JP3861090B2 - 光ビームアブゾーバ - Google Patents

Description

本発明は、光ビームを吸収する光ビームアブゾーバに関する。

図７は、従来の光ビームアブゾーバの一構成例を示す断面図である。この光ビームアブゾーバは、金属製円筒１１１の内部を光吸収膜１１２で覆い、その奥部に凸型反射板１１３を配置した構成をしている。金属製円筒１１１の入口１１４からは、金属製円筒１１１の軸線に平行にレーザー光Ｌが入射される。入射されたレーザー光Ｌは、反射板１１３によって反射され、光吸収膜１１２に照射される。以後、レーザー光Ｌは、金属製円筒１１１の入口１１４の方向に進行し、光吸収膜１１２の間で反射を繰り返しながら、吸収されて熱となる（例えば、非特許文献１参照）。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
COLLIER N.SMITH, "LASER MEASUREMENT SERVICE AT NBS" Laser Focus, August 1983

従来の光ビームアブゾーバで吸収可能なレーザー光Ｌのエネルギーは、レーザー光Ｌが光吸収膜１１２の間で反射される回数に依存する。この反射回数は、金属製円筒１１１の奥部から入口１１４までの長さによって決まる。よって、高エネルギーのレーザー光Ｌを吸収するには、金属製円筒１１１の長さを長くし、光ビームアブゾーバを大型化しなければならないという問題があった。また、同一のエネルギーを吸収可能な光ビームアブゾーバの小型化が困難であるという問題もあった。
また、従来の光ビームアブゾーバでは、金属製円筒１１１の入口１１４から入射されたレーザー光Ｌが反射板１１３の中心付近に当たると、その後に光吸収膜１１２に照射されることなく、そのまま入口１１４から出力される。このようにして出力されるレーザー光Ｌは全く減衰していないので危険である。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、光ビームアブゾーバを大型化することなく、従来より高エネルギーを吸収できるようにすることにある。本発明の目的はまた、同一のエネルギーの光を吸収可能な光ビームアブゾーバを小型化することにある。
本発明の目的は、さらに、光ビームアブゾーバに入射された光が全く減衰せずに出力されないようにすることにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る光ビームアブゾーバは、光吸収膜が形成された壁面を有する先すぼまりの空洞とこの空洞に光を導入する開口部とを有する受光部材と、受光部の開口部に設けられ外部から入射された光を反射し開口部を通して空洞の内部へ導入する反射部材とを備えたことを特徴とする。

ここで、反射部材は、曲面状の反射面を有していてもよいし、平面状の反射面を有していてもよい。
また、空洞は、曲面状の内壁面を有していてもよいし、平面状の内壁面を有していてもよい。また、空洞は、開口部の近傍が円筒形状に形成されてもよい。

また、上述した光ビームアブゾーバは、受光部材および反射部材の少なくとも１つを冷却する冷却手段を更に備えていてもよい。
ここで、冷却手段は、液冷または空冷により冷却するようにしてもよい。

本発明に係る光ビームアブゾーバでは、空洞を先すぼまりにすることにより、空洞の開口部から先端に進むにしたがって、空洞の内壁面に設けられた対向する光吸収膜間の距離が短くなっていく。また、空洞の開口部から導入された光が光吸収膜間で反射を繰り返すにしたがい、光吸収膜の垂線または法線方向と光の反射方向とのなす角度（以下、反射角度という）が小さくなっていく。これらの結果、空洞の開口部から先端に進むにしたがって、１回の反射に要する距離が短くなっていく。
さらに、空洞の開口部から導入された光が空洞の先端に達した時点で、または光の反射角度が０°より小さくなった時点で光が空洞の開口部に向かって逆進を開始し、光吸収膜間で反射を繰り返す。すなわち、光が空洞の開口部から先端に向かって進むときだけでなく、開口部に向かって逆進するときにも、光吸収膜の間で反射が行われる。
このように、空洞を先すぼまりにすることにより、光吸収膜間の１回の反射に要する距離が短くなり、かつ、空洞の開口部と先端との間の往復で反射が行われる。よって、空洞の開口部から先端までの長さと同じ長さの金属製円筒１１１と比較して、光の反射回数が増える。したがって、光ビームアブゾーバを大型化することなく、従来より高エネルギーを吸収可能にすることができる。また、同一のエネルギーの光を吸収可能な光ビームアブゾーバを小型化することができる。

また、外部から入射された光を反射し空洞の内部に導入する反射部材を空洞の開口部に配置し、空洞を先すぼまりにすることにより、空洞の内部に導入された光は光吸収膜に照射されることにより減衰する。よって、光ビームアブゾーバに入射された光が全く減衰せずに出力されることによって起こる事故を防止することができる。

また、反射部材の反射面を曲面状にすることにより、空洞に導入される光を広範囲に拡散することが可能となる。その結果、空洞内壁面の光吸収膜単位面積あたりに照射される光のエネルギーが低くなるので、光吸収膜の劣化を抑制することができる。
これに対し、反射部材の反射面を平面状にすることにより、反射部材の形成が容易になる。

また、空洞の内壁面を曲面状にすることにより、内壁面の光吸収膜で反射された反射光を広範囲に拡散することが可能となる。その結果、光吸収膜単位面積あたりに照射される反射光のエネルギーが低くなるので、光吸収膜の劣化を抑制することができる。
これに対し、空洞の内壁面を平面状にすることにより、受光部材の形成が容易になる。
また、空洞の開口部近傍を円筒形状に形成することにより、受光部材の形成が容易になる。

また、冷却手段を設けることにより、光の吸収により加熱された部材を効率よく冷却することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光ビームアブゾーバの一構成例を示す断面図である。この図において、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＩｂ−Ｉｂ′線方向の縦断面図である。なお、（ａ）には、（ｂ）におけるＩａ−Ｉａ′線方向の横断面が示されている。

図１に示す光ビームアブゾーバは、レーザー光Ｌを入射するための入射口１と、入射口１を介して入射されたレーザー光Ｌを所定の角度方向に反射する反射板（反射部材）２と、反射板２によって反射されたレーザー光Ｌを吸収する受光部材３と、反射板２および受光部材３を冷却する冷却装置とから構成されている。
ここで、入射口１は、第１の側壁部材１１に形成された円形の貫通孔からなる。入射されるレーザー光Ｌの光路がぶれても、レーザー光Ｌが入射口１の内壁面に接触しないように、入射口１は十分大きい直径を有している。

反射板２は、入射口１を通り抜けた奥部に配置され、第２の側壁部材１２に取り付けられている。本実施の形態では、反射板２の反射面は平面状をしており、その反射面が入射口１の軸線に対して例えば４５゜の角度をなすように配置されている。その結果、入射口１の軸線に平行に入射されたレーザー光Ｌは、反射板２の反射面で上記軸線に対して直交する方向に反射される。
第２の側壁部材１２は、熱伝導性に優れた金属により形成されている。この側壁部材１２および上板１４、底板１５には、反射板２の背後を縦方向に貫く配管２１が形成されている。配管２１には冷却水を流す。反射板２の反射面でレーザー光Ｌの一部が変換した熱エネルギーは、側壁部材１２を通って冷却水に伝達され、放熱される。これにより、反射板２が冷却される。

受光部材３は、第１および第３の側壁部材１１，１３の対向面と、第１および第３の側壁部材１１，１３を上下から挟む上板１４および底板１５の対向面とから形成される空洞３Ａを有している。空洞３Ａを形成する面は、すべて平面状をしている。空洞３Ａを形成する第１の側壁部材１１の面は、入射口１の軸線に対して直交している。この面に対して、第３の側壁部材１３の面は傾斜している。２つの面は、反射板２が配置されている側で離間し、その反対側で接触している。したがって、空洞３Ａの横断面形状は、先すぼまりのテーパー形状をしている。

空洞３Ａを形成する側壁部材１１，１３の面には、レーザー光Ｌを熱エネルギーに変換して吸収する光吸収膜１１Ａ，１３Ａがそれぞれ設けられている。光吸収膜１１Ａ，１３Ａは、側壁部材１１，１３の面を黒化処理することにより形成される。側壁部材１１，１３は、側壁部材１２と同様に、熱伝導性に優れた金属により形成されている。側壁部材１１，１３および上板１４には、光吸収膜１１Ａ，１３Ａに沿って延在する配管２２，２３が形成されている。配管２２，２３には冷却水を流す。光吸収膜１１Ａ、１３Ａで吸収された熱エネルギーは、側壁部材１１，１３を通って冷却水に伝達され、放熱される。これにより、受光部材３が冷却される。

上述した配管２１〜２３と、配管２１〜２３に冷却水を流すポンプ（図示せず）とから、冷却装置が構成される。ポンプを配管２１の入口２１Ａに接続し、配管２１の出口２１Ｂと配管２２の入口２２Ａとを接続し、配管２２の出口２２Ｂと配管２３の入口２３Ａとを接続して、配管２１〜２３を１本に接続してもよい。

次に、図１および図２を参照し、本実施の形態に係る光ビームアブゾーバの原理について説明する。
図１（ａ）に示すように、入射口１の軸線に平行に入射されたレーザー光Ｌは、反射板２の反射面で上記軸線に対して直交する方向に反射される。その結果、受光部材３の空洞３Ａに導入されたレーザー光Ｌは、光吸収膜１１Ａに平行に直進し、光吸収膜１１Ａに対して傾斜する光吸収膜１３Ａに照射される。光吸収膜１３Ａに照射されたレーザー光Ｌの一部は、熱エネルギーに変換されて吸収される。吸収されずに残ったレーザー光Ｌは、光吸収膜１３Ａの表面で反射され、光吸収膜１１Ａに照射される。このように、レーザー光Ｌは、光吸収膜１１Ａと１３Ａとの間で反射を繰り返しながら吸収されていく。

ここで、図２に示すように、２つの光吸収膜１１Ａと１３Ａとのなす角度をθ、光吸収膜１１Ａ上のＰ点においてレーザー光Ｌの入射方向と光吸収膜１１Ａの垂線方向とのなす角度（以下、入射角度という）をφとすると、Ｐ点で反射されたレーザー光Ｌが照射される光吸収膜１３Ａ上のＱ点における入射角度はφ−θ、Ｑ点で反射されたレーザー光Ｌが再び照射される光吸収膜１１Ａ上のＲ点における入射角度はφ−２θとなる。このように、レーザー光Ｌは、光吸収膜１１Ａと１３Ａとの間で反射を繰り返すにしたがい、入射角度がθずつ小さくなっていく。レーザー光Ｌの反射方向と光吸収膜の垂線方向とのなす角度（以下、反射角度という）は、入射角度と等しいので、入射角度に応じて反射角度もθずつ小さくなっていく。また、受光部材３の空洞３Ａは先すぼまりになっているので、空洞３Ａの開口部から先端に進むにしたがって、光吸収膜１１Ａと１３Ａとの間の距離が短くなっていく。その結果、空洞３Ａの開口部から先端に進むにしたがって、１回の反射に要する距離（光吸収膜１１Ａに平行な距離）が短くなっていく。

また、レーザー光Ｌが光吸収膜１１Ａと１３Ａとの間で反射を繰り返すにしたがい、反射角度がθずつ小さくなっていくので、反射角度φ−ｎθ（ｎは反射回数）が０°より小さくなった時点で、レーザー光Ｌは空洞３Ａの開口部に向かって逆進を開始し、光吸収膜１１Ａと１３Ａとの間で反射を繰り返す。反射角度φ−ｎθ（ｎは反射回数）が０°より小さくならない場合でも、空洞３Ａの先端に達したら、開口部に向かって逆進を開始し、光吸収膜１１Ａと１３Ａとの間で反射を繰り返す。

以上のように、受光部材３の空洞３Ａを先すぼまりにすることにより、レーザー光Ｌが空洞３Ａの開口部から先端に進むにしたがって、１回の反射に要する距離が短くなり、また、空洞３Ａの開口部と先端との間の往復でレーザー光Ｌの反射が行われる。よって、空洞３Ａの開口部から先端までの長さと同じ長さの金属製円筒１１１（図７参照）と比較して、レーザー光Ｌの反射回数が増える。したがって、光ビームアブゾーバを大型化することなく、従来より高エネルギーを吸収可能にすることができる。また、同一のエネルギーの光を吸収可能な光ビームアブゾーバを小型化することができる。

また、反射板２を受光部材３の空洞３Ａの開口部に配置し、空洞３Ａを先すぼまりにすることにより、反射板２で反射され空洞３Ａに導入されたレーザー光Ｌは光吸収膜１１Ａ，１３Ａに照射されることにより減衰するので、光ビームアブゾーバに入射されたレーザー光Ｌが全く減衰せずに出力されることによって起こる事故を防止することができる。

本実施の形態では、反射板２の反射面は平面状をしているので、反射板２の形成が容易である。
また、反射板２の反射面を入射口１の軸線に対して４５゜の角度をなすように配置する例を示したが、２つの光吸収膜１１Ａと１３Ａとのなす角度θと関連して、反射回数がより多くなるように反射板２の反射面が入射口１の軸線に対してなす角度に配置することが望ましい。また、反射面で反射された光が受光部材３の空洞３Ａの先端に直接照射されないように反射面を配置することが望ましい。
また、反射板２を第２の側壁部材１２に取り付ける例を示したが、第２の側壁部材の一部の表面を鏡面仕上げして反射面とし、この第２の側壁部材そのものを反射板２の代わりに反射部材として用いてもよい。

また、本実施の形態では、受光部材３の空洞３Ａの内壁面は平面状をしているので、受光部材３の形成が容易である。なお、本実施の形態では、第１および第３の側壁部材１１，１３の対向面同士を傾斜して配置し、上板１４および底板１５の対向面同士を平行に配置した例を示したが、上板１４および底板１５の対向面同士も傾斜させ、受光部材の空洞が四角錐を含むように形成してもよい。なお、四角錐に限らず、Ｎ角錐（Ｎは３以上の整数）にしてもよい。この場合、空洞の全内壁面に光吸収膜を設けるとよい。

また、受光部材の空洞の内壁面は曲面状をしていてもよい。例えば、空洞が円錐を含むように形成してもよい。また、図１（ａ）に示した横断面において、空洞３Ａを形成する側壁部材１１，１３の対向面同士が空洞３Ａの先端で平行に近づくような曲面にしてもよい。空洞の内壁面を曲面状にし、その内壁面に沿って光吸収膜を設けることにより、光吸収膜で反射された反射光を広範囲に拡散することが可能となる。その結果、光吸収膜単位面積あたりに照射される反射光のエネルギーが低くなるので、光吸収膜の劣化を抑制することができる。

また、本実施の形態では、冷却装置を設けることにより、光の吸収により加熱された反射板２および受光部材３を効率よく冷却することができる。なお、反射板２および受光部材３のいずれか一方のみを冷却するようにしてもよい。また、冷媒として冷却水を例にしたが、水以外の液体を用いて液冷してもよい。また、冷却ファンを取り付け、側壁部材１１〜１４および上板１４、底板１５の少なくとも１つを外部から強制空冷してもよい。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光ビームアブゾーバの一構成例を示す断面図である。この図において、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）におけるIIIｂ−IIIｂ′線方向の縦断面図である。なお、（ａ）には、（ｂ）におけるIIIａ−IIIａ′線方向の横断面が示されている。図３において、図１に示した部材と同一部材に対しては、図１と同一符号で示している。
この図に示す光ビームアブゾーバは、反射面が曲面状をした反射板２Ａを用いている。また、空洞３Ａを形成する第１および第３の側壁部材１１，１３の対向面に光吸収膜１１Ａ，１３Ａを設けるだけでなく、上板１４および底板１５の対向面にも光吸収膜１４Ａ，１５Ａを設けている。

図４は、反射板２Ａの作成方法を示す図である。この図において、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。反射板２Ａは、金属製円柱３１の側壁の一部を、円柱３２で切り出して作成する。この際、金属製円柱３１の軸線Ｓに対し、円柱３２の軸線Ｔを角度αだけ傾けて切り出す。切り出された側壁の一部の外面を鏡面仕上げし、反射面とする。
このようにして作成された反射板２Ａを、第２の側壁部材１２Ａに取り付ける。この際、反射板２Ａを切り出したときの円柱３２の軸線Ｔを、入射口１の軸線に対して直交する方向に合わせる。これにより、反射板２Ａの横断面は、図３（ａ）に示すように、入射口１の軸線に対し、角度αだけ傾斜した直線状になる。また、反射板２Ａの縦断面は、図３（ｂ）に示すような円弧状になる。また、入射口１の外側からみた反射板２Ａの形状は円形になる。

このような構成の光ビームアブゾーバにおいて、入射口１を介して入射されたレーザー光Ｌは、反射板２Ａの反射面で反射され、図３（ｂ）において上下方向に拡散されて、受光部材３の空洞３Ａに導入される。その結果、空洞３Ａの光吸収膜単位面積あたりに照射されるレーザー光Ｌのエネルギーが低くなるので、光吸収膜１１Ａ，１３Ａ〜１５Ａの劣化を抑制することができる。

なお、反射面が曲面状をした反射板２Ａは、上述したものには限られない。例えば、金属球体の一部を円柱３２で切り出し、その外面を鏡面仕上げしたものを用いてもよい。なお、第２の側壁部材の一部の表面を曲面状にし、その部分を鏡面仕上げして反射面とし、この第２の側壁部材そのものを反射板２Ａの代わりに反射部材として用いてもよい。
また、本実施の形態でも、第１の実施の形態で説明した構成の変形例（例えば、受光部材３や、冷却装置の変形例）を適用できることは言うまでもない。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る光ビームアブゾーバの一構成例を示す断面図である。この図において、図１に示した部材と同一部材に対しては、図１と同一符号で示している。
図５に示す光ビームアブゾーバの受光部材３は、円筒（開口部側）と円錐（先端側）を含む空洞３Ｂを有している。なお、この図において、１６は第３の側壁部材、２４は配管、２４Ａおよび２４Ｂはそれぞれ配管の入口および出口である。

図６は、空洞３Ｂを有する受光部材３の形成方法の一例を説明するための図である。金属製円筒４１および金属製円柱（図４の３１相当：図示せず）を用意する。図４を用いて説明した方法と同様にして、上記金属製円柱の一部を円柱３２で切り出す。この円柱３２の外径は金属製円筒４１の内径と等しくする。金属製円柱の軸線Ｓと円柱３２の軸線Ｔとの角度αを比較的大きくして切り出したものを図６に示す部材４２とし、角度αを比較的小さくして切り出したものを図６に示す部材４３とする。これらの部材４２，４３を、母材である金属製円柱の側壁に当たる部分が向かい合うようにして金属製円筒４１の内部に挿入する。これにより、金属製円筒４１の内壁と部材４３とに囲まれた空洞３Ｂを有する受光部材３ができあがる。このような方法により、空洞３Ｂを有する受光部材３を容易に形成することができる。

なお、金属製円筒４１の内径を外径とする金属製円柱をその軸線に対して斜めに切断することにより部材４２，４３を作成し、これらの部材４２，４３のそれぞれの切断面が向かい合うように部材４２，４３を金属製円筒４１の内部に挿入することにより、空洞３Ｂを有する受光部材３を形成してもよい。

なお、本実施の形態でも、第１または第２の実施の形態で説明した構成の変形例を適用できることは言うまでもない。
また、第１〜第３の実施の形態では、レーザー光Ｌを吸収する光ビームアブゾーバについて説明したが、本発明は、レーザー光以外の光を対象とする光ビームアブゾーバにも適用できる。

本発明は、例えば、レーザー発振器の共振用ミラーの軸調整時や、発振出力調整時などに、レーザー光を吸収し、外部に危害を及ばさないようにするレーザービームアブゾーバとして利用できる。また、吸収されたレーザエネルギーによって温度上昇した受光部材を冷却水などで冷却し、その冷却水などの上昇温度から吸収エネルギーを求める出力計としても利用できる。

第１の実施の形態に係る光ビームアブゾーバの一構成例を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る光ビームアブゾーバの原理を説明するための図である。 第２の実施の形態に係る光ビームアブゾーバの一構成例を示す断面図である。 反射板の作成方法を示す図である。 第３の実施の形態に係る光ビームアブゾーバの一構成例を示す断面図である。 受光部材の形成方法の一例を説明するための図である。 従来の光ビームアブゾーバの一構成例を示す断面図である。

符号の説明

１…入射口、２，２Ａ…反射板、３…受光部材、３Ａ，３Ｂ…空洞、１１〜１３，１６，１２Ａ…側壁部材、１１Ａ，１３Ａ〜１６Ａ…光吸収膜、１４…上板、１５…底板、２１〜２４…配管、２１Ａ〜２４Ａ…入口、２１Ｂ〜２４Ｂ…出口、３１…金属製円柱、３２…円柱、４１…金属製円筒、４２，４３…部材、Ｌ…レーザー光。

Claims (8)

1. 第１の方向に沿って一端が開口しかつ他端が先すぼまりに形成された空洞と、この空洞の内壁面に形成された光吸収膜とを有し、前記空洞内に導入された光を吸収する受光部材と、
   前記第１の方向およびこの第１の方向とは異なる第２の方向に対して斜めに配置される反射面を備え、前記第２の方向から入射される光ビームを反射して前記空洞の前記一端から前記空洞の内部へ導入する反射部材と
   を備えたことを特徴とする光ビームアブゾーバ。
2. 請求項１に記載された光ビームアブゾーバにおいて、
   前記反射部材は、曲面状の反射面を有することを特徴とする光ビームアブゾーバ。
3. 請求項１に記載された光ビームアブゾーバにおいて、
   前記反射部材は、平面状の反射面を有することを特徴とする光ビームアブゾーバ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された光ビームアブゾーバにおいて、
   前記空洞は、曲面状の内壁面を有することを特徴とする光ビームアブゾーバ。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された光ビームアブゾーバにおいて、
   前記空洞は、平面状の内壁面を有することを特徴とする光ビームアブゾーバ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載された光ビームアブゾーバにおいて、
   前記空洞は、前記開口部の近傍が円筒形状に形成されていることを特徴とする光ビームアブゾーバ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載された光ビームアブゾーバにおいて、
   前記受光部材および前記反射部材の少なくとも１つを冷却する冷却手段を更に備えたことを特徴とする光ビームアブゾーバ。
8. 請求項７に記載された光ビームアブゾーバにおいて、
   前記冷却手段は、液冷または空冷により冷却することを特徴とする光ビームアブゾーバ。
   

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