WO2017209277A1

WO2017209277A1 - 減衰量可変の光減衰器を用いたレーザ出力制御装置

Info

Publication number: WO2017209277A1
Application number: PCT/JP2017/020608
Authority: WO
Inventors: 孝之沼田
Original assignee: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2017-12-07
Also published as: JP6627159B2; JP2019208063A; JPWO2017209277A1; JP6846752B2

Abstract

本発明の光出力制御装置は、対向面を互いに密着した状態で、それぞれステージＳＡ、ＳＢ上に充填材を介して固定した２つのプリズムＡ、Ｂと、ステージＳＡ、ＳＢの少なくとも一方を駆動し、プリズムＡ、Ｂの対向面を平行に維持した上で、対向面間の距離を調節するアクチュエータを駆動する駆動回路５と、プリズムＡもしくはプリズムＢを出射するレーザ光の出力を検出する光センサ３を備えている。演算制御装置４は、光センサ３の検出信号に基づいて、アクチュエータ駆動回路５によりアクチュエータを制御し、プリズムＡ、Ｂの一方で全反射するレーザ光と、プリズムＡの底面で発生した近接場光をプリズムＢの底面に結合して抽出し、両プリズム双方を透過するレーザ光の比率を制御する。これにより、レーザ光の出力制御装置、出力変動抑制装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

Description

減衰量可変の光減衰器を用いたレーザ出力制御装置

　本発明は、減衰量可変の光減衰器を用いたレーザ出力制御装置に関する。

　レーザ光は、加工装置や医療機器などの分野で広く活用されており、技術の高度化や安全の確保のため、レーザの出力（パワー・エネルギー）を精密に制御することが求められている。
　一般に、レーザ出力を制御するには、レーザ装置自身においてレーザ励起電流を調整することでレーザ発振の出力を制御したり、レーザ装置の外部に設置した光減衰器を調整することで所望の出力になるように制御することが知られている。
　レーザ発振の出力制御では、電流の制御分解能の制限により得られるレーザ出力が階段状の変化を生じたり、レーザ装置自身の発熱が出力の不安定化の原因となるなど、高精度な制御を実現するのは困難である。
　そこで、精密な出力調整を必要とする場合には、レーザ装置から出射した後の光路中に吸収フィルタ、反射板、偏光分離素子などの、光を減衰させる素子を設置し、素子を通過するレーザ光の出力を変化させ、所望の値へ調整するのが一般的である。

　また、これらの減光素子をアクチュエータ等と組み合わせ、外部信号によって光の減衰量を制御することで、素子を通過する光の強度を能動的に変化させるシステムも提案されている。
　こうしたシステムでは、濃度に勾配をつけた吸収フィルタを動かしてレーザ光の入射位置を変化させたり、基板を回転させレーザ光の入射角度を変化させたり、光の偏光方位を回転させつつ偏光分離素子を透過させたりするなどして、光の量を変化させているが、いずれも、高強度なレーザ光への適用は困難であった。

　すなわち、吸収フィルタ型は、レーザ光の吸収による発熱により容易に損傷するため、高強度なレーザ光の減衰装置としては適していない。
　また、透明基板を回転させ、基板材料と周囲の屈折率差により生じる反射率の角度依存性を利用するタイプは、耐久性は高いものの、反射率に強い偏光依存性があるため、通常無偏光やランダム偏光が使用されている、高強度レーザに対しては特性が定まらず、減衰器として機能し得えない。
　また光の偏光方位を回転させるタイプは、偏光素子の耐久性が低いうえ、制御対象の光は直線偏光に限られるという制約条件があるため、ファイバレーザに代表されるランダム偏光の産業用高出力レーザには適用できない。仮にレーザ耐力が高い偏光素子が存在したとしても、直線偏光成分のみを分離抽出することにより、制御対象のレーザ出力は必然的に元のレーザ出力の半分以下となる。このような出力の損失は、レーザ加工など、より高いレーザ出力が求められるアプリケーションではエネルギー効率の観点からも望ましくない。

　このように、既存のレーザ出力の調整・制御技術は、いずれも耐久性の低さや制御対象が限定されるなどの技術的な課題があり、現時点では、高強度でかつ多種多様な偏光状態を持つ、産業用高出力レーザにおいては、高精度に出力を制御する有効な手段が存在していない。
　このため、例えばレーザ加工の現場では、朝晩や季節による温度変化、装置の運転状況や余熱の具合によって時々刻々と起こるレーザ出力の変動を抑制することは困難とされていた。レーザ加工において、その出力が不安定になれば、加工状態も不安定になり、製品の品質や歩留まりの低下を招くことから、加工用等の高出力レーザ光を、高精度に安定化する技術や所望の値に自在かつ精密に制御する技術が強く求められていた。

　ところで、高強度なレーザ光に対し耐久性の高い光学素子を構築するには、光吸収の小さい材料を用いて素子自体の発熱を低減すればよい。すなわち、減光の原理を光吸収ではなく素子の反射・透過に基づくものとすればよく、このように光吸収の小さい材料を用いて光の減衰量を可変とする手段として、プリズムなどによる近接場光の結合特性を利用することが考えられる。

　特許文献１には、ビームスプリッタからモニタ光を光検出器で検出し、レーザ出力を安定化させることが記載されている。
　特許文献２には、凸レンズと直角プリズムとの間でエバネッセント光を発生させ、凸レンズの凸面形状に応じたレーザ強度分布を得ることが記載されている。
　非特許文献１には、波長が数センチメートルの電波を用い、エバネッセント波（光）の発生・結合により透過率と反射率を可変させることが記載されている。

特開平５－１４５１６３号公報特開２００９－２７３２５号公報

J.J. Brady, et al., "Penetration of Microwaves into the Rarer Medium in Toral Reflection", J. Opt. Soc. Am, Vol.50, No.11, pp.1080-108　　4, 1960.

　近接場光の結合特性を利用した光の減衰について、図１を用いて説明する。
　プリズムＡの内部から斜面に対し全反射となる角度で光を入射すると、斜面の外側には近接場光（エバネセント光）が発生する。この近接場光は、斜面（近接場光の発生面）近傍から波長程度の範囲に局在し、発生面の法線方向へは伝搬しない性質を持っている。近接場光の強度はプリズムＡの発生面の表面で最も大きく、発生面からの距離に従って指数関数的に減衰する。ここで近接場光の到達距離（浸み出し長）ｄ_ｐは、光の波長をλ、プリズムの屈折率をｎ_１、周囲の屈折率をｎ_２、プリズム斜面へのレーザ光の入射角をθ_ｉｎとすると、次式で与えられる。
　　　ｄ_ｐ＝λ／２π／（ｎ_１ ^２・ｓｉｎ^２θ_ｉｎ－ｎ_２ ^２）^１／２

　ところで、近接場光の存在する領域に光を散乱させる物体を近づけると、近接場光は物体に結合し、局在性を失って空間を伝搬するようになる。この空間伝搬光の強度は、散乱体の位置に於ける近接場光の強度に依存する。このときプリズムＡ内に反射する光の出力は、入射光の出力から上記伝搬光の出力を差し引いた値となる。すなわち、プリズム材料の光吸収が無視できる場合、入射光の出力をＰ_ｉｎ、反射光の出力をＰ_ｒ、散乱された伝搬光の出力をＰ_ｔとすると、次の関係が成り立つ。
　　　Ｐ_ｉｎ＝Ｐ_ｒ＋Ｐ_ｔ
　散乱体としてプリズムＢを導入し、その斜面を結合面とすると、プリズムＡへの入射光Ｐ_ｉｎを、プリズムＡへの反射光Ｐ_ｒとプリズムＢへの透過光Ｐ_ｔとに分岐する光分配器（ビームスプリッタ）が形成される。

　近接場光を発生、結合させるプリズムＡ、Ｂの斜面を、一対の「対向面」と呼ぶこととすると、この対向面の間の距離を変化させることで、プリズムＡへの反射率およびプリズムＢへの透過率を、原理的にはそれぞれ、１００％～０％および０％～１００％の間で調整可能である。
　また、プリズムＡ内部から斜面への光の入射角θ_ｉｎを変化させると、近接場光の浸み出し長が変化し、プリズムＢの結合面に到達する光の強度が変化する。これによっても同様に、反射率および透過率の調整が可能である。

　図２は、プリズムＡ、Ｂを光学ガラスＢＫ７からなる直角プリズムとし、レーザ波長１．１μｍとした場合の、プリズムＡ、Ｂの対向面間の距離［ｎｍ］に対する反射率および透過率の変化を示すもので、線は理論値、プロットは実験値を示す。入射角は４５°に設定している。
　一方、図３は、プリズムＡの斜面への入射角の調整によって近接場光の浸み出し長を変化させた場合の透過率の変化（線：理論値、プロット：実験値）を示す。

　この原理に基づけば、光吸収の無い透明な材料で、透過率や反射率を調整する光減衰器を構築できることから、従来の課題であった高強度なレーザ光に対する耐久性が期待できる。すなわち、上記の間隔や角度を調整する機構を用い、レーザ光の出力を検出し減衰量の設定にフィードバックするシステムを構築すれば、レーザ光の出力を高い精度で一定値に維持したり、所望の値に迅速に変化させるなどの操作が可能となり、高強度なレーザ光にも適用可能なレーザ出力制御装置が実現できる。

　しかし、この原理に基づき反射・透過率の制御を行うには波長レベルのオーダで近接場光の発生面と結合面間をアライメントし、距離を設定することが求められることから、これまで、制御対象が波長の長い赤外線や電波などに限られていた。すなわち、産業需要の高い可視～近赤外線レーザ光に適用するには、ナノメートルオーダの光学アライメントを必要とし、熟練者による高度な調整技能や、精密な多軸（並進、あおり）ステージや治具、アクチュエータ等の設備が不可欠で、小型化が難しいうえ時間やコストを要することから、これまで実用化の障壁となっていた。

　そこで、本発明の目的は、可視～近赤外波長域における近接場光結合型の光減衰器の構築に不可欠な光学アライメントの高精度化と低コスト化を両立させ、当該波長域の高強度レーザに適用可能な、耐久性の高い減衰量可変の光減衰器に基づくレーザ光出力制御装置を実現するとともに、この装置の小型化、低コスト化、高性能化を実現することにある。

　この課題を解決するため、本発明のレーザ出力制御装置においては、対向面を直接あるいは所定の厚さを有するスペーサを介して密着させることで、対向面間の距離が初期設定された２つのプリズムＡ、Ｂと、前記プリズムＡ、Ｂの対向面間における近接場光の発生と結合によって、前記プリズムＡ、Ｂを出射する光出力の比率を調節する調節機構と、前記プリズムＡ、Ｂを出射する光の出力値を検出する光センサと、前記センサの検出信号に基づいて、前記調節機構を制御し、前記プリズムＡ、Ｂを出射する光出力の比率を変化させるようにした。

　本発明によれば、プリズムＡ、Ｂにおける近接場光の発生面と結合面を、高精度に、しかも、高度な熟練技術を要することなくアライメントすることができ、産業需要の高い可視～近赤外波長の高強度レーザにも適用可能な、耐久性の高い減衰量可変の光減衰器、ならびにこれを用いたレーザ出力制御装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

図１は、近接場光の発生と結合による反射・透過率の制御の基本原理を示す図である。図２は、プリズムＡ、Ｂのアライメントにおける対向面間距離［ｎｍ］に対する系の反射・透過率の変化を示す図である。図３は、プリズム対向面への入射角［°］に対する系の透過率の変化を示す図である。図４は、実施例１によるプリズムＡ、Ｂのアライメントにおける平面図である。図５は、実施例１によるプリズムＡ、Ｂのアライメントにおける対向面に沿った方向からの側面図である。図６は、実施例１による減衰量可変の光減衰器を用いたレーザ光の出力制御システムの一例を示す図である。図７は、プリズムＡ’、Ｂ’の対向面間距離を確定させることにより形成したビームサンプラの一例を示す図である。図８は、意図的に±１０％程度のステップ的およびドリフト的な擾乱を与えた際のレーザパワーの変動（制御システム入射前）と、実施例１を適用してこの擾乱を抑制した際のレーザパワー変動（制御システム出射後）の比較図である。図９は、プリズムＡ、Ｂを、外部信号により変形するアクチュエータ素子７を介して固定することで対向面間距離を調整し、透過（反射）率を可変とする実施例２の平面図である。図１０は、ビームサンプラを一体化した実施例３の構成例を示す図である。図１１は、近接場光発生面への光入射角を変化させる実施例４の構成例を示す図である。図１２は、直角プリズムＡの脚面に垂直に入射する角度を基準に、回転ステージを±１５°の範囲で稼働させた場合の、透過光強度の変化を示す図である。図１３は、半円筒状のプリズムＡ、Ｂを、スペーサ６を介在させて円筒体とし、固定された透明軸受素子９の円環状空間に納めつつ、プリズムＡ、Ｂの円筒体を回転させることで対向面への入射角を可変とする、実施例４の減衰器構造を示す図である。図１４は、実施例４による減衰量可変の光減衰器を用いたレーザ光出力制御システムの構成例を示す図である。図１５は、多角形プリズムを採用した例を示す図である。図１６は、プリズムＡ、Ｂの対向面間に、くさび形等の空間的な変化を与え、レーザ光の入射位置により減衰量を可変とした実施例５を示す図である。

　［実施例１］
　実施例１は、プリズムＡ、Ｂの対向面間の距離を可変ステージにより変化させることでレーザ光の出力制御を行うものである。
　まず、プリズムＡ、Ｂのアライメントについて、図面を用いて説明する。
　図４、図５は、それぞれプリズムＡ、Ｂのアライメントにおける平面図および対向面に沿った方向からの側面図を示す。なお、この実施例では、プリズムＡ、Ｂとして、同形状の直角プリズムを用い、図４において斜辺を形成するプリズムＡ、Ｂの面（底面）を互いに対向させて配置し、それぞれ近接場光の発生面および結合面としている。

　アライメントを行う際は、まず、プリズムＡ、Ｂの対向面同士を互いに密着させる。この状態は、プリズムＡの近接場光発生面とプリズムＢの近接場光結合面の間で各軸のアライメントが最適化され、対向面間の距離が最小で、かつ対向面間の平行度が最大の理想的な状態に相当する。
　次いで、アライメントが最適化されたプリズムＡ、Ｂに対して、アライメント誤差が残存するステージＳＡ、ＳＢとの間に生じる空間を補完するため、図５に示すように充填層Ｓを形成する。この実施例では、充填層Ｓを形成する未硬化の接着剤をステージＳＡ、ＳＢの固定面に適量塗布したのち、プリズムＡ、Ｂの対向面の密着を維持したままプリズムＡをステージＳＡ上に、そして、プリズムＢをステージＳＢ上に保持する。この状態で接着剤を硬化させると、プリズムＡ、Ｂは、最適なアライメントを保った状態でそれぞれステージＳＡ、ＳＢ上に固定される。

　通常の手順では、ステージＳＡ、ＳＢ上にそれぞれプリズムＡ、Ｂを固定したのち、ステージＳＡ、ＳＢのアライメントを調整・最適化していくが、この作業は、人が行う場合、熟練者による高度な技能や時間を要し、自動で行う場合も、多軸ステージやアクチュエータ、それらを制御する計算機や最適化プログラム等の高コストな設備が不可欠である。
　これに対し、本実施例では、プリズムＡ、ＢをそれぞれステージＳＡ、ＳＢに固定する前段階で、プリズムＡ、Ｂの対向面を密着させた状態を保持し、アライメントを整えた状態を作り出しておく。そして、この状態のプリズムＡ、ＢとステージＳＡ、ＳＢとの間に残るミスアライメントは、充填層Ｓによって補完することで、前述したような煩雑で高コストなアライメント技術が不要となる。なおこの実施例では、厳密には、プリズムＡ、Ｂを通る光軸とステージの稼働軸の間にずれが生じるが、これは光減衰器としての性能に影響しないレベルである。
　そして充填層としての接着剤が硬化した後、この状態を基準初期位置としてステージＳＢを一定方向に直進移動させることで、プリズムＡ、Ｂの対向面間の間隔を、高い平行度を維持したまま変化させることが可能である。特に、プリズムＢ側を稼働させることで、反射もしくは透過により出射するビームの光軸を維持した状態で、プリズムＡへの反射率およびプリズムＢへの透過率を制御することができる。

　なお、この実施例では、プリズムＡ、Ｂとして同形状の直角プリズムを採用しているが、他の形態のプリズムや大小異なるプリズムを採用してもよいし、さらに各プリズムの対向面を種々選択してもよい。
　また、充填層の材料としては、上記未硬化の液状接着材の他、プリズムＡ、ＢとステージＳＡ、ＳＢの隙間の形状に沿うように塑性変形する粘土状の材料を充填層として用い、それらを介して治具により外力を加えて固定する方式でもよい。

　図６は、本実施例による減衰量可変の光減衰器を用いたレーザ光の出力制御システムの一例を示している。上記のようにアライメントがなされた光減衰器１では、レーザ光をプリズムＡの脚面に入射し、斜面で全反射し、もう一方の脚面から出射するレーザ光の出力を制御対象としている。出射光の光出力を、ビームサンプラ２等を用いて、一部（数％以下）抽出し、光電型あるいは熱型等の光センサ３を用いて検出する。検出された光出力の信号は、演算制御装置４に入力され、目標値との差に応じてステージＳＢのアクチュエータ駆動回路５に制御命令を送る。なお、アクチュエータ駆動回路５により制御されるアクチュエータとしては、高速で高精度な位置制御を可能とするピエゾアクアチュエータ等が好適である。
　ここで、反射光のモニタ信号が目標値を上回るときは、近接場光の結合量を増大させるように、すなわち、プリズムＡ、Ｂの対向面間距離を狭める方向に、ステージＳＢを稼働させる。一方で、目標値を下回るときは、近接場光の結合量を減少させるように、すなわち、対向面間距離を広げる方向に、ステージＢを稼働させる。

　ここで、制御システムを構成するビームサンプラ２や光センサ３は、制御対象のレーザ光の特徴や目的に応じて仕様を選択する。例えば、制御対象のレーザ光が無偏光もしくはランダム偏光の場合、ビームサンプラ２や光センサ３には、特性に偏光依存性のないものを用いることが望ましい。また、より高速な制御を目的とする場合、光センサ３には、応答特性が高速で高感度な光電型を用いることが望ましい。さらに、制御システムの効率を考慮すれば、不必要に多くのモニタ光を抽出することによって制御後の光出力が減少するのを防止するため、ビームサンプラ２には、モニタ用の光センサ３のＳ／Ｎを考慮しつつ最大限の分岐比を与えることが望ましい。

　ところで、光電型の光センサは応答が速く高い感度を有するので、高精度なモニタ性能が得られる一方で、耐久性や感度レベルの点で高強度なレーザ光の検出には適していない。したがって、光電型センサを、高出力レーザを制御するためのモニタ用の光センサ３として用いる際には、このセンサに入射する光を、適切な強度レベルまで十分に減衰させて抽出する必要がある。このため、ビームサンプラ２としては、高強度なレーザ光に対して耐久性が高く、かつ高い分岐比を持つ、堅牢なビームサンプラが必要となる。
　通常、ビームサンプラとして、空気とガラスの屈折率差により、おおよその分岐比が得られるガラス基板や、反射率と透過率を制御した誘電体多層膜が用いられている。しかし、これらで得られる分岐比は、それぞれ高々数％や０．０１％程度であり、制御対象のレーザ出力レベルによっては、分岐比が十分でない。例えば、１ｋＷのレーザ光を０．０１％のビームサンプラで抽出するとモニタ光の出力は１００ｍＷとなるが、それでも光電型センサで受光するには出力が高すぎるため、さらなる減衰（高い分岐比）が求められる。
　上記のガラス基板や誘電体多層膜を複数設置して、モニタ用のセンサに入射する光を段階的に弱めることでトータルの減衰率を増大させることも考えられるが、光学系が大型化、複雑化することによって実用性が低下したり、迷光の発生原因となるため、高度なモニタ性能を得ることができない。

　このように、演算制御装置４によるフィードバック制御系を高精度に機能させるためには、制御対象のレーザ出力によらず減衰率（分岐比）を安定に維持することができる耐久性と同時に、制御対象のレーザ出力の低下を最小限に留めつつモニタ光を抽出できる高い分岐比を備えた、ビームサンプラが求められる。
　そこで、本発明の近接場光結合型光減衰器の原理を利用して、ビームサンプラとして利用するのが好適である。
　すなわち、図７に示すように、プリズムＡ’、Ｂ’の対向面間の隅部などレーザ光路を遮らない位置に、特定の厚さの堅牢なスペーサ６を介在させ、プリズムＡ’、Ｂ’の対向面をこのスペーサ６に密着させた状態で治具や接着剤により機械的に固定することで、対向面間の距離を確定させる。なお、プリズムＡ’、Ｂ’の対向面間距離は、低強度の計測用レーザ光を用いて、所望の減衰率となるよう調整してもよいし、使用した接着剤が硬化した後、得られる減衰率を予め計測しておいてもよい。
　これにより、コンパクトで耐久性が高く、堅牢で安定性に優れたビームサンプラを構築可能である。

　図８は、高強度ビーム（およそ２ｋＷ／ｃｍ^２）のランダム偏光のレーザに、意図的に±１０％程度のステップ的およびドリフト的な擾乱を与えた際の、レーザパワーの変動（制御システム入射前）と、当該レーザ光に本実施例を適用してこの擾乱を抑制した際のレーザパワー変動（制御システム出射後）を、時間軸を揃えて比較した結果を示している。

　本実施例によれば、制御対象のレーザパワーの瞬発的なステップ状の擾乱に対し、短時間同レベルの変動が生じるが、演算制御装置４によるフィードバック制御により、瞬時に目標値に収束することができ、なだらかなドリフト的擾乱の影響は受けずに、レーザ出力の変動量を標準偏差で０．１％未満まで大幅に低減できることが確認できた。

　この実施例では、ランダム偏光に対応するため、モニタ用のビームサンプラ２と光センサ３の偏光依存性が最小限となる仕様に設定した。
　また、プリズムＡ、Ｂの対向面間距離を可変する並進機構の構築においては、対向面と並進ステージの稼働軸との間に角度δを与えることで、ステージＢの移動量Ｘに対して、対向面間の距離は、Ｘ・ｓｉｎδとなり、減速される。これによりステージの位置決め精度や速度に応じて、光減衰量制御の精度や速度の最適化が可能である。
　なお、この実験では、ステージの移動命令に対する実移動距離の直線性を確認するため、全反射しない入射角度でプリズムＡ、Ｂの対向面間にＨｅ－Ｎｅレーザ光を導入し、得られた干渉波形を元に対向面間の距離を評価した。

　本実施例によれば、加工用等の高強度なレーザ光やランダム偏光のレーザであっても、図６に示されるような制御システムをその光路中に設置するだけで、レーザ出力を高精度に制御したり、変動を効果的に抑制し所望の値に維持することが可能となる。
　なお、高出力レーザへの適用を想定した検証では、波長１．１μｍ、出力１００Ｗ、ＴＥＭ００モードのφ１ｍｍのビームを用い、およそ２０ｋＷ／ｃｍ^２という高強度ビームに対しても減衰量の調整が可能であることが確認できた。

　なお、予め実験によりビームサンプラ２の透過・反射率ならびにセンサ３の感度を校正しておけば、制御出力後のレーザパワーを高精度に測定することもできる。すなわち、所望のレーザパワーの値を演算部に入力すると、その通りのレーザパワーを高精度に出力する、トレーサブルなレーザ照射装置を構築することが可能となる。

　また、この実施例では、一定の目標値を定め、フィードバック制御により入射するレーザ光の出力変動を吸収させ、一定のレーザ出力を出射させているが、目標値を時間的に変化させて出射するレーザ出力を様々に変化させるように制御してもよい。
　例えば、レーザ加工装置であれば、ワーク（加工物）が搭載されたステージの位置と、必要なレーザの照射量を対応させたマップをプログラムしておき、ステージの動作と連動させ、場所によってレーザ出力を変化させるといった高度なレーザ照射技術が可能となる。
　このように制御することで、部品の寸法に応じて切断スピードを制御したり、加工が及ぶ範囲を限定したり、部位によって選択的にレーザ加熱温度を変化させることで加熱炉を用いて幾度もの工程で行っていた熱処理を一台のレーザ装置に置き換えて工程を短縮するなど、といったレーザ加工技術の高度化が期待できる。
　また、生産ラインの始業時にレーザ装置の出力が安定化するまでの暖機時間が短縮されることで、工場の省エネルギー化や生産効率の向上にも貢献できる。

　また、上記の実施例では、プリズムＡで全反射し出射する光を出力制御の対象としたが、プリズムＢへの透過光を制御対象としてもよい。その場合、アクチュエータ駆動回路５によるプリズムＡ、Ｂ間の対向面間距離の調節は逆方向となり、プリズムＡ、Ｂ間の対向面間距離を縮小することで透過光の出力を増大させ、プリズムＡ、Ｂ間の対向面間距離を増大することで透過光の出力を減少させることになる。
　特に、反射側を制御対象とするケースは、高強度なレーザ光の出力を高い分解能で高精度に制御したい場合などに適する。一方、透過光を制御対象とするケースは、元々高強度なレーザの光から、その一部を微弱なレベルで高精度に取り出したい場合などに適する。
　また、図２に示すように、対向面間距離によって得られる反射・透過率の特性曲線の勾配が変化する特性を利用することで、制御対象に合わせた制御システムの動作の最適化が可能である。すなわち、制御対象のレーザ光の出力が大きくばらつく場合は、制御幅を優先して特性曲線の勾配の大きい領域で減衰量を制御し、また制御対象が比較的安定であって更に高い精度の出力制御が必要な場合は、制御分解能を優先して、特性曲線の勾配の緩やかな領域で減衰量を制御する、などが可能である。

　［実施例２］
　本実施例は、プリズムＡ、Ｂ同士を、外部信号により変形するアクチュエータ素子を介して直接固定することで、機械ステージ等を用いずに対向面間の距離を調整し、透過（反射）率を可変とするものである。
　図９に、対向面に沿った方向から見た側面図を示す。アクチュエータ素子７には電圧の印加によって伸縮する棒状のピエゾ素子を用い、その一端をプリズムＡに、もう一端をプリズムＢに固定した状態でピエゾ素子を伸縮させる。これにより、プリズムＡ、Ｂの対向面間の距離を調整し、透過および反射減衰量を可変としている。

　実施例１と同様に、プリズムＡ、Ｂを密着させアライメントが最適化された状態とし、その状態を維持したまま、両プリズムのレーザ光の光路を遮らない位置に、ピエゾ素子を対向面間に配置し、その両端をそれぞれプリズムＡ、Ｂの対向面に直交する側面に接着剤で固定する。接着剤は、十分な機械強度が得られるエポキシ系等が好適である。
　プリズムＡをホルダー等で固定すると、プリズムＢは、プリズムＡにピエゾ素子を介して担持された状態となる。この状態で、ピエゾ素子を伸縮させることで、プリズムＡ、Ｂの対向面間の距離を調節することができる。

　このとき、プリズムＡ、Ｂ間を複数のピエゾ素子で担持すれば、素子の数に応じて作動力が増大し、より高速で安定なプリズムＢの位置制御が可能である。
　なお、プリズムＡ、Ｂの対向面間の平行度を維持しつつ対向面間距離を変化させるには、複数のピエゾ素子の変位量の整合が不可欠であるが、これはプリズムＡ、Ｂの対向面の場所ごとの透過率とアクチュエータ素子７への命令信号（ピエゾ素子であれば印加電圧）の関係を別途把握しておくことで可能である。
　さらに、複数のアクチュエータに別々の変位を与えることで、対向面間の平行度を意図的に崩し、対向面内の位置によって透過・反射光の透過率を変化させることも可能で、これはレーザビームの断面強度プロファイル（光軸に直交する平面におけるレーザ光の強度分布）の制御装置などにも応用可能である。

　アクチュエータ素子７としては、上記のような電圧制御型のピエゾ素子等の圧電材料のほか、線膨張係数を利用して底面間距離を温度制御によりに可変するもの、ハイドロゲルのような感湿性材料の厚さを湿度により可変とするもの、電磁波（光）照射（制御対象のレーザ波長の以外の電磁波（光）を吸収する素材）によって変位を生じるものなどの利用が可能である。また、アクチュエータの設置方法としては、当該実施例のようにプリズム側面に設置する方法のほか、プリズムＡ、Ｂの対向面内のレーザ光の光路を遮らない位置に、薄膜状のアクチュエータ材料をスペーサのように介在させる形態でもよい。

　本実施例によれば、高精度なステージ類を用いることなくプリズムＡ、Ｂの対向面間距離を制御することができ、稼働部が大幅に軽量化されるため、減衰量の制御速度（応答性）が向上する。同時に、稼働部が小型軽量となれば、落下や衝撃などの機械的な外力に対するシステムの堅牢性が向上するため、現場での高い実用性が期待できる。さらに、組み立ての際、実施例１と同様、緻密なアライメント作業も必要なく、シンプルかつ高精度にコンパクトな減衰量可変の光減衰器を構築できる。

　［実施例３］
　実施例３は、反射・透過率を可変とするプリズムＡ、Ｂと、反射・透過率を固定としたプリズムＡ’、Ｂ’を組み合わせることで、レーザ光出力制御装置をコンパクト化するものであり、図１０に平面図を示す。
　対向面間のアライメントを最適化した、直角プリズムＡ、Ｂで構成した減衰量可変の光減衰器と、直角プリズムＡ’、Ｂ’で構成した減衰量固定の光減衰器の二組を用意し、対向面の間隔を変化させて光出力を調整する部分と、対向面の間隔を維持して一定の分岐比のビームサンプラとして機能する部分を組み合わせる。

　ここで、一つ目の減衰器のプリズムＡの光出射側の脚面と二つ目の減衰器のプリズムＡ’の光入射側の脚面を光学的に接続することで、二組の光減衰器を一体化させた形態とする。
　なおプリズムの接続部は屈折率差による光の反射を抑制するため、双方の脚面を高精度に研磨し光学接触状態としてもよいし、透明度の高い光学接着剤で固定してもよい。さらに、屈折率整合油を介在させ外部から治具等で固定したり、接続面の双方に誘電体多層膜等の無反射膜を構築しておくのも有効である。

　この実施例では、光出力制御装置に入る光の入射方向と出射方向が平行となるように減衰器を配置しているが、出射側の減衰器の向きを変えることで、例えば、入射した光の出力を所望の値に制御した後、やって来た方向へ戻す「コーナーキューブ型」や、制御後任意の方向へ折り曲げて出射する「ビームステアリング型」の光出力制御装置を構築することも可能である。
　また、この実施例では、二組の減衰器のプリズムＡ（近接場光発生側）同士を近接もしくは密着させて配置する形態としているが、初めからこれらを一体化した形態としてもよい。すなわち、二つのプリズム、ＡおよびＡ’の代わりに、一つ平行四辺形型プリズムを用い、二つの斜面で減衰量の制御とモニタ光の抽出を行う形態となる。

　このように、光出力を調整する可変減衰器（プリズムＡ、Ｂ）およびモニタ光を抽出する固定減衰器（プリズムＡ’、Ｂ’）をコンパクト化し、モニタ用のセンサ３はわずかな光を分岐し透過させるビームサンプラとして機能するプリズムＢ’のごく近傍に設置する形態とすることで、制御システムの要素を手のひらに乗る程度の小さなサイズに集約できる。制御を行う稼働部の小型・軽量化するとともに、モニタ光検出器に高速・高感度な光電型を採用し得ることは、フィードバック制御の高速化に寄与し、制御性能が向上する。同時に、システムの部品点数の削減による低コスト化、ならびに小型・軽量化による機械的な堅牢性も確保され、実用性が向上する。
　なお、図１０は、可変減衰器（プリズムＡ、Ｂ）として実施例２を採用した例を示しているが、実施例１を採用して、一体化したプリズムＡ、プリズムＡ’プリズムＢ’をステージＳＡに載置し、プリズムＢをステージＳＢに載置するようにしてもよい。

　［実施例４］
　実施例４は、プリズムＡ、Ｂにおける対向面間の距離を一定に保持した状態で、プリズムＡの近接場光発生面への光の入射角を変化させ、プリズムＢの結合面に到達する近接場光の強度を調整することで減衰量を調整するものである。
　図１１に構成例を示す。回転ステージ８上に、厚さｄのスペーサ６により対向面間距離を保持し、両隅部の固定具等により一体化したプリズムＡ、Ｂを設置し、回転ステージ８のアクチュエータ機構（マイクロメータ、モータ、減速機構等）を、手動もしくは駆動回路５により稼働することで、所定の回転角度範囲でプリズムＡの近接場発生面への光の入射角θ_ｉｎを変化させる。
　このとき、回転軸は、入射側プリズムＡの近接場光発生位置の近傍に設定する。この軸周りに回転するよう、一体化したプリズムＡ、Ｂを回転ステージ８上に接着等により設置する。

　具体的には、ＢＫ７の直角プリズムＡ、Ｂを、厚さ０．８μｍのアルミニウム箔スペーサ６を介在させて密着させ、両者を固定治具や接着剤により機械的に固定している。
　このように底面間距離を確定させた状態としたうえで、これを回転ステージ８上に設置し、プリズムＡの脚面に垂直に入射する角度を基準に、回転ステージを±１５°の範囲で稼働させた場合の、透過光強度の変化を図１２に示す。ここで、レーザ光が入射および出射するプリズムＡ、Ｂの脚面には±３０°の入射角の範囲で反射率を抑制したコーティングを施している。

　なお、回転角Φが約－５°未満の領域ではプリズムＡ斜面で全反射条件を満たさず近接場光が発生しないため、減衰は生じず、プリズムＡへの入射光は、ほぼ強度を保ったままプリズムＢから透過する。
　この例では、約１０°の角度変化で、透過光強度は約３０ｄＢ（１／１０００）変化し、これは、１°あたり３ｄＢ（５０％）の減衰量に相当する。なお現在、自動回転ステージの角度分解能は、最も高性能のもので１秒（＝１°／３６００）未満のものが入手可能であり、減衰器への入射角度を可変させることで、広い範囲で高精度なレーザ光出力の制御システムを実現することが可能となる。

　対向面間に所望の間隔を設定するためには、スペーサ６を介在させる以外に、一方もしくは双方のプリズム対向面に蒸着等により所定の厚さの成膜を行ったうえで対向面を密着させてもよい。また、一方もしくは双方のプリズム対向面に、化学エッチングや機械研磨等により凹形状に整形してもよい。
　また、減衰量の安定性を確保するためには、回転ステージ８の位置決め精度を向上させる必要があり、マイクロメータ等を用いた手動回転式の場合には、回転機構に戻りバネを組み込むことで、バックラッシュを排除することが好適である。
　一方、ピエゾやモータ等を利用した自動回転式とする場合は、アクチュエータ駆動回路５を、ロータリエンコーダ等の角度検知センサを組み合わせて、フィードバック制御することで、高精度に回転角の制御が可能である。

　ただし、この実施例のように、直角プリズムＡ、Ｂを用いる場合、回転角がある範囲を超えると、プリズムＡ、Ｂと周囲との屈折率境界面（脚面）で生じる屈折により出射光の光軸ずれが無視できなくなる。
　例えば、波長１０６４ｎｍのレーザ光を、一辺２５ｍｍのＢＫ７ガラスの直角プリズムで構成した減衰器に入射させる場合、入射角を±５°の範囲で変化させると、透過光軸は、±０．７ｍｍシフトする。
　このような光軸ずれは、これより後段に設置されたすべて光学系のアライメントに悪影響を与え、光学システムの性能低下に直結する。例えば、レーザ加工装置では、集光スポットの変形や照射位置ずれの原因となり、加工精度の低下につながる。
　つまり、光減衰器は、理想的には、減衰の前後において、レーザ光の出力以外のパラメータには一切の変化を生じさせないことが求められる。

　このような減衰の前後における光軸シフトやビーム形状の歪を回避するためには、プリズムＡ、Ｂの対向面以外の屈折率境界面における光の入射・出射角を常に０°に維持する構造とすればよい。
　そこで、一例として、図１３に示すように、プリズムＡ、Ｂを半円筒状としつつ、スペーサ６を介在させて固定・一体化し円筒体としたうえで、中央部にプリズムＡ、Ｂを収容する円筒状の空間を備える透明軸受素子９との間に、わずかな間隙１０の円環状の空間を形成した構造とする。なお、透明軸受素子９は、プリズムＡ、Ｂの回転とは独立して不動であり、円筒状のプリズムＡ、Ｂの外面と透明軸受素子９の内面との間に形成された間隙には、光学オイルが充填されている。

　このように、プリズムＡ、Ｂと透明軸受素子９の材料、および光学オイルの屈折率を整合させつつ、レーザ光の入・出射部を平面状の透明軸受素子９の外側面とし、入射・出射角を０°とするように配置することで、光軸シフトおよび半円筒状プリズムＡ、Ｂの側面における光の集束を抑制できる。
　なお、光学オイルとしては、屈折率を調整した顕微鏡用油浸オイル等を利用し、機械的な潤滑と屈折率の整合を両立させ、光軸シフトやビーム形状歪のない、入射角制御による近接場光結合型の可変光減衰器を構築することが可能となる。
　図１４は、本実施例による減衰量可変の光減衰器を用いたレーザ光出力制御装置の一例を示している。

　さらに、光軸シフトやビーム形状補正用の素子を用いずに透過率を変化させるものとして、図１５では、多角形プリズムを採用している。この例では、プリズムＡ、Ｂとして、正１２角柱を対角線で２分したものを使用している。プリズムＡ、Ｂの光入射・出射部の屈折率境界面におけるレーザ光の入射角、出射角は、ステージ回転角３０°毎にリセットされて０°に戻るので、原理的に光軸のずれやビーム形状の変化は生じない。
　一方、プリズムＡの対向面からの反射光を出射光として利用するようにしてもよく、この場合、反射率の調整のために対向面が回転することで、出射光の方向を変化させることができる。

［実施例５］
　本実施例では、プリズムＡ、Ｂの対向面間に、くさび形等の空間的な変化を与え、レーザ光の入射位置により減衰量を可変としている。
　図１６において、底面を互いに対向させたプリズムＡ、Ｂの左上端側の角部で両者を接触した状態に保持し、例えば台形状のように対向面右下側に、斜め左方に向けて厚さが増大するスペーサ６を介在させることにより、両対向面間の距離を、左上端側から右下端に向けてｄ１からｄ２のように連続的に増大するようにしている。

　このように構成することで、プリズムＡに対するレーザ光の入射位置により、光減衰量が変化する。
　すなわち、小さな反射率（大きな透過率）を得たい場合には、図１５において、プリズムＡの上方に、一方で大きな反射率（小さな透過率）を得たい場合には、プリズムＡの下方に、レーザ光を入射させる。

　このためには、プリズムＡに対するレーザ光の入射位置を正確に調整する必要があり、入射角を一定に維持した上で、プリズムＡ、Ｂに対するレーザ光の入射位置、あるいは、レーザ光に対するプリズムＡ、Ｂの位置を調整できる位置決め機構１１を設ける。このとき、プリズムＡの対向面と並行に位置決め機構を稼働することで、プリズムＡへの反射光の光軸を維持した状態で減衰量を可変とすることができる。

　ところで、図２に示したように、プリズムＡ、Ｂの対向面間距離に対する反射率あるいは透過率の変化は線形ではなく、対向面間が密着した状態から光の波長程度の距離までは急峻に変化するが、それ以上の距離になると、反射率あるいは透過率の変化は、徐々に緩慢となり、反射率は１００％に、透過率は０％に漸近する。
　このような非直線的な特性では、適切に所望の反射・透過率を得るための位置調整が難しい。そこで、プリズムＡ、Ｂの一方もしくは双方の対向面の形状を、なだらかな凸（凹）面状の曲面とするような加工を施す。
　これにより、底面間距離の変化を緩やかなものとして、プリズムＡ、Ｂ間の底面間距離の変化に対する反射率あるいは透過率の変化を直線的な特性とすることも可能である。
　なお、プリズム対向面を曲面に加工した場合、透過（反射）率の変化はレーザ入射位置に対して連続的に変化する特性が得られるが、プリズムＡ、Ｂの対向面上に、蒸着等によりナノメートルオーダの薄膜を、厚さを変えて階段状に成膜することにより、レーザ光の入射位置に対してステップ的な透過（反射）率の変化を与えることも可能である。

　以上説明したように、本発明によれば、近接場光を利用した可変光減衰器を、高精度かつ低コストに構築することができ、これを用いてレーザ出力制御装置を構築することで、従来の課題であった制御装置の高レーザ耐力化に加え、小型軽量化、低コスト化が達成される。これによれば、高強度レーザの出力を精密に制御する、実用性の高いレーザ出力制御システムを実現でき、これを用いた各種レーザ応用技術の展開が期待される。

　Ａ、Ｂ　　　プリズム
　ＳＡ、ＳＢ　ステージ
　Ａ’、Ｂ’　ビームサンプラ用プリズム
　１　　　　　光減衰器
　２　　　　　ビームサンプラ
　３　　　　　光センサ
　４　　　　　演算制御装置
　５　　　　　アクチュエータ駆動回路
　６　　　　　スペーサ
　７　　　　　アクチュエータ素子
　８　　　　　回転ステージ
　９　　　　　透明軸受素子
　１０　　　　間隙
　１１　　　　位置決め機構

Claims

　対向面を直接あるいは所定の厚さを有するスペーサを介して密着させることで、対向面間の距離が初期設定された２つのプリズムＡ、Ｂと、
　前記プリズムＡ、Ｂの対向面間における近接場光の発生と結合によって、前記プリズムＡ、Ｂを出射する光出力の比率を調節する調節機構と、
　前記プリズムＡ、Ｂを出射する光の出力値を検出する光センサと、
　前記光センサの検出信号に基づいて、前記調節機構を制御し、前記プリズムＡ、Ｂを出射する光出力の比率を変化させる演算制御装置からなることを特徴とする、光出力制御装置。
　前記プリズムＡ、Ｂは、対向面を互いに密着した状態で、それぞれステージＳＡ、ＳＢに充填材を介して固定されたものであり、
　前記調節機構は、前記プリズムＡ、Ｂを固定した前記ステージＳＡ、ＳＢの少なくとも一方を駆動し、前記プリズムＡ、Ｂの対向面間の距離を調節するものであることを特徴とする、請求項１に記載された光出力制御装置。
　前記プリズムＡ、Ｂを出射する光を、予め定めた減衰率となるよう対向面間距離が確定された第２のプリズムＡ’、Ｂ’を用いて減衰させ、前記光センサに出射するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された光出力制御装置。
　前記プリズムＡ、Ｂは、外部入力信号によって変形可能な材料を介して一体化されたものであり、
　前記調節機構は、外部入力信号によって前記材料を変形させ、前記プリズムＡ、Ｂの対向面間の距離を調節するものであることを特徴とする、請求項１に記載された光出力制御装置。
　前記プリズムＡ、Ｂと前記第２のプリズムＡ’、Ｂ’が一体化されていることを特徴とする請求項３に記載された光出力制御装置。
　前記プリズムＡ、Ｂは、所定の対向面間の距離を維持した状態で一体化されたものであり、
　前記調節機構は、前記一体化されたプリズムＡ、Ｂを回転させ、光の入射角度を調節するものであることを特徴とする、請求項１に記載された光出力制御装置。
　前記プリズムＡ、Ｂは、対向面間の距離に空間的な分布を与えた状態で一体化されたものであり、
　前記調節機構は、前記一体化されたプリズムＡ、Ｂへの光の入射位置を調節するものであることを特徴とする、請求項１に記載された光出力制御装置。