JP2007007683A - Beam superposition device, and laser machining method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To more enlarge superposed parts in a beam superposition optical device where a plurality of laser beams are partially superposed. <P>SOLUTION: A plurality of laser beams in which central beams are mutually parallel are made incident on a broadening angle expansion optical system. The broadening angle expansion optical system widens the beam broadening angle of each incident laser beam, and emits them, and parallelly holds the central beams of the emitted laser beams each other, and makes the spacing between the central beams of the emitted laser beams narrower than the spacing between the central beams of the incident laser beams, thus the laser beams are partially superposed each other. The laser beams partially superposed by the broadening angle expansion optical system are made incident on a broadening angle reduction optical system. The broadening angle reduction optical system narrows the beam broadening angle of each incident laser beam, and emits them, and also, in a state where the emitted laser beams are partially superposed, parallelly holds their central beams each other. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ビーム重ね合わせ装置及びレーザ加工方法に関し、特に複数のレーザビームを重ね合わせて実質的にパワーの大きなレーザビームを得るビーム重ね合わせ装置、及びこの装置を用いたレーザ加工方法に関する。   The present invention relates to a beam superimposing apparatus and a laser processing method, and more particularly to a beam superimposing apparatus that superimposes a plurality of laser beams to obtain a laser beam having substantially high power, and a laser processing method using the apparatus.

下記の特開2002−176006号公報に開示されたレーザビームの重ね合わせ装置について説明する。   A laser beam superimposing apparatus disclosed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-176006 will be described.

直線偏光された2本のレーザビームを、偏光ビームスプリッタを用いて1本のレーザビームに合成することができる。4台のレーザ発振器と2個の偏光ビームスプリッタとを用い、相互に近接して並進する2本のレーザビームを得る。この2本のレーザビームを凹レンズに入射させて発散させ、両者を部分的に重ね合わせる。その後、凸レンズで平行光線束に戻す。   Two linearly polarized laser beams can be combined into one laser beam using a polarizing beam splitter. Four laser oscillators and two polarization beam splitters are used to obtain two laser beams that are translated close to each other. The two laser beams are incident on a concave lens to diverge, and the two are partially overlapped. Then, it returns to a parallel light beam with a convex lens.

特開2002−176006号公報JP 2002-176006 A

並進する2本のレーザビームを1枚の凹レンズに入射させると、凹レンズを通過した後の2本のレーザビームの中心光線は、進行するに従って徐々に離れてしまう。入射するレーザビームが理想的な平行光線束であれば、凹レンズを通過した後の発散光線束同士は重ならない。入射するレーザビームがあるビーム拡がり角を持つ場合には、凹レンズによってビーム拡がり角が大きくなる。ところが、2本のレーザビームの中心光線間の間隔が徐々に広がってしまうため、両者の重なる領域はわずかである。   When two translated laser beams are incident on one concave lens, the central rays of the two laser beams after passing through the concave lens are gradually separated as they travel. If the incident laser beams are ideal parallel beam bundles, divergent beam bundles after passing through the concave lens do not overlap. When the incident laser beam has a certain beam divergence angle, the concave lens increases the beam divergence angle. However, since the distance between the central rays of the two laser beams gradually increases, the area where they overlap is very small.

本発明の目的は、複数のレーザビームを部分的に重ね合わせるビーム重ね合わせ光学装置において、重ね合う部分をより大きくすることである。本発明の他の目的は、このビーム重ね合わせ光学装置を用いたレーザ加工方法を提供することである。   An object of the present invention is to make the overlapping portion larger in a beam superimposing optical device that partially overlaps a plurality of laser beams. Another object of the present invention is to provide a laser processing method using this beam superposing optical device.

本発明の一観点によれば、中心光線が相互に平行な複数のレーザビームが入射し、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角を大きくして出射させ、出射するレーザビームの中心光線を相互に平行に保ち、かつ出射するレーザビームの中心光線の間隔を、入射したレーザビームの中心光線の間隔よりも狭くすることにより、レーザビーム同士を部分的に重ね合わせる拡がり角拡大光学系と、前記拡がり角拡大光学系によって部分的に重ね合わされたレーザビームが入射し、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角を小さくして出射させ、かつ出射するレーザビームが部分的に重ね合わされた状態で、これらの中心光線を相互に平行に保つ拡がり角縮小光学系とを有するビーム重ね合わせ光学装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a plurality of laser beams whose central rays are parallel to each other are incident, emitted with an increased beam divergence angle of each of the incident laser beams, and the central rays of the emitted laser beams are mutually reflected. A divergence angle expanding optical system that partially superimposes the laser beams by keeping the interval between the central rays of the emitted laser beam smaller than the interval between the central rays of the incident laser beams, In a state where a laser beam partially overlapped by the divergence angle expanding optical system is incident, emitted with a small beam divergence angle of each of the incident laser beams, and the emitted laser beams are partially overlapped, There is provided a beam superposing optical device having a diverging angle reducing optical system for keeping these central rays parallel to each other.

本発明の他の観点によると、出射端が、ある平面に沿って並び、出射端から出射するレーザビームの中心光線が相互に平行になるように配置された複数の光ファイバと、前記光ファイバの入射端に、それぞれレーザビームを入射させる複数のレーザ光源と、前記光ファイバの出射端から出射され、あるビーム拡がり角をもって伝搬するレーザビーム同士が部分的に重なった状態で入射する前段収束レンズと、前記前段収束レンズを通過したレーザビームが入射し、該前段収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、該前段収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする後段収束レンズとを有するビーム重ね合わせ光学装置が提供される。   According to another aspect of the present invention, a plurality of optical fibers arranged such that emission ends are arranged along a plane, and central rays of laser beams emitted from the emission ends are parallel to each other, and the optical fiber A plurality of laser light sources that respectively make laser beams incident on the incident end of the optical fiber, and a pre-converging lens that is incident from a laser beam that is emitted from the emission end of the optical fiber and propagates with a certain beam divergence angle. And a post-stage converging lens having a focal length longer than that of the front-stage converging lens and having a rear focal point as the front focal point. An alignment optical device is provided.

本発明の他の観点によると、上述のビーム重ね合わせ光学装置に均一化光学系を組み合わせた装置を用いてレーザ加工を行う方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a method for performing laser processing using an apparatus in which a homogenizing optical system is combined with the beam superimposing optical apparatus described above.

複数のレーザビームビームの中心光線を相互に平行に保ったまま、各レーザビームのビーム拡がり角を大きくすることにより、複数のレーザビームを効率的に重ね合わせることができる。これにより、合成ビーム断面内の光強度分布を、1本のレーザビームのビーム断面内の光強度分布とほぼ同様の形状にすることができる。   By increasing the beam divergence angle of each laser beam while keeping the central rays of the plurality of laser beam beams parallel to each other, the plurality of laser beams can be efficiently superimposed. As a result, the light intensity distribution in the cross section of the combined beam can be made to have a shape substantially similar to the light intensity distribution in the cross section of one laser beam.

複数の光ファイバを近接して配置すると、これらの光ファイバから出射されるレーザビームを効率的に重ね合わせることができる。   When a plurality of optical fibers are arranged close to each other, laser beams emitted from these optical fibers can be efficiently superimposed.

複数のレーザビームを重ね合わせて均一化光学系で均一化することにより、高パワーの均一化レーザビームを得ることができる。   By superimposing a plurality of laser beams and homogenizing them with a homogenizing optical system, a high-power homogenized laser beam can be obtained.

図1に、第1の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置の概略図を示す。レーザ光源1が、複数のレーザビーム、例えば5本のレーザビームを出射する。5本のレーザビームの中心光線は相互に平行である。レーザビームの進行方向をz軸とするxyz直交座標系を定義する。5本のレーザビームの中心光線は、x軸方向に等間隔で並んでいる。   FIG. 1 shows a schematic diagram of a beam superimposing optical apparatus according to the first embodiment. The laser light source 1 emits a plurality of laser beams, for example, five laser beams. The central rays of the five laser beams are parallel to each other. An xyz orthogonal coordinate system is defined in which the traveling direction of the laser beam is the z axis. The central rays of the five laser beams are arranged at equal intervals in the x-axis direction.

レーザ光源1から出射された5本のレーザビームが、重ね合わせ光学系2に入射する。重ね合わせ光学系2は、レーザビームのビーム断面の一部が相互に重なった5本のレーザビームを出射する。これら5本のレーザビームの中心光線も相互に平行である。   Five laser beams emitted from the laser light source 1 enter the superposition optical system 2. The superposition optical system 2 emits five laser beams in which part of the beam cross sections of the laser beams overlap each other. The central rays of these five laser beams are also parallel to each other.

重ね合わせ光学系から出射されたレーザビームが均一化光学系3に入射する。均一化光学系3は、入射したレーザビームを、そのビーム断面内に関して複数の小ビームに分割し、分割された小ビームをホモジナイズ面50上において重ね合わせる。これにより、ホモジナイズ面上における光強度分布が均一に近づく。   A laser beam emitted from the superposing optical system enters the homogenizing optical system 3. The homogenizing optical system 3 divides the incident laser beam into a plurality of small beams in the beam cross section, and superimposes the divided small beams on the homogenization surface 50. As a result, the light intensity distribution on the homogenized surface becomes closer to uniform.

ステージ4が、加工対象物5を、その表面がホモジナイズ面50と一致するように保持する。これにより、加工対象物5の表面における光強度分布が均一なレーザビームで加工を行うことができる。   The stage 4 holds the workpiece 5 so that the surface thereof coincides with the homogenized surface 50. Thereby, it is possible to perform processing with a laser beam having a uniform light intensity distribution on the surface of the workpiece 5.

図2に、レーザ光源1の概略図を示す。レーザ発振器30から出射されたレーザビームが折り返しミラー34で反射して、偏光ビームスプリッタ33に入射する。もう1つのレーザ発振器31から出射されたレーザビームが、偏光ビームスプリッタ33に、その反対側の面から入射する。レーザ発振器30及び31から出射されたレーザビームは、それぞれ偏光ビームスプリッタ33に対してS偏光及びP偏光になるように直線偏光されている。所望の直線偏光を得るために、例えば1/2波長板(図示せず)を用いることができる。S偏光のレーザビームが偏光ビームスプリッタ33で反射され、P偏光のレーザビームが偏光ビームスプリッタ33を透過することにより、2本のレーザビームが1本のレーザビームに合成される。   FIG. 2 shows a schematic diagram of the laser light source 1. The laser beam emitted from the laser oscillator 30 is reflected by the folding mirror 34 and enters the polarization beam splitter 33. The laser beam emitted from the other laser oscillator 31 enters the polarization beam splitter 33 from the opposite surface. The laser beams emitted from the laser oscillators 30 and 31 are linearly polarized so as to be S-polarized light and P-polarized light with respect to the polarization beam splitter 33, respectively. In order to obtain a desired linearly polarized light, for example, a half-wave plate (not shown) can be used. The S-polarized laser beam is reflected by the polarization beam splitter 33, and the P-polarized laser beam is transmitted through the polarization beam splitter 33, so that two laser beams are combined into one laser beam.

レーザ発振器30、31、偏光ビームスプリッタ33、及び折り返しミラー34の構成と同様の構成を有する光源が、合計で5組準備されている。5組の光源から出射された5本のレーザビームを、複数の折り返しミラー35で反射させることにより、相互に近接して並進する5本のレーザビームL1〜L5を得る。レーザビームL1〜L5の中心光線はz軸に平行であり、x軸方向に等間隔で配列している。なお、これらの中心光線の間隔は、必ずしも等間隔にする必要はない。ただし、効率上、等間隔に配置することが好ましい。   A total of five sets of light sources having the same configuration as that of the laser oscillators 30 and 31, the polarization beam splitter 33, and the folding mirror 34 are prepared. The five laser beams emitted from the five sets of light sources are reflected by a plurality of folding mirrors 35 to obtain five laser beams L1 to L5 that are translated close to each other. The central beams of the laser beams L1 to L5 are parallel to the z axis and are arranged at equal intervals in the x axis direction. It should be noted that the distance between these central rays is not necessarily equal. However, it is preferable to arrange them at equal intervals for efficiency.

図3に、重ね合わせ光学系2の概略図を示す。重ね合わせ光学系2は、拡がり角拡大光学系2Aと、その後側に配置された拡がり角縮小光学系2Bとを含んで構成される。拡がり角拡大光学系2Aは、第1の収束レンズ11及び第2の収束レンズ12を含み、拡がり角縮小光学系2Bは、第3の収束レンズ15及び第4の収束レンズ16を含む。これら4つの収束レンズ11、12、15、16は、光軸が一致するように配置されている。この共通の光軸はz軸に平行である。収束レンズ11、12、15、16の各々は、1枚の凸レンズで構成してもよいし、複数枚のレンズを組み合わせた複合レンズで構成してもよい。   FIG. 3 shows a schematic diagram of the superposition optical system 2. The superposition optical system 2 includes a divergence angle expansion optical system 2A and a divergence angle reduction optical system 2B disposed on the rear side thereof. The diverging angle enlarging optical system 2A includes a first converging lens 11 and a second converging lens 12, and the diverging angle reducing optical system 2B includes a third converging lens 15 and a fourth converging lens 16. These four converging lenses 11, 12, 15, 16 are arranged so that their optical axes coincide. This common optical axis is parallel to the z-axis. Each of the converging lenses 11, 12, 15, 16 may be composed of a single convex lens or a compound lens in which a plurality of lenses are combined.

第2の収束レンズ12は第1の収束レンズ11の後ろ側に配置され、第1の収束レンズ11よりも短い焦点距離を持つ。第2の収束レンズ12の前側焦点の位置が、第1の収束レンズ11の後側焦点の位置と一致する。第4の収束レンズ16は、第3の収束レンズ15の後側に配置され、第3の収束レンズ15よりも長い焦点距離を持つ。第4の収束レンズ16の前側焦点の位置が、第3の収束レンズ15の後側焦点の位置と一致する。一例として、第1の収束レンズ11、第2の収束レンズ12、第3の収束レンズ15、及び第4の収束レンズ16の焦点距離は、それぞれ500mm、100mm、200mm、及び500mmである。   The second convergent lens 12 is disposed behind the first convergent lens 11 and has a shorter focal length than the first convergent lens 11. The position of the front focal point of the second converging lens 12 coincides with the position of the rear focal point of the first converging lens 11. The fourth convergent lens 16 is disposed on the rear side of the third convergent lens 15 and has a longer focal length than the third convergent lens 15. The position of the front focal point of the fourth converging lens 16 matches the position of the rear focal point of the third converging lens 15. As an example, the focal lengths of the first converging lens 11, the second converging lens 12, the third converging lens 15, and the fourth converging lens 16 are 500 mm, 100 mm, 200 mm, and 500 mm, respectively.

レーザ光源1(図2)から出射された5本のレーザビームL1〜L5が、第1の収束レンズ11に入射する。レーザビームL1〜L5の中心光線はすべてz軸に平行であり、x軸方向に等間隔、例えば間隔10mmで並んでいる。   Five laser beams L <b> 1 to L <b> 5 emitted from the laser light source 1 (FIG. 2) enter the first converging lens 11. The central rays of the laser beams L1 to L5 are all parallel to the z axis and are arranged at equal intervals in the x axis direction, for example, at an interval of 10 mm.

図4(A)、図5(A)、及び図6(A)に、第1の収束レンズ11の前側焦点を含み光軸に垂直な平面(以下、「焦点面」とよぶ。)10の位置の光強度分布を示す。図4(A)及び後述する図4(B)〜図4(D)は、光強度を濃淡で示す図であり、図5(A)及び後述する図5(B)〜図5(D)は、x軸方向に関する光強度分布を示すグラフであり、図6(A)及び後述する図6(B)〜図6(D)は、y軸方向に関する光強度分布を示すグラフである。   4A, 5A, and 6A, a plane (hereinafter referred to as “focal plane”) 10 that includes the front focal point of the first converging lens 11 and is perpendicular to the optical axis. The light intensity distribution of the position is shown. 4 (A) and FIGS. 4 (B) to 4 (D), which will be described later, are diagrams showing light intensity in shades, and FIG. 5 (A) and FIGS. 5 (B) to 5 (D) to be described later. FIG. 6A is a graph showing the light intensity distribution in the x-axis direction, and FIG. 6A and FIGS. 6B to 6D described later are graphs showing the light intensity distribution in the y-axis direction.

レーザビームL1〜L5の各々のビーム断面20は、y軸方向に長い楕円状である。ビーム断面20の各々の長軸(y軸方向の寸法)は約50mmであり、短軸(x軸方向の寸法)はビーム断面20の中心間の距離10mmよりもやや短く、例えば9mmである。ここで、「ビーム断面」とは、光強度が最大値の1/eになる点を連ねる線で囲まれた領域を意味する。ここで、eは、自然対数の底である。レーザビームL1〜L5のxz面内に関するビーム拡がり角θdは、約2.5mradである。本明細書において、「ビーム拡がり角」は、ビームの拡がりの半角を指すものとする。 Each of the beam cross sections 20 of the laser beams L1 to L5 has an elliptical shape that is long in the y-axis direction. The major axis (dimension in the y-axis direction) of each beam section 20 is about 50 mm, and the minor axis (dimension in the x-axis direction) is slightly shorter than the distance 10 mm between the centers of the beam sections 20, for example, 9 mm. Here, the “beam cross section” means a region surrounded by a line connecting points where the light intensity becomes 1 / e 2 of the maximum value. Here, e is the base of the natural logarithm. The beam divergence angle θd in the xz plane of the laser beams L1 to L5 is about 2.5 mrad. In this specification, “beam divergence angle” refers to a half angle of beam divergence.

第2の収束レンズ12を透過した5本のレーザビームL1〜L5の中心光線は、z軸に平行になる。   The central rays of the five laser beams L1 to L5 that have passed through the second convergent lens 12 are parallel to the z axis.

図4(B)、図5(B)、及び図6(B)に、第2の収束レンズ12の後側焦点面13の位置の光強度分布を示す。第1の収束レンズ11の前側焦点面10と、第2の収束レンズ12の後側焦点面13とが共役の関係にある。従って、第1の収束レンズ11の前側焦点面10の位置の像が、第2の収束レンズ12の後側焦点面13の位置に転写され、その倍率は1/5である。このため、ビーム断面23の各々のy軸方向の寸法は約10mm、x軸方向の寸法は約1.8mmになり、中心光線の間隔は2mmになる。ビーム拡がり角は倍率にほぼ反比例するため、第2の収束レンズ12を通過した各レーザビームのxz面内に関するビーム拡がり角θdは、12.5mradになる。   4B, 5B, and 6B show the light intensity distribution at the position of the rear focal plane 13 of the second convergent lens 12. FIG. The front focal plane 10 of the first convergent lens 11 and the rear focal plane 13 of the second convergent lens 12 are in a conjugate relationship. Therefore, the image of the position of the front focal plane 10 of the first converging lens 11 is transferred to the position of the rear focal plane 13 of the second converging lens 12, and the magnification is 1/5. For this reason, the dimension of each of the beam cross sections 23 in the y-axis direction is about 10 mm, the dimension in the x-axis direction is about 1.8 mm, and the distance between the central rays is 2 mm. Since the beam divergence angle is almost inversely proportional to the magnification, the beam divergence angle θd in the xz plane of each laser beam that has passed through the second converging lens 12 is 12.5 mrad.

このように、拡がり角拡大光学系2Aは、出射するレーザビームの各々のビーム拡がり角を、入射したレーザビームのビーム拡がり角よりも大きくし、かつ出射するレーザビームの中心光線の間隔を、入射したレーザビームの中心光線の間隔よりも狭くする。このため、レーザビームの経路が相互に重なりやすくなる。   In this way, the divergence angle widening optical system 2A makes the beam divergence angle of each of the emitted laser beams larger than the beam divergence angle of the incident laser beam, and sets the interval between the central rays of the emitted laser beams to be incident. The distance between the center beams of the laser beam is narrower. For this reason, the laser beam paths tend to overlap each other.

第3の収束レンズ15は、第2の収束レンズ12よりも800mmだけ後側に配置されている。すなわち、第3の収束レンズ15の前側焦点面14は、第2の収束レンズ12の後側焦点面13よりも500mm後方に位置する。第2の収束レンズ12を通過したレーザビームのビーム拡がり角が12.5mradであるため、第3の収束レンズ15の前側焦点面14の位置における各ビーム断面24のx軸方向の寸法は約14.3mmになる。y軸方向に関するビーム拡がり角は、後側焦点面13と前側焦点面14との間隔500mm程度の進行距離の場合には、無視できる大きさである。このため、ビーム断面24のy軸方向の寸法は、ほぼ10mmのままである。   The third convergent lens 15 is arranged on the rear side by 800 mm from the second convergent lens 12. That is, the front focal plane 14 of the third convergent lens 15 is located 500 mm behind the rear focal plane 13 of the second convergent lens 12. Since the beam divergence angle of the laser beam that has passed through the second converging lens 12 is 12.5 mrad, the dimension in the x-axis direction of each beam cross section 24 at the position of the front focal plane 14 of the third converging lens 15 is about 14. .3mm. The beam divergence angle in the y-axis direction is a negligible magnitude when the traveling distance is about 500 mm between the rear focal plane 13 and the front focal plane 14. For this reason, the dimension of the beam cross section 24 in the y-axis direction remains approximately 10 mm.

図4(C)、図5(C)、及び図6(C)に、第3の収束レンズ15の前側焦点面14の位置における光強度分布を示す。レーザビームL1〜L5の各々のビーム断面24のx軸方向の寸法が14.3mmであり、ビーム断面24の中心間の距離が2mmであるため、5個のビーム断面24が部分的に重なり合う。図4(C)及び図5(C)に示すように、個々のビーム断面を識別することはできなくなり、実質的に1本のレーザビームのビーム断面と同等の光強度分布が現れている。   4C, FIG. 5C, and FIG. 6C show the light intensity distribution at the position of the front focal plane 14 of the third converging lens 15. FIG. Since the dimension of the beam cross section 24 of each of the laser beams L1 to L5 in the x-axis direction is 14.3 mm and the distance between the centers of the beam cross sections 24 is 2 mm, the five beam cross sections 24 partially overlap. As shown in FIGS. 4C and 5C, individual beam cross sections cannot be identified, and a light intensity distribution substantially equivalent to the beam cross section of one laser beam appears.

第4の収束レンズ16を通過した5本のレーザビームL1〜L5の中心光線はz軸に平行になる。   The central rays of the five laser beams L1 to L5 that have passed through the fourth convergent lens 16 are parallel to the z axis.

第4の収束レンズ16の後側焦点面17と、第3の収束レンズ15の前側焦点面14とが共役の関係になる。従って、第3の収束レンズ15の前側焦点面14の位置の像が、第4の収束レンズ16の後側焦点面17の位置に転写され、その倍率は2.5倍である。このため、後側焦点面17の位置におけるレーザビームL1〜L5の各々のビーム断面27のx軸方向の寸法は約35.75mmになり、y軸方向の寸法は、約25mmになる。レーザビームの中心光線間の距離は5mmになる。xz面内に関するビーム拡がり角θdは、5mradになる。   The rear focal plane 17 of the fourth convergent lens 16 and the front focal plane 14 of the third convergent lens 15 have a conjugate relationship. Therefore, the image of the position of the front focal plane 14 of the third converging lens 15 is transferred to the position of the rear focal plane 17 of the fourth converging lens 16, and the magnification is 2.5 times. For this reason, the dimension in the x-axis direction of each beam cross section 27 of the laser beams L1 to L5 at the position of the rear focal plane 17 is about 35.75 mm, and the dimension in the y-axis direction is about 25 mm. The distance between the central rays of the laser beam is 5 mm. The beam divergence angle θd in the xz plane is 5 mrad.

このように、拡がり角縮小光学系2Bは、出射するレーザビームの各々のビーム拡がり角を入射したレーザビームのビーム拡がり角よりも小さくし、かつ出射するレーザビームが部分的に重ね合わされた状態で、これらの中心光線を相互に平行にする。   In this way, the divergence angle reduction optical system 2B is configured such that each beam divergence angle of the emitted laser beam is smaller than the beam divergence angle of the incident laser beam and the emitted laser beam is partially overlapped. , Make these central rays parallel to each other.

図4(D)、図5(D)、及び図6(D)に、後側焦点面17の位置における光強度分布を示す。5本のレーザビームL1〜L5のビーム断面が部分的に重なり合って、個々のビーム断面を識別することはできない。このように、拡がり角縮小光学系2Bを通過した5本のレーザビームL1〜L5のビーム断面を合成したレーザビーム群47の合成ビーム断面内の光強度分布は、実質的に1本のガウシアンビームの光強度分布とほぼ同一と考えることができる。合成ビーム断面のx軸方向の寸法は、55.75mmになる。   4 (D), 5 (D), and 6 (D) show the light intensity distribution at the position of the rear focal plane 17. FIG. The beam cross sections of the five laser beams L1 to L5 partially overlap each other, so that individual beam cross sections cannot be identified. As described above, the light intensity distribution in the combined beam section of the laser beam group 47 obtained by combining the beam sections of the five laser beams L1 to L5 that have passed through the divergence angle reduction optical system 2B is substantially one Gaussian beam. It can be considered that the light intensity distribution is almost the same. The dimension in the x-axis direction of the combined beam cross section is 55.75 mm.

図7に、均一化光学系3の断面図を示す。図7(A)は、yz面に平行な断面図、図7(B)は、xz面に平行な断面図を示す。   FIG. 7 shows a cross-sectional view of the homogenizing optical system 3. FIG. 7A shows a cross-sectional view parallel to the yz plane, and FIG. 7B shows a cross-sectional view parallel to the xz plane.

図7(A)に示すように、等価な7本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をx軸と平行にし、かつy軸方向に配列し、xy面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ45Aと45Bが構成されている。シリンダアレイ45A及び45Bの各シリンドリカルレンズの光軸面はxz面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面(シリンドリカルレンズの柱面の曲率中心線を含む結像系の対称面)を意味する。シリンダアレイ45Aは光の入射側(図の左方)に配置され、シリンダアレイ45Bは出射側(図の右方)に配置されている。   As shown in FIG. 7A, seven equivalent cylindrical lenses are arranged in a cylinder array along a virtual plane parallel to the xy plane, with each generatrix direction parallel to the x-axis and arranged in the y-axis direction. 45A and 45B are configured. The optical axis surfaces of the cylindrical lenses of the cylinder arrays 45A and 45B are parallel to the xz plane. Here, the optical axis plane means the plane of symmetry of the imaging system that is plane-symmetric with the cylindrical lens (the plane of symmetry of the imaging system that includes the center line of curvature of the columnar surface of the cylindrical lens). The cylinder array 45A is arranged on the light incident side (left side in the figure), and the cylinder array 45B is arranged on the emission side (right side in the figure).

図7(B)に示すように、等価な7本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をy軸と平行にし、かつx軸方向に配列し、xy面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ46Aと46Bが構成されている。シリンダアレイ46A及び46Bの各シリンドリカルレンズの光軸面はyz面に平行である。シリンダアレイ46Aはシリンダアレイ45Aの前方(図の左方)に配置され、シリンダアレイ46Bはシリンダアレイ45Aと45Bとの間に配置されている。シリンダアレイ45Aと45Bの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ46Aと46Bの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。   As shown in FIG. 7B, seven equivalent cylindrical lenses have their respective generatrix directions parallel to the y axis and arranged in the x axis direction, and cylinder arrays 46A along a virtual plane parallel to the xy plane. And 46B are configured. The optical axis surfaces of the cylindrical lenses of the cylinder arrays 46A and 46B are parallel to the yz plane. The cylinder array 46A is disposed in front of the cylinder array 45A (left side in the figure), and the cylinder array 46B is disposed between the cylinder arrays 45A and 45B. The optical axis surfaces of the corresponding cylindrical lenses of the cylinder arrays 45A and 45B coincide, and the optical axis surfaces of the corresponding cylindrical lenses of the cylinder arrays 46A and 46B also coincide.

シリンダアレイ45Bの後方に、コンデンサレンズ49が配置されている。コンデンサレンズ49の光軸は、z軸に平行である。   A condenser lens 49 is disposed behind the cylinder array 45B. The optical axis of the condenser lens 49 is parallel to the z axis.

図7(A)を参照して、yz面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。yz面内においては、シリンダアレイ46A及び46Bは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。   With reference to FIG. 7A, a state of propagation of the light beam in the yz plane will be described. In the yz plane, the cylinder arrays 46A and 46B are simply flat plates, and thus do not affect the focusing and divergence of the light beam.

シリンダアレイ46Aの左方からz軸に平行な光軸を有する5本のレーザビームが入射する。図6(D)に示したように、5本のレーザビームは、近似的にy軸方向に関して1本のガウシアンビームと同じ光強度分布を持つと考えることができる。入射するレーザビーム47は、例えば曲線51yで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。   Five laser beams having an optical axis parallel to the z-axis are incident from the left side of the cylinder array 46A. As shown in FIG. 6D, the five laser beams can be considered to have approximately the same light intensity distribution as that of one Gaussian beam in the y-axis direction. The incident laser beam 47 has a light intensity distribution that is strong in the central portion and weak in the peripheral portion, as shown by a curve 51y, for example.

レーザビーム47がシリンダアレイ46Aを透過し、シリンダアレイ45Aに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ45Aにより各シリンドリカルレンズに対応した7つの集束光線束に分割される。図7(A)では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。7つの集束光線束は、それぞれ曲線51ya〜51ygで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ45Aによって集束された光線束は、シリンダアレイ45Bにより再度集束される。   The laser beam 47 passes through the cylinder array 46A and enters the cylinder array 45A. The incident beam bundle is divided into seven focused beam bundles corresponding to the respective cylindrical lenses by the cylinder array 45A. In FIG. 7A, only the light beam at the center and both ends is shown as a representative. The seven focused beam bundles have light intensity distributions indicated by curves 51ya to 51yg, respectively. The light beam focused by the cylinder array 45A is again focused by the cylinder array 45B.

シリンダアレイ45Bにより集束した7つの集束光線束48は、それぞれ集束レンズ49の前方で結像する。この結像位置は、コンデンサレンズ49の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、コンデンサレンズ49を透過した7つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイズ面50上において重なる。ホモジナイズ面50を照射する7つの光線束のy軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布51ya〜51ygをy軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布51yaと51yg、51ybと51yf、51ycと51yeは、それぞれy軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線52yで示すように均一な分布に近づく。   The seven focused light bundles 48 focused by the cylinder array 45B are imaged in front of the focusing lens 49, respectively. This imaging position is closer to the lens than the incident side focal point of the condenser lens 49. For this reason, the seven light fluxes transmitted through the condenser lens 49 become divergent light fluxes, which overlap on the homogenizing surface 50. The light intensity distribution in the y-axis direction of the seven light bundles that irradiate the homogenized surface 50 is equal to a distribution obtained by extending the light intensity distributions 51ya to 51yg in the y-axis direction, respectively. Since the light intensity distributions 51ya and 51yg, 51yb and 51yf, and 51yc and 51ye have inverted relations with respect to the y-axis direction, the light intensity distribution obtained by superimposing these light bundles is uniform as shown by the solid line 52y. Approach the distribution.

図7(B)を参照して、xz面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。xz面内においては、シリンダアレイ45A及び45Bは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。5本のレービーム47がシリンダアレイ46Aに入射する。図5(D)に示したように、5本のレーザビーム47は、近似的にx軸方向に関して1本のガウシアンビームと同じ光強度分布を持つと考えることができる。レーザビーム47は、例えば曲線51xで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。   With reference to FIG. 7B, the state of propagation of the light beam in the xz plane will be described. In the xz plane, the cylinder arrays 45A and 45B are simply flat plates, and thus do not affect the convergence and divergence of the light flux. Five ray beams 47 are incident on the cylinder array 46A. As shown in FIG. 5D, the five laser beams 47 can be considered to have approximately the same light intensity distribution as that of one Gaussian beam in the x-axis direction. The laser beam 47 has a light intensity distribution that is strong in the central portion and weak in the peripheral portion, for example, as shown by a curve 51x.

レーザビーム47がシリンダアレイ46Aにより各シリンドリカルレンズに対応した7つの集束光線束に分割される。図7(B)では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。7つの集束光線束は、それぞれ曲線51xa〜51xgで示す光強度分布を有する。   The laser beam 47 is divided into seven focused beam bundles corresponding to the respective cylindrical lenses by the cylinder array 46A. In FIG. 7B, only the light beams at the center and both ends are shown as representatives. The seven focused beam bundles have light intensity distributions indicated by curves 51xa to 51xg, respectively.

各光線束は、シリンダアレイ46Bの前方で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ46Bに入射する。シリンダアレイ46Bに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、コンデンサレンズ49に入射する。   Each light flux forms an image in front of the cylinder array 46B and enters the cylinder array 46B as a divergent light flux. Each light beam incident on the cylinder array 46B is emitted with a certain emission angle and is incident on the condenser lens 49.

コンデンサレンズ49を透過した7つの光線束はそれぞれ集束光線束となり、ホモジナイズ面50上において重なる。ホモジナイズ面50を照射する7つの光線束のx軸方向の光強度分布は、図7(A)の場合と同様に実線52xで示すように均一な分布に近づく。   The seven light fluxes that have passed through the condenser lens 49 become focused light fluxes that overlap on the homogenizing surface 50. The light intensity distribution in the x-axis direction of the seven light bundles that irradiate the homogenized surface 50 approaches a uniform distribution as shown by the solid line 52x as in the case of FIG.

ホモジナイズ面50上の光照射領域は、y軸方向に長く、x軸方向に短い線状の形状を有する。ホモジナイズ面50の位置に、被照射物の表面を配置することにより、その表面内のy軸方向に長い線状の領域を、ほぼ均一に照射することができる。   The light irradiation region on the homogenized surface 50 has a linear shape that is long in the y-axis direction and short in the x-axis direction. By disposing the surface of the object to be irradiated at the position of the homogenized surface 50, a linear region that is long in the y-axis direction in the surface can be irradiated almost uniformly.

上記第1の実施例においては、図2に示した10台のレーザ発振器30、31から出射されたレーザビームが、加工対象物5の表面に重ね合わされる。このため、10倍の出力を持つ1台のレーザ発振器を使用する場合と同等のレーザ加工を行うことが可能になる。   In the first embodiment, the laser beams emitted from the ten laser oscillators 30 and 31 shown in FIG. 2 are superimposed on the surface of the workpiece 5. For this reason, it becomes possible to perform laser processing equivalent to the case of using one laser oscillator having 10 times the output.

上記第1の実施例では、拡がり角拡大光学系2A及び拡がり角縮小光学系2Bを、ケプラータイプのビームエキスパンダで構成したが、ガリレオタイプのビームエキスパンダで構成することも可能である。拡がり角拡大光学系2Aをガリレオタイプとする場合には、第2の収束レンズ12の代わりに発散レンズを用いる。このとき、発散レンズの後側焦点が、第1の収束レンズの後側焦点と一致するように発散レンズを配置する。拡がり角縮小光学系2Bをガリレオタイプとする場合には、第3の収束レンズ15の代わりに発散レンズを用いる。このとき、発散レンズの前側焦点が、第4の収束レンズ16の前側焦点と一致するように発散レンズを配置する。   In the first embodiment, the diverging angle enlarging optical system 2A and the diverging angle reducing optical system 2B are configured by Kepler type beam expanders, but may be configured by Galileo type beam expanders. When the divergence angle widening optical system 2A is of the Galileo type, a diverging lens is used instead of the second converging lens 12. At this time, the diverging lens is arranged so that the rear focal point of the diverging lens coincides with the rear focal point of the first converging lens. When the divergence angle reduction optical system 2B is a Galileo type, a diverging lens is used instead of the third converging lens 15. At this time, the diverging lens is arranged so that the front focal point of the diverging lens coincides with the front focal point of the fourth converging lens 16.

図8に、第2の実施例によるビーム重ね合わせ光学系の概略図を示す。以下、図3に示した第1の実施例によるビーム重ね合わせ光学系との相違点に着目して説明する。   FIG. 8 shows a schematic diagram of a beam superposition optical system according to the second embodiment. Hereinafter, the description will be made focusing on differences from the beam superposition optical system according to the first embodiment shown in FIG.

第2の実施例によるビーム重ね合わせ光学系では、拡がり角拡大光学系2Aと拡がり角縮小光学系2Bとの間に、筒状光学装置6が配置されている。その他の構成は、第1の実施例の場合と同様である。   In the beam superimposing optical system according to the second embodiment, a cylindrical optical device 6 is disposed between the divergence angle expanding optical system 2A and the divergence angle reducing optical system 2B. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

筒状光学装置6は、両端が開口した筒状の形状を有し、その内面は、レーザビームを反射させる反射面とされている。内面は、例えばz軸に平行な柱面で構成される。筒状光学装置6として、カライドスコープを用いることができる。拡がり角拡大光学系2Aを通過したレーザビームが一方の開口部から筒状光学装置6に入射する。入射したレーザビームは、筒状光学装置6の出射側の開口部を通って出射する。   The cylindrical optical device 6 has a cylindrical shape with both ends opened, and its inner surface is a reflecting surface that reflects the laser beam. The inner surface is constituted by a column surface parallel to the z axis, for example. As the cylindrical optical device 6, a kaleidoscope can be used. The laser beam that has passed through the diverging angle enlarging optical system 2A enters the cylindrical optical device 6 from one opening. The incident laser beam is emitted through the opening on the emission side of the cylindrical optical device 6.

出射側の開口部が、第3の収束レンズ15の前側焦点面14の位置に配置されている。前側焦点面14の位置における光強度分布の広がり24aが、筒状光学装置6の出射側の開口部によって制限される。筒状光学装置6の出射側の開口部が、第4の収束レンズ16の後側焦点面17の位置に転写される。   The exit-side opening is disposed at the position of the front focal plane 14 of the third converging lens 15. The spread 24 a of the light intensity distribution at the position of the front focal plane 14 is limited by the opening on the exit side of the cylindrical optical device 6. The opening on the exit side of the cylindrical optical device 6 is transferred to the position of the rear focal plane 17 of the fourth converging lens 16.

このため、第1の実施例の場合に比べて、拡がり角縮小光学系2Bから出射したレーザビーム群の合成ビーム断面を狭くすることができる。   For this reason, compared with the case of the 1st Example, the synthetic beam cross section of the laser beam group radiate | emitted from the divergence angle reduction optical system 2B can be narrowed.

図9に、第3の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置の概略図を示す。レーザ発振器60、集光レンズ61、及び光ファイバ62が1つの光源を構成し、この光源が複数個準備されている。レーザ発振器60から出射したレーザビームが、対応する集光レンズ61により集光され、対応する光ファイバ62の入射端面に入射する。複数の光ファイバ62の出射端面が、仮想平面69に沿って行列状に配置されている。各光ファイバ62は、その出射端面から出射されたレーザビームの中心光線が仮想平面69と垂直になるように配置されている。仮想平面69に平行な面をxy面とするxyz直交座標系を定義する。   FIG. 9 shows a schematic diagram of a beam superimposing optical apparatus according to the third embodiment. The laser oscillator 60, the condenser lens 61, and the optical fiber 62 constitute one light source, and a plurality of these light sources are prepared. The laser beam emitted from the laser oscillator 60 is collected by the corresponding condenser lens 61 and enters the incident end face of the corresponding optical fiber 62. The emission end faces of the plurality of optical fibers 62 are arranged in a matrix along the virtual plane 69. Each optical fiber 62 is arranged so that the central ray of the laser beam emitted from the emission end face thereof is perpendicular to the virtual plane 69. An xyz orthogonal coordinate system in which a plane parallel to the virtual plane 69 is defined as an xy plane is defined.

光ファイバ62の端面から出射されたレーザビームは、例えば100mradのビーム拡がり角を持つ。   The laser beam emitted from the end face of the optical fiber 62 has a beam divergence angle of 100 mrad, for example.

光ファイバ62から出射されたレーザビームが入射する位置に、前段収束レンズ63が配置されている。その後方に後段収束レンズ64が配置されている。両者の光軸は一致し、z軸に平行である。前段収束レンズ63の焦点距離は、例えば50mmであり、後段収束レンズ64の焦点距離は、前段収束レンズ63の焦点距離よりも長く、例えば500mmである。前段収束レンズ63の後側焦点の位置と、後段収束レンズ64の前側焦点の位置が一致する。後段収束レンズ64の後方に、図1に示した均一化光学系3及びステージ4が配置される。   A pre-converging lens 63 is disposed at a position where the laser beam emitted from the optical fiber 62 is incident. A rear stage converging lens 64 is disposed on the rear side. Both optical axes coincide and are parallel to the z-axis. The focal length of the front stage convergence lens 63 is, for example, 50 mm, and the focal length of the rear stage convergence lens 64 is longer than the focal length of the front stage convergence lens 63, for example, 500 mm. The position of the rear focal point of the front stage converging lens 63 coincides with the position of the front side focal point of the rear stage converging lens 64. The homogenizing optical system 3 and the stage 4 shown in FIG. 1 are disposed behind the rear stage converging lens 64.

複数の光ファイバ62から出射したレーザビームの、前段収束レンズ63の前側焦点面65の位置におけるビーム断面67同士が部分的に重なる。前段収束レンズ63と、それに入射する複数のレーザビームとの関係は、図3に示した第3の収束レンズ15と、それに入射する複数のレーザビームとの関係を同一である。   The beam cross-sections 67 of the laser beams emitted from the plurality of optical fibers 62 partially overlap each other at the position of the front focal plane 65 of the front-stage converging lens 63. The relationship between the front-stage converging lens 63 and the plurality of laser beams incident thereon is the same as that between the third converging lens 15 shown in FIG. 3 and the plurality of laser beams incident thereon.

後段収束レンズ64を通過したレーザビームの各々のビーム拡がり角は10mradになる。前段収束レンズ63の前側焦点面65の位置におけるビーム断面67の状態が、後段収束レンズ64の後側焦点面66の位置に、倍率10倍で転写される。前側焦点面65の位置において、複数のビーム断面67同士が部分的に重なり合っているため、後側焦点面66の位置においても、ビーム断面68同士が部分的に重なり合う。このため、第1の実施例と同様に、実質的に1本のレーザビームのビーム断面内の光強度分布とほぼ同一の光強度分布が得られる。   The beam divergence angle of each laser beam that has passed through the post-converging lens 64 is 10 mrad. The state of the beam cross section 67 at the position of the front focal plane 65 of the front stage converging lens 63 is transferred to the position of the rear side focal plane 66 of the rear stage converging lens 64 at a magnification of 10 times. Since the plurality of beam sections 67 partially overlap at the position of the front focal plane 65, the beam sections 68 also partially overlap at the position of the rear focal plane 66. For this reason, as in the first embodiment, a light intensity distribution substantially the same as the light intensity distribution in the beam cross section of one laser beam can be obtained.

上記第1〜第3の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置を用いることにより、1台のレーザ発振器では実現が困難な高パワーのレーザビームを用いた加工を行うことが可能になる。また、加工対象物5の表面におけるパワー密度を、1台のレーザ発振器を用いた場合と同一にする場合には、レーザビームの入射領域を広げることができる。ビーム断面が一方向に長い長尺ビームを用いた加工を行う場合には、ビーム断面をより長くすることが可能になる。   By using the beam superimposing optical apparatus according to the first to third embodiments, it is possible to perform processing using a high-power laser beam that is difficult to realize with one laser oscillator. In addition, when the power density on the surface of the workpiece 5 is made the same as when one laser oscillator is used, the incident area of the laser beam can be expanded. When processing using a long beam having a long beam cross section in one direction, the beam cross section can be made longer.

上記第1及び第2実施例では、10台のレーザ発振器を用いたが、それ以上のレーザ発振器を用いることも可能である。   In the first and second embodiments, ten laser oscillators are used, but more laser oscillators can be used.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

第1の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置の概略図である。1 is a schematic view of a beam superposing optical device according to a first embodiment. レーザ光源の概略図である。It is the schematic of a laser light source. 重ね合わせ光学系の概略図である。It is a schematic diagram of a superposition optical system. 重ね合わせ光学系の種々の位置における光強度分布を濃淡で示す図である。It is a figure which shows the light intensity distribution in the various positions of a superposition | stacking optical system by shading. 重ね合わせ光学系の種々の位置におけるx軸方向の光強度分布を示す図である。It is a figure which shows the light intensity distribution of the x-axis direction in the various positions of a superposition | stacking optical system. 重ね合わせ光学系の種々の位置におけるy軸方向の光強度分布を示す図である。It is a figure which shows the light intensity distribution of the y-axis direction in the various positions of a superimposition optical system. 均一化光学系の概略図である。It is the schematic of a uniformization optical system. 第2の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置の重ね合わせ光学系の概略図である。It is the schematic of the superimposition optical system of the beam superimposition optical apparatus by a 2nd Example. 第3の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置の概略図である。It is the schematic of the beam superimposition optical apparatus by a 3rd Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザ光源
2 重ね合わせ光学系
2A 拡がり角拡大光学系
2B 拡がり角縮小光学系
3 均一化光学系
4 ステージ
5 加工対象物
30、31、60 レーザ発振器
33 偏光ビームスプリッタ
34 折り返しミラー
10 第1の収束レンズの前側焦点面
11 第1の収束レンズ
12 第2の収束レンズ
13 第2の収束レンズの後側焦点面
14 第3の収束レンズの前側焦点面
15 第3の収束レンズ
16 第4の収束レンズ
17 第4の収束レンズの後側焦点面
20、23、24、27 ビーム断面
24a、27a 合成ビーム断面
46 シリンダアレイ
47 レーザビーム群
49 コンデンサレンズ
50 ホモジナイズ面
61 集光レンズ
62 光ファイバ
63 前段収束レンズ
64 後段収束レンズ
65 前段収束レンズの前側焦点面
66 後段収束レンズの後側焦点面
67、68 ビーム断面
69 仮想平面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 2 Superimposition optical system 2A Spreading angle expansion optical system 2B Spreading angle reduction optical system 3 Uniformation optical system 4 Stage 5 Processing object 30, 31, 60 Laser oscillator 33 Polarization beam splitter 34 Folding mirror 10 First convergence Front focal plane 11 of lens First convergent lens 12 Second convergent lens 13 Rear focal plane 14 of second convergent lens Front focal plane 15 of third convergent lens Third convergent lens 16 Fourth convergent lens 17 Rear focal plane of the fourth convergent lens 20, 23, 24, 27 Beam cross section 24a, 27a Composite beam cross section 46 Cylinder array 47 Laser beam group 49 Condenser lens 50 Homogenizing surface 61 Condensing lens 62 Optical fiber 63 Pre-stage converging lens 64 Rear-stage convergent lens 65 Front-side focal plane of front-stage convergent lens 66 Rear-side focal plane of rear-stage convergent lens 7,68 beam section 69 virtual plane

Claims (11)

中心光線が相互に平行な複数のレーザビームが入射し、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角を大きくして出射させ、出射するレーザビームの中心光線を相互に平行に保ち、かつ出射するレーザビームの中心光線の間隔を、入射したレーザビームの中心光線の間隔よりも狭くすることにより、レーザビーム同士を部分的に重ね合わせる拡がり角拡大光学系と、
前記拡がり角拡大光学系によって部分的に重ね合わされたレーザビームが入射し、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角を小さくして出射させ、かつ出射するレーザビームが部分的に重ね合わされた状態で、これらの中心光線を相互に平行に保つ拡がり角縮小光学系と
を有するビーム重ね合わせ光学装置。
Multiple laser beams whose central rays are parallel to each other are incident and emitted by increasing the beam divergence angle of each of the incident laser beams, and the central rays of the emitted laser beams are kept parallel to each other and emitted. A divergence angle expanding optical system that partially overlaps the laser beams by narrowing the interval between the central rays of the beams to be smaller than the interval between the central rays of the incident laser beams;
In a state where a laser beam partially overlapped by the divergence angle expanding optical system is incident, emitted with a reduced beam divergence angle of each of the incident laser beams, and the emitted laser beams are partially overlapped A beam superposition optical device having a diverging angle reduction optical system that keeps these central rays parallel to each other.
前記拡がり角拡大光学系は、
レーザビームが入射する第1の収束レンズと、
前記第1の収束レンズの後ろ側に配置され、前記第1の収束レンズよりも短い焦点距離を持ち、前記第1の収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする第2の収束レンズと
を含む請求項1に記載のビーム重ね合わせ光学装置。
The divergence angle magnifying optical system is:
A first converging lens on which the laser beam is incident;
A second converging lens disposed behind the first converging lens, having a focal length shorter than that of the first converging lens, and having a rear focal point of the first converging lens as a front focal point; The beam superimposing optical apparatus according to claim 1, comprising:
前記拡がり角拡大光学系は、
レーザビームが入射する第1の収束レンズと、
前記第1の収束レンズの後ろ側に配置され、前記第1の収束レンズよりも短い焦点距離を持ち、前記第1の収束レンズの後側焦点の位置を後側焦点とする第2の発散レンズと
を含む請求項1に記載のビーム重ね合わせ光学装置。
The divergence angle magnifying optical system is:
A first converging lens on which the laser beam is incident;
A second diverging lens disposed behind the first converging lens, having a focal length shorter than that of the first converging lens, and having a rear focal point at the rear focal point of the first converging lens; The beam superimposing optical apparatus according to claim 1.
前記拡がり角縮小光学系は、
前記拡がり角拡大光学系を通過したレーザビームが入射する第3の収束レンズと、
前記第3の収束レンズの後側に配置され、前記第3の収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、前記第3の収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする第4の収束レンズと
を含む請求項1〜3のいずれかに記載のビーム重ね合わせ光学装置。
The divergence angle reduction optical system is:
A third converging lens on which the laser beam that has passed through the divergence angle expanding optical system is incident;
A fourth converging lens disposed on the rear side of the third converging lens, having a focal length longer than that of the third converging lens, and having the position of the rear focal point of the third converging lens as a front focal point; The beam superposition optical apparatus according to any one of claims 1 to 3.
前記拡がり角縮小光学系は、
前記拡がり角拡大光学系を通過したレーザビームが入射する第3の収束レンズと、
前記第3の収束レンズの後側に配置され、前記第3の収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、前記第3の収束レンズの後側焦点の位置を後側焦点とする第4の発散レンズと
を含む請求項1〜3のいずれかに記載のビーム重ね合わせ光学装置。
The divergence angle reduction optical system is:
A third converging lens on which the laser beam that has passed through the divergence angle expanding optical system is incident;
A fourth diverging lens disposed behind the third converging lens, having a focal length longer than that of the third converging lens, and having a back focal point located at the rear focal point of the third converging lens; The beam superposition optical apparatus according to any one of claims 1 to 3.
さらに、前記拡がり角拡大光学系と拡がり角縮小光学系との間に配置され、内面がレーザビームを反射する反射面とされ、両端が開口した筒状光学装置であって、該拡がり角拡大光学系を通過したレーザビームが一方の開口部から入射し、入射したレーザビームを他方の開口部から出射させて該拡がり角縮小光学系に入射させる筒状光学装置を有する請求項1〜5のいずれかに記載のビーム重ね合わせ光学装置。   Furthermore, it is a cylindrical optical device that is disposed between the divergence angle expansion optical system and the divergence angle reduction optical system, has an inner surface as a reflection surface that reflects the laser beam, and has both ends opened. 6. A cylindrical optical device according to claim 1, further comprising: a cylindrical optical device that allows a laser beam that has passed through the system to enter from one opening, emits the incident laser beam from the other opening, and enters the diverging angle reducing optical system. A beam superposition optical device according to claim 1. 前記筒状光学装置の内面は、入射するレーザビームの各々の中心光線と平行な柱面である請求項6に記載のビーム重ね合わせ光学装置。   The beam superimposing optical apparatus according to claim 6, wherein an inner surface of the cylindrical optical device is a column surface parallel to a central ray of each incident laser beam. さらに、前記拡がり角縮小光学系を通過したレーザビームが入射し、入射したレーザビームを、そのビーム断面内に関して複数の小ビームに分割し、分割された小ビームをホモジナイズ面上において重ね合わせることにより、ホモジナイズ面上における光強度分布を均一に近づける均一化光学系を有する請求項1〜7のいずれかに記載のビーム重ね合わせ光学装置。   Further, the laser beam that has passed through the diverging angle reduction optical system is incident, the incident laser beam is divided into a plurality of small beams in the beam cross section, and the divided small beams are superimposed on the homogenized surface. The beam superimposing optical apparatus according to claim 1, further comprising a homogenizing optical system that makes the light intensity distribution on the homogenizing surface closer to uniform. 出射端が、ある平面に沿って並び、出射端から出射するレーザビームの中心光線が相互に平行になるように配置された複数の光ファイバと、
前記光ファイバの入射端に、それぞれレーザビームを入射させる複数のレーザ光源と、
前記光ファイバの出射端から出射され、あるビーム拡がり角をもって伝搬するレーザビーム同士が部分的に重なった状態で入射する前段収束レンズと、
前記前段収束レンズを通過したレーザビームが入射し、該前段収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、該前段収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする後段収束レンズと
を有するビーム重ね合わせ光学装置。
A plurality of optical fibers arranged such that the emission ends are arranged along a plane and the central rays of the laser beams emitted from the emission ends are parallel to each other;
A plurality of laser light sources that respectively make laser beams incident on the incident end of the optical fiber;
A pre-stage converging lens that is incident from a laser beam that is emitted from the emission end of the optical fiber and propagates with a certain beam divergence angle partially overlapping;
Beam superposition optics having a rear stage converging lens on which the laser beam that has passed through the front stage converging lens is incident, has a focal length longer than that of the front stage converging lens, and has the rear focal point of the front stage converging lens as the front focal point apparatus.
さらに、前記後段レンズを通過したレーザビームが入射し、入射したレーザビームを、そのビーム断面内に関して複数の小ビームに分割し、分割された小ビームをホモジナイズ面上において重ね合わせることにより、ホモジナイズ面上における光強度分布を均一に近づける均一化光学系を有する請求項9に記載のビーム重ね合わせ光学装置。   Further, the laser beam that has passed through the latter lens is incident, the incident laser beam is divided into a plurality of small beams with respect to the cross section of the beam, and the divided small beams are superimposed on the homogenized surface, thereby producing a homogenized surface. The beam superimposing optical apparatus according to claim 9, further comprising a homogenizing optical system that makes the light intensity distribution on the top approach uniform. 前記請求項8または10に記載されたビーム重ね合わせ装置の前記ホモジナイズ面の位置に加工対象物を配置する工程と、
前記加工対象物に、光強度分布が均一化されたレーザビームを入射させてレーザ加工を行う工程と
を有するレーザ加工方法。
Disposing a processing object at a position of the homogenized surface of the beam superimposing apparatus according to claim 8 or 10;
A laser processing method including performing a laser processing by causing a laser beam having a uniform light intensity distribution to enter the processing object.
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