JPS6015528A - レ−ザビ−ム特性測定方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はレーザ発生装置から出力されるレーザビームの
強朋（レーザパワー）や強度分布の測定法に係り、特に
、レーザ共振器の出力鏡の散乱光やレーザビーム伝送路
に設けられた光学素子の散乱光を利用した３１１１尾法
に関する。

〔発明の背景〕

本発明は加工などに用いら九る高出力レーザ発生装置に
過用可能でるるか以下、その伐根であるＣ（Ｊ２　ガス
レーザにおいて説明する。

第１図は従来のレーザパワー測定方法を示すものである
。レーザ発生装置１から出力されるレーザビーム２は反
射鏡３により進行方向全変更され、さらに反射鏡４によ
り、受光素子５に導かれ、パワーメータ６にその値が表
示される。

一方、レーザビーム２によって加工を行なう場合は、駆
動装置７により、反射鏡４をレーザビーム伝送路外に移
動し、集光レンズ８によりレーザビーム２を集光し７、
被加工物９に照射する。したがって、この方法では被加
工物を加工している状態ではレーザパワーの測定が困難
であり、加工中にレーザパワーが変動した場合、加工に
むらを生じても、原因がつかめないという欠点がある。

第２図は被加工物を加工中でもレーザパワー金測定でき
る方法である。すなわち、ビーム伝送路途中にビームス
プリッタ１０を配置し、レーザビーム２の一部′ｆｌ：
取出し、受光素子５、パワーメータ６により、取出した
レーザパワーを測定し、さらにビームスプリッタ１０の
反射率からレーザビーム２の全体のレーザパワー全求め
るものである。

ビームスプリンタ１０を通過したレーザビーム１１は集
光レンズ８により集光され被加工物９に照射されるので
加工しながらレーザパワーの測定ができる。しかし、レ
ーザビーム２０強度が大きくなるとビームスプリッタ１
０自身の損失により加熱され破壊する。このため、この
方法は高出力レーザには適用できないという欠点がある
。寸た、受光素子は光のパワー測定なので、一般には０
．１　Ｗ以下のパワーの測定を　とする。従って例えば
１１ぐＷのＣ０２レーザは１／１００００に減衰させる
必要がある。この減衰のための光学系の減衰率が不安定
なので、信頼性の高い強駁分布測定は困難であった。

次にレーザビームの強度分布の測定について述べる。従
来レーザビームの強度分布は、アクリル板にレーザビー
ムを照射し、その痕跡からめていた。これはレーザビー
ムをアクリル板に照射するとアクリルがレーザビームの
強度に応じて昇華するため、その痕跡から強度分布の概
略全知ることができるものである。（以下このような方
法によって（８だヒーム強度のパターンをバーンバ２−
ンと呂９゜ン従って、この方法では、レーザビーム？芒
えきるため加工している状態では強度分布をめることが
できない。１だ、昇華し７た痕跡がら強１１−分布をめ
るため、連続的なＩｊｌｌｌ別が困難であるという欠点
があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、高出力レーザを用いた場合でも被加工
物を加工している状態でそのレーザパワーを測定でき、
さらに、そのレーザビームの強度分布全連続的に測定で
きる測定方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は上記目的達成のため、レーザビーム伝送路途中
に設けられている光学素子に生じる散乱光に着目し、こ
の散乱光がレーザビームの強問に比例し、さらに光学素
子表面のあらさがほぼ均一なことから、散乱光を結像さ
せた場合、その像はレーザビームの強度分布に対応した
像になること全実験的に確認し、この散乱光を用いてレ
ーザビームの強度（レーザパワー）、強度分布を測定す
るようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図〜第１６図により説明
する。散乱光を得る光学素子としてはレーザ共振器出力
鏡、反射鏡、凹面鏡、凸面鏡、しンズなどがβるがこれ
らは反射鏡の場合とほぼ同様なので以下、反射鏡の場合
について説明する。

第３図はレーザビームでの光路変更を目的として設けら
ｔ″した反射鏡３の表面でのレーザビーム２の散乱光１
２全説明したものである。光学素子として用いられる反
射鏡３は十分に研摩され巨視的には平面である。しかし
、理想平面ではなく微視的には凹凸全治する。したがっ
て、反射鏡３に入射するレーザビーム２の大部分は、反
射鋤３を平面とした場合の反射の法則に従う方向へ反射
され、レーザビーム２とほぼ同等のパワーおよび強度分
布を有するレーザビーム１３となるが一部は異なる方向
へ反射され散乱光１２となる。この散乱光１２の強さは
反射＠３の微視的な凹凸とレーザビーム２の強さによっ
て決壕るが反射鏡３は全面？同一の方法で研摩されてお
り微視的な凹凸は巨視的に見ればほぼ均一に分布してい
る。このことにより、散乱光１２の強度分布は入射レー
ザビーム２の強度分布にほぼ対応する。又、この散乱光
１２の強度はレーザビーム２の強度に比例する。よって
この散乱光１２’に検出器１６にエリ測定することにエ
リレーザビーム２の強度に比例した信号を倚ることがで
きる。しかも、十分に研摩さｆ′した金緘鏡の散乱光は
０．１％オーダーであり、受光素子に入射する光はその
一部である。したがって一般に使用でれている信頼性高
い受光素子の対象とする出力範囲に一致し、減衰光学系
が不要である。

Ｃ（Ｊ２　レーザでは検出器としてサーミスクホロメー
タやチョッパと組付せた焦電型センサ等を使用すること
により散乱光１２を直接検出できる。以上のように本実
施例によしは、レーザビームの光ｒ６変更のために設け
ら′７″した反射鏡の散乱光を測定することにより、レ
ーザビームのパワーを測定できるという効果がろる。

第４図は散乱光１２の集光及び測定領域の限定７行なう
目的で結像レンズ１４を設けたものである。レーザ発生
装置１から出力されたレーザビーム２は反射鏡３によっ
て光路変更され、集光レンズ８により集光されて抜力０
工物９に照射される。

反射鏡３からの散乱光１２は結像レンズ１４により像面
１５に結像させ、像面１５丑たはその近辺に設けた検出
器１６により像１７０強度全測定する。この場合、検出
器１６の受光部１６′よりも像１７の方が太きいと第５
図に示すように検出器１６は稼１７の一部だけ全測定す
ることになる。レーザビーム２の強度分布が常に一定で
あれは像の一部を測定することにより全体のレーザノく
ワーに比例した信号を得ることができるが一般にはレー
ザ共振器の熱変形などにぶりレーザビーム２の強度分イ
０は変化する。したがって、像１７の一部だけを測定し
たのでは誤差を生じる場合がめる。このように、レーザ
ビーム２の強度分布が変化する場合には、第６図に示す
工うに検出器１６の受光部１６′の大きさよりも像１７
の大きさを小さくし、像１７全体を取込むことにより誤
差を除去できる。

捷だ、集光レンズの径？大きくすることにより、１象１
７の強度を増大できる。以上のように、本実施例によｆ
′Ｌは、レンズで結像することにエリ、散乱光音集光で
き、Ｓ／Ｎ比を改讐できる。ｔｙｃ、散乱光の像全体を
検出器に取込むことができ、レーザビームの強度分布の
変化に影響されない？１１１Ｉ足ができるという効果か
める。

第７図は横軸に径方向、縦軸に強度を示したレーザ発生
装置から出力されるレーザビームの強度分布の一例であ
る。一般に言われるレーザビーム直径ａはそのレーザパ
ワーの８７％ｔ：１−ｅ”）まｆｃは９８係１：１−ｅ
−’）を含む直径、捷たはノく一ンバタ・−ンからめら
れる。この場合、レーザビーム直径ａの外周にも広い範
囲に微弱ではあるがレーザ光１９が存在する。一方、レ
ーザビーム２全加工などに使うときの反射鏡３や集光レ
ンズ８は前記レーザビーム直径ａに基づいて設計される
。このｉめ、レーザビーム２の外周のンーザ光１９は反
射鏡３からはずれ、その外周の押え金具２０なとに当り
反射される。この様子を示したのが第８図でめる。レー
ザ光１９はレーザビーム２に比べて微弱で必る。しかし
、押え金具２０は鏡面ではないので、はとんどのパワー
が散乱するので反射光２１はレーザビーム２の散乱光１
２と同等またはそ扛以上の強度になりうる。押え金具２
０による反射光２１はレーザ光１９によるものの他に、
被加工物１９の反射光によるものもめる。このため結像
レンズ１４による像面１５での像は第９図に示すように
レーザビーム２の散乱光１２による像１７と押え金具２
０からの反射光２１による像１８を生じる。これらの像
のうちレーザビーム２のレーザパワーに比例するのは像
１７である。

したがって検出器１６の受光部１６′内に像１８の一部
が含まれた場合それは誤差となる。

第１０図はレーザ光１９、被加工物９からの反射光２２
による不具合ケ解消するための一実施例である。レーザ
発生装置ｌがら出力さ九るレーザビーム２は反射鏡３に
より光路を変更し、集光レンズ３により集光され被加工
物９に照射される。

レーザビーム２の外周のレーザ光１９の中で反射麻３の
有効外径よりも外に向うレーザ光１９′はし２１１ジ２
１によりさえさ“られる。また、被加工物９からの反射
光２２の中で反射鏡３の有効外径よりも外に向うレーザ
光２２′はしほり２３によりさえき゛られる。よって結
像レンズ１４によって像面１５に生じる像はレーザビー
ム２の散乱光１２による像１７たけとなり、検出器１６
はレーザビーム２の強度に比例した信号を得る。以上本
実施例によれば押え金具２０からの反射光がなくなるた
め精度良くレーザパワーを測定できるという効果がある
。

第１１図はレーザ光】９、仮加工物９からの反射光２２
による不具合を解消するための異なる一実施例である。

レーザ発生装置１刀・らの出力レーザビーム２は反射鏡
３により光路を変更さ扛、集光レンズ８により集光され
て被加工物９に照射される。レーザビーム２の外聞のレ
ーザ光１９、被加工物９からの反射光２２の一部は押え
金具２０により反射され結像レンズ１４に入射する。こ
の結果像面１５に結像しようとするが視野しほり２３を
設げたことにエリ検出器１６には入射しない。

以上のように本実施例によ九ば、検出器の前に視野しぼ
りを設け、検出器からの視野を反射鏡３の有効径以内に
することにより、反射鏡３の押え金具２０などからの反
射光による誤差を除去できるという効果がある。

第１２図は被加工物９からの反射光２２の反射鏡３にお
ける散乱光２４の影響を小さくするための一実施例であ
る。レーザ発生装置１からのレーザビーム２は反射鏡３
により光路を変更し、集光レンズ８により集光さ’ｎ被
加工物９に照射される。

このとき、照射さｎたレーザ光の一部は被加工物９によ
り反射され、集光レンズ８を通って反射鏡３に照射をれ
、反射されてレーザ発生装置１の方向−＼向つ。すなわ
ち、レーザビーム２と逆行する。

このため、反射鏡３では、レーザビーム２による散乱光
１２と反射してきたレーザ光２２による散乱光２４を生
じる。一方散乱光には指間性があるため、この２つの光
による散乱光１２．２’４の方向成分による強度分布は
異なる。この様子會示したのが第１３図である。すなわ
ち、反射面においては、散乱光は入射した光の反射光軸
方向において強く、反射光軸からの角度が大きくなるに
したがい弱くなる。また、被加工面からの反射光２２で
反射鏡３に至る光はレーザビーム２の強要に比べ十分弱
い。したがって、レーザビーム２の反射鏡３での入射光
と反射光の成す角の中間において、散乱光を用いてレー
ザーパワーを測定しても、被加工物９からの反射光２２
による散乱光の影響は十分小さい。検出器１６をざらに
レーザビーム２の反射光軸方向に近つけることにより、
すなわちθを小さくすることにより散乱光２４の影響（
ｉｌ−キらに小さくできる。以上本実施例によれば、散
乱光の検出器＊　ａｔ定しようとするレーザビームの入
射光軸と反射光軸の中間よりも反射光ＩＩ！ｌｌＩ側に
設けることにより、逆行してくる反射光の散乱光の影Ｖ
を小さくできるという効果がある。

〔発明の効果〕 本発明によ′Ａは、測定時にレーザビームをさえき゛る
必要がないので被加工物を加工している状態でレーザパ
ワー、レーザビームの強度分布を測定できるという効果
がある。また、銅し−サバヮーの高い金ｐＡ鏡の散乱光
を利用できるので高出力レーザにも適用できるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来例の説明図、第３図、第４図は一
実施例、第５図、第６図は一実施例の補足説明図、第１
０図、第１１図、第１２図は一実施例、第７図、第８図
、第９図、第１３図は一実施例の補足説明図。 １・・・レーザ発生装置、２・・・レーザビーム、３・
・・反射鏡、１２・・・散乱光、１４・・・結像レンズ
、１６・・・塗出器。 代理人　弁理士　高橋明夫 第　１　口 第　２　肥 第　、り　口 草　。。　第５０ 邑 第　７　口 第　８　図 第　９　口 早　１２　日 ＄　７３　虐 第１頁の続き ０発　明　者　和田昭 日立市幸町３丁目１番１号株式 ％式％ 日立市幸町３丁目１番１号株式 会社日立製作所日立研究所内 ０発　明　者　矢野真 日立市幸町３丁目１番１号株式 ％式％

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　レーザ共振器の出力鏡でのレーザビームの散乱光
   、あるいはレーザビーム伝送路に設けた光路変更、レー
   ザビーム拡大あるいは縮小、ビーム集光あるいは発散す
   るための光学素子でのレーザビームの散乱光のいずれか
   １つ、またはこれら散乱光の観敬全用いて、レーザ発生
   装置から出力さ扛るレーザビームの強度、′または強度
   分布のイツレか１つ、または両方？測定することを特徴
   とするレーザビーム特性測定方法。 ２　第１項記載のレーザビーム特性測定方法において、
   前記散乱光全結像させる光学系を設け、その保全間に受
   光素子を設けたことを特徴とするレーザビーム特性測定
   方法。 ３、第２項記載のレーザビーム特性測定方法において、
   ｇｉＪ記光平光学系リ結像きせるレーザビームに対応す
   る像ｋ　ＭｊＪ記受光受光素子光部Ｊ：ｖも小さくした
   ことを特徴とするレーザビーム特性測定方法。 ４、散乱光を得る光学素子として反射鏡を用いた爾２項
   紀載のレーザビーム特性測定方法において、レーザビー
   ムの入射光軸または出射光軸またはその両軸上に、反射
   鏡の有効範囲以下のしほりを設けたことを％徴とするレ
   ーザビーム特性測定方法。 ５、第２現記載のレーザビーム特性測定方法において、
   前記受光素子の入射光側に視野絞り全般は受光素子から
   の視野を前記散乱光を得る光学素子の有効範囲以内とし
   たことを特徴とするレーザビーム特性測定方法。 ６、散乱光を得る光学素子として反射鏡凹面鏡、必るい
   は凸面鏡を用いた第２項記載のレーザビーム特性測定方
   法において、レーザビームの入射光軸と反射光軸の交点
   に反射面に垂直に立てた法線分含み、入射光軸と反射光
   軸を含む平面に垂直な平面を考え、この平面を含む反射
   光軸側の壁間に前記光学系と受光素子を設けたことを％
   徴とするレーザビーム特性測定方法。 ７、第１項記載のレーザビーム特性測定方法において、
   前記散乱光を結像させる光学系を設け、その像面に撮像
   素子を設けたことを％徴とするレーザビーム特性測定方
   法。