JPS5933209B2 - レ−ザビ−ムの拡がり角の測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザビームの基本的パラメータであるビーム
拡がり角の測定装置に関するものである。

レーザ発振器からの出力ビームは横モードが単一か、そ
うでないかでその性質が異なるが単一モードのビームの
方が応用上優れているので、現在では実用的レーザ発振
器の多くは単一モードの、いわゆるガウスビームで出力
するように作られている。したがつて本発明に関し対象
とするレーザビームもガウスビームを前提とする。ビー
ムの特性を示すパラメータの中で拡がり角は最も重要な
パラメータの一つであり、レーザ発振器の製品型録にも
必ずその大きさが表示されている。しかるにこの重要な
パラメータであるビーム拡がり角の測定方法については
、これまで有効な方法が知られておらず、理論値による
表示のみの場合が多い。公知の方法としてこれまで成さ
れていたビーム拡がり角の測定方法はビーム軸に沿つて
数ケ所のビーム径を測定して、それを結ぶ直線の傾きか
ら求める方法がとられていた。ところでガウスビームに
おけるビームの断面の強度分布はガウス形をしており、
その半径は強度が軸上のそれの１／ ｅ２になる点まで
の軸からの距離で定義されている。そして軸に沿つてビ
ーム径の描く曲線は第１図に示す如く双曲線となること
が知られている。すなわちビームの最小径（以下これを
ビームウェストと表わす）ｌＳｆｊ近であまり径の変化
のない領域があり、それより十分遠方において初めて一
定の傾斜の拡がりを示す特徴を有している。ビーム拡が
り角はこの一定の傾斜となる領域の角度で定義されてい
る。したがつて拡がり角を測定する場合たまたまビーム
径の損Ｉ淀範囲がビームウェストの近傍にあるときには
、上記したような方法で測定すると実際とは違つた結果
をまねくことは明らかである。ビームウェストからの軸
上の距離ｚにおけるビーム半径ｗ（２）はビームウェス
トにおけるそれをＷ。、波長をλとして理論的に次式で
表わされることが知られている。

（１） ｗ（２）■ｗｏト＋（力）２ これより距離ｚの位置におけるビーム半径Ｗの軌跡の接
線の傾きθ（２）が導かれ次式のように表わされる。

ただしθ＜＜１とする。ｄｗＡ２） θ（２）■ − ｚ＝１における傾き、すなわちビーム拡がり角θ（ニ）
は式（２）でｚ＝１と置いて得られ）ｖν▼▼υ となる。

ここでとなるときの距離をＺｄとして定義すれば式（２
）〜（４）の関係よりとなることが分る。

Ｚｄはビーム半径ｗの軌跡の接線の勾配が０．９９θ（
ニ）になる点までのビームウエストからの距離を表わし
ている。

これは言いかえると前述の方法でビームの拡がり角の正
しい測定をしようとするためにはビームウエストから目
安としてＺｄ程度離れたところで沖淀せねばならないと
いうことを意味する。第２図に代表的なレーザである波
長０．６３μＭＯ）Ｈｅ−Ｎｅレーザと波長１０．６μ
ｍ（７）ＣＯ２レーザの場合を例にとリビームウエスト
の半径ＷＯの大きさに対するＺｄの大きさの計算結果の
一例を示す。Ｈｅ−Ｎｅレーザではビームウエストが発
振器の出力端部にあつてＷ。の大きさが０．５程度に作
られているものが多い。この場合Ｚｄは第２図より約１
０ｍであることが分る。したがつて拡がり角を測定する
には発振器より１０ｍ程度距離を隔てて行なう必要があ
るといえる。ＣＯ２レーザは波長が長いので同じＷＯの
値に対してＺｄはＨｅ−Ｎｅレーザの場合よりかなり短
かくなる。しかしＣＯ２レーザでは波長に対応してＨｅ
−Ｎｅレーザに比して、発振器からの出力のＷ。が一般
に大きいのと、応用面で拡がり角が重要なパラメータと
なるレーザレーダの送信ビームとする場合などにおいて
はＷ。を数１０程度に変換して送信する場合が多いので
Ｚｄはひじように長くなる。例えばＷＯを２０ｗ，露と
すればＺｄは８００ｍにもなる。また一般に測定を必要
とするビームにあつてはビームウエストの位置が分らぬ
場合が多いのでいずれにしても前述したような方法で拡
がり角を測定することにはいろいろと問題がある。本発
明の目的は上記したように従来の方法では問題点の多い
レーザビーム拡がり角の測定に関して新しい手法により
簡便かつ正確な測定をなし得る測定装置を提供しようと
するにある。

以下第３図ないし第６図により本発明の原理を説明する
。

第３図においていまレーザビーム３１を焦点距離がｆの
レンズ３２を通したとき、そのレンズの焦点距離の位置
３３におけるビーム軸に垂直な断面でのビームの像は入
射ビームの無限遠の像を写し出しているに他ならない。

したがつて焦点面におけるビームの半径をＷｆ，レンズ
への入射ビームが無限遠で示す拡がり角θ（ニ）とする
と次の関係が成り立つ本発明はこの関係からｆが知れて
おればＷｆの測定からθ（へ）が求められることを利用
するものであるｏしかしここで一般にレーザビームをレ
ンズで集光した場合にはＷｆは微小な径になるので、こ
の方法での測定には微少なビーム径の測定技術が必要と
される。

この目的にかなうビーム径の測定方法としてナイフエツ
ヂ法が適用できる。ガウスビームの軸に垂直な断面にお
ける強度１（Ｘ，ｙ）は次式で表わされる。ここにＰ。

はレーザのトータル出力、ッはビーム半径、Ｘ，ｙはビ
ーム軸に垂直な断面に仮定した軸を原点とする座標上の
位置を表わす。いまナイフエツヂでビームを軸に垂直な
方向に走査しやへいするとき出力変化は次式で表わされ
る。径ｗはＰ（ＸＶＰＯの特性曲線から求められる。い
ま、Ｐ（ＸＶＰＯが０．９から０．１に変化するまでの
ナイフエツヂの移動量をＸ２−Ｘ１とすればｗは次式で
表わされることが分る。ナイフエツヂにはカミソリの刃
あるいはプリズムのエツヂが用いられる。

第５図にはこの方法による、波長が０．６３μｍのＨｅ
−Ｎｅレーザビームの、光軸に沿つての径の測定例を示
す。集線はビームウエストの径が０．１６７ｍｎとした
ときの理論曲線であり、これから求められるビームの拡
がり角θ（８）は１．２１ｍｒａｄである。ついでなが
らここでビームウエストの位置がおおよそでも知れてい
れば、ナイフエツヂ法により第５図に示すように光軸に
沿つて丹念にビーム径を測定して、全ての測定値に最も
合致する理論曲線から拡がり角を求める方法もあり得る
。しかしこの方法は測定が多数点になるのと合致する理
論曲線を求める作業を要するため実用的立場からは必ず
しも良い方法ではない。さてここで第５図に示したビー
ムをテストビームとして、上記説明したナイフエツヂ法
を用いた本発明のビーム拡がり角測定法の検証例を第６
図に示す。用いたレンズは焦点距離ｆが６５．０の平凸
レンズで、これを第５図ビームのビームウエストを含む
軸上の前後５ケ所の異なる位置に入れてそれぞれ焦点位
置でのビーム径Ｗｆをナイフエツヂ法により測定し、式
（６）の関係により各位置での測定値としてのθを求め
た。図において横軸はレンズを入れたビーム軸上の位置
を示し、縦軸は拡がり角θの大きさを示す。測定値はい
ずれの位置においても理論値１．２１ｍｒａｄとよく一
致した結果が得られ、誤差は±２％以内であつた。この
結果で明らかなように本発明の方法によればレンズの焦
点距離の位置での１回のビーム径の測定で簡単にその拡
がり角が求められる。しかもレンズはビームのどのよう
な位置に入れてもよく、このことは従来の方法でビーム
径の軌跡を結んで求める方法では、ビームウエストから
十分離れたところでビーム径を抑淀しないと正確を期せ
なかつたのに比し、大きな利点であることが分る。第７
図に本発明の具体的実施例として、レーザレーダの送信
ビームの拡がり角を測定、校正する装置への応用例を示
す。レーザレーダには各種用途があり、それぞれ目的に
より装置パラメータに軽重の相違があるが、送信レーザ
ビームの拡がり角はどのような形態のレーザレーダにあ
つても重要なパラメータであり、その測定と校正が大い
に必要とされる。第７図において７０１は発振器からの
出力レーザビーム、７０２はレーザビームの拡がり角を
制御するためのビームエクスパンダ一４レーザレーダで
は一般的に使用される）、７０３はエクスパンダー７０
２より送出の送信レーザビーム、７０４は鏡で摺動台７
０５上にレーザビームの軸に対し４５での角度で設置さ
れている。７０６は焦点距離が既知のレンズで、鏡７０
４が送信ビーム７０３内に入れられ、送信ビームを反射
するとき、その反射ビーム７０７の光軸と中心が一致す
るよう配置してある。

７０８はナイフエツヂで、レンズ７０６の焦点の位置に
おいてビーム軸に垂直に出し入れでき、かつその移動量
が読めるようにマイクロメータヘツド７０９により送り
をかけられる摺動台７１０に取付けられている。

７１１は検知器でナイフエツヂ７０８で一部を切られた
ビーム７１２の出力を検知する。

７１３はその出力を読む出力計である。

図の如き装置構成によりエクズパンタ−からの出力ビー
ムの拡がり角は容易に測定、較正できる。すなわち測定
に際し、鏡７０４を送信ビーム内に入れ、反射によりビ
ームをレンズ７０６に導入集光し、これをナイフエツヂ
７０８でしやへいし、そのときナイフエツヂの移動量を
マイクロメータヘツド７０９で、出力を出力計７１３で
読み、出力がナイフエツヂでビームをしやへいしていな
いときの出力Ｐ。に対し、０．９Ｐ０から０．１Ｐ０に
変化するまでのナイフエツヂの移動量（Ｘ２−Ｘ１）を
求め、式（９）の関係によりＷｆを出しこれとレンズの
焦点距離ｆとから式（６）の関係によりθ―を計算すれ
ばよい。本発明の測定装置によれば従米有効な方法が知
られておらず、その測定がひじように困難だつたレーザ
ビーム拡がり角の測定がひじように簡単かつ正確に行な
い得る。この用途としてはレーザ発振器の製造現場での
検査工程における出力ビームの測定、あるいはレーザレ
ーダの送信ビームの拡がり角の測定、較正などが考えら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザビームの半径がビーム軸に沿つて描く軌
跡と拡がり角について説明する図、第２図はビーム半径
の描く軌跡の接線の勾配がビーム拡がり角と見なせるビ
ームウエストからの距離を説明する図、第３図はレンズ
にビームを通したときの焦点の位置におけるビーム径に
ついて説明する図、第４図はナイフエツヂでビームを切
るときの出力変化を示す図、第５図はナイフエツヂによ
りビーム径を測定した例を示す図、第６図は本発明の方
法によるビーム拡がり角沖淀の検証例を示す図、第７図
は本発明の具体的実施例を説明する図である。 符号の説明、７０６・・・・・・レンズ、７０８・・・
・・・ナイフエツヂ、７１３・・・・・・出力計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 焦点距離が既知のレンズとナイフエッヂおよび出力
   計とから成り、被測定レーザビームを該レンズに通過せ
   しめ、通過後のビームに対してちようどレンズの焦点距
   離の位置でビーム軸に垂直にナイフエッヂを走査できる
   ように配置し、該エッヂがビームを切るとき、その出力
   変化を読みとれるよう出力計を置きエッヂの移動長とレ
   ーザビームの出力変化とからレンズの焦点距離の位置に
   おけるビーム径を求め、それとレンズの焦点距離とから
   もとのビームの拡がり角を求めることを特徴とするレー
   ザビーム拡がり角の測定位置。