JPH03148022A - レーザビーム特性の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １産業上の利用分野］ この発明は、金属細線にレーザビームを照射してレーザ
ビームの特性を測定するレーザビーム特性の測定方法に
関するものである。

〔従来の技術］ 第８図はピンホールスキャン法による従来のレーザビー
ム強度分布の測定方法を示す構成図である。１はレーザ
ビーム、２は前記レーザビーム１の方向（矢印Ａ方向）
に対して直角方向（矢印Ｂ、Ｃ方向）に設けた移動可能
のピンホール板、３は前記ピンホール板２に形成したピ
ンホール、４は前記ピンホール３を適用したレーザビー
ム１の透過レーザビーム、５は前記透過レーザビーム４
の強度を測定する光検出器である。

このように、ピンホールスキャン法においてはピンホー
ル板２を透過する透過レーザビーム４の強度を測定する
ものである。

第９図は焦点位置を求める方法としてスペックルパター
ンの観測による焦点位置の検出方法を示す構成図で、６
は前記レーザビーム１の拡散板、７は前記拡散板６を透
過したレーザビーム１の散乱光、８はスクリーン、９は
スペックルパターンである。

第１０図は２焦点のビーム間隔を測定する方法として、
干渉縞の観測による２焦点のビーム間隔測定方法を示す
説明図で、１０は偏光板、１）は干渉縞を示す。

第１）図は較正スケールによる２焦点のレーザビーム間
隔方法を示す説明図で、１２は較正スケール、１３は拡
大レンズ、１４は前記拡大レンズ１３を透過したレーザ
ビーム１による較正スケール像を示す。

〔発明が解決しようとする課題］ ところで、第８図のピンホールスキャンによる方法は、
ピンホール３が極めて小さいため、測定の際のレーザビ
ーム１の捕捉が難しく、また、レーザビーム１の集光度
が高い場合も測定が難しくなるという問題点があった。

また、第９図のスペックルパターンの観測による方法、
第１０図の干渉縞による方法および第１）図の較正スケ
ールによる方法は、観測が目視によるため、高度の測定
精度を得ることが難しいという問題点あった。

さらに、上記方法は測定の際に、機器の配置にかなりの
空間を占有する。そのため、小型の密閉型風洞の観測窓
ガラスを通過し、屈折の影響を受けたレーザビーム特性
を上記方法により風洞内で測定することが難しいという
ような問題点があった。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたも
ので、金属細線にレーザビームを照射することにより、
レーザビームの強度分布、楕円率、焦点位置の測定がで
きるレーザビーム特性の測定方法を得ることを目的とす
る。

［課題を解決するための手段ｊ この発明にかかるレーザビーム特性の測定方法は、レー
ザビームを金属細線に照射し、レーザビームまたは金属
細線のいずれかをレーザビームの照射方向に対して直角
方向に微小距離ずつ移動させては金属細線の温度変化を
検出することにより、レーザビームの強度分布を測定す
るものである。また、レーザビームの強度分布を測定し
、このレーザビーム強度分布からレーザビームの径を求
め、次いで、金属細線をレーザビームの照射方向に対し
て角度９０°回転させてから上下方向に移動することに
よりレーザビームの径を求め、両レーザビームの径から
楕円率を測定するものである。

さらに、レーザビームの強度分布のピーク点にレーザビ
ームを固定し、金属細線をレーザビームの焦点深度方向
に移動したとき、レーザビームの焦点深度方向の強度分
布のピーク値によりレーザビームの焦点位置を測定する
ものである。

〔作用］ この発明においては、金属細線にレーザビームを照射す
ると、レーザビーム受光量に比例して金属細線の温度が
変化するので、この温度変化量を検出することによりレ
ーザビームの強度分布が測定される。

また、レーザビームの強度分布の測定により楕円率およ
び焦点深度の測定ができる。

〔実施例］ まず、この発明の原理について説明する。

第１図はこの発明の原理を示す説明図で、１５はアスペ
クト比の大きい金属細線、１６は前記金属細線１５をレ
ーザビーム１の照射方向（矢印Ａ方向）に対して直角方
向の断面方向（矢印Ｂ方向）に微細移動できるようにし
た精密位置決め装置、１７はレーザビーム１を前記金属
線１）ｉ１）５に照射した際に生じる温度上昇を検出す
ることによってレーザビーム１の強度分布を得る温度検
出器である。

このように、金属細線１５にレーザビーム１を照射する
と、レーザビーム１の受光量に比例して金属細線１５の
温度が上昇する。したがって、レーザビーム１に対して
金属細線１５を精密位置決め装置１６で微小移動させて
、各移動点での温度上昇量を測定すれば、金属細線１５
との関係から第２図に示すような横モードのレーザビー
ム１の強度分布が得られる。なお、このレーザビーム１
の強度分布は、金属細線１５を固定してレーザビーム１
を微小移動してもよい。

レーザビーム１の直径は、第２図に示すように、横モー
ド強度分布のピーク値の１／ｅ”（ｅは自然対数）の幅
に対応する。

楕円率は金属細線１５を角度９０°回転させた後、上下
方向に微小移動させて求めたレーザビーム１の径と前述
の横方向のビーム径とから算出できる。

焦点位置は金属細線１５をレーザビーム１の横モード強
度分布のピーク点に固定し、金属細線１５をレーザビー
ム１の焦点深度方向にレーザビーム１を微小移動させた
とき、レーザビーム１の焦点深度方向の強度分布のピー
ク値より求めることができる。また、２本のレーザビー
ム１の間隔は各レーザビーム１の横モード強度分布のピ
ーク点間の幅より求めることができる。

次に、第１図に示すように、アスペクト比の大きい金属
細線１５を使用するために微小移動した場合、レーザビ
ーム１の捕捉が容易である。また、金属細線１５は小型
軽量であるため狭い場所への設置も容易で精密な微小移
動がし易く、風洞内の測定においても移動が容易である
。照射したレーザビーム１の強度と金属細線１５の温度
上昇とは比例関係にあるので、あらかじめ強度と温度上
昇との関係を校正しておけば、レーザビーム１のパワー
も直接測定でき、また、金属細線１５の径が極めて細い
ため、応答性の高い温度測定系が構成できる。

さらに、ピンホールスキャン法では１点１点レーザ強度
を測定し、分布を求めるため、測定に時間を要するが、
金属細線１５はアスペクト比が大きく、レーザ光を線で
捕らえて強度分布を測定するため、測定時間はピンホー
ル法に比べて短縮される。

測定精度はレーザビーム１の強度検出器である金属細線
１５の温度上昇を電気的に測定するために向上する。ま
た、レーザビーム１の特性の測定精度は、金属細線１５
を微小移動するための精密位置決め装置１６の精度に大
きく依存する。

焦点位置、ビーム間隔は強度分布のピークから確定する
ため、金属細線１５の太さはそれらの測定精度に影響し
ない。

また、前述の温度上昇量１位置決めも電気的に扱えるの
で、コンピュータの支援によってレーザビーム特性を自
動的、かつ短時間内で測定することができる。

第３図はこの発明のレーザビーム特性の測定方法を風洞
測定部に使用した一実施例を示す構成図である。この図
において、１８は風洞測定部、１９は前記風洞測定部１
８の観測窓ガラス、２０は２焦点レーザ流速計光学ヘッ
ド、２１は記録計である。

レーザビーム１の光源は、アルゴン・イオンレーザを使
用し、２焦点レーザ流速計光学ヘッド２０からは２本の
レーザビーム１が放射される。

光学系の公称焦点距離は５００ｍｍで、焦点位置のビー
ム径は約１８μｍと極めて細い。また、各レーザビーム
１の焦点位置での間隔は約２５０μｍである。これらの
値は、２焦点レーザ流速計光学ヘッド２０の調整にとも
なって変化する。また、前述したように、レーザビーム
１が風洞測定部１８の観測窓ガラス１９を通過する際に
、屈折の影響を受けるので、２焦点レーザ流速計光学ヘ
ッド２０で正確に流速計測定を行うために、レーザビー
ム１の特性を求めておくことは必須の要件である。

トランスを使用した。

第４図は定温度型の熱線流速計２３による金属細線１５
の温度上昇検出装置を示す図で、金属細線１５には直径
２．５μｍおよび５．０μｍのタングステン線を使用し
て、熱線プローブサポート２２に固定し、タングステン
線にレーザビーム１を照射した際の温度上昇を、定温度
型の熱線流速計２３で測定し、温度上昇に比例した電圧
を出力する。なお、ここで使用した金属細線１５のアス
ペクト比は、金属細線１５の受感部の長さが約１ｍｍあ
るので、２００および４００になっている。

第５図はレーザビームの出力に対する定温度型の熱線流
速計２３の出力電圧の関係の測定結果を示す図であるが
、レーザビーム１の出力に比例して定温度型の熱線流速
計２３の電圧出力がリニアに増加することが確認できる
。

第６図（ａ）、（ｂ）は２焦点レーザ流速計光学ヘッド
２０の２本のレーザビーム１の横モード強度分布の測定
結果を示す図で、横軸が金属細線１５の移動量で、縦軸
がレーザビーム１の強度に対応する定温度型の熱線流速
計２３の出力である。この結果から、強度分布のピーク
値を確定すれば、レーザビーム１の径および２本のレー
ザビーム１の間隔が求まる。すなわち、レーザビーム１
の径はピーク値の１／ｅ２になる値の幅から、レーザビ
ーム１の間隔はピーク間の移動量から求まる。

金属細線１５の径が２，５μｍの第６図（ａ）。

５．０μｍの第６図（ｂ）、ともに同様な強度分布が得
られており、金属細線１５の径の影響はほとんどなく、
金属細線１５を使用して求めたレーザビーム１の径と、
従来のピンホールスキャン法で求めた値とは良い一致を
見ている。

第７図は２本のレーザビーム１の焦点位置を求めるため
に測定した焦点方向のレーザビーム１の強度分布を示す
図である。この強度分布のピーク点が焦点の位置に対応
する。

なお、この発明でいう金属細線１５の温度変化の検出と
は、金属細線１５の温度を一定に保つようにネガティブ
フィードバックをかけておく等の１ ２ 広義の温度変化を利用する場合も含むことはいうまでも
ない。

〔発明の効果］ 以上説明したようにこの発明は、レーザビームを金属細
線に照射し、レーザビームまたは金属細線のいずれかを
レーザビームの照射方向に対して直角方向に微小距離ず
つ移動させては金属細線の温度変化を検出することによ
りレーザビームの強度分布を測定するようにし、また、
レーザビームの強度分布を測定し、このレーザビーム強
度分布からレーザビームの径を求め、次いで、金属細線
をレーザビームの照射方向に対して角度９０°回転させ
てから上下方向に移動することによりレーザビームの径
を求め、両レーザビームの径から楕円率を測定するよう
にし、さらに、レーザビームの強度分布のピーク点にレ
ーザビームを固定し、金属細線をレーザビームの焦点深
度方向に移動したとき、レーザビームの焦点深度方向の
強度分布のピーク値によりレーザビームの焦点位置を測
定するようにしたので、径の小さい集光度の高いレーザ
ビームを容易に捕捉できるため、高精度の測定と応答性
の高い温度測定系が構成できる。そして、金属細線は熱
容量が小さいため、高感度のレーザビーム強度分布の測
定装置が構成でき、低出力状態でレーザビーム特性の測
定が可能になり、目に対する安全も確保できる。また、
強度分布を測定する一つの測定系統で一括して、楕円率
、焦点深度などの特性が測定できる。さらに、金属細線
が小型軽量であるため精度な微小移動がし易く、例えば
風洞内での測定が容易となる等の優れた利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の原理を示す説明図、第２図は横モー
ドのレーザビームの強度分布を示す図、第３図はこの発
明のレーザビーム強度測定方法を風洞測定部に使用した
例を示す構成図、第４図は定温度型の熱線流速計による
金属細線の温度検出装置を示す図、第５図はレーザビー
ムの出力に対する熱線流速計の出力電圧の関係を示す図
、第６図は２焦点レーザ流速計光学ヘッドの２本のし　
４ −ザビームの横モード強度分布の測定結果を示す図、第
７図は焦点深度方向のレーザビームの強度分布を示す図
、第８図はピンホールスキャン法による従来のレーザビ
ーム強度分布の測定方法を示す構成図、第９図はスペッ
クルパターン観測による焦点位置の検出方法を示す図、
第１０図は干渉縞の観測による２焦点のビーム間隔測定
方法を示す図、第１）図は校正スケールによる２焦点レ
ーザビーム間隔測定方法を示す説明図である。 図中、１はレーザビーム、１５は金属細線、１６は精密
位置決め装置、１７は温度検出器、１８は風洞測定部、
１９は観測窓ガラス、２０は２焦点レーザ流速計光学ヘ
ッド、２１は記録計、２２は熱線プローブサポート、２
３は定温度型の熱線流速計である。 航空宇宙技術研究所長　竹　内　和　之だ四 表彪刺禦轟Ｃ１べ一司） 第 ７ 図 第 図 第 図 第 ０ 図 １ 第 １ 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビームを金属細線に照射し、前記レーザビ
   ームまたは前記金属細線のいずれかを前記レーザビーム
   の照射方向に対して直角方向に微小距離ずつ移動させて
   は前記金属細線の温度変化を検出することにより前記レ
   ーザビームの強度分布を測定することを特徴とするレー
   ザビーム特性の測定方法。
2. （２）請求項（１）記載のレーザビーム特性の測定方法
   によりレーザビームの強度分布を測定し、このレーザビ
   ーム強度分布からレーザビームの径を求め、次いで、金
   属細線を前記レーザビームの照射方向に対して角度９０
   ゜回転させてから上下方向に移動することにより前記レ
   ーザビームの径を求め、前記両レーザビームの径から楕
   円率を測定することを特徴とするレーザビーム特性の測
   定方法。
3. （３）請求項（１）に記載のレーザビーム特性の測定方
   法によりレーザビーム強度分布を測定し、このレーザビ
   ームの強度分布のピーク点に前記レーザビームを固定し
   、金属細線を前記レーザビームの焦点深度方向に移動し
   たとき、前記レーザビームの焦点深度方向の強度分布の
   ピーク値により前記レーザビームの焦点位置を測定する
   こと特徴とするレーザビーム特性の測定方法。