JPH03276034A

JPH03276034A - 光音響式ビーム位置検出方法

Info

Publication number: JPH03276034A
Application number: JP7761590A
Authority: JP
Inventors: Hideo Tashiro; 英夫田代
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1991-12-06
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: JPH0760122B2

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】（産業上の利用分野）本発明は、レーザーを用いた光学システムにおける光学
機器のビーム位置の調整に係わり、特に、ミラー、レン
ズ等の光学素子に発生する光音響を利用してビームの位
置検出を行う光音響式ビーム位置検出方法に関する。

（従来技術）各種レーザーシステムでは、レーザービームを所望の作
業位置に導くため、ミラー、レンズ、偏光板等の光学素
子が光路内に設けられている。このような光学システム
では、効果的に光学機器を機能させるため、目的に応し
た機器の調整が必要であり、それに伴うビームの位置検
出作業が欠かせない。−船釣なビーム位置検出方法には
、感熱紙やアクリル板にビームパターンを焼き付けて可
視化する簡易的な方法のほか、リニアアレイや四象限検
出器をビーム光路に挿入して定量的に計測する方法が用
いられている。

一方、密閉容器内の試料に断続光を照射すると光音響効
果による弾性波が発生することが知られており、既に、
光音響を利用した各種計測器が開発されている。例えば
、高出力レーザー用ミラーの耐力を向上させる目的で、
光学薄膜の微小吸収エネルギー量と光音響信号の強度が
比例することから、光音響効果によるレーザー損傷を計
測する方法が報告されている４（植田、萩原、他２名：
レーザー研究、第１５巻、第１号、ｐ２２−ｐ２５゜Ｊ
ａｎ、、　　（１９Ｂ　？）　）。また、固体の変形お
よび破壊に伴って解放されるエネルギーが音響パルス（
超音波）として伝播するのを捕捉して、被測定材料の欠
陥部位を検出するＡＥ　（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓ
ｓｉｏｎ）測定装置が市販されている。

（発明が解決しようとする課題）本発明者は、赤外長波長域のラマンレーザー発振を得る
ため、一対の対向する銅製の全反射ミラーから成るマル
チビームラマン変換器を開発し、特開平１−１０２９８
５号に提案した。前記ラマン変換器では、所望のラマン
変換媒質長を獲得する必要があり、ミラー面上の所定の
位置に正確にビームを案内してビーム反射回数を確保し
なければならない。従って、高精度なビーム位置検出と
そ’ｃｙｖ７整が重要な作業となっていた。

このようなビームの照射位置合わせ作業において、ビー
ム位置検出器を光路に挿入したのでは逐一ゼームを遮断
するため、多くの調整時間を必要とするばかりでなく、
ＣＯ２レーザーのように不可視光の場合には、危険を伴
うものであった。また、ハーフごラーでビームを分岐さ
せて位Ｗ績出を行う間接法の場合には、ビーム強度を減
衰させる問題があり、装置を簡素化し、レーザーシステ
ムの自動制御を実現するためには障害となっていた。

そこで、本発明者は、ミラーにパルスレーザ−が照射さ
れると、全反射ミラーであってもごラー内部に光音響効
果による弾性波が発生し得ることに着目し、その伝播時
間を光音響検出素子を用いて観測することにより、ビー
ムの伝播を妨げることなくごラー面上に照射されたビー
ム位置を検出できることを見い出した。

本発明は、レーザー自体やレーザービーム伝播システム
の制御に有効な光音響を用いたビームの入射位置検出方
法を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段〉上記の課題は、ミラー、レンズ等の光学素子に照射され
たパルスレーザ−ビームにより発生する光音響効果に伴
う弾性波の信号波形からその伝播時間を検出して、光学
素子面内のビーム位置を検出する本発明によって解決す
ることができる。

具体的には、弾性波発生直前に出力させたトリガー信号
と検出した弾性波信号の第１、第２または第３のピーク
のいずれかの伝播時間からパルスレーザ−ビームの位置
を検出する方法によって解決することができる。また光
学素子、例えばミラー、プリズム、偏光板等の外周に光
音響検出手段を配置して、発生した弾性波をデジタル波
形分析器、タイムインターバルカウンタ等を用いて信号
処理することによりビームの位置を検出することができ
る。

（作用）例えば、ミラー面にパルスレーザ−光が照射された時、
まず、表面で光エネルギーの一部が吸収されて熱エネル
ギーに変換され、≧ラー面は膨張して歪み、弾性波が発
生する。発生した弾性波は縦波（Ｐ波）と横波（Ｓ波）
、更に表面波としてミラー中を伝播する。レーザーパル
スの立ち上がり時間が音響パルス幅より十分短いとする
と、゛最大の進行速度をもつＰ波の伝播時間とその距離
が比例することになる。従って、前記発生したＰ波をミ
ラーの裏面に取り付けた単数または複数のセンサーで伝
播時間を検出し、材料に固有のＰ波の伝播速度から〔ラ
ー面上のビームの位置を検出することができる。

（発明の効果）本発明によれば、ビーム光路内に他の検出器を挿入する
ことなく、既に設けられているミラー等の光学素子の側
面や背面に弾性波を検出する検出器を取り付け、ビーム
光路を遮断することなく、また、ビーム出力を減衰させ
ることなく照射ビームの位置を検出することができる。

従って、光学システム内の各光学素子に対して所望のビ
ーム位置精度で照射するように各素子に設けられた駆動
装置を作動して自動制御することができる。

（実施例）以下に本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

第１図は、本発明を実施するための装置全体の構成国で
ある。Ｃ○２レーザー発振器１０から出射されたレーザ
ービームは、ＫＣ７！半透ミラー１１を透過して、ビー
ムパターンの整形とビーム径の変更が可能な絞り１２を
通過した後、本発明を実施する直径７０ｍ、厚さ１０ｍ
の銅製全反射ミラー１３に到達する。ミラー１３の背面
には弾性波を検出する２個のアコーステックエＱツショ
ン測定用センサー（ＰＺＴ圧電センサー、共振周波数１
８０ＫＨｚ）１４．１４′を絶縁性の接着剤で固定する
。前記ＫＣＩ半透ミラー１１で分岐されたビームはフォ
トントランク検出器１７によってレーザーパルスの発生
が検出され、デジタルオシロスコープのためのトリガー
信号となる。背面に第１のセンサー１４と第２のセンサ
ー１４′が固定されたミラーの鏡面に直径約１５ｍｍの
パルス状ビームを照射し、ミラー材料内に伝播する弾性
波を検出する。検出された信号はＡＥ増幅器（周波数特
性５０　Ｋ　Ｈｚ〜２　ＭＨｚ）　　１５．１５′で増
幅された後、弾性波を表示するデジタルオシロスコープ
１６に導入される。デイスプレィ８ビツト、インピーダ
ンス５０Ωでセツティングされたデジタルオシロスコー
プには、レーザー発振器のジッター（放電１−リガーパ
ルスに対するレーザーパルスの発生時間のゆらぎ）によ
る弾性波伝播時間のゆらぎを無くすためにレーザー光を
トリガーとして用いている。

第２図は、第１図のミラー１３が取り付けられたミラー
スタンドの正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。前記ミ
ラースタンドには、スライド式ステージ２０が設けられ
、つまみ２１の回転によってミラーがＸ軸上を移動し入
射ビームの位置をミラー面上で移動できる。

以下に、１個のセンサーを用いて照射ビームの位置を一
次元的に検出する方法を説明する。

第３図は第２図（Ａ）において、照射ビームの位置をａ
に固定してセンサー１４のみを動作させて得られた弾性
波信号の波形である。パルスレーザ−の照射により、検
出初期の第１のピークの、第２のピーク■、第３のピー
ク■、第４のピーク■付近まではほぼ安定した波形が見
られるが、時間の経過と共に波形は旦う−の外周面で反
射された弾性波が干渉して乱されていることがわかる。

ここで、第２図（Ａ）のステージ２０をＸ軸上で移動し
て照射ビームの位置とセンサー１４との距離を５璽１〜
４５ｔｍで変化させて各ピークの到達時間の測定結果を
第４図に示す。第１のピークから第３ピークまではビー
ム位置とセンサーの位置が変化しても到達時間はほぼ安
定して検出されているが、第４のピークでは大きく変動
している。このことから、パルスレーザ−照射初期の第
１のピークの、第２のピーク■、あるいは第３のピーク
■を採用し、レーザー照射直前に出力させたトリガー信
号■との経過時間ΔＴにより、照射ビームの位置を求め
ることができる。つまり、藁う一材料の弾性波伝播速度
が一定であればトリガー信号と各ピーク位置までの到達
時間ΔＴから一義的にセンサーとビーム間の距離を求め
ることができる。

従って、２個以上、好ましくは３個以上のセンサーを用
いれば２次元上のビーム位置を検出できる。

次に、第１図に示す２個のセンサー１４．１４′を動作
して照射ビームの位置を検出する方法を説明する。第２
図（Ａ）において、照射ビームの位置をセンサー１４側
にずらした位置すで検出した弾性波形図を第５図に示す
。同図において、ビームの位置に対して２つのセンサー
の距離が異なるので、波形は大きくずれており、各ピー
ク位置の到達時間に差がみられる。しかし、第１のピー
クの、第２のピーク■の波形はほぼ一定している。

ここで、検出信号のそれぞれの第２のピーク■を取り、
トリガー信号からの伝播時間ΔＴｌ　、ΔＴ２を求め、
これにミラー材料の伝播速度を乗し、ビーム位置までの
距離Ｌ１、Ｌ２が求められる。次に第１、第２のセンサ
ーの位置から半径Ｌ＋、Ｌｚで描かれた円弧の交点から
ビーム位置が求まる。

しかし、センサーを対称の位置に配置したのでは、第６
図に示すようにビーム位ｉ１ｃがＹ軸上にずれていると
きは半径Ｌ＋、Ｌｘの円弧の交点が２箇所得られ、ビー
ム位置を確定することができない。従って、２個のセン
サーの設置条件を１８０゜以内に配置することにより、
センサーの内側に半径り、　、Ｌ２で描かれる交点が１
つ求まり、ビーム位置を検出することができる。更に、
３個以上のセンサーを配置することにより、二次元的位
置を高精度に検出できることは自明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施するための装置全体の構成図、第２図は、本発明を実施したミラー及びごラースタンド
の構成を示し、同図（Ａ）は正面図、同図（Ｂ）は側面
図、第３図は、第２図（Ａ）のビーム位置ａで１個のセンサ
ーで検出した弾性波形図、第４図は、第３図の弾性波形図の第１から第４ピークに
ついてビーム位置を移動させて検出した伝播特性図、第５図は、第２図（Ａ）のビーム位ｚｂで２個のセンサ
ーにより検出された弾性波形図、第６図は、２個のセン
サーによる位置検出方法の説明図である。（符号の説明）１０・・・・・・レーザー発振図、１１・・・・・・ＫＣｌＣｌ半透ミラー１−−−・・絞り、１３・・・・・・ミラー１４．１４’・・・・・・光音響検出センサー１５．１
５’・・・・・・ＡＥ増幅器、１６・・・・・・デジタ
ルオソシロスコープ、１７・・・・・・フォトントラン
ク検出器、２０・・・・・・ステージ、２１・・・・・・つまみ。ｍｖｉの浄書（内容に変更なし）第１図ｘ面の浄書（内容に変更なし）第２図０館＃５昭将内Ｘ面の浄書（内容に変更なし）第図手続補正書（方式）％式％１、事件の表示平成２年特許願第７７６１５号２）発明の名称光音響式ビーム位置検出方法３、補正をする者事件との関係

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光学素子に照射されたパルスレーザービームによ
り発生した弾性波を検出して、その弾性波の伝播時間か
ら前記パルスレーザービームの照射位置を検出すること
を特徴とする光音響式ビーム位置検出法。
（２）特許請求の範囲第（１）項記載のビーム位置検出
法において、弾性波発生直前に出力させたトリガー信号
と検出した弾性波信号の第１、第２、第３のピークのい
ずれかの伝播時間からパルスレーザービームの照射位置
を検出することを特徴とする光音響式ビーム位置検出法
。