JP5571170B2

JP5571170B2 - レーザビームを形成するための装置およびかかる装置を有するレーザ装置

Info

Publication number: JP5571170B2
Application number: JP2012510156A
Authority: JP
Inventors: ミハイロフ，アレクセイ; コロチューキン，ユリ
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Focuslight Germany GmbH
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: JP2012527002A; RU2539680C2; CN102395914B; US8749888B2; DE102009021251A1; WO2010130415A1; US20120127723A1; EP2430491B1; CN102395914A; EP2430491A1; RU2011150822A

Description

本発明は、請求項１または請求項２の上位概念に従ったレーザビームを形成するための装置、および請求項１２の上位概念に従ったレーザ装置に関する。

定義：レーザビームの伝播方向とは、特に、レーザビームが、平面波でない場合、または少なくとも部分的に収束または発散する場合においては、レーザビームの中間伝播方向を意味する。光ビーム、部分ビーム、またはビームについては、明確に別段の記載がない場合には、幾何光学の理想的ビームを意味するのではなく、現実の光ビーム、たとえば、無限小ではなく、拡大するビーム断面を示す、ガウスプロファイル、または変形されたガウスプロファイル、またはトップハットプロファイルを有するレーザビームなどを意味する。トップハット分布、またはトップハット強度分布、またはトップハットプロファイルとは、少なくとも方向に関して、実質的に矩形関数（rect(x)）によって記載される強度分布を意味する。その場合、実際の強度分布は、パーセント領域ないしは側部において、矩形関数からの逸脱部を有し、同様に、トップハット分布またはトップハットプロファイルと呼ぶことが可能である。

冒頭で挙げたタイプのレーザビームを形成するための装置および冒頭で挙げたタイプのレーザ装置は、国際公開第２００８／００６４６０号明細書から知られる。ここに記載される装置の場合、均質化手段として、各レンズの幅が異なるレンズアレイが設けられる。特に、レンズの幅は、周辺から中央へと減少する。

したがって、均質化手段を通過するレーザビームの台形状に低下する側部を有するトップハット角度分布が達成される。このような均質化手段を有する複数のモジュールを、作業平面において各レーザビームが均質な線形強度分布に重なるように、相並べて配置させることが可能である。

この技術水準における欠点として、台形状に低下する側部を有するトップハット角度分布が必要であるということがある。これを達成するためには、レンズ間の間隔が外部から内部に向けて減少するので、切換え手段の形成に大きな費用を要しなければならない。

本発明の基礎とする課題は、特に均質化手段に関して、より簡易に、および／または費用面においても好ましく構成された、冒頭で挙げたタイプのレーザビームを形成するための装置、および冒頭で挙げたタイプのレーザ装置を作製することである。

これは、発明に従えば、請求項１の特徴を有する冒頭で挙げたタイプのレーザビームを形成するための装置、および／または請求項２の特徴を有する冒頭で挙げたタイプのレーザビームを形成するための装置、さらにまた、請求項１２の特徴を有する冒頭で挙げたタイプのレーザ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相当する。

請求項１に従えば、重畳手段は複数のレンズを有するレンズアレイを含んで構成されてなる。請求項２に従えば、該装置はさらに制御手段を含んで構成されてなり、該制御手段は、レーザビームへの影響が、均質化手段から出射された部分ビームそれぞれの強度、または均質化手段から出射された部分ビーム群のそれぞれの強度が同じ大きさとなるようにすることが可能である。両基準は、角度分布の台形状に低下する側部を必要とせずに、または、均質化手段が異ならせたレンズの軸間隔を有することを必要とせずに、作業平面における各部分ビーム、または各部分ビーム群の均質な重畳に寄与することができる。本発明においては、側部が低下し、角度分布が対称であれば十分である。

本発明によって、原則的には、任意の長さの線形強度分布が生じる。さらにまた、均質化手段のための、および／または重畳手段のためのレンズアレイの製造をする場合、均質性の良さは、製造上の許容誤差によってしか損なわれない。高い均質性を、費用のかかる調整装置を要せずに達成することが可能である。

レンズアレイのレンズについては、以下の条件が適用されることをあらかじめ考慮にいれることが可能である。
２・Ｆ・ＮＡ（５０％）＝Ｍ・Ｐ_２
ただしＭ＝１，２，３，…
式中、Ｆは、各レンズの焦点距離であり、Ｐ_２はレンズ間距離であり、ＮＡ（５０％）は、各レンズの開口数であり、レンズを通過して入射する光の強度が半分に低下する角度について定義している。この要件を満たし、かつ請求項２に従った制御手段によるリターンカップリングを設けることによって、非常に均質な強度分布が達成される。
代わりに、レーザビームとレンズアレイのレンズとに、以下の要件を適用してもよい。

式中、ｗ_０は、レンズの一つが生じさせる強度分布の最大強度と、１／ｅ^２に低下した強度との間の作業平面における距離であり、ｄは、２つの隣接したレンズが生じさせる強度分布の最大強度間の作業平面における距離である。有利なことに、一方において、この実施形態の場合、部分ビームまたは部分ビーム群のガウシアン角度分布も、均質なラインが生じるように重畳させることが可能である。また、他方において、２・Ｆ・ＮＡ（５０％）＝Ｍ・Ｐ_２のようにｗ_０／ｄ＞１．１を厳格に満たす必要がなく、したがって、この種の装置の構成を単純にすることが可能である。

本発明のさらなる特徴と利点は、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説明によって明らかになるであろう。

発明に従った、レーザビームを形成するための装置の第１の実施形態についての概略平面図であって、作業平面における１つの部分ビーム群の強度分布が示されている。発明に従った、レーザビームを形成するための装置の第１の実施形態についての概略平面図であって、作業平面における全部分ビーム群の強度分布が示されている。発明に従った、レーザビームを形成するための装置の第２の実施形態についての概略平面図であって、作業平面における全部分ビーム群の強度分布が示されている。発明に従った、レーザビームを形成するための装置の第３の実施形態についての概略平面図であって、作業平面における１つの部分ビーム群の強度分布が示されている。発明に従った、レーザビームを形成するための装置の第３の実施形態についての概略平面図であって、作業平面における全部分ビーム群の強度分布が示されている。発明に従った、レーザビームを形成するための装置の第４の実施形態についての概略平面図であって、作業平面における１つの部分ビーム群の強度分布が示されている。発明に従った、レーザビームを形成するための装置の第４の実施形態についての概略平面図であって、作業平面における全部分ビーム群の強度分布が示されている。発明に従ったレーザビームを形成するための装置の第５の実施形態の図式的詳細平面図である。図８に従ったレーザ装置の図式的詳細側面図である。

図において、同じもしくは機能的に同じ、部分、または光ビーム、または強度分布、または寸法は、同じ符号が付与されている。さらにまた、図のいくつかは、分かりやすくするために、デカルト座標系が記入されている。

図１および図２に示された、発明に従った装置の実施形態は、均質化手段１と重畳手段２とを含んでいる。この場合、重畳手段２は、形成されるべきレーザビーム３の伝播方向において均質化手段１の後方に配置される。

均質化手段１は、一群のレンズアレイとして形成され、Ｘ方向に互いに並んで配置される複数のレンズ４を含む。この場合、Ｙ方向に延びるシリンダ軸を有するシリンドリカルレンズとしてもよく、また、球面レンズとすることも可能である。

また、重畳手段２も、一群のレンズアレイとして形成され、Ｘ方向に互いに並んで配置される複数のレンズ５を含む。この場合も、Ｙ方向に延びるシリンダ軸を有するシリンドリカルレンズとしてもよく、また、球面レンズとすることも可能である。レンズ５のそれぞれは同じ焦点距離を有することが可能である。

図示された実施形態において、重畳手段２は５つのレンズ５を有する。また、より多くの、特に非常に多くの数のレンズ５を設けることも可能であり、その場合、均質化手段１のレンズ４の数もそれに応じて大きくなる。

図示された実施形態において、重畳手段２のレンズ５の幅は、均質化手段１のレンズ４の幅よりも３倍も大きく、したがって、重畳手段２のレンズ５のそれぞれは、均質化手段１の３つのレンズ４に配置されている。レンズ４の中心間距離（ピッチ）Ｐ_１と、レンズ５の中心間距離Ｐ_２とには、３・Ｐ_１＝Ｐ_２の関係が成り立つ（図１参照）。

均質化手段１に、もっと小さな、または大きなレンズ４を設けることも可能である。特に、均質化手段１のより多くの数のレンズ４を、重畳手段２のレンズ５のそれぞれに配置することも可能である。

形成されるべきレーザビーム３は、図示された実施形態において、均質化手段１上に現れた時に、線形の強度分布を示し、この線形強度分布のＸ方向長さは、均質化手段１のＸ方向長さにおおよそ対応する。

レーザビーム３は、均質化手段１のレンズによって、複数の部分ビーム６に分割される。３つの部分ビーム６の群７は、共に重畳手段２のレンズ５を通過して入射する。重畳手段２のレンズ５から、レンズ５の焦点距離Ｆに対応する距離Ｄをおいて設けられる作業平面８において、各群７の３つの部分ビーム６が線形の強度分布９に重畳される（図１参照）。

強度分布９は、実質的に、無限に急峻に低下する側部１０ではなく、比較的緩慢に低下する側部１０を示す、トップハット分布形状を有する（図１参照）。強度分布９の形状は、均質化手段１の形によって、特に、均質化手段１の個々のレンズ４のそれぞれの形によって予め定められる。

図２に示すように、均質化手段１と重畳手段２とは、作業平面８において部分ビーム７の各群８の強度分布９が、個々の強度分布９の最大強度の５０％において重畳するように構成されて設けられる。こうすることによって、非常に均質な全体強度分布１１が生じる。

全体強度分布１１に対して、個々の強度分布９が広範囲にわたり安定して重畳するための要件は、
２・Ｆ・ＮＡ（５０％）＝Ｐ_２
と表すことが可能である。この場合、ＮＡ（５０％）は、レンズ５それぞれの開口数であり、レンズ５を通過する光の強度が低下する角度によって定義される。

さらなる要件は、作業平面８において部分ビーム６の各群７の強度が同じ大きさになることである。これは、図８および図９に従ったレーザ装置に示されたような配置によって達成することが可能である。

このレーザ装置の場合、均質化手段１と重畳手段２との間に、複数のビームスプリッタ１２が設けられ、ビームスプリッタ１２の数は、重畳手段２のレンズ５の数に対応する。ビームスプリッタ１２によって、部分ビーム６の群７のより少数の光１３は、伝播方向Ｚから図９における上方へと、すなわちＹ方向へとそらされる。

レーザビーム３のこの部分１３は、複数のセンサ手段１４に当たり、これらのセンサ手段１４はそれぞれ、部分ビーム６の群７の１つの強度を検出することが可能である。レーザ装置は、さらにまた比較手段１５を含み、該比較手段１５は、センサ手段１４によって検出された、部分ビーム６の各群７の強度を互いに比較することが可能である。比較手段１５は、１または複数の、図９に概略的に示されたレーザ光源１７の電源１６を、部分ビーム６の各群７の強度が、互いに同じになるように制御することが可能である。

このような方法で、重畳手段２の各レンズ５を、同じパワーのレーザビームが通過することを達成することが可能である。このことは、図２に示されているように、均質で線形の全強度分布１１を導く。

図８および図９には、実線で示されたビームスプリッタ１２とセンサ手段１４に代わり、重畳手段２の後ろに設けてもよい、ビームスプリッタ１２’とセンサ手段１４’とが示されている。

センサ手段１４は、フォトダイオード、フォトレジスタ、フォトトランジスタ、またはフォトセルなどとして実施することが可能である。

前述のビームスプリッタ１２，１２’、センサ手段１４，１４’、および比較手段１５は、全部で、作業平面８において、部分ビーム６の各群７の同じパワーないしは強度を保証する制御手段を形成する。これらの制御手段は、図２〜図７に示されたすべての実施形態において同様に設けることが可能である。

図１および図２に従った実施形態の場合、均質化手段１のレンズ４は、部分ビーム６の各群７の指向性図ないしは角度分布が、緩慢に低下する側部を有するように形成される。レンズ６５の後ろの距離Ｄ＝Ｆにおける重畳によって、図１および図２に示される強度分布９が生じる。

しかしながら、発明に従えば、均質化手段１のレンズ４を、部分ビーム６の各群７の指向性図ないしは角度分布が、おおよそ無限に急峻に低下する側部を有する、ないしは、理想的なトップハット角度分布に非常に近づくように形成することも可能である。この場合、作業平面８は、レンズ５の後ろの距離Ｄ＝Ｆに選ばれるのではなく、距離Ｄ＝Ｆ＋δに選ばれる。この場合、追加の距離δは、作業平面９において、部分ビーム６の各群７の重なった強度分布９が、低下の急峻さが低下する側部１０を有するように選択されるべきである。

図３は、重畳手段２を断念した実施形態を示す。部分ビーム６の各群７の重畳は、遠視野、すなわち均質化手段１に対して大きく離れたところにある。

図４および図５は、重畳手段２のレンズ５の焦点距離Ｆが、図１および図２に従った実施形態の場合よりも大きい実施形態を示している。これによって結果的に、作業平面８における部分ビーム６の各群強度分布９は、より広くなる。それにもかかわらず、以下の条件、
２・Ｆ・ＮＡ（５０％）＝Ｍ・Ｐ_２
但し、Ｍ＝１，２，３，…
を満足するなら、全体強度分布１８に対する、強度分布９の振動のない重畳が生じる（図５参照）。図４および図５は、Ｍ＝２の場合を示している。

図６および図７に従った実施形態の場合、均質化手段１のレンズ４は、部分ビーム６の各群７の指向性図ないしは角度分布は緩慢に低下する側部を有するが、一定の強度の角度領域を有しないように形成される。レンズ５の後ろの、距離Ｄ＝Ｆにおける重畳によって、図６および図７に示された、ガウス分布に似た、際立った平坦領域のない、強度分布１９が生じる。

不均質性１％以下の、全体強度分布２０に対する重畳の条件は、

である。ここで、ｗ_０は、最大強度と、レンズ５の１つから生じる強度分布１９の１／ｅ^２に低下する強度との間の、作業平面８における距離であり、ｄは、２つの隣り合ったレンズ５から生じる強度分布１９の最大強度間の、作業平面８における距離である。

Claims

均質化手段（１）であって、作業平面（８）において、レーザビーム（３）の、均質化手段（１）から出射された部分ビーム（６）または部分ビーム（６）の群（７）が、第１の線形強度分布（９，１９）であって、該第１の線形強度分布（９，１９）の両端部において、急峻に低下する側部（１０）を有する第１の線形強度分布（９，１９）を生じ得るように、複数の部分ビーム（６）または部分ビーム（６）の複数の群（７）を、個別に均質化することが可能である均質化手段（１）と、
重畳手段（２）であって、レーザビーム（３）の伝播方向（Ｚ）において、均質化手段の後方に配置された重畳手段（２）と、を含むレーザビーム（３）を形成するための装置において、
重畳手段（２）が、複数のレンズ（５）を有するレンズアレイを含み、
各レンズ（５）は、該レンズ（５）から出射された部分ビーム（６）または部分ビーム（６）の群（７）が、作業平面（８）において、トップハット強度分布を有する第２の線形強度分布を生じるように、部分ビーム（６）または部分ビーム（６）の群（７）を重畳すべく構成され、
レンズアレイは、２つの隣り合ったレンズ（５）によって生じる第２の線形強度分布が、互いに部分的に重なって、第１の線形強度分布（９，１９）のそれぞれの長さよりも長い、第３の線形強度分布（１１，２０）を生じるように、部分ビーム（６）または部分ビーム（６）の群（７）を重畳すべく構成され、
レンズアレイのレンズ（５）のすべてについて、以下の条件、
２・Ｆ・ＮＡ（５０％）＝Ｍ・Ｐ _２
（式中、
Ｍ＝１，２，３，…であり、
Ｆは、各レンズの焦点距離であり、
Ｐ _２は、レンズ間の中心間距離であり、
ＮＡ（５０％）は、各レンズ（５）の開口数であり、レンズ（５）を通過する光の強度が、半分に低下する角度によって定義される。）
が適用されることを特徴とするレーザビーム（３）を形成するための装置。
制御手段であって、レーザビーム（３）への影響が、均質化手段から出射された部分ビームそれぞれの強度、または均質化手段（１）から出射された部分ビーム（６）または均質化手段（１）から出射された部分ビーム（６）の群（７）のそれぞれの強度が同じ大きさとなるようにすることが可能である制御手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
均質化手段（１）および／またはレンズアレイは、部分ビーム（６）の１つ、または部分ビーム（６）の１つの群（７）が、レンズ（５）のそれぞれを通過するように、配置される、および／または形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
レンズアレイのレンズ（５）はすべて、同じ焦点距離を有す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。
レンズアレイのレンズ（５）はすべて、同じ焦点距離、および／または同じ中心間距離を有す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。
レーザビーム（３）およびレンズアレイのレンズ（５）について、以下の条件、

（式中、
ｗ_０は、レンズ（５）の１つから生じる強度分布における、最大強度と、１／ｅ^２に低下する強度との間の、作業平面（８）における距離であり、
ｄは、２つの隣り合ったレンズ（５）から生じる強度分布の最大強度間の、作業平面（８）における距離である。）
が適用されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
制御手段は、均質化手段（１）から出射される部分ビーム（６）または部分ビーム（６）の群（７）のそれぞれの強度を検出することが可能であるセンサ手段（１４）を有することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
センサ手段（１４）は、フォトダイオード、フォトレジスタ、フォトトランジスタ、またはフォトセルなどとして形成されることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
制御手段は、均質化手段（１）から出射される部分ビーム（６）または部分ビーム（６）の群（７）の強度を比較することが可能である比較手段（１５）を有することを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
少なくとも１つのレーザ光源（１７）と、
請求項１〜９のいずれか１項に従った、レーザビーム（３）を形成するための装置とを含むレーザ装置。
レーザ装置は、少なくとも１つのレーザ光源（１７）のための少なくとも１つの電源（１６）を含み、制御手段は、均質化手段（１）から出射される部分ビーム（６）または部分ビーム（６）の群（７）の強度が互いに一様化されるように、前記少なくとも１つの電源（１６）を制御することを特徴とする、請求項１０に記載のレーザ装置。