JP2009540604A - レーザビームの非干渉合成 - Google Patents

Abstract

複数のレーザ共振器からのビームを合成する方法は、レーザのそれぞれの出力を周波数変調することを含み、１つ以上のレーザでは他のレーザと位相をずらして周波数変調する。周波数変調されたビームは、離れた平行な経路に沿って導かれ、経路に沿った面で重なりフラットトップ強度分布を有する合成ビームを形成する。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は一般的に、複数の個々のレーザビームを合成し、個々のレーザービームのいずれよりも大きなパワーを有する合成ビームを提供することに関する。本発明は特に、少なくともビームの１つの横軸でおおよそ均一なエネルギ分布を有する合成ビームを提供することに関する。

単一のレーザビーム、特に単一モードのレーザからのビームは、典型的には、少なくとも１つのビームの横軸において、おおよそガウス強度分布（プロファイル）を有する。しかし、あるレーザ加工の用途では、少なくとも１つの軸で、比較的フラットな強度プロファイルが要求される。ビームが線状あるいは棒状の断面形状を有して形成される場合には、１つの軸で均一であれば普通は充分である。ビームが円形あるいは矩形断面形状を有する用途では、互いに直交する横軸（Ｘ軸とＹ軸あるいは矢状方向と接線方向）で均一であることが必要である。このような均一断面を有するビームは、一般的にフラットトップビームあるいは「トップハット」ビームと呼ばれる。

レーザ加工用途としては、たとえば、プリント基板に孔を開けることなどがある。この場合、横壁のテーパが最小の孔にするのに、横軸の両方で画一であることが必要である。他の用途には、アニーリング、カッティングおよび溶解などの加工を含む、ガラス、セラミックあるいはシリコンウエハの加工がある。これらの用途の多くでは、たとえば約１００ワット（Ｗ）あるいはそれ以上のかなり高エネルギを有するビームが必要である。炭酸ガス（ＣＯ_２）レーザのような、ガス放電レーザがこのような用途には一般的に適している。マルチモードの出力を有するガス放電レーザが、必要なパワーを効果的に得るのに通常必要となる。

フラットトップビームを提供する一つの一般的な方法は、ガウス強度分布を有するビーム（ガウスビーム）をビームの断面より小さな孔を通過させ、ガウスビームの中央部分だけを送信するようにすることである。このことは、比較的質の悪いフラットトップビームの近似を提供し、孔を通過して送信されない元のビームの部分を捨てることにより、元のレーザビームのパワーのかなりの量が失われる。

他の方法は、回折光学素子あるいは１組以上の円筒レンズアレイを含む均質化装置を用いることである。ＣＯ_２レーザのような高パワーのガス放電レーザからのビームは、時間と共に変化するマルチモード出力と、ビーム中に多くの小さな放電「ホットスポット」を有することが多い。このことにより、出力ビーム中に多くの振幅変化（ノイズ）を生ずる。これらの振幅変化が、加工される材料の熱時定数と同等かあるいは大きい周期を有すると、加工において許容できない変動が生ずる。

高パワーのフラットトップレーザビームを提供するさらに別の方法は、デマリア（DeMaria）らの、２００７年４月３日に付与された、米国特許番号７，１９９，３３０（「３３０特許」）に開示されており、３３０特許を参照してここに組み込む。３３０特許の開示では、対応する複数のCO₂レーザからの、そして、同じ断面の大きさを有する複数のガウスレーザビームを部分的に重ねて、略均一な断面を有する合成ビームを提供する。干渉の影響による合成ビームの低振幅変動を避けるために、電子回路を用いて、各レーザを互いに数メガヘルツ（ＭＨｚ）異なる安定した単独周波数になるように周波数を安定させる。単独周波数間のこの差は、干渉うなり周波数が生じても、充分に高周波数であり、振幅変動が、加工される材料の熱応答時間よりもかなり短い時間で生じるのに充分なように選定される。

本発明は、複数のレーザ共振器からのビームを合成する方法を提供する。一局面において、本発明による方法は、共振器の自由スペクトル領域と略等しいかあるいはそれより小さい周波数変動域にわたって各レーザの出力を周波数変調することを備える。レーザ共振器の少なくとも１つの周波数変調は、他のレーザ共振器のいずれか１つの周波数変調と異なる位相となるようになされる。ビームは、平行で離れた経路に沿って進み、経路の間隔は経路に沿った所定の距離で経路を横断する面で少なくとも部分的に重なるように選定される。

レーザ共振器の数、すなわち合成されるビームの数は、各ビームで得られるパワーと合成ビームで必要とされるパワーとから決められる。一例では、７つの共振器からのビームが合成される。４つのレーザは互いに同相で周波数変調され、３つの共振器は４つの他の共振器と９０度位相がずれた直角位相で周波数変調される。共振器の公称周波数を安定化させることは行われず、不規則にドリフトできる。各ビームは、名目上ガウス分布する強度分布を有し、また、ビームの最大強さと幅は、平面内で重なるビームがフラットトップの強度分布を有する合成ビームを提供するように決められる。投影光学系を用いて、この面内の合成ビームをワークピース上に投影することもできる。

本発明の種々の特徴と利点とは、本発明の概念が用いられる説明用の実施の形態を説明する以下の発明の詳細な説明と添付の図面を検討することにより、より完全に理解され、また、評価されるであろう。

図１は、互いに直角位相で周波数変調された２つのレーザ共振器の出力に関し時間の関数として周波数変動を模式的に図示するグラフである。 図２は、直角位相で周波数変調をしたものとしないものとで、２つのレーザが互いに１０ｋＨｚ以内の出力周波数となる確率を模式的に図示するグラフである。 図３は、７つの周波数変調されたレーザを有する本発明による装置の好適な実施の形態を模式的に図示しており、レーザのうち３つは、他の４つのレーザと直角位相で周波数変調され、ビームが所定の開始面で重なり、フラットトップ強度分布を有する合成ビームを形成するようになされる。 図３Ａは、図３の装置のさらなる詳細を模式的に示す。 図４Ａは、ビームが開始面に到達する前の図３の装置からの平行ビームの算定強度分布を模式的に図示するグラフである。 図４Ｂは、ビームが開始面に到達する前の図３の装置からの平行ビームの算定強度分布を模式的に図示するグラフである。 図５は、図３の開始面での個々のビームと個々のビームの合成との算定強度分布の例を模式的に図示するグラフである。 図６は、図３の開始面の下流側の面での個々のビームと個々のビームの合成との算定強度分布の例を模式的に図示するグラフである。 図７Ａは、図３の開始面での合成ビームの投影された細長い画像の算定強度分布を模式的に図示するグラフである。 図７Ｂは、図３の開始面での合成ビームの投影された細長い画像の算定強度分布を模式的に図示するグラフである。 図７Ｃは、図３の開始面での合成ビームの投影された細長い画像の算定強度分布を模式的に図示するグラフである。 図８は、７つのレーザを有する本発明による装置の実際的なレイアウト例を模式的に図示しており、レーザからのビームを開始面で重なるように平行な経路に沿って導くための光学要素を含む。

本発明は、周波数安定化されていない、必ずしも単一周波数でなくてもよい、単一軸モードの多数のレーザを利用する。これらのレーザは互いに重ね合わされて、ワークピース上に目的とするフラットトップの強度パターンを形成する。各ビームの大きさ、位置および強度は、ワークピースで目的のフラットトップビーム形状となるように予め調整される。半導体シリコンのアニーリング用途では、ウエハ全体を単一のスポットで照射する代わりに、薄いフラットトップの「刃先」形状のビームを進めながらスキャンしたり、表面を順次アニーリングしたりすることが一般的に好ましい。この背景で本発明を以下に説明するが、この開示された実施の形態により本発明の範囲が限定されると考えてはならない。適切な光学系によりあるいはレーザビームの他の重なりパターンにより他のビーム断面形状を形成することもできる。棒状あるいは刃先状ビームを有する合成ビームを提供するための装置にて以下に説明するように、ビームを直線に整列して重ねることができる。

円形ビームを提供するために、ビームを２次元で重ねることもできる。例として、７本のビームを、1本のビームを中心に６本のビームを周囲にして多角形形状に重ねることもできる。多角形のすべてのビームは互いに等間隔に離れるように配置される。

上記で参照した３３０特許では、ビーム強度、直径および各ビーム間の距離は、合成ビーム（重ねられたビーム）の強度プロファイルをコントロールするための変数として扱われる。その３つの参照パラメータを変化させてコントロールすることができる重要な合成ビームのパラメータは、合成ビーム形状の端部での強度の落ち込みである。強度の鋭角な落ち込みは、シリコンウエハのアニーリング用途やレーザ穴あけ加工での横壁のテーパを最小にするのに、重要である。これらの３つの変数をコントロールすることは、本書で開示される本発明と、３３０特許で開示された主題とのいくつかの主要な差異のうちの一つである。

３３０特許で開示されたシステムでは、合成ビームのビーム間の干渉により生ずる振幅変動が、加工される材料の熱時定数より短い周期となるようにするのに、別の技法を用いている。そのような振幅変動の短い周期により、材料が急速な強度変動を受けなくなる。隣接レーザから互いに、たとえば５ＭＨｚというような十分に高い周波数分離をして、各レーザを動作することにより、この処置がなされている。よって、振幅変動周期はとても短く（たとえば、０．２×１０^−６秒あるいはそれ以下）、長い熱時定数の材料は速いパワー変動を平均化し、変動には影響されない。

本発明によれば、合成される個々のビームを供給する個々のレーザは、それぞれのレーザのファブリペロー共振器の自由スペクトル領域内で自由に出力周波数のドリフトを持ってよい。例として、約３．２ｍの折り畳まれていないゲイン経路長を有する折り畳まれたＣＯ_２導波レーザを用いると、各レーザの出力周波数がドリフトできる自由スペクトル領域は、約４８ＭＨｚとなる。このような７つのＣＯ_２レーザの出力を合成することで、非常に控えめに見て７００Ｗの合成出力が得られる。

ＣＯ_２レーザの出力周波数は、多くの外乱の結果としてドリフトする。たとえば、ＣＯ_２レーザの周波数ドリフトは、レーザの放出を駆動するＲＦ電源へＡＣ主電源入力を整流することによる電圧リップルにより生じうる。ＡＣ主電源の整流は、ＲＦ電力に結合する高調波を含み、それによりＲＦ振幅リップルを生ずる。このようなＲＦ電圧リップルは、放出強度を変化させ、よってレーザの放出温度とガス圧を変化させる。このような変化は、レーザ周波数の１２０Ｈｚ周波数変調（ＦＭ）レートを主に生ずる。この影響は、レーザ周波数でおおよそ±０．５ＭＨｚのＦＭ周波数偏移を生ずるものと推量される。環境温度変化もまた、絶対的レーザ出力周波数をレーザの共振器の自由スペクトル領域にわたり（たとえば、４８ＭＨｚ）ふらつかせる。これは通常ゆっくりとしたドリフトで、典型的には多くの秒数をかけて生ずる。機械的振動は、ＣＯ_２レーザの周波数を音響的範囲で、典型的には±１５ｋＨｚのＦＭ周波数偏移で、変化させる。

２つ以上のレーザのビームの縞干渉が十分に低い周期（すなわち、加工される材料がパワー変動を受けられるように０．１ミリ秒未満）でパワー変動するように、それらのレーザの出力周波数が互いに十分に接近してドリフトする統計的確率を最小にするため、レーザのフィードバックミラー（共振器ミラー）の１つは圧電変換器（ＰＺＴ）に搭載される。変化する電圧をＰＺＴに与えることは、ミラーに周期的に振動するピストン運動を生じ、それは共振器の長さ、すなわちレーザの出力周波数を、スペクトル線プロファイルを横断して周期的に周波数スイープさせる。周波数スイープの範囲は、ＰＺＴの最大振幅モーションにより決まる。圧電変換器に作用する１ボルト当たり約１ＭＨｚの出力レーザ周波数のシフトを、典型的には得ることができる。４８ＭＨｚにわたりレーザ周波数をスイープするには、±２８ボルトの正弦波電圧が必要であろう。計算によれば、対になったレーザを独立したＦＭ発振器として扱い、ＰＺＴにより課せられた追加のＦＭ変調が正弦波直角位相で作用するなら、このような大きな周波数スイープ（したがって、大きな電圧）は必要ない。この直角位相変調は本発明のもう一つの重要な特徴である。

１対のＣＯ_２レーザの直角位相変調をどのように適用するかを述べるもう一つの方法は、次の通りである。例として、±１ボルトで１ｋＨｚの正弦波電圧がＰＺＴに作用し、ミラーにディザーを生じ、そのレーザの２ＭＨｚ最大振幅ＦＭ変調を生ずるとする。９０度位相のシフトした、同じ正弦波電圧を、近接するレーザのＰＺＴに作用させる。よって、アレイを形成するのに用いられる多くのレーザのＰＺＴは、０度、９０度、０度、９０度、０度・・・と交替する位相角で駆動される。この直角変調技術を用いることで、０．１ミリ秒当たり１０ｋＨｚより遅いＦＭスルーレートの場合に付随する低周波数振幅変動の生じる確率を大いに下げることができる。その直角変調は、相対的スルーレートが０．１ミリ秒当たり１０ｋＨｚの最小値を常に超えている確率を大いに高める。このことを述べるもう一つの方法は、ＰＺＴの直角変調により、隣接ビームの干渉うなり周波数が０．１ミリ秒以上の間、１０ｋＨｚより小さくはないことが確実になることである。たとえば０度、６０度、１２０度、０度あるいは０度、４５度、９０度、１３５度、０度などの９０度以外の位相差を、正当であるならば用いることができることに注目することは重要である。

図１は、１対のレーザ（レーザＡおよびレーザＢ）の瞬間的な出力周波数の変化を図示し、それらのＰＺＴに作用するディザー電圧が９０度位相シフトしてレーザの１つに与えられたときのものである。この条件では、たとえばレーザＢの最大周波数スルーレートは、他のレーザＡがＰＺＴの周期的ディザーでの周波数停留点（すなわち、レーザ周波数が逆転し逆方向に向くところ）のときに生ずる。直角変調の適用なしでは、スルーレートが十分に遅いという条件の確率が高くなり、十分に低いうなり周波数を生じ、それは与えられた材料加工用途では許容されないであろう。ＰＺＴに作用するディザー電圧の振幅をコントロールして周波数スイープレートを高めるように、また、直角変調を適用するようにすることにより、隣接するレーザの対の間の相対的スルーレートが許容できる最小値を常に超えることを確かにして低周波数の振幅変動が生ずる確率を大いに下げることができる。

ＦＭ法のコンピュータモデル解析によれば、ＰＺＴに作用する１ボルト、１ｋＨｚの正弦波ディザー電圧を用いることにより縞時間間隔を５ミリ秒に低減することができ、レーザの対の間で０〜９０度の間の連続的に変化するディザー電圧を有する２ＭＨｚの最大振幅のレーザのＦＭ変調を生ずる。通常、個々のレーザの出力周波数は、温度の影響のためにその共振空洞の自由スペクトル領域全体でランダムにドリフトするので、その影響は縞時間間隔を５ミリ秒よりさらに短くすることになる。ＲＦ電源の変動により生ずるレーザの周波数変動は、すべてのレーザで同じレベルのＦＭ変動を示す。この変動は１２０Ｈｚのレートにおいておおよそ１ＭＨｚであることが分かった。ＲＦ電源へリークするＡＣ主電源は、すべてのレーザに共通なＦＭモードを引き起こし、正弦波直角信号を強めたり弱めたりはしない。

確率（Ｐ）×２つの周波数が合成されるときの変調周期（Ｍ）は、縞の間隔（Ｔ）に等しい。図２は、レーザの周波数変動域（すなわち、周波数スイープ）の相対正弦波振幅の関数としての、２つのレーザが互いの周波数から１０ｋＨｚ以下にある出力周波数を有する確率のコンピュータ解析結果を示す。図２の横軸で用いられる相対正弦波振幅は、ヘルツ（Ｈｚ）での最大振幅レーザ周波数変動域をレーザの周波数ドリフトで除した比として求められる無次元のパラメータであり、周波数ドリフトはＤＣ電源を通ってＣＯ_２レーザ放射を駆動するＲＦ電源に伝播する６０Ｈｚ主電力の整流に生ずる第２高調波により生ずる。１２０Ｈｚ主電力のＲＦ電源へのリークにより生ずる最大振幅の周期的レーザ周波数変動は、通常おおよそ１ＭＨｚのオーダーである。

図２のＣ曲線は、２つのレーザのうちの１つがＡＣ主電力線から生ずる周期的周波数変調を有さず（すなわち、その出力周波数は固定される）、第２のレーザはＡＣ主電力線から安定した典型的に１ＭＨｚの最大振幅周波数変調を有する場合に対するものである。各レーザのＰＺＴに作用する正弦波最大振幅電圧は、たとえばＡＣ主電力線により生ずる周期的１ＭＨｚ変動の５倍から０倍に近づくように、連続的に減少するので、２つのレーザ間の周波数の差が１０ｋＨｚ以下に近づく確率は上昇し続け、ｘ軸が約０．２５に達すると最大確率２．５％に上昇する。各レーザのＰＺＴに作用する電圧は、この例では直角位相で作用する。さらに曲線Ｃでは、２つのレーザのいずれのＰＺＴにも電圧が作用せず、２つのレーザは同一周波数で振動するものと仮定される。図２の曲線Ｃは最悪のケースの条件であると思われるが、この条件でさえもウエハアニーリングシステムでは許容されるであろう。

図２のＤ曲線は、１．５ＭＨｚまでの周波数の差でランダムに振動する２つのレーザと仮定したケースである。これは、一番典型的なケースであると思われる。

図２のＤ曲線を得るのに、モンテカルロ解析を行ってうなり周波数が１０ｋＨｚ以内となる確率を計算した。再度、各レーザのＰＺＴに作用する正弦波最大振幅電圧は、たとえばＡＣ主電力線により生ずる１ＭＨｚ変動の５倍から０倍に近づくように、連続的に減少する。２つのＰＺＴに作用する電圧は、また、直角位相で駆動される。コンピュータ計算によれば、２つのレーザ周波数が１０ｋＨｚ以内に互いに近づくという確率は上昇し続けるが、このケースではｘ軸が１．０以下では約０．７％の確率で横ばいになる。

このような計算から、各レーザに２ＭＨｚの最大振幅周波数スイープを与えるＰＺＴで、ｘ軸の読み（相対正弦波振幅）が２．０で交互のレーザに直角位相で駆動する電圧をＰＺＴに与えて、成功したシステムが設計できると考えられる。この値では、Ｃ曲線、Ｄ
曲線の両方で２つのレーザ間の周波数分離が１０ｋＨｚ以下となる確率は０．２５％（０．００２５）のオーダーである。この値は、レーザアニーリングシステムで十分に許容される値である。相対正弦波振幅（すなわち、図２のｘ軸）を値２．０に維持することは、2つの隣接レーザ間で他に多く生じうる周波数分離条件と同程度に許容できるシステムを生み出すことができる。このことは、２MHｚの最大振幅周波数スイープ駆動電圧をレーザのＰＺＴに直角位相で作用することによりなされる。

図３は、たとえば１ｋＨｚの電圧信号をすべての交互のレーザのＰＺＴに作用することにより、多くの（ここでは、７つの）個々のレーザに周波数スイープを提供する１つの配列を図示する。同じ１ｋＨｚ電圧信号のある部分は９０度だけ位相シフトされ、このシフトされた信号を残りのレーザそれぞれに作用することにより、直角位相シフトされたＦＭ変調された対のレーザが提供される。図３は、７つの単独モードのレーザを図示するが、ワークピースで要求される出力に応じてそれ以上のあるいはそれ以下の数量のレーザを用いることができる。

図３および図３Ａに示すように、各レーザは別々のＲＦ電源で駆動される。各ＲＦ電源の出力は、図３Ａに示すようにエレクトロニックコントローラへの入力電圧を調整することにより、個々のレーザで所望の出力が得られるように調整される。図３Ａは、各レーザビームの僅かな部分が部分反射ミラー（Ｍ_ｘ）により検出器に屈折されることを示している。検出器の出力は増幅されて、コントローラに送られ、コントローラの出力はＲＦ電源の出力を所定のレベルに自動的にコントロールするのに用いられる。このことは、図３Ａに示すように、検出器の出力電圧を所定の標準電圧と比較することにより行われる。標準（あるいは基準）電圧の値は、可変電圧バッテリを用いて図３Ａに詳細に示すように電圧調整して所定の値にオペレータにより設定される。このようなコントロール方法は、当該発明の属する技術分野において周知である。図３では、レーザビーム間の空間的間隔は均等に示されているが、間隔は異なっていてもよい。所望の合成ビームのプロファイルを得るためにビーム間の間隔を追加の調整パラメータとして利用してもよい。次にレーザビームはミラーやレンズの工学的配列を通って伝播し、各ビームが所望の強度を有するレーザビームに対し所望の重なりを得る。ビーム強度の変化は、上述のようにレーザ放射へのＲＦ入力を変化させることにより得られる。隣接ビーム間の所望の間隔は折り畳みミラー配列（本書で以下に説明する）を用いて、また、所望のガウスビームプロファイル形状を生成することにより、得られる。所望のガウスビームプロファイルは、適切なガウスプロファイルを有する隣接ビームの拡散する回折によりビームが所要量だけ重なる結果となるように、個々のビームの直径を調整することにより得られる。

図３のレーザ配列から出射するレーザビーム強度プロファイルの一例を、図４Ａおよび図４Ｂに示す。７つのレーザビームのこのコンピュータシミュレーションでは、ビーム間の間隔は同等になされるが、各ビームの出力といくつかのビームのガウス形状とは、図４Ａに示すように変化する。図４Ａでは２つの端のビームのガウス形状（すなわち、幅）は他のビームのものより広いことに注目されたい。各ビーム間の間隔は約１．７５ｍｍである。図４Ｂは、ビームをまっすぐに見たときの図４Ａの７つの円形ビームの合計の算定強度を図示するコンター図である。ビームが進むにつれ、回折のために重なり始める。

図５は、図３のブロック図で示されたビーム光学システムで整えられた画像面での刃先形状合成ビームの所望のフラットトップ強度分布を図示する。個々にガウス形状に形成されピーク強度を有する７つのビームの照射を重ねると、画像面でフラットトップの薄い刃先形状パターンを形成することに留意されたい。この刃先形状プロファイルは、スキャンニングシステムでシリコンウエハをアニーリングするのに必要な形状である。

合成ビームが画像面を超えて進むと、フラットトップ刃先形状ビームは回折し続け、図６のコンピュータシミュレーションで代表されるように図５のフラットトップビームが丸くなる。

図７Ａは、そのようなウエハアニーリングシステム用の一つの光学トレインレイアウトを図示する。図３のレーザビーム形成および配置光学システムから出射した７つのレーザビームは図７Ａの開始面にある。開始面では、ビームの間隔と振幅は図４Ａおよび図４Ｂで代表的に表される通りである。画像面からある使いやすい距離（たとえば、２５０ｍｍ）離して、円筒レンズを置く。また単なる例示として、円筒レンズは４０ｍｍの有効焦点距離を有するものとする。図４Ａに示すようなビーム間隔で、円筒レンズ画像面での合成ビーム画像サイズは、約７．２ｍｍの長さで０．２ｍｍの幅である。この画像面での合成刃先形状ビームを図５に図示する。円筒レンズの画像面を２００ｍｍほど過ぎて進んだ後、合成ビームの強度分布は図６のコンピュータシミュレーションのように見える。

実際には、図５に示される分布をワークピース上に描くために光学画像システムが提供される。そのような画像システムは当業者に周知であり、本発明の原理を理解するのにそのようなシステムの説明は不要であるので、そのような画像システムの詳細な説明は本書では行わない。

典型的な投影した画像のサイズは、１％ポイントで約１００ｍｍの長さで、１／ｅ^２ポイントで０．１５ｍｍの幅である。計算によれば、約０．３％最大振幅という低い振幅リップルが可能である。図７Ａは、３Ｄコンターで表した投影画像で可能なエネルギ分布の形状を示し、画像の幅に対する高さの比を大いに誇張してコンターの形状を明確に示している。図７Ｂは画像の長さ方向の強度分布を模式的に表し、図７Ｃは画像の幅方向の強度分布を模式的に表す。当業者は、図７Ａでは高さに対する幅の比が誇張され、図７Ｂと図７Ｃでは高さに対する幅の比が、実際的なものをよりよく表しているということが分かるであろう。

１kＨｚ発振器と９０度位相シフタは、図８のエレクトロニックＰＣＢボードに表された電子機器の中にある。導波管ＣＯ_２レーザそれぞれのＰＺＴを駆動する７つの１ｋＨｚアンプは図８に示され、４つは図８の左下部分に、３つは左上部分に示される。エレクトロニックボードはまた、検出器Ｄ−１、Ｄ−２、Ｄ−３、Ｄ−４、Ｄ−５、Ｄ−６およびＤ−７の信号を用いて７つのＲＦ電源の出力を安定化する回路も含む。これら検出器のそれぞれは、７つのレーザ出力の特定の一つをモニタする。電子回路はこれら検出器の信号のそれぞれを使って、各レーザの出力をワークピース上での所望の合成ビーム形状とするのに必要なオペレータに選定された値に安定化するようにＲＦ電源の出力を変化させる。これらの検出器は図３Ａには図を簡単化するために示されないが、模式的には図３Ａに示されている。ＲＦ電源の出力をコントロールする技術は当該技術分野の経験者には周知であるので、コントロールのやり方に関しての詳細は本書では説明しない。ここで図８より、ビーム経路の１つ、たとえば図示のレーザＬ−１、をたどる。この１つの説明で、当業者が他の６つのビームのいずれをもたどるのには十分であろう。Ｌ−１レーザの出力ビームは、図８に図示されるように構成要素Ｔ−１とＣ−１からなる円筒レンズ望遠鏡を通過する。各望遠鏡は、レーザＬ−１の出口から開始面までの距離、レーザＬ−１ビームの幅、および、配列を形成するこのビームＬ−１と隣接レーザビームとの所望の重なり量を独立して得られるように調整される。この調整は各レーザビームに対して繰り返される。経路長を短くするために、３つ以上の円筒レンズが用いられることが多い。図８の配置のように、３つのレンズが使われる場合、２つのレンズは構成要素Ｔ−１に含まれ、３つ目のレンズは構成要素Ｃ−１に含まれる。部分反射あるいは全反射の折り畳みミラー（特に識別はしないが）を用いて、ビームをＴ−１の出口から、Ｃ−１へ、そしてミラーＭ−１へ導き、ミラーＭ−１は、折り畳みミラーＭ０の表面へ向けて、Ｌ−１からのビームをミラーＭ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６およびＭ７からの他の６つのビームと合成する。ミラーＭ０からの７つの合成ビームの出力は、システムの残りの部分に対する光学開始面となる。合成ビームの図８の開始面における強度分布は、おおよそ図４Ａおよび図４Ｂに図示したものとなる。構成要素Ｄ−１は、検出器であり、レーザＬ−１の出力をサンプルする。個々のビームのそれぞれにおける優れた振幅コトロールは、対象物を照射する刃先形状ビーム内のリップルを最低強度とするのに重要である。構成要素Ｓ−１はビームストップであり、検出器Ｄ−１に向けられたレーザビームの使用されない分を吸収する。レーザおよびビーム方向変換ミラーの位置は、ミラーから開始面まで同一の経路長とするように選定される。

図８では、個々のレーザ出力は、各レーザの出口からミラーＭ０の出力での開始面まで同一の距離を有するように配置されることに注意を要する。この等距離の配置は、合成ビームの所望の最終的形状に必要な所望の形状に各ビームを変形するのに必要な光学素子の数を最小化するためになされる。図８で行われているような個々のレーザの出口から面の出口までの距離を調整することは、適切なビーム距離補正光学素子が挿入されビーム毎に個々に調整されるならば、不要である。このような代替の距離補正方法は、光学的に複雑さを増しがちで、よってより高価となるが、コンパクトにできることが多い。

一般的に、レーザシステムは、複数の個別のレーザ源からのビームを合成して得られるレーザ照射のきわめて薄い刃先形状のビームを生ずるとして開示される。照射作用の一般的な特性は、（１）図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃに示されるように傾斜した対象面上の長くて狭い帯状の集中した光学エネルギを生成し、あるいは最新技術で実現できることが確かな他の合成ビーム形状でもよい。（２）ストライプ模様の照射の長手軸の強度の低周波数での振幅変動は、対象材料に所望の効果を生むために最小にしなければならない。（３）長手方向の照射の立下りは、強度が対象物表面のある許容距離内でそのピーク値からある規準最大値へと落ちるようにコントロールされる。典型的な値は２ｍｍ以内に１００％から２５％であるが、この値は限定するものと解釈してはならない。（４）ストライプの幅はストライプの長さより非常に短い。５０：１から８０：１の長さと幅の縦横比は刃先形状照射では代表的であるが、限定するものと解釈してはならない。（５）使用するレーザ源の数は、形成されるストライプの長さ内に堆積するパワーによって主に決まるが、選ばれたレーザのタイプは材料への波長の影響や対象物表面での所望の熱影響を生ずるのに必要なトータルパワーによって決まる。（６）レーザ周波数は、レーザのファブリペロー共振器の自由スペクトル範囲で、温度、振動およびＲＦ出力の変化に伴い自由にドリフトする。（７）各レーザのドリフト周波数は、ＰＺＴのような変換器に搭載されたフィードバックミラーによりレーザのゲインラインを越えて前後に周波数変調される。この周波数変調は複数のビーム間の低周波数うなりを回避するために強制的に行われ、よって合成ビームでの低周波数振幅変動を回避する。

変換器に与えられる信号のうちのいくつかは、たとえば９０度のようなある角度で位相変換され、他の隣接レーザのすべてに（９０度の場合）適用され、合成ビーム内で低周波数振幅変動を有する確率をさらに低減する。

上記に説明した本発明の特定の実施の形態は例として提供されたものであり、添付の特許請求の範囲に記載された発明の思想と範囲およびそれらの均等物から逸脱することなく当業者には他の変更点が思い浮かぶことを理解する必要がある。

Claims (6)

1. 複数のレーザ共振器からビームを合成する方法であって：
   レーザ共振器のそれぞれの出力ビームをレーザ共振器の自由スペクトル領域と略等しいかあるいは少ない周波数変動域で周波数変調する工程であって、レーザ共振器の少なくとも１つの周波数変調は他のレーザ共振器のいずれかの周波数変調と位相がずれている、工程と；
   周波数変調した出力ビームを離間した平行な経路に導く工程であって、該径路の間隔は前記周波数変調した出力ビームが経路に沿った所定の距離における経路を横断する面で少なくとも部分的に重なるようになされた、工程とを備える；
   方法。
2. 前記複数のレーザ共振器には７つのレーザ共振器があり、該レーザ共振器のうち４つは互いに同位相で周波数変調され、該レーザ共振器のうち３つは他の４つのレーザ共振器と直角位相で周波数変調される；
   請求項１の方法。
3. 前記出力ビームのそれぞれはほぼガウス強度分布を有し、前記出力ビームのピーク強度と幅は、前記面で重なるビームがフラットトップ強度分布を有する合成ビームを提供するようになされる；
   請求項１の方法。
4. それぞれが出力ビームを生ずる複数のレーザ共振器と；
   レーザ共振器のそれぞれの出力ビームをレーザ共振器の自由スペクトル領域と略等しいかあるいは少ない周波数変動域で周波数変調する変調機構であって、レーザ共振器の少なくとも１つの周波数変調は他のレーザ共振器のいずれかの周波数変調と位相がずれている、変調機構と；
   周波数変調した出力ビームを離間した平行な経路に導くビーム配置機構であって、該径路の間隔は前記周波数変調した出力ビームが経路に沿った所定の距離における経路を横断する面で少なくとも部分的に重なるようになされた、ビーム配置機構とを備える；
   レーザビーム合成システム。
5. 前記複数のレーザ共振器には７つのレーザ共振器があり、該レーザ共振器のうち４つは互いに同位相で周波数変調され、該レーザ共振器のうち３つは他の４つのレーザ共振器と直角位相で周波数変調される；
   請求項４のレーザビーム合成システム。
6. 前記出力ビームのそれぞれはほぼガウス強度分布を有し、前記出力ビームのピーク強度と幅は、前記面で重なるビームがフラットトップ強度分布を有する合成ビームを提供するようになされる；
   請求項４のレーザビーム合成システム。

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