JP2000223760A

JP2000223760A - イオンレーザ装置及びイオンレーザ装置のミラー角度調整方法

Info

Publication number: JP2000223760A
Application number: JP11026836A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Aoki; 康青木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2000-08-11
Also published as: US6377601B1

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ管等の構成部品の特性が経時変化した場
合においても、レーザ光の出力の変動幅を所定の範囲に
収めることができるイオンレーザ装置の提供。【解決手段】レーザ管と、レーザ管を挟んで配置され光
共振器を構成する一対の出力ミラー及び全反射ミラー
と、レーザ出力を検出する光検出部（図１の１８）と、
ミラーを相異なる２つの方向に傾けるネジ構造部と、ネ
ジ構造部のネジを回転させるステッピングモータと、ス
テッピングモータの回転角度を制御する演算制御部（図
１の２２）とを有するイオンレーザ装置において、ミラ
ーの傾き角度に対するレーザ出力の特性を検出して特性
に応じたミラーのスキャン角度幅を繰返し設定するスキ
ャン角度幅演算手段（図１の２６）を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオンレーザ装置及
びイオンレーザ装置のミラー調整方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のイオンレーザ装置の構成及び動作
について図７を参照して説明する。イオンレーザ装置１
は、レーザ発振器２とアライメント制御部３と図示して
いない電源部とから構成され、レーザ発振器２は、レー
ザ管４とレーザ管４を支持する支持体５と出力ミラー６
と全反射ミラー７とミラーの角度を調整するためのミラ
ー角度調整機構８とから、また、アライメント制御部３
は、モニター光１７の強度を計測する光検出部１８とＡ
／Ｄ変換部２１とスッテッピングモータ２０の制御を行
う演算制御部２２と、スッテッピングモータ２０を駆動
するモータードライバー２３とから構成される。

【０００３】このように構成されるイオンレーザ装置の
概略動作について説明すると、レーザ管４から放出され
たレーザ光１５は、全反射ミラー７で反射され、出力ミ
ラー６を透過し、ビームスプリッタ１６でその一部はモ
ニター光１７として光検出器１８に導かれ、他はレーザ
光１５として外部に出射する。光検出器１８では、モニ
ター光１７の光強度を検出し、その信号をＡ／Ｄ変換部
２１でＡ／Ｄ変換した後、演算制御部２２で処理し、全
反射ミラー７又は出力ミラー６の傾きを修正するために
モータドライバー２３を介してステッピングモータ２０
を駆動する。

【０００４】次に、ミラー角度調整機構の詳細構造及び
動作について図２を参照して説明すると、レーザ管４が
固定されている支持体５は、レーザ光１５の光軸方向の
熱膨張を押えるために低熱膨張金属のインバーロッド９
から構成され、その両端には固定板１０、可動板１１が
引っ張りのバネ１２及び調整ネジ１４ａ〜１４ｃによっ
て平行に配置されている。また、可動板１１には、それ
ぞれ出力ミラー６と全反射ミラー７がミラーホルダー１
３を介して固定されている。

【０００５】調整ネジ１４ａ〜１４ｃの先端が可動板か
ら突き出ている長さで固定板と可動板との間隔が決めら
れる。その３本の調整ネジ１４ａ〜１４ｃの突き出た部
分の長さと、設計時に決定される３本の調整ネジ１４ａ
〜１４ｃの位置関係によってミラーの傾きが決まる構造
である。

【０００６】Ｌ字に配置された調整ネジ１４ａ〜１４ｃ
のかなめの部分の調整ネジ１４ａを支点として調整ネジ
１４ｂを回転させると、ミラーの傾きを垂直方向に変化
させることができる。同様に、調整ネジ１４ｃを回転さ
せると、ミラーの傾きを水平方向に変化させることがで
きる。レーザ出力を測定しながらこの二つの調整ネジ１
４ｂ、１４ｃによって、ミラーの傾きを任意の傾きに調
整し、レーザ出力を最大に調整する。

【０００７】なお、調整ネジ１４の駆動は、モニター光
１７の出力信号を基に演算制御部２２にて演算した結
果、軸の回転方向と回転角度を指示する動作信号がモー
タドライバー２３を介してステッピングモータ２０ｂ、
２０ｃに必要なパルス数が発せられ、ステッピングモー
タ２０ｂ、２０ｃが回転することによって行われる。

【０００８】このように構成されるイオンレーザ装置の
ミラー角度の調整手順について図８を参照して説明す
る。以下の説明における左右は便宜上、反射側から出射
方向を見た時の方向を基準とする。なお、ステッピング
モータ２０ｂ、２０ｃと調整ネジ１４ｂ、１４ｃの間
は、ギヤーによる減速構造も考えられるが、ここでは説
明を容易にするために１：１の場合を例に説明する。ま
た、調整ネジの回転角に対するミラーの傾き角度は、同
じく説明を容易にするために調整ネジ１°の回転角によ
ってミラーの傾き角が０．０１°の変化に相当するもの
とする。

【０００９】まず、Ｓ２００で、イオンレーザ装置１
は、放電電流を一定に制御してレーザ発振する定電流動
作で始動した後、Ｓ２１０で、レーザ光のうちビームス
プリッタで反射されたモニター光の検出を行う。そし
て、Ｓ２２０で検出データのＡ／Ｄ変換を行う。

【００１０】次に、ミラーの自動調整の第１段階である
粗調整の動作モード（Ｓ２３０）に入るが、まず、Ｓ２
３１の垂直方向の粗調整を行う。Ｓ２３１では、垂直方
向の調整ネジ１４ｂを回転させて、その出力変化データ
を取得する。例えば、垂直方向ステッピングモータ２０
ｂを左方向に１／２回転させて調整ネジ１４ｂを左に１
／２回転させ、その位置から右に回転しながら指定され
た角度（＝パルス）毎にレーザ光の出力データを測定し
ながら１／２回転する。本例では３度を１ステップ（単
位）として、１／２回転分のデータ６０個を測定しする
と最初の位置に戻る。

【００１１】さらに、そのまま右に出力データを測定し
ながら１／２回転する。これで最初の位置から左右それ
ぞれ１／２回転分、合わせて１回転分、すなわち、１２
０個の出力データの測定を完了する。これはミラーの角
度にして３．６度に相当するものであり、この出力デー
タの測定例を図５に示す。

【００１２】図５は、一般にアライメント感度特性と呼
ばれ、ミラーの角度変化に対するレーザ出力の変化特性
を示しており、レーザ始動時の最初の位置を基準位置と
して横軸の中心０としている。この特性の幅が広ければ
ミラー角度の変化にも鈍く、反対に幅が狭く先鋭であれ
ばミラーの角度変化に敏感なレーザ発振器である。図５
の例では軸の回転の左９０度に最大値が位置している
が、これはレーザの立ち上げ直後であり発振器内の温度
が安定した状態に達していないために、ミラーの最適角
度からずれた状態になっているからである。

【００１３】次に、測定したデータを基に調整ネジの調
整を行う。すなわち、測定データ内での最大値の角度に
戻るようにステッピングモータ２０ｂを回転させ停止さ
せる。この例では、左に９０度回転し停止する。以上の
動作で垂直方向の粗調整を完了する。この状態では、当
初の位置から９０°回転させた位置が次の段階での基準
位置となるため、図５の９０°の位置が中心の０°にく
るようにデータをシフトさせる（図６参照）。

【００１４】次に、Ｓ２３２の水平方向の粗調整をＳ２
３１と同様に行う。すなわち、水平方向のステッピング
モータ１４ｃを回転させてデータを測定し、その結果か
らステッピングモータ１４ｃを回転して、最大出力が得
られる最適ミラー角度に回転することによって、水平方
向の粗調整を行う。

【００１５】以上で粗調整モードは完了し、その後の発
振器内の温度上昇や環境温度の変化に対応し、最適ミラ
ー角度を保つために、引き続きＳ２４０の微調整の動作
モードを行う。垂直方向、水平方向共に図６の状態で、
最高出力が得られる位置を基準の０として考える。

【００１６】微調整モードは、粗調整モードと同様に、
この位置から左右に回転し、その回転の幅の中での最高
出力が得られる位置にモータを回転させることにより行
うが、回転角度が大きいと出力の変動が大きくなること
から、その回転角度が粗調整の角度よりも小さくなる点
が異なっている。

【００１７】粗調整モードの場合は、図５のアライメン
ト感度特性で示したように、レーザ発振する角度（回転
角度約２３０°、ミラー角度２．３°）の幅以上に左右
に回転させ、例えば、本例の場合には回転角度３６０
°、ミラー角度３．６°左右に回転させる。しかし、微
調整モードの場合は、このアライメント感度特性のピー
ク近傍で角度を振って最高点を見つけることになる。こ
こで従来は、スキャン角度幅θを事前に設定し、その範
囲でステッピングモータを回転させていた。

【００１８】垂直方向の微調整（Ｓ２４１）は、まず、
垂直方向ステッピングモータ１４ｂ及び調整ネジ１４ｂ
を左にθ°回転させ、その後、右に回転しながら指定さ
れた角度（＝パルス）毎にレーザ光の出力データを測定
しながらθ°回転する。本例では１°を１ステップ（単
位）として、θ°分のデータθ個を測定し、さらに、そ
のまま右に出力データを測定しながらθ°回転する。こ
れで最初の位置から左右それぞれθ°分、合わせて２θ
°分、２θ個の出力データの測定を完了する。

【００１９】次に、最初の位置から左右θ°の測定デー
タの最大値の角度にモータを回転し停止させて調整ネジ
の調整を行う。これで垂直方向の微調整の１サイクルは
終了となる。しかし、この調整ネジの動きに合わせてレ
ーザ出力も変動を生じる。その大きさは図９に示したミ
ラーの角度に対する出力特性の通り出力変動幅δ１の間
で変化する。

【００２０】次に、Ｓ２４２の水平方向の微調整を、Ｓ
２４１と同様に水平方向ステッピングモータ２０ｃを動
かすことによって行い、水平方向ステッピングモータ２
０ｃによって測定データの最大値の角度にモータを回転
させて、調整ネジの調整を行う。これで水平方向の微調
整の１サイクルは終了となる。

【００２１】ここで、レーザ発振器２の各要素に変動が
なければ、以後の調整は不要であるが、実際には温度変
化に伴うアライメントのずれが生じるために、Ｓ２４０
の微調整の動作を、レーザ装置１が停止するまで繰り返
す必要がある。以上の動作によって、その時点での最高
の出力を得るための最適なアライメント状態になるよう
に、温度変化によるミラー角度のずれを常に補正してい
くことになるが、最大出力値は、出力変動δ１を伴うこ
とになる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
イオンレーザ装置におけるミラーの自動調整機構には以
下の様な問題があった。

【００２３】イオンレーザ装置１は、レーザ管４内の、
細管２４と呼ばれる内径数ｍｍ長さ数１００ｍｍの細い
孔に数１０Ａの放電を行なうことによってイオンを励起
させてレーザ発振を得るレーザであり、数１０Ａの放電
プラズマは、細管２４の内面をスパッタし材料を変質さ
せ、内面の形状を変化させる。このスパッタ対策とし
て、採用される材料には耐スパッタ性に優れた酸化ベリ
リウムが一般的である。しかし、５０Ａにも及ぶ放電電
流の条件では、少なからずスパッタによる変質変形が生
じてしまう。

【００２４】また、レーザ管４のブリュースタ窓２５は
放電のプラズマから発せられる紫外線によって劣化し、
ブリュースタ窓の透過特性は低下してしまう。

【００２５】以上のような経時的な部品材料の劣化によ
って、アライメント感度はピーク形状が先鋭な形状に変
化してしまうことが判っている。このレーザ管４の変化
に起因するアライメント感度の先鋭化によって、従来の
ミラーの自動調整機構では当初設定した一定のスキャン
角度幅θ°のままミラーの角度調整を行うため、スキャ
ン角度幅θ°が大きすぎることによって、図１０に示す
ように、出力の変動幅はδ１からδ２に増加してしまう
という問題があった。

【００２６】このような問題を解決するために、ミラー
の自動調整機構が種々提案されている。例えば、特開平
５−３７０５０号公報には、出力値を正確に把握し正し
い判断を行なうために、サンプリングの回数を増やし、
その回数分の複数のデータを平均して、その平均値をも
って出力の大小を判断することを特徴としている。しか
しながら、この発明はデータの信頼性を向上させるため
にサンプリング回数を増やしているのみであり、アライ
メント感度自体は先鋭なままなので、上述したアライメ
ント感度の先鋭化の問題を解決することはできない。

【００２７】また、特開平９−１５３６５４号公報に
は、電歪素子を使用することによって微小角度の調整を
可能とする発明が開示されているが、本技術は、予め電
圧パルスのパルス幅を調整してレーザミラーの角度の微
小変位量を調整しておくものであり、ミラーの角度の微
小変位量とは、即ち、予め設定されたスキャン角度幅θ
と同意であるため、やはり、経時的に変化するアライメ
ント感度に対応して調整範囲が変化するものではないた
め、上記問題を解決することはできない。

【００２８】また、特開平５−２１８８５号公報に開示
された技術は、イオンレーザ装置で一般に言われる光フ
ィードバックモードまたはライトモードでの動作にて、
検出及び制御に放電電流を使用することを示している
が、本技術で示された動作特性図は、横モードがシング
ルモードの場合ではピークのフラット部は急な山型にな
り放電電流は反対に急な谷型になる。その結果、本技術
での制御では僅かなミラーの角度変化で放電電流の増減
が急激になり、放電が途切れる場合が生じてしまうこと
が問題となる。

【００２９】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであって、その主たる目的は、レーザ管等の構成部品
の特性が経時変化した場合においても、レーザ光の出力
の変動幅を所定の範囲に収めることができるイオンレー
ザ装置を提供することにある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、第１の視点において、レーザ管を挟んで
配置され光共振器を構成する一対のミラーを備え、該ミ
ラーの角度を所定の角度幅でスキャンしながら調整する
ミラー角度調整機構を有するイオンレーザ装置におい
て、レーザ光出力の変動値が所定の幅に収まる前記ミラ
ーのスキャン角度幅を、前記レーザ光の光強度分布によ
り決定する手段を設けたものである。

【００３１】また、本発明は、第２の視点において、レ
ーザ管と、前記レーザ管を挟んで配置され光共振器を構
成する一対のミラーと、レーザ光をモニターする光検出
部と、前記ミラーの角度を制御する制御部と、を少なく
とも有し、前記ミラーを所定の角度幅でスキャンし、前
記レーザ光の出力が最大となるように前記ミラーの角度
を設定するミラー角度調整機構を備えたイオンレーザ装
置において、前記光検出部で取得したデータを基に、前
記ミラーのスキャン角度幅を計算する演算手段を設けた
ものである。

【００３２】本発明のミラー角度調整方法は、レーザ管
と、前記レーザ管を挟んで配置され光共振器を構成する
一対のミラーと、レーザ光をモニターする光検出部と、
前記光検出部からの信号を演算し、前記ミラーの角度を
制御する制御部と、を少なくとも有するイオンレーザ装
置のミラー角度調整方法であって、前記光検出部の信号
から、前記レーザ光の出力値が所定の幅に収まるような
前記ミラーのスキャン幅を計算し、該計算結果に基づい
て前記ミラーをスキャンし、前記レーザ光の出力値が最
大となる角度に前記ミラーを設定するものである。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明に係るイオンレーザ装置
は、その好ましい一実施の形態において、レーザ管と、
レーザ管を挟んで配置され光共振器を構成する一対の出
力ミラー及び全反射ミラーと、レーザ出力を検出する光
検出部（図１の１８）と、ミラーを相異なる２つの方向
に傾けるネジ構造部と、ネジ構造部のネジを回転させる
ステッピングモータと、ステッピングモータの回転角度
を制御する演算制御部（図１の２２）とを有するイオン
レーザ装置において、ミラーの傾き角度に対するレーザ
出力の特性を検出して特性に応じたミラーのスキャン角
度幅を繰返し設定するスキャン角度幅演算手段（図１の
２６）を設けたものである。

【００３４】

【実施例】上記した本発明の実施の形態についてさらに
詳細に説明すべく、本発明の一実施例について図１乃至
図６を参照して以下に説明する。図１は、イオンレーザ
装置の構成を示す構造図であり、図２は、図１のミラー
角度調整機構の詳細を示す構造図である。また、図３
は、本実施例のミラー角度調整方法を説明するためのフ
ローチャートであり、図４は、経時変化に伴う出力変動
値幅を示す図である。また、図５及び図６は、モニター
光の出力強度分布を示す図である。なお、イオンレーザ
装置の基本的な構成は、スキャン角度幅演算手段を除き
従来例と同じである。

【００３５】まず、図１を参照してイオンレーザ装置の
構成について説明すると、イオンレーザ装置１は、レー
ザ発振器２とアライメント制御部３と図示していない電
源部とから構成されている。レーザ発振器２は、レーザ
管４と、レーザ管４を支持する支持体５と、出力ミラー
６と、全反射ミラー７と、これらのミラーの角度を調整
するためのミラー角度調整機構８とから構成されてい
る。また、アライメント制御部３は、モニター光１７の
強度を計測する光検出部１８と、Ａ／Ｄ変換を行うＡ／
Ｄ変換部２１と、本実施例の特徴であるスキャン角度幅
の計算、更新を行うスキャン角度幅演算手段２６と、モ
ニター光１７の強度を基にスッテッピングモータ２０の
制御を行う演算制御部２２と、スッテッピングモータ２
０を駆動するモータードライバー２３とから構成され
る。

【００３６】このように構成されるイオンレーザ装置の
概略動作について説明すると、レーザ管４から放出され
たレーザ光１５は、全反射ミラー７で反射され、出力ミ
ラー６を透過し、ビームスプリッタ１６でその一部はモ
ニター光１７として光検出器１８に導かれ、他はレーザ
光１５として外部に出射する。太陽電池やフォトダイオ
ードと負荷回路からなる光検出器１８では、モニター光
１７の光強度を検出し、その信号をＡ／Ｄ変換部２１で
Ａ／Ｄ変換する。スキャン角度幅演算手段２６ではＡ／
Ｄ変換後のデータを基にスキャン角度幅を計算、更新
し、演算制御部２２で処理した後、全反射ミラー７又は
出力ミラー６の傾きを修正するためにモータドライバー
２３を介してステッピングモータ２０を駆動する。

【００３７】次に、ミラー角度調整機構８の詳細構造及
び動作について図２を参照して説明するが、ミラー角度
調整機構８の基本的な構成は、出力ミラー６側と全反射
ミラー７側で共通であるので、ここでは全反射ミラー７
側について説明する。

【００３８】レーザ管４が固定されている支持体５は、
レーザ光１５の光軸方向の熱膨張を押えるために低熱膨
張金属のインバーロッド９から構成されている。このイ
ンバーロッド９の両端には固定板１０が固定されてお
り、その外側には可動板１１が配置されている。固定板
１０と可動板１１は平行に配置され、引っ張りのバネ１
２によって接続されている。可動板１１には、それぞれ
出力ミラー６と全反射ミラー７がミラーホルダー１３を
介して固定されている。

【００３９】可動板１１には、全反射ミラー側からレー
ザ光１５の出射方向を見て（図の左側から右側を見て）
Ｌ字形の位置に、光軸に平行に３箇所のネジ穴が設けら
れている。３つのネジ穴には調整ネジ１４ａ〜１４ｃが
外側からねじ込まれ貫通している。３本の調整ネジ１４
ａ〜１４ｃの先端は可動板１１から固定板１０方向にバ
ネ１２の長さ以上に突き出ており、バネ１２は引張りの
バネとして働く。

【００４０】調整ネジ１４ａ〜１４ｃの先端が可動板か
ら突き出ている長さで固定板と可動板との間隔が決めら
れる。その３本の調整ネジ１４ａ〜１４ｃの突き出た部
分の長さと、設計時に決定される３本の調整ネジ１４ａ
〜１４ｃの位置関係によってミラーの傾きが決まる構造
である。

【００４１】Ｌ字に配置された調整ネジ１４ａ〜１４ｃ
のかなめの部分の調整ネジ１４ａは、固定板１０と可動
板１１の間隔を決めた後、それ以降回転させる必要がな
いので固定される。そしてＬ字の２つの先端に位置する
他の２つの調整ネジ１４ｂと１４ｃに対して支点の役割
をする。調整ネジ１４ａ〜１４ｃを右に回すと先端の突
き出る長さが増えて、固定板１０と可動板１１の間隔は
開いていく。その反対に調整ネジ１４ａ〜１４ｃを左に
回すと先端の突き出る長さが減るために、固定板１０と
可動板１１の間隔は狭まっていく。

【００４２】Ｌ字の上側端の調整ネジ１４ｂを回転させ
ると、調整ネジ１４ａを支点として固定板１０と可動板
１１の上部の間隔が変わり、ミラーの傾きを垂直方向に
変化させることができる。同様に、下側端の調整ネジ１
４ｃを回転させると、調整ネジ１４ａを支点として固定
板１０と可動板１１の調整ネジ１４ｃの間隔が変わり、
ミラーの傾きを水平方向に変化させることができる。こ
の二つの調整ネジ１４ｂ、１４ｃによってミラーの傾き
を任意の傾きに調整することができる。通常は、レーザ
出力を測定しながらこれらの調整ネジ１４ｂ、１４ｃを
回転させて、ミラー角度調整を行ないレーザ出力を最大
に調整する。

【００４３】調整ネジ１４の駆動はステッピングモータ
２０により行い、調整ネジ１４ｂの外側にカップリング
部品１９を介してステッピングモータ２０ｂの軸が接続
されている。ここで用いるモータは、素早い起動、回
転、停止、高精度な位置決めに有利なステッピングモー
タが選択されている。

【００４４】そして、モニター光１７の出力信号を基に
演算制御部２２にて演算した結果、軸の回転方向と回転
角度を指示する動作信号がモータドライバー２３に発せ
られ、モータドライバー２３からステッピングモータ２
０ｂ、２０ｃに必要なパルス数が発せられ、ステッピン
グモータ２０ｂ、２０ｃが回転する。なお、使用される
レーザ出力の範囲において、この電気信号はレーザ光の
出力値に対してリニアリティが確保されていなければな
らない。

【００４５】次に、具体的な動作の手順について図３を
参照して説明する。以下の説明における左右は便宜上、
反射側から出射方向を見た時の方向を左右とする。ま
た、位置決めをする場合には、通常バックラッシュをと
るために常に一定の回転方向から回って停止する様に配
慮されるが、本説明では直接の関係は無いために、この
バックラッシュをとる動作の説明は省略する。

【００４６】なお、ステッピングモータ２０ｂ、２０ｃ
と調整ネジ１４ｂ、１４ｃの間は、ギヤーによる減速構
造も考えられるが、ここでは従来例と同様に１：１の場
合を例に説明する。また、調整ネジの回転角に対するミ
ラーの傾き角度は、調整ネジ１４ｂと１４ｃのネジのピ
ッチと調整ネジ１４ｂと１４ａ間、１４ｃと１４ａ間の
距離で決定されるが、同じく従来例と同様に調整ネジ１
°の回転角によってミラーの傾き角が０．０１°の変化
に相当するものとする。

【００４７】まず、イオンレーザ装置１は、放電電流を
一定に制御してレーザ発振する定電流動作で始動した後
（Ｓ１００）、レーザ光１５のうちビームスプリッタ１
６で反射されたモニター光１７の検出を光検出部１８で
行う（Ｓ１１０）。そして、そのデータをＡ／Ｄ変換し
た後（Ｓ１２０）、ミラーの自動調整の第１段階である
粗調整の動作モードに入る。

【００４８】粗調整の動作モード（１３０）では、ま
ず、垂直方向の粗調整（Ｓ１３１）を行い、垂直方向の
調整ネジ１４ｂを回転させて、その出力データを取得す
る。例えば、垂直方向ステッピングモータ２０ｂを左方
向に１／２回転させて調整ネジ１４ｂを左に１／２回転
させ、その位置から右に回転しながら指定された角度
（＝パルス）毎にレーザ光の出力データを測定しながら
１／２回転する。本例では３度を１ステップ（単位）と
して、１／２回転分のデータ６０個を測定しすると最初
の位置に戻る。以上の工程で最初の位置から左１／２回
転分の出力データの測定を完了する。

【００４９】さらに、そのまま右に出力データを測定し
ながら１／２回転する。これで最初の位置から左右それ
ぞれ１／２回転分、合わせて１回転分、すなわち、１２
０個の出力データの測定を完了する。これはミラーの角
度にして３．６度に相当するものであり、この出力デー
タの測定例をアライメント感度特性を表す図５に示す。

【００５０】次に、調整ネジの調整を行う。すなわち、
最初の位置から左右１／２回転の出力測定が完了する
と、その測定データ内での最大値の角度に戻るようにス
テッピングモータ２０ｂを回転させ停止させる。この例
では、左に９０度回転し停止する。以上の動作で垂直方
向の粗調整を完了する。この状態では、当初の位置から
９０°回転させた位置を次の段階での基準位置とするた
め、図６に示すようにデータをシフトさせて、ピークが
中心にくるようにする。

【００５１】次に、水平方向の粗調整（Ｓ１３２）を、
Ｓ１３１と同様に、水平方向のステッピングモータ１４
ｃを回転させて行なう。この測定により水平の方向でも
ミラー角度のずれがある場合に、垂直方向と同様にピー
クの位置を確認できる。そして、測定データからステッ
ピングモータ１４ｃを回転して、最大出力が得られる最
適ミラー角度に回転することによって、調整ネジの調整
を行う。

【００５２】以上で粗調整モードは終了するが、その後
の発振器内の温度上昇や環境温度の変化に対応し、アラ
イメント感度特性が時々刻々変化する。図４の測定デー
タは、異なる動作時間におけるアライメント感度特性を
示している。外側の曲線は動作時間が数時間のオーダー
（初期）でのアライメント感度の一例を示し、内側の曲
線は数千時間のオーダー（経時変化後）でのアライメン
ト感度特性の一例を示していて、この曲線の方が先鋭な
形状である。

【００５３】従来例においては、このように時々刻々変
化するアライメント感度特性を考慮することなく、あら
かじめ定めたスキャン幅θでミラーの微調整を行ってい
たが、本実施例では微調整モードに入る前に、アライメ
ント感度特性に応じてスキャン角度幅を計算する（Ｓ１
４０）ことを特徴としている。以下にその方法について
説明する。

【００５４】まず、Ｓ１４１でアライメント感度特性の
幅の計算を行う。すなわち、先の粗調整で得られたアラ
イメント感度のデータより、曲線の広がりの幅を求める
が、ここでは広がりの幅を表す値として、この特性の半
値幅を求めることにする。この値は半値幅に限定される
ものではなく、最大値の１／１０の値等を用いても問題
はない。なお、後の計算のため、当初の特性から半値幅
には固定された値としてσ０を設定している。

【００５５】まず、図４に示すように、粗調整の工程で
求めた最大出力をＰ１とし、そのＰ１が得られる調整ネ
ジの回転角度を０とする。半値幅は最大値の１／２の点
の幅であるから、まず最大出力の半分の値Ｐｈを計算で
求める。

【００５６】[数１] Ｐｈ＝Ｐ１／２

【００５７】次に、アライメント感度の出力データの各
データとＰｈとの大小を比較しながら、大小が逆転する
前後の点（調整ネジの角度）を値を求める。大小が逆転
する前後の２点は、その間は直線的に変化するものと仮
定して、比率によってＰｈに対応する角度を求める。こ
のＰｈの点における角度の求め方は、常に大小が入れ替
わった大きい方とする等の簡単な方法を用いても良い。
ここで求められた角度の幅をσ０、数十時間でのアライ
メント感度の半値幅をσ１、数千時間での半値幅をσ２
とする。アライメント感度の先鋭さからσ２＜σ１とな
る。

【００５８】次に、Ｓ１４２でスキャン角度幅の計算を
行う。微調整の段階でミラーを振る角度幅（＝ステッピ
ングモータを回転させる角度の幅）を表すスキャン角度
幅をθとすると、当初の特性によって決定されるスキャ
ン角度幅は固定された値θ０として設定される。当初の
半値幅σ０と動作時間毎の半値幅σ１、σ２から、その
動作時間毎のスキャン角度幅θ１、θ２を比例計算によ
って求める。

【００５９】[数２] 数十時間経過後のスキャン角度幅：θ１＝θ０×σ１／
σ０

【００６０】[数３] 数千時間経過後のスキャン角度幅：θ２＝θ０×σ２／
σ０

【００６１】これらスキャン角度幅の計算とスキャン角
度幅のリセットと再設定計算（Ｓ１４３）を、動作開始
毎の粗調整時に自動的に行う。動作時間がほとんど経過
していない数十時間経過後の特性では、アライメント感
度の変化量も小さいので、スキャン角度幅はθ１≒θ０
であり、出力変動幅δ１は小さい。

【００６２】しかし、数千時間経過後のアライメント特
性から計算したスキャン角度幅θ２は、アライメント感
度の先鋭化に合わせて小さく設定されるので、出力変動
幅δ２の幅は従来例のようにδ１に比べて大きくなるこ
とはない。このように、毎回使用時に更新されるスキャ
ン角度幅θによって、出力変動幅δは経時的に増減する
ことはない。

【００６３】以下、更新されるθによって、従来例と同
じ微調整の動作（Ｓ１５０）が行われる。微調整モード
は、粗調整モードと同様に、この位置から左右に回転
し、その回転の幅の中での最高出力が得られる位置にモ
ータを回転させることにより行うが、回転角度が大きい
と出力の変動が大きくなることから、その回転角度が粗
調整の角度よりも小さくなる点が異なっている。

【００６４】以下、更新されたθをθ２として表すとす
ると、垂直方向の微調整は、まず、第一に垂直方向ステ
ッピングモータ１４ｂを左方向にθ２°回転させること
によって、調整ネジ１４ｂも左にθ２°回転させ、その
後、右に回転しながら指定された角度（＝パルス）毎に
レーザ光の出力データを測定しながらθ２°回転する。
本例では１°を１ステップ（単位）として、θ２°分の
データθ個を測定すると最初の位置に戻る。

【００６５】以上で最初の位置から左θ２°分の出力デ
ータの測定を完了する。さらに、そのまま右に出力デー
タを測定しながらθ２°回転する。これで最初の位置か
ら左右それぞれθ２°分、合わせて２θ２°分、２θ個
の出力データの測定を完了する（Ｓ１３１）。

【００６６】次に、最初の位置から左右θ２°の測定デ
ータの最大値の角度にモータを回転し停止させ、調整ネ
ジの調整を行う。これで垂直方向の微調整の１サイクル
は終了となる。しかし、このＳ１５１の調整ネジの動き
に合わせてレーザ出力も変動を生じる。その大きさは図
４に示したミラーの角度に対する出力特性の通り出力変
動幅δ２の間で変化する。

【００６７】次に、Ｓ１５２の水平方向の微調整を、Ｓ
１５１と同様に、水平方向ステッピングモータ２０ｃを
動かすことによって行い、水平方向ステッピングモータ
２０ｃによって測定データの最大値の角度にモータを回
転させて、調整ネジの調整を行う。これで水平方向の微
調整の１サイクルを終了し、以後イオンレーザ装置が稼
働する間中、Ｓ１５０の微調整を繰り返す。

【００６８】このように、本実施例では、その時点での
最高の出力を得るための最適なアライメント状態になる
ように、アライメント感度を基にしたスキャン角度幅の
計算、再設定を常時行うため、温度変化によるミラー角
度のずれを常に補正することができ、僅かな出力変動δ
１のみで、レーザ光の出力をほぼ最大に保つことができ
る。

【００６９】なお、本実施例では、説明を容易にするた
め回転角度やステップに単純な数値を用いたが、ステッ
ピングモータ、ギアの減速比や機構部品によっては１０
０分の１°のオーダーを１ステップとして精度を上げる
ことも可能である。また、本実施例では、全反射ミラー
７側にミラー角度調整機構８を設けた例を用いて説明し
たが、出力ミラー６側にミラー角度調整機構８を設けた
り、両側にミラー角度調整機構８設けて交互に調整を行
なうことも可能である。

【００７０】また、ステッピングモータの代わりにピエ
ゾ素子等の電歪素子を用いても同様の効果を奏すること
ができる。更に、粗調整をステッピングモータで行い、
微調整をピエゾ素子で行なう等の複合的な構造も可能で
ある。

【００７１】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
イオンレーザ装置のミラー角度の自動調整において、レ
ーザ光出力の経時的な変動を抑制することができるとい
う効果を奏する。

【００７２】その理由は、本発明の構成では、粗調整を
行なう度毎にスキャン角度幅を自動的に計算、更新し、
その値を用いて微調整を行うため、温度変化によるミラ
ー角度のずれを常に補正することができ、レーザ光の出
力をほぼ最大に保つことができるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオンレーザ装置の全体構成を示す構
成図である。

【図２】イオンレーザ装置のミラー角度調整機構を拡大
した構造図である。

【図３】本発明の一実施例に係るミラー角度調整手順を
示すフローチャートである。

【図４】本発明の一実施例に係るスキャン角度幅と出力
変動幅を示すアライメント感度特性図である。

【図５】垂直方向粗調整の測定後のアライメント感度特
性図である。

【図６】垂直方向粗調整の調整完了時のアライメント感
度特性図である。

【図７】従来のイオンレーザ装置の全体構成を示す構成
図である。

【図８】従来のミラー角度調整手順を示すフローチャー
トである。

【図９】従来のスキャン角度幅と出力変動幅を示すアラ
イメント感度特性図である。

【図１０】従来例のスキャン角度幅と出力変動幅を示す
アライメント感度特性図である。

【符号の説明】

１イオンレーザ装置２レーザ発振器３アライメント制御部４レーザ管５支持体６出力ミラー７全反射ミラー８ミラー角度調整機構９インバーロッド１０１１可動板１２バネ１３ミラーホルダー１４ａ調整ネジ（かなめ位置）１４ｂ調整ネジ（垂直方向）１４ｃ調整ネジ（水平方向）１５レーザ光１６ビームスプリッタ１７モニター光１８光検出部１９カップリング部品２０ｂステッピングモータ（垂直方向）２０ｃステッピングモータ（水平方向）２１Ａ／Ｄ変換部２２演算制御部２３モータードライバー２４細管２５ブリュースタ窓２６スキャン角度幅演算手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ管を挟んで配置され光共振器を構成
する一対のミラーを備え、該ミラーの角度を所定の角度
幅でスキャンしながら調整するミラー角度調整機構を有
するイオンレーザ装置において、レーザ光出力の変動値が所定の幅に収まる前記ミラーの
スキャン角度幅を、前記レーザ光の光強度分布により決
定する手段を設けた、ことを特徴とするイオンレーザ装
置。
【請求項２】レーザ管と、前記レーザ管を挟んで配置さ
れ光共振器を構成する一対のミラーと、レーザ光をモニ
ターする光検出部と、前記ミラーの角度を制御する制御
部と、を少なくとも有し、前記ミラーを所定の角度幅でスキャンし、前記レーザ光
の出力が最大となるように前記ミラーの角度を設定する
ミラー角度調整機構を備えたイオンレーザ装置におい
て、前記光検出部で取得したデータを基に、前記ミラーのス
キャン角度幅を計算する演算手段を設けた、ことを特徴
とするイオンレーザ装置。
【請求項３】前記ミラーがステッピングモータによりス
キャンされる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載
のイオンレーザ装置。
【請求項４】前記ミラーが電歪素子によりスキャンされ
る、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンレ
ーザ装置。
【請求項５】レーザ管と、前記レーザ管を挟んで配置さ
れ光共振器を構成する一対のミラーと、レーザ光をモニ
ターする光検出部と、前記光検出部からの信号を演算
し、前記ミラーの角度を制御する制御部と、を少なくと
も有するイオンレーザ装置のミラー角度調整方法であっ
て、前記光検出部の信号から、前記レーザ光の出力値が所定
の幅に収まるような前記ミラーのスキャン幅を計算し、
該計算結果に基づいて前記ミラーをスキャンし、前記レ
ーザ光の出力値が最大となる角度に前記ミラーを設定す
る、ことを特徴とするミラー角度調整方法。
【請求項６】前記ミラーがステッピングモータによりス
キャンされる、ことを特徴とする請求項５記載のミラー
角度調整方法。
【請求項７】前記ミラーが電歪素子によりスキャンされ
る、ことを特徴とする請求項５記載のミラー角度調整方
法。
【請求項８】レーザ管と、前記レーザ管を挟んで配置さ
れ光共振器を構成する一対の出力ミラー及び全反射ミラ
ーと、レーザ出力を検出する光検出部と、前記出力ミラ
ー又は前記全反射ミラーを相異なる２つの方向に傾ける
ネジ構造部と、前記ネジ構造部のネジを回転させるステ
ッピングモータと、前記ステッピングモータの回転角度
を制御するステッピングモータ制御部と、を有し、前記
出力ミラー又は前記全反射ミラーの角度を変化させた時
の光検出部の信号を比較演算し、信号が最大になる角度
にミラーを設定するイオンレーザ装置であって、前記出力ミラー又は前記全反射ミラーの傾き角度に対す
るレーザ出力の特性を検出して、該特性に応じたミラー
角度の変化量を繰返し設定するスキャン角度幅演算手段
を設けた、ことを特徴とするイオンレーザ装置。
【請求項９】レーザ管と、前記レーザ管を挟んで配置さ
れ光共振器を構成する一対の出力ミラー及び全反射ミラ
ーと、レーザ出力を検出する光検出部と、前記出力ミラ
ー又は前記全反射ミラーを相異なる２つの方向に傾ける
電歪素子部と、前記電歪素子部を制御する電歪素子制御
部と、を有し、前記出力ミラー又は前記全反射ミラーの
角度を変化させた時の光検出部の信号を比較演算し、信
号が最大になる角度にミラーを設定するイオンレーザ装
置であって、前記出力ミラー又は前記全反射ミラーの傾き角度に対す
るレーザ出力の特性を検出して、該特性に応じたミラー
角度の変化量を繰返し設定するスキャン角度幅演算手段
を設けた、ことを特徴とするイオンレーザ装置。