JP2016081994A - ダイレクトダイオードレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】多波長のレーザ光を入射する光学素子に対して適切に温度制御を行うことができ、多波長のレーザ光の出力の安定化を図ることができるダイレクトダイオードレーザ発振器を提供する。
【解決手段】多波長のレーザ光をそれぞれ出力する複数のレーザダイオードと、前記複数のレーザダイオードにより出力された多波長のレーザ光を入射する光学素子と、前記複数のレーザダイオードのうちの少なくとも１つを冷却するＬＤ用冷却装置と、前記ＬＤ用冷却装置とは別系統で前記光学素子を冷却する光学素子用冷却装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイレクトダイオードレーザ発振器に関する。

従来、板金加工用のレーザ加工装置として、炭酸（ＣＯ_２）レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器、ファイバレーザ発振器をレーザ光源として用いたものが知られている。ファイバレーザ発振器は、ＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れ、発振効率が極めて高い等の利点を有する。このため、ファイバレーザ発振器を用いたファイバレーザ加工装置は、産業用、特に板金加工用（切断又は溶接等）に利用されている。

更に近年では、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）発振器をレーザ光源として用いるＤＤＬ加工装置が開発されている。ＤＤＬ加工装置は、共振器内に回折格子等の複数の光学素子を配置し、当該光学素子を用いて複数のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）からの多波長（multiple-wavelength）のレーザ光を重畳し、伝送ファイバを用いて加工ヘッドまで伝送する。そして、伝送ファイバの端面から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ及び集光レンズ等により被加工材上に集光されて照射される。

ところで、従来のＬＤを用いた装置においては、ＬＤを冷却するための冷却装置が設けられている（特許文献１参照）。

特開２００２−３１４０１１号公報

しかしながら、ＤＤＬ加工装置においては、特に共振器内に配置される回折格子等の光学素子に対して、ＬＤ用の冷却装置を流用して冷却すると、光学素子を十分に温度管理することができない。このため、共振等のための光学条件に影響が出て、レーザ出力の安定性が得られないという課題がある。

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、多波長のレーザ光を入射する光学素子に対し十分に温度制御を行うことができ、多波長のレーザ光の出力の安定化を図ることができるダイレクトダイオードレーザ発振器を提供することである。

本発明の一態様によれば、多波長のレーザ光をそれぞれ出力する複数のレーザダイオードと、複数のレーザダイオードにより出力された多波長のレーザ光を入射する光学素子と、複数のレーザダイオードのうちの少なくとも１つを冷却するＬＤ用冷却装置と、ＬＤ用冷却装置とは別系統で光学素子を冷却する光学素子用冷却装置とを備えるダイレクトダイオードレーザ発振器が提供される。

本発明によれば、多波長のレーザ光を入射する光学素子に対して適切に温度制御を行うことができ、多波長のレーザ光の出力の安定化を図ることができるダイレクトダイオードレーザ発振器を提供することができる。

本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置の一例を示す斜視図である。 図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るＤＤＬ発振器の一例を示す正面図である。図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係るＤＤＬ発振器の一例を示す側面図である。 本発明の実施形態に係るＤＤＬモジュールの一例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るＤＤＬ発振器に設ける冷却装置の配置例を示す概略図である。 本発明のその他の実施形態に係るＤＤＬ発振器に設ける冷却装置の配置例を示す概略図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。

図１を参照して、本発明の実施形態に係るダイレクトダイオードレーザ（以下、「ＤＤＬ」という）加工装置の全体構成を説明する。本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、図１に示すように、多波長のレーザ光ＬＢを発振するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振されたレーザ光ＬＢを伝送する伝送ファイバ（プロセスファイバ）１２と、伝送ファイバ１２により伝送されたレーザ光ＬＢを高エネルギー密度に集光させて被加工材（ワーク）Ｗに照射するレーザ加工機１３とを備える。本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は更に、レーザ発振器１１に接続されたＬＤ用冷却装置７０及び光学素子用冷却装置７１，７２，７３を備える。

レーザ加工機１３は、伝送ファイバ１２から射出されたレーザ光ＬＢをコリメータレンズ１５で略平行光に変換するコリメータユニット１４と、略平行光に変換されたレーザ光ＬＢを、Ｘ軸及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向下方に向けて回折する分散素子（回折格子）１６と、分散素子１６により回折されたレーザ光ＬＢを集光レンズ１８で集光する加工ヘッド１７とを備える。なお、図１では図示を省略するが、コリメータユニット１４内には、コリメータレンズ１５を光軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に駆動するレンズ駆動部が設置されている。また、ＤＤＬ加工装置は、レンズ駆動部を制御する制御部を更に備える。

レーザ加工機１３は更に、被加工材Ｗが載置される加工テーブル２１と、加工テーブル２１上においてＸ軸方向に移動する門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上においてＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に移動するＹ軸キャリッジ２３とを備える。コリメータユニット１４内のコリメータレンズ１５、分散素子１６、及び加工ヘッド１７内の集光レンズ１８は、予め光軸の調整が成された状態でＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３と共にＹ軸方向に移動する。なおＹ軸キャリッジ２３に対して上下方向へ移動可能なＺ軸キャリッジを設け、当該Ｚ軸キャリッジに集光レンズ１８を設けることも出来る。

本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置は、集光レンズ１８により集光されて最も小さい集光直径（最小集光直径）のレーザ光ＬＢを被加工材Ｗに照射し、また同軸にアシストガスを噴射して溶融物を除去しながら、Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３を移動させる。これにより、ＤＤＬ加工装置は被加工材Ｗを切断加工することができる。被加工材Ｗとしては、ステンレス鋼、軟鋼、アルミニウム等の種々の材料が挙げられる。被加工材Ｗの板厚は、例えば０．１ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。

次に、図２及び図３を参照して、レーザ発振器１１について説明する。レーザ発振器１１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、筐体６０と、筐体６０内に収容され、伝送ファイバ１２に接続されているＤＤＬモジュール１０と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０に電力を供給する電源部６１と、筐体６０内に収容され、ＤＤＬモジュール１０の出力等を制御する制御モジュール６２等が設けられている。また、筐体６０の外側には、筐体６０内の温度及び湿度を調整する空調機器６３が設置されている。

ＤＤＬモジュール１０は、図３に示すように、多波長（multiple-wavelength）λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光を重畳して出力する。ＤＤＬモジュール１０は、複数のレーザダイオード（以下、「ＬＤ」という）３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ（ｎは４以上の整数）と、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎにファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎを介して接続され、多波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光に対してスペクトルビーム結合（spectral beam combine）を行うスペクトルビーム結合部５０と、スペクトルビーム結合部５０からのレーザ光を集光して伝送ファイバ１２へ入射させる集光レンズ５４とを備える。

複数のＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎとしては、各種の半導体レーザが採用可能である。ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎの種類と数の組み合わせは特に限定されず、板金加工の目的に合わせて適宜選択可能である。ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎの波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎは、例えば１０００ｎｍ未満で選択したり、８００ｎｍ〜９９０ｎｍの範囲で選択したり、９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲で選択したりすることができる。

多波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光は、例えば、波長帯域毎に群（ブロック）管理されて制御される。そして、波長帯域毎に個別に出力を可変調節することができる。また、全波長帯域の出力を吸収率が一定となるよう調整することができる。

切断加工に際しては、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎを同時に動作させると共に、酸素、窒素等の適宜のアシストガスを焦点位置近傍へ吹き付ける。これにより、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎからの各波長のレーザ光が、相互に協働すると共に、酸素等のアシストガスとも協働してワークを高速で溶融する。また当該溶融ワーク材料がアシストガスにより吹き飛ばされてワークが高速で切断される。

スペクトルビーム結合部５０は、ファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎの射出端側を束ねて固定しファイバアレイ４とする固定部５１と、ファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎからのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ５２と、多波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・，λ_ｎのレーザ光を回折し光軸を一致させる回折格子（diffraction grating）５３と、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ後端部に設けた反射面と共に共振器を構成する部分反射カプラ５５を備える。なお、図３では一例として部分反射カプラ５５を回折格子５３の後段に配置したが、部分反射カプラ５５の配置位置はこれに限定されるものではない。

ここで、レーザ発振器１１においては、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎに求められる温度管理と、コリメータレンズ５２、回折格子５３及び集光レンズ５４等の光学素子に求められる温度管理との厳密さには差異がある。即ち、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎの冷却温度は、仕様温度内であれば電気−光変換効率に大きな変化はない。また低温であればあるほど寿命が長くなるので、露点の許容する範囲でできるだけ低温を選び、その値に固定して冷却すればよい。一方、コリメータレンズ５２、回折格子５３及び集光レンズ５４等の光学素子は、共振に利用される部分も含まれており、回折現象などに顕著な影響が出るから、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎよりも厳密に温度管理をする必要がある。

そこで、本発明の実施形態では、図４に示すように、ＤＤＬモジュール１０のＬＤ群３にＬＤ用冷却装置７０を接続するとともに、これとは独立して、ＤＤＬモジュール１０内の光学素子５２，５３，５４に光学素子用冷却装置７１，７２，７３を接続する。図４に示したＬＤ群３は、図３に示したＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎで構成される。なお、図３に示した部分反射カプラ５５にも同様の光学素子用冷却装置が接続されていてもよい。

ＬＤ用冷却装置７０及び光学素子用冷却装置７１，７２，７３としては、チラー式又はペルチェ式等の種々の冷却方式のものが使用可能である。ＬＤ用冷却装置７０及び光学素子用冷却装置７１，７２，７３は互いに同一の装置を使用してもよく、異なる装置を使用してもよい。光学素子用冷却装置７１，７２，７３同士も、同一の装置を使用してもよく、異なる装置を使用してもよい。

ＬＤ用冷却装置７０は、冷却経路７０ａを介してＬＤ群３に接続されている。ＬＤ群３には温度センサ７０ｂが取り付けられている。なお、ＬＤ群３に対して２つ以上の温度センサが取り付けられていてもよい。温度センサ７０ｂにより検出された温度データは、ＬＤ用冷却装置７０の温調機能部にフィードバックされる。例えば、制御部６２が、温度センサ７０ｂにより検出された温度データに基づいて、ＬＤ群３の温度が所定の閾値以下となるようにＬＤ用冷却装置７０の設定温度を制御する。

なお、図４では、１つのＬＤ用冷却装置７０がＬＤ群３を冷却する場合を示すが、ＬＤ用冷却装置７０の冷却対象となるＬＤの数は特に限定されない。波長帯域毎の出力の精度を維持するために、群管理されている波長帯域毎にＬＤ用冷却装置がそれぞれ設けられていてもよい。

一方、光学素子用冷却装置７１，７２，７３は、ＬＤ用冷却装置７０とは別系統で光学素子５２，５３，５４を冷却する。光学素子用冷却装置７１，７２，７３は、冷却経路７１ａ，７２ａ，７３ａを介して光学素子５２，５３，５４に接続されている。光学素子用冷却装置７１，７２，７３は、図示を省略した分配器等を用いて冷却水等を分配し、冷却経路７１ａ，７２ａ，７３ａを循環させる。

冷却経路７１ａ，７２ａ，７３ａは、光学素子５２，５３，５４の冷却に寄与するように、スペクトルビーム結合部５０等の側壁や底面等の、光学素子５２，５３，５４の近傍に配設されている。各光学素子５２，５３，５４近傍には温度センサ７１ｂ，７２ｂ，７３ｂが取り付けられている。なお、光学素子５２，５３，５４毎に温度センサ７１ｂ，７２ｂ，７３ｂを設けなくてもよく、例えば光学素子５２，５３，５４に対して１つの温度センサを取り付けてもよい。

温度センサ７１ｂ，７２ｂ，７３ｂにより検出された温度データは光学素子用冷却装置７１，７２，７３の温調機能部にフィードバックされる。例えば、各光学素子５２，５３，５４の温度と、伝送ファイバ１２の射出端や加工点等の出力との関係のデータを実験等により事前に求めておき、そのデータを元に許容される温度範囲を各出力にて設定する。制御部６２は、温度センサ７１ｂ，７２ｂ，７３ｂにより測定された温度が許容される温度範囲を超えた場合、許容される温度範囲内に収まるように光学素子用冷却装置７１，７２，７３の温度設定値をそれぞれ変更させる。

光学素子用冷却装置７１，７２，７３により制御される光学素子５２，５３，５４の温度範囲は、ＬＤ用冷却装置７０により制御されるＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎの温度範囲よりも狭くてもよい。この場合、光学素子５２，５３，５４の温度管理をＬＤ群３の温度管理よりも厳密に行うことができる。例えば、ＬＤ用冷却装置７０は、ＬＤ群３の温度をその設定温度（例えば２５℃）の±５％に制御する。一方、光学素子用冷却装置７１，７２，７３は、光学素子５２，５３，５４の温度をその設定温度（例えば３０℃）の±３％に制御する。

本発明によれば、レーザ発振器１１において、ＬＤ群３を冷却するため冷却経路７０ａ及びＬＤ用冷却装置７０に加えて、光学素子５２，５３，５４を冷却するための冷却経路７１ａ，７２ａ，７３ａ及び光学素子用冷却装置７１，７２，７３を独立して設けることにより、ＬＤ群３とは個別に光学素子の５２，５３，５４温度制御が可能となる。したがって、外気温やＬＤ群３の冷却水の温度が変動した場合でも、共振器間に配置される光学素子５２，５３（部分反射カプラ５５が集光レンズ５４の後方に配置される場合は、光学素子５２，５３、５４）の温度を個別に制御することができる。したがって、光学素子５２，５３，５４の信頼性が得られ、レーザ出力の安定化を図ることができる。

また、光学素子５２，５３，５４に取り付けた温度センサ７１ｂ，７２ｂ，７３ｂの値をフィードバックして光学素子用冷却装置７１，７２，７３の設定温度を変更することにより、スペクトルビーム結合に最適な温度調節を行うことができる。また、光学素子５２，５３，５４の温度を、出力変動が起きないように許容される温度範囲内に抑えることにより、レーザの出力を安定させることができる。

（その他の実施形態）
本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

図４では光学素子５２，５３，５４毎に１つの光学素子用冷却装置７１，７２，７３を備える場合を説明したが、光学素子用冷却装置の数や、１つの光学素子用冷却装置により冷却される光学素子の数は特に限定されない。例えば、複数の光学素子５２，５３，５４が管理される温度範囲が同様の場合等には、図５に示すように、複数の光学素子５２，５３，５４に対して１つの光学素子用冷却装置７１を備えていてもよい。

また、光学素子用冷却装置７１，７２，７３による冷却対象となる光学素子としては、コリメータレンズ５２、回折格子５３及び集光レンズ５４に特に限定されず、ＤＤＬモジュール１０内の他の光学素子であってもよい。

本発明の実施形態に係るＤＤＬ加工装置による板金加工としては、切断加工の他にも、レーザフォーミング加工、焼鈍、アニーリング及びアブレーション等の種々の板金加工に適用可能である。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

３…ＬＤ群
１０…ＤＤＬモジュール
１１…レーザ発振器
１２…伝送ファイバ（プロセスファイバ）
１３…レーザ加工機
１４…コリメータユニット
１５…コリメータレンズ
１６…ベンドミラー
１７…加工ヘッド
１８…集光レンズ
２１…加工テーブル
２２…Ｘ軸キャリッジ
２３…Ｙ軸キャリッジ
３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ…レーザダイオード（ＬＤ）
４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎ…ファイバ
５０…スペクトルビーム結合部
５１…固定部
５２…コリメータレンズ（光学素子）
５３…回折格子（光学素子）
５４…集光レンズ（光学素子）
５５…部分反射カプラ（光学素子）
６０…筐体
６１…電源部
６２…制御モジュール
６３…空調機器
７０…ＬＤ用冷却装置
７１，７２，７３…光学素子用冷却装置
７１ａ，７２ａ，７３ａ…冷却経路
７１ｂ，７２ｂ，７３ｂ…温度センサ
７０ａ…冷却経路
７０ｂ…温度センサ

Claims (5)

1. 多波長のレーザ光をそれぞれ出力する複数のレーザダイオードと、
   前記複数のレーザダイオードにより出力された多波長のレーザ光を入射する光学素子と、
   前記複数のレーザダイオードのうちの少なくとも１つを冷却するＬＤ用冷却装置と、
   前記ＬＤ用冷却装置とは別系統で前記光学素子を冷却する光学素子用冷却装置
   とを備えることを特徴とするダイレクトダイオードレーザ発振器。
2. 前記光学素子用冷却装置により制御される前記光学素子の温度範囲が、前記ＬＤ用冷却装置により制御される前記レーザダイオードの温度範囲よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載のダイレクトダイオードレーザ発振器。
3. 前記ＬＤ用冷却装置が、前記レーザダイオードを設定温度の±５％で制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のダイレクトダイオードレーザ発振器。
4. 前記光学素子用冷却装置が、前記光学素子を設定温度の±３％で制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ発振器。
5. 前記光学素子を複数個有し、
   前記光学素子用冷却装置が、前記複数個の光学素子を冷却することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ発振器。
   

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