(57)【要約】【課題】確実に出力鏡の汚れ具合を検出する出力鏡モニターや、この出力鏡モニターを用いたレーザ発振器を提供する。【解決手段】レーザ光の一部を反射し、一部を通過させる出力鏡２に前記レーザ光４と異なる波長の光を照射する光源５と、前記光源５からの光５ａのうち前記出力鏡２からの反射光５ｂを受光する手段としてのフォトダイオード６、前記光源５からの光５ａのうち前記出力鏡２を透過する透過光５ｃを受光する手段としてのフォトダイオード７を有し、前記反射光５ｂの受光強度と前記透過光５ｃの受光強度の比率を求め、設定値と前記比率を比較する制御手段８を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の一部を反射し、一部を通過させる出力鏡に前記レーザ光と異なる波長の光を照射する光源と、前記光源からの光のうち前記出力鏡からの反射光を受光する手段と、前記光源からの光のうち前記出力鏡を透過する透過光を受光する手段を有し、前記反射光の受光強度と前記透過光の受光強度の比率を求め、設定値と前記比率を比較する制御手段を設けた出力鏡モニター。
【請求項２】
前記光源から前記反射光を受光する手段または前記光源から前記透過光を受光する手段までの少なくとも１つの光学経路中に反射鏡を設けた請求項１記載の出力鏡モニター。
【請求項３】
前記光源から前記出力鏡までの光学経路中に部分反射鏡を設け、前記光源からの照射光強度のモニターを行う受光手段を設けた請求項１または２記載の出力鏡モニター。
【請求項４】
前記反射光を受光する手段または前記透過光を受光する手段の受光部の前に大きさを制限した開口を設けた請求項１から３の何れかに記載の出力鏡モニター。
【請求項５】
前記制御手段は、反射光の受光強度と透過光の受光強度を比較し、設定値よりも大きな比率になった時にレーザ発振器の放電を停止する請求項１から４の何れかに記載の出力鏡モニター。
【請求項６】
前記制御手段は、反射光の受光強度と前記透過光の受光強度の比率を微分し、前記比率と前記微分値が設定値と比較して大きな場合に警報手段を動作させる請求項１から５の何れかに記載の出力鏡モニター。
【請求項７】
レーザ媒質を励起するレーザ共振器の一端に配置し、レーザ光の一部を反射し、一部を通過させる出力鏡に請求項１から６の何れかに記載の出力鏡モニターを設けたレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は出力鏡の汚れ具合を検出する出力鏡モニターに関し、また、この出力鏡モニターを用いたレーザ発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ発振器のうち、特に熱加工を行うレーザ加工システムに搭載された例えばＣＯ２ガスレーザ発振器等は高出力化が進んでいる。
【０００３】
そして、このようなレーザ発振器の出力鏡は、レーザ発振器と加工システムの接点であり、加工ワークから発生する加工粉塵にさらされ、出力鏡の表面に粉塵が付着すると、出力鏡でのレーザ光の吸収率が上がり、レーザ光の吸収熱で出力鏡が破損することになる。
【０００４】
そこで、加工粉塵が付き難い構造を工夫する対策を行っているが、汚染物質を完全に遮断することは出来ていない。
【０００５】
また、レーザ発振器においても、長期間の使用において内部に汚染物質が蓄積され、汚染物質が出力鏡に付着する可能性がある。
【０００６】
そのため、破損に至る前に出力鏡の汚染状況をモニターする機能が求められている。
【０００７】
このような従来の出力鏡モニターは、外部から出力鏡の表面に光を当て、反射光の光量から汚染度をモニターしている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
図５は上記従来の出力鏡モニターを示す図である。
【０００９】
図に示すように、ホルダ１０１には出力鏡１０２を装着している。この出力鏡１０２はレーザ光の一部をレーザ共振器１０３へ反射し、その一部をレーザ光１０４として出力するようにホルダ１０１への取り付け角度を調整している。
【００１０】
また、出力鏡１０２の表面１０５の状態を検出するために、光源１０６と、この光源１０６から出力される光を表面１０５で反射させた位置に配置した受光器１０７をそれぞれホルダ１０１に取り付けている。
【００１１】
この受光器１０７には設定値と比較するコンパレータ１０８を接続している。
【００１２】
以上のように構成された出力鏡モニターについて、その動作を説明する。
【００１３】
光源１０６からレーザ発振波長と異なる波長の光を発光し、３０度以下の入射角度で出力鏡１０２の表面１０５に照射し、その反射光を受光器１０７で受光する。この受光器１０７で検出した信号は、コンパレータ１０８で設定値と比較する。
【００１４】
レーザ共振器１０３で発振されたレーザ光１０４は、出力鏡１０２を透過して出力されるが、出力鏡１０２の表面１０５に汚染物質が付着するとレーザ光１０４の一部を吸収して出力鏡１０２の温度が上昇し、出力鏡１０２の破損を誘発する。
【００１５】
この光源１０６から放射された光が出力鏡１０２の表面１０５で反射するとき、汚染物質が付着していた場合、汚染物質で吸収または散乱されて、受光器１０７に入射する光量が減少する。
【００１６】
そこで、受光器１０７からの信号をコンパレータ１０８で設定値と比較し、設定値に満たないと判断したときに汚染物質が付着していると判断し、レーザ共振器１０３の動作を停止させている。
【００１７】
なお、上述した従来の出力鏡モニター装置は、表面１０５を監視するものを説明したが、出力鏡１０２の裏面１０９を監視するものもあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第７１９３７００号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかし、従来の出力鏡モニターは、出力鏡１０２の片面だけの情報しか得られないという課題を有していた。これを解決するには出力鏡の両面に１対の光源１０６と受光器１０７とコンパレータ１０８を設ける必要が有り、装置が大型化するという問題があった。
【００２０】
また、汚染物質が、レーザ発振器１０３の波長に対して吸収があるにも関わらず、光源１０６の波長に対して吸収、散乱を生じない物質（可視光で光学濃度の小さい有機物など）であった場合には、検出が出来ずに、出力鏡１０２の破損に至ってしまう恐れがあった。
【００２１】
本発明は、確実に出力鏡の汚れ具合を検出する出力鏡モニターや、また、この出力鏡モニターを用いたレーザ発振器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明の出力鏡モニターは、レーザ光の一部を反射し、一部を通過させる出力鏡に前記レーザ光と異なる波長の光を照射する光源と、前記光源からの光のうち前記出力鏡からの反射光を受光する手段と、前記光源からの光のうち前記出力鏡を透過する透過光を受光する手段を有し、前記反射光の受光強度と前記透過光の受光強度の比率を求め、設定値と前記比率を比較する制御手段を設けたものである。
【００２３】
さて、出力鏡の汚染が進むと、レーザ光を吸収するため出力鏡の温度が上昇するので出力鏡の表面が凸面化し、収差の大きい凸レンズとなる。しかも、温度上昇によって屈折率も上昇し、レンズとしては焦点距離が短くなる上に、温度勾配による屈折率分布が相乗して透過光の中心部強度が上昇する。反射光の強度は、凸形状の反射面のため中心部強度は低下する。したがって、前記比率を設定値と比較することにより、表面（または裏面）の汚染物質の検出を行うだけでなく、出力鏡の熱レンズ状況を検出でき、出力鏡の破損を防止することができる。
【００２４】
また、上述した発明に、前記光源から前記反射光を受光する手段または前記光源から前記透過光を受光する手段までの少なくとも１つの光学経路中に反射鏡を設けたり、また、前記光源から前記出力鏡までの光学経路中に部分反射鏡を設け、前記光源からの照射光強度のモニターを行う受光手段を設けたり、前記反射光を受光する手段または前記透過光を受光する手段の受光部の前に大きさを制限した開口を設けたり、前記制御手段は、反射光の受光強度と透過光の受光強度を比較し、設定値よりも大きな比率になった時にレーザ発振器の放電を停止したり、前記制御手段は、反射光の受光強度と前記透過光の受光強度の比率を微分し、前記比率と前記微分値が設定値と比較して大きな場合に警報手段を動作するように構成している。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明は反射光の受光強度と透過光の受光強度を比較することにより、表面（または裏面）の汚染物質の検出を行うだけでなく、出力鏡の熱レンズを検出し、出力鏡の破損を防止することができる。
【００２６】
特に、比率の微分を用いて、急激な変化を監視するため、出力鏡の破損を的確に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】レーザ発振器に用いた本発明の出力鏡モニターの実施の形態１における構成図
【図２】レーザ発振器に用いた本発明の出力鏡モニターの実施の形態２における構成図
【図３】レーザ発振器に用いた本発明の出力鏡モニターの実施の形態３における構成図
【図４】本発明の出力鏡モニターの実施の形態１から３における比較信号の説明図
【図５】従来の出力鏡モニターの構成図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための形態について、図１から図４を用いて説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１はレーザ発振器に用いた本発明の実施の形態１の出力鏡モニターの構成を示す図である。
【００３０】
図に示すように、ホルダ１にはＺｎＳｅ製の出力鏡２を装着している。この出力鏡２はレーザ光の一部をレーザ共振器３へ反射し、その一部をレーザ光４として出力するようにホルダ１への取り付け角度を調整している。
【００３１】
この実施の形態ではレーザ媒質としてＣＯ２ガスを主成分として窒素ガスとヘリウムガスを混合した気体からなるレーザガスを用い、放電管（図示しない）に設けた電極（図示しない）に電源（図示しない）から電力を供給して放電管内に放電を発生させ、この放電で生じた高速の電子が、窒素分子を励起して高エネルギー準位に上げ、この励起された窒素分子が、ＣＯ２分子に衝突してＣＯ２分子にエネルギーを与えて励起させ、エネルギー準位を上げ、その際、窒素分子のエネルギー準位を下げ、そして反転分布したＣＯ２分子は放電管の両端にそれぞれ対向するように配置した全反射鏡（図示しない）と出力鏡２によるレーザ共振器３内で増幅されレーザ光を誘導放出し、出力鏡２から外部にレーザ光４を出力するように構成している。
【００３２】
このレーザ共振器３の筐体３ａには穴３ｂを設けて、レーザ光４の波長１０６００ｎｍとは異なる波長の例えば半導体レーザにコリメータレンズを組み込んだ光源５を配置している。
【００３３】
また、レーザ共振器３の筐体３ａには穴３ｃを設けて、光源５から照射された光５ａのうち出力鏡２で反射した反射光５ｂを受光する手段として例えばフォトダイオード６を配置し、このフォトダイオード６の受光部の前には大きさを制限した開口を有するマスク６ａを設けている。
【００３４】
さらに、光源５から照射された光５ａのうち出力鏡２を透過した透過光５ｃを受光する手段として例えばフォトダイオード７をレーザ共振器３の筐体３ａの外に配置し、このフォトダイオード７の受光部の前にも大きさを制限した開口を有するマスク７ａを設けている。
【００３５】
そして、これらフォトダイオード６、７からの信号は制御手段８に入力するように接続していて、制御手段８でフォトダイオード６および７のそれぞれにプリアンプで出力レベルを合わせた後、ＡＤコンバータでデジタル信号に変換し、割り算を行って比率を計算して反射光５ｂの受光強度と透過光５ｃの受光強度の比率を求め、コンパレータで設定値と比率を比較する構成にしていて、警報手段（図示しない）を動作するとともに放電管への放電を停止するように電源を制御する。
【００３６】
なお、この警報手段としては一般的に用いられている赤色灯やブザーなどを用いる。
【００３７】
図４は、制御手段８の演算結果をアナログ表示した比率信号の説明図であり、横軸が時間、縦軸が透過光受光出力を反射光受光出力で割った比率を示している。
【００３８】
以上のように構成された出力鏡モニターについて、その動作を説明する。
【００３９】
レーザ共振器３で増幅されたレーザ光は、その一部が、出力鏡２を透過してレーザ光４となる。
【００４０】
このレーザ光４は、出力鏡２の吸収率に応じて吸収され、出力鏡２の内部で熱に変換される。
【００４１】
例え出力鏡２が汚染されていない場合でも、０．１％程度の吸収率を有するため、出力鏡２には、４ＫＷのレーザ光４を出力する場合には４Ｗ程度の入熱がある。
【００４２】
そのため、出力鏡２は、冷却機構（図示しない）によって周辺を冷却されている。
【００４３】
しかし、均一に冷却できないのと、レーザ光による入熱の分布があるため中心部と周辺部では、避けられない温度勾配が発生し、この温度勾配によって出力鏡２は変形する。
【００４４】
この変形は、綺麗な球面になるわけではなく、中心部の歪が大きくなっている。また、部分反射膜が形成された共振器側表面９と反射防止膜が形成された出力側表面１０では、表面でのレーザ光の吸収率が異なるため、表裏面で対照に膨らむ訳でもない。
【００４５】
出力鏡２が汚染物質で汚染された場合は、更に吸収が増えるために、温度上昇および温度勾配は急激になる。この温度上昇および温度勾配が、破壊のしきい値を超えると、出力鏡２が破損する。
【００４６】
図４に示すように、レーザ発振を行うと受光出力比率が上昇する。汚染の無い出力鏡２の場合は、曲線４１のように緩やかに上昇し、１分以内に安定する。
【００４７】
しかし、汚染が進むと、出力鏡２の共振器側表面９および出力側表面１０の局部が凸面化し、収差の大きい凸レンズとなる。
【００４８】
しかも、温度上昇によって屈折率が上昇し、レンズとしては焦点距離が短くなる上に、温度勾配による屈折率分布が相乗して透過光５ｃの中心部強度が上昇する。
【００４９】
反射光５ｂの強度は、凸形状の反射面のため中心部強度は低下する。したがって、曲線４２のように差が拡大される。一定レベルを設定値として定めることで、設定値以上の差になった場合に異常として検出し、警報手段を動作させると共にレーザ発振を停止することで出力鏡２の破損を未然に防止する。
【００５０】
曲線４３は、運転中に汚染が発生し、急激に出力鏡２の劣化が進んだ場合に得られる曲線である。
【００５１】
この場合には、レベルが設定値以下であっても緊急にレーザ発振を停止する必要があるため、制御手段８に微分回路を設け、急激な変化を検知するように構成する。
【００５２】
なお、レーザ発振開始時は微分係数が最大であるので、微分係数だけを判定基準にすると過剰反応となる。そのため、比率および微分係数に係数を掛けて足し合わせ、一定以上の値である場合にのみ、警報手段を動作させるとともにレーザ発振を停止するようにしている。
【００５３】
図４において、破線で示した曲線が微分係数を足し合わせた演算結果の１例である。
【００５４】
以上のように、本実施の形態によればレーザ光の一部を反射し、一部を通過させる出力鏡２に前記レーザ光４と異なる波長の光を照射する光源５と、前記光源５からの光５ａのうち前記出力鏡２からの反射光５ｂを受光する手段としてのフォトダイオード６、前記光源５からの光５ａのうち前記出力鏡２を透過する透過光５ｃを受光する手段としてのフォトダイオード７を有し、前記反射光５ｂの受光強度と前記透過光５ｃの受光強度の比率を求め、設定値と前記比率を比較する制御手段８を設けた構成にしていて、制御手段８で反射光強度と透過光強度の比率を求めて出力鏡２の熱レンズを検出し、さらに微分値を併用して設定値と比較することにより、強度比の急激な変化に対する危険予測を行い、レーザ発振を停止させることができるため、出力鏡２の破損を防止し、レーザ発振器の破壊を未然に防止することができる。
【００５５】
また、本実施の形態の出力鏡モニターを内蔵したレーザ発振器は、出力鏡２の突然の破壊を未然に防止できるため、出力鏡２が破損した時に生じる、発振器真空系内のＺｎＳｅ粉末による汚染、真空循環ポンプの急激な真空破壊による破損等の２次被害をも防止できる。
【００５６】
なお、図中、共振器側と出力側の方向が入れ替わっても、機能には何らの影響はない。
【００５７】
（実施の形態２）
図２はレーザ発振器に用いた本発明の実施の形態２の出力鏡モニターの構成を示す図である。
【００５８】
なお、本実施の形態において実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５９】
図２に示すように、本実施の形態では、実施の形態１のような共振器側表面９から光源５の光５ａを照射するのではなく、出力側表面１０側から光源５の光５ａを照射するようにしている。具体的には光源５の位置を筐体３ａから離れた位置に配置し、この光源５から出力鏡２までの光学経路中に反射鏡１１を配置して装置全体の長さを短縮できるように光５ａを出力鏡２の方向に反射するように構成している。
【００６０】
この構成の相違に従って、透過光５ｃを受光するフォトダイオード７は筐体３ａの穴３ｄに配置するようにし、一方、反射光５ｂを受光するフォトダイオード６は筐体３ａから離れた位置に配置している。
【００６１】
なお、フォトダイオオード６への受光の光学経路中には反射鏡１２を配置して装置全体の長さを短縮できるようにフォトダイオード６を配置している。
【００６２】
このように反射鏡１１、１２によって光源５からの光５ａおよび反射光５ｂの光軸の変更を行い、レーザ発振器内の隙間に光学系をレイアウト可能とでき、更にレーザ発振器の寸法を大きくすること無くフォトダイオード６までの距離を長く出来ることから、凸面形状変化に敏感にでき、検出感度を向上させることができる。
【００６３】
（実施の形態３）
図３はレーザ発振器に用いた本発明の実施の形態３の出力鏡モニターの構成を示す図である。
【００６４】
なお、本実施の形態において実施の形態１および２と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６５】
図３に示すように、本実施の形態では、実施の形態２の構成のうち反射鏡１１を部分反射鏡１３に変更し、この部分反射鏡１３を透過した光を受光する受光手段としてフォトダイオード１４を配置した構成が実施の形態２と異なる。
【００６６】
このように光源５から照射した光５ａの一部を、部分反射鏡１３で分岐し、フォトダイオード１４でモニターすることにより、光源５の経時変化による装置の検出精度を補正可能とした。
【００６７】
以上のように、本実施の形態によれば部分反射鏡１３で光源５からの光５ａのモニターを実施した結果、検出系の経時変化を補正し、長期間安定した動作が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の出力鏡モニターおよびレーザ発振器は、出力鏡内部の熱レンズの状況をモニターすることができ、更に強度比の急激な変化に対する危険予測を行い、レーザ発振を停止することが出来るため、出力鏡の保護監視を行う出力鏡モニターおよびレーザ発振器として産業上有用である。
【符号の説明】
【００６９】
２    出力鏡
３    レーザ共振器
４    レーザ光
５    光源
５ａ    光
５ｂ    反射光
５ｃ    透過光
６    フォトダイオード
６ａ    マスク
７    フォトダイオード
７ａ    マスク
８    制御手段
１１    反射鏡
１２    反射鏡
１３    部分反射鏡
１４    フォトダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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