JPH0760123B2 - 光音響式ビーム位置調整法 - Google Patents
光音響式ビーム位置調整法Info
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- JPH0760123B2 JPH0760123B2 JP2077617A JP7761790A JPH0760123B2 JP H0760123 B2 JPH0760123 B2 JP H0760123B2 JP 2077617 A JP2077617 A JP 2077617A JP 7761790 A JP7761790 A JP 7761790A JP H0760123 B2 JPH0760123 B2 JP H0760123B2
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- JP
- Japan
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- mirror
- photoacoustic
- sensors
- laser
- beam position
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザーを用いた光学システムにおける光学
機器のビーム位置の調整に関わり、特にミラー、レンズ
等の光学部品に発生する光音響を利用して入射ビームの
位置を検知し、調整することを目的とする光音響式ビー
ム位置調整法に関する。
機器のビーム位置の調整に関わり、特にミラー、レンズ
等の光学部品に発生する光音響を利用して入射ビームの
位置を検知し、調整することを目的とする光音響式ビー
ム位置調整法に関する。
（従来技術） 各種レーザーシステムでは、レーザービームを所望の作
業位置に導くため、ミラー、レンズ、光学素子等の各種
光学部品が光路内に設けられている。このような光学シ
ステムでは、効果的に光学機器を機能させるため、目的
に応じた機器の調整が必要であり、それに伴うビームの
位置検知作業が欠かせない。一般的なビーム位置検知方
法には、感熱紙やアクリル板にビームパターンを焼き付
けて可視化する簡易的な方法のほか、リニアアレイや四
象限検出器をビーム光路に挿入して定量的に計測する方
法が用いられている。
業位置に導くため、ミラー、レンズ、光学素子等の各種
光学部品が光路内に設けられている。このような光学シ
ステムでは、効果的に光学機器を機能させるため、目的
に応じた機器の調整が必要であり、それに伴うビームの
位置検知作業が欠かせない。一般的なビーム位置検知方
法には、感熱紙やアクリル板にビームパターンを焼き付
けて可視化する簡易的な方法のほか、リニアアレイや四
象限検出器をビーム光路に挿入して定量的に計測する方
法が用いられている。
一方、密閉容器内の試料に断続光を照射すると光音響効
果による弾性波が発生することが知られており、既に、
光音響を利用した各種計測器が開発されている。たとえ
ば、高出力レーザー用ミラーの耐力を向上させる目的
で、光学薄膜の微小吸収エネルギー量と光音響信号の強
度が比例することから、光音響効果によるレーザー損傷
を計測する方法が報告されている（植田、荻原、他２
名：レーザー研究，第15巻，第１号、p22−p25,Jan.,
（1987））。
果による弾性波が発生することが知られており、既に、
光音響を利用した各種計測器が開発されている。たとえ
ば、高出力レーザー用ミラーの耐力を向上させる目的
で、光学薄膜の微小吸収エネルギー量と光音響信号の強
度が比例することから、光音響効果によるレーザー損傷
を計測する方法が報告されている（植田、荻原、他２
名：レーザー研究，第15巻，第１号、p22−p25,Jan.,
（1987））。
また、固体の変形および破壊に伴って解放されるエネル
ギーが音響パルス（超音波）として伝播するのを捕捉し
て、被測定材料の欠陥部位を検出するAE（Acoustic Emi
ssion）測定装置が市販されている。
ギーが音響パルス（超音波）として伝播するのを捕捉し
て、被測定材料の欠陥部位を検出するAE（Acoustic Emi
ssion）測定装置が市販されている。
（発明が解決しようとする課題） 本発明者は、赤外長波長域のラマンレーザー発振を得る
ため、一対の対向する銅製の全反射ミラーから成るマル
チビームラマン変換器を開発し、特願昭62−260820号に
提案した。前記ラマン変換器では、所望のラマン変換媒
質長を獲得する必要があり、ミラー面上の所定の位置に
正確にビームを案内してビーム反射回数を確保しなけれ
ばならない。したがって、高精度なビーム位置検出とそ
の調整が重要な作業となっていた。
ため、一対の対向する銅製の全反射ミラーから成るマル
チビームラマン変換器を開発し、特願昭62−260820号に
提案した。前記ラマン変換器では、所望のラマン変換媒
質長を獲得する必要があり、ミラー面上の所定の位置に
正確にビームを案内してビーム反射回数を確保しなけれ
ばならない。したがって、高精度なビーム位置検出とそ
の調整が重要な作業となっていた。
このようなビームの照射位置合わせ作業において、ビー
ム位置検出器を光路に挿入したのでは逐一ビームを遮断
するため、多くの調整時間を必要とするばかりでなく、
CO2レーザーのように不可視光の場合には、危険を伴う
ものであった。また、ハーフミラーでビームを分岐させ
て位置検出を行う間接法の場合には、ビーム強度を減衰
させる問題があり、装置を簡素化し、レーザーシステム
の自動制御を実現するためには障害となっていた。
ム位置検出器を光路に挿入したのでは逐一ビームを遮断
するため、多くの調整時間を必要とするばかりでなく、
CO2レーザーのように不可視光の場合には、危険を伴う
ものであった。また、ハーフミラーでビームを分岐させ
て位置検出を行う間接法の場合には、ビーム強度を減衰
させる問題があり、装置を簡素化し、レーザーシステム
の自動制御を実現するためには障害となっていた。
そこで、本発明者は、ミラーにパルスレーザーが照射さ
れると、全反射ミラーであってもミラー内部に光音響効
果による弾性波が発生しうることに着目し、その伝播時
間を光音響検出素子を用いて観測することにより、ビー
ムの伝播を妨げることなく、ミラー面上に照射されたビ
ーム位置を検出できることを見い出した。
れると、全反射ミラーであってもミラー内部に光音響効
果による弾性波が発生しうることに着目し、その伝播時
間を光音響検出素子を用いて観測することにより、ビー
ムの伝播を妨げることなく、ミラー面上に照射されたビ
ーム位置を検出できることを見い出した。
本発明は、レーザー自体やレーザービーム伝播システム
の制御に有効な光音響を用いたビームの入射位置を検知
し、調整の方法を提供することを目的とする。
の制御に有効な光音響を用いたビームの入射位置を検知
し、調整の方法を提供することを目的とする。
（課題を解決するための手段） 上記の課題は、ミラーに照射されたパルスビームにより
発生する光音響弾性波が複数個取り付けられた音響検知
器へ到達する時間の差を検出して、この差を極小となる
ようビームを調整することにより、ミラー面上の所定の
位置、すなわち検出器間の中点にビームを調整すること
による本発明によって解決することができる。具体的に
は、弾性波の伝播時間、特に検出した音波信号の第１、
第２または第３のピークのいずれかの到達時間から計測
する方法、さらに、音響信号をデジタル波形分析器、タ
イムインターパルカウンタのいずれかを用いて信号処理
することによりビーム位置を検知することができる。
発生する光音響弾性波が複数個取り付けられた音響検知
器へ到達する時間の差を検出して、この差を極小となる
ようビームを調整することにより、ミラー面上の所定の
位置、すなわち検出器間の中点にビームを調整すること
による本発明によって解決することができる。具体的に
は、弾性波の伝播時間、特に検出した音波信号の第１、
第２または第３のピークのいずれかの到達時間から計測
する方法、さらに、音響信号をデジタル波形分析器、タ
イムインターパルカウンタのいずれかを用いて信号処理
することによりビーム位置を検知することができる。
（作用） レーザー光がミラー面に照射された時、まず、表面で光
エネルギーの一部が吸収されて熱エネルギーに変換さ
れ、ミラー面は膨張して歪み、弾性波が発生する。発生
した弾性波は縦波（Ｐ波）と横波（Ｓ波）、さらに表面
波としてミラー中を伝播する。レーザーパルスの立ち上
がり時間が音響パルス幅より十分短いとすると、最大の
進行速度をもつＰ波の到達時間と伝播距離が比例するこ
とになる。したがって、前記発生したＰ波をミラーの裏
面または外周に取り付けた複数のセンサーで検出し、そ
のＰ波の伝播時間の差を求め、これが最小となるようビ
ーム位置を調整することにより、ミラー面上の検出器間
の中点位置にビーム位置を再現性よく調整することがで
きる。
エネルギーの一部が吸収されて熱エネルギーに変換さ
れ、ミラー面は膨張して歪み、弾性波が発生する。発生
した弾性波は縦波（Ｐ波）と横波（Ｓ波）、さらに表面
波としてミラー中を伝播する。レーザーパルスの立ち上
がり時間が音響パルス幅より十分短いとすると、最大の
進行速度をもつＰ波の到達時間と伝播距離が比例するこ
とになる。したがって、前記発生したＰ波をミラーの裏
面または外周に取り付けた複数のセンサーで検出し、そ
のＰ波の伝播時間の差を求め、これが最小となるようビ
ーム位置を調整することにより、ミラー面上の検出器間
の中点位置にビーム位置を再現性よく調整することがで
きる。
（発明の効果） 本発明によれば、ビーム光路内に他の検出器を挿入する
ことなく、既に設けられているミラーの側面や背面に弾
性波を検出する検出器を取り付け、ビーム光路を遮断す
ることなく、また、ビーム出力を減衰させることなく出
射ビームの位置を検出し、調整することができる。
ことなく、既に設けられているミラーの側面や背面に弾
性波を検出する検出器を取り付け、ビーム光路を遮断す
ることなく、また、ビーム出力を減衰させることなく出
射ビームの位置を検出し、調整することができる。
（実施例） 以下に本発明を実施例に基づき詳細に説明する。
第１図は、本発明を実施するための装置全体の構成図で
ある。CO2レーザー発振器10から出射されたレーザービ
ームは、KC1半透ミラー11を透過して、ビームパターン
の整形とビーム径の変更が可能な絞り12を通過した後、
本発明を実施する直径70mm、厚さ10mmの銅製全反射ミラ
ー13に到達する。ミラー13の背面には弾性波を検出する
２個のアコーステックエミッション測定用センサー（PZ
T圧電センサー、共振周波数180KHz）14、14′を絶縁性
の接着剤で固定する。前記KC1半透ミラー11で分岐され
たビームはフォトンドラッグ検出器17によってレーザー
パルスの発生が検出され、デジタルオシロスコープのた
めのトリガー信号となる。背面に第１のセンサー14と第
２のセンサー14′が固定されたミラーの鏡面に直径約15
mmのパルス状ビームを照射し、ミラー材料内に伝播する
弾性波を検出する。検出された信号はAE増幅器（周波数
特性50KHz〜2MHz）15、15′で増幅された後、弾性波を
表示するデジタルオシロスコープ16に導入される。ディ
スプレイ８ビット、インピーダンス50Ωでセッティング
されたデジタルオシロスコープのトリガーには、別に設
けた光検出器17からの出力を用いるのが一般的である
が、これを省いて光音響信号自体を用いることもでき
る。第２図は、第１図のミラー13が取り付けられたミラ
ースタンドの正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。前記
ミラースタンドには、スライド式ステージ20が設けら
れ、つまみ21の回転によってミラーがＸ軸上を移動し入
射ビームの位置をミラー面上で移動できる。
ある。CO2レーザー発振器10から出射されたレーザービ
ームは、KC1半透ミラー11を透過して、ビームパターン
の整形とビーム径の変更が可能な絞り12を通過した後、
本発明を実施する直径70mm、厚さ10mmの銅製全反射ミラ
ー13に到達する。ミラー13の背面には弾性波を検出する
２個のアコーステックエミッション測定用センサー（PZ
T圧電センサー、共振周波数180KHz）14、14′を絶縁性
の接着剤で固定する。前記KC1半透ミラー11で分岐され
たビームはフォトンドラッグ検出器17によってレーザー
パルスの発生が検出され、デジタルオシロスコープのた
めのトリガー信号となる。背面に第１のセンサー14と第
２のセンサー14′が固定されたミラーの鏡面に直径約15
mmのパルス状ビームを照射し、ミラー材料内に伝播する
弾性波を検出する。検出された信号はAE増幅器（周波数
特性50KHz〜2MHz）15、15′で増幅された後、弾性波を
表示するデジタルオシロスコープ16に導入される。ディ
スプレイ８ビット、インピーダンス50Ωでセッティング
されたデジタルオシロスコープのトリガーには、別に設
けた光検出器17からの出力を用いるのが一般的である
が、これを省いて光音響信号自体を用いることもでき
る。第２図は、第１図のミラー13が取り付けられたミラ
ースタンドの正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。前記
ミラースタンドには、スライド式ステージ20が設けら
れ、つまみ21の回転によってミラーがＸ軸上を移動し入
射ビームの位置をミラー面上で移動できる。
以下に、第２図に示す２個のセンサー14、14′を動作し
て照射ビームの位置を伝播時間の差から検出する方法に
ついて説明する。
て照射ビームの位置を伝播時間の差から検出する方法に
ついて説明する。
照射ビームをミラーの中心位置ａに固定した場合と第１
のセンサー14側にずらした位置ｂの場合に得られた各弾
性波形図を第３図（Ａ）及び（Ｂ）に示す。同図（Ａ）
において、ビーム位置ａに対しセンサーを左右対称に配
置しているので、第１のセンサー14からの信号ｃと第２
のセンサー14′からの信号ｄは、信号強度がやや異なる
ものの第１のピークと第２のピークの到達時間はほ
ぼ一致していることがわかる。一方、位置ｂにおける検
出を示す第３図（Ｂ）ではビームの位置に対して２つの
センサーの距離が異なるので、波形は大きくずれてお
り、各ピーク位置の到達時間に差がみられる。しかし、
第１のピーク、第２のピークの波形はほぼ一定して
いる。ここで、２個のセンサーによって検出されたそれ
ぞれ第１、第２のピークを取り、時間差Δｔを求める。
この時間差Δｔは２つのセンサー間に照射されたビーム
位置との距離の差に対応しているのでΔｔ≠０の時には
２つのセンサー間の中点から左右にずれた位置にあるこ
とは明らかである。
のセンサー14側にずらした位置ｂの場合に得られた各弾
性波形図を第３図（Ａ）及び（Ｂ）に示す。同図（Ａ）
において、ビーム位置ａに対しセンサーを左右対称に配
置しているので、第１のセンサー14からの信号ｃと第２
のセンサー14′からの信号ｄは、信号強度がやや異なる
ものの第１のピークと第２のピークの到達時間はほ
ぼ一致していることがわかる。一方、位置ｂにおける検
出を示す第３図（Ｂ）ではビームの位置に対して２つの
センサーの距離が異なるので、波形は大きくずれてお
り、各ピーク位置の到達時間に差がみられる。しかし、
第１のピーク、第２のピークの波形はほぼ一定して
いる。ここで、２個のセンサーによって検出されたそれ
ぞれ第１、第２のピークを取り、時間差Δｔを求める。
この時間差Δｔは２つのセンサー間に照射されたビーム
位置との距離の差に対応しているのでΔｔ≠０の時には
２つのセンサー間の中点から左右にずれた位置にあるこ
とは明らかである。
また、第３図（Ｂ）の２つの信号ｃ、ｄの各第２のピー
クを選択して、第２図（Ａ）に示すＸ軸上のビーム位置
ｘとΔｔの関係の観測例を示したのが第４図である。同
図からΔｔを測定すれば一義的にビームの位置Ｘを求め
ることができる。直径30mmのCO2レーザービームを用い
たこの観測例では、Δｔの観測値の偏差を考慮しても0.
3mmの分解能で位置検出できることが確認できた。以
上、得られた弾性波形の第１、第２または第３のピーク
からその信号波形を選択して伝播時間の差を求め、ミラ
ー面内のビーム位置を検出することが明らかになった。
クを選択して、第２図（Ａ）に示すＸ軸上のビーム位置
ｘとΔｔの関係の観測例を示したのが第４図である。同
図からΔｔを測定すれば一義的にビームの位置Ｘを求め
ることができる。直径30mmのCO2レーザービームを用い
たこの観測例では、Δｔの観測値の偏差を考慮しても0.
3mmの分解能で位置検出できることが確認できた。以
上、得られた弾性波形の第１、第２または第３のピーク
からその信号波形を選択して伝播時間の差を求め、ミラ
ー面内のビーム位置を検出することが明らかになった。
２つのセンサーを結ぶ軸上にビームを移動した上記実施
例ではΔｔの測定によりビーム位置Ｘを求めることがで
きた。ところが、ビームがＸ軸上にあるとは限らない２
次元平面の一般のミラー面上の場合にはΔｔからＸを簡
単に求めることはできない。しかし、Δｔ＝０となるよ
うビームを調整すると、このときビームは２つのセンサ
ーとも等しい距離にある。すなわち、２つのセンサーを
結ぶ垂直２等分線であるＹ軸（Ｘ＝0,Y＝Ｙ）上にある
ことになる。したがって、３個または４個のセンサーを
図５のようにミラーの裏面に配置することにより、適当
な組合せの２個の検出器対の間でΔｔ＝０となるようビ
ームを調整することにより、ミラー面上の一定の位置す
なわち検出器配置の中点Ｍにビームを調整することがで
きる。（Ａ）ではセンサー22,23によるａ軸の垂直２等
分線とセンサー22,24によるｂ軸の垂直２等分線が交わ
る中点Ｍに調整できるため、３個のセンサー位置の中点
Ｍにビームを調整することが可能となる。同様に（Ｂ）
では４個のセンサーを用いて、中点Ｍ（Ｘ＝0,Y＝０）
に調整することが可能である。中点Ｍをミラーの中心と
一致させることにより、効率のよいビーム調整が行なえ
るのは明らかである。
例ではΔｔの測定によりビーム位置Ｘを求めることがで
きた。ところが、ビームがＸ軸上にあるとは限らない２
次元平面の一般のミラー面上の場合にはΔｔからＸを簡
単に求めることはできない。しかし、Δｔ＝０となるよ
うビームを調整すると、このときビームは２つのセンサ
ーとも等しい距離にある。すなわち、２つのセンサーを
結ぶ垂直２等分線であるＹ軸（Ｘ＝0,Y＝Ｙ）上にある
ことになる。したがって、３個または４個のセンサーを
図５のようにミラーの裏面に配置することにより、適当
な組合せの２個の検出器対の間でΔｔ＝０となるようビ
ームを調整することにより、ミラー面上の一定の位置す
なわち検出器配置の中点Ｍにビームを調整することがで
きる。（Ａ）ではセンサー22,23によるａ軸の垂直２等
分線とセンサー22,24によるｂ軸の垂直２等分線が交わ
る中点Ｍに調整できるため、３個のセンサー位置の中点
Ｍにビームを調整することが可能となる。同様に（Ｂ）
では４個のセンサーを用いて、中点Ｍ（Ｘ＝0,Y＝０）
に調整することが可能である。中点Ｍをミラーの中心と
一致させることにより、効率のよいビーム調整が行なえ
るのは明らかである。
第１図は、本発明を実施するための装置全体の構成図、 第２図は、本発明を実施したミラー及びミラースタンド
の構成を示し、同図（Ａ）は正面図、同図（Ｂ）は側面
図、 第３図（Ａ）（Ｂ）は、第２図（Ａ）のビーム位置ａ及
びｂで２個のセンサーで検出した弾性波形図、 第４図は、第３図（Ｂ）の２つの信号の第２のピークの
時間差をビーム位置を移動して得たＸ軸上のビーム位置
ｘとΔｔの観測例である。 第５図（Ａ）はセンサー３個、第５図（Ｂ）はセンサー
４個の場合のセンサー配置例である。 （符号の説明） 10……レーザー発振器、11……KC1半透ミラー、12……
絞り、13……ミラー、14,14′……光音響検出センサ
ー、15,15′……AE増幅器、16……デジタルオッシロス
コープ、17……フォトンドラッグ検出器、20……ステー
ジ、21……つまみ、22−25……光音響検出センサー。
の構成を示し、同図（Ａ）は正面図、同図（Ｂ）は側面
図、 第３図（Ａ）（Ｂ）は、第２図（Ａ）のビーム位置ａ及
びｂで２個のセンサーで検出した弾性波形図、 第４図は、第３図（Ｂ）の２つの信号の第２のピークの
時間差をビーム位置を移動して得たＸ軸上のビーム位置
ｘとΔｔの観測例である。 第５図（Ａ）はセンサー３個、第５図（Ｂ）はセンサー
４個の場合のセンサー配置例である。 （符号の説明） 10……レーザー発振器、11……KC1半透ミラー、12……
絞り、13……ミラー、14,14′……光音響検出センサ
ー、15,15′……AE増幅器、16……デジタルオッシロス
コープ、17……フォトンドラッグ検出器、20……ステー
ジ、21……つまみ、22−25……光音響検出センサー。
Claims (1)
- 【請求項１】光学素子の外周または裏面に複数の光音響
検出器を配置し、前記の光学素子に照射されたパルスレ
ーザービームにより発生した弾性波が前記の複数の光音
響検出器に到達するまでの伝播時間の差を求め、この時
間差が最小となるようにパルスレーザービームと前記の
光学素子との位置関係を調整することによって前記のパ
ルスレーザービームの位置を前記の複数の光音響検出器
間の中点に調整することを特徴とする光音響式ビーム位
置調整法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2077617A JPH0760123B2 (ja) | 1990-03-27 | 1990-03-27 | 光音響式ビーム位置調整法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2077617A JPH0760123B2 (ja) | 1990-03-27 | 1990-03-27 | 光音響式ビーム位置調整法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03276035A JPH03276035A (ja) | 1991-12-06 |
| JPH0760123B2 true JPH0760123B2 (ja) | 1995-06-28 |
Family
ID=13638876
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2077617A Expired - Fee Related JPH0760123B2 (ja) | 1990-03-27 | 1990-03-27 | 光音響式ビーム位置調整法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0760123B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114739903B (zh) * | 2022-04-01 | 2026-07-14 | 上海精测半导体技术有限公司 | 测量装置及其调节方法、光斑尺寸的获取方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB8412832D0 (en) * | 1984-05-18 | 1984-06-27 | Weerasinghe V M | Power meters for electromagnetic radiation |
-
1990
- 1990-03-27 JP JP2077617A patent/JPH0760123B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03276035A (ja) | 1991-12-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |