2 is homogenized by the mixing rod 35, and in this state, enters the light receiving surface 36a of the photodetector 36. As described above, the area of the light receiving surface 36a is set to be larger than the area of the exit end surface 35b of the mixing rod 35.
[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80は、1または複数のレーザモジュール10と集光光学ユニット40と出力モニタ機構30Aと制御部60とを少なくとも備えている。
[Effects, etc.]
As described above, the laser oscillator 80 according to this embodiment includes at least one laser module 10, a focusing optical unit 40, an output monitor mechanism 30A, and a control unit 60.
1または複数のレーザモジュール10は、それぞれレーザダイオードまたはレーザダイオードバーを有しており、モジュールレーザ光を出射する。レーザ発振器80は、レーザ光LB0出射する。レーザモジュール10が1個の場合は、1個のレーザモジュール10から出射されるモジュールレーザ光が、レーザ光LB0である。レーザモジュール10が複数個の場合は、複数個のレーザモジュール10から出射されるモジュールレーザ光が結合された1本のレーザ光LB0が、レーザ光LB0である。 One or more laser modules 10 each have a laser diode or a laser diode bar, and emit a module laser beam. The laser oscillator 80 emits a laser beam LB0 . When there is one laser module 10, the module laser beam emitted from the single laser module 10 is the laser beam LB0 . When there are multiple laser modules 10, the module laser beams emitted from the multiple laser modules 10 are combined to produce a single laser beam LB0 , which is the laser beam LB0 .
集光光学ユニット40は、レーザ光LB0の一部である第1レーザ光LB1をレーザ発振器80の外部に出射する。 The focusing optical unit 40 emits a first laser beam LB 1 , which is a part of the laser beam LB 0 , to the outside of the laser oscillator 80 .
出力モニタ機構30Aは、第1レーザ光LB1の出力をモニタする。出力モニタ機構30Aは、部分反射ミラー(光分岐素子)24と、ミキシングロッド(光均一化素子)35と、光検出器36と、を少なくとも有している。 The output monitor mechanism 30A monitors the output of the first laser beam LB 1. The output monitor mechanism 30A has at least a partial reflection mirror (light branching element) 24, a mixing rod (light homogenizing element) 35, and a photodetector .
部分反射ミラー24は、レーザ光LB0を第1レーザ光LB1と、第1レーザ光LB1と異なる方向に進行する第2レーザ光LB2と、に分岐する。 The partial reflection mirror 24 splits the laser light LB0 into a first laser light LB1 and a second laser light LB2 traveling in a direction different from that of the first laser light LB1 .
ミキシングロッド35は、入射端面35aと出射端面35bとを有している。ミキシングロッド35は、入射端面35aから入射した第2レーザ光LB2を内部で全反射させながら出射端面35bに導光する。 The mixing rod 35 has an incident end surface 35a and an exit end surface 35b. The mixing rod 35 guides the second laser light LB2 incident from the incident end surface 35a to the exit end surface 35b while totally reflecting the second laser light LB2 therein.
光検出器36は、第2レーザ光LB2を受光する受光面36aを有し、受光された第2レーザ光LB2の光量に基づいて出力信号を出力する。光検出器36は、受光面36aがミキシングロッド35の入射端面35aと接しているか、またはミキシングロッド35の入射端面35aと所定の間隔をあけて対向するように配置される。 The photodetector 36 has a light receiving surface 36a that receives the second laser light LB 2 , and outputs an output signal based on the amount of light of the received second laser light LB 2. The photodetector 36 is disposed such that the light receiving surface 36a is in contact with the incident end surface 35a of the mixing rod 35 or faces the incident end surface 35a of the mixing rod 35 with a predetermined gap therebetween.
制御部60は、光検出器60の出力信号に基づいて、第1レーザ光LB1の出力を算出する。 The control unit 60 calculates the output of the first laser light LB1 based on the output signal of the photodetector 60.
レーザ発振器80、特に出力モニタ機構30Aをこのように構成することで、部分反射ミラー24で分岐した第2レーザ光LB2の全量をミキシングロッド35に入射させることができる。言い換えると、光検出器36は、第2レーザ光LB2の全量を受光して、出力信号を生成している。このため、例えば、レーザ光LB0のビームプロファイルの変動に起因して、第2レーザ光LB2のビームプロファイルが変動した場合も、これらの変動に影響されず、光検出器36は、第2レーザ光LB2の光量に応じた出力信号を出力する。つまり、第2レーザ光LB2のビームプロファイルの変動に影響されず、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。 By configuring the laser oscillator 80, particularly the output monitor mechanism 30A in this manner, the entire amount of the second laser light LB2 branched by the partial reflection mirror 24 can be made to enter the mixing rod 35. In other words, the photodetector 36 receives the entire amount of the second laser light LB2 and generates an output signal. For this reason, even if the beam profile of the second laser light LB2 fluctuates due to fluctuations in the beam profile of the laser light LB0 , for example, the photodetector 36 outputs an output signal corresponding to the amount of light of the second laser light LB2 without being affected by these fluctuations. In other words, the output of the first laser light LB1 can be accurately monitored without being affected by fluctuations in the beam profile of the second laser light LB2 .
ここで、ビームプロファイルとは、レーザ光の光軸と垂直な仮想面におけるレーザ光の光強度分布を言う。また、ビームプロファイルは、空間的に変動するだけでなく、時間的にも変動しうる。例えば、電源70からレーザモジュール10に供給される電力が時間的に変動した場合等は、ビームプロファイルは、時間的にも変動する。また、レーザ光LB0の出力のおき差を変化させた場合にも、ビームプロファイルは変動しうる。 Here, the beam profile refers to the light intensity distribution of the laser light on a virtual plane perpendicular to the optical axis of the laser light. The beam profile not only varies spatially but also varies over time. For example, when the power supplied from the power source 70 to the laser module 10 varies over time, the beam profile also varies over time. The beam profile can also vary when the output difference of the laser light LB0 is changed.
これらのことにより、第1レーザ光LB1の出力を高速かつ高精度でモニタすることができる。また、公知の光学部品を用いて、出力モニタ機構30Aを構成できるため、出力モニタ機構30A、ひいてはレーザ発振器80を低コストで実現できる。また、数個の部品で出力モニタ機構30Aを構成できるため、出力モニタ機構30A、ひいてはレーザ発振器80の小型化が図れる。 As a result, the output of the first laser beam LB1 can be monitored at high speed and with high accuracy. Furthermore, since the output monitor mechanism 30A can be configured using known optical components, the output monitor mechanism 30A and, in turn, the laser oscillator 80 can be realized at low cost. Furthermore, since the output monitor mechanism 30A can be configured using several components, the output monitor mechanism 30A and, in turn, the laser oscillator 80 can be made compact.
なお、ミキシングロッド35の形状を設計するにあたっては、入射端面35aから入射する第2レーザ光LB2の進行方向とミキシングロッド35の側面とがなす角度が、臨界角を超えないようにすることに留意する必要がある。なお、本実施形態におけるミキシングロッド35は溶融石英からなり、その屈折率は1.4程度である。空気の屈折率は1.0程度であるから、臨界角は約45度である。 In designing the shape of the mixing rod 35, it is necessary to take care that the angle between the traveling direction of the second laser light LB2 incident from the incident end face 35a and the side face of the mixing rod 35 does not exceed the critical angle. In this embodiment, the mixing rod 35 is made of fused quartz, and the refractive index thereof is about 1.4. Since the refractive index of air is about 1.0, the critical angle is about 45 degrees.
また、本実施形態によれば、公知のレーザ光のモニタ機構に対していくつかの利点を有する。このことを説明するために、図4に示す本実施形態の出力モニタ機構30Aと図5A~図7に示す公知の構成の出力モニタ機構30Aとを比較してみる。 Furthermore, this embodiment has several advantages over known laser light monitoring mechanisms. To explain this, let us compare the output monitoring mechanism 30A of this embodiment shown in FIG. 4 with the output monitoring mechanism 30A of known configurations shown in FIGS. 5A to 7.
図5Aは、第1比較例に係る出力モニタ機構の概略構成図である。図5Bは、第2比較例に係る出力モニタ機構の概略構成図である。図6は、第3比較例に係る出力モニタ機構の概略構成図である。図7は、第4比較例に係るレーザ光の出力モニタ機構の概略構成図である。 Figure 5A is a schematic diagram of an output monitor mechanism according to a first comparative example. Figure 5B is a schematic diagram of an output monitor mechanism according to a second comparative example. Figure 6 is a schematic diagram of an output monitor mechanism according to a third comparative example. Figure 7 is a schematic diagram of a laser light output monitor mechanism according to a fourth comparative example.
図5A、5Bに示す出力モニタ機構30Aは、第2集光レンズ33、減光フィルタ34及びミキシングロッド35がそれぞれ省略されている点で、図4に示す出力モニタ機構30Aと異なる。また、図5Aに示す出力モニタ機構30Aでは、受光面36aの面積は、第2レーザ光LB2のビーム断面積と同程度となるように設定されている。図5Aに示す出力モニタ機構30Aでは、受光面36aの面積は、第2レーザ光LB2のビーム断面積よりも十分に大きくなるように設定されている。 The output monitor mechanism 30A shown in Figures 5A and 5B differs from the output monitor mechanism 30A shown in Figure 4 in that the second condenser lens 33 , the neutral density filter 34, and the mixing rod 35 are omitted. In the output monitor mechanism 30A shown in Figure 5A, the area of the light receiving surface 36a is set to be approximately the same as the beam cross-sectional area of the second laser light LB2. In the output monitor mechanism 30A shown in Figure 5A, the area of the light receiving surface 36a is set to be sufficiently larger than the beam cross-sectional area of the second laser light LB2 .
図5Aに示す場合、光検出器36に向かう第2レーザ光LB2の光軸にずれが生じると、第2レーザ光LB2の一部が受光面36aからはみ出てしまうおそれがある。第2レーザ光LB2の光軸ずれは、例えば、レーザ光LB0の光軸と部分反射ミラー24の光入射面とがなす角度が設定値(この場合は45度)から外れている場合に生じる。また、部分反射ミラー24に対するレーザ光LB0の入射位置が、レーザ光LB0の光軸と直交する方向にずれている場合にも、第2レーザ光LB2の光軸ずれが起こる。 5A, if the optical axis of the second laser light LB2 directed toward the photodetector 36 is misaligned, a part of the second laser light LB2 may extend beyond the light receiving surface 36a. The optical axis misalignment of the second laser light LB2 occurs, for example, when the angle between the optical axis of the laser light LB0 and the light incident surface of the partial reflection mirror 24 is not within a set value (45 degrees in this case). The optical axis misalignment of the second laser light LB2 also occurs when the incident position of the laser light LB0 with respect to the partial reflection mirror 24 is misaligned in a direction perpendicular to the optical axis of the laser light LB0 .
また、第2レーザ光LB2のビーム径が設定値よりも拡がった場合にも、第2レーザ光LB2の一部が受光面36aからはみ出てしまうおそれがある。レーザ光LB0自体のビーム径や発散角が設定値よりも拡がっている場合に、第2レーザ光LB2のビーム径が設定値よりも拡がってしまう。 Also, when the beam diameter of the second laser light LB2 becomes larger than the set value, a part of the second laser light LB2 may extend beyond the light receiving surface 36a. When the beam diameter or divergence angle of the laser light LB0 itself becomes larger than the set value, the beam diameter of the second laser light LB2 becomes larger than the set value.
このような光軸ずれやビーム径の変動が生じると、第2レーザ光LB2の一部を光検出器36で受光できず、その結果、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタできない。 When such an optical axis deviation or beam diameter fluctuation occurs, a part of the second laser beam LB2 cannot be received by the photodetector 36, and as a result, the output of the first laser beam LB1 cannot be accurately monitored.
一方、本実施形態によれば、第2レーザ光LB2のビーム径を第2レーザ光LB2の光軸ずれやビーム径の変動が生じた場合も、第2レーザ光LB2の全量をミキシングロッド35に入射させることができる。このことにより、第2レーザ光LB2の光量に基づいて出力される光検出器36の出力信号を用いて、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。 On the other hand, according to the present embodiment, even if the optical axis of the second laser light LB2 is misaligned or the beam diameter of the second laser light LB2 varies, the entire amount of the second laser light LB2 can be made to enter the mixing rod 35. This makes it possible to accurately monitor the output of the first laser light LB1 using the output signal of the photodetector 36 that is output based on the amount of light of the second laser light LB2 .
また、図5Bに示す場合、受光面36aの面積を第2レーザ光LB2のビーム断面積よりも十分に大きくしているため、第2レーザ光LB2のビーム径を第2レーザ光LB2の光軸ずれやビーム径の変動が生じた場合も、第2レーザ光LB2の全量をミキシングロッド35に入射させることができる。 In the case shown in FIG. 5B , the area of the light receiving surface 36 a is made sufficiently larger than the beam cross-sectional area of the second laser light LB2 . Therefore, even if the optical axis of the second laser light LB2 is misaligned or the beam diameter of the second laser light LB2 varies, the entire amount of the second laser light LB2 can be made to enter the mixing rod 35.
しかし、受光面36aの面積が大きいと、面内での受光感度のばらつきが出やすくなり、また、ばらつき自体も大きくなる。また、このばらつきが大きいと、光検出器36の出力信号の大きさが変動してしまうおそれがある。 However, if the area of the light receiving surface 36a is large, the light receiving sensitivity is more likely to vary across the surface, and the variation itself becomes larger. Furthermore, if this variation is large, there is a risk that the magnitude of the output signal from the photodetector 36 will fluctuate.
また、本実施形態では、複数のレーザモジュール10から出射されるモジュールレーザ光LBM1~LBM4を合成してレーザ光LB0を生成している。このような場合に、例えば、空間合成技術を用いて、レーザ光LB0を生成すると、レーザ光LB0、ひいては第2レーザ光LB2のビーム断面積が大きくなるため、受光面36aの面内での受光感度のばらつきの影響はより大きくなってしまう。 In this embodiment, the laser light LB 0 is generated by combining the module laser light LB M1 to LB M4 emitted from the multiple laser modules 10. In such a case, if the laser light LB 0 is generated using, for example, a spatial combining technique, the beam cross-sectional area of the laser light LB 0 and therefore the second laser light LB 2 becomes large, and the effect of variations in light receiving sensitivity within the light receiving surface 36a becomes greater.
また、第3筐体31の内部で迷光が発生している場合、受光面36aの面積が大きいと、出力信号において、迷光に起因したノイズ成分が大きくなってしまう。この場合、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタできない。 Furthermore, if stray light is generated inside the third housing 31, if the area of the light receiving surface 36a is large, the noise component caused by the stray light becomes large in the output signal. In this case, the output of the first laser light LB1 cannot be monitored accurately.
また、前述したように、光検出器36はフォトダイオードであり、シリコンチップに形成されたpn接合がフォトダイオードとして機能する。受光面36aの面積が大きいと、pn接合の接合容量も大きくなってしまう。このことにより、第2レーザ光LB2の出力の時間変化に対し、光検出器36の応答時定数が大きくなってしまう。つまり、光検出器36の時間応答性が低下してしまう。 As described above, the photodetector 36 is a photodiode, and a pn junction formed on a silicon chip functions as a photodiode. If the area of the light receiving surface 36a is large, the junction capacitance of the pn junction also becomes large. This causes the response time constant of the photodetector 36 to increase with respect to the time change in the output of the second laser light LB2 . In other words, the time response of the photodetector 36 decreases.
一方、本実施形態によれば、受光面36aの面積を大きく増加させずに、第2レーザ光LB2の全量を受光面36aで受光することができる。このことにより、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。また、pn接合の接合容量の増加を抑制できるため、光検出器36の時間応答性を大きく低下させることが無い。 On the other hand, according to the present embodiment, the entire amount of the second laser light LB2 can be received by the light receiving surface 36a without significantly increasing the area of the light receiving surface 36a. This allows the output of the first laser light LB1 to be accurately monitored. In addition, since an increase in the junction capacitance of the pn junction can be suppressed, the time response of the photodetector 36 is not significantly degraded.
なお、第2レーザ光LB2の全量をミキシングロッド35に入射させるために、部分反射ミラー24とミキシングロッド35の入射端面35aとの間に、第2集光レンズ(集光光学素子)33を備えることが好ましい。第2集光レンズ33は、第2レーザ光LB2をミキシングロッド35の入射端面35aに向けて集光する。なお、第2集光レンズ33を透過した第2レーザ光LB2における入射端面35aの近傍でのビーム径が、入射端面35aの直径Rよりも小さくすることが好ましい。言い換えると、第2集光レンズ33を透過した第2レーザ光LB2のビーム断面積が、入射端面35aの面積よりも小さいことが好ましい。 In order to make the entire amount of the second laser light LB2 incident on the mixing rod 35, it is preferable to provide a second condenser lens (condensing optical element) 33 between the partial reflection mirror 24 and the incident end surface 35a of the mixing rod 35. The second condenser lens 33 condenses the second laser light LB2 toward the incident end surface 35a of the mixing rod 35. It is preferable that the beam diameter of the second laser light LB2 transmitted through the second condenser lens 33 in the vicinity of the incident end surface 35a is smaller than the diameter R of the incident end surface 35a. In other words, it is preferable that the beam cross-sectional area of the second laser light LB2 transmitted through the second condenser lens 33 is smaller than the area of the incident end surface 35a.
このようにすることで、第2レーザ光LB2の全量をミキシングロッド35に確実に入射させることができる。なお、第2レーザ光LB2のビーム径が入射端面35aの直径Rよりも小さくなるように、第2集光レンズ33の焦点距離や第2集光レンズ33から入射端面35aまでの距離が設定される。 In this manner, the entire amount of the second laser light LB2 can be reliably incident on the mixing rod 35. The focal length of the second condenser lens 33 and the distance from the second condenser lens 33 to the incident end face 35a are set so that the beam diameter of the second laser light LB2 is smaller than the diameter R of the incident end face 35a.
また、図6に示す出力モニタ機構30Aは、減光フィルタ34及びミキシングロッド35がそれぞれ省略されている点で、図4に示す出力モニタ機構30Aと異なる。 The output monitor mechanism 30A shown in FIG. 6 also differs from the output monitor mechanism 30A shown in FIG. 4 in that the neutral density filter 34 and the mixing rod 35 are both omitted.
図6に示す場合、第2集光レンズ33で第2レーザ光LB2を集光してから、受光面36aに入射させている。このため、受光面36aの面積を大きく増加させずに、第2レーザ光LB2の全量を受光面36aで受光することができる。 6, the second laser beam LB2 is focused by the second focusing lens 33 and then incident on the light receiving surface 36a. Therefore, the entire amount of the second laser beam LB2 can be received by the light receiving surface 36a without significantly increasing the area of the light receiving surface 36a.
しかし、この場合、光検出器36に向かう第2レーザ光LB2の光軸にずれが生じると、受光面36aにおける第2レーザ光LB2の入射位置が変動する。受光面36aの面内での受光感度にばらつきがあると、第2レーザ光LB2の入射位置の変動により、光検出器36の出力信号の大きさが変動してしまうおそれがある。 In this case, however, if a deviation occurs in the optical axis of the second laser light LB2 heading toward the photodetector 36, the incident position of the second laser light LB2 on the light-receiving surface 36a will fluctuate. If there is variation in the light-receiving sensitivity within the light-receiving surface 36a, the fluctuation in the incident position of the second laser light LB2 may cause the magnitude of the output signal from the photodetector 36 to fluctuate.
また、第2レーザ光LB2が第2集光レンズ33を透過することで、受光面36aにおける第2レーザ光LB2のパワー密度が、第2集光レンズ33を透過する前よりも高くなっている。このことにより、光検出器36にダメージが発生したり、また、当該ダメージにより光検出器36が劣化したりするおそれがある。 Furthermore, by transmitting the second laser light LB2 through the second condenser lens 33, the power density of the second laser light LB2 on the light receiving surface 36a becomes higher than that before transmitting through the second condenser lens 33. This may cause damage to the photodetector 36, and may also cause the photodetector 36 to deteriorate due to the damage.
一方、本実施形態によれば、ミキシングロッド35は、入射端面35aから入射した第2レーザ光LB2を内部で全反射させながら出射端面35bに導光する。このようにすることで、出射端面35bから出射された第2レーザ光LB2は、発散光となって、光検出器36の受光面36aに入射する。また、ミキシングロッド35の内部で第2レーザ光LB2が拡散され、十分に均一化されるため、光検出器36において、受光面36a内で受光感度のばらつきがあった場合も、この影響を十分に抑制できる。 On the other hand, according to the present embodiment, the mixing rod 35 guides the second laser light LB2 incident from the incident end face 35a to the exit end face 35b while totally reflecting it inside. In this manner, the second laser light LB2 emitted from the exit end face 35b becomes divergent light and enters the light receiving surface 36a of the photodetector 36. In addition, since the second laser light LB2 is diffused and sufficiently uniformed inside the mixing rod 35, even if there is variation in light receiving sensitivity within the light receiving surface 36a of the photodetector 36, the influence of this variation can be sufficiently suppressed.
また、第2レーザ光LB2がミキシングロッド35を透過することで、受光面36aにおける第2レーザ光LB2のパワー密度が均一化され、かつミキシングロッド35を透過する前よりもパワー密度が低下している。このことにより、パワー密度の不均一に起因して、光検出器36にダメージが発生したり、また、当該ダメージにより光検出器36が劣化したりするおそれが無い。 Furthermore, by transmitting the second laser beam LB2 through the mixing rod 35, the power density of the second laser beam LB2 on the light receiving surface 36a is made uniform, and the power density is lower than that before transmitting through the mixing rod 35. This prevents damage to the photodetector 36 due to non-uniformity in the power density, and prevents deterioration of the photodetector 36 due to the damage.
また、出力モニタ機構30Aは、減光フィルタ34を備えている。本実施形態において、減光フィルタ34は、部分反射ミラー24と入射端面35aの間であって、入射端面35aの近傍に配置されている。また、減光フィルタ34は、第2集光レンズ33と入射端面35aの間であって、入射端面35aの近傍に配置されている。減光フィルタ34は、入射端面35aに入射する第2レーザ光LB2の光量を低下させる。 The output monitor mechanism 30A also includes a neutral density filter 34. In this embodiment, the neutral density filter 34 is disposed between the partial reflection mirror 24 and the incident end face 35a in the vicinity of the incident end face 35a. The neutral density filter 34 is also disposed between the second condenser lens 33 and the incident end face 35a in the vicinity of the incident end face 35a. The neutral density filter 34 reduces the amount of light of the second laser light LB2 incident on the incident end face 35a.
このようにすることで、減光フィルタ34を透過した第2レーザ光LB2の出力を、例えば、数mW以下に低下させて、光検出器36の出力信号の飽和を防止することができる。 In this way, the output of the second laser light LB2 transmitted through the neutral density filter 34 can be reduced to, for example, a few mW or less, thereby preventing the output signal of the photodetector 36 from being saturated.
また、図7に示す出力モニタ機構30Aは、減光フィルタ34及びミキシングロッド35がそれぞれ省略されており、これらの代わりに積分球37が設けられている点で、図4に示す出力モニタ機構30Aと異なる。 The output monitor mechanism 30A shown in FIG. 7 differs from the output monitor mechanism 30A shown in FIG. 4 in that the neutral density filter 34 and the mixing rod 35 are omitted, and an integrating sphere 37 is provided instead.
図7に示す場合、第2集光レンズ33で集光された第2レーザ光LB2のビーム断面積よりも積分球37の光入射口の面積が大きくなるように設定されている。このため、第2レーザ光LB2の全量を積分球37に入射させることができる。また、第2レーザ光LB2は、積分球37の内部で十分に均一化された後に、光検出器36の受光面36aに入射する。このことにより、光検出器36において、受光面36a内で受光感度のばらつきがあった場合も、この影響を十分に抑制できる。 7, the area of the light entrance of the integrating sphere 37 is set to be larger than the beam cross-sectional area of the second laser light LB2 focused by the second focusing lens 33. Therefore, the entire amount of the second laser light LB2 can be made incident on the integrating sphere 37. Furthermore, the second laser light LB2 is made sufficiently uniform inside the integrating sphere 37 before it is incident on the light receiving surface 36a of the photodetector 36. As a result, even if there is variation in light receiving sensitivity within the light receiving surface 36a of the photodetector 36, the effect of this can be sufficiently suppressed.
しかし、第2レーザ光LB2の全量を確実に受け取って、内部で十分に均一化するためには、積分球37のサイズを大きくする必要があり、レーザ発振器80が大型化してしまう。また、積分球37のコストが高く、かつ設置コストも高くなってしまう。 However, in order to reliably receive the entire amount of the second laser beam LB2 and sufficiently homogenize it inside, the size of the integrating sphere 37 needs to be increased, which increases the size of the laser oscillator 80. Furthermore, the cost of the integrating sphere 37 is high, and the installation cost is also high.
一方、本実施形態によれば、第2レーザ光LB2を均一化するミキシングロッド35は、非常に小さい部材である。図3Bに示すように、本実施形態におけるミキシングロッド35の直径Rは3mm程度であり、長さ、つまり、入射端面35aから出射端面35bまでの距離は25mm程度である。したがって、出力モニタ機構30A、ひいてはレーザ発振器80が大型化するのを防止できる。また、ミキシングロッド35のサイズが小さいため、設置コストを含めたコストを低く抑えられる。 On the other hand, according to this embodiment, the mixing rod 35 that homogenizes the second laser light LB2 is a very small member. As shown in Fig. 3B, the diameter R of the mixing rod 35 in this embodiment is about 3 mm, and the length, i.e., the distance from the incident end face 35a to the exit end face 35b, is about 25 mm. This prevents the output monitor mechanism 30A, and in turn the laser oscillator 80, from becoming large. In addition, because the size of the mixing rod 35 is small, costs including installation costs can be kept low.
また、レーザ光LB0を第1レーザ光LB1と第2レーザ光LB2とに分岐する光分岐素子として、部分反射ミラー24を用いることが好ましい。部分反射ミラー24は、第1レーザ光LB1を反射し、第2レーザ光LB2を透過する。第1レーザ光LB1は、レーザ光LB0の出力の大部分を占め、第2レーザ光LB2は、レーザ光LB0の出力の残部に相当する。部分反射ミラー24を反射または透過した第1レーザ光LB1と第2レーザ光LB2とは、出力以外の光特性が、レーザ光LB0とそれぞれ同様である。 It is also preferable to use a partial reflection mirror 24 as a light branching element that branches the laser light LB0 into the first laser light LB1 and the second laser light LB2 . The partial reflection mirror 24 reflects the first laser light LB1 and transmits the second laser light LB2 . The first laser light LB1 accounts for most of the output of the laser light LB0 , and the second laser light LB2 corresponds to the remainder of the output of the laser light LB0 . The first laser light LB1 and the second laser light LB2 reflected by or transmitted through the partial reflection mirror 24 have optical characteristics similar to those of the laser light LB0 , except for the output.
なお、部分反射ミラー24が、第1レーザ光LB1を透過し、第2レーザ光LB2を反射するようにしてもよい。 The partial reflection mirror 24 may transmit the first laser beam LB1 and reflect the second laser beam LB2 .
また、ミキシングロッド35の入射端面35a及び出射端面35bには、図示しない反射防止コーティングが施されていることが好ましい。この反射防止コーティングは少なくとも第2レーザ光LB2と同じ波長の光の反射率が所定以下になるように構成される。 In addition, it is preferable that an anti-reflection coating (not shown) is applied to the incident end surface 35a and the exit end surface 35b of the mixing rod 35. This anti-reflection coating is configured so that the reflectance of at least light having the same wavelength as the second laser beam LB2 is equal to or lower than a predetermined value.
このようにすることで、部分反射ミラー24で分岐された第2レーザ光LB2を、ミキシングロッド35の入射端面35aや出射端面35bでけられることなく、光検出器36の受光面36aに入射させることができる。このことにより、第2レーザ光LB2の光量に基づいて出力される光検出器36の出力信号を用いて、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。 In this manner, the second laser light LB2 branched by the partial reflection mirror 24 can be made incident on the light receiving surface 36a of the photodetector 36 without being eclipsed by the incident end surface 35a or the exit end surface 35b of the mixing rod 35. This makes it possible to accurately monitor the output of the first laser light LB1 using the output signal of the photodetector 36 that is output based on the light amount of the second laser light LB2 .
また、ミキシングロッド35の側面には外側から遮光コーティングが施されていることが好ましい。この遮光コーティングは、例えば、金属膜や黒色の絶縁膜等である。 It is also preferable that the sides of the mixing rod 35 are coated with a light-blocking coating from the outside. This light-blocking coating is, for example, a metal film or a black insulating film.
このようにすることで、第3筐体31の内部で迷光が発生している場合、ミキシングロッド35の側面から当該迷光がミキシングロッド35の内部に進入することを防止できる。なお、入射端面35aからは、迷光がミキシングロッド35の内部に進入しうる。 By doing this, if stray light is generated inside the third housing 31, the stray light can be prevented from entering the inside of the mixing rod 35 from the side of the mixing rod 35. However, stray light can enter the inside of the mixing rod 35 from the incident end surface 35a.
また、ミキシングロッド35を介して光検出器36に入射される迷光の光量を低減して、出力信号に重畳されるノイズ成分を低減できる。このことにより、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。 Moreover, the amount of stray light incident on the photodetector 36 via the mixing rod 35 can be reduced, thereby reducing the noise components superimposed on the output signal. This makes it possible to accurately monitor the output of the first laser beam LB1 .
また、光検出器36は、光電変換素子であるフォトダイオードである。光電変換効果を用いて出力信号を生成することで、第2レーザ光LB2の出力が時間的に変動する場合にも、その変動に応じた出力信号を出力することができる。つまり、光検出器36の高速応答性を確保できる。 The photodetector 36 is a photodiode, which is a photoelectric conversion element. By generating an output signal using the photoelectric conversion effect, even if the output of the second laser light LB2 fluctuates over time, an output signal corresponding to the fluctuation can be output. In other words, the high-speed response of the photodetector 36 can be ensured.
また、第2レーザ光LB2の全量を受光面36aで確実に受光するために、受光面36aの面積は、出射端面35bの面積よりも大きいことが好ましい。ただし、その面積差は所定の範囲内であることが好ましい。 In order to reliably receive the entire amount of the second laser beam LB2 at the light receiving surface 36a, the area of the light receiving surface 36a is preferably larger than the area of the emission end surface 35b, although the difference in area is preferably within a predetermined range.
受光面36aの面積は、出射端面35bの面積よりも大きくなりすぎると、接合容量が大きくなりすぎて、光検出器36の応答時定数が低下してしまうからである。なお、前述したように、出射端面35bから出射した第2レーザ光LB2は、発散光に変換されているため、受光面36aで確実に受光するためには、第2集光レンズ33から入射端面35aまでの距離を適切に設定する必要がある。例えば、本実施形態において、受光面36aの直径または対角線の長さを3.6mmとした場合、第2集光レンズ33から入射端面35aまでの距離は、3mm以下とすることが好ましい。 This is because if the area of the light receiving surface 36a becomes too large compared to the area of the emission end surface 35b, the junction capacitance becomes too large, lowering the response time constant of the photodetector 36. As described above, since the second laser beam LB2 emitted from the emission end surface 35b is converted into divergent light, in order to reliably receive the light at the light receiving surface 36a, it is necessary to appropriately set the distance from the second condenser lens 33 to the incident end surface 35a. For example, in this embodiment, when the diameter or diagonal length of the light receiving surface 36a is 3.6 mm, it is preferable that the distance from the second condenser lens 33 to the incident end surface 35a be 3 mm or less.
制御部60は、光検出器36の出力信号に基づいて算出された第1レーザ光LB1の出力が所定の目標値となるように、電源70からレーザモジュール10に供給される電力を制御する。 The control unit 60 controls the power supplied from the power source 70 to the laser module 10 so that the output of the first laser light LB1 calculated based on the output signal of the photodetector 36 becomes a predetermined target value.
本実施形態によれば、レーザ光LB0、ひいては第1レーザ光LB1の光軸が変動したり、ビームプロファイルが変動したりした場合にも、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタできる。このことにより、第1レーザ光LB1の実際の出力と目標値との差を正確に評価して、第1レーザ光LB1の出力を確実かつ短時間で目標値に近づけることができる。 According to this embodiment, even when the optical axis of the laser beam LB0 and therefore the first laser beam LB1 fluctuates or the beam profile fluctuates, the output of the first laser beam LB1 can be accurately monitored. This makes it possible to accurately evaluate the difference between the actual output of the first laser beam LB1 and the target value, and to reliably bring the output of the first laser beam LB1 closer to the target value in a short time.
本実施形態に係るレーザ加工装置200は、レーザ発振器80と、第1レーザ光LB1を受け取って、ワークWに向けて照射するレーザヘッド100と、を少なくとも備えている。 The laser processing apparatus 200 according to this embodiment includes at least a laser oscillator 80 and a laser head 100 that receives a first laser beam LB1 and irradiates the workpiece W with the first laser beam LB1 .
本実施形態によれば、ワークWのレーザ加工に用いられる第1レーザ光LB1の出力を確実で目標値に近づけられるため、第1レーザ光LB1の出力変動による加工品質の低下を抑制できる。また、第1レーザ光LB1の出力が短時間で変動した場合にも、第1レーザ光LB1の出力を短時間で目標値に近づけられ、加工品質の低下を抑制できる。 According to the present embodiment, the output of the first laser light LB 1 used in the laser processing of the workpiece W can be reliably brought close to the target value, thereby suppressing deterioration in processing quality due to fluctuations in the output of the first laser light LB 1. Even if the output of the first laser light LB 1 fluctuates in a short period of time, the output of the first laser light LB 1 can be brought close to the target value in a short period of time, thereby suppressing deterioration in processing quality.
なお、レーザ発振器80とレーザヘッド100との間を光ファイバ90で接続し、レーザ発振器80から出射された第1レーザ光LB1をレーザヘッド100まで導光することで、レーザ発振器80から離れた位置にワークWを設置してレーザ加工を行うことができる。このことにより、加工作業者の安全を確保できる。 In addition, by connecting the laser oscillator 80 and the laser head 100 with an optical fiber 90 and guiding the first laser light LB1 emitted from the laser oscillator 80 to the laser head 100, it is possible to perform laser processing on a workpiece W placed at a position away from the laser oscillator 80. This ensures the safety of the processing operator.
<変形例1>
図8は、変形例1に係るレーザ発振器の要部の概略構成図である。なお、説明の便宜上、図8及び以降に示す各図面において、実施形態1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。
図8に示す本変形例1の出力モニタ機構30Aは、出力モニタユニット30が反射ミラー38をさらに有している点で、図2に示す実施形態1の出力モニタ機構30Aと異なる。
<Modification 1>
Fig. 8 is a schematic diagram of a main part of a laser oscillator according to Modification 1. For ease of explanation, in Fig. 8 and the following drawings, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed explanations thereof will be omitted.
The output monitor mechanism 30A of the present modified example 1 shown in FIG. 8 differs from the output monitor mechanism 30A of the first embodiment shown in FIG.
反射ミラー38は、第3筐体31の内部に配置され、部分反射ミラー24で分岐され、Z方向に進行する第2レーザ光LB2をX方向、つまり、第1レーザ光LB1の進行方向と同じ方向に反射する。なお、本変形例において、部分反射ミラー24は、第2筐体21と第3筐体31との接続部に配置されている。 The reflection mirror 38 is disposed inside the third housing 31 and reflects the second laser light LB2, which is branched by the partial reflection mirror 24 and travels in the Z direction, in the X direction, i.e., in the same direction as the travel direction of the first laser light LB1 . In this modification, the partial reflection mirror 24 is disposed at the connection between the second housing 21 and the third housing 31.
また、反射ミラー38で反射された第2レーザ光LB2は、第2集光レンズ33で集光された後、ミキシングロッド35に入射し、さらに光検出器36の受光面36aで受光される。第2集光レンズ33とミキシングロッド35と光検出器36とは、X方向に互いに間隔をあけて配置されている。 The second laser beam LB2 reflected by the reflecting mirror 38 is focused by the second focusing lens 33, then enters the mixing rod 35, and is received by the light receiving surface 36a of the photodetector 36. The second focusing lens 33, the mixing rod 35, and the photodetector 36 are disposed at intervals from one another in the X direction.
本変形例によれば、実施形態1に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。つまり、第2レーザ光LB2の光軸ずれやビームプロファイルが変動した場合も、これらに影響されず第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。また、第1レーザ光LB1の出力を高速かつ高精度でモニタすることができる。 According to this modification, it is possible to achieve the same effects as those achieved by the configuration shown in the first embodiment. That is, even if the optical axis misalignment or beam profile of the second laser light LB2 varies, the output of the first laser light LB1 can be accurately monitored without being affected by these. In addition, the output of the first laser light LB1 can be monitored at high speed and with high accuracy.
また、本変形例によれば、ミキシングロッド35を介して光検出器36に入射する第2レーザ光LB2の進行方向を反射ミラー38でX方向に変化させている。このようにすることで、第2集光レンズ33とミキシングロッド35と光検出器36とが配置される方向を実施形態1に示すZ方向からX方向に変更することができる。このことにより、出力モニタユニット30のZ方向の高さを低くでき、レーザ発振器80をZ方向に小型化できる。 Furthermore, according to this modification, the traveling direction of the second laser light LB2 incident on the photodetector 36 via the mixing rod 35 is changed to the X direction by the reflecting mirror 38. In this way, the direction in which the second condenser lens 33, the mixing rod 35, and the photodetector 36 are arranged can be changed from the Z direction shown in the first embodiment to the X direction. This allows the height of the output monitor unit 30 in the Z direction to be reduced, and the laser oscillator 80 to be made smaller in size in the Z direction.
<変形例2>
図9は、変形例2に係るレーザ発振器の要部の概略構成図である。図9に示す本変形例1の出力モニタ機構30Aは、第2集光レンズ33が省略されている点及び反射ミラー38に代えて、凹面ミラー39が設けられている点で、図8に示す変形例1の出力モニタ機構30Aと異なる。
<Modification 2>
Fig. 9 is a schematic diagram of a main part of a laser oscillator according to Modification 2. The output monitor mechanism 30A of Modification 1 shown in Fig. 9 differs from the output monitor mechanism 30A of Modification 1 shown in Fig. 8 in that the second condenser lens 33 is omitted and a concave mirror 39 is provided instead of the reflecting mirror 38.
凹面ミラー39は、反射ミラー38と第2集光レンズ33との両方の機能を有している。つまり、凹面ミラー39は、部分反射ミラー24で分岐され、Z方向に進行する第2レーザ光LB2をX方向に反射する。また、凹面ミラー39は、ミキシングロッド35の入射端面35aに向けて第2レーザ光LB2を集光する。 The concave mirror 39 has the functions of both the reflecting mirror 38 and the second condenser lens 33. That is, the concave mirror 39 reflects, in the X direction, the second laser light LB2 that is branched by the partial reflecting mirror 24 and travels in the Z direction. The concave mirror 39 also condenses the second laser light LB2 toward the incident end surface 35a of the mixing rod 35.
本変形例によれば、変形例1に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。つまり、第2レーザ光LB2の光軸ずれやビームプロファイルが変動した場合も、これらに影響されず第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。また、第1レーザ光LB1の出力を高速かつ高精度でモニタすることができる。 According to this modification, it is possible to achieve the same effects as those achieved by the configuration shown in modification 1. That is, even if there is a misalignment of the optical axis or a fluctuation in the beam profile of the second laser light LB2 , it is possible to accurately monitor the output of the first laser light LB1 without being affected by these. Also, it is possible to monitor the output of the first laser light LB1 at high speed and with high accuracy.
また、図4に示す実施形態1のレーザ発振器80と比較して、出力モニタユニット30のZ方向の高さを低くでき、レーザ発振器80をZ方向に小型化できる。 In addition, compared to the laser oscillator 80 of embodiment 1 shown in FIG. 4, the height of the output monitor unit 30 in the Z direction can be reduced, and the laser oscillator 80 can be made smaller in size in the Z direction.
また、本変形例によれば、第2集光レンズ33を省略できるため、レーザ発振器80に設けられる部品点数を低減でき、レーザ発振器80のさらなる小型化が図れ、コストを低減できる。 In addition, according to this modified example, the second focusing lens 33 can be omitted, which reduces the number of parts required for the laser oscillator 80, thereby enabling the laser oscillator 80 to be further miniaturized and reducing costs.
(実施形態2)
図10は、実施形態2に係るレーザ発振器の要部の概略構成図である。図11は、実施形態2に係るビーム合成器の内部の概略構成図である。なお、説明の便宜上、図10において、モジュールレーザ光LBM1を出射するレーザモジュール11のみを図示している。
(Embodiment 2)
Fig. 10 is a schematic diagram of a main part of a laser oscillator according to embodiment 2. Fig. 11 is a schematic diagram of the inside of a beam combiner according to embodiment 2. For convenience of explanation, Fig. 10 shows only a laser module 11 that emits a module laser beam LB M1 .
実施形態2に示すレーザ発振器80では、図1に示すレーザモジュール10に代えてレーザモジュール11が配置されている。 In the laser oscillator 80 shown in embodiment 2, a laser module 11 is arranged instead of the laser module 10 shown in FIG. 1.
レーザモジュール11は、第1筐体11Aの内部に複数のレーザダイオードバー11Bと回折格子11Cとを有している。また、第1筐体11Aに連通するビーム合成器20の第2筐体21の第1光入射口21aを覆うように外部共振ミラー11Dが設けられている。なお、図11に示すように、第2筐体21には第1~第4光入射口21a~21dが設けられている。第1~第4光入射口21a~21dのそれぞれに、第1筐体11Aが接続されており、光入射口21a~21dをそれぞれ覆うように、外部共振ミラー11Dが設けられている。 The laser module 11 has a plurality of laser diode bars 11B and a diffraction grating 11C inside a first housing 11A. An external resonator mirror 11D is provided to cover a first light inlet 21a of a second housing 21 of a beam combiner 20 that communicates with the first housing 11A. As shown in FIG. 11, the second housing 21 is provided with first to fourth light inlets 21a to 21d. The first housing 11A is connected to each of the first to fourth light inlets 21a to 21d, and an external resonator mirror 11D is provided to cover each of the light inlets 21a to 21d.
レーザダイオードバー11Bは、複数の図示しないエミッタを有しており、複数のエミッタのそれぞれからエミッタレーザ光LBE(図示せず)が出射される。複数のエミッタレーザ光LBEは、互いに波長が異なっている。 The laser diode bar 11B has a plurality of emitters (not shown), each of which emits an emitter laser beam LBE (not shown). The emitter laser beams LBE have different wavelengths.
複数のレーザダイオードバー11Bのそれぞれに設けられた複数のエミッタから出射される複数のエミッタレーザ光LBEは、回折格子11Cに向かって進行する。 A plurality of emitter laser beams LBE emitted from a plurality of emitters provided in each of the plurality of laser diode bars 11B travel toward the diffraction grating 11C.
回折格子11Cは、複数のエミッタレーザ光LBEを受け取って、各エミッタレーザ光LBEを回折して外部共振ミラー11Dに向かわせる。はお、本実施形態では、回折格子11Cが各エミッタレーザ光LBEを透過するタイプを用いているが、回折格子11Cが各エミッタレーザ光LBEを反射するタイプであってもよい。 The diffraction grating 11C receives the multiple emitter laser beams LBE , diffracts each emitter laser beam LBE , and directs it toward the external cavity mirror 11D. Although the diffraction grating 11C is of a type that transmits each emitter laser beam LBE in this embodiment, the diffraction grating 11C may be of a type that reflects each emitter laser beam LBE .
その際、回折格子11Cは、各エミッタレーザ光LBEの光軸が互いに一致するように、複数のエミッタレーザ光LBEをそれぞれ回折する。 At this time, the diffraction grating 11C diffracts each of the emitter laser beams LBE so that the optical axes of the emitter laser beams LBE coincide with each other.
外部共振ミラー11Dは、入射した各エミッタレーザ光LBEの一部を透過するとともに、残部を回折格子11Cに向けて反射する。このようにすることで、外部共振ミラー11Dと複数のレーザダイオードバー11Bのそれぞれとの間に外部共振器が構成される。これについてさらに説明する。 The external cavity mirror 11D transmits a part of each of the incident emitter laser beams LBE and reflects the remaining part toward the diffraction grating 11C. In this manner, an external cavity is formed between the external cavity mirror 11D and each of the laser diode bars 11B. This will be described in further detail.
前述したように、複数のレーザダイオードバー11Bから出射された各エミッタレーザ光LBEが、回折格子11Cによって回折された後、外部共振ミラー11Dに入射される。入射したエミッタレーザ光LBEの一部が透過する一方、残部が回折格子11Cに向けて反射され、さらに、レーザダイオードバー11Bに戻ってくる。この反射戻り光のほとんどは、レーザダイオードバー11Bにおけるエミッタレーザ光LBEの出射端面と対向する端面(以下、後端面と言う。)に到達する。さらに、エミッタレーザ光LBEは、後端面に形成された端面コート層(図示せず)で反射されて、再度、出射端面からレーザダイオードバー11Bの外部に出射される。 As described above, each emitter laser beam LBE emitted from a plurality of laser diode bars 11B is diffracted by the diffraction grating 11C and then enters the external cavity mirror 11D. A part of the incident emitter laser beam LBE is transmitted, while the remaining part is reflected toward the diffraction grating 11C and then returns to the laser diode bar 11B. Most of this reflected return beam reaches an end face (hereinafter referred to as a rear end face) of the laser diode bar 11B that faces the emission end face of the emitter laser beam LBE . Furthermore, the emitter laser beam LBE is reflected by an end face coating layer (not shown) formed on the rear end face and is again emitted from the emission end face to the outside of the laser diode bar 11B.
レーザダイオードバー11Bの各エミッタから出射されるエミッタレーザ光LBEのうち、回折格子11Cの回折条件を満たし、かつ、外部共振ミラー11Dにより反射される波長(以降、ロック波長と表記する)の光のみが、もとのエミッタに帰還することでレーザダイオードバー11Bの後端面と外部共振ミラー11Dとの間で、外部共振器が構成され、レーザダイオードバー11Bから、具体的には、複数のエミッタのそれぞれからエミッタレーザ光LBEが出射される。 Of the emitter laser light LBE emitted from each emitter in the laser diode bar 11B, only light having a wavelength (hereinafter referred to as the lock wavelength) that satisfies the diffraction condition of the diffraction grating 11C and is reflected by the external resonator mirror 11D is fed back to the original emitter, thereby forming an external resonator between the rear end face of the laser diode bar 11B and the external resonator mirror 11D, and emitter laser light LBE is emitted from the laser diode bar 11B, specifically, from each of the multiple emitters.
各エミッタのロック波長をλL、回折格子11Cの周期をd、回折格子11Cの入射面に対するエミッタレーザ光LBEEの入射角をα、出射角をβ、次数をmとすると、ロック波長λLは、式(1)で表現される。 The locking wavelength λ L of each emitter is expressed by equation (1), where λ L is the period of the diffraction grating 11C, d is the angle of incidence of the emitter laser light LB EE with respect to the incident surface of the diffraction grating 11C, α is the angle of emergence, β is the order, and m is the order.
d(sinα+sinβ)=mλL・・・・・・(1)
なお、回折格子11Cの次数m=1とするのが一般的である。
d(sinα+sinβ)=mλ L ...(1)
Generally, the order m of the diffraction grating 11C is set to 1.
例えば、レーザダイオードバー11Bにおいて、入射角αがエミッタの配置位置毎に変化するように、エミッタを形成する。この場合、レーザダイオードバー11Bに形成されたエミッタのロック波長はレーザダイオードバー11Bの一端から他端にかけて段階的に変化することになる。 For example, in the laser diode bar 11B, the emitters are formed so that the incident angle α changes for each emitter placement position. In this case, the lock wavelength of the emitters formed in the laser diode bar 11B changes stepwise from one end of the laser diode bar 11B to the other end.
なお、各エミッタが外部共振によって、レーザ発振できるのは、レーザダイオードバー11Bが本来有するゲイン波長強度が所定値以上の波長に限られる。換言すれば、各エミッタのゲインピーク波長λgから所定範囲内のロック波長は発振し、所定範囲外のロック波長は発振しない。よって、本実施形態のレーザモジュール11においては、各エミッタのゲインピーク波長λgの上下限範囲が、レーザダイオードバー11Bの両端のエミッタのロック波長λLの差ΔλL_barの範囲に収まるように、レーザダイオードバー11B及び各エミッタの光学設計が行われている。なお、両端のエミッタのロック波長λLの差ΔλL_barは、レーザダイオードバー11Bと回折格子11Cとの間の距離に応じて変化する。 Each emitter can oscillate by external resonance only at wavelengths where the inherent gain wavelength intensity of the laser diode bar 11B is equal to or greater than a predetermined value. In other words, each emitter oscillates at a lock wavelength within a predetermined range from the gain peak wavelength λ g , and does not oscillate at a lock wavelength outside the predetermined range. Therefore, in the laser module 11 of this embodiment, the laser diode bar 11B and each emitter are optically designed so that the upper and lower limits of the gain peak wavelength λ g of each emitter fall within the range of the difference Δλ L_bar between the lock wavelengths λ L of the emitters at both ends of the laser diode bar 11B. The difference Δλ L_bar between the lock wavelengths λ L of the emitters at both ends changes depending on the distance between the laser diode bar 11B and the diffraction grating 11C.
レーザダイオードバー11Bの各エミッタからそれぞれ出射されたエミッタレーザ光LBEの光軸が、回折格子11Cを透過した時点で互いに重なるように、レーザダイオードバー11Bと回折格子11Cとの配置関係が規定されている。 The positional relationship between the laser diode bar 11B and the diffraction grating 11C is defined so that the optical axes of the emitter laser beams LBE emitted from the emitters of the laser diode bar 11B overlap each other when they pass through the diffraction grating 11C.
つまり、複数のレーザダイオードバー11Bに設けられた複数のエミッタのそれぞれから出射されたエミッタレーザ光LBEが、外部共振ミラー11Dに入射した時点で互いに重なるようにしている。このようにすることで、複数のエミッタレーザ光LBEが重ね合わられて結合されることを波長合成と呼ぶ。複数のレーザダイオードバー11Bに設けられた複数のエミッタのそれぞれから出射された複数のエミッタレーザ光LBEが1本のモジュールレーザ光に波長合成され、レーザモジュール11の外部に出射される。 In other words, the emitter laser beams LBE emitted from the respective emitters provided in the respective laser diode bars 11B are made to overlap with each other when they are incident on the external resonator mirror 11D. In this way, the overlapping and combining of the multiple emitter laser beams LBE is called wavelength synthesis. The multiple emitter laser beams LBE emitted from the respective emitters provided in the respective laser diode bars 11B are wavelength-synthesized into one module laser beam, which is then emitted to the outside of the laser module 11.
本実施形態では、レーザ発振器80に4個のレーザモジュール11が搭載されており、それぞれのレーザモジュール11から出射されるモジュールレーザ光をLBM1~LBM4と呼ぶ。また、前述したように、LBM1~LBM4は、それぞれ異なる波長のレーザ光LBEが波長合成して得られており、波長域が異なっている。 In this embodiment, four laser modules 11 are mounted on the laser oscillator 80, and the module laser beams emitted from the respective laser modules 11 are called LB M1 to LB M4 . As described above, LB M1 to LB M4 are obtained by wavelength synthesis of laser beams LB E having different wavelengths, and have different wavelength ranges.
本実施形態において、モジュールレーザ光LBM1及びモジュールレーザ光LBM2の波長域は、それぞれ、950nm~1000nmである。モジュールレーザ光LBM3及びモジュールレーザ光LBM4の波長域は、それぞれ、850nm~900nmである。ただし、モジュールレーザ光LBM1~LBM4の波長域は、特にこれに限定されない。レーザダイオードバー11Bを構成する半導体材料等に応じて適宜変更されうる。 In this embodiment, the wavelength ranges of the module laser beams LB M1 and LB M2 are 950 nm to 1000 nm, respectively. The wavelength ranges of the module laser beams LB M3 and LB M4 are 850 nm to 900 nm, respectively. However, the wavelength ranges of the module laser beams LB M1 to LB M4 are not particularly limited to these and can be changed as appropriate depending on the semiconductor material constituting the laser diode bar 11B, etc.
また、図10に示すように、モジュールレーザ光LBM1~LBM4は、ビーム合成器20の内部で結合され、レーザ光LB0が生成される。レーザ光LB0は、ビーム合成器20の内部で拡大光学系26によりビーム径が拡大される。拡大光学系26は、レーザ光LB0のビーム径を拡大する拡大レンズ26Aと、拡大後のレーザ光LB0を平行化するコリメートレンズ26Bとで構成される。図10に示すように、拡大レンズ26Aは凹レンズであり、コリメートレンズ26Bは凸レンズである。 10, the module laser beams LB M1 to LB M4 are combined inside the beam combiner 20 to generate laser beam LB 0. The beam diameter of laser beam LB 0 is expanded by the expansion optical system 26 inside the beam combiner 20. The expansion optical system 26 is composed of an expansion lens 26A that expands the beam diameter of laser beam LB 0 and a collimator lens 26B that collimates the expanded laser beam LB 0. As shown in FIG. 10, the expansion lens 26A is a concave lens, and the collimator lens 26B is a convex lens.
なお、レーザ光LB0のビーム径は、必要に応じて縮小もされうる。つまり、レーザ光LB0は、必要に応じて、拡大光学系26、または図示しない縮小光学系を用いて、所望のビーム径としたうえで、集光光学ユニット40に入射される。なお、拡大光学系26及び縮小光学系は、いずれも凹レンズと凸レンズとの組み合わせで構成される。レーザ光LB0のビーム径を拡大したい場合は、まず、凹レンズである拡大レンズ26Aでビーム径を拡大し、その後、凸レンズであるコリメートレンズでレーザ光LB0を平行化する。レーザ光LB0のビーム径を縮小したい場合は、まず、凸レンズでビーム径を縮小し、その後、凹レンズでレーザ光LB0を平行化する。 The beam diameter of the laser light LB 0 can be reduced as necessary. That is, the laser light LB 0 is adjusted to a desired beam diameter using the magnifying optical system 26 or a reducing optical system (not shown) as necessary, and then enters the focusing optical unit 40. The magnifying optical system 26 and the reducing optical system are both configured with a combination of a concave lens and a convex lens. When it is desired to increase the beam diameter of the laser light LB 0 , the beam diameter is first increased by the magnifying lens 26A, which is a concave lens, and then the laser light LB 0 is collimated by the collimating lens, which is a convex lens. When it is desired to decrease the beam diameter of the laser light LB 0 , the beam diameter is first decreased by the convex lens, and then the laser light LB 0 is collimated by the concave lens.
図11に示すように、ビーム合成器20の第2筐体21には、モジュールレーザ光LBM1~LBM4の第1~第4光入射口21a~21dが、Y方向に互いに間隔をあけて設けられている。また、第1~第4光入射口21a~21dのそれぞれの近傍に、第1~第4立ち上げミラー25A~25Dが設けられている。第1~第4立ち上げミラー25A~25Dは、第2筐体21の内部に入射したモジュールレーザ光LBM1~LBM4をそれぞれ反射して、それぞれの進行方向をY方向からZ方向に変更する。 11, first to fourth light inlets 21a to 21d for the module laser beams LB M1 to LB M4 are provided in the second housing 21 of the beam combiner 20 at intervals in the Y direction. Also, first to fourth rise-up mirrors 25A to 25D are provided near the first to fourth light inlets 21a to 21d, respectively. The first to fourth rise-up mirrors 25A to 25D respectively reflect the module laser beams LB M1 to LB M4 that have entered the inside of the second housing 21, and change the traveling direction of each beam from the Y direction to the Z direction.
また、図11に示すように、第2筐体21の内部には、第1反射ミラー27A及び第2反射ミラー27Bと第1偏光ビームスプリッタ28A及び第2偏光ビームスプリッタ28Bと2枚の1/2波長板HWP1、HWP2とダイクロイックミラー29とが、所定の配置関係を保って設置されている。 As shown in FIG. 11, inside the second housing 21, a first reflecting mirror 27A, a second reflecting mirror 27B, a first polarizing beam splitter 28A, a second polarizing beam splitter 28B, two half-wave plates HWP1 and HWP2, and a dichroic mirror 29 are arranged in a predetermined arrangement.
第1反射ミラー27Aは、第1立ち上げミラー25Aで反射され、Z方向に進行するモジュールレーザ光LBM1の光路上に配置されている。第1反射ミラー27Aは、モジュールレーザ光LBM1をY方向に反射して、1/2波長板HWP1に入射させる。 The first reflecting mirror 27A is disposed on the optical path of the module laser light LB M1 that is reflected by the first raising mirror 25A and travels in the Z direction. The first reflecting mirror 27A reflects the module laser light LB M1 in the Y direction and makes it incident on the half-wave plate HWP1.
1/2波長板HWP1を透過する前後で、モジュールレーザ光LBM1の偏光方向は90度回転する。 The polarization direction of the module laser light LB M1 rotates by 90 degrees before and after passing through the half-wave plate HWP1.
第1偏光ビームスプリッタ28Aは、Z方向に進行するモジュールレーザ光LBM2の光路上で、かつY方向に進行するモジュールレーザ光LBM1の光路上に配置されている。第1偏光ビームスプリッタ28Aは、モジュールレーザ光LBM2を透過する一方、モジュールレーザ光LBM1を反射して、Z方向に進行させる。第1偏光ビームスプリッタ28Aから出射されたモジュールレーザ光LBM1とモジュールレーザ光LBM2とは、互いの光軸が一致した状態で結合されて、Z方向に進行する。つまり、第1偏光ビームスプリッタ28Aにより、モジュールレーザ光LBM1とモジュールレーザ光LBM2とは偏波合成される。偏波合成されたモジュールレーザ光LBM1とモジュールレーザ光LBM2とは、ダイクロイックミラー29に入射する。 The first polarizing beam splitter 28A is disposed on the optical path of the module laser light LB M2 traveling in the Z direction and on the optical path of the module laser light LB M1 traveling in the Y direction. The first polarizing beam splitter 28A transmits the module laser light LB M2 , while reflecting the module laser light LB M1 to make it travel in the Z direction. The module laser light LB M1 and the module laser light LB M2 emitted from the first polarizing beam splitter 28A are combined with each other in a state where their optical axes coincide with each other, and travel in the Z direction. In other words, the module laser light LB M1 and the module laser light LB M2 are polarization-combined by the first polarizing beam splitter 28A. The polarization-combined module laser light LB M1 and the module laser light LB M2 are incident on the dichroic mirror 29.
第2反射ミラー27Bは、第4立ち上げミラー25Dで反射され、Z方向に進行するモジュールレーザ光LBM4の光路上に配置されている。第2反射ミラー27Bは、モジュールレーザ光LBM4をY方向に反射して、1/2波長板HWP2に入射させる。 The second reflecting mirror 27B is disposed on the optical path of the module laser beam LB- M4 that is reflected by the fourth raising mirror 25D and travels in the Z direction. The second reflecting mirror 27B reflects the module laser beam LB- M4 in the Y direction and makes it incident on the half-wave plate HWP2.
1/2波長板HWP2を透過する前後で、モジュールレーザ光LBM4の偏光方向は90度回転する。 The polarization direction of the module laser light LB M4 rotates by 90 degrees before and after passing through the half-wave plate HWP2.
第2偏光ビームスプリッタ28Bは、Z方向に進行するモジュールレーザ光LBM3の光路上で、かつY方向に進行するモジュールレーザ光LBM4の光路上に配置されている。第2偏光ビームスプリッタ28Bは、モジュールレーザ光LBM4を透過する一方、モジュールレーザ光LBM3を反射して、Y方向に進行させる。第2偏光ビームスプリッタ28Bから出射されたモジュールレーザ光LBM3とモジュールレーザ光LBM4とは、互いの光軸が一致した状態で結合されて、Y方向に進行する。つまり、第2偏光ビームスプリッタ28Bにより、モジュールレーザ光LBM3とモジュールレーザ光LBM4とは偏波合成される。偏波合成されたモジュールレーザ光LBM3とモジュールレーザ光LBM4とは、ダイクロイックミラー29に入射する。 The second polarizing beam splitter 28B is disposed on the optical path of the module laser light LB M3 traveling in the Z direction and on the optical path of the module laser light LB M4 traveling in the Y direction. The second polarizing beam splitter 28B transmits the module laser light LB M4 , while reflecting the module laser light LB M3 to make it travel in the Y direction. The module laser light LB M3 and the module laser light LB M4 emitted from the second polarizing beam splitter 28B are combined with each other in a state where their optical axes coincide with each other, and travel in the Y direction. In other words, the module laser light LB M3 and the module laser light LB M4 are polarization-combined by the second polarizing beam splitter 28B. The polarization-combined module laser light LB M3 and the module laser light LB M4 are incident on the dichroic mirror 29.
ダイクロイックミラー29は、第1偏光ビームスプリッタ28Aで偏波合成された後のモジュールレーザ光LBM1とモジュールレーザ光LBM2の光路上に配置されている。また、ダイクロイックミラー29は、第2偏光ビームスプリッタ28Bで偏波合成された後のモジュールレーザ光LBM3とモジュールレーザ光LBM4の光路上に配置されている。 The dichroic mirror 29 is disposed on the optical paths of the module laser light LB M1 and the module laser light LB M2 after being polarization-combined by the first polarizing beam splitter 28A. The dichroic mirror 29 is also disposed on the optical paths of the module laser light LB M3 and the module laser light LB M4 after being polarization-combined by the second polarizing beam splitter 28B.
ダイクロイックミラー29は、設定された特定の波長範囲の光を透過する一方、それ以外の波長範囲の光を反射する。本実施形態において、ダイクロイックミラー29は、モジュールレーザ光LBM1及びモジュールレーザ光LBM2と同じ波長域の光を透過し、残りの波長域の光を反射するように構成されている。 The dichroic mirror 29 transmits light in a specific wavelength range that has been set, while reflecting light in the other wavelength ranges. In this embodiment, the dichroic mirror 29 is configured to transmit light in the same wavelength range as the module laser light LB -M1 and the module laser light LB -M2 , and to reflect light in the remaining wavelength ranges.
よって、モジュールレーザ光LBM1とモジュールレーザ光LBM2は、それぞれダイクロイックミラー29を透過して、そのままZ方向に進行する。一方、モジュールレーザ光LBM3とモジュールレーザ光LBM4は、それぞれダイクロイックミラー29で反射されて、進行方向がY方向からZ方向に変化する。 Therefore, the module laser light LB M1 and the module laser light LB M2 are each transmitted through the dichroic mirror 29 and continue traveling in the Z direction. On the other hand, the module laser light LB M3 and the module laser light LB M4 are each reflected by the dichroic mirror 29 and change their traveling direction from the Y direction to the Z direction.
本実施形態では、ダイクロイックミラー29を透過した後のモジュールレーザ光LBM1の光軸とダイクロイックミラー29で反射された後のモジュールレーザ光LBM3の光軸とが一致するように、ビーム合成器20の内部で各部品が配置されている。前述したように、ダイクロイックミラー29に入射する直前で、モジュールレーザ光LBM1とモジュールレーザ光LBM2とは、互いの光軸が一致した状態で結合されている。また、モジュールレーザ光LBM3とモジュールレーザ光LBM4とは、互いの光軸が一致した状態で結合されている。 In this embodiment, the various components are arranged inside the beam combiner 20 so that the optical axis of the module laser light LB M1 after passing through the dichroic mirror 29 coincides with the optical axis of the module laser light LB M3 after being reflected by the dichroic mirror 29. As described above, the module laser light LB M1 and the module laser light LB M2 are combined with their optical axes coinciding with each other immediately before entering the dichroic mirror 29. Also, the module laser light LB M3 and the module laser light LB M4 are combined with their optical axes coinciding with each other.
したがって、ダイクロイックミラー29は、モジュールレーザ光LBM1~LBM4をそれぞれの光軸が一致するように合成する波長合成ミラーとして機能する。 Therefore, the dichroic mirror 29 functions as a wavelength combining mirror that combines the module laser lights LB M1 to LB M4 so that their optical axes coincide with each other.
ダイクロイックミラー29から出射されたモジュールレーザ光LBM1~LBM4は、互いの光軸が一致するように結合され、レーザ光LB0となる。 The module laser beams LB M1 to LB M4 emitted from the dichroic mirror 29 are combined so that their optical axes coincide with each other, and become laser beam LB 0 .
本実施形態によれば、互いの光軸が一致するようにモジュールレーザ光LBM1~LBM4が結合されるため、レーザ光LB0のビーム品質を高めることができる。 According to this embodiment, the module laser beams LB M1 to LB M4 are combined so that their optical axes coincide with each other, so that the beam quality of the laser beam LB 0 can be improved.
第2筐体21には集光光学ユニット40の第4筐体41に連通する光出射口22が設けられており、ビーム合成器20の内部で合成されたレーザ光LB0の大部分は、部分反射ミラー24(図11には図示せず)でX方向に反射されて、第1レーザ光LB1として光出射口22から集光光学ユニット40に入射される。一方、部分反射ミラー24を透過したレーザ光LB0の残部である第2レーザ光LB2は、出力モニタユニット30に入射する。 The second housing 21 is provided with a light exit port 22 communicating with a fourth housing 41 of the focusing optical unit 40, and most of the laser light LB0 combined inside the beam combiner 20 is reflected in the X direction by a partial reflection mirror 24 (not shown in FIG. 11 ) and enters the focusing optical unit 40 from the light exit port 22 as a first laser light LB1 . On the other hand, the remaining part of the laser light LB0 that has passed through the partial reflection mirror 24, that is, a second laser light LB2 , enters the output monitor unit 30.
出力モニタユニット30の内部構成は、実施形態1に示したのと同様である。ただし、減光フィルタ34には、後で述べる感度補正機能が付加されている。また、実施形態1に示したのと同様に、出力モニタユニット30に入射した第2レーザ光LB2は、ミキシングロッド35で均一化されて、光検出器36の受光面36aに入射する。光検出器36は入射した第2レーザ光LB2の光量に基づいた出力信号を制御部60に出力し、制御部60は、この出力信号の大きさに基づいて、第1レーザ光LB1の出力を算出する。 The internal configuration of the output monitor unit 30 is the same as that shown in the first embodiment. However, the neutral density filter 34 is provided with a sensitivity correction function, which will be described later. As in the first embodiment, the second laser light LB2 incident on the output monitor unit 30 is homogenized by the mixing rod 35 and incident on the light receiving surface 36a of the photodetector 36. The photodetector 36 outputs an output signal based on the amount of light of the incident second laser light LB2 to the control unit 60, and the control unit 60 calculates the output of the first laser light LB1 based on the magnitude of this output signal.
部分反射ミラー24で分岐された第1レーザ光LB1は、集光光学ユニット40の第4筐体41に設けられた光入射口42を通って第1集光レンズ43に入射する。 The first laser light LB 1 branched by the partial reflection mirror 24 passes through a light entrance port 42 provided in a fourth housing 41 of the focusing optical unit 40 and enters a first focusing lens 43 .
第4筐体41に設けられた光出射口44には第1レセプタクル45が取り付けられている。第1レセプタクル45は、第1石英ブロック保持部46を保持している。第1石英ブロック保持部46は第1石英ブロック47を保持している。第1石英ブロック47は、光ファイバ90の入射端に融着され、光出射口44に配置されている。 A first receptacle 45 is attached to the light exit port 44 provided in the fourth housing 41. The first receptacle 45 holds a first quartz block holder 46. The first quartz block holder 46 holds a first quartz block 47. The first quartz block 47 is fused to the input end of the optical fiber 90 and is disposed at the light exit port 44.
第1集光レンズ43で集光された第1レーザ光LB1は、第1石英ブロック47を介して光ファイバ90に入射する。 The first laser light LB 1 condensed by the first condenser lens 43 enters the optical fiber 90 via the first quartz block 47 .
また、光ファイバ90の出射端には、第2石英ブロック保持部48と第2石英ブロック49とが取り付けられている。第2石英ブロック保持部48は第2石英ブロック49を保持している。第2石英ブロック49は、光ファイバ90の出射端に融着され、レーザヘッド100に設けられた光出射口(図示せず)に配置されている。また、第2石英ブロック保持部48と第2石英ブロック49とは、レーザヘッド100の光入射口に取り付けられた第2レセプタクル(図示せず)に保持されている。 A second quartz block holder 48 and a second quartz block 49 are attached to the output end of the optical fiber 90. The second quartz block holder 48 holds the second quartz block 49. The second quartz block 49 is fused to the output end of the optical fiber 90 and is disposed at a light output port (not shown) provided in the laser head 100. The second quartz block holder 48 and the second quartz block 49 are held in a second receptacle (not shown) attached to the light input port of the laser head 100.
第1石英ブロック47及び第2石英ブロック49は、第4筐体41やレーザヘッド100の内部雰囲気と光ファイバ90のコアとの屈折率差を調整し、光ファイバ90の入射端や出射端で第1レーザ光LB1が不要反射されるのを抑制している。 The first quartz block 47 and the second quartz block 49 adjust the refractive index difference between the internal atmosphere of the fourth housing 41 or the laser head 100 and the core of the optical fiber 90, thereby suppressing unnecessary reflection of the first laser light LB1 at the input end or output end of the optical fiber 90.
光ファイバ90で導光された第1レーザ光LB1は、第2石英ブロック49を介してレーザヘッド100の内部に入射し、レーザヘッド100の内部で所定の変換を受けた後に、ワークWに向けて照射される。 The first laser light LB1 guided by the optical fiber 90 enters the inside of the laser head 100 via the second quartz block 49, undergoes a predetermined transformation inside the laser head 100, and is then irradiated toward the workpiece W.
本実施形態において、モジュールレーザ光LBM1~LBM4のそれぞれのビーム断面は、偏光特性及びビーム品質が異なる2つの軸(ファースト(Fast)軸とスロー(Slow)軸)を有する楕円形状である。モジュールレーザ光LBM1~LBM4は、レーザモジュール11の内部でファースト軸方向及びスロー軸方向でそれぞれ平行化されており、これらが結合して得られるレーザ光LB0、さらに第1レーザ光LB1のビーム断面も楕円形状である。レーザ光LB0のスロー軸方向のビーム径は3mm~6mm程度、ファースト軸方向のビーム径は1mm~3mm程度である。また、第1レーザ光LB1のスロー軸方向及びファースト軸方向のそれぞれのビーム径も、レーザ光LB0と同程度である。 In this embodiment, the beam cross section of each of the module laser beams LB M1 to LB M4 is elliptical having two axes (fast axis and slow axis) with different polarization characteristics and beam quality. The module laser beams LB M1 to LB M4 are collimated in the fast axis direction and the slow axis direction inside the laser module 11, and the beam cross sections of the laser beam LB 0 obtained by combining these beams and the first laser beam LB 1 are also elliptical. The beam diameter of the laser beam LB 0 in the slow axis direction is about 3 mm to 6 mm, and the beam diameter in the fast axis direction is about 1 mm to 3 mm. The beam diameters of the first laser beam LB 1 in the slow axis direction and the fast axis direction are also about the same as those of the laser beam LB 0 .
数十μm~100μm程度の直径のコアを有する光ファイバ90に第1レーザ光LB1をNA(開口数)0.1以下で入射させるには、20mm~50mm程度の焦点距離を有する第1集光レンズ43を用いるのが望ましい。 In order to input the first laser light LB1 into the optical fiber 90 having a core with a diameter of about several tens of μm to 100 μm with an NA (numerical aperture) of 0.1 or less, it is desirable to use the first focusing lens 43 having a focal length of about 20 mm to 50 mm.
焦点距離が長くなるほど第1レーザ光LB1を集光する光学系の規模が大きくなり、かつ、第1集光レンズ43に入射される第1レーザ光LB1のビーム径を大きくしなければならない。第1レーザ光LB1のビーム径を大きくするには、レーザ光LB0のビーム径を大きくする必要がある。 As the focal length becomes longer, the scale of the optical system for focusing the first laser beam LB1 becomes larger, and the beam diameter of the first laser beam LB1 incident on the first focusing lens 43 must be increased. In order to increase the beam diameter of the first laser beam LB1 , it is necessary to increase the beam diameter of the laser beam LB0 .
しかし、このためには、ビーム合成器20に設けられた拡大光学系26が大型化する。また、拡大光学系26が大型化することで、第2レーザ光LB2において、レーザ光LB0の光軸変動の影響が拡大されてしまう。 However, this requires an increase in size of the expansion optical system 26 provided in the beam combiner 20. In addition, the increase in size of the expansion optical system 26 increases the influence of the optical axis fluctuation of the laser beam LB0 on the second laser beam LB2 .
一方、焦点距離が短すぎる場合、第1集光レンズ43において、光軸方向の裕度が極端に狭くなり熱レンズ効果等の影響を許容できなくなるおそれがある。 On the other hand, if the focal length is too short, the tolerance in the optical axis direction of the first focusing lens 43 may become extremely narrow, making it impossible to tolerate the effects of thermal lens effects, etc.
また、第1集光レンズ43の焦点距離及び第1レーザ光LB1のNAを前述した範囲とする場合、第1集光レンズ43に入射される第1レーザ光LB1のビーム径を4mm~10mm以下にする必要がある。一方で、このビーム径を小さくしすぎると、光ファイバ90に入射されるときの第1レーザ光LB1の集光スポットサイズが大きくなるため、第1レーザ光LB1のが、直径が数十μm程度のコアに収まらなくなる。 Furthermore, when the focal length of the first condenser lens 43 and the NA of the first laser light LB1 are within the aforementioned ranges, it is necessary to set the beam diameter of the first laser light LB1 incident on the first condenser lens 43 to 4 mm to 10 mm or less. On the other hand, if this beam diameter is made too small, the focused spot size of the first laser light LB1 when incident on the optical fiber 90 becomes large, and the first laser light LB1 will no longer fit into a core having a diameter of about several tens of μm.
また、出力モニタ機構30Aに入射される第2レーザ光LB2は、レーザ光LB0よりも大幅に光量を低下させているが、その光特性はレーザ光LB0と同等である。つまり、第2レーザ光LB2のスロー軸方向及びファースト軸方向のそれぞれのビーム径も、レーザ光LB0と同程度である。 Also, the second laser beam LB2 incident on the output monitor mechanism 30A has a significantly lower light amount than the laser beam LB0 , but its optical characteristics are equivalent to those of the laser beam LB0 . That is, the beam diameters of the second laser beam LB2 in the slow axis direction and the fast axis direction are also approximately the same as those of the laser beam LB0 .
第2レーザ光LB2の光軸変動を考慮して、最大径が6mmとなる第2レーザ光LB2の全光量を確実に受光するためには、受光面36aのサイズは、10mmx10mm程度である必要がある。一方で、本実施形態に示すように、第2集光レンズ33を用いることで、受光面36aの面積を大幅に縮小できる。受光面36aが円形である場合、その直径を3.6mm程度にでき、前述した場合に比べて、受光面36aの面積は1/10以下となる。光検出器36の応答時定数は、フォトダイオードを構成するpn接合部分の抵抗と容量との合成インピーダンスに比例する。受光面36aがpn接合部分にあたるから、受光面36aの面積を1/10以下にできることで、応答時定数も10以下となる。つまり、光検出器36の応答速度は10倍以上となる。 In consideration of the optical axis fluctuation of the second laser light LB2 , in order to reliably receive the entire amount of the second laser light LB2 having a maximum diameter of 6 mm, the size of the light receiving surface 36a needs to be about 10 mm x 10 mm. On the other hand, as shown in this embodiment, by using the second condenser lens 33, the area of the light receiving surface 36a can be significantly reduced. When the light receiving surface 36a is circular, its diameter can be about 3.6 mm, and the area of the light receiving surface 36a becomes 1/10 or less compared to the above-mentioned case. The response time constant of the photodetector 36 is proportional to the composite impedance of the resistance and capacitance of the pn junction that constitutes the photodiode. Since the light receiving surface 36a corresponds to the pn junction, the area of the light receiving surface 36a can be reduced to 1/10 or less, and the response time constant also becomes 10 or less. In other words, the response speed of the photodetector 36 becomes 10 times or more.
なお、前述したように、受光面36aの直径は、ミキシングロッド35の出射端面35bの直径R(=3mm)よりも大きく、3.6mm程度である。 As mentioned above, the diameter of the light receiving surface 36a is approximately 3.6 mm, which is larger than the diameter R (= 3 mm) of the light emitting end surface 35b of the mixing rod 35.
第2集光レンズ33で集光される第2レーザ光LB2のビーム径は100μmよりも小さくなる。この値は、アパーチャとして機能するミキシングロッド35の入射端面35a及び出射端面35bの直径Rに対して十分に小さく、収差の影響を無視できるため、第2集光レンズ33として低価格の球面レンズを用いることができる。 The beam diameter of the second laser light LB2 focused by the second focusing lens 33 is smaller than 100 μm. This value is sufficiently small relative to the diameter R of the incident end face 35 a and the exit end face 35 b of the mixing rod 35 functioning as an aperture, and the effect of aberration can be ignored, so that a low-cost spherical lens can be used as the second focusing lens 33.
また、Z方向に対し、レーザ光LB0の光軸角度が変動した場合、例えば1mradの角度変動がある場合を考える。第2集光レンズ33によって集光される第2レーザ光LB2の受光面36a上の位置変動は25μm程度に留まる。この値は、ミキシングロッド35の入射端面35aの直径Rに対して十分に小さいため、第2レーザ光LB2の全光量をミキシングロッド35に確実に入射させることができる。 In addition, when the optical axis angle of the laser beam LB0 varies with respect to the Z direction, for example, when the angle varies by 1 mrad, the positional variation on the light receiving surface 36a of the second laser beam LB2 focused by the second focusing lens 33 is limited to about 25 μm. Since this value is sufficiently small compared to the diameter R of the incident end surface 35a of the mixing rod 35, the entire amount of the second laser beam LB2 can be reliably incident on the mixing rod 35.
ここで、減光フィルタ34に付加された感度補正機能について図12を用いて説明する。図12は、実施形態2に係る光検出器の感度の波長依存性を示す図である。 Here, the sensitivity correction function added to the neutral density filter 34 will be described with reference to FIG. 12. FIG. 12 is a diagram showing the wavelength dependence of the sensitivity of the photodetector according to the second embodiment.
レーザ光LB0は、モジュールレーザ光LBM1~LBM4が結合されたものであるため、空間的な広がりが個々のモジュールレーザ光よりも大きくなっているだけでなく、前述した波長域が広くなっている。具体的には、本実施形態におけるレーザ光LB0の波長域は、850nm~1000nmである。一方、一般的なシリコンフォトダイオードは、この波長域で受光感度が波長によって変化する。 Since the laser light LB0 is a combination of the module laser lights LB M1 to LB M4 , not only does it have a larger spatial spread than the individual module laser lights, but it also has a wider wavelength range as described above. Specifically, the wavelength range of the laser light LB0 in this embodiment is 850 nm to 1000 nm. On the other hand, the light receiving sensitivity of a general silicon photodiode changes depending on the wavelength in this wavelength range.
図12の比較例に示すように、減光フィルタ34が感度補正機能を有していない場合、光検出器36の受光感度は、入射した光の波長に応じて変化する。レーザ光LB0の波長域、つまり、第2レーザ光LB2の波長域では、850nm~波長が長くなるにつれて、受光感度が増加する一方、波長が970nmを超えると受光感度が低下する。レーザ光LB0に含まれるモジュールレーザ光LBM1~LBM4のそれぞれの光量が同じであれば、図12に示す受光感度の波長依存性を用いて、制御部60において、光検出器36の出力信号を補正することはできる。しかし、レーザモジュール11に供給される電力のばらつき等により、モジュールレーザ光LBM1~LBM4のそれぞれの光量が異なっていると、制御部60において、感度補正が困難となる。このことにより、光検出器36の出力信号の大きさに基づいて、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタできなくなるおそれがある。 As shown in the comparative example of FIG. 12, when the neutral density filter 34 does not have a sensitivity correction function, the light receiving sensitivity of the photodetector 36 changes depending on the wavelength of the incident light. In the wavelength range of the laser light LB 0 , that is, the wavelength range of the second laser light LB 2 , the light receiving sensitivity increases as the wavelength increases from 850 nm, while the light receiving sensitivity decreases when the wavelength exceeds 970 nm. If the light amounts of the module laser lights LB M1 to LB M4 included in the laser light LB 0 are the same, the control unit 60 can correct the output signal of the photodetector 36 using the wavelength dependency of the light receiving sensitivity shown in FIG. 12. However, if the light amounts of the module laser lights LB M1 to LB M4 differ due to variations in the power supplied to the laser module 11, etc., it becomes difficult for the control unit 60 to correct the sensitivity. This may result in a risk of not being able to accurately monitor the output of the first laser light LB 1 based on the magnitude of the output signal from the photodetector 36.
そこで、本実施形態では、光検出器36の受光感度が波長によらず一定となるように、減光フィルタ34に感度補正機能を持たせている。詳しく言うと、ここで言う感度補正機能とは、入射光の各波長に対して光検出器36の受光感度が均等となるように、入射光の波長毎に透過率を適切に調整することを言う。 Therefore, in this embodiment, the neutral density filter 34 is provided with a sensitivity correction function so that the light receiving sensitivity of the photodetector 36 is constant regardless of the wavelength. More specifically, the sensitivity correction function here refers to appropriately adjusting the transmittance for each wavelength of incident light so that the light receiving sensitivity of the photodetector 36 is uniform for each wavelength of incident light.
このように減光フィルタ34に感度補正機能を持たせることで、モジュールレーザ光LBM1~LBM4のそれぞれの光量が異なってたとしても、制御部60において、波長に応じた光検出器36の受光感度の補正が不要となる。このことにより、光検出器36の出力信号の大きさに基づいて、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。 By providing the neutral density filter 34 with a sensitivity correction function in this way, even if the light intensities of the module laser beams LB M1 to LB M4 differ, the control unit 60 does not need to correct the light receiving sensitivity of the photodetector 36 according to the wavelength. This makes it possible to accurately monitor the output of the first laser beam LB 1 based on the magnitude of the output signal from the photodetector 36.
なお、減光フィルタ34に感度補正機能を持たせる代わりに、光検出器36に同じ機能を有するフィルタを設けてもよい。 In addition, instead of providing the neutral density filter 34 with a sensitivity correction function, a filter having the same function may be provided in the photodetector 36.
図13は、実施形態2に係る感度補正機能付き光検出器の断面模式図である。 Figure 13 is a schematic cross-sectional view of a photodetector with sensitivity correction function according to embodiment 2.
図13に示す感度補正機能付き光検出器360は、光検出器361とフィルタ362とを有している。光検出器361は、図2や図8~10に示す光検出器36と同様のフォトダイオードである。フィルタ362は、図12に示す感度補正機能を有している。 The photodetector 360 with sensitivity correction function shown in FIG. 13 has a photodetector 361 and a filter 362. The photodetector 361 is a photodiode similar to the photodetector 36 shown in FIG. 2 and FIGS. 8 to 10. The filter 362 has the sensitivity correction function shown in FIG. 12.
なお、フィルタ362に、入射した第2レーザ光LB2の光量を低下させる減光機能を持たせてもよい。また、本実施形態の減光フィルタ34及びフィルタ362は、誘電体からなる。 The filter 362 may have a dimming function to reduce the amount of the incident second laser light LB2. In this embodiment, the dimming filter 34 and the filter 362 are made of a dielectric material.
なお、本願明細書において、本実施形態の減光フィルタ34及びフィルタ362のように感度補正機能を有するフィルタを感度補正フィルタと呼ぶことがある。 In this specification, filters that have a sensitivity correction function, such as the neutral density filter 34 and filter 362 of this embodiment, may be referred to as sensitivity correction filters.
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ発振器80のレーザモジュール(レーザ光源)11は、以下の部品を少なくとも備えている。 As described above, the laser module (laser light source) 11 of the laser oscillator 80 according to this embodiment has at least the following components:
レーザモジュール11は、第1筐体11Aと、複数のレーザダイオードバー11Bと、回折格子11Cと、外部共振ミラー11Dと、を少なくとも備えている。 The laser module 11 includes at least a first housing 11A, a plurality of laser diode bars 11B, a diffraction grating 11C, and an external resonator mirror 11D.
複数のレーザダイオードバー11Bは、それぞれ複数のエミッタを有している。回折格子11Cは、複数のエミッタのそれぞれから出射された複数のエミッタレーザ光LBEを結合する。外部共振ミラー11Dは、回折格子11Cで結合されたエミッタレーザ光LBEを回折格子11Cに向けて反射する。第1筐体11Aは、複数のレーザダイオードバー11Bと回折格子11Cと外部共振ミラー11Dとを収容する。 Each of the laser diode bars 11B has a plurality of emitters. The diffraction grating 11C combines the emitter laser beams LBE emitted from the respective emitters. The external resonator mirror 11D reflects the emitter laser beams LBE combined by the diffraction grating 11C toward the diffraction grating 11C. The first housing 11A accommodates the laser diode bars 11B, the diffraction grating 11C, and the external resonator mirror 11D.
外部共振ミラー11Dとレーザダイオードバー11Bの後端面との間に外部共振器が構成され、複数のエミッタレーザ光LBEが回折格子11Cで結合されて生成されたモジュールレーザ光が第1筐体11Aの外部に出射される。 An external resonator is formed between the external resonator mirror 11D and the rear end face of the laser diode bar 11B, and a module laser light generated by combining multiple emitter laser beams LBE through a diffraction grating 11C is emitted to the outside of the first housing 11A.
レーザモジュール11をこのように構成することで、複数のエミッタから出射される複数のエミッタレーザ光LBEを1本のモジュールレーザ光に結合でき、高出力のモジュールレーザ光を得ることができる。また、いわゆる波長合成技術を用いることにより、モジュールレーザ光のビーム品質を大幅に低下させることがない。 By configuring the laser module 11 in this way, multiple emitter laser beams LBE emitted from multiple emitters can be combined into one module laser beam, and a high-output module laser beam can be obtained. In addition, by using a so-called wavelength synthesis technique, the beam quality of the module laser beam is not significantly degraded.
また、レーザ発振器80は、複数のレーザモジュール11と、複数のレーザモジュール11のそれぞれから出射される複数のモジュールレーザ光を結合してレーザ光LB0を生成するビーム合成器20を備えている。 The laser oscillator 80 also includes a plurality of laser modules 11 and a beam combiner 20 that combines a plurality of module laser beams emitted from the plurality of laser modules 11 to generate a laser beam LB 0 .
ビーム合成器20を備えることで、複数のモジュールレーザ光を結合してより高出力のレーザ光LB0を得ることができる。また、レーザ光LB0を分岐して得られる第1レーザ光LB1の出力を高めることができ、例えば、厚板のワークWに対し、短時間でレーザ切断やレーザ穴開けを行うことができる。また、レーザ溶接も含めて、レーザ加工時間を短縮できる。 By providing the beam combiner 20, it is possible to combine a plurality of module laser beams to obtain a higher output laser beam LB 0. In addition, it is possible to increase the output of the first laser beam LB 1 obtained by branching the laser beam LB 0 , and it is possible to perform laser cutting or laser drilling in a short time, for example, on a thick workpiece W. In addition, it is possible to shorten the laser processing time, including laser welding.
また、本実施形態によれば、実施形態1に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。つまり、第2レーザ光LB2の光軸ずれやビームプロファイルが変動した場合も、これらに影響されず、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。また、第1レーザ光LB1の出力を高速かつ高精度でモニタすることができる。 Moreover, according to this embodiment, it is possible to achieve the same effects as those achieved by the configuration shown in the first embodiment. That is, even if the optical axis misalignment or beam profile of the second laser light LB2 varies, the output of the first laser light LB1 can be accurately monitored without being affected by these. Moreover, it is possible to monitor the output of the first laser light LB1 at high speed and with high accuracy.
また、本実施形態によれば、出力モニタ機構30Aが、感度補正フィルタを備えている。レーザ光LB0、言い換えると第2レーザ光LB2の波長域が所定の範囲である場合、感度補正フィルタは、光検出器36における受光感度が少なくとも前述した所定の範囲で一定となるように構成されている。 According to the present embodiment, the output monitor mechanism 30A includes a sensitivity correction filter configured such that, when the wavelength region of the laser beam LB0 , in other words the second laser beam LB2, is within a predetermined range, the light receiving sensitivity of the photodetector 36 is constant at least within the above-mentioned predetermined range.
出力モニタ機構30Aをこのように構成することで、レーザ光LB0、言い換えると第2レーザ光LB2の波長域が広くなっている場合にも、制御部60において、波長に応じた光検出器36の受光感度の補正が不要となる。このことにより、光検出器36の出力信号の大きさに基づいて、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。 By configuring the output monitor mechanism 30A in this manner, even when the wavelength range of the laser light LB0 , in other words the second laser light LB2, is wide, the control unit 60 does not need to correct the light receiving sensitivity of the photodetector 36 according to the wavelength. This makes it possible to accurately monitor the output of the first laser light LB1 based on the magnitude of the output signal of the photodetector 36.
減光フィルタ34に感度補正機能を持たせて感度補正フィルタとすることができる。この場合、感度補正フィルタは、部分反射ミラー24とミキシングロッド35の入射端面35aの間であって、入射端面35aの近傍に配置され、入射端面35aに入射する第2レーザ光LB2の光量を低下させる。 The neutral density filter 34 can be provided with a sensitivity correction function to function as a sensitivity correction filter. In this case, the sensitivity correction filter is disposed between the partial reflection mirror 24 and the incident end face 35a of the mixing rod 35, in the vicinity of the incident end face 35a, and reduces the amount of the second laser light LB2 incident on the incident end face 35a.
また、図13に示すように、感度補正フィルタ(フィルタ362)は、受光面36aに接して配置されていてもよい。 Also, as shown in FIG. 13, the sensitivity correction filter (filter 362) may be disposed in contact with the light receiving surface 36a.
(その他の実施形態)
実施形態1、2及び変形例1、2に示す各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、図13に示す感度補正能付き光検出器360を、実施形態1や変形例1、2に示す光検出器36に代えて配置してもよい。また、変形例1や変形例2に示す出力モニタ機構30Aを、実施形態1、2に示すレーザ発振器80に適用してもよい。
Other Embodiments
New embodiments can also be created by appropriately combining the components shown in the first and second embodiments and the first and second modifications. For example, a photodetector 360 with sensitivity correction capability shown in FIG. 13 may be disposed in place of the photodetector 36 shown in the first embodiment and the first and second modifications. In addition, the output monitor mechanism 30A shown in the first and second modifications may be applied to the laser oscillator 80 shown in the first and second embodiments.
なお、エミッタレーザ光LBE、またはモジュールレーザ光の波長域が、青色の波長域、例えば、380nm~460nmであってもよい。 The wavelength region of the emitter laser light LBE or the module laser light may be in the blue wavelength region, for example, 380 nm to 460 nm.
また、レーザ発振器80に設けられるレーザモジュール10、11の個数が1個であってもよい。また、レーザモジュール10、11にそれぞれ設けられるレーザダイオードバーの個数が1個であってもよい。 The number of laser modules 10, 11 provided in the laser oscillator 80 may be one. The number of laser diode bars provided in each of the laser modules 10, 11 may be one.
また、ミキシングロッド35は六角柱に限られず、例えば、円柱であってもよい。前述した臨界角が適切な値となるように、ミキシングロッド35の材質及び側面が設定されていればよい。 The mixing rod 35 is not limited to a hexagonal prism, but may be, for example, a cylinder. The material and side surface of the mixing rod 35 need only be set so that the critical angle described above is an appropriate value.
なお、実施形態1、2及び変形例1、2において、部分反射ミラー24をビーム合成器20の第2筐体21の内部に設け、出力モニタユニット30の第3筐体31を第2筐体21に接続される構成を例として示した。しかし、部分反射ミラー24や出力モニタユニット30の配置位置は特にこれに限定されない。例えば、部分反射ミラー24を集光光学ユニット40の第4筐体41に内部に設け、出力モニタユニット30の第3筐体31を第2筐体21に接続してもよい。この場合、第1レーザ光LB1を光ファイバ90に入射端に確実に入射させるため、部分反射ミラー24は、第4筐体41の光入射口42と第1集光レンズ43との間に配置されるのが好ましい。 In the first and second embodiments and the first and second modifications, the partial reflection mirror 24 is provided inside the second housing 21 of the beam combiner 20, and the third housing 31 of the output monitor unit 30 is connected to the second housing 21. However, the positions of the partial reflection mirror 24 and the output monitor unit 30 are not particularly limited to this. For example, the partial reflection mirror 24 may be provided inside the fourth housing 41 of the focusing optical unit 40, and the third housing 31 of the output monitor unit 30 may be connected to the second housing 21. In this case, in order to ensure that the first laser light LB1 is incident on the input end of the optical fiber 90, it is preferable that the partial reflection mirror 24 is disposed between the light input port 42 of the fourth housing 41 and the first focusing lens 43.
例えば、レーザ発振器80に設けられるレーザモジュール10、11の個数が1個の場合、ビーム合成器20は省略されるため、前述した位置に部分反射ミラー24及び出力モニタユニット30が配置される。 For example, if the laser oscillator 80 has one laser module 10, 11, the beam combiner 20 is omitted, and the partial reflection mirror 24 and the output monitor unit 30 are placed in the above-mentioned position.
部分反射ミラー24及び出力モニタユニット30をこのように配置しても、実施形態1、2に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。つまり、第2レーザ光LB2の光軸ずれやビームプロファイルが変動した場合も、これらに影響されず、第1レーザ光LB1の出力を正確にモニタすることができる。また、第1レーザ光LB1の出力を高速かつ高精度でモニタすることができる。 Even if the partial reflection mirror 24 and the output monitor unit 30 are arranged in this manner, it is possible to achieve the same effects as those achieved by the configurations shown in the first and second embodiments. That is, even if the optical axis misalignment or beam profile of the second laser light LB2 varies, the output of the first laser light LB1 can be accurately monitored without being affected by these. In addition, the output of the first laser light LB1 can be monitored at high speed and with high accuracy.
また、実施形態2において、回折格子11Cに代えて、プリズムを用いてもよい。複数のエミッタのそれぞれから出射された複数のエミッタレーザ光LBEを1本のモジュールレーザ光に結合する光結合素子であればよい。 Also, in the second embodiment, a prism may be used instead of the diffraction grating 11C. Any optical coupling element may be used as long as it couples a plurality of emitter laser beams LBE emitted from a plurality of emitters into one module laser beam.
本開示のレーザ発振器は、レーザ加工に用いられる第1レーザ光の出力を高速かつ高精度でモニタできるため、有用である。 The laser oscillator disclosed herein is useful because it can monitor the output of the first laser light used in laser processing at high speed and with high accuracy.
10 レーザモジュール
11 レーザモジュール
11A 第1筐体
11B レーザダイオードバー
11C 回折格子(光結合素子)
11D 外部共振ミラー
20 ビーム合成器
21 第2筐体
21a~21d 第1~第4光入射口
22 光出射口
23 1/4波長板
24 部分反射ミラー(光分岐素子)
25A~25D 第1~第4立ち上げミラー
26 拡大光学系
27A 第1反射ミラー
27B 第2反射ミラー
28A 第1偏光ビームスプリッタ
28B 第2偏光ビームスプリッタ
29 ダイクロイックミラー
30 出力モニタユニット
30A 出力モニタ機構
31 第3筐体
31a 隔壁
32 ホルダ
33 第2集光レンズ(集光光学素子)
34 減光フィルタ(感度補正フィルタ)
35 ミキシングロッド(光均一化素子)
35a 入射端面
35b 出射端面
36 光検出器
36a 受光面
37 積分球
38 反射ミラー
39 凹面ミラー(集光光学素子)
40 集光光学ユニット
41 第4筐体
42 光入射口
43 第1集光レンズ
44 光出射口
45 第1レセプタクル
46 第1石英ブロック保持部
47 第1石英ブロック
48 第2石英ブロック保持部
49 第2石英ブロック
50 第5筐体
60 制御部
61 記憶部
62 演算部
63 表示部
70 電源
80 レーザ発振器
90 光ファイバ
100 レーザヘッド
200 レーザ加工装置
360 感度補正機能付き光検出器
361 光検出器
362 フィルタ(感度補正フィルタ)
HWP1、2 1/2波長板
W ワーク
10 Laser module 11 Laser module 11A First housing 11B Laser diode bar 11C Diffraction grating (optical coupling element)
11D external cavity mirror 20 beam combiner 21 second housings 21a to 21d first to fourth light inlets 22 light outlet 23 quarter-wave plate 24 partial reflection mirror (light branching element)
25A to 25D First to fourth raising mirrors 26 Magnifying optical system 27A First reflecting mirror 27B Second reflecting mirror 28A First polarizing beam splitter 28B Second polarizing beam splitter 29 Dichroic mirror 30 Output monitor unit 30A Output monitor mechanism 31 Third housing 31a Partition wall 32 Holder 33 Second condenser lens (condensing optical element)
34 Neutral density filter (sensitivity correction filter)
35 Mixing rod (light homogenizing element)
35a: incident end surface 35b: exit end surface 36: photodetector 36a: light receiving surface 37: integrating sphere 38: reflecting mirror 39: concave mirror (light collecting optical element)
40 Condensing optical unit 41 Fourth housing 42 Light inlet 43 First condensing lens 44 Light outlet 45 First receptacle 46 First quartz block holder 47 First quartz block 48 Second quartz block holder 49 Second quartz block 50 Fifth housing 60 Control unit 61 Memory unit 62 Calculation unit 63 Display unit 70 Power supply 80 Laser oscillator 90 Optical fiber 100 Laser head 200 Laser processing device 360 Photodetector with sensitivity correction function 361 Photodetector 362 Filter (sensitivity correction filter)
HWP1, 2 1/2 Wavelength Plate W Work
Claims (16)
前記レーザ光の一部である第1レーザ光を集光して外部に出射する集光光学ユニットと、
前記第1レーザ光の出力をモニタする出力モニタ機構と、を少なくとも備え、
前記出力モニタ機構は、
前記レーザ光を前記第1レーザ光と、前記第1レーザ光と異なる方向に進行する第2レーザ光と、に分岐する光分岐素子と、
入射端面と出射端面とを有する光均一化素子と、
前記第2レーザ光を前記入射端面に向けて集光する集光光学素子と、
前記第2レーザ光を受光する受光面を有し、受光された前記第2レーザ光の光量に基づいて出力信号を出力する光検出器と、を少なくとも有し、
前記光検出器は、受光面が前記出射端面と接しているか、または前記出射端面と所定の間隔をあけて対向するように配置され、
前記光検出器の前記出力信号に基づいて、前記第1レーザ光の出力を算出する制御部をさらに備えたことを特徴とするレーザ発振器。 A laser light source that emits laser light;
a focusing optical unit that focuses a first laser beam, which is a part of the laser beam, and outputs the first laser beam to the outside;
an output monitor mechanism for monitoring an output of the first laser light,
The output monitor mechanism includes:
a light branching element that branches the laser light into the first laser light and a second laser light traveling in a direction different from that of the first laser light;
a light homogenizing element having an input end surface and an output end surface;
a focusing optical element that focuses the second laser light toward the incident end surface;
a photodetector having a light receiving surface that receives the second laser light and that outputs an output signal based on the amount of light of the received second laser light,
the photodetector is disposed such that a light receiving surface is in contact with the light emitting end surface or faces the light emitting end surface at a predetermined interval;
4. The laser oscillator according to claim 3, further comprising a control unit that calculates an output of the first laser light based on the output signal of the photodetector.
前記光均一化素子は、前記入射端面から入射した前記第2レーザ光を内部で全反射させながら前記出射端面に導光するミキシングロッドであることを特徴とするレーザ発振器。 2. The laser oscillator according to claim 1,
a mixing rod that totally reflects the second laser light incident on the incident end face and guides the second laser light to the output end face;
前記光検出器は、光電変換素子であり、前記受光面の面積は、前記出射端面の面積よりも大きいことを特徴とするレーザ発振器。 2. The laser oscillator according to claim 1,
11. A laser oscillator, comprising: said photodetector being a photoelectric conversion element; and an area of said light receiving surface being larger than an area of said light emitting end surface.
前記光分岐素子は、前記レーザ光の大部分を反射し、残部を透過する部分反射ミラーであることを特徴とするレーザ発振器。 2. The laser oscillator according to claim 1,
11. A laser oscillator according to claim 10, wherein the optical branching element is a partial reflection mirror that reflects most of the laser light and transmits the remainder.
前記出力モニタ機構は、前記光分岐素子と前記入射端面の間に配置された集光光学素子をさらに有し、
前記集光光学素子は、前記第2レーザ光を前記入射端面に向けて集光することを特徴とするレーザ発振器。 2. The laser oscillator according to claim 1,
the output monitor mechanism further includes a focusing optical element disposed between the optical branching element and the incident end surface,
The laser oscillator according to claim 1, wherein the focusing optical element focuses the second laser light toward the incident end surface.
前記入射端面の近傍における前記第2レーザ光のビーム径は、前記受光面の直径よりも小さいことを特徴とするレーザ発振器。 6. The laser oscillator according to claim 5,
a beam diameter of the second laser light in the vicinity of the incident end face being smaller than a diameter of the light receiving face;
前記出力モニタ機構は、前記光分岐素子と前記入射端面の間に配置された光反射部品をさらに有し、
前記光反射部品は、前記光分岐素子で分岐された前記第2レーザ光を反射して、前記第1レーザ光と同じ方向に進行させ、
前記第2レーザ光の進行方向に沿って、前記光均一化素子と前記光検出器とが配置されることを特徴とするレーザ発振器。 2. The laser oscillator according to claim 1,
the output monitor mechanism further includes a light reflecting component disposed between the light branching element and the light input end surface,
the light reflecting component reflects the second laser light branched by the light branching element so that the second laser light travels in the same direction as the first laser light,
a light uniformizing element and a light detector disposed along a traveling direction of the second laser light;
前記光反射部品は、前記第2レーザ光を前記入射端面に向けて集光することを特徴とするレーザ発振器。 8. The laser oscillator according to claim 7,
The laser oscillator according to claim 1, wherein the light reflecting component focuses the second laser light toward the incident end surface.
前記出力モニタ機構は、前記光分岐素子と前記入射端面の間であって、前記入射端面の近傍に配置された減光フィルタをさらに有し、
前記減光フィルタは、前記入射端面に入射する前記第2レーザ光の光量を低下させることを特徴とするレーザ発振器。 2. The laser oscillator according to claim 1,
the output monitor mechanism further includes a neutral density filter disposed between the optical branching element and the incident end face and in the vicinity of the incident end face;
The laser oscillator according to claim 1, wherein the attenuation filter reduces the amount of the second laser light incident on the incident end face.
前記出力モニタ機構は、感度補正フィルタをさらに有し、
前記第2レーザ光の波長域が所定の範囲である場合、前記感度補正フィルタは、前記光検出器における受光感度が少なくとも前記所定の範囲で一定とな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。 2. The laser oscillator according to claim 1,
the output monitor mechanism further includes a sensitivity correction filter;
A laser oscillator characterized in that, when the wavelength region of the second laser light is within a predetermined range, the sensitivity correction filter is configured so that the light receiving sensitivity of the photodetector is constant at least within the predetermined range.
前記感度補正フィルタは、前記光分岐素子と前記入射端面の間であって、前記入射端面の近傍に配置され、前記入射端面に入射する前記第2レーザ光の光量を低下させることを特徴とするレーザ発振器。 11. The laser oscillator according to claim 10,
The sensitivity correction filter is disposed between the optical branching element and the incident end face, in the vicinity of the incident end face, and reduces the amount of light of the second laser light incident on the incident end face.
前記感度補正フィルタは、前記受光面に接して配置されていることを特徴とするレーザ発振器。 11. The laser oscillator according to claim 10,
2. A laser oscillator according to claim 1, wherein the sensitivity correction filter is disposed in contact with the light receiving surface.
前記レーザ光源は、複数のエミッタを有するレーザダイオードバーと、
複数の前記エミッタのそれぞれから出射された複数のエミッタレーザ光を結合する光結合素子と、
前記光結合素子で結合された前記エミッタレーザ光を前記光結合素子に向けて反射する外部共振ミラーと、
1または複数の前記レーザダイオードバーと前記光結合素子と前記外部共振ミラーとを収容する第1筐体と、を少なくとも備え、
前記外部共振ミラーと前記レーザダイオードバーの後端面との間に外部共振器が構成され、
複数の前記エミッタレーザ光が前記光結合素子で結合されて生成されたモジュールレーザ光が前記第1筐体の外部に出射されることを特徴とするレーザ発振器。 2. The laser oscillator according to claim 1,
The laser light source includes a laser diode bar having a plurality of emitters;
an optical coupling element for coupling a plurality of emitter laser beams emitted from the plurality of emitters;
an external cavity mirror that reflects the emitter laser light coupled by the optical coupling element toward the optical coupling element;
a first housing that houses one or more of the laser diode bars, the optical coupling element, and the external cavity mirror;
an external cavity is formed between the external cavity mirror and a rear end face of the laser diode bar;
a laser oscillator, characterized in that a module laser light generated by combining a plurality of the emitter laser lights by the optical coupling element is emitted to the outside of the first housing.
複数の前記レーザ光源と、
複数の前記レーザ光源のそれぞれから出射される複数の前記モジュールレーザ光を結合して前記レーザ光を生成するビーム合成器をさらに備えたことを特徴とするレーザ発振器。 14. The laser oscillator according to claim 13,
A plurality of the laser light sources;
A laser oscillator further comprising a beam combiner that combines a plurality of module laser beams emitted from a plurality of said laser light sources to generate said laser beam.
前記制御部は、算出された前記第1レーザ光の出力が所定の目標値となるように、前記レーザ光源に供給される電力を制御することを特徴とするレーザ発振器。 2. The laser oscillator according to claim 1,
The control unit controls power supplied to the laser light source so that the calculated output of the first laser light becomes a predetermined target value.
前記第1レーザ光を受け取って、ワークに向けて照射するレーザヘッドと、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 15,
a laser head that receives the first laser light and irradiates it toward a workpiece.
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