專利名稱：光放大裝置及激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明a涉及光放大裝置及激光加工裝置，特別涉及用于從MOPA (MasterOscillator and Power Amplifier :主控振蕩器的功率放大器)方式的光纖放大器穩(wěn)定地生成光脈沖的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在激光加工裝置中，激光的功率對加工品質(zhì)帶來影響。因此，到目前為止提出了用于對從激光加工裝置發(fā)出的激光的功率進(jìn)行控制的技術(shù)。例如日本特開2010 - 10274號公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)公開了如下結(jié)構(gòu)測定從光纖激光振蕩器輸出的激光脈沖的平均功率及峰值功率，并將其測定結(jié)果反饋至LD (激光二極管) 驅(qū)動(dòng)電路。另外，例如日本特開2010 — 171131號公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)公開了如下方法發(fā)出用于入射至光纖激光器中的種子光的激光源，在主照射期間發(fā)出脈沖光，在預(yù)照射期間則發(fā)出實(shí)際的連續(xù)光。連續(xù)光的功率小于脈沖光的峰值功率。進(jìn)而，在日本特開2010 — 171131號公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)中，公開了將預(yù)照射期間的激發(fā)光的功率降低到小于主照射期間的激發(fā)光的功率的技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本特開2010 - 10274號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 :日本特開2010 - 171131號公報(bào)在日本特開2010 - 10274號公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)所公開的方法中，測定激光脈沖的平均功率及峰值功率。在該方法中，由于不能監(jiān)視多個(gè)脈沖的強(qiáng)度的均勻性，因而可知難以均勻控制多個(gè)脈沖的強(qiáng)度。另一方面，日本特開2010 - 171131號公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)未具體公開用于檢測脈沖的功率的結(jié)構(gòu)。大多使用激光二極管(LD)來激發(fā)光纖放大器。然而,在使光纖放大器的激光輸出發(fā)生變化的情況下，從激發(fā)LD的輸出發(fā)生變化開始到激光輸出發(fā)生變化為止的時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間)，需要Ims左右或Ims以上。因此，脈沖的重復(fù)頻率越高，則越難以針對每個(gè)脈沖測定其強(qiáng)度并將測定結(jié)果反饋至脈沖強(qiáng)度的控制中?；谶@樣的理由，在光纖放大器中，一般而言，將激光輸出的平均功率的測定值反饋至激光輸出的控制中。另一方面，用于輸入至光纖放大器中的種子光的光源，大多使用LD。從而,能夠多樣地改變種子光脈沖的條件。例如，能夠使重復(fù)頻率在大范圍內(nèi)發(fā)生變化，或者，能夠生成由具有ns程度的脈沖寬度的多個(gè)脈沖構(gòu)成的脈沖組。若這樣使種子光發(fā)生變化，則峰值的變動(dòng)范圍變得極大。因此，在光纖放大器的情況下，更加難以針對每個(gè)脈沖而檢測峰值。另一方面，為了使激光輸出穩(wěn)定，需要均勻地控制多個(gè)脈沖的強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供用于對使用光放大光纖的光放大裝置的每個(gè)輸出光脈沖的峰值進(jìn)行檢測的技術(shù)。本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案的光放大裝置具有光放大光纖，其通過激發(fā)光來放大種子光；種子光源，其在發(fā)光期間生成多次種子光，以作為由多個(gè)脈沖構(gòu)成的脈沖組；激發(fā)光源，其在剛剛進(jìn)入發(fā)光期間之前的非發(fā)光期間生成具有第一能級的功率的激發(fā)光，在發(fā)光期間則生成具有比第一能級高的第二能級的功率的激發(fā)光；檢測器，其檢測從光放大光纖輸出的輸出光脈沖組的功率；控制部，其基于檢測器的檢測值，來控制非發(fā)光期間的激發(fā)光的功率，由此控制輸出光脈沖組的功率。檢測器包括受光元件，其接收輸出光脈沖組；積分電路，其對受光元件的輸出信號進(jìn)行積分；AD (模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換電路，其基于積分電路的輸出信號來生成檢測值。優(yōu)選地,檢測器還包括可變增益放大器,該可變增益放大器對積分電路的輸出信號進(jìn)行放大，并將放大后的該輸出信號賦予AD轉(zhuǎn)換電路?？刂撇扛鶕?jù)在發(fā)光期間應(yīng)該生成 的脈沖組的重復(fù)頻率，來改變可變增益放大器的增益。優(yōu)選地，控制部，重復(fù)頻率越高則使增益越高。優(yōu)選地，控制部，控制AD轉(zhuǎn)換電路執(zhí)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，使得AD轉(zhuǎn)換電路對可變增益放大器的輸出信號的峰值進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。時(shí)刻是根據(jù)延遲時(shí)間來決定的，延遲時(shí)間是從生成了包含在脈沖組中的多個(gè)脈沖中的最初的脈沖開始的。優(yōu)選地，控制部，根據(jù)重復(fù)頻率以及包含在脈沖組中的多個(gè)脈沖的個(gè)數(shù)來改變延遲時(shí)間。本發(fā)明的另一技術(shù)方案的激光加工裝置，具有在上述任一項(xiàng)中記載的光放大裝置。若采用本發(fā)明，則能夠?qū)κ褂霉夥糯蠊饫w的光放大裝置的每個(gè)輸出光脈沖的峰值進(jìn)行檢測。


圖I是示出了本發(fā)明的第一實(shí)施方式的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)例的圖。圖2是第一實(shí)施方式的激光加工裝置發(fā)出激光的時(shí)序圖。圖3是更詳細(xì)地說明圖2所示的發(fā)出激光的時(shí)刻的圖。圖4A、圖4B是用于說明第一個(gè)脈沖的功率基于預(yù)激發(fā)期間內(nèi)的激發(fā)光功率而發(fā)生變化的情況的波形圖。圖5是對第一實(shí)施方式的使脈沖功率穩(wěn)定的原理進(jìn)行說明的波形圖。圖6是示出了用于檢測脈沖的峰值功率的具體的結(jié)構(gòu)例的框圖。圖7是示意性示出了延遲時(shí)間的保存形式的圖。圖8是示出了脈沖組的平均功率及脈沖組的峰值功率與脈沖組的重復(fù)頻率之間的關(guān)系的圖。圖9是用于說明AD電路的AD轉(zhuǎn)換時(shí)刻的圖。圖IOA 圖IOC是示出了圖9所示的波形的具體例的圖。圖11是示出了輸入至AD轉(zhuǎn)換電路34的信號的振幅和PGA (Programmable GainAmplifier :可編程增益放大器)33的增益之間的關(guān)系的圖。圖12是示出了設(shè)定PGA33的增益的其他例的圖。圖13是第二實(shí)施方式的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖。附圖標(biāo)記的說明1、8光放大光纖IG脈沖組Ia種子光脈沖2 種子 LD 3、9A、9B 激發(fā) LD4、6、11 隔離器5、10 合成儀(combiner)7 稱合器(coupler) 12 端蓋13分光器14激光束掃描機(jī)構(gòu)15、17受光元件16、18峰值檢測器20控制裝置21 23驅(qū)動(dòng)器25輸入部31電流/電壓轉(zhuǎn)換電路32積分電路33 PGA (Programmable Gain Amplifier :可編程增益放大器)34AD轉(zhuǎn)換電路(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路)40信號處理電路41存儲(chǔ)器50加工對象物100、101激光加工裝置L 激光
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖，對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的說明。此外，對圖中的相同或等同的部分標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，并不反復(fù)對其進(jìn)行說明。在本說明書中，“脈沖組”術(shù)語表示在時(shí)間軸上以某一時(shí)間間隔排列的多個(gè)光脈沖。其中，除了明確地指定包含在脈沖組中的光脈沖的情況之外，在本說明書中，將脈沖組稱之為“脈沖”。另外，在本說明書中，“LD”術(shù)語表示半導(dǎo)體激光器。<第一實(shí)施方式>圖I是示出了本發(fā)明的第一實(shí)施方式的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)例的圖。參照圖1，激光加工裝置100包括光放大裝置和激光束掃描機(jī)構(gòu)14，其中，該激光束掃描機(jī)構(gòu)14用于利用來自該光放大裝置的激光來進(jìn)行掃描。光放大裝置具有光放大光纖I ;種子LD2 ;激發(fā)LD3 ;隔離器(isolator) 4、6 ;合成儀5 ;端蓋12 ;驅(qū)動(dòng)器21、22 ;受光元件15 ;峰值檢測器16 ;控制裝置20 ;輸入部25。光放大光纖I具有纖芯，其是光放大成分，且在該纖芯中添加了稀土類兀素；金屬包層(clad)，其設(shè)在該纖芯的周圍。添加到纖芯中的稀土類元素的種類并不特別限定，例如有Er (鉺)、Yb (鐿)、Nd (釹)等。在下面說明稀土類元素是Yb的情況。光放大光纖I例如可以是在纖芯周圍設(shè)置了 I層金屬包層的單包層光纖，也可以是在纖芯周圍設(shè)置了 2層金屬包層的雙包層光纖。種子LD2是發(fā)出種子光的激光源。種子光的波長例如是從1000 IlOOnm的范圍中選擇的波長。驅(qū)動(dòng)器21向種子LD2反復(fù)施加脈沖狀的電流，由此對種子LD2進(jìn)行脈沖驅(qū)動(dòng)。即，從種子LD2發(fā)出脈沖狀的種子光。從種子LD2出射的種子光通過隔離器4。隔離器4的功能在于，僅使單一方向的光透過，并遮斷向與該光相反的方向入射的光。本發(fā)明的實(shí)施方式中，隔離器4使來自種子 LD2的種子光透過，并且，遮斷來自光放大光纖I的返回光。由此，能夠防止來自光放大光纖I的返回光入射至種子LD2。如果來自光放大光纖I的返回光入射至種子LD2，則有可能導(dǎo)致種子LD2損壞，但通過設(shè)置隔離器4能夠防止這樣的問題。激發(fā)LD3是發(fā)出激發(fā)光的激發(fā)光源，所述激發(fā)光用于對添加在光放大光纖I的纖芯中的稀土類元素的原子進(jìn)行激發(fā)。在稀土類元素是Yb的情況下，激發(fā)光的波長例如是915 土 10nm。驅(qū)動(dòng)器22對激發(fā)LD3進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。合成儀5對來自種子LD2的種子光和來自激發(fā)LD3的激發(fā)光進(jìn)行合成，并將合成后的光入射至光放大光纖I。光放大光纖I、種子 LD2 及激發(fā) LD3 構(gòu)成 MOPA (Master Oscillatorand PowerAmplifier :主控振蕩器的功率放大器)方式的光纖放大器。包含在纖芯中的稀土類兀素的原子，吸收入射至光放大光纖I的激發(fā)光，由此原子被激發(fā)。來自種子LD2的種子光在光放大光纖I的纖芯中傳輸時(shí)，由于由被激發(fā)的原子使種子光產(chǎn)生受激發(fā)射，因而種子光被放大。即，光放大光纖I利用激發(fā)光來放大種子光。在光放大光纖I是單包層光纖的情況下，種子光及激發(fā)光均入射至纖芯。相對于此，在光放大光纖I是雙包層光纖的情況下，種子光入射至纖芯，激發(fā)光則入射至第一金屬包層。雙包層光纖的第一金屬包層作為激發(fā)光的波導(dǎo)來發(fā)揮功能。在入射至第一金屬包層的激發(fā)光在第一金屬包層中傳輸?shù)倪^程中，以通過纖芯的模式來激發(fā)纖芯中的稀土類元素。隔離器6使被光放大光纖I放大且從光放大光纖I出射的種子光(光脈沖)通過，并且遮斷向光放大光纖I返回的光。通過了隔離器6的光脈沖，從光纖的端面出射至空氣中。為了防止將峰值功率高的光脈沖從光纖出射至空氣中時(shí)在光纖的端面和空氣之間的界面發(fā)生光脈沖損失，因而設(shè)置端蓋12。分光器13將從端蓋12輸出的光脈沖分成兩個(gè)脈沖。將一個(gè)脈沖作為加工用激光而輸入至激光束掃描機(jī)構(gòu)14，并為了監(jiān)視激光的功率而將另一個(gè)脈沖輸入至受光元件15。受光元件15例如由光電二極管構(gòu)成。峰值檢測器16根據(jù)來自受光元件15的信號來對光脈沖的峰值功率(峰值)進(jìn)行檢測。將峰值檢測器16所檢測出的峰值發(fā)送至控制裝置20。激光束掃描機(jī)構(gòu)14用于使激光在二維方向上進(jìn)行掃描。雖未圖75,但激光束掃描機(jī)構(gòu)14例如也可以包括準(zhǔn)直透鏡、電流掃描儀(galvano scanner)>f 0透鏡等,其中,準(zhǔn)直透鏡用于將來自端蓋12的出射光即激光束的直徑調(diào)整為規(guī)定大??；電流掃描儀用于使通過了準(zhǔn)直透鏡之后的激光束在加工對象物50的表面上進(jìn)行二維方向的掃描；f 9透鏡用于使激光束會(huì)聚。在加工對象物50的表面上，使激光L即來自激光加工裝置100的輸出光在二維方向上進(jìn)行掃描，由此對以金屬等作為坯料的加工對象物50的表面進(jìn)行加工。例如在加工對象物50的表面打印(標(biāo)記)由文字或圖形等構(gòu)成的信息?？刂蒲b置20通過控制驅(qū)動(dòng)器21、22及激光束掃描機(jī)構(gòu)14，來整體控制激光加工裝置100的動(dòng)作。輸入部25例如接受來自用戶的信息?？刂蒲b置20基于來自輸入部25的信息，來控制驅(qū)動(dòng)器21、22，并且，控制激光束掃描機(jī)構(gòu)14的動(dòng)作。例如由執(zhí)行規(guī)定程序的個(gè)人計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制裝置20。就輸入部25而言，只要是用戶能夠輸入信息的裝置即可，沒有特別限定，例如能夠使用鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸面板等。 種子LD、激發(fā)LD、隔離器等的特性，因溫度而發(fā)生變化。因此，優(yōu)選在激光加工裝置內(nèi)配置溫度控制器，該溫度控制器用于恒定保持這些元件的溫度。在從激光加工裝置100輸出激光的情況下，種子LD2被驅(qū)動(dòng)器21驅(qū)動(dòng)而生成脈沖狀的種子光。在從種子LD2反復(fù)生成種子光的情況下，種子光的重復(fù)頻率取決于從驅(qū)動(dòng)器21供給至種子LD2的脈沖電流的重復(fù)頻率。由控制裝置20對從驅(qū)動(dòng)器21輸出的脈沖電流的重復(fù)頻率進(jìn)行控制。控制裝置20通過控制驅(qū)動(dòng)器22，來使激發(fā)LD3所發(fā)出的激發(fā)光的功率發(fā)生變化。激發(fā)LD3輸出具有與從驅(qū)動(dòng)器22接收到的偏置電流(bias current)相對應(yīng)的功率的激發(fā)光。由控制裝置20對從驅(qū)動(dòng)器22輸出的偏置電流的大小進(jìn)行控制。圖2是第一實(shí)施方式的激光加工裝置發(fā)出激光的時(shí)序圖。參照圖2，在預(yù)激發(fā)期間，驅(qū)動(dòng)器22將偏置電流(在圖2中表示為“激發(fā)LD電流”)供給至激發(fā)LD3而使該激發(fā)LD3生成激發(fā)光，而使種子LD2不生成光脈沖(在圖2中表示為“種子LD脈沖”)。另一方面，在正式激發(fā)期間，生成激發(fā)光及種子LD脈沖的雙方。因此，在正式激發(fā)期間，從光纖放大器輸出激光。預(yù)激發(fā)期間的激發(fā)LD電流小于正式激發(fā)期間的激發(fā)LD電流。SM敫發(fā)LD3，在預(yù)激發(fā)期間生成第一能級的功率的激發(fā)光，在正式激發(fā)期間則生成第二能級的功率的激發(fā)光。第二能級高于第一能級。圖3是更詳細(xì)地說明圖2所示的發(fā)出激光的時(shí)刻的圖。參照圖3，種子LD2，在正式激發(fā)期間以周期tprd反復(fù)生成由多個(gè)種子光脈沖Ia構(gòu)成的脈沖組1G。通過對種子LD2的偏置電流進(jìn)行調(diào)制，以規(guī)定的周期生成脈沖組1G。正式激發(fā)期間與從光纖放大器輸出激光的發(fā)光期間相對應(yīng)。另一方面，由于在預(yù)激發(fā)期間不向種子LD2供給偏置電流，因而成為非發(fā)光期間。下面，將在正式激發(fā)期間內(nèi)從光纖放大器輸出的多個(gè)脈沖組中的第一次輸出的脈沖組和最后一次輸出的脈沖組，分別稱之為“第一個(gè)脈沖”和“最后一個(gè)脈沖”。圖4A、圖4B是對基于預(yù)激發(fā)期間的激發(fā)光功率而第一個(gè)脈沖的功率發(fā)生變化的情況進(jìn)行說明的波形圖。圖4A是示出了在預(yù)激發(fā)期間的減小激發(fā)光功率的情況下從光纖放大器輸出的脈沖的波形圖。圖4B是示出了在預(yù)激發(fā)期間的增大激發(fā)光功率的情況下從光纖放大器輸出的脈沖的波形圖。參照圖4A及圖4B，由于在預(yù)激發(fā)期間的激發(fā)LD電流小的情況下，激發(fā)光功率小，因而在預(yù)激發(fā)期間內(nèi)蓄積到光放大光纖I中的能量少。因此，第一個(gè)脈沖的功率小。在反復(fù)向光放大光纖I供給激發(fā)光功率和從光放大光纖I放出光能量的過程中，蓄積到光放大光纖I中的能量增加而達(dá)到大致恒定的能級。由此，使脈沖的功率穩(wěn)定。與此相反，在預(yù)激發(fā)期間的激發(fā)LD電流大的情況下，在預(yù)激發(fā)期間內(nèi)蓄積到光纖中的能量變大。因此，第一個(gè)脈沖的功率變大。此時(shí)，在反復(fù)向光放大光纖I供給激發(fā)光功率和從光放大光纖I放出光能量的過程中，蓄積在光放大光纖I中的能量減少而達(dá)到大致恒定的能級。由此，使脈沖的功率穩(wěn)定。如圖4A、圖4B所示，在預(yù)激發(fā)期間的激發(fā)光的功率(激發(fā)LD電流)不恰當(dāng)?shù)那闆r下，第一個(gè)脈沖的功率和經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后的脈沖的功率之間產(chǎn)生差分。基于這樣的功率之 差而發(fā)生加工品質(zhì)的降低這樣的問題。圖5是對第一實(shí)施方式的使脈沖功率穩(wěn)定的原理進(jìn)行說明的波形圖。參照圖5，在第一實(shí)施方式中，對第一個(gè)脈沖的峰值功率和最后一個(gè)脈沖的峰值功率進(jìn)行比較。將它們的比較結(jié)果反饋到預(yù)激發(fā)期間內(nèi)的激發(fā)LD的偏置電流值，由此使第一個(gè)脈沖的功率和最后一個(gè)脈沖的功率之間的差分接近O。由此，能夠從第一個(gè)脈沖開始得到穩(wěn)定的激光輸出。如圖I所示，使用受光元件15及峰值檢測器16來對脈沖的峰值功率進(jìn)行檢測。圖6是示出了用于檢測脈沖的峰值功率的具體的結(jié)構(gòu)例的框圖。參照圖6，峰值檢測器16包括電流/電壓轉(zhuǎn)換電路31、積分電路32、PGA (Programmable Gain Amplifier 可編程增益放大器)33及AD (模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換電路34。另外，控制裝置20包括信號處理電路40和存儲(chǔ)器41。受光元件15接收光脈沖而將該光脈沖轉(zhuǎn)換為電流信號。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路31將從受光兀件15輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓。積分電路32對電流/電壓轉(zhuǎn)換電路31的輸出電壓進(jìn)行積分。如圖3所示，在本實(shí)施方式中，生成由多個(gè)短脈沖(例如時(shí)間跨度為ns的序列(order))構(gòu)成的脈沖組。積分電路32以規(guī)定的時(shí)間常數(shù)對多個(gè)短脈沖的波形進(jìn)行積分。由此，能夠降低振幅的變化，從而能夠得到一個(gè)脈沖組的峰值功率(振幅)，其中，振幅的變化取決于包含在脈沖組中的短脈沖個(gè)數(shù)。脈沖組的峰值，根據(jù)包含在其脈沖組中的脈沖的個(gè)數(shù)而發(fā)生變化。因此，峰值的變動(dòng)范圍變得極大。示出一例，假設(shè)重復(fù)頻率的范圍是兩位數(shù)(I倍 100倍)，且包含在脈沖組中的脈沖的個(gè)數(shù)在I 20內(nèi)發(fā)生變化。此時(shí)，脈沖組的峰值變動(dòng)得接近1000倍。因此，難以檢測每個(gè)脈沖的峰值。在相同的激發(fā)功率的情況下，與脈沖數(shù)無關(guān)地，脈沖組的能量的積分值大致相同。在第一實(shí)施方式中，利用這一點(diǎn)，由積分電路32對包含在脈沖組中的脈沖進(jìn)行平均化。由此，能夠與包含在脈沖組中的脈沖的個(gè)數(shù)無關(guān)地，使從積分電路32輸出的電信號的振幅大致相同。能夠通過積分電路32來降低因包含在脈沖組中的短脈沖個(gè)數(shù)而導(dǎo)致的振幅變化，因而能夠得到一個(gè)脈沖組的峰值功率(振幅)。PGA33放大從積分電路32輸出的信號。PGA33是可變增益放大器，根據(jù)來自信號處理電路40的增益設(shè)定信號來設(shè)定其增益。由于重復(fù)頻率越高則一個(gè)脈沖組的峰值功率(振幅)越低，因而信號處理電路40以重復(fù)頻率越高則使增益越高的方式調(diào)整PGA33的增益。此外，以使輸入到AD轉(zhuǎn)換電路34的信號的振幅在AD轉(zhuǎn)換電路34的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的方式，設(shè)定PGA33的增益。例如由高速AD轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換電路34，用于將從PGA33輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。根據(jù)來自信號處理電路40的控制信號來控制AD轉(zhuǎn)換電路34的AD轉(zhuǎn)換時(shí)亥IJ。具體而言，從開始發(fā)出種子光(發(fā)出包含在脈沖組中的多個(gè)脈沖中的最初的脈沖)開始經(jīng)過了規(guī)定的延遲時(shí)間之后，對來自PGA33的信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。以使得AD轉(zhuǎn)換電路34在脈沖組的功率的峰值處進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的方式，來決定延遲時(shí)間。由此，獲取脈沖組的峰值功率即峰值，來作為檢測值。將由AD轉(zhuǎn)換電路34獲取的峰值(數(shù)字信號)，從AD轉(zhuǎn)換電路34發(fā)送至信號處理電路40。信號處理電路40對第一個(gè)脈沖和最后一個(gè)脈沖的峰值進(jìn)行比較。在第一個(gè)脈沖的峰值高于最后一個(gè)脈沖的峰值的情況下，信號處理電路40生成用于降低預(yù)激發(fā)期間的激發(fā)LD的偏置電流值的信號，并在預(yù)激發(fā)期間將該信號賦予驅(qū)動(dòng)器22。與此相反，在第一·個(gè)脈沖的峰值低于最后一個(gè)脈沖的峰值的情況下，信號處理電路40生成用于提高預(yù)激發(fā)期間的激發(fā)LD的偏置電流值的信號，并在預(yù)激發(fā)期間將該信號賦予驅(qū)動(dòng)器22。驅(qū)動(dòng)器22根據(jù)來自信號處理電路40的信號，來使預(yù)激發(fā)期間的激發(fā)LD3的偏置電流值降低或上升。由此，來自激發(fā)LD3的激發(fā)光的功率發(fā)生變化。例如由非易失性存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器41，用于預(yù)先存儲(chǔ)與AD轉(zhuǎn)換電路34的AD轉(zhuǎn)換時(shí)刻相關(guān)的信息，即用于預(yù)先存儲(chǔ)上述延遲時(shí)間。圖7是示意性示出了延遲時(shí)間的保存形式的圖。參照圖7，以表形式將延遲時(shí)間保存至存儲(chǔ)器41。具體而言，針對脈沖組的重復(fù)頻率的范圍(示出一例為IOOkHz 120kHz)和包含在一個(gè)脈沖組中的脈沖個(gè)數(shù)的組合，確定一個(gè)最佳值。此外，延遲時(shí)間的保存形式并不限定于表形式，例如也可以以數(shù)據(jù)庫形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器41中。接著，對基于圖6所示的電路結(jié)構(gòu)來進(jìn)行的脈沖峰值的檢測，進(jìn)行更詳細(xì)的說明。圖8是示出了脈沖組的平均功率及脈沖組的峰值功率與脈沖組的重復(fù)頻率之間的關(guān)系的圖。參照圖8，在激發(fā)光的功率恒定的情況下，重復(fù)頻率越高則脈沖的峰值功率越低。相對于此，平均功率相對于重復(fù)頻率而大致保持恒定。此外，在平均功率相同的情況下，脈沖的峰值與重復(fù)頻率大致成反比例。圖9是用于說明AD電路的AD轉(zhuǎn)換時(shí)刻的圖。參照圖6及圖9，由受光元件15及電流/電壓轉(zhuǎn)換電路31，輸出由多個(gè)脈沖構(gòu)成的電信號。積分電路32對多個(gè)脈沖進(jìn)行積分。由PGA33放大來自積分電路32的輸出信號。從生成最初的脈沖起經(jīng)過了規(guī)定的延遲時(shí)間d之后，向AD轉(zhuǎn)換電路34發(fā)送AD時(shí)刻信號。以使得AD轉(zhuǎn)換電路34在來自PGA33的信號的峰值附近進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的方式，決定延遲時(shí)間d。由此，能夠獲取脈沖組的峰值功率的值。此外，在圖9中，多個(gè)脈沖的包絡(luò)線的形狀形成為向右側(cè)升高的三角形。其中，多個(gè)脈沖的包絡(luò)線的形狀并不限定于該形狀，也可以是其他形狀。例如，也可以是多個(gè)脈沖的強(qiáng)度為全部相同的形狀。與包絡(luò)線的形狀無關(guān)地，通過積分電路，得到能夠降低多個(gè)脈沖之間的峰值的變動(dòng)這樣的效果。
圖IOA 圖IOC是示出了圖9所示的波形的具體例的圖。圖IOA是示出了包含在脈沖組中的脈沖的個(gè)數(shù)為I的情況的激光脈沖的波形和進(jìn)行積分處理之后的電信號波形的圖。圖IOB是示出了包含在脈沖組中的脈沖的個(gè)數(shù)為20的情況的激光脈沖的波形和進(jìn)行積分處理之后的電信號波形的圖。圖IOC是用于說明進(jìn)行積分處理及放大之后的信號波形的AD轉(zhuǎn)換時(shí)刻的波形圖。參照圖IOA及圖10B，若基于電壓的幅度評定激光脈沖波形的峰值，則圖IOA所示的激光波形的峰值和圖IOB所示的激光波形的峰值的比率大約是5 :2。S卩，圖IOA所示的激光脈沖波形的峰值是圖IOB所示的激光脈沖波形的峰值的大約2. 5倍(基于電壓幅度的評定)。這與圖IOA所示的激光脈沖的峰值是圖IOB所示的激光脈沖的峰值的大約7倍的情況相對應(yīng)。另一方面，若觀察進(jìn)行積分處理之后的電信號，則圖IOA所示的電信號和圖IOB所示的電信號具有大致相同的峰值。參照圖10C，從生成包含在脈沖組中的最初的脈沖光(該脈沖光可以是種子光，也可以是輸出脈沖光)開始延遲規(guī)定時(shí)間而生成AD轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號。由此，能夠檢測由積分電 路及PGA進(jìn)行了處理的電信號。進(jìn)而，通過對電信號進(jìn)行積分，使信號的脈沖寬度變寬，因而能夠得到降低AD轉(zhuǎn)換值的變動(dòng)相對于AD時(shí)刻信號的時(shí)間變動(dòng)的比例這樣的效果。圖11是示出了輸入至AD轉(zhuǎn)換電路34的信號的振幅和PGA33的增益之間的關(guān)系的圖。參照圖11，隨著重復(fù)頻率變高，PGA33的增益以階梯狀變高。頻率fl f5表示增益被切換時(shí)的重復(fù)頻率。根據(jù)從信號處理電路40發(fā)送至PGA33的增益設(shè)定信號，來實(shí)現(xiàn)這樣的增益的變化。如圖8所示，重復(fù)頻率越高則峰值功率越小。在增益不被切換的情況(例如固定為最大的增益的情況)下，重復(fù)頻率越低，則AD轉(zhuǎn)換電路34的輸入信號的振幅越大。因此，存在AD轉(zhuǎn)換電路34的輸入信號的振幅超過AD轉(zhuǎn)換電路34的動(dòng)態(tài)范圍的可能性。通過如圖11示出那樣改變增益，能夠以不超過AD轉(zhuǎn)換電路34的動(dòng)態(tài)范圍的方式抑制信號振幅的能級。因此，能夠檢測信號的峰值。圖12是示出了設(shè)定PGA33的增益的其他例的圖。參照圖12，在AD轉(zhuǎn)換電路34的輸入信號的振幅是標(biāo)準(zhǔn)能級的情況下，增益切換頻率是fl、f2、f3、f4、f5。相對于此，在輸入信號的振幅高于標(biāo)準(zhǔn)能級的情況下，增益切換頻率是fla、f2a、f3a、f4a、f5a。這樣,也可以根據(jù)輸入信號的振幅的能級，來逐個(gè)地設(shè)定增益切換頻率。由此，能夠吸收PGA的增益的偏差。若如上所述采用第一實(shí)施方式，則光放大裝置具有受光元件15，其接收來自光放大光纖I的輸出光脈沖組；積分電路32,其對受光兀件15的輸出信號進(jìn)行積分；AD轉(zhuǎn)換電路34，其基于積分電路32的輸出信號來生成檢測值。由積分電路32來降低多個(gè)脈沖之間的峰值的變動(dòng)。由此，能夠檢測包含短脈沖(例如脈沖寬度為ns等級)的輸出光脈沖組的功率。并且，若采用第一實(shí)施方式，則光放大裝置還具有可變增益放大器(PGA33)，該可變增益放大器對積分電路32的輸出信號進(jìn)行放大后賦予AD轉(zhuǎn)換電路34。信號處理電路40根據(jù)應(yīng)在發(fā)光期間生成的脈沖組的重復(fù)頻率，改變PGA33的增益。由此，即使在重復(fù)頻率大幅度變化的情況下，也能夠檢測輸出光脈沖組的功率。因此，若采用第一實(shí)施方式，則能夠針對每個(gè)輸出光脈沖組而檢測峰值。由此，控制裝置20能夠利用其檢測出的峰值來控制非發(fā)光期間(預(yù)激發(fā)期間)的激發(fā)光的功率。因此，若采用第一實(shí)施方式，則能夠在使用光纖放大器的激光加工裝置上實(shí)現(xiàn)激光脈沖的峰值的均勻化。<第二實(shí)施方式>圖13是第二實(shí)施方式的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)圖。參照圖13，激光加工裝置101具有由兩級光纖放大器構(gòu)成的光放大器。第二實(shí)施方式的激光加工裝置，在該點(diǎn)上與第一實(shí)施方式的激光加工裝置不同。參照圖I及圖13，激光加工裝置101與激光加工裝置100的不同點(diǎn)在于，激光加工裝置101還具有耦合器7 ;光放大光纖8 ;激發(fā)LD9A、9B ;合成儀10 ；隔離器11 ;受光元件17 ;峰值檢測器18 ;驅(qū)動(dòng)器23。耦合器7將從光放大光纖I經(jīng)由隔離器6輸出的光脈沖，分為發(fā)送至合成儀10的光脈沖和發(fā)送至受光元件17的光脈沖。合成儀10對來自耦合器7的激光和來自激發(fā)LD9A、9B的激光進(jìn)行合成,并將合成后的光入射至光放大光纖8。 驅(qū)動(dòng)器23驅(qū)動(dòng)激發(fā)LD9A、9B?？刂蒲b置20控制驅(qū)動(dòng)器23。光放大光纖8使用來自激發(fā)LD9A、9B的激光來放大來自耦合器7的激光。即，來自耦合器7的激光是種子光，來自激發(fā)LD9A、9B的激光是激發(fā)光。從激發(fā)LD9A、9B發(fā)出的激發(fā)光的功率，在預(yù)激發(fā)期間減少，在正式激發(fā)期間則增大。隔離器11使從光放大光纖8輸出的激光通過，并且遮斷向光放大光纖8返回的激光。受光兀件17接收來自稱合器7的光脈沖而輸出表不該光脈沖的強(qiáng)度的信號。峰值檢測器18基于來自受光元件17的信號來檢測光脈沖的峰值。將由峰值檢測器18檢測出的峰值發(fā)送至控制裝置20。受光元件17及峰值檢測器18的結(jié)構(gòu)，分別與受光元件15及峰值檢測器16的結(jié)構(gòu)相同。因此，控制裝置20通過與第一實(shí)施方式同樣的方法，從峰值檢測器18獲取從光放大光纖I出射的輸出光脈沖組的功率值。同樣地，控制裝置20通過與第一實(shí)施方式同樣的方法，從峰值檢測器16獲取從光放大光纖8出射的輸出光脈沖組的功率值。激光加工裝置101的其他部分的結(jié)構(gòu)，與激光加工裝置100相對應(yīng)的部分的結(jié)構(gòu)相同，因而以后不重復(fù)說明。若采用第二實(shí)施方式，則控制裝置20基于由受光元件17及峰值檢測器18檢測出的脈沖的峰值，來控制驅(qū)動(dòng)器22。由此，能夠以使從光放大光纖I出射的脈沖組的第一個(gè)脈沖和最后一個(gè)脈沖的峰值相等的方式，控制從光放大光纖I出射的脈沖。進(jìn)而，控制裝置20基于由受光元件15及峰值檢測器16檢測出的脈沖的峰值，來控制驅(qū)動(dòng)器23。由此，能夠以使從最后的放大級即光放大光纖8出射的多個(gè)脈沖中的第一個(gè)脈沖和最后一個(gè)脈沖的峰值相等的方式，控制從光放大光纖8出射的脈沖。用于控制從光放大光纖8出射的脈沖的方法，能夠應(yīng)用與第一實(shí)施方式的控制方法相同的方法，因而以后不重復(fù)詳細(xì)的說明。若采用第二實(shí)施方式，則與第一實(shí)施方式同樣地，能夠針對每個(gè)輸出光脈沖組而檢測功率。因此，若采用第二實(shí)施方式，則即使放大級的個(gè)數(shù)為多個(gè)，也能夠從最后的放大級得到穩(wěn)定的激光脈沖輸出。此外，只要放大級的個(gè)數(shù)是多個(gè)即可，并不限定于兩個(gè)級，也可以是三個(gè)級或更多的級。
另外，對各放大級設(shè)置的激發(fā)LD的個(gè)數(shù)并非如圖I或圖12示出那樣限定，而能夠任意地設(shè)定激發(fā)LD的個(gè)數(shù)。另外，在上述實(shí)施方式中，“重復(fù)頻率”是種子光脈沖的重復(fù)頻率,但也可以是從光放大光纖輸出的輸出光脈沖的重復(fù)頻率。在任意情況下，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，也設(shè)定為應(yīng)在發(fā)光期間生成的脈沖(種子光脈沖或從光放大光纖輸出的輸出光脈沖)的重復(fù)頻率越高則使PGA的增益越高。進(jìn)而，在上述各實(shí)施方式中，公開了激光加工裝置來作為光放大裝置的利用方式之一，但本發(fā)明的實(shí)施方式的光放大裝置的用途并不限定于激光加工裝置。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本公開的實(shí)施方式是在全部點(diǎn)的例示而非限制。本發(fā)明的范圍并不由上述的說明來表示，而是由權(quán)利要求書來表示，意在包括在與權(quán)利要求書均勻的意思和范圍 內(nèi)的全部變更。
權(quán)利要求
1.一種光放大裝置，其特征在于， 具有: 光放大光纖，其通過激發(fā)光來放大種子光， 種子光源，其在發(fā)光期間生成多次所述種子光，以作為由多個(gè)脈沖構(gòu)成的脈沖組， 激發(fā)光源，其在剛剛進(jìn)入所述發(fā)光期間之前的非發(fā)光期間生成具有第一能級的功率的所述激發(fā)光，在所述發(fā)光期間則生成具有比所述第一能級高的第二能級的功率的所述激發(fā)光， 檢測器，其檢測從所述光放大光纖輸出的輸出光脈沖組的功率， 控制部，其基于所述檢測器的檢測值，來控制所述非發(fā)光期間的所述激發(fā)光的功率，由此控制所述輸出光脈沖組的功率； 所述檢測器包括 受光元件，其接收所述輸出光脈沖組， 積分電路，其對所述受光元件的輸出信號進(jìn)行積分， AD轉(zhuǎn)換電路，其基于所述積分電路的輸出信號，來生成所述檢測值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I記載的光放大裝置，其特征在于， 所述檢測器還包括可變增益放大器，該可變增益放大器對所述積分電路的輸出信號進(jìn)行放大，并將放大后的該輸出信號賦予所述AD轉(zhuǎn)換電路； 所述控制部，根據(jù)在所述發(fā)光期間應(yīng)該生成的脈沖組的重復(fù)頻率，來改變所述可變增益放大器的增益。
3.根據(jù)權(quán)利要求2記載的光放大裝置，其特征在于， 所述控制部，所述重復(fù)頻率越高則使所述增益越高。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3記載的光放大裝置，其特征在于， 所述控制部，控制所述AD轉(zhuǎn)換電路執(zhí)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，使得所述AD轉(zhuǎn)換電路對所述可變增益放大器的輸出信號的峰值進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換； 所述時(shí)刻是根據(jù)延遲時(shí)間來決定的，所述延遲時(shí)間是從生成了包含在所述脈沖組中的所述多個(gè)脈沖中的最初的脈沖開始的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4記載的光放大裝置，其特征在于， 所述控制部，根據(jù)所述重復(fù)頻率以及包含在所述脈沖組中的所述多個(gè)脈沖的個(gè)數(shù)來改變所述延遲時(shí)間。
6.—種激光加工裝置,其特征在于， 具有權(quán)利要求I 5中的任一項(xiàng)記載的光放大裝置。
全文摘要
提供光放大裝置及激光加工裝置。峰值檢測器(16)檢測從光放大光纖輸出的輸出光脈沖組的功率。受光元件(15)接收包含在多個(gè)脈沖中的光脈沖組來將其轉(zhuǎn)換為電流信號。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路(31)將從受光元件(15)輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓。積分電路(32)對電流/電壓轉(zhuǎn)換電路(31)的輸出電壓進(jìn)行積分。PGA(Programmable Gain Amplifier可編程增益放大器)(33)對從積分電路(32)輸出的信號進(jìn)行放大后賦予AD轉(zhuǎn)換電路(34)。根據(jù)來自信號處理電路(40)的增益設(shè)定信號設(shè)定PGA(33)的增益。信號處理電路(40)以脈沖組的重復(fù)頻率越高則使增益越高的方式調(diào)整PGA(33)的增益。
文檔編號H01S3/067GK102801089SQ20121014764
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者大垣龍男 申請人:歐姆龍株式會(huì)社