JP4800177B2 - レーザ光照射装置およびレーザ光照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光発生部から出力されたレーザ光を集光部により集光して所定位置に集光照射する装置および方法に関するものである。

レーザ光発生部から出力されたレーザ光を集光部により集光して所定位置に集光照射する技術は、該所定位置に配置された加工対象物を加工する際に用いられ、例えば、加工対象物を切削したり、或いは、高速粒子発生ターゲットから高速粒子を発生させたりすることができる。このような技術において、レーザ光の集光スポット径を小さくして当該集光スポットにおける光強度を高めるには、集光部として一般的に用いられる軸外し放物面鏡の反射面の加工精度が高いことが要求され、また、レーザ光発生部から出力されるレーザ光の波面形状が平坦であることが要求される。

しかし、実際には、軸外し放物面鏡の反射面の加工精度は必ずしも高くなく、また、レーザ光の波面形状は必ずしも平坦ではない。そこで、これらのことを考慮して、特許文献１に開示された技術は、レーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状を調整した後に、該レーザ光を集光部により集光して所定位置に集光照射するものであり、このようにすることにより、レーザ光の集光スポット径を小さくして当該集光スポットにおける光強度を高めることを意図している。
特開２００４−１９８３７３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、レーザ光照射の途中において、レーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状が変化した場合に、レーザ光の波面形状の調整量を変更することができず、それ故、レーザ光の集光スポット径が大きくなることがある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、レーザ光照射の途中でレーザ光の波面形状が変化した場合においてもレーザ光の集光スポット径を小さく維持することができるレーザ光照射装置およびレーザ光照射方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ光照射装置は、(1) レーザ光を出力するレーザ光発生部と、(2) このレーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状を調整する波面形状調整部と、(3) この波面形状調整部により波面形状が調整された後のレーザ光を２分岐して第１レーザ光および第２レーザ光として出力する分岐部と、(4) この分岐部から出力された第１レーザ光を集光して所定位置に集光照射する集光部と、(5) 光出射位置が所定位置と一致するように配置され、光出射位置から基準レーザ光を出力する点光源と、(6) 点光源から出力されて集光部を経た基準レーザ光の波面形状を取得するとともに、分岐部から出力された第２レーザ光の波面形状を取得する波面形状取得部と、(7) 波面形状取得部により取得された基準レーザ光の波面形状および第２レーザ光の波面形状に基づいて、波面形状調整部におけるレーザ光の波面形状の調整を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るレーザ光照射方法は、レーザ光発生部から出力されたレーザ光を集光部により集光して所定位置に集光照射する方法であって、(1) 点光源の光出射位置が所定位置と一致するように点光源を配置して、点光源から出力されて集光部を経た基準レーザ光の波面形状を取得する基準光波面形状取得ステップと、(2) レーザ光発生部と集光部との間の光路上に配置された分岐部により、レーザ光発生部から出力されたレーザ光を２分岐して第１レーザ光および第２レーザ光とし、第１レーザ光を分岐部から集光部へ出力するとともに、第２レーザ光の波面形状を取得するレーザ光波面形状取得ステップと、(3) レーザ光発生部と分岐部との間の光路上に配置された波面形状調整部により、基準光波面形状取得ステップで取得した基準レーザ光の波面形状、および、レーザ光波面形状取得ステップで取得した第２レーザ光の波面形状に基づいて、レーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状を調整するレーザ光波面形状調整ステップと、を備えることを特徴とする。

本発明に係るレーザ光照射装置またはレーザ光照射方法では、レーザ光発生部からのレーザ光出力に先立って、基準光波面形状取得ステップにおいて、点光源の光出射位置が所定位置と一致するように点光源が配置されて、点光源から出力されて集光部を経た基準レーザ光の波面形状が波面形状取得部により取得される。その後、レーザ光波面形状取得ステップにおいて、レーザ光発生部からレーザ光が出力され、そのレーザ光が分岐部により２分岐されて第１レーザ光および第２レーザ光とされ、そのうち、第１レーザ光は集光部により集光され、第２レーザ光の波面形状は波面形状取得部により取得される。また、レーザ光波面形状調整ステップにおいて、基準光波面形状取得ステップで取得した基準レーザ光の波面形状、および、レーザ光波面形状取得ステップで取得した第２レーザ光の波面形状に基づいて、レーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状が波面形状調整部により調整される。

レーザ光照射の途中において、レーザ光発生部からの出力直後のレーザ光の波面形状の歪みが変化した場合であっても、レーザ光波面形状取得ステップおよびレーザ光波面形状調整ステップの各処理が繰り返して行われることにより、波面形状調整部によりレーザ光に与えられる付加歪みが制御されてレーザ光の波面形状が調整される。このように調整されることで、集光部により集光される第１レーザ光は、理想に近い波面形状を有する収斂光のまま維持され、集光スポット径が小さいまま維持され得る。

本発明に係るレーザ光照射装置では、制御部は、波面形状取得部により取得された基準レーザ光の波面形状に対して、波面形状取得部により取得された第２レーザ光の波面形状が反転関係になるように、波面形状調整部におけるレーザ光の波面形状の調整を制御するのが好適である。また、本発明に係るレーザ光照射方法は、レーザ光波面形状調整ステップにおいて、基準光波面形状取得ステップで取得した基準レーザ光の波面形状に対して、レーザ光波面形状取得ステップで取得した第２レーザ光の波面形状が反転関係になるように、レーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状を波面形状調整部により調整するのが好適である。

本発明に係るレーザ光照射装置は、点光源から出力されて集光部を経た基準レーザ光の光路上に設けられた位相共役鏡を更に備え、波面形状取得部は、位相共役鏡を経た基準レーザ光の波面形状を取得し、制御部は、波面形状取得部により取得された基準レーザ光の波面形状に対して、波面形状取得部により取得された第２レーザ光の波面形状が一致するように、波面形状調整部におけるレーザ光の波面形状の調整を制御するのが好適である。また、本発明に係るレーザ光照射方法は、基準光波面形状取得ステップにおいて、点光源から出力されて集光部および位相共役鏡を経た基準レーザ光の波面形状を取得し、レーザ光波面形状調整ステップにおいて、基準光波面形状取得ステップで取得した基準レーザ光の波面形状に対して、レーザ光波面形状取得ステップで取得した第２レーザ光の波面形状が一致するように、レーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状を波面形状調整部により調整するのが好適である。

本発明に係るレーザ光照射装置では、波面形状取得部は、基準レーザ光の波面形状および第２レーザ光の波面形状の双方を取得する共通の波面センサを含むのが好適である。また、本発明に係るレーザ光照射方法は、基準光波面形状取得ステップにおいて基準レーザ光の波面形状を取得する際、および、レーザ光波面形状取得ステップにおいて第２レーザ光の波面形状を取得する際に、共通の波面センサを用いるのが好適である。

本発明に係るレーザ光照射装置では、波面形状取得部は、基準レーザ光の波面形状を取得する第１波面センサと、第２レーザ光の波面形状を取得する第２波面センサと、を含むのが好適である。また、本発明に係るレーザ光照射方法は、基準光波面形状取得ステップにおいて基準レーザ光の波面形状を取得する際に第１波面センサを用い、レーザ光波面形状取得ステップにおいて第２レーザ光の波面形状を取得する際に第２波面センサを用いるのが好適である。

本発明に係るレーザ加工方法は、上記の本発明に係るレーザ光照射方法を用い、集光部により集光されたレーザ光を加工対象物に照射して該加工対象物を加工することを特徴とする。このレーザ加工方法によれば、レーザ光照射の途中において集光スポット径が小さいまま安定して維持され得るので、加工対象物の加工が効率的に行われ得る。

本発明によれば、レーザ光照射の途中でレーザ光の波面形状が変化した場合においても、レーザ光の集光スポット径を小さく維持することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等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実施形態）

先ず、本発明に係るレーザ光照射装置およびレーザ光照射方法の第１実施形態について説明する。図１および図２は、第１実施形態に係るレーザ光照射装置１の構成図である。図１はレーザ光照射前の構成を示し、図２はレーザ光照射時の構成を示す。これらの図に示されるレーザ光照射装置１は、加工対象物９にレーザ光を集光照射して該加工対象物９を加工するものであって、レーザ光発生部１０、波面形状調整部２０、分岐部３０、集光部４０、波面形状取得部５０、制御部６１、点光源７０および反射鏡８０を備える。

レーザ光照射前（図１）には、レーザ光集光位置に加工対象物９が配置されず、これに替えて点光源７０が配置され、また、レーザ光の光路上に反射鏡８０が配置される。一方、レーザ光照射時（図２）には、レーザ光集光位置に加工対象物９が配置され、レーザ光の光路上の反射鏡８０が取り除かれる。なお、レーザ光照射前（図１）およびレーザ光照射時（図２）を通じて、レーザ光発生部１０、波面形状調整部２０、分岐部３０、集光部４０および波面形状取得部５０の間の相対的位置関係は固定されている。

レーザ光発生部１０は、加工対象物９に照射すべきレーザ光Ｌ_０を出力するものであり、好適には、Ｔｉサファイア結晶をレーザ媒質として有しピーク出力パワーがＴＷ級のパルスレーザ光を出力するものである。

波面形状調整部２０は、レーザ光発生部１０から出力されたレーザ光Ｌ_０を分岐部３０へ反射させる際に、当該反射面の形状に応じて、レーザ光Ｌ_０の波面形状を調整するものである。この波面形状調整部２０は、好適には、バイモルフ型のデフォーマブルミラーであって、薄い反射面の下部に複数のアクチュエータが２次元的に配置されていて、各アクチュエータが駆動されることで反射面の形状が変形される。例えば、アクチュエータの個数が３１個であり、アパーチャ径が５０ｍｍであり、各アクチュエータのストロークが２０μｍ（ピーク・バレイ）である。

分岐部３０は、レーザ光照射時（図２）には、波面形状調整部２０により反射されて波面形状が調整された後のレーザ光Ｌ_０を入力し、このレーザ光Ｌ_０を２分岐して第１レーザ光Ｌ_１および第２レーザ光Ｌ_２として、第１レーザ光Ｌ_１を集光部４０へ出力し、第２レーザ光Ｌ_２を波面形状取得部５０へ出力する。分岐部３０は、好適にはビームスプリッタであって、入力レーザ光Ｌ_０を高反射率（例えば９９％）で反射させたものを第１レーザ光Ｌ_１とし、入力レーザ光Ｌ_０を低透過率（例えば１％）で透過させたものを第２レーザ光Ｌ_２とする。また、集光部４０は、レーザ光照射時（図２）には、分岐部３０から出力された第１レーザ光Ｌ_１を集光して所定位置に集光照射する。この集光部４０は、好適には軸外し放物面鏡である。

点光源７０は、レーザ光照射前（図１）に用いられるものであって、光出射位置７１が所定位置（集光部４０による第１レーザ光Ｌ_１の集光位置）と一致するように配置され、光出射位置７１から基準レーザ光Ｌ_Ｓを出力する。点光源７０の光出射位置７１において光が出射される領域の面積は、集光部４０による第１レーザ光Ｌ_１の集光スポット径の目標値と同程度またはこれ以下であるのが好ましい。また、点光源７０から出力される基準レーザ光Ｌ_Ｓの波長は、レーザ光発生部１０から出力されるレーザ光Ｌ_０の波長と同程度であるのが好ましい。

点光源７０は、好適にはレーザダイオード７２および光ファイバ７３を含んで構成される。光ファイバ７３の一端は、レーザダイオード７２に光学的に接続されていて、レーザダイオード７２から出力された基準レーザ光Ｌ_Ｓを入力する。一方、光ファイバ７３の他端は、点光源７０の光出射位置７１に配置され、一端に入力され光ファイバ７３により導波されて到達した基準レーザ光Ｌ_Ｓを外部へ出力する。光ファイバ７３は、コア径が小さい単一モード光ファイバであるのが好適である。

集光部４０は、レーザ光照射前（図１）には、点光源７０の光出射位置７１から発散して出力された基準レーザ光Ｌ_Ｓを平行光として、その平行光とした基準レーザ光Ｌ_Ｓを分岐部３０へ出力する。また、分岐部３０は、レーザ光照射前（図１）には、集光部４０により平行光とされて出力された基準レーザ光Ｌ_Ｓを入力して、その基準レーザ光Ｌ_Ｓの大部分を反射鏡８０へ反射し、また、反射鏡８０から到達した基準レーザ光Ｌ_Ｓの一部を波面形状取得部５０へ透過させる。

反射鏡８０は、レーザ光照射前（図１）に用いられるものであって、波面形状調整部２０と分岐部３０との間の光路上に配置され、分岐部３０から到達した基準レーザ光Ｌ_Ｓを分岐部３０へ反射させる。この反射鏡８０における基準レーザ光Ｌ_Ｓの入射方向と反射方向とは互いに等しい。この反射鏡８０の反射面は、平面であり、高い精度の平坦度を有する。

波面形状取得部５０は、レーザ光照射前（図１）には、分岐部３０から到達した基準レーザ光Ｌ_Ｓを入力して、この入力した基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状を取得する。また、波面形状取得部５０は、レーザ光照射時（図２）には、分岐部３０から到達した第２レーザ光Ｌ_２を入力し、この第２レーザ光Ｌ_２の波面形状を取得する。この波面形状取得部５０は、基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状および第２レーザ光Ｌ_２の波面形状の双方を取得する共通の波面センサを含み、好適にはシャックハートマン型の波面センサを含む。

制御部６１は、波面形状取得部５０により取得された基準レーザ光Ｌ_Ｓおよび第２レーザ光Ｌ_２それぞれの波面形状に基づいて、波面形状調整部２０におけるレーザ光Ｌ_０の波面形状の調整を制御する。また、制御部６１は、レーザ光発生部１０からのレーザ光Ｌ_０の出力の動作を制御し、点光源７０からの基準レーザ光Ｌ_Ｓの出力の動作を制御する。

次に、第１実施形態に係るレーザ光照射装置１の動作について説明するとともに、第１実施形態に係るレーザ光照射方法について説明する。図３は、第１実施形態に係るレーザ光照射方法を説明するフローチャートである。第１実施形態に係るレーザ光照射方法は、基準光波面形状取得ステップＳ１，レーザ光波面形状取得ステップＳ２およびレーザ光波面形状調整ステップＳ３を備える。

基準光波面形状取得ステップＳ１は、レーザ光照射前（図１）に行われる処理である。また、レーザ光波面形状取得ステップＳ２およびレーザ光波面形状調整ステップＳ３は、レーザ光照射時（図２）に行われる処理であり、ステップＳ４においてレーザ光照射が終了したと判断されるまで繰返し行われる。

基準光波面形状取得ステップＳ１では、レーザ光照射前（図１）のレーザ光照射装置１の構成において、点光源７０の光出射位置７１が所定位置（集光部４０による第１レーザ光Ｌ_１の集光位置）と一致するように点光源７０が配置され、また、波面形状調整部２０と分岐部３０との間の光路上に反射鏡８０が配置される。点光源７０の光出射位置７１から発散して出力された基準レーザ光Ｌ_Ｓは、集光部４０により平行光とされた後に分岐部３０に入力される。集光部４０から分岐部３０に入力された基準レーザ光Ｌ_Ｓのうち、分岐部３０における反射，反射鏡８０における反射および分岐部３０における透過を順に経た基準レーザ光Ｌ_Ｓは、波面形状取得部５０に入力されて、この波面形状取得部５０により波面形状が取得される。この取得された基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状のデータは、制御部６１へ送られて、制御部６１において記憶される。

レーザ光波面形状取得ステップＳ２では、レーザ光照射時（図２）のレーザ光照射装置１の構成において、所定位置（集光部４０による第１レーザ光Ｌ_１の集光位置）に囲う対象物９が配置され、また、反射鏡８０が光路上から取り除かれる。レーザ光発生部１０から出力されたレーザ光Ｌ_０は、波面形状調整部２０の反射面において反射された後に分岐部３０に入力され、この分岐部３０により第１レーザ光Ｌ_１および第２レーザ光Ｌ_２とされて出力される。分岐部３０から出力された第１レーザ光Ｌ_１は、集光部４０の反射面において反射されて所定位置に集光される。この第１レーザ光Ｌ_１は、加工対象物９の加工に用いられる。一方、分岐部３０から出力された第２レーザ光Ｌ_２は、波面形状取得部５０に入力されて、その波面形状が波面形状取得部５０により取得される。この取得された第２レーザ光Ｌ_２の波面形状のデータは制御部６１へ送られる。

レーザ光波面形状調整ステップＳ３では、レーザ光照射時（図２）のレーザ光照射装置１の構成において、制御部６１による制御の下、基準光波面形状取得ステップＳ１で取得した基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状、および、レーザ光波面形状取得ステップＳ２で取得した第２レーザ光Ｌ_２の波面形状に基づいて、レーザ光発生部１０から出力されたレーザ光Ｌ_０の波面形状が波面形状調整部２０により調整される。

以下では、基準光波面形状取得ステップＳ１における基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状の取得、レーザ光波面形状取得ステップＳ２における第２レーザ光Ｌ_２の波面形状の取得、および、レーザ光波面形状調整ステップＳ３におけるレーザ光Ｌ_０の波面形状の調整について、更に詳細に説明する。

基準光波面形状取得ステップＳ１において、点光源７０の光出射位置７１が所定位置と一致するように点光源７０が配置され、また、反射鏡８０が光路上に配置されて、点光源７０の光出射位置７１から出力されて集光部４０を経た基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状が波面形状取得部５０により取得される。点光源７０の光出射位置７１から出力されて集光部４０に到達するまでの基準レーザ光Ｌ_Ｓは、理想に近い発散光であり、理想に近い球面波の波面形状を有している。そして、集光部４０の反射面が理想的な放物面であれば、集光部４０により平行光とされた基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状は平坦なものとなる。しかし、集光部４０の反射面が理想的な放物面に対して歪みを有していれば、集光部４０により平行光とされた基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状は歪みを有するものとなる。このとき、基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状の歪みは、集光部４０の反射面の歪みに応じたものである。したがって、波面形状取得部５０により取得される基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状は、集光部４０の反射面の歪みを表している。

レーザ光波面形状取得ステップＳ２において、反射鏡８０が光路上から取り除かれ、レーザ光発生部１０からレーザ光Ｌ_０が出力され、分岐部３０によりレーザ光Ｌ_０が２分岐されて出力された第２レーザ光Ｌ_２の波面形状が波面形状取得部５０により取得される。レーザ光発生部１０から出力された直後のレーザ光Ｌ_０の波面形状は歪みを有している場合がある。波面形状調整部２０の反射面において反射された後のレーザ光Ｌ_０の波面形状は、レーザ光発生部１０からの出力直後のレーザ光Ｌ_０の波面形状の歪み（以下「初期歪み」という。）と、波面形状調整部２０の反射面の形状に応じて加えられる波面形状の歪み（以下「付加歪み」という。）と、の和となる。

分岐部３０から出力される第１レーザ光Ｌ_１および第２レーザ光Ｌ_２それぞれの波形形状は、波面形状調整部２０の反射面において反射された後のレーザ光Ｌ_０の波面形状と等しい。したがって、分岐部３０から集光部４０へ伝播する間の第１レーザ光Ｌ_１の波面形状は、初期歪みと付加歪みとの和で表される歪みを有している。また、波面形状取得部５０により取得される第２レーザ光Ｌ_２の波面形状も、初期歪みと付加歪みとの和で表される歪みを有している。

ここで、分岐部３０から集光部４０へ伝播する間の第１レーザ光Ｌ_１の波面形状が、集光部４０から分岐部３０へ伝播する間の基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状と一致していれば、集光部４０の反射面において反射された後の第１レーザ光Ｌ_１は、点光源７０の光出射位置７１から出力されて集光部４０に到達するまでの基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状と等しい理想に近い波面形状を有し、理想に近い収斂光となることができる。ただし、分岐部３０と集光部４０との間において、第１レーザ光Ｌ_１の伝播方向と基準レーザ光Ｌ_Ｓの伝播方向とは互いに逆である。

以上のことから、基準光波面形状取得ステップＳ１において波面形状取得部５０により取得された基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状に対して、レーザ光波面形状取得ステップＳ２において波面形状取得部５０により取得される第２レーザ光Ｌ_２の波面形状の凹凸が反転関係になるようにすれば、分岐部３０と集光部４０との間において第１レーザ光Ｌ_１の波面形状と基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状とは互いに一致することができ、ひいては、集光部４０の反射面において反射された後の第１レーザ光Ｌ_１は、理想に近い波面形状を有する収斂光となることができる。

そこで、レーザ光波面形状調整ステップＳ３では、制御部６１による制御の下、基準光波面形状取得ステップＳ１において波面形状取得部５０により取得された基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状に対して、レーザ光波面形状取得ステップＳ２において波面形状取得部５０により取得された第２レーザ光Ｌ_２の波面形状の凹凸が反転関係になるように、波面形状調整部２０における反射の際にレーザ光Ｌ_０に与えられる付加歪みが制御されて、当該反射後のレーザ光Ｌ_０の波面形状が調整される。このように調整されることで、集光部４０の反射面において反射された後の第１レーザ光Ｌ_１は、理想に近い波面形状を有する収斂光となることができ、集光スポット径が小さいものとなることができる。

また、レーザ光照射の途中（すなわち、ステップＳ２〜Ｓ４からなるループ処理の途中）において、レーザ光発生部１０からの出力直後のレーザ光Ｌ_０の波面形状の歪み（初期歪み）が変化した場合であっても、レーザ光波面形状取得ステップＳ２およびレーザ光波面形状調整ステップＳ３の各処理が繰り返して行われることにより、波面形状調整部２０における反射の際にレーザ光Ｌ_０に与えられる付加歪みが制御されて、当該反射後のレーザ光Ｌ_０の波面形状が調整される。このように調整されることで、集光部４０の反射面において反射された後の第１レーザ光Ｌ_１は、理想に近い波面形状を有する収斂光のまま維持され、集光スポット径が小さいまま維持され得る。

（第２実施形態）

次に、本発明に係るレーザ光照射装置およびレーザ光照射方法の第２実施形態について説明する。図４および図５は、第２実施形態に係るレーザ光照射装置２の構成図である。図４はレーザ光照射前の構成を示し、図５はレーザ光照射時の構成を示す。これらの図に示されるレーザ光照射装置２は、加工対象物９にレーザ光を集光照射して該加工対象物９を加工するものであって、レーザ光発生部１０、波面形状調整部２０、分岐部３０、集光部４０、波面形状取得部５０、制御部６２、点光源７０および位相共役鏡８２を備える。

図１および図２に示された第１実施形態に係るレーザ光照射装置１の構成と比較すると、図４および図５に示される第２実施形態に係るレーザ光照射装置２は、反射鏡８０に替えて位相共役鏡８２を備える点で相違し、また、制御部６１に替えて制御部６２を備える点で相違する。また、第１実施形態に係るレーザ光照射方法と比較すると、第２実施形態に係るレーザ光照射方法は、位相共役鏡８２および制御部６２それぞれの動作の点で相違するものの、図３に示されたフローチャートに従う。

レーザ光照射前（図４）には、レーザ光集光位置に加工対象物９が配置されず、これに替えて点光源７０が配置され、また、レーザ光の光路上に位相共役鏡８２が配置される。一方、レーザ光照射時（図５）には、レーザ光集光位置に加工対象物９が配置され、レーザ光の光路上の位相共役鏡８２が取り除かれる。なお、レーザ光照射前（図４）およびレーザ光照射時（図５）を通じて、レーザ光発生部１０、波面形状調整部２０、分岐部３０、集光部４０および波面形状取得部５０の間の相対的位置関係は固定されている。

位相共役鏡８２は、レーザ光照射前（図４）に用いられるものであって、波面形状調整部２０と分岐部３０との間の光路上に配置され、分岐部３０から到達した基準レーザ光Ｌ_Ｓを分岐部３０へ反射させる。位相共役鏡８２では、入射光および反射光それぞれの主光線が互いに一致し、伝播方向について見たとき入射光および反射光それぞれの波面形状の凹凸が互いに反転関係にある。

したがって、制御部６２は、基準光波面形状取得ステップＳ１において波面形状取得部５０により取得された基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状に対して、レーザ光波面形状取得ステップＳ２において波面形状取得部５０により取得された第２レーザ光Ｌ_２の波面形状が一致するように、レーザ光波面形状調整ステップＳ３において波面形状調整部２０におけるレーザ光Ｌ_０の波面形状の調整を制御すればよい。

このように制御部６２が制御を行うことにより、集光部４０の反射面において反射された後の第１レーザ光Ｌ_１は、理想に近い波面形状を有する収斂光となることができ、集光スポット径が小さいものとなることができる。また、レーザ光照射の途中において、レーザ光発生部１０からの出力直後のレーザ光Ｌ_０の波面形状の歪み（初期歪み）が変化した場合であっても、集光部４０の反射面において反射された後の第１レーザ光Ｌ_１は、理想に近い波面形状を有する収斂光のまま維持され、集光スポット径が小さいまま維持され得る。

（第３実施形態）

次に、本発明に係るレーザ光照射装置およびレーザ光照射方法の第３実施形態について説明する。図６および図７は、第３実施形態に係るレーザ光照射装置３の構成図である。図６はレーザ光照射前の構成を示し、図７はレーザ光照射時の構成を示す。これらの図に示されるレーザ光照射装置３は、加工対象物９にレーザ光を集光照射して該加工対象物９を加工するものであって、レーザ光発生部１０、波面形状調整部２０、分岐部３０、集光部４０、波面形状取得部５１、波面形状取得部５２、制御部６３および点光源７０を備える。

図１および図２に示された第１実施形態に係るレーザ光照射装置１の構成と比較すると、図６および図７に示される第３実施形態に係るレーザ光照射装置３は、波面形状取得部５０に替えて波面形状取得部５１および波面形状取得部５２を備える点で相違し、制御部６１に替えて制御部６３を備える点で相違し、また、反射鏡８０を備えていない点で相違する。また、第１実施形態に係るレーザ光照射方法と比較すると、第３実施形態に係るレーザ光照射方法は、波面形状取得部５１、波面形状取得部５２および制御部６３それぞれの動作の点で相違するものの、図３に示されたフローチャートに従う。

レーザ光照射前（図６）には、レーザ光集光位置に加工対象物９が配置されず、これに替えて点光源７０が配置される。一方、レーザ光照射時（図７）には、レーザ光集光位置に加工対象物９が配置される。なお、レーザ光照射前（図６）およびレーザ光照射時（図７）を通じて、レーザ光発生部１０、波面形状調整部２０、分岐部３０および集光部４０の間の相対的位置関係は固定されている。

波面形状取得部５１は、レーザ光照射前（図６）に用いられるものであって、点光源７０の光出射位置７１から出力され集光部４０により平行光とされて分岐部３０を透過した基準レーザ光Ｌ_Ｓを入力して、この入力した基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状を取得する。

波面形状取得部５２は、レーザ光照射時（図７）に用いられるものであって、レーザ光発生部１０から出力され波面形状調整部２０により反射されて分岐部３０に入力されたレーザ光Ｌ_０のうち、分岐部３０を透過した第２レーザ光Ｌ_２を入力して、この入力した第２レーザ光Ｌ_２の波面形状を取得する。

なお、波面形状取得部５１および波面形状取得部５２それぞれは、好適にはシャックハートマン型の波面センサを含む。図６，図７に示すように、波面形状取得部５１が基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状を取得する第１波面センサを含み、これとは別個に、波面形状取得部５２が第２レーザ光Ｌ_２の波面形状を取得する第２波面センサを含む。また、波面形状取得部５１および波面形状取得部５２は、同時に用いられることはないので、レーザ光照射前（図６）およびレーザ光照射時（図７）が共通の波面センサを用いるようにしてもよく、この場合には、レーザ光照射前（図６）とレーザ光照射時（図７）とで１つの波面センサの配置が変更される。

制御部６３は、基準光波面形状取得ステップＳ１において波面形状取得部５１により取得された基準レーザ光Ｌ_Ｓの波面形状に対して、レーザ光波面形状取得ステップＳ２において波面形状取得部５２により取得された第２レーザ光Ｌ_２の波面形状の凹凸が反転関係になるように、レーザ光波面形状調整ステップＳ３において波面形状調整部２０におけるレーザ光Ｌ_０の波面形状の調整を制御する。

このように制御部６３が制御を行うことにより、集光部４０の反射面において反射された後の第１レーザ光Ｌ_１は、理想に近い波面形状を有する収斂光となることができ、集光スポット径が小さいものとなることができる。また、レーザ光照射の途中において、レーザ光発生部１０からの出力直後のレーザ光Ｌ_０の波面形状の歪み（初期歪み）が変化した場合であっても、集光部４０の反射面において反射された後の第１レーザ光Ｌ_１は、理想に近い波面形状を有する収斂光のまま維持され、集光スポット径が小さいまま維持され得る。

また、第１実施形態および第２実施形態の場合と比較すると、この第３実施形態では、反射鏡８０または位相共役鏡８２が用いられないので、これらを移動させる手順が不要である点で好ましい。

（変形例等）

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、レーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状を調整する波面形状調整部は、上記の各実施形態では反射時にレーザ光の波面形状を調整するものであったが、透過時にレーザ光の波面形状を調整するものであってもよく、例えば、反射型または透過型の位相変調型の空間光変調器が用いられてもよい。

基準レーザ光を出力する点光源は、上記の各実施形態ではレーザダイオードおよび光ファイバを含むものであったが、他の構成によるものであってもよく、例えば、ピンホールの背後に光源が配置された構成のものであってもよく、この場合にはピンホールの位置が点光源の光出射位置となる。

本発明に係るレーザ光照射装置またはレーザ光照射方法は、集光部により集光されたレーザ光を加工対象物に照射して該加工対象物を加工する際に好適に用いられる。このレーザ加工は、加工対象物に対して切削，切断，溶融，融着，アブレーション等を行うことだけでなく、パルスレーザ光を高速粒子発生ターゲットに集光照射することにより該高速粒子発生ターゲットから高速粒子を発生させることをも含む。

後者の高速粒子発生では、高速粒子発生ターゲットにパルスレーザ光が集光されて照射されることにより、ターゲット表面にレーザプラズマが生成され、このレーザプラズマから高エネルギー電子やイオンなどの高速粒子が生成される。さらに、高速粒子発生ターゲットから生成された高速粒子が放射性同位体生成材料に衝突することにより、原子核反応が起こって、種々の放射性同位体が得られる。このような高速粒子発生では、高速粒子発生ターゲット表面に対してパルスレーザ光が集光照射される際に、レーザ光発生部からの出力直後のレーザ光の波面形状の歪み（初期歪み）が変化した場合であっても、レーザ光照射期間に亘って安定して当該集光スポット径が微小であることが重要である。本発明に係るレーザ光照射装置またはレーザ光照射方法は、このような場合に好適に用いられ得る。

第１実施形態に係るレーザ光照射装置１の構成図である。 第１実施形態に係るレーザ光照射装置１の構成図である。 第１実施形態に係るレーザ光照射方法を説明するフローチャートである。 第２実施形態に係るレーザ光照射装置２の構成図である。 第２実施形態に係るレーザ光照射装置２の構成図である。 第３実施形態に係るレーザ光照射装置３の構成図である。 第３実施形態に係るレーザ光照射装置３の構成図である。

符号の説明

１〜３…レーザ光照射装置、１０…レーザ光発生部、２０…波面形状調整部、３０…分岐部、４０…集光部、５０〜５２…波面形状取得部、６１〜６３…制御部、７０…点光源、７１…光出射位置、７２…レーザダイオード、７３…光ファイバ、８０…反射鏡、８２…位相共役鏡。

Claims (11)

1. レーザ光を出力するレーザ光発生部と、
   このレーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状を調整する波面形状調整部と、
   この波面形状調整部により波面形状が調整された後のレーザ光を２分岐して第１レーザ光および第２レーザ光として出力する分岐部と、
   この分岐部から出力された第１レーザ光を集光して所定位置に集光照射する集光部と、
   光出射位置が前記所定位置と一致するように配置され、前記光出射位置から基準レーザ光を出力する点光源と、
   前記点光源から出力されて前記集光部を経た基準レーザ光の波面形状を取得するとともに、前記分岐部から出力された前記第２レーザ光の波面形状を取得する波面形状取得部と、
   前記波面形状取得部により取得された前記基準レーザ光の波面形状および前記第２レーザ光の波面形状に基づいて、前記波面形状調整部におけるレーザ光の波面形状の調整を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とするレーザ光照射装置。
2. 前記制御部が、前記波面形状取得部により取得された前記基準レーザ光の波面形状に対して、前記波面形状取得部により取得された前記第２レーザ光の波面形状が反転関係になるように、前記波面形状調整部におけるレーザ光の波面形状の調整を制御する、ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
3. 前記点光源から出力されて前記集光部を経た基準レーザ光の光路上に設けられた位相共役鏡を更に備え、
   前記波面形状取得部が、前記位相共役鏡を経た基準レーザ光の波面形状を取得し、
   前記制御部が、前記波面形状取得部により取得された前記基準レーザ光の波面形状に対して、前記波面形状取得部により取得された前記第２レーザ光の波面形状が一致するように、前記波面形状調整部におけるレーザ光の波面形状の調整を制御する、
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
4. 前記波面形状取得部が、前記基準レーザ光の波面形状および前記第２レーザ光の波面形状の双方を取得する共通の波面センサを含む、ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
5. 前記波面形状取得部が、前記基準レーザ光の波面形状を取得する第１波面センサと、前記第２レーザ光の波面形状を取得する第２波面センサと、を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
6. レーザ光発生部から出力されたレーザ光を集光部により集光して所定位置に集光照射する方法であって、
   点光源の光出射位置が前記所定位置と一致するように前記点光源を配置して、前記点光源から出力されて前記集光部を経た基準レーザ光の波面形状を取得する基準光波面形状取得ステップと、
   前記レーザ光発生部と前記集光部との間の光路上に配置された分岐部により、前記レーザ光発生部から出力されたレーザ光を２分岐して第１レーザ光および第２レーザ光とし、前記第１レーザ光を前記分岐部から前記集光部へ出力するとともに、前記第２レーザ光の波面形状を取得するレーザ光波面形状取得ステップと、
   前記レーザ光発生部と前記分岐部との間の光路上に配置された波面形状調整部により、前記基準光波面形状取得ステップで取得した前記基準レーザ光の波面形状、および、前記レーザ光波面形状取得ステップで取得した前記第２レーザ光の波面形状に基づいて、前記レーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状を調整するレーザ光波面形状調整ステップと、
   を備えることを特徴とするレーザ光照射方法。
7. 前記レーザ光波面形状調整ステップにおいて、前記基準光波面形状取得ステップで取得した前記基準レーザ光の波面形状に対して、前記レーザ光波面形状取得ステップで取得した前記第２レーザ光の波面形状が反転関係になるように、前記レーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状を前記波面形状調整部により調整する、ことを特徴とする請求項６記載のレーザ光照射方法。
8. 前記基準光波面形状取得ステップにおいて、前記点光源から出力されて前記集光部および位相共役鏡を経た基準レーザ光の波面形状を取得し、
   前記レーザ光波面形状調整ステップにおいて、前記基準光波面形状取得ステップで取得した前記基準レーザ光の波面形状に対して、前記レーザ光波面形状取得ステップで取得した前記第２レーザ光の波面形状が一致するように、前記レーザ光発生部から出力されたレーザ光の波面形状を前記波面形状調整部により調整する、
   ことを特徴とする請求項６記載のレーザ光照射方法。
9. 前記基準光波面形状取得ステップにおいて前記基準レーザ光の波面形状を取得する際、および、前記レーザ光波面形状取得ステップにおいて前記第２レーザ光の波面形状を取得する際に、共通の波面センサを用いる、ことを特徴とする請求項６記載のレーザ光照射方法。
10. 前記基準光波面形状取得ステップにおいて前記基準レーザ光の波面形状を取得する際に第１波面センサを用い、前記レーザ光波面形状取得ステップにおいて前記第２レーザ光の波面形状を取得する際に第２波面センサを用いる、ことを特徴とする請求項６記載のレーザ光照射方法。
11. 請求項６〜１０の何れか１項のレーザ光照射方法を用い、前記集光部により集光されたレーザ光を加工対象物に照射して該加工対象物を加工する、ことを特徴とするレーザ加工方法。
    

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