JP2005284033A - ビーム整形装置及びレーザ発振装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 実用性の高い装置構成でもって扁平な光ビームを再現性よく安定確実に非扁平に整形すること。
【解決手段】 このビーム整形装置１０では、基板端面のビーム入射口１４より入射した横方向に扁平なレーザビーム１８が基板裏面１２ｂおよび基板表面１２ａで全反射を繰り返して透明基板１２の中をビーム出射口１６に向かってジグザクに伝搬し、全反射の繰り返し回数が異なるＮ個の伝搬経路を通ってビーム出射口１６にそれぞれ達したレーザビーム１８のビーム成分‥，ＬＢ_a，ＬＢ_b，ＬＢ_c，ＬＢ_d，‥がビーム出射口１６より透明基板１２の外へ平行または並列的に出射して、縦方向に放射分布を拡大させた非扁平なレーザビーム２２を再形成する。

【選択図】図４

Description

本発明は、扁平な光ビームを非扁平に整形するビーム整形装置およびその応用技術としてのレーザ発振装置およびレーザ加工装置に関する。

従来より、高出力の半導体レーザとして、ダイオードアレイ、ダイオードバーあるいはストライプダイオード等と称されるアレイレーザが知られている。この種のアレイレーザは、多数のレーザダイオード（ＬＤ）を一次元的に配列して、個々のＬＤの出射するビームが並列的に合さった１本のレーザビームを出射するようになっている。しかしながら、アレイレーザより得られるレーザビームはＬＤ配列方向に延びた扁平な放射分布（光パワー分布）を有し、収束性がよくないという不利点がある。たとえば、縦幅が約１μｍで横幅が約２００μｍのＬＤを０．８ｍｍのピッチで横方向一列に１３個配列してなるアレイレーザでは、約１μｍ（縦幅）×１０ｍｍ（横幅）の放射分布またはビーム断面サイズを有する扁平なレーザビームが出力される。このレーザビームにあっては、収束能力評価に用いられる「Ｍ²」パラメータでみると、横方向のビーム特性値Ｍx²が縦方向のビーム特性値Ｍy²の１０００倍を超えており、扁平率は非常に高い。実際、一般の光学コンポーネント（円柱レンズ、球面レンズ、プリズム、曲面鏡等）を用いてこの扁平レーザビームを収束させると、約０．１ｍｍ（縦幅）×２ｍｍ（横幅）のビームスポットに収束できるのが限界である。なお、ビームの「Ｍ²」パラメータについては、１９８９年発行のアダム・ヒルガー（Adam Hilger）著「レーザ共振器の物理と技術」（The Physics and Technology of Laser Resonators）に記述されている。

このような扁平率の高い光ビームの欠点の１つは、光ファイバによる伝送が非常に困難なことである。一般の光ファイバは０．１ｍｍφ〜０．４ｍｍφの口径でほぼ真円の端面および断面形状を有しているため、一方向の幅サイズが１ｍｍを超えるような扁平なビームスポットでは光ファイバに効率よく結合させることはできない。

従来より、上記のような扁平な光ビームを非扁平な光ビームに変換または整形するために、反射率の高い２枚の平面鏡を用いるビーム整形装置が知られている（たとえば特許文献１）。このビーム整形装置は、（ｘ'，ｙ'，ｚ'）空間において２枚の平面鏡を所定距離ｄ（通常数ミリメートル未満）だけ隔てて、かつｘ'方向、ｙ'方向に所定距離ｗおよびｈだけ相互にずらしてｘ'−ｙ'平面にそれぞれ配置する。そして、非回折限界レーザ光源からの扁平なレーザビームをｘ'−ｚ'およびｙ'−ｚ'においてそれぞれ所定の角度θ，αをもって両平面鏡に対して少し斜めに入射させる。そうすると、入射レーザビームが複数のビーム成分に分割された形で両平面鏡の間で複数回反射してから向う側へ出射し、その際にビーム成分の間で反射回数または伝搬経路の違いに応じて横方向から縦方向への転位位置の変換がなされ、非扁平なレーザビームが再形成さるようになっている。
特表平９−５０６７１５号公報

上記のような平面鏡反射方式のビーム整形装置によれば、横方向の扁平率が高く光学回折限界を超える光ビーム、すなわちビーム特性Ｍｘ²値がＭｙ²値に比して格段に大きな光ビームに対してそのＭｘ²値を下げてＭｙ²値を上げる整形を強力に施すことが可能である。しかしながら、この従来技術は、その実用性の面で以下のような問題点を有している。

すなわち、２枚の平面鏡を数ｍｍ未満の間隔ｄで平行に配置するには、平面鏡を有効使用領域よりも格段に大きなサイズに形成して、特別の保持ないし調整機構を使用しなければならず、それでも正確に配置できる保証はない。同様に、ビームの入射角度α、βや両平面鏡間のズレ量ｗ、ｈを調整してビーム伝播経路のチューニングを行わなければならない。このため、平面鏡アッセンブリの組み立てが至難であり、量産性は望めず、この装置の実用化は未だなされていない。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、製作容易かつ小型の装置構成でもって扁平な光ビームを再現性よく安定確実に非扁平に整形できる実用性の高いビーム整形装置を提供することを主目的とする。

本発明の別の目的は、本発明のビーム整形装置を用いるレーザ発振装置およびレーザ加工装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のビーム整形装置は、第１の方向に延びた扁平な放射分布を有する光ビームを整形するビーム整形装置であって、前記光ビームを相対向する表面および裏面で交互に反射させながら閉じ込めて一定方向に伝搬させる基板と、前記基板の一端面に設けられたビーム入射口と、前記基板の表面に設けられたビーム出射口とを有し、前記ビーム入射口に入射した前記光ビームが前記基板の表面および裏面での反射を繰り返して前記基板の中を前記光ビーム出射口に向かってジグザクに伝搬し、反射の繰り返し回数が異なるＮ個の伝搬経路を通って前記ビーム出射口にそれぞれ達した前記光ビームのビーム成分が前記ビーム出射口より前記基板の外へ出射して、前記第１の方向と直交する第２の方向に放射分布を拡大させた非扁平な光ビームを再形成する。

上記の構成においては、入射光ビームにおいて第１の方向に直線的に連続していたビーム成分は、それぞれの伝搬経路を通ってビーム出射口から出射する過程で縦方向に分離し、再形成の光ビームにおいて第２の方向に放射分布を拡大させる。入射光ビームないしビーム成分を単一の基板内でジグザクに伝搬させ、基板と一体で一定位置のビーム出射口より出射させるので、伝搬経路は安定して再現性がよく、格別の位置合わせや調整を必要とせず、組み立ておよび製造が簡便であり、小型化も容易である。

本発明のビーム整形装置の好適な一態様においては、基板の表面および裏面での反射が光ビームの全反射により生じる。この場合、ビーム入射口に入射する直前の光ビームの光軸が基板の表面または裏面と実質的に平行であるのが好ましい。

また、好適な一態様によれば、ビーム入射口が基板の一端面にコーティングされた反射防止膜を有してよく、ビーム出射口が基板の表面にコーティングされた反射防止膜を有してよい。

また、好適な一態様によれば、ビーム出射口の反射防止膜が、基板の光学軸に対して斜めの所定角度で基板の表面に筋状に設けられてよい。あるいは、全反射防止膜が、基板の光学軸に対して所定角度で斜めに延びる直線上に所定の間隔を置いて離散的に設けられてもよい。

また、好適な一態様によれば、基板の表面および裏面の光ビームを全反射させる領域に基板よりも屈折率の小さい全反射膜が形成され、基板の表面のビーム出射口が設けられる領域に基板よりも屈折率が大きいかもしくは同一の反射防止膜が形成されてもよい。また、Ｎ個の伝搬経路のそれぞれについてビーム出射口付近で基板を終端させる構成も可能である。

また、好適な一態様によれば、ビーム入射口に入射する光ビームを第１の方向でＮ分割して得られるＮ個のビーム成分が基板内のＮ個の伝搬経路をそれぞれ伝搬する。この場合、第１の方向においてビーム入射口に入射する光ビームの幅サイズがビーム出射口の全体的な幅サイズと一致または近似し、ビーム成分の個々の幅サイズがＮ等分されたビーム出射口の個々の幅サイズと一致または近似するのが好ましい。

また、好適な一態様によれば、ビーム出射口より出射された再形成の光ビームを収束させる収束レンズを設けてよい。この場合、ビーム出射口より出射された再形成の光ビームを収束レンズよりも前段の位置で平行光に変換するコリメートレンズを設けるのが好ましい。

本発明のレーザ発振装置は、第１の方向に延びた扁平な放射分布を有する光ビームを発生するビーム発生部と、前記ビーム発生部からの前記扁平な光ビームを非扁平に整形する本発明のビーム整形装置と、前記ビーム整形装置からの前記非扁平な光ビームによって光学的に励起される活性媒質と、前記活性媒質より生成される光を共振増幅して所定波長のレーザビームを取り出す光共振器とを有する。

上記の構成においては、本発明のビーム整形装置を有することにより、ビーム発生部からの高出力の扁平ビームを高密度の非扁平なビームに変換または整形してポンピング用の励起光に用いることが可能であり、励起機構ないし装置全体の小型化とレーザ発振出力の向上を実現することができる。

本発明のレーザ発振装置の好適な一態様によれば、ビーム発生部が、複数のレーザダイオードを一次元的に配列してなり、それらのレーザダイオードより平行に出射されたレーザビームを並列的に合成して扁平な光ビームとするアレイレーザを有する。また、ビーム整形装置の出力を光ファイバを介して活性媒質に光学的に結合させることも可能である。

本発明の第１のレーザ加工装置は、本発明のレーザ発振装置と、このレーザ発振装置より発振出力されたレーザビームを被加工物に向けて集光照射するレーザ照射ヘッドとを有する。

本発明の第２のレーザ加工装置は、第１の方向に延びた扁平な放射分布を有する光ビームを発生するビーム発生部と、このビーム発生部からの扁平な光ビームを非扁平に整形する本発明のビーム整形装置と、このビーム整形装置からの非扁平な光ビームを被加工物に向けて集光照射するレーザ照射ヘッドとを有する。

本発明の第２のレーザ加工装置においても、本発明のビーム整形装置ないしレーザ発振装置を有することにより、装置の小型化やレーザ発振出力の向上をはかり、レーザ加工の品質向上もはかれる。

本発明のビーム整形装置によれば、上記のような構成と作用により、扁平な光ビームを再現性よく安定確実に非扁平に整形できるとともに、実用性の高い装置を実現することができる。

本発明のレーザ発振装置によれば、装置の小型化とレーザ発振出力の向上を実現することができる。

本発明のレーザ加工装置によれば、装置の小型化とレーザ発振出力の向上を図り、加工品質の向上を実現することができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１〜図７につき、本発明の一実施例によるビーム整形装置を説明する。この実施例のビーム整形装置１０は、図１および図２に示すように、整形すべき扁平の光ビームに対して透過性がありその表面１２ａと裏面１２ｂとが互いにほぼ平行な透明基板１２と、この透明基板１２の一端面に設けられたビーム入射口１４と、透明基板１２の表面１２ａに設けられたビーム出射口１６とを基本構成として有している。

透明基板１２は、たとえばＹＡＧ（ドープ無し）、合成石英あるいは硼珪酸ガラス（ＢＫ７）等の透明ガラスまたはセラミックスからなり、たとえば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の厚さ（Ｄ）を有するスラブ型の光ガイドとして構成され、所定の面（ｘ−ｙ面）上に平行に延在する。ビーム入射口１４を形成する基板端面は透明基板１２の光軸方向（ｙ方向）に対して斜めに所定の角度θ₀で切られており、この基板端面にｘ方向に扁平な放射分布を有する光ビーム１８が透明基板１２の光軸方向（ｙ方向）あるいは表面１２ａおよび裏面１２ｂに対して平行に入射するようになっている（図２）。

ここで、光ビーム１８は、たとえば図３に示すようなアレイレーザ２０より与えられる。このアレイレーザ２０は、たとえば縦幅が約１μｍで横幅が約２００μｍのレーザダイオードＬＤを０．８ｍｍのピッチで横方向一列に１３個配列してなり、約１μｍ（縦幅）×１０ｍｍ（横幅）の放射分布またはビーム断面サイズを有する扁平なレーザビーム１８を出力する。このレーザビーム１８は、ＬＤ１３個分のレーザ出力を足し合わせた高出力のビームではあるが、ＬＤ配列方向に延びた扁平な放射分布（光パワー分布）を有し、収束性がよくないという一面がある。

再び図１および図２において、透明基板１２の横幅（Ｌ）は、基板端面のビーム入射口１４が入射直前のレーザビーム１８の横幅をカバーできるサイズ（たとえば１０ｍｍ〜１２ｍｍ）に選ばれてよい。また、ビーム入射口１４には、透明基板１２よりも屈折率の小さな透明膜からなる反射防止膜をコーティングしてもよい。そのような反射防止膜のコーティングによって、反射によるレーザビーム１８の入射損失を少なくすることができる。

ビーム出射口１６は、透明基板１２の光軸に対して斜めの所定角度Θ₁で基板表面１２ａに筋状にコーティングされた反射防止膜で構成されている。この反射防止膜には、透明基板１２の材質よりも屈折率の大きな透明材料、たとえば珪酸ガラス膜、窒化珪素膜、アルミナ膜等の単層膜あるいは多層膜を好適に用いることができる。一例として、透明基板１２の材質がＢＫ７である場合は、ビーム出射口１６の反射防止膜を窒化珪素膜で形成し、ビーム入射口１４の反射防止膜を珪酸ガラス膜で形成してよい。

図４に、このビーム整形装置１０において扁平な入射レーザビーム１８が透明基板１２内を伝搬して非扁平な再形成のレーザビーム２２に変化する様子を示す。図中のＡ₀，Ａ₁は，入射レーザビーム１８および再形成レーザビーム２２におけるビーム成分の分布をそれぞれ模式的に示す。

このビーム整形装置１０では、アレイレーザ２０からの扁平なレーザビーム１８が、基板端面のビーム入射口１４で所定の角度で屈折して透明基板１２内に入り、先ず基板裏面１２ｂで全反射し、次いで基板表面１２ａで全反射する。こうして、レーザビーム１８が透明基板１２の裏面１２ｂおよび表面１２ａで全反射を繰り返して透明基板１２の中をビーム出射口１６に向かってジグザクに伝搬し、全反射の繰り返し回数が異なるＮ個（たとえば１３個）の伝搬経路を通ってビーム出射口１６にそれぞれ達したレーザビーム１８のビーム成分‥，ＬＢ_a，ＬＢ_b，ＬＢ_c，ＬＢ_d，‥がビーム出射口１６より透明基板１２の外へ平行または並列的に出射して、ｘ方向と直交するｚ方向に放射分布を拡大させた非扁平なレーザビーム２２を再形成するようになっている。

この実施例では、相隣接するビーム成分の伝搬経路は基板裏面１２ｂでの全反射の回数が１回だけ異なる。詳細には、ビーム成分ＬＢ_aが基板表面１２ａのビーム出射口１６に達してその到達点から基板１２の外（上方）へ出射するとき、ＬＢ_aの片側（図１では左側）で並進しているビーム成分ＬＢ_b，ＬＢ_c，ＬＢ_d‥は基板表面１２ａで全反射する。そして、ＬＢ_aの隣のビーム成分ＬＢ_bは、次に基板裏面１２ｂで全反射してから基板表面１２ａに達すると、その位置にビーム出射口１６が設けられているため、そこから基板１２の外（上方）へ出射する。この時、ＬＢ_bの片側（図１では左側）で並進しているビーム成分ＬＢ_c，ＬＢ_d‥は基板表面１２ａで全反射する。その後、ＬＢ_bの隣のビーム成分ＬＢ_cは、基板裏面１２ｂで１回全反射してから基板表面１２ａに達すると、その位置にビーム出射口１６が設けられているため、そこから透明基板１２の外（上方）へ出射する。以下同様である。

ビーム出射口１６において相隣接するビーム成分の出射位置の（ｙ方向）離間距離Ｍは下記の式（１）で与えられる。
Ｍ＝２Ｄ／ｔａｎθ₂ ‥‥‥（１）
ただし、θ₂は透明基板１２の表面１２ａおよび裏面１２ｂで各ビーム成分が全反射する際の全反射角であり、Ｄは既述のように透明基板１２の厚さである。

このように、入射レーザビーム１８において横方向に直線的に連続していたビーム成分‥，ＬＢ_a，ＬＢ_b，ＬＢ_c，ＬＢ_d‥は、再形成のレーザビーム２２においては縦方向に分離するようになる。なお、再形成のレーザビーム２２において、各ビーム成分‥，ＬＢ_a，ＬＢ_b，ＬＢ_c，ＬＢ_d‥はビーム出射口１６で回折を受けるため、縦方向および横方向でビーム断面サイズが幾らか拡大する。

ここで、再形成のレーザビーム２２の光軸と直交する面内において隣接するビーム成分間の縦方向の分離間隔Ｈは下記の式（２）で与えられる。
Ｈ＝２Ｄｓｉｎθ₃／ｔａｎθ₂ ‥‥‥（２）
ただし、θ₃は基板表面１２ａに対する各ビーム成分ＬＢの出射角度である（図４）。

図５に、この実施例のビーム整形装置１０において上記再形成のレーザビーム２２を収束させるための光学レンズを含む構成例を示す。図示の例では、透明基板１２のビーム出射口１６に対向させて同一光軸上（Ｚ方向）の所定位置にコリメートレンズ２４、収束レンズ２６，２８を配置し、両収束レンズ２６，２８の焦点位置に光ファイバ３０の一端面を配置している。各レンズ２４，２６，２８は平凸シリンドリカルレンズで構成されてよい。

図５において、透明基板１２のビーム出射口１６より出射された非扁平な再形成のレーザビーム２２は、少し拡がった後にコリメートレンズ２４によるコリメートで平行光に復元されてから、Ｘ方向収束レンズ２６，Ｙ方向２８により交差方向（Ｘ方向，Ｙ方向）で収束され、光ファイバ３０の一端面に入射する。図中のＡ₂，Ａ₃，Ａ₄は各レンズ２４，２６，２８を通った後のレーザビーム２２におけるビーム成分の分布を模式的に示す。

このビーム整形装置１０では、透明基板１２のビーム出射口１６より出射された再形成のレーザビーム２２が既に非扁平であり、縦方向（Ｘ方向）および横方向（Ｙ方向）で平均化された放射分布（光パワー密度）を有しているので、収束性が非常によい。このため、このレーザビーム２２を光学レンズ２４，２６，２８に通すことで、光ファイバ３０の端面（たとえば０．１ｍｍφ〜０．４ｍｍφ）に収まるビームスポットを得ることができる。

なお、アレイレーザ２０と透明基板１２のビーム入射口１４との間の光路上にコリメートレンズ３２を配置して、アレイレーザ２０から放射された扁平なレーザビーム１８をコリメートレンズ３２により平行光に復元してからビーム入射口１４に入射させてよい。他にも、各光路に種々の光学レンズを付加することが可能である。

上記のように、この実施例のビーム整形装置１０は、アレイレーザ２０からの光学回折限界を超える扁平なレーザビーム１８を、所定の位置に反射防止膜からなるレーザ出射口１６を設けた１枚の透明基板１２により、光学回折限界内のレーザビーム２２に整形することができる。そして、整形後の非扁平なレーザビーム２２を、光学レンズ２４，２６，２８を用いて、全方向に平均化された光パワー分布を有する所望のサイズのビームスポットに集光することができる。

このビーム整形装置１０は、組み立ておよび製造が非常に簡便であると共に、小型化も非常に容易である。また、調整またはアライメントの対象は、アレイレーザ２０からの入射レーザビーム１８とビーム入射口１４との光学的結合関係のみである。ここで、入射レーザビーム１８とビーム入射口１４との光学的結合関係を調整するには、アレイレーザ２０と透明基板１２とを同一平面上に設置して、入射レーザビーム１８が透明基板１２の光軸あるいは基板表面１２ａまたは基板裏面１２ｂに対して水平に入射するように光軸合わせをすればよく、至って簡単である。

図６〜図１１に、本発明のビーム整形装置１０の変形例を示す。図６に示す変形例は、レーザビーム１８の伝搬経路に合わせて透明基板１２をビーム出射口１６付近で終端させる構成である。上記のようにレーザビーム１８の各ビーム成分‥，ＬＢ_a，ＬＢ_b，ＬＢ_c，ＬＢ_d‥はビーム出射口１６に達すると、そこから透明基板１２の外へ出ていくので、その後の伝搬路は不要であり、基板１２自体を切り落とすことができる。

図７および図８の変形例は、ビーム出射口１６において相隣接するビーム成分の出射位置の離間距離を調節できる構成を示している。すなわち、透明基板１２内で相隣接するビーム成分の伝搬経路長のピッチ（全反射の回数）を変えることで、離間距離を最小距離Ｍの整数倍（図示の例は３倍）に調節することができる。この離間距離の調整を行うには、ビーム出射口１６において相隣接するビーム成分の出射位置が全反射回数の差に応じた距離間隔だけ離間するように、透明基板１２の光軸に対する筋状ビーム出射口１６（図１）の傾斜角θ₁を設定すればよい。しかし、離間距離の倍率を上げると、傾斜角θ₁は急峻になる。そこで、図７および図８に示すように、各ビーム成分の出射位置に所要の面積で局所化したビーム出射口１６を形成するのが好ましい。この場合、それら局所的なビーム出射口１６は所定の傾斜角θ₁を有する直線上に一定の間隔を置いて離散的に配置されることになる（図７）。

このようにビーム出射口１６において相隣接するビーム成分の出射位置の離間距離を段階的に調整できることで、再作成のレーザビーム２２におけるビーム成分の縦方向の分離間隔を調整し、ひいてはレーザビーム２２全体のビーム断面形状または放射分布のプロファイルを調整することができる。

図９および図１０の変形例では、ガラス材からなる透明基板１２が上記実施例の筋状レーザ出射口１６に相当する境界線を挟んでビーム入射口１４側のビーム閉じ込め域３４とビーム出射域３６とに分割される。ビーム閉じ込め域３４では、コア板３８の表面と裏面とにクラッド板４０が積層して形成され、ビーム出射域３６ではコア板３８の表面に放出板４２が裏面にクラッド板４０がそれぞれ積層して形成されている。ここで、放出板４２の屈折率をｎ₄₂、コア板３８の屈折率をｎ₃₈、クラッド板４０の屈折率をｎ₄₀とすると、ｎ₄₂≧ｎ₃₈＞ｎ₄₀の条件を満たすように各部のガラス材が選択される。

この変形例のビーム整形装置１０では、アレイレーザ２０からの扁平なレーザビーム１８が、基板端面のビーム入射口１４で所定の角度で屈折してビーム閉じ込め域３４のコア板３８内に入り、コア板３８とクラッド板４０との界面で全反射を繰り返してコア板３８の中をビーム出射域３６側に向かってジグザクに伝搬し、全反射の繰り返し回数が異なるＮ個の伝搬経路を通ってビーム出射域３６にそれぞれ達したレーザビーム１８のビーム成分‥，ＬＢ_a，ＬＢ_b，ＬＢ_c，ＬＢ_d，‥がビーム出射域３６より透明基板１２の外へ平行または並列的に出射して、縦方向に放射分布を拡大させた非扁平なレーザビーム２２を再形成するようになっている。

図示省略するが、クラッド板４０および放出板４２をそれぞれ全反射膜および反射防止膜に置き換えることも可能である。全反射膜にはコア板３８よりも屈折率の小さな材質を使用し、反射防止膜にはコア板３８よりも屈折率の大きな材質を使用してよい。たとえば、コア板３８をＢＫ７で構成する場合は、ビーム閉じ込め域３４の全反射膜を珪酸ガラス膜で構成し、ビーム出射域３６の反射防止膜を窒化珪素膜で構成してよい。

図１１に示す変形例は、透明基板１２のビーム出射口１６を基板１２の上面に屈折率変化や反射防止膜のコーティングで形成するのではなく、ビーム入射口１４と同様に基板１２の端面に或る傾斜角度θ₄を持たせることによって、出力ビームを取り出す構成としている。扁平な入射レーザビーム１８は図１１に示すようにビーム断面内で左右にジグザグに分布する出力ビームとしてビーム出射口１６から取り出され、ビーム品質を示すＭx²，Ｍy²が均一化される。レーザ出射口１６の傾斜角度θ₄を変えることにより、出力ビームにおけるジグザグ形状のピッチひいては集光特性を変えることができる。レーザ出射口１６に反射防止膜を形成することも可能である。

図１２に、本発明のビーム整形装置を含むレーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置は、固体レーザ発振器５０と、この発振器５０を光学的に励起する励起部５２と、発振器５０より発振出力されたレーザビームを被加工物５５に向けて照射するレーザ照射部５４とを有している。レーザ励起部５２に本発明のビーム整形装置１０を用いることができる。

レーザ励起部５２において、アレイレーザ２０とビーム整形装置１０はレーザ光源５６を構成してユニット化されており、上記実施例（図５）のようにビーム整形装置１０の出力に光ファイバ３０の一端面が光学的に結合されている。光ファイバ３０の他端面と対向して励起光照射用の光学レンズたとえばコリメートレンズ５８および集光レンズ６０が配置されている。レーザ光源５６からのレーザビーム２２（図５）が光ファイバ３０を通って遠隔の固体レーザ発振器５０付近まで伝送され、光ファイバ３０の他端面より出射された光２２'がコリメートレンズ５８および集光レンズ６０を通り抜け、さらには光共振器の全反射ミラー６２を背面側から通り抜け、励起光として活性媒体たとえばＹＡＧロッド６４の一端面に集光して入射する。

レーザ発振器５０において、ＹＡＧロッド６４は、励起部５２より与えられた励起光２２'のエネルギーでポンピングされ、特定波長（たとえば１０６４ｎｍ）の光を光軸方向に放出する。この特定波長の光は光共振器の全反射ミラー６２と部分反射（出力）ミラー６６との間で共振増幅されてからＹＡＧレーザ光６８として出力ミラー６６より出射され、レーザ照射部５４へ送られる。なお、ＹＡＧロッド６４は冷却部７０によって冷却される。

レーザ照射部５４は、レーザ発振器５０からのＹＡＧレーザ光６８を被加工物５５に導くための光学部品たとえばベントミラー７２やＹＡＧレーザ光６８を被加工物５５に集光させるための光学部品たとえば集光レンズ７４等を有している。さらに、ＹＡＧレーザ光６８と被加工物５５との位置合わせを行うためにＴＶカメラ７６やモニタ制御部７８等を有してもよい。レーザ加工としては、溶接、穴開け、切断、マーキング等が可能である。

このように、このレーザ加工装置では、アレイレーザ２０より生成される光出力の扁平レーザビームをビーム整形装置１０によって非扁平に整形または平均化したものを光ファイバ３０および光学レンズ５８，６０を介してＹＡＧロッド６４の一端面に集光照射してポンピングを行うので（端面励起方式）、レーザ発振器５０を小型化できると同時に高出力のＹＡＧレーザ光６８を安定かつ効率よく生成することが可能であり、ひいてはレーザ加工の品質向上もはかれる。なお、レーザ発振器５０においてＱスイッチを付加して高ピーク出力のパルス発振を行うことも可能である。

上記実施例のレーザ加工装置（図１２）ではレーザ発振器をＬＤ励起ＹＡＧレーザで構成しているが、本発明のビーム整形装置１０を適用してＬＤ励起薄型ディスクレーザやＬＤ励起ファイバレーザ等を構成することも可能である。

図１３に、一実施例によるＬＤ励起薄型ディスクレーザの構成例を示す。このディスクレーザにおいて、励起部５２の光ファイバ３０より出射されたレーザビーム２２'はコリメートレンズ５８でコリメートされ、平行光の励起ビームとしてレーザ発振器８０のパラボリックミラー８２に入射する。このパラボリックミラー８２には環状に円形の小型反射鏡８２ａが多数取り付けられており、その中心部と向かい合ってＹＡＧ薄型ディスク８６が配置されている。パラボリックミラー８２に入った励起ビーム２２'は、ＹＡＧ薄型ディスク８６を介して頂部プリズム８８と上記小型反射鏡８２ａとの間で図中の矢印のように往復し、ＹＡＧ薄型ディスク８６にエネルギーを与える。これによってＹＡＧ薄型ディスク８６がポンピングされ、レーザ発振（ＣＷ発振）が起こる。そして、ＹＡＧ薄型ディスク８６より正面の方向にＹＡＧレーザ光９０が部分反射鏡９２を通って出射される。ディスク冷却部８４は、ヒートシンクとしてＹＡＧ薄型ディスク８６を背後から冷却する。

図１４に、一実施例によるＬＤ励起ファイバレーザの構成例を示す。このファイバレーザにおいて、レーザ励起部５２の光ファイバ３０より出射されたレーザビーム２２'はコリメータレンズ５８でコリメートされてから集光レンズ６０で集光され、ループ状に巻かれたガラスファイバ９４の入射ポート９６に入る。そして、レーザビーム２２'は、ガラスファイバ９４の他端より出るや否や反射率の高い全反射ミラー９８で法線方向に反射され、再びＮｄ：ガラスファイバー９４に入る。こうして、ガラスファイバ９４内を往復伝播する。この間に、ガラスファイバ９４はポンピングされてレーザ発振（ＣＷ発振）が起こり、レーザビーム１００が取り出される。ガラスファイバ９４は、石英系ガラスあるいはフッ化物ガラス等からなり、発光元素として希土類元素を添加したものでよい。

別の実施例として、レーザ光源５６（２０，１０）からの非扁平な再作成のレーザビーム２２を被加工物に直接照射して所望のレーザ加工を行うことも可能である。このような直接加工の用途として、たとえば、マーキング、薄膜金属のカッティング、薄膜剥離、金属溶接、樹脂溶着、外科医療、歯科医療、美容整形等の分野が挙げられる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、上記した実施形態では透明基板１２の表面および裏面でレーザビームを全反射させるようにした。このような全反射方式によれば反射損失がほぼ零になり、透明基板１２内のビーム伝播効率が非常に高くなる。しかしながら、反射率ないしビーム伝播効率の低減を伴なうが、透明基板１２の高い屈折率を利用した全反射の代わりに、透明基板１２の表面／裏面に蒸着したアルミ膜等からなる全反射鏡を用いることも可能である。この場合のビーム出射口１６は、その領域でアルミ膜等を選択的に取り除くことで形成することができる。

本発明の一実施例によるビーム整形装置の基本構成を示す略平面図である。 実施例のビーム整形装置の基本構成を示す部分断面図（図１のＩ−Ｉ線断面図）である。 アレイレーザの一構成例を斜視図である。 実施例のビーム整形装置の作用を示す略側面図である。 実施例のビーム整形装置において光学レンズを含む構成例を模式的に示す斜視図である。 実施例のビーム整形装置の一変形例を示す斜視図である。 実施例のビーム整形装置の一変形例を示す略平面図である。 図７のビーム整形装置の作用を示す略側面図である。 実施例のビーム整形装置の一変形例を示す平面図である。 実施例のビーム整形装置の一変形例を示す略断面図（図９のII−II線断面図）である。 実施例のビーム整形装置の一変形例を示す略図である。 本発明の一実施例によるレーザ加工装置の構成を示す図である。 本発明の一実施例によるＬＤ励起薄型ディスクレーザの構成を示す図である。 本発明の一実施例によるＬＤ励起ファイバレーザの構成を示す図である。

符号の説明

１０ ビーム整形装置
１２ 透明基板
１４ ビーム入射口
１６ ビーム出射口
２０ アレイレーザ
２４ コリメートレンズ
２６ 収束レンズ
２８ 収束レンズ
３０ 光ファイバ
３４ ビーム閉じ込め域
３６ ビーム出射域
３８ コア板
４０ クラッド板
４２ 放出板
５０ 固体レーザ発振器
５２ 励起部
５４ レーザ照射部
５８ コリメートレンズ
６０ 集光レンズ
６２ 全反射ミラー
６４ ＹＡＧロッド
６６ 部分反射（出力）ミラー
７２ ベントミラー
７４ 集光レンズ
８０ レーザ発振器
８２ パラボリックミラー
８６ ＹＡＧ薄型ディスク
９４ ガラスファイバ

Claims (19)

1. 第１の方向に延びた扁平な放射分布を有する光ビームを整形するビーム整形装置であって、
   前記光ビームを相対向する表面および裏面で交互に反射させながら閉じ込めて一定方向に伝搬させる基板と、
   前記基板の一端面に設けられたビーム入射口と、
   前記基板の表面に設けられたビーム出射口と
   を有し、前記ビーム入射口に入射した前記光ビームが前記基板の表面および裏面での反射を繰り返して前記基板の中を前記光ビーム出射口に向かってジグザクに伝搬し、反射の繰り返し回数が異なるＮ個の伝搬経路を通って前記ビーム出射口にそれぞれ達した前記光ビームのビーム成分が前記ビーム出射口より前記基板の外へ出射して、前記第１の方向と直交する第２の方向に放射分布を拡大させた非扁平な光ビームを再形成するビーム整形装置。
2. 前記基板の表面および裏面での反射が前記光ビームの全反射により生じる請求項１に記載のビーム整形装置。
3. 前記ビーム入射口に入射する直前の前記光ビームの光軸が前記基板の表面または裏面と実質的に平行である請求項１または請求項２に記載のビーム整形装置。
4. 前記ビーム入射口が、前記基板の一端面にコーティングされた反射防止膜を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載のビーム整形装置。
5. 前記ビーム出射口が、前記基板の表面にコーティングされた反射防止膜を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載のビーム整形装置。
6. 前記反射防止膜が、前記基板の光学軸に対して斜めの所定角度で前記基板の表面に筋状に設けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載のビーム整形装置。
7. 前記反射防止膜が、前記基板の光学軸に対して所定角度で斜めに延びる直線上に所定の間隔を置いて離散的に設けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載のビーム整形装置。
8. 前記基板の表面および裏面の前記光ビームを全反射させる領域に前記基板よりも屈折率の小さい全反射膜が形成され、前記基板の表面の前記ビーム出射口が設けられる領域に前記基板よりも屈折率が大きいかもしくは同一の反射防止膜が形成される請求項１〜７のいずれか一項に記載のビーム整形装置。
9. 前記基板が、前記Ｎ個の伝搬経路のそれぞれについて前記ビーム出射口付近で終端する請求項１〜８のいずれか一項に記載のビーム整形装置。
10. 前記ビーム入射口に入射する前記光ビームを前記第１の方向でＮ分割して得られるＮ個のビーム成分が前記基板内のＮ個の伝搬経路をそれぞれ伝搬する請求項１〜９のいずれか一項に記載のビーム整形装置。
11. 前記第１の方向において前記ビーム入射口に入射する前記光ビームの幅サイズが前記ビーム出射口の全体的な幅サイズと一致または近似し、前記ビーム成分の個々の幅サイズがＮ等分された前記ビーム出射口の個々の幅サイズと一致または近似する請求項１０に記載の光ビーム整形装置。
12. 前記ビーム出射口より出射された前記再形成の光ビームを収束させる収束レンズを有する請求項１〜１１のいずれか一項に記載のビーム整形装置。
13. 前記ビーム出射口より出射された前記再形成の光ビームを前記収束レンズよりも前段の位置で平行光に変換するコリメートレンズを有する請求項１２に記載のビーム整形装置。
14. 第１の方向に延びた扁平な放射分布を有する光ビームを発生するビーム発生部と、
    前記ビーム発生部からの前記扁平な光ビームを非扁平に整形する請求項１〜１３のいずれか一項に記載のビーム整形装置と、
    前記ビーム整形装置からの前記非扁平な光ビームによって光学的に励起される活性媒質と、
    前記活性媒質より生成される光を共振増幅して所定波長のレーザビームを取り出す光共振器と
    を有するレーザ発振装置。
15. 前記ビーム発生部が、複数のレーザダイオードを一次元的に配列してなり、それらのレーザダイオードより平行に出射されたレーザビームを並列的に合成して前記扁平な光ビームとするアレイレーザを有する請求項１４に記載のレーザ発振装置。
16. 前記ビーム整形装置の出力に光学的に結合される一端面と、前記活性媒質に光学的に結合される他端面とを有し、前記一端面に入射した前記非扁平の光ビームを伝送して前記他端面より前記活性媒質に向けて出射する光ファイバを有する請求項１４または請求項１５に記載のレーザ発振装置。
17. 請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のレーザ発振装置と、
    前記レーザ発振器より発振出力された前記レーザビームを被加工物に向けて集光照射するレーザ照射ヘッドと
    を有するレーザ加工装置。
18. 第１の方向に延びた扁平な放射分布を有する光ビームを発生するビーム発生部と、
    前記ビーム発生部からの前記扁平な光ビームを非扁平に整形する請求項１〜１３のいずれか一項に記載のビーム整形装置と、
    前記ビーム整形装置からの前記非扁平な光ビームを被加工物に向けて集光照射するレーザ照射ヘッドと
    を有するレーザ加工装置。
19. 前記ビーム整形装置の出力に光学的に結合される一端面と、前記レーザ照射ヘッドに光学的に結合される他端面とを有し、前記一端面に入射した前記非扁平の光ビームを伝送して前記他端面より前記レーザ照射ヘッドに向けて出射する光ファイバを有する請求項１８に記載のレーザ加工装置。

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