(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバに沿って導波されるレーザ光のレイリー散乱を検出するセンサユニットであって、
長手軸に沿って延在するスルーチャネルと、前記長手軸を横断して延びる凹部軸に沿って中心が置かれたＵ字状凹部であって、前記スルーチャネルを中断するＵ字状凹部と、前記Ｕ字状凹部の底部の反対側にある、前記Ｕ字状凹部と共軸の通路および前記Ｕ字状凹部への開口と、で構成された本体と、
前記通路で終わる光入射窓が設けられた光検出器であって、前記Ｕ字状凹部の底部が、前記光入射窓に配置された焦点に前記レイリー散乱の少なくとも一部を反射するようにカーブし、反射された前記レイリー散乱の少なくとも一部の量に基づいて認証センサで測定された光の取り出された部分のパワーである基準値からの偏差が±３％以下の測定データを得られる、光検出器と、
を備え、
前記Ｕ字状凹部及び前記光検出器の前記光入射窓が、前記Ｕ字状凹部に空気が侵入することを防ぐカバーによって気密封止されている、センサユニット。
【請求項２】
前記測定データの前記基準値からの偏差が、±１％未満である、請求項１に記載のセンサユニット。
【請求項３】
前記本体が、金属、セラミックス、およびプラスチック、ならびにそれらの組合せからなる群から選択された材料からつくられ、前記カーブした底部が無光沢である、請求項１に記載のセンサユニット。
【請求項４】
前記本体が、アルミニウムベース、前記アルミニウムベースを覆うニッケル層、および前記ニッケル層に被覆された金の層を含む金属組成物からつくられた、請求項３に記載のセンサユニット。
【請求項５】
前記光検出器が、前記通路に着脱自在に装着された、請求項１に記載のセンサユニット。
【請求項６】
前記本体に着脱自在に結合され、前記通路と共軸であるとともに前記光検出器によって横切られる開口を有する、固定プレートをさらに含む、請求項１に記載のセンサユニット。
【請求項７】
前記本体と前記固定プレートとの間に配置されたＯリングと、前記固定プレートと前記本体とを互いに着脱自在に取り付けた複数の締結具と、をさらに含む、請求項６に記載のセンサユニット。
【請求項８】
前記本体に取り外し自在に装着されたカバーをさらに含み、前記カバーおよび前記固定プレートに前記本体を結合させる際に、前記カーブした底部が気密封止されて、前記Ｕ字状凹部の内部と周囲雰囲気との間の空気連通を防止するように前記カバーおよび前記固定プレートが構成された、請求項７に記載のセンサユニット。
【請求項９】
前記カバーおよび前記本体ぞれぞれの対向する面の間に挟まれた封止プレートをさらに含む、請求項８に記載のセンサユニット。
【請求項１０】
前記ファイバが、シングルモードファイバ、マルチモードファイバ、能動ファイバ、および受動ファイバ、ならびにそれらの組合せからなる群から選択された、請求項１に記載のセンサユニット。
【請求項１１】
前記ファイバに沿って伝搬する前記レーザ光が、ミリワットとキロワットとの間で変化するパワーを有する、請求項１０に記載のセンサユニット。
【請求項１２】
ファイバに沿って伝搬するレーザ光を増幅するように構成された少なくとも１つの利得ブロックと、
前記１つの利得ブロックの出力部に結合され、前記増幅された光を光路に沿ってさらに導波するファイバと、
前記１つの利得ブロックの下流の光路に沿って配置され、前記増幅された光の光パワーを示す、増幅された光のレイリー散乱を検出および測定するように構成された少なくとも１つの光パワーセンサアセンブリであって、前記光パワーセンサアセンブリがホルダを含み、前記ホルダが、長手軸に沿って延在するスルーチャネルと、前記長手軸を横断して延びる凹部軸に沿って中心が置かれ、細長いチャネルを中断するＵ字状凹部と、前記Ｕ字状凹部のカーブした底部の反対側にある、前記Ｕ字状凹部と共軸の通路および前記Ｕ字状凹部への開口と、を有する、少なくとも１つの光パワーセンサアセンブリと、
前記通路で終わる光入射窓が設けられた光検出器であって、前記カーブした底部は、前記光入射窓に配置された焦点に前記レイリー散乱の少なくとも一部を前記底部が反射するように寸法が合わされた曲率半径を有し、反射された前記レイリー散乱の少なくとも一部に基づいて認証センサで測定された光の取り出された部分のパワーである基準値からの偏差が±３％以下の測定データを得られる、光検出器と、
周囲雰囲気との空気連通から前記Ｕ字状凹部を気密封止するように前記ホルダに取り外し自在に装着されたカバーと、
を備えるファイバレーザシステム。
【請求項１３】
前記底部が、無光沢面を有し、前記ホルダが、金属、セラミックス、またはプラスチックから選択された材料からつくられた、請求項１２に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１４】
前記ホルダが、アルミニウムベース、前記アルミニウムベース上のニッケル層、および前記ニッケル層に被覆された金の層を含む、請求項１２に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１５】
前記基準値からの前記測定データの偏差が、±１％未満である、請求項１２に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１６】
前記ファイバが、シングルモードファイバ、マルチモードファイバ、能動ファイバ、および受動ファイバ、ならびにそれらの組合せからなる群から選択された、請求項１２に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１７】
前記ファイバに沿って伝搬する前記レーザ光が、ミリワットとキロワットとの間で変化するパワーを有する、請求項１２に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１８】
前記光パワーセンサアセンブリが、前記増幅されたレーザ光の光パワーを決定するために、前記光検出器に動作可能に結合されるとともに、散乱されたレーザ光の集束部分を受けるように構成された光メータをさらに有する、請求項１２に記載のファイバレーザシステム。
【請求項１９】
前記光検出器が、フォトダイオードを含む、請求項１２に記載のファイバレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザシステムに関し、詳しくは、レーザ出力パワーを確実に計測するのに十分な量で、光ファイバに沿って伝搬するレーザ光のレイリー散乱を検出することができるパワーセンサユニットを備えたファイバレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザの性能を検査する最も基本的な方法は、レーザのパワーまたはエネルギー出力を測定することである。レーザ出力は、目の前のプロセスを行うためのレーザの性能に直接影響を及ぼす。このパラメータを測定およびモニタすることは、多くの場合、レーザが最初に製造された時から、システム統合を経て、医学、科学、生物医学、工業、および軍事用途まで広範囲にわたる用途でレーザシステムを使用することになる最終顧客まで非常に重要である。幅広く多様な仕様をもつ多くの異なるタイプのレーザがあるのと同じように、特定のタイプのレーザに適した測定手法であって、一般に、特定のレーザ仕様に合致する、様々な測定手法がある。
【０００３】
測定システムは、一般に、レーザビーム中に置かれかつレーザ入力に比例した信号出力を供給するパワーセンサを含む。第２の構成要素はメータ（meter）である。典型的なパワーセンサ、すなわち連続波（ＣＷ）レーザの光パワー出力、またはパルスレーザもしくは変調レーザの平均出力を検出することができるデバイスは、ビームスプリッタを含む構成を有する。ビームスプリッタは、光ビームの所定の一部を取り出すように構成される。したがって、スプリッタを利用すると、透過光ビームの望ましくないパワー損失につながる。
【０００４】
ここで特に注目する、ファイバレーザを含むハイパワーレーザでは、そのような損失は、レーザシステムの効率に悪影響を及ぼすので、受け入れることができないことがある。加えて、これらのパワー損失は、熱生成につながるものを使用することを必要とし、レーザシステムの信頼性を低下させる。
【０００５】
特にファイバレーザに関しては、上述で明らかにした損失に加えて、固有損失、すなわち光ファイバにおいて事実上避けられない光損失がある。固有ファイバ損失は、光ファイバ材料自体に関連するものであり、吸収と散乱とを含む。明らかに、目の前の作業のために不要なさらなる損失を生じるのではなく、固有損失を用いること、すなわちファイバに沿って伝搬する光のパワーを検出することが優先である。
【０００６】
線形散乱に関しては、レーザ分野における当業者が知っているように、この光現象によるパワー損失は、コア材料の欠陥と、接合部とクラッドとの間の不規則性とによって引き起こされる。最も顕著なタイプの線形散乱（レイリー散乱）は、ガラスの小さい誘電体不整合性の存在によって引き起こされることがある。これらの摂動は、伝搬している波と比較して小さいので、レイリー欠陥にあたる光（light striking a Rayleigh imperfection）は全方向に散乱する。散乱光の明確な指向性がなく、したがって、散乱光を集めることが困難であるため、散乱光の検出プロセスはかなり困難になり、かつ信頼性のないものとなる。その結果、ファイバに沿って導波されるとともにレイリー機構（Rayleigh mechanism）により散乱される光を感知するように機能する既知の検出器の使用は、限定的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、光ファイバに沿って導波される散乱光を効果的に検出することができるセンサが求められている。
【０００８】
レイリー機構により散乱された光を確実に検出するように構成されたパワーセンサを備えたファイバレーザシステムがさらに求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ファイバストレッチ（stretch of fiber）、光反射器、およびフォトダイオードを受ける凹部を有するケースを含むレーザパワーセンサユニットの改善された構成が開示され、反射器およびフォトダイオードは、ファイバストレッチ（fiber stretch）から反対方向に間隔があけられている。本発明のセンサユニットは、較正された認証センサで得られる実際の光パワーの約±３％範囲内で測定データを提供するように構成される。そのような範囲は、産業界で許容される５％範囲よりも小さい。
【００１０】
１つの態様では、凹部（反射器）を画定する表面のうちの１つは、その表面に入射する大部分のレイリー放射を反射するように弓形になされている。表面は、ファイバの後部に形成された焦点面を有するように構造化される。フォトダイオードの光入射窓が焦点面に位置するように本発明のユニットを構成することにより、既知の先行技術の主な困難を克服するのに十分な量の散乱光を集めること、すなわち十分な量のレイリー散乱光を集めることが可能になる。
【００１１】
本発明の別の態様では、反射面は無光沢である。後者は、製造欠陥の望ましくない影響を効果的に減少させ、製作プロセス中に通常は生じる許容差をゆるめる。さらなる別の態様では、反射性無光沢面を含むケースが金めっきされ、それは、高い反射率と屈折係数の長期安定性とを表面にもたらす。
【００１２】
本発明のさらなる別の態様では、凹部と検出器の光入射窓とは、空気が凹部に進入しないようにするカバー手段で気密封止される。気密性は、センサユニットの様々なパラメータのさらなる安定性、バックグラウンド曝露（background exposure）、およびミラーに曇りを形成する湿度の増加などの環境要因への耐性の向上をもたらす。
【００１３】
本発明の上述および他の態様、特徴、および利点は、同様の参照番号が同じ要素を示す添付図面とともに、以下の説明を読めば、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本発明のレーザパワーセンサユニットの直交図である。
【図１Ｂ】図１Ａのセンサユニットの直交分解図である。
【図１Ｃ】組み立てられた状態のセンサユニットの直交図である。
【図１Ｄ】図１ＡのラインＤ−Ｄに沿って得られたセンサユニットの断面図である。
【図１Ｅ】図１ＣのラインＥ−Ｅに沿って得られたセンサユニットの断面図である。
【図２】図１Ａ〜図１Ｅのセンサユニットを備えたファイバレーザシステムの線図である。
【図３Ａ】制御された期間中、ファイバに沿って伝搬する１２０Ｗパワー光の場合の、開示するセンサユニットで得られたデータと認証パワーメータで測定されたデータとの偏差を示すグラフである。
【図３Ｂ】制御された期間中の温度変化を示すグラフである。
【図４Ａ】図３Ａのものと類似であるが、６０Ｗパワー光の場合のグラフである。
【図４Ｂ】制御された期間中の温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、繰り返し可能であるとともに信頼できる検出のために、十分な量のレイリー光散乱を集束させるように構成された構造体を開示する本発明の好ましい実施形態が詳細に言及される。可能な限り、同じまたは同様の部分またはステップを表すのに、同じまたは類似の参照番号が図面および説明において使用される。図面は、簡単化した形態であり、正確には原寸に比例していない。便宜および明瞭さのみのために、方向性の（上に／下になど）、運動性の（前に／後ろになど）という用語が、図面に関して使用されることがある。これらおよび類似の方向の用語は、いかなる方法でも本発明の範囲を限定するように解釈されるべきではない。
【００１６】
図１Ａ〜図１Ｅを参照すると、レーザ光パワーセンサユニット１０には、様々な構成を有することができるが、図示されるように、実質的に長方形の本体１４を有するケース１２が含まれる。本体１４の向かい合った大面積面１６の一方は、本体１４の向かい合った短側面２０の間を延在する溝またはチャネル１８を有する。チャネル１８の断面は、ファイバタイプ、より詳細には、ファイバの外径と、ダイオード３８の光感知エリア４０（図１Ｅ）および反射面に対するファイバの距離とに依存する。さらに、チャネル１８は均一に構成されず、それぞれの短側面２０から延在し、比較的大きい領域または凹部２４に続く比較的狭く実質的に均一な大きさにされた領域２２を有し、それにより、比較的大きい領域または凹部２４は、チャネル１８を中断して、２つの間隔をあけられた狭い領域２２を画定する。狭い領域２２は、一般に、本体１４に対するファイバの過度の運動を防止するためにファイバ２６を受けるように構成される。再び、単に一例として、溝１８の深さは、本体１４の約半分の厚さ、すなわち約１／６インチである。それぞれの短側面２０で終わる溝１８の外側端部２８は、一般に、ファイバと本体の１４との間の不必要な摩擦を防止するためにＵ字状である。
【００１７】
ユニット１０の全体形状は、変更することができるが、図示のケース１２は、約１インチ長、約１／３インチ厚、および約１／２インチ幅である。チャネル１８は、ファイバストレッチ（stretch of fiber）２６を確実に固定するように十分に深い。最終的に、ファイバの所望位置は、測定データが基準値（認証センサで測定された光の取り出された部分のパワー）を約３％（一般に、業界標準と見なされる５％よりも低い）を超えて逸脱しないようにすべきである。
【００１８】
凹部２４は、本体１２の任意の都合のよい場所に位置づけることができるが、凹部をつくる大面積面１６の中央の場所を占めることが好ましい。凹部２４の側面３２は、Ｕ字状断面を有する。側面３２の表面３２’は、好ましくは、しかし必ずではないが、平坦である。通路３６（図１Ｂ）は、本体１４を通して穴あけされ、長側面３０と凹部２４の側面３２との間を延在する。通路３６の形状は、ＰＩＮフォトダイオード３８が本体１４の長側面３０から所望の位置まで通路を通って延在することができるように構成され、ＰＩＮフォトダイオード３８の光入射窓４０（図１Ｅ）は、凹部２４の側面３２から、ある距離でストップ（stop）する。
【００１９】
凹部２４（図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｄ）の反対側の側面４４は、さらに、Ｕ字状断面を有するが、側面３２の表面３２’に反して、その表面４４’は側面３２から外に向かってカーブされるかまたは弓形にされる。カーブした表面４４’は、ファイバ２６からこの表面に入射する散乱光が、図１Ａに矢印で示すように光入射窓４０（図１Ｅ）を含む表面３２’の焦点面に常に集束するように選択された半径Ｒ（図１Ｄ）で構成される。半径Ｒは、さらに、信頼できる検出およびさらなる測定のために散乱光が十分な量で反射されるように選択される。反射面４４’は、本体１４の一部として、好ましくは、金めっきされ、かつ無光沢となるように処理され、それにより、センサユニット１０のさらなる安定性および長期の検出能がもたらされる。この技術分野で知られているように、金は、周囲ストレスに対して高い耐性があり、長期に安定した反射係数を有する。代替として、ケース１２を製造するために、金の代わりに、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、および他の安定な金属、セラミックス、ならびにプラスチックを、個別に、または互いに任意の組合せで使用することができる。重要な条件は、環境ストレスに耐え、長期にわたって安定で高い反射係数を示すように材料が金に接合される能力である。金の代替として、ステンレス鋼および／またはニッケルもまた使用することができる。ケース１２を製造するために使用される材料の好ましい組成には、金の層がニッケル層に被覆されたニッケルの層で覆われたアルミニウムが含まれる。
【００２０】
ユニット１０を組み立てるために、封止リング５６（図１Ｂ）を通路３６の外側開口に置き、その結果、検出器３８が通路に挿入されるとき、リング５６は検出器３８のリム５８とケース１２の長側面３０との間に挟まれる。固定プレート５４は、その開口３４（図Ｃ）がセンサ３８のピンによって横切られる通路３６と共軸で置かれるようにケース１２の側面３０の上に装着される。所望の位置を設定する際に、締結具４２が、プレート５４および検出器３８をケース１２に確実に結合させる。
【００２１】
リッド５０は、ファイバ２６を受ける凹部が気密になるようにケース１２を覆う。これは、ケース１２とリッド５０との間に封止プレート５２を置くことにより、確実にすることができる。したがって、組み立てられたセンサユニット１０は、気密構造によって特徴づけられ、気密構造は、ファイバ２６をもつ溝１８とフォトダイオード３８の光入射窓４０とが気密封止されるように周囲雰囲気とユニット１０の内側との間の空気連通を防止し、それにより、バックグラウンド曝露が改善され、反射面４４’の無光沢面に、曇りの形成を引き起こす湿度変化に対する耐性が向上する。
【００２２】
図２は、１つまたは複数の増幅カスケード６２、６４を含むファイバレーザシステム６５の線図を示す。システム６５は、ＣＷまたはパルス領域で動作することができる。図示の開示したセンサユニット１０は、ブースタ６４の下流に位置づけられている。しかし、ユニット１０は、光路に沿った注目する任意の場所に置くことができる。一般にコントローラを含むメータ６６は、ユニット１０の出力部に結合され、検出信号を測定するように構成される。
【００２３】
光検出器の性能は、通常、いくつかの異なるパラメータによって特徴づけられる。一般に、光感知エリアが大きいほど光検出器の感度は良好である。ファイバレーザの技術分野で使用されるパワーセンサに戻ると、５％の誤差限界、すなわちファイバに沿って伝搬する光の検出パワーの実際のパワーの数値からの偏差は、容認される値である。
【００２４】
表Ａは、浜松ホトニクスＧ８３７０などの多数の既製のフォトダイオードのうちの１つを備えた開示のメータの多数の実験中に得られたデータを示す。
【００２５】
【表１】
0006294312.tif 000002
【００２６】
１００、５０、および２００ミクロンのそれぞれのコア直径をもち、すべてがマルチモード（「ＭＭ」）の伝搬をサポートする３つの能動ファイバ（「ＡＦ」）を含む５つのファイバが選択された。２５ミクロンコア直径をもつ２つの受動ファイバ（「ＰＦ」）が各々シングルモード（「ＳＭ」）光をサポートするように構成される。ファイバに沿って伝搬する光のパワーは、ＡＦ１００の４．４ｋＷ、ＡＦ５０の２．５ｋＷ、ＰＦ２５の１２０Ｗおよび６０Ｗ、ＡＦ２０００の１５ｋＷから変化する。ＡＦ２００を除くファイバはすべて均一の外径で構成され、光感知エリアから均一距離で間隔があけられている。ＡＦ２００の外径は他のファイバの外径よりも実質的に大きく、それにより、ファイバは光感知エリアに、より近くなる。
【００２７】
図１および図２に示され、散乱光を集めるように機能する開示したセンサを使用することにより、フォトダイオードの感度は、伝搬する光の様式および伝搬する光のパワーに関係なく能動ファイバおよび受動ファイバの両方について実質的に均一であることがわかる。
【００２８】
次に、表Ｂに移ると、開示した構造体の使用中に得られたデータの、較正された認証パワーメータ（calibrated certified power meter）から得られたデータからの偏差は、光パワーに関係なく３％を超えていないことがわかる。多数の試験の、そのほんの一部がここで示されているが、広範囲のパワーを使用して実施されており、一例としてここに示すように、表は１２０Ｗの光パワーで得られたデータを示す。
【００２９】
【表２】
0006294312.tif 000003
【００３０】
上記の表からわかるように、上述した浜松ホトニクスＧ８３７０フォトダイオードを用いた４７９秒の期間では、測定データは認証メータで得られたデータから０．４９％を超えて逸脱しておらず、それは、５％の標準偏差と比較した場合、非常に良好である。
【００３１】
前述のように、開示したセンサユニットは、広範囲のレーザ出力パワーを使用して試験された。以下の表Ｂは、６０Ｗ出力パワーでの試験結果を示す。
【００３２】
【表３】
0006294312.tif 000004
【００３３】
表Ｂは、表Ａと同様、実際のデータからの偏差が１％未満の測定値を生成する、開示した構造体を利用した測定プロセスの信頼性および安定性を、明確に示している。
【００３４】
図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、および図４Ｂは、特に表Ａおよび表Ｂに示されたものを含む結果を示す。使用した既知のフォトダイオードの感度は高いことが理解される。しかし、あまり高性能でないフォトダイオードであっても、開示した構造体は、上述した偏差が３％を超えない優れた結果をもたらす。
【００３５】
添付図面に関連して本発明の好ましい実施形態の少なくとも１つを説明したが、本発明はそれらの正確な実施形態に限定されず、様々な変形および変更が本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく本開示のシステムになされうることが当業者には明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内にある限り、本開示は、本開示の変形および変更を包含することを意図するものである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  レーザ光パワーセンサユニット
１２  ケース
１４  本体
１８  チャネル
２４  凹部
２６  ファイバ
３４  開口
３６  通路
３８  センサ
４０  光入射窓
４２  締結具
５０  リッド
５２  封止プレート
５４  固定プレート
５６  封止リング
５８  リム
６２  増幅カスケード
６４  増幅カスケード
６５  ファイバレーザシステム
６６  メータ
【図１Ａ】
0006294312.tif 000005
【図１Ｂ】
0006294312.tif 000006
【図１Ｃ】
0006294312.tif 000007
【図１Ｄ】
0006294312.tif 000008
【図１Ｅ】
0006294312.tif 000009
【図２】
0006294312.tif 000010
【図３Ａ】
0006294312.tif 000011
【図３Ｂ】
0006294312.tif 000012
【図４Ａ】
0006294312.tif 000013
【図４Ｂ】
0006294312.tif 000014