JP2012022252A - レーザ光整形用光学部品の設計方法、及び、レーザ光整形用光学部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一対の非球面レンズを備えるレーザ光整形用光学部品であって、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品の設計方法を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係るレーザ光整形用光学部品の設計方法は、入射レーザ光の強度分布を計測し、計測した入射レーザ光の強度分布を分布方向に分割して複数の入射光分割領域を求め、所望の強度分布に応じて複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整して複数の出射光分割領域を求め、入射側非球面レンズにおける複数の入射光分割領域の分布方向の位置と出射側非球面レンズにおける対応の複数の出射光分割領域の分布方向の位置とから光路を特定し、光路から一対の非球面レンズの形状を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形するレーザ光整形用光学部品であって、一対の非球面レンズを備える非球面レンズ型のレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法に関するものである。

一般に、レーザ光は、ガウシアン分布のように、中央近傍が最も強く、周辺へ向けて次第に弱くなる強度分布を有することが多い。しかしながら、レーザ加工などにおいては、空間的に均一な強度分布を有するレーザ光が望まれている。この点に関し、非特許文献１には、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布に整形するレーザ光整形用光学部品としてカライドスコープ型のホモジナイザが開示されており、特許文献１〜３には、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布に整形するレーザ光整形用光学部品として非球面レンズ型のホモジナイザが開示されている。

特許文献１に開示の非球面レンズ型のホモジナイザは、幾何光学的手法により形状が導き出された一対の非球面レンズを備え、ガウシアン分布の強度プロファイルを有する入射レーザ光の強度分布をトップハット状の強度分布に変換するものである。一方、特許文献２に開示の非球面レンズ型のホモジナイザは、波動光学的手法により形状が導き出された一対の非球面レンズを備え、ガウシアン分布の強度プロファイルを有する入射レーザ光の強度分布をトップハット状の強度分布に変換するものである。また、特許文献３に開示の非球面レンズ型のホモジナイザは、一対の非球面レンズを備え、ガウシアン分布の強度プロファイルを有する入射レーザ光の強度分布をスーパーガウシアンとされる強度分布に変換するものである。

米国特許第３４７６４６３号明細書 特開平１０−１５３７５０号公報 特開２００３−３４４７６２号公報

伊藤弘、他１名、「表面処理用ビームホモジナイザの開発とその応用」、レーザー研究、社団法人レーザー学会、平成６年１１月、第２２巻、第１１号、ｐ．９３５−９４２

これらの特許文献１〜３では、一対の非球面レンズの形状を設計するにあたって、入射レーザ光の強度分布として、ガウシアン関数を用いて算出したガウシアン分布、すなわち理論値を用いている。しかしながら、実際には、ホモジナイザに入射するレーザ光の強度分布は理論値からずれているものである。そのため、特許文献１〜３に開示のホモジナイザの設計方法では、レーザ光整形精度が低く、整形後のレーザ光の所望の強度分布に歪みが生じてしまう。

そこで、本発明は、一対の非球面レンズを備えるレーザ光整形用光学部品であって、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ光整形用光学部品の設計方法は、一対の非球面レンズを備え、入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光を生成するレーザ光整形用光学部品の設計方法において、入射レーザ光の強度分布を計測する入射光計測工程と、一対の非球面レンズのうちの入射側非球面レンズにおいて、計測した入射レーザ光の強度分布を分布方向に分割して複数の入射光分割領域を求める入射光分割工程と、一対の非球面レンズのうちの出射側非球面レンズにおいて、出射レーザ光の強度分布を分布方向に分割した複数の出射光分割領域であって、所望の強度分布に応じて複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整することによって当該複数の出射光分割領域を求める出射光分割工程と、入射側非球面レンズにおける複数の入射光分割領域の分布方向の位置と出射側非球面レンズにおける対応の複数の出射光分割領域の分布方向の位置とから光路を特定する光路特定工程と、光路から一対の非球面レンズの形状を求める形状決定工程とを含む。

また、本発明のレーザ光整形用光学部品の製造方法は、一対の非球面レンズを備え、入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光を生成するレーザ光整形用光学部品の製造方法において、入射レーザ光の強度分布を計測する入射光計測工程と、一対の非球面レンズのうちの入射側非球面レンズにおいて、計測した入射レーザ光の強度分布を分布方向に分割して複数の入射光分割領域を求める入射光分割工程と、一対の非球面レンズのうちの出射側非球面レンズにおいて、出射レーザ光の強度分布を分布方向に分割した複数の出射光分割領域であって、所望の強度分布に応じて複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整することによって当該複数の出射光分割領域を求める出射光分割工程と、入射側非球面レンズにおける複数の入射光分割領域の分布方向の位置と出射側非球面レンズにおける対応の複数の出射光分割領域の分布方向の位置とから光路を特定する光路特定工程と、光路から一対の非球面レンズの形状を求める形状決定工程と、求めた形状に基づいて一対の非球面レンズを成形する成形工程とを含む。

これらのレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法によれば、入射レーザ光の強度分布を実測し、実測した強度分布に基づいて一対の非球面レンズの形状を設計することとなる。また、実測した入射レーザ光の強度分布を分割した複数の入射光分割領域を求めると共に、出射レーザ光の所望の強度分布に応じて、複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に幅及び位置を調整した複数の出射光分割領域を求め、入射側非球面レンズにおける複数の入射光分割領域の位置と出射側非球面レンズにおける対応の複数の出射光分割領域の位置とから光路を特定し、これらの光路に基づいて一対の非球面レンズの形状を設計する。したがって、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品を得ることができる。

上記した出射光分割工程では、複数の入射光分割領域のエネルギーと対応の前記複数の出射光分割領域のエネルギーとがそれぞれ等しくなるように、複数の入射光分割領域の分布方向の幅及び位置を調整して複数の出射光分割領域を求めることが好ましい。

上記した形状決定工程では、入射側非球面レンズの形状を光路から求め、出射側非球面レンズの形状を、光路から求めると共に、出射レーザ光の位相を揃えて出射レーザ光が平行光となるように求めることが好ましい。

これによれば、平行光である入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形することが可能な入射側非球面レンズと、入射側非球面レンズによって整形されたレーザ光の位相を揃え、平行光に変更することが可能な出射側非球面レンズを得ることができる。

また、上記した形状決定工程では、複数の入射光分割領域それぞれにおいて、入射側非球面レンズの入射側の平面に垂直な主軸に対して光路がなす角度から、入射側非球面レンズの出射側の非球面に対する入射レーザ光の入射角を求め、入射側非球面レンズの非球面に対する入射レーザ光の入射角から、入射側非球面レンズの非球面の高低差を求めることが好ましい。

また、上記した形状決定工程では、複数の出射光分割領域それぞれにおいて、出射側非球面レンズの出射側の平面に垂直な主軸に対して光路がなす角度から、出射側非球面レンズの入射側の非球面に対する出射レーザ光の出射角を求め、出射側非球面レンズの非球面に対する出射レーザ光の出射角から、出射側非球面レンズの非球面の高低差を求めることが好ましい。

また、上記した入射光計測工程では、更に、入射レーザ光の広がり角を計測し、上記した形状決定工程では、入射側非球面レンズの形状を、光路及び計測した入射レーザ光の広がり角から求めることが好ましい。

これによれば、入射レーザ光が広がり角を有する非平行光であっても、この非平行光である入射レーザ光の強度分布をより高精度に所望の強度分布に整形することが可能な入射側非球面レンズを得ることができる。

また、上記した形状決定工程では、出射側非球面レンズの形状を、光路及び出射レーザ光の所望の広がり角から求めることが好ましい。

これによれば、任意の広がり角を有する非平行光の出射レーザ光を得たい場合であっても、入射側非球面レンズによって整形されたレーザ光の位相を揃え、所望の広がり角を有する非平行光に、より高精度に変更することが可能な出射側非球面レンズを得ることができる。

また、上記した形状決定工程では、複数の入射光分割領域それぞれにおいて、入射側非球面レンズの入射側の平面に垂直な主軸に対して光路がなす角度、及び、計測した入射レーザ光の広がり角から、入射側非球面レンズの平面で入射レーザ光が屈折した屈折入射レーザ光であって、入射側非球面レンズの出射側の非球面に対する当該屈折入射レーザ光の入射角を求め、入射側非球面レンズの非球面に対する屈折入射レーザ光の入射角から、入射側非球面レンズの非球面の高低差を求めることが好ましい。

また、上記した形状決定工程では、複数の出射光分割領域それぞれにおいて、出射側非球面レンズの出射側の平面に垂直な主軸に対して光路がなす角度、及び、出射レーザ光の所望の広がり角から、出射側非球面レンズの入射側の非球面に対する光路の屈折角を求め、出射側非球面レンズの非球面に対する光路の屈折角から、出射側非球面レンズの非球面の高低差を求めることが好ましい。

本発明によれば、一対の非球面レンズを備えるレーザ光整形用光学部品であって、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品を得ることができる。

本実施形態のホモジナイザを備える光学装置の一実施形態を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法を示すフローチャートである。 入射レーザ光の強度分布の一例を示す図である。 出射レーザ光の所望の強度分布の一例を示す図である。 入射光分割工程における入射レーザ光の強度分布分割の概略図である。 出射光分割工程における出射レーザ光の所望の強度分布分割の概略図である。 出射光分割工程における入射光分割領域から出射光分割領域への幅及び位置の調整の概略図である。 光路特定工程における光路特定の概略図である。 形状決定工程における形状決定の概略図である。 図９における入射側非球面レンズの拡大図である。 形状決定工程において求められる入射側非球面レンズの形状の一例を示す図である。 図９における出射側非球面レンズの拡大図である。 形状決定工程において求められる出射側非球面レンズの形状の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法を示すフローチャートである。 第２の実施形態の形状決定工程における形状決定の概略図である。 本発明の変形例に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法における入射レーザ光の強度分布分割及び出射レーザ光の所望の強度分布分割の概略図である。 本発明の変形例に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法における形状決定工程における形状補正の概略図である。 本実施例のホモジナイザにおける非球面レンズの出射レーザ光の強度分布を計測するための計測系を示す図である。 本実施例のホモジナイザにおける非球面レンズの入射レーザ光及び出射レーザ光の強度分布の計測結果を示す図である。 本実施例のホモジナイザにおける非球面レンズの出射レーザ光の強度分布の設計値及び計測結果を示す図である。 本実施例のホモジナイザの出射レーザ光の強度分布を計測するための計測系を示す図である。 本実施例のホモジナイザの出射レーザ光の強度分布の計測結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明のレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

まず、レーザ加工装置などに用いられる光学装置であって、ホモジナイザ（レーザ光整形用光学部品）を備える光学装置について説明する。図１は、本実施形態の光学装置の一実施形態を示す構成図である。この光学装置１は、レーザ光源２と、空間フィルタ３と、コリメートレンズ４と、ホモジナイザ１０とを備えている。

レーザ光源２は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザである。空間フィルタ３は、例えば、倍率１０倍の対物レンズと、直径Φ＝５０μｍのピンホールとを備える。コリメートレンズ４は、例えば、平凸レンズである。このように、レーザ光源２から出射したレーザ光が空間フィルタ３及びコリメートレンズ４を通過することにより、強度分布が同心円状のガウシアン分布に整形されることとなる。

ホモジナイザ１０は、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するためのものである。ホモジナイザ１０は、一対の非球面レンズ１１，１２を備える。ホモジナイザ１０では、入射側非球面レンズ１１が、レーザ光の強度分布を任意の形状に整形するように機能し、出射側非球面レンズ１２が、整形されたレーザ光の位相を揃え、平行光や任意の広がり角を有する光に変更するように機能する。このホモジナイザ１０では、一対の非球面レンズ１１，１２の非球面の形状設計により、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光Ｏｏを生成することが可能となる。
［第１の実施形態］

以下では、図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法であって、平行光の入射レーザ光Ｏｉを平行光の出射レーザ光Ｏｏに変更するホモジナイザの設計方法及び製造方法について説明する。図２は、本発明の実施形態に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法を示すフローチャートである。

まず、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を計測する（入射光計測工程）（Ｓ０１）。強度分布の計測は、例えば、ビームプロファイラを用いて行うことが可能である。

次に、出射レーザ光Ｏｏの所望の強度分布を設定する（Ｓ０２）。本実施形態では、所望の強度分布を、レーザ加工装置において望まれる空間的に均一な強度分布、すなわち、スーパーガウシアン分布に設定することとする。ここで、所望の強度分布は、出射レーザ光Ｏｏのエネルギー（所望の強度分布の面積）が入射レーザ光Ｏｉのエネルギー（強度分布の面積）と等しくなるように設定される必要がある。例えば、本実施形態のスーパーガウシアン分布の設定は以下のように行えばよい。

以下では、出射レーザ光Ｏｏの所望の強度分布の設定原理の理解を容易にするために、入射レーザ光Ｏｉの強度分布は、図３に示すように、同心円状のガウシアン分布（ビームウェスト＝５．６ｍｍａｔ １/ｅ^２、ω＝２．０ｍｍ）であると仮定する。ガウシアン分布は下記（１）式により表されるので、入射レーザ光Ｏｉの半径６ｍｍの範囲内のエネルギーは下記（２）式となる。


この場合、ガウシアン分布は半径０ｍｍを中心として回転対称となるため、１次元解析により非球面形状を設計することになる。なお、実際には、入射レーザ光Ｏｉのエネルギーとしては、ステップＳ０１における実測値を用いればよい。

一方、出射レーザ光Ｏｏの所望の強度分布は、図４に示すように、スーパーガウシアン分布（次数Ｎ＝８、ω＝２．６５ｍｍ）に設定する。スーパーガウシアン分布は下記（３）式により表されるので、下記（４）式のように出射レーザ光Ｏｏの半径６ｍｍの範囲内のエネルギーが入射レーザ光Ｏｉのエネルギーに等しくなるためには、出射レーザ光Ｏｏの強度均一部の値はＥ_０＝０．６８７に設定することとなる。


なお、本手法に基づけば、整形後の出射レーザ光の所望の強度分布も規定の関数のみならず、任意の強度分布とすることも可能である。

図２のフローチャートに戻り、次に、入射側非球面レンズ１１において、測定した入射レーザ光Ｏｉの強度分布を分布方向に任意の間隔（幅）で分割して複数の入射光分割領域を求める（入射光分割工程）（Ｓ０３）。例えば、図５に示すように、測定した入射レーザ光Ｏｉの強度分布を間隔Δｒ_１で略等間隔に７つの入射光分割領域Ａ１〜Ａ７に分割する。

次に、出射側非球面レンズ１２において、出射レーザ光Ｏｏの強度分布を分布方向に任意の間隔（幅）で分割した出射光分割領域であって、所望の強度分布に応じて複数の入射光分割領域Ａ１〜Ａ７それぞれの強度（高さ）を調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整することによって当該複数の出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７を求める（出射光分割工程）（Ｓ０４）。具体的には、複数の出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７は、以下のように求めればよい。

例えば、まず、図６に示すように、出射レーザ光Ｏｏの所望の強度分布を７つの出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７に分割する。本実施形態では、ガウシアン分布からスーパーガウシアン分布への調整を予め想定し、中心に位置する出射光分割領域Ｂ４の間隔が最も大きく、外側に位置ほど出射光分割領域の間隔が小さくなるように所望の強度分布を分割する。

次に、例えば、図７に示すように、入射光分割領域Ａ１〜Ａ７と出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７とをそれぞれ１対１に対応させ、入射光分割領域Ａ１〜Ａ７のエネルギーと対応の出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７のエネルギーとがそれぞれ等しくなるように、強度（高さ）の増減に応じて出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７それぞれの幅及び位置を調整する。

図２のフローチャートに戻り、次に、入射側非球面レンズ１１における入射光分割領域Ａ１〜Ａ７の分布方向の位置と、出射側非球面レンズ１２における対応の出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７の分布方向の位置とから、光路を特定する（光路特定工程）（Ｓ０５）。例えば、図８に示すように、入射側非球面レンズ１１における入射光分割領域Ａ１〜Ａ７の半径ｒ_１方向の座標と、出射側非球面レンズ１２における対応の出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７の半径ｒ_２方向の座標とを結線することにより、入射側非球面レンズ１１の非球面１１ａから出射側非球面レンズ１２の非球面１２ａへの光路Ｐ１〜Ｐ８を求める。

次に、求めた光路Ｐ１〜Ｐ８から一対の非球面レンズ１１，１２の非球面形状を求める（形状決定工程）（Ｓ０６）。具体的には、一対の非球面レンズ１１，１２の非球面形状は、以下のように求めればよい。

図９では、理解を容易にするために、入射レーザ光Ｏｉが入射側非球面レンズ１１の平面１１ｂに対して垂直に入射し、出射レーザ光Ｏｏが出射側非球面レンズ１２の平面１２ｂに対して垂直に出射するものとする。また、入射側非球面レンズ１１の非球面１１ａ上のｍ番目の座標をｒ_１ｍ、これに対応する出射側非球面レンズ１２の非球面１２ａ上のｍ番目の座標をｒ_２ｍ、これらの座標ｒ_１ｍと座標ｒ_２ｍと結ぶ光路をＰ_ｍとする。また、入射側非球面レンズ１１の座標ｒ_１ｍの非球面１１ａに対する入射レーザ光Ｏｉの入射角をθ_１とし、その屈折角、すなわち、非球面１１ａに対する光路Ｐ_ｍの出射角をθ_１’とする。同様に、出射側非球面レンズ１２の座標ｒ_２ｍの非球面１２ａに対する光路Ｐ_ｍの入射角をθ_２’とし、その屈折角、すなわち、非球面１２ａに対する出射レーザ光Ｏｏの出射角をθ_２とする。また、主軸Ｘ_１，Ｘ_２に対して光路Ｐ_ｍがなす角度をθとする（主軸Ｘ_１は入射側非球面レンズ１１の入射側平面１１ｂに対して垂直な直線であり、主軸Ｘ_２は出射側非球面レンズ１２の出射側平面１２ｂに対して垂直な直線である。また、主軸Ｘ_１と主軸Ｘ_２とは平行である。）。また、入射側非球面レンズ１１及び出射側非球面レンズ１２の屈折率をｎ、非球面１１ａが光軸Ｘと交差する点１１ｃと非球面１２ａが光軸Ｘと交差する点１２ｃとの間隔、すなわち、非球面１１ａの中心位置（座標ｒ_１＝０の位置）と非球面１２ａの中心位置（座標ｒ_２＝０の位置）との間隔をＬとする。

例えば、まず、主軸Ｘ_１，Ｘ_２に対して光路Ｐ_ｍがなす角度θは、下記（５）式のように表される。

また、スネルの法則より下記（６）式が成り立ち、これより、入射側非球面レンズ１１の非球面１１ａに対する入射レーザ光の入射角θ_１は、下記（７）式のように求められる。

ここで、図９における入射側非球面レンズ１１の座標ｒ_１ｍ近傍を拡大して、図１０に示す。図１０では、入射側非球面レンズ１１の非球面１１ａ上においてｍ番目の座標ｒ_１ｍに隣り合うｍ−１番目の座標をｒ_１ｍ−１とする。すると、図１０に示すように、入射側非球面レンズ１１において座標ｒ_１ｍとこれに隣り合う座標ｒ_１ｍ−１との非球面１１ａの高低差ΔＺ_１は、下記（８）式のように表される。

これより、入射側非球面レンズ１１において座標ｒ_１ｍと中心位置（座標ｒ_１＝０）との非球面１１ａの高低差Ｚ_１ｍは、下記（９）式のように求められる。

これらの作業を全座標、すなわち、全入射光分割領域Ａ１〜Ａ７及び光路Ｐ１〜Ｐ８に対して行うことにより、入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形するための入射側非球面レンズ１１の非球面１１ａの形状が、図１１に示すように求められる。

図９に戻り、同様に、スネルの法則より、出射側非球面レンズ１２の非球面１２ａに対する出射レーザ光の出射角θ_２は、下記（１０）式のように求められる。

ここで、図９における出射側非球面レンズ１２の座標ｒ_２ｍ近傍を拡大して、図１２に示す。図１２では、出射側非球面レンズ１２の非球面１２ａ上においてｍ番目の座標ｒ_２ｍに隣り合うｍ−１番目の座標をｒ_２ｍ−１とする。すると、図１２に示すように、出射側非球面レンズ１２において座標ｒ_２ｍとこれに隣り合う座標ｒ_２ｍ−１との非球面１２ａの高低差ΔＺ_２は、下記（１１）式のように表される。

これより、出射側非球面レンズ１２において座標ｒ_２ｍと中心位置（座標ｒ_２＝０）との非球面１２ａの高低差Ｚ_２ｍは、下記（１２）式のように求められる。

これらの作業を全座標、すなわち、全出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７及び光路Ｐ１〜Ｐ８に対して行うことにより、入射側非球面レンズ１１によって所望の強度分布に整形されたレーザ光の位相を揃え、平行光に変更した出射レーザ光を生成するための出射側非球面レンズ１２の非球面１２ａの形状が、図１３に示すように求められる。

図２のフローチャートに戻り、次に、図１１に示す形状に基づいて入射側非球面レンズ１１の非球面１１ａを成形し、図１３に示す形状に基づいて出射側非球面レンズ１２の非球面１２ａを成形する（成形工程）（Ｓ０７）。

このように、第１の実施形態のレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法によれば、入射レーザ光Ｏｉの強度分布を実測し、実測した強度分布に基づいて一対の非球面レンズ１１，１２の形状を設計することとなる。また、実測した入射レーザ光Ｏｉの強度分布を分割した複数の入射光分割領域Ａ１〜Ａ７を求めると共に、出射レーザ光Ｏｏの所望の強度分布に応じて、複数の入射光分割領域Ａ１〜Ａ７それぞれの強度（高さ）を調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整した複数の出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７を求め、入射側非球面レンズ１１における複数の入射光分割領域Ａ１〜Ａ７の位置と出射側非球面レンズ１２における対応の複数の出射光分割領域Ｂ１〜Ｂ７の位置とから光路Ｐ１〜Ｐ８を特定し、これらの光路Ｐ１〜Ｐ８に基づいて一対の非球面レンズ１１，１２の形状を設計する。したがって、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品を得ることができる。
［第２の実施形態］

第１の実施形態では、平行光を平行光に変更するホモジナイザの設計方法及び製造方法を例示したが、本発明の設計方法及び製造方法は、非平行光（広がり角を有する入射レーザ光）を非平行光（広がり角を有する出射レーザ光）に変更するホモジナイザの設計方法及び製造方法にも適用可能である。このように、広がり角を有する入射レーザ光に対してホモジナイザを設計する場合には、入射レーザ光の強度分布に加えて入射レーザ光の広がり角を計測し、実測した強度分布及び広がり角に基づいて非球面レンズの形状を求めればよい。また、広がり角を有する出射レーザ光に対してホモジナイザを設計する場合には、出射レーザ光の所望の強度分布に加えて出射レーザ光の所望の広がり角を設定し、設定した所望の強度分布及び所望の広がり角に基づいて非球面レンズの形状を求めればよい。以下では、本発明の第２の実施形態に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法であって、非平行光の入射レーザ光Ｏｉを非平行光の出射レーザ光Ｏｏに変更するホモジナイザの設計方法及び製造方法について説明する。

図１４は、本発明の第２の実施形態に係るホモジナイザの設計方法及び製造方法を示すフローチャートである。第２の実施形態のホモジナイザの設計方法及び製造方法では、図２に示す第１の実施形態のホモジナイザの設計方法及び製造方法において、ステップＳ０１（入射光計測工程）、ステップＳ０２、及び、ステップＳ０６（形状決定工程）の処理に代えて、ステップＳ１１（入射光計測工程）、ステップＳ１２、ステップＳ１６（形状決定工程）の処理を行う点で第１の実施形態と異なっている。

ステップＳ１１では、上述したステップＳ０１と同様に、入射レーザ光の強度分布を計測する。また、ステップＳ１１では、入射レーザ光の広がり角を計測する。ステップＳ１２では、上述したステップＳ０２と同様に、出射レーザ光の所望の強度分布を設定する。また、ステップＳ１２では、出射レーザ光の所望の広がり角を設定する。ステップＳ１６では、求めた光路に加えて、実測した入射レーザ光の広がり角、及び、設定した出射レーザ光の所望の広がり角に基づいて、一対の非球面レンズ１１，１２の非球面形状を求める。具体的には、一対の非球面レンズ１１，１２の非球面形状は、以下のように求めればよい。

図１５では、図９において、広がり角を有する入射レーザ光が入射側非球面レンズ１１の平面１１ｂに対して非垂直に入射し、広がり角を有する出射レーザ光が出射側非球面レンズ１２の平面１２ｂに対して非垂直に出射する点で異なる。ここで、ｍ番目の光路Ｐ_ｍに対応する入射レーザ光であって、入射側非球面レンズ１１の平面１１ｂに対する当該入射レーザ光の入射角をθ_０とし、その屈折角をθ_０’とする。同様に、ｍ番目の光路Ｐ_ｍに対応する出射側非球面レンズ１２の非球面１２ａで屈折するレーザ光であって、出射側非球面レンズ１２の平面１２ｂに対する当該レーザ光の入射角をθ_３’とし、その屈折角、すなわち、平面１２ｂに対する出射レーザ光の出射角をθ_３とする。図１５におけるその他のパラメータは、上述した図９におけるパラメータと同一とする。なお、図１５では、出射側非球面レンズ１２の座標ｒ_２ｍ近傍を拡大して示している。

例えば、まず、主軸Ｘ_１，Ｘ_２に対して光路Ｐ_ｍがなす角度θは、上記（５）式のように表される。また、スネルの法則より下記（１３）式及び（１４）式が成り立ち、これより、入射側非球面レンズ１１の平面１１ｂで入射レーザ光が屈折した屈折入射レーザ光であって、入射側非球面レンズ１１の非球面１１ａに対する当該屈折入射レーザ光の入射角θ_１は、下記（１５）式のように求められる。

ここで、入射側非球面レンズ１１の平面１１ｂに対する入射レーザ光の入射角θ_０は、計測した入射レーザ光の広がり角に相当する。よって、上記（１５）式によれば、入射側非球面レンズ１１の非球面１１ａに対する屈折入射レーザ光の入射角θ_１は、主軸Ｘ_１に対して光路Ｐ_ｍがなす角度θと、計測した入射レーザ光の広がり角θ_０から求められることとなる。

そして、ステップＳ１６では、上述したステップＳ０６において、上記（７）式に代えてこの（１５）式を用いればよい。これにより、上述した本実施形態と同様に、上記（８）式及び（９）式に基づいて、広がり角を有する入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形するための入射側非球面レンズ１１の非球面１１ａの形状を求めることができる。

同様に、スネルの法則より、出射側非球面レンズ１２の非球面１２ａに対する光路Ｐ_ｍの屈折角θ_２は、下記（１６）式のように求められる。

ここで、出射側非球面レンズ１２の平面１２ｂに対する出射レーザ光の出射角θ_３は、出射レーザ光の所望の広がり角に相当する。よって、上記（１６）式によれば、出射側非球面レンズ１２の非球面１２ａに対する光路Ｐ_ｍの屈折角θ_２は、主軸Ｘ_２に対して光路Ｐ_ｍがなす角度θと、出射レーザ光の所望の広がり角θ_３から求められることとなる。

そして、ステップＳ１６では、上述したステップＳ０６において、上記（１０）式に代えてこの（１６）式を用いればよい。これにより、上述した本実施形態と同様に、上記（１１）式及び（１２）式に基づいて、入射側非球面レンズ１１によって所望の強度分布に整形されたレーザ光の位相を揃え、所望の広がり角を有する出射レーザ光を生成するための出射側非球面レンズ１２の非球面１２ａの形状を求めることができる。

なお、入射レーザ光を平行光とすると、すなわち、上記（１５）式においてθ_０＝θ_０’＝０とすると、上記（７）式となり、出射レーザ光を平行光とすると、すなわち、上記（１６）式においてθ_３＝θ_３’＝０とすると、上記（１０）式となる。

このように、第２の実施形態のレーザ光整形用光学部品の設計方法及び製造方法によれば、入射レーザ光が広がり角を有する非平行光であっても、また、任意の広がり角を有する非平行光の出射レーザ光を得たい場合であっても、より高精度にレーザ光の強度分布を任意の強度分布に整形することが可能なレーザ光整形用光学部品を得ることができる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、入射レーザ光の強度分布及び出射レーザ光の所望の強度分布を同心円状とした。そのため、ピークを起点として半径方向のうちの一方向に対して非球面レンズの非球面形状を行うことにより、非球面形状を高速に算出することが可能である。一方、入射レーザ光の強度分布又は出射レーザ光の所望の強度分布が対称性を有さない場合には、２次元的な操作が必要となる。

この場合、図１６に示すように、入射レーザ光Ｏｉの強度分布をＮ×Ｍ個に分割すると共に、出射レーザ光Ｏｏの強度分布をＮ×Ｍ個に分割する。その後、上記した本実施形態の出射光分割工程と同様に、入射光分割領域と出射光分割領域とをそれぞれ１対１に対応させ、入射光分割領域のエネルギーと対応の出射光分割領域のエネルギーとがそれぞれ等しくなるように、強度（高さ）の増減に応じて出射光分割領域それぞれの幅及び位置を調整する。この場合、強度が０の任意の位置、あるいは重心位置を起点として、上記調整を行うことが好ましい。

この場合、図１７（説明を簡略にするために断面形状にて表示）に示すように、求めた入射側非球面レンズの非球面形状の１次成分が０となるように形状補正を行うことが好ましい。この非球面形状の１次成分は、出射側非球面レンズの位置での光軸垂直方向の空間的なシフトを示すものであり、空間的な強度分布に影響しないためである。また、非球面レンズの高低差を小さくすることで、レンズ加工時間を短縮することが可能となる。

本発明の第１の実施形態のホモジナイザの設計方法及び製造方法に基づいて本実施例のホモジナイザ１０を作製し、その特性評価を行った。

本実施例では、ホモジナイザ１０を構成する一対の非球面レンズ１１，１２の材料としてＣａＦ_２（ｎ＝１．４２）を使用し、一対の非球面レンズ１１，１２の中心位置における非球面１１ａ，１２ａの間隔をＬ＝１６５ｍｍとして設計した。
（評価１）

まず、入射側非球面レンズ１１のみの特性評価を行った。本評価では、図１８に示すように、反射鏡２１を用いてコリメートレンズ４からの出力レーザ光を９０度光路変更し、入射側非球面レンズ１１に入射した。そして、入射側非球面レンズ１１からの出射レーザ光の空間モード（強度分布）を、結像レンズ系３１を介してビームプロファイラ３２によって計測した。また、結像レンズ系３１及びビームプロファイラ３２によって、入射側非球面レンズ１１への入射レーザ光の空間モード（強度分布）も計測した。これらの計測結果を図１９に示す。

なお、本実施例では、上述したように、レーザ光源２から出射したレーザ光を空間フィルタ３及びコリメートレンズ４によって同心円状のガウシアン分布に整形した。これにより、本実施例では、上記したように、１次元解析（中心回転対称な強度分布）によりホモジナイザ１０の設計を行った。

図１９（ａ）は、入射側非球面レンズ１１への入射レーザ光の空間モード（強度分布）の計測結果であり、図１９（ｂ）〜（ｒ）は、入射側非球面レンズ１１からの出射レーザ光がそれぞれ１０ｍｍ〜１７０ｍｍ伝搬した後の空間モード（強度分布）の計測結果である。これより、本実施例の入射側非球面レンズ１１によれば、レンズ間隔設計値である１６５ｍｍ程度伝播後に、レーザ光の強度分布を空間的に均一な強度分布、すなわちスーパーガウシアン分布に整形できることが確認された。

また、図２０に、入射側非球面レンズ１１からの出射レーザ光が１６５ｍｍ伝播した後の強度分布の実測値と設計値との比較結果を示す。なお、図２０には、入射側非球面レンズ１１への入射レーザ光の強度分布の実測値も示す。これより、本実施例の入射側非球面レンズ１１によれば、レンズ間隔設計値である１６５ｍｍ伝播後に、レーザ光の強度分布をほぼ設計通りに整形できることが確認された。
（評価２）

次に、入射側非球面レンズ１１及び出射側非球面レンズ１２の特性評価、すなわち、ホモジナイザ１０の特性評価を行った。本評価では、図２１に示すように、反射鏡２１を用いてコリメートレンズ４からの出力レーザ光を９０度光路変更し、ホモジナイザ１０に入射した。そして、ホモジナイザ１０からの出射レーザ光を反射鏡２２を用いて９０度光路変更し、その空間モード（強度分布）を、結像レンズ系３１を介してビームプロファイラ３２によって計測した。この計測結果を図２２に示す。

図２２（ａ）は、本実施例のホモジナイザ１０から出射直後の出射レーザ光の空間モード（強度分布）の計測結果であり、図２２（ｂ）〜（ｆ）は、本実施例のホモジナイザ１０からの出射レーザ光がそれぞれ１０ｍｍ〜５０ｍｍ伝搬した後の空間モード（強度分布）の計測結果である。これより、本実施例のホモジナイザ１０によれば、入射側非球面レンズ１１によって整形された強度分布を有するレーザ光が、出射側非球面レンズ１２によって位相を揃え、平行光として出射することにより、１０〜５０ｍｍ伝搬した後もその強度分布を維持できることが確認された。

１…光学装置、２…レーザ光源、３…空間フィルタ、４…コリメートレンズ、１０…ホモジナイザ（レーザ光整形用光学部品）、１１…一対の非球面レンズにおける入射側非球面レンズ、１１ａ…非球面、１１ｂ…平面、１２…一対の非球面レンズにおける出射側非球面レンズ、１２ａ…非球面、１２ｂ…平面、２１，２２…反射鏡、３１…結像レンズ系、３２…ビームプロファイラ、Ａ１-Ａ７…入射光分割領域、Ｂ１-Ｂ７…出射光分割領域、Ｏｉ…入射レーザ光、Ｏｏ…出射レーザ光、Ｐ１-Ｐ８…光路、Ｘ…光軸。

Claims (10)

1. 一対の非球面レンズを備え、入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光を生成するレーザ光整形用光学部品の設計方法において、
   前記入射レーザ光の強度分布を計測する入射光計測工程と、
   前記一対の非球面レンズのうちの入射側非球面レンズにおいて、計測した前記入射レーザ光の強度分布を分布方向に分割して複数の入射光分割領域を求める入射光分割工程と、
   前記一対の非球面レンズのうちの出射側非球面レンズにおいて、前記出射レーザ光の強度分布を分布方向に分割した複数の出射光分割領域であって、前記所望の強度分布に応じて前記複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整することによって当該複数の出射光分割領域を求める出射光分割工程と、
   前記入射側非球面レンズにおける前記複数の入射光分割領域の分布方向の位置と前記出射側非球面レンズにおける対応の前記複数の出射光分割領域の分布方向の位置とから光路を特定する光路特定工程と、
   前記光路から前記一対の非球面レンズの形状を求める形状決定工程と、
   を含む、レーザ光整形用光学部品の設計方法。
2. 前記出射光分割工程では、前記複数の入射光分割領域のエネルギーと対応の前記複数の出射光分割領域のエネルギーとがそれぞれ等しくなるように、前記複数の入射光分割領域の分布方向の幅及び位置を調整して前記複数の出射光分割領域を求める、
   請求項１に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。
3. 前記形状決定工程では、
   前記入射側非球面レンズの形状を前記光路から求め、
   前記出射側非球面レンズの形状を、前記光路から求めると共に、前記出射レーザ光の位相を揃えて前記出射レーザ光が平行光となるように求める、
   請求項１に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。
4. 前記形状決定工程では、前記複数の入射光分割領域それぞれにおいて、
   前記入射側非球面レンズの入射側の平面に垂直な主軸に対して前記光路がなす角度から、前記入射側非球面レンズの出射側の非球面に対する前記入射レーザ光の入射角を求め、
   前記入射側非球面レンズの非球面に対する前記入射レーザ光の入射角から、前記入射側非球面レンズの非球面の高低差を求める、
   請求項１又は３に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。
5. 前記形状決定工程では、前記複数の出射光分割領域それぞれにおいて、
   前記出射側非球面レンズの出射側の平面に垂直な主軸に対して前記光路がなす角度から、前記出射側非球面レンズの入射側の非球面に対する前記出射レーザ光の出射角を求め、
   前記出射側非球面レンズの非球面に対する前記出射レーザ光の出射角から、前記出射側非球面レンズの非球面の高低差を求める、
   請求項１又は３に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。
6. 前記入射光計測工程では、更に、前記入射レーザ光の広がり角を計測し、
   前記形状決定工程では、前記入射側非球面レンズの形状を、前記光路及び計測した前記入射レーザ光の広がり角から求める、
   請求項１に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。
7. 前記形状決定工程では、前記出射側非球面レンズの形状を、前記光路及び前記出射レーザ光の所望の広がり角から求める、
   請求項１に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。
8. 前記形状決定工程では、前記複数の入射光分割領域それぞれにおいて、
   前記入射側非球面レンズの入射側の平面に垂直な主軸に対して前記光路がなす角度、及び、計測した前記入射レーザ光の広がり角から、前記入射側非球面レンズの平面で前記入射レーザ光が屈折した屈折入射レーザ光であって、前記入射側非球面レンズの出射側の非球面に対する当該屈折入射レーザ光の入射角を求め、
   前記入射側非球面レンズの非球面に対する前記屈折入射レーザ光の入射角から、前記入射側非球面レンズの非球面の高低差を求める、
   請求項６に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。
9. 前記形状決定工程では、前記複数の出射光分割領域それぞれにおいて、
   前記出射側非球面レンズの出射側の平面に垂直な主軸に対して前記光路がなす角度、及び、前記出射レーザ光の所望の広がり角から、前記出射側非球面レンズの入射側の非球面に対する前記光路の屈折角を求め、
   前記出射側非球面レンズの非球面に対する前記光路の屈折角から、前記出射側非球面レンズの非球面の高低差を求める、
   請求項７に記載のレーザ光整形用光学部品の設計方法。
10. 一対の非球面レンズを備え、入射レーザ光の強度分布を所望の強度分布に整形した出射レーザ光を生成するレーザ光整形用光学部品の製造方法において、
    前記入射レーザ光の強度分布を計測する入射光計測工程と、
    前記一対の非球面レンズのうちの入射側非球面レンズにおいて、計測した前記入射レーザ光の強度分布を分布方向に分割して複数の入射光分割領域を求める入射光分割工程と、
    前記一対の非球面レンズのうちの出射側非球面レンズにおいて、前記出射レーザ光の強度分布を分布方向に分割した複数の出射光分割領域であって、前記所望の強度分布に応じて前記複数の入射光分割領域それぞれの高さを調整すると共に分布方向の幅及び位置を調整することによって当該複数の出射光分割領域を求める出射光分割工程と、
    前記入射側非球面レンズにおける前記複数の入射光分割領域の分布方向の位置と前記出射側非球面レンズにおける対応の前記複数の出射光分割領域の分布方向の位置とから光路を特定する光路特定工程と、
    前記光路から前記一対の非球面レンズの形状を求める形状決定工程と、
    求めた前記形状に基づいて前記一対の非球面レンズを成形する成形工程と、
    を含む、レーザ光整形用光学部品の製造方法。