JPH0727993A - 光ビーム均一化光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ビームの照射スポットの形状の縦横比を自
在に変えられ、かつ焦点部でのエネルギの高密度化を低
減できるようにする。 【構成】 光ビーム１を入射側のシリンドリカルレンズ
４、６により一方向に集光させて、この集光された光ビ
ーム１の集光寸法に対応する断面寸法の方形断面を持っ
た光導波路２、３に入射させ、この光導波路２、３から
出射される光ビーム１を出射側のシリンドリカルレンズ
５、７により前記と同じ一方向に集光させて照射面８に
結像させる２つの光学系Ａ、Ｂを、前後２段に配置し、
後段の光学系Ｂは前段の光学系Ａに対し光軸まわりに９
０度回転させた配置としたことを特徴とするものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ビーム均一化光学系に
関し、方形断面を有する光導波路に光ビームを通すこと
により、光強度の均一化を図る光ビーム均一化光学系に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ところで、レーザビームを用いて材料表
面に処理を施すとき、レーザビームの光強度は正規分布
となっているのが一般的である。このため、ビーム中央
部と周辺部では光強度に差があり、レーザビームの中央
部と周辺部とによる処理に差が生じる。

【０００３】そこで従来、これを解消するのに、図２に
示すような正方形断面を持ち入射する光ビームを多重に
繰り返し反射させて光強度の均一化を行ういわゆるカラ
コイドスコープと呼ばれる光導波路ａを用い、これに球
面レンズｂにより集光されたレーザビームｃを入射さ
せ、光導波路ａから出射したレーザビームｃを球面レン
ズｄにより照射面ｅに結像させるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のよ
うな正方形断面を持つ光導波路ａと、入射側および出射
側の各球面レンズｂ、ｄとの組み合わせ構造によると、
照射面ｅにレーザビームｃを照射するときの照射スポッ
トの形状が、光導波路ａの横断面形状に相似な正方形に
限定されてしまい、処理不要な部分にまでレーザビーム
が及んでしまうことがある。

【０００５】また、従来の光導波路ａの場合、球面レン
ズｂにより集光したレーザビームｃが入射されるので、
球面レンズｂの焦点部においてレーザビームｃが一点に
集光される。これにより、焦点部でエネルギ密度が極端
に高くなり、高ピークパワーのレーザビームｃなどに用
いると、エネルギ密度が１５．６２Ｊ／ｃｍ² （パルス
幅１０ｎｓ）に達する付近から、空気の電離破壊が起こ
り、エネルギ損失が生じてしまうと云ったことや、光導
波路ａに耐エネルギ性の高い石英を用いたとしても、こ
れが焦点部での高いエネルギ密度のために損傷すると云
ったことが起こり、耐エネルギ性の観点からの問題もあ
る。

【０００６】そこで本発明は、このような従来の問題を
解決することを課題として、光ビームの方形形状をなす
照射スポットの縦横比を変えることができ、しかも焦点
部でのエネルギ密度の低減を図って高ピークパワーのパ
ルスレーザビームにも用いることができる、光ビーム平
均化光学系を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の光ビーム平均化
光学系は、上記のような目的を達成するために、光ビー
ムを入射側のシリンドリカルレンズにより一方向に集光
させて、この集光された光ビームの集光寸法に対応する
断面寸法となる方形断面を持った光導波路に入射させ、
この光導波路から出射される光ビームを出射側のシリン
ドリカルレンズにより前記と同じ一方向に集光させて照
射面に結像させる光学系を、前後２段に配置し、後段の
光学系は前段の光学系に対し光軸まわりに９０度回転さ
せた配置としたことを特徴とするものである。

【０００８】この場合、前段、後段の各光学系におい
て、入射側のシリンドリカルレンズによる光ビームの焦
点位置が光導波路の手前位置にあるように設定するのが
好適である。

【０００９】

【作用】本発明の光ビーム平均化光学系の上記構成で
は、前段の光学系の、入射側のシリンドリカルレンズお
よび光導波路によって、光ビームを一方向に集光させた
後平均化を行い、次いでこの光ビームを、出射側のシリ
ンドリカルレンズにより前記一方向に再度集光させて照
射面に対し結像するようにし、また、後段の各光学系
の、入射側のシリンドリカルレンズおよび光導波路によ
って、前段の光学系から出射される光ビームを、前段の
光学系とは光軸まわりに９０度回転した向きの一方向に
集光させた後平均化を行い、次いでこの光ビームを、出
射側のシリンドリカルレンズにより入射側のシリンドリ
カルレンズと同一の方向に再度集光させて照射面に対し
結像させるので、光ビームは互いに直角な２つの方向に
集光した方形な照射スポットをなして照射面に照射さ
れ、前段の光学系と後段の光学系との結像倍率を変える
ことにより、照射スポットの方形形状の縦横比を自在に
変更することができる。

【００１０】また光ビームを前段光学系および後段光学
系の、入射側および出射側の各シリンドリカルレンズに
より互いに直角な一方向にのみ集光して前記方形な照射
スポットをなすようにするものであり、従来の球面レン
ズのように一点に集光することはなく集光によるエネル
ギの高密度化を低減することができる。

【００１１】さらに、前段及び後段の各光学系が有する
光導波路は、それぞれに入射される光ビームの集光寸法
に対応する断面寸法となる方形断面を持っていることに
より、光導波路の光ビームに沿ったより直近の反射面に
て活発かつ万遍なく反射させるので、光強度の平均化を
効率よく十分に達成することができる。

【００１２】また、前段、後段の各光学系において、入
射側のシリンドリカルレンズによる光ビームの焦点位置
が光導波路の手前位置にあるように設定してあると、入
射側のシリンドリカルレンズの焦点位置に光ビームが集
光することにより集中するエネルギ密度が光導波路に働
かず、光導波路に影響するエネルギ密度を低減すること
ができる。

【００１３】

【実施例】以下本発明が適用された一実施例としての光
ビーム平均化装置について、図１に基づき説明する。

【００１４】本実施例の装置は図１に示すように、シリ
ンドリカルレンズ４、５と、これらの間に位置する光導
波路２とで前段の光学系Ａをなし、シリンドリカルレン
ズ６、７と、これらの間に位置する光導波路３とが後段
の光学系Ｂをなしている。

【００１５】光導波路２、３は石英製であり、これらの
前にある各光学系Ａ、Ｂでの入射側の各シリンドリカル
レンズ４、６を経て、図１に示す互いに直角なＸＹ２方
向の内の一方向に集光されるレーザビーム１の集光寸法
に対応した断面寸法となる方形断面を持っている。

【００１６】特に、前段の光学系Ａのシリンドリカルレ
ンズ４からは、前記一方向、本実施例では水平なＸ方向
の集光によってＹ方向に向く線状に集光されたレーザビ
ーム１が出射され、光導波路２はこれに対応する長方形
断面を持っている。

【００１７】また、後段の光学系Ｂは前段の光学系Ａに
対し光軸まわりに９０度回転された配置とされ、垂直な
Ｙ方向にレーザビーム１を集光させるようになってい
る。

【００１８】次に、動作について説明する。レーザビー
ム１は例えばＥ／Ｏ Ｑスイッチパルスレーザからパル
ス幅１０ｎｓにて出射され、これが前段光学系Ａの入射
側のシリンドリカルレンズ４を経て図のＸ方向に集光さ
れ、つまりＹ方向に向く線状となるように集光され、光
導波路２に入射される。

【００１９】このとき、光導波路２をなす石英が損傷を
受けないように、シリンドリカルレンズ４の焦点位置が
光導波路２の手前となるように設定してあり、シリンド
リカルレンズ４の焦点位置へのレーザービーム１の集光
位置が光導波路２の手前にずれるので、光導波路２の入
射端でのレーザエネルギ密度を実験により求めた石英の
しきい値である４．３Ｊ／ｃｍ² （パルス幅１０ｎｓ）
以下となるようにしている。

【００２０】光導波路２に入射されるレーザビーム１
は、これの集光寸法に対応した断面寸法となる方形断面
を持った光導波路２の中で、光導波路の光ビームに沿っ
たより直近の反射面にて活発かつ万遍なく多重反射させ
るので、光強度のＸ方向での平均化を効率よく十分に達
成することができる。なお、光導波路２の断面寸法はレ
ーザビーム１の少なくとも集光方向寸法に対応したもの
であれば、平均化機能を十分に満足することができる。

【００２１】光導波路２から出たレーザビーム１は、前
段光学系Ａの出射側のシリンドリカルレンズ５によっ
て、後段の光学系Ｂを介してレーザ照射面８の面上に結
像させるようにする。このとき、前段の光学系Ａの場合
同様に、後段の光学系Ｂのシリンドリカルレンズ６の焦
点位置が、光導波路３の手前位置となるようにしてある
ので、後段の光学系Ｂにおいても、光導波路３の入射端
でのレーザエネルギ密度を低減することができる。

【００２２】もっとも上記のような構成上、前段および
後段の各光学系Ａ、Ｂのいずれの光学要素にもレーザビ
ームの集光位置がないので、前記各光導波路２、３はも
とより、これらよりも耐エネルギ密度の低いシリンドリ
カルレンズ４〜７にも、エネルギ密度が集中するような
ことを回避している。

【００２３】後段の光学系Ｂにおいてもレーザビーム１
は、入射側のシリンドリカルレンズ６により図のＹ方向
に集光された後、このときのレーザビーム１の集光寸
法、特に集光方向寸法と対応した断面寸法となる方形断
面を持った光導波路３により、前記前段の光学系Ａの場
合と同様に、Ｙ方向の光強度の均一化を効率よく十分に
達成され、この後シリンドリカルレンズ７によりレーザ
照射面８上に結像される。

【００２４】以上のようにレーザビーム１は、前段の光
学系Ａと後段の光学系Ｂとにより、互いに直角なＸＹ２
方向に集光した方形な照射スポット１ａをなして照射面
に照射されることになる。

【００２５】このとき、シリンドリカルレンズ５、７の
焦点距離を変え、かつ光導波路２、３とシリンドリカル
レンズ５、７の位置関係を変化させることにより、レー
ザ照射面８上での方形な照射スポット１ａのＸ方向およ
びＹ方向での結像倍率を個別に変化させることができ、
レーザビーム１による照射スポットの縦横比を自在に変
更することができる。

【００２６】また前段および後段の各光学系Ａ、Ｂは、
それぞれの入力側および出力側の各シリンドリカルレン
ズ４，５、６，７によってレーザビーム１を互いに直角
なＸ方向およびＹ方向のうちの一方向にのみ個別に集光
して前記方形な照射スポット１ａをなすように集光させ
るものであり、従来の球面レンズのように一点に集光す
ることはなく集光によるエネルギの高密度化を低減する
ことができ、高ピークパワーのレーザに適用しても空気
の電離破壊によるエネルギ損失を防止することができ
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明の光ビーム均一化装置によれば、
光ビームは前後段の２つの光学系によって互いに直角な
２つの方向に個別に集光した方形な照射スポットをなし
て照射面に照射され、前段の光学系と後段の光学系との
結像倍率を変えることにより、照射スポットの方形形状
の縦横比を自在に変更できるので、処理に必要な領域に
のみ光ビームを照射して、適正にしかも無駄なく処理す
ることができる。

【００２８】また光ビームを前段および後段にて互いに
直角な一方向にのみ個別に集光して前記方形な照射スポ
ットをなすようにし、従来の球面レンズのように一点に
集光するようなことなく集光によるエネルギの高密度化
を低減するので、空気の電離破壊によるエネルギの損失
の問題なしに高ピークパワーのレーザ等にも適用するこ
とができる。

【００２９】さらに、前段及び後段の各光学系の光導波
路が、それぞれに入射される光ビームに対応した方形断
面により、光ビームに沿ったより直近の反射面にて活発
かつ万遍なく反射させて、光強度の平均化を十分に達成
させられるので、平均化効率が高く光ビームによる処理
の高精度化が図れる。

【００３０】そして、前段および後段の光学系におい
て、入射側のシリンドリカルレンズの焦点位置が光導波
路の手前位置となるように設定してあるので、シリンド
リカルレンズの焦点位置に光ビームが集光されて集中す
るエネルギ密度が光導波路に働かず、この光導波路に影
響するエネルギ密度を低減することができ、光学系の安
全が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された一実施例としての光ビーム
均一化装置を示す概略斜視図である。

【図２】従来の光ビーム均一化装置を示す概略斜視図で
ある。

【符号の説明】

Ａ 前段の光学系 Ｂ 後段の光学系 １ 光ビーム ２、３ 光導波路 ４〜７ シリンドリカルレンズ ８ 照射面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを入射側のシリンドリカルレン
   ズにより一方向に集光させて、この集光された光ビーム
   の集光寸法に対応する断面寸法の方形断面を持った光導
   波路に入射させ、この光導波路から出射される光ビーム
   を出射側のシリンドリカルレンズにより前記と同じ一方
   向に集光させて照射面に結像させる光学系を、前後２段
   に配置し、後段の光学系は前段の光学系に対し光軸まわ
   りに９０度回転させた配置としたことを特徴とする光ビ
   ーム均一化光学系。
2. 【請求項２】 前段、後段の各光学系において、入射側
   のシリンドリカルレンズによる光の焦点位置が光導波路
   の手前位置にあるように設定した請求項１に記載の光ビ
   ーム均一化光学系。