JP6362495B2

JP6362495B2 - レーザビーム評価装置

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Publication number: JP6362495B2
Application number: JP2014192161A
Authority: JP
Inventors: 洋樹山本; 村田　徹; 徹村田; 博史市原
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: JP2016061750A

Description

本発明は、レーザビームの特性を評価するレーザビーム評価装置に関する。

従来から、レーザビームの特性を評価するために、様々なレーザビーム評価装置が使用されている。特許文献１には、ＣＣＤカメラによるレーザビームの空間的な光強度（ビームプロファイル）の測定と、パワーディテクタによるレーザパワー（単位時間当たり又は１パルス当たりのエネルギー）の測定とを行うことが可能な装置が開示されている。

特開２００８−１２２２０２号公報

レーザビームの特性としては、空間光強度やエネルギーの他に、出力経時変化等の重要な特性が存在する。従来は、レーザビームの種々の特性を得るために、複数の異なる特性測定装置を用いて何回かに分けてレーザビーム特性の測定を行っていた。しかしながら、本願の発明者は、レーザビーム特性の測定を数回に分けて行うと、測定装置毎のバラツキや変動が発生するため、レーザビーム特性を正しく評価することが難しいことを見出した。すなわち、従来の方法では、同一のレーザビームを測定対象としていないために、個々の測定結果に各ビーム間の誤差と思われるズレが生じる場合があることが見出された。また、従来は、個別の測定装置による特性の測定のズレを最小にするための設定や調整に長時間を要するという問題もあった。

なお、レーザ発振装置には、出力フィードバック制御を行うためにレーザ発振装置の内部にレーザ出力を測定している場合がある。しかし、レーザ発振装置内部におけるレーザビームと、レーザ発振装置から出力されてワークの加工等に使用されるレーザビームには、レーザビームが伝送される過程での減衰や拡散、遅れ等の影響による差異があることが一般的である。このため、レーザ発振装置の内部に設けられたセンサによる測定は、ワークの加工等に利用される最終的なレーザビームの特性の測定としては適さないものであった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、レーザ発振装置から出力されたレーザビームの評価を行うレーザビーム評価装置が提供される。このレーザビーム評価装置は、レーザビームの空間光強度分布を計測する２次元光センサアレイと、レーザビームの出力経時変化を計測する光電効果型光センサと、レーザビームのエネルギーを計測するレーザパワーメータと、を備え、同一のレーザビームに関する空間光強度と出力経時変化とエネルギーとを一括計測することを特徴とする。
このレーザビーム評価装置によれば、レーザビームの３つの特性（空間光強度分布と出力経時変化とエネルギー）の測定を別々に行う必要が無く、同一のレーザビームに関するこれらの３つの特性を一括計測することが可能である。また、複数の特性測定装置の間の整合性や誤差を最小にするために行われていた個々の特性測定装置の長時間の調整作業を削減できる。

（２）上記レーザビーム評価装置は、更に、一つのレーザビームを３つの分割レーザビームに分割するビームスプリッタを備え、前記一つのレーザビームから分割された前記３つの分割レーザビームを用いて前記空間光強度と出力経時変化とエネルギーを同時に計測するようにしてもよい。
この構成によれば、レーザビームの３つの特性（空間光強度分布と出力経時変化とエネルギー）の測定を同時に行うことができる。

（３）上記レーザビーム評価装置は、更に、前記レーザ発振装置から出力されたレーザビームを前記２次元光センサアレイに結像する結像光学系と、光ファイバを介して前記レーザ発振装置と接続されたレーザ出射ユニットのビーム結像位置が、前記結像光学系の物体基準位置に位置決めされるように前記レーザ出射ユニットを固定する機械式マウントと、前記レーザ発振装置に接続された光ファイバの出射端が、前記結像光学系の物体基準位置に位置決めされるように前記光ファイバを固定する光ファイバアダプタと、を備え、前記機械式マウントと前記光ファイバアダプタとを交換することによって、前記レーザ出射ユニットのビーム結像位置と前記光ファイバの出射端とのいずれかを前記結像光学系の物体基準位置に位置決めすることが可能に構成されていてもよい。
この構成によれば、レーザビーム特性に問題が生じている場合に、その問題がレーザ出射ユニットに起因するか否かを容易に判定することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、レーザビーム評価装置、レーザビームの評価方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのレーザビーム評価装置の構成を示す説明図。機械式マウントと光ファイバアダプタとを交換した状態を示す説明図。レーザビームの空間プロファイルの一例を示す説明図。レーザの出力指令と出力波形とレーザパワー検出値の経時変化の一例を示すタイミングチャート。レーザ出力の調整の一例を示すタイミングチャート。

図１は、本発明の一実施形態としてのレーザビーム評価システムの構成を示す説明図である。このレーザビーム評価システムは、レーザ発振装置１００と、レーザビーム評価装置２００とを含んでいる。レーザビーム評価装置２００は、移動可能に構成されており、レーザビーム特性の評価を行う際には、レーザ発振装置１００が配置されている地点の傍にレーザビーム評価装置２００が搬送される。

レーザ発振装置１００の出力端には光ファイバＯＰＦが接続され、光ファイバＯＰＦの末端はレーザ出射ユニット２１２に接続される。なお、図１では、図示の便宜上、光ファイバＯＰＦの末端付近だけが太く描かれており、その他の部分は細い線で描かれているが、実際には同じ太さのファイバである。レーザ出射ユニット２１２は、内部にミラーやレンズなどを含む光学系を備えており、この光学系によってレーザビームを所望のビーム結像位置ＭＬに結像する機能を有する。レーザ出射ユニット２１２のビーム結像位置ＭＬにワークを配置すれば、ワークの溶接等の加工を行うことが可能である。レーザ出射ユニット２１２はレーザ発振装置１００の周辺装置である。但し、図１では、レーザ出射ユニット２１２がレーザビーム評価装置２００内に固定された状態を示している。レーザ発振装置１００としては、例えばＹＡＧレーザ発振装置が使用される。但し、ＹＡＧレーザ以外の個体レーザや、ＣＯ_２レーザなどのガスレーザ、及び、半導体レーザなどの種々のレーザ発振装置を利用することが可能である。

レーザビーム評価装置２００は、レーザ出射ユニット２１２を固定する機械式マウント２１０と、光ファイバＯＰＦを固定する光ファイバアダプタ２２０と、結像光学系２３０と、２次元光センサアレイ２４０と、光電効果型光センサ２５０と、レーザパワーメータ２６０と、出力波形レコーダ２７０と、データ解析装置２８０とを備えている。

機械式マウント２１０は、レーザ出射ユニット２１２をレーザビーム評価装置２００内の基盤２０２の予め決められた位置に固定する固定部２１４を有している。光ファイバアダプタ２２０は、光ファイバを固定するアダプタ部２２２と、アダプタ部２２２をレーザビーム評価装置２００内の基盤２０２の予め決められた位置に固定する固定部２２４とを有している。光ファイバアダプタ２２０に固定される光ファイバとしては、通常は、レーザ出射ユニット２１２から取り外された光ファイバＯＰＦがそのまま使用される。これらの機械式マウント２１０と光ファイバアダプタ２２０とを交換することによって、レーザ出射ユニット２１２のビーム結像位置ＭＬと、光ファイバＯＰＦの出射端とのうちのいずれか一方を、結像光学系２３０の物体基準位置ＯＰに位置決めすることが可能である。この点については更に後述する。

結像光学系２３０は、平行化レンズ２３２と、ビームスプリッタ２３４と、減光フィルタ２３６と、結像レンズ２３８とを有している。結像光学系２３０の物体基準位置ＯＰ以降におけるレーザビームの光路は、図示の便宜上、一点鎖線の直線で描かれている。平行化レンズ２３２は、結像光学系２３０に入射したレーザビームＬＢ０を平行化するレンズである。なお、本実施形態において、結像光学系２３０の物体基準位置ＯＰは、平行化レンズ２３２の物体側焦点位置に相当する。

ビームスプリッタ２３４は、一つのレーザビームＬＢ０を３つの分割レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３に分割する機能を有する。本実施形態では、ビームスプリッタ２３４として、２つの主表面が互いに傾いた楔形のガラス体に誘電体を蒸着した光学素子を使用している。第１の分割レーザビームＬＢ１は、ビームスプリッタ２３４の入射面２３４ａで反射されたビームであり、減光フィルタ２３６と結像レンズ２３８とを通過した後に２次元光センサアレイ２４０に入射する。第２の分割レーザビームＬＢ２は、ビームスプリッタ２３４の裏面２３４ｂで反射されたビームであり、光電効果型光センサ２５０に入射する。第３の分割レーザビームＬＢ３は、ビームスプリッタ２３４を透過したビームであり、レーザパワーメータ２６０に入射する。ビームスプリッタ２３４の入射面２３４ａと裏面２３４ｂの反射率及び透過率は、３つの分割レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３がそれぞれの検出器２４０，２５０，２６０の感度領域に適した分光比率を有するように調整されている。具体的には、ビームスプリッタ２３４のガラス体の表面２３４ａと裏面２３４ｂに、部分透過膜若しくは部分反射膜、及び／又は、反射防止膜を構成する誘電体が蒸着されている。なお、１つの光ビームを３分割する１つの楔形のビームスプリッタ２３４を使用する代わりに、１つの光ビームを２分割するビームスプリッタを２つ用いても良い。但し、楔形のビームスプリッタ２３４を使用すれば、ビームスプリッタの配置に要する空間を小さくすることができ、また、レーザビーム特性の測定に使用する３つの検出器２４０，２５０，２６０を比較的小さな空間内に配置できるという利点がある。

減光フィルタ２３６は、第１の分割レーザビームＬＢ１の強度を２次元光センサアレイ２４０の感度領域に整合させる光吸収型フィルタ群である。但し、減光フィルタ２３６は省略可能である。

結像レンズ２３８は、２次元光センサアレイ２４０の撮像面に第１の分割レーザビームＬＢ１を結像するレンズである。結像レンズ２３８に関しては、そのレンズ又はレンズマウントを交換可能な機構を採用して、焦点距離が異なるレンズに交換することによって撮像倍率を調整できるように構成されていることが好ましい。この場合に、各レンズマウントを、その固定位置と撮像面位置（焦点位置）を一定とする鏡筒長さを有するように構成しておけば、レンズマウント交換前後で特別な焦点位置調整は不要であり、撮像倍率を容易に変更可能である。

２次元光センサアレイ２４０は、第１の分割レーザビームＬＢ１の空間光強度（空間プロファイル）を測定するセンサである。２次元光センサアレイ２４０としては、例えば、ＣＣＤセンサアレイやＣＭＯＳセンサアレイを使用することができる。２次元光センサアレイ２４０の出力信号は、データ解析装置２８０に適宜供給される。

光電効果型光センサ２５０は、第２の分割レーザビームＬＢ２の出力（光強度）の経時変化を測定するセンサである。光電効果型光センサ２５０としては、例えば、フォトダイオードや、フォトトランジスタ、光電管などの各種の光電効果型センサを使用することができる。特に、出力の経時変化を精度良く測定するために、高速応答型のフォトダイオードなどを使用することが好ましい。なお、通常は、レーザ発振装置１００の内部にも出力フィードバック用のフォトセンサが配置されていることが多い。但し、レーザ発振装置１００の内部からレーザ出射ユニット２１２までに至るレーザビームの光路には、光ファイバＯＰＦなどの光学部品が多数存在するので、レーザ出射ユニット２１２から出射されるレーザビームの特性には、長い光路中における減衰や拡散、遅れ等が大きな影響を与えている可能性がある。従って、レーザ出射ユニット２１２（又は光ファイバＯＰＦ）の出射端におけるレーザビームＬＢ０の強度が適切か否かを、レーザ発振装置１００の内部に設けられた出力フィードバック用フォトセンサで測定することは不可能である。この意味では、結像光学系２３０の内部の光路は、光ファイバを含まないことが好ましい。光電効果型光センサ２５０の出力は、出力波形レコーダ２７０に供給される。出力波形レコーダ２７０は、光電効果型光センサ２５０の出力信号を記録する記録計である。記録された出力信号は、出力波形レコーダ２７０からデータ解析装置２８０に適宜供給される。

レーザパワーメータ２６０は、第３の分割レーザビームＬＢ３のエネルギーを測定するための出力熱量計である。本実施形態において、レーザ発振装置１００はパルス発振によりレーザビームＬＢ０を発振する。この場合に、レーザパワーメータ２６０としては、１パルス分の分割レーザビームＬＢ３のエネルギーを精密に測定できるように、応答が十分に高速であるものを使用することが好ましく、例えば焦電効果型のレーザパワーメータを使用することが好ましい。レーザパワーメータ２６０の出力信号は、データ解析装置２８０に適宜供給される。

３つの検出器２４０，２５０，２６０に入射する３つの分割レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３の光強度の比率は、予め精密に測定されて較正されていることが好ましい。

図２は、図１に示した状態から、機械式マウント２１０を光ファイバアダプタ２２０に交換した状態を示している。この状態では、光ファイバＯＰＦの出射端ＯＰＦｅが、結像光学系２３０の物体基準位置ＯＰに位置決めされる。このように、本実施形態では、機械式マウント２１０と光ファイバアダプタ２２０とを交換することによって、レーザ出射ユニット２１２のビーム結像位置ＭＬ（図１）と、光ファイバＯＰＦの出射端ＯＰＦｅ（図２）とのいずれか一方を、結像光学系２３０の物体基準位置ＯＰに容易に位置決めすることが可能である。このように構成した理由は、レーザ出射ユニット２１２に問題があるか否かを容易に判断できるようにするためである。すなわち、３つの検出器２４０，２５０，２６０で検出されたレーザビーム特性に何らかの問題がある場合に、図１の状態におけるレーザビーム特性と図２の状態におけるレーザビーム特性とを比較することによって、レーザ出射ユニット２１２に問題があるか否かを判定することが可能である。例えば、図１の状態で発生していた問題が図２の状態で解消した場合には、レーザ出射ユニット２１２に問題があるものと判定できる。一方、図１の状態で発生していた問題が図２の状態でも解消しない場合には、光ファイバＯＰＦ又はレーザ発振装置１００に問題があるものと判定できる。更に、図２の状態において、光ファイバＯＰＦを新しい光ファイバに交換してレーザビーム特性を測定しても依然として問題が解消されない場合には、レーザ発振装置１００自体に問題があるものと判定できる。

図３は、２次元光センサアレイ２４０で測定されるレーザビームの空間プロファイル（空間光強度分布）を示している。図３（Ａ）はＸ軸上における光強度分布の例を示しており、図３（Ｂ）はレーザビームの２次元的な光スポットの範囲を示している。なお、図３（Ａ），（Ｂ）の軸Ｘ，Ｙはレーザビームの光軸に垂直な平面の座標であり、図３（Ａ）の縦軸Ｐはレーザビームの強度（正確には出力密度［Ｗ／ｍｍ^２］）である。図３（Ａ）に示すように、正常なレーザビームの空間プロファイルは、光スポットの中心ＣＰにおいてピーク出力を有する。

図４は、レーザの出力指令ＰＣと出力波形ＰＯとレーザパワー検出値ＲＰの３つのパラメータの経時変化の一例を示すタイミングチャートである。図４（Ａ）の出力指令ＰＣは、レーザ発振装置１００に与えられる指令値である。ここでは、時刻ｔ１から時刻ｔ２に至るまでの台形形状のパルス状の出力指令ＰＣが例示されている。１パルスの時間（＝ｔ２−ｔ１）は、例えば約５ミリ秒である。図４（Ｂ）の出力波形ＰＯは、光電効果型光センサ２５０で測定される出力（光強度）の経時変化である。縦軸は、レーザビームの強度（単位は［Ｗ］又は［Ｗ／ｍｍ^２］）である。この例では、出力指令ＰＣに対応した適切な出力波形ＰＯが得られている。図４（Ｃ）のレーザパワー検出値ＲＰは、レーザパワーメータ２６０で測定されたエネルギーである。レーザパワー検出値ＲＰは、レーザビームの１パルスの間に徐々に上昇する。１パルスの終了時刻ｔ２以降におけるレーザパワー検出値ＲＰが、１パルス分のエネルギーに相当する。

本実施形態のレーザビーム評価装置２００は、図３（Ａ），（Ｂ）に示した空間光強度分布と、図４（Ｂ）に示した出力波形（出力経時変化）と、図４（Ｃ）に示したレーザパワー検出値（エネルギー）とを同時に測定することが可能である。すなわち、同一のレーザビームＬＢ０に関して、これらの３つの特性を同時に測定できる。従って、異なる特性測定装置で得られた特性同士の整合性や誤差を考慮することなく、レーザビーム特性が良好か否かを判定することができる。また、複数の特性測定装置の整合性や誤差を最小にするために行われていた個々の特性測定装置の長時間の調整作業を削減できる。更に、レーザビーム特性に何らかの問題がある場合に、その対策や調整を素早く実行することが可能となる。なお、本明細書において、「同一のレーザビームに関して…同時に測定する」という語句は、そのレーザビームから分割された複数の分割レーザビームを用いて測定を行う場合を含む広い意味を有している。

図５は、レーザ出力の調整の一例を示すタイミングチャートである。図５（Ａ）は調整前の出力指令ＰＣ１の一例を示し、図５（Ｂ）は調整前の出力波形Ｐ０１の一例を示している。図５（Ａ）の出力指令ＰＣ１は図４（Ａ）に示したものと同じである。図５（Ｂ）の出力波形ＰＯ１は、破線で示す望ましい出力波形ＰＯｔからずれている。この望ましい出力波形ＰＯｔは、図４（Ｂ）に示した出力波形ＰＯと同じものである。

図５（Ｃ）は調整後の出力指令ＰＣ２の一例を示し、図５（Ｄ）は調整後の出力波形Ｐ０２の一例を示している。出力指令の波形を図５（Ａ）から図５（Ｃ）に変更することによって、図５（Ｄ）に示すように出力波形ＰＯ２を望ましい出力波形ＰＯｔとほぼ同じ形状に整形することが可能である。

なお、レーザビーム特性に生じうる問題としては、レーザビームの光路内における各種の分散に起因する問題がある。例えば、光ファイバＯＰＦには単色分散や偏光モード分散などの各種の分散が存在することが知られている。これらの各種の分散に起因して、空間光強度分布、出力波形（出力経時変化）、及びレーザエネルギーが変化し得る。本実施形態では、このような場合にも、同一のレーザビームＬＢ０に関する空間光強度分布と出力経時変化とエネルギーとを同時に測定することができるので、異なる測定で得られた特性同士の整合性や誤差を考慮することなく、レーザビーム特性が良好か否かを直ちに判定することができる。

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

・変形例１：
レーザビーム評価装置の構成としては、図１に示したもの以外の種々の構成を適用することが可能である。また、３つの分割レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３を得るための光学系としては、図１に示した結像光学系以外の種々の構成を採用することが可能である。

・変形例２：
上記実施形態では、１レーザビームパルスのエネルギーを測定していたが、この代わりに、連続する所定の複数個のレーザビームパルスのエネルギーの合計を測定するようにしても良く、或いは、所定の時間内におけるレーザエネルギーの合計を測定するようにしてもよい。

１００…レーザ発振装置
２００…レーザビーム評価装置
２０２…基盤
２１０…機械式マウント
２１２…レーザ出射ユニット
２１４…固定部
２２０…光ファイバアダプタ
２２２…アダプタ部
２２４…固定部
２３０…結像光学系
２３２…平行化レンズ
２３４…ビームスプリッタ
２３４ａ…表面（入射面）
２３４ｂ…裏面
２３６…減光フィルタ
２３８…結像レンズ
２５０…光電効果型光センサ
２６０…レーザパワーメータ
２７０…出力波形レコーダ
２８０…データ解析装置

Claims

レーザ発振装置から出力されたレーザビームの評価を行うレーザビーム評価装置であって、
レーザビームの空間光強度分布を計測する２次元光センサアレイと、
レーザビームの出力経時変化を計測する光電効果型光センサと、
レーザビームのエネルギーを計測するレーザパワーメータと、
一つのレーザビームを３つの分割レーザビームに分割するビームスプリッタと、
を備え、
前記一つのレーザビームから分割された前記３つの分割レーザビームを用いて前記一つのレーザビームに関する空間光強度と出力経時変化とエネルギーを同時に計測することが可能であり、
前記レーザビーム評価装置は、更に、
前記レーザ発振装置から出力されたレーザビームを前記２次元光センサアレイに結像する結像光学系と、
光ファイバを介して前記レーザ発振装置と接続されたレーザ出射ユニットのビーム結像位置が、前記結像光学系の物体基準位置に位置決めされるように前記レーザ出射ユニットを固定する機械式マウントと、
前記レーザ発振装置に接続された光ファイバの出射端が、前記結像光学系の物体基準位置に位置決めされるように前記光ファイバを固定する光ファイバアダプタと、
を備え、
前記機械式マウントと前記光ファイバアダプタとを交換することによって、前記レーザ出射ユニットのビーム結像位置と前記光ファイバの出射端とのいずれかを前記結像光学系の物体基準位置に位置決めすることが可能であることを特徴とするレーザビーム評価装置。