激光加工装置及激光加工方法

专利名称：激光加工装置及激光加工方法
技术领域：
本发明涉及激光加工装置及激光加工方法，特别涉及激光加工装置生成激光的技术。
背景技术：
激光加工装置广泛用于各种加工。为了提高激光加工装置的加工效率等的目的， 至今提出了各种使从激光加工装置发出的激光实现多脉冲的方法。例如分别在专利文献1(日本特开平11-221684号公报(日本专利第4132172号公报))、专利文献2(日本特开平5-57464号公报(日本专利第2848052号公报))、专利文献 3(日本特表2005-511314号公报)中，公开了这样的方法将一个光脉冲分割成多个光脉冲，并且，使这些光脉冲通过不同光路长度的光路之后，再合成这些多个光脉冲。多个光脉冲的光路长度相互不同，由此在多个光脉冲之间，产生与该光路长度之差对应的时间间隔。 从而，能够从一个光脉冲生成脉冲串(多脉冲)。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开平11-221684号公报(日本专利第4132172号公报)专利文献2 日本特开平5-57464号公报(日本专利第2848052号公报)专利文献3 日本特表2005-511314号公报

发明内容
发明要解决的问题然而，在从上述的专利文献1至专利文献3中记载的脉冲串的生成方法中，在下面所说明的方面有改善的余地。首先，由于需要使多个光脉冲的光路长度相互不同，因而使激光加工装置大型化。 例如为了在两个光脉冲之间设置IOns的时间间隔，所需的光路长度之差是3m。其次，为了合成多个光脉冲，需要调整光学元件的光轴，使多个光脉冲的光轴完全一致。然而，由于需要调整大量光学元件的光轴，因而进行调整需要费工夫。进而，存在光学元件的光轴受到周围温度或振动影响而偏离的可能性。为了防止光学元件的光轴偏离， 激光加工装置需要能够承受环境变化的牢固结构。进而，由于装置结构的制约，难以变更包含在脉冲串中的各光脉冲的条件。例如， 为了变更两个光脉冲的时间间隔，必须变更各光脉冲的光路长度的差分。然而，为了变更光路长度，需要非常复杂的机构。由于一个光脉冲被分割为与光路个数相等的个数的光脉冲，因而包含在脉冲串中的光脉冲的个数为固定的个数。在多个光脉冲之间的功率的比例也是固定的比例。如上所述，在以往的激光加工装置中，与从激光加工装置输出的脉冲串的控制相关的自由度少。因此，存在激光加工装置不能够实现用户所希望的加工的可能性。
本发明的目的是提供一种激光加工装置以及使用该激光加工装置的激光加工方法，该激光加工装置能够避免装置大型化以及结构复杂化，并且，能够输出用于所希望的加工的激光(脉冲串)。用于解决问题的手段若总结本发明，则是一种激光加工装置，该激光加工装置具有种子光源，其发出种子光；激发光源，其发出激发光；光放大光纤，其通过接收种子光及激发光，来放大种子光。种子光源反复生成包含多个光脉冲的脉冲串，以作为种子光。多个光脉冲之间的时间间隔比脉冲串之间的间隔短。能够变更光脉冲的个数、脉冲宽度、振幅及间隔中的至少一个参数。优选种子光源以规定的周期生成脉冲串。优选种子光源包括半导体激光器。激光加工装置还具有驱动电路，该驱动电路使用对脉冲串的波形进行定义的数字数据，来驱动半导体激光器。优选多个光脉冲照射到加工对象物的大致相同的位置。优选光脉冲的脉冲宽度在20毫微秒(ns ；也即“纳秒”)以下。优选驱动电路包括数字模拟转换器，其将数字数据转换成模拟信号；放大器，其放大来自数字模拟转换器的模拟信号；晶体管，其响应于由放大器放大后的模拟信号，来控制供给至半导体激光器的驱动电流。优选地，驱动电路包括数字模拟转换器，其将数字数据转换成电流信号；电流电压转换器，其将电流信号转换成电压信号；偏压源，其生成偏压；差动放大器，其生成与电压信号的电压和偏压之间的差分相对应的信号；晶体管，其响应于由差动放大器生成的信号，来控制供给至半导体激光器的驱动电流。优选偏压源与输入到偏压源中的数据相对应的偏压。本发明的另一技术方案是一种激光加工方法，是一种激光加工装置的激光加工方法，该激光加工装置具有种子光源，其发出种子光；激发光源，其发出激发光；光放大光纤，其通过接收种子光及激发光，来放大种子光；扫描机构，其用于使来自光放大光纤的出射光进行扫描。该激光加工方法包括以下工序种子光生成工序，从种子光源反复生成包含多个光脉冲的脉冲串，以作为种子光；照射工序，使用扫描机构，使来自光放大光纤的出射光照射在加工对象物上，由此在加工对象物的表面上形成所希望的图案。多个光脉冲之间的时间间隔比脉冲串之间的间隔短。能够变更光脉冲的个数、脉冲宽度、振幅及间隔中的至少一个参数。在种子光生成工序中，根据加工对象物的加工位置来变更光脉冲的间隔。发明效果若采用本发明，则能够实现能够避免装置大型化以及结构复杂化的同时，能够输出用于所希望加工的激光(脉冲串)。


图1是示出了本发明的实施方式的激光加工装置的结构例的图。图2A是作为本实施方式的光纤1、8的一例的单包层光纤的剖面图。图2B是作为本实施方式的光纤1、8的一例的单包层光纤的剖面图。图2C是作为本实施方式的光纤1、8的一例的双包层光纤的剖面图。
图2D是作为本实施方式的光纤1、8的一例的双包层光纤的剖面图。图3是说明本发明的实施方式的种子光的波形的图。图4是示出了对在图1中示出的种子LD2进行驱动的驱动器21的结构的一例的图。图 5A 是示出了从在图 4 中示出的 FPGA(Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列)42输出数字数据的输出时刻的图。图5B是示出了从在图4中示出的FPGA42输出数字数据的输出时刻的图。图5C是在图4中示出的驱动电流Iui的波形图。图6是示出了特定种子光的波形的图，该特定种子光是指，将具有在图5C中示出的波形的驱动电流Iui供给至种子LD，由此从种子LD输出的种子光。图7是示出了以使包含在脉冲串中的多个光脉冲的峰值恒定的方式控制的种子光的波形的图。图8是示出了光放大光纤的放大率小的情况下的出射光(脉冲串)的功率波形的图。图9是示出了光放大光纤的放大率是中等程度的情况下的出射光(脉冲串)的功率波形的图。图10是示出了光放大光纤的放大率大的情况下的出射光(脉冲串)的功率波形的图。图11是示出了在对具有在图9中示出的波形的种子光进行放大的情况下，出射光 (脉冲串)的功率波形的图。图12是示出了对在图1中示出的种子LD2进行驱动的驱动器21的结构的另一例的图。图13是在图12中示出的电压Vin的波形图。图14是由在图12中示出的驱动器21控制的电压V111的波形图。图15是在电压Vbias为0且电压Vui的周期短的情况下的电流I111的波形图。图16是将电压Vbias设定为规定值的情况下的电流I111的波形图。图17是示出了对种子LD2进行驱动的驱动器21的结构的另一例的图。图18是具有在图17中示出的结构的驱动器21的动作的说明图。图19是示出了仅变更了脉冲间隔tp的情况下的加工实验的结果的图。图20是示出了由本发明的实施方式的激光加工装置能够实现的加工例的图。图21A是以曲线图形式示出了种子光的脉冲宽度和特定的放大光的峰值功率之间的关系的图，该特定的放大光的峰值功率是指，在不发生受激布里渊散射(SBS)的范围内，尽量放大了种子光时的放大光的峰值功率(即SBS阈值)。图21B是以图表形式示出了放大光的脉冲宽度、峰值功率以及激发LD的驱动电流之间的关系的图。图22是示出了在发生SBS时，利用从激光放大器出射的光脉冲在金属表面上进行打印的结果的图。图23是示出了本实施方式中，在不发生SBS的条件下，利用从激光加工装置出射的激光(脉冲串)在金属表面上进行打印的结果的图。
具体实施例方式
具体实施例方式下面，参照附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。此外，对图中的相同或等同的部分标注相同的符号，并省略其说明。在本说明书中，“脉冲串”或“多脉冲”术语表示在时间轴上以某一时间间隔排列的多个光脉冲。另外，在本说明书中，“LD”术语表示半导体激光器(laser diode)。图1是示出了本发明的实施方式的激光加工装置的结构例的图。参照图1，激光加工装置100具有二级放大型的激光放大器。详细而言，激光加工装置100具有光纤1、8 ； 种子LD2 ；激发LD3、9A、9B ；隔离器(isolator) 4、6、11 ；带通滤波器(BPF) 7 ；耦合器5、10 ； 端盖12;驱动器21、22、23A、23B。由这些要素构成激光放大器。激光加工装置100还具有激光束扫描机构14、控制装置20及输入部25。光纤1、8是光放大光纤。在本实施方式中，光纤1、8是以石英为主成分的石英类光纤，但也可以是塑料光放大光纤。光纤1、8具有纤芯，其是光放大成分，且在该纤芯中添加了稀土类元素；金属包层，其设在该纤芯的周围。添加到纤芯中的稀土类元素的种类并不特别限定，例如有 Er (铒)、％ (镱)、Nd (钕)等。在下面说明稀土类元素是％的情况。每个光纤1、8，例如可以是在纤芯周围设置了 1层金属包层的单包层光纤，也可以是在纤芯周围设置了 2层金属包层的双包层光纤。另外，光纤1、8可以是相同结构(例如单包层光纤)的光纤，也可以是具有不同结构的光纤(例如是单包层光纤和双包层光纤) 的组合。图2A 图2D是示出了本实施方式的光纤1、8的结构的一例的图。图2A及图2B 是单包层光纤的一例的剖面图，分别示出了与光纤延长方向相垂直的方向及平行的方向的剖面。参照图2A及图2B，单包层光纤包括纤芯31，在该纤芯31中添加了稀土类元素； 金属包层32，其设在纤芯31的周围，并且，其折射率比纤芯31低。由外皮34覆盖金属包层 32的外表面。图2C及图2D是双包层光纤的一例的剖面图，分别示出了与光纤延长方向相垂直的方向及平行的方向的剖面。参照图2C及图2D，双包层光纤包括纤芯35，在该纤芯35中添加了稀土类元素； 第一金属包层36，其设在纤芯35的周围，并且，其折射率比纤芯35低；第二金属包层37，其设在第一金属包层36的周围，并且，其折射率比第一金属包层36低。由外皮38覆盖第二金属包层37的外表面。返回图1，种子LD2是发出种子光的激光源。种子光的波长例如是从1000 IlOOnm的范围中选择的波长。驱动器21向种子LD2反复施加脉冲状的电流，由此对种子 LD2进行脉冲驱动。即，从种子LD2发出脉冲状的种子光。从种子LD2出射的种子光通过隔离器4。隔离器4的功能在于，仅使单一方向的光透过，并遮断向与该光相反的方向入射的光。在本发明的实施方式中，隔离器4使来自种子LD2的种子光透过，并且，遮断来自光纤1的返回光。由此，能够防止来自光纤1的返回光入射至种子LD2。如果来自光纤1的返回光入射至种子LD2，则有可能导致种子LD2损坏，但通过设置隔离器4能够防止这样的问题。激发LD3是发出激发光的激发光源，所述激发光用于对添加在光纤1的纤芯中的稀土类元素的原子进行激发。在稀土类元素是Yb的情况下，激发光的波长例如是 940 士 lOnm。驱动器22对激发LD3进行CW驱动(连续动作)。耦合器5对来自种子LD2的种子光和来自激发LD3的激发光进行合成(耦合)，并将合成后的光入射至光纤1。包含在纤芯中的稀土类元素的原子，吸收入射至光纤1的激发光，由此原子被激发。来自种子LD2的种子光在光纤1的纤芯中传输时，由于由被激发的原子使种子光引起受激发射，因而种子光被放大。在光纤1是单包层光纤的情况下，种子光及激发光均入射至纤芯。相对于此，在光纤1是双包层光纤的情况下，种子光入射至纤芯，激发光则入射至第一金属包层。双包层光纤的第一金属包层作为激发光的波导来发挥功能。在入射至第一金属包层的激发光在第一金属包层中传输的过程中，在通过纤芯的模式下激发纤芯中的稀土类元素。隔离器6使由光纤1放大，且使从光纤1出射的种子光(光脉冲)通过的同时遮断向光纤1返回的光。带通滤波器7，使特定波段的光通过的同时，除掉与该特定波段不同的波段的光， 该特定波段包含从光纤1输出的光脉冲的峰值波长。激发LD9A、9B发出激发光，该激发光用于对包含在光纤8的纤芯中的稀土类元素的原子进行激发。驱动器23A、23B分别对激发LD9A、9B进行CW驱动。在图1所示出的结构中，第一阶段的激发LD的个数是1，第二阶段的激发LD的个数是2，但激发LD的个数并不限定于这些个数。耦合器10对通过了带通滤波器7的光脉冲和来自激发LD9A、9B的激发光进行合成，并将合成后的光入射至光纤8。通过与光纤1的光放大作用相同的作用，使入射至光纤 8的光脉冲放大。隔离器11，使从光纤8出射的光脉冲通过的同时，遮断向光纤8返回的光。通过了隔离器11的光脉冲，从附带在隔离器11上的光纤的端面出射至空气中。为了防止将峰值功率高的光脉冲从光纤出射至空气中时，在光纤的端面和空气之间的境界面发生光脉冲损失，因而设置端盖12。激光束扫描机构14用于使来自激光放大器的出射光在二维方向上进行扫描。虽未图示，但激光束扫描机构14例如也可以包括准直透镜、电流扫描仪、f θ透镜等，该准直透镜用于将来自端盖12的出射光即激光束的直径调整为规定大小，该电流扫描仪用于使通过了准直透镜之后的激光束在加工对象物50的表面上进行二维方向的扫描，该f θ透镜用于使激光束会聚。在加工对象物50的表面上，使激光L在二维方向上进行扫描，由此，对以金属等作为坯料的加工对象物50的表面进行加工。例如在加工对象物50的表面打印 (标记)由文字或图形等构成的信息。控制装置20通过控制驱动器21、22、23Α、23Β及激光束扫描机构14，来整体控制激光加工装置100的动作。输入部25例如接受来自用户的信息(例如要在加工对象物50的表面上打印的文字、标识等信息)，并将接收到的该信息发送至控制装置20。控制装置20 例如基于来自输入部25的信息，来控制驱动器21、22、23A、23B的动作开始及动作结束，并且，在使驱动器21、22、23A、2!3B动作的期间(换言之，是从激光放大器出射光的期间)，控制激光束扫描机构14的动作。例如由执行规定程序的个人计算机来实现控制装置20。就输入部25而言，只要是用户能够输入信息的装置即可，没有特别限定，例如能够使用鼠标、键盘、触摸面板等。如上所述，对种子LD进行脉冲驱动，并且，对激发LD进行CW驱动。其中，在种子 LD的非发光期间长的情况下，控制装置20优选以在该非发光期间内中断输出激发LD的方式，来控制驱动器21、22、23A、23B。种子LD、激发LD、隔离器、带通滤波器等的特性，因温度而发生变化。因此，优选在激光加工装置内配置温度控制器，该温度控制器用于恒定保持这些元件的温度。图3是说明本发明的实施方式的种子光的波形的图。参照图3，在每个重复期间 tprd内，从种子LD2输出包含多个光脉冲的脉冲串即多脉冲。多个光脉冲之间的时间间隔 (脉冲间隔)是tp。例如基于加工对象物的坯料(金属、树脂等)、加工时间、加工质量等加工对象物的加工条件，来设定重复期间tprd及脉冲间隔tp。例如从1 μ s Ims的范围中选择重复期间tprd。另一方面，脉冲间隔tp比重复期间tprd短，因而例如在Ins IOOns之间选择脉冲间隔tp。由于脉冲间隔tp短，因而在构成一个多脉冲的脉冲串中，一个脉冲和下一个脉冲之间的扫描距离非常短。因此，在基于前一个脉冲进行加工的加工对象物表面上的加工痕迹的范围内，照射下一个脉冲，其结果，在加工对象物表面上，基于构成一个多脉冲的脉冲串的加工痕迹连续相连。即，一个多脉冲构成了照射加工对象物的大致同一位置的一个加
工单位。在图3所示出的波形中，包含在脉冲串中的光脉冲的个数是3。然而，包含在脉冲串中的光脉冲的个数只要是多个即可，并不特别限定，而能够任意地设定光脉冲的个数。另夕卜，重复期间tprd并不限定于固定值，也可以是变量值。本发明的实施方式的激光加工装置采用使用光放大光纤的MOPA (Master Oscillator and Power Amplifier :主控振荡器和功率放大器)方式，并使用来自半导体激光器的光作为种子光。通过光纤1、8来放大由种子LD2生成的种子光，并从激光加工装置 100输出放大后的该种子光。由于种子LD2输出包含多个光脉冲的脉冲串作为种子光，因而从激光加工装置100输出包含多个光脉冲的脉冲串，换言之，输出实现了多脉冲化的激光。通过由驱动器21驱动种子LD2，使种子LD2发出种子光(脉冲串)。利用驱动器 21控制供给至种子LD2的电流，由此能够相互独立地控制由种子LD2生成的种子光(脉冲串)的重复周期tprd、包含在脉冲串中的脉冲的个数、脉冲间隔tp、各光脉冲的峰值功率 (脉冲的振幅)、各光脉冲的脉冲宽度等多个参数。从激光加工装置100输出的激光，是利用光纤1、8放大后的种子光。通过控制与种子光相关的参数，能够相互独立控制与从激光加工装置100输出的激光(脉冲串)相关的多个参数(包含在脉冲串中的脉冲的个数、重复周期、脉冲间隔、各光脉冲的峰值功率(脉冲的振幅)、各光脉冲的脉冲宽度等)。若如上述那样采用本发明的实施方式，则能够从激光加工装置100输出脉冲串(多脉冲)作为激光。进而，能够相互独立控制与从激光加工装置100输出的激光(脉冲串)相关的多个参数。因此，若采用本发明的实施方式，则能够从激光加工装置100输出用于进行所希望加工的激光(脉冲串)。在这里，在图21A及图21B中示出了通过实验求出的各光脉冲的脉冲宽度(半最大值全波)tw的优选的值的结果。图21A是以曲线图形式示出了种子光的脉冲宽度和特定的放大光的峰值功率之间的关系的图，该特定的放大光的峰值功率是指，在不发生受激布里渊散射(SBS)的范围内，尽量放大了种子光时的放大光的峰值功率(即SBS阈值)。图21B是以图表形式示出了放大光的脉冲宽度、峰值功率以及激发LD的驱动电流之间的关系的图。如图21A及图21B 所示，在脉冲宽度在20ns以下时，SBS阈值(峰值功率)急剧变大。因此，优选将各脉冲光的脉冲宽度设定为20ns以下。图22是示出了在发生SBS时，利用从激光放大器出射的光脉冲在金属表面上进行打印的结果的图。图23是示出了本实施方式的在不发生SBS的条件下，利用从激光加工装置出射的激光(脉冲串)在金属表面上进行打印的结果的图。参照图22及图23，在发生 SBS的情况下，形成在金属表面上的斑点的大小不均勻，并且，斑点的间距也不均勻。可考虑到这是因为，因SBS而导致从激光放大器出射的光脉冲的能量不稳定，或者，大部分入射光被反射而未进入到介质中。另一方面，在本实施方式中，由于能够容易地设定脉冲宽度来使其满足不发生SBS的条件，因而能够在金属表面上以均勻间距形成均勻大小的斑点。因此， 在加工(例如将文字或图形打印在金属表面上)金属表面时，能够进行高质量的加工。图4是示出了对在图1中示出的种子LD2进行驱动的驱动器21的结构的一例的图。参照图4，驱动器21包括FPGA(Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列)42、D/A转换器43、放大器(在图中表示为“Amp”)44及驱动部45。驱动部45包括晶体管46及电阻47。存储部41非易失性地存储对种子光的波形进行定义的波形数据(数字数据)。 FPGA42是以数字数据形式来输出从存储部41输出的波形数据D的数字信号发生器。FPGA42 若接收到到来自控制装置20 (图1)的动作信号，则从存储部41输出波形数据D，并且，基于该波形数据D来输出时钟脉冲信号DAC_clk和数据信号DAC_data (数字数据)。FPGA42响应于来自控制装置20的停止信号而停止该动作。此外，也可以将波形数据存储至控制装置20，并由FPGA42从控制装置20输出波形数据。另外，也可以由FPGA42预先存储波形数据。D/A (数字/模拟)转换器43接收时钟脉冲信号DAC_clk和数据信号DAC_data， 并将数据信号DAC_data所表示的数字数据转换成模拟数据。D/A转换器43优选是适合于高速信号处理的D/A转换器(高速D/A转换器)。放大器44将来自D/A转换器43的模拟信号即电流Idac转换成在控制晶体管46 时需要的信号。对晶体管46的控制电极施加与从放大器44输出的信号相对应的电压V,若晶体管46基于电压Vui而导通，则会向种子LD2施加驱动电流Ιω。若驱动电流 Ild变得比阈值电流大，则种子LD2进行激光振荡而从种子LD2发出种子光。由于根据电压 Vld来控制施加至晶体管46的电流，因而能够控制驱动电流Iui的强度。由此，控制种子光的强度。
此外，优选驱动器21能够根据用途来选择多个波形数据。可以将多个波形数据保存至例如存储部41的内部以及控制装置20的内部。另外，数字信号发生器只要是 FPGA即可，没有特别限定，也可以是微处理器或ASIC(Application Specific Integrated Circuit :特定用途集成电路)等。图5A及图5B是具有在图4中示出的结构的驱动器21的动作的说明图。图5A及图5B是示出了从在图4中示出的FPGA42输出的数字数据的输出时刻的图。图5C是在图 4中示出的驱动电流I111的波形图。参照图5A 图5C及图4，将向D/A转换器43输入的值(数据信号DAC_data所表示的值)，设定为0和某一值(在图5A及图5B中是a f中的任意的值)。D/A转换器 43根据具有周期t的时钟脉冲信号DAC_clk的上升拐点及下降拐点，来读入数据信号DAC_ data所表示的数字数据，并将读入的该数字数据转换成模拟数据。如图5A所示，在输入值 a f中的某一值(例如a)和其下一个值(例如b)之间，作为输入值而夹着0。如图5B所示，向D/A转换器43输入的值a f，按照从a至f的顺序而变大。D/ A转换器43、放大器44及驱动部45基于该输入值来进行动作。如图5C所示，根据对它们的响应性，驱动电流Iui以其峰值随时间经过而变大的方式发生变化。此外，数据信号DAC_data的值为0的期间(与周期t相对应)，与在图3中示出的脉冲间隔tp相对应。另外，如图5A所示，FPGA42例如在每个重复期间tprd，使数据信号 DAC_data的值从a变化至f。由此，在每个重复期间tprd，从种子LD2生成脉冲串。图6是示出了特定种子光的波形的图，该特定种子光是指，将具有在图5C中示出的波形的驱动电流I111供给至种子LD，由此从种子LD输出的种子光。参照图6，种子光波形的包络线E相对于时间(t)而单调增加。只要相对于时间而单调增加即可，包络线E不管是直线还是曲线都可以。控制种子光的强度，以使种子光波形的包络线相对于时间而单调增加，由此将包含在从激光加工装置输出的脉冲串中的各脉冲的强度控制为恒定。图7是示出了以使包含在脉冲串中的多个光脉冲的峰值恒定的方式进行控制的种子光的波形的图。参照图7，种子光的波形的包络线E是相对于时间的倾斜度为0的直线。图8 图10是示出了使用光放大光纤对具有图7示出的波形的种子光进行放大之后，从光放大光纤出射的出射光(脉冲串)的波形的图。图8是示出了在光放大光纤的放大率小的情况下的出射光(脉冲串)的波形的图。图9是示出了光放大光纤的放大率是中等程度的情况下的出射光(脉冲串)的波形的图。图10是示出了在光放大光纤的放大率大的情况下的出射光(脉冲串)的波形的图。此外，根据入射至光放大光纤的激发光的功率来决定光放大光纤的放大率。在图8 图10中示出了来自光放大光纤的出射光即多个光脉冲的波形的包络线 (Ea Ec)。根据包络线fe Ec的形状可知，出射光脉冲的峰值功率逐渐降低，而与光纤的放大率无关。这是因为，向光放大光纤入射脉冲串时，包含在脉冲串中的多个光脉冲依次被放大，由此蓄积在纤芯(稀土类元素的原子)中的能量逐渐衰减。蓄积在纤芯(稀土类元素的原子)中的能量越大，则光放大光纤的放大率越大，另一方面，由光放大光纤所放大的光脉冲的峰值功率的衰减程度变大。因此，在种子光脉冲的包络线E为直线状的情况下， 包络线E的形状随着光放大光纤的放大率而大幅发生变化。
11
如图6所示，通过使种子光脉冲的包络线E相对于时间而单调增加，能够对出射光的峰值功率的降低进行修正，其中，出射光的峰值功率的降低，是因光放大光纤的放大率降低而导致的。其结果，由于如在图11示出那样能够使出射光的峰值功率稳定，因而能够将出射光波形的包络线Ed设定为相对于时间的倾斜度为大致0的直线。此外，图6示出了种子光波形的一例。多个光脉冲的包络线的形状，只要是能够满足用户所希望的加工条件的规定形状即可。从而，包络线例如也可以是直线、与规定函数相对应的曲线等。图12是示出了对在图1中示出的种子LD2进行驱动的驱动器21的结构的另一例的图。参照图12，驱动器21的结构与在图4中示出的结构不同点在于以下方面。首先，驱动器21还具有电流一电压转换器(I/V) 61，其将从D/A转换器43输出的电流Idac转换成电压Vin ；偏压源62，其生成偏压Vbias。驱动器21还具有差动放大器44A，以代替放大器44。在电压Vin比偏压Vbias大的情况下，差动放大器44A生成与(Vin-Vbias)相对应的电压％。偏压源62例如由D/A转换器构成。偏压源62根据来自外部(例如控制装置20)的控制，能够任意设定电压Vbias。具体而言，偏压源62根据输入至偏压源62的数据来生成电压Vbias。通过控制电压Vbias，能够控制向晶体管46的控制电极施加的电压 Vld以及向种子LD2供给的驱动电流Ιω。图13是在图12中示出的电压Vin的波形图。参照图13，一个电压脉冲的宽度(半最大值全波)是twl。通过将电压Vin及电压Vbias输入至差动放大器44A，电压Vin的电平向负方向仅降低Vbias。从而，电压V111的电平向负方向移动(迁移)。图14是由在图12中示出的驱动器21控制的电压V111的波形图。参照图14及图 12，电压V111的脉冲宽度是tw2(tw2 < twl)。S卩，随着电压V111的电平移动，电压Vui的脉冲
宽度变小。通过使电压Vui的脉冲宽度变小，从而使驱动电流Iui的脉冲宽度变小。通过使驱动电流Iui的脉冲宽度变小，从而使包含在从种子LD2发出的种子光(脉冲串)中的多个光脉冲的各脉冲宽度变小。从而，能够使包含在从激光加工装置输出的脉冲串中的多个光脉冲的各脉冲宽度变短。此外，能够与多个光脉冲的脉冲宽度相独立地控制重复周期tprd等其他参数。因此，例如能够保持重复周期tprd不变，而仅变更光脉冲的脉冲宽度。图15是在电压Vbias为0且电压V111的周期短的情况下的电流I111的波形图。参照图16，若由于晶体管46的响应等原因，导致电压V111的周期变短，则在电流I111中生成偏离(offset)成分。图16是将电压Vbias设定为规定值的情况下的电流Iui的波形图。参照图16，通过电压Vbias，能够使电流I111的电平仅移动与电流Iui的偏离成分相对应的电流I。f。即，能够减少电流Iui的偏离成分。因此，即使种子光包含有偏离成分，也能够使偏离成分变小。若采用图12的结构，则通过使电压V111的脉冲宽度发生变化，来使种子光波形的振幅发生变化。但是，仍然根据激发光的功率来控制由光放大光纤放大的激光(脉冲串)的功率。因此，在本发明的实施方式的激光加工装置中，也可以变更种子光波形的振幅。通过控制激发光的功率，能够控制从激光加工装置输出的激光的功率(包含在脉冲串中的多个光脉冲的各峰值功率)。图17是示出了对种子LD2进行驱动的驱动器21的结构的另一例的图。参照图 17，驱动器21具有与差动放大器的输入部相同的电路结构。详细而言，驱动器21包括LD 接通(on)/断开(off)信号生成电路51、包络线生成电路52、电阻53、晶体管M及55、恒定电流电路部56。恒定电流电路部56包括晶体管57及电阻58。LD接通/断开信号生成电路51输出用于控制晶体管M的控制信号PLD以及用于控制晶体管55的控制信号/PLD。控制信号PLD、/PLD是互补的信号。晶体管55与种子 LD2串联连接。包络线生成电路52输出用于控制恒定电流电路部56 (晶体管57)的信号knv。图18是具有在图17中示出的结构的驱动器21的动作的说明图。参照图18及图 17，由于控制信号PLD、/PLD是互补的信号，因而晶体管M、55交替接通(on)。因此，晶体管 55在每个规定的重复期间接通(on)。还响应于信号krw来控制向晶体管57施加的电流。 由此控制向恒定电流电路部56施加的电流。即，控制信号PLD、/PLD是通过具有图17示出的结构的驱动器21来具体实现特定条件的控制信号，该特定条件是指，能够抑制因包含在光脉冲群中的多个光脉冲中的任意一个光脉冲而导致生成受激布里渊散射的规定条件。若接通(on)晶体管55，则在由种子LD2、晶体管55及恒定电流电路部56构成的电流路径中流动驱动电流Ιω。根据信号％1^来决定该电流的大小。由于在每个规定的重复期间接通(on)晶体管55，因而驱动电流Iui是脉冲状的电流。通过由包络线生成电路52 将信号knv的波形设定为所希望的波形，将信号krw的波形反映到驱动电流Iui的波形的包络线的形状上。从而，将信号krw的波形反映到从种子LD2出射的种子光的强度波形的包络线形状上。此外，能够任意设定信号knv的波形，而并不限定于在图18中示出的形状。图19是示出了使用本发明的实施方式的激光加工装置来进行加工实验的结果的例子的图。参照图19，在实验中将种子光(脉冲串)的脉冲间隔tp变更为7ns、35ns、70ns， 来在SUS(不锈钢)及铁的表面上进行了打印。此外，在该实验中仅变更了种子光的脉冲间隔tp。通过使脉冲间隔变长，能够改变SUS的加工状态，其结果，能够使打印颜色从白色变化至黑色。如图19所示，通过变更脉冲间隔tp，使得打印图案的颜色在白色和黑色之间发生变化。因此，例如在激光扫描一次的期间内，根据加工位置来变更脉冲间隔tp，由此能够在加工对象物的表面上生成黑白图案。通过应用这样的黑白图案的生成方法，能够通过一次表面加工而生成例如在图20中示出那样的包含白色打印部分和黑色打印部分两者的二维代码。在图20中示出的代码表示“QR Code”(注册商标)这样的字符串。在利用以往的加工方法在加工对象物(例如金属)的表面上生成在图20示出的二维代码的情况下，首先，进行用于使整个加工对象面成为白底(白色背景)的加工，接着进行用于形成黑色图案的加工。相对于此，在利用本发明的实施方式的激光加工装置的情况下，预先生成与种子光的参数相关的数据(种子光的波形数据)。驱动器21根据该数据来驱动种子LD2。进而，激光束扫描机构14使由光纤1、8放大后的种子光在二维方向上进行扫描。由此，能够通过一次表面加工而生成包含白色打印部分和黑色打印部分两者的图案。因此，若采用本发明的实施方式，则能够提高生产节拍时间(tact time)。若如上述那样采用本发明的实施方式，则从种子LD2以规定的周期重复生成包含多个光脉冲的脉冲串，由此能够从激光加工装置100输出脉冲串(实现了多脉冲化的激光)。为了从激光加工装置输出脉冲串，如果利用将一个光脉冲分成多个光脉冲并合成这些多个光脉冲的方法，则需要在各光脉冲的光路长度之间设定差分，并且，需要使各光脉冲的光轴完全一致。因此，会导致激光加工装置大型化，并且，其结构变复杂。然而，若采用本发明的实施方式，由于即使不利用那样的方法，也能够从激光加工装置输出所希望的用于加工的激光(脉冲串)，因而能够避免激光加工装置大型化，并且，能够避免其结构复杂化。进而，若采用本发明的实施方式，则驱动器21基于波形数据来驱动种子LD2。通过变更波形数据，能够相互独立变更与种子光(脉冲串)相关的多个参数，因而能够提高与种子光(脉冲串)的控制相关的自由度。从而，能够提高与从激光加工装置输出的激光(脉冲串)的控制相关的自由度。例如，如图19及图20所示，通过仅变更与种子光相关的多个参数中的一个参数而保持其他参数不变，就能够实现所希望的加工。进而，若采用本发明的实施方式，也可以通过变更从与种子光相关的多个参数中选择出的任意个数的参数，来能够实现所希望的加工。如上所述，能够通过变更在驱动器21中使用的波形数据，来实现这样的参数变更。此外，在本发明的实施方式中，驱动器21使用波形数据来驱动种子LD2，由此种子 LD2以规定的周期生成包含多个光脉冲的脉冲串。其中，用于从种子光源以规定周期生成包含多个光脉冲的脉冲串的方法，并不限定如上述那样的方法。例如，也可以通过使用光闸来接通/断开由种子光源生成的连续光，来生成包含多个光脉冲的脉冲串作为种子光。通过重复接通/断开光间，能够生成包含多个光脉冲的脉冲串。进而，通过使生成脉冲串的周期比接通/断开光闸的周期更长，能够以规定周期生成包含多个光脉冲的脉冲串，并且，能够使多个光脉冲的时间间隔比规定周期更短。在该情况下，也能够避免装置大型化、结构复杂化，并且，能够相互独立控制多个光脉冲的时间间隔和生成脉冲串的周期。应当认为本公开的实施方式是在全部点的例示而非限制。本发明的范围并不由上述的说明来表示，而是由权利要求书来表示，意在包括在与权利要求书均勻的意思和范围内的全部变更。附图标记的说明1、8 光纤2 种子 LD3、9A、9B 激发 LD4、6、11 隔离器5、10 耦合器7带通滤波器12 端盖14激光束扫描机构20控制装置21、22、23A、23B 驱动器25输入部31、35 纤芯32金属包层
14
36第一金属包层37第二金属包层34、38 外皮41存储部42 FPGA43 D/A 转换器44放大器44A差动放大器45驱动部46,54,55,57 晶体管47、53、58 电阻50加工对象物51 LD接通/断开信号生成电路52包络线生成电路56恒定电流电路部61电流一电压转换器62偏压源100激光加工装置E、Ea Ed包络线L 激光
权利要求
1.一种激光加工装置，其特征在于， 具有种子光源(2)，其发出种子光， 激发光源(3、9A、9B)，其发出激发光，光放大光纤(1、8)，其通过接收所述种子光及所述激发光，来放大所述种子光； 所述种子光源(2)反复生成包含多个光脉冲的脉冲串作为所述种子光； 所述多个光脉冲之间的时间间隔比所述脉冲串之间的间隔短； 该激光加工装置能够变更所述光脉冲的个数、脉冲宽度、振幅及间隔中的至少一个参数。
2.根据权利要求1记载的激光加工装置，其特征在于， 所述种子光源(2)以规定的周期生成所述脉冲串。
3.根据权利要求1记载的激光加工装置，其特征在于， 所述种子光源(2)包括半导体激光器；所述激光加工装置还具有驱动电路(21)，该驱动电路(21)使用对所述脉冲串的波形进行定义的数字数据，来驱动所述半导体激光器。
4.根据权利要求1记载的激光加工装置，其特征在于， 所述多个光脉冲照射到加工对象物(50)的大致相同的部位。
5.根据权利要求1记载的激光加工装置，其特征在于， 所述光脉冲的所述脉冲宽度在20毫微秒以下。
6.根据权利要求3记载的激光加工装置，其特征在于， 所述驱动电路(21)包括数字模拟转换器(43)，其将所述数字数据转换成模拟信号， 放大器(44)，其对来自所述数字模拟转换器(43)的所述模拟信号进行放大， 晶体管(46)，其响应于被所述放大器(44)放大后的所述模拟信号，来控制供给至所述半导体激光器的驱动电流。
7.根据权利要求3记载的激光加工装置，其特征在于， 所述驱动电路(21)包括数字模拟转换器(43)，其将所述数字数据转换成电流信号， 电流电压转换器(61)，其将所述电流信号转换成电压信号， 偏压源(62)，其生成偏压，差动放大器(44A)，其生成与所述电压信号的电压和所述偏压之间的差分相对应的信号，晶体管(46)，其响应于由所述差动放大器(44A)生成的信号，来控制供给至所述半导体激光器的驱动电流。
8.根据权利要求7记载的激光加工装置，其特征在于，所述偏压源(62)生成与输入到所述偏压源(62)中的数据相对应的所述偏压。
9.一种激光加工方法，利用激光加工装置，该激光加工装置具有 种子光源(2)，其发出种子光，激发光源(3、9A、9B)，其发出激发光，光放大光纤(1、8)，其通过接收所述种子光及所述激发光，来放大所述种子光， 扫描机构(14)，其用于利用来自所述光放大光纤(1、8)的出射光来进行扫描； 该激光加工方法的特征在于， 包括以下工序种子光生成工序，通过所述种子光源( 反复生成包含多个光脉冲的脉冲串作为所述种子光，照射工序，使用所述扫描机构(14)将来自所述光放大光纤(1、8)的所述出射光照射在加工对象物(50)上，由此在所述加工对象物(50)的表面上形成所希望的图案； 所述多个光脉冲之间的时间间隔比所述脉冲串之间的间隔短； 能够变更所述光脉冲的个数、脉冲宽度、振幅及间隔中的至少一个参数； 在所述种子光生成工序中，根据所述加工对象物(50)的加工位置来变更所述光脉冲的间隔。
全文摘要
激光加工装置(100)具有种子光源(2)，其发出种子光；激发光源(3、9A、9B)，其发出激发光；光放大光纤(1、8)，其通过接收所述种子光及所述激发光，来放大所述种子光。种子LD(2)反复生成包含多个光脉冲的脉冲串，以作为种子光。多个光脉冲之间的时间间隔比脉冲串之间的间隔短。进而，能够变更光脉冲的个数、脉冲宽度、振幅及间隔中的至少一个参数。
文档编号H01S3/06GK102474064SQ20108002615
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月12日 优先权日2009年11月16日
发明者冈林隆文, 大垣龙男, 石津雄一, 福井浩 申请人:欧姆龙株式会社