JP2009199085A - 光ビームを分割する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光ビームを分割するための装置を提供する。
【解決手段】 光ビーム１を分割する装置は、少なくとも２つが互いに異なる正の焦点距離を有する複数のレンズ３ａ〜３ｉを備える少なくとも１つのレンズアレイ３であって、分割されるべき光ビーム１は少なくとも１つの前記レンズアレイ３を通過することができ、複数の前記レンズ３ａ〜３ｉを通過した後で少なくともいくつかの互いに分離された少なくとも部分的に収束する部分ビーム１ａ〜１ｉを形成することができる少なくとも１つのレンズアレイ３と、少なくとも１つの前記レンズアレイ３の後ろに配置され、部分ビーム１ａ〜１ｉの少なくともいくつかを方向転換させることができる複数の方向転換部材を備える方向転換手段４であって、前記方向転換部材のうち少なくとも２つは少なくとも１つの前記レンズアレイ３に対して異なる間隔ｄａ〜ｄｉを有する方向転換手段４とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ビームを分割する装置に関する。

定義：光ビームまたはレーザ放射の伝搬方向とは、特にこれらが平面波ではないとき、または少なくとも部分的に発散もしくは収束しているとき、光ビームまたはレーザ放射の平均的な伝搬方向を意味している。光ビーム、部分ビーム、またはビームとは、明文をもって別段の記載がなされていない限り、幾何学的な光学系の理想化されたビームを意味するのではなく、現実の光ビームを意味しており、たとえば無限小に小さいビーム断面ではなく、広げられたビーム断面を有するガウス・プロフィルまたは修正ガウス・プロフィルをもつ光ビームを意味している。

複数の部分ビームへの光ビームの分割、たとえば高エネルギーレーザのレーザビームの分割は、従来技術においては、しばしば偏光ビームスプリッタによって行われている。偏光ビームスプリッタは、特に、定義された偏光を有する入射光ビームの場合にしか有意義に利用できないという欠点を有している。偏光していない光ビームを強度の等しい複数の部分ビームに分割したいときには、分割の前に、偏光フィルタによって光ビームを偏光させなくてはならず、このことは相当な出力損失を引き起す。

ミラーのような複数の幾何学的ビームスプリッタによる光ビームの分割は、望ましくない回折現象を引き起す可能性がある。

本発明の根底にある問題は、いっそう効率的に構成されており、特に偏光していない光ビームの分割にも利用することができる、冒頭に述べた種類の装置を提供することにある。

このことは、本発明に従う請求項１の特徴を備える装置によって実現される。従属請求項は、本発明の好ましい実施形態に関するものである。

本発明は、光ビーム（１）を分割する装置において、
少なくとも２つが互いに異なる正の焦点距離を有する複数のレンズ（３ａ〜３ｉ）を備える少なくとも１つのレンズアレイ（３）であって、分割されるべき光ビーム（１）は少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）を通過することができ、複数の前記レンズ（３ａ〜３ｉ）を通過した後で少なくともいくつかの互いに分離された少なくとも部分的に収束する部分ビーム（１ａ〜１ｉ）を形成することができる少なくとも１つのレンズアレイ（３）と、
少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）の後ろに配置され、部分ビーム（１ａ〜１ｉ）の少なくともいくつかを方向転換させることができる複数の方向転換部材を備える方向転換手段（４）であって、前記方向転換部材のうち少なくとも２つは少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）に対して異なる間隔（ｄａ〜ｄｉ）を有している方向転換手段（４）と、
を有していることを特徴とする装置である。

また本発明は、前記方向転換部材のそれぞれ１つに前記レンズ（３ａ〜３ｉ）の１つが付属していることを特徴とする。

また本発明は、第１の焦点距離をもつ第１のレンズ（３ａ）に付属する第１の方向転換部材は、前記第１の焦点距離よりも長い第２の焦点距離をもつ第２のレンズ（３ｉ）に付属する第２の方向転換部材よりも短い、少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）に対する間隔（ｄａ）を有していることを特徴とする。

また本発明は、前記方向転換部材はミラー（４ａ〜４ｉ）であることを特徴とする。
また本発明は、前記レンズ（３ａ〜３ｉ）はシリンドリカルレンズであることを特徴とする。

また本発明は、前記装置は複数のシリンドリカルレンズをそれぞれ有する２つのレンズアレイ（３）を含んでおり、前記第１のレンズアレイ（３）のシリンドリカルレンズのシリンダ軸は前記第２のレンズアレイ（３）のシリンドリカルレンズのシリンダ軸に対して垂直に向いていることを特徴とする。

また本発明は、前記少なくとも１つのレンズアレイ（３）の前記レンズ（３ａ〜３ｉ）の少なくともいくつかの開口は等しいことを特徴とする。

また本発明は、少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）の両方の外側のレンズ（３ａ，３ｉ）は少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）の少なくともいくつかの他のレンズ（３ｂ〜３ｈ）よりも大きい開口を有していることを特徴とする。

また本発明は、前記装置は、分割されるべき光ビーム（１）の伝搬方向で見て前記方向転換部材のうちの１つの後ろに配置された、フーリエレンズとしての役目をする少なくとも１つのレンズ（５ｂ）を含んでおり、前記方向転換部材によって偏向された部分ビーム（１ｉ）を前記レンズ（５ｂ）を通過させて、そのビームパラメータに関して影響を与えることができることを特徴とする。

また本発明は、前記装置は、分割されるべき光ビーム（１）の伝搬方向（Ｚ）で見て少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）の前に配置された均一化手段（２）を含んでいることを特徴とする。

請求項１によれば、この装置は、少なくとも２つが互いに異なる正の焦点距離を有する複数のレンズを備える少なくとも１つのレンズアレイを含んでおり、分割されるべき光ビームは少なくとも１つのレンズアレイを通過することができ、複数のレンズを通過した後で少なくともいくつかの互いに分離された少なくとも部分的に収束する部分ビームを形成することができ、さらにこの装置は、少なくとも１つのレンズアレイの後ろに配置され、部分ビームの少なくともいくつかを方向転換させることができる複数の方向転換部材を備える方向転換手段を含んでおり、方向転換部材のうち少なくとも２つは少なくとも１つのレンズアレイに対して異なる間隔を有している。

このとき特に、方向転換部材のそれぞれ１つにレンズの１つが付属していてもよい。このとき、たとえば第１の焦点距離をもつ第１のレンズに付属する第１の方向転換部材は、第１の焦点距離よりも長い第２の焦点距離をもつ第２のレンズに付属する第２の方向転換部材よりも短い、少なくとも１つのレンズアレイに対する間隔を有することができる。

本発明に従うレンズアレイの構成は、レンズアレイに対する異なる距離で方向転換部材を配置することを可能にし、それにより、一方では方向転換部材が互いに妨げあうことがなく、他方では、方向転換部材により偏向された部分ビームが互いに別々に進行することになる。各レンズの異なる焦点距離は、部分ビームの異なる強さの収束を引き起す。部分ビームの異なる強さの収束に基づき、部分ビームの伝搬方向で方向転換部材が相互にオフセットされているにもかかわらず、方向転換部材に当たるときの部分ビームの断面は、それぞれ全面的な部分ビームの方向転換を保証するのに十分な小ささである。

たとえば方向転換部材はミラーであってもよい。
さらに、レンズはシリンドリカルレンズであってもよい。

このとき、この装置は複数のシリンドリカルレンズをそれぞれ有する２つのレンズアレイを含んでいることが可能であり、第１のレンズアレイのシリンドリカルレンズのシリンダ軸は第２のレンズアレイのシリンダ軸に対して垂直に向いている。

さらに、少なくとも１つのレンズアレイのレンズの少なくともいくつかの開口は等しいことが可能である。

これに加えて、少なくとも１つのレンズアレイの両方の外側のレンズは、少なくとも１つのレンズアレイの少なくともいくつかの他のレンズよりも大きい開口を有することができる。このような種類の構成により、すべての部分ビームの強度が同じ大きさであることを保証することができる。

これに代えて、個々の部分ビームまたは全部の部分ビームが互いに異なる強度を有するように、個々のレンズの開口を異なる大きさに選択することが可能である。このようにレンズアレイの構成によって、各部分ビームの強度の比率を要求事項に応じて設定することができる。

この装置は、分割されるべき光ビームの伝搬方向で見て方向転換部材のうちの１つの後ろに配置された、フーリエレンズとしての役目をする少なくとも１つのレンズを含んでいることが意図されていてよく、方向転換部材によって偏向された部分ビームをこのレンズを通過させて、そのビームパラメータに関して影響を与えることができる。少なくとも１つのこのレンズは、レンズアレイの各レンズの焦点距離が大きく異なっている場合に、各部分ビームのビームパラメータの調整を引き起して、これらの部分ビームがほぼ平行かつ等しい発散で進行するようにする。

この装置は、分割されるべき光ビームの伝播方向で見て少なくとも１つのレンズアレイの前に配置された均一化手段を含んでいることが可能である。均一化手段は、部分ビームがそれぞれ等しい強度を有することに寄与することができる。さらに均一化手段は本来のビーム分割を、レーザ光源のビームパラメータの変化から影響を受けにくくすることができる。

本発明の上記以外の構成要件や利点は、添付の図面を参照しながら行う、好ましい実施例についての以下の説明から明らかとなる。

本発明に従う装置を示す模式図である。

より良い理解に資するため、図１にはデカルト座標系が図示されている。
図１に示す本発明の装置は、たとえば高出力レーザから射出されて、たとえば偏光されていない、正のＺ方向、したがって左側から図１に入射する光ビーム１を、複数の部分ビーム１ａ〜１ｉに分割するためのものである。そのためにこの装置は、図１では模式的にのみ図示する均一化手段２を含んでいる。均一化手段２は通常の仕方で、レンズアレイと、たとえば光ビームの伝搬方向Ｚに相前後して配置された２つのシリンドリカルレンズアレイと、シリンドリカルレンズアレイを通過する部分ビームを重ね合わせるためのフーリエレンズとを有することができる。

光ビーム１を一方向でのみ、たとえば図１のＸ方向でのみ、部分ビームに分割しようとするときには、Ｘ方向に関する光ビーム１の均一化だけで足りる。しかし光ビーム１を２つの方向で、たとえばＸ方向および図１の奥側に延びるＹ方向で、部分ビームに分割しようとするとき、光ビーム１の均一化はＸ方向に関してもＹ方向に関しても行われるべきである。その場合、たとえば２つの追加のシリンドリカルレンズアレイを設けることができ、そのシリンダ軸はすでに述べた両方のシリンドリカルレンズアレイのシリンダ軸に対して垂直に向いている。

さらにこの装置は、均一化手段２によって均一化された光ビーム１が通過するレンズアレイ３を含んでいる。レンズアレイ３は、図示した実施例ではシリンドリカルレンズとして構成され、そのシリンダ軸はＹ方向に延びる複数のレンズ３ａ〜３ｉを有している。図示した実施例では、９つのレンズ３ａ〜３ｉが設けられている。これ以上またはこれ以下の部分ビームを生成したいときは、これ以上またはこれ以下のレンズをレンズアレイ３に設けることも十分に可能である。

光ビーム１を２つの方向で、たとえばＸ方向および図１の奥側に延びるＹ方向で、部分ビームに分割しようとするときは、シリンダ軸がＸ方向に延びる、図１には図示しない追加のシリンドリカルレンズアレイが設けられる。

光ビーム１はレンズアレイ３によって、レンズ３ａ〜３ｉの個数に呼応する個数の部分ビームレンズ１ａ〜１ｉに分割される。レンズアレイ３のレンズ３ａ〜３ｉの各々は、他のレンズ３ａ〜３ｉの焦点距離とは異なる正の焦点距離を有している。このことは、図１を見ると明らかなように、部分ビームレンズ１ａ〜１ｉが異なる強さで収束するという結果につながる。図示した実施例では、図１で見て一番上のレンズ３ａはもっとも短い焦点距離を有しており、焦点距離は図１の上から下へと長くなっていき、一番下の３ｉはもっとも長い焦点距離を有している。

Ｙ方向では、すべてのレンズ３ａ〜３ｉが等しい長さである。レンズ３ｂ〜３ｈは、すべて等しい幅およびこれに伴なう等しい開口を有しており、それにより、部分ビーム１ｂ〜１ｈの各々に、入力側の光ビーム１の同等の割合が割り当てられる。レンズ３ｇの幅ｂｇが一例として図示されている。このように、レンズアレイ３に当たる光ビーム１が均一であれば、部分ビーム１ｂ〜１ｈは等しい強度を有している。両方の外側のレンズ３ａおよび３ｉは、Ｘ方向で、他のレンズ３ｂ〜３ｈよりも若干広い幅を有している。レンズ３ａの幅ｂａが一例として図示されている。レンズ３ａおよび３ｉの若干広い幅ｂａ、したがって開口は、光ビーム１の縁部に向かう放射電磁界の立下りエッジ、したがって光ビーム１に付属する放射電磁界の縁部に向かって低下していく強度を考慮したものである。このように縁部側のレンズ３ａおよび３ｉの若干広い幅ｂａにより、縁部側の部分ビーム１ａおよび１ｉも他の部分ビーム１ｂ〜１ｈと等しい強度を有することができることを保証することができる。

個々のレンズ３ａ〜３ｉの開口を異なる大きさに選択して、個々の部分ビームまたはすべての部分ビームが互いに異なる強度を有するようにすることも十分に可能である。このようにレンズアレイ３の構成によって、各部分ビーム１ａ〜１ｉの強度の比率を、要求事項に応じて設定することができる。

伝搬方向Ｚで見てレンズアレイ３の後ろには、方向転換部材としての役目をする複数のミラー４ａ〜４ｉを含む方向転換手段４が設けられている。このとき、レンズ３ａ〜３ｉの各々に、ミラー４ａ〜４ｉのうちの１つが付属しており、それによりミラー４ａ〜４ｉの各々が、部分ビーム１ａ〜１ｉのうちの１つを図１で見て上方へ反射し、したがってＺ方向から正のＸ方向へ反射する。ミラー４ａ〜４ｉは、すべてレンズアレイ３に対して異なる間隔を有している。一番上のミラー４ａとレンズアレイ３の間の間隔ｄａ、および一番下のミラー４ｉとレンズアレイ３の間の間隔ｄｉが、一例として図示されている。部分ビーム１ａ〜１ｉの異なる強さの収束に基づき、Ｚ方向におけるミラー４ａ〜４ｉの相互のオフセットにもかかわらず、ミラー４ａ〜４ｉに当たるときの部分ビーム１ａ〜１ｉの断面は、全面的な部分ビーム１ａ〜１ｉの反射をそれぞれ保証するのに十分な小ささになっている。

部分ビーム１ａ〜１ｉが反射された後で互いに平行に進むのではなく、たとえば互いに離反したがって広がるように、ミラー４ａ〜４ｉを向けることも十分に可能である。

レンズ３ａ〜３ｉの焦点距離の差異が大きいとき、状況によっては、反射される部分ビーム１ａ〜１ｉのビームパラメータを互いに調整するために、少なくとも個々の部分ビーム１ａ〜１ｉのビームパラメータに、追加のレンズによって影響を与えるのが有意義な場合がある。部分ビーム１ｉの光路には、たとえばフーリエ構造で光路に配置される、このような種類の任意選択のレンズ５ｂが破線で図示されている。複数または全部の部分ビーム１ａ〜１ｉの光路に同等のレンズを配置することも十分に可能である。

ここで付言しておくと、均一化手段２は、レンズアレイ３の手前での光ビーム１の開口数が、各々のレンズ３ａ〜３ｉのうちの１つの開口数よりも小さくなるように構成されているのがよい。

１ 光ビーム
１ａ〜１ｉ 部分ビーム
２ 均一化手段
３ レンズアレイ
３ａ〜３ｉ レンズ
４ 方向転換手段
４ａ〜４ｉ ミラー
５ｂ レンズ

Claims (10)

1. 光ビーム（１）を分割する装置において、
   少なくとも２つが互いに異なる正の焦点距離を有する複数のレンズ（３ａ〜３ｉ）を備える少なくとも１つのレンズアレイ（３）であって、分割されるべき光ビーム（１）は少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）を通過することができ、複数の前記レンズ（３ａ〜３ｉ）を通過した後で少なくともいくつかの互いに分離された少なくとも部分的に収束する部分ビーム（１ａ〜１ｉ）を形成することができる少なくとも１つのレンズアレイ（３）と、
   少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）の後ろに配置され、部分ビーム（１ａ〜１ｉ）の少なくともいくつかを方向転換させることができる複数の方向転換部材を備える方向転換手段（４）であって、前記方向転換部材のうち少なくとも２つは少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）に対して異なる間隔（ｄａ〜ｄｉ）を有している方向転換手段（４）と、
   を有していることを特徴とする装置。
2. 前記方向転換部材のそれぞれ１つに前記レンズ（３ａ〜３ｉ）の１つが付属していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 第１の焦点距離をもつ第１のレンズ（３ａ）に付属する第１の方向転換部材は、前記第１の焦点距離よりも長い第２の焦点距離をもつ第２のレンズ（３ｉ）に付属する第２の方向転換部材よりも短い、少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）に対する間隔（ｄａ）を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記方向転換部材はミラー（４ａ〜４ｉ）であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記レンズ（３ａ〜３ｉ）はシリンドリカルレンズであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記装置は複数のシリンドリカルレンズをそれぞれ有する２つのレンズアレイ（３）を含んでおり、前記第１のレンズアレイ（３）のシリンドリカルレンズのシリンダ軸は前記第２のレンズアレイ（３）のシリンドリカルレンズのシリンダ軸に対して垂直に向いていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. 前記少なくとも１つのレンズアレイ（３）の前記レンズ（３ａ〜３ｉ）の少なくともいくつかの開口は等しいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）の両方の外側のレンズ（３ａ，３ｉ）は少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）の少なくともいくつかの他のレンズ（３ｂ〜３ｈ）よりも大きい開口を有していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記装置は、分割されるべき光ビーム（１）の伝搬方向で見て前記方向転換部材のうちの１つの後ろに配置された、フーリエレンズとしての役目をする少なくとも１つのレンズ（５ｂ）を含んでおり、前記方向転換部材によって偏向された部分ビーム（１ｉ）を前記レンズ（５ｂ）を通過させて、そのビームパラメータに関して影響を与えることができることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記装置は、分割されるべき光ビーム（１）の伝搬方向（Ｚ）で見て少なくとも１つの前記レンズアレイ（３）の前に配置された均一化手段（２）を含んでいることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。

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