JPH09508237A - レーザ放射のパワー測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 提案される装置は、中空の空間（２）を囲み薄い金属壁（３）からなる第１の細長いボディ（１）を含む。このボディ（１）の第１の端部（４）には、レーザ放射が通過する開口（５）がある。中空の空間内のボディ（１）表面は、少なくともレーザ放射にさらされる領域が、黒いおよび／または粗い。ボディ（１）は、その第１の端部（４）およびその第２の端部（６）に、温度センサ（７、８）およびさらなる温度センサ（１６）を有し、これらの３つのセンサは、これらのセンサからの電気出力を処理する装置（１２）に接続される。第２の細長いボディ（９）は第１のボディ（１）の長い側面および第２の端部を囲み、第１のボディとともに、蒸発可能な熱伝達流体（１１）を入れることができるキャビティ（１０）を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ放射のパワー測定装置 本発明は、レーザ放射のパワー測定のための装置に関する。 レーザ放射、特に、ＣＯ₂レーザ放射は、産業、医学、および研究において種 々の目的のために用いられている。重要な応用分野は、レーザ放射を用いた、材 料、特に金属の処理である。ＣＯ₂レーザの場合、材料表面をレーザ放射の熱効 果にさらすために、放射エネルギはたとえばミラーのような光学素子を介して材 料表面に向けられる。レーザ放射は、処理するべき材料表面に連続的にまたはパ ルスの形でとり入れられる。材料処理の分野におけるレーザ放射の実用的な応用 のための１つの条件は、予め選択された可変のまたは一定のパワー出力を観測す ることである。たとえば、ロフィン・ジナール・レーザ社（Rofin Sinar Laser GmbH）製造の５ｋＷ出力のＣＯ₂レーザの冷却システムは、冷却水の温度の変動 を最小にするために、５０００リットルの容量の熱蓄積タンクを備えている。冷 却水の温度が０．５℃変動すると、レーザの出力は約２％変化するであろう。ワ ークピースの処理中にパワーがそのように変化すると、処理されているワークピ ースにかなりの損傷を与え、そのワークピースが使いものにならなくなってしま う可能性がある。 レーザ放射パワーのパワー曲線またはその定常性を十分 に正確に観測するために、動作ステップの前または後に、最後のビームの出口開 口においてレーザ放射のパワーが検査される。この測定は、たとえば熱量測定的 に行なわれる。このとき、レーザパルスを用いて、熱的に絶縁された部分質量ｍ 、特に、銅質量を温度量Δθだけ加熱する。その後、金属質量において等温の温 度分布に達した後に質量の温度上昇を測定する。その後、以下の式に従ってレー ザ放射のパワーを決定する。 ｍ＝質量［ｇ］ Δθ＝温度上昇［度］ Δｔ＝パルス時間［ｓ］ パルス時間は、連続的なレーザビームの下でレーザビームを通過する金属質量 をレーザビームによって照射しかつΔθだけ加熱する時間であってもよい。しか しながら、この測定方法ではかなりの誤差が生じやすい。理想的には、所与のレ ーザ放射エネルギの総量は、加熱するべき金属ボディの表面のレーザ光を吸収す ることによって金属ボディにとり入れられ、金属ボディにとり入れられるエネル ギとそのとき与えられたすべてのエネルギとの比としての値εは１である。しか しながら、金属ボディの表面上でレーザ 光が反射することによって、完全な吸収が妨げられ、測定方法においてそれに相 当する誤差が生じる。加熱するべき金属ボディの表面のブラッキングおよび粗面 化によって反射を十分に小さい値に低減しようとしても、満足のいく結果は得ら れない。その理由の１つは、光学的には、ボディのブラッキングの程度を永続的 にほぼ１００％にすることができないことである。既知の測定方法の不利な点は 、レーザ放射の影響下、特に、高パワー密度では、ブラッキングの目的で生成さ れた層が変化するかまたは与えられた層が剥がれ、その結果、吸収係数が不安定 になり不十分にしか最大にされないことにもある。 したがって、本発明の目的は、十分に正確な測定結果が得られるレーザ放射の パワー測定装置を提供することである。 これは、本発明に従った装置を用いて、請求項１に記載の特徴によって解決さ れる。 本発明に従った装置を用いれば、レーザ放射が他にはたとえば材料処理のため に用いられる場所でレーザ放射を正確に測定することができるようになる。通常 のＣＯ₂レーザパワー測定の間、成分のビームはレーザ出力窓の真後ろで分岐さ れ、フォトセル上に照射され、このフォトセルはその後パワーにほぼ等しい電気 信号を出力する。この表示は不正確であり、さらに、出力窓と最後のビームの出 力開口との間にある光学素子を介して生じるパワーの低減をカ バーしていない。レーザ放射のパワー測定は、（レーザ放射のパルス化によって ）高パワー密度でも行なうことができる。 本発明の装置の構造とレーザ放射のパワー測定の際の個々の構成要素の協働と を示す添付の図面を用いて以下に本発明について説明する。 この装置は、そのシェルが中空の空間２を形成する金属壁３からなる、特に円 筒または多角形のボディとして形成される第１の細長いボディ１を含む。ボディ １は、本質的に既知であるいわゆる「黒体」である。壁は薄く、その厚さはたと えば１ｍｍである。この壁は、熱伝導性に優れた材料、好ましくは銅からなる。 第１のボディ１の第１の長手方向の端部４には、添付の図面では本発明に従った 装置の上に示されている設備からのレーザ放射を受ける役割を果たす開口５が設 けられる。第１のボディ１は、第１の長手方向の端部４およびしたがって開口５ と反対側の第２の長手方向の端部６で閉じられる。この開口は、レーザ放射の断 面プラス公差に対応する直径を有する。この開口の直径は、たとえば２ｍｍであ る。 第２の細長いボディ９は、長手方向の側面および第２の長手方向の端部におい て第１のボディ１を囲む。第１のボディおよび第２のボディは、特に、好ましく は互いに同軸的に配置された円筒として、または、多角形のボディとして形成さ れる。 第１のボディ１および第２のボディ９は、蒸発可能な熱伝達媒体１１を導入す ることができる中間の空間１０を形成する。熱伝達媒体としては、たとえば、水 、アルコール、アセトン、または、（家庭用）冷却アグリゲートにおいて用いら れる冷却剤が用いられる。中間の空間１０は、その中に熱伝達媒体が挿入される 閉じられた環状の間隙である。 第１のボディの中空の空間２は、少なくともレーザ放射が及ぶ領域において、 黒いおよび／または粗い表面を有する。吸収および放出の程度εがほぼ１となる ように、好ましくは、この中空の空間２の全表面が黒いおよび／または粗い。ブ ラッキングはたとえば酸化によって行なわれ、表面の粗面化はたとえばピッチの 細かいねじによって、またはローレット切りによって行なわれる。 十分に正確な測定結果を得るために、すなわち、電力測定に関係のある構成要 素の公差に鑑みて、第１のボディ１を形成する内筒の長さと直径との比は十分に 大きくされる。第１のボディ１の内筒の長さと直径との比は、好ましくは３より も大きい。たとえば、直径は１２ｍｍとなるように選択され、長さは９０ｍｍと なるように選択される。黒体を実現するためには、より大きい長さが特に有利で ある。 第１のボディと第２のボディとによって形成される中間の空間１０は特に、毛 管状の構造を有する。この毛管状の構造は、たとえばポンプのような特別な設備 を必要とせずに、その外側の、第１のボディの金属壁３に熱伝達媒体を 供給する。 第１のボディの長手方向の両端部４および６には、特に銅−コンスタンタン熱 電対として形成される熱検出器８および７がそれぞれ配置される。好ましくは、 銅成分は、第１のボディの金属壁３によって形成される。したがって、これらの 熱検出器はともに共通の銅の脚を有し、これらの熱検出器の固有の時間定数は、 この固定した形態のため実際的には０である。それによって第１のボディ１の第 １の長手方向の端部４の放射入力領域の温度が測定される熱検出器８は、第１の ボディ１の反対側の端部に配置された熱検出器７と同様に、銅の被覆に加えてコ ンスタンタンワイヤを有し、このコンスタンタンワイヤは、電気的に導電性のあ る態様でそれぞれの被覆に接続される。これらの２つの熱検出器７および８は、 それぞれの測定場所の温度に応答して、温度差の値を形成するための手段１２に 接続可能な出力に電気的な出力信号を送り、これらの出力信号は手段１２に供給 される。 ２つの熱検出器７および８が対向して直列に接続されかつ対応する２つの熱電 電圧が互いの方向に向けられているため、２つの熱検出器７および８の２つのコ ンスタンタンワイヤの端部で測定されるべき起電力または電圧は、ボディ１の２ つの対向する長手方向の端部４および６に向けられた温度が平衡になるまでは０ である。 第１の長手方向の端部４には、そこの温度θを測定する 独立した熱電素子１６がさらに設けられる。 ボディ１の第１の長手方向の端部４の開口５を介して装置に入射するレーザ放 射は、黒体を加熱する。中間の空間１０に充填された熱伝達媒体は、金属壁３の 一部分および／または内筒底部（ボディ１の第２の長手方向の端部６）を局所的 に加熱するだけで既に蒸発する。内壁９および内壁３の低温箇所には、中空の空 間１０の熱伝達媒体が凝縮する。このために、薄い金属壁（質量ｍ）の比較的急 速な熱膨張がもたらされる。したがって、レーザパルスによってとり入れられた エネルギは比較的短時間の間に金属ボディを等温的に加熱する。レーザパルスを とり入れた時間から最大温度の値θ_max、になる時間までの間、放散、対流、ま たは放射によってボディ１からかなりの熱が逃げることはなく、その結果、温度 θはほとんど低下しない。 中空の空間においてレーザ放射が起こる部分から開口を有する第１の長手方向 の端部に向かう最初の熱伝達時に、ボディ１で温度の等化が始まる。開口５の領 域の温度はボディ１の等温状態でその最大値に達し、その後、熱の損失のためゆ っくりと低下する。 手段１２は、熱検出器７および８によって供給された電気出力信号から、およ び、特に熱検出器１６によって、温度上昇Δθを検出し、さらに、万一の場合に 備えてパルス時間Δｔも検出する。測定された温度差および測定されたパルス時 間と、第１のボディ１の質量ｍと、材料特有の熱 容量値Ｃ_cu（ボディ１が銅からなる場合）とからのレーザ放射パワーの数値計算 は、特にレーザ放射を放出する設備１４も制御する下流データ処理システム１３ によって行なわれる。この計算は、たとえば本明細書の導入部に示した式を用い て行なわれる。電力測定値Ｎはその後データ処理システム１３の出力で得ること ができる。典型的な値は、Ｎ＝５０２０Ｗ（ｍ＝８５ｇ、Ｃ_cu＝０．３５６Ｗｓ ／ｇ度、Δθ＝１５．３度、Δｔ＝１００ｍｓ）。本発明に従った装置を用いれ ば、０．９８を上回る吸収ファクタεおよび２％未満の誤差が得られる。これら の誤差値は、対応する測定装置の測定精度を下回るものである。これらの値は、 従来的に適用されている方法では得られない。 第１のボディ１は、レーザ放射が予め定められた場所に、すなわち、開口５の 領域に予め定められた角度で入射するように通過する開口５の領域においてレー ザ放射を放出する今述べた設備に結合することができる。このために、第１のボ ディ１はその開口の領域において、レーザ放射を放出する設備の幾何学的形状に 対応する幾何学的形状を有する。特に、第１のボディ１は、その開口５の領域で はその外側が円錐の形状をしている。レーザ放射を放出する設備では、その放射 出力開口の領域が対応する円錐の形状を有する。したがって、装置１を、レーザ 放射を放出する設備に正確に結合することができる。 本発明に従った装置は、電空的にまたは電気機械的に制 御されるスイベルアームを用いて、対応する測定場所に移動させることができる 。 この装置は、熱に対して十分に絶縁され、たとえば容器１５内に配置される。 容器１５は、優れた熱絶縁特性を有し、たとえば、押出し成形されたポリスチレ ン、シグラポール、またはガラスウールが充填される。 参照番号リスト １ 第１のボディ ２ 中空の空間 ３ １の金属壁 ４ １の第１の長手方向の端部 ５ ３の開口 ６ １の第２の長手方向の端部 ７ ６の熱検出器 ８ ５の熱検出器 ９ 第２のボディ １０ １と９との間の中間の空間 １１ 熱伝達媒体 １２ 温度差の値を形成するための手段 １３ データ処理システム １４ レーザ放射を放出するための設備 １５ 熱絶縁容器 １６ 熱検出器の銅−コンスタンタン（ の測定のための独立した熱電素子）

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年７月６日 【補正内容】 明細書 レーザ放射のパワー測定装置 本発明は、レーザ放射のパワー測定のための装置に関する。 レーザ放射、特に、ＣＯ₂レーザ放射は、産業、医学、および研究において種 々の目的のために用いられている。重要な応用分野は、レーザ放射を用いた、材 料、特に金属の処理である。ＣＯ₂レーザの場合、材料表面をレーザ放射の熱効 果にさらすために、放射エネルギはたとえばミラーのような光学素子を介して材 料表面に向けられる。レーザ放射は、処理するべき材料表面に連続的にまたはパ ルスの形でとり入れられる。材料処理の分野におけるレーザ放射の実用的な応用 のための１つの条件は、予め選択された可変のまたは一定のパワー出力を観測す ることである。たとえば、ロフィン・ジナール・レーザ社（Rofin Sinar Laser GmbH）製造の５ｋＷ出力のＣＯ₂レーザの冷却システムは、冷却水の温度の変動 を最小にするために、５０００リットルの容量の熱蓄積タンクを備えている。冷 却水の温度が０．５℃変動すると、レーザの出力は約２％変化するであろう。ワ ークピースの処理中にパワーがそのように変化すると、処理されているワークピ ースにかなりの損傷を与え、そのワークピースが使いものにならなくなってしま う可能性がある。 レーザ放射パワーのパワー曲線またはその定常性を十分 に正確に観測するために、動作ステップの前または後に、最後のビームの出口開 口においてレーザ放射のパワーが検査される。この測定は、たとえば熱量測定的 に行なわれる。このとき、レーザパルスを用いて、熱的に絶縁された部分質量ｍ 、特に、銅質量を温度量Δθだけ加熱する。その後、金属質量において等温の温 度分布に達した後に質量の温度上昇を測定する。その後、以下の式に従ってレー ザ放射のパワーを決定する。 ｍ＝質量［ｇ］ Δθ＝温度上昇［度］ Δｔ＝パルス時間［ｓ］ パルス時間は、連続的なレーザビームの下でレーザビームを通過する金属質量 をレーザビームによって照射しかつΔθだけ加熱する時間であってもよい。しか しながら、上述のＣＯ₂レーザ製造会社によって行われたようなこの測定方法で はかなりの誤差が生じやすい。理想的には、所与のレーザ放射エネルギの総量は 、加熱するべき金属ボディの表面のレーザ光を吸収することによって金属ボディ にとり入れられ、金属ボディにとり入れられるエネルギとそのとき与えられたす べてのエネルギとの比としての値εは１ である。しかしながら、金属ボディの表面上でレーザ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザ放射のパワー測定のための装置であって、 中空の空間（２）を形成し、熱伝導性に優れた材料からなる金属壁（３）から なる薄い第１の細長いボディ（１）を含み、前記第１のボディは、その第１の長 手方向の端部（４）においてレーザ放射を受けるための開口（５）と、前記中空 の空間（２）における少なくともレーザ放射が及ぶ領域中の黒いおよび／または 粗い表面と、各々がそれぞれその前記第１の長手方向の端部（４）および第２の 長手方向の端部（６）上にある熱検出器（７、８、１６）とを有し、前記熱検出 器はそれぞれ、前記熱検出器（７、８、１６）の電気出力信号を処理する手段に 結合されるように適合され、 前記第１のボディの長手方向の側面および前記第２の長手方向の端部（６）に おいて前記第１のボディ（１）を囲み、かつ、前記第１のボディ（１）とともに 、蒸発可能な熱伝達媒体（１１）が挿入され得る中間の空間（１０）を形成する 第２の細長いボディ（９）をさらに含む、装置。 ２．前記第１のボディおよび前記第２のボディ（１、９）は、銅または熱伝導 性の優れた材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の装置。 ３．前記熱検出器（７、８、１６）は、銅−コンスタンタン熱電対として、ま たは、銅ではなくかつ前記第１のボディおよび前記第２のボディ（１、９）を形 成する熱伝導 性の優れた異なる材料と組合せることができる熱電対として形成されることを特 徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置。 ４．前記第１のボディおよび前記第２のボディ（１、９）は内筒または多角形 のボディとして形成されることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれ かに記載の装置。 ５．前記ボディ（１）の長さと直径との比は３よりも大きいことを特徴とする 、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の装置。 ６．前記中間の空間（１０）は毛管状の構造を有することを特徴とする、請求 項１ないし請求項５のいずれかに記載の装置。 ７．前記中空の空間（２）において前記第１のボディ（１）の前記第１および 前記第２の長手方向の端部（４、６）は円錐状に形成されることを特徴とする、 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の装置。 ８．前記第２の長手方向の端部（６）の円錐は１２０°の角度を有することを 特徴とする、請求項７に記載の装置。 ９．前記第１の長手方向の端部（４）の円錐は約１００°の角度を有すること を特徴とする、請求項６または請求項７に記載の装置。 １０．前記第１のボディ（１）は、レーザ放射を受けるための前記開口（５） の領域において、レーザ放射を放出 する設備（１４）に結合されることができ、前記第１のボディ（１）とレーザ放 射を放出する前記設備（１４）とは対応する幾何学的形状を有することを特徴と する、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の装置。 １１．前記第１のボディ（１）は、レーザ放射を受けるための開口（５）の領 域において、その外側が円錐状に形成され、レーザ放射を放出する前記設備（１ ４）は、レーザ放射の放出領域において、対応する円錐の形状を有することを特 徴とする、請求項１０に記載の装置。 １２．前記装置は熱絶縁容器（１５）において支持されることを特徴とする、 請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の装置。