本發(fā)明涉及直接二極管激光加工裝置及其輸出監(jiān)視方法。

背景技術(shù)：

過去，作為板金加工用的激光加工裝置，已知將二氧化碳(co2)激光振蕩器或yag激光振蕩器、光纖激光振蕩器用作激光源。光纖激光振蕩器具有比yag激光振蕩器光品質(zhì)更好、振蕩效率極高等優(yōu)點(diǎn)。因此，使用光纖激光振蕩器的光纖激光加工裝置利用于產(chǎn)業(yè)用，尤其是板金加工用(切斷或焊接等)。

近年來，還開發(fā)了將直接二極管激光(ddl：directdiodelaser)振蕩器用作激光源的ddl加工裝置。ddl加工裝置使用多個激光二極管(ld：laserdiode)并重疊多波長(multiple-wavelength)的激光，使用傳輸光纖傳輸至加工頭。并且，從傳輸光纖的端面射出的激光通過準(zhǔn)直透鏡及聚光透鏡等被匯聚并照射至被加工材上。

另外，如國際公開公報(bào)wo93/16512號(專利文獻(xiàn)1)所例示的那樣，作為關(guān)聯(lián)的激光二極管的輸出等的監(jiān)視手法，已知使用光電二極管來監(jiān)視激光二極管的輸出，并管理激光二極管的故障或壽命的手法。

另外，如日本國專利公開公報(bào)特開2000-081370號(專利文獻(xiàn)2)所例示的那樣，已知使用偏光分離元件將來自光纖的被波長多重傳輸?shù)募す夥蛛x，并通過受光元件接受各偏光成分，根據(jù)偏向成分彼此之間的光強(qiáng)度比來測量波長的變化的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

然而，專利文獻(xiàn)1是對激光二極管的輸出進(jìn)行個別監(jiān)視的技術(shù)，無法對ddl加工裝置所使用的多波長的激光的輸出進(jìn)行監(jiān)視。另外，在專利文獻(xiàn)2中，將根據(jù)偏向成分彼此之間的光強(qiáng)度比的變化來測量波長的變化。另一方面，ddl加工裝置中所使用的多波長的激光的輸出按波長或按波長頻帶可變，從而專利文獻(xiàn)2的手法無法應(yīng)用于ddl加工裝置。

本發(fā)明就是鑒于上述課題而完成的，根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種在使用多波長的激光來進(jìn)行加工時，可以對多波長的激光的輸出下降適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行監(jiān)視的直接二極管激光加工裝置及其輸出監(jiān)視方法。

根據(jù)本發(fā)明的一方式，提供直接二極管激光加工裝置及其輸出監(jiān)視方法，該直接二極管激光加工裝置具備：激光振蕩器，其具有使多波長的激光振蕩的多個激光二極管；傳輸光纖，其對通過激光振蕩器振蕩后的多波長的激光進(jìn)行傳輸；激光加工機(jī)，其對通過傳輸光纖傳輸?shù)亩嗖ㄩL的激光進(jìn)行匯聚來加工被加工材；檢測機(jī)構(gòu)，其對多波長的激光的一部分進(jìn)行采樣，并按波長對該采樣的激光的光強(qiáng)度進(jìn)行檢測；監(jiān)視部，其基于多波長的激光的每個波長的光強(qiáng)度的變化，來監(jiān)視多波長的激光的輸出下降；以及控制模塊，其基于監(jiān)視部的監(jiān)視結(jié)果來控制多個激光二極管。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的ddl加工裝置的一例的立體圖。

圖2(a)是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的激光振蕩器的一例的主視圖；圖2(b)是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的激光振蕩器的一例的側(cè)視圖。

圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的ddl模塊的一例的概要圖。

圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的檢測機(jī)構(gòu)及監(jiān)視部周邊的一例的概要圖。

圖5(a)是表示正常時的波長分布的一例的曲線圖；圖5(b)是表示生成的波長分布的一例的曲線圖；圖5(c)是表示生成的波長分布的另一例的曲線圖。

圖6是用于說明本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的ddl加工裝置的輸出監(jiān)視方法的一例的流程圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖，對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。在下面的附圖的記載中，對相同或類似的部分標(biāo)注相同或類似的符號。

參照圖1，對本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的直接二極管激光(directdiodelaser)(下面，記作“ddl”)加工裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的ddl加工裝置，如圖1所示，具備：激光振蕩器11，其使多波長的激光lb振蕩；傳輸光纖(processfiber)12，其傳輸通過激光振蕩器11被振蕩后的激光lb；以及激光加工機(jī)13，其使通過傳輸光纖12傳輸?shù)募す鈒b匯聚為高能量密度并向被加工材(工件)w進(jìn)行照射。

激光加工機(jī)13具備：準(zhǔn)直單元14，其通過準(zhǔn)直透鏡15將從傳輸光纖12射出的激光lb轉(zhuǎn)換為大致平行光；彎曲鏡(bendmirror)16，其使轉(zhuǎn)換為大致平行光的激光lb向垂直于x軸及y軸方向的z軸方向下方反射；以及加工頭17，其通過聚光透鏡18對由彎曲鏡16反射后的激光lb進(jìn)行匯聚。準(zhǔn)直透鏡15及聚光透鏡18可以使用例如石英制的平凸透鏡等一般的透鏡。

此外，雖然在圖1中省略圖示，但是在準(zhǔn)直單元14內(nèi)設(shè)置有沿平行于光軸的方向(x軸方向)驅(qū)動準(zhǔn)直透鏡15的透鏡驅(qū)動部。另外，ddl加工裝置還具備控制透鏡驅(qū)動部的控制部。

激光加工機(jī)13還具備：加工臺21，其載置有被加工材w；門型x軸滑架(carriage)22，其在加工臺21上沿x軸方向移動；以及y軸滑架23，其在x軸滑架22上沿垂直于x軸方向的y軸方向移動。準(zhǔn)直單元14內(nèi)的準(zhǔn)直透鏡15、彎曲鏡16、以及加工頭17內(nèi)的聚光透鏡18在完成光軸調(diào)整的狀態(tài)下被預(yù)先固定于y軸滑架23，與y軸滑架23一起沿y軸方向移動。此外，也可以設(shè)置相對于y軸滑架23可向上下方向移動的z軸滑架，并在該z軸滑架上設(shè)置聚光透鏡18。

本實(shí)施方式所涉及的ddl加工裝置通過聚光透鏡18聚光而向被加工材w照射最小的聚光直徑(最小聚光直徑)的激光lb，或者一邊向同軸噴射輔助氣體來去除熔融物，一邊使x軸滑架22及y軸滑架23移動。由此，ddl加工裝置可以對被加工材w進(jìn)行切斷加工。被加工材w為不銹鋼、軟鋼、鋁等各種材料。被加工材w的厚度例如為0.1mm～100mm左右。在本實(shí)施方式中，被加工材w的厚度優(yōu)選15mm以上，也可以是2mm以上，或者還可以是30mm。另外，該厚度優(yōu)選100mm以下。

參照圖2及圖3，對激光振蕩器11進(jìn)行說明。激光振蕩器11如圖2(a)及圖2(b)所示，設(shè)置有框體60、收容于框體60內(nèi)并與傳輸光纖12連接的ddl模塊10、收容于框體60內(nèi)并向ddl模塊10供電的電源部61、以及收容于框體60內(nèi)并控制ddl模塊10的輸出等的控制模塊62等。另外，在框體60的外側(cè)，設(shè)置有對框體60內(nèi)的溫度及濕度進(jìn)行調(diào)整的空調(diào)設(shè)備63。

ddl模塊10如圖3所示，將多波長(multiple-wavelength)λ1、λ2、λ3、···、λn(下面記作{λi})的激光重疊輸出。ddl模塊10具備：多個激光二極管(下面記作“l(fā)d”)31、32、33、···3n(n為4以上的整數(shù))；光譜合束部50，其經(jīng)由光纖41、42、43、···4n被連接至ld31、32、33、···3n，并對多波長{λi}的激光進(jìn)行光譜合束(spectralbeamcombining)；以及聚光透鏡54，其對來自光譜合束部50的激光進(jìn)行匯聚并入射至傳輸光纖12。

多個ld31、32、33、···3n(下面記作多個ld3)可采用各種半導(dǎo)體激光器。多個ld3的種類和數(shù)量的組合沒有特別限定，可以配合板金加工的目的進(jìn)行適當(dāng)選擇。多個ld3的各波長λ1、λ2、λ3、···、λn例如可以選擇不足1000nm，或者在800nm～990nm的范圍內(nèi)選擇或者在910nm～950nm的范圍內(nèi)選擇。

多波長{λi}的激光例如按波長頻帶進(jìn)行群(組)管理并進(jìn)行控制。并且，可以按波長頻帶個別地對輸出進(jìn)行可變調(diào)節(jié)。另外，可以將全波長頻帶的輸出調(diào)整為使吸收率成為恒定。

在進(jìn)行切斷加工時，使多個ld同時進(jìn)行動作，并且向焦點(diǎn)位置附近噴射氧氣、氮?dú)獾冗m當(dāng)?shù)妮o助氣體。由此，來自多個ld3的各波長的激光相互協(xié)同動作，并且與氧氣等輔助氣體協(xié)同動作，從而使工件高速熔融。另外，該熔融工件材料被輔助氣體吹飛，從而使工件被高速切斷。

光譜合束部50具備：固定部51，其捆束并固定光纖41、42、43、···4n的射出端側(cè)而形成光纖陣列4；準(zhǔn)直透鏡52，其使來自光纖41、42、43、···4n的激光成為平行光；衍射光柵(diffractiongrating)53，其使多波長{λi}的激光衍射并使光軸一致；以及局部反射耦合器55，其與設(shè)置在多個ld3后端部的反射面一起構(gòu)成諧振器。此外，圖3所示的局部反射耦合器55的配置位置為一個例子，并不局限于此。

在基于這樣的ddl加工裝置的切斷加工等加工中，多波長{λi}的激光的每個波長的光束束腰例如為100μm～400μm左右，并以多個直徑形成多焦點(diǎn)。光束束腰通過聚光透鏡18的入射直徑為2mm～20mm左右、且焦點(diǎn)距離為50mm～300mm的光學(xué)要素形成。在激光振蕩器11的每個波長或每個波長頻帶的控制的輸出可變調(diào)節(jié)中，可以將垂直于被加工材w的切斷面的軸設(shè)為入射角0°，并在入射角為0～40°的范圍內(nèi)使短波長側(cè)的波長頻帶的輸出高于長波長側(cè)的波長頻帶。被加工材w的切斷速度例如可以在60m/min～250m/min的范圍內(nèi)選擇。

在ddl加工裝置中，多個ld3的劣化(壽命)或故障、光譜合束部50內(nèi)的光學(xué)元件的失調(diào)(misalignment)作為主要原因，有時多波長的激光的輸出下降。

因此，為了監(jiān)視多波長的激光輸出，本實(shí)施方式所涉及的ddl加工裝置如圖4所示，還具有檢測機(jī)構(gòu)7和連接至檢測機(jī)構(gòu)7的監(jiān)視部73。檢測機(jī)構(gòu)7對從傳輸光纖12射出的多波長λ1、λ2、λ3的激光的一部分進(jìn)行分離(采樣)，并按波長λ1、λ2、λ3來檢測所采樣的激光的光強(qiáng)度。此外，雖然這里對3個波長λ1、λ2、λ3進(jìn)行了說明，但是波長的個數(shù)并不局限于此。

檢測機(jī)構(gòu)7具備：分離元件71，其被配置在準(zhǔn)直透鏡15與聚光透鏡18之間，對通過了準(zhǔn)直透鏡15的多波長λ1、λ2、λ3的激光的一部分進(jìn)行分離；分光元件72，其按波長λ1、λ2、λ3使分離后的激光分散；以及檢測元件群81、82、83，其按波長λ1、λ2、λ3對分散后的激光進(jìn)行檢測。從分離元件71到檢測元件群81、82、83的光的傳播通過空間或光纖傳輸來進(jìn)行。

分離元件71例如可以使用分光器或包層光剝離器(cladlightstripper)等光學(xué)元件。分光元件72可以使用衍射光柵(光柵)或棱鏡等光學(xué)元件。檢測元件群81、82、83可以使用如下單元：能夠在分別包含波長λ1、λ2、λ3的振蕩區(qū)域的每個波長域，對可以充分進(jìn)行目的控制的范圍及通過分解能力分光后的光進(jìn)行檢測的單個或多個光檢測器、或具有同樣功能的測定器。例如，在光譜合束部50失調(diào)的情況下，由于有時波長λ1、λ2、λ3以外的波長變化，因此也可以獨(dú)立于檢測元件群81、82、83設(shè)置可測定波長λ1，λ2，λ3以外的波長的檢測元件。另外，還可以具有綜合內(nèi)置有分光元件72和檢測元件群81、82、83的光譜分析儀等，來替代單獨(dú)設(shè)置分光元件72和檢測元件群81、82、83。

監(jiān)視部73為控制器且由中央運(yùn)算處理裝置(cpu)等構(gòu)成。監(jiān)視部73基于檢測元件群81、82、83的檢測結(jié)果，對多個激光的輸出下降進(jìn)行監(jiān)視。監(jiān)視部73預(yù)先將圖5(a)所示的正常時的每個波長λ1、λ2、λ3的強(qiáng)度分布(下面記作“波長分布(wavelengthprofile)”)存儲于存儲器等。監(jiān)視部73根據(jù)檢測元件群81、82、83的檢測結(jié)果，生成圖5(b)所示的波長分布。在圖5(b)中，波長λ2的強(qiáng)度相較于正常時下降。這假設(shè)是因?yàn)閷?yīng)于波長λ2的ld劣化或故障、對應(yīng)于波長λ2的ld失調(diào)的原因。

監(jiān)視部73通過對所生成的波長分布與正常時的波長分布進(jìn)行比較，根據(jù)相對于正常時的各波長λ1、λ2、λ3的光強(qiáng)度的變化來判定輸出下降。例如，如圖5(b)所示，在所生成的波長分布中，當(dāng)至少1個波長λ2的強(qiáng)度變化至正常時的預(yù)定范圍外時，更具體地，在下降至預(yù)定閾值以下時，監(jiān)視部73判定為輸出下降。與此同時，監(jiān)視部73將與波長λ2相對應(yīng)的ld確定為存在異常的ld。預(yù)定的閾值可以在相對于正常時的波長分布所允許的范圍內(nèi)設(shè)定，只要預(yù)先存儲于監(jiān)視部73的存儲器等即可。監(jiān)視部73向控制模塊62通知警報(bào)及存在異常的ld的識別信息。

控制模塊62接受來自監(jiān)視部73的警報(bào)，可以使裝置整體停止，或者將存在異常的ld的識別信息顯示在顯示部等?；蛘?，控制模塊62也可以基于來自監(jiān)視部73的存在異常的ld的識別信息，停止存在異常的ld的輸出，或者提高其他正常的ld的輸出來補(bǔ)償存在異常的ld的輸出部分。由此，可以使所生成的波長分布的各波長的輸出的總和，與正常時的波長分布的各波長的輸出的綜合接近或一致，從而可以使裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)繼續(xù)。

另外，監(jiān)視部73如圖5(c)所示，有時也生成多個波長λ1、λ3的強(qiáng)度下降的波長分布。這假設(shè)是由于波長混合部的失調(diào)等的原因。監(jiān)視部73在所生成的波長分布上，當(dāng)多個波長λ1、λ3的強(qiáng)度變化(下降)至預(yù)定閾值以下時，監(jiān)視部73判定為輸出下降，并且將與波長λ1、λ3對應(yīng)的ld確定為存在異常的ld。

另外，監(jiān)視部73也可以在所生成的波長分布的各波長λ1、λ2、λ3的輸出的總和相對于正常時的波長分布的各波長λ1、λ2、λ3的輸出的綜合下降至預(yù)定閾值以下時，判定為輸出下降。此時，監(jiān)視部73向控制模塊62通知警報(bào)及波長分布的比較結(jié)果，控制模塊62可以使裝置整體停止、或者將波長分布的比較結(jié)果顯示在顯示部上。

進(jìn)一步地，控制模塊62與多個壽命測定元件(壽命測定元件群)74相連接。壽命測定元件群74例如由多個pin光電二極管等構(gòu)成。壽命測定元件群74中包含的元件被配置在圖3所示的各ld31、32、33、···3n的附近。壽命測定元件群74對從各ld31、32、33、···3n輸出的激光進(jìn)行受光，并檢測激光的光強(qiáng)度，來測定ld31、32、33、···3n的壽命(劣化)或故障。

控制模塊62也可以基于壽命測定元件群74的檢測結(jié)果使達(dá)到壽命(劣化)或故障的ld的輸出停止，并提高其他正常的ld的輸出來補(bǔ)償存在異常的ld的輸出部分。另外，控制模塊62也可以基于壽命測定元件群74的檢測結(jié)果，提高劣化的ld的控制電流值，來接近額定輸出。

控制模塊62還可以基于監(jiān)視部73的監(jiān)視結(jié)果和基于壽命測定元件群74的檢測結(jié)果，來確定(推測)多波長的激光的輸出下降原因。具體來說，當(dāng)來自監(jiān)視部73的存在異常的ld的識別信息所包含的ld在壽命測定元件群74的檢測結(jié)果中光強(qiáng)度未下降(未檢測出故障或劣化)時，控制模塊62確定多波長的激光的輸出下降原因并不是ld的故障或劣化，而是多波長的激光的失調(diào)。此外，該功能也可以設(shè)為監(jiān)視部73側(cè)的功能，而不是控制模塊62側(cè)。

由此，在多波長的激光的輸出下降時，可以將其原因區(qū)分為ld的故障或劣化、或多波長的激光的失調(diào)。這里，由于確定輸出下降的原因?yàn)楣庾V合束部50的失調(diào)，可以避免如ld故障或劣化時的對策那樣為了獲得額定輸出而增加電流值的反饋，從而可以防止光纖損耗及光纖燒損。另外，由于明確輸出下降的原因，因此可以采取正確的對策。

進(jìn)一步地，在由于光譜合束部50的失調(diào)而使輸出下降的情況下，光束參數(shù)積(bpp)劣化。在單波長的激光的情況下，即使是未形成問題的程度的輸出下降，在多波長激光的情況下由于與其相伴的bpp劣化，有時仍將造成加工不良。進(jìn)而，在由于光譜合束部50的失調(diào)而輸出下降時，入射至傳輸光纖12時的發(fā)熱使段差變高且容易燒損。因此，由于確定輸出下降的原因?yàn)楣庾V合束部50的失調(diào)，因此即使由于ld故障或劣化造成不需要對策的程度的輸出下降，仍可以直接使裝置停止從而防止傳輸光纖12的燒損。

控制模塊62有時也僅基于監(jiān)視部73的監(jiān)視結(jié)果，就能夠確定(推定)光譜合束部50失調(diào)為原因。具體來說，如圖5(c)所示，在相對于正常時的波長分布，多個波長λ1、λ3的強(qiáng)度大幅下降的情況下，或在設(shè)計(jì)上不進(jìn)行激光振蕩且不應(yīng)該變化的波長域強(qiáng)度發(fā)生變化時，可以確定(推定)原因是光譜合束部50的失調(diào)，而不是ld劣化或故障。

＜激光的輸出監(jiān)視方法＞

一邊參照圖6的流程圖，一邊對使用本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的ddl加工裝置的輸出監(jiān)視方法的一例進(jìn)行說明。

在步驟s1中，檢測機(jī)構(gòu)7對從傳輸光纖12射出的多波長的激光的一部分進(jìn)行采樣，并按波長對所采樣的激光的光強(qiáng)度進(jìn)行檢測。

在步驟s2中，監(jiān)視部73根據(jù)檢測機(jī)構(gòu)7的檢測結(jié)果生成波長分布。在步驟s3中，對監(jiān)視部73生成的波長分布和從存儲器讀取的正常時的波長分布進(jìn)行比較。如果所生成的波長分布的變化相對于正常時在預(yù)定閾值以上，則判定為ld存在異常，并轉(zhuǎn)入步驟s4。

在步驟s4中，監(jiān)視部73對控制模塊62通知存在異常的ld的識別信息和警報(bào)。控制模塊62接收警報(bào)并使裝置停止。

如以上說明那樣，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，對多波長的激光的一部分進(jìn)行采樣，按波長對所采樣的激光的光強(qiáng)度進(jìn)行檢測，并基于多波長激光的每個波長的光強(qiáng)度(波長分布)的變化，對多波長的激光的輸出下降進(jìn)行監(jiān)視，基于監(jiān)視結(jié)果來控制多個激光二極管，由此可以適當(dāng)?shù)乇O(jiān)視輸出下降。因此，可以防止基于燒損或bpp增加而造成的加工不良。

(其他實(shí)施方式)

本發(fā)明由實(shí)施方式所記載，但是不應(yīng)理解為形成本公開的一部分的論述及附圖對本發(fā)明有所限定。根據(jù)本公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明確各種代替實(shí)施方式、實(shí)施例及運(yùn)用技術(shù)。

在本發(fā)明的實(shí)施方式中，說明了檢測機(jī)構(gòu)7被搭載在激光加工機(jī)13內(nèi)的準(zhǔn)直透鏡15與聚光透鏡18之間(加工頭部分)，并對從傳輸光纖12射出后的激光進(jìn)行采樣的情況，但是并不特別限定于此。例如，也可以搭載于圖3所示的激光振蕩器11內(nèi)的光譜合束部50與傳輸光纖12之間。檢測機(jī)構(gòu)7檢測入射至傳輸光纖12前的激光的光強(qiáng)度。

另外，圖1所示的傳輸光纖12由連接至激光振蕩器11的第1傳輸光纖、以及連接至第1傳輸光纖與激光加工機(jī)13之間的第2傳輸光纖這2根構(gòu)成，在第1及第2傳輸光纖通過光束耦合器(beamcoupler)等光學(xué)要素連接時，也可以在該光學(xué)要素部分搭載檢測機(jī)構(gòu)7。檢測機(jī)構(gòu)7對從第1光纖射出的激光的光強(qiáng)度進(jìn)行檢測。

本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的ddl加工裝置的板金加工除了切斷加工外，還可以應(yīng)用于激光成形加工、退火、燜火及消融等各種板金加工。

這樣，本發(fā)明當(dāng)然包含在這里未記載的各種實(shí)施方式等。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍根據(jù)上述說明，僅通過妥當(dāng)?shù)囊髮＠Ｗo(hù)的范圍所涉及的發(fā)明特定事項(xiàng)來確定。

根據(jù)本發(fā)明，可以提供在使用多波長的激光來進(jìn)行加工時，能夠恰當(dāng)?shù)貙Χ嗖ㄩL的激光的輸出下降進(jìn)行監(jiān)視的直接二極管激光加工裝置及其輸出監(jiān)視方法。

(美國指定)

本國際專利申請涉及美國指定，針對2014年10月14日申請的日本國專利申請第2014-209913號，引用基于美國專利法第119條(a)的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，并引用該公開內(nèi)容。