(57)【要約】レーザ光減衰装置を製造するための製造装置は、２つのプリズムＡ、Ｂの対向面を直接あるいは所定の厚さを有するスペーサを介して互いに押圧させることで対向面間隔を初期設定する保持装置（Ｌ型保持部ＨＡ、ＨＢ）と、この初期設定状態を基準として、プリズムＡ、Ｂの対向面での近接場光の発生と結合によって、プリズムＡに入射される光出力に対し、プリズムＡ、Ｂのいずれか一方を出射する光出力の比率を調整する調整機構（アクチュエータ４）と、光出力の比率を測定する減衰量計測システムとから構成されている。これにより、耐久性、実用性に優れた減衰量可変の光減衰器を低コストに実現することができる。
2018139486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのプリズムＡ、Ｂの対向面を直接あるいは所定の厚さを有するスペーサを介して互いに押圧させ、対向面間隔を最小化することでアライメントを初期設定する保持装置と、
この初期設定状態を基準として、前記プリズムＡ、Ｂの対向面での近接場光の発生と結合によって、前記プリズムＡに入射される光出力に対し、前記プリズムＡ、Ｂのいずれか一方を出射する光出力の比率を調整する調整機構と、
前記光出力の比率を測定する計測システムと
からなることを特徴とする、レーザ光減衰器を製造するための製造装置。
【請求項２】
前記保持装置は、前記プリズムＡ、Ｂを、双方の対向面を互いに密着するよう押圧してアライメントの初期設定状態を維持したまま、それぞれステージＳＡ、ＳＢ上に固定するものであり、
前記調整機構は、前記ステージＳＡ、ＳＢの少なくとも一方を移動させるものであることを特徴とする請求項１に記載された製造装置。
【請求項３】
前記保持装置は、前記プリズムＡ、Ｂの対向面間に配置された所定の厚さＤを有するスペーサにより、両者の対向面間隔を確定させた状態を維持したまま初期設定するとともに、前記プリズムＡ、Ｂを互いに押圧することで、両者の対向面間隔を前記スペーサの厚さにより確定する調整機構を兼ね備えていることを特徴とする請求項１に記載された製造装置。
【請求項４】
前記調整機構は、前記スペーサの形状を、前記プリズムＡ、Ｂに付加する押圧力の加減によって変形させることで対向面間隔を可変とするものであることを特徴とする請求項３に記載された製造装置。
【請求項５】
前記調整機構は、前記スペーサの形状を前記プリズムＡ、Ｂの対向面両端において異ならせ、前記プリズムＡ、Ｂの対向面に沿って、両者の対向面間隔を変化させることを特徴とする請求項４に記載された製造装置。
【請求項６】
前記調整機構により予め対向面間隔が確定されている前記プリズムＡ、Ｂを、レーザ光に対する基準面を有する台座に固定し、前記台座の基準面を回転させることで、レーザ光の入射角を調節する回転調節機構をさらに備えていることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載された製造装置。
【請求項７】
前記調整機構により、前記光出力の比率が調整された状態で、前記プリズムＡ、Ｂが固定されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載された製造装置により製造されたレーザ光減衰器。
【請求項８】
固定された前記プリズムＡ、Ｂがレーザ光に対する基準面を有する台座に固定され、前記台座の基準面を保ちつつ、レーザ光の入射位置を変化させることにより、減衰量を調整可能としたことを特徴とする請求項７に記載されたレーザ光減衰器。
【請求項９】
固定された前記プリズムＡ、Ｂがレーザ光に対する基準面を有する台座に固定され、前記台座の基準面を回転させ、レーザ光の入射角を変化させることにより、減衰量を調整可能としたことを特徴とする請求項７に記載されたレーザ光減衰器。
【請求項１０】
固定された前記プリズムＡ、Ｂは、前記調整機構の回転軸に対して軸対称の形状をなすことを特徴とする請求項９に記載されたレーザ光減衰器。
【請求項１１】
固定された前記プリズムＡ、Ｂの前後の少なくとも一方に、レンズ状の光学素子を設置することで、固定された前記プリズムＡ、Ｂによるレーザ光の屈折を補正することを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載されたレーザ光減衰器。
【請求項１２】
２つのプリズムＡ、Ｂの対向面を直接あるいは所定の厚さを有するスペーサを介して互いに押圧させることで対向面間隔を最小化し、アライメントの初期状態を設定する第１の工程と、
初期設定状態を基準として、前記プリズムＡ、Ｂの対向面での近接場光の発生と結合によって、前記プリズムＡに入射される光出力に対し、前記プリズムＡ、Ｂのいずれか一方を出射する光出力の比率を調整機構を用いて調整する第２の工程と、
前記光出力の比率を、減衰量を計測する計測システムを用いて測定する第３の工程と、
前記計測システムによる測定値に基づいて前記調整機構を作動させ、前記光出力の比率が目標値となった状態で、前記プリズムＡ、Ｂを互いに固定する第４の工程と、
からなることを特徴とするレーザ光減衰器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の減衰量に設定可能なレーザ光減衰器の製造装置、この製造装置により製造されたレーザ光減衰器及びこのレーザ光減衰器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、加工装置、計測装置、医療機器などの分野で広く活用されており、性能向上や安全確保のため、レーザ光の出力（パワー・エネルギ）、空間的プロファイル（レーザ光の断面形状、広がり角）、時間的プロファイル（パルス幅、繰り返し波形、波長）を正確に測定することが不可欠である。たとえば、レーザ加工装置や医療機器において、集光点のビームプロファイルの乱れは、加工不良の発生や医療事故の原因となるため、高精度な計測が求められる。同様に、工場の製造ラインで連続運転されるレーザ加工装置では、レーザ発振出力の時間的な変動が、製品のばらつきや品質低下に直結するため、レーザ出力を正確にモニタすることが求められる。【０００３】
一般に、光の出力や、空間・時間的プロファイルを高精度に計測する装置には、フォトダイオードやＣＣＤ等の光電型の光センサが使用されている。光電型の光センサは、感度が高く、しかも小型で高速である一方、高強度な光が入射した場合、センサが飽和して正しい測定が困難となるばかりでなく、センサの損傷等を招き、故障の原因となる場合もある。
そのため、高強度なレーザ光が搭載された加工装置などでは、減光フィルタ等の光減衰器を用いてレーザ光の強度を十分に減衰させた後、計測装置に入射させることで、加工点のレーザスポット形状の測定や出力変動のモニタリングを行っている。
このような高強度なレーザ光を測定する場合、光減衰器の選定が重要となる。減衰原理が不適切な場合、減衰器自体の破損を招くばかりでなく、減衰量が不足していると後段の計測装置の焼損や事故を招くことになる。一方、減衰量が過大であると、Ｓ／Ｎが低下し、測定誤差の要因となる。【０００４】
従来より、光減衰器として、基板内に目的の波長を吸収する物質を分散させて透過の過程で光強度を徐々に落とす吸収型、基板と周囲媒質の屈折率差や基板表面の薄膜等を利用する反射・透過型、さらに、特定の偏光方位の光のみを選択的に分離する偏光型などが存在する。
しかし、これらの光減衰器は、いずれも高強度なレーザ光の減衰に対応することができない。たとえば、吸収型や偏光型は光学素子の耐久性が低く、高強度なレーザ光が入射すると容易に破損したり、発熱によるレンズ効果によってビーム形状に歪が生じる。【０００５】
また、反射・透過型は耐久性については期待できるものの、一つの素子で得られる減衰量が高々数％から０.０１％程度にすぎず、高強度のレーザ光を減衰させるには、複数の素子を直列に並べて段階的に光強度を減衰させることになる。そのため、減衰光学系の大型化や多重反射による迷光の発生、光軸のずれ等が避けられず、これらの減衰器を介したレーザ光の測定では信頼性を確保することが困難であった。
このような背景から、コンパクトなサイズで、高強度のレーザ光に対しても適用可能な耐久性を持ち、減衰量を高精度に設定可能な可変型の光減衰器の開発が求められている。【０００６】
ところで、光学素子が高強度なレーザ光に対して耐久性を発揮させるためには、素子内部で光エネルギを吸収しない透明な材料を用いればよく、このような材料で光減衰器を構築する手段として、近接場光（エバネッセント光）の結合効果を利用する技術が知られている。【０００７】
特許文献１には、ビームスプリッタからモニタ光を光検出器で検出し、レーザ出力を安定化させることが記載されている。
特許文献２には、凸レンズと直角プリズムとの間でエバネッセント光を発生させ、凸レンズの凸面形状に応じたレーザ強度分布を得ることが記載されている。
非特許文献１には、波長が数センチメートルの電波領域において、エバネッセント波（光）の発生・結合により透過率と反射率を可変させることが記載されている。
非特許文献２には、波長１０.６μｍの赤外線領域において、エバネッセント波の発生・結合によって生じた減衰量を、アクチュエータを用いて可変させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−１４５１６３号公報
【特許文献２】特開２００９−２７１３２５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.J. Brady, et al., “Penetration of Microwaves into the Rarer Medium in Toral Reflection”, J. Opt. Soc. Am, Vol.50, No.11, pp.1080-1084, 1960.
【非特許文献２】K. Wilner, and N.P. Murarka, “Design considerations and test result of an evanescent switch-attenuator”, Appl. Opt., Vol.20, No.20, pp.3600-3604, 1981.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近接場光の結合特性を利用した光の減衰について、図１を用いて説明する。
プリズムＡの外部から斜面に対し全反射となる角度で光（Ｐｉｎ）を入射すると、斜面の外側には近接場光（エバネッセント光）が発生する。この近接場光は、斜面（近接場光の発生面）近傍から波長程度の範囲に局在し、発生面の法線方向へは伝搬しない性質を持っている。
近接場光の強度はプリズムＡの発生面の表面で最も大きく、発生面からの距離に従って指数関数的に減衰する。ここで近接場光の到達距離（浸み出し長）ｄpは、光の波長をλ、プリズムの屈折率をｎ1、周囲の屈折率をｎ2、プリズム斜面へのレーザ光の入射角をθinとすると、次式で与えられる。
ｄp＝λ／２π／(ｎ12・ｓｉｎ2θin−ｎ22)1/2【００１１】
ところで、近接場光の存在する領域に光を散乱させる物体を近づけると、近接場光は物体に結合し、局在性を失って空間を伝搬するようになる。この空間伝搬光の強度は、散乱体の位置における近接場光の強度に依存する。このときプリズムＡ内に反射する光の出力は、入射光の出力からこの伝搬光の出力を差し引いた値となる。すなわち、プリズム材料の光吸収が無視できる場合、入射光の出力をＰin、反射光の出力をＰr、散乱された伝搬光（透過光）の出力をＰtとすると、次の関係が成り立つ。
Ｐin＝Ｐr＋Ｐt
散乱体としてプリズムＢを導入し、その斜面を結合面とすると、プリズムＡへの入射光の出力Ｐinを、プリズムＡから出射される反射光出力Ｐｒと、プリズムＢへの透過光出力Ｐtに分岐する光分配器（ビームスプリッタ）が形成される。【００１２】
近接場光を発生、結合させるプリズムＡ、Ｂの斜面を、一対の「対向面」と呼ぶこととすると、対向面間の間隔や、プリズムＡ内部から対向面に入射する光の入射角θｉｎを変化させることで、プリズムＡ、Ｂの対向面における反射減衰量及び透過減衰量を、原理的にはそれぞれ１００％〜０％及び０％〜１００％の間で調整可能である。【００１３】
図２は、プリズムＡ、Ｂを光学ガラスＢＫ７からなる直角プリズムとし、レーザ波長１.１μｍとした場合において、プリズムＡ、Ｂの対向面間隔［ｎｍ］に対する反射率及び透過率の変化を示すもので、線は理論値（実線は反射率の理論値、破線は透過率の理論値）〇のプロットは実験値を示す。なお、実験では、入射角θｉｎを４５°に設定している。
一方、図３は、プリズムＡの斜面への入射角（図１のθin）の調整によって近接場光の浸み出し長を変化させた場合の、プリズムＡ、Ｂの対向面間隔［ｎｍ］に対する透過率の変化（実線、破線など各種の線は理論値、〇のプロットは実験値）を示す。【００１４】
しかし、この近接場光の結合効果を利用するには、全反射による近接場光発生面と、その近傍の近接場光結合面との間隙を、波長オーダの精度で多軸アライメントする必要がある。このため、この原理を用いた減衰器は、先行技術文献に代表されるように、波長が比較的長く、アライメント精度が要求されない電波や中赤外線を対象とするものに限られていた。
一方、産業需要の高い可視〜近赤外線領域に適用するには、ナノメートルオーダのアライメント精度が不可欠で、熟練者の高度な調整技能や、自動で行う場合もセンサや多軸アクチュエータ機構及びそれらの最適化演算などが求められ、多大なコストを要することから、これまで実用化の障壁となっていた。【００１５】
加えて、近接場光の結合効果を利用した減衰器の減衰量は、原理的に、アライメントが整った後で、初めて対向面の間隔や角度で決定づけられる量であるため、アライメント自体が困難であった従来の状況の下では、その減衰量を所望の値に制御することや、減衰量を自在にかつ高精度に設定することは、技術的に不可能であった。【００１６】
そこで、本発明の目的は、近接場光の発生面と結合面における多軸アライメント作業を、精度を維持したまま簡略化するとともに、減衰量の計測・調整を高精度に行うことによって、高強度レーザにも適用可能な耐久性を備え、可視〜近赤外波長域で機能させることができる、実用性に優れた減衰量可変の光減衰器を低コストに実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するため、本発明によるレーザ光減衰器の製造装置は、２つのプリズムＡ、Ｂの対向面を直接あるいは所定の厚さを有するスペーサを介して互いに押圧させ、対向面間隔を最小化することでアライメントを初期設定する保持装置と、この初期設定状態を基準として、プリズムＡ、Ｂの対向面での近接場光の発生と結合によって、プリズムＡに入射される光出力に対し、プリズムＡ、Ｂのいずれか一方を出射する光出力の比率を調整する調整機構と、この光出力の比率を測定する計測システムとからなり、比率の測定結果に応じて対向面間隔を調整機構により調整し、所望の減衰量を得られるようにした。【００１８】
また、本発明によるレーザ光減衰器は、上記の製造装置における調整機構により、光出力の比率が調整された状態で、プリズムＡ、Ｂが固定されたもので構成されている。【００１９】
本発明によるレーザ光減衰器の製造方法は、２つのプリズムＡ、Ｂの対向面を直接あるいは所定の厚さを有するスペーサを介して互いに押圧させることで対向面間隔を最小化し、アライメントの初期状態を設定する第１の工程と、初期設定状態を基準として、プリズムＡ、Ｂの対向面での近接場光の発生と結合によって、プリズムＡに入射される光出力に対し、プリズムＡ、Ｂのいずれか一方を出射する光出力の比率を調整する第２の工程と、光出力の比率を測定する第３の工程と、比率の測定値に基づいて調整機構を作動させ、光出力の比率が目標値となった状態で、プリズムＡ、Ｂを互いに固定する第４の工程とから構成されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、プリズムの対向面間の多軸アライメント作業の高精度化と簡略化を両立させると同時に、アライメント中、リアルタイムに計測した減衰量が所望の値となるように高精度に調整可能とすることで、近接場光結合型で、減衰量を所望の値に設定可能な光減衰器を低コストに実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、近接場光による反射・透過率制御の基本原理を示す図である。
【図２】図２は、プリズムＡ、Ｂの対向面間隔［ｎｍ］に対する反射・透過率の変化を示す図である。
【図３】図３は、プリズムＡ、Ｂの対向面間隔［ｎｍ］に対する透過率と入射角度θｉｎとの関係を示す図である。
【図４】図４は、実施例１による保持装置を用いたプリズムＡ、Ｂの対向面のアライメントにおける平面図である。
【図５】図５は、実施例１による保持装置を用いたプリズムＡ、Ｂの対向面のアライメントにおける、対向面に沿った方向から見た側面図である。
【図６】図６は、本発明に基づいて作製しようとする減衰器１の減衰量を設定するための、対向面間隔ｄの調整機構と減衰量計測システムを示す図である。
【図７】図７は、図６の減衰量計測システムにおいて、ステージＳＢを稼働することによりプリズムＡ、Ｂの対向面間隔ｄを変化させて、対向面間隔と透過減衰量を同時に測定した結果を示す図である。
【図８】図８は、所望の減衰量が得られる対向面間隔を保持した状態で、プリズムＡ、Ｂを接着剤により固定した様子を示す平面図である。
【図９】図９は、厚さＤを持つスペーサを介在させた状態で、Ｌ型保持部ＨＡ、ＨＢが具備する調整機構Ｆ及びＦ´によってプリズムＡ、Ｂの対向面間に押圧力を加え、対向面間隔を設定する実施例２を示す図である。
【図１０】図１０は、厚さＤを持つスペーサを介在させた状態で、保持装置が具備する調整機構Ｆ及びＦ´によってスペーサ形状を変化させつつ、走査機構と減衰量計測システムによって減衰量の空間分布を測定する実施例２の変形例を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例１、２で構成した光減衰器を、減衰量計測システム内の回転ステージ８に設置し、対向面の近接場光発生部の近傍を軸にステージ回転角度を変化させることで、減衰量のレーザの入射角θinに対する分布を測定する実施例３を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例３で計測した減衰量の角度分布の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、イメージセンサを用いたビーム形状測定器の受光部に、実施例３で構築した可変光減衰器を実装し、測定対象のレーザ光の強度を、センサに適したレベルに調整するようにした実施例４を示す図である。
【図１４】図１４は、多角形プリズムを用いて可変光減衰器を構築する実施例５を示す図である。
【図１５】図１５は、プリズムＡ、Ｂからなる円柱状の可変光減衰器の前後に、光線の向きを補正するレンズを付与した実施例６を示す図である。
【図１６】図１６は、プリズムＡ、Ｂからなる円柱状の可変光減衰器の前後に、レーザ光軸に対して正対する面を持つ、軸受素子１５を固定した実施例７を示す図である。
【図１７】図１７は、実施例１〜３で構築した光減衰器を、レーザ発振器の出力モニタ用ビームサンプリング素子として応用している実施例８を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［実施例１］
実施例１は、例えば、加工等の産業用途で多く普及する波長１.１μｍの高出力レーザにも適用し得る透過型光減衰器を製造するものである。
まず、プリズムＡ、Ｂのアライメントについて、図面を用いて説明する。
図４はプリズムＡ、Ｂのアライメントにおける平面図、図５は対向面に沿った方向からの側面図を示している。なお、この実施例では、プリズムＡ、Ｂとして、同形状の直角プリズムを用い、図４において斜辺を形成するプリズムＡ、Ｂの面（底面）を互いに対向させて配置し、それぞれ近接場光の発生面及び結合面としている。
【００２３】
アライメントを行う際は、まず、プリズムの対向面外を保持する保持装置により、プリズムＡ、Ｂの対向面同士を互いに密着させる。この実施例では、保持装置は、プリズムＡ、Ｂの頂角部及び脚面部の形状に沿って対向面に向かって保持する上下一対のＬ型保持部ＨＡ、ＨＢと、このＬ型保持部ＨＡ、ＨＢの上側、下側において互いに対向する両端部に螺合するネジ部品Ｆ、Ｆ’とで構成され、着脱・調整可能な締結機構として機能する。
すなわち、Ｌ型保持部ＨＡ、ＨＢをネジ部品Ｆ、Ｆ’により互いに近接するように引き付けることで、Ｌ型保持部ＨＡ、ＨＢの内側に保持されたプリズムＡ、Ｂの対向面同士を互いに密着させることができる。
この状態は、プリズムＡの近接場光発生面とプリズムＢの近接場光結合面の間で各軸のアライメントが最適化され、対向面間の距離（以下、「対向面間隔」という。）が最小で、かつ対向面間の平行度が最大の理想的な状態に相当する。これによりプリズムＡ、Ｂの対向面間隔ｄ及び両対向面間のなす角度は原理的に零となるが、本発明ではこの状態を、対向面の位置関係を調整するための距離及び角度の原点と位置付け、この操作をアライメントにおける「初期設定」と呼ぶことにする。
【００２４】
次いで、上記のようにアライメントが最適化された状態のプリズムＡ、Ｂを、調整機構であるステージＳＡ、ＳＢにそれぞれ設置する。本実施例によれば、このときステージＳＡ、ＳＢのアライメントは整っている必要がなく、プリズムＡ、Ｂを設置した際に生じる各ステージとプリズムの間に生じる間隙は、図５に示すように充填層Ｓを形成することで補完する。この実施例では、充填層Ｓを形成する未硬化のジェル状接着剤を、ステージＳＡ、ＳＢの固定面に適量塗布したのち、Ｌ型保持部ＨＡ、ＨＢによりプリズムＡ、Ｂの対向面の密着を維持した状態のまま、プリズムＡをステージＳＡ上に、そして、プリズムＢをステージＳＢ上に配置する。この状態で接着剤を硬化させると、プリズムＡ、Ｂは、最適なアライメント、すなわち、対向面間隔ｄ≒０かつ両対向面間のなす角度≒０を保った状態でそれぞれステージＳＡ、ＳＢ上に固定される。
【００２５】
通常の手順では、ステージＳＡ、ＳＢ上にプリズムＡ、Ｂをそれぞれ固定したのち、ステージＳＡ、ＳＢのアライメントを調整・最適化していくが、この作業は、人が行う場合、熟練者による高度な技能や時間を要し、自動で行う場合も、多軸ステージやアクチュエータ、それらを制御する計算機や最適化プログラム等の高コストな設備が不可欠である。
これに対し、本実施例では、プリズムＡ、ＢをそれぞれステージＳＡ、ＳＢに固定する前段階で、前述のようにＬ型保持部ＨＡ、ＨＢを用いてプリズムＡ、Ｂの対向面を密着させることにより、アライメントを整えた状態を作り出しておく。そして、この状態のプリズムＡ、ＢとステージＳＡ、ＳＢとの間に残るミスアライメントは、充填層Ｓによって補完することで、前述したような煩雑で高コストなアライメント技術が不要となる。なおこの実施例では、厳密には、プリズムＡ、Ｂを通る光軸とステージの稼働軸の間に若干ずれが生じるおそれがあるが、これは光減衰器の性能に影響するものではない。
【００２６】
充填層としての接着剤が硬化した後、Ｌ型保持部ＨＡ、ＨＢを取り外し、この状態を基準として調整機構であるステージＳＢを並進運動させることで、プリズムＡ、Ｂの対向面間隔ｄを、高い平行度を維持したまま変化させることが可能である。特に、プリズムＢ側を移働させることで、プリズムＡへの反射率及びプリズムＢへの透過率を調整する際、反射もしくは透過により出射するビームの光軸を一定に維持することができ、同時に行う減衰量測定の精度が向上する。
【００２７】
なお、この実施例では、プリズムＡ、Ｂとして同形状の直角プリズムを採用しているが、他の形態のプリズムや大小異なるプリズムを採用してもよいし、さらに各プリズムの対向面を種々選択してもよい。
また、充填層の材料としては、上記未硬化の接着剤の他、プリズムＡ、ＢとステージＳＡ、ＳＢの隙間の形状に沿うように塑性変形する粘土状の材料を充填層として用い、それらを介して治具により外力を加えて固定する方式でもよい。
【００２８】
次に、プリズムＡ、Ｂの対向面間隔ｄを調整し、減衰量を設定するための減衰量計測システムについて、図面を用いて説明する。
図６は、本発明に基づいて作製しようとする減衰器１の対向面間隔ｄを調整する調整機構と、減衰量を測定するためのレーザ光源（減衰量測定用レーザ）と光センサからなる計測システムの平面図を示している。プリズムＡから、対向面の臨界角以上の角度θａ（減衰量測定レーザの対向面入射角度）で減衰量測定用のレーザＬａを入射し、プリズムＡの対向面において全反射させ、近接場光を発生させる。
ここで、プリズムＡに対し所定の対向面間隔ｄに設定されたプリズムＢの対向面に到達した近接場光の一部は伝搬光に変換され、対向面を透過して、プリズムＢから出射する。ここでは、この透過光を対象に減衰量を設定するため、プリズムＢから出射した透過光の出力を光センサＫａを用いて検出している。
【００２９】
光センサＫａでは、予め、減衰量測定用レーザ光Ｌａの減衰器１への入射出力Ｐinを測定しておき、Ｐinに対する減衰器出射後の出力Ｐtとの比から、減衰量を導出する。減衰量を正確に測定するため、光センサＫａは、ＰinとＰtとの出力レベルの間で感度の直線性が担保されているものを用いる。たとえば、光電型センサでは、飽和しない光強度のレベルでは、１０5以上のオーダで良好な直線性が得られるものがあるが、複数のセンサを組み合わせることで、さらに広い範囲で直線性を担保することも可能である。
演算装置２は、入力される光センサＫａの信号に基づいて減衰量を計算し、目標値との差に基づいてアクチュエータ駆動回路３に対する制御信号を出力し、アクチュエータ４を介して、減衰量が目標値となるようステージＳＢの位置をフィードバック制御する。
なお、アクチュエータ４としては、高精度な位置決めが可能なピエゾアクアチュエータ等が好適である。
【００３０】
ここで、演算装置２で計算される減衰量が目標値を上回るときは、近接場光の結合量を増大させるように、すなわち、プリズムＡ、Ｂの対向面間隔ｄを狭める方向に、ステージＳＢを稼働する。一方で、目標値を下回るときは、近接場光の結合量を減少させるように、すなわち、対向面間隔ｄを広げる方向に、ステージＳＢを稼働する。
本実施例では、減衰量測定用レーザＬａの対向面上のスポットに重畳させる形で、対向面間隔測定用レーザＬｂとしてＨｅＮｅレーザを、プリズムＡにおける対向面に臨界角を下回る角度で入射させ、プリズムＡ、Ｂの対向面間での相互反射による干渉信号を、光センサＫｂで検出している。なお、θｂは、対向面間隔測定用レーザＬｂの対向面入射角度である。
干渉信号は、相互反射面の距離が変化すると、距離に応じて波長の１／２の周期で正弦波が得られることから、ＨｅＮｅレーザ光の波長を計測する高精度なスケールとしてステージＳＢの位置決め動作の指標に用いている。
【００３１】
図７は、ステージＳＢを稼働しプリズムＡ、Ｂの対向面間隔を変化させて、対向面間隔と、透過減衰量を測定した結果を示す。図において実線は、理論反射率及び透過率、点線は干渉信号の実験値、プロットは透過率の測定値を示す。減衰量測定用レーザＬａ、対向面間隔測定用レーザＬｂには、波長１.１μｍ、ランダム偏光の出力１０ＷのＹＡＧレーザ、及びＨｅＮｅレーザをそれぞれ用い、光センサＫａ及びＫｂには、それぞれＧｅ製光電型センサ、Ｓｉ製光電型センサを用いている。これより、透過減衰量をリアルタイムにモニタしながら対向面間隔ｄを調整し、目標とする減衰量が得られる位置にステージＳＢを制御することで、減衰量を高精度に調整可能である。
特に減衰量が大きい領域では、光センサＫａで得られる信号の、距離に対する変化勾配が緩慢になり、Ｓ／Ｎも低下することから、ＳＢの高精度な位置決め制御が難しくなることがある。このような領域では、位置決めのフィードバック信号にセンサＫｂの出力信号を併用することで、対向面間隔ｄを高精度に保持することが有効である。
【００３２】
このようにして、所望の減衰量が得られる対向面間隔ｄでステージＳＢを一定位置に保持した状態で、図８に示すように対向面の外周部など、プリズムＡ、Ｂ内を透過する光路を遮らない位置に接着剤５を塗布し硬化させる。接着剤としては、十分な機械的堅牢性が確保できるエポキシ系や透明度が高い光学接着剤が好適である。
この接着剤が硬化し、プリズムＡ、Ｂが固定化されたのち、プリズムＡ、ＢとステージＳＡ、ＳＢとの間の充填層を取り除くことで、所定の減衰量を持つプリズムＡ、Ｂからなるレーザ光減衰器が完成する。
【００３３】
なお、近接場光の到達距離は、前述の式に示すとおり、対向面間の屈折率ｎ2にも依存する。これは、湿度の変化や粉じん等の環境要因によって減衰量が変化することを意味している。そこで、対向面間を窒素ガス等の不活性ガスで満たした状態で、対向面の外周部を真空用接着剤等で封止することで、環境変動に対する安定性を与え実用性を向上することができる。
なお、この実施例では、ステージＳＢをアクチュエータ４により稼働しているが、光センサＫａ、Ｋｂの信号に基づいて、ネジ機構等によりステージＳＢの移動量を手動で調整するようにしてもよい。
【００３４】
［実施例２］
実施例２は、保持装置に具備された調整機構を用い、プリズムＡ、Ｂの対向面間に作用する押圧力に対し所定の対向面間隔を設定するスペーサを介在させた状態でこれらを互いに押圧させ、低コストに対向面間のアライメント初期設定ならびに対向面間隔の調整を行っている。
図９に平面図を示す。厚さＤのスペーサ６をプリズムＡ、Ｂの対向面間のレーザ光路を遮らない位置に挟み込むように配置し、プリズムＡ、Ｂを、それぞれ、実施例１と同様の構造を有するＬ型保持部ＨＡ、ＨＢ内に納めた状態で、実施例１と同様に、Ｌ型保持部ＨＡ、ＨＢ間に設けられた、調整機構としてのネジ部品Ｆ、Ｆ´を動作させることで、プリズムＡ、Ｂの対向面間に押圧力を加え、対向面とスペーサとの密着状態を作り出している。
【００３５】
ここで、スペーサ６として、ネジ部品Ｆ、Ｆ´の最大締め付けトルクによっても厚さの変化を無視し得る剛性の高い材料を用いた場合、ネジ部品Ｆ、Ｆ´を所定の締め付けトルクで締め付けることにより、プリズムＡ、Ｂの対向面間隔ｄをスペーサ６の厚さＤにより一律に設定することができる。
【００３６】
一方、スペーサ６として、ネジ部品Ｆ、Ｆ´のトルクによって、弾性変形あるいは塑性変形して厚さＤを調整できる材料を用いた場合、対向面間に印加する押圧力を加減することで、対向面間隔ｄの調整が可能である。
すなわち、押圧力が十分に小さな領域では、対向面間隔ｄは、スペーサの厚さＤによって設定される。一方、押圧力を増大し、スペーサ材料を弾性変形もしくは塑性変形させることで、対向面間隔ｄを当初のＤから徐々に縮小し、任意の値に設定することができる。
Ｌ型保持部ＨＡ、ＨＢの部品にレーザ光が通過する空間を設け、図６に示す減衰量の計測システムを適用することで、実施例１と同様に減衰量の調整と計測を同時に行う製造装置を構築している。
この場合、プリズムＡ、Ｂの脚面に接するＬ型保持部ＨＡ、ＨＢと、調整機構を構成するネジ部品Ｆ、Ｆ´の間に適度なアソビを持たせることで、ネジ部品Ｆ、Ｆ´により対向面間隔ｄを調整する際、プリズムＡ、Ｂの対向面に作用する、法線方向以外の横力を逃がし、押圧力の微調整が可能な構造としている。
【００３７】
本実施例の光減衰器において、光の入射位置によらず常に一定の減衰量が得られるようにするには、スペーサ寸法の均一性が鍵となる。そこで、スペーサとしては、箔状の金属や、直径値が高精度に与えられたポリマーの粒子径標準微粒子を対向面間に配置してもよい。あるいは、事前にプリズム対向面の光路を遮らない位置に、スパッタリング法や蒸着法、スピンコート法などによって薄膜を形成しておいてもよい。特に、これらの成膜法ではナノメートルオーダで所望の膜厚の作製が容易であるため、高精度な対向面間隔の設定に非常に有効である。
【００３８】
さらに、本実施例では、Ｌ型保持部ＨＡ、ＨＢ間の調整機構を構成するネジ部品Ｆ、Ｆ´は、対向面の４隅近傍の計４か所（図９に示されるネジ部品Ｆ、Ｆ´及びそれぞれの背面側）に設けている。このため、スペーサ６を、ネジ部品Ｆ、Ｆ´のトルクによって弾性変形あるいは塑性変形させて厚さＤを調整できる材料で形成した場合、各位置の締結力を独立に調整することで、対向面間隔ｄに分布を与えることも可能である。つまり、４か所をバランスさせることで減衰量を均一に分布させたり、あるいは、この均一性を意図的に崩し、光が透過する場所によって減衰量の値が異なるような分布を与えることも可能である。
【００３９】
このように光が透過する場所によって減衰量を可変とし、対向面内の透過率や反射率の分布を計測する場合は、減衰量計測システム内に、図１０に示すように、走査機構７を導入し、レーザ光に対する基準面を有する台座に固定したプリズムＡ、Ｂを両者の対向面に沿って移動させることで、減衰器へのレーザ光の入射位置を変化させ、場所毎の減衰量をセンサＫａで測定する。
より高速に測定するためには、走査機構７に代えて、検査対象領域を覆う太さに拡大した測定ビームＬａを入射しつつ、光センサＫａには、測定ビームを受光可能なサイズのイメージセンサ（ＣＣＤ、ＣＭＯＳカメラ等）を用いる。こうすることで、走査機構７を用いることなく、一枚の画像を撮影するだけで、低コストかつ高速に減衰量の多点同時測定が可能である。
このように、光減衰器における減衰量の分布を予め測定し、マップを作成しておくことで、基準面に対するレーザ入射位置を変えることによって減衰量を調整する可変光減衰器を構築できる。
【００４０】
以上のように、調整機構としてのネジ部品Ｆ、Ｆ´の締め付け力を調整しつつ減衰量の測定を行い、所望の減衰量とその分布が得られる状態に至ったところで、実施例１と同様に対向面の外周部を接着剤５等で固定化する。その後、Ｌ型保持部ＨＡ、ＨＢを取り外すことで、レーザ光減衰器が完成する。
なお、本実施例においても、ネジ部品Ｆ、Ｆ´の締結力は、所望の位置決め精度を有するモータを用いて回転駆動することにより自動的に調整するようにしてもよいし、ネジ部品Ｆ、Ｆ´をドライバ等により手動で調整するようにしてもよい。
【００４１】
［実施例３］
実施例３では、実施例１あるいは実施例２により、予め対向面間隔が確定されているプリズムＡ、Ｂからなるレーザ光減衰器をレーザ光に対する基準面を有する台座に固定し、この台座を回転させてレーザ光の入射角を調整することによって、減衰量可変のレーザ光減衰器を構築している。
具体的には、図１１に示すように、実施例２に基づいて、厚さ０.８μｍのアルミニウム箔をスペーサとして用い、プリズムＡ、Ｂの対向面間を平行に維持した状態で、間隔ｄは予め確定されるよう固定化し、透過減衰量を０.２％に設定したうえで、減衰量計測システム内に設置した、回転調節機構としての回転ステージ８上に配置して、レーザ入射角度に対する減衰量の分布を計測している。なお、回転ステージ８は、減衰対象とするレーザ光の入射方向に対する基準面を有しており、この基準面を回転させることで、プリズムＡ、Ｂに対する入射角度を調整することができる。
図１２に示すグラフは、プリズムＡのレーザ入射側の脚面に対し、垂直に入射する角度を０°（基準角度）として、回転ステージ８の回転角度Φを±１５°の範囲で稼働させた際の、透過減衰量の実験データを表している。回転角度０°の位置（対向面に対する入射角は４５°）で０.２０％の減衰量が得られ、−７°付近より小さい角度では臨界角を下回り、ほぼ１００％の透過率が得られる。回転角度０°を基準に回転ステージ８を稼働することで、±５°の回転角度により、最大１０３のレンジで減衰量を得ることが可能であり、−５°では１２％、＋５°では０.０１％の減衰量が再現性良く得られる。
【００４２】
回転ステージ８のアクチュエータ４は、手動とする場合は、戻りバネを内蔵しバックラッシュを排除しつつマイクロメータ等を用い、自動化する場合は、ロータリエンコーダ等と組み合わせた角度制御機構を用いることで高精度に角度を設定する。現在、自動回転ステージとして角度分解能１秒（＝１／３６００度）のものも入手可能であり、高精度でかつ広い範囲で減衰量を調整可能な可変減衰器を実現できる。
なお、この光減衰器を利用する際は、上記手順で事前に減衰量の角度特性を測定した光減衰器を、レーザ光軸に対して基準となる減衰量が得られる角度に配置したうえで、その角度を起点に、図１２に示されるような事前に作成した減衰量の角度特性マップに従ってアクチュエータ４を操作することで、所望の減衰量が得られる。
なお、上記の例では、実施例２により対向面間隔が確定されたプリズムを用いているが、実施例１により対向面間隔が確定されたプリズムを用いてもよい。
【００４３】
[実施例４]
実施例４では、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の高感度なイメージセンサを用いたビーム形状測定器（ビ―ムプロファイラ）の受光部に、実施例３に基づいて構築した可変光減衰器を設置し、測定対象のレーザ光の強度を、センサに適したレベルに調整する装置を構築している。
ビームプロファイラは、特に加工や医療等の高強度レーザ光を扱う分野で、レーザ光のビーム形状を測定し、加工精度や施術の安全を確保することを目的として用いられるが、ＣＣＤカメラ等の光電型センサは、センサの許容範囲を超える強い光を入射すると測定精度の低下や破損を招く。
【００４４】
こうした測定精度の低下や破損を防止するため、実施例４では、図１３に示すように、測定器（ＣＣＤカメラ）９の前面に、固定したプリズムＡ、Ｂと回転ステージ８から成る可変光減衰器を納めたハウジング１０を設置し、左手から入射する高強度なレーザ光を適切なレベルにまで減衰させたうえで、右手方向へ出射し、測定器９に入射させている。
なお、プリズムＢへの透過減衰光を利用する場合、プリズムＡ側に反射する成分は、ステージ回転角に応じた角度で飛散するため、これを安全に処理する必要がある。
そこでハウジング１０の内部に光吸収構造１１を設け飛散成分を確実に吸収する構造としている。特に高強度なレーザ光を減衰する場合は、発熱に対処するためハウジングの水冷化やファンを用いた強制空冷方式を採用することが有効である。
【００４５】
また、ビームプロファイラをはじめとする光測定器は、各工業分野の規格で定められた形状の受光部１２を備えており、この形状に合わせることで別の部品を容易に着脱可能な構造をしている。そこで、本実施例に基づく可変光減衰器のハウジングにもこの規格形状を備えることで、市販のビームプロファイラに簡単に取り付け可能としている。これにより、耐久性の高い可変光減衰器で高強度なレーザ光を確実にかつ高精度に減衰させたのち、高感度カメラに入射させることで、ビームプロファイル測定の信頼性を向上させている。
【００４６】
[実施例５]
光減衰器は、理想的には入射光の減衰過程で、光軸やビーム形状、などその他のパラメータに変化を与えないことが求められる。実施例３、４に示すような三角プリズムを用いる場合、プリズムの回転運動に伴ってプリズム表面への光の入射角が変化するため光線が屈折し、減衰器の前後で光軸の微小なずれが生じるおそれがある。
たとえば一辺２５ｍｍの直角プリズム２個で減衰器を構築した場合、±５°の角度範囲で±０.７ｍｍの光軸ずれが生じる。後段に置かれる測定器によっては減衰量の調整によって光が測定器受光部の縁に当たり、不用意な迷光が生じて、測定誤差の原因となる。
【００４７】
そこで、図１４に示すような多角形プリズムを用いて減衰器を構築することが考えられる。この例では、プリズムＡ、Ｂに、正十二角柱を対角線で二分したものを使用している。これにより、プリズム表面の屈折率境界面におけるレーザ光の入射角、出射角は、ステージ回転角度３０°毎にリセットされ、０°に戻る。対向面間間隔は、実施例１〜実施例３と同様に固定することで、減衰の前後で光軸がずれず、透過率のみが変化する、理想的な可変減衰器を実現している。
【００４８】
［実施例６］
ただし実施例５においては、原理的に、光軸をずらさずに得られる減衰量の値は段階的に変化することになる。これを解消するには、多角形プリズムの角数を無限に増大させることが考えられる。
そこで、実施例６では、図１５に示すように、究極の形態として、プリズムＡ、Ｂに半円筒プリズムを用い、対向面間隔を実施例１、２と同様に固定することで、円柱状の光減衰器構造としている。これにより、対向面の角度を連続的に変化させても、プリズムＡ、Ｂの表面はレーザ光軸に対して常に正対を維持されるため、減衰の前後で光軸ずれが生じない。
【００４９】
しかし、実施例６においても、厳密には、平行に進むレーザ光が円柱状の光減衰器に入射する際、円柱の軸を通過しない光線成分は、プリズムＡの表面の凸面で屈折し対向面に到達する光線の入射角に分布が生じる。これは、入射角が大きい成分ほど透過率が低下することになり、減衰の前後でビームプロファイルの変化を招く。
そこで、プリズムＡ表面における屈折を想定し、プリズムＡ入射前にこの屈折を補正するレンズ構造１３を設置することで、プリズムＡから対向面に入る各光線成分の入射角を揃えるようにすると好適である。
【００５０】
同様に、透過側のプリズムＢの表面における屈折についても補正レンズ１４を設置することで、減衰の前後で光軸のシフトやビームプロファイルの変化が起こらない、理想的な可変減衰器を実現している。
なお、本実施例では、プリズムＡ、Ｂを単一軸対称の円柱状としているが、半球プリズムを用いて球状の減衰器を構築し、球面モータ等を用いてピッチ角、ヨー角、ロール角を独立に制御する形態としてもよい。
【００５１】
[実施例７]
実施例７では、光軸のずれや透過ビームの歪が生じる原因を根本から排除することで、実施例６の補正レンズを不要としている。
すなわち、図１６に示すように、プリズムＡ、Ｂから成る円柱状の可変減衰器の前後に、レーザ光軸に対して正対する面を持つ、透明の軸受素子１５を配置している。軸受素子は固定されており、この内側で、バッファ層１６を介して、円柱状減衰器が回転する構造としている。バッファ層１６には、顕微鏡用油浸オイル等の光学油を用いており、軸受素子と減衰器表面との屈折率を整合させ光学的に一体化すると同時に、摺動部の機械的な潤滑の役割を担う。このように、円柱状の減衰器が回転してもレーザ光が入射、出射する軸受素子表面は、常にレーザ光軸に対して正対を維持する構造とすることで、透過前後で光軸ずれやビーム形状の歪がない、理想的な可変光減衰器を実現している。
【００５２】
［実施例８］
実施例８では、高出力レーザ装置における発振出力をフィードバック制御するため、これまでの実施例によって製造された光減衰器をビームサンプリング素子として用いて、出力モニタリングシステムに適用した一例を示すものである。
通常、レーザ発振器の出力モニタでは、ガラス基板や誘電体多層膜基板によるビームサンプラが用いられているが、これらは素子ひとつあたりで得られる減衰量が十分でないため、後段のモニタ用光センサにはレーザ耐久性を重視した熱型センサを用いたり、サンプリング素子を複数用いて多段化・複合化することで減衰量の不足を補うことでモニタリングを行っている。しかし前者はセンサのＳ／Ｎや非直線性の点で、また後者は光学系の大型・複雑化による迷光や誤差要因の増大がネックとなり、モニタリングの精度向上が難しい状況であった。
【００５３】
そこで本実施例では、図１７に示すように、制御対象であるレーザ発振器１７から出力されるレーザ光の光路中に、実施例１〜７の光減衰器を配置することで、プリズムＡへの入射光を、プリズムＡへの反射成分と、プリズムＢへの透過光とに高い分岐比で分岐させ、プリズムＢへの透過減衰光を高速かつ高感度に検出可能な光センサ１８により計測している。
光センサ１８で検出されたモニタ信号は、演算装置２に送られ、目標値との比較演算を行った後、レーザ光の発振制御回路１９にフィードバックされ、レーザ出力Ｐｏｕｔを目標値に向かって収束させる制御を行う。
【００５４】
図１７の例では、正六角柱を二等分したプリズムＡ、Ｂを用いて所定の減衰量が得られるようにした光減衰器を用い、対向面入射角度を最適化しつつ入射・出射界面を光軸に正対させるプリズム形状とすることで、制御対象のレーザ光に対し理想的な減衰特性が得られるビームサンプラを実現している。
本実施例によれば、モニタ用光センサの感度特性に応じて減衰量を最適化できると同時に、その減衰量を高強度なレーザ光に対しても安定に維持可能であり、コンパクトで高性能なレーザ光出力のモニタリングシステムを、低コストに構築可能である。
特に、実施例１、２で示したように、減衰量を高精度に設定しつつ、モニタ用光センサに感度を校正したものを用いることで、レーザ照射量をトレーサブルに制御・管理することができる。これをレーザ加工装置に適用すれば、加工内容に応じてレーザ照射方法を高度に制御したり、加工品質の精密な管理が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上説明したように、本発明によれば、プリズムの対向面間の多軸アライメント作業の高精度化と簡略化を両立させると同時に、アライメント中、減衰量をリアルタイムに計測し所望の値に高精度に調整可能とすることで、高出力レーザに対しても高い耐力が得られる光透過方式の近接場光結合型の光減衰器を低コストに実現することが可能となるので、レーザ加工機用の高出力レーザの減衰を含め、広い分野で適用されることが期待できる。
【符号の説明】
【００５６】
Ａ、Ｂ：プリズム
ＳＡ、ＳＢ：ステージ
Θin：対向面入射角
ｄ：対向面間隔
Ｐin：入射光出力（減衰量測定用レーザ）
Ｐt：透過光出力（減衰量測定用レーザ）
θａ：対向面入射角度（減衰量測定用レーザ）
θｂ：対向面入射角度（対向面間隔測定用レーザ）
Ｋａ：光センサ（減衰量測定用）
Ｋｂ：光センサ（対向面間隔測定用）
Ｄ：スペーサの厚さ
ＨＡ、ＨＢ：Ｌ型保持部
Ｆ：締結機構
１：本発明によるレーザ光減衰器
２：演算装置
３：アクチュエータ駆動回路
４：アクチュエータ
５：接着剤
６：スペーサ
７：走査機構
８：回転ステージ
９：光測定器
１０：ハウジング
１１：光吸収部
１２：接続マウント部
１３：補正レンズ（入射側）
１４：補正レンズ（出射側）
１５：軸受素子
１６：バッファ層
１７：レーザ発振器
１８：光センサ
１９：発振制御回路
【図１】
2018139486.tif 000003
【図２】
2018139486.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018139486.tif 000009
【図８】
2018139486.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2018139486.tif 000014
【図１３】
2018139486.tif 000015
【図１４】
2018139486.tif 000016
【図１５】
2018139486.tif 000017
【図１６】
2018139486.tif 000018
【図１７】
2018139486.tif 000019
【国際調査報告】
2018139486.tif 000020
2018139486.tif 000021
2018139486.tif 000022
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