JP2012248614A - 光増幅装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光増幅ファイバを用いた光増幅装置の出力光パルスごとのピーク値を検出するための技術を提供する。
【解決手段】波高値検出器１６は、光増幅ファイバから出力された出力光パルス群のパワーを検出する。受光素子１５は、複数のパルスを含む光パルス群を受光して、その光パルス群を電流信号に変換する。電流／電圧変換回路３１は、受光素子１５から出力される電流を電圧に変換する。積分回路３２は、電流／電圧変換回路３１の出力電圧を積分する。ＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）３３は、積分回路３２から出力された信号を増幅してＡＤ変換回路３４に与える。ＰＧＡ３３のゲインは信号処理回路４０からのゲイン設定信号によって設定される。信号処理回路４０は、パルス群の繰り返し周波数が高いほどゲインが高くなるようにＰＧＡ３３のゲインを調整する。
【選択図】図６

Description

本発明は、光増幅装置およびレーザ加工装置に関し、特に、ＭＯＰＡ（Master Oscillator and Power Amplifier）方式のファイバ増幅器から光パルスを安定的に発生させるための技術に関する。

レーザ加工装置においては、レーザ光のパワーが加工品質に影響を与える。このため、レーザ加工装置から発せられるレーザ光のパワーを制御するための技術がこれまでに提案されている。

たとえば特開２０１０−１０２７４号公報（特許文献１）は、ファイバレーザ発振器から出力されるレーザパルスの平均パワーおよびピークパワーを測定して、その測定結果をＬＤ（レーザダイオード）駆動回路にフィードバックする構成を開示する。

また、たとえば特開２０１０−１７１１３１号公報（特許文献２）には、ファイバレーザに入射される種光を発するレーザ光源が、主照射期間にはパルス光を発し、予備照射期間には実質的な連続光を発することが開示されている。連続光のパワーは、パルス光のピークパワーよりも小さい。さらに、特開２０１０−１７１１３１号公報（特許文献２）には、予備照射期間における励起光のパワーを主照射期間における励起光のパワーよりも低下させることが開示されている。

特開２０１０−１０２７４号公報 特開２０１０−１７１１３１号公報

特開２０１０−１０２７４号公報（特許文献１）に開示された方法では、レーザ光パルスの平均パワーおよびピークパワーが測定される。この方法では、複数のパルスの強度の均一性をモニタできないため、複数のパルスの強度を均一に制御することが難しいと考えられる。一方、特開２０１０−１７１１３１号公報（特許文献２）は、パルスのパワーを検出する構成を具体的に開示していない。

ファイバ増幅器はレーザダイオード（ＬＤ）によって励起されることが多い。しかしながらファイバ増幅器のレーザ出力を変化させる場合、励起ＬＤの出力が変化してからレーザ出力が変化するまでの時間（応答時間）が、１ｍｓ程度あるいはそれ以上かかることがある。したがってパルスの繰り返し周波数が高くなるほど、パルスごとにその強度を測定して、測定結果をパルス強度の制御にフィードバックすることが難しくなる。このような理由によって、ファイバ増幅器では、一般に、レーザ出力の平均パワーの測定値がレーザ出力の制御にフィードバックされる。

一方、ファイバ増幅器に入力されるシード光の光源には、ＬＤが用いられることが多い。したがってシード光パルスの条件をさまざまに変えることができる。たとえば、繰り返し周波数を広範囲で変化させる、あるいは、ｎｓ程度のパルス幅を有する複数のパルスからなるパルス群を生成することができる。

このようにシード光を変化させると、ピーク値の変動範囲が極めて広くなる。したがって、ファイバ増幅器の場合には、パルスごとにピーク値を検出することがより一層難しい。一方で、レーザ出力を安定させるためには、複数のパルスの強度を均一に制御することが要求される。

本発明の目的は、光増幅ファイバを用いた光増幅装置の出力光パルスごとのピーク値を検出するための技術を提供することである。

本発明のある局面に係る光増幅装置は、シード光を励起光によって増幅する光増幅ファイバと、シード光を、複数のパルスからなるパルス群として、発光期間に複数回発生させるシード光源と、発光期間の直前の非発光期間に第１のレベルのパワーを有する励起光を発生させ、発光期間に第１のレベルより高い第２のレベルのパワーを有する励起光を発生させる励起光源と、光増幅ファイバから出力された出力光パルス群のパワーを検出するための検出器と、検出器の検出値に基づき非発光期間における励起光のパワーを制御して、発光期間の間に発生する出力光パルス群のパワーを制御する制御部とを備える。検出器は、出力光パルス群を受ける受光素子と、受光素子の出力信号を積分する積分回路と、積分回路の出力信号に基づいて、検出値を生成するＡＤ変換回路とを含む。

好ましくは、検出器は、積分回路の出力信号を増幅してＡＤ変換回路に与える可変利得増幅器をさらに含む。制御部は、発光期間に発生させるべきパルス群の繰り返し周波数に応じて、可変利得増幅器の利得を変化させる。

好ましくは、制御部は、繰り返し周波数が高いほど利得を高くする。
好ましくは、制御部は、ＡＤ変換回路が可変利得増幅器の出力信号のピークをアナログデジタル変換するように、ＡＤ変換回路がアナログデジタル変換を実行するタイミングを制御する。当該タイミングは、パルス群に含まれる複数のパルスのうちの最初のパルスが発生してからの遅延時間によって決定される。

好ましくは、制御部は、繰り返し周波数、およびパルス群に含まれる複数のパルスの個数に応じて遅延時間を変化させる。

本発明の他の局面に係るレーザ加工装置は、上記のいずれかに記載の光増幅装置を備える。

本発明によれば、光増幅ファイバを用いた光増幅装置の出力光パルスごとのピーク値を検出することができる。

本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成例を示した図である。 実施の形態１に係るレーザ加工装置によるレーザ発光のタイミング図である。 図２に示したレーザ発光のタイミングをより詳細に説明した図である。 予備励起期間における励起光パワーに依存して初回パルスのパワーが変化することを説明した波形図である。 実施の形態１に従うパルスのパワーの安定化の原理を説明した波形図である。 パルスのピークパワーを検出するための具体的な構成例を示したブロック図である。 遅延時間の保存形式を模式的に示した図である。 パルス群の繰り返し周波数に対するパルス群の平均パワーおよびパルス群のピークパワーの関係を示した図である。 ＡＤ回路によるＡＤ変換のタイミングを説明するための図である。 図９に示した波形の具体例を示した図である。 ＡＤ変換回路３４に入力される信号の振幅と、ＰＧＡ３３のゲインとの関係を示した図である。 ＰＧＡ３３のゲイン設定の他の例を示した図である。 実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

本明細書では「パルス群」との用語は、ある時間間隔で時間軸上に並べられた複数の光パルスを意味する。ただし、パルス群に含まれる光パルスを明示的に指す場合を除き、本明細書では、パルス群を「パルス」と称する。また、本明細書では、「ＬＤ」との用語は、半導体レーザを表す。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成例を示した図である。図１を参照して、レーザ加工装置１００は、光増幅装置と、その光増幅装置からのレーザ光を走査するためのレーザビーム走査機構１４とを含む。光増幅装置は、光増幅ファイバ１と、シードＬＤ２と、励起ＬＤ３と、アイソレータ４，６と、コンバイナ５と、エンドキャップ１２と、ドライバ２１，２２と、受光素子１５と、波高値検出器１６と、制御装置２０と、入力部２５とを備える。

光増幅ファイバ１は、光増幅成分である希土類元素が添加されたコア、およびそのコアの周囲に設けられるクラッドを有する。コアに添加される希土類元素の種類は特に限定されず、たとえばＥｒ（エルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）などがある。以下では希土類元素はＹｂであるとして説明する。光増幅ファイバ１は、たとえばコアの周囲に１層のクラッドが設けられたシングルクラッドファイバでもよいし、コアの周囲に２層のクラッドが設けられたダブルクラッドファイバでもよい。

シードＬＤ２はシード光を発するレーザ光源である。シード光の波長は、たとえば１０００〜１１００ｎｍの範囲から選択された波長である。ドライバ２１はシードＬＤ２にパルス状の電流を繰り返して印加することにより、シードＬＤ２をパルス駆動する。すなわちシードＬＤ２からはパルス状のシード光が発せられる。

シードＬＤ２から出射されるシード光はアイソレータ４を通過する。アイソレータ４は一方向の光のみを透過し、その光と逆方向に入射する光を遮断する機能を実現する。本発明の実施の形態では、アイソレータ４はシードＬＤ２からのシード光を透過させるとともに光増幅ファイバ１からの戻り光を遮断する。これによって光増幅ファイバ１からの戻り光がシードＬＤ２に入射するのを防ぐことができる。シードＬＤ２に光増幅ファイバ１からの戻り光が入射した場合にはシードＬＤ２が損傷するおそれがあるが、アイソレータ４を設けることでこのような問題を防ぐことができる。

励起ＬＤ３は、光増幅ファイバ１のコアに添加された希土類元素の原子を励起するための励起光を発する励起光源である。希土類元素がＹｂの場合、励起光の波長はたとえば９１５±１０ｎｍとなる。ドライバ２２は、励起ＬＤ３を駆動する。

コンバイナ５はシードＬＤ２からのシード光と励起ＬＤ３からの励起光とを結合して光増幅ファイバ１に入射させる。

光増幅ファイバ１、シードＬＤ２、および励起ＬＤ３はＭＯＰＡ（Master Oscillator and Power Amplifier）方式のファイバ増幅器を構成する。光増幅ファイバ１に入射した励起光はコアに含まれる希土類元素の原子に吸収され、原子が励起される。シードＬＤ２からのシード光が光増幅ファイバ１のコアを伝搬すると、励起された原子がシード光により誘導放出を起こすためシード光が増幅される。すなわち光増幅ファイバ１は、シード光を励起光によって増幅する。

光増幅ファイバ１がシングルクラッドファイバである場合、シード光および励起光はともにコアに入射する。これに対し、光増幅ファイバ１がダブルクラッドファイバである場合、シード光はコアに入射し、励起光は第１クラッドに入射する。ダブルクラッドファイバの第１クラッドは励起光の導波路として機能する。第１クラッドに入射した励起光が第１クラッドを伝搬する過程で、コアを通過するモードによりコア中の希土類元素が励起される。

アイソレータ６は、光増幅ファイバ１によって増幅され、かつ光増幅ファイバ１から出射されたシード光（光パルス）を通過させるとともに光増幅ファイバ１に戻る光を遮断する。アイソレータ６を通過した光パルスは、光ファイバの端面から大気中に出射される。エンドキャップ１２は、ピークパワーの高い光パルスが光ファイバから大気中に出射される際に光ファイバの端面と大気との境界面で生じるダメージを防止するために設けられる。

ビームスプリッタ１３は、エンドキャップ１２から出力された光パルスを２つのパルスに分割する。一方のパルスは、加工用のレーザ光としてレーザビーム走査機構１４に入力され、他方のパルスはレーザ光のパワーをモニタするために受光素子１５に入力される。

受光素子１５は、たとえばフォトダイオードによって構成される。波高値検出器１６は、受光素子１５からの信号により、光パルスのピークパワー（波高値）を検出する。波高値検出器１６によって検出された波高値は、制御装置２０に送られる。

レーザビーム走査機構１４は、レーザ光を二次元方向に走査するためのものである。図示しないが、レーザビーム走査機構１４は、たとえばエンドキャップ１２からの出射光であるレーザビームの径を所定の大きさに調整するためのコリメータレンズ、および、コリメータレンズを通過後のレーザビームを加工対象物５０の表面上で二次元方向に走査するためのガルバノスキャナ、レーザビームを集光するためのｆθレンズ等を含んでもよい。加工対象物５０の表面上でレーザ光Ｌ、すなわちレーザ加工装置１００からの出力光が二次元方向に走査されることにより、金属等を素材とする加工対象物５０の表面が加工される。たとえば加工対象物５０の表面に文字や図形等からなる情報が印字（マーキング）される。

制御装置２０は、ドライバ２１，２２およびレーザビーム走査機構１４を制御することによりレーザ加工装置１００の動作を統括的に制御する。入力部２５は、たとえばユーザからの情報を受付ける。制御装置２０は、入力部２５からの情報に基づいて、ドライバ２１，２２を制御するとともに、レーザビーム走査機構１４の動作を制御する。

制御装置２０は、たとえば所定のプログラムを実行するパーソナルコンピュータにより実現される。入力部２５はユーザが情報を入力することができる装置であれば特に限定されず、たとえばマウス、キーボード、タッチパネル等を用いることができる。

シードＬＤ、励起ＬＤ、アイソレータ等の特性は温度により変化し得る。したがって、これらの素子の温度を一定に保つための温度コントローラをレーザ加工装置に備えることがより好ましい。

レーザ加工装置１００からレーザ光を出力させる場合において、シードＬＤ２はドライバ２１によって駆動されることにより、パルス状のシード光を発生させる。シード光をシードＬＤ２から繰り返し発生させる場合、シード光の繰返し周波数は、ドライバ２１からシードＬＤ２に供給されるパルス電流の繰り返し周波数に依存する。ドライバ２１から出力されるパルス電流の繰り返し周波数は制御装置２０によって制御される。

制御装置２０はドライバ２２を制御することによって励起ＬＤ３が発する励起光のパワーを変化させる。励起ＬＤ３は、ドライバ２２から供給されるバイアス電流に応じたパワーを有する励起光を出力する。ドライバ２２から出力されるバイアス電流の大きさは制御装置２０によって制御される。

図２は、実施の形態１に係るレーザ加工装置によるレーザ発光のタイミング図である。図２を参照して、予備励起期間には、ドライバ２２がバイアス電流（図２において励起ＬＤ電流と示す）を励起ＬＤ３に供給して励起光を発生させるが、シードＬＤ２は、光パルス（図２ではシードＬＤパルスと示す）を発生させない。一方、本励起期間には、励起光およびシードＬＤパルスの両方が発生する。したがって本励起期間には、ファイバ増幅器からレーザ光が出力される。

予備励起期間における励起ＬＤ電流は本励起期間における励起ＬＤ電流よりも小さい。すなわち励起ＬＤ３は、予備励起期間において第１のレベルのパワーの励起光を発生させ、本励起期間において、第２のレベルのパワーの励起光を発生させる。第２のレベルは第１のレベルよりも高い。

図３は、図２に示したレーザ発光のタイミングをより詳細に説明した図である。図３を参照して、シードＬＤ２は、本励起期間に、複数のシード光パルス１ａからなるパルス群１Ｇを周期ｔｐｒｄで繰り返し発生させる。シードＬＤ２のバイアス電流を変調させることによって、パルス群１Ｇが所定の周期で発生する。本励起期間は、ファイバ増幅器からレーザ光が出力される発光期間に対応する。一方、予備励起期間には、シードＬＤ２にバイアス電流が供給されないため、非発光期間となる。

本励起期間の間にファイバ増幅器から出力される複数のパルス群のうち、最初に出力されるパルス群および最後に出力されるパルス群を、以下では「初回パルス」および「最終パルス」とそれぞれ称する。

図４は、予備励起期間における励起光パワーに依存して初回パルスのパワーが変化することを説明した波形図である。図４（ａ）は、予備励起期間における励起光パワーを小さくした場合にファイバ増幅器から出力されたパルスを示した波形図である。図４（ｂ）は、予備励起期間における励起光パワーを大きくした場合にファイバ増幅器から出力されたパルスを示した波形図である。図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、予備励起期間における励起ＬＤ電流が小さい場合には、励起光パワーが小さいため、予備励起期間の間に光増幅ファイバ１に蓄積されるエネルギーが少ない。このため、初回パルスのパワーが小さい。光増幅ファイバ１への励起光パワーの供給と光増幅ファイバ１からの光エネルギーの放出とが繰り返されるうちに、光増幅ファイバ１に蓄積されるエネルギーが増加してほぼ一定のレベルに達する。これにより、パルスのパワーが安定化する。

逆に、予備励起期間における励起ＬＤ電流が大きい場合には、予備励起期間の間に光ファイバ内に蓄積されたエネルギーが大きくなる。このため、初回パルスのパワーが大きくなる。この場合、光増幅ファイバ１への励起光パワーの供給と光増幅ファイバ１からの光エネルギーの放出とが繰り返されるうちに、光増幅ファイバ１に蓄積されるエネルギーが減少してほぼ一定のレベルに達する。これにより、パルスのパワーが安定化する。

図４に示されるように、予備励起期間における励起光のパワー（励起ＬＤ電流）が適切でない場合には、初回パルスのパワーと一定時間経過後のパルスのパワーとの間に差が生じる。このようなパワーの差によって加工品質の低下といった問題が発生する。

図５は、実施の形態１に従うパルスのパワーの安定化の原理を説明した波形図である。図５を参照して、実施の形態１では、初回パルスのピークパワーと最終パルスのピークパワーとが比較される。それらの比較結果が、予備励起期間の間の励起ＬＤのバイアス電流値にフィードバックされて、初回パルスのパワーと最終パルスのパワーとの差分を０に近づける。これによって、初回パルスから、安定したレーザ出力を得ることができる。図１に示されるように、パルスのピークパワーは受光素子１５および波高値検出器１６によって検出される。

図６は、パルスのピークパワーを検出するための具体的な構成例を示したブロック図である。図６を参照して、波高値検出器１６は、電流／電圧変換回路３１と、積分回路３２と、ＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）３３と、ＡＤ変換回路３４とを含む。また、制御装置２０は、信号処理回路４０と、メモリ４１とを含む。

受光素子１５は、光パルスを受光して、その光パルスを電流信号に変換する。電流／電圧変換回路３１は、受光素子１５から出力される電流を電圧に変換する。積分回路３２は、電流／電圧変換回路３１の出力電圧を積分する。

図３に示すように、この実施の形態では、複数の短パルス（たとえば時間幅がｎｓのオーダー）からなるパルス群を発生させる。積分回路３２は、所定の時定数で複数の短パルスの波形を積分する。これによってパルス群に含まれる短パルスの個数に依存した振幅の変化を低減することができ、１つのパルス群におけるピークパワー（振幅）を得ることができる。

パルス群のピーク値は、そのパルス群に含まれるパルスの数に応じて変化する。このため、ピーク値の変動範囲が極めて広くなる。一例を示すと、繰り返し周波数の範囲が２桁（１倍〜１００倍）であり、パルス群に含まれるパルスの数が１〜２０まで可変であるとする。この場合、パルス群のピーク値は１０００倍近く変動する。したがって、パルスごとのピーク値を検出することが難しい。

同一の励起パワーの場合には、パルス群のエネルギーの積分値は、パルス数によらずほぼ同じである。実施の形態１では、このことを利用して、パルス群に含まれるパルスを積分回路３２により平均化する。これにより、積分回路３２から出力される電気信号の振幅を、パルス群に含まれるパルスの数によらずほぼ同一にすることができる。パルス群に含まれる短パルスの個数に依存した振幅の変化を積分回路３２によって低減することができるので、１つのパルス群におけるピークパワー（振幅）を得ることができる。

ＰＧＡ３３は、積分回路３２から出力された信号を増幅する。ＰＧＡ３３は可変利得増幅器であり、そのゲインは信号処理回路４０からのゲイン設定信号によって設定される。繰り返し周波数が高くなるほど１つのパルス群におけるピークパワー（振幅）が低下するので、信号処理回路４０は、繰り返し周波数が高いほどゲインが高くなるようにＰＧＡ３３のゲインを調整する。なお、ＡＤ変換回路３４に入力される信号の振幅がＡＤ変換回路３４のダイナミックレンジ内となるように、ＰＧＡ３３のゲインが設定される。

ＡＤ変換回路３４は、たとえば高速ＡＤ変換回路によって実現され、ＰＧＡ３３から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換回路３４によるＡＤ変換のタイミングは、信号処理回路４０からの制御信号によって制御される。具体的には、シード光の発光の開始（パルス群に含まれる複数のパルスのうちの最初のパルスの発生）から所定の遅延時間が経過した後に、ＰＧＡ３３からの信号がＡＤ変換される。パルス群のパワーのピークにおいてＡＤ変換回路３４がＡＤ変換を行なうように遅延時間が決定される。これにより、パルス群のピークパワーすなわち波高値が検出値として取得される。ＡＤ変換回路３４により取得された波高値（デジタル信号）は、ＡＤ変換回路３４から信号処理回路４０に送られる。

信号処理回路４０は、初回パルスと最終パルスとで波高値を比較する。初回パルスの波高値が最終パルスの波高値よりも高い場合、信号処理回路４０は、予備励起期間における励起ＬＤのバイアス電流値を低下させるための信号を生成し、予備励起期間に、その信号をドライバ２２に与える。逆に、初回パルスの波高値が最終パルスの波高値よりも低い場合、信号処理回路４０は、予備励起期間における励起ＬＤのバイアス電流値を上昇させるための信号を生成し、予備励起期間に、その信号をドライバ２２に与える。ドライバ２２は、信号処理回路４０からの信号によって、予備励起期間における励起ＬＤ３のバイアス電流値を低下あるいは上昇させる。これにより励起ＬＤ３からの励起光のパワーが変化する。

メモリ４１は、たとえば不揮発性のメモリによって実現され、ＡＤ変換回路３４によるＡＤ変換のタイミングに関する情報、すなわち上記の遅延時間を予め記憶する。

図７は、遅延時間の保存形式を模式的に示した図である。図７を参照して、遅延時間は、テーブル形式でメモリ４１に保存される。具体的には、パルス群の繰り返し周波数の範囲（一例を示すと１００ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚ）と、１つのパルス群に含まれるパルスの数との組み合わせに対して、１つの最適値が特定される。なお、遅延時間の保存形式は、テーブル形式に限定されず、たとえばデータベース形式でメモリ４１に記憶されていてもよい。

次に、図６に示した回路構成に基づいて行なわれるパルス波高値の検出について、より詳しく説明する。

図８は、パルス群の繰り返し周波数に対するパルス群の平均パワーおよびパルス群のピークパワーの関係を示した図である。図８を参照して、励起光のパワーが一定である場合には、繰り返し周波数が高くなるほどパルスのピークパワーが低下する。これに対して、平均パワーは、繰り返し周波数に対してほぼ一定に保たれる。なお、平均パワーが同じである場合、パルスのピーク値は繰り返し周波数にほぼ反比例する。

図９は、ＡＤ回路によるＡＤ変換のタイミングを説明するための図である。図６および図９を参照して、受光素子１５および電流／電圧変換回路３１によって、複数のパルスからなる電気信号が出力される。積分回路３２は、複数のパルスを積分する。積分回路３２からの出力信号はＰＧＡ３３によって増幅される。

最初のパルスの発生から所定の遅延時間ｄが経過した後に、ＡＤ変換回路３４にＡＤタイミング信号が送られる。ＰＧＡ３３からの信号のピーク付近においてＡＤ変換回路３４がＡＤ変換を行なうように遅延時間ｄが決定される。これによりパルス群のピークパワーの値を取得することができる。

なお、図９では、複数のパルスの包絡線の形状は右肩上がりの三角形となる。ただし、複数のパルスの包絡線の形状は、このように限定されず、他の形状であってもよい。たとえば、複数のパルスの強度が全て同じでもよい。包絡線の形状によらず、積分回路によって、複数のパルスの間でのピークの変動を低減することができるという効果が得られる。

図１０は、図９に示した波形の具体例を示した図である。図１０（ａ）は、パルス群に含まれるパルスの数が１である場合のレーザパルスの波形と積分処理後の電気信号波形を示す図である。図１０（ｂ）は、パルス群に含まれるパルスの数が２０である場合のレーザパルスの波形と積分処理後の電気信号波形を示す図である。図１０（ｃ）は、積分処理および増幅後の信号波形のＡＤ変換のタイミングを説明するための波形図である。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）を参照して、電圧のレンジによりレーザパルス波形のピーク値を評価すると、図１０（ａ）に示したレーザ光波形のピーク値と、図１０（ｂ）に示したレーザ光波形のピーク値との比率は約５：２である。すなわち、図１０（ａ）に示したレーザパルス波形のピーク値は、図１０（ｂ）に示したレーザパルス波形のピーク値の約２．５倍（電圧レンジでの評価による）となる。これは、図１０（ａ）に示したレーザパルスのピーク値は、図１０（ｂ）に示したレーザパルスのピーク値の約７倍であることに対応する。一方、積分処理後の電気信号についてみると、図１０（ａ）に示す電気信号と図１０（ｂ）に示す電気信号とはほぼ同じピーク値を有している。

図１０（ｃ）を参照して、ＡＤ変換タイミング信号は、パルス群に含まれる最初のパルス光（このパルス光はシード光でも出力パルス光でもよい）から所定の時間だけ遅延して発生させる。これにより、積分回路およびＰＧＡにより処理された電気信号を検出できる。さらに、電気信号を積分することによって、信号のパルス幅が広くなるので、ＡＤタイミング信号の時間的な変動に対してＡＤ変換値の変動の割合が小さくなるという効果をえることができる。

図１１は、ＡＤ変換回路３４に入力される信号の振幅と、ＰＧＡ３３のゲインとの関係を示した図である。図１１を参照して、ＰＧＡ３３のゲインは、繰り返し周波数が高くなるにつれてステップ状に高くなる。周波数ｆ１〜ｆ５は、ゲインが切り替えられるときの繰り返し周波数を示している。このようなゲインの変化は、信号処理回路４０からＰＧＡ３３に送られるゲイン設定信号によって実現される。

図８に示されるように、繰り返し周波数が高くなるほどピークパワーが減少する。ゲインが切り替えられない場合（たとえば最大のゲインのまま固定された場合）には、繰り返し周波数が低下するほど、ＡＤ変換回路３４の入力信号の振幅が増大する。したがって、ＡＤ変換回路３４の入力信号の振幅がＡＤ変換回路３４のダイナミックレンジを超える可能性がある。図１１に示されるようにゲインを変化させることで、ＡＤ変換回路３４のダイナミックレンジを超えないように信号振幅のレベルを抑えることができる。したがって、信号のピーク値を検出することができる。

図１２は、ＰＧＡ３３のゲイン設定の他の例を示した図である。図１２を参照して、ＡＤ変換回路３４の入力信号の振幅が標準レベルの場合、ゲイン切り替え周波数はｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５である。これに対して、入力信号の振幅が標準レベルよりも高い場合には、ゲイン切り替え周波数はｆ１ａ，ｆ２ａ，ｆ３ａ，ｆ４ａ，ｆ５ａである。このように、入力信号の振幅のレベルに応じて、ゲイン切り替え周波数を個別に設定してもよい。これによって、ＰＧＡのゲインのばらつきを吸収することが可能になる。

以上のように実施の形態１によれば、光増幅装置は、光増幅ファイバ１からの出力光パルス群を受ける受光素子１５と、受光素子１５の出力信号を積分する積分回路３２と、積分回路３２の出力信号に基づいて、検出値を生成するＡＤ変換回路３４とを備える。積分回路３２によって、複数のパルスの間でのピークの変動が低減される。これにより、短パルス（たとえばパルス幅がｎｓレベル）を含む出力光パルス群のパワーを検出することができる。

さらに実施の形態１によれば、光増幅装置は、積分回路３２の出力信号を増幅してＡＤ変換回路３４に与える可変利得増幅器（ＰＧＡ３３）をさらに備える。信号処理回路４０は、発光期間に発生させるべきパルス群の繰り返し周波数に応じて、ＰＧＡ３３の利得を変化させる。これにより、繰り返し周波数が広く変化する場合においても、出力光パルス群のパワーを検出することができる。

したがって、実施の形態１によれば、出力光パルス群ごとにピーク値を検出することが可能になる。これにより、制御装置２０は、その検出されたピーク値を用いて、非発光期間（予備励起期間）における励起光のパワーを制御できる。したがって、実施の形態１によれば、ファイバ増幅器を用いたレーザ加工装置において、レーザパルスのピーク値の均一化を実現できる。

［実施の形態２］
図１３は、実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成図である。図１３を参照して、レーザ加工装置１０１は、２段のファイバ増幅器により構成された光増幅器を備える。この点において実施の形態２に係るレーザ加工装置は実施の形態１に係るレーザ加工装置と異なる。図１および図１３を参照して、レーザ加工装置１０１は、カプラ７と、光増幅ファイバ８と、励起ＬＤ９Ａ，９Ｂと、コンバイナ１０と、アイソレータ１１と、受光素子１７と、波高値検出器１８と、ドライバ２３とをさらに備える点においてレーザ加工装置１００と異なる。

カプラ７は、光増幅ファイバ１からアイソレータ６を介して出力された光パルスを、コンバイナ１０に送られる光パルスと、受光素子１７に送られる光パルスとに分配する。コンバイナ１０は、カプラ７からのレーザ光と、励起ＬＤ９Ａ，９Ｂからのレーザ光とを結合して光増幅ファイバ８に入射させる。

励起ＬＤ９Ａ，９Ｂはドライバ２３により駆動される。ドライバ２３は制御装置２０によって制御される。光増幅ファイバ８は、カプラ７からのレーザ光を励起ＬＤ９Ａ，９Ｂからのレーザ光によって増幅する。すなわちカプラ７からのレーザ光はシード光であり、励起ＬＤ９Ａ，９Ｂからのレーザ光は励起光である。励起ＬＤ９Ａ，９Ｂから発せられる励起光のパワーは予備励起期間において小さくなり、本励起期間において大きくなる。

アイソレータ１１は、光増幅ファイバ８から出力されるレーザ光を通過させるとともに、光増幅ファイバ８に戻るレーザ光を遮断する。

受光素子１７は、カプラ７からの光パルスを受けて、その光パルスの強度を示す信号を出力する。波高値検出器１８は、受光素子１７からの信号により、光パルスの波高値を検出する。波高値検出器１８によって検出された波高値は、制御装置２０に送られる。

受光素子１７および波高値検出器１８の構成は、受光素子１５および波高値検出器１６の構成とそれぞれ同様である。したがって、制御装置２０は、実施の形態１と同様の方法によって、光増幅ファイバ１から出射される出力光パルス群のパワーの値を波高値検出器１８から取得する。同じく、制御装置２０は、実施の形態１と同様の方法によって、光増幅ファイバ８から出射される出力光パルス群のパワーの値を波高値検出器１６から取得する。レーザ加工装置１０１の他の部分の構成はレーザ加工装置１００の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

実施の形態２によれば、受光素子１７および波高値検出器１８によって検出されたパルスのピーク値に基づいて、制御装置２０は、ドライバ２２を制御する。これにより、光増幅ファイバ１から出射されるパルス群の初回パルスと最終パルスとでピーク値が等しくなるように、光増幅ファイバ１から出射されるパルスを制御できる。さらに、受光素子１５および波高値検出器１６によって検出されたパルスのピーク値に基づいて、制御装置２０は、ドライバ２３を制御する。

これにより、最終の増幅段、すなわち光増幅ファイバ８から出射される複数のパルスのうちの初回パルスと最終パルスとでピーク値が等しくなるように、光増幅ファイバ８から出射されるパルスを制御できる。光増幅ファイバ８から出射されるパルスを制御する方法は実施の形態１に係る制御方法と同じ方法を適用できるので詳細な説明は以後繰り返さない。

実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、出力光パルス群ごとにパワーを検出することができる。したがって、実施の形態２によれば、増幅段の数が複数であっても、最終の増幅段から安定したレーザパルス出力を得ることができる。なお、増幅段の数は複数であれば２段に限定されず、３段あるいはそれより大きくてもよい。

また、各増幅段に設けられる励起ＬＤの個数は図１あるいは図１３に示されたように限定されるものではなく、励起ＬＤの個数は任意に設定可能である。

また、上記の実施の形態では、「繰り返し周波数」は、シード光パルスの繰り返し周波数であるとしたが、光増幅ファイバから出力される出力光パルスの繰り返し周波数であってもよい。いずれの場合であっても、本発明の実施の形態では、発光期間に発生させるべきパルス（シード光パルスまたは光増幅ファイバからの出力光パルス）の繰り返し周波数が高くなるほど、ＰＧＡのゲインが高く設定される。

さらに、上記の各実施の形態では、光増幅装置の利用形態の１つとしてレーザ加工装置を開示したが、本発明の実施の形態に係る光増幅装置の用途は、レーザ加工装置に限定されるものではない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，８ 光増幅ファイバ、１Ｇ パルス群、１ａ シード光パルス、２ シードＬＤ、３，９Ａ，９Ｂ 励起ＬＤ、４，６，１１ アイソレータ、５，１０ コンバイナ、７ カプラ、１２ エンドキャップ、１３ ビームスプリッタ、１４ レーザビーム走査機構、１５，１７ 受光素子、１６，１８ 波高値検出器、２０ 制御装置、２１〜２３ ドライバ、２５ 入力部、３１ 電流／電圧変換回路、３２ 積分回路、３３ ＰＧＡ、３４ ＡＤ変換回路、４０ 信号処理回路、４１ メモリ、５０ 加工対象物、１００，１０１ レーザ加工装置、Ｌ レーザ光。

Claims (6)

1. シード光を励起光によって増幅する光増幅ファイバと、
   前記シード光を、複数のパルスからなるパルス群として、発光期間に複数回発生させるシード光源と、
   前記発光期間の直前の非発光期間に第１のレベルのパワーを有する前記励起光を発生させ、前記発光期間に前記第１のレベルより高い第２のレベルのパワーを有する前記励起光を発生させる励起光源と、
   前記光増幅ファイバから出力された出力光パルス群のパワーを検出するための検出器と、
   前記検出器の検出値に基づき前記非発光期間における前記励起光のパワーを制御して、前記出力光パルス群のパワーを制御する制御部とを備え、
   前記検出器は、
   前記出力光パルス群を受ける受光素子と、
   前記受光素子の出力信号を積分する積分回路と、
   前記積分回路の出力信号に基づいて、前記検出値を生成するＡＤ変換回路とを含む、光増幅装置。
2. 前記検出器は、
   前記積分回路の出力信号を増幅して前記ＡＤ変換回路に与える可変利得増幅器をさらに含み、
   前記制御部は、前記発光期間に発生させるべきパルス群の繰り返し周波数に応じて、前記可変利得増幅器の利得を変化させる、請求項１に記載の光増幅装置。
3. 前記制御部は、前記繰り返し周波数が高いほど前記利得を高くする、請求項２に記載の光増幅装置。
4. 前記制御部は、前記ＡＤ変換回路が前記可変利得増幅器の出力信号のピークをアナログデジタル変換するように、前記ＡＤ変換回路がアナログデジタル変換を実行するタイミングを制御し、
   前記タイミングは、前記パルス群に含まれる前記複数のパルスのうちの最初のパルスが発生してからの遅延時間によって決定される、請求項２または３に記載の光増幅装置。
5. 前記制御部は、前記繰り返し周波数、および前記パルス群に含まれる前記複数のパルスの個数に応じて前記遅延時間を変化させる、請求項４に記載の光増幅装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光増幅装置を備える、レーザ加工装置。