CN104011516A - 激光输出测定装置 - Google Patents

Abstract

光分离器(3)配置在绕由透镜(2)聚光的激光的光轴(6)旋转了规定的角度(θ₁)、并且绕与激光的光轴(6)以及激光的入射面垂直的直线(9)旋转了规定的角度(θ₂)的位置。

Description

激光输出测定装置

技术领域

本发明涉及在对由激光振荡器振荡出的激光的输出进行调整时测定该激光的强度的激光输出测定装置。

背景技术

以往，在对由激光振荡器振荡出的激光的输出进行调整时，使用激光输出测定装置，测定由激光振荡器振荡出的激光的强度。

图12是示出以下的专利文献1公开的以往的激光输出测定装置的结构图。

在以往的激光输出测定装置中，如图12所示，包括：将从激光振荡器101出射的激光的一部分作为监视光进行反射的光分离器102；以及检测由光分离器102反射的反射光的强度的光检测器103。

由该光检测器103测定出的强度被反馈到激光振荡器101，依照强度的测定结果，调整激光的输出。

另一方面，透过了光分离器102的激光被用于激光的本来的目的。

此处，以相对从激光振荡器101出射的激光的光轴104的方向倾斜规定的角度的状态(通常以45°的角度倾斜)，配置了光分离器102。

另外，在光分离器102的反射面上，为了使其具有期望的反射率，通常实施了利用电介体多层膜的部分反射涂层。

该部分反射涂层是以测定激光的强度的用途使激光的一部分反射的涂层，所以通常是反射率低的区域中的涂层。

该部分反射涂层的电介体膜具有反射率根据大气中的水分的吸收、温度而变化的性质。

例如，在使用反射率是1％(透过率是99％)的光分离器102的情况下，如果反射率变化0.1％，则由光分离器102反射的激光的输出变化成为10％(＝0.1％/1.0％)。

因此，仅仅在部分反射涂层的电介体膜中产生劣化而反射率稍微变动就发生被反射的激光的大的输出变化。

另外，已知关于反射率低的电介体膜，难以控制，发生大的偏差，并且花费成膜成本。

在以往的激光输出测定装置中，如上所述，光检测器103检测由光分离器102反射的激光的强度，但在从激光振荡器101出射的激光入射到光分离器102时，该激光的入射角度根据入射位置而不同，所以由光分离器102反射的激光的反射率根据入射位置而不同。因此，难以正确地测定从激光振荡器101出射的激光的输出。

因此，考虑代替因入射角度所致的反射率的变动大的电介体多层膜而对光分离器102的反射面实施金属膜涂层的方法，但在该情况下，也花费成膜成本，所以激光输出测定装置变得昂贵。

专利文献1：日本特开平4-220535号公报(段落编号[0008]、图1)

发明内容

以往的激光输出测定装置如以上那样构成，所以仅仅在对光分离器102的反射面实施的部分反射涂层的电介体膜中产生劣化而反射率稍微变动就发生被反射的激光的大的输出变化。因此，存在难以正确地测定激光的强度的课题。

另外，关于反射率低的电介体膜，难以控制，发生大的偏差，并且花费成膜成本，所以存在激光输出测定装置变得昂贵的课题。

进而，在希望测定聚光位置处的输出时，如果在光分离器的前级配置聚光用的透镜，则被聚光的激光入射到光分离器的入射角度根据入射位置而不同，所以激光的反射率根据入射位置而变动。因此，存在包含聚光用的透镜的劣化所致的输出变动等而难以进行聚光位置处的输出的观测这样的课题。

因此，考虑代替因入射角度所致的反射率的变动大的电介体多层膜而对光分离器102的反射面实施金属膜涂层的方法，但在该情况下，也花费成膜成本，所以存在激光输出测定装置变得昂贵的课题。

本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于得到一种不使用昂贵的光分离器就能够正确地测定被聚光的激光的强度的激光输出测定装置。

本发明涉及的激光输出测定装置具备：透镜，对入射的激光进行聚光；光分离器，依照由该透镜聚光的激光的偏振方向和依赖于所述激光的入射角度的菲涅尔反射率，反射所述激光的一部分；以及光检测器，测定由该光分离器反射的激光的强度，所述光分离器配置在绕由所述透镜聚光的激光的光轴旋转了规定的角度、并且绕与所述激光的光轴以及所述激光的入射面垂直的直线旋转了规定的角度的位置。

根据本发明，构成为具备：透镜，对入射的激光进行聚光；光分离器，依照由该透镜聚光的激光的偏振方向和依赖于所述激光的入射角度的菲涅尔反射率，反射所述激光的一部分；以及光检测器，测定由该光分离器反射的激光的强度，所述光分离器配置在绕由所述透镜聚光的激光的光轴旋转了规定的角度、并且绕与所述激光的光轴以及所述激光的入射面垂直的直线旋转了规定的角度的位置，所以具有不使用昂贵的光分离器就能够正确地测定被聚光的激光的强度的效果。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的激光输出测定装置的侧面图。

图2是示出通过角度调整机构7进行的绕激光的光轴的旋转的侧面图。

图3是示出通过角度调整机构7进行的绕激光的光轴的旋转的立体图。

图4是示出通过角度调整机构7进行的激光的垂直偏振波(P波)与平行偏振波(S波)的比率调整的说明图。

图5是示出通过角度调整机构8进行的绕与激光的光轴以及激光的入射面垂直的直线的旋转的俯视图。

图6是示出通过角度调整机构8进行的绕与激光的光轴以及激光的入射面垂直的直线的旋转的立体图。

图7是示出在由透镜2聚光的激光被入射到光分离器3时，入射角度根据入射位置变化的意思的说明图。

图8是示出光线矢量V_P和法线矢量N所成的角θ₃的说明图。

图9是示出从入射到光分离器3的激光的光轴起的偏移角Δθ和反射率的关系的说明图。

图10是示出本发明的实施方式2的激光输出测定装置的侧面图。

图11是示出从激光振荡器10_N振荡出的激光的光线矢量V_N相对光轴6具有Δθ的角度偏移而入射的情况的侧面图。

图12是示出专利文献1公开的以往的激光输出测定装置的结构图。

符号说明

1：激光振荡器；2：透镜；3：光分离器；4：扩散板；5：光检测器；6：激光的光轴；7：角度调整机构(第1角度调整机构)；8：角度调整机构(第2角度调整机构)；9：直线；10₁～10_N：激光振荡器；101：激光振荡器；102：光分离器；103：光检测器；104：激光的光轴。

具体实施方式

实施方式1.

图1是示出本发明的实施方式1的激光输出测定装置的侧面图。

在图1中，激光振荡器1是使激光振荡的振荡器。

其中，关于从激光振荡器1振荡而入射到光分离器3的激光，需要P波和S波不随时间变动而以恒定的比例入射，所以在该实施方式1中，设为由激光振荡器1振荡的激光是大致直线偏振的激光。

另外，只要激光不是完全的无偏振光，P波和S波就以恒定比率入射倒光分离器3，所以能够应用于本发明。

透镜2是对由激光振荡器1振荡出的激光进行聚光的光学部件。

光分离器3是依照由透镜2聚光的激光的偏振方向和依赖于该激光的入射角度的菲涅尔反射率对该激光的一部分进行反射的光学部件。

在该光分离器3的反射面未实施部分反射涂层。取而代之，光分离器3配置在绕由透镜2聚光的激光的光轴(箭头A方向)旋转规定的角度θ₁、并且绕与该激光的光轴6以及激光的入射面(光分离器3的反射面)垂直的直线(箭头B方向)旋转规定的角度θ₂的位置。

扩散板4配置于由光分离器3反射的激光的前进路线上，是使该激光扩散而使该激光的扩散光入射到光检测器5的光学部件。

光检测器5配置于扩散板4的后级，是测定由扩散板4扩散后的激光的强度的检测器。

另外，光分离器3、扩散板4以及光检测器5一体地构成，在光分离器3通过后述角度调整机构7、8旋转时，扩散板4以及光检测器5与光分离器3一体地旋转。

作为第1角度调整机构的角度调整机构7是使光分离器3绕由透镜2聚光的激光的光轴(箭头A方向)旋转规定的角度θ₁的致动器。

作为第2角度调整机构的角度调整机构8是使得绕与由透镜2聚光的激光的光轴6以及激光的入射面(光分离器3的反射面)垂直的直线(箭头B方向)旋转规定的角度θ₂的致动器。

接下来，说明动作。

如果激光振荡器1振荡出激光，则透镜2对该激光进行聚光。

光分离器3使由透镜2聚光的激光的一部分向扩散板4侧反射，使其他激光透过。

此处，利用光分离器3的激光的反射是根据该激光的偏振方向和依赖于该激光的入射角度的菲涅尔反射率来进行的。

通过角度调整机构7、8使光分离器3旋转来调整该菲涅尔反射率。

以下，说明通过角度调整机构7、8进行的光分离器3的反射率的调整。

图2是示出通过角度调整机构7实现的绕激光的光轴的旋转的侧面图，图3是示出通过角度调整机构7实现的绕激光的光轴的旋转的立体图。

另外，图3是示出通过角度调整机构7实现的激光的垂直偏振波(P波)和平行偏振波(S波)的比率调整的说明图。

角度调整机构7通过使光分离器3绕由透镜2聚光的激光的光轴(箭头A方向)旋转规定的角度θ₁(在0°至90°的范围内旋转)，由此调整光分离器3的菲涅尔反射率。

此处，如图4所示，设为在θ₁＝0°的情况下，入射到光分离器3的激光仅为p偏振光分量。

此时，如果角度调整机构7使光分离器3在箭头A方向上旋转，则产生s偏振光分量，p偏振光分量减少。

之后，如果成为θ₁＝90°，则如图4所示，p偏振光分量消失，仅成为s偏振光分量。

因此，通过角度调整机构7使光分离器3在箭头A方向上旋转，能够调整激光的垂直偏振波(P波)和平行偏振波(S波)的比率。

图5是示出通过角度调整机构8进行的绕与激光的光轴6以及激光的入射面垂直的直线的旋转的俯视图，图6是示出通过角度调整机构8进行的绕与激光的光轴6以及激光的入射面垂直的直线的旋转的立体图。

角度调整机构8通过使得绕与由透镜2聚光的激光的光轴6以及激光的入射面(光分离器3的反射面)垂直的直线9(箭头B方向)旋转规定的角度θ₂(在0°至90°的范围内旋转)，调整光分离器3的p偏振光分量的反射率和s偏振光分量的反射率。

即，通过利用角度调整机构8调整光分离器3的角度θ₂，调整向光分离器3的反射面入射的激光的入射角度。

p偏振光分量的反射率和s偏振光分量的反射率是由针对光分离器3的激光的入射角度来决定的，所以通过角度调整机构8使光分离器3绕直线9(箭头B方向)旋转，能够调整p偏振光分量的反射率和s偏振光分量的反射率。

此处，在光分离器3的反射面上未实施部分反射涂层，所以在反射面上产生菲涅尔反射。

在光分离器3中，针对入射的激光的垂直偏振波(P波)以及平行偏振波(S波)的各个具有依赖于反射面的材料的折射率的反射率R_P、R_S。

如果将光分离器3的反射面的材料的折射率设为n，将针对光分离器3的激光的入射角度设为θ₀，则空气与光分离器3的边界处的光的反射率R_P、R_S由下述式(1)、(2)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

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

由式(1)、(2)可知，光分离器3中的反射率R_P、R_S是由反射面的材料的折射率n和针对光分离器3的激光的入射角度θ₀来决定的。

而且，光分离器3的整体的反射率是根据入射的激光的垂直偏振波(P波)和平行偏振波(S波)的比率来决定的。

关于光分离器3的整体的反射率，考虑反射面上的反射、和通过了光分离器3的材料内的激光的单侧端面上的反射光，由下述式(3)表示。

光分离器3的整体的反射率

＝(P波分量的比例)×(P波的反射率R_P)

+(S波分量的比例)×(S波的反射率R_S)

+(P波分量的比例)×(P波的透过率T_P)×(P波的反射率R_P)

+(S波分量的比例)×(S波的透过率T_S)×(S波的反射率R_S)

                                        (3)

在式(3)中，第一项和第二项表示P波和S波在反射面上反射的光，第三项和第四项表示通过光分离器3的内部而在单侧的端面上反射的光。

另外，P波的透过率T_P相对P波的反射率R_P具有T_P＝1－R_P的关系，关于S波也同样地具有T_S＝1－R_S的关系。

图7是示出在由透镜2聚光的激光被入射到光分离器3时，入射角度根据入射位置变化的意思的说明图。

由透镜2聚光的激光如图7所示，在入射到光分离器3时，入射角度根据入射位置而变化。

例如，如果比较光分离器3的中心位置O的光线矢量V_O、和入射到点P的激光的光线矢量V_P，则可知针对光分离器3的入射角度根据入射位置而不同。

这样针对光分离器3的入射角度根据入射位置而不同会产生激光的反射率根据光分离器3的位置而不同这样的问题，成为稳定的激光输出测定的障碍。

光分离器3的中心位置O处的激光具有沿着光轴6(z轴)的光线矢量V_O，但光分离器3的点P处的激光具有从光轴6偏移了Δθ的角度的光线矢量V_P。

此处，将入射到点P的激光的偏振光矢量设为_ε，将光分离器3的法线矢量设为N。

其中，设为光线矢量V_O、V_P以及偏振光矢量ε在直线9(y轴)的方向上不具有分量。

如图8所示，如果将光线矢量V_P和法线矢量N所成的角设为θ₃，则通过计算光线矢量V_P和法线矢量N的内积或者外积来求出该角度θ₃。

另外，针对光分离器3的激光的入射角度θ₀、以及光线矢量V_P与法线矢量N所成的角θ₃存在下述关系，所以得到激光的入射角度θ₀。

θ₀＝θ₃－180°

另外，光线矢量V_P和法线矢量N的外积V_P×N是相对入射面垂直的方向，所以相当于入射到光分离器3的激光的S偏振方向。

此处，将V_P×N的单位矢量设为e_s(入射的激光的S偏振方向的单位矢量)。

此时，关于P偏振方向，由于相对S偏振方向和入射方向垂直，所以通过光线矢量V_P和S偏振方向的单位矢量e_s的外积V_P×e_s表示。

另外，如果将入射的激光的P偏振方向的单位矢量设为e_p(＝V_P×e_s)，则通过将偏振矢量ε在P偏振方向的单位矢量e_p方向和P偏振方向的单位矢量e_s方向上分解，能够求出入射的激光的P波分量和S波分量的比例。

图9是示出从入射到光分离器3的激光的光轴6起的偏移角Δθ和反射率的关系的说明图。

图9示出Δθ＝－10.4°～10.4°的计算结果。相对从各光轴起的偏移Δθ，根据式(3)，计算反射率。

此处，在绕与激光的光轴6以及激光的入射面垂直的直线9的旋转角度θ₂是45°、绕光分离器3的光轴6的旋转角度θ₁是0°的情况下，与入射位置对应的反射率是0％～4.5％，大幅不同。

如果通过角度调整机构7将绕光分离器3的光轴6的旋转角度θ₁调整为20°，则与入射位置对应的反射率成为2.4％～5.9％。

进而，如果通过角度调整机构8将绕与激光的光轴6以及激光的入射面垂直的直线9的旋转角度θ₂调整为53°，则与入射位置对应的反射率成为3.1％～4.7％。

如以上那样，通过调整绕光分离器3的光轴6的角度θ₁、和绕与激光的光轴6以及激光的入射面垂直的直线9的角度θ₂，能够将光分离器3的反射率相对于从激光的光轴6起的偏移Δθ进行平均化。

扩散板4配置于由如上述那样调整了角度θ₁、θ₂的光分离器3(相对于从激光的光轴6起的偏移Δθ，反射率被平均化的光分离器)反射的激光的前进路线上，使由光分离器3反射的激光均匀地扩散，使该激光的扩散光入射到光检测器5。

光检测器5配置于扩散板4的后级，测定通过扩散板4扩散后的激光的强度。

在该实施方式1中，在扩散板4的后级配置了光检测器5，所以即使在光分离器3的角度调整时反射光的光路变化的情况、激光的空间的能量分布不均匀的情况下，也不改变光检测器5的位置就能够使恒定的比例的光正确地入射到光检测器5。因此，能够正确地测定激光的强度。

此处，激光在扩散板3中扩散，所以对光检测器4的开口区域没有限制，但为了正确地测定功率，优选光检测器4的开口区域比被扩散的激光的扩散区域小。

由此，即使引起激光的光路的微小的变动，也不会受到其影响，能够正确地测定激光的强度。

在该实施方式1中，一体地构成了光分离器3、扩散板4以及光检测器5，这是为了防止在伴随光分离器3的角度调整而反射光的光路发生了变化的情况下反射光不入射到扩散板4以及光检测器5的现象。

即，通过光分离器3、扩散板4以及光检测器5一体地动作，从而即使引起与光分离器3的角度调整相伴的光路偏移，也能够使反射光入射到扩散板4以及光检测器5。

此处，在光分离器3绕光轴6旋转θ₁的角度时，反射光也同样地绕光轴6旋转θ₁的角度，但在绕与激光的光轴6以及激光的入射面垂直的直线9旋转角度θ₂时，反射光绕直线9以2×θ₂的角度旋转。

因此，针对绕与激光的光轴6以及激光的入射面垂直的直线9的旋转，需要在反射光不会从扩散板4漏出的范围内调整角度θ₂。

但是，实用上，在调整角度θ₂时，不认为变更为从扩散板4漏出的范围以上，所以这不会成为大的问题。

另外，在将激光的一部分进行分离来测定强度的情况下，为了尽可能不使本来输出的激光的输出降低，光分离器3的反射率优选小。

另一方面，如果反射率过小，则光检测器5中不会入射充分的激光，由于杂散光等噪声，发生测定误差。

因此，由光分离器3分离的激光的比例是在光检测器5中不发生测定误差的程度。

另外，优选光分离器3的反射率尽可能小，且优选能够针对每个装置进行调整，但通过使用角度调整机构7、8来变更光分离器3的旋转角度，能够针对每个装置容易地调整由光分离器3分离的激光的比例。

由以上可知，根据该实施方式1，构成为光分离器3配置于绕由透镜2聚光的激光的光轴6旋转了规定的角度、并且绕与激光的光轴6以及激光的入射面垂直的直线9旋转了规定的角度的位置，所以起到不使用昂贵的光分离器就能够正确地测定激光的强度的效果。

即，通过利用角度调整机构7、8调整绕光分离器3的光轴6的角度θ₁、和绕与激光的光轴6以及激光的入射面垂直的直线9的角度θ₂，能够调整入射到光分离器3的反射面的激光的偏振方向(P波和S波的比率)以及P波和S波的反射率本身。由此，即使是入射角度根据入射位置而不同的被聚光的激光，也能够通过旋转机构对与入射位置对应的反射率的差异进行平均化。另外，能够避免以往例那样的与部分反射涂层相伴的激光输出测定的不稳定性这样的问题，能够低成本地实现正确的激光输出测定。

另外，在该实施方式1中，示出了角度调整机构7、8调整光分离器3的角度θ₁、θ₂的情况，但如果事先知道光分离器3的反射率相对于从激光的光轴6起的偏移Δθ被平均化的位置，则在该位置固定光分离器3即可，所以在该情况下，调整光分离器3的角度θ₁、θ₂的角度调整机构7、8变得不需要。

如果不需要搭载角度调整机构7、8，则部件件数被削减，所以实现低成本化。另外，能够减少可动部分，所以能够提高激光输出测定装置的可靠性。

实施方式2.

在上述实施方式1中，示出了从一个激光振荡器1振荡的激光入射到透镜2的情况，但也可以使从多个激光振荡器振荡的激光入射到透镜2。

图10是示出本发明的实施方式2的激光输出测定装置的侧面图，在图中，与图1相同的符号表示相同或者相当部分，所以省略说明。

在图10的激光输出测定装置中，搭载了N(N是2以上的整数)个激光振荡器10₁、10₂、···、10_N。

图11是示出从激光振荡器10_N振荡出的激光的光线矢量V_N相对光轴6具有Δθ的角度偏移而入射的情况的侧面图。

在该实施方式2中，从N个激光振荡器10₁～10_N振荡出的激光入射到透镜2。

此时，例如，从激光振荡器10_N振荡出的激光的光线矢量V_N如图11所示相对光轴6具有Δθ的角度偏移而入射。

如在上述实施方式1中说明那样，根据从光轴6起的角度Δθ，通过上述式(1)～(3)，计算光分离器3的反射率。

在该实施方式2中，也与上述实施方式1同样地，根据表示式(3)的计算结果的图9，角度调整机构7、8调整光分离器3的角度θ₁、角度θ₂，从而能够将从N个激光振荡器10₁～10_N振荡出的激光在光分离器3中的反射率进行平均化。

因此，起到即使在安装了N个激光振荡器10₁～10_N的情况下也不使用昂贵的光分离器就能够正确地测定激光的强度的效果。

另外，本申请发明能够在该发明的范围内，实现各实施方式的自由的组合、或者各实施方式的任意的构成要素的变形、或者在各实施方式中省略任意的构成要素。

产业上的可利用性

本发明的激光输出测定装置适用于在对由激光振荡器振荡出的激光的输出进行调整时需要测定该激光的强度的情况。

Claims (6)

1.一种激光输出测定装置，其特征在于，具备：

透镜，对入射的激光进行聚光；

光分离器，依照由所述透镜聚光的激光的偏振方向和依赖于所述激光的入射角度的菲涅尔反射率，反射所述激光的一部分；以及

光检测器，测定由所述光分离器反射的激光的强度，

所述光分离器配置在绕由所述透镜聚光的激光的光轴旋转了规定的角度、并且绕与所述激光的光轴以及所述激光的入射面垂直的直线旋转了规定的角度的位置。

2.根据权利要求1所述的激光输出测定装置，其特征在于，

由多个激光振荡器振荡出的激光被入射到透镜。

3.根据权利要求1所述的激光输出测定装置，其特征在于，设置有：

第1角度调整机构，使光分离器绕由透镜聚光的激光的光轴旋转规定的角度；以及

第2角度调整机构，使所述光分离器绕与所述激光的光轴以及所述激光的入射面垂直的直线旋转规定的角度。

4.根据权利要求3所述的激光输出测定装置，其特征在于，

光分离器以及光检测器一体地构成，在所述光分离器通过第1以及第2角度调整机构旋转时，所述光检测器与所述光分离器一体地旋转。

5.根据权利要求1所述的激光输出测定装置，其特征在于，

入射到透镜的激光是大致直线偏振光。

6.根据权利要求1所述的激光输出测定装置，其特征在于，

设置有扩散板，该扩散板配置于光分离器与光检测器之间，使由所述光分离器反射的激光扩散，使所述激光的扩散光入射到所述光检测器。