WO2020179049A1 - レーザ光のビームプロファイル測定装置 - Google Patents

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WO2020179049A1
WO2020179049A1 PCT/JP2019/009008 JP2019009008W WO2020179049A1 WO 2020179049 A1 WO2020179049 A1 WO 2020179049A1 JP 2019009008 W JP2019009008 W JP 2019009008W WO 2020179049 A1 WO2020179049 A1 WO 2020179049A1
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laser light
light
mask
fluorescence
laser
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Application number
PCT/JP2019/009008
Other languages
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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Publication date
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Classifications

    • 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 beam profile measuring device, and more particularly to a laser beam beam profile measuring device capable of measuring a two-dimensional beam profile of a laser beam having high light intensity with high position accuracy and high accuracy.
  • a laser light is attenuated by a filter or a mirror and observed by an image sensor such as CCD, CMOS, or a pin. Measure the transmitted light intensity while blocking a part of the beam with a hole, slit, or knife edge, and calculate it from the correlation between the light blocking position and the transmitted light intensity, using a rod with a small mirror on the tip or a small hole on the tip.
  • Known methods include two-dimensional scanning of an open light guide rod in the beam to measure the intensity distribution, and irradiation of a laser beam on a plate that scatters light, and then measuring the image of the scattered light from behind with a camera.
  • a camera refers to all devices for capturing an image.
  • a camera includes an image device (for example, an image sensor such as CCD or CMOS) for detecting an image and an optical system (lens or the like) for forming an image on the image device.
  • an image device for example, an image sensor such as CCD or CMOS
  • an optical system for forming an image on the image device.
  • Patent Documents 1 and 2 propose a method of irradiating laser light from the front of the fluorescent plate and observing fluorescence from the irradiated region with a camera from the front surface of the fluorescent plate irradiated with the laser light or the rear surface of the fluorescent plate. There is.
  • Patent Document 3 and Non-Patent Document 1 propose a method of 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 directions of transmission and reflection of laser light are opposite.
  • the method that uses a fluorescent material, a fluorescent material, or a fluorescent plate (hereinafter collectively referred to as “fluorescent plate”) is superior to the other measurement methods, and the following will be explained.
  • the position of the measured laser beam in the optical axis direction can be specified strictly and with high accuracy by the position of the fluorescent screen. That is, by placing the fluorescent plate at the position where the beam is to be measured, the beam profile at that location is faithfully converted into a fluorescent intensity profile (fluorescent image), which can be imaged with a camera for observation and storage.
  • the fluorescence emitted from the fluorescent plate is far from the wavelength of the laser light, it can be easily separated from the laser light by a dichroic mirror (wavelength separation mirror) or the like, and can be observed at a high signal-to-noise ratio (S/N). Since fluorescence is less affected by scattering and absorption in the fluorescence plate, the fluorescence image can be measured with a camera with high resolution and high accuracy without causing blurring.
  • the light intensity of the generated fluorescence can be easily weakened to 1/100 or less of the light intensity of the incident laser light by devising (thinning) the material of the fluorescent plate, the concentration of phosphor (absorption characteristics), and the thickness. Is.
  • the fluorescent plate since the fluorescent plate also functions as a kind of neutral density filter, it is possible to observe the fluorescent light after separating it with the wavelength separation mirror and using the image sensor without causing signal saturation or destruction. Further, since the amount of heat generated by the fluorescent plate can be suppressed to be small at this time, the temperature rise can be suppressed even if the high-power laser beam is directly incident, and stable measurement for a long time becomes possible.
  • fluorescence is incoherent light unlike laser light and scattered light, interference fringes such as speckles and filters do not occur, and even if an optical system with a small aperture (NA) is used, it can be displayed on the image sensor.
  • the degree of freedom of the optical system is high because the image can be accurately formed. Further, there is an advantage that the magnification of imaging can be freely set by combining lenses, and measurement can be performed with high accuracy by enlarging a minute beam profile.
  • the filter located between the wavelength separation mirror and the image sensor has a bandpass characteristic that selectively transmits only light having a wavelength of fluorescence.
  • the filter is designed to significantly attenuate the light of the wavelength received by the image sensor other than the wavelength of fluorescence to 1/100000 to 1/1000000.
  • Stray light of laser light reflected or transmitted through a wavelength separation mirror is also attenuated by the bandpass filter, but the intensity of fluorescence generated from the fluorescent plate is very high depending on the emission characteristics of the fluorescent plate, the wavelength of the laser light, and the wavelength of fluorescence. In some cases, the intensity of the fluorescence is weak and the intensity of the stray light of the attenuated laser light is almost the same on the image sensor. In that case, since stray light of the laser beam is observed as a ghost on the image sensor in addition to the fluorescent image, the fluorescent image cannot be correctly measured.
  • the incident laser light component may not be attenuated so much by the bandpass filter due to the characteristics of the bandpass filter, which is caused by stray light of the laser light. There was a problem that the influence of the ghost could not be removed.
  • the wavelength separation mirror is reflected or Even if the stray light of the transmitted laser light is 1%, there is a problem that the central portion has a high light intensity and therefore may damage the bandpass filter, the camera, or the image sensor.
  • the present invention is intended to solve such a problem of the conventional technique, and eliminates the influence of ghost due to the stray light of the laser light that is not separated by the wavelength separation mirror, so that the beam profile of the high-power laser is highly accurate.
  • the purpose is to make it possible to measure.
  • Another object of the present invention is to prevent the bandpass filter, the camera, or the image sensor from being damaged by the stray light of the laser beam.
  • the present invention is a beam profile measuring device for measuring a two-dimensional light intensity distribution of laser light, which has a plate-like or block-like fluorescent light having an incident surface on which the laser light is incident and an emitting surface on which the laser light is emitted.
  • a mask located in the optical path of the fluorescent light between them, the mask being provided so as to cover the central portion including the center of the optical path of the fluorescent light, and shielding the light of the wavelength of the laser light.
  • an imaging optical system located between the optical separation element and the image element.
  • the mask includes a transparent base material and a film formed on one surface of the base material to shield light of the wavelength of the laser light. Good.
  • the mask includes a film that is formed on one surface of a lens that constitutes the imaging optical system and that shields light having a wavelength of the laser light. Good.
  • the mask may be a metal plate having a shielding portion covering the central portion.
  • the mask is a metal plate having a shielding portion that covers the central portion and a rim portion provided around the shielding portion, and the shielding portion and the It is good to have a hole between it and the rim.
  • the mask may have any shape of a circle, an ellipse, a straight line, a triangle, a rectangle, a rectangle, or a polygon having five or more corners.
  • the shielding portion of the mask is said to have any shape of a circle, an ellipse, a straight line, a triangle, a square, a rectangle, or a polygon having five or more angles. Good.
  • laser light and its stray light are coherent light and have strong directivity and have the highest intensity at the center of the optical path between the light separation element and the image element. Therefore, the mask located in the optical path of the fluorescent light between the light separation element and the image element is provided so as to cover the central portion including the center of the optical path of the fluorescent light so as to shield the light of the wavelength of the laser light. By configuring, the influence of stray light of the laser beam is effectively removed.
  • shielding means not transmitting light having a wavelength of laser light, and includes any of reflecting, diffusing, or absorbing light.
  • fluorescent light which is incoherent light
  • the spread fluorescence is larger than the mask provided so as to cover the central portion including the center of the fluorescence optical path. Therefore, despite the placement of the mask, the fluorescent light that has passed around the mask is correctly imaged on the image element. As a result, the influence of the ghost can be removed and the fluorescence image can be measured correctly.
  • the present inventor has an idea to shield only the laser light by utilizing the difference in light properties between the laser light and its stray light (coherent light) and fluorescence (incoherent light). The present invention has been completed.
  • the mask located in the optical path of the fluorescent light between the light separation element and the image element shields the stray light of the laser light, so that the stray light of the laser light may damage the bandpass filter, the camera or the image sensor. There is also an advantage that it can be prevented.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a laser beam transmissive separation type beam profiler using a wavelength separation mirror that transmits laser light and reflects fluorescence as a light separation element and uses a mask made of a metal plate
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a laser beam reflection/separation type beam profiler in which a wavelength separation mirror that reflects laser light and transmits fluorescence is used as a light separation element, and a mask made of a metal plate is used.
  • 3 is a schematic diagram showing a configuration example of a mask made of a metal plate
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a laser beam transmissive separation type beam profiler using a wavelength separation mirror that transmits laser light and reflects fluorescence as a light separation element and uses a mask made of a metal plate
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a laser beam reflection/separation type beam profiler in which a wavelength separation mirror that reflects laser light and
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing another configuration example of a mask made of a metal plate
  • FIG. 5 is a mask of the metal plate shown in FIG.
  • FIG. 6 is a view showing another configuration example of a laser beam transmission separation type beam profiler in which the mask is replaced by another mask
  • FIG. 6 is a laser beam transmission separation type in which the mask of the metal plate shown in FIG. 1 is replaced by another mask. It is a figure which shows the other structural example of a beam profiler.
  • the fluorescent plate 1 absorbs a part of the laser light and internally generates fluorescence of wavelength ⁇ 2. ..
  • the generated fluorescence 13 is emitted from the emission surface 1b while spreading to the surroundings.
  • the fluorescent plate 1 corresponds to the fluorescence generating element in the present invention.
  • the wavelength ⁇ 1 of the laser light is 808 nm and the wavelength ⁇ 2 of the fluorescence that is to be observed in the fluorescent image among the fluorescence generated on the fluorescent plate 1 is 1064 nm will be described below.
  • the fluorescence plate 1 may form a fluorescence generation element bonded and integrated with a support (not shown).
  • the fluorescence generation element may have a square prism shape with a 6 mm square entrance surface.
  • the material of the fluorescent plate 1 is, for example, Nd: YAG translucent ceramic, and the Nd concentration is 0.7 at. %, the thickness may be 0.05 mm.
  • the material of the support (not shown) is, for example, YAG translucent ceramic containing no Nd, and the thickness may be 2 mm.
  • the opposing surfaces (denoted by reference numeral 1b in FIG. 1) of the fluorescent plate 1 and the support (not shown) may be joined and integrated by using a low temperature fusion method without using an adhesive.
  • the laser beam 12 having a wavelength of 808 nm that is incident as an example of the laser beam to be measured is transmitted through the fluorescent screen 1 and further transmitted through the wavelength separation mirror 2. It is discharged to the outside of the device.
  • the wavelength separation mirror 2 since it is difficult for the wavelength separation mirror 2 to achieve 100% transmittance of the laser light 12, a part of the laser light 12 (usually, laser light having an energy of about 1 to 5%) passes through the wavelength separation mirror 2.
  • the reflected light becomes stray light 14 of the laser light.
  • two stray lights reflected from the two surfaces transmitted by the laser beam 12 of the wavelength separation mirror are shown.
  • the wavelength separation mirror 2 corresponds to the optical separation element in the present invention.
  • the fluorescent plate 1 when passing through the fluorescent plate 1, a part of the laser light 12 is absorbed by Nd:YAG of the fluorescent plate 1 and is energy-converted to generate fluorescent light having a wavelength of 1 ⁇ m, which is proportional to the laser light intensity distribution, toward the surroundings.
  • the fluorescent light 13 having a wavelength of 1064 nm is reflected by the wavelength separation mirror 2, passes through the objective lens 5, the imaging lens 6, and the bandpass filter 8, and then reaches the CMOS image sensor 3.
  • the objective lens 5 and the imaging lens 6 are, for example, convex lenses made of quartz, and it is preferable that the objective lens 5 has a focal length of 50 mm and the imaging lens 6 has a focal length of 100 mm.
  • the fluorescent plate 1 is arranged at the focal position of the objective lens 5 and the CMOS image sensor 3 is arranged at the focal position of the imaging lens 6, and the fluorescent image of the fluorescent plate 1 is doubled on the light receiving surface (not shown) inside the CMOS image sensor 3. The image is enlarged and imaged.
  • the CMOS image sensor 3 corresponds to the image element in the present invention. Further, the objective lens 5 and the imaging lens 6 correspond to the imaging optical system 7.
  • the bandpass filter 8 is designed to significantly attenuate light other than 1064 nm so that light other than 1064 nm does not reach the CMOS image sensor 3.
  • the transmission wavelength width at 1064 nm of the bandpass filter 8 is, for example, 10 nm.
  • the stray light of the laser light having the wavelength of 808 nm is assumed.
  • the intensity of the stray light 14 of the laser beam reaching the CMOS image sensor 3 may be about the same as the intensity of the fluorescence 13, which is the correct fluorescence as a ghost. It has been a conventional problem that the image is observed in an overlapping manner.
  • a mask 4 is provided in the optical path of the fluorescence 13 between the wavelength separation mirror 2 and the CMOS image sensor 3.
  • the mask 4 is provided so as to cover the optical path of the fluorescent light 13, that is, the central portion including the center of the imaging optical system, and is configured to block the laser light having a wavelength of 808 nm. Therefore, the stray light 14 of the laser beam reflected by the wavelength separation mirror 2 is blocked by the mask 4 and is prevented from reaching the CMOS image sensor 3.
  • the mask 4 may be a metal plate having a shielding portion 41 that covers a central portion including the center of the fluorescent optical path.
  • the shield portion 41 is formed by punching or cutting a metal plate made of aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, or stainless steel and having a thickness of about 1 mm to make a hole. You can
  • the mask 4 made of a metal plate has a shield portion 41 and a rim portion 43 provided around the shield portion 41, and a hole 42 is provided between the shield portion 41 and the rim portion 43.
  • the configuration may be open.
  • the mask 4 of the metal plate may have a bridge 45 connecting the shielding portion 41 and the rim portion 43 in order to support the shielding portion 41.
  • FIG. 3 shows a different configuration example of the bridge that supports the shielding portion 41.
  • FIG. 3(a) shows one bridge
  • FIG. 3(b) shows two bridges
  • FIG. 3(c) shows three. Each has its own bridge.
  • the metal plate mask 4 is advantageous in that it can be manufactured most simply and inexpensively.
  • the surface may be further subjected to white alumite treatment to reflect light, and conversely, black alumite treatment may be performed to absorb stray light of the laser light.
  • black alumite treatment may be performed to absorb stray light of the laser light.
  • the mask 4 made of a metal plate as shown in FIG. 3 can be formed by forming a hole 42 around the shielding portion 41.
  • the mask 4 is introduced into the optical path of fluorescence.
  • the optical path length of the entire imaging optical system does not change depending on how the mask 4 is installed. Therefore, in addition to the advantage that the optical system does not need to be readjusted even if the mask 4 is inserted in the optical path of fluorescence, a plurality of masks having the shielding portions 41 of various shapes or sizes are prepared. There is also an advantage that the mask can be arbitrarily selected and inserted according to the measurement target, which is highly practical.
  • the mask may be provided so as to cover the central portion including the center of the fluorescent optical path, and the shape of the mask is not particularly limited.
  • the shape of the mask may be, for example, a circle, an ellipse, a straight line, a triangle, a square, a rectangle, or a polygon having five or more angles.
  • the shape of the shielding portion 41 corresponds to the shape of the mask 4, and in these examples, the shape of the mask is a circle.
  • the shape of the rim portion 43 is not related to the shape of the mask in the present invention.
  • FIG. 4A shows an example in which the shape of the shield 51 is rectangular
  • FIG. 4B shows an example in which the shape of the shield 53 is rectangular
  • FIG. 4C shows an example in which the shape of the shield 55 is straight.
  • the shapes of the shielding portions 51, 53, 55 correspond to the shapes of the mask
  • the shape of the rim portion 43 is not related to the shape of the mask in the present invention.
  • the shape of the mask is either a straight line, a square, a rectangle, or a polygon having five or more corners
  • one side of the mask has a p-polarization direction at the wavelength separation mirror 2. It should be aligned so that it is parallel to.
  • the configuration in which the masks are aligned in this way is advantageous because the stray light of the laser beam reflected on the front surface and the back surface of the wavelength separation mirror 2 can be efficiently removed.
  • the shape and size of the mask may be determined in consideration of the shape and size of the laser beam 12 scheduled to be incident, the size of the imaging optical system 7, and the like. Since it is considered that the laser light 12 travels almost linearly without spreading from the fluorescent plate 1, the shape of the shielding portion 41 of the mask 4 may be the same as the shape of the fluorescent plate 1 (for example, a circular shape). The size may be substantially the same as or slightly larger than the size of the fluorescent screen 1.
  • the area of the shielding portion 41 is preferably 1/3 or less of the area of the lens of the imaging optical system.
  • the mask image passes through a region (for example, a hole) other than the shielding portion 41 of the mask 4, and the CMOS image sensor 3 Since the amount of fluorescence light reaching the area is reduced, the observed fluorescence intensity distribution (laser light intensity distribution) becomes dark and the S / N decreases.
  • the laser light 12 is considered to travel substantially linearly without spreading from the fluorescent plate 1, the laser light reflected by the wavelength separation mirror 2 covers the central portion including the center of the fluorescence optical path 41. It should be noted that even if the area of is made larger than a certain area (for example, an area slightly larger than the area of the fluorescent plate 1), the fluorescence image becomes darker even though the shielding effect of the laser beam does not change much. Is.
  • the mask 4 is provided at any position in the optical path of the fluorescence 13 between the wavelength separation mirror 2 and the CMOS image sensor 3.
  • the imaging optical system 7 is provided at a position close to the front and back. If the mask 4 is too close to the CMOS image sensor 3, the portion shaded by the mask 4 becomes a shadow and is reflected on the CMOS image sensor 3, which may affect the measurement of the fluorescence image. More preferably, the mask 4 is provided immediately before the coupling optical system 7 on which the fluorescence 13 is incident.
  • the mask 4 is arranged such that the objective lens 5, the image forming lens 6, and the bandpass filter 8 which form the image forming optical system 7 are damaged by the laser light. It is more advantageous because you can avoid receiving it.
  • FIG. 2 shows a configuration example of the laser light reflection separation type beam profiler 200.
  • the fluorescent plate 21 absorbs a part of the laser light and internally generates the fluorescence having the wavelength ⁇ 2. ..
  • the generated fluorescence 13 is emitted from the emission surface 21b while spreading to the surroundings.
  • the fluorescent plate 21 corresponds to the fluorescence generating element in the present invention.
  • the wavelength ⁇ 1 of the laser light is 808 nm and the wavelength ⁇ 2 of the fluorescence that is to be observed in the fluorescent image among the fluorescence generated in the fluorescent plate 21 is 1064 nm will be described below.
  • the fluorescence plate 21 may form a fluorescence generation element bonded and integrated with a support (not shown).
  • the fluorescence generator may have a cylindrical shape with a diameter of 10 mm.
  • the material of the fluorescent plate 21 is, for example, Nd:YAG crystal and the Nd concentration is 1.0 at. %, The thickness may be 0.2 mm, and the material of the support (not shown) may be, for example, a YAG crystal containing no Nd, and the thickness may be 2 mm.
  • the opposing surfaces (designated by reference numeral 21b in FIG. 2) of the fluorescent plate 21 and the support (not shown) may be joined and integrated by a thermocompression bonding method without using an adhesive.
  • the laser light 12 of 808 nm which is incident as an example of the wavelength of the laser light to be measured is transmitted through the fluorescent plate 21 and reflected by the wavelength separation mirror 22. , Discharged outside the device.
  • the wavelength separation mirror 22 since it is difficult for the wavelength separation mirror 22 to achieve the reflectance of 100% of the laser light 12, a part of the laser light 12 (usually a laser light having an energy of about 1 to 5%) does not reach the wavelength separation mirror 22. It is transmitted and becomes stray light 14 of the laser light.
  • the wavelength separation mirror 22 corresponds to the optical separation element in the present invention.
  • the fluorescent plate 21 when passing through the fluorescent plate 21, a part of the laser light is absorbed by Nd:YAG of the fluorescent plate 21, energy-converted, and fluorescent light having a wavelength of 1 ⁇ m, which is proportional to the laser light intensity distribution, is emitted toward the surroundings.
  • the fluorescent light 13 having a wavelength of 1064 nm passes through the wavelength separation mirror 22, passes through the objective lens 25, the imaging lens 26, and the bandpass filter 8, and then reaches the CMOS image sensor 3.
  • the objective lens 25 and the imaging lens 26 may be, for example, convex lenses made of optical glass known by the general name “BK7”, and the focal lengths of the lenses may both be 50 mm.
  • the fluorescent plate 21 is located at the focal position of the objective lens 25, and the CMOS image sensor 3 is located at the focal position of the imaging lens 26.
  • the fluorescent image of the fluorescent plate 21 is 1:1 and the light receiving surface in the CMOS image sensor 3 is located. It is imaged on top (not shown).
  • the configuration and position of the mask 4 may be the same as the configuration and position of the mask 4 in the example of the laser light reflection transmission type beam profiler 100 shown in FIG.
  • the function of the mask 4 in the laser beam reflection/separation beam profiler 200 shown in FIG. 2 is similar to the function of the mask 4 in the example of the laser beam transmission/separation beam profiler 100 shown in FIG. The description is omitted.
  • the laser light reflection/separation beam profiler 200 also achieves the laser light transmission/separation beam profiler 100 shown in FIG. 1 except that the functions of reflecting and transmitting the laser light 12 and the fluorescent light 13 by the wavelength separation mirror 22 are different. An effect similar to that can be achieved.
  • FIG. 5 shows a configuration example of the laser light transmission separation type beam profiler 300.
  • a transparent base material 61 and one surface of the base material 61 are formed.
  • the mask 4 including the film 63 that shields the light of the wavelength of the laser light is used.
  • Other components are the same as the components of the configuration example shown in FIG.
  • the material of the transparent substrate 61 may be a glass material such as quartz or BK7, an inorganic crystal material such as sapphire, a plastic such as acrylic, or the like, and the film 63 may be a metal film or a dielectric film.
  • the material of the metal film may be gold, silver, nickel, aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, chromium or the like, or may be a laminate of these.
  • the material of the dielectric film may be TiO 2 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , Nb 2 O 3 , ZrO 2 , MgF 2 , YF 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 or the like.
  • One or more of these metal materials or dielectric materials are used to form a single-layer thin film having a specific thickness (for example, 0.5 ⁇ m or more), or a plurality of films made of different materials are stacked to have a specific thickness.
  • a multilayer film may be formed.
  • a vacuum vapor deposition method in which a portion of the surface of the base material 61 other than the portion where the film 63 is formed is masked, and then the material is heated in vacuum to adhere to the surface of the base material 61.
  • there is a sputtering method in which another ion is struck against the material to flick the material and attach it to the surface of the base material 61, but the method is not particularly limited.
  • a metal film it may be attached to the surface of the base material 61 via an adhesive or an adhesive film.
  • the shape and size of the film 63 may be the same as the shape and size of the shielding portion 41 or the shielding portions 51, 53, 55 of the mask 4 in the laser light transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. Since the function of the mask 4 in the laser light transmissive separation type beam profiler 300 shown in FIG. 5 is the same as the function of the mask 4 in the example of the laser light transmissive type beam profiler 100 shown in FIG. 1, detailed description thereof will be given here. Is omitted.
  • the laser beam transmissive separation type beam profiler 300 can also achieve the same effect as that achieved by the laser beam transmissive separation type beam profiler 100 shown in FIG. 1.
  • the bridge 45 is unnecessary as compared with the mask 4 of the metal plate shown in FIG.
  • the S/N ratio can be improved.
  • FIG. 6 shows a configuration example of the laser light transmission separation type beam profiler 400.
  • the configuration example shown in FIG. 6 as an alternative to the metal plate mask 4 in the laser light transmissive separation type beam profiler 100 shown in FIG. 1, it is formed on one surface of the objective lens 5 that constitutes the imaging optical system 7.
  • the mask 4 including the film 73 that shields the light having the wavelength of the laser light is used.
  • Other components are the same as the components of the configuration example shown in FIG.
  • the film 73 formed on the surface of the objective lens 5 may be the same metal film or dielectric film as the film 63 formed on the surface of the base material 61 in the laser light transmission separation type beam profiler 300 shown in FIG. A detailed description of the material and the structure of the film is omitted.
  • the method of forming the film 73 is also a vacuum deposition in which the material other than the area where the film 73 is formed on the surface of the objective lens 5 is masked and then the material is heated in vacuum to adhere to the surface of the objective lens 5.
  • a metal film it may be attached to the surface of the objective lens 5 via an adhesive, an adhesive film, or the like.
  • the laser beam transmitting/separating beam profiler 400 also achieves the same effect as that achieved by the laser beam transmitting/separating beam profiler 100 shown in FIG. 1 and the laser beam transmitting/separating beam profiler 300 shown in FIG. be able to.
  • Nd:YAG is used as a medium as an example of the fluorescent plate 1, but the material of the fluorescent plate 1 is not limited to this.
  • light of 940 nm and 970 nm is absorbed and fluorescence of 1030 nm is emitted.
  • Emitting Yb:YAG, or Cr or Yb:YAG in which Cr 4+ ions are added to Yb:YAG for the purpose of shortening the fluorescence lifetime may be 1.6 ⁇ m or 2.9 ⁇ m by absorbing light in the vicinity of 785 nm or 1.5 ⁇ m.
  • Er:YAG which fluoresces, or Tm:YAG which fluoresces at 780 nm and 785 nm and fluoresces at 2.01 ⁇ m may be absorbed, which fluoresces at around 1.9 ⁇ m and fluoresces at 2.01 ⁇ m Ho:YAG may be used, Cr, Tm, Ho:YAG that absorbs light in the vicinity of 780 nm and emits fluorescence of 2.08 ⁇ m, Ce:YAG that absorbs light in the vicinity of 350 nm and 450 nm and emits fluorescence of 550 nm It may be. Further, Cr, Nd: YAG to which Cr 3+ ions that absorb the visible light region and emit fluorescence of 1 ⁇ m may be added.
  • the absorption wavelength and the fluorescence wavelength described above are typical examples, and may be selected from the absorption wavelength band and the fluorescence wavelength peculiar to the medium according to individual purposes and specifications.
  • the fluorescence wavelength to be detected does not necessarily have to be set to the fluorescence peak wavelength of the medium, and the transmission wavelength of the bandpass filter 8 may be set to detect at a wavelength apart from the fluorescence peak wavelength.
  • YAG was used as the base material of the fluorescent plate and the support (not shown), but the present invention is not limited to this, and transparent materials such as quartz and glass such as BK7 are used.
  • the material may be used, or Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , which has a higher heat conductivity than YAG, LuAG, YAP, Sc 2 O 3 , GGG, GSGG, YSGG, YSO, and sapphire may be used.
  • the crystallinity of the base material may be a single crystal or a translucent ceramic.
  • the fluorescent plate may be II-VI group semiconductor nanoparticles such as ZnS, ZnSe, and ZnTe dispersed and fixed in glass or plastic. It suffices to select a medium that absorbs the wavelength of the laser light to be measured.
  • the fluorescent plate 1 and the support (not shown) may be joined by using a transparent adhesive, or an optical adhesive (optical contact) in which mating surfaces are highly accurately polished and pressed against each other without using the adhesive.
  • a transparent adhesive or an optical adhesive (optical contact) in which mating surfaces are highly accurately polished and pressed against each other without using the adhesive.
  • an optical adhesive optical contact
  • thermocompression bonding in terms of adhesive strength, thermocompression bonding, diffusion bonding (high temperature fusion) or low temperature fusion, in which the temperature is raised to adhere, is more preferable.
  • the fluorescent plate 1 and the support (not shown) have the same expansion coefficient and the same base material, but if the heat generation is small, the support (not shown).
  • the base material of the fluorescent plate 1 may be YAG and the support may be sapphire having good thermal conductivity.
  • the thickness of the fluorescent plate 1 is preferably thin in order to improve the accuracy of the measurement position of the beam in the optical axis direction.
  • the fluorescent plate 1 is made thin, the distance through which the laser light is transmitted decreases, and the intensity of the generated fluorescent light decreases, so it is advisable to increase the amount of the fluorescent element added to the fluorescent plate 1 to obtain the desired fluorescent light intensity. ..
  • An example is shown in which an image of the fluorescent screen 1 is imaged on the image sensor 3 at a ratio of 1: 1 using a lens having the same focal length.
  • an image on the fluorescent screen 1 may be enlarged or reduced and projected on the image sensor 3 by using a lens having a different focal length other than this, and it is an imaging optical system using three or more lenses. It may be an imaging optical system using one lens simply, and is not particularly limited. Further, the lens may be a double-sided spherical lens, a plano-convex lens, a laminated achromatic lens, or an aspherical lens.
  • the position of the bandpass filter 8 the configuration in which the bandpass filter 8 is placed immediately after the imaging optical system 7 where the light intensity is the lowest is shown in the above example, but it may be placed at a position different from this position. It may be arranged between the objective lens 5 and the imaging lens 6 of the image optical system 7. Alternatively, a plurality of filters may be used if necessary. Further, for the CMOS or CCD image sensor used as the image element, it is preferable to select a material such as Si, Ge, GaAs, InGaAs, or InP, which has appropriate sensitivity at the wavelength of the fluorescence emitted by the fluorescent plate.
  • a material such as Si, Ge, GaAs, InGaAs, or InP, which has appropriate sensitivity at the wavelength of the fluorescence emitted by the fluorescent plate.
  • the present invention can be widely applied to various devices having a function of measuring a beam profile of a laser beam.

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Abstract

ビームプロファイラは、レーザ光が入射する入射面とレーザ光が出射する出射面とを有する、板状又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、光分離素子とイメージ素子との間の蛍光の光路内に位置するマスクとを含む。マスクは、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、レーザ光及びその迷光を遮蔽するとよい。マスクは金属板でよく、金属板は、当該中心部分を覆う遮蔽部と、遮蔽部の周囲に設けられたリム部とを有し、遮蔽部とリム部との間に穴が空けられているとよい。代替的にマスクは、透明な基材と、基材の一方の面上に形成された膜とを含むとよい。ビームプロファイラは、波長分離ミラーによって分離されないレーザ光の迷光によるゴーストの影響を除去して、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を可能とする。

Description

レーザ光のビームプロファイル測定装置
　本発明は、レーザ光のビームプロファイル測定装置に関し、特に、高光強度のレーザ光の二次元ビームプロファイルを高い位置精度で、且つ高精度に測定できるレーザ光のビームプロファイル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光のビームプロファイル（二次元光強度分布）を測定する方法としては、フィルタやミラーでレーザ光を減光してＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサで観測する方法、ピンホールやスリット、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を測定し、遮光位置と透過光強度の相関から計算により求める方法、先端に小さなミラーの付いた棒あるいは先端に小さな穴の開いた導光棒をビーム内で二次元にスキャンして強度分布を測定する方法、光を散乱する板にレーザ光を照射し、その散乱光の像を後方からカメラで測定する方法等が知られていた。なお、本明細書においてカメラとは、映像を撮影するための装置全般を意味する。一般的にカメラは、その内部に、像を検出するためのイメージ素子（例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳ等のイメージセンサ）と、イメージ素子上に像を結ぶための光学系（レンズ等）とを含む。
　一方、レーザ光を板状の蛍光体（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やイメージセンサ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、レーザ光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、レーザ光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され、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７を参照して、従来提案された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。測定したいレーザ光（波長８０８ｎｍ）１１０３を、透明なブロック１１００の一面に形成されたフィルム状の蛍光体１１０１に照射する。蛍光体１１０１に吸収されなかったレーザ光は、界面１１０２を透過し外部に放出される。一方、蛍光体から発生した蛍光１１０４は、界面１１０２で反射され、さらにフィルタ１１０５で蛍光波長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もレーザ光の透過と反射の方向が逆であるだけで基本的な構成は同じである。蛍光体の例としてはＮｄ：ＹＡＧが示されている。
　前記した従来技術のうち、蛍光材料、蛍光体あるいは蛍光板（以下、まとめて「蛍光板」と称する）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、測定されるレーザ光のビームの光軸方向（Ｚ軸方向）位置を、蛍光板の位置で厳密に且つ高精度に特定することができる。すなわちビームを測定したい位置に蛍光板を置くことで、その場所のビームプロファイルが忠実に蛍光強度プロファイル（蛍光像）に変換され、それをカメラで結像して観測、保存できる。蛍光板から発生する蛍光は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（波長分離ミラー）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。蛍光は蛍光板内で散乱や吸収の影響を受けることが少ないので、蛍光像はぼけを生じることなく高分解能で、高精度にカメラで計測できる。発生する蛍光の光強度は、蛍光板の材料や蛍光体濃度（吸収特性）、厚みを工夫する（薄くする）ことで、入射するレーザ光の光強度に比べ１／１００以下まで弱くすることも容易である。つまり、蛍光板が一種の減光フィルタとしても機能するので、蛍光を波長分離ミラーで分離した後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。また、このとき蛍光板で発生する熱量も少なく抑えられるので、高出力レーザ光を直接入射しても温度上昇が抑えられ、長時間安定した測定が可能になる。加えて、蛍光はレーザ光やその散乱光と違いインコヒーレント光であるため、スペックルやフィルタ等の干渉縞の発生がなく、また開口（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。さらに、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、微小なビームプロファイルも拡大することで高精度に測定できる等の利点がある。
特開平６－２２１９１７号公報 特開２００４－２４５７７８号公報 特表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
　しかしながら上述した蛍光板を用いた方法においては、レーザ光の透過率又は反射率１００％を達成する波長分離ミラーを製作することは困難であるため、通常、１～５％程度のエネルギーのレーザ光が、波長分離ミラーで分離されずにそこを反射又は透過する。このレーザ光（すなわちレーザ光の迷光）は、蛍光と同じ光路をたどり、イメージセンサに向かう。通常、波長分離ミラーとイメージセンサとの間に位置するフィルタは、蛍光の波長の光だけを選択的に透過するバンドパス特性を有する。かかるバンドパス特性を有するフィルタ（バンドパスフィルタ）の場合、フィルタは、蛍光の波長以外でイメージセンサが受光する波長の光を、１／１０００００～１／１００００００まで大幅に減衰させるように設計されている。
　波長分離ミラーを反射又は透過した、レーザ光の迷光も、バンドパスフィルタによって減衰を受けるが、蛍光板の発光特性、レーザ光の波長、蛍光の波長によっては、蛍光板から発生する蛍光の強度が非常に弱く、イメージセンサ上で、蛍光強度と減衰されたレーザ光の迷光の強度が同程度になる場合がある。その場合、イメージセンサ上に蛍光像以外にレーザ光の迷光がゴーストとして重なって観測されるため、蛍光像を正しく測定できないという問題があった。特にレーザ光と蛍光の波長（バンドパスフィルタの透過波長）が近い場合には、バンドパスフィルタの特性上、入射したレーザ光成分はバンドパスフィルタであまり減衰されない場合があり、レーザ光の迷光によるゴーストの影響を除去できないという問題があった。
　加えて、レーザ光の強度が強く、且つ細く絞られて入射した場合や、レーザ光が時間でパルス状に照射され、そのパルスの光のピーク強度が高い場合においては、波長分離ミラーを反射又は透過したレーザ光の迷光がたとえ１％であっても、中心部分は高い光強度であるため、バンドパスフィルタやカメラあるいはイメージセンサにダメージを与えるおそれがあるという問題があった。
　したがって、本発明は、このような従来技術の問題を解決しようとするものであり、波長分離ミラーによって分離されないレーザ光の迷光によるゴーストの影響を除去して、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を可能とすることを目的とする。
　また、本発明は、レーザ光の迷光によってバンドパスフィルタやカメラあるいはイメージセンサがダメージを受けることを未然に防ぐことを目的とする。
　上記した課題を解決するために、本発明は以下の構成を有する。
　本発明は、レーザ光の二次元光強度分布を測定する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、板状又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、前記光分離素子と前記イメージ素子との間の前記蛍光の光路内に位置するマスクと、を含み、前記マスクは、前記蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する。
　本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記光分離素子と前記イメージ素子との間に位置する結像光学系をさらに含むとよい。
　また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、透明な基材と、前記基材の一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜とを含むとよい。
　さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、前記結像光学系を構成するレンズの一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜を含むとよい。
　また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部を有する金属板であるとよい。
　さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部と、前記遮蔽部の周囲に設けられたリム部とを有する金属板であり、前記遮蔽部と前記リム部との間に穴が空けられているとよい。
　また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクが、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかの形状であるとよい。
　また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクの遮蔽部が、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかの形状であるとよい。
　一般にレーザ光及びその迷光はコヒーレント光であり、強い方向性を有して光分離素子とイメージ素子との間の光路において、光路の中心での強度が最も高い。従って、光分離素子とイメージ素子との間の蛍光の光路内に位置するマスクが、その蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、レーザ光の波長の光を遮蔽するように構成することにより、レーザ光の迷光の影響が効果的に除去される。本明細書において「遮蔽」とは、レーザ光の波長の光を透過しないことを意味し、光を反射すること、拡散すること又は吸収することのいずれをも含む。
　他方、インコヒーレント光である蛍光は、方向性がなく、蛍光板を出射すると周囲に広がり、そのように広がった蛍光の一部が、光分離素子とイメージ素子との間の光路を通過する。広がった蛍光は、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられたマスクよりも大きい。従って、マスクの設置にもかかわらず、マスクの周囲を通過した蛍光がイメージ素子上に正しく結像される。これにより、ゴーストの影響を除去して、蛍光像を正しく測定することができる。このように本発明者は、レーザ光及びその迷光（コヒーレント光）と蛍光（インコヒーレント光）とで光の性質に違いがあることを利用して、レーザ光のみを遮蔽するという着想を得て本発明を完成したものである。
　他方で、光分離素子とイメージ素子との間の蛍光の光路内に位置するマスクが、レーザ光の迷光を遮蔽するので、レーザ光の迷光によってバンドパスフィルタやカメラあるいはイメージセンサがダメージを受けることを未然に防ぐことができるという利点もある。
　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。
本発明によるレーザビームプロファイラの一構成例を示す図である。 レーザビームプロファイラの構成例を示す図である。 マスクの構成例を示す模式図である。 マスクの他の構成例を示す模式図である。 レーザビームプロファイラの他の構成例を示す図である。 レーザビームプロファイラの他の構成例を示す図である。 蛍光を利用したビームプロファイル測定法の従来例を説明する図である。
　以下、本発明によるレーザ光のビームプロファイル測定装置の好ましい実施の形態を、レーザ光の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１－図６を参照して、本発明によるビームプロファイル測定装置の構成例の概略と機能を以下に説明する。ここで図１は、光分離素子として、レーザ光を透過し蛍光を反射する波長分離ミラーを用い、且つ金属板からなるマスクを用いた、レーザ光透過分離型ビームプロファイラの構成例を示す図、図２は、光分離素子として、レーザ光を反射し蛍光を透過する波長分離ミラーを用い、且つ金属板からなるマスクを用いた、レーザ光反射分離型ビームプロファイラの構成例を示す図である。また、図３は、金属板からなるマスクの構成例を示す模式図、図４は、金属板からなるマスクの他の構成例を示す模式図、図５は、図１に示す金属板のマスクを他のマスクに代替した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラの他の構成例を示す図、そして図６は、図１に示す金属板のマスクを他のマスクに代替した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラの他の構成例を示す図である。
　図１に示すレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００の例において、蛍光板１は、波長λ１のレーザ光が入射面１ａから入射したとき、その一部を吸収して内部で波長λ２の蛍光を発生する。発生した蛍光１３は出射面１ｂから、周囲に広がりながら出射する。蛍光板１は、本発明における蛍光発生素子に相当する。ここでは、レーザ光の波長λ１が８０８ｎｍであり、蛍光板１で発生した蛍光のうち、蛍光像を観察しようとする蛍光の波長λ２が１０６４ｎｍである場合の例について、以下に説明する。
　蛍光板１は、支持体（図示せず）と接合、一体化された蛍光発生素子を構成してよい。例えば、蛍光発生素子は入射面が６ｍｍ角の正方形の四角柱形状を有してよい。蛍光板１の材質は、例えばＮｄ：ＹＡＧ透光性セラミックで、Ｎｄ濃度は０．７ａｔ．％、厚さは０．０５ｍｍでよい。支持体（図示せず）の材質は、例えばＮｄを含まないＹＡＧ透光性セラミックで、厚さは２ｍｍでよい。蛍光板１と支持体（図示せず）の相対する面（図１において符号１ｂで示す）は、低温融着法により接着剤を使わず接合、一体化してよい。
　図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００において、被測定対象のレーザ光の一例として入射させた波長８０８ｎｍのレーザ光１２は、蛍光板１を透過し、さらに波長分離ミラー２を透過し、装置外に排出される。しかし、波長分離ミラー２は、レーザ光１２の透過率１００％を達成することが困難なため、レーザ光１２の一部（通常１～５％程度のエネルギーのレーザ光）が波長分離ミラー２を反射し、レーザ光の迷光１４となる。ここでは波長分離ミラーのレーザ光１２が透過する２つの面から反射する２つの迷光を示している。波長分離ミラー２は、本発明における光分離素子に相当する。
　他方、蛍光板１を透過する際、レーザ光１２の一部は、蛍光板１のＮｄ：ＹＡＧに吸収され、エネルギー変換されてレーザ光強度分布に比例した波長１μｍを中心とする蛍光を周囲に向け発生するが、そのうちの１０６４ｎｍの蛍光１３は波長分離ミラー２で反射して、対物レンズ５、結像レンズ６、及びバンドパスフィルタ８を透過後、ＣＭＯＳイメージセンサ３に到達する。対物レンズ５及び結像レンズ６は、例えば石英製の凸レンズであり、対物レンズ５の焦点距離は５０ｍｍ、結像レンズ６の焦点距離は１００ｍｍであるとよい。対物レンズ５の焦点位置に蛍光板１、結像レンズ６の焦点位置にＣＭＯＳイメージセンサ３が配置され、蛍光板１の蛍光像はＣＭＯＳイメージセンサ３内部の受光面上（図示せず）に２倍に拡大されて結像、映像化される。ＣＭＯＳイメージセンサ３は、本発明におけるイメージ素子に相当する。また、対物レンズ５及び結像レンズ６は結像光学系７に相当する。
　バンドパスフィルタ８は、１０６４ｎｍ以外の光がＣＭＯＳイメージセンサ３に到達しないように、１０６４ｎｍ以外の光を大幅に減衰するよう設計されている。バンドパスフィルタ８の１０６４ｎｍにおける透過波長幅は例えば１０ｎｍである。しかし、すでに述べたように、特に、蛍光板１に入射するレーザ光の強度が強く、蛍光板１からＣＭＯＳイメージセンサ３に届く蛍光１３の強度が非常に弱いときには、仮に、波長８０８ｎｍのレーザ光の迷光１４が、このバンドパスフィルタ８で減衰されたとしても、ＣＭＯＳイメージセンサ３に到達するレーザ光の迷光１４の強度が、蛍光１３の強度と同程度になる場合があり、これがゴーストとして、正しい蛍光像に重なって観察されることが従来の問題となっていた。
　そこで、波長分離ミラー２とＣＭＯＳイメージセンサ３との間の蛍光１３の光路内にマスク４が設けられている。マスク４は、蛍光１３の光路、すなわち結像光学系の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、レーザ光の波長８０８ｎｍの光を遮蔽するよう構成されている。従って、波長分離ミラー２を反射したレーザ光の迷光１４は、マスク４によって遮蔽され、ＣＭＯＳイメージセンサ３への到達が阻止される。
　図３－図４を参照して、マスクの構成例を詳しく説明する。マスク４は、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆う遮蔽部４１を有する金属板でよい。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、又はステンレスのいずれかからなる厚さ１ｍｍ程度の金属板に、打ち抜き加工あるいは切削加工等をして穴をあけることにより、遮蔽部４１を形成することができる。
　図３を参照して、金属板のマスク４は、遮蔽部４１と、遮蔽部４１の周囲に設けられたリム部４３とを有し、遮蔽部４１とリム部４３との間に穴４２があけられている構成としてよい。金属板のマスク４は、遮蔽部４１を支持するために、遮蔽部４１とリム部４３との間をつなぐブリッジ４５を有してよい。図３は、遮蔽部４１を支持するブリッジの異なる構成例を示しており、図３（ａ）は１本のブリッジ、図３（ｂ）は２本のブリッジ、図３（ｃ）は３本のブリッジをそれぞれ有している。
　金属板のマスク４は、最も簡便に且つ安価に製作できる点で有利である。マスク４の材料がアルミニウムである場合、さらに表面に白アルマイト処理をして光を反射させてよく、逆に黒アルマイト処理をしてレーザ光の迷光を吸収させてもよい。光を吸収させる場合、遮光部４１の温度が上がるために、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウムや銅又は銅合金を用いるのが好ましい。
　上述のとおり、図３に示すような金属板のマスク４は、遮蔽部４１の周囲に穴４２をあけて構成することができるが、この穴には空気しか存在しないため、蛍光の光路内へのマスク４の設置如何によって、結像光学系全体の光路長が変化することがない。従って、蛍光の光路内にマスク４を挿入しても光学系を再調整する必要がないという利点があることに加えて、種々の形状あるいはサイズの遮蔽部４１を有する複数のマスクを用意しておき、測定対象に応じて任意にマスクを選択して挿入することもできるという利点もあり、実用性が高い。
　マスクは、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられればよく、マスクの形状は特に限定されない。マスクの形状は、例えば、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかでよい。図３に示す例において、遮蔽部４１の形状がマスク４の形状に対応し、これらの例においてマスクの形状は円である。リム部４３の形状は、本発明におけるマスクの形状に関係しない。
　図４を参照して、マスクの他の構成例を説明する。図４（ａ）は遮蔽部５１の形状が方形である例、図４（ｂ）は遮蔽部５３の形状が長方形である例、図４（ｃ）は遮蔽部５５の形状が直線である例をそれぞれ示している。これらの例においても、遮蔽部５１、５３、５５の形状がマスクの形状に対応し、リム部４３の形状は、本発明におけるマスクの形状に関係しない。これらの例を含め、マスクの形状が直線、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかである場合、マスクのいずれかの一辺が、波長分離ミラー２でのｐ偏光方向と平行となるようアラインされているとよい。このようにマスクをアラインする構成は、波長分離ミラー２の表面と裏面で反射されるレーザ光の迷光を、効率よく除去できるので有利である。
　一般的に、マスクの形状とサイズは、入射を予定するレーザ光１２の形状、サイズ、結像光学系７のサイズ等を考慮して決めてよい。レーザ光１２は、蛍光板１から広がらずにほぼ直線的に進むと考えられることから、マスク４の遮蔽部４１の形状は、蛍光板１の形状（例えば円形）と同じにしてよく、遮蔽部４１のサイズは、蛍光板１のサイズとほぼ同じか若干大きくてよい。
　遮蔽部４１の面積は、結像光学系のレンズの面積に対して１／３以下であることが好ましい。遮蔽部４１の面積が大きい方が、レーザ光の遮蔽効果は高くなるが、遮蔽部４１の比率が高まるにつれ、マスク４の遮蔽部４１以外の領域（例えば穴）を通り抜けて、ＣＭＯＳイメージセンサ３に到達する蛍光の光量が減少するため、観測される蛍光強度分布（レーザ光強度分布）が暗くなり、Ｓ／Ｎが低下する。また、レーザ光１２は、蛍光板１から広がらずにほぼ直線的に進むと考えられることから、波長分離ミラー２で反射されたレーザ光は、蛍光の光路の中心を含む中央部分を覆う遮蔽部４１の面積をある面積（例えば、蛍光板１の面積よりも若干大きい面積）以上に大きくしても、レーザ光の遮蔽効果にあまり変化がないのに、蛍光像は逆に暗くなることに留意すべきである。
　再び図１を参照して、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００において、マスク４は、波長分離ミラー２とＣＭＯＳイメージセンサ３との間の蛍光１３の光路内のどの位置に設けてよいが、結像光学系７の前後の近い位置に設けられるのが好ましい。マスク４がＣＭＯＳイメージセンサ３に近すぎると、マスク４で遮光された部分が影となってＣＭＯＳイメージセンサ３に映り、蛍光像の計測に影響する場合がある。より好ましくは、マスク４は、蛍光１３が入射する結合光学系７の直前に設けられるとよい。かかるマスク４の配置は、レーザ光の迷光１４の強度が強い場合であっても、結像光学系７を構成する対物レンズ５及び結像レンズ６、バンドパスフィルタ８が、レーザ光によってダメージを受けるのを回避することができるので、より有利である。
　次に、図２を参照して、本発明によるレーザ光のビームプロファイル測定装置の他の例を説明する。図２はレーザ光反射分離型ビームプロファイラ２００の構成例を示している。
　図２に示すレーザ光反射分離型ビームプロファイラ２００の例において、蛍光板２１は、波長λ１のレーザ光が入射面２１ａから入射したとき、その一部を吸収して内部で波長λ２の蛍光を発生する。発生した蛍光１３は出射面２１ｂから、周囲に広がりながら出射する。蛍光板２１は、本発明における蛍光発生素子に相当する。ここでは、レーザ光の波長λ１が８０８ｎｍであり、蛍光板２１で発生した蛍光のうち、蛍光像を観察しようとする蛍光の波長λ２が１０６４ｎｍである場合の例について、以下に説明する。
　蛍光板２１は、支持体（図示せず）と接合、一体化された蛍光発生素子を構成してよい。例えば、蛍光発生素子は直径１０ｍｍの円筒形状を有して良い。蛍光板２１の材質は、例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶でＮｄ濃度は１．０ａｔ．％、厚さは０．２ｍｍでよく、支持体（図示せず）の材質は、例えばＮｄを含まないＹＡＧ結晶で、厚さは２ｍｍでよい。蛍光板２１と支持体（図示せず）の相対する面（図２において符号２１ｂで示す）は、熱圧着法により接着剤を使わず接合、一体化してよい。
　図２に示したレーザ光反射分離型ビームプロファイラ２００において、被測定対象のレーザ光の波長の一例として入射させた８０８ｎｍのレーザ光１２は、蛍光板２１を透過し、波長分離ミラー２２で反射して、装置外に排出される。しかし、波長分離ミラー２２は、レーザ光１２の反射率１００％を達成することが困難なため、レーザ光１２の一部（通常１～５％程度のエネルギーのレーザ光）が波長分離ミラー２２を透過し、レーザ光の迷光１４となる。波長分離ミラー２２は、本発明における光分離素子に相当する。
　他方、蛍光板２１を透過する際、レーザ光の一部は、蛍光板２１のＮｄ：ＹＡＧに吸収され、エネルギー変換されてレーザ光強度分布に比例した波長１μｍを中心とする蛍光を周囲に向け発生するが、そのうちの１０６４ｎｍの蛍光１３は波長分離ミラー２２を透過して、対物レンズ２５、結像レンズ２６、及びバンドパスフィルタ８を透過後、ＣＭＯＳイメージセンサ３に到達する。対物レンズ２５及び結像レンズ２６は、例えば一般名称「ＢＫ７」で知られる光学ガラス製の凸レンズでよく、レンズの焦点距離は共に５０ｍｍであるとよい。さらに対物レンズ２５の焦点位置に蛍光板２１、結像レンズ２６の焦点位置にＣＭＯＳイメージセンサ３が位置しており、この構成で蛍光板２１の蛍光像は１：１でＣＭＯＳイメージセンサ３内の受光面上（図示せず）に結像される。
　マスク４の構成と位置は、図１に示したレーザ光反射透過型ビームプロファイラ１００の例におけるマスク４の構成と位置と同様でよい。図２に示したレーザ光反射分離型ビームプロファイラ２００におけるマスク４の機能は、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００の例におけるマスク４の機能と同様であるので、ここでの詳しい説明は省略する。波長分離ミラー２２によるレーザ光１２及び蛍光１３の反射及び透過の機能が異なる点を除いて、レーザ光反射分離型ビームプロファイラ２００もまた、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００の達成する効果と同様の効果を達成することができる。
　次に、図５を参照して、レーザ光のビームプロファイル測定装置の他の例を説明する。図５はレーザ光透過分離型ビームプロファイラ３００の構成例を示している。図５に示す構成例において、図１に示した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００における金属板のマスク４の代替として、透明な基材６１と、基材６１の一方の面上に形成された、レーザ光の波長の光を遮蔽する膜６３とを含むマスク４を用いている。他の構成部分は、図１に示した構成例の構成部分と同様である。
　透明な基材６１の材質としては、石英やＢＫ７等のガラス材料、サファイア等の無機結晶材料や、アクリルなどのプラスチック等でよく、膜６３は、金属膜又は誘電体膜でよい。金属膜の材質としては、金、銀、ニッケル、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、クロム等であってよいし、これらの積層でもよい。また、誘電体膜の材質としては、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＦ２、ＹＦ３、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等でよい。これらの金属材料又は誘電体材料のうち１つ又は複数を用いて、特定の厚さ（例えば０．５μｍ以上）の単層の薄膜、あるいは異なる材料の複数の膜を特定の厚さで積層した多層膜を形成してよい。膜６３を形成する方法としては、基材６１の表面で膜６３を形成する部分以外の部分にマスキングをしてから、真空中で材料を加熱して基材６１の表面に付着させる真空蒸着法や、材料に別のイオンをぶつけて材料を弾き飛ばし基材６１の表面に付着させるスパッター法等があるが、特に限定されない。また、金属膜の場合、基材６１の表面に接着剤あるいは接着フィルム等を介して貼着してもよい。
　膜６３の形状及びサイズは、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００におけるマスク４の遮蔽部４１又は遮蔽部５１、５３、５５の形状及びサイズと同様でよい。図５に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ３００におけるマスク４の機能は、図１に示したレーザ光透過型ビームプロファイラ１００の例におけるマスク４の機能と同様であるので、ここでの詳しい説明は省略する。レーザ光透過分離型ビームプロファイラ３００もまた、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００の達成する効果と同様の効果を達成することができる。透明な基材６１の上に膜６３を形成したマスク４を用いる場合、図３に示した金属板のマスク４と比較してブリッジ４５が不要であるため、蛍光が透過する部分の面積を大きくすることができ、Ｓ／Ｎを改善することができる。
　次に、図６を参照して、レーザ光のビームプロファイル測定装置の他の例を説明する。図６はレーザ光透過分離型ビームプロファイラ４００の構成例を示している。図６に示す構成例において、図１に示した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００における金属板のマスク４の代替として、結像光学系７を構成する対物レンズ５の一方の面上に形成された、レーザ光の波長の光を遮蔽する膜７３を含むマスク４を用いている。他の構成部分は、図１に示した構成例の構成部分と同様である。
　対物レンズ５の表面に形成される膜７３は、図５に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ３００における、基材６１の表面に形成される膜６３と同様の金属膜又は誘電体膜でよく、材質や膜の構成についての詳しい説明は省略する。また、膜７３を形成する方法も、対物レンズ５の表面で膜７３を形成する部分以外の部分にマスキングをしてから、真空中で材料を加熱して対物レンズ５の表面に付着させる真空蒸着法や、材料に別のイオンをぶつけて材料を弾き飛ばし対物レンズ５の表面に付着させるスパッター法等があるが、特に限定されない。さらに、金属膜の場合、対物レンズ５の表面に接着剤あるいは接着フィルム等を介して貼着してもよい。
　レーザ光透過分離型ビームプロファイラ４００もまた、図１に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ１００、及び図５に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ３００が達成する効果と同様の効果を達成することができる。
　以上の例においては蛍光板１の例としてＮｄ：ＹＡＧを媒質として挙げたが、蛍光板１の材質としてこれに限定されるものではなく、この他に、９４０ｎｍ、９７０ｎｍの光を吸収して１０３０ｎｍの蛍光を発するＹｂ：ＹＡＧ、又は蛍光寿命を下げる目的でＹｂ：ＹＡＧにＣｒ４＋イオンを添加したＣｒ，Ｙｂ：ＹＡＧでもよく、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でもよく、７８０ｎｍ、７８５ｎｍの光を吸収して２．０１μｍの蛍光を発するＴｍ：ＹＡＧでもよく、１．９μｍ近傍の光を吸収して、２．０１μｍの蛍光を発するＨｏ：ＹＡＧでもよく、７８０ｎｍ近傍の光を吸収して、２．０８μｍの蛍光を発するＣｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧでもよく、３５０ｎｍ、４５０ｎｍ近傍の光を吸収して５５０ｎｍの蛍光を発するＣｅ：ＹＡＧでもよい。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でもよい。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よい。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、蛍光ピーク波長から離れた波長で検出するようにバンドパスフィルタ８の透過波長を設定してもよい。また、以上の例では蛍光板、支持体（図示せず）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、透明な材料であれば石英やＢＫ７のようなガラス材料でもよいし、ＹＡＧより熱伝導の高いＹ２Ｏ３やＬｕ２Ｏ３、ＬｕＡＧ、ＹＡＰ、Ｓｃ２Ｏ３、ＧＧＧ、ＧＳＧＧ、ＹＳＧＧ、ＹＳＯ、サファイアでもよい。また、母材の結晶性としては単結晶でもよいし、透光性セラミックでもよい。蛍光板としてはさらに、以上述べた遷移金属や希土類のイオンを分散した無機材料以外に、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅといったII－VI族半導体ナノ粒子をガラスやプラスチック中に分散固定したものでもよい。測定したいレーザ光の波長を吸収する媒質を選べばよい。蛍光板１と支持体（図示せず）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）でもよいが、接着強度の点では温度を上げて接着する熱圧着、拡散接合（高温融着）や低温融着がより好ましい。蛍光板１の発熱による変形を避けるためには、蛍光板１と支持体（図示せず）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（図示せず）には蛍光板１とは別の母材、例えば蛍光板１の母材がＹＡＧで支持体が熱伝導の良いサファイアであってもよい。また、蛍光板１の厚みはビームの光軸方向の測定位置精度を上げるためには薄い方が望ましい。しかし蛍光板１を薄くするとレーザ光の透過する距離が減り、発生する蛍光の強度が低下するので、蛍光板１への蛍光元素の添加量を増やすことにより所望の蛍光の強度が得られるようにするとよい。
　以上の例において、対物レンズ５と結像レンズ６に焦点距離の異なるレンズを用いて蛍光板１のイメージを1：２でイメージセンサ３上に結像する例と、対物レンズ２５と結像レンズ２６に焦点距離が同じレンズを用いて、蛍光板１のイメージを１：１でイメージセンサ３上に結像する例とを示した。しかし、これ以外の焦点距離の異なるレンズを用いて、蛍光板１上の像をイメージセンサ３上に拡大、あるいは縮小して投影してもよく、レンズを３枚以上用いた結像光学系であってもよく、また、簡便にレンズを１枚用いた結像光学系であってもよく、特に限定されない。また、レンズは、両面球面レンズでもよく、平凸レンズ、貼り合わせのアクロマティックレンズ、非球面レンズでもよい。
　さらにバンドパスフィルタ８の位置について、光の強度が最も低くなる結像光学系７の直後にこれ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よく、結像光学系７の対物レンズ５と結像レンズ６との間に配置してもよい。又は、必要に応じて複数枚のフィルタを用いてもよい。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よい。
産業上の利用分野
　本発明は、レーザ光の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。
　１、２１　　蛍光板
　１ａ、２１ａ　　レーザ光の入射面
　１ｂ、２１ｂ　　レーザ光の出射面
　１２　　レーザ光
　１３　　蛍光
　１４　　レーザ光の迷光
　２、２２　　波長分離ミラー（光分離素子）
　３　　イメージセンサ
　４　　マスク
　５、２５　　対物レンズ
　６、２６　　結像レンズ
　７　　結像光学系
　８　　バンドパスフィルタ
　４１、５１、５３、５５　　遮蔽部
　４２　　穴
　４３　　リム部
　４５　　ブリッジ
　６１　　基材
　６３、７３　　膜

Claims (8)

  1. 　レーザ光の二次元プロファイルを測定するレーザ光の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、板状又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、
    　前記光分離素子と前記イメージ素子との間の前記蛍光の光路内に位置するマスクと、
    　を含み、
    　前記マスクは、前記蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する、
    　レーザ光のビームプロファイル測定装置。
  2. 　前記光分離素子と前記イメージ素子との間に位置する結像光学系をさらに含む、請求項１に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
  3. 　前記マスクは、透明な基材と、前記基材の一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜とを含む、請求項１に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
  4. 　前記マスクは、前記結像光学系を構成するレンズの一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜を含む、請求項２に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
  5. 　前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部を有する金属板である、請求項１に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
  6. 　前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部と、前記遮蔽部の周囲に設けられたリム部とを有する金属板であり、前記遮蔽部と前記リム部との間に穴が空けられている、請求項１に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
  7. 　前記マスクの形状が、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかである、請求項１に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
  8. 　前記マスクの遮蔽部の形状が、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は５つ以上の角を有する多角形のいずれかの形状である、請求項５又は６に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。
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