JP7454771B1 - レーザ装置及びレーザ出力管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】迷光を検知しない出力モニタ機構を有するレーザ装置およびレーザ出力管理方法を提供する。
【解決手段】第１波長域に含まれる波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光の一部を被対象物へ照射する照射口と、レーザ光源より下流側で照射口より上流側の光路系に、レーザ光源から出射されるレーザ光の出力をモニタするモニタ機構と、を備える。さらに、モニタ機構は、レーザ光源から出射されるレーザ光の一部を第１波長域外である第２波長域に含まれる波長の光に変換する波長変換素子と、波長変換素子によって変換された第２波長域に含まれる光を受光し、電気信号を出力する第１の光検出器と、電気信号を用いてレーザ光源から出射されるレーザ光の出力をモニタする制御部を有する。
【選択図】図４

Description

本開示は、パワーモニタ機構を備えたレーザ装置及びレーザ出力管理方法に関する。

近年、金属加工用のレーザ光のビームプロファイルや出力をモニタする手法が種々提案されている。

例えば、特許文献１では、ユーザがレーザ出力測定に関与する必要がなく、材料の加工中であってもレーザ出力をモニタ可能な手法を提案している。加えて、光検出器としてフォトダイオードではなくパワーメータを用いることで、ノイズの影響を受けにくいパワーモニタリング装置を開示している。

特開２０２０―４６３９０号公報

本開示は、より正確にレーザ出力をモニタできるレーザ装置を提供することを目的とする。

本開示の一様態に係るレーザ装置は、第１波長域に含まれる波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の一部を被対象物へ照射する照射口と、前記レーザ光源より下流側で前記照射口より上流側の光路系に、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の出力をモニタするモニタ機構と、を備える。さらに、前記モニタ機構は、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の一部を前記第１波長域外である第２波長域に含まれる波長の光に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子に入射した光のうち、変換され出射した前記第２波長域に含まれる光の進行方向と、当該波長変換素子で変換されずに透過した前記第１波長域に含まれる前記レーザ光の進行方向と、を分離する波長分離ミラーと、前記波長分離ミラーで分離された前記第２波長域に含まれる光を受光し、電信号を出力する第１の光検出器と、前記波長分離ミラーで分離された前記第１波長域に含まれるレーザ光を受光し、電気信号を出力する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の前記電気信号と前記第２の光検出器の前記電気信号を用いて前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の出力をモニタする制御部と、を有する。
また、本開示の一様態に係るレーザ出力管理方法は、第１波長域に含まれる波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の一部を被対象物へ照射する照射口と、前記レーザ光源より下流側で前記照射口より上流側の光路系に、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の出力をモニタするモニタ機構と、を備える。さらに、前記モニタ機構は、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の一部を前記第１波長域外である第２波長域に含まれる波長の光に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子に入射した光のうち、変換され出射した前記第２波長域に含まれる光の進行方向と、当該波長変換素子で変換されずに透過した前記第１波長域に含まれる前記レーザ光の進行方向と、を分離する波長分離ミラーと、前記波長分離ミラーで分離された前記第２波長域に含まれる光を受光し、電信号を出力する第１の光検出器と、前記波長分離ミラーで分離された前記第１波長域に含まれるレーザ光を受光し、電気信号を出力する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の前記電気信号と前記第２の光検出器の前記電気信号を用いて前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の出力をモニタする制御部と、を有する。

本開示に係るレーザ装置によれば、より正確にレーザ出力をモニタできるレーザ装置を提供できる。

実施の形態に係るレーザ装置の外観図である。 実施の形態に係るレーザモジュールの概念図である。 実施の形態１に係るモニタ機構の概念図である。 実施の形態２に係るモニタ機構の概念図である。 レーザ発振時間と信号値及び出力値との関係図である。 実施の形態３に係るレーザ装置の概念図である。 実施の形態３に係る異常箇所の切り分け一覧図である。 第１の光検出器を用いたレーザ光の出力モニタ手順を示した図である。 第１の光検出器及び第２の光検出器を用いたレーザ光の出力モニタ手順を示した図である。 第１の光検出器における換算係数のチェックモード手順を示した図である。 第１の光検出器を用いたレーザ発振の電力制御手順を示した図である。

以下、本開示に係るレーザ装置の実施の形態を、図面に基づき説明する。なお、下記に開示される実施の形態はすべて例示であって、本開示に係るレーザ装置に制限を加える意図はない。例えば、本開示に係るレーザ装置は、波長合成技術を用いたダイレクトダイオードレーザを用いるものを想定し説明するが、これに限るものではなくファイバレーザやディスクレーザ、空間合成技術を用いたダイレクトダイオードレーザ等を用いるものであってもよい。

また、下記に開示される実施の形態では、必要以上の詳細な説明を省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項についての詳細な説明や、実質的に同一の構成についての重複する説明を、省略する場合がある。これは、説明が不必要に冗長になるのを避けることで、当業者の理解を容易にするためである。

［発明に至った経緯］
光検出器はその種類によって光に対する感度が異なる。例えば、パワーメータ（サーモパイル等に代表される熱電効果型の光検出器）等の低感度の光検出器は、レーザ装置内の様々な箇所で散乱及び反射してきた迷光の影響は受けにくい。しかし、そのような光検出器は、応答速度が遅く発振直後のオーバーシュートなどミリ秒単位の高速な電気信号を正確に出力することができない。一方、フォトダイオード等の高感度の光検出器は、サーモパイル等に比べて応答速度が速くミリ秒単位の高速な電気信号をも出力可能である。しかし、高感度な光検出器はレーザ装置内で散乱及び反射してきた迷光をも検知するため、電気信号を安定して出力することが困難となる。本開示に係るレーザ装置は、迷光とは異なる波長の光を用いてレーザ出力をモニタする。これにより、フォトダイオード等の高感度な光検出器を用いたとしても、迷光の影響を受けにくいモニタ機構を提供することが可能となる。

［実施の形態１］
（全体構成）
図１は、実施の形態に係るレーザ装置の外観図である。図２は、実施の形態に係るレーザモジュールの概念図である。図１に示すように、レーザ装置１はレーザ発振器１０、伝送ファイバ４０、加工ヘッド２０、モニタ機構３０ａを有する。レーザ発振器１０は、例えば、波長合成技術を用いたダイレクトダイオードレーザであって、複数のレーザモジュール１００とレーザ合成器２００と集光ユニット３００を有する。

図２に示すように、レーザモジュール１００は、複数のレーザ光源１０１、回折格子１０２、出力鏡１０３を有する。複数のレーザ光源１０１は、例えば半導体レーザアレイであり、異なる波長のレーザ光を出射する。本実施例において、複数のレーザ光源１０１が出射するレーザ光の波長域は、４２０ｎｍ～４６０ｎｍの青色レーザ光であり、以降の説明において当該範囲を第１波長域λ_１と呼ぶ。しかし、第１波長域λ_１-は当該範囲に限定されず目的のレーザ加工によって適宜選択されうる。例えば、第１波長域λ_１として９５０～１０００ｎｍの近赤外光を用いる場合もある。

回折格子１０２は、レーザ光源１０１から出射された第１波長域λ_１のレーザ光を１本のレーザ光ＬＢ_１として波長合成するように設けられている。また、出力鏡１０３は、回折格子１０２によって波長合成されたレーザ光ＬＢ_１を図１に示すレーザ合成器２００へ導光する一方、当該レーザ光ＬＢ_１の一部を反射してレーザ光源１０１との間で外部共振系を構築する。このようにして、レーザモジュール１００内で波長合成された第１波長域
λ_１のレーザ光ＬＢ_１が複数のレーザモジュール１００から出射する。

図１に示すレーザ合成器２００は、各レーザモジュール１００からそれぞれ出射された第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１をさらに１本のレーザ光ＬＢ_１に結合して集光ユニット３００に導光する。具体的には、各々のレーザモジュール１００から出射したレーザ光ＬＢ_１の光軸を近接または一致させるとともに、互いの光軸が平行になるように結合する。集光ユニット３００に入射したレーザ光ＬＢ_１は、伝送ファイバ４０に向けて集光される。レーザ発振器１０をこのような構成とすることで、レーザ出力が数ｋＷを超える高出力のレーザ装置１を得ることができる。

図１に示す加工ヘッド２０は、照射口２１を有する。伝送ファイバ４０に入射し伝送されたレーザ光ＬＢ_１は、加工ヘッド２０に入射したのち、照射口２１から被対象物５０に向けて照射される。

図１に示すモニタ機構３０ａは、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光ＬＢ_１の出力をモニタするように構成されている。モニタ機構３０ａは、レーザモジュール１００内の回折格子１０２から出射する第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１の光路途上であって照射口２１から出射するまでの間、言い換えると、回折格子１０２より下流側で照射口２１より上流側の光路系に備えられている。つまり、モニタ機構３０ａは、レーザ発振器１０を構成するレーザモジュール１００、レーザ合成器２００、集光ユニット３００の内部に設けてもよいし、伝送ファイバ４０の内部、加工ヘッド２０の内部に設けても良い。例えば、モニタ機構３０ａをレーザモジュール１００の内部に設けた場合、発振直後のレーザ光ＬＢ_１を測定するため、レーザモジュール自体の劣化等を検知することができる。一方、モニタ機構３０ａを加工ヘッド２０の内部に設けた場合、加工に用いられるレーザ光ＬＢ_１の実出力を測定可能となる。ここで、光路系とは、レーザ装置１内をレーザ光ＬＢ_１が通過する経路及びその周辺の空間を含むものである。また、光路系の下流側とは照射口２１により近い側を指し、光路系の上流側とはレーザ光源１０１により近い側を指す。以降で、モニタ機構の詳細について説明する。

（モニタ機構）
図３は、実施の形態１に係るモニタ機構の概念図である。図３に示すように、モニタ機構３０ａは、波長変換素子３２、波長分離ミラー３３、集光レンズ３４、波長選択フィルタ３５、第１の光検出器３６、制御部３８を有する。

波長変換素子３２は、例えば、蛍光体粒子を所定量含有する蛍光板であって、回折格子１０２で波長合成された第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１が入射するように構成されている。波長変換素子３２に入射した第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１は、例えば、１％が前述した蛍光体粒子に吸収されて第２波長域λ_２の光ＬＢ_２に波長変換される。なお、波長変換素子３２に入射したレーザ光ＬＢ_１のうち、変換されない残りの光は第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１のまま出射される。第２波長域λ_２の光ＬＢ_２とは、第１波長域λ_１外の波長域に含まれる波長の光である。第１波長域λ_１と第２波長域λ_２の関係は詳細を後述する。

波長変換素子３２から出射された第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１と第２波長域λ_２の光ＬＢ_２は波長分離ミラー３３に入射する。波長分離ミラー３３は、例えば、ダイクロイックミラーであって、波長分離ミラー３３に入射した第２波長域λ_２の光ＬＢ_２を透過し、残りの波長域を反射することで、第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１と第２波長域λ_２の光ＬＢ_２の進行方向を分離する。なお、波長分離ミラー３３は、第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１を透過し、残りの波長域の光を反射するように構成することも可能である。しかし、全体の約１％しか第２波長域λ_２の光に変換されないことを考慮すれば、波長分離ミ
ラー３３では第２の波長域λ_２の光ＬＢ_２を透過することが好ましい。

波長分離ミラー３３を透過した第２波長域λ_２の光ＬＢ_２は集光レンズ３４によって集光される。集光レンズ３４によって集光された光ＬＢ_２は、波長選択フィルタ３５を透過し、第１の光検出器３６に到達する。なお、波長分離ミラー３３で反射した第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１は照射口２１方向に導光され被対象物５０へ照射される。

第１の光検出器３６は、入射した光を電気信号に変換し、当該信号を制御部３８に出力する。第１の光検出器３６とは、例えば、フォトダイオードであって、ミリ秒単位で電気信号を出力可能な応答速度の速い光検出器である。

波長選択フィルタ３５とは、第２波長域λ_２を含む波長域の光を選択的に透過する光学素子である。波長選択フィルタ３５は、例えば、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタ、及びローパスフィルタ等が挙げられる。また、波長選択フィルタ３５を用いずに、第１の光検出器３６自体が第２波長域λ_２を含む波長域の光に感度をもつように構成してもよい。なお、波長選択フィルタ３５または第１の光検出器３６は、第２波長域λ_２の光を含む波長域に感度をもつように設計すればよいが、第１波長域λ_１外の波長域を選択しなければならない。

制御部３８は、第１の光検出器３６から出力された電気信号を使用してレーザ出力をモニタする。また、その結果に基づいてレーザ発振器１０の電力を制御することも可能である。第１の光検出器３６を用いたレーザ出力のモニタ手順及び電力制御手順については、モニタ手順の詳細説明にて後述する。

ここで、第１波長域λ_１と第２波長域λ_２との関係を説明する。前述したように、第２波長域λ_２の光ＬＢ_２とは、第１波長域λ_１外の波長域に含まれる波長の光のことをいう。ただし、迷光は第１波長域λ_１に含まれる光がほとんどだが、反射によって波長が多少変化することもある。よって、第２波長域λ_２は、第１波長域λ_１とは所定の間隔だけ離れた範囲を選択することが好ましい。例えば、第１波長域λ_１が４２０～４６０ｎｍである本実施例においては、発光波長範囲が４８０ｎｍ～６４０ｎｍであるフルオロセインを蛍光体粒子として選択することが好ましい。なお、第２波長域λ_２の範囲は当該範囲に限定されず、蛍光板に含まれる蛍光体粒子の種類によって変更されうる。また、蛍光板だけでなく、アップコンバージョン素子や非線形光学素子を用いて波長範囲を選択することも可能である。例えば、第１波長域λ_１が９５０～１０００ｎｍの場合、非線形光学素子を用いて第２波長域λ_２を４７５～５００ｎｍとすることが可能である。

一般的に、応答速度が速い光検出器は、光への感度が高いため、レーザ光よりも強度の低い迷光をも感知する。しかし、本開示に係る第１の光検出器３６は、迷光とは異なる第２波長域λ_２の光ＬＢ_２を用いて測定を行う。よって、仮に第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１がレーザ装置１内で意図せず反射し、波長選択フィルタ３５及び第１の光検出器３６に迷光成分として到達したとしても、その影響を受けることなくレーザ出力をモニタ可能となる。これにより、光への感度が高い光検出器を用いても正確にモニタすることが可能となる。さらに、応答速度が速くかつ高精度のモニタ機構を採用することで、発振中にレーザ発振器１０の電力を制御するような構成も実現できる。

［実施の形態２］
第２波長域λ_２の光ＬＢ_２のみを用いたモニタ方法（実施の形態１）は、波長変換素子３２自体の劣化等で当該素子の変換効率が変化したときに、正確なレーザ出力のモニタができなくなる恐れがある。そこで、実施の形態２に係る発明では、第２波長域λ_２の光に加え第１波長域λ_１の光もモニタすることで、波長変換素子３２自体の劣化等による第１
の光検出器３６の検出値の変化を検知可能なモニタ機構を提案する。以下で開示する実施例の説明は、実施の形態１とは異なる構成のみ記載する。

図４は、実施の形態２に係るモニタ機構の概念図である。図４に示すモニタ機構３０ｂは、図３で示すモニタ機構３０ａの構成要素に、さらに光取出しミラー３１及び第２の光検出器３７を加えたモニタ機構である。また、モニタ機構３０ｂの設置場所は、実施の形態１の全体構成で説明したモニタ機構３０ａと同様である。

実施の形態２に係るモニタ機構３０ｂは、回折格子１０２で波長合成された第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１が光取出しミラー３１に入射するよう構成されている。光取出しミラー３１は、光取出しミラー３１に入射した第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１を反射して照射口２１へ導光する一方、０．１％を透過して第１波長域λ_１の部分光ＬＢ_３として取り出す。このとき、加工に用いるレーザ光ＬＢ_１を透過し、部分光ＬＢ_３を反射するように構成することも可能である。また、光取出しミラー３１は、光取出しミラー３１に入射した第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１の一部を透過すればよいが、キロワットクラスの大出力レーザを使用する場合は０．１％以下の光を透過させることが好ましい。

光取出しミラー３１で取り出された第１波長域λ_１の部分光ＬＢ_３は波長変換素子３２に入射する。波長変換素子３２は、波長変換素子３２に入射した第１波長域λ_１の部分光ＬＢ_３の一部、例えば１％、を第２波長域λ_２の光ＬＢ_２に変換し出射する。さらに、波長変換素子３２に入射した部分光ＬＢ_３のうち、変換されないものは第１波長域λ_１の部分光ＬＢ_３のまま透過する。

波長変換素子３２から出射された第１波長域λ_１の部分光ＬＢ_３と第２波長域λ_２の光ＬＢ_２は波長分離ミラー３３に入射する。波長分離ミラー３３は、第２波長域λ_２の光ＬＢ_２を透過し、残りの波長域の光を反射することで第１波長域λ_１の部分光ＬＢ_３と第２波長域λ_２の光ＬＢ_２の進行方向を分離する。

波長分離ミラー３３で反射した第１波長域λ_１の部分光ＬＢ_３は、第２の光検出器３７に入射する。第２の光検出器３７は、入射した光を電気信号に変換し、当該信号を制御部３８に出力する。第２の光検出器３７は、例えば熱電効果型のサーモパイルであって、ワットクラスの光を検出可能な光検出器である。なお、波長分離ミラー３３を透過した第２波長域λ_２の光ＬＢ_２は、モニタ機構３０ａと同様に第１の光検出器３６に到達し、電気信号に変換される。

ここで、第２の光検出器３７は、第１の光検出器３６とは異なり迷光と波長成分が同様である第１波長域λ_１の光を使用してレーザ出力をモニタする。しかし、第２の光検出器３７は、ワットクラスの光を検出する光検出器であるため、当該光より弱い光である迷光の影響を受けにくい構成とすることができる。このように、第１波長域λ_１の部分光ＬＢ_３をモニタ用の光として取り出すことで、第２波長域λ_２の光に加え、第１波長域λ_１の光をも用いてレーザ出力モニタが可能となる。

しかしながら、一般的に測定可能なワット数に応じて熱時定数が大きくなることが知られているため、ワットクラスの光を検出可能な第２の光検出器３７は電気信号を安定して出力できるようになるまで一定時間を要する。したがって、第２の光検出器３７の検出結果は、第１の光検出器３６の校正に用いられることが好ましい。第１の光検出器３６の校正については詳細を後述する。

制御部３８は、第１の光検出器３６及び第２の光検出器３７から出力された電気信号を用いてレーザ出力をモニタする。また、第２の光検出器３７の検出値を基に、第１の光検
出器３６の校正も行うことも可能である。なお、実施の形態２におけるレーザ出力のモニタ手順及び校正手順は、モニタ手順の詳細説明にて後述する。さらに、オペレータによって設定される出力指令値と第１の光検出器の結果を比較しレーザ発振器１０の電力を調整することも可能である。電力調整手順についてもモニタ手順の詳細説明にて後述する。

実施形態１及び実施形態２では、波長分離ミラー３３及び光取出しミラー３１は、加工に用いるレーザ光ＬＢ_１を反射してもよいし、透過してもよいと説明した。しかし、熱レンズ効果の影響が少ない等の理由から、図３及び図４に示すように、当該素子は、加工に用いるレーザ光ＬＢ_１を反射させる構成が好ましい。

（第１の光検出器の校正）
図５は、レーザ発振時間と信号値及び出力値との関係を示したものある。図５の上段は、左側がレーザ発振時間と出力指令値Ｙ_ｃとの関係を示したものであり、右側がレーザ発振時間と実際に照射口２１から出射されるレーザ出力値Ｙの関係を示したものである。出力指令値Ｙ_ｃとは、オペレータによって設定される任意のレーザ出力値のことをいう。

図５の中段は、左側がレーザ発振時間と第１の光検出器３６が検出した電気信号との関係を示したものであり、右側がレーザ発振時間と第１の光検出器３６における換算出力の関係を示したものである。図５の中段に示すように、第１の光検出器３６は、ミリ秒単位で電気信号を出力可能であるため、発振直後の信号も実際に照射口２１から出射されるレーザ出力値Ｙと同じ波形で検出可能である。

図５の下段は、左側がレーザ発振時間と第２の光検出器３７が検出した電気信号との関係を示し、右側がレーザ発振時間と第２の光検出器３７における換算出力の関係を示したものである。
図５の下段に示すように、熱電効果型の光検出器である第２の光検出器３７は、第１の光検出器３６に比べて応答速度が遅く電気信号を安定して出力できるまで一定時間を要する。

換算出力とは、第１の光検出器３６及び第２の光検出器３７の受光面で出力された電気信号を実際に照射口２１から出射されるレーザ出力値Ｙに近い値に換算したものである。第１の光検出器３６及び第２の光検出器３７は、時間に伴う信号値を記録することで信号波形を検出している。しかし、第１の光検出器３６で出力した電気信号は実際のレーザ出力値Ｙとは異なる。よって、制御部３８は、第１の換算係数α（Ｗ／Ｖ）を用いて、受光面で検出した電気信号を実際のレーザ出力値Ｙと同様の換算出力に変換しレーザ出力のモニタを行う。第２の光検出器３７は、換算係数として、第２の換算係数β（Ｗ／Ｖ）を用いる。光検出器から出力される電気信号と実際のレーザ出力との相関関係が線形かつ原点を通る場合は、第１の光検出器３６及び第２の光検出器３７にそれぞれ１つの係数で換算が可能であるが、相関関係次第で２つ以上の係数を用いた近似式で換算を行う場合もある。換算係数によって、実レーザ相当の出力波形を算出することで、出力比較が容易となる。

以降の説明では、第１の光検出器３６及び第２の光検出器３７における換算出力を第１の検出値Ｙ_１及び第２の検出値Ｙ_２と呼ぶ。

前述したように、第１の光検出器３６は、波長変換素子３２自体の劣化等の影響を受けやすい。一方、第２の光検出器３７は、第１の波長域λ_１を用いてレーザ出力をモニタするため、波長変換素子３２自体の劣化等の影響を受けない。よって、制御部３８は、第２の光検出器３７が出力する電気信号が安定した後、第１の検出値Ｙ_１と第２の検出値Ｙ_２の関係を比較する。そして、２つの検出値の関係が所定範囲外（校正閾値外）であること
を検知した場合、第２の検出値Ｙ_２を基に、第１の検出値Ｙ_１を校正する。例えば、（下限閾値）＜Ｙ_１/Ｙ_２＜（上限閾値）として、第１の検出値Ｙ_１と第２の検出値Ｙ_２の割合が所定の範囲内か否かを判断する。当該割合が設定範囲外となった場合、Ｙ_１/Ｙ_２＝１に近づくように第１の換算係数αを再算出し、第１の光検出器３６に適用する。このような構成とすることで、継続的に高精度なレーザ出力モニタが可能となる。なお、校正閾値は任意に設定可能である。また、上記では第１の検出値Ｙ_１と第２の検出値Ｙ_２の割合を用いた判断方法を示したが、当該判断方法に限定しない。例えば、第１の検出値Ｙ_１と第２の検出値Ｙ_２の差を用いて校正閾値内か否かを判断してもよい。

また、一定期間、例えば１秒、の照射が行われないレーザ加工を行う場合、使用者に意図的に１秒以上の照射を行ってもらうことで、第１の検出値の校正をかけることができる（チェックモード手順）。チェックモード手順についてはモニタ手順の詳細説明にて後述する。

なお、第１の光検出器３６の校正において、第２の検出値Ｙ_２は信頼できる値として用いられ校正対象ではない。しかし、定期的に、照射口２１から出射されるレーザ光ＬＢ_１をパワーモニタ等の測定器で実測し、当該実測値と比較して第２の換算係数βに校正をかけてもよい。

［実施の形態３］
実施の形態３に係る発明では、異常箇所の切り分けが可能なモニタ機構を提案する。以下で開示する実施例の説明は、実施の形態１及び実施の形態２とは異なる構成のみ記載する。

図６は、実施の形態３に係るレーザ装置の概念図である。図７は、実施の形態３に係る異常箇所の切り分け一覧である。実施の形態３に係るレーザ装置１は、レーザ発振器１０と加工ヘッド２０に一つずつモニタ機構３０を有する。モニタ機構３０は、モニタ機構３０ａまたはモニタ機構３０ｂと同様のものである。

モニタ機構３０をレーザ装置１内に複数設けることで、エラーを示したモニタ機構３０の設置場所によって、異常箇所の切り分けが可能である。例えば、レーザ発振器１０内のモニタ機構３０が出力指令値相当を示し、加工ヘッド２０内のモニタ機構３０がレーザ光ＬＢ_１の出力低下を示した場合、レーザ発振器１０と加工ヘッド２０の間に設けられた伝送ファイバ４０前後で異常が発生したと考えられる。一方、レーザ発振器１０内及び加工ヘッド内のモニタ機構３０が共にレーザ光ＬＢ_１の出力低下を示した場合、レーザ発振器１０内部の異常、もしくはレーザ光源１０１自体の劣化が考えられる。

制御部３８は、実施形態１または２の制御部３８の構成に加え、異常箇所判定も行う。異常箇所を切り分けることで、メンテナンスの負担を低減することができる。図６では、モニタ機構３０を二つ備えたレーザ装置１を示しているが、モニタ機構３０をレーザ装置１内に三つ以上備え異常箇所の判定精度を向上させてもよい。光路系のどこにいくつ設けるかは、費用対効果によって選択される。

［変形例］
以上、本開示の構成を、実施形態に基づいて説明したが、本開示は上記実施の形態に限られない。また、上記実施の形態に記載した材料、数値などは好適なものを例示しているだけであり、それに限定されることはない。さらに、本開示の技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、レーザ装置の構成に適宜変更を加えることは可能である。

例えば、ディスクレーザ等の波長合成を必要としないレーザ装置の場合、モニタ機構３
０は、レーザ発振器１０より下流側で照射口２１より上流側の光路系に備えられている。つまり、モニタ機構３０の最上流側の光学素子は、レーザ発振器１０から出射された第１波長域λ_１のレーザ光ＬＢ_１が当該素子に入射するように構成されている。

例えば、上記に記載した実施の形態では加工ヘッド２０を備えたレーザ装置１を開示しているが、レーザ装置１は必ずしも加工ヘッド２０を備える必要はない。

［モニタ手順の詳細説明］
以下で、本開示に係る実施形態のモニタ手順を具体的に説明する。通知の必要が生じた際の報知方法は、図示しない表示部に表示するか、または、図示しない音声出力部から音声が出力されて、作業者に知らせるようにする。また、以下に示す手順は、制御部３８が入力された値等に基づいて種々の判断を行う。なお、以下の説明において、図や説明で示す数値は、任意に変更可能である。

（第１の光検出器を用いたモニタ手順）
図８は、第１の光検出器を用いたレーザ光の出力モニタ手順を示す。

まず、レーザ発振器を運転して、レーザ発振を開始する（ステップＳ１）。次に、第１の光検出器３６で検出された第１の検出値Ｙ_１が出力指令値Ｙ_ｃの１０％以下か否かを判断する（ステップＳ２）。第１の検出値Ｙ_１が出力指令値Ｙ_ｃの１０％よりも大きい場合にはレーザの出力過剰を作業者に知らせ（ステップＳ６）、レーザ発振を終了する（ステップＳ７）。ステップＳ６に進む場合は、発振直後のオーバーシュート等が想定される。

第１の検出値Ｙ_１が出力指令値Ｙ_ｃの１０％以下である場合、第１の検出値Ｙ_１が出力指令値Ｙ_ｃの－５％以上か否かを判断する（ステップＳ３）。第１の検出値Ｙ_１が出力指令値Ｙ_ｃの－５％よりも大きい場合、レーザ出力の低下を作業者に知らせ（ステップＳ８）、レーザ発振を終了する（ステップＳ９）。ステップＳ８に進む場合は、レーザ光源１０１または波長変換素子３２の劣化等が想定される。

第１の検出値Ｙ_１が出力指令値Ｙ_ｃの－５％以上である場合、レーザ発振終了の指令がなされているかを判断する（ステップＳ４）。レーザ発振終了の指令がなされていない場合、ステップＳ２に進みサイクルを継続させる。なお、レーザ発振終了の指令がなされている場合、レーザ発振を終了する（ステップＳ５）。

（２つの光検出器を用いたレーザ光の出力モニタ手順）
第１の光検出器及び第２の光検出器を用いたレーザ光ＬＢ_１の出力モニタ手順の詳細を説明する。

図９は、第１の光検出器及び第２の光検出器を用いたレーザ光の出力モニタ手順を示す。まず、レーザ発振器を運転して、レーザ発振を開始し（ステップＳ２０）、第１の検出値Ｙ_１と出力指令値Ｙ_ｃの関係が閾値以内かを判断する（図８に示すステップＳ１０）。ステップＳ１０において、第１の検出値Ｙ_１と出力指令値Ｙ_ｃの関係が校正閾値以内、具体的には、ステップＳ３の判断結果が肯定的であれば、レーザ発振終了の指令がなされているかを判断する（ステップＳ２１）。レーザ発振終了の指令がなされていない場合、出力指令値Ｙ_ｃが１秒以上継続しているか否かを判断する（ステップＳ２２）。なお、レーザ発振終了の指令がなされている場合、レーザ発振を終了する（ステップＳ２３）。出力指令値Ｙ_ｃが１秒以上継続していなければ、再びステップＳ１０内のステップＳ２に進みサイクルを継続させる。

出力指令値Ｙ_ｃが１秒以上継続している場合、第１の検出値Ｙ_１と第２の検出値Ｙ_２を
同時に取得し（ステップＳ２４）、第１の検出値Ｙ_１と第２の検出値Ｙ_２の関係が校正閾値以内か否かを判断する（ステップＳ２５）。第１の検出値Ｙ_１と第２の検出値Ｙ_２の関係が校正閾値外である場合、検出値異常を作業者に知らせる（ステップＳ２８）。ステップＳ２８で警告を知らせた後、第２の検出値Ｙ_２を参照して第１の換算係数αの書き換えを行い（ステップＳ２９）、ステップＳ２４に進む。なお、第１の検出値Ｙ_１と第２の検出値Ｙ_２の関係が校正閾値以内である場合、第１の検出値Ｙ_１と出力指令値Ｙ_ｃの関係が閾値以内か否かを判断するステップ（ステップＳ１０）、具体的には図８に示すステップＳ２に進む。図９に示すステップＳ２６及びステップＳ２７は、図８に示すステップＳ４及びステップＳ５と同様であるので説明を省略する。

（第１の光検出器３６のチェックモード手順）
図１０は、第１の光検出器３６のチェックモード手順を示す。チェックモード手順をレーザ加工前に行うことで、出力指令信号が１秒以下であるレーザ加工、例えば、１秒以下で単発的にレーザ加工を繰り返すレーザ加工を行う場合においても、第１の光検出器３６の校正をおこなうことが可能となる。

まず、レーザ発振器を運転して（ステップＳ４０）、出力指令値Ｙ_ｃが１秒以上継続しているか否かを判断する（ステップＳ４１）。出力指令値Ｙ_ｃが１秒以下であれば、判断結果が肯定的になるまでステップＳ４１のサイクルを継続させる。出力指令値Ｙ_ｃが１秒以上継続した場合、ステップＳ４２に進む。図１０のステップＳ４２、Ｓ４３及びステップＳ４６、Ｓ４７は図９のステップＳ２４、Ｓ２５及びステップＳ２８、Ｓ２９と同様であるので説明を省略する。なお、第１の検出値Ｙ_１と第２の検出値Ｙ_２の関係が校正閾値以内である場合、レーザ発振を終了して（ステップＳ４４）、作業者に第１の検出値が正常であることを知らせる（ステップＳ４５）。第１の検出値Ｙ_１と第２の検出値Ｙ_２の関係が校正閾値外である場合、第１の換算係数αを書き換えた後（ステップＳ４７）、レーザ発振を終了させ（ステップＳ４８）、作業者に第１の検出値の校正が完了したことを知らせる（ステップＳ４９）。

（実施の形態に係るレーザ発振の電力制御手順）
図１１は、実施の形態に係るレーザ発振の電力制御手順である。まず、レーザ発振器を運転して、レーザ発振を開始し（ステップＳ５０）、第１の検出値Ｙ_１と出力指令値の関係が閾値以内かを判断する（ステップＳ５１）。ステップＳ２及びステップＳ３と同様である。また、第１の光検出器３６及び第２の光検出器３７を共に用いた実施形態においても同様である。ステップＳ５１において、第１の検出値Ｙ_１と出力指令値の関係が閾値外で合った場合、電力の調整を行い再びステップＳ５１に進む。なお、ステップＳ５２及びＳ５３は、ステップＳ４及Ｓ５と同様であるため説明を省略する。

本開示は、より正確にレーザ出力をモニタできるモニタ機構を備えたレーザ加工装置として有用である。

１ レーザ装置
１０ レーザ発振器
２０ 加工ヘッド
２１ 照射口
３０、３０ａ、３０ｂ モニタ機構
３１ 光取出しミラー
３２ 波長変換素子
３３ 波長分離ミラー
３４ 集光レンズ
３５ 波長選択フィルタ
３６ 第１の光検出器
３７ 第２の光検出器
３８ 制御部
４０ 伝送ファイバ
５０ 被対象物
１００ レーザモジュール
１０１ レーザ光源
１０２ 回折格子
１０３ 出力鏡
２００ レーザ合成器
３００ 集光ユニット
ＬＢ_１ レーザ光
ＬＢ_２ 光
ＬＢ_３ 部分光
Ｙ レーザ出力値
Ｙ_ｃ 出力指令値
Ｙ_１ 第１の検出値
Ｙ_２ 第２の検出値
α 第１の換算係数
β 第２の換算係数
λ_１ 第１波長域
λ_２ 第２波長域

Claims (12)

1. 第１波長域に含まれる波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の一部を被対象物へ照射する照射口と、
   前記レーザ光源より下流側で前記照射口より上流側の光路系に、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の出力をモニタするモニタ機構と、を備えるレーザ装置であって、
   前記モニタ機構は、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の一部を当該レーザ光の強度に応じて前記第１波長域外である第２波長域に含まれる波長の光に変換する波長変換素子と、
   前記波長変換素子に入射した光のうち、変換され出射した前記第２波長域に含まれる光の進行方向と、当該波長変換素子で変換されずに透過した前記第１波長域に含まれる前記レーザ光の進行方向と、を分離する波長分離ミラーと、
   前記波長分離ミラーで分離された前記第２波長域に含まれる光を受光し、電気信号を出力する第１の光検出器と、
   前記波長分離ミラーで分離された前記第１波長域に含まれるレーザ光を受光し、電気信号を出力する第２の光検出器と、をさらに備え、
   前記第１の光検出器の前記電気信号と前記第２の光検出器の前記電気信号を用いて前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の出力をモニタする制御部と、を有するレーザ装置。
2. 請求項１のレーザ装置において、
   前記モニタ機構は、前記第１の光検出器の受光面側に第２波長域の光を選択的に透過させる波長選択フィルタをさらに有するレーザ装置。
3. 請求項１に記載のレーザ装置において、
   前記制御部は、前記電気信号に基づいてレーザ光源の電力を制御するレーザ装置。
4. 請求項１に記載のレーザ装置において、
   前記制御部は、前記第１の光検出器の検出値と前記レーザ光源の出力を指令する出力指令値の関係が所定条件を満たさない場合は、警告の報知、または、レーザ発振の停止を実施するレーザ装置。
5. 請求項４に記載のレーザ装置において、
   前記第１の光検出器の検出値と前記レーザ光源の出力を指令する出力指令値の関係は、前記第１の光検出器の検出値と前記出力指令値の差、または、前記出力指令値に対する前記第１の光検出器の検出値の割合によって算出されるレーザ装置。
6. 請求項１のレーザ装置において、
   前記モニタ機構は、前記レーザ光源から出射され前記照射口へと伝達される前記レーザ光の一部を取り出す光取出しミラーをさらに備え、
   前記波長変換素子は、前記光取出しミラーで取り出した光の一部を前記第１波長域外である第２波長域に含まれる光に変換するレーザ装置。
7. 請求項１に記載のレーザ装置において、
   前記制御部は、前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器で受光した電気信号を、前記照射口から出射するレーザ光の出力値相当に換算する第１の換算係数及び第２の換算係数を算出するレーザ装置。
8. 請求項７に記載のレーザ装置において、
   前記制御部は、前記第１の光検出器の検出値と前記第２の光検出器の検出値の関係が所定条件を満たさない場合は、前記第２の光検出器の検出値を基にして前記第１の換算係数を補正し前記第１の光検出器に適用するレーザ装置。
9. 請求項１に記載のレーザ装置において、
   前記第１の光検出器は前記第２の光検出器よりも応答速度が速いレーザ装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか一項に記載のレーザ装置において、
    前記制御部は、前記電気信号に基づいてレーザ光源の電流を調整するレーザ装置。
11. 前記レーザ光源を含むレーザ発振器と、
    前記照射口を含む加工ヘッドと、を備えるレーザ装置であって、
    前記モニタ機構を、前記レーザ発振器と前記加工ヘッドのそれぞれに一つずつ備えた請求項１ないし９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
12. 第１波長域に含まれる波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、
    前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の一部を被対象物へ照射する照射口と、
    前記レーザ光源より下流側で前記照射口より上流側の光路系に、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の出力をモニタするモニタ機構と、を備えるレーザ出力管理方法であって、
    前記モニタ機構は、
    前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の一部を当該レーザ光の強度に応じて前記第１波長域外である第２波長域に含まれる波長の光に変換する波長変換素子と、
    前記波長変換素子に入射した光のうち、変換され出射した前記第２波長域に含まれる光の進行方向と、当該波長変換素子で変換されずに透過した前記第１波長域に含まれる前記レーザ光の進行方向と、を分離する波長分離ミラーと、
    前記波長分離ミラーで分離された前記第２波長域に含まれる光を受光し、電気信号を出力する第１の光検出器と、
    前記波長分離ミラーで分離された前記第１波長域に含まれるレーザ光を受光し、電気信号を出力する第２の光検出器と、
    前記第１の光検出器の前記電気信号と前記第２の光検出器の前記電気信号を用いて前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の出力をモニタする制御部と、を有するレーザ出力管理方法。

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