(57)【要約】  Ｍ２値ビームプロファイル装置及び方法が記載されている。Ｍ２値ビームプロファイラーは、合焦レンズアッセンブリと検出器を具え、合焦レンズが光学軸に沿って伝送する光学フィールド内に人工ウエストを作るよう作用する。このビームプロファイラーは、また、人工ウエスト位置に配置した第１のブレードセットと、人工ウエスト位置から光学軸に沿って縦方向に離れている第２のブレードセットと、を有する複数のブレードアッセンブリを具える。従って、この複数のブレードアッセンブリは、ブレードを光学軸の位置に選択的に通過させる手段を提供する。これらの測定幅を用いて、光学フィールドのＭ２値を決定できる。【選択図】図４（ａ）
2015535596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ２値ビームプロファイラーにおいて、合焦レンズアッセンブリと検出器で規定される光学軸であって、前記合焦レンズが前記光学軸に沿って伝送する光学フィールド内に人工ウエストを作るよう作用する、光学軸と；人工ウエスト位置に位置する第１のブレードセットと、当該人工ウエスト位置から前記光学軸に沿って縦方向に離れて位置する第２のブレードセットを有する複数のブレードアッセンブリであって、当該複数のブレードアッセンブリが、前記ブレードを前記光学軸の位置に通過させる手段を提供する、複数のブレードアッセンブリと；を具えることを特徴とするＭ２値ビームプロファイラー。
【請求項２】
請求項１に記載のＭ２値ビームプロファイラーにおいて、前記複数のブレードアッセンブリが、前記ブレードを前記光学軸の位置に連続的に通過させる手段を提供することを特徴とするＭ２値ビームプロファイラー。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＭ２値ビームプロファイラーにおいて、前記複数のブレードアッセンブリが、前記アッセンブリの長さに沿って縦方向に離れた１０又はそれ以上のブレードを具えることを特徴とするＭ２値ビームプロファイラー。
【請求項４】
請求項３に記載のＭ２値ビームプロファイラーにおいて、前記１０またはそれ以上のブレードが前記アッセンブリの長さに沿って等間隔に配置されていることを特徴とするＭ２値ビームプロファイラー。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭ２値ビームプロファイラーにおいて、前記複数のブレードアッセンブリが、回転可能な複数のブレードアッセンブリを具えることを特徴とするＭ２値ビームプロファイラー。
【請求項６】
請求項５に記載のＭ２値ビームプロファイラーにおいて、前記ブレードが回転可能なシャフトに装着されていることを特徴とするＭ２値ビームプロファイラー。
【請求項７】
請求項６に記載のＭ２値ビームプロファイラーにおいて、前記回転可能なシャフトが、前記回転可能な複数のブレードアッセンブリの回転軸を規定していることを特徴とするＭ２値ビームプロファイラー。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のＭ２値ビームプロファイラーにおいて、前記ブレードが前記回転可能なシャフトに装着されており、独自の回転位置を占めていることを特徴とするＭ２値ビームプロファイラー。
【請求項９】
請求項７又は８に記載のＭ２値ビームプロファイラーにおいて、前記回転可能な複数のブレードアッセンブリが更に、前記回転可能な複数のブレードアッセンブリの前記回転軸に対する回転方向を決定する手段を提供する基準を具えることを特徴とするＭ２値ビームプロファイラー。
【請求項１０】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭ２値ビームプロファイラーにおいて、前記複数のブレードアッセンブリが機械アクチュエータを具えることを特徴とするＭ２値ビームプロファイラー。
【請求項１１】
レーザからの出力フィールドをプロファイルする方法において、当該方法が；
光学軸に沿って前記出力フィールドを伝送するステップと；
前記出力フィールドを合焦させて、人工ウエストを形成するステップと；
人工ウエスト位置に第１のブレードセットを位置させるステップと；
前記人工ウエスト位置から前記光学軸に沿って縦方向に離した第２のブレードセットを位置させるステップと；
前記ブレードを前記光学軸に選択的に通過させて前記出力フィールドの伝送を防ぐことによって、前記第１及び第２のブレードセットの位置で、前記出力フィールドの幅を測定するステップと；
前記測定した幅を用いて、前記出力フィールドのＭ２値を決定するステップと；
を具えることを特徴とする出力フィールドをプロファイルする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の出力フィールドをプロファイルする方法において、前記出力フィールドの幅を測定するステップが更に、前記ブレードを前記光学軸の位置に連続的に通過させるステップを具えることを特徴とする出力フィールドをプロファイルする方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の出力フィールドをプロファイルする方法において、前記出力フィールドの幅を測定するステップが、１０又はそれ以上のブレードを前記光学軸に選択的に通過させて、前記出力フィールドの伝送を防ぐことによって、前記光学軸に沿って前記１０またはそれ以上の位置で前記出力フィールドの幅を測定するステップを具えることを特徴とする出力フィールドをプロファイルする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の出力フィールドをプロファイルする方法において、前記１０またはそれ以上のブレードが前記光学軸に沿って等間隔で配置されていることを特徴とする、出力フィールドをプロファイルする方法。
【請求項１５】
請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の出力フィールドをプロファイルする方法において、前記第１及び第２のブレードセットが、前記出力フィールドのレイリー長より大きい又はこれと同じ距離だけ離れていることを特徴とする出力フィールドをプロファイルする方法。
【請求項１６】
請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の出力フィールドをプロファイルする方法において、前記第１及び第２のブレードセットが、シャフトの回転によって前記光学軸を通過することを特徴とする出力フィールドをプロファイルする方法。
【請求項１７】
請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の出力フィールドをプロファイルする方法において、前記第１及び第２のブレードセットが、機械アクチュエータの併進移動によって前記光学軸を通過することを特徴とする出力フィールドをプロファイルする方法。
【請求項１８】
請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載の出力フィールドをプロファイルする方法において、前記測定した出力フィールドの幅を用いて、前記出力フィールドのビームウエスト値を計算することを特徴とする出力フィールドをプロファイルする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学の分野に関する。特に、本発明はレーザの出力フィールドのビームプロファイル、特に出力フィールドのＭ２値を測定する装置及び方法に関する。
【０００２】
レーザに関するアプリケーションは多くあるが、レーザの出力フィールドのビームプロファイルが非常に重要である。これらのアプリケーションでは、ビームプロファイルを測定して所望のプロファイルが存在することを保証することが必要である。いくつかのレーザ及びそのアプリケーションでは、レーザの初期設計又は製造段階でのみこれが必要である。しかしながら、その他のケースでは、レーザの操作中に出力フィールドのビームプロファイルを連続してモニタすることが必要である。
【０００３】
出力フィールドのビームプロファイルは、出力フィールドのエネルギィ密度、集中度、及び視準に直接影響するので重要である。更に、空間を通る出力フィールドの伝送は、ビームプロファイルに大きく影響される。当業者には、レーザの出力フィールドには様々なものがあることが知られており、ガウスビームプロファイルや、「トップハット」ビームプロファイルはその例である。ガウスビームプロファイルは合焦した光を最も集中させるため、おそらく最もよく知られているプロファイルであるのに対して、フラットトップビームは、所定の領域にわたって非常に均一なエネルギィ分布が可能となる。
【０００４】
実際は、レーザの出力フィールドが、不均一な放射照度プロファイルを示すことはあまりない。例えば、ガウスビームプロファイルは、はっきりと構造化されることはまれである。変形した又は不均一なビームプロファイルの重要性はアプリケーションによって変わる。多くのアプリケーションでは、非線形プロセスは、通常、四角あるいはキューブ状の出力フィールドの放射照度に比例している。従って、総パワー又はエネルギィが同じ条件の下では、不均一なガウスプロファイルは、対応する均一なガウスビームプロファイルによるピークエネルギィより有意に低いピークエネルギィを持つ。この結果、所望の非線形プロセスは、理論的には予期していたものより有意に弱くなる。
【０００５】
したがって、レーザの出力フィールドの品質を特徴づけることの重要性が増している。このような出力フィールドのプロファイルに使用されている公知の装置及び技術の概略は、Ｒｏｕｎｄｙ，Ｃａｒｌｏｓ  Ｂ．“Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｏｆ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”に記載されている。この文献は、ｈｔｔｐ：／／ａｎｅｓ．ｕｃｓｄ．ｅｄｕ／ＬＭＩ／ＴＵＴＯＲＩＡＬＳ／ｐｒｏｆｉｌｅ−ｔｕｔｏｒｉａｌ．ｐｄｆ（１９９５）で入手できる。
【０００６】
レーザの出力フィールドの品質を特徴づける分野において当業者に知られている最も利用価値のあるビームプロファイルパラメータの一つは、Ｍ２値である。多くのアプリケーション、特に、ガウスビームが所望のプロファイルであるアプリケーションでは、Ｍ２値は、実際、ビームの品質を表す最も重要な特性である。実際に、国際標準である、ＩＳＯ  １１１４６−２：２００５は、Ｍ２値を、レーザの出力フィールドの基本的な品質パラメータとして特定している。
【０００７】
Ｍ２値の概念を説明するため、図１は、レンズ１を通る伝送、均一なガウスプロファイル、すなわち、基本横モード又はＴＥＭ００モードで動作する均一なガウスプロファイルを有する第１の出力フィールド２、及び、不均一なガウスプロファイル、すなわち、基本横モード以外のモードからなるガウスプロファイルを有する第２の出力フィールド３を示す。
【０００８】
レーザの出力ビームが、レンズ１に到達したときにビーム幅Ｗを有する場合、均一なガウスプロファイル２の合焦スポットサイズｄ００は、以下の式で規定される。
2015535596.tif 000003
ここで、λは出力フィールド２の波長であり、ｆはレンズ１の焦点距離である。不均一なガウスプロファイルに関しては、合焦スポットｄ０は、以下の式で規定される。
2015535596.tif 000004
【０００９】
実際には、不均一なガウスプロファイルの出力フィールド３は、より大きなスポットサイズ、すなわち、均一なガウスプロファイルのスポットサイズｄ００よりＭ倍大きなサイズで合焦する。
【００１０】
最小スポットサイズを規定することに加えて、Ｍ２値も焦点面の後の出力フィールドの発散を予測する。特に、不均一なガウスプロファイル３は、同じ幅の均等なＴＥＭ００フィールドよりＭ倍速く発散する。図１は出力フィールド２及び３が合焦レンズ１を通過してゆく状況を記載しているが、レンズが存在しない場合であっても同じ原理を適用できる、すなわち、不均一なガウスプロファイル３を持つフィールドがＴＥＭ００のフィールド２の場合より因子Ｍ分より早く発散することは、当業者には自明である。
【００１１】
いずれかの単一ポイントで出力フィールド幅Ｗを測定することではＭ２値の測定を見出すことができないため、単純なプロセスではない。理論的には、Ｍ２値は、ビームウエスト位置における出力フィールド３の幅Ｗ１の最初の測定でウエスト径ｄ０を得ると共に、遠視野における第２の測定Ｗ２で出力フィールド３の発散についての値を得ることによって計算できる。これら二つの値Ｗ１とＷ２は、Ｍ２値の計算に使用できる。実際は、これらの二つの測定値だけを使用することでは、Ｍ２値の特に正確な計算はできないことがわかっている。
【００１２】
さらに複雑なことには、当業者が使用した測定ビーム幅ｄ０に少なくとも５つの定義、すなわち、Ｄ４σ、１０／９０又は２０／８０のナイフエッジ、１／ｅ２、半値全幅（ＦＷＨＭ）、及びＤ８６の値、が存在する。従って、測定間の正確さは、ビーム幅の定義を使用する間に一致を必要とする。
【００１３】
これらの正確性の問題に取り組むために、ＩＳＯ標準は、標準定義としてＤ４σ定義をビーム幅値ｄ０に適用した。次いで、レーザ３の出力フィールドのＭ２値を、以下の方法論を用いて実験的に作った。
１．ビームウエストｄ０に近い５つの軸上位置でＤ４σ幅を測定する
２．ウエスト位置ｚ０から少なくとも１レイリー長離れた５つの軸上位置でＤ４σ幅を測定する
３．測定した１０のデータポイントを以下の式に当てはめる
2015535596.tif 000005
ここで、σ２（ｚ）は、Ｄ４σビーム幅である。
【００１４】
測定したデータポイントを式（３）に当てはめることで、Ｍ２、ｚ０及びσ０の値の正確な計算ができる。
【００１５】
この分野で公知のビームプロファイラーの概略図が図２に示されている。ビームプロファイラー４は、単一エレメント検出器７の前で移動するナイフエッジ、スリット、又はピンホール６を有する回転ドラム５を具える。検出器７に対して回転ドラム５の反対側に選択的に連結されているのは、自動合焦レンズアッセンブリ８である。動作中に、まず合焦レンズアッセンブリ８を用いて、回転ドラムの中心に入射レーザ出力フィールド３の内側合焦ビームウエストｄ０を位置させる。図２のビームプロファイラー４は、互いに９０度の方向にある二つのナイフエッジ６ａ及び６ｂを有しており、回転ドラム５が回転するときに、ナイフエッジ６ａ及び６ｂが高速で入射レーザ出力フィールド３を直交する方向にスキャンすることがわかる。次いで、検出信号データがプロファイラー４の光学軸９に軸が直交するビームプロファイラーを取り出すコンピュータ（図示せず）に送られる前に、伝送した光が検出器７で検出される。光学軸９の方向に沿って合焦レンズアッセンブリ８をスキャニングすることによって、複数平面におけるビームプロファイルを記録して、レーザ３の出力フィールドについてのＭ２値を取り出すことができる。
【００１６】
図２に示すビームプロファイラー４は、数々の実用上の不利益を示している。まず第１に、自動合焦レンズアッセンブリ８を使用することは、スキャンを行って、所望のＭ２値を取り出すのに１分かかることを意味する。分析を行っているレーザシステムを調整して対応するＭ２値を改善しようとすると、Ｍ２値が改善されたあるいは悪化したかどうかを見るのに、再びフルスキャンが必要となる。これらのステップの繰り返しが非常に時間がかかる全プロセスとなることは当業者には明らかである。
【００１７】
第２に、正確な結果を得るためには、ビームプロファイラーの光学軸９を分析するレーザフィールドの軸に整列させる必要がある。これには、オペレータの高度なスキルと努力が必要である。
【００１８】
このプロファイラー４のもう一つの重要な欠点は、正確に作動させるためには、フィールド３の単回スキャンを行うのにかかる時間を超えて分析する入射フィールド３を一定に維持しなければ、誤った結果が生じてしまうことである。ドラム回転率及び検出器の応答時間によって、システムは、正しい連続波（ＣＷ）か、あるいは、１０ＭＨｚ以上の反復率のパルスであるビームの測定に制限される。
【００１９】
レーザ３の出力フィールドのＭ２値を測定するこの分野で公知の代替のビームプロファイラー１０の概略図が、図３に示されている。この装置も、測定する光学フィールド３内に人工ウエストｄ０を作るのに用いる合焦レンズアッセンブリ１１を具える。しかしながら、上述したシステム４と異なり、合焦レンズアッセンブリ１１は、光学フィールド３の伝送軸１２に沿って移動しない。代わりに、１０の反射面１３が測定する光学フィールド３に、伝送軸１２に沿って所定の位置に配置されている。これらの反射面１３を用いて、ＣＣＤアレイカメラ１４上の１０の位置の画像を同時に形成する。獲得した１０の測定位置全てからのデータと共に、信号がコンピュータに送られ、例えば、Ｍ２値などの所望のビームパラメータを計算する。
【００２０】
ビームプロファイラー１０は、図２を参照して記載したビームプロファイラー４より非常に高速な操作時間を示している。更に、このデザインは、ＣＷと所定のパルスのレーザ出力フィールド３の両方の測定に適している。しかしながら、ビームプロファイラー１０の設計にもまだ多くの欠点がある。
【００２１】
このようなビームプロファイラー１０の主な欠点は、ＣＣＤアレイカメラ１４の使用にある。通常のＣＣＤアレイカメラ１４は一般的に高価な部品であり、これらの市場で入手可能なデバイスは、検出できる波長の動作に制限がある。更に、これらの部品のコストの高騰は、検出を所望する波長が高くなるほど、小さくなくなる。このことが、ビームプロファイラー１０を製造コストが高い設計としている。更に、入射レーザ出力フィールド３のパワーを小さくして、ＣＣＤアレイカメラ１４をアクシデントによるダメージから守るためには、これらの部品と共に減光フィルタ又はＵＶフィルタを使用することがしばしば必要となる。このことが、このようなビームプロファイラー１０を正しく配置するためにオペレータに求められる熟練度と努力を高くしている。
【００２２】
したがって、本発明の態様の目的は、この分野で知られているビームプロファイラーの上述した欠点を取り除く又は少なくとも和らげることである。
【発明の概要】
【００２３】
本発明の第１態様によれば、Ｍ２値ビームプロファイラーが提供されており、このプロファイラーは：合焦レンズアッセンブリと検出器で規定される光学軸であって、合焦レンズがこの光学軸に沿って伝送する光学フィールド内に人工ウエストを作るよう作用する、光学軸と；人工ウエストに位置する第１のブレードセットと、光学軸に沿って人工ウエスト位置から縦方向に離れた第２のブレードセットを有する複数のブレードアッセンブリであって、光学軸の位置にこれらのブレードを選択的に通過させる手段を提供する複数のブレードアッセンブリと；を具える。
【００２４】
用語「ブレード」は、光学軸に沿ったビームの伝送を阻止できる機械的手段の意味するように使用されている。
【００２５】
好ましくは、複数のブレードアッセンブリは、光学軸の位置にブレードを連続的に通過させる手段を具えている。本出願のコンテキストでは、用語「連続的」は、順次、又は不断に連続する、を含む。
【００２６】
最も好ましくは、複数のブレードアッセンブリは、１０又はそれ以上の、アッセンブリの長さに沿って縦方向に分かれたブレードを具える。
【００２７】
１０またはそれ以上のブレードは、アッセンブリの長さに沿って等間隔に配置されている。
【００２８】
複数のブレードアッセンブリは、回転可能な複数のブレードアッセンブリを具えていてもよく、このブレードは、回転可能なシャフト上に装着されている。好ましくは、この回転可能なシャフトは、回転可能な複数のブレードアッセンブリの回転軸を規定する。
【００２９】
最も好ましくは、ブレードが回転可能なシャフト上に装着されており、ブレードが独自の回転位置を占めるようにすることである。
【００３０】
回転可能な複数のブレードアッセンブリは、更に、回転可能な複数のブレードアッセンブリの回転軸に対する回転方向を決定する手段を提供する基準を具えることが好ましい。
【００３１】
代替的に、複数のブレードアッセンブリは、機械アクチュエータを具えていてもよい。この実施例では、ブレードが機械アクチュエータに装着されており、光学軸にブレードを選択的に通過させる。ブレードは、順次光学軸を通過してゆく。
【００３２】
本発明の第２態様によれば、レーザからの出力フィールドをプロファイリングする方法が提供されており、この方法は：
光学軸に沿って出力フィールドを伝送させるステップと；
出力フィールドを絞って人工ウエストを形成するステップと；
第１のブレードセットを人工ウエスト位置に位置させるステップと；
第２のブレードセットを、人工ウエスト位置から光学軸に沿って縦方向に離して位置させるステップと；
光学軸にブレードを選択的に通過させて出力フィールドの伝送を阻止することによって、第１及び第２のブレードセットの位置で出力フィールドの幅を測定するステップと；
測定した幅を用いて出力フィールドのＭ２値を決定するステップと；
を具えることを特徴とする。
【００３３】
好ましくは、出力フィールドの幅を測定するステップがさらに、光学軸の位置にブレードを順次通過させるステップを、更に具える。
【００３４】
好ましくは、出力フィールドの幅を測定するステップが、１０またはそれ以上のブレードを光学軸に選択的に通過させることによって、光学軸に沿って１０またはそれ以上の位置で出力フィールドの幅を測定し出力フィールドの伝送を阻止するステップを具える。
【００３５】
好ましくは、１０またはそれ以上のブレードが光学軸に沿って等間隔に配置されている。
【００３６】
最も好ましくは、第１及び第２のブレードセットが出力フィールドのレイリー長より大きいか、あるいはこれと同じ距離離れている。
【００３７】
好ましくは、第１及び第２のブレードセットが、シャフトの回転によって光学軸を通過している。
【００３８】
代替的に、第１及び第２のブレードセットは、機械アクチュエータの並進移動によって光学軸を通過してもよい。
【００３９】
選択的に、出力フィールドの測定した幅を用いて、出力フィールドのビームウエストｚ０値を計算する。
【００４０】
本発明の第２の態様の実施例は、本発明の第１の態様の好ましい又は選択的な特徴を実装している、あるいはその逆の特徴を具えていてもよい。
【００４１】
本発明の第３の態様によれば、光軸を有するビームプロファイラーが提供されており、これは、アッセンブリの長さに沿って縦方向に分離した第１及び第２のブレードを有する複数のブレードアッセンブリを具え、この複数のブレードアッセンブリが、光学軸の位置に選択的にブレードを通過させる手段を具える。
【００４２】
好ましくは、光学軸は、合焦レンズアッセンブリと検出器によって規定される。
【００４３】
本発明の第３の態様の実施例は、本発明の第２の態様の好ましい又は選択的な特徴を実装する、あるいはその逆の特徴を具えていてもよい。
【００４４】
本発明の第４の態様によれば、レーザからの出力フィールドをプロファイリングする方法が提供されており、この方法は：
光学軸に沿って出力フィールドを伝送するステップと；
光学軸に二またはそれ以上のブレードを選択的に通過させることによって光学軸に沿った二またはそれ以上の位置で出力フィールドの幅を測定して、出力フィールドの伝送を阻止するステップと；
この測定した幅を用いて、一またはそれ以上の出力フィールドのパラメータを決定するステップと；
を具える。
【００４５】
最も好ましくは、出力フィールドの測定した幅を用いて、その出力フィールドについてのＭ２値を計算することである。
【００４６】
本発明の第４の実施例は、本発明の第１、第２又は第３の態様の好ましい又は選択的な特徴を実装する、あるいはその逆の特徴を具えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
本発明の態様及び利点は、以下の詳細な説明を読み、以下の図面を参照することによって明らかになる。
【図１】図１は、合焦レンズを介した、均一ガウス分布の光学フィールドと非均一ガウス分布光学フィールドの伝送を示す図である。
【図２】図２は、公知のビームプロファイラーを示す図である。
【図３】図３は、この分野で知られている代替のビームプロファイラーを示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例に係るビームプロファイラーの（ａ）側面図及び（ｂ）背面図である。
【図５】図５は、図４に示すビームプロファイラーの動作に関連する方法論のフローチャートである。
【図６】図６は、図４に示すビームプロファイラーによって得た実験トレースを示す図である。
【図７】図７は、代替の複数ブレードアッセンブリを示す図である。
【図８】図８は、更なる代替の複数ブレードアッセンブリを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本発明の一実施例に係るビームプロファイラーであり、符号１５で示すプロファイラについて、図４乃至６を参照して以下に説明する。ビームプロファイラー１５は、合焦レンズアッセンブリ１６と、回転可能な複数ブレードアッセンブリ１７と、信号検出及び処理システム１８と、を具える。
【００４９】
ここに述べる実施例では、信号検出及び処理システム１８は、検出器１９と、検出器１９に接続されたオシロスコープ２０と、オシロスコープ２０に接続した検出器１９とＣＰＵ２１とを具える。
【００５０】
ビームプロファイラー１５の光学軸２２は、合焦レンズアッセンブリ１６と、検出器１９の位置によって決まる。
【００５１】
回転可能な複数ブレードアッセンブリ１７は、アッセンブリ１７の回転軸２４を規定する中央シャフト２３を具えている。この回転軸２４は、光学軸２２に平行であるが、光学軸２２からオフセットしていてもよい。シャフト２３の近位端にはモータ２５が取り付けられており、これは、回転軸２４の周りをシャフト２３を回転させる手段を提供するモータ２５である。
【００５２】
近位端からシャフト２３に沿って移動すると、基準開口２７が装着されているシャフトヘッド２６が位置している。この基準開口２７は、ビームプロファイラー１５に、回転可能な複数のブレードアッセンブリ１７の回転２４の軸に対する回転方向を決定する手段をビームプロファイラー１５に提供する。
【００５３】
また、シャフト２３上には、それぞれ符号２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７で示す１０個のブレードが配置されている。図４（ａ）に示す実施例では、ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７は、シャフト２３に沿って間隔を明けて配置されている。
【００５４】
ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７の位置付けをよりよく理解するために、検出器１９は、図４（ｂ）から外されている。
【００５５】
ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７は同じ長さであってもよい。ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７の実際の長さにかかわらず、各ブレードは回転軸２４と光学軸２２とのオフセット距離より長いものでなくてはならず、これによってビームプロファイラー１５が正しく機能する。
【００５６】
１０個のブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７がシャフト２３に沿って縦方向にスペースをあけて配置されており、これらは各々、回転軸２４を中心に独自の回転位置を占めている。ここに述べた実施例では、１０個のブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７が、シャフト２３の一端から他端へらせんアレイを形成するように配置されている。
【００５７】
ビームプロファイリング方法
ビームプロファイラー１５について、図４乃至６を参照して以下に説明する。第１の例では、ビームプロファイラー１５は、分析するレーザの出力フィールド３が光学軸２２に沿って伝送するように構成することで、展開される。合焦レンズアッセンブリ１６は、直径Ｗの出力フィールド３をウエストｄ０に絞るように作用する。出力フィールド３は、次いで、光学軸２２にそって伝送され、検出器１９に入射する。
【００５８】
ビームプロファイラー５の配置は、更に、合焦レンズアッセンブリ１６の位置、及び／又は、１又はそれ以上のブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７の位置が、ウエストｚ０の位置のあたりに配置した第１のブレードセット３８と、出力フィールド３のレイリー長さより大きい又はこれと等しい距離ＺＲに配置した第２のブレードセット３９を形成するように、調整するステップを具える。
【００５９】
次いで、モータを用いて回転可能な複数のブレードアッセンブリ１７を回転させて、各ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７を、出力フィールド３が検出器１９に届かないようブロックするように動作させる。検出器１９によって得られ、オシロスコープ２０で記録される通常の実験的トレース４０を図６に示す。検出器１９によって得た伝送プロファイル４０には、１０の吸収特徴４１、４２、４３、４４、４５及び４６、４７、４８、４９、５０が見られ、各々が、フィールド３を通過する各ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７に対応している。各吸収特徴４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、及び５０の幅は、対応するブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７の縦位置に対応する光学軸に沿って、位置ｚにおいて、出力フィールド３の幅に比例している。
【００６０】
実験トレースを得るためには、検出器１９の応答速度を回転可能な複数のブレードアッセンブリ１７の回転速度に相関させる必要がある。この基準とは別に、信号及び検出処理システム１８で用いられる検出器１９は非常に柔軟に選択することができる。なぜなら、これが、検出器１９がブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７の回転位置によって決まる出力フィールドの存在及び不存在を測定できるのに必要なすべてであるためである。実際、回転可能な複数のブレードアッセンブリ１７の回転速度が、その応答速度に相関する適宜の値に下がった場合は、熱検出器を用いることができるであろう。この検出器選択のフレキシビリティは、ビームプロファイラー１５は、異なる合焦レンズアッセンブリを使用する必要があるかもしれないが、例えば、紫外線領域からテラヘルツ領域までといった、より大きい範囲の電磁スペクトルにわたって動作することを意味する。
【００６１】
次いで、信号検出及びシステム１８の処理を用いて、光学軸２２に沿って１０の異なる位置における出力フィールド３の幅を測定する。次いで、この情報を用いて、出力フィールド３のＭ２値を正確に計算できるとともに、例えば、ビームウエストｚ０の位置など、その他のビームパラメータも提供できる。好ましくは、これらの情報が、光学軸２２に沿った１０の異なる位置における出力フィールド３の幅のＤ４σ値を使用して、次いで、これらの測定したデータポイントを上述の式（３）に当てはめるステップを具える。
【００６２】
符号１５ｂで示すビームプロファイラーの代替の実施例が図７に示されている。ビームプロファイラー１５ｂと、図４に示すビームプロファイラーとの違いは、ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７が、第１及び第２のブレードセット３８、３９に分けられている点である。第１及び第２のブレードセット３８、３９は、シャフト２３の長さに沿って距離ＺＲ分離れている。距離ＺＲは、ビームプロファイラー１５で分析する出力フィールド３のレイリー幅より大きいことが好ましい。
【００６３】
当業者には、第１及び第２のブレードセット３８、３９が、５個より多いあるいはこれより少ないブレードを具えていてもよい旨、及び第１及び第２のブレード３８、３９の各々が、同じ数のブレードでなくてもよい旨は自明である。
【００６４】
図８に示す更なる代替の実施例では、ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７が、回転可能なシャフト２３に変えて、機械アクチュエータ５１の長さに沿って縦方向に装着されている。機械アクチュエータ５１は、ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７の各々を選択的に、好ましくは順次、光学軸２２の位置を通過させる手段を具える。例えば、ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７は、順次、光学軸２２の位置を通って下へ通過し、次いで、光学軸２２を通って上に戻る。次いで、このプロセスを周期運動で繰り返して、光学軸を通る回転可能な複数ブレードアッセンブリ１７の２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７の回転を複写する。この実施例では、検出器１９の応答速度が、光学軸２２を通過するブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７の周期と相関する必要がある。
【００６５】
上述したすべての実施例において、ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７の順番は変更することができる。更に、ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７の相対的な縦位置及び回転位置も変更することができる。以下に説明するように、本発明の固有の利点を有効に使うためには、最低で２つのブレードが必要である。しかしながら、上限は、シャフト２３の長さ及び回転軸２４の周りで回転可能に分離されたブレードを持つ能力で設定される。このように、ビームプロファイラー１５及び１５ｂの動作に必要なものは、ブレード２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、及び３７がシャフト２３に沿った独自の縦位置、回転軸２４の周りの独自の回転位置を占め、及びこの情報が信号検出及び処理システム１８に提供されて、レーザの出力フィールド３の分析を行えるようにすることである。
【００６６】
上述したビームプロファイラーは、この分野で知られているこれらのシステムを超える多くの利点を有する。第１に、このビームプロファイラーは、この分野の自動合焦レンズアッセンブリを用いているプロファイラーより有意に早い。分ではなく、秒の単位で結果が得られる。
【００６７】
検出器は、ブレードの回転位置によって表されるように、出力フィールドの存在及び欠如を測定するのに必要なだけである。従って、高価なＣＣＤカメラアレイを用いる必要がなく、パワー密度フィルタの使用の必要性も低減する。その結果、本願のビームフィルタは、製造が非常に安価であり、この分野で知られているプロファイラーと比べた場合に、より広いレンジの波長と電力使用できる。検出器に関するこれらの低減された操作条件は、ビームプロファイラーが、ＣＷやパルス型光学フィールドの分析にも使用できることを意味する。
【００６８】
更に、ブレードの長さと光学軸と回転軸のオフセット距離を適宜選択することによって、ビームプロファイラーを、この分野で知られているシステムで達成できるビーム幅より広い範囲のビーム幅で作動させることができる。
【００６９】
ビームプロファイラーは、アラインメントが比較的容易であり、従って、この分野で知られているシステムより、この部分に関するオペレータのスキル及び努力が少なくて済む。
【００７０】
Ｍ２値ビームプロファイル装置及び方法が記載されている。Ｍ２値ビームプロファイラーは、合焦レンズアッセンブリと検出器で規定される光学軸を具えており、合焦レンズが、光学フィールド内に光学軸に沿って伝送する人工ウエストを作るよう作用する。ビームプロファイラーは、また、人工ウエスト位置に位置する第１のブレードセットと、人工ウエスト位置から光学軸に沿って縦方向に離れた第２のブレードセットを有する複数のブレードアッセンブリを具える。この複数のブレードアッセンブリは、従って、光学軸の位置を通ってブレードを選択的に通過させる手段を提供する。これらの測定した幅を使用することによって、光学フィールドのＭ２値を決定できる。
【００７１】
本発明の上記記載は、説明の目的で提供されたものであり、本発明を開示した詳細な形に網羅する又は限定することを意図するものではない。上述の実施例は、本発明の原理と実際のアプリケーションを最もよく説明して、意図した特定の使用に適するように、この分野の当業者が様々な実施例や変形例で本発明を利用できるようにするために、選択して説明したものである。従って、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱することなく、更なる変形又は改善が含まれている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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