JP2011158838A - Waveguide-type beam homogenizer and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マーキングや表面処理などのレーザ加工、あるいはアザとりや脱毛などのレーザ治療を行うに際して、照射面におけるレーザ光強度分布の均一化を図る導波路型ビームホモジナイザに関する。 The present invention relates to a waveguide beam homogenizer that makes uniform the laser light intensity distribution on an irradiation surface when performing laser processing such as marking or surface treatment, or laser treatment such as ablation or hair removal.
一般にレーザ光源から発せられる光の強度分布は、中心部分の強度が最も強いガウス分布や、あるいはいくつかの局在した強度ピークを有する不均一な分布となっている。このような不均一な強度分布のレーザ光をある特定の範囲に照射すると、例えばレーザマーキングでは視覚的な濃淡が生じたり、金属や樹脂材料等の表面処理おいては、視覚的だけではなく不均一な機械的強度分布や構造欠陥が発生したりする。またレーザ治療においても、このような不均一な強度分布をもつレーザ光をある特定の範囲に照射すると、局所的な過度の照射によって正常組織を破壊したり炎症させたりするなどの危険が伴う。 In general, the intensity distribution of light emitted from a laser light source is a Gaussian distribution having the strongest intensity in the central portion or a non-uniform distribution having several localized intensity peaks. When laser light with such a non-uniform intensity distribution is irradiated to a specific range, for example, laser marking causes visual shading, and surface treatment of metals, resin materials, etc. is not only visually but also unsatisfactory. Uniform mechanical strength distribution and structural defects may occur. Also in laser treatment, when a laser beam having such a non-uniform intensity distribution is irradiated to a specific range, there is a risk that normal tissue is destroyed or inflamed by local excessive irradiation.
このようなレーザ光の強度分布の不均一性を改善し、広範囲な領域を均一に処理するために、例えばレーザ光を強度分布の不均一性が無視できる程度の微小なスポット径に絞り、これを大面積にわたり走査させて、見かけ上照射効果(強度分布)を均一にする方法が考えられる。しかし、このような方法ではレーザ光を走査するための処理時間がかかり、また可動部分を有するので照射装置の小型化が困難であり、さらに振動による光軸変動が発生しやすいなど信頼性上の問題もある。 In order to improve the non-uniformity of the intensity distribution of the laser beam and to uniformly process a wide range of areas, for example, the laser beam is narrowed to a small spot diameter that can ignore the non-uniformity of the intensity distribution. Can be scanned over a large area to make the irradiation effect (intensity distribution) uniform. However, in such a method, it takes a long time to scan the laser beam, and since it has a movable part, it is difficult to reduce the size of the irradiation device, and the optical axis is easily changed due to vibration. There is also a problem.
このような問題を解決し、レーザ光特有の不均一な光強度分布を均一化する光学素子としてビームホモジナイザが知られており、これまでに様々な方式のビームホモジナイザが提案されている。ビームホモジナイザを用いることにより、広範囲な領域を短時間で均一に処理することが可能となるため、特にマーキングや表面処理等の工業加工分野、あるいはアザとり、脱毛などのレーザ治療の分野などで有用である。 A beam homogenizer is known as an optical element that solves such a problem and makes a non-uniform light intensity distribution unique to laser light uniform, and various types of beam homogenizers have been proposed so far. By using a beam homogenizer, it is possible to uniformly process a wide area in a short time, which is particularly useful in the field of industrial processing such as marking and surface treatment, or in the field of laser treatment such as azalea and hair removal. It is.
ビームホモジナイザには、透過型ビームホモジナイザ、反射型ビームホモジナイザ、および導波路型ビームホモジナイザなどがある。 Examples of the beam homogenizer include a transmission beam homogenizer, a reflection beam homogenizer, and a waveguide beam homogenizer.
透過型ビームホモジナイザとしては、碁盤の目状に分割された微小レンズを2次元アレー状に一体化した、いわゆるフライアイレンズと呼ばれるものや、透明基板上にミクロン単位の微細な凹凸を形成し、レーザ光の回折現象を利用して均一化を図った回折型ビームホモジナイザがある(特許文献1)。 As a transmission beam homogenizer, a so-called fly-eye lens in which minute lenses divided into a grid pattern are integrated into a two-dimensional array, or minute irregularities in units of microns are formed on a transparent substrate, There is a diffractive beam homogenizer that uses the diffraction phenomenon of laser light to achieve uniformity (Patent Document 1).
また反射型ビームホモジナイザとしては、細分割されたセグメントミラーによって、これに入射するビームを一旦分割し、これを集光しながら再度重ね合わせて均一ビームを得るものがある(特許文献2)。 Further, as a reflection beam homogenizer, there is one that once divides a beam incident thereon by a subdivided segment mirror and superimposes it again while collecting it to obtain a uniform beam (Patent Document 2).
さらに、導波路型ビームホモジナイザとしては、対向する反射板を組み合わせ矩形の中空伝搬領域を形成して、レーザ光をこの中空伝搬領域の内壁面に反射させながら強度分布の均一化を図った矩形中空導波路構造のビームホモジナイザ(カライドスコープとも呼ばれる)が提案されている(特許文献3〜7)。 Furthermore, as a waveguide type beam homogenizer, a rectangular hollow propagation region is formed by combining opposing reflectors, and the intensity distribution is made uniform while reflecting the laser beam on the inner wall surface of this hollow propagation region. A beam homogenizer having a waveguide structure (also called a kaleidoscope) has been proposed (Patent Documents 3 to 7).
しかしながら、上述したビームホモジナイザには以下の問題がある。 However, the beam homogenizer described above has the following problems.
まず、フライアイレンズや回折現象を用いた透過型ビームホモジナイザは、レーザ光の波長帯で透明な材料を用い、適当な光学系を構築すれば低損失でレーザ光の均一化を図ることができる。しかしながら、多数の微小レンズを接合したり、あるいは透明基板上に回折格子を微細加工したりしなければならないため、製造工程が複雑で、コストが高いという問題がある。特に金属や樹脂等のレーザ加工、あるいは医療用レーザ治療に有効なCO2レーザ光に対しては、石英ガラスは不透明であるため基板材料として使用することができない。ガラス材料の場合には比較的レンズ加工や回折格子の微細加工は容易であるが、一般にCO2レーザ光用の透明光学材料であるセレン化亜鉛やゲルマニウムなどの結晶性材料は、接合やミクロン単位の微細加工が困難であるため、たとえこれらの材料を用いて透過型ビームホモジナイザを製作できたとしても非常に高価なものになってしまう。 First, a transmission-type beam homogenizer using a fly-eye lens or a diffraction phenomenon uses a transparent material in the wavelength band of the laser beam, and if an appropriate optical system is constructed, the laser beam can be made uniform with low loss. . However, since it is necessary to join a large number of microlenses or to finely process a diffraction grating on a transparent substrate, there is a problem that the manufacturing process is complicated and the cost is high. In particular, quartz glass cannot be used as a substrate material for laser processing of metals or resins, or for CO 2 laser light that is effective for medical laser treatment. In the case of glass materials, lens processing and microfabrication of diffraction gratings are relatively easy, but in general, crystalline materials such as zinc selenide and germanium, which are transparent optical materials for CO 2 laser light, are used for bonding and micron units. Therefore, even if a transmission beam homogenizer can be manufactured using these materials, it becomes very expensive.
そのためフライアイレンズや回折型の透過型ビームホモジナイザは、その用途が主に石英ガラス、あるいはその他の光学ガラスが使用できる近赤外波長帯以下のレーザ光用に限定されており、CO2レーザ光用としては十分普及していない。 Transmission beam homogenizer that for the fly-eye lens or a diffractive type is limited to laser light follows a near-infrared wavelength band to which the application can be used mainly quartz glass or other optical glass,, CO 2 laser beam It is not widespread for use.
ビームホモジナイザ通過後の強度分布が均一化されたレーザ光は、光源からのレーザ光よりも広がり角が大きくなるので、一般にはビームホモジナイザは、光源側よりも被照射物側に近い位置に設置される。それゆえに、ビームホモジナイザは、被照射物からの粉塵や蒸散物が飛翔する劣悪な環境に曝されることが多く、汚染される可能性が高い。 Since the laser beam with a uniform intensity distribution after passing through the beam homogenizer has a larger spread angle than the laser beam from the light source, the beam homogenizer is generally installed at a position closer to the irradiated object side than the light source side. The Therefore, the beam homogenizer is often exposed to a poor environment in which dust or transpiration from the irradiated object flies and is likely to be contaminated.
透過型ビームホモジナイザは、一旦素子の表面にこれら汚染物質が付着すると、レーザ光の照射によりさらに汚染物質が膠着して欠陥が拡大し、透過率低下だけでなく、素子の寿命が大幅に低下してしまう。 In the transmission beam homogenizer, once these contaminants adhere to the surface of the element, the contaminants are further stuck by the irradiation of the laser beam and the defects are expanded, not only the transmittance is lowered, but also the lifetime of the element is greatly reduced. End up.
特に金属加工に使われるようなkW級のパワーを扱うCO2レーザ加工の場合には、一旦汚染物質が付着すると素子自体が容易に破壊されてしまうので、汚染が進行したビームホモジナイザは使用を中止し、新しいものと交換すべきである。しかし上述のようにこのようなビームホモジナイザは非常に高価であるため、頻繁に交換することは経済的に難しい。 In particular, in the case of CO 2 laser processing that handles kW-class power used in metal processing, once the contaminants adhere, the device itself is easily destroyed, so the beam homogenizer that has progressed contamination is discontinued. And should be replaced with new ones. However, as described above, such a beam homogenizer is very expensive, and it is economically difficult to replace it frequently.
また、透過型ビームホモジナイザは、レーザ光の強度分布の均一性を実現するために、あるいはレーザ光のパワー密度が素子の破壊閾値を越えないようにするために、ある程度広がったレーザ光をビームホモジナイザに入射させることが必要である。そのため、微小スポットに集光し高いパワー密度となる位置でレーザ光を入射させることは困難で、結果としてビームホモジナイザの素子の厚さは薄くできるものの、受光面積を十分小さくすることはできない。このように透過型ビームホモジナイザではある程度の受光面積が必要となるため、例えばレーザ治療器の先端に装着されるハンドピース部内に収納することは困難である。 In addition, a transmission beam homogenizer is a beam homogenizer that spreads a certain amount of laser light in order to achieve uniformity in the intensity distribution of the laser light or to prevent the power density of the laser light from exceeding the destruction threshold of the element. It is necessary to make the light incident on. For this reason, it is difficult to make the laser beam incident at a position where the light is focused on the minute spot and has a high power density. As a result, although the thickness of the element of the beam homogenizer can be reduced, the light receiving area cannot be sufficiently reduced. As described above, since the transmission beam homogenizer requires a certain light receiving area, it is difficult to accommodate the transmission beam homogenizer in a handpiece portion attached to the tip of the laser treatment device, for example.
次にセグメントミラーを用いる反射型ビームホモジナイザは、汚染物質の付着に対しては、比較的耐久性が強く、汚染の状況によってレーザ光の伝送効率はある程度低下するものの破損に至る閾値は高い。しかし、このようなセグメントミラーを用いる反射型ビームホモジナイザでは、レーザ光強度の均一分布が得られる集光点における集光深度が浅く、またレーザ光の光軸を折り返して構成されるので一般には伝送光学系が複雑で大きくなってしまうという問題がある。さらに、多数のセグメントミラーを凹面板に貼り付けて使用されることから、反射型ビームホモジナイザも極めて高価である。 Next, the reflection type beam homogenizer using a segment mirror has a relatively high durability against the adhesion of contaminants, and although the transmission efficiency of laser light is reduced to some extent depending on the contamination state, the threshold value for damage is high. However, a reflective beam homogenizer using such a segment mirror generally has a shallow focal depth at the focal point where a uniform distribution of laser light intensity can be obtained, and is constructed by folding the optical axis of the laser light. There is a problem that the optical system becomes complicated and large. Furthermore, since a large number of segment mirrors are attached to the concave plate and used, the reflective beam homogenizer is also very expensive.
次に矩形中空導波路構造のビームホモジナイザでは、レーザ光の伝搬領域は中空領域であり、レーザ光は矩形中空導波路の内壁面で反射を繰り返しながら伝搬される。そのため、透過型ビームホモジナイザよりも高パワー密度による破壊、あるいは汚染物質の付着による破壊の危険性は小さい。 Next, in the beam homogenizer having the rectangular hollow waveguide structure, the propagation region of the laser light is a hollow region, and the laser light is propagated while being repeatedly reflected on the inner wall surface of the rectangular hollow waveguide. Therefore, the risk of destruction due to high power density or destruction due to the adhesion of contaminants is smaller than that of the transmission beam homogenizer.
しかしながら矩形中空導波路構造のビームホモジナイザでは、レーザ光が矩形中空導波路の内壁面で何度も反射を繰り返すので、全体的な反射損が問題となる。 However, in a beam homogenizer having a rectangular hollow waveguide structure, since the laser light is repeatedly reflected on the inner wall surface of the rectangular hollow waveguide, overall reflection loss becomes a problem.
また矩形中空導波路構造のビームホモジナイザでは、レーザ光は矩形中空導波路の内壁面に対して浅い角度で入射するのでその反射率は一般にレーザ光の偏光状態に依存するという問題がある。 Further, in the beam homogenizer having the rectangular hollow waveguide structure, the laser light is incident on the inner wall surface of the rectangular hollow waveguide at a shallow angle, so that the reflectance generally depends on the polarization state of the laser light.
上述のセグメントミラーを用いる反射型ビームホモジナイザでは、レーザ光はミラー面に対しほぼ垂直に入射し、1回反射するだけであるので反射損も小さく、その反射率は入射するレーザ光の偏光状態にはほとんど依存しないが、矩形中空導波路構造のビームホモジナイザでは全体的に伝送損失が大きく、またビームホモジナイザ通過による伝送効率は、レーザ光の偏光状態に依存してしまうという問題がある。 In the reflection beam homogenizer using the segment mirror described above, the laser beam is incident substantially perpendicular to the mirror surface and is reflected only once, so that the reflection loss is small, and the reflectance is in the polarization state of the incident laser beam. However, the beam homogenizer having the rectangular hollow waveguide structure has a large transmission loss as a whole, and the transmission efficiency through the beam homogenizer depends on the polarization state of the laser light.
また矩形中空導波路構造のビームホモジナイザでは、ビームホモジナイザを通過する際に発生する伝送損失により、ビームホモジナイザ自体が発熱するため、放熱性(ビームホモジナイザの熱伝導率)も重要となる。特許文献5,7では、内壁面が平滑なガラス材料に金属膜を被覆して構成された導波路型ビームホモジナイザが提案されているが、熱伝導率という点では、ガラス材料は必ずしも好適とは言えない。
Further, in a beam homogenizer having a rectangular hollow waveguide structure, since the beam homogenizer itself generates heat due to transmission loss that occurs when passing through the beam homogenizer, heat dissipation (heat conductivity of the beam homogenizer) is also important. In
レーザ光をより浅い角度で内壁面に入射させて反射率を高め、かつ矩形中空導波路の長さを制限し、反射の回数を制限すれば、伝送損失をある程度抑えることは可能であるが、出射レーザ光の強度分布の均一性は劣る。伝送損失の抑制と出射レーザ光の強度分布の均一性とを両立させるため、ビームホモジナイザ自体あるいはそこに入射されるレーザ光自体を振動させて時間的にレーザ光の照射強度を平均化する手段も考案されている(特許文献3,6,7)。しかしながらこのような可動部を有する光学系は、振動機構が複雑で、特にレーザ治療器のハンドピース部内に装着するような小型なビームホモジナイザには適しない。このような機構がなくても、伝送損失を抑え、レーザ光の偏光依存性を抑制し、レーザ光の均一化を実現するビームホモジナイザが求められている。
If the laser beam is incident on the inner wall surface at a shallower angle to increase the reflectance, and the length of the rectangular hollow waveguide is limited, and the number of reflections is limited, the transmission loss can be suppressed to some extent, The uniformity of the intensity distribution of the emitted laser light is inferior. In order to achieve both suppression of transmission loss and uniformity of the intensity distribution of the emitted laser beam, there is also means for averaging the laser beam irradiation intensity over time by vibrating the beam homogenizer itself or the laser beam incident thereon. It has been devised (
そこで、本発明の目的は、上記のような伝送損失や偏光依存性の問題を解消し、高出力のレーザ光に対しても十分光学的、熱的な耐久性を有し、しかも安価で機械的に強固な導波路型ビームホモジナイザを提供することにある。また、レーザ治療器の伝送系先端に装着されるハンドピース部等の小型部材内にも設置できるような形状を有する導波路型ビームホモジナイザおよびその製造方法を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of transmission loss and polarization dependency, have sufficient optical and thermal durability against high-power laser light, and are inexpensive and mechanical. Is to provide a highly robust waveguide beam homogenizer. It is another object of the present invention to provide a waveguide beam homogenizer having a shape that can be installed in a small member such as a handpiece attached to the tip of a transmission system of a laser treatment device, and a method for manufacturing the same.
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、レーザ光が伝搬する断面矩形空間を有する中空金属部材の金属内壁面上に誘電体薄膜を形成した導波路型ビームホモジナイザにおいて、前記誘電体薄膜に入射する前記レーザ光の電界が入射面に対して垂直である偏光波をS偏光波、前記入射面に対して平行である偏光波をP偏光波とすると、前記誘電体薄膜の膜厚dを、前記誘電体薄膜に最も深い角度で入射する前記レーザ光のS偏光波における反射率とP偏光波における反射率の相加平均反射率が最も大きくなるときの膜厚daと、前記膜厚daと最も近いところに存在する前記S偏光波における反射率と前記P偏光波における反射率とが等しくなるときの膜厚dbとの間にあるように設定した導波路型ビームホモジナイザである。 The present invention was devised to achieve the above object, and is a waveguide beam homogenizer in which a dielectric thin film is formed on a metal inner wall surface of a hollow metal member having a rectangular space in which a laser beam propagates. When a polarized wave whose electric field of the laser light incident on the dielectric thin film is perpendicular to the incident surface is an S-polarized wave, and a polarized wave parallel to the incident surface is a P-polarized wave, the dielectric thin film The film thickness d is the film thickness da when the arithmetic mean reflectance of the reflectance of the S-polarized wave and the reflectance of the P-polarized wave of the laser light incident at the deepest angle on the dielectric thin film is maximized. A waveguide beam homogenizer set so as to be between the film thickness db when the reflectance of the S-polarized wave existing closest to the film thickness da and the reflectance of the P-polarized wave are equal. is there.
さらに好適には、前記中空金属部材は4つの金属部材を接合することによって、外形の断面形状が円形で、その中央部に前記金属内壁面によって前記断面矩形空間を区画したものであると共に、前記断面矩形空間を挟んで少なくとも互いに対向する前記金属部材の断面形状が同一であることとした。 More preferably, the hollow metal member is formed by joining four metal members so that the outer cross-sectional shape is circular, and the cross-sectional rectangular space is defined by the metal inner wall surface at the center thereof, and The cross-sectional shapes of the metal members facing each other at least across the rectangular cross-sectional space are the same.
さらに好適には前記断面矩形空間は、前記レーザ光が入射される円形入射口に向かって拡径する円錐側面形状を成す形状変換部に接続されることとした。 More preferably, the rectangular space in cross section is connected to a shape converting portion having a conical side surface shape whose diameter increases toward a circular entrance through which the laser beam is incident.
さらに好適には前記中空金属部材は無酸素銅からなり、前記誘電体薄膜は、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、フッ化カルシウム、酸化銅、ヨウ化銅、あるいは石英のいずれかからなることとした。 More preferably, the hollow metal member is made of oxygen-free copper, and the dielectric thin film is made of any of germanium, zinc selenide, zinc sulfide, calcium fluoride, copper oxide, copper iodide, or quartz. did.
また本発明は、レーザ光が伝搬する断面矩形空間を有する中空金属部材の金属内壁面上に所定の膜厚を有する誘電体薄膜が形成されてなる導波路型ホモジナイザの製造方法において、前記誘電体薄膜に入射する前記レーザ光の電界が入射面に対して垂直である偏光波をS偏光波、前記入射面に対して平行である偏光波をP偏光波とした時に、前記誘電体薄膜に最も深い角度で入射する前記レーザ光のS偏光波における反射率とP偏光波における反射率の相加平均反射率が最も大きくなるときの膜厚daを求め、前記膜厚daと最も近いところに存在する前記S偏光波における反射率と前記P偏光波における反射率とが等しくなるときの膜厚dbを求めてから、前記誘電体薄膜の膜厚dを前記膜厚daと前記膜厚dbとの間になるように設定する導波路型ホモジナイザの製造方法である。 The present invention also provides a method for manufacturing a waveguide homogenizer in which a dielectric thin film having a predetermined film thickness is formed on a metal inner wall surface of a hollow metal member having a rectangular space in which a laser beam propagates. When the polarized wave in which the electric field of the laser beam incident on the thin film is perpendicular to the incident surface is an S-polarized wave and the polarized wave parallel to the incident surface is a P-polarized wave, The film thickness da is obtained when the arithmetic mean reflectance of the reflectance of the S-polarized wave and the reflectance of the P-polarized wave of the laser light incident at a deep angle is maximized, and is present at a position closest to the film thickness da. After obtaining the film thickness db when the reflectance in the S-polarized wave and the reflectance in the P-polarized wave are equal, the film thickness d of the dielectric thin film is set to the thickness da and the film thickness db. Waveguide set to be between It is a manufacturing method of the type homogenizer.
本発明によれば、伝送損失が小さく、入射レーザ光の偏光依存性を抑制することができる。また高出力のレーザ光に対しても十分光学的、熱的に耐久性があり、小型で安価、かつ機械的に強固な導波路型ビームホモジナイザおよびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, transmission loss is small, and the polarization dependence of incident laser light can be suppressed. In addition, it is possible to provide a waveguide beam homogenizer that is sufficiently optically and thermally durable to high-power laser light, that is small, inexpensive, and mechanically strong, and a method for manufacturing the same.
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は本実施の形態に係る導波路型ビームホモジナイザを示す図であり、(a)はレーザ光の入射側から見た正面図および(b)は側面図である。 1A and 1B are diagrams showing a waveguide beam homogenizer according to the present embodiment, in which FIG. 1A is a front view seen from the laser beam incident side, and FIG. 1B is a side view.
導波路型ビームホモジナイザ1は、略断面扇型の同一形状を有する4つの金属部材11a〜11dが対向して組立てられ、その中心部に断面矩形空間12が形成されてなる中空金属部材10と、この中空金属部材10の金属内壁面13上に形成された誘電体薄膜14とを有する。
The waveguide
本実施例では、金属部材11a〜11dの材料として熱伝導率が良好で、かつ大きな反射率を得ることができる無酸素銅を用いた。
In the present embodiment, oxygen-free copper that has good thermal conductivity and can obtain a large reflectance is used as the material of the
また誘電体薄膜14の材料としてはゲルマニウムを用い、金属内壁面13上にスパッタリング法により形成された。
Further, germanium was used as a material of the dielectric
CO2レーザ光の発振波長10.6μmにおいて、銅の複素屈折率は14.1−j64.5であり、ゲルマニウムの屈折率は4である。ゲルマニウムの消衰係数(複素屈折率の虚数部)はほとんど無視できて、すなわちゲルマニウムは、CO2レーザ光の波長帯において透明な誘電体としてみなされる。 At an oscillation wavelength of 10.6 μm of CO 2 laser light, the complex refractive index of copper is 14.1-j64.5, and the refractive index of germanium is 4. The extinction coefficient of germanium (imaginary part of the complex refractive index) is almost negligible, that is, germanium is regarded as a transparent dielectric in the wavelength band of CO 2 laser light.
また本実施例では、同一形状の4つの金属部材11a〜11dを接合し、その外形断面が直径6mmの円形を成し、その中心部の断面矩形空間12は一辺が1.5mmの正方形断面を成す構造とし、導波路型ホモジナイザ1の長さは10cmとした。4つの金属部材11a〜11dは、ねじ穴15に、図示しないボルトを螺合することで固定され、一体化されるが、これらは接着や溶接接合により一体化してもよい。
Further, in this embodiment, four
また断面矩形空間12を区画する金属内壁面13はレーザ光の反射率を高めるために鏡面に研磨される。この研磨される領域、および誘電体薄膜14が形成される領域は、光学的にはレーザ光が伝搬する断面矩形空間12を区画する領域のみで十分であるが、製造工程の容易さから、この領域を含む金属部材11a〜11dの各面全体にわたって施してもよい。
The metal
導波路型ビームホモジナイザ1の断面矩形空間12に、レーザ光が入射され、進行軸に対して上下の内壁面だけでなく、左右の内壁面にもいろいろな角度で反射を繰り返しながら長手方向に伝搬し、これによりレーザ光の空間的な強度分布が均一化される。このとき、断面矩形空間12を区画し、誘電体薄膜が形成された金属内壁面13において、様々な偏光状態のレーザ光が混在して反射を繰り返しながら伝搬する。
Laser light is incident on the rectangular
図2に、誘電体薄膜14が形成された金属内壁面13によって区画された断面矩形空間12の縦断面模式図を示す。レーザ光は、断面矩形空間12と誘電体薄膜14との境界面および金属内壁面13で反射される。それぞれの反射面に入射するレーザ光21の電界が入射面に対して垂直である偏光波をS偏光波、入射面に対して平行である偏光波をP偏光波と呼ぶ。反射面におけるレーザ光21の反射率は、入射するレーザ光21の偏光状態および誘電体薄膜14の膜厚に依存する。
FIG. 2 is a schematic vertical cross-sectional view of a rectangular
図3は、銅壁面(金属内壁面13)にゲルマニウム薄膜(誘電体薄膜14)が形成された反射面に、図2で示すところの角度θ(入射角の余角)が、1°、5°および10°で波長10.6μmのCO2レーザ光が入射した場合の、ゲルマニウム薄膜の膜厚dに対するS偏光波の反射率(Rs)、P偏光波の反射率(Rp)、およびその相加平均の反射率(Ra)を示したものである。図3(a)〜(c)において、S偏光波の反射率(Rs)を実線で、P偏光波の反射率(Rp)を破線で、その平均の反射率(Ra)を一点鎖線で示している。 FIG. 3 shows a reflection surface in which a germanium thin film (dielectric thin film 14) is formed on a copper wall surface (metal inner wall surface 13). When CO 2 laser light having a wavelength of 10.6 μm is incident at 10 ° and 10 °, the reflectance of the S-polarized wave (Rs), the reflectance of the P-polarized wave (Rp), and the phase of the film thickness d of the germanium thin film The average reflectance (Ra) is shown. 3A to 3C, the reflectance (Rs) of the S-polarized wave is indicated by a solid line, the reflectance (Rp) of the P-polarized wave is indicated by a broken line, and the average reflectance (Ra) is indicated by a one-dot chain line. ing.
なお、S偏光波の反射率(Rs)およびP偏光波の反射率(Rp)は、株式会社昭晃堂が発行した光伝送の基礎(宮城光信著、1991年5月27日初版1刷発行)の122〜128頁に記載されている方法で算出した。 The reflectance of S-polarized wave (Rs) and the reflectance of P-polarized wave (Rp) are the basics of optical transmission issued by Shoshodo Co., Ltd. (Miyanobu Mitsunobu, first published on May 27, 1991) ), Pages 122 to 128.
図3から分かるように、一般に誘電体薄膜14が形成されていない場合(d=0)の金属内壁面13における反射率は、角度θが浅い(小さい)場合には、S偏光波の反射率(Rs)はほぼ100%に近い値であるのに対し、P偏光波の反射率(Rp)は非常に小さくなる。角度θが深く(大きく)なるにつれて、S偏光波の反射率(Rs)は低下しP偏光波の反射率(Rp)は大きくなってθ=90°(入射角0°)のときは、反射面に対し偏光の向きは意味を成さなくなるので両者は一致し、そのときの理論的な反射率は98.7%である。
As can be seen from FIG. 3, in general, when the dielectric
すなわち、垂直入射の銅ミラーの反射率はこのように高い反射率を得ることができるが、本発明の導波路型ビームホモジナイザのように反射面に対して浅い角度でレーザ光が入射する場合には、入射光の偏光状態により反射率は大きく異なる。 That is, the reflectivity of the normal incidence copper mirror can be obtained in this way, but when the laser beam is incident at a shallow angle with respect to the reflection surface as in the waveguide beam homogenizer of the present invention. The reflectivity varies greatly depending on the polarization state of incident light.
一般には図3に示されているように、金属面に対する反射率は、S偏光波の反射率(Rs)がP偏光波の反射率(Rp)よりも大きく、レーザ光が反射面に浅い角度で入射する範囲ではその差は大きい。 In general, as shown in FIG. 3, the reflectance with respect to the metal surface is such that the reflectance (Rs) of the S-polarized wave is larger than the reflectance (Rp) of the P-polarized wave, and the laser beam is at a shallow angle to the reflecting surface. The difference is large in the incident range.
金属内壁面13上に誘電体薄膜14を形成すると、S偏光波の反射率(Rs)は若干低下するものの、P偏光波の反射率(Rp)を大幅に高めることができる。また両者の反射率が一致する誘電体薄膜14の膜厚が存在し、その膜厚よりもさらに厚くなると両者の反射率は逆転する。
When the dielectric
このような金属内壁面13上に誘電体薄膜14を形成すると、各偏光波の反射率は誘電体薄膜14の膜厚に依存し、膜厚の増加にしたがって周期的に変化する。
When the dielectric
本発明の導波路型ビームホモジナイザ1においては、レーザ光の伝搬領域が断面矩形空間12であるために、一つの壁面にS偏光のレーザ光が入射したとしても、これと直交する別の壁面ではP偏光のレーザ光が入射される。ビーム強度を均一化するために反射回数を増やすほど、レーザ光の偏光状態は混在化し、S偏光波、P偏光波のレーザ光の割合は平均化される。
In the
そこでまず、伝送損失を最小にするため、本発明では内装する誘電体薄膜14の膜厚をS偏光波の反射率(Rs)とP偏光波の反射率(Rp)の平均の反射率(Ra)が最大となる付近に定めた。
Therefore, in order to minimize transmission loss, in the present invention, the thickness of the dielectric
誘電体薄膜14としてゲルマニウム薄膜を用いた場合、図3に示すように、S偏光波の反射率(Rs)とP偏光波の反射率(Rp)の平均の反射率(Ra)が最大となる膜厚daは、角度θが1°のときは0.46μmと0.86μm、角度θが5°のときは0.45μmと0.87μm、角度θが10°のときは0.41μmと0.91μmに存在し、さらに膜厚が厚い領域においても、平均の反射率(Ra)が最大となる膜厚daは周期的に現れる。
When a germanium thin film is used as the dielectric
平均の反射率(Ra)が最大となる誘電体薄膜14の膜厚da付近では、平均の反射率(Ra)の変化は、誘電体薄膜14の膜厚dに対し鈍感であるが、S偏光波の反射率(Rs)とP偏光波の反射率(Rp)は一致しない。両者の反射率が一致する誘電体薄膜14の膜厚dbは、誘電体薄膜14としてゲルマニウム薄膜を用いた場合、図3に示すように角度θにほとんど依存せず、0.56μmと0.76μmに存在することがわかった。このS偏光波の反射率(Rs)とP偏光波の反射率(Rp)が一致する膜厚dbも、さらに膜厚が厚い領域において周期的に現れる。
In the vicinity of the film thickness da of the dielectric
誘電体薄膜14の膜厚dが、S偏光波とP偏光波の平均反射率(Ra)が最も大きくなるときの膜厚daと、この膜厚daと最も近いところに存在するS偏光波における反射率(Rs)とP偏光波における反射率(Rp)とが等しくなるときの膜厚dbを境界として、この範囲からはずれると、反射率が急激に低下するか、あるいはS偏光波、P偏光波の反射率の差がより大きくなってしまう。
The film thickness d of the dielectric
そこで本発明では、誘電体薄膜14の膜厚dの許容範囲として、誘電体薄膜14が形成された金属内壁面13に最も深い角度θで入射するレーザ光のS偏光波における反射率(Rs)とP偏光波における反射率(Rp)の平均反射率(Ra)が最も大きくなるときの膜厚daと、この膜厚daと最も近いところに存在するS偏光波における反射率(Rs)とP偏光波における反射率(Rp)とが等しくなるときの膜厚dbの間の範囲となるように設定した(da<dbの場合は、da≦d≦dbとし、da>dbの場合は、db≦d≦daとする。)。このような設定にすることによって、偏光状態に依らず高い反射率を維持し、ホモジナイザに入射されるレーザ光の偏光状態が変動する場合、例えば、レーザ治療器のようにレーザ伝送系を人の手によって任意に移動されるような場合においてもレーザ出力の変動を抑えられる。
Therefore, in the present invention, as an allowable range of the film thickness d of the dielectric
本発明の具体的な実施例において、ビーム径10mmのレーザ光を焦点距離28mmの集光レンズで集光し、図1の導波路型ビームホモジナイザ1に入射することとした。このとき誘電体薄膜14が形成された金属内壁面13に最も深い角度で入射するレーザ光の角度θは、およそ10°となる。すなわち本発明の実施例では、内装するゲルマニウムの膜厚範囲を0.41μm以上0.56μm以下となるように定めた。
In a specific embodiment of the present invention, a laser beam having a beam diameter of 10 mm is collected by a condenser lens having a focal length of 28 mm and is incident on the
本実施例において導波路型ビームホモジナイザ1は、より浅い角度で誘電体薄膜14が形成された金属内壁面13に入射するレーザ光も低次モードとして伝搬する。図3からわかるように、ゲルマニウムの膜厚範囲0.41μm以上0.56μm以下において、より角度θが小さい、すなわち誘電体薄膜14が形成された金属内壁面13に対して浅い角度で入射したレーザ光ほど反射率が高く、また偏光の違いによる反射率の差異も小さい。したがって、誘電体薄膜14が形成された金属内壁面13に最も深い角度で入射するレーザ光に対して、誘電体薄膜14の膜厚許容範囲を設定すれば、その膜厚許容範囲では、より浅い角度で入射するレーザ光に対しても高い反射率を維持し反射率の偏光依存性を抑制できる。
In the present embodiment, the
なお本発明による有効な膜厚範囲は、膜厚がより厚い領域においても存在するが、本発明における具体的な実施例では誘電体薄膜の膜厚範囲は、最も薄い膜厚許容範囲(0.41μm以上0.56μm以下)とした。より膜厚が厚い領域において許容範囲を設定しても、すなわちゲルマニウムの膜厚を0.76μm以上0.91μm以下となるように設定しても本発明の効果は発揮される。しかし一般には膜厚が厚いほど、膜厚分布の均一性、膜の表面粗さ、および膜の吸収損失などの問題が生じ、光ビームの伝搬特性に悪影響を及ぼす可能性があるので、上記のように誘電体薄膜14の膜厚範囲は、最も薄い膜厚許容範囲とする方が好ましい。
The effective film thickness range according to the present invention also exists in a region where the film thickness is larger, but in a specific embodiment of the present invention, the film thickness range of the dielectric thin film is the thinnest film thickness tolerance range (0. 41 μm or more and 0.56 μm or less). Even if the allowable range is set in a region where the film thickness is thicker, that is, the film thickness of germanium is set to be 0.76 μm or more and 0.91 μm or less, the effect of the present invention is exhibited. However, in general, as the film thickness increases, problems such as uniformity of film thickness distribution, film surface roughness, and film absorption loss may occur, which may adversely affect the propagation characteristics of the light beam. Thus, the film thickness range of the dielectric
本発明の上記実施例では、誘電体薄膜14として、ゲルマニウムを用いたが、他の実施例として、図4に誘電体薄膜14としてセレン化亜鉛を用いた場合を示す。
In the above embodiment of the present invention, germanium is used as the dielectric
図4は、上記と同じ入射レンズ系を用いた導波路型ビームホモジナイザ1を用い、銅壁面(金属内壁面13)にセレン化亜鉛薄膜(誘電体薄膜14)が形成された反射面に、1°(図4(a))、5°(図4(b))および10°(図4(c))の角度θ(入射角の余角)で波長10.6μmのCO2レーザ光が入射した場合の、セレン化亜鉛薄膜の膜厚dに対するS偏光波の反射率(Rs)、P偏光波の反射率(Rp)、およびその相加平均の反射率(Ra)を示したものである。この場合も、誘電体薄膜14が形成された金属内壁面13に最も深い角度で入射するレーザ光の角度θは、およそ10°となるので、セレン化亜鉛薄膜の膜厚許容範囲は図4(c)に示したように0.73μm以上0.91μm以下となる。
FIG. 4 shows a reflection type surface in which a zinc selenide thin film (dielectric thin film 14) is formed on a copper wall surface (metal inner wall surface 13) using a
セレン化亜鉛は波長10.6μmにおいて、屈折率が2.4とゲルマニウムよりも小さく、より高い反射率を得ることができる。また熱暴走による吸収損失の増加も小さいことから、主にkW級のレーザ加工用として適している。一方、ゲルマニウムは無毒性材料であるので、医療用レーザ治療器のハンドピース部に装着される導波路型ビームホモジナイザとして有用である。 Zinc selenide has a refractive index of 2.4 at a wavelength of 10.6 μm, which is smaller than that of germanium, and a higher reflectance can be obtained. Further, since the increase in absorption loss due to thermal runaway is small, it is suitable mainly for kW class laser processing. On the other hand, since germanium is a non-toxic material, it is useful as a waveguide beam homogenizer attached to the handpiece part of a medical laser treatment device.
赤外レーザ用の導波路型ビームホモジナイザにおいては、上記したゲルマニウムやセレン化亜鉛以外にも、硫化亜鉛、フッ化カルシウム、酸化銅、ヨウ化銅などが赤外波長帯において透明となり本発明の効果が発揮される。また近赤外以下の波長帯のレーザ用に対しては、石英材料が透明となり効果的である。 In the waveguide type beam homogenizer for infrared laser, zinc sulfide, calcium fluoride, copper oxide, copper iodide, etc. are transparent in the infrared wavelength band in addition to the above-described germanium and zinc selenide. Is demonstrated. For lasers in the near-infrared wavelength band, the quartz material is transparent and effective.
また、これらの誘電体薄膜14は、スパッタリングや蒸着法によって形成されるが、銅化合物である酸化銅あるいはヨウ化銅を誘電体薄膜14として用いる場合には、銅材料からなる金属内壁面13の表面を酸化あるいはヨウ素化して誘電体薄膜14(酸化銅あるいはヨウ化銅)としてもよい。
These dielectric
図1の導波路型ビームホモジナイザ1の断面矩形空間12は断面正方形構造であるが、これに拘らず、例えば図5のように断面長方形構造でもよい。
The rectangular
なお本発明の導波路型ビームホモジナイザ1は、これを構成する4つの金属部材は、図1のように断面形状が4つとも同一か、あるいは図5のように少なくとも断面矩形空間52において相対する部材同士の断面形状が同一であるとした。これにより、断面矩形空間を形成する各部材壁面の研磨、あるいはその壁面上に所望の誘電体薄膜を成膜する工程に際し、一括あるいはより少ない処理工程で製造可能となるため、製造コストを低減できる。
In the
また、4つの金属部材を組立てて成す導波路型ビームホモジナイザ1の外形断面は円形になるようにしたので、例えばレーザ治療器のハンドピース部に装着される際にも、ペンのように手に持ちやすい構造とすることができる。
In addition, since the
さらに、図6は、本発明の別の実施例である導波路型ビームホモジナイザ6を示したものであり、(a)はレーザ光の入射側から見た正面図であり、(b)は側面図を示したものである。
Further, FIG. 6 shows a
レーザ光の入射側は円形の入射口65を有し、レーザ光が伝搬する空間は、長手方向に対し断面円形空間から、入射口65の口径よりも小さい一辺をもつ断面矩形空間62へ滑らかに変換されるようにしたものであり、すなわち、断面矩形空間62は、レーザ光が入射される円形の入射口65に向かって拡径する円錐側面形状を成す断面形状変換部67に接続されている。
The incident side of the laser beam has a
このような構造により、集光レンズを用いずとも、レーザ光源からのレーザ光を直接入射させることができる。なお、この入射側の円錐側面形状を成す断面形状変換部67の内壁面もまた研磨加工により滑らかで、誘電体薄膜が成膜されているのが好ましく、この場合、断面形状変換部67の内壁面に形成された誘電体薄膜の膜厚は、断面矩形空間62に形成された誘電体薄膜14の膜厚と等しくなるように形成する。
With such a structure, laser light from a laser light source can be directly incident without using a condenser lens. In addition, it is preferable that the inner wall surface of the cross-sectional
図1、5、6の実施例において、導波路型ビームホモジナイザを構成する4つの金属部材(中空金属部材10、50、60)には無酸素銅を用いた。無酸素銅は熱伝導率、反射率、価格において本発明の導波路型ビームホモジナイザに最も適した材料である。研磨した無酸素銅の面は活性で変質されやすいが、誘電体薄膜を被覆することにより、長期安定した特性を得ることができる。
1, 5 and 6, oxygen-free copper was used for the four metal members (
無酸素銅は熱伝導に優れ、レーザ光の損失により発生する熱を放出する上でも有利であり、特に金属部材を水冷することによる冷却効果は大きく、各種金属の表面処理などkW級のレーザ光を扱うことも可能である。 Oxygen-free copper is excellent in heat conduction and is advantageous in releasing heat generated by loss of laser light. Especially, the cooling effect by water-cooling metal members is great, and kW-class laser light such as surface treatment of various metals. Can also be handled.
本発明の導波路型ビームホモジナイザの実施例は、上述のようにCO2レーザ用について説明したが、それ以外のCOレーザ、Er−YAGレーザ、自由電子レーザ、量子カスケードレーザなど他の赤外レーザ、あるいは近赤外以下の波長帯のレーザにおいても、それぞれの波長帯で透明な誘電体材料を使用することによって、本発明の効果は発揮される。 Although the embodiment of the waveguide beam homogenizer of the present invention has been described for the CO 2 laser as described above, other infrared lasers such as other CO lasers, Er-YAG lasers, free electron lasers, quantum cascade lasers, etc. Even in a laser having a wavelength band below the near infrared, the effect of the present invention is exhibited by using a transparent dielectric material in each wavelength band.
以上述べたように、本発明によれば、高出力のレーザ光に対しても、十分光学的、熱的に耐久性があり、しかも安価で機械的に強固な導波路型ホモジナイザを提供することができる。また、導波路型ビームホモジナイザの伝送損失、レーザ光の偏光依存性を極めて小さく抑えることができる。さらにはレーザ治療器の伝送路先端に装着されるハンドピース部の小型部材内にも容易に収納できる大きさにすることが可能で、そのためペンのように手に持ってレーザ光を操作させることも容易である。あるいは金属表面処理を可能とするようなkW級の大電力レーザ光に対しても、破壊閾値が高く、安定した導波路型ビームホモジナイザを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a waveguide type homogenizer that is sufficiently optically and thermally durable to a high-power laser beam and that is inexpensive and mechanically strong. Can do. Further, the transmission loss of the waveguide beam homogenizer and the polarization dependence of the laser beam can be suppressed to a very small level. Furthermore, it can be sized so that it can be easily stored in a small member of the handpiece attached to the tip of the transmission path of the laser treatment device, so that it can be held in the hand like a pen and operated with laser light. Is also easy. Alternatively, it is possible to provide a stable waveguide beam homogenizer with a high breakdown threshold even for a high-power laser beam of kW class that enables metal surface treatment.
1、5、6 導波路型ビームホモジナイザ
10、50、60 中空金属部材
11a、11b、11c、11d、51a、51b、51c、51d、61a、61b、61c、61d 金属部材
12、52、62 断面矩形空間
13、53、63 金属内壁面
14、54、64 誘電体薄膜
15 ねじ穴
21 レーザ光
1, 5, 6
Claims (5)
前記誘電体薄膜に入射する前記レーザ光の電界が入射面に対して垂直である偏光波をS偏光波、前記入射面に対して平行である偏光波をP偏光波とした時に、
前記誘電体薄膜に最も深い角度で入射する前記レーザ光のS偏光波における反射率とP偏光波における反射率の相加平均反射率が最も大きくなるときの膜厚daを求め、
前記膜厚daと最も近いところに存在する前記S偏光波における反射率と前記P偏光波における反射率とが等しくなるときの膜厚dbを求めてから、
前記誘電体薄膜の膜厚dを前記膜厚daと前記膜厚dbとの間になるように設定することを特徴とする導波路型ビームホモジナイザの製造方法。 In a method for manufacturing a waveguide homogenizer in which a dielectric thin film having a predetermined film thickness is formed on a metal inner wall surface of a hollow metal member having a rectangular space in which a laser beam propagates,
When a polarized wave in which the electric field of the laser beam incident on the dielectric thin film is perpendicular to the incident surface is an S-polarized wave, and a polarized wave parallel to the incident surface is a P-polarized wave,
Determining the film thickness da when the arithmetic mean reflectance of the reflectance of the S-polarized wave and the reflectance of the P-polarized wave of the laser light incident at the deepest angle on the dielectric thin film is maximized;
After determining the film thickness db when the reflectance in the S-polarized wave and the reflectance in the P-polarized wave existing closest to the film thickness da are equal,
A method of manufacturing a waveguide beam homogenizer, characterized in that a film thickness d of the dielectric thin film is set to be between the film thickness da and the film thickness db.
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