(57)【要約】【課題】本発明は、発生するレーザビームのビームモードとパワーとを単一の検出器で同時に測定できるレーザ装置を提供することを課題とする。【解決手段】増幅した励起光が出力ミラー１３からレーザビーム２として出射するレーザ装置１０において、反射ミラー１２を透過する検査ビーム１３を検出する受光面１４が四分割された受光領域から形成され、各々の受光領域が検出した検査ビーム１３の検出値の偏りからビームモードを認識し、検出値の総計からパワーを認識することを特徴とした。【選択図】  図１
2005012046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光源が発する励起光により蛍光を発するレーザ媒質と、このレーザ媒質の両端に配した出力ミラーおよび反射ミラーと、を備えた光共振器からＴＥＭ００モードのレーザビームを取り出すレーザ装置において、
前記光共振器の外部に出射された検査ビームの光軸上に配され、各々が独立してビームパワーを検出できる複数の受光領域の集合体からなる受光部と、
前記複数の受光領域における各々のパワー検出値に基づいて、前記検査ビームにおけるスポットのパワーの偏りを演算する第一演算回路と、を備え、
この第一演算回路の出力値に基づいて前記レーザビームのモードを判断することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記パワー検出値の各々を加算する第二演算回路を備え、この第二演算回路の出力値に基づいて前記レーザビームのパワーを判断することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記出力ミラーまたは前記反射ミラーのうち少なくともどちらか一方を、前記第一演算回路の前記出力値に基づいて、前記レーザビームの光軸方向に移動させる駆動手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記出力ミラーまたは前記反射ミラーのうち少なくともどちらか一方の仰角を、前記第一演算回路の出力値に基づいて、変動させる駆動手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記受光領域は、前記受光面が四分割され、それぞれが周方向に順番に配列した第一、第二、第三および第四フォトダイオードであると共に、前記第一演算回路は、
前記第二フォトダイオードの検出値と前記第三フォトダイオードの検出値との差を演算する第一引算回路と、
前記第四フォトダイオードの検出値と前記第一フォトダイオードの検出値との差を演算する第二引算回路と、
前記第一引算回路の出力値と前記第二引算回路の出力値との差を演算する第三引算回路と、
前記第一フォトダイオードの検出値と前記第二フォトダイオードの検出値との差を演算する第四引算回路と、
前記第三フォトダイオードの検出値と前記第四フォトダイオードの検出値との差を演算する第五引算回路と、
前記第四引算回路の出力値と前記第五引算回路の出力値との差を演算する第六引算回路と、
を有することを特徴とする請求項１、請求項３または請求項４の何れか一項に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記受光領域は、前記受光面が四分割され、それぞれが周方向に順番に配列した第一、第二、第三および第四フォトダイオードであると共に、前記第二演算回路は、前記第一、第二、第三および第四フォトダイオードにおける出力値すべてを加算する加算回路で構成されることを特徴とする請求項２、請求項３または請求項４の何れか一項に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ装置から出射されたレーザビームの検出に関し、特に、単一の検出器によりレーザビームのモードならびにパワーが検出できるようにしたレーザ装置に関し、さらにはこれらの検出値に基づいてレーザビームのモードならびにパワーを制御可能としたレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ装置におけるレーザビームのモードならびにパワーを検出する方法は、それぞれを別々の検出器により検出する方法が知られているが、レーザビームをマーキング、パターニング、切断および溶接等の加工に利用する場合、ビームモード、あるいはパワーが変動すると一定形状のマーキング、パターニング、切断痕および溶接痕が得られないという不具合が生じていた。かかる不具合を防ぎ、安定した加工を行うためには、常に同じ大きさのビームスポット（即ちビームモードの変動なく）で、同じエネルギ密度のレーザビームが被加工物に照射されることが望まれる。
【０００３】
しかし、レーザ発振器から発振されるレーザビームのビームモード、あるいはパワーは、励起光源であるレーザダイオードの電流量変動や経時変化、レーザ媒質の熱レンズ効果の変動や経時変化、或いは非線形結晶を用いた高調波発振においては結晶の劣化により変化するものである。このため、レーザ装置においては、従来より、出射したレーザビームにおけるビームスポットとパワーをリアルタイムで計測し、この計測値が変動しないようにレーザビームの出力調整を行っている。
【０００４】
以下、図５を参照して従来のレーザ装置の構成および原理について説明する。図５は従来のレーザ装置を説明するための構成図である。この従来例においては、レーザビームのスポット径とパワーをそれぞれ別々の検出器でリアルタイムに検出し、ビームスポット径とパワーとが常時所定値となるように制御するものである（特許文献１参照）。
【０００５】
従来のレーザ装置１００は大きく、被加工物１２６を加工するためのビームルートＡ、レーザビームのパワーを制御する為のビームルートＢおよびビームスポット径を制御する為のビームルートＣからなる。まず、レーザ発振器１１０から出射したレーザビーム１１１は、ハーフミラー１１２によって、ビームルートＣ方向へのレーザビーム１１３と、ビームルートＡおよびビームルートＢ方向へのレーザビーム１１４とに分岐される。
【０００６】
レーザビーム１１４は、さらにハーフミラー１２１でビームルートＡ方向へのレーザビーム１２４とビームルートＢ方向へのレーザビーム１２２とに分岐される。そしてビームルートＡ方向に分岐されたレーザビーム１２４は、被加工物１２６に照射され、表面をマーキングもしくはパターニングする。そして、ビームルートＢ方向に分岐されたレーザビーム１２２は、レーザ検出手段１２３によってパワーが検出され、検出値がレーザ出力可変電源１３０にフィードバックされ、パワーが常に一定になるよう制御される。
【０００７】
ビームルートＣにおいてレーザビーム１１３は、コリメータ１１５によって拡大され、集光レンズ１１６で集光され、焦点位置に設置された集光スポット径よりも小さい径を持つアパーチャー１１７を通過後、レンズ１１８によって拡大され、レーザ検出手段１１９に照射される。このレーザ検出手段１１９によりパワー変動が検出され、この検出値に基づきレーザスポット径が所望の値となるよう制御装置１２８によりコリメータ１１５が調整され、コリメータ１１５における最適の拡大率を得る。そして、この取得した拡大率を制御装置１２９に転送し、ビームルートＡおよびビームルートＢにおけるレーザビームを調整するコリメータ１２０を調整させ、被加工物１２６に照射するレーザビームの径が常時一定の所望の値をとるようにする。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２８３０７６号公報（段落［０００８］〜［００１２］、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上述べた従来のレーザ装置においては、レーザビームのパワーとレーザスポット径とを検出する為の複数の検出ルートを有する為、レーザビームの光路が複雑となり多くの光学部品ならびに検出センサの点数が増加し、レーザ装置の複雑化・大型化が避けられない。また、正確なマーキングやパターニングを行おうとする場合、これら光学部品ならびにセンサ等のアライメント調整が複雑となり、レーザ装置のメンテナンスにコストがかかる。
【００１０】
本発明は、以上の問題点を解決することを目的としてなされたものであり、レーザビームのビーム径またはパワーの変動を簡単な構成で検出することができ、さらに検出した出力値に基づいてビームモードやパワーを制御することができるレーザ装置を提供することができる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記した目的を達成するために創案されたものであり、
まず請求項１に記載のレーザ装置は、励起光源が発する励起光により蛍光を発するレーザ媒質と、このレーザ媒質の両端に配した出力ミラーおよび反射ミラーと、を備えた光共振器からＴＥＭ００モードのレーザビームを取り出すレーザ装置において、前記光共振器の外部に出射された検査ビームの光軸上に配され、各々が独立してパワー検出が可能な複数の受光領域の集合体よりなる受光部と、前記複数の受光領域における各々のパワー検出値に基づいて、前記検査ビームにおけるスポットのパワーの偏りを演算する第一演算回路と、を備え、この第一演算回路の出力値に基づいて前記レーザビームのモードを判断することを特徴とした。
【００１２】
かかる構成によれば、例えばレーザダイオード等の励起光源から基本波長８０８ｎｍの励起光により例えばＮｄ：ＹＶＯ４等のレーザ媒質を励起して蛍光を発生させ、この蛍光は、レーザ媒質の円筒両端面に配置している一対のミラー（出力ミラーと反射ミラー）の間を反射して、さらにこの反射光はレーザ媒質を励起させ新たな蛍光を発生させる。このようにして、蛍光は共振器内で増幅され、増幅された光が出力ミラーから中心波長１０６４ｎｍとするレーザビームとして出力される。そして検査ビームは、被加工物に照射されるレーザビームよりもパワーは低いが、この検査ビームのパワーは、レーザビームのパワーに連動して変化するものである。また検査ビームとレーザビームとのビームモードは同一のものとなる。
【００１３】
そして光共振器から外部に出射された検査ビームのスポットが独立した複数の受光領域の集合体からなる受光面に照射される。そして、各々の受光領域に照射されたスポットの一領域におけるエネルギが、各々別個にパワー検出値として検出され、第一演算回路においてこれらパワー検出値が演算処理され、スポットにおけるパワーの偏りが数値化して出力される。この出力値に基づいてビームスポットの形状を認識し、レーザビームのモードがＴＥＭ００モードであるか否かを判断する。
【００１４】
また、請求項２に記載のレーザ装置は、請求項１に記載のレーザ装置であって、前記パワー検出値の各々を加算する第二演算回路を備え、この第二演算回路の出力値に基づいて前記レーザビームのパワーを判断することを特徴とした。
【００１５】
かかる構成によれば、検査ビームのスポットが独立した複数の受光領域の集合体からなる受光面に照射され、各々の受光領域が検出したパワー検出値を第二演算回路において加算する演算処理が行われる。この演算処理における出力値は検査ビームのトータルパワーに相当するものであるが、この検査ビームのパワーは被加工物に照射するレーザビームのパワーと対応関係を有するものであるので、検査ビームのパワーを認識することによりレーザビームのパワーを判断することができる。
【００１６】
また、請求項３に記載のレーザ装置は、請求項１または請求項２に記載のレーザ装置であって、前記出力ミラーまたは前記反射ミラーのうち少なくともどちらか一方を、前記第一演算回路の前記出力値に基づいて、前記レーザビームの光軸方向に移動させる駆動手段を有することを特徴とした。
【００１７】
かかる構成によれば、駆動手段の作用により出力ミラーと反射ミラーとのミラー間隔を任意に制御することができる。これにより、出射するレーザビームのＴＥＭ００モードが崩れた場合であっても、第一演算回路の出力値がＴＥＭ００モード時に取り得る値となるように駆動手段を駆動させることで、ビームモードを回復させることができる。
【００１８】
また請求項４に記載のレーザ装置は、請求項１または請求項２に記載のレーザ装置であって、前記出力ミラーまたは前記反射ミラーのうち少なくともどちらか一方の仰角を、前記第一演算回路の出力値に基づいて、変動させる駆動手段を有することを特徴とした。
【００１９】
かかる構成によれば、駆動手段の作用により出力ミラーまたは反射ミラーのミラー角度を変化させることによりレーザビームの光軸を変移させることができる。これにより、出射するレーザビームのＴＥＭ００モードが崩れた場合であっても、第一演算回路の出力値がＴＥＭ００モード時に取り得る値となるように駆動手段を駆動させることで、ビームモードを回復させることができる。
【００２０】
また、請求項５に記載のレーザ装置は、請求項１、請求項３または請求項４に記載の何れか一項に記載のレーザ装置であって、前記受光領域は、前記受光面が四分割され、それぞれが周方向に順番に配列した第一、第二、第三および第四フォトダイオードであると共に、前記第一演算回路は、第二フォトダイオードの検出値と第三フォトダイオードの検出値との差を演算する第一引算回路と、第四フォトダイオードの検出値と第一フォトダイオードの検出値との差を演算する第二引算回路と、第一引算回路の出力値と第二引算回路の出力値との差を演算する第三引算回路と、第一フォトダイオードの検出値と第二フォトダイオードの検出値との差を演算する第四引算回路と、第三フォトダイオードの検出値と第四フォトダイオードの検出値との差を演算する第五引算回路と、第四引算回路の出力値と第五引算回路の出力値との差を演算する第六引算回路と、を有することを特徴とした。
【００２１】
かかる構成によれば、出射された検査ビームのパワーは、第一、第二、第三および第四フォトダイオードによって、ビームスポットの断面を四分割して検出されることとなる。そして第三引算回路の出力値がゼロであれば、レーザビームのパワーはレーザスポットの左右において均等であることを示し、出力値が有限値をとれば、その大きさと符号とから左右のどちらにどの程度パワーに偏りがあるかが判断できる。また同様にして、第六引算回路の出力値により、レーザスポットの上下におけるパワーの偏りが判断できる。このようにして検出したレーザスポットの上下左右のパワーの偏りから検査ビームのモードを認識することができる。
【００２２】
これにより、第三引算回路と第六引算回路との出力値がゼロ近傍であれば、ビームスポットの上下左右の偏りはなく、レーザビームのビームモードはＴＥＭ００モードであり正常と判断され、駆動手段は動作しない。経時変化によりＴＥＭ００モードが崩れた場合、第三引算回路と第六引算回路との出力値がゼロ近傍からはずれてくることになる。この場合、駆動手段により出力ミラーまたは反射ミラーのうちどちらか一方を移動、あるいは仰角を調整させ、第三引算回路と第六引算回路との出力値がゼロ近傍になるようにミラーを連続的に駆動し、ビームモードをＴＥＭ００モードに回復させる。
【００２３】
また、請求項６に記載のレーザ装置は、請求項２、請求項３または請求項４の何れか一項に記載のレーザ装置であって、前記受光領域は、前記受光面が四分割され、それぞれが周方向に順番に配列した第一、第二、第三および第四フォトダイオードであると共に、前記第二演算回路は前記第一、第二、第三および第四フォトダイオードにおける出力値すべてを加算する加算回路を有することを特徴とした。
【００２４】
かかる構成によれば、第一、第二、第三および第四フォトダイオードにおけるそれぞれの検出値を加算して出力することにより、検査ビームのパワーを検知することができる。検査ビームのパワーは、出射したレーザビームのパワーに対応するので、この出力値に基づき帰還をかけて励起光源を制御することによって、レーザビームのパワーを常時一定の値に保つことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１乃至図４を参照して本発明における実施の形態について説明する。図１は、本発明におけるレーザ装置の基本構成を示す構成図である。レーザ装置１０は大きく、励起モジュール１１の両端に出力ミラー１３および反射ミラー１２を配して構成されレーザビーム２を発生させる光共振器Ｒと、反射ミラー１２から出力された検査ビーム３を検出するレーザ検出手段１８と、反射ミラー１２を駆動する駆動手段１６と、レーザダイオード２１の出力を調整する電流制御手段１７と、からなる。
【００２６】
励起モジュール１１は、励起光源であるレーザダイオード２１と、レーザダイオード２１が発する励起光により励起された蛍光を発生するレーザ媒質２３と、レーザダイオード２１およびレーザ媒質２３を冷却するヒートシンクブロック２２とからなる。図１中、励起モジュール１１は、一つで構成されているが、Ｎ個直列に接続することによりレーザビーム２のパワーをＮ倍（理論値として）にすることができる。
【００２７】
レーザダイオード（励起光源）２１は、レーザ媒質２３の側周面にヒートシンクブロック２２を介して固定され、レーザ媒質２３において蛍光を発生させるものである。レーザダイオード２１は、波長８０８ｎｍの励起光を発生するもので、電流制御手段１７において定格電流を超えないように印加電流が可変されることにより、励起光の照射パワーが調節される。
【００２８】
レーザ媒質２３は、レーザ媒体としてＮｄ：ＹＶＯ４を用いた円筒形状のレーザロッドである。そして、レーザダイオード２１が発する励起光により発生した蛍光は、レーザ媒質２３の両端面に配置された、後記する反射ミラー１２および出力ミラー１３からなる一対のミラー相互間で反射して増幅される。そして、出力ミラー１３から中心波長が１０６４ｎｍのレーザビーム２が出力レーザとして出射される。なお、このレーザビーム２のパワーは、レーザダイオード２１が発する励起光の照射パワーに比例して得られるので、電流制御手段１７により調整されることになる。なお、本発明においては、レーザ媒体としてＮｄ：ＹＶＯ４を用いているが、他のレーザ媒体、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＧｄＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦを用いることもできる。
【００２９】
出力ミラー１３は、基板材質として用いた石英や硬質ガラスの面精度を６３３ｎｍの波長の１／１０、面粗さを面精度の１／１００程度に調整したものを基板として用い、この面に反射膜を多層状に形成させたものである。ここで共振器内のパワーをＬ０、反射率をＲとすると、反射光のパワーはＲＬ０、透過光のパワーは（１−Ｒ）Ｌ０で表わされる。すなわち反射膜の層数を増すほど反射率Ｒが１に近づき、全反射条件が達成されることになる。本発明において、出力ミラー１３の反射率はＲ＝０．８程度とし、レーザ媒質２３内部に蓄積されたエネルギの（１−Ｒ）倍のエネルギを有するレーザビーム２が出力ミラー１３から出射されることとなる。
【００３０】
反射ミラー１２は、前記した出力ミラー１３よりも反射膜を多層させ、反射率Ｒを大きくさせたものである。本発明においては、Ｒ＝０．９９程度とし、反射ミラー１２からレーザビーム２の１００分の一以下程度のパワーを有する検査ビーム３が前記した出力ミラー１３の場合と同様のメカニズムにより出力され、後述するレーザ検出手段１８により検出されることになる。
【００３１】
レーザ検出手段１８は、検査ビーム３を受光する受光面１４と、受光面１４が出力する微弱なアナログ信号を増幅してデジタル変換した検出値とする検出信号処理回路３３と、この検出値を演算処理して得た出力値に基づいて駆動手段１６に動作指示を与える第一演算回路３１Ａおよび電流制御手段１７に動作指示を与える第二演算回路３１Ｂとを有し、レーザビーム２のビームモードおよびパワーを検出する機能を有する手段である。
【００３２】
次に図２を参照して、レーザ検出手段１８について詳細に説明する。図２は、受光面１４における検査ビーム３の照射面および、第一、第二演算回路３１Ａ、３１Ｂのブロック図を示すものである。なお、図２において、受光面１４と第一、第二演算回路３１Ａ、３１Ｂとのインターフェイス機能を果たす検出信号処理回路３３の機能は省略して記載している。
【００３３】
受光面１４は、図示しない円形基板上に左右、上下対称となるように、それぞれ独立してレーザのパワーを検出する受光領域となる、第一、第二、第三および第四のフォトダイオード４１、４２、４３および４４から構成されている。そして、受光面１４は、反射ミラー１２を出射した検査ビーム３の光軸Ｌが、受光面１４の中心で直交するように配置されている。これらフォトダイオード（受光領域）４１…４４は、領域内にレーザが照射した場合、受光したレーザのパワーに比例した電気を発生させる素子である。
【００３４】
第一演算回路３１Ａは第二フォトダイオード４２の検出値Ｅ２から第三フォトダイオード４３の検出値Ｅ３を引算する第一引算回路７１と、第四フォトダイオード４４の検出値Ｅ４から第一フォトダイオード４１の検出値Ｅ１を引算する第二引算回路７２と、第一引算回路７１の出力値から第二引算回路７２の出力値を引算する第三引算回路７３と、第一フォトダイオード４１の検出値Ｅ１から第二フォトダイオード４２の検出値Ｅ２を引算する第四引算回路７４と、第三フォトダイオード４３の検出値Ｅ３から第四フォトダイオード４４の検出値Ｅ４を引算する第五引算回路７５と、第四引算回路７４の出力値から第五引算回路７５の出力値を引算する第六引算回路７６とで構成されている。第二演算回路３１Ｂは、全てのフォトダイオードの検出値Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４を加算する加算回路７７で構成されている。
【００３５】
そして第三引算回路７３の出力値（ＯＵＴ−Ｌ／Ｒ）は四分割された受光面１４に入射したレーザスポットの左右偏りを、第六引算回路７６の出力値（ＯＵＴ−Ｕ／Ｄ）は、同、上下偏りを表わすことになる。よって、第三引算回路７３および第六引算回路７６の出力値より、検査ビーム３の大まかな形状、即ちビームモードが検出される。さらに加算回路７７の出力（ＯＵＴ−ＡＬＬ）により検査ビーム３のパワーが検出される。そして、出力ミラー１３から出射するレーザビーム２は、検査ビーム３に対してビームモードは同一でパワーは一定の比例関係にあることから、レーザ検出手段１８から得られた情報を基に、レーザビーム２のビームモードならびにパワーを認識することができる。
【００３６】
ここで図２に示すように、検査ビーム３の光軸Ｌと受光面１４の中心とが一致し、第一、第二、第三および第四フォトダイオード４１、４２、４３、４４が均等に検査ビーム３の照射を受けている場合、ビームモードはＴＥＭ００モードであると判断される。この場合、各フォトダイオードの検出値Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３およびＥ４はすべて等しいので第三引算回路７３および第六引算回路７６の出力値ＯＵＴ−Ｌ／ＲおよびＯＵＴ−Ｕ／Ｄはゼロとなる。即ちビームスポットの左右半分および上下半分同士がそれぞれ対称である状態が検出される。このように、ＯＵＴ−Ｌ／Ｒ，ＯＵＴ−Ｕ／Ｄがそれぞれゼロ出力であることをもって、レーザビーム２のビームモードがＴＥＭ００モードであることが検出される。
【００３７】
図３は、ＴＥＭ００モードが崩れた状態のビームスポットの形状を具体的に示す図である。受光面１４に照射されるビームスポット３ａの形状が、例えば図３（ａ）に示されるように左右に大小分かれた状態では、上下のバランス状態を検出する第六引算回路７６の出力値はゼロであるが、左右のバランス状態を検出する第三引算回路７３からは正極の出力値である（Ｅ２−Ｅ３）−（Ｅ４−Ｅ１）が現れる。
【００３８】
同様にして、図３（ｂ）（ｃ）に示すような上下および左右のいずれか一方が非対称なビームスポット３ａにおいては、第三引算回路７３または第六引算回路７６のいずれかにおいて出力値が有限値をとることになる。ビームスポット３ａの形状が例えば図３（ｂ）に示されるように右下に歪んだとすると、ビームスポット３ａの照射エネルギは第三フォトダイオード４３において最大で検出される。第三引算回路７３からは負極の出力値（Ｅ２−Ｅ３）−（Ｅ４−Ｅ１）が現れ、また第六引算回路７６からは負極の出力値（Ｅ１−Ｅ２）−（Ｅ３−Ｅ４）が現れる。従って、これら出力値から図３（ｂ）におけるビームスポット３ａは右下に歪んだビームモードであると装置は認識することになる。
【００３９】
また、ビームスポット３ａの形状が例えば図３（ｃ）に示されるように左下に歪んだとすると、第三引算回路７３からは正極の出力値（Ｅ２−Ｅ３）−（Ｅ４−Ｅ１）が現れ、また第六引算回路７６からは負極の出力値（Ｅ１−Ｅ２）−（Ｅ３−Ｅ４）が現れる。従って、これらの出力値から図３（ｃ）におけるビームスポット３ａは左下に歪んだビームモードであると装置は認識することになる。
【００４０】
なお本発明においては、二本の境界線が受光面１４の中心で直交するように四分割して受光領域が配置されているが、本発明における受光領域の配置は図２に表わした形態に限定されるものでなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、受光面１４は、多数の受光領域に分割されて、ビームスポット３ａの形状またはレーザスポットのパワーの二次元的な分布を認識するように構成されていてもよい。
【００４１】
また本発明において受光面１４は、反射ミラー１２側の光軸Ｌの延長線上に配置されているが、出力ミラー１３側の光軸Ｌの延長線上にハーフミラー（図示せず）の反射面を４５度傾けて配置させ、このハーフミラーに照射したレーザビーム２の反射光が受光面１４の中心を垂直に照射するように配置してもよい。
【００４２】
図１にもどって、レーザ装置１０の構成の説明を続ける。
駆動手段１６は、反射ミラー１２の面に対して光軸Ｌが直交するように固定し、第一演算回路３１Ａにおける第三引算回路７３と第六引算回路７６からの出力値に基づき、反射ミラー１２を光軸Ｌ方向へ平行に移動させ、出力ミラー１３と反射ミラー１２との間隔を可変するものである。即ち、駆動手段１６は、第三引算回路７３および第六引算回路７６から出力された出力値（ＯＵＴ−Ｌ／Ｒ，ＯＵＴ−Ｕ／Ｄ）がそれぞれゼロ出力もしくは予め定められた閾値の範囲内であれば作動しない。
【００４３】
そして、この出力値が閾値の範囲を超えると、ＴＥＭ００モードが崩れていると判断し、反射ミラー１２を光軸方向に動作させ、ＯＵＴ−Ｌ／ＲおよびＯＵＴ−Ｕ／Ｄの出力値がゼロまたは予め定められた閾値の範囲内となったところで移動を停止させる。なお、以上の説明において、駆動手段１６は、反射ミラー１２を移動させるように構成しているが、出力ミラー１３を移動させるように構成されていてもよい。さらに反射ミラー１２および／または出力ミラー１３を凹面鏡で構成した場合には、光軸の角度を変化させるべくミラー１２或いは１３の仰角を変えるように駆動しても前記した同様の効果が得られる。
【００４４】
電流制御手段１７は、加算回路７７からの出力値（ＯＵＴ−ＡＬＬ）に基づきレーザダイオード２１に供給する電流を制御し、レーザ媒質２３の内部に発生させる蛍光量を可変させ、被加工物１５に照射するレーザビーム２のパワーを制御するものである。即ち、レーザビーム２が長時間にわたり照射を継続するとビームパワーが経時的に低下するので、電流制御手段１７は、このビームパワーが常時一定となるように励起光の光量を増減させるように動作するものである。
【００４５】
このためには、レーザビーム２のパワー（加算回路７７における出力値）の出力基準値を検出値記憶手段３２に記憶させる必要がある。このレーザパワーの出力基準値はレーザ装置１０の初期状態（例えば、工場出荷時点）における加算回路７７における出力値（ＯＵＴ−ＡＬＬ）としてもよいし、その後、適宜変更することも可能である。そして、電流検出手段１７は、加算回路７７で得られた出力値がレーザパワー出力基準値もしくは予め定められた閾値の範囲を超えて小さければ、レーザダイオード２１への電流量を大きくし、出力基準値もしくは予め定められた閾値の範囲を超えて大きければ、電流量を小さくするように動作する。
【００４６】
検出値記憶手段３２は、受光面１４における各フォトダイオード４１、４２、４３、４４の出力値、または第一、第二演算回路３１Ａ、３１Ｂにおける出力値（ＯＵＴ−ＡＬＬ、ＯＵＴ−Ｌ／Ｒ、ＯＵＴ−Ｕ／Ｄ）を記憶するものである。そして、これら記憶した値に基づいて駆動手段１６および電流制御手段１７が動作するものである。通常、検出値記憶手段３２に記憶させる値は、装置の初期値もしくは工場出荷時における出力値が記憶されているが、任意の値に変更することも可能である。
【００４７】
検出値記憶手段３２で記憶されたデータに基づいて駆動手段１６は、リアルタイムで検出され演算されたＯＵＴ−Ｌ／ＲおよびＯＵＴ−Ｕ／Ｄの値が、記憶されている値の範囲内に入るように、反射ミラー１２を移動させる。一方、電流制御制御手段１７においては、受光面１４からリアルタイムで検出され演算されたＯＵＴ−ＡＬＬの値が、記憶されている規定範囲内に入るように、レーザダイオード２１に流す電流を変化させる。
【００４８】
一方、受光面１４を多数の受光領域の集合体（四分割より多分割の場合）として構成する場合は、ＴＥＭ００モード時における各々の受光領域の検出値を検出値記憶手段３２に記憶させる。そして、各々の受光領域の検出値がこの記憶した値もしくは設定した閾値の範囲内となるように、駆動手段１６を動作させレーザビーム２のモードを調整することになる。
【００４９】
図１、図２および図４を参照して本発明にかかるレーザ装置の動作について説明する。図４は、レーザ装置の動作フローを説明するためのフローチャートである。
まず励起光源であるレーザダイオード２１が発光し波長８０８ｎｍの励起光が発生する（ステップＳ１１）。この励起光がレーザ媒質２３を励起して蛍光を発生させ、この蛍光は反射ミラー１２と出力ミラー１３との間を反射してさらに新たな蛍光を発生させ、レーザ媒質２３内部のエネルギを増幅させる。このエネルギの一部が、出力ミラー１３から１０６４ｎｍの中心波長を有するレーザビーム２として被加工物１５にむけて出射する。このレーザビーム２は、初期に規定した定格通りであれば、ＴＥＭ００モードのビームモードを有しかつ所定のパワーを有している。
【００５０】
一方、反射ミラー１２からも、レーザビーム２と同一のビームモードでかつ一定割合でパワーが縮減された検査ビーム３が出力され、受光面１４に照射する（ステップＳ１２）。受光面１４を構成する第一、第二、第三および第四フォトダイオード（図２）は、それぞれに照射した検査ビーム３のパワーに比例する検出値をＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４として検出する（ステップＳ１３）。
【００５１】
これら検出値（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４）に基づいて第一演算回路３１Ａおよび３１ＢにおいてＯＵＴ−Ｌ／Ｒ、ＯＵＴ−Ｕ／Ｄ、ＯＵＴ−ＡＬＬが演算される（ステップＳ１４）。この演算されたＯＵＴ−Ｌ／Ｒ、ＯＵＴ−Ｕ／Ｄ値がゼロ近傍の値であればＴＥＭ００モードを維持していると判断し（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、次にＯＵＴ−ＡＬＬについて同様の比較を行う（ステップＳ１６）。
【００５２】
一方、レーザビーム２の照射が長時間にわたり、ＴＥＭ００モードが崩れてきた場合は、ＯＵＴ−Ｌ／Ｒ、ＯＵＴ−Ｕ／Ｄ値が閾値の範囲を超えてずれて検出される（ステップＳ１５：Ｎｏ）。この場合、駆動手段１６が、反射ミラー１２を光軸Ｌ方向にこのずれが解消されるまで移動させる（ステップＳ１８）。反射ミラー１２を移動させる場合、逐一、ステップＳ１１〜Ｓ１５のフローを繰返し、ＯＵＴ−Ｌ／Ｒ、ＯＵＴ−Ｕ／Ｄ値が閾値の範囲であるか否か確認する。そして、閾値の範囲に含まれれば、ビームモードはＴＥＭ００モードに回復したと判断され次のステップに進む（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）。
【００５３】
次に、ＯＵＴ−ＡＬＬの出力値の判断となる。レーザビーム２のパワーが、時間経過に伴い大きく変動している場合は、ＯＵＴ−ＡＬＬの出力値が予め定められた閾値の範囲外となる（ステップＳ１６：Ｎｏ）。この場合は、電流検出手段１７の出力を変化させ、ＯＵＴ−ＡＬＬの出力値が閾値の範囲内となるように、レーザダイオード２１への電流を制御する（ステップＳ１９）。そして、動作フローはステップＳ１１に帰還し、レーザダイオード２１への電流を変化させた後は前記した同様のフローが繰り返される。そして、加工物１５の加工終了の指示がなされるまでステップＳ１１からステップＳ１７までのフローが繰り返され（ステップＳ１７：Ｎｏ）、加工終了の指示がなされれば動作フローは終了する（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）。なお、ステップＳ１５とＳ１６の順序を入れ替えてもなんら問題はない。
【００５４】
以上述べたように、本発明においては、光共振器Ｒから取り出された検査ビーム３を複数の独立したフォトダイオード（受光領域）４１…４４に照射させ、各々の検出値を演算処理する。このように、検査ビーム３のビームモードとパワーとが同時に検出されることにより、対応するレーザビーム２のビームモードとパワーとの判断が単一のレーザ検出手段１８により可能となる。
【００５５】
さらに、本発明におけるビームモードおよびレーザパワー検出方法は、検査ビーム３を複数の独立したフォトダイオード４１、４２、４３、４４により検出してこの出力値を演算するといった原理に基づくため、従来と比較して使用する光学部品の点数が少なくてすみ、アライメント調整等のメンテナンスに拘束される時間を低減することができるといった効果が期待できる。
【００５６】
そして、本発明は、レーザ検出手段１８により得られたビームモードおよびパワーの情報に基づいて、それぞれ駆動手段１６およびレーザダイオード（励起光源）２１に帰還をかけることによりレーザビーム２のビームモード及びパワーが常に所定の値を保ち得るようにした。これにより安定した高品質のレーザビーム２を取り出すことができ、レーザビーム２をマーキング、パターニング、切断および溶接等の加工に用いた場合であっても常に安定した状態で加工が可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
この発明は以上のように構成したので、次のような特有の効果を奏する。
請求項１および請求項２に記載の発明によれば、レーザビームのビームモードとパワーとを複数の独立した受光領域からなる受光面と演算回路構成とで検出することが可能となり、安価なモード検出手段を備えたレーザ装置を提供できるものである。また、光学部品の使用点数が少なくなるので、正確なマーキングやパターニングの加工に供し得るレーザ装置の小型化、低価格化およびメンテナンスの簡便化をはかることが可能になる。
【００５８】
請求項３および請求項４に記載の発明によれば、ミラーの間隔や仰角を任意に調整することが可能となり、レーザビームのビームモードが常時ＴＥＭ００となるように調整することができる。
請求項５に記載の発明によれば、レーザスポットの上下左右のパワーの偏りを検出することにより、レーザビームのビームモードを簡易な回路構成により検出することができる。
請求項６に記載の発明によれば、レーザビームのパワーを簡易な回路構成により検出し、パワーが常時一定になるように調整することができる。
【００５９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるレーザ装置の基本構成を示す構成図である。
【図２】本発明における受光面のビーム照射面および演算回路のブロック図を示すものである。
【図３】ＴＥＭ００モードが崩れた状態のビームスポットの形状を具体的に示す図である。
【図４】本発明におけるレーザ装置の動作フローを説明するためのフローチャートである。
【図５】従来のレーザ装置の基本構成を示す構成図である。
【符号の説明】
Ｒ  光共振器
２  レーザビーム
３  検査ビーム
３ａ  ビームスポット
１０  レーザ装置
１１  励起モジュール
１２  反射ミラー
１３  出力ミラー
１４  受光面
１５  被加工物
１６  駆動手段
１７  電流制御手段
１８  レーザ検出手段
２１  レーザダイオード（励起光源）
２２  ヒートシンクブロック
２３  レーザ媒質
３１Ａ  第一演算回路
３１Ｂ  第二演算回路
３２  検出値記憶手段
３３  検出信号処理回路
４１  第一フォトダイオード（受光領域）
４２  第二フォトダイオード（受光領域）
４３  第三フォトダイオード（受光領域）
４４  第四フォトダイオード（受光領域）
７１  第一引算回路
７２  第二引算回路
７３  第三引算回路
７４  第四引算回路
７５  第五引算回路
７６  第六引算回路
７７  加算回路
【図１】
2005012046.tif 000003
【図２】
2005012046.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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