JPS632090B2 - - Google Patents
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- JPS632090B2 JPS632090B2 JP57206329A JP20632982A JPS632090B2 JP S632090 B2 JPS632090 B2 JP S632090B2 JP 57206329 A JP57206329 A JP 57206329A JP 20632982 A JP20632982 A JP 20632982A JP S632090 B2 JPS632090 B2 JP S632090B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、レーザー発生器の窓材やレンズ等の
パワーレーザー用光学部品の保護装置に関する。
パワーレーザー用光学部品の保護装置に関する。
現在、パワーレーザー用のレンズ、窓材等には
ジンクセレン（ZnSe）或いは、KCl，KBr等の
アルカリハライド系素材が用いられている。これ
らの素材は比較的光吸収率が低いものの、それで
もジンクセレンで10-2〜10-3、KCl，KBrで10-4
〜10-5のオーダーはもつている。このため、炭酸
ガスレーザー等の高出力パワーレーザーに適用し
た場合、数十ワツト乃至数百ワツトのレーザー光
を吸収して高温で発熱する。このような発熱によ
る周辺部材への影響を防止すべく現在は、窓材や
レンズの周部を冷却するようにしている。
ジンクセレン（ZnSe）或いは、KCl，KBr等の
アルカリハライド系素材が用いられている。これ
らの素材は比較的光吸収率が低いものの、それで
もジンクセレンで10-2〜10-3、KCl，KBrで10-4
〜10-5のオーダーはもつている。このため、炭酸
ガスレーザー等の高出力パワーレーザーに適用し
た場合、数十ワツト乃至数百ワツトのレーザー光
を吸収して高温で発熱する。このような発熱によ
る周辺部材への影響を防止すべく現在は、窓材や
レンズの周部を冷却するようにしている。
しかるに、窓材やレンズ等の周部を冷却した場
合に、窓材やレンズ等の熱伝導速度が金属に比べ
て悪いために、周部ばかりが冷やされ、中央部は
高温のままとなつて、熱勾配が冷やす前よりも激
しくなり、（第４図中の曲線ａ参照）そのため曲
線ｂに示すような熱による歪を生じてしばしば破
損を来している。また破損に至る前にも、熱分布
の不均一による屈折率に不均一分布を生じること
による熱レンズ効果を生じ、レンズにあつては集
光効果が変化し、窓材にあつては不必要な集光効
果が生じるという欠点もある。これは、熱歪が窓
材やレンズの中央と周部とで異なることに起因し
ている。
合に、窓材やレンズ等の熱伝導速度が金属に比べ
て悪いために、周部ばかりが冷やされ、中央部は
高温のままとなつて、熱勾配が冷やす前よりも激
しくなり、（第４図中の曲線ａ参照）そのため曲
線ｂに示すような熱による歪を生じてしばしば破
損を来している。また破損に至る前にも、熱分布
の不均一による屈折率に不均一分布を生じること
による熱レンズ効果を生じ、レンズにあつては集
光効果が変化し、窓材にあつては不必要な集光効
果が生じるという欠点もある。これは、熱歪が窓
材やレンズの中央と周部とで異なることに起因し
ている。
本発明はこのような点にあつてパワーレーザー
用光学部品の周部を冷却することをやめ、逆に加
熱するようにし、しかも単に加熱するだけでなく
熱勾配がなるべく少なくなるよう加熱量を制御し
て、上記欠点の解消を図り光学部品の保護の万全
を期したものである。
用光学部品の周部を冷却することをやめ、逆に加
熱するようにし、しかも単に加熱するだけでなく
熱勾配がなるべく少なくなるよう加熱量を制御し
て、上記欠点の解消を図り光学部品の保護の万全
を期したものである。
即ち、本発明に係るパワーレーザー用光学部品
の保護装置は、レンズ等のパワーレーザー用光学
部品の周部に設けられたヒータと、該光学部品の
温度を検出するセンサーと、基準温度信号発生器
と、センサーにて検出された信号と基準温度信号
との差の電圧を増幅する差動増幅器とを備え、該
差動増幅器の出力信号によつて前記ヒータを加熱
するように構成したことを要旨としている。
の保護装置は、レンズ等のパワーレーザー用光学
部品の周部に設けられたヒータと、該光学部品の
温度を検出するセンサーと、基準温度信号発生器
と、センサーにて検出された信号と基準温度信号
との差の電圧を増幅する差動増幅器とを備え、該
差動増幅器の出力信号によつて前記ヒータを加熱
するように構成したことを要旨としている。
以下に図面に基づき本発明の一実施例を説明す
る。第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図
であり、１はパワーレーザー用光学部品として例
えばCO2レーザー発生器の出力部に設けられる窓
材、２は該窓材１の周部に設けられたヒータとし
て例えばシーズヒータ、３は窓材１の温度を検出
するセンサーである。センサーとしてはサーミス
タ、サーモパイル、白金抵抗線等を用いることが
できる。センサーを設ける位置としてはヒータ２
による温度変化を応答性よく検出できるようにす
るため、窓材１の周部が望ましい。窓材１はレー
ザー発生器の内部の真空度を維持するため気密高
く発生器枠に設ける必要がある。従つて、前記ヒ
ータ２及びセンサー３は第２図に示すように窓材
１と金属製ホルダー４との間に挿入し、充填材５
を充填して窓材１とホルダー４の間を気密高く封
止しておくのが良い。この場合、充填材５として
はヒータ２の熱が窓材１に速やかに伝わるよう熱
伝導性の良いものを用いる必要がある。このよう
な充填材としては例えばシリコンレンジに酸比べ
リリウムを入れたものを用いればよい。
る。第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図
であり、１はパワーレーザー用光学部品として例
えばCO2レーザー発生器の出力部に設けられる窓
材、２は該窓材１の周部に設けられたヒータとし
て例えばシーズヒータ、３は窓材１の温度を検出
するセンサーである。センサーとしてはサーミス
タ、サーモパイル、白金抵抗線等を用いることが
できる。センサーを設ける位置としてはヒータ２
による温度変化を応答性よく検出できるようにす
るため、窓材１の周部が望ましい。窓材１はレー
ザー発生器の内部の真空度を維持するため気密高
く発生器枠に設ける必要がある。従つて、前記ヒ
ータ２及びセンサー３は第２図に示すように窓材
１と金属製ホルダー４との間に挿入し、充填材５
を充填して窓材１とホルダー４の間を気密高く封
止しておくのが良い。この場合、充填材５として
はヒータ２の熱が窓材１に速やかに伝わるよう熱
伝導性の良いものを用いる必要がある。このよう
な充填材としては例えばシリコンレンジに酸比べ
リリウムを入れたものを用いればよい。
６は基準温度信号発生器、７は前記センサー３
の検出信号と基準温度信号との差を増幅する差動
増幅器である。この増幅器７の出力信号はヒータ
２に加えられ、ヒータ２の発熱量を制御するよう
にしている。尚、前記基準温度信号発生器６の発
生する基準温度信号esは、窓材１がレーザーの照
射を受けて発熱する温度に相当する値に設定され
ている。
の検出信号と基準温度信号との差を増幅する差動
増幅器である。この増幅器７の出力信号はヒータ
２に加えられ、ヒータ２の発熱量を制御するよう
にしている。尚、前記基準温度信号発生器６の発
生する基準温度信号esは、窓材１がレーザーの照
射を受けて発熱する温度に相当する値に設定され
ている。
この構成において、今窓材１に照射されるレー
ザー光のワツテージをWi、窓材１の吸収係数を
ｋとすると、窓材１は Ｗ＝Wi・ｋ ……(1) なるワツテージを吸収する。
ザー光のワツテージをWi、窓材１の吸収係数を
ｋとすると、窓材１は Ｗ＝Wi・ｋ ……(1) なるワツテージを吸収する。
ここで、ρiを窓材１の比熱、放熱係数などで決
まる係数とすると、窓材１が上記ワツテージＷに
よつて加熱される温度ｔは、 ｔ＝Ｗ・ρi ……(2) となる。またαを温度―電気量変換係数とする
と、温度ｔに相当する電気量eiは、 ei＝α・ｔ ……(3) となる。この(3)式に(2)式、(1)式を代入すると、ei
は ei＝α.ρi・ｋ・Wi ……(4) とあらわすことができる。
まる係数とすると、窓材１が上記ワツテージＷに
よつて加熱される温度ｔは、 ｔ＝Ｗ・ρi ……(2) となる。またαを温度―電気量変換係数とする
と、温度ｔに相当する電気量eiは、 ei＝α・ｔ ……(3) となる。この(3)式に(2)式、(1)式を代入すると、ei
は ei＝α.ρi・ｋ・Wi ……(4) とあらわすことができる。
一方、差動増幅器７の出力電流によつてヒータ
２が加熱され、これによつて窓材１に与えられる
ワツテージWp、窓材、ヒータ等の比熱、質量、
放熱係数等で決まる係数をρpとすると、ヒータ２
の発熱によつて窓材１が加熱される温度tpは、 tp＝Wp・ρp ……(5) となる。この温度に相当する電気量epは、 ep＝α・tp ……(6) となる。(5)、(6)式から、 ep＝α.ρp・Wp ……(7) とあらわすことができる。
２が加熱され、これによつて窓材１に与えられる
ワツテージWp、窓材、ヒータ等の比熱、質量、
放熱係数等で決まる係数をρpとすると、ヒータ２
の発熱によつて窓材１が加熱される温度tpは、 tp＝Wp・ρp ……(5) となる。この温度に相当する電気量epは、 ep＝α・tp ……(6) となる。(5)、(6)式から、 ep＝α.ρp・Wp ……(7) とあらわすことができる。
上記(4)式であらわされる電気量eiと(7)式であら
わされる電気量epは和となつて窓材１を加熱する
作用をなし、センサー３はこの和の電気量を検出
することとなるから、センサー３の検出電気量ｅ
は、 ｅ＝ei＋ep ……(8) とあらわすことができる。しこうして、この検出
電気量ｅと基準温度信号esの差の電圧を差動増幅
器７が増幅し、その出力によつてヒータ２を発熱
させて窓材１を加熱することとなるから、ヒータ
２の発熱によつて窓材１に与えられるワツテージ
Wpと上記ｅ，esとの間には次の関係がある。
わされる電気量epは和となつて窓材１を加熱する
作用をなし、センサー３はこの和の電気量を検出
することとなるから、センサー３の検出電気量ｅ
は、 ｅ＝ei＋ep ……(8) とあらわすことができる。しこうして、この検出
電気量ｅと基準温度信号esの差の電圧を差動増幅
器７が増幅し、その出力によつてヒータ２を発熱
させて窓材１を加熱することとなるから、ヒータ
２の発熱によつて窓材１に与えられるワツテージ
Wpと上記ｅ，esとの間には次の関係がある。
（−ｅ＋es）Ｇ＝Wp ……(9)
ここにＧは差動増幅器７の増幅率である。上記
(9)式に(8)，(7)，(4)式を代入し整理すると、次式と
なる。
(9)式に(8)，(7)，(4)式を代入し整理すると、次式と
なる。
Wp＝Ｇ／１＋α・ρp・Ｇ
（−α・ρi・ｋ・Wi＋es） ……(10)
ここで増幅率Ｇは充分大きいから（Ｇ≫１）、
Wp＝１／α・ρp（−α・ρi・ｋ・Wi＋es）
∴Wp＝−ρi／ρp・ｋ・Wi＋１／α・ρp・es……(11
) と書くことができる。
) と書くことができる。
また、一般にρi≒ρpと考えられるから上式は次
のように書くことができる。
のように書くことができる。
Wp＝１／α・ρp・es−kWi ……(12)
上式の右辺の第１項は定数であり、第２項は(1)
式から窓材１によつて吸収されるレーザー光のワ
ツテージＷであるから、定数をＫであらわすと、
上記(12)は次のように書くことができる。
式から窓材１によつて吸収されるレーザー光のワ
ツテージＷであるから、定数をＫであらわすと、
上記(12)は次のように書くことができる。
Wp＋Ｗ＝Ｋ ……(13)
但し、１／α・ρp・es＝Ｋである。
上記（13）式から明らかなように、窓材１がレ
ーザー光を吸収するワツテージとヒータ２から与
えられるワツテージとの和は常に一定である。こ
の場合、Ｋの値を、Ｗの値として予想される最大
のワツテージと等しいかそれより大きな値（Ｋ≧
Ｗ）に設定すると、レーザー光を吸収するワツテ
ージの最大時においても（13）式を満たすことが
できることとなる。ワツテージと温度とは(2)式に
示すように比例関係にあるから、窓材１に与える
ワツテージの総和（Wp＋Ｗ）が一定（Ｋ）であ
ることは、窓材の温度が一定であることを意味す
る。ただ、温度が一定である部分はセンサー３が
設けられた窓材周部であるが、この部分はヒータ
２を設けない場合は最も温度の低い部分であるか
ら、この部分の温度が（13）式を満たすように一
定に保たれるということは窓材の温度勾配が第３
図ａに示すように小さくなめらかであることを意
味する。従つて、窓材１の中央と周部の間にあま
り温度差がなくなるため、微小長さ当りの温度差
で与えられる熱歪も同図ｂに示すように少なくな
つて窓材を破損から保護することができるのであ
る。また窓材に代えてレンズを使用した場合は、
レンズの集光効果が変化するといつたことも防止
できるのである。
ーザー光を吸収するワツテージとヒータ２から与
えられるワツテージとの和は常に一定である。こ
の場合、Ｋの値を、Ｗの値として予想される最大
のワツテージと等しいかそれより大きな値（Ｋ≧
Ｗ）に設定すると、レーザー光を吸収するワツテ
ージの最大時においても（13）式を満たすことが
できることとなる。ワツテージと温度とは(2)式に
示すように比例関係にあるから、窓材１に与える
ワツテージの総和（Wp＋Ｗ）が一定（Ｋ）であ
ることは、窓材の温度が一定であることを意味す
る。ただ、温度が一定である部分はセンサー３が
設けられた窓材周部であるが、この部分はヒータ
２を設けない場合は最も温度の低い部分であるか
ら、この部分の温度が（13）式を満たすように一
定に保たれるということは窓材の温度勾配が第３
図ａに示すように小さくなめらかであることを意
味する。従つて、窓材１の中央と周部の間にあま
り温度差がなくなるため、微小長さ当りの温度差
で与えられる熱歪も同図ｂに示すように少なくな
つて窓材を破損から保護することができるのであ
る。また窓材に代えてレンズを使用した場合は、
レンズの集光効果が変化するといつたことも防止
できるのである。
第３図中曲線ｃはレーザー光の入射がないとき
の窓材の温度分布、即ちヒータ２の発熱によつて
のみ生じる窓材の温度分布、曲線ｄはその場合の
熱歪である。
の窓材の温度分布、即ちヒータ２の発熱によつて
のみ生じる窓材の温度分布、曲線ｄはその場合の
熱歪である。
尚、ヒータ２の発熱によつて窓材に与えられる
ワツテージWpは差動増幅器７の出力電流をIp、
ヒータの抵抗をRpとおくと、Wp＝I2Rpで与えら
れるから、 となり、この（14）式に(12)式を代入し整理する
と、 或いは、 I2＝１／α・ρp・Rp・es−１／Rp・Ｗ ……(15′) となる。この式において、I2とWiは一次関数で比
例している。ところで窓材やレンズ等の光学部品
が劣化するとＷが変化するから、上記構成におい
て電流Ｉをモニターしていれば（15）式或いは
（15′）式から窓材等の劣化度を知ることができる
といえる。
ワツテージWpは差動増幅器７の出力電流をIp、
ヒータの抵抗をRpとおくと、Wp＝I2Rpで与えら
れるから、 となり、この（14）式に(12)式を代入し整理する
と、 或いは、 I2＝１／α・ρp・Rp・es−１／Rp・Ｗ ……(15′) となる。この式において、I2とWiは一次関数で比
例している。ところで窓材やレンズ等の光学部品
が劣化するとＷが変化するから、上記構成におい
て電流Ｉをモニターしていれば（15）式或いは
（15′）式から窓材等の劣化度を知ることができる
といえる。
本発明に係るパワーレーザー用光学部品の保護
装置は上記の如く構成したため、窓材、レンズ等
の光学部品の熱勾配を極力緩和し得、従つて窓材
等光学部品をレーザーの照射中に破損させたり、
集光効果に変化を生じさせたりすることなく、安
心して使用できるという効果がある。加えて、実
施例の中で述べたように、差動増幅器の出力電流
をモニターすることによつて使用している光学部
品の劣化度を知ることができるという便利さがあ
る。
装置は上記の如く構成したため、窓材、レンズ等
の光学部品の熱勾配を極力緩和し得、従つて窓材
等光学部品をレーザーの照射中に破損させたり、
集光効果に変化を生じさせたりすることなく、安
心して使用できるという効果がある。加えて、実
施例の中で述べたように、差動増幅器の出力電流
をモニターすることによつて使用している光学部
品の劣化度を知ることができるという便利さがあ
る。
図は本発明の一実施例を示し、第１図は全体概
略構成図、第２図は光学部品周部を詳細に示す
図、第３図は光学部品の直径方向の温度分布及び
歪を示す図、第４図は従来手段における光学部品
の直径方向の温度分布及び歪を示す図である。 １……光学部品、２……ヒータ、３……センサ
ー、６……基準温度信号発生器、７……差動増幅
器。
略構成図、第２図は光学部品周部を詳細に示す
図、第３図は光学部品の直径方向の温度分布及び
歪を示す図、第４図は従来手段における光学部品
の直径方向の温度分布及び歪を示す図である。 １……光学部品、２……ヒータ、３……センサ
ー、６……基準温度信号発生器、７……差動増幅
器。
Claims (1)
- １ レンズ等のパワーレーザー用光学部品の周部
に設けられたヒータと、該光学部品の温度を検出
するセンサーと、基準温度信号発生器と、センサ
ーにて検出された信号と基準温度信号との差の電
圧を増幅する差動増幅器とを備え、該差動増幅器
の出力信号によつて前記ヒータを加熱するように
構成したことを特徴とするパワーレーザー用光学
部品保護装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57206329A JPS5995510A (ja) | 1982-11-24 | 1982-11-24 | パワ−レ−ザ−用光学部品保護装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57206329A JPS5995510A (ja) | 1982-11-24 | 1982-11-24 | パワ−レ−ザ−用光学部品保護装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5995510A JPS5995510A (ja) | 1984-06-01 |
| JPS632090B2 true JPS632090B2 (ja) | 1988-01-16 |
Family
ID=16521490
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57206329A Granted JPS5995510A (ja) | 1982-11-24 | 1982-11-24 | パワ−レ−ザ−用光学部品保護装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5995510A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3745225B2 (ja) | 1997-12-26 | 2006-02-15 | 三菱電機株式会社 | レーザ加工装置 |
| CN101341000B (zh) * | 2005-12-15 | 2011-08-24 | 通快机床两合公司 | 用于激光装置的光学元件的状态识别的方法以及激光装置 |
| CN115647621A (zh) * | 2022-10-14 | 2023-01-31 | 深圳市创想三维科技股份有限公司 | 检测组件、激光模组及其出光控制方法以及激光加工设备 |
-
1982
- 1982-11-24 JP JP57206329A patent/JPS5995510A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5995510A (ja) | 1984-06-01 |
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