JP2602711B2

JP2602711B2 - 光学系熱変形制御装置およびその操作方法

Info

Publication number: JP2602711B2
Application number: JP1024290A
Authority: JP
Inventors: 稔雄熱田; 耕三安田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1989-02-02
Filing date: 1989-02-02
Publication date: 1997-04-23
Anticipated expiration: 2012-04-23
Also published as: JPH02204701A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ミラーからなる光学系の照射光線による熱
変形を防止または制御し、形状を保持する装置およびそ
の操作方法に関するものである。

〔従来の技術〕

ミラーからなる光学系は、照射光線を一部吸収して熱
変形する。この変形は、照射光線のパワーが大きい程、
顕著であり、とくに高出力のレーザを使用した場合に
は、光学系の熱変形が大きく、所定の位置から焦点がず
れたり、ビームが発散したりする。このため、熱変形を
防止でき、常に安定した光学系を構成することが要求さ
れる。

レーザ発生装置においては、レーザ共振器に組み込ま
れた可動ミラーによるモードの調整が、現在でも行われ
ている。しかし、熱変形をリアルタイムで計測してフィ
ードバックし、可動ミラーを制御するという実際的な方
式は何ら行われていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

平面鏡に光照射される場合には、平面鏡の表面側と裏
面側とに生じる温度分布の差により、入射側に平面鏡が
脹らみ凸面鏡になる。このため、平行光線に入射したビ
ームは発散する。発散の程度は、直径50mmの平面鏡を考
えた場合、第12図に示すように、ビーム径が20mm、中央
での盛上がり量100μｍで6mrad（全角で12mrad）程度
に、盛上がり量が20μｍで約2mrad（全角）となる。盛
上がり量は平面鏡の板厚、材質、周囲の拘束状況、冷却
状況により大幅に変化する。

また凹面鏡を使用する場合には、第13図に示すよう
に、凹面鏡の曲率の変化が焦点位置の変化に大きく作用
する。とくに、焦点距離の長いミラーでは、曲率の変化
による焦点位置の変動の程度は、焦点距離の短かいミラ
ーに比べて大きくなる。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、熱変形を検
出し、この検出信号をフィードバックして、ミラーから
なる光学系の形状を常に一定に保持するように制御する
ことができる光学系熱変形制御装置およびその操作方法
を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明の光学系熱変形
制御装置は、第１図に示すように、レーザ光が照射され
るミラー１と、このミラーに接続され、レーザ光のミラ
ーへの照射中に生じる熱変形を検出する変位検出手段３
と、この変位検出手段の検出信号をフィードバックして
ミラーの形状を常に一定に保つように制御する形状制御
手段６とを包含し、変位検出手段３は、照射するレーザ
光と異なる波長のレーザ光をミラー１へ投光する投光器
４と、この投光器からのレーザ光の反射光を受光する受
光器５とからなっており、照射レーザ光の照射中にミラ
ーの変形を計測することができるように構成されてい
る。

本発明において、ミラーの形状変化を測定する前提
は、ミラー形状が円弧（球面）状態で曲率が変化するこ
とである。この場合には、球面の頂点（レーザ光が入射
する部分）に計測用のレーザ光が投入され、球面の表面
で反射して、受光器に入射する、ミラーの曲率が変化し
て、上に盛り上がった場合には、反射の位置が変わり、
受光器への入射部分が変化するために、ミラーの盛り上
がり状態が計測できる。これにより、ミラーの曲率が計
算でき、ミラーの焦点位置が求められる。

また、第４図に示すように、変位検出手段３が、照射
するレーザ光と異なる波長のレーザ光をミラー１へ投光
する投光器４と、この投光器とミラー近傍とを接続する
光ファイバー16と、投光器からのレーザ光の反射光を受
光する受光器５と、ミラー近傍と受光器とを接続する光
ファイバー17とからなる場合がある。

形状制御手段６としては、例えば、第６図に示すよう
に、ミラーの裏面に設けられた流体封入部22と、この流
体封入部に接続された、変位検出手段からの検出信号を
フィードバックして作動する圧力コントローラー23とか
らなる装置が用いられる。

さらに、第９図〜第11図に示すように、加熱しない状
態では変形している、レーザ光が照射されるミラー26
と、このミラーを正常形状に加熱するための加熱手段27
とから光学系熱変形制御装置を構成する場合もある。

この場合は、加熱しない状態では変形しているミラー
26に、レーザ光を照射する前に、別の加熱手段27で照射
光の吸収熱量分を与えておき、照射光を照射すると同時
に、別の加熱手段27による加熱を止め、常に一定のミラ
ー形状を保持するようにする。

〔作用〕

第１図に示すように、レーザ光を照射するミラー１
に、投光器４から、照射するレーザ光と異なる波長のレ
ーザ光を投光し、この投光器４からのレーザ光の反射光
を受光器５で受光し、照射光照射中に生じるミラー１の
熱変形を検出する。この検出信号を形状制御手段６に導
入して、電気的、圧力的または温度的コントロールによ
り、ミラー１の変形を正常に戻し、常に一定の形状に保
持する。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に
説明する。ただしこの実施例に記載されている構成機器
の形状、その相対配置などは、とくに特定的な記載がな
い限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨の
ものではなく、単なる説明例にすぎない。

第１図は本発明の光学系熱変形制御装置の一実施例を
示している。第２図は第１図における変位検出手段３ま
わりの詳細説明図、第３図は同斜視説明図である。

変位検出手段３としては、たとえば、照射光と異なる
波長のレーザ光（プローブレーザ光）を投光する投光器
４と、この投光器からのレーザ光の反射光を受光する受
光器５とを組み合わせたものが用いられる。

照射光のミラー１への照射中に生じる熱変形を、変位
検出手段３で検出し、検出信号を形状制御手段６にフィ
ードバックして、電気的、圧力的または温度的コントロ
ールを与えて、ミラー１の形状を常に一定に保つ。

このようにすることにより、ミラー１の変形計測を、
照射光の照射中に行うことができ、かつミラーに対して
非接触に行うことができる。なお、受光器５の前面に
は、プローブ用レーザ光のみを通すバンドパスフィルタ
ーなどのフィルター７が付加されている。８は記録計で
ある。

照射光として用いるレーザ光の出力が大きい場合に
は、第２図および第３図に示すように、ミラー１の裏面
に水冷部10を設け、ミラー１を水冷した状態で計測する
ように構成する。11は熱量計、12はパイプ、13はミラー
固定具、14は流量計、15は記録計である。

第４図は、光ファイバーを用いて、ミラー１の近傍に
光を導光し、位置検出を行う装置を示している。16、17
は光ファイバー、18は１次元位置センサー（第５図参
照）である。この場合も、非接触で変形を計測すること
ができる。

第４図における光ファイバー17は、第４図及び第５図
に示すように、細いファイバーが直線状に並んで構成さ
れており、反射してくる光の位置によって、入射する光
は異なるファイバーに入ることを想定している。したが
って、受光器５に光を導く手段として直線状に配列され
た光ファイバー17を用いたものである。このため、反射
光源の近くまで光ファイバー17を接近して配置できるた
めに、入射する光強度が強く、計測の時点でS/Nを高め
られるという利点がある。

第６図は、変位検出手段により検出されたミラー１の
変形をキャンセルするための駆動源、すなわち形状制御
手段として、流体圧のコントロールを行う可動ミラー機
構を示している。ミラー１の裏面側には、水、油または
気体が封入された流体封入部22が設けられており、ミラ
ー１の表面の変位計測結果をフィードバックし、圧力コ
ントローラー23により、ミラー裏面の圧力を制御し、ミ
ラー１の変形を制御するように構成したものである。本
例では、流体圧を用いることで、薄板のミラーの裏面に
均質な圧力をかけることができる。24はミラー固定具、
25は増幅器である。第７図はミラー１が照射光により変
形している状態を示し、第８図はミラー１の裏面を減圧
にすることにより、ミラーをフラットな状態にしている
状態を示している。また、ミラーの裏面にピエゾ素子な
どの電歪素子、または磁歪素子を設けてミラーの変形を
制御するように構成してもよい。

第９図〜第11図は、加熱しない状態では変形している
ミラー26と、このミラー26を正常形状に加熱するための
ヒーターなどの加熱手段27とからなるミラー変形制御装
置を示している。

ミラー26に吸収される熱量が予想できる場合に、照射
光を当てる前において、別の加熱手段27でミラー26に照
射光の吸収熱量分を与えておき、照射光を与えると同時
に、別の加熱手段27の加熱を止め、常に一定のミラー形
状を保持し得るように制御する。第９図は加熱をしない
とへこんでいる状態のミラー26を示し、第10図はミラー
表面を別の加熱手段27で加熱してフラットにした状態を
示し、第11図は照射光を照射して、加熱手段27の加熱を
止めた状態を示している。

本例の装置においては、照射光のミラー26への吸収特
性を予想して加熱手段27で予備加熱しておき、ミラー表
面の形状を保持する。加熱手段27は、照射光入射により
生じる熱変と同等の熱分布を生じるように配置する。

〔発明の効果〕

本発明は上記のように構成されているので、つぎのよ
うな効果を奏する。

（１）ミラーからなる光学系の照射光線による熱変形を
効果的に防止することができ、形状を常に一定に保持す
るように制御することができる。

（２）本発明をレーザ発生装置の光学系に適用した場
合、安定したビーム特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学系熱変形制御装置の一実施例を示
す説明図、第２図は第１図における変位検出手段まわり
の詳細説明図、第３図は同斜視説明図、第４図は第１図
の装置において、光ファイバーを用いた装置の説明図、
第５図は第４図における１次元位置センサーの拡大図、
第６図は第１図に示す装置において、形状制御手段とし
て流体封入部を用いた装置の断面説明図、第７図および
第８図は第６図の装置におけるミラーの変形状態を示す
説明図、第９図〜第11図は本発明のさらに他の実施例に
おけるミラーの変形状態を示す説明図、第12図は平面鏡
の凸面化による平行ビームの発散角の計算例を示すグラ
フ、第13図は凹面鏡の曲率変化による平行光線の焦点位
置の変動の計算例を示すグラフである。１……ミラー、３……変位検出手段、４……投光器、５
……受光器、６……形状制御手段、７……フィルター、
８……記録計、10……水冷部、11……熱量形、12……パ
イプ、13……ミラー固定具、14……流量計、15……記録
計、16、17……光ファイバー、18……１次元位置センサ
ー、22……流体封入部、23……圧力コントローラー、24
……ミラー固定具、25……増幅器、26……加熱しない状
態では変形しているミラー、27……加熱手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−137693（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−159613（ＪＰ，Ａ) 実開昭55−178104（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光が照射されるミラー（１）と、こ
のミラーに接続され、レーザ光のミラーへの照射中に生
じる熱変形を検出する変位検出手段（３）と、この変位
検出手段への検出信号をフィードバックしてミラーの形
状を常に一定に保つように制御する形状制御手段（６）
とを包含し、変位検出手段（３）が、照射するレーザ光
と異なる波長のレーザ光をミラー（１）へ投光する投光
器（４）と、この投光器からのレーザ光の反射光を受光
する受光器（５）とからなることを特徴とする光学系熱
変形制御装置。
【請求項２】レーザ光が照射されるミラー（１）と、こ
のミラーに接続され、レーザ光のミラーへの照射中に生
じる熱変形を検出する変位検出手段（３）と、この変位
検出手段の検出信号をフィードバックしてミラーの形状
を常に一定に保つように制御する形状制御手段（６）と
を包含し、変位検出手段（３）が、照射するレーザ光と
異なる波長のレーザ光をミラー（１）へ投光する投光器
（４）と、この投光器とミラー近傍とを接続する光ファ
イバー（16）と、投光器からのレーザ光の反射光を受光
する受光器（５）と、ミラー近傍と受光器とを接続する
光ファイバー（17）とからなることを特徴とする光学系
熱変形制御装置。
【請求項３】加熱しない状態では変形している、レーザ
光が照射されるミラー（26）と、このミラーを正常形状
に加熱するための形状制御手段としての加熱手段（27）
とからなる請求項１記載の光学系熱変形制御装置。
【請求項４】加熱しない状態では変形しているミラー
（26）に、レーザ光を照射する前に、別の加熱手段（2
7）で照射光の吸収熱量分を与えておき、照射光を照射
すると同時に、別の加熱手段（27）による加熱を止め、
常に一定のミラー形状を保持することを特徴とする請求
項３記載の光学系熱変形制御装置の操作方法。