CN103649696A - 激光输出测量机构 - Google Patents

Abstract

具备：光分离器（2），在绕入射的激光的光轴（6）以规定的角度进行旋转的状态下配置，并根据依赖于在反射面上的该激光的偏振方向以及入射角度的菲涅尔反射率来反射该激光的一部分；以及光检测器（4），测量通过光分离器（2）反射的激光的强度。

Description

激光输出测量机构

技术领域

本发明涉及为了进行激光的输出控制而使用的激光输出测量机构。

背景技术

以往，为了调整来自于激光振荡器的激光的输出，使用测量激光的强度的激光输出测量机构（例如参照专利文献1）。在该以往的激光输出测量机构中，例如如图12所示，由将从激光振荡器101射出的激光的一部分作为监视光来反射的光分离器102、以及检测出基于光分离器102的反射光的强度的光检测器103构成。然后，将通过该光检测器103测量的强度反馈到激光振荡器101中，来进行激光的输出控制。另一方面，透过光分离器102的激光被使用于激光的本来的目的。

此处，光分离器102以相对从激光振荡器101射出的激光的光轴104方向倾斜规定的角度的状态（通常45°）配置。另外，为了在光分离器102的反射面上具有期望的反射率，通常施加基于电介体多层膜的部分反射涂层。

专利文献1：日本特开平4-220535号公报

发明内容

如上所述，在以往的激光输出测量机构中，为了在光分离器102的反射面上具有期望的反射率，施加基于电介体多层膜的部分反射涂层。该部分反射涂层进行用于监视用途的反射，因此，通常为在反射率低的区域中的涂层。

另一方面，电介体膜由于大气中的水分的吸收、温度而导致反射率变化。而且，例如在使用反射率是1%（透射率是99%）的光分离器102的情况下，如果反射率变化0.1%，则反射的激光的输出变化成为（0.1%/1.0%）=10%。因此，存在如下课题：在涂层膜中产生劣化的情况下，即使是微小的反射率的变动，其影响也很大，激光的正确的输出测量是困难的。

另外，关于低反射率的电介体膜，控制困难，发生大的偏差，并且花费成膜成本，因此存在激光输出测量机构变得高价的课题。

本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种能够不对光分离器施加部分反射涂层、并廉价地、正确地进行激光的输出测量的激光输出测量机构。

本发明涉及的激光输出测量机构具备：光分离器，在绕入射的激光的光轴以规定的角度进行旋转的状态下配置，并按照依赖于在反射面上的该激光的偏振方向以及入射角度的菲涅尔（Fresnel）反射率来反射该激光的一部分;以及光检测器，测量通过光分离器反射的激光的强度。

另外，本发明涉及的激光输出测量机构具备：光分离器，在将垂直于入射的激光的光轴且存在于反射面上的直线作为轴以规定的角度进行旋转的状态下配置，并按照依赖于在该反射面上的该激光的偏振方向以及入射角度的菲涅尔反射率来反射该激光的一部分;以及光检测器，测量通过光分离器进行了菲涅尔反射的激光的强度。

根据本发明，如上述那样地构成，因此能够不对光分离器施加部分反射涂层、并正确地进行激光的输出测量。另外，不需要高价的涂层，因此能够实现低成本化。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的激光输出测量机构的结构的侧面图。

图2是示出具备了本发明的实施方式1中的角度调整机构的光分离器的侧面图。

图3是示出具备了本发明的实施方式1中的角度调整机构的光分离器的概要立体图。

图4是示出具备了本发明的实施方式1中的角度调整机构的光分离器的正面图。

图5是示出本发明的实施方式1中的光分离器的旋转角度和反射率之间的关系的曲线图。

图6是示出本发明的实施方式1的激光输出测量机构的动作的流程图。

图7是示出本发明的实施方式2的激光输出测量机构的结构的侧面图。

图8是示出具备了本发明的实施方式2中的角度调整机构的光分离器的侧面图。

图9是示出具备了本发明的实施方式2中的角度调整机构的光分离器的概要立体图。

图10是示出本发明的实施方式2中的向光分离器的激光的入射角度和反射率之间的关系的曲线图。

图11是示出本发明的实施方式3的激光输出测量机构的结构的侧面图。

图12是示出以往的激光输出测量机构的结构的侧面图。

（附图标记说明）

1：透镜;2：光分离器;3：扩散板;4：光检测器;5：激光振荡器;6：光轴;7：轴;21、22：角度调整机构。

具体实施方式

以下，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。

实施方式1

图1是示出本发明的实施方式1的激光输出测量机构的结构的侧面图。

如图1所示，激光输出测量机构由透镜1、光分离器2、扩散板3以及光检测器4来构成。

透镜1配置在从激光振荡器5射出的激光的光轴6上，校准（collimate）该激光来设为平行光。

光分离器2配置在透镜1的后级，将通过透镜1校准的激光的一部分作为监视光来反射。在该光分离器2的反射面上不施加部分反射涂层。取而代之地，如图1～3所示，在光分离器2中，具备使光分离器2绕光轴6（箭头A方向）旋转规定的角度的角度调整机构21。然后，通过角度调整机构21来调整光分离器2的角度，由此调整入射到光分离器2的反射面上的激光的偏振方向，并调整依赖于在反射面上的激光的偏振方向以及入射角度的菲涅尔反射率。

扩散板3配置在通过光分离器2反射的激光的前进路径上，扩散该激光并使其入射到光检测器4中。

光检测器4配置在扩散板3的后级，测量通过扩散板3扩散并入射的激光的强度。

另外，在图1中通过虚线包围的光分离器2、扩散板3以及光检测器4被一体地构成。因此，在基于角度调整机构21而使光分离器2旋转时，扩散板3以及光检测器4也成为一体来旋转。

接下来，参照图4、5来说明基于角度调整机构21的光分离器2的反射率调整的原理。另外，在图4中，将基于角度调整机构21的光分离器2绕光轴6（箭头A方向）的旋转角度设为θ1。

此处，设为如图4（a）所示，在θ₁=0°的情况下，入射到光分离器2中的激光只有p偏振光成分。然后，如图4（b）所示，如果在箭头A方向上旋转光分离器2，则产生s偏振光成分，而p偏振光成分减少。之后，如果变成θ₁=90°，则p偏振光成分消失，而成为只有s偏振光成分。

如以上那样，通过使用角度调整机构21来在箭头A方向上旋转光分离器2，能够调整入射到光分离器2中的激光的垂直偏振波（P波）和平行偏振波（S波）的比率。

另一方面，在光分离器2中，不施加部分反射涂层，因此在反射面上产生菲涅尔反射。然后，针对入射的激光的P波以及S波，分别持有依赖于反射面材料的折射率的反射率R_P、R_S。此处，在将光分离器2的反射面材料的折射率设为n、并将激光向光分离器2的入射角度设为θ₀的情况下，在空气和光分离器2的边界处的光的反射率R_P、R_S按照下式（1）、（2）来表示。

·P波的反射率R_P

$R_p={\left[\tan \right\{{\mathrm{\θ}}_0-{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\sin {\mathrm{\θ}}_0\right)\}/\tan \{{\mathrm{\θ}}_0+{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\sin {\mathrm{\θ}}_0\right)\left\}\right]}^2---\left(1\right)$

·S波的反射率R_S

$R_s={\left[\sin \right\{{\mathrm{\θ}}_0-{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\sin {\mathrm{\θ}}_0\right)\}/\sin \{{\mathrm{\θ}}_0+{\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\sin {\mathrm{\θ}}_0\right)\left\}\right]}^2---\left(2\right)$

根据该式（1）、（2），可知在光分离器2中的反射率R_P、R_S通过光分离器2的反射面材料的折射率n以及激光向光分离器2的入射角度θ₀来决定。

然后，在光分离器2整体中的反射率根据入射的激光的P波和S波的比率来决定。此处，激光的P波成分和S波成分的比率在将光分离器2绕光轴6的旋转角度设为θ₁的情况下表示为cos²θ₁：sin²θ₁，可知依赖于光分离器2的旋转角度θ₁。

因此，光分离器2的作为整体的反射率按照下式（3）来表示。（P波成分的比例）×（P波的反射率R_P）+（S波成分的比例）×（S波的反射率R_S）

=R_Pcos²θ₁+R_Ssin²θ₁  （3）

根据以上内容，在从0°到90°的范围内调整光分离器2绕光轴6的旋转角度θ₁来改变激光的P波和S波的比率，由此能够在从R_P到R_S的范围内调整在光分离器2的反射面上的反射率。

此处，例如在激光是直线偏振光、并在包含光分离器2的反射面上的法线和光轴6的面内进行偏振的情况（P波的情况）下，基于光分离器2的反射成分的比例变小。而且，例如在使用玻璃（BK：折射率n=1.52）作为光分离器2的反射面、并将激光向光分离器2的入射角度θ₀设为45°的情况下，其反射率根据上式（1）、（3）成为R_p×100=0.9%。

另一方面，在激光与包含光分离器2的反射面上的法线和光轴6的面相垂直地偏振的情况（S波的情况）下，与P波的情况相比，反射率变高，并根据上式（2）、（3）成为R_s×100=9.7%。

因此，在上述的例子中，通过调整入射到光分离器2中的P波和S波的比率，能够在从0.9%到9.7%的范围内调整光分离器2的反射率。

在图5中示出将激光向光分离器2的入射角度θ₀设为45°时的光分离器2绕光轴6的旋转角度和光分离器2的反射率之间的依赖关系。根据图5可知，例如在想得到2.0%的反射率的情况下，将光分离器2绕光轴6的旋转角度设为20°即可。

接下来，参照图6来说明如上述那样地构成的激光输出测量机构的动作。

在激光输出测量机构的动作中，如图6所示，首先，透镜1校准从激光振荡器5射出的激光来设为平行光（步骤ST61）。此处，通过在光分离器2的跟前配置透镜1并使激光成为平行光，能够使该激光高效率地入射到后级的光分离器2、扩散板3以及光检测器4的光点（spot）上。

接着，光分离器2在基于角度调整机构21绕光轴6旋转规定的角度的状态下，将通过透镜1校准的激光的一部分作为监视光来反射（步骤ST62）。此处，关于入射到光分离器2中的激光，需要P波和S波不会在时间上进行变动而按照固定的比例入射，优选使用大致直线偏振的激光。但是，激光只要不是完全的无偏振光，P波和S波就按照固定比率入射到光分离器2中，因此能够应用于本发明。

接着，扩散板3扩散通过光分离器2反射的激光，并使其入射到光检测器4中（步骤ST63）。接着，光检测器4测量通过扩散板3扩散并入射的激光的强度（步骤ST64）。在该光检测器4中测量的强度被反馈到激光振荡器5中，在激光振荡器5中进行激光的输出调整。另一方面，透过光分离器2的激光被使用于激光的本来的目的。

此处，将扩散板3配置在通过光分离器2反射的激光的前进路径上，由此能够均匀地扩散该激光。另外，在扩散板3的后级配置光检测器4，由此，即使在光分离器2的角度调整时反射光的光路变化的情况或在激光的空间上的能量分布不均匀的情况下，也能够不改变光检测器4的位置而正确地将固定的比例的光入射到光检测器4中。因此，能够正确地测量激光的强度。此处，激光通过扩散板3扩散，因此，并不限制光检测器4的开口区域，但是在正确的功率测量中，优选光检测器4的开口区域小于被扩散的激光的扩散区域。由此，即使在激光的光路中发生微小的变动，也不会受其影响而能够进行正确的输出水平的测量。

另外，在本发明的激光输出测量机构中，将光分离器2、扩散板3以及光检测器4一体地构成，而这是为了防止在伴随着光分离器2的角度调整而反射光的光路变化的情况下反射光变得不能入射扩散板3以及光检测器4中。也就是说，光分离器2、扩散板3以及光检测器4成为一体来动作，由此，不受伴随着光分离器2的角度调整的光路偏离的影响，而能够使反射光可靠地入射到扩散板3以及光检测器4中。

另外，在分离激光的一部分来测量强度的情况下，为了尽可能地不降低本来输出的激光的输出，优选的是反射率小。另一方面，如果反射率过小，则不能将充分的激光入射到光检测器4中，而由于杂散光等噪声而产生误差。因此，关于通过光分离器2分离的激光的比例，优选的是在光检测器4中不发生误差的程度且尽可能地小，并优选能够针对每个装置进行调整。然而，如图12中所示的以往技术那样，在使用部分反射涂层的情况下，通过光分离器102分离的激光的比例总是固定的，存在难于之后调整的课题。另外，在通过滤光器等调整的情况下，存在部件件数增加、装置变得复杂并且激光输出测量机构变得高价的课题。针对于此，在本发明中，使用角度调整机构21来变更光分离器2的旋转角度，由此，能够针对每个装置容易地调整通过光分离器2分离的激光的比例。

如以上那样，根据本实施方式1，以如下方式来构成：在光分离器2的反射面上不施加部分反射涂层，而使光分离器2绕激光的光轴6以规定的角度进行旋转，由此来调整入射到反射面上的激光的偏振方向（P波和S波的比率），并调整依赖于在反射面上的激光的偏振方向以及入射角度的菲涅尔反射率。因此，能够避免伴随着以往那样的部分反射涂层的激光输出测量的不稳定性这样的问题，并能够以低成本实现正确的激光输出测量。

另外，在实施方式1中，以如下方式来构成：使用角度调整机构21来调整P波和S波的比率，调整反射的激光的比例。然而，角度调整机构21并不是必须需要的，也可以按照能得到期望的反射率的角度来固定。如果这样地构成，则没有角度调整机构21，因此，部件件数降低而能够低成本化，并且能够降低运转部分，因此，能够构成可靠性高的激光输出测量机构。

实施方式2

在实施方式1中，示出了使用将光分离器2绕激光的光轴6以规定的角度进行旋转的角度调整机构21的情况。针对于此，在实施方式2中，示出使用将垂直于激光的光轴6且存在于反射面上的直线作为轴7而将光分离器2以规定的角度进行旋转的角度调整机构22的情况。

图7是示出本发明的实施方式2的激光输出测量机构的结构的侧面图。在图7中示出的实施方式2的激光输出测量机构将在图1中示出的实施方式1的激光输出测量机构的角度调整机构21变更为角度调整机构22。其他的结构相同，附上相同的符号并省略其说明。

如图7～9所示，在光分离器2中，具备将垂直于激光的光轴6且存在于反射面上的直线作为轴7来使光分离器2在箭头B方向上以规定的角度进行旋转（0°到90°的范围）的角度调整机构22。而且，通过角度调整机构22来调整光分离器2的角度，由此来调整入射到光分离器2的反射面上的激光的入射角度，调整依赖于在反射面上的激光的偏振方向以及入射角度的菲涅尔反射率。

另外，关于入射到光分离器2中的激光，需要P波和S波不会在时间上进行变动而按照固定的比例入射，优选的是使用大致直线偏振的激光。但是，激光只要不是完全的无偏振光，就能够应用于本发明。另外，根据在实施方式1中的式（1）、（2），可知P波以及S波的反射率R_P、R_S由光分离器2的反射面材料的折射率n以及激光向光分离器2的入射角度θ₀来决定。

图10是示出在将玻璃（BK）用作光分离器2的反射面的情况下的、激光向光分离器2的入射角度θ₀和P波以及S波的反射率R_P、R_S之间的依赖关系的图。例如，在以激光的入射角度θ₀成为55°的方式来配置光分离器2的情况下，根据上式（1）～（3），在P波入射中的反射率成为R_p×100=0%，而在S波入射中的反射率成为R_s×100=14.6%。另外，如果将激光的入射角度θ₀设为85°，则根据上式（1）～（3），在P波入射中的反射率成为R_p×100=49.2%，而在S波入射中的反射率成为R_s×100=73.8%。

因此，通过调整激光向光分离器2的入射角度θ₀，能够调整P波以及S波的反射率R_P、R_S自身。

如以上那样，根据本实施方式2，以如下方式来构成：通过将垂直于激光的光轴6且存在于反射面上的直线作为轴7来使光分离器2以规定的角度进行旋转，调整激光向反射面的入射角度，调整依赖于在反射面上的激光的偏振方向以及入射角度的菲涅尔反射率。因此，能够调整P波以及S波的反射率R_P、R_S自身，能够避免伴随着以往那样的部分反射涂层的激光输出测量的不稳定性这样的问题，并能够以低成本实现正确的激光输出测量。

另外，在实施方式2中，与实施方式1相同，也并不一定需要角度调整机构22，也可以构成为按照能得到期望的反射率的角度来固定。

实施方式3

在实施方式1中，示出了使用将光分离器2绕激光的光轴6以规定的角度进行旋转的角度调整机构21的情况，而在实施方式2中，示出了使用将垂直于激光的光轴6且存在于反射面上的直线作为轴7来将光分离器2以规定的角度进行旋转的角度调整机构22的情况。针对于此，在实施方式3中，示出使用角度调整机构21和角度调整机构22这两个机构的情况。

图11是示出本发明的实施方式3的激光输出测量机构的结构的侧面图。在图11中示出的实施方式3的激光输出测量机构对在图1中示出的实施方式1的激光输出测量机构追加了角度调整机构22。其他的结构相同，附上相同的符号并省略其说明。

如图11所示，在光分离器2中，具备将光分离器2绕激光的光轴6（箭头A方向）以规定的角度进行旋转（从0°到90°的范围）的角度调整机构21、以及将垂直于激光的光轴6且存在于反射面上的直线作为轴7来将光分离器2在箭头B方向上以规定的角度进行旋转（从0°到90°的范围）的角度调整机构22这两个机构。而且，通过角度调整机构21、22来调整光分离器2的角度，由此，调整入射到光分离器2的反射面上的激光的偏振方向以及入射角度，调整依赖于在反射面上的激光的偏振方向以及入射角度的菲涅尔反射率。

此处，例如，在将玻璃（BK）用作光分离器2的反射面的情况下，在配置成使光分离器2绕轴7旋转而激光的入射角度θ₀成为55°的情况下，根据上式（1）～（3），通过绕光轴6调整旋转角度能够在从0%到14.6%的范围内调整光分离器2的反射率。另外，例如如果将入射角度θ₀设为85°，则根据上式（1）～（3），能够在从49.2%到73.8%的范围内调整反射率。通过像这样地调整入射角度θ₀，能够按照期望的似然度（likelihood）来调整反射率。

如以上那样，根据本实施方式3，构成为使用将光分离器2绕激光的光轴6以规定的角度进行旋转的角度调整机构21、以及将垂直于激光的光轴6且存在于反射面上的直线作为轴7来将光分离器2以规定的角度进行旋转的角度调整机构22这两个机构，因此，能够调整P波以及S波的反射率R_P、R_S自身，另外，能够在从R_P到R_S的范围内调整反射率。因此，相对实施方式1、2，能够扩大反射率的调整似然度，并能够得到期望的反射率。

另外，在实施方式3中，与实施方式1、2相同，也并不一定需要角度调整机构21、22，也可以构成为按照能够得到期望的反射率的角度来固定。

另外，本申请发明在其发明的范围内能够进行各实施方式的自由的组合、或者各实施方式的任意的结构要素的变形、或者在各实施方式中任意的结构要素的省略。

产业上的可利用性

本发明的激光输出测量机构不对光分离器施加部分反射涂层，能够廉价地、正确地进行激光的输出测量，适用于为了进行激光的输出控制而使用的激光输出测量机构等。

Claims (14)

1.一种激光输出测量机构，其特征在于，具备：

光分离器，在绕入射的激光的光轴旋转了规定的角度的状态下配置，并按照依赖于在反射面上的该激光的偏振方向以及入射角度的菲涅尔反射率，反射该激光的一部分；以及

光检测器，测量通过所述光分离器反射的激光的强度。

2.根据权利要求1所述的激光输出测量机构，其特征在于，还具备：

角度调整机构，使所述光分离器绕所述光轴旋转规定的角度。

3.根据权利要求2所述的激光输出测量机构，其特征在于：

所述光分离器以及所述光检测器被一体地构成。

4.根据权利要求1所述的激光输出测量机构，其特征在于：

所述激光是大致直线偏振光。

5.根据权利要求1所述的激光输出测量机构，其特征在于，还具备：

透镜，配置在所述光分离器的前级，对所入射的激光进行校准来使得成为平行光。

6.根据权利要求1所述的激光输出测量机构，其特征在于，还具备：

扩散板，配置在所述光分离器的后级，扩散通过该光分离器反射的光，使得入射到所述光检测器中。

7.根据权利要求1所述的激光输出测量机构，其特征在于：

所述光分离器是在将垂直于所述光轴且存在于反射面上的直线作为轴旋转了规定的角度的状态下配置的。

8.根据权利要求7所述的激光输出测量机构，其特征在于，还具备：

角度调整机构，使所述光分离器将垂直于所述光轴且存在于反射面上的直线作为轴旋转规定的角度。

9.一种激光输出测量机构，其特征在于，具备：

光分离器，在将垂直于入射的激光的光轴且存在于反射面上的直线作为轴旋转了规定的角度的状态下配置，按照依赖于在该反射面上的该激光的偏振方向以及入射角度的菲涅尔反射率，反射该激光的一部分；以及

光检测器，测量通过所述光分离器进行了菲涅尔反射的激光的强度。

10.根据权利要求9所述的激光输出测量机构，其特征在于，还具备：

角度调整机构，使所述光分离器将垂直于所述光轴且存在于反射面上的直线作为轴旋转规定的角度。

11.根据权利要求10所述的激光输出测量机构，其特征在于：

所述光分离器以及所述光检测器被一体地构成。

12.根据权利要求9所述的激光输出测量机构，其特征在于：

所述激光是大致直线偏振光。

13.根据权利要求9所述的激光输出测量机构，其特征在于，还具备：

透镜，配置在所述光分离器的前级，对所入射的激光进行校准来使得成为平行光。

14.根据权利要求9所述的激光输出测量机构，其特征在于，还具备：

扩散板，配置在所述光分离器的后级，扩散通过所述光分离器反射的光，使得入射到所述光检测器中。

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