JP2587732B2 - レーザー光の位置検出方法 - Google Patents

レーザー光の位置検出方法

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JP2587732B2
JP2587732B2 JP3132386A JP13238691A JP2587732B2 JP 2587732 B2 JP2587732 B2 JP 2587732B2 JP 3132386 A JP3132386 A JP 3132386A JP 13238691 A JP13238691 A JP 13238691A JP 2587732 B2 JP2587732 B2 JP 2587732B2
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英夫 田代
弘二 萩原
靖 末続
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  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザー光学システム
におけるレーザー光の位置検出に係わり、特にミラー、
レンズ等の光学素子に発生する光音響波(または弾性
波)を音響検知器(以下、センサーと言う。)で測定し
てレーザー光の位置を検出する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】レーザー光学システムでは、レーザー光
を所望の作業位置に導くため、ミラー、レンズ、偏光板
等の光学素子が光路内に設けられている。このような光
学システムでは、効果的に光学機器を機能させるため、
目的に応じた機器の調整が必要であり、それに伴うレー
ザー光の位置検出作業が欠かせない。一般的なレーザー
光の位置検出方法には、感熱紙やアクリル板にレーザー
光のパターンを焼き付けて可視化する簡易的な方法のほ
か、リニアアレイや四象限検出器をレーザー光路に挿入
して定量的に計測する方法が用いられている。一方、密
閉容器内の試料にパルス光を照射すると光音響効果によ
る弾性波が発生することが知られており、既に、光音響
を利用した各種計測器が開発されている。例えば、高出
力レーザー用ミラーの耐力を向上させる目的で、光学薄
膜の微小吸収エネルギー量と光音響信号の強度が比例す
ることから、光音響効果によるレーザー損傷を計測する
方法が報告されている(植田、萩原、他2名:レーザー
研究、第15巻、第1号、p22−p25、Jan., (1
987))。また、固体の変形および破壊に伴って解放
されるエネルギーが音響パルス(超音波)として伝播す
るのを捕捉し、被測定材料の欠陥部位を検出するAE(A
coustic Emission) 測定装置が市販されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明者の一人は、赤
外長波長域のラマンレーザー発振を得るため、一対の対
向する銅製の全反射ミラーから成るマルチビームラマン
変換器を開発し、特開平1−102985号に提案し
た。前記ラマン変換器では、所望のラマン変換媒質長を
獲得する必要があり、ミラー面上の所定の位置に正確に
レーザー光を案内してその反射回数を確保しなければな
らず、高精度なビーム位置検出とその調整が重要な作業
となっていた。このようなレーザー光の照射位置合わせ
作業において、レーザー光の位置検出器を光路に挿入し
たのでは逐一レーザー光を遮断するため、多くの調整時
間を必要とするばかりでなく、CO2 レーザーのように
不可視光の場合には、危険を伴うものであった。また、
ハーフミラーで光を分岐させて位置検出を行う間接法の
場合には、光強度を減衰させる問題があり、装置を簡素
化し、レーザー光学システムの自動制御を実現するため
には障害となっていた。そこで本発明者等は、ミラーに
パルスレーザーが照射されると、全反射ミラーであって
もミラー内部に光音響効果による弾性波が発生している
ことに着目し、その弾性波の信号を2個以上の光音響検
出素子を用いて観測し、その出力強度を比較並びに演算
することにより、レーザー光の伝播を妨げることなくレ
ーザー光の位置をミラーの任意の位置に設定できるこ
と、また、レーザー光の照射されている位置を検出でき
ることを見い出した。
【0004】本発明は、レーザー自体やレーザー光伝播
システムの制御に有効な光音響の出力差分を用いたレー
ザー光の位置検出方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、レーザー
光路に配置され、レーザー光の照射エネルギーの一部を
光音響波に変換するミラー、このミラーに光音響波を電
気信号に変換する2個のセンサーをミラーの基準点に対
称な位置に配置し、これらのセンサーからの電気信号の
差分を零とするようにしてレーザー光を前記のミラーの
中心に調整することによって解決することができ、また
前記のセンサーからの電気信号の差の波形の、レーザー
位置に対する最初の部分とそれに続く部分の差の波形の
出力信号からレーザーの位置を検出することによって解
決することができる。
【0006】
【作用】レーザー光がミラーに照射された時、まず表面
で光エネルギーの一部が吸収されて熱エネルギーに変換
され、ミラー面は膨張して歪み、弾性波が発生する。そ
の弾性波は、縦波(P波)と横波(S波)、さらに表面
波としてミラー内部を伝播する。この波が音響検知器に
達すると、弾性波は初めに正、続いて負、さらに正、負
と続く振動波として検出される。レーザー光が第1、第
2の2個のセンサーの中点に照射されている場合には、
第1第2のセンサーで検知される信号の強度並びに波形
は全く同一となり、この両方の信号の差を演算するとそ
の解は零となる。従って、この解が零となるようにレー
ザー光の位置を調整することにより、ミラー面上のセン
サー間の中点にレーザー光を調整することができる。ま
た、レーザー光を僅かに第1のセンサーに近い位置へ移
動した場合、弾性波は第1のセンサーでは第2のセンサ
ーより僅かに早く検知される。2つの検出信号はこのよ
うに到着時間が異なるばかりでなく、伝播による減衰効
果や干渉効果もあり、信号強度のみならず波形も異なっ
ている。従って、第1の信号から第2の信号を差し引く
演算を行った差分信号は、始めは正の方向へ増加する第
1の波となり、次に反転して減少して負の値に至る第2
の波となり、さらに再反転して正の値にと振動を繰り返
す波形となる。逆にレーザー光を僅かに第2の検知器に
近い位置へ移動させると差分信号は反転する。
【0007】このように演算された結果の信号は振動波
形となっているが、前記第1に現れる波高より第2に現
れる波高を差し引く演算をさらに行うと、ミラーの中央
の近傍においては、その演算の結果の値はレーザー光の
当たる位置とほぼ直線的な関係を持つ。従って、この演
算値を用いてレーザー光の位置を精度よく検知すること
ができる。
【0008】
【実施例】以下に本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。図1は、本発明を実施するための装置全体の構成図
である。CO2 レーザー発振器10から出射されたレー
ザー光は、KCl 半透ミラー11を透過して、ビームパタ
ーンの整形とビーム径の変更が可能な絞り12を通過し
た後、本発明を実施する直径70mm、厚さ10mmの銅製
全反射ミラー13に到達する。ミラー13の背面には弾
性波を検出する2個のアコーステックエミッション測定
用センサー(PZT圧電センサー、共振周波数180K
Hz)14、14′を絶縁性の接着剤で固定する。前記
KCl 半透ミラー11で分岐されたビームはフォトンドラ
ック検出器17によってレーザーパルスの発生が検出さ
れ、デジタルオシロスコープのためのトリガー信号とな
る。背面に第1のセンサー14と第2のセンサー14′
が固定されたミラーの鏡面に直径約15mmのパルスレー
ザー光を照射し、ミラー材料内に伝播する弾性波を検出
する。検出された信号はAE差動増幅器(周波数特性5
0KHz〜2MHz)15、で差の演算及び増幅された
後、その演算された結果の信号波形を表示するデジタル
オシロスコープ16に導入される。ディスプレイ8ビッ
ト、インピーダンス50Ωでセッティングされたデジタ
ルオシロスコープのトリガーには、別に設けたフォトン
ドラッグ検出器17からの出力を用いた。
【0009】図2は、図1のミラー13及びセンサー1
4、14′を装着したミラースタンドを示し、(A)は
その正面図、(B)は側面図である。銅製全反射ミラー
13の背面に2個のセンサー14、14′が固定されて
いる。前記ミラーの鏡面にCO2 レーザー発振器からパ
ルスレーザー光を照射する。レーザー光の照射位置から
各々のセンサーに到達した弾性波はセンサーで微細な電
気信号に変換され、AE差動増幅器15、15′に入力
される。AE差動増幅器では、各々のセンサーの特性が
あるため、それを補償する回路を設ける。その後2つの
信号の差が演算され、さらに増幅されてデジタルオシロ
スコープ16に信号入力され表示される。上記ミラース
タンドには、入射レーザー光の位置をミラー面上で水平
方向に移動できるスライド式ステージ20が設けられ、
つまみ21の回転によって移動できる。図2(A)に示
すように、レーザー光を固定しておき、ステージ20を
移動させてレーザー光の照射位置を2つのセンサー間の
中点a、第1のセンサー14側にずらした位置b、第2
のセンサー14′にずらした位置cで得られたそれぞれ
の信号波形を図3に示す。a点(ミラー中央)において
は、センサー14とセンサー14′の波形は同等である
ので、その差は図3(A)に示されるように0となる。
従って、この差分を0とする方法による極めて容易にレ
ーザー光をミラーの中央に調整することができる。次に
b点(センサー14側)における差の信号(センサー1
4−センサー14′)は図3(B)に示されるように、
始めに正の第1の波が現れ、それに続いて負の第2の
波が表れるような信号が得られる。c点(センサー1
4′側)における差の信号(センサー14−センサー1
4′)は図3(C)に示されるように、始めに負の第1
の波′が現れ、それに続いて正の第2の波′が現れ
る信号が得られる。
【0010】ここで、図3(B)において始めに現れる
第1の波の大きさをレーザー光の位置xに対して観測
すると、それは図4ののようになり、2番目に現れる
波を観測するとそれは同じく図4のとなる。従っ
て、このもしくはを観測することによって、レーザ
ー光の位置xを求めることができる。図4の横軸は、ミ
ラー面の水平方向におけるレーザー光の位置x(0はセ
ンサー間の中点、符号は任意)を示し、縦軸はディジタ
ルオシロスコープの出力である。さらに、図4のより
を減じた値を計算して、その値をレーザー光の位置x
対して観測すると、それらは図4の−となる。−
で得られる曲線の中央付近における傾きは、もしく
はを単独に観測して得られる曲線の中央付近における
傾きに比べて大きくなるので、この観測によればより高
い感度でレーザー光の位置xを求めることができる。本
実施例では、直径20mmのCO2 のレーザー光の位置x
をミラーの中央近傍にて1mm変位させた場合、−に
80mVの出力を得ることができた。ディジタルオシロ
スコープ上では、出力を10mVの分解能で測定するこ
とができるので、本実施例で得られたレーザー光の位置
検出分解能は、0.12mmと極めて高い精度で検出するこ
とができた。
【0011】レーザー光の二次元的位置検出方法は、図
5に示すようにX軸上(水平方向)の2個のセンサー5
1、52に対して直交するY軸上にさらに2個のセンサ
ー53、54を配置して、両軸上についてそれぞれ上記
の位置検出方法を採用することにより、2次元平面内で
のレーザー光の位置検出を実施することができ、さら
に、全体のセンサーの数を3個にして検出する場合に
は、図6に示すように、まずセンサー61、62の間で
位置検出を行って、センサー61、62を結ぶ直線の垂
線を求め、次いで、センサー62、63の間で位置検出
を行って、センサー62、63を結ぶ直線に対する垂線
を求め、前記2つの垂線の交点にあるレーザー光の位置
を求めることができる。
【0012】
【発明の効果】本発明によれば、レーザー光路を遮断し
て他の検出器を挿入する必要がなく、既に配置されてい
るミラー等の光学素子に弾性波を検出するセンサーを取
り付けてレーザー光の位置検出を行うので、レーザー光
の出力を減衰させることなく、一次元、二次元的レーザ
ー光の位置を高精度に検出することが可能になった。従
って、各光学素子に自動駆動機構を設け、光学素子面内
のレーザー光の照射位置を自動調整することが可能とな
った。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明を実施するための装置全体の構成
図である。
【図2】図2は本発明を実施したミラー及びミラースタ
ンドの構成を示し、同図(A)は正面図、同図(B)は
側面図である。
【図3】図3(A)(B)(C)は図2(A)のレーザ
ー光の位置a、b及びcにおいて、2個のセンサーで検
出した弾性波の差の波形図である。
【図4】図4は図3の各波形図における第1の波と第2
の波を減じた出力変化とレーザー光の位置xの観測図で
ある。
【図5】図5はセンサー4個を配置した実施例である。
【図6】図6はセンサー3個を配置した実施例である。
【符号の説明】
10 レーザー発振器 11 KCl 半透ミラー 12 絞り 13 ミラー 14, 14′,51, 52, 53, 54, 61, 62, 63 光音響検出
センサー 15,15′ AE差動増幅器 16 デジタルオシロスコープ 17 フォトンドラック検出器 20 ステージ 21つまみ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−104803(JP,A) 特開 昭61−233303(JP,A) 特開 昭60−256018(JP,A) 特公 平7−60122(JP,B2) 特公 平7−60123(JP,B2) 特公 平7−55731(JP,B2)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザー光路に配置され、レーザー光の
    照射エネルギーの一部を光音響波に変換するミラー1
    3、このミラーに光音響波を電気信号に変換する2個の
    センサー14、14′をミラーの基準点aに対称な位置
    に配置し、これらのセンサーからの電気信号の差分を零
    とするようにしてレーザー光を前記のミラーの中心に調
    整することを特徴とするレーザーの位置検出方法。
  2. 【請求項2】 レーザー光路に配置され、レーザー光の
    照射エネルギーの一部を光音響波に変換するミラー1
    3、このミラーに光音響波を電気信号に変換する2個の
    センサー14、14′をミラーの基準点aに対称な位置
    に配置し、これらのセンサーからの電気信号の差の波形
    の、レーザー位置xに対する最初の部分とそれに続く
    部分の差−の波形の出力信号からレーザーの位置
    を検出することを特徴とするレーザーの位置検出方法。
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