JPH0723926B2 - 任意形状均一放射加熱方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は空間的に均一なエネルギー分布の放射加熱を必
要とする、熱的手段による加熱技術、熱処理技術、計測
技術、探傷技術などの分野に係るものである。

［従来の技術と問題点］ 前項に述べたように放射加熱を必要とする分野では光源
にレーザを用いることが一般的である。その場合レーザ
は大出力を得るためにマルチモードで発振させる必要が
ある。マルチモード発振時のレーザビームは空間的に不
均一であるため、その不均一性のため加工精度の低下、
計測精度の低下等を招いていた。

従来、このように空間的に不均一なマルチモード大出力
レーザビームを均一化するために、光ガイドを通過した
光をレンズで平行ビームにする方法（公開特許公報 昭
62−207944、熱伝導率測定装置）及び光ファイバ束（細
い光ガイドを多数より合わせたもの）を用いる方法（例
えば、日本熱物性研究会発行、熱物性、第３巻、第２
号、1989年、P.102〜105、太田ら）の２種類の方法が考
案されているが、前者の方法では空間的に均一化された
領域にある光エネルギーは光ガイド通過前の全入射光エ
ネルギーの40％を下回り有効エネルギーが低下するこ
と、及び光学系の調整が複雑なことが問題となってい
た。後者の方法では、空間エネルギー分布のばらつきが
±７％とかなり大きく、また光ファイバ束が強いレーザ
パルスに対して損傷を受けるなど現実の対象面を均一に
照射するには未完成の段階にある。

以上の点により、空間的に不均一な高輝度光源や大出力
マルチモードレーザビームを有効エネルギーの大きな低
下を伴わない任意形状均一放射加熱方法が要望されてい
る。

［発明の目的］ 本発明は空間的に不均一な高輝度光源やマルチモード大
出力レーザビームを、大きなエネルギー損失を伴うこと
なく任意形状の空間的に均一な放射加熱源に変換するこ
とを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この目的は本発明によれば、空間的に不均一な高輝度光
源やマルチモード大出力レーザビームをコア径が1mm程
度の大口径ステップインデックス光ガイド（以下光ガイ
ドと呼ぶ）に入射させ光ガイドに曲げを加え局所的に曲
率の小さな部分を導入した状態で光ガイド出射側端面の
実像を第１の凸レンズにより任意形状の開口を有するア
パーチャー面に結像させ、開口部の実像を第２の凸レン
ズにより対象面に結像させることにより達成される。

［実施例］ 以下本発明の実施例を第１図によって説明する。通常マ
ルチモード状態で発振している大出力レーザ１から出射
された空間的に不均一なレーザビーム2aを凸レンズ３に
より集光し大口径ステップインデックス光ガイド４の端
面に入射させる。ビームは多重反射しつつ光ガイド内を
進行し、軸対称な分布となるが、全長数ｍの光ガイドで
は半径方向に沿ったエネルギー分布に関しては、入射時
の分布が保存され通常不均一な状態にある。このように
短い光ガイドに対しても、その数箇所に局所的な曲げ５
を導入することにより、光ガイド内でのビームの乱反射
が生じ、光ガイド内部でのエネルギー分布が均一化され
る。その結果、光ガイドの出射側端面に沿って均一なエ
ネルギー分布が得られる。このようにして得られた光ガ
イドの出射側端面の実像を１枚の凸レンズにより直接加
工面、処理面、試料面などの対象面上に結像させれば実
像は光ガイド出射側端面と同等に均一な空間エネルギー
分布を有することになる。光学系の倍率を調整すること
により、およそ0.1mmから30mmまでの直径の任意の大き
さの円盤状領域を均一なエネルギー分布で放射加熱する
ことが可能となる。この場合実像の中央部では均一なエ
ネルギー分布が得られるが、通常その境界は明確でな
く、周辺部の強度が徐々に低下する連続的分布となる。

強度が階段関数的に変化する境界が明確な放射加熱を得
るためには端面から出射されるレーザビーム2bを凸レン
ズ６により結像し、実像位置にアパーチャー８を設置す
る。凸レンズ９によりアパーチャー８の開口部の実像を
加工面、処理面、試料面などの対象面11に結像10させる
ことにより開口部と相似形の像の内部で均一なエネルギ
ー分布を持ち、その外部では階段関数的に０となる均一
放射加熱が可能となる。アパーチャー開口部の形状を変
化させることにより任意形状の領域を均一放射加熱する
ことができる。

なお放射加熱のエネルギー分布は測定対象のレーザビー
ムをフイルタで減光した後TVカメラ撮像管の光電面にレ
ンズ無しで直接照射し、ビデオ信号をパーソナルコンピ
ュータに取り込み画像処理を行ってCRT上に等高線表示
することにより求められる。

レーザビームの光ガイドに対する透過率は約80％、透過
したビームのうち均一化された部分の比率は約80％であ
る。従って入射ビームの全エネルギーの60％以上が均一
放射加熱源として有効に利用可能である。

第２図はマルチモード大出力パルスレーザの不均一な空
間エネルギー分布、及びそのビームを本発明により均一
化したときの空間エネルギー分布をTVカメラを用いて実
側した等高線図である。

第２図（ａ）はマルチモード大出力パルスレーザの直接
ビームの２次元空間エネルギー分布を測定した結果であ
る。最大出力が得られるように注意深くレーザのアライ
ンメントを調整した状態であるにもかかわらず、空間エ
ネルギー分布は相等不均一であることがわかる。

第２図（ｂ）は上記レーザビームを局所曲げを加えない
自由な状態のステップインデックス光ガイドを通した後
の、光ガイド出射端面の実像に沿った空間エネルギーの
２次元分布の測定結果である。軸対称であるが、中心部
の強度が強い分布が得られることがわかる。

第２図（ｃ）は上記の状態の光ガイドに局所的に曲率の
小さい部分を導入した場合のガイド出射端面の実像に沿
った空間エネルギーの２次元分布の測定結果である。中
央部では均一な空間エネルギー分布が得られている周辺
の部分でのエネルギー分布は連続的に変化していること
がわかる。

第２図（ｄ）は第１のレンズによる光ガイド出射側端面
の実像位置に開口部が円形のアパーチャーを設置し、第
２のレンズによるしぼりの実像位置における空間エネル
ギーの２次元分布の測定結果であり、５本の等高線が近
接して分離できないため１本の太線で表わされている。
エネルギー分布の強さが周辺で階段関数状に変化する均
一な分布が得られることがわかる。

第２図（ｅ）は、前記（ｄ）と同一配置であるが複雑な
形状の開口部を有するアパーチャーを設置して得られた
空間エネルギーの２次元分布の測定結果であり、やはり
５本の等高線が１本の太線で表わされている。任意形状
の放射加熱加工、熱処理等に応用可能であることがわか
る。

［発明の効果］ 以上述べたように、本均一化方法によれば高輝度光源や
マルチモード大出力レーザの空間的に不均一なビームを
大きなエネルギー損失なく効率的に空間的に均一なビー
ムに変換することができる。このような任意形状の空間
的に均一な強い放射加熱源により、レーザ加工精度の向
上、熱処理の高度化、新しい探傷技術の開発が期待され
るとともに熱物性値計測技術において測定精度の飛躍的
向上をもたらすと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示す光学系の構成図であ
る。第２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）
は本発明の作用を実証する測定例の図である。 １……大出力レーザ ２……レーザビーム ３……凸レンズ ４……大口径ステップインデックス光ガイド ５……局所的曲げ ６……凸レンズ ７……光ガイド出射側端面の実像 ８……アパーチャー ９……凸レンズ 10……アパーチャー開口部の実像 11……対象面 12……均一放射加熱部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放射加熱源として用いられる高輝度光源、
   大出力のパルスレーザまたは連続発振レーザを集光して
   ステップインデックス光ガイドに入射させ、ステップイ
   ンデックス光ガイドに局所的曲げを導入しビームに乱反
   射を生じさせることによりステップインデックス光ガイ
   ド内部のエネルギー分布を均一化し、ステップインデッ
   クス光ガイドの出射側端面の凸レンズによる実像位置に
   空間的に均一なエネルギー分布の放射加熱を実現するこ
   とを特徴とする任意形状均一放射加熱方法。
2. 【請求項２】２枚の凸レンズを使用し，ステップインデ
   ックス光ガイドの出射側端面の１枚目の凸レンズによる
   実像位置に任意形状の開口部を有するアパーチャーを置
   き、アパーチャーの２枚目の凸レンズによる実像位置に
   おいて開口部の像端でエネルギー分布の強さが一定値か
   ら０に階段関数的に変化する均一放射加熱を実現するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の任意形状均
   一放射加熱方法。