特許 6551271 光増幅装置およびレーザ加工装置

(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】6551271

(24)【登録日】2019年7月12日

(45)【発行日】2019年7月31日

(54)【発明の名称】光増幅装置およびレーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20190722BHJP

   H01S 3/067 20060101ALI20190722BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20190722BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20190722BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20190722BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/10 D

   H01S3/067

   H01S3/00 B

   B23K26/00 B

   B23K26/064 Z

【請求項の数】12

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2016-50550(P2016-50550)

(22)【出願日】2016年3月15日

(65)【公開番号】特開2017-168549(P2017-168549A)

(43)【公開日】2017年9月21日

【審査請求日】2017年10月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福井 浩

(72)【発明者】

【氏名】横井 忠正

(72)【発明者】

【氏名】大垣 龍男

(72)【発明者】

【氏名】谷 修一

(72)【発明者】

【氏名】阪本 達典

(72)【発明者】

【氏名】石津 雄一

【審査官】 高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／１６５４９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−２４８６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１２６０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１８１７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０３１８６６０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第９７／０２６６８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 William O'Neill，High-Quality Micromachining of Silicon at 1064 nm Using a High-Brightness MOPA-Based 20-W Yb Fiber Laser，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Volume: 15, Issue: 2, March-april 2009，pages 462-470，DOI: 10.1109/JSTQE.2009.2012269, https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4806027

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００−３／０２，３／０４−３／０９５９，

３／０９８−３／１０２，３／１０５−３／１３１，

３／１３６−３／２１３，３／２３−４／００

Ｂ２３Ｋ ２６／００−２６／７０

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルス状のシード光を発生するシード光源と、
励起光を発生する励起光源と、
前記シード光を前記励起光によって増幅して、増幅光を出力する光増幅ファイバと、
前記シード光源および前記励起光源を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記増幅光のパルス幅の設定値が大きくなるほど、前記パルス幅の最小設定値における前記増幅光のピークエネルギーの閾値以内で前記増幅光のピークエネルギーが増大するように、前記励起光のパワーを制御するモードを有する、光増幅装置。

【請求項2】

前記モードが設定された場合において、前記制御部は、前記増幅光の繰り返し周波数の上限を、前記パルス幅、前記繰り返し周波数のパラメータ調整に対して前記励起光のパワーが一定のモードである、前記モードとは異なる他のモードにおける前記繰り返し周波数の上限よりも低下させるとともに、前記パルス幅を前記最小設定値よりも大きく設定し、
前記制御部は、前記励起光源が発生する前記励起光のパワーを、前記他のモードにおける前記励起光のパワーよりも増加させる、請求項１に記載の光増幅装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記モードにおける前記増幅光の平均パワーを、前記他のモードにおける前記平均パワーよりも高くする、請求項２に記載の光増幅装置。

【請求項4】

前記モードにおける前記パルス幅の最大値は、前記他のモードにおける前記パルス幅の最大値よりも大きい、請求項２または請求項３に記載の光増幅装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記パルス幅を大きくする場合には、前記シード光が複数の光パルスを含むパルス列として前記シード光源から出射されるように、前記シード光源を制御する、請求項４に記載の光増幅装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記パルス列を構成する前記光パルスの数を決定するための複数の設定パターンの中から、前記モードおよび前記他のモードの各々を設定するためのパターンをユーザに選択させる処理を実行する、請求項５に記載の光増幅装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記繰り返し周波数を決定するための複数の設定パターンの中から、前記モードおよび前記他のモードの各々を設定するためのパターンをユーザに選択させる処理を実行する、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の光増幅装置。

【請求項8】

前記制御部は、リブート処理によって前記モードと前記他のモードとを互いに切り替える、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の光増幅装置。

【請求項9】

前記パルス幅、繰り返し周波数のパラメータ調整に対して前記励起光のパワーが一定のモードである、前記モードとは異なる他のモードから前記モードが設定された場合において、前記制御部は、前記増幅光の前記繰り返し周波数の上限を低下させるためのユーザからの入力に応じて、前記パルス幅を、前記他のモードにおけるパルス幅よりも増加させるとともに、前記励起光のパワーを、前記他のモードにおける前記励起光のパワーよりも増加させる、請求項１に記載の光増幅装置。

【請求項10】

前記パルス幅、繰り返し周波数のパラメータ調整に対して前記励起光のパワーが一定のモードである、前記モードとは異なる他のモードから前記モードが設定された場合において、前記制御部は、前記パルス幅を増加させるためのユーザからの入力に応じて、前記励起光のパワーを前記他のモードにおける前記励起光のパワーよりも増加させるとともに、前記繰り返し周波数の上限を、前記他のモードにおける前記繰り返し周波数の上限よりも低下させる、請求項１に記載の光増幅装置。

【請求項11】

前記パルス幅、繰り返し周波数のパラメータ調整に対して前記励起光のパワーが一定のモードである、前記モードとは異なる他のモードから前記モードが設定された場合において、前記制御部は、前記励起光のパワーを増加させるためのユーザからの入力に応じて、前記パルス幅を、前記他のモードにおけるパルス幅よりも増加させるとともに、前記繰り返し周波数の上限を、前記他のモードにおける前記繰り返し周波数の上限よりも低下させる、請求項１に記載の光増幅装置。

【請求項12】

請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の光増幅装置を備える、レーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光増幅装置およびレーザ加工装置に関し、特に、ＭＯＰＡ（Master Oscillator and Power Amplifier）方式のファイバ増幅器からレーザパルスを安定的に出射させるための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

光増幅ファイバを利用したＭＯＰＡ（Master Oscillator and Power Amplifier）方式を採用し、シード光として半導体レーザ（ＬＤ）からの光を利用するレーザ加工装置は、出射光の繰り返し周波数、ピークパワー、パルス幅等を互いに独立に変更できるため、加工対象に応じて最適なパラメータを選択し易いという特徴を有している。たとえば、特開２０１１−１８１７６１号公報（特許文献１）は、ドライバを制御することによって非発光期間における励起光の条件を変化させて、これによりレーザ加工装置から出力されるパルス光のエネルギーを非発光期間の長さによらず安定化させることができる構成を開示する。

【0003】

特開２０１２−２４８６１５号公報（特許文献２）は、波高値検出器の検出値に基づいて、発光期間の間に発生した最初の出力光パルスと最終の出力パルスとの間でパワーが同じになるように、非発光期間における励起光のパワー（ドライバのバイアス電流）を制御する光増幅装置を開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１８１７６１号公報

【特許文献2】特開２０１２−２４８６１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ファイバレーザ発振器を有する従来のレーザ加工装置では、発振周期の低周波数領域において平均パワーを上げることが難しかった。その理由は、以下のような問題が発生するためである。励起光のパワーを一定にしたまま周波数を低下させた場合には、ピークパワーが上昇する。ピークパワーが上昇する場合、ファイバを損傷する可能性がある。また、ピークパワーの上昇によって、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Stimulated Raman Scattering）に代表される非線形光学現象が発生した場合には、位相の揃わない伝送モードが増長する。

【0006】

上述した問題を避けるため、ファイバレーザ発振器を低周波数で使用する場合には、励起光パワーを低下させることにより平均パワーを下げた状態で使用しなければならない。

【0007】

一方で、たとえば金属の深堀りあるいは黒色印字といった加工を、レーザ光を用いて行う場合には、そのレーザ光のパワーがある程度大きいことが求められる。そのため、金属をレーザ光によって加工する場合には、平均パワーの大きいレーザ発振器を低周波数で使用していた。従来のファイバレーザ発振器では、出力の平均パワーを高くすることができなかったため、金属の深堀りあるいは黒色印字といった加工が難しかった。したがって、加工のための高パワーの光を出力可能なファイバレーザ発振器が要望される。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある局面に係る光増幅器は、パルス状のシード光を発生するシード光源と、励起光を発生する励起光源と、シード光を励起光によって増幅して、増幅光を出力する光増幅ファイバと、シード光源および励起光源を制御する制御部とを備え、制御部は、増幅光のパルス幅の設定値が大きくなるほど、パルス幅の最小設定値における閾値以内で増幅光のピークエネルギーが増大するように、励起光のパワーを制御するモードを有する。

【0009】

上記の「モード」とは、パルス幅を大きくした場合に、励起光のパワーを増大させるモードをいう。

【0010】

好ましくは、モードが設定された場合において、制御部は、増幅光の繰り返し周波数の上限を、モードとは異なる他のモードにおける繰り返し周波数の上限よりも低下させるとともに、パルス幅を最小設定値よりも大きく設定する。制御部は、励起光源が発生する励起光のパワーを、他のモードにおける励起光のパワーよりも増加させる。

【0011】

「他のモード」とはパルス幅、繰り返し周波数のパラメータ調整に対して励起光のパワーが一定のモードをいう。

【0012】

好ましくは、制御部は、モードにおける増幅光の平均パワーを、他のモードにおける平均パワーよりも高くする。

【0013】

好ましくは、モードにおけるパルス幅の最大値は、他のモードにおけるパルス幅の最大値よりも大きい。

【0014】

好ましくは、制御部は、パルス幅を大きくする場合には、シード光が複数の光パルスを含むパルス列としてシード光源から出射されるように、シード光源を制御する。

【0015】

好ましくは、制御部は、パルス列を構成する光パルスの数を決定するための複数の設定パターンの中から、モードおよび他のモードの各々を設定するためのパターンをユーザに選択させる処理を実行する。

【0016】

好ましくは、制御部は、繰り返し周波数を決定するための複数の設定パターンの中から、モードおよび他のモードの各々を設定するためのパターンをユーザに選択させる処理を実行する。

【0017】

好ましくは、制御部は、リブート処理によってモードと他のモードとを互いに切り替える。

【0018】

好ましくは、モードとは異なる他のモードからモードが設定された場合において、制御部は、増幅光の繰り返し周波数の上限を低下させるためのユーザからの入力に応じて、パルス幅を、他のモードにおけるパルス幅よりも増加させるとともに、励起光のパワーを、他のモードにおける励起光のパワーよりも増加させる。

【0019】

好ましくは、モードとは異なる他のモードからモードが設定された場合において、制御部は、パルス幅を増加させるためのユーザからの入力に応じて、励起光のパワーを他のモードにおける励起光のパワーよりも増加させるとともに、繰り返し周波数の上限を、他のモードにおける繰り返し周波数の上限よりも低下させる。

【0020】

好ましくは、モードとは異なる他のモードからモードが設定された場合において、制御部は、励起光のパワーを増加させるためのユーザからの入力に応じて、パルス幅を、他のモードにおけるパルス幅よりも増加させるとともに、繰り返し周波数の上限を、他のモードにおける繰り返し周波数の上限よりも低下させる。

【0021】

本発明の他の局面に係るレーザ加工装置は、上記のいずれかに記載の光増幅装置を備える、レーザ加工装置である。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、高パワーの光を出力可能なファイバレーザ発振器を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本実施の形態に係るレーザ加工装置の構成例を示す図である。

【図2】本実施の形態に係るレーザ加工装置１００によって発せられる、最小パルス幅を有するレーザパルスを説明するための波形図である。

【図3】本実施の形態に係るレーザ加工装置１００によって発せられる、最小パルス幅よりも大きいパルス幅を有するレーザパルスを説明するための波形図である。

【図4】本実施の形態に係るレーザ加工装置１００が第１のモードにおいてパルス幅を増加させたときのピークパワーＰｐの変化を説明するための波形図である。

【図5】本実施の形態に係るレーザ加工装置１００が第２のモードにおいてパルス幅を増加させたときのピークパワーＰｐの変化を説明するための波形図である。

【図6】本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を第１のモードおよび第２のモードで動作させた場合におけるレーザパルスの波形の例を示した波形図である。

【図7】本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を、第１のモードおよび第２のモードの各々において動作させるための設定パターンの例を示した図である。

【図8】本実施の形態に係るレーザ加工装置１００の設定処理を説明するためのフローチャートである。

【図9】本実施の形態に係るレーザ加工装置のモードを設定するためのユーザインターフェース画面の一例を示す模式図である。

【図10】モード選択のためのダイアログの一例を示した模式図である。

【図11】スタンダードモード（第１のモード）のための設定画面の一例を示す模式図である。

【図12】ＥＥモード（第２のモード）のための設定画面の一例を示す模式図である。

【図13】本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を第１のモードおよび第２のモードで動作させたときの出力の平均パワーを示したグラフである。

【図14】本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を第１のモードおよび第２のモードで動作させたときのパルスエネルギを示したグラフである。

【図15】本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を第１のモードおよび第２のモードで動作させたときのピークパワーを示したグラフである。

【図16】第２のモードによる金属の深堀りの効果を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0025】

＜Ａ．装置構成＞
まず、本発明の実施の形態に係る光増幅装置およびその光増幅装置を含むレーザ加工装置の装置構成について説明する。図１は、本実施の形態に係るレーザ加工装置の構成例を示す図である。

【0026】

図１を参照して、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置１００は、たとえばレーザマーカとして実現される。レーザ加工装置１００は、コントローラ１０１と、マーカーヘッド１０２とを含む。コントローラ１０１は、本発明の実施の形態に係る光増幅装置の主要部を構成する。

【0027】

この実施の形態では、光増幅装置は、その強度がパルス状に周期的変化するレーザ光を出射する。以下、出射光を「レーザパルス」とも称する。以下の説明において、特に断りのない限り、「レーザパルス」は、１または複数のパルスからなるレーザ光を意味する。また、「レーザパルス」に含まれるそれぞれのパルスの強度（パワー）の最大値を「ピークパワー」と総称する。典型的には、「レーザパルス」の有するパワーの包絡線が「ピークパワー」に相当する。

【0028】

レーザ加工装置１００は、典型的には、ＭＯＰＡ（Master Oscillator and Power Amplifier）方式のファイバ増幅器を含む。この実施の形態では、レーザ加工装置１００は、２段のファイバ増幅器を含む。より具体的には、コントローラ１０１は、光増幅ファイバ１と、シード用レーザダイオード（ＬＤ）２と、励起用レーザダイオード３，７と、アイソレータ４，６と、コンバイナ５，８と、駆動回路２１，２２と、制御部２０とを含む。マーカーヘッド１０２は、光増幅ファイバ９と、光カプラ１０と、アイソレータ１１と、ビームエキスパンダ１２と、Ｚ軸走査レンズ１３と、ガルバノスキャナ１４，１５とを含む。なお、以下の説明においては、レーザダイオードを単に「ＬＤ」と表記することもある。

【0029】

光増幅ファイバ１、シード用ＬＤ２、および励起用ＬＤ３は、ＭＯＰＡ方式のファイバ増幅器の基本的な構成要素である。光増幅ファイバ１は、光増幅成分である希土類元素が添加されたコア、およびそのコアの周囲に設けられるクラッドを含む。光増幅ファイバ９は、光増幅ファイバ１と同じく、光増幅成分である希土類元素が添加されたコア、およびそのコアの周囲に設けられるクラッドを含む。

【0030】

光増幅ファイバ１，９のコアに添加される希土類元素の種類は、特に限定されないが、例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）などを用いることができる。本実施の形態においては、希土類元素としてＹｂが添加された光増幅ファイバを用いる場合について例示する。光増幅ファイバ１，９は、例えば、コアの周囲に一層のクラッドが設けられたシングルクラッドファイバでもよいし、コアの周囲に二層のクラッドが設けられたダブルクラッドファイバでもよい。

【0031】

光増幅ファイバ１は、シード用ＬＤ２からのシード光を励起用ＬＤ３からの励起光によって増幅する。すなわち、ＭＯＰＡ方式のファイバ増幅器では、励起用ＬＤ３からの励起光およびシード用ＬＤ２からのパルス状のシード光が、光増幅ファイバ１へ与えられる。光増幅ファイバ１に入射した励起光は、コアに含まれる希土類元素の原子に吸収され、原子の励起を生じる。原子の励起が生じた状態で、シード光が光増幅ファイバ１のコアを伝搬すると、シード光により励起された原子が誘導放出を生じるため、シード光が増幅される。このように、光増幅ファイバ１は、励起光を用いてシード光を増幅することになる。

【0032】

シード用ＬＤ２は、レーザ光源であり、シード光を発生するシード光源である。シード光の波長は、例えば、１０００〜１１００ｎｍの範囲から選択される。駆動回路２１は、制御部２０からの指令に従って、シード用ＬＤ２にパルス状の電流を繰り返して印加することにより、シード用ＬＤ２をパルス駆動する。すなわち、シード用ＬＤ２はパルス状のシード光を出射する。

【0033】

シード用ＬＤ２から出射されるシード光は、アイソレータ４を通過した後に、光増幅ファイバ１へ入射する。アイソレータ４は、光を一方向のみに通過させ、それとは逆方向に入射する光を遮断する機能を有する。アイソレータ４は、シード用ＬＤ２からのシード光を通過させるとともに、光増幅ファイバ１からの戻り光を遮断する。これによって、光増幅ファイバ１からの戻り光がシード用ＬＤ２に入射するのを防止することができる。これは、光増幅ファイバ１からの戻り光がシード用ＬＤ２に入射した場合には、シード用ＬＤ２が損傷するおそれがあるからである。

【0034】

励起用ＬＤ３は、レーザ光源であり、光増幅ファイバ１のコアに添加された希土類元素の原子を励起するための励起光を発生する励起光源である。希土類元素としてＹｂを添加した場合、励起光の波長は、例えば９１５±１０ｎｍに設定される。励起用ＬＤ３は、駆動回路２２によって駆動される。

【0035】

シード用ＬＤ２からのシード光と励起用ＬＤ３からの励起光とは、コンバイナ５により結合されて光増幅ファイバ１に入射する。光増幅ファイバ１がシングルクラッドファイバである場合には、シード光および励起光はいずれもコアに入射する。これに対し、光増幅ファイバ１がダブルクラッドファイバである場合には、シード光はコアに入射し、励起光は第１クラッドに入射する。ダブルクラッドファイバの第１クラッドは励起光の導波路として機能する。第１クラッドに入射した励起光が第１クラッドを伝搬する過程で、コアを通過するモードによりコア中の希土類元素が励起される。

【0036】

光増幅ファイバ１で増幅されたレーザ光は、アイソレータ６を通り、コンバイナ８において、励起用ＬＤ７からの励起光と結合される。励起用ＬＤ７は、光増幅ファイバ９のコアに添加された希土類元素の原子を励起するための励起光を発生する。励起用ＬＤ７は、駆動回路２２によって駆動される。

【0037】

光増幅ファイバ９は、光カプラ１０によって、コントローラ１０１からのファイバに光学的に結合される。光増幅ファイバ１によって増幅されたレーザ光は、光増幅ファイバ９の内部において、励起用ＬＤ７からの励起光によってさらに増幅される。

【0038】

光増幅ファイバ９から出射されたレーザ光は、アイソレータ１１を通過する。アイソレータ１１は、光増幅ファイバ９で増幅され、かつ光増幅ファイバ９から出射されたレーザ光を通過させるとともに、光増幅ファイバ９に戻るレーザ光を遮断する。

【0039】

アイソレータ１１を通過したレーザ光は、ビームエキスパンダ１２によって、そのビーム径が拡大される。Ｚ軸走査レンズ１３は、レーザ光をＺ軸方向（すなわち上下方向）に走査する。ガルバノスキャナ１４，１５は、レーザ光を、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ走査する。これにより、レーザ光が加工対象物２５０の表面において、二次元方向に走査される。なお、図示しないが、レーザ光を集光するためのｆθレンズ等の他の光学部品がマーカーヘッド１０２に含まれてもよい。

【0040】

加工対象物２５０の表面上でレーザ光、すなわち光増幅装置からのレーザパルスを二次元方向に走査することにより、樹脂、金属等を素材とする加工対象物２５０の表面に加工が施される。例えば、加工対象物２５０の表面に、文字や図形等からなる情報が印字（マーキング）される。

【0041】

本実施の形態では、光増幅装置は、１段目の増幅（コントローラ１０１における光増幅）において励起光を増大するように構成される。しかしながら、マーカーヘッド１０２が光増幅を行うことは、必ずしも必須ではない。すなわちマーカーヘッド１０２から光増幅ファイバ９が省略されてもよい。

【0042】

制御部２０は、主として、シード用ＬＤ２（シード光源）および励起用ＬＤ３（励起光源）による光の発生を制御する。より具体的には、制御部２０は、上位装置３００から、レーザ光の走査のために必要な指令を受信する。さらに、制御部２０は、設定装置３０１を介して、ユーザからの設定を受付ける。制御部２０は、設定装置３０１からのユーザ操作に従って、駆動回路２１，２２を制御するとともに、ガルバノスキャナ１４，１５等を制御する。

【0043】

制御部２０は、制御指令を与える構成であれば、どのようなハードウェア用いてもよい。例えば、所定のプログラムを実行するコンピュータを用いて、制御部２０を実装してもよい。設定装置３０１としては、例えば、パーソナルコンピュータを使用することができる。パーソナルコンピュータは、入力部として、マウス、キーボード、タッチパネル等を備えることができる。

【0044】

シード用ＬＤ２、励起用ＬＤ３，７、アイソレータ４，６，１１などの光学素子の特性は、温度に依存して変化し得る。そのため、これらの光学素子の温度を一定に保つための温度コントローラをレーザ加工装置１００に設けることがより好ましい。

【0045】

本実施の形態に係るレーザ加工装置１００は、平均パワー、レーザパルスの繰り返し周波数および、レーザパルスのパルス幅を、互いに独立に制御可能である。ユーザは、平均パワー、レーザパルスの繰り返し周波数およびレーザパルスのパルス幅を、互いに独立に設定することができる。図１に示されるように、本実施の形態では、光増幅装置は、多段増幅構成を有するので、各増幅段において励起光を増大させることにより、非線形現象が起きない範囲でレーザ光の平均パワーを高くすることができる。

【0046】

本実施の形態に係る光増幅装置（レーザ加工装置１００）は、２つのモードを有する。言い換えると、制御部２０は２つの制御モードを有する。第１のモードは、パルス幅、繰り返し周波数等のパラメータ調整に対して励起光のパワーが一定のモードである。第２のモードは、パルス幅を大きくした場合に、励起光のパワーを増大させるモードである。なお、第２のモードは、本発明およびその実施の形態における「モード」に対応し、第１のモードは、本発明およびその実施の形態における「他のモード」に対応する。

【0047】

＜Ｂ．第１のモード＞
第１のモードでは、レーザパルスの繰り返し周波数の設定、および、レーザパルスのパルス幅を広い範囲で設定できる。

【0048】

図２は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００によって発せられる、最小パルス幅を有するレーザパルスを説明するための波形図である。図２を参照して、ｆは、レーザパルスの繰り返し周波数を表す。ｗは、レーザパルスのパルス幅を表す。平均パワーは、単位時間（たとえば１秒）に光増幅装置から出力されたレーザパルスのエネルギーの総和であると定義することができる。

【0049】

Ｐｐは、レーザパルスのピークパワーを表す。ピークパワーＰｐは、閾値パワーＰｔｈを超えないように制御される。閾値パワーＰｔｈは、たとえば光増幅ファイバの破損が生じない上限のパワーであるように予め定められる。

【0050】

図３は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００によって発せられる、最小パルス幅よりも大きいパルス幅を有するレーザパルスを説明するための波形図である。図３を参照して、この実施の形態では、パルス幅ｗを大きくする場合には、１つのパルスの幅を大きくするのではなく、複数のパルスを含むパルス列が出力される。１つのパルスの幅は、最小パルス幅と同じである。したがってパルス幅ｗは、パルスの数に比例する。

【0051】

第１のモードにおいて、パルス幅ｗの最小値は、たとえば１５ｎｓであり、パルス幅ｗは１５ｎｓ〜３００ｎｓの間で可変である。また、繰り返し周波数ｆは、たとえば１０ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚの範囲内で可変である。

【0052】

図４は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００が第１のモードにおいてパルス幅を増加させたときのピークパワーＰｐの変化を説明するための波形図である。図４を参照して、レーザパルスのエネルギーが一定のままパルス幅ｗを大きくした場合には、ピークパワーＰｐが低下する。

【0053】

たとえば金属加工（たとえば金属の深堀りあるいは黒色印字）においては、レーザパルスのエネルギーをより高くする必要がある。ファイバレーザ発振器を有するレーザ加工装置においては、平均パワーを大きくする（一例では５０Ｗ）とともに、繰り返し周波数を下げなければならない。繰り返し周波数を下げることにより、レーザパルスが光増幅ファイバから出力される時間間隔が長くなる。光増幅ファイバに励起光のパワーが蓄積される時間が長くなるため、ピークパワーＰｐは、繰り返し周波数ｆを低下させることによって増大する。

【0054】

しかしながら、ファイバレーザ発振器を有するレーザ加工装置においては、繰り返し周波数、ピークパワー、パルス幅等を互いに独立に変更できるため、高い平均パワーを必要とする加工に必要なレーザパルスを発生させるための条件を設定することは容易ではない。そこで本実施の形態では、レーザ加工装置１００は第２のモードを有する。第２のモードは、第１のモードよりも、高い平均エネルギーでレーザパルスを出力することを可能にするモードである。
＜Ｃ．第２のモード＞
第２のモードでは、第１のモードに比べて平均パワーを高くすることができるように、繰り返し周波数の設定範囲、およびパルス幅の設定範囲が定められる。

【0055】

図５は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００が第２のモードにおいてパルス幅を増加させたときのピークパワーＰｐの変化を説明するための波形図である。図５を参照して、実線によって示された波形は、第２のモードにおいてレーザ加工装置１００から出力されるレーザパルスのパワーを表す。点線によって示された波形は第１のモードにおいてレーザ加工装置１００から出力されるレーザパルスのパワーを表す。第２のモードでは、レーザパルスのパルス幅ｗを、最小のパルス幅よりも大きくし、かつ、閾値パワーＰｔｈ内でピークパワーＰｐを増大させる。これにより平均パワーを高めることができるので、たとえば金属の深堀りあるいは黒色印字といった加工を行うことができる。

【0056】

第２のモードでは、繰り返し周波数ｆの設定範囲は、第１のモードでの繰り返し周波数の設定範囲よりも狭く、パルス幅ｗの設定範囲も、第１のモードでの繰り返し周波数の設定範囲よりも狭い。具体的には、第２のモードでは、繰り返し周波数ｆの設定範囲の上限値は、第１のモードでの繰り返し周波数の設定範囲の上限値よりも小さい。すなわち第２のモードでは、繰り返し周波数は、低い周波数領域内で設定可能である。これにより、ピークパワーを増大させることができる。さらに、第２のモードでは、パルス幅ｗの下限値は、パルス幅の最小値よりも大きい。これにより、ピークパワーＰｐが閾値パワーＰｔｈを上回る可能性を低減できる。

【0057】

さらに、パルス幅ｗの最大値は、第１のモードにおけるパルス幅の最大値よりも大きい。これにより、金属の深堀り、あるいは黒色印字といった加工に適した高いパワーのレーザパルスを出力することができる。

【0058】

図６は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を第１のモードおよび第２のモードで動作させた場合におけるレーザパルスの波形の例を示した波形図である。図６を参照して、２つのグラフの間では、パワーを表す縦軸のスケール、時間を表す横軸のスケールは同じである。第２のモードにおいては、第１のモードよりもピークエネルギーを高くすることができる。図６に示された例では、第２のモードにおいて、パルス列の初めのパルスのピークパワーが特に高い。このようなパルス波形は、金属の深堀りへの寄与を高くすることができる。

【0059】

図７は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を、第１のモードおよび第２のモードの各々において動作させるための設定パターンの例を示した図である。図７を参照して、たとえば第１のモードでは、ユーザーは、レーザ加工装置１００が記憶する１５個の設定パターンの中から、加工の条件に適したパターンを選択することができる。一方、第２のモードでは、ユーザは、レーザ加工装置１００が記憶する３個の設定パターンの中から、加工の条件に適したパターンを選択することができる。第２のモードにおける設定パターンでは、設定可能なパルスの数、言い換えるとパルス幅の設定範囲が第１のモードにおける設定パターンに比べて制限される。

【0060】

第２のモードにおけるパルス幅の最大値は、第１のモードにおけるパルス幅の最大値よりも大きい。すなわち第２のモードにおいて設定可能なパルス数の最大値は３０であるのに対して、第１のモードにおいて設定可能なパルス数の最大値は２０である。
＜Ｄ．モードの設定＞
図８は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００の設定処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、主として制御部２０によって実行される。図８を参照して、ステップＳ１において、制御部２０は、レーザ加工装置１００のリブート処理が実行されたかどうかを判断する。リブート処理が実行されなかった場合（ステップＳ１においてＮＯ）、モードは現在のモード（第１のモードまたは第２のモード）に維持される（ステップＳ２）。一方、リブート処理が実行された場合（ステップＳ１においてＹＥＳ）、制御部２０は、モードを切り替える（ステップＳ３）。

【0061】

ステップＳ２またはステップＳ３に続き、ステップＳ４において、制御部２０は、現在のモードに応じた設定パターン（図７を参照）を準備する。たとえば制御部２０は、その内部に記憶された設定パターンを読み出す。

【0062】

ステップＳ５において、制御部２０は、複数の設定パターンの中から、第１のモードおよび第２のモードの各々を設定するためのパターンをユーザに選択させる処理を実行する。たとえば、設定装置３０１は、制御部２０からの指示により、ユーザがパルス幅等を入力するための入力画面を準備する。ユーザは、その入力画面を通じて、パルス幅（パルス数）を選択することができる。設定装置３０１に入力されたパラメータは設定装置３０１から制御部２０へと送られる。入力画面の例は後に詳細に説明される。

【0063】

ステップＳ６において、制御部２０は、設定装置３０１を通じて、ユーザからの入力（設定パラメータ）を受付ける。設定パラメータは、たとえば繰り返し周波数、平均パワーなどである。図示の便宜上、図８ではユーザによる設定を制御部２０が受け付ける処理を、ステップＳ５とステップＳ６とに分けて記載されているが、ユーザによる設定を制御部２０が受け付ける処理は１つのステップで実行されてもよい。また、複数の設定パターンは、パルス幅のパターンに限定されず、繰り返し周波数の設定パターンであってもよく、パルス幅と繰り返し周波数とを組み合わせた設定パターンであってもよい。

【0064】

ステップＳ７において、制御部２０は、ユーザの設定が完了したかどうかを判断する。たとえばユーザが設定装置３０１に設定完了を指示した場合、その指示が設定装置３０１から制御部２０へと送られる。これにより、制御部２０は、ユーザの設定が完了したと判断する。この場合（ステップＳ７においてＹＥＳ）、制御部２０は、ユーザが設定したパラメータを記憶する。記憶されたパラメータは、レーザ加工装置１００の動作の際に用いられる。一方、ユーザの設定がまだ完了していないと制御部２０が判断した場合（ステップＳ７においてＮＯ）、処理はステップＳ５に戻り、ユーザの設定処理が継続される。

【0065】

＜Ｅ．ユーザインターフェース＞
ユーザインターフェースに関する以下の説明において、第１のモードおよび第２のモードを、それぞれ「スタンダードモード」および「ＥＥモード」と称する。これらの名称は、本実施の形態を限定することを意図として用いられるものではないことに留意すべきである。

【0066】

図９は、本実施の形態に係るレーザ加工装置のモードを設定するためのユーザインターフェース画面の一例を示す模式図である。図９を参照して、レーザ加工装置１００のモードを設定する場合、ユーザは、メニュー一覧の中から「環境設定」メニュー（符号２１０）を選択すする。これにより、「ＥＥモード設定（オプション）」が選択可能となるので、ユーザは、たとえばマウスのクリック動作によって「ＥＥモード設定（オプション）」を選択する。これにより、スタンダードモードおよびＥＥモードの中からモードを選択するためのダイアログが表示される。

【0067】

図１０は、モード選択のためのダイアログの一例を示した模式図である。図１０を参照して、ユーザは、ダイアログ２１１を通じて、ＥＥモードまたはスタンダードモードを選択し、ＯＫボタン２１２を押下する。これにより、レーザ加工装置１００がリブートされ、モードが切り替わる。すなわち、図８に示されたステップＳ１およびステップＳ３の処理が実行される。

【0068】

図１１は、スタンダードモード（第１のモード）のための設定画面の一例を示す模式図である。図１１を参照して、「基本設定」（符号２２１）および「詳細設定」（符号２２２）は、パラメータを設定するための欄である。レーザパルスのパワー、繰り返し周波数（図１１において「周波数」と表示）、パルス形状（パルス幅に対応）、および加工速度が基本的な設定パラメータである。スタンダードモードにおいて、繰り返し周波数は、たとえば１０．０ｋＨｚ〜１０００．０ｋＨｚの範囲内から設定可能である。パルス形状は、パターン１〜パターン１５の中から選択可能である。

【0069】

図１２は、ＥＥモード（第２のモード）のための設定画面の一例を示す模式図である。図１２を参照して、ＥＥモードでは、繰り返し周波数は、１０．０ｋＨｚ〜１００．０ｋＨｚの範囲内から設定可能である。パルス形状は、パターン１〜パターン３の中から選択可能である。

【0070】

スタンダードモードおよびＥＥモードの各々において、パターンとパルス数とは図７に示されるように関連付けられ、制御部２０の内部に記憶される。ユーザが、図１１または図１２に示された設定画面においてパラメータを入力することにより、図７に示されたステップＳ５，Ｓ６の処理が実行される。

【0071】

＜Ｆ．レーザ特性＞
図１３〜図１６に、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を動作させたときのレーザ特性の一例を示す。図１３は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を第１のモードおよび第２のモードで動作させたときの出力の平均パワーを示したグラフである。図１４は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を第１のモードおよび第２のモードで動作させたときのパルスエネルギを示したグラフである。図１５は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００を第１のモードおよび第２のモードで動作させたときのピークパワーを示したグラフである。

【0072】

図１３〜図１５において、グラフの縦軸は、第２のモードでの特性値を１に規格化した場合の数値を表す。また、図１３および図１４では、第１のモードおよび第２のモードともに、パルス数（図７を参照）が２０であるときのレーザ特性が示される。図１５では、第１のモードおよび第２のモードともに、パルス数（図７を参照）が２０であるときのピークパワーに加え、第２のモードにおいてパルス数（図７を参照）が１０であるときのピークパワーが示される。

【0073】

図１３〜図１５に示されるように、１００ｋＨｚ以下の繰り返し周波数において、レーザ加工装置１００の平均出力、パルスエネルギ、およびピークパワーは、いずれも第２のモードにおいて第１のモードよりも高い。さらに、第２のモードにおいて、パルス数が２０であるときのピークパワーに比べて、パルス数が１０であるときのピークパワーが高い。すなわちパルス幅が小さい程、ピークパワーは高い。

【0074】

以上のとおり、本実施の形態に係るレーザ加工装置１００は、増幅光のパルス幅の設定値（パルスの数）が大きくなるほど、パルス幅の最小設定値における閾値以内で増幅光のピークエネルギーが増大するように、励起光のパワーを制御するモード（第２のモード）を有する。これにより、ファイバレーザ発振器からより高い平均パワーのレーザパルスを出力可能とすることができる。

【0075】

図１６は、第２のモードによる金属の深堀りの効果を説明するための図である。なお、金属の材質はアルミニウムである。図１６に示されるように、第１のモードに比べて第２のモードでは、加工回数に対する金属表面からの加工深さがより大きくなる。したがって加工比（第２のモードによる加工深さ／第１のモードによる加工深さ）は、１よりも大きく、かつ、加工回数が増えるにしたがって増大する。図１６は、第２のモードにおいて、金属の深堀りが実現可能であることを示す。

【0076】

＜Ｇ．変形例＞
上記に開示された実施の形態においては、第１のモードと第２のモードとの間の２つのモードでの切り替えが説明される。他の実施の形態において、第１のモードから第２のモードが設定された場合、制御部２０は、増幅光の繰り返し周波数ｆの上限を段階的あるいは連続的に変化させるユーザインターフェースからの入力（ユーザ入力）に応じて、パルス幅を、第１のモードにおけるパルス幅よりも増加させるとともに、励起光のパワーを、第１のモードにおける励起光のパワーよりも増加させてもよい。制御部２０は、パルス幅および励起光のパワーを、段階的に増加させてもよく、連続的に増加させてもよい。

【0077】

また、別の実施の形態において、第１のモードから第２のモードが設定された場合、制御部２０は、パルス幅を段階的あるいは連続的に変化させるユーザインターフェースからの入力に応じて、励起光のパワーを、第１のモードにおける励起光のパワーよりも段階的または連続的に増加させるとともに、繰り返し周波数の上限を、第１のモードにおける繰り返し周波数の上限よりも段階的または連続的に低下させてもよい。

【0078】

さらに別の実施の形態において、第１のモードから第２のモードが設定された場合、制御部２０は、増幅光のパワーを段階的または連続的に変化させるためのユーザインターフェースからの入力に応じて、パルス幅を、第１のモードにおけるパルス幅よりも段階的または増加させるとともに、繰り返し周波数の上限を、他のモードにおける繰り返し周波数の上限よりも段階的または連続的に低下させてもよい。

【0079】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0080】

１，９ 光増幅ファイバ、２ シード用レーザダイオード、３，７ 励起用レーザダイオード、４，６，１１ アイソレータ、５，８ コンバイナ、１０ 光カプラ、１２ ビームエキスパンダ、１３ Ｚ軸走査レンズ、１４，１５ ガルバノスキャナ、２０ 制御部、２１，２２ 駆動回路、１００ レーザ加工装置、１０１ コントローラ、１０２ マーカーヘッド、２１１ ダイアログ、２１２ ＯＫボタン、２５０ 加工対象物、３００ 上位装置、３０１ 設定装置、ｆ 繰り返し周波数、Ｐｐ ピークパワー、Ｐｔｈ 閾値パワー、Ｓ１〜Ｓ７ ステップ、ｗ パルス幅。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】