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JP5694711B2 - Ｍｏｐａ方式ファイバレーザ加工装置及び励起用レーザダイオード電源装置 - Google Patents

Ｍｏｐａ方式ファイバレーザ加工装置及び励起用レーザダイオード電源装置 Download PDF

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Description

本発明は、シード光を光ファイバの中で増幅して得られる光ビームを被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置およびこれに使用可能な励起用レーザダイオード電源装置に関する。
最近、ファイバレーザで生成したレーザ光を被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うファイバレーザ加工装置が普及している。その中で、ＭＯＰＡ（Master Oscillator _ Power Amplifier）方式のファイバレーザ加工装置も注目されている。
ＭＯＰＡ方式は、コアにＹｂ等の希土類元素を添加した光ファイバをレーザ増幅用のアクティブファイバに使用し、シードレーザで生成した比較的低い出力のシード光を一端から該アクティブファイバのコアに入れて他端まで伝播させながら、コアを励起光で励起することによって、コアの中でシード光を高出力の加工用光ビームに増幅または変換するものであり、光／光変換効率が高くてビームモードが安定している等の特長を有している。
従来より、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置では、アクティブファイバを励起するための光源にレーザダイオード（ＬＤ）がよく用いられている（たとえば特許文献１）。
図１２に、励起用ＬＤを駆動するための従来の励起用ＬＤ電源装置の回路構成を示す。この励起用ＬＤ電源装置は、直流電源１００に対して励起用ＬＤ１０２と直列にスイッチング素子１０４およびチョークコイル１０６を接続している。また、直流電源１００と並列に平滑用のコンデンサ１０８を接続するとともに、チョークコイル１０６および励起用ＬＤ１０２と並列にフライホイール・ダイオード１１０を接続し、ＬＤ駆動電流ｉdが流れる電流路（導体）にたとえばホール素子を有する電流センサ１１２を取り付けている。制御部１１４は、電流センサ１１２より得られるＬＤ駆動電流Ｉdの測定値ｍｉdが設定値に一致するように、たとえばパルス幅制御（ＰＷＭ）方式によりスイッチング素子１０４を一定の高い周波数でスイッチング制御する。スイッチング素子１０４がスイッチング・オフしている期間中は、チョークコイル１０６に蓄積されていた電磁エネルギーがＬＤ駆動電流ｉdとなって励起用ＬＤ１０２およびフライホイール・ダイオード１１０を還流するようになっている。
米国特許第６２７５２５０号
たとえば、マーキング加工用のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においては、１回の連続した描画ストロークが終了すると、いったんそこでシードレーザおよび励起光源が停止する。そして、次の描画ストロークが開始すると、シードレーザおよび励起光源がシード光および励起光の発生をそれぞれ再開する。
その場合、シード光のピークパワーは低いので（通常数１０ｍＷ以下）、シードレーザはシード光の発生を即座に（通常１０μｓ以下の時間遅れで）再開することができる。
一方、励起光のパワーはシード光のパワーよりも格段に高い（たとえば数１０Ｗ以上）。しかるに、上記のようなスイッチング方式の励起用ＬＤ電源装置（図１２）は、応答性が良くなく、たとえば３００ｋＨｚのスイッチング動作を行うときは、立ち上がりに５０μｓ以上の時間を要する。このため、このような励起用ＬＤ電源装置を励起光源に用いるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においては、マーキング速度が励起光源の立ち上がり速度によって律速または制限されるという問題があった。
また、上記従来の励起用ＬＤ電源装置は、ＬＤ駆動電流ｉdにスイッチング周波数のリップルが発生し、そのリップルの影響によって励起用ＬＤ光のパワーが変動するという問題もある。このため、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置においては、励起用ＬＤ光のパワー変動により、アクティブファイバの出力端より取り出される加工用レーザ光のパワーが変動し、これがレーザ加工の品質に影響することがある。
上記のようなスイッチング方式の電源装置に代えて、図１３に示すようなドロッパ方式の電源装置を励起用ＬＤの駆動に用いることが考えられる。この励起用ＬＤ電源装置は、スイッチング素子１０４に代えて増幅器またはドライバとして機能する駆動トランジスタ１１６を直流電源１００と励起用ＬＤ１０２との間に接続する。駆動トランジスタ１１６には応答速度に優れたバイポーラトランジスタが好適に用いられる。制御部１１８は、電流センサ１１２より得られるＬＤ駆動電流Ｉdの測定値ｍｉdが設定値に一致するように、抵抗１２０を介して駆動トランジスタ１１６のベース端子に制御電圧ｖcを供給する。
このドロッパ方式の励起用ＬＤ電源装置は、電流リップルが殆どないばかりか、応答性がよく、立ち上がり時間を５μｓ程度に短縮できる反面、励起用ＬＤ１０２に十分な駆動電流Ｉdを流せないという欠点がある。
上記のような単一ドロッパ方式の欠点を補うために、図１４に示すように、複数個（たとえば３個）の駆動トランジスタ１１６Ａ，１１６Ｂ，１１６Ｃを並列接続して駆動電流量を倍増させる多重ドロッパ方式が考えられる。この場合、制御部１１８は、電流センサ１１２より得られるＬＤ駆動電流Ｉdの測定値ｍｉdが設定値に一致するように、抵抗１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃを介して駆動トランジスタ１１６Ａ，１１６Ｂ，１１６Ｃのそれぞれのベース端子に共通の制御電圧ｖcを供給する。
この多重ドロッパ方式は、通常は駆動トランジスタ１１６Ａ，１１６Ｂ，１１６Ｃに同一製品のトランジスタを用いるが、トランジスタパラメータにばらつきがあると、特に電流利得ｈfeにばらつきがあると、駆動電流量を均等にバランスさせるのが難しく、それによって駆動負担の大きいものから故障しやすくなるという問題がある。
この問題に対しては、図１５に示すように、各々の駆動トランジスタ１１６Ａ，１１６Ｂ，１１６Ｃの出力電流ｉ1，ｉ2，ｉ3に対して個別にフィードバック制御をかける技法が１つの解決法になり得る。しかし、この技法は、複数個の電流センサ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃを必要とするだけでなく、複数の独立したフィードバック制御回路を必要とするため制御部１１８の負担が大きく、装置全体が煩雑化する。
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、電流リップルが無くて応答性に優れ、しかも励起用レーザダイオードに十分大きな駆動電流を安定に供給して、高パワーで立ち上がりの速い励起光を生成できる励起用レーザダイオード電源装置およびこれを用いるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置を提供する。
本発明の第１の観点における励起用レーザダイオード電源装置は、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において発光動作停止の中断時間を挟んで断続的に励起光を発生するようにレーザダイオードを駆動する励起用レーザダイオード電源装置であって、前記レーザダイオードに電力を供給するための直流電源と、前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記レーザダイオードとは直列に接続される複数の駆動トランジスタと、前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記複数の駆動トランジスタとそれぞれ直列に接続される複数の第１の抵抗を含み、前記複数の駆動トランジスタの出力電流を均等にバランスさせる均等化回路と、前記複数の駆動トランジスタの少なくとも１つを流れる電流の電流値を測定する測定部と、前記測定部で得られる電流測定値が設定値に一致するように、前記複数の駆動トランジスタの制御端子に同時に与える電圧または電流を制御する制御部とを有し、前記均等化回路は、前記制御部の共通出力端子と前記複数の駆動トランジスタの制御端子との間にそれぞれ設けられる複数の第２の抵抗を有し、前記制御部より出力される共通の制御電圧を前記複数の第２の抵抗を介して前記複数の駆動トランジスタの制御端子に与える。
本発明の第２の観点における励起用レーザダイオード電源装置は、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において発光動作停止の中断時間を挟んで断続的に励起光を発生するようにレーザダイオードを駆動する励起用レーザダイオード電源装置であって、前記レーザダイオードに電力を供給するための直流電源と、前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記レーザダイオードとは直列に接続される複数の駆動トランジスタと、前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記複数の駆動トランジスタとそれぞれ直列に接続される複数の第１の抵抗を含み、前記複数の駆動トランジスタの出力電流を均等にバランスさせる均等化回路と、前記複数の抵抗の少なくとも１つに得られる電圧を測定する測定部と、前記測定部で得られる電圧測定値が設定値に一致するように、前記複数の駆動トランジスタの制御端子に同時に与える電圧または電流を制御する制御部とを有し、前記均等化回路は、前記制御部の共通出力端子と前記複数の駆動トランジスタの制御端子との間にそれぞれ設けられる複数の第２の抵抗を有し、前記制御部より出力される共通の制御電圧を前記複数の第２の抵抗を介して前記複数の駆動トランジスタの制御端子に与える。
本発明の第３の観点における励起用レーザダイオード電源装置は、ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において発光動作停止の中断時間を挟んで断続的に励起光を発生するようにレーザダイオードを駆動する励起用レーザダイオード電源装置であって、前記レーザダイオードに電力を供給するための直流電源と、前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記レーザダイオードとは直列に接続される複数の駆動トランジスタと、前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記複数の駆動トランジスタとそれぞれ直列に接続される複数の第１の抵抗を含み、前記複数の駆動トランジスタの出力電流を均等にバランスさせる均等化回路と、前記レーザダイオードを流れる電流の電流値を測定する測定部と、前記測定部で得られる電流測定値が設定値に一致するように、前記複数の駆動トランジスタの制御端子に同時に与える電圧または電流を制御する制御部とを有し、前記均等化回路は、前記制御部の共通出力端子と前記複数の駆動トランジスタの制御端子との間にそれぞれ設けられる複数の第２の抵抗を有し、前記制御部より出力される共通の制御電圧を前記複数の第２の抵抗を介して前記複数の駆動トランジスタの制御端子に与える。
本発明の励起用レーザダイオード電源装置においては、複数の駆動トランジスタがそれぞれオン・オフ式のスイッチング素子ではなくアナログ増幅回路として動作し、制御部からの制御電圧または制御電流に応じた駆動電流をレーザダイオードに多重に供給するので、駆動電流にリップルが含まれないのはもちろん、発光動作を開始する際に駆動電流の立ち上がりを速くし、励起光の立ち上がり時間を短縮することができる。さらに、複数の駆動トランジスタの間でトランジスタパラメータにばらつきがあっても、（制御部の共通出力端子と複数の駆動トランジスタの制御端子との間にそれぞれ設けられる複数の第２の抵抗を有し、制御部より出力される共通の制御電圧を複数の第２の抵抗を介してそれら複数の駆動トランジスタの制御端子に与える）均等化回路の働きにより、それぞれの出力電流が均等または一定の比になるように自動的にバランスする。したがって、駆動負担がいずれかの駆動トランジスタに偏ることがなく、故障を少なくすることができる。
本発明の好適な一態様においては、上記複数の駆動トランジスタがそれぞれバイポーラトランジスタからなり、上記複数の抵抗はそれら複数の駆動トランジスタのエミッタ端子側にそれぞれ接続される。そして、制御部は、それら複数の駆動トランジスタのベース端子にそれぞれ個別の入力抵抗を介して共通の制御電圧を供給する。好ましくは、それらの入力抵抗は、おおよそ等しい抵抗値を有する。
別の好適な一態様においては、上記複数の駆動トランジスタはそれぞれ電界効果型トランジスタからなり、上記複数の抵抗はそれら複数の駆動トランジスタのソース端子側にそれぞれ接続される。そして、制御部は、それら複数の駆動トランジスタのゲート端子に共通の制御電圧を供給する。
本発明の第１の観点におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、シード光を生成するためのシード光源と、希土類元素として少なくともＹｂを添加したコアを有し、前記シード光を入力端より前記コアの中に入れ、前記シード光を出力端に向けて伝搬させながら誘導放出により増幅する増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバのコアを励起するための励起光を発生する励起用レーザダイオードと、前記励起用レーザダイオードを点灯駆動するための本発明の励起用レーザダイオード電源装置と、前記シード光源および前記励起用レーザダイオードを前記増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する光結合器と、前記増幅用光ファイバの出力端から出るパルス波形の光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部とを有する。
本発明の第２の観点におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、シード光を生成するためのシード光源と、希土類元素として少なくともＹｂを添加したコアを有し、前記シード光を入力端より前記コアの中に入れ、前記シード光を出力端に向けて伝搬させながら誘導放出により増幅する第１の増幅用光ファイバと、前記第１の増幅用光ファイバのコアを励起するための励起光を発生する第１の励起用レーザダイオードと、前記励起用レーザダイオードを点灯駆動するための第１の本発明の励起用レーザダイオード電源装置と、前記シード光源および前記第１の励起用レーザダイオードを前記第１の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第１の光結合器と、希土類元素として少なくともＹｂを添加した第２のコアを有し、前記第１の増幅用光ファイバの出力端からの前記第１段増幅パルスの光ビームを入力端より前記第２のコアの中に入れ、前記第１段増幅パルスの光ビームを伝搬させながら誘導放出により増幅して、出力端より第２段増幅パルスの光ビームを出す第２の増幅用光ファイバと、前記第２の増幅用光ファイバの第２のコアを励起するための第２の励起光を発生する第２の励起用レーザダイオードと、前記第２の励起用レーザダイオードを点灯駆動するための第２の本発明の励起用レーザダイオード電源装置と、前記第１の増幅用光ファイバの出力端および前記第２の励起用レーザダイオードを前記第２の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第２の光結合器と、前記第２の増幅用光ファイバの出力端から出た前記第２段増幅パルスの光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部とを有する。
上記第１および第２のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、本発明の励起用レーザダイオード電源装置を備えることにより、アクティブファイバのポンピング性能を向上させ、ひいてはレーザ加工の品質、加工能力および効率を向上させることができる。
本発明の励起用レーザダイオード電源装置によれば、上記のような構成および作用により、電流リップルが無くて応答性に優れ、しかも十分大きな駆動電流を励起用レーザダイオードに供給し、高パワーで立ち上がりの速い励起光を生成することができる。
また、本発明のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、レーザ加工の品質、加工能力および効率を向上させることができる。
本発明の一実施形態におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。 上記ファイバレーザ加工装置に組み込まれるポンプＬＤ電源装置の回路構成を示す図である。 マーキング加工において描画ストロークが中断する場合の一例を示す図である。 マーキング加工における各部の波形およびタイミング関係を示す図である。 実施形態のポンプＬＤ電源装置に電流センサを設ける場合のセンサ取付位置を示す図である。 実施形態のポンプＬＤ電源装置においてポンプＬＤの接続位置に関する一変形例を示す図である。 実施形態のポンプＬＤ電源装置においてポンプＬＤの接続位置に関する一変形例を示す図である。 実施形態のポンプＬＤ電源装置においてポンプＬＤの接続位置に関する一変形例を示す図である。 実施形態のポンプＬＤ電源装置において駆動トランジスタにＰＮＰ型トランジスタを用いる一構成例を示す図である。 実施形態のポンプＬＤ電源装置において駆動トランジスタにＰＮＰ型トランジスタを用いる一構成例を示す図である。 実施形態のポンプＬＤ電源装置において駆動トランジスタにＭＯＳトランジスタ（ＦＥＴ）を用いる一構成例を示す図である。 ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置で用いられている従来の励起用ＬＤ電源装置の回路構成を示す図である。 ドロッパ方式の励起用ＬＤ電源装置の一例を示す図である。 ドロッパ方式の励起用ＬＤ電源装置の別の例を示す図である。 ドロッパ方式の励起用ＬＤ電源装置の他の例を示す図である。
以下、図１〜図１１を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図１に、本発明の一実施形態におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置の構成を示す。このファイバレーザ加工装置は、シード光発生部１０、第１および第２の増幅用光ファイバ（以下「アクティブファイバ」と称する）１２，１４および光ビーム照射部１６をアイソレータ１８，２０，２２および光結合器２４，２６を介して光学的に縦続接続している。
シード光発生部１０は、シード用のレーザダイオード（以下「シードＬＤ」と称する。）３０と、このシードＬＤ３０をパルス波形の電流で駆動してパルス発振させるシードＬＤ電源回路３２と、シードＬＤ３０の温度を制御するＬＤ温調部３４とを有している。シードＬＤ３０は、ファイバカップリングＬＤとして構成されている。
シード光発生部１０と第１のアクティブファイバ１２との間に設けられる光結合器２４は、複数たとえば３つの入力ポート２４IN(1)，２４IN(2)，２４IN(3)と１つの出力ポート２４OUTとを有している。第１の入力ポート２４IN(1)には、アイソレータ１８を介してシードＬＤ３０が接続される。第２の入力ポート２４IN(2)には、第１のアクティブファイバ１２のコアを励起するための励起用ＬＤ（以下「ポンプＬＤ」と称する。）３６が接続される。第３の入力ポート２４IN(3)は、増設ポートであり、ここに別のポンプＬＤ３６（図示せず）を接続することも可能となっている。出力ポート２４OUTには、アクティブファイバ１２の入力端が接続される。
シード光発生部１０、アイソレータ１８および光結合器２４によって、第１のアクティブファイバ１２に対するシード光注入部が構成されている。また、ポンプＬＤ３６および光結合器２４によって、第１のアクティブファイバ１２に対する励起光注入部が構成されている。
第１のアクティブファイバ１２は、少なくともＹｂイオンを添加した石英からなるコアと、このコアを同軸に取り囲むたとえば石英からなるクラッドとを有しており、全長（ファイバ長）がたとえば３〜１５ｍに選ばれている。第１のアクティブファイバ１２（第１段アンプ）の利得は、ポンプＬＤ３６の総合出力によりたとえば１０〜４０ｄＢの範囲で調節可能となっている。
第１のアクティブファイバ１２と第２のアクティブファイバ１４との間に設けられる光結合器２６は、複数たとえば７つの入力ポート２６IN(1)，２６IN(2)〜２６IN(7)と１つの出力ポート２６OUTとを有している。第１の入力ポート２６IN(1)には、アイソレータ２０を介して第１のアクティブファイバ１２の出力端が接続される。第２〜第５の入力ポート２６IN(2) 〜２６IN(5)には、第２のアクティブファイバ１４のコアを励起するためのポンプＬＤ３８がそれぞれ接続される。第６および第７の入力ポート２６IN(2)，２６IN(7)は空きポートとなっているが、必要に応じてポンプＬＤを増設することもできる。出力ポート２６OUTには、第２のアクティブファイバ１４の入力端が接続される。
第２のアクティブファイバ１４も、第１のアクティブファイバ１２と同様に、少なくともＹｂを添加した石英からなるコアと、このコアを同軸に取り囲むたとえば石英からなるクラッドとを有しており、全長（ファイバ長）がたとえば３〜１５ｍに選ばれている。第２のアクティブファイバ１４（第２段アンプ）の利得は、ポンプＬＤ３８の総合出力によりたとえば１０〜４０ｄＢの範囲で調節可能となっている。
光ビーム照射部１６は、第２のアクティブファイバ１４の出力端より取り出されるパルス波形の加工用光ビームＬＢをたとえばコリメータ３９、ベントミラー４０等の光伝送系を介して受け取り、受け取った光ビームＬＢをステージ４２上の被加工物Ｗ表面の所望の位置に集光照射するようになっている。たとえば、マーキング加工を行う場合、光ビーム照射部１６にはガルバノスキャナが搭載される。
主制御部４４は、キーボードあるいはマウス等の入力装置４６およびディスプレイ（図示せず）等と接続するマイクロコンピュータからなり、メモリに格納された制御プログラムに基づいて上述した装置内の各部および装置全体の制御を行う。
このＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において、マーキング加工を行う場合、シード光発生部１０は、所定の波長を有するパルス波形のシード光（ＬＤ光）を所望のパルス幅（たとえば０．１〜２００ｎｓ）、所望のピークパワー（たとえば１０〜３００ｍＷ）および所望の繰り返し周波数（たとえば２０〜５００ｋＨｚ）で出力するように構成されている。なお、繰り返し周波数は、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲で選定することができる。シード光発生部１０より出力されたパルス波形のシード光は、アイソレータ１８および光結合器２４を介して第１のアクティブファイバ１２のコアに注入される。
一方、ポンプＬＤ３６は、所定の波長を有する連続波（ｃｗ）の励起光を出力するように構成されている。ポンプＬＤ３６より出力される連続波の励起光は光結合器２４を介して第１のアクティブファイバ１２のコアに注入される。
第１のアクティブファイバ１２の中で、シード光は、コアとクラッドとの境界面での全反射によって閉じ込められながらコアの中を軸方向にファイバ出力端側に向って伝搬する。一方、励起光は、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながらアクティブファイバ１２の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中のＹｂイオンを光励起する。
こうして、シード光と励起光とがアクティブファイバ１２を伝搬する間に、そのＹｂ添加コアにおいて励起光スペクトルの吸収とシード光スペクトルの誘導放出とが繰り返し行われ、アクティブファイバ１２の出力端より所望のパワー（たとえば２００Ｗのピークパワー）を有するまでに増幅されたシード光つまり第１段増幅パルスの光ビームが出力される。
第１のアクティブファイバ１２の出力端から出た第１段増幅パルスの光ビームは、アイソレータ２０および光結合器２６を介して第２のアクティブファイバ１４のコアに注入される。一方で、ポンプＬＤ３８からの連続波（ｃｗ）の励起光が光結合器２６を介して第２のアクティブファイバ１４のコアに注入される。
第２のアクティブファイバ１４においても、増幅対象の光ビームが異なるだけで、つまりシード光が第１段増幅光ビームに置き換わるだけで、第１のアクティブファイバ１２と同様の誘導放出による光増幅が行われ、アクティブファイバ１４の出力端より所望のパワー（たとえば２０ｋＷのピークパワー）を有する第２段増幅パルスの光ビームが出力される。
こうして、第２のアクティブファイバ１４の出力端から取り出された第２段増幅パルスの光ビームが、加工用の光ビームＬＢとして、たとえばコリメータ３９、ベントミラー４０を介して光ビーム照射部１６へ送られる。
光ビーム照射部１６は、マーキング加工用のガルバノスキャナおよびｆθレンズを備えている。ガルバノスキャナは、直交する２方向に首振り運動の可能な一対の可動ミラーを有しており、制御部４４の制御の下でシード光発生部１０のパルス発振動作に同期して両可動ミラーの向きを所定角度に制御することで、加工用光ビームＬＢをステージ４２上の被加工物Ｗ表面の所望の位置に集光照射する。被加工物Ｗの表面に施されるレーザ加工は、典型的には文字や図形等を描画するマーキング加工であるが、トリミング等の他の表面除去加工等も可能である。
このＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において、第１および第２のアクティブファイバ１２，１４のポンピングに用いられる各々のポンプＬＤ３６，３８は、主制御部４４の制御（制御信号ＰＣ）の下でポンプＬＤ電源回路５０によって駆動される。
以下、この実施形態におけるポンプＬＤ電源回路５０の構成および作用を説明する。
図２に示すように、このポンプＬＤ電源回路５０は、ポンプＬＤ３６（３８）に電力を供給するための直流電源５２と、この直流電源５２に対して、互いに並列に接続され、ポンプＬＤ３６（３８）とは直列に接続される複数たとえば３つの駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)と、直流電源５２に対して、互いに並列に接続され、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)とそれぞれ直列に接続される複数（３つ）の出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)とを有している。
直流電源５２は、たとえばＡＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータあるいはバッテリからなり、一定レベルの直流電圧を安定に出力するようになっている。ここで、直流電源５２の正極出力端子にはポンプＬＤ３６（３８）のアノード端子が接続されている。
駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)は、好ましくは同一製品のバイポーラトランジスタ（図示の例はＮＰＮ型トランジスタ）からなり、それぞれのコレクタ端子がポンプＬＤ３６（３８）のカソード端子に接続され、それぞれのエミッタ端子が出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)を介して直流電源５２の負極出力端子（または接地端子）に接続され、それぞれのベース端子には制御部５８からの共通の制御電圧ＶCが入力抵抗６０(1)，６０(2)，６０(3)を介して印加されるようになっている。
また、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のエミッタ端子は、モニタ抵抗６２(1)，６２(2)，６２(3)を介して出力測定回路６４の入力端子に接続されている。出力測定回路６４は、たとえば演算増幅器からなる加算回路を有し、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のエミッタ端子に得られる出力電流ＩE1，ＩE2，ＩE3（または出力電圧Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3）をモニタ抵抗６２(1)，６２(2)，６２(3)を介して取り込んで、その合計値または平均値を出力測定値ＭＩとして求め、求めた出力測定値ＭＩを制御部５８に与える。
制御部５８は、出力測定回路６４からの出力測定値ＭＩをＬＤ駆動電流ＩDに対応するフィードバック信号として受け取り、出力測定値ＭＩが設定値に一致するように、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のベース端子に与える制御電圧ＶC（または制御電流）を可変制御するようになっている。
なお、モニタ抵抗６２(1)，６２(2)，６２(3)の抵抗値は出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)に比して桁違いに高く、出力電流ＩE1，ＩE2，ＩE3の殆どは出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)を流れ、モニタ抵抗５４(1)，５４(2)，５４(3)には微小なモニタ用の分岐電流が流れるようになっている。また、入力抵抗６０(1)，６０(2)，６０(3)の抵抗値も十分高く、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のベース電流ＩB1，ＩB2，ＩB3は出力電流に比して微小であり、コレクタ電流ＩC1，ＩC2，ＩC3はエミッタ電流ＩE1，ＩE2，ＩE3とそれぞれ実質的に等しい。したがって、エミッタ電流ＩE1，ＩE2，ＩE3の総量は、コレクタ電流ＩC1，ＩC2，ＩC3の総量つまりＬＤ駆動電流ＩDと実質的に等しい。出力測定値ＭＩは、エミッタ電流ＩE1，ＩE2，ＩE3の総量を表わし、ひいてはＬＤ駆動電流ＩDの電流値を表わす。
このポンプＬＤ電源回路５０においては、複数の駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)が、制御部５８からの制御電圧ＶCに応じた出力電流またはコレクタ電流ＩC1，ＩC2，ＩC3によりポンプＬＤ３６（３８）を多重駆動する。したがって、ポンプＬＤ３６（３８）に十分大きなＬＤ駆動電流ＩDを供給し、励起光のパワーを任意に高くすることができる。また、各々の駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)は、オン・オフ動作のスイッチング素子ではなくアナログ増幅回路として動作するので、ＬＤ駆動電流ＩDにリップルが含まれないのはもちろん、ＬＤ駆動電流ＩDの立ち上がりをドロッパ方式並みに速くすることが可能である。
さらに、このポンプＬＤ電源回路５０においては、複数の駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)の間でトランジスタパラメータ（利得率、エミッタサイズ、ベース抵抗、コレクタ抵抗、エミッタ抵抗等）にばらつきがあっても、それぞれの出力電流を均等にバランスさせることができる。
たとえば、駆動トランジスタ５４(1)のコレクタ電流ＩC1（またはエミッタ電流ＩE1）が他の駆動トランジスタ５４(2)，５４(3)のコレクタ電流ＩC2，ＩC3（エミッタ電流ＩE2，ＩE3）に比して大きいときは、出力抵抗５６(1)の電圧降下（つまりエミッタ電圧Ｖ1）が他の出力抵抗５６(2)，５６(3)の電圧降下（つまりエミッタ電圧Ｖ2，Ｖ3）よりも大きくなり、それによって駆動トランジスタ５４(1)のベース電流ＩE1が減少し、ひいてはコレクタ電流ＩC1が減少して他のコレクタ電流ＩC2，ＩC3におおよそ等しくなる（完全一致するか、またはそれに近い値になる）。
逆に、駆動トランジスタ５４(1)のコレクタ電流ＩC1（またはエミッタ電流ＩE1）が他の駆動トランジスタ５４(2)，５４(3)のコレクタ電流ＩC2，ＩC3（エミッタ電流ＩE2，ＩE3）に比して小さいときは、出力抵抗５６(1)の電圧降下（つまりエミッタ電圧Ｖ1）が他の出力抵抗５６(2)，５６(3)の電圧降下（つまりエミッタ電圧Ｖ2，Ｖ3）よりも小さくなり、それによって駆動トランジスタ５４(1)のベース電流ＩE1が増加し、ひいてはコレクタ電流ＩC1が増加して他のコレクタ電流ＩC2，ＩC3におおよそ等しくなる（完全一致するか、またはそれに近い値になる）。
このように、複数の駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)の間で出力電流が自動的に均等にバランスするので、ＬＤ駆動の負担がその中のいずれかに偏ることがなく、故障を少なくすることができる。
さらに、このポンプＬＤ電源回路５０は、ＬＤ駆動電流ＩDのフィードバック制御を行う上で、簡易な構成のモニタ抵抗６２(1)，６２(2)，６２(3)および出力測定回路６４によってＬＤ駆動電流ＩDの測定値を求めるようにしており、ホール素子を用いる高価な電流センサを不要としている。
なお、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)の中の１つ、たとえば５４(1)が電流遮断のオープン故障を起こしたときは、モニタ抵抗６２(1)には分岐電流が流れなくなる。その場合は、正常な他の駆動トランジスタ５４(2)，５４(3)の出力電流の合計値または平均値がモニタ抵抗６２(2)，６２(3)および出力測定回路６４によって測定され、出力測定値ＭＩとして制御部５８にフィードバックされる。制御部５８は、出力測定値ＭＩが設定値に一致するように駆動トランジスタ５４(2)，５４(3)に対して制御電圧ＶCを制御する。こうして、駆動トランジスタ５４(1)がオープン故障しても、正常な他の２つの駆動トランジスタ５４(2)，５４(3)によってＬＤ駆動電流ＩDが設定値に維持される。
この実施形態におけるＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置（図１）は、上記のようなポンプＬＤ電源回路５０を備えることにより、第１および第２のアクティブファイバ１２，１４のポンピング性能を向上させ、ひいてはレーザ加工の品質、加工能力および効率を向上させることができる。
図３および図４に、このＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置におけるマーキング加工の一作用を示す。
図３に示すように、たとえば文字“Ａ”のマーキングパターンは、ｆ1→ｆ2の連続した第１ストロークの描画と、ｆ3→ｆ4の連続した第２ストロークの描画とで形成される。ここで、第１および第２のストロークを描画する期間（ｔ1〜ｔ2），（ｔ3〜ｔ4）中は、シードＬＤ３０およびポンプＬＤ３６，３８よりシード光および励起光がそれぞれ出力されて、加工用光ビームＬＢが生成され、ガルバノスキャナが可動ミラーを首振り走査する。しかし、点線で示すｆ2→ｆ3の期間（ｔ2〜ｔ3）中は、シードＬＤ３０およびポンプＬＤ３６，３８が発光動作を停止し、シード光および励起光ひいては加工用光ビームＬＢが出力されないまま、ガルバノスキャナが可動ミラーを首振り走査する。
実際のマーキング加工では、上記のような中断の区間または期間が多くあり、各ストロークの描画を開始する度に励起光を立ち上げる。このため、励起光の立ち上がり時間ＴRを短いほど、加工用レーザ光の実質的な中断時間を短くし、ひいてはマーキング速度を向上させることができる。
この実施形態では、上記のように、オン・オフ動作のスイッチング素子ではなくアナログ増幅回路として動作する複数の駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)により十分な余裕をもってポンプＬＤ３６（３８）にＬＤ駆動電流を所望の電流値で供給できるので、ＬＤ駆動電流の立ち上がりが速く、励起光の立ち上がり時間ＴRを十分短くすることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
たとえば、上記の実施形態では、上述したように複数の駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)の間で出力電流が自動的に均等にバランスするようになっている。したがって、モニタ抵抗６２(1)，６２(2)，６２(3)の中のいずれか１つ、たとえばモニタ抵抗６２(1)だけを備え、駆動トランジスタ５４(1)を流れるエミッタ電流ＩE1をモニタ抵抗６２(1)を通じて測定し、出力測定回路６４においてそのエミッタ電流ＩE1の測定値（ＭＩE1）から全てのエミッタ電流ＩE1，ＩE2，ＩE3の合計値またはＬＤ駆動電流ＩDの近似値を求めることも可能である。
また、コストアップを伴うが、上記のようなモニタ抵抗に代えて、たとえばホール素子を有する電流センサを用いて、ポンプＬＤ３６（３８）を流れるＬＤ駆動電流ＩDの測定値ＭＩDを求める方式も可能である。
この場合、図５に示すように、直流電源５２の正極出力端子とポンプＬＤ３６（３８）のアノード端子との間の電流路、またはポンプＬＤ３６（３８）のカソード端子と駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のコレクタ端子との間の電流路、または出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)と直流電源５２の負極出力端子との間の電流路に電流センサ７０を設けてよい。
あるいは、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のいずれか１つ、たとえば駆動トランジスタ５４(2)の電流路に電流センサ７０を設け、駆動トランジスタ５４(2)を流れる電流（コレクタ電流ＩC1またはエミッタ電流ＩE1）を電流センサ７０によって測定することも可能である。この場合、電流センサ７０より得られる電流測定値を基に制御部５８においてＬＤ駆動電流ＩDの近似値を求めることができる。
上記の実施形態におけるポンプＬＤ電源回路５０は、直流電源５２の正極出力端子と駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のコレクタ端子との間に１個のポンプＬＤ３６（３８）を接続している（図２）。ポンプＬＤ電源回路５０の回路構成は、種種の変形が可能である。
たとえば、図６に示すように、出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)と直流電源５２の負極出力端子との間にポンプＬＤ３６（３８）を接続してもよい。この場合、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のエミッタ端子は、それぞれ出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)を介してポンプＬＤ３６（３８）のアノード端子に共通接続される。
あるいは、図７および図８に示すように、１つのポンプＬＤ電源回路５０において複数のポンプＬＤ３６（３８）を同時に駆動する構成も可能である。この場合、直流電源５２の正極出力端子と駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のコレクタ端子との間、および／または出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)と直流電源５２の負極出力端子との間に、１個または複数個のポンプＬＤ３６（３８）を直列に接続する構成を好適に採ることができる。
また、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)に関する変形例として、図９および図１０に示すように、それらにＰＮＰ型トランジスタを用いる構成も可能である。図９の構成例においては、ＰＮＰ型トランジスタからなる駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)が互いに並列接続され、それらのエミッタ端子がそれぞれ出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)を介して直流電源５２の正極出力端子に接続され、それらのコレクタ端子がポンプＬＤ３６（３８）のアノード端子に接続される。そして、ポンプＬＤ３６（３８）のカソード端子は、直流電源５２の負極出力端子に接続される。
図１０の構成例においては、直流電源５２の正極出力端子がポンプＬＤ３６（３８）のアノード端子に接続される。ポンプＬＤ３６（３８）のカソード端子は、出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)を介してＰＮＰ型トランジスタからなる駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のエミッタ端子に接続される。そして、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のコレクタ端子は、直流電源５２の負極出力端子に接続される。
図５〜図１０に示すように、ポンプＬＤ電源回路５０において、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)にバイポーラトランジスタを用いる場合は、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のエミッタ側に出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)がそれぞれ接続される。
また、ポンプＬＤ電源回路５０に備わる複数の駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)に、ＭＯＳトランジスタまたは電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を用いることも可能である。たとえば、図２のポンプＬＤ電源回路５０に備わる駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)にＮチャンネル型ＭＯＳトランジスタを用いた場合は、図１１に示すような構成になる。図示のように、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)にＭＯＳトランジスタ（ＦＥＴ）を用いる場合は、駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)のソース側に出力抵抗５６(1)，５６(2)，５６(3)がそれぞれ接続される。
本発明のポンプＬＤ電源回路において、ポンプＬＤの駆動に用いる複数の駆動トランジスタの数は任意であり、２個でもよく、あるいは４個以上であってもよい。
また、上記実施形態では、複数の駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)にトランジスタパラメータがおおよそ等しい同一製品のトランジスタを使用した。しかし、それらのトランジスタパラメータがはっきり違っていてもよい。たとえば、駆動トランジスタ５４(1)が他の駆動トランジスタ５４(2)，５４(3)の２倍の電流利得を有してもよく、その場合は出力抵抗５６(1)が他の出力抵抗５６(2)，５６(3)の１／２倍の抵抗値を有すればよい。この場合、複数の駆動トランジスタ５４(1)，５４(2)，５４(3)の間では、それぞれの出力電流が一定の比になるように自動的にバランスする。
上記実施形態のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置（図１）は、第１のアクティブファイバ１２に第２のアクティブファイバ１４を従続接続して２段アンプとしている。しかし、第２のアクティブファイバ１４を省いて一段（単）アンプの構成とすることや、あるいは第２のアクティブファイバ１４の後段に第３のアクティブファイバを接続して３段アンプの構成とすることも可能である。
本発明のＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置は、マーキング等の表面除去加工に限るものではなく、穴あけ、切断、溶接等の他のレーザ加工にも使用可能である。
１０ シード光発生部
１２ 第１のアクティブファイバ
１４ 第２のアクティブファイバ
１６ 光ビーム照射部
３０ シードＬＤ
３２ シード用ＬＤ電源回路
３６，３８ ポンプＬＤ
５０ ポンプＬＤ電源回路
５２ 直流回路
５４(1)，５４(2)，５４(3) 駆動トランジスタ
５６(1)，５６(2)，５６(3) 出力抵抗
５８ 制御部
６０(1)，６０(2)，６０(3) 入力抵抗
６２(1)，６２(2)，６２(3) モニタ抵抗
６４ 出力測定回路
７０ 電流センサ

Claims (8)

  1. ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において発光動作停止の中断時間を挟んで断続的に励起光を発生するようにレーザダイオードを駆動する励起用レーザダイオード電源装置であって、
    前記レーザダイオードに電力を供給するための直流電源と、
    前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記レーザダイオードとは直列に接続される複数の駆動トランジスタと、
    前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記複数の駆動トランジスタとそれぞれ直列に接続される複数の第１の抵抗を含み、前記複数の駆動トランジスタの出力電流を均等にバランスさせる均等化回路と、
    前記複数の駆動トランジスタの少なくとも１つを流れる電流の電流値を測定する測定部と、
    前記測定部で得られる電流測定値が設定値に一致するように、前記複数の駆動トランジスタの制御端子に同時に与える電圧または電流を制御する制御部と
    を有し、
    前記均等化回路は、前記制御部の共通出力端子と前記複数の駆動トランジスタの制御端子との間にそれぞれ設けられる複数の第２の抵抗を有し、前記制御部より出力される共通の制御電圧を前記複数の第２の抵抗を介して前記複数の駆動トランジスタの制御端子に与える、
    励起用レーザダイオード電源装置。
  2. ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において発光動作停止の中断時間を挟んで断続的に励起光を発生するようにレーザダイオードを駆動する励起用レーザダイオード電源装置であって、
    前記レーザダイオードに電力を供給するための直流電源と、
    前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記レーザダイオードとは直列に接続される複数の駆動トランジスタと、
    前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記複数の駆動トランジスタとそれぞれ直列に接続される複数の第１の抵抗を含み、前記複数の駆動トランジスタの出力電流を均等にバランスさせる均等化回路と、
    前記複数の抵抗の少なくとも１つに得られる電圧を測定する測定部と、
    前記測定部で得られる電圧測定値が設定値に一致するように、前記複数の駆動トランジスタの制御端子に同時に与える電圧または電流を制御する制御部と
    を有し、
    前記均等化回路は、前記制御部の共通出力端子と前記複数の駆動トランジスタの制御端子との間にそれぞれ設けられる複数の第２の抵抗を有し、前記制御部より出力される共通の制御電圧を前記複数の第２の抵抗を介して前記複数の駆動トランジスタの制御端子に与える、
    励起用レーザダイオード電源装置。
  3. ＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置において発光動作停止の中断時間を挟んで断続的に励起光を発生するようにレーザダイオードを駆動する励起用レーザダイオード電源装置であって、
    前記レーザダイオードに電力を供給するための直流電源と、
    前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記レーザダイオードとは直列に接続される複数の駆動トランジスタと、
    前記直流電源に対して、互いに並列に接続され、前記複数の駆動トランジスタとそれぞれ直列に接続される複数の第１の抵抗を含み、前記複数の駆動トランジスタの出力電流を均等にバランスさせる均等化回路と、
    前記レーザダイオードを流れる電流の電流値を測定する測定部と、
    前記測定部で得られる電流測定値が設定値に一致するように、前記複数の駆動トランジスタの制御端子に同時に与える電圧または電流を制御する制御部と
    を有し、
    前記均等化回路は、前記制御部の共通出力端子と前記複数の駆動トランジスタの制御端子との間にそれぞれ設けられる複数の第２の抵抗を有し、前記制御部より出力される共通の制御電圧を前記複数の第２の抵抗を介して前記複数の駆動トランジスタの制御端子に与える、
    励起用レーザダイオード電源装置。
  4. 前記複数の第２の抵抗は、おおよそ等しい抵抗値を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の励起用レーザダイオード電源装置。
  5. 前記複数の第１の抵抗は、おおよそ等しい抵抗値を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の励起用レーザダイオード電源装置。
  6. 前記複数の駆動トランジスタは、おおよそ等しいトランジスタパラメータを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の励起用レーザダイオード電源装置。
  7. シード光を生成するためのシード光源と、
    希土類元素として少なくともＹｂを添加したコアを有し、前記シード光を入力端より前記コアの中に入れ、前記シード光を出力端に向けて伝搬させながら誘導放出により増幅する増幅用光ファイバと、
    前記増幅用光ファイバのコアを励起するための励起光を発生する励起用レーザダイオードと、
    発光動作停止の中断時間を挟んで断続的に励起光を発生するように前記励起用レーザダイオードを点灯駆動する請求項１〜６のいずれか一項に記載の励起用レーザダイオード電源装置と、
    前記シード光源および前記励起用レーザダイオードを前記増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する光結合器と、
    前記増幅用光ファイバの出力端から出るパルス波形の光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部と
    を有するＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
  8. シード光を生成するためのシード光源と、
    希土類元素として少なくともＹｂを添加したコアを有し、前記シード光を入力端より前記コアの中に入れ、前記シード光を出力端に向けて伝搬させながら誘導放出により増幅する第１の増幅用光ファイバと、
    前記第１の増幅用光ファイバのコアを励起するための励起光を発生する第１の励起用レーザダイオードと、
    発光動作停止の中断時間を挟んで断続的に前記励起光を発生するように前記第１の励起用レーザダイオードを点灯駆動する請求項１〜６のいずれか一項に記載の第１の励起用レーザダイオード電源装置と、
    前記シード光源および前記第１の励起用レーザダイオードを前記第１の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第１の光結合器と、
    希土類元素として少なくともＹｂを添加した第２のコアを有し、前記第１の増幅用光ファイバの出力端からの前記第１段増幅パルスの光ビームを入力端より前記第２のコアの中に入れ、前記第１段増幅パルスの光ビームを伝搬させながら誘導放出により増幅して、出力端より第２段増幅パルスの光ビームを出す第２の増幅用光ファイバと、
    前記第２の増幅用光ファイバの第２のコアを励起するための第２の励起光を発生する第２の励起用レーザダイオードと、
    発光動作停止の中断時間を挟んで断続的に前記励起光を発生するように前記第２の励起用レーザダイオードを点灯駆動する請求項１〜６のいずれか一項に記載の第２の励起用レーザダイオード電源装置と、
    前記第１の増幅用光ファイバの出力端および前記第２の励起用レーザダイオードを前記第２の増幅用光ファイバの入力端に光学的に結合する第２の光結合器と、
    前記第２の増幅用光ファイバの出力端から出た前記第２段増幅パルスの光ビームを被加工物に集光照射する光ビーム照射部と
    を有するＭＯＰＡ方式ファイバレーザ加工装置。
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