激光功率监测装置和激光功率监测方法与流程

1.本公开涉及对从激光光源射出并照射被加工材料的激光束的功率进行监测的激光功率监测装置以及激光功率监测方法。


背景技术：

2.具有一种利用弯曲镜使从激光光源射出的激光束折弯来照射被加工材料从而对被加工材料进行焊接或切割的激光加工机。在专利文献1或专利文献2中记载了利用传感器来检测透射了弯曲镜的微少的激光束，由此来监测激光束的功率。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2006-247681号公报
6.专利文献2：日本特开2012-179627号公报


技术实现要素：

7.在专利文献1或专利文献2所记载的激光功率监测装置中，作为弯曲镜，有时会使用反射特定波长的激光束的二向色镜。相对于激光束的光轴以45度的角度配置二向色镜。在二向色镜的反射面形成有电介质多层膜，电介质多层膜使特定波长的激光束反射。
8.激光束包含p波和s波来作为偏振成分。p波的量与s波的量之比即偏振比根据激光光源所具有的振荡器的温度环境等而发生变化。若激光束的偏振比发生变化，则电介质多层膜的45度入射的激光束的反射率、透射率或反射频段发生变化。因此，透射二向色镜而入射到传感器的激光束的功率发生变化。即，在使用二向色镜来作为弯曲镜的激光加工机中使用的、通过传感器来检测透射了二向色镜的激光束的激光功率监测装置中，由于激光束的p波和s波的偏振比发生变化，无法稳定地监测激光束的功率。
9.一个以上的实施方式的目的在于，提供一种即使激光束的p波和s波的偏振比发生变化也能够降低其影响，从而稳定地监测激光束的功率的激光功率监测装置以及激光功率监测方法。
10.根据一个以上的实施方式的第一方式，提供一种激光功率监测装置，该激光功率监测装置具备：直角反射棱镜，其具有呈直角的第一面以及第二面、与所述第一面以及第二面连结的第三面，使入射到所述第一面的照射被加工材料的激光束由所述第三面全反射，并从所述第二面射出；以及传感器，其检测透射了所述第三面的激光束的功率。
11.根据一个以上的实施方式的第二方式，提供一种激光功率监测方法，使照射被加工材料的激光束入射到具有呈直角的第一面和第二面以及与所述第一面和第二面连结的第三面的直角反射棱镜的所述第一面，使入射到所述第一面的激光束由所述第三面全反射，并从所述第二面射出，利用传感器检测透射所述第三面的激光束的功率。
12.根据一个以上的实施方式的激光功率监测装置及激光功率监测方法，即使激光束的p波与s波的偏振比发生变化也能够降低其影响，从而稳定地监测激光束的功率。
附图说明
13.图1表示第一实施方式的激光功率监测装置和激光功率监测方法。
14.图2a表示激光光源所具备的传感器检测激光光源射出的激光束的功率而得到的检测电压值。
15.图2b表示第一实施方式的激光功率监测装置所具备的传感器检测向被加工材料照射的激光束的功率而得到的检测电压值。
16.图3表示第二实施方式的激光功率监测装置和激光功率监测方法。
17.图4表示第二实施方式的激光功率监测装置所具备的2个传感器检测激光光源射出的激光束的功率而得到的检测电压值。
18.图5表示第三实施方式的激光功率监测装置和激光功率监测方法。
19.图6表示第四实施方式的激光功率监测装置和激光功率监测方法。
20.图7表示比较例的激光功率监测装置。
21.图8表示对入射到图7所示的二向色镜的激光束的p波和s波的功率进行了预定的测定时间的测定而得到的测定结果的一例。
22.图9表示图7所示的激光光源所具备的传感器对激光光源射出的激光束的功率进行检测而得到的检测电压值、比较例的激光功率监测装置所具备的传感器对向被加工材料照射的激光束的功率进行检测而得到的检测电压值。
具体实施方式
23.以下，参照附图对各实施方式的激光功率监测装置以及激光功率监测方法进行说明。首先，对图7所示的比较例的激光功率监测装置所具有的问题点进行详细说明。
24.在图7中，激光光源1射出发散光的激光束。激光光源1具备用于检测所射出的激光束的功率的传感器1s。准直透镜2将入射的发散光的激光束转换为准直光后射出。以相对于准直光的光轴倾斜了45度的状态配置二向色镜3。在二向色镜3的激光束的入射面(反射面)3a形成有电介质多层膜。入射到二向色镜3的入射面3a的激光束由入射面3a反射而入射到聚焦透镜4。聚焦透镜4使入射的激光束聚焦而照射金属板即被加工材料w。
25.激光光源1、准直透镜2、二向色镜3、聚焦透镜4构成对被加工材料w照射激光束来对被加工材料w进行焊接或切割的激光加工机。
26.入射到二向色镜3的激光束中的由单点划线所示的微少的激光束透射二向色镜3而入射到传感器5。传感器5生成与入射的激光束的功率对应的电压值。通过监视传感器5生成的电压值，能够监测激光加工机对被加工材料w照射的激光束的功率。
27.图8表示对入射到二向色镜3的激光束的p波和s波的功率进行预定的测定时间(在此为3600秒)的测定而得到的测定结果的一例。图8表示通过偏振分束器将激光光源1的激光输出变化为700w、400w、100w时的激光束分为p波和s波，并对p波和s波的功率进行了预定时间的测定而得到的结果。在图8中，实线表示p波的功率，虚线表示s波的功率。根据图8可知，在700w和400w中，p波和s波的偏振比大幅变动。另外，在激光束相对于电介质多层膜以45度入射时，p波的反射率比s波的反射率低，因此，传感器5检测出的p波的功率比s波的功率大。
28.图9表示使激光光源1的激光输出为700w时的预定的测定时间(3600秒)的传感器
1s和传感器5生成的电压值(检测电压值)。如图9所示，传感器1s生成的电压值大致恒定。即，激光光源1射出的激光束的功率被控制为大致恒定。
29.但是，传感器5生成的电压值大幅变动。这是因为如上所述p波和s波的偏振比大幅变动。如图8所示，由于p波的功率不稳定，因此不稳定的p波对传感器5生成的电压值产生大的影响。在图9所示的例子中，传感器5生成的电压值变动8％左右。可知在利用传感器5进行的激光功率的监测中，由于偏振比的变动而无法进行稳定的监测，其中，上述传感器5对透射了二向色镜3的激光束的功率进行检测。
30.以下说明的第一实施方式～第四实施方式降低以上的问题点，即使p波与s波的偏振比进行变动，也会实现激光束功率的稳定的监测。
31.《第一实施方式》
32.图1表示第一实施方式的激光功率监测装置及激光功率监测方法。第一实施方式表示了在第一实施方式～第四实施方式中共通的用于稳定地监测激光束的功率的基本结构。
33.在图1中，激光光源11射出发散光的激光束。激光光源11具备用于检测所射出的激光束的功率的传感器11s。作为一个例子，激光光源11是光纤激光振荡器。激光光源11可以是任意的激光振荡器。准直透镜12将入射的发散光的激光束转换为准直光后进行射出。准直光的激光束入射到直角反射棱镜13。
34.在直角反射棱镜13的呈直角的2个面13a及13b(第一面及第二面)实施了防反射涂层(ar涂层)。将防反射涂层设定为与激光束的使用频段对应的特性，防止使用频段内的激光束的反射。在直角反射棱镜13的与面13a及13b连结的面13c(第三面)未实施防反射涂层。
35.从准直透镜12射出的激光束入射到直角反射棱镜13的面13a而到达面13c。若激光束以大于临界角的角度入射到面13c，则激光束由面13c全反射而从面13b射出。在直角反射棱镜13由折射率为1.458的合成石英形成的情况下，关于临界角θr，能够根据sinθr＝1/1.458而计算为约43.3度。若与面13c正交的方向和激光束的入射方向所成的入射角大于临界角θr，则激光束全反射。
36.从直角反射棱镜13的面13b射出的激光束入射到聚焦透镜14。聚焦透镜14使入射的激光束聚焦后照射被加工材料w。
37.激光光源11、准直透镜12、直角反射棱镜13、聚焦透镜14构成对被加工材料w照射激光束来对被加工材料w进行焊接或切割的激光加工机。
38.入射到直角反射棱镜13的面13c的激光束中的单点划线所示的微少的激光束(漏光)在面13c透射而入射到传感器15。传感器15生成与入射的激光束的功率对应的电压值。作为一个例子，传感器15是光电二极管。光电二极管可以是pin光电二极管。传感器15可以是对入射的激光束的功率进行检测的任意的传感器，并且不限于光电二极管。通过监视传感器15生成的电压值，能够监测激光加工机对被加工材料w照射的激光束的功率。
39.图2a表示使激光光源11的激光输出为700w时的预定的测定时间(在此为3600秒)的传感器11s生成的电压值(检测电压值)。图2b表示此时传感器15生成的电压值(检测电压值)。如图2a所示，传感器11s生成的电压值大致恒定。即，激光光源11射出的激光束的功率被控制为大致恒定。
40.如图2b所示，传感器15生成的电压值几乎不变动，大致恒定。在图2b所示的例子
中，传感器15生成的电压值只变动1.86％左右。这是因为在第一实施方式的激光功率监测装置中，传感器15不是检测透射了二向色镜3的激光束的功率，而是检测透射了直角反射棱镜13的对激光束进行全反射的面13c的激光束的功率。
41.直角反射棱镜13在面13c不具有电介质多层膜，因此即使激光束的p波与s波的偏振比发生变化，也不会发生因存在电介质多层膜而导致的激光束的反射率、透射率或者反射频段的变化。因此，根据第一实施方式的激光功率监测装置以及激光功率监测方法，即使激光束的p波与s波的偏振比发生变化，也能够降低(或者消除)其影响，能够进行稳定的激光功率的监测。
42.《第二实施方式》
43.图3所示的第二实施方式的激光功率监测装置具备2个直角反射棱镜。第二实施方式的激光功率监测方法对透射了2个直角反射棱镜中的将激光束进行全反射的面的激光束的功率进行检测。在图3中，对于与图1相同的部分标注相同的附图标记，并省略其说明。
44.在图3中，从准直透镜12射出的激光束入射到直角反射棱镜131(第一直角反射棱镜)。直角反射棱镜131的面131a、131b及131c分别相当于图1的直角反射棱镜13的面13a、13b及13c。由直角反射棱镜131的面131c全反射并从面131b射出的激光束入射到直角反射棱镜132(第二直角反射棱镜)。
45.入射到直角反射棱镜131的面131c的激光束中的单点划线所示的微少的激光束透射了面131c而入射到传感器151(第一传感器)。传感器151生成与入射的激光束的功率对应的电压值。
46.直角反射棱镜132的面132a、132b以及132c分别相当于图1的直角反射棱镜13的面13a、13b以及13c。由直角反射棱镜132的面132c全反射并从面132b射出的激光束入射到聚焦透镜14。聚焦透镜14使入射的激光束聚焦后照射在图3中省略图示的被加工材料w。
47.入射到直角反射棱镜132的面132c的激光束中的单点划线所示的微少的激光束透射了面132c而入射到传感器152(第二传感器)。传感器152生成与入射的激光束的功率对应的电压值。
48.激光光源11、准直透镜12、直角反射棱镜131、直角反射棱镜132、聚焦透镜14构成对被加工材料w照射激光束来对被加工材料w进行焊接或切割的激光加工机。
49.根据第二实施方式的激光功率监测装置以及激光功率监测方法，除了与第一实施方式相同的效果以外，还能够利用2个传感器151以及152监测激光加工机对被加工材料w照射的激光束的功率。
50.图4表示由传感器151和152生成的电压值(检测电压值)。传感器151生成的电压值变动1.5％左右，传感器152生成的电压值也能够保持为相同程度的变动。也能够将激光功率监测装置设为具备3个以上的直角反射棱镜的结构。
51.《第三实施方式》
52.图5所示的第三实施方式的激光功率监测装置以及激光功率监测方法构成为将激光束分为p波和s波，将p波和s波转换为圆偏振光并由2个直角反射棱镜全反射，用2个传感器检测圆偏振光的功率。在图5中，对与图1相同的部分标注相同的附图标记，并省略其说明。
53.在图5中，从激光光源11射出的激光束包含直线偏振光的p波和s波。从激光光源11
射出的激光束入射到偏振分束器21(第一偏振分束器)。偏振分束器21通过利用接合面213将棱镜211和棱镜212接合而构成。在接合面213设置有使p波透射并反射s波的电介质多层膜。p波透射接合面213，入射到1/4波长板22(第一1/4波长板)。s波由棱镜212的面214反射而入射到1/4波长板23(第二1/4波长板)。
54.1/4波长板22将入射的直线偏振光的p波转换为第一圆偏振光。1/4波长板23将入射的直线偏振光的s波转换为第二圆偏振光。第一圆偏振光入射到直角反射棱镜133(第一直角反射棱镜)。第二圆偏振光入射到直角反射棱镜134(第二直角反射棱镜)。直角反射棱镜133的面133a、133b和133c分别相当于图1的直角反射棱镜13的面13a、13b和13c。直角反射棱镜134的面134a、134b及134c分别相当于图1的直角反射棱镜13的面13a、13b及13c。
55.入射到直角反射棱镜133的面133a的第一圆偏振光由面133c全反射而从面133b射出，并入射到1/4波长板24。入射到直角反射棱镜134的面134a的第二圆偏振光由面134c全反射而从面134b射出，并入射到1/4波长板25。
56.1/4波长板24将入射的第一圆偏振光转换为直线偏振光的s波。1/4波长板25将入射的第二圆偏振光转换为直线偏振光的p波。直线偏振光的p波和s波入射到偏振分束器26。偏振分束器26通过利用接合面263将棱镜261与棱镜262接合而构成。在接合面263设置有使p波透射并反射s波的电介质多层膜。p波透射接合面263，s波被棱镜262的面264以及接合面263反射，由此将直线偏振光的p波与s波合成，从偏振分束器26射出。
57.包含从偏振分束器26射出的直线偏振光的p波和s波的激光束入射到聚焦透镜14。聚焦透镜14使入射的激光束聚焦后照射被加工材料w。
58.激光光源11、准直透镜12、偏振分束器21、1/4波长板22及23、直角反射棱镜133及134、1/4波长板24及25、偏振分束器26、聚焦透镜14构成对被加工材料w照射激光束来对被加工材料w进行焊接或切割的激光加工机。
59.入射到直角反射棱镜133的面133c的第一圆偏振光中的单点划线所示的微少的圆偏振光透射了面133c而入射到传感器153。传感器153生成与入射的圆偏振光的功率对应的电压值。入射到直角反射棱镜134的面134c的第二圆偏振光中的单点划线所示的微少的圆偏振光透射了面134c而入射到传感器154。传感器154生成与入射的圆偏振光的功率对应的电压值。
60.在第三实施方式的激光功率监测装置以及激光功率监测方法中，将直线偏振光的p波以及s波转换为圆偏振光，使圆偏振光被直角反射棱镜133以及134全反射。与使直线偏振光的p波和s波被直角反射棱镜133和134全反射的情况相比，使圆偏振光被直角反射棱镜133和134全反射的情况难以产生使偏振成分全反射时的偏振方向的不同引起的差异。
61.在第3实施方式中，在通过偏振分束器21分离为p波和s波时偏振比可能微小地变化。但是，由于使圆偏振光被直角反射棱镜133和134全反射，因此与通过二向色镜反射圆偏振光的结构相比，偏振比的变化不太会成为问题。
62.在第三实施方式中，当p波与s波的偏振比发生变化时，传感器153和154生成的电压值发生变动。因此，也可以监测对传感器153以及154的电压值进行平均而得到的值。
63.《第四实施方式》
64.图6所示的第四实施方式的激光功率监测装置及激光功率监测方法构成为将激光束分为p波和s波，将p波和s波转换为圆偏振光并由2个直角反射棱镜全反射，将圆偏振光恢
复为直线偏振光，用1个传感器检测p波与s波的合成的功率。在图6中，对与图5相同的部分标注相同的附图标记，并省略其说明。
65.在图6中，第一圆偏振光中的透射了直角反射棱镜133的面133c的由单点划线所示的微少的圆偏振光入射到1/4波长板27(第三1/4波长板)。1/4波长板27将入射的圆偏振光转换为直线偏振光的s波。直线偏振光的s波入射到偏振分束器29(第二偏振分束器)。第二圆偏振光中的透射了直角反射棱镜134的面134c的由单点划线所示的微少的圆偏振光入射到1/4波长板28(第四1/4波长板)。1/4波长板28将入射的圆偏振光转换为直线偏振光的p波。直线偏振光的p波入射到偏振分束器29。
66.偏振分束器29通过利用接合面293将棱镜291与棱镜292接合而构成。在接合面293上设置有使p波透射并反射s波的电介质多层膜。p波透射接合面293，s波被棱镜292的面294以及接合面293反射，由此将直线偏振光的p波和s波合成，从偏振分束器29射出。从偏振分束器29射出的将直线偏振光的p波和s波合成后的激光束入射到传感器155。传感器155生成与入射的激光束的功率对应的电压值。
67.与第三实施方式同样地，在第四实施方式中，在通过偏振分束器21分离为p波和s波时偏振比有可能微小地变化。然而，在第四实施方式的激光功率监测装置以及激光功率监测方法中，利用偏振分束器29将直线偏振光的p波与s波合成，传感器155检测合成后的激光束的功率。即使p波与s波的偏振比发生变化，合成后的激光束的功率也不会变化，因此能够准确地检测激光束的功率。
68.在第四实施方式中，能够用一个传感器155检测激光束的功率。
69.本发明并不限于以上说明的第一实施方式～第四实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更。如何具体地监测传感器15、151～155检测到的激光束功率是任意的。
70.本技术主张于2020年3月26日向日本特许厅提出申请的日本特愿2020-055949号的优先权，并在此引用其全部的公开内容。