JP2019020731A - レーザビームの線形強度分布を生成するための装置 - Google Patents

レーザビームの線形強度分布を生成するための装置 Download PDF

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Abstract

【課題】線形強度分布の短手方向における線幅に影響を与えることができるタイプの装置を提供する。【解決手段】レーザビームの線形強度分布を生成するための装置であって、互いに離間した２つのビーム変換装置（２，３）と、２つのビーム変換装置（２，３）を通過したレーザビームを線形強度分布に集束させることができる集光手段（５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ）とを含み、該装置は、２つのビーム変換装置間の距離を変化させることによって、線形強度分布の短手方向の線幅を変化させることができるように構成されてなる装置。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前文に記載のレーザビームの線形強度分布を生成するための装置に関する。
被写界深度が大きい、長く、均質で細い線形レーザを生成するために、屈折による、または反射によるビーム変換装置を利用することが可能であり、これらのビーム変換装置は、マルチモードレーザ（Ｍ２＞１０）のモード合成、たとえば固体レーザのモード構成を、ビーム品質（場合によっては、回折指数、またはモード数、またはビーム広がり）が、横方向（Ｙ）については明確に低下し、他方向（Ｘ）については上昇するように再構成する。結果として、後方に配設された光学系によって、Ｘ方向（長軸）においてビームを非常に良好に均質化することが可能である。Ｙ方向（線断面）においては、ビームは非常に良好に一点に集束されて、大きな被写界深度を達成することが可能である。また有利なことに、ＮＡ（開口数）の低い、簡単に設けられた、集束光学系によって大きな作業距離を得ることが可能である。しかるべき装置が、特許文献１に記載されている。
２つのレンズアレイからなる屈折によるビーム変換装置が、特許文献２から知られる。それらの装置は、レーザダイオードアレイのビームを集束するために使用される。特許文献３からは、２つのバイコンベックスシリンダレンズアレイを有するビーム変換装置が知られる。
欧州特許出願公開第１８９６８９３号明細書 米国特許第５５１３２０１号明細書 欧州特許第１００６３８２号明細書
本発明の根底にある課題は、線形強度分布の短手方向における線幅に影響を与えることができる冒頭で挙げたタイプの装置を提供することである。
これは、発明に従えば、請求項１の特徴を有する冒頭で挙げたタイプの装置によって達成される。従属請求項は、本発明の好ましい実施形態に関する。
請求項１に従えば、本装置は、２つのビーム変換装置間の距離を変化させることによって線形強度分布の短手方向の線幅を変更できるように構成されてなる。その結果、簡単な方法で、線形強度分布の短手方向の線幅に影響を与えることができる。
これによって特に、たとえば固体レーザのようなマルチモードレーザによって細いレーザ線を形成する場合の線幅について、実現可能な無段階の技術的に容易な制御がもたらされる。また、ビーム変換装置の製造誤差、Ｘ方向の発散に影響をもたらすビーム変換装置とレーザ光源との間の光学手段の製造誤差および配列誤差、ならびに装置の構成によって異なるレーザ発散を、この方法で光学的に補償することが可能である。特に、これによってさらに、ビーム変換装置の光強度を、使用される材料の損傷閾値以下にあるように低減させることが可能である。
さらに詳しくは、本発明は、レーザビームの線形強度分布を生成するための装置であって、
互いに離間した２つのビーム変換装置と、
２つのビーム変換装置を通過したレーザビームを線形強度分布に集束させることができる集光手段とを含み、
該装置は、２つのビーム変換装置間の距離を変化させることによって線形強度分布の短手方向の線幅を変更できるように構成されてなることを特徴とする装置である。
本発明において、ビーム変換装置の一方または両方は、伝播方向のまわりに、特に、９０°の角度でレーザビームを回転させることができる、および／またはビーム変換装置の一方または両方は、レーザビームの２つの互いに直交する幅方向の発散または回折指数が逆転するように、レーザビームを変換することができることを特徴とする。
本発明において、ビーム変換装置の一方または両方は、レンズアレイまたはミラーアレイとして形成されていることを特徴とする。
本発明において、レンズアレイの場合、各レンズは、シリンダレンズとして形成され、各レンズのシリンダ軸は、特に、レンズが並んで配設される方向に対して４５°の角度になるように方向付けられていることを特徴とする。
本発明において、ミラーアレイの場合、各ミラーは凹状の曲面を有することを特徴とする。
本発明において、たとえばレーザダイオードによってポンピングされた固体レーザとして形成される、レーザ光源を含むことを特徴とする。
本発明において、装置は、特に、両方のビーム変換装置と集光手段との間に配設される、均質化手段を含むことを特徴とする。
本発明において、装置は、好ましくはレーザ光源と両方のビーム変換装置との間に配設される、テレスコープ、特にアナモルフィックテレスコープを含むことを特徴とする。
本発明において、装置は、特に、２つのビーム変換装置の一方を他方に対して移動させることによって、２つのビーム変換装置の距離を変化させることができる位置決め手段を含むことを特徴とする。
本発明において、位置決め手段は、精密機械として、または電気機械的アクチュエータとして、たとえば圧電アクチュエータとして形成されることを特徴とする。
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照して、以下の好ましい実施形態の説明から明らかになるであろう。
図１（ａ）は、本発明に従った装置の一実施形態の概略側面図であり、図１（ｂ）は、図１ａの装置の概略平面図である。 ２つのビーム変換装置のうちの第1のビーム変換装置の入射面上のレーザビームの断面図である。 ビーム変換を明確にするための略図である。 ビーム変換を明確にするための略図である。 ２つのビーム変換装置のうちの第1のビーム変換装置の入射面上のレーザビームの断面の概略図である ２つのビーム変換装置のうちの第２のビーム変換装置の出射面上のレーザビームの断面の概略図である 装置の一部の概略斜視図である。 ビーム変換装置の第１の実施形態の断面図である。 ビーム変換装置の第２の実施形態の断面図である。 これら２つのビーム変換装置と集光手段とによる縮尺に従っていない、典型的なビーム経路である。 これら２つのビーム変換装置間の距離と短手方向におけるビームくびれの関係を示す図である。 これら２つのビーム変換装置の斜視図である。
図面において、同一または機能的に同一の部分には同一の参照番号が付されている。いくつかの図では、方位を容易にするために、デカルト座標系が描かれている。
レーザビームの生じ得る線形強度分布は、デカルト座標系において、Ｘ方向に延びる長手方向と、Ｙ方向に伸びる短手方向を有する。
図1に示す装置は、単に概略的に描かれたレーザ光源１０と、アナモルフィックテレスコープ１と、第１および第２のビーム変換装置２，３と、特に、Ｘ方向または長手方向に作用する均質化手段４とを含む。この装置は、さらにまた、Ｘ方向のためのフーリエ光学手段５ａ，５ｂと、Ｙ方向のための集光手段６ａ，６ｂとを含む。
レーザ光源１０は、たとえば、レーザダイオードによってポンピングされる固体レーザとして、形成されてもよい。均質化手段４は、たとえば、レーザビームの発散方向に、またはＺ方向に相前後して配設された２つのシリンダレンズアレイを含んでもよく、これらシリンダレンズのシリンダ軸は、Ｙ方向に延びる。
アナモルフィックテレスコープ１は、第１のビーム変換装置２の入射面に沿って、長軸Ｘにおける細幅長円の括れ部７の形成に貢献する（図２参照）。ビーム形成装置２，３は、２つの、屈折または反射アレイとして構成されてもよい。
ビーム変換装置２，３の後方、および均質化手段４の前方には、Ｘ方向に作用する光学手段８を設けてもよい。
特に、ビーム変換装置２，３のそれぞれは、屈折アレイからなる。第１のアレイでは、長円の括れ部７が、Ｘ方向において、複数の、特にｍ個の、部分ビーム９、またはセグメントに分光される。または、レーザビームは、それらアレイの前で、追加の分割光学系によって分光されてもよい。次いで、部分ビーム９は、ビーム変換装置２，３の出射部において、入射部に比較して、ＸＹ面における４５°軸に対して反射される。これは、図３ａおよび図３ｂにおいては、部分ビーム９の断面の角部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの変換によって示されている。図４ａおよび図４ｂにおいては、入射部側に、互いに隣り合った部分ビーム９が、図４ｂでは、出射側に、変換された部分ビーム９‘が示されている。
アレイ間の間隙において、各部分ビームは、一定の大きさで集光される。
変換は、全光束についての回折指数Ｍ２を異方性的に変化させる。この場合、Ｍ２は、特に、Ｙ方向についてｍ倍縮小され、Ｘ方向についてｍ倍倍増される。また、Ｘ方向についての、または一方側の長円括れ部７の長軸に関する小さい入射発散θｘと、Ｙ方向についての、または変換後の長円括れ部７の細幅部軸に関する大きな入射発散θｙとを交換して表わしてもよい。
ビーム変換装置２，３の好ましい実施形態は、２つの、シリンダレンズアレイからなり、それらシリンダレンズの各シリンダ軸は、Ｘ方向に対して、およびＹ方向に対して４５°の角度で整列している（図２，図５，および図１０を参照）。その場合、第１のビーム変換装置２を形成しているアレイの各シリンダ軸は、第２のビーム変換装置３を形成しているアレイのシリンダ軸に平行に配設されている。
これらのアレイのそれぞれのシリンダレンズ対は、部分ビームにとっては、倍率−１のケプラ望遠鏡を形成している。
式（２）は、図６に従った実施形態にのみ有効である。図６に従った実施形態は、内方のレンズ面におけるエネルギ密度が、図７に従った実施形態の場合よりも小さいという利点を有する。図６および図７においては、第１および第２のビーム変換装置２，３のレンズ面の半径は、Ｒ１，Ｒ２と表わしている。互いに向かい合っているレンズ面間の距離は、ｄで表わしている。図６および図７において、シリンダレンズの前方および後方の焦点距離は、Ｆ１，Ｆ１’，Ｆ２，Ｆ２’で表わしている。図７において、シリンダレンズの厚みは、ｄｇで表わしている。
原則として、凹状段差がある、交差した階段状ミラーを有する実施形態も可能である。いずれにしても、収差を補正することを可能にするために、凹状段差は、適切な形状を有していることが必要である。
レンズアレイ間の距離ｄが、テレスコープ条件が、たとえば、図６に従った構成については、式（２）に従って、正確に満たされるように選択されれば、式（１）に従った出射部におけるビーム発散が当てはまる。
一方で、距離dを微調整することによって、出射ビームの発散を変更することが可能である。他方、半径の製造誤差を補正することが可能である。さらにまた、が光学的に補償されるように、Ｘ方向における発散に影響を与える、レーザ光源とビーム変換装置との間の光学手段の製造誤差および調整誤差を、また、装置の構成からそれているレーザ発散をも、光学的に補償することが可能である。
距離Δ＝ｄ−ｄ０を変更する場合、ビーム変換装置２，３後方の部分ビーム９，９‘は、追加の発散：
があり、
式中、Ｐは、シリンダ軸に垂直な、ビーム変換装置２，３のシリンダレンズ間のピッチ、または中心間距離であり、ｆＴは、ビーム変換装置２，３のシリンダレンズの焦点距離である。
Ｙについての結果として生じる発散
は、距離が減少すると上昇する。距離が増加すると、またはΔが正であると、まず発散は低下する。値δθ＝−θ’ｙになった後、発散は再び上昇し始める。（正式には「−」で表示）。
２つのビーム変換装置２，３の互いに対する動きは図１０に示されている。
線幅ｗｙは、発散に依存する。これを、次の例で説明する。
ビーム変換装置が、ピッチＰ＝１．０６ｍｍ，ｆＴ＝７．５ｍｍ，θ’ｙ＝０．２５ｍｒａｄを有し、第１の集光手段６ａとして働く集光レンズが、ｆ１＝５８６ｍｍを有し、第２の集光手段６ｂとして働く映写レンズが、ｆ２＝１７０ｍｍを有し、倍率Ｖ＝Ｓ’／Ｓ＝（２４６７−５８６）／１８７＝１／１０．０６と仮定する（図８参照）。図８に示された寸法は、ｍｍで示す距離である。
範囲Δ＝＋０．０４…−０．１２における、ビーム変換装置の距離の変動は、線幅ｗ＝ＨＷ＠ｅ−２を、１４μｍから３８μｍまで変動させる（図９参照）。このような変動は、適切な精密機械によって問題なく対応できる。たとえば、圧電アクチュエータなどの、精密電気機械も適している。

Claims (10)

  1. レーザビームの線形強度分布を生成するための装置であって、
    互いに離間した２つのビーム変換装置（２，３）と、
    ２つのビーム変換装置（２，３）を通過したレーザビームを線形強度分布に集束させることができる集光手段（６ａ，６ｂ）とを含み、
    該装置は、２つのビーム変換装置（２，３）間の距離を変化させることによって線形強度分布の短手方向の線幅を変更できるように構成されてなることを特徴とする装置。
  2. ビーム変換装置（２，３）の一方または両方は、伝播方向のまわりに、特に、９０°の角度でレーザビームを回転させることができる、および／またはビーム変換装置（２，３）の一方または両方は、レーザビームの２つの互いに直交する幅方向の発散または回折指数が逆転するように、レーザビームを変換することができることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. ビーム変換装置（２，３）の一方または両方は、レンズアレイまたはミラーアレイとして形成され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. レンズアレイの場合、各レンズは、シリンダレンズとして形成され、各レンズのシリンダ軸は、特に、レンズが並んで配設される方向に対して４５°の角度になるように方向付けられていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
  5. ミラーアレイの場合、各ミラーは凹状の曲面を有することを特徴とする、請求項３に記載の装置。
  6. たとえばレーザダイオードによってポンピングされた固体レーザとして形成される、レーザ光源（１０）を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
  7. 特に、両方のビーム変換装置（２，３）と集光手段との間に配設される、均質化手段（４）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
  8. 好ましくはレーザ光源（１０）と両方のビーム変換装置（２，３）との間に配設される、テレスコープ、特にアナモルフィックテレスコープ（１）を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
  9. 特に、２つのビーム変換装置（２，３）の一方を他方に対して移動させることによって、２つのビーム変換装置（２，３）の距離を変化させることができる位置決め手段を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
  10. 位置決め手段は、精密機械として、または電気機械的アクチュエータとして、たとえば圧電アクチュエータとして形成されることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
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