JP5444373B2 - レーザビームを均質化するための装置 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念に従った、レーザビームを均質化するための装置に関する。

定義：影響を及ぼすべき光の伝播方向において、特に、光が平面波ではない、または少なくとも部分的に集束または発散性である場合、光の中央の伝播方向平均的な光の伝播方向を意味する。明確に別段の意が述べられていなければ、光ビーム、部分ビーム、またはビームとは、幾何学上の光学系の理想化されたビームを意味しているのではなく、たとえば、無限に小さくなるのではなく、拡がっていくビーム断面を有するガウスプロファイルを有するレーザビームのような現実のレーザビームを意味している。

レーザビームを均質化するための装置は、欧州特許出願ＥＰ１４８９４３８Ａ１から知られる。そこに記載されている装置は、光線の伝播方向において相前後して配置される２つの均質化段階を有する。これらの段階のそれぞれは、入射面にシリンドリカルレンズアレイを有し、それに対して交差されるシリンドリカルレンズアレイを出射面に持つ基板を有する。２段階とすることによって、レーザビームを、その空間的分布についても、その角度的な分布についても、均質化することが可能となる。交差したシリンドリカルレンズを使うことによって、これは、２つの依存しない独立した方向について、たとえば、レーザダイオードバーの場合、いわゆる速軸およびいわゆる遅軸に関するレーザ光源として実現することができる。これらの段階間の距離は、実質的には第２のレンズアレイの焦点距離に相当する。

このような装置における欠点として、作業面における各部分ビームの重なりが、作業面における強度分布の所望でない構造をもたらす原因となり得る干渉作用を導き得る、という事実がある。

冒頭で述べたタイプの装置は、ドイツ特許出願ＤＥ１０１４８１６７Ａ１から知られる。そこに記載されている装置では、階段状ミラーによって拡げられる部分ビームが光路に差異を示すような角度で該装置に配置される階段状ミラーによって、均質化されるべき光がレンズアレイに入射する前に反射される。この光路差が、レーザのコヒーレンス長よりも大であれば、妨げとなる干渉作用を回避することが可能になる。

この装置の場合、レンズアレイがただ単に均質化のために設けられることは不利であることは明らかであり、したがって、レーザ光は、角度分布に関してではなく、ただ単にその空間的分布に関して均質化できるだけである。これは、発散されたレーザビームはこの装置で均質化できないということにつながる。ＤＥ１０１４８１６７Ａ１に従った装置に、第２のレンズアレイが組込まれた場合には、発散されたレーザビームも均質化することが可能である装置が生まれることになるであろう。しかしながら、このような装置は、その構成的に比較的費用がかかり、多くの屈折面と反射面がある故に大きな無駄が発生するであろう。

本発明の基礎となる課題は、装置を単純な構成として、均質な強度分布をもたらすことが可能な、冒頭で述べたタイプの装置を提供することである。

本発明に従えば、これは、請求光１の特徴を有する、冒頭で述べたタイプの装置によって、達成される。下位の請求項は、本発明の好ましい実施形態に関する。

請求項１に従えば、各ミラー要素とそれに割り当てられたレンズ要素との間の距離は、各々のレンズ要素の焦点距離と同じに構成されてなる。このようにして、ミラー要素は、ＥＰ１４８９４３８Ａ１に従った、技術水準から知られる２段階均質化装置の第１のレンズアレイの機能を引受けている。発明に従った装置は、したがって、発散されたレーザビームも均質化することが可能である。ミラー要素によって引き起こされる光路差による均質化が改良されるにもかかわらず、発明に従った装置は比較的少ない部品しか必要としない。

特に、各ミラー要素はこれらのミラー要素に割り当てられたレンズ要素のための入射瞳として働き、該入射瞳は鋭い傾斜側面部を有する。

ミラー要素はたとえば階段状ミラーの一部であり、他方、レンズ要素は、たとえば一塊のレンズアレイの一部である。さらに、この装置は、フーリエレンズとして働くレンズを有し、該レンズは、レンズ要素を通過して入射してくる部分ビームを互いに重ねることが可能となる。

ミラー要素は、レンズ要素の前方焦点面内にある。ミラー要素の課題は、レンズ要素のために鋭い傾斜側面部を有する入射瞳を設けることである。レンズ要素の前方焦点面における各点は、レンズ要素から出射するレーザ光の一定の角度に関係するので、前方焦点面における、鋭い傾斜側面部による面分布は、レンズ要素後方において、同様に、鋭い傾斜側面部による角度分布を導く。装置全体の作業面としての役割もする、後に続くフーリエレンズによって、その後方の焦点面において、鋭い傾斜側面部を有する、均質な強度分布が生じる。このようにして、レーザビームが装置に入射する前に発散したときでも、発明に従った装置によって、作業面における均質な分布をもたらすことが可能である。したがって、階段状ミラーとレンズアレイとからなる発明に従った２段階の配置は、１段階のものとは区別され、１段階のものは、レンズアレイとフーリエレンズ、または、レンズアレイの焦点距離に対応しない距離内において、これの前に配置された階段状ミラーと、レンズアレイと、フーリエレンズとを有する。１段階のものでは、均質化されるべきレーザビームが発散される場合、鋭い傾斜側面部による均質な分布を得ることは原則的に不可能である。

本発明の更なる特徴と利点は、添付の図を参照した、好ましい実施形態についての以下の詳細な説明によって明らかになるであろう。

発明に従った装置の第１の実施形態の概略側面図である。 発明に従った装置の第２の実施形態の概略側面図である。 発明に従った装置の第３の実施形態の概略側面図である。

図においては、同じまたは機能的に同じ部分もしくは物については、同じ参照符号が付与されている。

図１に従う実施形態は、均質化されるべきレーザビーム１の伝播方向に、順に、階段状ミラー２、レンズ要素４のアレイ３、フーリエ配置に設置されたレンズ５を有している。

階段状ミラー２は、複数の反射する平らなミラー要素６を有し、これらのミラー要素は、段７で互いに分離されている。ミラー要素６によって、レーザビーム１は、ミラー要素６の数に対応する数の部分ビーム８に分割される。その場合、段７によって区切られたミラー要素６は、レーザビーム１のための、鋭い傾斜側面部を有する入射瞳として作用する。

なぜなら、これは特に、段７が異なる角度、図示された実施形態においては、入射するレーザビーム１と０°〜１８０°の角度をなしているからである。したがって、段は、レーザビームをアレイ３への方向には偏向させることができない。

ミラー要素６は、入射するレーザビーム１に対して４５°の角度なすように配置される。ミラー要素６は、部分ビーム８が互いに光路差を有するように、段７に基づいて相互にずれる。レーザビーム１のコヒーレンス長が、隣接する部分ビーム８の光路差よりも小さいときには、レンズ５を通過して重なった後の干渉作用を防止することが可能となる。

ミラー要素６を平らな表面とする代わりに、凹状の表面としてもよい。さらにまた、ミラー要素を、各プリズムにおいて内部全反射が生じるプリズムアレイによって実現してもよい。

図示された実施形態では、レンズ要素４は、シリンダレンズであり、シリンダ軸が図の面内に延びている。レンズ要素４の光学軸は、部分ビーム８の伝播方向に平行に延びる。

部分ビーム８はそれぞれ、レンズ要素４の１つに入射し、したがって、ミラー要素６のそれぞれにレンズ要素４の１つが割り当てられる。アレイ３のレンズ要素４はすべて同じ焦点距離ｆ_４を有する。ミラー要素６の中心と、それに割り当てられたレンズ要素４の距離は、焦点距離ｆ_４と同じであり、したがってミラー要素６のそれぞれは、対応するレンズ要素４の前方焦点面内にある。

各レンズ要素４のそれぞれ同じ焦点距離ｆ_４、または、各ミラー要素６の中心とそれに割り当てられたレンズ要素４との間のそれぞれ同じ距離に基づいて、ミラー要素６が並んで配置される方向は、レンズ要素４が並んで配置される方向に平行である。

レンズ要素４は互いに異なる焦点距離を有してもよい。その場合、各レンズ要素とそれに割り当てられたミラー要素との間の距離は、それでもやはり対応するレンズ要素の焦点距離と同じであるようにすることが必要である。この場合、各レンズ要素とそれに割り当てられたミラー要素との間の距離は、互いに異なる。

フーリエ配置で配置されたレンズ５によって、レンズ要素４から出射する各部分ビーム８は作業面９において重ねられる。

図２に従う実施形態は、レンズ要素４が一塊のレンズアレイ１０にまとめられている点で、図１に従う実施形態とは異なっている。レンズアレイ１０は、レンズ要素４の光軸が、部分ビーム８の伝播方向と０°または１８０°とは異なる角度をなすように、配置されている。この配置の場合にも、ミラー要素６のそれぞれは、それに割り当てられたレンズ要素４の前方焦点面内にある。

このような配置の欠点は、各部分ビーム８がレンズ要素４の光軸と比較的大きな角度をなすにもかかわらず、レンズアレイ１０の各レンズ要素４が部分ビーム８を正しく扱わねばならないことにある。図２に従った装置では、階段状ミラー２が、入射するレーザビーム１と反射される各部分ビーム８とが互いに９０°の角度をなすように配置されている。このような配置は不可欠なものではない。

図３に従う実施形態では、入射するレーザビーム１と反射される各部分ビーム８とが互いになす角度は小さい。これによって、各部分ビーム８はレンズアレイ１０に垂直に入射し、したがって、レンズ要素４の光軸を、部分ビーム８の伝播方向と平行になるようにすることができる。

Claims (15)

1. 複数の、相互にずれて配置されるミラー要素（６）であって、均質化されるべきレーザビーム（１）が、ミラー要素（６）の数に対応する数の部分ビーム（８）に分割されるように、反射可能であり、該反射によって、部分ビームが相互に光路差を有する、ミラー要素（６）と、
   複数のレンズ要素（４）であって、部分ビーム（８）がそれぞれ、レンズ要素（４）の１つを通過して入射可能なように、レンズ要素のそれぞれがミラー要素（６）のそれぞれに割り当てられる、レンズ要素（４）とを含む、レーザビームを均質化するための装置（１）において、
   ミラー要素（６）のそれぞれと、それに割り当てられたレンズ要素（４）との間の距離が、レンズ要素（４）のそれぞれの焦点距離（ｆ_４）に等しいことを特徴とする装置。
2. 各ミラー要素（６）は、これらのミラー要素に割り当てられたレンズ要素（４）のための入射瞳として働くことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 入射瞳は、鋭い傾斜側面部を有することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. ミラー要素（６）は、第１の方向に並んで配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. ミラー要素（６）は、階段状ミラー（２）の一部であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. ミラー要素は、分離したミラーとして構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
7. すべてのミラー要素（６）は、同じ口径を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. １つの、複数の、またはすべてのミラー要素（６）は平らであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. レンズ要素（４）は、第２の方向に並んで配置されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. ミラー要素（６）が並んで配置される第１の方向は、レンズ要素（４）が並んで配置される第２の方向に平行であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. レンズ要素（４）は、一塊のレンズアレイ（１０）の一部であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. レンズ要素（４）は、分離したレンズ要素（４）のアレイ（３）として構成されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
13. すべてのレンズ要素（４）は、同じ焦点距離（ｆ_４）を有することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. すべてのレンズ要素（４）は、同じ口径を有することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
15. フーリエレンズとして働くレンズ（５）を含み、該レンズは、レンズ要素（４）を通過して入射してくる部分ビーム（８）を重ねることができることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。

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