JP4814560B2 - ビーム重ね合わせ装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ビーム重ね合わせ装置及びレーザ加工方法に関し、特に複数のレーザビームを重ね合わせて実質的にパワーの大きなレーザビームを得るビーム重ね合わせ装置、及びこの装置を用いたレーザ加工方法に関する。

下記の特開２００２−１７６００６号公報に開示されたレーザビームの重ね合わせ装置について説明する。

直線偏光された２本のレーザビームを、偏光ビームスプリッタを用いて１本のレーザビームに合成することができる。４台のレーザ発振器と２個の偏光ビームスプリッタとを用い、相互に近接して並進する２本のレーザビームを得る。この２本のレーザビームを凹レンズに入射させて発散させ、両者を部分的に重ね合わせる。その後、凸レンズで平行光線束に戻す。

特開２００２−１７６００６号公報

並進する２本のレーザビームを１枚の凹レンズに入射させると、凹レンズを通過した後の２本のレーザビームの中心光線は、進行するに従って徐々に離れてしまう。入射するレーザビームが理想的な平行光線束であれば、凹レンズを通過した後の発散光線束同士は重ならない。入射するレーザビームがあるビーム拡がり角を持つ場合には、凹レンズによってビーム拡がり角が大きくなる。ところが、２本のレーザビームの中心光線間の間隔が徐々に広がってしまうため、両者の重なる領域はわずかである。

本発明の目的は、複数のレーザビームを部分的に重ね合わせるビーム重ね合わせ光学装置において、重ね合う部分をより大きくすることである。本発明の他の目的は、このビーム重ね合わせ光学装置を用いたレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、
相互に平行な光軸を有する複数のレーザビームが入射し、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角を大きくして出射させ、出射するレーザビームの光軸を相互に平行に保ち、かつ出射するレーザビームの光軸の間隔を、入射したレーザビームの光軸の間隔よりも狭くすることにより、レーザビーム同士を部分的に重ね合わせる拡がり角拡大光学系と、
前記拡がり角拡大光学系によって部分的に重ね合わされたレーザビームが入射し、出射するレーザビームの各々のビーム拡がり角を、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角よりも小さくし、かつ出射するレーザビームが部分的に重ね合わされた状態で、これらの光軸を相互に平行に保つ拡がり角縮小光学系と
を有するビーム重ね合わせ光学装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
出射端が、ある平面に沿って並び、出射端から出射するレーザビームの光軸が相互に平行になるように配置された複数の光ファイバと、
前記光ファイバの入射端に、それぞれレーザビームを入射させる複数のレーザ光源と、
前記光ファイバの出射端から出射され、あるビーム拡がり角をもって伝搬するレーザビーム同士が部分的に重なった状態で入射する前段収束レンズと、
前記前段収束レンズを通過したレーザビームが入射し、該前段収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、該前段収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする後段収束レンズと
を有するビーム重ね合わせ光学装置が提供される。

本発明の他の観点によると、上述のビーム重ね合わせ光学装置に均一化光学系を組み合わせた装置を用いてレーザ加工を行う方法が提供される。

複数のレーザビームビームの光軸（中心光線）を相互に平行に保ったまま、各レーザビームのビーム拡がり角を大きくすることにより、複数のレーザビームを効率的に重ね合わせることができる。これにより、合成ビーム断面内の光強度分布を、１本のレーザビームのビーム断面内の光強度分布とほぼ同様の形状にすることができる。

複数の光ファイバを近接して配置すると、これらの光ファイバから出射されるレーザビームを効率的に重ね合わせることができる。

複数のレーザビームを重ね合わせて均一化光学系で均一化することにより、高パワーの均一化レーザビームを得ることができる。

図１に、第１の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置の概略図を示す。レーザ光源１が、複数のレーザビーム、例えば５本のレーザビームを出射する。５本のレーザビームの中心光線は相互に平行である。レーザビームの進行方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。５本のレーザビームの中心光線は、ｘ軸方向に等間隔で並んでいる。

レーザ光源１から出射された５本のレーザビームが、重ね合わせ光学系２に入射する。重ね合わせ光学系２は、レーザビームのビーム断面の一部が相互に重なった５本のレーザビームを出射する。これら５本のレーザビームの中心光線も相互に平行である。

重ね合わせ光学系から出射されたレーザビームが均一化光学系３に入射する。均一化光学系３は、入射したレーザビームを、そのビーム断面内に関して複数の小ビームに分割し、分割された小ビームをホモジナイズ面５０上において重ね合わせる。これにより、ホモジナイズ面上における光強度分布が均一に近づく。

ステージ４が、加工対象物５を、その表面がホモジナイズ面５０と一致するように保持する。これにより、加工対象物５の表面における光強度分布が均一なレーザビームで加工を行うことができる。

図２に、レーザ光源１の概略図を示す。レーザ発振器３０から出射されたレーザビームが折り返しミラー３４で反射して、偏光ビームスプリッタ３３に入射する。もう１つのレーザ発振器３１から出射されたレーザビームが、偏光ビームスプリッタ３３に、その反対側の面から入射する。レーザ発振器３０及び３１から出射されたレーザビームは、それぞれ偏光ビームスプリッタ３３に対してＳ偏光及びＰ偏光になるように直線偏光されている。所望の直線偏光を得るために、例えば１／２波長板（図示せず）を用いることができる。Ｓ偏光のレーザビームが偏光ビームスプリッタ３３で反射され、Ｐ偏光のレーザビームが偏光ビームスプリッタ３３を透過することにより、２本のレーザビームが１本のレーザビームに合成される。

レーザ発振器３０、３１、偏光ビームスプリッタ３３、及び折り返しミラー３４の構成と同様の構成を有する光源が、合計で５組準備されている。５組の光源から出射された５本のレーザビームを、複数の折り返しミラー３５で反射させることにより、相互に近接して並進する５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５を得る。レーザビームＬ１〜Ｌ５の中心光線はｚ軸に平行であり、ｘ軸方向に等間隔で配列している。なお、これらの中心光線の間隔は、必ずしも等間隔にする必要はない。ただし、効率上、等間隔に配置することが好ましい。

図３に、重ね合わせ光学系２の概略図を示す。重ね合わせ光学系２は、拡がり角拡大光学系２Ａと、その後側に配置された拡がり角縮小光学系２Ｂとを含んで構成される。拡がり角拡大光学系２Ａは、第１の収束レンズ１１及び第２の収束レンズ１２を含み、拡がり角縮小光学系２Ｂは、第３の収束レンズ１５及び第４の収束レンズ１６を含む。これら４つの収束レンズ１１、１２、１５、１６は、光軸が一致するように配置されている。この共通の光軸はｚ軸に平行である。収束レンズ１１、１２、１５、１６の各々は、１枚の凸レンズで構成してもよいし、複数枚のレンズを組み合わせた複合レンズで構成してもよい。

第２の収束レンズ１２は第１の収束レンズ１１の後ろ側に配置され、第１の収束レンズ１１よりも短い焦点距離を持つ。第２の収束レンズ１２の前側焦点の位置が、第１の収束レンズ１１の後側焦点の位置と一致する。第４の収束レンズ１６は、第３の収束レンズ１５の後側に配置され、第３の収束レンズ１５よりも長い焦点距離を持つ。第４の収束レンズ１６の前側焦点の位置が、第３の収束レンズ１５の後側焦点の位置と一致する。一例として、第１の収束レンズ１１、第２の収束レンズ１２、第３の収束レンズ１５、及び第４の収束レンズ１６の焦点距離は、それぞれ５００ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、及び５００ｍｍである。

レーザ光源１（図２）から出射された５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５が、第１の収束レンズ１１に入射する。レーザビームＬ１〜Ｌ５の中心光線はすべてｚ軸に平行であり、ｘ軸方向に等間隔、例えば間隔１０ｍｍで並んでいる。

図４（Ａ）、図５（Ａ）、及び図６（Ａ）に、第１の収束レンズ１１の前側焦点を含み光軸に垂直な平面（以下、「焦点面」とよぶ。）１０の位置の光強度分布を示す。図４（Ａ）及び後述する図４（Ｂ）〜図４（Ｄ）は、光強度を濃淡で示す図であり、図５（Ａ）及び後述する図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）は、ｘ軸方向に関する光強度分布を示すグラフであり、図６（Ａ）及び後述する図６（Ｂ）〜図６（Ｄ）は、ｙ軸方向に関する光強度分布を示すグラフである。

レーザビームＬ１〜Ｌ５の各々のビーム断面２０は、ｙ軸方向に長い楕円状である。ビーム断面２０の各々の長軸（ｙ軸方向の寸法）は約５０ｍｍであり、短軸（ｘ軸方向の寸法）はビーム断面２０の中心間の距離１０ｍｍよりもやや短く、例えば９ｍｍである。ここで、「ビーム断面」とは、光強度が最大値の１／ｅ^２になる点を連ねる線で囲まれた領域を意味する。ここで、ｅは、自然対数の底である。レーザビームＬ１〜Ｌ５のｘｚ面内に関するビーム拡がり角θｄは、約２．５ｍｒａｄである。本明細書において、「ビーム拡がり角」は、ビームの拡がりの半角を指すものとする。

第２の収束レンズ１２を透過した５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５の中心光線は、ｚ軸に平行になる。

図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、及び図６（Ｂ）に、第２の収束レンズ１２の後側焦点面１３の位置の光強度分布を示す。第１の収束レンズ１１の前側焦点面１０と、第２の収束レンズ１２の後側焦点面１３とが共役の関係にある。従って、第１の収束レンズ１１の前側焦点面１０の位置の像が、第２の収束レンズ１２の後側焦点面１３の位置に転写され、その倍率は１／５である。このため、ビーム断面２３の各々のｙ軸方向の寸法は約１０ｍｍ、ｘ軸方向の寸法は約１．８ｍｍになり、中心光線の間隔は２ｍｍになる。ビーム拡がり角は倍率にほぼ反比例するため、第２の収束レンズ１２を通過した各レーザビームのｘｚ面内に関するビーム拡がり角θｄは、１２．５ｍｒａｄになる。

このように、拡がり角拡大光学系２Ａは、出射するレーザビームの各々のビーム拡がり角を、入射したレーザビームのビーム拡がり角よりも大きくし、かつ出射するレーザビームの中心光線の間隔を、入射したレーザビームの中心光線の間隔よりも狭くする。このため、レーザビームの経路が相互に重なりやすくなる。

第３の収束レンズ１５は、第２の収束レンズ１２よりも８００ｍｍだけ後側に配置されている。すなわち、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４は、第２の収束レンズ１２の後側焦点面１３よりも５００ｍｍ後方に位置する。第２の収束レンズ１２を通過したレーザビームのビーム拡がり角が１２．５ｍｒａｄであるため、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４の位置における各ビーム断面２４のｘ軸方向の寸法は約１４．３ｍｍになる。ｙ軸方向に関するビーム拡がり角は、後側焦点面１３と前側焦点面１４との間隔５００ｍｍ程度の進行距離の場合には、無視できる大きさである。このため、ビーム断面２４のｙ軸方向の寸法は、ほぼ１０ｍｍのままである。

図４（Ｃ）、図５（Ｃ）、及び図６（Ｃ）に、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４の位置における光強度分布を示す。レーザビームＬ１〜Ｌ５の各々のビーム断面２４のｘ軸方向の寸法が１４．３ｍｍであり、ビーム断面２４の中心間の距離が２ｍｍであるため、５個のビーム断面２４が部分的に重なり合う。図４（Ｃ）及び図５（Ｃ）に示すように、個々のビーム断面を識別することはできなくなり、実質的に１本のレーザビームのビーム断面と同等の光強度分布が現れている。

第４の収束レンズ１６を通過した５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５の中心光線はｚ軸に平行になる。

第４の収束レンズ１６の後側焦点面１７と、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４とが共役の関係になる。従って、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４の位置の像が、第４の収束レンズ１６の後側焦点面１７の位置に転写され、その倍率は２．５倍である。このため、後側焦点面１７の位置におけるレーザビームＬ１〜Ｌ５の各々のビーム断面２７のｘ軸方向の寸法は約３５．７５ｍｍになり、ｙ軸方向の寸法は、約２５ｍｍになる。レーザビームの中心光線間の距離は５ｍｍになる。ｘｚ面内に関するビーム拡がり角θｄは、５ｍｒａｄになる。

このように、拡がり角縮小光学系２Ｂは、出射するレーザビームの各々のビーム拡がり角を入射したレーザビームのビーム拡がり角よりも小さくし、かつ出射するレーザビームが部分的に重ね合わされた状態で、これらの中心光線を相互に平行にする。

図４（Ｄ）、図５（Ｄ）、及び図６（Ｄ）に、後側焦点面１７の位置における光強度分布を示す。５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５のビーム断面が部分的に重なり合って、個々のビーム断面を識別することはできない。このように、拡がり角縮小光学系２Ｂを通過した５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５のビーム断面を合成したレーザビーム群４７の合成ビーム断面内の光強度分布は、実質的に１本のガウシアンビームの光強度分布とほぼ同一と考えることができる。合成ビーム断面のｘ軸方向の寸法は、５５．７５ｍｍになる。

図７に、均一化光学系３の断面図を示す。図７（Ａ）は、ｙｚ面に平行な断面図、図７（Ｂ）は、ｘｚ面に平行な断面図を示す。

図７（Ａ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をｘ軸と平行にし、かつｙ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂが構成されている。シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｘｚ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面（シリンドリカルレンズの柱面の曲率中心線を含む結像系の対称面）を意味する。シリンダアレイ４５Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４５Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。

図７（Ｂ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をｙ軸と平行にし、かつｘ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４６Ａと４６Ｂが構成されている。シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｙｚ面に平行である。シリンダアレイ４６Ａはシリンダアレイ４５Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４６Ｂはシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ４５Ａと４５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ４６Ａと４６Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。

シリンダアレイ４５Ｂの後方に、コンデンサレンズ４９が配置されている。コンデンサレンズ４９の光軸は、ｚ軸に平行である。

図７（Ａ）を参照して、ｙｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｙｚ面内においては、シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。

シリンダアレイ４６Ａの左方からｚ軸に平行な光軸を有する５本のレーザビームが入射する。図６（Ｄ）に示したように、５本のレーザビームは、近似的にｙ軸方向に関して１本のガウシアンビームと同じ光強度分布を持つと考えることができる。入射するレーザビーム４７は、例えば曲線５１ｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。

レーザビーム４７がシリンダアレイ４６Ａを透過し、シリンダアレイ４５Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ４５Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図７（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｙａ〜５１ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ４５Ａによって集束された光線束は、シリンダアレイ４５Ｂにより再度集束される。

シリンダアレイ４５Ｂにより集束した７つの集束光線束４８は、それぞれ集束レンズ４９の前方で結像する。この結像位置は、コンデンサレンズ４９の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、コンデンサレンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｙ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布５１ｙａ〜５１ｙｇをｙ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布５１ｙａと５１ｙｇ、５１ｙｂと５１ｙｆ、５１ｙｃと５１ｙｅは、それぞれｙ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線５２ｙで示すように均一な分布に近づく。

図７（Ｂ）を参照して、ｘｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｘｚ面内においては、シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。５本のレービーム４７がシリンダアレイ４６Ａに入射する。図５（Ｄ）に示したように、５本のレーザビーム４７は、近似的にｘ軸方向に関して１本のガウシアンビームと同じ光強度分布を持つと考えることができる。レーザビーム４７は、例えば曲線５１ｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。

レーザビーム４７がシリンダアレイ４６Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図７（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｘａ〜５１ｘｇで示す光強度分布を有する。

各光線束は、シリンダアレイ４６Ｂの前方で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ４６Ｂに入射する。シリンダアレイ４６Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、コンデンサレンズ４９に入射する。

コンデンサレンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ集束光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｘ軸方向の光強度分布は、図７（Ａ）の場合と同様に実線５２ｘで示すように均一な分布に近づく。

ホモジナイズ面５０上の光照射領域は、ｙ軸方向に長く、ｘ軸方向に短い線状の形状を有する。ホモジナイズ面５０の位置に、被照射物の表面を配置することにより、その表面内のｙ軸方向に長い線状の領域を、ほぼ均一に照射することができる。

上記第１の実施例においては、図２に示した１０台のレーザ発振器３０、３１から出射されたレーザビームが、加工対象物５の表面に重ね合わされる。このため、１０倍の出力を持つ１台のレーザ発振器を使用する場合と同等のレーザ加工を行うことが可能になる。

上記第１の実施例では、拡がり角拡大光学系２Ａ及び拡がり角縮小光学系２Ｂを、ケプラータイプのビームエキスパンダで構成したが、ガリレオタイプのビームエキスパンダで構成することも可能である。拡がり角拡大光学系２Ａをガリレオタイプとする場合には、第２の収束レンズ１２の代わりに発散レンズを用いる。このとき、発散レンズの後側焦点が、第１の収束レンズの後側焦点と一致するように発散レンズを配置する。拡がり角縮小光学系２Ｂをガリレオタイプとする場合には、第３の収束レンズ１５の代わりに発散レンズを用いる。このとき、発散レンズの前側焦点が、第４の収束レンズ１６の前側焦点と一致するように発散レンズを配置する。

図８に、第２の実施例によるビーム重ね合わせ光学系の概略図を示す。以下、図３に示した第１の実施例によるビーム重ね合わせ光学系との相違点に着目して説明する。

第２の実施例によるビーム重ね合わせ光学系では、拡がり角拡大光学系２Ａと拡がり角縮小光学系２Ｂとの間に、筒状光学装置６が配置されている。その他の構成は、第１の実施例の場合と同様である。

筒状光学装置６は、両端が開口した筒状の形状を有し、その内面は、レーザビームを反射させる反射面とされている。内面は、例えばｚ軸に平行な柱面で構成される。筒状光学装置６として、カライドスコープを用いることができる。拡がり角拡大光学系２Ａを通過したレーザビームが一方の開口部から筒状光学装置６に入射する。入射したレーザビームは、筒状光学装置６の出射側の開口部を通って出射する。

出射側の開口部が、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４の位置に配置されている。前側焦点面１４の位置における光強度分布の広がり２４ａが、筒状光学装置６の出射側の開口部によって制限される。筒状光学装置６の出射側の開口部が、第４の収束レンズ１６の後側焦点面１７の位置に転写される。

このため、第１の実施例の場合に比べて、拡がり角縮小光学系２Ｂから出射したレーザビーム群の合成ビーム断面を狭くすることができる。

図９に、第３の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置の概略図を示す。レーザ発振器６０、集光レンズ６１、及び光ファイバ６２が１つの光源を構成し、この光源が複数個準備されている。レーザ発振器６０から出射したレーザビームが、対応する集光レンズ６１により集光され、対応する光ファイバ６２の入射端面に入射する。複数の光ファイバ６２の出射端面が、仮想平面６９に沿って行列状に配置されている。各光ファイバ６２は、その出射端面から出射されたレーザビームの中心光線が仮想平面６９と垂直になるように配置されている。仮想平面６９に平行な面をｘｙ面とするｘｙｚ直交座標系を定義する。

光ファイバ６２の端面から出射されたレーザビームは、例えば１００ｍｒａｄのビーム拡がり角を持つ。

光ファイバ６２から出射されたレーザビームが入射する位置に、前段収束レンズ６３が配置されている。その後方に後段収束レンズ６４が配置されている。両者の光軸は一致し、ｚ軸に平行である。前段収束レンズ６３の焦点距離は、例えば５０ｍｍであり、後段収束レンズ６４の焦点距離は、前段収束レンズ６３の焦点距離よりも長く、例えば５００ｍｍである。前段収束レンズ６３の後側焦点の位置と、後段収束レンズ６４の前側焦点の位置が一致する。後段収束レンズ６４の後方に、図１に示した均一化光学系３及びステージ４が配置される。

複数の光ファイバ６２から出射したレーザビームの、前段収束レンズ６３の前側焦点面６５の位置におけるビーム断面６７同士が部分的に重なる。前段収束レンズ６３と、それに入射する複数のレーザビームとの関係は、図３に示した第３の収束レンズ１５と、それに入射する複数のレーザビームとの関係を同一である。

後段収束レンズ６４を通過したレーザビームの各々のビーム拡がり角は１０ｍｒａｄになる。前段収束レンズ６３の前側焦点面６５の位置におけるビーム断面６７の状態が、後段収束レンズ６４の後側焦点面６６の位置に、倍率１０倍で転写される。前側焦点面６５の位置において、複数のビーム断面６７同士が部分的に重なり合っているため、後側焦点面６６の位置においても、ビーム断面６８同士が部分的に重なり合う。このため、第１の実施例と同様に、実質的に１本のレーザビームのビーム断面内の光強度分布とほぼ同一の光強度分布が得られる。

上記第１〜第３の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置を用いることにより、１台のレーザ発振器では実現が困難な高パワーのレーザビームを用いた加工を行うことが可能になる。また、加工対象物５の表面におけるパワー密度を、１台のレーザ発振器を用いた場合と同一にする場合には、レーザビームの入射領域を広げることができる。ビーム断面が一方向に長い長尺ビームを用いた加工を行う場合には、ビーム断面をより長くすることが可能になる。

上記第１及び第２実施例では、１０台のレーザ発振器を用いたが、それ以上のレーザ発振器を用いることも可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

第１の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置の概略図である。 レーザ光源の概略図である。 重ね合わせ光学系の概略図である。 重ね合わせ光学系の種々の位置における光強度分布を濃淡で示す図である。 重ね合わせ光学系の種々の位置におけるｘ軸方向の光強度分布を示す図である。 重ね合わせ光学系の種々の位置におけるｙ軸方向の光強度分布を示す図である。 均一化光学系の概略図である。 第２の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置の重ね合わせ光学系の概略図である。 第３の実施例によるビーム重ね合わせ光学装置の概略図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ 重ね合わせ光学系
２Ａ 拡がり角拡大光学系
２Ｂ 拡がり角縮小光学系
３ 均一化光学系
４ ステージ
５ 加工対象物
３０、３１、６０ レーザ発振器
３３ 偏光ビームスプリッタ
３４ 折り返しミラー
１０ 第１の収束レンズの前側焦点面
１１ 第１の収束レンズ
１２ 第２の収束レンズ
１３ 第２の収束レンズの後側焦点面
１４ 第３の収束レンズの前側焦点面
１５ 第３の収束レンズ
１６ 第４の収束レンズ
１７ 第４の収束レンズの後側焦点面
２０、２３、２４、２７ ビーム断面
２４ａ、２７ａ 合成ビーム断面
４６ シリンダアレイ
４７ レーザビーム群
４９ コンデンサレンズ
５０ ホモジナイズ面
６１ 集光レンズ
６２ 光ファイバ
６３ 前段収束レンズ
６４ 後段収束レンズ
６５ 前段収束レンズの前側焦点面
６６ 後段収束レンズの後側焦点面
６７、６８ ビーム断面
６９ 仮想平面

Claims (11)

1. 相互に平行な光軸を有する複数のレーザビームが入射し、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角を大きくして出射させ、出射するレーザビームの光軸を相互に平行に保ち、かつ出射するレーザビームの光軸の間隔を、入射したレーザビームの光軸の間隔よりも狭くすることにより、レーザビーム同士を部分的に重ね合わせる拡がり角拡大光学系と、
   前記拡がり角拡大光学系によって部分的に重ね合わされたレーザビームが入射し、出射するレーザビームの各々のビーム拡がり角を、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角よりも小さくし、かつ出射するレーザビームが部分的に重ね合わされた状態で、これらの光軸を相互に平行に保つ拡がり角縮小光学系と
   を有するビーム重ね合わせ光学装置。
2. 前記拡がり角拡大光学系は、
   レーザビームが入射する第１の収束レンズと、
   前記第１の収束レンズの後ろ側に配置され、前記第１の収束レンズよりも短い焦点距離を持ち、前記第１の収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする第２の収束レンズと
   を含む請求項１に記載のビーム重ね合わせ光学装置。
3. 前記拡がり角拡大光学系は、
   レーザビームが入射する第１の収束レンズと、
   前記第１の収束レンズの後ろ側に配置され、前記第１の収束レンズよりも短い焦点距離を持ち、前記第１の収束レンズの後側焦点の位置を後側焦点とする第２の発散レンズと
   を含む請求項１に記載のビーム重ね合わせ光学装置。
4. 前記拡がり角縮小光学系は、
   前記拡がり角拡大光学系を通過したレーザビームが入射する第３の収束レンズと、
   前記第３の収束レンズの後側に配置され、前記第３の収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、前記第３の収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする第４の収束レンズと
   を含む請求項１〜３のいずれかに記載のビーム重ね合わせ光学装置。
5. 前記拡がり角縮小光学系は、
   前記拡がり角拡大光学系を通過したレーザビームが入射する第３の収束レンズと、
   前記第３の収束レンズの後側に配置され、前記第３の収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、前記第３の収束レンズの後側焦点の位置を後側焦点とする第４の発散レンズと
   を含む請求項１〜３のいずれかに記載のビーム重ね合わせ光学装置。
6. さらに、前記拡がり角拡大光学系と拡がり角縮小光学系との間に配置され、内面がレーザビームを反射する反射面とされ、両端が開口した筒状光学装置であって、該拡がり角拡大光学系を通過したレーザビームが一方の開口部から入射し、入射したレーザビームを他方の開口部から出射させて該拡がり角縮小光学系に入射させる筒状光学装置を有する請求項１〜５のいずれかに記載のビーム重ね合わせ光学装置。
7. 前記筒状光学装置の内面は、入射するレーザビームの各々の光軸と平行な柱面である請求項６に記載のビーム重ね合わせ光学装置。
8. さらに、前記拡がり角縮小光学系を通過したレーザビームが入射し、入射したレーザビームを、そのビーム断面内に関して複数の小ビームに分割し、分割された小ビームをホモジナイズ面上において重ね合わせることにより、ホモジナイズ面上における光強度分布を均一に近づける均一化光学系を有する請求項１〜７のいずれかに記載のビーム重ね合わせ光学装置。
9. 出射端が、ある平面に沿って並び、出射端から出射するレーザビームの光軸が相互に平行になるように配置された複数の光ファイバと、
   前記光ファイバの入射端に、それぞれレーザビームを入射させる複数のレーザ光源と、
   前記光ファイバの出射端から出射され、あるビーム拡がり角をもって伝搬するレーザビーム同士が部分的に重なった状態で入射する前段収束レンズと、
   前記前段収束レンズを通過したレーザビームが入射し、該前段収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、該前段収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする後段収束レンズと
   を有するビーム重ね合わせ光学装置。
10. さらに、前記後段レンズを通過したレーザビームが入射し、入射したレーザビームを、そのビーム断面内に関して複数の小ビームに分割し、分割された小ビームをホモジナイズ面上において重ね合わせることにより、ホモジナイズ面上における光強度分布を均一に近づける均一化光学系を有する請求項９に記載のビーム重ね合わせ光学装置。
11. 前記請求項８または１０に記載されたビーム重ね合わせ装置の前記ホモジナイズ面の位置に加工対象物を配置する工程と、
    前記加工対象物に、光強度分布が均一化されたレーザビームを入射させてレーザ加工を行う工程と
    を有するレーザ加工方法。