JPH11295649A - レーザー光集光照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 レーザー光を空間的に滑らかに集光照射
する。 【解決手段】 レーザー発振器1を広帯域広発散角レー
ザー装置とし、位相板3と集光レンズ4を介して対象物5
上に集光照射することにより、滑らかな集光プロファイ
ルを得る。 【効果】レーザー加工やレーザープロセッシング等の産
業上重要なレーザー応用装置においてその品質や効率を
向上させるために役立てることができる。また、レーザ
ー核融合のような将来のエレルギー開発をする場合にお
いても高効率で滑らかな照射形状を得ることは必要不可
欠な技術であるが、その開発を推進する上にも役立つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はレーザー光を空間
的に滑らかに集光照射するレーザー光集光照射装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】大出力レーザー装置においては、非線形
屈折率等の影響を受けるため完全なガウシアンビーム出
力を得ることは困難なばかりでなく、ガウシアンビーム
ではレーザー装置におけるエネルギー取り出し効率も低
く、実用的ではない。このため現在の大出力レーザー装
置においては殆どの場合、矩形ビーム出力を取り出して
おり、またその出力波面は非線形屈折率等の影響により
かなり歪んだものとなっている。これをレンズ等で対象
物上に集光した場合、集光面上ではその空間周波数のフ
ーリエ変換に相当する極めて不均一な強度分布となり、
更に波面の歪によりホットスポットと呼ばれるエネルギ
ーが集中する場所が発生し、使用上の障害となってい
た。

【０００３】この問題を解決するためにはランダム位相
板や複合フレネルゾーンプレート等の位相板を集光レン
ズあるいは集光鏡の前又は後ろの光軸上に挿入して位相
を制御することにより集光後のレーザー光の空間強度分
布を制御する方法が考えられる。

【０００４】しかしながら可干渉性の高いレーザー光を
このような位相板により微小ビームに分割して集光照射
する手法においては、対象物上においてレーザー光の空
間強度分布はスペックルパターンと呼ばれる微少なスポ
ットの集合体となり、微視的に見ると激しいスパイク状
の不均一を有することとなる。

【０００５】本発明者はこのスペックルパターンによる
不均一を除去する目的で過去において、ランダム位相板
に広帯域レーザー装置と波長分散性媒質を組み合せたも
の(特許第2611169号)、および多重反射鏡を組み合わせ
たもの(特許第2580540号)を発明している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の発明のうち前者(特許第2611169号)においては均一化
の方向が一次元のみであり、それと直角の方向にはなお
不均一が残るという問題点があり、後者(特許第2580540
号)においては二次元の平滑化効果を可能にしているが
多重反射鏡を光軸上に挿入するためにエネルギー損失が
発生するという問題点があった。

【０００７】本発明は、波長分散性媒質や多重反射鏡を
使用することなく、スペックルパターンによる不均一を
除去し、対象物上において位相板によって制御されたレ
ーザー光の滑らかな空間強度分布を実現することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、レーザー光を発生させるレーザー装置
と、該発生したレーザー光を対象物に集光照射するため
の集光レンズ又は集光鏡からなるレーザー光集光照射装
置において、上記レーザー装置として発生するレーザー
光波長幅が広く、かつ、発生するレーザー光のビーム発
散角の広い広帯域広発散角レーザー装置を使用し、集光
特性を制御する位相板を、上記レーザー装置と上記集光
レンズもしくは上記集光鏡の間、又は上記集光レンズも
しくは上記集光鏡と上記対象物の間の光軸上に配置した
ことを特徴とするレーザー光集光照射装置を提供する。

【０００９】上記位相板は、ランダム位相板である。

【００１０】そして、上記位相板は、互いに相補的な位
相関係にある小形のフレネルゾーンプレートの組みを同
一平面上に複数個ランダムに配置して成る複合フレネル
ゾーンプレートとしてもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例に基
づいて図面を参照にして説明する。図1はこの発明の実
施例である。レーザー光を発生するレーザー発振器１、
リレー光学系２、ランダム位相板３、集光レンズ４が同
一光軸上に配列され、対象物５にレーザー光が集光さ
れ、所要の加工が行われる。

【００１２】レーザ発振器１は、レーザー媒質Ａと平面
鏡Ｂから構成され、波長幅が広く、かつビーム発散角の
広いレーザーを発生する、即ち広帯域広発散角レーザー
を発生する。

【００１３】レーザー発振器１では、クリプトン・フッ
素ガスをレーザー媒質としたエキシマレーザーや色素レ
ーザー、チタンサファイアレーザー等を使用し、これら
のレーザー媒質を、波長選択素子やモードロック装置な
どの狭帯域化の特別な手段を講じることなく、発振させ
ることによりレーザー光波長幅が広い広帯域レーザー光
を得ることができる。

【００１４】一方、レーザー発振器１において、レーザ
媒質をその直径を太くとった上で共振器長の短い平面共
振器中に挿入して発振させることにより、ビーム発散角
の広い広発散角レーザー光が得られる。そして、共振器
を有さない自然放出光(ASE)発振器や、レーザー光を一
旦拡散板に照射しそこからの散乱光を増幅するという手
段を用いればさらに大きな発散角を得ることができる。

【００１５】本実施例では、レーザー発振器1には有効
部分の太さが2mmのクリプトン・フッ素ガスレーザー媒
質Aを使用し、平面鏡Bで構成される共振器長は30cmとす
る。

【００１６】このレーザー発振器を動作させてビーム発
散角を測定したところ、その値は２mradであり、回折限
界の２０倍という広発散角ビームの発生が確認された。
また共振器内には波長選択素子を設置していないため
に、クリプトン・フッ素ガスレーザーは0.3nmというレ
ーザー光波長幅の広帯域レーザー光を発生する。

【００１７】リレー光学系２は、レーザー光を広げるも
ので、本実施例では、１７cmの太さに広げる。レーザー
加工などの産業用に応用する場合で大きなエネルギーを
必要とする場合にはリレー光学系によりビーム系を拡大
するだけではなく、ここに一台或いは多段の増幅器列を
設置し、所要のエネルギーにまで増幅を行なう。

【００１８】ランダム位相板３は、集光特性を制御する
ものであり、レーザー発振器１と集光レンズ４あるいは
集光鏡の間に配置する。又、ランダム位相板３は、集光
レンズあるいは集光鏡と対象物の間の光軸上に配置して
もよい。

【００１９】ランダム位相板３としては、本発明者の発
明に係る特許第2611169号、特許第2580540号において使
用したランダム位相板や、本発明者の発明に係る特願平
9-65973号に記載したところ複合フレネルゾーンプレー
ト（相補的な位相関係にある小形のフレネルゾーンプレ
ートの組みを同一平面上に複数個ランダムに配置して成
る。）等を使用することが可能である。

【００２０】このランダム位相板3により微小ビームに
分割しかつランダムに０又はπの位相差を与える。この
実施例で使用した位相板は、セルサイズ２mm角の０とπ
の２値タイプのものであるが、複合フレネルゾーンプレ
ートなど照射目的に対応した様々なタイプの位相板が使
用可能である。このレーザー光を焦点距離1.2mのレンズ
4で対象物5上に集光照射する。

【００２１】以上のような構成による作用について説明
する。広発散角レーザー装置から発生するビーム発散角
の広い広発散角レーザー光は空間的に微小に角度の異な
る多数のレーザービームが連続的に集積したものと等価
であると考えることができる。

【００２２】ところで、本発明者の発明に係る特許第26
11169号においては、プリズム或いは回折格子といった
波長分散性媒質によってレーザー光の発散角を広げ、又
本発明者の発明に係る特許第2580540号においては、多
重反射鏡によって微小に角度の異なる多数のレーザー光
からなるビーム束を得ていた。

【００２３】本発明においては、上記のような広発散角
レーザー装置を使用することにより、これらと同等のレ
ーザービームを得、これを位相板と集光レンズによって
対象物に集光照射することによって、位相板と集光レン
ズによって形成される多数の微小なスポットの集合体と
なる集光パターンが微小な位置のずれをもって多数重な
りあうようにし、これによって平滑化された集光パター
ンを達成するものである。

【００２４】さらにレーザー装置が発生するレーザー光
波長幅が広い広帯域レーザー装置であることにより、重
なりあう際に相互に干渉作用を生ずることなく、ごく短
時間のうちに平滑化が達成される。

【００２５】即ち、この実施例の位相板の配置につい
て、もし従来の可干渉性の高いレーザー装置との組み合
わせであるならば計算上は対象物上にピッチが1.8μmの
激しいスパイク状のスペックルパターンと呼ばれる不均
一が発生することになる。

【００２６】然るに本発明の特徴である広帯域広発散角
レーザー装置上記位相板とを組み合わせることにより、
レーザー装置においては発散角が２mradあり、対象物上
ではピッチ1.8μmの20倍の広さにわたって少しずつずれ
たビームが連続的に重なりあうことになる。

【００２７】この結果、激しいスパイク状のスペックル
パターンは平均化され、レーザー光の滑らかな空間強度
分布が実現される。またレーザー光波長幅が0.3nmであ
ることから平滑化に必要な所要時間は１psであり、ごく
短時間のうちに平滑化が達成される。

【００２８】図２は、図1の実施例について実際に対象
物上でのレーザー光の集光強度分布を測定した結果を示
すものであり、この結果により、本発明は、レーザー光
の集光強度分布は滑らかに均一化され、実際に効果を上
げていることが証明される。

【００２９】

【発明の効果】以上説明した構成の本発明によれば、広
帯域広発散角レーザー装置と位相板を用いることによ
り、集光レンズにより対象物上に集光照射されるレーザ
ー光の空間強度分布を制御し、かつ滑らかにして、従来
の発明で問題であった多重反射鏡による損失や平滑化の
方向が一次元である等の欠点を解決することができる。

【００３０】したがって、この発明はレーザー加工やレ
ーザープロセッシング等の産業上重要なレーザー応用装
置においてその品質や効率を向上させるために役立てる
ことができる。また、レーザー核融合のような将来のエ
ネルギー開発をする場合においても高効率で滑らかな照
射形状を得ることは必要不可欠な技術であるが、この発
明はその開発を推進する上にも役立つ。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の実施例の光学配置を示す図である。

【図2】図1の本発明の実施例を実際に試作し、得られた
対象物上での集光照射の空間強度分布の測定値を等高線
表示した図である。

【符合の説明】

１ レーザー発振器 ２ リレー光学系 ３ ランダム位相板 ４ 集光レンズ ５ 対象物（被加工物）

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年６月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】本発明は、上記課題を解決するために、レ
ーザー光を発生させるレーザー装置と、該発生したレー
ザー光を対象物に集光照射するための集光レンズ又は集
光鏡からなるレーザー光集光照射装置において、上記レ
ーザー装置として、波長幅が広い広帯域レーザ光であっ
て、かつ、レーザ媒質をその直径を太くとった上で共振
器長の短い平面共振器中に挿入して発振させることによ
りビーム発散角の広い広発散角レーザー光を発生する広
帯域広発散角レーザー装置を使用し、集光特性を制御す
る位相板を、上記レーザー装置と上記集光レンズもしく
は上記集光鏡の間、又は上記集光レンズもしくは上記集
光鏡と上記対象物の間の光軸上に配置したことを特徴と
するレーザー光集光照射装置を提供する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光を発生させるレーザー装置
   と、該発生したレーザー光を対象物に集光照射するため
   の集光レンズ又は集光鏡からなるレーザー光集光照射装
   置において、 上記レーザー装置として発生するレーザー光波長幅が広
   く、かつ、発生するレーザー光のビーム発散角の広い広
   帯域広発散角レーザー装置を使用し、 集光特性を制御する位相板を、上記レーザー装置と上記
   集光レンズもしくは上記集光鏡の間、又は上記集光レン
   ズもしくは上記集光鏡と上記対象物の間の光軸上に配置
   したことを特徴とするレーザー光集光照射装置。
2. 【請求項２】 上記位相板は、ランダム位相板であるこ
   とを特徴とする請求項１記載のレーザー光集光照射装
   置。
3. 【請求項３】 上記位相板は、互いに相補的な位相関係
   にある小形のフレネルゾーンプレートの組みを同一平面
   上に複数個ランダムに配置して成る複合フレネルゾーン
   プレートであることを特徴とする請求項１記載のレーザ
   ー光集光照射装置。