JP2884075B2 - レーザー光集光照射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザー光を対象物
に集光照射するレーザー光集光照射装置に関し、特に集
光前のレーザー光の空間強度分布に依存せずに、集光後
のレーザー光の空間強度分布を制御する技術に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】大出力レーザー装置においては、非線形
屈折率等の影響を受けるため完全なガウシアンビーム出
力を得ることは困難なばかりでなく、ガウシアンビーム
ではレーザー装置におけるエネルギー取り出し効率も低
く、実用的ではない。このため現在の大出力レーザー装
置においてはほとんどの場合、矩形ビーム出力を取り出
しており、またその出力波面は非線形屈折率等の影響に
よりかなり歪んだものとなっている。これをレンズ等で
対象物上に集光した場合、集光面上では、その空間周波
数のフーリエ変換に相当する極めて不均一な強度分布と
なり、更に波面の歪みによりホットスポットと呼ばれる
エネルギーが集中する場所が発生し、使用上の障害とな
っていた。

【０００３】この問題を解決するために、本発明者は過
去において、ランダム位相板に広帯域レーザー装置と波
長分散性媒質を組み合わせたもの（特開平４−１０５７
８１号公報）、および多重反射鏡を組み合わせたもの
（特開平８−９４９６１号公報）を発明している。これ
らの装置においては集光前のレーザー光の空間強度分布
や波面の歪みに関係なく、集光後のレーザー光の空間強
度分布をいつも一定にできるという利点を有していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の発明（特開平４−１０５７８１号公報および特開平８
−９４９６１号公報）においては、ランダム位相板を使
用しているため、その集光後のレーザー光の空間強度分
布はｓｉｎｃ自乗関数、すなわち中心が強く周辺部が弱
い特定の一つの強度分布関数しか得ることができなかっ
た。

【０００５】本発明は、上記の点にかんがみなされたも
ので、中心部が弱く周辺部が強い集光後のレーザー光の
空間強度分布が得られるレーザー光集光照射装置を提供
することを目的とするものとする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明においては、上記
従来技術において用いられていたランダム位相板に代え
て、光学的に異なったピッチの複数のフレネルゾーンプ
レートを同心上に共存させた単位セルと、この単位セル
と相補的な位相関係にある同一パターンの単位セルとを
同一面上にランダムに同一個数配置することによって作
成した複合フレネルゾーンプレートを、前記集光レンズ
の直前もしくは直後に配置したものである。

【０００７】また、複合フレネルゾーンプレートおよび
集光レンズの手前の光軸上にレーザー光を微小に角度の
異なるビーム束となる多重反射鏡を配置したものであ
る。

【０００８】さらに、帯域幅の広いレーザー光を使用し
複合フレネルゾーンプレートおよび集光レンズの手前の
光軸上に波長分散性媒質を配置したものである。

【０００９】また、帯域幅の広いレーザー光を使用し、
複合フレネルゾーンプレートおよび集光レンズの手前の
光軸上に波長分散性媒質と多重反射鏡とを配置したもの
である。

【００１０】このように本発明では、複合フレネルゾー
ンプレートと称する新規な位相板を設置することによ
り、中心部が弱く周辺部が強いという集光後のレーザー
光の空間強度分布を得ることを可能とした。

【００１１】

【発明の実施の形態】はじめに、本発明における主要な
構成要素である複合フレネルゾーンプレートについて説
明する。一般にフレネルゾーンプレートとはフレネルの
半周期ゾーンを交互に黒く塗りつぶすか、位相を変えた
ものである。大出力レーザーにおいては黒く塗りつぶす
ことは出力エネルギーの半分を捨てることになるため、
通常は半周期ゾーンに対して交互に０とπラディアンの
位相差を与えたものが用いられる。本発明の複合フレネ
ルゾーンプレートにおいては、この通常のフレネルゾー
ンプレートの中に光学的なピッチの異なった別のフレネ
ルゾーンプレートを中心を同じくして共存させたものを
単位セルとする。そして、この単位セルに対し０とπラ
ディアンの位相差が逆になった相補的な単位セルととも
に両者の割合が半々となるように同一プレート上にラン
ダムに多数配置する。本発明においてはこうして得られ
た複合フレネルゾーンプレートを集光レンズの直前もし
くは直後に配置する。

【００１２】通常のフレネルゾーンプレートはレンズの
ように働き、平行なレーザー光を入射するならば１点に
強い光の集中が起こる。通常のフレネルゾーンプレート
を集光レンズの直前あるいは直後に配置した場合、それ
らは２枚のレンズを重ね合わせたように作用し、焦点距
離は集光レンズ単独のときよりも短焦点側に移動する。
その結果、もともとの集光レンズの焦点位置ではレーザ
ー光はこの焦点距離の短縮に対応した分だけ焦点よりず
れており、レーザー光の空間強度分布は幾何光学的に広
がりを持つ。本発明における複合フレネルゾーンプレー
トの単位セルは一見、中心部と周辺部で焦点距離の異な
る２重焦点距離レンズのように思われがちだが、実際に
は光の干渉効果により相互に干渉するため、単純な重ね
合わせにはならない。その状況は位相指数を考慮した計
算機シミュレーションにより調べることができる。そし
てそのピッチの組み合わせの中から、もともとの集光レ
ンズの焦点位置付近において、レーザー光の空間強度分
布の中心が弱く周辺部が強くなるような組み合わせを選
ぶことができる。しかしながらこの一つの単位セルのみ
を使用した場合、実際に計算と同じ空間強度分布が得ら
れるのは集光前のレーザー光の強度分布や波面が空間的
に一様であった場合に限られる。すでに述べたように実
際の大出力レーザーにおいてはそのようなレーザ光を得
ることはできないので、この単位セル一つだけでは実用
的ではない。

【００１３】本発明の複合フレネルゾーンプレートにお
いては、この単位セルと、それとは位相差が逆になった
相補的な単位セルを両者の割合が半々となるように同一
プレート上にランダムに多数配置している。これによっ
て入射レーザー光は各々単位セルの大きさの多数の微少
ビームに分割されたことになる。分割された微少ビーム
は一つの同じ集光レンズによって集光されるので、その
集光レンズの焦点面付近ではそれらの微少ビームが相互
に干渉しながら重なりあう。この干渉しながら重なりあ
うところの状況は従来のランダム位相板と同様に、多数
のスペックルパターンの集合体となるが、従来のランダ
ム位相板と異なって、その包絡線はランダム位相板のと
きのｓｉｎｃ自乗関数ではなく、単位セルの時に計算で
求められた空間強度分布となる。そしてその空間強度分
布はランダム位相板のときと同様に集光前のレーザー光
に依存しない。

【００１４】さらにこのスペックルパターンや微細な集
光後の空間強度分布の振動は、広帯域レーザー光と波長
分散性媒質、または多重反射鏡、あるいはその両方の組
み合わせにより、除去可能であることは、ランダム位相
板の場合と同様である。

【００１５】

【実施例】図１に、本発明の第１の実施例の基本的な構
成の光学配置を示す。大出力レーザーから出力されたレ
ーザー光Ｌは複合フレネルゾーンプレート１を通過した
あと集光レンズ２によって集光される。対象物３は集光
レンズ２の焦点距離にあたるｆ離れた位置近辺に置かれ
る。複合フレネルゾーンプレート１の具体的な位相パタ
ーンの例を図２にその一部として示す。

【００１６】複合フレネルゾーンプレート１はこの図２
のようなパターンが出力レーザー光Ｌの口径を充分満た
す面積にわたって敷き詰めてある。図中、黒く塗りつぶ
してある部分が位相シフトがπラディアンとなっている
部分で白い部分は位相シフトが０であることを示す。１
Ａ，１Ｂは互に相補的な位相関係にある単位セルで、同
数がランダムに配置されている。さらにその中の一つの
単位セル１Ａ，１Ｂについて、各々のフレネルの半周期
ゾーンの直径ｄ１〜ｄ３を示したものが図３，図４であ
る。

【００１７】図３，図４の（ａ），（ｂ）はそれぞれ単
位セル１Ａ，１Ｂの平面図と中心を通る断面の模式図で
あり、いずれも直径ｄ１〜ｄ３までしか示していない
が、ｄ１〜ｄ１４までの具体的数値を示すと下記のよう
になる。

【００１８】図３，図４において、各（ａ）の平面図の
黒い部分はπラディアンの位相シフトを有する部分で、
たとえば光学ガラスなど空気と屈折率の異なる材料を利
用してこれを実現する場合、位相シフトの分だけ厚くな
るため、模式的に描けば各（ｂ）の断面図に示したよう
な厚みｔ１，ｔ２の差による段差となる。

【００１９】フレネルのｎ番目の半周期ゾーンは一般に
は で表されるが、この実施例ではｄ１からｄ３までがｒ０
＝２であるのに対し、ｄ４から外側ではｒ０＝３となっ
ている。このように光学的に異なったピッチの複数のフ
レネルゾーンプレートを同心上に共存させて単位セル１
Ａ，１Ｂとしているところが本発明の特徴である。この
単位セル１Ａと１Ｂを通過したレーザー光Ｌを焦点距離
１ｍの集光レンズ２で集光したときの距離ｆにおける空
間強度分布を計算機シミュレーションによって求めたも
のが、図５である。

【００２０】計算においては結果が完全な回転対象とな
るため、図５では中心から片側だけを表示してある。す
なわち０のところが中心であって、５００と表示されて
いるあたりが集光されたレーザー光Ｌの外周の縁のあた
りとなる。干渉による振動波形が含まれているが実際に
は対象物３を距離ｆの位置からわずかにずらすことによ
り、この振動は緩和される。実際に本実施例を試作し、
対象物３の位置でのレーザー光Ｌの空間強度分布を測定
したものを図６に示す。

【００２１】図６は、図５と異なり、半分ではなく全部
を表示している。したがって、中央の０と表示されたと
ころが中心で、−５００および５００と表示されている
ところはいずれもレーザー光Ｌの外周の縁にあたる。図
５，図６ともに縦軸は光の強度である。

【００２２】次に、第２の実施例について図７により説
明する。第２の実施例は複合フレネルゾーンプレート１
と集光レンズ２の手前の光軸上に多重反射鏡を配置した
例である。図７において、４は多重反射鏡、５はレーザ
ー増幅器、１０はレーザー発振器を示す。多重反射鏡４
はその両面に部分反射コートが施してあり、到達したレ
ーザー光Ｌの一部が透過し、残りは反射される。多重反
射鏡４の両面は互いに平行ではなく、わずかな角度を持
った平面となっている。従って入射したレーザー光Ｌの
一部はそのまま多重反射鏡４を透過するが、残りは反射
され、一部を多重反射鏡４の外側に透過しながら、残り
は多重反射鏡４の内部を多数回往復する。多重反射鏡４
の両面が角度を有するため、多重反射鏡４の外側へ出射
する光は相互に角度を有することとなり、結果として微
小に角度の異なる多数のレーザー光Ｌからなるビーム束
Ｌａを得ることとなる。なお、図７においてはここにお
いて発生する多数のビームを一本の線で示してある（特
開平８−９４９６１号公報参照）。図７に示すようにレ
ーザー発振器１０からのレーザー光Ｌを多重反射鏡４に
よって微少に角度の異なるビーム束Ｌａとし、これをレ
ーザー増幅器５で増幅後、第１の実施例と同じ複合フレ
ネルゾーンプレート１と集光レンズ２によって集光す
る。対象物３上での空間強度分布は第１の実施例と同様
に外側が強くて中央部が弱いものとなるが、多重反射鏡
４の効果により第１の実施例よりも細かな振動成分が緩
和され、より滑らかなものを得ることができる。

【００２３】次に、第３の実施例について説明する。第
３の実施例は、図８に示すようにレーザー光として広帯
域レーザー装置から発生する帯域幅の広いレーザー光Ｌ
ｂを使用し、複合フレネルゾーンプレート１および集光
レンズ２の手前の光軸上に波長分散性媒質６を配置した
例である。図８に示すようにこの第３の実施例では波長
分散性媒質６としてプリズムを用いている。波長分散性
媒質６を広帯域レーザー光Ｌｂが通過すると、もともと
平行であった広帯域レーザー光Ｌｂの波長帯域に対応し
て角度広がりが生ずる（特開平４−１０５７８１号公報
参照）。このようにして、波長分散性媒質６においてレ
ーザービームに微少な角度広がりを与えることができ、
第２の実施例と同様に、対象物３上での空間強度分布は
第１の実施例と同様に外側が強くて中央部が弱いものと
なるが、第１の実施例よりも細かな振動成分が緩和さ
れ、より滑らかなものを得ることができる。

【００２４】さらに第４の実施例について説明する。第
４の実施例は、図９のように、第２の実施例で用いた多
重反射鏡４と、第３の実施例で用いた帯域幅の広いレー
ザー光Ｌｂおよびプリズム等の波長分散性媒質６の組み
合わせの両方を同時に用いたものを示す。両者の効果
は、多重反射鏡４が紙面に平行な方向、波長分散性媒質
６が紙面に垂直な方向というように相互に直交するよう
に配置されている。その結果、第１の実施例で現れる細
かな振動成分は２次元的に改善され、一層滑らかな外側
が強くて中央部が弱い空間強度分布を得ることができ
る。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、光学的に異なったピッ
チの複数のフレネルゾーンプレートを同心上に共存させ
た単位セルと、この単位セルと相補的な位相関係にある
同一パターンの単位セルとを同一面上にランダムに同一
個数配置することによって作成した複合フレネルゾーン
プレートを、前記集光レンズの直前もしくは直後に配置
したので、大出力レーザーにおいては従来は不可能であ
った、中心部が弱く周辺部が強いという集光後のレーザ
ー光の空間強度分布を得ることを可能とする。

【００２６】本発明において使用する複合フレネルゾー
ンプレートは透過型位相板の作成技術により大出力レー
ザー光に対応可能な高耐力なものが作成可能であり、透
過損失も少ない。対象物上での空間強度分布内での細か
な振動成分が問題となる場合には、本発明のように、多
重反射鏡もしくは帯域幅の広いレーザー光および波長分
散性媒質の組み合わせ、あるいはその両方を適用するこ
とによって除去することができる。

【００２７】レーザー加工やレーザープロセッシング等
においては中心部が強い通常の集光照射における空間強
度分布よりも、むしろ周辺部が強く中心部が弱いという
本発明による強度分布の方が好ましい場合が少なくな
い。したがって、この発明はこういった産業上重要なレ
ーザー応用装置において、その品質や効率を向上させる
ために役立てることができる。

【００２８】また、レーザー核融合のような将来のエネ
ルギー開発をする場合においても球形の燃料球にレーザ
ーを一様に照射するためには個々のレーザービームの集
光照射空間強度分布は中心部よりも周辺部が強いほうが
好ましいと考えられ、この発明はその開発を推進する上
にも役立つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の基本的な構成の光学配
置を示す図である。

【図２】複合フレネルゾーンプレートの位相パターンの
一部を示した図である。

【図３】図２の複合フレネルゾーンプレートの位相パタ
ーンの中の一つの単位セルについて、各々のフレネルの
半周期ゾーンの直径を具体的に示した図である。

【図４】図２の複合フレネルゾーンプレートの位相パタ
ーンの中の一つの単位セルについて、各々のフレネルの
半周期ゾーンの直径を具体的に示した図である。

【図５】図３の単位セルを通過したレーザー光を焦点距
離１ｍの集光レンズで集光したときの距離ｆにおける空
間強度分布を計算機シミュレーションによって求めたも
のを示した図である。

【図６】本発明の第１の実施例を実際に試作し、得られ
た対象物上での集光照射の空間強度分布の実測例を示し
た図である。

【図７】本発明の第２の実施例の光学配置を示す図であ
る。

【図８】本発明の第３の実施例の光学配置を示す図であ
る。

【図９】本発明の第４の実施例の光学配置を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 複合フレネルゾーンプレート １Ａ，１Ｂ 単位セル ２ 集光レンズ ３ 対象物 ４ 多重反射鏡 ５ レーザー増幅器 ６ 波長分散性媒質 ｆ 集光レンズの焦点距離 Ｌ レーザー光 Ｌｂ 帯域幅の広いレーザー光

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光を集光レンズを介して対象物
   に集光照射するためのレーザー光集光照射装置におい
   て、光学的に異なったピッチの複数のフレネルゾーンプ
   レートを同心上に共存させた単位セルと、この単位セル
   と相補的な位相関係にある同一パターンの単位セルとを
   同一面上にランダムに同一個数配置することによって作
   成した複合フレネルゾーンプレートを、前記集光レンズ
   の直前もしくは直後に配置したことを特徴とするレーザ
   ー光集光照射装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレーザー光集光照射装置
   であって、複合フレネルゾーンプレートおよび集光レン
   ズの手前の光軸上にレーザ光を微小に角度の異なるビー
   ム束とする多重反射鏡を配置したことを特徴とするレー
   ザー光集光照射装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載のレーザー光集光照射装置
   であって、レーザー光として広帯域レーザー装置から発
   生する帯域幅の広いレーザー光を使用し、複合フレネル
   ゾーンプレートおよび集光レンズの手前の光軸上に波長
   分散性媒質を配置したことを特徴とするレーザー光集光
   照射装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載のレーザー光集光照射装置
   であって、レーザー光として広帯域レーザー装置から発
   生する帯域幅の広いレーザー光を使用し、複合フレネル
   ゾーンプレートおよび集光レンズの手前の光軸上に波長
   分散性媒質と多重反射鏡とを配置したことを特徴とする
   レーザー光集光照射装置。