特許 7475220 レーザパワー計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-18

(45)【発行日】2024-04-26

(54)【発明の名称】レーザパワー計測装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/00 20060101AFI20240419BHJP

   H01S 3/131 20060101ALI20240419BHJP

   H01S 3/097 20060101ALI20240419BHJP

   H01S 3/041 20060101ALI20240419BHJP

【ＦＩ】

H01S3/00 G

H01S3/131

H01S3/097 Z

H01S3/041

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020115642

(22)【出願日】2020-07-03

(65)【公開番号】P2022022744

(43)【公開日】2022-02-07

【審査請求日】2023-05-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】河村 譲一

(72)【発明者】

【氏名】田中 研太

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００２５５３６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００３－０５９０８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２５９８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２９２６３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２０１６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０４－１３１７３２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０５－０２１８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３６８３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１６７１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００９４５３１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００９－１４１１０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００ － ３／３０

Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０

Ｈ０１Ｌ ３１／００ － ３１／０２４

Ｈ０１Ｌ ３１／０８ － ３１／１１９

Ｈ０１Ｌ ３１／１８ － ３１／２０

Ｈ１０Ｋ ３０／６０ － ３０／６５

Ｈ１０Ｋ ３９／３０ － ３９／３８

Ｈ０４Ｂ １０／００ － １０／９０

Ｈ０４Ｊ １４／００ － １４／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザビームが入射する受光面を有し、受光面に入射するレーザビームの平均パワーを測定する第１センサと、
前記第１センサの受光面からの散乱光が入射する位置に配置され、入射するレーザビームのピークパワーを測定する第２センサと
を有するレーザパワー計測装置。

【請求項2】

前記第１センサの受光面で散乱された光を集めて前記第２センサに入射させる集光光学部品を、さらに有する請求項１に記載のレーザパワー計測装置。

【請求項3】

前記第１センサの受光面へのレーザビームの入射角が２２．５°以下であり、前記集光光学部品は、前記第１センサの受光面で正反射された光が入射する位置に配置されている請求項２に記載のレーザパワー計測装置。

【請求項4】

前記集光光学部品は集光コーンであり、集光コーンの内面は円錐台の側面を構成しており、円錐台の底面に相当する位置の入側開口部が前記第１センサの方を向き、円錐台の上面に相当する位置の出側開口部が前記第２センサの方を向いている請求項３に記載のレーザパワー計測装置。

【請求項5】

前記集光光学部品の内面の頂角は、前記第１センサの受光面で散乱されて前記集光光学部品の入側開口部の縁に入射する光が出側開口部を通って外部に出力される大きさである請求項４に記載のレーザパワー計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザパワー計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ発振器の出力変動や、ピークパワーが規定値に達しないウィークパルスの発生を検出するために、レーザ発振器の出口にパワーメータ及びフォトディテクタが配置される。レーザビームを処理対象物に入射させている期間も、出力変動やウィークパルスの検出を行うために、レーザビームの経路にビームスプリッタを配置して、レーザビームの一部をパワーメータ及びフォトディテクタに導いている。ビームスプリッタで分岐したレーザビームのエネルギは、一般的に、元のレーザビームのエネルギの２％～５％程度である。

【0003】

下記の特許文献１に、レーザ発振器から出力されたレーザビームをパワーメータ及びフォトディテクタで検出し、レーザ出力の安定化を図ったレーザ制御方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１０－１４７１０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

パワーメータ及びフォトディテクタにレーザビームを導くために、レーザビームの経路上に２個のビームスプリッタを配置することになり、合計で４％～５％程度のエネルギロスが発生する。また、２つのビームスプリッタを配置するためのスペースが必要である。

【0006】

本発明の目的は、エネルギロスを抑制し、省スペース化を図ることが可能なレーザパワー計測装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一観点によると、
レーザビームが入射する受光面を有し、受光面に入射するレーザビームの平均パワーを測定する第１センサと、
前記第１センサの受光面からの散乱光が入射する位置に配置され、入射するレーザビームのピークパワーを測定する第２センサと
を有するレーザパワー計測装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

第１センサの受光面からの散乱光が第２センサに入射するため、第２センサにレーザビームの一部を入射させるためのビームスプリッタを配置する必要がない。ビームスプリッタの枚数を削減できることにより、エネルギロスを抑制し、省スペース化を図ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本実施例によるレーザパワー計測装置を搭載したレーザ加工装置の概略図である。

【図2】図２は、レーザ発振器の光軸を含む断面図である。

【図3】図３は、実施例によるレーザ発振器の光軸に垂直な断面図である。

【図4】図４は、レーザパワー計測装置の概略平面図である。

【図5】図５は、比較例によるレーザパワー計測装置の概略図である。

【図6】図６Ａ～図６Ｃは、図５に示した比較例によるレーザパワー計測装置のフォトディテクタに入射するパルスレーザビームのビームプロファイルを示すグラフであり、図６Ｄ～図６Ｆは、図１～図４に示した実施例によるレーザパワー計測装置のフォトディテクタに入射するパルスレーザビームのビームプロファイルを示すグラフである。

【図7】図７は、他の実施例によるレーザパワー計測装置の概略平面図である。

【図8】図８は、さらに他の実施例によるレーザパワー計測装置の概略平面図である。

【図9】図９Ａ及び図９Ｂは、受光面で散乱されて集光光学部品の入側開口部の縁に入射した光の経路の一例を示す図であり、図９Ｃは、円錐台面の頂角の大きさと、フォトディテクタから出力される電圧信号の大きさとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１～図６Ｆを参照して、一実施例によるレーザパワー計測装置について説明する。
図１は、本実施例によるレーザパワー計測装置５０を搭載したレーザ加工装置の概略図である。レーザ加工装置は、レーザ発振器１２、レーザパワー計測装置５０ 加工装置８０、及びレーザ電源６０を含む。

【0011】

レーザ発振器１２は架台１１の上に支持されており、架台１１は共通ベース１００に固定されている。加工装置８０は、ビーム整形光学系８１及びステージ８２を含む。ステージ８２の上に加工対象物９０が保持される。ビーム整形光学系８１及びステージ８２は、共通ベース１００に固定されている。レーザパワー計測装置５０は、例えばビーム整形光学系８１と共通の光学定盤に支持される。共通ベース１００は、例えば床である。

【0012】

レーザ発振器１２は、パルスレーザビームを出力する。レーザ発振器１２として、例えば炭酸ガスレーザ発振器が用いられる。レーザ発振器１２から出力されたパルスレーザビームが、ビーム整形光学系８１によってビームプロファイルを整形され、加工対象物９０に入射する。レーザパワー計測装置５０は、レーザ発振器１２から出力されたパルスレーザビームの平均パワー及びピークパワーを測定し、パワーに応じた電圧信号を出力する。平均パワーは、パルスエネルギにパルスの繰り返し周波数を乗じることにより求まるパワーである。ピークパワーは、パルスエネルギをパルス幅で除した値で近似される。レーザパワー計測装置５０から出力された電圧信号がアンプ５９を経由してレーザ電源６０に入力される。

【0013】

レーザ電源６０は、制御装置６１及び放電電圧印加装置６２を含む。制御装置６１は、ピークパワーの測定値を一定時間積分し、積分値に応じて放電電圧の大きさを制御する機能を持つ。放電電圧印加装置６２は、制御装置６１で制御された放電電圧の大きさに基づいて、レーザ発振器１２の放電電極に放電電圧を印加する。

【0014】

図２は、レーザ発振器１２の光軸を含む断面図である。レーザ発振器１２は、レーザ媒質ガス及び光共振器２０等を収容するチェンバ１５を含む。チェンバ１５にレーザ媒質ガスが収容される。チェンバ１５の内部空間が、相対的に上側に位置する光学室１６と、相対的に下側に位置するブロワ室１７と区分されている。光学室１６とブロワ室１７とは、上下仕切り板１８で仕切られている。なお、上下仕切り板１８には、レーザ媒質ガスを光学室１６とブロワ室１７との間で流通させる開口が設けられている。ブロワ室１７の側壁から光学室１６の底板１９が、光共振器２０の光軸２０Ａの方向に張り出しており、光学室１６の光軸方向の長さが、ブロワ室１７の光軸方向の長さより長くなっている。

【0015】

チェンバ１５の底板１９が、４個の支持箇所４５で架台１１（図１）に支持されている。４個の支持箇所４５は、平面視において長方形の４個の頂点に相当する位置に配置されている。

【0016】

光学室１６内に、一対の放電電極２１及び一対の共振器ミラー２５が配置されている。一対の放電電極２１は、それぞれ電極ボックス２２に固定されている。放電電圧印加装置６２（図１）から放電電極２１に放電電圧が印加される。一対の電極ボックス２２は複数の電極支持部材２３を介して底板１９に支持されている。一対の放電電極２１は、上下方向に間隔を隔てて配置され、両者の間に放電領域２４が画定される。放電電極２１は放電領域２４に放電を生じさせることにより、レーザ媒質ガスを励起させる。一対の共振器ミラー２５は、放電領域２４を通る光軸２０Ａを持つ光共振器２０を構成する。後に図３を参照して説明するように、放電領域２４を図２の紙面に垂直な方向にレーザ媒質ガスが流れる。

【0017】

一対の共振器ミラー２５は、光学室１６内に配置された共通の共振器ベース２６に固定されている。共振器ベース２６は、光軸２０Ａの方向に長い板状の部材であり、複数の光共振器支持部材２７を介して底板１９に支持されている。

【0018】

光共振器２０の光軸２０Ａを一方向（図１において左方向）に延伸させた延長線と光学室１６の壁面との交差箇所に、レーザビームを透過させる光透過窓２８が取り付けられている。光共振器２０内で励振されたレーザビームが光透過窓２８を透過して外部に放射される。

【0019】

ブロワ室１７にブロワ２９が配置されている。ブロワ２９は、光学室１６とブロワ室１７との間でレーザ媒質ガスを循環させる。

【0020】

図３は、実施例によるレーザ発振器１２の光軸２０Ａ（図２）に垂直な断面図である。図２を参照して説明したように、チェンバ１５の内部空間が上下仕切り板１８により、上方の光学室１６と下方のブロワ室１７とに区分されている。光学室１６内に、一対の放電電極２１及び共振器ベース２６が配置されている。一対の放電電極２１は、それぞれ電極ボックス２２に固定されている。電極ボックス２２は、複数の電極支持部材２３によってチェンバ１５の底板１９（図２）に支持されている。一対の放電電極２１の間に放電領域２４が画定される。共振器ベース２６は、複数の光共振器支持部材２７によってチェンバ１５の底板１９（図２）に支持されている。電極支持部材２３及び光共振器支持部材２７は、図３に示した断面からずれた位置に配置されているため、図３において電極支持部材２３及び光共振器支持部材２７を破線で表している。

【0021】

光学室１６内に仕切り板４０が配置されている。仕切り板４０は、上下仕切り板１８に設けられた開口１８Ａから放電領域２４までの第１ガス流路４１、放電領域２４から上下仕切り板１８に設けられた他の開口１８Ｂまでの第２ガス流路４２を画定する。レーザ媒質ガスは、放電領域２４を、光軸２０Ａ（図２）に対して直交する方向に流れる。放電方向は、レーザ媒質ガスが流れる方向、及び光軸２０Ａの両方に対して直交する。ブロワ室１７、第１ガス流路４１、放電領域２４、及び第２ガス流路４２によって、レーザ媒質ガスが循環する循環路が形成される。ブロワ２９は、この循環路をレーザ媒質ガスが循環するように、矢印で示したレーザ媒質ガスの流れを発生させる。

【0022】

ブロワ室１７内の循環路に、熱交換器４３が収容されている。放電領域２４で加熱されたレーザ媒質ガスが熱交換器４３を通過することによって冷却され、冷却されたレーザ媒質ガスが放電領域２４に再供給される。

【0023】

図４は、レーザパワー計測装置５０の概略平面図である。スライドプレート５１の上に光学用ホルダ５２が固定されている。光学用ホルダ５２に、ビームスプリッタ５３、第１センサとしてのパワーメータ５４、及び第２センサとしてのフォトディテクタ５５が取り付けられている。レーザ発振器１２（図２）から出力されたパルスレーザビームＬＢがビームスプリッタ５３に入射角４５°で入射する。スライドプレート５１は、パルスレーザビームＬＢの光軸に沿って移動可能である。

【0024】

ビームスプリッタ５３に入射したパルスレーザビームの約２％～５％の成分がビームスプリッタ５３を透過してパワーメータ５４の受光面５４Ａに入射する。受光面５４Ａへの入射角は、例えば４５°である。ビームスプリッタ５３に入射したパルスレーザビームＬＢのうち残りの成分はビームスプリッタ５３で反射され、ビーム整形光学系８１（図１）に入射する。ビームスプリッタ５３として、部分反射鏡または偏光ビームスプリッタ等を使用することができる。

【0025】

パワーメータ５４は、受光面５４Ａに入射したパルスレーザビームの平均パワーを測定する。平均パワーの測定値に応じた電圧信号がレーザ電源６０に入力される。パワーメータ５４の受光面に入射したパルスレーザビームの一部は、受光面５４Ａで散乱される。散乱光の一部が、フォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射する。フォトディテクタ５５の受光面５５Ａは、パワーメータ５４の受光面５４Ａで正反射した光が入射する位置に配置されている。一般的に、フォトディテクタ５５の受光面５５Ａの面積は、パワーメータ５４の受光面５４Ａの面積より小さい。

【0026】

フォトディテクタ５５として、例えばＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）センサが用いられる。ＭＣＴセンサは、応答速度が速いという特徴を有しており、例えばナノセカンドレベルの応答特性を有している。したがって、フォトディテクタ５５は、ナノセカンド程度のパルス幅のレーザパルスのパルス波形及びピークパワーを測定することができる。

【0027】

フォトディテクタ５５が受光面５５Ａに入射する光のパワーに応じた電圧信号を出力する。この電圧信号は、アンプ５９を介してレーザ電源６０に入力される。

【0028】

次に、図５～図６Ｆを参照して、上記実施例の優れた効果について説明する。
図５は、比較例によるレーザパワー計測装置の概略図である。パルスレーザビームＬＢの一部の成分が第１ビームスプリッタ５３Ａで反射されて、フォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射する。第１ビームスプリッタ５３Ａを透過したパルスレーザビームの一部が第２ビームスプリッタ５３Ｂを透過してパワーメータ５４の受光面５４Ａに入射する。第２ビームスプリッタ５３Ｂで反射されたパルスレーザビームが、レーザ加工に利用される。第１ビームスプリッタ５３Ａで反射されたパルスレーザビーム及び第２ビームスプリッタ５３Ｂを透過したパルスレーザビームの合計のエネルギに相当するエネルギロスが生じる。

【0029】

図５に示した比較例では、第１ビームスプリッタ５３Ａと第２ビームスプリッタ５３Ｂとの２枚のビームスプリッタが、パルスレーザビームＬＢの経路に沿って異なる位置に配置されている。これに対して本実施例では、１枚のビームスプリッタ５３が使用されている。本実施例では、比較例と比べてビームスプリッタの枚数を削減することにより、パルスレーザビームＬＢの経路長の長大化を抑制することができ、その結果、省スペース化を図ることができる。

【0030】

図５に示した比較例では、第１ビームスプリッタ５３Ａと第２ビームスプリッタ５３Ｂとで合計２回のエネルギロスが生じる。これに対して本実施例では、エネルギロスはビームスプリッタ５３による１回のみである。したがって、本実施例では、比較例と比べてエネルギロスを少なくすることができる。

【0031】

パルスレーザビームの発振デューティの変化、レーザ媒質ガスの劣化、レーザ発振器１２（図２、図３）内の光学部品の劣化や汚れ等により、パルスレーザビームの光軸のずれや、ビームプロファイルの変化が発生する。次に、光軸のずれやビームプロファイルの変化が発生した場合における本実施例の優れた効果について説明する。

【0032】

図６Ａ～図６Ｃは、図５に示した比較例によるレーザパワー計測装置のフォトディテクタ５５に入射するパルスレーザビームのビームプロファイルを示すグラフである。横軸はビームスポット内の位置を表し、縦軸は光強度を表す。ビームスポットの中心が、レーザビームの光軸の位置に相当する。光軸調整を行った時点では、パルスレーザビームの光軸（ビームスポットの中心）が、受光面５５Ａの中心に一致する。ビームスポットは受光面５５Ａより大きい。

【0033】

図６Ａに示した例では、パルスレーザビームＬＢ（図５）の光軸が、光軸調整された光軸の位置からずれていない。このため、ビームスポットの中心（ガウシアンビームの場合は、光強度が最大になる位置）が受光面５５Ａの中心と一致している。

【0034】

図６Ｂに示した例では、図５において破線で示したようにパルスレーザビームＬＢの光軸が、光軸調整された光軸の位置からずれており、ビームスポットの中心が受光面５５Ａの中心からずれている。このため、受光面５５Ａに入射するレーザパワーの積分値は、図６Ａの場合と比べて小さくなる。このように、パルスレーザビームＬＢのピークパワーに変動がなくても、光軸がずれると、フォトディテクタ５５から出力される電圧信号が低下してしまう。

【0035】

図６Ｃに示した例では、パルスレーザビームＬＢの光軸はずれておらず、ビームスポットの中心と受光面５５Ａの中心とが一致しているが、ビームプロファイルが崩れている。このため、受光面５５Ａに入射するレーザパワーの積分値は、図６Ａの場合の積分値から変動する。このように、パルスレーザビームＬＢのピークパワーに変動がなくても、ビームプロファイルが崩れると、フォトディテクタ５５から出力される電圧信号が変動してしまう。

【0036】

ピークパワーに変動がなくても、フォトディテクタ５５から出力される電圧信号が変動すると、レーザ電源６０（図１）は、ピークパワーが変動したと判定して放電電圧を制御してしまう。したがって、放電電圧の正常な制御が行えなくなり、制御が破綻してしまう。なお、パワーメータ５４（図４、図５）の受光面５４Ａは、フォトディテクタ５５の受光面５５Ａより広いため、このような問題は生じにくい。

【0037】

図６Ｄ～図６Ｆは、図１～図４に示した実施例によるレーザパワー計測装置５０のフォトディテクタ５５に入射するパルスレーザビームのビームプロファイルを示すグラフである。

【0038】

図６Ｄに示した例では、パルスレーザビームＬＢ（図４）の光軸が、光軸調整された光軸の位置からずれておらず、ビームスポットの中心が受光面５５Ａの中心と一致している。本実施例では、パワーメータ５４の受光面５４Ａ（図４）で散乱された散乱光（拡散光）がフォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射するため、受光面５５Ａの位置におけるビームプロファイルは、図６Ａの場合に比べてブロードになり、フラット形状に近づく。

【0039】

図６Ｅに示した例では、パルスレーザビームＬＢ（図４）の光軸が、光軸調整された光軸の位置からずれており、ビームスポットの中心が受光面５５Ａの中心からずれている。ところが、ビームプロファイルがブロードで、フラット形状に近いため、光軸のずれが生じていないとき（図６Ｄ）からの、レーザパワーの積分値の低下量は少ない。

【0040】

図６Ｆに示した例では、パルスレーザビームＬＢの光軸はずれておらず、ビームスポットの中心が受光面５５Ａの中心に一致しているが、ビームプロファイルが崩れている。ただし、元のビームプロファイルがフラットに近いため、ビームプロファイルが崩れたとしても、受光面５５Ａに入射するレーザパワーの積分値の変動量は少ない。

【0041】

このように、本実施例においては、パルスレーザビームＬＢの光軸のずれや、ビームプロファイルの崩れが発生しても、フォトディテクタ５５からの電圧信号の変化量は少ない。このため、パルスレーザビームＬＢの光軸のずれ、またはビームプロファイルの崩れが生じたときに、放電電圧の制御の破綻が生じにくくなる。

【0042】

比較例における上記問題点を解決するために、第１ビームスプリッタ５３Ａで反射したパルスレーザビームを積分球に導入して、積分球内で拡散反射した光をフォトディテクタ５５で検出する手法も考えられる。この手法では、新たに積分球を配置しなければならないため、装置の大型化及びコスト増を招くことになる。

【0043】

次に、図７を参照して他の実施例によるレーザパワー計測装置について説明する。以下、図１～図４に示した実施例によるレーザパワー計測装置と共通の構成については説明を省略する。

【0044】

図７は、本実施例によるレーザパワー計測装置５０の概略平面図である。本実施例においては、パワーメータ５４の受光面５４Ａとフォトディテクタ５５の受光面５５Ａとの間に、集光光学部品３０が配置されている。集光光学部品３０は、パワーメータ５４の受光面５４Ａで散乱された光を集めてフォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射させる。

【0045】

集光光学部品３０として集光コーンを用いる。集光コーンは円錐台の側面（以下、円錐台面という場合がある。）を構成する内面を有する。円錐台の底面に相当する位置に設けられた入側開口部３１が、円錐台の上面に相当する位置に設けられた出側開口部３２より大きい。入側開口部３１がパワーメータ５４の受光面５４Ａの方を向き、出側開口部３２がフォトディテクタ５５の受光面５５Ａの方を向く。パワーメータ５４の受光面５４Ａで散乱され、集光光学部品３０の入側開口部３１に入射した光が、出側開口部３２を通ってフォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射する。

【0046】

次に、本実施例の優れた効果について説明する。本実施例では、パワーメータ５４の受光面５４Ａで散乱した光を集めてフォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射させている。このため、図１～図４に示した実施例と比べて、フォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射する光のパワーが大きくなる。言い換えると、フォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射する光のパワーを低下させることなく、ビームスプリッタ５３の透過率を下げることができる。ビームスプリッタ５３の透過率を下げることにより、エネルギロスを低下させることができる。

【0047】

実際に、集光光学部品３０の有無以外の条件を同一にして、集光光学部品３０を配置した構成と配置していない構成とで、フォトディテクタ５５でパルスレーザビームのパワーを測定する評価実験を行った。集光光学部品３０を配置した構成では、配置しない構成と比べて、１パルスに相当する電圧波形の面積が約３．３倍になった。この評価実験により、集光光学部品３０を配置すると、フォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射する光のパワーが増加することが確認された。

【0048】

レーザ発振器１２として炭酸ガスレーザを用いる場合、パルスレーザビームの波長は約１０．６μｍであるため、機械加工によって集光コーンの円錐台面を形成しても反射面として機能させることができる。高精度な鏡面仕上げを行う必要がないため、集光コーンを追加配置することによるコスト上昇を抑制することができる。

【0049】

次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では集光光学部品３０に集光コーンを用いたが、散乱光を集めて特定の領域に入射させることができる他の光学部品を用いてもよい。例えば、集光レンズ、凹面鏡等を用いてもよい。また、上記実施例では、集光コーンの側面を円錐台の側面で構成しているが、その他に多角錐台、例えば四角錐台の側面で構成してもよいし、放物面で構成してもよい。さらに、集光光学部品３０として、内部反射型放物面レンズ等を用いてもよい。内部反射型放物面レンズは、入射端面から入射した光を放物面の側面で反射することにより、出射端面に集める光学部品である。

【0050】

次に、図８を参照してさらに他の実施例によるレーザパワー計測装置について説明する。以下、図１～図４に示した実施例、及び図７に示した実施例によるレーザパワー計測装置と共通の構成については説明を省略する。

【0051】

図８は、本実施例によるレーザパワー計測装置５０の概略平面図である。図７に示した実施例では、パワーメータ５４の受光面５４ＡへのパルスレーザビームＬＢの入射角が４５°である。これに対して本実施例では、入射角θｉが２２．５°以下である。受光面５４Ａで正反射した光が入射する位置に、フォトディテクタ５５の受光面５５Ａを配置している。すなわち、受光面５４ＡへのパルスレーザビームＬＢの入射点から受光面５５Ａの中心点に向かうベクトルと、受光面５４Ａの法線ベクトルとのなす角度θｒが入射角θｉに等しい。

【0052】

集光光学部品３０の円錐面の中心軸が、受光面５４ＡへのパルスレーザビームＬＢの入射点から受光面５５Ａの中心点に向かう直線に一致するように、集光光学部品３０が配置されている。

【0053】

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、パワーメータ５４の受光面５４Ａへのパルスレーザビームの入射角θｉが２２．５°以下であるため、入射角θｉが４５°の場合と比べて、受光面５４Ａに形成されるビームスポットが小さくなる。ビームスポットが小さいと、受光面５４Ａからの散乱光が集光光学部品３０に、より多く取り込まれる。これにより、パルスレーザビームＬＢのより多くのエネルギをフォトディテクタ５５に集めることができる。言い換えると、フォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射する光のパワーを低下させることなく、ビームスプリッタ５３の透過率を下げることができる。ビームスプリッタ５３の透過率を下げることにより、エネルギロスを低下させることができる。

【0054】

入射角θｉ以外の条件を同一にし、入射角θｉが４５°のときと２２．５°のときとで、フォトディテクタ５５から出力される電圧信号を測定した。その結果、入射角θｉを２２．５°にすると、入射角θｉが４５°のときと比べて、フォトディテクタ５５の出力が約１．２倍になった。このように、入射角θｉを小さくすることにより、フォトディテクタ５５の受光面５５Ａに入射する光のパワーを大きくすることができる。受光面５５Ａに入射する光のパワーを大きくする十分な効果を得るために、入射角θｉを２２．５°以下にすることが好ましい。

【0055】

次に、図９Ａ～図９Ｃを参照して、集光コーンの円錐台面の好ましい形状について説明する。

【0056】

図９Ａ及び図９Ｂは、受光面５４Ａで散乱されて集光光学部品３０の入側開口部３１の縁に入射した光の経路の一例を示す図である。図９Ａと図９Ｂとでは、集光光学部品３０の円錐台面の頂角が異なっており、図９Ｂに示した円錐台面の頂角が、図９Ａに示した円錐台面の頂角より大きい。ここで、円錐台面の頂角とは、円錐台面を側面とする円錐台を含む円錐の頂角を意味する。

【0057】

図９Ａに示すように、受光面５４Ａで散乱されて集光光学部品３０の入側開口部３１の縁に入射した光は、円錐台面で複数回反射した後、出側開口部３２を通って外部に出力される。図９Ｂに示すように、円錐台面の頂角を大きくすると、受光面５４Ａで散乱されて集光光学部品３０の入側開口部３１の縁に入射した光が円錐台面で反射を繰り返して入側開口部３１に戻ってしまう場合がある。

【0058】

実際に、円錐台面の頂角の大きさが異なる複数の集光光学部品３０を用いて、フォトディテクタ５５から出力される電圧信号を測定する評価実験を行った。評価実験では、２つの受光面５４Ａ、５５Ａの中心同士を結ぶ直線上における入側開口部３１及び出側開口部３２の位置を固定し、入側開口部３１の大きさを変化させた。

【0059】

図９Ｃは、円錐台面の頂角の大きさと、フォトディテクタ５５から出力される電圧信号の大きさとの関係を示すグラフである。横軸は円錐台面の頂角を正規化した値で表し、縦軸はフォトディテクタ５５からの電圧信号の大きさを正規化した値で表す。頂角がある大きさの時、フォトディテクタ５５からの電圧信号が最大値を示す。このときの頂角の大きさを１として頂角を正規化する。また、このときのフォトディテクタ５５からの出力を１として、出力を正規化する。

【0060】

正規化頂角が１から大きくなるにしたがって、フォトディテクタ５５の正規化出力が低下する。これは、図９Ｂに示したように、入側開口部３１に入射した光の一部が出側開口部３２を通って出力されず、入側開口部３１に戻ってくる成分が多くなるためである。また、正規化頂角が１から小さくなっても、フォトディテクタ５５の正規化出力が低下する。これは、入側開口部３１の面積が小さくなることにより、集光光学部品３０に集められる散乱光の量が減少するためである。

【0061】

図９Ｃに示したように、円錐台面の頂角には、フォトディテクタ５５の出力を最大にする最適値が存在する。例えば、集光光学部品３０の円錐台面の頂角は、パワーメータ５４の受光面５４Ａで散乱されて集光光学部品の入側開口部の縁に入射する光が、出側開口部を通って外部に出力される大きさとすることが好ましい。また、この条件満たす範囲内で、入側開口部３１を最も大きくすることが好ましい。

【0062】

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0063】

１１ 架台
１２ レーザ発振器
１５ チェンバ
１６ 光学室
１７ ブロワ室
１８ 上下仕切り板
１８Ａ、１８Ｂ 開口
１９ 底板
２０ 光共振器
２０Ａ 光軸
２１ 放電電極
２２ 電極ボックス
２３ 電極支持部材
２４ 放電領域
２５ 共振器ミラー
２６ 共振器ベース
２７ 光共振器支持部材
２８ 光透過窓
２９ ブロワ
３０ 集光光学部品
３１ 入側開口部
３２ 出側開口部
４０ 仕切り板
４１ 第１ガス流路
４２ 第２ガス流路
４３ 熱交換器
４５ 支持箇所
５０ レーザパワー計測装置
５１ スライドプレート
５２ 光学用ホルダ
５３ ビームスプリッタ
５３Ａ 第１ビームスプリッタ
５３Ｂ 第２ビームスプリッタ
５４ パワーメータ（第１センサ）
５４Ａ 受光面
５５ フォトディテクタ（第２センサ）
５５Ａ 受光面
５９ アンプ
６０ レーザ電源
６１ 制御装置
６２ 放電電圧印加装置
８０ 加工装置
８１ ビーム整形光学系
８２ ステージ
９０ 加工対象物
１００ 共通ベース

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】