JP6267620B2 - レーザビーム合成装置 - Google Patents
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Description
(レーザビーム合成装置の構成)
図1は、本発明の第1実施の形態に係るレーザビーム合成装置100を模式的に示す構成図である。図2は、一対のアキシコンミラー14、15の円錐角θA、θBの関係を示す図である。この図1および図2を参照して、レーザビーム合成装置100の構成について説明する。
図3は、集光光学系20における合成レーザビームの形状を示す図である。図4は、集光光学系20により集光した合成レーザビームを模式的に示す図である。以下、図1〜図4を参照して、レーザビーム合成装置100が複数の円環レーザビームを合成する動作について説明する。
上記実施の形態では、各ユニット11における反射面14a、15aを円錐面とし、この反射面14a、15aの円錐角θA、θBの差Δをユニット11の近接順に大きくしている。これにより、各ユニット11から出射する円環レーザビームは、伝搬するに従って、外径寸法が減少し、その単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量はユニット11の近接順に大きくなっている。また、各円環レーザビームは、その幅寸法を一定に維持しながら、内径寸法に対する外径寸法の比(内外径比)が大きくなる。これにより、集光前の主鏡21上において複数の円環レーザビームを簡単に重ねて、主鏡21を大きくせずに各円環レーザビームの幅寸法や内外径比を大きくすることができる。このような円環レーザビームをその幅寸法および外径寸法が小さくなるように集光すると、集光したレーザビームの径寸法を小さくすることができる。この結果、レーザビーム合成装置100の大型化を抑制しながら、照射位置における合成レーザビームのエネルギー密度を高めることができる。
上記第1実施の形態に係るレーザビーム合成装置100では、副鏡22の曲率半径が副鏡22に入射する円環レーザビームの外径の半径寸法に比べて、幾何光学的収差の発生を抑えるように十分に大きく設定されている。これにより、レーザビーム合成装置100は、レーザビームが光軸OA上において広い範囲にある程度高いエネルギー密度を持って照射される用途に利用され得る。これに対して、さらに高いエネルギー密度を有するレーザビームが必要な場合がある。このため、第2実施の形態に係るレーザビーム合成装置100では、合成レーザビームにおいて各レーザビームの焦点位置を互いに近づけるように副鏡22の曲率半径を設定している。図6は、第2実施の形態に係るレーザビーム合成装置100の集光光学系20を模式的に示す図である。この図6を参照して、レーザビーム合成装置100の構成について説明する。
上記第1および第2実施の形態では、一対のアキシコンミラー14、15で構成される反射光学系をユニット11に用いた。これに対して、第3実施の形態では、透過光学系をユニット11に用いている。図9は、第3実施の形態に係るレーザビーム合成装置100を模式的に示す図である。図10は、一対のアキシコンレンズ51、52の円錐角θC、θDの関係を示す図である。この図9および図10を参照して、レーザビーム合成装置100の構成について説明する。
上記第1および第2実施の形態では、各ユニット11が出射する円環レーザビームは、同心状であって、その単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なるようにした。ただし、同心状の円環レーザビームが伝搬するに従って互いに接近して重なり合えばよい。このため、単位伝搬距離当たりの外径寸法の変化量が互いに異なっていればよく、たとえば、この変化量が減少量でなく増加量であってもよい。図11は、一対のアキシコンミラー14、15の円錐角θA、θBの関係を示す図である。この図11および図1を参照して、レーザビーム合成装置100の構成について説明する。
上記第4実施の形態では、一対のアキシコンミラー14、15で構成される反射光学系をユニット11に用いた。これに対して、第5実施の形態では透過光学系をユニット11に用いている。この透過光学系は第2実施の形態と同様であるが、アキシコンレンズ51、52の円錐角θCとθDとの関係およびその差が異なる。図14は、一対のアキシコンレンズ51、52の円錐角θC、θDの関係を示す図である。
上記全ての実施の形態では、集光光学系20に主鏡21および副鏡22を有する反射光学系を用いた。しかしながら、集光光学系20は、スクレイパーミラー16からの円環レーザビームを集光するものであればこれに限定されず、たとえば、単レンズや透過型望遠鏡などの透過光学系を用いることもできる。この場合、各ユニット11における第1アキシコン光学系15、51の円錐角と第2アキシコン光学系14、52の円錐角との差は、各ユニット11のスクレイパーミラー16から出射した円環レーザビームが集光光学系20の出射面において互いに重なるように定められる。
上記第2実施の形態では、合成レーザビームの集光性を向上させるために、合成レーザビームの各円環レーザビームの焦点位置を互いに近づけるように副鏡22の曲率半径を設定した。しかしながら、合成レーザビームの集光性を向上させる方法はこれに限定されない。たとえば、レーザ光源12からユニット11のアキシコン光学系14、15、51、52に入射させるレーザビームの波面の曲率を最適化することによっても実現することができる。
上記全ての実施の形態において、縮小光学系30にイメージリレー光学系を用いることができる。イメージリレー光学系は、スクレイパーミラー16から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小して集光光学系20に出射する。
上記第1実施の形態では、レーザビーム合成装置100にガイド光源60を設けたが、ガイド光源60を設けなくてもよい。また、第1および第3実施の形態に係るレーザビーム合成装置100にガイド光源60を設けてもよい。
上記その他の実施の形態1では、スクレイパーミラー16の反射面16aは、アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小して当該円環レーザビームの進路を変更する楕円錐面とした。これに対して、スクレイパーミラー16の反射面16aは、アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を拡大して当該円環レーザビームの進路を変更する楕円錐面としてもよい。この場合、反射面16aは、突き出した楕円錐形状であって、反射面16aの円錐角をユニット11の近接順に大きくなる。
11 整形光学ユニット
14 凹型アキシコンミラー(第2アキシコン光学系、アキシコン光学系、出射光学系)
14a 第2反射面
14b 第1通過孔
15 凸型アキシコンミラー(第1アキシコン光学系、アキシコン光学系、出射光学系)
15a 第1反射面
16 スクレイパーミラー(反射光学系)
16a 第3反射面
16b 第2通過孔
20 集光光学系
21 主鏡
21a 第5反射面
21b 第3通過孔
22 副鏡
22a 第4反射面
30 縮小光学系
51 第1アキシコンレンズ(第1アキシコン光学系、アキシコン光学系、出射光学系)
51a 第1入射面
51b 第1射出面
52 第2アキシコンレンズ(第2アキシコン光学系、アキシコン光学系、出射光学系)
52a 第2入射面
52b 第2射出面
60 ガイド光源
Claims (15)
- 単位伝搬距離当たりの外径寸法の増加量が互いに異なる円環レーザビームを出射する複数の整形光学ユニットを備え、
前記各整形光学ユニットは、出射する円環レーザビームが同心状となるように配置されている、レーザビーム合成装置。 - 前記整形光学ユニットは、
入射したレーザビームの径寸法を拡大して円環レーザビームを出射する円錐面を有する第1アキシコン光学系と、
前記第1アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小する円錐面を有する第2アキシコン光学系と、
前記第2アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの進路を変更する反射光学系と、を含み、
前記第1アキシコン光学系の円錐角および前記第2アキシコン光学系の円錐角の少なくともいずれか一方が前記各整形光学ユニットごとに異なっており、
前記反射光学系は、入射した円環レーザビームを、他の前記反射光学系から出射された円環レーザビームに対して同心状に出射する、請求項1に記載のレーザビーム合成装置。 - 前記第1アキシコン光学系は、円錐形状に突出した反射面を有する凸型アキシコンミラーであり、
前記第2アキシコン光学系は、前記凸型アキシコンミラーの反射面に対向しかつ円錐形状に窪んだ反射面、および、当該反射面とその反対側にある面との間を貫通した孔を有する凹型アキシコンミラーであり、
前記反射光学系は、前記凸型アキシコンミラーと前記凹型アキシコンミラーとの間に配置され、かつ、前記凹型アキシコンミラーから出射した円環レーザビームの光軸に対して傾斜する反射面、および、当該反射面とその反対側にある面との間を貫通した孔を有するスクレイパーミラーである、請求項2に記載のレーザビーム合成装置。 - 前記各整形光学ユニットにおける前記凹型アキシコンミラーの円錐角は前記凸型アキシコンミラーの円錐角より大きく、
前記整形光学ユニットにおける前記凹型アキシコンミラーの円錐角と前記凸型アキシコンミラーの円錐角との差は、当該整形光学ユニットの前記スクレイパーミラーの出射方向側に設けられた整形光学ユニットより大きい、請求項3に記載のレーザビーム合成装置。 - 前記第1アキシコン光学系は、円錐形状に突出した射出面を有する第1アキシコンレンズであり、
前記第2アキシコン光学系は、前記射出面に対向しかつ円錐形状に突出した入射面を有する第2アキシコンレンズであり、
前記反射光学系は、前記第1アキシコンレンズとの間に前記第2アキシコンレンズを挟むように配置され、かつ、前記第2アキシコンレンズから出射した円環レーザビームの光軸に対して傾斜する反射面、および、当該反射面とその反対側にある面との間を貫通した孔を有するスクレイパーミラーである、請求項2に記載のレーザビーム合成装置。 - 前記各整形光学ユニットにおける前記第1アキシコンレンズの円錐角は前記第2アキシコンレンズの円錐角より小さく、
前記整形光学ユニットにおける前記第1アキシコンレンズの円錐角と前記第2アキシコンレンズの円錐角との差は、当該整形光学ユニットの前記スクレイパーミラーの出射方向側に設けられた整形光学ユニットより大きい、請求項5に記載のレーザビーム合成装置。 - 前記反射光学系から出射した円環レーザビームを集光する集光光学系、をさらに備え、
前記各整形光学ユニットにおける前記第1アキシコン光学系の円錐角および前記第2アキシコン光学系の円錐角の差は、前記各整形光学ユニットの前記反射光学系から出射した円環レーザビームが前記集光光学系の出射面において互いに重なるように定められる、請求項2〜6のいずれか一項に記載のレーザビーム合成装置。 - 前記集光光学系は、
前記反射光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を拡大する反射面を有する副鏡と、
前記副鏡から出射した円環レーザビームを集光する反射面を有する主鏡と、を含み
前記各整形光学ユニットにおける前記第1アキシコン光学系の円錐角および前記第2アキシコン光学系の円錐角の差は、前記各整形光学ユニットの前記反射光学系から出射した円環レーザビームが前記主鏡の反射面において互いに重なるように定められる、請求項7に記載のレーザビーム合成装置。 - 前記反射光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小して前記集光光学系に出射するイメージリレー光学系をさらに備えている、請求項7または8に記載のレーザビーム合成装置。
- 前記各整形光学ユニットにおける前記第1アキシコン光学系の円錐角および前記第2アキシコン光学系の円錐角の差により発生する各円環レーザビームの焦点距離の差異を補正するように、各円環レーザビームの波面の曲率が設定されている、請求項2〜9のいずれか一項に記載のレーザビーム合成装置。
- 前記反射光学系から出射された円環レーザビームの光軸に沿って可視光線を出射するガイド光源をさらに備えている、請求項2〜10のいずれか一項に記載のレーザビーム合成装置。
- 前記整形光学ユニットは、
円環レーザビームを出射する出射光学系と、
前記出射光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を拡大して当該円環レーザビームの進路を変更する楕円錐面を有する反射光学系と、を含み、
前記反射光学系の楕円錐面の長径側および短径側の両方の円錐角が前記各整形光学ユニットごとに異なり、
前記反射光学系は、入射した円環レーザビームを、他の前記反射光学系から出射された他の円環レーザビームに対して同心状に出射する、請求項1記載のレーザビーム合成装置。 - 単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なる円環レーザビームを出射する複数の整形光学ユニットを備え、
前記各整形光学ユニットは、出射する円環レーザビームが同心状となるように配置されており、
前記整形光学ユニットは、
入射したレーザビームの径寸法を拡大して円環レーザビームを出射する円錐面を有する第1アキシコン光学系と、
前記第1アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小する円錐面を有する第2アキシコン光学系と、
前記第2アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの進路を変更する反射光学系と、を含み、
前記第1アキシコン光学系の円錐角および前記第2アキシコン光学系の円錐角の少なくともいずれか一方が前記各整形光学ユニットごとに異なっており、
前記反射光学系は、入射した円環レーザビームを、他の前記反射光学系から出射された円環レーザビームに対して同心状に出射し、
前記反射光学系から出射した円環レーザビームを透過して集光する集光光学系、をさらに備え、
前記各整形光学ユニットにおける前記第1アキシコン光学系の円錐角および前記第2アキシコン光学系の円錐角の差は、前記各整形光学ユニットの前記反射光学系から出射した円環レーザビームが前記集光光学系の出射面において互いに重なるように定められる、レーザビーム合成装置。 - 単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なる円環レーザビームを出射する複数の整形光学ユニットを備え、
前記各整形光学ユニットは、出射する円環レーザビームが同心状となるように配置されており、
前記整形光学ユニットは、
入射したレーザビームの径寸法を拡大して円環レーザビームを出射する円錐面を有する第1アキシコン光学系と、
前記第1アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小する円錐面を有する第2アキシコン光学系と、
前記第2アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの進路を変更する反射光学系と、を含み、
前記第1アキシコン光学系の円錐角および前記第2アキシコン光学系の円錐角の少なくともいずれか一方が前記各整形光学ユニットごとに異なっており、
前記反射光学系は、入射した円環レーザビームを、他の前記反射光学系から出射された円環レーザビームに対して同心状に出射し、
前記各整形光学ユニットにおける前記第1アキシコン光学系の円錐角および前記第2アキシコン光学系の円錐角の差により発生する各円環レーザビームの焦点距離の差異を補正するように、各円環レーザビームの波面の曲率が設定されている、レーザビーム合成装置。 - 単位伝搬距離当たりの外径寸法の減少量が互いに異なる円環レーザビームを出射する複数の整形光学ユニットを備え、
前記各整形光学ユニットは、出射する円環レーザビームが同心状となるように配置されており、
前記整形光学ユニットは、
入射したレーザビームの径寸法を拡大して円環レーザビームを出射する円錐面を有する第1アキシコン光学系と、
前記第1アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小する円錐面を有する第2アキシコン光学系と、
前記第2アキシコン光学系から出射した円環レーザビームの進路を変更する反射光学系と、を含み、
前記第1アキシコン光学系の円錐角および前記第2アキシコン光学系の円錐角の少なくともいずれか一方が前記各整形光学ユニットごとに異なっており、
前記反射光学系は、入射した円環レーザビームを、他の前記反射光学系から出射された円環レーザビームに対して同心状に出射し、
前記反射光学系から出射した円環レーザビームの径寸法を縮小して集光光学系に出射するイメージリレー光学系をさらに備えている、レーザビーム合成装置。
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