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