JP2016061750A - Laser beam evaluation device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that when measurement of laser beam characteristics is divided into several times and performed in the several times, it is difficult to correctly evaluate the laser beam characteristics due to variation or fluctuation for each measurement.SOLUTION: A laser beam evaluation device includes a two-dimensional optical sensor array, photoelectric effect type light sensors, and a laser power meter, and collectively measures spatial optical intensity, output aging change, and energy related to the same laser beam.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザビームの特性を評価するレーザビーム評価装置に関する。   The present invention relates to a laser beam evaluation apparatus for evaluating characteristics of a laser beam.

従来から、レーザビームの特性を評価するために、様々なレーザビーム評価装置が使用されている。特許文献１には、ＣＣＤカメラによるレーザビームの空間的な光強度（ビームプロファイル）の測定と、パワーディテクタによるレーザパワー（単位時間当たり又は１パルス当たりのエネルギー）の測定とを行うことが可能な装置が開示されている。   Conventionally, various laser beam evaluation apparatuses have been used to evaluate the characteristics of a laser beam. In Patent Document 1, it is possible to measure the spatial light intensity (beam profile) of a laser beam with a CCD camera and measure the laser power (energy per unit time or per pulse) with a power detector. An apparatus is disclosed.

特開２００８−１２２２０２号公報JP 2008-122202 A

レーザビームの特性としては、空間光強度やエネルギーの他に、出力経時変化等の重要な特性が存在する。従来は、レーザビームの種々の特性を得るために、複数の異なる特性測定装置を用いて何回かに分けてレーザビーム特性の測定を行っていた。しかしながら、本願の発明者は、レーザビーム特性の測定を数回に分けて行うと、測定装置毎のバラツキや変動が発生するため、レーザビーム特性を正しく評価することが難しいことを見出した。すなわち、従来の方法では、同一のレーザビームを測定対象としていないために、個々の測定結果に各ビーム間の誤差と思われるズレが生じる場合があることが見出された。また、従来は、個別の測定装置による特性の測定のズレを最小にするための設定や調整に長時間を要するという問題もあった。   As characteristics of the laser beam, there are important characteristics such as a change with time of output in addition to the spatial light intensity and energy. Conventionally, in order to obtain various characteristics of a laser beam, the laser beam characteristics are measured several times using a plurality of different characteristic measuring apparatuses. However, the inventor of the present application has found that it is difficult to correctly evaluate the laser beam characteristics because the measurement and the variation of each measuring apparatus occur when the laser beam characteristics are measured several times. That is, in the conventional method, since the same laser beam is not used as a measurement target, it has been found that there may be a deviation that seems to be an error between the beams in each measurement result. Further, conventionally, there has been a problem that it takes a long time to make settings and adjustments to minimize the deviation of the measurement of characteristics by individual measuring devices.

なお、レーザ発振装置には、出力フィードバック制御を行うためにレーザ発振装置の内部にレーザ出力を測定している場合がある。しかし、レーザ発振装置内部におけるレーザビームと、レーザ発振装置から出力されてワークの加工等に使用されるレーザビームには、レーザビームが伝送される過程での減衰や拡散、遅れ等の影響による差異があることが一般的である。このため、レーザ発振装置の内部に設けられたセンサによる測定は、ワークの加工等に利用される最終的なレーザビームの特性の測定としては適さないものであった。   In some cases, the laser oscillation device measures the laser output inside the laser oscillation device in order to perform output feedback control. However, there is a difference between the laser beam inside the laser oscillation device and the laser beam output from the laser oscillation device and used for workpiece processing due to the influence of attenuation, diffusion, delay, etc. in the process of transmitting the laser beam. It is common that there is. For this reason, the measurement by the sensor provided inside the laser oscillation device is not suitable as the measurement of the final laser beam characteristics used for workpiece processing or the like.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be realized as the following forms.

（１）本発明の一形態によれば、レーザ発振装置から出力されたレーザビームの評価を行うレーザビーム評価装置が提供される。このレーザビーム評価装置は、レーザビームの空間光強度分布を計測する２次元光センサアレイと、レーザビームの出力経時変化を計測する光電効果型光センサと、レーザビームのエネルギーを計測するレーザパワーメータと、を備え、同一のレーザビームに関する空間光強度と出力経時変化とエネルギーとを一括計測することを特徴とする。
このレーザビーム評価装置によれば、レーザビームの３つの特性（空間光強度分布と出力経時変化とエネルギー）の測定を別々に行う必要が無く、同一のレーザビームに関するこれらの３つの特性を一括計測することが可能である。また、複数の特性測定装置の間の整合性や誤差を最小にするために行われていた個々の特性測定装置の長時間の調整作業を削減できる。 (1) According to an aspect of the present invention, there is provided a laser beam evaluation apparatus that evaluates a laser beam output from a laser oscillation apparatus. This laser beam evaluation apparatus includes a two-dimensional optical sensor array that measures a spatial light intensity distribution of a laser beam, a photoelectric effect type optical sensor that measures an output temporal change of the laser beam, and a laser power meter that measures the energy of the laser beam. The spatial light intensity, the output temporal change and the energy relating to the same laser beam are collectively measured.
According to this laser beam evaluation apparatus, there is no need to separately measure the three characteristics of the laser beam (spatial light intensity distribution, output temporal change, and energy), and these three characteristics relating to the same laser beam are collectively measured. Is possible. In addition, it is possible to reduce the long-time adjustment work of individual characteristic measuring apparatuses, which has been performed in order to minimize the consistency and error between the plurality of characteristic measuring apparatuses.

（２）上記レーザビーム評価装置は、更に、一つのレーザビームを３つの分割レーザビームに分割するビームスプリッタを備え、前記一つのレーザビームから分割された前記３つの分割レーザビームを用いて前記空間光強度と出力経時変化とエネルギーを同時に計測するようにしてもよい。
この構成によれば、レーザビームの３つの特性（空間光強度分布と出力経時変化とエネルギー）の測定を同時に行うことができる。 (2) The laser beam evaluation apparatus further includes a beam splitter that divides one laser beam into three divided laser beams, and uses the three divided laser beams divided from the one laser beam. You may make it measure light intensity, an output temporal change, and energy simultaneously.
According to this configuration, three characteristics of the laser beam (spatial light intensity distribution, output temporal change, and energy) can be measured simultaneously.

（３）上記レーザビーム評価装置は、更に、前記レーザ発振装置から出力されたレーザビームを前記２次元光センサアレイに結像する結像光学系と、光ファイバを介して前記レーザ発振装置と接続されたレーザ出射ユニットのビーム結像位置が、前記結像光学系の物体基準位置に位置決めされるように前記レーザ出射ユニットを固定する機械式マウントと、前記レーザ発振装置に接続された光ファイバの出射端が、前記結像光学系の物体基準位置に位置決めされるように前記光ファイバを固定する光ファイバアダプタと、を備え、前記機械式マウントと前記光ファイバアダプタとを交換することによって、前記レーザ出射ユニットのビーム結像位置と前記光ファイバの出射端とのいずれかを前記結像光学系の物体基準位置に位置決めすることが可能に構成されていてもよい。
この構成によれば、レーザビーム特性に問題が生じている場合に、その問題がレーザ出射ユニットに起因するか否かを容易に判定することができる。 (3) The laser beam evaluation apparatus is further connected to the laser oscillation apparatus via an imaging optical system that forms an image of the laser beam output from the laser oscillation apparatus on the two-dimensional photosensor array, and an optical fiber. A mechanical mount for fixing the laser emission unit so that a beam imaging position of the laser emission unit is positioned at an object reference position of the imaging optical system, and an optical fiber connected to the laser oscillation device. An optical fiber adapter that fixes the optical fiber so that an output end is positioned at an object reference position of the imaging optical system, and by exchanging the mechanical mount and the optical fiber adapter, Positioning either the beam imaging position of the laser emission unit or the emission end of the optical fiber at the object reference position of the imaging optical system To be able to may be configured.
According to this configuration, when a problem occurs in the laser beam characteristics, it can be easily determined whether or not the problem is caused by the laser emission unit.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、レーザビーム評価装置、レーザビームの評価方法等の形態で実現することができる。   Note that the present invention can be realized in various modes. For example, it can be realized in the form of a laser beam evaluation apparatus, a laser beam evaluation method, or the like.

本発明の一実施形態としてのレーザビーム評価装置の構成を示す説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Explanatory drawing which shows the structure of the laser beam evaluation apparatus as one Embodiment of this invention. 機械式マウントと光ファイバアダプタとを交換した状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the state which replaced the mechanical mount and the optical fiber adapter. レーザビームの空間プロファイルの一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the spatial profile of a laser beam. レーザの出力指令と出力波形とレーザパワー検出値の経時変化の一例を示すタイミングチャート。6 is a timing chart showing an example of a change over time of a laser output command, an output waveform, and a laser power detection value. レーザ出力の調整の一例を示すタイミングチャート。The timing chart which shows an example of adjustment of a laser output.

図１は、本発明の一実施形態としてのレーザビーム評価システムの構成を示す説明図である。このレーザビーム評価システムは、レーザ発振装置１００と、レーザビーム評価装置２００とを含んでいる。レーザビーム評価装置２００は、移動可能に構成されており、レーザビーム特性の評価を行う際には、レーザ発振装置１００が配置されている地点の傍にレーザビーム評価装置２００が搬送される。   FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a laser beam evaluation system as an embodiment of the present invention. This laser beam evaluation system includes a laser oscillation device 100 and a laser beam evaluation device 200. The laser beam evaluation apparatus 200 is configured to be movable. When the laser beam characteristics are evaluated, the laser beam evaluation apparatus 200 is transported near the point where the laser oscillation apparatus 100 is disposed.

レーザ発振装置１００の出力端には光ファイバＯＰＦが接続され、光ファイバＯＰＦの末端はレーザ出射ユニット２１２に接続される。なお、図１では、図示の便宜上、光ファイバＯＰＦの末端付近だけが太く描かれており、その他の部分は細い線で描かれているが、実際には同じ太さのファイバである。レーザ出射ユニット２１２は、内部にミラーやレンズなどを含む光学系を備えており、この光学系によってレーザビームを所望のビーム結像位置ＭＬに結像する機能を有する。レーザ出射ユニット２１２のビーム結像位置ＭＬにワークを配置すれば、ワークの溶接等の加工を行うことが可能である。レーザ出射ユニット２１２はレーザ発振装置１００の周辺装置である。但し、図１では、レーザ出射ユニット２１２がレーザビーム評価装置２００内に固定された状態を示している。レーザ発振装置１００としては、例えばＹＡＧレーザ発振装置が使用される。但し、ＹＡＧレーザ以外の個体レーザや、ＣＯ２レーザなどのガスレーザ、及び、半導体レーザなどの種々のレーザ発振装置を利用することが可能である。 An optical fiber OPF is connected to the output end of the laser oscillation device 100, and the end of the optical fiber OPF is connected to the laser emission unit 212. In FIG. 1, for convenience of illustration, only the vicinity of the end of the optical fiber OPF is drawn thick, and the other portions are drawn by thin lines, but in reality, the fibers are the same thickness. The laser emission unit 212 includes an optical system including a mirror and a lens inside, and has a function of forming an image of a laser beam at a desired beam imaging position ML by this optical system. If the workpiece is arranged at the beam imaging position ML of the laser emission unit 212, it is possible to perform processing such as welding of the workpiece. The laser emission unit 212 is a peripheral device of the laser oscillation device 100. However, FIG. 1 shows a state in which the laser emission unit 212 is fixed in the laser beam evaluation apparatus 200. As the laser oscillation device 100, for example, a YAG laser oscillation device is used. However, various laser oscillation devices such as solid lasers other than YAG lasers, gas lasers such as CO 2 lasers, and semiconductor lasers can be used.

レーザビーム評価装置２００は、レーザ出射ユニット２１２を固定する機械式マウント２１０と、光ファイバＯＰＦを固定する光ファイバアダプタ２２０と、結像光学系２３０と、２次元光センサアレイ２４０と、光電効果型光センサ２５０と、レーザパワーメータ２６０と、出力波形レコーダ２７０と、データ解析装置２８０とを備えている。   The laser beam evaluation apparatus 200 includes a mechanical mount 210 that fixes a laser emission unit 212, an optical fiber adapter 220 that fixes an optical fiber OPF, an imaging optical system 230, a two-dimensional photosensor array 240, and a photoelectric effect type. An optical sensor 250, a laser power meter 260, an output waveform recorder 270, and a data analysis device 280 are provided.

機械式マウント２１０は、レーザ出射ユニット２１２をレーザビーム評価装置２００内の基盤２０２の予め決められた位置に固定する固定部２１４を有している。光ファイバアダプタ２２０は、光ファイバを固定するアダプタ部２２２と、アダプタ部２２２をレーザビーム評価装置２００内の基盤２０２の予め決められた位置に固定する固定部２２４とを有している。光ファイバアダプタ２２０に固定される光ファイバとしては、通常は、レーザ出射ユニット２１２から取り外された光ファイバＯＰＦがそのまま使用される。これらの機械式マウント２１０と光ファイバアダプタ２２０とを交換することによって、レーザ出射ユニット２１２のビーム結像位置ＭＬと、光ファイバＯＰＦの出射端とのうちのいずれか一方を、結像光学系２３０の物体基準位置ＯＰに位置決めすることが可能である。この点については更に後述する。   The mechanical mount 210 has a fixing portion 214 that fixes the laser emission unit 212 to a predetermined position of the base 202 in the laser beam evaluation apparatus 200. The optical fiber adapter 220 includes an adapter unit 222 that fixes the optical fiber, and a fixing unit 224 that fixes the adapter unit 222 to a predetermined position of the base 202 in the laser beam evaluation apparatus 200. As the optical fiber fixed to the optical fiber adapter 220, the optical fiber OPF removed from the laser emitting unit 212 is usually used as it is. By exchanging the mechanical mount 210 and the optical fiber adapter 220, one of the beam imaging position ML of the laser emission unit 212 and the emission end of the optical fiber OPF is changed to the imaging optical system 230. It is possible to position at the object reference position OP. This point will be further described later.

結像光学系２３０は、平行化レンズ２３２と、ビームスプリッタ２３４と、減光フィルタ２３６と、結像レンズ２３８とを有している。結像光学系２３０の物体基準位置ＯＰ以降におけるレーザビームの光路は、図示の便宜上、一点鎖線の直線で描かれている。平行化レンズ２３２は、結像光学系２３０に入射したレーザビームＬＢ０を平行化するレンズである。なお、本実施形態において、結像光学系２３０の物体基準位置ＯＰは、平行化レンズ２３２の物体側焦点位置に相当する。   The imaging optical system 230 includes a collimating lens 232, a beam splitter 234, a neutral density filter 236, and an imaging lens 238. The optical path of the laser beam after the object reference position OP of the imaging optical system 230 is drawn with a dashed-dotted line for convenience of illustration. The collimating lens 232 is a lens that collimates the laser beam LB0 incident on the imaging optical system 230. In the present embodiment, the object reference position OP of the imaging optical system 230 corresponds to the object side focal position of the collimating lens 232.

ビームスプリッタ２３４は、一つのレーザビームＬＢ０を３つの分割レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３に分割する機能を有する。本実施形態では、ビームスプリッタ２３４として、２つの主表面が互いに傾いた楔形のガラス体に誘電体を蒸着した光学素子を使用している。第１の分割レーザビームＬＢ１は、ビームスプリッタ２３４の入射面２３４ａで反射されたビームであり、減光フィルタ２３６と結像レンズ２３８とを通過した後に２次元光センサアレイ２４０に入射する。第２の分割レーザビームＬＢ２は、ビームスプリッタ２３４の裏面２３４ｂで反射されたビームであり、光電効果型光センサ２５０に入射する。第３の分割レーザビームＬＢ３は、ビームスプリッタ２３４を透過したビームであり、レーザパワーメータ２６０に入射する。ビームスプリッタ２３４の入射面２３４ａと裏面２３４ｂの反射率及び透過率は、３つの分割レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３がそれぞれの検出器２４０，２５０，２６０の感度領域に適した分光比率を有するように調整されている。具体的には、ビームスプリッタ２３４のガラス体の表面２３４ａと裏面２３４ｂに、部分透過膜若しくは部分反射膜、及び／又は、反射防止膜を構成する誘電体が蒸着されている。なお、１つの光ビームを３分割する１つの楔形のビームスプリッタ２３４を使用する代わりに、１つの光ビームを２分割するビームスプリッタを２つ用いても良い。但し、楔形のビームスプリッタ２３４を使用すれば、ビームスプリッタの配置に要する空間を小さくすることができ、また、レーザビーム特性の測定に使用する３つの検出器２４０，２５０，２６０を比較的小さな空間内に配置できるという利点がある。   The beam splitter 234 has a function of dividing one laser beam LB0 into three divided laser beams LB1, LB2, and LB3. In this embodiment, as the beam splitter 234, an optical element obtained by depositing a dielectric on a wedge-shaped glass body having two main surfaces inclined with respect to each other is used. The first split laser beam LB1 is a beam reflected by the incident surface 234a of the beam splitter 234, and enters the two-dimensional photosensor array 240 after passing through the neutral density filter 236 and the imaging lens 238. The second split laser beam LB2 is a beam reflected by the back surface 234b of the beam splitter 234, and is incident on the photoelectric effect photosensor 250. The third split laser beam LB3 is a beam that has passed through the beam splitter 234, and is incident on the laser power meter 260. The reflectance and transmittance of the incident surface 234a and the back surface 234b of the beam splitter 234 are such that the three divided laser beams LB1, LB2, and LB3 have spectral ratios suitable for the sensitivity regions of the respective detectors 240, 250, and 260. It has been adjusted. Specifically, a dielectric constituting a partial transmission film or a partial reflection film and / or an antireflection film is deposited on the front surface 234a and the rear surface 234b of the glass body of the beam splitter 234. Instead of using one wedge-shaped beam splitter 234 that divides one light beam into three, two beam splitters that divide one light beam into two may be used. However, if the wedge-shaped beam splitter 234 is used, the space required for the arrangement of the beam splitter can be reduced, and the three detectors 240, 250, and 260 used for measuring the laser beam characteristics can be made a relatively small space. There is an advantage that it can be placed inside.

減光フィルタ２３６は、第１の分割レーザビームＬＢ１の強度を２次元光センサアレイ２４０の感度領域に整合させる光吸収型フィルタ群である。但し、減光フィルタ２３６は省略可能である。   The neutral density filter 236 is a light absorption filter group that matches the intensity of the first divided laser beam LB1 with the sensitivity region of the two-dimensional photosensor array 240. However, the neutral density filter 236 can be omitted.

結像レンズ２３８は、２次元光センサアレイ２４０の撮像面に第１の分割レーザビームＬＢ１を結像するレンズである。結像レンズ２３８に関しては、そのレンズ又はレンズマウントを交換可能な機構を採用して、焦点距離が異なるレンズに交換することによって撮像倍率を調整できるように構成されていることが好ましい。この場合に、各レンズマウントを、その固定位置と撮像面位置（焦点位置）を一定とする鏡筒長さを有するように構成しておけば、レンズマウント交換前後で特別な焦点位置調整は不要であり、撮像倍率を容易に変更可能である。   The imaging lens 238 is a lens that forms an image of the first divided laser beam LB1 on the imaging surface of the two-dimensional photosensor array 240. The imaging lens 238 is preferably configured so that the imaging magnification can be adjusted by adopting a mechanism capable of exchanging the lens or lens mount and exchanging it with a lens having a different focal length. In this case, if each lens mount is configured to have a lens barrel length that keeps its fixed position and imaging surface position (focal position) constant, no special focal position adjustment is required before and after replacing the lens mount. The imaging magnification can be easily changed.

２次元光センサアレイ２４０は、第１の分割レーザビームＬＢ１の空間光強度（空間プロファイル）を測定するセンサである。２次元光センサアレイ２４０としては、例えば、ＣＣＤセンサアレイやＣＭＯＳセンサアレイを使用することができる。２次元光センサアレイ２４０の出力信号は、データ解析装置２８０に適宜供給される。   The two-dimensional photosensor array 240 is a sensor that measures the spatial light intensity (spatial profile) of the first divided laser beam LB1. As the two-dimensional photosensor array 240, for example, a CCD sensor array or a CMOS sensor array can be used. The output signal of the two-dimensional photosensor array 240 is appropriately supplied to the data analysis device 280.

光電効果型光センサ２５０は、第２の分割レーザビームＬＢ２の出力（光強度）の経時変化を測定するセンサである。光電効果型光センサ２５０としては、例えば、フォトダイオードや、フォトトランジスタ、光電管などの各種の光電効果型センサを使用することができる。特に、出力の経時変化を精度良く測定するために、高速応答型のフォトダイオードなどを使用することが好ましい。なお、通常は、レーザ発振装置１００の内部にも出力フィードバック用のフォトセンサが配置されていることが多い。但し、レーザ発振装置１００の内部からレーザ出射ユニット２１２までに至るレーザビームの光路には、光ファイバＯＰＦなどの光学部品が多数存在するので、レーザ出射ユニット２１２から出射されるレーザビームの特性には、長い光路中における減衰や拡散、遅れ等が大きな影響を与えている可能性がある。従って、レーザ出射ユニット２１２（又は光ファイバＯＰＦ）の出射端におけるレーザビームＬＢ０の強度が適切か否かを、レーザ発振装置１００の内部に設けられた出力フィードバック用フォトセンサで測定することは不可能である。この意味では、結像光学系２３０の内部の光路は、光ファイバを含まないことが好ましい。光電効果型光センサ２５０の出力は、出力波形レコーダ２７０に供給される。出力波形レコーダ２７０は、光電効果型光センサ２５０の出力信号を記録する記録計である。記録された出力信号は、出力波形レコーダ２７０からデータ解析装置２８０に適宜供給される。   The photoelectric effect type optical sensor 250 is a sensor that measures a change with time of the output (light intensity) of the second divided laser beam LB2. As the photoelectric effect type optical sensor 250, for example, various photoelectric effect type sensors such as a photodiode, a phototransistor, and a photoelectric tube can be used. In particular, it is preferable to use a high-speed response type photodiode or the like in order to accurately measure a change in output with time. Usually, a photosensor for output feedback is often arranged inside the laser oscillation device 100. However, since there are many optical components such as the optical fiber OPF in the optical path of the laser beam from the inside of the laser oscillation device 100 to the laser emission unit 212, the characteristics of the laser beam emitted from the laser emission unit 212 are as follows. There is a possibility that attenuation, diffusion, delay, etc. in a long optical path have a great influence. Therefore, it is impossible to measure whether or not the intensity of the laser beam LB0 at the emission end of the laser emission unit 212 (or the optical fiber OPF) is appropriate with an output feedback photosensor provided in the laser oscillation device 100. It is. In this sense, the optical path inside the imaging optical system 230 preferably does not include an optical fiber. The output of the photoelectric effect type optical sensor 250 is supplied to the output waveform recorder 270. The output waveform recorder 270 is a recorder that records the output signal of the photoelectric effect optical sensor 250. The recorded output signal is appropriately supplied from the output waveform recorder 270 to the data analysis device 280.

レーザパワーメータ２６０は、第３の分割レーザビームＬＢ３のエネルギーを測定するための出力熱量計である。本実施形態において、レーザ発振装置１００はパルス発振によりレーザビームＬＢ０を発振する。この場合に、レーザパワーメータ２６０としては、１パルス分の分割レーザビームＬＢ３のエネルギーを精密に測定できるように、応答が十分に高速であるものを使用することが好ましく、例えば焦電効果型のレーザパワーメータを使用することが好ましい。レーザパワーメータ２６０の出力信号は、データ解析装置２８０に適宜供給される。   The laser power meter 260 is an output calorimeter for measuring the energy of the third divided laser beam LB3. In the present embodiment, the laser oscillation device 100 oscillates the laser beam LB0 by pulse oscillation. In this case, it is preferable to use a laser power meter 260 that has a sufficiently high response so that the energy of the divided laser beam LB3 for one pulse can be accurately measured. It is preferable to use a laser power meter. The output signal of the laser power meter 260 is appropriately supplied to the data analysis device 280.

３つの検出器２４０，２５０，２６０に入射する３つの分割レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３の光強度の比率は、予め精密に測定されて較正されていることが好ましい。   It is preferable that the ratio of the light intensity of the three divided laser beams LB1, LB2, LB3 incident on the three detectors 240, 250, 260 is accurately measured and calibrated in advance.

図２は、図１に示した状態から、機械式マウント２１０を光ファイバアダプタ２２０に交換した状態を示している。この状態では、光ファイバＯＰＦの出射端ＯＰＦｅが、結像光学系２３０の物体基準位置ＯＰに位置決めされる。このように、本実施形態では、機械式マウント２１０と光ファイバアダプタ２２０とを交換することによって、レーザ出射ユニット２１２のビーム結像位置ＭＬ（図１）と、光ファイバＯＰＦの出射端ＯＰＦｅ（図２）とのいずれか一方を、結像光学系２３０の物体基準位置ＯＰに容易に位置決めすることが可能である。このように構成した理由は、レーザ出射ユニット２１２に問題があるか否かを容易に判断できるようにするためである。すなわち、３つの検出器２４０，２５０，２６０で検出されたレーザビーム特性に何らかの問題がある場合に、図１の状態におけるレーザビーム特性と図２の状態におけるレーザビーム特性とを比較することによって、レーザ出射ユニット２１２に問題があるか否かを判定することが可能である。例えば、図１の状態で発生していた問題が図２の状態で解消した場合には、レーザ出射ユニット２１２に問題があるものと判定できる。一方、図１の状態で発生していた問題が図２の状態でも解消しない場合には、光ファイバＯＰＦ又はレーザ発振装置１００に問題があるものと判定できる。更に、図２の状態において、光ファイバＯＰＦを新しい光ファイバに交換してレーザビーム特性を測定しても依然として問題が解消されない場合には、レーザ発振装置１００自体に問題があるものと判定できる。   FIG. 2 shows a state in which the mechanical mount 210 is replaced with the optical fiber adapter 220 from the state shown in FIG. In this state, the exit end OPFe of the optical fiber OPF is positioned at the object reference position OP of the imaging optical system 230. As described above, in this embodiment, by exchanging the mechanical mount 210 and the optical fiber adapter 220, the beam imaging position ML (FIG. 1) of the laser emission unit 212 and the emission end OPFe (FIG. 1) of the optical fiber OPF. 2) can be easily positioned at the object reference position OP of the imaging optical system 230. The reason for this configuration is to make it easy to determine whether or not there is a problem with the laser emission unit 212. That is, when there is any problem in the laser beam characteristics detected by the three detectors 240, 250, and 260, by comparing the laser beam characteristics in the state of FIG. 1 with the laser beam characteristics in the state of FIG. It is possible to determine whether there is a problem with the laser emission unit 212. For example, when the problem that occurred in the state of FIG. 1 is solved in the state of FIG. 2, it can be determined that there is a problem in the laser emission unit 212. On the other hand, if the problem occurring in the state of FIG. 1 is not solved even in the state of FIG. 2, it can be determined that there is a problem with the optical fiber OPF or the laser oscillation device 100. Further, in the state of FIG. 2, if the problem is still not solved even if the optical fiber OPF is replaced with a new optical fiber and the laser beam characteristics are measured, it can be determined that there is a problem in the laser oscillation device 100 itself.

図３は、２次元光センサアレイ２４０で測定されるレーザビームの空間プロファイル（空間光強度分布）を示している。図３（Ａ）はＸ軸上における光強度分布の例を示しており、図３（Ｂ）はレーザビームの２次元的な光スポットの範囲を示している。なお、図３（Ａ），（Ｂ）の軸Ｘ，Ｙはレーザビームの光軸に垂直な平面の座標であり、図３（Ａ）の縦軸Ｐはレーザビームの強度（正確には出力密度［Ｗ／ｍｍ２］）である。図３（Ａ）に示すように、正常なレーザビームの空間プロファイルは、光スポットの中心ＣＰにおいてピーク出力を有する。 FIG. 3 shows a spatial profile (spatial light intensity distribution) of the laser beam measured by the two-dimensional photosensor array 240. FIG. 3A shows an example of the light intensity distribution on the X axis, and FIG. 3B shows the range of the two-dimensional light spot of the laser beam. 3A and 3B, the axes X and Y are the coordinates of a plane perpendicular to the optical axis of the laser beam, and the vertical axis P in FIG. Density [W / mm 2 ]). As shown in FIG. 3A, the normal laser beam spatial profile has a peak output at the center CP of the light spot.

図４は、レーザの出力指令ＰＣと出力波形ＰＯとレーザパワー検出値ＲＰの３つのパラメータの経時変化の一例を示すタイミングチャートである。図４（Ａ）の出力指令ＰＣは、レーザ発振装置１００に与えられる指令値である。ここでは、時刻ｔ１から時刻ｔ２に至るまでの台形形状のパルス状の出力指令ＰＣが例示されている。１パルスの時間（＝ｔ２−ｔ１）は、例えば約５ミリ秒である。図４（Ｂ）の出力波形ＰＯは、光電効果型光センサ２５０で測定される出力（光強度）の経時変化である。縦軸は、レーザビームの強度（単位は［Ｗ］又は［Ｗ／ｍｍ２］）である。この例では、出力指令ＰＣに対応した適切な出力波形ＰＯが得られている。図４（Ｃ）のレーザパワー検出値ＲＰは、レーザパワーメータ２６０で測定されたエネルギーである。レーザパワー検出値ＲＰは、レーザビームの１パルスの間に徐々に上昇する。１パルスの終了時刻ｔ２以降におけるレーザパワー検出値ＲＰが、１パルス分のエネルギーに相当する。 FIG. 4 is a timing chart showing an example of changes with time of three parameters of the laser output command PC, the output waveform PO, and the laser power detection value RP. The output command PC in FIG. 4A is a command value given to the laser oscillation device 100. Here, a trapezoidal pulse-shaped output command PC from time t1 to time t2 is illustrated. The time of one pulse (= t2−t1) is, for example, about 5 milliseconds. The output waveform PO in FIG. 4B is a change with time in output (light intensity) measured by the photoelectric effect optical sensor 250. The vertical axis represents the intensity of the laser beam (unit: [W] or [W / mm 2 ]). In this example, an appropriate output waveform PO corresponding to the output command PC is obtained. The laser power detection value RP in FIG. 4C is energy measured by the laser power meter 260. The laser power detection value RP gradually increases during one pulse of the laser beam. The laser power detection value RP after the end time t2 of one pulse corresponds to energy for one pulse.

本実施形態のレーザビーム評価装置２００は、図３（Ａ），（Ｂ）に示した空間光強度分布と、図４（Ｂ）に示した出力波形（出力経時変化）と、図４（Ｃ）に示したレーザパワー検出値（エネルギー）とを同時に測定することが可能である。すなわち、同一のレーザビームＬＢ０に関して、これらの３つの特性を同時に測定できる。従って、異なる特性測定装置で得られた特性同士の整合性や誤差を考慮することなく、レーザビーム特性が良好か否かを判定することができる。また、複数の特性測定装置の整合性や誤差を最小にするために行われていた個々の特性測定装置の長時間の調整作業を削減できる。更に、レーザビーム特性に何らかの問題がある場合に、その対策や調整を素早く実行することが可能となる。なお、本明細書において、「同一のレーザビームに関して…同時に測定する」という語句は、そのレーザビームから分割された複数の分割レーザビームを用いて測定を行う場合を含む広い意味を有している。   The laser beam evaluation apparatus 200 of the present embodiment includes a spatial light intensity distribution shown in FIGS. 3A and 3B, an output waveform (output change with time) shown in FIG. 4B, and FIG. The laser power detection value (energy) shown in FIG. That is, these three characteristics can be measured simultaneously for the same laser beam LB0. Therefore, it is possible to determine whether or not the laser beam characteristics are good without considering the consistency and error between the characteristics obtained by different characteristic measuring apparatuses. In addition, it is possible to reduce the long-time adjustment work of the individual characteristic measuring apparatuses, which has been performed to minimize the consistency and error of the plurality of characteristic measuring apparatuses. Furthermore, when there is some problem in the laser beam characteristics, it is possible to quickly execute countermeasures and adjustments. Note that in this specification, the phrase “measures simultaneously with respect to the same laser beam” has a broad meaning including a case where measurement is performed using a plurality of divided laser beams divided from the laser beam. .

図５は、レーザ出力の調整の一例を示すタイミングチャートである。図５（Ａ）は調整前の出力指令ＰＣ１の一例を示し、図５（Ｂ）は調整前の出力波形Ｐ０１の一例を示している。図５（Ａ）の出力指令ＰＣ１は図４（Ａ）に示したものと同じである。図５（Ｂ）の出力波形ＰＯ１は、破線で示す望ましい出力波形ＰＯｔからずれている。この望ましい出力波形ＰＯｔは、図４（Ｂ）に示した出力波形ＰＯと同じものである。   FIG. 5 is a timing chart showing an example of laser output adjustment. FIG. 5A shows an example of the output command PC1 before adjustment, and FIG. 5B shows an example of the output waveform P01 before adjustment. The output command PC1 in FIG. 5A is the same as that shown in FIG. The output waveform PO1 in FIG. 5B deviates from the desired output waveform POt indicated by the broken line. This desirable output waveform POt is the same as the output waveform PO shown in FIG.

図５（Ｃ）は調整後の出力指令ＰＣ２の一例を示し、図５（Ｄ）は調整後の出力波形Ｐ０２の一例を示している。出力指令の波形を図５（Ａ）から図５（Ｃ）に変更することによって、図５（Ｄ）に示すように出力波形ＰＯ２を望ましい出力波形ＰＯｔとほぼ同じ形状に整形することが可能である。   FIG. 5C shows an example of the adjusted output command PC2, and FIG. 5D shows an example of the adjusted output waveform P02. By changing the waveform of the output command from FIG. 5 (A) to FIG. 5 (C), it is possible to shape the output waveform PO2 to be approximately the same as the desired output waveform POt as shown in FIG. 5 (D). is there.

なお、レーザビーム特性に生じうる問題としては、レーザビームの光路内における各種の分散に起因する問題がある。例えば、光ファイバＯＰＦには単色分散や偏光モード分散などの各種の分散が存在することが知られている。これらの各種の分散に起因して、空間光強度分布、出力波形（出力経時変化）、及びレーザエネルギーが変化し得る。本実施形態では、このような場合にも、同一のレーザビームＬＢ０に関する空間光強度分布と出力経時変化とエネルギーとを同時に測定することができるので、異なる測定で得られた特性同士の整合性や誤差を考慮することなく、レーザビーム特性が良好か否かを直ちに判定することができる。   Note that problems that may occur in the laser beam characteristics include problems caused by various dispersions in the optical path of the laser beam. For example, it is known that various dispersions such as monochromatic dispersion and polarization mode dispersion exist in the optical fiber OPF. Due to these various dispersions, the spatial light intensity distribution, the output waveform (output aging), and the laser energy can change. In this embodiment, even in such a case, the spatial light intensity distribution, output temporal change, and energy regarding the same laser beam LB0 can be measured at the same time. It is possible to immediately determine whether or not the laser beam characteristics are good without considering the error.

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。 Modification Examples The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.

・変形例１：
レーザビーム評価装置の構成としては、図１に示したもの以外の種々の構成を適用することが可能である。また、３つの分割レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３を得るための光学系としては、図１に示した結像光学系以外の種々の構成を採用することが可能である。 ・ Modification 1:
As the configuration of the laser beam evaluation apparatus, various configurations other than those shown in FIG. 1 can be applied. As an optical system for obtaining the three divided laser beams LB1, LB2, and LB3, various configurations other than the imaging optical system shown in FIG. 1 can be adopted.

・変形例２：
上記実施形態では、１レーザビームパルスのエネルギーを測定していたが、この代わりに、連続する所定の複数個のレーザビームパルスのエネルギーの合計を測定するようにしても良く、或いは、所定の時間内におけるレーザエネルギーの合計を測定するようにしてもよい。 Modification 2
In the above embodiment, the energy of one laser beam pulse is measured, but instead, the total of the energy of a predetermined plurality of continuous laser beam pulses may be measured, or a predetermined time may be measured. You may make it measure the sum total of the laser energy in the inside.

１００…レーザ発振装置
２００…レーザビーム評価装置
２０２…基盤
２１０…機械式マウント
２１２…レーザ出射ユニット
２１４…固定部
２２０…光ファイバアダプタ
２２２…アダプタ部
２２４…固定部
２３０…結像光学系
２３２…平行化レンズ
２３４…ビームスプリッタ
２３４ａ…表面（入射面）
２３４ｂ…裏面
２３６…減光フィルタ
２３８…結像レンズ
２５０…光電効果型光センサ
２６０…レーザパワーメータ
２７０…出力波形レコーダ
２８０…データ解析装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Laser oscillation apparatus 200 ... Laser beam evaluation apparatus 202 ... Base | substrate 210 ... Mechanical mount 212 ... Laser emission unit 214 ... Fixed part 220 ... Optical fiber adapter 222 ... Adapter part 224 ... Fixed part 230 ... Imaging optical system 232 ... Parallel Lens 234 ... Beam splitter 234a ... Surface (incident surface)
234b ... Back side 236 ... Neutral filter 238 ... Imaging lens 250 ... Photoelectric effect type optical sensor 260 ... Laser power meter 270 ... Output waveform recorder 280 ... Data analysis device

Claims (3)

レーザ発振装置から出力されたレーザビームの評価を行うレーザビーム評価装置であって、
レーザビームの空間光強度分布を計測する２次元光センサアレイと、
レーザビームの出力経時変化を計測する光電効果型光センサと、
レーザビームのエネルギーを計測するレーザパワーメータと、
を備え、
同一のレーザビームに関する空間光強度と出力経時変化とエネルギーとを一括計測することを特徴とするレーザビーム評価装置。 A laser beam evaluation apparatus for evaluating a laser beam output from a laser oscillation apparatus,
A two-dimensional photosensor array for measuring the spatial light intensity distribution of the laser beam;
A photoelectric effect type optical sensor for measuring the time-dependent change of the output of the laser beam;
A laser power meter that measures the energy of the laser beam;
With
An apparatus for evaluating a laser beam, which collectively measures spatial light intensity, output temporal change, and energy for the same laser beam. 請求項１に記載のレーザビーム評価装置であって、更に、
一つのレーザビームを３つの分割レーザビームに分割するビームスプリッタを備え、
前記一つのレーザビームから分割された前記３つの分割レーザビームを用いて前記空間光強度と出力経時変化とエネルギーを同時に計測することを特徴とするレーザビーム評価装置。 The laser beam evaluation apparatus according to claim 1, further comprising:
A beam splitter for dividing one laser beam into three divided laser beams;
An apparatus for evaluating a laser beam, wherein the spatial light intensity, output temporal change, and energy are simultaneously measured using the three divided laser beams divided from the one laser beam. 請求項２に記載のレーザビーム評価装置であって、更に、
前記レーザ発振装置から出力されたレーザビームを前記２次元光センサアレイに結像する結像光学系と、
光ファイバを介して前記レーザ発振装置と接続されたレーザ出射ユニットのビーム結像位置が、前記結像光学系の物体基準位置に位置決めされるように前記レーザ出射ユニットを固定する機械式マウントと、
前記レーザ発振装置に接続された光ファイバの出射端が、前記結像光学系の物体基準位置に位置決めされるように前記光ファイバを固定する光ファイバアダプタと、
を備え、
前記機械式マウントと前記光ファイバアダプタとを交換することによって、前記レーザ出射ユニットのビーム結像位置と前記光ファイバの出射端とのいずれかを前記結像光学系の物体基準位置に位置決めすることが可能であることを特徴とするレーザビーム評価装置。 The laser beam evaluation apparatus according to claim 2, further comprising:
An imaging optical system that forms an image of the laser beam output from the laser oscillation device on the two-dimensional photosensor array;
A mechanical mount for fixing the laser emission unit so that a beam imaging position of a laser emission unit connected to the laser oscillation device via an optical fiber is positioned at an object reference position of the imaging optical system;
An optical fiber adapter that fixes the optical fiber so that an output end of the optical fiber connected to the laser oscillation device is positioned at an object reference position of the imaging optical system;
With
By exchanging the mechanical mount and the optical fiber adapter, either the beam imaging position of the laser emission unit or the emission end of the optical fiber is positioned at the object reference position of the imaging optical system. A laser beam evaluation apparatus characterized by that.
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