JP6923158B2 - レーザービーム照射装置及びレーザービーム照射システム - Google Patents

レーザービーム照射装置及びレーザービーム照射システム Download PDF

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Description

本発明は、レーザービーム照射装置及びレーザービーム照射システムに関し、特に、複数のレーザービームを結合して得られる高出力のレーザービームを目標に照射するように構成されたレーザービーム照射装置及びレーザービーム照射システムに関する。
高出力のレーザービームを得る手法の一つは、別々に発生された複数のレーザービームを結合する手法である。複数のレーザービームを結合する手法は、概略的には、２つに分類することができる。
第１の手法は、複数のレーザービームを目標上で結合する手法である。この手法においては、複数のレーザービームが、別々の位置から僅かに異なる角度で出射されて目標に照射され、目標の上に設定された同一点に集光される。この手法を採用する場合、レーザービームの数が、各レーザービームのビーム径（beam diameter）及び照射装置の物理的なサイズに対してトレードオフの関係にある。出射されるレーザービームの数を増大させると高出力を得ることができるが、その一方で、ビーム径を保ったままだと照射装置の物理的サイズ（例えば、光学系を収容する鏡筒(lens barrel)の径）が増大し、重量が増大する。照射装置の重量の増大は、製造コストを増加させ、更に、照射装置の機械的駆動機構（例えば、鏡筒の駆動機構）の設計を困難にするという問題を生じさせ得る。一方で、照射装置の物理的サイズを維持しながら出射されるレーザービームの数を増大させると、各レーザービームのビーム径が小さくなり、これは、集光能力の低下、即ち、目標における集光スポット径（focal spot diameter）の増大という問題を生じさせる。
第２の手法は、複数のレーザービームを照射装置の内部で結合させる手法である。この手法においては、全てのレーザービームが鏡筒から同軸で出射されるので、各レーザービームの径を鏡筒の径と同じ程度まで大きくできる。
複数のレーザービームを照射装置の内部で結合させる手法としては、スペクトル結合が知られている。スペクトル結合とは、回折格子等の回折光学素子を用いて複数のレーザービームを結合する技術である。反射角や屈折角に波長依存性を有する回折光学素子に、中心波長が僅かに異なるレーザービームを入射することで出射角がわずかに相違する一連のレーザービームが生成され、更に、その出射角の相違を利用して出射光学系において当該一連のレーザービームが同軸に結合される。スペクトル結合により高出力のレーザービームを得る技術は、例えば、特開２０１５−７２９５５号公報に開示されている。
スペクトル結合の問題の一つは、スペクトル結合に用いられる回折光学素子は、一般に、高いレーザー耐力を保ったまま大型化することが困難であるということである。これは、レーザービームの本数と出力に制約があることを意味している。加えて、レーザービームの数を増大するためには各レーザービームの線幅を十分に狭くする必要があり、これは、一般には、高出力とは相反する関係にある。
以上に議論されているように、複数のレーザービームを結合して高出力の合成レーザービームを得る技術には、改良の余地がある。
特開２０１５−７２９５５号公報
したがって、本発明の目的は、複数のレーザービームを結合して高出力の合成レーザービームを得る技術を提供することにある。本発明の他の目的及び新規な特徴は、以下の開示から当業者には理解されるであろう。
以下に、「発明を実施するための形態」で使用される符号を付しながら、課題を解決するための手段を説明する。これらの符号は、「特許請求の範囲」の記載と「発明を実施するための形態」との対応関係の一例を示すために付加されたものである。
本発明の一実施形態では、レーザービーム照射装置（１００、１００Ａ−１００Ｃ）が、それぞれが第１レーザービーム（１１）を出射する複数のレーザー光源（１０）と、第１レーザービーム（１１）が入射される入射面を有し、入射した第１レーザービーム（１１）に対して光学的操作を行って第１レーザービーム（１１）にそれぞれに対応する第２レーザービーム（２１）を出射する集光光学系（２０）とを具備する。複数のレーザー光源（１０）は、第１レーザービーム（１１）のビーム径が集光光学系（２０）の入射面（２０ａ）に向けて広がるように、互いに異なる位置から第１レーザービーム（１１）を出射するように構成されている。複数のレーザー光源（１０）が出射する第１レーザービーム（１１）のそれぞれは、集光光学系（２０）の入射面（２０ａ）において、複数のレーザー光源（１０）が出射する第１レーザービーム（１１）のうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っている。集光光学系（２０）は、集光光学系（２０）から出射された第２レーザービーム（２１）の全てについて、集光光学系（２０）の光軸（２２）に垂直であるように設定された平面である目標面（４０）において第２レーザービーム（２１）のビーム径が最小になり、且つ、該目標面（４０）における第２レーザービーム（２１）の中心から光軸（２２）までの距離が、第２レーザービーム（２１）のそれぞれの該目標面（４０）におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。
複数のレーザー光源（１０）が出射する第１レーザービーム（１１）のそれぞれは、集光光学系（２０）の入射面（２０ａ）において、複数のレーザー光源（１０）が出射する第１レーザービーム（１１）の他のレーザービームの全てに重なり合っていることが好ましい。
一実施形態では、複数のレーザー光源（１０）のそれぞれは、それぞれが出射する第１レーザービーム（１１）の位相を制御する位相制御装置（１４）を備えている。この場合、位相制御装置（１４）は、集光光学系（２０）の出射面における第２レーザービーム（２１）の位相が同一であるように、第１レーザービーム（１１）の位相を制御してもよい。
一実施形態では、当該レーザービーム照射装置（１００Ｂ）が、更に、第１レーザービーム（１１）の波面の形状を整形するビーム整形光学系（１５、１６）を具備してもよい。また、複数のレーザー光源（１０）のそれぞれが、それぞれが出射する第１レーザービーム（１１）の位相を制御する位相制御装置（１４）を備えている場合、当該レーザービーム照射装置（１００Ｂ）は、複数のレーザー光源（１０）から出射される複数の第１レーザービーム（１１）の波面の形状をそれぞれに整形する複数のビーム整形光学系（１５）を具備していてもよい。
一実施形態では、複数のレーザー光源（１０）のそれぞれが、第１レーザービーム（１１）を一端から出射する光ファイバー（１３）を備えており、また、当該レーザービーム照射装置（１００Ｃ）が、更に、結合光学素子（１７）を具備していてもよい。結合光学素子（１７）は、複数のレーザー光源（１０）の光ファイバー（１３）に接合され、光ファイバー（１３）から出射された第１レーザービーム（１１）を集光光学系（２０）の入射面（２０ａ）に導くように構成されている。
他の実施形態では、レーザービーム照射装置（１００Ｄ）が、それぞれが第１レーザービーム（１１）を出射する複数のレーザー光源（１０）と、第１レーザービーム（１１）が入射される入射面を有し、入射した第１レーザービーム（１１）に対して光学的操作を行って、第１レーザービーム（１１）にそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービーム（２１）を出射するコリメート光学系（５０）とを具備する。複数のレーザー光源（１０）は、第１レーザービーム（１１）のビーム径がコリメート光学系（５０）の入射面（５０ａ）に向けて広がるように、互いに異なる位置から第１レーザービーム（１１）を出射するように構成されている。複数のレーザー光源（１０）が出射する第１レーザービーム（１１）のそれぞれは、コリメート光学系（５０）の入射面（５０ａ）において、複数のレーザー光源（１０）が出射する第１レーザービーム（１１）のうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っている。コリメート光学系（５０）は、複数の第２レーザービーム（２１）のそれぞれの中心からコリメート光学系（５０）の光軸（５２）までの距離が、複数の第２レーザービーム（２１）のそれぞれのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。
当該レーザービーム照射装置（１００Ｄ）は、更に、コリメート光学系（５０）から出射される複数の第２レーザービーム（２１）が入射され、複数の第２レーザービーム（２１）に対してレーザー増幅を行って増幅後レーザービームを生成する固体レーザー増幅器（８０）を具備してもよい。このような構成は、複数のレーザー光源（１０）のそれぞれが、ファイバーレーザーを含む場合に特に有用である。
更に他の実施形態では、レーザービーム照射システム（２００Ａ）が、複数のレーザービーム照射装置（１００Ｄ）と、集光光学系（６０）とを具備する。複数のレーザービーム照射装置（１００Ｄ）のそれぞれは、それぞれが第１レーザービーム（１１）を出射する複数のレーザー光源（１０）と、第１レーザービーム（１１）が入射される入射面を有し、入射した第１レーザービーム（１１）に対して光学的操作を行って、第１レーザービーム（１１）にそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービーム（２１）を出射するコリメート光学系（５０）とを具備する。複数のレーザー光源（１０）は、第１レーザービーム（１１）のビーム径がコリメート光学系（５０）の入射面（５０ａ）に向けて広がるように、互いに異なる位置から第１レーザービーム（１１）を出射するように構成されている。複数のレーザー光源（１０）が出射する第１レーザービーム（１１）のそれぞれは、コリメート光学系（５０）の入射面（５０ａ）において、複数のレーザー光源（１０）が出射する第１レーザービーム（１１）のうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っている。コリメート光学系（５０）は、複数の第２レーザービーム（２１）のそれぞれの中心からコリメート光学系（５０）の光軸（５２）までの距離が、複数の第２レーザービーム（２１）のそれぞれのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。複数のレーザービーム照射装置（１００Ｄ）のそれぞれから出射される複数の第２レーザービーム（２１）で構成される合成ビーム（５３）は、集光光学系（６０）の入射面（６０ａ）に入射される。集光光学系（６０）は、入射された合成ビーム（５３）に対して光学的操作を行って合成ビーム（５３）にそれぞれに対応する第３レーザービーム（６１）を出射するように構成されている。集光光学系（６０）は、集光光学系（６０）から出射された第３レーザービーム（６１）の全てについて、集光光学系（６０）の光軸（６２）に垂直であるように設定された平面である目標面において第３レーザービーム（６１）のビーム径が最小になり、且つ、該平面における第３レーザービーム（６１）の中心から光軸（６２）までの距離が、第３レーザービーム（６１）のそれぞれの目標面におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。
更に他の実施形態では、レーザービーム照射システム（２００Ｂ）が、複数のレーザービーム照射装置（１００Ｄ）と、第１コリメート光学系（７０）とを具備する。複数のレーザービーム照射装置（１００Ｄ）のそれぞれは、それぞれが第１レーザービーム（１１）を出射する複数のレーザー光源（１０）と、第１レーザービーム（１１）が入射される入射面を有し、入射した第１レーザービーム（１１）に対して光学的操作を行って、第１レーザービーム（１１）にそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービーム（２１）を出射する第２コリメート光学系（５０）とを具備する。複数のレーザー光源（１０）は、第１レーザービーム（１１）のビーム径が第２コリメート光学系（５０）の入射面（５０ａ）に向けて広がるように、互いに異なる位置から第１レーザービーム（１１）を出射するように構成されている。複数のレーザー光源（１０）が出射する第１レーザービーム（１１）のそれぞれは、第２コリメート光学系（５０）の入射面（５０ａ）において、複数のレーザー光源（１０）が出射する第１レーザービーム（１１）のうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っている。第２コリメート光学系（５０）は、複数の第２レーザービーム（２１）のそれぞれの中心から第２コリメート光学系（５０）の光軸（５２）までの距離が、複数の第２レーザービーム（２１）のそれぞれのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。複数のレーザービーム照射装置（１００Ｄ）のそれぞれから出射される複数の第２レーザービーム（２１）で構成される合成ビーム（５３）は、第１コリメート光学系（７０）の入射面（７０ａ）に入射される。第１コリメート光学系（７０）は、合成ビーム（５３）に対して光学的操作を行って、合成ビーム（５３）にそれぞれに対応し、且つ、平行光である第３レーザービーム（７１）を出射するように構成されている。
本発明によれば、複数のレーザービームを結合して高出力の合成レーザービームを得る技術を提供することができる。
第１の実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。 第１のレーザー光源から出射されたレーザービームから集光光学系によって生成されるレーザービームのビーム形状を示している。 第２のレーザー光源から出射されたレーザービームから集光光学系によって生成されるレーザービームのビーム形状を示している。 第３のレーザー光源から出射されたレーザービームから集光光学系によって生成されるレーザービームのビーム形状を示している。 第２の実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。 第３の実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。 第３の実施形態のレーザービーム照射装置の変形例の構成を概念的に示す図である。 第３の実施形態のレーザービーム照射装置の他の変形例の構成を概念的に示す図である。 第４の実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。 第４の実施形態のレーザービーム照射装置の変形例の構成を概念的に示す図である。 第５の実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。 第５の実施形態における、コリメート光学系の出射面上における各レーザービームの強度分布の一例を示す図である。 第５の実施形態のレーザービーム照射装置が複数設けられ、それぞれのレーザービーム照射装置によって生成された合成レーザービームが、集光光学系を用いて更に結合される構成のレーザービーム照射システムの構成を概念的に示す図である。 第５の実施形態のレーザービーム照射装置が複数設けられ、それぞれのレーザービーム照射装置によって生成された合成レーザービームが、コリメート光学系を用いて更に結合される構成のレーザービーム照射システムの構成を概念的に示す図である。 第６の実施形態のレーザービーム照射装置の構成を概念的に示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。添付図面において、同一の構成要素は、同一の参照符号で参照される。また、同一の複数の構成要素を互いに区別するために、添字が付されることがある。また、以下の説明においては、方向を規定するために、ＸＹＺ直交座標系が導入される。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のレーザービーム照射装置１００の構成を概念的に示す図である。レーザービーム照射装置１００は、複数のレーザー光源１０と、集光光学系２０とを備えている。レーザー光源１０と集光光学系２０とは、鏡筒３０に収容されている。なお、以下の記載においては、該複数のレーザー光源１０を区別する場合、添字を添付する。図１には、３つのレーザー光源１０１〜１０３が図示されている。ただし、レーザー光源１０の数は３に限定されず、より多くのレーザー光源１０が設けられ得る。
レーザー光源１０のそれぞれは、レーザービーム１１を出射する。詳細には、本実施形態では、レーザー光源１０のそれぞれが、レーザー装置１２と光ファイバー１３とを備えている。レーザー装置１２によって発生されたレーザー光が光ファイバー１３の一端に入射され、他端からレーザービーム１１として出射される。以下では、レーザー光源１０１〜１０３から出射されるレーザービーム１１を、それぞれ、レーザービーム１１１〜１１３と記載することがある。本実施形態では、レーザー光源１０は、Ｙ軸方向において異なる位置からレーザービーム１１を出射する。レーザー光源１０から出射されたレーザービーム１１は、集光光学系２０の入射面２０ａに入射される。
集光光学系２０は、入射面２０ａに入射されるレーザービーム１１に対して、光学的操作を行ってレーザービーム２１を生成し、生成したレーザービーム２１を出射面２０ｂから出射する。ここで、集光光学系２０によって行われる光学的操作は、各レーザービーム２１を集光する操作を含んでいる。以下では、レーザービーム１１１〜１１３から生成されて出射面２０ｂから出射されるレーザービーム２１を、それぞれ、レーザービーム２１１〜２１３と記載することがある。本実施形態では、集光光学系２０は、その光軸２２がＺ軸方向に平行になるように配置されている。集光光学系２０の出射面２０ｂから出射されたレーザービーム２１が、所望の目標に重ねて照射される。
本実施形態のレーザービーム照射装置１００では、レーザー光源１０のそれぞれが、レーザービーム１１のビーム径が集光光学系２０の入射面２０ａに向けて広がるようにレーザービーム１１を出射するように構成されている。一般に、レーザービームが光ファイバーから出射される場合、該レーザービームは、自然に、拡がり角を有するように出射される。一実施形態では、この現象を利用して、光ファイバー１３から出射されるレーザービーム１１のビーム径が集光光学系２０の入射面２０ａに向けて広げられてもよい。また、光ファイバー１３にレンズ等の光学素子が接合され、これにより、光ファイバー１３から出射されるレーザービーム１１のビーム径が集光光学系２０の入射面２０ａに向けて広げられてもよい。
加えて、レーザー光源１０は、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が入射面２０ａにおいて他のレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１のうちの少なくとも一のレーザービーム１１に重なり合っているように配置される。このような構成は、レーザービーム照射装置１００の物理的サイズの増大を抑制しながら、高出力の合成レーザービームを生成するために有用である。このような目的の下では、レーザー光源１０の数が３以上である場合には、レーザー光源１０は、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が入射面２０ａにおいて他のレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１の全てに重なり合っているように配置されることが好ましい。
また、集光光学系２０は、下記のように構成されている。まず、集光光学系２０は、光軸２２に対して円対称（circular symmetry）のビーム形状を有するレーザービーム１１が入射面２０ａに入射された場合、該レーザービーム１１から生成されて出射面２０ｂから出射されるレーザービーム２１のビーム形状が光軸２２に対して円対称であるように構成されている。
更に、集光光学系２０は、出射面２０ｂから出射されるレーザービーム２１のいずれもが、集光光学系２０の光軸２２に垂直であるように設定された平面である目標面４０においてビーム径（スポット径）が最小になるように構成されている。本実施形態では、目標面４０は、ＸＹ平面に平行である。レーザービーム２１を目標に照射する場合、目標面４０は、当該目標を通過するように設定される。これは、集光光学系２０が、各レーザービーム２１を目標面４０に集光するように構成されていることを意味している。集光光学系２０は、目標面４０の位置が、光軸２２に平行な方向において可変であるように構成されてもよい。
加えて、集光光学系２０は、各レーザービーム２１について、目標面４０における各レーザービーム２１の中心から光軸２２までの距離が、各レーザービーム２１の目標面４０におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。本実施形態では、目標面４０におけるビーム径は、Ｄ８６幅(D86 width)（ビームプロファイルの重心を中心として、ビームパワーの８６％が含まれる円の直径）として定義される。また、本実施形態では、目標面４０における各レーザービーム２１の中心の位置は、目標面４０における各レーザービーム２１のビームプロファイルの重心の位置として定義される。図２Ａ乃至図２Ｃは、本実施形態における各レーザービーム２１のビーム形状を示す図である。
図２Ａは、レーザー光源１０１から出射されたレーザービーム１１１から集光光学系２０によって生成されるレーザービーム２１１のビーム形状を示している。図２Ａに図示されているように、レーザービーム２１１は、目標面４０においてビーム径が最小になる。また、目標面４０におけるレーザービーム２１１の中心２３１と光軸２２との距離ｄ１が、目標面４０におけるレーザービーム２１１のビーム半径ｒ１（即ち、目標面４０におけるレーザービーム２１１のビーム径の２分の１）よりも小さい。即ち、下記式（１）：
ｄ１＜ｒ１ ・・・（１）
が成立する。
図２Ｂは、レーザー光源１０２から出射されたレーザービーム１１２から集光光学系２０によって生成されるレーザービーム２１２のビーム形状を示している。レーザー光源１０２から出射されるレーザービーム１１２は、集光光学系２０の光軸２２に対して円対称なビーム形状を有しているので、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１２も、光軸２２に対して円対称なビーム形状を有している。
図２Ｂに図示されているように、レーザービーム２１２も、レーザービーム２１１と同様に、目標面４０においてビーム径が最小になる。また、目標面４０におけるレーザービーム２１２の中心２３２は、光軸２２の上に位置しており、レーザービーム２１２の中心２３２と光軸２２との距離ｄ２は、ゼロである。レーザービーム２１２についても、下記式（２）：
ｄ２＜ｒ２ ・・・（２）
が成立する。ここで、ｒ２は、目標面４０におけるレーザービーム２１２のビーム半径（即ち、目標面４０におけるレーザービーム２１２のビーム径の２分の１）である。
図２Ｃは、レーザー光源１０３から出射されたレーザービーム１１３から集光光学系２０によって生成されるレーザービーム２１３のビーム形状を示している。図２Ｃに図示されているように、レーザービーム２１３も、目標面４０においてビーム径が最小になる。また、目標面４０におけるレーザービーム２１３の中心２３３と光軸２２との距離ｄ３が、目標面４０におけるレーザービーム２１３のビーム半径ｒ３（即ち、目標面４０におけるレーザービーム２１３のビーム径の２分の１）よりも小さい。即ち、下記式（３）：
ｄ３＜ｒ３ ・・・（３）
が成立する。
各レーザービーム２１について、目標面４０における各レーザービーム２１の中心から光軸２２までの距離が目標面４０におけるビーム半径よりも小さいという条件は、目標面４０におけるレーザービーム２１の結合を維持するためのものである。本実施形態では、レーザービーム１１が入射面２０ａにおいて異なる位置に入射されるので、出射面２０ｂから出射されるレーザービーム２１の目標面４０におけるビーム中心の位置が、互いに相違し得る。しかしながら、目標面４０における各レーザービーム２１の中心から光軸２２までの距離が、各レーザービーム２１の目標面４０におけるビーム半径よりも小さければ、各レーザービーム２１は目標面４０において他のレーザービーム２１の全てに重なり合い、ビーム結合が維持される。
本実施形態のこのような構成によれば、レーザービーム照射装置１００の物理的サイズの増大の抑制と集光能力の向上とを実現しながら、高出力の合成レーザービームを目標に照射することが可能になる。
詳細には、本実施形態では、レーザー光源１０は、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が、入射面２０ａにおいて、他のレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１のうちの他の少なくとも一のレーザービーム１１に重なり合っているように配置される。これにより、レーザービーム照射装置１００の物理的サイズの増大を抑制しながら、高出力の合成レーザービームを生成することができる。レーザービーム１１の数が３以上である場合、物理的サイズの増大の抑制と高出力の合成レーザービームの生成の観点からは、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が、入射面２０ａにおいて、他の全てのレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１に重なっていることが好ましい。
加えて、本実施形態のレーザービーム照射装置１００では、レーザー光源１０のそれぞれが、レーザービーム１１のビーム径が集光光学系２０の入射面２０ａに向けて広がるようにレーザービーム１１を出射するように構成されている。このため、集光光学系２０の出射面２０ｂにおける各レーザービーム２１のビーム径が大きい。これは、各レーザービーム２１の目標面４０における集光スポット径を小さくできることを意味している。これは、集光能力の向上に有効である。
本実施形態のレーザービーム照射装置１００では、例えば回折光学素子のような特殊な光学素子を用いずにレーザービームの結合を実現できることにも留意されたい。本実施形態のレーザービーム照射装置１００は、特殊な光学素子を用いなくても、物理的サイズの増大の抑制と集光能力の向上とを実現しながら、高出力の合成レーザービームを生成することができる。
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ａの構成を概念的に示す図である。第２の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ａは、第１の実施形態のレーザービーム照射装置１００と類似した構成となっているが、レーザー光源１０のそれぞれが、それぞれから出射されるレーザービーム１１の位相を制御する位相制御装置１４を備えている点で第１の実施形態のレーザービーム照射装置１００と相違している。本実施形態では、位相制御装置１４は、各レーザー光源１０の光ファイバー１３に挿入されている。
第２の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ａでは、位相制御装置１４によって集光光学系２０に入射されるレーザービーム１１の位相が制御され、これにより、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御することができる。これは、集光能力の向上に有効である。例えば、位相制御装置１４によってレーザー光源１０から出射されるレーザービーム１１の位相を制御することにより、集光光学系２０の出射面２０ｂにおけるレーザービーム２１の位相が一致されてもよい。これにより、開口合成が実現され、集光能力を向上させることができる。
（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｂの構成を概念的に示す図である。第３の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｂは、第１の実施形態のレーザービーム照射装置１００と類似した構成となっているが、レーザー光源１０のそれぞれから出射されるレーザービーム１１の波面の形状を整形するビーム整形光学系１５を備えている点で第１の実施形態のレーザービーム照射装置１００と相違している。本実施形態では、ビーム整形光学系１５は、各レーザー光源１０の光ファイバー１３の、レーザービーム１１が出射される出射端に接続されている。ビーム整形光学系１５としては、例えば、凹レンズ、凸レンズその他の光学要素が使用され得る。
第３の実施形態では、レーザー光源１０のそれぞれから出射されるレーザービーム１１の波面の形状がビーム整形光学系１５によって成形され、これにより、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御することができる。これは、集光能力の向上に有効である。
なお、図４では、レーザー光源１０のそれぞれが、ビーム整形光学系１５を備えている構成が図示されているが、図５に図示されているように、複数のレーザー光源１０について共通のビーム整形光学系１６が設けられてもよい。ビーム整形光学系１６は、レーザー光源１０のそれぞれから出射されるレーザービーム１１の波面の形状を整形し、これにより、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御する。
また、図６に図示されているように、位相制御装置１４を備えている第２の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ａにビーム整形光学系１５（又は１６）が設けられてもよい。この場合、ビーム整形光学系１５のそれぞれに入射されるレーザービーム１１のそれぞれに対して位相が制御されるので、ビーム整形光学系１５の構成を単純化しながら、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御することができる。
（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｃの構成を概念的に示す図である。第４の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｃは、第１の実施形態のレーザービーム照射装置１００と類似した構成となっているが、レーザー光源１０と集光光学系２０の入射面２０ａとが、結合光学素子１７によって結合されている点で、第１の実施形態のレーザービーム照射装置１００と相違している。本実施形態では、結合光学素子１７は、各レーザー光源１０の光ファイバー１３の、レーザービーム１１が出射される出射端に接合されている。結合光学素子１７としては、例えば、テーパレンズが例示される。結合光学素子１７は、融着によって光ファイバー１３に接合されてもよい。結合光学素子１７は、各レーザー光源１０の光ファイバー１３から出射されたレーザービーム１１を集光光学系２０の入射面２０ａに導くように構成されている。
本実施形態では、光ファイバー１３の出力端に結合光学素子１７が結合されていることにより、光ファイバー１３のアライメントを容易化することができる。なお、結合光学素子１７に、レーザー光源１０のそれぞれから出射されるレーザービーム１１の波面の形状を整形する機能を持たせてもよい。これは、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御するために有用である。
なお、本実施形態でも、図８に図示されているように、レーザー光源１０のそれぞれが、それぞれから出射されるレーザービーム１１の位相を制御する位相制御装置１４を備えていてもよい。これにより、集光光学系２０から出射されるレーザービーム２１の波面の形状を、伝搬に最適な形状に制御することができる。
（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｄの構成を概念的に示す図である。上述の実施形態では、集光光学系２０が用いられているが、第５の実施形態では、集光光学系２０の代わりに、各レーザービーム１１から平行光であるレーザービーム５１を生成するコリメート光学系５０が用いられる。レーザー光源１０とコリメート光学系５０とは、鏡筒３０に収容されている。以下、本実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｄの構成を詳細に説明する。
レーザー光源１０のそれぞれは、レーザービーム１１を出射する。レーザー光源１０から出射されたレーザービーム１１は、コリメート光学系５０の入射面５０ａに入射される。第１乃至第４の実施形態と同様に、レーザー光源１０のそれぞれは、レーザービーム１１のビーム径がコリメート光学系５０の入射面５０ａに向けて広がるようにレーザービーム１１を出射するように構成されている。加えて、レーザー光源１０は、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が、入射面５０ａにおいて、他のレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１のうちの少なくとも一のレーザービーム１１に重なり合っているように配置される。このような構成は、レーザービーム照射装置１００Ｄの物理的サイズの増大を抑制しながら、高出力の合成レーザービームを生成するために有用である。この目的の下では、レーザー光源１０の数が３以上である場合には、レーザー光源１０は、各レーザー光源１０が出射するレーザービーム１１が入射面５０ａにおいて他のレーザー光源１０が出射するレーザービーム１１の全てに重なり合っているように配置されることが好ましい。
コリメート光学系５０は、入射面５０ａに入射されるレーザービーム１１に対して所定の光学的操作を行ってレーザービーム５１を生成し、生成したレーザービーム５１を出射面５０ｂから出射する。ここで、コリメート光学系５０は、出射面５０ｂから出射される各レーザービーム５１が平行光であるように構成される。コリメート光学系５０は、光軸５２に対して円対称（circular symmetry）のビーム形状を有するレーザービーム１１が入射面５０ａに入射された場合、該レーザービーム１１から生成されて出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１のビーム形状が光軸５２に対して円対称であるように構成されている。
以下では、レーザービーム１１１〜１１３から生成されて出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１を、それぞれ、レーザービーム５１１〜５１３と記載することがある。本実施形態では、コリメート光学系５０は、その光軸５２がＺ軸方向に平行になるように配置されている。コリメート光学系５０の出射面５０ｂから出射されたレーザービーム５１は、互いに重なりながら所望の目標に照射される。即ち、コリメート光学系５０の出射面５０ｂから出射されたレーザービーム５１が合成されて、目標に照射すべき合成ビーム５３が形成される。
図１０は、第５の実施形態における、コリメート光学系５０の出射面５０ｂ上における各レーザービームの強度分布の一例を示す図である。出射面５０ｂの上では、レーザービーム５１が合成されて得られる合成レーザービームの強度分布は、各レーザービーム５１の強度分布を足し合わせたものとなる。入射面５０ａに入射されるレーザービーム１１がガウシアンビームであり、よって、出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１がガウシアンビームである場合、合成レーザービームの強度分布は、裾がやや広がったガウシアン分布になる。第５の実施形態では、出射面５０ｂ上における各レーザービーム５１の強度分布が保たれたまま光軸５２に沿ってレーザービーム５１が伝搬される。
また、第５の実施形態においては、レーザー光源１０とコリメート光学系５０とが、出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１のそれぞれについて、レーザービーム５１の中心から光軸５２までの距離が、各レーザービーム５１のビーム径（即ち、スポット径）の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように配置されている。なお、本実施形態においても、ビーム径は、Ｄ８６幅(D86 width)（ビームプロファイルの重心を中心として、ビームパワーの８６％が含まれる円の直径）として定義され、各レーザービーム５１の中心の位置は、光軸５２に垂直な面における各レーザービーム５１のビームプロファイルの重心の位置として定義される。これにより、目標におけるレーザービーム５１の結合を維持することができる。本実施形態においても、レーザービーム１１が入射面５０ａにおいて異なる位置に入射されるので、出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１のビーム中心の位置が、互いに相違し得る。しかしながら、各レーザービーム５１の中心から光軸５２までの距離が、各レーザービーム５１のビーム半径よりも小さければ、各レーザービーム５１は他のレーザービーム５１に重なり合い、ビーム結合が維持される。
なお、図９には、第１の実施形態のレーザービーム照射装置１００の集光光学系２０がコリメート光学系５０に置換された構成が図示されているが、第２乃至第４の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ａ〜１００Ｃの集光光学系２０がコリメート光学系５０に置換されてもよい。
本実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｄが複数設けられ、それぞれのレーザービーム照射装置１００Ｄによって生成された合成レーザービームが、集光光学系を用いて更に結合されてもよい。図１１Ａは、このような構成のレーザービーム照射システム２００Ａの構成の一例を概念的に示す図である。
図１１Ａに図示されたレーザービーム照射システム２００Ａは、２つのレーザービーム照射装置１００Ｄを備えている。以下では、２つのレーザービーム照射装置１００Ｄを互いに区別するために、一方のレーザービーム照射装置１００Ｄをレーザービーム照射装置１００Ｄ１と記載し、他方のレーザービーム照射装置１００Ｄをレーザービーム照射装置１００Ｄ２と記載することがある。
２つのレーザービーム照射装置１００Ｄのそれぞれは、コリメート光学系５０から、合成ビーム５３を出射する。以下において、レーザービーム照射装置１００Ｄ１のコリメート光学系５０をコリメート光学系５０１と記載し、コリメート光学系５０１から出射される合成ビーム５３を合成ビーム５３１と記載することがある。同様に、レーザービーム照射装置１００Ｄ２のコリメート光学系５０をコリメート光学系５０２と記載し、コリメート光学系５０２から出射される合成ビーム５３を合成ビーム５３２と記載することがある。
レーザービーム照射装置１００Ｄ１、１００Ｄ２から出射された合成ビーム５３１、５３２は、ビーム整形光学素子５４及び集光光学系６０によって結合される。詳細には、ビーム整形光学素子５４は、レーザービーム照射装置１００Ｄ１、１００Ｄ２からのそれぞれから出射される合成ビーム５３１、５３２の波面の形状を整形する。ビーム整形光学素子５４から出射された合成ビーム５３１、５３２は、集光光学系６０の入射面６０ａに入射される。ビーム整形光学素子５４は、ビーム整形光学素子５４から出射される合成ビーム５３１、５３２のビーム径が入射面６０ａに向けて増大するように構成されている。
集光光学系６０は、入射面６０ａに入射される合成ビーム５３１、５３２に対して光学的操作を行ってレーザービーム６１１、６１２を生成し、生成したレーザービーム６１１、６１２を出射面６０ｂから出射する。ここで、集光光学系２０によって行われる光学的操作は、各レーザービーム６１１、６１２を集光する操作を含んでいる。本実施形態では、集光光学系６０は、その光軸６２がＺ軸方向に平行になるように配置されている。集光光学系６０の出射面６０ｂから出射されたレーザービーム６１１、６１２が、所望の目標に重ねて照射される。
第１の実施形態において用いられる集光光学系２０と同様に、集光光学系６０は、出射面６０ｂから出射されるレーザービーム６１１、６１２のいずれもが、共通の目標面においてビームウェストを持つ（即ち、スポット径が最小になる）ように構成されている。ここで、当該目標面は、集光光学系６０の光軸６２に垂直であるように規定された平面であり、本実施形態では、当該目標面は、ＸＹ平面に平行である。レーザービームレーザービーム６１１、６１２を目標に照射する場合、当該目標面は、当該目標を通過するように規定される。
加えて、集光光学系６０は、レーザービーム６１１、６１２のいずれもが、集光光学系６０の光軸６２に垂直であるように設定された平面である目標面においてビーム径（即ち、スポット径）が最小になり、且つ、当該目標面における各レーザービーム６１１、６１２の中心から光軸６２までの距離が、各レーザービーム６１１、６１２の当該目標面におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている。第１の実施形態で説明されているように、このような構成により、目標面におけるレーザービーム６１１、６１２の結合が維持される。
図１１Ａの構成のレーザービーム照射システム２００Ａは、集光能力を維持しながら、多数のレーザービームを結合することができ、大きな出力の合成レーザービームを容易に生成することができる。
また、本実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｄが複数設けられ、それぞれのレーザービーム照射装置１００Ｄによって生成された合成レーザービームが、コリメート光学系を用いて更に結合されてもよい。図１１Ｂは、このような構成のレーザービーム照射システム２００Ｂの構成の一例を概念的に示す図である。
図１１Ｂに図示されたレーザービーム照射システム２００Ｂは、図１１Ａに図示されたレーザービーム照射システム２００Ａと類似した構成を有しているが、集光光学系６０の代わりにコリメート光学系７０が設けられる点で相違している。ビーム整形光学素子５４から出射された合成ビーム５３１、５３２は、コリメート光学系７０の入射面７０ａに入射される。ビーム整形光学素子５４は、ビーム整形光学素子５４から出射される合成ビーム５３１、５３２のビーム径が入射面７０ａに向けて増大するように構成されている。
コリメート光学系７０は、入射面７０ａに入射される合成ビーム５３１、５３２から平行光であるレーザービーム７１１、７１２を生成し、生成したレーザービーム７１１、６１２を出射面７０ｂから出射する。本実施形態では、コリメート光学系７０は、その光軸７２がＺ軸方向に平行になるように配置されている。コリメート光学系７０の出射面７０ｂから出射されたレーザービーム７１１、７１２は、互いに重なりながら所望の目標に照射される。即ち、コリメート光学系７０の出射面７０ｂから出射されたレーザービーム７１１、７１２が合成されて、目標に照射すべき合成ビームが形成される。レーザービーム照射装置１００Ｄと、ビーム整形光学素子５４と、コリメート光学系７０とは、出射面７０ｂから出射されるレーザービーム７１１、７１２のそれぞれについて、レーザービーム７１１、７１２の中心から光軸７２までの距離が、各レーザービーム７１１、７１２のビーム径（即ち、スポット径）の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように配置されている。
図１１Ｂの構成のレーザービーム照射システム２００Ｂは、多数のレーザービームを結合して、大きな出力及びビーム径を有する合成レーザービームを容易に生成することができる。
（第６の実施形態）
図１２は、第６の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｅの構成を概念的に示す図である。第６の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｅは、第５の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｄ（図９参照）と類似した構成を有しているが、固体レーザー増幅器８０を追加的に備えている点で相違する。固体レーザー増幅器８０は、コリメート光学系５０の出射面５０ｂから出射されるレーザービーム５１に対してレーザー増幅を行って増幅後レーザービーム８１を生成する。第６の実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｅの構成は、レーザービーム照射装置１００Ｅに含まれるレーザー光源１０の数を抑制しながら高出力のレーザービームを生成するために好適である。
本実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｅは、特に、レーザー光源１０のレーザー装置１２としてファイバーレーザー、特に、パルス光を発生する、又は狭線幅のレーザー光を発生するファイバーレーザーを用いる場合に特に有効である。ファイバーレーザーは、低出力の領域では固体レーザーと比較して効率が高いが、その一方で、許容されるパルスエネルギーの最大値が小さい。一方、固体レーザーは、許容されるパルスエネルギーの最大値が大きい。また、ファイバーレーザーは、線幅が狭いと非線形効果が顕著に表れ、出力の上限が低下するが、固体レーザーは、非線形効果が表れにくく、狭線幅と高出力の両立が可能である。このようなファイバーレーザー及び固体レーザーの特性を生かすためには、ファイバーレーザーによって生成したレーザー光を固体レーザーで増幅する構成が好適である。本実施形態のレーザービーム照射装置１００Ｅでは、レーザー光源１０のレーザー装置１２としてファイバーレーザーを用いることで、ファイバーレーザーによって生成した複数のレーザー光を結合し、更に、固体レーザー増幅器８０で増幅する構成を実現できる。
以上には、本発明の実施形態が具体的に記述されているが、本発明は、上記の実施形態に限定されない。本発明が種々の変更と共に実施され得ることは、当業者には理解されよう。また、上記の実施形態は、技術的な矛盾がない限り組み合わせて実施され得ることにも留意されたい。
１００、１００Ａ〜１００Ｅ：レーザービーム照射装置
２００Ａ ：レーザービーム照射システム
２００Ｂ ：レーザービーム照射システム
１０ ：レーザー光源
１１ ：レーザービーム
１２ ：レーザー装置
１３ ：光ファイバー
１４ ：位相制御装置
１５ ：ビーム整形光学系
１６ ：ビーム整形光学系
１７ ：結合光学素子
２０ ：集光光学系
２０ａ ：入射面
２０ｂ ：出射面
２１ ：レーザービーム
２２ ：光軸
３０ ：鏡筒
４０ ：目標面
５０ ：コリメート光学系
５０ａ ：入射面
５０ｂ ：出射面
５１ ：レーザービーム
５２ ：光軸
５３ ：合成ビーム
５４ ：ビーム整形光学素子
６０ ：集光光学系
６０ａ ：入射面
６０ｂ ：出射面
６１ ：レーザービーム
６２ ：光軸
７０ ：コリメート光学系
７０ａ ：入射面
７０ｂ ：出射面
７１ ：レーザービーム
７２ ：光軸
８０ ：固体レーザー増幅器
８１ ：増幅後レーザービーム

Claims (10)

  1. 目標にレーザービームを照射するためのレーザービーム照射装置であって、
    複数の第１レーザービームを出力する複数のレーザー装置と、
    各々が、入力端と出力端を有し、前記入力端に受信される前記複数の第１レーザービームのうちの対応するものを、ビーム径が広がるように前記出力端から出力する複数の光ファイバーと、
    入射面と出射面とを有し、前記複数の光ファイバーから出力される前記複数の第１レーザービームを複数の入力レーザービームとして前記入射面に受け、光学的操作を行って、前記複数の入力レーザービームにそれぞれに対応する複数の第２レーザービームを前記出射面から出力する光学系と
    を具備し、
    前記複数の入力レーザービームのそれぞれは、前記光学系の前記入射面において、前記複数の入力レーザービームの他のレーザービームの全てに重なり合っており、
    前記光学系は、前記光学系の光軸に垂直であり、かつ、前記目標を通過するように設定された平面である目標面における前記第２レーザービームの中心から前記光軸までの距離が、前記第２レーザービームの前記目標面におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている
    レーザービーム照射装置。
  2. 請求項１に記載のレーザービーム照射装置であって、
    前記複数のレーザー装置と前記複数の光ファイバーとの間に設けられ、前記光学系の前記出射面における前記複数の第２レーザービームの位相が同一であるように、前記複数の第１レーザービームの位相を制御する複数の位相制御装置を更に備えている
    レーザービーム照射装置。
  3. 請求項１に記載のレーザービーム照射装置であって、
    前記光学系は、集光光学系であり、
    前記集光光学系は、前記目標面において前記複数の第２レーザービームの各々のビーム径が最小になるように構成されている
    レーザービーム照射装置。
  4. 請求項１又は３に記載のレーザービーム照射装置であって、
    更に、前記複数の第１レーザービームの波面の形状を整形するように前記複数の光ファイバーの前記出力端と前記光学系の間に設けられた複数のビーム整形光学系を具備する
    レーザービーム照射装置。
  5. 請求項１又は３に記載のレーザービーム照射装置であって、
    前記複数の光ファイバーの前記出力端に接合され、前記複数の光ファイバーから出射された前記複数の第１レーザービームを前記光学系の前記入射面に導くように構成された結合光学素子を更に備える
    レーザービーム照射装置。
  6. 目標にレーザービームを照射するためのレーザービーム照射装置であって、
    複数の第１レーザービームを出力する複数のレーザー装置と、
    各々が、入力端と出力端を有し、前記入力端に受信される前記複数の第１レーザービームのうちの対応するものを、ビーム径が広がるように前記出力端から出力する複数の光ファイバーと、
    入射面と出射面とを有し、前記複数の光ファイバーから出力される前記複数の第１レーザービームを複数の入力レーザービームとして前記入射面に受け、光学的操作を行って、前記複数の入力レーザービームにそれぞれに対応する複数の第２レーザービームを前記出射面から出力する光学系と
    を具備し、
    前記複数の入力レーザービームのそれぞれは、前記光学系の前記入射面において、前記複数の入力レーザービームのうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っており、
    前記光学系は、前記光学系の光軸に垂直であり、かつ、前記目標を通過するように設定された平面である目標面における前記第２レーザービームの中心から前記光軸までの距離が、前記第２レーザービームの前記目標面におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成され、
    前記光学系は、前記複数の入力レーザービームにそれぞれに対応し、平行光である前記複数の第２レーザービームを出力するコリメート光学系である
    レーザービーム照射装置。
  7. 請求項６に記載のレーザービーム照射装置であって、
    更に、
    前記コリメート光学系から出射される前記複数の第２レーザービームが入射され、前記複数の第２レーザービームに対してレーザー増幅を行って増幅後レーザービームを生成する固体レーザー増幅器を具備する
    レーザービーム照射装置。
  8. 請求項７に記載のレーザービーム照射装置であって、
    前記複数のレーザー装置のそれぞれは、ファイバーレーザーを含む
    レーザービーム照射装置。
  9. 目標にレーザービームを照射するためのレーザービーム照射システムであって、
    複数のレーザービーム照射装置と、
    集光光学系と
    を具備し、
    前記複数のレーザービーム照射装置のそれぞれが、
    複数の第１レーザービームを出力する複数のレーザー装置と、
    各々が、入力端と出力端を有し、前記入力端に受信される前記複数の第１レーザービームのうちの対応するものを、ビーム径が広がるように前記出力端から出力する複数の光ファイバーと、
    第１入射面と第１出射面とを有し、前記複数の光ファイバーから出力される前記複数の第１レーザービームを複数の入力レーザービームとして前記第１入射面に受け、光学的操作を行って、前記複数の入力レーザービームにそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービームを前記第１出射面から出力するコリメート光学系と
    を具備し、
    前記複数の入力レーザービームのそれぞれは、前記コリメート光学系の前記第１入射面において、前記複数の入力レーザービームの他のレーザービームの全てに重なり合っており、
    前記コリメート光学系は、前記第２レーザービームの中心から前記コリメート光学系の光軸までの距離が、前記第２レーザービームのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成され、
    前記複数のレーザービーム照射装置のそれぞれから出射される前記複数の第２レーザービームで構成される合成ビームが、前記集光光学系の第２入射面に入射され、
    前記集光光学系は、前記合成ビームに対して光学的操作を行って前記合成ビームにそれぞれに対応する第３レーザービームを出射して前記目標に照射するように構成され、
    前記集光光学系は、前記集光光学系から出射された前記第３レーザービームの全てについて、前記集光光学系の光軸に垂直であり、かつ、前記目標を通過するように設定された平面である目標面において前記第３レーザービームのビーム径が最小になり、且つ、前記目標面における前記第３レーザービームの中心から前記光軸までの距離が、前記第３レーザービームのそれぞれの前記目標面におけるビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成されている
    レーザービーム照射システム。
  10. 目標にレーザービームを照射するためのレーザービーム照射システムであって、
    複数のレーザービーム照射装置と、
    ビーム整形光学素子と、
    第１コリメート光学系と
    を具備し、
    前記複数のレーザービーム照射装置のそれぞれが、
    複数の第１レーザービームを出力する複数のレーザー装置と、
    各々が、入力端と出力端を有し、前記入力端に受信される前記複数の第１レーザービームのうちの対応するものを、ビーム径が広がるように前記出力端から出力する複数の光ファイバーと、
    第１入射面と第１出射面とを有し、前記複数の光ファイバーから出力される前記複数の第１レーザービームを複数の入力レーザービームとして前記第１入射面に受け、光学的操作を行って、前記複数の入力レーザービームにそれぞれに対応し、平行光である複数の第２レーザービームを前記第１出射面から出力する第２コリメート光学系と
    を具備し、
    前記複数の入力レーザービームのそれぞれは、前記第２コリメート光学系の前記第１入射面において、前記複数の入力レーザービームのうちの他の少なくとも一のレーザービームに重なり合っており、
    前記第２コリメート光学系は、前記第２レーザービームの中心から前記第２コリメート光学系の光軸までの距離が、前記第２レーザービームのビーム径の２分の１であるビーム半径よりも小さくなるように構成され、
    前記ビーム整形光学素子は、前記複数のレーザービーム照射装置のそれぞれから出射される前記複数の第２レーザービームで構成される合成ビームが入射され、前記合成ビームをビーム径を増大するように出射して前記第１コリメート光学系に入射するように構成され、
    前記第１コリメート光学系は、前記合成ビームに対して光学的操作を行って、前記合成ビームにそれぞれに対応し、且つ、平行光である第３レーザービームを出射して前記目標に照射するように構成されている
    レーザービーム照射システム。
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