JP5726999B2 - レーザビーム分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して、レーザビーム分析の分野に関する。本発明は特に、高出力レーザビーム分析の分野に関する。

高出力レーザビームを分析する従来の装置は、ナイフの刃のように作用する回転ニードルを含む。回転ニードルは、集束したレーザビームの小さなサンプルを、検出器へ反射させる。ニードルは、回転する時に、光軸に沿って移動すると共に、集束したレーザビームのビームウェストを測定する。

プリムス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ルフツング （Primes GmbH）は、１０キロワットCWの出力を測定することが可能なユニットを販売している。ユニットは、慎重な位置決めを必要とすると共に、測定を行うのに時間がかかる。ユニットは大型であると共に、製造工程において、実時間測定を容易にするものではない。

特許文献１〜７のような多くの特許が、マルチモードレーザビームの焦点を光軸に沿って検出器まで転移させた後に、回転するナイフの刃を透過させることにより、マルチモードレーザビームを分析する方法を開示している。

この方法の欠点としては、装置が大型であると共に、多くの可動部品を必要とする。そのため、レーザビームの迅速な実時間分析を容易にするものではない。

特許文献８は、一対のウェッジおよび第２減衰アセンブリでビームを減衰させることにより、レーザビームを分析する方法を開示している。光は更にレンズおよび一連の部分反射板を透過させられ、得られるビーム数は、使用される部分反射板の数の２倍であり、更にビームは検出器へ向けられて、多数のスポットが同時に視認される。

上記方法は、かなりの数の光学素子を必要とすると共に、一般的に、焦点距離が長いレンズでレーザビームを分析することに限定される。この限定が存在する理由としては、一連の板を積み重ねることにより、測定できるビームウェストが制限されると共に、焦点距離が約３００ミリメートル（３００ｍｍ）よりもかなり短いビームを分析できる薄板を作ることが難しくなるからである。

上記特許に開示される初期の発明は、従来の材料加工システムの光学素子全てを使用して、ビームを分析することができない。従来技術の機器はまた、レーザビームがオフラインで測定されることを必要とする。

特許文献９は、分析されるビームウェストの光軸に沿って移動させられる開口の回転を開示している。この機器はかなり小型であると共に、より実時間の測定を許容するが、可動部品を含んでおり、測定過程が遅くなると共に、数十キロワットの出力のレーザを分析するために、条件に合った減衰手段を提供できない。

従って、小型であり、可動部品がなく、光学素子の数が少なく、従来の材料加工システムの全ての光学素子を使用し、ビームがその場で測定されるように条件に合った方法でビームを減衰させる高出力レーザビームの分析装置が必要とされる。

しかしながら、本発明がなされた時点において、概して検討される従来技術を鑑みて、当該技術分野に属する通常の知識を有する者には、当該技術分野の限界をどのようにして克服するか自明ではなかった。

米国特許第５，０６４，２８４号 米国特許第５，０６９，５２７号 米国特許第５，０７８，４９１号 米国特許第５，１００，２３１号 米国特許第５，２１４，４８５号 米国特許第５，２６７，０１２号 米国特許第５，４５９，５６５号 米国特許第５，３２９，３５０号 米国特許第６，３１３，９１０号

新規且つ有用であり、また自明ではない発明により、レーザビームをオンライン実時間分析する可動部品がない小型装置に対して、長期にわたりこれまで果たされていない要求が、今満たされる。

新規の装置は、実時間測定、および高出力レーザによって得られるレーザビームの空間プロファイル、真円度、重心、非点収差、およびＭ２値の分析を可能にする。本装置は、集光レンズおよびカバーガラスを含み、加工用途で使用される光学素子を採用している。

新規の装置は、高出力レーザビームを減衰させると共に、複数の集束レーザスポーットをもたらすために、最小限の数の光学素子を採用している。各スポットは、対象となる集束ビームウェストの一部を表す。各スポットは、単一のＣＣＤ，ＣＭＯＳまたは任意の他のピクセル検出器またはカメラに衝突する。従って、本装置は、レーザビーム特性に関する実時間データを提供する。

特に、高出力レーザビームの分析を可能にする本発明装置は、平行に、且つ互いに間隔があけられて、共通するレーザビームの入射角で載置される一対の高反射ミラー板を含む減衰モジュールを含む。

高反射ミラー板対は、レーザビーム供給源と対向する第１面に反射防止コーティングを有すると共に、レーザビーム供給源から離れる方向を向く第２面に高反射コーティングを有する第１ミラーを含む。

高反射ミラー板対は更に、供給源から離れる方向を向く第２面に反射防止コーティングを有すると共に、供給源と対向する第１面に高反射コーティングを有する第２ミラーを含む。

第１ビームダンプは、レーザビームの進行経路から外れたところで、第１および第２ミラーによって反射された光を受光するように位置決めされる。

第１カメラは、第１および第２ミラーを透過する光のスポットを検出する。レーザビームは、第１カメラによって分析されるように実質的に減衰させられる。

集光レンズは、供給源および減衰マルチスポットモジュールの間に載置され、且つ、ダブプリズムは、供給源および集光レンズの間に載置される。第２カメラは、レーザビームの進行経路から外れたところに載置され、且つダブプリズムは、レーザビームからの光の少なくともいくらかを第２カメラへ反射させる第１反射面を有する。

高出力減衰器は、高反射ミラー対から形成されると共に、供給源およびダブプリズムの間に載置される。高反射ミラー対は、供給源と対向する第１面を有する第１高反射ミラーと、供給源と対向する第１面を有する第２高反射ミラーを含む。第２ビームダンプは、レーザビームの進行経路から外れたところに載置され、且つ、第１高反射ミラーは、供給源からの光を第２ビームダンプへ反射させる。第３ビームダンプも同様に、レーザビームの進行経路から外れたところに載置され、且つ、第２高反射ミラーは、供給源からの光を第３ビームダンプへ反射させる。

第１高反射ミラーは、レーザビームの進行経路に対して４５度の角度に位置決めされ、且つ、第２高反射ミラーは、進行経路に対して１３５度の角度に位置決めされる。第１高反射ミラーは、元の進行経路において屈折に関連する変位を生じさせ、また第２高反射ミラーは、レーザビームを元の進行経路へ戻す。

第１および第２カメラは、ピクセル検出器である。各々は、電荷結合素子、相補型ＭＯＳ等の形態で供給される。

本発明の第１の目的は、切断加工、ドリル加工、スクライビング加工、マーキング加工、溶接加工、または他の処理で使用される従来の材料加工システムと併せて、現場で高出力（数十キロワットＣＷ）を測定することである。

別の目的は、可動部品を有していない装置を提供することである。

別の重要な目的は、光学素子の数を最小限にすると共に、減光フィルタの使用を回避することである。

本発明の上記ならびに他の重要な目的、効果、および特徴は、本説明が進むにつれて明らかになる。

従って、本発明は、以下に記載される詳述において例証される構成の特徴、要素の組み合わせ、および部品の配置を含み、また、本発明の範囲は、請求項に示される。

本発明の性質および目的をより完全に理解するために、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明を参照する。

新規の装置を示す図。 高出力レーザ用に構成されたときの新規の装置を示す図。 図１および図２の実施形態の反射面を示しており、どのようにして光が減衰させられると共に、軸方向の固定遅延を伴い複数のビームに分離するかを図示する拡大図。 ピクセル検出器に集束した光の強度分布を示すと共に、どのようにして光がビームウェストを通り集束するかを示すグラフ。 本発明の第２実施形態を示す図。 図５の実施形態の反射面を示す拡大図。

次に図１を参照すると、新規の装置の概略図は、全体として符号１０で示されている。

市販されている高出力ファイバレーザは、１０キロワット（１０ｋＷ）を超える出力を有する。中には、２０キロワット（２０ｋＷ）を超える出力を有するものもある。新規装置は、１０キロワットよりも大きな出力のファイバレーザビーム１２を、一対の高反射ミラー板１６および１８を含む減衰モジュール１４に取り込む。

新規装置が、図２に示すように、高出力レーザ用に構成されるときに、レーザビーム１２は、４５度（４５°）の入射角で配向される第１板２０に衝突する。９９パーセント（９９％）を超える光が第１水冷式高出力ビームダンプ２２へ向けて反射させられ、大部分のレーザ出力が消失させられる。

第１板２０の高反射面を透過した少しの光は、ゴースト反射を最小限にするために反射防止剤が塗布された第１ミラー板２０の第２面に衝突する。光は次に、マイナス４５度（４５°）の入射角で配向された第２高反射ミラー板２４に衝突するが、これは１３５度（１３５°）の入射角として説明されてもよい。第２高反射ミラー板２４は、図示されるように、第１ミラー板２０によって作り出される屈折に関連したビームのウォークオフを補償する。

補償する高反射ミラー２４によって反射された光の略９９パーセント（９９％）が第２水冷式ビームダンプ２６へ向けられる。１０キロワット（１０ｋＷ）のレーザ出力が装置１０に入る場合に、第１ミラー２０は約９，９００ワット（９，９００Ｗ）を第１液体冷却式ビームダンプ２２に放出する。約１００ワット（１００Ｗ）は次に、第２ミラー２４に衝突し、第２ミラー２４は、９９ワット（９９Ｗ）を第２液体冷却式ビームダンプ２６に向ける。１ワット（１Ｗ）のレーザ出力が、第２補償板２４を透過する。

レーザビーム１２は、反射防止剤が塗布されているダブプリズム２８に向けられる。ダブプリズム２８の第１面からの小さな反射は、電荷結合素子（ＣＣＤ）３０、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）または図示されていない他のピクセル検出器に向けられて、レーザビーム１２の空間プロファイル、重心、および楕円度が測定される。

殆どのＣＣＤおよびＣＭＯＳカメラは、対角線上で２．５４センチメートル（１インチ）よりかなり少ないフォーマットを有する。従って、コリメートされた高出力ファイバレーザは直径が１インチを超えることがあるので、図示されていないビーム縮小テレスコープを使用して、ビーム直径を検出器３０まで縮小させてもよい。

ダブプリズム２８は、ビームプロファイルカメラ３０へゴーストのない反射をもたらし、また残りのビームは、集光レンズ３２へ光軸に沿ってそれることなく、伝搬する。

一対の高反射ミラー１４は、図３に示すように、反射防止剤塗布面夫々１６ａ，１８ａに反射防止剤が塗布される。この対１４は、集光レンズ３２の下流側に位置決めされる。ミラー１６，１８は、また図３に示すように、互いに対向する高反射面１６ｂ、１８ｂ夫々を有する。ミラー１６，１８の間隔は、数ミクロンから１ミリメートル（１ｍｍ）より大きい値まで調節可能である。

第２ミラー１８は更に、２個のミラー１４を整列させるために、垂直方向および水平方向調整マウントによって調節され、２個のミラーは、ファブリー・ペロー共振器構成を形成するように互いに平行となる。１ワットの公称減衰出力は、第１反射防止剤塗布面１６ａを透過することにより、第１ミラー１６に入射し、且つ、９９パーセントよりも多くのレーザ光は、第１ミラー１６を反射させられ、図１および図２に示すように、簡易なビームダンプ３４へ送られる。

約１０ミリワット（１０ｍＷ）の残光は、第１高反射ミラー１６を透過し、第２高反射ミラー１８に衝突する。これら２個のミラー１４は互いに平行であり、そのため、約９ミリワット（９ｍＷ）の反射光は、これら２個のミラーの間を伝搬する。各反射で、その出力の約１パーセント（１％）が失われる。

第２ミラー１８を透過する１パーセント（１％）が、図２に示すように適当なＣＣＤ、ＣＭＯＳ，または他の検出器３６に向けられ、２個のミラー１４の角度、および２個の高反射面の間の空隙によって決まる所定距離だけ離れた一連の焦点が監視される。

光軸に沿った各連続スポットの差分は、２（ｄ／ｃｏｓα）に基づいており、ｄはミラー１４間の空隙であり、αはミラーへの光の入射角である。検出器上のスポット間の差分は、間隔ｄが減少するにつれて減少し、これにより、ビームウェスト測定において、より高い分解能がもたらされる。

カメラ３６に入射する多数のスポット全ては、市販されているソフトウェアで分析され、カメラ３６のレンズの焦点において、レーザビーム１２のウェストが決定される。カメラ３６の位置が設定され、最も小さいスポットは、一連のスポットの中間にある。

新規のシステム１０は、カメラ３６上に、検出器の寸法およびミラー対１４の角度によってのみ制限される極めて多数のスポットを有することが可能である。ミラー対１４への光の入射角が小さ過ぎるときには、光がそれ自体と干渉する状況を作り出しかねない。従って、このような干渉を回避するために、ミラーの隔離および角度が調節される。

図４は、検出器３６のようなピクセル検出器に集束した光の強度分布、およびどのようにして光がビームウェストを通り集束するかを示すグラフである。

図５は、本発明の第２実施形態を示しており、単一のミラー３８がミラー１６，１８に置き換わっている。

図６は、図５の実施形態の反射面の拡大図であり、どのようにして光が減衰されると共に、軸方向の固定遅延を伴い多数のビームに分離されるかを示している。

このようにして、上述の目的、および上記の記載から明らかにされた事は効果的に達成され、また、本発明の範囲から逸脱することなく、一定の変更は上記の構成に行われてよいので、上記の説明に含まれあるいは添付の図面に示される全ての事項は、例証的として解釈されるのであって、限定的な意味で解釈されるものではない。

また当然のことながら、以下の請求の範囲は、本明細書に記載される発明の包括的および特定の特徴全てを網羅するように意図されており、また、本発明の範囲における全ての記述は、言葉上の問題として、その範囲内にあると言える。

１０ 装置
１２ レーザビーム
１４ 減衰モジュール（ミラー対）
１６ 第１ミラー
１８ 第２ミラー
２０ 第１高反射ミラー板
２２ ビームダンプ
２４ 第２高反射ミラー板
２６ ビームダンプ
２８ ダブプリズム
３０ カメラ
３２ 集光レンズ
３４ ビームダンプ
３６ カメラ
３８ ミラー

Claims (3)

1. レーザビーム供給源から放射されたレーザビームの分析を可能にする装置であって、
   前記装置は、前記レーザビームの供給源と対向する第１面に反射防止コーティングを有すると共に、前記供給源から離れる方向を向く第２面に前記レーザビームの１パーセント（１％）よりも少なく透過させる非吸収高反射コーティングを有する第１ミラーを含むファブリー・ペロー共振器を含み、
   前記ファブリー・ペロー共振器は、前記供給源から離れる方向を向く第２面に反射防止コーティングを有すると共に、前記供給源と対向する第１面に、前記レーザビームの１パーセント（１％）よりも少なく透過させる非吸収高反射コーティングを有する第２ミラーを含み、
   前記第１および第２ミラーは、前記レーザビームの進行経路において、互いに間隔をあけて平行に、且つ軸方向に整列されて載置され、前記第１および第２ミラーは、前記レーザビームに対して、０度より大きく且つ５度よりも小さい角度で傾斜させられ、
   前記装置は更に、前記レーザビーム供給源および前記ファブリー・ペロー共振器の間に載置される集光レンズと、
   前記集光レンズおよび前記ファブリー・ペロー共振器を透過する光のスポットを検出する第１ピクセル検出器とを含み、
   前記集光レンズ、ファブリー・ペロー共振器、および第１ピクセル検出器は、前記レーザビームの進行経路において、互いに軸方向に整列されており、前記集光レンズは前記レーザビーム供給源の最も近くにあり、前記第１ピクセル検出器は前記レーザビーム供給源から最も離れており、前記ファブリー・ペロー共振器は、前記集光レンズおよび前記ピクセル検出器の間に載置されており、
   前記レーザビームが前記第１ピクセル検出器によって分析されるように、前記レーザビームは実質的に減衰され、且つ透過光は、前記ファブリー・ペロー共振器の各往復で、空間的に水平方向にオフセットされると共に、時間遅延が生じさせられる
   装置。
2. 前記レーザビーム供給源からの光が未加工であると共に集束していないように、前記レーザビーム供給源および前記集光レンズの間に載置されるダブプリズムを更に含む請求項１の装置。
3. 前記レーザビームの進行経路から外れたところに載置される第２ピクセル検出器を更に含み、
   前記ダブプリズムは、前記レーザビームからの光の少なくともいくらかを前記第２ピクセル検出器へ反射させる第１反射面を有し、
   前記第２ピクセル検出器は、未加工であり集束していないレーザビームを測定する
   請求項２の装置。

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