JP3678686B2 - 高強度レーザビーム用光吸収装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度レーザビーム用吸収装置に関し、特に高出力超短パルスレーザに有効な吸収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、不要なレーザ光を廃棄するときは、レーザ光吸収率の高い物質にレーザビームを入射させてレーザエネルギの大部分を吸収させ、光吸収体物質の後ろに密着して設けた冷却機構で冷却するようにしたレーザビーム吸収装置が使用されてきた。
【０００３】
特開平１１−３４２４８７には、強いレーザ光を安全に吸収する装置が開示されている。開示方法は、銅やアルミニウムなどの熱の良導体からなるレーザ吸収体を用い、レーザ吸収体に球面状の底を持った穴を設け、穴のレーザ受光口に凹レンズを設けたものである。穴に入射するレーザ光は凹レンズにより拡散し、穴内部の側壁と球面上の底部に広く分散するので、レーザ光の吸収される位置におけるエネルギ密度が小さくなり、容易にレーザエネルギを吸収することができる。特にエネルギ密度が大きい光軸付近のレーザ光部分が効率的に拡大されるので、光吸収体全体の耐光強度が向上する。また、光吸収体の内部に冷却水路を設けて冷却を促進することができる。
【０００４】
しかし、上記装置は、照射したレーザ光の大部分のエネルギを１回の照射で光吸収体に吸収させ、蓄積された熱エネルギを外部に搬出するものであるので、高強度のレーザに適用すると、熱伝達による冷却では時間が掛かりすぎて冷却体表面にエネルギが蓄積して装置を破損するおそれがあった。また、光吸収体表面からデブリ（微粉体）が飛散して装置内部を汚染する問題があった。
特に、Ｔキューブレーザのような１０ＴＷ級の高出力超短パルスレーザでは、空気中を伝播させると強電界のため放電してブレークダウンするので真空容器内で扱う必要があり、デブリで真空容器内部が汚染されると後の処理が大変であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高出力超短パルスレーザなど高強度のレーザビームであっても効果的に光吸収して、装置の破損やデブリの発生が問題にならないような光吸収装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の高強度レーザビーム用光吸収装置は、レーザビームの入射口と、入射口の奥に設けてレーザビームを受け入れる対向反射面と、対向反射面の他端にある漏出開口の先に設けた光吸収体を備えた高強度レーザビーム用光吸収装置であって、入射口から入射するレーザビームが対向反射面に対して大きな入射角を持って入射して反射し、対向するもう一方の反射面に入射することを複数回繰り返して進行し、最後に漏出開口から光吸収体に入射して吸収されるようになっていて、レーザビームが対向反射面で反射する度に光エネルギの一部を吸収することを特徴とする。
【０００７】
本発明の光吸収装置では、入射口から入射したレーザビームは、対向反射面に大きな入射角で入射するので、照射面積が非常に大きくなってエネルギ密度が低下する上、反射面では殆どのレーザエネルギが反射して極く一部が吸収される。反射面で反射したレーザビームは再び別の反射面に入射し、ここでも同様に多くが反射して小さなエネルギ部分が吸収される。このように反射を繰り返して、その度に少しずつ反射面にエネルギを吸収させるので、反射面におけるエネルギ投入は局所に集中しないから、対向反射面を形成する物質を蒸発させたり粒子化して飛散させて破損したり周囲を汚染したりすることもなくなる。
また、対向反射面におけるエネルギ蓄積も急激でないので、通常の熱良導体の熱伝達能力によって十分に熱放散をすることができる。
【０００８】
対向反射面は、レーザビームの光に対して透明な物質で形成された１対の平面板であってもよい。透明平板の裏面に表面を黒化処理して熱を吸収し易くした熱伝導体を接合した構造を使用することが好ましい。
透明平板は、入射角が大きくなると反射率が大きくなり、透過率が低下する。特に入射角が９０℃に近付けば殆ど反射して透明平板中に屈折するレーザビームの量は極く小さくなる。
したがって、透明平板を透過しようとするレーザビームを裏面に形成された黒化体で吸収して熱伝導体に伝達すれば、特別の困難なくレーザエネルギを排出することができる。
【０００９】
なお、透明平板は耐熱ガラスなど熱で破損しにくい材料で形成することが好ましい。また、熱伝導性の高い金属塊などの表面を黒化処理した熱伝導体を透明平板裏側に密着させるようにすれば、透明平板表面で反射しないで透明平板中に屈折したレーザビームのエネルギは高い効率で熱伝導体中に移動し、容易に放熱したり熱媒体で搬出したりすることができる。
熱伝導体の内部あるいは裏側に冷却水路などの適当な強制冷却機構を設けて、熱の搬出を容易に行えるようにして冷却を促進することができる。
【００１０】
また、対向反射面は、レーザ光に対して透明な透明体でなく、レーザビームの光を表面でよく反射する物質で形成してもよい。レーザ光を吸収する物質でも入射角が大きいと表面の反射率が大きくなり、吸収されるエネルギは減少する。したがって、本構成では、入射エネルギのうち僅かな部分しか対向反射面中に吸収されて熱に変わらないので局部的に高温になることがなく、レーザビームが対向反射面を破損するおそれが少ない。
【００１１】
また、いずれの場合も、対向反射面は平行でなく互いに角度を持って徐々に間隔が狭くなるように配置することがより好ましい。このような配置では、入射したレーザビームは反射する度に次の反射面に対する入射角が徐々に小さくなっていくので、反射率が低下し吸収率が増加する。したがって、反射回数が少なくて強度が大きいうちはレーザビームの吸収が少なくて、強度が低下するにつれて吸収が大きくなるので、レーザ光の吸収量がより平均化し、より容易に除熱することができる。
【００１２】
なお、対向反射面は、１対の平面板である代わりに、ロート状に形成した内側円錐面を使用しても良い。ロートの内側面に大きな入射角で入射したレーザ光は反射するたびに少しずつ熱吸収されてレーザエネルギを減少させ、反射の度に徐々に入射角を小さくして吸収率を増加させて、場所による吸収熱量を平均化しながらロートの奥の方に進行する。
【００１３】
また、レーザビームが対向反射面に最初に入射するときの入射角は、直角より小さく対向反射面のブルースター角より大きいことが好ましい。
反射面の反射率は入射角がブルースター角を超えて直角に近付くにつれて急激に増加するので、高強度レーザビームが入射するときに反射面が損傷しないような適当な割合でエネルギを吸収するようにするためには、ブルースター角より大きな角度で直角に近い適当な角度を選択するようにすればよい。
【００１４】
さらに、反射面の最終端に設けた漏出開口から漏れだしたレーザビームを受け入れて吸収する光吸収体は、漏出開口におけるレーザビーム径より大きな入射口を有し、一度入射した光が入射口から逆行しにくい袋状の容器に収納して使用することが好ましい。
光吸収体としては、無数のガラスビーズや金属メッシュを詰めた疑似黒体で、入射したビームが反射を繰り返して外に出にくくしたものなどが使用できる。
このような光吸収体を容器に収納して、小さな穴からレーザ光を入射すると、レーザ光は外に漏れ出さないので、レーザエネルギは光吸収体に吸収され尽くして終わる。
【００１５】
なお、漏出開口と光吸収体の入射口の間にレーザビームの光に透明な強化ガラスなどで仕切りを設けることが好ましい。レーザビームの通路を高真空に保持する必要がある場合に、透明仕切りで光吸収体の容器と対向反射面の部分との通気を遮断することにより、光吸収体から発生するガス成分が真空系に混入することを防止するため真空化と真空の維持が容易になり、装置全体の取扱が簡単になる。
本発明の高強度レーザビーム用光吸収装置は、広い対向反射面と光吸収体で分担してエネルギを吸収するため、高強度レーザビームに使用する場合にも装置を破損することなく安全にレーザビームを吸収して消去することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１７】
【実施例１】
図１は本実施例の高強度レーザビーム用光吸収装置の構成を示す概念図、図２は入射光の入射角と吸収率の関係を説明する図面である。
光吸収装置の筐体１の一端にレーザビーム２を導入する入射口３が設けられている。
入射口３の下に対向反射面４，５が配置されている。対向反射面４，５は、それぞれ透明平板６，７に熱伝導体８，９が結合されたものである。透明平板６，７は耐熱性ガラスなどレーザ光に対して透明な物質から形成した平板で、熱伝導体８，９は銅などの熱良導性金属から形成した塊である。
【００１８】
熱伝導体８，９は、透明平板６，７に密着する側の表面が黒化処理された黒色表面１０，１１になっていて、透明平板６，７に侵入した光を吸収して熱エネルギに変換し熱伝導体８，９の内に取り込めるようになっている。
透明平板６，７は、小さな角度αをもって互いに対向するように配置されていて、狭い方の端部には漏出開口１２が設けられている。
漏出開口１２の先には導光路１３を介して光吸収体１４を収納した光吸収体容器１５が設けられている。導光路１３には、中間に透明仕切り１６が設けられている。光吸収体１４は、小さなガラスビーズを大量に詰めたものである。なお、金属メッシュを詰めて光吸収体１４を形成してもよい。
【００１９】
光吸収装置に導入されたレーザビーム２は対向反射面の一方の透明平板６に入射角θで入射する。レーザビーム２の透明平板６に対する照射面積は、レーザビーム２の断面積に対して１／cosθ倍になるので、平均エネルギ密度は大幅に減少する。また、入射角が大きいため透明平板６の表面で屈折して内側に侵入するレーザエネルギの割合は極めて小さい。
【００２０】
図２は、屈折率の異なる透明体の境界における入射光の挙動を説明する図面で、横軸に入射角θをとり、縦軸に反射率と透過率をとって表示したものである。グラフＡは入射面に平行に偏光した光について示すもので、グラフＢは入射面に垂直に偏光した光について示すものである。平行偏光についてはブルースター角θＢで反射損失が存在しなくなること、いずれの偏光も９０℃に近付くにつれて急激に反射率が上昇し反射損失が減少することが分かる。
【００２１】
したがって、透明平板６に高強度のレーザビーム２が入射しても入射角が大きければ、面積当たりの透過光量は十分小さくなり、透明平板６の表面が損傷を受けることはない。また、透明平板６の裏面に貼り付いた熱伝導体８に侵入して蓄積する熱量は、従来装置と比較すると著しく低下し、放熱も容易である。さらに強制冷却装置を付属すれば、極めて簡単に熱の除去が可能である。
【００２２】
透明平板６で反射したレーザビーム２は対向する透明平板７に入射する。このときの入射角は初めの入射角θより２つの透明平板６，７の挟角αだけ小さくなる。したがって、この透明平板７における反射率は前の透明平板６の場合より大きく減少する。また、この透明平板７における照射面積は装置に導入されたレーザビーム２の断面積に対して１／cos（θ−α）倍になり、始めに入射した透明平板６における断面積より減少する。
初めの反射で吸収されてレーザビームの強度が低下していることと、今回の反射における反射率の減少と照射面積の減少とが相俟って、今回の透明平板７においても、初めの透明平板６における単位面積当たりの光エネルギの吸収量に対して均衡の取れた光エネルギの吸収ができる。
【００２３】
レーザビーム２はさらに反射し、元の透明平板６にさらに小さい入射角で入射して、レーザエネルギの一部を吸収される。このときの単位面積当たり熱吸収もレーザビームの強度低下と入射角の減少により平均化される。
レーザビーム２は、適当回数反射を繰り返し、反射ごとに少しずつエネルギを放出して、最後に漏出開口１２から光吸収体１４に投入される。
最終段で反射するレーザビーム２が入射方向に戻らないように、透明平板６，７の間の角度αを調整し、また反射回数を調整する。
漏洩開口１２から投入されたレーザビーム２は、光吸収体１４の中で小さなガラスビーズに対し反射と吸収を繰り返しているうちにほぼ完全にエネルギを失って消滅する。
【００２４】
なお、レーザビーム２の通路などを真空に維持する必要があるときには、光吸収体１４から放出されるガスが真空を損なうおそれがあるが、光吸収体容器１５の入口に透明仕切り１６を設けて系を遮断しておくと、放出ガスの影響を排除するので、装置の扱いが簡単になる。
また、光吸収体容器１５にレーザビーム２を導く角度を工夫することにより光吸収体１４の表面で反射する光が逆行しないようにして、光吸収体１４に良く吸収されるようにすることが好ましい。
【００２５】
本実施例の高強度レーザビーム用光吸収装置は、高強度レーザに用いても単位面積当たりのエネルギ密度を低下させて処理するので、装置の損傷や飛散粒子による汚染の心配が無く、しかも単純な構造をした２枚の平板を用いるので、経済的に構成することができる。
なお、本実施例では対向反射面に熱伝導体で裏打ちした透明平板を用いたが、鏡面仕上げなどで表面の反射率を向上させた熱伝導体を入射角度が大きくなるように配置しても、同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００２６】
【実施例２】
図３は本発明第２の実施例の構成を示す概念図である。
本実施例は、対向反射面を２枚の平板で構成する代わりにロート状に形成したところが第１の実施例と異なるだけであるので、対向反射面について詳しく説明し、他の要素については第１の実施例の説明によるものとする。
本実施例の高強度レーザビーム用光吸収装置は、小さなテーパ角αを持った深い円錐形の穴を有するロート状の対向反射面２１を用いる。このような対向反射面２１は、たとえば、金属ブロックに円錐状の穴を穿って内壁を黒化処理し、その内側にテーパを持ったガラス円筒を貼り付ける方法で形成することができる。
なお、内側円錐面は底に近い部分で径の変わらない円筒２２に変化し、その先端は光吸収体容器１５に挿入されている。
【００２７】
光吸収装置に導入されたレーザビーム２は対向反射面２１の壁に入射角θで入射し、レーザビーム２の断面積より大きな壁面積に照射し、一部の光エネルギを壁に吸収させて反射する。反射損失により少し強度が落ちたレーザビーム２は対向する壁に対してより小さな入射角（θ−α）で入射する。ここではレーザビームの強度が低下しているが、入射角が低下するため反射率が若干減少して反射損失が増加し、また入射面積が減少するので、単位面積当たりの吸収エネルギは平均化される。
レーザビーム２は、さらに、円錐面内で反射を繰り返して少しずつエネルギを対向反射面２１に吸収させて弱化し、最後に円筒状漏出開口２２から光吸収体容器１５に投入され中の光吸収体に残りのエネルギのほぼ全量を吸収させて消滅する。
【００２８】
なお、円筒状漏出開口２２内に透明仕切りを設けると、真空処理を行うときに扱いが容易になる。
また、対向反射面２１には熱伝導体で裏打ちした透明板を用いたが、銅などの熱伝導体に円錐状の穴を形成し内側表面に鏡面仕上げなどを施して表面反射率を向上させたものを用いても良い。このような構成では、ロート形状の対向反射面を簡単に構成することができ、経済性が向上する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の高強度レーザビーム用光吸収装置は、たとえば１０ＴＷ級以上のＴキューブレーザ（テーブルトップ・テラワットレーザ）のような高出力超短パルスレーザなど高強度のレーザビームに用いても、装置の破損やデブリの発生のおそれが少なく、有効に光エネルギを吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施例の高強度レーザビーム用光吸収装置を示す概念構成図である。
【図２】入射光の入射角と吸収率の関係を説明する図面である。
【図３】本発明に係る第２実施例の高強度レーザビーム用光吸収装置の一部を示す概念構成図である。
【符号の説明】
１…光吸収装置筐体、２…レーザビーム、３…入射口、４，５…対向反射面、６，７…透明平板、８，９…熱伝導体、１０，１１…黒色表面、１２…漏出開口、１３…導光路、１４光吸収体、１５…光吸収体容器、１６…透明仕切り、２１…ロート状対向反射面、２２…円筒状漏洩開口

Claims (10)

1. レーザビームが入射する入射口と、互いに対向する反射面と、光吸収体を備えた高強度レーザビーム用光吸収装置であって、前記対向する反射面が、一方の端部に受光開口を備えもう一方の端部に漏出開口を備えて、前記入射口と前記光吸収体の間に配設され、前記入射口から入射する前記レーザビームを前記受光開口に受入し、前記対向する反射面の間を複数回往復させた後に前記漏出開口から前記光吸収体に導かれるように構成され、前記受光開口から受入した前記レーザビームが前記対向する反射面で反射する度に光エネルギの一部を吸収して低エネルギー化し、最後に前記光吸収体に入射して残りの光エネルギを吸収させることを特徴とする高強度レーザビーム用光吸収装置。
2. 前記対向する反射面が、前記レーザビームの光に対して透明な物質で形成された１対の平面板であって裏面に表面を黒化処理した熱伝導体を接合して該透明平板を透過した光エネルギを吸収するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高強度レーザビーム用光吸収装置。
3. 前記対向する反射面が、前記レーザビームの光をよく反射する熱伝導率の高い物質で形成された１対の平面板であることを特徴とする請求項１記載の高強度レーザビーム用光吸収装置。
4. 前記対向する反射面が互いに角度を持って対向し、入射したレーザビームが反射する度に次の反射面に対する入射角が小さくなっていくことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高強度レーザビーム用光吸収装置。
5. 請求項２記載の高強度レーザビーム用光吸収装置において、前記対向する反射面が、透明な１対の平面板である代わりに、前記レーザビームの光に対して透明な物質で形成されたロートの内側円錐面であることを特徴とする高強度レーザビーム用光吸収装置。
6. 請求項３記載の高強度レーザビーム用光吸収装置において、前記対向する反射面が、１対の平面板である代わりに、前記レーザビームの光をよく反射する熱伝導率の高い物質で形成されたロートの内側円錐面であることを特徴とする高強度レーザビーム用光吸収装置。
7. 前記レーザビームが前記反射面に最初に入射するときの入射角が該反射面のブルースター角より大きく直角より小さいことを特徴とする請求項４記載の高強度レーザビーム用光吸収装置。
8. 前記対向する反射面に冷媒を用いた強制冷却装置を付帯することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の高強度レーザビーム用光吸収装置。
9. 前記光吸収体が、前記漏出開口におけるレーザビーム径より大きな入射口を有し、一度入射した光が該入射口から逆行しにくい袋状の容器に収納されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の高強度レーザビーム用光吸収装置。
10. 前記漏出開口と前記光吸収体の入射口の間に前記レーザビームの光に透明な仕切りを設けて、前記光吸収体の容器と前記対向する反射面の部分との通気を遮断したことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の高強度レーザビーム用光吸収装置。

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