JP2012230366A - ビームホモジナイザ光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の形状で、均一性の高い強度分布を有する出力ビームを容易に得ることができるビームホモジナイザ光学系を提供する。
【解決手段】レーザ光を出力する出力部と、出力されたレーザ光を入力し、集光して出力する集光レンズと、コア領域と、コア領域の外周に少なくとも一層のクラッド領域を備え、集光レンズから出力したレーザ光をコア領域に入力するとともに、略ガウス強度分布のレーザ光を出力する光導波体と、光導波体から出力されたレーザ光を入力し、被照射物上での断面強度プロファイルがトップフラット形状であるレーザ光を出力するビームホモジナイザ素子とを備えるビームホモジナイザ光学系であって、レーザ光の波長は光導波体のカットオフ波長以下であるとともに、光導波体は、Ｖ値が２．４より大きく、３．７以下となるように、コア径およびコア領域とコア領域に隣接するクラッド領域との比屈折率差を設定することにより実質的にシングルモード伝送することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工や表面改質処理などの技術分野に適用されるビームホモジナイザ光学系に関するものである。

加工用途を目的とする高出力レーザシステムの発展には目覚ましいものがあり、鉄鋼や自動車の製造における切断、溶接から電子部品の微細穴あけ、液晶や半導体デバイスのアニーリング等の様々な産業分野で実用化が進展している。これは、レーザビームの高出力化や性能、品質、安定性の飛躍的向上によるところが大きい。
レーザビームの断面強度分布はガウス分布（シングルモード）が主流である。これはレンズによって理論的限界（回折限界）まで集光できるという特徴があるが、レーザ加工用途の多様化に伴い、不均一なガウス強度分布ではなく、均一な強度分布や目的に応じた任意の強度分布に対するニーズも高まっている。

均一な断面強度分布を得る手段としては、レーザビームの断面を縦横に多数に分断し、光学系によって所定位置に分断ビームを重ね合わせて平均化する重畳方式があり、例えばカライドスコープやインテグレータがそれに該当する。インテグレータは、多面体の構造によってレーザビームの断面を分割して重ね合わせることで、ある程度まで強度の均一化が可能であるが、干渉性に優れたレーザ光源を用いるとスパイク状に強度が乱れることが知られている。

一方、レーザビームを分割重畳しない強度均一化の方式として、非球面ビームホモジナイザと回折型ビームホモジナイザがある。このうち、前者の非球面ビームホモジナイザでは、ガウス型の光線密度分布を均一分布に変換するように各光線の屈折角が非球面によって制御されるようになっている。この場合、各光線が交差しないように制御されるので、干渉が起こらず高均一性が得られるという特徴がある反面、非球面が光軸を中心とした回転対称形であるため、断面円形の均一ビームしか得られないという欠点がある。

これに対して、後者の回折型ビームホモジナイザは、回折型光学部品（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）をホモジナイザとして応用したものである。ＤＯＥは、屈折等の幾何光学を利用したものではなく、ミクロン単位の微細な凹凸（画素）を光学部品の表面に付けることにより、光の回折現象を利用した光学部品である。これは光の位相を直接制御することから、レーザ加工だけでなく光通信等の応用分野もあるが、レーザ加工においては、ビーム分岐、ビームシェイプ及びビームホモジナイズといった応用が考えられている。

特にこのようなＤＯＥを用いると、その表面に形成された凹凸パターンによって発生する光路差により、ガウス分布のレーザビームを構成する各光線を、ＤＯＥへの入射位置に応じて各々異なる角度で回折させることができる。具体的には、ガウス分布のレーザビームを、その中央部では発散させ、外周部では収束させるように回折させ、これによって像面位置においてトップフラットの強度プロファイルを形成することができる。また、そのビーム形状を、円形に限らず四角形状とすることも可能である。

上記ＤＯＥの設計には、一般に、非特許文献１に記載の反復フーリエ変換法が用いられる。この手法では、レーザの像面位置において目標とする強度分布（トップフラット）が得られるように、ＤＯＥの入射面と像面位置で強度・位相の値を少しずつ変化させながらフーリエ変換とフーリエ逆変換とを交互に繰り返して、前記ＤＯＥの凹凸パターン（位相パターン）を最適化する。そして、このように設計された凹凸パターンに基づいて、フォトリソグラフィー技術を用いてＤＯＥが作製される。

ここで、非特許文献１や特許文献１に開示されているＤＯＥ、たとえば、非特許文献１の図６に記載の「矩形ビームホモジナイザ」は、これにガウス分布のビームを入射させた場合に、出力ビームの像面位置での強度分布（断面強度プロファイル）が、水平なフラット部と急峻な側壁部とを有する略矩形形状となるように設計されている。

上記のように、従来のＤＯＥは、加工精度を上げるために、ガウス分布のビームを入射させた場合の出力ビームの像面位置での断面強度プロファイルがフラット部と急峻な側壁部を有する矩形形状となるように設計されている。つまり、前記ＤＯＥは、設計通りの理想的なガウス分布のビームが入射されると、像面位置で非常に均一性の高い強度分布が得られる。理想的なガウス分布のビームが入射されると、像面位置で非常に均一性の高い強度分布が得られる。

特開２００７−１０１８４４

「ＳＥＩテクニカルレビュー」，住友電気工業株式会社，２００５年３月，第１６６号，ｐ．１３−ｐ．１８

このように、所望の形状で、均一性の高い強度分布を有する出力ビームを得るためには、理想的な、またはそれに近いガウス分布を有するシングルモードビームを非球面ビームホモジナイザやＤＯＥに入射する必要がある。しかしながら、レーザ加工用のレーザは、通信や計測に使われる出力の低い（数ｍＷから数十ｍＷ）レーザに比べ、高出力のビーム（典型的には１ｋＷ以上）を出す為にガウス分布からのズレが大きくなる場合が多く、真円度も悪いものが多い。このため、十分な均一性が得られなかったり、ガウス分布に近づけるたり真円度を改善する為に調整の手間がかかっていた。また、調整の為の光学系が大型で高速に動く加工ヘッドでは使いづらかった。

一方、シングルモードファイバは、シングルモードからずれたビーム伝搬せず、出射端からはほぼ真円の理想に近いガウス分布のビームが得られる。このことからシングルモードファイバから出たビームをＤＯＥホモジナイザや非球面ホモジナイザに入射させると、入射ビームの複雑な調整の必要もなく、均一性も高い、ホモジナイズされたビームが容易に得られる。しかし、一般にシングルモードファイバはコア径が小さく（直径数μｍ程度）、レーザ加工用の高出力レーザではビーム密度が大きくなるためにコアが損傷するという問題があった。またコア径が小さく、光源から出力されたビームを正確にシングルモードファイバに入力するのが難しく、調整に時間がかかっていた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、所望の形状で、均一性の高い強度分布を有する出力ビームを容易に得ることができるビームホモジナイザ光学系を提供することを目的とする。

本発明のビームホモジナイザ光学系は、レーザ光を出力する出力部と、
出力部から出力されたレーザ光を入力し、集光して出力する第１の集光レンズと、
コア領域と、前記コア領域の外周に少なくとも一層のクラッド領域を備え、第１の集光レンズから出力したレーザ光を前記コア領域に入力するとともに、略ガウス強度分布のレーザ光を出力する光導波体と、
光導波体から出力されたレーザ光を入力し、被照射物上での断面強度プロファイルがトップフラット形状であるレーザ光を出力するビームホモジナイザ素子とを備え、
レーザ光の波長は光導波体のカットオフ波長以下であるとともに、
光導波体は、Ｖ値が２．４０５より大きく、３．７以下となるように、コア径およびコア領域とコア領域に隣接するクラッド領域との比屈折率差を設定することにより実質的にシングルモード伝送することを特徴とする。

このようなビームホモジナイザ光学系であれば、光導波体はマルチモード伝送をサポートするよう大きなコア径を設定光導波体を用いることができるから、高光強度のレーザ光を用いた場合にも、光密度を低下させた状態で伝送させることが可能になり、光導波体の損傷を防止することができる。さらに、実質的にシングルモード伝送するよう設定されていることにより、出力光の強度分布は略ガウス分布を有するから、ビームホモジナイザ素子において均一性の高い強度分布を有するビームを容易に生成して、被照射物に照射することができる。

上記のビームホモジナイザ光学系において、レーザ光の波長は１．５μｍ以下であり、光導波体は、コア領域の外径が１０μｍ以上であることが好ましい。このような条件であれば、高光強度のレーザ光を用いた場合にも、さらに好適に光密度を低下させた状態で伝送させることが可能になり、光導波体の損傷を防止することができる。

上記ビームホモジナイザ光学系において、上記光導波体は、基本モード光の減衰量に対する高次モード光の総減衰量である相対減衰係数が５以上であることも好ましい。また、第１の集光レンズのＮＡは、上記光導波体の入力端におけるＮＡと略一致していることが好ましい。このような条件であれば、光導波体における高次モード光の伝送を好適に抑制することができるから、さらに好適にシングルモード伝送することが可能である。

上記ビームホモジナイザ光学系において、光導波体は、コア領域と、コア領域に隣接する前記クラッド領域との比屈折率差が０．０２５％以上であるのも好適である。このようにすれば、光導波体に曲げが付与された場合にも、曲げ損失によって減衰せず好適にシングルモード伝送することが可能である。

上記ビームホモジナイザ光学系において、光導波体から出力されたレーザ光を入力し、ビームホモジナイザ素子に平行光を出力するコリメートレンズをさらに備えることが好ましい。また、上記ビームホモジナイザ素子から出力されたレーザ光を入力し、被照射物に集光したレーザ光を出力する第２の集光レンズをさらに備えることも好ましい。さらに、上記ビームホモジナイザ素子が非球面ビームホモジナイザであり、非球面ビームホモジナイザから出力されたレーザ光を入力し、被照射物へ変換光を出力する位相整合レンズをさらに備えていることも好ましい。このようなビームホモジナイザ光学系であれば、用途に応じた光学系の設計・取り扱いが容易になる。

本発明におけるビームホモジナイザ光学系によれば、所望の形状で、均一性の高い強度分布を有する出力ビームを得ることができる。また、このような出力ビームを用いて、穴あけなどのレーザ加工や、アニール処理などの表面処理を被照射物に対して均一に行うことができる。

本発明のビームホモジナイザ光学系の実施形態を示す構成図である。 本発明における光導波体の出射端から出射されるレーザ光のビームプロファイルを示す図である。 ＤＯＥホモジナイザの機能を説明する模式図である。 ビームホモジナイザ素子としてＤＯＥを用いた場合の、被照射物に照射されるレーザ光のビームプロファイルの一例を示す図である。（ａ）はビームが矩形状に整形される場合を示し、（ｂ）はビームがライン状に整形される場合を示す。 本発明のビームホモジナイザ光学系の他の実施形態を示す構成図である。 本発明のビームホモジナイザ光学系の他の実施形態を示す構成図である。 本発明のビームホモジナイザ光学系の他の実施形態を示す構成図である。 本発明の実施例における、光導波体の出射端から出射されるレーザ光のビームプロファイルを示す図である。 本発明の比較例における、汎用シングルモードファイバの出射端から出射されるレーザ光のビームプロファイルを示す図である。 本発明の比較例における、曲げを付与した光導波体の出射端から出射されるレーザ光のビームプロファイルを示す図である。 本発明の実施例における、ビームホモジナイザ素子としてＤＯＥを用いて、ビーム形状を矩形状に整形した場合の、被照射物に照射されるレーザ光のビームプロファイルを示す図である。（ａ）はビーム形状を示し、（ｂ）は強度分布を示す。 本発明の実施例における、ビームホモジナイザ素子としてＤＯＥを用いて、ビーム形状をライン状に整形した場合の、被照射物に照射されるレーザ光のビームプロファイルを示す図である。（ａ）はビーム形状を示し、（ｂ）は強度分布を示す。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のビームホモジナイザ光学系１００の構成図である。ビームホモジナイザ光学系１００は、レーザ光を出力する出力部１と、入射レンズ（第１の集光レンズ）２と、光導波体（ＬＭＡファイバ）３と、ビームホモジナイザ素子４と、被照射物５を備える。

出力部１は、後述するような光導波体３の理論カットオフ波長より波長が短い単一モードのレーザ光を出力する、例えばＹＡＧ基本波レーザやＹＡＧ第２高調波レーザ等のレーザ発振器である。例えばＹＡＧ基本波レーザを用いて波長１０６４ｎｍのレーザ光を、ＹＡＧ第２高調波レーザを用いて波長５３２ｎｍのレーザ光を出力する。出力部１から出力されたビームＬ１は、入射レンズ２へ入力される。入射レンズ２は、出力部１から出力されたビームＬ１の発散収束角（ＮＡ）、光軸等を補正したビームＬ２を光導波体３へ出力する。このとき、入射レンズ２のＮＡと光導波体３のＮＡが略一致していることが好ましい。このようにすれば、後述するように光導波体３の出力端３２から出射されるレーザ光が理想的なガウス分布に近い強度分布を有するよう設定することができる。このような観点からすれば、ＮＡのずれは、０．００３以下であることが好ましい。

入射レンズ２から出力されたビームＬ２は、光導波体３の入力端３１に入力され、出力端３２から出力される。光導波体３はコア領域および少なくとも一層のクラッド領域を有するものであり、例えば光ファイバやＰＬＣなど、後述するような条件を満足する様々な光導波路を適宜用いることができる。なお、クラッド領域はコア領域と屈折率の異なる材料で構成されていてもよいし、空気層（エアクラッド）であっても良い。

本発明における光導波体３は、上記のようにカットオフ波長より短い波長の光を伝送する（即ち、一定数の高次モード伝送をもサポートする）よう、２．４０５より大きなＶ値を有している。ここでＶ値とはコアへの光の閉じ込め強さを表すパラメータであり、下式（１）で表される。式（１）のａはコア半径、λは波長、ｎ_１はコア屈折率、Δはコアとクラッドの比屈折率差である。Ｖ＞２．４０５のとき完全なシングルモード導波が実現できる。

ファイバの損傷を防ぐためコアの直径は１０μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがさらに好ましい。コア領域はクラッド領域に対し高い屈折率を有するよう設計されており、実質的なシングルモード伝送を実現するために高次モード光の減衰を誘起する一方で、基本モード光の減衰は低くなるよう設計される。高次モード光と基本モード光の間に大きな減衰量の差が生じることによって、本実施形態における光導波体３は大きな直径を有する一方で、実質的にシングルモード伝送ファイバとして機能する。このように、従来のシングルモードファイバに対し、本実施形態における光導波体３を用いることによって、高出力のレーザ光を用いた場合においても伝送するレーザ光の光密度を小さくすることができるから、コア領域が損傷することを防止することができる。このような光導波体３としてはＬＭＡ（Ｌａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ）ファイバを挙げることができ、以下ではこの場合を例示して説明する。

上記のように高次モード光と基本モード光の間に大きな減衰量の差を生じさせるには、例えばＬＭＡファイバ３の構造設計による減衰や、ＬＭＡファイバ３に曲げを付与することによる減衰を与えることにより実現することができる。なお、ＬＭＡファイバ３の出力端３２から出力されるレーザ光が曲げ損失によって減衰しないためには、ＬＭＡファイバ３に付与される曲げは小さい（即ち、曲げ半径が大きい）ことが好ましい。本実施形態において、シングルモード伝送とは基本モード光に対する高次モード光の影響を実質的に無視できることである。具体的には、高次モード光の総減衰量はＬＭＡファイバ３の構造設計による減衰およびＬＭＡファイバ３に曲げを付与することによる減衰の合計であると定義した場合に、基本モード光の減衰量に対する高次モード光の総減衰量が５以上であることが好ましく、１０以上であることがさらに好ましい。このような観点から、ＬＭＡファイバ３においてＶ値が一定値より小さくなるよう、コア径およびコア領域とこれに隣接するクラッド領域の比屈折率差を設定することが好ましい。具体的にはＶ値は３．７以下であることが好ましく、より好ましくは３．４以下である。このように設定すれば、ＬＭＡファイバ３に大きな曲げ（即ち、小さな曲げ半径）を付与すること無く、理想的なガウス分布に近いシングルモードレーザ光を出射することができる。また、ＬＭＡファイバ３は、コア領域と当該コア領域に隣接するクラッド領域との比屈折率差が０．１％以下であることが好ましく、より好ましくは０．０５％以下である。なお、上記のようにＬＭＡファイバ３に曲げが付与された場合においても、レーザ光が曲げ損失によって減衰しないようにするためには、コア領域と、これに隣接するクラッド領域の比屈折率差は０．０２５％以上であることが好ましく、０．０３％以上であることがさらに好ましい。

図２は、上記のような条件のもと、ＬＭＡファイバ３の出力端３２から出射されたレーザ光（図１におけるビームＬ３）のビームプロファイル（強度分布）を示す。本発明において、上記のように入射レンズ２とＬＭＡファイバ３のＮＡが略一致し、かつ、ＬＭＡファイバ３はシングルモード伝送ファイバとして機能するから、非常に真円度の高いビームスポットを有するレーザ光が得られる。

ＬＭＡファイバ３の出力端３２から出力されたガウス分布のビームＬ３は、ビームホモジナイザ素子４に入力される。本実施形態では、ビームホモジナイザ素子４は、非球面ビームホモジナイザまたは回折型ビームホモジナイザを用いることができる。

非球面ビームホモジナイザは、前述のようにガウス型の光密度分布を均一分布に変換するように各光線の屈折角が非球面によって制御されるようになっている。このとき、各光線が交差しないように制御されるので、干渉が起こらず高均一性が得られる。一方、レンズ形状が光軸を中心とした回転対称形であるため、出射されるビームの強度分布として軸対称、即ち円形の出射のみに限定される。そのため、矩形形状、ライン形状等の様々な形状の均一強度分布を有するレーザ光が必要である場合には、所望の形状のマスク等を用いて、出射されるビームの形状を成形することが好ましい。

回折型ビームホモジナイザ（以下、ＤＯＥホモジナイザと称する）は、断面強度分布がガウシアン分布のレーザ光を均一な強度分布にするホモジナイズ機能と、同ビームを集光する集光機能とを併有する光学部品である。すなわち、ＤＯＥホモジナイザは、回折型光学部品（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）をホモジナイザとして応用したものであり、表面に付けられたミクロン単位の微細な凹凸（画素）によって光の回折現象を発生させ、これによってガウシアン分布のレーザ光を例えば断面矩形でかつ断面強度分布が均一なレーザ光に変換する機能を有している。

また、このＤＯＥホモジナイザは、進行方向に向かってレーザ光の断面積を小さくする集光機能をも有しており、具体的には、数ミリから数十ミリオーダーの直径を有する円形断面のガウシアン分布のレーザ光（図１におけるビームＬ４）が被照射物５において数ミリ以下四方の均一な矩形断面に整形かつ集光されるようにすることもできる。

このようなＤＯＥホモジナイザは、ＤＯＥホモジナイザへの入射ビームの強度分布と、被照射物を像面としたときに予め設定される目標強度分布とに基づいて光学設計される。そして、非特許文献１に記載の反復フーリエ変換法（ＩＦＴＡ）に基づき、像面の位置で目標とする強度分布が得られるように、入射面と像面の位置で強度・位相の値を少しずつ変化させながらフーリエ変換とフーリエ逆変換とを交互に繰り返し、ＤＯＥホモジナイザの凹凸形状（位相パターン）を最適化すれば良い。

上記のように設計されたＤＯＥホモジナイザの作用についてさらに説明する。図３は、本実施形態のＤＯＥホモジナイザに理想的なガウス分布のビームを入射させた場合の、光線イメージと被照射物の像面位置での強度分布とを示す図である。

図３に示すように、ＤＯＥホモジナイザは、その中央部では発散させ、外周部では収束させるように回折させている。これによって、ガウシアン分布のレーザ光を例えば断面矩形でかつ断面強度分布が均一なレーザ光に変換することができる。

なお、上記の例ではＤＯＥホモジナイザは、急峻な側壁部を有する矩形形状の強度分布を有するビームプロファイルとなるように設計されているが、側壁部が傾斜するように設計しても良い。即ち、ガウス分布を有する入射ビームの外周部の収束度合いを小さくするようＤＯＥホモジナイザを設計することにより、台形形状の強度分布を有する出力ビームプロファイルとなるようにしても良い。このようにすれば、入射ビームの強度分布が理想的なガウス分布から乖離した場合や、被照射物までの光路長が変動した場合であっても、出力ビームプロファイルの変動を小さくすることができる。すなわち上記の場合には、高周波のノイズ成分の影響を受けて出力プロファイルが乱れることがあっても、出力ビームプロファイルは均一な強度分布とすることができる。これは、台形形状を有するプロファイルをフーリエ変換すると、矩形形状を有するプロファイルをフーリエ変換した場合と比べて、周波数帯域が狭くなり、低周波成分のみに限定することができるためである。つまり、台形形状を有するプロファイルは、低周波成分のみを合成して作成することができ、入射ビームの強度プロファイルをフーリエ変換して得られる周波数帯域のうち、低周波成分のみを利用するから、高周波のノイズ成分の影響を排除することができる。

上記のようなＤＯＥホモジナイザにおいて、ＤＯＥホモジナイザの位相パターンを適宜最適化することにより、所望の出射レーザ光のスポット形状を得ることができる。例えば図４（ａ）に示すような矩形状のスポット形状を有する出射ビームＬ４や、図４（ｂ）に示すようなライン状のスポット形状を有する出射ビームＬ４を形成することができる。このような出射ビームＬ４は、いずれも被照射物５上での断面強度プロファイルがトップフラット形状である。

以上のように、本実施形態におけるビームホモジナイザ光学系によれば、マルチモード伝送をサポートするような光導波体を用いるので、高出力のレーザ光のビーム密度を低下させることができ、光導波体の破損を防止できる。また、シングルモード伝送の光導波体を用いることにより、所望の形状で、均一性の高い強度分布を有する出力ビームを得ることが可能なビームホモジナイザ光学系を提供することができる。このようなビームホモジナイザ光学系による出力ビームを用いて、穴あけなどのレーザ加工や、アニール処理などの表面処理を被照射物に対して均一に行うことができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の他の実施形態にかかるビームホモジナイザ光学系５００の構成図である。本実施形態における第１の実施形態との違いは、ＬＭＡファイバ３とビームホモジナイザ素子４との間にコリメートレンズ６をさらに備える点にある。コリメートレンズ６は、ＬＭＡファイバ３の出力端３２から出力されたビームＬ３を入力し、平行光Ｌ５をビームホモジナイザ素子４に出力する。

本実施形態によれば、ＬＭＡファイバ３とビームホモジナイザ素子４との間にコリメートレンズ６をさらに備えることにより、ビーム径の調整が容易になる。即ち、コリメートレンズ６において、理想的なガウス分布に近いレーザ光のビーム径を調整するとともに、平行光Ｌ５に変換してビームホモジナイザ素子４にレーザ光を入射させることができるから、ビームホモジナイザ素子４および光学系を容易に設計することができ、また、設計通りの特性が得られるよう光学系を配置することができる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の他の実施形態にかかるビームホモジナイザ光学系６００の構成図である。本実施形態における第１の実施形態との違いは、ビームホモジナイザ素子４と被照射物５の間に集光レンズ（第２の集光レンズ）７をさらに備える点にある。集光レンズ７は、ビームホモジナイザ素子４から出力されたビームＬ４を入力し、集光して集光光Ｌ６被照射物５に出力する。

本実施形態によれば、ビームホモジナイザ素子４が無限遠の焦点距離を有する場合であっても、被照射物５の像面上に像面を形成することができる。なお、集光レンズ７に換えて、または集光レンズ７とともにミラーを配置して、所望の光学系を適宜設計しても良い。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の他の実施形態にかかるビームホモジナイザ光学系７００の構成図である。本実施形態における第１の実施形態との違いは、ビームホモジナイザ素子である非球面ビームホモジナイザ素子４と被照射物５の間に位相整合レンズ８をさらに備える点にある。位相整合レンズ８は、非球面ビームホモジナイザ素子４から出力されたビームＬ４を入力し、平行光Ｌ７に変換して被照射物５に出力する。

本実施形態によれば、非球面ビームホモジナイザ素子で形成された均一強度分布のレーザ光をコリメートし、平行光Ｌ７として被照射物５に照射することができる。これにより、例えば当該レーザ光を用いてレーザ加工を行う場合には、被照射物５までの光路長が若干変動した場合にも、その加工精度を向上することができる。

（実施例１）
図８に、本発明におけるＬＭＡファイバ３の出力端３２から出射されたビームＬ３のビームプロファイル（強度分布）を示す。各光学系の条件は以下のように設定した。
レーザ波長：５３２ｎｍ（ＹＡＧ第２高調波）
出力光：ガウス強度分布 真円度０．９５
出力強度：１０Ｗ
入射レンズ：ＮＡ＝０．０２５
ＬＭＡファイバ：石英系光ファイバ
ＮＡ＝０．０２５
コア径（直径）：１６μｍ
クラッド径（直径）：３３０μｍ
Δｎ（比屈折率差）＝０．０３％
Ｖ値：３．３８
理論カットオフ波長：７４８ｎｍ
ビームＬ３は真円度がほぼ１であり、理想的なガウス分布に近い強度分布を有することが確認できた。このように、コア径が１６μｍと従来のシングルモードファイバに対して大きく、ビーム密度を低下させた状態で伝送させることができるから、高出力のレーザ光を伝送した場合にも、ＬＭＡファイバ３が損傷することはなかった。また、本実施例では、ＬＭＡファイバに曲げ（曲げ半径１６０ｍｍ（１周））を付与した場合にも、ビームプロファイルが崩れることはなかった。

（比較例１）
図９に、比較例として本発明におけるＬＭＡファイバ３に換えて汎用シングルモードファイバを用いた場合に、出力端から出射されたビームのビームプロファイル（強度分布）を示す。各光学系の条件は以下のように設定した。
レーザ波長：５３２ｎｍ（ＹＡＧ第２高調波）
出力光：ガウス強度分布 真円度０．９５
出力強度：５ｍＷ
入射レンズ：ＮＡ＝０．１
シングルモードファイバ：石英系光ファイバ
ＮＡ＝０．１
コア径（直径）：８μｍ
クラッド径（直径）：１２５μｍ
Δｎ（比屈折率差）＝０．３％
Ｖ値：２．１８
理論カットオフ波長：４８３ｎｍ
出射ビームは真円度がほぼ１であり、理想的なガウス分布に近い強度分布を有する。しかしながら、コア径が４μｍと小さく、レーザ光の出力強度が大きい場合（例えば１０Ｗ）には、ビーム密度が非常に大きい状態で伝送させることとなるから、シングルモードファイバが損傷することを確認した。

（比較例２）
図１０に、比較例として本発明におけるＬＭＡファイバ３に曲げを加えた場合における、出力端から出射されたビームのビームプロファイル（強度分布）を示す。各光学系の条件は以下のように設定した。
レーザ波長：５３２ｎｍ（ＹＡＧ第２高調波）
出力光：ガウス強度分布 真円度０．９５
出力強度：１０Ｗ
入射レンズ：ＮＡ＝０．０２５
ＬＭＡファイバ：石英系光ファイバ
ＮＡ＝０．０２５
コア径：１９．６μｍ
クラッド径：２００μｍ
Δｎ（比屈折率差）＝０．０２４％
曲げ付与：曲げ半径１６０ｍｍ（１周）
Ｖ値：３．７０４
理論カットオフ波長：８１９ｎｍ
出射ビームの密度は低下しているものの、高次モードの減衰が不完全であるためその形状が崩れ、ガウス分布に近い強度分布を有していないことを確認した。またレーザ光が曲げ損失によって減衰することも確認した。

（実施例２）
以下に本発明のビームホモジナイザ光学系の設計例（実施例）について説明する。ここでは、矩形状のスポット形状を有するレーザ光が得られるビームホモジナイザ光学系の条件を示す。
レーザ波長：５３２ｎｍ（ＹＡＧ第２高調波）
出力光：ガウス強度分布 真円度０．９５
出力強度：１０Ｗ
第１の集光レンズ：ＮＡ＝０．０２５
ＬＭＡファイバ：石英系光ファイバ
ＮＡ＝０．０２５
コア径：１６μｍ
クラッド径：３３０μｍ
Δｎ（比屈折率差）＝０．０３％
出力光：ガウス強度分布 真円度：ほぼ１
ビームホモジナイザ：コリメートレンズ：焦点距離４０ｍｍ
ＤＯＥホモジナイザ：
入射ビーム：直径２ｍｍ
像面：１ｍｍ×０．５ｍｍ
材質：合成石英
ＤＯＥ−像面間距離：７０ｍｍ

以上のように設計することで得られたレーザ光のスポット形状を図１１（ａ）に示し、強度分布のプロファイルを図１１（ｂ）に示す。回折効率は９２．４％であり、強度均一性は±４．２％であり、所望の矩形形状で、均一性の高い強度分布を有する出力ビームが得られたことが確認できた。

（実施例２）
次に本発明のビームホモジナイザ光学系の他の設計例（実施例）について説明する。ここでは、ライン状のスポット形状を有するレーザ光が得られるビームホモジナイザ光学系の条件を示す。
レーザ波長：５３２ｎｍ（ＹＡＧ第２高調波）
ガウス強度分布 真円度０．９５
出力強度：１０Ｗ
第１の集光レンズ：ＮＡ＝０．０２５
ＬＭＡファイバ：石英系光ファイバ
ＮＡ＝０．０２５
コア径：１６μｍ
クラッド径：３３０μｍ
Δｎ（比屈折率差）＝０．０３％
出力光：ガウス強度分布 真円度：ほぼ１
ビームホモジナイザ：コリメートレンズ：焦点距離４０ｍｍ
ＤＯＥホモジナイザ：
入射ビーム直径：３ｍｍ
像面：４ｍｍ×０．１ｍｍ
材質：合成石英
ＤＯＥ−像面間距離：１００ｍｍ

以上のように設計することで得られたレーザ光のスポット形状を図１２（ａ）に示し、強度分布のプロファイルを図１２（ｂ）に示す。回折効率は８９．２％であり、強度均一性は±２．８％であり、所望の矩形形状で、均一性の高い強度分布を有する出力ビームが得られたことが確認できた。

１００，５００，６００，７００：ビームホモジナイザ光学系 １：出力部
２，７：集光レンズ ３：光導波体 ４：ビームホモジナイザ素子
５：被照射物 ６：コリメートレンズ ８：位相整合レンズ

Claims (8)

1. レーザ光を出力する出力部と、
   前記出力部から出力されたレーザ光を入力し、集光して出力する第１の集光レンズと、
   コア領域と、前記コア領域の外周に少なくとも一層のクラッド領域を備え、前記第１の集光レンズから出力したレーザ光を前記コア領域に入力するとともに、略ガウス強度分布のレーザ光を出力する光導波体と、
   前記光導波体から出力されたレーザ光を入力し、被照射物上での断面強度プロファイルがトップフラット形状であるレーザ光を出力するビームホモジナイザ素子と、を備えるビームホモジナイザ光学系であって、
   前記レーザ光の波長は前記光導波体のカットオフ波長以下であるとともに、
   前記光導波体は、Ｖ値が２．４より大きく、３．７以下となるように、前記コア径および前記コア領域と前記コア領域に隣接する前記クラッド領域との比屈折率差を設定することにより実質的にシングルモード伝送する、
   ことを特徴とするビームホモジナイザ光学系。
2. 前記レーザ光の波長は１．５μｍ以下であり、
   前記光導波体は、前記コア領域の外径が１０μｍ以上である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のビームホモジナイザ光学系。
3. 前記光導波体は、基本モード光の減衰量に対する高次モード光の総減衰量が５以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載のビームホモジナイザ光学系。
4. 前記第１の集光レンズのＮＡは、前記光導波体の入力端におけるＮＡと略一致していることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ光学系。
5. 前記光導波体は、前記コア領域と、前記コア領域に隣接する前記クラッド領域との比屈折率差が０．０２５％以上である、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ光学系。
6. 前記光導波体から出力されたレーザ光を入力し、前記ビームホモジナイザ素子に平行光を出力するコリメートレンズをさらに備える、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ光学系。
7. 前記ビームホモジナイザ素子から出力されたレーザ光を入力し、前記被照射物に集光したレーザ光を出力する第２の集光レンズをさらに備える、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ光学系。
8. 前記ビームホモジナイザ素子は非球面ビームホモジナイザであり、
   前記非球面ビームホモジナイザから出力されたレーザ光を入力し、前記被照射物へ変換光を出力する位相整合レンズをさらに備える、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のビームホモジナイザ光学系。