JP2008145463A - Elliptic beam shaping optical system and uniformity improving method thereof - Google Patents

Elliptic beam shaping optical system and uniformity improving method thereof Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To shape a Gaussian distribution laser beam into an elliptic cross-section beam having homogeneous power. <P>SOLUTION: The elliptic beam shaping optical system comprises: a cylindrical lens Z1 configured to shape the Gaussian beam having a diameter D into the homogeneous beam having an elliptic cross-section (aspect ratio a); an intensity conversion lens Z2 having a focal length L2, disposed at a distance (d) from the lens Z1, configured to shape the Gaussian beam to the homogeneous beam; and an image surface I disposed at a distance (b) from the lens Z2; wherein the minor diameter of the beam at the surface of the lens Z2 made by the cylindrical lens Z1 is D', the composite focal length of the lenses Z1 and Z2 is L, the focal length L2 of the intensity conversion lens Z2 is calculated so as to establish Db=LD', and the elliptic shape formed on the image surface by the lenses having the focal lengths L1 and L2 is obtained, when the aspect ratio does not reach the desired one, L2 is increased within the extent of 2(Db(L1-d))/(D'L1-Db)≥L2≥(Db(L1-d))/(D'L1-Db), the L2 is repeatedly increased until the aspect ratio (a) on the image surface reaches the desired value. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、ガウシアン分布するレーザビームから、楕円断面で均一パワー密度を持つレーザビームを生成する楕円ビーム生成光学系に関する。強いパワー密度を持つレーザビームによって対象物に穴開け、熱処理、切断、溶接などの処理をすることをレーザ加工という。   The present invention relates to an elliptical beam generating optical system that generates a laser beam having a uniform power density in an elliptical cross section from a laser beam having a Gaussian distribution. Laser processing refers to drilling, heat treatment, cutting, welding, etc. in an object with a laser beam having a strong power density.

レーザ加工は、対象物や目的によって炭酸ガスレ−ザ、YAGレーザなどのパルス光や連続光が用いられる。レーザビームは、中心部でパワー密度が高く、周辺部で低い不均一パワー分布をしている。実際には分布は様々であるが、理想的にはガウシアン分布するので、レーザからのビームを簡単にガウシアンビームと呼ぶ。   Laser processing uses pulsed light or continuous light such as a carbon dioxide laser or YAG laser depending on the object and purpose. The laser beam has a high power density at the center and a low non-uniform power distribution at the periphery. Actually, there are various distributions, but ideally a Gaussian distribution is used, so the beam from the laser is simply called a Gaussian beam.

レーザビームはそのまま(ガウシアンビーム)で加工に利用できることもあるが、ある範囲でパワー密度が均一であることが望まれることもある。対象物に丸穴を穿孔したいという場合は、ガウシアンビームをレンズまたは回折型光学部品である円領域で一様のパワー密度を持つビーム(トップハット)に変換してから、レンズで絞って対象物に照射する。   The laser beam may be used as it is (Gaussian beam) for processing, but it may be desired that the power density is uniform within a certain range. If you want to drill a round hole in an object, convert the Gaussian beam to a beam (top hat) with a uniform power density in a circular area that is a lens or diffractive optical component, and then squeeze it with the lens. Irradiate.

頻度はそれほど多くないが、対象物に楕円の穴を穿孔したいという場合もある。その場合、ガウシアン分布の楕円ビームで良いということもあるが、目的によっては均一パワー分布する楕円分布のレーザ光が必要だということもある。均一パワー分布する楕円断面のビームを作る手段は未だにない。均一パワー分布する円形断面のレ−ザ光を生成する方法は、既に幾つか存在する。そこで、楕円開口部を持つマスクで均一パワー円形断面のビームを楕円ビームに変形するという方法も考えられるが、それではビームのパワーの一部が損失になるので望ましくない。パワー損失なしに、円形断面ガウシアンビームを楕円均一パワービームに変換することが望まれる。   Although it is not very frequent, there are cases where it is desired to drill an elliptical hole in an object. In that case, an elliptical beam with a Gaussian distribution may be sufficient, but depending on the purpose, a laser beam with an elliptical distribution with a uniform power distribution may be required. There is still no means to create a beam with an elliptical cross section with uniform power distribution. There are already several methods for generating laser light with a circular cross section with uniform power distribution. Thus, a method of transforming a beam having a uniform power circular cross section into an elliptical beam by using a mask having an elliptical aperture can be considered, but this is not desirable because a part of the beam power is lost. It would be desirable to convert a circular cross-section Gaussian beam into an elliptically uniform power beam without power loss.

円形断面の光を楕円断面に変換するには、シリンドリカルレンズを利用すれば良い。シリンドリカルレンズは一軸性のレンズである。軸方向に同一の凸型断面を持つ。軸方向には集光性がなく軸直交方向にだけ集光性がある。だから円形断面のビームを楕円断面に変換することができる。しかしそれだけでは均一パワー分布する楕円断面のビームを作ることはできない。   In order to convert light having a circular cross section into an elliptical cross section, a cylindrical lens may be used. A cylindrical lens is a uniaxial lens. Has the same convex cross section in the axial direction. There is no light collecting property in the axial direction, and there is light collecting property only in the direction perpendicular to the axis. Therefore, a beam having a circular cross section can be converted into an elliptical cross section. However, it is not possible to make an elliptical cross section beam with uniform power distribution.

円形断面のガウシアンビームを円形断面の均一パワー密度(トップハット)に変換するレンズ光学系、回折型光学部品(DOE)光学系も存在する。シリンドリカルレンズと均一パワー分布円形断面ビームに変換するレンズ系を組み合わせると、均一楕円断面のビームができる筈である。しかしそれには未だ問題がある。   There are also lens optical systems and diffractive optical component (DOE) optical systems that convert a Gaussian beam with a circular cross section into a uniform power density (top hat) with a circular cross section. Combining a cylindrical lens and a lens system that converts to a uniform power distribution circular section beam should produce a beam with a uniform elliptical section. But it still has problems.

円形断面のガウシアンビームを円形断面の均一パワー密度(トップハット)に変換するレンズ光学系は、様々な人によって提案されている。例えば特許文献1のようなものがある。これは2枚の非球面レンズZh、Zqを組み合わせたものである。図1に、ガウシアンビームを円形断面均一パワー分布に変える特許文献1に提案されたレンズ系を示す。ビームの伝搬方向をz方向とし、レンズ面はxy面とする。   A lens optical system that converts a Gaussian beam having a circular section into a uniform power density (top hat) having a circular section has been proposed by various people. For example, there exists a thing like patent document 1. FIG. This is a combination of two aspheric lenses Zh and Zq. FIG. 1 shows a lens system proposed in Patent Document 1 that changes a Gaussian beam into a circular cross-section uniform power distribution. The beam propagation direction is the z direction, and the lens surface is the xy plane.

Zhは、ガウシアン分布するビームをある面で、ある半径Rmの範囲で一定強度にし、その外側では強度を0にする(強度分布が山高帽に似ているのでトップハットと言う)もので、強度変換レンズと呼ぶ。強度変換レンズZhは、前面は平坦で後面は中央で窪み60を有し、中間部に凸部62、63を有し、周辺では厚みが減少する面となっている。つまり凸凹凸の形状である。レンズなので軸線周りに同じ形状を持つ回転対称性がある。凸部62、63は、だから一続きのものである。反対に、後面を平坦にし前面を凸凹凸の形状にしてもよい。前後面に凹凸を配分してもよい。それは中央部ではビームを広げ、周辺部ではビームを縮めるようにするためである。球面レンズでは製作するのが難しいので非球面レンズとする。非球面と言っても回転対称性はあり、素材を回転させながら刃物で表面を削り、曲面を創成してゆく。   Zh is a Gaussian-distributed beam that has a certain intensity within a certain radius Rm, and zero intensity outside that area (it is called a top hat because the intensity distribution resembles a bowler hat). This is called a conversion lens. The intensity conversion lens Zh has a flat front surface, a rear surface having a recess 60 at the center, convex portions 62 and 63 in the middle, and a thickness decreasing surface in the periphery. That is, it has a convex and concave shape. Since it is a lens, it has rotational symmetry with the same shape around the axis. Therefore, the convex portions 62 and 63 are continuous. On the contrary, the rear surface may be flat and the front surface may be convex and concave. Concavities and convexities may be distributed on the front and rear surfaces. This is because the beam is expanded in the central part and the beam is contracted in the peripheral part. Since it is difficult to manufacture with a spherical lens, an aspherical lens is used. Even if it is called an aspherical surface, it has rotational symmetry, and the surface is cut with a blade while rotating the material to create a curved surface.

強度変換レンズZhによって、入射ビームWがある半径U内で均一パワー分布になるが、位相が歪んでいる。そこでビームの位相を揃え、ビームの方向を軸線方向に直す必要がある。そのためにもう一つのレンズが設けられる。それが位相補正レンズZqである。これは前面中央部近くが凸面66で中間部が凹部64、65を持ち、周辺部が平板のレンズである。円筒対称であり、凹部64、65は一つのものである。これも球面では作りにくくて、非球面レンズとする。強度変換レンズと位相補正レンズの距離をgとする。gを均一化距離と呼ぶ。Zh,Zqは半径Wでガウシアン分布するビームを半径Uの均一パワーにするレンズである。だから入射ガウシアンビーム半径Wを均一化可能半径Wと呼ぶこともある。均一化する前の半径である。これに対して均一化後の半径を均一化半径Uと言う。均一化可能半径Wと均一化半径Uと均一化距離gが強度変換レンズZh、位相補正レンズZqの重要なパラメータである。ガウシアンビームの半径Wというのは、中央部の強度を1とし、exp(−2)に強度が低下した所までの中央からの距離として定義する。   With the intensity conversion lens Zh, the incident beam W has a uniform power distribution within a certain radius U, but the phase is distorted. Therefore, it is necessary to align the beam phase and change the beam direction to the axial direction. For this purpose, another lens is provided. That is the phase correction lens Zq. This is a lens having a convex surface 66 near the front central portion, concave portions 64 and 65 at the middle portion, and a flat plate at the peripheral portion. It is cylindrically symmetric and the recesses 64 and 65 are one. This is also difficult to make with a spherical surface, and is an aspherical lens. Let g be the distance between the intensity conversion lens and the phase correction lens. g is called a uniform distance. Zh and Zq are lenses that make a Gaussian-distributed beam with a radius W a uniform power with a radius U. Therefore, the incident Gaussian beam radius W may be referred to as a uniformizable radius W. This is the radius before equalization. On the other hand, the radius after homogenization is referred to as the homogenization radius U. The uniformizable radius W, uniformizing radius U, and uniformizing distance g are important parameters of the intensity conversion lens Zh and the phase correction lens Zq. The radius W of the Gaussian beam is defined as the distance from the center to the place where the intensity is reduced to exp (−2), where the intensity at the center is 1.

図1のホモジナイザーレンズはW=Uの例である。しかしWが必ずUに等しくなくても良い。ここでは半径Wのガウシアンビームを半径Uの均一化ビームにするのが強度変換レンズZhであり、半径Uの均一化ビームを半径Uの位相同一平行ビームにするのが位相補正レンズZqである。図1に示すように強度変換レンズZhから位相補正レンズZqまでの距離gは明確に決まっている。その値より近くても遠くても位相補正レンズZqによって位相同一平行ビームに直す事はできない。   The homogenizer lens in FIG. 1 is an example of W = U. However, W is not necessarily equal to U. Here, the intensity conversion lens Zh converts the Gaussian beam with the radius W into a uniform beam with the radius U, and the phase correction lens Zq changes the uniform beam with the radius U into a phase-in-parallel beam with the radius U. As shown in FIG. 1, the distance g from the intensity conversion lens Zh to the phase correction lens Zq is clearly determined. Even if it is closer or farther than that value, it cannot be converted into a phase-parallel beam by the phase correction lens Zq.

レーザからのガウシアンビームに含まれる光線を70〜82で示す。強度変換レンズZhの端の方に入射した光線70、71、82は凸面62、63の傾きの外にあるからZhで内方へ曲がる。位相補正レンズZqの凹部64、65の外に至り、ここで軸線に平行なビームとなる。周辺部の弱いパワーが集められて強度が増強される。中央部のパワー密度の高い光線73〜80は強度変換レンズZhの凹面60で広げられる。位相補正レンズZqに至る時にはかなり分散している。それがZqによって平行で位相の揃った光線となる。丁度凸部62を通る光線は、ほぼ直進して位相補正レンズZqの凹部64に至り、平行性を得る。そのようにガウシアンビームの中央部の光線は広げられ、周辺部の光線は縮められて、位相補正レンズZqの直後では位相が揃った強度分布が均一のトップハットビームとなる。このようなレンズをホモジナイザーと呼ぶこともある。円形断面のガウシアンビームを円形断面のトップハットとするものである。   Light rays included in the Gaussian beam from the laser are indicated by 70 to 82. Since the light rays 70, 71 and 82 incident on the end of the intensity conversion lens Zh are outside the inclination of the convex surfaces 62 and 63, they bend inward at Zh. It reaches the outside of the recesses 64 and 65 of the phase correction lens Zq, and becomes a beam parallel to the axis. The weak power at the periphery is collected to increase the strength. Light rays 73 to 80 having a high power density at the center are spread by the concave surface 60 of the intensity conversion lens Zh. When reaching the phase correction lens Zq, it is considerably dispersed. It becomes a light beam that is parallel and in phase by Zq. The light beam that has just passed through the convex portion 62 travels substantially straight and reaches the concave portion 64 of the phase correction lens Zq to obtain parallelism. As described above, the light beam at the center of the Gaussian beam is expanded and the light beam at the peripheral part is contracted, and a top hat beam having a uniform intensity distribution is obtained immediately after the phase correction lens Zq. Such a lens is sometimes called a homogenizer. A Gaussian beam having a circular cross section is used as a top hat having a circular cross section.

特許文献1以外にも沢山の均一化のためのレンズ系が提案されている。ガウシアンビームの半径Wと均一化ビームの半径Uが異なるものもあるが、それは集光作用あるいは発散作用を与える凸面、凹面をレンズに付加すればよいのであって、基本は特許文献1のようなものである。   In addition to Patent Document 1, many lens systems for homogenization have been proposed. In some cases, the radius W of the Gaussian beam is different from the radius U of the homogenized beam. However, it is only necessary to add a convex surface or a concave surface that gives a condensing action or a diverging action to the lens. Is.

ところが楕円断面のビームで均一化するような光学系は未だ存在しない。円形断面ビームを楕円断面に変形するために、シリンドリカルレンズが第一の候補に上がるであろう。シリンドリカルレンズと上記図1のホモジナイザーレンズを組み合わせると均一分布の楕円ビームが得られるように思われるであろう。
However, there is still no optical system that makes uniform with an elliptical cross section beam. In order to transform the circular cross-section beam into an elliptical cross-section, a cylindrical lens will rise to the first candidate. Combining the cylindrical lens with the homogenizer lens of FIG. 1 will appear to yield a uniformly distributed elliptical beam.

図2、図3にシリンドリカルレンズと円形均一ビームに変換するホモジナイザーレンズを組み合わせたビーム整形光学系の例を示す。これは実験のための光学系であり、楕円断面ビームの生成用に実際に使用されているのではない。図2はzy断面を示す。図3はzx断面を示す。そのようにシリンドリカルレンズZs、Ztはy方向だけビームを縮小する。   2 and 3 show an example of a beam shaping optical system in which a cylindrical lens and a homogenizer lens for converting into a circular uniform beam are combined. This is an experimental optical system and is not actually used for the generation of elliptical cross-section beams. FIG. 2 shows a zy cross section. FIG. 3 shows a zx cross section. As described above, the cylindrical lenses Zs and Zt reduce the beam only in the y direction.

この光学系はシリンドリカル凸レンズZsとシリンドリカル凹レンズZtと非球面タイプの強度変換レンズZhの3枚から構成される。位相補正レンズZqは省いてある。そのかわり位相補正レンズの位置に像面Iを置く。   This optical system is composed of three lenses: a cylindrical convex lens Zs, a cylindrical concave lens Zt, and an aspheric type intensity conversion lens Zh. The phase correction lens Zq is omitted. Instead, the image plane I is placed at the position of the phase correction lens.

シリンドリカル凸レンズZsとシリンドリカル凹レンズZtはビームをy方向だけ縮小しx方向はそのままの寸法を維持するようなレンズである。y方向だけに有限の曲率を持ち、x方向には曲率が0であるようなレンズである。Zsはy方向のみに凸、Ztはy方向のみに凹である。楕円断面の平行ビームにするために二つのレンズを組み合わせる必要がある。ZsとZtを含めてレデューサーレンズという。ZsとZtの距離をd’、ZtとZhの距離をe、Zhと像Jの距離をgとする。   The cylindrical convex lens Zs and the cylindrical concave lens Zt are lenses that reduce the beam only in the y direction and maintain the same dimensions in the x direction. The lens has a finite curvature only in the y direction and has a curvature of 0 in the x direction. Zs is convex only in the y direction, and Zt is concave only in the y direction. It is necessary to combine two lenses to make a parallel beam with an elliptical cross section. It is called a reducer lens including Zs and Zt. The distance between Zs and Zt is d ', the distance between Zt and Zh is e, and the distance between Zh and image J is g.

円形断面のガウスビーム5を、レデューサーレンズZs、Ztによって異方性収束ビーム6にする。Ztの後では軸線に平行な楕円断面ビーム7となる。それはx方向にもy方向にもガウスパワー分布を持つ。   The Gaussian beam 5 having a circular cross section is turned into an anisotropic convergent beam 6 by the reducer lenses Zs and Zt. After Zt, the beam becomes an elliptical cross section beam 7 parallel to the axis. It has a Gaussian power distribution in both the x and y directions.

それを強度変換レンズZhでパワー均一化ビーム8とする。   This is converted into a power uniform beam 8 by the intensity conversion lens Zh.

位相補正レンズZqのあるべき位置に像面Iを設ける。像面Iの上に楕円断面の像Jができる。図1のような均一光学系でZhとZqの距離をgとする場合、Zhと像面Iの距離をgに等しくとる。像Jで少なくともx方向のパワー分布は均一に近くなる筈である。   An image plane I is provided at a position where the phase correction lens Zq should be. An image J having an elliptical cross section is formed on the image plane I. In the uniform optical system as shown in FIG. 1, when the distance between Zh and Zq is g, the distance between Zh and the image plane I is set equal to g. In the image J, the power distribution in at least the x direction should be nearly uniform.

米国特許第3,476,463US Pat. No. 3,476,463

図2、3のZs+Zt+Zhの光学系でガウシアンビームを整形すると、図4、図5に示すような分布になる。図4で横軸は像面Iにおける像Jのビーム断面の長径側(長軸)における中心からの半径方向の距離である。図5で横軸は像面Iにおける像Jのビーム断面の短径側(短軸)における中心からの半径方向の距離である。縦軸はビーム強度である。図4のようにビーム強度は長径側では均一な分布になる。しかし図5のように短径側の強度分布が均一にならない。図8(1)に楕円断面でのパワー分布を等高線で示す。   When the Gaussian beam is shaped by the optical system of Zs + Zt + Zh in FIGS. 2 and 3, the distribution is as shown in FIGS. In FIG. 4, the horizontal axis represents the distance in the radial direction from the center on the long diameter side (long axis) of the beam cross section of the image J on the image plane I. In FIG. 5, the horizontal axis is the distance in the radial direction from the center on the short diameter side (short axis) of the beam cross section of the image J on the image plane I. The vertical axis represents the beam intensity. As shown in FIG. 4, the beam intensity has a uniform distribution on the longer diameter side. However, the intensity distribution on the minor axis side is not uniform as shown in FIG. FIG. 8A shows the power distribution in the elliptical cross section with contour lines.

シリンドリカルレンズに入射するビーム径が、ビーム整形レンズでビーム均一化するための仕様値であることを前提とすると、長径側の強度分布は均一になる。ところが短径側は、ビーム整形レンズに入射するビーム径がシリンドリカルレデューサーにより仕様値より小さくなるので、均一にならない。これは、設計仕様より入射ビーム径が小さくなると急峻性や均一性が損なわれるビーム整形レンズ(強度変換レンズ)Zh特有の特性によるものである。   Assuming that the beam diameter incident on the cylindrical lens is a specification value for making the beam uniform by the beam shaping lens, the intensity distribution on the major axis side becomes uniform. However, the short diameter side is not uniform because the beam diameter incident on the beam shaping lens is smaller than the specification value by the cylindrical reducer. This is due to the characteristics peculiar to the beam shaping lens (intensity conversion lens) Zh that the steepness and uniformity are impaired when the incident beam diameter becomes smaller than the design specification.

そうすると、強度変換レンズZhを回転対称の形状でなく、xy方向に異方性を持つようにし、x方向(長軸方向)にはそのままで、y軸(短軸)方向には凸凹凸の形状を縮小すれば良いはずである。シリンドリカルレンズによるy方向の縮小比に等しく凸凹凸の寸法を縮小すると問題はなくなる筈である。そうすればxy方向に均一な楕円断面ビームが得られる。   Then, the intensity conversion lens Zh is not rotationally symmetric, but has anisotropy in the xy direction, and remains in the x direction (major axis direction) and has a convex and concave shape in the y axis (minor axis) direction. Should be reduced. If the size of the convex and concave portions is reduced to be equal to the reduction ratio in the y direction by the cylindrical lens, there should be no problem. Then, an elliptical cross section beam uniform in the xy direction can be obtained.

しかしながら回転対称性のないレンズは作りにくい。非球面レンズであっても、素材を軸廻りに回転させながら刃物で凹凸面を削ってゆくのである。だからどうしても回転対称性あるレンズしか作ることができない。楕円断面で均一パワーを生成するため、凹凸面が楕円分布をしたレンズの表面の高さ分布は、いくらでも計算することができる。しかし計算できるということと、作製できるということは別である。素材を回転させながら作るのでは、非回転対称のレンズを作ることはできない。型で作るプラスチックレンズならできようが、石英や光学ガラスで、非回転対称のレンズは簡単には製作できない。手間を掛けるとできるが高コストになり実用的でない。   However, it is difficult to make a lens without rotational symmetry. Even an aspherical lens is used to cut the uneven surface with a blade while rotating the material around its axis. So you can only make lenses with rotational symmetry. In order to generate a uniform power with an elliptical cross section, the height distribution of the surface of the lens with an uneven surface having an elliptical distribution can be calculated any number of times. However, the fact that it can be calculated is different from that it can be produced. It is not possible to make a non-rotationally symmetric lens by making the material while rotating it. A plastic lens made of a mold can be used, but a non-rotationally symmetric lens made of quartz or optical glass cannot be easily manufactured. It can be done with time and effort, but it is expensive and impractical.

非回転対称性のあるレンズを使うことなく、円筒対称性のあるビーム整形レンズ(強度変換レンズ)Zhを用いながら、均一分布を持つ楕円断面のビームを作りだす光学系を提供することが、本発明の課題である。   It is an object of the present invention to provide an optical system that produces an elliptical cross-section beam having a uniform distribution while using a cylindrically symmetric beam shaping lens (intensity conversion lens) Zh without using a non-rotationally symmetric lens. It is a problem.

所望の楕円断面の半径をRa、Rbとする。シリンドリカル凸レンズZ1と、均一可能半径Wが、W≦Rb<Raのビーム整形レンズ(強度変換レンズ)Z2とだけを用い、シリンドリカル凸レンズZ1とビーム整形レンズZ2を所望の楕円断面(Ra、Rb)を得るような距離に接近させる。かつ像面Iとビーム整形レンズZ2の距離bを、ビーム整形レンズの均一化距離gより短くする。   Ra and Rb are the radii of desired elliptical cross sections. Using only the cylindrical convex lens Z1 and the beam shaping lens (intensity conversion lens) Z2 having a uniform possible radius W of W ≦ Rb <Ra, the cylindrical convex lens Z1 and the beam shaping lens Z2 have desired elliptical cross sections (Ra, Rb). Move closer to the distance you want. In addition, the distance b between the image plane I and the beam shaping lens Z2 is made shorter than the uniform distance g of the beam shaping lens.

シリンドリカルレンズによって楕円断面のビームとし、これを回転対称性のある強度変換(ビーム整形レンズ)レンズに通したとき、短軸側のビーム強度の均一性が向上する。短軸側の強度均一性と長軸側の強度均一性は相補性がある。両立させることはできない。短軸側の均一性を重視する場合は、均一可能半径WがRbに近いビーム整形レンズを用いる。長軸側の均一性を重視する場合は、均一化可能半径WがRaに近いレンズを用いる。短軸側、長軸側の両方の均一性を同時に高めることはできない。しかしWとbの選び方によって、所望の比率で短軸側と長軸側の均一性を高めることができる。   When a beam having an elliptical cross section is formed by a cylindrical lens and passed through an intensity conversion (beam shaping lens) lens having rotational symmetry, the uniformity of the beam intensity on the short axis side is improved. The strength uniformity on the short axis side and the strength uniformity on the long axis side are complementary. It cannot be made compatible. When importance is attached to the uniformity on the short axis side, a beam shaping lens having a uniform possible radius W close to Rb is used. When importance is attached to the uniformity on the long axis side, a lens having a uniformizable radius W close to Ra is used. The uniformity on both the short axis side and the long axis side cannot be improved at the same time. However, depending on how W and b are selected, the uniformity on the short axis side and the long axis side can be improved at a desired ratio.

より詳しく本発明の本質を定義する必要がある。強度変換レンズZhと位相補正レンズZqからなるホモジナイザーレンズ系について、均一化半径Uというものと、両レンズの適正距離gというものが何であるのか? 曲面の式や実効焦点距離と対応させて論じる必要がある。入射ガウシアンビームの半径Wは、中心の強度のexp(−2)に減衰する点までの距離として定義されるが、これとホモジナイザーの均一化半径Uとはどういう関係にあるのか?というようなことをよりはっきりさせなければならない。   It is necessary to define the essence of the present invention in more detail. What is the uniformity radius U and the appropriate distance g between the two lenses in the homogenizer lens system composed of the intensity conversion lens Zh and the phase correction lens Zq? It is necessary to discuss in correspondence with the formula of the curved surface and the effective focal length. The radius W of the incident Gaussian beam is defined as the distance to the point at which the center intensity is attenuated to exp (−2). What is the relationship between this and the homogenizer radius U? It must be made clearer.

図9は強度変換レンズZhと位相補正レンズZqを示す説明図である。光軸lmに関して回転対称のレンズである。計算を簡単にするために、強度変換レンズZhの入射側は平坦面、位相補正レンズZqの出射側は平坦面だとする。図1のように強度変換レンズZhも位相補正レンズZqも、一部凸一部凹という複雑な形状をしている。中央部だけを見れば強度変換レンズZhは凹レンズ、位相補正レンズZqは凸レンズである。勿論強度変換レンズZhを両凹に、位相補正レンズZqを両凸にすることもできる。中央部だけを見て、実効的な焦点距離Fというものと均一化距離g、均一化半径U、ガウシアンビーム半径(均一化可能半径)Wとの具体的な関係を求めよう。これはかなり複雑な関係にある。レンズ設計において正しく理解しておく必要がある。   FIG. 9 is an explanatory diagram showing the intensity conversion lens Zh and the phase correction lens Zq. This is a rotationally symmetric lens with respect to the optical axis lm. In order to simplify the calculation, it is assumed that the incident side of the intensity conversion lens Zh is a flat surface and the emission side of the phase correction lens Zq is a flat surface. As shown in FIG. 1, both the intensity conversion lens Zh and the phase correction lens Zq have a complicated shape that is partially convex and partially concave. If only the central part is seen, the intensity conversion lens Zh is a concave lens, and the phase correction lens Zq is a convex lens. Of course, the intensity conversion lens Zh can be biconcave and the phase correction lens Zq can be biconvex. By looking only at the central portion, a specific relationship between the effective focal length F, the uniformizing distance g, the uniformizing radius U, and the Gaussian beam radius (uniformizing radius) W will be obtained. This is a fairly complex relationship. It is necessary to understand correctly in lens design.

光軸lmに平行なガウシアンビームがE点から強度変換レンズZhに入りK点で出射する。レンズの屈折率をnとする。ZhはK点で凹面であるから、広がる方向へ屈折される。K点の面の傾き角をαとする。平行ビームなのでこれが法線とビームのなす角度である。スネルの法則がここで成り立つ。   A Gaussian beam parallel to the optical axis lm enters the intensity conversion lens Zh from the point E and exits at the point K. Let n be the refractive index of the lens. Since Zh is concave at the K point, it is refracted in the spreading direction. Let α be the angle of inclination of the surface at point K. Since this is a parallel beam, this is the angle between the normal and the beam. Snell's law holds here.

屈折角をθ=α+φとする。ビームはφだけ上方へ屈折する。自由空間をqだけ伝搬して位相補正レンズZqの前面M点に至る。M点で屈折しMNとなる。MNは光軸lmに平行である。M点でもスネルの法則が成り立つがK点と同じ式になる。M点での入射角度はθ=α+φであって、屈折角はαであるべきである。だからK点でのZhの接線とM点でのZqの接線は平行である。K、M点でのスネルの法則は次にように書く事ができる。   The refraction angle is θ = α + φ. The beam is refracted upward by φ. It propagates through free space by q and reaches the front M point of the phase correction lens Zq. Refracted at point M to become MN. MN is parallel to the optical axis lm. Snell's law holds at point M, but the same formula as point K. The incident angle at point M should be θ = α + φ and the refraction angle should be α. Therefore, the Zh tangent at the K point and the Zq tangent at the M point are parallel. Snell's law at points K and M can be written as follows:

nsinα=sinθ=sin(α+φ) (1)           nsin α = sin θ = sin (α + φ) (1)

レーザの入射ビームはガウシアンビームだという仮定である。レーザビーム半径をW、半径座標をsとすると入射ガウシアンビームのパワー密度はBexp(−2s/W)と表現することができる。ガウシアンビームの半径はe−2に減衰する位置の中心からの距離として定義されるから、上の式でWがビーム半径となる。 It is assumed that the incident beam of the laser is a Gaussian beam. When the laser beam radius is W and the radius coordinate is s, the power density of the incident Gaussian beam can be expressed as Bexp (−2s 2 / W 2 ). Since the radius of the Gaussian beam is defined as the distance from the center of the position attenuated to e- 2 , W is the beam radius in the above formula.

強度変換レンズZhの半径sでの幅dsの円周部はパワー密度に2πsdsを乗じたパワーを持つ。位相補正レンズZqの半径座標をrとする。位相補正レンズZqの均一化半径をUとする。均一化半径Uというのはその中では一様パワー密度、その外ではパワー0だというような半径である。均一化半径Uはガウシアンビーム(均一化可能半径と呼ぶ)の半径Wと同じこともあるし違うこともある。レンズ間距離gを均一化距離と呼ぶ。これも重要なパラメータである。   The circumferential portion of the width ds at the radius s of the intensity conversion lens Zh has a power obtained by multiplying the power density by 2πsds. Let r be the radius coordinate of the phase correction lens Zq. Let U be the uniform radius of the phase correction lens Zq. The uniform radius U is a radius such that a uniform power density is present therein and a power 0 is present outside the uniform power density. The uniformizing radius U may be the same as or different from the radius W of a Gaussian beam (referred to as a uniformizable radius). The inter-lens distance g is called a uniform distance. This is also an important parameter.

だからホモジナイザーを特徴付けるものは、入射ガウシアンビーム半径W、均一化半径U、均一化距離gの三つのパラメータである。Wは均一化可能半径とも呼ぶ。均一化半径Uと混同してはならない。Wが原因でありUが結果である。ただしこれら重要なパラメータW、U、gと実効的な焦点距離Fとの関係が明らかでない。   Therefore, what characterizes the homogenizer is the three parameters of the incident Gaussian beam radius W, the uniformizing radius U, and the uniformizing distance g. W is also called a uniform radius. It should not be confused with the uniformizing radius U. W is the cause and U is the result. However, the relationship between these important parameters W, U, g and the effective focal length F is not clear.

本発明は実効的な焦点距離Fを用いて定義されるので、その関係を求める必要がある。ZhもZqも単純な凹レンズ、凸レンズでないので正確な意味での焦点距離というのは存在しない。しかし中央部だけに着目すると、強度変換レンズは凹レンズZh、位相補正レンズZqは凸レンズであるから、中央部だけの焦点距離を定義することができる。   Since the present invention is defined using the effective focal length F, it is necessary to obtain the relationship. Since Zh and Zq are neither simple concave lenses nor convex lenses, there is no exact focal length. However, focusing only on the central portion, the intensity conversion lens is a concave lens Zh, and the phase correction lens Zq is a convex lens. Therefore, the focal length of only the central portion can be defined.

均一化されたビームの均一化密度をEとする。位相補正レンズZqの後面での半径rの円周上のパワーの合計は、2πErdrによって与えられる。これをrで積分したものが全パワーであるが、r>Uで0であるから、r≦Uだけの積分となる。ガウシアンビームのパワーの合計は、密度をsによって0から無限大まで積分したものである。   Let E be the homogenization density of the homogenized beam. The total power on the circumference of the radius r on the rear surface of the phase correction lens Zq is given by 2πEdrr. The result of integrating this with r is the total power, but since r> U and 0, the integration is only for r ≦ U. The total power of the Gaussian beam is the density integrated from 0 to infinity by s.

(ガウシアンビーム総パワー)
2π∫sBexp(−2s/W)ds=[−(πBW/2)exp(−2s/W)]=πBW/2 (2)
(Gaussian beam total power)
2π∫sBexp (-2s 2 / W 2) ds = [- (πBW 2/2) exp (-2s 2 / W 2)] = πBW 2/2 (2)

である。一方均一化ビームの総パワーは2πEをrによって0からUまで積分したものである。 It is. On the other hand, the total power of the uniformized beam is 2πE integrated from 0 to U by r.

(均一化ビームの総パワー)
2π∫Erdr=πUE (3)
(Total power of uniform beam)
2π∫Edrr = πU 2 E (3)

これらのパワーは等しい。だから These powers are equal. So

πBW/2=πUE (4) πBW 2/2 = πU 2 E (4)

であるので、 So

E=BW/2U (5)
となる。
E = BW 2 / 2U 2 (5)
It becomes.

均一化ということは、強度変換レンズZhの半径sで幅がdsの輪帯のパワーが、位相補正レンズZqの半径rで幅がdrの輪体のパワーに等しいということである。   Uniformity means that the power of the annular zone having the radius s and the width ds of the intensity conversion lens Zh is equal to the power of the ring body having the radius r and the width dr of the phase correction lens Zq.

2πsBexp(−2s/W)ds=2πErdr (6)
これが均一化条件である。幸いなことにこれは積分できる。
2πsBexp (−2s 2 / W 2 ) ds = 2πEdrdr (6)
This is the uniform condition. Fortunately this can be integrated.

−(π/2)BW2exp(−2s/W)=πEr (7) C 0 − (π / 2) BW2exp (−2s 2 / W 2 ) = πEr 2 (7)

である。Cは積分定数である。s=0(光軸lmに沿う光線)でr=0であるし、(5)が成り立つので、 It is. C 0 is an integral constant. Since s = 0 (light ray along the optical axis lm), r = 0, and (5) holds, so

1−exp(−2s/W)=r/U (8) 1-exp (-2s 2 / W 2 ) = r 2 / U 2 (8)

これが強度変換レンズZhの半径sでのビームが、位相補正レンズZqの半径rに至る場合の、sとrの関係を与える。ホモジナイザーの基本を成す式である。 This gives the relationship between s and r when the beam at the radius s of the intensity conversion lens Zh reaches the radius r of the phase correction lens Zq. This is the basic formula of the homogenizer.

幾何光学の考察によってレンズ曲面を求める。強度変換レンズZhの曲面をK(s)によって与える。これは右向きに正とする。位相補正レンズZqの曲面をH(r)によって与える。これも右向きに正とする。K(s),H(r)も正の関数となるが、K(s)は凹のレンズを、H(r)は凸のレンズを定義する。   The lens curved surface is obtained by considering geometric optics. The curved surface of the intensity conversion lens Zh is given by K (s). This is positive to the right. The curved surface of the phase correction lens Zq is given by H (r). This is also positive to the right. K (s) and H (r) are also positive functions, but K (s) defines a concave lens and H (r) defines a convex lens.

曲面K(s)のs点での傾きも、曲面H(r)のr点での傾きもtanαである。   The slope at the point s of the curved surface K (s) and the slope at the point r of the curved surface H (r) are both tan α.

dK(s)/ds=tanα (9)
dH(r)/dr=tanα (10)
dK (s) / ds = tan α (9)
dH (r) / dr = tanα (10)

αを求めなければならない。先ほどのスネルの公式(1)によって α must be found. By Snell's formula (1)

nsinα=sinαcosφ+sinφcosα (11)     nsinα = sinαcosφ + sinφcosα (11)

となるが、両辺をcosαで割って、 But divide both sides by cosα,

tanα=sinφ/(n−cosφ) (12)     tan α = sin φ / (n−cos φ) (12)

ということになる。これは曲がり角φとレンズの曲面を関係付ける。もう一つ条件がある。それがrとsを関係付けるものである。実効的な光路長は屈折率と光路の積の和によって与えられる。自由空間では光路そのものでレンズでは光路に屈折率を掛けたものである。 It turns out that. This relates the bend angle φ to the curved surface of the lens. There is another condition. That is what relates r and s. The effective optical path length is given by the sum of the product of the refractive index and the optical path. In free space, the optical path itself, and in the lens, the optical path is multiplied by the refractive index.

位相補正レンズZqはビームを平行に戻すと同時に位相を揃えるという作用がある。だから位相補正レンズなのである。EKMNの光路長と光軸に沿った光路長が等しい。強度変換レンズZhの後面から位相補正レンズZqの前面までの距離をgとする。強度変換レンズZhの前面から位相補正レンズZqの後面までの距離をpとする。光軸に沿った光路長はn(p−g)+gである。前がレンズ内の光路長であり後ろが自由空間での光路長である。KM=qとおくと、EKMNの光路長はレンズ分がn(p−qcosφ)であり、自由空間分がqであるからその和である。それが光軸の光路長と等しいので、   The phase correction lens Zq has the effect of returning the beam to parallel and simultaneously aligning the phases. So it is a phase correction lens. The optical path length of EKMN is equal to the optical path length along the optical axis. Let g be the distance from the rear surface of the intensity conversion lens Zh to the front surface of the phase correction lens Zq. Let p be the distance from the front surface of the intensity conversion lens Zh to the rear surface of the phase correction lens Zq. The optical path length along the optical axis is n (p−g) + g. The front is the optical path length in the lens, and the rear is the optical path length in free space. If KM = q, the optical path length of EKMN is the sum of the lens component n (p-q cos φ) and the free space component q. Because it is equal to the optical path length of the optical axis,

n(p−g)+g=n(p−qcosφ)+q (13)     n (p−g) + g = n (p−qcos φ) + q (13)

ということである。これが位相同一の条件である。 That's what it means. This is the same phase condition.

q(ncosφ−1)=(n−1)g (14)       q (ncosφ-1) = (n-1) g (14)

となる。図9からrはsよりもqsinφだけ大きい。 It becomes. From FIG. 9, r is larger than s by qsinφ.

qsinφ=r−s (15)             qsinφ = rs−15 (15)

(14)と(15)からqを消去する。 Delete q from (14) and (15).

(ncosφ−1)/sinφ=(n−1)g/(r−s) (16)   (Ncosφ-1) / sinφ = (n-1) g / (rs) (16)

(12)と(16)からφを消去して、tanαを(r−s)によって表現するようにする。 Φ is deleted from (12) and (16), and tan α is expressed by (rs).

1/tanα=(n−cosφ)/sinφ=(n−2ncosφ+cosφ)/sinφ=(nsinφ+ncosφ−2ncosφ+1−sinφ)/sinφ=(ncosφ−2ncosφ+1)/sinφ+(nsinφ−sinφ)/sinφ=(ncosφ−1)/sinφ+(n−1)={(n−1)g/(r−s)}1/2+(n−1)
(17)
1 / tan 2 α = (n−cos φ) 2 / sin 2 φ = (n 2 −2 ncos φ + cos 2 φ) / sin 2 φ = (n 2 sin 2 φ + n 2 cos 2 φ− 2 ncos φ + 1−sin 2 φ) / sin 2 φ = (n 2 cos 2 φ− 2 ncos φ + 1) / sin 2 φ + (n 2 sin 2 φ−sin 2 φ) / sin 2 φ = (n cos φ−1) 2 / sin 2 φ + (n 2 −1) = {( n-1) g / (rs)} 1/2 + (n 2 -1)
(17)

となる。これによってtanαが求められる。 It becomes. As a result, tan α is obtained.

tanα=[{(n−1)g/(r−s)}1/2+(n−1)]1/2 (18) tan α = [{(n−1) g / (rs−)) 1/2 + (n 2 −1)] 1/2 (18)

である。これはdG/dsとdH/drに等しい。rとsの関係は、初めの均一化の条件(8)によって決まる。dG/dsを計算するときは独立変数をsにし、dH/drを積分するときは独立変数をrにする。 It is. This is equal to dG / ds and dH / dr. The relationship between r and s is determined by the initial uniformization condition (8). When calculating dG / ds, the independent variable is set to s, and when integrating dH / dr, the independent variable is set to r.

dG/ds=[{(n−1)g/(r−s)}1/2+(n−1)]−1/2 (19)
dH/dr=[{(n−1)g/(r−s)}1/2+(n−1)]−1/2 (20)
dG / ds = [{(n−1) g / (rs−))} 1/2 + (n 2 −1)] −1/2 (19)
dH / dr = [{(n−1) g / (rs−))} 1/2 + (n 2 −1)] −1/2 (20)

である。ここまでは厳密式である。近似は使っていない。精密な式である。rに(8)で決まる関係を入れ計算すればよい。しかし複雑な関数で数値計算はできるが解析的な計算はできない。正確なG(s)、H(r)を求めたいという場合はコンピュータで数値計算すればよい。 It is. So far, it is an exact formula. No approximation is used. It is a precise formula. Calculations may be made by adding the relationship determined by (8) to r. However, numerical calculations can be performed with complex functions, but analytical calculations cannot be performed. When it is desired to obtain accurate G (s) and H (r), numerical calculation may be performed by a computer.

しかしここでは近似計算によって大体のことを知りたい。(19)、(20)の右辺は分母の平方根のなかにg/(r−s)という変数が含まれる。gはレンズ間距離で、r−sは半径座標の差である。g/(r−s)は1よりかなり大きな値となる。そこで(17)の分母平方根の2番目の式を落とす近似をしよう。   However, here I would like to know roughly by approximate calculation. The right side of (19) and (20) includes a variable g / (rs) in the square root of the denominator. g is a distance between lenses, and rs is a difference in radial coordinates. g / (rs) is a value considerably larger than 1. Therefore, let us approximate by dropping the second expression of the denominator square root of (17).

ここからは近似である。 From here it is an approximation.

近似式 G(s)={1/(n−1)g}∫(r−s)ds
(21)
Approximate expression G (s) = {1 / (n−1) g} ∫ (rs) ds
(21)

同じようにH(r)に関しても Similarly for H (r)

近似式 H(r)={1/(n−1)g}∫(r−s)dr
(22)
Approximate expression H (r) = {1 / (n−1) g} ∫ (rs−dr) dr
(22)

(8)から、 From (8)

−log(1−r/U)=2s/W (23) -Log (1-r 2 / U 2) = 2s 2 / W 2 (23)

だから、 So,

s=W{−(1/2)log(1−r/U)}1/2 (24) s = W {-(1/2) log (1-r 2 / U 2 )} 1/2 (24)

これを(22)に代入し、sによって積分することにより、H(r)を求めることができる。コンピュータによって数値計算すると厳密なことが分かる。しかしここでは大体の事が分かれば良いので、(24)を更に近似する。級数に展開して1項だけをとることにする。 By substituting this into (22) and integrating by s, H (r) can be obtained. It turns out that it is exact when numerically calculated by a computer. However, since it is only necessary to understand roughly here, (24) is further approximated. Expand to a series and take only one term.

s=Wr/21/2U (25) s = Wr / 2 1/2 U (25)

この関係によって(22)を積分する。 Based on this relationship, (22) is integrated.

H(r)={1−W/21/2U}r/{2(n−1)g}
(26)
(25)を逆に解いて
H (r) = {1−W / 2 1/2 U} r 2 / {2 (n−1) g}
(26)
Solve (25) in reverse

r=21/2sU/W (27) r = 2 1/2 sU / W (27)

これを(21)に代入し積分することによってG(s)の近似式を求める。 By substituting this into (21) and integrating, an approximate expression of G (s) is obtained.

G(s)={21/2U/W−1}s/{2(n−1)g}
(28)
G (s) = {2 1/2 U / W−1} s 2 / {2 (n−1) g}
(28)

上のG(s)は強度変換レンズZhの中心部分の形状を与え、H(r)は位相補正レンズの中心部分の形状を与える。図1のような全体の形状を求めるには厳密な計算をすれば良い。Zh,Zqの組み合わせはどのような寸法のガウシアンビームでも均一化できるということではない。入射ガウシアンビーム半径がWであるものだけである。だからホモジナイザーは入射ビーム半径Wに固有のものだということができる。入射ビーム半径W一つに一つのホモジナイザーが決まる。だから均一可能な入射ビーム半径Wを「均一化可能半径」とも呼ぶ。レンズから見れば「均一化可能半径W」と言った方が分かりやすい。 The upper G (s) gives the shape of the central portion of the intensity conversion lens Zh, and H (r) gives the shape of the central portion of the phase correction lens. In order to obtain the entire shape as shown in FIG. The combination of Zh and Zq does not mean that a Gaussian beam of any size can be made uniform. Only those whose incident Gaussian beam radius is W. Therefore, it can be said that the homogenizer is unique to the incident beam radius W. One homogenizer is determined for each incident beam radius W. Therefore, the incident beam radius W that can be made uniform is also referred to as “uniformity radius”. From the perspective of the lens, it is easier to say “uniform radius W”.

ここでは、強度変換レンズZhと位相補正レンズZqの中心近傍での焦点距離Fh、Fqだけを求めたい。レンズの焦点距離の逆数は、前面、後面の曲率の和に(n−1)を掛けたものである。レンズ面の高さを示す式は半径座標rの2乗に曲率をかけ2で割った値である。だから強度変換レンズZhの実効的な焦点距離F1の逆数は   Here, only the focal lengths Fh and Fq in the vicinity of the centers of the intensity conversion lens Zh and the phase correction lens Zq are desired. The reciprocal of the focal length of the lens is obtained by multiplying the sum of the curvatures of the front and rear surfaces by (n-1). The expression indicating the height of the lens surface is a value obtained by multiplying the square of the radius coordinate r by the curvature and dividing by 2. Therefore, the reciprocal of the effective focal length F1 of the intensity conversion lens Zh is

1/F1=−{(21/2U/W)−1}/g (29) 1 / F1 = − {(2 1/2 U / W) −1} / g (29)

マイナスがつくのはZhが(U/Wが1程度のとき)中心近傍で凹レンズだからである。{(21/2U/W)−1}が負であれば、これは中心近傍で凸レンズとなる。 The reason for the minus is that Zh is a concave lens near the center (when U / W is about 1). If {(2 1/2 U / W) −1} is negative, this becomes a convex lens near the center.

同様に位相補正レンズZqの実効的な焦点距離F2の逆数は   Similarly, the reciprocal of the effective focal length F2 of the phase correction lens Zq is

1/F2={1−(W/21/2U)}/g (30) 1 / F2 = {1- (W / 2 1/2 U)} / g (30)

となる。常に1/F1+1/F2は負である。上の式は何を言っているかというと、Zh、Zqの実効(中心付近の近似)焦点距離F1、F2が入射ガウシアンビームの半径(均一可能半径)W、均一化ビームの半径U、均一化距離gによって決まるということである。レンズの屈折率nが含まれないことに注意すべきである。このようにして強度変換レンズZhと位相補正レンズZqの曲面を決めることができる。入射レーザビームの直径2W,均一化ビームの直径2U、レンズ間距離gが与えられるとレンズ曲面を精密に決定することができる。本発明は位相補正レンズは用いず強度変換レンズだけを用いる。強度変換レンズZhの曲面は、先述のとおり決定可能である。 It becomes. 1 / F1 + 1 / F2 is always negative. What is said in the above equation is that the effective focal lengths F1 and F2 of Zh and Zq are the radius (uniform radius) W of the incident Gaussian beam, the radius U of the uniformized beam, and the uniformization. It is determined by the distance g. Note that the refractive index n of the lens is not included. In this way, the curved surfaces of the intensity conversion lens Zh and the phase correction lens Zq can be determined. Given the diameter 2W of the incident laser beam, the diameter 2U of the uniformizing beam, and the inter-lens distance g, the lens curved surface can be determined accurately. The present invention uses only an intensity conversion lens without using a phase correction lens. The curved surface of the intensity conversion lens Zh can be determined as described above.

本発明は、y方向だけに曲率を持つシリンドリカル凸レンズZ1を使って楕円断面のビームを作り、強度変換レンズZ2によって楕円断面において強度分布を一様にし、所望の離心率、形状を持つ均一化楕円ビームを像面に生成する。Z1+Z2の2枚レンズで楕円均一化ビームを作る。Z1とZ2の距離をd(第1距離)、Z2と像面Iの距離をb(第2距離)とする。位相補正レンズを使わない。位相補正レンズの位置に直接に像面Iを持ってくる。そのような簡単な構造でどのようにして均一化楕円ビームを作るのか? これが問題である。目的とする楕円の長径は2Raでこれは入射ビーム直径Dに等しいとする(D=2Ra)。楕円の短径は2Rbである。これが予め与えられる。
つまり離心率e=(Ra−Rb1/2/Raが決まっている。特に短径方向の均一化に重点をおいてシリンドリカルレンズZ1、強度変換レンズZ2、距離d、bとの間の関係を適切に決める。長径側の均一性は多少犠牲にしてもよいものとする。
シリンドリカルレンズZ1によって、短径側直径が減少する。Z1での短径側直径がDであり、Z2面での短径側直径がD’とする。D’/Dはシリンドリカルレンズによる減少比である。レンズZ1、Z2の合成焦点距離をLとする。その場合に、Lと第2距離bの比率と、DとD’の比率を等しいものとする。
L:b=D:D’ (31)
これはパラメータの関係を決める根本の式である。b、d、Z1が決まっておれば、これは合成焦点距離Lを決める式である。合成焦点距離を通して強度変換レンズZ2の焦点距離L2を決める式だということになる。L:b=D:D’が本発明のパラメータ関係を決める最も重要な式である。これは当然のことではなく本発明の特異な条件である。(31)はbD=LD’と書くこともできる。実際にはこれだけで所望のRa、Rbの像が得られないことが多いので、試行錯誤して上の式から得られた強度変換レンズZ2の焦点距離L2の1〜2倍の値を与えるものとする。
In the present invention, a cylindrical convex lens Z1 having a curvature only in the y direction is used to create a beam having an elliptical cross section, and the intensity distribution is made uniform in the elliptical section by the intensity conversion lens Z2, and a uniform ellipse having a desired eccentricity and shape is obtained. A beam is generated on the image plane. An elliptical uniform beam is made with two lenses of Z1 + Z2. The distance between Z1 and Z2 is d (first distance), and the distance between Z2 and image plane I is b (second distance). Do not use a phase correction lens. The image plane I is brought directly to the position of the phase correction lens. How to make a uniform elliptical beam with such a simple structure? This is a problem. The major axis of the target ellipse is 2Ra, which is equal to the incident beam diameter D (D = 2Ra). The minor axis of the ellipse is 2Rb. This is given in advance.
That is, the eccentricity e = (Ra 2 −Rb 2 ) 1/2 / Ra is determined. In particular, the relationship among the cylindrical lens Z1, the intensity conversion lens Z2, and the distances d and b is appropriately determined with emphasis on equalization in the minor axis direction. The uniformity on the long diameter side may be somewhat sacrificed.
The short side diameter is reduced by the cylindrical lens Z1. The short diameter side diameter in Z1 is D, and the short diameter diameter in the Z2 plane is D ′. D ′ / D is a reduction ratio by the cylindrical lens. Let L be the combined focal length of the lenses Z1 and Z2. In this case, the ratio between L and the second distance b and the ratio between D and D ′ are equal.
L: b = D: D ′ (31)
This is the basic formula that determines the relationship of parameters. If b, d, and Z1 are determined, this is an expression for determining the composite focal length L. This means that the focal length L2 of the intensity conversion lens Z2 is determined through the combined focal length. L: b = D: D ′ is the most important formula for determining the parameter relationship of the present invention. This is not a matter of course and is a unique condition of the present invention. (31) can also be written as bD = LD ′. Actually, it is often the case that the desired Ra and Rb images are not obtained only by this, so that a value that is 1 to 2 times the focal length L2 of the intensity conversion lens Z2 obtained from the above formula by trial and error is obtained. And

回転対称のビームをy方向にのみ集光するシリンドリカルレンズの曲面Z1(y)の式は   The expression of the curved surface Z1 (y) of the cylindrical lens that condenses the rotationally symmetric beam only in the y direction is

Z1(y)=const−y/2L1(n−1)
(32)
Z1 (y) = const−y 2 / 2L1 (n−1)
(32)

によって表現される。L1はシリンドリカルレンズZ1のy方向の焦点距離である(x方向の焦点距離は無限大)。平行ガウシアンビームが入射するのだから、距離L1の点でy方向に収束する。所望の楕円ビームの半径がRa×Rbとする。
短/長径比Rb/Raを楕円のアスペクト比aという。これは1より小さい正数である。a+e=1である。シリンドリカルレンズZ1のy方向の焦点距離がL1、レンズZ1と像面Iの距離がd+bなので、アスペクト比はa=(L1−d−b)/L1である。mを1〜2の定数とすると、
mD≧D’≧aD (m=1〜2) (33)
そのような限定がある。
Is represented by L1 is the focal length in the y direction of the cylindrical lens Z1 (the focal length in the x direction is infinite). Since the parallel Gaussian beam is incident, the beam converges in the y direction at the point of the distance L1. Let the radius of the desired elliptical beam be Ra × Rb.
The short / long diameter ratio Rb / Ra is referred to as an elliptical aspect ratio a. This is a positive number less than one. a 2 + e 2 = 1. Since the focal length in the y direction of the cylindrical lens Z1 is L1, and the distance between the lens Z1 and the image plane I is d + b, the aspect ratio is a = (L1-db) / L1. If m is a constant of 1-2,
mD ≧ D ′ ≧ aD (m = 1 to 2) (33)
There are such limitations.

図6、7に示すように、シリンドリカルレンズZ1の下流側dの位置に強度変換レンズ(ビーム整形レンズ)Z2がある。この強度変換レンズZ2は円筒対称性のあるレンズで、これまで説明した図1、図9等のZhのレンズにあたる。近似的な焦点距離については既に説明した。図12に示すように、初めのシリンドリカルレンズZ1のため、焦点距離L1の距離にあるC点まで短径側は直線的に縮小する。Z1C間はL1で、Z2C間は(L1−d)であるから、Z2での短径側直径D’は   As shown in FIGS. 6 and 7, there is an intensity conversion lens (beam shaping lens) Z2 at a position on the downstream side d of the cylindrical lens Z1. This intensity conversion lens Z2 is a cylindrically symmetric lens and corresponds to the Zh lens shown in FIGS. The approximate focal length has already been described. As shown in FIG. 12, because of the first cylindrical lens Z1, the minor axis side linearly reduces to point C at the focal length L1. Since the distance between Z1C is L1 and the distance between Z2C is (L1-d), the minor axis diameter D 'at Z2 is

D’=D(L1−d)/L1 (34)             D '= D (L1-d) / L1 (34)

というようになる。ここでは凸のシリンドリカルレンズの場合で説明するが、凹のシリンドリカルレンズでも同じ式で表される関係が成り立つ。図12においてIC間は(L1−d−b)であるので、像面での短径直径はD(L1−d−b)/L1=aDとなる。ここでビーム密度均一化のためdの位置に強度変換レンズZ2を置く。強度変換レンズZ2の焦点距離をL2とする。これが決定の対象となる未知数である。Z1とZ2の合成焦点距離をLとする。 And so on. Here, a case of a convex cylindrical lens will be described. However, a relationship expressed by the same equation holds true for a concave cylindrical lens. In FIG. 12, since the distance between the ICs is (L1-db), the minor diameter on the image plane is D (L1-db) / L1 = aD. Here, in order to make the beam density uniform, the intensity conversion lens Z2 is placed at the position d. The focal length of the intensity conversion lens Z2 is L2. This is the unknown to be determined. Let L be the combined focal length of Z1 and Z2.

(31)のようにL:b=D:D’となるようにLを決める。Lが値が決まると、Z2の焦点距離L2が決まりZ2の形状が決定される。 L is determined so that L: b = D: D 'as in (31). When the value of L is determined, the focal length L2 of Z2 is determined and the shape of Z2 is determined.

距離dだけ離れた焦点距離L1、L2のレンズの合成焦点距離Lは
L=L1L2/(L1+L2−d) (35)
によって与えられる。(31)に代入し、D、D’、bから好ましいLが決まる。
The combined focal length L of the lenses with focal lengths L1 and L2 separated by the distance d is L = L1L2 / (L1 + L2-d) (35)
Given by. Substituting into (31), a preferable L is determined from D, D ′, and b.

(35)からL2が決まる。それによって、強度変換レンズZ2の焦点距離L2が分かるので強度変換レンズZ2の形状を決めることができる。 L2 is determined from (35). As a result, the focal length L2 of the intensity conversion lens Z2 is known, so that the shape of the intensity conversion lens Z2 can be determined.

像面での楕円の形状Ra×Rbが初めから与えられる。第1、2距離d、bは自由に決める事ができる。シリンドリカルレンズZ1の焦点距離L1も自在に決められる。先ほど述べたように、これらの変数の間には、アスペクト比aによって、一つの関係が決まる。Rb/Ra=a=(L1−b−d)/L1。   An elliptical shape Ra × Rb on the image plane is given from the beginning. The first and second distances d and b can be freely determined. The focal length L1 of the cylindrical lens Z1 is also freely determined. As described above, one relationship is determined between these variables by the aspect ratio a. Rb / Ra = a = (L1-b-d) / L1.

また合成焦点距離の式(35)から一つの拘束条件が与えられる。Z1、Z2上でのビームの短径D、D’の間には、D’L1=D(L1−d)という関係がある。さらに本発明の根本の条件bD=LD’からもう一つの条件が決まる。D、aは初めから与えられ、L1、L2、b、dは自在に決めることのできるパラメータである。4つの拘束条件があるから、これらの値が決まる。並べて書くと   Further, one constraint condition is given from the formula (35) of the composite focal length. There is a relationship of D′ L1 = D (L1−d) between the minor axes D and D ′ of the beams on Z1 and Z2. Furthermore, another condition is determined from the fundamental condition bD = LD 'of the present invention. D and a are given from the beginning, and L1, L2, b, and d are parameters that can be freely determined. Since there are four constraint conditions, these values are determined. Write side by side

a=(L1−b−d)/L1 (36)
L=L1L2/(L1+L2−d) (35)
D’=D(L1−d)/L1 (34)

bD=LD’
(31’)
a = (L1-bd) / L1 (36)
L = L1L2 / (L1 + L2-d) (35)
D ′ = D (L1-d) / L1 (34)

bD = LD '
(31 ')

というようになる。様々の場合がありうる。b、D、D’、L1が既知であり、d、L2が未知数だとすると、(34)から、 And so on. There can be various cases. If b, D, D ', and L1 are known and d and L2 are unknown, from (34),

d=L1−(D’L1/D)
(37)
となってdが求められる。(35)と(31’)からLを消去すると、
d = L1- (D′ L1 / D)
(37)
And d is obtained. If L is deleted from (35) and (31 ′),

L2=(L1−d)Db/(D’L1−bD) (38)
あるいは
L2=D’L1b/(D’L1−bD) (39)
というようになる。
L2 = (L1-d) Db / (D′ L1-bD) (38)
Or L2 = D′ L1b / (D′ L1-bD) (39)
And so on.

a、b、D、L1が既知である場合は
L2=b+b/aL1 (39)’
d=(1−a)L1−b (40)
D’=D(aL1+b)/L1 (41)
L=bL1/(aL1+b) (42)
というようになる。
When a, b, D, and L1 are known, L2 = b + b 2 / aL1 (39) ′
d = (1-a) L1-b (40)
D ′ = D (aL1 + b) / L1 (41)
L = bL1 / (aL1 + b) (42)
And so on.

d、b、D、aが既知である場合は、   If d, b, D, a are known,

L1=(b+d)/(1−a) (43)
D’=D(b+ad)/(b+d) (44)
L=b(b+d)/(b+ad) (45)
L2=b(b+ad)/a(b+d) (46)
である。
L1 = (b + d) / (1-a) (43)
D ′ = D (b + ad) / (b + d) (44)
L = b (b + d) / (b + ad) (45)
L2 = b (b + ad) / a (b + d) (46)
It is.

実際にはこれで最適解が得られるのではない場合が多い。その場合はL2を少しずつ増やし漸近的に解を求める。上の式のパラメータで決まる光学系が像面に作る楕円像のパワー分布を計算する。   In practice, this often does not yield an optimal solution. In that case, L2 is increased little by little and an asymptotic solution is obtained. The power distribution of the ellipse image created on the image plane by the optical system determined by the parameters in the above equation is calculated.

所望のアスペクト比aにならない場合はZ2の焦点距離L2を少し増やしてパラメータを決め、そのパラメータを持つ光学系が像面に作る楕円を求める。像面でのパワー分布が所望のアスペクト比aになるまで、L2を増やす。そのような繰り返し操作を行なう。   If the desired aspect ratio a is not reached, the focal length L2 of Z2 is slightly increased to determine parameters, and an ellipse formed on the image plane by the optical system having the parameters is obtained. L2 is increased until the power distribution on the image plane has a desired aspect ratio a. Such repeated operation is performed.

実際には1〜2の定数mがあって、
L2=m(L1−d)Db/(D’L1−bD) (47)
となるときに、所望アスペクト比aの(短径方向)均一楕円ができる。
だからL2に対する条件は
Actually there is a constant m of 1-2,
L2 = m (L1-d) Db / (D′ L1-bD) (47)
Then, a uniform ellipse having a desired aspect ratio a (minor axis direction) is formed.
So the condition for L2 is

2(L1−d)Db/(D’L1−bD)>L2≧(L1−d)Db/(D’L1−bD)>b (48)
ということである。
2 (L1-d) Db / (D′ L1-bD)> L2 ≧ (L1-d) Db / (D′ L1-bD)> b (48)
That's what it means.

これはZ2レンズに対する焦点距離L2を決定するということでZ2を決めている。しかしZ2は強度変換レンズであって一様な焦点距離L2というものはない。しかしそれでも中心部の近似的な焦点距離を決めることができる。さらにここでは楕円ビームの形状を決めるのは周辺部なので、強度変換レンズZ2のある範囲の周辺部だけの焦点距離を決めるようにもできる。   This determines Z2 by determining the focal length L2 for the Z2 lens. However, Z2 is an intensity conversion lens and there is no uniform focal length L2. However, the approximate focal length at the center can still be determined. Furthermore, since it is the peripheral part that determines the shape of the elliptical beam here, the focal length of only the peripheral part in a certain range of the intensity conversion lens Z2 can be determined.

あるいはZ2のパラメータを初めに決めておいて、シリンドリカルレンズZ1の曲率1/L1を決めるようにしてもよい。どのパラメータを予め既知とし、どのパラメータを未知とするかということは、目的とレンズ製作の容易さなどを勘案して決める事ができる。   Alternatively, the Z2 parameter may be determined first, and the curvature 1 / L1 of the cylindrical lens Z1 may be determined. Which parameters are known in advance and which parameters are unknown can be determined in consideration of the purpose and ease of lens manufacture.

図6、図7に示すようにシリンドリカル凸レンズZ1とビーム整形レンズ(強度変換レンズ)Z2を距離dだけ隔てて設け、Z2と距離bを隔てて像面Iを設けた。シリンドリカルレンズZ1はy軸方向だけに曲率を持ち、焦点距離L1のレンズである。ビーム整形レンズZ2は回転対称形のレンズであり、ある範囲でガウシアン分布するビームを均一化するもので、焦点距離L2を持つ。ビームの直径はDであり、シリンドリカルレンズZ1によって、ビーム整形レンズZ2で短径はD’になっている。合成焦点距離をLとして、bD=LD’或いはb/L=D’/Dとする。直径Dのガウシアンビームをシリンドリカル凸レンズZ1へ入射させた。シリンドリカル凸レンズZ1によってビーム整形レンズ(強度変換レンズ)Z2の面では断面楕円(D×D’)のビームとなる。ビーム整形レンズZ2は、短径方向に均一化した楕円ビームを像面に投影する。   As shown in FIGS. 6 and 7, a cylindrical convex lens Z1 and a beam shaping lens (intensity conversion lens) Z2 are provided at a distance d, and an image plane I is provided at a distance b from Z2. The cylindrical lens Z1 has a curvature only in the y-axis direction and has a focal length L1. The beam shaping lens Z2 is a rotationally symmetric lens that equalizes a Gaussian-distributed beam in a certain range and has a focal length L2. The diameter of the beam is D, and the minor axis of the beam shaping lens Z2 is D 'by the cylindrical lens Z1. Assuming that the combined focal length is L, bD = LD ′ or b / L = D ′ / D. A Gaussian beam having a diameter D was made incident on the cylindrical convex lens Z1. The cylindrical convex lens Z1 provides a beam having an elliptical cross section (D × D ′) on the surface of the beam shaping lens (intensity conversion lens) Z2. The beam shaping lens Z2 projects an elliptical beam made uniform in the minor axis direction onto the image plane.

実施例1の光学系の具体的なレーザ光の波長、レンズ材料、間隔b、d、像面での楕円ビームのアスペクト比を次に示す。
レーザ光波長 10.6μm
レンズ材料 ZnSe
入射ビーム直径D 10mm
Z1Z2の間隔d 30mm
Z2Iの間隔b 70mm
アスペクト比(長径/短径) 3
The specific wavelength of the laser beam, lens material, distances b and d, and the aspect ratio of the elliptical beam on the image plane in the optical system of Example 1 are shown below.
Laser light wavelength 10.6μm
Lens material ZnSe
Incident beam diameter D 10 mm
Z1Z2 spacing d 30mm
Z2I spacing b 70mm
Aspect ratio (major axis / minor axis) 3

シリンドリカルレンズZ1の寸法仕様は次のようである。
y方向焦点距離L1
150mm
中心厚み 5mm
The dimensional specifications of the cylindrical lens Z1 are as follows.
y-direction focal length L1
150mm
Center thickness 5mm

ホモジナイザーレンズZ2の寸法仕様は次のようである。
中心部焦点距離L2 155mm
面上でのビーム短径D’
8mm
中心厚み 5mm
The dimensional specification of the homogenizer lens Z2 is as follows.
Center focal length L2 155mm
Beam minor axis D 'on the surface
8mm
Center thickness 5mm

非球面係数
=+1.4484123017196962×10−3
=−5.8585940705886955×10−5
=+1.0436403844764425×10−6
=−2.0355542429464749×10−8
=+6.9874079461343713×10−10
=−2.3337586133166805×10−11
=+4.9572769055067414×10−13
=−6.1625698851364172×10−15
=+4.1198295579632210×10−17
10=−1.1414660754802261×10−19
Aspheric coefficient
a 1 = + 1.4484123017196962 × 10 −3
a 2 = −5.85840507058886955 × 10 −5
a 3 = + 1.04364038444764425 × 10 −6
a 4 = −2.035555442429464749 × 10 −8
a 5 = + 6.99874079461343713 × 10 −10
a 6 = −2.333758616316805 × 10 −11
a 7 = + 4.95727690555067414 × 10 −13
a 8 = −6.16256988541364172 × 10 −15
a 9 = + 4.11982955579632210 × 10 −17
a 10 = −1.141466075482261 × 10 −19

合成焦点距離Lは、1/150+1/155−30/150・155=1/84.5からL=84.5mmとなる。b/L=70/84.5=0.82である。D’/D=8/10=0.8である。ほぼb/L=D’/Dとなっている。 The composite focal length L is from 1/150 + 1 / 155-30 / 150 · 155 = 1 / 84.5 to L = 84.5 mm. b / L = 70 / 84.5 = 0.82. D '/ D = 8/10 = 0.8. B / L = D '/ D.

像面でのビーム強度の長径方向での分布を図10に示す。短径方向でのビーム強度分布を図11に示す。縦軸はビーム強度(任意目盛り)、横軸は像の中心からの距離(mm)である。図8(2)に楕円断面における強度の分布を等高線で示す。これによれば短径方向でのビーム強度均一性が向上している。   FIG. 10 shows the distribution of the beam intensity on the image plane in the major axis direction. FIG. 11 shows the beam intensity distribution in the minor axis direction. The vertical axis represents the beam intensity (arbitrary scale), and the horizontal axis represents the distance (mm) from the center of the image. FIG. 8B shows the intensity distribution in the elliptical cross section with contour lines. According to this, the beam intensity uniformity in the minor axis direction is improved.

そのかわりに長径側のビーム強度は少し不均一になっている。これはやむを得ないことである。長径側と短径側の両方を等しくパワー密度均一化させることはできない。これは相補性がある。長径側のパワー密度を均一化させると短径側のパワー均一性は悪くなる。目的によって長径側と短径側のどちらの均一性をより重視するかによってZ1、Z2、Iの距離d、bを調整する。図14は像面にできたビームの写真である。長軸方向の端はビームが滲んでおり境界が明確でない。しかし短軸方向の端は鋭く切れており、短軸方向のパワー均一性に優れていることが良く分かる。   Instead, the beam intensity on the long diameter side is slightly non-uniform. This is unavoidable. It is not possible to make the power density uniform on both the long diameter side and the short diameter side. This is complementary. If the power density on the major axis side is made uniform, the power uniformity on the minor axis side becomes worse. Depending on the purpose, the distances d and b of Z1, Z2 and I are adjusted depending on which of the longer diameter side and the shorter diameter side is more important. FIG. 14 is a photograph of the beam formed on the image plane. The end of the major axis is blurred and the boundary is not clear. However, the end in the short axis direction is sharply cut, and it is well understood that the power uniformity in the short axis direction is excellent.

実施例2も図6、図7に示すようにシリンドリカル凸レンズZ1とビーム整形レンズ(強度変換レンズ)Z2を距離dだけ隔てて設け、Z2と距離bを隔てて像面Iを設けた。シリンドリカルレンズZ1はy軸方向だけに曲率を持ち、焦点距離L1のレンズである。そこまでは実施例1と同じであるが、レーザビームやZ1、Z2レンズが異なる。   In Example 2, as shown in FIGS. 6 and 7, a cylindrical convex lens Z1 and a beam shaping lens (intensity conversion lens) Z2 are provided at a distance d, and an image surface I is provided at a distance b from Z2. The cylindrical lens Z1 has a curvature only in the y-axis direction and has a focal length L1. Up to that point, it is the same as in the first embodiment, but the laser beam and Z1, Z2 lenses are different.

実施例2の光学系の具体的なレーザ光の波長、レンズ材料、間隔b、d、像面での楕円ビームのアスペクト比を次に示す。
レーザ光波長 10.6μm
レンズ材料 ZnSe
入射ビーム直径D 5mm
Z1Z2の間隔d 40mm
Z2Iの間隔b 160mm
アスペクト比(長径/短径) 2
The specific wavelength of the laser beam, lens material, distances b and d, and the aspect ratio of the elliptical beam on the image plane in the optical system of Example 2 are shown below.
Laser light wavelength 10.6μm
Lens material ZnSe
Incident beam diameter D 5 mm
Z1Z2 spacing d 40mm
Z2I spacing b 160mm
Aspect ratio (major axis / minor axis) 2

シリンドリカルレンズZ1の寸法仕様は次のようである。
y方向焦点距離L1
400mm
中心厚み 5mm
ホモジナイザ-レンズZ2の寸法仕様は次のようである。
中心部焦点距離L2 290mm
面上でのビーム短径D’ 4.5mm
中心厚み 5mm
The dimensional specifications of the cylindrical lens Z1 are as follows.
y-direction focal length L1
400mm
Center thickness 5mm
The dimensional specifications of the homogenizer lens Z2 are as follows.
Center focal length L2 290mm
Beam minor axis D '4.5mm on the surface
Center thickness 5mm

非球面係数
=+7.7413279096606139×10−4
=−9.8961217701964627×10−5
=+5.5691379167782349×10−6
=−3.4257251977897809×10−7
=+3.7092063160010601×10−8
=−3.9137007140599322×10−9
=+2.6266152164999071×10−10
=−1.0314650350615032×10−11
=+2.1777810644905250×10−13
10=−1.9051278773103865×10−15
Aspheric coefficient
a 1 = + 7.7321327906606139 × 10 −4
a 2 = −9.89612177701964627 × 10 −5
a 3 = + 5.591137916782349 × 10 −6
a 4 = −3.42572519777897809 × 10 −7
a 5 = + 3.77092063160010601 × 10 −8
a 6 = −3.9137007140595922 × 10 −9
a 7 = + 2.6266152164999901 × 10 −10
a 8 = −1.031414635050615032 × 10 −11
a 9 = + 2.177778106444905250 × 10 −13
a 10 = -1.9051277873103865 × 10 −15

合成焦点距離Lは、1/400+1/290−40/400・290=1/178からL=178mmとなる。b/L=160/178=0.898である。D’/D=4.5/5=0.9である。ほぼb/L=D’/Dとなっている。
The combined focal length L is from 1/400 + 1 / 290-40 / 400 · 290 = 1/178 to L = 178 mm. b / L = 160/178 = 0.898. D ′ / D = 4.5 / 5 = 0.9. B / L = D ′ / D.

像面でのビーム強度の長径方向での分布を図15に示す。短径方向でのビーム強度分布を図16に示す。縦軸はビーム強度(任意目盛り)、横軸は像の中心からの距離(mm)である。これによれば短径方向でのビーム強度均一性は良い。   FIG. 15 shows the distribution of the beam intensity in the major axis direction on the image plane. FIG. 16 shows the beam intensity distribution in the minor axis direction. The vertical axis represents the beam intensity (arbitrary scale), and the horizontal axis represents the distance (mm) from the center of the image. According to this, the beam intensity uniformity in the minor axis direction is good.

そのかわりに長径側のビーム強度は少し不均一になっている。しかし実施例1に比べて細かい変動が減っている。実施例1と同じことが言えて、長径側と短径側の両方で等しくパワー密度を均一化させることはできない。これは相補性がある。長径側のパワー密度を均一化させると短径側のパワー均一性は悪くなる。目的によって、長径側と短径側のどちらの均一性をより重視するかでZ1、Z2、Iの距離d、bを調整する。図17は像面にできたビームの写真である。短軸方向の端の切れが悪くなり、長軸方向の端のぼやけが少なくなっている。短軸方向のパワー均一性に優れていることが分かる。   Instead, the beam intensity on the long diameter side is slightly non-uniform. However, fine fluctuations are reduced as compared with the first embodiment. The same can be said as in the first embodiment, and the power density cannot be made equal on both the long diameter side and the short diameter side. This is complementary. If the power density on the major axis side is made uniform, the power uniformity on the minor axis side becomes worse. Depending on the purpose, the distances d and b of Z1, Z2 and I are adjusted depending on which of the longer diameter side and the shorter diameter side is more important. FIG. 17 is a photograph of the beam formed on the image plane. The short end in the short axis direction is poor and the blur in the end in the long axis direction is reduced. It can be seen that the power uniformity in the minor axis direction is excellent.

図18、図19に示すように凹面を持つシリンドリカルレンズZ1とビーム整形レンズ(強度変換レンズ)Z2を距離dだけ隔てて設け、Z2と距離bを隔てて像面Iを設けた。凹面シリンドリカルレンズZ1はy軸方向だけに曲率を持ち、焦点距離L1(L1は負)のレンズである。ビーム整形レンズZ2は円筒対称形のレンズであって、ある範囲でガウシアン分布するビームを均一化するもので、焦点距離L2を持つ。ビームの直径はDであり、シリンドリカルレンズZ1によって、ビーム整形レンズZ2で長径はD’(D’>D)になっている。合成焦点距離をL(正)として、bD=LD’とする。直径Dのガウシアンビームをシリンドリカル凹レンズZ1へ入射させた。シリンドリカル凹レンズZ1によって、ビーム整形レンズ(強度変換レンズ)Z2の面では断面楕円(D×D’)のビームとなる。ビーム整形レンズZ2は、短径方向に均一化した楕円ビームを像面に投影する。   As shown in FIGS. 18 and 19, a cylindrical lens Z1 having a concave surface and a beam shaping lens (intensity conversion lens) Z2 are provided at a distance d, and an image plane I is provided at a distance b from Z2. The concave cylindrical lens Z1 has a curvature only in the y-axis direction and has a focal length L1 (L1 is negative). The beam shaping lens Z2 is a cylindrically symmetric lens that uniformizes a Gaussian-distributed beam in a certain range and has a focal length L2. The diameter of the beam is D, and the major axis of the beam shaping lens Z2 is D ′ (D ′> D) by the cylindrical lens Z1. Assume that the combined focal length is L (positive), and bD = LD ′. A Gaussian beam having a diameter D was made incident on the cylindrical concave lens Z1. The cylindrical concave lens Z1 provides a beam having an elliptical cross section (D × D ′) on the surface of the beam shaping lens (intensity conversion lens) Z2. The beam shaping lens Z2 projects an elliptical beam made uniform in the minor axis direction onto the image plane.

実施例3の光学系の具体的なレーザ光の波長、レンズ材料、間隔b、d、像面での楕円ビームのアスペクト比を次に示す。
レーザ光波長 10.6μm
レンズ材料 ZnSe
入射ビーム直径D 5mm
Z1Z2の間隔d
40mm
Z2Iの間隔b 160mm
アスペクト比(長径/短径) 2
The specific wavelength of the laser beam, lens material, distances b and d, and the aspect ratio of the elliptical beam on the image plane in the optical system of Example 3 are shown below.
Laser light wavelength 10.6μm
Lens material ZnSe
Incident beam diameter D 5 mm
Z1Z2 spacing d
40mm
Z2I spacing b 160mm
Aspect ratio (major axis / minor axis) 2

シリンドリカルレンズZ1(凹面)の寸法仕様は次のようである。
y方向焦点距離L1
−200mm
中心厚み 5mm
ホモジナイザレンズZ2の寸法仕様は次のようである。
中心部焦点距離L2 120mm
面上でのビーム長径D’ 4.5mm
中心厚み 5mm
The dimensional specifications of the cylindrical lens Z1 (concave surface) are as follows.
y-direction focal length L1
-200mm
Center thickness 5mm
The dimensional specification of the homogenizer lens Z2 is as follows.
Center focal length L2 120mm
Beam major axis D '4.5mm on the surface
Center thickness 5mm

非球面係数
=+1.8708756533220730×10−3
=−1.3453033065410883×10−4
=+4.2603296791059667×10−6
=−1.4770512410335926×10−7
=+9.0127072927223198×10−9
=−5.3513472452941607×10−10
=+2.0207928608732162×10−11
=−4.4658810805343239×10−13
=+5.3074485369716941×10−15
10=−2.6141135823018697×10−17
Aspheric coefficient
a 1 = + 1.8708757563220730 × 10 −3
a 2 = −1.3453033065410883 × 10 −4
a 3 = + 4.26033296791059667 × 10 −6
a 4 = −1.477705124103335926 × 10 −7
a 5 = + 9.0127707272223198 × 10 −9
a 6 = −5.3351447245294607 × 10 −10
a 7 = + 2.0207928860732162 × 10 −11
a 8 = −4.46588810805343239 × 10 −13
a 9 = + 5.304485536769941 × 10 −15
a 10 = −2.61411358233018697 × 10 −17

合成焦点距離Lは、−1/200+1/120+40/200・120=1/200からL=200mmとなる。b/L=160/200=0.8である。D’/D=4.5/5=0.9である。ほぼb/L=D’/Dとなっている。 The combined focal length L is from -1 / 200 + 1/120 + 40/200 · 120 = 1/200 to L = 200 mm. b / L = 160/200 = 0.8. D '/ D = 4.5 / 5 = 0.9. B / L = D '/ D.

像面でのビーム強度の長径方向での分布を図20に示す。短径方向でのビーム強度分布を図21に示す。縦軸はビーム強度(任意目盛り)、横軸は像の中心からの距離(mm)である。これは長径側がシリンドリカルレンズで広がっている。アスペクト比が2であるが、長径側では直径が10mmになっている。短径方向でのビーム強度均一性も良い。   FIG. 20 shows the distribution of the beam intensity on the image plane in the major axis direction. FIG. 21 shows the beam intensity distribution in the minor axis direction. The vertical axis represents the beam intensity (arbitrary scale), and the horizontal axis represents the distance (mm) from the center of the image. The long side is spread by a cylindrical lens. The aspect ratio is 2, but the diameter is 10 mm on the longer diameter side. The beam intensity uniformity in the minor axis direction is also good.

本発明は初めのシリンドリカルが凹面のものでも適用できるということである。図22は像面にできたビームの写真である。長軸方向の端はビームが僅かに滲んでいる。短軸方向の端は鋭く切れており、短軸方向のパワー均一性に優れていることが分かる。   The present invention is applicable even if the first cylindrical is concave. FIG. 22 is a photograph of the beam formed on the image plane. The beam is slightly blurred at the end in the long axis direction. It can be seen that the end in the minor axis direction is sharply cut and the power uniformity in the minor axis direction is excellent.

強度変換レンズZhと位相補正レンズZqからなり、ガウシアンビームを均一ビーム(トップハット)に変換するホモジナイザーレンズ系の図。The figure of the homogenizer lens system which consists of an intensity | strength conversion lens Zh and the phase correction lens Zq, and converts a Gaussian beam into a uniform beam (top hat).

x軸方向に軸を持つシリンドリカル凸レンズZs、シリンドリカル凹レンズZt、強度変換レンズZhからなる光学系であって、Zsによってy軸方向にビームを縮小し、Ztによってy軸方向にビームを平行ビームにし、強度変換レンズZhによって像面Iに均一化ビームJを投射していることを示すyz断面図。an optical system comprising a cylindrical convex lens Zs having an axis in the x-axis direction, a cylindrical concave lens Zt, and an intensity conversion lens Zh, the beam is reduced in the y-axis direction by Zs, and the beam is made parallel in the y-axis direction by Zt; Yz sectional drawing which shows that the uniformization beam J is projected on the image surface I with the intensity | strength conversion lens Zh.

x軸方向に軸を持つシリンドリカル凸レンズZs、シリンドリカル凹レンズZt、強度変換レンズZhからなる光学系であって、Zsによってy軸方向にビームを縮小し、Ztによってy軸方向にビームを平行ビームにし、x方向にはビーム直径を維持しつつ、強度変換レンズZhによって像面Iに均一化ビームJを投射していることを示すzx断面図。an optical system comprising a cylindrical convex lens Zs having an axis in the x-axis direction, a cylindrical concave lens Zt, and an intensity conversion lens Zh, the beam is reduced in the y-axis direction by Zs, and the beam is made parallel in the y-axis direction by Zt; FIG. 4 is a zx cross-sectional view showing that a uniform beam J is projected onto an image plane I by an intensity conversion lens Zh while maintaining a beam diameter in the x direction.

図2、3の光学系によって像面Iに形成されたビーム像Jの長径(x方向)に沿ったビーム強度分布図。FIG. 4 is a beam intensity distribution diagram along a major axis (x direction) of a beam image J formed on the image plane I by the optical system of FIGS.

図2、3の光学系によって像面Iに形成されたビーム像Jの短径(y方向)に沿ったビーム強度分布図。FIG. 4 is a beam intensity distribution diagram along a minor axis (y direction) of a beam image J formed on the image plane I by the optical system of FIGS.

楕円断面のビームを形成するシリンドリカル凸レンズZ1と強度変換レンズ(ビーム整形レンズ)Z2だけを用い、Z1とZ2の距離dを短くして、像面に短径側に均一分布する楕円断面ビーム像Jを形成するようにした本発明の光学系のyz断面図。Using only a cylindrical convex lens Z1 and an intensity conversion lens (beam shaping lens) Z2 that form an elliptical cross section beam, the distance d between Z1 and Z2 is shortened, and an elliptical cross section beam image J uniformly distributed on the short axis side on the image plane. FIG. 2 is a yz cross-sectional view of the optical system of the present invention in which a slab is formed.

楕円断面のビームを形成するシリンドリカル凸レンズZ1と強度変換レンズ(ビーム整形レンズ)Z2だけを用い、Z1とZ2の距離hを短くして、像面に短径側に均一分布する楕円断面ビーム像Jを形成するようにした本発明の光学系のzx断面図。Using only a cylindrical convex lens Z1 and an intensity conversion lens (beam shaping lens) Z2 that form an elliptical cross section beam, the distance h between Z1 and Z2 is shortened, and an elliptical cross section beam image J uniformly distributed on the short axis side on the image plane. FIG. 3 is a zx cross-sectional view of the optical system of the present invention in which a slab is formed.

シリンドリカル凸レンズとシリンドリカル凹レンズZ1と強度変換レンズZ2を組み合わせた楕円断面のビームの強度分布図(1)とシリンドリカル凸レンズと強度変換レンズを組み合わせた本発明に係る楕円断面図のビーム強度分布図。The intensity distribution diagram (1) of the elliptical cross section beam combining the cylindrical convex lens, the cylindrical concave lens Z1 and the intensity conversion lens Z2, and the beam intensity distribution map of the elliptic cross section according to the present invention combining the cylindrical convex lens and the intensity conversion lens.

ホモジナイザーレンズをなす、強度変換レンズZhと位相補正レンズZqによってガウシアンビームを均一化ビームに変換するための、Zh、Zqのレンズ曲面と光線の伝搬の関係を求めるための説明図。Explanatory drawing for calculating | requiring the relationship between the lens curved surface of Zh and Zq, and the propagation of a light ray for converting a Gaussian beam into a uniform beam by the intensity | strength conversion lens Zh and the phase correction lens Zq which comprise a homogenizer lens.

シリンドリカルレンズとホモジナイザによってガウシアンビームを楕円断面のビームに変換し、パワー密度を均一化する、実施例1によって得られた楕円ビームの長軸側に沿った強度分布図。FIG. 4 is an intensity distribution diagram along the major axis side of the elliptical beam obtained in Example 1, in which a Gaussian beam is converted into an elliptical cross-section beam by a cylindrical lens and a homogenizer, and the power density is made uniform.


シリンドリカルレンズとホモジナイザによってガウシアンビームを楕円断面のビームに変換し、パワー密度を均一化する、実施例1によって得られた楕円ビームの短軸側に沿った強度分布図。FIG. 4 is an intensity distribution diagram along the minor axis side of the elliptical beam obtained in Example 1, in which a Gaussian beam is converted into a beam having an elliptical cross section by a cylindrical lens and a homogenizer, and the power density is made uniform.

シリンドリカルレンズZ1、強度変換レンズZ2を距離dを隔てて設け、距離bをおいて像面Iを設けた本発明の光学系において、入射ビーム直径Dと、強度変換レンズでの短径側直径D’と、シリンドリカルレンズZ1の焦点距離L1との関係を説明するための図。In the optical system of the present invention in which the cylindrical lens Z1 and the intensity conversion lens Z2 are provided at a distance d and the image plane I is provided at a distance b, the incident beam diameter D and the short diameter side diameter D in the intensity conversion lens are provided. The figure for demonstrating the relationship between 'and the focal distance L1 of the cylindrical lens Z1.

シリンドリカルレンズZ1、強度変換レンズZ2を距離dを隔てて設け、距離bをおいて像面Iを設けた本発明の光学系において、入射ビーム直径Dと、強度変換レンズでの短径側直径D’との関係を合成焦点距離LとZ2I間距離bの比率に等しい(D’/D=b/L)として、強度変換レンズZ2の焦点距離L2を計算することとした本発明の思想を説明するための図。In the optical system of the present invention in which the cylindrical lens Z1 and the intensity conversion lens Z2 are provided at a distance d and the image plane I is provided at a distance b, the incident beam diameter D and the short diameter side diameter D in the intensity conversion lens are provided. The concept of the present invention, in which the focal length L2 of the intensity conversion lens Z2 is calculated, is assumed to be equal to the ratio of the combined focal length L and the distance b between Z2I (D '/ D = b / L). Figure to do.

実施例1において像面に投影された楕円ビーム像の図。FIG. 3 is a diagram of an elliptic beam image projected on the image plane in the first embodiment.

シリンドリカルレンズとホモジナイザによってガウシアンビームを楕円断面のビームに変換、しパワー密度を均一化する、実施例2によって得られた楕円ビームの長軸側に沿った強度分布図。FIG. 4 is an intensity distribution diagram along the major axis side of an elliptical beam obtained by Example 2 in which a Gaussian beam is converted into an elliptical cross-section beam by a cylindrical lens and a homogenizer, and the power density is made uniform.

シリンドリカルレンズとホモジナイザによってガウシアンビームを楕円断面のビームに変換し、パワー密度を均一化する、実施例2によって得られた楕円ビームの短軸側に沿った強度分布図。FIG. 6 is an intensity distribution diagram along the minor axis side of an elliptical beam obtained by Example 2 in which a Gaussian beam is converted into an elliptical cross-section beam by a cylindrical lens and a homogenizer, and the power density is made uniform.

実施例2において像面に投影された楕円ビーム像の図。FIG. 10 is a diagram of an elliptic beam image projected on the image plane in the second embodiment.

楕円断面のビームを形成するシリンドリカル凹レンズZ1とホモジナイザレンズを用い、像面にy方向に拡大した像を投影し、ホモジナイザで短径側に均一分布する楕円断面ビーム像Jを形成するようにした本発明の光学系のyz断面図。A book in which a cylindrical concave lens Z1 and a homogenizer lens for forming an elliptical cross section beam are used, and an image enlarged in the y direction is projected onto the image plane to form an elliptical cross section beam image J that is uniformly distributed on the minor axis side by the homogenizer. Yz sectional drawing of the optical system of invention.

楕円断面のビームを形成するシリンドリカル凸レンズZ1とホモジナイザレンズを用い、像面にx方向には同一の寸法の像を形成するようにした本発明の光学系のzx断面図。FIG. 3 is a zx sectional view of the optical system of the present invention in which an image having the same size is formed on the image plane in the x direction using a cylindrical convex lens Z1 and a homogenizer lens that form an elliptical cross section beam.

シリンドリカルレンズとホモジナイザによってガウシアンビームを楕円断面のビームに変換、しパワー密度均一化する、実施例3によって得られた楕円ビームの長軸側に沿った強度分布図。FIG. 7 is an intensity distribution diagram along the major axis side of an elliptical beam obtained by Example 3, in which a Gaussian beam is converted into an elliptical cross-section beam by a cylindrical lens and a homogenizer, and the power density is made uniform.

シリンドリカルレンズとホモジナイザによってガウシアンビームを楕円断面のビームに変換し、パワー密度均一化する、実施例3によって得られた楕円ビームの短軸側に沿った強度分布図。FIG. 4 is an intensity distribution diagram along the minor axis side of an elliptical beam obtained in Example 3, in which a Gaussian beam is converted into an elliptical cross-section beam by a cylindrical lens and a homogenizer, and the power density is made uniform.

実施例3において像面に投影された楕円ビーム像の図。FIG. 10 is a diagram of an elliptic beam image projected on the image plane in the third embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

5ガウシアンビーム
6一軸縮小ビーム
7一軸平行ビーム
8均一化ビーム
70〜80、82ガウシアンビーム光線
5 Gaussian beam
6 uniaxial reduced beam
7 Uniaxial parallel beam
8 homogenized beam
70-80, 82 Gaussian beam

Claims (3)

直径Dのガウシアンビームを楕円断面(長半径Ra、短半径Rb、アスペクト比a=Rb/Ra)の均一化ビームにするために、y方向にのみ有限の焦点距離L1を持つシリンドリカルレンズZ1と、Z1から距離dに置かれたガウシアンビームを均一化ビームにし焦点距離L2を有する強度変換レンズZ2と、強度変換レンズZ2から距離bに置かれた像面Iとよりなり、シリンドリカルレンズZ1によって強度変換レンズZ2面に形成される楕円ビームの短径をD’として、
D>D’≧aD、
2(Db(L1−d))/(D’L1−Db)≧L2≧(Db(L1−d))/(D’L1−Db)≧b
であることを特徴とする楕円ビーム整形光学系。
A cylindrical lens Z1 having a finite focal length L1 only in the y direction in order to make a Gaussian beam having a diameter D a uniform beam having an elliptical cross section (long radius Ra, short radius Rb, aspect ratio a = Rb / Ra); An intensity conversion lens Z2 having a focal length L2 made from a Gaussian beam placed at a distance d from Z1 and a focal length L2 and an image plane I placed at a distance b from the intensity conversion lens Z2 are converted by the cylindrical lens Z1. Let D ′ be the minor axis of the elliptical beam formed on the lens Z2 surface,
D> D ′ ≧ aD,
2 (Db (L1-d)) / (D′ L1-Db) ≧ L2 ≧ (Db (L1-d)) / (D′ L1-Db) ≧ b
An elliptical beam shaping optical system characterized by
Ra/Rbが1〜10であることを特徴とする請求項1に記載の楕円ビーム整形光学系。 Ra / Rb is 1-10, The elliptical beam shaping optical system of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 直径Dのガウシアンビームを楕円断面(長半径Ra、短半径Rb、アスペクト比a=Rb/Ra)の均一化ビームにするために、y方向にのみ有限の焦点距離L1を持つシリンドリカルレンズZ1と、Z1から距離dに置かれたガウシアンビームを均一化ビームにし焦点距離L2を有する強度変換レンズZ2と、強度変換レンズZ2から距離bに置かれた像面Iとよりなり、シリンドリカルレンズZ1によって強度変換レンズZ2で短径がD’となるようにし、D>D’≧aD、という関係を満足し、シリンドリカルレンズZ1と強度変換レンズZ2の合成焦点距離をLとして、Db=LD’が成り立つように強度変換レンズZ2の焦点距離L2を計算して、L2=(Db(L1−d))/(D’L1−Db)とし、そのような焦点距離L1、L2のレンズが像面に作る楕円の形状を求め、所望のアスペクト比に達しない場合はL2を2(Db(L1−d))/(D’L1−Db)≧L2≧(Db(L1−d))/(D’L1−Db)の範囲で増やして像面でのアスペクト比aが所望の値に到達するまで繰り返えすことを特徴とする楕円ビーム整形光学系の均一性向上方法。 A cylindrical lens Z1 having a finite focal length L1 only in the y direction in order to make a Gaussian beam having a diameter D a uniform beam having an elliptical cross section (long radius Ra, short radius Rb, aspect ratio a = Rb / Ra); An intensity conversion lens Z2 having a focal length L2 made from a Gaussian beam placed at a distance d from Z1 and a focal length L2 and an image plane I placed at a distance b from the intensity conversion lens Z2 are converted by the cylindrical lens Z1. The minor axis of the lens Z2 is set to D ′, the relationship of D> D ′ ≧ aD is satisfied, and the combined focal length of the cylindrical lens Z1 and the intensity conversion lens Z2 is set to L so that Db = LD ′ is established. The focal length L2 of the intensity conversion lens Z2 is calculated, and L2 = (Db (L1-d)) / (D′ L1-Db), and such a focal length L1. The shape of an ellipse formed on the image plane by the lens of L2 is obtained. If the desired aspect ratio is not reached, L2 is set to 2 (Db (L1-d)) / (D′ L1-Db) ≧ L2 ≧ (Db (L1− d)) A method for improving the uniformity of an elliptical beam shaping optical system, which is repeated until the aspect ratio a on the image plane reaches a desired value by increasing in the range of (D′ L1-Db).
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