JP2006330071A - 線状ビーム生成光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 長手方向に均一かつ高パワーの線状ビームを生成する。
【解決手段】 出射するレーザ光のスロー軸方向に配列された複数の半導体レーザ１と、それぞれの半導体レーザ１から出射されたレーザ光をコリメートする複数のコリメータレンズ２と、スロー軸方向のホモジナイザとして作用する平行平板４と、レーザ光をスロー軸方向のみに屈折力を有し、スロー軸方向にレーザ光を集光させて平行平板４の入射面４ａから入射させるレンズ３と、平行平板の出射面４ｂから出射した光を所定の照射面６上に結像する結像レンズ５とを備え、平行平板４に入射したレーザ光は全反射面４ｃおよび４ｄ間で全反射を繰り返しながら出射面側に進行することにより、スロー軸方向の強度分布が均一化することにより、照射面６上にスロー軸方向の強度分布が均一な線状ビームを生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザアニールなど、大面積を急加熱・急冷却する装置などで使用される線状ビームを生成する線状ビーム生成光学装置に関するものである。

従来より、半導体レーザから出射されたレーザ光を照射面上に線状に照射させ、線状光として利用する技術が種々ある。例えば、光ディスクの初期化、レーザアニールなどの分野で線状ビームが利用されている。

特許文献１には、線状ビームを媒体面上に照射させて光ディスクの初期化を行う光ディスクの初期化装置が開示されている。この特許文献１には、ストライプ状ブロードエリア半導体レーザからの出射光を光ディスク上に線状像として結像する光学系について記載されており、長手方向の光強度分布のムラを低減させる種々の手法が開示されている。

特許文献２には、レーザはんだ付け装置などに用いられるレーザ加熱装置が開示されており、ブロードエリア半導体レーザの出射光を長手方向に均一な強度分布の線状ビームに変換するために、半導体レーザから出射されたレーザ光のスロー軸側を収束させ、ファスト軸側は拡散させる方法を提案している。この特許文献２では、半導体レーザからのレーザ光をファスト軸方向に延びる線状ビームとして照射面上（被照射体）に照射するものである。

特許文献３は、絶縁性基板上に単結晶半導体薄膜を形成する手法に関するものであり、単結晶半導体薄膜形成法における帯域溶融再結晶法の熱源としてレーザ光を用いている。ここでは、具体的な線状ビームの実現方法として、ターゲット上に集光されたビームスポットを走査方向と直交する方向に高速走査させることで、擬似的に線状ビームを生成する方法が記載されている。

特許文献４に記載されている実施例は、アレイ状半導体レーザからの出射光をならべて、被照射面上で線状のビームを得る例が記載されている。

既述の通り、特許文献１から４に記載の技術は、いずれも被照射面上における長手方向において均一な強度分布を有する線状のビームを得ることを目的としている。
特開平１０−３１８２０号公報 特開平１０−９４８９２号公報 特開平５−２１３４０号公報 特開２０００−９１２３１号公報

しかしながら、特許文献１から３記載の光学系は、いずれも単一の半導体レーザからのレーザ光を線状に整形するものであるため、特に、810ｎｍ、980ｎｍ以外の高出力半導体レーザが得にくい波長においては、十分なパワーの照射光を得ることができず、また大面積の領域へ照射が難しいという欠点がある。

また、特許文献４記載の光学系によれば、複数の半導体レーザを並べることで、大面積をカバーできる線状ビームを得ることができるが、レーザ光のスロー軸、ファスト軸を考慮することなく、光ビームの強度分布を均一化するホモジナイザを用いて、光ビームの強度の均一化を図っているため、ファスト軸方向にビームが十分絞り込めなくなる。

本発明は、上記事情に鑑み、十分なパワーを有すると共に、該パワーが長手方向に均一である線状ビームを生成することができる線状ビーム生成光学装置を提供することを目的とするものである。

本発明の線状ビーム生成光学装置は、出射するレーザ光のスロー軸方向に配列された複数の半導体レーザと、
前記複数の半導体レーザから出射された複数のレーザ光のそれぞれの、少なくともファスト軸方向成分をコリメートするとともに、コリメートされた前記レーザ光のうち少なくとも２つのレーザ光を互いに平行にする光学手段と、
前記レーザ光の光軸に略垂直に配置された入射面および出射面と、前記入射面から入射したレーザ光のスロー軸方向の成分が全反射を繰り返す間隔で対向配置された２つの全反射面とを有し、前記スロー軸方向の成分の強度分布のみを均一化したスロー軸方向均一化レーザ光を前記出射面から出射する光学部材と、
前記複数の半導体レーザから出射されたレーザ光を前記光学部材の入射面に入射させる入射光学手段と、
前記スロー軸方向均一化レーザ光を前記所定の照射面上に、前記スロー軸方向に延びる線状に結像させる結像光学手段とを備えたことを特徴とするものである。

光学部材としては、透明な平行平板、もしくは、前記２つの全反射面の前記間隔が、入射面側から出射面側に向かって次第に大きくなるような、透明なテーパ状平板を用いることが好ましい。

前記半導体レーザとしては、ブロードエリア半導体レーザを用いることが好ましい。

本発明線状ビーム生成光学装置は、複数の半導体レーザから出射された複数のレーザ光のそれぞれの、少なくともファスト軸方向成分をコリメートするとともに、コリメートされたレーザ光のうち少なくとも２つのレーザ光を互いに平行にする光学手段と、レーザ光の光軸に略垂直に配置された入射面および出射面と、前記入射面から入射したレーザ光のスロー軸方向の成分が全反射を繰り返す間隔で対向配置された２つの全反射面とを有し、スロー軸方向の成分の強度分布のみを均一化したスロー軸方向均一化レーザ光を前記出射面から出射する光学部材とを備えているので、ファスト軸方向については、コヒーレンシーを保ったまま、スロー軸方向の強度分布が均一化された線状ビームを照射面上において生成することができる。なお、ファスト軸方向成分をコリメートする光学手段の構成により、照射面上において、ファスト軸方向の１つの所定位置に収束する１つの線状ビームとすることもできれば、２つ以上の線状ビームとすることも可能である。

少なくとも２つのレーザ光を重畳させて１つの線状ビームを生成するので、ハイパワーの線状ビームを得ることができる。

特に高出力なブロードエリア半導体レーザを用いれば、よりハイパワーの線状ビームを得ることができると共に、ブロードエリア半導体レーザから出射されるレーザ光はスロー軸方向にマルチモードとなっているため、光強度均一化の効果がより顕著である。

光学部材として、透明な平行平板、テーパ状平板を用いれば、安価かつ簡易な構成とすることができる。特に、２つの全反射面の間隔が、入射面側から出射面側に向かって次第に大きくなるような、透明なテーパ状平板を用いれば、出射面側でビーム幅が拡がると共に開口数が減少するため、幅広ビームを得るのに好適である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る線状ビーム生成光学装置の概略構成を示すものである。図１（ａ）は線状ビーム生成光学装置１０をスロー軸方向から見た平面図、図１（ｂ）はファスト軸方向から見た平面図、図１（ｃ）は平行平板４の一部を拡大した図である。

線状ビーム生成光学装置１０は、出射するレーザ光のスロー軸方向に配列された複数の半導体レーザ１（本例では３つあり、それぞれ１ａ、１ｂ、１ｃで示す）と、それぞれの半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃから出射されたレーザ光Ｌ（それぞれＬａ、Ｌｂ、Ｌｃで示す）をコリメートする複数のコリメータレンズ２（本例では半導体レーザと対応して３つあり、それぞれ２ａ、２ｂ、２ｃで示す）と、スロー軸方向のホモジナイザとして作用する平行平板４と、レーザ光をスロー軸方向のみに屈折力を有し、スロー軸方向にレーザ光を集光させて平行平板４の入射面４ａから入射させるレンズ３と、平行平板の出射面４ｂから出射した光を所定の照射面６上に結像する結像レンズ５とを備えている。

以下の説明において、各半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃについて、区別する必要がある場合のみ、ａ、ｂ、ｃをつけ、特に区別する必要のない場合には、ａ、ｂ、ｃを付さずに説明する。レンズ２ａ、２ｂ、２ｃおよびレーザ光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃについても同様とする。

図２は、半導体レーザ１の出射端面１Ａにおけるレーザ光Ｌの強度分布を示すものである。半導体レーザ１は、ブロードエリア半導体レーザであり、その出射光ビーム（レーザ光）は、ファスト軸方向はほぼシングルモードであるが、それに直交するスロー軸方向はマルチモードを有する。レーザ光のファスト軸は、半導体レーザの活性層の積層面に垂直な軸であり、スロー軸は、活性層の積層面に平行かつファスト軸に直交する軸である。

レンズ２は、各半導体レーザ１からの出射レーザ光をコリメートする。なお、ここでは、ファスト軸方向スロー軸方向ともコリメートするものとしているが、少なくともファスト軸をコリメートするものであればよい。また、レンズ２ａ、２ｂ、２ｃはそれぞれ半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃからの出射レーザ光Ｌa、Ｌｂ、Ｌｃの各光軸Ａａ、Ａｂ、Ａｃを互いに平行となるようにコリメートする。

レンズ３は、入射光学手段を構成するものであり、半導体レーザ１から出射された光ビームＬをスロー軸方向に集光させ、平行平板４に入射させる。このレンズ３はファスト軸方向には何ら作用しない。

平行平板４は、入射端面４ａから入射したレーザ光Ｌのスロー軸方向の成分が全反射を繰り返す間隔で対向配置された２枚の全反射面４ｃおよび４ｄを有し、スロー軸方向の成分の強度分布のみを均一化したスロー軸方向均一化レーザ光を出射端面４ｂから出射する光学部材であり、スロー軸方向のホモジナイザである。図１（ｃ）に示すように、平行平板４に入射したレーザ光は全反射面４ｃおよび４ｄ間で全反射を繰り返しながら出射面側に進行することにより、スロー軸方向の強度分布が均一化される。また、この平行平板４は、光ビームのファスト軸方向には作用しない程度にファスト軸方向には十分に長い平板である。図３（ａ）は平行平板４の入射端面４ａにおけるレーザ光の像Ｂ２を示すものであり、同図（ｂ）は平行平板４の出射端面４ｂにおけるレーザ光の像Ｂ３を示すものである。入射端面４ａにおいてスロー軸方向に並んで３つのレーザ光が入射され、スロー軸方向に不均一な強度分布を有する像Ｂ２となっており、出射端面４ｂにおいてはスロー軸方向の強度分布が均一化された像Ｂ３となっている。

結像レンズ５は、スロー軸方向に対しては、出射面４ｂにおけるビームの像Ｂ３を照射面上に投影するものである。結像レンズ５としては、適宜、拡大あるいは縮小して投影させるものを用いることができる。この結像レンズ５は、光ビームのファスト軸方向については照射面上で集光するように配置されている。このとき、照射面は半導体レーザの発光面と共役な位置関係となっている。

上記線状ビーム生成光学装置１０において、複数の半導体レーザ１から出射した複数のレーザ光Ｌは、それぞれレンズ２により互いの光軸Ａが平行となるようにコリメートされ、レンズ３によりスロー軸方向に集光されて入射面４ａから平行平板４に入射される。平行平板４内部において、レーザ光Ｌはスロー軸方向に垂直な２つの全反射面４ｃおよび４ｄ間で全反射を繰り返し、出射面４ｂから出射される。すなわち、平行平板４内部において、複数のレーザ光はファスト軸方向には何ら影響を受けることなくファスト軸方向にはその波面を保ったまま直進すると共に、スロー軸方向に対しては全反射を繰り返し、出射面４ｂに至る。これにより出射面４ｂにおいてレーザ光のスロー軸方向の強度分布が均一化された光ビームＬ’が得られる。

平行平板４の出射面４ｂから出射されたスロー軸方向均一化レーザ光Ｌ’は結像レンズ５により、照射面６上に結像される。図４は、照射面６上に生成された線状ビームＢ４のファスト軸方向およびスロー軸方向の光強度分布を示すものである。図４に示すように照射面６においてファスト軸方向には複数のレーザ光が重なりあってほぼ回折限界まで絞られるとともに、スロー軸方向には各半導体レーザからの光が混ざり合って均一な輝度分布となった線状のビームＢ４を得ることができる。

本実施形態においては、３つの半導体レーザを備えたものとしたが、半導体レーザの数を増加させ、多数個の半導体レーザからのレーザ光を重畳させることにより、よりハイパワーの線状ビームを得ることができる。

本実施形態の線状ビーム生成光学装置１０により生成された線状ビームを、照射面においたサンプルに対してファスト軸方向に適当な速度で相対移動させることにより、サンプルを急速加熱・冷却させることができる。線状ビーム生成光学装置１０においては、結像レンズ５により所望の拡大像としてサンプル上に照射することにより、長尺な線状ビームを得ることができるので、この線上ビームの走査により所望の大面積への急速加熱に用いることが可能となる。例えば、Ｓｉ膜のアニールに用いることができる。また、相変化光ディスクの初期化の高速化を図ることができる。その他、特定の波長で光−熱効果のある作用を大面積に亘って実施したい場合に有効である。

なお、本実施形態の線状ビーム生成光学装置１０においては、ファスト軸方向は平行光としてホモジナイザ（平行平板４）を通過するように構成されているが、途中にファスト軸方向に収束、あるいは発散させる光学手段を備えていてもよい。例えば、ホモジナイザとコリメータレンズの間にレーザ光をファスト軸方向に屈折力を有するレンズを配し、ホモジナイザ出射面（平行平板４の出射面４ｂ）で集光するように構成してもよい。

図５は第２の実施形態の線状ビーム生成光学装置１１の概略構成を示す図であり、ファスト軸方向から見た平面図である。ファスト軸に垂直な第１の実施形態の構成要素と同じ要素には同一符号を付し詳細な説明を省略する（以下の実施形態において同じ。）ここでは、スロー軸方向成分のホモジナイザとして、平行平板４に代えて、テーパ状平板１４を備えている。図６はテーパ状平板１４の斜視図である。

テーパ状平板１４は、入射面１４ａから出射面１４ｂにかけて、対向する２つの全反射面１４ｃおよび１４ｄ間の間隔が次第に大きくなる構成のものである。テーパ状平板１４を用いた場合も、入射面１４ａから入射したレーザ光Ｌは全反射面１４ｃおよび１４ｄ間で全反射を繰り返すことによりスロー軸方向の強度分布が均一なビームが出射面１４ｂから出射される。入射面１４ａ側から出射面１４ｂ側に進むにつれビーム幅が拡がるとともに開口数が減少するため、幅広ビームを得るのに好適である。

上記各実施形態の線状ビーム生成光学装置は、照射面でのファスト軸方向については、各レーザからの光束が一点に集中するよう構成されているが、光学系の設定によりビームを複数のピークに分離することや、任意の強度分布を持たせることも可能である。

図７（ａ）は、第３の実施形態の線状ビーム生成光学装置１２の概略構成を示す図であり、スロー軸方向から見た平面図である。本線状ビーム生成光学装置１２は、第１の実施形態の線状ビーム生成光学装置の構成と略同じであるが、複数のレンズ２のうちの一つのレンズ２ａがファスト軸に対して傾けて配置されている。これにより、１本のレーザ光Ｌａの光軸Ａａを他の２本のレーザ光Ｌｂ、Ｌｃの光軸Ａｂ、Ａｃに対してズレを生じさせ、照射面６上におけるファスト軸方向収束位置をずらすことができ、図７（ｂ）に示すように照射面６上に同時に、強度比の異なる２本の線状ビームＢ14およびＢ15を生成することができる。なお、半導体レーザの数、光学系の配置により２本以上の線状ビームを生成するよう構成してもよい。ファスト軸方向に徐々に強度が小さくなる複数の線状ビームを生成する装置は、例えば、サンプルを急速過熱した後、段階的に冷却したい場合などに用いることができる。

また、さらに、図８に示すように、照射面６上における、複数の線状ビームのファスト軸方向の収束位置をファスト軸方向の強度分布が一部重なる程度にずらすことにより幅広のビームを得ることもでき、幅の異なる２本あるいは複数本の線状ビームを同時に生成することもできるなど、光学系の設定により任意の強度分布を持たせることができる。

なお、上記各実施形態においては、半導体レーザとして、ブロードエリア半導体レーザを用いるものとしたが、本発明はブロードエリア半導体レーザに限るものではない。

第１の実施の形態に係る線状ビーム生成光学装置の概略構成を示す図 半導体レーザの出射端面におけるレーザ光の強度分布を示す図 （ａ）平行平板４の入射端面４ａにおけるレーザ光の像、（ｂ）平行平板４の出射端面４ｂにおけるレーザ光の像を示す図 照射面６上に生成された線状ビームＢ４のファスト軸方向およびスロー軸方向の光強度分布を示す図 第２の実施形態の線状ビーム生成光学装置の概略構成を示す図 テーパ状平板９の斜視図である。 （ａ）第３の実施形態の線状ビーム生成光学装置の概略構成を示す図、（ｂ）照射面上に生成される線状ビーム像を示す図 照射面上に生成される線状ビーム像の他の例を示す図

符号の説明

１ ブロードエリア半導体レーザ
２ レンズ
３ 集光レンズ
４ 平行平板（ホモジナイザ）
５ 結像レンズ
６ 照射面
10、11、12 線状ビーム生成光学装置
14 テーパ状平板

Claims (4)

1. 出射するレーザ光のスロー軸方向に配列された複数の半導体レーザと、
   前記複数の半導体レーザから出射された複数のレーザ光のそれぞれの、少なくともファスト軸方向成分をコリメートするとともに、コリメートされた前記レーザ光のうち少なくとも２つのレーザ光を互いに平行にする光学手段と、
   前記レーザ光の光軸に略垂直に配置された入射面および出射面と、前記入射面から入射したレーザ光のスロー軸方向の成分が全反射を繰り返す間隔で対向配置された２つの全反射面とを有し、前記スロー軸方向の成分の強度分布のみを均一化したスロー軸方向均一化レーザ光を前記出射面から出射する光学部材と、
   前記複数の半導体レーザから出射されたレーザ光を前記光学部材の入射面に入射させる入射光学手段と、
   前記スロー軸方向均一化レーザ光を前記所定の照射面上に、前記スロー軸方向に延びる線状に結像させる結像光学手段とを備えたことを特徴とする線状ビーム生成光学装置。
2. 前記光学部材が透明な平行平板であることを特徴とする請求項１記載の線状ビーム生成光学装置。
3. 前記光学部材が、前記２つの全反射面の前記間隔が、前記入射面側から出射面側に向かって次第に大きくなるような、透明なテーパ状平板であることを特徴とする請求項１記載の線状ビーム生成光学装置。
4. 前記半導体レーザがブロードエリア半導体レーザであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の線状ビーム生成光学装置。