JP3076836B2 - Laser beam focusing and irradiation equipment - Google Patents
Laser beam focusing and irradiation equipmentInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明はレーザー光を空間
的に滑らかに集光照射するレーザー光集光照射装置に関
するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser beam condensing / irradiating apparatus for converging and irradiating a laser beam spatially smoothly.
【0002】[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
置においては殆どの場合、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。2. Description of the Related Art In a high-power laser device, it is not only difficult to obtain a complete Gaussian beam output due to the influence of the nonlinear refractive index and the like, but also a Gaussian beam has a low energy extraction efficiency in the laser device and is practical. is not. For this reason, in most current high power laser devices, a rectangular beam output is extracted in most cases, and the output wavefront is considerably distorted due to the influence of the nonlinear refractive index and the like. When this is condensed on an object by a lens or the like, an extremely non-uniform intensity distribution corresponding to the Fourier transform of the spatial frequency is obtained on the condensing surface,
Furthermore, a place called a hot spot where energy is concentrated occurs due to the distortion of the wavefront, which has been an obstacle in use.
【0003】この問題を解決するためにはランダム位相
板や複合フレネルゾーンプレート等の位相板を集光レン
ズあるいは集光鏡の前又は後ろの光軸上に挿入して位相
を制御することにより集光後のレーザー光の空間強度分
布を制御する方法が考えられる。To solve this problem, a phase plate such as a random phase plate or a composite Fresnel zone plate is inserted on the optical axis before or after the condenser lens or the condenser mirror to control the phase. A method of controlling the spatial intensity distribution of the laser light after the light is considered.
【0004】しかしながら可干渉性の高いレーザー光を
このような位相板により微小ビームに分割して集光照射
する手法においては、対象物上においてレーザー光の空
間強度分布はスペックルパターンと呼ばれる微少なスポ
ットの集合体となり、微視的に見ると激しいスパイク状
の不均一を有することとなる。[0004] However, in the technique of splitting a laser beam having high coherence into a minute beam by such a phase plate and condensing and irradiating the beam, the spatial intensity distribution of the laser beam on an object is a very small one called a speckle pattern. It becomes an aggregate of spots and has a severe spike-like unevenness when viewed microscopically.
【0005】本発明者はこのスペックルパターンによる
不均一を除去する目的で過去において、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せたも
の(特許第2611169号)、および多重反射鏡を組み合わせ
たもの(特許第2580540号)を発明している。In the past, the inventor of the present invention used a combination of a broadband laser device and a wavelength-dispersive medium on a random phase plate (Japanese Patent No. 2611169) and a multiple reflecting mirror for the purpose of removing the non-uniformity due to the speckle pattern. A combination (Patent No. 2580540) has been invented.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の発明のうち前者(特許第2611169号)においては均一化
の方向が一次元のみであり、それと直角の方向にはなお
不均一が残るという問題点があり、後者(特許第2580540
号)においては二次元の平滑化効果を可能にしているが
多重反射鏡を光軸上に挿入するためにエネルギー損失が
発生するという問題点があった。However, in the former invention (Japanese Patent No. 2611169), the direction of uniformization is only one-dimensional, and non-uniformity remains in a direction perpendicular to the direction. There is the latter (Patent No. 2580540
No. 2) enables a two-dimensional smoothing effect, but there is a problem in that energy loss occurs because the multiple reflecting mirror is inserted on the optical axis.
【0007】本発明は、波長分散性媒質や多重反射鏡を
使用することなく、スペックルパターンによる不均一を
除去し、対象物上において位相板によって制御されたレ
ーザー光の滑らかな空間強度分布を実現することを目的
とする。The present invention eliminates non-uniformity due to speckle patterns without using a wavelength dispersive medium or multiple reflecting mirrors, and provides a smooth spatial intensity distribution of laser light controlled by a phase plate on an object. It is intended to be realized.
【0008】本発明は、上記課題を解決するために、レ
ーザー光を発生させるレーザー装置と、該発生したレー
ザー光を対象物に集光照射するための集光レンズ又は集
光鏡からなるレーザー光集光照射装置において、上記レ
ーザー装置として、波長幅が広い広帯域レーザ光であっ
て、かつ、レーザ媒質をその直径を太くとった上で共振
器長の短い平面共振器中に挿入して発振させることによ
りビーム発散角の広い広発散角レーザー光を発生する広
帯域広発散角レーザー装置を使用し、集光特性を制御す
る位相板を、上記レーザー装置と上記集光レンズもしく
は上記集光鏡の間、又は上記集光レンズもしくは上記集
光鏡と上記対象物の間の光軸上に配置したことを特徴と
するレーザー光集光照射装置を提供する。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a laser device for generating a laser beam, and a laser beam comprising a condenser lens or a condenser mirror for condensing and irradiating the generated laser beam to an object. In the condensing irradiation device, the laser device is a broadband laser beam having a wide wavelength width.
And resonate after increasing the diameter of the laser medium
Oscillation by inserting it into a plane resonator with a short length
Using a wide-band wide-divergence laser device that generates a wide-divergence laser beam with a wide beam divergence angle, the phase plate for controlling the light-collecting characteristics is combined with the laser device and the condensing lens or the condensing lens A laser beam condensing / irradiating device is provided between the optical mirrors or on the optical axis between the condenser lens or the condenser mirror and the object.
【0009】上記位相板は、ランダム位相板である。The phase plate is a random phase plate.
【0010】そして、上記位相板は、互いに相補的な位
相関係にある小形のフレネルゾーンプレートの組みを同
一平面上に複数個ランダムに配置して成る複合フレネル
ゾーンプレートとしてもよい。[0010] The phase plate may be a composite Fresnel zone plate formed by randomly arranging a plurality of small Fresnel zone plate sets having a complementary phase relationship on the same plane.
【0011】[0011]
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例に基
づいて図面を参照にして説明する。図1はこの発明の実
施例である。レーザー光を発生するレーザー発振器1、
リレー光学系2、ランダム位相板3、集光レンズ4が同
一光軸上に配列され、対象物5にレーザー光が集光さ
れ、所要の加工が行われる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. Laser oscillator 1 for generating laser light,
The relay optical system 2, the random phase plate 3, and the condenser lens 4 are arranged on the same optical axis, a laser beam is focused on the object 5, and required processing is performed.
【0012】レーザ発振器1は、レーザー媒質Aと平面
鏡Bから構成され、波長幅が広く、かつビーム発散角の
広いレーザーを発生する、即ち広帯域広発散角レーザー
を発生する。The laser oscillator 1 is composed of a laser medium A and a plane mirror B, and generates a laser having a wide wavelength width and a wide beam divergence angle, that is, a wide band wide divergence angle laser.
【0013】レーザー発振器1では、クリプトン・フッ
素ガスをレーザー媒質としたエキシマレーザーや色素レ
ーザー、チタンサファイアレーザー等を使用し、これら
のレーザー媒質を、波長選択素子やモードロック装置な
どの狭帯域化の特別な手段を講じることなく、発振させ
ることによりレーザー光波長幅が広い広帯域レーザー光
を得ることができる。The laser oscillator 1 uses an excimer laser, a dye laser, a titanium sapphire laser or the like using krypton / fluorine gas as a laser medium. By oscillating without taking special measures, a broadband laser beam having a wide laser beam wavelength width can be obtained.
【0014】一方、レーザー発振器1において、レーザ
媒質をその直径を太くとった上で共振器長の短い平面共
振器中に挿入して発振させることにより、ビーム発散角
の広い広発散角レーザー光が得られる。そして、共振器
を有さない自然放出光(ASE)発振器や、レーザー光を一
旦拡散板に照射しそこからの散乱光を増幅するという手
段を用いればさらに大きな発散角を得ることができる。On the other hand, in the laser oscillator 1, a laser medium having a large diameter is inserted into a plane resonator having a short resonator length, and the laser medium is oscillated. can get. A larger divergence angle can be obtained by using a spontaneous emission light (ASE) oscillator having no resonator or a means of once irradiating a diffuser with laser light and amplifying scattered light therefrom.
【0015】本実施例では、レーザー発振器1には有効
部分の太さが2mmのクリプトン・フッ素ガスレーザー媒
質Aを使用し、平面鏡Bで構成される共振器長は30cmとす
る。In this embodiment, a krypton / fluorine gas laser medium A having an effective portion having a thickness of 2 mm is used for the laser oscillator 1, and the length of the resonator constituted by the plane mirror B is 30 cm.
【0016】このレーザー発振器を動作させてビーム発
散角を測定したところ、その値は2mradであり、回折限
界の20倍という広発散角ビームの発生が確認された。
また共振器内には波長選択素子を設置していないため
に、クリプトン・フッ素ガスレーザーは0.3nmというレ
ーザー光波長幅の広帯域レーザー光を発生する。When the beam divergence angle was measured by operating this laser oscillator, the value was 2 mrad, and it was confirmed that a beam having a wide divergence angle of 20 times the diffraction limit was generated.
In addition, since no wavelength selection element is provided in the resonator, the krypton / fluorine gas laser generates a broadband laser beam having a laser beam wavelength width of 0.3 nm.
【0017】リレー光学系2は、レーザー光を広げるも
ので、本実施例では、17cmの太さに広げる。レーザー
加工などの産業用に応用する場合で大きなエネルギーを
必要とする場合にはリレー光学系によりビーム系を拡大
するだけではなく、ここに一台或いは多段の増幅器列を
設置し、所要のエネルギーにまで増幅を行なう。The relay optical system 2 spreads the laser light, and in this embodiment, spreads the laser light to a thickness of 17 cm. If a large amount of energy is required for industrial applications such as laser processing, not only expand the beam system with a relay optical system, but also install one or multiple stages of amplifiers here to achieve the required energy. Perform amplification up to.
【0018】ランダム位相板3は、集光特性を制御する
ものであり、レーザー発振器1と集光レンズ4あるいは
集光鏡の間に配置する。又、ランダム位相板3は、集光
レンズあるいは集光鏡と対象物の間の光軸上に配置して
もよい。The random phase plate 3 controls the light collecting characteristics, and is arranged between the laser oscillator 1 and the light collecting lens 4 or the light collecting mirror. Further, the random phase plate 3 may be arranged on the optical axis between the condenser lens or the condenser mirror and the object.
【0019】ランダム位相板3としては、本発明者の発
明に係る特許第2611169号、特許第2580540号において使
用したランダム位相板や、本発明者の発明に係る特願平
9-65973号に記載したところ複合フレネルゾーンプレー
ト(相補的な位相関係にある小形のフレネルゾーンプレ
ートの組みを同一平面上に複数個ランダムに配置して成
る。)等を使用することが可能である。Examples of the random phase plate 3 include a random phase plate used in Japanese Patent No. 2611169 and Japanese Patent No. 2580540 according to the invention of the present inventor, and a random phase plate disclosed in Japanese Patent Application No.
As described in 9-65973, it is possible to use a composite Fresnel zone plate (a plurality of small Fresnel zone plate pairs having complementary topological relationships are randomly arranged on the same plane) and the like. is there.
【0020】このランダム位相板3により微小ビームに
分割しかつランダムに0又はπの位相差を与える。この
実施例で使用した位相板は、セルサイズ2mm角の0とπ
の2値タイプのものであるが、複合フレネルゾーンプレ
ートなど照射目的に対応した様々なタイプの位相板が使
用可能である。このレーザー光を焦点距離1.2mのレンズ
4で対象物5上に集光照射する。The random phase plate 3 divides the beam into minute beams and randomly gives a phase difference of 0 or π. The phase plate used in this example has 0 and π of a cell size of 2 mm square.
However, various types of phase plates corresponding to the irradiation purpose such as a composite Fresnel zone plate can be used. This laser beam has a focal length of 1.2m
In 4, the light is focused and irradiated on the object 5.
【0021】以上のような構成による作用について説明
する。広発散角レーザー装置から発生するビーム発散角
の広い広発散角レーザー光は空間的に微小に角度の異な
る多数のレーザービームが連続的に集積したものと等価
であると考えることができる。The operation of the above configuration will be described. A wide divergence laser beam with a wide beam divergence angle generated by a wide divergence laser device can be considered to be equivalent to a continuous accumulation of a large number of laser beams having slightly different angles in space.
【0022】ところで、本発明者の発明に係る特許第26
11169号においては、プリズム或いは回折格子といった
波長分散性媒質によってレーザー光の発散角を広げ、又
本発明者の発明に係る特許第2580540号においては、多
重反射鏡によって微小に角度の異なる多数のレーザー光
からなるビーム束を得ていた。By the way, Patent No. 26 of the present inventor's invention is disclosed.
In Japanese Patent No. 11169, the divergence angle of a laser beam is widened by a wavelength dispersive medium such as a prism or a diffraction grating, and in Japanese Patent No. 2580540 according to the inventor's invention, a large number of lasers having slightly different angles are multiply reflected by a mirror. A beam bundle of light was obtained.
【0023】本発明においては、上記のような広発散角
レーザー装置を使用することにより、これらと同等のレ
ーザービームを得、これを位相板と集光レンズによって
対象物に集光照射することによって、位相板と集光レン
ズによって形成される多数の微小なスポットの集合体と
なる集光パターンが微小な位置のずれをもって多数重な
りあうようにし、これによって平滑化された集光パター
ンを達成するものである。In the present invention, by using the above-mentioned wide divergence laser device, a laser beam equivalent to these is obtained, and the laser beam is condensed and irradiated on the object by a phase plate and a condensing lens. , In which a large number of minute light spots formed by a phase plate and a light collecting lens are overlapped with a slight positional shift, thereby achieving a smooth light collecting pattern. It is.
【0024】さらにレーザー装置が発生するレーザー光
波長幅が広い広帯域レーザー装置であることにより、重
なりあう際に相互に干渉作用を生ずることなく、ごく短
時間のうちに平滑化が達成される。Further, since the laser device generates a broadband laser device having a wide laser light wavelength width, smoothing can be achieved in a very short time without causing mutual interference when overlapping.
【0025】即ち、この実施例の位相板の配置につい
て、もし従来の可干渉性の高いレーザー装置との組み合
わせであるならば計算上は対象物上にピッチが1.8μmの
激しいスパイク状のスペックルパターンと呼ばれる不均
一が発生することになる。That is, regarding the arrangement of the phase plate of this embodiment, if it is a combination with a conventional laser device having a high coherence, it is calculated from the calculation that an intense spike-like speckle having a pitch of 1.8 μm is formed on the object. Non-uniformity called a pattern will occur.
【0026】然るに本発明の特徴である広帯域広発散角
レーザー装置上記位相板とを組み合わせることにより、
レーザー装置においては発散角が2mradあり、対象物上
ではピッチ1.8μmの20倍の広さにわたって少しずつずれ
たビームが連続的に重なりあうことになる。However, by combining the above-mentioned phase plate with a wide band wide divergence laser device which is a feature of the present invention,
In a laser device, the divergence angle is 2 mrad, and beams slightly displaced over an area 20 times the pitch of 1.8 μm continuously overlap on the object.
【0027】この結果、激しいスパイク状のスペックル
パターンは平均化され、レーザー光の滑らかな空間強度
分布が実現される。またレーザー光波長幅が0.3nmであ
ることから平滑化に必要な所要時間は1psであり、ごく
短時間のうちに平滑化が達成される。As a result, intense spike-like speckle patterns are averaged, and a smooth spatial intensity distribution of laser light is realized. In addition, since the laser light wavelength width is 0.3 nm, the time required for smoothing is 1 ps, and the smoothing can be achieved in a very short time.
【0028】図2は、図1の実施例について実際に対象
物上でのレーザー光の集光強度分布を測定した結果を示
すものであり、この結果により、本発明は、レーザー光
の集光強度分布は滑らかに均一化され、実際に効果を上
げていることが証明される。FIG. 2 shows the result of actually measuring the condensed light intensity distribution of the laser light on the object with respect to the embodiment shown in FIG. The intensity distribution is smoothed and uniformized, proving that the effect is actually increasing.
【0029】[0029]
【発明の効果】以上説明した構成の本発明によれば、広
帯域広発散角レーザー装置と位相板を用いることによ
り、集光レンズにより対象物上に集光照射されるレーザ
ー光の空間強度分布を制御し、かつ滑らかにして、従来
の発明で問題であった多重反射鏡による損失や平滑化の
方向が一次元である等の欠点を解決することができる。According to the present invention having the above-described structure, the spatial intensity distribution of the laser beam focused and irradiated on the object by the focusing lens can be obtained by using the wide-band wide-divergence laser device and the phase plate. By controlling and smoothing, it is possible to solve the disadvantages of the conventional invention, such as the loss due to the multiple reflecting mirror and the one-dimensional smoothing direction.
【0030】したがって、この発明はレーザー加工やレ
ーザープロセッシング等の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。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高効率で滑らかな照
射形状を得ることは必要不可欠な技術であるが、この発
明はその開発を推進する上にも役立つ。Accordingly, the present invention can be used to improve the quality and efficiency of industrially important laser application apparatuses such as laser processing and laser processing. Also, in the case of future energy development such as laser fusion, obtaining a high-efficiency and smooth irradiation shape is indispensable technology, but the present invention is also useful in promoting the development.
【図1】本発明の実施例の光学配置を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an optical arrangement according to an embodiment of the present invention.
【図2】図1の本発明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測定値を等高線
表示した図である。FIG. 2 is a diagram in which the embodiment of the present invention of FIG. 1 is actually produced as a prototype, and the measured values of the spatial intensity distribution of the condensed irradiation on the target object are displayed as contour lines.
1 レーザー発振器 2 リレー光学系 3 ランダム位相板 4 集光レンズ 5 対象物(被加工物) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser oscillator 2 Relay optical system 3 Random phase plate 4 Condensing lens 5 Object (workpiece)
Claims (3)
と、該発生したレーザー光を対象物に集光照射するため
の集光レンズ又は集光鏡からなるレーザー光集光照射装
置において、 上記レーザー装置のレーザー発振器として、波長幅が広
い広帯域レーザ光であって、かつ、レーザ媒質をその直
径を太くとった上で共振器長の短い平面共振器中に挿入
して発振させることによりビーム発散角の広い広発散角
レーザー光を発生する広帯域広発散角レーザー発振器を
使用し、 集光特性を制御する位相板を、上記レーザー装置と上記
集光レンズもしくは上記集光鏡の間、又は上記集光レン
ズもしくは上記集光鏡と上記対象物の間の光軸上に配置
したことを特徴とするレーザー光集光照射装置。And 1. A laser generates a laser beam device, the laser beam convergent irradiation apparatus comprising a condenser lens or the condenser mirror for irradiating light collecting to the object a laser light the occurrence, of the laser device As a laser oscillator, it is a broadband laser beam with a wide wavelength width, and the laser medium is widened by inserting a laser medium into a plane resonator with a short resonator length after oscillating by widening its diameter. Using a wide-band wide-divergence laser oscillator that generates a wide-divergence laser light, a phase plate for controlling the light-gathering characteristics is provided between the laser device and the light-collecting lens or the light-collecting mirror, or the light-collecting lens or A laser beam condensing / irradiating device, which is arranged on an optical axis between the converging mirror and the object.
とを特徴とする請求項1記載のレーザー光集光照射装
置。2. The laser beam condensing / irradiating apparatus according to claim 1, wherein said phase plate is a random phase plate.
にある小形のフレネルゾーンプレートの組みを同一平面
上に複数個ランダムに配置して成る複合フレネルゾーン
プレートであることを特徴とする請求項1記載のレーザ
ー光集光照射装置。3. The phase plate is a composite Fresnel zone plate formed by randomly arranging a plurality of small Fresnel zone plate pairs having a complementary phase relationship on the same plane. Item 4. A laser beam condensing and irradiating apparatus according to Item 1.
Priority Applications (1)
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JP10102259A JP3076836B2 (en) | 1998-04-14 | 1998-04-14 | Laser beam focusing and irradiation equipment |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP10102259A JP3076836B2 (en) | 1998-04-14 | 1998-04-14 | Laser beam focusing and irradiation equipment |
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JPH11295649A JPH11295649A (en) | 1999-10-29 |
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Family Applications (1)
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JP10102259A Expired - Lifetime JP3076836B2 (en) | 1998-04-14 | 1998-04-14 | Laser beam focusing and irradiation equipment |
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- 1998-04-14 JP JP10102259A patent/JP3076836B2/en not_active Expired - Lifetime
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