JP2019208063A - 減衰量可変の光減衰器を用いたレーザ出力制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一般に、レーザ出力を制御するには、レーザ装置自身においてレーザ励起電流を調整することでレーザ発振の出力を制御したり、レーザ装置の外部に設置した光減衰器を調整することで所望の出力になるように制御することが知られている。
レーザ発振の出力制御では、電流の制御分解能の制限により得られるレーザ出力が階段状の変化を生じたり、レーザ装置自身の発熱が出力の不安定化の原因となるなど、高精度な制御を実現するのは困難である。
そこで、精密な出力調整を必要とする場合には、レーザ装置から出射した後の光路中に吸収フィルタ、反射板、偏光分離素子などの、光を減衰させる素子を設置し、素子を通過するレーザ光の出力を変化させ、所望の値へ調整するのが一般的である。
こうしたシステムでは、濃度に勾配をつけた吸収フィルタを動かしてレーザ光の入射位置を変化させたり、基板を回転させレーザ光の入射角度を変化させたり、光の偏光方位を回転させつつ偏光分離素子を透過させたりするなどして、光の量を変化させているが、いずれも、高強度なレーザ光への適用は困難であった。
また、透明基板を回転させ、基板材料と周囲の屈折率差により生じる反射率の角度依存性を利用するタイプは、耐久性は高いものの、反射率に強い偏光依存性があるため、通常無偏光やランダム偏光が使用されている、高強度レーザに対しては特性が定まらず、減衰器として機能し得えない。
また光の偏光方位を回転させるタイプは、偏光素子の耐久性が低いうえ、制御対象の光は直線偏光に限られるという制約条件があるため、ファイバレーザに代表されるランダム偏光の産業用高出力レーザには適用できない。仮にレーザ耐力が高い偏光素子が存在したとしても、直線偏光成分のみを分離抽出することにより、制御対象のレーザ出力は必然的に元のレーザ出力の半分以下となる。このような出力の損失は、レーザ加工など、より高いレーザ出力が求められるアプリケーションではエネルギー効率の観点からも望ましくない。
このため、例えばレーザ加工の現場では、朝晩や季節による温度変化、装置の運転状況や余熱の具合によって時々刻々と起こるレーザ出力の変動を抑制することは困難とされていた。レーザ加工において、その出力が不安定になれば、加工状態も不安定になり、製品の品質や歩留まりの低下を招くことから、加工用等の高出力レーザ光を、高精度に安定化する技術や所望の値に自在かつ精密に制御する技術が強く求められていた。
特許文献2には、凸レンズと直角プリズムとの間でエバネッセント光を発生させ、凸レンズの凸面形状に応じたレーザ強度分布を得ることが記載されている。
非特許文献1には、波長が数センチメートルの電波を用い、エバネッセント波(光)の発生・結合により透過率と反射率を可変させることが記載されている。
プリズムAの内部から斜面に対し全反射となる角度で光を入射すると、斜面の外側には近接場光(エバネセント光)が発生する。この近接場光は、斜面(近接場光の発生面)近傍から波長程度の範囲に局在し、発生面の法線方向へは伝搬しない性質を持っている。近接場光の強度はプリズムAの発生面の表面で最も大きく、発生面からの距離に従って指数関数的に減衰する。ここで近接場光の到達距離(浸み出し長)dpは、光の波長をλ、プリズムの屈折率をn1、周囲の屈折率をn2、プリズム斜面へのレーザ光の入射角をθinとすると、次式で与えられる。
dp=λ/2π/(n1 2・sin2θin−n2 2)1/2
Pin=Pr+Pt
散乱体としてプリズムBを導入し、その斜面を結合面とすると、プリズムAへの入射光Pinを、プリズムAへの反射光PrとプリズムBへの透過光Ptとに分岐する光分配器(ビームスプリッタ)が形成される。
また、プリズムA内部から斜面への光の入射角θinを変化させると、近接場光の浸み出し長が変化し、プリズムBの結合面に到達する光の強度が変化する。これによっても同様に、反射率および透過率の調整が可能である。
一方、図3は、プリズムAの斜面への入射角の調整によって近接場光の浸み出し長を変化させた場合の透過率の変化(線:理論値、プロット:実験値)を示す。
実施例1は、プリズムA、Bの対向面間の距離を可変ステージにより変化させることでレーザ光の出力制御を行うものである。
まず、プリズムA、Bのアライメントについて、図面を用いて説明する。
図4、図5は、それぞれプリズムA、Bのアライメントにおける平面図および対向面に沿った方向からの側面図を示す。なお、この実施例では、プリズムA、Bとして、同形状の直角プリズムを用い、図4において斜辺を形成するプリズムA、Bの面(底面)を互いに対向させて配置し、それぞれ近接場光の発生面および結合面としている。
次いで、アライメントが最適化されたプリズムA、Bに対して、アライメント誤差が残存するステージSA、SBとの間に生じる空間を補完するため、図5に示すように充填層Sを形成する。この実施例では、充填層Sを形成する未硬化の接着剤をステージSA、SBの固定面に適量塗布したのち、プリズムA、Bの対向面の密着を維持したままプリズムAをステージSA上に、そして、プリズムBをステージSB上に保持する。この状態で接着剤を硬化させると、プリズムA、Bは、最適なアライメントを保った状態でそれぞれステージSA、SB上に固定される。
これに対し、本実施例では、プリズムA、BをそれぞれステージSA、SBに固定する前段階で、プリズムA、Bの対向面を密着させた状態を保持し、アライメントを整えた状態を作り出しておく。そして、この状態のプリズムA、BとステージSA、SBとの間に残るミスアライメントは、充填層Sによって補完することで、前述したような煩雑で高コストなアライメント技術が不要となる。なおこの実施例では、厳密には、プリズムA、Bを通る光軸とステージの稼働軸の間にずれが生じるが、これは光減衰器としての性能に影響しないレベルである。
そして充填層としての接着剤が硬化した後、この状態を基準初期位置としてステージSBを一定方向に直進移動させることで、プリズムA、Bの対向面間の間隔を、高い平行度を維持したまま変化させることが可能である。特に、プリズムB側を稼働させることで、反射もしくは透過により出射するビームの光軸を維持した状態で、プリズムAへの反射率およびプリズムBへの透過率を制御することができる。
また、充填層の材料としては、上記未硬化の液状接着材の他、プリズムA、BとステージSA、SBの隙間の形状に沿うように塑性変形する粘土状の材料を充填層として用い、それらを介して治具により外力を加えて固定する方式でもよい。
ここで、反射光のモニタ信号が目標値を上回るときは、近接場光の結合量を増大させるように、すなわち、プリズムA、Bの対向面間距離を狭める方向に、ステージSBを稼働させる。一方で、目標値を下回るときは、近接場光の結合量を減少させるように、すなわち、対向面間距離を広げる方向に、ステージBを稼働させる。
通常、ビームサンプラとして、空気とガラスの屈折率差により、おおよその分岐比が得られるガラス基板や、反射率と透過率を制御した誘電体多層膜が用いられている。しかし、これらで得られる分岐比は、それぞれ高々数%や0.01%程度であり、制御対象のレーザ出力レベルによっては、分岐比が十分でない。例えば、1kWのレーザ光を0.01%のビームサンプラで抽出するとモニタ光の出力は100mWとなるが、それでも光電型センサで受光するには出力が高すぎるため、さらなる減衰(高い分岐比)が求められる。
上記のガラス基板や誘電体多層膜を複数設置して、モニタ用のセンサに入射する光を段階的に弱めることでトータルの減衰率を増大させることも考えられるが、光学系が大型化、複雑化することによって実用性が低下したり、迷光の発生原因となるため、高度なモニタ性能を得ることができない。
そこで、本発明の近接場光結合型光減衰器の原理を利用して、ビームサンプラとして利用するのが好適である。
すなわち、図7に示すように、プリズムA’、B’の対向面間の隅部などレーザ光路を遮らない位置に、特定の厚さの堅牢なスペーサ6を介在させ、プリズムA’、B’の対向面をこのスペーサ6に密着させた状態で治具や接着剤により機械的に固定することで、対向面間の距離を確定させる。なお、プリズムA’、B’の対向面間距離は、低強度の計測用レーザ光を用いて、所望の減衰率となるよう調整してもよいし、使用した接着剤が硬化した後、得られる減衰率を予め計測しておいてもよい。
これにより、コンパクトで耐久性が高く、堅牢で安定性に優れたビームサンプラを構築可能である。
また、プリズムA、Bの対向面間距離を可変する並進機構の構築においては、対向面と並進ステージの稼働軸との間に角度δを与えることで、ステージBの移動量Xに対して、対向面間の距離は、X・sinδとなり、減速される。これによりステージの位置決め精度や速度に応じて、光減衰量制御の精度や速度の最適化が可能である。
なお、この実験では、ステージの移動命令に対する実移動距離の直線性を確認するため、全反射しない入射角度でプリズムA、Bの対向面間にHe−Neレーザ光を導入し、得られた干渉波形を元に対向面間の距離を評価した。
なお、高出力レーザへの適用を想定した検証では、波長1.1μm、出力100W、TEM00モードのφ1mmのビームを用い、およそ20kW/cm2という高強度ビームに対しても減衰量の調整が可能であることが確認できた。
例えば、レーザ加工装置であれば、ワーク(加工物)が搭載されたステージの位置と、必要なレーザの照射量を対応させたマップをプログラムしておき、ステージの動作と連動させ、場所によってレーザ出力を変化させるといった高度なレーザ照射技術が可能となる。
このように制御することで、部品の寸法に応じて切断スピードを制御したり、加工が及ぶ範囲を限定したり、部位によって選択的にレーザ加熱温度を変化させることで加熱炉を用いて幾度もの工程で行っていた熱処理を一台のレーザ装置に置き換えて工程を短縮するなど、といったレーザ加工技術の高度化が期待できる。
また、生産ラインの始業時にレーザ装置の出力が安定化するまでの暖機時間が短縮されることで、工場の省エネルギー化や生産効率の向上にも貢献できる。
特に、反射側を制御対象とするケースは、高強度なレーザ光の出力を高い分解能で高精度に制御したい場合などに適する。一方、透過光を制御対象とするケースは、元々高強度なレーザの光から、その一部を微弱なレベルで高精度に取り出したい場合などに適する。
また、図2に示すように、対向面間距離によって得られる反射・透過率の特性曲線の勾配が変化する特性を利用することで、制御対象に合わせた制御システムの動作の最適化が可能である。すなわち、制御対象のレーザ光の出力が大きくばらつく場合は、制御幅を優先して特性曲線の勾配の大きい領域で減衰量を制御し、また制御対象が比較的安定であって更に高い精度の出力制御が必要な場合は、制御分解能を優先して、特性曲線の勾配の緩やかな領域で減衰量を制御する、などが可能である。
本実施例は、プリズムA、B同士を、外部信号により変形するアクチュエータ素子を介して直接固定することで、機械ステージ等を用いずに対向面間の距離を調整し、透過(反射)率を可変とするものである。
図9に、対向面に沿った方向から見た側面図を示す。アクチュエータ素子7には電圧の印加によって伸縮する棒状のピエゾ素子を用い、その一端をプリズムAに、もう一端をプリズムBに固定した状態でピエゾ素子を伸縮させる。これにより、プリズムA、Bの対向面間の距離を調整し、透過および反射減衰量を可変としている。
プリズムAをホルダー等で固定すると、プリズムBは、プリズムAにピエゾ素子を介して担持された状態となる。この状態で、ピエゾ素子を伸縮させることで、プリズムA、Bの対向面間の距離を調節することができる。
なお、プリズムA、Bの対向面間の平行度を維持しつつ対向面間距離を変化させるには、複数のピエゾ素子の変位量の整合が不可欠であるが、これはプリズムA、Bの対向面の場所ごとの透過率とアクチュエータ素子7への命令信号(ピエゾ素子であれば印加電圧)の関係を別途把握しておくことで可能である。
さらに、複数のアクチュエータに別々の変位を与えることで、対向面間の平行度を意図的に崩し、対向面内の位置によって透過・反射光の透過率を変化させることも可能で、これはレーザビームの断面強度プロファイル(光軸に直交する平面におけるレーザ光の強度分布)の制御装置などにも応用可能である。
実施例3は、反射・透過率を可変とするプリズムA、Bと、反射・透過率を固定としたプリズムA’、B’を組み合わせることで、レーザ光出力制御装置をコンパクト化するものであり、図10に平面図を示す。
対向面間のアライメントを最適化した、直角プリズムA、Bで構成した減衰量可変の光減衰器と、直角プリズムA’、B’で構成した減衰量固定の光減衰器の二組を用意し、対向面の間隔を変化させて光出力を調整する部分と、対向面の間隔を維持して一定の分岐比のビームサンプラとして機能する部分を組み合わせる。
なおプリズムの接続部は屈折率差による光の反射を抑制するため、双方の脚面を高精度に研磨し光学接触状態としてもよいし、透明度の高い光学接着剤で固定してもよい。さらに、屈折率整合油を介在させ外部から治具等で固定したり、接続面の双方に誘電体多層膜等の無反射膜を構築しておくのも有効である。
また、この実施例では、二組の減衰器のプリズムA(近接場光発生側)同士を近接もしくは密着させて配置する形態としているが、初めからこれらを一体化した形態としてもよい。すなわち、二つのプリズム、AおよびA’の代わりに、一つ平行四辺形型プリズムを用い、二つの斜面で減衰量の制御とモニタ光の抽出を行う形態となる。
なお、図10は、可変減衰器(プリズムA、B)として実施例2を採用した例を示しているが、実施例1を採用して、一体化したプリズムA、プリズムA’プリズムB’をステージSAに載置し、プリズムBをステージSBに載置するようにしてもよい。
実施例4は、プリズムA、Bにおける対向面間の距離を一定に保持した状態で、プリズムAの近接場光発生面への光の入射角を変化させ、プリズムBの結合面に到達する近接場光の強度を調整することで減衰量を調整するものである。
図11に構成例を示す。回転ステージ8上に、厚さdのスペーサ6により対向面間距離を保持し、両隅部の固定具等により一体化したプリズムA、Bを設置し、回転ステージ8のアクチュエータ機構(マイクロメータ、モータ、減速機構等)を、手動もしくは駆動回路5により稼働することで、所定の回転角度範囲でプリズムAの近接場発生面への光の入射角θinを変化させる。
このとき、回転軸は、入射側プリズムAの近接場光発生位置の近傍に設定する。この軸周りに回転するよう、一体化したプリズムA、Bを回転ステージ8上に接着等により設置する。
このように底面間距離を確定させた状態としたうえで、これを回転ステージ8上に設置し、プリズムAの脚面に垂直に入射する角度を基準に、回転ステージを±15°の範囲で稼働させた場合の、透過光強度の変化を図12に示す。ここで、レーザ光が入射および出射するプリズムA、Bの脚面には±30°の入射角の範囲で反射率を抑制したコーティングを施している。
この例では、約10°の角度変化で、透過光強度は約30dB(1/1000)変化し、これは、1°あたり3dB(50%)の減衰量に相当する。なお現在、自動回転ステージの角度分解能は、最も高性能のもので1秒(=1°/3600)未満のものが入手可能であり、減衰器への入射角度を可変させることで、広い範囲で高精度なレーザ光出力の制御システムを実現することが可能となる。
また、減衰量の安定性を確保するためには、回転ステージ8の位置決め精度を向上させる必要があり、マイクロメータ等を用いた手動回転式の場合には、回転機構に戻りバネを組み込むことで、バックラッシュを排除することが好適である。
一方、ピエゾやモータ等を利用した自動回転式とする場合は、アクチュエータ駆動回路5を、ロータリエンコーダ等の角度検知センサを組み合わせて、フィードバック制御することで、高精度に回転角の制御が可能である。
例えば、波長1064nmのレーザ光を、一辺25mmのBK7ガラスの直角プリズムで構成した減衰器に入射させる場合、入射角を±5°の範囲で変化させると、透過光軸は、±0.7mmシフトする。
このような光軸ずれは、これより後段に設置されたすべて光学系のアライメントに悪影響を与え、光学システムの性能低下に直結する。例えば、レーザ加工装置では、集光スポットの変形や照射位置ずれの原因となり、加工精度の低下につながる。
つまり、光減衰器は、理想的には、減衰の前後において、レーザ光の出力以外のパラメータには一切の変化を生じさせないことが求められる。
そこで、一例として、図13に示すように、プリズムA、Bを半円筒状としつつ、スペーサ6を介在させて固定・一体化し円筒体としたうえで、中央部にプリズムA、Bを収容する円筒状の空間を備える透明軸受素子9との間に、わずかな間隙10の円環状の空間を形成した構造とする。なお、透明軸受素子9は、プリズムA、Bの回転とは独立して不動であり、円筒状のプリズムA、Bの外面と透明軸受素子9の内面との間に形成された間隙には、光学オイルが充填されている。
なお、光学オイルとしては、屈折率を調整した顕微鏡用油浸オイル等を利用し、機械的な潤滑と屈折率の整合を両立させ、光軸シフトやビーム形状歪のない、入射角制御による近接場光結合型の可変光減衰器を構築することが可能となる。
図14は、本実施例による減衰量可変の光減衰器を用いたレーザ光出力制御装置の一例を示している。
一方、プリズムAの対向面からの反射光を出射光として利用するようにしてもよく、この場合、反射率の調整のために対向面が回転することで、出射光の方向を変化させることができる。
本実施例では、プリズムA、Bの対向面間に、くさび形等の空間的な変化を与え、レーザ光の入射位置により減衰量を可変としている。
図16において、底面を互いに対向させたプリズムA、Bの左上端側の角部で両者を接触した状態に保持し、例えば台形状のように対向面右下側に、斜め左方に向けて厚さが増大するスペーサ6を介在させることにより、両対向面間の距離を、左上端側から右下端に向けてd1からd2のように連続的に増大するようにしている。
すなわち、小さな反射率(大きな透過率)を得たい場合には、図15において、プリズムAの上方に、一方で大きな反射率(小さな透過率)を得たい場合には、プリズムAの下方に、レーザ光を入射させる。
このような非直線的な特性では、適切に所望の反射・透過率を得るための位置調整が難しい。そこで、プリズムA、Bの一方もしくは双方の対向面の形状を、なだらかな凸(凹)面状の曲面とするような加工を施す。
これにより、底面間距離の変化を緩やかなものとして、プリズムA、B間の底面間距離の変化に対する反射率あるいは透過率の変化を直線的な特性とすることも可能である。
なお、プリズム対向面を曲面に加工した場合、透過(反射)率の変化はレーザ入射位置に対して連続的に変化する特性が得られるが、プリズムA、Bの対向面上に、蒸着等によりナノメートルオーダの薄膜を、厚さを変えて階段状に成膜することにより、レーザ光の入射位置に対してステップ的な透過(反射)率の変化を与えることも可能である。
SA、SB ステージ
A’、B’ ビームサンプラ用プリズム
1 光減衰器
2 ビームサンプラ
3 光センサ
4 演算制御装置
5 アクチュエータ駆動回路
6 スペーサ
7 アクチュエータ素子
8 回転ステージ
9 透明軸受素子
10 間隙
11 位置決め機構
Claims (3)
- 対向面を直接あるいは所定の厚さを有するスペーサを介して密着させることで、対向面間の距離が初期設定されるよう、所定の対向面間の距離を維持した状態で一体化された2つのプリズムA、Bと、
前記一体化されたプリズムA、Bを回転させ、光の入射角度を調節することにより、前記プリズムA、Bの対向面間における近接場光の発生と結合によって、前記プリズムA、Bを出射する光出力の比率を調節する調節機構と、
前記プリズムA、Bを出射する光の出力値を検出する光センサと、
前記光センサの検出信号に基づいて、前記調節機構を制御し、前記プリズムA、Bを出射する光出力の比率を変化させる演算制御装置からなることを特徴とする光出力制御装置。 - 前記プリズムA、Bは半円筒状であり、スペーサを介して固定・一体化することで円筒体にするとともに、前記プリズムA、Bの回転とは独立して不動の透明軸受素子を備え、該透明軸受素子の中央部に形成された円筒状の空間に前記プリズムA、Bを収容することにより、前記プリズムA、Bの外面と前記透明軸受素子の内面との間に円環状の空間を形成し、この円環状の空間に光学オイルが充填されていることを特徴とする請求項1に記載された光出力制御装置。
- 前記プリズムA、Bは多角形プリズムであり、スペーサを介して固定・一体化することで角柱にするとともに、前記プリズムA、Bの回転とは独立して不動の透明軸受素子を備え、該透明軸受素子の中央部に形成された円筒状の空間に前記プリズムA、Bを収容することにより、前記プリズムA、Bの外面と前記透明軸受素子の内面との間に空間を形成し、この空間に光学オイルが充填されていることを特徴とする請求項1に記載された光出力制御装置。
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