JP6370766B2 - レーザ用パワーセンサ - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の強度を測定するレーザ用パワーセンサに関する。

炭酸ガスレーザ等の近赤外線レーザ装置では、レーザ出力を制御するために、実際のレーザ出力を測定するパワーセンサが使用されることが多い。例えば、熱起電式のパワーセンサは、共振器のリア鏡から取出された数ワット〜数十ワットのモニタ用レーザ光（モニタ光）を受光し、これを電圧信号に変換することによってレーザ出力を測定する。このようなパワーセンサは、熱伝導性の高い材料で構成された基板（サーマルディスク）と、該基板がモニタ光を直接受光した部分（受光部）の周辺に配置された熱電対とを有し、該受光部の温度と該受光部の周辺温度との温度差により電圧を発生させるように構成されている。

上述のようなパワーセンサを大出力のレーザ装置に使用すると、リア鏡からのモニタ光の強度が大きくなるにつれて基板（サーマルディスク）の温度上昇が過大となり、受光部や熱電対が破損してパワーセンサの機能が失われる場合がある。そこで、リア鏡からのモニタ光の強度に合わせてパワーセンサを設計する必要があった。

これに関連する従来技術として、例えば特許文献１には、入射したレーザ光のエネルギを熱に変換する受光部と、受光部と接しており受光部で変換された熱を外部へ排熱する放熱部と、受光部の温度を計測する温度検出部とからなるレーザ用出力モニタが開示されており、さらに、温度検出部は、受光部のうち放熱部と接触していない部分のレーザ光のビーム径よりも広い範囲を測定範囲とし、非接触の温度計測が可能であると記載されている。

特許文献２には、レーザ光を減光する拡散吸収体と、減光されたレーザ光を検出するレーザ出力検出器とを備えたレーザ発振装置が開示されており、さらに、レーザ出力検出器に入射するレーザ光の受光量を制限するチャンバー型の入射光量制限手段を設けることにより、レーザ出力検出器の測定精度を向上し、安定したレーザ出力制御が可能となる旨が記載されている。

また特許文献３には、レーザビームを導入するための導入部と、該導入部に連続する円筒状の部材でありかつ、内周面にレーザビームを反射する反射面を形成した減衰部と、レーザビームの径よりも小さいピッチでメッシュ状に多数形成した角錐若しくは円錐を有し、照射されたレーザビームを角錐若しくは円錐の面で反射することによりこのレーザビームを分割して減衰器の内周面に入射させるよう減衰器に固着したターゲット板と、を有するレーザパワセンサの減衰器が記載されている。

さらに特許文献４には、積分球の入射部に、レーザ光が透過自在の多数の小孔を設け、該積分球の適宜位置に、レーザ光の出力を検出する出力検出センサを設けたレーザの出力測定装置が記載されている。

特開２００５−０９１２７１号公報 特開２０１０−２１２５５２号公報 特開平０７−１８１０７８号公報 特許第２６７７８４５号公報

従来、受光部等を熱による破損から保護するために、大きく分けて次の２つの方法・手段が採用されている。
（１）レーザ光の強度の増加に応じて、受光部（サーマルディスク）の熱容量を増大（例えば板厚、直径を拡大）させたり、受光部の冷却能力を向上させたりして、受光部の温度上昇を抑える。
（２）フィルタや、積分球に代表されるレーザ吸収体を受光部の手前に配置し、受光部に入射するレーザ光（モニタ光）の強度そのものを減衰させる。

上記（１）に関し、受光部の熱容量を増大させると、受光部の温度上昇速度も低下するため、入射するレーザ光に対する熱電対の出力電圧の応答速度が低下し、パワーセンサとしての重要な仕様である応答速度が低下するという問題がある。また、受光部の冷却能力を、例えば強制空冷や液冷で強化した場合には、パワーセンサの大型化やコストアップが避けられない。加えて、強化された冷却能力の制御は難しく、この制御が適切になされないと、熱電対での温度測定に悪影響を与え、レーザ出力の正確な計測や適切な制御ができなくなる虞がある。

上記（２）に関し、入射するレーザ光の強度を低下させる方法・手段として、ハーフミラーやＮＤ（Neutral Density）フィルタを追加することが挙げられるが、これらは精密で高価な光学部品であるとともに、長期間での信頼性確保のためにはクリーニングや交換などのメンテナンスも必要であるので、パワーセンサ全体として大幅なコストアップにつながる。また、積分球のような、反射や拡散によってレーザ光強度を低減する手段は、部品点数が多くコスト高であることに加え、大きなスペースが必要であるため、レーザ発振器自体が大型化するというデメリットがある。

そこで本発明は、低コストでありながらパワーセンサの受光強度について十分な測定精度を有するレーザ用パワーセンサ、より具体的には、レーザ光を吸収、分割するような高価な光学部品やレーザ光を拡散する部材は使用せず、入射レーザ光の強度を低下する手段を備えたレーザ用パワーセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、レーザ光を受光する受光部材と、前記受光部材に受光されるレーザ光の強度を減衰する光強度減衰部材と、を備え、前記光強度減衰部材が、レーザ光の透過率がゼロの材料からなるとともに、前記レーザ光が照射される照射範囲内に複数の開口部を有し、前記照射範囲内の複数の開口部の開口面積の総和が前記照射範囲の面積の５０％以上であり、前記受光部材は、前記光強度減衰部材に照射されたレーザ光のうち、前記光強度減衰部材の前記複数の開口部を通過したレーザ光を受光するように構成されていることを特徴とする、レーザ用パワーセンサを提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記複数の開口部の各々が、互いに同一形状かつ同一寸法であり、前記レーザ光の照射範囲内に等間隔に配置されることを特徴とする、レーザ用パワーセンサを提供する。

第３の発明は、第１の発明において、前記複数の開口部の各々が、互いに同一形状かつ同一寸法であり、前記レーザ光の照射範囲内に放射状に配置されることを特徴とする、レーザ用パワーセンサを提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記複数の開口部の各々の形状が長方形又は正方形であることを特徴とする、レーザ用パワーセンサを提供する。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明において、隣接する前記複数の開口部間の最短距離が、前記光強度減衰部材の厚さの半分であることを特徴とする、レーザ用パワーセンサを提供する。

第６の発明は、第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記光強度減衰部材の材料が、レーザ光の反射率よりも吸収率が大きい材料であることを特徴とする、レーザ用パワーセンサを提供する。

第７の発明は、第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記光強度減衰部材の材料が、黒色ニッケルメッキ又は黒色クロム処理を施した無酸素銅であることを特徴とする、レーザ用パワーセンサを提供する。

第８の発明は、第１〜第７のいずれか１つの発明において、前記光強度減衰部材が着脱可能に構成されていることを特徴とする、レーザ用パワーセンサを提供する。

第９の発明は、第１〜第８のいずれか１つの発明において、前記受光部材又は前記光強度減衰部材の外縁に沿って配置された冷却部を有することを特徴とする、レーザ用パワーセンサを提供する。

第１０の発明は、第９の発明において、前記冷却部は、前記受光部材及び前記光強度減衰部材の両方を同時に冷却するように構成されていることを特徴とする、レーザ用パワーセンサを提供する。

本発明によれば、十分な測定精度を維持しつつセンサ基板への入射パワーを減衰することができるので、レーザ用パワーセンサの長寿命化及び低コスト化を図ることができる。

複数の開口部の各々を、互いに同一形状かつ同一寸法とし、さらにレーザ光の照射範囲内に等間隔又は放射状に配置することにより、レーザ光の強度分布変化に対して正確な測定が可能となる。

複数の開口部の各々の形状を四角形にすることにより、円に比べて開口率を大きく設定することができ、減衰率を小さくすることができる。また、エッチング等の利用によって、隣接する複数の開口部間の距離を、光強度減衰部材の厚さの半分以下とすることにより、開口率が大きく細かいメッシュを設定することができ、減衰率及び測定誤差を小さくすることができる。

光強度減衰部材の材料として、レーザ光の吸収性が高い材料を用いることにより、レーザ光の反射を抑えたパワーセンサが実現できる。さらに、黒色ニッケルメッキ又は黒色クロム処理を施した無酸素銅は、レーザ光吸収が良くかつ熱伝導に優れた材料なので、これを光強度減衰部材の材料として用いることにより、精度変化の小さな開口率の大きいパワーセンサが実現できる。

受光部材又は光強度減衰部材の外縁に沿って冷却部を配置することにより、パワーセンサの小型化を図ることができる。また実質１つの冷却部を、受光部材及び光強度減衰部材の双方を同時に冷却できるように構成することにより、さらなる低コスト化、小型化が図れる。

本発明の好適な実施形態に係るレーザ用パワーセンサを、該レーザ用パワーセンサを含むレーザ装置とともに示す概略図である。 図１のレーザ用パワーセンサの概略構成を示す図である。 図２のレーザ用パワーセンサのセンサ基板の概略平面図である。 図２のレーザ用パワーセンサのフィルタを、レーザ光の強度分布の変化とともに示す図である。 レーザ用パワーセンサにおける、熱膨張に伴う測定誤差と開口率との関係を実験から求めたグラフである。

図１は、本発明の好適な実施形態に係るレーザ用パワーセンサ（以降、単にパワーセンサと称する）を、該パワーセンサを含むレーザ装置とともに示す概略図である。レーザ装置１０は、例えば炭酸ガス等を媒質とする炭酸ガスレーザ（近赤外線レーザ装置）であり、炭酸ガス等の媒質を内部に有する放電管１２と、放電管１２の一端に配置された出力鏡１４と、放電管１２の他端に配置されたリア鏡１６とを有し、これらの鏡と放電管１２とによりレーザ共振器が構成される。またレーザ装置１０は、リア鏡１６について放電管１２の反対側に配置されたパワーセンサ１８を有する。

放電管１２に電力が供給されると、放電管１２内の媒質が放電により励起され、光が発生する。この光は出力鏡１４とリア鏡１６との間で反射を繰り返しながら、誘導放出により増幅され、その一部は部分反射鏡である出力鏡１４からレーザ光２０として外部に取り出され、レーザ加工等に使用される。

図１の例では、リア鏡１６も部分反射鏡（ハーフミラー）であり、リア鏡１６を透過したレーザ光（モニタ光）２２は、パワーセンサ１８によって受光・測定される。モニタ光２２の出力測定結果は、出力鏡１４から出力されるレーザ光の制御（フィードバック制御等）に使用される。なお、図１の例ではパワーセンサ１８をリア鏡１６の背後に配置しているが、リア鏡１６を全反射鏡とし、出力鏡１４から出力されたレーザ光の一部を、別途の部分反射鏡（図示せず）を用いて取出して、取出した光をモニタ光としてパワーセンサ１８によって受光・測定するようにしてもよい。

図２は、パワーセンサ１８の概略構成を、レーザ光軸に沿った軸方向断面で示す図である。パワーセンサ１８は、モニタ光２２を受光するサーマルディスク等の受光部材（センサ基板）２４と、センサ基板２４に受光されるレーザ光（モニタ光）の強度を減衰する光強度減衰部材（フィルタ）２６とを有する。フィルタ２６はレーザ光の透過率がゼロ（すなわちレーザ不透過性）の材料からなり、モニタ光２２の一部が通過する複数の開口部３４を有する。センサ基板２４は、その平面を概略図示する図３に示すように、フィルタ２６によって減衰された（フィルタ２６の開口部を通過した）モニタ光を直接受光する受光部（受光面）２８と、受光部２８の周辺に配置された熱電対３０とを有し、熱電対３０は、受光部２８の温度と受光部２８の周辺温度との温度差により、電圧を発生させる（つまりモニタ光の強度を電気信号に変換する）ように構成されている。なおセンサ基板２４自体は、特許文献１の図５に示すような周知の構成のものが使用可能である。

図４は、図２に示したフィルタ２６の平面図を、レーザ光の強度分布の変化とともに示す図である。フィルタ２６は、レーザ光（モニタ光）が照射される照射範囲３２内に複数の貫通開口部３４を有し、複数の開口部３４の開口面積の総和が、照射範囲３２の面積の５０％以上となっている。換言すれば、フィルタ２６に照射されたレーザ光のうち、開口部３４を通過したレーザ光は、センサ基板２４（の受光部２８）に直接受光されるようになっている。

次に、フィルタの熱膨張と測定誤差との関係について説明する。図２に示すパワーセンサ１８のように、受光部材及び熱電対を用いたパワーセンサは直線性が良く、レーザ発振器の定格出力で校正すれば、出力可能範囲内において十分な測定精度が確保できる。ここで、レーザ光の一部を吸収するフィルタ２６を使用した場合、その開口面積がフィルタの熱膨張により変化するため、パワーセンサとしての精度が低下する。図５は、熱膨張に伴う測定誤差と開口率との関係を実験から求めたグラフであり、同図は、熱膨張に伴う測定誤差が実用上問題とならない誤差範囲ＥＲ（例えば±２％）内に収まるようにするには、開口率が５０％以上あればよいことが実験によって確認されていることを示している。

フィルタ２６の製造方法としては、一般の板金加工（型抜き、レーザ加工、ウォータジェット加工、放電加工など）やエッチング加工が適用できるが、エッチング加工の場合は高精度の加工が可能である。またエッチング加工では、最小で材料の板厚の約半分（５０％）の幅を有する細線を形成することができるので、エッチング加工の利用により、複数の開口部３４間の最短距離が、フィルタ２６の厚さの半分となるような開口率の大きなメッシュ（細線）を備えたフィルタを作製することができる。

フィルタ２６を構成する材料は、レーザ光の反射率よりも吸収率の方が大きい材料であることが好ましい。これにより、反射光による悪影響の少ないレーザ装置を構成することができる。また、フィルタ２６の材料は、レーザ光の吸収性及び熱伝導性に優れ、かつ熱膨張係数が小さいことが好ましい。このような物性を備えた材料としては、例えばセラミック系の材料が挙げられるが、セラミック系の材料には加工性が悪くコストが高いという短所がある。そこで例えば、熱伝導性の高い無酸素銅に、レーザ光の吸収性に優れた黒色ニッケルメッキ又は黒色クロム処理を施すことにより、吸収性及び熱伝導性の双方が優れたフィルタ材料が得られる。

上述のように、本願発明の好適な実施形態に係るパワーセンサ１８では、受光部（サーマルディスク）２８の前面側に、レーザ光を吸収する材料で構成されかつ複数の開口部３４を有する板状のフィルタ２６が配置され、モニタ光２２の一部が受光部２８へ到達する。図４に示すように、一般にレーザ光は照射範囲内での強度分布は均一ではなく、かつ時間的な変動もあるため、その一部だけを計測しても全体のレーザ光強度を正しく推定又は測定することは難しい。また、レーザ光を吸収するフィルタはレーザ光吸収による発熱により、フィルタ自体が熱膨張して開口率が変化し測定誤差が増大する場合がある。そこでパワーセンサ１８では、図４に示すように、フィルタ２６に複数の開口部３４を形成し、かつそれらの開口部３４の面積の総和がレーザ光の照射面積の５０％以上とすることにより、強度分布や強度分布の経時変動が測定精度に与える影響を小さくするとともに、フィルタの熱膨張を抑え計測誤差が小さくなるようにしている。

ここで図４では、開口部３４の各々の形状を四角形（正方形又は長方形）としているが、各開口部の形状は四角形でなくともよく、例えば円形や楕円形でもよい。また、各開口部は等間隔に（全体として格子形状を構成するように）配置されているが、各開口部をフィルタ２６の中心から放射状に配置してもよいし、また各開口部の配置間隔は一定でなくともよい。さらに、各開口部は同じ形状、同じ寸法にするのが品質管理の上では好ましいが、レーザ光の強度分布に応じて、開口部の形状、寸法及び配置間隔の少なくとも１つが部分的に異なるようにしてもよい。また、入射するレーザ光の強度分布の変動に応じて、開口部の個数は任意に設定することが可能である。例えば、レーザ光の強度分布が殆ど変化しないようなビーム安定性の高いレーザ発振器では開口部の個数を少なくしてもよい。一方、強度分布の変化が大きいレーザ発振器では、開口部の個数を多くすることにより、強度分布変化がレーザ出力計測に与える影響を低減することができる。

パワーセンサ１８は、センサ基板２４で受光したレーザ光を熱に変換してレーザ光強度を測定するため、多くの場合はセンサ基板２４の冷却が必要である。センサ基板２４の冷却は、センサ基板２４の表面上であって熱電対３０の外縁に取り付けた略円環形状の空冷式ヒートシンク又はウオータージャケット等の冷却装置（冷却部）３６により行うことができる。このとき、フィルタ２６の中心（重心）と、レーザ光（モニタ光）の中心とが同軸上に配置されていることが好ましい。

パワーセンサ１８では、レーザ光の一部をフィルタ２６で受光するため、フィルタ２６も冷却することが望まれる。ここで、フィルタ２６を冷却するための、冷却部３６とは別の冷却装置を設けてもよいが、コストやスペースの観点からは、フィルタ２６の冷却も、センサ基板２４を冷却する冷却部３６が同時に行うことが好ましい。この際、単純にフィルタ２６と受光部２８（センサ基板２４）とを共締めしてもよいが、生産性の観点からは、図２に示すように、フィルタ２６とセンサ基板２４との間に、金属等の熱伝導性の高いスペーサ３８を配置し、これらを固定することが好ましい。このようにすれば、実質１つの冷却部によってセンサ基板２４とフィルタ２６の両方が同時に冷却できるので、パワーセンサ１８の機能を損なうことなく、省スペース化及び低コスト化を図ることができる。

また図２の例では、センサ基板２４はその背面に直接取り付けられた冷却部３６によって冷却され、フィルタ２６は略円環状のスペーサ３８を介した熱伝導によって冷却されるが、冷却部３６をフィルタ２６の外縁に直接取り付けたり、冷却部３６をスペーサ３８に直接取り付けたりすることも可能である。

なおフィルタ２６は、センサ基板２４（スペーサ３８）に対して着脱可能（他の仕様のフィルタと交換可能）に構成されることが好ましい。これにより、フィルタの仕様変更（交換）により、同一のセンサ基板（熱電対を含む）を用いて計測レンジの異なる数種類のパワーセンサを簡単に製造することができるようになり、より広範囲のレーザ光強度を測定可能（つまり高出力レーザにも使用可能）なパワーセンサを低コストで提供することができる。

１０ レーザ装置
１２ 放電管
１４ 出力鏡
１６ リア鏡
１８ パワーセンサ
２４ センサ基板
２６ フィルタ
２８ 受光部
３０ 熱電対
３４ 開口部
３６ 冷却部
３８ スペーサ

Claims (10)

1. レーザ光を受光する受光部材と、
   前記受光部材に受光されるレーザ光の強度を減衰する光強度減衰部材と、を備え、
   前記光強度減衰部材が、レーザ光の透過率がゼロの材料からなるとともに、前記レーザ光が照射される照射範囲内に複数の開口部を有し、前記照射範囲内の複数の開口部の開口面積の総和が前記照射範囲の面積の５０％以上であり、
   前記受光部材は、前記光強度減衰部材に照射されたレーザ光のうち、前記光強度減衰部材の前記複数の開口部を通過したレーザ光を受光するように構成されていることを特徴とする、レーザ用パワーセンサ。
2. 前記複数の開口部の各々が、互いに同一形状かつ同一寸法であり、前記レーザ光の照射範囲内に等間隔に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ用パワーセンサ。
3. 前記複数の開口部の各々が、互いに同一形状かつ同一寸法であり、前記レーザ光の照射範囲内に放射状に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ用パワーセンサ。
4. 前記複数の開口部の各々の形状が長方形又は正方形であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ用パワーセンサ。
5. 隣接する前記複数の開口部間の最短距離が、前記光強度減衰部材の厚さの半分であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ用パワーセンサ。
6. 前記光強度減衰部材の材料が、レーザ光の反射率よりも吸収率が大きい材料であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ用パワーセンサ。
7. 前記光強度減衰部材の材料が、黒色ニッケルメッキ又は黒色クロム処理を施した無酸素銅であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ用パワーセンサ。
8. 前記光強度減衰部材が着脱可能に構成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ用パワーセンサ。
9. 前記受光部材又は前記光強度減衰部材の外縁に沿って配置された冷却部を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ用パワーセンサ。
10. 前記冷却部は、前記受光部材及び前記光強度減衰部材の両方を同時に冷却するように構成されていることを特徴とする、請求項９に記載のレーザ用パワーセンサ。

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