JPH10281863A - レーザビームの光学的パラメータ検出装置 - Google Patents

レーザビームの光学的パラメータ検出装置

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JPH10281863A
JPH10281863A JP10053424A JP5342498A JPH10281863A JP H10281863 A JPH10281863 A JP H10281863A JP 10053424 A JP10053424 A JP 10053424A JP 5342498 A JP5342498 A JP 5342498A JP H10281863 A JPH10281863 A JP H10281863A
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laser beam
sensing element
detection device
sensing
incident
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JP10053424A
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Emanuele Stucchi
スタッキ エマニュエレ
Laura Serri
セッリ ラウラ
Vincenzo Fantini
ファンティーニ ビンチェンツォ
Flavio Ferretti
フェレッティ フラビオ
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Laser Point SRL
CISE Centro Informazioni Studi e Esperienze SpA
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Laser Point SRL
CISE Centro Informazioni Studi e Esperienze SpA
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    • G01K17/003—Measuring quantity of heat for measuring the power of light beams, e.g. laser beams
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/705—Beam measuring device
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザービームの平均パワーや強度分布の中
心ずれの検出に加え、レーザビーム機能の正確な評価に
欠くことの出来ない直径やビーム自体の強度分布を同時
にモニタすることのできる光学的パラメータの検知用装
置を得ることである。 【解決手段】 それぞれが電気信号を発し得る複数の等
価領域(1-4)に区画された第一検知素子(12)を含んだ、
入射レーザの光力に比例する光学的パラメータを検出す
るための装置。入射レーザビーム(9)の方向から見て、
その第一検知素子(12)の前方に、第一検知素子(12)と一
線に並べそれと熱的に絶縁して、少なくとも一つの第二
検知素子(13)が設けてあり、これが入力レーザビームと
同一の形状で寸法が第一検知素子(12)からの距離と共に
増加する穴を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザビームの光学
的パラメータの検出用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザビームは各種分野に広く応用され
ており、その使途は工業用、科学研究用、医療用など多
岐にわたる。いずれの用途においても安定した性能を発
揮するには、そのプロセスに大きく影響する種々の光学
的パラメータの検出が非常に重要となる。
【０００３】一般的な検出装置は、専ら光の平均パワー
を計測するのに用いられる。これは入射光を電気信号に
変換する部分を有しており、これにより入射パワーが表
示される。このような装置の基本原理のひとつに熱電変
換素子の考え方がある。素子内の光吸収体に入射したレ
ーザビームが、そこで温度上昇をもたらすというもので
ある。従来からある熱電対などを用いても、レーザ照射
面の裏側にこれを設置すれば、温度変化を電圧(電流)変
化の形に変換することができる。
【０００４】他のビーム検出装置には、半導体を用いた
光センサ素子がある。これは、入射レーザの光子がセン
サ感知面に衝突し、これを励起させることによって電気
信号を発生させるものである。いずれの装置を用いるか
はレーザの発振源とそのパワーによって異なる。たとえ
ば CO2 レーザや大出力レーザ用の検知装置としては、
検出感度や応答速度は劣るが、熱電変換型素子がある。
【０００５】工業応用分野ではレーザビームのパワー検
出用素子は共振空洞器の高反射鏡背面に設置される。科
学研究・医療用などの他の用途では前記装置はレーザ源
から入射するビームの光路に沿って配置される。上述し
た2種類の装置では、熱計測型では吸収物質、半導体型
では感知物質で製作される感知素子は、いずれも駒切れ
に分割することができる。レーザビームの平均パワーに
加えて強度分布の中心ずれを検知するために、幾つかの
部分、一般には四分割される。この種の装置は「四象限
装置」と呼ばれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしいずれの装置を
用いても、レーザ装置になにか誤動作があった場合、シ
ステムの幾つかの機械要素を停止して視覚的に点検する
などしないと、それがレーザビームの特性変化に起因す
るものか、あるいは作用点までの光伝送路の劣化による
ものかが特定できない。
【０００７】そこで本発明の目的は、レーザビームの平
均パワーや強度分布の中心ずれの検出に加え、レーザビ
ーム機能の正確な評価に欠くことの出来ない直径やビー
ム自体の強度分布を同時にモニタすることのできる光学
的パラメータの検知用装置を得ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本工業的発明では、この
目的が次のような装置によって達成されている。すなわ
ち、入射レーザビーム中央部の遮断に適した第一の感知
素子、前記中央部の外側のレーザビームの外周部の遮断
に適した複数の第二の感知素子の2者を含む入射レーザ
ビームの光学的パラメータの検知用装置である。
【０００９】本検知装置は好適には複数の第二の感知素
子を含み、その各々は、複数の他の第二感知素子によっ
て遮断されるビームの環状部から明白に区別されるレー
ザビームの各環状部を遮断するのに適している。これに
より、入射レーザビームの強度分布の測定の分解能を高
めることができる。また1次、2次の各検光子がそれぞれ
複数の領域に分割されており、その各領域は、レーザビ
ームの前記中央部または各外周部分の各副部分を遮断す
るのに適していることが望ましい。このような構造とす
れば、強度分布の中心の位置やレーザビームの対称性
と、直径を評価することができる。
【００１０】さらに、第一の感知素子と第二の感知素子
とがレーザビームの進行方向に直列配置されていること
が望ましく、前記第二の感知素子の一つは、レーザビー
ムに対し透明な中心領域を備え、レーザビームの進行方
向に関し、前記第一の感知素子の前に配置され、該第二
の感知素子は、前記第一の感知素子からの距離と共に増
加する直径の前記透明中心領域を備えている。
【００１１】前記第一、第二の感知素子の各々がビーム
自体の進行方向に直交するレーザビームの断面と同一の
対称性を有する。感知素子への入射レーザービームは多
数の部分にわかれ、各感知素子へ入射する。こうして感
知素子から電気信号を作成することにより、レーザビー
ムの平均パワー、中心位置の強度、さらに強度分布、直
径の時間的変動を同時に評価することができる。
【００１２】本発明におけるこれらの特徴や利点は、次
の示すいくつかの実施例の詳述によって明らかにされる
であろうが、表示されている図示例に限定されないのは
もちろんである。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１ー３を参照して、本発明の第
１実施形態によるレーザビームの光学的パラメータ検知
用の熱量計型検出器１００が表示されているが、本例に
限定されないのはもちろんである。図１に示す検出器１
００は、表面に吸収材層１６を有する円板状の第１検知
素子１２、および、入射レーザビーム９の伝播方向に沿
って第１検知素子１２の前方に、中心孔のある表面に吸
収材層１８を有する中心孔１３０を備えた円板状の第２
検知素子１３から構成されている。さらに、検出器１０
０は２つの検知素子１２、１３を熱的に絶縁する冷却回
路１４を備えている。なお、冷却液は冷却回路１４の内
部を循環している。
【００１４】図２は図１に示す検出器の正面図である。
中心孔１３０を備えた第２検知素子１３と、その後方に
第１検知素子１２が見える。図に示すように、第１検知
素子１２は４つの扇形部１ー４に分割されている。第２
検知素子１３はどちらかというと、４つの円環部５ー８
に細分されている。第１検知素子１２と第２検知素子１
３の背部には、検知素子の各分割部１ー４と５ー８の温
度変化をそれぞれ電圧や電流の電気信号に変換する熱電
対１１が形成されている。入射レーザビーム９の吸収の
結果、検知素子の各分割部１ー４と５ー８には、各分割
部に入射したレーザビーム９の強度の一部に比例した温
度上昇が観測される。それぞれの熱電対１１によって得
られた各分割部の温度は、たとえば冷却液１７から得ら
れる基準温度と比較される。したがって、２つの検知素
子１２と１３のそれぞれの各分割部１ー４と５ー８に入
射した光強度に比例した電気信号を得ることが可能とな
る。
【００１５】検知素子１２と１３はそれぞれ、４つの同
等の部分に分割されているので、検出器１００は熱電対
１１を介してレーザビーム９の入光部の強度分布中心の
変位を可能な限り表示することができる。実際、強度分
布の中心が検知素子１２の中心に完全に一致すると（例
えば、機械的スライダーを用いて検知素子を中心に置い
たり、熱電対が発生する電気信号の残留偏差を測定した
りして実現する）、検知素子１２の４つの分割部１ー４
によって検出された強度は等しくなる。同様のことが検
知素子１３の４つの円環部５ー８にも適用できる。中心
位置から分布強度がずれると、検知素子１２の４つの分
割部１ー４と、検知素子１３の４つの円環部５ー８との
入射光強度のバランスがくずれる。したがって、レーザ
ビーム９の強度分布の中心を元に戻すように動作させる
ことが可能となる。
【００１６】入射レーザビーム９の強度分布の平均値と
中心位置を検知できるのに加えて、検出器１００はまた
強度の空間分布を検知することができる。それぞれの分
割部１ー８で検知した空間分布は、検出器にさえぎられ
たレーザ放射９の空間強度分布の関数である。このよう
な分布から、入射ビーム９の空間強度分布の対称性の度
合を測定することができる。入射ビーム９のトータル強
度が同じ場合、検知素子１２に入射するビーム９の強度
の一部は、ビーム９自身のビーム径と放射強度プロファ
イルの関数となる。もし、強度分布プロファイルが変化
しないとすれば、このようなビーム９の一部はビーム径
が大きくなると減少する。なぜなら、光学的強度が大き
いビーム９の一部は第２検知素子１３に当たるからであ
る。したがって、第１検知素子１２と第２検知素子１３
との強度分布には、入射レーザビーム９のビーム径に関
して強い相関性がある。適切な較正をすれば、ビーム径
自体の実効値を計算することが可能である。両方の検知
素子１２、１３で測定されたトータル強度が同じ場合、
検知素子１２に入射したビームの一部の変化は、強度分
布（モード）の変化または入射ビーム９のビーム径の変
化の証拠となる。
【００１７】第１、第２の検知素子１２、１３のそれぞ
れの分割部によって吸収された強度の経時特性をモニタ
ーすることによって、入射ビーム９のトータル強度、ビ
ーム径、ビームの強度分布の中心と対称性の度合、経時
変化等の特性を検証することができる。このため、レー
ザビームの光学的特性を回復するための適切な補正手段
を講じることが可能となる。図４に、図１の検出器の適
用可能な応用例を示す。レーザ発生装置５０内部のミラ
ー２２、２３で構成された光学的共振器の高反射率背面
ミラー２２の後方に、レーザ発生装置から発生した強度
をモニターするための強度計が通常設置される。ミラー
２２は共振器内の光学的強度の微小部分９（正確に言え
ば、レーザ源から放射されたビーム４０に比例する）を
強度計に導く。現行の検出器１００に使用されている強
度計に代えて、レーザ源から放射されるビームの特性を
オンライン解析する強度計を備えることもできる。ま
た、前述のレーザ源５０が組み込まれた稼働システムの
公称仕様をビーム特性が超えたときに備えて、保証限界
以上になった場合の警告値を設定することができる。
【００１８】警告値を正確に設定することにより、不要
動作、過剰動作などシステム仕様にない現象に迅速かつ
正確に対応することができる。さらに、レーザ源に関す
る諸問題については、このようにして、システムの光学
系統と関係する部分を分離することで即時に診断するこ
とが可能である。図５に本発明の第２実施形態による検
出器に使われる検知素子の正面図を示す。
【００１９】分割部１ー４によって形成された第１検知
素子１２、および、分割部５ー８で構成された円環状の
第２検知素子１３に加えて、円環状で従前の素子の前方
に位置していて同じ対称軸を有する他の検知素子１
３'、１３"が見える。検知素子１３'、１３"は同様に、
円環状の分割部（それぞれ２９ー３２、３３ー３６）に
細分化されている。検知素子１３、１３'、１３"には中
心孔があって、この孔は、レーザビームの伝播軸に沿っ
て第１検知素子から遠ざかるにつれて口径が大きくな
る。このようにして入射レーザビーム９はいくつかの部
分に分割される。また、さらに強度分布分解能の精度向
上を図ることができる。検知プロセスが求める分解能に
話を戻すと、レーザビーム９の光学的パラメータの検知
に用いる検出器を作成するとき、検知素子の個数を最適
化することができる。
【００２０】これまで述べてきた検出器の検知素子は、
円対称のビームを持つレーザビームの特性を測定するの
に特に適している。異なる対称性を持つレーザビームを
測定するときは、レーザビーム断面と同じ形状の検出器
を使うのが望ましい。図６のプロフィル６０に示すよう
に、もしレーザビームの断面図がたとえば、矩形の場合
は検知素子は矩形孔を有する矩形のほうが望ましい。図
６は、図１の検出器１００と同様の検出器の正面図であ
るが、矩形の検知素子を有している。 図６では、中心
孔７０を有する第２検知素子６３が見えるが、その後方
には第１検知素子６２が存在する。特に、第１検知素子
６２は４つの象限７１―７４に、第２検知素子６３は４
つの同形状部７５―７８に分割されている。
【００２１】本発明のこの実施形態でもまた、入射レー
ザビーム６０は前述の検出器１００に見られたような類
似性を考慮すると、いくつかの部分に細分化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による検出器の軸平面方
向の断面図を示す。
【図２】図１の検出器に使われる検知素子の正面図を示
す。
【図３】図１の検出器に使われる検知素子の後方に設置
される多数の熱電対の配列を示す。
【図４】レーザ源内部の共振空洞内の高反射率ミラーの
後方に設置されている図１の検出器を示す。
【図５】本発明の第２実施形態による検出器に使われる
検知素子の正面図を示す。
【図６】本発明の第３実施形態による検出器に使われる
検知素子の正面図を示す。
【符号の説明】
１−４，５−８，２９−３２，３３−３６，７１−７
４，７５−７８ 等価領域 ９ 入射レーザビーム １２，６２ 第一検知素
子 １３，１３’，１３”，６３ 第二検知素子 １４
冷却回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラウラ セッリ イタリア、20146 ミラノ、ビア メタウ ロ、12 (72)発明者 ビンチェンツォ ファンティーニ イタリア、20099 セスト サン ジョバ ンニ（ミラノ）、ビア ドン ミンツォー ニ、133 (72)発明者 フラビオ フェレッティ イタリア、20133 ミラノ、ビア バルバ ッソリ ペローニ、61

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】入射レーザビーム(9)の実質的中心部分を
    遮るのに適した第一検知素子(12；62)と、当該レーザビ
    ームの中心部分に関し外側の環状部分を遮るのに適した
    少なくとも一つの第二検知素子（13；63）とを含むこと
    を特徴とする入射レーザビームの光学的パラメータを検
    出するための装置。
  2. 【請求項２】複数の第二検知素子（13,13',13''）を含
    み、そのそれぞれが、他の複数の第二検知素子により遮
    断される光線の環状部分から明白に区別されたレーザビ
    ームの環状部分のそれぞれを遮るのに適していることを
    特徴とする請求項１の検出装置。
  3. 【請求項３】前記第一および第二検知素子がそれぞれ複
    数の等価領域(1-4、5-8、29-32、33-36；71-74、75-78)
    に分割され、それぞれの領域がレーザビームの前記中心
    部分または前記環状部分のそれぞれの副部分を遮るのに
    適していることを特徴とする前記いずれか一つの請求項
    の検出装置。
  4. 【請求項４】前記第一検知素子(12；16)と前記少なくと
    も一つの第二検知素子（13、13'、13"；63）とがレーザ
    ビームの進行方向に沿って縦方向の順で配列されている
    ことを特徴とする前記いずれか一つの請求項の検出装
    置。
  5. 【請求項５】前記第二検知素子（13、13'、13"；63）が
    レーザビームに対して透明な中心部分を備えており、そ
    れらはレーザビームの進行方向から見て、前記第一検知
    素子(12；62)の前方に置かれ、前記第二検知素子（13、
    13'、13"；63）は前記第一検知素子(12；62)からの距離
    ともに増加する寸法の前記透明中心部分を有することを
    特徴とする請求項２または３の請求項４の検出装置。
  6. 【請求項６】前記第一検知素子(12；62)と第二検知素子
    （13、13'、13"；63）とが、レーザビームの進行方向に
    直角なレーザビーム自体の断面の対称性に等価な対称
    性、を有することを特徴とする先行請求項のいずれか一
    つの検出装置。
  7. 【請求項７】前記複数の領域(1-4、5-8、29-33、33-3
    6；71-74、75-78)が半導体材料で作られていることを特
    徴とする請求項６の検出装置。
  8. 【請求項８】前記複数の領域(1-4、5-8、29-33、33-3
    6；71-74、75-78)が入射レーザを吸収する物質で作られ
    ており、前記領域が温度上昇を電気信号に変換出来る感
    熱素子(11)少なくとも１個にそれぞれ関連付けられてい
    ることを特徴とする請求項６の検出装置。
  9. 【請求項９】前記感熱素子(11)が熱電対であることを特
    徴とする請求項８の検出装置。
  10. 【請求項１０】前記第一検知素子(12；62)と第二検知素
    子（13、13'、13"；63）とを互いに熱絶縁するため、冷
    却回路(14)を用いて互いに隔離されていることを特徴と
    する請求項７又は８の検出装置。
  11. 【請求項１１】前記冷却回路内を冷却流体(17)が循環す
    ることを特徴とする請求項10の検出装置。
JP10053424A 1997-03-07 1998-03-05 レーザビームの光学的パラメータ検出装置 Pending JPH10281863A (ja)

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IT97A000505 1997-03-07
IT97MI000505A IT1290576B1 (it) 1997-03-07 1997-03-07 Dispositivo per la rilevazione di parametri ottici di un fascio laser

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JPH10281863A true JPH10281863A (ja) 1998-10-23

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EP (1) EP0863390A1 (ja)
JP (1) JPH10281863A (ja)
IT (1) IT1290576B1 (ja)

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