JP3283608B2 - Laser beam shaping device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、レーザービーム整形装
置に関する。更に詳述すると、本発明は、レーザーレー
ダなどの計測器やレーザー加工器、レーザー光化学反応
におけるレーザービーム伝送装置において、計測領域や
加工領域、光反応領域に適合するようにレーザービーム
の断面形状、強度分布および波面の状態を変換するレー
ザービーム整形装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser beam shaping device. More specifically, the present invention is a measuring device such as a laser radar and a laser processing device, a laser beam transmission device in laser photochemical reaction, the measurement region and the processing region, the cross-sectional shape of the laser beam to fit the photoreaction region, The present invention relates to a laser beam shaping device for converting a state of an intensity distribution and a wavefront.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、一般にレーザー光を用いたレーザ
ー化学反応などにおいては、レーザービームは、反応領
域との空間的マッチングを考慮した場合には四角形で均
一な強度分布であることが望ましい。しかし、レーザー
ビームの強度分布は多くの場合には円形のガウシャンビ
ームであったり、矩形であってもその強度分布が不均一
であることが少なくない。そこで、レーザー光の波面を
きれいな状態に保ちながら強度分布を変換する技術が求
められる。2. Description of the Related Art Conventionally, in a laser chemical reaction using a laser beam, it is desirable that a laser beam has a square and uniform intensity distribution in consideration of spatial matching with a reaction region. However, in many cases, the intensity distribution of the laser beam is a circular Gaussian beam, or even if it is rectangular, the intensity distribution is often not uniform. Therefore, a technique for converting the intensity distribution while keeping the wavefront of the laser beam clean is required.
【０００３】レーザービームの強度分布を他の形状に変
換する方法としては、従来、ホログラフィを用いる方法
が提案されている。例えば、図８に示すように、２枚の
ホログラフィ１０１，１０２を用いてレーザー１０３か
ら射出された円形ガウシャンビームを円形の均一強度の
ビームに変換する方法が提案されている。As a method of converting the intensity distribution of a laser beam into another shape, a method using holography has been conventionally proposed. For example, as shown in FIG. 8, a method has been proposed in which a circular Gaussian beam emitted from a laser 103 is converted into a circular beam of uniform intensity by using two holographs 101 and 102.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このビ
ーム形状変換方法では、ホログラフィーの回折効率で
変換効率が抑えられてしまうこと、エネルギー強度の
高いレーザーに対して熱的安定性も含めて使用可能なホ
ログラフィー材料がないこと、ビームの状態の経時的
な変動に対して対応ができないこと等の問題がある。However, in this beam shape conversion method, the conversion efficiency is suppressed by the diffraction efficiency of holography, and the beam shape conversion method can be used for a laser having high energy intensity, including thermal stability. There are problems such as the absence of a holographic material and the inability to cope with a temporal change in the state of a beam.
【０００５】そこで、本発明は、レーザービームの波面
をきれいな状態に保ちながら強度分布を変換するレーザ
ービーム整形装置、即ちレーザービームを目的とする断
面形状と強度分布に変えて尚かつそれをその形状のまま
遠くまで飛ばし得るレーザービームに変換し得る装置の
提供を目的とする。Accordingly, the present invention provides a laser beam shaping device for converting the intensity distribution while keeping the wavefront of the laser beam clean, that is, changing the laser beam into a desired cross-sectional shape and intensity distribution, and further converting the laser beam into the desired shape. It is an object of the present invention to provide a device that can convert a laser beam into a laser beam that can be traveled far.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明のレーザービーム整形装置は、入射レーザー
ビームの強度分布に応じた凹凸の反射面を有し入射レー
ザービームの位相と反射方向を強度分布に応じて局所的
に変えて目的とする強度分布に変換する第１のミラーシ
ステムと、この第１のミラーシステムで反射されたレー
ザービームの波面の歪みに応じた凹凸の反射面を有しレ
ーザービームの位相を変えて波面の歪みを補正して平坦
な波面に変換する第２のミラーシステムとから構成し、
第１のミラーシステムにおける反射によって第２のミラ
ーシステム上でレーザービームの強度分布を均一に変換
すると共に波面の乱れを第２のミラーシステムで補正
し、出射レーザービームの波面をきれいな状態に保ちな
がら目的とする断面形状並びに均一な強度分布に整形す
るようにしている。In order to achieve the above object, a laser beam shaping apparatus according to the present invention has an uneven reflecting surface according to the intensity distribution of an incident laser beam and adjusts the phase and the reflecting direction of the incident laser beam. A first mirror system for locally changing the intensity distribution according to the intensity distribution to convert the intensity distribution into a target intensity distribution; and a concave / convex reflecting surface corresponding to the wavefront distortion of the laser beam reflected by the first mirror system. A second mirror system that corrects the wavefront distortion by changing the phase of the laser beam and converts it to a flat wavefront,
The reflection at the first mirror system uniformly converts the intensity distribution of the laser beam on the second mirror system, and corrects the disturbance of the wavefront with the second mirror system, thereby keeping the wavefront of the output laser beam clean. It is shaped to have the desired cross-sectional shape and uniform intensity distribution.
【０００７】また、本発明のレーザービーム整形装置に
おいて、好ましくは、第１のミラーシステムはアクチュ
エータの作動によって反射面の形状が変化する第１ミラ
ーと、出射レーザービームの強度分布を検出する強度分
布センサーと、該センサーによって検出された強度分布
に基づき目的とするレーザービームの形状と強度分布を
得るミラー反射面の形状を算出して前記アクチュエータ
に制御信号を出力する第１コントローラとから成り、第
２のミラーシステムはアクチュエータの作動によって反
射面の形状が変化する第２ミラーと、出射レーザービー
ムの波面状態を検出する波面センサーと、この波面セン
サーによって検出された波面状態に基づき波面の乱れを
正すミラー反射面の形状を算出してアクチュエータに制
御信号を出力する第２コントローラとから構成されてい
る。Further, in the laser beam shaping device of the present invention, preferably, the first mirror system has a first mirror whose reflection surface shape is changed by an operation of an actuator, and an intensity distribution for detecting an intensity distribution of an output laser beam. A first controller that calculates a shape of a mirror reflecting surface that obtains a shape and an intensity distribution of a target laser beam based on the intensity distribution detected by the sensor and outputs a control signal to the actuator, The second mirror system has a second mirror whose reflection surface shape is changed by the operation of the actuator, a wavefront sensor for detecting the wavefront state of the emitted laser beam, and corrects the wavefront disturbance based on the wavefront state detected by the wavefront sensor. Calculates the shape of the mirror reflection surface and outputs a control signal to the actuator And a two controller.
【０００８】[0008]
【作用】したがって、入射レーザービームは、その強度
分布に応じて目的とするビーム形状・強度分布に変換す
べく設定された第１のミラーシステムの反射面で反射す
る際に位相と各々の反射方向を変えて第２のミラーシス
テムの反射面上で目的とする強度分布に変換される。そ
して、さらに均一強度分布に変換されたレーザービーム
は、第２のミラーシステムの反射面での反射によって位
相を変えて波面の乱れを補正して平坦な波面に変換され
る。Therefore, when the incident laser beam is reflected by the reflecting surface of the first mirror system, which is set so as to be converted into a desired beam shape and intensity distribution in accordance with the intensity distribution, the phase and each reflection direction are reflected. To the desired intensity distribution on the reflecting surface of the second mirror system. Then, the laser beam further converted into the uniform intensity distribution is changed into a flat wavefront by changing the phase by reflection on the reflection surface of the second mirror system to correct wavefront turbulence.
【０００９】このビーム強度分布変換の基本的な考え方
は、例えばOlof Bryngdahl（オルフブリングダー）によ
って考え出された方法によって説明される。ここで、第
１のミラーシステムの素子・ミラーはψ（ｘ，ｙ）とい
う位相分布をもつとする。そして、この第１のミラーシ
ステムの素子・ミラーにａ（ｘ，ｙ）という強度分布の
レーザービームが入射し、このビームがレンズにより２
枚目の素子・第２のミラーシステムのミラーの位置する
Ｂ点の面に至るとする。この時のレーザービームは平面
波とする。Ｂ点の座標を（ｕ，ｖ）で表すと、この位置
でのビームの強度分布ａ’（ｕ，ｖ）は数式１で表され
る。[0009] The basic concept of this beam intensity distribution conversion is explained by a method devised by Olof Bryngdahl, for example. Here, it is assumed that the element / mirror of the first mirror system has a phase distribution of ψ (x, y). Then, a laser beam having an intensity distribution of a (x, y) is incident on the element / mirror of this first mirror system, and this beam is
It is assumed that the light reaches the surface at point B where the mirror of the second element / second mirror system is located. The laser beam at this time is a plane wave. When the coordinates of the point B are represented by (u, v), the intensity distribution a ′ (u, v) of the beam at this position is represented by Expression 1.
【００１０】[0010]
【数１】 右辺の２番目のｅｘｐはレンズによるフーリエ交換を表
す。レンズが無い場合でも１枚目の素子・第１のミラー
システムのミラーにレンズの機能を付加すれば、即ち強
度分布に応じて強度分布が均一となる方向に反射方向を
局所的に（ある単位面積当たりの光束毎に）制御すれば
同様の結果を得ることが可能となる。(Equation 1) The second exp on the right side represents Fourier exchange by the lens. Even if there is no lens, if the function of the lens is added to the first element / mirror of the first mirror system, that is, the reflection direction is locally changed to a direction in which the intensity distribution becomes uniform according to the intensity distribution (a certain unit). A similar result can be obtained by controlling (for each light flux per area).
【００１１】次に、１枚目の素子・ミラーの位相関数を
求める。ここで、１枚目の素子の位相関数ψ（ｘ，ｙ）
と変換ｕ＝ｕ（ｘ，ｙ）およびｖ＝ｖ（ｘ，ｙ）とは数
式２及び数式３の関係を有する。Next, the phase function of the first element / mirror is determined. Here, the phase function of the first element ｙ (x, y)
And the transformations u = u (x, y) and v = v (x, y) have the relationships of Equations 2 and 3.
【００１２】[0012]
【数２】 レンズが無い場合には(Equation 2) When there is no lens
【数３】 ここで、ｚは２枚の素子・ミラー間の距離である。(Equation 3) Here, z is the distance between the two elements and the mirror.
【００１３】１枚目の素子即ち第１のミラーシステムの
ミラーの位相関数は、ｕ＝ｕ（ｘ，ｙ）：ｖ＝ｖ（ｘ，
ｙ）が分かっていれば数式２または数式３から容易に求
めることが可能である。これらの式は光線追跡的観点か
ら、波面の傾きはビームの進行方向に垂直であることを
考えると容易に理解できる。The phase function of the first element, ie, the mirror of the first mirror system, is u = u (x, y): v = v (x,
If y) is known, it can be easily obtained from Expression 2 or Expression 3. These equations can be easily understood from the viewpoint of ray tracing, considering that the inclination of the wavefront is perpendicular to the traveling direction of the beam.
【００１４】望ましいマッピング関数ｕ＝ｕ（ｘ，
ｙ）：ｖ＝ｖ（ｘ，ｙ）は入射ビーム強度分布ａ（ｘ，
ｙ）と目的の強度分布ａ’（ｕ，ｖ）から求めなければ
ならない。入射強度分布が数式４のように１次元問題に
変換できる場合には容易である。The desired mapping function u = u (x,
y): v = v (x, y) is the incident beam intensity distribution a (x,
y) and the desired intensity distribution a '(u, v). This is easy if the incident intensity distribution can be converted into a one-dimensional problem as in Equation 4.
【００１５】[0015]
【数４】 この場合にはマッピング関数は数式５により求められ
る。(Equation 4) In this case, the mapping function is obtained by Expression 5.
【数５】 (Equation 5)
【００１６】円形ガウシャンビームから四角形均一ビー
ムまたは円形均一ビームなどの場合には数式から直に求
められるが、場合により、ニュートン・ラプソン法など
の数値解析により各々のｘに対しｕを計算することが必
要となることもある。このようにしてマッピング関数ｕ
（ｘ）、ｖ（ｙ）が求められたならば、位相関数は次の
数式６で表される。In the case of a square uniform beam or a circular uniform beam from a circular Gaussian beam, it can be directly obtained from a mathematical expression. In some cases, u is calculated for each x by numerical analysis such as Newton-Raphson method. May be required. Thus, the mapping function u
If (x) and v (y) are obtained, the phase function is expressed by the following equation (6).
【００１７】[0017]
【数６】 (Equation 6)
【００１８】このようにしてＢ点上即ち第２のミラーシ
ステムのミラー上に目的の強度分布を再現するのであ
る。通常もしくは開発の進んだレーザーではガウシャン
ビームかレーザー媒質の回折や励起分布により決定され
たプロファイルになると思われるので、このような数式
４の範囲内でも充分要求を満たすと思われる。In this way, the intended intensity distribution is reproduced on the point B, that is, on the mirror of the second mirror system. It is thought that the profile of the laser, which is usually or developed, is determined by the diffraction or the excitation distribution of the Gaussian beam or the laser medium.
【００１９】次に２枚目の素子・第２のミラーシステム
のミラーの位相関数の求め方を考える。基本的にはレー
ザーの波面は１枚目の素子・第１のミラーシステムのミ
ラーにより数式１の指数部のような位相成分を足し合わ
されるのであるから、波面に歪み・乱れが起こるのでそ
の分を２枚目の素子・第２のミラーシステムのミラーで
補正すれば良い。ここで、入射レーザービームが平面波
ではなく、θ（ｘ，ｙ）なる位相分布を持つ場合には、
位相関数−θ（ｘ，ｙ）を持つ素子・ミラーを追加すれ
ば良い。これは１枚目の素子・ミラーに追加可能であ
る。この場合の１枚目の素子・ミラーの位相関数は数式
７とすれば良い。Next, how to determine the phase function of the mirror of the second element / second mirror system will be considered. Basically, the wavefront of the laser is added with a phase component such as the exponential part of Equation 1 by the first element and the mirror of the first mirror system, so that the wavefront is distorted and disturbed. May be corrected by the second element / mirror of the second mirror system. Here, if the incident laser beam is not a plane wave but has a phase distribution of θ (x, y),
An element / mirror having a phase function −θ (x, y) may be added. This can be added to the first element / mirror. In this case, the phase function of the first element / mirror may be represented by Expression 7.
【００２０】[0020]
【数７】 (Equation 7)
【００２１】また、第１及び第２のミラーシステムを出
力レーザービームの強度分布、波面状態に応じて反射面
の凹凸を変化させるフィードバック制御を行う場合、入
力されるビームの断面形状および強度分布が経時的に変
動したとしても、随時検出されて第１及び第２のミラー
システムのミラー反射面が対応する形状に直ちに変更さ
れる。When the first and second mirror systems perform feedback control for changing the intensity distribution of the output laser beam and the unevenness of the reflecting surface in accordance with the wavefront state, the cross-sectional shape and intensity distribution of the input beam are changed. Even if it fluctuates over time, it is detected from time to time and the mirror reflecting surfaces of the first and second mirror systems are immediately changed to the corresponding shapes.
【００２２】[0022]
【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The construction of the present invention will be described below in detail with reference to the embodiments shown in the drawings.
【００２３】図１に本発明のレーザービーム整形装置の
基本的構成の一例を示す。このレーザービーム整形装置
は、入射レーザービームＢi の強度分布に応じた凹凸の
反射面を有し入射レーザービームＢi の位相・反射方向
を強度分布状態に合わせて変え目的とする強度分布に変
換する第１のミラーシステム１と、この第１のミラーシ
ステム１で反射されたレーザービームの波面の歪みに応
じた凹凸の反射面を有しレーザービームの位相を変えて
波面の歪みを補正して平坦な波面に変換する第２のミラ
ーシステム２とから成り、第１のミラーシステム１にお
ける反射によって第２のミラーシステム２上でレーザー
ビームの強度分布を均一に変換すると共に波面の乱れを
第２のミラーシステム２で補正し、入射レーザービーム
Ｂi を目的とする断面形状並びに均一な強度分布に変換
し、尚かつ波面の乱れを補正して伝搬特性を向上させる
ものである。FIG. 1 shows an example of a basic configuration of a laser beam shaping apparatus according to the present invention. The laser beam shaping device, converts the intensity distribution of interest varied to suit the phase and reflection direction of the incident laser beam B i has a reflecting surface of the concave-convex corresponding to the intensity distribution of the incident laser beam B i the intensity distribution A first mirror system 1 having a concave and convex reflecting surface corresponding to the distortion of the wavefront of the laser beam reflected by the first mirror system 1 to correct the wavefront distortion by changing the phase of the laser beam. A second mirror system 2 for converting the laser beam into a flat wavefront. The reflection on the first mirror system 1 converts the laser beam intensity distribution uniformly on the second mirror system 2 and reduces the wavefront turbulence. and the correction by the mirror system 2 converts the incident laser beam B i to the cross-sectional shape and uniform intensity distribution for the purpose, noted and corrected to propagation characteristics wavefront disturbances direction It is intended to be.
【００２４】第１のミラーシステム１は、具備するアク
チュエータ４の作動によって反射面の形状・凹凸を可変
にした第１のミラー３と、第２のミラーシステム２を経
て出力される出射レーザービームＢo の強度分布を検出
する強度分布センサー５と、この強度分布センサー５に
よって検出された強度分布に基づいて目的とするビーム
形状と強度分布を得るミラー反射面の形状を算出してア
クチュエータ４の駆動量を決めこれを制御信号としてア
クチュエータ４に与える第１のコントローラ６とによっ
て構成されている。この第１のミラーシステム１はフィ
ードバック制御系を構成し、出射レーザービームＢo の
強度分布の変化に応じて第１のミラー３の反射面の形状
・凹凸を変化させるように設けられている。The first mirror system 1 includes a first mirror 3 whose reflection surface has a variable shape and irregularities by the operation of an actuator 4 provided, and an output laser beam B output through the second mirror system 2. driving the actuator 4 by calculating an intensity distribution sensor 5 for detecting the intensity distribution of o and a mirror reflection surface shape for obtaining an intended beam shape and intensity distribution based on the intensity distribution detected by the intensity distribution sensor 5 And a first controller 6 which determines the amount and gives the amount to the actuator 4 as a control signal. The first mirror system 1 constitutes a feedback control system, and is provided so as to change the shape and unevenness of the reflection surface of the first mirror 3 according to a change in the intensity distribution of the emitted laser beam Bo .
【００２５】また、第２のミラーシステム２は、具備す
るアクチュエータ１２の作動によって反射面の形状・凹
凸を可変にした第２のミラー９と、この第２のミラー９
で反射された後の出射レーザービームＢo の波面状態を
検出する波面センサー１０と、この波面センサー１０に
よって検出された波面の乱れ・歪みを補正して平坦な面
とするためのミラー反射面の形状を算出してアクチュエ
ータ１２の駆動量を決めこれを制御信号としてアクチュ
エータ１２に与える第２のコントローラ１１とによって
構成されている。この第２のミラーシステム２も第１の
ミラーシステム１と同様にフィードバック制御系を構成
し、出射レーザービームＢo の波面状態に応じて第２の
ミラー９の反射面の形状・凹凸を変化させるように設け
られている。The second mirror system 2 comprises a second mirror 9 whose reflection surface is made variable in shape and irregularities by the operation of an actuator 12 provided therein, and a second mirror 9.
In the wavefront sensor 10 for detecting the wavefront state of the output laser beam B o after being reflected, the mirror reflective surface to a flat surface to correct the disturbance-distortion of the detected wavefront by the wavefront sensor 10 The second controller 11 is configured to calculate the shape, determine the amount of drive of the actuator 12, and supply this to the actuator 12 as a control signal. The second mirror system 2 also constitutes a feedback control system similarly to the first mirror system 1, and changes the shape and unevenness of the reflection surface of the second mirror 9 according to the wavefront state of the output laser beam Bo . It is provided as follows.
【００２６】第１のミラー３及び第２のミラー９として
用いられるミラーとしては、反射面の凹凸即ち反射面形
状を部分的にあるいは全面的に変化させ得るミラー（以
下これをアダプティブミラーと称する）が採用されてい
る。このアダプティブミラー３，９は、例えば図７に示
すように、アクチュエータ４，１２としてピエゾ素子を
利用し、変形可能な板厚数ｍｍの石英ガラス製のミラー
１３と、共通電極１４と、ピエゾ素子１５及び個別電極
１６，…，１６から主に構成されている。ここで、ミラ
ー１３が必要とする変形はレーザービームの波長の数倍
程度に相当する数μｍ程度の凹凸を形成できれば足りる
ことから、石英ガラスのようなものの使用も問題となら
ない。また、図示されているアダプティブミラーは一部
分であり、電極１４，１６とピエゾ素子１５は、図示さ
れていない部分にも一定ピッチで設置されている。個別
電極１６には、コントローラ６（または１１）からの出
力される制御信号に基づく制御電圧が印加（リード線の
図示は省略）され、対応するピエゾ素子１５が伸縮させ
られる。このピエゾ素子１５の動きがミラー１３へ伝え
られその表面形状つまり反射面の凹凸が変化させられ
る。尚、本実施例では連続したミラー１３をピエゾ素子
で変形させるようにしたものを例示しているが、これに
特に限定されるものではなく、平坦な反射面を有する小
型のミラー片を多数集めて１つのアダプティブミラーを
構成し、各ミラー片をピストンやその他のアクチュエー
タで駆動させるようにしても良い。The mirror used as the first mirror 3 and the second mirror 9 is a mirror capable of partially or entirely changing the unevenness of the reflection surface, that is, the shape of the reflection surface (hereinafter referred to as an adaptive mirror). Has been adopted. As shown in FIG. 7, for example, the adaptive mirrors 3 and 9 use piezo elements as the actuators 4 and 12, and are formed of a deformable quartz glass mirror 13 having a thickness of several mm, a common electrode 14, and a piezo element. 15 and individual electrodes 16,... Here, the deformation required by the mirror 13 is only required to be able to form irregularities of about several μm corresponding to about several times the wavelength of the laser beam, so that use of quartz glass does not pose a problem. The illustrated adaptive mirror is a part, and the electrodes 14, 16 and the piezo element 15 are also arranged at a fixed pitch in a part not shown. A control voltage based on a control signal output from the controller 6 (or 11) is applied to the individual electrodes 16 (lead wires are not shown), and the corresponding piezo elements 15 are expanded and contracted. The movement of the piezo element 15 is transmitted to the mirror 13 and its surface shape, that is, the unevenness of the reflection surface is changed. In this embodiment, an example in which the continuous mirror 13 is deformed by a piezo element is illustrated. However, the present invention is not particularly limited to this, and many small mirror pieces having a flat reflecting surface are collected. To form one adaptive mirror, and each mirror piece may be driven by a piston or another actuator.
【００２７】第１及び第２のミラーシステム１，２は出
射レーザービームＢo を取り込むことによって作動す
る。そこで、部分反射・部分透過型のミラーなどから成
るビームスプリッタ７によって出射レーザービームＢo
の一部が分離され強度分布センサー５及び波面センサー
１０に入射される。強度分布センサー５はレーザービー
ムの強度分布並びにビーム断面形状を検出するためのも
ので、例えばＣＣＤ（Charge-Coupled Device ）を用い
た画像センサーが使用され、強度分布とビーム断面形状
が輝度信号に変換されて得られる。また、波面センサー
１０はレーザービームの波面の状態を検出するためのも
ので、例えば干渉計とＣＣＤを組み合わせたようなもの
が使用され、波面状態が干渉縞を表す輝度信号に変換さ
れて得られる。The first and second mirror systems 1, 2 operate by capturing the outgoing laser beam Bo . The outgoing laser beam B o is then reflected by a beam splitter 7 composed of a partially reflecting / partially transmitting mirror.
Are separated and incident on the intensity distribution sensor 5 and the wavefront sensor 10. The intensity distribution sensor 5 is for detecting the intensity distribution and the beam cross-sectional shape of the laser beam. For example, an image sensor using a CCD (Charge-Coupled Device) is used, and the intensity distribution and the beam cross-sectional shape are converted into a luminance signal. It is obtained. The wavefront sensor 10 is for detecting the state of the wavefront of the laser beam. For example, a combination of an interferometer and a CCD is used, and the wavefront state is obtained by converting the wavefront state into a luminance signal representing interference fringes. .
【００２８】第１のコントローラ６は、強度分布センサ
ー５からの信号を画像処理して検出された出射レーザー
ビームＢo の強度分布並びにビーム断面形状と目的とす
る強度分布並びにビーム断面形状とを比較して目的とす
る強度分布並びにビーム断面形状を得るための反射面形
状・凹凸を例えばOlof Bryngdahlによって考え出された
方法に基づいて算出し、アクチュエータ４の駆動を制御
するものである。また、第２のコントローラ１１は、波
面センサー１０からの信号を画像処理して検出された出
射レーザービームＢo の波面状態と目的とする波面状態
とを比較して目的とする波面状態を得るための反射面形
状・凹凸を例えばOlof Bryngdahlによって考え出された
方法に基づいて算出し、アクチュエータ１２の駆動を制
御するものである。これら第１のコントローラ６及び第
２のコントローラ１１は、例えばＣＰＵなどの演算処理
手段あるいは演算回路によって構成される。[0028] The first controller 6 compares the signal laser emitted is detected by image processing beam B o of the intensity distribution and the beam cross-sectional shape and purpose to the intensity distribution and the beam cross-sectional shape of the intensity distribution sensor 5 Then, the reflection surface shape and unevenness for obtaining the intended intensity distribution and beam cross-sectional shape are calculated based on, for example, a method devised by Olof Bryngdahl, and the driving of the actuator 4 is controlled. The second controller 11, to obtain the wavefront state of interest by comparing the wavefront state of the wavefront state and purpose of the emitted laser beam B o detected by image processing the signals from the wavefront sensor 10 Is calculated based on, for example, a method conceived by Olof Bryngdahl to control the driving of the actuator 12. The first controller 6 and the second controller 11 are configured by arithmetic processing means or an arithmetic circuit such as a CPU.
【００２９】以上ように構成されたレーザービーム整形
装置により強度分布が不均一で波面が乱れたビームを波
面がきれいで均一な強度分布の断面矩形状のビームに変
換する経過を図２−図６に基づいて以下に説明する。FIG. 2 to FIG. 6 show how the laser beam shaping device configured as described above converts a beam having a nonuniform intensity distribution and a disturbed wavefront into a beam having a clean and uniform intensity distribution and a rectangular cross section having a uniform intensity distribution. This will be described below based on
【００３０】図示されていないレーザービーム発振器か
ら発信された入射レーザービームＢi は、第１のミラー
システム１のアダプティブミラー（第１のミラー）３へ
４５度の入射角度で入射される。レーザービーム発振器
が発信するビームは、中心に光束が集中し強度分布が不
均一であり、しかも波面に乱れを有していることが少な
くない。この入射ビームＢi の強度分布状態を図２に示
す。同図においてＸ軸およびＹ軸はビームの断面寸法
を、またＺ軸は光強度を表わしている。The incident laser beam B i originating from a laser beam oscillator (not shown) is incident at an incident angle of the first adaptive mirrors of the mirror system 1 (first mirror) 3 to 45 degrees. A beam emitted by a laser beam oscillator has a light beam concentrated at the center, an uneven intensity distribution, and a wavefront often having disturbance. Shows the intensity distribution of the incident beam B i in FIG. In the figure, the X-axis and the Y-axis represent the cross-sectional dimensions of the beam, and the Z-axis represents the light intensity.
【００３１】第１のミラーシステム１において、図２に
示す円錐状のガウシャンビームから図３に示す四角柱状
のビームを得るには、入力ビームを構成する光束の光路
を変更して光束配分を配分し直す必要がある。そこで、
第１のアダプティブミラー３の反射面の凹凸を入射レー
ザービームＢi の強度分布に応じて変えることによっ
て、レーザービームの位相を変えて局所的に異なる方向
に反射させ目的とする形状でかつ均一な強度分布に変換
する。In the first mirror system 1, in order to obtain the quadrangular prism-shaped beam shown in FIG. 3 from the conical Gaussian beam shown in FIG. 2, the light path of the light beam constituting the input beam is changed to distribute the light beam. Need to redistribute. Therefore,
By varying in accordance with unevenness of the reflection surface of the first adaptive mirror 3 the intensity distribution of the incident laser beam B i, the shape is an object to be reflected in different directions locally changing the laser beam of the phase and uniform Convert to intensity distribution.
【００３２】入射レーザービームＢi は第１のアダプテ
ィブミラー３の反射面で光路変更を伴う反射を起こし、
第２のミラーシステム２の第２のアダプティブミラー９
の反射面上において強度分布が変換され図３の形状のビ
ームとされる。この第１のミラーシステム１の反射面に
おける光路変更の一例が図４に示されている。この図
は、光路変更をベクトルによって表わしたマップであ
る。各々のベクトルは、図２のビームを構成するビーム
断面の各分布地点における光束の進路方向およびビーム
断面方向への変位量を表すものである。変位量は、第１
のミラーシステム１および第２のミラーシステム２のア
ダプティブミラー３，９間の光路上での移動距離であ
る。つまり、第１のアダプティブミラー３に入射直前の
反射面上における図４の矢印の根元に位置する各光束は
第１のアダプティブミラー３での反射によってその光路
を各々変えられ、第２のアダプティブミラー９の反射面
上即ち入射直前では矢印の先端位置へ移される。即ち、
第１のミラー３にレンズ機能が与えられている。これに
よって、図２のガウシャンビームの断面形状と強度分布
が図３の四角柱状ビームへその形態が変えられる。図４
のベクトルとミラーの凹凸との関係は、矢印の方向が矢
印の根元の反射面の傾斜方向を示し矢印の長さが傾斜角
度に比例する。尚、図４によって示されたベクトルに
は、光の干渉を生じさせないため第１のアダプティブミ
ラー３から第２のアダプティブミラー９間において光束
が交差せずできるだけ均一配分となることが求められ
る。この図４のマッピングを実現する第１のアダプティ
ブミラー３の反射面の凹凸を図５の（Ａ）に示す。同図
のＸ軸およびＹ軸はミラーの縦および横の寸法（ｃｍ）
を表し、Ｚ軸はミラーの凹凸量（μｍ）を表している。
この第１のアダプティブミラー３の平面形状をモアレ縞
で表すと図５の（Ｂ）に示すようになる。The incident laser beam Bi is reflected by the reflecting surface of the first adaptive mirror 3 with an optical path change,
Second adaptive mirror 9 of second mirror system 2
The intensity distribution is converted on the reflection surface of, and a beam having the shape shown in FIG. 3 is obtained. FIG. 4 shows an example of changing the optical path on the reflection surface of the first mirror system 1. This figure is a map showing the change of the optical path by a vector. Each vector represents the amount of displacement of the light beam at each distribution point of the beam cross section constituting the beam in FIG. 2 in the traveling direction and the beam cross section direction. The displacement amount is the first
Is the moving distance on the optical path between the adaptive mirrors 3 and 9 of the second mirror system 1 and the second mirror system 2. That is, each light beam located at the base of the arrow in FIG. 4 on the reflection surface immediately before the light enters the first adaptive mirror 3 has its optical path changed by the reflection at the first adaptive mirror 3, and the second adaptive mirror is changed. On the reflecting surface of No. 9, that is, immediately before incidence, the light is moved to the position of the tip of the arrow. That is,
The first mirror 3 has a lens function. As a result, the cross-sectional shape and intensity distribution of the Gaussian beam in FIG. 2 are changed to the quadrangular prism beam in FIG. FIG.
Is related to the concave and convex of the mirror, the direction of the arrow indicates the inclination direction of the reflection surface at the base of the arrow, and the length of the arrow is proportional to the inclination angle. The vector shown in FIG. 4 is required to have as uniform a distribution of light beams as possible without intersecting between the first adaptive mirror 3 and the second adaptive mirror 9 in order to prevent light interference. FIG. 5A shows the unevenness of the reflection surface of the first adaptive mirror 3 for realizing the mapping of FIG. The X and Y axes in the figure are the vertical and horizontal dimensions (cm) of the mirror.
, And the Z-axis represents the amount of irregularities (μm) of the mirror.
When the planar shape of the first adaptive mirror 3 is represented by moire fringes, it becomes as shown in FIG.
【００３３】ここで、第１のアダプティブミラー３は、
コントローラ６から出力される制御信号によりアクチュ
エータ４を作動させて所望とする反射面の凹凸に変化さ
せる。したがって、入射レーザービームＢi の断面形状
や強度分布が経時的に変動しても、あるいは第１のミラ
ーシステム１と第２のミラーシステム２との間の空間状
況が経時的に変動しても、出射レーザービームＢo の形
状等が目的とする形状等に変換されるように絶えず制御
される。Here, the first adaptive mirror 3
The actuator 4 is actuated by a control signal output from the controller 6 to change to a desired unevenness of the reflection surface. Therefore, even if the cross-sectional shape and intensity distribution of the incident laser beam B i varies with time, or space conditions between the first mirror system 1 and the second mirror system 2 be varied with time , the shape of the output laser beam B o is constantly controlled so as to be converted into shape of interest.
【００３４】第１のミラーシステム１により入射レーザ
ービームＢi は、図３に示すような四角柱状のビームに
変換されるが、その波面には歪み・乱れが生ずる。この
波面の乱れは、第１のミラーシステム１における強度分
布並びに断面形状の変換の際に起こる他、レーザー装置
の出力が時間的に変動したり、ビーム伝播空間の状況が
時間的に変動することによっても起こる。波面の乱れ
は、伝播特性を悪化させて矩形状のレーザービームを遠
くまで飛ばすことができなくなるので取り除く必要があ
る。そこで、第２のミラーシステム２ではレーザービー
ムの波面の位相を変えて波面の乱れを解消する。この第
２のミラーシステム２の第２のアダプティブミラー９の
反射面の凹凸形状は例えば図６に示されるように、図３
のビーム波面形状の乱れを相殺して平坦な面とするよう
な凹凸とされている。The incident laser beam Bi is converted by the first mirror system 1 into a rectangular column-shaped beam as shown in FIG. 3, but its wavefront is distorted and disturbed. This disturbance of the wavefront occurs not only when the intensity distribution and the cross-sectional shape of the first mirror system 1 are converted, but also when the output of the laser device fluctuates with time or the state of the beam propagation space fluctuates with time. It also happens by. Wavefront disturbances must be removed because they deteriorate the propagation characteristics and make it impossible to fly a rectangular laser beam far. Therefore, the second mirror system 2 changes the phase of the wavefront of the laser beam to eliminate the disturbance of the wavefront. As shown in FIG. 6, for example, the uneven shape of the reflecting surface of the second adaptive mirror 9 of the second mirror system 2 is shown in FIG.
The irregularities are such that the disturbance of the beam wavefront shape is canceled out to make a flat surface.
【００３５】ここで、出射レーザービームＢo は常時そ
の一部分が部分透過ミラー７，８で分離されて波面セン
サー１０へ入力される。波面センサー１０の出力は、コ
ントローラ１１で目的とする波面状態と比較され、波面
の乱れが検出されたときに、その乱れを解消し得る第２
のアダプティブミラー９の凹凸を演算し、アクチュエー
タ１２を作動させて反射面の凹凸を制御する。この制御
は常時実行されるため波面の乱れの経時的な変化、いわ
ゆる波面の揺らぎを補正することが可能である。[0035] Here, the outgoing laser beam B o is input is separated a portion constantly in partial transmission mirror 7,8 to the wavefront sensor 10. The output of the wavefront sensor 10 is compared with a target wavefront state by the controller 11, and when a disturbance of the wavefront is detected, a second wavefront that can eliminate the disturbance is detected.
Of the adaptive mirror 9 is operated, and the actuator 12 is operated to control the unevenness of the reflection surface. Since this control is always executed, it is possible to correct a temporal change of the wavefront disturbance, that is, a so-called wavefront fluctuation.
【００３６】以上のようにして、レーザービーム整形装
置は、例えば図２に示すような円形の入射レーザービー
ムＢi の強度分布を均一でかつ四角形の出射レーザービ
ームＢo として出力することができる。[0036] As described above, the laser beam shaping device can output for example a circular intensity distribution of the incident laser beam B i, as shown in FIG. 2 as an outgoing laser beam B o of uniform and square.
【００３７】尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明
の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形実施が可能
である。例えば、レーザービームの出力やビーム伝播空
間の状況等のその他の状況が時間的に一定であれば、第
１及び第２のミラーシステム１，２の各アダプティブミ
ラー３，９の表面・反射面はあらかじめ所定形状に調整
または加工された状態のまま固定しても良い。また、本
実施例では出射レーザービームＢo の形状を四角形とし
たが、これに特に限定されず、円形は勿論のこと楕円形
やその他の形状でも良い。また、ミラーのビームの入射
角度は本実施例の場合、４５度としたがこれに限定され
ず何度でも良い。アダプティブミラーは２枚に限定され
ず、例えば、入射レーザービームＢi が平面波でなく、
θ（ｘ，ｙ）の位相分をもつ場合には、位相関数−θ
（ｘ，ｙ）を持つアダプティブミラーが追加される。The above embodiment is a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, if other conditions such as the output of the laser beam and the condition of the beam propagation space are temporally constant, the surface and reflecting surface of each of the adaptive mirrors 3 and 9 of the first and second mirror systems 1 and 2 are It may be fixed in a state adjusted or processed in advance to a predetermined shape. Further, in the present embodiment, the shape of the emitted laser beam Bo is a square, but is not particularly limited to this, and may be an ellipse or any other shape as well as a circle. In this embodiment, the angle of incidence of the mirror beam is 45 degrees, but is not limited to 45 degrees and may be any number of times. The number of adaptive mirrors is not limited to two. For example, when the incident laser beam Bi is not a plane wave,
In the case of having a phase component of θ (x, y), the phase function −θ
An adaptive mirror with (x, y) is added.
【００３８】[0038]
【発明の効果】以上の説明より明かなように、本発明の
レーザービーム整形装置は、入射レーザービームの強度
分布に応じた凹凸の反射面を有し入射レーザービームの
位相と反射方向を強度分布に応じて局所的に変えて目的
とする強度分布に変換する第１のミラーシステムと、こ
の第１のミラーシステムで反射されたレーザービームの
波面の歪みに応じた凹凸の反射面を有しレーザービーム
の位相を変えて波面の歪みを補正して平坦な波面に変換
する第２のミラーシステムとから構成し、第１のミラー
システムにおける反射によって第２のミラーシステム上
でレーザービームの強度分布を均一に変換すると共に波
面の乱れを第２のミラーシステムで補正するようにして
いるので、出射レーザービームの波面をきれいな状態に
保ちながら目的とする断面形状並びに均一な強度分布に
整形することができる。しかも、本発明はミラーによる
反射を利用してビームの形状・強度分布並びに波面を目
的の形状としているので、ほぼ１００％の効率で目的と
する断面形状並びに均一強度分布で波面のきれいなレー
ザービームに変換することができる。したがって、レー
ザー化学反応などにおいて効果的とされる矩形状でかつ
均一強度分布のレーザービームをそのままの形状で遠く
まで飛ばし得る形態に容易に変換できる。As is clear from the above description, the laser beam shaping device of the present invention has an uneven reflection surface according to the intensity distribution of the incident laser beam, and makes the phase and the reflection direction of the incident laser beam an intensity distribution. A first mirror system for locally changing the intensity distribution to an intended intensity distribution in accordance with the first mirror system, and a laser having an uneven reflection surface corresponding to the wavefront distortion of the laser beam reflected by the first mirror system A second mirror system that corrects the wavefront distortion by changing the phase of the beam and converts the wavefront into a flat wavefront. The intensity distribution of the laser beam on the second mirror system is reflected by the first mirror system. Since the wavefront disturbance is corrected by the second mirror system while converting the light into a uniform wavefront, the objective is maintained while keeping the wavefront of the output laser beam clean. It can be shaped to the cross-sectional shape and uniform intensity distribution that. Moreover, in the present invention, the beam shape / intensity distribution and the wavefront are formed into the desired shape by utilizing the reflection by the mirror, so that the laser beam having a desired cross-sectional shape and a uniform intensity distribution can be obtained with almost 100% efficiency. Can be converted. Therefore, it is possible to easily convert a laser beam having a rectangular shape and a uniform intensity distribution, which is effective in a laser chemical reaction or the like, into a form in which the laser beam can be scattered as far as it is.
【００３９】また、本発明のレーザービーム整形装置に
おいて、第１及び第２のミラーシステムを出力レーザー
ビームの強度分布、波面状態に応じて反射面の凹凸を変
化させるフィードバック制御を行う場合、レーザービー
ムの出力やビーム伝播空間の状況などが経時的に変動し
ても、これが随時検出されて第１及び第２のミラーシス
テムのミラー反射面が対応する形状に直ちに変更される
ので、波面がきれいで尚かつ目的とする形状で均一な強
度分布のビームを出力することができる。In the laser beam shaping device of the present invention, when the first and second mirror systems perform feedback control for changing the unevenness of the reflecting surface according to the intensity distribution and the wavefront state of the output laser beam, Even if the output of the beam or the state of the beam propagation space fluctuates over time, this is detected as needed and the mirror reflecting surfaces of the first and second mirror systems are immediately changed to the corresponding shapes, so that the wavefront is clean. In addition, it is possible to output a beam having a uniform intensity distribution in a desired shape.
【図１】本発明のレーザービーム整形装置の基本的構成
の一例を示した概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of a basic configuration of a laser beam shaping device according to the present invention.
【図２】整形する前の入射レーザービームの強度分布例
を表した３軸図である。FIG. 2 is a three-axis diagram showing an example of an intensity distribution of an incident laser beam before shaping.
【図３】第１のミラーシステムによって第２のアダプテ
ィブミラー上に合成されたレーザービームの強度分布例
を表した３軸図である。FIG. 3 is a three-axis diagram showing an example of an intensity distribution of a laser beam synthesized on a second adaptive mirror by a first mirror system.
【図４】円形ガウシャンビームを四角形均一ビームに変
換するための光束の進路変更例を示すベクトル図であ
る。FIG. 4 is a vector diagram showing an example of changing the course of a light beam for converting a circular Gaussian beam into a square uniform beam.
【図５】円形ガウシャンビームを矩形均一ビームに変換
するためのミラー表面形状を示す図で、（Ａ）は３軸
図、（Ｂ）はモアレ縞で示す平面図である。FIGS. 5A and 5B are diagrams showing a mirror surface shape for converting a circular Gaussian beam into a rectangular uniform beam, wherein FIG. 5A is a three-axis diagram and FIG.
【図６】第２のミラーシステムに用いる第２のアダプテ
ィブミラーの表面形状を示す３軸図である。FIG. 6 is a three-axis diagram showing a surface shape of a second adaptive mirror used in the second mirror system.
【図７】第１および第２のアダプティブミラーの一実施
例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing one embodiment of first and second adaptive mirrors.
【図８】ホログラフィを用いた従来のレーザービーム整
形装置の概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram of a conventional laser beam shaping device using holography.
１ 第１のミラーシステム ２ 第２のミラーシステム ３ 第１のミラー（アダプティブミラー） ４ アクチュエータ ５ 強度分布センサー ６，１１ コントローラ ７，８ ビームスプリッタ ９ 第２のミラー（アダプティブミラー） １０ 波面センサー １２ アクチュエータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st mirror system 2 2nd mirror system 3 1st mirror (adaptive mirror) 4 Actuator 5 Intensity distribution sensor 6, 11 Controller 7, 8 Beam splitter 9 2nd mirror (adaptive mirror) 10 Wavefront sensor 12 Actuator
Claims (2)
凹凸の反射面を有し前記入射レーザービームの位相と反
射方向を強度分布に応じて局所的に変えて目的とする強
度分布に変換する第１のミラーシステムと、この第１の
ミラーシステムで反射されたレーザービームの波面の歪
みに応じた凹凸の反射面を有しレーザービームの位相を
変えて波面の歪みを補正して平坦な波面に変換する第２
のミラーシステムとから成り、前記第１のミラーシステ
ムにおける反射によって前記第２のミラーシステム上で
レーザービームの強度分布を均一に変換すると共に波面
の乱れを前記第２のミラーシステムで補正し、出射レー
ザービームの波面をきれいな状態に保ちながら目的とす
る断面形状並びに均一な強度分布に整形することを特徴
とするレーザービーム整形装置。1. A method for converting an incident laser beam into a target intensity distribution by locally changing a phase and a reflection direction of the incident laser beam according to the intensity distribution, the reflecting surface having an uneven reflection surface according to the intensity distribution of the incident laser beam. A mirror system having a mirror surface and an uneven reflecting surface corresponding to the wavefront distortion of the laser beam reflected by the first mirror system, and correcting the wavefront distortion by changing the phase of the laser beam to obtain a flat wavefront. The second to convert
Mirror system, the intensity distribution of the laser beam is uniformly converted on the second mirror system by reflection at the first mirror system, and the wavefront disturbance is corrected by the second mirror system. A laser beam shaping device for shaping a laser beam into a desired cross-sectional shape and a uniform intensity distribution while maintaining a clean wavefront.
ータの作動によって反射面の形状が変化する第１ミラー
と、出射レーザービームの強度分布を検出する強度分布
センサーと、該センサーによって検出された強度分布に
基づき目的とするレーザービームの形状と強度分布を得
るミラー反射面の形状を算出して前記アクチュエータに
制御信号を出力する第１コントローラとから成り、第２
のミラーシステムはアクチュエータの作動によって反射
面の形状が変化する第２ミラーと、出射レーザービーム
の波面状態を検出する波面センサーと、この波面センサ
ーによって検出された波面状態に基づき波面の乱れを正
すミラー反射面の形状を算出して前記アクチュエータに
制御信号を出力する第２コントローラとから成ることを
特徴とする請求項１記載のレーザービーム整形装置。2. The first mirror system according to claim 1, wherein the first mirror system has a first mirror whose reflection surface changes in shape by an operation of an actuator, an intensity distribution sensor for detecting an intensity distribution of an output laser beam, and an intensity distribution detected by the sensor. A first controller that calculates the shape of the mirror reflecting surface that obtains the shape and intensity distribution of the target laser beam based on the first and outputs a control signal to the actuator;
The mirror system includes a second mirror whose reflection surface shape is changed by the operation of an actuator, a wavefront sensor for detecting the wavefront state of the emitted laser beam, and a mirror for correcting wavefront disturbance based on the wavefront state detected by the wavefront sensor. 2. The laser beam shaping device according to claim 1, further comprising a second controller that calculates a shape of the reflection surface and outputs a control signal to the actuator.
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