WO2013031524A1 - コリメータ装置及びレーザ光源 - Google Patents

コリメータ装置及びレーザ光源 Download PDF

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laser light
collimating lens
light source
laser beam
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重博 長能
角井　素貴
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住友電気工業株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/30—Collimators
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    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing

Definitions

  • the present invention relates to a collimator device for collimating input light having a wide spectral width, and a laser light source for realizing laser irradiation by condensing input light having a wide spectral width after collimation. .
  • the collimated laser light is condensed using a condensing lens, and the laser light is focused on one point of the workpiece.
  • a concentrating configuration is used.
  • the focal length differs depending on the wavelength of the light.
  • the position (beam waist) at which the light emitted from the end face of the optical fiber becomes a plane wave with respect to the end face of the optical fiber also differs depending on the wavelength of the light, and it is difficult to concentrate the polychromatic light at one point. Therefore, in the conventional laser processing technique, a contrivance is made to reduce chromatic aberration by using an achromatic lens as a condensing lens.
  • the inventors have found the following problems.
  • the polychromatic light is a light having a spectral width of several hundreds of nanometers
  • chromatic aberration may affect the processing accuracy.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • collimator device capable of reducing beam waist position variation amount depending on the included wavelength) and reducing the condensing distance difference depending on the wavelength in the polychromatic light when condensing the polychromatic light. It is an object of the present invention to provide a laser light source capable of performing the above.
  • the collimator device includes a laser beam incident part, a collimating lens, a collimating lens installation part, and a position adjusting part.
  • the laser beam incident part sets the incident position of the laser beam.
  • the collimating lens collimates the laser light that has arrived from the laser light incident portion.
  • the collimating lens is composed of an achromatic lens.
  • the collimating lens installation unit installs a collimating lens.
  • the position adjusting unit makes it possible to adjust the position of the distance between the incident position of the laser beam and the center position of the collimating lens at a level of 10 ⁇ m or less.
  • the “center position of the collimating lens” means a position that defines the maximum effective diameter of the lens as shown in FIGS. 3 (A) to 3 (C) and FIG. 5 (A).
  • the “position of the collimator lens” is simply referred to as the “center position of the collimator lens” without particular mention.
  • the laser light source according to the second aspect of the present invention is a laser light source to which the collimator device according to the first aspect can be applied.
  • the laser light source according to the second embodiment includes an optical fiber, a collimating lens, a condensing lens, a laser light incident part, and a collimating lens installation part.
  • the optical fiber emits laser light having a spectral width of several hundred nm as single mode light.
  • the collimating lens collimates the laser beam emitted from the optical fiber and emitted.
  • the collimating lens is composed of an achromatic lens.
  • the condensing lens condenses the laser light collimated by the collimating lens.
  • the condensing lens is composed of an achromatic lens.
  • the laser beam incident part sets the incident position of the laser beam emitted from the optical fiber.
  • the collimating lens installation unit fixes the collimating lens.
  • the incident position of the laser light, the adjustment position of the collimating lens, and the fluctuation width of the beam waist position formed via the collimating lens (the wavelength-dependent maximum fluctuation amount and the wavelength-dependent fluctuation amount).
  • the distance between the incident position of the laser beam and the center position of the collimating lens is adjusted.
  • the adjustment position is defined by the amount of deviation of the distance between the incident position of the laser light and the center position of the collimating lens with respect to the focal length of the collimating lens at the reference wavelength component included in the laser light.
  • the variation width is defined by the difference between the maximum value and the minimum value of the variation amount of the beam waist position, which is different for each wavelength component of the laser light, with respect to the beam waist position of the reference wavelength component formed via the collimating lens.
  • the distance between the incident position of the laser beam and the center position of the collimating lens is adjusted so that the adjustment position falls between the position where the fluctuation width is the minimum and the position where the fluctuation width is the sub-peak.
  • a beam that generates a plane wave even when the wavelength components are different. Wavelength-dependent fluctuation of the waist position is reduced. Therefore, when multicolor light is converted into parallel light, the difference in wavelength at the position where the plane wave is generated can be reduced, and the difference in concentration position for each wavelength can be reduced even after the light is collected by the condenser lens. become.
  • the laser light source may include a condensing lens installation unit for fixing the condensing lens.
  • the distance between the central position of the condensing lens and the central position of the collimating lens is such that the maximum difference in the condensing distance is substantially minimized. Is preferably set.
  • the “center position of the collimating lens” means a position that defines the maximum effective diameter of the lens as shown in FIG.
  • the term “the position of the condensing lens” is simply referred to as “the center position of the condensing lens” without particular mention.
  • the laser light source includes a position adjusting unit provided in one of the laser light incident part and the collimating lens setting part. May be provided. This position adjusting unit makes it possible to adjust the position of the laser light incident position and the center position of the collimating lens at a level of 10 ⁇ m or less.
  • the laser light source may include a pinhole provided at the laser light emitting end of the optical fiber.
  • the aperture diameter of the pinhole is equal to or smaller than the mode field diameter of the optical fiber for the shortest wavelength component among the wavelength components included in the laser light. Is preferred.
  • the opening end defining the pinhole may be processed into a tapered shape.
  • a collimator device when collimating polychromatic light having a wide spectral width, a collimator device that can further reduce the difference for each wavelength of the position (beam waist) where a plane wave is generated, and a wide spectral width, a laser light source capable of reducing a difference in a condensing position for each wavelength when condensing input light having collimated light.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of each of a collimator device and a laser light source according to the first embodiment.
  • These are figures which show the chromatic aberration at the time of making a plane wave enter into each of a plano-convex lens and an achromatic lens. Is the position of the beam waist with respect to the distance f 2 ′ from the collimating lens to the beam waist (plane wave) in a state where the distance between the end face of the optical fiber and the center position of the collimating lens is fixed at the focal length at the wavelength ⁇ 2. It is the figure which showed how how fluctuate
  • the beam waist position at a wavelength of 1.1 ⁇ m is used as a reference position, and a wavelength of 0.9 ⁇ m to It is a figure which shows the relationship of position fluctuation amount (DELTA) f 'of the beam waist (position used as a plane wave) with respect to 1.3 micrometers.
  • DELTA position fluctuation amount
  • FIG. 5 is a diagram showing a result of calculating a beam waist position with respect to a wavelength of 0.9 ⁇ m to 1.3 ⁇ m by changing an adjustment position ⁇ ⁇ of the collimating lens.
  • Fig. 5 is a diagram showing the calculation result of the wavelength-dependent focal length difference ⁇ of polychromatic light (wavelength 0.9 to 1.3 ⁇ m) with respect to the distance A between the collimating lens and the condenser lens by changing the adjustment position ⁇ ⁇ of the collimating lens. is there.
  • FIG. 1A and 1B are schematic configuration diagrams of a collimator device 2 and a laser light source 1 according to the first embodiment.
  • the collimator device 2 in FIG. 1A includes a laser light incident part 25 for setting the laser light emission position, a collimator lens 30, a collimator lens setting part 35 for fixing the collimator lens 30, and laser light emission from the laser light incident part 25.
  • the position adjusting unit 50 is configured to adjust the position of the laser light incident part.
  • the position adjustment unit 50 may be installed so that the position of the collimating lens installation unit 35 can be adjusted.
  • the 1B includes a light source 10, an optical fiber 20, a laser light incident part 25 for fixing the end face 22, a collimating lens 30, a collimating lens setting part 35 for fixing the collimating lens 30, a condenser lens 40, And the condensing lens installation part 45 which fixes the condensing lens 40 is comprised.
  • the laser beam incident part 25, the collimating lens 30, and the collimating lens installation part 35 function as a collimator device.
  • the laser light source 10 may include an output optical fiber 20.
  • the exit end face 22 of the optical fiber 20 has an end cap structure of a coreless fiber that reduces the power density of light guided through the optical fiber 20 in order to avoid damage to the end face of the optical fiber 20 at the end. Also good.
  • the polychromatic light source 10 is, for example, a light source that emits polychromatic light having a spectral width of 0.9 to 1.3 ⁇ m.
  • the polychromatic light emitted from the polychromatic light source 10 enters the core region of the optical fiber 20 from one end face 21 of the optical fiber 20.
  • the optical fiber 20 is composed of a core region in the center portion and a cladding region covering the periphery of the core region, and the polychromatic light incident on the core region from the end surface 21 propagates in the core region and exits from the other exit end surface 22. Is done.
  • the diameter of the core region of the optical fiber 20 is, for example, about 10 ⁇ m.
  • the emission end face 22 of the optical fiber 20 is composed of a coreless fiber or the like that can reduce the power density to avoid end face damage when laser light with high output intensity is emitted from a narrow core region.
  • the light is emitted through the end cap fiber.
  • the end cap fiber is a coreless glass rod having a length of 500 ⁇ m and a diameter of 125 ⁇ m.
  • the laser light source 1 is designed in consideration of the emission diameter and the emission angle with these attached. Below, in order to demonstrate easily, the structure by which the end cap is not provided in the output end surface 22 of the optical fiber 20 is demonstrated.
  • the polychromatic light emitted from the emission end face 22 of the optical fiber 20 enters the collimating lens 30 and is emitted after being collimated. Then, the collimated polychromatic light is incident on the condensing lens 40 and passes through the condensing lens 40, so that a point P (point Pmin (shortest focal position) to point Pmax (farthest focal position)) that differs for each wavelength. It is focused on.
  • the outgoing end face 22 of the optical fiber 20 is fixed by a laser light incident part 25.
  • the collimating lens 30 is fixed by a collimating lens installation unit 35.
  • the relative position of the collimating lens installation unit 35 and the laser beam incident unit 25 can be adjusted by the position adjusting unit 50 in units of ⁇ m.
  • the condenser lens 40 is fixed by a condenser lens installation part 45. About the condensing lens installation part 45 and the collimating lens installation part 35, a relative position can be adjusted per 10 mm.
  • the collimator lens 30 is provided at a position where the focal length f corresponds to the wavelength, thereby providing light.
  • Parallel light can be generated from the light emitted from the fiber 20.
  • a plane wave can be generated at a desired position by adjusting the position of the collimating lens 30. Then, by providing the condensing lens 40 at a position where the plane wave is generated, a condensing point where the monochromatic light is most condensed is formed at a focal distance from the condensing lens 40.
  • FIG. 2 shows the result of calculating chromatic aberration when plane waves are incident on each of the plano-convex lens and the achromatic lens (model number: 45783-L, manufactured by Edmund).
  • FIG. 2 (A) illustrates the focal length difference due to chromatic aberration of polychromatic light when a plane wave is incident
  • FIG. 2 (B) shows the result.
  • a graph G210 shows the calculation result of the plano-convex lens
  • a graph G220 shows the calculation result of the achromatic lens
  • the vertical axis of the graph of FIG. 2 (B) shows the respective points when the position of the focal point after the light in the 0.9 ⁇ m wavelength band passes through the condenser lens (plano-convex lens or achromatic lens) is 0. It refers to the difference in the focal position of light of a wavelength.
  • the achromatic lens used in the calculation of FIG. 2B can function as an achromatic lens for polychromatic light of 0.7 ⁇ m to 1.1 ⁇ m.
  • the achromatic lens exhibits the same lens characteristics (change in focal position) as polychromatic light of 0.7 ⁇ m to 1.1 ⁇ m, even for light with wavelengths of 1.2 ⁇ m and 1.3 ⁇ m.
  • the difference in focal position between light with a wavelength of 0.9 ⁇ m and light with a wavelength of 1.3 ⁇ m was 43 ⁇ m in the case of an achromatic lens and 120 ⁇ m in the case of a plano-convex lens.
  • using an achromatic lens as a condenser lens confirms that the difference from the focal position when the wavelength of incident light changes can be made smaller than when a plano-convex lens is used.
  • the incident light to the condenser lens 40 is required to be a plane wave.
  • the incident wave to the collimating tangs 30 does not become a plane wave at the same position, and the condensing position becomes complicated.
  • FIG. 3 shows a case where light from the multicolor light source 10 is expanded and emitted from the emission end face 22 of the optical fiber 20 and collimated (collimated) by the collimator lens 30.
  • This diagram schematically shows how the distance f n ′ to the plane wave position) varies according to the wavelength ⁇ of the output light.
  • the position of the collimator lens 30 center position
  • the optical fiber 20 emitting end face 22 of the wavelength lambda 2 light
  • positions L 1 for converging FIG. 3 (B)
  • ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 have a relationship of ⁇ 3 ⁇ 2 ⁇ 1 , and at a wavelength ⁇ 1 longer than the wavelength ⁇ 2 , the distance f 1 ′ from the collimating lens 30 to the beam waist is negative ( It becomes the emission end face 22 side of the optical fiber 20 (FIG. 3A). In the case of FIG. 3A, since the beam waist does not actually exist, it is a virtual one. At a wavelength ⁇ 3 shorter than the wavelength ⁇ 2, the distance f 3 ′ from the collimating lens 30 to the beam waist is positive (condensing lens 40 side) (FIG. 3C). Further, in FIG. 3, the positional fluctuation amount with respect to f 2 ′ of the distance f n ′ to the respective beam waists of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 3 is ⁇ f ′.
  • FIG. 4 shows the position variation ⁇ f ′ of the beam waist at a wavelength of 0.9 to 1.3 ⁇ m when the reference wavelength ⁇ 2 is 1.1 ⁇ m.
  • ⁇ f ′ varies between about +200 mm and about ⁇ 400 mm.
  • the median value of the focal point position at a wavelength of 0.9 to 1.3 ⁇ m (the median fluctuation width of the focal length difference at a wavelength of 0.9 to 1.3 ⁇ m) is in the vicinity of a wavelength of 1.1 ⁇ m in FIG.
  • the median value of the beam waist position at the wavelength of 0.9 to 1.3 ⁇ m (the median value of the fluctuation range of the position fluctuation width at the wavelength of 0.9 to 1.3 ⁇ m) is significantly different from the wavelength of 1.1 ⁇ m in FIG. Receive.
  • the collimating lens 30 was the same as the achromatic lens shown in FIG.
  • FIG. 5A is a diagram in which the condensing lens 40 in FIG. 2A (the same as the achromatic lens shown in FIG. 2) is arranged with respect to the configuration of the collimator apparatus in FIG. the ⁇ 2 is set to 1.1 ⁇ m.
  • the wavelength-dependent focal length difference ⁇ decreases, and it can be confirmed that the minimum ⁇ is about 30 ⁇ m in the vicinity of about 1000 mm.
  • ⁇ tends to increase.
  • FIG. 6 A is to FIG. 5 (A), the a position where the installation position L 1 shown by f 1.1 .mu.m of the collimator lens 30 (reference position), ⁇ from the reference position ⁇ by (adjustment position) Indicates that it is fluctuating.
  • the positive value of the adjustment position ⁇ beta indicates the area of the condenser lens 40 side with respect to the reference position L 1
  • the exit end face of the negative value of the adjustment position ⁇ beta optical fiber 20 with respect to the reference position L 1 22 Indicates the side area.
  • the beam waist position fluctuation amount ⁇ f ′ mentioned here indicates “fn ′ ( ⁇ ⁇ ) ⁇ f 1.1 ⁇ m ′ ( ⁇ ⁇ )”, and fn ′ ( ⁇ ⁇ ) indicates the installation position of the collimating lens. This indicates the focal position of the collimating lens 30 at the wavelength ⁇ n when “f 1.1 ⁇ m ⁇ ⁇ ”.
  • the graph G626 shows the relationship at the installation position of the collimating lens
  • ⁇ f once becomes a minimum at +50 ⁇ m (minimum point P0), and again reaches a peak (sub-peak P2 which is a maximum point which is smaller than the main peak P1 but takes the second largest value) in the vicinity of +100 ⁇ m. It was confirmed that when the position of the collimating lens is moved in the plus direction, ⁇ f decreases toward 0. Although it was expected that there was a point where ⁇ f was the maximum, it was unexpected that there was a point where it was minimal.
  • FIG. 7 shows the fluctuation width ⁇ f of the beam waist.
  • FIG. 8 shows the calculation result of the variation of the wavelength-dependent focal length difference ⁇ with respect to the distance A between the collimating lens 30 and the condenser lens 40 by varying the adjustment position ⁇ ⁇ under the same conditions as in FIG.
  • the collimating lens 30 and the condensing lens 40 were the same as the achromatic lens shown in FIG. In FIG.
  • FIG. 7 and FIG. 8 have not been confirmed with other achromatic lenses, the relationship between the position of the light emitted from the optical fiber 20 and the installation position of the collimator lens 30 is varied to investigate the variation of ⁇ f.
  • ⁇ f the minimum value of ⁇ f is confirmed, it is considered that the relationship shown in FIG. 8 is obtained.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a laser light source 100 according to the second embodiment.
  • the laser light source 100 according to the second embodiment includes the configuration of the laser light source 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1B, and further propagates the emission position of the laser light, that is, single mode light.
  • a pinhole mask 26 is provided on the emission end face 22 of the optical fiber 20.
  • a pinhole 260 is formed in the pinhole mask 26, and the size (opening diameter) of the pinhole 260 is an optical fiber for the shortest wavelength component of the wavelength components of the polychromatic light emitted from the polychromatic light source 10. It is about the same as 20 mode field diameters or 10% smaller than the mode field diameter.
  • the pinhole mask 26 is preferably as thin as possible with a thickness of about 100 ⁇ m or less.
  • the cross-sectional shape of the pinhole 260 is tapered so that light of the shortest wavelength that propagates in the pinhole 260 and spreads by diffraction is not blocked. Is preferred.
  • the beam diameters of all the wavelength components that have passed through the pinhole 260 on the emission end face 22 of the optical fiber 20 are set to be approximately the same. In particular, when the wavelength band of the polychromatic light emitted from the polychromatic light source 10 is wide (when the spectrum width is large), the mode field diameter for the wavelength component on the long wavelength side is larger than the mode field diameter for the shortest wavelength component.
  • the light energy when passing through the pinhole 260 having the maximum diameter comparable to the mode field diameter for the short wavelength component, the light energy may be cut and an air disk (side lobe) may occur (see FIG. 10).
  • the side lobe region occupies 10% of the total optical power, the side lobe in the far-field image (image formed between the collimating lens installation unit 35 and the condensing lens installation unit 45) as necessary.
  • an aperture is cut.
  • the present invention is an invention under the condition that the mode field diameter for each wavelength is the same. However, when there is no pinhole, there is a mode field diameter depending on the wavelength, which reflects the mode field diameter. It is conceivable that the focal length difference ⁇ appears.
  • SYMBOLS 1 Laser light source, 10 ... Light source, 20 ... Optical fiber, 25 ... Laser beam incident part, 26 ... Pinhole mask, 30 ... Collimating lens, 35 ... Collimating lens installation part, 40 ... Condensing lens, 45 ... Condensing lens Installation part, 50 ... Position adjustment part, 260 ... Pinhole.

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Abstract

　本発明は、広いスペクトル幅からなる多色光をコリメートした後に集光する場合に、集光される焦点位置の波長毎の差異をより小さくするレーザ光源等に関する。当該レーザ光源はコリメータ装置を含み、多色光光源から出射されたレーザ光の出射位置とアクロマティックレンズで構成されたコリメートレンズとの相対位置が、１０μｍレベル以下で調整可能である。

Description

コリメータ装置及びレーザ光源
　本発明は、広いスペクトル幅を有する入力光をコリメートするためのコリメータ装置、及び、広いスペクトル幅を有する入力光をコリメートした後に集光することによりレーザ照射を実現するためのレーザ光源に関するものである。
　レーザ光を用いた加工では、光ファイバの端面から拡光出射されたレーザ光をコリメートした後に、集光レンズを用いてコリメートされたレーザ光を集光し、加工対象物の一点にレーザ光を集中させる構成が用いられる。ここで、白色光などの広いスペクトル幅を有する多色光の場合、光の波長によって焦点距離が異なる。それに起因して、光ファイバの端面から出射された光が光ファイバの端面に対して平面波となる位置（ビームウエスト）も光の波長によって異なり、多色光を一点に集中させることは困難である。そこで、従来のレーザ加工技術では、集光レンズとしてアクロマティックレンズを用いることで、色収差を小さくするといった工夫がなされている。
　発明者らは従来のレーザ加工技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、多色光が数百ｎｍのスペクトル幅をもつ光の場合、アクロマティックレンズを使用しても、波長成分の違いに起因して集光点の位置にかなりの差が生じることが予想される。深さの正確さが要求されるような薄い基板の厚さ方向のレーザ加工等の微細加工においては、色収差が加工精度に影響を与える可能性がある。
　本発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、広いスペクトル幅からなる多色光をコリメートする場合に、平面波が生成されるビームウエストの波長に依存する位置差（多色光に含まれる波長に依存するビームウエスト位置の変動量）をより小さくすることが可能なコリメータ装置と、多色光を集光する際に、多色光内の波長に依存した集光距離差を小さくすることが可能なレーザ光源とを提供することを目的としている。
　上記目的を達成するため、本発明の第１態様に係るコリメータ装置は、レーザ光入射部と、コリメートレンズと、コリメートレンズ設置部と、位置調整部を備える。レーザ光入射部は、レーザ光の入射位置を設定する。コリメートレンズは、レーザ光入射部から到達したレーザ光をコリメートする。また、コリメートレンズは、アクロマティックレンズで構成されている。コリメートレンズ設置部は、コリメートレンズを設置する。位置調整部は、レーザ光の入射位置とコリメートレンズの中心位置との距離を１０μｍレベル以下で位置調整可能にする。なお、「コリメートレンズの中心位置」は、図３（Ａ）～３（Ｃ）及び図５（Ａ）に示されたように、レンズの最大有効径を規定する位置を意味し、以下の説明において、特に言及することなく単に「コリメータレンズの位置」と言うときは、「コリメートレンズの中心位置」を意味するものとする。
　本発明の第２の態様に係るレーザ光源は、上記第１の態様に係るコリメータ装置が適用可能なレーザ光源である。この第２実施形態に係るレーザ光源は、光ファイバと、コリメートレンズと、集光レンズと、レーザ光入射部と、コリメートレンズ設置部を備える。光ファイバは、スペクトル幅が数百ｎｍであるレーザ光を単一モード光として出射する。コリメートレンズは、光ファイバから拡光して出射されたレーザ光をコリメートする。また、コリメートレンズは、アクロマティックレンズで構成されている。集光レンズは、コリメートレンズによりコリメートされたレーザ光を集光する。また、集光レンズは、アクロマティックレンズで構成されている。レーザ光入射部は、光ファイバから出射されるレーザ光の入射位置を設定する。コリメートレンズ設置部は、コリメートレンズを固定する。
　特に、第２の態様に係るレーザ光源では、レーザ光の入射位置とコリメートレンズの調整位置と、コリメートレンズを介して形成されるビームウエスト位置の変動幅（波長依存の最大変動量と波長依存の最小変動量の差）との関係において（図７参照）、レーザ光の入射位置とコリメートレンズの中心位置との距離が調整される。調整位置は、レーザ光の入射位置とコリメートレンズの中心位置との距離の、レーザ光に含まれる基準波長成分でのコリメートレンズの焦点距離に対するずれ量で規定される。変動幅は、レーザ光の波長成分毎に異なるビームウエスト位置の、コリメートレンズを介して形成される基準波長成分のビームウエスト位置に対する変動量の最大値と最小値の差で規定される。レーザ光の入射位置とコリメートレンズの中心位置との距離は、変動幅が極小となる位置と、変動幅がサブピークとなる位置との間に調整位置が収まるよう、調整される。このように、レーザ光の入射位置（光ファイバの光出射端面）とコリメートレンズの中心位置との距離が設定されることにより、波長成分が異なった場合であっても、平面波が生成されるビームウエスト位置の波長依存変動が小さくなる。したがって、多色光を平行光とする場合に平面波が生成される位置の波長毎の差異が小さくなると共に、集光レンズにより集光した後も波長毎の集光位置の差異を小さくすることが可能になる。
　上記第２の態様に適用可能な第３の態様として、当該レーザ光源は、集光レンズを固定する集光レンズ設置部を備えても良い。この場合、レーザ光に含まれる波長成分毎に異なる集光レンズの集光距離について、その集光距離の最大差が概ね最小となるよう、集光レンズの中心位置とコリメートレンズの中心位置の間隔が設定されるのが好ましい。なお、上記「コリメートレンズの中心位置」と同様に、「集光レンズの中心位置」は、図５（Ａ）に示されたように、レンズの最大有効径を規定する位置を意味し、以下の説明において、特に言及することなく単に「集光レンズの位置」と言うときは、「集光レンズの中心位置」を意味するものとする。
　上記第２及び第３の態様のうち少なくともいずれかの態様に適用可能な第４の態様として、当該レーザ光源は、レーザ光入射部とコリメートレンズ設置部のいずれか一方に設けられた位置調整部を備えても良い。この位置調整部は、レーザ光の入射位置とコリメートレンズの中心位置との距離を、１０μｍレベル以下で位置調整可能にする。
　上記第２～第４の態様のうち少なくともいずれかの態様に適用可能な第５の態様として、当該レーザ光源は、光ファイバのレーザ光出射端に設けられたピンホールを備えても良い。なお、第５の態様に適用な第６の態様として、ピンホールの開口径は、レーザ光に含まれる波長成分のうち最短波長成分に対する、光ファイバのモードフィールド径と等しいかそれ以下であるのが好ましい。さらに、第５及び第６の態様のうち少なくともいずれかの態様に適用可能な第７の態様として、ピンホールを規定する開口端は、テーパー状に加工されていても良い。
　本実施形態によれば、広いスペクトル幅からなる多色光をコリメートする場合に平面波が生成される位置（ビームウエスト）の波長毎の差異をより小さくすることが可能なコリメータ装置と、広いスペクトル幅を有する入力光をコリメートした後に集光する際に、波長毎の集光位置の差異を小さくすることが可能なレーザ光源と、が提供される。
は、第1実施形態に係るコリメータ装置及びレーザ光源それぞれの概略構成図である。 は、平凸レンズ及びアクロマティックレンズのそれぞれに対して平面波を入射させた場合の色収差を示す図である。 は、光ファイバの端面とコリメートレンズの中心位置との距離を波長λ２での焦点距離に固定した状態で、コリメートレンズからビームウエスト（平面波）までの距離ｆ２’に対してビームウエストの位置が出力光波長に応じてどのように変動するかを模式的に示した図である。 は、光ファイバの端面とコリメートレンズの中心位置との距離を波長１．１μｍにおけるコリメートレンズの焦点距離に固定した状態で、波長１．１μｍにおけるビームウエスト位置を基準位置として、波長０．９μｍ～１．３μｍに対するビームウエスト（平面波となる位置）の位置変動量Δｆ’の関係を示す図である。 は、光ファイバの端面とコリメートレンズの中心位置との距離を波長１．１μｍにおけるコリメートレンズの焦点距離に固定した状態で、コリメートレンズの中心位置と集光レンズの中心位置との間隔Ａに対する波長依存の焦点距離差Δαの関係を示す図である。 は、コリメートレンズの調整位置±βを変化させ、波長０．９μｍ～１．３μｍに対するビームウエスト位置を計算した結果を示す図である。 は、コリメートレンズの調整位置±βに対して、多色光のビームウエストの位置差（波長の違いに起因したビームウエスト位置の変動幅）を求めた結果を示す図である。 は、コリメートレンズの調整位置±βを変化させ、コリメートレンズと集光レンズの間隔Ａに対する多色光（波長０．９～１．３μｍ）の波長依存の焦点距離差Δαの計算結果を示す図である。 は、第２実施形態に係るレーザ光源１００の概略構成図である。 は、多色光光源１０から出射されるレーザ光に含まれる波長成分のうち最短波長成分に対する光ファイバ２０のモードフィールド径と同程度に開口径が設計されたピンホールを通過した最長波長成分の光パワーを示す図である。
　以下、添付図面を参照しながら本発明の各実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
　（第１実施形態）
  図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、第１実施形態に係るコリメータ装置２とレーザ光源１の概略構成図である。図１（Ａ）のコリメータ装置２は、レーザ光の出射位置を設定するレーザ光入射部２５、コリメートレンズ３０、コリメートレンズ３０を固定するコリメートレンズ設置部３５、レーザ光入射部２５のレーザ光出射位置（光ファイバ出射端面）２２とコリメートレンズ３０の位置との間隔を調整するため、レーザ光入射部の位置を調整する位置調整部５０とで構成される。位置調整部５０は、コリメートレンズ設置部３５の位置を調整できるように設置されていても良い。図１(Ｂ)のレーザ光源１は、光源１０、光ファイバ２０、端面２２を固定するレーザ光入射部２５、コリメートレンズ３０、コリメートレンズ３０を固定するコリメートレンズ設置部３５、集光レンズ４０、及び、集光レンズ４０を固定する集光レンズ設置部４５を含んで構成される。このうち、レーザ光入射部２５、コリメートレンズ３０、コリメートレンズ設置部３５がコリメータ装置として機能する。レーザ光源１０は出力用の光ファイバ２０を含んでいても良い。光ファイバ２０の出射端面２２は、端部に光ファイバの２０の端面損傷を避けるため、光ファイバ２０を導波してきた光のパワー密度を低下させるコアレスファイバのエンドキャップ構造を有するものであっても良い。
　多色光光源１０は、一例としては、０．９～１．３μｍのスペクトル幅の多色光を出射する光源である。多色光光源１０より出射された多色光は、光ファイバ２０の一方の端面２１から光ファイバ２０のコア領域に入射する。光ファイバ２０は、中心部分のコア領域とコア領域の周囲を覆うクラッド領域とから構成され、端面２１からコア領域に入射した多色光は、コア領域内を伝搬し、他方の出射端面２２から出射される。光ファイバ２０のコア領域の径は、例えば１０μｍ程度とされる。なお、光ファイバ２０の出射端面２２は、狭いコア領域から高出力強度のレーザ光が出射すると、端面損傷が発生するため、それを避けるためのパワー密度を低下させることができるコアレスファイバなどからなるエンドキャップファイバを介して出射されることになる。一例として、エンドキャップファイバは、長さ５００μｍ、直径１２５μｍのコアレスのガラスロッドである。実際にはこれらのものが付いた状態での出射径、出射角度を想定し、それに合致して、レーザ光源１が設計される。以下においては、説明を簡単にするために、光ファイバ２０の出射端面２２にエンドキャップが設けられていない構成について、説明する。
　光ファイバ２０の出射端面２２から出射された多色光は、コリメートレンズ３０に入射し、コリメートされた後に出射される。そして、コリメートされた多色光は、集光レンズ４０へ入射し、集光レンズ４０を経ることで、波長毎に異なる点Ｐ（点Ｐmin（最短焦点位置）～点Ｐmax（最遠焦点位置））に集光される。
　光ファイバ２０の出射端面２２は、レーザ光入射部２５により固定されている。またコリメートレンズ３０はコリメートレンズ設置部３５により固定されている。コリメートレンズ設置部３５とレーザ光入射部２５とは、位置調整部５０により、相対位置がμｍ単位で調整可能である。集光レンズ４０は、集光レンズ設置部４５により固定されている。集光レンズ設置部４５とコリメートレンズ設置部３５については、相対位置が１０ｍｍ単位で調整可能である。
　一般的に、多色光光源１０から出射される光が単一波長の光、すなわち単色光である場合には、その波長に対応した焦点距離ｆとなる位置にコリメートレンズ３０を設けることにより、光ファイバ２０から出射された光から平行光を生成することが可能となる。そして、このコリメートレンズ３０の位置を調整することにより、所望の位置に平面波を生成することができる。そして、平面波が生成される位置に集光レンズ４０を設けることにより、集光レンズ４０から焦点距離の位置に、当該単色光が最も集光された集光点が形成される。
　多色光光源１０から出射された光が、波長域が数百ｎｍにおよぶ広い多色光である場合、仮にコリメートレンズ３０で平面波が同じ位置に生成されたとしても、集光レンズ４０では、それぞれの光の色収差のために、光軸方向の一点に集光をすることができないと考えられていた。ここで、平凸レンズ及びアクロマティックレンズ（型番：４５７８３－Ｌ、Ｅｄｍｕｎｄ社製）のそれぞれに対して平面波を入射させた場合の色収差を計算した結果を図２に示す。図２（Ａ）は、平面波が入射した際の多色光の色収差による焦点距離差を図示したものであり、図２（Ｂ）はその結果を示す。なお、図２（Ｂ）において、グラフＧ２１０は平凸レンズの計算結果、グラフＧ２２０はアクロマティックレンズの計算結果を示す。また、図２（Ｂ）のグラフの縦軸は、波長０．９μｍ帯の光が集光レンズ（平凸レンズまたはアクロマティックレンズ）を通過した後の焦点の位置を０とした場合に、それぞれの波長の光の焦点位置の差を指す。例えば、図２（Ｂ）の計算で用いたアクロマティックレンズは、０．７μｍ～１．１μｍの多色光に対して、アクロマティックレンズとしての機能を発揮することができることが示されている。一方、計算の結果、アクロマティックレンズは波長が１．２μｍ、１．３μｍの光に対しても、０．７μｍ～１．１μｍの多色光と同様のレンズ特性（焦点位置の変化）を示すことが確認された。なお、波長０．９μｍの光と波長１．３μｍの光との焦点位置の差は、アクロマティックレンズの場合は４３μｍであり、平凸レンズの場合は１２０μｍであった。すなわち、アクロマティックレンズを集光レンズとして用いることで、平凸レンズを使用する場合と比較して、入射する光の波長が変わった場合の焦点位置との差をより小さくすることができることが確認される。
　図１（Ｂ）のレーザ光源１のように、光ファイバ２０の出射端面２２から出射された多色光をコリメートレンズ３０でコリメートした後、集光レンズ４０で集光する場合には、図２に示されたように、一般的には、集光レンズ４０への入射光は平面波であることが求められていた。しかしながら、拡光された光がコリメートレンズ３０へ入射する場合は、波長によってはコリメートタンズ３０への入射波が同じ位置で平面波とはならず、集光位置は、複雑なものとなる。
　図３は、多色光光源１０からの光が、光ファイバ２０の出射端面２２から拡光して出射され、コリメートレンズ３０によりコリメート（平行光化）される場合に、コリメートレンズ３０からビームウエスト（平面波となる位置）までの距離ｆｎ’が出力光の波長λに応じてどのように変動するかを模式的に示したものである。各波長において、コリメートレンズ３０の位置（中心位置）は、波長λ２の光がコリメートレンズ３０から光ファイバ２０へ向けて出射された場合に、光ファイバ２０出射端面２２で該波長λ２の光が集光する位置Ｌ１に設置されている（図３（Ｂ））。λ１、λ２、λ３は、λ3＜λ２＜λ1の関係であり、波長λ２よりも長い波長λ１では、コリメートレンズ３０からビームウエストまでの距離ｆ１’が、マイナス（光ファイバ２０の出射端面２２側）となる（図３（Ａ））。なお、図３（Ａ）の場合、ビームウエストは、実際には存在しないので、仮想のもの。波長λ２よりも短い波長λ3では、コリメートレンズ３０からビームウエストまでの距離f3’が、プラス(集光レンズ４０側)となる（図３（Ｃ））。また、図３では、波長λ１と波長λ３のそれぞれのビームウエストまでの距離ｆｎ’の、ｆ2’を基準とした位置変動量をΔｆ’としている。
　図４に、基準波長λ２を１．１μｍとした際の、波長０．９～１．３μｍでのビームウエストの位置変動量Δｆ’を示す。Δｆ’は、約＋２００ｍｍ～約－４００ｍｍの間で変動している。波長０．９～１．３μｍにおける集光点位置の中央値（波長０．９～１．３μｍにおける焦点距離差の変動幅中央値）は、図２では、波長１．１μｍ近傍であるが、波長０．９～１．３μｍにおけるビームウエスト位置の中央値（波長０．９～１．３μｍにおける位置変動幅の変動幅中央値）は、図４では、波長１．１μｍからかなり外れている印象を受ける。なお、コリメートレンズ３０は、図２で用い示したアクロマティックレンズと同じものを使用した。
　図５（Ａ）は、図３におけるコリメータ装置の構成に対し、図２（Ａ）の集光レンズ４０（図２で示されたアクロマティックレンズと同じもの）を配置した図であり、基準波長λ２を１．１μｍとしている。図５（Ｂ）は、上記の条件で、コリメートレンズ３０と集光レンズ４０との間隔Ａに対する、波長帯（０．９μｍ～１．３μｍ）の光における焦点距離差Δα（＝Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ）と、の関係を示す。ここでは、間隔Ａを大きくするに従って、波長依存の焦点距離差Δαは小さくなり、約１０００ｍｍ近傍で、最小となるΔαが約３０μｍであることが確認できる。しかし、間隔Ａが１０００ｍｍを超えると、Δαは、逆に増大する傾向を示している。
　次に、図４では、光ファイバ２０の出射端面２２とコリメートレンズ３０との距離をｆ１．１μｍ（基準波長１．１μｍの光に対するコリメートレンズ３０の焦点距離）とした場合のみであるが、この距離を微小領域で変動させた場合にビームウエストの位置はどのような挙動を示すのかを調査した。この計算結果を図６に示す。図６（Ａ）は、図５（Ａ）に対し、コリメートレンズ３０の設置位置Ｌ１をｆ１．１μｍで示された位置（基準位置）とし、該基準位置から±β（調整位置）だけ変動させていることを示す。ここで、調整位置±βのプラス値は基準位置Ｌ１に対して集光レンズ４０側の領域を示し、調整位置±βのマイナス値は基準位置Ｌ１に対して光ファイバ２０の出射端面２２側の領域を示す。図６（Ｂ）では、コリメートレンズ３０の設置位置を、ｆ１．１μｍで±β＝０μｍとしたもの（コリメートレンズ３０を基準位置に設置）と、その位置からコリメートレンズ３０の位置を２０μｍ間隔で増減させた。なお、図６（Ｂ）では、参考までに、±β＝－６４０、＋６２０μｍの事例を追記している。また、ここでいうビームウエストの位置変動量Δf’は、「ｆｎ’(±β)－ｆ１．１μｍ’(±β)」を指し、ｆｎ’(±β)は、コリメートレンズの設置位置を「ｆ１．１μｍ±β」とした場合の波長λｎでのコリメートレンズ３０の焦点位置を指す。
　具体的に、図６（Ｂ）中、グラフＧ６１０はｆ１．１μｍで±β＝０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６１１は±β＝＋２０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６１２は±β＝＋４０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６１３は±β＝＋６０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６１４は±β＝＋８０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６１５は±β＝＋１４０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６１６は±β＝＋６２０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６２１は±β＝―２０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６２２は±β＝―４０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６２３は±β＝―６０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６２４は±β＝―８０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６２５は±β＝―１４０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、グラフＧ６２６は±β＝―６４０μｍであるコリメートレンズ３０の設置位置での関係、をそれぞれ示す。
　図６（Ｂ）から判るように、±βを僅か２０μｍ間隔で変動させただけであるが、ビームウエストの位置変動量Δf’は大きく変動していることが分かる。
　図６（Ｂ）より得られた計算結果から、コリメートレンズ３０の調整位置±βに対して、光の波長を０．９μｍ～１．３μｍと変化させた場合のビームウエスト位置の最大の変動幅Δf（＝Δｆ’ｍａｘ（最大位置）－Δｆ’ｍｉｎ（最小位置））を求めた。この結果を図７に示す。調整位置±βが０μｍで、Δｆが最大の値を取り（最大値を取る極大点である主ピークＰ１）、マイナス方向においては、Δｆ＝０を漸近線として減少している。一方、プラス方向では、＋５０μｍにおいてΔｆが一旦極小となり（極小点Ｐ０）、＋１００μｍ付近で再びピーク（主ピークＰ１よりも小さいが２番目に大きな値を取る極大点であるサブピークＰ２）を迎え、更にプラス方向にコリメートレンズの位置を移動すると、Δｆは０に向けて減少することが確認された。Δfが最大となる点があることは予想していたが、極小となる点があることについては予想外であった。
　図７では、ビームウエストの変動幅Δfが予想外の挙動であり、調整位置±βを変動させることで、本発明の最終目的である波長依存の焦点距離差Δαがどう変動するかを調査することにした。図８に、図６と同様の条件下で、調整位置±βを変動させ、コリメートレンズ３０と集光レンズ４０の間隔Ａに対する波長依存の焦点距離差Δαの変動の計算結果を示す。コリメートレンズ３０と集光レンズ４０は、図２で示されたアクロマティックレンズと同じものを使用した。図８では、調整位置±βを、－１００μｍ、０μｍ、＋５０μｍ、＋１００μｍ、＋６２０μｍとした場合について、計算した。すなわち、図８において、グラフＧ８１０は±β＝－１００μｍの設置位置、グラフＧ８２０は±β＝０μｍの設置位置、グラフＧ８３０は±β＝＋５０μｍの設置位置、グラフＧ８４０は±β＝＋１００μｍの設置位置、グラフＧ８５０は±β＝＋６２０μｍの設置位置、それぞれにおける波長依存の焦点距離差を示す。
　±β＝＋５０μｍにおけるΔαは、間隔Ａを９００ｍｍとした場合に最小値Δα＝６μｍとなった。この値は、図２で示したアクロマティックレンズのΔα（４３μｍ）と比べて約１／７であった。装置全体の小型化したい場合には、間隔Ａを小さくする必要があり、Ａが小さな領域では、Δαが極小となる±β＝＋５０μｍの場合の方が、±β＝０μｍの場合よりも小さな値を取る領域（例えば、Ａ≧４００ｍｍ）が存在する。±β＝＋１００μｍでも、Ａの領域の選択次第では、±β＝＋５０μｍの場合よりも小さな値を取る領域（例えば、Ａ＝３００～５００ｍｍ）が存在し、有用であることが確認される。この結果は図７からは予想ができない意外なものであった。
　上記図７、図８は、他のアクロマティックレンズでの確認は行っていないが、光ファイバ２０からの出射光の位置とコリメートレンズ３０の設置位置の関係を変動させ、Δｆの変動を調査し、Δｆの極小値が確認される場合には、図８に示すような関係が得られるものと考えられる。
　（第２実施形態）
  図９は、第２実施形態に係るレーザ光源１００の概略構成図である。この第２実施形態に係るレーザ光源１００は、図１（Ｂ）に示された第１実施形態に係るレーザ光源１の構成を含み、さらに、レーザ光の出射位置すなわち単一モード光を伝搬させる光ファイバ２０の出射端面２２に設置されたピンホールマスク２６を備える。ピンホールマスク２６には、ピンホール２６０が形成されており、ピンホール２６０のサイズ（開口径）は、多色光光源１０から出射される多色光の波長成分のうち最短波長の成分に対する、光ファイバ２０のモードフィールド径と同程度か、そのモードフィールド径に比べ１割小さい。ピンホールマスク２６の厚さは、１００μｍ程度以下の極力薄い厚さの物が良い。それよりも厚いピンホールマスク２６の場合、ピンホール２６０の断面形状は、ピンホール２６０内を伝搬し回折により拡がっていく最短波長の光が遮られない様に、テーパー形状の加工が施されるのが好ましい。ピンホール２６０を通過した全波長成分の、光ファイバ２０の出射端面２２におけるビーム径は、同程度となるように設置されている。特に、多色光光源１０から出射される多色光の波長帯域が広い場合（スペクトル幅が大きい場合）、長波長側の波長成分に対するモードフィールド径は、最短波長成分に対するモードフィールド径よりも大きくなる。そのため、短波長成分に対するモードフィールド径と同程度の最大径を有するピンホール２６０を通過する際に光エネルギーがカットされ、エアリディスク（サイドローブ）が生じることがある（図１０参照）。サイドローブ領域の光パワーが全光パワーの１割を占める場合は、必要に応じて遠視野像（コリメートレンズ設置部３５と集光レンズ設置部４５の間に形成される像）において、サイドローブをカットするアパーチャーを設置する場合もある。なお、本発明は、波長それぞれに対するモードフィールド径が同一になるという条件下での発明であるが、ピンホールが無い場合は、波長に依存したモードフィールド径が存在し、そのモードフィールド径を反映した焦点距離差Δαが現れることが考えられる。
　１…レーザ光源、１０…光源、２０…光ファイバ、２５…レーザ光入射部、２６…ピンホールマスク、３０…コリメートレンズ、３５…コリメートレンズ設置部、４０…集光レンズ、４５…集光レンズ設置部、５０…位置調整部、２６０…ピンホール。

Claims (7)

  1. 　レーザ光の入射位置を設定するレーザ光入射部と、
    　前記レーザ光入射部から到達したレーザ光をコリメートするコリメートレンズであって、アクロマティックレンズで構成されたコリメートレンズと、
    　前記コリメートレンズを設置するコリメートレンズ設置部と、
    　前記レーザ光の入射位置と前記コリメートレンズの中心位置との距離を１０μｍレベル以下で位置調整可能にする位置調整部と、
    　を備えたコリメータ装置。
  2. 　スペクトル幅が数百ｎｍであるレーザ光を単一モード光として出射する光ファイバと、
    　前記光ファイバから拡光して出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズであって、アクロマティックレンズで構成されたコリメートレンズと、
    　前記コリメートレンズによりコリメートされたレーザ光を集光する集光レンズであって、アクロマティックレンズで構成された集光レンズと、
    　前記光ファイバから出射されるレーザ光の入射位置を設定するレーザ光入射部と、
    　前記コリメートレンズを固定するコリメートレンズ設置部と、を備え、
    　前記レーザ光の入射位置と前記コリメートレンズの中心位置との距離の、前記レーザ光に含まれる基準波長成分での前記コリメートレンズの焦点距離に対するずれ量で規定される調整位置と、前記レーザ光の波長成分毎に異なるビームウエスト位置の、前記コリメートレンズを介して形成される前記基準波長成分のビームウエスト位置に対する変動量の最大値と最小値の差で規定される変動幅との関係において、
    　前記変動幅が極小となる位置と、前記変動幅がサブピークとなる位置との間に前記調整位置が収まるよう、前記レーザ光の入射位置と前記コリメートレンズの中心位置との距離が調整されていることを特徴とするレーザ光源。
  3. 　前記集光レンズを固定する集光レンズ設置部を備え、
    　前記レーザ光に含まれる波長成分毎に異なる前記集光レンズの集光距離について、その集光距離の最大差が概ね最小となるよう、前記集光レンズの中心位置と前記コリメートレンズの中心位置の間隔が設定されていることを特徴とする請求項２記載のレーザ光源。
  4. 　前記レーザ光入射部と前記コリメートレンズ設置部のいずれか一方に設けられた位置調整部であって、前記レーザ光の入射位置と前記コリメートレンズの中心位置との距離を、１０μｍレベル以下で位置調整可能にする位置調整部を備えたことを特徴とする請求項２記載のレーザ光源。
  5. 　前記光ファイバのレーザ光出射端に設けられたピンホールを備えたことを特徴とする請求項２記載のレーザ光源。
  6. 　前記ピンホールの開口径は、前記レーザ光に含まれる波長成分のうち最短波長成分に対する、前記光ファイバのモードフィールド径と等しいかそれ以下であることを特徴とする請求項５記載のレーザ光源。
  7. 　前記ピンホールを規定する開口端がテーパー状に加工されていることを特徴とする請求項２記載のレーザ光源。
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