JPH0827436B2 - 集光装置 - Google Patents

集光装置

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JPH0827436B2
JPH0827436B2 JP26863090A JP26863090A JPH0827436B2 JP H0827436 B2 JPH0827436 B2 JP H0827436B2 JP 26863090 A JP26863090 A JP 26863090A JP 26863090 A JP26863090 A JP 26863090A JP H0827436 B2 JPH0827436 B2 JP H0827436B2
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light
lens
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laser
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建彦 日高
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工業技術院長
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は集光装置に関し、特に主にレーザ光を利用す
るいろいろな産業、医療分野に適用可能で、レーザから
放出された、比較的幅の広い平行光を極めて鋭い、針状
の光ビーム(非回折光と称する)に変換し、なおかつ、
かなり長距離までそのままの状態に保つ集光装置に関す
る。
[従来の技術] 従来から、レーザ光は、極めて狭い空間に対するエネ
ルギ集中能力があるので、いわゆるレーザ加工(レーザ
メス等、医療への応用も含む)において広く使われるよ
うになっている。一般に、レーザ本体からの出力光は単
位体積当りのエネルギ密度に限界があるので、ある程度
の太さをもった平行光となっている。この様な広がりを
もったレーザ光を実際に加工に応用するには、レンズあ
るいは金属球面鏡を使って集光しなければならなかっ
た。ところで、そのようなレンズ等を使うとエネルギが
集中される空間が極めて制限される。第5図にその様子
を示す。第5図において、レンズLの直径をD、焦点距
離をf,波長をλとすると、絞り込まれた焦点位置でのビ
ームの太さ(全幅)は =λF となり、また、これとほぼ同じ太さのビーム径をもつ進
行方向の距離(はエネルギ密度が1/2に低下する集
光される範囲)は =λF2 の程度である。ここでFはF=f/dである。すなわち、
進行方向に程度の範囲内でしかエネルギが集中されな
い。具体的には、波長1μm,F=10のレンズを使うと、
=100μmとなる。このような事情はレーザ光の実際
の応用において大きな制約となる。なぜなら、この範囲
内にレンズと加工対象物の距離を精密に保たねばならな
いからである。これはとくに医療(例えば、レーザメ
ス)応用において問題となる。すなわち、人体は弾力性
に富んでいるので、変形しやすく、100μmの範囲内で
レンズと加工対象物を常に精密に固定するのは至難の技
であるからである。
そこで最近、上に述べたような困難性を解決し得る新
しい技術が提案された。この技術は一般に非回折光発生
技術と称されている(参考文献1:上原喜代治:“非回折
性レーザービーム”、応用物理 第59巻、pp746−750
(1990))。
この新しい技術を使うと、原理的には、無限に細い針
状の光を無限の距離まで伝送することが可能であり、現
在の技術における問題点は解決する。このような、無限
に細い針状の光を非回折光と呼んでいる。非回折光生成
の原理は説明を簡略化するため、ここでは省略する(参
考文献1を参照のこと)。実際上は、無限に細いビーム
光を作ることは不可能であるが、実用上充分な細いビー
ム光を充分距離の範囲で作成可能になった。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上述した従来の非回折光利用技術には
まだ解決すべき課題が残っている。すなわち、現在まで
公表されている非回折光を形成する集光装置には、例え
ば第6図のようなものがある。ここで、Lは焦点距離f
を持つ凸レンズ、Sは直径d、はばδを持つ円環状スリ
ット、Bは生成された極めて細い非回折光である。
このように、従来技術は、ある太さをもった平行光の
ごく一部を円環状のスリットによって切取り、そこから
放射されるごく僅かな光を利用する第1の方法(参考文
献2:J.Durnin,J.J.Miceki,Jr.,& J.H.Eberly:“Diffra
ction−Free Beams",Physical Review Letters,Vol.58,
pp1499−1501(1987).)、あるいはもとのレーザ自体
の共振器を円環状にして、そのレーザ自身が放射する光
を利用する第2の方法などであった(参考文献3:K.Ueha
ra,& H.Kikuchi:“Generation of Nearly Diffraction
−Free Laser Beams"Applied Physics,Vol.B48,pp125−
129(1989).および前記参考文献1を参照)。
しかし、上記の第1の方法ではレーザ光のエネルギの
ごく一部分しか利用されない。また、第2の方法でもレ
ーザ光のかなりの部分を無駄にしてしまうという重大な
解決すべき課題があった。
本発明の目的は、上述の点に鑑み、入射光のエネルギ
を無駄にしないで、比較的幅の広い平行入射光を極めて
鋭い、針状の光ビームに変換し、なおかつ、かなりの長
距離までそのままの状態に保つことが可能な集光装置を
提供することにある。
[課題を解決するための手段] かかる目的を達成するため、本発明は、非回折光を生
成する集光装置であって、平行光線を受光して、所定距
離離れた位置で円環状に焦点を結ぶ第1の光学素子と、
該第1の光学素子の出射光を受光して、非回折光を生成
する第2の光学素子とを具備することを特徴とする。
また、本発明はその一形態として、前記第1の光学素
子は、ある凸レンズを、該凸レンズの光軸と平行であっ
て、かつ当該凸レンズの外縁部の一点を通る回転軸のま
わりに回転させたような断面形状を有する光学レンズで
あることを特徴とする。
また、本発明は他の形態として、前記第1の光学素子
は、その外縁部とその中心が密で、該外縁部と該中心の
中間位置が最も粗となるように形成されたフレネルゾー
ンプレートであることを特徴とする。
[作 用] 本発明では、上記構成により非回折光を生成するため
に従来提案されていた極めて細い円環状のスリットを使
う必要がなくなり、エネルギ効率が飛躍的に改善され
る。また、レーザ本体に何等の加工(レーザ共振器を円
環状の共振器に換える、等)をする必要も無くなる。
[実施例] 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
第1実施例 上述のように、従来では、第6図に示すように、非回
折光を生成するには、あたかも円環状の無限に細い光源
から放射されるような拡散光と、それを平行光に屈折さ
せる凸レンズLが必要であった。そして、そのような光
を極めて細い円環状のスリットSで作っていた。
これに対して、本発明の第1実施例では第1図に示す
構成により針状の光ビームを得る。第1図において、L1
はある凸レンズを、その凸レンズの光軸と平行であっ
て、かつ当該凸レンズの外縁部の一点(c点)を通る回
転軸のまわりに360度回転させたような断面形状を有す
る口径がD/2、焦点距離fの特殊形状の凸レンズであ
り、L2は焦点距離f′を持つ別の普通の形状の凸レンズ
であり、Bはこれらのレンズにより生成された非回折光
である。
すなわち、上記の凸レンズL1はある特殊な断面形状を
持つ凸レンズである。その凸レンズL1は凸部の中心がa,
a′であり、焦点距離fを持ち、さらにc(凸レンズの
外縁部)を中心軸として回転させた、真ん中が凹んでい
る、アンパンのような形状のレンズである。このような
レンズL1に入射する平行光はfの位置e,e′で直径D/2の
円環状に集光されることは明白である。このようにし
て、光エネルギの利用率の極めて悪い細い円環状のスリ
ット(第6図参照)を使ったのと同等の円環状の光源を
形成出来、かつこのようなレンズL1はエネルギ効率100
%であることも明白である。よって、本実施例ではこの
ようなレンズを使って、非回折光を効率よく生成でき
る。
第2実施例 第2図は本発明の第2実施例の構成を示す。本実施例
はいわゆるフレネルゾーンプレートを使って、上述のレ
ンズL1と同じ作用効果を得るものである。
第2図において、ZPは軸はずしフレネルゾーンプレー
トであって、外径Dを持つ平行光はフレネルゾーンプレ
ートZPによって円環状の焦点eに結像する。フレネルゾ
ーンプレートZPはc軸に関して軸対称であるので、集光
される光は直径dをもつ円環状となる。L2はf′をもつ
普通の形状の凸レンズである。
すなわち、このフレネルゾーンプレートZPは軸cに関
して回転対象であり、ある任意の直径で切断したとき、
第2図のように、上半分はe点に集光され、下半分は
e′点に集光される。そのようなフレネルゾーンプレー
トZPは以下の様にして作成される。まず、第2図のよう
にz,r座標を指定する。円環状の焦点のz,r座標軸上の位
置をf,d/2とする。フレネルゾーンプレートZP上で平行
光が透過すべき部分は、中心;r0=d/2を透過部分とし
て、 である。ここで、Int{ }は{ }内を整数化(少数
点以下切捨て)する演算を示す。この条件を満たす範囲
を透過的にし、それ以外の領域を遮断的にする。実際は
これがさらにc軸を中心として軸対象となる。このよう
なフレネルゾーンプレートZPを使って入射平行光を距離
fのところで直径dの円環に集光出来る。従って、これ
らのフレネルゾーンプレートZP、あるいは第1図で示し
たようなレンズL1を使えば第6図での円環状スリットを
使ったのと同じ光源が得られ、かつ平行光の利用率を円
環状スリットよりもはるかに高くすることが出来る。
実験例 次に、第2図の構成で実施した具体的な実験例を示
す。使用したレーザは633nmの波長の光ビームを発振出
力するHe−Neレーザであり、その平行出射光の外径は2m
mであった。試作したフレネルソーンプレートZPはd=1
mm,f=4mm,外径D=1.5mmである。そのフレネルゾーン
プレートZPの顕微鏡写真の一部を模写したものを第3図
(A)〜(D)に示す。このフレネルゾーンプレートZP
の後方に別の、焦点距離f′=10mmの凸レンズL2を配置
し、第6図と同じ構成にし、生成されているであろう非
回折光Bを顕微鏡およびCCDカメラを用いて観察した。
その結果を第4図に示す。第4図のスポットはレンズL2
の後端から50mm離れた位置での、生成された非回折光B
の像パターンである。このときの非回折光Bの外径(口
径)は約10μmであった。この値は理論的に予測される
値とほぼ一致した。それゆえ、実際に非回折光Bが生成
されている事が確認された。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、通常の構造の
レーザから放射される平行光を効率よく極めて細い針状
のビームに変換できる。それゆえ、現在普通に使われて
いる、凸レンズを一組使った従来の集光装置に比べて、
レンズと加工対象物との距離の関係の制約が格段にゆる
くなり、実用上の効果は極めて大きい。また、円環状の
スリットを使った従来の集光装置に比べてレーザ光を無
駄にすることなく、さらに高強度の光ビームが得られる
効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例の集光装置の構成例を示す
構成図、 第2図は本発明の第2実施例の集光装置の構成例を示す
構成図、 第3図(A)〜(C)は第2図のフレネルゾーンプレー
トの拡大率を変えた顕微鏡写真の一部を模写した模写
図、同図(D)は参考のためのスケールを示す図、 第4図は第2図の構成で実施した実験側で得られた非回
折光の一例を示す模写図、 第5図は従来の一般的な集光装置の構成例を示す構成
図、 第6図は従来の改良された集光装置の構成例を示す構成
図である。 L1……中央部が凹んで外縁部と中央部の間が環状の凸状
になっている特殊形状の凸レンズ、 L2……中央部が最大の肉厚となっている普通の形状の凸
レンズ、 ZP……上記凸レンズL1と同様の機能を有するフレネルゾ
ーンプレート、 B……非回折光、 e,e′……円環状の焦点。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】非回折光を生成する集光装置であって、 平行光線を受光して、所定距離離れた位置で円環状に焦
    点を結ぶ第1の光学素子と、 該第1の光学素子の出射光を受光して、非回折光を生成
    する第2の光学素子と を具備することを特徴とする集光装置。
  2. 【請求項2】前記第1の光学素子は、ある凸レンズを、
    該凸レンズの光軸と平行であって、かつ当該凸レンズの
    外縁部の一点を通る回転軸のまわりに回転させたような
    断面形状を有する光学レンズであることを特徴とする請
    求項1に記載の集光装置。
  3. 【請求項3】前記第1の光学素子は、その外縁部とその
    中心が密で、該外縁部と該中心の中間位置が最も粗とな
    るように形成されたフレンネルゾーンプレートであるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の集光装置。
JP26863090A 1990-10-05 1990-10-05 集光装置 Expired - Lifetime JPH0827436B2 (ja)

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