激光用功率传感器的制作方法

本发明涉及一种测定激光的强度的激光用功率传感器。

背景技术：

在二氧化碳激光器等近红外线激光装置中，为了对激光输出进行控制，使用对实际的激光输出进行测定的功率传感器的情况多。例如，热电动势式的功率传感器接收从谐振器的后镜提取出的几瓦特～几十瓦特的监视用激光(监视光)并将该监视用激光转换为电压信号，由此测定激光输出。这种功率传感器具有由导热性高的材料形成的基板(热盘(thermal disk))以及配置于该基板直接接收监视光的部分(受光部)的周边的热电偶，构成为根据该受光部的温度与该受光部的周边温度之间的温度差来产生电压。

当将如上所述的功率传感器使用于大输出的激光装置时，存在以下情况：随着来自后镜的监视光的强度变大，基板(热盘)的温度上升过大，受光部、热电偶发生损坏而丧失功率传感器的功能。因此，需要与来自后镜的监视光的强度相配合地设计功率传感器。

作为与此相关的现有技术，例如在日本特开2005-091271号公报中公开了包括受光部、散热部以及温度检测部的激光用输出监视器，该受光部将射入的激光的能量转换成热，该散热部与受光部相接来将由受光部转换得到的热向外部排出，该温度检测部测量受光部的温度，并且，在日本特开2005-091271号公报中记载了温度检测部将受光部中的未与散热部接触的部分的比激光的光束直径宽的范围作为测定范围，能够进行非接触式的温度测量。

在日本特开2010-212552号公报中公开了具备减弱激光的扩散吸收体以及检测被减弱后的激光的激光输出检测器的激光振荡装置，并且记载了以下内容：通过设置对向激光输出检测器射入的激光的受光量进行限制的箱型的射入光量限制单元，能够提高激光输出检测器的测定精度，从而能够进行稳定的激光输出控制。

另外，在日本特开平07-181078号公报中记载了以下的激光功率传感器的衰减器，该衰减器具有：用于导入激光光束的导入部；衰减部，其为与该导入部相连续的圆筒状的构件，在该衰减部的内周面形成有对激光光束进行反射的反射面；以及靶板，其具有以比激光光束的直径小的间距形成为网格状的大量的角锥或圆锥，以通过利用角锥或圆锥的面反射被照射的激光光束来将该激光光束分离后使之射入到衰减器的内周面的方式固定安装于衰减器。

并且，在日本专利第2677845号公报中记载了以下的激光的输出测定装置：在积分球的入射部设置有使激光自如地透过的大量的小孔，在该积分球的适当位置处设置有检测激光的输出的输出检测传感器。

以往，为了保护受光部等免于被热损坏，大致分为采用以下两个方法、手段。

(1)根据激光的强度的增加来增大受光部(热盘)的热容量(例如增大板厚、直径)、或提高受光部的冷却能力，来抑制受光部的温度上升。

(2)在受光部的前面配置以滤光器、积分球为代表的激光吸收体，来使射入到受光部的激光(监视光)的强度本身衰减。

关于上述(1)，当使受光部的热容量增大时，受光部的温度上升速度也会下降，因此存在如下问题：针对射入的激光的、热电偶的输出电压的响应速度下降，从而作为功率传感器的重要的规格、即响应速度下降。另外，例如在以强制空冷、液冷的方式强化受光部的冷却能力的情况下，无法避免功率传感器的大型化、成本上升。除此之外，难以控制强化后的冷却能力，若无法适当地进行该控制，则会对利用热电偶进行的温度测定造成不良影响，存在无法准确地进行激光输出的测量、适当地进行控制的担忧。

关于上述(2)，作为使射入的激光的强度下降的方法、手段，能够列举出追加半透半反镜、ND(Neutral Density，中性密度)滤光器的方法，但是这些都是精密且昂贵的光学部件，并且为了确保长期的可靠性还需要清洁、更换等维护，因此导致作为功率传感器整体成本大幅地上升。另外，关于如积分球那样的通过反射、扩散来降低激光强度的手段，除了部件个数多而成本高以外，还需要大的空间，因此存在激光振荡器自身大型化这样的缺点。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提供一种低成本且针对功率传感器的受光强度具有充分的测定精度的激光用功率传感器，更具体地说，提供一种不使用对激光进行吸收、分离那样的昂贵的光学部件、对激光进行扩散的构件且具备降低入射激光的强度的单元的激光用功率传感器。

为了达成上述目的，本申请发明提供一种激光用功率传感器，该激光用功率传感器的特征在于，具备：受光构件，其用于接收激光；以及光强度衰减构件，其用于使被所述受光构件接收的激光的强度衰减，其中，所述光强度衰减构件由激光的透过率为零的材料形成，并且具有多个开口部，所述多个开口部的开口面积的总和为所述激光的照射面积的50％以上，所述受光构件构成为接收照射到所述光强度衰减构件的激光中的、通过了所述光强度衰减构件的所述多个开口部的激光。

在优选的实施方式中，所述多个开口部的各个开口部彼此为同一形状且同一尺寸，并在所述激光的照射范围内配置成等间隔。或者也可以是，所述多个开口部的各个开口部彼此为同一形状且同一尺寸，并在所述激光的照射范围内配置成放射状。

在优选的实施方式中，所述多个开口部的各个开口部的形状为长方形或正方形。

在优选的实施方式中，相邻的所述多个开口部之间的最短距离为所述光强度衰减构件的厚度的一半。

在优选的实施方式中，所述光强度衰减构件的材料为激光的吸收率比激光的反射率大的材料。

在优选的实施方式中，所述光强度衰减构件的材料为施加了镀黑镍或者黑铬处理的无氧铜。

在优选的实施方式中，所述光强度衰减构件构成为相对于所述受光构件或在所述受光构件与所述光强度衰减构件之间配置的间隔件能够装卸。

在优选的实施方式中，激光用功率传感器具有沿着所述受光构件或所述光强度衰减构件的外缘配置的冷却部。该冷却部能够构成为同时冷却所述受光构件和所述光强度衰减构件这两方。

附图说明

通过参照附图对以下的优选的实施方式进行说明，本发明的上述或其它目的、特征及优点会变得更加明确。

图1是将本发明的优选的实施方式所涉及的激光用功率传感器与包括该激光用功率传感器的激光装置一起表示的概要图。

图2是表示图1的激光用功率传感器的概要结构的图。

图3是图2的激光用功率传感器的传感器基板的概要俯视图。

图4是将图2的激光用功率传感器的滤光器与激光的强度分布的变化一起表示的图。

图5是通过实验求出激光用功率传感器中的伴随热膨胀的测定误差与开口率之间的关系而得到的曲线图。

具体实施方式

图1是将本发明的优选的实施方式所涉及的激光用功率传感器(以下简称为功率传感器)与包括该功率传感器的激光装置一起表示的概要图。激光装置10例如是以二氧化碳等为介质的二氧化碳激光器(近红外线激光装置)，具备在其内部具有二氧化碳等介质的放电管12、配置于放电管12的一端的输出镜14以及配置于放电管12的另一端的后镜16，由这些镜和放电管12构成激光谐振器。另外，激光装置10具有配置于后镜16的与放电管12相反的一侧的功率传感器18。

当向放电管12供给电力时，放电管12内的介质由于放电而被激励，从而产生光。该光一边在输出镜14与后镜16之间反复反射，一边通过受激发射而被放大，该光的一部分作为激光20被从作为部分反射镜的输出镜14取出到外部，使用于激光加工等。

在图1的例子中，后镜16也是部分反射镜(半透半反镜)，透过了后镜16的激光(监视光)22由功率传感器18接收、测定。监视光22的输出测定结果使用于从输出镜14输出的激光的控制(反馈控制等)。此外，在图1的例子中，将功率传感器18配置在后镜16的背后，但是也可以是，将后镜16设为全反射镜，使用另外的部分反射镜(未图示)将从输出镜14输出的激光的一部分取出，将所取出的光作为监视光，通过功率传感器18来进行接收、测定。

图2是以沿着激光轴的轴向截面来表示功率传感器18的概要结构的图。功率传感器18具有接收监视光22的热盘等受光构件(传感器基板)24、以及使被传感器基板24接收的激光(监视光)的强度衰减的光强度衰减构件(滤光器)26。滤光器26由激光的透过率为零(即激光不透过性)的材料形成，具有使监视光22的一部分通过的多个开口部34。如概要地图示传感器基板24的俯视图的图3所示，传感器基板24具有直接接收通过滤光器26而衰减了的(通过了滤光器26的开口部的)监视光的受光部(受光面)28、以及配置于受光部28的周边的热电偶30，热电偶30构成为根据受光部28的温度与受光部28的周边温度之间的温度差来产生电压(也就是说将监视光的强度转换为电信号)。此外，传感器基板24自身能够使用如日本特开2005-091271号公报的图5所示那样的具有公知的结构的传感器基板。

图4是将图2示出的滤光器26的俯视图与激光的强度分布的变化一起表示的图。滤光器26在照射激光(监视光)的照射范围32内具有多个贯通开口部34，多个开口部34的开口面积的总和为照射范围32的面积的50％以上。换言之，照射到滤光器26的激光中的通过了开口部34的激光被传感器基板24(的受光部28)直接接收。

接下来，说明滤光器的热膨胀与测定误差之间的关系。如图2所示的功率传感器18那样使用了受光构件和热电偶的功率传感器的线性度良好，如果以激光振荡器的额定输出来进行校正，则在可输出的范围内能够确保充分的测定精度。在此，在使用吸收激光的一部分的滤光器26的情况下，滤光器26的开口面积由于滤光器的热膨胀而发生变化，因此作为功率传感器的精度下降。图5是通过实验求出伴随热膨胀的测定误差与开口率之间的关系而得到的曲线图，该图示出了以下情况：通过实验确认出，为了使伴随热膨胀的测定误差收敛于实用上不成为问题的误差范围ER(例如±2％)内，只要开口率为50％以上即可。

作为滤光器26的制造方法，能够应用一般的钣金加工(脱模、激光加工、水射流(waterjet)加工、放电加工等)、蚀刻加工，但是在蚀刻加工的情况下能够进行高精度的加工。另外，在蚀刻加工中，能够形成最小具有材料的板厚的约一半(50％)的宽度的细线，因此通过利用蚀刻加工能够制作以下滤光器，该滤光器具备多个开口部34间的最短距离为滤光器26的厚度的一半那样的开口率大的网格(细线)。

优选的是，构成滤光器26的材料为激光的吸收率比激光的反射率大的材料。由此，能够构成由反射光造成的不良影响少的激光装置。另外，优选的是，滤光器26的材料在激光的吸收性和导热性方面优异、且热膨胀系数小。作为具备这种物性的材料，例如可以列举出陶瓷类的材料，但是陶瓷类的材料存在加工性差且成本高这样的缺点。因此，例如通过对导热性高的无氧铜施加激光的吸收性优异的镀黑镍或黑铬处理，能够得到吸收性和导热性这双方都优异的滤光器材料。

如上所述，在本申请发明的优选的实施方式所涉及的功率传感器18中，在受光部(热盘)28的前表面侧配置有由吸收激光的材料构成且具有多个开口部34的板状的滤光器26，监视光22的一部分到达受光部28。如图4所示，一般来说，激光在照射范围内的强度分布不均匀，且还存在时间性的变动，因此即使测量了激光的一部分，也难以正确地估计或测定整体的激光强度。另外，存在以下情况：由于吸收激光的滤光器因吸收激光而产生的发热，滤光器自身发生热膨胀而开口率发生变化，从而测定误差增大。因此，在功率传感器18中，如图4所示那样在滤光器26上形成多个开口部34，并且设这些开口部34的面积的总和为激光的照射面积的50％以上，由此减小强度分布、强度分布的随时间经过的变动对测定精度造成的影响，并且抑制滤光器的热膨胀来使测量误差减小。

在此，在图4中，将各个开口部34的形状设为四边形(正方形或长方形)，但是各开口部的形状也可以不是四边形，例如也可以是圆形、椭圆形。另外，各开口部配置成等间隔(作为整体构成网格形状)，但是也可以设各开口部相对于滤光器26的中心放射状地配置，另外，各开口部的配置间隔也可以不固定。并且，各开口部为同一形状、同一尺寸在质量管理上是优选的，但是也可以使开口部的形状、尺寸以及配置间隔中的至少一个根据激光的强度分布而部分地不同。另外，能够根据射入的激光的强度分布的变动来任意地设定开口部的个数。例如，在激光的强度分布几乎不变化那样的光束稳定性高的激光振荡器中也可以减少开口部的个数。另一方面，在强度分布的变化大的激光振荡器中，通过增多开口部的个数，能够降低强度分布变化对激光输出测量造成的影响。

功率传感器18将由传感器基板24接收到的激光转换成热来测定激光强度，因此很多情况下需要对传感器基板24进行冷却。传感器基板24的冷却能够通过安装在传感器基板24的表面上且热电偶30的外缘的大致圆环形状的空冷式散热器或水套(water jacket)等冷却装置(冷却部)36来进行。此时，优选的是，滤光器26的中心(重心)与激光(监视光)的中心配置在同轴上。

在功率传感器18中，利用滤光器26来接收激光的一部分，因此希望也对滤光器26进行冷却。在此，可以设置用于对滤光器26进行冷却的、与冷却部36相分别的冷却装置，但从成本、空间的观点出发，优选的是对传感器基板24进行冷却的冷却部36也同时对滤光器26进行冷却。此时，可以简单地将滤光器26与受光部28(传感器基板24)紧固在一起，但是从生产率的观点出发，优选的是如图2所示那样在滤光器26与传感器基板24之间配置金属等导热性高的间隔件38来将它们固定。通过这样，实质上通过一个冷却部能够同时冷却传感器基板24和滤光器26这两方，因此能够不损害功率传感器18的功能地实现省空间化和低成本化。

另外，在图2的例子中，传感器基板24通过直接安装于传感器基板24的背面的冷却部36而被冷却，滤光器26通过经由大致圆环状的间隔件38进行的热传导而被冷却，但是也能够将冷却部36直接安装于滤光器26的外缘，或者将冷却部36直接安装于间隔件38。

此外，优选的是，滤光器26构成为相对于传感器基板24(或者间隔件38)能够装卸(能够更换为其它规格的滤光器)。由此，通过滤光器的规格变更(更换)，能够使用同一传感器基板(包括热电偶)简单地制造出测量范围不同的多种功率传感器，从而能够以低成本提供能够测定更宽范围的激光强度(也就是说还能够使用于高输出激光)的功率传感器。

根据本发明，能够在维持充分的测定精度的同时使向传感器基板射入的射入功率衰减，因此能够实现激光用功率传感器的长寿命化和低成本化。

通过将多个开口部的各个开口部设为彼此为同一形状且同一尺寸、并且在激光的照射范围内配置成等间隔或放射状，能够对激光的强度分布变化进行准确的测定。

通过将多个开口部的各个开口部的形状设为四边形，能够将开口率设定为比圆形的开口率大，从而能够减小衰减率。另外，通过利用蚀刻等来使相邻的多个开口部之间的距离成为光强度衰减构件的厚度的一半以下，由此能够设定开口率大的细的网格，从而能够减小衰减率和测定误差。

通过将激光的吸收性高的材料用作光强度衰减构件的材料，能够实现抑制了激光的反射的功率传感器。并且，施加了镀黑镍或黑铬处理的无氧铜是激光吸收良好且热传导优异的材料，因此通过将其用作光强度衰减构件的材料，能够实现精度变化小且开口率大的功率传感器。

通过沿着受光构件或光强度衰减构件的外缘配置冷却部，能够实现功率传感器的小型化。另外，通过将实质上一个冷却部构成为能够同时冷却受光构件和光强度衰减构件这两方，能够进一步实现低成本化、小型化。