特許 5965903 ファイバーレーザのフォーカス最適化方法及び材料加工装置、ファイバーレーザのフォーカス変化の測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5965903

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】ファイバーレーザのフォーカス最適化方法及び材料加工装置、ファイバーレーザのフォーカス変化の測定方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/04 20140101AFI20160728BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20160728BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/04

   B23K26/00 M

   B23K26/00 N

【請求項の数】11

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-525352(P2013-525352)

(86)(22)【出願日】2011年7月19日

(65)【公表番号】特表2013-535340(P2013-535340A)

(43)【公表日】2013年9月12日

(86)【国際出願番号】GB2011051359

(87)【国際公開番号】WO2012022951

(87)【国際公開日】20120223

【審査請求日】2014年4月9日

(31)【優先権主張番号】1104350.2

(32)【優先日】2011年3月15日

(33)【優先権主張国】GB

(31)【優先権主張番号】1013700.8

(32)【優先日】2010年8月16日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】515217775

【氏名又は名称】エスピーアイ レーザーズ ユーケイ リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(72)【発明者】

【氏名】キーン ステファン

【審査官】 岩瀬 昌治

(56)【参考文献】

【文献】 独国特許出願公開第１０２００８０１０９８１（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０３２９７４４（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−２４７６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３０７１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１１２８１５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／０４

Ｂ２３Ｋ ２６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ファイバーレーザのフォーカス最適化方法であって、
ファイバーレーザの出力を加工物に対して位置決めし、
レーザ放射のパルスを発生させ、
前記パルスによって生ずる前記加工物からの後方反射放射の波形の少なくとも一部を測定し、
前記出力と前記加工物との間の相対位置を複数回変更し、その都度、前記パルスによって生ずる前記加工物からの後方反射放射の波形の少なくとも一部を測定し、
その結果得られる後方反射放射測定値を解析して最適フォーカスを決定する、
ことを含み、
前記後方反射放射測定値を解析することは、各相対位置における前記後方反射放射の波形の積分値を決定し、前記積分値を用いて前記積分値の最小値を決定することにより最適フォーカスを決定することを備える、
方法。

【請求項2】

前記加工物からの前記出力の距離をアクティブ制御するために最適フォーカスを利用するステップを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記後方反射放射は伝達ファイバーのクラッド層を伝送され、そこから除去される、請求項１又は請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記加工物において沸騰が起きるように前記パルスのパワー及び／又は持続時間を選択することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記加工物はステンレススチールからできており、パルスエネルギーは５〜５０ｍＪの範囲であり、パルス持続時間は１００〜５００μｓの範囲である、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

レーザ装置からのレーザビームを加工物上にフォーカスする出力を有し、前記出力と加工物が相対移動可能となっているファイバーレーザと、
前記レーザビームのパルスによって生ずる前記加工物からの後方反射放射の波形の少なくとも一部分をモニタするための手段と、
前記出力と加工物との間の選択した相対位置のそれぞれにおいて前記後方反射放射を解析するための手段と、
最適フォーカスを決定するために前記解析を利用する手段と、
を備え、
前記後方反射放射を解析するための手段は、各相対位置における前記後方反射放射の波形の積分値を決定し、前記積分値を用いて前記積分値の最小値を決定することにより最適フォーカスを決定する手段を備える、
材料加工装置。

【請求項7】

後方反射可視光放射を、追加的にまたは代替的にモニタする手段を含む、請求項６に記載の材料加工装置。

【請求項8】

クラッドモードストリッパを含む、請求項６又は請求項７に記載の材料加工装置。

【請求項9】

前記後方反射放射、及び／又は前記積分値をグラフ形式で表示する手段を含む、請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の材料加工装置。

【請求項10】

フォーカス位置の経時変化を測定するための、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の方法又は請求項６〜請求項９のいずれか１項に記載の材料加工装置を使用する方法。

【請求項11】

フォーカスモニタ装置を含む、またはフォーカスモニタ方法を利用するように適合された、請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のファイバーレーザ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はファイバーレーザのフォーカス最適化に関する。特に、これに限定するものではないが、高輝度ファイバーレーザ、すなわち輝度が約Ｍ^２＜１０よりも大きいファイバーレーザに関する。

【背景技術】

【0002】

ファイバーレーザでの材料加工の性能と品質について重要なことは、フォーカスの最適化である。代表的な加工装置は、ノズルを介して送られるガスで支援された可変焦点位置を持つレンズを有しており、加工物（ワークピース）そのものは通常、何らかの形式の制御可能な移動台に据え付けられている。高出力連続波（ＣＷ）ファイバーレーザが出現する以前は、この形態の処理が２００Ｗから４ｋＷの高出力固体レーザで一般的に実行されていた。このタイプのレーザは比較的低輝度Ｍ^２＞１０であり、例えば、４００μｍで実測開口数（ＮＡ）が０．１の、Ｍ^２が６０に等価な大モード面積マルチモードファイバーで伝達される。一般的には１対１の結像に利用されるこの種のレーザは、共焦点パラメータ（すなわち焦点深度）が＋／−２ｍｍで４００μｍの焦点を形成する。高輝度ファイバーレーザ光源に比べると、作用スポットサイズはファイバーレーザより少なくとも１桁大きいが、共焦点パラメータも約２０倍大きいので、フォーカスはそれほど厳しくない。パラメータＭ^２については、本明細書において後で定義する。

【0003】

シングルモードのファイバーレーザは、現在ではシングルモードで１０ｋＷまで出すことができる。シングルモードファイバーレーザからのビーム品質は、Ｍ^２がほぼ完全に１に近く、従ってファイバーレーザの出力は、従来の固体レーザに比べるとはるかに小さくフォーカスすることが可能である。このスポットサイズは典型的には直径１０μｍ程度である。これが小さいことで、従来型レーザと同等の強度をはるかに小さい出力で生成できる。これにより同じ材料に対して、従来レーザよりもはるかに低い出力での加工が可能となる。ファイバーレーザの価格とその出力との間には略直線的な関係があるので、できる限り低い出力で加工できることは商業的に有利である。この低出力で加工するためには、フォーカス位置を加工物並びにガス伝達ノズルに対して微細に最適化することが必要となる。Ｍ^２が１で直径が１０μｍのビームは、この種のビームでの潜在的な加工公差仕様である＋／−７５μｍの共焦点パラメータをもっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、高輝度ファイバーレーザのフォーカスの改良された最適化方法を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の第１の態様によれば、ファイバーレーザのフォーカスの最適化方法が提供される。それは、ファイバーレーザの出力を加工物に対して位置決めし、加工物からの後方反射放射の少なくとも一部を測定し、出力と加工物との間の相対位置を１回または複数回変更し、その都度加工物からの後方反射放射の少なくとも一部を測定し、その結果得られる後方反射放射測定値を解析して最適フォーカスを決定する、ことを含む。

【0006】

好ましくはこの方法は、各相対位置における積分後方反射放射量を決定し、その積分値を用いて最適フォーカスを決定することを含む。

【0007】

好適な実施形態において、この方法は、パルスを発生させ、そのパルスから生じる後方反射放射を測定し、加工物と出力の相対位置を変化させた時のそれぞれの後方反射の組を積分することを含む。

【0008】

この方法は、国際公開第２００９／１１２８１５号の特許出願に記載の装置を利用して行ってもよい。

【0009】

本発明のさらなる態様によれば、材料加工システム装置が提供される。これは、レーザ装置からのレーザビームを加工物上にフォーカスする出力を有し、その出力と加工物が相対移動可能となっているファイバーレーザと、後方反射の少なくとも一部分をモニタするための手段と、出力と加工物との間の選択した相対位置のそれぞれにおいて後方反射を解析するための手段と、最適フォーカスを決定するためにこの解析を利用する手段と、を備える。

【0010】

好ましくはこの装置は、積分値を利用して最適フォーカスを決定するために、後方反射とそれぞれの相対位置とを積分する手段を備える。

【0011】

例えば、後方反射信号の振幅または最大振幅を決定するなどの、他の解析方法が利用されてもよい。これを最小化してフォーカスを求めてもよい。

【0012】

次に、本発明の実施形態を、添付の模式的な図面を参照しながら例示として説明する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】加工物を加工するためのファイバーレーザシステムを示す図である。

【図1a】伝達ファイバーの断面図である。

【図2】レーザ伝達システムの一部を示す図である。

【図3】光除去手段を示す図である。

【図4a】加工物とレーザ出力の相対位置を変化させて検出したレーザパルスからの後方反射赤外放射の、それぞれのグラフである。

【図4b】加工物とレーザ出力の相対位置を変化させて検出したレーザパルスからの後方反射赤外放射の、それぞれのグラフである。

【図4c】加工物とレーザ出力の相対位置を変化させて検出したレーザパルスからの後方反射赤外放射の、それぞれのグラフである。

【図4d】加工物とレーザ出力の相対位置を変化させて検出したレーザパルスからの後方反射赤外放射の、それぞれのグラフである。

【図5】フォーカス最適化方法を示す図である。

【図6】レンズを１００μｍずらした前後の結果を示す２つのグラフである。

【図7】異なるフォーカススポットサイズでの本発明の使用例を示す図である。

【図8】フォーカス位置の時間変化を追跡するためのパルス方式例を示す図である。

【図9】後方反射信号を示す図である。

【図10】比較的良好な光学性能の例を示す図である。

【図11】比較的悪い光学性能の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

国際特許出願国際公開第２００９／１１２８１５号には、ファイバーレーザにおける統合プロセスモニタシステムが記載されている。この出願には、特別に設計されたクラッドモードストリッパにフォトダイオードを基本とするモニタを追加することで、材料加工装置からの後方反射光をどのように定量化しプロセス評価に利用するかが記述されている。その明細書に記載されたシステムを図１と図２に示す。このシステムは本発明の実施形態のあるものに利用することが可能である。ただし、本発明は異なる装置を用いて違う方法で実行されてもよい。

【0015】

図１はファイバーレーザを利用した材料加工装置を模式的に示したものである。ファイバーレーザ１は周知の方法でレーザビームの発生に用いられる。代表的なファイバーレーザは、１つまたは複数の励起用レーザダイオードからの励起放射（光）をダブルクラッドファイバーのクラッド層を介して伝送する手段を含み、励起光はファイバーのドープされたコアに吸収され、回折格子がファイバーアンプに接合されて共振キャビティを形成する。ファイバーレーザから発光されたレーザビームはダブルクラッドシングルモード伝達ファイバー２を経由して、一般的にレーザビームのコリメーションとフォーカシング用の光学系を備える加工ユニット３へ印加される。そうしてレーザビームはレンズ構成４を介して加工物５へフォーカスされ、そこで加工物の加工に供される。この加工としては典型的には、切断、溶接、表面改質やその他の工程が含まれる。

【0016】

これらの全てのタイプの加工に関して、光と材料との相互作用はすでに述べたように広範なパラメータに依存して変化する。前述したとおり加工物からの後方反射が、本発明の実施形態においてプロセス制御に利用される。

【0017】

図１には模式的に、ファイバーレーザの一部として後方反射の積分モニタ６が含まれている。この積分モニタからの後方反射は、システム制御及び解析装置７へ適用される。

【0018】

図１の装置においては、ファイバーレーザの出力はダブルクラッドシングルモード伝達ファイバー２へ伝達される。これは、一例として１０μｍのコア直径と２００μｍの第１クラッド直径を持ち、それぞれの開口数は０．０８と０．４６である。レーザ波長での後方反射は、レーザ出力がフォーカスされる加工物表面からの反射により生じる。他の波長での後方反射が、加工物とビームとの相互作用により形成されるプラズマによって生成されることがある。この後方反射の一部が結像光学系の中に集光されて、伝達ファイバーの第１のクラッド層の中に伝送される。この後方反射は伝達ファイバーの第１のクラッド層の中を伝搬してレーザに戻される。

【0019】

多くの異なる方式によって伝達ファイバーのクラッド層からの後方反射（すなわちフィードバック）放射が抽出され、材料加工操作のモニタに利用される。

【0020】

図１ａに示すようにシングルモード伝達ファイバー２は、コア８、第１のクラッド層９、外側クラッド層１０から成る。レーザ出力はコア８で加工物へ伝送される。後方反射光の大部分は、低屈折率の外側クラッド層１０で導光されて第１のクラッド層９内を伝搬する。

【0021】

図２に示した実施例では伝達ファイバーで捕捉された反射信号は、外側の低屈折率の被膜をファイバーから剥がして、その領域を高屈折率材料中にポッティングすることにより、１０／２００μｍのファイバーから抽出することができる。高屈折率材料は、例えば屈折率１．５６のノーランド（Ｎｏｒｌａｎｄ）社の光学接着剤であってもよい。好適な実施形態において、伝達ファイバーのマルチモードクラッド層内の導波光は数ｍｍの距離に亘って剥き出される。ただしこの長さはこれとは違ってもよい。剥き出された光は次に任意の便利なモニタ装置でモニタされる。これは典型的にはフォトダイオードなどの光電子デバイスであってよい。

【0022】

この外側クラッド層は最も好適には、いかなる接合点からも離れた、伝達ファイバーの途切れのない長さのどこかで部分的に剥離される。この構成が、レーザから発光された進行光とクラッド層内の後方反射光との弁別を最大化する。ただし、レーザ構築を容易化するために接合点近傍に剥離部を置くことも好ましい場合がある。この場合には、コアの接合点で散乱される進行光とクラッド層内の後方反射光とを分別するための手段を備える必要がある。図２は後者の一例であり、ダブルクラッドシングルモード伝達ファイバーの外側クラッド層１０が剥離された剥離領域１１に接合点が位置している。こうすることにより、第１のクラッド層内の後方反射光が好適な光電子デバイスで検出され、プロセスのモニタに利用可能となる。

【0023】

上述したように、接合点近傍で外側クラッド層が剥離される実施形態においては、接合部１２そのもので散乱されて発生する進行波信号と逆行するクラッドモードとの間の弁別をすることが最も好ましい。これは、進行方向Ｆに向かう所望のレーザ信号の一部は接合点で不可避的に散乱され、それがモニタしようとする放射ではないからである。所望の放射は後方の方向Ｂへ向かって移動する放射である。

【0024】

従って、接合点付近で外側クラッド層が剥離される本発明の実施形態においては、クラッドモードストリッパ（ＣＭＳ）が最も好適に利用される。図３はＣＭＳの一例を示している。これは、ファイバーの接合点と剥離部との近傍に配置され、空間的に離れた２つのポータル１４と１５を備える部品１３から成る。これは、ポータル１４が接合点１２に重なるようにして剥離部分に対して配置される。部分１５はそこから離れて（一般的には加工物／ビーム伝達端に近い側に）配置される。典型的な実施形態においては、ポータルの中心間の距離は約１３ｍｍであり、各ポータルの半径は約７ｍｍである。ファイバーはこの部品内でポッティングされる。図示された実施形態においては、ポータルは略円形である。これは楕円であってもよいし、他の任意形状であってもよい。

【0025】

デバイス１３には長手の溝２０があり、その中に剥離部を含む光学伝達ファイバーが配置される（ポッティングされる）。図においてＡからＢの間がファイバーの剥離部であり、ポータル１４が接合点に重なっている。ポータル１５はそこから離れている。

【0026】

１つまたは複数のフォトダイオードまたはその他の光電子手段など光検出器が、接合部から離れた場所にあるポータル１５に保持される光を検出するように構成されている。

【0027】

ポータル１４は接合位置そのもので散乱される任意の光（これは主としてレーザ放射であり、モニタしようとしている後方反射ではない）を含む様になっており、従ってこれはモニタ地点からは隔離されている。

【0028】

ファイバーの剥離部分近傍で望ましい放射と望ましくない放射とを空間的に隔離するそのほかの手段が利用されてもよい。実効的には、進行放射と逆放射からの散乱を空間的に隔離する任意の手段が利用されてよい。一般的に、結果としてモニタ用フォトダイオードに少なくとも１０対１より大きい感度が得られる。

【0029】

本発明の実施形態において、ターゲット材料（これはフォーカスを設定するためのサンプルターゲットやその他の任意のターッゲトであってよいし、または具体的に加工しようとする材料であってもよいが、ここでは加工物と称する）がフォーカス領域内に配置される。ターゲット材料は好ましくはステンレススチールである。ただし、他の材料であってもよい。ガスアシスト切断ヘッドの場合、ガス先端に対してフォーカスが見えるように加工物に対するノズルの高さを設定することができる。

【0030】

図１に示すように、ファイバーレーザは、加工ユニット３とレンズ４を経由して加工物６へファイバーパルスを伝送するように構成され、フォーカスレンズと加工物６との間の距離Ｆが軸方向Ｚに対して可変となるように（あるいはＺ方向の成分を有するように）離間している。これはフォーカスレンズを移動させることにより、及び／又は加工物を移動させることにより行われる。本明細書で使用されている“出力”という用語は、レーザ放射がファイバーから自由空間に放出されて加工物に衝突するまでの部分を指している。従って、図１に示す実施形態においては、これはフォーカスレンズ４を離れて加工物５に至る途中の部分を指す。

【0031】

図４ａ〜４ｄはパルスレーザ出力からの後方反射放射の典型的な値を示す。この場合、ファイバーレーザは１００μｓ、５０Ｗピーク値の方形パルスを形成するようになっている。このパルスからのＩＲ後方反射がある時間幅（それぞれの図において１４０μｓ）に亘って測定される。測定される後方反射は赤外成分である。図４ａは加工物がフォーカスから０．１ｍｍずれている場合の結果を示す。すなわち、加工物は、レンズ４のフォーカス位置から０．１ｍｍ外れた位置にある。図４ｂは加工物がフォーカスから０．２ｍｍずれている場合の結果の波形を示し、図４ｃはフォーカスから０．３ｍｍずれている場合、図４ｄはフォーカスから０．４ｍｍずれている場合を示す。

【0032】

ターゲットがフォーカスから離れるほど赤外（ＩＲ）後方反射光の量が増大することが分かる。波形の形状は、所定容量の材料がレーザによって加熱されて沸点に到達するまでの時間によって変化する。材料がこの相変化を起こすまでは、金属表面（これは一般的にステンレススチールまたはそのほかの金属表面すなわち反射性の表面であることを思いおこされたい）は入射光に対して反射性である。ビームがフォーカスからずれている場合、大容積が加熱され、従って沸点に到達するまでに長い時間がかかる。従って、大量の後方反射が見られる。フォーカスが合っている場合には後方反射は実際的には零である。これは放射がほとんど瞬時に材料と結合し、その結果後方反射を生じないことを意味する。この後方反射ＩＲの一部が伝達ファイバーに集められて放出され、フォトダイオード／クラッドモードストリッパの組合せにより検出される。

【0033】

図５は、図１〜３の装置を利用する例示的方法を用いたステップを示すフローチャートである。加工物がフォーカスレンズから相対的に第１の距離Ｘに配置される。このステップは図には特に示されていない。次にレーザが運転を開始して、レーザエネルギー、好ましくはパルスレーザエネルギーを発生させる。１つの特定の実施形態では、ステップ５１において１００μｓ、５０Ｗピークの方形パルスが生成される。後方反射ＩＲまたはその一部が例えば図５に示したようなＣＭＳ（クラッドモードストリッパ）により、またはその他の放射を除去する手段によって捕捉される。捕捉された光は測定され、ステップ５２でファイバーレーザ１内のソフトウェアにより後方反射波形が積分される。こうして、図４ａ、図４ｂなどに示された一連のサンプルが生成され、これらの積分が計算されて１つの数値が生成される。これらの値が、Ｚ方向の距離Ｆとステップ５３での積分と共に記録される。次に、加工物が、Ｚ方向にフォーカスレンズ４に近づく方向または離れる方向のいずれかに移動される。これとは別の実施形態においては、加工物の代わりに加工ユニットの終端レンズを動かしてもよいし、またはその両方を相対的に動かしてもよいことに留意されたい。新しいフォーカス位置Ｆのそれぞれに対し、加工物をＸまたはＹ方向に動かすことによってターゲットのまだ加工されていない領域が選択される（ステップ５４）。そして、ステップ５１で更なるパルスが生成されて、異なる距離での新規の後方反射信号が検出され、新規の積分値が計測される。

【0034】

ある距離の範囲を連続的に繰り返すことによって一連の積分値が計測され、これらの値がステップ５６でプロットされる。このプロットされた結果の例を図６に示す。このグラフは、ターゲットからのフォーカスレンズの相対距離に対して後方反射信号の積分値を示すものである。この種の放物線は、後方反射信号をフォーカス位置に対してプロットした場合に典型的なものである。第１のプロット６１は参照プロットであり、第２のプロット６２はレンズを１００μｍほど移動させた場合のプロットを示す。放物線の頂点がこの焦点距離の変化でどのように変化するかが示されている。曲線の零勾配を見つけることにより、フォーカスがこのビームの共焦点パラメータの範囲内であることが分かる。放物線の頂点を見つけることで、ビームの共焦点パラメータよりもはるかに小さな最高精度でフォーカス位置を特定することができる。

【0035】

図７は焦点距離の異なるレンズに対する同様のプロットを示すものである。この場合には、プロット７１は焦点距離１００ｍｍのレンズを表し、プロット６２は焦点距離１６０ｍｍのレンズを表している。ここでも、両方の場合に最小値があり、正確な位置決めのための正確な焦点距離を容易に確証することができる。これらの３つのビームのパラメータは以下の通りである。

【表1】

【0036】

本発明の実施形態においては、フォーカス位置はそのビーム自身の共焦点パラメータ内に見つけることが可能である。レンズと加工物との間の距離がレンズの焦点距離より大きい場合には、それより小さい場合に比べてＣＭＳ部で取り出される後方反射光の割合が大きくなることに留意されたい。これは図６と図７の両方において見られ、０ｍｍの焦点の右側と左側との間に非対称性がある。この非対称性は、焦点を見つける作業において方向性を与えることに利用できる。

【0037】

いくつかの実施形態においては、感度を最適化するためにプローブパルスのエネルギー選択が重要となる。エネルギーは、ターゲット上で沸点に到達することが可能となるように選択されるべきである。この結果の相変化によって、最適フォーカスにおいてレーザ光はほぼ１００％吸収され、反射は零となる。フォーカス位置の広範囲に亘って相変化が急速に起きるほどまでにレーザのピーク出力を高く設定すると、本方法の感度が低下するであろう。逆にピーク出力が低すぎると、全く相変化が起きない（すなわち沸騰しない）か、フォーカス位置に対してきわめて敏感になるかであり、その場合には本方法の効果が全くなくなるわけではないが、そのダイナミックレンジが損なわれる。一例として、ターゲットがステンレススチールで焦点サイズが１００μｍ未満である場合、パルス持続時間が１００〜５００μｓの範囲に対して、最適パルスエネルギーは５〜５０ｍＪであることが分かっている。他の種類のターゲットに対する最適パルスエネルギーは、当業者であれば計算または試行錯誤により決定することが可能であろう。

【0038】

後方反射信号の解析に別の方法を利用することも可能である。例えば、後方反射信号振幅を最小化することで焦点を見つけることが可能である。

【0039】

別の実施形態では、パルスの一部のみが利用される。一例として、信号の一部、例えばｎをある数として、図４ａのパルスの最初、または終わり、または中間のｎμｓ分だけを利用してもよい。ここでｎは、１０または他の任意の数であってよい。

【0040】

本発明の更なる応用は、加工の前に加工物の輪郭形状を描くツールとして利用することである。

【0041】

一変形例においては、このデバイスを利用して誤差信号の最小化により加工物までのフォーカスレンズの高さＦをアクティブ制御する。この場合、レーザ１の加工部分から、加工物５をその方向へ移動させる手段までがフィードバックループに含まれる。これを図１に破線７０で模式的に示す。この代わりに、勿論レンズを動かすことも可能である。フィードバックループがＩＲ光と共に後方反射した可視光を検出する手段も含んでいて、材料加工応用への精度と順応性を改善してもよい。国際公開第２００９／１１２８１５号には、ＣＭＳを変形してＩＲと共に可視光の後方反射を検出する方法が示されている。

【0042】

ビーム品質因子あるいはビーム伝搬因子とも呼ばれるＭ^２因子は、レーザビームのビーム品質の一般的な指標である。ＩＳＯ標準１１１４６［４］によれば、これはビームパラメータ積をλ／πで割ったものとして定義され、この後者は同一波長の回折制限ガウシアンビームのビームパラメータ積である。言い換えれば、ビーム発散半角は、
θ＝Ｍ２λ／πω
であり、ここでＷ_０はビームウェストにおけるビーム半径であり、λは波長である。レーザビームはしばしば、“Ｍ^２倍に回折制限される”といわれる。回折制限されたビームはＭ^２因子が１であり、ガウシアンビームである。これより小さいＭ^２の値は物理的に不可能である。ガウシアンビームの共焦点パラメータは、
Ｚ＝πｗ_ｏ^２／（Ｍ^２λ）
で与えられる。これはビームがルート２倍に拡大した点に対応する。

【0043】

レーザビームのＭ２因子は、所与のビーム発散角に対するビームのフォーカス可能な度合いを制限し、それはフォーカスレンズの開口数で制限されることが多い。屈折力と共に、ビーム品質因子がレーザビームの輝度を決定する。

【0044】

実施形態は、単純かつ低コストで、ファイバーレーザそのものに統合されており、ビーム伝達／加工物領域にそれ以外の光学系を必要としない。ビーム伝達領域にそれ以外の光学系を必要としないことは、複雑さ、コスト及び光学系にとって相反する環境の可能性を低減する。ファイバーレーザに組込まれるということは、レーザビームの伝達のされ方に拘らず、すべてのレーザが焦点を結びうるということを意味している。

【0045】

上記の実施形態は、加工物から後方反射され、伝達ファイバーのクラッド層を伝送される光を利用してファイバーのフォーカス位置を配置する方法を利用する。平均出力の高い（これに限定されるものではないが、典型的には５００Ｗ以上の）レーザに関して、レーザ放射が伝達光学系により吸収され、その結果レンズ群に熱レンズ効果を生じることにより、フォーカス位置及び品質が経時変化することがありうることが分かっている。その結果、典型的には数秒または数１０秒の時間で焦点のフォーカス位置が顕著にずれることがある。このことはすべてのユーザにとってフォーカス最適化を複雑化する。エンドユーザは冷えている時にフォーカスを設定して、フォーカスのドリフトを経験することになり、これがプロセスの劣化を起こす可能性がある。

【0046】

図８〜図１１は、フォーカス位置の変化を追跡し、ユーザがフォーカスの経時変化を定量化し、それを補償する方法を示す。

【0047】

図８は使用され得る波形の一例を示す。波形は、典型的には１ｍｓかそれ以上の持続時間のフルパワーパルス６０で構成される。このパルスの間に、典型的には図示したように５０または１００μｓの非常に短いテストパルス６１が伝送される。レーザに対して相対移動する加工物にテストパルスが及ぼす効果は６２に示されており、またフルパワーパルスの効果は６３に模式的に示されている。

【0048】

加工物はパルス状のフォーカスレーザに対して相対移動し、測定のターゲットとして作用する。１つの特定のアルゴリズムを例示としてのみ記述すると以下の様である。
Ａ．加工物を動かすかまたはレーザビームを動かすか（またはその両方）によりフォーカスを加工物上でスキャンする。
Ｂ．図８に示す波形を利用する。これは、フィードバックレベル、したがってフォーカス品質を測定するための非常に短い、例えば５０μｓのテストパルスと、光学システムのレンズまたはレンズ群を加熱する作用のある、少なくともｍｓの持続時間を持つフルパワーの比較的長いパルスとから成る。長く、高パワーのパルスに比べるとテストパルスの継続時間ははるかに短い。従って光学システムは実効的には、スタートしてからの経過時間の間ずっとフルパワーが掛けられていたとした場合に非常に近い熱的負荷を受ける。
Ｃ．各テストパルスからのフィードバックが測定され、これで実効的にフォーカス位置が計測される。
Ｄ．光学システムの推定熱時定数の間、このプロセスが継続される。この時定数は当業者には理解されるもので、典型的には数秒である。

【0049】

図９は代表的な後方反射信号をフォーカス位置に対して示したものである。この説明は例えば図６を参照されたい。図８のテストは図９の曲線６４に沿う任意の点で行うことができる。点Ａでスキャンが行われるとすると、光学系の熱効果に重大な問題がなければ零が生成される。

【0050】

例えば点Ｂで行うと、信号の平均誤差は傾斜上にあるのでより大きい感度が与えられ、フォーカス変化の方向も示される。スキャンを行う点の選択は、最も理想的には例えば点Ｂのような最大傾斜の点である。ただし、一般的にはレーザに損傷を与える可能性があるので、フォーカスポイントから離れ過ぎるべきではない。

【0051】

図１０は、光学システムが良好な熱特性を有するシステムのテスト結果を模式的に示す。ここでは誤差に変化がなくしたがってフォーカスの変化がない。誤差信号は略一定である。図１０は熱特性の良くないシステムを示す。ここではフォーカスは時間とともにずれていく傾向にあり、誤差６６が時間変化していることがそれを示している。

【図1】

【図1a】

【図2】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図4d】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】