JP2003524802A - レーザビームの焦点掃引装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビームを動かすことなく焦点距離を変更することによって、レーザビームの焦点の軌跡を掃引する。 【解決手段】 レーザ（１）ビーム（２）を、減圧回路または静電気力により制御された曲率可変な鏡（３）に照射して焦点距離を調整する。したがって、回転するが変形しない鏡などの通常の手段では変位できない方向に焦点（４）を変位させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明はレーザビームの焦点を掃引するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】

パワーレーザは大きな光量を狭い範囲の焦点に集光でき、物理学の分野におい
て、粒子、プラズマ閉じ込め、又は機械加工の研究や外科的な有機組織の切断な
どに応用することができる。これらの応用のほとんどは焦点を移動させることを
含むので、経路を横切るように掃引するが、簡単な方法で達成することは難しい
。レーザ自体が嵩張るので、レーザ自体を動かさず、ビームのみ動かすようにす
ることが望ましい。どんな場合でもというわけではないが、これはビームを光フ
ァイバーで伝えることにより可能で、特に可視スペクトルから極端に離れた周波
数以外は伝えることができ、赤外線レーザはそのパワーゆえ非常に適している。
ビームを変位させるための別の手段は、回転する鏡を用いて経路を変位させる方
法であるが、全方向に焦点を移動させるためには、異なる軸の周りを回転する一
連の鏡を用いなくてはならないので、鏡の位置を結合するために大きな問題が起
こる。なぜなら、一つの鏡を回転させると、引き続きビームが鏡から鏡へ通るよ
うにそれ以後の鏡を動かさなくてはならないからである。さらに、エネルギーの
大部分が失われる結果となる。

【０００３】 これらの理由により、ビームを動かすことなく焦点距離を変更することによっ
て、レーザビームの焦点を合わせるために軌跡を掃引するという提案をする。こ
れは曲率が可変の鏡を用いて達成でき、鏡の曲率の変化は光ビームの焦点位置の
変化に関連している。膜は柔軟なので大幅に変形が可能で、したがって長い掃引
が可能になる。そのような鏡は、望遠鏡、またはその他の光学装置の当業者に公
知であるが、焦点距離の変化は特に装置を調整するため、および自然放射線のは
っきりとしたイメージを提供するために利用されたという点に注目するべきであ
る（仏国特許第２６６２５１２号参照）。大体の場合、その変位が膜の２次元的
な形状を決定するピエゾ電気センサーのネットワークにより変形を制御するが、
そのようなアクチュエータの変位範囲は狭く、かつ様々な変位の同時制御には費
用がかかる。（局所的に変位させるのではなく）曲率が一定となるようにするに
は適しておらず、膜を大きく全体的に変位させようという時には特に、である。
このような先行技術の例としては米国特許第４９３４８０３号がある。

【０００４】 話を続けると、本発明が関連するのは、もっとも一般的には、レーザビームの
焦点を掃引するための装置で、ビームが照射されまた反対に焦点から反射される
引き伸ばされた柔軟な膜と、膜の曲率を変化させる調整手段と、膜を冷却する手
段とを備える。二つの曲率を変化させるための手段、すなわち、膜全体に分散す
る圧力をかける手段と膜の一点に集中する圧力をかける手段を備えることにより
、焦点位置を調整することがさらに可能になる。分散圧力適用のための手段は膜
で画定される密閉チャンバ内の圧力を変化させるための手段であり、集中圧力適
用のための手段は膜の中心部分に隣接している電極と膜の間に直流電圧発生器を
含む電気回路である。

【０００５】 レーザ照射に伴って発生した熱を取り除くために、膜の冷却手段は不可欠であ
る。それは、膜の表面に向かって気体を吹き付ける手段を備え、これらの手段は
密閉チャンバの気体内容物を交換するための回路から構成されている。 最後に、膜を傾かせるための手段は、鏡の位置を調整することができるので、
様々な方向にビームの焦点を合わせることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】

図１で、レーザ１はビーム２を鏡３の方へ照射し、鏡３によってビームは反射
され集光される。ビーム２の焦点は番号４で示されている。鏡３は柔軟な薄い膜
で、金属、セラミック、または複合材料でできており、あるいは、基材自体がそ
のような材料でできていないときはビーム２を照射する面を反射コーティング５
で覆ったものでもよい。ホイル、金属皮膜されたカーボン、そしてアルミナを基
材とするセラミックを例としてあげることができる。多くの場合、基材は反射さ
れる光の波長によって選択されるということを述べておく。膜はドラム６の上に
張り渡されており、ドラム６は密閉チャンバ８の底壁７を画定する。次に述べる
手段は主に密閉チャンバ８内にあり、鏡３の曲率の変更を可能にし、したがって
焦点４の距離の調節が可能で、これにより鏡３からビーム２と同じ方向Ｘで掃引
することができる。ビーム２は膜３の中心に向かって照射され、膜の平均的な位
置は変わらないので、鏡３の曲率が変更されてもビームがそれることはない。し
かし、鏡３を回転させることによりＸ方向に直行するＹ方向にビーム２をそらす
ことができる。したがって、ドラム６には鏡３の中心を通りＹ方向に垂直な回転
軸９が取り付けられている。軸９は、図示されていないモーターにより駆動され
る。鏡をユニバーサルジョイントに取り付けることにより、第三のＺ方向にビー
ムをそらすこともできる。平面鏡の位置を合わせるためのそのような装置は当業
者には公知なので、詳細について述べる必要はない。したがって、図２について
述べる。

【０００７】 冷源１３に接続するポンプ１２の吐出し管１０および吸入管１１は、密閉チャ
ンバ８内に開口している。密閉チャンバ８内の空気はポンプで循環されることに
より冷やされるので、密閉チャンバ８内の内部および鏡３はビーム２で加熱され
ても適切な温度に維持できる。ポンプ１２は閉回路で動作するので、密閉チャン
バ８内の圧力に影響しない。外部に開口して密閉チャンバ８の内容物の一部を取
り出し、それにより鏡３をへこませるための減圧をするよう調節可能な第二のポ
ンプ１４の場合は異なる。ポンプ１４を使用して減圧調整することにより、膜の
湾曲率、ビーム２の集束、および焦点４の位置を変えることができる。

【０００８】 膜の中心に面するように配設され、底壁７を貫通して密閉チャンバ８の内部に
入り込んでいる電極１５を使用しても類似の効果が得られる。電気回路１６は、
底壁７およびドラム６を介して、電極１５と鏡３を接続する。電気回路１６は、
直流電圧発生器１７、回路端子の電圧を変えることができる加減抵抗器１８、お
よびそれらに直列に接続してスイッチ（図示しない）により開閉可能な交流電圧
発生器１９を備える。発生器１７により膜と電極１５には反対符号の電荷が帯電
し、それにより膜には引力が働き湾曲する。実際には、これらの方法のどれを使
用することもできるが、重要なのは、ポンプ１４による減圧は膜の全表面に力が
均等に働くのに対し、静電気力は膜の中心部に集中する傾向があり、異なる変形
が得られるという点である。場合によって、これらの方法のどれか一つが好まし
いこともあり、または最良の結果を出すために二つを組み合わせることが望まし
いこともある。一様な湾曲を制御することができるポンプ１４を備える手段は、
ビーム２が反射する場所に関係なく集束するため一般的により精度の高い結果を
出すために適している。しかし、電極１５は、より強力な局所集束をもたらすこ
とができ、鏡３を極端に変形させるために適していると言える。

【０００９】 二つの制御手段を有することが、特に静電制御の慣性が小さいときに有利な点
について次に述べる。加減抵抗器１８は静電気引力を変化させることができる。
交流電圧発生器１９を作動させることにより、電気量を定期的に変化させ、した
がって鏡３を振動させることができる。焦点４がジョイントの様々な深度におよ
ぶので、これは厚い部材の溶接などの応用に適している。

【００１０】 電極１５は、力を集中させたいか、または鏡３の表面に均等に分配したいかに
よって、薄型、または対照的に、プレート２０を形成するような厚型にすること
ができる。電極を中空にして吐出し管又は吸入管１０、１１のどちらか一方の延
長として機能させることができる。プレート２０が形成されているときは、それ
も中空にし、前面に気体が通過できるような孔２１を開け、冷却回路を鏡３の裏
面へ効果的に導き分布させる。

【００１１】 図３は、自然対数で表されたくぼみＰの関数で焦点距離ｆの変化を示したもの
である。くぼみが全くないときと、くぼみが大きく焦点距離が漸近的に最小とな
る場合の、焦点距離ｆの差は、絶対値で表すように相対的に非常に大きい。焦点
距離ｆの単位はｍで表し、また直径３０ｍｍのドラムおよび厚さ０．５ｍｍの膜
を使用した場合について計測した。膜が薄いほど最小焦点距離を短くすることが
できる。

【００１２】 湾曲、または冷却のための加圧、または気体の吹き付けは、鏡３の外面に加え
ることができる。円形のドラム６のかわりに長方形の枠を用いて、２つの長辺の
間に鏡３を長く引き伸ばすことにより、ビーム２の焦点を点ではなく線状にする
ことができる。 鏡３は、必要な結果によって、別の幾何学的形状でもよい。 同様に、厚さも変化させることができる。例えば中心部を薄くした場合、鏡３
の機械的な抵抗に大きな影響をおよぼすことなく、ビーム２の焦点距離を決定す
る曲率半径をより小さくすることができる。

【００１３】 ビーム２は一般的に、曲率がほぼ一様な鏡３の比較的小さい中心部分にのみ到
達するので、ほぼ完全に集光できる。 冷却のために、別の回路及び別の流動体、特に液体を用いてもよい。 最後に、鏡３を変形させる別の手段を考えることができるが、実質的な接触を
伴わない手段が望ましく、曲率を一定にし、二つの手段の間には重要な関係がな
く、それぞれの手段による作用は独立に調整可能で、かつ協働させることができ
、オペレータがあつかいやすい手段でなくてはならないだろう。さらに、力が働
く場、または液体を除いて、集光を制御する鏡３の湾曲を直接制御することはで
きないが、一般的には固体活性化物質（ｓｏｌｉｄ ａｃｔｉｖａｔｏｒｓ）が
変位を制御する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は装置の全体図である。

【図２】 図２は鏡を示す。

【図３】 図３は実験結果を表す。

【符号の簡単な説明】

１ レーザ ２ ビーム ３ 鏡 ４ 焦点 ５ 反射コーティング ６ ドラム ７ 底壁 ８ 密閉チャンバ ９ 回転軸 １０ 吐出し管 １１ 吸入管 １２ ポンプ １３ 冷源 １４ 第二のポンプ １５ 電極 １６ 電気回路 １７ 直流電圧発生器 １８ 加減抵抗器 １９ 交流電圧発生器 ２０ プレート ２１ 孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H041 AA07 AA12 AB14 AB38 AC02 AC06 AZ01 AZ05 AZ08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームの焦点を掃引するための装置で、ビーム（２）
   が照射されまた反対に焦点（４）からの反射を受ける引き伸ばされた柔軟な膜（
   ３）と、膜の曲率を変化させる調整手段と、膜を冷却する手段とを備えた装置で
   あって、前記曲率変化手段は膜全体に分散して圧力をかけるための手段と膜の一
   点に集中する圧力をかける手段の二つからなり、分散する圧力をかける手段は膜
   で画定される密閉チャンバ（８）内の圧力を変化させるための手段（１４）であ
   り、集中する圧力をかける手段は膜の中心部分に隣接している電極（１５）と膜
   （３）の間にある直流電圧発生器（１７）を含む電気回路（１６）であることを
   特徴とする装置。
2. 【請求項２】 電気回路は、膜と電極の間に振動電圧発生器をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザビームの焦点掃引装置。
3. 【請求項３】 膜の冷却手段は膜の一方の表面に気体を吹き出す手段を備え
   ることを特徴とする請求項１に記載のレーザビームの焦点掃引装置。
4. 【請求項４】 気体を吹き出す手段は、密閉チャンバ（８）内の気体を交換
   するための回路（１０、１１、１２）を備えることを特徴とする請求項３に記載
   のレーザビームの焦点掃引装置。
5. 【請求項５】 膜の位置を決める装置（９）を備えることを特徴とする請求
   項１に記載のレーザビームの焦点を掃引するための装置。