JP2019028401A - レーザビーム合成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】合成レーザビームの照射パワー密度の向上を図ったレーザビーム合成装置を提供する。【解決手段】レーザビーム合成装置１０は、同軸で伝搬し、且つ、波長が互いに異なる複数の円環レーザビームＩＬを出射する出射光学系２０と、複数の前記円環レーザビームＩＬを回折する同心円状の回折光学素子３０と、を備え、前記回折光学素子３０は、互いに異なる局所入射角で入射する複数の前記円環レーザビームＩＬの回折光ＤＬの局所回折角が互いに等しくなるように前記波長に応じて複数の前記円環レーザビームを回折させる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビーム合成装置に関し、特に、複数の円環レーザビームを合成するレーザビーム合成装置に関する。

従来、複数の円環レーザビームを合成する装置として、たとえば、特許文献１のレーザビーム合成装置が知られている。このレーザビーム合成装置では、整形光学ユニットが、単位伝搬距離当たりの外径寸法の増加量が互いに異なる複数の円環レーザビームを同心状に出射している。そして、これらの円環レーザビームを集光光学系の副鏡で反射させてから、主鏡において重ねた後に集光している。

特開２０１６−７５７８６号公報

上記特許文献１のレーザビーム合成装置では、複数の円環レーザビームの焦点位置を互いに近づけるように副鏡の曲率半径を設定している。これにより、複数の円環レーザビームによる照射面積を小さくすることができ、高いパワー密度での照射が可能となる。しかし、このためには集光光学系の出射面において各円環レーザビームを互いにずらす必要があった。すなわち、集光光学系の出射面において各円環レーザビームを互いに完全に重ねると、互いの円環レーザビームの焦点位置が完全には一致しないという課題があった。

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、合成レーザビームの照射パワー密度の向上を図ったレーザビーム合成装置を提供することを目的としている。

本発明のある態様に係るレーザビーム合成装置は、同軸で伝搬し、且つ、波長が互いに異なる複数の円環レーザビームを出射する出射光学系と、複数の前記円環レーザビームを回折する同心円状の回折光学素子と、を備え、前記回折光学素子は、互いに異なる局所入射角で入射する複数の前記円環レーザビームの回折光の局所回折角が互いに等しくなるように前記波長に応じて複数の前記円環レーザビームを回折させる。

この構成によれば、複数の円環レーザビームの回折光の焦点位置を一致させることができるため、回折光を合成した合成レーザビームの照射パワー密度を高めることができる。

レーザビーム合成装置では、前記回折光学素子は、複数の前記円環レーザビームが互いに重なる位置に配置されていてもよい。この構成によれば、複数の円環レーザビームの回折光を互いに重ね合わせて、回折光を合成した合成レーザビームの照射パワー密度を高めることができる。

レーザビーム合成装置では、前記回折光学素子は、複数の段差によって区分された同心円状の複数の環状領域が形成された入射面又は出射面を有していてもよい。この構成によれば、回折光学素子の入射面に複数の環状領域が形成されている場合、入射面で反射して回折した円環レーザビームの回折光の局所回折角を互いに一致させることができる。また、回折光学素子の出射面に複数の環状領域が形成されている場合、透過し出射面で回折した円環レーザビームの回折光の局所回折角を互いに一致させることができる。

レーザビーム合成装置では、複数の前記円環レーザビームの各波長をλｎ、複数の前記円環レーザビームの前記回折光学素子への局所入射角をαｎ、前記回折光学素子が有する複数の前記環状領域の離隔寸法をｄ、前記環状領域の傾きであるブレーズ角をθｂｌとした反射型回折光学素子の場合に、次式
ｍ・λｎ＝２ｄ・ｓｉｎ[（αｎ−αｃ）/２＋θｂｌ ]・ｃｏｓ[（αｎ＋αｃ）/２−θｂｌ ]
（ただし、ｍは回折次数、ｎは、円環レーザビームごとに割り当てられる自然数、ｃは代表とする円環レーザビームのｎ値）を満たしていてもよい。この構成によれば、互いに異なる局所入射角で入射する複数の円環レーザビームの回折光の局所回折角が互いに等しくなるように波長に応じて複数の円環レーザビームを回折させることができる。

レーザビーム合成装置では、複数の前記円環レーザビームの回折光を集光する集光光学系と、前記回折光学素子と前記集光光学系との間において複数の前記円環レーザビームの回折光を拡大する拡大光学系と、をさらに備えていてもよい。この構成によれば、拡大光学系により円環レーザビームの回折光を拡大してから集光光学系により集光するため、この回折光の集光性を向上させて、合成レーザビームの照射パワー密度をさらに向上させることができる。

本発明は、以上に説明した構成を有し、合成レーザビームの照射パワー密度の向上を図ったレーザビーム合成装置を提供することができるという効果を奏する。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明の実施の形態に係るレーザビーム合成装置を模式的に示す構成図である。 図２（ａ）は、図１の凸型アキシコンミラーの第１反射面の円錐角θＡを示す図である。図２（ｂ）は、図１の凹型アキシコンミラーの第２反射面の円錐角θＢを示す図である。 図３（ａ）は、図１の回折光学素子の反射面側を示す図である。図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線で切断した回折光学素子の断面図である。 図３（ａ）の回折光学素子における円環レーザビーム及びこの回折光を模式的に示す図である。 図１のレーザビーム合成装置の集光性の評価に用いた６本の円環レーザビームを模式的に示す図である。 図６（ａ）は従来のレーザビーム合成装置により集光した合成レーザビームの強度を示すグラフである。図６（ｂ）〜図６（ｄ）は図１のレーザビーム合成装置により集光した合成レーザビームの強度を示すグラフである。 本発明の実施の形態の変形例に係るレーザビーム合成装置を模式的に示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（実施の形態）
（レーザビーム合成装置の構成）
レーザビーム合成装置１０の構成について、図１を参照して説明する。レーザビーム合成装置１０は、複数の円環レーザビームＩＬを１本の合成レーザビームＣＬに合成する装置である。レーザビーム合成装置１０は、出射光学系２０、回折光学素子３０、拡大光学系４０及び集光光学系５０を備えている。出射光学系２０は、同軸で伝搬し且つ波長が互いに異なる複数の円環レーザビームＩＬを出射する光学系であって、複数のレーザ光源２１及び複数の整形光学ユニット（以下、「ユニット２２」と称する。）を有している。

レーザ光源２１は、断面が円形状の中実レーザビームを発するレーザ装置であって、必要な特性に応じて、半導体レーザやファイバーレーザ、固体レーザなどが用いられる。複数（例えば、３つ）のレーザ光源２１（第１レーザ光源２１ａ、第２レーザ光源２１ｂ、第３レーザ光源２１ｃ）は、出射する中実レーザビームの光軸が互いに平行になるように配置されており、３つの中実レーザビームの波長は互いに異なる。回折光学素子３０に近い順に、第３レーザ光源２１ｃ、第２レーザ光源２１ｂ及び第１レーザ光源２１ａの順で並んでいる。

ユニット２２は、単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なる円環レーザビームＩＬを出射する。複数（例えば、３つ）のユニット２２（第１ユニット２２ａ、第２ユニット２２ｂ、第３ユニット２２ｃ）は、レーザ光源２１（第１レーザ光源２１ａ、第２レーザ光源２１ｂ、第３レーザ光源２１ｃ）にそれぞれ対応して配置されている。３つのユニット２２は、回折光学素子３０に近い順に、第３ユニット２２ｃ、第２ユニット２２ｂ及び第１ユニット２２ａの順で並んでいる。円環レーザビームＩＬは、断面が円形状のレーザビームの中央部が除去されたリング状のレーザビームである。

ユニット２２は、一対のアキシコンミラー２３、２４及びスクレイパーミラー２５を備えている。一対のアキシコンミラー２３、２４は、凹型アキシコンミラー２３及び凸型アキシコンミラー２４により構成されており、凹型アキシコンミラー２３は凸型アキシコンミラー２４よりレーザ光源２１側に位置している。

凸型アキシコンミラー２４は、第１反射面２４ａがレーザ光源２１と対向するように配置されている。第１反射面２４ａは、円錐形状に突き出し、入射した中実のレーザビームを円環レーザビームＩＬに変換し、外径寸法を拡大するように出射する。なお、第１反射面２４ａの円錐角については後述する。

凹型アキシコンミラー２３は、第２反射面２３ａ及び孔（第１通過孔）２３ｂを有している。第２反射面２３ａは、円錐形状に窪み、凸型アキシコンミラー２４から出射した円環レーザビームＩＬの内径寸法及び外径寸法を縮小して出射する。第１通過孔２３ｂは、第２反射面２３ａの円錐の頂点において第２反射面２３ａの円錐の軸に沿って第２反射面２３ａとその反対側にある面との間を貫通している。凹型アキシコンミラー２３は、第１通過孔２３ｂがレーザ光源２１からの中実レーザビームの光軸に沿い、第２反射面２３ａが第１反射面２４ａに対向するように配置されている。なお、第２反射面２３ａの円錐角については後述する。

スクレイパーミラー２５は、凹型アキシコンミラー２３から出射した円環レーザビームＩＬの進路を変更する反射光学系である。スクレイパーミラー２５は、凹型アキシコンミラー２３と凸型アキシコンミラー２４との間でレーザ光源２１の光軸に対して４５°で傾斜するように配置されている。スクレイパーミラー２５の第３反射面２５ａは平らであって、その中央に孔（第２通過孔）２５ｂが設けられている。第２通過孔２５ｂは、互いに直交する２つのレーザビームが通過できるように、第３反射面２５ａに対して４５°に傾く２方向からスクレイパーミラー２５を貫通する。この２方向のうちの一方がレーザ光源２１の光軸に平行であって、３つのスクレイパーミラー２５の第３反射面２５ａのそれぞれで反射される３つの円環レーザビームＩＬが互いに同軸になるように３つのスクレイパーミラー２５は配置されている。

回折光学素子３０は、出射光学系２０から出射された複数の円環レーザビームＩＬが互いに重なり合う位置に配置されている。また、複数の円環レーザビームＩＬの集束角は互いに異なる。この場合、回折光学素子３０に入射する複数の円環レーザビームＩＬの局所入射角も互いに異なる。この局所入射角は、図４に示すように、軸対称の円環レーザビームＩＬの波面ＩＬｆの径方向断面について局所的に着目した場合の波面進行方向における入射角であって、回折光学素子３０に入射する円環レーザビームＩＬの集束角に等しい。

この互いに異なる局所入射角で入射された複数の円環レーザビームＩＬの回折光ＤＬの局所回折角が互いに等しくなるように、回折光学素子３０は、複数の円環レーザビームＩＬを回折する。この局所回折角は、図４に示すように、軸対称の回折光ＤＬの波面ＤＬｆの径方向断面について局所的に着目した場合の波面進行方向における回折角であって、回折光学素子３０から出射する回折光ＤＬの発散角に等しい。このような回折により、図１に示すように、回折光学素子３０から出射する複数の回折光ＤＬは、局所回折角が互いに等しく、１本の回折光ＤＬが合成されて、合成レーザビームＣＬが生成する。この回折光学素子３０については、後述する。

拡大光学系４０は、回折光学素子３０と集光光学系５０との間に設けられ、回折光学素子３０で回折された複数の円環レーザビームＩＬの回折光ＤＬ（つまり、合成レーザビームＣＬ）の外径寸法を拡大する。これにより、合成レーザビームＣＬの径幅（外径寸法と内径寸法との差）も増大する。拡大光学系４０は、例えば、２つの平凸レンズ（入射側平凸レンズ４１、出射側平凸レンズ４２）から構成されている。ただし、拡大光学系４０は、これに限定されず、凹レンズと凸レンズ、凸面ミラーと凹面ミラー、凹面ミラーと凹面ミラー等の組み合わせを用いることもできる。

集光光学系５０は、回折光学素子３０から出射された複数の円環レーザビームＩＬの回折光ＤＬ（つまり、合成レーザビームＣＬ）を集光する光学系であって、例えば、平凸レンズが用いられる。ただし、集光光学系５０は、平凸レンズに限定されず、両凸レンズや凹凸レンズ（メニスカスレンズ）、及び、凹面ミラー等により構成されていてもよい。

レーザビーム合成装置１０は、ユニット２２と集光光学系５０との間に縮小光学系及び導光光学系などを必要に応じて備えていてもよい。縮小光学系は、ユニット２２から出射された円環レーザビームＩＬの径寸法を縮小させる光学系である。導光光学系は、ユニット２２から出射された円環レーザビームＩＬを集光光学系５０に導く光学系である。

（アキシコンミラーの角）
図２に示すように、凸型アキシコンミラー２４の第１反射面２４ａの円錐角θＡは、第１反射面２４ａにおける円錐の回転軸と円錐の母線との間の角θａの２倍である。円錐角θＡは、θＡ＝（１８０−α）＋△と表せる。また、凹型アキシコンミラー２３の第２反射面２３ａの円錐角θＢは、第２反射面２３ａにおける円錐の回転軸と円錐の母線との間の角θｂの２倍である。円錐角θＢは、θＢ＝（１８０−α）と表せる。ここで、αは１度以上１０度以下である。△は−０．１度以上０．１度以下であって、回折光学素子３０に近いほど大きくなっている。

このように、各ユニット２２において一対のアキシコンミラー２３、２４は、第１反射面２４ａの円錐角と第２反射面２３ａの円錐角とが異なり、この差が回折光学素子３０に近いほど大きくなるように形成されている。これにより、複数のユニット２２から出射される複数の円環レーザビームＩＬは、互いに異なる径及び発散角で出射されてから、伝播するに伴い互いに重なり合う。

（回折光学素子の構成）
図３（ａ）に示すように、回折光学素子３０は、複数の段差によって区分された同心円状の複数の環状領域３１が形成された反射面（入射面）３２を有している。例えば、回折光学素子３０は、円盤形状であって、反射面３２に複数の溝３３が設けられている。この溝３３によって反射面３２に段差が形成され、段差によって反射面３２は複数の環状領域３１に分割されている。

溝３３は、環状である。複数の溝３３は、中心が互いに一致するように等間隔で配置されており、環状領域３１の径方向の寸法（外径寸法と内径寸法との差）が互いに一致するように形成されている。

図３（ｂ）に示すように、隣接する溝３３に挟まれた環状領域３１は、回折光学素子３０を径方向に切断した断面形状が矩形状であってもよい。この場合、隣接する環状領域３１の間には溝３３が設けられている。各環状領域３１は、互いに面一であって、回折光学素子３０の法線に対して直交するように形成されている。

また、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示すように、溝３３によって形成された環状領域３１は、回折光学素子３０を径方向に切断した断面形状が鋸歯形状であってもよい。この場合、隣接する環状領域３１は、回折光学素子３０の法線方向から見ると互いに連続するように配置している。

そして、図３（ｃ）に例示する環状領域３１の場合は、区間ｄ内で回折光学素子３０の中心から離れるほど反射面３２が高くなるように（つまり、反射したビームの進行方向への突出量が大きくなるように）傾斜している。また、各環状領域３１のうち、回折光学素子３０の中心から外縁までの同一半径上に位置する部分は互いに平行であって、高さが一致するように形成されている。

また、図３（ｄ）に例示する環状領域３１の場合は、区間ｄ内で回折光学素子３０の中心から離れるほど反射面３２が低くなるように（つまり、反射したビームの進行方向への突出量が小さくなるように）傾斜している。また、各環状領域３１のうち、回折光学素子３０の中心から外縁までの同一半径上に位置する部分は互いに平行であって、高さが一致するように形成されている。

（回折光学素子の回折）
図４に示す反射型回折光学素子の場合、回折光学素子３０から遠いものから順にｎ番目（ｎは自然数）の出射光学系２０から出射される波長（中心波長）λｎの円環レーザビームＩＬが、回折光学素子３０に局所入射角αｎで入射する場合、回折次数ｍの回折光ＤＬが局所回折角βで回折する。ここで、図４中にて符号ＩＬを付した太線は入射する円環レーザビームＩＬの波面ＩＬｆを模したものであり、図４中で符号ＤＬを付した太線は回折光ＤＬの波面ＤＬｆを模したものである。

なお、局所入射角αｎは、波面ＩＬｆが切頭円錐形状の円環レーザビームＩＬの中心軸ＣＡを通る断面（径方向断面）において、波面ＩＬｆの２つの部分のうちの一方の波面部分の法線と回折光学素子３０の法線ＮＬとの成す角である。この円環レーザビームＩＬの切頭円錐形状の波面ＩＬｆは中心軸ＣＡに軸対称であり、中心軸ＣＡは回折光学素子３０の法線ＮＬであるため、円環レーザビームＩＬ自体の入射角は、０になる。

この円環レーザビームＩＬは、集束角αｎで伝搬して、局所入射角αｎで回折光学素子３０に入射する。このため、局所入射角αｎは、回折光学素子３０に入射する円環レーザビームＩＬの集束角と同義である。この集束角は、進行方向に対して円環レーザビームＩＬのスポットサイズ（波面ＩＬｆの外径寸法Ｒｉ）を円錐状に絞って伝搬させる際の円錐の角度（頂角）を半角で表したものである。

円環レーザビームＩＬの集束角は、進行方向にスポットサイズが小さくなる（集束する）場合に＋（プラス）で表され、大きくなる（発散する）場合に−（マイナス）で表され、変化しない場合に０（ゼロ）で表される。なお、円環レーザビームＩＬのスポットサイズが進行方向に大きくなる場合、円環レーザビームＩＬの集束角は発散角とも表せる。このため発散する円環レーザビームＩＬの集束角（発散角、局所入射角）αｎは負（マイナス）の値になり、集束する円環レーザビームＩＬの集束角（局所入射角）αｎは正（プラス）の値になる。また、図４では、回折光学素子３０の法線ＮＬからのαｎの矢印の方向は、αｎの＋（正）の向きを表している。

また、局所回折角βは、波面ＤＬｆが切頭円錐形状の回折光ＤＬの中心軸ＣＡを通る断面（径方向断面）において、波面ＤＬｆの２つの部分のうちの一方の波面部分の法線と回折光学素子３０の法線ＮＬとの成す角である。この回折光ＤＬの切頭円錐形状の波面ＤＬｆは中心軸ＣＡに軸対称であり、中心軸ＣＡは回折光学素子３０の法線ＮＬであるため、回折光ＤＬ自体の回折角は、０になる。

この回折光ＤＬは、回折光学素子３０において局所回折角βで回折して、発散角βで回折光学素子３０から出射し伝搬していく。このため、局所回折角βは、回折光学素子３０から出射する回折光ＤＬの発散角と同義である。この発散角は、進行方向に対して回折光ＤＬのスポットサイズ（波面ＤＬｆの外径寸法Ｒｄ）を円錐状に拡げて伝搬させる際の円錐の角度（頂角）を半角で表したものである。

回折光ＤＬの発散角は、進行方向にスポットサイズが大きくなる（発散する）場合は＋（プラス）で表し、小さくなる（集束する）場合は−（マイナス）で表し、変化しない場合は０（ゼロ）で表す。なお、回折光ＤＬのスポットサイズが進行方向に小さくなる場合、回折光ＤＬの発散角は集束角とも表せる。このため、発散する回折光ＤＬの発散角（局所回折角）βは正（プラス）の値になり、集束する回折光ＤＬの発散角（集束角、局所回折角）βは負（マイナス）の値になる。また、図４では、回折光学素子３０の法線ＮＬからのβの矢印の方向は、βの＋（正）の向きを表している。

この場合、回折格子方程式 (diffraction grating equation)は下記式（１）の通りとなる。ここで、ｄは回折光学素子３０の隣接する環状領域３１の径方向の離隔寸法である。
ｄ（ｓｉｎαｎ＋ｓｉｎβ）＝ｍ・λｎ （１）

回折光学素子３０の反射面３２における環状領域３１に対して、入射光の円環レーザビームＩＬとこのｍ次の回折光ＤＬとが鏡面反射の関係にあるとき、ｍ次の回折光ＤＬにエネルギーの大部分が集中する。出射光学系２０から出射される波長（中心波長）λｎの中から代表（又は中心）波長を選びλｃとした場合（ｎ＝ｃ）に、環状領域３１の傾き（ブレーズ角）θｂｌは下記式（２）で表せる。なお、ｍは回折次数であって、ｃは代表とする円環レーザビームＩＬのｎ値である。また、図４では、回折光学素子３０の法線ＮＬからのθｂｌの矢印の方向は、θｂｌの＋（正）の向きを表している。
θｂｌ＝（αｃ＋β）／２ （２）

ｍ次の回折光ＤＬについて高い回折効率を得る場合の波長λｎは、上記式（１）及び（２）から、下記式（３）の通り表せる。
ｍ・λｎ＝ｄ（ｓｉｎαｎ＋ｓｉｎβ）
＝２ｄ・ｓｉｎ[（αｎ−αｃ）/２＋θｂｌ ]・ｃｏｓ[（αｎ＋αｃ）/２−θｂｌ] （３）

この上記式（３）に示すように、回折光学素子３０の隣接する環状領域３１の離隔寸法ｄが一定の場合、回折光学素子３０に入射する複数の円環レーザビームＩＬの波長λｎはこの局所入射角αｎ及び局所回折角βに依存する。このため、回折光学素子３０に対する局所入射角αｎが互いに異なる複数の円環レーザビームＩＬについて、この回折光ＤＬの局所回折角βを一致させるように、波長λｎに応じて複数の円環レーザビームＩＬを回折させることができる。つまり、上述した寸法ｄ及びブレーズ角θｂｌを有する回折光学素子３０を用いれば、波長λｎ及び局所入射角αｎの円環レーザビームＩＬ（ｎ：自然数）から、同一の局所回折角βを有する回折光ＤＬを得ることができる。

（レーザビーム合成装置の動作）
図１に示すように、回折光学素子３０から遠い順にｎ番目（ｎは自然数）のレーザ光源２１から波長λｎの中実レーザビームがｎ番目のユニット２２に入射される。ｎ番目のユニット２２では、中実レーザビームは凹型アキシコンミラー２３の第１通過孔２３ｂを通り抜け、さらに、スクレイパーミラー２５の第２通過孔２５ｂを通過する。

そして、中実レーザビームは凹型アキシコンミラー２３の第１通過孔２３ｂを通過し、凸型アキシコンミラー２４の円錐形状の第１反射面２４ａで円環レーザビームＩＬに変換される。この円環レーザビームＩＬは、スクレイパーミラー２５の第２通過孔２５ｂを通過し、凹型アキシコンミラー２３の第２反射面２３ａで反射する。その後、円環レーザビームＩＬは第２通過孔２５ｂの周りの第３反射面２５ａに当たり、レーザ光源２１の光軸に対して垂直な方向に反射されて、ユニット２２から出射する。

この円環レーザビームＩＬは、第１反射面２４ａの円錐角θＡが第２反射面２３ａの円錐角θＢよりも大きい場合は、図１のように、径寸法が伝搬するに伴い縮小する。また、円環レーザビームＩＬは、第１反射面２４ａ及び第２反射面２３ａが円錐形状であるため、波面ＩＬｆが切頭円錐形状になる。この波面ＩＬｆの法線と中心軸ＣＡとのなす角度（集束角）αｎで円環レーザビームＩＬは伝搬していく。

また、複数の円環レーザビームＩＬは、外径寸法Ｒｉ及び集束角αｎが回折光学素子３０に近いほど大きい。このため、複数の円環レーザビームＩＬは、ｎ＋１番目の円環レーザビームＩＬがｎ番目のレーザビームを取り囲むように、互いに光軸が一致しながら伝搬する。

そして、複数の円環レーザビームＩＬは、外周縁及び内周縁が互いに一致して、互いに重なり合う位置で、回折光学素子３０に入射する。この複数の円環レーザビームＩＬの間では局所入射角αｎが互いに異なっている。

複数の円環レーザビームＩＬは回折光学素子３０で回折され、ｍ次（例えば、１次）の回折光ＤＬが局所回折角βで反射する。この回折光ＤＬは、円環形状であって、波面ＤＬｆが切頭円錐形状である。この波面ＤＬｆの法線と中心軸ＣＡとのなす角度（発散角）で回折光ＤＬは伝搬していく。この発散角は、局所回折角βと等しい。

ここで、上記式（３）に示すように、局所回折角βは、円環レーザビームＩＬの局所入射角αｎ及び波長λｎに依存する。このため、互いに異なる局所入射角αｎの複数の円環レーザビームＩＬについて、この円環レーザビームＩＬの回折光ＤＬの局所回折角βが互いに一致するように円環レーザビームＩＬの波長λｎは定められている。これによって、複数の円環レーザビームＩＬの局所入射角αｎの差が回折光学素子３０で相殺されるため、複数の回折光ＤＬは互いに等しい局所回折角βで回折光学素子３０から出射する。この結果、複数の回折光ＤＬは、同軸で、互いに重なり合い且つ局所回折角βが互いに一致して、波面ＤＬｆの傾きが揃った単一の合成レーザビームＣＬに合成される。

この合成レーザビームＣＬは、拡大光学系４０の入射側平凸レンズ４１で拡大されて、出射側平凸レンズ４２でコリメート状態に調整される。その後、合成レーザビームＣＬは集光光学系５０に入射し、集光される。この合成レーザビームＣＬを構成している複数の回折光ＤＬの発散角βは互いに等しいため、これらの焦点位置Ｆは一致する。これにより、合成レーザビームＣＬの集光径を小さくすることができ、合成レーザビームＣＬの照射パワー密度を高めることができる。

ここで、集光光学系５０に入射する合成レーザビームＣＬの径寸法が拡大光学系４０によって拡大されている。このため、集光光学系５０で集光した合成レーザビームＣＬの集光性が高められ、合成レーザビームＣＬの照射パワー密度をさらに向上させることができる。

また、複数の円環レーザビームＩＬの局所入射角αｎが等間隔で設定されている場合、上記式（３）に示すように、複数の円環レーザビームＩＬの波長λｎも等間隔又はほぼ等間隔に設定することができるため、レーザビーム合成装置１０の構成が簡略化される。

（合成レーザビームの集光性）
出射光学系２０から図５に示すような波長特性を有する６本の円環レーザビームＩＬを出射し、この合成レーザビームＣＬの集光性について検討した。円環レーザビームＩＬは、中心波長λｎの間隔ｓを２ｎｍとして、波長λｎを１０７０ｎｍ、１０７２ｎｍ、１０７４ｎｍ、１０７６ｎｍ、１０７８ｎｍ、１０８０ｎｍに設定した。集光光学系５０から１ｋｍの位置における合成レーザビームＣＬの強度分布を波動光学に基づきシミュレーションした。

この結果、図６（ａ）に示すように、同心円状の回折光学素子３０を用いない従来のレーザビーム合成装置では、複数の円環レーザビームＩＬの焦点位置が一致せず、合成レーザビームＣＬの強度は小さかった。これに対し、図６（ｂ）に示すように、線幅ｗ（図５）が３ｎｍの円環レーザビームＩＬを用いた本実施の形態に係るレーザビーム合成装置１０では、従来の合成レーザビームに比べて強度が２．８倍になった。

また、図６（ｃ）に示すように、線幅ｗ（図５）が１ｎｍの円環レーザビームＩＬを用いた本実施の形態に係るレーザビーム合成装置１０では、従来の合成レーザビームに比べて強度が４．３倍になった。さらに、図６（ｄ）に示すように、線幅ｗ（図５）が０．３ｎｍの円環レーザビームＩＬを用いた本実施の形態に係るレーザビーム合成装置１０では、従来の合成レーザビームに比べて強度が４．９倍になった。

このように、同心円状の回折光学素子３０を用いることにより、線幅が中心波長間隔程度の広帯域であっても高い強度の合成レーザビームＣＬを得ることができる。

（変形例）
上記構成では、レーザビーム合成装置１０は反射型の回折光学素子３０を用いたが、透過型の回折光学素子３０を用いてもよい。この場合、図７に示すように、透過型の回折光学素子３０の入射面３２は平らであって、出射面３４に複数の段差によって区分された同心円状の複数の環状領域３１が形成されている。

このレーザビーム合成装置１０では、出射光学系２０から出射した複数の円環レーザビームＩＬは、透過型の回折光学素子３０に入射する。ここで、複数の円環レーザビームＩＬは回折光学素子３０を通過し、出射面３４において回折する。この回折によって、互いに異なる局所入射角αｎで入射した複数の円環レーザビームＩＬについて、この回折光ＤＬの局所回折角βが互いに一致するように波長λｎに応じて回折される。このため、同じ局所回折角βで回折光ＤＬは回折光学素子３０から出射されて、合成レーザビームＣＬに合成される。そして、合成レーザビームＣＬは拡大光学系４０により拡大されてから、集光光学系５０により集光する。

（その他の実施の形態）
上記構成では、回折光学素子３０の反射面（入射面）３２又は出射面３４に溝３３によって段差が形成され、この段差によって各面３２、３４は複数の環状領域３１に分割されていた。ただし、回折光学素子３０は、環状領域３１が同心円状であれば、形状はこれに限定されない。例えば、回折光学素子３０に溝３３による段差が形成されておらず、平面形状であってもよい。この場合、特定の屈折率を有する環状領域が回折光学素子３０に設けられている。

上記構成では、出射光学系２０から出射される円環レーザビームＩＬは、単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なるようにした。ただし、同心状の円環レーザビームＩＬが伝搬するに従って互いに接近して重なり合えばよい。このため、単位伝搬距離当たりの外径寸法の変化量が互いに異なっていればよく、たとえば、この変化量が減少量でなく増加量であってもよい。

上記構成では、ユニット２２は、一対のアキシコンミラー２３、２４で構成される反射光学系を用いた。これに対して、ユニット２２は、一対のアキシコンレンズで構成される透過光学系を用いてもよい。

上記構成では、中実レーザビームを円環レーザビームＩＬに整形して出射する出射光学系２０を用いた。しかしながら、出射光学系２０の構成はこれに限定されない。例えば、一対のアキシコン光学系に代えてスクレイパーミラーを出射光学系２０として用いることもできる。

上記構成では、出射光学系２０から出射された直後では、円環レーザビームＩＬが隣接する円環レーザビームＩＬを取り囲んでいた。これに対して、隣接する円環レーザビームＩＬどうしは互いに重なり合っていてもよい。

上記構成では、合成レーザビームＣＬを構成する全てのレーザビームは円環形状であった。これに対して、合成レーザビームＣＬを構成するレーザビームのうち、径が最も小さいレーザビームは中実であってもよい。

また、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。例えば、変形例のレーザビーム合成装置１０に、その他の実施の形態の各例を適応することができる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明のレーザビーム合成装置は、合成レーザビームの照射パワー密度の向上を図ったレーザビーム合成装置等として有用である。

１０ ：レーザビーム合成装置
２０ ：出射光学系
３０ ：回折光学素子
３１ ：環状領域
３２ ：反射面（入射面）
３４ ：出射面
４０ ：拡大光学系
５０ ：集光光学系
ＣＬ ：合成レーザビーム
ＤＬ ：回折光
ＩＬ ：円環レーザビーム

Claims (5)

1. 同軸で伝搬し、且つ、波長が互いに異なる複数の円環レーザビームを出射する出射光学系と、
   複数の前記円環レーザビームを回折する同心円状の回折光学素子と、を備え、
   前記回折光学素子は、互いに異なる局所入射角で入射する複数の前記円環レーザビームの回折光の局所回折角が互いに等しくなるように前記波長に応じて複数の前記円環レーザビームを回折させる、レーザビーム合成装置。
2. 前記回折光学素子は、複数の前記円環レーザビームが互いに重なる位置に配置されている、請求項１に記載のレーザビーム合成装置。
3. 前記回折光学素子は、複数の段差によって区分された同心円状の複数の環状領域が形成された入射面又は出射面を有している、請求項１又は２に記載のレーザビーム合成装置。
4. 前記回折光学素子が反射型であり、複数の前記円環レーザビームの各波長をλｎ、複数の前記円環レーザビームの前記回折光学素子への局所入射角をαｎ、前記回折光学素子が有する複数の前記環状領域の離隔寸法をｄ、前記環状領域の傾きであるブレーズ角をθｂｌとした場合に、次式
   ｍ・λｎ＝２ｄ・ｓｉｎ[（αｎ−αｃ）/２＋θｂｌ]・ｃｏｓ[（αｎ＋αｃ）/２−θｂｌ]
   （ただし、ｍは回折次数、ｎは、円環レーザビームごとに割り当てられる自然数、ｃは代表とする円環レーザビームのｎ値）
   を満たしている、請求項３に記載のレーザビーム合成装置。
5. 複数の前記円環レーザビームの回折光を集光する集光光学系と、
   前記回折光学素子と前記集光光学系との間において複数の前記円環レーザビームの回折光を拡大する拡大光学系と、をさらに備えている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザビーム合成装置。

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