JPS60256018A - 電磁放射ビームの予定特性を検出する方法および装置 - Google Patents
電磁放射ビームの予定特性を検出する方法および装置Info
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- JPS60256018A JPS60256018A JP60106793A JP10679385A JPS60256018A JP S60256018 A JPS60256018 A JP S60256018A JP 60106793 A JP60106793 A JP 60106793A JP 10679385 A JP10679385 A JP 10679385A JP S60256018 A JPS60256018 A JP S60256018A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G01J1/56—Photometry, e.g. photographic exposure meter using radiation pressure or radiometer effect
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-
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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。
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、電磁放射の検出、特に、高出力レーザー・ビ
ームの総出力または出力分布の測定に関する。
ームの総出力または出力分布の測定に関する。
(従来の技術)
高出力レーザ一番ビームの総出力の測定は、通常、ディ
ビス(Davies )およびビータ(Peter )
が1971年8月発行の[応用光学J (Applie
dOptics ) (Vol、 10 、NIL 8
、 pp1959/60 )に発表している方法によ
シ、熱量計を用いてビームを停止させて行う。しかし、
この方法による測定は作用中のビームには応用できす、
従って、レーザー・ビームがほとんど絶え間なく″オン
“の状態にあ゛る現在の生産行程には適さない。
ビス(Davies )およびビータ(Peter )
が1971年8月発行の[応用光学J (Applie
dOptics ) (Vol、 10 、NIL 8
、 pp1959/60 )に発表している方法によ
シ、熱量計を用いてビームを停止させて行う。しかし、
この方法による測定は作用中のビームには応用できす、
従って、レーザー・ビームがほとんど絶え間なく″オン
“の状態にあ゛る現在の生産行程には適さない。
(発明が解決しようとする問題点)
生産行程中のビーム測定には、レーザー・キャピテイの
中にビーム・スプリッタまたは半透明の一パック・エン
ド”鏡を据えつけた装置を用いる方法がとられている。
中にビーム・スプリッタまたは半透明の一パック・エン
ド”鏡を据えつけた装置を用いる方法がとられている。
どちらもレーザ出力の測定可能な一部を使って信号を発
生する方法である。
生する方法である。
また、最近では、上記の装置を用いる測定方法に代わっ
て、フライイング・ワイヤまたはチョツノ?−・ブレー
ドを使ってビームのごく一部を間欠的に検出器に反射さ
せる方法が発表されている。この方法によって発生され
る信号は、通常、出力の縦断面の形を取)、出力の測定
可能なロスを表わす。
て、フライイング・ワイヤまたはチョツノ?−・ブレー
ドを使ってビームのごく一部を間欠的に検出器に反射さ
せる方法が発表されている。この方法によって発生され
る信号は、通常、出力の縦断面の形を取)、出力の測定
可能なロスを表わす。
この新し、い測定方法のうち、特に複数のチョツノξ−
・ブレ・−ドを有する方法によれば、連続ノ々ワー・ビ
ームにノξルスを導入することができる1、この他、レ
ーザーで薄い鏡面上に温度の場を発生し熱電対を使って
これを測定する方法(米国特許第3,738,168号
〕、ビームの経路にガス膨張管オたは藁を設ける方法(
米国特許第4,325,252号、第4,381,14
8号、および、第3,487,685号)、および、ピ
ロ電気検出器を用いる方法〔シャーチャンーレーザーメ
イン インダストリJ(Charschan −La
5ers in 1nduatry、 pp 567−
569)がある。
・ブレ・−ドを有する方法によれば、連続ノ々ワー・ビ
ームにノξルスを導入することができる1、この他、レ
ーザーで薄い鏡面上に温度の場を発生し熱電対を使って
これを測定する方法(米国特許第3,738,168号
〕、ビームの経路にガス膨張管オたは藁を設ける方法(
米国特許第4,325,252号、第4,381,14
8号、および、第3,487,685号)、および、ピ
ロ電気検出器を用いる方法〔シャーチャンーレーザーメ
イン インダストリJ(Charschan −La
5ers in 1nduatry、 pp 567−
569)がある。
しかし、上記の方法はいずれも完全に満足すべき測定方
法とはいえない。米国特許第3,738.168号に記
載式れている装置は、レーザー・ビームを鏡面上に照射
し、その加熱効果によって測定を行なうので、高い熱慣
性を受けがちでちゃ、測定結果は鏡の大きさに応じて一
定時間鏡面上に照射されたレーザー・ビームの総和を表
わす。また、この方法では、鏡体内の散乱によシビーム
のイメージがほやけがちである。装置に薄い鏡を用いる
ものと限定すれば、この装置は一般に出力密度の低いレ
ーザー・ビームしか扱えない。ガス圧を検出する装置は
幾つか発表されているが、これらは通常、圧力振動を発
生するための/eルス・レーザー(米国特許第4,32
5,252号)、ガスの艙底を調整する手段(米国特許
第4.381,148号)、または、内部で圧力を徐々
に上昇させるための密閉したガス呈(米国特許第3.4
87,685号)を必要とする。ピロ電気検出器を使う
方法は、強誘電体の加熱を防ぐためにさい断した信号を
使わざるを得ない。
法とはいえない。米国特許第3,738.168号に記
載式れている装置は、レーザー・ビームを鏡面上に照射
し、その加熱効果によって測定を行なうので、高い熱慣
性を受けがちでちゃ、測定結果は鏡の大きさに応じて一
定時間鏡面上に照射されたレーザー・ビームの総和を表
わす。また、この方法では、鏡体内の散乱によシビーム
のイメージがほやけがちである。装置に薄い鏡を用いる
ものと限定すれば、この装置は一般に出力密度の低いレ
ーザー・ビームしか扱えない。ガス圧を検出する装置は
幾つか発表されているが、これらは通常、圧力振動を発
生するための/eルス・レーザー(米国特許第4,32
5,252号)、ガスの艙底を調整する手段(米国特許
第4.381,148号)、または、内部で圧力を徐々
に上昇させるための密閉したガス呈(米国特許第3.4
87,685号)を必要とする。ピロ電気検出器を使う
方法は、強誘電体の加熱を防ぐためにさい断した信号を
使わざるを得ない。
一番新しい提案は、英国特許第1,127,818号に
よるもので、電磁波を照射したときに圧電性結晶中に誘
導される充電効果を利用したものである。
よるもので、電磁波を照射したときに圧電性結晶中に誘
導される充電効果を利用したものである。
しかし、この熱量計を用いる方法性ビームを遮断するの
で行程中の測定には使用できない。さらに、この方法で
測定できるのは比較的出力密度の低いレーザー・ビーム
のみである。
で行程中の測定には使用できない。さらに、この方法で
測定できるのは比較的出力密度の低いレーザー・ビーム
のみである。
従って、本発明の目的は、従来技術の欠点のうち少なく
とも幾分かを克服し、製造が容易で、応答時間が速く、
従来の装置よシも性能が良好で、融通性に富んだ装置を
提供することにある。
とも幾分かを克服し、製造が容易で、応答時間が速く、
従来の装置よシも性能が良好で、融通性に富んだ装置を
提供することにある。
(問題点を解決するための手段)
本発明による電磁放射ビームの予定特性を検出す7る方
法は、ビーム経路に反射鏡を置く段階と、この反射鏡の
入射ビームに対する機械的応答を検出する段階とで構成
される。従って、本発明の実施例たる装置は、放射ビー
ムを反射するための反射鏡、および、反射鏡に入射する
ビーム(応答してビームの特性に応じた出力信号を発生
する電気機械変換器を有する。
法は、ビーム経路に反射鏡を置く段階と、この反射鏡の
入射ビームに対する機械的応答を検出する段階とで構成
される。従って、本発明の実施例たる装置は、放射ビー
ムを反射するための反射鏡、および、反射鏡に入射する
ビーム(応答してビームの特性に応じた出力信号を発生
する電気機械変換器を有する。
この変換器は、入射ビームによシ反射鏡内に誘導される
連続的な圧力また性周期的な振動、または、その両方を
検出できる感圧式の変換器とすることが好ましい。反射
鏡は、一般的なビーム処理システムに用いられる反射鏡
とすることができる。
連続的な圧力また性周期的な振動、または、その両方を
検出できる感圧式の変換器とすることが好ましい。反射
鏡は、一般的なビーム処理システムに用いられる反射鏡
とすることができる。
ビームの特性に蝶、例えば、出力密度を含めることがで
きる。我々は、変換器の出力信号の電圧レベルまたは周
波数、または、その両方を測定することで出力密度をモ
ニタできることを発見した。
きる。我々は、変換器の出力信号の電圧レベルまたは周
波数、または、その両方を測定することで出力密度をモ
ニタできることを発見した。
(発明の効果)
本発明による測定は反射鏡の性能には何の影響も与えな
いので、本発明のシステムは行程中の測定に特に適して
いる。本発明による計器は、反射鏡の使用によシ通常起
こシ得る以上のビームの遮断、歪曲、または、出力ロス
を伴わずに所要のビーム特性を測定すること、d!でき
る。
いので、本発明のシステムは行程中の測定に特に適して
いる。本発明による計器は、反射鏡の使用によシ通常起
こシ得る以上のビームの遮断、歪曲、または、出力ロス
を伴わずに所要のビーム特性を測定すること、d!でき
る。
反射鏡は入射ビームにはとんと瞬間的に応答するので、
システムの応答時間は極めて高速となる。
システムの応答時間は極めて高速となる。
さらに、変換器自体はビームと接触しないので高出力密
度のレーザー・ビームの測定が可能である。
度のレーザー・ビームの測定が可能である。
以下、添付図面をε照しつつ本発明の詳細な説明する。
(実施例)
wJ1図は、本発明の実施例を示す。第2図は、第1図
のシステムの反射鏡/変換器アセンソIJ (D断面図
である。第3図は、第1図および第2図のシステムの出
力信号を示す。
のシステムの反射鏡/変換器アセンソIJ (D断面図
である。第3図は、第1図および第2図のシステムの出
力信号を示す。
まず、第2図の全反射鏡10は、例えば、金めつき捷た
は磨き仕上げを施した鏡面11を有する銅のブロックで
構成され、圧電変換器12を備えている。変換器12は
スプリング13によシ鏡10の背面に圧着され、例えば
、真空グリース等の手段によシ音響工学的に結合される
。
は磨き仕上げを施した鏡面11を有する銅のブロックで
構成され、圧電変換器12を備えている。変換器12は
スプリング13によシ鏡10の背面に圧着され、例えば
、真空グリース等の手段によシ音響工学的に結合される
。
I!10の背面には変換器12をはめ込むための凹部が
設けてあり、アセンブリ全体は水冷式の取9つけリング
14の中に据えつけである。変換器12の出力信号は、
ライン15を介して送出される。
設けてあり、アセンブリ全体は水冷式の取9つけリング
14の中に据えつけである。変換器12の出力信号は、
ライン15を介して送出される。
第1図に概略的に示す通り、高出力のレーザー・ビーム
(> 100W/ sq 、cm 、)が反射面に当た
ると、変換器12は信号を検出し、この信号を前置増幅
器16゜信号処理装置17、および、記録装置18に送
る。
(> 100W/ sq 、cm 、)が反射面に当た
ると、変換器12は信号を検出し、この信号を前置増幅
器16゜信号処理装置17、および、記録装置18に送
る。
鏡10は、標準的なビーム処理システムに用いる反射鏡
とし、レーザー・キャビティ自体の内部に鏡を設置して
構成することができる。
とし、レーザー・キャビティ自体の内部に鏡を設置して
構成することができる。
検出された信号は、第3図にトレースAとして示される
。この信号は、応答時間が高速で、ビーム特性にシステ
マテイツクな振動をもたらす低周波の付加信号を有する
高周波信号である(高周波信号線図からは読み取れない
)、この高周波信号は、変換器12を鏡10の背面に設
置しても、冷却リング14の背面に設置しても、どちら
の構成でも検出できる。従って、本発明による信号の検
出は、レーザー・ビームの加熱効果によるものではなく
、鏡体内に誘導された機械的応力波によるものであるこ
とが明らかである。この機械的応力波は、レーザー・ビ
ーム内のりなシ周波数によるものと考えられる。ビーム
は、実際には、鏡面にぶつかって゛リンギング効果を発
生する。
。この信号は、応答時間が高速で、ビーム特性にシステ
マテイツクな振動をもたらす低周波の付加信号を有する
高周波信号である(高周波信号線図からは読み取れない
)、この高周波信号は、変換器12を鏡10の背面に設
置しても、冷却リング14の背面に設置しても、どちら
の構成でも検出できる。従って、本発明による信号の検
出は、レーザー・ビームの加熱効果によるものではなく
、鏡体内に誘導された機械的応力波によるものであるこ
とが明らかである。この機械的応力波は、レーザー・ビ
ーム内のりなシ周波数によるものと考えられる。ビーム
は、実際には、鏡面にぶつかって゛リンギング効果を発
生する。
場合によっては、変換器は鏡の機械的応答を伝達可能な
構成要素を用いて鏡に結合させてもよい。
構成要素を用いて鏡に結合させてもよい。
この伝達要素は、例えば、導波管またはエクスポネンシ
ャル・ホーンを有するものとすることができる。
ャル・ホーンを有するものとすることができる。
第3図には、比較のために、本発明の記録装置18から
得られる信号(トレースA)の他に、従来の熱量計によ
る測定で得られる信号(トレースB)が示さ扛ている。
得られる信号(トレースA)の他に、従来の熱量計によ
る測定で得られる信号(トレースB)が示さ扛ている。
第3図は、検出信号の振幅の変化を時間を逼って示した
図である。総測定時間は1時間20分(信号が記録され
ていないt2〜t3間を含む)、レーザーHTはtlで
スイッチ・オン、t6でスイッチ・オフされている。
図である。総測定時間は1時間20分(信号が記録され
ていないt2〜t3間を含む)、レーザーHTはtlで
スイッチ・オン、t6でスイッチ・オフされている。
t4〜t5間で冷却効果測定のためビームが鏡から偏向
されているが、何の効果も発見されていない。
されているが、何の効果も発見されていない。
実験から、出力<w号の電圧レベルは、レーザー源から
直接、または、作業片で背面反射した後に、鏡面に入射
される放射エネルギーの強度に応じて変化し、信号はビ
ームに対する変換器の寸法および位置に応じて変化する
ことがわかった。従って、本装置は、所定直径のレーザ
ー・ビームの強度をモニタするだめの出力密度計、ビー
ムの寸法または位置、または、その両方を測定する装置
、背面反射鏡モニタ、等の用途に使用することができる
。
直接、または、作業片で背面反射した後に、鏡面に入射
される放射エネルギーの強度に応じて変化し、信号はビ
ームに対する変換器の寸法および位置に応じて変化する
ことがわかった。従って、本装置は、所定直径のレーザ
ー・ビームの強度をモニタするだめの出力密度計、ビー
ムの寸法または位置、または、その両方を測定する装置
、背面反射鏡モニタ、等の用途に使用することができる
。
ビームの位置を測定する場合には、複数の変換器12を
クラスター化して用いることもできる。
クラスター化して用いることもできる。
信号処理装置17で検出信号の周波数を分析すれば、信
号の周波数スペクトル中の周波数ピーク、特定のビーム
のピーク、および、レーザー・キャビティの特性を検出
することも可能でおる。
号の周波数スペクトル中の周波数ピーク、特定のビーム
のピーク、および、レーザー・キャビティの特性を検出
することも可能でおる。
レーザー・ビームが集束すると、鏡11の焦点に近ずく
方向または焦点から離れる方向への動きに応じて出力信
号の電圧レベルが変化する。この変化は、作業片20を
焦点に対して正確に位置決めするだめのデータとして利
用できる。
方向または焦点から離れる方向への動きに応じて出力信
号の電圧レベルが変化する。この変化は、作業片20を
焦点に対して正確に位置決めするだめのデータとして利
用できる。
出力信号からは、反射面の品質も読み取ることができる
。従って、本装置を使えば反射面の品質を一定時間モニ
タすることが可能でおる。
。従って、本装置を使えば反射面の品質を一定時間モニ
タすることが可能でおる。
出力信号は、特にビームの出力密度および背面反射に対
して敏感に反応するので、ビームが作業片の表面21に
当たった後に鏡11へ背面反射するように装置を構成し
ておけば、作業片表面21の収束ビームに対する傾きを
検出することができる。特に、作業片の表面がビームに
対して垂直に置かれていない場合には、鏡面11の出力
密度が減少するので、変換器でこの減少を検出し、作業
片をビームに対して垂直に位置決めするためのデータと
することができる1、例えば、ビームを溶接のモニタと
して使う場合であれば、ピーク信号は溶接の品質が低い
ことを示し、ピーク信号が現われなければ溶接の品質が
高いことを示す。
して敏感に反応するので、ビームが作業片の表面21に
当たった後に鏡11へ背面反射するように装置を構成し
ておけば、作業片表面21の収束ビームに対する傾きを
検出することができる。特に、作業片の表面がビームに
対して垂直に置かれていない場合には、鏡面11の出力
密度が減少するので、変換器でこの減少を検出し、作業
片をビームに対して垂直に位置決めするためのデータと
することができる1、例えば、ビームを溶接のモニタと
して使う場合であれば、ピーク信号は溶接の品質が低い
ことを示し、ピーク信号が現われなければ溶接の品質が
高いことを示す。
作業片20は、第1図の位置に置く代わりに鏡の上流に
着くことも出来る。このケースでは、鏡に入射するビー
ムは、作業片から反射したビームまたは少なくとも一部
が作業片を通過したヒ゛−ムとなる。
着くことも出来る。このケースでは、鏡に入射するビー
ムは、作業片から反射したビームまたは少なくとも一部
が作業片を通過したヒ゛−ムとなる。
装[Kチョツノξを組み込んで、ビームのごく一部をい
つでも鏡11に入射させることができるように構成して
おけば、ビームの断面に関するデータを得ることができ
る。さらに、固定式壇たは可変式の開口部を設け、鏡1
1に到達する前にビームをブロックできるように構成し
ておけば、ビームの直径に関するデータやビーム中心の
正確な位置を得ることができる。
つでも鏡11に入射させることができるように構成して
おけば、ビームの断面に関するデータを得ることができ
る。さらに、固定式壇たは可変式の開口部を設け、鏡1
1に到達する前にビームをブロックできるように構成し
ておけば、ビームの直径に関するデータやビーム中心の
正確な位置を得ることができる。
圧電性結晶12は、検出信号の周波数に整合させである
。この周波数は、少なくともIKHz、通例10 KH
zを越える。代表的な値は、1.5MHzとなろう。
。この周波数は、少なくともIKHz、通例10 KH
zを越える。代表的な値は、1.5MHzとなろう。
第1図は、本発明のレーザー・ビーム%性モ=り・シス
テムの実施例を示す概略図である。 第2図は、第1図のシステムの鏡/変換器アセンブリの
断面図である。 第3図は、第1図および第2図のシステムの出力信号を
示すグラフである。 符号の説明 10・・・反射鏡 12・・・電気機械変換器特許出願
人 カンタム レイデー (ユーケー) リミテイド′
、 代 4 A 弁!+ ffl & H(!!(、、、、
’、。 手続補正書(自発) 昭和60年 6月19日 特許庁長官 志 賀 学 殿 1、本件の表示 昭和60年特詐願第106793号 2、発明の名称 電磁放射ビームの予定特性を検出する方法および装置3
、補正をする者 事件との関係 特許出願人 住 所 イギリス国、ロンドン ニスダブリュー1、チ
ェジャムストリート 23 名称 カンタム レイザー (ユーケー) リミティド
代表者 アニル シバデサニ 国籍 イギリス国 4、代理人〒105 住 所 東京都港区新橋3−5−2 新橋OWKビル5
階(1)明細書 尚、明細書および図面は浄書で内容に変更なし。
テムの実施例を示す概略図である。 第2図は、第1図のシステムの鏡/変換器アセンブリの
断面図である。 第3図は、第1図および第2図のシステムの出力信号を
示すグラフである。 符号の説明 10・・・反射鏡 12・・・電気機械変換器特許出願
人 カンタム レイデー (ユーケー) リミテイド′
、 代 4 A 弁!+ ffl & H(!!(、、、、
’、。 手続補正書(自発) 昭和60年 6月19日 特許庁長官 志 賀 学 殿 1、本件の表示 昭和60年特詐願第106793号 2、発明の名称 電磁放射ビームの予定特性を検出する方法および装置3
、補正をする者 事件との関係 特許出願人 住 所 イギリス国、ロンドン ニスダブリュー1、チ
ェジャムストリート 23 名称 カンタム レイザー (ユーケー) リミティド
代表者 アニル シバデサニ 国籍 イギリス国 4、代理人〒105 住 所 東京都港区新橋3−5−2 新橋OWKビル5
階(1)明細書 尚、明細書および図面は浄書で内容に変更なし。
Claims (8)
- (1) ビームの経路に反射鏡を設置する段階と、入射
ビーム中の高周波信号に対する反射鏡の機械的応答を検
出する段階とから成る電磁放射ビームの予定特性を検出
する方法。 - (2)%許請求範囲第1項記載の電磁放射ビームの予定
特性を検出する方法に於いて、入射ビー・ムが放射源か
ら直接入射するビームであることを特徴とする方法。 - (3)特許請求範囲第1項記載の電磁放射ビームの予定
特性を検出する方法に於いて、入射ビームが、ビーム経
路中に配置された作業片から反射して入射するか、また
は、作業片を透過して入射し、前記作業片が反射鏡の上
流に配置されることを特徴とする方法。 - (4)特許請求範囲第1項記載の電磁放射ビームの予定
特性を検出する方法に於いて、入射ビームが、反射鏡の
下流に於いてビーム経路中に配置された作業片から背面
反射して入射することを特徴とする方法。 - (5)電磁放射ビームを反射する反射鏡と、反射鏡に入
射するビームに応答してビームの%性に応じた出力信号
を提供する電気機械変換器とを有する、電磁放射ビーム
の予定特性を検出する装置。 - (6)%許請求範囲第5項記載の電磁放射ビームの予定
特性を検出する装置に於いて、変換器が感圧変換器であ
ることを特徴とする装置。 - (7)特許請求範囲第6項記載の電磁放射ビームの予定
特性を検出する装置に於いて、感圧変換器が圧電性結晶
からなることを特徴とする装置。 - (8)特許請求範囲第5項〜第7項のいずれか1項に記
載の電磁放射ビームの予定特性を検出する装置に於いて
、変換器が反射鏡の表面に対向し′?1=配置されるこ
とを特徴とする特許(9)特許請求範囲第8項記載の電
磁放射ビームの予定特性を検出する装置に於いて、変換
器が反射鏡の表面に弾力的に圧着されることを特徴とす
る装置。 顛 特許請求範囲第5項〜第9項のいずれか1項に記載
の電磁放射ビームの予定特性を検出する装置に於いて、
ビームがレーザー・ビームであシ、反射鏡がレーザー・
キャピテイ内部に設置されることを特徴とする装置。 Qυ 特許請求範囲第5項乃至第10項のいずれか1項
に記載の電磁放射ビームの予定特性を検出する装置に於
いて、前記装置が複数の変換益金さらに有し、前記複数
の変換器を、その合成出力がビームの寸法または位置、
または、その両方を示する如く配瞳することを特徴とす
る装置。 04 特許請求範囲第5項乃至第11fAのいずれか1
項に記載の電磁放射ビームの予定特性を検出する装置に
於いて、前記装置が変換器の出力信号の電圧レベルまた
は周波数、または、その両方を検出する手段をさらに有
することを特徴とする装置。
Applications Claiming Priority (2)
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GB8412832 | 1984-05-18 | ||
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- 1985-05-15 US US06/734,179 patent/US4704030A/en not_active Expired - Fee Related
- 1985-05-15 DE DE19853517545 patent/DE3517545A1/de not_active Withdrawn
- 1985-05-18 JP JP60106793A patent/JPS60256018A/ja active Pending
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GB8412832D0 (en) | 1984-06-27 |
GB2158942A (en) | 1985-11-20 |
GB8512214D0 (en) | 1985-06-19 |
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