JP5689542B2 - 強度分布が回転対称であるレーザビームにレーザビームの形状を変換するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に従った、強度分布が回転対称であるレーザビームに、レーザビームの形状を変換するための装置に関する。

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有するレーザビームなどを意味する。Ｍ分布、Ｍ強度分布、Ｍプロファイルとは、中央部断面が、１または複数の偏心した領域におけるよりも低い強度であるレーザビームの強度プロファイルを意味する。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するが、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。

冒頭において挙げたタイプの装置は、たとえば、米国特許出願公開第２００４／０１６１６７６号明細書から知られている。この文献に記載の装置は、レーザビームによる増幅−変調−マスクの照射に使用される光学システムを有する。このマスクから出射される光は、さらなる光学システムによって、作業面にある照射されるべき基板上に結像される。この基板上に、伝播方向に垂直なレーザビームは、Ｍプロファイルと称することが可能な環状強度分布を有する。

この場合、装置が複雑であって、費用がかかることが欠点である。さらにまた、マスキングを用いることによって無駄が生じ、場合によっては相当な無駄となる。

本発明が基礎におく課題は、簡単かつ効果的に構成された、冒頭で述べたタイプの装置を作製することである。

これは、請求項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、少なくとも１つのレンズアレイの各レンズは、互いに同軸にまたは同心に配設されてなる。かかる形態によって、単純な手段によって、効率的に、レーザビームを、Ｍプロファイルを有する、または回転対称なトップハットプロファイルを有するレーザビームに変換することが可能である。この場合、発明に従った装置によって、ガウスプロファイルを有するレーザビームだけでなく、任意の回転対称プロファイルを有するレーザビームも、Ｍプロファイルを有する、または回転対称なトップハットプロファイルを有するレーザビームに変換することが可能である。特に、マルチモードレーザの、光ファイバから出射されるレーザビームも、たとえばＭプロファイルを有する、または回転対称なトップハットプロファイルを有する、所望の回転対称強度分布に変換することが可能である。

かかる装置の用途としては、固体レーザポンプ、または材料加工などが考えられる。特に、材料加工の場合、Ｍプロファイルを有する強度分布が、熱伝導に基づいて、一様な加工を可能にしてくれる。

たとえば、少なくとも１つのレンズアレイの各レンズは、少なくとも１つのレンズアレイの光学軸に対して同軸に配設される。特に、少なくとも１つのレンズアレイの光学軸は、レーザビームの伝播方向に対して平行とすることが可能である。

したがって、レンズの内の少なくとも１つの第１のレンズは、環状に、特に、円環状に構成してもよく、レンズの内の少なくとも１つの第２のレンズは、環状に、特に、円環状に構成してもよく、この場合、第１のレンズの直径は、第２のレンズの直径よりも小さい。これらのレンズは、たとえば、同心環システムを構成する。

レンズの内の少なくとも１つの第１のレンズと、レンズの内の少なくとも１つの第２のレンズとは、互いに異なる材料から構成されてもよい。したがって、レンズアレイの設計の際に、より大きな自由度をもたらすことになる。

光学手段は、少なくとも１つのレンズを有し、装置において該手段は、少なくとも１つのレンズアレイが、入力側の焦点面に、作業面が出力側のレンズの焦点面に配設されるように、設けられる。したがって、少なくとも１つのレンズアレイから出射されるレーザビームの角度分布は、作業面の強度分布に変換される、フーリエ配置となる。

各レンズは、遠視野において所望の半径方向強度分布に対応する角度分布が生じるように、形成または構成されてもよい。この場合、装置は、すでに所望の形状を有する複数の強度分布が共通の強度分布に重畳されるように構成することが可能である。

代わりに、遠視野において所望の半径方向強度分布に対応しない角度分布が生じるように、レンズを形成または構成することが可能である。所望の半径方向強度分布が、各部分ビームの重畳によって生じるように装置を構成してもよい。

装置は、それぞれ少なくとも２つのレンズを有する２つのレンズアレイを有して構成することが可能であり、この場合、レーザ光源から出射されたレーザビームはまず第１のレンズアレイを通過し、その後、第２のレンズアレイを通過することが可能であり、光学手段が、第２のレンズアレイを通過したレーザビームを作業面に導き、および／または作業面において、少なくとも部分部分ごとに重畳させることが可能である。

本発明のさらなる特徴と利点は、添付の図を参照して、以下の好適な実施形態についての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概略斜視図を示す。 前記装置のレンズアレイの実施形態の三次元モデルを示す。 レンズアレイのレンズの上面形状が典型的形状を有するレンズアレイの断面図を示す。

明瞭化のために、図１にデカルト座標系が示されている。
図示された装置は、フーリエ変換型光学配置において、レンズアレイ１とレンズ２とを有する。この場合、Ｚ方向におけるレンズ２のレンズアレイ１からの距離と、レンズ２の、Ｘ−Ｙ平面において延びる作業面３からのＺ方向における距離は、レンズ２の焦点距離に対応する。

レーザ光源としては、光ファイバ４の端部が用いられる。光ファイバ４によって伝播されるレーザ光５は、任意のレーザによって発生させればよい。正のＺ方向における、光ファイバ４から出射されるレーザビーム５は、概略的に示されたコリメート手段６によってコリメートされる。コリメート手段６は、図１に示したような最も単純な場合には、平凸球面レンズとして形成すればよい。

コリメート手段は、レーザビームがコリメートされないように、コリメート手段を設けない、または別の形態とすることも可能である。

図示された実施形態において、コリメートされたレーザ光５は、レンズアレイ１上に当たる。レンズアレイ１は、Ｘ−Ｙ平面に対して平行に設けられ、同心円環として、レンズアレイ１の光学軸を囲む複数のレンズ７を含む。この場合、レンズアレイ１の光学軸をＺ方向に対して平行に設けてもよく、したがって、コリメートされたレーザビーム５の中間伝播方向に対して平行に設けてもよい。

レンズ７は、凸状の、凹状の、または凸状と凹状とが交互になった形状とすることが可能である。さらにまた、レンズ７間の間隔、各レンズの半径、各レンズの厚みは、自由に選択することが可能である。レンズの形状は、遠視野において所望の半径方向強度分布が得られるように選択される。総じて、レンズの形状は非球面であるのが好ましい。図２および図３は、レンズアレイ１の典型的実施形態を示している。

適切な最適化方法を介して、各環状レンズ７の屈折率、開口数、半径などの固有の周縁条件に依存する多項式を生成することが可能である。表面形状は、各環状レンズ７について、これらの多項式から個々に計算することが可能である。したがって、レンズアレイ１の表面は通常の場合、回転対称な自由形状面である。
レンズ７として、屈折率分布型レンズを用いることが可能である。

レンズアレイ１を通過した後、レーザビーム５は、Ｍプロファイルの角度分布である角度分布を有している。この角度分布は、図１において概略的に示された、作業面３における強度分布８に、レンズ２によって変換される。強度分布８は、中心部に局所的最小値９を有し、その外側にそれにつながる局所的最大値１０を２つ有する、典型的なＭ型分布を示している。

レンズアレイ１の各レンズは、Ｍプロファイルではなく、回転対称なトップハットプロファイルが形成されるように構成することが可能である。さらにまた、レンズ７をしかるべき形態にすれば、他のプロファイルを作ることも可能であり、たとえば、先細の頂点があり、長い側部があるような回転対称なプロファイルでもよい。このようなプロファイルは、中心の最大値が実質的にもっと先細にされることによって、ガウスプロファイルと区別することが可能である。

レンズ７のそれぞれは、遠視野において所望の半径方向強度分布に対応する角度分布が得られるように形成する、または構成することが可能である。所望の半径方向プロファイルを有するこれらの複数の角度分布を、レンズ２によって、作業面３において、所望の半径方向強度分布に変換され、この場合、すでに所望の形状を有している複数の強度分布が、共通の強度分布に重畳される。

代わりに、遠視野において所望の半径方向強度分布に対応しない角度分布となるように、レンズ７を形成または構成することも可能である。むしろ、この場合には、所望の半径方向強度分布は、各部分ビームを重畳することによって得られる。

各レンズ７は、異なる材料からなるものであってもよい。たとえば、レンズ７の内の第１のレンズは第１の材料からなり、レンズ７の内の第２のレンズは第２の材料からなるものとすることが可能である。

さらにまた、レーザビーム５の伝播方向において、相前後して配設される２つのレンズアレイを設けてもよく、これら２つのレンズアレイは、レーザ光源と、フーリエレンズとして機能するレンズ２との間に配設される。この場合、第１段として機能するレンズアレイによって、第２段として機能するレンズアレイが、非常に高い強度に曝されること、たとえば、過度に照射されることを防止することが可能となる。

Claims (11)

1. マルチモードのレーザビーム（５）の形状を変換し、Ｍプロファイルまたは回転対称なトップハットプロファイルである回転対称な強度分布を有するレーザビーム（５）を作業面（３）において形成するための装置であって、
   少なくとも２つのレンズ（７）を有する、少なくとも１つのレンズアレイ（１）であって、変換されるべきレーザビーム（５）がレンズを通過することが可能である、レンズアレイ（１）と、
   光学手段であって、少なくとも１つのレンズアレイ（１）を通過したレーザビーム（５）を作業面（３）に導き、および／または作業面（３）において、少なくとも部分部分ごとに重畳させることが可能である、光学手段とを含む、装置において、
   少なくとも１つのレンズアレイ（１）の各レンズ（７）は、同軸に配設されてなり、
   各レンズ（７）は、作業面（３）に生成されるべき回転対称な強度分布に対応する角度分布が遠視野において生じるように構成されることを特徴とする装置。
2. 少なくとも１つのレンズアレイ（１）の各レンズ（７）は、少なくとも１つのレンズアレイ（１）の光学軸に対して同軸に配設されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 少なくとも１つのレンズアレイ（１）の光学軸は、レーザビーム（５）の伝播方向に対して平行であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. レンズ（７）の内の少なくとも１つの第１のレンズは、環状に構成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. レンズ（７）の内の少なくとも１つの第１のレンズは、円環状に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。
6. レンズ（７）の内の少なくとも１つの第２のレンズは、環状に構成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。
7. レンズ（７）の内の少なくとも１つの第２のレンズは、円環状に構成され、第１のレンズ（７）の直径は、第２のレンズ（７）の直径よりも小さいことを特徴とする、請求項５に記載の装置。
8. レンズ（７）の内の少なくとも１つの第１のレンズと、レンズ（７）の内の少なくとも１つの第２のレンズとは、互いに異なる材料から構成され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. 光学手段は、少なくとも１つのレンズ（２）を有し、装置において該手段は、少なくとも１つのレンズアレイ（１）が、入力側の焦点面に、作業面（３）が出力側のレンズ（２）の焦点面に配設されるように、設けら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. 装置は、すでに所望の形状を有する複数の強度分布が共通の強度分布に重畳されるように構成されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 装置は、それぞれ少なくとも２つのレンズ（７）を有する２つのレンズアレイ（１）を有し、レーザ光源から出射されたレーザビーム（５）はまず第１のレンズアレイ（１）を通過し、その後、第２のレンズアレイを通過することが可能であり、光学手段が、第２のレンズアレイを通過したレーザビーム（５）を作業面（３）に導き、および／または作業面（３）において、少なくとも部分部分ごとに重畳させることが可能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。

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