JPH03236003A - 任意形状均一放射加熱方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［ａ業主の利用分野］ 本発明は空間的に均一なエネルギー分布の放射加熱を必
要とする、熱約手段による加工技術、無処理技術、計測
技術、探傷技術などの分野に係るものである。

【従来の技術とＢＭ点コ 前項に述べたような放射加熱を必要とする分野では光源
にレーザを用〜）ることか−船釣である。 その場合レーザは大出力を得るためにマルチモードで発
振させる必要がある。マルチモード発振時ル−ザビーム
は空間的に不均一であるため、その不均一性のため加工
精度の低下、計測精度の低下等を招いてきた。 従来、このように空間的に不均一なマルチモード大出力
レーザビームを均一化するために、光ガイドを通過した
光をレンズで平行ビームにする方法（公開特許公報　昭
８２−２０７９４４、熱伝導率測定５ｉｌｌ）及び光フ
ァイバ束（細い光ガイドを多数より合わせたもの）を用
いる方法（例えば、日本熱物性研究会発行、熱物性、第
３＠、第２号、１９８９年、Ｐ、１０２〜１０５、太田
ら）の２種類の方法が考案されているが、前者の方法で
は空間的に均一化された領域にある光エネルギーは光ガ
イド通過前の全入射光エネルギーの４０％を下回り有効
エネルギーが低下すること、及び光学系の調整が複雑な
ことが問題となっていた。後者の方法では、空間エネル
ギー分布のばらつきが±７％とかなり太き（、また光フ
ァイバ束が強いレーザパルスに対して損傷を受けるなど
現実の対象面を均一に照射するには未完成の段階にある
。 以上の点により、空間的に不均一な高輝度光源や大出力
マルチモードレーザビームを有効エネルギーの大きな低
下を伴わない任意形状均一放射加熱方法が要望されてい
る。 ［発明の目的］ 本発明は空間的に不均一な高輝度光源やマルチモード大
出力レーザビームを、大きなエネルギー損失を伴うこと
な（任意形状の空間的に均一な放射ｊＩＪＩｌ！Ｉ源に
変換することを目的とする。 ［問題点を解決するための手段］ この目的は本発明によれば、空間的に不均一な高輝度光
源やマルチモード大出力レーザビームをコア径が１ｍｍ
程度の大口径ステップインデックス光ガイド（以下光ガ
イドと呼ぶ）に入射させ光ガイドに曲げを加え局所的に
血率の小さな部分を導入した状態で光ガイド出射側端面
の実像を第１の凸レンズにより任意形状の開口を有する
アパーチャー面に結像させ、開口部の実像を第２の凸レ
ンズにより対象面に結像させることにより達成され　る
。 Ｃ実施例】 以下本発明の実施例を第１図によりて説明する。 通常マルチモード状態で発振している大出力レーザ！か
ら出射された空間的に不均一なレーザビーム２ａを凸レ
ンズ３により集光し大口径ステップインデックス光ガイ
ド４の端面に入射させる。ビームは多重反射しつつ光ガ
イド内を進行し、軸対称な分布となるが、全長数ｍの光
ガイドでは半径方向に沿ったエネルギー分布に関しては
、入射時の分布が保存され通常不均一な状態にある。こ
のような短い光ガイドに対しても、その数箇所に局所的
な曲げ５を導入することにより、光ガイド内でのビーム
の乱反射が生じ１　　光ガイド内部でのエネルギー分布
が均一化される。その結果、光ガイドの出射側端面に沿
って均一なエネルギー分布が得られる。このようにして
得られた光ガイドの出射側端面の実像を１枚の凸レンズ
により直接加工面、処理面、試料面などの対象面上に結
像させれば実像は光ガイド出射側端面と同等に均一な空
間エネルギー分布を有することになる。光学系の倍率を
調整することにより、およそ０．１ｍｍから３０ｍｍま
での直径の任意の大きさの円盤状領域を均一なエネルギ
ー分布で放射加熱することが可能となる。この場合実像
の中央部では均一なエネルギー分布が得られるが、通常
その境界は明確でな（、周辺部の強度が徐々に低下する
連続的分布となる。 強度が階段関数的に変化する境界が明確な放射加熱を得
るためには端面から出射されるレーザビーム２ｂを凸レ
ンズ６により結像し、実像位置にアパーチャー８を設置
する。凸レンズ８によりアパーチャー８の開口部の実像
を加工面、処理面、試料面などの対象面１１に結像１０
させることにより関口部と相似形の像の内部で均一なエ
ネルギー分布を持ち、その外部では階段関数的にＯとな
る均一放射加熱が可能となる。アパーチャー開口部の形
状を変化させることにより任意形状の領域を均一放射加
熱することができる。 なお放射加熱のエネルギー分布は測定対象のレーザビー
ムをフィルタで減光したｖｋＴｖカメラ撮信管の光電面
にレンズ無しで直接照射し、ビデオ信号をパーソナルコ
ンピュータに取り込み画像処理を行ってＣＲＴ上に等高
線表示することにより求められる。 レーザビームの光ガイドに対する透過率は約８０％、透
過したビームのうち均一化された部分の比率は約８０％
である。従って入射ビームの全エネルギーの６０％以上
が均一放射加熱源として有効に利用可能である。 第２図はマルチモード人出力パルスレーザの不均一な空
間エネルギー分布、及びそのビームを本発明により均一
化したときの空間エネルギー分布をＴＶカメラを用いて
実測した等高線図である。 第２図（ａ）はマルチモード大出力パルスレーザの直接
ビームの２次元空間エネルギー分布を測定した結果であ
る。最大出力が得られるように注意深くレーザのアライ
ンメントを調整した状態であるにもかかわらず、空間エ
ネルギー分布は相等不均一であることがわかる。 第２図（ｂ）は上記レーザビームを局所自げを加えない
自由な状態のステップインデックス光ガイドを通した後
の、光ガイド出射端面の実像に沿った空間エネルギーの
２次元分布の測定結果である。軸対称であるが、中心部
の強度が強〜１分布が得られることがわかる。 第２図（ｃ）は上記の状態の光ガイドに局所的に曲率の
小さい部分を導入した場合のガイド出射端面の実像に沿
った空間エネルギーの２次元分布の測定結果である。中
央部では均一な空間エネルギー分布が得られて〜）るが
周辺の部分でのエネルギー分布は連続的に変化している
ことがわかる。 第２図（ｄ）は第１のレンズによる光ガイド出射側端面
の実像位置に開口部が円形のアパーチャーを設置し、第
２のレンズによるしぼりの実像位置における空間エネル
ギーの２次元分布の測定結果であり、５本の等肩線が近
接して分離できないため１本の太線で表わされている。 エネルギー分布の強さが周辺で階段関数状に変化する均
一な分布が得られることがわかる。 第２　ｒｌＪ　（ｅ　）は、前記（ｄ）と同一配置であ
るが複雑な形状の関口部を有するアパーチャーを設置し
て得られた空間エネルギーの２次元分布の測定結果であ
り、やはり５本の等肩線が１本の太線で表わされている
。任意形状の放射加熱加工、熱処理等に応用可能である
ことがわかる。 ［発明の効果コ 以上述べたように、不均一化方法によれば高輝度光源や
マルチモード大出力レーザの空間的に不均一なビームを
大きなエネルギー損失な（効率的に空間的に均一なビー
ムに変換することができる。 このような任意形状の空間的に均一な強埴放射加熱源に
より、レーザ加工精度の向上、熱処理の高度化、新しい
探傷技術の開発が期待されるとともに熱物性値計測技術
において測定精度の飛躍的向上をもたらすと考えられる
。 及び（ｅ）は本発明の作用を実証する測定例の図である
。 大出力レーザ レーザビーム 凸レンズ 大ロ径ステップインデックス光ガイド 局所的自げ 凸レンズ 光ガイド出射側端面の実像 アパーチャー 凸レンズ アパーチャー開口部の実像 対象面 均−放射加熱部 ４、　　図面の簡単な！Ｉ＃４ 第１図は、本発明の実施例を示す光学系の構成図である
。第２図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）、　（ｄ）１ 図 （０） （ｄ） 図 （ｂ） （Ｃ） （ｅ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）放射加熱源として用いられる高輝度光源、大出力
   のパルスレーザまたは連続発振レーザを集光してステッ
   プインデックス光ガイドに入射させ、ステップインデッ
   クス光ガイドに局所的曲げを導入しビームに乱反射を生
   じさせることによりステップインデックス光ガイド内部
   のエネルギー分布を均一化し、ステップインデックス光
   ガイドの出射側端面の凸レンズによる実像位置に空間的
   に均一なエネルギー分布の放射加熱を実現することを特
   徴とする任意形状均一放射加熱方法。
2. （２）２枚の凸レンズを使用し、ステップインデックス
   光ガイドの出射側端面の１枚目の凸レンズによる実像位
   置に任意形状の開口部を有するアパーチャーを置き、ア
   パーチャーの２枚目の凸レンズによる実像位置において
   開口部の像端でエネルギー分布の強さが一定値から０に
   階段関数的に変化する均一放射加熱を実現することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の任意形状均一放射
   加熱方法。