JP3055312B2

JP3055312B2 - レーザビーム均一照射光学系

Info

Publication number: JP3055312B2
Application number: JP17509192A
Authority: JP
Inventors: 之夫久所
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-06-10
Filing date: 1992-06-10
Publication date: 2000-06-26
Anticipated expiration: 2015-06-26
Also published as: JPH05343766A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に可視光から近赤外
線領域の波長を有するマルチモードあるいはガウシアン
プロファイルを有するＴＥＭ₀₀モードのレーザビーム強
度を均一化するためのレーザビーム均一照射光学系に関
し、特に、比較的小径で、高効率に大面積（例えば、１
００ｍｍ²）に対してレーザビームの強度を均一化する
ためのレーザビーム均一照射光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高出力のレーザ光源を用いて、
溶接加工や表面加工を行う場合、レーザ発振器から取り
出されたマルチモードのレーザビームをそのまま用いる
と加工が均一にできないために、従来、カライドスコー
プの光学系を用いて均一化を図ってきた。このカライド
スコープは、２組の向かい合った平行平面ミラーを内面
が反射面になるように、かつ接合部での隙間がないよう
に張り合わせたものである。一方の端からレーザ光を入
射すると、何度も反射を繰り返しながら他方の端に出力
される。何度も反射を繰り返す間にレーザ光が重ね合わ
されて、出射口ではビームが均一化されるという原理で
ある。

【０００３】通常使用されるレーザの波長に合わせて反
射率の高い誘電体多層膜をコーティングした光学ガラス
製のミラーか、金ミッキされた金属製ミラー等が用いら
れる。いわゆる万華鏡のような光学系である。図６は、
簡単な構造のカライドスコープを示したものであり、反
射面１０ａで囲まれた導光路１０の断面形状は、正方形
または矩形であるが、この導光路１０の断面積は余り大
きくできない。なぜならば、大きくすればするほど、導
光路を長くしないと均一さが低下するからであり、通常
は、最大５ｍｍ角（２５ｍｍ²）程度である。

【０００４】図７は従来の第２の例を示すもので、多数
の小さなセグメントミラー群１２がある焦点に集光する
ように配置されている。このセグメントミラー群１２に
より、異なるパワー密度を有する入射レーザ光Ａが各々
重ね合わされ、均一化した出射レーザ光Ｂのパワー分布
が得られる。焦点面Ｃの大きさは、ほぼ各セグメントの
大きさよりもやや大きく形成される程度である。

【０００５】図８は従来の第３の例を示すもので、フラ
イアイレンズを用いた透過型のビーム均一化光学系であ
る。このフライアイレンズは、小さな凸レンズ１４が複
数個密に結合されており、各々のビームが重なり合うこ
とで入射レーザビームＡが均一化される。したがって、
この光学系にも焦点は存在する。複数の小さい凸レンズ
１４を組み合わせるので、製作が難しく精度が出しにく
く、結果的に体変更かな光学系になるという点で、ステ
ッパー等の特殊な光学系でのみしか用いられていない。

【０００６】図９は従来の第４の例を示すもので、ガウ
シアンフロファイルを有するレーザビームを４面プリズ
ム（５面体）を透過させて均一化させる光学系である。
比較的簡単な光学系で、理論的に３％の不均一性に抑え
られるので近年よく採用される。(Y.Kawamura et.al,Op
t.Commun．48(1983)44.)プリズムを使って分割したレー
ザ光を重ね合わせることによって平均化する透過型の光
学系のため、やはり焦点距離が存在する。

【０００７】上述したレーザビーム均一照射系は、どの
方式も欠点があり、現在ではそれほど普及していない。
原則的に、上述した第３および第４の透過型のものは高
出力のレーザ（＞５００Ｗ）にはあまり使用されない。
これは透過型の場合、光学材料のレーザ光に対する吸収
による熱発生とこれの冷却効率によって定まる限界で制
限されることになり、大きな入力をすることが困難であ
るからである。これに対して、第１および第２の例は、
反射型の光学系であるから、比較的ハイパワーまで対応
が可能である。

【０００８】しかしながら、第２の例の場合には、各セ
グメントの境界で発生する損失や回析損失が多いため、
全体のロスは比較的多い。第２、第３および第４の例の
共通の欠点としては、均一面を作るポイント（焦点面）
は一つであり、この面から外れると均一度が悪くなると
いう致命的な欠点があることである。このため、これら
の光学系は実際に使用するとき大変使いずらい。これに
対して、第１の例は、各パイプ内面の反射面を多重反射
して均一化するため、出力端より出射されたレーザ光は
焦点をもたない。ある拡がり角で均一度は保存されたま
ま出射される。このため出射光より適当な位置に集光レ
ンズを設置することにより、任意の距離に集光すること
ができる。実際の加工では、材料に照射した際に発生す
るスパッタから光学系を保護するために十分な距離を必
要とするが、第１の例の場合には、上述した方法によっ
て簡単に対応できる特徴がある。

【０００９】第２の例においても、各セグメントの曲率
を大きくしてミラーから離れた位置に置けるが、この焦
点の位置は変えられないこと、焦点を長くするほど回析
損失が大きくなり、焦点面でのエッジのだれが（境界部
での立上りが）悪く、加工で問題となることが多い。第
４の例に関しては、入射ビームのプロファイルがガウシ
アンビームからはずれると均一度が極端に悪くなるとい
う欠点がある。このように、これら４例のうち、第１の
方法が最も実用上使いやすく、現在ＣＯ₂ ＹＡＧレーザ
用のカライドスコープが開発され、一部使用されてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このようにたのビーム
均一化光学系と比較すると原理的に優れたカライドスコ
ープも、他の光学系と同様に避けることのできない問題
点がある。すなわち、干渉縞の発生である。ビームの均
一化はどこの方式もコヒーレンスのよいレーザビームを
重ね合わせているから、どうしても干渉縞ができる。カ
ライドスコープ（正方形）の場合、ｄ＝正方形のカライ
ドスコープの一辺の長さ、Ｌ＝カライドスコープの長さ
とすると、干渉縞のピッチｐは、ｐ＝λ・Ｌ／ｄで表さ
れる。例えば、ＣＯ２レーザ（λ＝１０．６μｍ）にお
いてＬ＝８０ｍｍ、ｄ＝４ｍｍのとき、ｐ＝０．２ｍｍ
となる。０．２ｍｍピッチで格子状の干渉縞ができるこ
とは、ビーム均一化光学系にとってデメリットである。
マクロ的な均一ビームでよい場合は問題ないが、この均
一ビームをミクロ的な加工に応用する場合は必ず問題に
なる。(Maruo et.al. ILTJレーサ゛加工シンホ゜シ゛ウム,Feb.1990)

【００１１】また、カライドスコープで円形の均一ビー
ムを得ようとする場合、内面を反射鏡とする円管の導光
路を用いればよいように思われるが、実際にはこれでは
均一ビームは得られないことがわかっている。(Kisimot
o et.al. JSPE-56-03,’90-03-575)このため、円形の均
一ビームを正方形の導光路を有するカライドスコープか
ら得ようとするとき、出射光から取出されたビームをマ
スキングせねばならない。光出力レーザの場合、マスキ
ングしたレーザ光の処理が大変であるばかりでなく、エ
ネルギーロス（約２２％）も無視できない。

【００１２】さらに、これまでのカライドスコープは反
射鏡の断面がせいぜい５ｍｍｘ５ｍｍ程度のものしか製
作されていなかった。これは、均一なビームを作るため
にはどうしても反射鏡の断面の長辺に対して２０倍以上
のスコープ長が必要とされるが、もし１０ｍｍｘ１０ｍ
ｍの大きな断面のカライドスコープを製作しようとする
と２００ｍｍ以上の長さが必要となり、製作が困難にな
ってくるという欠点があった。したがって、本発明は上
述したような従来の欠点に鑑みてなされたものであり、
その目的とするところは、簡単な構成でかつ製作し易い
小型で高効率の変換効率を有し、可視光から近赤外光の
マルチ・シングルモードのレーザ光を均一度のよいビー
ムプロファイルに変換するレーザビーム均一照射光学系
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明に係るレーザビーム均一照射光学系は、レー
ザ入射口部とレーザ出射口部とを有するレーザビーム反
射鏡筒と、このレーザビーム反射鏡筒の入射口部にレー
ザビームを入射させるための集光レンズと、この集光レ
ンズと前記反射鏡筒とを同時に保持冷却するための金属
製ブロックとから構成され、前記レーザビーム反射鏡筒
をセラミックス系の材料で形成したものである。また、
本発明に係るレーザビーム均一照射光学系は、前記レー
ザ入射口部の面積がレーザ出射口部の面積よりも小さい
小口径かあるいは小口角に形成されると共に、前記集光
レンズの焦点位置に前記入射口部が位置しているもので
ある。

【００１４】

【作用】本発明によれば、レーザビーム反射鏡筒に粒子
系が数μｍから数１０μｍと粗いセラミックス系の材料
を採用しているので、レーザ入射口部に入射されたレー
ザは拡散が大きい。また、本発明によれば、レーザ入射
後部の面積をレーザ出射後部の面積よりも小さい小口径
かあるいは小口角に形成されているので、反射鏡筒で反
射（拡散・散乱）されたレーザ光のうち上方に向かう光
が逃げずに封じ込められる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図に基づいて説明
する。図１は本発明に係る拡散反射方式のカライドスコ
ープを用いたレーザビーム均一照射光学系を示したもの
で、（ａ）は側断面図、（ｂ）は左側面図、図２は同じ
く要部を示したもので（ａ）は側断面図、（ｂ）は右側
面図、（ｃ）は左側面図である。これらの図において、
符号１で示したものは、均一照射系本体部、２は反射鏡
筒、３は集光レンズ、４はレーザ光、５は冷却水路であ
る。本発明の特徴とするところは、反射鏡筒２をセラミ
ックスで形成した点と、レーザビーム入射口２ａをレー
ザビーム反射鏡２ｂと比較してできるだけ小さく形成し
た点および入射口２ａを集光レンズ３の焦点位置に設置
している点にある。

【００１６】入射口２ａの径ｄ₁ は集光レンズ３の焦点
におけるビームスポット径（ビームウエスト）より約２
倍以上の大きさで、かつ製作可能であるできるだけ最少
の大きさに形成されている。入射口２ａを集光レンズ３
の焦点位置に設置しているので、換言すれば、集光レン
ズ３は反射鏡筒２の入射口２ａから集光レンズ３の焦点
距離ｆだけ離れた位置にマウントされている。

【００１７】図３は、本発明の第２の実施例を示したも
ので、レーザビーム入射口の断面形状は円形であるもの
の、レーザビーム出射口の断面形状は、正方形あるいは
長方形である必要はなく、すなわち、この第２の実施例
では、反射鏡筒２の反射面の断面形状を円形としてい
る。

【００１８】図４は、本発明の第３の実施例を示したも
ので、本発明のセラミックス製の反射鏡筒２では、入射
光Ａに対して出射光Ｂは拡散されながら出射口２ｂに導
かれるので、反射鏡筒２の形状には有通性があり、反射
鏡面は、この第３の実施例のように、入射口２ａから出
射口２ｂに向かって広げることができる。

【００１９】反射鏡筒２を形成するセラミックスの材質
としては、マグネシア（ＭｇＯ）、マイカ系、ムライト
（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、ステアライト（ＭｇＯ・
ＳｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコン（ＺｒＯ₂
・ＳｉＯ₂）、コージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・
５ＳｉＯ₂）、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ
₂）が挙げられる。これらのほとんどは、可視光から近
赤外光にかけてよい反射特性を有する。上述したセラミ
ックスの中でも、アルミナ、マグネシア、スピネルは熱
伝導率も比較的高く、反射面で発生した熱をまわりにあ
るヒートシンクに効率よく伝える。本発明では、金属製
（ステンレスあるいは銅・アルミ・真ちゅう等）のヒー
トシンクでセラミックスを冷却するだけでなく、集光レ
ンズ３も冷却することにより、光出力レーザ（１ＫＷク
ラス）の本光学系への入力と均一ビーム化を同時に可能
としている。

【００２０】次に、本発明の具体的な設計例として、集
光レンズの焦点距離ｆ＝５０．８ｍｍ、入射レーザビー
ム径Ｄ＝８ｍｍとした場合、ビームウエストＺ_W＝１．
２７λｆ／Ｄ＝８．５μｍとなる。（ただし、ＹＡＧレ
ーザ波長；λ＝１．０６μｍ、ビームモードＴＥＭ₀₀の
ときの回析限界を計算した。）セラミックスの材質とし
ては、マグネシア（ＭｇＯ）を用いる。反射鏡筒２の一
辺を５ｍｍとすれば、集光されたレーザ光が前記レーザ
ビーム入射光からセラミック反射鏡筒２内に入って最初
に衝突する位置は、入射口から約３１．８ｍｍのところ
である。したがって、反射鏡筒２の長さは最低でも３２
ｍｍ以上必要となる。

【００２１】セラミックスが拡散性がよくても、一度の
反射で出射されるのではよい均一性は期待できない。通
常の反射鏡をカライドスコープに用いている場合、均一
なビームを得るには、方形のカライドスコープの長辺の
約２０倍以上のスコープ長（Ｌ）が必要になることがわ
かている(Kisimoto et.al.JSPE-55-12,'89-12-2235)の
で、Ｌ＝１００ｍｍが必要とされる。これに対して、本
発明に係るセラミックス製反射鏡筒２を用いれば、上述
したように、この半分程度のスコープ長で同程度の均一
度が得られる。具体的に最低どれだけの長さが必要であ
るかは、各セラミックスの粒子径（通常数１０μｍから
数１００μｍ程度）の大きさによる拡散の程度によって
決定される。

【００２２】図５は、本発明のレーザビーム均一照射光
学系の応用例である第４の実施例を示すものであり、Ｙ
ＡＧレーザ光を用いた溶接加工・表面処理加工（アニー
リング・クラッディング等）や、アルゴンレーザ光を用
いたＳｉウェハー表面へのアニーリング等で必要なビー
ム均一化光学系として用いるのに最適な例を示したもの
であり、同図において、６はビーム均一照射光学系本体
部（円型反射鏡筒）、７はコリメーションレンズ、８は
集光レンズ、９はワークである。集光レンズ８をＺ軸方
向に移動させるかあるいはワーク９を直接移動させるか
によって、均一度を保存したままビーム系を可変するこ
とができる。

【００２３】このように、本発明のレーザビーム均一照
射光学系では、従来のカライドスコープの反射鏡にセラ
ミックス製の導光路を使用している。白色系のセラミッ
クスは、可視光から近赤外光の波長領域に亘って反射率
が高く（９０〜９５％）、さらにセラミックスの場合、
粒子系が数μｍから数１０μｍと粗いため、光が入射さ
れた場合の拡散が大変大きく、従来と比較して短い長さ
のスコープ中において均一なビームプロファイルを有す
るビーム変換が可能になった。

【００２４】また、本発明のレーザビーム均一照射光学
系では、入射光の面積をできるだけ小さくすることによ
り、セラミックス反射筒で反射（拡散・散乱）されたレ
ーザ光のうち上方に向かう光を逃さず封じ込める効果が
あるため、均一ビーム変換効率が大変よくなる特徴があ
る。本発明のビーム均一光学系の変換効率 η＝Ｐ_o／Ｐ
_i＝Ｒ_tot・Ｓ_i／Ｓ_o で表される。ただし、Ｒ_totはセラ
ミックス反射鏡筒２の総合反射効率、Ｓ_iはセラミック
ス製反射鏡筒２の入射口部２ａの面積、Ｓ_oは出射口部
２ｂの面積である。前述した第１の実施例の場合には、
η＝Ｒ_tot［１−π（ｄ₁／２）²・ｄ₂ ²］と書き直せ、
例えば、ｄ₁＝φ１ｍｍ、ｄ₂＝５ｘ５ｍｍと設計した場
合を計算してみる。ここでセラミックス製反射鏡筒の総
合反射効率Ｒ_totは、ＭｇＯ（マグネシア）を使用した
場合約９５％である。これらを代入すれば、η＝９２．
０％という高い効率が得られる。

【００２５】本発明のレーザビーム均一照射光学系は、
従来のカライドスコープの特徴である入射ビームのプロ
ファイルによらないため、マルチモード、シングルモー
ドの区別なくビームの均一化ができる。しかも従来のカ
ライドスコープよりスコープ長を短くできるという利点
もある。さらに、従来のカライドスコープでは不可能だ
った円形の均一ビームも作ることが可能である。均一ビ
ーム作成後のビーム整形（拡大・縮小）が通常のレンズ
（シリンドカルレンズでないスフェリカルレンズ）を用
いることができるため、全体の光学系の設計が簡単で安
価に製作できるという利点もある。

【００２６】製作の難易度に関しても、従来のカライド
スコープのように反射鏡筒の内面の鏡を光学研磨し、誘
電対のミラーあるいは金メッキのミラーをコーティング
し、さらに各ミラー（計４枚）を高い機械的精度で製作
し、これらを組立てなければならない。もし各接合面が
少しでも離れれば、これがすぐに損失となって現れるか
らである。このように従来のカライドスコープは製作精
度にも大変な困難さが伴うことが多かった。これに対し
て本発明のレーザビーム均一照射光学系は、反射鏡の面
精度は関係なく、通常のセラミックスの切削加工の後、
特に後処理をする必要もない。セラミックスのブロック
（バルク）を機械加工するだけであるので大変簡便に製
作でき、製作の再現性も大変よく大量生産に向いている
利点がある。セラミックスの場合、型での製作も可能の
ため、加工費、コーティング費が不要で製作費も従来の
カライドスコープと比べて大変安価となる利点もある。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
ーザ入射口部とレーザ出射口部とを有するレーザビーム
反射鏡筒を粒子系が粗いセラミックス系の材料で形成す
ることにより、光が入射された場合の拡散が大きく、こ
のため短いスコープ長で非常に均一なビームファイルを
有するビーム変換が可能となる。また、入射口部の面積
を出射口部の面積よりも小さい小口径かあるいは小口角
に形成されているので、反射筒内で反射されたレーザ光
のうち上方に向かう光を逃さず封じ込める効果があるた
め、均一ビーム変換効率がきわめて良好となる。また、
本発明によれば、反射鏡の面精度に関係なく、通常のセ
ラミックスの切削加工の後、特に後処理をする必要がな
く、再現性にも優れているため、製作が容易で大量生産
に向いているので、コストを安価とすることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザビーム均一照射光学系の第
１の実施例を示し、（ａ）は側断面図、（ｂ）は左側面
図である。

【図２】本発明に係るレーザビーム均一照射光学系の第
１の実施例の要部を示し、（ａ）は側断面図、（ｂ）は
右側面図、（ｃ）は左側面図である。

【図３】本発明に係るレーザビーム均一照射光学系の第
２の実施例の要部を示し、（ａ）は側断面図、（ｂ）は
左側面図である。

【図４】本発明に係るレーザビーム均一照射光学系の第
３の実施例の要部の側断面図である。

【図５】本発明に係るレーザビーム均一照射光学系の第
４の実施例の側面図である。

【図６】従来のレーザビーム均一照射光学系の第１の例
の要部を示し、（ａ）は側断面図、（ｂ）は右側面図で
ある。

【図７】従来のレーザビーム均一照射光学系の第２の例
を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は右側面図である。

【図８】従来のレーザビーム均一照射光学系の第３の例
を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。

【図９】従来のレーザビーム均一照射光学系の第４の例
を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。

【符号の説明】

１均一照射系本体部２反射鏡筒２ａ入射口部２ｂ出射口部３集光レンズ５冷却水路６均一照射系本体部７コリメーションレンズ８集光レンズ９ワーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/09 H01S 3/04 H01S 3/08 H01S 3/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ入射口部とレーザ出射口部とを有
するレーザビーム反射鏡筒と、このレーザビーム反射鏡
筒の入射口部にレーザビームを入射させるための集光レ
ンズと、この集光レンズと前記反射鏡筒とを同時に保持
冷却するための金属製ブロックとから構成され、前記レ
ーザビーム反射鏡筒をセラミックス系の材料で形成した
ことを特徴とするレーザビーム均一照射光学系。
【請求項２】請求項１記載のレーザビーム均一照射光
学系において、前記レーザ入射口部の面積がレーザ出射
口部の面積よりも小さい小口径かあるいは小口角に形成
されると共に、前記集光レンズの焦点位置に前記入射口
部が位置していることを特徴とするレーザビーム均一照
射光学系。