JP2007101844A - 回折型ビームホモジナイザ - Google Patents

Abstract

【課題】 回折型の光学部品を用いてレーザビームを集光しつつ所定の断面強度分布に整形する回折型ビームホモジナイザにおいて、像面より後方に集光点が発生しないようにして、ワークや転写光学系の損傷を未然に防止する。
【解決手段】 表面に形成された微細な凹凸パターンによってレーザビーム２に光路差を発生させ、そのレーザビーム２の空間伝搬時に等位相面を形成する光の回折現象を利用することにより、レーザビーム２を集光しつつ所定の像面４において任意の断面強度分布に整形する光学部品１Ａよりなる回折型ビームホモジナイザにおいて、その光学部品に１Ａよるレーザビーム２の集光点５が像面４の手前に位置するように当該光学部品１Ａの集光倍率を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工や表面改質処理等の技術分野に適用される回折型ビームホモジナイザに関する。

加工用途を目的とする高出力レーザシステムの発展には目覚ましいものがあり、鉄鋼や自動車の製造における切断、溶接から電子部品の微細穴あけ、液晶や半導体デバイスのアニーリング等の様々な産業分野で実用化が進展している。これは、レーザビームの高出力化や性能、品質、安定性の飛躍的向上によるところが大きい。
レーザビームの断面強度分布はガウス分布（シングルモード）が主流である。これはレンズによって理論的限界（回折限界）まで集光できるという特徴があるが、レーザ加工用途の多様化に伴い、不均一なガウス強度分布ではなく、均一な強度分布や目的に応じた任意の強度分布に対するニーズも高まっている。

均一な断面強度分布を得る手段としては、レーザビームの断面を縦横に多数に分断し、光学系によって所定位置に分断ビームを重ね合わせて平均化する重畳方式があり、例えばカライドスコープやインテグレータがそれに該当する。インテグレータは、多面体の構造によってレーザビームの断面を分割して重ね合わせることで、ある程度まで強度の均一化が可能であるが、干渉性に優れたレーザ光源を用いるとスパイク状に強度が乱れることが知られている。

一方、レーザビームを分割重畳しない強度均一化の方式として、非球面ビームホモジナイザと回折型ビームホモジナイザがある。このうち、前者の非球面ビームホモジナイザでは、ガウス型の光線密度分布を均一分布に変換するように各光線の屈折角が非球面によって制御されるようになっている。この場合、各光線が交差しないように制御されるので、干渉が起こらず高均一性が得られるという特徴がある反面、非球面が光軸を中心とした回転対称形であるため、断面円形の均一ビームしか得られないという欠点がある。

これに対して、後者の回折型ビームホモジナイザは、回折型光学部品（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）をホモジナイザとして応用したものである。ＤＯＥは、屈折等の幾何光学を利用したものではなく、ミクロン単位の微細な凹凸（画素）を光学部品の表面に付けることにより、光の回折現象を利用した光学部品である。これは光の位相を直接制御することから、レーザ加工だけでなく光通信等の応用分野もあるが、レーザ加工においては、ビーム分岐、ビームシェイプ及びビームホモジナイズといった応用が考えられている。

図３は、回折型ビームホモジナイザを用いた従来の光学系の概略構成図である。
同図に示すように、この従来のホモジナイザ１は、ガウス分布のレーザビーム２を光の回折現象を利用してほぼ均一な矩形の断面強度分布に整形するホモジナイズ機能と、そのレーザビーム２を像面４において所定の大きさに集光する集光機能とを併有する光学部品１Ａにより構成されている。

図３に示すように、従来の回折型ビームホモジナイザ１を用いた光学系では、光学部品１Ａから像面４までの距離が同光学部品１Ａから整形ビーム３の集光点５までの距離より小さくなるように当該光学部品１Ａによる集光倍率が設定され、像面４の後方にレーザビーム２の集光点５が発生するようになっている。
このため、図４に示すように、例えば加工対象物（ワーク）６が光の透過性を有する材料である場合には、ワーク６の内部に生じた集光点５での高いエネルギーによって当該ワーク６が損傷する恐れがある。

また、図５に示すように、像面４の後方に転写光学系７を配置する場合には、光学部品１Ａによって集光された均一の整形ビーム３が極めて小スポットの状態で転写光学系７を構成する対物レンズ８に照射されることになる。このため、転写光学系７を構成するレンズの表面コート（ＡＲコート等）が、非常に高エネルギー密度に集光されたビームによって損傷したり、特に紫外線領域の短波長ビームの場合にはレンズの構成材料が変色したりする恐れがある。

本発明は、このような実情に鑑み、回折型の光学部品を用いてレーザビームを集光しつつ所定の断面強度分布に整形する回折型ビームホモジナイザにおいて、像面より後方に集光点が発生しないようにして、ワークや転写光学系の損傷を未然に防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明は、表面に形成された微細な凹凸パターンによってレーザビームに光路差を発生させ、そのレーザビームの空間伝搬時に等位相面を形成する光の回折現象を利用することにより、前記レーザビームを集光しつつ所定の像面において均一などの任意の断面強度分布に整形する光学部品よりなる回折型ビームホモジナイザにおいて、前記光学部品による前記レーザビームの集光点が前記像面の手前に位置するように当該光学部品の集光倍率が設定されていることを特徴とすることを特徴とする。

上記の本発明に係る回折型ビームホモジナイザによれば、光学部品によるレーザビームの集光点が像面の手前に位置するように当該光学部品の集光倍率が設定されているので、その光学部品によって均一な強度分布に整形されたビームは集光点を過ぎてから発散光の状態で像面に照射され、像面の後方に集光点が発生することがない。
このため、加工対象物（ワーク）が光の透過性を有する材料である場合には、集光点での高エネルギーによって当該ワークが損傷するのを未然に防止することができ、また、像面の後方に転写光学系を配置する場合には、集光点での高エネルギーによってその転写光学系を構成する対物レンズの損傷や変色を未然に防止することができる。

本発明に係る回折型ビームホモジナイザでは、より具体的には、入射前のレーザビームの断面強度分布としてはガウス分布を採用することができ、また、像面において整形された断面強度分布がほぼ均一なるものを採用することができる。

以上の通り、本発明の回折型ビームホモジナイザによれば、像面よりも後方に集光点が発生しないので、ワークや転写光学系の損傷を未然に防止することができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係るレーザ光学系の概略構成を示している。
この図１に示すように、本実施形態のレーザ光学系は、レーザ発振器（図示せず）から入射された例えば波長５３２ｎｍのレーザビーム２を所定の断面強度分布に整形しかつ集光する回折型ビームホモジナイザ（以下、ＤＯＥホモジナイザという。）を備えている。

具体的には、このＤＯＥホモジナイザ１は、断面強度分布がガウシアン分布のレーザビーム２を均一な強度分布にするホモジナイズ機能と、同ビーム２を集光する集光機能とを併有する光学部品１Ａよりなる。すなわち、当該ＤＯＥホモジナイザ１は、回折型光学部品（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）をホモジナイザとして応用したものであり、表面に付けられたミクロン単位の微細な凹凸（画素）によって光の回折現象を発生させ、これによってガウシアン分布のレーザビーム２を例えば断面矩形でかつ断面強度分布が均一な整形ビーム３に変換する機能を有している。

また、このホモジナイザ１は、進行方向に向かって整形ビーム４の断面積を小さくする集光機能を併有しており、具体的には、数ミリから数十ミリオーダーの直径を有する円形断面のガウシアン分布のレーザビーム２が像面４において数ミリ以下四方の均一な正方形断面に整形かつ集光されるようになっている。
そして、本実施形態のＤＯＥホモジナイザ１を構成する光学部品１Ａでは、レーザビーム２の集光点５が像面４の手前に位置するように当該光学部品１Ａの集光倍率が設定されている。なお、この場合の「手前」とは、像面４よりもホモジナイザ１側（図１の左側）に位置することを意味する。

上記構成に係るレーザ光学装置１によれば、レーザ発振器から入射されたガウシアン分布のレーザビーム２は、回折型ビームホモジナイザ１によって断面が正方形状の均一強度分布の整形ビーム３に変換され、この整形ビーム３は像面４の手前の集光点５を経て発散光の状態で当該像面４に照射される。
このように、集光点５を像面４の手前に配置することにより、均一な強度分布の整形ビーム３が発散光の状態で像面４に照射されるので、その像面４に照射された整形ビーム３が当該像面４の後方において更に集光されることがない。

このため、例えば図２に示すように、加工対象物（ワーク）６が光の透過性を有する材料である場合には、集光点５での高エネルギーによって当該ワーク６が損傷するのを未然に防止することができる。また、像面４の後方に転写光学系７を配置する場合（図５参照）には、集光点５での高エネルギーによってその転写光学系７を構成する対物レンズ８の損傷や変色を未然に防止することができる。
従って、転写光学系７を構成するレンズの損傷を有効に防止することができ、転写光学系７の長寿命化を図ることができる。また、転写光学系７でのビームの収束の心配がないので、より高出力のレーザの使用が可能となり、レーザ光学系としての応用範囲が広がるという利点もある。

なお、上記実施形態は例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更も本発明の範囲に含まれる。
例えば、本発明のＤＯＥホモジナイザ１に使用されるレーザの波長は任意であり、赤外、可視及び紫外のどの波長の光源にも本発明を適用することができる。

以下に、本発明に係るＤＯＥホモジナイザと従来のＤＯＥホモジナイザの設計例（実施例）について説明する。この設計例でのレーザ条件やＤＯＥホモジナイザの緒元は次の通りである。
・レーザ波長：５３２ｎｍ
・レーザの入射ビーム系：φ３ｍｍ
・ＤＯＥ−像面（均一強度分布の形成位置）間の距離：１００ｍｍ
・均一強度の分布サイズ：３００μｍ平方
・ＤＯＥ基板の材質：合成石英

図８（ａ）は、従来のＤＯＥホモジナイザの位相分布を示しており、図８（ｂ）は、従来ＤＯＥホモジナイザの像面での強度分布（二次元グレイスケール表示）を示している。
また、図９は、従来のＤＯＥホモジナイザを通過した整形ビームの、ビーム伝搬方向の各位置における断面強度分布のプロフィルを示している。この図９からも明らかな通り、従来のＤＯＥホモジナイザでは、ホモジナイザから像面に至るまでの間で集光点が存在しないため、像面の後方において強度が次第に増加し、特に集光点において過大な強度分布が発生する。

これに対して、図６（ａ）は、本発明に係るＤＯＥホモジナイザの位相分布を示しており、図６（ｂ）は、本発明のＤＯＥホモジナイザの像面での強度分布（二次元グレイスケール表示）を示している。
また、図７は、本発明に係るＤＯＥホモジナイザを通過した整形ビームの、ビーム伝搬方向の各位置における断面強度分布のプロフィルを示している。この図７からも明らかな通り、本発明に係るＤＯＥホモジナイザでは、像面の手前（ＤＯＥ側）に集光点が配置されているため、像面の後方において強度が次第に低下し、過大な強度分布は発生しない。

上記した本発明に係るＤＯＥホモジナイザを使用して像面におけるワークの加工や、転写光学系を通過させてのレーザ加工を行ったが、ワークの損傷、転写光学系を構成する各レンズの表面コートの損傷、及び、レンズの構成材料の変色等は発生しなかった。

本発明のＤＯＥホモジナイザを用いたレーザ光学系の概略構成図である。 本発明のＤＯＥホモジナイザと加工対象物（ワーク）との位置関係を示す図である。 従来のＤＯＥホモジナイザを用いたレーザ光学系の概略構成図である。 従来のＤＯＥホモジナイザと加工対象物（ワーク）との位置関係を示す図である。 従来のＤＯＥホモジナイザと転写光学系との位置関係を示す図である。 （ａ）は、本発明のＤＯＥホモジナイザの位相分布であり、（ｂ）は、同ホモジナイザの像面での強度分布（二次元グレイスケール表示）である。 本発明のＤＯＥホモジナイザを通過した整形ビームの、ビーム伝搬方向の各位置における断面強度分布のプロフィルである。 （ａ）は従来ＤＯＥホモジナイザの位相分布であり、（ｂ）は同ホモジナイザの像面での強度分布（二次元グレイスケール表示）である。 従来のＤＯＥホモジナイザを通過した整形ビームの、ビーム伝搬方向の各位置における断面強度分布のプロフィルである。

符号の説明

１ 回折型ビームホモジナイザ
１Ａ 光学部品
２ レーザビーム
３ 整形ビーム
４ 像面
５ 集光点
６ 加工対象物（ワーク）
７ 転写光学系
８ 対物レンズ

Claims (3)

1. 表面に形成された微細な凹凸パターンによってレーザビームに光路差を発生させ、そのレーザビームの空間伝搬時に等位相面を形成する光の回折現象を利用することにより、前記レーザビームを集光しつつ所定の像面において任意の断面強度分布に整形する光学部品よりなる回折型ビームホモジナイザにおいて、
   前記光学部品による前記レーザビームの集光点が前記像面の手前に位置するように当該光学部品の集光倍率が設定されていることを特徴とする回折型ビームホモジナイザ。
2. 前記像面において整形された断面強度分布がほぼ均一であることを特徴とする請求項１に記載の回折型ビームホモジナイザ。
3. 入射前の前記レーザビームの断面強度分布がガウス分布であることを特徴とする請求項１に記載の回折型ビームホモジナイザ。