WO2018193491A1 - レーザビームプロファイル測定装置 - Google Patents

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WO2018193491A1
WO2018193491A1 PCT/JP2017/015433 JP2017015433W WO2018193491A1 WO 2018193491 A1 WO2018193491 A1 WO 2018193491A1 JP 2017015433 W JP2017015433 W JP 2017015433W WO 2018193491 A1 WO2018193491 A1 WO 2018193491A1
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WO
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fluorescence
laser beam
beam profile
generating element
light
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Application number
PCT/JP2017/015433
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English (en)
French (fr)
Inventor
常包　正樹
Original Assignee
カナレ電気株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details

Definitions

  • the present invention relates to a laser beam profile measuring apparatus, and more particularly to a measuring apparatus that can measure a two-dimensional profile of a laser beam with high light intensity with high accuracy.
  • Conventional methods of measuring the profile (two-dimensional intensity distribution) of a high-power laser beam exceeding 100 mW include a method of observing the laser beam with an image sensor or camera such as a CCD or CMOS by using a filter or mirror, and a slit. Measuring the transmitted light intensity while blocking a part of the beam with a knife or knife edge, and then calculating it, burning the laser beam on a special plate, measuring the trace (burn pattern), and opening a small hole at the tip
  • a method of measuring the intensity distribution by scanning the light guide rod in two dimensions, a method of measuring the scattered light with a camera from behind by hitting it on a scattering plate, and the like have been known.
  • Patent Documents 1 to 3 Non-patent Documents.
  • Patent Documents 1 and 2 propose a method of irradiating a laser beam from the front of a fluorescent plate and observing fluorescence from the irradiated region with a camera from the front of the fluorescent plate irradiated with the laser beam or the back of the fluorescent plate.
  • Patent Document 3 and Non-Patent Document 1 propose a method using Nd: YAG as a fluorescent plate and report the results of experiments.
  • Non-Patent Document 1 is a report of past experimental results in which the present inventor is one of the co-authors.
  • Non-Patent Document 1 also has the same basic configuration except that the laser beam transmission and reflection directions are different.
  • the measurement position in the optical axis direction (Z-axis direction) of the beam to be measured can be strictly specified by the position of the fluorescent plate.
  • the generated fluorescence is generally separated from the wavelength of the laser beam, it can be easily separated from the laser beam by a dichroic mirror or the like, and can be observed with a high signal-to-noise ratio (S / N).
  • S / N signal-to-noise ratio
  • the intensity of the fluorescence is much weaker than that of the original laser, it functions as a kind of linear neutral density filter, and is excellent in that it can be observed without causing signal saturation or destruction using an image sensor.
  • fluorescence is incoherent light unlike laser light, so that even if an optical system having a small aperture (NA) is used, an image can be accurately formed on the image sensor.
  • NA small aperture
  • the degree of freedom of the optical system is high.
  • magnification of image formation can be freely set by the combination of lenses, a minute beam profile can be easily enlarged and measured with high accuracy.
  • the conventional method of directly measuring the laser beam to be measured it is necessary to guide all the laser beam spatially until it is dimmed by a beam sampler or filter and introduced into an image sensor, and a lens with a large NA is used. There is a need.
  • the beam profile changes every time the lens is passed, and as a result, a correct beam profile may not be measured.
  • Patent Document 1 there is no description of the specific composition and material of the fluorescent plate.
  • a general well-known fluorescent plate is irradiated with high-power laser light, the light emission is saturated, decomposed, or burned due to heat generation. It is known to do.
  • Patent Document 2 there are descriptions of phosphors made of fluorescent glass plates and acrylic plates as specific examples of phosphors. However, since these materials have poor thermal conductivity, they are cracked or melted when irradiated with high-power laser light. There was a risk of it.
  • Patent Document 3 and Non-Patent Document 1 describe examples in which Nd: YAG is used as a fluorescent medium as a fluorescent plate. Since Nd: YAG is also used as a high-power laser light generating medium, there is little possibility of heat generation or burning even when high-power laser light is incident. However, the disclosed method may cause a problem that measurement cannot be performed when measuring high-power laser light.
  • the side surface of the fluorescent plate (Nd: YAG) provided on the surface on which the laser beam 2 to be measured is incident is perpendicular to the incident surface, and the opposite side surfaces are nearly parallel.
  • the fluorescence generated in the fluorescence generation region 4 of the fluorescent plate 1 is reflected by the side surface, and reciprocates on the opposite surface to cause resonance and stimulated emission. Fluorescence generated in the direction of 360 degrees is emitted only in the side surface direction (up and down direction in the figure) of the fluorescent screen 1 and does not go in the direction of the image sensor (right direction in the figure). It was.
  • FIG. 16 specifically shows the state of the problem in an actual measurement example.
  • the intensity of the incident laser beam is low, it is measured normally as shown in (a), but when the intensity is increased to 1 W or more, it passes through the portion with the highest beam intensity as shown in FIG.
  • a region where a fluorescent image was not observed was generated linearly.
  • the present inventor found that this occurs because resonance occurs between the side surfaces of the fluorescent plate, and fluorescent light that is not usually directional is aligned in the side direction due to the phenomenon of stimulated emission, and does not go to the rear side where the image sensor is located. It was found that such a lack of fluorescent image occurred.
  • Patent Document 3 when a laser having a wavelength close to the fluorescence wavelength is incident, high-power laser light is transmitted through a mirror or a bandpass filter that separates the laser light and fluorescence.
  • the camera or image sensor may burn out because it goes in the direction of the camera or image sensor.
  • the absorption of the phosphor (Nd: YAG) in the phosphor plate is saturated, the absorption coefficient is lowered, and the generated fluorescence is also reduced. Since it is no longer proportional to the light intensity, the measurement result may not accurately reflect the actual laser beam profile.
  • the beam profile of light having a wavelength that Nd: YAG does not absorb cannot be measured. .
  • an object of the present invention is to solve the problem of such a conventional configuration and to measure the beam profile of a high-power laser with high accuracy.
  • Another object of the present invention is to prevent the camera and image sensor from burning out when a laser having a wavelength close to the fluorescence wavelength is incident.
  • the present invention is a laser beam profile measuring apparatus for measuring a two-dimensional profile of a laser beam, and has a plate-like or block-like fluorescence generation having an incident surface on which laser light is incident and an exit surface from which the laser light is emitted.
  • a plate-like or block-like fluorescence comprising: an element; a light separating element that separates fluorescence generated in the fluorescence generating element and emitted from the emission surface from the laser light; and an image element that receives the fluorescence.
  • the generation element has a closed inclined surface that intersects the incident surface and the emission surface of the fluorescence generation element in an oblique direction.
  • the fluorescence generating element further includes a support through which at least the fluorescence is transmitted, and one surface of the support is optically connected to the emission surface of the fluorescence generating element. It is good to be joined to.
  • the closed inclined surface is a side surface of a truncated cone or a truncated pyramid having the entrance surface as an upper base / lower base and the exit surface as a lower base / upper base. Good to do.
  • the closed inclined surface may be formed by a groove that reaches the support body beyond the thickness of the fluorescence generating element.
  • the angle at which the closed inclined surface of the fluorescence generating element intersects the incident surface and the exit surface is ⁇
  • the width of the incident surface of the fluorescence generating element is a
  • the angle ⁇ should satisfy the following relationship. tan2 ⁇ ⁇ 2b / a
  • the unit of the angle ⁇ is rad.
  • the angle at which the closed inclined surface of the fluorescence generating element intersects the incident surface and the exit surface is ⁇
  • the width of the incident surface of the fluorescence generating element is a
  • the angle ⁇ should satisfy the following relationship. ⁇ ⁇ b / a
  • the unit of the angle ⁇ is rad.
  • the image sensor further includes a light receiving element that receives a part of the light directed to the image element, an optical shutter, and an opening / closing control unit, wherein the opening / closing control unit includes the light receiving element.
  • the operation of the optical shutter may be controlled so that the optical shutter is opened when the intensity of received light is smaller than a predetermined threshold value.
  • the fluorescence generating element may be an Nd: YAG phosphor plate containing 2% (2 at.%) Or more of Nd in atomic composition percentage.
  • the fluorescence generating element may be a Cr, Yb: YAG phosphor plate to which Cr 4+ ions are added.
  • the fluorescence generating element may include an overlap of an Nd: YAG phosphor plate and a Yb: YAG phosphor plate.
  • the plate-like or block-like fluorescence generating element preferably used in the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention has a closed inclined surface that intersects the incident surface and the emitting surface of the fluorescence generating element in an oblique direction.
  • the closed inclined surface includes, for example, a combination of an inclined curved surface that is annularly closed like the side surface of the truncated cone and a plurality of inclined planes that are annularly closed like the side surface of the truncated pyramid.
  • the plate-like or block-like fluorescence generating element has a closed inclined surface that intersects with the incident surface and the emitting surface of the fluorescence generating element in an oblique direction.
  • 1 and 2 show an example in which a fluorescent plate is used as a plate-like fluorescence generating element, and FIG. 2 is different in that a support is bonded to the emission surface of the fluorescent plate shown in FIG. Details thereof will be described later with reference to FIG. 3 and subsequent drawings.
  • the cause of the lack of the fluorescent image is the resonance that occurs between the side surfaces of the fluorescent plate 11.
  • the fluorescence generated from the excitation region that has absorbed the laser light is reflected by the side surface of the fluorescent plate 11, it does not have to return to the excitation region again.
  • the strongest laser beam is incident near the center of the incident surface 11a of the fluorescent plate 11, considering the optical path of the fluorescent light generated at the center A of the fluorescent plate 11, the fluorescence is emitted in all directions of 360 °.
  • Fluorescence traveling along the incident surface 11a of the fluorescent plate 11 from the center A as shown by a broken line in the middle is reflected by B on the side surface, but at that time, the side surface is inclined by ⁇ with respect to a surface perpendicular to the incident surface 11a. Then, the fluorescence is reflected into the fluorescent plate 11 at an angle of 2 ⁇ as shown in the figure.
  • the fluorescence generated from the central portion A of the fluorescent plate 11 will be as long as the inclination of the side surface is larger than the angle obtained by the above formula (1) or (2). Regardless of the generation position and traveling direction, the light is reflected from the side surface and does not return to the central portion A again. Therefore, if the side surface of the fluorescent plate 11 is the inclined surface 11c having the angle ⁇ or larger, resonance can be prevented. For example, when the width of the incident surface 11a of the fluorescent plate 11 is 5 mm and the thickness is 1 mm, ⁇ is determined to be about 11 ° from the equation (1).
  • ⁇ is determined to be about 0.57 ° from the equation (1) or (2).
  • the above-described calculation example of ⁇ is an example of a circular fluorescent plate, and is not an indispensable feature for solving the problems of the present invention.
  • any method may be used for forming the inclined surface.
  • the side surface of the fluorescence generating element may be formed by polishing or etching, or formed by a groove reaching the support beyond the thickness of the fluorescence generating element. Also good.
  • Nd YAG
  • concentration quenching it is known that the lifetime of fluorescence generated from excited Nd 3+ ions rapidly decreases due to the interaction between Nd as the amount of Nd added in the medium is increased. It has been.
  • the addition concentration of Nd is 1% (1 at.%)
  • the fluorescence lifetime is 260 ⁇ s, but the concentration is 2 at. % For 218 ⁇ s, 4 at. % Is less than half of 125 ⁇ s, 8 at. % Decreases to 59 ⁇ s, which is about 1/5 (Optics Express Vol.14, No.9 pp.3893-3905 (2006)).
  • the absorption saturation intensity I ps which serves as a measure for the saturation of absorption when the Nd 3+ ions absorb laser light (the absorption coefficient is halved), is expressed by the following equation.
  • the absorption cross-sectional area does not depend much on the Nd concentration. Therefore, it is understood from the equation (3) that the absorption saturation intensity depends on the fluorescence lifetime ⁇ . From this equation (3), the Nd addition concentration is 1 at. %, The saturation saturation intensity is calculated as 19 kW / cm 2 , but the Nd concentration is 2 at. % To 22 kW / cm 2 and Nd concentration to 4 at. %, It is more than doubled to 39 kW / cm 2 , and the addition concentration is further 8 at. % Increases to 83 kW / cm 2 .
  • the Nd concentration is 2 at. % Nd: YAG is not used because the fluorescence lifetime is shortened and the performance is usually deteriorated as a laser medium.
  • Nd YAG having a shorter Nd concentration having a shorter fluorescence lifetime is used as a high-intensity laser beam. In contrast, the linearity of fluorescence generation is high and useful.
  • the fluorescence generating element is a Cr, Yb: YAG phosphor plate added with Cr 4+ ions.
  • the Cr, Yb: YAG absorption cross-sectional area hardly changes with the addition of Cr 4+ ions, and is 0.7 to 0.8 ⁇ 10 ⁇ 20 cm 2 at 940 nm.
  • it is 28 kW / cm 2 when Cr 4+ ions are not added, and 0.025 at. %
  • 73 kW / cm 2 can be improved by about 3 times.
  • Cr, Yb: YAG is generally used as a medium of a passive Q-switched laser, it is not used as a laser medium, but as a fluorescent plate, and the point of adding Cr 4+ ions for the purpose of reducing the fluorescence lifetime of Yb: YAG is the past. There is no example, and it is considered that this is unique as one of the embodiments of the present invention.
  • the fluorescence generating element includes a superposition of an Nd: YAG phosphor plate and a Yb: YAG phosphor plate will be described.
  • Nd: YAG phosphor plate and a Yb: YAG phosphor plate
  • 808 nm and 885 nm which are typical absorption wavelengths of Nd: YAG
  • laser light in the 940 nm and 970 nm bands which are absorption wavelengths of Yb: YAG
  • Yb: YAG is also absorbed, and almost the same fluorescence near 1050 nm is emitted from each of them.
  • Four devices can observe beam profiles of four wavelengths.
  • it can be regarded as a substantially integrated thin fluorescent plate in terms of measurement.
  • the plate-like or block-like fluorescence generating element has a closed inclined surface that intersects with the incident surface and the exit surface of the fluorescence generating element in an oblique direction. It is possible to effectively prevent the occurrence of chipping and to measure the beam profile of the high-power laser with high accuracy.
  • the laser beam profile measuring apparatus further includes a light receiving element that receives a part of light directed to the image element, an optical shutter, and an open / close control unit, and the open / close control unit receives the light. It is configured to control the operation of the optical shutter so that the optical shutter opens when the intensity of the light received by the element is smaller than a predetermined threshold value. Therefore, when a laser with a wavelength close to the fluorescence wavelength is incident. It is possible to prevent the image element from burning out.
  • the fluorescence generating element is an Nd: YAG phosphor plate containing 2% (2 at.%) Or more of Nd in atomic composition percentage, or the fluorescence generating element is Cr.
  • Nd YAG phosphor plate containing 2% (2 at.%) Or more of Nd in atomic composition percentage, or the fluorescence generating element is Cr.
  • Yb YAG phosphor plate to which 4+ ions are added, absorption is not saturated even when the incident light intensity of the laser light is high, and a fluorescence intensity distribution proportional to the incident laser beam profile intensity is obtained, High measurement accuracy can be maintained.
  • the fluorescence generating element includes a superposition of the Nd: YAG phosphor plate and the Yb: YAG phosphor plate
  • the beam profile of light having a wavelength that is not absorbed by the Nd: YAG phosphor medium is obtained. Can be measured simultaneously.
  • FIG. 3 shows an example of a fluorescence generating element preferably used in the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • the material of the fluorescent plate 11 is Nd: YAG single crystal, the thickness is 1 mm, the outer periphery is 5 mm square, and the Nd addition concentration is 0.3 at. %.
  • the opposite outer peripheral side surface (inclined surface 11c) was provided with an inclination of 11 ° with respect to a surface perpendicular to the incident surface 11a by calculating ⁇ from the equation (1).
  • the side surface may be inclined by machining such as cutting or etching using a solvent.
  • Dielectric films for preventing reflection in a wide band from 800 nm to 1100 nm were formed on the surfaces of the incident surface 11a and the emission surface 11b so that the laser beam 12 and the fluorescence 13 generated in the fluorescence generation region 14 do not reflect.
  • indium was sandwiched on the outside of the side surface and fixed to an aluminum holder.
  • FIG. 4 shows another more preferable example of the fluorescence generating element suitably used in the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • the material of the circular fluorescent plate 21 is Nd: YAG ceramic, and the Nd concentration is 0.7 at. %, And the thickness is 0.1 mm.
  • the material of the support 26 is YAG ceramic not containing Nd, and the thickness (depth) is 2 mm.
  • the emission surface 21b of the fluorescent plate 21 and one surface of the support 26 were joined by a low-temperature fusion method without using an adhesive.
  • the outer shape of the fluorescent plate 21 and the support 26 before the inclined surface processing described later is cylindrical, and the diameter is 10 mm.
  • ⁇ is calculated from the expression (1) or (2) around the exposed circular side surface (inclined surface 21c) of the fluorescent screen 21, and the incident surface 21a.
  • An inclination of 0.6 ° was provided with respect to a plane perpendicular to.
  • the fluorescence 23 generated by the laser beam 22 and the fluorescence generation region 24.
  • a dielectric film for preventing reflection in a wide band from 800 nm to 1100 nm was formed.
  • the support 26 is provided in close contact with the rear side of the fluorescent plate 21, so that the fluorescence generating element 20 can be easily held in the apparatus even if the fluorescent plate 21 is thinned. Since the heat to be absorbed is absorbed by the support 26 and can be radiated with high efficiency from its wide side, even if the fluorescent plate 21 is irradiated with a high-power laser beam, it is less likely to be deformed or destroyed by heat. By using the same YAG for the support body 26, it is possible to reduce the difference in refractive index between both joined boundaries to prevent light reflection and to suppress thermal expansion distortion during heat generation. In the measuring apparatus, indium was sandwiched on the outside of the side surface and fixed to an aluminum holder.
  • FIG. 5 shows still another more preferable example of the fluorescence generating element suitably used in the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • the material of the circular fluorescent plate 31 is Nd: YAG ceramic and the Nd concentration is 0.7 at. %, And the thickness is 0.1 mm.
  • the material of the support 36 is YAG ceramic not containing Nd, and the thickness (depth) is 2 mm.
  • the emission surface 31b of the fluorescent plate 31 and one surface of the support 36 were joined by a low temperature fusion method without using an adhesive.
  • the external shape of the fluorescent plate 31 and the support 36 before the inclined surface processing described later is cylindrical, and the diameter is 10 mm.
  • the circular side surface (inclined surface 31c) where the fluorescent plate 31 is exposed is provided with an inclination of 0.6 ° with respect to the surface perpendicular to the incident surface 31a.
  • the fluorescence 33 generated in the laser beam 32 and the fluorescence generation region 34 is formed on the surface of the incident surface 31 a of the fluorescent plate 31 and the surface of the other surface opposite to the one surface of the support 36 in contact with the emission surface 31 b of the fluorescent plate 31.
  • a dielectric film for preventing reflection in a wide band from 800 nm to 1100 nm was formed. Compared to the example of FIG.
  • the direction of inclination of the inclined surface 31 c is opposite. By inclining in this direction, the fluorescence 33 reflected by the inclined surface 31c is discharged in the direction of the incident surface 31a, and the stray light of the fluorescence does not enter the image element in the direction of the outgoing surface 31b. N can be improved.
  • indium was sandwiched on the outside of the side surface and fixed to an aluminum holder.
  • FIG. 6 shows another more preferable example of the fluorescence generating element suitably used in the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • the circular fluorescent plate 41 is made of Nd: YAG ceramic and the Nd concentration is 0.7 at. %, And the thickness is 0.1 mm.
  • the material of the support 46 is YAG ceramic not containing Nd, and the thickness (depth) is 2 mm.
  • the emission surface 41b of the fluorescent plate 41 and one surface of the support 46 were joined without using an adhesive by a low temperature fusion method.
  • the outer shape of the fluorescent plate 41 and the support 46 before the inclined surface processing described later is cylindrical, and the diameter is 10 mm.
  • a V-groove 47 having a shape of ⁇ 8 mm from the center of the fluorescent plate 41 and reaching the support by cutting is provided.
  • ⁇ 8 mm provided with the groove is an effective side surface around the side surface of the fluorescent plate 41 in the groove
  • ⁇ is calculated from the equation (1) or (2), and 0.8 with respect to the surface perpendicular to the incident surface 41a.
  • An inclination of ° was provided.
  • the concentration of Nd added to the fluorescent plate 41 is 0.5 at. %.
  • the tilting process of each fluorescence generating element is unnecessary, and a plurality of them can be processed side by side with a cutting device or a laser processing machine, so that mass productivity is excellent.
  • Fluorescence generated in the laser beam 42 and the fluorescence generation region 44 is generated on the surface of the incident surface 41 a of the fluorescent plate 41 and the surface of the other surface opposite to the one surface of the support 46 in contact with the emission surface 41 b of the fluorescent plate 41.
  • a dielectric film for preventing reflection in a wide band from 800 nm to 1100 nm was formed so as not to reflect.
  • indium was sandwiched on the outside of the side surface and fixed to an aluminum holder.
  • the angle of the fluorescent plate side surface outer periphery may be equal to or larger than ⁇ calculated by the equation (1) or (2).
  • the external shapes of the fluorescent plate and the support are not limited to squares or circles, but may be other shapes.
  • the concentration of Nd added to the fluorescent plate was 0.3 at. % And 0.7 at. It is not limited to%. For example, if the power of the laser beam to be measured is weak, it is desirable to select a higher Nd concentration with good absorption, and if the beam is strong, select a lower Nd concentration with less heat generation.
  • FIGS. 3 to 5 it is desirable to provide the inclined side surfaces on opposite side surfaces as shown in the figure. However, since only one side can provide a resonance suppressing effect, only one side may be inclined.
  • the groove may be formed by machining such as cutting, or may be formed by etching using a solvent or laser processing using ultrashort pulse light.
  • FIG. 7 shows a configuration of an optical system of a laser beam profile measuring apparatus using a fluorescence generating element similar to that shown in FIG. 4 as a preferred example of the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • the 45-degree mirror 505 (corresponding to the light separating element) totally reflects light having a wavelength of 900 nm or less (reflectance> 99.7%) and transmits 1 ⁇ m light (reflected).
  • a dielectric film with a rate ⁇ 5%) is formed.
  • a laser beam 503 having a wavelength of 808 nm whose profile is to be measured passes through the fluorescent plate 501 and the support 502, is reflected by a 45 degree mirror 505, and is discharged out of the apparatus.
  • a part of the laser light is absorbed by Nd: YAG of the fluorescent plate 501 and generates fluorescence centered at 1 ⁇ m.
  • the 1064 nm fluorescence 504 is transmitted through the 45 ° mirror 505, the objective lens 506, the bandpass After passing through the filter 508 and the imaging lens 509, the light reaches the CMOS image sensor 510.
  • an optical system in which the fluorescence intensity image on the fluorescent plate 501 is formed on the CMOS image sensor 510 by two convex lenses (objective lens 506 and imaging lens 509) is formed.
  • the focal lengths of the two convex lenses are both 40 mm, and an antireflective coating is applied at 1064 nm.
  • the Nd: YAG fluorescent plate 501 is positioned at the focal position of the objective lens 506, and the CMOS image sensor 510 is positioned at the focal position of the imaging lens 509.
  • the fluorescent image of the fluorescent plate 501 is 1: 1 and connected to the CMOS image sensor 510.
  • the attenuation filter 507 attenuates the fluorescence so that the CMOS image sensor 510 is not saturated, and the bandpass filter 508 has a specification that does not transmit light other than 1064 nm and has a transmission wavelength width of 2 nm.
  • FIG. 8 shows a configuration of an optical system of a laser beam profile measuring apparatus using the same fluorescence generating element as that shown in FIG. 4 as another preferred example of the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • a 45 degree prism 605 is used as a light separating element for separating the laser beam and the fluorescence.
  • a dielectric film that totally reflects light of 900 nm or less (reflectance> 99.7%) and transmits 1 ⁇ m light (reflectance ⁇ 5%) is formed on a surface inclined by 45 degrees in the 45 ° prism 605. Yes.
  • the specifications of the convex lens and other optical elements and the image sensor are the same as those of the optical element shown in FIG.
  • FIG. 9 shows a configuration of an optical system of a laser beam profile measuring apparatus using the same fluorescence generating element as that shown in FIG. 4 as another more preferable example of the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • the 45-degree mirror 705 totally reflects light having a wavelength of 1 ⁇ m or more (reflectance> 99.7%) and transmits light having a wavelength of 900 nm or less (reflectance ⁇ 0.5%).
  • a dielectric film is formed.
  • a laser beam 703 having a wavelength of 808 nm whose profile is to be measured passes through the fluorescent plate 701 and the support 702, and further passes through the 45-degree mirror 705, and is discharged out of the apparatus.
  • the fluorescence generated by the fluorescent plate is reflected by the 45 ° mirror 705, passes through the objective lens 706, the band pass filter 708, and the imaging lens 709 and reaches the CMOS image sensor 710.
  • an optical system in which the fluorescence intensity image on the fluorescent plate 701 is formed on the CMOS image sensor 710 by two convex lenses (objective lens 706 and imaging lens 709) is formed.
  • the focal lengths of the two convex lenses are both 60 mm, and an antireflective coating is applied at 1064 nm.
  • the Nd: YAG fluorescent plate 701 is located at the focal position of the objective lens 706, and the CMOS image sensor 710 is located at the focal position of the imaging lens 709.
  • the fluorescent image of the fluorescent plate 701 is 1: 1 and connected to the COMS image sensor 710. Imaged.
  • the attenuation filter 707 attenuates the fluorescence so that the CMOS image sensor 710 is not saturated, and the band-pass filter 708 has a specification that does not transmit light other than 1064 nm and has a transmission wavelength width of 2 nm.
  • the laser light passes through the fluorescent plate and then passes straight through the 45 degree mirror, and the generated fluorescence is reflected by the same 45 degree mirror at an angle of 45 degrees, resulting in a CMOS image.
  • An image is formed on the sensor 710.
  • FIG. 10 shows a configuration of an optical system of a laser beam profile measuring apparatus using the same fluorescence generating element as that shown in FIG. 4 as still another preferable example of the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • the 45-degree mirror 805 totally reflects light having a wavelength of 900 nm or less (reflectance> 99.7%) and transmits 1 ⁇ m light (reflectance ⁇ 0.5%).
  • a dielectric film is formed.
  • a laser beam 803 having a wavelength of 808 nm whose profile is to be measured passes through the fluorescent plate 801 and the support 802, is reflected by the 45 degree mirror 805, and is discharged out of the apparatus.
  • a part of the laser light is absorbed by Nd: YAG of the fluorescent plate 801 and generates fluorescence centered on 1 ⁇ m wavelength.
  • the 1064 nm fluorescence 804 is transmitted through the 45 ° mirror 805, the objective lens 806, the band pass The light passes through the filter 808 and the imaging lens 809.
  • a second 45-degree mirror 811 is further added after the imaging lens 809 and separated by the first 45-degree mirror 805, and about half of the transmitted light including the transmitted fluorescence 804 is reflected at an angle of 45 degrees.
  • the light quantity is detected by the photodetector 812 (corresponding to the light receiving element), and at the same time, the remaining light that has passed through the second 45-degree mirror 811 passes through the optical shutter 813, and the fluorescence image is observed by the CMOS image sensor 810. ing.
  • the second 45-degree mirror 811 is formed with a dielectric multilayer film having a reflectance of about 50% over a wavelength range of 800 nm to 1100 nm. As shown in the figure, a mechanical optical shutter 813 is inserted in front of the CMOS image sensor.
  • the shutter is closed in the standby state, and the open / close control unit 814 is controlled so that the shutter is opened in the measurement state only when the amount of light detected by the photodetector 812 is below a certain threshold value. Yes.
  • the amount of light to the CMOS image sensor 810 can be known in advance by the photodetector 812, which is the CMOS image sensor 810. If it is higher than the allowable light amount, the shutter remains closed, so that the expensive CMOS image sensor 810 is not burned out.
  • FIG. 11 shows a configuration of an optical system of a laser beam profile measuring apparatus using the same fluorescence generating element as that shown in FIG. 4 as another more preferable example of the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • the 45-degree mirror 905 totally reflects light having a wavelength of 1 ⁇ m or more (reflectance> 99.7%) and transmits light having a wavelength of 900 nm or less (reflectance ⁇ 0.5%).
  • a dielectric film is formed.
  • a laser beam 903 having a wavelength of 808 nm whose profile is to be measured passes through the fluorescent plate 901 and the support 902, and further passes through the 45 degree mirror 905, and is emitted outside the apparatus.
  • the fluorescence 904 generated by the fluorescent plate 901 is reflected by the 45-degree mirror 905 at 45 degrees and passes through the objective lens 906, the band-pass filter 908, and the imaging lens 909.
  • a second 45-degree mirror 911 is further added after the imaging lens 909, and about half of the transmitted light including the fluorescent light 904 separated and transmitted by the first mirror 905 is reflected at an angle of 45 degrees.
  • the light amount of the transmitted light is detected by the photodetector 912, and at the same time, the light reflected by the second 45-degree mirror 911 is transmitted through the optical shutter 913, and the fluorescence image is observed by the CMOS image sensor 910.
  • the second 45-degree mirror 911 is formed with a dielectric multilayer film having a reflectance of about 50% over a wavelength range of 800 nm to 1100 nm.
  • a mechanical optical shutter 913 is inserted in front of the CMOS image sensor 910. In this optical shutter 913, the shutter is closed in the standby state, and the open / close control unit 914 is controlled so that the shutter is opened in the measurement state only when the amount of light detected by the photodetector 912 is equal to or less than a threshold value. Yes.
  • the amount of light to the CMOS image sensor 910 is known in advance by the photodetector 912, and this is the reason for the CMOS image sensor 910. If it is higher than the allowable light amount, the shutter remains closed, and the expensive CMOS image sensor is not burned out.
  • the incident laser light becomes stray light, and the amount of light leaking to the CMOS image sensor side increases, which may burn the CMOS image sensor. Therefore, the shutter function provided by the photodetector, the optical shutter, and the open / close control unit according to the present example is more important from the viewpoint of preventing damage to the CMOS image sensor.
  • FIG. 12 shows still another more preferable example of the fluorescence generating element suitably used in the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • the material of the fluorescent plate 101 is Nd: YAG, and the Nd addition concentration is 8 at. %, Thickness is 0.05 mm, the material of the support 106 is YAG ceramic not containing Nd, and the thickness (depth) is 2 mm.
  • the emission surface 101b of the fluorescent plate 101 and one surface of the support 106 were joined without using an adhesive by a low temperature fusion method.
  • the external shape of the fluorescent plate 101 and the support 106 before the inclined surface processing is cylindrical, and the diameter is 10 mm.
  • ⁇ is calculated from the equation (1) or (2) around the exposed circular side surface (inclined surface 101c) of the fluorescent plate 101 as shown in FIG. An inclination of 0.3 ° was provided with respect to the vertical plane.
  • a dielectric film for antireflection of a broadband over 1100 nm was formed. With this configuration, it is possible to measure a highly accurate beam profile without saturation even when a laser beam having a wavelength of 808 nm and a wavelength exceeding 100 W is incident and condensed.
  • FIG. 13 shows another more preferable example of the fluorescence generating element suitably used in the laser beam profile measuring apparatus according to the present invention.
  • the material of the fluorescent plate 211a is Yb: YAG (Yb: 10 at.%) Ceramic
  • the material of the fluorescent plate 211b is Nd: YAG (Nd: 4 at.%) Ceramic
  • the thickness is both 0.05 mm.
  • the material 206 is YAG ceramic not containing Nd, and the thickness (depth) is 2 mm.
  • the opposing surfaces of the two fluorescent plates 211a and 211b, the emission surface 201b of the fluorescent plate 211b, and one surface of the support 206 were joined by a low-temperature fusion method without using an adhesive.
  • the external shape of the fluorescent plate 201 and the support 206 obtained by superimposing the two fluorescent plates 211a and 211b (before the inclined surface processing) is cylindrical and the diameter is 10 mm.
  • ⁇ is calculated from the equation (1) or (2) around the exposed circular side surface (inclined surface 201c) of the fluorescent plate 201 as shown in FIG. An inclination of 0.6 ° was provided with respect to the vertical plane.
  • Nd: YAG thin film and the Yb: YAG thin film are superposed to form a fluorescent plate, but the order of superposing these fluorescent media may be reversed. Further, other combinations of fluorescent media may be used, and three or more types of fluorescent media may be stacked to form a multilayer fluorescent plate having three or more layers.
  • Nd YAG, Yb: YAG, Cr, Yb: YAG are mentioned as examples of the fluorescent plate.
  • the scope of the present invention is not limited to this as the material of the fluorescent plate.
  • Er YAG that absorbs light at 785 nm and 1.5 ⁇ m and emits fluorescence at 1.6 ⁇ m and 2.9 ⁇ m may be used, or Tm: YAG that absorbs light at 780 nm and 785 nm and emits fluorescence at 2.01 ⁇ m.
  • Well it may be Ho: YAG that absorbs light in the vicinity of 1.9 ⁇ m and emits fluorescence of 2.01 ⁇ m, or Cr, Tm, Ho: YAG that absorbs light in the vicinity of 780 nm and emits fluorescence of 2.08 ⁇ m. It is also possible to use Ce: YAG that absorbs light in the vicinity of 350 nm and 450 nm and emits fluorescence at 550 nm. Further, Cr, Nd: YAG added with Cr 3+ ions that absorb visible light and emit 1 ⁇ m fluorescence may be used.
  • the absorption wavelength and fluorescence wavelength described above are typical examples, and may be selected from the absorption wavelength band and fluorescence wavelength unique to the medium according to the purpose and specification.
  • a bandpass filter is used to detect at a wavelength away from the fluorescence peak wavelength. May be set.
  • YAG is used as the base material of the fluorescent plate and the support.
  • the present invention is not limited to this, and Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , LuAG, YAP, Sc 2 O 3 , GGG, GSGG, YSGG, YSO may be used.
  • the material of the base material may be a single crystal or a translucent ceramic.
  • a medium that absorbs the wavelength of the laser beam to be measured may be selected.
  • the bonding between the fluorescent plate and the support may be performed using a transparent adhesive or optical bonding (optical contact) in which the mating surfaces are polished and pressed together with high precision without using an adhesive, but the adhesive strength In this respect, diffusion bonding (high temperature fusion) or low temperature fusion which is performed by raising the temperature is more preferable.
  • the fluorescent plate and the support are the same base material having a close expansion coefficient, but if the heat generation is small, the support is different from the base material, for example, the fluorescent plate.
  • the base material may be YAG and the support may be sapphire having good thermal conductivity.
  • the neutral density filter and the bandpass filter are disposed between the objective lens and the imaging lens where the light intensity is the lowest
  • it may be disposed at a position different from such a position.
  • a plurality of filters may be used as necessary.
  • the type and attenuation rate of the neutral density filter, the transmission wavelength of the bandpass filter, the transmission wavelength width, the transmittance, and the like may be optimally selected according to the specifications of the laser beam to be measured and the fluorescent plate.
  • a CMOS or CCD image sensor used as an image element a material such as Si, Ge, GaAs, InGaAs, or InP that has an appropriate sensitivity at the wavelength of fluorescence emitted by the fluorescent plate is preferably selected.
  • the present invention can be widely applied to various apparatuses having a function of measuring a laser beam profile.

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Abstract

高出力レーザのビームプロファイルを高精度に測定することを可能とする測定装置を提供する。レーザビームプロファイル測定装置は、レーザ光が入射する入射面と前記レーザ光が出射する出射面とを有する、板状またはブロック状の蛍光発生素子と、蛍光発生素子内で発生し出射面から出射する蛍光を、レーザ光から分離する光分離素子と、蛍光を受けるイメージ素子と、を含み、板状またはブロック状の蛍光発生素子は、当該蛍光発生素子の入射面及び出射面と斜め方向に交わる、閉じられた傾斜面を有する。蛍光発生素子は、少なくとも蛍光が透過する支持体をさらに有し、支持体の一の面が、蛍光発生素子の出射面に光学的に接合されていると良い。閉じられた傾斜面は、入射面を上底／下底とし出射面を下底／上底とする円錐台または角錐台の側面を成すと良い。傾斜面は、蛍光発生素子の厚みを超えて支持体に達する溝により形成されていると良い。

Description

レーザビームプロファイル測定装置
　本発明は、レーザビームプロファイル測定装置に関し、特に、高光強度のレーザビームの二次元プロファイルを高精度に測定できる測定装置に関するものである。
　従来の１００ｍＷを超える高出力レーザビームのプロファイル（二次元強度分布）を測定する方法としては、フィルタやミラーで減光してレーザビームをＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサやカメラで観測する方法、スリットやナイフエッジでビームの一部を遮光しながら透過光強度測定し、それから計算により求める方法、特殊な板にレーザビームを焼き付けてその跡（バーンパターン）を測定する方法、先端に小さな穴の開いた導光棒を二次元にスキャンして強度分布を測定する方法、散乱板に当ててその散乱光を後方からカメラで測定する方法等が知られていた。
　一方、レーザビームを板状の蛍光体（蛍光板）に当てて、そこから発せられる蛍光の二次元強度分布をカメラで測定する方法も知られていた（例えば、特許文献１～３、非特許文献１）。特許文献１及び２には、レーザビームを蛍光板の前方から照射し、照射された領域からの蛍光を、レーザビームを照射した蛍光板の前面、あるいは蛍光板の裏面からカメラで観測する方法が提案されている。また、特許文献３と非特許文献１には、蛍光板としてＮｄ：ＹＡＧを用いる方法が提案、実験の結果が報告されている。なお、非特許文献１は本発明者が共同執筆者の一人となっている過去の実験結果の報告である。
　図１４を参照して、従来提案されている蛍光を利用したビームプロファイル測定法について説明する。測定したいレーザビーム（波長８０８ｎｍ）１１０３を板状のＮｄ：ＹＡＧ１１０１に照射する。Ｎｄ：ＹＡＧに吸収されなかったレーザは、ミラー１１０２を透過し外部に放出される。一方、Ｎｄ：ＹＡＧで発生した蛍光（１０６４ｎｍ）１１０４は、ミラー１１０２で反射され、さらにフィルタ１１０５で１０６４ｎｍ以外の光が取り除かれ、カメラ１１０６に入射、結像される。非特許文献１もレーザビームの透過と反射の方向が異なるだけで基本的な構成は同じである。
　蛍光を用いた方法が、それ以外の測定方法に比べ優れている点を以下に説明する。まず一番目として、測定したいビームの光軸方向（Ｚ軸方向）の測定位置を蛍光板の位置で厳密に特定できる点が優れている。二番目として、発生する蛍光は一般にレーザ光の波長と離れているため、ダイクロイックミラー等でレーザ光と容易に分離することができ、高い信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）で観測できる。ここで蛍光の強度は元のレーザに比べ非常に弱いために、一種の線形の減光フィルタとして機能し、イメージセンサを用いて信号の飽和や破壊を起こすことなく観測できる点も優れている。また、過去の文献では触れられていない優れた点として、蛍光はレーザ光と違いインコヒーレント光であるため、開口（ＮＡ）の小さな光学系を用いてもイメージセンサ上に正確に結像できるために、光学系の自由度が高い。また、レンズの組み合わせにより結像の倍率も自由に設定できるので、微小なビームプロファイルも容易に高精度に拡大して測定できる。一方、測定したいレーザ光を直接測定する従来の方式では、ビームサンプラーやフィルタで減光してイメージセンサに導入するまで、空間的にすべてのレーザ光を導く必要があり、ＮＡの大きなレンズを使う必要がある。また、ビームに収差があった場合、レンズを通すごとにビームプロファイルが変化し、結果的に正しいビームプロファイルが測定できない場合があった。
特開平６－２２１９１７号公報 特開２００４－２４５７７８号公報 特開２００８－５１９２６３号公報
常包正樹ほか、「新しい高精度２Ｄビーム形状計測法の提案」、２０１５年１月１１日～１２日、レーザー学会学術講演会第３５回年次大会、講演予稿集　12pIX03、一般社団法人レーザー学会
　特許文献１には、具体的な蛍光板の組成、材料の記述はないが、一般のよく知られた蛍光板では高出力のレーザ光を照射すると、発光が飽和したり、分解したり、発熱で焼損したりすることが知られている。特許文献２には蛍光体の具体例として蛍光ガラス板やアクリル板製蛍光体の記述があるが、これらは母材の熱伝導が悪いので、高出力のレーザ光を照射した場合、割れたり融けたりするおそれがあった。
　特許文献３並びに非特許文献１では、蛍光板としてＮｄ：ＹＡＧを蛍光媒質として用いた例が記述されている。Ｎｄ：ＹＡＧは高出力のレーザ光発生媒質としても用いられているため、高出力のレーザ光を入射しても発熱や焼損の起こる可能性は少ない。しかし開示された方法では高出力のレーザ光を測定する場合に測定ができなくなる問題が発生するおそれがあった。
　具体的には、図１５に示す構造では、測定するレーザビーム２が入射する面に設けられた蛍光板（Ｎｄ：ＹＡＧ）の側面が入射面に垂直で、対向する側面が平行に近い。このため、図１５中に符号３で示すように、蛍光板１の蛍光発生領域４で発生した蛍光が側面で反射し、対向する面で往復して共振、誘導放出を起こし、その結果、本来指向性なく３６０度の方向に発生する蛍光が、蛍光板１の側面方向（図の上下方向）のみに放出されイメージセンサの方向（図の右方向）に向かわないため蛍光像が観測できない可能性があった。
　図１６は、その問題の様子を実際の測定例で具体的に示したものである。入射するレーザ光の強度が低い場合は、(a)のように正常に測定されるが、強度を１Ｗ以上に上げていくと、図(b)に示すようにビーム強度の最も強い部分を通るように線状に蛍光像が観測されない領域が発生した。本発明者は、この原因が蛍光板の側面の間で共振が起こり、通常指向性のない蛍光が、誘導放出という現象により側面方向に揃うようになり、イメージセンサのある後方に向かわないため、このような蛍光像の欠けを生じることを突き止めた。
　また、特許文献３及び非特許文献1の構成において、蛍光の波長に近い波長のレーザを入射させた場合、高出力のレーザ光が、レーザ光と蛍光を分離するミラーやバンドパスフィルタを透過してカメラやイメージセンサの方向に向かうため、カメラやイメージセンサが焼損する可能性があった。
　加えて、従来例では、１０ｋＷ／ｃｍ２を超える高い光密度のレーザ光を入射した時に、蛍光板内の蛍光体（Ｎｄ：ＹＡＧ）の吸収が飽和して吸収係数が低下し、発生する蛍光も光強度に比例しなくなるため、測定結果が実際のレーザビームプロファイルを正確に反映しない可能性があった。
　また、従来例では、Ｎｄ：ＹＡＧを蛍光媒質として用いた場合には、Ｎｄ：ＹＡＧが吸収しない波長の光のビームプロファイルは測定することはできないため、測定できるレーザ光の波長に制限があった。
　したがって、本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、高出力レーザのビームプロファイルを高精度に測定することを目的とする。
　また、本発明は、蛍光の波長に近い波長のレーザを入射させた場合に、カメラやイメージセンサが焼損することを未然に防ぐことを目的とする。
　さらに、本発明は、レーザ光の入射光強度が高いときにおいても吸収を飽和させず、入射したレーザビームプロファイル強度に比例した蛍光強度分布を得て、高い測定精度を維持することを目的とする。
　また、本発明は、蛍光媒体であるＮｄ：ＹＡＧが吸収しない波長の光のビームプロファイルをも同時に測定することを可能とすることを目的とする。
　上記した課題の一つ目を解決するために、本発明は以下の構成を有する。
　本発明は、レーザビームの二次元プロファイルを測定するレーザビームプロファイル測定装置であって、レーザ光が入射する入射面と前記レーザ光が出射する出射面とを有する、板状またはブロック状の蛍光発生素子と、前記蛍光発生素子内で発生し前記出射面から出射する蛍光を、前記レーザ光から分離する光分離素子と、前記蛍光を受けるイメージ素子と、を含み、前記板状またはブロック状の蛍光発生素子は、当該蛍光発生素子の前記入射面及び前記出射面と斜め方向に交わる、閉じられた傾斜面を有する。
　本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記蛍光発生素子は、少なくとも前記蛍光が透過する支持体をさらに有し、前記支持体の一の面が、前記蛍光発生素子の前記出射面に光学的に接合されていると良い。
　また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記閉じられた傾斜面は、前記入射面を上底／下底とし前記出射面を下底／上底とする円錐台または角錐台の側面を成すと良い。
　さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記閉じられた傾斜面は、前記蛍光発生素子の厚みを超えて前記支持体に達する溝により形成されていると良い。
　また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記蛍光発生素子の前記閉じられた傾斜面が前記入射面及び前記出射面と交わる角度をθ、前記蛍光発生素子の入射面の幅をａ、厚みをｂとするとき、角度θが以下の関係を満たすと良い。
　ｔａｎ２θ≧２ｂ／ａ
　ただし、角度θの単位はｒａｄである。
　さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記蛍光発生素子の前記閉じられた傾斜面が前記入射面及び前記出射面と交わる角度をθ、前記蛍光発生素子の入射面の幅をａ、厚みをｂ（ただし、ｂ≪ａである）とするとき、角度θが以下の関係を満たすと良い。
　θ≧ｂ／ａ
　ただし、角度θの単位はｒａｄである。
　また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記イメージ素子に向かう光の一部を受ける受光素子と、光シャッターと、開閉制御部とをさらに含み、前記開閉制御部は、前記受光素子が受ける光の強度が所定のしきい値より小さいときに前記光シャッターが開くよう、前記光シャッターの動作を制御すると良い。
　さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記蛍光発生素子は、Ｎｄを原子組成百分率で２％（２ａｔ．％）以上含有する、Ｎｄ：ＹＡＧ蛍光板であると良い。
　また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記蛍光発生素子は、Ｃｒ４＋イオンが添加された、Ｃｒ，Ｙｂ：ＹＡＧ蛍光板であると良い。
　さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記蛍光発生素子は、Ｎｄ：ＹＡＧ蛍光板とＹｂ：ＹＡＧ蛍光板との重ね合わせを含むと良い。
　本発明によるレーザビームプロファイル測定装置に好適に使用される、板状またはブロック状の蛍光発生素子は、当該蛍光発生素子の入射面及び出射面と斜め方向に交わる、閉じられた傾斜面を有する。ここで、閉じられた傾斜面は、例えば円錐台の側面のように環状に閉じた傾斜曲面と、例えば角錐台の側面のように、環状に閉じた、複数の傾斜する平面の組み合わせを含む。
　図１及び図２を参照して、本発明において、板状またはブロック状の蛍光発生素子が、当該蛍光発生素子の入射面及び出射面と斜め方向に交わる、閉じられた傾斜面を有することの技術的意義を説明すると次の通りである。なお、図１及び図２は、板状の蛍光発生素子として蛍光板を用いた例を示し、図２は、図１に示す蛍光板の出射面に支持体を接合している点で違いがあるが、これらの詳細は、図３以降の図面を参照して後述する。
　既に述べたように、本発明者は、蛍光像の欠けが生じる原因が、蛍光板１１の側面の間で起こる共振であることを突き止めた。この蛍光による共振を避けるためには、レーザ光を吸収した励起領域から発生した蛍光が、蛍光板１１の側面で反射しても、再び励起領域に戻らなければ良い。通常、蛍光板１１の入射面１１ａの中心付近に最も強いレーザ光が入射するので、蛍光板１１の中心Ａで発生した蛍光の光路について考えると、蛍光は３６０°あらゆる方向に放射されるが、そのうち図中の破線に示すように中心Ａから蛍光板１１の入射面１１ａに沿って進む蛍光は、側面上のＢで反射されるが、その時側面が入射面１１ａに垂直な面に対しθだけ傾いていたとすると、蛍光は図中に示すように２θの角度で蛍光板１１内に反射される。この蛍光がちょうど蛍光板１１の中央の励起領域の相対する右端Ｃ（図示のとおり、右端Ｃは出射面１１ｂの中心付近に位置する）に達する角度は、蛍光板１１の入射面１１ａの幅（円形の場合外径）をａ、蛍光板１１の厚みをｂとすると、幾何学的に、
　　　　ｔａｎ２θ＝２ｂ／ａ　　　　　　　　　　　　　　　（１）
と求められる。ただし、角度θの単位はｒａｄである。
　さらに蛍光板１１の厚みｂが、入射面１１ａの幅に比べ十分薄い場合には、近似的に、
　　　　θ＝ｂ／ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
と表わされる。ただし、角度θの単位はｒａｄである。
　蛍光板１１の側面以外での蛍光の反射を無視すれば、上記（１）式または（２）式により求められる角度よりも側面の傾きが大きければ、蛍光板１１の中心部Ａから発生した蛍光はその発生位置や進行方向によらず、側面で反射されて再び中心部Ａに戻ることはない。従って、蛍光板１１の側面を、この角度θまたはそれより大きい角度の傾斜面１１ｃとすれば共振を防止することができる。例えば、蛍光板１１の入射面１１ａの幅が５ｍｍ、厚みが１ｍｍの場合には、（１）式より、θは約１１°と求められる。また、蛍光板１１の入射面１１ａの幅が１０ｍｍ、厚みが０．１ｍｍの場合には、（１）式あるいは（２）式より、θは約０．５７°と求められる。ただし、上記したθの算出例は、円形の蛍光板についての一例であり、本発明の課題解決に不可欠の特徴ではない。
　要するに、板状またはブロック状の蛍光発生素子内で発生した蛍光がその側面で反射しても、蛍光発生素子内を通過して、入射面と相対する出射面に達しないことにより、共振（発振）による蛍光像の欠けを防止することが、本発明の本質的作用である。よって、傾斜面を形成する方法はいかなる方法によっても良く、例えば、蛍光発生素子の側面を研磨やエッチングにより形成しても良く、蛍光発生素子の厚みを超えて支持体に達する溝により形成しても良い。
　次に、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、蛍光発生素子がＮｄ：ＹＡＧ蛍光板である場合において、Ｎｄを原子組成百分率で２％（２ａｔ．％）以上含有することの意義について説明する。
　Ｎｄ：ＹＡＧにおいては、濃度消光と呼ばれ、媒質中のＮｄの添加量を高くするにつれＮｄ同士の相互作用により、励起されたＮｄ３＋イオンから発生する蛍光の寿命が急激に低下することが知られている。例えば、Ｎｄの添加濃度が原子組成百分率で１％（１ａｔ．％）では蛍光寿命は２６０μｓであるが、濃度２ａｔ．％に上げると２１８μｓ、４ａｔ．％では半分以下の１２５μｓ、８ａｔ．％では約１／５の５９μｓに低下する（Optics Express Vol.14, No.9 pp.3893-3905 (2006)）。一方、Ｎｄ３＋イオンがレーザ光を吸収する際に吸収が飽和する（吸収係数が半分になる）目安となる吸収飽和強度Ｉｐｓは、次式により表される。
式１
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　ここでhはプランク定数（６．６２×１０－３４Ｊ・ｓ）、
式２
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　はレーザ光の周波数、
式３
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　は吸収断面積（８０８～８１０ｎｍの平均値で５×１０－２０ｃｍ２）、τは蛍光寿命である。
　吸収断面積はＮｄ濃度にあまり依存しないことが分かっており、したがって（３）式より、吸収飽和強度は蛍光寿命τにより左右されることが分かる。この（３）式よりＮｄの添加濃度１ａｔ．％での蛍光寿命２６０μｓでは、吸収飽和強度は１９ｋＷ／ｃｍ２と計算されるが、Ｎｄ濃度を２ａｔ．％に上げると２２ｋＷ／ｃｍ２、Ｎｄ濃度を４ａｔ．％に上げると２倍以上の３９ｋＷ／ｃｍ２に、さらに添加濃度を８ａｔ．％に上げると、８３ｋＷ／ｃｍ２まで増加する。Ｉｐｓが増加すれば高いレーザ光の入射光強度においても吸収が飽和せず、入射したレーザビームプロファイル強度に比例した蛍光強度分布が得られ、高い測定精度が維持できる。ここで、Ｎｄ濃度２ａｔ．％以上のＮｄ：ＹＡＧは蛍光寿命が短くなるため、通常レーザ媒質としては性能が劣化するため、使われることはない。しかしながら、本発明を適用するビームプロファイル測定装置においては、レーザ発振を利用するものではなく蛍光体として利用するため、蛍光寿命のより短い、高いＮｄ濃度のＮｄ：ＹＡＧは、高強度のレーザ光に対しても蛍光発生の線形性が高く有用である。また、高濃度で吸収が良いため、蛍光板の厚みをより薄くしても十分な蛍光を発生させることができ、装置のレーザ光軸方向の分解能をより向上させることができる。このような用途、機能を実現するために高いＮｄ濃度のＮｄ：ＹＡＧを利用した装置は過去に例がなく、この点に本発明の実施形態の一つとして独自性があると考えられる。
　次に、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、蛍光発生素子が、Ｃｒ４＋イオンが添加された、Ｃｒ，Ｙｂ：ＹＡＧ蛍光板であることの技術的意義について説明する。
　Ｙｂ：ＹＡＧにＣｒ４＋イオンを添加するとＹｂ３＋イオンからＣｒ４＋にエネルギーが遷移し、蛍光寿命が低下することが知られている。例えば、Ｙｂ濃度が１０ａｔ．％のＹｂ：ＹＡＧにＣｒ４＋イオンを０．０２５ａｔ．％添加すると蛍光寿命は９５１μｓから５８４μｓまで低下する(Journal of Luminescence Vol.104, Issue 1-2, pp.151-158　(2003))。さらにＣｒ４＋イオンを０．１ａｔ．％添加すると３６０μｓまで約１／３に低下する。一方、Ｃｒ，Ｙｂ：ＹＡＧ吸収断面積はＣｒ４＋イオンの添加でほとんど変化なく、９４０ｎｍにおいて０．７～０．８×１０－２０ｃｍ２であるため、上記（３）式より吸収飽和強度を計算すると、Ｃｒ４＋イオンを添加しない場合２８ｋＷ／ｃｍ２であり、０．０２５ａｔ．％添加時に４５ｋＷ／ｃｍ２、０．１ａｔ．％添加時には７３ｋＷ／ｃｍ２と約３倍に改善することができる。Ｃｒ，Ｙｂ：ＹＡＧは一般に受動Ｑスイッチレーザの媒質として使用されているが、レーザ媒質として用いるのではなく蛍光板として用い、Ｙｂ：ＹＡＧの蛍光寿命を下げる目的でＣｒ４＋イオンを添加する点は過去に例がなく、この点に本発明の実施形態の一つとしての独自性があると考えられる。
　次に、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、蛍光発生素子が、Ｎｄ：ＹＡＧ蛍光板とＹｂ：ＹＡＧ蛍光板との重ね合わせを含むことの技術的意義について説明する。Ｎｄ：ＹＡＧの代表的な吸収波長である８０８ｎｍ、８８５ｎｍだけでなく、Ｙｂ：ＹＡＧの吸収波長である９４０ｎｍ、９７０ｎｍ帯のレーザ光も吸収され、それぞれからほぼ同じ１０５０ｎｍ近傍の蛍光が出るため、１つの装置により４つの波長のビームプロファイルが観測できる。ここで、重ね合わせるＮｄ：ＹＡＧ蛍光板とＹｂ：ＹＡＧ蛍光板の厚さをそれぞれ薄くすることで、測定の上ではほぼ一体の薄い蛍光板とみなすことができる。
　本発明に係るレーザビームプロファイル測定装置は、板状またはブロック状の蛍光発生素子が、当該蛍光発生素子の入射面及び出射面と斜め方向に交わる、閉じられた傾斜面を有するので、蛍光像の欠けが発生するのを有効に防止して、高出力レーザのビームプロファイルを高精度に測定することが可能となる。
　本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、レーザビームプロファイル測定装置は、イメージ素子に向かう光の一部を受ける受光素子と、光シャッターと、開閉制御部とをさらに含み、開閉制御部は、受光素子が受ける光の強度が所定のしきい値より小さいときに光シャッターが開くよう、光シャッターの動作を制御するよう構成されているので、蛍光の波長に近い波長のレーザを入射させた場合に、イメージ素子が焼損することを未然に防ぐことが可能となる。
　さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、蛍光発生素子が、Ｎｄを原子組成百分率で２％（２ａｔ．％）以上含有する、Ｎｄ：ＹＡＧ蛍光板である、あるいは、蛍光発生素子が、Ｃｒ４＋イオンが添加された、Ｃｒ，Ｙｂ：ＹＡＧ蛍光板であると、レーザ光の入射光強度が高いときにおいても吸収を飽和させず、入射したレーザビームプロファイル強度に比例した蛍光強度分布を得て、高い測定精度を維持することが可能となる。
　本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、蛍光発生素子は、Ｎｄ：ＹＡＧ蛍光板とＹｂ：ＹＡＧ蛍光板との重ね合わせを含むと、蛍光媒体であるＮｄ：ＹＡＧが吸収しない波長の光のビームプロファイルをも同時に測定することが可能となる。
　上記した本発明の目的及び利点並びに他の目的及び利点は、以下の実施の形態の説明を通じてより明確に理解される。もっとも、以下に記述する実施の形態は例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明に好適に使用される蛍光発生素子の一例の動作原理を説明する模式図である。 本発明に好適に使用される蛍光発生素子のもう一つの例の動作原理を説明する模式図である。 本発明に好適に使用される蛍光発生素子の一例を示す模式図である。 本発明に好適に使用される蛍光発生素子のもう一つの例を示す模式図である。 本発明に好適に使用される蛍光発生素子のさらにもう一つの例を示す模式図である。 本発明に好適に使用される蛍光発生素子のさらにもう一つの例を示す模式図である。 本発明を適用したレーザビームプロファイル測定装置の光学系の一例を示す模式図である。 本発明を適用したレーザビームプロファイル測定装置の光学系のもう１つの例を示す模式図である。 本発明を適用したレーザビームプロファイル測定装置の光学系のさらにもう１つの例を示す模式図である。 本発明を適用したレーザビームプロファイル測定装置の光学系のさらにもう１つの例を示す模式図である。 本発明を適用したレーザビームプロファイル測定装置の光学系のさらにもう１つの例を示す模式図である。 本発明に好適に使用される蛍光発生素子のさらにもう一つの例を示す模式図である。 本発明に好適に使用される蛍光発生素子のさらにもう一つの例を示す模式図である。 従来のレーザビームプロファイル測定装置に搭載される蛍光発生素子の一例を示す模式図である。 従来の蛍光発生素子における蛍光の側面反射を説明する模式図である。 蛍光像に生じる問題の様子を説明する図である。
　以下、発明に係るレーザビームプロファイル測定装置の好ましい実施の形態を、本発明に好適に使用される蛍光発生素子の複数の例、及びレーザビームプロファイル測定装置の複数の例に言及しながら、図面に基づいて詳細に説明する。
　図３は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置に好適に使用される蛍光発生素子の一例を示す。蛍光発生素子１０において、蛍光板１１の材質はＮｄ：ＹＡＧ単結晶で、厚みは１ｍｍ、外周は５ｍｍ角、Ｎｄ添加濃度は０．３ａｔ．％とした。相対する外周側面（傾斜面１１ｃ）には、（１）式よりθを計算して入射面１１ａに垂直な面に対し１１°の傾斜を設けた。側面の傾斜は、切削等の機械加工や溶剤によるエッチング加工で施して良い。入射面１１ａ及び出射面１１ｂ表面には、レーザビーム１２及び蛍光発生領域１４で発生した蛍光１３が反射しないように８００ｎｍから１１００ｎｍに亘る広帯域の反射防止のための誘電体膜を形成した。測定装置内では、この側面外側にインジウムを挟み、アルミニウム製のホルダに固定した。
　図４は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置に好適に使用される蛍光発生素子の、より好ましい他の例を示す。蛍光発生素子２０において、円形の蛍光板２１の材質はＮｄ：ＹＡＧセラミックでＮｄ濃度は０．７ａｔ．％、厚みは０．１ｍｍである。支持体２６の材質は、Ｎｄを含まないＹＡＧセラミックで、厚み（奥行き）は２ｍｍである。蛍光板２１の出射面２１ｂと支持体２６の一の面は、低温融着法により接着剤を使わず接合した。後述する傾斜面加工を施す前の蛍光板２１及び支持体２６の外形は円筒形で、直径は１０ｍｍである。本発明による課題の解決手段として、図示のように蛍光板２１の露出している円形の側面周囲（傾斜面２１ｃ）には、（１）式あるいは（２）式よりθを計算し、入射面２１ａに垂直な面に対し０．６°の傾斜を設けた。蛍光板２１の入射面２１ａの表面、及び蛍光板２１の出射面２１ｂと接する支持体２６の一の面の反対側の他の面の表面には、レーザビーム２２及び蛍光発生領域２４で発生した蛍光２３が反射しないように８００ｎｍから１１００ｎｍに亘る広帯域の反射防止のための誘電体膜を形成した。図３の例と比べ、蛍光板２１の後方に密着して支持体２６を設けることで、蛍光板２１を薄くしても装置内での蛍光発生素子２０の保持が容易になり、しかも蛍光板２１で発生する熱を支持体２６で吸収し、その広い側面から高効率に放熱できるため高出力のレーザビームを蛍光板２１に照射しても、熱で変形したり破壊されたりすることが少ない。支持体２６に同じＹＡＧを用いることで、接合した両境界での屈折率の差を小さくして光の反射を防ぐとともに、発熱時の熱膨張歪を抑えることができる。測定装置内では、この側面外側にインジウムを挟み、アルミニウム製のホルダに固定した。
　図５は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置に好適に使用される蛍光発生素子の、より好ましいさらなる他の例を示す。蛍光発生素子３０において、円形の蛍光板３１の材質はＮｄ：ＹＡＧセラミックでＮｄ濃度は０．７ａｔ．％、厚みは０．１ｍｍである。支持体３６の材質は、Ｎｄを含まないＹＡＧセラミックで、厚み（奥行き）は２ｍｍである。蛍光板３１の出射面３１ｂと支持体３６の一の面は、低温融着法により接着剤を使わず接合した。後述する傾斜面加工を施す前の蛍光板３１及び支持体３６の外形は円筒形で、直径は１０ｍｍである。本発明による課題の解決手段として、図示のように蛍光板３１の露出している円形の側面周囲（傾斜面３１ｃ）には、入射面３１ａに垂直な面に対し０．６°の傾斜を設けた。蛍光板３１の入射面３１ａの表面、及び蛍光板３１の出射面３１ｂと接する支持体３６の一の面の反対側の他の面の表面には、レーザビーム３２及び蛍光発生領域３４で発生した蛍光３３が反射しないように８００ｎｍから１１００ｎｍに亘る広帯域の反射防止のための誘電体膜を形成した。図４の例と比べ、傾斜面３１ｃの傾斜の方向が逆である。この方向に傾斜を付けることで、傾斜面３１ｃで反射した蛍光３３が入射面３１ａの方向に排出され、出射面３１ｂ方向のイメージ素子に蛍光の迷光が侵入することがないため、測定のＳ／Ｎを向上させることができる。測定装置内では、この側面外側にインジウムを挟み、アルミニウム製のホルダに固定した。
　図６は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置に好適に使用される蛍光発生素子の、より好ましいさらなる他の例を示す。蛍光発生素子４０において、円形の蛍光板４１の材質はＮｄ：ＹＡＧセラミックでＮｄ濃度は０．７ａｔ．％、厚みは０．１ｍｍである。支持体４６の材質はＮｄを含まないＹＡＧセラミックで、厚み（奥行き）は２ｍｍである。蛍光板４１の出射面４１ｂと支持体４６の一の面は、低温融着法により接着剤を使わず接合した。後述する傾斜面加工を施す前の蛍光板４１及び支持体４６の外形は円筒形で、直径は１０ｍｍである。蛍光板４１の中央からφ８ｍｍの形状で、切削加工により支持体まで至るＶ溝４７を設けた。溝内の蛍光板４１の側面周囲は、溝を設けたφ８ｍｍが実効的な側面と考え、（１）式あるいは（２）式よりθを計算し、入射面４１ａに垂直な面に対し０．８°の傾斜を設けた。蛍光板４１のＮｄ添加濃度は０．５ａｔ．％とした。図３から図５の例に比べ、１つ１つの蛍光発生素子の傾斜加工が不要で、切削装置やレーザ加工機で並べて複数個加工できるので量産性に優れる。蛍光板４１の入射面４１ａの表面、及び蛍光板４１の出射面４１ｂと接する支持体４６の一の面の反対側の他の面の表面には、レーザビーム４２及び蛍光発生領域４４で発生した蛍光が反射しないように８００ｎｍから１１００ｎｍに亘る広帯域の反射防止のための誘電体膜を形成した。測定装置内では、この側面外側にインジウムを挟み、アルミニウム製のホルダに固定した。
　なお、以上の蛍光発生素子の例において、蛍光板側面外周（傾斜面）の角度は（１）式あるいは（２）式にて計算されるθ以上であれば良い。蛍光板及び支持体の外形も四角や円に限定されるものではなく、それ以外の形状であっても良い。蛍光板のＮｄ添加濃度は、上記例の０．３ａｔ．％や０．７ａｔ．％に限るものではない。例えば測定したいレーザビームのパワーが弱ければ、吸収の良いもっと高いＮｄ濃度を、ビームが強ければ発熱の少ないもっと低いＮｄ濃度を選定することが望ましい。図３から図５の例において、傾斜を付ける側面は、図のように対向する両側面に設けることが望ましいが、片面だけでも共振抑制効果が得られるので、片面だけ傾斜を付けても良い。図６の例において、溝は切削等の機械加工で形成しても良く、溶剤によるエッチングや超短パルス光を用いたレーザ加工で形成しても良い。
　図７は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置の好ましい一例として、図４に示すのと同様の蛍光発生素子を用いたレーザビームプロファイル測定装置の光学系の構成を示す。本例のレーザビームプロファイル測定装置５００において、４５度ミラー５０５（光分離素子に相当する）には波長９００ｎｍ以下の光を全反射（反射率＞９９．７％）、１μｍの光を透過（反射率＜５％）する誘電体膜が形成されている。プロファイルを測定したい波長８０８ｎｍのレーザビーム５０３は蛍光板５０１、支持体５０２を透過し、４５度ミラー５０５にて反射され、装置外に排出される。レーザ光の一部は蛍光板５０１のＮｄ：ＹＡＧに吸収され、波長１μｍを中心とする蛍光を発生するが、そのうちの１０６４ｎｍの蛍光５０４は４５度ミラー５０５を透過して、対物レンズ５０６、バンドパスフィルタ５０８、結像レンズ５０９を透過後、ＣＭＯＳイメージセンサ５１０に到達する。この例では２枚の凸レンズ（対物レンズ５０６、結像レンズ５０９）で蛍光板５０１上の蛍光強度イメージがＣＭＯＳイメージセンサ５１０上に結像される光学系が形成される。２枚の凸レンズの焦点距離は共に４０ｍｍで、１０６４ｎｍにおいて無反射コートがなされている。対物レンズ５０６の焦点位置にＮｄ：ＹＡＧ蛍光板５０１、結像レンズ５０９の焦点位置にＣＭＯＳイメージセンサ５１０が位置しており、この構成で蛍光板５０１の蛍光イメージは１：１でＣＭＯＳイメージセンサ５１０に結像される。減光フィルタ５０７でＣＭＯＳイメージセンサ５１０が飽和しないように蛍光を減衰させ、バンドパスフィルタ５０８は１０６４ｎｍ以外の光が透過しない仕様で透過波長幅は２ｎｍである。
　図８は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置のより好ましい他の例として、図４に示すのと同様の蛍光発生素子を用いたレーザビームプロファイル測定装置の光学系の構成を示す。本例のレーザビームプロファイル測定装置６００において、レーザビームと蛍光を分離する光分離素子に４５度プリズム６０５を用いている。４５度プリズム６０５内の４５度傾いた面には９００ｎｍ以下の光を全反射（反射率＞９９．７％）、１μｍの光を透過（反射率＜５％）する誘電体膜が形成されている。凸レンズその他の光学素子及びイメージセンサの仕様は図７に示す光学素子と同じである。図７の平板の４５度ミラーの代わりに、プリズムを用いることで、蛍光が４５度ミラーを透過する際に生じる空間的な収差を小さくできるので結像イメージがより鮮明になり、測定精度が高いという利点がある。
　図９は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置のより好ましいさらなる他の例として、図４に示すのと同様の蛍光発生素子を用いたレーザビームプロファイル測定装置の光学系の構成を示す。本例のレーザビームプロファイル測定装置７００において、４５度ミラー７０５には波長１μｍ以上の光を全反射（反射率＞９９．７％）、９００ｎｍ以下の光を透過（反射率＜０．５％）する誘電体膜が形成されている。プロファイルを測定したい波長８０８ｎｍのレーザビーム７０３は蛍光板７０１、支持体７０２を透過し、さらに４５度ミラー７０５も透過して、装置外に排出される。一方、蛍光板で発生した蛍光は４５度ミラー７０５で反射されて、対物レンズ７０６、バンドパスフィルタ７０８、結像レンズ７０９を透過し、ＣＭＯＳイメージセンサ７１０に到達する。この例では２枚の凸レンズ（対物レンズ７０６、結像レンズ７０９）で蛍光板７０１上の蛍光強度イメージがＣＭＯＳイメージセンサ７１０上に結像される光学系が形成される。２枚の凸レンズの焦点距離は共に６０ｍｍで、１０６４ｎｍにおいて無反射コートがなされている。対物レンズ７０６の焦点位置にＮｄ：ＹＡＧ蛍光板７０１、結像レンズ７０９の焦点位置にＣＭＯＳイメージセンサ７１０が位置しており、この構成で蛍光板７０１の蛍光イメージは１：１でＣＯＭＳイメージセンサ７１０に結像される。減光フィルタ７０７でＣＭＯＳイメージセンサ７１０が飽和しないように蛍光を減衰させ、バンドパスフィルタ７０８は１０６４ｎｍ以外の光が透過しない仕様で透過波長幅は２ｎｍである。この例では、図７及び図８とは逆に、レーザ光は蛍光板を透過した後４５度ミラーをまっすぐ透過し、発生した蛍光は同じ４５度ミラーで４５度の角度で反射されて、ＣＭＯＳイメージセンサ７１０に結像される。レーザ光と蛍光の分離で蛍光の反射光を用いることで、図７で４５度ミラーを透過する際に発生した収差がなくなり、結像イメージがより鮮明になり精度がより高いという利点がある。
　図１０は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置のより好ましいさらなる他の例として、図４に示すのと同様の蛍光発生素子を用いたレーザビームプロファイル測定装置の光学系の構成を示す。本例のレーザビームプロファイル測定装置８００において、４５度ミラー８０５には波長９００ｎｍ以下の光を全反射（反射率＞９９．７％）、１μｍの光を透過（反射率＜０．５％）する誘電体膜が形成されている。プロファイルを測定したい波長８０８ｎｍのレーザビーム８０３は蛍光板８０１、支持体８０２を透過し、４５度ミラー８０５にて反射され、装置外に排出される。レーザ光の一部は蛍光板８０１のＮｄ：ＹＡＧに吸収され、波長１μｍを中心とする蛍光を発生するが、そのうちの１０６４ｎｍの蛍光８０４は４５度ミラー８０５を透過して、対物レンズ８０６、バンドパスフィルタ８０８、結像レンズ８０９を透過する。本例では結像レンズ８０９の後にさらに第２の４５度ミラー８１１を加えて第１の４５度ミラー８０５で分離、透過した蛍光８０４を含む透過光の約半分を４５度の角度で反射させて、フォトディテクタ８１２（受光素子に相当する）で光量を検出すると同時に、第２の４５度ミラー８１１を透過した残りの光は光シャッター８１３を透過後ＣＭＯＳイメージセンサ８１０で蛍光像を観測する構成になっている。この第２の４５度ミラー８１１には波長８００ｎｍから１１００ｎｍに亘り反射率が約５０％になるような誘電体多層膜が形成されている。図示のように、ＣＭＯＳイメージセンサの手前には機械式の光シャッター８１３が挿入されている。この光シャッター８１３において、シャッターはスタンバイ状態では閉じており、フォトディテクタ８１２で検出される光量があるしきい値以下の場合にのみ、測定状態でシャッターが開くよう、開閉制御部８１４による制御がなされている。この図の構成により波長の不明なレーザ光あるいは波長が蛍光に近いレーザ光を誤って入射させた場合でも、事前にフォトディテクタ８１２でＣＭＯＳイメージセンサ８１０への光量が分かり、それがＣＭＯＳイメージセンサ８１０の許容光量よりも高ければシャッターは閉じたままなので、高価なＣＭＯＳイメージセンサ８１０を焼損させることがない。
　図１１は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置のより好ましいさらなる他の例として、図４に示すのと同様の蛍光発生素子を用いたレーザビームプロファイル測定装置の光学系の構成を示す。本例のレーザビームプロファイル測定装置９００において、４５度ミラー９０５には波長１μｍ以上の光を全反射（反射率＞９９．７％）、９００ｎｍ以下の光を透過（反射率＜０．５％）する誘電体膜が形成されている。プロファイルを測定したい波長８０８ｎｍのレーザビーム９０３は蛍光板９０１、支持体９０２を透過し、さらに４５度ミラー９０５も透過して、装置外に排出される。一方、蛍光板９０１で発生した蛍光９０４は４５度ミラー９０５で４５度に反射されて、対物レンズ９０６、バンドパスフィルタ９０８、結像レンズ９０９を透過する。本例では結像レンズ９０９の後にさらに第２の４５度ミラー９１１を加えて第１のミラー９０５で分離、透過した蛍光９０４を含む透過光の約半分を４５度の角度で反射させる。透過した光の光量をフォトディテクタ９１２で検出すると同時に、第２の４５度ミラー９１１を反射した光は光シャッター９１３を透過後ＣＭＯＳイメージセンサ９１０で蛍光像を観測する構成になっている。この第２の４５度ミラー９１１には波長８００ｎｍから１１００ｎｍに亘り反射率が約５０％になるような誘電体多層膜が形成されている。ＣＭＯＳイメージセンサ９１０の手前には機械式の光シャッター９１３が挿入されている。この光シャッター９１３において、シャッターはスタンバイ状態では閉じており、フォトディテクタ９１２で検出される光量があるしきい値以下の場合にのみ、測定状態でシャッターが開くよう、開閉制御部９１４による制御がなされている。この図の構成により波長の不明なレーザ光あるいは波長が蛍光に近いレーザ光を誤って入射させた場合でも、事前にフォトディテクタ９１２でＣＭＯＳイメージセンサ９１０への光量が分かり、それがＣＭＯＳイメージセンサ９１０の許容光量よりも高ければシャッターは閉じたままなので、高価なＣＭＯＳイメージセンサを焼損させることがない。図９の例の構成においては、第１の４５度ミラー７０５で入射したレーザビーム７０３の反射を完全にゼロにすることは実際のミラーの製作上難しいので、図７及び図８の例の構成に比べ、入射したレーザ光が迷光として、ＣＭＯＳイメージセンサ側に漏れる光量が多くなり、ＣＭＯＳイメージセンサを焼損させる可能性がある。そこで、本例によるフォトディテクタ、光シャッター及び開閉制御部が提供するシャッター機能が、ＣＭＯＳイメージセンサの破損防止の観点からより重要になる。
　図１２は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置に好適に使用される蛍光発生素子の、より好ましいさらなる他の例を示す。蛍光発生素子１００において、蛍光板１０１の材質はＮｄ：ＹＡＧでＮｄ添加濃度は８ａｔ．％、厚みは０．０５ｍｍ、支持体１０６の材質はＮｄを含まないＹＡＧセラミックで、厚み（奥行き）は２ｍｍである。蛍光板１０１の出射面１０１ｂと支持体１０６の一の面は、低温融着法により接着剤を使わず接合した。傾斜面加工を施す前の蛍光板１０１及び支持体１０６の外形は円筒形で、直径は１０ｍｍである。Ｎｄ濃度を上げたため吸収係数が高くなり、蛍光板１０１を薄くしても十分な光量の蛍光が発生できる。このように蛍光板１０１を薄くすることにより、入射ビームの光軸方向（Ｚ方向）の分解能が向上するとともに、発熱も減るため排熱性能も改善する。本発明による課題の解決手段として、図示のように蛍光板１０１の露出している円形の側面周囲（傾斜面１０１ｃ）には、（１）式あるいは（２）式よりθを計算し、入射面に垂直な面に対し０．３°の傾斜を設けた。蛍光板１０１の入射面１０１ａの表面、及び蛍光板１０１の出射面１０１ｂと接する支持体１０６の一の面の反対側の他の面の表面には、レーザ光及び発生した蛍光が反射しないように８００ｎｍから１１００ｎｍに亘る広帯域の反射防止のための誘電体膜を形成した。この構成により、波長８０８ｎｍ、１００Ｗを超えるレーザビームを入射、集光しても飽和のない精度の高いビームプロファイルが測定できる。
　なお、レーザビームプロファイル測定装置に搭載する蛍光発生素子のさらに別の構成として、図１２に示す蛍光板１０１の媒質として、Ｃｒ４＋イオンが添加された、Ｃｒ，Ｙｂ：ＹＡＧを用いても良く、これにより図１２に示す例と同様の効果を得ることができる。
　図１３は、本発明によるレーザビームプロファイル測定装置に好適に使用される蛍光発生素子の、より好ましいさらなる他の例を示す。蛍光発生素子２００において、蛍光板２１１ａの材質はＹｂ：ＹＡＧ（Ｙｂ：１０ａｔ．％）セラミック、蛍光板２１１ｂの材質はＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ：４ａｔ．％）セラミックで、厚みは共に０．０５ｍｍ、支持体２０６の材質はＮｄを含まないＹＡＧセラミックで、厚み（奥行き）は２ｍｍである。２枚の蛍光板２１１ａ、２１１ｂの対向する面同士、蛍光板２１１ｂの出射面２０１ｂと支持体２０６の一の面は、低温融着法により接着剤を使わず接合した。２枚の蛍光板２１１ａ、２１１ｂを重ね合わせた（傾斜面加工を施す前の）蛍光板２０１及び支持体２０６の外形は円筒形で直径は１０ｍｍである。本発明による課題の解決手段として、図示のように蛍光板２０１の露出している円形の側面周囲（傾斜面２０１ｃ）には、（１）式あるいは（２）式よりθを計算し、入射面に垂直な面に対し０．６°の傾斜を設けた。蛍光板２０１（蛍光板２１１ａ）の入射面２０１ａの表面、及び蛍光板２０１（蛍光板２１１ｂ）の出射面２０１ｂと接する支持体２０６の一の面の反対側の他の面の表面には、レーザ光及び発生した蛍光が反射しないように８００ｎｍから１１００ｎｍに亘る広帯域の反射防止のための誘電体膜を形成した。Ｎｄ：ＹＡＧとＹｂ：ＹＡＧの薄膜を重ね合わせて蛍光板２０１として用いることにより、Ｎｄ：ＹＡＧの代表的な吸収波長である８０８ｎｍ、８８５ｎｍだけでなく、Ｙｂ：ＹＡＧの代表的な吸収波長である９４０ｎｍ、９７０ｎｍ帯のレーザ光も吸収され、それぞれからほぼ同じ１０５０ｎｍ近傍の蛍光が出るため、同一の光学系により蛍光像が観測できる。Ｎｄ：ＹＡＧの薄膜とＹｂ：ＹＡＧの薄膜の厚さを薄くすることでビームの軸方向の測定分解能が高くなり、また、発生した蛍光をイメージセンサ上に結像した場合の誤差も小さくできる。なお本例ではＮｄ：ＹＡＧとＹｂ：ＹＡＧを重ね合わせて蛍光板としたが、これらの蛍光媒質の重ね合わせる順番は逆にしても良い。また、これ以外の蛍光媒質の組み合わせでも良く、３種類以上の蛍光媒質を重ね合わせて、３層以上の多層の蛍光板としても良い。
　以上の例においては蛍光板の例としてＮｄ：ＹＡＧやＹｂ：ＹＡＧ、Ｃｒ，Ｙｂ：ＹＡＧを媒質として挙げたが、本発明の範囲は、蛍光板の材質としてこれに限定されるものではなく、この他に７８５ｎｍや１．５μｍ近傍の光を吸収して１．６μｍや２．９μｍの蛍光を発するＥｒ：ＹＡＧでも良く、７８０ｎｍ、７８５ｎｍの光を吸収して２．０１μｍの蛍光を発するＴｍ：ＹＡＧでも良く、１．９μｍ近傍の光を吸収して、２．０１μｍの蛍光を発するＨｏ：ＹＡＧでも良く、７８０ｎｍ近傍の光を吸収して、２．０８μｍの蛍光を発するＣｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧでも良く、３５０ｎｍ、４５０ｎｍ近傍の光を吸収して５５０ｎｍの蛍光を発するＣｅ：ＹＡＧでも良い。また、可視光領域を吸収して１μｍの蛍光を発するＣｒ３＋イオンを添加したＣｒ，Ｎｄ：ＹＡＧでも良い。以上記述した吸収波長や蛍光の波長は代表的な例であって、その媒質固有の吸収波長帯、蛍光波長の中から、個々の目的、仕様に応じて選択すれば良い。検出する蛍光波長も必ずしもその媒質の蛍光ピーク波長に設定する必要はなく、蛍光ピーク波長に近い波長のレーザ光の迷光を避けるために、蛍光ピーク波長から離れた波長で検出するようにバンドパスフィルタを設定しても良い。また、以上の例では蛍光板、支持体の母材としてＹＡＧを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＹＡＧより熱伝導の高いＹ２Ｏ３やＬｕ２Ｏ３、ＬｕＡＧ、ＹＡＰ、Ｓｃ２Ｏ３、ＧＧＧ、ＧＳＧＧ、ＹＳＧＧ、ＹＳＯでも良い。また、母材の材質としては単結晶でも良いし、透光性セラミックでも良い。測定したいレーザ光の波長を吸収する媒質を選べば良い。蛍光板と支持体との接合は、透明な接着剤を用いても良いし、接着剤を用いず、合わせる面を互いに高精度に研磨して押し付けた光学接着（オプティカルコンタクト）でも良いが、接着強度の点では温度を上げて接着する拡散接合（高温融着）や低温融着がより好ましい。蛍光板の発熱による変形を避けるためには、蛍光板と支持体は膨張係数が近い、同じ母材であることがより好ましいが、発熱が小さければ支持体には蛍光板とは別の母材、例えば蛍光板の母材がＹＡＧで支持体が熱伝導の良いサファイアであても良い。さらに減光フィルタやバンドパスフィルタの位置について、光強度が最も低くなる対物レンズと結像レンズの間にこれらを置く構成を上記例では示したが、かかる位置とは異なる位置に配置しても良く、必要に応じてそれぞれ複数枚のフィルタを用いても良い。減光フィルタの種類や減衰率、バンドパスフィルタの透過波長、透過波長幅、透過率等は、測定したいレーザビームや蛍光板の仕様等で最適に選択されると良い。さらに、イメージ素子として用いるＣＭＯＳあるいはＣＣＤイメージセンサとしては、その蛍光板が発する蛍光の波長で適切な感度がある、例えばＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ等の材料が選択されると良い。
産業上の利用分野
　本発明は、レーザビームプロファイルを計測する機能を有する種々の装置に広く適用することができる。
　１０　　蛍光発生素子
　１１　　蛍光板
　１１ａ　　入射面
　１１ｂ　　出射面
　１１ｃ　　傾斜面
　１２　　レーザビーム
　１３　　蛍光

Claims (10)

  1. 　レーザビームの二次元プロファイルを測定するレーザビームプロファイル測定装置であって、
    　レーザ光が入射する入射面と前記レーザ光が出射する出射面とを有する、板状またはブロック状の蛍光発生素子と、
    　前記蛍光発生素子内で発生し前記出射面から出射する蛍光を、前記レーザ光から分離する光分離素子と、
    　前記蛍光を受けるイメージ素子と、
    　を含み、
    　前記板状またはブロック状の蛍光発生素子は、当該蛍光発生素子の前記入射面及び前記出射面と斜め方向に交わる、閉じられた傾斜面を有する、
    　レーザビームプロファイル測定装置。
  2. 　前記蛍光発生素子は、少なくとも前記蛍光が透過する支持体をさらに有し、前記支持体の一の面が、前記蛍光発生素子の前記出射面に光学的に接合されている、請求項１に記載のレーザビームプロファイル測定装置。
  3. 　前記閉じられた傾斜面は、前記入射面を上底／下底とし前記出射面を下底／上底とする円錐台または角錐台の側面を成す、請求項１に記載のレーザビームプロファイル測定装置。
  4. 　前記閉じられた傾斜面は、前記蛍光発生素子の厚みを超えて前記支持体に達する溝により形成されている、請求項２に記載のレーザビームプロファイル測定装置。
  5. 　前記蛍光発生素子の前記閉じられた傾斜面が前記入射面及び前記出射面と交わる角度をθ、前記蛍光発生素子の入射面の幅をａ、厚みをｂとするとき、角度θが以下の関係を満たす、請求項１に記載のレーザビームプロファイル測定装置。
    　ｔａｎ２θ≧２ｂ／ａ
    　ただし、角度θの単位はｒａｄである。
  6. 　前記蛍光発生素子の前記閉じられた傾斜面が前記入射面及び前記出射面と交わる角度をθ、前記蛍光発生素子の入射面の幅をａ、厚みをｂ（ただし、ｂ≪ａである）とするとき、角度θが以下の関係を満たす、請求項１に記載のレーザビームプロファイル測定装置。
    　θ≧ｂ／ａ
    　ただし、角度θの単位はｒａｄである。
  7. 　前記イメージ素子に向かう光の一部を受ける受光素子と、光シャッターと、開閉制御部とをさらに含み、前記開閉制御部は、前記受光素子が受ける光の強度が所定のしきい値より小さいときに前記光シャッターが開くよう、前記光シャッターの動作を制御する、請求項１に記載のレーザビームプロファイル測定装置。
  8. 　前記蛍光発生素子は、Ｎｄを原子組成百分率で２％（２ａｔ．％）以上含有する、Ｎｄ：ＹＡＧ蛍光板である、請求項１に記載のレーザビームプロファイル測定装置。
  9. 　前記蛍光発生素子は、Ｃｒ４＋イオンが添加された、Ｃｒ，Ｙｂ：ＹＡＧ蛍光板である、請求項１に記載のレーザビームプロファイル測定装置。
  10. 　前記蛍光発生素子は、Ｎｄ：ＹＡＧ蛍光板とＹｂ：ＹＡＧ蛍光板との重ね合わせを含む、請求項１に記載のレーザビームプロファイル測定装置。
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