JP6153123B2

JP6153123B2 - Ｃｏ２レーザーモニター装置

Info

Publication number: JP6153123B2
Application number: JP2012270516A
Authority: JP
Inventors: 一笹尾; 弘之荒川
Original assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY
Current assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: JP2014115224A

Description

本発明は、発振されたＣＯ_２レーザー光の特性をモニターするＣＯ_２レーザーモニター装置に関する。

近年、赤外レーザーの１種であるＣＯ_２（炭酸ガス）レーザーは、高出力で連続したレーザー光が安価で得られるために、測距、溶接等の加工を初めとした産業用や、外科手術やほくろ除去等の医療用等、広い分野で使用されている。

ＣＯ_２レーザーを使用するにあたっては、これを適切に被照射部に照射する必要があるために、まず、ＣＯ_２レーザー光のビームプロファイルの調整（ビームの光軸、大きさの調整等）を行うことが必要である。しかしながら、ＣＯ_２レーザーの波長は１０μｍ程度であり可視光域にはないために、その光路あるいは光軸を目視で確認することは困難である。このため、ＣＯ_２レーザー光のビームプロファイルをモニターするための装置が必要となる。このようなモニター装置として、例えば、焦電素子を用いてＣＯ_２レーザー光を受光し、ビームプロファイルをモニターする装置が用いられている（例えば、非特許文献１）。

また、レーザー光は一般には単色であるが、ＣＯ_２レーザーにおいては、その発振波長はＣＯ_２分子の振動準位、回転準位によって定まる複数の波長となり、厳密には９．３μｍ程度、１０．６μｍ程度などいくつかの波長帯の光が発振される。これらの波長や各々の波長の発光強度比等は一定ではなく、条件に応じて変化する。このために、ＣＯ_２レーザー光に関しては、発振波長のモニター、すなわち、そのスペクトルを調べることも望まれる。このようなモニター装置として、例えば、回折格子を用いてＣＯ_２レーザー光を分光する装置が用いられている（例えば、非特許文献２）。

また、ＣＯ_２レーザー光（赤外光）を対象としたものではないが、特許文献１には、配列された多数の光検出素子と回折格子とを組み合わせ、レーザー光の方向と、分光特性を同時に測定するモニター装置が記載されている。

特開平５−８７６３５号公報

株式会社オフィールジャパンＨＰ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｈｉｒｏｐｔ．ｃｏｍ／ｊｐ／ｌａｓｅｒ−ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ−ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ／ｂｅａｍ−ｐｒｏｆｉｌｅｒ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ−ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ｔｈｅ−ｃａｍｅｒａ／ｐｙｒｏｃａｍ株式会社ルミネックスＨＰ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｕｍｉｎｅｘ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ０２／ｐｒｏｄｕｃｔｓ０２＿１２．ｈｔｍｌ

前記の通り、ＣＯ_２レーザー光の場合には、異なる波長のレーザー光が混在して発振されるため、スペクトル（発振波長）を計測することは特に重要である。この際、一般には光学素子の屈折率には分散特性があるため、例えば、波長によってレンズ等の焦点距離が変わる、あるいは波長によって屈折角が変わるため光軸が変化することがある。このため、ビームプロファイルは発振波長の影響を大きく受け、ビームプロファイルを調整するにあたっても、レーザー光のスペクトルを計測できることが好ましい。

このためには、ビームプロファイルをモニターする装置（例えば非特許文献１）と、ＣＯ_２レーザー光のスペクトルを計測する装置（例えば非特許文献２）の両方を準備すればよいことは明らかである。しかしながら、どちらの装置においても、こうしたＣＯ_２レーザー光（波長１０μｍ程度の赤外光）を受光する光検出素子が必要となり、この光検出素子は、可視光用に広く使用されている光検出素子と比べて高価となる。このため、こうした装置はいずれも高価となり、特にこうした装置を両方準備するために要するコストは非常に高くなる。

この点において、特許文献１に記載の装置においては、ビームプロファイルとスペクトルの両方が測定可能である。しかしながら、特許文献１に記載の装置は、このような赤外光を対象としていない。仮にこの装置をＣＯ_２レーザー光用とした場合においては、特に高価な赤外線検出素子を多数準備することが必要になるために、やはり非常に高価となることは明らかである。

前記の通り、ＣＯ_２レーザーを発振する装置自身は安価であり、かつ高出力が得られるものの、こうしたモニター装置が必要となる場合は、結局、必要となる設備全体が高コストとなる。

すなわち、低コストでＣＯ_２レーザー光のモニターを行うことのできるＣＯ_２レーザーモニター装置を得ることは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のＣＯ_２レーザーモニター装置は、ＣＯ_２（炭酸ガス）レーザー光のビーム広がり及びスペクトルを計測するＣＯ_２レーザーモニター装置であって、前記ＣＯ_２レーザー光を回折する反射型の回折格子と、表面から蛍光又は燐光を発し、前記回折格子で回折された前記ＣＯ_２レーザー光によって前記表面が照射され、前記蛍光又は燐光の発光強度が赤外光の照射によって変動する光検出板と、前記光検出板の表面であって前記回折格子で回折された前記ＣＯ _２レーザー光が入射する入射面を２次元画像として撮像する撮像装置と、を具備することを特徴とする。
本発明のＣＯ_２レーザーモニター装置は、前記蛍光又は燐光の励起光を前記光検出板に照射する照明部を具備することを特徴とする。
本発明のＣＯ_２レーザーモニター装置において、前記光検出板は、前記光検出板が発する蛍光の強度が温度が上昇することによって減少する特性をもつ蛍光板であることを特徴とする。
本発明のＣＯ_２レーザーモニター装置において、前記光検出板は、前記光検出板が発する燐光の強度が赤外光の照射によって増大する特性をもつ蓄光板であることを特徴とする。
本発明のＣＯ_２レーザーモニター装置は、前記回折格子を介さない前記ＣＯ_２レーザー光が前記光検出板に入射可能とされたことを特徴とする。
本発明のＣＯ_２レーザーモニター装置は、前記ＣＯ_２レーザー光が入射する第１の回折格子と、当該第１の回折格子で回折された前記ＣＯ_２レーザー光が入射する第２の回折格子とを具備し、当該第２の回折格子で回折された光が前記光検出板を照射する設定とされたことを特徴とする。
本発明のＣＯ_２レーザーモニター装置は、前記第１の回折格子の回折面と前記第２の回折格子の回折面は平行とされて相対するように配され、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の間の光軸の中点から見て、前記第２の回折格子の格子面の構造は、前記第１の回折格子の回折面の構造と対称とされたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、低コストでＣＯ_２レーザー光のモニターを行うことのできるＣＯ_２レーザーモニター装置を得ることができる。

本発明の実施の形態に係るＣＯ_２レーザーモニター装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係るＣＯ_２レーザーモニター装置において用いられる回折格子の構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係るＣＯ_２レーザーモニター装置において、光検出板で検出されるスポットの状況を模式的に示す図である。本発明の実施の形態に係るＣＯ_２レーザーモニター装置における、分解能を一定値と仮定した際の、波長と入射角のずれを算出した結果である。光検出板の撮像データから、検出されたスポットのパワー重心を算出する手順を示す図である。本発明の実施の形態に係るＣＯ_２レーザーモニター装置の変形例の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係るＣＯ_２レーザーモニター装置の変形例において用いられる２つの回折格子の構成の一例を示す図である。本発明の実施例となるＣＯ_２レーザーモニター装置において得られた、光検出板上の座標と波長との関係である。本発明の第１の実施例となるＣＯ_２レーザーモニター装置によって得られた光検出板上のスポットの時間変化の一例を示す図である本発明の第１の実施例となるＣＯ_２レーザーモニター装置によって測定されたＣＯ_２レーザー光の発振波長の遷移を示す図である。本発明の第１の実施例となるＣＯ_２レーザーモニター装置によって測定された光軸の時間変動を示す図である。本発明の第２の実施例となるＣＯ_２レーザーモニター装置によって得られた光検出板上のスポットの一例を示す図である光検出板として蓄光板（ａ）、蛍光板（ｂ）を用いた場合のスポットを撮像した結果である。光検出板として蓄光板（ａ）、蛍光板（ｂ）を用いた場合において、撮像装置で得られた画像データより、スポットを強調した画像データを作成した結果である。

以下、本発明の実施の形態に係るＣＯ_２レーザーモニター装置について説明する。このＣＯ_２レーザーモニター装置においては、回折格子と、回折格子で回折された光（赤外光）を検出するための光検出板とが用いられる。光検出板は、蛍光を発する蛍光板あるいは燐光を発する蓄光板であり、赤外光が照射された箇所における蛍光や燐光の強度が変化する。蛍光や燐光の波長は可視光域にある。

図１は、このＣＯ_２レーザーモニター装置１０の構成を示す図である。ここで、このＣＯ_２レーザーモニター装置１０によって、ＣＯ_２レーザー光１００のスペクトル、光軸、ビームサイズ等を認識することができる。

このＣＯ_２レーザーモニター装置１０においては、ＣＯ_２レーザー光１００は、絞り１１を介して集光光学系１２に入射する。その後、このＣＯ_２レーザー光１００は、回折格子１３に入射して回折される。この際、回折角度は波長により異なる。図１においては、模式的に、波長の異なる（回折角度の異なる）３種類の回折光１０１〜１０３が示されている。回折光１０１〜１０３の波長は、回折光１０３＞回折光１０２＞回折光１０１の順となっている。

回折光１０１〜１０３は、光検出板１４に入射する設定とされる。光検出板１４は、可視光を発する蛍光板あるいは蓄光板であり、表面から蛍光あるいは燐光を発するが、この蛍光あるいは燐光の強度は、表面に入射した赤外光の強度によって変化する。このため、光検出板１４の表面に入射した赤外光ビームを、蛍光あるいは燐光の強度むらとして認識することができる。この状況は、撮像装置１５で撮像することができる。また、光検出板１４が蛍光あるいは燐光を発しやすくするために、照明部１６が発した照明光１６Ａ（紫外光）が光検出板１４を照射する設定とされる。照明光１６Ａは、光検出板１４が発する蛍光や燐光の励起光となる。すなわち、光検出板１４が照明光１６Ａを吸収することによって、蛍光や燐光が発せられる。照明光１６Ａが存在しなくとも、光検出板１４の環境中にある他の光が励起光となる場合には、照明部１６は不要である。

絞り１１は、測定対象となるＣＯ_２レーザー光１００以外の光が光路に侵入することを抑制するために用いられる。集光光学系１２は、ＣＯ_２レーザー光１００を集光するために用いられる。ただし、後述するように、ＣＯ_２レーザー光１００の発散角自身を測定する場合には、集光光学系１２は使用されない。集光光学系１２は、例えばレンズを用いて構成されるが、反射鏡を用いて構成することもできる。

また、絞り１１のように発散角を制限する、あるいは集光光学系１２のように発散を集束するための光学系は、特にスペクトルを計測する際には、適宜これらを光路中に設けることができる。特に、これらを複数、光路上における異なる箇所に設けることもできる。

上記の構成において、回折格子１３としては、例えば図２にその断面形状を示すブレーズ回折格子を用いることができる。ここで、入射角（回折面の法線に対する角度）は、α、回折角をβとする。βは波長に依存し、波長が長いとβが大きくなる。また、αが大きくなるとβは大きくなる。周知のように、回折格子１３の特性は、溝の密度で定まり、ここでは例えば溝を７５本／ｍｍとすることによって、波長１０μｍ程度の光の分光に用いることができる。図１において回折光１０１は光検出板１４の左側に、回折光１０３は右側において検出され、この検出位置がβに依存し、結局、検出位置によって波長が定まる。βが大きくなると、この検出位置とβあるいは波長の関係における線形性が劣化し、かつ、撮像装置１５で撮像する視野を広くする必要があるために、αは小さいことが好ましく、例えばα＝５°とすることができる。

光検出板１４は、蛍光板としては、例えばＭａｃｋｅｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製の蛍光板２２−Ｂを用いることができる。この蛍光板は、照明光１６Ａによって励起され、蛍光を発する。この蛍光効率には温度依存性があるため、熱赤外の領域である１０μｍ程度の波長の赤外光が照射された場合、照射された箇所の温度が上昇し、蛍光効率が低下する。このため、回折光１０１〜１０３によって照射された箇所の蛍光強度は低下し、撮像装置１５によって撮像された画像においては、回折光１０１〜１０３によって照射された箇所は暗部として認識される。

一方、光検出板１４として、蓄光材（例えばＺｎＳ：Ｃｕ、例えば根本特殊化学株式会社製商品名ＧＳＳ）が表面に塗布された蓄光板を用いることもできる。この場合には、照明光１６Ａがこの蓄光材に蓄光され、回折光１０１〜１０３によって照射された箇所は温度が上昇するために、燐光を発しやすくなる。このため、蛍光板を用いた場合とは逆に、蓄光板を用いた場合には、撮像装置１５によって撮像された画像においては、回折光１０１〜１０３によって照射された箇所は明部として認識される。なお、蓄光材においては、随時畜光を行うための時間が必要となる。

上記の光検出板１４と撮像装置１５を用いた場合には、撮像によって得られた画像データを処理することによって、光検出板１４表面の発光強度分布をより正確に認識することができる。例えば、ＣＯ_２レーザー光１００がオフの状態（回折光１０１〜１０３がオフの状態）において撮像して得た画像データと、ＣＯ_２レーザー光１００がオンの状態（回折光１０１〜１０３がオンの状態）において撮像して得た画像データとの差分をとることによって、回折光１０１〜１０３によって照射された箇所となる暗部や明部を強調した画像データを得ることができる。

ＣＯ_２レーザー光の波長は１０μｍ程度の熱赤外域であり、これを光検出板１４が吸収することによって、光検出板１４の表面に温度分布が生ずる。この温度分布を、上記のように、蛍光や燐光の強度分布として検出することによって、間接的に回折光の分布を検出することができる。この際、ＣＯ_２レーザーには複数の波長の光が混在するものの、スペクトルの半値幅が小さく、かつビームの広がりも小さい場合には、回折光は光検出板１４における暗点又は輝点として認識される。

しかしながら、実際には、レーザー光の発振スペクトルにおける半値幅は零ではなく、かつビームにも広がりがあり、光検出板１４において検出された暗部や明部の大きさは、これらの両方の影響を受ける。この影響について、以下に説明する。

図３は、光検出板１４において２つの回折光１０１〜１０３が暗部（明部）として検出された場合の形態を模式的に示す図である。ここでは、図３に示されたＡ〜Ｃの各領域をスポットと呼称する。スポットＡは回折光１０１に対応し波長は９．２２μｍ、スポットＢは回折光１０２に対応し波長は１０．３７μｍ、スポットＣは回折光１０３に対応し波長は１０．７３μｍであるものとする。これらの波長は、実際のＣＯ_２レーザー光における発振波長となっている。

また、ＣＯ_２レーザー光は、厳密にはこれらの各々の波長において、これらの波長をピークとする極狭い分布をもって発振される。この分布の半値全幅（ＦＷＨＭ）は０．１μｍ程度である。このため、レーザー光の広がりが無視できる場合には、光検出板１４を用いて０．１μｍよりも高い波長分解能が得られる場合には、各波長の光の識別が可能となる。回折格子１３の溝を７５本／ｍｍ、α＝５°とした場合において、０．１μｍの波長分解能（ピーク分解能）に対応する蛍光板上の空間分解能は、０．９ｍｍとなる。これに対応する蛍光板に対する入射角度のずれ（βのずれ）は、ＣＯ_２レーザー光の波長によって異なるが、回折格子１３が上記の設定とされた場合におけるこの関係を図４における実線で示す。この入射角度のずれは、波長９．２２μｍ（Ａ）では０．９９°、波長１０．３７μｍ（Ｂ）では０．９０°、波長１０．７３μｍ（Ｃ）では０．８８°となる。このピーク分解能よりも高い分解能がなければ、上記の各ピークの分解識別が困難となる。すなわち、このピーク分解能は、検出された各スポット（波長）の認識をするために最低限必要な分解能である。

一方、前記の光検出板１４上におけるスポットの検出の分解能は、蛍光板の場合も蓄光板の場合も例えば０．２５ｍｍ程度である。更に、実際には、この画像は撮像装置１５で撮像され、その画像データにおける分解能も存在する。ここで、例えば撮像装置１５が７４４×４８０画素のものであり、その視野を２３．８ｍｍ×１５．４ｍｍとした場合には、撮像装置１５の分解能は、０．０３２ｍｍ／画素となる。このため、スポットの検出の分解能（検出板分解能）は、光検出板１４の空間分解能（０．２５ｍｍ）で決定され、これは撮像装置１５においては７．８画素分に対応する。光検出板１４の空間分解能（０．２５ｍｍ）に対応した入射角度（β）のずれを、図４における破線で示す。この値は、前記のピーク分解能に対応した空間分解能（０．９ｍｍ）よりも小さいため、検出された各スポットと波長との対応付けをすることが充分可能である。この空間分解能に対応する波長分解能は０．０３μｍとなる。この分解能に対応する蛍光板に対する入射角度の変化（βの変化）は、図４より、波長９．２２μｍ（Ａ）では０．２８°、波長１０．３７μｍ（Ｂ）では０．２５°、波長１０．７３μｍ（Ｃ）では０．２５°となる。これにより、蛍光板（光検出板１４）を用いて、図３の各スポットを分解して認識することができることは明らかである。

また、上記の検出板分解能よりも大きなスケールで図３のスポットが移動した場合には、レーザー光の光軸がずれたと認識することができる。例えば、ピーク分解能（各波長のスポットを識別するために最低限要求される分解能）に対応するβの変化は前記の通り最大で０．９９°程度であり、これを越えた光軸ずれが発生した場合には、光軸ずれの発生前後における各スポットの対応が困難となる場合がある。しかしながら、この角度に対応する光軸のずれは、例えば間隔１ｍにおいて１７ｍｍ程度と大きな値となる。ＣＯ_２レーザー光を被照射体に照射する場合、実際には、ピエゾ素子によって反射鏡の角度が調整されることによって、その光軸が調整される。この場合、通常は０．９９°よりも充分に高い精度で制御が行われる、これを越える大きな光軸ずれは発生しにくい。このため、一般的には、図３における各スポットの認識は、光軸がずれた場合においても変わらずに可能である。また、検出板分解能を越えた光軸ずれが発生した場合には、これを検出できることは明らかである。

実際には、レーザー光のビームは広がりをもち、図３に示される各スポットは、Ｗ_Ａ、Ｗ_Ｂ、Ｗ_Ｃで示される広がりをもつ。Ｗ_Ａ、Ｗ_Ｂ、Ｗ_Ｃの検出により、ビームの広がりを検出することも上記の光検出板１４を用いて可能である。また、この際に、各波長における光軸の中心を求めることもできる。これは、撮像装置１５で得られた画像データから、以下の通りに行われる。

図５（ａ）は、一つのスポットを含む画像データを示し、ｉ、ｊはそれぞれ画素の横方向、縦方向における画素の順番に対応し、各画素の座標は（ｉ，ｊ）で表される。各画素には蛍光強度に応じた信号強度Ｉ（ｉ，ｊ）が対応して記憶されている。なお、蛍光板を用いた場合にはスポットにおける信号強度は小さくなるが、単純化のために、以下では蓄光板を用いた場合のように、スポットにおける信号強度はその周囲よりも大きくなるものとする。

まず、一つのスポットを含む矩形領域Ｒ_０を設定し、この中でのＩ（ｉ，ｊ）の最大値Ｉ_ｍａｘ＝Ｉ（ｉ_０，ｊ_０）を求める。（ｉ_０，ｊ_０）は、Ｉが最大値をとる画素の番号である。次に、横方向、縦方向における（ｉ_０，ｊ_０）の両側でＩ＝Ｉ_ｍａｘ／ｅ^２となる点をＩ（ｉ，ｊ）を元にして算出し、図５（ｂ）のように、上下左右の幅がこの点で区切られた新たな領域Ｒ_１を設定する。この領域Ｒ_１における左下の座標を（ｉ_１，ｊ_１）、右上の座標を（ｉ_２，ｊ_２）（ｉ_１＜ｉ_２、ｊ_１＜ｊ_２）とする。ビームの中心は、スポットの重心として認識でき、その座標（ｉ_ｃ，ｊ_ｃ）は、以下の式で算出される。

また、ビームの広がりは、横方向でｉ_２−ｉ_１、縦方向でｊ_２−ｊ_１に対応して算出される。ここで、横方向においては、スペクトルにおける広がりの影響が存在するが、前記の通り、ＣＯ_２レーザー光においては、一般にはこのスペクトルにおける広がりは無視できる。このため、Ｗ_Ａ、Ｗ_Ｂ、Ｗ_Ｃは、Ａ、Ｂ、Ｃの各々における（ｉ_２−ｉ_１）×画素サイズとして求めることができる。また、これに対応するＡ、Ｂ、Ｃにおける発散角（ビームの広がり）は、図４の場合と同様に、回折格子１３における回折特性より、算出することができる。

なお、スペクトル（発振波長）の計測をせずに、光軸、ビームの広がりのみを計測する場合には、回折格子１３及び光検出板１４を回転移動させ、ＣＯ_２レーザー光１００の光軸上に光検出板１４が直接配されるような設定とすることもできる。この場合、回折格子１３による回折の影響がないために、光軸やビームの広がりをより正確かつ容易に求めることができる。この場合、例えば反射鏡等を回折格子１３の代わりに用いることによって、光検出板１４や撮像装置１５等は移動させない構成とすることもできる。

また、上記のＣＯ_２レーザーモニター装置１０の変形例であるＣＯ_２レーザーモニター装置２０の構成を図６に示す。このＣＯ_２レーザーモニター装置２０においては、回折格子が２つ組み合わせて用いられている点が前記のＣＯ_２レーザーモニター装置１０とは異なる。ここで用いられる回折格子（第１の回折格子）２１、回折格子（第２の回折格子）２２は、各々が前記の回折格子１３と同様の構成（例えばブレーズ回折格子）とされる。ただし、各々における回折面は平行とされ、これらが相対するように配される。また、ブレーズ回折格子がこれらに用いられた場合においては、図７にその構成が拡大して示されるように、これらの間の光軸の中点Ｏから各々を見た場合に、回折格子２２の回折面の構成は、回折格子２１の回折面の構成と対称となっている。図７の構成においては、溝の間隔は同一でありかつブレーズが形成された向きが上下で逆転した構成の回折格子２１、２２が用いられる。

図７に示されるように、この構成においては、α＝０°（直入射）回折格子２１で回折された異なる波長の回折光１０１、１０２が、共に回折格子２２に入射する。この際、回折光１０１の回折格子２２への入射角は回折光１０１の回折格子２１による回折角β_１、回折光１０２の回折格子２２への入射角は回折光１０２の回折格子２１による回折角β_２、とそれぞれ等しくなる。回折格子２１、２２を上記の構成とした場合には、回折格子２１における入射光と回折光の関係と、回折格子２２における入射光と回折光の関係とが逆転する。このため、図７に示されるように、回折光１０１、１０２は、共に回折格子２２における回折面と垂直な方向に回折される。なお、回折格子２１と回折格子２２は同様の構造を具備するが、図７の構成より、回折格子２２において光が照射される範囲は特に広くなるため、回折格子２２は、回折格子２１よりも図７における上下方向にわたり長くすることが好ましい。

この場合、回折格子２２で回折後には、波長の異なる全ての回折光の光軸は平行となって光検出板１４に入射する。また、ＣＯ_２レーザー光１００の回折格子２１の入射前の光軸からの発散角と、回折格子２２で回折後の回折光の発散角は、ほぼ等しくなる。これに対し、前記のＣＯ_２レーザーモニター装置１０においては、発散角が大きな場合には、回折格子１３で回折後の回折光の発散角は更に大きくなるために、光検出板１４によってこれを計測することが困難となる場合がある。このため、ＣＯ_２レーザーモニター装置１０において回折格子１３を用いない場合と同様に、光軸やビームの広がりを、より単純かつ正確に求めることができる。このため、複数の絞りや集光光学系を設けることも不要となる。また、異なる波長をもつ回折光の光軸が平行となるため、回折格子２２と光検出板１４との間の距離を変えた場合でも、光検出板１４における蛍光の強度むらの分布は変化しない。このため、図６における各構成要素の配置の自由度が高まる。また、第１の回折格子２１と第２の回折格子２２との間の間隔を調整することによって、視野（回折光が光検出板１４で受光される範囲）を調整することもできる。

このＣＯ_２レーザーモニター装置２０においては、図７中の紙面方向（入射面と垂直な方向）における集光を行うように回折格子２１に入射前の光路中に円柱レンズを設けることによって、スペクトル計測における精度を高めることもできる。この際、円柱レンズによる絞り１１の結像が光検出板１４上でなされるように設定することによって、高精度のスペクトル計測を行うことができる。

なお、上記のＣＯ_２レーザーモニター装置２０において、第１の回折格子２１と第２の回折格子２２における回折面は平行とされ、その回折面の構造は対称とされたが、要求される性能に応じて、これらの関係が厳密に成立する必要はないことは明らかである。

（実施例）
以下、上記のＣＯ_２レーザーモニター装置を用いて実際にＣＯ_２レーザー光のスペクトル、光軸を計測した結果について説明する。ここで、ＣＯ_２レーザー発振装置としては、発振波長９．２２〜１０．６１μｍ、出力１Ｗのものを用いた。まず、回折格子を１つ用いたＣＯ_２レーザーモニター装置１０（α＝５°）、回折格子を２つ用いたＣＯ_２レーザーモニター装置２０（α＝０°）にこのＣＯ_２レーザー光を入射させ、光検出板１４上において検出された回折光の光軸（スポットの重心：画素位置で表示）とこれに対応する波長の関係を調べた。ここで、撮像装置１５の画素数は７４４画素×４８０画素（回折方向に対応して７４４画素）としている。ＣＯ_２レーザー光のスペクトルは、他の装置を用いて校正されている。

図８は、この測定結果（○印（実線）：ＣＯ_２レーザーモニター装置１０、△印（破線）：ＣＯ_２レーザーモニター装置２０）である。この結果より０．００３６μｍ／画素（ＣＯ_２レーザーモニター装置１０）、０．００３０μｍ／画素（ＣＯ_２レーザーモニター装置２０）の結果が得られており、良好な検出結果が得られることが確認された。図８に示されるように、直線性も良好であるため、ＣＯ_２レーザー光における発振波長を正確にモニターすることが可能である。

次に、異なる２種類のＣＯ_２レーザー発振装置を用い、実質的に３種類の発振波長をもつＣＯ_２レーザー光を作成し、ＣＯ_２レーザーモニター装置１０と同様の構成をもつ第１の実施例を用いて、光検出板１４における蛍光の強度むらを撮像装置１５によって撮像した。ここで、ＣＯ_２レーザー発振装置としては、（１）発振波長９．２２μｍ、出力１Ｗ、（２）発振波長１０．３７μｍ、出力０．７Ｗ、のものを用いた。これらの光軸は同一となるように調整した。その後、蛍光の強度むらの時間経過を調べた。ここで、集光光学系１２を使用せず、絞り１１のみを用いている。

図９（ａ）〜（ｃ）は、蛍光の強度むらの時間経過を撮像装置１５によって撮像した結果を示す。ここでは、光検出板として蛍光板が用いられ、強度むらが明暗反転して示されている。図９（ａ）はある時刻Ｔ０における結果、図９（ｂ）はＴ０＋９０秒における結果、図９（ｃ）はＴ０＋１８０秒における結果である。ここで、図中左側に示されたプロファイルは、各スポットの縦方向（入射面と垂直な方向）におけるプロファイルを示している。

図示されるように、９．２２μｍの発光（（１）による発光）と、１０．３７μｍの発光（（２）による発光）の他に、１０．７３μｍの発光が確認された。１０．７３μｍの発光は、（２）における１０．３７μｍの発光がモード遷移した発光である。時刻Ｔ０（図９（ａ））においては、（２）においては１０．３７μｍの発光が支配的であり１０．７３μｍの発光は弱かったのに対し、時刻Ｔ０＋１８０秒（図９（ｃ））においては、１０．７３μｍの発光が支配的となっている。この間、（１）の発光（９．２２μｍ）は変化が見られない。

このような、ＣＯ_２レーザー光に特有な複数の波長の発光を、回折格子１３と光検出板１４を用いて確認することができた。なお、図９の結果より、（１）における９．２２μｍの発光の半値全幅は０．１μｍ程度、（２）における１０．３７μｍ、１０．７３μｍの発光の半値全幅は０．１０μｍ程度であり、図９に示されるように、これらの３種類の波長の発光が完全に分離して検出されている。この場合の波長分解能は、光検出板の空間分解能で定まり、０．０３μｍ程度（光検出板表面における空間分解能０．２５ｍｍに相当）であった。

図９では３つの時刻においてしか測定結果が表示されていないが、他の時刻においても同様の測定を行い、レーザー発振装置（１）（２）の発振波長の時間変化を実測した結果が図１０である。このように、レーザー発振装置（２）におけるモード遷移が明確に検出されている。

また、図９において検出された９．２２μｍに対応するスポットと、１０．３７μｍに対応するスポットの垂直方向（入射面と垂直な方向）における重心の位置の時間変化を調べた。これは、ＣＯ_２レーザー発振装置（１）とＣＯ_２レーザー発振装置（２）の光軸の時間変化に相当する。この測定結果を図１１に示す。上記のＣＯ_２レーザーモニター装置１０によって、この光軸の時間変動が測定できることが確認された。

次に、２つの回折格子を用いたＣＯ_２レーザーモニター装置２０と同様の構成をもつ第２の実施例を用い、前記と同様に、ＣＯ_２レーザー発振装置として、（３）発振波長９．２２μｍ、出力０．１Ｗ、（４）発振波長１０．５７μｍ、出力０．１Ｗ、の２種類を用いて測定を行った。ここでは、絞りを使用せず、集光光学系（焦点距離：＋１００ｍｍ）を使用し、光検出板の横方向において集光される設定とした。これによる図９と同様の測定結果（ただし時刻は１点のみ）を図１２に示す。光検出板の有効面積は３０ｍｍ×２０ｍｍ程度とした。

この場合においては、集光されたために各スポットは図９よりも横方向で小さくなり、（３）における９．２２μｍの発光の半値全幅、（４）における１０．５７μｍの発光の半値全幅は共に０．０８μｍであった。

このように、２つの回折格子を用いたＣＯ_２レーザーモニター装置２０によっても、ＣＯ_２レーザー光のスペクトル、光軸をモニターすることができる。特に、０．１Ｗという低出力のレーザー発振装置を用いた場合でも、これらをモニターすることができることが確認された。この場合の波長分解能も、光検出板１４表面の空間分解能（０．２５ｍｍに相当）で定まり、０．０２μｍであった。

次に、光検出板において、蛍光板、蓄光板を用いた場合の比較結果について説明する。ここでは、単純化のために、ＣＯ_２レーザー光を回折格子を介さずに光検出板に直接照射（入射角度４５°）した。図１３（ａ）は、蓄光材（ＺｎＳ：Ｃｕ根本化学製商品名ＧＳＳ）が塗布された蓄光板を用いた場合、図１２（ｂ）は、蛍光板（ＭａｃｋｅｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製商品名２２−Ｂ）を用いた場合の撮像結果である。前記の通り、蓄光板（ａ）では照射部が明部となるポジイメージが得られ、蛍光板（ｂ）では照射部が暗部となるネガイメージが得られている。なお、（ａ）の蓄光板の場合、蓄光する時間をとるため、０．３ＨｚのサイクルでレーザーをＯＮ／ＯＦＦしている。

図１３（ａ）（ｂ）の撮像データに対して、ＣＯ_２レーザー光を照射しない場合に得られた画像データの各画素における信号強度との差分を算出することによって、スポットを強調した結果を、図１４（ａ）（ｂ）に示す。ここで、実線は横方向、縦方向における強度プロファイルを示す。どちらの場合においても、同様の結果が得られていることが確認できる。すなわち、光検出板として、蛍光板、蓄光板のどちらを用いることもできる。

上記の実施例の結果より、上記のＣＯ_２レーザーモニター装置は、吸収による光検出板の表面の温度変化を検知しやすい波長１０μｍ程度（９〜１１μｍ程度）のレーザー光（ＣＯ_２レーザー光）のモニターに特に好適である。この際、光軸検出の分解能、スペクトルにおける波長分解能は、光検出板における発光の位置分解能（面積３０ｍｍ×２０ｍｍにおいて、０．２５ｍｍ程度）で定まるが、これは、実際のＣＯ_２レーザー光における発光波長を考慮した際には充分な値であり、波長分解能は０．０２μｍが得られた。

この際、安価な材料で構成された光検出板が検出のために用いられ、他に必要なのは、やはり安価な撮像素子、回折格子等である。このため、２つの回折格子が用いられるＣＯ_２レーザーモニター装置２０においても、例えば２０万円程度でこれを構成することが可能となる。すなわち、安価で充分な特性をもつＣＯ_２レーザーモニター装置を得ることができる。

１０、２０ＣＯ_２レーザーモニター装置
１１絞り
１２集光光学系
１３回折格子
１４光検出板
１５撮像装置
１６照明部
１６Ａ照明光
２１第１の回折格子（回折格子）
２２第２の回折格子（回折格子）
１００ＣＯ_２レーザー光
１０１〜１０３回折光

Claims

ＣＯ_２（炭酸ガス）レーザー光のビーム広がり及びスペクトルを計測するＣＯ_２レーザーモニター装置であって、
前記ＣＯ_２レーザー光を回折する反射型の回折格子と、
表面から蛍光又は燐光を発し、前記回折格子で回折された前記ＣＯ_２レーザー光によって前記表面が照射され、前記蛍光又は燐光の発光強度が赤外光の照射によって変動する光検出板と、
前記光検出板の表面であって前記回折格子で回折された前記ＣＯ _２レーザー光が入射する入射面を２次元画像として撮像する撮像装置と、
を具備することを特徴とするＣＯ_２レーザーモニター装置。
前記蛍光又は燐光の励起光を前記光検出板に照射する照明部を具備することを特徴とする請求項１に記載のＣＯ_２レーザーモニター装置。
前記光検出板は、前記光検出板が発する蛍光の強度が温度が上昇することによって減少する特性をもつ蛍光板であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ_２レーザーモニター装置。
前記光検出板は、前記光検出板が発する燐光の強度が赤外光の照射によって増大する特性をもつ蓄光板であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ_２レーザーモニター装置。
前記回折格子を介さない前記ＣＯ_２レーザー光が前記光検出板に入射可能とされたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＣＯ_２レーザーモニター装置。
前記ＣＯ_２レーザー光が入射する第１の回折格子と、当該第１の回折格子で回折された前記ＣＯ_２レーザー光が入射する第２の回折格子とを具備し、当該第２の回折格子で回折された光が前記光検出板を照射する設定とされたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のＣＯ_２レーザーモニター装置。
前記第１の回折格子の回折面と前記第２の回折格子の回折面は平行とされて相対するように配され、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の間の光軸の中点から見て、前記第２の回折格子の格子面の構造は、前記第１の回折格子の回折面の構造と対称とされたことを特徴とする請求項６に記載のＣＯ_２レーザーモニター装置。